JP2011012303A

JP2011012303A - ワークのガス冷却装置およびガス冷却方法

Info

Publication number: JP2011012303A
Application number: JP2009156919A
Authority: JP
Inventors: Shohei Yokomoto; 祥平横本; Fumitaka Abukawa; 文隆虻川; Koji Abe; 浩次阿部
Original assignee: Dowa Thermotech Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Dowa Thermotech Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-07-01
Filing date: 2009-07-01
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2029-07-01
Also published as: JP5511240B2

Abstract

【課題】ワークの焼入れ処理を行う場合に、該ワークの上面、側面および下面に均一な冷却ガスを接触させ、ワークの焼入れ処理（冷却）を極めて高精度で均一に行う、ワークのガス冷却装置およびガス冷却方法を提供する。
【解決手段】ワークを入れる減圧密閉容器と、減圧密閉容器内を真空にする真空ポンプと、減圧密閉容器内に冷却ガスを供給する冷却ガス供給源と、を備え、減圧密閉容器は上蓋、底板、外筒および内筒から成り、外筒と内筒の間に設けられる冷却媒体が流れる冷却流体流路と、内筒の中心部に設けられるワークを保持する支持台と、内筒と支持台の間に配置される中間筒と、中間筒と内筒、上蓋および底板との間にそれぞれ形成される冷却ガス流路と、中間筒と支持台の間に設けられ、冷却ガスをワークの側面に向けて整流する整流機構と、中間筒の上部中央に配置される循環ファンと、循環ファンを駆動させるためのモーターと、を備えるガス冷却装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、ワークのガス冷却装置およびガス冷却方法に関する。

自動車の内部部品（例えばトランスミッション部品等）に用いられる歯車等のワーク（鋼部品）の製造過程においては、焼入れ処理を行うために、前段工程において加熱処理が行われた後、冷却装置によってワークの冷却が行われる。そこで、特許文献１にはワーク（鋼部品）を入れた減圧密閉容器内に冷却ガスを封入し、その冷却ガスを減圧密閉容器内でファンによって循環させワークを強制対流冷却させるガス冷却方法およびガス冷却装置が開示されている。

図１には、特許文献１に開示されている従来のガス冷却装置における減圧密閉状態である容器１００の縦断面図を示す。容器１００は外筒１０８と内筒１０９から成る二重構造であり、この二重筒間には冷却水が通る冷却水路１１０が形成されている。内筒１０９の中心部１１１には支持台１１２が設けられ支持台１１２には冷却対象であるワーク１２０が保持される。また、内筒１０９と支持台１１２の間には中間筒１１４が配置され、この中間筒１１４と内筒１０９の間、中間筒１１４と容器１００の上蓋１０１との間および中間筒１１４と容器１００の底板１０２との間には流体流路１２２〜１２４が形成されている。中間筒１１４の内周面には、中心部１１１で最も狭くなり、これより上下方向に向かって次第に広がる逆円錐台形状および円錐台形状の断面形状を持つ空間１２６、１２７が形成されるような環状壁１２９が設けられている。

また、中間筒１１４内の上部中央には回転軸１３１に支持される循環ファン１３０が設置され、上蓋１０１上部に載置されたモーター１３３の動力によって循環ファン１３０が稼動（回転）する。循環ファン１３０の下面と支持台１１２間の空間１２６には空間１２６を流れる流体を整流するための内部ダクト１３５が配置される。

図２（ａ）にはこの内部ダクト１３５の平面図、図２（ｂ）には内部ダクト１３５の正面図を示す。図２に示すように内部ダクト１３５は、空間１２６の上部から中心部１１１に向かって延びる逆円錐台形状のコア部１３６と、コア部１３６の外周面に互いに円周方向に離間して上下方向および半径方向外側に延び、その上端が互いに同一円周方向に弧状に湾曲する複数のガイド片１３７から構成される。このガイド片１３７の任意のものが中間筒１１４の環状壁１２９に固定されることで、内部ダクト１３５は固定される。

また、内筒１０９の内周面には伝熱フィン１４０が設置されている。一方、容器１下方の底板１０２上には、その中央部が円錐台形状に上方に盛り上がり、周辺部が弧状に上方に湾曲する下部整流板１４５が設置され、容器１００上方の上蓋１０１下面には、その中央部が逆円錐台形状に下方に突出する上部整流板１４６が設置される。なお、モーター１３３の回転軸１４８はこの上部整流板１４６の中央部を貫通して循環ファン１３０に連通する構成となっている。

