JP3984339B2 - 物品を冷却する方法及び装置並びにその使用方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物品の表面に連続的なジェットの形態の液体冷却剤を与えることにより、物品を冷却するためのプロセスに関する。本発明は、また、上記プロセスを実行するための装置、並びに、上記プロセスの使用方法及び上記装置の使用方法にも関係する。
【０００２】
【従来の技術】
押出成形されたアルミニウム合金製の異形材、及び、熱間圧延されたアルミニウム合金製の帯材を冷却する時には、そのような金属は、約４５０℃乃至４８０℃の押出成形温度又は熱間圧延温度から約３００℃未満の温度まで（多くの場合には、約１００℃まで）、可能な限り短い時間で冷却されなければならない。
【０００３】
ＥＰ−Ａ（ヨーロッパ公開特許明細書）−０３４３１０３は、スプレーノズルによって水スプレーを生成することによって、押出成形された異形材及び圧延された帯材を冷却するプロセスを開示している。しかしながら、このプロセスは、熱交換が不十分であるために、熱間圧延された帯材をインラインで迅速に冷却するのには適していない。スプレーノズルによる上記従来周知の冷却プロセスは、鋳造された金属棒を冷却するプロセスとして、ＥＰ−Ａ−０４２９３９４に記載されている。
【０００４】
ＥＰ−Ａ−０５７８６０７は、押出成形機から出てくる異形材を冷却するためのインラインプロセスを開示しており、このプロセスにおいては、上記ＥＰ−Ａ−０３４３１０３から周知のスプレーノズルがモジュールに装着されている。
【０００５】
ＥＰ−Ａ−０６９５５９０は、熱間圧延されたアルミニウム合金製の板材及び帯材を冷却するためのプロセス及び装置を開示しており、これらプロセス及び装置においては、ある長さに切断された板材又は帯材が、冷却ステーションを連続的に通過し、該冷却ステーションにおいては、平坦なスプレーノズルによって水が板材又は帯材に直接与えられる。水のジェットは、平坦なスプレーノズルから出た直後に、空気又は水の噴流によって周期的に偏向され、これにより、板材又は帯材の表面に衝突する水のジェットは、ワイパー運動（拭い運動）を行う。平坦なスプレーノズルを用いることにより、水のジェットが板材又は帯材の表面に衝突した時に、狭い衝突面が生じて熱交換が大きくなる。この局部的に大きな熱交換は、上記ワイパー運動と相俟って、熱を均一に除去する。しかしながら、このプロセスにおいても、最後に通過した後に短い部分に巻き取る前に（すなわち、非常に短い時間の間に）、例えば、熱間圧延されたアルミニウム合金製の帯材を３００℃未満の温度まで冷却するためには、上記熱交換は小さ過ぎる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、周知のプロセス及び装置に比較して物品の冷却効率を高めることのできる、上述のタイプのプロセス及び装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記プロセスに関しては、上記物品の表面に衝突する冷却剤が完全に蒸発するように、各冷却剤ジェットの供給速度を設定することにより、問題点が解決される。
【０００８】
完全な蒸発により、熱の除去を阻害する水膜の形成が阻止される。冷却剤の局部的な体積は全く存在しない。そのような局部的な体積が存在する場合には、冷却作用を制御することができず、従って、物品の表面付近に機械的な性質の差異が生ずることになる。そのような種類の機械的な性質の差異は、成形性が局部的に変化するために、例えばその後の成形作業において、表面の性質に悪影響を与える。
【０００９】
また、本発明のプロセスは、冷却剤が完全に蒸発するために、冷却剤の爆発性の蒸発がマイナスのあるいはより一層危険な効果をもたらす総ての用途に対して特に適している。
【００１０】
冷却効率は、本発明のプロセスによって最適に制御することができ、従って、正確で再現性のある冷却条件が可能となる。
【００１１】
物品の表面に水膜を形成させることなく、極めて大量の水を蒸発させることができるので、冷却すべき表面の上方に分布された小さな直径を有する複数の冷却剤ジェットによって、冷却剤を与えることができ、これにより、最適な冷却効率が得られる。
【００１２】
各々の冷却剤ジェットは、２０乃至２００μｍ、特に、３０乃至１００μｍの直径を有するのが好ましい。隣接する冷却剤ジェットの上記表面の上における衝突点の間の距離は、２乃至１０ｍｍであるのが好ましく、３乃至５ｍｍであるのが特に好ましい。
【００１３】
冷却剤ジェットが層流である場合に、最大の冷却効率が得られる。
