(57)【要約】【課題】溶接部などの被冷却物を効率よく冷却することのできる冷却剤、冷却方法および冷却剤供給装置を得る。【解決手段】ボンベ１に液化二酸化炭素と添加剤とを含む冷却剤を収容し、この冷却剤をホース２からノズル３に送り、ノズル３においてこの冷却剤を断熱膨張させてドライアイスと添加剤とが混じったシャーベットとし、これを被冷却物４に吹き付ける。添加剤には、ドライアイスの昇華温度付近で液状を保つもの、例えばフルオロエーテル類などが用いられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被冷却物に接触させて、これを冷却する冷却剤であって、
被冷却物に接触する寸前の状態での冷却剤が、ドライアイスと添加剤を含むシャーベットである冷却剤。
【請求項２】
被冷却物に接触させて、これを冷却する冷却剤であって、
液化二酸化炭素と添加剤からなり、この混合物を断熱膨張させた際にシャーベットとなる冷却剤。
【請求項３】
添加剤が、ドライアイスの昇華温度付近の温度で液状を保つものである請求項１または２記載の冷却剤。
【請求項４】
ドライアイスとドライアイスの昇華温度付近の温度で液状を保つ添加剤を含むシャーベットを被冷却物に接触させる冷却方法。
【請求項５】
請求項４に記載の冷却方法において、ドライアイスが液化二酸化炭素の断熱膨張によって得られたものである冷却方法。
【請求項６】
冷却剤を被冷却物に供給する供給する装置であって、
冷却剤を収容した容器と、この容器からの冷却剤を断熱膨張させて噴射するノズルを備え、
冷却剤が液化二酸化炭素と添加剤を含み、添加剤が二酸化炭素の昇華温度付近の温度で液状を保つものである冷却剤供給装置。
【請求項７】
冷却剤を被冷却物に供給する供給する装置であって、
液化二酸化炭素を収容した容器と、この容器からの二酸化炭素を断熱膨張させて噴射するノズルを備えたドライアイス供給部と、
ドライアイスの昇華温度付近の温度で液状を保つ添加剤を収容した容器と、この容器からの添加剤を送給する送給部からなる添加剤供給部を備えた冷却剤供給装置。
【請求項８】
請求項７に記載の冷却剤供給装置において、添加剤供給部の送給部をドライアイス供給部のノズルに接続した冷却剤供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被冷却物を冷却するために用いる冷却剤、冷却方法および冷却剤供給装置に関し、特に溶接施工の際に溶接部に発生する熱歪み等を低減するために有効に用いられるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
物を冷やすという行為は産業上あらゆる場面で行われている。例えば、溶接は、溶接部を局部的かつ急激に加熱し、母材を溶融することにより行われる。溶接時高温に曝された母材は、その後母材を介し熱伝導により冷却されると同時に大気への放射により冷却される。このような急激な冷却に伴い、ビード部近傍には溶接歪み（熱歪み）が生じる。
【０００３】
この溶接歪みは、引っ張りと圧縮の残留応力を発生させ、比較的薄肉の母材では変形することさえある。母材に変形が生じると加工上問題となるため、溶接歪みを除去することが望ましい。また、この残留応力を除去できない状態が維持されると、応力腐食割れ、水素割れが生じる可能性がある。
このように、溶接歪みが残留することにより、種々の問題が発生するため、溶接に伴う熱歪みの除去あるいは低減方法が多く検討されている。
【０００４】
従来から溶接歪みを熱処理あるいはプレス、ローラー、ハンマリングなどの機械的な処理によって低減することが行われているが、完全に溶接歪みを除去することは難しい。一方、溶接歪みの低減には、溶接直後のビード部近傍を冷却することが有効であることから、水、低温ガス、ドライアイスなどを冷却剤としてビード部に吹き付けることがある。
【０００５】
