(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱材料を成形する工具（１０、１１０）であって、
成形時に前記加熱材料と接触する成形表面（２４、１２４）を備え、前記成形表面が３次元輪郭を有する、工具部（１４、１６、１８、２０）と、
前記工具部に形成された供給部（３４）と、
前記工具部に形成され、前記成形表面から離隔された冷却通路（２６、１２６）とを備え、
前記冷却通路（２６、１２６）は、前記供給部から受け入れた冷却流体を複数の方向に広がるように導入する２相部（２８、１２８）を有し、
前記２相部（２８、１２８）は、少なくとも一部が第１および第２の通路表面（４２、４４、１４２、１４４）によって画定され、通路の流れ方向における第１の開口（３８、１３８）と第２の開口（４０）との間に位置し、前記成形表面の前記３次元輪郭にならうように形成されており、
前記冷却通路の前記２相部（２８、１２８）に沿って流れる冷却流体が、前記加熱材料から熱を除去するときに、２相流体流となるように構成された、工具（１０、１１０）。
【請求項２】
前記工具部（１４、１６、１８、２０）が、前記第１および第２の通路表面（４２、４４、１４２、１４４）を有する第１および第２の分割片を備えた、請求項１に記載の工具（１０、１１０）。
【請求項３】
前記冷却通路（２６、１２６）の前記２相部（２８、１２８）が、Ｂｏ０．５Ｒｅ≦１６０となるように構成され、Ｂｏがボンド数であり、Ｒｅが２相流体流と関連付けられたレイノルズ数である、請求項１に記載の工具（１０、１１０）。
【請求項４】
前記冷却通路（２６、１２６）の前記２相部（２８、１２８）が、前記冷却流体中に形成された気泡が前記冷却通路の通路表面（４２、４４、１４２、１４４）間の距離（Ｄ）に実質的に拡がるように構成された、請求項１に記載の工具（１０、１１０）。
【請求項５】
前記冷却通路（２６、１２６）の前記２相部（２８、１２８）は、前記冷却通路の通路表面（４２、４４、１４２、１４４）間の距離（Ｄ）が、前記第１および第２の開口間で変化する、請求項１に記載の工具（１０、１１０）。
【請求項６】
前記冷却流体が、外部冷却流体源から前記第１の開口（３８、１３８）で受容されるとともに、前記冷却通路（２６、１２６）から前記第２の開口（４０）で放出され、前記通路表面（４２、４４、１４２、１４４）間の距離（Ｄ）が、前記第２の開口よりも前記第１の開口において大きい、請求項５に記載の工具（１０、１１０）。
【請求項７】
前記冷却通路（２６、１２６）の前記２相部（２８、１２８）が、前記第１の開口（３８、１３８）と前記第２の開口（４０）との間に画定された長さ（Ｌ）および長さ方向に直交する方向に画定された幅（Ｗ）を有し、前記冷却通路の通路表面（４２、４４、１４２、１４４）間の距離（Ｄ）が、前記冷却通路の前記長さおよび前記幅の両者より少なくとも１桁小さい、請求項１に記載の工具（１０、１１０）。
【請求項８】
閉塞状態にある場合に前記成形表面（２４）によって部分的に画定されたキャビティ（２２）を有する鋳型であり、前記鋳型が、溶融金属を前記キャビティに受容するように構成されており、前記冷却通路（２６）が、前記溶融金属から熱を除去することにより、前記溶融金属を成形品（１００）として固化するように構成された、請求項１に記載の工具（１０）。
【請求項９】
開放状態にある間に遷移温度を超えて加熱された金属薄板（１１８）を受容するとともに、閉塞状態にある場合に前記加熱された金属薄板を成形および急冷するように構成された金属薄板成形型である、請求項１に記載の工具（１１０）。
【請求項１０】
加熱材料を成形する工具（１０、１１０）であって、
通路表面（４２、４４、１４２、１４４）および成形時に前記加熱材料と接触する成形表面（２４、１２４）を有する複数の分割片を備え、前記通路表面が第１の通路表面（４２、１４２）と第２の通路表面（４４、１４４）とを含む工具部（１４、１６、１８、２０）と、
前記工具部に形成された供給部（３４）と、
前記工具部に形成され、前記成形表面から離隔された冷却通路（２６、１２６）とを備え、
前記分割片の対向する前記第１及び第２の通路表面（４２、４４、１４２、１４４）は、前記供給部から受け入れた冷却流体が前記冷却通路の２相部（２８、１２８）において複数の方向に広がるように隔離されており、
前記２相部（２８、１２８）は、少なくとも一部が対向する前記第１および第２の通路表面（４２、４４、１４２、１４４）によって画定され、通路の流れ方向における第１の開口（３８、１３８）と第２の開口（４０）との間に位置し、前記成形表面の３次元輪郭にならうように形成されており、
前記冷却通路の前記２相部（２８、１２８）に沿って流れる冷却流体が、前記加熱材料から熱を除去するときに、２相流体流となるように構成された、工具（１０、１１０）。
【請求項１１】
前記冷却通路（２６、１２６）の前記２相部（２８、１２８）が、Ｂｏ０．５Ｒｅ≦１６０となるように構成され、Ｂｏがボンド数であり、Ｒｅが２相流体流と関連付けられたレイノルズ数である、請求項１０に記載の工具（１０、１１０）。
【請求項１２】
前記冷却通路（２６、１２６）の前記２相部（２８、１２８）が、前記冷却流体中に形成された気泡が前記通路表面（４２、４４、１４２、１４４）間の距離（Ｄ）に実質的に拡がるように構成された、請求項１０に記載の工具（１０、１１０）。
【請求項１３】
前記冷却通路（２６、１２６）の前記２相部（２８、１２８）は、前記冷却通路の前記通路表面（４２、４４、１４２、１４４）間の距離（Ｄ）が、前記第１および第２の開口間で変化する、請求項１０に記載の工具（１０、１１０）。
【請求項１４】
前記冷却流体が、外部冷却流体源から前記第１の開口（３８、１３８）で受容されるとともに、前記冷却通路（２６、１２６）から前記第２の開口（４０）で放出され、前記通路表面（４２、４４、１４２、１４４）間の距離（Ｄ）が、前記第２の開口よりも前記第１の開口において大きい、請求項１３に記載の工具（１０、１１０）。
