JPS59107017A - 高周波加熱処理方法及び処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は高周波加熱処理方法及び処理装置に関する。特
に、ステンレス材料から成る被加工物を処理対象とする
高周波加熱処理方法及び処理装置に関する。

〔従来技術〕

高周波加熱処理は、該処理を施行しようとする部材の内
面を冷却し外面を加熱することによシ板厚方向に温度勾
配を発生させ、この温度勾配による熱応力を利用して部
月内面に圧縮残留応力を発生させるものである。

よって高周波加熱処理に当たっては被処理物の内部に冷
却用流体を流して、その内面を冷却することが行われる
。

ところが内部構造を有する被処理物に冷却用流体を流す
と、流体を流すことに伴い内部構造物が振動して共振を
起こし、これにより破損が生じる可能性がある。従って
この可能性を予防する為、内面冷却用流体は低流速で流
さなければならない。

しかしこの様に低流速にすると、今度は該流体が高周波
で加熱されて沸騰するおそれが出て来る。

流体が＄８騰して気泡が発生すると、当然伝熱が阻害さ
れて被処理部材内面が充分に冷却されず、よって所期の
高周波加熱処理による応力改善は望めなくなる。

例えば、第１図に示すのは熱変換器の胴体継手４に高周
波加熱処理を施行する場合であるが、か力・る熱交換器
について上述の問題が発生する。即ち熱交換器の胴体７
の内部には伝熱管６等の内部構造物がある為、内部に内
面冷却用流体を流す場合該伝熱ｖ６等の振動による共振
に起因する損傷を避けるべく流体の流速ｖ１は低流速に
する必要がある。低流速であると、高周波加熱コイル５
からの入熱によシ内面冷却用流体は沸騰するおそれがあ
シ、気泡が発生して胴体７の内面に付着し、伝熱が阻害
される可能性が出て来る。このように気泡で伝熱性が悪
くなると、胴体７内面が充分に冷却されなくなり、板厚
方向に必要な温度勾配が生じない為、結局高周波加熱処
理による応力改善は達成されないことになる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決する為、
内面冷却用流体の’１９μ騰を抑制し気泡発生を防止す
ることにより、被処理部材の内面が充分に冷却され、も
って所期の処理効果を充分に発揮できる、有利な高周波
加熱処理方法及び処理装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明においては、ステンレス材料から成る被処理物の
内部に冷却用流体を存在させて高周波加熱処理を行う際
、加圧によって冷却用流体の沸点を上昇させる構成をと
る。

このように冷却用流体の沸点を上昇させると、処理時の
該流体の沸騰を防止でき、従って気泡による伝熱阻害の
問題は発生せず、よって所期の処理効果を充分に達成で
きるものである。

即ち従来技術であると、第１図の如くその冷却用流体を
貯えるタンク１０は大気に解放された型であり、大気圧
において内面冷却用流体を流す方法を採用したので、該
流体の沸点は定まっており、かつ加熱されてその沸点に
まで温度上昇するのが避けられなかったのに対し、本発
明では加圧して沸点を上昇させる為、その沸Ｉｉ＃を防
止し得るのである。

なお第１図中、１は氷室、２は胴体出口ノズル、３はバ
ッフル、８は胴体入口ノズル、９は配管、１１はボン六
　１８は流量計で、これらは第２図以下における符号と
対応している。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例につき、第２図を診照して詳述す
る。

この第２図の例は、本発明を熱交換器胴体７の周継手４
の高周波加熱処理に適用したもので、図はその処理装置
を示している。

この処理装置は、ステンレス製被処理物たる熱交換器７
の内部に冷却用流体を存在させて高周波加熱処理するに
際し、加圧により該冷却用流体の沸点を上昇させる方法
を用いるものでアシ、被処理物に高周波を与える高周波
加熱コイル５と、被処理物の内部に冷却用流体を流す冷
却用流体流通系とを備え、更に該冷却用流体流通系に加
圧手段である加圧ポンプ１４を設けて成る。

上記構成の結果、加圧ポンプ１４で内面冷却用流体を加
圧し循環させることによシ、その沸点を上昇させ、従っ
てその沸騰を抑制することができる。よって、流体が低
速で流れる場合にも、沸騰による気泡発生はなく、従っ
て気泡による伝熱能率の低下もないので、充分な温度勾
配をとることができ、高周波加熱処理の効果は充分に達
成される。

次に本実施例について、一層詳しく説明する。

本実施例における被処理物はＵ字管形多管式熱交換器７
で、その胴体周継手４に高周波加熱処理を行う。冷却用
流体としては冷却水を用い、これを既述の如く内部冷却
用流体加圧ポンプ１４によシ加圧する。

