冷却用治具の冷却回路構造
【課題】鋳造品の製造コストの高騰を抑制できるとともに、環境負荷を低減できる冷却用部材の冷却回路構造を提供する。
【解決手段】傾斜面上に溶湯１４を流動させて得られた半凝固スラリーをキャビティ８０に充填し、該半凝固スラリーを固化して鋳造品を得るにあたり、前記傾斜面を介して溶湯１４を冷却する冷却用治具１８の冷却回路構造であって、溶湯１４の出湯側から注湯側にわたって冷却能力が次第に高くなるように冷却回路を設けている。
【解決手段】傾斜面上に溶湯１４を流動させて得られた半凝固スラリーをキャビティ８０に充填し、該半凝固スラリーを固化して鋳造品を得るにあたり、前記傾斜面を介して溶湯１４を冷却する冷却用治具１８の冷却回路構造であって、溶湯１４の出湯側から注湯側にわたって冷却能力が次第に高くなるように冷却回路を設けている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、傾斜面上に溶湯を流動させて得られた半凝固スラリーをキャビティに充填し、該半凝固スラリーを固化して鋳造品を得るにあたり、前記傾斜面を介して前記溶湯を冷却する冷却用治具の冷却回路構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な鋳造においては、液相である高温の溶湯が金型に形成されたキャビティに充填されるが、近時、溶湯に代替し、固相と液相が共存した半凝固スラリーを用いることも行われている。例えば、冷却用治具に溶湯を接触させながら流動させ、この流動の間に前記溶湯を冷却して固相を生じさせる。
【０００３】
特許文献１には、冷却用治具の注湯側を冷却部により冷却するとともに、該冷却用治具の出湯側を加熱部により加熱することで、溶湯の温度を調節する冷却用治具が開示されている。これにより、溶湯の温度を任意に制御が可能であり、所望の半凝固スラリーを得ることができる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２８５８０５号公報（［００１０］参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の冷却用治具では、その加熱制御を適切に行うためには、操業時にヒータを常時オンの状態にしなければならない。すなわち、過度に冷却された溶湯を加熱するという本来の目的を達成するために、余計な電力を消費し、あるいは二酸化炭素の排出量が増加することになる。その結果、製造コストの高騰や環境負荷の増大という不都合が生じる。
【０００６】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、鋳造品の製造コストの高騰を抑制できるとともに、環境負荷を低減できる冷却用部材の冷却回路構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、傾斜面上に溶湯を流動させて得られた半凝固スラリーをキャビティに充填し、該半凝固スラリーを固化して鋳造品を得るにあたり、前記傾斜面を介して前記溶湯を冷却する冷却用治具の冷却回路構造に関する。
【０００８】
そして、前記溶湯の出湯側から注湯側にわたって冷却能力が次第に高くなるように冷却回路を設けていることを特徴とする。
【０００９】
このように、出湯側から注湯側にわたって冷却能力を次第に高くしたので、冷却用治具への入熱量に応じた冷却処理を行うことができる。すなわち、冷却用治具の傾斜面上に溶湯を流動させる際、その入熱量が相対的に高い注湯側に対して強く冷却し、その入熱量が相対的に低い出湯側に対して弱く冷却することができる。そうすると、溶湯の流動後であっても冷却用治具の傾斜面上における温度分布を一定に保持可能であり、該冷却用治具を加熱する機構を別途設ける必要がない。これにより、余計な電力の消費や二酸化炭素の排出を削減可能であり、鋳造品の製造コストの高騰を抑制できるとともに、環境負荷を低減できる。
【００１０】
また、前記注湯側の冷却回路を前記出湯側の冷却回路よりも密に配置し、又は前記注湯側の冷却回路を前記出湯側の冷却回路よりも断面積を大きくすることが好ましい。これにより、冷却用治具の傾斜面上における温度分布を安定化させるための、冷却回路の最適化設計が容易となる。
【００１１】
さらに、前記注湯側の冷却回路と前記出湯側の冷却回路とを独立に設けていることが好ましい。これにより、冷却用治具の傾斜面上における温度分布を安定化させるための、冷却制御の最適化が容易となる。
【００１２】
さらにまた、前記冷却回路は冷媒を繰り返し流動させる循環構造を有しており、その内部を負圧にすることが好ましい。これにより、冷却回路から外部に通じるクラックが発生した場合であっても冷媒の噴出を防止可能であり、該冷媒と流動する溶湯との接触を回避できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る冷却用治具の冷却回路構造によれば、傾斜面上に溶湯を流動させて得られた半凝固スラリーをキャビティに充填し、該半凝固スラリーを固化して鋳造品を得るにあたり、前記傾斜面を介して前記溶湯を冷却するものであって、前記溶湯の出湯側から注湯側にわたって冷却能力が次第に高くなるように冷却回路を設けているので、冷却用治具の傾斜面上に溶湯を流動させる際、その入熱量が相対的に高い注湯側に対して強く冷却し、その入熱量が相対的に低い出湯側に対して弱く冷却することができる。そうすると、溶湯の流動後であっても冷却用治具の傾斜面上における温度均一性を保持可能であり、該冷却用治具を加熱する機構を別途設ける必要がない。これにより、余計な電力の消費や二酸化炭素の排出を削減可能であり、鋳造品の製造コストの高騰を抑制できるとともに、環境負荷を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る冷却用治具が組み込まれた鋳造装置のブロック図である。
【図２】図１に示す冷却用治具の平面図である。
【図３】図３Ａは、図２に示す冷却用治具のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線に沿う拡大断面図である。図３Ｂは、図２に示す冷却用治具のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿う拡大断面図である。
【図４】図４Ａは、本発明の第２の実施形態に係る冷却用治具の平面図である。図４Ｂは、図４Ａに示す冷却用治具のＩＶＢ−ＩＶＢ線に沿う拡大断面図である。図４Ｃは、図４Ａに示す冷却用治具のＩＶＣ−ＩＶＣ線に沿う拡大断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る冷却用治具の一部省略分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る冷却用治具の冷却回路構造について、その冷却用治具が組み込まれた鋳造装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る冷却用治具１８が組み込まれた鋳造装置１０のブロック図である。この鋳造装置１０は、ラドル１２から流下された溶湯１４をプランジャスリーブ１６（射出スリーブ）まで案内する冷却用治具１８と、前記プランジャスリーブ１６内を往復動作するプランジャ２０（射出機構）と、前記プランジャスリーブ１６が設けられた固定金型２２と、図示しない駆動機構の作用下に前記固定金型２２に対して接近又は離間自在な可動金型２４とを有する。
【００１７】
図１及び図２に示すように、長尺物として構成された冷却用治具１８は、溶湯１４を所定の流動速度でプランジャスリーブ１６に導くべく、鉛直方向に対して所定の角度で傾斜している。勿論、冷却用治具１８の起点である注湯側端部２６はラドル１２に近接し（図１参照）、一方、終点である出湯側端部２８は、プランジャスリーブ１６の天井部に形成された注湯口３０に臨む（図１及び図２参照）。