【請求項１５】
前記冷却通路（２６、１２６）の前記２相部（２８、１２８）が、前記第１の開口（３８、１３８）と前記第２の開口（４０）との間に画定された長さ（Ｌ）および長さ方向に直交する方向に画定された幅（Ｗ）を有し、前記加熱材料から熱を除去するときに前記冷却流体が２相流体流となる位置における距離（Ｄ）が、前記冷却通路の前記長さ（Ｌ）および前記幅（Ｗ）の両者より少なくとも１桁小さい、請求項１０に記載の工具（１０、１１０）。
【請求項１６】
閉塞状態にある場合に前記成形表面（２４、１２４）によって部分的に画定されたキャビティ（２２）を有する鋳型であり、前記鋳型が、溶融金属を前記キャビティに受容するように構成されており、前記冷却通路（２６、１２６）が、前記溶融金属から熱を除去することにより、前記溶融金属を成形品（１００）として固化するように構成された、請求項１０に記載の工具（１０）。
【請求項１７】
開放状態にある間に遷移温度を超えて加熱された金属薄板（１１８）を受容するとともに、閉塞状態にある場合に前記加熱された金属薄板を急冷するように構成された金属薄板成形型である、請求項１０に記載の工具（１１０）。
【請求項１８】
加熱材料を成形品（１００）として成形する方法であって、
（ａ）前記加熱材料を成形工具（１０、１１０）に導入するステップと、
（ｂ）前記加熱材料が前記成形工具の成形表面（２４、１２４）に適合するように、前記加熱材料を前記成形表面と接触させるステップと、
（ｃ）潜熱冷却によって、前記成形工具が閉塞状態にある間に前記加熱材料から熱を除去するステップであって、
前記除去した熱が、前記成形工具の供給部から供給され冷却通路（２６、１２６）に沿って流れる冷却液を気相に相変態させるに当たり、
前記冷却通路が前記供給部から受け入れた冷却流体は、２相部内において複数の方向に広がって気相に相変態し、
前記２相部は、少なくとも一部が第１および第２の通路表面（４２、４４、１４２、１４４）によって画定され、通路の流れ方向における第１の開口（３８、１３８）と第２の開口（４０）との間に位置し、前記成形表面の３次元輪郭にならうように形成されており、
前記冷却通路の前記２相部（２８、１２８）に沿って流れる冷却流体が、前記加熱材料から熱を除去するときに、２相流体流となる、ステップと、
を含む、方法。
【請求項１９】
前記成形工具（１０）が、鋳型であり、前記加熱材料が、前記成形工具が前記閉塞状態にある間に前記工具のキャビティ（２２）に導入された溶融金属であり、ステップ（ｃ）が、前記溶融金属から十分な量の熱を除去することにより、前記溶融金属を前記成形品（１００）として固化するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記成形工具（１１０）が、金属薄板成形型であり、前記加熱材料が、変態温度を超えて加熱され、前記工具が開放状態にある間に前記工具に導入された金属薄板（１１８）であり、ステップ（ｃ）が、前記加熱された金属薄板を急冷するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記金属薄板（１１８）が、鋼を含み、ステップ（ｃ）が、前記鋼においてマルテンサイト変態を誘導するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
双方向流体流を実現するように、前記冷却通路（２６、１２６）に沿って、冷却流体の流れを制御するステップをさらに含み、液相の冷却流体が、前記冷却通路に沿って一方向に流れ、気相の冷却流体が、前記冷却通路に沿って反対方向に流れる、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の参照
本願は、２０１４年３月７日に出願された米国仮特許出願第６１／９４９，４８０号の利益を主張するものであり、その内容全体を参照により本明細書に組み込む。
【０００２】
本開示は、材料を成形する工具に用いられる冷却システムならびにこのような冷却システムおよび工具を作製および使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
熱に関する不具合は、特に加熱材料の成形および鋳造プロセスにおいて継続的に問題となっている。鋳造部品のより一層の複雑さ、より高い生産性に対する要求、およびより低い廃棄率に対する要求すべてによって、型冷却システムには、より高い熱負荷が掛かる傾向にある。一般的な冷却システムは通例、工具に穿設または穿孔され、冷却液が流れるように意図された多くのチャネルから成る。これは、単相システムであって、熱が（成形する材料に接触した）型表面から、型材料を通って、冷却チャネルの表面まで伝わり、ここで冷却液が熱を吸収して、型から熱を奪い去る。
【０００４】
熱は、成形表面の等温状態を維持しようとする強制対流によって、冷却流体により冷却チャネル壁から除去される。ただし、加熱材料と型との間の界面における高い熱流束、型材料（たとえば、工具鋼）の高い熱拡散抵抗、および冷却流体の対流抵抗のため、プロセスの成形および冷却工程においては、より多くの熱が、冷却流体によって除去されるよりも型材料に伝熱されることがある。これにより、型の全体温度が高くなり、型融着、収縮孔、および／または成形部品の表面亀裂等、熱に関する多くの問題が生じる可能性がある。従来の冷却システムでは、鋳造プロセスの固化工程の後で型噴霧を採用することによって、過剰な熱が除去されることがある。この方法では、サイクル時間が長くなり、潤滑剤の使用が増え、液体回収コストが増大し、工具鋼の劣化によって型工具の寿命が短くなる可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態によれば、加熱材料を成形する工具は、工具部と、工具部に形成された冷却通路とを備える。工具部は、３次元輪郭を有すると共に成形時に加熱材料と接触する成形表面を備える。冷却通路は、成形表面から離隔されており、成形表面の３次元輪郭にならうように形成された２相部を備える。冷却通路の２相部は、加熱材料から熱を除去するとき、冷却通路に沿って流れる冷却流体が２相流体流となるように構成されている。
