JP2021522409A - 部品を部分的に冷却する温度制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、部品を部分的に冷却するための温度制御装置に関し、ノズルによって部品の冷却対象の領域に流体を吹き付けられるものである。ノズルは接続管を備え、この接続管は、流体が伝導する態様で、流体容器に接続され、且つ、流体が伝導する態様で、複数のノズル管に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、部品を部分的に冷却するための温度制御装置であって、少なくとも部品の部分領域を冷却する流体の流を吐出するために設けられた少なくとも１つのノズルを備え温度制御装置に関する。ノズルは、流体を容器から供給するための接続管と、複数のノズル管とを有する。特に、本発明によるノズルは、特に、連続炉の下流でプレスハードニングツールの配置されるプレスハードニングラインにおいて使用可能である。連続炉は、ローラハース炉でもよい。

鋼板部品を作製する際、成形工程中又は成形工程後に、鋼板を硬化することがしばしば必要となる。このような鋼板部品は、例えば自動車のボデーパネルとすることができる。また、このような鋼板部品は、プレスハードニングと呼ばれる熱処理工程を使用して作製可能である。この工程において、鋼板は、炉内で加熱され、その後プレス内で再成形されてから冷却され、これによって硬化される。

異なる用途に用いるならば、異なる領域に異なる強度を有する部品を作製することが望ましい。例えば、自動車のＢピラーの中央領域は、側面衝突時に乗員を可能な限り保護するため高い強度を有する必要がある。Ａピラー又はＢピラー等の自動車の車体部品、及び、ドア内又はフレーム部品内の側面衝突保護支持具は、適宜設計されれば、プレスハードニングによってこれらを作製しうる。

これに対して、このような部品の領域の幾つかは、衝突の際の変形エネルギーを吸収できるようにするために、強度を低くする必要がある。また、このタイプの領域は、他のボデーパネルとの接続性に関して、より好ましい特性を有する。

このような部品の異なる強度領域は、選択的に冷却することにより実現することができる。延性が低く強度が高い他の領域は温かいままにしておきつつ、延性が高く強度が低いと想定される領域を選択的に冷却することが可能である。部品の領域をこのように選択的に冷却することは、部品の開始温度よりも低い温度を有する流体を当該領域上へと吹き付けることにより達成可能である。一方で、このような領域の目標温度は、部品の元の温度、流体の温度、ならびに、ブローの継続時間及び流体圧力に依存し、これには、公知の熱力学の法則が当てはめられる。少なくとも１つの領域を選択的に冷却することにより、堅さが異なる領域を部品内に作製するこの工程は、「サーマルプリント」としても知られている。

堅さの異なる部品の領域同士は、出来る限り正確に幾何学的に限定すべきである。よって、領域の冷却は、幾何学的に正確な態様で設定する必要がある。これにより、部品の冷却対象の領域上へのみ、流体ジェットを吹き付けることができる。部品の近隣領域は、流体の流により冷却されるべきではない。

対応する温度制御装置内で部品上に吹き付けるための公知のノズルが知られているが、これらのノズルは、熱的および機械的応力が高いことに起因して高価であるという欠点を有し、また、耐用年数が非常に短いか又は冷却対象の領域と近隣領域との間にぼやけた境目しかできない。従来の温度制御装置では、相当に高価なノズルが使用されていたか、又は、使用されるノズルが、吹き付け対象の領域と近隣領域との間にぼやけた境目しか提供できなかった。後者の事例では、近隣領域に冷却流体が溢れ出るのを防止するために、しばしば隔壁又は遮断壁が使用されてきた。しかしながら、このような遮断壁の欠点として、冷却対象の領域をしっかり密封するには遮断壁が部品の表面に出来る限り近接すべきである一方で、遮断壁が部品に触れるべきでないということがある。

本発明の目的は、部品の領域に正確に吹き付けることにとって適切なノズル、又は、これに対応する温度制御装置を提供することであり、これらは同時に製造コストが安価であるべきである。

この目的は、下に記載するノズルにより、又は、前記ノズルが適切に装備される温度制御装置により、達成される。この装置の有利な発展形態は、従属請求項において規定する。下に記載する図面は、正しい縮尺ではなく、記載する本発明の細部全てを再現するものでもない。

