本申請要求于2014年3月7日提交的美國臨時申請序列號61/949,480的優(yōu)先權，其全部內容通過引用合并于此。

技術領域

本發(fā)明涉及在使材料成形的工具中使用的冷卻系統(tǒng)以及制造和使用這種冷卻系統(tǒng)和工具的方法。

背景技術：

與熱相關的缺陷是加熱材料的成形中并且特別是鑄造過程中的持續(xù)問題。鑄造零件的復雜性增加、要求更高的生產(chǎn)率、以及要求更低的報廢率都傾向于在模具冷卻系統(tǒng)上增加熱負荷。典型的冷卻系統(tǒng)通常由許多在工具中鉆或切成的通道組成，液體冷卻劑要通過這些通道流動。這是單相系統(tǒng)，熱量從模具表面(其與要成形的材料接觸)，通過模具的材料，轉移到冷卻通道的表面，在此液體冷卻液吸收熱量并將其帶離模具。

為了保持成形表面處的等溫條件，通過冷卻液強制對流從冷卻通道壁去除熱量。但是，由于加熱材料與模具之間界面處的高熱通量、模具材料(例如，工具鋼)的高熱擴散阻力、以及冷卻液的對流熱阻，在過程的成形和冷卻部分期間，有時比通過冷卻液去除的更多的熱量轉移到模具材料中。這導致模具的整體溫度的增加，其可能會導致一些與熱相關的問題，如成形部件的粘模、縮孔、和/或表面裂紋。使用傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)，有時在鑄造過程的凝固部分之后使用模具噴霧來去除多余熱量。這可能延長周期、增加潤滑劑的使用、增加液體回收成本、并且由于工具鋼的失效降低模具工具的壽命。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)一個實施例，用于使加熱材料成形的工具包括工具部分和形成在工具部分中的冷卻通道。工具部分包括成形表面，所述成形表面具有三維輪廓并且在成形過程中接觸加熱材料。冷卻通道與成形表面間隔開，并包括兩相部分，所述兩相部分的形狀跟隨成形表面的三維輪廓。冷卻通道的兩相部分配置為，當從加熱材料提取熱量時，沿冷卻通道流動的冷卻液經(jīng)受兩相流體流。

根據(jù)另一個實施例，用于使加熱材料成形的工具包括工具部分和形成在工具部分中的冷卻通道。工具部分包括多個單獨形成的件，所述單獨形成的件具有通道表面以及在成形過程中接觸加熱材料的成形表面。冷卻通道與成形表面間隔開，并且冷卻通道的相對壁由單獨形成的件的通道表面設置。相對壁間隔開，以便當從加熱材料提取熱量時，沿冷卻通道的兩相部分流動的冷卻液經(jīng)受兩相流體流。

根據(jù)另一個實施例，一種使加熱材料成形為成形的物品的方法包括步驟：(a)將加熱材料引入到成形工具中；(b)使加熱材料與成形工具的成形表面接觸，以便加熱材料符合成形表面；并且(c)當成形工具在閉合條件下時經(jīng)由潛熱冷卻從加熱材料提取熱量。提取的熱量使沿成形工具的冷卻通道流動的液體冷卻液轉換成氣相。

