鋳造用金型
【課題】軽金属鋳造において細穴鋳抜き部や狭部の冷却を行うために、銅−水型ヒートパイプを耐熱限界下で使用可能とする鋳造用金型を提供する。
【解決手段】ヒートパイプ２２を含む冷却部２０を備えた鋳造用金型１０であって、ヒートパイプ２２は、金型１０内に配置されて入熱部２２ａとされた一端部と、冷却部２０内に配置されて凝縮部２２ｂとされた他端部とを備え、入熱部２２ａは、断熱スリーブ３５を介して金型１０に接触し、凝縮部２２ｂは、冷却部２０内に設けられたインナーチューブ２３の内部に配置される。
【解決手段】ヒートパイプ２２を含む冷却部２０を備えた鋳造用金型１０であって、ヒートパイプ２２は、金型１０内に配置されて入熱部２２ａとされた一端部と、冷却部２０内に配置されて凝縮部２２ｂとされた他端部とを備え、入熱部２２ａは、断熱スリーブ３５を介して金型１０に接触し、凝縮部２２ｂは、冷却部２０内に設けられたインナーチューブ２３の内部に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型の冷却、特に、ヒートパイプを用いた軽金属鋳造用金型の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳造用金型、特にその一部を構成する鋳抜きピンの冷却構造として、鋳物の厚肉部などの冷却効率向上を目的とし、先端部が鉄鋼材料、基体部が銅、ステンレスで、作動液がナフタレンであるヒートパイプを用い、高温作動状態における作動液による腐食を抑制するために鉄鋼材料内壁にめっきを施した技術（特許文献１）、省スペースでメンテナンスフリーを目的とした冷却構造であって、ヒートパイプを用いて、且つ冷却部に簡便な冷却ユニットを有する構造とすることでメンテナンスや交換が簡単に行える技術（特許文献２）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−０６８１３５号公報
【特許文献２】特開平８−３４０２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、軽金属鋳造の細穴鋳抜き部は、従来の水冷式冷却を行うと、冷却水通路に淀みが発生しやすいため、冷却水通路にスケールなどにより詰まりが生じ、冷却効率が格段に落ちる。また、金型に冷却回路を設けると、金型の肉が薄くなり、クラック発生などのリスクが高くなる部位がある。
水冷式冷却の場合には、水漏れの発生する場合があり、漏れた水が蒸発することで鋳造時に金型内の圧力が高くなることがあるため、冷却構造を設けない場合が多い。このように、冷却を行わない場合は、溶湯の凝固時間が長くなるので、鋳造サイクルの増加につながる。
【０００５】
水を用いない冷却方法として、ヒートパイプを用いて熱輸送を行い、溶湯から離れた金型の深部を冷却するものがあるが、軽金属鋳造の細穴鋳抜きピンや狭部の場合は金型温度が５００℃以上となる。ヒートパイプの作動液として実用熱媒体として適したものが存在せず、金型温度は３００〜４００℃が上限となる。また、ヒートパイプのコンテナ用材料としてもステンレス鋼などの高耐熱材を用いると、熱伝導率が小さいためにヒートパイプの凝縮部における抜熱効率の低下につながる。
【０００６】
熱輸送効率が良く、腐食性能の高い材料として一般的に使用される銅製コンテナの場合、強度及び熱輸送の観点から、耐熱温度として３００℃以下としなければならない。即ち、ヒートパイプの入熱部が３００℃を越えると、急激に熱輸送能力が低下し、且つコンテナの劣化が進み、ヒートパイプの循環機能自体が働かなくなる。
高温下でヒートパイプを用いた冷却を行うためには、ヒートパイプの温度を３００℃以下に保持できるように、より多くの熱輸送を行う必要があるが、そのためには、より熱輸送能力の高いヒートパイプを用いる必要がある。その場合、伝熱面積を確保できて作動液をより多く循環させることが可能な太いヒートパイプが必要になるが、金型狭部にヒートパイプを適用する場合には、外径を小径（例えば、６ｍｍ以下）にする必要がある。
【０００７】
また、ヒートパイプは、入熱部、断熱部及び凝縮部から構成されることで、入熱部の熱を効率良く凝縮部にて抜熱可能であるが、ヒートパイプを軽金属鋳造の金型へ適用する場合、ヒートパイプの断熱部の位置に対応する金型内部も１００℃以上の高温になるため、凝縮部で液化した作動液が入熱部先端まで送られる前に断熱部において加熱され、入熱部でドライアウト（作動液が蒸発して出来た蒸気が消失する状態）が発生し、熱輸送が行われなくなる。また、断熱構造を設定するのに型構造が複雑化し、効率良く熱交換を行うことができない。
【０００８】
凝縮部においても、同様に効率良く冷却できなければ、大量に熱を輸送できない。抜熱効率を上げるためには、冷却水の流量を増やす、あるいは流速を上げる必要があるが、狭部金型においては、十分な凝縮区間を確保できず、且つ冷却構造をとることができない。
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、軽金属鋳造において細穴鋳抜き部や狭部の冷却を行うために、銅−水型ヒートパイプを耐熱限界下で使用可能とする鋳造用金型を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するため、本発明は、ヒートパイプを含む冷却回路を備えた鋳造用金型であって、前記ヒートパイプは、前記金型内に配置されて入熱部とされた一端部と、前記冷却回路内に配置されて凝縮部とされた他端部とを備え、前記入熱部は、断熱層を介して前記金型に接触し、前記凝縮部は、前記冷却回路内に設けられた冷却水供給用チューブの内部に配置されることを特徴とする。
この構成によれば、ヒートパイプの入熱部は断熱層によって入熱速度を抑制することが可能になるため、初期の入熱による最高温度を低減することができ、ヒートパイプ入熱部の温度を低減することができる。これにより、熱輸送を必要とする時間内で、より多くの時間をヒートパイプの作動温度域に抑えることが可能になり、より効率良く継続的に抜熱が行え、且つヒートパイプのパイプ本体の破損を防止することが可能である。
【００１０】
また、凝縮部で液化した作動液が入熱部と凝縮部との間の断熱部で加熱されて入熱部まで循環せずに入熱部で作動液が消失するドライアウトが生じることを防止することができる。
更に、ヒートパイプの凝縮部は冷却水供給用チューブの内部に配置されることで、冷却水供給用チューブとヒートパイプの凝縮部との間の狭い流路に冷却水を流すことにより冷却水の流速が上げられるので、凝縮部から冷却水へ効率良く熱伝達を行うことができ、ヒートパイプの抜熱を促進することができる。
このように、入熱部と凝縮部での熱伝達を従来に比べて大きく変えることで、ヒートパイプの耐熱強度向上と抜熱効率向上とを両立することができる。
また、冷却水供給用チューブ内にヒートパイプを配置する構造であるため、冷却構造をよりコンパクトに構成することができ、金型の峡部や複雑形状部位に容易に配置することができ、そのような部位においてもヒートパイプを含む冷却回路による冷却を効果的に行うことができる。
【００１１】
上記構成において、前記凝縮部の長さは、前記入熱部の長さ以上であっても良い。この構成によれば、凝縮部を入熱部よりも長くすることで、金型の熱を効率良く抜熱することができ、また、ヒートパイプの全長において、凝縮部の長さを長くすれば、入熱部と凝縮部との間の断熱部を短くすることができ、断熱部が加熱された場合に、入熱部でドライアウトが発生するのを防止することができる。
【００１２】
