JP2021513917A - 冷却システム - Google Patents

Abstract

ターゲット素材（４）およびプレナムまたはヘッダー構造体（６）を含む冷却システム（２）が提供される。複数のノズル構造体（８）が、各ノズル構造体（８）から均一な流動ストリームを提供するプレナムまたはヘッダー構造体（６）に結合される。ノズル構造体（８）には、このノズル構造体（８）のぞれぞれからターゲット素材（４）のエッジに至る独立した流体経路を提供し、隣接するノズル構造体（８）からの流体ストリームの相互作用を低減することにより、冷却の均一性を改善するように、ターゲット素材（４）の中心から離れるように角度が付けられているだけでなく、ターゲット素材（４）の移動方向にも角度が付けられている。

Description

優先権情報
この出願は、参照によってその全体が本明細書中に組み込まれる２０１８年２月１７日に提出された仮出願番号６２／６３１，６６７号の優先権を主張する。

本発明は、冷却システムの分野、特にストリップ冷却装置に関する。

従来のほとんどの冷却システムは対流を使用するため、冷却流体は加工物に衝突するように方向付けられる必要がある。単位表面積当たりの冷却速度は、ターゲット素材の温度、冷却流体の温度、およびそれらの共通の境界での熱伝達係数の関数である。冷却流体を方向付けるための一般的な手法には、加工物に面するプレナムに切削加工された孔またはスロットが含まれる。プレナムの代わりにパイプまたはボックスヘッダーを使用することもある。これらの装置は製造が容易であるが、供給される流体エネルギーを大幅に増加させ、結果として加工物を不安定（フラッター）にしないと、より高い熱伝達係数を達成できない。パイプノズルは、所与の流体エネルギーに関して境界での流体速度を高めるために使用されており、これによって熱伝達係数が向上する。

この従来技術のための最新の設計向上が存在し、パイプノズルを加工物の中心線から離れるように傾けることにより加工物の不安定性（フラッター）が低減される。これは、衝突後の流体に、より均一な流路を提供することにより流体流れの偶然性を減少させ、これによって加工物への空気力の時間変動を制限する。

本発明の一態様によれば、冷却システムが提供される。この冷却システムは、ターゲット素材と、プレナムまたはヘッダー構造体とを含む。複数のノズル構造体が、各ノズル構造体から均一な流動ストリームを提供するプレナムまたはヘッダー構造体に結合されている。ノズル構造体は、このノズル構造体のそれぞれからターゲット素材のエッジに至る独立した流体経路を提供し、隣接するノズル構造体からの流体ストリームの相互作用を低減することにより、冷却の均一性を改善するために、ターゲット素材の中心から離れるように角度が付けられているだけでなく、ターゲット素材の移動方向に角度が付けられている。

本発明の別の態様によれば、冷却システムの動作を実行するための方法が提供される。この方法は、ターゲット素材を提供することと、プレナムまたはヘッダー構造体を提供することとを含む。また、本方法は、プレナムまたは各ノズル構造体から均一な流動ストリームを提供するプレナムまたはヘッダー構造体に結合された複数のノズル構造体を配置することを含む。ノズル構造体は、このノズル構造体のそれぞれからターゲット素材のエッジに至る独立した流体経路を提供し、隣接するノズル構造体からの流体ストリームの相互作用を低減することにより、冷却の均一性を改善するために、ターゲット素材の中心から離れるように角度が付けられているだけでなく、ターゲット素材の移動方向に角度が付けられている。

断面が縮小されたノズルを利用する本発明の実施形態を示す概略図である。 断面が縮小されたノズルを利用する本発明の実施形態を示す概略図である。 角度付きノズルを利用する本発明の実施形態を示す概略図である。 角度付きノズルを利用する本発明の実施形態を示す概略図である。 テーパー状の、角度付きノズルを備えた本発明の実施形態を示す概略図である。

本発明は、プレナムまたはヘッダーアレジメント内の流体流れの動態に関係なく、放出の際の断面を縮小すると共に各ノズルからの均一な流れストリームを提供するためのノズル設計を説明する。ターゲット素材の中心から（横方向に）離れるように角度が付けられることに加えて、ノズルは、ターゲット素材の移動方向に、または移動方向から離れるように（長手方向に）角度が付けられる。この特徴は、各ノズルから加工物のエッジまでの独立した流体経路を提供することにより冷却の均一性を向上させ、これによって、隣接するノズルからの流体ストリームの相互作用（混合）を低減する。