【００１８】
図２に示すように、冷却用治具１８は、底部３２と、該底部３２の各側方端部に屈曲して連なる第１側部３４、第２側部３６とを有する。これら底部３２、第１側部３４及び第２側部３６に囲繞された空間が、流動溝３８（図１、図３Ａ及び図３Ｂ参照）として機能する。また、第１側部３４及び第２側部３６が存在することにより、冷却用治具１８の側方から溶湯１４（ないし半凝固スラリー）が溢流・落下することが防止される。
【００１９】
冷却用治具１８の内部には、破線で示す中空状の冷却回路４０が形成されている。冷却回路４０は、第１通路４２、第２通路４４、複数の連通路４６、及び複数の堰止部材４８から基本的に構成される。
【００２０】
断面が円形状である第１通路４２は、第１側部３４の中央上方部に、溶湯１４の流動方向に延在して設けられている。断面が円形状である第２通路４４は、第２側部３６の中央上方部に、溶湯１４の流動方向に延在して設けられている。第１通路４２及び第２通路４４は、略同径であり、且つ、底部３２に対して互いに平行に同じ高さに設けられている（図３Ａ参照）。複数の連通路４６は、ＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿った冷却用治具１８の断面形状と同様に、それぞれＵ字形に屈曲して設けられている（図３Ｂ参照）。
【００２１】
図２に戻って、各連通路４６は、第１通路４２及び第２通路４４にそれぞれ垂直に交叉している。これにより、各連通路４６を介して、第１通路４２と第２通路４４とが連通されている。なお、隣接する連通路４６同士の離間距離は、注湯側端部２６から出湯側端部２８にかけて徐々に拡開されている。
【００２２】
なお、冷却回路４０を構成する各通路（第１通路４２、第２通路４４、又は複数の連通路４６）の断面形状は円形に限られることなく、例えば、楕円形、三角形、矩形、その他多角形であってもよい。また、通路毎に異なる断面形状を有していてもよい。
【００２３】
複数の堰止部材４８は、第１通路４２又は第２通路４４内の所定の位置に設けられており、冷媒としての冷却水５０が所定の空間内に流入することを阻止する。
【００２４】
第１側部３４には、注湯側端部２６の近傍に円形状の連通孔５１が設けられており、該連通孔５１を介して、冷却回路４０は冷却用治具１８の外部に連通している。また、連通孔５１には連結部材５２が係合されており、冷却用治具１８は、該連結部材５２を介して円筒状の流入管５４と連結されている。
【００２５】
同様に、第２側部３６には、出湯側端部２８の近傍に円形状の連通孔５５が設けられており、該連通孔５５を介して、冷却回路４０は冷却用治具１８の外部に連通している。また、連通孔５５には連結部材５６が係合されており、冷却用治具１８は、該連結部材５６を介して円筒状の流出管５８と連結されている。
【００２６】
図１に示すように、流入管５４を介して、冷却水５０を冷却用治具１８側に供給する負圧水供給装置６０が設けられている。流入管５４の負圧水供給装置６０側には、冷却水５０の流量の調整が自在である負圧水供給弁６２が設けられている。さらにその下流側（冷却用治具１８側）には、冷却水５０の流量を測定する第１流量計６４が設けられている。さらにまた、負圧水供給弁６２と第１流量計６４との間には、空気を供給するための配管６５と、該配管６５からの空気の供給量を調整自在である空気供給弁６６とが設けられている。なお、図示しない制御部は、負圧水供給弁６２又は空気供給弁６６の開度を自在に駆動制御できる。
【００２７】
一方、流入管５４のみならず、流出管５８を介しても、冷却用治具１８と負圧水供給装置６０とが接続されている。流出管５８の負圧水供給装置６０側には、冷却水５０の流量を測定する第２流量計６８が設けられている。
【００２８】
プランジャスリーブ１６は略円筒体であり、上記したように、その天井部に注湯口３０が形成される。このプランジャスリーブ１６内に配設されたプランジャ２０は、図示しない油圧シリンダにロッド７０を介して連結されており、従って、前記油圧シリンダの作用下に往復動作することが可能である。
【００２９】
また、プランジャスリーブ１６は、固定金型２２側に半凝固スラリーを導くように、水平方向に延在して形成されている。そして、プランジャスリーブ１６と固定金型２２の間には、連結盤７２が介在する。
【００３０】
固定金型２２における可動金型２４に臨む側の端面には凹部７６が陥没形成され、一方、可動金型２４における固定金型２２に臨む側の端面には、前記凹部７６に対応する位置に、凸部７８が突出形成される。凸部７８の突出高さは、凹部７６の陥没深さに比して若干小さく、このため、凹部７６の底面と凸部７８の頂面の間にはクリアランスが形成される。このクリアランスが、キャビティ８０となる。
【００３１】
なお、ランナ８２は、固定金型２２と可動金型２４の合わせ面近傍において、キャビティ８０に向かって略垂直に立ち上がっている。従って、半凝固スラリーは、ランナ８２に導かれてキャビティ８０に到達する。
【００３２】
本実施の形態に係る冷却用治具１８は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作及び作用効果につき、鋳造装置１０との関係で説明する。
【００３３】
図１に示すように、鋳造作業に先んじて、冷却用治具１８の流動溝３８をなす底部３２、第１側部３４及び第２側部３６（図２参照）の各内側壁に離型材が塗布される。その後、ラドル１２が傾斜され、これにより、該ラドル１２に予め貯留された金属、例えば、アルミニウム合金の溶湯１４が冷却用治具１８の注湯側端部２６の流動溝３８に流下される。
【００３４】
流下した溶湯１４は、流動溝３８に沿って、傾斜した冷却用治具１８の出湯側端部２８に向かって流動する。この過程で、冷却用治具１８によって熱が奪取され、その結果、一部が固相となる。すなわち、溶湯１４は、冷却用治具１８に案内される最中に、固相及び液相が共存する半凝固スラリーに徐々に変態する。
【００３５】
ここで、溶湯１４を十分に冷却できない場合又は過剰に冷却する場合は、所望の半凝固スラリーを得ることができず、その結果、引け欠陥やガス欠陥等に起因する鋳造品の品質不良が発生する。このような不具合が惹起されることを回避するべく、本実施の形態において、溶湯１４の適切な冷却処理を行う。
【００３６】
負圧水供給装置６０は、流入管５４を介して冷却水５０を供給する。図示しない制御部は、第１流量計６４の測定値等の制御信号に基づいて冷却水５０の流量を決定する。そして、負圧水供給装置６０は、負圧水供給弁６２の開閉制御に伴って所望の流量だけ冷却水５０を供給する。適切な流量だけ供給された冷却水５０は、流入管５４、連結部材５２、及び連通孔５１（図２参照）を介して冷却用治具１８の内部に流入される。
【００３７】
図２に示すように、冷却水５０（図３参照）は、冷却回路４０内を所定の経路に従って流動する。連通孔５１を通過した冷却水５０は、堰止部材４８により第１通路４２への流入が阻止されるので、連通路４６側に向けて流動する。このとき、第１側部３４、底部３２、第２側部３６の方向に沿って、Ｕ字形に流動する（図３Ｂ参照）。
【００３８】
その後、冷却水５０は、堰止部材４８により流入が阻止される位置まで第２通路４４を流動する。そして、冷却水５０は、堰止部材４８により直進流入が阻止されるので、次は連通路４６側に向けて流動する。このとき、第１側部３４、底部３２、第２側部３６の方向に沿って、Ｕ字形に流動する（図３Ｂ参照）。
【００３９】
以下同様にして、冷却水５０は、第１通路４２、連通路４６、第２通路４４、連通路４６、‥‥の方向に沿って、冷却回路４０内を蛇行しながら流動する。この冷却水５０の流動過程の中で、底部３２、第１側部３４及び第２側部３６の各内壁に接触する溶湯１４からの発熱を奪い、溶湯１４を冷却する。
【００４０】
ここで、冷却回路４０に設けられている単一の冷却回路４０のうち、注湯側の連通路４６の方が出湯側の連通路４６よりも密に配置されている。換言すれば、溶湯１４の出湯側から注湯側にわたって冷却能力が次第に高くなるように冷却回路４０を設けている。
