JP6580740B2 - ホットスタンピング用金型冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、ホットスタンピング用金型（ｄｉｅ）冷却装置に関し、より詳細には、金型をより均一かつ效果的に冷却させることができるホットスタンピング用金型冷却装置に関する。

通常、自動車に用いられる素材は車両の軽量化による環境規制に対応するために高強度鋼が適用された部品の比率が増加している。

このような高強度鋼板素材は低い常温成形性及び成形後寸法変形などが発生し、これは自動車ボディ部品の製造に高強度鋼の適用拡大を制限する要因となる。

最近、車両軽量化及び高強度化のためにボディ部品の製造にホットスタンピングを適用する比率が高まりつつある。

ホットスタンピングのためにスチールブランクはＡｃ３、例えば、８５０〜９５０℃の範囲で加熱される。加熱されたブランクは数秒以内にプレス金型へ移送されて成形と同時に急冷される。金型には金型の冷却のための冷却チャネルが設けられる。

ホットスタンピングは高温の鋼板を成形するので、成形性及び寸法正確度に優れる。また、ホットスタンピングによって１，５００ＭＰａ以上の引張強度を有する車両部品が得られる。

ホットスタンピング用金型の冷却チャネルに冷却水が供給される。冷却水は冷却チャネルに沿って流れながら金型の熱を奪い、次第に温度が上昇する。金型の冷却水流入部で冷却水の温度が最も低く冷却水排出部では最も高い。換言すれば、流入部の付近では冷却効率が良いが、その一方で排出部へ行くほど冷却効率が低下する。これは金型の不均一な冷却を引き起こし、結果としてホットスタンピング部品の品質低下を招く。

本発明は、上記のような問題点を解決するために創案されたものであって、金型をより均一かつ效果的に冷却させることができるホットスタンピング用金型冷却装置を提供することにその目的がある。

上記のような目的を達成するための本発明によるホットスタンピング用金型冷却装置は、液体と気体状態が共存する状態の冷媒が金型の内部に形成された冷却チャネルに沿って流れ冷媒の潜熱を利用して金型を冷却するように構成される。通常、ホットスタンピング用金型は上部金型及び下部金型を具備する。本発明による冷却装置は、上部金型及び／又は下部金型のためのものであってよい。

前記金型の冷却チャネルに流入又は供給される冷媒は二相共存条件にある又は飽和液体状態でない場合がある。冷却チャネルに供給される冷媒の温度は冷媒の蒸発温度又は沸騰点よりやや低い温度、好ましくは冷媒蒸発温度の９７〜９９．５％範囲にある場合がある。この温度条件は金型に供給される冷媒温度と金型から排出される冷媒間の温度差が小さいながらも、金型の冷却に冷媒の蒸発エンタルピー、すなわち潜熱が十分に用いられることを可能にする。本発明によれば、前記冷媒は金型の冷却チャネルを通過する時、液体と気体の二相共存領域にある場合がある。環境的な問題さえなければ、冷媒の蒸発エンタルピーは大きいほど良いであろう。

本発明によれば、前記金型から排出された冷媒の圧縮のための圧縮機が不要な場合がある。金型冷却装置の要素を循環して流れる冷媒の温度変化は極めて少ない。金型から排出される冷媒の温度は当該冷媒の蒸発温度の付近である場合があり、そのために金型に供給される冷媒の流量が制御されることができる。

一実施形態によれば、前記ホットスタンピング用金型冷却装置は、冷媒が貯蔵される貯蔵タンクと、貯蔵タンクと金型の冷却チャネル流入部の間を連結する冷媒供給ラインと、貯蔵タンクと金型の冷却チャネル排出部の間を連結する冷媒排出ラインと、を含むことができる。

また、実施形態によれば、前記ホットスタンピング用金型冷却装置は、金型の冷却チャネルに供給される冷媒の流量を調節するための流量調節部と、冷媒供給ラインに設けられ、冷媒を加熱するための加熱部と、を含むことができる。貯蔵タンクから金型の冷却ラインへの冷媒の循環のために冷媒供給ライン及び／又は冷媒排出ラインにはポンプが設けられることができる。貯蔵タンクに貯蔵された冷媒は液相の場合がある。

