JP2018538148A - 媒体が多面体状の空間内を相互に連通する状態で行われるシェル状成形金型の調温用表面の平面的なコンフォーマル式温度制御のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、シェル状成形金型の調温用表面の、成形金型の裏側空間側からの、媒体が多面体状の空間内を相互に連通する状態で行われる平面的なコンフォーマル式温度制御のための方法を得ることにある。成形金型周縁シェル（１）を有するシェル状成形金型（１４）をコンフォーマル方式で平面的に調温するための方法であって、成形金型（１４）の調温が、成形金型（１４）の成形金型周縁シェル（１）のそれぞれの裏側空間（３）及び／又は成形金型（１４）のそれぞれの成形金型周縁シェル（１）側から、互いに境を接する、ウェブ状又は壁状に仕切られた部分領域（４．ｉ）を有するコンフォーマルな調温用表面（４）の上で行われて、又それぞれの成形金型周縁シェル（１）を有するシェル状成形金型（１４）が、二部材又は多部材で構成されている、方法において、液状のクーラントである水の、対流、気泡蒸発、部分的及び／又は安定した液膜蒸発の温度域に応じて、調温用表面（４）の部分領域（４．ｉ）内で、調温用表面（４）上の温度の制御の形態をとる冷却として、調温が局所的に異なる形で行われ、調温用表面（４）の調温及び／又は調温用表面（４）の個々の部分領域（４．ｉ）内の温度分布を、調温用表面（４）の部分領域（４．ｉ）の異なる調温レジームを利用して制御し、調温を、周囲の雰囲気に対して開口している一つの裏側空間（３）内で行うことを特徴とする、方法。

Description

本発明は、シェル状成形金型のコンフォーマル式調温を改善するための方法に関する。

この調温は、シェル状成形金型をその裏側から冷却することにより及び／又は外部加熱することにより行われる。そのためにこのシェル状成形金型は、その裏面が、金型内部の輪郭形状即ち型彫り部に実質的にならって構成されていてもよい。ここでシェル状成形金型とは、従来型の成形金型と比べて、鋳型壁面が大幅に減肉されていることを特色とする成形金型のことである。シェル状成形金型の構成部品の呼称の扱い方はまちまちである。これについては他の全ての成形金型と同様に、シェル状成形金型も少なくとも二部材となっている。基本的に金型部品はいずれも、少なくとも一つの中実領域と一つの成形金型周縁シェル（Ｆｏｒｍｗｅｒｋｚｅｕｇ−Ｒａｎｄｓｃｈａｌｅ）とから成っている。

成形金型周縁シェルにより、従来型の成形金型の場合よりも良好に熱伝達のための装置のポジショニングをコンフォーマル方式で行って、それにより成形対象である加工品の調温をより急速に行うことができる。成形金型周縁シェルの裏側の多面体状の空間により、液相の冷却剤及び加熱剤が相互に連通可能な、平面的かつ局所的な調温を可能としている。

本発明に従った方法は、シェル状成形金型のコンフォーマル式の平面的な調温のために導入することができる。そこでは調温が成形金型周縁シェルの調温用表面を介して行われる。この調温用表面は、成形金型周縁シェルの裏側により具現されるようになっている。

本方法は、ダイカスト用の鋳造金型の調温に関するものである。しかし本方法は、低圧チル鋳造及び重力チル鋳造、射出成形にも、並びにガラス部品を製造する成形金型にも、導入可能である。更に二次成形技術（Ｕｍｆｏｒｍ−Ｔｅｃｈｎｉｋ）の成形金型についても、本発明に従った方法により調温を行うことができる。

外部から持ち込まれることになる加熱エネルギー、又は冷却により放散されることになるエネルギーは、熱エネルギーであると解釈される。この熱エネルギーを、新規の本方法に準じて、技術的要求項目に応じて、局所的に適合化することができる。本方法は好適には金属製の成形金型に関する。その際にこの成形金型は多部材であってもよく、本方法は、可動式又は固定式のスライダ及びコアにも関する。

本方法により、成形対象である加工品の機械特性に狙い通りに影響を与えて、これを改善することができる。更に本発明に従った調温方式を適用することによって、成形金型のキャビティ、即ちその金型空洞部の充填状態を狙い通りに改善することができる。その際にはキャビティの細長い空洞部についても、又厚みのある空洞部についても、正確な充填が可能となる。それ以外にも本方法を適用した場合は、成形金型自体の熱機械応力も狙い通りに低減することができる。成形金型周縁シェルの表側に当たる成形金型の型彫り部は、従来技術の公知の方法よりも摩耗を受けにくくなる。

本方法は、プロセスの熱エネルギー、即ち成形プロセスに持ち込まれたプロセス熱の大半が、成形金型周縁シェルの調温用表面を介して、又それにより成形金型の裏側空間を介して、放散されることになるような、対応するユニットの状態変化を含めた成形プロセスに関するものである。このプロセスの熱エネルギーについては、比較的僅かな分量が、成形金型の中実領域を介して成形機及び周囲又はその類に損失として放出されるようになっている。これらについては、キャビティから取り出される、尚も高温ではあるが形状安定性を示す加工品のエンタルピと同様に、検討されない。

同様に調温用表面の部分領域には、裏側空間から外部熱エネルギーを加熱エネルギーの形態で狙いを定めて供給することができる。

調温用表面の調温は、液状の媒体を用いて行うことができる。

ダイカスト用の鋳造金型を冷却するために一般に行われている古典的な方法が、実質的な二重冷却である。全てのプロセス熱を、即ち加工品に至るまでに取り除かれる熱を、成形金型の裏側空間の冷却を介して放散できるわけではないために、鋳物を取り出した後には、型彫り部又は金型内部の輪郭形状の、即ち金型表面の、追加冷却が必要である。毎回のプロセス・サイクル中に行われる冷却とは異なり、成形金型の予熱の意味で成形金型の加熱が行われるのは、大抵の場合は全プロセスの初期段階だけに限られている。それにより、初回の成形プロセスの間の高過ぎる熱勾配による型彫り部の損傷が回避されると言われている。これは、熱線若しくはその類を用いて型彫り部を加熱することによって、又は、裏側空間側から加熱することによって、高温の流体をそこに作り込まれている冷却流路に通して導くことにより、行うことができる。

古典的な冷却は、第一に、成形金型の裏側空間に作り込まれる冷却ジオメトリを利用して行われる。これは、大抵の場合は放電加工や切削加工による材料除去手法を用いて作り込まれるスルーホール及び止まり穴のような、直線状のボアの形態で行われる。これらのボアに通してクーラントが導かれる。従ってクーラントは、水路流のようにこれらのボアを通り流れるようになっている。作り込まれるこれらの流路ジオメトリには、型彫り部まで、ある程度の距離を持たせなければならない。又隣接する流路の間隔も、最小寸法を有していなければならない。流路の寸法諸元、流れのガイド、並びに、水又はオイルのような調温用媒体及び成形金型材料の特性により、伝達可能な熱量は左右される。その際に冷却に関しては、大抵の場合は幾何形状に大きな制約が課せられることになる、というのも、極めて変化に富んだ幾何形状を有する型彫り部を、直線状に取り廻される冷却流路又は概ねスポット状の冷却のための止まり穴を利用して一様に冷却することができるのは、一部のケースに限られるからである。

特に裏側空間側からの冷却は不十分である。このため第二に、金型内部の輪郭形状、即ち型彫り部を介しての冷却が実行される。具体的には、鋳物をキャビティから取り出した後、離型剤と水の混合物が搬送用空気を用いて高圧で比較的長時間にわたり型彫り部の表面に噴射され、それにより成形金型表面及び成形金型の温度が更に低下する。水は、成形金型表面への鋳造金属の付着を防止するとされる離型剤と混合される。成形金型表面は、この衝撃的な冷却と、その後に続く、型彫り部の上への高温溶湯の添加による衝撃的な加熱とによって、一段と高い摩耗に曝されることになる。

成形金型の古典的な二重冷却のこの状態を改善するために、特許文献をあたると、成形金型用の比較的薄い成形金型シェルを製造するために、努力が支払われてきたことが分かる。これらの成形金型シェルは、加工品の輪郭形状にならったものでなくてはならず、又それによりコンフォーマル方式による金型の調温が、大抵の場合は冷却が行われるようにするものでなければならない。特許文献から明らかであるように、模索される冷却システムのこのコンフォーマル性によって、成形金型の冷却は裏側空間側だけから行われることになり、型彫り部に沿った追加冷却は廃止される、とのことである。成形金型は、シェルとして構成されなければならない。このシェルの裏手には調温ゾーンがある。この成形金型シェルは薄肉であるために、成形金型には更に一つの中実領域がある。これにより安定性が担保されると言われている。この配置方式により、コンフォーマル冷却される薄肉の成形金型が得られる。

加工品の輪郭形状を模倣すると同時に金型空洞部を限定しているシェルが、特許文献１に開示される。このシェルの真下には、調温液を通して導くための複数の空洞がある。この場合この調温ゾーンには、ダイカスト金型の中実領域が隣接している。シェルは、ステイを介してこの中実領域に支持される。他にもエジェクタ用収容ユニットが支持機能を受け持つようになっているが、これらは調温用空洞に対して液密に封止されている。シェルの支持ユニットは、成形金型の高い機械的安定性を担保するために相互に締結されている。冷却のためには、液状の流体も又気状の流体も使用可能である点が強調される。

特許文献２には、扁平な冷却流路を備えたコンフォーマル冷却が可能な成形金型が開示されるが、これらの冷却流路は、キャビティの輪郭形状の裏手付近に位置し、それにならって取り廻されている。これらを通りクーラントが流れるようになっている。

特許文献３には、それ自体も鋳造により製造される鋳造金型が開示される。これは、コンフォーム冷却ジオメトリも含めて一回のステップで製造される鋳物のネガ型となっている。そのためにこの成形金型は、裏側空間に、冷却地点への分割を許容している補強リブが有している。流体が、これらの冷却地点を別々に又はカスケード状に通って流れ得るようになっている。その意図は、鋳物内部に生じた熱に応じて、冷却剤又は加熱剤を用いた冷却又は加熱を可能にすることにある。この発明者と図面によると、この冷却地点を通る流れは古典的な流路方式で行われるようになっている。この発明には、次に示す弱点がある。即ち−セグメントに設けられた流れの出入口を利用した−所望される流れのガイドにより、個々のセグメント内に、制御不能な、流れが極めて届きにくい隅及び縁部を生じかねないのである。流路のコンフォーマル性と、その、金型内部の輪郭形状にならうことが求められる著しく不規則な流路底面からして既に、この問題を招来する原因となっている。これは、流れを引き裂いて、貫流状態を悪化させて、果てにはデッドスペースを来すきっかけともなりかねないものである。その場所では流路が著しく加熱されかねない。冷却を加圧開放型とすべきである場合は、過熱された流路の地点に蒸気と水の混合物が生成されて、冷却システムの開口部に向かって吐き出されることになるかもしれない。冷却を閉止型とすべきである場合は、アルミニウム鋳造の際の例えば約７００℃への局所的な加熱によって、著しい昇圧を来しかねないが、これは、システムが閉じているために減圧は不可能であろうからである。

特許文献４には、ガルバノプラスチック手法により作製される、内側の表面に粒状焼結金属のパッキンが施されるアウタ・スリーブ又はアウタ・シェルの形態をとる鋳型が記載される。この焼結粒は、鋳型の金属に類似した、例えば収縮又は導電率のような物理特性を有していなければならない。このパッキンの内部には、冷却コイルを作り込むことが可能である。その場合は低融点金属が、遠心鋳造によりパッキンの内部に鋳込まれるようになっている。それにより、鋳型に対する引け及びクラックの形成を防止することができると言う。特許文献５には、バッキングが施されたシェルモールドが開示される。このバッキングの内部には、流路構造、材料層、開口気孔構造、及び伝熱質量が作り込まれるようになっている。シェルモールドの裏側空間の内部にこれらの要素が組み合わされることにより、一様な温度がもたらされると言う。この金型は、これらの装置だけによっても多部材となっている。そのバッキングについても、又それにより金型の安定性が保証されることについても、言明は成されていない。作り込まれるこれらの調温用要素が、伝熱性に劣る公算が極めて大きいことについても、説明は成されていない。

特許文献６には、鋳物の外側輪郭形状を有する鋳造シェルの製造が開示される。これには、金属又は合金製の中実領域が鋳付けられるようになっている。その内部には、鋳造シェルに事前に取り付けられた金属冷却管を、材料同士の融合により鋳くるむことができる。好ましい合金は、融点がシェルの融点よりも低い合金である。材料同士の融合による鋳造シェルへの結合の難しさについては、報告が成されていない。

特許文献７には、二つの部材から成る加工品の成形硬化のための冷却可能な成形鋳型が記載される。第１の部材は、輪郭形状を付与するシェルモールドとして構成されている。第２の部材はコアとして構成されている。コアとシェルモールドとの間には、加工品を冷却するための冷媒が通り流れる一つの冷却空洞がある。

特許文献８には、シェルモールドの裏手に、クーラントを通して導くために利用される一つの空洞が配置されている、射出成形金型が記載される。その後方には、支持台として機能する成形金型の中実領域がある。成形プロセスの際に発生する力に抗して支持するために、シェルモールドと中実領域との間の冷却空洞は、一つの支持層により充填されている。それにより、形状付与プロセスの際の力は、冷却空洞の後方の中実領域に伝達される。水又はオイル又はその類であってもよい冷媒は、この支持層を通って流れ、それによりシェルモールドから熱が放散されると言う。

成形金型の小さな領域の冷却についても報告があがっている。特許文献９、１０及び１１には、ダイカスト鋳型の小さなドリルホール状の領域の冷却に関する解決策が提案される。内管と外管から成る二重管冷却インサートが、一つのドリルホールを介して、裏側空間側から成形金型の内部に組み込まれる。このドリルホールは、鋳造型の型彫り部まで数ミリメートルのところに達している。薄肉の内管を通り、フリージェットの形式で、クーラント、例えば水又は水と空気の混合物が、一つのポンプにより加圧された状態でドリルホールの前面側に導かれる。逆流する流体は、二重管の更に後方のところに配置される外管を通り、冷却装置の内部に戻る。しかしながら、「ジェット・クーリング」と呼ばれることが多いこの冷却が向いているのは、成形金型の輪郭形状のドリルホールの前面の形態をとる小さな領域だけに限られており、成形金型の型彫り部の、連続している平らに広がった領域には向いていない。これはホットスポットを冷却するために導入されるものである。言うまでもなく、ドリルホールの前面又はボアの非常に小さい端面を介してのこのスポット冷却は、コンフォーマル冷却である。それよりも大面積の、ドリルホール前面又は小さな円形面とは異なる領域に、フリージェットにより水を一様に浴びせようとしても、それを実現するのは困難である。フリージェットの主な特徴は、個々のジェットが、液状又は気体の媒体となって、ノズルから出ることにある。使用されるノズルに応じて、このジェットは、ノズルから離れるほど広がっていく。ドリルホール又はその類の前面により具現されるように、フリージェットは、より大きな面に当たった後には、この面上で無秩序に飛散する。他にも更に、平らな輪郭形状を略均一な液膜で一様に湿すことは、このフリージェットによっては完全に不可能である。それに加え、調温面は型彫り部の形状にコンフォーマル式でならうために、コンフォーマルな領域は殆どの場合どちらかと言うと極めて変化に富んだものとなっている。調温面の表面幾何形状は著しく移り変わっている。更に、調温面上には決まって、著しく移り変わる幾何形状の角張った領域又は隅が見出されるが、フリージェットの広く飛散する冷却水は、そこで乱流となって、調温面を湿さずに溢れ出るかもしれないし、又はデッドスペースが生じたりするかもしれない。