以上説明したように構成される従来のガス冷却装置において、ワーク１２０が支持台１１２に保持された後、容器１００内に冷却ガスが導入され、容器１００に冷却ガスが封入される。そして、循環ファン１３０をモーター１３３の稼動により回転させ、冷却ガスを図１に示す矢印のように流体流路１２２〜１２４において循環させる。ワーク１２０は容器１００内を循環する冷却ガスによって所定の時間冷却される。ここで、容器１００内の冷却ガスは、冷却水路１１０を通る冷却水によって水冷された伝熱フィン１４０に接触することによって随時冷却され、その冷却性能が常時担保される。

冷却ガスをしては、例えば一種の不活性ガス、一種または二種以上の混合不活性ガス、または水素ガス単体や、水素ガスと不活性ガスの混合ガスが用いられる。

特開２０００−８７１３６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のガス冷却装置を用いてワークの冷却を行う場合、ワークの上面に、上方から冷却ガスが接触し、その後ワークの側面、下面に冷却ガスが接触するというように、常時均一に冷却ガスがワークに接触する状態での冷却ができなかった。ワークとしては例えば歯車が例示されるが、その歯車の歯部は側面に設けられているため、ワークが歯車である場合、歯部の冷却が均一に行われない恐れがあった。歯車の歯部にはその性質上極めて緻密な精度での焼入れ処理が求められるため、上面、側面、下面に対し高精度に均一な焼入れ処理（冷却）が行われる必要がある。即ち、ワークの焼入れ処理に極めて高精度な均一性が求められる場合、上記特許文献１に記載のガス冷却装置ではその冷却において十分な精度が担保されないという問題点があった。

また、ワーク上面と下面の冷却が均一に行われないために、例えば歯車の歯部だけに限らず、ワーク全体の形状が変形してしまう恐れがあった。これは、ワーク上面に接触する冷却ガスの速度とワーク下面に接触する冷却ガスの速度が異なるため、上面と下面での冷却速度に差異が生じてしまうためである。

そこで、上記問題点に鑑み、本発明の目的は、ワークの焼入れ処理を行う場合に、該ワークの上面、側面および下面に均一な冷却ガスを接触させ、ワークの焼入れ処理（冷却）を極めて高精度で均一に行う、ワークのガス冷却装置およびガス冷却方法を提供することにある。

本発明によれば、ワークに冷却ガスを接触させて冷却するガス冷却装置であって、ワークを入れる減圧密閉容器と、前記減圧密閉容器内を真空にする真空ポンプと、前記減圧密閉容器内に冷却ガスを供給する冷却ガス供給源と、を備え、前記減圧密閉容器は上蓋、底板、外筒および内筒から成り、前記外筒と前記内筒の間に設けられる冷却媒体が流れる冷却流体流路と、前記内筒の中心部に設けられる前記ワークを保持する支持台と、前記内筒と前記支持台の間に配置される中間筒と、前記中間筒と前記内筒、前記上蓋および前記底板との間にそれぞれ形成される冷却ガス流路と、前記中間筒と前記支持台の間に設けられ、冷却ガスを前記ワークの側面に向けて整流する整流機構と、前記中間筒の上部中央に配置される循環ファンと、前記循環ファンを駆動させるためのモーターと、を備えるガス冷却装置が提供される。

また、前記内筒の内周面に冷却フィンが形成されていてもよく、前記循環ファンの回転数が可変であってもよい。前記循環ファンの下面と前記支持台との間に前記中間筒内を流れる冷却ガスを整流するための内部ダクトを有していてもよい。また、前記内部ダクトは、円錐台形状のコア部と、前記コア部の外周面に互いに相離れた上下方向および半径方向に延び、その上端が互いに同一円周方向に弧状に湾曲する複数のガイド片とから成っていてもよい。

前記底板の上面に、その中央部が円錐台形状に上方に盛り上がり、周辺部が弧状に上方に湾曲する下部整流板を有していても良く、前記上蓋の下面に、その中央部が逆円錐台形状に下方に突出する上部整流板を有していてもよい。