附圖說明

下文將參考附圖描述優(yōu)選示例性實施例，其中相同符號表示相同元件，并且其中：

圖1是鑄造模具形式的成形工具的實施例的橫截面圖，其包括具有兩相冷卻通道的加強的冷卻系統(tǒng)；

圖2是由圖1的工具生產(chǎn)的模制物品的橫截面立體圖；

圖3是圖1的成形工具的工具部分的橫截面圖，示出了冷卻液通過冷卻通道的流動；

圖4是在冷卻通道的供給部分接合冷卻通道的兩相部分的第一開口處截取的圖3的工具部分的橫截面圖；

圖5是在冷卻通道的兩相部分處截取的圖3的工具部分的橫截面圖；

圖6是在沿冷卻通道的兩相部分長度的不同位置處截取的圖3的工具部分的橫截面圖；

圖7是板材成形工具形式的成形工具的另一實施例，其包括加強的冷卻系統(tǒng)；

圖8是示出由經(jīng)受單相流體流動和兩相流體流動的冷卻液散熱的速率的圖；

圖9是冷卻液的沸點曲線的實例；

圖10示意性地描繪了在圖9的各個區(qū)域I-V處在冷卻液中汽泡形成；

圖11描繪了在冷卻通道的兩相部分中冷卻液的沸點和汽泡形成；

圖12是沿圖11的冷卻通道的兩相部分的長度的傳熱系數(shù)的圖；

圖13是0.2mm通道中的流體流的數(shù)值模擬與已公布數(shù)據(jù)的比較；

圖14是冷卻通道中的壓降作為相對通道壁之間的距離的函數(shù)的圖；

圖15是冷卻通道中的傳熱系數(shù)作為相對通道壁之間的距離的函數(shù)的圖；

圖16是具有加強的冷卻系統(tǒng)的圖1的工具的型芯部分的熱轉換圖像；并且

圖17是加強的冷卻系統(tǒng)實施之前的同一型芯部分的熱轉換圖像。

具體實施方式

下面描述使加熱材料成形并冷卻以形成制成品的工具。所述工具包括冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)具有形成在工具中的一個或多個冷卻通道。當加熱材料與工具的成形表面接觸時，冷卻液沿冷卻通道流動，并從加熱材料提取熱量，以幫助材料轉換成希望的形狀和/或狀態(tài)?？梢匀缫韵旅枋雠渲美鋮s通道，以通過將冷卻液帶到其沸點并利用冷卻液蒸發(fā)的潛熱以冷卻加熱材料，來極大地提高從加熱材料提取熱量的速率。

現(xiàn)在參見圖1，示出了鑄造模具形式的示例性成形工具10。鑄造模具10包括冷卻系統(tǒng)12，并配置為使熔化的材料成形為鑄造或模制物品，如，圖2所示的殼體100。在一個具體實施例中，工具10適合用在高壓鋁壓鑄過程中。所述工具可以是另一類型的成型工具，如，低壓金屬鑄造模具或塑料注射成型工具。替代地，所述工具可以是板材成形工具，如，熱金屬沖壓工具或塑料熱成形工具。在此，可以利用冷卻系統(tǒng)12的這些和其他工具統(tǒng)稱為成形工具。

所示的工具10包括多個工具部分14-20，并在圖1中以閉合條件示出。當在閉合條件下時，工具部分14-20一起限定型腔22。每個工具部分14-20具有暴露到型腔22的成形表面24。在該具體實例中是熔化的金屬的加熱材料被引入到型腔22中，并接觸和符合成形表面24。熔化的材料在冷卻系統(tǒng)12的幫助下冷卻并在型腔22中凝固。然后工具10可以被改變到打開條件，以移除物品100。在該實例中，工具部分14、16是具有相應成形表面24的型芯部分，其限定模制物品100的內表面102的形狀，并且工具部分18、20是腔部分，其限定模制物品的外表面104的形狀。所述工具被配置為，型芯部分14、16可以朝向彼此或遠離彼此移動，以在相應的閉合或打開條件下放置工具。腔部分18、20也可以朝向彼此或遠離彼此移動，以閉合或打開工具10。

冷卻系統(tǒng)12包括一個或多個冷卻通道26，并且可以包括或利用各種組合形式的一個或多個以下特征：微通道、兩相流體流動、適形的或三維冷卻通道、雙向流體流動、潛熱冷卻、沿它們的長度具有不均勻橫截面積的冷卻通道、具有不可忽視的表面張力效應的流態(tài)、由工具的單獨形成的件設置的相對壁、或比通道的長度和寬度小至少一個數(shù)量級的相對通道壁之間的間隔。這個特征的列表不是詳盡的，并且將在下面進一步詳細地描述這些特征中的一些特征。

在圖1的實例中，每個型芯部分14、16包括冷卻通道26，所述冷卻通道具有為了加強冷卻配置的部分28。所示型芯部分14包括基體30和插入件32。插入件32包括冷卻通道26，所述冷卻通道具有為了加強冷卻配置的部分28。在一個實施例中，冷卻通道26的部分28是冷卻通道的兩相部分。當從型腔22中的加熱材料提取熱量時，沿冷卻通道26的兩相部分28的冷卻液流動經(jīng)受兩相流體流。在兩相流體流中，一部分冷卻液處于液相，并且一部分冷卻液處于氣相。

