(57)【要約】【課題】  本発明は、噴霧流体の噴霧によって冷却対象部材を冷却する際の冷却ムラを抑制し、変形や改質不良等の発生を軽減することを目的としている。【解決手段】  本発明に係る冷却装置は、冷却対象部材に対して噴霧流体を噴射する噴射部と、前記冷却対象部材及び前記噴霧流体の特性に基づいて噴射条件を選定し、前記噴射部による噴射の停止時間を制御する制御部と、を有する。【選択図】  図２
2019163490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象部材に対して噴霧流体を噴射する噴射部と、
前記冷却対象部材及び前記噴霧流体の特性に基づいて噴射条件を選定し、前記噴射部による噴射の停止時間を制御する制御部と、を有することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却装置であって、
前記冷却対象部材の特性は、表面温度、比熱、密度または熱伝導係数であることを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の冷却装置であって、
前記噴霧流体の特性は、液滴の直径、密度、蒸発潜熱、比熱または温度であることを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
請求項１に記載の冷却装置であって、
前記制御部は以下の式により、前記噴射部による噴射の停止時間ｔｐを制御することを特徴とする冷却装置。
【数１】
2019163490.tif 000008
【数２】
2019163490.tif 000009
tW：冷却対象部材表面と接触した噴霧流体が蒸発するまでの時間[s]
r：噴霧流体を構成する液滴の直径[m]
ρwは噴霧流体の密度[kg/m3]
He：噴霧流体の蒸発潜熱[J/kg]
cpw：噴霧流体の比熱[J/(kg・K)]、
Tm：冷却対象部材の表面温度[K]、
Tw：噴霧流体の温度[K]
h：噴霧流体と冷却対象部材間の熱伝達係数[W/(m2・K)] 
cpm：冷却対象部材の比熱[J/kg・K] 
ρm：冷却対象部材の密度[kg/m3]
λｍ：冷却対象部材の熱伝導係数[W/(m・K)]
【請求項５】
請求項４に記載の冷却装置であって、
前記制御部は、前記噴射部による噴射の実行時間を前記停止時間ｔｐの０．５〜２倍の範囲に制御することを特徴とする冷却装置。
【請求項６】
請求項５に記載の冷却装置であって、
前記冷却対象部材は鉄系部材であり、
前記噴霧流体の液滴径を１０〜１００μｍの範囲であり、
前記噴射の実行時間は１０〜１０００ミリ秒の範囲であり、
前記噴射の停止時間は１０〜１０００ミリ秒の範囲であることを特徴とする冷却装置。
【請求項７】
請求項５に記載の冷却装置であって、
前記冷却対象部材はアルミ系部材であり、
前記噴霧流体の液滴径を１０〜１００μｍの範囲であり、
前記噴射の実行時間は１０〜５００ミリ秒の範囲であり、
前記噴射の停止時間は１０〜５００ミリ秒の範囲であることを特徴とする冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置、特に焼入れへの適用に好適な冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
部材の冷却過程において、近年はシャワー状もしくは霧状にした噴霧流体をノズルから噴射し、熱処理の冷却対象部材に噴き付けて冷却するスプレー冷却（もしくはミスト冷却）が用いられるようになってきた。
【０００３】
スプレー冷却では、冷媒のみをノズルから高圧で噴射させる方法の他、冷媒と気体とを量比を変えて混合して噴射する二流体噴霧方式も用いられている。特に二流体噴霧方式では、噴射するスプレー（ミスト）の液滴径や噴霧速度をより詳細に変化させることが出来きるため、冷却コントロール性に優れている。
【０００４】
例えば特許文献１では、空気と水の混合流体を鋼材に噴射して冷却し、鋼材の表面温度に応じて、噴射する混合流体の液滴径を調整することで、熱処理過程で表面に液滴が残留しないようにする冷却方法が提案されている。
【０００５】
