JP3888248B2

JP3888248B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP3888248B2
Application number: JP2002207228A
Authority: JP
Inventors: 和彦勝俣
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2022-07-16
Also published as: JP2004052004A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
例えば金属材の焼入れ処理では、加熱処理された金属材（冷却対象物）を冷却装置を用いて急速冷却する。このような冷却装置には、油等の冷却剤をスクリュー等の攪拌器で流動化させるアジテータ式のものが一般的であり、この他に冷却剤をノズルを介して金属材に噴射するジェット噴流式のものがある。
【０００３】
しかしながら、上記アジテータ式の冷却装置は、冷却対象物からの加熱によって一部分だけの冷却剤が劣化しないように冷却剤を均一化することを主眼として冷却剤を比較的緩やかに流動させるものであり、冷却速度が比較的遅いばかりか、冷却対象物の各部位を均一に冷却することもできない。一方、ジェット噴流式の冷却装置は、冷却対象物にノズルで冷却剤を噴射するので、冷却速度は高速化されるものの、冷却剤が冷却対処物の各部位に均一に吹き付けられないので、やはり冷却対象物の各部位を均一に冷却することができない。
【０００４】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、冷却対象物の各部位をより均一に冷却することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、冷却対象物を冷却剤中に浸漬することによって急速冷却する冷却装置であって、冷却剤を冷却対象物に向けて強制流動させる流動化手段と、冷却対象物の上流において冷却剤を均等流化する均等化手段とを具備するという構成を採用する。
すなわち、本第１の手段によれば、冷却剤を冷却対象物に向けて強制流動させる流動化手段と、冷却対象物の上流において冷却剤を均等流化する均等化手段とを具備するので、冷却剤が冷却装置内で一定方向の流れを持ち、冷却対象物の上流で均等流化される。
【０００６】
第２の手段として、上記第１の手段において、冷却対象物の上流において冷却剤を層流化する層流化等手段をさらに備えるという構成を採用する。
すなわち、本第２の手段によれば、冷却対象物の上流において冷却剤を層流化する層流化手段をさらに備えるので、均等化手段によって均等流化された冷却剤が層流化される。
【０００７】
第３の手段として、上記第１または第２の手段において、冷却対象物の上流において冷却剤の流出方向を緩やかに変動させる方向変動手段をさらに備えるという構成を採用する。
すなわち、本第３の手段によれば、冷却剤は冷却剤の流出方向を方向変動手段によって緩やかに流出方向を変動される。
【０００８】
第４の手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、冷却対象物の下流に第２の均等化手段及び第２の層流化手段をさらに備えるという構成を採用する。
すなわち、本第４の手段によれば、冷却対象物の下流に第２の均等化手段及び第２の層流化手段をさらに備える、つまり、均等流化手段及び層流化手段によって均等流化及び層流化された冷却剤を第２の均等化手段及び第２の層流化手段が中継することで均等化手段及び層流化手段と第２の均等化手段及び第２の層流化手段との間の均等化及び層流化された冷却剤の流れを安定させる。
【０００９】
第５の手段として、上記第１〜第４いずれかの手段において、流動化手段は冷却剤の流量を可変設定するという構成を採用する。
すなわち、本第５の手段によれば、流動化手段は冷却剤の流量を可変設定するので、冷却対象物の流速が調節される。
【００１０】
第６の手段として、上記第１〜第５いずれかの手段において、冷却剤は油であるという構成を採用する。
すなわち、本第６の手段によれば、冷却剤は油であるので、効果的に冷却対象物から冷却剤に熱伝達される。
【００１１】