【００４１】
このように構成しているので、冷却用治具１８への入熱量に応じた冷却処理を行うことができる。すなわち、冷却用治具１８の傾斜面上に溶湯を流動させる際、その入熱量が相対的に高い注湯側に対して強く冷却し、その入熱量が相対的に低い出湯側に対して弱く冷却することができる。そうすると、溶湯１４の流動後であっても冷却用治具１８の傾斜面上における温度分布を一定に保持可能である。
【００４２】
また、溶湯１４の流動方向（冷却用治具１８の長尺方向）に対して冷却回路４０の配置密度を変えることで、冷却用治具１８の傾斜面上における温度分布を安定化させるための、冷却回路の最適化設計が容易となる。
【００４３】
冷却水５０は、冷却回路４０内を所定の経路に従って流動した後に、連通孔５５に到達する。その後、冷却水５０は、連通孔５５、連結部材５６、及び流出管５８を介して、冷却用治具１８の外部に流出される。
【００４４】
図１に示すように、流出された冷却水５０は、流出管５８、第２流量計６８を介して、負圧水供給装置６０に戻る。このように、冷却水５０を循環させることにより、溶湯１４の冷却処理が行われる。
【００４５】
ところで、注湯側端部２６から出湯側端部２８にかけての冷却回路４０の配置密度の決定（いわゆる詳細設計）をする前に、冷却回路４０の基本設計を行う必要がある。この手順について、以下詳細に説明する。
【００４６】
先ず、冷却用治具１８の外形を決定する。具体的には、鋳造装置１０に組み込まれる際の配置上・寸法上の制約を見極めた上で、その外形を決定する。
【００４７】
次いで、冷却処理能力の要求仕様を決定し、その仕様を実現するための構成を検討する。発熱量に影響する各種変数として、サイクルタイム（単位時間当たりの溶湯の供給量）、溶湯１４の重量、比熱や凝固潜熱等が挙げられる。冷却能力に影響する各種変数として、冷却用治具１８の材質、肉厚、冷却回路４０の形状（断面積、長さ）が挙げられる。
【００４８】
ここで、上記各変数に基づいて、最低限必要とされる冷却回路４０の長さを見積もる方法について説明する。具体的には、冷却用治具１８に供給される単位時間当たりの熱量と、冷却用治具１８から奪われる単位時間当たりの熱量とのバランスを試算する。
【００４９】
溶湯１４からの入熱量ｑ0は、次の（１）式で算出される。
ｑ0＝ＮＷ｛ｃ（Ｔin−Ｔout）＋Ｈ1｝ …（１）
【００５０】
ここで、Ｎ［ｓｈｏｔ／ｈ］は単位時間当りのショット数、Ｗ［ｋｇ／ｓｈｏｔ］は１ショット当たりの溶湯１４の重量、Ｔin［Ｋ］は注湯時の溶湯１４の温度、Ｔout［Ｋ］は出湯時の溶湯１４の温度、ｃ［ｋＪ／（Ｋ・ｋｇ）］は平均比熱、Ｈ1［ｋＪ／ｋｇ］は凝固潜熱である。
【００５１】
冷却用治具１８上に停滞した凝固金属片からの入熱量ｑaは、次の（２）式で算出される。
ｑ0＝ＮＷ｛ｃ（Ｔin−Ｔsol）＋Ｈ2｝ …（２）
【００５２】
ここで、Ｔsol［Ｋ］は凝固金属片の温度、Ｈ2［ｋＪ／ｋｇ］は凝固金属片の凝固潜熱である。なお、Ｎ、Ｗ、ｃ及びＴinは、式（１）と同じ定義である。
【００５３】
大気による自然放熱量ｑnは、次の（３）式の関係を満たすものと仮定する。他の熱量と比べて無視できる程度に微小量であると考えてもよいからである。
ｑn≒０ …（３）
【００５４】
冷却回路４０の冷却能力ｑmは、次の（４）式で算出される。
ｑm＝ａπｄＬ …（４）
【００５５】
ここで、ａ［ｋＪｍ2／ｈ］は冷却回路４０中を流動する冷却水５０の冷却能力、πは円周率、ｄ［ｍ］は冷却回路４０の径、Ｌ［ｍ］は冷却回路４０の長さである。
【００５６】
単位時間当たりの総発熱量（ｑ0＋ｑa）［ｋＪ／ｈ］と、単位時間当たりの総放熱量（ｑn＋ｑm）［ｋＪ／ｈ］との関係が（５）式の関係を満たすように、
ｑ0＋ｑa≦ｑn＋ｑm …（５）
すなわち、冷却回路４０の長さＬが、
Ｌ≧ＮＷ｛ｃ（２Ｔin−Ｔout−Ｔsol）＋Ｈ1＋Ｈ2｝／ａπｄ …（６）
を満たすように決定すればよい。その後は、冷却用治具１８の内部に長さＬの冷却回路４０を収容可能であるか否かについて検討すればよい。
【００５７】
また、鋳造装置１０を円滑且つ安全に連続操業するために、種々の制御機能を設けることができる。
【００５８】
例えば、冷却回路４０の外壁に、冷却用治具１８の外部に通じるクラックが生じた場合を想定する。正圧下で冷却水５０を供給するときは、大気との圧力差によって、冷却回路４０内の冷却水５０がクラックを介して噴出する場合がある。そうすると、噴出した冷却水５０が溶湯１４と接触し、水蒸気爆発のおそれがある。
【００５９】
本実施の形態では、負圧水供給装置６０を用いているので、クラックが生じても冷却水５０の噴出を回避することができる。
【００６０】
また、チョコ停等の発生により注湯間隔が空く場合は、過度の冷却を防止することが好ましい。なお、「チョコ停」とは、設備が自動運転中に突然停止する故障のうち、オペレータが容易に復帰させることが可能な故障である。
【００６１】
このとき、図示しない制御部は、負圧水供給弁６２の開度を調整することで、冷却水５０の流量を下げる制御を行う。これにより、冷却回路４０全体の冷却能力を下げることが可能であり、過度の冷却の発生を事前に予防することができる。
【００６２】
また、図示しない制御部は、空気供給弁６６の開度を調整することで、配管６５を介して供給された空気を冷却回路４０内に充満させ、冷却水５０を一時的に退避させる（エアパージ）。これにより、抜熱を抑制し、過度の冷却を未然に防止することができる。
【００６３】
さらに、冷却用治具１８の所定の部位の温度や冷却時間を計測しておき、一定量の抜熱が完了したものと判断したときに、冷却回路４０による冷却処理を弱く設定し、又は冷却処理自体を停止することができる。
【００６４】
大部分の半凝固スラリーは、流動溝３８に導かれてプランジャスリーブ１６の注湯口３０から該プランジャスリーブ１６の内部に移送される。勿論、このときには、プランジャ２０は最大に後退している。
【００６５】
所定量の半凝固スラリーがプランジャスリーブ１６の内部に導入された後、前記油圧シリンダが駆動され、プランジャ２０が前進動作する。その結果、プランジャスリーブ１６内の半凝固スラリーが押圧され、ランナ８２を通過してキャビティ８０に充填される。
【００６６】
その後、キャビティ８０にて溶湯１４が冷却固化され、これにより鋳造品が得られるに至る。この鋳造品は、いわゆる型開きが行われることによって、キャビティ８０から取り出される。
【００６７】
このように、冷却用治具１８にヒータ等の加熱手段を設ける必要がないため、鋳造装置１０の操業時に消費する電力量を節約できるとともに、二酸化炭素の排出量を削減できる。また、冷却用治具１８の小型化が可能であるから、流動溝３８上に、残留する凝固物（凝固金属片）の総量が削減でき、歩留まりが改善される。さらに、冷却用治具１８の小型化により、凝固金属片のサイズが相対的に小さくなることで、その除去が容易となる。これらにより、鋳造物の製造コストを一層削減できる。
【００６８】
次いで、第２の実施形態に係る冷却用治具１８について、図４Ａ〜図４Ｃを参照しながら説明する。
【００６９】
なお、以下の実施形態においては、第１の実施形態と同様の構成要素について同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００７０】
図４Ａに示すように、冷却用治具１８の冷却回路機構は、第１冷却回路１００、第２冷却回路１０２、第１流入管１０４、第１流出管１０６、第２流入管１０８、及び第２流出管１１０から構成される。
【００７１】
破線で示す中空状の第１冷却回路１００は、溶湯１４の注湯側半分に収まるよう冷却用治具１８の内部に形成されており、通路１１２ａ〜１１２ｈから構成される。
【００７２】
