JP2015083710A

JP2015083710A - ミスト冷却装置

Info

Publication number: JP2015083710A
Application number: JP2013222528A
Authority: JP
Inventors: 一臣山西; Kazutomi Yamanishi; 弘之井上; Hiroyuki Inoue; 祐高根沢; Yu Takanezawa; 功二稲垣; Koji Inagaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-04-30

Abstract

【課題】ノズル装置からミスト化されて噴射されるミスト噴射範囲内の冷却能分布を一つのノズル装置のミスト噴射範囲内において容易に変更することが可能なミスト冷却装置を提供する。【解決手段】冷却液１４を噴射する噴射管１６ｂを有し噴射中心Ｃ１ほど高冷却能である分布で噴射管１６ｂから噴射される冷却液１４をミスト化するノズル装置１６と、噴射管１６ｂ内を通過する冷却液１４に冷却液１４の流通断面の中央部から離れるほどその中央部に対して相対的に低温となる温度差を付与する冷却器２０、加熱器２２とを含む。このため、ミストの付着量、粒径、粒速の分布から決定されていたノズル装置１６の噴射中心Ｃ１ほど高冷却能である分布に、噴射中心Ｃ１ほどミストが高温となる温度差が設けられることにより、一つのノズル装置１６からでもミスト化されて噴射されるミスト噴射範囲内の冷却能ｆｔ(ｘ)の分布が平坦となるように変更可能になる。【選択図】図３

Description

本発明は、被処理物に向かって噴射した冷却液のミストをその被処理物に付着させることによりその被処理物に冷却処理を施すミスト冷却装置に関し、特に、そのミスト冷却装置からミスト化されて噴射されるミスト噴射範囲内の冷却能分布を変更する技術に関する。

被処理物に向かって噴射した冷却液のミストをその被処理物に付着させることによりその被処理物に冷却処理を施すミスト冷却装置がある。例えば、特許文献１に示すようなミスト冷却装置がそれである。上記特許文献１のミスト冷却装置では、それぞれ粒径が異なるミスト状の冷却液を噴射可能な冷却能の異なる２種類のノズル装置を、被処理物の部位に応じてそれぞれ使用することにより、被処理物全体の冷却速度を制御している。

特開２０１１−１２２２１１号公報

ところで、上記のようなミスト冷却装置のノズル装置において、そのノズル装置からミスト化されて噴射されるミスト噴射範囲内の冷却能は、主にノズル装置から噴射されるミストの付着量(噴射量)、ミストの粒径、およびミストの粒速の分布によって決定されるが、一つのノズル装置から冷却液がミスト化されて噴射されるミスト噴射範囲内では、それらの分布は全て同じ傾向にある。すなわち、ミスト噴射範囲内において、ノズル装置から冷却液が噴射される噴射中心で大きく、その噴射中心から離れるに従って小さくなる分布となる傾向にある。このため、一つのノズル装置によるミスト噴射範囲内の冷却能は、噴射中心から離れるほど低下する分布となり、そのノズル装置からミスト化されて噴射されるミスト噴射範囲内の冷却能分布を任意に変更することが比較的困難であるという問題があった。

本発明は、以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、ノズル装置からミスト化されて噴射されるミスト噴射範囲内の冷却能分布を一つのノズル装置のミスト噴射範囲内において容易に変更することが可能なミスト冷却装置を提供することにある。

本発明者は種々の解析や検討を重ねた結果、以下に示す事実に到達した。すなわち、ミスト冷却装置において、ノズル装置からミスト化されて噴射されるミスト噴射範囲内の冷却能は、上記のように一般的にミストの付着量、ミストの粒径、ミストの粒速によって決定されるが、本発明者は、それらとは別にミストの温度について着目して、そのミストの温度を局所的に制御することにより上記冷却能の分布を変更し得ることを見いだした。たとえば、ミスト冷却装置に、ノズル装置の噴射管内を通過する冷却液にその冷却液の流通断面の中央部から離れるほどその中央部に対して相対的に低温となる温度差を付与する温度差付与装置を設けて、上記温度差付与装置により、上記ミストの付着量、ミストの粒径、ミストの粒速によって決定されていた冷却能分布を、ブロード(平坦化)とすることができることを見いだした。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。