第７の手段として、上記第１〜第６いずれかの手段において、冷却対象物は加熱処理された金属材であるという構成を採用する。
すなわち、本第７の手段によれば、処理対象物である金属材が均一に急速冷却される。
【００１２】
第８の手段として、上記第１〜第７いずれかの手段において、冷却剤の温度を可変設定する温度調節手段をさらに備えるという構成を採用する。
すなわち、本第８の手段によれば、温度調節手段によって冷却条件が変更される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係わる冷却装置の一実施形態について説明する。
【００１４】
図１は、冷却装置の概念構成図である。符号１は容器、２はポンプ（流動化手段）、３は整流器（均等化手段，層流化手段）、４は整流器（第２の均等化手段，第２の層流化手段）５はルーバ（方向変動手段）、６は油温冷却用熱交換器、７はヒータ、Ａはバスケット容器、Ｘは金属材（冷却対象物）、Ｙは冷却油（冷却剤）である。ここで、油温冷却用熱交換器６及びヒータ７は温度調節手段を構成する。
【００１５】
容器１は、略箱型に形成されており本実施形態における冷却装置のポンプ２以外の他の全ての構成要素（整流器３，整流器４，ルーバ５，油温冷却用熱交換器６，ヒータ７）をその内部に収容している。また、容器１は上層Ｒ1と下層Ｒ2の二層構造を有しており、上層Ｒ1と下層Ｒ2は真空容器１の一方の端（左端）で繋がっている。ポンプ（流動化手段）２は、上記容器１の他方の端（右端）の外部に設けられており、容器１の下層Ｒ2から冷却油Ｙを吸入し上層Ｒ1に吐出することによって冷却油Ｙ（冷却剤）を上層Ｒ1と下層Ｒ2との間で強制的に循環、すなわち、矢印で示すように、上層Ｒ1を右から左に流れて下層Ｒ2に流入し、該下層Ｒ2を右から左に強制流動させる。
【００１６】
整流器３は、上記上層Ｒ1内の冷却油Ｙの流れに対してバスケット容器Ａ（すなわち金属材Ｘ）の上流に配置されており、金属材Ｘに向かって流れる冷却油Ｙの流れの性質をコントロールする。このような整流器３は、図２（ａ）に示すように、均等分配部３ａ、滞留部３ｂ及び層流部３ｃから構成されており、これら各構成要素は、冷却油Ｙの流れに対して上流側から均等分配部３ａ、滞留部３ｂ、層流部３ｃの順で配置されている。
【００１７】
均等分配部３ａは、複数の貫通孔３ａ1が所定間隔で規則的に配置された板状部材である。この均等分配部３ａは、上記冷却油Ｙの流れに対して直交するように垂直状態に設けられている。層流部３ｃは、滞留部３ｂを挟んで上記均等分配部３ａに対向配置されており、上下方向に所定間隔で配置された複数の水平板３ｃ1から構成されている。滞留部３ｂは、上記均等分配部３ａと層流部３ｃとの間に設けられた空間であり、均等分配部３ａと層流部３ｃとの間の冷却油Ｙの流れをスムーズにするための領域である。
【００１８】
整流器４は、上記上層Ｒ1内の冷却油Ｙの流れに対してバスケット容器Ａ（すなわち金属材Ｘ）の下流に配置されており、金属材Ｘを経由した冷却油Ｙの流れの性質をコントロールする。この整流器４の詳細構成は、上記整流器３と全く同様である。ルーバ５は、上記整流器３に隣接して下流側（すなわちバスケット容器Ａの上流側）に設けられており、図２（ｂ）に示すように、上下方向に所定間隔で配置された複数（４個）の翼部５ａから構成されている。各翼部５ａは、上記水平板３ｃ1と同様に水平状態に設けられた回転軸５ｂを中心として回動、すなわち上記各翼部５ａの先端が矢印方向に上下動するように回転軸５ｂに支持されている。
【００１９】
さて、図１の構成要件について説明を続けると、油温冷却用熱交換器６は、容器１の下層Ｒ2に設置されており、上記ポンプ２に吸入される冷却油Ｙの温度を冷却する。ヒータ７は、容器１の上層Ｒ1と下層Ｒ2の繋がっている左端に設置されており、流動性が損なわれないように冷却油Ｙを温めると共に焼き割れを起こし易い金属材Ｘである場合には、金属材Ｘに焼き割れが生じない所定の温度まで冷却油Ｙを温める。すなわち、温度調節手段である油温冷却用熱交換器６及びヒータ７は、冷却油Ｙの温度を可変設定する。つまり、冷却油Ｙの温度を可変設定することで、例えば金属材Ｘが焼き割れを起こし易い材質の場合には、ヒータ７によって冷却油Ｙの温度を高めに保持し、金属材Ｘが急速冷却しても焼き割れを起こさない温度まで下がってから冷却油Ｙの温度を油温冷却用熱交換器６によって下げることで金属材Ｘの焼き割れを防止することができる。このような冷却油Ｙの温度の可変設定は、冷却油Ｙの量が多く、冷却油Ｙの流速を早く設定できる本冷却装置において初めて実現できる。