しかし、水で冷却する場合、水が溶接部の表面に付着すると、その表面に酸化被膜が形成されて、耐食性や美観が損なわれる等の問題がある。また、溶接作業現場において、水が飛散しないようにし、かつ水を回収する対策が必要になる。
また、低温ガスを吹き付ける場合、冷却効率が非常に悪いという問題がある。
【０００６】
さらに、ドライアイスを溶接部に直接吹き付けて冷却する方法があるが、固体状のドライアイスを用いると、噴射に伴って跳ね返りが生じ、すべてのドライアイスを冷却に利用することができず、効率が悪いという問題がある。
また、スノー状のドライアイスを用いると、噴射に伴うガス流れにドライアイスが同伴し、溶接部に至らない場合があり、効率が悪いと言う問題がある。
【特許文献１】特許第３６２７１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
よって、本発明における課題は、溶接部などの被冷却物を効率よく冷却することのできる冷却剤、冷却方法および冷却剤供給装置を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、被冷却物に接触させて、これを冷却する冷却剤であって、被冷却物に接触する寸前の状態での冷却剤が、ドライアイスと添加剤を含むシャーベットである冷却剤を提供する。
【０００９】
請求項２にかかる発明は、被冷却物に接触させて、これを冷却する冷却剤であって、液化二酸化炭素と添加剤からなり、この混合物を断熱膨張させた際にシャーベットとなる冷却剤を提供する。
請求項３にかかる発明は、添加剤が、ドライアイスの昇華温度付近の温度で液状を保つものである請求項１または２記載の冷却剤を提供する。
【００１０】
請求項４にかかる発明は、ドライアイスとドライアイスの昇華温度付近の温度で液状を保つ添加剤を含むシャーベットを被冷却物に接触させる冷却方法を提供する。
請求項５にかかる発明は、請求項４に記載の冷却方法において、ドライアイスが液化二酸化炭素の断熱膨張によって得られたものである冷却方法を提供する。
【００１１】
請求項６にかかる発明は、冷却剤を被冷却物に供給する供給する装置であって、冷却剤を収容した容器と、この容器からの冷却剤を断熱膨張させて噴射するノズルを備え、冷却剤が液化二酸化炭素と添加剤を含み、添加剤が二酸化炭素の昇華温度付近の温度で液状を保つものである冷却剤供給装置を提供する。
【００１２】
請求項７にかかる発明は、冷却剤を被冷却物に供給する供給する装置であって、液化二酸化炭素を収容した容器と、この容器からの二酸化炭素を断熱膨張させて噴射するノズルを備えたドライアイス供給部と、ドライアイスの昇華温度付近の温度で液状を保つ添加剤を収容した容器と、この容器からの添加剤を送給する送給部からなる添加剤供給部を備えた冷却剤供給装置を提供する。
請求項８にかかる発明は、請求項７に記載の冷却剤供給装置において、添加剤供給部の送給部をドライアイス供給部のノズルに接続した冷却剤供給装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、添加剤がドライアイスの昇華温度付近で液状を保つため、ドライアイスと添加剤とが混合したものがシャーベットとなり、このものが被冷却物に吹き付けられる。このため、ドライアイスの飛散、跳ね返り、噴射ガスとの同伴を防止でき、ドライアイスの全量が被冷却物に接触し、ドライアイスが持つ冷却能力を十分利用でき、被冷却物を効率よく冷却することができる。
【００１４】
また、予め液化二酸化炭素と添加剤を混合してボンベ等の容器に収容しておけば、ノズル以外の特別の設備が不要であり、簡便に冷却剤を供給して冷却作業が行える。
