WO2021079806A1 - 被冷却部材の冷却方法および冷却装置 - Google Patents

被冷却部材の冷却方法および冷却装置 Download PDF

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数馬 齊藤
幸義 小林
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日本製鋼所Ｍ＆Ｅ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a cooling method and a cooling device for a member to be cooled that cools the member to be cooled heated to a high temperature by injecting a group of droplets.
  • Oil quenching of steel materials has the cooling characteristic of slowly cooling the high temperature region where martensitic transformation occurs while quickly cooling the high temperature region, which is the ferrite precipitation temperature region, and prevents quench cracking while ensuring the quality of the steel material. There is a merit that it can be done.
  • oil quenching also has disadvantages such as fire danger and deterioration of the working environment due to oil smoke. Therefore, a cooling method alternative to oil quenching has been studied, and a method by spray cooling has been proposed.
  • Spray cooling is a method of cooling an object to be cooled by sensible heat and latent heat transfer using a group of atomized droplets.
  • 700 ° C. is used in a cooling state in which the cooling rate is changed at a boundary of about 500 ° C., that is, at a temperature 10 mm deep from the surface of the steel material 100 while the temperature drops from 700 ° C. to 400 ° C. From 500 ° C to 50 ° C / min.
  • the above cooling rate is about 10 ° C./min at 500 ° C. to 400 ° C.
  • the present invention has been made against the background of the above circumstances, and provides a cooling method and a cooling device for a member to be cooled, which makes it possible to obtain a desired cooling state by pulsing the injection of a group of droplets.
  • the purpose is to do.
  • the first mode is A cooling method in which a group of droplets is sprayed onto a heated member to be cooled to cool the member to be cooled. It is characterized in that the injection of the droplet group is made into a pulse shape and the injection of the pulse is repeated, and at least one of the magnitude, the pulse width and the pulse interval of the pulse is changed with the passage of time.
  • the invention of the method for cooling the member to be cooled of the second aspect is characterized in that, in the invention of the above-described embodiment, the cooling performance is adjusted according to the passage of time due to the change.
  • the average injection flow rate per unit area (1 m 2) of the droplet group per fixed time is determined. It is characterized by doing.
  • the magnitude of the pulse is measured per unit area (1 m 2) at which the droplet group can reach the surface of the member to be cooled. It is characterized in that it is set to be equal to or higher than the injection flow rate.
  • the invention of the method for cooling the member to be cooled is at least the initial first step of maximizing the cooling performance and the cooling of the first step after the first step. It has a second step of making the performance relatively small, and a third step of making the cooling performance relatively smaller than that of the second step after the second step.
  • the magnitude and the pulse width of the pulse are set to the relatively largest, the magnitude of the first pulse and the first pulse width, and in the second step, the magnitude of the pulse is set.
  • the magnitude of the second pulse is smaller than the magnitude of the first pulse
  • the pulse width is the second pulse width smaller than the first pulse width
  • the pulse interval is the second pulse interval
  • the third pulse width is defined.
  • the pulse magnitude and the pulse width are set to the third pulse size and the third pulse width which are equal to or less than the second pulse magnitude and the second pulse width or less, and the pulse interval is set to the second pulse width. It is characterized in that it is set to a third pulse interval that is equal to or greater than the pulse interval of.
  • the invention of the method for cooling the member to be cooled of the sixth aspect is characterized in that, in the invention of the above-described embodiment, the droplet group is ejected by a one-fluid nozzle.
  • the invention of the method for cooling the member to be cooled according to the seventh aspect is characterized in that, in the invention of the embodiment, the member to be cooled is a steel material having a wall thickness of 200 mm or more.
  • the invention of the method for cooling the member to be cooled according to the eighth aspect is characterized in that, in the invention of the above-described embodiment, the cooling by the droplet group obtains a cooling state equivalent to the cooling by oil cooling.
  • the first form is A plurality of injection nozzles for injecting a group of droplets onto the heated member to be cooled to cool the member to be cooled.
  • An injection adjusting unit that adjusts the injection amount of the droplet group ejected from the injection nozzle, and It has a control unit that controls the injection of the droplet group from the injection nozzle.
  • the control unit repeats the injection of the pulse by making the injection of the droplet group into a pulse shape according to the set value, and at least one of the pulse size, the pulse width, and the pulse interval is set with the passage of time. It is characterized in that the injection of the droplet group is controlled by changing it.
  • the invention of the cooling device for the member to be cooled of the second form is characterized in that, in the invention of the above form, the injection nozzle is composed of a plurality of types.
  • the invention of the cooling device for the member to be cooled of the third aspect is characterized in that, in the invention of the above-described embodiment, the injection adjusting unit can switch the type of the injection nozzle to be used.
  • the control unit measures the temperature of the member to be cooled, and the droplet group is based on the measurement result. It is characterized by adjusting the injection flow rate of.
  • the invention of the cooling device for the member to be cooled in the fifth aspect is characterized in that, in the invention of the above-described embodiment, the injection nozzle is a one-fluid nozzle.
  • the magnitude of the pulse indicates the height of the pulse, and in the present application, it refers to the injection flow rate of the droplet group.
