金型の水冷却

Question

鋳造金型を水冷却するのですが、金型は500℃あります。
水の自動開閉バルブが閉じているときは、ポンプ圧力により、バルブ一次側は0.5MPaとなっています。
バルブを開けると、水は金型を通過してタンクへ戻るだけなので大気圧下への放出となります。
水量は20l/min,ホース内径は13mmといった条件です（バルブから金型の距離は2m、金型から排水タンクまでは5m）。
　以上が通常の方法です。 
　ここで金型通過後の配管に手動バルブを取り付け、それを絞ることにより金型内を通過する際の水圧を上げたいと考えています。
これにより沸騰温度を上げることを目的としており、これにより金型冷却効果を上がらないかの確認をしたいと考えています。
しかし、以前実験をした際、一次側の圧力を0.02MPa程度に抑え、排水側の手動バルブを絞って冷却をかけていたところ、自動開閉バルブが破損しました。
これはウォーターハンマーといったことが原因でしょうか？
流速が遅く、圧力も低いと自動開閉バルブ付近でも沸騰が発生したのでしょうか？
通常方法では、そのような事象は起こらなかったのですが、仮に金型通過後のバルブを絞り、一次側のゲージ圧を0.2MPaくらいにした場合、
　何かしら爆発が起きたりしないか心配していますが如何でしょうか？
　ご教授、ご助言宜しくお願いいたします。

Accepted Answer

>>金型接触面は膜沸騰を起こしても、水量の大半は熱をもって排出されるから爆発はないと思うのですが如何でしょうか？

ヘリのターボエンジンの冷却を見る限り
>>https://www.youtube.com/watch?v=CR0voZGgMis
むりです

水蒸気の幕ができた時点で断熱効果が発生してしまう
＋
水を500度まで沸騰させない

は　成り立たないでしょう

まあ、品証だったので正義にうにゃうにゃいうのは無理だったので
私が言った案は
９０％不良出すなら生産するだけ無駄なので

タクト秒を下げて生産
詰め折持って製品の方の設計自体を変えてしまう

生技の見解は製品にシボを付ける(離型剤で冷やす)

でしたが　最終的にリコールされいなって　私は飛んできました
製品評価を砂型のやつでやってて(ガス抜け良すぎ)
最終段階でDCに変えたら　強度が持たない　という　恐ろしい結果に

結論
金型はセンサーを付けて
考えられるだけ冷え冷えの状態に
(回路潰すのはバルブ絞めるだけだが　作るのは難しい)
FMEAはやりましょう
(別の案件でチームを作ると罵り合いでなるので　一人でやったほうがいい)

Answer

その後考えた方法
実践はしてない

金型は熱くなってるはずなので
2次回路を設けそこで400度くらいの蒸気を作りそれで冷やす
(そもそも常温迄冷やす必要はない　＝　水で冷やす必要はない)

水温自体を冷やす
http://www.nihonseiki.com/product_contents/cooler.html
で水をエアーれしょんかけ水温を下げ　それで水冷
温度差あれば冷えるだろう　作戦

金型表面から
http://www.nihonseiki.com/product_contents/cooler.html
で冷やす
http://www.nihonseiki.com/product_contents/cooler.html

Answer

皆これがすっぽり抜けてる
【実験】1000℃の鉄球を－196℃の液体窒素に入れたら予想外すぎた!!
https://www.youtube.com/watch?v=2Z6VKUtu_DE
鉄球が金型側で液体窒素が水側

500度付近まで温められた水管の中で　壁面に触れた水は水蒸気に代わり水蒸気が断熱材の効果をだし冷えません

実は空気でも流した方が冷えます

そのため冷やすのではなく　焼けないように　温度を上げないほうに進めないと無駄です

とDCの品保の頃言っていたが誰も理解されなかった
当時ヨウツベなんてなかったしね

センサー入れてひえるまで生産できないようにしないと
不良率90％とか行きます
某大手ブランド系列だったがつぶれ　社名を変えて営業中

Answer

金型に入る前に比べ、出口側で勢いよく噴出しているなら、金型内部で沸騰し、ボイラー状態となって気液混合で排出してるのかもしれませんね。

そうなると、加圧沸点上昇を仕掛けてみる価値はありそうです。

しかし、単純な絞りだと、供給圧力変動などで流量変化が起きると、圧慮k損失はその2乗の比率で変化してしまいます。
また、入り口側の自動動弁が閉まると、内部で蒸気がどんどん発生し、出口弁ので渋滞する感じで金型内圧力が大きく上昇する危険があります。

そこで、背圧弁という一次側の圧力が一定となるように流量(≒圧力損失)を調整する機能を持ったレギュレータを使います。
これは一次側の圧力が上昇すると、自身の圧力損失を下げ、一次圧を下げます。逆に一次圧が低下すると、自身の圧力損失を下げ、一次圧を高めようとします。
これを使えば、手動バルブとは比較にならない安定した圧力印加ができるようになります。

Answer

金型から冷却水が蒸気として噴出していたり、ポンポン船の様に蒸気と水の交互噴出、もしくは、金型出口での流量変動が激しい状況でしょうか。

上記のような現象は、金型内で冷却水が沸騰し、気泡が発生することで生じるものです。

逆に、金型から冷却水が安定した流量で出てくるならば、気泡の発生つまり沸騰は起きていないと推測できます。

金型内で沸騰が起きていないときにバルブで絞れば、流量低下による除去熱量不足から沸騰が起きるようになり、加圧爆発の危険が出てきます。

また、加圧による沸点上昇は0.1MPaGでも120℃程度です。つまり、除去熱量1.2倍となりえますが、その為の流量低下は0.8倍率程度で済むでしょうか？もっと大きな流量低下が必要になるでしょうから、むしろ冷却能力低下につながると思います。

さらにいえば、加圧のために、絞りを入れ、圧力損失を作るというのは僅かな流量変化でも大きな圧力変動となり、極めて制御性が悪く、過大圧力発生の危険もあり、あまり使わないですこういう場合は背圧弁を用い、圧力の安定化をさせます。

Answer

水冷エンジンなどの加圧水冷の発想ですね。原理的には正しいと思います。
ただ既に指摘があるように、バルブを絞って圧を上げる方法では流量が低下し、結局熱交換効率は下がるように思えますので、加圧方法は別の物を考えたほうがよいのではないかと思えます。

自動開閉バルブの破損は、おそらくウォーターハンマーかと思います。閉鎖時の圧変動が、今までは排水タンクも含めて逃げていたのに対し、実験時は出口側が絞られている分、圧が逃げられずに開閉バブルを破損させたのではないでしょうか。
実際に圧を上げてどうなるかは分かりませんが、爆発ないし大規模な設備破損に至る可能性はゼロではないと思います。

金型の水冷却方法：効果的な冷却効果を上げるには？