JP5538570B2 - ケレン融合を強化するシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題の実施形態は、概して、方法およびシステムに関し、より具体的には、ケレンと鋳物材料との間の融合を増加させるメカニズムおよび技術に関する。

石油およびガス産業が、エネルギを生成し、生産するための様々な方式を開発し、期待するにつれて、圧縮機、ガスタービン、電動モータの役割が増大している。例えば、生産現場から消費者へ天然ガスを輸送するために、天然ガスは、その体積を減少させるために液化される。天然ガスを液化するプロセスは、圧縮機の使用に非常に依存している。他の例には、ＣＯ₂の輸送、井戸からの油および／またはガスの抽出、配管を通した燃料の輸送、精製所における原油の加工がある。

したがって、過去数年の間、これらの機械（圧縮機、ガスタービン、モータなど）をより効率的な方式で製造することへの関心が高まっている。（数トンから数十または数百トンまでの）大きなケーシング、ステータ、ロータ、および他のコンポーネントを有するこれらの機械を製造するための１つの手法は、これらのコンポーネントを鋳造することである。

鋳造は、製造プロセスであり、その製造プロセスによって、通常、液体材料が、所望の形状の中子を含み得る鋳型に流し込まれ、次に鋳造材料が凝固することを可能にする。また、凝固された部分は、鋳物として知られている。鋳物は、鋳型から取り出され、または引き離されて、プロセスを完了する。鋳造材料は、通常、金属である。鋳造は、他の方法では作ることが困難または不経済である複雑な形状を作るために最も多く使用される。そのような複雑な形状は、空間、空洞、トンネルなどを含む可能性がある。例えば、圧縮機は、これらの複雑な形状を含む。

したがって、そのような複雑な形状を実現するために、中子が、鋳型の内部に、空間、空洞、トンネルなどを決定するために提供される。しかし、特に鋳造される機械が大きいとき、そのような中子は重い可能性がある。したがって、支持部材が、中子を鋳型の内部に保持するために使用される。そのような支持部材は、ケレンと称される。ケレンは、中子を底部から支持するために、または、中子を上部から固定するために使用され、鋳物が鋳型の中に流し込まれるときに中子が浮かぶことを防ぐことが可能である。組み立ての間および流し込みの間、中子が動くこと防ぐために、多数のケレンを使用することが可能である。

しかし、ケレンは、鋳型の中に鋳造された材料に良好に接着しない可能性がある。したがって、形成された部分、例えば、機械のケーシングは、漏れ試験を行った場合、ケレン（すでにケーシングの一部分である）と、ケーシングの隣接する部分との間に漏れが存在し得るので合格しない可能性がある。もし、このような状況になれば、ケーシングと融合していないケレンは、ケーシングからドリルで掘り出され、機械工場において穴を塞がれるか、または溶接されなくてはならない。このプロセスは、機械の製造プロセスを遅延させ、コストを増大させる。これは望ましくない。漏れているケレンを修繕した後、機械の最終組み立ての前に、ケーシングは、再度、漏れの検査を受ける。漏れを判断するために、水圧試験を実施することが可能である。

米国特許第３５９６７０３号明細書

したがって、ケレンとケーシングとの間に漏れが存在しないように、ケレンが鋳造材料に十分に接着することを確実にするシステムおよび方法を提供することが望ましい。

１つの例示の実施形態によれば、ケレンを鋳物に融合させる方法がある。その方法は、鋳型の上面にケレンを設置するステップと、ヒータが鋳物にさらされないようにケレンの周囲にヒータを配置するステップと、鋳型および中子が機械のコンポーネントを画定するようにケレンの上に中子を設置するステップと、ヒータを使用してケレンを所定の温度に加熱するステップと、ケレンが所定の温度であるときに、中子およびケレンの周囲に、鋳型の中に鋳物を流し込むステップとを含む。

別の例示の実施形態によれば、機械のコンポーネントを鋳造するシステムがある。そのシステムは、コンポーネントの外部表面を写す上面を有する鋳型と、鋳型の中に設置され、コンポーネントの中に空洞を形成する中子と、鋳型上に設置され、鋳型に対して中子を支持するように構成された少なくとも１つのケレンと、ケレンに隣接して設置され、ケレンに熱を供給するように構成されたヒータとを含む。

明細書に組み込まれ、明細書の一部分を構成する添付の図面は、１つまたは複数の実施形態を示し、明細書とともにこれらの実施形態を説明する。

ケレンによって支持された中子を有する鋳型の概略図である。 ケレンの概略図である。 別のケレンの概略図である。 鋳物に融合したケレンの概略図である。 ある例示の実施形態による、ヒータを備えて支持層によって支持されたケレンの概略図である。 ある例示の実施形態による、ヒータを備えたケレンの概略図である。 ある例示の実施形態による、ヒータを制御する制御ロジックの概略図である。 ある例示の実施形態による、ケーシングにケレンを融合させる方法のフローチャートである。