一方、別な観点からの本発明によれば、ワークに冷却ガスを接触させて冷却するガス冷却方法であって、前記ワークを入れた減圧密閉容器に冷却ガスを封入し、前記減圧密閉容器の上部中央に設けた循環ファンにより冷却ガスを前記減圧密閉容器内で循環させ、前記ワークの側面部に、均一に冷却ガスを接触させて前記ワークを冷却する、ガス冷却方法が提供される。

前記循環ファンの回転数は自在に変更可能であってもよく、前記冷却ガスは、１ＭＰａ以下の圧力の不活性ガス、水素ガスまたはこれら２種の混合ガスであってもよい。

本発明によれば、ワークの焼入れ処理を行う場合に、該ワークの上面、側面および下面に均一な冷却ガスを接触させ、ワークの焼入れ処理（冷却）を極めて高精度で均一に行い、ワークの変形を防止することが可能となる。また、使用圧力が低く、複雑な熱交換器を必要とせず、モーターも低出力の汎用モーターを使用することができるため、設備の簡素化、設備コストの低減が可能となる。

従来のガス冷却装置における減圧密閉状態である容器１００の縦断面図である。（ａ）従来のガス冷却装置における内部ダクト１３５の平面図である。（ｂ）従来のガス冷却装置における内部ダクト１３５の正面図である。ガス冷却装置１全体の概略説明図である。容器１０の構成を示す説明図である。（ａ）ガス冷却装置１における内部ダクト４０の平面図である。（ｂ）ガス冷却装置１における内部ダクト４０の正面図である。ワーク５近傍の冷却ガスの流れを示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図３は本実施の形態にかかるガス冷却装置１全体の概略説明図である。ワーク５が投入される、減圧および密閉可能な容器１０は、排気バルブ１１を備える排気路１２を介して、真空ポンプ１４に連通している。また、容器１０は、導入バルブ１６を備える導入路１７を介して、冷却ガスを貯留する貯留部２０と連通している。

また、図４は容器１０の構成を示す説明図である。容器１０は外筒２４と内筒２５からなる二重筒構造であり、この外筒２４と内筒２５の間には冷却水が通る冷却水路２８が形成されている。容器１０の側面にはワーク５の搬入・搬出を行う出入口２７が設けられている。内筒２５の中心部にはワーク５を保持する支持台３０が設置されており、例えば、歯車等のリング状の鋼部品であるワーク５の冷却時には、この支持台３０に保持される。また、内筒２５と支持台３０の間には中間筒３２が配置される。中間筒３２と容器１０の上蓋３４、中間筒３２と内筒２５および中間筒３２と容器１０の底板３５との間には流体通路３７〜３９が形成される。なお、上蓋３４には図３で示した導入路１７が設けられ、底板３５には図３で示した排気路１２が設けられており、図４には図示しないが、それぞれ貯留部２０、真空ポンプ１４に連通している。

中間筒３２の内部中央の支持台３０上部には、円錐台形状（上に凸形状）の内部ダクト４０が配置されており、内部ダクト４０の側方、即ち中間筒３２と内部ダクト４０の間には、下方向に向かって狭くなる空間４２が形成されている。図５には、内部ダクト４０の平面図（図５ａ）および正面図（図５ｂ）を示す。ここで、内部ダクト４０は、円錐台形状のコア部４０ａとコア部４０ａの外周面に互いに相離れた上下方向および半径方向に延び、その上端が互いに同一円周状に弧状に湾曲する複数のガイド片４０ｂから成っている。このガイド片４０ｂに沿って冷却ガスが流動する構成となっている。

また、空間４２の下部には、空間４２を流れる流体を支持台３０の方向（ワーク５の方向）に整流する整流機構４５が設置されている。整流機構４５は支持台３０およびワーク５を囲むようなドーナツ形状であり、複数の湾曲した整流流路４５ａと冷却後のガスを排出する排出部４５ｂから構成されている。図４に示すように、整流流路４５ａの一方の端部は空間４２に面して上方に開口しており、他方の端部は支持台３０に保持された状態のワーク５側面に対向するように開口している。また、整流流路４５ａの下部には容器１０の下方に向かって広がる円錐台形状の排出部４５ｂが配置される。

中間筒３２内の上部中央には回転軸４９に支持される循環ファン５０が設置され、回転軸４９と接続されている上蓋３４上部に載置されるモーター５１の駆動により循環ファン５０は回転する。