本熱交換器の胴体７はオーステナイトステンレス鋼製で
ある。また胴体７の内径は８００ｍｍ５板厚は４０謔で
ある。

本例のように多数の伝熱管６を内部に有する熱交換器の
場１（、伝熱管６の振動による破損を防止する為、胴体
７に流す冷却水の流速は低速にする必要があり、一般に
、最大でもＱ、　４５　ｍ／Ｓｅｃに抑えることを要す
る。従って最大流速をこの速度にすると、その区域より
流通面積の広い部分では一層流速は遅くなり、０．１２
ｍ／８ｅｃ以下の低速になる上域も生じる。

ところがこのように流速を遅くすると、冷却水が高周波
加熱されてｘｏｏｃ以上に至シ、ｄｌする場合が生じる
。、第３図は、胴体内表面温度と胴体内流速との関係を
示したもので、冷却水が２０Ｃで流入する場合の関係を
示している。この図から、冷却水流速が０．３　ｍ　／
ｓｅｃ以下になると、胴体内表面温度は１００Ｃ以上に
なり、大気圧下では水が沸騰してしまうことがわかる。

従って本実施例においては、胴体７内を流れる冷却水の
流速に応じて加圧ポンプ１４で冷却水を加圧し、もって
沸点を上昇させ、必要な胴体内表面温度においても沸騰
が生じないようにするものである。

ポンプ１４は該ポンプ、駆動用のモータ１７にて駆動し
、加圧は内面冷却用流体加圧タンク１３を介して行う。

冷却水は冷却用流体循環ポンプ１１により１．循環配管
９を通υ、胴体入口ノズル８を介して胴体７の内部に入
シ、ここを流通して胴体出口ノズル２から配管９に入っ
て、加圧タンク１３に戻るようになっており、かかる循
環系により本例の冷却用流体流通系が構成されている。

高周波加熱処理に際しては、熱又換器内に気泡（空気）
が停留していると内面冷却を阻害する為、空気抜き側弁
１５によ＃）あらかじめ気泡は抜いておくものとする（
最初の水張シの時抜いておけばよい）。

また、加熱コイル５による入熱により内面冷却用流体（
この場合冷却水）が膨張する為、圧力計１６により當に
圧力を監視しながら高周波加熱を施行する。

胴体内における流速ｖ１は、流量計１８にょシ調整し、
熱交換器胴体７の内部の構造物（伝熱管６等）を破損し
ない速度に保持しておくようにする。

上記構成の結果、加圧によシ冷却用流体（冷却水）の沸
騰が防がれ、気泡の発生もなく、従って流体を低速にす
る場合でも所期の効果を充分に発揮させることができる
。

次に第４図を参照して、本発明の第２の実施例を説明す
る。本例は上記説明した実施例の変形例であって、冷却
用流体の加圧を自動的に行えるようにしたものである。

本実施例もＵ字管形多管式熱交換器の胴体７の周継手４
に高周波加熱処理を施す場合であり、冷却用流体として
冷却水、加圧手段として加圧ポンプ１４を用いることは
上記例と同様である。がっ胴体７はオーステナイトステ
ンレス鋼製であシ、その内径は８００ｍｍ、板厚は４０
ｍである。

このような熱交換器であると、伝熱管６の振動による破
損防止の為、冷却水の流速は、前記例におけると同様流
速が最も速くなる伝熱管管束を横切る地点で、０．４６
ｍ／’８ｅＯ以下にしなければならない。この流速制限
によシ、鏡板−胴体継手部１９近傍では、その流路面積
が広い為、冷却水流速は０．１２ｍ／（８）と遅くなる
。また管板２０近傍の冷却水流速も、この部分では管板
２０とバッフル３との距離が大きいので、ｏ、　３７　
ｒｒｌ　／　爪以下と遅くなる。他箇所のバックル間隔
は５００咽であるのに対し、ノズル２を取付けるため、
管板２０とバッフル３との間は大きくしておかねばなら
ないからである。

既述の如く高周波加熱処理を施行する為には、胴体外表
面を高周波加熱コイル５によシ加熱し、胴体内表面を冷
却し、これにより胴体板厚方向に温度勾配を発生させ、
もって熱応力により胴体７の軸方向応力、周方向応力を
降伏点に至らせ、応力改善を行う。本例においては、胴
体外表面を高周波加熱コイル５により５５０Ｃまで加熱
した場合、胴体内表面温度は３７０Ｃ以下にする必要が
ある。よってこれだけの温度勾配を実現すべく、冷却水
によシ冷却を行わなければならない。冷却水は胴体７と
の接触部において、かなりの熱量を受り、相当の高温に
迄加熱ちれることになる。

第３図によれば、従来の如く冷却水を加圧しない場合、
冷却水の沸点は１００Ｃであるから、流速は０．３ｍ／
蹴以上を要する。鏡板・胴体周継手部分１９近傍の冷却
水流速は０．１２ｍ／Ｆ＋（イ）であるから、この場合
、この部分では沸騰が生じてしまうことになる。