このため、面が不規則でより大きな領域を、一様に完全に湿すことは不可能である。このため調温面を、その温度制御と、それに応じて所望される熱の伝達又は冷却強度に関して、安定的に制御することは不可能となるだろう。成形技術におけるフリージェットのターゲット・グループは、ホットスポット、そして金型から突出している細長いコアであるが、これらについては幾何学的にはボアが推奨され、又フリージェットを用いた冷却が有利となる。従って特に特許文献９〜１１からも明らかであるように、このジェット噴流はドリルホール状のリセスに制限されている。

更に、金型の輪郭形状の付近に、前もって外部で作製された冷却系統が鋳くるまれるようになっている、成形金型が開示されている。特許文献１２には、外部で作製された冷却流路ジオメトリをコンフォーマル式に配置する方法が記載される。これらの冷却流路ジオメトリは、古典的な円形管断面の幾何形状とは外観を異にしている。成形金型はコンフォーマル式に、例えばフライス加工又は放電加工により、シェルの肉厚を残して材料が除去されて、前もって作製された冷却流路ジオメトリが、シェルの金型の輪郭形状とは反対側に、即ち裏側空間に取り付けられる。最後に流路ジオメトリが成形金型の裏側空間に鋳くるまれる。冷却ジオメトリの製造に利用されるのは、創成的な方法又は３Ｄオブジェの製造方法である、選択的レーザ溶融方法である。任意のジオメトリを製造することができる。しかしこの方法は、設計スペースが約２００×２００×２００ｍｍの設計サイズが比較的小さなものに限られている。熱吹付け法の一例であるＭＰＣ（金属粉体塗装）法により、設計サイズ直径５００ｍｍまでを製造することができる。型鋼製のそれより大型の成形型をまるごと製造することは、今のところはまだ不可能である。製造されるのは、成形型のコア及びスライダ等、どちらかと言うとより小型の部品である。これらには冷却流路を備えることができる。

特許文献１３では、コンフォーマル加熱冷却システムが提案される。加熱流路と冷却流路は、成形金型から切り離して、一つのブロック内に入れて、組み込まれる。それに利用されるのが、近接して並んで位置するボアである。しかし加熱側については、冷却液の他にも電気発熱体を使用できるようになっている。冷却のためには水とオイルが好ましくなる。加熱ライン及び冷却ラインの壁面は、互いに密接して配置されている。この加熱冷却システムを備えた外部ブロックは、続いて成形金型の内部に組み付けられるようになっている。

更に特許文献１４には、ダイカスト鋳型及び射出成形鋳型用のコア及び成形金型のコンフォーマル冷却方法が開示される。そのために裏側空間は前もってシェルだけを残して材料が除去される。冷却と加熱のために、別々の管系又は内部を貫流可能な冷却ジオメトリと、電気発熱体が提案される。両方とも、幾何学的に互いに密接して位置するように、後壁に取り廻されている。これらは、成形金型の裏側空間内でシェルに取り付けられた後、そこで鋳込まれるようになっている。

特許文献１５には、成形金型の前もって完成された後側空間に一つの管がコンフォーマル式に取り廻される、コンフォーマル式成形金型が記載される。この管は、成形金型と同じ材料を用いて、形状同士を係合させて鋳込まれるようになっている。成形金型への材料同士の融合による結合が困難であることについては、言及していない。

特許文献１６には、幾何形状を自由に選択可能な冷却用流路を成形金型に組み込む更にもう一つの可能性が記載される。これは、層板状に構成される成形金型である。並べて置かれる例えば熱間加工鋼板等の金属層板を用いて、従来型のダイカスト金型にあるような金型空洞部を再現している。そこでは、冷却液の還流を可能にするための、自由に選択可能なコンフォーマル式流路を組み込むことを目的としている。個々の層板において、流路の幾何形状を隣接する層板に対して変更できるようになっている。それにより層板の厚さ方向に流路の幾何形状を変化させている。層板を組み立てて積層薄板完成品又は成形金型とするために、ボルト締結、ろう接、溶接、接着、及び層板パッケージの単純な相互圧接が提案される。

特許文献１７には、連通している副流路内での冷却水の蒸発を利用した冷却が提案される。最初に主流路があり、これらから副流路がコンフォーム式に延びて成形金型表面の裏側に達している。これらの主流路は、冷却水を用いる一つのポンプ系に接続されている。この主流路内の冷媒である水は、温度２００℃に、この温度に対応した昇圧状態で保持される。目標圧力への調節は、一つのリリーフ弁を調整することにより行われる。ここで成形プロセス中に熱が作用すると、副流路内では所与の圧力で液体の蒸発が起きる。その蒸気により圧力が上昇して、この圧力弁が開いて超過圧力を一つの容器内に逃がすようになっている。この容器から、一つのポンプにより、冷却時に副流路内で蒸発したのとちょうど同じ量の冷たい冷却水がこの主流路に補給される。それにより、流路内の冷却水の温度制御を放棄することができると言う。

特許文献１８には、ダイカスト鋳型の内部の放熱性を向上した成形金型が開示される。これは、裏側からシェル状に仕上げられて、成形金型の中実領域内に延びている。この中実領域は、裏側空間内で一つの塞ぎ部材又は一つの塞ぎ板により塞がれている。従ってシェルと塞ぎ板との間には、一つの熱交換室が形成される。シェルの壁厚は、鋳物の厚さと、放散されなければならないその熱とに応じて、設計されている。そこではこれが反比例するように行われている。シェルと鋳物の厚さに応じて、当該箇所ではシェルを介して単位時間あたり多少なりとも熱が放散される。熱交換室の内部には、高圧下の液状熱交換剤がある。これは、大抵の場合は高圧下の水を指している。鋳込みの結果、水は、熱交換室のキャビティに対して設けられている壁のところで蒸発して、それにより鋳造熱が放散されると言う。この高圧室の内部には、熱交換室内で蒸発した分と同量の水だけが補給されることになる。蒸発した水は、一つのバルブを通り運び去られることになる。別のバルブにより、対応する量の液状の水が熱交換室に供給される。それにより高圧室内では、最小限の熱交換だけが必要であると言う。従って冷却剤である水は、逃れた蒸気に応じて断続式又は不連続式に熱交換室に供給されるようになっている。

特許文献１９には、これに類似して、液状の流体を用いたダイカスト鋳型の調温のためのシェル状に仕上げられた熱交換室が記載される。この熱交換室を通り流れる流体は、妨げられることなく流れてシェルに溢れかえるようになっている。

そして特許文献２０には、改良された、熱伝導率が高い金属材料製の薄肉のシェルモールドを介しての、ダイカスト鋳型のコンフォーマル冷却方法が開示される。シェルモールドの裏手に隣接するダイカスト鋳型の冷却室から、蒸発可能な液体の形態をとる冷却剤が薄肉のシェルモールドに作用する。これは、ノズルを介してシェルモードに噴射されるようになっている。これは、冷却工程において、鋳型壁に接して蒸気状の状態に移行することができる。ノズルが軸方向に変位可能であることによって、シェルモールドの特定部位の比較的集中的な冷却又はそれ程集中的ではない冷却が可能である、とされている。

成形金型のコンフォーマル冷却のためのこれまでの解決策の大半で、冷却ジオメトリが提案されるが、これらは大抵の場合は成形金型シェルの裏手に配置されている。これらは、古典的な管流路とは異なる幾何形状に形成された、キャビティの輪郭形状をならうものであってもよい。その基本的な貫流方式は、流路を通る流れと同じである。そこではクーラントが、流路入口から流路出口に向かって流れることになる。同様にコンフォーマル冷却方式に数えられるものとして、成形金型シェルの裏側に個別チャンバを内包している冷却セグメントが提案されている。クーラントはここでも同様に個別チャンバを通り、チャンバ入口からチャンバ出口に向かって流路のように流れるようになっている。或いは成形金型の裏側空間用の、コンフォーマル式に配置される冷却インサート及び冷却管も提案されるが、クーラントは同様にこれらをあたかも流路のように通って流れるようになっている。層板状に構成される成形金型も又、流路状の冷却構造の組込みをその目的としたものである。特許文献１７によると、水は、コンフォーマル式の副流路を通り、そこで一部が蒸発することになるとはいえ、流れるようになっている。

更に、流路状のコンフォーマル冷却のためのこれまでの解決策においては、特徴的な点として、冷媒が、インレットからアウトレットに向かって高温の壁の表面に沿って流れる途上で、昇温の一途を辿るようになっている。これは意図的なものである。一般に熱エネルギーは、成形金型の型彫り部から冷却流路に向かって絶え間なく流れていく、又は流れ出る。従って、繋がり合った比較的大きな幾何領域を、同じ初期温度のクーラントで一様に冷却することは不可能である。流路内のクーラントの温度は恒常的に変化する。それによりクーラントの熱を吸収するポテンシャルも、絶えず変化する。たとえ特許文献１７に従ってクーラントが流路内で蒸発したとしても、蒸発が完了したら、条件付きとはいえ、均一な、又は所望の向きへの冷却の更なる調節にこれを役立てることができる。それに加え、完全な蒸発は起きないようになっている。それよりもむしろ水と蒸気の混合物が生成され、これがプラグ流のように流路に通して押し込まれて、最終的に主流路内で凝縮する。その後で水は副流路内に入り込むことができ、そこで再び水と蒸気の混合物が生成される。水と水蒸気の混合物の一種の揺動運動が与えられることになる。このため冷却表面の均質な湿しが行われることはない。様々な凝結状態にある流体が流路内を行き来している。安定した冷却の成立はおぼつかない。

更に流路状の貫流ジオメトリについては、特徴的な点として、これらのジオメトリは全プロセスの間、完全に水で充填されている。クーラントが絶えず現存することによって、壁面との熱エネルギーの交換が常時行われる、即ち熱交換を中止するのは不可能となっている。コンフォーマル冷却のためのこれまでの解決策においては、成形金型周縁シェルの裏手の冷却ジオメトリ又はコンフォーマル式に鋳込まれた流路状の冷却インサートから、クーラントを急速かつ完全に取り除くために利用される可能性が提示されていない。又クーラントを、一回の作動サイクル又はプロセス・サイクルの後に、これらの流路状の貫流ジオメトリから完全に取り除く必要性も論じられていない。クーラントは、これらのジオメトリを流路のように通り流れて先へと押し込まれるようになっている。これは、特許文献１７の、閉じた冷却では加圧下にあり往復振動を行う水と蒸気の混合物となる、一部が蒸発する冷却水にも当てはまる。これは実質的に不連続式の冷却方式についても言え、そこではクーラントが冷却ジオメトリの内部にある程度の時間にわたり留まった後、次へ移動するが、しかしそこから取り除かれることはない。不連続状態にある水は、冷却表面がコンフォーマルであるために、熱エネルギーの突然の作用下で、温度制御のための制御を行うことが困難な二相状態をとる怖れがある。激しい温度勾配が突然生じる確率は、コンフォーマル性により非常に高くなっている。雰囲気に対して閉じた冷却系統のケースでは、突然の昇温の随伴現象として、著しい昇圧を来しかねない。更に流路状の冷却ジオメトリの内部では、成形金型の所与の地点において、熱又は冷却強度を伝達する様々な可能性を用いて、冷却又は調温処理を行うことができるようにするのは不可能である、というのも冷却剤の温度は、これが流路状のジオメトリを通過する途上でも、又時間が経つにつれても、益々変化するからである。一般に冷却剤は、入口から出口に向かう途上で絶えず熱せられる。流路状の冷却ジオメトリが存在することによって、調温又は冷却とそれに続く外部ヒータによる加熱、及びその逆を、金型の同じ一つの場所で交互に行うことは不可能となっている。加熱と冷却が、例えば特許文献１３におけるように局所的に隣接するように場所的に切り離して配置される場合は、冷却ジオメトリの内部の冷却剤は常に加熱の開始による影響を受けてしまう。

クーラントを流路状の冷却ジオメトリから取り除くこの可能性が欠如している結果、冷却剤は流路内に留まるために、適切な時点に冷却を終了する可能性は排除されている。

特許文献１８に従った熱交換室ですら、給排水が不連続式で行われなければならない。このため鋳造プロセスによる入熱に際して、熱交換室の水は辛うじてごく一部が蒸発するだけで、残りは液状のままとなる。むしろ熱交換室の中の全ての水は、出口弁が開弁圧力に調整されるまで、熱せられるようになっている。圧力制御式の出口弁が備えられないのであれば、熱交換室の水は、激しい昇圧下では、約２２０ｂａｒ、３７４℃のその臨界点まで液状のままとなる。この臨界点から熱交換室の全ての水は蒸気状の状態に遷移する。しかしながらそのような圧力増大を制御するのは技術的に困難である上に、他方では、その場合は熱交換室に含まれる全ての水蒸気を液状の冷水で置換することが必要であろうことから、その制御は望まれざるものであるとも言えるだろう。とはいえ、冷水が連続式又は不連続式のいずれかで熱交換室に向かって流れて、温水がそこから流れ出ることは必要である。これは、この特許文献１８によると２４０℃までは実現可能である、というのも、その場合は熱交換室内の水が受ける相応の圧力を技術的に容認できるように思われるからであり、この時には液状の水が連続式又は不連続式に熱交換室に供給されて、運び去られるのも液状の水となる。それにより特許文献１８に従ったシステムでも又、熱交換室が絶えず充填された状態で流路状に貫流が行われることになる。流路式冷却に関する例外が、特許文献２０の冷却において初めて提案され、又はその後特許文献２１〜２３においても提案された冷却である。スプレ・ノズルを介してシェルモールドの裏側に水を撥ねかけることによって、シェルモールドの熱収支に限定された形で影響を与えられるようになっている。しかしながらこの冷却は、場所に関しては不正確この上ないものであるために、これを適用できるのは条件付きの場合に限られている。鉛直な高温の壁の特定の領域に水を撥ねかける場合、冷却剤は常にこの壁のところで一部だけが蒸発する。
・大半は、液状の凝結状態で、この領域から重力の向きに流れ出る。これは、高温の壁面に水を撥ねかけることの物理学的法則性からして既に推論できることである。従って流れ出る水の向きに位置している領域は、この水に触れて同様に冷却されることになる。
・ノズルを介して吹き付けられる水が放射状に広がりながら流れることにより、隣接する区域も同様に湿されるために、場所を鮮明に仕切るのは相変わらず不可能である。
・更に、互いに境を接する領域は、相互間の流れなしで、様々な冷却手法又は冷却強度を用いて冷却することはできない。シェルモールドの幾つかの領域を、材質が異なる冷却剤を用いて、例えば幾つかの領域を冷たい圧縮空気を用いて、又境を接する領域をスプラッシュ水を用いて、処理する必要があるのであれば、両方の冷却バリエーションの顕著な相互侵害も計算に入れておかなければならない。フリージェットの形態をとる圧縮空気がシェルモードの特定の面積に作用する場合は、それにより、隣接する領域のスプラッシュ水による冷却にも、シェルモールドへの塗布及びその効果に関して制約を受けることになりかねない。この理由から、隣接した領域で相反する調温方式を実行する完全な可能性も欠如している。隣り合った領域で加熱手法と冷却手法を適用するのは不可能である。相互影響又は材料同士の及び熱の相互作用が大き過ぎることになりかねない。
・例えば外側のシェルモールドの表面に外部加熱を必要とする一定の領域が存在する場合は、隣接領域を流れ落ちる又は広がりながら流れるスプラッシュ・ウォータにより、この加熱が著しく妨害されるか、又は完全に不可能となるかもしれない。調温時のそのような影響を抑止する可能性は欠如している。