兩相流體流的特征為潛熱冷卻。如在此使用的，潛熱冷卻是冷卻過程的類型，其使用冷卻液蒸發(fā)的潛熱來從加熱材料提取熱量，以在材料與工具10的成形表面24接觸時使加熱材料凝固或者改變加熱材料的相或狀態(tài)。蒸發(fā)的潛熱是冷卻液從液相改變到氣相所需的冷卻液每單位質量的熱能。因此，潛熱冷卻經(jīng)由冷卻液在恒溫(即，在流體的沸點)下的相變，并且不僅僅依靠僅根據(jù)冷卻液的比熱升高冷卻液的溫度的轉移到液相的熱能，從加熱材料提取熱量。在一定條件下，如在充分配置冷卻通道部分的條件下，可能發(fā)生雙向流體流，此時液相下的冷卻液沿一個方向流動，并且至少一些氣相下的冷卻液沿相反方向流動。

圖3是圖1的工具的型芯部分14的插入件32的放大橫截面圖，并且示出了通過冷卻通道26，包括沿冷卻通道的兩相部分28的冷卻液的流動。所示的冷卻通道26包括供給部分34和返回部分36。供給部分34經(jīng)由第一開口38與兩相部分28流體連通，并且與外部冷卻液源(未示出)流體連通。返回部分36經(jīng)由第二開口40與兩相部分28流體連通，并且與冷卻液返回線(未示出)流體連通。冷卻通道26的兩相部分28位于第一與第二開口38、40之間。如由圖3的箭頭所指示的，冷卻液從外部冷卻液源通過供給部分34流進插入件32中，經(jīng)由第一開口38進入通道26的兩相部分28，沿兩相部分流動，并經(jīng)由第二開口40離開兩相部分，在遠離插入件處流進返回部分36中。

冷卻通道26是插入件32的中空內部部分，并且與成形表面24間隔開。在所示的實施例中，成形表面24具有三維輪廓，并且冷卻通道26的兩相部分28的形狀跟隨該三維輪廓。所示的通道26的兩相部分28限定在相對的壁或通道表面42、44之間。在該實例中，每個通道表面42、44都是三維表面，所述三維表面的形狀跟隨通道26的兩相部分28中的對應成形表面的三維輪廓。

總體上跟隨工具的成形表面的輪廓的冷卻通道可以被稱為保形冷卻通道。保形冷卻通道可以被配置為在冷卻通道與成形表面之間保持工具材料(例如，工具鋼)的相對恒定的厚度，在工具內沿它們的長度改變方向，以跟隨成形表面的輪廓。

如圖3所示，工具部分14的插入件32可以由單獨形成的內部件和外部件46、48構成，所述內部件和外部件附接在一起，以在它們之間形成通道的兩相部分28。該構造能夠使冷卻通道26包括跟隨成形表面的輪廓的部分，并且允許冷卻通道的部分具有沿其長度可變的尺寸。傳統(tǒng)的冷卻通道是鉆削或橫向鉆削在成型工具中的，典型地產(chǎn)生線性的、互連的通道的集合，每個通道具有由用來形成它的鉆頭鉆出的圓形橫截面。當冷卻通道26的兩相和其他部分可以包括圓形橫截面和/或線性段時，在此描述的冷卻通道以及其部分可以是非線性的、三維的和/或保形的。通道的相對壁不總是圓柱的壁。

彼此相對的通道壁42、44橫穿冷卻通道26，并且彼此間隔開距離D，所述距離可以沿通道的流動方向變化。冷卻通道的兩相部分28具有長度L，所述長度限定在第一與第二開口38、40之間，并沿所示的通道輪廓測量。沿橫向于或垂直于長度方向和測量距離D的方向二者的方向測量通道的寬度。在型芯插入件32是圓形的并關于中心軸線A對稱的具體的所示實施例中，沿圓周方向測量通道寬度。這在圖4至圖6中是明顯的，圖4至圖6是在沿中心軸線A的不同平面處截取的插入件32的橫截面視圖。

圖4的橫截面是在第一開口38處截取的，在第一開口處，冷卻通道的供給部分34接合兩相部分28。同樣在圖4中描繪的是在第一開口38處的冷卻液流的方向。離開冷卻通道的供給部分的冷卻液通過環(huán)形第一開口38徑向分散。圖5的橫截面是通過冷卻通道的兩相部分28截取的。圖6的橫截面是通過圖6的橫截面的下游的兩相部分截取的。在該實例中，冷卻通道的有效寬度W是沿中心軸線的任意給定平面處的周長。如圖3至圖6的冷卻通道的形狀，兩相部分28的有效寬度W沿通道的長度變化。具體地，寬度W沿通道的長度從第一開口38到第二開口40增加。同樣在該具體實例中，通道表面42、44之間的距離D沿通道的長度變化，沿通道的長度從第一開口38到第二開口40減小。