また、上記構成において、前記ヒートパイプのパイプ本体は銅製であり、前記ヒートパイプの作動液は水であっても良い。この構成によれば、銅は熱伝導率が高いため、ヒートパイプのパイプ本体を銅製とすることで、熱伝導率を高めることができ、作動液の熱輸送と合わせて効果的に熱を冷却水回路に伝えることができる。また、水は潜熱が非常に大きいため、作動液を水にすることで、大きな熱輸送量を得ることができる。
【００１３】
また、上記構成において、前記断熱層は、オーステナイト系ステンレス鋼で構成されるようにしても良い。この構成によれば、オーステナイト系ステンレス鋼は、耐熱性、耐食性に優れているため、長期に亘って高い断熱効果を得ることができる。
また、上記構成において、前記断熱層は、空気断熱層を備えていても良い。この構成によれば、断熱層の外周面に凹部や溝を形成したり、断熱層自体に穴を設けて空気断熱層を形成することで、より一層断熱効果を高めることができ、金型とヒートパイプとの間の伝熱をより抑制することが可能である。従って、ヒートパイプへの急激な入熱をより一層抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、ヒートパイプは、金型内に配置されて入熱部とされた一端部と、冷却回路内に配置されて凝縮部とされた他端部とを備え、入熱部は、断熱層を介して金型に接触し、凝縮部は、冷却回路内に設けられた冷却水供給用チューブの内部に配置されるので、ヒートパイプの入熱部は断熱層によって入熱速度を抑制することが可能になるため、初期の入熱による最高温度を低減することができ、ヒートパイプ入熱部の温度を低減することができる。これにより、熱輸送を必要とする時間内で、より多くの時間をヒートパイプの作動温度域に抑えることが可能になり、より効率良く継続的に抜熱が行え、且つヒートパイプのパイプ本体の破損を防止することが可能である。
【００１５】
また、凝縮部で液化した作動液が入熱部と凝縮部との間の断熱部で加熱されて入熱部まで循環せずに入熱部で作動液が消失するドライアウトが生じることを防止することができる。
更に、ヒートパイプの凝縮部は冷却水供給用チューブの内部に配置されることで、冷却水供給用チューブとヒートパイプの凝縮部との間の狭い流路に冷却水を流すことにより冷却水の流速が上げられるので、凝縮部から冷却水へ効率良く熱伝達を行うことができ、ヒートパイプの抜熱を促進することができる。
このように、入熱部と凝縮部での熱伝達を従来に比べて大きく変えることで、ヒートパイプの耐熱強度向上と抜熱効率向上とを両立することができる。
また、冷却水供給用チューブ内にヒートパイプを配置する構造であるため、冷却構造をよりコンパクトに構成することができ、金型の峡部や複雑形状部位に容易に配置することができ、そのような部位においてもヒートパイプを含む冷却回路による冷却を効果的に行うことができる。
【００１６】
また、凝縮部の長さは、入熱部の長さ以上であるので、凝縮部を入熱部よりも長くすることで、金型の熱を効率良く抜熱することができ、また、ヒートパイプの全長において、凝縮部の長さを長くすれば、入熱部と凝縮部との間の断熱部を短くすることができ、断熱部が加熱された場合に、入熱部でドライアウトが発生するのを防止することができる。
また、ヒートパイプのパイプ本体は銅製であり、前記ヒートパイプの作動液は水であるので、銅は熱伝導率が高いため、ヒートパイプのパイプ本体を銅製とすることで、熱伝導率を高めることができ、作動液の熱輸送と合わせて効果的に熱を冷却水回路に伝えることができる。また、水は潜熱が非常に大きいため、作動液を水にすることで、大きな熱輸送量を得ることができる。
【００１７】
また、断熱層は、オーステナイト系ステンレス鋼で構成されるので、オーステナイト系ステンレス鋼は、耐熱性、耐食性に優れているため、長期に亘って高い断熱効果を得ることができる。
また、断熱層は、空気断熱層を備えているので、断熱層の外周面に凹部や溝を形成したり、断熱層自体に穴を設けて空気断熱層を形成することで、より一層断熱効果を高めることができ、金型とヒートパイプとの間の伝熱をより抑制することが可能である。従って、ヒートパイプへの急激な入熱をより一層抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態を適用した鋳造用金型を示す断面図である。
【図２】鋳造用金型の要部を示す断面図であり、図２（ａ）は第１実施形態の実施例を示す断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＧ部拡大図、図２（ｃ）は鋳造用金型の比較例を示す断面図である。
【図３】鋳抜きピン内部の断熱構造を示す要部断面図である。
【図４】鋳抜きピンの冷却の作用を示す作用図である。
【図５】鋳抜きピン内部の断熱構造の作用を示す作用図である。
【図６】鋳抜きピン内部の断熱構造の効果を示すグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態を適用した鋳造用金型の断熱構造を示す断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態を適用した鋳造用金型の断熱構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態を適用した鋳造用金型を示す断面図である。
金型１０は、貫通する中空部１０ａが形成された第１型１１と、この第１型１１の側部に取付けられた第２型１２及び第３型１３と、第２型１２内に配置されるとともに中空部１０ａ内に挿入された鋳抜きピン１４とからなり、これらの第１型１１、第２型１２、第３型１３及び鋳抜きピン１４とに囲まれてキャビティ１６が形成されている。
【００２０】
鋳抜きピン１４には、溶湯及び金型１０を冷却するための冷却部２０が付設されている。
冷却部２０は、鋳抜きピン１４内に鋳抜きピン１４の軸方向に沿って開けられた冷却孔１４ａと、この冷却孔１４ａ内に冷却水を供給するために鋳抜きピン１４の端部に接続された冷却水供給部２１と、鋳抜きピン１４内及び冷却水供給部２１内に配置されたヒートパイプ２２と、このヒートパイプ２２を囲むように冷却水供給部２１から延ばされたステンレス鋼製のインナーチューブ２３とからなる。
冷却水供給部２１は、冷却水の供給源（不図示）に一端が接続されて他端がインナーチューブ２３に接続された冷却水供給チューブ２５と、一端が鋳抜きピン１４に接続されるとともにインナーチューブ２３の外側を覆うように配置されたアウターチューブ２６と、このアウターチューブ２６の他端に接続されて冷却水を外部に排出する冷却水排水チューブ２７とからなる。なお、符号３１はヒートパイプ２２の軸方向移動を規制するためにインナーチューブ２３内に配置されるとともにヒートパイプ２２の端部に近接配置されたヒートパイプ押さえ棒である。
ヒートパイプ２２とインナーチューブ２３との間には、冷却水の給水通路となる内側冷却水通路３３が形成され、インナーチューブ２３と冷却孔１４ａとの間には冷却水の排水通路となる外側冷却水通路３４が形成されている。内側冷却水通路３３と、この内側冷却水通路３３の外側を囲む外側冷却水通路３４とは、それぞれの断面が同心円状に配置されている。
【００２１】
図２（ａ）〜（ｃ）は鋳造用金型の要部を示す断面図であり、図２（ａ）は第１実施形態の実施例を示す断面図である。
鋳抜きピン１４は、アウターチューブ２６が内側に嵌合された大径部１４ｃと、この大径部１４ｃに隣接するとともに大径部１４ｃより小径に形成された中径部１４ｄと、この中径部１４ｄに隣接するとともに中径部１４ｄより小径に形成された小径部１４ｅとからなる。