  • the pulse width indicates the width of the pulse, and in the present application, it indicates the time for ejecting the droplet group.
  • the pulse interval indicates the interval between pulses, and in the present application, it indicates the time from the end of injection to the start of the next injection.
  • the present invention it is possible to cool the member to be cooled in a desired cooling state by using pulse injection of a group of droplets.
  • the average injection flow rate per unit area (1 m 2 ) per fixed time can be determined by arbitrarily determining the pulse time and pulse interval during cooling by pulse width modulation control.
  • a relatively large unit area (1 m 2 ) capable of reaching the high temperature surface of the steel material with a large number of droplet groups.
  • Cool by continuous injection at the per injection flow rate Further, when the temperature at a depth of 10 mm from the surface of the steel material 100 is 500 ° C. to 400 ° C., a small amount of droplets are generated as compared with the case where the temperature at a depth of 10 mm from the surface of the steel material 100 is 700 ° C. to 500 ° C. Inject at a relatively small injection flow rate, pulse width, and relatively large pulse interval so that the average injection flow rate per unit area (1 m 2 ) is relatively small so as to reach the high temperature surface of the steel material. As a result, both a relatively large cooling rate at 700 ° C. to 500 ° C. and a relatively small cooling rate at 500 ° C. to 400 ° C., which are the characteristics of oil quenching, can be obtained by continuous injection and pulse injection.
  • FIG. 1 is a front view of a cooling device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the cooling device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing actual measurement values and analysis results of a cooling state in oil cooling.
  • FIG. 4 shows the heat transfer coefficient at the time of oil cooling obtained by back calculation by FEM analysis.
  • FIG. 5A is a diagram showing a time change of the injection flow rate per unit area when cooling by continuous injection required for cooling the steel material
  • FIG. 5B is a diagram required for cooling the steel material. It is a figure which shows the time change of the injection flow rate in one Embodiment at the time of cooling by the continuous injection.
  • FIG. 5A is a diagram showing a time change of the injection flow rate per unit area when cooling by continuous injection required for cooling the steel material
  • FIG. 5B is a diagram required for cooling the steel material. It is a figure which shows the time change of the injection flow rate in one Embodiment at the time of cooling
  • FIG. 6 is a diagram showing a temperature change of the steel material when only the injection flow rate of the droplet group is changed in the cooling of the steel material and the steel material is cooled by continuous injection.
  • FIG. 7 is a diagram in which the injection flow rate of the droplet group is changed with time by the pulse injection of the droplet group.
  • FIG. 8 is a diagram showing a temperature change when the steel material is cooled by the cooling method of the present embodiment and a temperature change when the steel material is cooled by oil quenching.
  • the cooling device 1 has a plurality of injection nozzles 2 (for example, 48) arranged around the steel material 100, and the injection nozzles 2 are arranged in columns at four locations around the steel material 100.
  • the steel material corresponds to the member to be cooled of the present invention.
  • a metal member other than the steel material, other non-metal member, and the like can be targeted.
  • the arrangement position of the injection nozzle is not limited to the above, and the appropriate position and number can be changed according to the type and shape of the member to be cooled.
  • a pipe 3 is connected to the injection nozzle 2, and the pipe 3 is connected to the injection adjusting unit 4.
  • a water source (not shown) is connected to the injection adjusting unit 4 to supply water forming a droplet group.
  • the water source may have a water tank or the like and be pressurized by a pressurizing section to supply water, or may be connected to a tap water path and used as a water source. At this time, the pressurizing section is used. It may be pressurized through.
  • water is used as the material of the droplet portion, but in the present invention, a liquid other than water may be used.
  • the injection nozzle may be any as long as it can obtain a desired droplet group, and its structure is not limited to a specific one.
  • the injection nozzle may be composed of a plurality of types, and the injection adjustment unit can switch the type of the injection nozzle used during cooling.
  • the droplets preferably have an appropriate size, and for example, the droplets having a droplet diameter (diameter) of 100 ⁇ m or more and 1500 ⁇ m or less are desirable. However, in the present invention, the size of the droplet is not limited to a specific one. In this embodiment, a one-fluid nozzle is used for the injection nozzle 2.
  • the injection nozzle is not limited to the one-fluid nozzle, and it is also possible to use a two-fluid nozzle using air or the like.
  • the two-fluid nozzle the droplets spread over a wide area due to the air blow, which may worsen the working environment and hinder the maintenance of peripheral equipment, and it is costly to make capital investment. Therefore, in this embodiment, a one-fluid nozzle is used as desirable.
  • each injection nozzle 2 is connected to the same pipe 3, but a pipe may be used for each injection nozzle or for each injection nozzle of a specific group. ..
  • the injection nozzle 2 may have injection nozzles of different types having different droplet sizes, injection amounts, and the like.
  • the injection nozzles of different types may have a fixed installation location, or the injection nozzles used during cooling may be switched at the same position or different positions so that they can be used.
  • a control unit 5 is connected to the injection adjustment unit 4 to control the injection of a group of droplets by the injection adjustment unit 4.
