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技術 ホットスタンピング用金型冷却装置

出願人 エムエスオートテックカンパニーリミテッドミョンシンインダストリーカンパニーリミテッドコリアユニバーシティリサーチアンドビジネスファウンデーション
発明者 朴聖龍嚴原益尹成昊權俊虎金容贊
出願日 2018年3月28日 (2年1ヶ月経過) 出願番号 2018-062051
公開日 2018年11月15日 (1年5ヶ月経過) 公開番号 2018-176276
状態 特許登録済
技術分野 型打ち,へら絞り,深絞り 金型の交換、取付、製造
主要キーワード 二相共存状態 直前温度 エネルギー浪費 冷媒供給ライン 蒸発エンタルピー 温度差分 水冷却装置 二相共存
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年11月15日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (3)

課題

金型をより均一かつ效果的に冷却させることができるホットスタンピング金型冷却装置を提供する。

解決手段

ホットスタンピング用金型冷却装置は、液体気体状態共存する二相状態の冷媒を金型の内部に形成された冷却チャネルに供給して冷媒の潜熱を利用して金型を冷却するように構成される。金型の冷却チャネル内での冷媒温度が同一に維持されることができ、金型の均一冷却が可能である。

概要

背景

通常、自動車に用いられる素材は車両の軽量化による環境規制に対応するために高強度鋼が適用された部品比率が増加している。

このような高強度鋼板素材は低い常温成形性及び成形寸法変形などが発生し、これは自動車ボディ部品の製造に高強度鋼の適用拡大を制限する要因となる。

最近、車両軽量化及び高強度化のためにボディ部品の製造にホットスタンピングを適用する比率が高まりつつある。

ホットスタンピングのためにスチールブランクAc3、例えば、850〜950℃の範囲で加熱される。加熱されたブランクは数秒以内にプレス金型移送されて成形と同時に急冷される。金型には金型の冷却のための冷却チャネルが設けられる。

ホットスタンピングは高温鋼板を成形するので、成形性及び寸法正確度に優れる。また、ホットスタンピングによって1,500MPa以上の引張強度を有する車両部品が得られる。

ホットスタンピング用金型の冷却チャネルに冷却水が供給される。冷却水は冷却チャネルに沿って流れながら金型の熱を奪い、次第に温度が上昇する。金型の冷却水流入部で冷却水の温度が最も低く冷却水排出部では最も高い。換言すれば、流入部の付近では冷却効率が良いが、その一方で排出部へ行くほど冷却効率が低下する。これは金型の不均一な冷却を引き起こし、結果としてホットスタンピング部品品質低下を招く。

概要

金型をより均一かつ效果的に冷却させることができるホットスタンピング用金型冷却装置を提供する。 ホットスタンピング用金型冷却装置は、液体気体状態共存する二相状態の冷媒を金型の内部に形成された冷却チャネルに供給して冷媒の潜熱を利用して金型を冷却するように構成される。金型の冷却チャネル内での冷媒温度が同一に維持されることができ、金型の均一冷却が可能である。

目的

本発明は、上記のような問題点を解決するために創案されたものであって、金型をより均一かつ效果的に冷却させることができるホットスタンピング用金型冷却装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

内部に金型の冷却のための冷却チャネルが形成されたホットスタンピング金型冷却装置であって、冷媒貯蔵される貯蔵タンクと、前記貯蔵タンクと冷却チャネルの流入部の間を連結する冷媒供給ラインと、前記冷却チャネルの排出部と前記貯蔵タンクの間を連結する冷媒排出ラインと、を含み、前記冷却チャネルに沿って流れる冷媒は液体気体二相共存状態にあり、潜熱によって金型を冷却させることができるように構成されたことを特徴とするホットスタンピング用金型冷却装置。

請求項2

前記貯蔵タンク又は前記冷媒供給ラインに設けられ、前記冷却チャネルの流入部に供給される冷媒の流量を調節する流量調節部と、前記冷媒供給ラインに設けられ、冷媒を加熱するための加熱部と、をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載のホットスタンピング用金型冷却装置。

