TW202415934A - 用於金屬液之即時黏度量測裝置及多孔性金屬板材成形方法 - Google Patents

Abstract

一種用於金屬液之即時黏度量測裝置包括：一坩堝，用以容置有金屬液；一石墨轉子，用以伸入該坩堝內之金屬液中，並包括一圓柱部及一葉輪部，該葉輪部固定於該圓柱部下方；以及一伺服馬達及一扭力計，該伺服馬達藉由一轉軸而機械連接該扭力計及該石墨轉子；其中，該伺服馬達具有一轉速值及該扭力計具有一扭力值，根據一計算公式，將該轉速值及該扭力值換算得該金屬液之黏度。

Description

用於金屬液之即時黏度量測裝置及多孔性金屬板材成形方法

本發明是有關於一種用於金屬液之即時黏度量測裝置，且特別是有關於一種建置即時黏度量測裝置的多孔性金屬板材成形方法。

目前黏度計種類主要分為三大類：毛細管黏度計、旋轉式黏度計、震動式黏度計。舉例，該毛細管黏度計是通過測定流過毛細管中的流體流量、毛細管出口與入口間的壓力差，求得流體黏度值。該旋轉式黏度計之原理是以迴轉筒浸入要量測之液體中，當迴轉筒轉動時，黏度(扭力)所產生之阻力，進而可直接獲得黏度數值。震動式黏度計之探測器內有一個彈片，通電後該彈片產生機械振動，振幅與樣品的黏度和密度有關，已知密度可經由公式計算出黏度值。

多數黏度計用於測量自然條件下常溫液體的黏度，關於用於高溫金屬液之黏度測量儀器則相對較少，特別是高溫環境下測試高溫鋁金屬液的黏度，對儀器設備提出了更高的要求。廣泛用於高溫鋁金屬液的黏度計主要是高溫旋轉式黏度計。然而，高溫環境容易造成旋轉式黏度計之轉子的損壞，且測量黏度的準確性不佳。

專利文獻(申請號：CN105300842A)揭示一種黏度儀，包括：測試裝置，其包括測量頭、轉子、罩體和鉑金絲，測量頭和部分的鉑金絲容置於罩體內，轉子通過鉑金絲懸掛於測量頭的下方；加熱裝置，其包括爐膛、坩堝和移動平臺，待測試熔鹽承載於坩堝內，轉子浸沒在熔鹽中並與坩堝的中心同軸設置，坩堝設置於爐膛內，爐膛的頂端與罩體密封連接，爐膛的底端與移動平臺密封連接。上述專利文獻的黏度儀通過鉑金絲連接測量頭和轉子，使得轉子與坩堝之間的縫隙的尺寸可以僅為0.5~2mm，從而滿足1~50cP的黏度測試範圍。同時，上述專利文獻通過鉑金絲的長度使得加熱裝置的溫度不會對測量裝置的運轉造成影響，從而滿足測量100~1000℃之間的高溫低黏度熔鹽的黏度的要求。然而，上述專利文獻所提及之黏度儀的轉子並無解決高溫環境容易造成旋轉式黏度計之轉子損壞的問題。

因此，便有需要提供一種用於金屬液之即時黏度量測裝置能夠解決前述的問題。

本發明之一目的是提供一種用於金屬液之即時黏度量測裝置，以及一種建置即時黏度量測裝置的多孔性金屬板材成形方法。

依據上述之目的，本發明提供一種用於金屬液之即時黏度量測裝置，包括：一坩堝，用以容置有金屬液；一石墨轉子，用以伸入該坩堝內之金屬液中，並包括一圓柱部及一葉輪部，該葉輪部固定於該圓柱部下方；以及一伺服馬達及一扭力計，該伺服馬達藉由一轉軸而機械連接該扭力計及該石墨轉子；其中，該伺服馬達具有一轉速值及該扭力計具有一扭力值，根據一計算公式，將該轉速值及該扭力值換算得該金屬液之黏度。

本發明更提供一種多孔性金屬板材成形方法，包括：建置所述之用於金屬液之即時黏度量測裝置。

根據本發明之用於金屬液之即時黏度量測裝置，該金屬液之高溫環境不會造成該即時黏度量測裝置之石墨轉子的損壞。再者，該石墨轉子之葉輪部可使金屬液攪拌均勻，同時該扭力計更有效地量測扭力，進而可提高測量黏度的精度。

為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。

茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

圖1為本發明之一實施例之用於金屬液之即時黏度量測裝置的結構示意圖。圖2為本發明之即時黏度量測裝置之石墨轉子及坩堝的剖面示意圖。請參考圖1及圖2，本發明之用於金屬液2之即時黏度量測裝置1包括：伺服馬達11、扭力計12、石墨轉子14及坩堝15。該伺服馬達11及該扭力計12設置於支撐架16上方，該伺服馬達11藉由轉軸13而機械連接該扭力計12及該石墨轉子14。該坩堝15(亦可稱為保持爐)用以容置有高溫之金屬液2，例如鋁金屬液。該石墨轉子14用以伸入該坩堝15內之金屬液2中。本發明之用於金屬液2之即時黏度量測裝置1更包括：冷卻單元17，其設置於該支撐架16下方，用以降低該坩堝15內之金屬液2的熱傳導至該即時黏度量測裝置1。該冷卻單元17可為水冷式冷卻器。