鋳抜きピン１４の冷却孔１４ａは、アウターチューブ２６の端部２６ａを嵌合させるために大径部１４ｃの内側に形成された大径孔１４ｇと、この大径孔１４ｇに連通するように大径孔１４ｇより小径に形成された中径孔１４ｈと、この中径孔１４ｈに連通するように中径孔１４ｈより小径に形成された小径孔１４ｊとからなり、中径孔１４ｈは、大径部１４ｃ及び中径部１４ｄの内部に開けられ、小径孔１４ｊは、中径部１４ｄ及び小径部１４ｅの内部に開けられている。
【００２２】
ヒートパイプ２２は、銅製のパイプ本体と、このパイプ本体の内部に設けられた繊維状、網状などに形成されたウイック（ｗｉｃｋ）材と、同じくパイプ本体の内部に封入されて熱の移動の媒体となる作動液としての水とからなる銅−水型のものであり、軸方向には機能別に、金型１０（図１参照）のキャビティ１６（図１参照）内に配置された入熱部２２ａと、鋳抜きピン１４の大径孔１４ｇ、中径孔１４ｈ及びアウターチューブ２６内に配置された凝縮部２２ｂと、これらの入熱部２２ａ及び凝縮部２２ｂのそれぞれの間に設けられた断熱部２２ｃとに分けられる。ここで、入熱部２２ａ、凝縮部２２ｂ及び断熱部２２ｃのそれぞれの長さをＬ１，Ｌ２，Ｌ３とする。
【００２３】
ヒートパイプ２２の作用としては、入熱部２２ａが加熱されると、入熱部２２ａで作動液である水が蒸発して蒸発潜熱を吸収し、その蒸気が断熱部２２ｃを介して凝縮部２２ｂに移動する。
そして、蒸気は低温の凝縮部２２ｂで凝縮して蒸発潜熱を放出し、凝縮して出来た水がウイック材による毛細管現象によって入熱部２２ａに移動する。このような蒸発と凝縮とに伴う潜熱移動により、入熱部２２ａから凝縮部２２ｂに熱が輸送される。
鋳抜きピン１４の内部で効率良く熱交換を行えるようにするため、断熱部２２ｃは、短い方がよく、例えば、Ｌ３＝１０ｍｍ以下が好ましい。このように、断熱部２２ｃを短くすることで確実に入熱部２２ａに凝縮した作動液を送ることが可能になり、ドライアウトのリスクを低減することができる。
【００２４】
図２（ｂ）は、図２（ａ）のＧ部拡大図であり、冷却孔１４ａの中径孔１４ｈの先端部（小径孔１４ｊ側の端部）１４ｍとインナーチューブ２３の先端部２３ａとは、距離Ｄだけ離れている。この中径孔１４ｈの先端部１４ｍとインナーチューブ２３の先端部２３ａとの間の部分は、冷却水供給部２１から冷却孔１４ａに供給された冷却水の折り返し地点２８となる。このような折り返し地点２８を設けることで、冷却水をインナーチューブ２３の内側及び外側で淀みなく流すことができ、冷却性を向上させることができるとともに、断面が同心円状の冷却水路を形成することができ、コンパクトな冷却構造とすることができる。
【００２５】
図２（ｃ）は鋳造用金型の比較例を示す断面図である。
ヒートパイプ１００は、鋳抜きピン１０１の挿通孔１０１ａに挿入されるとともに、鋳抜きピン１０１の端部に接続されたアウターチューブ１０２内に配置され、軸方向には機能別に、金型のキャビティ内に配置される入熱部１００ａと、アウターチューブ１０２内に流される冷却水により冷却される凝縮部１００ｂと、これらの入熱部１００ａ及び凝縮部１０１ｂのそれぞれの間に設けられた断熱部１００ｃとに分けられる。
ここで、断熱部１００ｃの長さをＬ４とすると、図２（ａ）及び図２（ｃ）において、断熱部１００ｃの長さＬ４が断熱部２２ｃの長さＬ３に対して長いため、入熱部１００ａから凝縮部１００ｂに十分に熱輸送を行うことができないため、例えば、入熱部１００ａ内で作動液としての水、水蒸気が消失するドライアウトが発生することがある。
【００２６】
図３は、鋳抜きピン内部の断熱構造を示す要部断面図であり、鋳抜きピン１４の先端部、詳しくは鋳抜きピン１４の小径孔１４ｊとヒートパイプ２２との間に、鋳抜きピン１４からヒートパイプ２２に熱を伝わりにくくする断熱スリーブ３５が設けられている。
断熱スリーブ３５は、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４が好適である。）製であり、筒部３５ａと、この筒部３５ａの一端に一体に設けられたドーム形状部３５ｂとからなる。
断熱スリーブ３５は、ヒートパイプ２２の入熱部２２ａ、断熱部２２ｃを囲っているが、少なくともヒートパイプ２２の入熱部２２ａを囲うものであれば良い。
また、断熱スリーブ３５と、鋳抜きピン１４の小径孔１４ｊの内面及びヒートパイプ２２の外面とは密着している。
【００２７】
以上に述べた冷却部２０、ヒートパイプ２２及び断熱スリーブ３５の作用を次に説明する。
図４は、鋳抜きピンの冷却の作用を示す作用図である。
金型１０のキャビティ１６内に、例えば、アルミニウム合金の溶湯４１をダイカストマシンにより圧入すると、高温の溶湯４１によって金型１０が加熱される。鋳抜きピン１４を介してヒートパイプ２２の入熱部２２ａに流入した熱は、入熱部２２ａから断熱部２２ｃを介して凝縮部２２ｂに輸送される。また、鋳抜きピン１４の小径部１４ｅから中径部１４ｄを介して大径部１４ｃ側にも熱が伝わる。
【００２８】
冷却部２０の冷却水供給部２１では、矢印Ａ，Ｂで示すように、冷却水供給チューブ２５側からインナーチューブ２３内に冷却水が供給され、冷却水は、ヒートパイプ２２とインナーチューブ２３との間の内側冷却水通路３３を通り、折り返し地点２８を介してインナーチューブ２３と鋳抜きピン１４の冷却孔１４ａとの間の外側冷却水通路３４を通り、次に、矢印Ｃ，Ｃで示すように、インナーチューブ２３とアウターチューブ２６との間の冷却水通路を通り、矢印Ｅで示すように、アウターチューブ２６を通って冷却水排水チューブ２７から外部に排出される。
このような冷却水の流れによって、上記したヒートパイプ２２の凝縮部２２ｂの熱及び鋳抜きピン１４の熱が冷却水に伝わり、ヒートパイプ２２及び鋳抜きピン１４が冷却される。
【００２９】
図５は、鋳抜きピン内部の断熱構造の作用を示す作用図であり、鋳抜きピン１４の先端部の熱の流れを示している。
白抜き矢印で示すように、溶湯から鋳抜きピン１４の先端部（小径部１４ｅ、中径部１４ｄ）に入熱すると、その熱は断熱スリーブ３５を介してヒートパイプ２２の入熱部２２ａに伝わる。そして、その熱は、黒塗り矢印で示すように、ヒートパイプ２２の入熱部２２ａから断熱部２２ｃを介して凝縮部２２ｂに伝わり、冷却水供給部２１内を流れる冷却水に伝わる。
【００３０】
図６は、鋳抜きピン内部の断熱構造の効果を示すグラフであり、図２（ａ）に示した実施例に示したヒートパイプ２２と図２（ｃ）に示したヒートパイプ１００の温度変化を示している。グラフの縦軸はヒートパイプの温度、横軸は時間を表す。時間＝０（ゼロ）は金型内に溶湯を圧入した時である。
実施例のヒートパイプ２２では、金型内に溶湯を圧入した後に、ヒートパイプ２２の温度は次第に上昇し、時間ｔ２に最大温度Ｔｍａｘ１に達する。時間ｔ２の後はヒートパイプ２２の温度は次第に低下する。グラフ中のＴ１は強度及び熱輸送の観点から設定されたヒートパイプ２２の耐熱温度であり、例えば、３００℃である。
このように、実施例のヒートパイプ２２においては、図２（ａ）に示されるように、ヒートパイプ２２の入熱部２２ａが断熱スリーブ３５で覆われるため、溶湯から熱が伝わりにくくなっている。
【００３１】
図６において、比較例のヒートパイプ１００では、金型内に溶湯を圧入した後に、ヒートパイプ１００の温度は、実施例のヒートパイプ１００の場合よりも急に上昇し、時間ｔ１（＜ｔ２）に最大温度Ｔｍａｘ２に達する。最大温度Ｔｍａｘ２は実施例の最大温度Ｔｍａｘ１よりも高い。時間ｔ２の後はヒートパイプ１００の温度は次第に低下する。グラフ中のＴ２は短時間使用する際のヒートパイプ１００の耐熱温度であり、例えば、５００℃である。