さらに、液化二酸化炭素を噴射するノズルに添加剤の送給部を接続することで、二酸化炭素のエジェクター効果により添加剤を吸引、供給することができ、設備が簡単となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明の冷却剤は、被冷却物に接触する寸前での状態において、ドライアイスと添加剤を含むシャーベットである。本発明の冷却剤は、被冷却物に吹き付けられて使用されるものであり、被冷却物に接する０．０１秒〜０．５秒前の寸前においてドライアイスと添加剤とが混合したシャーベットとなっており、このシャーベットが被冷却物に接触してこれを冷却するものである。
【００１６】
ここでのドライアイスには、スノー状、パウダー状、ペレット状のいずれでもよく、液化二酸化炭素を断熱膨張して得られたものが好ましい。
また、ここでの添加剤とは、ドライアイスの昇華温度、大気圧下で−７８．５℃付近の温度において、液状を保つものである。ドライアイスの昇華温度は、周囲の圧力によって変化するが、その圧力下でのドライアイスの昇華温度付近で液状を保つものであればよい。
【００１７】
このような添加剤の具体的なものとしては、塩化メチル（融点−９７．４℃）、塩化メチレン（融点−９６．８℃）、塩化エチル（融点−１４２．５℃）、トリクロロエチレン（融点−８６．４℃）などのハロゲン化炭化水素、Ｃ２Ｆ５ＣＯＣ３Ｆ７、Ｃ４Ｆ９ＯＣＨ３、Ｃ４Ｆ９ＯＣ２Ｈ５などのフルオロエーテル類などが挙げられるが、人体安全性、不燃性などの点で、フルオロエーテル類が好ましい。
これらのフルオロエーテル類の物性を表１に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
また、この添加剤は、ドライアイスとともに被冷却物に吹き付けられるが、ドライアイスによってその融点以下に冷却されても、固化する前に被冷却物に到達すればよく、また固化しても被冷却物に到達する前に解けていればよい。このため、厳密にドライアイスの昇華温度において液状である必要はなく、昇華温度付近で液状であればよい。
【００２０】
さらに、シャーベット中に占める添加剤の割合は、シャーベット状を保つことができる範囲であれば、特に限定されることはないが、通常１〜２０ｗｔ％程度とされる。
【００２１】
本発明の冷却剤は、液化二酸化炭素と添加剤とからなるものでもよい。この形態の冷却剤は、被冷却物に吹き付ける操作の前の状態のもので、ボンベなどの容器内に液化二酸化炭素と添加剤との混合物を収容した状態のものや、別々の容器にそれぞれ液化二酸化炭素と添加剤を収容した状態のものを指している。
【００２２】
この形態の冷却剤では、液化二酸化炭素と添加剤からなる混合物を断熱膨張させて液化二酸化炭素からドライアイスを生成させ、このドライアイスに添加剤が混じってシャーベットとなり、これを被冷却物に吹き付ける。
また、液化二酸化炭素のみを断熱膨張させてドライアイスとし、これに添加剤を混ぜることでシャーベットとし、これを被冷却物に吹き付ける。
この形態での冷却剤中に示る添加剤の割合は、特に限定されるものではないが、通常１〜２０ｗｔ％程度とされる。
【００２３】
図１は、本発明の冷却剤供給装置の第１の例を示すもので、図中符号１は、ボンベを示す。このボンベ１には、液化二酸化炭素と添加剤とが収容されている。
このボンベ１の開閉弁１Ａにはフレキシブルホースなどのホース２の一端が接続され、その他端にはノズル３が接続されている。このノズル３は、ホース２を通って流入した冷却剤を断熱膨張させて、液化二酸化炭素をドライアイスとし、これに添加剤が混じったシャーベットとして、例えば溶接部などの被溶接部４に吹き付けるものである。
【００２４】
図２は、このノズル３の一例を示すものである。このノズル３は、接続管５と、本体部６と噴射管７とから構成されている。
接続管５は、内径２〜１０ｍｍの金属製のパイプであって、この一端が上記ホース２に接続され、他端が本体部６の空洞部８に接続されている。本体部６の空洞部８の先端部は、径が１ｍｍ程度に縮径されて絞り部９となっており、ここを冷却剤が通過する際に断熱膨張するようになっている。
【００２５】