また、図４に示すように、内筒２５の内周面には、鋼製の伝熱フィン５３が複数取り付けられ、冷却水路２８の冷却能が伝熱フィン５３に伝達される構成となっている。一方、上蓋３４の下面には、その中央部６０ａが逆円錐台形状に下方に突出する上部整流板６０が配置され、底板３５の上面にはその中央部６１ａが円錐台形状に盛り上がり、周辺部６１ｂが弧状に上方に湾曲する下部整流板６１が配置される。

以上図３および図４を参照して説明したように構成されるガス冷却装置１において、例えば鋼部品の焼入れ処理等に代表されるワーク５のガス冷却が行われる。以下にそのガス冷却について説明する。

まず、貯留部２０から例えば窒素、ヘリウム等の不活性ガス、水素ガスあるいはこれらのガスを２種ないし３種を混合したガスである冷却ガスが導入路１７を介して容器１０に導入される。この冷却ガスの導入に際し、容器１０内部は真空ポンプ１４の稼動により減圧される。冷却ガス導入後の容器１０内の内圧は１ＭＰａ以下であることが好ましく、該圧力で十分な冷却能力を有し、且つ均一な冷却が可能である。そして、前段工程において加熱処理がなされた高温のワーク５が出入口２７から容器１０へ搬入される。搬入されたワーク５は支持台３０に保持される。

続いて、モーター５１の稼動により循環ファン５０が回転し、容器１０内部に導入された冷却ガスの循環が行われる。ここで、容器１０内部における冷却ガスの循環経路は、上部整流板６０、下部整流板６１および整流機構４５による冷却ガスの整流に伴い、空間４２、整流機構４５内部、流体通路３９、３８、３７を経由する経路（図４中の矢印に示すような経路）となる。所定の時間循環ファン５０を回転させて冷却ガスを容器１０内に循環させ、ワーク５の冷却が行われる。ここで、流体通路３８を通過する冷却ガスは、内筒２５の内周面に取り付けられた伝熱フィン５３に接触する。伝熱フィン５３は冷却水路２８の冷却能によって水冷されているため、伝熱フィン５３に接触した冷却ガスもまた冷却される。即ち、容器１０内を循環する冷却ガスは、高熱のワーク５との熱交換によりワーク５を冷却するとともに、伝熱フィン５３との接触により冷却されるため、冷却ガスの冷却能が担保され、ワーク５の冷却が効率的に行われる。

図６は、本実施の形態にかかるガス冷却装置１におけるワーク５近傍の冷却ガスの流れを示す説明図である。なお、図６中の矢印が冷却ガスの流れを示す。図６に示されるように、整流流路４５ａの開口部は、ワーク５の側面に垂直に冷却ガスが噴射されるように開口している。そのため、ワーク５の側面に冷却ガスは均一に噴射され、冷却が均一に行われる。また、整流機構４５（整流流路４５ａ）とワーク５の位置関係を適宜変更することにより、図６中の矢印に示すようにワーク５の上面および下面に冷却ガスが均一に流動・接触させられるような装置構成をとることが可能であるため、整流機構４５とワーク５の位置関係を適当なものとすることにより、ワーク５の上面および下面に均一に冷却ガスを流動・接触させることが可能となる。即ち、整流機構４５とワーク５の位置関係を好適なものとすることにより、ワーク５側面、上面および下面に均一に冷却ガスを接触させることができる。

従って、従来のワーク上面方向から冷却ガスを流動させる方法と比べ、ワーク５の上面と下面に対する冷却ガスの噴射量や流動速度が均一となり、ワーク５の上面と下面の冷却が均一に行われるため、ワーク５の上面と下面での冷却が不均一に行われることによって発生するワーク５の変形が防止されることとなる。また、ワーク５として例示される歯車における歯部は、通常ワーク５の側面部であり、本実施の形態にかかるガス冷却装置１によれば、この側面部全体に対する冷却も均一に行われることから、極めて緻密な均一性が求められる歯車の歯部の冷却（焼入れ）においても、本実施の形態にかかるガス冷却装置１は有用である。