本発明によるホットスタンピング用金型冷却装置によれば、冷媒の潜熱を利用して金型を冷却させることによって金型の冷却チャネル内での冷媒の温度を同一に維持することができ、金型を均一に冷却できる効果を得ることができる。

また、本発明によれば、蒸発エンタルピーが大きい冷媒を利用することによって少ない流量で金型を效果的に冷却できる効果を得ることができる。

本発明の実施形態に係るホットスタンピング用金型冷却装置を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に係るホットスタンピング用金型冷却装置を概略的に示すブロック図である。

本発明の特徴らに対する理解を助けるために、以下、本発明の実施形態と関連するホットスタンピング用金型冷却装置についてさらに詳しく説明する。

以下、説明される実施形態の理解を助けるために、添付された各図面の構成要素らに参照符号を付すにあたって、同じ構成要素らに対してはたとえ異なる図面上に示されても、なるべく同じ符号を有するようにしていることに留意すべきである。

また、本発明を説明するにあたって、関連の公知構成又は機能についての具体的な説明が本発明の要旨を不明にする虞があると判断される場合はその詳細な説明は省略する。

以下、添付された図面を参照して実施形態を挙げて本発明について詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明の実施形態に係るホットスタンピング用金型冷却装置を概略的に示す図及びブロック図である。

図１及び図２を参照すると、本発明の実施形態に係る冷却装置は、加熱された成形対象、例えば、金属シート又はブランクをプレス成形するホットスタンピング用金型１０を冷却するように作られる。金型冷却装置は金型１０を冷却させ、冷却された金型１０によって対象が冷却される。一例として、金型に置かれる時の対象の温度は９００℃で、成形が完了して取り出される時の対象の温度は２００℃になる。ホットスタンピング工程で対象は９００℃から２００℃に冷却され、その温度差分の熱は金型に伝達される。

通常の金型１０用冷却媒体は水である。実施形態によるホットスタンピング用金型冷却装置は水ではなくケミカル冷媒を用いて金型１０を冷却する。

冷媒は冷媒の蒸発温度に又は蒸発温度の直下まで加熱された後、金型１０に供給されることができる。場合によっては、冷媒は液体と気体状態の二相共存状態に加熱されて金型１０に供給される場合もあるであろう。金型１０は冷媒の潜熱を利用して冷却される。冷媒は金型作動中に冷却チャネルの温度及び圧力条件で気相と液相が共存できる物質らの中から選択されることができる。例えば、冷媒はＲ−１３４ａ、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−１２３４ｙｆ、Ｒ−１２３３ｚｄなど公知された又は開発される冷媒らの中から選択されることができる。

本発明の実施形態に係る金型冷却装置は、冷媒の潜熱を利用することが、装置の冷却性能又は能力面から見て、水の顕熱エンタルピーを用いる場合に比べて優れることに基づく。金型の冷却チャネル入口で冷却水と冷媒の温度が同じで冷却チャネルに同じ流量が供給されるとした場合、潜熱が利用される冷媒の冷却性能が冷却水に比べて３〜５倍以上優れた結果を示す。

従来、水を使用して金型を冷却した場合、金型の冷却チャネルを通過して４０℃の水が５０℃に加熱されると顕熱エンタルピー差は４２ｋＪ／ｋｇ程度となる。これに比べて、４０℃で冷媒であるＲ−１３４ａの蒸発エンタルピー差は１６３ｋＪ／ｋｇで、Ｒ−２４５ｆａの蒸発エンタルピー差は１８１ｋＪ／ｋｇ、そして、Ｒ−１２３４ｙｆの蒸発エンタルピー差は１３２ｋＪ／ｋｇ程度である。すなわち、水に比べて、冷媒に蒸発エンタルピー差が３倍以上に大きく差があるので、このような冷媒を用いた場合、冷却時に用いられる冷媒の流量を減らすことができ、全体的なシステムのエネルギー消耗を低減できる。