ストライプノズルを備えた温度制御装置の概略側面図である。 ストライプノズルの第１実施形態の概略正面図である。 ストライプノズルの第２実施形態の概略正面図である。 ストライプノズルによって冷却される領域の概略サーモグラフィー画像である。

図１は、温度制御装置１のストライプノズル（Ｓｔｒｅｉｆｅｎｄｕｓｅ）２を示し、このストライプノズル２は、加熱された部品３を吹き付け領域内で冷却するために、この部品３上で少なくとも１つの部分領域に流体の流を吹き付ける。

部品３は、シート状、特に、鋼板又は別のシートとすることができ、加熱された後に冷却される。このため、部品は、炉を通過することができ、例えばいわゆる連続炉、特にローラハース炉又はチャンバ炉、特にマルチチャンバ炉等を通過することができる。炉内では、部品は、基本的に、全ての領域内が同じ温度であるように通常は加熱される。

その後、加熱された部品は温度制御装置１に送られ、温度制御装置は、少なくとも部分領域内で、低温の流体を部品３に吹き付け、突き当たる流体の流により部品の吹き付け領域が冷却される。部品を送ることについては、炉から温度制御装置を備える温度制御ステーションへ加熱された部品３をさらに搬送することをこれに含めてもよい。すなわち、ある実施形態においては、加熱された部品を、炉から温度制御装置内へ、例えばローラベルトを介して案内することができる。

別の実施形態において、温度制御装置は、さらなる処理又は機械加工を行うユニット（例えば炉）と統合された部分としてもよい。このために、温度制御装置を炉の領域内に配置し、炉内で初めに部品３の全ての領域が加熱され、その後、少なくとも部品の部分領域が、温度制御装置１によって、特にストライプノズルによって冷却されるようにすることができる。

ストライプノズルの全ての実施形態は、これらの実施形態が接続管２ａを有するという共通点を有する。接続管は、流体が伝導する態様で、複数のノズル管２ｂに接続される。すなわち、流体が接続管２ａからノズル管２ｂ内へ流れ込むことができるように、各ノズル管２ｂは、一端で、つまりその入口端で、接続管２ａに固定され接続される。必ずしもそうとは限らないが、通常は、接続管２ａは水平に配置され、ノズル管は垂直となっており、下方で高温の部品３を部分的に冷却するためにノズル管の出口端は下方に向いている。ノズル管２ｂは、それらの吹出し開口２ｃが互いに近接して一直線に配置されるように配置される。各吹出し開口が互いに近接している配置というのは、各吹出し開口から出てくる各流体の流が、互いに極めて接近した状態で部品３の表面に突き当たるため、２つの隣り合う出口管の流体の流の衝撃面同士が互いに合わさり、これにより、部品の非吹き付け表面部分との境界線において、ノズル管２ｂの流体の流のコア衝撃面における冷却効果とほぼ同等の冷却効果をもたらすということを意味する。したがって、流体の流の複数のコア衝撃面がストライプ上になり、且つ、当該ストライプの幅がノズル管の吹出し開口の直径により決定され、且つ、当該ストライプの長さが基本的に互いに隣り合って配置されるノズル管２ｂの数及び幅により決定されるように、各ノズル管は設計されその吹出し方向に並んで配置される。図４の記載参照。

接続管２ａは、冷却に使用される流体が一時的に貯蔵されるタンクに接続されている。したがって、流体は、不図示のタンクから接続管２ａを通って複数のノズル管２ｂ内へ流れ込み、ノズル管の出口開口から部品３の表面上へと流れ出る。タンクからストライプノズル２の接続管２ａ内への流体の流を、図面に矢印４で略示する。タンクは、通常、貯蔵コンテナ又は圧力タンク等の加圧容積体でもよく、ここから流体が部品３上に吹き付けられつつ接続管２ａを介して排出される。ある特定の実施形態においては、除去される流体が部品の冷却に適した所望の温度になるように、貯蔵コンテナ又は圧力タンクを冷却して特定の温度に設定することができる。

流体は、接続管２ａから各ノズル管２ｂ内へ流れ込み、その吹出し開口２ｃを通ってそれぞれのノズル管を出る。これにより、ノズル管の数に対応する複数の個々の流れがストライプノズル２を出る。複数の個々の流体の流を、図面に矢印５で略示する。