【０００６】
別の実施形態によれば、加熱材料を成形する工具は、工具部と、工具部に形成された冷却通路とを備える。工具部は、通路表面および成形時に加熱材料と接触する成形表面を有する複数の分割片を備える。冷却通路は、成形表面から離隔されており、冷却通路の対向壁が、分割片の通路表面によって与えられる。対向壁は、加熱材料から熱を除去するとき、冷却通路の２相部に沿って流れる冷却流体が２相流体流となるように離隔されている。
【０００７】
別の実施形態によれば、加熱材料を成形品として成形する方法は、（ａ）加熱材料を成形工具に導入するステップと、（ｂ）加熱材料が成形工具の成形表面に適合するように、加熱材料を成形表面と接触させるステップと、（ｃ）潜熱冷却によって、成形工具が閉塞状態にある間に加熱材料から熱を除去するステップと、を含む。除去した熱は、成形工具の冷却通路に沿って流れる冷却液を気相に相変態させる。
【０００８】
以下、添付の図面と併せて、好適かつ例示的な実施形態を説明するが、類似の記号表示は類似の要素を示している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】２相冷却通路を有する改良型冷却システムを備えた鋳型の形態の成形工具の一実施形態の断面図である。
【図２】図１の工具により作製された成形品の断面斜視図である。
【図３】図１の成形工具の工具部であって、冷却通路を通る冷却流体の流れを示した断面図である。
【図４】冷却通路の供給部が冷却通路の２相部と結合した第１の開口における図３の工具部の断面図である。
【図５】冷却通路の２相部における図３の工具部の断面図である。
【図６】冷却通路の２相部の長さに沿った異なる箇所における図３の工具部の断面図である。
【図７】改良型冷却システムを備えた薄板成形工具の形態の成形工具の別実施形態を示した図である。
【図８】単相流体流および２相流体流となっている冷却流体による放熱速度を示したプロットである。
【図９】冷却流体の沸騰曲線の一例を示した図である。
【図１０】図９のさまざまな領域Ｉ〜Ｖにおける冷却流体中の気泡形成を模式的に示した図である。
【図１１】冷却通路の２相部における冷却流体の沸騰および気泡形成を示した図である。
【図１２】図１１の冷却通路の２相部の長さに沿った熱伝達率のプロットである。
【図１３】０．２ｍｍ通路における流体流の場合の公開データに対する数値モデリングの比較を示した図である。
【図１４】対向通路壁間の距離の関数としての冷却通路における圧力低下のプロットである。
【図１５】対向通路壁間の距離の関数としての冷却通路における熱伝達率のプロットである。
【図１６】改良型冷却システムを備えた図１の工具のコア部の変換熱画像である。
【図１７】改良型冷却システムの実装前の同じコア部の変換熱画像である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、加熱材料を成形および冷却して製造品を形成する工具について説明する。工具は、工具に形成された１つまたは複数の冷却通路を有する冷却システムを備える。冷却流体は、加熱材料が工具の成形表面と接触している間に、冷却通路に沿って流れ、加熱材料から熱を除去することにより、材料を所望の形状および／または状態に変換するのに役立つ。冷却通路は、後述の通り、冷却流体をその沸点に至らせるとともに、冷却流体の蒸発時の潜熱を用いて加熱材料を冷却することにより、加熱材料からの熱除去の速度を大幅に高めるように構成可能である。
【実施例】
【００１１】
図１には、鋳型の形態の例示的な成形工具１０を示している。鋳型１０は、冷却システム１２を備え、図２に示すハウジング１００等の鋳造または成形品へと溶融材料を成形するように構成されている。特定の一実施形態において、工具１０は、高圧アルミニウム型鋳造プロセスに用いられるように構成されている。工具は、低圧金属鋳型またはプラスチック射出成形工具等、別の種類の成形工具であってもよい。あるいは、工具は、熱間金属スタンピング工具またはプラスチック熱成形工具等の薄板成形工具であってもよい。本明細書においては、冷却システム１２を採用可能な上記および他の工具を成形工具と総称する。
【００１２】
図示の工具１０は、複数の工具部１４〜２０を備えており、図１においては、閉塞状態を示している。閉塞状態にある場合は、工具部１４〜２０が一体的にキャビティ２２を画定する。各工具部１４〜２０は、キャビティ２２に露出した成形表面２４を有する。加熱材料（この特定例においては、溶融金属）は、キャビティ２２に導入され、成形表面２４に接触して適合する。溶融材料は、冷却システム１２によって冷却され、キャビティ２２において固化する。そして、工具１０を開放状態へと変化させることにより、成形品１００を取り出すことができる。この例において、工具部１４、１６は、成形品１００の内部表面１０２の形状を画定する各成形表面２４を備えたコア部であり、工具部１８、２０は、成形品の外部表面１０４の形状を画定する空洞部である。工具は、コア部１４、１６が互いに近づく方向または離れる方向に移動して工具をそれぞれ閉塞状態または開放状態にすることができるように構成されている。また、空洞部１８、２０は、互いに近づく方向または離れる方向に移動して、工具１０を閉塞または開放することができる。
【００１３】
