JPS6033772B2 - 加熱物急冷方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は技術、即ち物理的特性を変える簡単に言えば冷
却するため通常速かに物体から熱を取除く技術に関する
。

しかしこのことに限らずガラス及び金属工業は急冷方法
の主要な使用者である。ガラスでは、急冷は加熱された
ガラス片を速かに冷却する冷却強化工程で使われ、それ
で面層に圧縮応力を形成させてガラスを強化させる。金
属ではその結晶構造を再配置してそれで金属を硬化する
ため急冷される。急冷の他の適用は、熱可塑性材料をそ
の成形直后に遠かに固化してその取扱を可能にする目的
である。この後者の適用例は、ガラス、金属、プラスチ
ック又はアスファルト材料などの溶融材料の落下する小
摘を捕えることである。急冷の先行技術では広範囲の流
体、最も普通のものは空気、水又は油などで行なわれる
。

より風変りの急冷媒体の例は、ニ−リーのアメリカ特許
第３７６４４０３号記載の、昇華することの出来る粒子
（例えばドライアイス）及びマックマスターのアメリカ
特許第３４２３１９８号のプラスチック粒子流である。
大部分の急冷目的に対し、急袷流体は急冷される物体か
ら最大の熱移動速度を得ることが望ましいが、物体を弱
くし、又は破壊するかも知れない物体内の応力の不均等
の発生を防ぐため出来るだけ一様に冷却することが通常
重要である。水は非常に速い冷却速度を得ることが出来
るが、水の急冷に伴って突然に起る表面沸騰現象が熱移
動速度を局部的に変え、これが物体を不均等応力状態に
し、場合によって破壊される。それゆえ、水はこの応力
に耐えない多くの材料に不適当な急冷媒体である。油な
どの粘し、材料の使用は、より一様な熱移動を得るため
によく行なわれるが熱移動速度をいくらか減少させる。
しかし、急冷媒体としての油などの多分最大の欠点は物
体の面から急冷液を取除くために物体をあとで洗う必要
があることである。空気は比較的低い熱移動係数を持ち
、それゆえ通常は急冷媒体として有効なためには高い速
度を必要とする。このような非常に高速の空気流は物体
に一様に適用するのが困難であり、そして実際上最高の
空気速度でも、得られる熱移動速度は液体で得られるも
のほどめったに高くなく、それゆえ水より相当に小さい
。その上、高速空気流で起る衝撃はいまいま熱軟化ガラ
スにゆがみを生ずる。急袷媒体として粒状材料を空気に
捕捉させ又は空気で流動化して使う多くの提案が行なわ
れている。提案されている粒状材料は、アメリカ特許第
３４２３１９８号に記載のように、微粒化アルミナ又は
シリカ、細かい砂、金属粉、粉状グラフアィト及びプラ
スチック粒がある。これらの材料は空気のみの熱移動速
度を改良することが出釆るが、液体ほど高いものは得ら
れない。その上、急冷される物体の面上に集められる固
体の衝撃は、物体によって、特にガラスの場合欠点を生
ずる。又急冷される物体に粉状材が付着することは時と
して問題である。この付着は、アメリカ特許第３０７０
８３７号、第３２０２７３１号及び第３７９１９８７号
に示されているように、被覆材料の流動床内を落下する
小滴を被覆するのに使われている。アメリカ特許第３７
６４４０３号は固形粒子をゆがみの起る衝撃からを防ぐ
ように使う急冷方法を記載している。

これは、ドライアイスのような昇華出来る固体で、且つ
急冷される物体の面におけるガスの包囲層を通る熱移動
を改良するのに固体同様に作用する粒子を使って実行さ
れるが「 これらが物体それ自身の熱い面に近付くと瞬
間的にガス状態に昇華し、それで衝撃効果を弱める。こ
れらの試みは消費され、ガスとして逃げる昇華可能の粒
子が高価なためその受入れに限度がある。もしこの鰍衝
撃粒状急冷媒体が再循環して利用出来るならば非常に望
ましい。本発明の急袷媒体は、疎水性コロイド状シリカ
内に水を流動的に分散させたものである。