前記目的を達成するために、本発明の要旨とするところは、(a) 被処理物に向かって噴射した冷却液のミストをその被処理物に付着させることによりその被処理物に冷却処理を施すミスト冷却装置であって、(b) 前記冷却液を一方向に向かって噴射する噴射管を有し、噴射中心ほど高冷却能である分布でその噴射管の出口から噴射される冷却液をミスト化するノズル装置と、(c) そのノズル装置の噴射管内を通過する前記冷却液に、その冷却液の流通断面の中央部から離れるほどその中央部に対して相対的に低温となる温度差を付与する温度差付与装置とを、含むことにある。

このように構成されたミスト冷却装置によれば、(b) 前記冷却液を一方向に向かって噴射する噴射管を有し、噴射中心ほど高冷却能である分布でその噴射管の出口から噴射される冷却液をミスト化するノズル装置と、(c) そのノズル装置の噴射管内を通過する前記冷却液に、その冷却液の流通断面の中央部から離れるほどその中央部に対して相対的に低温となる温度差を付与する温度差付与装置とを、含む。このため、前記ノズル装置から噴射される冷却液のミストの付着量、ミストの粒径、およびミストの粒速の分布から決定されていた前記ノズル装置の噴射中心ほど高冷却能である分布に、前記ノズル装置の噴射中心ほど高温となる温度差が設けられることにより、一つのノズル装置からでもそのノズル装置からミスト化されて噴射されるミスト噴射範囲内の冷却能分布が平坦となるように変更されることが可能になる。例えば、前記ノズル装置から噴射される冷却液内の温度差を、前記冷却能分布が略一定になるように設けることによって、前記ノズル装置から冷却液がミスト化されて噴射されるミスト噴射範囲において略均一な冷却が可能になる。

本発明が好適に適用されたミスト冷却装置を備える熱処理装置の冷却室内を概略的に示す図である。図１のミスト冷却装置に設けられたノズル装置の構成を説明する断面図である。図１のミスト冷却装置のノズル装置からミスト化されて噴射されるミスト噴射範囲内の冷却能分布を示す図である。本発明の他の実施例のミスト冷却装置を示す図である。

以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は理解を容易とするために適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明が好適に適用されたミスト冷却装置１０を備える熱処理装置の冷却室１２内を概略的に示す図である。上記熱処理装置は、図示しないが、例えば軸部材である被処理物Ｍに対して焼き入れ等の熱処理を施すものであって、その被処理物Ｍを加熱する加熱室とその加熱室で加熱された被処理物Ｍをミスト冷却装置１０から噴射されるミスト化された冷却液１４により急速冷却する冷却室１２とを有している。また、上記熱処理装置において、上記加熱室と冷却室１２との間には、図示しないが、開閉可能な隔壁と、その隔壁が開放時において上記加熱室から冷却室１２へ向けて被処理物Ｍを搬送することが可能な搬送経路とが設けられている。なお、上記熱処理装置の隔壁が閉じた時には、上記加熱室および冷却室１２がそれぞれ密封状態になる。また、被処理物Ｍは、上記熱処理装置によって熱処理すなわち焼き入れが施されるものであって、例えば所定量の炭素を含有した鋼等の金属材料からなる。また、上記冷却液１４には、例えば水、油等が使用される。

以上のように構成された上記熱処理装置では、上記加熱室で被処理物Ｍが所定温度に加熱されて、その加熱された被処理物Ｍが上記搬送経路によって冷却室１２に搬送される。そして、上記熱処理装置の冷却室１２内において、ミスト冷却装置１０から噴射されるミスト状の冷却液１４によって被処理物Ｍが急冷されてその被処理物Ｍに焼き入れが施される。

以下、上記熱処理装置に設けられたミスト冷却装置１０を図１乃至図３を用いて詳細に説明する。ミスト冷却装置１０は、図１に示すように、そのミスト冷却装置１０に備えられたノズル装置１６から被処理物Ｍに向かって噴射した冷却液１４のミストを被処理物Ｍに付着させることによりその被処理物Ｍに冷却処理を施すものである。上記ノズル装置１６は、図２に示すように、そのノズル装置１６を冷却室１２内に取り付ける取付部１６ａと、ポンプ１８によって加圧された冷却液１４を一方向に向かって噴射する管状の噴射管１６ｂと、その噴射管１６ｂの先端部の外周に配設された略円筒形状のノズル部１６ｃとを有しており、そのノズル部１６ｃすなわち噴射管１６ｂの出口から噴射される冷却液１４をミスト化する。なお、噴射管１６ｂはその噴射管１６ｂの長手方向において内径が略同じになるように形成されており、その噴射管１６ｂ内においてポンプ１８によって供給される冷却液１４は、その冷却液１４の流れが層流となり且つ噴射管１６ｂの出口から噴射される冷却液１４がミスト化されるように、噴射管１６ｂの内径、噴射管１６ｂ内の冷却液１４の圧力および流速が予め実験等により求められた値に、例えば噴出管１６ｂの内径が３ｍｍ、冷却液１４の圧力が０．５ＭＰａ、冷却液１４の流速が１０ｍ／ｓｅｃ等に設定されている。