次に続く例示の実施形態の説明は、添付の図面を参照する。異なる図面における同一の参照番号は、同一または類似の部材を特定する。次に続く詳細な説明は、本発明を限定しない。その代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。簡単化するために、次に続く実施形態は、乾燥砂型の用語および構造に関して説明される。しかし、次に説明されることとなる実施形態は、これらの鋳型に限定されず、他の鋳型にも適用されることが可能である。

本明細書を通じて「１つの実施形態」または「ある実施形態」を参照することは、実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特質が、開示された主題の少なくとも１つの実施形態に含まれているということを意味している。したがって、本明細書を通じた様々な場所における、「１つの実施形態では」または「ある実施形態では」という表現が見られても、必ずしも同一の実施形態を参照しているのではない。さらに、特定の特徴、構造、または特質を、１つまたは複数の実施形態において、任意の適切な態様で組み合わせることが可能である。

新規な実施形態をより良く理解するために、ケレンによって支持された中子を有する鋳型の例が、図１に示されている。そのようなシステム１０は、鋳型１２および中子１４を含む。この例では、中子１４は、最終製品の中に空洞を形成するために鋳型１２の内部に置かれる必要がある。中子１４は、鋳型１２のどの側部にも接触しない必要がある。したがって、１つまたは複数のケレン１６ａが、中子１４の下に備えられている。ケレン１６ａは、鋳型１２によって支持されている。もし、１つまたは複数のケレン１６ｂが中子１４の上に備えられていなければ、鋳造材料が中子１４の周りに流し込まれると、中子１４は上方へ動く可能性がある。この構成によって、中子１４は、垂直方向Ｚに沿って鋳型１２に対して固定される。しかし、中子１４は、水平方向Ｘに動く可能性もある。この動きを防ぐために、より多くのケレン（図示せず）を使用して、鋳型１２の側面に対して中子１４を固定することが可能である。

図２および図３において、ケレン１６がより詳細に示されている。ケレンは、図２に示されているように、２つのプレート状部材２０を分離する中央部１８を有するか、または、中央部１８は、図３に示されているように、１つだけのプレート状部材２０に接続可能である。プレート状部材２０は、中子１４を支持するように配置可能である。鋳造が実施された後、ケーシングが、鋳型１２および中子１４から除去される。そのようなケーシング２６の一部が、図４に示されている。ケレン１６は、すでにケーシング２６の一部であり、ケレン１６は、ケーシングが設置される機械の生涯にわたってケーシング２６の中に留まることになるということに留意されたい。

しかし、もし、ケーシング２６とケレン１６との間の境界面２８がクラックまたはポケットを含むとすれば、ケーシングの内部に流体が供給されたときに漏れが発生する可能性がある。この場合、ケレン１６をケーシング２６から除去しなければならず、ケレン１６の除去によって残された穴部を密封するためにプラグを取り付けなければならない。この行為は、望ましくない。

ケーシング２６とケレン１６との間のクラックまたはポケットは、様々な既知のおよび未知の条件によって発生する可能性がある。これらの現象が起こるのを防ぐために、鋳造部品の製造業者によってかなりの労力が費やされてきた。中子の重量を支持することができる材料であって、また、鋳物は様々な材料を含むが、鋳物（溶融した金属または他の化合物）が鋳型の中に流し込まれるときに溶融しない材料からケレンは作られるので、問題はさらに複雑である。換言すれば、融合させなければならない材料（ケレンの材料およびケーシングの材料）は異なっており、異なる物理的性質を有し、互いに適合しない場合がある異なる結晶構造を有する。例えば、鋳物は鉄系材料である可能性があるが、ケレンは鋼で作られる可能性がある。

本発明者は、鋳物が鋳型に流し込まれるときにケレンが所定の温度に加熱されていれば、これらの異なる材料の間の融合を強化することが可能であるということを発見した。例示の実施形態では、鋳物材料が１０００°Ｆ（５３７．８℃）で流し込まれるとすれば、ケレンは、流し込みの前に約１５０から３００°Ｆ（６５．６から１４８．９℃）に加熱される。１つの適用例では、ケレンは、約２００から２５０°Ｆ（９３．３から１２１．１℃）に加熱される。ケレンと鋳物材料の温度を互いにあまり近づけられないが、より近づけることによって、融合プロセスはより良くなり、ケレンとケーシングとの間の境界面に発生するクラックおよびポケットは、より少なくなるということが観察された。