請求項3

前記冷媒供給ライン又は金型の冷却チャネル流入部に設けられ、金型に供給される冷媒の温度を測定する流入冷媒温度センサと、前記冷媒排出ライン又は金型の冷却チャネル排出部に設けられ、金型から排出される冷媒の温度を測定する排出冷媒温度センサと、をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載のホットスタンピング用金型冷却装置。

請求項4

前記流入冷媒温度センサ及び排出冷媒温度センサから温度データを受信し、受信された温度データに対応して加熱部及び流量調節部を制御する制御部をさらに含むことを特徴とする請求項3に記載のホットスタンピング用金型冷却装置。

請求項5

前記制御部は、前記金型の冷却チャネルに流入される冷媒の温度が蒸発温度の97〜99.5%範囲にあるように加熱部を制御することを特徴とする請求項4に記載のホットスタンピング用金型冷却装置。

請求項6

前記制御部は、前記金型の冷却チャネルから排出される冷媒の温度が蒸発温度より高ければ、冷却チャネルへの冷媒供給流量を増加させるように流量調節部を制御することを特徴とする請求項5に記載のホットスタンピング用金型冷却装置。

請求項7

前記冷媒排出ラインに設けられ、貯蔵タンクに供給される冷媒が液体になるように冷媒を冷却するための熱交換器をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載のホットスタンピング用金型冷却装置。

請求項8

前記貯蔵タンク又は冷媒供給ラインに設けられ、冷却チャネルの流入部に供給される冷媒の流量を調節する流量調節部と、前記冷媒供給ラインに設けられ、冷媒を加熱するための加熱部と、をさらに含み、前記金型から過熱ガスが排出される、又は金型から排出される冷媒の温度が蒸発温度より高い場合、金型への冷媒供給流量を増加させるように構成され、前記金型から排出された冷媒は圧縮されないことを特徴とする請求項1に記載のホットスタンピング用金型冷却装置。

請求項9

前記制御部は、成形対象の大きさ、対象の成形後の目標温度、及び工程時間に対応して設定された最小供給流量と同じ又はより多くの流量が金型の冷却ラインに供給されるように流量調節部を制御することを特徴とする請求項4に記載のホットスタンピング用金型冷却装置。

請求項10

前記最小供給流量は、下記式に基づいて設定されることを特徴とする請求項9に記載のホットスタンピング用金型冷却装置。式中、は最小供給流量[kg/s]、Aは成形対象の面積[m2]、Dは成形対象の厚さ[m]、ρは成形対象の密度、Cpは成形対象の比熱[kJ/kg℃]、ΔTは成形対象の最初温度と最終温度の差[℃]、t1は成形対象の成形に必要とする時間[s]、t2は成形対象の交替時間[s]、及び、hfgは冷媒の潜熱[kJ/kg]である。

技術分野

0001

本発明は、ホットスタンピング金型(die)冷却装置に関し、より詳細には、金型をより均一かつ效果的に冷却させることができるホットスタンピング用金型冷却装置に関する。

背景技術

0002

通常、自動車に用いられる素材は車両の軽量化による環境規制に対応するために高強度鋼が適用された部品比率が増加している。

0003

このような高強度鋼板素材は低い常温成形性及び成形寸法変形などが発生し、これは自動車ボディ部品の製造に高強度鋼の適用拡大を制限する要因となる。

0004

最近、車両軽量化及び高強度化のためにボディ部品の製造にホットスタンピングを適用する比率が高まりつつある。

0005

ホットスタンピングのためにスチールブランクAc3、例えば、850〜950℃の範囲で加熱される。加熱されたブランクは数秒以内にプレス金型移送されて成形と同時に急冷される。金型には金型の冷却のための冷却チャネルが設けられる。