図２に示すように、ミスト冷却装置１０には、ノズル装置１６のノズル部１６ｃの外周に固定された円環状の冷却部２０ａを有し、その冷却部２０ａを冷却することによってノズル部１６ｃを介して噴射管１６ｂすなわちその噴射管１６ｂ内を通過する冷却液１４の流通断面の外周側を積極的に冷却する冷却器２０と、噴射管１６ｂの中心すなわち噴射中心Ｃ１に沿うように伸長され噴射管１６ｂ内に配設された電熱線２２ａを有し、その電熱線２２ａを加熱することによって噴射管１６ｂ内を通過する冷却液１４の流通断面の中央部を積極的に加熱する加熱器２２とが備えられている。また、上記冷却器２０は、その冷却部２０ａによってその冷却液１４の流通断面の外周を冷却し、上記加熱器２２は、その電熱線２２ａによって冷却液１４の流通断面の中央部を加熱するので、ノズル装置１６の噴射管１６ｂ内を通過する冷却液１４に、その冷却液１４の流通断面の中央部から離れるほどその中央部に対して相対的に低温となる温度差を付与することができる。すなわち、上記冷却器２０および加熱器２２は、ノズル装置１６の噴射管１６ｂ内を通過する冷却液１４に、その冷却液１４の流通断面の中央部から離れるほどその中央部に対して相対的に低温となる温度差を付与する温度差付与装置として機能している。なお、上記冷却器２０では、その冷却器２０で冷却した冷却水を冷却部２０ａに供給しており、その冷却部２０ａに供給した冷却水が再度冷却器２０に戻されるようになっている。

図３は、ミスト冷却装置１０のノズル装置１６からミスト化されて噴射されるミスト噴射範囲内の冷却能ｆｔ(ｘ)の分布を示す図である。なお、上記図３において、その図３の横軸は上記冷却液１４のミスト噴射範囲内の冷却能ｆｔ(ｘ)を示し、その図３の縦軸はノズル装置１６から噴射されたミスト状の冷却液１４の噴射位置ｘを示す。また、上記冷却液１４のミスト噴射範囲内の冷却能ｆｔ(ｘ)(＝ｆ１(ｘ)＋ｆ２(ｘ))は、ノズル装置１６から噴射される冷却液１４のミストの付着量(Ｄ^ｌ)、そのミストの粒径(ｄ^ｎ)、そのミストの粒速(ｖ^ｍ)によって決定される第１冷却能ｆ１(ｘ)と、ノズル装置１６から噴射された冷却液１４のミストの温度差によって決定される第２冷却能ｆ２(ｘ)と、に基づいて決定されるようになっている。すなわち、上記冷却能ｆｔ(ｘ)は、上記第１冷却能ｆ１(ｘ)と上記第２冷却能ｆ２(ｘ)とを組み合わせたものである。

図３に示すように、上記第１冷却能ｆ１(ｘ)の分布は、冷却液１４に温度差が設けられていない従来の場合は一点鎖線で表す図３の曲線で示すように噴射中心Ｃ１ほど高冷却能であり、その第１冷却能ｆ１(ｘ)は例えば下記式(１)から算出することができる。なお、上記第１冷却能ｆ１(ｘ)では、例えば、ミストの付着量(Ｄ^ｌ)を大きくさせたり小さくさせたりすると、ミストの粒径(ｄ^ｎ)、ミストの粒速(ｖ^ｍ)が小さくなったり大きくなったりするので、第１冷却能ｆ１(ｘ)の分布すなわち噴射中心Ｃ１ほど高冷却能である分布を変更させることが困難である。
ｆ１(ｘ)＝(Ｂｖ^ｍ＋Ｃｄ^ｎ)Ｄ^ｌＴ_Ｗ・・・(１)
但し、式(１)において、Ｂ、Ｃは定数であり、Ｔ_Ｗは被処理物Ｍの温度である。