  • the injection adjusting unit 4 has an on-off valve for turning on / off the injection, a flow rate adjusting valve, and a flow meter (none of which are shown), and the measurement result of the flow meter is transmitted to the control unit 5. Will be done. Further, a switching unit for switching the injection nozzle to which water is supplied can be provided.
  • the pulse injection of the droplet group ejected from the injection nozzle 2 can be performed by the operation of the on-off valve, and the pulse width and the pulse interval can be adjusted. Further, the magnitude of the pulse can be adjusted by adjusting the flow rate of the flow rate adjusting valve. Further, when the switching unit is provided, the injection nozzle to be used can be changed by switching the pipe to which the water is supplied. The switching unit may be manually operated or may be controlled by the control unit 5.
  • the control unit 5 is composed of a CPU, a program running on the CPU, a ROM for storing the program, a RAM serving as a work area, a storage unit for storing the program, operation parameters, and the like. Further, it may be provided with an operation unit or the like capable of setting the pulse size, pulse width, pulse interval, etc. with the passage of time. These parameters can be changed in the operation unit.
  • the control unit 5 can control the injection adjusting unit 4 to control the opening / closing operation of the on-off valve, the opening / closing operation of the flow rate adjusting valve, the switching operation of the switching unit, and the like.
  • the droplet group 10 ejected from the injection nozzle 2 is ejected onto the steel material 100 to cool the steel material 100.
  • the steel material 100 used for the test is prepared.
  • the steel material 100 is made of NiCrMo steel, has a cylindrical shape, has a weight of 670 kg, a diameter of 300 mm, and a length of 1200 mm.
  • the size of the target member to be cooled is not limited, but as a steel material, the minimum weight: at least 100 kg or more, and the minimum dimension: at least the wall thickness ( ⁇ in a cylinder). It can be suitably used for those having a thickness of 200 mm or more.
  • FIG. 5A is a diagram showing a temporal change in the injection flow rate per unit area when cooling by continuous injection required for cooling a steel material.
  • FIG. 5B shows the result of calculating the injection flow rate when injecting the steel material 100 having a surface area of about 1 m 2 based on the flow rate per unit area shown in FIG.
  • FIG. 6 shows the result of continuously injecting a group of droplets onto a steel material heated to 800 ° C. or higher under the conditions of FIG. 5 (b).
  • the atomized droplet group evaporates before reaching the high temperature surface of the steel material.
  • the injection flow rate is increased and the injection of the droplet group is pulsed so that an appropriate heat transfer coefficient can be obtained.
  • the injection control of each injection nozzle may be changed or different types of injection nozzles may be used. May be good.
  • FIG. 7 shows the result of setting the conditions so that the same injection flow rate as the flow rate change in the continuous injection of FIG. 5B can be obtained by the pulse injection.
  • the minimum injection flow rate per unit area (1 m 2 ) at which a group of droplets can collide with a high temperature surface of a steel material is 10 L / m 2 ⁇ min. It is assumed that all the droplets ejected from the nozzle contribute to cooling. In this case, the first 2 min. Is injected at a flow rate of 40 L / min per unit area (1 m 2 ), and in the next step, 10 L / min.
  • the ratio of pulse width to pulse interval was set to 1: 1 (duty cycle: 1/2) with a timer attached to the solenoid valve, and 1 min. Cool for a while. After that, the target injection flow rate is achieved by setting the ratio of the pulse width to the pulse interval to 1: 4 (Duty ratio: 1/5).
  • a flow rate equal to the total flow rate when continuously injecting at 35 to 40 L / min for 2 minutes is required, and a fixed amount, 40 L / min in this example.
  • the droplet group of the above is continuously ejected for 2 minutes.
  • a flow rate equal to the total flow rate when continuously injecting at 4 to 5 L / min for 1 minute is required.
  • a group of droplets at 10 L / min (corresponding to the magnitude of the pulse) is pulsed and pulse-injected at a pulse interval of 10 seconds and a pulse width of 10 seconds per minute.
  • a flow rate equal to the total flow rate when continuously injecting at 1.5 to 2 L / min for 30 minutes is required, and 10 L / min is required.
  • a group of min (corresponding to the size of a pulse) droplet group is pulse-injected with a pulse width of 10 seconds with a pulse interval of 40 seconds or more for 30 minutes or more.
  • the injection flow rate per unit area is calculated in advance so as to be the flow rate shown in FIG. 7, and the droplet group is pulsed and injected while monitoring the actual temperature change and adjusting the flow rate to cool the steel material.
  • the results of the cooling test were shown. Almost the same result as the temperature change when cooling by oil quenching is obtained, and an appropriate cooling result is obtained by injecting a group of droplets.
  • “D / 4” represents a position where the depth from the surface is 1/4 of the diameter (D)
  • “D / 8” indicates the position where the depth from the surface is 1/4 of the diameter (D). It represents the position of 8
  • "10 mm diameter" represents the position where the depth from the surface is 10 mm.
  • the cooling rate can be changed with a temperature range of about 500 ° C. as a boundary.
  • the pulse injection of the droplet group is performed for the purpose of making the cooling state equivalent to the oil cooling, but the present invention is not premised only in accordance with this purpose.
  • the magnitude of the pulse that is, the injection flow rate is set to zero at the minimum, but instead, injection may be performed with a constant non-zero flow rate as the minimum injection amount.