如從圖4至圖6清楚的，冷卻液沿板狀構造中的冷卻通道的兩相部分28流動，所述板狀構造具有沿通道表面42、44的三維輪廓沿所有方向延伸的相對薄的冷卻液層。在所示的實例中，冷卻液沿薄的、鐘形構造中的冷卻通道的兩相部分流動，在非常大的表面面積上提供冷卻液。

在各個實施例中，通道的相對壁之間的距離D比兩相部分中的通道的長度L和寬度W二者小至少一個數(shù)量級。在某些實施例中，距離D比長度L和寬度W二者小至少兩個數(shù)量級。例如，距離D可以是在從大約0.5mm至大約4mm的范圍內，而長度L和寬度W二者可以是在從5mm至40mm或從50mm至400mm的范圍內。這些范圍不是限制性的，而是提供用來突出與傳統(tǒng)冷卻通道的某些結構區(qū)別。

如在圖中所示的，兩相部分28可以具有比冷卻通道26的其他部分小的尺寸，并且在某些情況下，具有比傳統(tǒng)鉆削的冷卻通道小的尺寸。具體地，通道的相對壁之間的距離D在兩相部分28中可以相對小。冷卻通道的這些部分可以被稱為微通道，其是關于通道大小的非限制性術語。對于給定的冷卻液，微通道的橫截面可以總體上比現(xiàn)有技術中提供的傳統(tǒng)冷卻通道小。例如，使用水基冷卻液的傳統(tǒng)鑄造模具冷卻通道的直徑可以是9mm至10mm，而對于類似的冷卻液，可比較的微通道的大小的范圍可以是從大約0.5mm至大約4mm。

冷卻通道的兩相部分28的特征同樣可以為在其中的流體流。兩相部分28可以尺寸設置為或者配置為：與冷卻液中形成的氣泡相關的表面張力效應在沿通道的流體流中扮演者相對重要的角色。與氣泡在冷卻通道壁處形成并從冷卻通道壁釋放的較大的冷卻通道相比，冷卻通道的兩相部分可以被制造得足夠小，氣泡快速地達到跨越相對通道壁之間的距離D的尺寸，當液相中的冷卻液通過充滿氣泡的通道時使表面張力效應明顯。下面給出對于確定冷卻通道的兩相部分的特征有用的其他參數(shù)。通道尺寸也取決于冷卻液的性能，并可能因此與例如用于水基冷卻液和油基冷卻液的非常不同。

在某些情況下，冷卻通道的兩相部分28具有相對壁之間的距離D，所述距離足夠小，必須考慮沿通道長度的壓降，以保持所需流態(tài)的冷卻液流。因此，如上面所提到的，兩相部分28可以沿其長度具有不均勻的橫截面面積、或相對壁之間的距離D，以沿通道保持希望的流體速度和流量。

與流體流和表面張力效應相關的某些無量綱量可以組合，并且用來幫助實現(xiàn)冷卻通道中的希望的兩相流體流態(tài)。邦德數(shù)(Bo)和雷諾數(shù)(Re)是這些量中的兩個。在某些實施例中，冷卻通道的兩相部分配置為滿足下面的關系：

Bo^0.5Re≤160。

邦德數(shù)定義為：

$Bo=\[\frac{g({\mathrm{\ρ}}_f-{\mathrm{\ρ}}_g)}{\mathrm{\σ}}\]D^2,$

其中g是重力加速度，ρ_f是流體密度，ρ_g是氣體密度，σ是表面張力，并且D是通道的深度(即，相對通道壁之間的距離)。

雷諾數(shù)定義為：

$\mathrm{Re}=\frac{m^{\′}L}{{\mathrm{\μ}}_f}$

其中，m’是質量流率，并且μ_f是動態(tài)流體粘度。關于邦德數(shù)與雷諾數(shù)之間的相互作用的重要性在下面有進一步解釋。

圖7是利用上述加強的冷卻系統(tǒng)的另一成形工具110的橫截面圖。所示的成形工具110是板材成形工具，如，塑料熱成形工具或金屬板沖壓或成形工具。冷卻系統(tǒng)對于用在熱沖壓過程中的成形工具是特別有用的，這樣的過程將加熱材料引入到成形工具，在制成成形物品之后，必須從成形工具去除熱量。冷卻系統(tǒng)112總體上與關于圖1至圖6在上述描述的冷卻系統(tǒng)相同，并且板材成形工具110包括類似于上述鑄造模具10的組件。