図１Ａおよび図１Ｂは、断面が縮小されたノズルを利用する本発明の実施形態を示す概略図である。アレンジメント２は、図１Ａに示されるように、プレナムまたはヘッダー６から形成された、多数のテーパー状ノズル構造体８を含む。テーパー状ノズル構造体８は、放出側に縮小された断面を有する。これにより、ターゲット素材４への、プレナムまたはヘッダー６内の流体流れの動態に関係なく、各テーパー状ノズル８からの均一な流動ストリームがもたらされる。図１Ｂは、円筒形本体１０上に配置された第１のテーパー状円筒形部分１２を有するテーパー状ノズル８の詳細図である。円筒形本体１０の底部は、プレナムまたはヘッダー６に接続することができる。テーパー状部分１２は、流体の均一な流動ストリームがターゲット素材４に対して吹き出すことを可能とするために、開口１４を伴ってテーパー化されている。この実施形態の場合、開口１４は、先端において約２５ｍｍの直径であるが、本発明の他の実施形態では、開口は１０ｍｍないし３０ｍｍの直径を有することができる。これは、通常、ノズルのより大きな部分のための標準的なパイプまたはチューブのサイズに基づく。サイズに関係なく、テーパー角度は、１２．５度の最適なテーパー角度と同じままである。本発明の他の実施形態では、テーパー角度は、７．５度ないし１８度であってもよい。

図２Ａおよび図２Ｂは、角度付き（傾斜）ノズルを利用する本発明の実施形態を示す概略図である。アレンジメント２０は、図２Ａに示されるように、多数の角度付きノズル構造体２４を含む。ターゲット素材２６の中心から横方向に離れるように角度が付けられることに加えて、ノズル２４には、図２Ａに示されるように、ターゲット素材２６の移動方向に、あるいはその移動方向から離れるように長手方向に角度が付けられる。この特徴は、図２Ｂに示されるように、各ノズル２４からターゲット素材のエッジへの独立した流体経路２８を提供することによって冷却均一性を改善し、これによって、隣接するノズルからの流体ストリームの相互作用を低減する。ノズルは、概して、２方向に角度が付けられている。ノズル２４は、ターゲット素材２６の中心線から離れるように角度が付けられている。この実施形態では、長手方向の角度は鉛直から１５度である。最適な長手方向の角度は２度であり、本発明の他の実施形態では、垂線から０．５ないし５度の典型的な範囲を使用することができる。

図３は、テーパー状の、角度付きノズルを備えた本発明の実施形態を示す概略図である。アレンジメント３４は、多数のテーパー状の、角度付きノズル３６を備えたプレナム４０を含む。このアレンジメントのテーパー状の、角度付きノズル３６は、テーパー状で、かつ、角度付きのノズル構造体３４となるように、図１Ａのテーパー状ノズルと、図２Ａの角度付きノズルとを兼ね備えている。利点としては、ターゲット素材３８に対するプレナムまたはヘッダー４０内の流体フローの動態に関係ない、各テーパー状の、角度付きノズル３６からの均一な流動ストリームが挙げられる。さらに、このアレンジメント３４は、ターゲット素材３８のエッジに対して、テーパー状の、角度付きノズル３６からの独立した流体経路を提供することによって冷却均一性を改善し、これによって、隣接するノズルからの流体ストリームの相互作用を低減する。ここで使用されるテーパー角度および長手方向の角度は、本明細書で説明されるテーパー状ノズルおよびテーパー状の、角度付きノズルの両方について説明されるものと同様の角度特性を有することに留意されたい。ノズルの端部におけるテーパーの利点は、所与の冷却速度に関してノズルを通過する圧力降下が減少することと、そして冷却流体を加圧するために必要な関連電力が減少することである。

本発明は、各ノズルから均一な流動ストリームを提供しながら、放出の際の断面を縮小するための新規なノズル設計を提供する。これは、プレナムまたはヘッダーアレンジメント内の流体流れの動態に関係なく生じる。新規なノズル設計には、ターゲット素材の中心から（横方向に）離れて角度が付けられ、かつ、ターゲット素材の移動方向に（長手方向に）角度が付けられたノズル構造体が含まれる。このアプローチは、各ノズルから加工物のエッジまでの独立した流体経路を可能とすることにより冷却均一性を向上させ、これによって、隣接するノズルからの流体ストリームの相互作用（混合）を低減する。

