JP6410050B2

JP6410050B2 - 冷却用噴射ノズルの設計方法

Info

Publication number: JP6410050B2
Application number: JP2015226680A
Authority: JP
Inventors: 秀之大原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-11-19
Filing date: 2015-11-19
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2035-11-19
Also published as: JP2017094243A

Description

本発明は、冷却用噴射ノズルの設計方法に関し、特に、温度斑が存在する冷却対象物を冷却するための噴射ノズルの設計方法に関する。

例えば、特許文献１には、鋼材冷却、洗浄等の用途に使用される噴射ノズルが開示されている。この特許文献１には、当該噴射ノズルを使用することにより、噴霧域全体において均一な噴霧を実現できることが記載されている。ところで、特許文献１記載の噴射ノズルを使用して、局部的に昇温した部分（便宜上「高温部」と称する）が複数存在する冷却対象物を冷却する、すなわち、温度斑が存在する冷却対象物を、冷却液を吹付けて均一な温度分布となるように冷却する場合、一般には、吹付け幅が狭い噴射ノズルを複数配置して、冷却対象物の高温部を重点的に冷却する。

このように、冷却対象物の個々の高温部を、対応する噴射ノズルにて冷却する場合、設置スペース等の制約により、噴射ノズルを能率的に配置できないことがある。また、複数個の噴射ノズルを設置する場合、冷却液の流通回路が複雑化し、設備コストが増大するとともに、メンテナンス作業が煩雑化する。さらに、点在する高温部の温度に合わせて、噴射ノズルの吹付け量を個々に調整するため、実質上、冷却対象物の高温部以外の部分の温度制御がなされておらず、冷却対象物を均一温度分布に冷却することが困難である。

特開２０１０−２２１１２１号公報

そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、冷却対象物を均一温度分布に冷却することが可能な冷却用噴射ノズルの設計方法を提供することを課題としてなされたものである。

上記課題を解決するために、本発明の冷却用噴射ノズルの設計方法は、冷却対象物に冷却液を吹付けて冷却するための冷却用噴射ノズルの設計方法であって、前記冷却対象物の温度分布を測定するステップと、前記冷却対象物の実測温度と冷却後の目標温度との差を算出し、算出結果に基づき、冷却液の目標吹付け量分布を決定するステップと、前記目標吹付け量分布を正規分布に分解するステップと、前記目標吹付け量分布の個々の前記正規分布を、噴孔形状に変換して前記冷却用噴射ノズルに転写するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、目標吹付け量分布に則した吹付け量分布の冷却用噴射ノズルを得ることが可能であり、単一の冷却用噴射ノズルにて、温度斑が存在する冷却対象物を、均一温度分布に冷却することができる。

本実施形態のフローチャートである。本実施形態の説明図であって、（Ａ）は冷却対象物としての鋼材を示し、（Ｂ）は冷却前の鋼材の温度分布を示し、（Ｃ）は冷却液の目標吹付け量分布を示し、（Ｄ）は目標吹付け量分布の分解結果を示す。本実施形態の説明図であって、目標吹付け量分布の分解結果の、ノズルへの転写を説明するための図である。本実施形態の説明図であって、ノズルの吹付け量分布と正規分布との対応を説明するための図である。本実施形態の説明図であって、（Ａ）はノズルの噴孔幅Ｌと吹付け量分布のピーク値Ａとの関係を示し、（Ｂ）はノズルの噴孔幅Ｌと吹付け量分布の標準偏差σとの関係を示し、（Ｃ）はノズルの吹付け量分布のピーク値Ａと標準偏差σとの関係を示す。本実施形態の説明図であって、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は１回目の吹付け量分布（目標吹付け量分布）の分解手順を示し、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）は２回目の吹付け量分布の分解手順を示し、（Ｇ）は５回目の吹付け量分布の分解結果を示す。本実施形態を適用した一実施例の説明図であって、（Ａ）は冷却対象物としてのダイスの軸平面による断面を示し、（Ｂ）はダイスの温度分布を示し、（Ｃ）は冷却液の目標吹付け量分布を示し、（Ｄ）は目標吹付け量分布の分解結果を示す。本実施形態を適用した一実施例の説明図であって、図７（Ｄ）の分解結果の、ノズルへの転写を説明するための図である。

本発明の一実施形態を添付した図を参照して説明する。
ここでは、図１に示されるフローチャートに基づき、矩形板状の鋼材１０（図２（Ａ）参照）を冷却対象とする冷却用噴射ノズル１（便宜的に「ノズル１」と称する）の設計方法を説明する。なお、冷却前の鋼材１０の温度分布１１（図２（Ｂ）参照）には、長手方向（図２における左右方向）に、局部的に温度が高い部分が存在する。また、鋼材１０の幅方向（図２（Ａ）における奥行方向）の寸法は、長手方向の寸法に対して十分に小さいものであり、単一のノズル１（図３参照）にてカバーできる（冷却液を吹付け可能な範囲内）程度である。