【００２０】
上記整流器３と整流器４の間に配置されるバスケット容器Ａは、略箱型に形状設定されており、金属材Ｘを収容するものである。このバスケット容器Ａは金属材Ｘに上記冷却油Ｙの流れが直接当たるように、例えば所定幅の金属材を縦横に組んだ網目状に形成されている。金属材Ｘは、焼きいれ処理等の目的で外部で加熱処理されたものであり、例えば１０００℃程度の高温状態で冷却油Ｙの中に浸漬される。冷却油Ｙは、容器１の上層Ｒ1に設置された整流部３、整流器４、ルーバ５及び金属材Ｘが完全に浸漬されるように液面設定されている。
【００２１】
次に、このように構成された冷却装置の動作について説明する。
【００２２】
本冷却装置を稼動するとポンプ２が冷却油Ｙを容器１の下層Ｒ2から吸入し、上層Ｒ2に吐出することによって、冷却油Ｙは容器１の上層Ｒ1を右から左に流れて下層Ｒ2に流入し、該下層Ｒ2を右から左に例えば流速０．０１ｍ／ｓ〜１ｍ／ｓで流れる。ここで加熱処理された金属材Ｘが冷却油Ｙ内に浸漬されていない場合には、冷却油Ｙの温度が下がり、冷却油Ｙの流動性が損なわれるのでヒータ７によって加温する。また、金属材Ｘが浸漬されている場合には、冷却油Ｙは金属材Ｘの熱を奪うことで高温状態となっているので、油温冷却用熱交換器６によって冷却される。また、金属材Ｘが焼き割れを起こし易い材質の場合には、ヒータ７によって焼き割れが起きない所定の温度に冷却油Ｙを予め加温し、金属材Ｘの温度が焼き割れを起こさない温度まで下がってから油温冷却用熱交換器６によって冷却油Ｙを冷却する。
【００２３】
さて、上述したようにポンプ２が作動することによってバスケット容器Ａの上層Ｒ1内では冷却油Ｙが右側から左側に向けて水平方向に強制流動されるが、この冷却油Ｙの流れの中には上流側から下流側に向けて、整流器３→バスケット容器Ａ（すなわち金属材Ｘ）→整流器４が配置されている。
【００２４】
ポンプ２から吐出された冷却油Ｙは、整流器３内の均等分配部３ａによって、流れの性質が上層Ｒ1内の流れ方向に直交する面（直交面）の各部位において略均等な流量となる流れ（均等流）に変換される。すなわち、貫通孔３ａ1が所定間隔で複数設置された均等分配部３ａにポンプ２から吐出された冷却油Ｙを通過させることによって、冷却油Ｙは各貫通孔３ａ1から下流に向けて流れ出すので、上記直交面の各部位において流量が均一な均等流が発生する。
【００２５】
このような均等流は、上記各貫通孔３ａ1を通過することによって生成されるものなので、乱流である。均等分配部３ａに対して滞留部３ｂを挟んだ状態で配置されている層流部３ｃは、このような乱流を複数並行配置された水平板３ｃ1の間を通過させることによって層流に変換する。すなわち、均等分配部３ａによって均等流（乱流）とされ、さらに層流部３ｃによって層流化された冷却油Ｙの流れの性質は、上記直交面の各部位において流量が略均一で、しかも当該直交面の各部位において密度変動が抑制された流れとなる。したがって、このような直交面の各部位において空間的かつ時間的に均一な流れの冷却油Ｙを金属材Ｘに当てることによって、金属材Ｘの各部位は均一に急速冷却される。
【００２６】
このような金属材Ｘに当たって冷却に寄与した冷却油Ｙは当該金属材Ｘから下流に向かって流れるが、金属材Ｘの下流側には上流側の整流器３と同様な整流器４が設けられている。すなわち、冷却油Ｙは同一構成の整流器３と整流器４との間を流れるので、流れ方向の各地点における流れの性質は安定化する。
【００２７】
ここで、整流器３を通過した冷却油Ｙはバスケット容器Ａの網目を通過する際に少なからず乱流状態となる。これに対して、ルーバ５は、翼部５ａを緩やかに変動させる。この結果、網目に対して冷却油Ｙが当たる角度が変動するので、網目を通過するの際の乱流発生を抑制する。
【００２８】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態において冷却剤Ｙに冷却油を用いたが、例えば水や塩類を用いても良い。すなわち、水は一般的に油よりも熱伝導率が高いため、金属材Ｘをより急速に冷却することが可能である。
【００２９】