圖7的工具包括第一和第二(即，上部和下部)工具部分114、116，并且以閉合狀態(tài)示出，其中加熱材料118形成在這些工具部分之間。每個工具部分具有成形表面124，所述成形表面接觸加熱材料，并且加熱材料符合所述成形表面。在打開工具以去除成形的物品之前，加熱材料118在冷卻系統(tǒng)112的幫助下冷卻。所述工具被配置為，工具部分114、116可以朝向彼此或遠離彼此移動，以在相應的閉合或打開條件下放置工具。

在所示實例中，下部工具部分116包括基體130和插入件132。插入件132包括冷卻通道126，所述冷卻通道具有為了加強冷卻配置的部分128。部分128可以是冷卻通道的兩相部分。圖7示出了冷卻液通過冷卻通道126，包括沿冷卻通道的兩相部分128的流動。所示部分的冷卻通道126包括供給部分134，所述供給部分經(jīng)由第一開口138與兩相部分128流體連通，并且與外部冷卻液源(未示出)流體連通。如由圖7的箭頭所指示的，冷卻液從外部冷卻液源通過供給部分134流進插入件132中，經(jīng)由第一開口138進入通道126的兩相部分128，沿兩相部分流動，然后經(jīng)由第二開口(未示出)離開兩相部分。

如同圖1至圖6所示的實例，成形表面124具有三維輪廓，并且冷卻通道126的兩相部分128的形狀跟隨該三維輪廓。所示的通道126的兩相部分128限定在相對的壁或通道表面142、144之間。在該實例中，至少部分的通道表面142、144是三維表面，所述三維表面的形狀跟隨對應成形表面124的三維輪廓。插入件132由單獨形成的內部件和外部件146、148構成，所述內部件和外部件附接在一起，以在它們之間形成通道的兩相部分128。彼此相對的通道壁142、144橫穿冷卻通道126，并且彼此間隔開距離D，所述距離可以沿通道的流動方向變化。如從圖7清楚的，冷卻液沿板狀構造中的冷卻通道的兩相部分128流動，所述板狀構造具有沿通道表面42、44沿所有方向延伸的相對薄的冷卻液層。

當應用到熱沖壓過程時，加強的冷卻系統(tǒng)對于使加熱的板材淬火和/或改變或控制金屬的顯微結構可以是有用的。所述過程可以包括將材料加熱到轉變溫度之上，在加熱的同時使材料成形，并且使材料淬火以實現(xiàn)特殊的顯微結構。在淬火步驟中冷卻速率可以是急速的，以實現(xiàn)所希望的顯微結構。例如，某些硼基鋼可以被加熱到奧氏體轉變溫度附近的溫度、奧氏體轉變溫度或奧氏體轉變溫度之上的溫度，用于成形，然后以足以形成馬氏體顯微結構的速率淬火。如果淬火過程中的冷卻速率太慢，則在完成的物品中可能無法實現(xiàn)所希望的機械性能。

在一個具體實例中，加熱材料是鋼板，鋼板被加熱到從650℃至850℃范圍中的溫度，或者被加熱到鋼板具有提高的成形性由此允許在一個沖程中形成復雜形狀的其他合適溫度。加熱材料在工具部分之間被擠壓，在上述冷卻系統(tǒng)112的幫助下在壓力下冷卻特定的時間。冷卻所需的時間可以基于達到全部成型深度之后板的厚度來變化。在冷卻期間，成形的部件以至少50℃/s的冷卻速率，或以從大約50℃/s至100℃/s范圍內的冷卻速率在閉合的工具中淬火，導致在材料中至少有一些馬氏體轉變。轉移、沖壓和冷卻的總循環(huán)時間的范圍可以是從15秒至25秒。成形物品在大致150℃離開熱沖壓工具。具有兩相冷卻通道并且水作為冷卻液的上述加強的冷卻系統(tǒng)已經(jīng)確定，與傳統(tǒng)冷卻線的大致90,000W/m²K相比，從加熱材料并通過成形表面到冷卻通道的傳熱系數(shù)增加到1,000,000W/m²K。