まず、冷却前の鋼材１０（冷却対象物）の温度分布１１（図２（Ｂ）参照）を測定する（図１におけるステップ１）。なお、温度分布１１の測定には、例えば、放射温度計を使用する。次に、鋼材１０に対する冷却液の目標吹付け量分布２０（図２（Ｃ）参照）を決定する（図１におけるステップ２）。ここで、目標吹付け量分布２０は、鋼材１０（冷却対象物）の温度分布１１（実測温度）と目標温度（図２（Ｂ）参照）との差に比例する。よって、目標吹付け量分布２０は、冷却前の鋼材１０の温度分布１１と、冷却後の鋼材１の目標温度１２との差を算出することにより、当該算出結果に基づき決定することができる。すなわち、温度分布１１の曲線と目標吹付け量分布２０の曲線とは、重ねて一致させることができる。

次に、目標吹付け量分布２０（図２（Ｃ）参照）を、正規分布２１乃至２５（図２（Ｄ）参照）に分解する（図１におけるステップ３）。なお、目標吹付け量分布２０を正規分布２１乃至２５に分解する方法は後述する。次に、図３に示されるように、目標吹付け量分布２０の分解結果である個々の正規分布２１乃至２５を、噴孔３乃至７に変換してノズル１に転写する（図１におけるステップ４）。なお、図３から理解できるように、「転写」とは、個々の正規分布２１乃至２５に対応する吹付け量を確保する形状を有する噴孔３乃至７（噴孔形状）を、正規分布２１乃至２５間の位置関係に基づき、ノズル１に配置することを指す。

次に、目標吹付け量分布２０を正規分布２１乃至２５に分解する方法を説明する。前述の図１におけるステップ３において、正規分布２１乃至２５は、例えば、蓄積された正規分布データから抽出される。ここで、正規分布データは、噴孔形状と正規分布とを一対一で対応させたものである（図４参照）。また、正規分布データは、ノズル１の噴孔幅Ｌを変化させたときの、吹付け量分布のピーク値Ａ（図５（Ａ）参照）と標準偏差σ（図５（Ｂ）参照）とを調査し、ピーク値Ａと標準偏差σとの関係（図５（Ｃ）参照）を求めることにより、予め作成される。なお、「ピーク値Ａ」は、冷却対象物における吹付け量が最大になる値であり、統計学上の正規分布における「確率の最大値」に相当する。そして、噴孔形状は、円（長丸）、楕円、長方形等の適切な形状を選択することができる。

そして、目標吹付け量分布２０を分解するには、まず、図６（Ａ）に示されるように、目標吹付け量分布２０のピーク値Ａ１に、正規分布データの対応する正規分布２１を当てはめる。換言すると、蓄積された正規分布データから、ピーク値Ａ１に適合する正規分布２１を抽出する。次に、目標吹付け量分布２０から正規分布２１を差し引いた吹付け量分布２７（図６（Ｂ）参照）を作成する。ここで、図６（ｃ）は、現時点の分解結果を示す。

次に、図６（Ｄ）に示されるように、吹付け量分布２７のピーク値Ａ２に、正規分布データの対応する正規分布２２を当てはめる。換言すると、蓄積された正規分布データから、ピーク値Ａ２に適合する正規分布２２を抽出する。次に、吹付け量分布２７から正規分布２２を差し引いた吹付け量分布２８（図６（Ｅ）参照）を作成する。ここで、図６（Ｆ）は、現時点の分解結果を示す。

このように、現在の吹付け量分布のピーク値Ａに適合する正規分布を抽出するステップと、現在の吹付け量分布から抽出した正規分布を差し引いた、新たな吹付け量分布を作成するステップとを、ピーク値Ａが閾値Ｔ（図６（Ｂ）、図６（Ｅ）参照）以下になるまで順次繰り返し行う。そして、本実施形態では、両ステップを５回繰り返し行うことにより、図６（Ｇ）に示される分解結果を得ることができる。

そして、前述したように、当該分解結果（図６（Ｇ）参照）をノズル１に転写する。すなわち、図３に示されるように、分解結果の個々の正規分布２１乃至２５に対応する噴孔３乃至７（噴孔形状）を選択し、正規分布２１乃至２５間の位置関係に基づき、個々の噴孔３乃至７をノズル１に配置する。このようにして設計されたノズル１においては、吹付け量分布を目標吹付け量分布２０に近似させることができる。

本実施形態では以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、鋼材１０（冷却対象物）の温度分布１１（実測値）から目標温度１２を差引いて目標吹付け量分布２０を作成し、当該目標吹付け量分布２０を正規分布２１乃至２５に分解する。そして、分解結果の個々の正規分布２１乃至２５を、噴孔３乃至７（噴孔形状）に変換してノズル１に転写する。