疎水性コロイド状シリカは、粒状材料の固化防止剤、ペ
イント、シール材の溌水添加剤、重合体の強化剤などの
多くの広い適用に使われてる市場で利用出来る製品であ
る。疎水性コロイド状シリカ内の水の分散形成はアメリ
カ特許第３３９３１５５号に記載され、そしてその分散
体は紙、繊維を処理して及びゴム又はプラスチック又は
重合体に分散使用して、消火剤としての利用がその中に
記載されている。又アメリカ特許第３７１０５１ぴ号‘
こは疎水性コロイド状シリカ内の水の分散体は種子の発
芽に使われるよう記載されている。これら先行技術の分
散体は本来、相当量の空気を含み、そして流体状である
が、本発明に使われるような動的流動状態ではない。そ
の上、先行技術は、流動化された時この分散体は急冷媒
体としての可能性が認められない。本発明は、疎水性コ
ロイド状シリカ内の水の流動化分散体が急冷媒体として
注目すべき特性を特つことを発見したことである。

この分散体の重量の大部分に重量比で約９６％もの水で
あり、それゆえその熱移動速度は水のそれに近いものを
表わすことが出来る。しかし、分散体はすべて軽い乾燥
粉の外見のすべてを示すから、水の表面沸騰の問題は避
けられない。分散体は、疎水性に修正されたシリカのミ
クロン以下の粒子で被われた水の徴滴（直径約２０ミク
ロンほど）で形成され、それによって隣接する水の４・
満間に相互反発作用を得る。これらの分散小滴は、急冷
される物体の面で、よどんでいる流体の園層内に侵入す
る固体粒子のように作用するように見えるが、これら分
散体がコロイド状の物であるため、これらはその質量が
小さく、そしてそれゆえ、他の浮遊粒子のシステムに協
力して衝撃が原因の欠点を防ぐ。その上、本発明の急冷
媒体はそれ自身再循環装置に容易に適合し、蒸発によっ
て失なわれる４・量の水を補給することだけ必要である
。本発明の利点を得るため、疎水性コロイド状シリカの
分散体は流動化、即ち機械的縄梓を受けねばならない。

燭梓は、振動、ポンプ、頃霧及び滝などの色々の方法で
得られる。分散体に与えられる運動エネルギーが多いほ
ど熱移動速度は大となる。静止した分散体の床は静止空
気の熱移動係数より僅かに良いことが見出されている。
この床をおだやかに蝿拝すると、熱移動係数は、代表的
な急冷油のそれとほぼ相当する程度に上昇する。面上に
流動化した分散体の自由落下流を汝入れると、熱移動係
数を水の急冷のそれにし、ほどに上げることが出来る。
コロイド状シリカ（ガス状シリカ又はピロゲンシリカと
して知られている）は、アメリカ特許第２９９０２４ｙ
号１こ記載のようにシリコン化合物を火炎加水分解して
作られる疎水性粉末である。

シリカ粒子を疎水性にするために、シリカを炭化水素群
（有機シリコン水素化物が好適）を含む成分と反応させ
てシリカ粒子の面上の水酸基を炭火水素含有の成分に置
きかえることが知られている。この反応の例はアメリカ
特許第２９９３８０９号に見られる。疎水性コロイド状
シリカはマサチューセッツ州、ボストンのカボツト社の
“シラノツクス１０ｒ、マサチューセッツ州、ノースビ
ラリカのタルコ社の“タラノックス５００’’及びドイ
ツ、フランクフルトのデグツサ社の“ェアロジルＲ−９
７２’’として市場で利用出来る。疎水性コロイド状シ
リカ内に水を分散させるのは、アメリカ特許第３３９３
１５５号に記載され、この記載はここで引用して組入れ
られる。ここで使われる技術は水と疎水性シリカとを閉
じた容器内で強く振ることであるが、ここで好ましい技
術は５乃至１の砂、間混合機を使うことである。使われ
る混合機は混合速度、毎分１８０００乃至２１０００回
である。一般に分散は、水が高い鱗断力の適用で４・ご
な小瓶（約２０ミクロン程度と判断される）に破砕ささ
れて生じる。シリカの粒子は小滴を取り巻き、そしてそ
の疎水性は水の小滴の合体を防ぐ。出来たものは白色の
自由に流れる粉状分散体であり、これは大部分水で構成
されているのに乾燥したように見え、感じる。水とシリ
カとの好適比は特定の疎水性シリカ製品と他のものとで
は僅かに変り、重量比で４％のシリカと９６％の水とを
含むシラノックス１０１分散体（トリメチル水素化処理
シリカ）が最小量のシリカを含有して安定な分散を維持
することが見出されている。好適な混合は重量比で５％
のシリカと９５％の水とを有している。重量比で１０％
までのシリカが良い分散を得られ、そしてより多い量も
使えるけれども、良い分散を得るのに必要な最小量より
も多いシリカを使うことには正当性がない。その上、余
計なシリかま、分散体が流動化される時、ごみとして分
散体から失なわれる。疎水性シリカの色々の量の分散効
果は表１に見られ、ここで測定された色々の分散体の密
度は、分散度に反映している（分散小滴間の反発作用が
大きいほど密度が小さい）。正しく形成された時、疎水
性コロイド状シリカ内の水の分散は、さらに凝拝しない
でも数ケ月安定しているが「蒸発によってい〈らかの水
が失なわれる。