該伺服馬達11帶動該石墨轉子14以一定的角速率在被測金屬液2中旋轉，由於受到該金屬液2之流體黏滯力的作用，該石墨轉子14會產生滯後現象(Hysteresis)，與該石墨轉子14連接的彈性元件(圖未示)則會在旋轉的反方向上產生一定的扭力，然後由該扭力計12感測得扭力值。

本發明之用於金屬液2之即時黏度量測裝置1更包括：伺服馬達控制器181、處理器單元182及類比數轉換器183。該伺服馬達11經由該伺服馬達控制器181而電性連接至該處理器單元182。該伺服馬達控制器181用以控制該伺服馬達11之啟動及停止，並傳送該伺服馬達11之轉速值給該處理器單元182。該扭力計12經由該類比數轉換器183而電性連接至該處理器單元182。該類比數轉換器183用以將該扭力計12之扭力值的類比訊號轉換成數位訊號，並傳送該扭力值之數位訊號給該處理器單元182。該處理器單元182接收該伺服馬達11之轉速值及該扭力計12之扭力值，並根據下列計算公式，可即時計算出該金屬液2之黏度。 計算公式如下：η＝F / (A × dv/dx) 其中：η=黏度， F=剪力， A=石墨轉子面積， dv/dx=速度梯度(相對速度)

黏度(viscosity )是指用來描述液體流動難易程度的物理量，其中 若將兩塊面積為1平方公尺 的板體浸於液體中，兩板距離為1公尺，若施加1牛頓的切應力，使兩板體之間的相對速率為1m/s，則此液體的黏度為1 Pa‧s。在本實施例中，該金屬液2為鋁金屬液，該鋁金屬液混有陶瓷粉末，其之黏度介於1~3 mPa‧s。

圖3為本發明之即時黏度量測裝置之石墨轉子的側視示意圖。圖4為本發明之石墨轉子之圓柱部的立體、上視及側視示意圖。圖5為本發明之石墨轉子之葉輪部的立體、上視及側視示意圖。請參考圖3~圖5，該石墨轉子14包括一圓柱部141及一葉輪部142，該葉輪部142固定於該圓柱部141下方。該葉輪部142及該圓柱部141可一體成型鑄造。當該葉輪部142被轉動時，可使該金屬液攪拌均勻。該葉輪部142可為扁平圓柱狀，其之長度及直徑小於該圓柱部141之長度及直徑。由於該石墨轉子14之長度H及直徑D與該石墨轉子面積(A)有對應關係，且具有直徑D之該石墨轉子及該坩堝側壁(亦即保持爐爐體)之間隙與速度梯度(dv/dx)有對應關係，因此該石墨轉子之尺寸(長度H及直徑D)會影響計算該金屬液之黏度時的精度。在本實施例中，該圓柱部141之長度H1及直徑D1分別介於250 mm±10%之間以及介於100 mm±10%之間，該葉輪部142之長度H2及直徑D2分別介於30 mm±10%之間以及介於90 mm±10%之間較適合量測混有陶瓷粉末的鋁金屬液，亦即適合量測黏度介於1~3 mPa‧s的鋁金屬液。

請再參考圖5，該葉輪部142包括多個通孔1420，其貫穿該葉輪部142之上下表面1421、1422，且等距排列環繞於該葉輪部142之圓周線1423上。該葉輪部142更包括多個半通孔1425，其只貫穿該葉輪部142之下表面1422的一部分，且等距排列環繞於該葉輪部142之圓周線1423上。該些半通孔1425可間隔排列於該些通孔1420之間。當該葉輪部142被轉動時，該通孔1420、半通孔1425可產生渦流，使金屬液攪拌均勻。

根據本發明之用於金屬液之即時黏度量測裝置，該金屬液之高溫環境不會造成該即時黏度量測裝置之石墨轉子的損壞。再者，該石墨轉子之葉輪部可使金屬液攪拌均勻，同時該扭力計更有效地量測扭力，進而可提高測量黏度的精度。

在本實施例中，該金屬液為鋁金屬液，為了解決工業與民生廢鋁罐回收鋁，本發明於回收後的鋁金屬液添加陶瓷粉末與微量合金元素，控制鋁金屬液的黏度值範圍，經由不同黏度值對發泡鋁合金的引伸長度之影響，控制發泡鋁合金板材引拔穩定性與長度。圖6a~圖6c為本發明之實施例1~3之發泡鋁合金板材的剖面圖。請參考圖6a~圖6c及表一，在本發明之實施例1~3中，鋁金屬液不同的黏度值對應於發泡鋁合金板材3不同的孔徑及孔洞體積分率，例如實施例1~3之鋁金屬液的黏度值分別約為1 mPa‧s、1.5 mPa‧s及2 mPa‧s，其對應於發泡鋁合金板材3的孔徑分別約為20 mm、30 mm及50 mm，孔洞體積分率分別約為80%、85%及90%。因此，若黏度值越大，發泡鋁合金板材3的孔徑及孔洞體積分率越大。實施例1~3中的發泡鋁合金板材3是藉由一種連續式發泡金屬板材成形方法而製造。該連續式發泡金屬板材成形方法包括：建置即時黏度量測裝置，透過黏度值簡易判斷(黏滯係數越低的流體，則流動性越佳)，便能藉由調整微量合金元素與保溫爐爐溫方式，預先調控鋁金屬液流動性，改善發泡鋁合金板材成形時完整性、提高發泡鋁合金板材孔洞均勻性。