一方、冷却対象部材の形状やノズル配置の影響で冷却対象部材表面に到達するスプレーの噴射密度に分布がある場合、冷却速度が場所によって異なり、変形や改質不良の原因となる場合がある。
【０００６】
この冷却ムラを抑制するため、特許文献２では噴霧した冷媒の流動方向を調整する調整部を有し、冷却対象部材全体に冷媒が均一に接触するようにした装置が提案されている。また、特許文献３では、冷却途中で噴霧密度を変更し、冷却速度を変えることで温度ムラを緩和する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２６２２２０号公報
【特許文献２】特開２０１４−０９５５４８号公報
【特許文献３】特開２０１４−１４１７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、噴霧流体の蒸発挙動の差によって生じる温度ムラを軽減する冷却方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明に係る冷却装置は、冷却対象部材に対して噴霧流体を噴射する噴射部と、前記冷却対象部材及び前記噴霧流体の特性に基づいて噴射条件を選定し、前記噴射部による噴射の停止時間を制御する制御部と、を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、冷却対象部材に噴射される噴霧流体の膜沸騰状態から遷移沸騰状態への移行を安定させる事が可能になり、それにより冷却ムラを抑制し、変形や改質不良等の発生を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】冷却対象部材との接触面における、液滴の蒸発挙動の模式図である。
【図２】本実施形態の装置の構成図である。
【図３】液滴と冷却対象部材の接触面における、接触面の中心点における冷却対象部材の温度変化を示す模式図である。
【図４】ＳＵＳ３０４を対象として、スプレー冷却試験中に測定した冷却曲線を示すグラフである。
【図５】ＳＵＳ３０４を対象として、従来技術を用いてスプレー冷却試験中を実施し、取得した冷却曲線から導出した熱伝達係数の温度依存性を示す図である。
【図６】ＳＵＳ３０４を対象として、本発明を用いてスプレー冷却試験中に測定した冷却曲線から導出した熱伝達係数の温度依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の冷却方法および装置を、図を参照して説明する。
【００１３】
本実施形態は、加熱された冷却対象部材に対して、ノズルから噴霧流体を霧もしくはシャワー状の噴霧流体にして噴射する冷却方法に関するものである。噴霧流体の噴射実行と噴射停止を制御する制御部を有し、短時間で噴射と噴射停止を繰り返すことを特徴とする。
【００１４】
このとき、噴射停止中に冷却対象部材で生じる熱伝導によって温度ムラが軽減され、局所的な蒸気膜崩壊を生じにくくすることで、冷却時に安定して膜沸騰から遷移沸騰へ移行させることが出来る。それにより冷却の安定性が増し、冷却時の温度ムラを軽減することができる。従って冷却対象部材の変形や割れ、熱処理ムラの発生を軽減することができる。
【００１５】
このとき、目的の効果が得られる最適な噴射実行時間と噴射停止時間は、噴霧流体と冷却対象部材および冷却対象部材の特性によって決定する。具体的には、噴霧流体中の液滴が蒸発する過程で冷却対象部材から奪う熱量と、冷却対象部材で充分な熱伝導が生じる時間によって導出する。更に具体的には、噴霧流体中の液滴径の分布、噴霧流体と冷却対象部材間の熱伝達係数、噴霧流体の蒸発潜熱、噴霧流体の比熱、噴霧流体の密度、冷却対象部材の熱伝導係数、冷却対象部材の比熱、冷却対象部材の密度から導出する。
【００１６】
上記の噴射実行時間と噴射停止時間は、噴霧流体および冷却対象部材の冷却対象部材に対して、実験的に予め冷却が安定する条件を取得しておき、その相関関係から求めても良い。
【００１７】
また、上記の冷却過程において、噴射実行時間と噴射停止時間の相関関係を維持したまま、噴霧流体の供給量、噴霧速度、噴霧流体の液滴径を変化させてもよい。