  • the pulse time and pulse interval during cooling can be arbitrarily determined by pulse width modulation control to determine the injection flow rate per unit area (1 m 2) per fixed time. It is possible to control the amount of droplets that reach the high temperature surface of the steel material per unit area (1 m 2 ), and to obtain a cooling state in which the cooling rate changes during cooling, such as oil quenching, by cooling by pulse injection. Can be done.

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Abstract

本発明は、加熱された被冷却部材に液滴群を噴射して被冷却部材を冷却するための複数の噴射ノズルと、噴射調整部と、液滴の噴射を制御する制御部と、を有し、制御部は、設定値に応じて、液滴群の噴射をパルス状にしてパルスの噴射を繰り返し行うとともに、液滴群の噴射を制御する冷却装置を用いて、加熱された被冷却部材にパルス状にして液滴群を繰り返し噴射して被冷却部材を冷却し、パルスの大きさ、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを、時間経過とともに変化させる被冷却部材の冷却方法に関する。

Description

被冷却部材の冷却方法および冷却装置
　この発明は、高温に加熱された被冷却部材を液滴群の噴射により冷却する被冷却部材の冷却方法および冷却装置に関するものである。
　鋼材の油焼入れは、フェライト析出温度域である高温域を速く冷却しつつ、マルテンサイト変態が起こる低温域を徐冷するという冷却特性を持っており、鋼材の品質を確保しながら焼割れを防止できるといったメリットがある。一方、油焼入れは火災の危険や油煙による作業環境悪化といったデメリットもある。そこで、油焼入れに代わる冷却方法が検討されており、噴霧冷却による方法が提案されている。噴霧冷却とは、微粒化した液滴群を用いて顕熱および潜熱移動により被冷却体を冷却する方法である。
　噴霧冷却中に、噴射流量を増減させることで鋼材等の被冷却体の冷却を制御することはすでに多くの文献で報告されている。
　例えば、特許文献１では、複数の噴射ノズルを設け、冷却中に使用する噴射ノズルの本数を変更することで噴射流量の調整を行うことを可能にしている。
日本国特開平６－３２２４４９号公報
　ところで、油焼入れでは、７００℃から４００℃に温度が低下する間に、５００℃程度を境に冷却速度を変化させる冷却状態、すなわち、鋼材１００における表面から１０ｍｍ深さ位置の温度において、７００℃から５００℃では５０℃／ｍｉｎ．以上の冷却速度を５００℃から４００℃では約１０℃／ｍｉｎ．へ変化させる冷却状態を得ており、液滴群の噴射を利用した場合も、油焼入れに代わる冷却方法としては、同様の冷却状態が求められる。
　しかし、この状態を、各ノズルから噴射される噴射流量低減だけにより得ようとすると、ある一定量未満の単位面積（１ｍ２）当たりの噴射流量（Ｌ／ｍ２・ｍｉｎ）においては、微粒化した液滴群が鋼材の高温面に到達する前に蒸発し、空冷と同じような冷却状態になり、油焼入れの特性が得られないという問題がある。
　本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、液滴群の噴射をパルス化することによって、所望とする冷却状態を得ることを可能にする被冷却部材の冷却方法および冷却装置を提供することを目的とする。
　すなわち、本発明の被冷却部材の冷却方法のうち、第１の形態は、
　加熱された被冷却部材に液滴群を噴射して前記被冷却部材を冷却する冷却方法であって、
　前記液滴群の噴射をパルス状にしてパルスの噴射を繰り返し行い、前記パルスの大きさ、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを、時間経過とともに変化をさせることを特徴とする。
　第２の形態の被冷却部材の冷却方法の発明は、前記形態の発明において、前記変化により時間経過に応じて冷却性能を調整することを特徴とする。
　第３の形態の被冷却部材の冷却方法の発明は、前記形態の発明において、前記冷却性能の調整では、一定時間あたりの前記液滴群の単位面積（１ｍ２）当たりの平均噴射流量を決定することを特徴とする。
　第４の形態の被冷却部材の冷却方法の発明は、前記形態の発明において、前記パルスの大きさを、前記液滴群が前記被冷却部材の表面に到達できる単位面積（１ｍ２）当たりの噴射流量以上に設定することを特徴とする。