水−シリカ分散体の流動化は、各分散小滴を運動中流体
状態に維持するよう連続的に分散体を蝿拝することを必
要とする。

流動化は、機械的蝿梓機、空気流、振動器などの多数の
装層で得られるが、好適な方法は、固形分散体、スラリ
−などを取扱うのに適するダイヤフラムポンプ、その他
のポンプで流体を再循環するように汲上げることである
。静止している分散体は相当量の空気を含んでいるが、
流動化されると、分散粒子は空気の追加量で一定運動内
に浮遊する。静止状態から流動状態へ移行する時分散体
の床は、追加の空気が含有されているため少くとも２倍
の容積に見える。流動化燈梓が止められると床は数秒で
始めの容積に沈降して戻るがなお分散を維持している。
流動化は、縄梓が非常に強くなって空気のポケットが床
内に形成される場合にいまいま出合う点までは有利に増
すことが出来る。これは流動化装置としての空気流の特
性である。このような空気ポケットは流動床を不均等に
してそれで熱移動を一様にしないからこのような場合の
極度に強い流動化は多くの急冷作業では避けねばならな
い。流動化分散体の熱移動特性は静止分散体より著しく
良好であるが、もし分散体が熱移動面上に外部から導入
される流れが設けられていれば、さらに速い熱移動速度
も達成することが出来る。

速度がより速ければ熱移動を大きく増加するが、流動化
分散体を低圧でおだやかに滝状に流しても劇的な結果が
得られる。これは熱軟化物体の面のゆがみにつながる空
気急袷でいまいま必要な高圧噴射と対照である。次の表
は空気、油、水で得られる急冷割合と、本発明の色々の
櫨梓状態における水−シリカ分散体とを比べている。

各例における急冷される物体は厚さ６．３５側（】′４
インチ）、５．０８ｃｍ角（２インチ角）の鉄板である
。各場合の分散体は重量比で９５％の水と５％のシラノ
ックス１０１である。例４では分散体は流動床の底部に
ある一対の回転ひれで流動化され、ひれは鉄板のまわ物
こ僅かな量の流れ丈を生じている。例５では分散体はダ
イヤフラムポンプで再循環流を作って流動化され、ポン
ピの出口流は、板の面上に急冷媒体を連続的に流すため
両側から板の面に向けられている。表 ２ 第１図は一実施例を示し、ここで本発明の急冷媒体が、
即ち溶融材料の落下する小摘を捕えて、冷却し、これが
着地するまでに球形に固化するのに使われている。