また、上記第２冷却能ｆ２(ｘ)は、例えば下記式(２)から算出することができる。式(２)では、ノズル装置１６から噴射されるミスト温度差に関連するその式(２)のΔＴｍを変更することによって、その第２冷却能ｆ２(ｘ)の分布を変更することができる。
ｆ２(ｘ)＝ＡρＣｐＤ^ｌΔＴｍ・・・(２)
但し、式(２)において、Ａは定数であり、ρは冷却液１４の密度であり、Ｃｐは冷却液１４の比熱であり、ΔＴｍはミスト温度の沸点からの差である。

本実施例のミスト冷却装置１０では、ノズル装置１６から噴射される冷却液１４のミスト噴射範囲の温度分布をそのミスト噴射範囲内において噴射中心Ｃ１ほど高くなるように、上記冷却器２０および加熱器２２の少なくとも一方によって、ノズル装置１６の噴射管１６ｂ内を通過する冷却液１４にその冷却液１４の流通断面の中央部から離れるほどその中央部に対して相対的に低温となる温度差を付与させる。これによって、ノズル装置１６から噴射されるミスト状の冷却液１４の温度分布が、ミスト噴射範囲内において噴射中心Ｃ１ほど高くなり、図３に示すように、第２冷却能ｆ２(ｘ)の分布が第１冷却能ｆ１(ｘ)の分布に相反するようになるので、ミスト噴射範囲内の冷却能ｆｔ(ｘ)の分布がそのミスト噴射範囲内において平坦化される。なお、本実施例のミスト冷却装置１０において、冷却器２０の冷却部２０ａおよび加熱器２２の電熱線２２ａで設定される温度は、ノズル装置１６から噴射される冷却液１４のミストの第２冷却能ｆ２(ｘ)の分布を考慮し、ミスト噴射範囲内の冷却能ｆｔ(ｘ)の分布がそのミスト噴射範囲内において平坦化するように予め実験等によって設定された温度である。

以上のように構成されたミスト冷却装置１０では、図１に示すように、冷却室１２内において軸心Ｃ２回りに回転している被処理物Ｍである軸部材に、そのノズル装置１６からミスト噴射範囲において所望の冷却能分布たとえば略均一な冷却能ｆｔ(ｘ)の分布を有する冷却液１４のミストが噴射されると、上記加熱室で加熱された上記軸部材全体が略均一に冷却される。

上述のように、本実施例のミスト冷却装置１０によれば、ポンプ１８により加圧された冷却液１４を一方向に向かって噴射する噴射管１６ｂを有し、噴射中心Ｃ１ほど高冷却能である分布でその噴射管１６ｂの出口から噴射されるその冷却液１４をミスト化するノズル装置１６と、そのノズル装置１６の噴射管１６ｂ内を通過する冷却液１４に、その冷却液１４の流通断面の中央部から離れるほどその中央部に対して相対的に低温となる温度差を付与する温度差付与装置である冷却器２０および加熱器２２とを、含む。このため、ノズル装置１６から噴射される冷却液１４のミストの付着量Ｄ^ｌ、ミストの粒径ｄ^ｎ、およびミストの粒速ｖ^ｍの分布から決定されていたノズル装置１６の噴射中心Ｃ１ほど高冷却能である分布に、ノズル装置１６の噴射中心Ｃ１ほど高温となる温度差が設けられることにより、一つのノズル装置１６からでもそのノズル装置１６からミスト化されて噴射されるミスト噴射範囲内の冷却能ｆｔ(ｘ)の分布が平坦となるように変更されることが可能になる。例えば、ノズル装置１６から噴射される冷却液１４内の温度差を、ミスト噴射範囲内の冷却能ｆｔ(ｘ)の分布が略一定になるように設けることによって、ノズル装置１６から冷却液１４がミスト化されて噴射されるミスト噴射範囲において略均一な冷却が可能になる。

続いて、本発明の他の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明において、実施例相互に共通する部分については同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施例のミスト冷却装置は、略円環状のノズル装置２４に複数本(本実施例では８本)の噴射管１６ｂが設けられている点で相違しており、その他の点は、実施例１のミスト冷却装置１０と略同様である。