	黏度值	孔徑	板材厚度	板材長度	孔洞體積分率
實施例1 (圖6a)	1.0 mPa‧s	20 mm	2cm	1M以內	80%
實施例2 (圖6b)	1.5 mPa‧s	30 mm	2cm	1M以上	85%
實施例3 (圖6c)	2.0 mPa‧s	50 mm	2cm	1M以上	90%

表一

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

1:即時黏度量測裝置 11:伺服馬達 12:扭力計 13:轉軸 14:石墨轉子 141:圓柱部 142:葉輪部 1420:通孔 1421:上表面 1422:下表面 1423:圓周線 1425:半通孔 15:坩堝 16:支撐架 17:冷卻單元 181:伺服馬達控制器 182:處理器單元 183:類比數轉換器 2:金屬液 3:發泡鋁合金板材 D:直徑 D1:直徑 D2:直徑 H:長度 H1:長度 H2:長度

圖1為本發明之一實施例之用於金屬液之即時黏度量測裝置的結構示意圖。 圖2為本發明之即時黏度量測裝置之石墨轉子及坩堝的剖面示意圖。 圖3為本發明之即時黏度量測裝置之石墨轉子的側視示意圖。 圖4為本發明之石墨轉子之圓柱部的立體、上視及側視示意圖。 圖5為本發明之石墨轉子之葉輪部的立體、上視及側視示意圖。 圖6a~圖6c為本發明之實施例1~3之發泡鋁合金板材的剖面圖。

14:石墨轉子

15:坩堝

2:金屬液

D:直徑

H:長度

Claims (10)

1. 一種用於金屬液之即時黏度量測裝置，包括： 一坩堝，用以容置有金屬液； 一石墨轉子，用以伸入該坩堝內之金屬液中，並包括一圓柱部及一葉輪部，該葉輪部固定於該圓柱部下方；以及 一伺服馬達及一扭力計，該伺服馬達藉由一轉軸而機械連接該扭力計及該石墨轉子； 其中，該伺服馬達具有一轉速值及該扭力計具有一扭力值，根據一計算公式，將該轉速值及該扭力值換算得該金屬液之黏度。
2. 如請求項1所述之用於金屬液之即時黏度量測裝置，其中該葉輪部為扁平圓柱狀，其之長度及直徑小於該圓柱部之長度及直徑。
3. 如請求項2所述之用於金屬液之即時黏度量測裝置，其中該葉輪部包括多個通孔，其貫穿該葉輪部之上下表面，且等距排列環繞於該葉輪部之圓周線上。
4. 如請求項3所述之用於金屬液之即時黏度量測裝置，其中該葉輪部更包括多個半通孔，其只貫穿該葉輪部之下表面的一部分，且等距排列環繞於該葉輪部之圓周線上。
5. 如請求項1所述之用於金屬液之即時黏度量測裝置，更包括：一冷卻單元，其設置於該支撐架下方。
6. 如請求項1所述之用於金屬液之即時黏度量測裝置，更包括：一伺服馬達控制器、一處理器單元及一類比數轉換器，其中該伺服馬達經由該伺服馬達控制器而電性連接至該處理器單元，且該伺服馬達控制器用以控制該伺服馬達之啟動及停止，並傳送該伺服馬達之轉速值給該處理器單元；以及，該扭力計經由該類比數轉換器而電性連接至該處理器單元，且該類比數轉換器用以將該扭力計之扭力值的類比訊號轉換成數位訊號，並傳送該扭力值之數位訊號給該處理器單元。
7. 如請求項6所述之用於金屬液之即時黏度量測裝置，其中該處理器單元接收該伺服馬達之轉速值及該扭力計之扭力值，並根據一計算公式，即時計算出該金屬液之黏度。
8. 如請求項8所述之用於金屬液之即時黏度量測裝置，其中該石墨轉子之圓柱部之長度及直徑分別介於250 mm±10%之間以及介於100 mm±10%之間，且該石墨轉子之葉輪部之長度及直徑分別介於30 mm±10%之間以及介於90 mm±10%之間。
9. 一種多孔性金屬板材成形方法，包括：建置如請求項1~9之任一項所述之用於金屬液之即時黏度量測裝置。
10. 如請求項9所述之多孔性金屬板材成形方法，其中該金屬液為鋁金屬液，該鋁金屬液混有陶瓷粉末，其之黏度介於1~3 mPa‧s。