本発明について、そのいくつかの好ましい実施形態に関して図示説明してきたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、その形態および詳細に対して、さまざまな変更、省略および追加を行うことができる。

２ 冷却システム
４ ターゲット素材
６ ヘッダー構造体
８ テーパー状ノズル構造体
１０ 円筒形本体
１２ 第１のテーパー状円筒形部分
１４ 開口
２０ アレンジメント
２４ ノズル構造体
２６ ターゲット素材
２８ 流体経路
３４ ノズル構造体
３６ ノズル
３８ ターゲット素材
４０ ヘッダー
４０ プレナム

Claims (20)

1. 冷却システムであって、
   ターゲット素材と、
   プレナムまたはヘッダー構造体と、
   複数のノズル構造体であって、各ノズル構造体からの均一な流動ストリームを提供する前記プレナムまたは前記ヘッダー構造体に結合された複数のノズル構造体と
   を具備し、
   前記ノズル構造体のぞれぞれから前記ターゲット素材のエッジに至る独立した流体経路を提供し、隣接する前記ノズル構造体からの流体ストリームの相互作用を低減することにより、冷却の均一性を改善するように、前記ノズル構造体には、前記ターゲット素材の中心から離れるように角度が付けられると共に、前記ターゲット素材の移動方向あるいは前記ターゲット素材の移動方向から離れるように角度が付けられた、冷却システム。
2. 移動方向における、あるいは移動方向から離れる角度は、前記ターゲット素材の長手方向の角度によって規定され、０．５度ないし５度の長手方向の角度を含む、請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記ノズル構造体のそれぞれは、テーパー状ノズル構造体からなる、請求項１に記載の冷却システム。
4. 前記ノズル構造体のそれぞれは、角度付きノズル構造体からなる、請求項１に記載の冷却システム。
5. 前記ノズル構造体のそれぞれは、テーパー状の、角度付きノズル構造体からなる、請求項１に記載の冷却システム。
6. 前記テーパー状ノズル構造体は、円筒形部分に結合されるテーパー状部分を具備する、請求項３に記載の冷却システム。
7. 前記テーパー状ノズル構造体は、７．５度から１８度の間のテーパー角度を有する、請求項６に記載の冷却システム。
8. 前記角度付きノズル構造体は、二つの異なる方向に角度が付けられている、請求項５に記載の冷却システム。
9. 前記ノズル構造体は、前記ターゲット素材の中心線から離れて配置される、請求項８に記載の冷却システム。
10. 前記角度付きノズル構造体は、０．５度から５度の間の長手方向の角度を有する、請求項９に記載の冷却システム。
11. 冷却システムの動作を実行するための方法であって、
    ターゲット素材を提供することと、
    プレナムまたはヘッダー構造体を提供することと、
    各ノズル構造体から均一な流動ストリームを提供する前記プレナムまたはヘッダー構造体に結合された複数のノズル構造体を配置することと
    を含み、
    前記ノズル構造体のぞれぞれから前記ターゲット素材のエッジに至る独立した流体経路を提供し、隣接する前記ノズル構造体からの流体ストリームの相互作用を低減することにより、冷却の均一性を改善するように、前記ノズル構造体には、前記ターゲット素材の中心から離れるように角度が付けられると共に、前記ターゲット素材の移動方向あるいは前記ターゲット素材の移動方向から離れるように角度が付けられる、方法。
12. 前記ターゲット素材の移動方向における角度は、０．５度から５度の間の長手方向の角度を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ノズル構造体のそれぞれは、テーパー状ノズル構造体からなる、請求項１１に記載の方法。
14. 前記ノズル構造体のそれぞれは、角度付きノズル構造体からなる、請求項１１に記載の方法。
15. 前記ノズル構造体のそれぞれは、テーパー状の、角度付きノズル構造体からなる、請求項１１に記載の方法。
16. 前記テーパー状ノズル構造体は、円筒形部分に結合されるテーパー状部分を具備する、請求項１３に記載の方法。
17. 前記テーパー状ノズル構造体は、７．５度から１８度の間のテーパー角度を有する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記角度付きノズル構造体は、二つの異なる方向に角度が付けられている、請求項１５に記載の方法。
19. 前記ノズル構造体は、前記ターゲット素材の中心線から離れて配置される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記角度付きノズル構造体は、０．５度から５度の間の長手方向の角度を有する、請求項１９に記載の方法。

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