この急冷装置を相当有利に使うことの出来る特定の方法
はアメリカ特許第３８４３３４び号に記載のガラス球を
作ることである。

開頂急冷槽１０は、疎水性コロイド状シリカ内の水の流
動分散体で構成される多量の急冷媒体を保持し、この中
に溶融小滴１２の流れが落下する。流動床の高丸ま少く
とも１０乃至１５ｃの（４乃至６インチ）であるが、１
．２ｈ（４フィート）以下のものもガラス球を捕えるの
に有効であることが見出されている。球にシリカの付着
は見られない。急袴媒体はダイヤフラムポンプ１３で流
動化され、ポンプは出口パイプ１４を経て床の頂部から
媒体を引き、そして入口パイプ１５で急袷槽の底部近く
に媒体を戻している。急冷媒体内に余計な熱が貯まって
これが蒸気を形成し、分散体から水を矢なうのを防ぐた
め、急冷媒体は、第１図に示すような水又は空気冷却ジ
ャケット１６などの熱交換機を通される。別法として、
急冷槽それ自身第２図に示すよう空気冷却ジャケット１
７を設けてもよい。短かし、バッチ作業には、急冷媒体
が相当な熱容量を示すから熱交換機は不必要である。通
常僅かである装置からの急冷媒体の損失を補充するため
第２図のように混合タンク２０があり、ここで水ーシリ
カ分散体の追加量が混合され必要ならば周期的に装置に
加えられる。混合タンク２０‘ま高速ミキサー２１、水
源２２及び疎水性シリカの供給を保持し、小出しするた
めのホッパ−２３を有する。補充分散体はパイプ２５の
弁２４を開いて主循環流内に導入される。床を整えるた
め簡単な半バッチ装置が第１図に示され、これは一対の
ケーブル２７で周期的に上昇され、その内容を明けるバ
スケット２６で構成されている。通常非常に僅かの分散
体が急冷槽の関頂部から逃れるが、予防手段として、逃
出物を回収するため檀の頂部近くに吸入装置を設けるの
が望ましい。第１図に示す装置は、又バスケット２６な
どの格子内で物体を加熱し、次に格子、バスケットなど
を急冷槽内の流動化した急袷媒体内に投入して多数の小
さな物体を同時に急冷するのに使うことが出来る。

流動化した急冷媒体は液体のように流れるから、バッチ
内で各物体のすべての側面と殆んど瞬間的に接触するこ
とが出釆、液からの逃出、汚染及びあとでの洗練など液
体急冷媒体の欠点は防がれる。本発明の急冷媒体を使う
急冷作業の別の例が第３図に示されている。

ここにはガラス板の焼もどしなど板材の急冷のための装
置が示され、ここで板は加熱され、次に中央部が冷却さ
れる前にその面を冷却するよう速かに急冷される。第３
図の装置では加熱されたガラス板３０ははさみ３１で吊
下げられ、そして急冷媒体３３の流動床を収容する細長
い急冷室３２内に下降される。流動化は急袷媒体を室の
底部において入口パイプ３４で汲入れ、これをマニホル
ド３５を経て頂部で汲出すことで達成される。別法とし
て流れを反転させ、即ち急冷媒体は板の上を下方に流下
させ、底部で引入れても良い。循環装置は第１図の実施
例に関して上述したようにダイヤフラムポンプ１３、熱
交換機１６及び補充混合タンク２０を有する。又第３図
のように逃れるかも知れない急冷媒体を集めるため急袷
室の頂部のまわりに任意に一対の溝付吸込チューブ３６
がある。場合によって急冷室内でより一様な流れ速度を
生ずるため複数個の入口パイプを離隔して設けることが
望ましい。もしより遠い流れ速度が望ましい時は急袷媒
体は板の主要面に直角に延びる多数の離隔されたノズル
からガラス板又はその他の板の上に打ち当てることも出
来る。急袷媒体を適用する他の方法は「板を急冷室内に
導入し、一方室は空にしそして次に室を貯蔵タンクから
の急冷媒体で急に溢れさせることである。この様な技術
は急冷の一様性を改善する。第４図は本発明の急袷媒体
が使われるさらに別の方法を示している。

ガラス板４０又は金属の連続リボンなどの物体は、浅い
細長い急冷タンク４２内にｏーフ叫コンペアー４１上を
水平方向に運ばれる。コンンベアーはタンク４２内の急
冷媒体４３の流動床の面の下に浸潰し、それで物体は浸
潰されて連続的に運ばれ、次に急冷媒体からら取出され
る。流動再循環装置は上述のものと実質的に同じであり
、入口パイプ４４、出口パイプ４５、熱交換機１６、補
充タンク２０及びダイヤフラムポンプ１３を有する。板
が運ばれ処理される時、板がガスの層上に支持されるガ
ラス板の急冷して強化する方法は技術上知られており「
その例はアメリカ特許第３２２３５０１号、第３３３２
７５ｙ号に見られる。