以上、本発明の実施の形態の一例を説明したが、本発明は図示の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施の形態においては、整流流路４５ａの開口部はワーク５の側面に垂直に冷却ガスが噴射されるように配置されるとしたが、これに限られるものではなく、ワーク５の側面および上面・下面に均一に冷却ガスが接触するように開口部の角度や整流流路４５ａの位置を調整することが望ましい。また、内部ダクト４０の形状は円錐台形状であるとし、上部整流板６０は、その中央部６０ａが逆円錐台形状に下方に突出する形状であり、下部整流板６１は、その中央部６１ａが円錐台形状に盛り上がり、周辺部６１ｂが弧状に上方に湾曲する形状であるとしたが、本発明はこれに限られることはなく、容器１０内を冷却ガスが効率的に循環するような整流板の形状を適宜定めることが望ましい。

また、上記実施の形態において、ワーク５として鋼部品である歯車を例示して説明したが、本発明の適用対象はこれに限られるものではなく、加熱処理等がなされた高温の鋼材や部品等であれば、容易に本発明を用いて均一な冷却を行うことが可能である。

本発明は、ワークのガス冷却装置およびガス冷却方法に適用できる。

１…ガス冷却装置
５…ワーク
１０…容器
１１…排気バルブ
１２…排気路
１６…導入バルブ
１７…導入路
２０…貯留部
２４…外筒
２５…内筒
２７…出入口
２８…冷却水路
３０…支持台
３２…中間筒
３４…上蓋
３５…底板
３７、３８、３９…流体通路
４０…内部ダクト
４０ａ…コア部
４０ｂ…ガイド片
４２…空間
４５…整流機構
４５ａ…整流流路
４５ｂ…排出部
４９…回転軸
５０…循環ファン
５３…伝熱フィン
６０…上部整流板
６１…下部整流板

Claims

ワークに冷却ガスを接触させて冷却するガス冷却装置であって、
ワークを入れる減圧密閉容器と、
前記減圧密閉容器内を真空にする真空ポンプと、
前記減圧密閉容器内に冷却ガスを供給する冷却ガス供給源と、を備え、
前記減圧密閉容器は上蓋、底板、外筒および内筒から成り、
前記外筒と前記内筒の間に設けられる冷却媒体が流れる冷却流体流路と、
前記内筒の中心部に設けられる前記ワークを保持する支持台と、
前記内筒と前記支持台の間に配置される中間筒と、
前記中間筒と前記内筒、前記上蓋および前記底板との間にそれぞれ形成される冷却ガス流路と、
前記中間筒と前記支持台の間に設けられ、冷却ガスを前記ワークの側面に向けて整流する整流機構と、
前記中間筒の上部中央に配置される循環ファンと、
前記循環ファンを駆動させるためのモーターと、を備えるガス冷却装置。
前記内筒の内周面に冷却フィンが形成されている、請求項１に記載のガス冷却装置。
前記循環ファンの回転数が可変である、請求項１または２に記載のガス冷却装置。
前記循環ファンの下面と前記支持台との間に前記中間筒内を流れる冷却ガスを整流するための内部ダクトを有する、請求項１〜３のいずれかに記載のガス冷却装置。
前記内部ダクトは、円錐台形状のコア部と、前記コア部の外周面に互いに相離れた上下方向および半径方向に延び、その上端が互いに同一円周方向に弧状に湾曲する複数のガイド片とから成る、請求項４に記載のガス冷却装置。
前記底板の上面に、その中央部が円錐台形状に上方に盛り上がり、周辺部が弧状に上方に湾曲する下部整流板を有する、請求項１〜５のいずれかに記載のガス冷却装置。
前記上蓋の下面に、その中央部が逆円錐台形状に下方に突出する上部整流板を有する、請求項１〜６のいずれかに記載のガス冷却装置。
前記冷却ガスは、１ＭＰａ以下の圧力の不活性ガス、水素ガスまたはこれら２種の混合ガスである、請求項１〜７のいずれかに記載のガス冷却装置。
ワークに冷却ガスを接触させて冷却するガス冷却方法であって、
前記ワークを入れた減圧密閉容器に冷却ガスを封入し、前記減圧密閉容器の上部中央に設けた循環ファンにより冷却ガスを前記減圧密閉容器内で循環させ、
前記ワークの側面部に、均一に冷却ガスを接触させて前記ワークを冷却する、ガス冷却方法。
前記循環ファンの回転数は自在に変更可能である、請求項８または９に記載のガス冷却方法。
前記冷却ガスは、１ＭＰａ以下の圧力の不活性ガス、水素ガスまたはこれら２種の混合ガスである、請求項９または１０に記載のガス冷却方法。