このように、図２（ｃ）に示した鋳抜きピン１０１内に単にヒートパイプ１００を挿入しただけでは、ヒートパイプ１００の温度が非常に高くなるため、ヒートパイプ１００の寿命は短くなる。また、ヒートパイプ１００の内部でドライアウトが発生して、熱輸送が行われなくなる場合がある。
これに対して、実施例では、図６に示したように、比較例の最大温度Ｔｍａｘ２に対して最大温度Ｔｍａｘ１が低く、温度Ｔ１以下の低い温度状態が維持されるため、ヒートパイプ２２による熱移動を効果的に行うことができる。
【００３２】
以上の図１〜図３で説明したように、ヒートパイプ２２は、金型１０内に配置されて入熱部２２ａとされた一端部と、冷却回路としての冷却部２０内に配置されて凝縮部２２ｂとされた他端部とを備え、入熱部２２ａは、断熱層としての断熱スリーブ３５を介して金型１０、詳しくは鋳抜きピン１４に接触し、凝縮部２２ｂは、冷却部２０内に設けられた冷却水供給用チューブとしてのインナーチューブ２３の内部に配置されるので、ヒートパイプ２２の入熱部２２ａは断熱スリーブ３５によって入熱速度を抑制することが可能になるため、初期の入熱による最高温度を低減することができ、ヒートパイプ２２の入熱部２２ａの温度を低減することができる。これにより、熱輸送を必要とする時間内で、より多くの時間をヒートパイプ２２の作動温度域に抑えることが可能になり、より効率良く継続的に抜熱が行え、且つヒートパイプ２２のパイプ本体の破損を防止することが可能である。
【００３３】
また、凝縮部２２ｂで液化した作動液が入熱部２２ａと凝縮部２２ｂとの間の断熱部２２ｃで加熱されて入熱部２２ａまで循環せずに入熱部２２ａで作動液が消失するドライアウトが生じることを防止することができる。
更に、ヒートパイプ２２の凝縮部２２ｂはインナーチューブ２３の内部に配置されることで、インナーチューブ２３とヒートパイプ２２の凝縮部２２ｂとの間の狭い流路に冷却水を流すことにより冷却水の流速が上げられるので、凝縮部２２ｂから冷却水へ効率良く熱伝達を行うことができ、ヒートパイプ２２の抜熱を促進することができる。
このように、入熱部２２ａと凝縮部２２ｂでの熱伝達を従来に比べて大きく変えることで、ヒートパイプ２２の耐熱強度向上と抜熱効率向上とを両立することができる。
また、インナーチューブ２３内にヒートパイプ２２を配置する構造であるため、冷却構造をよりコンパクトに構成することができ、金型１０の峡部や複雑形状部位に容易に配置することができ、そのような部位においてもヒートパイプ２２を含む冷却回路による冷却を効果的に行うことができる。
【００３４】
また、凝縮部２２ｂの長さＬ２は、入熱部２２ａの長さＬ１以上であるので、凝縮部２２ｂを入熱部２２ａよりも長くすることで、金型１０の熱を効率良く抜熱することができ、また、ヒートパイプ２２の全長において、凝縮部２２ｂの長さを長くすれば、入熱部２２ａと凝縮部２２ｂとの間の断熱部２２ｃを短くすることができ、断熱部２２ｃが加熱された場合に、入熱部２２ａでドライアウトが発生するのを防止することができる。
また、ヒートパイプ２２のパイプ本体は銅製であり、ヒートパイプ２２の作動液は水であるので、銅は熱伝導率が高いため、ヒートパイプ２２のパイプ本体を銅製とすることで、熱伝導率を高めることができ、作動液の熱輸送と合わせて効果的に熱を冷却水回路に伝えることができる。また、水は潜熱が非常に大きいため、作動液を水にすることで、大きな熱輸送量を得ることができる。
【００３５】
また、断熱スリーブ３５は、オーステナイト系ステンレス鋼で構成されるので、オーステナイト系ステンレス鋼は、耐熱性、耐食性に優れているため、長期に亘って高い断熱効果を得ることができる。
【００３６】
＜第２実施形態＞
図７は、本発明の第２実施形態を適用した鋳造用金型の断熱構造を示す断面図である。 第２実施形態において、第１実施形態と同一構成については同一符号を付け、詳細説明は省略する。
断熱スリーブ５１は、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４が好適である。）製であり、筒部５１ａと、この筒部５１ａの一端に一体に設けられたドーム形状部５１ｂとからなり、外周面５１ｃに、筒部５１ａ及びドーム形状部５１ｂに亘って空気断熱層を形成する複数の凹部５１ｅが形成されている。
【００３７】
＜第３実施形態＞
図８は、本発明の第３実施形態を適用した鋳造用金型の断熱構造を示す断面図である。
第３実施形態において、第１実施形態と同一構成については同一符号を付け、詳細説明は省略する。
断熱スリーブ５５は、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４が好適である。）製であり、筒部５５ａと、この筒部５５ａの一端に一体に設けられたドーム形状部５５ｂとからなり、筒部５１ａ及びドーム形状部５１ｂに亘って空気断熱層を形成するために外周面５５ｃ側と内周面５５ｄ側とを貫通する複数の貫通孔５５ｅが形成されている。
以上の図７、図８で説明したように、断熱層としての断熱スリーブ５１，５５は、空気断熱層としての複数の凹部５１ｅ、貫通孔５５ｅを備えているので、断熱スリーブ５１，５５の外周面に凹部５１ｅを形成したり、貫通孔５５ｅを設けて空気断熱層を形成することで、より一層断熱効果を高めることができ、金型としての鋳抜きピン１４とヒートパイプ２２との間の伝熱をより抑制することが可能である。従って、ヒートパイプ２２への急激な入熱をより一層抑制することができる。
【００３８】
上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で任意に変形及び応用が可能である。
例えば、上記実施形態において、図７に示した断熱スリーブ５１では、外周面５１ｃに複数の凹部５１ｅを形成したが、これに限らず、断熱スリーブ５１の内周面に複数の凹部を形成しても良い。また、外周面５１ｃに複数の空気断熱層としての溝を形成しても良い。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 金型（鋳造用金型）
２０ 冷却部（冷却回路）
２２ ヒートパイプ
２２ａ 入熱部
２２ｂ 凝縮部
２３ インナーチューブ（冷却水供給用チューブ）
３５ 断熱スリーブ（断熱層）
５１ｅ 凹部（空気断熱層）
５５ｅ 貫通孔（空気断熱層）
Ｌ１ 入熱部の長さ
Ｌ２ 凝縮部の長さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型の冷却、特に、ヒートパイプを用いた軽金属鋳造用金型の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋳造用金型、特にその一部を構成する鋳抜きピンの冷却構造として、鋳物の厚肉部などの冷却効率向上を目的とし、先端部が鉄鋼材料、基体部が銅、ステンレスで、作動液がナフタレンであるヒートパイプを用い、高温作動状態における作動液による腐食を抑制するために鉄鋼材料内壁にめっきを施した技術（特許文献１）、省スペースでメンテナンスフリーを目的とした冷却構造であって、ヒートパイプを用いて、且つ冷却部に簡便な冷却ユニットを有する構造とすることでメンテナンスや交換が簡単に行える技術（特許文献２）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６０−０６８１３５号公報