實驗

剩下的圖和描述與對用在鋁壓鑄過程中的鋼鑄造模具中的圖示加強冷卻系統(tǒng)的成功實施和設計的描述一起概述了加強的冷卻系統(tǒng)設計的一些原理。本領域技術人員將認可冷卻系統(tǒng)的附加特征的具體實例和在該非限制性實例中使用冷卻系統(tǒng)的方法。意圖是，這些特征也可以各種方式與上述特征組合，以實現(xiàn)這些技術的優(yōu)點。

通過上述加強(即，高性能)冷卻系統(tǒng)的設計和實施，已經(jīng)實現(xiàn)了在金屬鑄造過程中成功防止高溫聚集。冷卻系統(tǒng)利用沿壓鑄工具的冷卻通道的一部分的兩相流體流，并且實現(xiàn)了比簡單液相冷卻更高的散熱率。兩相流體流利用冷卻液蒸發(fā)的潛熱來提供相對高的傳熱速率。如下所述，高性能冷卻系統(tǒng)已經(jīng)模式化有商業(yè)軟件(例如，)。在生產(chǎn)鑄造模具和與數(shù)值分析相關的結果中實施冷卻系統(tǒng)的工作實例。

冷卻系統(tǒng)的效率通常可以通過以下方式提高：通過移動冷卻通道或線更接近鑄造表面或通過使用具有更高傳熱系數(shù)的鑄造模具材料，降低模具的熱阻；增加冷卻通道壁與冷卻液之間的對流傳熱系數(shù)；和/或降低冷卻液的溫度。

在諸如高壓鋁鑄造的一些加熱材料成形過程中，高壓力和高熔化金屬速度造成鑄造過程中多余熱量的問題。例如，機械和熱應力是可以限制模具的冷卻通道與鑄造表面之間所需的最小距離的因素。

單相系統(tǒng)(在此液體冷卻劑保持在液相沸點之下)中的熱通量可以表示為：

$q_{s-p}=\stackrel{\·}{m}{C}_P(T_f-T_W)---\left(1\right)$

其中，C_p、T_f和T_w分別是冷卻液的質量流率、比熱、溫度，以及冷卻通道壁的溫度。改變冷卻液的溫度對冷卻系統(tǒng)的效率具有有限的影響。

兩相系統(tǒng)(在此冷卻液保持在其沸點處或之上，作為液相和氣相的混合物)中的熱通量可以表示為：

$q_{m-p}=\stackrel{\·}{m}{\mathrm{xh}}_{\lg }---\left(2\right)$

其中，x和h_1g分別是蒸發(fā)的質量和潛熱。

圖8是等式(1)和(2)的圖，示出了兩相系統(tǒng)可以比單相系統(tǒng)多散熱幾乎一個數(shù)量級。兩相系統(tǒng)的更高效率是至少部分地由于大多數(shù)流體蒸發(fā)的潛熱比顯熱大至少一個數(shù)量級，這樣，更多的熱量可以相同的冷卻液流速被轉移。兩相系統(tǒng)的另一優(yōu)點在于，冷卻液的蒸發(fā)總是在相同的沸騰溫度發(fā)生，其可以幫助防止系統(tǒng)的過度冷卻。

沸騰是當流體達到其飽和溫度時發(fā)生的相變過程，并且是相對有效的傳熱方式。圖9和圖10描繪了沸騰的不同階段。圖9示出了典型的沸騰曲線，示意性的表示圖10中的氣相配置。在鄰近過熱的通道壁的層中開始沸騰，形成獨立的蒸發(fā)(例如，蒸汽)氣泡。在該第一階段(區(qū)域I)，氣泡的生長受表面張力抑制，并且馬朗戈尼熱流是占主導地位的傳熱機制(圖10(a))。當壁溫度升高時，氣泡繼續(xù)生長，并且在某一時刻克服表面張力的抑制而與壁分離(圖10(b))。這種氣泡從通道壁形成和分離對流體的熱邊界層有顯著的影響。該階段的熱量轉移對應于圖9中的區(qū)域II。