すなわち、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第１流入管１０４と第１流出管１０６とは、通路１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ、１１２ｅ、１１２ｆ、１１２ｇ、１１２ｈを介して連通されている。ここで、通路１１２ａ、１１２ｃ、１１２ｅ、１１２ｇは、冷却用治具１８の中央部から注湯側端部２６に向かって設けられている冷媒の通路である。一方、通路１１２ｂ、１１２ｄ、１１２ｆ、１１２ｈは、注湯側端部２６から冷却用治具１８の中央部に向かって設けられている冷媒の通路である。
【００７３】
破線で示す中空状の第２冷却回路１０２は、溶湯１４の出湯側半分に収まるよう冷却用治具１８の内部に形成されており、通路１１４ａ〜１１４ｈから構成される。
【００７４】
すなわち、図４Ａ及び図４Ｃに示すように、第２流入管１０８と第２流出管１１０とは、通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ、１１４ｅ、１１４ｆ、１１４ｇ、１１４ｈを介して連通されている。ここで、通路１１４ａ、１１４ｃ、１１４ｅ、１１４ｇは、出湯側端部２８から冷却用治具１８の中央部に向かって設けられている冷媒の通路である。一方、通路１１４ｂ、１１４ｄ、１１４ｆ、１１４ｈは、冷却用治具１８の中央部から出湯側端部２８に向かって設けられている冷媒の通路である。
【００７５】
通路１１２ａ〜１１２ｈ及び通路１１４ａ〜１１４ｈの断面はいずれも円形状であり、通路１１２ａ〜１１２ｈの直径は通路１１４ａ〜１１４ｈの直径よりも大きく設けられている。
【００７６】
ここで、冷却用治具１８の内部に並設されている２つの冷却回路（第１冷却回路１００、第２冷却回路１０２）のうち、注湯側の通路１１２ａ〜１１２ｈの方が出湯側の通路１１４ａ〜１１４ｈよりも直径（断面積）が大きく構成されている。換言すれば、溶湯１４の出湯側から注湯側にわたって冷却能力が次第に高くなるように２つの冷却回路を設けている。
【００７７】
このように構成しているので、上述した第１の実施形態の場合と同様に、冷却用治具１８への入熱量に応じた冷却処理を行うことができる。
【００７８】
なお、冷却用治具１８の部位毎に冷却能力を異ならせる手段は、第１冷却回路１００、第２冷却回路１０２の直径（断面積）を大小に設けることに限られない。例えば、単一の冷却回路であっても、注湯側端部２６から出湯側端部２８にかけて徐々に拡径するように設けてもよい。また、冷媒の熱伝達効率に着目して、冷却回路の部位毎に冷却能力を異ならせてもよい。すなわち、第２冷却回路１０２側には熱伝達効率の高い材質からなる冷媒を流動させることができる。さらに、冷却回路の分割数は２つに限られず、３つ以上の冷却回路を設けてもよい。さらに、冷却用治具１８の温度によりも高い温度の流動媒体を流すことにより、冷却用治具１８の予熱を行うこともできる。
【００７９】
次いで、第３の実施形態に係る冷却用治具１８について、図５を参照しながら説明する。
【００８０】
図５に示すように、冷却用治具１８の冷却回路機構は、本体１２０、回路部１２２、流入管５４、及び流出管５８から構成される。本体１２０は、外観上、図１〜図３に示す冷却用治具１８と略同形状を有しているが、その内部に冷却回路４０（図２参照）を有さない点が第１の実施形態と異なる。本体１２０の底部３２は、平坦な裏面１２４を有しており、４つの孔１２６、１２８、１３０、１３２が設けられている。
【００８１】
直方体の形状を有する回路部１２２は、その表面１３４に蛇行した回路溝１３６が設けられている。回路溝１３６のうちの短手方向に延在する溝（図５では、１１本）の配設間隔は、連通孔５１側（注湯側端部２６）から連通孔５５側（出湯側端部２８）にかけて徐々に拡開されている。
【００８２】
本体１２０の裏面１２４と、回路部１２２の表面１３４とが対面するように取り付けることにより、冷却用治具１８を形成することができる。
【００８３】
このように構成しているので、冷却回路を形成する際には回路部１２２の表面１３４に回路溝１３６を設ければよいため、技術的に比較的容易な加工作業により冷却回路を形成可能である。その結果、冷却用治具１８の製造コストを抑えることができる。特に、冷却用治具１８の冷却効率や復温能力を向上する等を目的として、複雑な冷却回路を作製する場合において効果的である。
【００８４】
次いで、第４の実施形態に係る冷却用治具１８について説明する。
【００８５】
冷却用治具１８の冷却手段としてヒートパイプを用いてもよい。このとき、溶湯１４の注湯側であって入熱量が大きい部位には、効率的な冷却を行えるようにする。例えば、作動液のドライアウトを防止するために、平板又は蛇行型のヒートパイプをループ構造にして、熱輸送量を向上させる。一方、溶湯１４の出湯側であって入熱量が比較的小さい部位には、注湯側よりも抜熱表面積を小さくする。例えば、管型のヒートパイプを蛇行型に設置し、必要に応じてループ構造にする。
【００８６】
あるいは、第１の実施形態の場合と同様に、ヒートパイプの配置密度を異ならせてもよいことはいうまでもない。
【００８７】
なお、ヒートパイプの材質は、耐熱性の観点から、銅若しくは鉄の合金を用いることが好ましい。また、液漏れの際に溶湯１４との接触事故を回避することができるので、作動液は水以外の液体を使用することが好ましい。さらに、水平設置やトップヒート設置にすると、ヒートパイプの伝熱性能は著しく低下する。かかる場合、ポンプ等により作動液を循環させることが好ましい。
【００８８】
次いで、第５の実施形態に係る冷却用治具１８について説明する。
【００８９】
冷却用治具１８の冷却手段としてヒートシンクを用いてもよい。このとき、第１の実施形態の場合と同様に、ヒートパイプの配置密度を異ならせて設ける。すなわち、溶湯１４の注湯側であって入熱量が大きい部位にはヒートシンクを密に配置し、溶湯１４の出湯側であって入熱量が比較的小さい部位にはヒートシンクを疎に配置する。冷却用治具１８への入熱量に応じた冷却処理を行うことができる。
【００９０】
また、ヒートパイプを搭載したヒートシンクを用いれば冷却効率を向上できるし、ヒートシンクに空気を吹き付けることで冷却効率をさらに向上できる。
【００９１】
なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
【符号の説明】
【００９２】
１０…鋳造装置 １４…溶湯
１８…冷却用治具 ３２…底部
３４…第１側部 ３６…第２側部
４０…冷却回路 ４２…第１通路
４４…第２通路 ４６…連通路
４８…堰止部材 ５０…冷却水
５４…流入管 ５８…流出管
６０…負圧水供給装置 ６６…空気供給弁
１００…第１冷却回路 １０２…第２冷却回路
１１２ａ〜１１２ｈ、１１４ａ〜１１４ｈ…通路
１２０…本体 １２２…回路部
１３６…回路溝
【技術分野】
【０００１】
この発明は、傾斜面上に溶湯を流動させて得られた半凝固スラリーをキャビティに充填し、該半凝固スラリーを固化して鋳造品を得るにあたり、前記傾斜面を介して前記溶湯を冷却する冷却用治具の冷却回路構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な鋳造においては、液相である高温の溶湯が金型に形成されたキャビティに充填されるが、近時、溶湯に代替し、固相と液相が共存した半凝固スラリーを用いることも行われている。例えば、冷却用治具に溶湯を接触させながら流動させ、この流動の間に前記溶湯を冷却して固相を生じさせる。
【０００３】