この装置は急冷領域で普通使われる空気を「本発明の流
動化分散体を支持、冷却流体として置きかえて本発明に
適合することが出来る。この装置の部分の図解的表現が
第５図に示されている。ガラス板５川ま横に延びる溝の
形である対向した複数個の上下急冷ノズル５１の間を長
手に通る。急冷媒体は多数の供給管５２を通って該当す
る数の充満室５３に汲入れられ、充満室の各々は順に溝
型ノズル６１の群に連絡している。急冷媒体はノズルか
ら流出し、ガラス面を流れ、そして隣接ノズル間の空間
に逃れる。急冷領域には包囲５５が設けられ、それで逃
れた急冷媒体は収容され、一対のダクト５６などの排気
管で再循環される。熱移動速度が空気より相当に高いた
め、本発明の分散急冷媒体は空気急冷にいよいよ必要な
高圧力、高速噴射を適用する必要がない。むしろ急冷媒
体は、板を支持し、そして包囲５５内の急袷媒体がおだ
やかに循環する塵状雰囲気を維持するのに単に充分な圧
力が供給されればよい。包囲５５の入口及び出口で急冷
媒体が逃れるのを防ぐため何かの予防手段がとられるべ
きである。この逃れを防ぐ一つの装置が第５図に示され
、ここで入口近くにある一対のノズル５７は急袷媒体を
入口の附近から遠ざけるため内方に傾斜している。一対
のの吸込溝５８のような別の装置も、逃れる急冷媒体を
掃うため入口の近くに設けることが出来る。本発明は説
明の目的でここに述べられた特定の例に限定されるもの
ではない。