従って、調温対象である表面又は周縁シェルの、場所が異なるか、又は場所を区切った調温及び温度制御を、特許文献２０又は特許文献２１及び特許文献２３に従って、提案される方式により行うことは不可能である。

現在では、液状のクーラントである水について、熱伝達の様々なメカニズムの結果として臨界状態が生じる怖れについては顧慮されていない。これらのメカニズムは、調温される壁の温度により決まる。その結果として、成形金型のコンフォーマル冷却の際の温度制御に、たちどころに不安定さを来してしまう。しかしコンフォーマル冷却の場合は温度制御が極めて重要である、というのも、冷却ジオメトリからキャビティまでの僅かな距離により、一部では、薄肉のコンフォーマルな成形金型壁面を介して冷却システムに突然強い熱流が伝わることを覚悟しなければならないからである。特にマグネシウム又はアルミニウム製の鋳物において、装入される溶湯が強い熱流の突発を来す場合が、これに当たると言える。

開放型の冷却システムの内部の水の場合は、それにより、流路状に貫流が行われる冷却ジオメトリの内部に、蒸気と水と混合物の無秩序な生成を局所的に来すことがある。クーラントへの所望される安定した熱伝達が著しく妨害されることがある。しかし特にそれとはケースが異なる、クーラントとして水が用いられる閉じた冷却システムの場合は、臨界状態を来すことがある。ここでは、膨張用の緩衝域が備えられていないのであれば、局所的な過熱による冷却システム内の著しい圧力上昇を覚悟しなければならない。閉じた冷却システム内の過熱は、水の臨界点まで、及びそれを超えるまで、可能である。クーラントがオイルである場合は、冷却壁の局所的な過熱によりオイルの分解を来し、その結果生じるクラック生成物の高温壁面への堆積を来すことがある。それにより当初意図されていた熱伝達はもはや不可能となる。

それに加え、開示されているコンフォーマル冷却に関する解決策においては、それが開放型の冷却に関するものであるのか、それとも閉じた冷却に関するものであるのかが、判然としないことが多い。先行技術文献に開示されているのは、熱伝達のメカニズムを顧慮しない金型の調温である点が目立っている。どうやら、高温の壁を調温する際にはこれらのメカニズムが存在することについて、思いが至らなかったようである。これらのメカニズムにより、熱伝達は異なる領域に分割される、即ちそれぞれのメカニズムが通用するのは、壁の温度の特定の範囲内においてとなる。それ以外にも、例えば壁の表面性状等の特定の変数、及び冷却手順の変数が変化する場合は、これらの範囲もずれることになる。システムの圧力も又、そのような方法変数の一例である。冷却システムが閉じている、即ち周囲の雰囲気に対して封止されている場合は、冷却システムは簡単に加圧状態に入ることができる。これは、冷却システムのどこかで、例えばコンフォーマルな壁のところで温度が急上昇する場合に、起きるかもしれない。この時には実システム圧に応じて、熱伝達のメカニズムも、又それらと共に単位時間当たりに伝達され得る熱の大きさ又は冷却強度も、変わることになる。

独国特許出願公開第１０２０１２０２４０５１号明細書 欧州特許出願公開第１４０３０２９号明細書 独国特許発明第１０２００６００８３５９号明細書 独国特許発明第１２１６４９６号明細書 独国特許出願公開第１０２００５０３０６７８号明細書 独国特許発明第１０２００５０３０８１４号明細書 独国特許出願公開第１０２００７００５２５７号明細書 国際公開第２０１１／０２６１６２号 特開２００３−１６４９５７号公報 特開２００４−１５４７９６号公報 特開２００７−３０７５９３号公報 独国特許出願公開第１０２０１００１７０１４号明細書 独国実用新案第７４１７６１０号明細書 独国特許発明第１０２０１２１０６８７１号明細書 独国特許出願公開第１０１５９４５６号明細書 オーストリア国特許出願公開第５１２０９１号明細書 独国特許出願公開第２８５０２２９号明細書 独国特許出願公開第３５０２８９５号明細書 欧州特許出願公開第２３８８０８６号明細書 欧州特許出願公開第００３３９０１号明細書 特開昭６２−１３０７６１号公報 特開昭６２−１３０７６２号公報 国際公開第２０１５／１１７５８２号

従って本発明の課題は、シェル状成形金型の調温用表面の、成形金型の裏側空間側からの、媒体が多面体状の空間内を相互に連通する状態で行われる平面的なコンフォーマル式温度制御の方法を得ることにある。

本発明は、主クレーム及び並列クレームの特徴により解決される。有利なことにも本発明により、シェル状成形金型の、場所から自由に選択することができる、個別の時間に行われる調温を、調温用表面の部分領域の温度制御の形態で実現することが達成される。更に、調温が行われるのは、略スポット状の、又は小さな円形平面状の領域ではなく、むしろ、型彫り部の形状に実質的にならった部分領域の温度制御を利用して、調温用表面の平らに広がるコンフォーマル式の調温が行われるようになっている。幾何形状を問わず流路の内部で行われる古典的な方法に基づく調温は行われない。調温は、開放型の、即ち、雰囲気に対して加圧開放状態となる冷却システムの内部で、様々な調温媒体を適用可能であることによって、実現される。更に、これらの調温用媒体と調温用表面との熱的相互作用を、調温用表面の任意の地点で任意の時点に中断して再び続行させることが可能となっている。調温媒体である水のオンオフを狙い通りに制御することによって、熱伝達の様々なメカニズムを駆使しながら、成形金型周縁シェルの調温用表面のそれぞれの部分領域の温度又は温度分布を制御することができる。このため、同じ部分領域で、冷却処理や加熱処理をその後で入れ替えながら行うことが可能となる。それにより、鋳造工程の段取り性が向上する。可能な限り早い時点で影響を与えることにより、金型は保護されることになる。加工品又はブランクを、プロセスの技術上の設定目標に応じて、例えば特に加工品のセンシブルな領域の気孔率及び微粒度に影響を与えることにより、その機械特性に狙い通りに影響を及ぼすことが可能となる。既にプロセスの計画段階で的を絞って影響を与えることにより、正確な鋳型充填を実現することができる。記載の方法により、型彫り部の冷たい領域の結果として生じるウェルドマーク、条痕及びその類等、加工品に欠陥の様相が生じることに効果的に対処している。本方法により、薄肉の壁のダイカストの適用を広範にわたり拡張可能であることができる。成形金型の調温が向上されることによって、熱機械応力の最小限化と合わせ、金型の型彫り部の表面に早い時点で亀裂が形成されることを防止することができる。これらが防止されることによって、鋳造金型の機械的安定性を保証することができる。型彫り部の表面に離型剤を塗布するために、搬送用空気を用いて水と離型剤の混合物を噴霧する必要はもはやない。これからは離型剤だけが単独で型彫り部の表面に塗布されることになる。それにより、投入される離型剤と圧縮空気は最小限となる。離型剤と水の混合物を型彫り部に撥ねかけることにより行われる古典的な冷却と比べ、汚水が発生することはなく、その浄化工程は省略される。本方法により、投入しなければならないのは、技術上の要件に応じて最適量の冷媒だけとなる。必要とされるのは、金型の裏側空間側からそれぞれの部分領域の温度制御を狙い通りに行うために必要な量の冷媒だけとなる。成形プロセスの際に発生するプロセス・エネルギーの大半は、シェル状成形金型の裏側空間から放散されることになり、古典的方法のような、離型剤と水の混合物を型彫り部に撥ねかけることによる放散はもはや行われない。本方法の結果として、プロセス時間は大幅に短縮される。更に、特にダイカストにおいてこれまで一般に用いられる鍛鋼を、成形金型の製造に引き続いて使用することが可能となる。本発明に従った調温用表面を成形金型の裏側空間側から製造するために、成形金型の製造に一般に用いられる加工用ツール又は古典的な加工用ツールを実質的に使用することができる。調温を行うために利用されるシェル状成形金型の調温用表面については、部分領域における冷却の最適適用のための方法において、適切な様式によりコンディショニングが行われ得る。他にも本発明に従った調温方法を最適に構成するために、調温用媒体についてもコンディショニングを行われ得る。既存の又は使用中の成形金型については、この既存の成形金型の裏側空間のそれぞれの幾何形状に関する前提条件が、作り変えを許容するものである限り、本発明に従った方法に合わせて作り変えることができる。

高温の壁に散水する際の熱伝達のメカニズムには様々なものがある。これらのメカニズムは、壁面に沿った対流であり、そこから移行して生じる気泡蒸発であり、更にそこから完全燃焼温度で移行して生じる液膜蒸発である。液膜蒸発は、部分的な液膜蒸発と安定した液膜蒸発とに細分される。部分的な液膜蒸発と安定した液膜蒸発との間の境界は、ライデンフロスト温度を有するライデンフロスト点である。本発明に従った方法においては、上述のこれらのメカニズムがコントロールされながら導入される。換言すれば、あらゆる時点に、調温用表面のあらゆる場所で、熱をコントロールしながら伝達できるようになっている。調温用表面の部分領域の温度は、本発明に従って、液状の水から高温の壁への、対流、気泡蒸発、並びに部分的な及び／又は安定した液膜蒸発等の熱伝達のメカニズムに基づいて制御される。調温用表面の部分領域は、その温度又は温度分布において、各様に制御することができる。そこではこの冷却システムが、雰囲気に対して開放している、即ち加圧開放型のものでなければならず、雰囲気との圧力補償が常に行われていなければならない。かねてより知られていることだが、壁表面のライデンフロスト温度又はライデンフロスト点は、重要な役割を演じる。水から高温の壁への熱伝達のメカニズムは、ライデンフロスト点で変化する。熱伝達のメカニズムは、高温の壁表面の温度により決まる。このメカニズムに基づいて、熱伝達係数の大きさが決まる。これは、熱伝達の強度を表す尺度である。係数が高ければ、強い熱伝達を来す。係数が低くなると、相応に低下した熱伝達を来す。ライデンフロスト温度よりも高温では、熱伝達が安定した液膜蒸発のメカニズムに基づいて行われる。ここでは、水が表面と初めて接触する際に、この表面上に非常に薄い蒸気膜が生成され、それにより、液状のクーラントである水とこの高温表面とのそれ以上の直接接触が阻まれるようになっている。この蒸気膜は熱絶縁効果を示す。その結果、このライデンフロスト温度を上回るところでは、熱伝達係数と壁温度との間に見られるのは、ごく弱い依存関係だけとなる。壁の表面温度がライデンフロスト点に低下すると、熱伝達のメカニズムに変化を来す。絶縁機能を果たす蒸気膜が破れ始めて、一部では液状の水と高温の表面との直接接触が可能になる。従ってこのライデンフロスト点で、部分的な又は一部の液膜蒸発の領域が始まることになる。壁の温度が低下すれば低下する程、液状の水と高温表面との接触状況は良好となり、この高温表面上の絶縁機能を果たす蒸気膜の領域は小さくなる。熱伝達のポテンシャル又は強度もそれだけ増大する。熱伝達係数が増加する。この部分的な液膜蒸発の領域は、熱伝達が最大限となり得る完全燃焼点で終了する。この完全燃焼点は、ライデンフロスト点のように、多くの影響パラメータにより左右される。この完全燃焼点の温度を下回ると、高温の壁のところでの水の気泡蒸発の領域が始まることになる。温度が高ければ、壁の凹凸のところに多くの気泡が生じる。この気泡生成のポテンシャルは、温度の低下に伴い減少する。それに随伴して、熱伝達係数、即ち壁への熱伝達の強度も低下する。温度が低ければ、壁のところで生成された気泡が消失して、対流の領域が、換言すれば、液状の水が壁に向かって単に流れることによる熱伝達が、始まることになる。この対流は、自由に、即ち外力による強制を不要として行うこともできれば、外力により流体の流れを強制的に壁面に向けることによって行うこともできる。以上が液状の水から高温の壁への熱伝達のメカニズムであり、これらのメカニズムには、壁の特定の温度域が帰属している。全ての領域において、壁から液状の水への熱伝達は異なる形で行われるようになっている。

ライデンフロスト点は、散水濃度又は水噴霧濃度、水の流速及び流れ方、壁の表面材料、水の組成、システム圧、壁の表面の堆積状態、壁表面の化学変化、並びに壁表面の構造その他の多くのパラメータにより左右される。

本発明に従って、高温の壁における熱伝達のメカニズムをコントロール下で十分に利用しながら、成形金型を、調温用表面の様々な部分領域を介して、制御しながら調温することができる。これらの部分領域においては、目標温度又は目標温度分布への制御が行われる。

そのためにシェル状成形金型の調温用表面は、不規則な多角形の外形を有する部分領域に分割されており、これらの部分領域は、壁状の仕切り／通過要素（Ｔｒｅｎｎ−Ｐａｓｓｉｅｒ−Ｅｌｅｍｅｎｔ）により限定されており、又これらの仕切り／通過要素は、調温用表面に接続されている、又は調温用表面と一緒に作り出されたものとなっている。これらの仕切り／通過要素により、側部を限定されている、不規則な多角形の外形を有する部分領域については、その内部空間が、機械的、熱的若しくはその類の材料加工方法により仕上げられている、又は側部の境界が、後工程の材料加工ステップにより作り込まれるか若しくは取り付けられるようになっている、と解釈されることになる。そこではそのような外形が、調温用表面上に少なくとも三つの底辺を有している。この場合は、調温用表面及び仕切り／通過要素によって限定されている部分領域により、一つの多面体状の空間が形成されるが、そこではこの多面体状の空間の境界面が、これらの仕切り／通過要素と調温用表面上の底面となっており、又この多面体状の空間の調温用表面とは反対側は、開口している、又はハウジング部材によって少なくとも一部が限定されるようになっている。これらの多面体状の空間は、仕切り／通過要素が高さを異にすることにより、異なる深さを有している。これらの仕切り／通過要素の調温用表面とは反対側の端面は、異なるレベルに位置している。

止まっているのは、それぞれの多面体状の空間の、外側の側方の壁状の境界だけである。これらの外側の壁状の境界を、以下では仕切り／通過要素と呼ぶ。それに従って一つの多面体状の空間は、仕切り／通過要素により限定されるようになっている。これらの仕切り／通過要素は、調温用表面上に、調温用表面と対向した端面によりはめ合わされている。壁状の仕切り／通過要素がはめ合わされるとは、これらの仕切り／通過要素が、フライス加工、放電加工又はその類の機械的方法を利用して、鋳型の裏側から、この一つの材料同士の接合部により、−即ち、成形金型周縁シェルの材料の流れが途切れることなく−、取り外すことが不可能な鋳型表面との接合部が具現されるように、作り込まれることである、と解釈されるものである。しかし、成形金型周縁シェルを全て、成形金型の裏側から、フライス加工及び放電加工又はその類の方法を用いて、コンフォーマル式に作り出して、仕切り／通過要素を、後工程で溶接、ろう接、ボルト締結、選択的レーザ溶融法又はその類の３Ｄオブジェの製造方法を利用して、調温用表面の上に取り付けることも可能である。液状の調温媒体である水が、仕切り／通過要素の調温用表面と対向している端面から調温用表面に向かって流れて、隣接する多面体状の空間の中に入らないようにすることが所望されるのであれば、作り出される、又は取り付けられる仕切り／通過要素は、流れていく液状の水に対して水密式に調温用表面の上に取り付けられていなければならない。