冷却システム１２は、１つまたは複数の冷却通路２６を備えており、また、マイクロチャネル、２相流体流、コンフォーマルもしくは３次元冷却チャネル、双方向流体流、潜熱冷却、長さに沿った断面積が不均一な冷却チャネル、表面張力効果を無視できない流れ状態、工具の分割片により与えられる対向壁、または通路の長さおよび幅より少なくとも１桁小さな対向通路壁間の間隔といった特徴のうちの１つまたは複数をさまざまな組み合わせで具備または採用してもよい。この一連の特徴は、包括的ではなく、これら特徴のうちのいくつかを以下により詳しく説明する。
【００１４】
図１の例において、コア部１４、１６はそれぞれ、冷却を強化するように構成された部分２８を有する冷却通路２６を備える。図示のコア部１４は、ベース３０およびインサート３２を備える。インサート３２は、冷却を強化するように構成された部分２８を有する冷却通路２６を備える。一実施形態において、冷却通路２６の部分２８は、冷却通路の２相部である。冷却通路２６の２相部２８に沿って流れる冷却流体は、キャビティ２２中の加熱材料から熱を除去するとき、２相流体流となる。２相流体流においては、冷却流体の一部が液相であり、冷却流体の一部が気相である。
【００１５】
２相流体流は、潜熱冷却の一特性である。本明細書において、潜熱冷却は、加熱材料が工具１０の成形表面２４と接触している間に、冷却流体の蒸発時の潜熱を用いて加熱材料から熱を除去することにより、材料の固化あるいは材料の相または状態の変化を起こさせる種類の冷却プロセスである。蒸発時の潜熱は、冷却流体を液相から気相に変化させるのに要する冷却流体の単位質量当たりの熱エネルギーである。このように、潜熱冷却は、一定温度すなわち冷却流体の沸点における流体の相変化によって加熱材料から熱を除去するものであり、単に冷却流体の比熱に応じて冷却流体の温度を上昇させるだけの液相冷却流体への熱エネルギー伝達にのみ依拠するものではない。適切に構成された冷却チャネル部等の特定の条件下では、双方向流体流が生じることがあり、液相の冷却流体が一方向に流れるとともに、気相の少なくとも一部の冷却流体が反対方向に流れる。
【００１６】
図３は、図１の工具のコア部１４のインサート３２の拡大断面図であり、冷却通路の２相部２８等、冷却通路２６を通る冷却流体の流れを示している。図示の冷却通路２６は、供給部３４および戻り部３６を備える。供給部３４は、第１の開口３８を介して２相部２８と流体連通するとともに、外部冷却流体源（図示せず）と流体連通している。戻り部３６は、第２の開口４０を介して２相部２８と流体連通するとともに、冷却流体戻り線（図示せず）と流体連通している。冷却通路２６の２相部２８は、第１および第２の開口３８、４０間に位置付けられている。図３の矢印で示すように、冷却流体は、外部冷却流体源から供給部３４を通ってインサート３２に流れ込み、第１の開口３８を介して通路２６の２相部２８に進入し、２相部に沿って流れた後、第２の開口４０を介して２相部から退出し、戻り部３６に流れ込んでインサートから離れる。
【００１７】
冷却通路２６は、インサート３２内の中空部であり、成形表面２４から離隔されている。図示の実施形態において、成形表面２４は、３次元輪郭を有しており、冷却通路２６の２相部２８は、この３次元輪郭にならうように形成されている。図示の通路２６の２相部２８は、対向壁または通路表面４２、４４間に画定されている。この例において、通路表面４２、４４はそれぞれ、通路２６の２相部２８において、対応する成形表面２４の３次元輪郭にならうように形成された３次元表面である。
【００１８】
工具の成形表面の輪郭に大略ならう冷却通路は、コンフォーマル冷却通路と称する場合がある。コンフォーマル冷却通路は、冷却通路と成形表面との間の工具材料（たとえば、工具鋼）の厚さを相対的に一定に維持することにより、成形表面の輪郭にならうように工具内の長さに沿った方向を変化させるように構成されてもよい。
【００１９】
図３に示すように、工具部１４のインサート３２は、一体的な取り付けによって通路の２相部２８を間に形成する別個に形成された内側および外側片４６、４８で構成されてもよい。この構成により、冷却通路２６は、成形表面の輪郭にならう部分を備えることができ、また、冷却通路の部分は、その長さに沿った可変寸法を有することができる。従来の冷却チャネルは、成形工具に穿設または交差穿設されるため、通常は、その形成に用いられるドリルビットの影響を受けた円形断面をそれぞれ有する直線状の相互接続チャネルの集合となる。冷却通路２６の２相部および他の部分は、円形断面および／または直線部分を含む場合があるものの、本明細書に記載の冷却通路およびその部分は、非直線状、３次元、および／またはコンフォーマルとすることができる。通路の対向壁は、必ずしも円筒状の壁ではない。
【００２０】
通路壁４２、４４は、冷却通路２６を挟んで互いに対向しており、通路の流れ方向に沿って変動し得る距離Ｄだけ互いに離隔されている。冷却通路の２相部２８は、図示のように、第１および第２の開口３８、４０間に画定され、通路の輪郭に沿って測定される長さＬを有する。通路の幅は、長さ方向および距離Ｄの測定方向の両者に直交または垂直な方向に測定される。コアインサート３２が円形かつ中心軸Ａに関して対称である図示の特定の実施形態においては、通路幅が周方向に測定される。これは、中心軸Ａに沿うさまざまな平面におけるインサート３２の断面図である図４〜図６において明らかである。
【００２１】