0006

ホットスタンピングは高温鋼板を成形するので、成形性及び寸法正確度に優れる。また、ホットスタンピングによって1,500MPa以上の引張強度を有する車両部品が得られる。

0007

ホットスタンピング用金型の冷却チャネルに冷却水が供給される。冷却水は冷却チャネルに沿って流れながら金型の熱を奪い、次第に温度が上昇する。金型の冷却水流入部で冷却水の温度が最も低く冷却水排出部では最も高い。換言すれば、流入部の付近では冷却効率が良いが、その一方で排出部へ行くほど冷却効率が低下する。これは金型の不均一な冷却を引き起こし、結果としてホットスタンピング部品品質低下を招く。

発明が解決しようとする課題

0008

本発明は、上記のような問題点を解決するために創案されたものであって、金型をより均一かつ效果的に冷却させることができるホットスタンピング用金型冷却装置を提供することにその目的がある。

課題を解決するための手段

0009

上記のような目的を達成するための本発明によるホットスタンピング用金型冷却装置は、液体気体状態共存する状態の冷媒が金型の内部に形成された冷却チャネルに沿って流れ冷媒の潜熱を利用して金型を冷却するように構成される。通常、ホットスタンピング用金型は上部金型及び下部金型を具備する。本発明による冷却装置は、上部金型及び/又は下部金型のためのものであってよい。

0010

前記金型の冷却チャネルに流入又は供給される冷媒は二相共存条件にある又は飽和液体状態でない場合がある。冷却チャネルに供給される冷媒の温度は冷媒の蒸発温度又は沸騰点よりやや低い温度、好ましくは冷媒蒸発温度の97〜99.5%範囲にある場合がある。この温度条件は金型に供給される冷媒温度と金型から排出される冷媒間の温度差が小さいながらも、金型の冷却に冷媒の蒸発エンタルピー、すなわち潜熱が十分に用いられることを可能にする。本発明によれば、前記冷媒は金型の冷却チャネルを通過する時、液体と気体二相共存領域にある場合がある。環境的な問題さえなければ、冷媒の蒸発エンタルピーは大きいほど良いであろう。

0011

本発明によれば、前記金型から排出された冷媒の圧縮のための圧縮機が不要な場合がある。金型冷却装置の要素を循環して流れる冷媒の温度変化は極めて少ない。金型から排出される冷媒の温度は当該冷媒の蒸発温度の付近である場合があり、そのために金型に供給される冷媒の流量が制御されることができる。

0012

一実施形態によれば、前記ホットスタンピング用金型冷却装置は、冷媒が貯蔵される貯蔵タンクと、貯蔵タンクと金型の冷却チャネル流入部の間を連結する冷媒供給ラインと、貯蔵タンクと金型の冷却チャネル排出部の間を連結する冷媒排出ラインと、を含むことができる。

0013

また、実施形態によれば、前記ホットスタンピング用金型冷却装置は、金型の冷却チャネルに供給される冷媒の流量を調節するための流量調節部と、冷媒供給ラインに設けられ、冷媒を加熱するための加熱部と、を含むことができる。貯蔵タンクから金型の冷却ラインへの冷媒の循環のために冷媒供給ライン及び/又は冷媒排出ラインにはポンプが設けられることができる。貯蔵タンクに貯蔵された冷媒は液相の場合がある。

発明の効果

0014

本発明によるホットスタンピング用金型冷却装置によれば、冷媒の潜熱を利用して金型を冷却させることによって金型の冷却チャネル内での冷媒の温度を同一に維持することができ、金型を均一に冷却できる効果を得ることができる。

0015

また、本発明によれば、蒸発エンタルピーが大きい冷媒を利用することによって少ない流量で金型を效果的に冷却できる効果を得ることができる。

図面の簡単な説明

0016

本発明の実施形態に係るホットスタンピング用金型冷却装置を概略的に示す図である。
本発明の実施形態に係るホットスタンピング用金型冷却装置を概略的に示すブロック図である。