【特許文献２】特開平８−３４０２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、軽金属鋳造の細穴鋳抜き部は、従来の水冷式冷却を行うと、冷却水通路に淀みが発生しやすいため、冷却水通路にスケールなどにより詰まりが生じ、冷却効率が格段に落ちる。また、金型に冷却回路を設けると、金型の肉が薄くなり、クラック発生などのリスクが高くなる部位がある。
水冷式冷却の場合には、水漏れの発生する場合があり、漏れた水が蒸発することで鋳造時に金型内の圧力が高くなることがあるため、冷却構造を設けない場合が多い。このように、冷却を行わない場合は、溶湯の凝固時間が長くなるので、鋳造サイクルの増加につながる。
【０００５】
水を用いない冷却方法として、ヒートパイプを用いて熱輸送を行い、溶湯から離れた金型の深部を冷却するものがあるが、軽金属鋳造の細穴鋳抜きピンや狭部の場合は金型温度が５００℃以上となる。ヒートパイプの作動液として実用熱媒体として適したものが存在せず、金型温度は３００〜４００℃が上限となる。また、ヒートパイプのコンテナ用材料としてもステンレス鋼などの高耐熱材を用いると、熱伝導率が小さいためにヒートパイプの凝縮部における抜熱効率の低下につながる。
【０００６】
熱輸送効率が良く、腐食性能の高い材料として一般的に使用される銅製コンテナの場合、強度及び熱輸送の観点から、耐熱温度として３００℃以下としなければならない。即ち、ヒートパイプの入熱部が３００℃を越えると、急激に熱輸送能力が低下し、且つコンテナの劣化が進み、ヒートパイプの循環機能自体が働かなくなる。
高温下でヒートパイプを用いた冷却を行うためには、ヒートパイプの温度を３００℃以下に保持できるように、より多くの熱輸送を行う必要があるが、そのためには、より熱輸送能力の高いヒートパイプを用いる必要がある。その場合、伝熱面積を確保できて作動液をより多く循環させることが可能な太いヒートパイプが必要になるが、金型狭部にヒートパイプを適用する場合には、外径を小径（例えば、６ｍｍ以下）にする必要がある。
【０００７】
また、ヒートパイプは、入熱部、断熱部及び凝縮部から構成されることで、入熱部の熱を効率良く凝縮部にて抜熱可能であるが、ヒートパイプを軽金属鋳造の金型へ適用する場合、ヒートパイプの断熱部の位置に対応する金型内部も１００℃以上の高温になるため、凝縮部で液化した作動液が入熱部先端まで送られる前に断熱部において加熱され、入熱部でドライアウト（作動液が蒸発して出来た蒸気が消失する状態）が発生し、熱輸送が行われなくなる。また、断熱構造を設定するのに型構造が複雑化し、効率良く熱交換を行うことができない。
【０００８】
凝縮部においても、同様に効率良く冷却できなければ、大量に熱を輸送できない。抜熱効率を上げるためには、冷却水の流量を増やす、あるいは流速を上げる必要があるが、狭部金型においては、十分な凝縮区間を確保できず、且つ冷却構造をとることができない。
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、軽金属鋳造において細穴鋳抜き部や狭部の冷却を行うために、銅−水型ヒートパイプを耐熱限界下で使用可能とする鋳造用金型を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するため、本発明は、ヒートパイプを含む冷却回路を備えた鋳造用金型であって、前記ヒートパイプは、前記金型内に配置されて入熱部とされた一端部と、前記冷却回路内に配置されて凝縮部とされた他端部とを備え、前記入熱部は、断熱層を介して前記金型に接触し、前記凝縮部は、前記冷却回路内に設けられた冷却水供給用チューブの内部に配置されることを特徴とする。
この構成によれば、ヒートパイプの入熱部は断熱層によって入熱速度を抑制することが可能になるため、初期の入熱による最高温度を低減することができ、ヒートパイプ入熱部の温度を低減することができる。これにより、熱輸送を必要とする時間内で、より多くの時間をヒートパイプの作動温度域に抑えることが可能になり、より効率良く継続的に抜熱が行え、且つヒートパイプのパイプ本体の破損を防止することが可能である。
【００１０】
また、凝縮部で液化した作動液が入熱部と凝縮部との間の断熱部で加熱されて入熱部まで循環せずに入熱部で作動液が消失するドライアウトが生じることを防止することができる。
更に、ヒートパイプの凝縮部は冷却水供給用チューブの内部に配置されることで、冷却水供給用チューブとヒートパイプの凝縮部との間の狭い流路に冷却水を流すことにより冷却水の流速が上げられるので、凝縮部から冷却水へ効率良く熱伝達を行うことができ、ヒートパイプの抜熱を促進することができる。
このように、入熱部と凝縮部での熱伝達を従来に比べて大きく変えることで、ヒートパイプの耐熱強度向上と抜熱効率向上とを両立することができる。
また、冷却水供給用チューブ内にヒートパイプを配置する構造であるため、冷却構造をよりコンパクトに構成することができ、金型の峡部や複雑形状部位に容易に配置することができ、そのような部位においてもヒートパイプを含む冷却回路による冷却を効果的に行うことができる。
【００１１】
上記構成において、前記凝縮部の長さは、前記入熱部の長さ以上であっても良い。この構成によれば、凝縮部を入熱部よりも長くすることで、金型の熱を効率良く抜熱することができ、また、ヒートパイプの全長において、凝縮部の長さを長くすれば、入熱部と凝縮部との間の断熱部を短くすることができ、断熱部が加熱された場合に、入熱部でドライアウトが発生するのを防止することができる。
【００１２】
また、上記構成において、前記ヒートパイプのパイプ本体は銅製であり、前記ヒートパイプの作動液は水であっても良い。この構成によれば、銅は熱伝導率が高いため、ヒートパイプのパイプ本体を銅製とすることで、熱伝導率を高めることができ、作動液の熱輸送と合わせて効果的に熱を冷却水回路に伝えることができる。また、水は潜熱が非常に大きいため、作動液を水にすることで、大きな熱輸送量を得ることができる。
【００１３】
また、上記構成において、前記断熱層は、オーステナイト系ステンレス鋼で構成されるようにしても良い。この構成によれば、オーステナイト系ステンレス鋼は、耐熱性、耐食性に優れているため、長期に亘って高い断熱効果を得ることができる。
また、上記構成において、前記断熱層は、空気断熱層を備えていても良い。この構成によれば、断熱層の外周面に凹部や溝を形成したり、断熱層自体に穴を設けて空気断熱層を形成することで、より一層断熱効果を高めることができ、金型とヒートパイプとの間の伝熱をより抑制することが可能である。従って、ヒートパイプへの急激な入熱をより一層抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、ヒートパイプは、金型内に配置されて入熱部とされた一端部と、冷却回路内に配置されて凝縮部とされた他端部とを備え、入熱部は、断熱層を介して金型に接触し、凝縮部は、冷却回路内に設けられた冷却水供給用チューブの内部に配置されるので、ヒートパイプの入熱部は断熱層によって入熱速度を抑制することが可能になるため、初期の入熱による最高温度を低減することができ、ヒートパイプ入熱部の温度を低減することができる。これにより、熱輸送を必要とする時間内で、より多くの時間をヒートパイプの作動温度域に抑えることが可能になり、より効率良く継続的に抜熱が行え、且つヒートパイプのパイプ本体の破損を防止することが可能である。
【００１５】