図４の断面は、冷却通路の供給部３４が２相部２８と結合する第１の開口３８で取得したものである。また、図４には、第１の開口３８における冷却流体の流れ方向も示している。冷却通路の供給部３４から退出した冷却流体は、環状の第１の開口３８を通って半径方向に広がる。図５の断面は、冷却通路の２相部２８を通るように取得したものである。図６の断面は、図５の断面より下流側の２相部を通るように取得したものである。この例における冷却通路の有効幅Ｗは、中心軸に沿った任意所与の平面における周方向長である。図３〜図６のように成形された冷却通路の場合、２相部２８の有効幅Ｗは、通路の長さに沿って変動する。特に、幅Ｗは、第１の開口３８から第２の開口４０まで、通路の長さに沿って大きくなる。また、この特定例において、通路表面４２、４４間の距離Ｄは、通路の長さに沿って変動し、第１の開口３８から第２の開口４０まで、通路の長さに沿って小さくなる。
【００２２】
図４〜図６から明らかなように、冷却流体は、冷却通路の２相部２８に沿って、シート状の形態を有して流れ、通路表面４２、４４の３次元輪郭に沿ってすべての方向に延びる相対的に薄い冷却流体層を形成する。図示の例において、冷却流体は、薄い釣鐘状の形状で冷却通路の２相部に沿って流れ、非常に大きな表面積にわたって冷却流体を供給する。
【００２３】
種々実施形態において、通路の対向壁間の距離Ｄは、２相部における通路の長さＬおよび幅Ｗの両者より少なくとも１桁小さい。いくつかの実施形態において、距離Ｄは、長さＬおよび幅Ｗの両者より少なくとも２桁小さい。たとえば、距離Ｄは、およそ０．５ｍｍ〜およそ４ｍｍの範囲であってもよく、一方、長さＬおよび幅Ｗはともに、５ｍｍ〜４０ｍｍまたは５０ｍｍ〜４００ｍｍの範囲であってもよい。これらの範囲は、何ら限定的なものではなく、従来の冷却チャネルに対する特定の構造的差異を強調するために与えている。
【００２４】
図面に示すように、２相部２８は、冷却通路２６の他の部分よりも小さな寸法を有してもよく、場合により、従来の穿設冷却チャネルよりも小さな寸法を有してもよい。特に、通路の対向壁間の距離Ｄは、２相部２８において相対的に小さくてもよい。冷却通路のこれらの部分は、マイクロチャネルと称する場合があるが、これは、通路サイズに関して非限定的な用語である。マイクロチャネルは一般的に、所与の冷却流体に関して従来技術の工具に設けられた従来の冷却チャネルより断面が小さくてもよい。たとえば、従来の鋳型冷却チャネルは、水性の冷却流体に関して直径が９ｍｍ〜１０ｍｍであってもよい。その場合、相応するマイクロチャネルは、同種の冷却流体に関して、およそ０．５ｍｍ〜およそ４ｍｍのサイズ範囲であってもよい。
【００２５】
また、冷却通路の２相部２８は、その中の流体流を特徴としてもよい。２相部２８は、冷却流体中の気泡形成と関連付けられた表面張力効果が通路に沿った流体流において比較的大きな役割を果たすようにサイズ規定あるいは構成可能である。気泡が冷却チャネル壁で形成されて放たれる大きな冷却チャネルとは対照的に、冷却通路の２相部は、対向通路壁間の距離Ｄに拡がるサイズへ気泡が急速に達するように十分小さく形成されてもよい。これにより、表面張力効果が、液相の冷却流体が気泡の詰まった通路を進むのに適当となる。冷却通路の２相部の特性の決定に有用な他のパラメータについては、以下に示す。また、通路の寸法は、冷却流体の特性にも依存しているため、たとえば、水性の冷却流体および油性の冷却流体に関して大きく異なってもよい。
【００２６】
場合により、冷却通路の２相部２８は、所望の流れ状態での冷却流体の流れを維持するため、通路の長さに沿った圧力低下を相殺するのに十分小さな対向壁間の距離Ｄを有する。このため、上述の通り、２相部２８はその長さに沿って、通路に沿った所望の流体速度および流量を維持するため、不均一な断面積すなわち対向壁間の距離Ｄを有してもよい。
【００２７】
流体流および表面張力効果と関連付けられた特定の無次元量を組み合わせて使用することにより、冷却通路における所望の２相流体流れ状態を実現するのに役立ち得る。ボンド数（Ｂｏ）およびレイノルズ数（Ｒｅ）が、これらの量のうちの２つである。いくつかの実施形態において、冷却通路の２相部は、以下の関係が満たされるように構成されている。
Ｂｏ０．５Ｒｅ≦１６０
【００２８】
ボンド数は、以下のように定義される。
【数１】
0006353558.tif 000002
ここで、ｇは重力加速度、ρｆは流体密度、ρｇは気体密度、σは表面張力、Ｄは通路の深さ（すなわち、対向通路壁間の距離）である。
【００２９】
レイノルズ数は、以下のように定義される。
【数２】
0006353558.tif 000003
ここで、ｍ’は質量流量、μｆは流体の動的粘度である。ボンド数とレイノルズ数との間の相互作用の意味の詳細な説明については、以下に記載する。
【００３０】
図７は、上記の改良型冷却システムを採用した別の成形工具１１０の断面図である。図示の成形工具１１０は、プラスチック熱成形工具または金属薄板スタンピングもしくは成形工具等の薄板成形工具である。冷却システムは、熱間スタンピングプロセスに用いられる成形工具に関して特に有用であろう。このようなプロセスでは、成形品の作製後に熱を除去する必要がある成形工具に加熱材料を導入するためである。冷却システム１１２は、図１〜図６に関して上述したものと大略同じであり、金属薄板成形工具１１０は、上述の鋳型１０と類似の構成要素を備える。
【００３１】
図７の工具は、第１および第２（すなわち、上側および下側）の工具部１１４、１１６を備え、加熱材料１１８が工具部間において成形された閉塞状態として示している。各工具部は、加熱材料と接触するとともに加熱材料が適合する成形表面１２４を有する。加熱材料１１８は、工具が開かれて成形品が取り出される前に、冷却システム１１２によって冷却される。工具は、工具部１１４、１１６が互いに近づく方向または離れる方向に移動して工具をそれぞれ閉塞状態または開放状態にすることができるように構成されている。
【００３２】