実施例

0017

本発明の特徴らに対する理解を助けるために、以下、本発明の実施形態と関連するホットスタンピング用金型冷却装置についてさらに詳しく説明する。

0018

以下、説明される実施形態の理解を助けるために、添付された各図面の構成要素らに参照符号を付すにあたって、同じ構成要素らに対してはたとえ異なる図面上に示されても、なるべく同じ符号を有するようにしていることに留意すべきである。

0019

また、本発明を説明するにあたって、関連の公知構成又は機能についての具体的な説明が本発明の要旨を不明にする虞があると判断される場合はその詳細な説明は省略する。

0020

以下、添付された図面を参照して実施形態を挙げて本発明について詳細に説明する。

0021

図1及び図2は、本発明の実施形態に係るホットスタンピング用金型冷却装置を概略的に示す図及びブロック図である。

0022

図1及び図2を参照すると、本発明の実施形態に係る冷却装置は、加熱された成形対象、例えば、金属シート又はブランクをプレス成形するホットスタンピング用金型10を冷却するように作られる。金型冷却装置は金型10を冷却させ、冷却された金型10によって対象が冷却される。一例として、金型に置かれる時の対象の温度は900℃で、成形が完了して取り出される時の対象の温度は200℃になる。ホットスタンピング工程で対象は900℃から200℃に冷却され、その温度差分の熱は金型に伝達される。

0023

通常の金型10用冷却媒体は水である。実施形態によるホットスタンピング用金型冷却装置は水ではなくケミカル冷媒を用いて金型10を冷却する。

0024

冷媒は冷媒の蒸発温度に又は蒸発温度の直下まで加熱された後、金型10に供給されることができる。場合によっては、冷媒は液体と気体状態の二相共存状態に加熱されて金型10に供給される場合もあるであろう。金型10は冷媒の潜熱を利用して冷却される。冷媒は金型作動中に冷却チャネルの温度及び圧力条件気相と液相が共存できる物質らの中から選択されることができる。例えば、冷媒はR−134a、R−245fa、R−1234yf、R−1233zdなど公知された又は開発される冷媒らの中から選択されることができる。

0025

本発明の実施形態に係る金型冷却装置は、冷媒の潜熱を利用することが、装置の冷却性能又は能力面から見て、水の顕熱エンタルピーを用いる場合に比べて優れることに基づく。金型の冷却チャネル入口で冷却水と冷媒の温度が同じで冷却チャネルに同じ流量が供給されるとした場合、潜熱が利用される冷媒の冷却性能が冷却水に比べて3〜5倍以上優れた結果を示す。

0026

従来、水を使用して金型を冷却した場合、金型の冷却チャネルを通過して40℃の水が50℃に加熱されると顕熱エンタルピー差は42kJ/kg程度となる。これに比べて、40℃で冷媒であるR−134aの蒸発エンタルピー差は163kJ/kgで、R−245faの蒸発エンタルピー差は181kJ/kg、そして、R−1234yfの蒸発エンタルピー差は132kJ/kg程度である。すなわち、水に比べて、冷媒に蒸発エンタルピー差が3倍以上に大きく差があるので、このような冷媒を用いた場合、冷却時に用いられる冷媒の流量を減らすことができ、全体的なシステムエネルギー消耗を低減できる。

0027

ホットスタンピング用金型冷却装置は、液相の冷媒が貯蔵される貯蔵タンク100と、貯蔵タンク100と金型10の冷却チャネル流入部11の間を連結する冷媒供給ライン200と、冷媒供給ライン200に供給される冷媒の流量を調節する流量調節部110と、貯蔵タンク100から金型10に冷媒を循環させるために冷媒供給ライン200に配置されたポンプ210と、冷媒を加熱するためにポンプ210と金型10の間の冷媒供給ライン200に配置された加熱部220と、金型10の冷却チャネル排出部12と貯蔵タンク100の間を連結する冷媒排出ライン300と、を含む。流量調節部110は、貯蔵タンク100に設けられてもよいし、冷媒供給ライン200に設けられてもよい。