本体部６の先端には噴射管７が取り付けられている。この噴射管７は、内径５〜１０ｍｍ、長さ１００〜２００ｍｍの金属製のパイプであって、絞り部９で断熱膨張してシャーベットとなった冷却剤がこれの先端から噴射されるようになっている。
【００２６】
この例の供給装置にあっては、ボンベ１の開閉弁１Ａを開いて、ボンベ１内の冷却剤をホース２からノズル３に送り込み、ノズル３を被冷却物４に向けることで、シャーベットとなった冷却剤を被冷却物４に吹き付けることができる。
この時、ノズル３の噴射管７の先端と被冷却物４との間隔は５〜３０ｃｍ程度とされる。
【００２７】
図３は、この発明の供給装置の第２の例を示すもので、図１に示したものと同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。この例では、ボンベ１には液化二酸化炭素のみが収容され、ボンベ１からの液化二酸化炭素はホース２を通り、ノズル３に送られて断熱膨張してドライアイスとなり被冷却物４に吹き付けられるようになっている。
【００２８】
一方、添加剤は、別途タンク１０に貯えられ、開閉弁１１、ホース１２、ポンプ１３を通って冷却剤ノズル１４に送られ、この冷却剤ノズル１４から噴射されて、ノズル３から噴射されるドライアイスに混ぜられてシャーベットとなって被冷却物４に吹き付けられるようになっている。
【００２９】
図４は、この発明の供給装置の第３の例を示すもので、この例は第２の例の変形例である。この例のものでは、添加剤送給用のホース１２がノズル３の接続管５に連結されており、ここで添加剤と液化二酸化炭素とが混合され、ノズル３からシャーベットとして噴射されるようになっている。
この例では、ノズル３におけるエジェクター効果により添加剤が吸引されるので、添加剤送給用のポンプ１３が不要とすることもできる。
【００３０】
図５および図６は、いずれも被冷却物４が溶接直後の溶接部である場合に好適な実施形態を示すものである。
図５中、符号２１は溶接トーチを示す。この溶接トーチ２１の先端にはアーク電極２２が設けられ、このアーク電極２２の周囲にはシールドガスを吹き出すシールドガス供給部２３が形成されている。
【００３１】
また、溶接トーチ２１は、ホルダ２４に取り付けられている。このホルダ２４には、箱状の冷却ボックス２５が一体に取り付けられている。この冷却ボックス２５の上面には冷却剤供給口２６が形成され、ここに図示しない上記ノズル３が挿入、固定されるようになっている。冷却ボックス２５は、その下面側が直接溶接部のビード２７に向くようになっている。
【００３２】
また、ホルダ２４の先端部２４ａは、シールドガス供給部２３よりも先端側に延びており、これにより冷却ボックス２５内に吹き込まれたシャーベットから気化した二酸化炭素が溶接トーチ２１側に流入することが防止され、溶接時のシールドガスの流れが二酸化炭素の流れによって干渉されないように構成されている。
このものでは、溶接直後のビード２７に冷却剤のシャーベットが吹き付けられ、ビード２７を急速に冷却することができる。
【００３３】
図６は、他の形態を示すものである。このものでは、溶接トーチ２１の側方に適宜の保持手段により冷却剤噴射用のノズル３が取り付けられている。また、溶接トーチ２１は、その向きが被冷却物４である鋼板に対して直交するように配置され、ノズル３の向きは、図示のように鋼板４に対して約６０度の角度で鋼板４の進行方向側に傾斜して配置されており、この配置によって、先の例と同様にノズル３からの噴射される二酸化炭素が、溶接トーチ２１から流れ出るシールドガスの流れを干渉しないようになっている。
【００３４】
図７（ａ）、（ｂ）は、いずれも溶接トーチ２１と冷却剤噴射用ノズル３との配置関係の他の形態を示すものである。この例では半自動溶接の際の形態を示し、溶接トーチ２１の反対側にノズル３を配置し、溶接部の背面から冷却剤を噴射して冷却するものである。
【００３５】