【００１４】
冷却ゾーンにおける物品の滞留時間が極めて短い場合には、物品の表面からの熱の除去の大部分が蒸発によって生じ、そのような熱の除去のほんの僅かの部分が冷却剤を蒸発温度まで加熱することによって生ずるようにしなければならない。表面に衝突する冷却剤の温度が低すぎる場合には、冷却剤が完全には蒸発せずに表面に冷却剤の膜が生じ、これにより、冷却効率を低下させる恐れがある。従って、冷却剤の温度は、冷却剤の沸点よりも最高で５０℃低いのが好ましく、特に、冷却剤の沸点よりも最高で１０℃低いのが好ましい。更に、アルミニウム合金に対する冷却剤としては、水が好ましい。
【００１５】
冷却すべき物品は、上記冷却剤ジェットの方向と交差する方向に移動させるのが効果的である。
【００１６】
静止している物品を冷却する場合には、冷却すべき物品を揺動又は振動させることによって、また、インライン式の冷却作業の場合には、冷却すべき物品を連続的に移動させることによって、冷却を行うのが好ましい。冷却すべき物品を移動させる代わりに、あるいは、そのような移動に加えて、冷却剤ジェット又は冷却装置を、揺動又は振動によって、物品と相対的に動かすこともできる。
【００１７】
本発明のプロセスを実施するための適宜な装置は、物品の表面に個々の冷却剤ジェットを与えるための複数のノズルを備えている。各々のノズルは、２０乃至２００μｍ、好ましくは、３０乃至１００μｍの直径を有している。
【００１８】
本発明の装置の好ましい実施例においては、上記ノズルは、グラファイト、セラミック、ガラス、金属又はプラスチックから形成されたサポートに設けられる微小通路の形態を有している。特に簡単で且つ価格効果比の高い態様で製造することのできる装置の場合には、上記サポートは、複数の平坦な要素から成るスタック（積層体）によって形成され、上記要素の表面は、互いに流体密に圧接するスタックの表面の役割を果たす。隣接する要素の互いに向かい合う表面の少なくとも一方には、溝が設けられていて、上記微小通路を形成しており、これにより、冷却剤は、上記溝によって形成された微小通路の一端部に入ることができると共に、上記微小通路の他端部から出ることができる。
【００１９】
上記各要素は、平坦で平行な表面を有するプレートの形態であるのが好ましく、冷却剤を上記微小通路に供給するための少なくとも１つの開口を有している。上記溝は、上記開口を円形であるのが好ましい上記プレートの外縁部に接続する。
【００２０】
上記冷却剤ジェットの寸法に従えば、上記溝は、２０乃至２００μｍ、好ましくは、３０乃至１００μｍの幅及び深さを有する。
【００２１】
隣接する冷却剤ジェットの上記表面における衝突点の間の上記所望の距離に従えば、上記個々の要素は、２乃至１０ｍｍ、好ましくは、３乃至５ｍｍの厚さを有する。
【００２２】
本発明の上記プロセス及び装置の好ましい使用方法は、熱間圧延されたアルミニウム合金製の帯材を連続的に冷却する工程を含む。本発明のプロセスの冷却効率が高いために、小型ではあるが強力な冷却装置を、圧延機と巻き取り手段との間に得ることのできる極めて限定される場合が多いスペースに設けることができる。
【００２３】
本発明の上記プロセス及び装置は、まだ熱い状態の鋳型の表面に離型剤の薄層を塗布するために、理想的に使用することもできる。この目的のために、上記離型剤は、冷却剤と混合される。冷却剤は、上記熱い表面に衝突して完全に蒸発するので、上記離型剤は、極めて均一な状態で塗布される。上記冷却ノズルは、加圧ダイキャストモールドの表面に離型剤を塗布するように、通常の態様で梁に取り付けることができ、上記梁は、成形品を取り出した後の開いた鋳型の半部の間に導入される。
【００２４】
本発明の他の利点、並びに、特徴及び詳細は、好ましい実施例に関する以下の記載を図面を参照して読むことにより、明らかとなろう。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、ノズルモジュールは、管状のサポート１０を備えており、このサポートは、微小通路すなわち微小ノズル１４に冷却剤を供給するための中央の供給通路１２を有している。微小通路１４は、中央の供給通路１２をサポート１０の表面に接続している。
【００２６】
冷却剤は、別個の冷却剤ジェット１６の形態で、微小通路１４から出て、物品（例えば、熱間圧延されたアルミニウム合金製の帯材）１８の熱い表面２０に実質的に直角に衝突する。冷却剤として水を用いた場合には、供給通路１２の中におけるその温度Ｔ_kは、例えば、約９０℃であって、水の沸点Ｔ_sよりも約１０℃だけ低い。
【００２７】