（２）上記実施形態において容器１の外部にポンプ２を設けることによって油Ｙを強制流動させたが、容器１内部にスクリューを設けることによって油Ｙを強制流動させても良い。すなわち、容器１内部に流動化手段を設けることで冷却装置をコンパクト化することが可能である。
【００３０】
（３）上記実施形態においてポンプ２によって冷却油Ｙに容器１の上層Ｒ1から下層Ｒ2に強制流動させた。しかし、ポンプ２を逆回転させ冷却油Ｙを容器１の下層Ｒ2から上層Ｒ1に強制流動させても良い。この場合、金属材Ｘの上流に配置される整流器４にルーバ５を設置することが好ましい。
【００３１】
（４）上記実施形態において略箱型に形状設定され、冷却油Ｙが金属材Ｘに直接当たるように、例えば所定幅の金属材を縦横に組んだ格子状に形成されたバスケット容器Ａを用いたが、金属材でなくても良いことはもちろんのこと、形状がトレー等の板形状でも良い。すなわち、板形状に形状設定することで冷却油Ｙをより確実に金属材Ｘに直接当てることが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、冷却対象物を冷却剤中に浸漬することによって急速冷却する冷却装置であって、冷却剤を冷却対象物に向けて強制流動させる流動化手段と、冷却対象物の上流において冷却剤を均等流化する均等化手段とを具備するので、冷却剤の流れを均等流化させて冷却対象物に当てることによって冷却対象物の各部位をより均一に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる冷却装置の概念構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係わる冷却装置における整流器３（４）及びルーバ５の構成図である。（ａ）が整流器３（４）の構成図、（ｂ）がルーバ５の構成図である。
【符号の説明】
１……容器
２……ポンプ（流動化手段）
３，４……整流器
３ａ……均等分配部（均等化手段，第２の均等化手段）
３ａ1，４ａ1……貫通孔
３ｂ……滞留部
３ｃ……層流部（層流化手段，第２の層流化手段）
３ｃ1……仕切り板
５……ルーバ
５ａ……翼部
５ｂ……支点部
６……油温冷却用熱交換器（温度調節手段）
７……ヒータ（温度調節手段）
Ａ……バスケット容器
Ｘ……金属材
Ｙ……冷却油（冷却剤）

Claims

冷却対象物（Ｘ）を冷却剤（Ｙ）中に浸漬することによって急速冷却する冷却装置であって、
冷却剤（Ｙ）を冷却対象物（Ｘ）に向けて強制流動させる流動化手段（２）と、
冷却対象物（Ｘ）の上流において冷却剤（Ｙ）を均等流化する均等化手段（３ａ）と
を具備し、
前記均等化手段（３ａ）は、複数の貫通孔（３ａ１）が所定間隔で規則的に配置された板状部材である
ことを特徴とする冷却装置。
冷却対象物（Ｘ）の上流において冷却剤（Ｙ）を層流化する層流化手段（３ｃ）をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
冷却対象物（Ｘ）の上流において冷却剤（Ｙ）の流出方向を緩やかに変動させる方向変動手段（５）をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の冷却装置。
冷却対象物（Ｘ）の下流に第２の均等化手段（４ａ）及び第２の層流化手段（４ｃ）をさらに備え、前記第２の均等化手段（４ａ）は、複数の貫通孔（４ａ１）が所定間隔で規則的に配置された板状部材であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の冷却装置。
流動化手段（２）は冷却剤（Ｙ）の流量を可変設定することを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の冷却装置。
冷却剤（Ｙ）は油であることを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の冷却装置。
冷却対象物（Ｘ）は加熱処理された金属材であることを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の冷却装置。
冷却剤（Ｙ）の温度を可変設定する温度調節手段（６，７）をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７いずれかに記載の冷却装置。