(57)【要約】【課題】冷却対象の高温蓄熱部位を狙って冷却することで、より効率的に冷却対象を冷却することが可能な冷却装置を提供する。【解決手段】冷却装置（１０１）は、有底管状をなす外管（２０）と、内管（３０）とを備える。内管は、少なくとも一部が外管の内部に外管と非接触状態で設けられ、外管の軸方向において底部（２３）を先端とし底部とは反対側を基端とすると、基端から先端側へ液体状の冷媒を導く供給流路（３１）を形成する。外管の内部に、内管の開放された先端であって供給流路の出口（３３）と外管の底部との間で冷媒が気化する蒸発部（２５）と、内管の外側に環状に形成され冷媒蒸気が流通する蒸気流路（２６）と、を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象（１）からの熱によって沸騰する冷媒（Ｒ）の気化熱で前記冷却対象を冷却する冷却装置であって、
有底管状をなす外管（２０）と、
少なくとも一部が前記外管の内部に前記外管と非接触状態で設けられ、前記外管の軸方向において底部（２３）を先端とし前記底部とは反対側を基端とすると、前記基端から前記先端へ液体状の前記冷媒を導く供給流路（３１）を形成する内管（３０，３００）と、
を備え、
前記外管の内部に、前記内管の開放された先端であって前記供給流路の出口（３３）と前記外管の前記底部との間で前記冷媒が気化する蒸発部（２５）と、前記内管の外側に環状に形成され冷媒蒸気が流通する蒸気流路（２６）と、を形成する冷却装置。
【請求項２】
前記供給流路と前記蒸気流路とは、前記供給流路から前記蒸気流路へ前記冷媒が一方向に循環する環状の冷媒流路（１０）の一部を形成し、
前記蒸発部より下流の前記冷媒流路に設けられ、前記冷媒が蒸発した際の体積膨張により前記冷媒が前記一方向へのみ流通するように設けられる第１逆止弁（１３）と、
前記蒸発部より上流の前記冷媒流路に設けられ、前記冷媒が放熱により凝縮した際の体積収縮により前記冷媒が前記一方向へのみ流通するように設けられる第２逆止弁（１４）と、
をさらに備える請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記外管と前記内管とは、円管である請求項１または請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記外管と前記内管とは同軸上に設けられている請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の冷却装置。
【請求項５】
液体状の前記冷媒が予め設定された沸点で沸騰するように前記冷媒の圧力を可変する圧力調整部（１２）をさらに備える請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば金型の温度を制御するため、金型内部に冷却管を形成し、この冷却管に冷媒を供給して、金型を冷却する冷却装置が知られている。冷媒としては、例えば水や油など種々のものが用いられる。こうした冷却装置では、冷媒の比熱を利用して冷却対象を冷却するものの他、例えば特許文献１に記載されるように、冷媒が沸騰する際の気化熱を利用して冷却する方法が知られている。一般に、冷媒が液相から気相へ相変移する際の気化熱による冷却の方が、相変化を伴わない顕熱比熱による冷却よりも、冷却効率が高い。
【０００３】
冷却管内の冷媒は、型温度が冷媒の沸点以上まで上昇した部分で沸騰を開始する。そして、沸騰の際の冷媒の気化熱により、その部位における金型が急速に冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−１５７７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、こうした冷却装置において、例えば円管状の冷却管を、冷却対象であるキャビティ周辺の高温蓄熱部位に配置した場合、冷却管内部において軸方向のどの位置で冷媒が気化するかは、そのときの各部位における金型温度に起因するため、不明である。つまり、冷却対象の最も冷却したいポイントが定まっており、例えばその冷却ポイントが冷却管の先端近傍にあるような場合でも、金型温度によっては冷却管の途中で冷媒が沸騰してしまう。そして、その沸騰部位では急速に金型の冷却ができるものの、肝心な冷却したいポイントである先端近傍については十分に冷却できないという問題があった。すなわち、冷媒が気化する位置が定まらないため、金型の高温蓄熱部位を狙って冷却することができず、非効率的であるいう問題が生じていた。