接続管２ａの流れ断面は、流体が伝導する態様でこの接続管に接続されたノズル管の流れ断面の和の倍数であることが好ましい。好適な実施形態においては、接続管の流れ断面は、ノズル管２ｂの流れ断面の和の少なくとも２倍であり、特に、ノズル管２ｂの流れ断面の和の少なくとも３倍である。

ノズル管の長さは、基本的に同じ長さになるように選択されており、その結果、流体が出ていく流量は基本的に同じになる。ノズル管の長さは、ノズル管の内径の少なくとも１０倍であり、特に好ましくは少なくとも２０倍であり、そして特に約４０倍であり、或いは４０倍よりもさらに大きい。

直径に対してノズル管が長いことにより、各ノズル管内の流れ抵抗が大きくなる。このことが接続管内の流体圧力に作用し、それにより、接続管の長さ部分にわたって一定である静圧がそこで強まる。これにより、全てのノズル管２ｂにわたる流量の分布が非常に均一になり、したがって、吹き付け面の長さ部分全体にわたる冷却が均一になる。

ノズル管同士の間の距離及び個々の流体の流の流出方向は、部品３の吹き付け面が連続ストライプの形状を有するように選択される。

ある実施形態においては、各ノズル管は、いかなる場合でも、流体の流の流出方向を規定するそれらの末端の部分においては、互いに平行に配置される。そのため、個々の流体の流５も互いに平行に並ぶ。別の実施形態においては、各ノズル管は、非平行となっている。しかし、各流体の流５が部品の表面に衝突する際に流体の流同士が互いに隙間なく衝突するようにして、冷却面が所望のストライプ形状又は平坦形状となるようにすることができる。

部品表面上に吹き付けられた流体の個々の流れが、所望のストライプ形状又は面形状を生成し、且つ、吹き付け面全体にわたって均一な冷却をするように、２つの隣り合うノズル管２ｂの間の距離が選択される。吹き付け面の長さ部分にわたってほぼ一定である温度曲線を得るために、ノズル管は、互いに出来る限り近接して配置しなくてもよいこと、特に、互いに隣接して配置しなくてもよいことは、テストで確認することができうる。通常、隣り合うノズル管２ｂの出口開口の中心間距離は、ノズル管２ｂの内径の２倍〜２０倍であり、特に好ましくは３〜１０倍であり、そして特にノズル管２ｂの内径の４〜５倍である。その際、ノズル管の壁厚はノズル管２ｂの内径の４分の１未満であると想定される。

ある実施形態においては、それぞれのノズル管自体が円形の断面形状を有する場合は特に、ノズル管の出口開口は円形とすることができる。別の実施形態においては、出口開口は楕円形状を有することができ、その際、他の場合には円形であるノズル管に楕円形の出口開口が形成され、楕円形の出口開口の長軸は、吹き付け面の所望の帯形状の方向に配置される。このようにして、出口開口の設計を利用して吹き付け面を形成することができる。さらに別の実施形態において、出口開口が、楕円形で、角のある、特に四角形の形状でもよく、長さが異なる辺を備えた矩形状が特に好ましい。この場合は、長辺を所望の冷却ストライプの方向に配置することができる。さらに別の実施形態においては、出口開口はその他の形状、例えば三角形状でもよく、又は、吹き付け面を所望の形状にするために、異なる形状の出口開口同士を組み合わせてもよい。例えば１列のノズル管の端部では、端のノズル管の出口開口が、端のノズル管同士の間に配置されるノズル管とは異なる形状を有することができ、これにより、端の出口開口の形状を利用して吹き付け面の端部が所望の形状となる。

部品３の表面から吹出し開口２ｃまでの距離は、部品３の表面に突き当たる流体の流がシャープな輪郭を有するように選択される。吹出し開口２ｃと部品３の表面との間の距離は、通常、数ミリメートルであり、好ましくは５ｍｍ〜１００ｍｍ、好ましくは１０ｍｍ〜８０ｍｍである。

図２は、図１の線Ａ‐Ａに沿ったストライプノズルの断面、すなわち接続管２ａ及びノズル管２ｂを通る断面を示す。ノズル管は、流体が伝導する態様で、その入口端にて接続管２ａに接続し、流体を部品３に真っ直ぐに案内する。ノズル管２ｂは上述の断面領域のうちの１つを有することができる。同様に、接続管２ａは、円い断面領域を有することができ、又は、これの代わりとして、楕円の又は角のある断面領域を有することができる。