微小通路１４の長さは、例えば、１０ｍｍであり、また、その直径は、例えば、５０μｍである。
【００２８】
例えば５０μｍの直径を有する冷却剤ジェット１６は、距離ｈ（例えば、３０ｍｍ）にある表面２０に衝突する。物品１８の表面２０に対する各冷却剤ジェット１６の衝突点の間の距離は、例えば、３ｍｍである。
【００２９】
微小通路１４の直径、すなわち、冷却剤ジェット１６の直径は、これら冷却剤ジェット１６が熱い物品１８の表面２０に衝突した時に、そのような冷却剤ジェットが冷却剤の蒸気２２に完全に変換するように、決定されている。
【００３０】
図２乃至図４に示すノズルモジュールは、個々の円形のプレート３２を備えており、これらプレートは、研磨されていて粗度が低く且つ平行で平坦な表面３４を有する酸化アルミニウムのセラミックから形成されている。プレート３２の中央開口３６から外縁部３８まで半径方向に伸長している複数の溝４０が、表面３４の一方に設けられている。これらの溝は、例えば、５０μｍの幅ｂ及び深さｔを有している。例えば３ｍｍの厚さを有する個々のプレート３２は、２つのエンドプレート４２の間に固定されたスタック３０を形成するように配列されている。上記２つのエンドプレート４２の一方には、冷却剤入口４４が設けられており、この冷却剤入口は、個々のプレート３２の中央開口３６によって形成されているスタック３０の冷却剤通路４６に開口している。
【００３１】
図５及び図６に示すノズルモジュールにおいては、個々のプレート３２は、矩形状であって、複数の中央開口３６を有している。これら開口からも、表面３４の一方に形成されたそれぞれの溝４０が、プレート３２の縁部３８まで伸長している。勿論、個々の中央開口３６を設ける代わりに、単一の細長い開口を設けることもできる。
【００３２】
図７を参照すると、複数のノズルモジュール又はスタック３０が、冷却剤ステーションにおいて互いに平行に配列されていて、熱間圧延されたアルミニウム合金製の帯材５０を冷却するようになっている。個々のノズルモジュール又はスタック３０は、冷却剤供給ライン４８に接続されている。帯材の熱い表面で発生した冷却剤の蒸気が、帯材の上方で凝縮したり帯材に滴下したりすることがないようにしなければならないことは、勿論のことである。そのような凝縮及び滴下は、帯材の上方に設けられる励起手段の部品（例えば、抽出フード）、並びに、冷却ラインを、冷却剤の沸点よりも高い温度に維持することによって、防止することができる。
【００３３】
冷却剤ジェット１６によって覆われる帯材５０の冷却面は、帯材の幅を２ｍとし、また、冷却ステーションの長さを１メートルとすると、約２ｍ²である。この種類の構成における微小通路１４の全数は、約２０００００個である。所望の冷却効率に応じて、冷却剤は、帯材５０の一方又は両方の表面に与えることができる。
【００３４】
本発明のプロセスの冷却効率は、試験片に対する冷却試験によって決定された。この目的のために、冷却剤ジェットを、５０ｍｍの長さ及び４ｍｍの直径を有する円筒形のアルミニウム製試験片の端面に与えた。種々のジェット条件における時間経過に対する試験片の温度変化は、図８から分かる。温度が１８℃の水が、冷却剤の役割を果たした。以下に示す値を冷却剤ジェットに関する運転パラメータとして選択した。
【００３５】
曲線Ａ： ジェット直径 １００μｍ
水 圧 ４ バール
冷却水の流量 ９.８８ｍｌ／ｍｉｎ
曲線Ｂ： ジェット直径 １００μｍ
水 圧 ８ バール
冷却水の流量 １３.４ｍｌ／ｍｉｎ
曲線Ａ及びＢは、本発明のプロセスの冷却効率が高いことを明らかに示している。得られた冷却速度は、５０℃／ｓｅｃ（曲線Ａ）及び２００℃／ｓｅｃ（曲線Ｂ）であった。比較例として、上で用いた試験片を通常の冷却方法で冷却した時の冷却速度は、約５℃／ｓｅｃと１５℃／ｓｅｃとの間の値であった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 個々の冷却剤ジェットによる冷却プロセスを概略的に示している。
【図２】 ノズルモジュールの第１の実施例の側面図である。
【図３】 図２のモジュールを図２の線Ｉ−Ｉに沿って示す断面図である。
【図４】 図２のモジュールの要素を図３の線ＩＩ−ＩＩに沿って示す断面図である。
【図５】 ノズルモジュールの第２の実施例の側面図である。
【図６】 図５のモジュールを図５の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って示す断面図である。
【図７】 熱間圧延された帯材を冷却するためのノズルモジュールを備えた構造の斜視図である。