0028

冷媒供給ライン200に具備され金型10の冷却チャネルに流入される冷媒の温度を測定する流入冷媒温度センサ230と、冷媒排出ライン300に具備され金型10の冷却チャネルから排出される冷媒の温度を測定する排出冷媒温度センサ310と、流入冷媒温度センサ230及び排出冷媒温度センサ310から温度データを受信して測定された温度に対応して加熱部220及び流量調節部110を制御する制御部400と、をさらに含む。

0029

貯蔵タンク100に貯蔵されている液相の冷媒を流量調節部110が流量を調節して冷媒供給ライン200に供給すると、ポンプ210が動作して冷媒を金型10側に供給する。冷媒が金型10の冷却チャネルに供給される前、加熱部220によって冷媒が加熱される。加熱部220によって冷媒は蒸発温度まで、又は液体と気体状態が共存する二相状態、又は二相状態になる直前まで加熱されることができる。

0030

金型10の冷却チャネルは冷媒が蒸発する区間である。冷却チャネル内で、液相の冷媒は気相に相転移される。冷却チャネルを通る冷媒は金型10から熱を伝達されるが、温度は増加しない場合がある。冷媒の潜熱を利用して金型10が冷却される。蒸発温度に加熱された液相冷媒は蒸発し始める場合もあり、全部気相になるまでエンタルピーは増加するが温度は変わらない場合もある。

0031

金型10の冷却チャネルを通過する冷媒はほぼ一定の温度を維持するので、冷却チャネルのどの位置でも金型10を均一に冷却させることができる。

0032

金型10の冷却チャネルを通過した冷媒は冷媒排出ライン300を通じて貯蔵タンク100に排出されて貯蔵される。冷媒を完全な液体状態凝縮させるために冷媒排出ライン300に熱交換器320が具備されてもよい。貯蔵タンク100には液相の冷媒が貯蔵されることができる。

0033

熱交換器320は、冷媒排出ライン300に配置され、貯蔵タンク100に排出される冷媒が液体になるように冷媒と熱交換する。そのために、熱交換器320には冷媒と熱交換する冷却水がチラー330を通じて供給されることができる。

0034

制御部400は、冷媒の潜熱を利用して金型10を冷却できるように加熱部220と、流量調節部110と、熱交換器320と、を制御する。

0035

制御部400は、流入冷媒温度センサ230から金型10の冷却チャネルに流入される冷媒の温度データを受信し、金型10の冷却チャネルに流入される冷媒の温度が蒸発温度の97〜99.5%範囲内を満足するように加熱部220を制御できる。すなわち、蒸発温度直前まで加熱した後、金型10の冷却チャネルに冷媒が流入されるように制御できる。図面に示していないが、より精密な温度制御のために、加熱部220に温度センサが具備されてもよい。この温度センサは加熱部220に進入する冷媒の温度を測定することができる。

0036

蒸発温度まで又はほぼその直前まで加熱された冷媒は金型の冷却チャネルを流れながら温度変化なくエンタルピーのみが増加することができる。加熱部220で冷媒が過度に加熱されると、使用可能な冷媒の蒸発潜熱は減少するようになる。

0037

冷媒を蒸発温度よりさらに加熱した状態で金型10に供給すると金型10から受けた熱によって冷媒が過熱ガス状態で金型10から排出され得る。冷媒が過熱ガス状態で排出されると、これを液相の冷媒に冷却させるために多くのエネルギーが消耗される。また、加熱部220で冷媒を加熱するためにもエネルギーが消耗されるので、不要に重複して多くのエネルギーを消耗するようになる。