【０００６】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、冷却対象の高温蓄熱部位を狙って冷却することで、より効率的に冷却対象を冷却することが可能な冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の冷却装置は、冷却対象（１）からの熱によって沸騰する冷媒（Ｒ）の気化熱で冷却対象を冷却する冷却装置である。冷却装置は、有底管状をなす外管（２０）と、内管（３０，３００）とを備える。内管は、少なくとも一部が外管の内部に外管と非接触状態で設けられ、外管の軸方向において底部（２３）を先端とし底部とは反対側を基端とすると、基端から先端側へ液体状の冷媒を導く供給流路（３１）を形成する。
【０００８】
外管の内部に、内管の開放された先端であって供給流路の出口（３３）と外管の底部との間で冷媒が気化する蒸発部（２５）と、内管の外側に環状に形成され冷媒蒸気が流通する蒸気流路（２６）と、を形成する。
【０００９】
本構成によれば、内管の外側に形成される環状の蒸気流路が、内管と外管とを断熱する断熱部として機能する。これにより、冷媒を液状のまま供給流路の出口まで供給し、内管の先端の蒸発部で冷媒を気化させて冷却対象の熱エネルギーを吸収できる。
【００１０】
このように、内管と外管とを有する二重管構造とすると、供給流路の出口に位置する蒸発部で液体冷媒が気化するため、吸熱ポイントがピンポイントで定まる。よって、冷却対象において特に冷却したい高温蓄熱部位と、供給流路の出口、すなわち内管の開放した先端位置とが一致するように配置すれば、冷却対象の高温蓄熱部位を狙って冷却することが可能となる。ひいては、より効率的に冷却対象を冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態による冷却装置の構成を示す模式図である。
【図２】冷却装置において特に冷却管部分を示す断面模式図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】外管の軸方向位置と金型温度との関係をグラフに示す図であり、第１実施形態を実線のグラフで示し、比較形態を二点鎖線のグラフで示す。
【図５】第２実施形態の冷却装置において特に冷却管部分を示す断面模式図である。
【図６】外管の軸方向位置と金型温度との関係をグラフに示す図であり、第２実施形態を実線のグラフで示し、比較形態を二点鎖線のグラフで示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
〈第１実施形態〉
［構成］
本発明の第１実施形態の構成について、図１〜図３を参照しつつ説明する。本実施形態の冷却装置１０１は、冷媒流路１０の内部を循環する冷媒Ｒの気化熱によって樹脂成形金型１(以下、単に「金型」ともいう)を冷却する装置である。なお、図１、図２では、金型１を二点鎖線で示している。冷却対象である金型１は、例えば自動車部品等の樹脂成形品を製造するための金型である。金型１は、溶融樹脂を流し込むための空間である図示しないキャビティや、冷却装置１０１の冷却管（後述する外管２０や内管３０など）を収容する通路等を有している。溶融樹脂は、特に限定されるものではなく、適宜選定される。
【００１３】
図１、図２に示すように、冷却装置１０１は、冷媒タンク１１、減圧ポンプ１２、第１逆止弁１３、第２逆止弁１４、外管２０（図２参照）、及び内管３０（図２参照）等を備えている。冷媒タンク１１は、冷媒Ｒを一定量貯留する。冷媒Ｒは、本実施形態では水である。減圧ポンプ１２は、冷媒タンク１１の気体室１５に接続され、冷媒Ｒが予め設定された沸点で沸騰するように冷媒Ｒの圧力を可変する。減圧ポンプ１２は、「圧力調整部」に相当する。減圧ポンプ１２は、図示しない制御部に接続されている。制御部により、減圧ポンプ１２による冷媒Ｒの減圧力が制御される。
【００１４】
図２は、冷却装置１０１において、金型１の高温蓄熱部に配される冷却管部分を示す断面模式図である。図２、図３を参照して、冷却装置１０１において冷媒流路１０を構成する部位についてさらに詳細に説明する。冷媒流路１０は、冷媒タンク１１に接続し、減圧された冷媒Ｒが循環する環状の流路である。