いずれのケースにおいても、それにより、仕切り／通過要素がはめ合わされている裏側の調温用表面を備えた成形金型周縁シェルが生じ、これらの仕切り／通過要素は多面体状の空間を具現するようになっている。このように露出された成形金型の裏側は、裏側空間又は調温空間と呼ばれる。多面体状の空間はその中に位置し、それらの仕切り／通過要素を介して調温用表面の上に取り付けられて、又は作り込まれており、個別に又はグループとして調温用表面の部分領域を具現するようになっている。

これは、本方法にとって基礎であると見做すことができる。というのも、熱の伝達をコントロールしながら制御することができるのは、調温用表面上に部分領域のための仕切り／通過要素がある場合に限られるからである。仕切り／通過要素がない場合は、調温用表面の一つの場所に散水すると、液状の水は完全に無秩序に横に広がる上に、その下の調温用表面の別の領域内に流れていくことにもなりかねない。しかし求められるのは、調温用表面の所望される特定の部分領域に狙いを定めた、一様な散水又は液膜による湿しである。そうすることによってのみ、必要とされる冷却強度又は放熱を狙い通りに制御することができる。調温用表面が、大抵のケースにおいては直立していることからも尚更のこと、液状の水は基本的には略常時、散水場所から流れ出ることになる。一方では、そもそも冷却効果を達成するために、散水がある程度の強度で行われるようになっている。他方では、水が当たった場所で直接蒸発すべきであることが所望されるために、水を、滴の形だけで次から次へと塗布するようにしてもよいかもしれない。そのためには、滴が、調温表面から転がり落ちることが起こり得ない、平坦で水平な調温表面上に当たることが求められる。安定した液膜蒸発域で蒸発が起きるようにする場合は、いずれにせよ高温の表面上で滴が不安定な動きを示すことになりかねないが、これは、滴の下には蒸気のクッションがあるかもしれないからである。又仮に人が安定した液膜蒸発域にいたとしても、蒸発が一瞬の内に行われることはないだろう。詳しく言うと、壁は、滴が当たる地点においては若干冷たくなるが、これは、内側から表面に熱が供給されることにより、補償されることになる。即ち熱伝達のメカニズムによっては、高温の壁のこの場所にスプレする際に、水が同じ場所に留まることは全く不可能である。仕切り／通過要素が導入されていなければ、水は無秩序に横に広がって流れることを余儀なくされる。液状の水が高温の壁に当たる際の熱交換の物理的メカニズムは、それ以外のことを許容しないのである。このため特許文献２１及び特許文献２０に記載される、高温の鋳型壁に単に撥ねかけるだけという、提案される解決策によっては、望まれる限定されたターゲット場所における熱の制御可能でありかつコントロール可能な伝達に行き着くことは不可能である。水が噴霧領域から横に広がったり流れ落ちたりすることによって、隣接場所の温度に必ず無秩序な支障が出ることになる。気泡蒸発域、部分的な液膜蒸発域及び安定した液膜蒸発域では、いずれにせよ吹付け領域から、蒸気と流れ出る水が発生することになる。

多面体状の空間又はそれらの仕切り／通過要素は、多様な形態をとることができる。これは、調温の所与の条件又は要求項目により左右される。

そこでは、仕切り／通過要素によって限定されている多面体状の空間の調温用表面上の底面により、その調温用表面上のそれぞれの部分領域が具現されるようになっている。しかしながら、仕切り／通過要素は、部分領域の境界と同義である必要はない。例えば一つの部分領域に、複数の多面体状の空間が付属していてもかまわない。部分領域は、調温用表面の一つの特定の領域上で行われる、一つの調温タスクを区画するために利用されるものである。この部分領域内では、一つの予め設定された目標温度、又は一つの温度分布への制御が行われる。この部分領域内では、仕切り／通過要素を追加して取り付けたり又は作り込んだりすることもできる。仕切り／通過要素の取付けに関しては、それ以外にも例えば、調温用媒体の流れをターゲットに向かって導くことが要求される。従って、そもそも調温用表面上で初めて調温媒体を用いた調温が可能となるように、仕切り／通過要素を形成すると、得策である場合が多い。これは、これらの仕切り／通過要素がしばしば平坦な形態をとらず、むしろどちらかと言えば弓形に構成されると共に、それに追加して、調温用表面上に配置されなければならないことを意味している。

仕切り／通過要素の取付けに関しては、それ以外にも、金型又は成形金型周縁シェルが機械的安定性を示すようにすることが要求される。そのためにはしばしば、仕切り／通過要素の追加が不可欠となる。それにより調温用表面上の個々の多面体状の空間は、それ自体で調温用表面の部分領域を具現するようになっていてもよい。しかし、複数の多面体状の空間により、調温用表面の一つの部分領域が具現されるようにすることもできる。

調温用表面の部分領域は、調温用表面の平らに広がった領域であるが、それらのサイズと幾何形状、及び仕切り／通過要素の個数には、著しいばらつきが見られる。多面体状の空間の個数は、部分領域の個数と同数である必要はない。

仕切り／通過要素を用いて調温用表面全体がこのように分割されることによって、調温用媒体を用いて調温用表面を完全に湿したり、又はこれに流れを当てたりして、それにより個々の部分領域の温度を制御することが初めて可能となる。仕切り／通過要素の個数と外見を適切に選定することによって、個々の部分領域内での適切な伝熱が初めて可能となる。これは、本発明に従った方法が最適な形で機能するための前提である。この分割方式は、調温用表面の調温の所与の要求項目によって決まる以外にも、特に成形対象である加工品の調温又は熱伝達に対する要求項目によっても決まるようになっている。

この分割方式は、更に、成形金型周縁シェルの安定性によっても左右されることになるが、成形金型周縁シェルは、金型に対する機械的安全性に関する要求項目を充足したものでなければならない。それにより、仕切り／通過要素によって、成形金型周縁シェルの機械的安定性が確保されることになる。鋳造プロセスの際に発生する、成形プロセスの力は、これらの仕切り／通過要素又は多面体状の空間を介して、成形金型の中実領域へと転送される。

更に多面体状の空間は全て、雰囲気へのアクセスとなる一つの開口部を有している。これは、これらの部分領域が雰囲気に対して加圧開放型であること、又は雰囲気と略等圧であることを意味している。言い換えると調温用表面の部分領域の調温のために投入される調温用流体の圧力は、周囲の大気圧と等しいか、又は殆ど等しくなっている。この調温用空間内の圧力が、外部の支配的な周囲圧力を上回ることはない、又はこれと略等しくなっている。これは、一般には通常の１ｂａｒの大気圧である。調温のシステム全体が、周囲の雰囲気に対して開放されている。本方法は、この通常の大気圧を上回る圧力では、作動しないようになっている。液状の水を用いて調温用表面を冷却する際に、高温の調温用表面に接した液状の水の最高温度は、通常の条件下では約１００℃である。この温度で液状の水は、通常の周囲圧力下では蒸気に遷移する。

これらの仕切り／通過要素は、それらの様式において、調温用表面上の個々の多面体状の空間の間で、流動性を示す調温用媒体が部分的に相互に影響を及ぼし合うことを可能にする、平面状又はそれ以外の様式の形成物であってもよい。それにより、一つの多面体状の空間の流動性の調温用媒体の一部がこれを通過して、隣接する多面体状の空間の中に入り、対応する多面体状の空間の内部で一部が混ざり合ったり、又は材料同士が相互作用を及ぼし合ったりする可能性を生じている。従って、様々な多面体状の空間の媒体の相互連通が可能となっている。これらの多面体状の空間は、大抵の場合は空気である周囲雰囲気との連絡部を引き続いて有するために、空気もこれらの多面体状の空間に入り込むことができる。隣接する多面体状の空間の媒体の連通は、これらの仕切り／通過要素が、多面体状の空間の間に途切れた箇所を有しており、それにより双方の流体が混ざり合うことを許容することによって、達成することができる。その際に仕切り／通過要素は、下側の端面のところでも、調温用表面上に完全にはめ合わされる必要はない。他方では、仕切り／通過要素を、調温用表面上に完全にはめ合わすことができるものの、調温用表面の隣接する多面体状の空間の流体又は何と更に離れた多面体状の空間の流体が一部混ざり合うことが可能となるような高さを、これらに持たせるようにしてもよい。更に、隣接する多面体状の空間の流体の部分的な交換を可能とするために、隣接する多面体状の空間の仕切り／通過要素に、それ以外の方法による貫通孔を設けるようにしてもよい。しかし、複数の壁状の仕切り／通過要素に、同じ一つの調温用流体が同時に溢れかえったり又は降り注いだりするように、最初から意図することもできる。これは、調温の目的又は流体の流れをガイドする目的で、外部から流体を添加することにより行うことができる。それにより、多面体状の空間の間を流体が連通することによって、調温用表面のそれぞれの部分領域又はそれぞれの多面体状の空間の端面の、ジオメトリ上アクセスが困難な領域にも、流体が入り込める可能性を生じている。これは、部分領域内のコンフォーマル式調温用表面の幾何形状が極めて変化に富んだものであることによって、流体の流れのガイド方式を適合化する可能性、即ち狙い通りに流れを導く可能性がない場合は到達するのが困難な隅及び縁部を必ず生じてしまうことから、重要である。液状の水の場合は、調温用表面の上又はその一つの部分領域の上に一つの液状の膜が広がることによって、いつでもコントロールされ制御された熱が、熱伝達のメカニズムである対流、気泡蒸発、並びに、部分的な液膜蒸発及び安定した液膜蒸発に対応して伝達されるようにすることが重要である。安定した液膜蒸発の場合は、散水の際に高温の表面と液状の水との間に薄い蒸気層が生成される。そのような液状の膜が、調温用表面のそれぞれの部分領域の上になかったとしたら、制御された熱伝達は不可能である。

壁状の仕切り／通過要素は、平坦な形態をとる必要はない。これは、これらの仕切り／通過要素が、古典的な幾何学的平面として、それぞれの加工方法を用いて、例えばフライス加工若しくはその類によって調温表面に作り込まれたり、又は例えば溶接若しくはその類によって調温表面の上に取り付けられたりする必要はなく、むしろ、例えば他にもコルゲート状の、又は湾曲した、任意の形態のものであればよいことを意味している。これは、調温の技術的要件、又はそれ以外の成形金型周縁シェルの要件のために、不可欠となることがある。しかしながら、仕切り／通過要素の幾何形状を適切に構成することによって、調温用表面の隣接する部分領域において、異なる調温を実行して、多面体状の空間の仕切り／通過要素を介した媒体の相互作用を僅かとする可能性が生じることになる。仕切り／通過要素は、引き続き成形金型周縁シェルの機械的安定性に寄与するようになっている。そこではこれらの仕切り／通過要素が、流体を分離して通過させるというその特性以外にも、成形金型周縁シェルの安定性に関して、相応に構成されることになる。

以下では、本発明の主要特徴が示される幾つかの図について、より詳細に説明する。

媒体が多面体状の空間内を相互に連通する状態で行われる平面的なコンフォール方式のシェル状成形金型の構成に関する原理図を、いずれも成形金型周縁シェルを有している二つの成形金型半部が備えられた、閉じた成形金型の断面図として示した図である。 媒体が多面体状の空間内を相互に連通する状態で行われる平面的なコンフォール方式のシェル状成形金型の構成に関する原理図を、いずれも成形金型周縁シェルの表面に調温表面の部分領域を有している二つの成形金型半部が備えられた、閉じた成形金型の断面図として示した図である。 部分領域と仕切り／通過要素を有している、成形金型周縁シェルの調温表面の上面図である。 調温用表面の部分領域の、可能性のある温度制御を示す図である。 不連続式にオンにされる散水体積流量をバーグラフで示す図である。 調温用表面の部分領域の連続加熱をバーグラフで示す図である。 熱伝達係数αの基本的な特性を、散水時の調温用表面の壁温度θ_ｏの関数として示した図である。 伝達されることになる相応の熱又は冷却強度を用いて、制御されることになる、選択された二つの調温用表面上の目標温度を示した図である。 調温用表面の表面材料が、意図的な化学変化又は物理的な被覆によって変化する場合の、熱伝達の領域の移相を示した図である。 調温用表面の表面材料が、壁面材料の表面の意図せざる化学変化及び／又はマイクロ機械的変化により変化する場合の、熱伝達の領域の移相を示した図である。 シェルモールドに作り込まれた仕切り／通過要素の断面図である。 図９ａのシェルモールドに作り込まれた仕切り／通過要素の側面図である。 シェルモールドの断面を、シェルモールドの上に取り付けられた仕切り／通過要素及び散水ノズルと共に示した図である。 散水ノズルを利用した、調温用表面の部分領域の上の、水で溢れかえらせることが困難な領域への散水を示した図である。 図１１ａに関する側面図である。 その劣化による調温用表面の熱伝達の変化と、それに伴う調温用表面の目標温度の制御の変更を示すグラフである。 熱伝達域における制御器のオリエンテーションの可能性を示した図である。

本発明に従うと、成形金型周縁シェル１を有するシェル状成形金型１４の裏側の表面の調温が新規な方法を用いて行われる。これらの裏側の表面は、調温用表面４と呼ばれる。そこではこの調温用表面４が、様々な部分領域４．ｉに区分される。成形金型１４は、そこでは二部材及び多部材で構成されていてもかまわず、又それにより、複数の成形金型周縁シェル１を有することができるが、これらの成形金型周縁シェル１の調温は、本方法に基づいて行われるようになっている。成形金型周縁シェル１のそれぞれの調温用表面４は、そこでは、成形金型１４のキャビティ２の型彫り部５の形状にならって構成されたものであってもよい。

この調温用表面４は、冷却することも又は加熱することも可能である。基本的に調温は、成形金型の裏側空間３内の、部分領域４．ｉ及びそれらの部分領域の多面体状の空間内の様々な媒体によって行われる。これは、図１及び図２に成形金型１４を切り取った断面図で概略的に示されている。これらの多面体状の空間内の調温用媒体は、仕切り／通過要素１０を介して相互に連通できるようになっている。個々の仕切り／通過要素１０は、調温及び流れのガイド方式の要件に応じて、調温用表面４に作り込んだり又は取り付けたりすることができるようになっている。この可能性により、調温用表面全体の最適調温を達成することができる。図９、図１０及び図１１には、そのような仕切り／分離要素の例が示されている。これらは壁状の形成物であり、要件により平坦又はコルゲート状になる。これらは、例えば一部が円蓋状となっているか、又は貫通孔１５が設けられている。それによりこれらは、それらの形態において、隣接する多面体状の空間内の調温媒体の相互作用の要件にかなうように、適合化が図られている。それに加えて、これらの仕切り／通過要素１０の断面輪郭形状に不連続部を持たせることによって、一方では水の分散と流出がより高信頼度で行われ、他方では安定性が改善されるようにしている。図１、図２、図９、図１０及び図１１ａには、それを表している概略図が例示的に示されている。例えば調温用表面４の部分領域４．ｉに液状の水が溢れかえる場合は、この部分領域４．ｉ全体が水膜で湿されることが保証されるが、この水膜は、冷媒である水を散水することによって常に繰り返し新しく形成され、この部分領域４．ｉにおいては常時再現可能な熱伝達が展開されることになる。そのためには水が、それぞれの部分領域の調温用表面４上の角及び縁部に入り込まなければならない。コンフォーマルな表面のトポグラフィには著しい入れ替わりが見られるために、これを平面に等しい壁によって実現するのは、多くの場合は困難である。このため、それぞれの壁状の仕切り／通過要素１０は、部分領域４．ｉ全体を適切に水で溢れかえらせることができるように、それらの形状において適合化が図られている。水膜がなければ、液状の水から高温の壁への熱伝達のメカニズムである対流、気泡蒸発、安定した液膜蒸発及び部分的な液膜蒸発に基づいて本方法を実行するのは不可能となる。更に、仕切り／分離要素１０の高さはそれぞれ異なっている。これらも又、散水の際には、液状の水で、又は一般には、調温用表面４のそれぞれの部分領域４．ｉを溢れかえらせるために有利である限り、調温用流体により、溢れかえることになる。図１０には、溶接を利用して調温用表面４の上に取り付けられた仕切り／通過要素１０が概略的に示されている。これらの仕切り／通過要素１０には他にも、隣接する多面体状の空間内の媒体の相互作用を保証するために、貫通孔１５が設けられている。図９ａ、図９ｂ及び図１１ａ、図１１ｂには、これが例示的に示されている。更にこれらの仕切り／通過要素１０は、調温用流体の良好な溢れかえりの保証と並び、成形金型周縁シェル１の安定性を保証するためにも利用されるようになっている。そのために、これらの仕切り／通過要素１０は適切な形状を有しており、又調温用表面４上に適切な形式で配置されている。相応にこれらの仕切り／通過要素１０は、それらの形状と個数において、特に調温用表面４上のそれらの役割に合わせて適合化が図られた、壁状の形成物となっている。