図示の例において、下側の工具部１１６は、ベース１３０およびインサート１３２を備える。インサート１３２は、冷却を強化するように構成された部分１２８を有する冷却通路１２６を備える。この部分１２８は、冷却通路の２相部であってもよい。図７は、冷却通路の２相部１２８を含み、冷却通路１２６を通る冷却流体の流れを示している。冷却通路１２６の図示の部分には、第１の開口１３８を介して２相部１２８と流体連通するとともに、外部冷却流体源（図示せず）と流体連通した供給部１３４を備える。図７の矢印で示すように、冷却流体は、外部冷却流体源から供給部１３４を通ってインサート１３２に流れ込み、第１の開口１３８を介して通路１２６の２相部１２８に進入し、２相部に沿って流れた後、第２の開口（図示せず）を介して２相部から退出する。
【００３３】
図１〜図６の例と同様に、成形表面１２４は、３次元輪郭を有しており、冷却通路１２６の２相部１２８は、この３次元輪郭にならうように形成されている。図示の通路１２６の２相部１２８は、対向壁または通路表面１４２、１４４間に画定されている。この例において、通路表面１４２、１４４の少なくとも一部は、対応する成形表面１２４の３次元輪郭にならうように形成された３次元表面である。インサート１３２は、一体的な取り付けによって通路の２相部１２８を間に形成する、別個に形成された内側および外側片１４６、１４８で構成されている。通路壁１４２、１４４は、冷却通路１２６を挟んで互いに対向しており、通路の流れ方向に沿って変動し得る距離Ｄだけ互いに離隔されている。図７から明らかなように、冷却流体は、シート状の形態を有して、冷却通路の２相部１２８に沿って流れ、通路表面１４２、１４４に沿ってすべての方向に延びる相対的に薄い冷却流体層を形成している。
【００３４】
熱間スタンピングプロセスへの適用に際して、改良型冷却システムは、加熱金属薄板の急冷ならびに／または金属の微細構造の変態もしくは制御に有用であろう。このプロセスには、遷移温度を上回る材料の加熱、加熱しながらの材料の成形、および材料の急冷による特定の微細構造の実現を含んでいてもよい。急冷ステップにおける冷却の速度は、所望の微細構造を実現するのに重要となり得る。たとえば、特定のホウ素系鋼が、成形のためにオーステナイト遷移温度、その近傍の温度、またはその温度を超えて加熱された後、マルテンサイト微細構造を形成するのに十分な速度で急冷されるようにしてもよい。急冷時の冷却速度が遅過ぎると、完成品において所望の機械的特性が得られない場合がある。
【００３５】
特定の一例においては、加熱材料は、１回のストロークによって複雑な形状を形成可能となるまでシート材料の成形性を高くするのに適した、６５０℃〜８５０℃の範囲の温度またはその他の適当な温度まで加熱された鋼板である。加熱材料は、工具部間で押圧され、上記冷却システム１１２により、特定の時間にわたって圧力下で冷却される。冷却に要する時間は、十分な絞り深さに達した後のシート厚によって変動し得る。冷却期間中、成形された部分は、閉塞した工具中において、少なくとも５０℃／ｓの冷却速度またはおよそ５０℃／ｓ〜１００℃／ｓの範囲の冷却速度で急冷され、材料中で、少なくとも何らかのマルテンサイト変態が生じる。移動、スタンピング、および冷却の総サイクル時間は、１５〜２５秒の範囲であってもよい。成形品は、約１５０℃で熱間スタンピング工具から退出する。２相冷却通路および冷却流体としての水を含む上記改良型冷却システムでは、従来の冷却管の約９０，０００Ｗ／ｍ２Ｋの熱伝達率と比較して、加熱材料から成形表面を通って冷却通路に至る熱伝達率が１，０００，０００Ｗ／ｍ２Ｋまで高くなることが分かっている。
【００３６】
実験
以下の図面および記述は、アルミニウム型鋳造プロセスに用いられる鋼鋳型における改良型冷却システムの設計例および良好な実施例の記述に加えて、改良型冷却システム設計の原理の一部をまとめたものである。当業者であれば、冷却システムの付加的な特徴および冷却システムをこの非限定的な例に使用する方法の具体例が認識されよう。また、このような特徴は、上記特徴とのさまざまな組み合わせによって、これら教示内容の利益を実現可能であるものとする。
【００３７】
上記の改良型（すなわち、高性能）冷却システムの設計および実施によって、金属鋳造プロセス中の高温の集中が良好に防止されている。この冷却システムは、型鋳造工具の冷却通路の一部に沿った２相流体流を採用するとともに、単純な液相冷却よりも高い放熱速度を実現したものである。２相流体流は、冷却流体の蒸発時の潜熱を利用して、比較的高い伝熱速度を与える。後述の通り、高性能冷却システムは、市販のソフトウェア（たとえば、ＦＬＯＷ３Ｄ（登録商標））でモデル化されている。冷却システムの実施例は、量産鋳型にて実現されており、その結果は、数値解析と相関したものである。
【００３８】
冷却システムの効率は通常、鋳造表面の近くへの冷却チャネルもしくは冷却管の移動または熱伝達率が高い鋳型材料の使用によって型の熱抵抗を低減すること、冷却チャネル壁と冷却流体との間の対流熱伝達率を高くすること、ならびに／または冷却流体の温度を低くすることによって改善可能である。
【００３９】
高圧アルミニウム鋳造等、いくつかの加熱材料成形プロセスにおいて、高い圧力および溶融金属の高い速度は、鋳造プロセス中の過熱の問題を悪化させる。機械的および熱的応力は、たとえば型の冷却チャネルと鋳造表面との間に必要な最小距離を制限し得る要因である。
【００４０】
単相システム（冷却液は、液相において、その沸点未満に保たれる）の熱流束は、以下のように表すことができる。
【数３】
0006353558.tif 000004
ここで、
【数４】
0006353558.tif 000005
はそれぞれ、質量流量、比熱、冷却流体の温度、および冷却通路壁の温度である。冷却流体の温度を変化させても、冷却システムの効率への影響は限定的である。
【００４１】
冷却流体が液相および気相の混合としてその沸点以上に保たれる２相システムの熱流束は、以下のように表すことができる。
【数５】
0006353558.tif 000006
ここで、ｘおよびｈｌｇはそれぞれ、蒸発時の乾き度および潜熱である。