【図８】 試験片を冷却する際の温度変化を時間と共に示すグラフである。
【符号の説明】
１０ サポート
１４ ノズル（微小通路）
１６ 冷却剤ジェット
１８ 物品
２０ 物品の表面
３０ スタック
３２ スタックの平坦な要素（プレート）
３４ 要素の表面
３６ プレートの開口
３８ プレートの外縁部
４０ 溝

Claims (15)

1. アルミニウム合金材からなる物品（１８）の表面（２０）に液体冷却剤を連続的な冷却剤ジェット（１６）の形態で与えることにより、前記物品を冷却するための方法であって、前記冷却剤は、冷却すべき表面（２０）の上方に分布された２０乃至２００μｍの直径（ｄ）を有する複数の冷却剤ジェット（１６）によって与えられ、それによって各々の冷却剤ジェット（１６）の供給速度が、前記表面（２０）に衝突する冷却剤が完全に蒸発するように設定され、隣接する冷却剤ジェット（１６）の前記表面（２０）の上における衝突点の間の距離（ａ）が２乃至１０ｍｍであることを特徴とする冷却方法。
2. 請求項１の冷却方法において、前記各々の冷却剤ジェット（１６）は、３０乃至１００μｍの直径（ｄ）を有していることを特徴とする冷却方法。
3. 請求項１又は２の冷却方法において、前記冷却剤ジェット（１６）は、層流であることを特徴とする冷却方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかの冷却方法において、前記冷却剤の温度（Ｔ_k）は、前記冷却剤の沸点（Ｔ_s）よりも最高で５０℃低いことを特徴とする冷却方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかの冷却方法において、冷却すべき前記物品（１８）及び前記冷却剤ジェット（１６）が、前記冷却剤ジェットの方向と交差する方向に相対的に移動することを特徴とする冷却方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかの冷却方法を実施するための冷却装置であって、個々の冷却剤ジェット（１６）を物品（１８）の表面（２０）に与えるための複数のノズル（１４）を備えており、各々のノズルは２０乃至２００μｍの直径（ｃ）を有していて、隣接するノズルの間隔が２乃至１０ｍｍであることを特徴とする冷却装置。
7. 請求項６の冷却装置において、前記ノズル（１４）は、３０乃至１００μｍの直径（ｃ）を有していることを特徴とする冷却装置。
8. 請求項６の冷却装置において、前記ノズルは、通路（１４）の形態でサポート（１０）に設けられており、該サポートは、グラファイト、セラミック、ガラス、金属又はプラスチックから形成されていることを特徴とする冷却装置。
9. 請求項８の冷却装置において、前記サポート（１０）は、平坦な要素（３２）の積層体（３０）として形成されていて、前記要素の表面（３４）は、互いに流体密の状態で圧接されていて、また、向かい合って隣接する要素（３２）の表面の少なくとも一方には、溝（４０）が設けられていて通路（１４）を形成しており、これにより、前記溝（４０）によって形成された前記通路の一端部からこれら通路に冷却剤が入ることができ、前記通路の他端部から前記冷却剤が出ることができるように構成されていることを特徴とする冷却装置。
10. 請求項９の冷却装置において、前記平坦な要素（３２）は、平行で平坦な表面（３４）を有するプレートの形態を有していることを特徴とする冷却装置。
11. 請求項１０の冷却装置において、前記平坦な要素（３２）は、前記冷却剤を前記通路（１４）に供給するための少なくとも１つの開口（３６）を有しており、前記溝（４０）は、前記開口（３６）を前記平坦な要素（３２）の外縁部（３８）に接続していることを特徴とする冷却装置。
12. 請求項１１の冷却装置において、前記平坦な要素（３２）は円形であることを特徴とする冷却装置。
13. 請求項９乃至１２のいずれかの冷却装置において、前記溝（４０）は、前記平坦な要素（３２）の積層方向での深さ（ｔ）及び積層方向に垂直な方向での幅（ｂ）を有していて、それら深さ（ｔ）と幅（ｂ）は２０乃至２００μｍであることを特徴とする冷却装置。
14. 請求項９乃至１３のいずれかの冷却装置において、前記個々の要素（３２）は、２乃至１０ｍｍの厚さ（ｅ）を有していることを特徴とする冷却装置。
15. 請求項６乃至１４のいずれかの装置を使用して、離型剤を冷却剤と混合することによって、鋳型の表面に前記離型剤の薄層を均一に与えることを特徴とする冷却装置の使用方法。

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