作り込まれる、又は取り付けられる仕切り／通過要素１０を、成形金型周縁シェル１の機械的安定性及び／又は成形金型周縁シェル１上の流体の誘導だけに利用する場合には、これらは必ずしも成形金型周縁シェル１の調温用表面４の直上まで達している必要はない。仕切り／通過要素１０に要件に応じてそれぞれ異なる高さを持たせることによって、最適機械的安定性及び流れのガイド方式の両方、又はいずれか一方を、最適な形で保証している。

裏側空間又は調温空間３は、図２に示されるように、要件に応じて、例えば塞ぎ板９のようなハウジング部材によって封止されてもよい。有利なことにもこの塞ぎ板９には、技術的又は幾何学的に有利である限り、調温のためのデバイス及び調温用表面４を限定するためのデバイスを組み込めるようになっている。この塞ぎ板９に通して、調温用表面４用の調温装置を作動させるための給排ライン、及びセンサ系のためのリード線を取り廻して固定することができる。そこではこの塞ぎ板９が成形金型と同じ材料から作製されているが、別の材料から成るものであってもかまわない。これは金属製であってもよい。成形金型１４の設計構造により、この塞ぎ板９には支持機能を持たせても、持たせなくてもかまわない。相応にそこではこの塞ぎ板９が、作業プロセス又は成形プロセスの力を受け止めて吸収するようになっている。調温空間３の塞ぎ板９は、塞ぎ箱の形態をとってもかまわない。そこでは、調温のためのリード線及び装置の固定と並び、生じる冷却水を良好に捕捉して次へと導くことができるようにすると有利である。その際にこの塞ぎ箱は必ずしも成形金型１４の裏側空間に剛結式に固定される必要はない。しかしながら塞ぎ板９は、調温用空間３の雰囲気に対する開口部の邪魔になるものであってはならない。本方法においては、多面体状空間と雰囲気との圧力補償が常時行われるようになっている。塞ぎ板９の上には、仕切り／通過要素１０を配設することもできるが、その場合これらはそこから調温用表面４まで達することになる。これらの仕切り／通過要素１０には、具体的な必要に応じて、調温用表面４との直接的な接触部が設けられる。

成形金型周縁シェル１及び調温空間３と並ぶ、成形金型１４のそれ以外の部材が、成形金型１４の中実領域８である。作業プロセス又は成形プロセスの力は、成形金型周縁シェル１と、その上に位置する多面体状の空間の仕切り／通過要素１０とを介して、この中実領域８の内部に導かれるようになっている。

シェル状成形金型１４の冷却又は調温のために、様々な調温用媒体を利用することができる。液状の水を用いた高温の壁の冷却の強度に関しては、熱伝達係数αがその壁の表面温度θ_ｏに依存することが知られている。液状の水を用いて成形金型１４を冷却する場合は、熱伝達が、このケースにおいては、調温用表面４又は調温用表面４の部分領域４．ｉの温度θに著しく依存する。このため、調温用表面４の温度制御の装置を介して、熱の伝達又は冷却強度を、調温用表面４の温度に対応して、変更又は狙い通りに制御することができる。

完全燃焼温度θ_Ｂｏを上回る高温の壁に散水する場合は、壁への熱伝達に原則的に二通りのメカニズムがある。そこでは壁表面のライデンフロスト温度又はライデンフロスト点が重要な役割を果たすが、これはかねてより知られていることである。

図７ａには、熱伝達係数αと壁面温度θ_ｏとの基本的な関係が提示される。実証された完全燃焼温度θ_Ｂｏとライデンフロスト温度θ_Ｌｅがプロットされている。部分的な液膜蒸発の領域は、この完全燃焼温度θ_Ｂｏからライデンフロスト温度θ_{Ｌｅ θθ}までに限定されている。そこではライデンフロスト温度θ_{Ｌｅ θ}の伝熱係数が、壁面温度の低下に伴い急激に増大して、完全燃焼温度θ_Ｂｏで最大となっている。ライデンフロスト温度θ_Ｌｅを上回る熱伝達係数α_ｍａｘで、安定した液膜蒸発の領域が開始する。このライデンフロスト温度θ_Ｌｅを上回ると、温度に伴う伝熱係数αの増大は僅かに過ぎなくなり、伝熱係数αは略定常となる。完全燃焼温度θ_Ｂｏを下回る熱伝達係数αで、高温の壁に接したところで水の気泡蒸発の領域が開始する。この壁に接したところでの気泡生成はＫ点で終了し、壁に接したところでの水の対流の領域が開始する。

本発明においては、液状のクーラントである水を用いた調温用表面４の部分領域４．ｉの温度制御のために、水から高温の壁への熱伝達の全ての現象を利用することができる。具体的に言うと、高温の壁温度θ_ｏから完全燃焼温度θ_Ｂｏまでは、安定した液膜蒸発域及び部分的な液膜蒸発域が利用され得る。完全燃焼温度θ_Ｂｏよりも低い温度では、気泡蒸発域と対流域が利用される。それにより例えば調温用表面４の部分領域４．１においては、温度θ_１で、部分領域４．２においては温度θ_２で、更に部分領域４．３においては別の温度θで、調温を行うことができる。これらのケースでは、単位時間当たりの伝達可能な熱又は加熱強度が異なってくるが、これは例えば図７ｂにおいて付属する熱伝達係数α_１及びα_２で読み取ることができる。即ち、熱伝達の様々なメカニズムを駆使して制御しながら、様々な部分領域４．ｉにおいて様々な時点に様々に熱を伝達することが基本的に可能となっている。

液状のクーラントである水を用いた冷却又は調温の際には、これらの変数を用いて、又はライデンフロスト点とこれらの変数との依存関係を用いて、狙い通りに操作することが可能となる。そのためには、調温用表面４上で行われる熱伝達域を、又それに伴い熱伝達の強度又は熱伝達係数を、そのプロセスにとり有利な温度領域へと狙いを定めてずらしてもよい。例えば狙い通りに変化させることができる調温用表面４の材料の表面は、ライデンフロスト点にとり特段の役割を演じることになる。この表面は、化学的に、例えば表面の酸化又はその類により、及び物理的に、例えば何らかの物質を用いて蒸発させることにより、変化させることができる。表面材料の変化に伴い、水と高温の表面との相互作用が変化し、ひいてはライデンフロスト点及び熱伝達域も変化する。図８ａにこれを原理的に示す。調温表面４又は部分領域４．ｉの表面処理により、破線で示すような熱伝達が、実線で示すような熱伝達へと移相しており、それに伴い熱伝達係数α及び付属の壁温度θ_ｏも変化している。

もっとも、意図せざる例えば化学的な方法による変化、及び壁表面のトポグラフィの変化が生じることもある。これらの変化は、材料の「劣化」という概念の元に一まとめにすることができるものであり、一部については計算不能となっている。これらの変化は、金型の使用時間が長引くにつれて発生する。それらは例えば腐食であり、又それに伴う断裂であり、微視的領域の侵食である。これらは、冷水を用いた高温の調温用表面４の絶え間ない散水サイクルの結果として起こる。劣化により、クーラントである水と壁又は調温用表面４との相互作用も同様に変化する。それと共にライデンフロスト点も変化し、又それに伴い熱伝達域も変化する。図８ｂにおいては例示的に、表面劣化の結果について基本的な可視化を行った。θ_Ｂｏ，１とθ_Ｌｅ，１及びそれらに付属する熱伝達係数α_ｋ，１とα_{ｍａｘ，１}を有する初期表面が、劣化するうちに、θ_Ｂｏ，２とθ_Ｌｅ，２及びそれらに付属する熱伝達係数α_ｋ，２とα_{ｍａｘ，２}を有する表面に移行している。

他にも水と高温の調温用表面４との相互作用には、例えば様々なフライス加工による表面の構造化によって、機械的に影響を与えることもできる。それにより水を表面で湿す条件が変わることになる。それに伴いライデンフロスト点と付属する熱伝達域も変化する。

部分的な液膜蒸発の温度域では、安定した液膜蒸発の温度域と比べて、壁の温度θに応じて、より強力な、更に可変的な冷却が可能である。壁表面の温度θに伴い伝達可能な熱が僅かしか変化しない安定した液膜蒸発域とは相違して、この部分的な液末蒸発の温度域では、調温用表面の部分領域４．ｉの表面の温度θに応じて異なる熱を伝達することができる。安定した液膜蒸発域では、形成される蒸気膜により熱伝達が妨げられるために、伝達される熱は、大抵の場合は略定常の表面の温度θとは無関係なものとなる。これも又、狙い通りに十分に利用することができる。ここでは温度依存性が僅かであるために、制御メカニズムが幾分緩慢気味になるかもしれない。

調温には様々な可能性がある。液状のクーラントである水を用いて調温用表面４を冷却する場合は、本発明に従った方法においては、水を平面状に分散させるために散水ノズル６が導入される。本発明において問題とされているのは、散水式冷却である。散水ノズル６は、その性質上、クーラント用のキャリヤガスの助けを不要とする、液状のクーラントである水のための平面状の散水装置となっている。その特色として、この散水ノズル６により、液状のクーラントである水は滴に分かれて、一般には空気である周囲のガス中で分散される。散水ノズル６により発生する滴サイズは、運転パラメータである水圧及び水温と、散水ノズル６の幾何形状とにより決まる。ノズルの作動方式も又、熱伝達域に影響する。散水ノズル６により発生する滴の集合体の幾何学的な基本形状は、コーン状の滴パターン、散水パターン、又はスプレ・パターンである。重要であるのは、コーン状のスプレ・パターンの滴が、それが当たる調温用表面４の幾何形状の表面で平面状に分散されることによって、その時々の熱伝達のメカニズムに関係なく、この表面上に連続した均一の液状の膜が形成される点である。散水ノズル６の幾何形状の構成により、コーン状の散水パターンの幾何学的形状からの分散を変更することができる。コーン状の散水パターンの滴は、平坦な調温用表面４上では、例えば円形板又は楕円の形状で散乱されることになるかもしれない。散水ノズル６の構成によっては、散水がそれ以外の幾何形状をとることも可能である。いずれにせよ、散水ノズル６の滴集合体により、成形金型周縁シェル１の調温用表面４の平面的な湿しが行われることになる。散水ノズル６の作動パラメータの選択を通じて、又は他にもその幾何学的な形状により、成形金型周縁シェル１の調温用表面４上の散水密度又は水かけ密度を調整することができる。散水密度又は水かけ密度とは、表面に塗布される単位面積及び単位時間当たりの水量であると解釈されるものである。水かけ密度により、ライデンフロスト点とこれに結び付いた熱伝達域に影響を与えることができる。液状のクーラントである水を用いた散水の構成は、所与の条件と、調温用表面４又は調温用表面４の部分領域４．ｉの散水の要件とにより決まる。例えば一つの塞ぎ板９又は別の保持装置に複数の散水ノズル６を組み込んで、散水のために使用することもできる。

上述の熱伝達のメカニズムを利用するために、例えば水と、この水による調温用表面４の散水を利用して調温を行うのであれば、調温用表面４、ひいては金型自体を鉛直に配向する必要がある。水は、高温の調温用表面４又は部分領域４．ｉの散水後には、熱伝達を中止できるようにするために、流れ落ちることができるようにする必要がある。そのために仕切り／通過要素１０を相応に構成することによって、クーラントである水の問題のない流出が可能となる。

しかし部分領域４．ｉの鉛直方向への配向が不可能である場合は、変更を加えることもできるが、例えばそのために、金型の水平に配向されたコアの空洞部に生じる溜り水を速やかに吸い出すようにしてもよいし、又それが必要となる場合もある。本方法にとり重要であるのは、水膜による調温用表面４の湿しであるが、この水膜は、言及した、部分的な液膜蒸発のような熱伝達メカニズムと並び、それ以外の指摘した熱伝達メカニズムに沿った、意図される最適な熱伝達を、これに再現性を持たせて展開するために、途切れなく新しく形成されなければならない。

調温用表面４の温度θの制御を通じて、局所的な冷却強度又は成形金型周縁シェル１への熱の局所的な伝達に影響が与えられるようになっている。調温用表面４の温度θは、冷却性能の伝達に最も大きな影響力を有する。これは、部分領域４．ｉの表面の目標温度への制御を通じて、熱伝達係数αに、又それにより熱伝達の強度と時間に、狙い通りに影響を与えることができることを意味している。部分領域４．ｉにおいて、表面が目標温度θ_１に調整される場合は、部分領域４．ｉ＋１において表面温度θ_２への調整が行われる場合よりも、同じ時間内により多くの熱を伝達することができるが、これについては図７ｂを参照されたい。これは、加工品の冷却を、調温用表面４の部分領域の表面４．ｉの温度制御を利用して、狙い通りに制御することができることを意味している。換言すると、加工品から型彫り部への熱流を、調温用表面４の部分領域の表面４．ｉの温度制御を利用して、狙い通りに制御することができると言える。本方法が前提とするところのコンフォーマル性により、個々の部分領域４．ｉにおいて熱流が作用するための時間は、従来型の方法と比べて僅かである。というのも、古典的な金型においては、金型の大きな材料厚さを克服することが要求されることになりかねず、又それにより、説明した制御が作用するためには長時間かかることも、考慮に入れることが要求されかねないからである。鋳物の生産部門では、このような長い時間的ゆとりがないのが通常である。それ以外にも、そこでは金型内部の熱のかなりの横伝導を覚悟する必要があるだろうが，これは、熱の局所的に限定された伝達を疑問視させかねない、又は不可能としかねないものである。それに加え本方法においては、部分領域の熱伝達係数αへの作用を利用した熱伝達に、大きな余地が残されている。例えば一つの特定の部分領域４．ｉの材料特性が、技術的な要求項目を充足しないものであるならば、この部分領域における熱伝達を適合化してやればよい。それにより、金型を、作製後であっても、様々なパラメータを用いて稼働させて、ブランク又は加工品に対する様々な要求項目に合わせて調整できることが保証される。金型自体を造り直す必要性に駆られることはない。

これが関係してくるのは、特に、多くの場合は設計側から事前の段階で影響を与えることが困難な、構造部品等の大物加工品の、充填するのが困難な薄壁の鋳型である。他にも加工品の幾つかの領域の粒径の変更にも、熱流の変更により影響を及ぼすことができる。