　第５の形態の被冷却部材の冷却方法の発明は、前記形態の発明において、少なくとも、前記冷却性能を最も大きくする初期の第１工程と、前記第１工程後に前記第１工程よりも前記冷却性能を相対的に小さくする第２工程と、前記第２工程後に前記第２工程よりも前記冷却性能を相対的に小さくする第３工程とを有し、
　前記第１工程では、前記パルスの大きさおよび前記パルス幅を、相対的に最も大きい、第１のパルスの大きさおよび第１のパルス幅とし、前記第２工程では、前記パルスの大きさを第１のパルスの大きさよりも小さい第２のパルスの大きさとし、前記パルス幅を前記第１のパルス幅よりも小さい第２のパルス幅とし、パルス間隔は第２のパルス間隔とし、前記第３工程では、前記パルスの大きさと前記パルス幅を前記第２のパルスの大きさ以下および前記第２のパルス幅以下である第３のパルス大きさと第３のパルス幅とし、パルス間隔を前記第２のパルス間隔以上である第３のパルス間隔に設定することを特徴とする。
　第６の形態の被冷却部材の冷却方法の発明は、前記形態の発明において、前記液滴群を一流体ノズルにより噴射することを特徴とする。
　第７の形態の被冷却部材の冷却方法の発明は、前記形態の発明において、前記被冷却部材が、肉厚２００ｍｍ以上の鋼材であることを特徴とする。
　第８の形態の被冷却部材の冷却方法の発明は、前記形態の発明において、前記液滴群による冷却が、油冷による冷却と同等の冷却状態を得るものであることを特徴とする。
　本発明の被冷却部材の冷却装置のうち、第１の形態は、
　加熱された前記被冷却部材に液滴群を噴射して前記被冷却部材を冷却するための複数の噴射ノズルと、
　前記噴射ノズルから噴射される前記液滴群の噴射量を調整する噴射調整部と、
　前記噴射ノズルからの前記液滴群の噴射を制御する制御部と、を有し、
　前記制御部は、設定値に応じて、前記液滴群の噴射をパルス状にしてパルスの噴射を繰り返し行うとともに、前記パルスの大きさ、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを、時間経過とともに変化させて前記液滴群の噴射を制御することを特徴とする。
　第２の形態の被冷却部材の冷却装置の発明は、前記形態の発明において、前記噴射ノズルが複数の種別からなることを特徴とする。
　第３の形態の被冷却部材の冷却装置の発明は、前記形態の発明において、前記噴射調整部は、使用する前記噴射ノズルの種別の切り替えが可能であることを特徴とする。
　第４の形態の前記被冷却部材の冷却装置の発明は、前記形態の発明において、前記制御部は、冷却を行っている被冷却部材の温度を測定し、その測定結果に基づいて液滴群の噴射流量を調整することを特徴とする。
　第５の形態の被冷却部材の冷却装置の発明は、前記形態の発明において、前記噴射ノズルが一流体ノズルであることを特徴とする。
　なお、パルスの大きさはパルスの高さを示し、本願では液滴群の噴射流量を指す。パルス幅はパルスの幅を示し、本願では液滴群を噴射する時間を示す。パルス間隔はパルスとパルスの間隔を示し、本願では噴射終了から次の噴射開始までの時間を示す。
　すなわち、本発明によれば、液滴群のパルス噴射を用いて所望の冷却状態で被冷却部材の冷却を行うことが可能になる。
　例えば、鋼材の焼入れにおいて、冷却途中のパルス時間およびパルス間隔をパルス幅変調制御により任意に決定することで一定時間あたりの単位面積（１ｍ２）当たりの平均噴射流量を決定することができ、
これにより、例えば鋼材１００における表面から１０ｍｍ深さ位置の温度が７００℃～５００℃の場合は、多数の液滴群が鋼材の高温面に到達することが出来る比較的大きな単位面積（１ｍ２）当たりの噴射流量で連続噴射にて冷却を行い、
また鋼材１００における表面から１０ｍｍ深さ位置の温度が５００℃～４００℃の場合は、鋼材１００における表面から１０ｍｍ深さ位置の温度が７００℃～５００℃の場合に比べて少量の液滴群が鋼材の高温面に到達するよう、比較的小さな単位面積（１ｍ２）当たりの平均噴射流量となるよう、比較的小さな噴射流量とパルス幅、および比較的大きなパルス間隔での噴射を行う。
　これらの結果、油焼入れの特徴である７００℃～５００℃での比較的大きな冷却速度と、５００℃～４００℃での比較的小さな冷却速度の両方を連続噴射とパルス噴射によって得ることができる。
図１は、本発明の一実施形態の冷却装置の正面図である。 図２は、本発明の一実施形態の冷却装置の平面図である。 図３は、油冷における冷却状態の実測値と解析結果を示す図である。 図４は、ＦＥＭ解析で逆計算して求めた油冷時の熱伝達係数である。 図５（ａ）は、鋼材の冷却において必要とされる連続噴射にて冷却する際の単位面積当たりの噴射流量の時間変化を示す図であり、図５（ｂ）は、鋼材の冷却において必要とされる連続噴射にて冷却する際の一実施形態における噴射流量の時間変化を示す図である。 図６は、鋼材の冷却において液滴群の噴射流量のみを変化させて連続噴射にて冷却した際の鋼材の温度変化を示す図である。 図７は、液滴群のパルス噴射によって液滴群の噴射流量を時間変化させる図である。 図８は、本実施形態の冷却方法によって鋼材を冷却した際の温度変化と、油焼入れによって鋼材を冷却した際の温度変化を示す図である。
　以下に、本発明の冷却装置の一実施形態を図１、２に基づいて説明する。