これを避けるには、第３図より冷却水流速０．１２ｍ　
／Ｓｅｃでは対応する胴体内表面温度が１８７．Ｉ’と
なる為、この温亀に対する飽和圧力１２．１にり／　ｃ
Ａ以上で冷却水を加圧すればよい。そうすると沸点がこ
の温度に上昇するから、沸騰を避けることができ、気泡
発生な防止できる。なお本例熱交換器の最高使用圧力は
８７．９　Ｋｙ　／　ｃｒ＆であり、１２．１　Ｋ９／
　ｃｒｔ１程度の加圧圧力は強度上問題ない。一般に、
上記の如き沸騰防止の為の沸点上昇をもたらす加圧は、
それ程の問題を生じることなく達成できる。

このように、熱交換器胴体７内の最低流速に対し胴体内
表面温度を算定し、この温度に対する飽和圧力以上で冷
却水を加圧すれば、沸点がこの温度以上に上昇する結果
沸騰が防止でき、気泡も発生せず、よって伝熱阻害も起
こらず、有効に高周波加熱処理を行うことができる。

本実施例は、上記の如き加圧を、自動的に達成するもの
である。

ところで、熱交換器内の流体は、その流路形状が複雑な
為、該流体の流速分布は一般に予測が困難である。従っ
て、胴体内壁面の冷却状況も予測が困難ということであ
り、この為胴体内壁温度を精確に算出することができな
い。よって本実施例の装置では、冷却水出口温度ＴＩ％
加熱外面温度Ｔ２、冷却水入口温度Ｔ３及び冷却水流量
Ｆを測定することによシ、胴体７の内壁面の温度を計算
し、この温度に対する飽和圧力で自動的に冷却水の加圧
を行えるように構成しである。

以下本実施例の構成を説明するとともに、これＫよる高
周波加熱処理の施行方法、動作について詳述する。

高周波加熱処理の施行に当たっては、まず冷却水流量を
決定する。これは伝熱管６が振動を起こさない最大流速
より求めて、その値に設定する。

この値は、熱交換器の仕様に従って決められている設計
ｉ値に基づいて算出できるものである。

決定した値での冷却水流量設定は、流量計１８の指示に
よシ、流量制御弁２９を調整して行う。

以上の操作により、冷却水はポンプ１１を出て、冷却水
配管９を通り、胴体入口ノズル８を通り熱交換器胴体７
に入ってこの中を折流して流れ、胴体出口ノズル２よシ
出る。そして内面冷却用流体加圧タンク１３に至シ、再
びポンプ１１を通る。

このようにして冷却水の循環が行われ、これによシ冷却
用流体流通系が構成される。

次に、胴体７内の冷却水流速の最低値を計算によって求
め、これに対する胴体内壁面温度を第３図よシ求める。

この胴体内壁面温度に対する飽和圧力以上の圧力で冷却
水を加圧する。これによシ冷却水の沸点を上昇させる。

加圧方法は、ポンプ駆動用モータ１７によって、内面冷
却用流体加圧ポンプ１４を作動させることにより行う。

加圧圧力の設定は、圧力計１６の指示によシ行う。

次に高周波加熱コイル５の出力を、胴体７の板圧方向に
必要な温度勾配が生じるよう設定する。

このような初期設定作業は、初期設定作業用制御機能を
追加した構成にすれば、自動的に行うようにできる。

これらの初期設定が終了した後、各種制御機器である加
熱内面温度側算機２５、加圧圧力計算機２６、加圧圧力
制御器２７、加熱内外面表示装置・タイマー２８を作動
する。

各々の制御機器は次のように作動する。

加熱内面温度計算機２５は、冷却水入口温度計２３、冷
却水出口温度計２１、冷却水流量計１８の各信号によシ
、コイル５からの入熱を算出し、この値と加熱外面温度
計２２の信号とに基づいて加熱内面の温度を計算する。

加熱内面温度計算機２５で算出した上記加熱内面温度デ
ータは、加圧圧力計算機２６に送られる。

加圧圧力計算機２６では、加熱内面温度に対する飽和圧
力を算出する。この飽和圧力に数Ｋｙ／ｃｒｌの余裕を
加えた圧力を加圧圧力として、この加圧圧力データを加
圧圧力ｆ［ｔｌＪ　＃機２７へ送る。加圧圧力制御機２
７では、送られて来た圧力信号に従ってポンプ、シに動
用モータを作動させ、冷却水加圧ポンプ１４により冷却
水を加圧する。加圧圧力ｆｉｔ！Ｉ　８機２７には、圧
力計１６の信号がフィードバックされ、フィードバック
制御により加圧を行う。