それに加え、多面体状の空間の仕切り／通過要素１０によって、調温用表面の所望の地点において、多面体状の空間の間の、熱の伝達の略連続的な推移を達成することが可能となり、それにより、仕切り／通過要素１０における調温の唐突な移行挙動を回避することができる。これは、隣接する多面体状の空間の間で調温用媒体である水の相互作用が展開されることによって、又はそれらの仕切り／通過要素１０を介して、可能となる。個々の仕切り／通過要素１０の貫通孔１５若しくは高さ、又は仕切り／通過要素の意図的な溢れかえりを利用して、多面体状の空間の間での媒体の相互作用を広い範囲で展開させることができる。

調温媒体と部分領域の表面４．ｉとの相互作用は、いつでも打ち切ることができる。打ち切りが所望されているのであれば、それにより熱伝達を殆ど瞬時に中止することができる。調温用媒体のスイッチをオンオフすることによって、調温用表面４との熱的相互作用が、狙い通りに開始される、又は中止される。例えばノズルから出る水が止められて、その瞬間に調温用表面４又は一つの部分領域４．ｉ及び相応に構成された仕切り／通過要素１０から流れ出る。

他にもそれぞれの部分領域４．ｉにおいて様々な調温が可能であるということは、異なる種類の媒体を導入可能であるということも意味している。隣接する多面体状の空間内の媒体の相互作用を相応に調整することが、前提となる。例えばある部分領域には調温のために空気を導入し、それに隣接する部分領域には液状の水を導入する場合は、これらの隣接する多面体状の空間内の媒体の相互作用を低下させるのが望ましい。これは、相応の仕切り／通過要素１０の構成を通じて実現される。媒体が水であるケースでは、調温用表面４が良好に湿されることが重要であるが、流れが良好にガイドされることも、どちらのケースにおいても重要となる。

それぞれの部分領域４．ｉにおける流れの良好なガイドについては、仕切り／通過要素１０に適切な開口部が設けられない限り、実現できないことが多い。なぜなら、調温用表面４のコンフォーマルな、極めて変化に富んだトポグラフィ又はジオメトリの所与の条件のために、調温用流体の流れのガイドに関する普遍的な解決策を引き出すのは不可能であるからである。更に、仕切り／通過要素１０は広範な可変性を示すが、それにもかかわらず、仕切り／通過要素１０の端面が調温用表面４上にはめ合わされる領域内に縁部及び隅が生じるのを回避するのは、しばしば不可能となっている。それにもかかわらず、一様な水膜を形成する、又は水による表面の一様な湿しを達成するためには、仕切り／通過要素１０の部分的な開口部が不可欠となる。図１１に、溢れかえらせることが困難な領域ａにおいては、仕切り／通過要素の開口部が、調温用表面４と向き合っているその端面に不可欠となる例が示される。この調温用表面の限定された狭い領域ａ内では、トポグラフィに著しい変化が見られる、即ち表面の高さが幾何学的に著しい変化を呈することにより、散水による冷却を利用して、この領域ａ内を溢れかえらせたり、又はこの領域ａ内の調温用表面上で流れをガイドしたりすることは極めて困難である。このため仕切り／通過要素の端面には、限定された小さな割れ目が作り込まれており、それにより領域ａの良好な溢れかえりをもたらしている。ここで水膜を用いて湿らすことがこの領域ａでも可能になる。これが不可欠であるのは、水を用いて部分領域４．ｉを調温するケースでは、この部分領域４．ｉの表面の全領域が水膜で溢れかえるようにする必要があるからであるが、これは、そうしない限り、水から高温の壁への制御された熱伝達が不可能となるからである。従って、適切な仕切り／通過要素１０が備えられる調温用表面４のレイアウトは、本方法にとり非常に重要なものとなる。これについては必ずしも、仕切り／通過要素１０の一つの領域に例えば貫通孔を備える必要はない。仕切り／通過要素１０を流れに有利なような形に仕上げることによっても、図１０においては右から二つ目の仕切り／通過要素１０に一例が示されるように、例えば調温用表面４と対向した端面の領域を円蓋状に膨出させることによっても、同じ目的に行き着くことができる。これは、水を用いて調温又は冷却を行うケースでは、熱伝達のメカニズムに対応して熱を伝達するための前提となる。

流れのガイドには、調温用表面のそれぞれの部分領域４．ｉを一様に湿らすという目的があるが、その際に生じるこの液膜は、再現性を持たせて熱伝達を展開するために、散水により途切れなく置き換えられるようにしなければならない。湿しが至る所で行われない場合、又は水膜を途切れなく新たに形成することができない場合は、その湿されていない領域内で水を利用してこの熱伝達を行うのは不可能となる。再現性を示す熱伝達は、不可能となりかねない、又は、流れが辿り着けない若しくは辿り着くのが困難な領域内では、熱伝達が不十分若しくは不可能となりかねない。

同じ一つの部分領域４．ｉ上で行われる調温方式を、様々な調温用媒体を用いることにより変更することも可能である。例えば最初はガス状の媒体を用いて、その後で液状の水を用いて、調温又は冷却を行うことができる。これが可能であるのは、その時々の調温用媒体を停止することができるからである。停止後には、調温用媒体とそれぞれの部分領域の調温表面との相互作用はもはや行われないことになる、というのも調温用媒体は、停止されることによって、もはやそこには存在していないからである。水は、停止の瞬間に、鉛直な調温用表面４又は部分領域４．ｉから流れ落ちる。別の媒体、例えばガス状の媒体を供給するための装置が据え付けられている場合は、続いてこれを同じ部分領域のために導入することができる。

例えば氷のような固形媒体、及び、例えば氷水のような固形媒体と液状媒体の混合物、又は、例えばドライアイスと空気のような固形媒体とガス状媒体の混合物も又、基本的に冷却に適しており、このために使用されるようになっている。しかしながら、それにより調温用表面４に化学的な変化、被覆又は分解を不意に来して、それにより安定した調温が妨げられることがないように、留意する必要がある。更に固形調温媒体の場合は、媒体が停止後にも調温用表面の上に尚も留まることが可能であり、それにより調温用表面との相互作用が尚も限られた時間にわたり生じ得るようにすることも可能となる。

他にも、「ヒートパイプ」としても知られる熱パイプ又は二相熱サイホンを、調温用表面４の部分領域４．ｉの調温のために導入することができる。これらは、それらに特徴的な方式で、調温用表面４の部分領域４．ｉとの熱相互作用に入ることができるように、装着されなければならない。上述の熱パイプを利用した冷却は、−その設計構造に起因した結合方式により−接触型調温であると見做されるが、相応に配置が行われる場合は、この接触型調温も、流体による冷却のような作動方式を有することになる。基本的には、例えばペルチェ素子又はその類等の電気装置も、調温用表面４又は部分領域４．ｉの接触型冷却に使用することができる。これらは、調温用表面４のそれぞれの領域と、固体同士の接触状態に置かれることになる。

成形金型周縁シェル１の調温用表面４を介しての外部加熱、即ち成形金型周縁シェル１の部分領域４．ｉの外部加熱は、外部加熱媒体１３を介して外部熱エネルギーを投入することにより行われる。加熱は、この外部加熱媒体１３の放射、流れ、又は接触を介して実現することができる。例えばバーナ、ブロア、ラジエータ、又は発熱体等の加熱媒体１３を、調温用表面４の上下及び内部に適切に配設することによって、成形金型１４の裏側空間３側から、成形金型周縁シェル１の調温用表面４の部分領域の外部加熱が行われる。例えば適切な出力を有するバーナが、調温用表面４の裏手に適切な間隔をおいて位置決めされるようになっている。発熱体は、調温用表面４の対応する部分領域４．ｉの調温用表面４の真下、真上、及び手前側に直接配置されてもよい。例えば射出成形で熱可塑材料を加工するケースにおいては、この材料に手を加えられるようにするために、部分領域４．ｉの外部加熱を行うと有利である。成形金型周縁シェル１の裏側空間３側からのこの外部加熱により、調温用表面４又は調温用表面４の部分領域４．ｉの平面状の一様な加熱が具現される。これに付け加わるのが、加工品の成形プロセス・サイクルとは関係なく、即ち成形金型を開いている時間中にも、又加工品を取り出している間にも、調温を行うことができるという、本方法の更にもう一つの長所である。又キャビティ２の充填の前、間、又は後にも、要求される目標の条件に見合った作用を及ぼすために、調温用表面４の様々な部分領域４．ｉ内で別々の調温レジームを進行させることも可能である。調温レジームとは、ここでは、時間に従属して様々な強度の熱エネルギーを調温用表面４に伝達することができる、即ち、外部加熱を行ったり、又は冷却を技術的に要求される強度で様々に行ったりすることができる、と解釈されるものである。成形金型周縁シェル１の熱処理ステップの順序は、技術的要求項目に応じて調整され得る。そのためには、熱伝達のために必要な装置が配設されなければならない。

本発明に従った冷却及び加熱の様々な調温レジームは、技術的要件に応じて例えば鋳物の特定の材料特性を設定するために、調温用表面４の部分領域４．ｉにおいて実行され得る。そのためには調温装置の制御の必要性に関する基準が、設計段階において既に明確に定義されていてもよい。それによりプロセスの段取り性が実質的に向上されることになるが、なぜならば、それにより例えばシミュレーションを行うことが事前の段階で可能になるからである。

調温レジーム、又は調温用表面４の部分領域の特定の温度への制御は、基本的にはプロセス・サイクルからプロセス・サイクルへと変更されてもかまわない。従って、部分領域４．ｉの異なる調温の可能性を利用して、成形金型周縁シェル１の所望される様々な熱的目標状態への、成形金型周縁シェル１全体の調温の最適化、又は、加工品から形彫り部を介して成形金型周縁シェル１の調温用表面４への、冷却強度若しくは熱の伝達に関する最適化を、制御しながら行うことが可能となる。様々な調温又は調温レジームを実現可能であることによって、低コストで、事前のシミュレーションを経て、成形金型１４を保護しながら最適鋳物に至る、プロセス時間が最小となる方途を、見出すことができる。

最終的には、新しい成形金型１４の実地における擦り合わせにおいて、更に引き続いて調温条件の適合化を図ることができ、その結果、鋳物の最適鋳造条件及び凝固条件が達成される。その例として、調温用表面４の一つの部分領域４．ｉ内の目標温度が変更されてもよい。液状の水を用いて冷却を行う人が、例えば部分的な液膜蒸発域にいる場合には、この部分領域の目標温度を変更することによって、強度又は熱伝達係数も変わることになる。部分領域４．ｉ内で目標温度を設定するために要する時間も、この強度、即ち伝達される単位時間当たりの熱により、変わってくる。従って、本発明に従った方法を用いて、まだ稼働中の鋳物現場においても、成形金型１４及び加工品又はブランクに可変方式で影響を及ぼすことができる。

これは極めて重要である。というのも、目下のところ鋳造型に使用される型鋼の場合は、プロセスに起因する調温表面４と冷水との常時接触が存在することによって、例えば被覆又はその類のような劣化に対する予防策が講じられていないのであれば、運転を進めていく過程で、表面の劣化現象を覚悟しなければならないからである。つまりこの表面の劣化については、部分領域４．ｉの表面の選択されている目標温度を変更することによって対処することができる。そこで求められるのは、例えば、変更後の表面の熱伝達（強度）に関する時間依存性を知っておいて、それに合わせて、この部分領域４．ｉ又は複数の部分領域４．ｉ内の調温用表面の温度制御を相応に調整することだけとなる。図１２には、これが象徴的に示されており、破線の曲線は、調温用表面４の部分領域４．ｉの初期表面を象徴している。これは、劣化により右に向かって移相する。これは、ライデンフロスト点及び熱伝達の領域が、より高い壁面温度に向かって移相することを意味している。部分領域の目標温度θ_壁状態１は同じままで、温度制御器が引き続き作動するとしたら、熱伝達係数αが異なっていることにより、単位時間当たりより大量の熱が壁から取り去られることになりかねない。これは、目標温度θ_壁状態１が同じでもより大きな熱伝達係数αが存在しているために、劣化した壁の方が急速に冷却されかねないことを意味している。温度制御メカニズムにも、冷却強度を増大して作動することが求められることになるだろう。本方法におけるように急速に進行する冷却プロセスでは、熱伝達係数αが著しい温度依存性を示すために、冷却強度の増大が、その倍増を意味することがある。これは、人が部分的な熱伝達域にいて、壁の表面の温度θに対する熱伝達係数αの強い依存性が存在する場合には、可能となりやすい。これは、温度制御器にとっては不安定さの源となることがある。このため、表面の目標温度θを、温度θ_壁状態１から温度θ_壁状態２へと低下させる方が有利である。これは、劣化後の表面のケースでは、作動が今では調温用表面４のより低い壁温度θ_ｏで行われるものの、その前の劣化していないケースにおけるのと同じ熱が取り去られることを意味している。それにより生産プロセスの安定性をそのまま維持することができる。その意味で、プロセスの安定域にいることになるだろうが、これは、気泡蒸発域で壁面温度θ_ｏが上昇する場合は、熱伝達の強度も壁面温度θ_ｏと共に増大するからである。気泡蒸発の熱伝達メカニズムにより、水の壁面に対する冷却強度の増大に伴う壁温度の上昇に対処している。

劣化に伴うこうした必然性については、鋳造金型の設計過程で既に、壁面材料の劣化を制御メカニズムの計算に含めることによって影響を与えることができる。例えば設計の前段階でそのような材料変化が突き止められて、それに付属する熱伝達係数の値αが決定されるようにしてもよい。生産プロセスにおいて、部分領域４．ｉの調温用表面４の表面材料の劣化が段階的に進行する場合は、温度制御器の制御の挙動についても、段階的に適合化が行われることになる。

例えば調温用表面４のそれぞれの部分領域４．ｉにおいて、前もって設定されたその目標温度で、略定常な強度で散水又は冷却が行われるようにしてもよい。例えば、加工品の特定の材料特性が要求されるために、成形金型周縁シェル１の一つの特定の部分領域４．ｉを略定常な熱伝達係数α_ｉで冷却する、という調温タスクが与えられているとする。この熱伝達係数α_ｉは、壁材料の表面温度に依存するために、調温用表面４の対応する部分領域４．ｉを、ある一つの特定の目標温度で、又はこの目標温度の一つの狭い温度域内で冷却することができる。これは、調温用表面４のこの部分領域４．ｉの散水ノズル６への給水を、一つのバルブ１１を介して、例えば図４に例示的に示されるような一つのソレノイド１１を介して、狙い通りに制御することによって、行うことができる。

そのためには、例えば温度センサ１２のようなセンサ１２を利用して、調温用表面４のこの部分領域４．ｉの一つ又は複数の適切な測定地点における温度が検出されるようにしてもよい。図４には、一つの温度センサ１２だけが例示的に描き込まれている。制御又は閉ループ制御システムに関して導出されなければならない挙動については、例えば複数の温度測定地点を手掛かりに、それ以外の一つの量を連続的に計算することによって、導出することができる。この量の計算された特性から出発して、温度制御器又は閉ループ制御システムの制御挙動を安定したものに構成することができる。これらのセンサ１２は、調温用表面４の部分領域４．ｉの温度θ又は温度分布を表している、良好な代表的な値を測定するために、適切な方法により表面又はその下に取り付けられてもよい。一つの温度制御器７を介して、一つ又は複数のセンサ１２の信号の強さと、その、又はそれらの、測定地点の温度θの一つ又は複数の温度目標値Ｔ_Ｓのからの偏差とに応じて、バルブ１１の開弁時間Δｔ_ｉ又はバルブ１１の開度が導出されて制御されるようになっている。図５には、例示的に、例えば開弁位置を一つだけしか有していない一つのソレノイド１１を用いて、このバルブ１１を一時的に開閉することによる、水の体積流量Ｖの不連続制御が図式的に提示されている。時点ｔ_０及びｔ_Ｅｎｄは、プロセス・サイクル中の温度制御の開始と終了をマークしたものである。冷却の所望される強度に応じて、成形金型周縁シェル１の調温用表面４のこの部分領域４．ｉの一つの特定の目標表面温度への調整が行われる。