　冷却装置１は、鋼材１００の周囲に配置する複数の噴射ノズル２（例えば４８個）を有しており、該噴射ノズル２は、鋼材１００の周囲４個所で縦列に配置されている。鋼材は、本発明の被冷却部材に相当する。被冷却部材としては、鋼材以外の金属部材や、その他の非金属部材などを対象とすることができる。
　なお、噴射ノズルの配置位置は上記に限定されるものではなく、被冷却部材の種別や形状などに合わせて適宜の位置や数を変更することができる。
　噴射ノズル２には、配管３が接続されており、配管３は、噴射調整部４に接続されている。噴射調整部４には、図示しない水源が接続されて液滴群となる水が供給される。水源には、水タンクなどを有し加圧部により加圧して水を供給する他、水道水経路に接続されて、これを水源とするものであってもよく、この際に加圧部を介して加圧するものであってもよい。なお、この実施形態では、液滴部の材料として水を使用するものとして説明するが、本発明としては、水以外の液体を用いるものとしてもよい。
　噴射ノズルは、所望の液滴群が得られるものであればよく、その構造が特定のものに限定されるものではない。噴射ノズルは複数の種別からなるものであってもよく、噴射調整部は、冷却途中に使用する噴射ノズルの種別の切り替えが可能である。
　液滴は、適度な大きさを有するのが望ましく、例えば、液滴径（直径）が１００μｍ以上で１５００μｍ以下のものが望ましい。ただし、本発明としては、液滴の大きさが特定のものに限定されるものではない。
　この実施形態では、噴射ノズル２には、一流体ノズルが用いられている。本発明としては噴射ノズルが一流体ノズルに限定されるものではなく、エアなどを用いた二流体ノズルを用いることも可能である。しかし、二流体ノズルでは、エアーブローにより液滴が広範囲に広がり、作業環境を悪化させ、周辺設備の維持管理に支障をきたす可能性があり、また、設備投資をする上でコストが掛かる。したがって、本実施形態では、一流体ノズルが望ましいものとして使用されている。
　また、この実施形態では、各噴射ノズル２が同じ配管３に接続されているものとして説明したが、各噴射ノズル毎、または特定のグループの噴射ノズル毎にそれぞれ配管を用いるものであってもよい。
　また、噴射ノズル２では、同一の符号を付して説明しているが、液滴の大きさや噴射量などが異なる、種別の異なる噴射ノズルを有するものとしてもよい。種別の異なる噴射ノズルは、設置個所が固定されているものでもよく、また、冷却途中に使用する噴射ノズルを同じ位置や異なる位置で切り替えて使用できるようにしてもよい。
　噴射調整部４には、制御部５が接続されており、噴射調整部４による液滴群の噴射を制御する。
　噴射調整部４には、噴射のＯＮ／ＯＦＦを行うための開閉弁、流量調整弁や流量計（いずれも図示していない）を有しており、流量計の測定結果は制御部５に送信される。さらに、水が供給される噴射ノズルを切り替えるための切替部を設けることができる。
　上記構成では、開閉弁の動作により噴射ノズル２から噴射される液滴群のパルス噴射を行うことができ、パルス幅やパルス間隔を調整することができる。また、流量調整弁の流量調整によりパルスの大きさを調整することができる。
　さらに切替部を有する場合は、水が供給される配管を切り替えることで使用する噴射ノズルを変更することができる。切替部は、手動で行うものでもよく、また、制御部５の制御により行われるものであってもよい。
　制御部５は、ＣＰＵ、ＣＰＵ上で動作するプログラム、プログラムを格納するＲＯＭ、作業領域となるＲＡＭ、プログラムや動作パラメータなどを格納する記憶部などから構成される。また、パルスの大きさや、パルス幅、パルス間隔などを時間経過とともに設定することができる操作部などを備えるものとしてもよい。操作部においてはこれらのパラメータを変更可能にすることができる。
　制御部５は、噴射調整部４を制御して、開閉弁の開閉動作、流量調整弁の開度、切替部の切り替え動作などを制御することができる。
　噴射ノズル２から噴射された液滴群１０は、鋼材１００に噴射されて鋼材１００の冷却を行うことができる。
　次に、上記冷却装置１を用いた冷却方法について説明する。
　先ず、試験に用いる鋼材１００を用意する。
　この例では、鋼材１００は、ＮｉＣｒＭｏ鋼からなり、円柱形状で、重量６７０ｋｇ、径が３００ｍｍ、長さが１２００ｍｍとする。
　なお、本発明としては、対象となる被冷却部材の大きさなどが限定されるものではないが、鋼材としては、最低重量：少なくとも１００ｋｇ以上、最低寸法：少なくとも肉厚（円柱においてはφ）が２００ｍｍ以上のものにおいて好適に使用することができる。
　次に、実際に８６０℃からの油焼入れ時の温度測定結果をもとに、ＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ）解析で油冷時の熱伝達係数を逆計算して求めた。この実測された温度変化（ｅｘｐ．）と解析で求められた温度変化（ｓｉｍ．）を図３に示し、得られた熱伝達係数を図４に示した。なお、図３中、「Ｄ／４」は表面からの深さが直径（Ｄ）の１／４の位置を表し、「Ｄ／８」は表面からの深さが直径（Ｄ）の１／８の位置を表し、「１０ｍｍ　ｄｅｐｔｈ」は表面からの深さが１０ｍｍの位置を表す。さらに、液滴群の流量と熱伝達係数の関係を文献値等から求め、油焼入れ時の熱伝達係数に対応した単位面積（１ｍ２）当たりの噴射流量を温度毎に求めた結果を図５（ａ）に示す。