図５に示されている例示の実施形態によれば、所望の温度にケレンを加熱するために、ケレン１６の一端部に近接して、ヒータ３０を備えることが可能である。ヒータ３０は、ヒータを電源（図示せず）に接続するリード線３１を有することが可能である。図５は、ケレン１６の一部分を収容するために、空洞（凹部）３２が鋳型１２の中に形成されていることを示している。より具体的には、ヒータ３０からの熱が鋳型１２に進入することを防ぐために、熱伝導性の低い材料の層３４を、空洞３２の壁部に備えることが可能である。層３４は、蓄熱特性および低熱伝導性を有する可撓性材料であるＫａｏｗｏｏｌ Ｐａｐｅｒ（ＴｈｅｒｍａｌＣｅｒａｍｉｃｓ，Ｇｅｏｒｇｉａ，ＵＳＡによって製造される）を含むことが可能である。

ケレン支持層３６を、空洞３２の中で層３４の上に備えることが可能である。鋳型１２は、高い強度を有しないことが知られている乾燥砂で作られる可能性があるので、ケレン支持層３６は、ケレン１６および中子１４の重量を鋳型１２の大きい領域に分散させるように構成されている。ケレン支持層３６は、グラファイトを含むことが可能である。また、ヒータ３０からの熱は迅速かつ効率的にケレン１６に伝達されることが望ましいので、ケレン支持層３６は良好な熱伝導性を有する。例示の実施形態によれば、ケレン支持層３６は、ケレン１６の最大領域よりも大きい最大領域を有し、ケレン１６の重量が鋳型１２の大きい領域に分散されるようになっている。ケレン支持層３６および層３４は、適宜選択可能である。

ヒータ３０を、ケレン支持層３６の周囲か、ケレン支持層３６の下か、またはケレン支持層３６の周囲および下の両方に備えることが可能である。この構成では、ヒータ３０は、ケレン１６と直接接触しない。しかし、別の例示の実施形態によれば、ヒータ３０を、ケレン１６に直接接触させて備えることが可能である。図５に示されているように、ケレン１６は、ケレン支持層３６の上に備えられている。ケレン１６の底部側表面Ａ１は、鋳型１２の上部表面Ａ２と同一平面に備えられることが可能である。しかし、図６に示されているように、１つの実施形態では、ケレン１６の底部側表面Ａ１を空洞３２の内部に備えることが可能である。また、図６は、ケレン支持層３６なしで空洞３２の内部に備えられたケレン１６を示している。この例示の実施形態によれば、ヒータ３０は、ケレン１６に巻き付けられている。別法として、ヒータ３０は、ケレン支持層３６があるときは、ケレン支持層３６に巻き付け可能である。

ケレン１６の温度を決定するために、１つまたは複数のセンサ４０を、例えば、空洞（凹部）３２の中に、ケレン支持層３６と接触して、ケレン１６と接触してなど、様々な位置に備えることが可能である。さらに、図７に示されているように、１つの適用例では、ケレン１６の加熱を調整するために、制御ロジック構成部分４２を、センサ４０と、ヒータ３０の電源４４とに接続することが可能である。制御ロジック構成部分は、マイクロプロセッサであることが可能である。所望の温度に達するまでケレン１６を加熱するようにマイクロプロセッサをプログラムすることが可能である。所望の温度は、使用者によって入力可能である。制御ロジック構成部分４２は、既知の入力／出力性能を有するコンピュータであることが可能である。

図８に示されている例示の実施形態によれば、ケレンを鋳物に融合させる方法がある。その方法は、鋳型の上面にケレンを設置するステップ８００と、ヒータが鋳物にさらされないようにケレンの周囲にヒータを配置するステップ８０２と、鋳型および中子が機械のコンポーネントを画定するようにケレンの上に中子を設置するステップ８０４と、ヒータを使用してケレンを所定の温度に加熱するステップ８０６と、ケレンが所定の温度であるときに、中子およびケレンの周囲に、鋳型の中に鋳物を流し込むステップ８０８とを含む。

開示された例示の実施形態は、鋳造プロセス中に、ケレンが鋳物と融合する可能性を増加させるシステムおよび方法を提供する。この明細書は、本発明を限定することを意図していないということが理解されるべきである。逆に、例示の実施形態は、代替例、修正例、および均等物を網羅することが意図されており、それらは、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の精神および範囲に含まれることが意図されている。さらに、例示の実施形態の詳細な説明において、特許請求された本発明の包括的な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が説明されている。しかし、様々な実施形態は、そのような具体的な詳細がなくても実施可能であるということを、当業者は理解するであろう。

本発明の例示の実施形態の特徴および部材が、特定の組み合わせの実施形態において説明されているが、それぞれの特徴または部材を、その実施形態の他の特徴および部材がなくても単独で使用することが可能であり、または、本明細書で開示された他の特徴および部材を備えたもしくは備えない様々な組み合わせにおいて使用することが可能である。