【００４２】
図８は、式（１）および（２）のプロットであり、２相システムが単相システムよりもほぼ１桁多く放熱可能であることを示している。２相システムがより高効率である少なくとも一部の理由として、ほとんどの流体の蒸発時の潜熱が顕熱より少なくとも１桁大きく、同じ冷却流体の流量で実質的に多くの熱を伝えることができるためである。２相システムの別の利点として、冷却流体の蒸発が常に同じ沸点で発生するため、システムの過冷却を防止するのに役立ち得る。
【００４３】
沸騰は、流体がその飽和温度に達した場合に起こり、比較的効果的な伝熱形態である相変化プロセスである。沸騰のさまざまな段階を図９および図１０に示す。図９には通常の沸騰曲線を示しており、図１０には、気相の形態を模式的に表している。沸騰は、過熱状態の通路壁に隣接する層から始まって、孤立した気泡（たとえば、水蒸気の泡）が形成される。この第１の段階（領域Ｉ）においては、表面張力によって気泡の成長が抑えられており、マランゴニ熱流が支配的な伝熱メカニズムである（図１０（ａ））。壁の温度が高くなるにつれて、気泡が成長し続け、ある点で表面張力による抑制に打ち勝ち、壁から離れる（図１０（ｂ））。この通路壁からの気泡の形成および分離は、流体の熱的境界層に大きな影響を及ぼす。この伝熱段階は、図９の領域ＩＩに対応する。
【００４４】
図９に示すように、対流伝熱（Ｉ）から核沸騰（ＩＩ）への変化は、熱伝達率の相当な上昇に対応する。壁の温度がさらに高くなるにつれて、形成された気泡は、垂直方向への移動に際して一体化し始め、蒸気または水蒸気噴流を形成する（図１０（ｃ））。この沸騰段階は、図９の領域ＩＩＩに対応する。この段階では、隣り合う蒸気噴流が結合してより大きな蒸気噴流を形成し（図１０（ｄ））、加熱壁の表面のほとんどが蒸気で覆われる。壁の表面は、液体から隔離され、流体によって加熱壁の表面を濡らすのが困難となる。この段階の終わりまでに、臨界熱流束（ＣＨＦ）に達して、壁の温度が急激に上昇する。
【００４５】
壁の表面が隔離されると、熱が冷却液へと効率的に伝わらなくなる。これによって、図９の領域ＩＶに示すように、熱流束が低下する。壁の温度が上昇し続けると、熱流束がＣＨＦを超え、流体の大部分が沸騰し始める（図１０（ｅ））。これは、核沸騰から離れることを表し、大きな気泡の形成を特徴とする。この沸騰段階（ＩＶ）は、遷移沸騰または部分境膜沸騰と称する場合がある。プロセスの動的な性質のため、状態が境膜沸騰と核沸騰との間で振れる可能性がある。壁の温度が上昇し続けると、図９の領域Ｖおよび図１０（ｆ）にて表されるように、沸騰プロセスが境膜沸騰に移行する。
【００４６】
２相冷却システムの利点として、高い熱伝達率との組み合わせにより、流体の流れ方向の準安定なチャネル壁温度を維持可能である。２相流は、冷却流体がその沸点に達した際にはいつでも、成形プロセスの冷却または固化部分において、型の冷却通路で生じ得る。ただし、特殊な構成の冷却通路部における制御された２相流と従来の型冷却チャネルにおける冷却流体の沸騰との間には、一定の差異が存在する。本明細書に記載の改良型冷却システムにおいて、冷却通路の一部は、表面張力が流体の流れ特性に対してより強い影響を及ぼすように構成されてもよい。マイクロチャネルにおいては、気泡が成長して急速に通路のサイズに達するため、気泡流はほとんど見られない。比較的小さなサイズの通路において、テイラー不安定性は、通常は存在しない。
【００４７】
マイクロチャネルにおける沸騰プロセスの典型的な各段階を図１１に示す。段階Ｉは、冷却流体の単相（液体）流れを示している。段階Ｉにおいては、強制対流が支配的な伝熱形態である。段階ＩＩは、気泡流、すなわち短くて不安定な流れ状態を特徴とする。冷却流体に伝わる熱が多くなると、気泡が大きく成長し、合体してより大きな塊となり（段階ＩＩＩ）、対向通路壁間の距離Ｄの大部分または全体を占有する。気泡がさらに膨張すると、流体の圧力が低下し、表面張力が流体面を反対方向に押す。これにより、逆流が生じて、冷却液の境膜が通路壁に隣接する（段階ＩＶ）。液体が通路の長さに沿って流れ続けると、流体の薄層が蒸発し続けるため、チャネルに十分な流体が供給されていなければ、ドライアウト状態が生じる可能性がある（段階Ｖ）。２相通路の長さに沿った熱伝達率を図１２にプロットしている。図示のように、熱伝導率の最も高い値は、段階ＩＩの終端近傍で達している。
【００４８】
鋳型等の成形工具の冷却通路は、プロセスの冷却段階において加熱材料（たとえば、溶融金属）から工具のバルク材に伝わった熱の除去において重要な役割を果たす。冷却通路の容量が大きくなると、上述した鋳造に関する多くの問題を軽減または防止するのに役立ち得る。また、大きな熱流束の放散が可能であれば、加熱材料の冷却時間を短縮することができる。計算した熱負荷に基づいて、特定のチャネル形状またはサイズを与えることにより、型冷却チャネルを最適化する試みがなされている。すなわち、たとえば工具表面のより高温と予測される領域が、関連するより高い冷媒流量を有するものとした。ただし、これらの取り組みにおいて、冷却チャネルの位置および間隔は、従来の穿設冷却チャネル設計と一致するように保たれた。
【００４９】
３次元冷却通路および／またはマイクロチャネルを採用可能な本明細書に記載の高効率冷却システムは、概念実証実験において、市販のＣＦＤソフトウェア（たとえば、ＦＬＯＷ３Ｄ（登録商標））でモデル化されている。Ｄ＝０．２ｍｍの通路を流れる水について、無次元のＮｕ数とＲｅ数との間の実験的に導出された（公開された）関係と数値的に近似された関係との結果の比較を図１３に示す。数値結果および実験結果は、互いに５％以内である。
【００５０】