【００１５】
図２に示すように、外管２０は、全体としてＬ字形状をなし、大径管部２１と小径管部２２とを有している。大径管部２１は、有底の円管状部材である。大径管部２１の軸方向において、底部２３を先端とし、底部２３とは反対を基端２４とする。小径管部２２は、大径管部２１の基端２４から９０度屈曲して大径管部２１と連続して設けられている。
【００１６】
内管３０は、円環状部材である。内管３０は、外管２０と共通の中心軸Ｌを有し、外管２０と同軸上となるように、その一部が大径管部２１の内部に非接触状態で位置している。内管３０の基端側は、大径管部２１の基端２４を貫通して、その先は冷媒タンク１１に連通している。内管３０の径は、大径管部２１の径の概ね２分の１〜３分の１程度である。
【００１７】
内管３０は、その内部に、大径管部２１の基端２４から先端へ液体状の冷媒Ｒを導く供給流路３１を形成する。供給流路３１の出口３３は、大径管部２１の底部２３には到達しない程度に、大径管部２１の底部２３近傍まで延びた位置に形成されている。内管３０の先端、すなわち供給流路３１の出口３３は大径管部２１内に開放されている。
【００１８】
大径管部２１の内部であって、供給流路３１の出口３３と底部２３との間には蒸発部２５が形成されている。蒸発部２５では、金型１からの熱を受けて、供給流路３１を流通して出口３３から流出した冷媒Ｒが気化する。大径管部２１の内部であって、内管３０の径方向外側には蒸気流路２６が形成されている。蒸気流路２６は、図３に示すように、軸方向の断面が円環状をなし、蒸発部２５で気化した冷媒蒸気が流通する。つまり、内管３０の外側に蒸気流路２６が形成する部位において、内管３０は外管２０に非接触状態である。内管３０の供給流路３１から、蒸発部２５、蒸気流路２６、及び小径管部２２内の流路２７が接続しており、環状の冷媒流路１０が構成されている。
【００１９】
第１逆止弁１３は、蒸発部２５より下流の冷媒流路１０であって、小径管部２２内の流路２７の途中に設けられている。第１逆止弁１３は、冷媒Ｒが蒸発した際の体積膨張により、冷媒Ｒが矢印Ａ１に示す一方向へのみ流通するように設けられる。第２逆止弁１４は、蒸発部２５より上流の冷媒流路１０であって、内管３０において、外管２０の基端２４から外側へ延びている部位に設けられている。第２逆止弁１４は、冷媒Ｒが放熱により凝縮した際の体積収縮により、冷媒Ｒが矢印Ａ２に示す一方向へのみ流通するように設けられる。以上により、冷媒Ｒは、冷媒タンク１１から、冷媒流路１０内を一方向へ流通して循環する。
【００２０】
［作用］
次に、キャビティに注入された溶融樹脂の熱によって高温となった金型１を、上記冷却装置１０１によって冷却する際の作用について説明する。まず、冷却開始前の平衡状態では、冷媒流路１０内の冷媒Ｒは、飽和圧力および飽和温度にあり、蒸気と液体とが共存する状態で存在している。
【００２１】
キャビティへの溶融樹脂注入が完了し、冷却装置１０１による冷却が開始されるとき、冷媒流路１０を流れる冷媒Ｒは、予め設定された沸点（以下、「設定沸点」という）で沸騰するように、減圧ポンプ１２により減圧される。設定沸点は、例えば、外管２０の大径管部２１が位置する金型１の高温蓄熱部の温度に応じて適宜設定される。
【００２２】
図２において、軸方向における位置Ｐ１は外管２０の底部２３の位置、位置Ｐ２は供給流路３１の出口３３の位置、位置Ｐ３は外管２０の基端２４の位置にそれぞれ対応している。蒸発部２５において、冷媒Ｒは、金型１から熱を奪うことで設定沸点まで昇温し、比較的すぐに沸騰する。すなわち冷媒Ｒの気化熱を利用した沸騰熱伝達作用により、位置Ｐ２〜位置Ｐ１間に対応する金型１の部位が効率的に冷却される。
【００２３】
蒸発部２５で、冷媒Ｒが沸騰して気化すると、冷媒Ｒの体積膨張により、蒸気流路２６内の圧力が上昇し第１逆止弁１３が開き、蒸気流路２６内の水が第１逆止弁１３から下流へ押し出される。金型１の冷却が進み、金型温度が冷媒Ｒの沸点よりも下がると、蒸気流路２６内の水蒸気が冷却されて凝縮する。その結果、蒸気流路２６内の圧力が下がり、今度は第１逆止弁１３が閉じ、第２逆止弁１４が開き、供給流路３１の出口３３側へ水が吸い込まれる。以上のように、冷媒Ｒの沸騰凝縮の繰り返しにより、水が強制的に冷媒流路１０内を循環する。