特許文献１には、冷却用治具の注湯側を冷却部により冷却するとともに、該冷却用治具の出湯側を加熱部により加熱することで、溶湯の温度を調節する冷却用治具が開示されている。これにより、溶湯の温度を任意に制御が可能であり、所望の半凝固スラリーを得ることができる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２８５８０５号公報（［００１０］参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の冷却用治具では、その加熱制御を適切に行うためには、操業時にヒータを常時オンの状態にしなければならない。すなわち、過度に冷却された溶湯を加熱するという本来の目的を達成するために、余計な電力を消費し、あるいは二酸化炭素の排出量が増加することになる。その結果、製造コストの高騰や環境負荷の増大という不都合が生じる。
【０００６】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、鋳造品の製造コストの高騰を抑制できるとともに、環境負荷を低減できる冷却用部材の冷却回路構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、傾斜面上に溶湯を流動させて得られた半凝固スラリーをキャビティに充填し、該半凝固スラリーを固化して鋳造品を得るにあたり、前記傾斜面を介して前記溶湯を冷却する冷却用治具の冷却回路構造に関する。
【０００８】
そして、前記溶湯の出湯側から注湯側にわたって冷却能力が次第に高くなるように冷却回路を設けていることを特徴とする。
【０００９】
このように、出湯側から注湯側にわたって冷却能力を次第に高くしたので、冷却用治具への入熱量に応じた冷却処理を行うことができる。すなわち、冷却用治具の傾斜面上に溶湯を流動させる際、その入熱量が相対的に高い注湯側に対して強く冷却し、その入熱量が相対的に低い出湯側に対して弱く冷却することができる。そうすると、溶湯の流動後であっても冷却用治具の傾斜面上における温度分布を一定に保持可能であり、該冷却用治具を加熱する機構を別途設ける必要がない。これにより、余計な電力の消費や二酸化炭素の排出を削減可能であり、鋳造品の製造コストの高騰を抑制できるとともに、環境負荷を低減できる。
【００１０】
また、前記注湯側の冷却回路を前記出湯側の冷却回路よりも密に配置し、又は前記注湯側の冷却回路を前記出湯側の冷却回路よりも断面積を大きくすることが好ましい。これにより、冷却用治具の傾斜面上における温度分布を安定化させるための、冷却回路の最適化設計が容易となる。
【００１１】
さらに、前記注湯側の冷却回路と前記出湯側の冷却回路とを独立に設けていることが好ましい。これにより、冷却用治具の傾斜面上における温度分布を安定化させるための、冷却制御の最適化が容易となる。
【００１２】
さらにまた、前記冷却回路は冷媒を繰り返し流動させる循環構造を有しており、その内部を負圧にすることが好ましい。これにより、冷却回路から外部に通じるクラックが発生した場合であっても冷媒の噴出を防止可能であり、該冷媒と流動する溶湯との接触を回避できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る冷却用治具の冷却回路構造によれば、傾斜面上に溶湯を流動させて得られた半凝固スラリーをキャビティに充填し、該半凝固スラリーを固化して鋳造品を得るにあたり、前記傾斜面を介して前記溶湯を冷却するものであって、前記溶湯の出湯側から注湯側にわたって冷却能力が次第に高くなるように冷却回路を設けているので、冷却用治具の傾斜面上に溶湯を流動させる際、その入熱量が相対的に高い注湯側に対して強く冷却し、その入熱量が相対的に低い出湯側に対して弱く冷却することができる。そうすると、溶湯の流動後であっても冷却用治具の傾斜面上における温度均一性を保持可能であり、該冷却用治具を加熱する機構を別途設ける必要がない。これにより、余計な電力の消費や二酸化炭素の排出を削減可能であり、鋳造品の製造コストの高騰を抑制できるとともに、環境負荷を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る冷却用治具が組み込まれた鋳造装置のブロック図である。
【図２】図１に示す冷却用治具の平面図である。
【図３】図３Ａは、図２に示す冷却用治具のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線に沿う拡大断面図である。図３Ｂは、図２に示す冷却用治具のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿う拡大断面図である。
【図４】図４Ａは、本発明の第２の実施形態に係る冷却用治具の平面図である。図４Ｂは、図４Ａに示す冷却用治具のＩＶＢ−ＩＶＢ線に沿う拡大断面図である。図４Ｃは、図４Ａに示す冷却用治具のＩＶＣ−ＩＶＣ線に沿う拡大断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る冷却用治具の一部省略分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る冷却用治具の冷却回路構造について、その冷却用治具が組み込まれた鋳造装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る冷却用治具１８が組み込まれた鋳造装置１０のブロック図である。この鋳造装置１０は、ラドル１２から流下された溶湯１４をプランジャスリーブ１６（射出スリーブ）まで案内する冷却用治具１８と、前記プランジャスリーブ１６内を往復動作するプランジャ２０（射出機構）と、前記プランジャスリーブ１６が設けられた固定金型２２と、図示しない駆動機構の作用下に前記固定金型２２に対して接近又は離間自在な可動金型２４とを有する。
【００１７】
図１及び図２に示すように、長尺物として構成された冷却用治具１８は、溶湯１４を所定の流動速度でプランジャスリーブ１６に導くべく、鉛直方向に対して所定の角度で傾斜している。勿論、冷却用治具１８の起点である注湯側端部２６はラドル１２に近接し（図１参照）、一方、終点である出湯側端部２８は、プランジャスリーブ１６の天井部に形成された注湯口３０に臨む（図１及び図２参照）。
【００１８】
図２に示すように、冷却用治具１８は、底部３２と、該底部３２の各側方端部に屈曲して連なる第１側部３４、第２側部３６とを有する。これら底部３２、第１側部３４及び第２側部３６に囲繞された空間が、流動溝３８（図１、図３Ａ及び図３Ｂ参照）として機能する。また、第１側部３４及び第２側部３６が存在することにより、冷却用治具１８の側方から溶湯１４（ないし半凝固スラリー）が溢流・落下することが防止される。
【００１９】
冷却用治具１８の内部には、破線で示す中空状の冷却回路４０が形成されている。冷却回路４０は、第１通路４２、第２通路４４、複数の連通路４６、及び複数の堰止部材４８から基本的に構成される。
【００２０】
断面が円形状である第１通路４２は、第１側部３４の中央上方部に、溶湯１４の流動方向に延在して設けられている。断面が円形状である第２通路４４は、第２側部３６の中央上方部に、溶湯１４の流動方向に延在して設けられている。第１通路４２及び第２通路４４は、略同径であり、且つ、底部３２に対して互いに平行に同じ高さに設けられている（図３Ａ参照）。複数の連通路４６は、ＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿った冷却用治具１８の断面形状と同様に、それぞれＵ字形に屈曲して設けられている（図３Ｂ参照）。
【００２１】
図２に戻って、各連通路４６は、第１通路４２及び第２通路４４にそれぞれ垂直に交叉している。これにより、各連通路４６を介して、第１通路４２と第２通路４４とが連通されている。なお、隣接する連通路４６同士の離間距離は、注湯側端部２６から出湯側端部２８にかけて徐々に拡開されている。
【００２２】
なお、冷却回路４０を構成する各通路（第１通路４２、第２通路４４、又は複数の連通路４６）の断面形状は円形に限られることなく、例えば、楕円形、三角形、矩形、その他多角形であってもよい。また、通路毎に異なる断面形状を有していてもよい。
【００２３】
複数の堰止部材４８は、第１通路４２又は第２通路４４内の所定の位置に設けられており、冷媒としての冷却水５０が所定の空間内に流入することを阻止する。