比較的小さな対向通路壁間の距離Ｄを採用する場合は、冷却システムの設計に際して、通路の長さＬに沿った圧力低下を考慮するものとする。冷却通路における圧力の変動は、対向通路壁間の距離Ｄを関数として、図１４にプロットしている。図示の例において、圧力低下は、通路寸法Ｄが０．４ｍｍ以上で十分に小さくなっている。また、熱伝達率に対して対向通路壁間の距離Ｄが及ぼす影響を図１５にプロットしている。この例において、熱伝達率は、０．４ｍｍ以上の値で距離Ｄとは実質的に無関係である。
【００５１】
場合によっては、冷却通路における熱伝達率を最大化するため、拘束されていない気泡流が好ましい流れ状態である。マイクロチャネルにおける拘束された気泡流と拘束されていない気泡流との間の遷移は、以下のように表すことができる。
Ｂｏ０．５Ｒｅ＝１６０  （３）
ここで、Ｂｏはボンド数、Ｒｅはレイノルズ数である。図１１の領域ＩＶおよびＶ間の遷移は、式（３）によって表され、数値が１６０超の場合は領域Ｖの流れを示し、数値が１６０未満の場合は領域ＩＶの流れを示す。
【００５２】
改良型冷却システムの有効性を確認するため、ゲートの前方にコア部を有する金型鋳造工具を選定した。図１〜図６に示す実施形態が、検証工具の代表である。この鋳造工具を高圧の型鋳造プロセスで用いることにより、アルミニウムＡ３８０製の部品を作製する。鋳造品の重量は４．１ｋｇであり、平均壁厚は６ｍｍである。鋳造プロセスにおけるゲートでの溶融材料の速度は、４０ｍ／ｓである。従来のコアは、カスケード型の水バブラで冷却されていた。また、従来のコアは、融着が継続的に問題となっており、各サイクル後にコアをさらに冷却するため、専用の外側噴霧冷却管を有していた。ここで論じられる特定のコア部は、図１および図３のインサート３２であり、図２の鋳造品の内部表面の一部を構成する成形表面を備える。
【００５３】
２相部２８を備えた図１および図３に示す冷却通路２６をＨ１３工具鋼製の２部品構成のインサート３２として具体化した。冷却通路２６の２相部２８は、一体的に溶接または他の方法で取り付けられた内側および外側の分割片４６、４８間に形成されている。鋳造プロセスにおいて溶融鋳造材料と接触する成形表面２４を含む外側片４８の拡散抵抗を最小限に抑えるため、冷却通路は、可能な限り成形表面の近くに位置決めされており、プロセスの型充填工程における高速溶融金属の圧力を相殺している。ＦＥＡ解析を実行して、型鋳造工程における溶融金属との相互作用によりコア部に生じた応力がＨ１３鋼の疲労応力を超えていないことを確認した。
【００５４】
シミュレーションによって、応力が工具鋼の疲労応力を超えないことを確認した後、インサート３２を作製して、図１の鋳型１０のコア部１４に装着した。２０００回の鋳造サイクルの後、ＦＬＩＲの赤外線熱イメージングカメラを用いて、コア部の温度を測定した。その結果を図１６に示す。改良型冷却システムを備えたコア部のさまざまな部分の温度を、従来の冷却に用いられる改良前のコアの温度と比較した（図１７）。温度は、改良前の従来の冷却システムについて以前から実施される補助冷却噴霧の前に測定した。図１６に見られるように、２相冷却通路を含む改良型冷却システムを備えたコアはおそらく、部分固化後の冷媒噴霧等、サイクル後の補助冷却を一切要しない。６０００回の鋳造サイクルの後、改良型冷却システムを備えたコアインサートを視覚検査したが、融着の証拠は一切見られなかった。
【００５５】
以上の記述は、本発明を規定するものではなく、本発明の１つまたは複数の好適かつ例示的な実施形態の説明であることが了解されるものとする。本発明は、本明細書に開示の特定の実施形態に限定されず、以下の特許請求の範囲によってのみ規定される。さらに、上記説明に含まれる内容は、特定の実施形態に関連しており、用語または表現の明示的な規定がない限り、本発明の範囲または特許請求の範囲に使用の用語の定義を制限するものとは解釈されないものとする。当業者には、他のさまざまな実施形態ならびに開示の実施形態に対するさまざまな変更および改良が明らかとなるであろう。このようなその他すべての実施形態、変更、および改良は、添付の特許請求の範囲に含まれるものである。
【００５６】
本明細書および特許請求の範囲において、用語「たとえば（ｆｏｒ  ｅｘａｍｐｌｅ、ｅ．ｇ．、ｆｏｒ  ｉｎｓｔａｎｃｅ）」、「等（ｓｕｃｈ  ａｓ、ｌｉｋｅ）」、ならびに動詞「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、およびこれらの他の動詞形態は、一連の１つまたは複数の構成要素または他の項目と併せて使用している場合、それぞれがオープンエンドとして解釈されるものとする。すなわち、これら一連のものは、他の付加的な構成要素または項目を除外するものとは解釈されないものとする。他の用語は、異なる解釈を要する文脈で使用されていない限り、それぞれの最も広い妥当な意味で解釈されるものとする。
【図１】
0006353558.tif 000007
【図２】
0006353558.tif 000008
【図３】
0006353558.tif 000009
【図４】
0006353558.tif 000010
【図５】
0006353558.tif 000011
【図６】
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【図７】
0006353558.tif 000013
【図８】
0006353558.tif 000014
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0006353558.tif 000019
【図１４】
0006353558.tif 000020
【図１５】
0006353558.tif 000021
【図１６】
0006353558.tif 000022
【図１７】
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