【００２４】
内管３０が外管２０に被接触状態の２重管構造であるため、供給流路３１の径方向外側は、蒸気流路２６で断熱されたような状態となるため、供給流路３１内の冷媒Ｒは金型１から熱を受けず、液体の状態のまま出口３３まで流通する。
【００２５】
そして、供給流路３１の出口３３である図２に示す位置Ｐ２において冷媒Ｒが急速に気化するため、この位置での冷却効果が最も高くなる。図４では、本実施形態における冷却作動時の外管２０の軸方向位置と金型温度との関係を実線のグラフＧ１で示し、比較形態における対応する金型位置と金型温度との関係を二点鎖線のグラフＧ２で示している。比較形態は、例えば冷却装置１０１を有しない金型などであり、横軸の位置は、外管２０を設けた場合に対応する金型の所定位置に相当する。なお、図２に示す軸方向位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３と、図４に示す軸方向位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とは対応している。
【００２６】
図４のグラフＧ２に示すように、比較形態では位置Ｐ１〜Ｐ２の部位での金型温度が高くなっている。一方、本実施形態のように、供給流路３１の出口３３が位置Ｐ２付近にあり、位置Ｐ１〜Ｐ２の部位が蒸発部２５として構成されている場合には、グラフＧ１に示すように、比較形態に対して位置Ｐ１〜Ｐ２における金型温度は低い。また、位置Ｐ２での温度より位置Ｐ１での温度の方がさらに低くなっている。これは、供給流路３１の出口３３である位置Ｐ２で速やかな冷却効果が得られ、熱伝達により位置Ｐ１〜位置Ｐ２間で冷却効果が持続し、位置Ｐ１においても金型温度が下がるためである。
【００２７】
［効果］
（１）例えば、冷却管を、内管３０を有さずに外管２０のみで構成し、外管２０内に冷媒を流通させる構成の場合、冷却管内部において軸方向のどの位置で冷媒Ｒが気化するかは、そのときの各部位における金型温度に起因する。例えば、冷却管の基端周辺の金型温度が既に沸点を超えている場合には、冷却管の基端で冷媒Ｒが沸騰してしまい、この沸騰部位での冷却効果は得られるが、冷却管の先端部位では冷却することができない。つまり、冷却管の先端近傍の金型温度が基端よりも高く、先端周辺の金型を最も冷却したい場合であっても十分に冷却することができない。
【００２８】
その点、上記実施形態では、内管３０が外管２０内に被接触状態で配される２重管構造としており、外管２０の外側の金型温度が沸点を超えている場合であっても、蒸気流路２６に断熱されて、冷媒Ｒは基端で気化することはなく、液体のまま供給流路３１の出口３３まで流通する。すなわち、冷媒Ｒが気化する位置は、内管３０の先端と定まっている。このため、金型１の高温蓄熱部位をピンポイントで狙って冷却することができ、金型１の高熱蓄熱部位を効率的に冷却することができる。
【００２９】
また、例えば、冷媒Ｒの相変化を伴わない顕熱比熱により、冷却管内に冷媒Ｒを流通させて冷却する場合、一般に冷却対象の熱にさらされる冷却管は、先端から基端に向けて熱伝導させることで熱を逃がしているため、先端ほど高温になってしまい、先端では十分に熱エネルギーを吸収できない。これに対して、上記実施形態では、内管３０の開放された先端は外管２０の底部２３近傍に位置しているため、外管２０の先端であっても熱エネルギーを吸収できる。
【００３０】
（２）上記実施形態では、二つの逆止弁１３，１４を用いることで、強制的に冷媒Ｒが冷媒流路１０内を循環する。このため、例えばポンプ等の大きな装置が不要であるとともに、冷媒Ｒの状態変化による冷媒流れを好適に作ることができる。また、冷媒流路１０を構成する部材を金型１に配置するにあたり、重力上下方向が限定されないため好適に配置することができる。
【００３１】
（３）上記実施形態では、外管２０の大径管部２１と内管３０とは同一軸上となるように配置されており、内管３０の径方向外側に形成される蒸気流路２６の流路幅が均等である。このため、供給流路３１途中での断熱効果が安定し、より確実に供給流路３１の出口３３で冷媒Ｒが気化する構成とできる。
【００３２】