部分的な液膜蒸発の熱伝達及びその他の熱伝達等、熱伝達の対応する領域における熱伝達のプロセスは、壁面の表面温度θ_ｏの急速な低下に結び付いたものとなっている。その後に続く成形金型周縁シェル１の内部での熱伝導は、金型材料に依存する。現在鋳造型に利用される型鋼の場合は、金型材料の熱伝導が、大抵の場合は、散水による表面温度θ_ｏの極めて急速な低下よりも僅かなものとなっている。このため、水から高温の壁への熱伝導のプロセスと、更に壁の内部における熱伝導のプロセスについても、検討を加えて相互チューニングを図る必要がある。

従って、タイムラグが小さい、又は素早い検出時間を有する温度センサ１２が必要となる。これは重要である、というのも熱の伝達方式は、壁の表面温度θ_ｏに応じて、熱伝達のメカニズムに基づき変わるからである。測定部材やアクチュエータから成る閉ループ制御システム全体の制御挙動に、熱伝達の領域に対応した応答性が要求され、又これらは、それに見合ったプログラミングが可能なものでなければならない。一つ一つの部分領域４．ｉ内の、液状の水から高温の調温用表面４への熱伝達の利点を活かせるようにするためには、安定した制御挙動が保証されていなければならない。これは、部分領域４．ｉの要求される目標温度に調整するためには、それらの熱の伝達の強度を異にしている一つ一つの熱伝達域における温度の制御を、一つ又は複数の制御器により安定的に展開できるようにする必要があることを意味している。

閉ループ制御システムの適切なコンポーネントを選択するために、熱シミュレーションの結果を援用することができる。これらは、水又はそれぞれ使用される調温用流体の所与の流れ条件における熱伝達の進行中のプロセスの速度と、そこから生じる閉ループ制御システムに対する要求項目を解き明かす情報を与えてくれる。

更に、ブランク又は加工品側からの型彫り部を介した壁の加熱の逆方向へのプロセスについても、考慮しなければならない。投入される溶湯に対して金型の表面に直接配置されるセンサ１２によっては、このプロセスを測定するのはまず不可能である。それに加え、溶湯は凝固を来すが、それにより型彫り部側からのブランクから金型への熱伝達にも変化を来す。加工品の板厚が僅かであるために、凝固のプロセスも速くなる。ここでもブランクの熱伝達係数αは、凝集状態とその温度θに依存する。それに加えてダイカストの場合は、鋼表面の溶湯の熱伝達係数αが圧力に依存する。この凝固プロセスは、シミュレーションによらなければ把握できないことが多いが、熱伝達係数αは、シミュレーション中に妥当な範囲内で変更することができる。それにより獲得したデータを、調温用表面４のための閉ループ制御システムを選択するために評価又は利用することができる。

更に、調温用表面４の劣化に関する、又は様々な部分領域４．ｉ内の調温用表面４の意図された変化に関する制御シナリオは、閉ループ制御システムの制御挙動のために記憶されなければならない。ライデンフロスト点と熱伝達の領域の移相に関連している、全ての意図的な変数変更についても、閉ループ制御システムに関するシナリオとして使用に供されるようにすると共に、閉ループ制御システムがこれらを使いこなせるようにしなければならない。これにアクセスできるようにしておくことが必要である。

更に、制御の安定性に影響を与える、作用する未知の外乱についても、制御により対処できるようにしておく必要がある。これらの外乱は、例えば稼働中の鋳造工場で行われる、例えば長さが異なる鋳造休止時間、冷却の異なる水温、冷却水の品質、鋳造所内の温度の影響、鋳造サイクルに先立つ型彫り部への離型剤の異なる塗布方式、溶湯の変化する温度、鋳造残渣を除去するための型彫り部のブローオフ、鋳造所の雰囲気の汚染の結果としての調温用表面４の被覆、散水ノズル６の圧力の意図せざる変化等の、予期し得ぬ影響要因である。一部は、ライデンフロスト温度θ_Ｌｅに影響を与える外乱であり、一部は、それ以外の方法で閉ループ制御システムに作用する量である。このため、調温用表面４又は部分領域４．ｉの温度制御の安定性と、予め設定された、変化する目標温度θへの制御は、鋳造プロセスにおける最適な熱伝達にとり重要である。

水以外の調温用媒体を利用したとしても、これらも又それらの効力に外乱による影響を受けることがある。この場合も閉ループ制御システムは、これらの外乱に対抗して安定性を示さなければならない。

その後で、閉ループ制御システムの適切なコンポーネントを組み合わせて、外乱の既知の影響及び偶発的な影響のシミュレーションを通じて、調温用表面４又はその部分領域４．ｉ側の閉ループ制御システム全体の制御挙動を算定して最適化することができる。

閉ループ制御システムのオリエンテーションは、一つの重要な問題である。これは、制御が安定した領域から外れてしまった場合の、調温用表面４の部分領域４．ｉが実際に位置している調温用表面４への水の熱伝達域の問題を意味する。そのような事態が起こり得るのは、閉ループ制御システムによる外部の影響に対する応答が緩慢過ぎたり、又はそれに対抗する制御が緩慢過ぎたりするような場合である。これは、表面の劣化状態に基づいて、又は調温用表面４に及んだ環境の影響により、発生することがある。熱伝達域の移相が行われることになる。これは、調温の安定域へ、水から高温の表面への望まれない熱伝達域から望まれる熱伝達域へ、戻るための制御対策に関するものである。即ち目標温度θに戻るためには、どのように最適制御を行う必要があるのかに関する。これが望まれる熱伝達域に戻れることを許容する、オリエンテーション・ルーチン、又は閉ループ制御システムのオリエンテーションのための量を、携えていることが求められる。閉ループ制御システムのオリエンテーションのために、絶えず検定を行わなければならない。

更に、測定量の実際の変化に対する測定値の時間遅れを計算に入れて、これを閉ループ制御システムのためのルーチンに取り入れてもよい。調温用表面４上の調温事象については、測定量の急速な変化を、タイムラグが小さいセンサ１２を用いて測定して評価することが肝要である。同様に表面の測定点の真下でも、即ち成形金型周縁シェル１の内部においても、測定値を途切れなく作成しなければならない。そこから、閉ループ制御システムにおいて、常に適切な制御ルーチンを導き出すことができる。

一つのセンサ１２を用いて温度を測定してみると、調温用表面４で直接測った温度の変化の方が、成形金型周縁シェル１の内部の温度変化よりも急速となるが、これは、成形金型周縁シェル１の材料の熱伝導又は物理的な材料値から明らかである。それに加えて、成形金型周縁シェル１の内部において、温度変化には時間的なずれが見られる。これらの温度特性から、温度に依存した熱流密度を計算することができる。図１３に、表面に散水するケースを例にとり、熱伝達の領域に対応した閉ループ制御システムのオリエンテーションを決定するための、可能性のあるオリエンテーションを示す。そこには、表面及びその下のところの少なくとも二つの温度測定点θ_Ｏの温度特性から計算された、単位Ｗａｔｔ／ｍ^２で表される熱流密度ｑが、基本的な依存関係にある表面温度θ_Ｏとの関係で示される。温度θ_１のところにいる場合は曲線の増加がマイナスとなっている。その際にこの増加は、表面の所与の地点における温度θに基づく熱流密度ｑの変化であると解釈することができる。ライデンフロスト温度θ_Ｌｅの左側では、熱電流密度ｑの増大に伴い温度θが低下している。温度θ_２においても基本的には低下が見られるが、しかしその増分は別物となっている。基本的にこの増加の正負記号は、完全燃焼点まで変化することはない。完全燃焼点の左側にいる場合は、即ち気泡蒸発域内では、表面温度θ_Ｏに依存した増加がプラスに転じているが、その量は同様にそれぞれ異なり、温度θ_３及びθ_４における比率を参照されたい。この曲線には、座標点θ_４，ｑ_４における増加が象徴的に描き込まれている。従って表面及びその真下の温度θを連続的に決定することにより、熱伝達域内におけるオリエンテーションを、例えばこのｑ−θ曲線における増加を用いて実行することができる。個々の熱伝達域を対象としたルーチンは、それぞれ異なるものとなる。例えばライデンフロスト点の右側の安定した液膜蒸発域にいる場合は、温度に基づく熱流密度の増加が格段と小さくなり、ついには定常となる。従って個々の熱伝達域を対照とした制御挙動は、それぞれ異なるものとなり、相応の適合化が必要となる。外乱が発生した場合にも、制御の安定した作動状態を常に繰り返して達成できるようにしなければならない。このため、閉ループ制御システムの絶え間ないオリエンテーションを利用して、目標値の制御が安定域内に留まるようにするための、又はそこに戻るための、対策が講じられるようになっている。

更に、適合化の対象となる制御挙動は、使用される表面又はその材料及びその劣化により左右される。閉ループ制御システム及び加工品から熱を取り去るための安定した制御にとって、このことは重要である。例えば調温用表面４の劣化に伴い熱伝達域が移相する場合は、温度特性は表面の上と下とで異なるものとなる。

基本的には熱伝達域におけるオリエンテーションを、温度センサ１２として他のセンサ１２を用いて行うこともできる。個々の領域に帰属させることができるセンサ系を選定する必要がある。それぞれの領域における測定値の変化は同様に、評価のために十分な大きさとするのが望ましい。

それに加えて、導出されることになる制御挙動の妥当性と制御の安定性を保証するために、プロセスに随伴する熱又はその類のシミュレーションも実行するのが望ましい。

加工品の所与の状態には、成形金型周縁シェル１の冷却の時間と強度により、影響が与えられるようになっている。例えば厚肉の加工品壁面等のように加工品の材料が寄り集まっているところについては、例えば非常に高い強度で冷却することができる。例えばこれに属するのは、一般的に厚肉の板厚を備える排水口の領域である。薄肉の加工品領域のところでは、それよりも低い強度で調温用表面４は冷却される。部分領域を、又追加的に外部から低い強度で若干加熱することが、技術的に必要となる場合がある。このため、外部ヒータの定常の経時特性を示す熱加熱率Δｔ／Δｔにより、特定の継続時間にわたり、調温用表面４の一つの部分領域４．ｉを調温する（図６）ことを調温の課題の一つとしてもよい。即ちこの部分領域４．ｉは、この継続時間Δｔ_ｉ内に加熱されなければならない。時点ｔ_０及びｔ_Ｅｎｄは、この加熱プロセスの開始と終了をマークしたものである。それにより調温用表面４の部分領域４．ｉの温度θは絶え間なく変化し、又型彫り部の温度θもそれに対応して変化する。この調温レジームの結果は、鋳物を取り出した後に、赤外線カメラを利用して、型彫り部５の表面で、観察して評価できることが有利である。しかし他にも、成形金型１４が閉じている間の連続した評価を許容する他のセンサ１２を、成形金型１４に作り込むようにしてもよい（不図示）。測定結果に応じて、特定の部分領域４．ｉにおける調温レジームは、変更又は最適化されるようになっている。図７（下）には、分かりやすく説明するために、調温用表面４の二つの部分領域の二つの目標温度が提示される。調温用表面４のこれらの部分領域４．ｉにおいて、これらの壁面温度θ_１及びθ_２への制御を行う際には、例えばα_１及びα_２に対応した相応の加熱強度又は冷却強度が、調温用表面４のこれらの部分領域４．ｉに伝達されることになる。調温用表面４のそれぞれの部分領域４．ｉにおいて起きる熱伝達は、異なるものであってもかまわない。従って図３に示される調温用表面４のそれぞれの部分領域４．ｉに対して、別の熱伝達係数αを割り当てることが可能となる。

例えば特定の部分領域４．ｉにおいては、特定の冷却温度基準を充足することが求められる。例えば、調温用表面４の特定の部分領域４．ｉにおいては加工品の内部に特定の平均デンドライトアーム間隔等の材料特性を設定して、加工品の特段の剛性を達成するために、これらの部分領域４．ｉを他よりも強力に冷却することが不可欠となる場合がある。更に必要な場合には、局所的に高い冷却強度を設定したり、又は大きな熱伝達係数αで冷却したりすることによって、そこでは、加工品の壁面付近の領域に由来して生じる空隙を抑え込んで、その後に続く溶接又は表面仕上げ等の加工品の処理を可能にすることが求められる。

鋳造時には例えば加工品のウェルドマーク又は条痕形成を計算に入れておかなければならない、成形金型周縁シェル１のセンシブルな領域については、外部加熱が必要となるかもしれない。そのためには例えば欠陥の様相をなくすために、成形金型壁面を、幾つかの地点において、ほんの僅かだけ加熱する、又は余り冷却しないようにすることが必要である。本発明に従った方法により、そのような変更に影響を与えることができる。同様に、特定の部分領域４．ｉにおいて、様々な調温方式を用いる調温レジームを適用することも可能である。例えば最初により良好な鋳型充填のためにほんの僅かだけ加熱した後、続いてより良好な凝固のために冷却する。そのために、調温用表面４の対応する部分領域４．ｉに対して、外部発熱体も、又ヒートシンクも備えられるようになっている。それにより限定された時間にわたり、調温用表面４の一つの部分領域４．ｉにおいて外部加熱処理が行われた後、この部分領域４．ｉにおいては、続いて冷媒である水を用いて冷却処理が行われるようにしている。部分領域４．ｉに隣接した更にもう一つの部分領域４．ｉ＋ｎにおいては、例えば冷たい圧縮空気を用いて冷却が行われる。それにより、最初はそれぞれ異なっていた領域温度θが、均一の冷却最終温度θに達することが達成される。この冷却方法は、調温用表面４の隣接している部分領域４．ｉにおいて、相互に影響を及ぼし合うことなく、同時に適用することができる。従って調温用表面４上で、様々な調温レジームを適用することができる

例えば型彫り部５の表面に、一つの温度依存性又は温度勾配がもたらされるようにするためには、特定の金型領域については、熱処理を別途、裏側空間３側から外部熱エネルギーを追加することによって行い、逆に調温用表面４の他の部分領域４．ｉについては冷却を行うようにすると有利であるかもしれない。例えば膨張した構造鋳物は、急速な凝固と鋳型の充填不良を覚悟しなければならない壁面が薄肉の領域を有していることが多い。外部熱エネルギーの追加投入は、鋳型充填プロセスにとり有益となり得る、又は事情によってはそれにより初めて完全な鋳型充填が可能となる。鋳型充填後は、鋳物に引け巣を殆ど来さないようにするために、溶湯は方向性を示しながら凝固しなければならない。