【００２４】
第１側部３４には、注湯側端部２６の近傍に円形状の連通孔５１が設けられており、該連通孔５１を介して、冷却回路４０は冷却用治具１８の外部に連通している。また、連通孔５１には連結部材５２が係合されており、冷却用治具１８は、該連結部材５２を介して円筒状の流入管５４と連結されている。
【００２５】
同様に、第２側部３６には、出湯側端部２８の近傍に円形状の連通孔５５が設けられており、該連通孔５５を介して、冷却回路４０は冷却用治具１８の外部に連通している。また、連通孔５５には連結部材５６が係合されており、冷却用治具１８は、該連結部材５６を介して円筒状の流出管５８と連結されている。
【００２６】
図１に示すように、流入管５４を介して、冷却水５０を冷却用治具１８側に供給する負圧水供給装置６０が設けられている。流入管５４の負圧水供給装置６０側には、冷却水５０の流量の調整が自在である負圧水供給弁６２が設けられている。さらにその下流側（冷却用治具１８側）には、冷却水５０の流量を測定する第１流量計６４が設けられている。さらにまた、負圧水供給弁６２と第１流量計６４との間には、空気を供給するための配管６５と、該配管６５からの空気の供給量を調整自在である空気供給弁６６とが設けられている。なお、図示しない制御部は、負圧水供給弁６２又は空気供給弁６６の開度を自在に駆動制御できる。
【００２７】
一方、流入管５４のみならず、流出管５８を介しても、冷却用治具１８と負圧水供給装置６０とが接続されている。流出管５８の負圧水供給装置６０側には、冷却水５０の流量を測定する第２流量計６８が設けられている。
【００２８】
プランジャスリーブ１６は略円筒体であり、上記したように、その天井部に注湯口３０が形成される。このプランジャスリーブ１６内に配設されたプランジャ２０は、図示しない油圧シリンダにロッド７０を介して連結されており、従って、前記油圧シリンダの作用下に往復動作することが可能である。
【００２９】
また、プランジャスリーブ１６は、固定金型２２側に半凝固スラリーを導くように、水平方向に延在して形成されている。そして、プランジャスリーブ１６と固定金型２２の間には、連結盤７２が介在する。
【００３０】
固定金型２２における可動金型２４に臨む側の端面には凹部７６が陥没形成され、一方、可動金型２４における固定金型２２に臨む側の端面には、前記凹部７６に対応する位置に、凸部７８が突出形成される。凸部７８の突出高さは、凹部７６の陥没深さに比して若干小さく、このため、凹部７６の底面と凸部７８の頂面の間にはクリアランスが形成される。このクリアランスが、キャビティ８０となる。
【００３１】
なお、ランナ８２は、固定金型２２と可動金型２４の合わせ面近傍において、キャビティ８０に向かって略垂直に立ち上がっている。従って、半凝固スラリーは、ランナ８２に導かれてキャビティ８０に到達する。
【００３２】
本実施の形態に係る冷却用治具１８は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その動作及び作用効果につき、鋳造装置１０との関係で説明する。
【００３３】
図１に示すように、鋳造作業に先んじて、冷却用治具１８の流動溝３８をなす底部３２、第１側部３４及び第２側部３６（図２参照）の各内側壁に離型材が塗布される。その後、ラドル１２が傾斜され、これにより、該ラドル１２に予め貯留された金属、例えば、アルミニウム合金の溶湯１４が冷却用治具１８の注湯側端部２６の流動溝３８に流下される。
【００３４】
流下した溶湯１４は、流動溝３８に沿って、傾斜した冷却用治具１８の出湯側端部２８に向かって流動する。この過程で、冷却用治具１８によって熱が奪取され、その結果、一部が固相となる。すなわち、溶湯１４は、冷却用治具１８に案内される最中に、固相及び液相が共存する半凝固スラリーに徐々に変態する。
【００３５】
ここで、溶湯１４を十分に冷却できない場合又は過剰に冷却する場合は、所望の半凝固スラリーを得ることができず、その結果、引け欠陥やガス欠陥等に起因する鋳造品の品質不良が発生する。このような不具合が惹起されることを回避するべく、本実施の形態において、溶湯１４の適切な冷却処理を行う。
【００３６】
負圧水供給装置６０は、流入管５４を介して冷却水５０を供給する。図示しない制御部は、第１流量計６４の測定値等の制御信号に基づいて冷却水５０の流量を決定する。そして、負圧水供給装置６０は、負圧水供給弁６２の開閉制御に伴って所望の流量だけ冷却水５０を供給する。適切な流量だけ供給された冷却水５０は、流入管５４、連結部材５２、及び連通孔５１（図２参照）を介して冷却用治具１８の内部に流入される。
【００３７】
図２に示すように、冷却水５０（図３参照）は、冷却回路４０内を所定の経路に従って流動する。連通孔５１を通過した冷却水５０は、堰止部材４８により第１通路４２への流入が阻止されるので、連通路４６側に向けて流動する。このとき、第１側部３４、底部３２、第２側部３６の方向に沿って、Ｕ字形に流動する（図３Ｂ参照）。
【００３８】
その後、冷却水５０は、堰止部材４８により流入が阻止される位置まで第２通路４４を流動する。そして、冷却水５０は、堰止部材４８により直進流入が阻止されるので、次は連通路４６側に向けて流動する。このとき、第１側部３４、底部３２、第２側部３６の方向に沿って、Ｕ字形に流動する（図３Ｂ参照）。
【００３９】
以下同様にして、冷却水５０は、第１通路４２、連通路４６、第２通路４４、連通路４６、‥‥の方向に沿って、冷却回路４０内を蛇行しながら流動する。この冷却水５０の流動過程の中で、底部３２、第１側部３４及び第２側部３６の各内壁に接触する溶湯１４からの発熱を奪い、溶湯１４を冷却する。
【００４０】
ここで、冷却回路４０に設けられている単一の冷却回路４０のうち、注湯側の連通路４６の方が出湯側の連通路４６よりも密に配置されている。換言すれば、溶湯１４の出湯側から注湯側にわたって冷却能力が次第に高くなるように冷却回路４０を設けている。
【００４１】
このように構成しているので、冷却用治具１８への入熱量に応じた冷却処理を行うことができる。すなわち、冷却用治具１８の傾斜面上に溶湯を流動させる際、その入熱量が相対的に高い注湯側に対して強く冷却し、その入熱量が相対的に低い出湯側に対して弱く冷却することができる。そうすると、溶湯１４の流動後であっても冷却用治具１８の傾斜面上における温度分布を一定に保持可能である。
【００４２】
また、溶湯１４の流動方向（冷却用治具１８の長尺方向）に対して冷却回路４０の配置密度を変えることで、冷却用治具１８の傾斜面上における温度分布を安定化させるための、冷却回路の最適化設計が容易となる。
【００４３】
冷却水５０は、冷却回路４０内を所定の経路に従って流動した後に、連通孔５５に到達する。その後、冷却水５０は、連通孔５５、連結部材５６、及び流出管５８を介して、冷却用治具１８の外部に流出される。
【００４４】
図１に示すように、流出された冷却水５０は、流出管５８、第２流量計６８を介して、負圧水供給装置６０に戻る。このように、冷却水５０を循環させることにより、溶湯１４の冷却処理が行われる。
【００４５】
ところで、注湯側端部２６から出湯側端部２８にかけての冷却回路４０の配置密度の決定（いわゆる詳細設計）をする前に、冷却回路４０の基本設計を行う必要がある。この手順について、以下詳細に説明する。
【００４６】
先ず、冷却用治具１８の外形を決定する。具体的には、鋳造装置１０に組み込まれる際の配置上・寸法上の制約を見極めた上で、その外形を決定する。
【００４７】
次いで、冷却処理能力の要求仕様を決定し、その仕様を実現するための構成を検討する。発熱量に影響する各種変数として、サイクルタイム（単位時間当たりの溶湯の供給量）、溶湯１４の重量、比熱や凝固潜熱等が挙げられる。冷却能力に影響する各種変数として、冷却用治具１８の材質、肉厚、冷却回路４０の形状（断面積、長さ）が挙げられる。