また、凝縮部で液化した作動液が入熱部と凝縮部との間の断熱部で加熱されて入熱部まで循環せずに入熱部で作動液が消失するドライアウトが生じることを防止することができる。
更に、ヒートパイプの凝縮部は冷却水供給用チューブの内部に配置されることで、冷却水供給用チューブとヒートパイプの凝縮部との間の狭い流路に冷却水を流すことにより冷却水の流速が上げられるので、凝縮部から冷却水へ効率良く熱伝達を行うことができ、ヒートパイプの抜熱を促進することができる。
このように、入熱部と凝縮部での熱伝達を従来に比べて大きく変えることで、ヒートパイプの耐熱強度向上と抜熱効率向上とを両立することができる。
また、冷却水供給用チューブ内にヒートパイプを配置する構造であるため、冷却構造をよりコンパクトに構成することができ、金型の峡部や複雑形状部位に容易に配置することができ、そのような部位においてもヒートパイプを含む冷却回路による冷却を効果的に行うことができる。
【００１６】
また、凝縮部の長さは、入熱部の長さ以上であるので、凝縮部を入熱部よりも長くすることで、金型の熱を効率良く抜熱することができ、また、ヒートパイプの全長において、凝縮部の長さを長くすれば、入熱部と凝縮部との間の断熱部を短くすることができ、断熱部が加熱された場合に、入熱部でドライアウトが発生するのを防止することができる。
また、ヒートパイプのパイプ本体は銅製であり、前記ヒートパイプの作動液は水であるので、銅は熱伝導率が高いため、ヒートパイプのパイプ本体を銅製とすることで、熱伝導率を高めることができ、作動液の熱輸送と合わせて効果的に熱を冷却水回路に伝えることができる。また、水は潜熱が非常に大きいため、作動液を水にすることで、大きな熱輸送量を得ることができる。
【００１７】
また、断熱層は、オーステナイト系ステンレス鋼で構成されるので、オーステナイト系ステンレス鋼は、耐熱性、耐食性に優れているため、長期に亘って高い断熱効果を得ることができる。
また、断熱層は、空気断熱層を備えているので、断熱層の外周面に凹部や溝を形成したり、断熱層自体に穴を設けて空気断熱層を形成することで、より一層断熱効果を高めることができ、金型とヒートパイプとの間の伝熱をより抑制することが可能である。従って、ヒートパイプへの急激な入熱をより一層抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態を適用した鋳造用金型を示す断面図である。
【図２】鋳造用金型の要部を示す断面図であり、図２（ａ）は第１実施形態の実施例を示す断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＧ部拡大図、図２（ｃ）は鋳造用金型の比較例を示す断面図である。
【図３】鋳抜きピン内部の断熱構造を示す要部断面図である。
【図４】鋳抜きピンの冷却の作用を示す作用図である。
【図５】鋳抜きピン内部の断熱構造の作用を示す作用図である。
【図６】鋳抜きピン内部の断熱構造の効果を示すグラフである。
【図７】本発明の第２実施形態を適用した鋳造用金型の断熱構造を示す断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態を適用した鋳造用金型の断熱構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態を適用した鋳造用金型を示す断面図である。
金型１０は、貫通する中空部１０ａが形成された第１型１１と、この第１型１１の側部に取付けられた第２型１２及び第３型１３と、第２型１２内に配置されるとともに中空部１０ａ内に挿入された鋳抜きピン１４とからなり、これらの第１型１１、第２型１２、第３型１３及び鋳抜きピン１４とに囲まれてキャビティ１６が形成されている。
【００２０】
鋳抜きピン１４には、溶湯及び金型１０を冷却するための冷却部２０が付設されている。
冷却部２０は、鋳抜きピン１４内に鋳抜きピン１４の軸方向に沿って開けられた冷却孔１４ａと、この冷却孔１４ａ内に冷却水を供給するために鋳抜きピン１４の端部に接続された冷却水供給部２１と、鋳抜きピン１４内及び冷却水供給部２１内に配置されたヒートパイプ２２と、このヒートパイプ２２を囲むように冷却水供給部２１から延ばされたステンレス鋼製のインナーチューブ２３とからなる。
冷却水供給部２１は、冷却水の供給源（不図示）に一端が接続されて他端がインナーチューブ２３に接続された冷却水供給チューブ２５と、一端が鋳抜きピン１４に接続されるとともにインナーチューブ２３の外側を覆うように配置されたアウターチューブ２６と、このアウターチューブ２６の他端に接続されて冷却水を外部に排出する冷却水排水チューブ２７とからなる。なお、符号３１はヒートパイプ２２の軸方向移動を規制するためにインナーチューブ２３内に配置されるとともにヒートパイプ２２の端部に近接配置されたヒートパイプ押さえ棒である。
ヒートパイプ２２とインナーチューブ２３との間には、冷却水の給水通路となる内側冷却水通路３３が形成され、インナーチューブ２３と冷却孔１４ａとの間には冷却水の排水通路となる外側冷却水通路３４が形成されている。内側冷却水通路３３と、この内側冷却水通路３３の外側を囲む外側冷却水通路３４とは、それぞれの断面が同心円状に配置されている。
【００２１】
図２（ａ）〜（ｃ）は鋳造用金型の要部を示す断面図であり、図２（ａ）は第１実施形態の実施例を示す断面図である。
鋳抜きピン１４は、アウターチューブ２６が内側に嵌合された大径部１４ｃと、この大径部１４ｃに隣接するとともに大径部１４ｃより小径に形成された中径部１４ｄと、この中径部１４ｄに隣接するとともに中径部１４ｄより小径に形成された小径部１４ｅとからなる。
鋳抜きピン１４の冷却孔１４ａは、アウターチューブ２６の端部２６ａを嵌合させるために大径部１４ｃの内側に形成された大径孔１４ｇと、この大径孔１４ｇに連通するように大径孔１４ｇより小径に形成された中径孔１４ｈと、この中径孔１４ｈに連通するように中径孔１４ｈより小径に形成された小径孔１４ｊとからなり、中径孔１４ｈは、大径部１４ｃ及び中径部１４ｄの内部に開けられ、小径孔１４ｊは、中径部１４ｄ及び小径部１４ｅの内部に開けられている。
【００２２】
ヒートパイプ２２は、銅製のパイプ本体と、このパイプ本体の内部に設けられた繊維状、網状などに形成されたウイック（ｗｉｃｋ）材と、同じくパイプ本体の内部に封入されて熱の移動の媒体となる作動液としての水とからなる銅−水型のものであり、軸方向には機能別に、金型１０（図１参照）のキャビティ１６（図１参照）内に配置された入熱部２２ａと、鋳抜きピン１４の大径孔１４ｇ、中径孔１４ｈ及びアウターチューブ２６内に配置された凝縮部２２ｂと、これらの入熱部２２ａ及び凝縮部２２ｂのそれぞれの間に設けられた断熱部２２ｃとに分けられる。ここで、入熱部２２ａ、凝縮部２２ｂ及び断熱部２２ｃのそれぞれの長さをＬ１，Ｌ２，Ｌ３とする。
【００２３】
ヒートパイプ２２の作用としては、入熱部２２ａが加熱されると、入熱部２２ａで作動液である水が蒸発して蒸発潜熱を吸収し、その蒸気が断熱部２２ｃを介して凝縮部２２ｂに移動する。
そして、蒸気は低温の凝縮部２２ｂで凝縮して蒸発潜熱を放出し、凝縮して出来た水がウイック材による毛細管現象によって入熱部２２ａに移動する。このような蒸発と凝縮とに伴う潜熱移動により、入熱部２２ａから凝縮部２２ｂに熱が輸送される。
鋳抜きピン１４の内部で効率良く熱交換を行えるようにするため、断熱部２２ｃは、短い方がよく、例えば、Ｌ３＝１０ｍｍ以下が好ましい。このように、断熱部２２ｃを短くすることで確実に入熱部２２ａに凝縮した作動液を送ることが可能になり、ドライアウトのリスクを低減することができる。