型彫り部５の表面に立ち上がる、多くは不利な温度分布の結果として生じる水平熱機械応力には、適切な温度分布を設定することによって対処する。例えば引張応力は、型彫り部５に設けられる、幾何学的に不利なところに位置している、加工品側ではしかし要求される切欠きにより発生する。そこではこれらの切欠きが、多くの場合は「ホットスポット」とも呼ばれる昇温の中心となっている。これらの切欠きの冷却には周囲の領域より時間がかかる。この不規則な冷却により引張応力が発生するが、多くの場合これらは、切欠きの底部の亀裂を介して分解されるようになっている。本発明に従った局所的な調温により、これらの領域内の温度挙動を効果的に制御することができる。例えば切欠きの周囲広範に位置する領域については、切欠きの内部の潜在的な亀裂領域よりも冷却が抑えられてもよい。それにより、成形金型１４の寿命の延長に直接的な形で影響が与えられることになる。

ダイカスト用金型の型彫り部５の表面の更にもう一つの欠陥の様相が、網目状の熱クラックの発生である。鋳物を取り出した後に高温の型彫り部５に離型剤と水の混合物を噴霧するという古典的な慣行の結果として、成形金型１４の劣化が進むにつれて、このような網目状の熱クラックが生じる。その後に続く高温溶湯の鋳込みは、型彫り部５の衝撃的な加熱を引き起こす。このため鋳造サイクルを繰り返す過程で、型彫り部５の表面には、入れ替わる熱衝撃負荷に基づいて、強い引張・圧縮応力を立て続けに交互に来すことになる。本発明に従った方法により、冷却は成形金型の裏側空間３からその場所の調温用表面４を介して穏やかな方法で行われる。離型剤と水の混合物は、型彫り部５の表面に塗布されずに、むしろ濃縮離型剤だけが尚もエアロゾル・スプレの少量投与、粉末又はその類の形態で塗布されるようになっている。本発明に従った方法により、型彫り部５の衝撃的な冷却という古典的なプロセス・ステップを節減して、この欠陥の様相に対処することができる。このため本発明に従った方法により、成形金型の寿命は延長されることになる。

本発明に従った方法による調温と並び、酸化物の生成増大を予想する必要がある場合は、鋳込みの前に、鋳型の排気又は事前の酸素除去によって、鋳型充填を追加的に促進することができる。溶湯の部分的な酸化により、酸化物が出現する領域内では粘性率が変化することが知られている。

成形金型１４の調温レジームは、本発明に従った方法に則して、成形金型１４の鋳込み時間及び型を開いている時間とも、加工品の取出しとも関係なく進行する。いつでも調温の強度及び継続時間に関して、プロセスの技術的要件に最適に影響を及ぼすことができる。このため調温用表面４の領域全てを、その最適調温レジーム又は目標温度θに制御することができる。有益であるのであれば、調温レジームは変更されてもかまわない。従って、特定の領域を散水冷却により冷却するケースでは、最適量の水を用いた散水が可能となる。というのも、それよりも強い冷却だと、所望のままに鋳型充填及び鋳物の特性を具体化するための成形金型の調温をわざわざ妨げることになりかねないからである。それにより、水量を最適に保持することができる。可能である場合は、それぞれの部分領域４．ｉの熱伝達係数α_１が高いときには散水が行われるようにしてもよいが、この時には調温用表面４のそれぞれの部分領域４．ｉの表面温度θ_ｏの制御が、対応する目標温度θに向かって行われることになる。これらの理由から、更に、古典的な冷却と比べてコストも時間も大幅に節減されることになる。しかし他方では、例えば加工品のセンシブルな領域については、より低い熱伝達係数α_１又は低い伝達可能な熱量に相当する、穏やかな熱伝達も又、調温用表面４を対応する温度θに制御することによって選択することもできる。この場合は例えば冷たい圧縮空気により調温が穏やかに行われてもよい。本発明に従った方法により、調温レジームを技術的な目標設定に最適適合させることができる。ターゲット・パラメータは、例えばプロセスの最小サイクルタイム、加工品の機械特性、及び成形金型１４の保護である。

本発明に従った調温方式は、流路で行われるものではなく、それよりもむしろ、成形金型１４の裏側空間３の開放状態で平面状の調温が行われるようになっている。それにより初めて、慣例の突然の昇温、又は成形プロセスにより成形金型周縁シェル１の内部に入り込む熱流に、調温用表面の部分領域４．ｉの安定した温度制御によって、応答することができる。古典的な水を用いた開放型の流路式冷却のケースでは、成形プロセスにおいて突然激しく増大する金型空洞部の熱流が、流路壁面の温度θを激しく上昇させることがある。流路壁面の温度θに応じて、冷却剤である水への熱伝達の対応するメカニズムが設定される。最適冷却剤を導入するという、最適化のポテンシャルは僅かだけしかない、なぜならばこれは、流れるか又は止まっているかであるからである。現在使用中の調温用媒体を突然取り除いたり、又は他の物で置き換えたりするのは一般的に不可能である。このため、突然の熱流に温度制御が速やかに応答することは不可能である。古典的な水を用いた閉じた流路式冷却のケースでは、突然の入熱量の増大により、加圧と重なり合った昇温を来し、冷却の系統圧が局所的に著しく上昇することになりかねない。これは、冷却系統内が臨界圧力に達すると、安全弁が開くことを意味している。ここでも、冷却の安定した制御を行う可能性は排除されている。本発明に従った方法は、その方式によれば加圧解放型の冷却となるために、冷却水システムの内部の昇圧はなく、周囲条件に対する圧力補償が常に行われるようになっている。

この開放型冷却は、本方法にとり基礎となるものであり、そうでなければ、制御しながら本方法を進行することは不可能となる。閉じたシステムである場合は、加圧が行われて、ライデンフロスト点がずれることになりかねない。それに伴い熱伝達の領域も変化することになりかねない。ライデンフロスト点は、ちょうどシステム内に存在している圧力に依存する。閉じたシステムの内部では、高温の加工品からの突然の強い熱流により、圧力は急速に変化することになりかねない。温度が水と重なり合うことによって、昇圧が生じることになりかねず、その結果、劣悪な制御から制御不能な事態に陥ることになる。

本方法においては、シェル状成形金型の裏側空間３内の圧力が、最高で周囲圧力をとることができるようになっている。部分領域４．ｉ内の目標温度又は温度分布への、それぞれの部分領域４．ｉの適切な温度制御により、調温用表面４が本発明に従って散水又は冷却される限り、調温用表面４の急速な冷却が行われることになる。選択された調温レジームにより、早い時点に、又は適切な方法で、熱流の増大への応答が行われるようにしてもよい。

成形金型１４を製造するためには、例えば先行する製造プロセスにおいて、二次成形の変形加工及び熱処理その他により作製された半製品の加工が行われてもよい。ダイカスト金型の造型に使用される古典的な型鋼は、本発明に従った方法の場合にも適用可能である。成形金型周縁シェル１の調温用表面４を裏側空間３側から製造するための加工作業は、型彫り部５の加工に必要な作業に類似したものとなる。従って造型用の古典的加工ツールを、本発明に従った方法の調温用表面４の加工にも使用することができる。

しかし本発明に従った成形金型周縁シェル１を有する成形金型１４は、他にも一次成形の鋳造プロセス（Ｕｒｆｏｒｍ−Ｇｉｅｓｓｐｒｏｚｅｓｓ）で製造することもできる。事情によってはその後に熱処理が続く一次成形プロセスによる製造が、それにより達成可能な成形金型材料の硬さ、引張強度及び粒径のような機械特性が意図されている成形プロセスにとり十分なものである限り、可能であってもよい。金型全体を製造するために創成的な方法又は３Ｄオブジェの製造方法を大規模で導入できるようにするのであれば、金型全体をこの方法により製造することが考えられる。

最適な調温用表面４への調整を行うためには、技術的な要求項目と適用される調温用媒体の種類によっては、調温用表面４のコンディショニングが不可欠となる。このコンディショニングは、成形金型１４の使用目的、生産される加工品の材料特性又はその類により、必要とされる場合がある。例えば散水冷却を利用して冷却を行う場合は、成形金型１４の調温用表面４のライデンフロスト点に注意しなければならない。これは、調温用表面４の化学組成より左右される。本発明によれば、成形金型１４の調温用表面４を被覆する可能性により、ライデンフロスト点に影響を与えることができる。ライデンフロスト点と共に、それ以外の熱伝達域も変化する。これは、化学的な被覆、例えば化学銅めっき、又は物理的な被覆により、例えば蒸気の結露により、行うことができる。その場合は被覆が、調温用表面４上に直接施されることになる。しかしこの被覆は、調温用表面４に作り込まれるようにしてもよい。調温用表面４にどの被覆が選択されたかに応じて、ライデンフロスト点は狙い通りにずらされて、それに伴い熱伝達域も、より高い又はより低い温度に向かってずらされることになる。これは、例えば成形金型周縁シェル１の高い温度レベルで、これに高い冷却出力を伝達すべきである場合に有利となる。これは他にも、その時々の成形サイクルの後に、成形金型周縁シェル１の冷却温度が著しく低下してはならないとする場合には、成形金型１４の寿命を延長するために、有利であるかもしれない。

更に、純粋な液状のクーラントである水のライデンフロスト点が、成形金型周縁シェル１の所与の調温用表面４のためのクーラントへの可溶性添加剤により、変わる場合がある。表面被覆のケースと同様、ライデンフロスト点を、別の温度θへと狙い通りにずらすことができる。それにより、水と表面との相互作用が変化して、ライデンフロスト点と熱伝達域はずれることになる。調温用表面４の異なる部分領域４．ｉにおいては、様々な化学添加剤を含有した水を用いて冷却が行われるようにしてもよい。このため例えば水溶性ポリマが水と混ぜ合わされるようになっている。水を水溶性ポリマと一緒に導入することにより、水と調温用表面４との適合化が可能な接触、及びそれに伴い放熱の変化又は熱伝達域の移相が可能になるという長所がもたらされる。

調温用表面の散水のためには、脱塩水が導入されることが好ましい。通常の水道水には必ず無機物が溶解した形態で含有されるが、冷却時に水は最高で１００℃まで加熱されるために、調温用表面４上で冷却水が加熱される際には、これらが析出してしまう場合がある。これらの無機物が析出した場合は、その結果として、調温用表面４上に熱伝達及びライデンフロスト温度θ_Ｌｅに影響を与える一つの層が形成されることになる。これは熱伝達域に潜行性の変化をもたらす。とはいえ、水道水を導入することも可能である。その場合は、無機物を結合する添加剤が必要となる。それに加えて、いずれのバリエーションにおいても、調温用表面４の腐食を防ぐとされる添加剤を使用することができる。

本発明により、既に使用中の、本発明に従った冷却システムとは別の種類の冷却システムを有している成形金型１４に、本発明に従った方法又はその一部を備えることができる。これが可能となるのは、古典的な成形金型１４の裏側空間３の改造が、それを許容するものである場合に限られる。例えば加工品の、例えば条痕形成及びウェルドマークを防止すべきである場合には、古典的方法で冷却される成形金型１４の部位に、本発明に従った方法が備えられるようにしてもよい。

１ 成形金型周縁シェル
２ キャビティ
３ 裏側空間、調温空間
４ 調温用表面
４．ｉ 部分領域、部分領域の表面
４．１ 部分領域、部分領域の表面
４．２ 部分領域、部分領域の表面
４．３ 部分領域、部分領域の表面
５ 輪郭形状、型彫り部
６ 散水ノズル
７ 温度制御器
８ 成形金型の中実領域
９ 塞ぎ板
１０ 仕切り／通過要素
１１ バルブ、ソレノイド
１２ センサ、温度センサ
１３ 外部熱媒体
１４ 成形金型
１５ 貫通孔
１６ 溶接シーム
ｔ_ｉ 時点
α 熱伝達係数
α_ｉ 熱伝達係数
θ 温度
θ_ｉ 温度
ａ 領域、貫通孔
Ａ 座標点θ_４，ｑ_４における増加
Ｋ 壁面温度の低下に伴い壁に接したところで水が対流する領域の開始
Ｖ 体積流量

Claims (11)

1. 成形金型周縁シェル（１）を有するシェル状成形金型（１４）をコンフォーマル方式で平面的に調温するための方法であって、前記成形金型（１４）の調温が、前記成形金型（１４）の前記成形金型周縁シェル（１）のそれぞれの裏側空間（３）及び／又は前記成形金型（１４）のそれぞれの前記成形金型周縁シェル（１）側から、互いに境を接する、ウェブ状又は壁状に仕切られた部分領域（４．ｉ）を有する一つのコンフォーマルな調温用表面（４）の上で行われ、それぞれの前記成形金型周縁シェル（１）を有する前記シェル状成形金型（１４）が、二部材又は多部材で構成されている、前記方法において、
   液状のクーラントである水の、対流、気泡蒸発、部分的及び／又は安定した液膜蒸発の温度域に応じて、前記調温用表面（４）の部分領域（４．ｉ）内で、前記調温用表面（４）上の温度の制御の形態をとる冷却として、前記調温が局所的に異なる形で行われ、前記調温用表面（４）の前記調温及び／又は前記調温用表面（４）の個々の前記部分領域（４．ｉ）内の温度分布を、前記調温用表面（４）の前記部分領域（４．ｉ）の異なる調温レジームを利用して制御し、前記調温を、周囲の雰囲気に対して開口している裏側空間（３）内で行うこと
   を特徴とする、方法。
2. 調温媒体として水を利用した調温では、前記水が、平面状に散水されることによって、前記調温用表面（４）の上及び／又は前記調温用表面（４）の前記部分領域（４．ｉ）の上で広がることにより、前記部分領域を平面的に湿して、液状の膜を形成することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. クーラントである水に可溶性成分を混ぜ合わせることによって、前記対流、前記気泡蒸発、前記部分的な及び／又は安定した液膜蒸発の温度域の移相を行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記調温用表面（４）の化学的又は物理的な被覆により、前記対流、前記気泡蒸発、並びに／又は、前記部分的な及び／若しくは安定した液膜蒸発の温度域の移相を行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. 成形金型周縁シェル（１）を有するシェル状成形金型（１４）をコンフォーマル方式で平面的に調温するための方法を実行するための装置であって、前記成形金型周縁シェル（１）が、それぞれの型彫り部（５）又は輪郭形状（５）とは反対側に位置する前記裏側空間（３）の表面に、部分領域（４．ｉ）を有する一つの調温用表面（４）を有しており、又前記それぞれの成形金型周縁シェル（１）を有する前記シェル状成形金型（１４）が、二部材又は多部材で構成されている、前記装置において、
   前記調温用表面（４）の前記部分領域（４．ｉ）が、不規則な多角形の外形を有すると共に、壁状の仕切り／通過要素（１０）を利用して限定されており、前記部分領域が、前記壁状の仕切り／通過要素（１０）と共に多面体状の空間を形成すること
   を特徴とする、装置。
6. 前記仕切り／通過要素（１０）が、貫通孔（１５，ａ）を有することを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記仕切り／通過要素（１０）が、前記調温用表面（４）に接続されており、及び／又は前記成形金型周縁シェル（１）から作り出されていることを特徴とする、請求項５又は６に記載の装置。
8. 前記仕切り／通過要素（１０）が、それぞれ異なる高さを有することを特徴とする、請求項５〜７のいずれか一つに記載の装置。
9. 前記仕切り／通過要素（１０）が、平坦、コルゲート状及び／又は弓形であることを特徴とする、請求項５〜８のいずれか一つに記載の装置。
10. 前記仕切り／通過要素（１０）が、不連続な断面輪郭形状を有することを特徴とする、請求項５〜９のいずれか一つに記載の装置。
11. 前記それぞれの調温用表面（４）及び／又は前記部分領域（４．ｉ）が、化学的及び／若しくは物理的な被覆により、並びに／又は機械的な表面構造化により、コンディショニングが施されていることを特徴とする、請求項５〜１０のいずれか一つに記載の装置。

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