ホットスタンピング用金型冷却装置は、液相の冷媒が貯蔵される貯蔵タンク１００と、貯蔵タンク１００と金型１０の冷却チャネル流入部１１の間を連結する冷媒供給ライン２００と、冷媒供給ライン２００に供給される冷媒の流量を調節する流量調節部１１０と、貯蔵タンク１００から金型１０に冷媒を循環させるために冷媒供給ライン２００に配置されたポンプ２１０と、冷媒を加熱するためにポンプ２１０と金型１０の間の冷媒供給ライン２００に配置された加熱部２２０と、金型１０の冷却チャネル排出部１２と貯蔵タンク１００の間を連結する冷媒排出ライン３００と、を含む。流量調節部１１０は、貯蔵タンク１００に設けられてもよいし、冷媒供給ライン２００に設けられてもよい。

冷媒供給ライン２００に具備され金型１０の冷却チャネルに流入される冷媒の温度を測定する流入冷媒温度センサ２３０と、冷媒排出ライン３００に具備され金型１０の冷却チャネルから排出される冷媒の温度を測定する排出冷媒温度センサ３１０と、流入冷媒温度センサ２３０及び排出冷媒温度センサ３１０から温度データを受信して測定された温度に対応して加熱部２２０及び流量調節部１１０を制御する制御部４００と、をさらに含む。

貯蔵タンク１００に貯蔵されている液相の冷媒を流量調節部１１０が流量を調節して冷媒供給ライン２００に供給すると、ポンプ２１０が動作して冷媒を金型１０側に供給する。冷媒が金型１０の冷却チャネルに供給される前、加熱部２２０によって冷媒が加熱される。加熱部２２０によって冷媒は蒸発温度まで、又は液体と気体状態が共存する二相状態、又は二相状態になる直前まで加熱されることができる。

金型１０の冷却チャネルは冷媒が蒸発する区間である。冷却チャネル内で、液相の冷媒は気相に相転移される。冷却チャネルを通る冷媒は金型１０から熱を伝達されるが、温度は増加しない場合がある。冷媒の潜熱を利用して金型１０が冷却される。蒸発温度に加熱された液相冷媒は蒸発し始める場合もあり、全部気相になるまでエンタルピーは増加するが温度は変わらない場合もある。

金型１０の冷却チャネルを通過する冷媒はほぼ一定の温度を維持するので、冷却チャネルのどの位置でも金型１０を均一に冷却させることができる。

金型１０の冷却チャネルを通過した冷媒は冷媒排出ライン３００を通じて貯蔵タンク１００に排出されて貯蔵される。冷媒を完全な液体状態に凝縮させるために冷媒排出ライン３００に熱交換器３２０が具備されてもよい。貯蔵タンク１００には液相の冷媒が貯蔵されることができる。

熱交換器３２０は、冷媒排出ライン３００に配置され、貯蔵タンク１００に排出される冷媒が液体になるように冷媒と熱交換する。そのために、熱交換器３２０には冷媒と熱交換する冷却水がチラー３３０を通じて供給されることができる。

制御部４００は、冷媒の潜熱を利用して金型１０を冷却できるように加熱部２２０と、流量調節部１１０と、熱交換器３２０と、を制御する。

制御部４００は、流入冷媒温度センサ２３０から金型１０の冷却チャネルに流入される冷媒の温度データを受信し、金型１０の冷却チャネルに流入される冷媒の温度が蒸発温度の９７〜９９．５％範囲内を満足するように加熱部２２０を制御できる。すなわち、蒸発温度直前まで加熱した後、金型１０の冷却チャネルに冷媒が流入されるように制御できる。図面に示していないが、より精密な温度制御のために、加熱部２２０に温度センサが具備されてもよい。この温度センサは加熱部２２０に進入する冷媒の温度を測定することができる。