図３は、ノズル管２ｂを備えたストライプノズルの断面を示しており、これは図２ａのように真っ直ぐに設計されているのではないが、少なくともノズル管の第２地点７にてノズル管２ｂが流体伝導接続部の隣りに固定されている。図面に示すように、ノズル管２ｂは、接続管２ａの周りを周方向に弧状に案内されてもよく、ポジティブロック式接続又は接着接続等により、溶接点等により、第２地点７にて接続管２ａに直接固定可能である。接続管の周りに少なくとも１８０°だけ、ここでは図面において約２７０°だけノズル管２ｂを案内することにより、図１又は図２に示す設計と比較して、全体の高さを低減することができる。その際、ノズル管２ｂの自由端、すなわち第２固定点７から出口端までの部分のみが、直管として設計されることが好ましい。

さらに、ノズル管２ｂの自由端の長さ、すなわち出口端からノズル管の最も近い固定点までの長さは、図１又は図２に示す設計におけるよりも短いため、自由管長さがより短い結果として、ノズル管は、温度制御装置内の流体の流から生じ得る振動又はその他の影響を受けにくくなる。

別の実施形態においては、第２固定点を用いてノズル管２ｂを接続管２ａに又は温度制御装置の別の要素に間接的に固定することもできる。例えば、幾つかのノズル管を、補助シート（不図示）を通して案内して前記補助シート上に固定することができ、これにより、これらのノズル管は補助シート上に直接固定される。また、補助シートは、接続管２ａに又は温度制御装置の別の要素に、直接固定することもできる。

ある実施形態においては、全てのノズル管を、図３に示すように、同じ側で、例えば左側で、流体が伝導する態様で接続管２ａに接続することができる。これの代わりに、各ノズル管は、流体が伝導する態様で、両側に交互に接続し固定することができる。このとき、各ノズル管は、吹き付けられる対象の表面上の吹き付けられた流体の流５が所望のストライプ形状となるように並ぶことになる。

さらなる別の実施形態においては、各ノズル管は、接続管に頂部又は底部にて接続することもでき、その際、接続管の周りを約１８０°〜３６０°の弧状に案内される。

図４は、低温のガス状流体、ここでは冷たい空気を、ストライプノズルにより計測中に吹き付けられた部品のサーモグラフィーを示す。ストライプノズルの各ノズル管は、直管として設計されており、流体が伝導する態様で、接続管の下面に固定されている。この直管は、約２０ｃｍの均一な長さを有し、その円形の出口開口は約４ｍｍの均一な内径を有する。これにより、流体のコアジェットは４ｍｍの直径を有する。各出口開口は、ノズル管の出口開口の下方約３０ｍｍの距離のところに配置され、その後、約８５０℃になるまで数秒間加熱された鋼板上に、低温のガス状流体を吹き付けた。この流体は、接続管内へ約３．５バールの圧力で圧送された。

サーモグラフィーは、図４に概略表示する熱分布を示す。部品３の温度は、約２０ｍｍのストライプ型表面８内で約２００℃だけ下げられる。このストライプ型表面は、ノズルの進路に幾何学的に追従したものである。ストライプ型吹き付け領域に沿って移行領域９を計測することができ、そこでは、温度は、非吹き付け領域の方向に急激に上昇する。

４ｍｍの均一な内径と、１ｍｍの壁厚と、１００ｍｍのノズル管長とを備えた複数のノズル管を有するストライプノズルを用いて、さらなる計測を実施した。ノズル管の出口開口は、吹き付け対象の部品３の表面の上方約１００ｍｍのところに配置した。測定されたサーモグラフィーは、吹き付け面の所望のシャープな輪郭を示した。

さらなる一連の計測において、この内径を有するより短いノズル管によれば同様にシャープな輪郭が形成されるが、これにより騒音の発生が著しく多くなることがあった。かなり長めのノズル管では、吹き付け面の精度が改善したと判定することはできなかった。むしろ、ノズル管がその内径に対して非常に長いと、望ましくない不安定性及び振動が生じがちである。