如圖9所示，從對流熱傳遞(I)到泡核沸騰(II)的改變對應于傳熱系數(shù)的大幅增加。當壁的溫度進一步升高時，形成的氣泡在它們沿豎直方向移動時開始合并在一起，形成氣體或蒸汽噴射流(圖10(c))。該階段的沸騰對應于圖9中的區(qū)域III。在該階段，鄰近的蒸汽噴射流合并成更大的結構(圖10(d))，并且加熱的壁的大部分表面被蒸汽覆蓋。壁的表面變得與液體隔離，使其難以用液體潤濕加熱壁的表面。在該階段結束前，達到臨界熱通量(CHF)，并且壁的溫度非?？焖俚厣摺?/p>

當壁的表面變得被隔離時，熱量不能有效地轉移到液體冷卻液中。這導致熱通量的減少，如圖9的區(qū)域IV所示。如果壁的溫度繼續(xù)升高，則熱通量超過CHF，并且大量的流體開始沸騰(圖10(e))。這意味著偏離泡核沸騰，并且特征為大氣泡的形成。該階段的沸騰(IV)可以被稱為過渡沸騰或部分膜態(tài)沸騰。由于過程的動態(tài)性質，條件可能在膜與泡核沸騰之間擺動。當壁的溫度繼續(xù)升高時，沸騰過程轉移到膜沸騰，如圖9中的區(qū)域V和圖10(f)表示的。

兩相冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點是能夠結合高傳熱系數(shù)沿流體流動方向保持準穩(wěn)定態(tài)的通道壁溫度。在成形過程的冷卻或凝固部分的過程中，在冷卻液到達其沸點的任何時間，在模具的冷卻通道中可能發(fā)生兩相流。但是，在特別配置的冷卻通道部分中的受控制的兩相流與傳統(tǒng)模具冷卻通道中的沸騰冷卻液之間存在某些差異。在在此描述的加強冷卻系統(tǒng)中，一部分的冷卻通道可以被配置為表面張力對流體流動特征具有更明顯的影響。因為氣泡生長和快速達到通道的大小，在微通道中可以很少觀察到氣泡流。在相對小尺寸的通道中，通常不存在泰勒不穩(wěn)定性。

在圖11中示出了微通道中的沸騰過程的典型階段。階段I表示冷卻液的單相(液體)流。強制對流是階段I的主要傳熱方式。階段II的特征為氣泡流—短暫而不穩(wěn)定的流態(tài)。當更多的熱量轉移到冷卻液中時，氣泡生長得更大，合并成更大的塊(階段III)，并且占據(jù)了相對通道壁之間的距離D的大部分或全部。進一步擴張的氣泡減少了流體中的壓力，并且表面張力沿相反的方向向前推動流體。這導致了反向流動，液體冷卻液的膜鄰近通道壁(階段IV)。當液體繼續(xù)沿通道的長度流動時，薄層流體繼續(xù)蒸發(fā)，并且如果在通道中沒有足夠的流體供給可以導致干燥的條件(階段V)。在圖12中繪制了沿兩相通道長度的傳熱系數(shù)。如所示的，在階段II結束的附近達到傳熱系數(shù)的最高值。

在過程的冷卻階段過程中，在從加熱材料(例如，熔化的金屬)提取轉移到整個工具材料中的熱量中，鑄造模具或其他成形工具的冷卻通道扮演了重要的角色。冷卻通道的增強的能力可以幫助減少或防止上述許多鑄造問題。消散更大熱通量的能力還可以減少加熱材料的冷卻時間。已經(jīng)嘗試通過基于計算的熱負荷，即，工具表面的預測熱區(qū)域具有例如相關的更高冷卻劑流速，設置特定通道的形狀或大小，優(yōu)化模具冷卻通道。但是，在這些努力中，冷卻通道位置和間隔被保持得與傳統(tǒng)鉆削冷卻通道設計一致。

在概念驗證實驗中，可以利用三維冷卻通道和/或微通道的在此描述的高效冷卻系統(tǒng)已經(jīng)模式化有商業(yè)CFD軟件(例如，)。在圖13中示出了對于在D＝0.2mm通道中流動的水，無量綱量Nu與Re數(shù)之間的實驗得到的(公開的)與數(shù)值近似關系之間的結果的比較。數(shù)值結果與實驗結果彼此之間相差5％以內。