0038

冷媒が蒸発温度以上に加熱されると、金型10の冷却のために使用可能な蒸発エンタルピーがどれだけであるかを特定することは難しい。蒸発温度の直前温度まで加熱された冷媒を金型10に供給し、金型10から排出される冷媒の温度が蒸発温度程度になるように冷却装置を制御することによって、エネルギー浪費を減らし效果的に金型10を冷却できる。

0039

制御部400は、金型10の冷却チャネルに排出される冷媒の温度が蒸発温度より高ければ冷媒の供給流量を増加させるように流量調節部110を制御する。冷却チャネルで排出される冷媒の温度が蒸発温度より高い過熱ガス状態で排出されるということは金型冷却過程において冷媒がその蒸発エンタルピーより多くの熱エネルギーを受けたことを意味する。制御部400は、金型10から排出される冷媒がその蒸発温度を維持するように流量調節部110を制御する。

0040

冷媒の供給流量は、金型10で成形される対象の大きさ、対象の成形後の目標温度、さらには、工程時間に対応して設定された最小供給流量と同じ又はより多くの流量で選ばれることができる。冷媒の最小供給流量は対象を目標温度まで冷却するために冷媒が金型10に供給されるべき最小流量であって、1回のスタンピングストロークの間、対象から金型10に伝達される熱エネルギーを工程時間の間吸収するために必要な冷媒の流量を算出することによって得られることができる。工程時間は対象の成形に必要とする時間と対象の交替に必要な時間を含むことができる。

0041

最小供給流量は下記式によって設定されることができる。

0042

式中、

0043

は最小供給流量[kg/s]、Aは成形対象の面積[m2]、Dは成形対象の厚さ[m]、ρは成形対象の密度、Cpは成形対象の比熱[kJ/kg℃]、ΔTは成形対象の最初温度と最終温度の差[℃]、t1は成形対象の成形に必要とする時間[s]、t2は成形対象の交替時間[s]、及び、hfgは冷媒の潜熱[kJ/kg]である。

0044

制御部400は、使用される冷媒又は対象の大きさが変更されると、数式によって最小供給流量を算定し、最小限計算された最小供給流量以上に冷媒が供給されるように流量調節部110を制御する。

0045

制御部400は、熱交換器320に流入される冷媒の温度が蒸発温度であれば熱交換器320が動作するように制御し、蒸発温度より低ければ熱交換器320が動作しないように制御することができる。そのために、図面に示していないが、熱交換器320に冷媒の温度を測定する温度センサがさらに具備されてよい。

0046

金型10から排出された冷媒は冷媒排出ライン300を通過しながら冷却されることができる。熱交換器320に流入される時、冷媒の温度が蒸発温度より低い場合、冷媒が液相の場合がある。この場合、エネルギー消耗を最小化するために熱交換器320は動作しない場合がある。

0047

冷媒供給ライン200と冷媒排出ライン300にはこれらの流路開閉するバルブ240,340がそれぞれ具備されることができる。これらのバルブ240,340は金型10の交替を便利にすることができる。金型10を交替する時、バルブ240,340を閉じて冷媒供給ライン200及び冷媒排出ライン300を閉鎖した後、金型10から冷媒供給ライン200及び冷媒排出ライン300を脱去する。これによれば、金型10と冷媒供給ライン200のバルブ240の間に、及び、金型10と冷媒排出ライン300のバルブ340の間に、残存する冷媒のみが捨てられるので、捨てられる冷媒量の最小化が可能である。

0048

上述の実施形態による金型冷却装置は単独で用いられてよいし、水を利用する冷却装置とともに用いられてもよい。一例として、水冷却装置で金型を全体的に冷却し、局部的に冷却がより必要な部位を冷却するために実施形態による冷却装置が用いられることができる。この場合、実施形態による熱交換器320に水冷却装置が連結されることができる。例として、水冷却装置の冷却水供給部が実施形態によるチラー330として用いられることができる。

0049

以上、本発明は限定された実施形態と図面によって説明されたが、本発明はこれによって限定されず本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と以下記載される特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形可能であることは無論である。

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