JP3888248B2 - 冷却装置 - Google Patents
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- F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F25D2400/00—General features of, or devices for refrigerators, cold rooms, ice-boxes, or for cooling or freezing apparatus not covered by any other subclass
- F25D2400/28—Quick cooling
Description
【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 (8)
- 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。
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