このような設計方法により得られたノズル１は、吹付け量分布を、目標吹付け量分布２０に近似させることが可能である。すなわち、鋼材１０（冷却対象物）の全域において、温度分布１１に応じた吹付け量にて、冷却液を吹付けることができる。換言すると、鋼材１０の高温部（局部的に温度が高い部分）に、より多量の冷却液を吹付ける（配分する）ことができる。

よって、従来、温度斑が存在する冷却対象物を均一温度分布に冷却する場合、吹付け幅が狭い噴射ノズルを複数配置し、高温部を重点的に冷却していたが、本実施形態の設計方法を適用したノズル１では、単一のノズル１にて、温度斑が存在する冷却対象物を均一温度分布に冷却することが可能である。これにより、ノズル１の設置スペースの問題を解消することができ、さらに、設備コストを削減することができる。また、吹付け幅が狭い噴射ノズルを複数配置した場合、実質上、高温部以外の部分の温度制御がなされておらず、温度斑が存在する冷却対象物を均一温度分布に冷却することが困難であったが、本実施形態では、高温部間の領域においても、温度分布に応じた吹付け量にて冷却液が吹付けられるので、温度斑が存在する冷却対象物をより均一な温度分布に冷却することができる。

なお、本実施形態において、図１におけるステップ３の、目標吹付け量分布２０を、正規分布２１乃至２５に分解するステップ、及び図１におけるステップ４の、目標吹付け量分布２０の分解結果である個々の正規分布２１乃至２５を、噴孔３乃至７に変換してノズル１に転写するステップ、の２つのステップは、オペレータが自ら行うことが可能であるが、例えば、ＣＡＤ（Computer-Aided Design）／ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）を利用して実施することが可能である。

前述した設計方法を適用して、図７（Ａ）に示される熱間鍛造型のダイス１０Ａの成形面１０Ｂ（冷却対象物）を冷却するためのノズル１Ａ（図８参照）を設計する方法を説明する。

なお、成形面１０Ｂ、すなわち、ダイス１０Ａにおける冷却液が吹付けられる面は、図７（Ａ）に示される成形面１０Ｂとダイス１０Ａの一軸平面との交線Ｌ１を、軸線Ｌ０を中心に回転させた形状を成す。また、成形面１０Ｂは、軸線Ｌ０を中心とする同心円上の位置、すなわち、軸線Ｌ０からの距離が等しい位置では、温度が同一であるような温度分布である。さらに、本実施例において、成形面１０Ｂの目標温度１２Ａ（図７（Ｂ）参照）は、黒鉛系熱間鍛造用潤滑剤における最適付着温度である２００℃とする。

まず、冷却前の成形面１０Ｂ、本実施例においては、成形完了後、成形品をダイス１０Ａから取り出した直後の成形面１０Ｂの温度分布１１Ａ（図７（Ｂ）参照）を測定する。次に、温度分布１１Ａから目標温度１２Ａを差引いた温度に対応する、目標吹付け量分布２０Ａ（図７（Ｃ）参照）を作成する。次に、前述した手順にて、目標吹付け量分布２０Ａを、正規分布３１乃至３６（図７（Ｄ）参照）に分解する。

そして、図８に示されるように、目標吹付け量分布２０Ａの分解結果である個々の正規分布３１乃至３６を、噴孔１３乃至１８に変換してノズル１Ａに転写する。ここで、図８は、正規分布３１乃至３６の、ノズル１Ａへの転写を概念的に表すものである。すなわち、図８において、噴孔１３乃至１８は、円環形により表されているが、例えば、各々が複数個の各噴孔１３乃至１８を、同心円状に（各円環形に沿って）ノズル１Ａに配置するように設計することができる。

このようにして得られたノズル１Ａを適用することにより、ダイス１０Ａの成形面１０Ｂ（冷却対象物）を均一温度分布（２００℃）に冷却することができる。これにより、次の潤滑剤塗布工程において、成形面１０Ｂに、均一な厚さの潤滑剤による膜を形成することが可能であり、熱間鍛造における成形性及び離型性を向上させることができる。延いては、安定した品質の成形品を得ることができる。

１ノズル（冷却用噴射ノズル）、３〜７噴孔（噴孔形状）、１０鋼材（冷却対象物）、１１温度分布、１２目標温度、２０目標吹付け量分布、２１〜２５正規分布

Claims

冷却対象物に冷却液を吹付けて冷却するための冷却用噴射ノズルの設計方法であって、
前記冷却対象物の温度分布を測定するステップと、
前記冷却対象物の実測温度と冷却後の目標温度との差を算出し、算出結果に基づき、冷却液の目標吹付け量分布を決定するステップと、
前記目標吹付け量分布を正規分布に分解するステップと、
前記目標吹付け量分布の個々の前記正規分布を、噴孔形状に変換して前記冷却用噴射ノズルに転写するステップと、
を含むことを特徴とする、設計方法。