　図５（ａ）は、鋼材の冷却において必要とされる連続噴射にて冷却する際の単位面積当たりの噴射流量の時間的変化を示す図である。この状態を得るため、鋼材の形状、液滴群の広がる範囲及び噴射確度鋼材と冷却装置の位置関係等により、噴射流量、パルス幅およびパルス間隔を調整する必要があるが、図５（ａ）に示す単位面積当たりの流量をもとに、表面積がほぼ１ｍ２である鋼材１００に対して噴射する場合の噴射流量を算定した結果が図５（ｂ）となる。
　図６は、図５（ｂ）の条件で液滴群を８００℃以上に加熱された鋼材に連続噴射した結果である。図６では、鋼材表面から１０ｍｍの深さの位置では温度が低下して一旦５００℃程度になった後に、再度温度が上昇する現象が認められ、これは鋼材温度と噴射条件が時間的に変化したことにより、微粒化した液滴群が鋼材の高温面に到達する前に蒸発する状態になった可能性があることを示している。なお、図６中、「Ｄ／８」は表面からの深さが直径（Ｄ）の１／８の位置を表し、「１０ｍｍ　ｄｅｐ．」は表面からの深さが１０ｍｍの位置を表す。
　このように、ある一定量未満の単位面積（１ｍ２）当たりの噴射流量（Ｌ／ｍ２・ｍｉｎ）においては、微粒化した液滴群が鋼材の高温面に到達する前に蒸発するため、これを回避するために噴射流量を大きくし、かつ、適正な熱伝達係数が得られるように液滴群の噴射をパルス化する。
　なお、鋼材の位置、形状によっては、同一時期に、異なる噴射流量が必要とされる場合には、各噴射ノズルの噴射の制御を変えたり、異なる種別の噴射ノズルを使用したりするようにしてもよい。
　図７は、図５（ｂ）の連続噴射での流量変化と同じ噴射流量をパルス噴射で得られるように条件設定した結果である。
　いま、液滴群が鋼材の高温面に衝突可能な単位面積（１ｍ２）当たりの最小噴射流量が１０Ｌ／ｍ２・ｍｉｎ．であり、ノズルから噴射された液滴群はすべて冷却に寄与するものと仮定する。この場合、最初の２ｍｉｎ．を単位面積（１ｍ２）当たり４０Ｌ／ｍｉｎの流量で噴射し、次の段階で１０Ｌ／ｍｉｎ．に流量を低減させると同時に電磁弁に取り付けたタイマーなどでパルス幅とパルス間隔の比率を１：１（Ｄｕｔｙ　ｒａｔｉｏ：１／２）に設定し、１ｍｉｎ．間冷却する。その後パルス幅とパルス間隔の比率を１：４（Ｄｕｔｙ　ｒａｔｉｏ：１／５）として目標とする噴射流量を達成する。
　すなわち、冷却性能を最も大きくする初期の第１工程では、３５～４０Ｌ／ｍｉｎで２分間連続で噴射した際の総流量と同量の流量が必要であり、一定量、この例では４０Ｌ／ｍｉｎの液滴群を２分間連続で噴射する。
　次に、第１工程後に第１工程よりも冷却性能を相対的に小さくする第２工程では、４～５Ｌ／ｍｉｎで１分間連続で噴射した際の総流量と同量の流量が必要であり、１０Ｌ／ｍｉｎ（パルスの大きさに相当）の液滴群をパルス状にして、１分間に、１０秒のパルス間隔、１０秒のパルス幅でパルス噴射する。
　さらに、第２工程よりも冷却性能を相対的に小さくする第３工程では、１．５～２Ｌ／ｍｉｎで３０分間連続で噴射した際の総流量と同量の流量が必要であり、１０Ｌ／ｍｉｎ（パルスの大きさに相当）の液滴群を３０分間以上、パルス間隔を４０秒以上にして、１０秒のパルス幅でパルス噴射する。
　上記パルス噴射により、液滴群が蒸発して鋼材の高温面に到達しない現象を回避し、鋼材を適正に冷却することが可能になる。
　図８は、単位面積当たりの噴射流量が図７に示す流量となるように予め算定し、かつ実際の温度変化をモニターし流量調整を行いながら液滴群をパルス化して噴射し、鋼材を冷却した冷却試験結果を示している。油焼入れによって冷却した際の温度変化とほぼ同じ結果が得られており、液滴群の噴射によって適正な冷却結果が得られている。なお、図８中、「Ｄ／４」は表面からの深さが直径（Ｄ）の１／４の位置を表し、「Ｄ／８」は表面からの深さが直径（Ｄ）の１／８の位置を表し、「１０ｍｍ　ｄｅｐｔｈ」は表面からの深さが１０ｍｍの位置を表す。
　上記したように、目標の流量を予め算定し、かつ実際の温度変化をモニターしながら流量調整を行うことで、油冷と同等の冷却状態をパルス噴射で得ることができる。すなわち、上記の例では、５００℃程度の温度域を境に、冷却速度を変化させることができている。
　なお、上記説明では、冷却状態を油冷と同等にすることを目的に液滴群のパルス噴射を行うものとしたが、本発明は、この目的に沿うことだけを前提とするものではなく、任意の冷却状態を得るために、パルスの大きさ、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを、時間経過とともに変化をさせて液滴群のパルス噴射を行うことを可能にする。
　また、前記実施形態では、パルスの大きさ、すなわち噴射流量を最小でゼロとしたが、代わりにゼロではない一定の流量を最小噴射量として噴射を行ってもよい。
　以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明の範囲が上記実施形態の説明の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは本実施形態に対する適宜の変更が可能である。