これらの加圧動作中において、加圧圧力が熱交換器胴体
７の設計圧力を上まわらないよう、冷却水配管９には安
全弁３１を設ける。また、加圧圧力計＠：機２６には、
加圧圧力の上限値である熱交換器の設計圧力を圧力制限
値としてあらかじめインプットしておき、上限以上の信
号は出さないようにする。

加熱内外面温度表示装置及びタイマーを有する装に’ｉ
　２８　（符号２８で示す装置内に両者が組込まれてい
る）においては、加熱内面温度計算機２５から、該計ｇ
磯２５に入力している冷却水出口。

入１コ温度計２１．２３のデータや、加熱外面温度計２
２のデータに基づく加熱内面温度データ、加熱外面温度
データを入力し、該加熱内面温度と加熱外面温度との差
を判断して、熱交換器胴体７の板厚方向に充分な温度差
が生じているか否かをチェックする。必要な温度差の値
はあらかじめインプットしておく。

このチェックにおいて、必要な温度差が生じていない場
合には高周波加熱コイル電源３０に信号を送り、該電源
３０の出力を上げる。出力を上げればコイル５による加
熱力が上がり、胴体外面温度計２２．冷却水出口温度計
２１の指示値が変わる。これらの信号は加熱内面温度計
１２５を介して、加熱内外面温度表示装置及びタイマー
２８に、フィードバックされる。

必要な１１ｍ度差が生じている場合は、装置２８内のタ
イマーが作動し、あらかじめ設定した高周波加熱処理必
要時間が経過した後、各制御機器、高周波加熱コイル電
源３０．冷却水循環ポンプ１１を停止させる。

加熱内外面温度表示装置及びタイマー２８には、加熱外
面温度の上限値をあらかじめインプットしておき、加熱
外面温度がこの上限値を越える場合に／ｉ高周波加熱コ
イル也源３０にその出力を下げる信号を送るようにする
。なおこの装置２８は、前記した通りタイマーと、加熱
内外面温度が表示される表示部との双方が組込まれて成
るものである。

また本実施例においても第２図の実施例と同様、高周波
加熱処理時の熱交換機内の気泡（空気）停留を防ぐため
、空気抜き弁１５によりあらかじめ気泡は抜いておく。

上記構成であるから、本実施例も第２図の例におけると
同様、内面冷却用の流体たる冷却水を加圧したことによ
りその沸点を上昇させ、従って該冷却用流体の沸騰に伴
う気泡発生・伝達阻害等の問題を防止できる。内部構造
の存在のために流速を低速にする場合も、この４ｊｆ成
によりｌ！ｌｌｉ騰を防ぎ得、よって有効な高周波加熱
処理を達成できる。

更に本実施例は、冷却用流体の加圧を自動的に行えると
いう利点を有する。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明によれば、被処理物の内部に冷却用
流体を存在させて高周波加熱処理を行うに際して加圧に
より冷却用流体の沸点を上昇させるので、高周波加熱に
伴う冷却用流体の沸騰を防止でき、よって気泡の発住や
それによる熱伝達阻害の問題を解決できて被処理部材内
面の冷却が充分行え、従って必要な温度勾配を確保でき
、高周波加熱処理による応力改善を有効に達成できる。

また冷却用流体が低流速であっても上記の如く沸騰防止
を確実になし得るので、内部構造物がある為に流体を低
流速にしなければならない場合にも有効に高周波加熱処
理を適用でき、その応力改善を達成することができる。

なお図示実施例はその具体的構成に基づき更に様々の作
用効果を呈するものではあるが、当然のことながら本発
明は図示の実施例にのみ限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例を示す構成図である。第２図及び第４図
は各々本発明の一実施例を示す構成図である。第３図は
流速と内表面温度との関係を表すグラフである。 ５・・・高周波加熱コイル、７・・・被処理物（熱交換
器胴体）、１４・・・加圧手段（加圧ポンプ）。 代理人　弁理士　秋本正実

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ステンレス材料から成る被処理物の内部に冷却用流
   体を存在させて高周波加熱処理を行う処理方法において
   、加圧により前記冷却用流体の沸点を上昇させて処理を
   行うことを特徴とする高周波加熱処理方法。 ２、前記被処理物が、その内部に内部構造物を有するも
   のである、特許請求の範囲第１項に記載の高周波加熱処
   理方法。 ３、ステンレス材料から成る被処理物に高周波を与える
   高周波加熱コイルと、被処理物の内部に冷却用流体を流
   す冷却用流体流通系とを備える高周波加熱処理装置にお
   いて、前記冷却用流体流通系に加圧手段を設けたことを
   ％徴とする高周波加熱処理装置。 ４、前記処理物が、その内部に内部構造物を有するもの
   である、特許請求の範囲第３項に記載の高周波加熱処理
   装置。