従来のノズルで吹き付けた場合と比較すると、このストライプノズルを用いて実現可能な吹き付け面８ではシャープな輪郭が形成され、ノズル開口が個別の且つ空間的に分離した流体ジェット流を有しながらも、ストライプの長辺の方向において均一な温度分布を達成できることが示された。さらに、ストライプノズルを使用すると、流体の流量が従来のノズルと比較して全体的に低めでも同じ冷却効果を達成するのに十分であり、ストライプノズルをより効果的に使用できるということを示された。さらに、このことにより、騒音の発生も小さくなる。

温度制御装置のある実施形態においては、部品３を冷却するために、幾つかのストライプノズル２を、互いに隣り合うように又は前後に並べて又はその両方が成り立つように配置してもよい。冷却空気ノズルは別様に設計することができ、特に、異なる幾何学的寸法の異なる流体流量が提供されるように、編成し設計することができる。これにより、異なる領域内、場合によって近隣領域内で部品を異なる態様に冷却できる。このようにして、部品の異なる領域を、同時に、しかし異なる態様に、すなわち熱的に「プリントされる」状態で冷却することができる。

１ 温度制御装置
２ ストライプノズル
２ａ 接続管
２ｂ ノズル管
２ｃ 吹出し開口、出口端
３ 部品
４ 矢印（流体の流）
５ （個々の）流体の流
６ 流体が伝導する態様での接続／固定
７ 第２固定点
８ ストライプ型吹き付け面
９ 移行領域
１０ 非吹き付け領域

Claims (10)

1. 部品（３）を部分的に冷却するための温度制御装置（１）であって、
   少なくとも前記部品（３）の部分領域を冷却する流体の流を吐出するために設けられたノズルを備え、
   前記ノズルは、前記流体を容器から供給するための接続管（２ａ）と、前記流体を吐出するための複数のノズル管（２ｂ）とを有し、
   前記複数のノズル管（２ｂ）は、流体が伝導する態様で、その入口端にて、前記接続管に接続され、
   前記接続管の断面領域は、前記複数のノズル管の前記断面領域の和の少なくとも２倍であり、
   ノズル管のそれぞれの長さは、それぞれの内径の少なくとも１０倍であり、
   隣り合うノズル管（２ｂ）の出口開口（２ｃ）の中心間距離は、ノズル管の前記内径の１．５〜２０倍である、
   ことを特徴とする温度制御装置。
2. 請求項１に記載の温度制御装置であって、
   前記複数のノズル管はそれぞれ、前記入口端から離れたさらなる固定点（７）にて、固定される
   ことを特徴とする温度制御装置。
3. 請求項２に記載の温度制御装置であって、
   前記複数のノズル管はそれぞれ、前記接続管の周りを周方向に少なくとも部分的に案内され、
   前記入口端から離れた前記さらなる固定点にて、前記接続管（２ａ）に固定される
   ことを特徴とする温度制御装置。
4. 請求項３に記載の温度制御装置であって、
   前記複数のノズル管（２ｂ）はそれぞれ、前記接続管（２ａ）の周りを周方向に少なくとも１８０°だけ案内される、
   ことを特徴とする温度制御装置。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の温度制御装置であって、
   前記複数のノズル管（２ｂ）は、前記第２固定点（７）と前記出口端（２ｃ）との間のそれぞれの部分において、真っ直ぐである
   ことを特徴とする温度制御装置。
6. 請求項２〜５のいずれか１項に記載の温度制御装置であって、
   少なくとも１つの前記ノズル管（２ｂ）の前記出口端（２ｃ）は、非円形断面形状を有する、
   ことを特徴とする温度制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の温度制御装置であって、
   前記複数のノズル管（２ｂ）は、平行に配置される
   ことを特徴とする温度制御装置。
8. 請求項２〜６のいずれか１項に記載の温度制御装置であって、
   前記複数のノズル管（２ｂ）は、前記接続管（２ａ）の両側に交互に配置される
   ことを特徴とする温度制御装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の温度制御装置であって、
   前記複数のノズル管（２ｂ）は、長さが同じある
   ことを特徴とする温度制御装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の温度制御装置であって、
    前記複数のノズル管の前記出口開口（２ｃ）は、円形の断面を有する
    ことを特徴とする温度制御装置。

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