　本発明によれば、液滴群のパルス噴射を用いて所望の冷却状態で被冷却部材の冷却を行うことが可能になる。
　例えば、鋼材の焼入れにおいて、冷却途中のパルス時間およびパルス間隔をパルス幅変調制御により任意に決定することで一定時間あたりの単位面積（１ｍ２）当たりの噴射流量決定することができ、これにより、単位面積（１ｍ２）当たりの鋼材の高温面に到達する液滴量の制御が可能となり、例えば、油焼入れのように冷却中に冷却速度が変化する冷却状態を、パルス噴射による冷却によって得ることが出来る。
　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、２０１９年１０月２１日出願の日本特許出願（特願２０１９－１９１８６９）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　　１　冷却装置
　　２　噴射ノズル
　　３　配管
　　４　噴射調整部
　　５　制御部
　１０　液滴群
１００　鋼材

Claims (13)

  1. 　加熱された被冷却部材に液滴群を噴射して前記被冷却部材を冷却する冷却方法であって、
    　前記液滴群の噴射をパルス状にしてパルスの噴射を繰り返し行い、前記パルスの大きさ、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを、時間経過とともに変化をさせることを特徴とする被冷却部材の冷却方法。
  2. 　前記変化により時間経過に応じて冷却性能を調整することを特徴とする請求項１記載の被冷却部材の冷却方法。
  3. 　前記冷却性能の調整では、一定時間あたりの前記液滴群の単位面積（１ｍ２）当たりの平均噴射流量を決定することを特徴とする請求項２記載の被冷却部材の冷却方法。
  4. 　前記パルスの大きさを、前記液滴群が前記被冷却部材の表面に到達できる単位面積（１ｍ２）当たりの噴射流量以上に設定することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の被冷却部材の冷却方法。
  5. 　少なくとも、前記冷却性能を最も大きくする初期の第１工程と、前記第１工程後に前記第１工程よりも前記冷却性能を相対的に小さくする第２工程と、前記第２工程後に前記第２工程よりも前記冷却性能を相対的に小さくする第３工程とを有し、
    　前記第１工程では、前記パルスの大きさおよび前記パルス幅を、相対的に最も大きい、第１のパルスの大きさおよび第１のパルス幅とし、前記第２工程では、前記パルスの大きさを第１のパルスの大きさよりも小さい第２のパルスの大きさとし、前記パルス幅を前記第１のパルス幅よりも小さい第２のパルス幅とし、パルス間隔は第２のパルス間隔とし、前記第３工程では、前記パルスの大きさと前記パルス幅を前記第２のパルスの大きさ以下および前記第２のパルス幅以下である第３のパルスの大きさと第３のパルス幅とし、パルス間隔を前記第２のパルス間隔以上である第３のパルス間隔に設定することを特徴とする請求項２又は３に記載の被冷却部材の冷却方法。
  6. 　前記液滴群を一流体ノズルにより噴射することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の被冷却部材の冷却方法。
  7. 　前記被冷却部材が、肉厚２００ｍｍ以上の鋼材であることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の被冷却部材の冷却方法。
  8. 　前記液滴群による冷却が、油冷による冷却と同等の冷却状態を得るものであることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の被冷却部材の冷却方法。
  9. 　加熱された被冷却部材に液滴群を噴射して前記被冷却部材を冷却するための複数の噴射ノズルと、
    　前記噴射ノズルから噴射される前記液滴群の噴射量を調整する噴射調整部と、
    　前記噴射ノズルからの前記液滴群の噴射を制御する制御部と、を有し、
    　前記制御部は、設定値に応じて、前記液滴群の噴射をパルス状にしてパルスの噴射を繰り返し行うとともに、前記パルスの大きさ、パルス幅、パルス間隔の少なくとも一つを、時間経過とともに変化させて前記液滴群の噴射を制御することを特徴とする被冷却部材の冷却装置。
  10. 　前記噴射ノズルが複数の種別からなることを特徴とする請求項９記載の被冷却部材の冷却装置。
  11. 　前記噴射調整部は、使用する前記噴射ノズルの種別の切り替えが可能であることを特徴とする請求項１０記載の被冷却部材の冷却装置。
  12. 　前記制御部は、冷却を行っている前記被冷却部材の温度を測定し、その測定結果に基づいて前記液滴群の噴射流量を調整することを特徴とする請求項９～１１のいずれか１項に記載の被冷却部材の冷却装置。
  13. 　前記噴射ノズルが一流体ノズルであることを特徴とする請求項９～１２のいずれか１項に記載の被冷却部材の冷却装置。
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