當利用相對通道壁之間的相對小的距離D時，當設計冷卻系統(tǒng)時應該考慮沿通道長度L的壓降。作為相對通道壁之間的距離D的函數(shù)，在圖14中繪制了冷卻通道中的壓力變化。在所示實例中，對于0.4mm或更大的通道尺寸D，壓降明顯降低。在圖15中繪制了相對通道壁之間的距離D對傳熱系數(shù)的影響。在該實例中，傳熱系數(shù)基本上獨立于0.4mm或更大值的距離D。

在某些情況下，無限制的氣泡流是優(yōu)選的流態(tài)，以使冷卻通道中的傳熱系數(shù)最大。微通道中有限制的與無限制的氣泡流之間的轉變如下表示：

Bo^0.5Re＝160。 (3)

其中，Bo是邦德數(shù)，并且Re是雷諾數(shù)。圖11的區(qū)域IV與V之間的轉變由等式(3)表示，大于160的數(shù)表示區(qū)域V流，并且小于160的數(shù)表示區(qū)域IV流。

選擇在門的前方具有型芯部分的金屬壓鑄工具，以驗證加強冷卻系統(tǒng)的有效性。圖1至圖6中描繪的實施例是代表性的驗證工具。該鑄造工具用在高壓壓鑄過程中，以由鋁A380生產(chǎn)部件。鑄造物品的重量是4.1kg，具有6mm的平均壁厚度。在鑄造過程中在門處的熔化的材料的速度是40m/s。傳統(tǒng)的型芯由層疊式水噴水冷卻。傳統(tǒng)的型芯具有持續(xù)的焊接問題，并且具有專用的外部噴霧冷卻線，以在每個循環(huán)之后進一步冷卻型芯。在此討論的具體的型芯部分是圖1和圖3的插入件32，其包括形成圖2的鑄造物品的內部表面部分的成形表面。

在圖1和圖3中描繪的包括兩相部分28的冷卻通道26被實現(xiàn)為由H13工具鋼制成的兩件式插入件32。冷卻通道26的兩相部分28形成在單獨形成的內部件與外部件46、48之間，所述內部件和外部件焊接在一起或以其他方式附接在一起。為了使外部件48的擴散阻力最小，考慮到模具填充部分的過程中的高速熔化金屬的壓力，冷卻通道被定位為盡可能接近成形表面，所述外部件包括在鑄造過程中接觸熔化的鑄造材料的成形表面24。進行有限元分析，以驗證在壓鑄操作過程中與熔化的金屬相互作用的型芯部分中產(chǎn)生的應力不超過H13鋼的疲勞應力。

在通過仿真驗證應力不超過工具鋼的疲勞應力之后，制造插入件32并實施在圖1的鑄造模具10的型芯部分14中。在2000個鑄造循環(huán)之后，使用FLIR紅外熱成像相機測量型芯部分的溫度，結果在圖16中示出。將具有加強的冷卻系統(tǒng)的型芯部分的各個部分的溫度與使用傳統(tǒng)冷卻的原始型芯的溫度進行比較(圖17)。在預先與原始傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)實施的輔助冷卻噴霧之前測量溫度。如可以在圖16中看到的，具有包括兩相冷卻通道的加強冷卻系統(tǒng)的型芯可能不需要任何輔助后循環(huán)冷卻，如在部件凝固之后的冷卻噴霧。具有加強冷卻系統(tǒng)的型芯插入件在6000次鑄造循環(huán)之后經(jīng)受目測檢查并且不表現(xiàn)出任何焊接證據(jù)。

應該理解，上述描述不是本發(fā)明的限定，而是本發(fā)明的一個或多個優(yōu)選示例性實施例的描述。本發(fā)明不限于在此公開的具體實施例，而是僅由下面的權利要求來限定。此外，上述描述中包含的聲明涉及具體實施例，并且不認為是對本發(fā)明的范圍或在權利要求中所使用的術語的定義的限制，除非在上面明確地定義了術語或短語。本領域技術人員將變得清楚各個其他實施例和對所公開的實施例的各種變化和修改。所有這些其他實施例、變化和修改都要在所附權利要求的范圍內。

如在說明書和權利要求中所使用的，術語“例如”、“如”、“舉例來說”、“諸如”和“像”，以及動詞“包含”、“具有”、“包括”以及它們的其他動詞形式，當結合一個或多個組件或其他物品的清單使用時，各自被認為是開放式的，意味著該清單不被認為排除其他額外的組件或物品。其他術語使用它們的最廣泛的合理意義來解釋，除非他們被用在要求不同解釋的上下文中。