ノズル装置２４は、図４に示すように、複数本の噴射管１６ｂが設けられた円環状のノズル部２４ａを有しており、そのノズル部２４ａすなわち複数本の噴射管１６ｂの出口から噴射される冷却液１４をミスト化する。なお、上記複数本の噴射管１６ｂでは、実施例１と同様に、それら噴射管１６ｂ内においてポンプによって供給される冷却液１４は、その冷却液１４の流れが層流となり且つ噴射管１６ｂの出口から噴射される冷却液１４がミスト化されるように、それぞれの噴射管１６ｂにおいて、噴射管１６ｂの内径、噴射管１６ｂ内の冷却液１４の圧力および流速が予め実験等により求められた値に設定されている。

ノズル装置２４のノズル部２４ａには、図４に示すように、円環状の一対の冷却路２４ｂおよび２４ｃが形成されており、それら一対の冷却路２４ｂおよび２４ｃに図示しない冷却器から冷却水が供給されるようになっている。このため、ノズル部２４ａによって、複数本の噴射管１６ｂすなわちそれら複数本の噴射管１６ｂ内を通過する冷却液１４の流通断面の外周側が積極的に冷却されるようになっている。

本実施例のミスト冷却装置では、ノズル装置２４のノズル部２４ａに設けられた複数本の噴射管１６ｂからそれぞれ噴射されるミスト状の冷却液１４の温度分布を、それぞれの噴射管１６ｂから噴射されるミスト噴射範囲内において噴射中心Ｃ１ほど高くなるように、上記ノズル部２４ａおよび加熱器２２の電熱線２２ａによって、それら複数本の噴射管１６ｂ内を通過する冷却液１４にその冷却液１４の流通断面の中央部から離れるほどその中央部に対して相対的に低温となる温度差を付与させる。これによって、ノズル部２４ａに設けられた複数本の噴射管１６ｂのそれぞれから噴射されるミスト状の冷却液１４の温度分布が、ミスト噴射範囲内において噴射中心Ｃ１ほど高くなり、実施例１と同様に第２冷却能ｆ２(ｘ)の分布が第１冷却能ｆ１(ｘ)の分布に相反するようになるので、複数本の噴射管１６ｂからそれぞれ噴射されるミスト噴射範囲内の冷却能ｆｔ(ｘ)の分布がそのミスト噴射範囲内において平坦化される。

以上のように構成された本実施例のミスト冷却装置では、冷却室１２内において被処理物Ｍである軸部材が円環状のノズル部２４ａの内周側すなわち円環状のノズル部２４ａの中心Ｃ３に配設され、その軸部材にノズル装置２４に設けられた複数本の噴射管１６ｂからミスト噴射範囲において略均一な冷却能ｆｔ(ｘ)の分布を有する冷却液１４のミストが噴射されると、上記加熱室で加熱された上記軸部材全体が略均一に冷却される。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、その他の態様においても適用される。

本実施例のミスト冷却装置１０では、ノズル装置１６の噴射管１６ｂ内を通過する冷却液１４にその冷却液１４の流通断面の中央部から離れるほどその中央部に対して相対的に低温となる温度差を付与する温度差付与装置として冷却器２０および加熱器２２が使用されたが、例えば冷却器２０と加熱器２２とのいずれか一方から上記温度差付与装置が構成されても良い。

また、本実施例のミスト冷却装置１０では、冷却器２０および加熱器２２からなる温度差付与装置によって、ミスト噴射範囲内の冷却能ｆｔ(ｘ)の分布が平坦化させられていたが、必ずしも、ミスト噴射範囲内の冷却能ｆｔ(ｘ)の分布が平坦化させられる必要はない。例えば、上記温度差付与装置によって、ミスト噴射範囲内の冷却能ｆｔ(ｘ)の分布が噴射中心Ｃ１ほど低冷却能となるようにさせられても良い。

尚、上述したのはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

１０：ミスト冷却装置
１４：冷却液
１６、２４：ノズル装置
１６ｂ：噴射管
２０：冷却器(温度差付与装置)
２２：加熱器(温度差付与装置)
Ｃ１：噴射中心
Ｍ：被処理物

Claims

被処理物に向かって噴射した冷却液のミストを該被処理物に付着させることにより該被処理物に冷却処理を施すミスト冷却装置であって、
前記冷却液を一方向に向かって噴射する噴射管を有し、噴射中心ほど高冷却能である分布で該噴射管の出口から噴射される該冷却液をミスト化するノズル装置と、
該ノズル装置の噴射管内を通過する前記冷却液に、該冷却液の流通断面の中央部から離れるほど該中央部に対して相対的に低温となる温度差を付与する温度差付与装置と
を、含むことを特徴とするミスト冷却装置。