【００４８】
ここで、上記各変数に基づいて、最低限必要とされる冷却回路４０の長さを見積もる方法について説明する。具体的には、冷却用治具１８に供給される単位時間当たりの熱量と、冷却用治具１８から奪われる単位時間当たりの熱量とのバランスを試算する。
【００４９】
溶湯１４からの入熱量ｑ0は、次の（１）式で算出される。
ｑ0＝ＮＷ｛ｃ（Ｔin−Ｔout）＋Ｈ1｝ …（１）
【００５０】
ここで、Ｎ［ｓｈｏｔ／ｈ］は単位時間当りのショット数、Ｗ［ｋｇ／ｓｈｏｔ］は１ショット当たりの溶湯１４の重量、Ｔin［Ｋ］は注湯時の溶湯１４の温度、Ｔout［Ｋ］は出湯時の溶湯１４の温度、ｃ［ｋＪ／（Ｋ・ｋｇ）］は平均比熱、Ｈ1［ｋＪ／ｋｇ］は凝固潜熱である。
【００５１】
冷却用治具１８上に停滞した凝固金属片からの入熱量ｑaは、次の（２）式で算出される。
ｑ0＝ＮＷ｛ｃ（Ｔin−Ｔsol）＋Ｈ2｝ …（２）
【００５２】
ここで、Ｔsol［Ｋ］は凝固金属片の温度、Ｈ2［ｋＪ／ｋｇ］は凝固金属片の凝固潜熱である。なお、Ｎ、Ｗ、ｃ及びＴinは、式（１）と同じ定義である。
【００５３】
大気による自然放熱量ｑnは、次の（３）式の関係を満たすものと仮定する。他の熱量と比べて無視できる程度に微小量であると考えてもよいからである。
ｑn≒０ …（３）
【００５４】
冷却回路４０の冷却能力ｑmは、次の（４）式で算出される。
ｑm＝ａπｄＬ …（４）
【００５５】
ここで、ａ［ｋＪｍ2／ｈ］は冷却回路４０中を流動する冷却水５０の冷却能力、πは円周率、ｄ［ｍ］は冷却回路４０の径、Ｌ［ｍ］は冷却回路４０の長さである。
【００５６】
単位時間当たりの総発熱量（ｑ0＋ｑa）［ｋＪ／ｈ］と、単位時間当たりの総放熱量（ｑn＋ｑm）［ｋＪ／ｈ］との関係が（５）式の関係を満たすように、
ｑ0＋ｑa≦ｑn＋ｑm …（５）
すなわち、冷却回路４０の長さＬが、
Ｌ≧ＮＷ｛ｃ（２Ｔin−Ｔout−Ｔsol）＋Ｈ1＋Ｈ2｝／ａπｄ …（６）
を満たすように決定すればよい。その後は、冷却用治具１８の内部に長さＬの冷却回路４０を収容可能であるか否かについて検討すればよい。
【００５７】
また、鋳造装置１０を円滑且つ安全に連続操業するために、種々の制御機能を設けることができる。
【００５８】
例えば、冷却回路４０の外壁に、冷却用治具１８の外部に通じるクラックが生じた場合を想定する。正圧下で冷却水５０を供給するときは、大気との圧力差によって、冷却回路４０内の冷却水５０がクラックを介して噴出する場合がある。そうすると、噴出した冷却水５０が溶湯１４と接触し、水蒸気爆発のおそれがある。
【００５９】
本実施の形態では、負圧水供給装置６０を用いているので、クラックが生じても冷却水５０の噴出を回避することができる。
【００６０】
また、チョコ停等の発生により注湯間隔が空く場合は、過度の冷却を防止することが好ましい。なお、「チョコ停」とは、設備が自動運転中に突然停止する故障のうち、オペレータが容易に復帰させることが可能な故障である。
【００６１】
このとき、図示しない制御部は、負圧水供給弁６２の開度を調整することで、冷却水５０の流量を下げる制御を行う。これにより、冷却回路４０全体の冷却能力を下げることが可能であり、過度の冷却の発生を事前に予防することができる。
【００６２】
また、図示しない制御部は、空気供給弁６６の開度を調整することで、配管６５を介して供給された空気を冷却回路４０内に充満させ、冷却水５０を一時的に退避させる（エアパージ）。これにより、抜熱を抑制し、過度の冷却を未然に防止することができる。
【００６３】
さらに、冷却用治具１８の所定の部位の温度や冷却時間を計測しておき、一定量の抜熱が完了したものと判断したときに、冷却回路４０による冷却処理を弱く設定し、又は冷却処理自体を停止することができる。
【００６４】
大部分の半凝固スラリーは、流動溝３８に導かれてプランジャスリーブ１６の注湯口３０から該プランジャスリーブ１６の内部に移送される。勿論、このときには、プランジャ２０は最大に後退している。
【００６５】
所定量の半凝固スラリーがプランジャスリーブ１６の内部に導入された後、前記油圧シリンダが駆動され、プランジャ２０が前進動作する。その結果、プランジャスリーブ１６内の半凝固スラリーが押圧され、ランナ８２を通過してキャビティ８０に充填される。
【００６６】
その後、キャビティ８０にて溶湯１４が冷却固化され、これにより鋳造品が得られるに至る。この鋳造品は、いわゆる型開きが行われることによって、キャビティ８０から取り出される。
【００６７】
このように、冷却用治具１８にヒータ等の加熱手段を設ける必要がないため、鋳造装置１０の操業時に消費する電力量を節約できるとともに、二酸化炭素の排出量を削減できる。また、冷却用治具１８の小型化が可能であるから、流動溝３８上に、残留する凝固物（凝固金属片）の総量が削減でき、歩留まりが改善される。さらに、冷却用治具１８の小型化により、凝固金属片のサイズが相対的に小さくなることで、その除去が容易となる。これらにより、鋳造物の製造コストを一層削減できる。
【００６８】
次いで、第２の実施形態に係る冷却用治具１８について、図４Ａ〜図４Ｃを参照しながら説明する。
【００６９】
なお、以下の実施形態においては、第１の実施形態と同様の構成要素について同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００７０】
図４Ａに示すように、冷却用治具１８の冷却回路機構は、第１冷却回路１００、第２冷却回路１０２、第１流入管１０４、第１流出管１０６、第２流入管１０８、及び第２流出管１１０から構成される。
【００７１】
破線で示す中空状の第１冷却回路１００は、溶湯１４の注湯側半分に収まるよう冷却用治具１８の内部に形成されており、通路１１２ａ〜１１２ｈから構成される。
【００７２】
すなわち、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第１流入管１０４と第１流出管１０６とは、通路１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ、１１２ｅ、１１２ｆ、１１２ｇ、１１２ｈを介して連通されている。ここで、通路１１２ａ、１１２ｃ、１１２ｅ、１１２ｇは、冷却用治具１８の中央部から注湯側端部２６に向かって設けられている冷媒の通路である。一方、通路１１２ｂ、１１２ｄ、１１２ｆ、１１２ｈは、注湯側端部２６から冷却用治具１８の中央部に向かって設けられている冷媒の通路である。
【００７３】
破線で示す中空状の第２冷却回路１０２は、溶湯１４の出湯側半分に収まるよう冷却用治具１８の内部に形成されており、通路１１４ａ〜１１４ｈから構成される。
【００７４】
すなわち、図４Ａ及び図４Ｃに示すように、第２流入管１０８と第２流出管１１０とは、通路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ、１１４ｅ、１１４ｆ、１１４ｇ、１１４ｈを介して連通されている。ここで、通路１１４ａ、１１４ｃ、１１４ｅ、１１４ｇは、出湯側端部２８から冷却用治具１８の中央部に向かって設けられている冷媒の通路である。一方、通路１１４ｂ、１１４ｄ、１１４ｆ、１１４ｈは、冷却用治具１８の中央部から出湯側端部２８に向かって設けられている冷媒の通路である。
【００７５】
通路１１２ａ〜１１２ｈ及び通路１１４ａ〜１１４ｈの断面はいずれも円形状であり、通路１１２ａ〜１１２ｈの直径は通路１１４ａ〜１１４ｈの直径よりも大きく設けられている。
【００７６】
ここで、冷却用治具１８の内部に並設されている２つの冷却回路（第１冷却回路１００、第２冷却回路１０２）のうち、注湯側の通路１１２ａ〜１１２ｈの方が出湯側の通路１１４ａ〜１１４ｈよりも直径（断面積）が大きく構成されている。換言すれば、溶湯１４の出湯側から注湯側にわたって冷却能力が次第に高くなるように２つの冷却回路を設けている。
【００７７】