（４）上記実施形態では、減圧ポンプ１２を有しており、冷媒Ｒが予め設定された沸点で沸騰するように冷媒Ｒの圧力を変えるようにしている。よって、金型１の温度状況に応じて、設定沸点を調整することで、冷媒Ｒを所望の温度で沸騰させることができ、冷却効率をさらに向上させることができる。
【００３３】
〈第２実施形態〉
次に、本発明の第２実施形態の冷却装置１０２について、図５、図６を参照して説明する。なお、第１実施形態と実質的に同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。第２実施形態では、第１実施形態の冷却装置１０１に対し、内管の長さが異なる。第２実施形態の内管３００は、第１実施形態の内管３０と比べて軸方向長さが短く、外管２０の大径管部２１の底部２３近傍までは延びておらず、大径管部２１の軸方向長さの約半分の位置Ｐ４まで延びて形成されている。
【００３４】
図６では、第２実施形態における冷却作動時の外管２０の軸方向位置と金型温度との関係を実線のグラフＧ３で示し、比較形態における対応する金型位置と金型温度との関係を二点鎖線のグラフＧ４で示している。なお、グラフＧ４に示す比較例は、図４にグラフＧ２で示した金型とは別の形態であり、位置Ｐ４の近傍で金型温度が最も高くなっている。
【００３５】
こうした金型において、第２実施形態の冷却装置１０２を用いた場合、図６においてグラフＧ３に示すように、位置Ｐ４の先端側の部位の金型温度が、グラフＧ４に比べて下がっていることがわかる。このように本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、金型１の高温蓄熱部位を狙って冷却することができ、同様の効果を奏すことができる。なお、第２実施形態において図６に示すように、供給流路３１の出口３３は、金型温度が最も高い位置より少し基端２４側の位置としているが、最も高い位置に合うように位置させても良いし、適宜調整が可能である。
【００３６】
〈他の実施形態〉
上記各実施形態における冷媒Ｒは水としたが、その他の物質でも良い。例えば、エタノール、メタノール、アセトン等でも良い。その他、物質の気化潜熱を用いて冷却するものであれば良く、金型の種類等によって適宜選択可能である。
【００３７】
上記各実施形態では、二つの逆止弁１３，１４によって冷媒流路１０内を強制循環させるものとしたが、逆止弁ではなくポンプ等の圧送手段により強制循環させても良い。または、冷媒Ｒは循環していなくても良い。
【００３８】
上記各実施形態では、冷却装置１０１，１０２を樹脂成形金型１に適用したが、その他、金属製品を鋳造するダイカスト金型等に適用しても良いし、炉内の冷却用装置として適用しても良い。冷却対象は種々である。
【００３９】
上記各実施形態では、圧力部として減圧ポンプ１２を用いたが、閉ループ管路である冷媒流路１０内の圧力を任意に調整することで、冷媒Ｒの沸騰温度を自由に調整できれば、その他の機構を用いても良い。また、減圧の他、加圧しても良い。
【００４０】
上記各実施形態において、外管２０および内管３０，３００は共に円管としたが、円でなくその他の形状であっても良い。また、各管２０，３０，３００の軸方向長さや径なども適宜変更可能である。
【００４１】
上記各実施形態において、外管２０の大径管部２１と内管３０，３００とは同一の中心軸Ｌ上に配置したが、同一軸上でなくても良い。内管３０，４０の外側に断熱層として機能する軸方向断面が環状をなす蒸気流路２６が形成されれば良い。
【００４２】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１        ・・・樹脂成形金型（冷却対象）
１０      ・・・冷媒流路
１３      ・・・第１逆止弁
１４      ・・・第２逆止弁
２０      ・・・外管
２３      ・・・底部
２５      ・・・蒸発部
２６      ・・・蒸気流路
３０      ・・・内管
１０１    ・・・冷却装置
【図１】
2020085315.tif 000003
【図２】
2020085315.tif 000004
【図３】
2020085315.tif 000005
【図４】
2020085315.tif 000006
【図５】
2020085315.tif 000007
【図６】
2020085315.tif 000008