【００２４】
図２（ｂ）は、図２（ａ）のＧ部拡大図であり、冷却孔１４ａの中径孔１４ｈの先端部（小径孔１４ｊ側の端部）１４ｍとインナーチューブ２３の先端部２３ａとは、距離Ｄだけ離れている。この中径孔１４ｈの先端部１４ｍとインナーチューブ２３の先端部２３ａとの間の部分は、冷却水供給部２１から冷却孔１４ａに供給された冷却水の折り返し地点２８となる。このような折り返し地点２８を設けることで、冷却水をインナーチューブ２３の内側及び外側で淀みなく流すことができ、冷却性を向上させることができるとともに、断面が同心円状の冷却水路を形成することができ、コンパクトな冷却構造とすることができる。
【００２５】
図２（ｃ）は鋳造用金型の比較例を示す断面図である。
ヒートパイプ１００は、鋳抜きピン１０１の挿通孔１０１ａに挿入されるとともに、鋳抜きピン１０１の端部に接続されたアウターチューブ１０２内に配置され、軸方向には機能別に、金型のキャビティ内に配置される入熱部１００ａと、アウターチューブ１０２内に流される冷却水により冷却される凝縮部１００ｂと、これらの入熱部１００ａ及び凝縮部１０１ｂのそれぞれの間に設けられた断熱部１００ｃとに分けられる。
ここで、断熱部１００ｃの長さをＬ４とすると、図２（ａ）及び図２（ｃ）において、断熱部１００ｃの長さＬ４が断熱部２２ｃの長さＬ３に対して長いため、入熱部１００ａから凝縮部１００ｂに十分に熱輸送を行うことができないため、例えば、入熱部１００ａ内で作動液としての水、水蒸気が消失するドライアウトが発生することがある。
【００２６】
図３は、鋳抜きピン内部の断熱構造を示す要部断面図であり、鋳抜きピン１４の先端部、詳しくは鋳抜きピン１４の小径孔１４ｊとヒートパイプ２２との間に、鋳抜きピン１４からヒートパイプ２２に熱を伝わりにくくする断熱スリーブ３５が設けられている。
断熱スリーブ３５は、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４が好適である。）製であり、筒部３５ａと、この筒部３５ａの一端に一体に設けられたドーム形状部３５ｂとからなる。
断熱スリーブ３５は、ヒートパイプ２２の入熱部２２ａ、断熱部２２ｃを囲っているが、少なくともヒートパイプ２２の入熱部２２ａを囲うものであれば良い。
また、断熱スリーブ３５と、鋳抜きピン１４の小径孔１４ｊの内面及びヒートパイプ２２の外面とは密着している。
【００２７】
以上に述べた冷却部２０、ヒートパイプ２２及び断熱スリーブ３５の作用を次に説明する。
図４は、鋳抜きピンの冷却の作用を示す作用図である。
金型１０のキャビティ１６内に、例えば、アルミニウム合金の溶湯４１をダイカストマシンにより圧入すると、高温の溶湯４１によって金型１０が加熱される。鋳抜きピン１４を介してヒートパイプ２２の入熱部２２ａに流入した熱は、入熱部２２ａから断熱部２２ｃを介して凝縮部２２ｂに輸送される。また、鋳抜きピン１４の小径部１４ｅから中径部１４ｄを介して大径部１４ｃ側にも熱が伝わる。
【００２８】
冷却部２０の冷却水供給部２１では、矢印Ａ，Ｂで示すように、冷却水供給チューブ２５側からインナーチューブ２３内に冷却水が供給され、冷却水は、ヒートパイプ２２とインナーチューブ２３との間の内側冷却水通路３３を通り、折り返し地点２８を介してインナーチューブ２３と鋳抜きピン１４の冷却孔１４ａとの間の外側冷却水通路３４を通り、次に、矢印Ｃ，Ｃで示すように、インナーチューブ２３とアウターチューブ２６との間の冷却水通路を通り、矢印Ｅで示すように、アウターチューブ２６を通って冷却水排水チューブ２７から外部に排出される。
このような冷却水の流れによって、上記したヒートパイプ２２の凝縮部２２ｂの熱及び鋳抜きピン１４の熱が冷却水に伝わり、ヒートパイプ２２及び鋳抜きピン１４が冷却される。
【００２９】
図５は、鋳抜きピン内部の断熱構造の作用を示す作用図であり、鋳抜きピン１４の先端部の熱の流れを示している。
白抜き矢印で示すように、溶湯から鋳抜きピン１４の先端部（小径部１４ｅ、中径部１４ｄ）に入熱すると、その熱は断熱スリーブ３５を介してヒートパイプ２２の入熱部２２ａに伝わる。そして、その熱は、黒塗り矢印で示すように、ヒートパイプ２２の入熱部２２ａから断熱部２２ｃを介して凝縮部２２ｂに伝わり、冷却水供給部２１内を流れる冷却水に伝わる。
【００３０】
図６は、鋳抜きピン内部の断熱構造の効果を示すグラフであり、図２（ａ）に示した実施例に示したヒートパイプ２２と図２（ｃ）に示したヒートパイプ１００の温度変化を示している。グラフの縦軸はヒートパイプの温度、横軸は時間を表す。時間＝０（ゼロ）は金型内に溶湯を圧入した時である。
実施例のヒートパイプ２２では、金型内に溶湯を圧入した後に、ヒートパイプ２２の温度は次第に上昇し、時間ｔ２に最大温度Ｔｍａｘ１に達する。時間ｔ２の後はヒートパイプ２２の温度は次第に低下する。グラフ中のＴ１は強度及び熱輸送の観点から設定されたヒートパイプ２２の耐熱温度であり、例えば、３００℃である。
このように、実施例のヒートパイプ２２においては、図２（ａ）に示されるように、ヒートパイプ２２の入熱部２２ａが断熱スリーブ３５で覆われるため、溶湯から熱が伝わりにくくなっている。
【００３１】
図６において、比較例のヒートパイプ１００では、金型内に溶湯を圧入した後に、ヒートパイプ１００の温度は、実施例のヒートパイプ１００の場合よりも急に上昇し、時間ｔ１（＜ｔ２）に最大温度Ｔｍａｘ２に達する。最大温度Ｔｍａｘ２は実施例の最大温度Ｔｍａｘ１よりも高い。時間ｔ２の後はヒートパイプ１００の温度は次第に低下する。グラフ中のＴ２は短時間使用する際のヒートパイプ１００の耐熱温度であり、例えば、５００℃である。
このように、図２（ｃ）に示した鋳抜きピン１０１内に単にヒートパイプ１００を挿入しただけでは、ヒートパイプ１００の温度が非常に高くなるため、ヒートパイプ１００の寿命は短くなる。また、ヒートパイプ１００の内部でドライアウトが発生して、熱輸送が行われなくなる場合がある。
これに対して、実施例では、図６に示したように、比較例の最大温度Ｔｍａｘ２に対して最大温度Ｔｍａｘ１が低く、温度Ｔ１以下の低い温度状態が維持されるため、ヒートパイプ２２による熱移動を効果的に行うことができる。
【００３２】
以上の図１〜図３で説明したように、ヒートパイプ２２は、金型１０内に配置されて入熱部２２ａとされた一端部と、冷却回路としての冷却部２０内に配置されて凝縮部２２ｂとされた他端部とを備え、入熱部２２ａは、断熱層としての断熱スリーブ３５を介して金型１０、詳しくは鋳抜きピン１４に接触し、凝縮部２２ｂは、冷却部２０内に設けられた冷却水供給用チューブとしてのインナーチューブ２３の内部に配置されるので、ヒートパイプ２２の入熱部２２ａは断熱スリーブ３５によって入熱速度を抑制することが可能になるため、初期の入熱による最高温度を低減することができ、ヒートパイプ２２の入熱部２２ａの温度を低減することができる。これにより、熱輸送を必要とする時間内で、より多くの時間をヒートパイプ２２の作動温度域に抑えることが可能になり、より効率良く継続的に抜熱が行え、且つヒートパイプ２２のパイプ本体の破損を防止することが可能である。
【００３３】
また、凝縮部２２ｂで液化した作動液が入熱部２２ａと凝縮部２２ｂとの間の断熱部２２ｃで加熱されて入熱部２２ａまで循環せずに入熱部２２ａで作動液が消失するドライアウトが生じることを防止することができる。