また、本発明では、ドライアイスの供給源として液化二酸化炭素を用いる以外にパウダー状ドライアイス、ペレット状ドライアイスの固形のドライアイスを用い、これをノズル３に供給し、これと同時にノズル３に添加剤を送給するような方法、装置を採用してもよい。
【００３６】
図８は、このような固形のドライアイスを用いる場合の供給装置を示すものである。
ホッパー３１には、固形のドライアイスが収められ、このドライアイスは、ホース３２からノズル３３に供給されるようになっている。ノズル３３には、噴射用圧縮ガス供給源３４から延びるホース３５が接続され、噴射用圧縮ガス供給源３４からの圧縮空気などの噴射用圧縮ガスが供給されるようになっており、このガスの供給によるエジェクター効果でドライアイスがホッパー３１から送られるようになっている。
【００３７】
添加剤は、タンク３６に貯えられ、管３７、弁３８を介してノズル３３に供給されるようになっている。ノズル３３内では固形のドライアイスと添加剤とが混じり合ってシャーベットとなり、このシャーベットが被冷却物４に吹き付けられる。なお、添加剤は、管３９から噴射用圧縮ガスの流れるホース３５に供給してもよく、またホース４０から添加剤ノズル４１に送り、ここからノズル３３から噴射されたドライアイスに吹き付けてシャーベットとしてもよい。
なお、ホース４０を使用する場合、添加剤は噴射用圧縮ガスによるエジェクター効果を得ることができないため、添加剤噴射用の圧縮供給源（図示せず）を設けることが望ましい。
【００３８】
以下、具体例を示す。
図１および図２に示した冷却剤供給装置を用いて、冷却剤を被冷却物４に吹き付け、その冷却状況を見た。
この際、添加剤の効果を確認するため、液化二酸化炭素単独使用の例と、液化二酸化炭素に添加剤としてＣ２Ｆ５ＣＯＣ３Ｆ７を添加した例を試験した。
ノズル３の絞り部９の径は１ｍｍとした。
【００３９】
被冷却物４には、厚さ３ｍｍのステンレス鋼板を使用し、ノズル３とステンレス鋼板との間隔を１０ｃｍとし、ステンレス鋼板の冷却剤噴射点の裏面に熱電対を取り付け、その温度を測定した。
試験条件を表２に示した。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
図９にステンレス鋼板の熱電対による温度測定結果を示す。図９のグラフにおいて、曲線Ａは液化二酸化炭素と添加剤を併用した場合の温度変化を、曲線Ｂは、液化二酸化炭素単独使用の場合の温度変化を示す。
図９のグラフから、添加剤を併用することより、液化二酸化炭素の供給量が少ないにもかかわらず、冷却速度が約２倍となり、−６８℃まで冷却することができ、液化二酸化炭素単独使用の場合よりも３０℃程度低く冷やすことができることが明らかになった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の冷却剤供給装置の第１の例を示す概略構成図である。
【図２】冷却剤供給層とのノズルの例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の冷却剤供給装置の第２の例を示す概略構成図である。
【図４】本発明の冷却剤供給装置の第３の例を示す概略構成図である。
【図５】本発明の冷却方法の実施形態を示す概略断面図である。
【図６】本発明の冷却方法の実施形態の他のものを示す概略構成図である。
【図７】本発明の冷却方法の実施形態の他のものを示す概略構成図である。
【図８】本発明の冷却剤供給装置の第４の例を示す概略構成図である。
【図９】本発明での具体例の結果を示す図表である。
【符号の説明】
【００４３】
１・・ボンベ、２・・ホース、３・・ノズル、４・・被冷却物、１０・・タンク、１４・・添加剤ノズル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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