当業者に知られている修正及び変更は本発明の精神及び
範囲から離れずに行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶融材料の自由落下小滴を捕えるための流動急
冷床の一部破断した斜視図、第２図は冷却ジャケットを
持つ急袷槽を使う第１図の修正装置の断面図、第３図は
ガラス板などの板材用の流動急冷装置の断面斜視図で、
板ははさみで垂直方向に担持され「第４図はローフーコ
ンベア−上に担持された板材を連続的に急冷するための
流動急冷床の長手断面図「第５図は板材がガスに支持さ
れ乍ら急冷される噴射急袷装置の長手断面図である。 １８・・・糟〜 １１・・・急冷媒体、１２…小滴、１
３…ポンプ、１４； １５…パイプ、１６，１７…ジヤ
ケツト「２Ｑ…タンク、２１…ミキサー、２２…水源、
２３…ホッパー、２４…弁、２５・・・パイプ、２６…
バスケット、２７…ケーブル、３０…ガラス板、３１・
・・はさみ、３２・・・室、３３・・・急冷媒体、３４
…パイプ、３５・・・マニホルド、３６・・・吸込チュ
ーブ、４０・・・ガラス板、４１・・・コンペアー、４
２・・・タンク、４３・・・急冷媒体、４４，４５“・
／ｆィプ、５０・・・ガラス板、５１…ノズル「 ５２
・・・管、５３・・・充満室、５５・・・包囲、５６・
・・ダクト「 ５７…ノズル、５８…溝。 ＦＩＧ．ｌ ＦＩＧ．２ ＦＩＧ．３ ＦＩＧ．４ ＦＩＧ．５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加熱された物体を急冷する方法において、前記物体
   を疎水性コロイド状シリカ内の水の流動化分散体と接触
   させる段階を有する加熱物急冷方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の加熱物急冷方法におい
   て、前記分散体のシリカとの重量比は約９０乃至９６％
   の水と約４乃至１０％の疎水性コロイド状シリカとの比
   である加熱物急冷方法。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の加熱物急冷方法におい
   て、前記疎水性コロイド状シリカ内の水の分散体は開頂
   容器内に流動床として維持され、そして前記接触段階は
   前記の急冷される物体を前記流動床内に浸漬して行なわ
   れる加熱物急冷方法。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の加熱物急冷方法におい
   て、前記物体は熱軟化材料の小滴であり、そして前記小
   滴は自由落下するよう前記流動床内に導入され、それに
   よつて前記小滴を球形に固化する段階を有する加熱物急
   冷方法。 ５ 特許請求の範囲第４項記載の加熱物急冷方法におい
   て、前記小滴は溶融ガラスである加熱物急冷方法。 ６ 特許請求の範囲第３項記載の加熱物急冷方法におい
   て、前記の急冷される物体は、前記の浸漬をするため前
   記流動床内に下降する支持装置によつて担持される加熱
   物急冷方法。 ７ 特許請求の範囲第６項記載の加熱物急冷方法におい
   て、前記物体は板であり、そして前記支持装置は前記板
   をはさみでつかむことによつて担持する加熱物急冷方法
   。 ８ 特許請求の範囲第７項記載の加熱物急冷方法におい
   て、前記板は加熱されたガラスであり、そして前記急冷
   は前記ガラス板を冷却強化するために行なわれる加熱物
   急冷方法。 ９ 特許請求の範囲第６項記載の加熱物急冷方法におい
   て、複数個の物体が支持装置に担持され、そして前記流
   動床内に同時に下降される加熱物急冷方法。 １０ 特許請求の範囲第３項記載の加熱物急冷方法にお
   いて、前記の急冷される物体は、前記流動床の内方に入
   り外方へ連続通路を設けるコンベアー装置上で前記流動
   床内に運ばれる加熱物急冷方法。 １１ 特許請求の範囲第１０項記載の加熱物急冷方法に
   おいて、前記コンベアーはローラーコンベアーであり、
   そして板材を前記流動床の内方に入り外方へ連続的に運
   ぶものである加熱物急冷方法。 １２ 特許請求の範囲第１１項記載の加熱物急冷方法に
   おいて、連続したやわらかい板が前記ローラーコンベア
   ー上で前記流動床の内方に入り外方へ運ばれる加熱物急
   冷方法。 １３ 特許請求の範囲第１項記載の加熱物急冷方法にお
   いて、複数個の分離した板が前記ローラーコンベアー上
   で前記流動床の内方に入り外方へ運ばれる加熱物急冷方
   法。 １４ 特許請求の範囲第３項記載の加熱物急冷方法にお
   いて、前記の疎水性コロイド状シリカ内の水の分散体の
   流動状態は前記分散体を再循環流させるように汲上げる
   ことによつて維持される加熱物急冷方法。 １５ 特許請求の範囲第１４項記載の加熱物急冷方法に
   おいて、前記分散体は前記容器内にその底部領域で汲入
   れられ、そして前記容器の上部領域で汲出される加熱物
   急冷方法。 １６ 特許請求の範囲第１４項記載の加熱物急冷方法に
   おいて、前記分散体を前記容器の外の熱交換器を通すこ
   とによつて前記分散体から熱が抽出される加熱物急冷方
   法。 １７ 特許請求の範囲第３項記載の加熱物急冷方法にお
   いて、熱交換器によつて前記流動床から熱が抽出される
   加熱物急冷方法。 １８ 特許請求の範囲第１７項記載の加熱物急冷方法に
   おいて、前記の熱交換は前記容器上の冷却ジヤケツトに
   よつて行なわれる加熱物急冷方法。 １９ 特許請求の範囲第３項記載の加熱物急冷方法にお
   いて、前記の流動化した分散体は前記の急冷される物体
   の面上に大きな流れを設けられる加熱物急冷方法。 ２０ 特許請求の範囲第１項記載の加熱物急冷方法にお
   いて、前記の疎水性コロイド状シリカ内の水の流動化分
   散体は、前記の急冷される物体の面上に複数個のノズル
   を通して打ち当てられる加熱物急冷方法。 ２１ 特許請求の範囲第２０項記載の加熱物急冷方法に
   おいて、前記の急冷される物体はガラス板であり、そし
   て前記板は前記板の下にあるノズルによつて排出される
   流れの流体圧力によつて前記板の下にあるノズルに関し
   て離隔支持される加熱物急冷方法。