更に、ヒートパイプ２２の凝縮部２２ｂはインナーチューブ２３の内部に配置されることで、インナーチューブ２３とヒートパイプ２２の凝縮部２２ｂとの間の狭い流路に冷却水を流すことにより冷却水の流速が上げられるので、凝縮部２２ｂから冷却水へ効率良く熱伝達を行うことができ、ヒートパイプ２２の抜熱を促進することができる。
このように、入熱部２２ａと凝縮部２２ｂでの熱伝達を従来に比べて大きく変えることで、ヒートパイプ２２の耐熱強度向上と抜熱効率向上とを両立することができる。
また、インナーチューブ２３内にヒートパイプ２２を配置する構造であるため、冷却構造をよりコンパクトに構成することができ、金型１０の峡部や複雑形状部位に容易に配置することができ、そのような部位においてもヒートパイプ２２を含む冷却回路による冷却を効果的に行うことができる。
【００３４】
また、凝縮部２２ｂの長さＬ２は、入熱部２２ａの長さＬ１以上であるので、凝縮部２２ｂを入熱部２２ａよりも長くすることで、金型１０の熱を効率良く抜熱することができ、また、ヒートパイプ２２の全長において、凝縮部２２ｂの長さを長くすれば、入熱部２２ａと凝縮部２２ｂとの間の断熱部２２ｃを短くすることができ、断熱部２２ｃが加熱された場合に、入熱部２２ａでドライアウトが発生するのを防止することができる。
また、ヒートパイプ２２のパイプ本体は銅製であり、ヒートパイプ２２の作動液は水であるので、銅は熱伝導率が高いため、ヒートパイプ２２のパイプ本体を銅製とすることで、熱伝導率を高めることができ、作動液の熱輸送と合わせて効果的に熱を冷却水回路に伝えることができる。また、水は潜熱が非常に大きいため、作動液を水にすることで、大きな熱輸送量を得ることができる。
【００３５】
また、断熱スリーブ３５は、オーステナイト系ステンレス鋼で構成されるので、オーステナイト系ステンレス鋼は、耐熱性、耐食性に優れているため、長期に亘って高い断熱効果を得ることができる。
【００３６】
＜第２実施形態＞
図７は、本発明の第２実施形態を適用した鋳造用金型の断熱構造を示す断面図である。 第２実施形態において、第１実施形態と同一構成については同一符号を付け、詳細説明は省略する。
断熱スリーブ５１は、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４が好適である。）製であり、筒部５１ａと、この筒部５１ａの一端に一体に設けられたドーム形状部５１ｂとからなり、外周面５１ｃに、筒部５１ａ及びドーム形状部５１ｂに亘って空気断熱層を形成する複数の凹部５１ｅが形成されている。
【００３７】
＜第３実施形態＞
図８は、本発明の第３実施形態を適用した鋳造用金型の断熱構造を示す断面図である。
第３実施形態において、第１実施形態と同一構成については同一符号を付け、詳細説明は省略する。
断熱スリーブ５５は、ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４が好適である。）製であり、筒部５５ａと、この筒部５５ａの一端に一体に設けられたドーム形状部５５ｂとからなり、筒部５１ａ及びドーム形状部５１ｂに亘って空気断熱層を形成するために外周面５５ｃ側と内周面５５ｄ側とを貫通する複数の貫通孔５５ｅが形成されている。
以上の図７、図８で説明したように、断熱層としての断熱スリーブ５１，５５は、空気断熱層としての複数の凹部５１ｅ、貫通孔５５ｅを備えているので、断熱スリーブ５１，５５の外周面に凹部５１ｅを形成したり、貫通孔５５ｅを設けて空気断熱層を形成することで、より一層断熱効果を高めることができ、金型としての鋳抜きピン１４とヒートパイプ２２との間の伝熱をより抑制することが可能である。従って、ヒートパイプ２２への急激な入熱をより一層抑制することができる。
【００３８】
上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で任意に変形及び応用が可能である。
例えば、上記実施形態において、図７に示した断熱スリーブ５１では、外周面５１ｃに複数の凹部５１ｅを形成したが、これに限らず、断熱スリーブ５１の内周面に複数の凹部を形成しても良い。また、外周面５１ｃに複数の空気断熱層としての溝を形成しても良い。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 金型（鋳造用金型）
２０ 冷却部（冷却回路）
２２ ヒートパイプ
２２ａ 入熱部
２２ｂ 凝縮部
２３ インナーチューブ（冷却水供給用チューブ）
３５ 断熱スリーブ（断熱層）
５１ｅ 凹部（空気断熱層）
５５ｅ 貫通孔（空気断熱層）
Ｌ１ 入熱部の長さ
Ｌ２ 凝縮部の長さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートパイプを含む冷却回路を備えた鋳造用金型であって、
前記ヒートパイプは、前記金型内に配置されて入熱部とされた一端部と、前記冷却回路内に配置されて凝縮部とされた他端部とを備え、
前記入熱部は、断熱層を介して前記金型に接触し、前記凝縮部は、前記冷却回路内に設けられた冷却水供給用チューブの内部に配置されることを特徴とする鋳造用金型。
【請求項２】
前記凝縮部の長さは、前記入熱部の長さ以上であることを特徴とする請求項１に記載の鋳造用金型。
【請求項３】
前記ヒートパイプのパイプ本体は銅製であり、前記ヒートパイプの作動液は水であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳造用金型。
【請求項４】
前記断熱層は、オーステナイト系ステンレス鋼で構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の鋳造用金型。
【請求項５】
前記断熱層は、空気断熱層を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の鋳造用金型。
【請求項１】
ヒートパイプを含む冷却回路を備えた鋳造用金型であって、
前記ヒートパイプは、前記金型内に配置されて入熱部とされた一端部と、前記冷却回路内に配置されて凝縮部とされた他端部とを備え、
前記入熱部は、断熱層を介して前記金型に接触し、前記凝縮部は、前記冷却回路内に設けられた冷却水供給用チューブの内部に配置されることを特徴とする鋳造用金型。
【請求項２】
前記凝縮部の長さは、前記入熱部の長さ以上であることを特徴とする請求項１に記載の鋳造用金型。
【請求項３】
前記ヒートパイプのパイプ本体は銅製であり、前記ヒートパイプの作動液は水であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋳造用金型。
【請求項４】
前記断熱層は、オーステナイト系ステンレス鋼で構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の鋳造用金型。
【請求項５】
前記断熱層は、空気断熱層を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の鋳造用金型。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−８６１７０（Ｐ２０１３−８６１７０Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３１８５５（Ｐ２０１１−２３１８５５）
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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