蒸発温度まで又はほぼその直前まで加熱された冷媒は金型の冷却チャネルを流れながら温度変化なくエンタルピーのみが増加することができる。加熱部２２０で冷媒が過度に加熱されると、使用可能な冷媒の蒸発潜熱は減少するようになる。

冷媒を蒸発温度よりさらに加熱した状態で金型１０に供給すると金型１０から受けた熱によって冷媒が過熱ガス状態で金型１０から排出され得る。冷媒が過熱ガス状態で排出されると、これを液相の冷媒に冷却させるために多くのエネルギーが消耗される。また、加熱部２２０で冷媒を加熱するためにもエネルギーが消耗されるので、不要に重複して多くのエネルギーを消耗するようになる。

冷媒が蒸発温度以上に加熱されると、金型１０の冷却のために使用可能な蒸発エンタルピーがどれだけであるかを特定することは難しい。蒸発温度の直前温度まで加熱された冷媒を金型１０に供給し、金型１０から排出される冷媒の温度が蒸発温度程度になるように冷却装置を制御することによって、エネルギー浪費を減らし效果的に金型１０を冷却できる。

制御部４００は、金型１０の冷却チャネルに排出される冷媒の温度が蒸発温度より高ければ冷媒の供給流量を増加させるように流量調節部１１０を制御する。冷却チャネルで排出される冷媒の温度が蒸発温度より高い過熱ガス状態で排出されるということは金型冷却過程において冷媒がその蒸発エンタルピーより多くの熱エネルギーを受けたことを意味する。制御部４００は、金型１０から排出される冷媒がその蒸発温度を維持するように流量調節部１１０を制御する。

冷媒の供給流量は、金型１０で成形される対象の大きさ、対象の成形後の目標温度、さらには、工程時間に対応して設定された最小供給流量と同じ又はより多くの流量で選ばれることができる。冷媒の最小供給流量は対象を目標温度まで冷却するために冷媒が金型１０に供給されるべき最小流量であって、１回のスタンピングストロークの間、対象から金型１０に伝達される熱エネルギーを工程時間の間吸収するために必要な冷媒の流量を算出することによって得られることができる。工程時間は対象の成形に必要とする時間と対象の交替に必要な時間を含むことができる。

最小供給流量は下記式によって設定されることができる。

式中、

は最小供給流量［ｋｇ／ｓ］、Ａは成形対象の面積［m²］、Ｄは成形対象の厚さ［ｍ］、ρは成形対象の密度、Ｃ_ｐは成形対象の比熱［ｋＪ／ｋｇ℃］、ΔＴは成形対象の最初温度と最終温度の差［℃］、ｔ_１は成形対象の成形に必要とする時間［ｓ］、ｔ_２は成形対象の交替時間［ｓ］、及び、ｈ_ｆｇは冷媒の潜熱［ｋＪ／ｋｇ］である。

制御部４００は、使用される冷媒又は対象の大きさが変更されると、数式によって最小供給流量を算定し、最小限計算された最小供給流量以上に冷媒が供給されるように流量調節部１１０を制御する。

制御部４００は、熱交換器３２０に流入される冷媒の温度が蒸発温度であれば熱交換器３２０が動作するように制御し、蒸発温度より低ければ熱交換器３２０が動作しないように制御することができる。そのために、図面に示していないが、熱交換器３２０に冷媒の温度を測定する温度センサがさらに具備されてよい。

金型１０から排出された冷媒は冷媒排出ライン３００を通過しながら冷却されることができる。熱交換器３２０に流入される時、冷媒の温度が蒸発温度より低い場合、冷媒が液相の場合がある。この場合、エネルギー消耗を最小化するために熱交換器３２０は動作しない場合がある。

冷媒供給ライン２００と冷媒排出ライン３００にはこれらの流路を開閉するバルブ２４０，３４０がそれぞれ具備されることができる。これらのバルブ２４０，３４０は金型１０の交替を便利にすることができる。金型１０を交替する時、バルブ２４０，３４０を閉じて冷媒供給ライン２００及び冷媒排出ライン３００を閉鎖した後、金型１０から冷媒供給ライン２００及び冷媒排出ライン３００を脱去する。これによれば、金型１０と冷媒供給ライン２００のバルブ２４０の間に、及び、金型１０と冷媒排出ライン３００のバルブ３４０の間に、残存する冷媒のみが捨てられるので、捨てられる冷媒量の最小化が可能である。

