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金属金型におけるコンフォーマル冷却チャネルの数値的設計手法とチャネル内エクセルギー損失の計算

本要約は、[‘Scientia Iranica’ に掲載された論文 ‘Design of Conformal Cooling Channels Using Numerical Methods in a Metal Mold and Calculating Exergy Destruction in Channels’ に基づいて作成されました。] 1. 概要： 2. 概要または序論 金属金型において、より速い冷却はサイクルタイムの短縮、製品品質の向上、製品ロス低減を可能にします。しかし、従来の製造方法では、金型冷却チャネルは線形方向と限定された形状でのみ製作可能であり、金型冷却性能を制限していました。近年開発された積層造形技術は、複雑な形状とモノブロック3D製品の製造を可能にします。この技術により、様々な形状のコンフォーマル冷却チャネルを備えた金属金型を製作し、優れた冷却性能を確保できます。本研究では、モノブロック永久金型において最適な冷却性能を達成するために、コンフォーマル冷却チャネルを設計しました。本研究では、設計されたコンフォーマル冷却チャネルと従来の冷却チャネル金型について、定常状態条件下でCFD（数値流体力学）解析を実施しました。チャネル内の流速変化に応じた圧力損失、冷却チャネル出口温度、エクセルギー損失を計算しました。数値解析の結果、コンフォーマル冷却チャネルは従来の冷却チャネルよりも約5％高い冷却性能を達成できることが示されました。しかし、コンフォーマル冷却チャネルの圧力損失は従来の冷却チャネルよりも高く観察されました。また、コンフォーマル冷却チャネルのエクセルギー損失は従来の冷却チャネルよりも約12％大きくなりました。 3. 研究背景： 研究テーマの背景： 金属金型における冷却プロセスは、液体金属の凝固における重要な要素の一つであり、鋳造製品の品質に影響を与えます。冷却が均一でない場合、ホットスポット欠陥や歪みなどの成形不良が発生します。逆に、適切かつ迅速な冷却は製品品質にプラスの影響を与えます。従来の製造方法では、金型冷却チャネルは線形方向と円形断面でのみ製作可能です。これは金型冷却性能を制限します [1]。積層造形法で製作されたコンフォーマル冷却チャネルを備えた熱間押出ダイスの冷却性能に関する研究があります [2]。コンフォーマル冷却チャネル金型を使用した場合、標準冷却チャネル金型と比較して生産速度が最大300％向上することが観察されました。成形におけるサイクルタイムは、製品コストと品質に影響を与えます。サイクルタイムが短いほど、温度分布がより均一になり、部品の変形が少ないことが観察されました。したがって、コンフォーマル冷却チャネルを備えた射出成形金型では、より良い製品品質が得られました [3-9]。積層造形法で製作された金属金型の製造コストが高いという事実は、所望の性能を備えたコンフォーマル冷却チャネル設計を製造する必要性を生じさせます。有限要素法を用いて、金型冷却チャネルの冷却性能と液体金属の凝固プロセスをシミュレーションできます。数値研究の結果、コンフォーマル冷却チャネルを通じて凝固時間を短縮することで冷却性能を向上させることができることが示唆されました [10-12]。プラスチック射出成形金型用のコンフォーマル冷却チャネルが設計されました [1]。当該研究は、数値的および実験的に実施されました。 既存研究の現状： 数値および実験的研究の結果、コンフォーマル冷却チャネルを使用した場合、サイクルタイムが12.8％短縮されることが明らかになりました。また、Park and Dang [9] は、プラスチック射出成形金型用のコンフォーマル冷却チャネルを開発しました。研究結果は、コンフォーマル冷却チャネルを使用した場合、サイクルタイムが30％短縮されることを示しました。 摩擦損失、温度差による熱伝達、急激な膨張と圧縮は、システムにおけるエクセルギー損失を引き起こします [13-15]。溶融金属の熱は冷却チャネルを介して伝達されます。溶融金属と冷却チャネル間の熱伝達は、熱交換器の作動原理と類似しています。熱交換器におけるエクセルギー損失に関する多くの研究が文献に存在します。しかし、金属金型冷却チャネルにおけるエクセルギー損失に関する研究は、文献において非常に少ないです。熱交換器または熱力学的サイクルの最適作動条件を決定し、エクセルギー損失を低減するために、流体速度、圧力損失、温度分布などのパラメータが研究者によって調査されました。彼らは、エクセルギー損失はこれらのパラメータを改善することによって減少することを強調しました [16-19]。 近年開発された積層造形技術により、複雑な形状とコンパクトな構造で製品を製造できます。本研究では、従来の製造方法では製造できない様々な形状の金属金型内の冷却チャネルを設計しました。2種類の異なるコンフォーマル冷却チャネル金型を設計し、定常状態条件下で標準冷却チャネル金型と数値的に比較しました。各チャネルについて、様々な流量における熱伝達率、エクセルギー損失、圧力損失を計算しました。 研究の必要性： 積層造形法で製造された金属金型の高い製造コストのため、所望の性能を備えたコンフォーマル冷却チャネル設計を製造する必要性があります。コンフォーマル冷却チャネルは冷却性能を向上させることができますが、圧力損失およびエクセルギー損失の観点から従来の冷却チャネルとの比較分析が必要です。最適な冷却チャネル設計のためには、熱伝達性能だけでなく、エネルギー効率を考慮したエクセルギー分析が不可欠です。 4. 研究目的と研究課題： 研究目的： 本研究の主な目的は、金属金型において最適な冷却性能を達成するためにコンフォーマル冷却チャネルを設計し、数値的に解析して従来の冷却チャネル設計と比較することです。本研究は、熱伝達、圧力損失、エクセルギー損失の観点から性能差を評価することを目的としています。 主要な研究課題： 研究仮説： 5.

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