このように構成しているので、上述した第１の実施形態の場合と同様に、冷却用治具１８への入熱量に応じた冷却処理を行うことができる。
【００７８】
なお、冷却用治具１８の部位毎に冷却能力を異ならせる手段は、第１冷却回路１００、第２冷却回路１０２の直径（断面積）を大小に設けることに限られない。例えば、単一の冷却回路であっても、注湯側端部２６から出湯側端部２８にかけて徐々に拡径するように設けてもよい。また、冷媒の熱伝達効率に着目して、冷却回路の部位毎に冷却能力を異ならせてもよい。すなわち、第２冷却回路１０２側には熱伝達効率の高い材質からなる冷媒を流動させることができる。さらに、冷却回路の分割数は２つに限られず、３つ以上の冷却回路を設けてもよい。さらに、冷却用治具１８の温度によりも高い温度の流動媒体を流すことにより、冷却用治具１８の予熱を行うこともできる。
【００７９】
次いで、第３の実施形態に係る冷却用治具１８について、図５を参照しながら説明する。
【００８０】
図５に示すように、冷却用治具１８の冷却回路機構は、本体１２０、回路部１２２、流入管５４、及び流出管５８から構成される。本体１２０は、外観上、図１〜図３に示す冷却用治具１８と略同形状を有しているが、その内部に冷却回路４０（図２参照）を有さない点が第１の実施形態と異なる。本体１２０の底部３２は、平坦な裏面１２４を有しており、４つの孔１２６、１２８、１３０、１３２が設けられている。
【００８１】
直方体の形状を有する回路部１２２は、その表面１３４に蛇行した回路溝１３６が設けられている。回路溝１３６のうちの短手方向に延在する溝（図５では、１１本）の配設間隔は、連通孔５１側（注湯側端部２６）から連通孔５５側（出湯側端部２８）にかけて徐々に拡開されている。
【００８２】
本体１２０の裏面１２４と、回路部１２２の表面１３４とが対面するように取り付けることにより、冷却用治具１８を形成することができる。
【００８３】
このように構成しているので、冷却回路を形成する際には回路部１２２の表面１３４に回路溝１３６を設ければよいため、技術的に比較的容易な加工作業により冷却回路を形成可能である。その結果、冷却用治具１８の製造コストを抑えることができる。特に、冷却用治具１８の冷却効率や復温能力を向上する等を目的として、複雑な冷却回路を作製する場合において効果的である。
【００８４】
次いで、第４の実施形態に係る冷却用治具１８について説明する。
【００８５】
冷却用治具１８の冷却手段としてヒートパイプを用いてもよい。このとき、溶湯１４の注湯側であって入熱量が大きい部位には、効率的な冷却を行えるようにする。例えば、作動液のドライアウトを防止するために、平板又は蛇行型のヒートパイプをループ構造にして、熱輸送量を向上させる。一方、溶湯１４の出湯側であって入熱量が比較的小さい部位には、注湯側よりも抜熱表面積を小さくする。例えば、管型のヒートパイプを蛇行型に設置し、必要に応じてループ構造にする。
【００８６】
あるいは、第１の実施形態の場合と同様に、ヒートパイプの配置密度を異ならせてもよいことはいうまでもない。
【００８７】
なお、ヒートパイプの材質は、耐熱性の観点から、銅若しくは鉄の合金を用いることが好ましい。また、液漏れの際に溶湯１４との接触事故を回避することができるので、作動液は水以外の液体を使用することが好ましい。さらに、水平設置やトップヒート設置にすると、ヒートパイプの伝熱性能は著しく低下する。かかる場合、ポンプ等により作動液を循環させることが好ましい。
【００８８】
次いで、第５の実施形態に係る冷却用治具１８について説明する。
【００８９】
冷却用治具１８の冷却手段としてヒートシンクを用いてもよい。このとき、第１の実施形態の場合と同様に、ヒートパイプの配置密度を異ならせて設ける。すなわち、溶湯１４の注湯側であって入熱量が大きい部位にはヒートシンクを密に配置し、溶湯１４の出湯側であって入熱量が比較的小さい部位にはヒートシンクを疎に配置する。冷却用治具１８への入熱量に応じた冷却処理を行うことができる。
【００９０】
また、ヒートパイプを搭載したヒートシンクを用いれば冷却効率を向上できるし、ヒートシンクに空気を吹き付けることで冷却効率をさらに向上できる。
【００９１】
なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。
【符号の説明】
【００９２】
１０…鋳造装置 １４…溶湯
１８…冷却用治具 ３２…底部
３４…第１側部 ３６…第２側部
４０…冷却回路 ４２…第１通路
４４…第２通路 ４６…連通路
４８…堰止部材 ５０…冷却水
５４…流入管 ５８…流出管
６０…負圧水供給装置 ６６…空気供給弁
１００…第１冷却回路 １０２…第２冷却回路
１１２ａ〜１１２ｈ、１１４ａ〜１１４ｈ…通路
１２０…本体 １２２…回路部
１３６…回路溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
傾斜面上に溶湯を流動させて得られた半凝固スラリーをキャビティに充填し、該半凝固スラリーを固化して鋳造品を得るにあたり、前記傾斜面を介して前記溶湯を冷却する冷却用治具の冷却回路構造であって、
前記溶湯の出湯側から注湯側にわたって冷却能力が次第に高くなるように冷却回路を設けている
ことを特徴とする冷却用治具の冷却回路構造。
【請求項２】
請求項１記載の冷却用治具の冷却回路構造において、
前記注湯側の冷却回路を前記出湯側の冷却回路よりも密に配置し、又は前記注湯側の冷却回路を前記出湯側の冷却回路よりも断面積を大きくする
ことを特徴とする冷却用治具の冷却回路構造。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の冷却用治具の冷却回路構造において、
前記注湯側の冷却回路と前記出湯側の冷却回路とを独立に設けている
ことを特徴とする冷却用治具の冷却回路構造。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却用治具の冷却回路構造において、
前記冷却回路は冷媒を繰り返し流動させる循環構造を有しており、その内部を負圧にする
ことを特徴とする冷却用治具の冷却回路構造。
【請求項１】
傾斜面上に溶湯を流動させて得られた半凝固スラリーをキャビティに充填し、該半凝固スラリーを固化して鋳造品を得るにあたり、前記傾斜面を介して前記溶湯を冷却する冷却用治具の冷却回路構造であって、
前記溶湯の出湯側から注湯側にわたって冷却能力が次第に高くなるように冷却回路を設けている
ことを特徴とする冷却用治具の冷却回路構造。
【請求項２】
請求項１記載の冷却用治具の冷却回路構造において、
前記注湯側の冷却回路を前記出湯側の冷却回路よりも密に配置し、又は前記注湯側の冷却回路を前記出湯側の冷却回路よりも断面積を大きくする
ことを特徴とする冷却用治具の冷却回路構造。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の冷却用治具の冷却回路構造において、
前記注湯側の冷却回路と前記出湯側の冷却回路とを独立に設けている
ことを特徴とする冷却用治具の冷却回路構造。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却用治具の冷却回路構造において、
前記冷却回路は冷媒を繰り返し流動させる循環構造を有しており、その内部を負圧にする
ことを特徴とする冷却用治具の冷却回路構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１６１４９８（Ｐ２０１１−１６１４９８Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９１４９（Ｐ２０１０−２９１４９）
【出願日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
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