上述の実施形態による金型冷却装置は単独で用いられてよいし、水を利用する冷却装置とともに用いられてもよい。一例として、水冷却装置で金型を全体的に冷却し、局部的に冷却がより必要な部位を冷却するために実施形態による冷却装置が用いられることができる。この場合、実施形態による熱交換器３２０に水冷却装置が連結されることができる。例として、水冷却装置の冷却水供給部が実施形態によるチラー３３０として用いられることができる。

以上、本発明は限定された実施形態と図面によって説明されたが、本発明はこれによって限定されず本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と以下記載される特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形可能であることは無論である。

Claims (5)

1. 内部に金型の冷却のための冷却チャネルが形成されたホットスタンピング用金型冷却装置であって、
   冷媒が貯蔵される貯蔵タンクと、
   前記貯蔵タンクと冷却チャネルの流入部の間を連結する冷媒供給ラインと、
   前記冷却チャネルの排出部と前記貯蔵タンクの間を連結する冷媒排出ラインと、
   前記貯蔵タンク又は前記冷媒供給ラインに設けられ、前記冷却チャネルの流入部に供給される冷媒の流量を調節する流量調節部と、
   前記冷媒供給ラインに設けられ、冷媒を加熱するための加熱部と、
   前記冷媒供給ライン又は金型の冷却チャネル流入部に設けられ、金型に供給される冷媒の温度を測定する流入冷媒温度センサと、
   前記冷媒排出ライン又は金型の冷却チャネル排出部に設けられ、金型から排出される冷媒の温度を測定する排出冷媒温度センサと、
   前記流入冷媒温度センサ及び排出冷媒温度センサから温度データを受信し、受信された温度データに対応して加熱部及び流量調節部を制御する制御部と、を含み、
   前記冷却チャネルに沿って流れる冷媒は液体と気体の二相共存状態にあり、潜熱によって金型を冷却させることができるように構成され、
   前記制御部は、前記金型の冷却チャネルに流入される冷媒の温度が蒸発温度の９７〜９９．５％範囲にあるように加熱部を制御し、
   前記金型の冷却チャネルから排出される冷媒の温度が蒸発温度より高ければ、冷却チャネルへの冷媒供給流量を増加させるように流量調節部を制御することを特徴とするホットスタンピング用金型冷却装置。
2. 前記冷媒排出ラインに設けられ、貯蔵タンクに供給される冷媒が液体になるように冷媒を冷却するための熱交換器をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のホットスタンピング用金型冷却装置。
3. 前記金型から排出された冷媒は圧縮されないことを特徴とする請求項１に記載のホットスタンピング用金型冷却装置。
4. 前記制御部は、
   成形対象の大きさ、対象の成形後の目標温度、及び工程時間に対応して設定された最小供給流量と同じ又はより多くの流量が金型の冷却ラインに供給されるように流量調節部を制御することを特徴とする請求項１に記載のホットスタンピング用金型冷却装置。
5. 前記最小供給流量は、
   下記式に基づいて設定されることを特徴とする請求項４に記載のホットスタンピング用金型冷却装置。
   式中、
   は最小供給流量［ｋｇ／ｓ］、Ａは成形対象の面積［m²］、Ｄは成形対象の厚さ［ｍ］、ρは成形対象の密度、Ｃ_ｐは成形対象の比熱［ｋＪ／ｋｇ℃］、ΔＴは成形対象の最初温度と最終温度の差［℃］、ｔ_１は成形対象の成形に必要とする時間［ｓ］、ｔ_２は成形対象の交替時間［ｓ］、及び、ｈ_ｆｇは冷媒の潜熱［ｋＪ／ｋｇ］である