本明細書は、開示された主題の例を使用して、当業者が、任意のデバイスまたはシステムを製造し使用すること、および、任意の組み込まれた方法を実施することを含めて、これを実施できるようにする。主題の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く他の例を含むことが可能である。そのような他の例は、特許請求の範囲内であるということが意図されている。

１０ システム
１２ 鋳型
１４ 中子
１６ ケレン
１６ａ ケレン
１６ｂ ケレン
１８ 中央部
２０ プレート状部材
２６ ケーシング
２８ 境界面
３０ ヒータ
３１ リード線
３２ 空洞
３４ 層
３６ ケレン支持層
４０ センサ
４２ 制御ロジック構成部分
４４ 電源
Ａ１ 底部側表面
Ａ２ 上部表面

Claims (20)

1. ケレンを鋳物に融合させる方法であって、
   鋳型の上面に前記ケレンを設置するステップと、
   ヒータが前記鋳物にさらされないように前記ケレンの周囲で前記鋳型内に前記ヒータを配置するステップと、
   前記鋳型および中子が機械のコンポーネントを画定するように前記ケレンの上に前記中子を設置するステップと、
   前記ヒータを使用して前記ケレンを所定の温度に加熱するステップと、
   前記ケレンが前記所定の温度であるときに、前記中子および前記ケレンの周囲に、前記鋳型の中に前記鋳物を流し込むステップと、
   を含む、方法。
2. 前記ケレンを収容するために前記鋳型の上面に凹部を形成するステップと、
   前記ケレンの最下面が前記鋳型の前記上面と同一平面にならないように、前記凹部の中に前記ケレンを設置するステップと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ケレンおよび前記中子の重量を前記鋳型の前記上面に分散するために、前記ケレンの最大領域よりもケレン支持層の最大領域の方が大きくなるように、前記凹部と前記ケレンとの間に前記ケレン支持層を設置するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記ヒータが、前記鋳型の前記上面の下において、前記凹部の内部で全体に配置されるように、前記ヒータを前記ケレン支持層に巻き付けるステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記ヒータからの熱が前記鋳型の中へ拡散するのを防ぐために、低熱伝導性の層を使用して、前記ヒータ、前記ケレン支持層、および前記ケレンから前記凹部を断熱するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記ケレンの側面に前記ヒータを巻き付けるステップであって、前記ヒータは電気ヒータである、ステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記鋳物を流し込んだ後、前記ヒータのスイッチを切るステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記所定の温度が、１２１．１℃近辺である、請求項１に記載の方法。
9. 前記ケレンが鋼で作られており、前記鋳物は鉄系材料である、請求項１に記載の方法。
10. 前記ケレンと融合した前記鋳物を、両方の材料が冷却された後、前記鋳型から除去するステップと、
    前記ケレンと前記鋳物との間の境界面が漏れているかどうかを検査するために水圧試験を適用するステップと、
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記中子を支持するために複数のケレンを使用するステップであって、それぞれのケレンは、対応するヒータを使用して加熱される、ステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 機械のコンポーネントを鋳造するシステムであって、
    前記コンポーネントの外部表面を写す上面を有する鋳型と、
    前記鋳型の中に設置され、前記コンポーネントの中に空洞を形成する中子と、
    前記鋳型上に設置され、前記鋳型に対して前記中子を支持するように構成された少なくとも１つのケレンと、
    ヒータが前記鋳物にさらされないように前記ケレンに隣接して前記鋳型内に設置され、前記ケレンに熱を供給するように構成されたヒータと、
    を含む、システム。
13. 前記鋳型および前記中子が砂を含む、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記鋳型が、その中に前記ケレンの一部分が備えられる凹部を有するように構成された、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記凹部の底部と前記ケレンとの間に設けられたケレン支持層をさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記ヒータが、前記ケレン支持層に巻き付けられている、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記ヒータが、前記ケレンに巻き付けられている、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記鋳型に熱が流れるのを防ぐために、前記ケレンおよび前記ヒータから前記凹部を断熱するように構成された低熱伝導性材料をさらに含む、請求項１５に記載のシステム。
19. 前記ケレンの温度を計測するように構成された１つまたは複数の温度センサと、
    前記ケレンを所定の温度に加熱するために前記ヒータを制御するように構成された制御ロジック回路と、
    をさらに含む、請求項１５に記載のシステム。
20. 前記ケレンは鋼で作られており、鋳物は鉄系材料であり、前記ケレン支持層はグラファイトを含み、前記中子および前記鋳型は砂を含み、前記機械は圧縮機である、請求項１５に記載のシステム。