【００１８】
従来技術には、以下のような問題が存在する。
【００１９】
一般に、高温状態の冷却対象部材にスプレーで噴霧流体（冷媒）を吹き付けるとき、噴霧流体が形成する液滴と冷却対象部材の接触部における冷却対象部材の温度により、液滴の蒸発挙動が異なる。
【００２０】
図１にその模式図を示す。液滴と冷却対象部材の接触部における冷却対象部材が図中に示す噴霧流体のライデンフロスト温度以上であれば、冷却対象部材表面と接触した液滴が気化して薄い蒸気の膜を作り（ライデンフロスト現象）膜沸騰状態となる。膜沸騰状態では、液滴と冷却対象部材表面との直接的な接触が妨げられるため、噴霧流体と冷却対象部材間の熱伝達係数は減少して冷却速度は遅くなる。
【００２１】
一方、液滴と接触する冷却対象部材表面の温度がライデンフロスト温度より低い場合、液滴が冷却対象部材表面に直接接触する遷移沸騰状態となる。遷移沸騰状態では、噴霧流体の蒸発潜熱によって冷却対象部材表面から奪う熱量が増大し、冷却は急速に進む。
【００２２】
このときのライデンフロスト温度は、噴霧流体の種類や温度、スプレーの噴射速度によって異なる。
【００２３】
冷却過程では、冷却対象部材の表面温度低下に伴い、噴霧流体の蒸発挙動は膜沸騰状態から遷移沸騰状態に移行していく。従来技術では、冷却対象部材の平均表面温度が低下して行きライデンフロスト点を通過する時、それまで形成されていた蒸気膜が崩壊することで、冷却速度が急激に上昇する。そのとき、スプレー噴霧量のムラ等によって局所的にライデンフロスト点を下回った箇所がある場合、該当箇所で先行して遷移沸騰が生じて急速に冷却される。局所的に冷却された該当箇所に連続的に液滴が衝突すると、遷移沸騰による冷却が行われるため、平均表面温度との温度差が更に増大する。この冷却速度の急速な変化や温度ムラが被処理物に生じた場合には、変形や割れの原因となる場合があるとともに、冷却対象部材に熱処理ムラが生じる場合がある。
【００２４】
本実施形態は、以上のような点を考慮してなされたもので、噴霧流体の蒸発挙動の差によって生じる温度ムラを軽減する冷却方法および装置を提供することを目的とする。
【００２５】
図２は、本実施形態の装置の構成図である。冷却対象部材Ｍを過熱する加熱炉１と、加熱炉１で加熱した冷却対象部材Ｍを搬送する駆動部２と、加熱後の冷却対象部材Ｍが搬送されてくる冷却槽３を有し、冷却槽３にはスプレーを噴射するノズル４と、ノズル４に接続されているスプレーユニット５と、ノズル４を開閉するシリンダー６と、シリンダー６に送る空圧を制御するコントロールユニット７を有している。
【００２６】
駆動部２は、冷却対象部材Ｍを垂直方向に搬送送可能なものであって、冷却対象部材Ｍを支持フレーム８に固定し、加熱炉１で所定温度まで過熱した後、加熱炉下部の蓋を開放して冷却槽３まで搬送する。冷却槽３まで搬送された冷却対象部材Ｍは、ノズル４から噴射されるスプレーによって冷却される。
【００２７】
冷却中の冷却対象部材の温度変化は、冷却対象部材Ｍに設置された熱電対によって測定される。スプレーユニット５はコントロールユニット７から送られる空圧で開閉するシリンダー６によって、噴霧実行と噴射停止がコントロールされる。コントロールユニット７は、ノズルに送る流体の流量および圧力を制御することで、スプレーの速度と液滴径を変更できる。
【００２８】
本実施形態は、下記のような思想に基づいている。まず、ノズルから噴射される水は細かな液滴となって冷却対象部材表面に衝突する。衝突した液滴が半球状となり、さらに蒸気膜を形成して膜沸騰状態で冷却される場合、冷却対象部材表面と接触した液滴が蒸発するまでの時間tw[s]は下記の式によって求められる。
【００２９】
【数１】
2019163490.tif 000003
【００３０】
このとき、rは噴霧流体を構成する液滴の直径[m]、ρwは噴霧流体の密度[kg/m3]、Heは噴霧流体の蒸発潜熱[J/kg]、cpwは噴霧流体の比熱[J/(kg・K)]、Tmは冷却対象部材の表面温度[K]、Twは噴霧流体の温度[K]、hは噴霧流体と冷却対象部材間の熱伝達係数[W/(m2・K)]である。 
さらに液滴と冷却対象部材が接触した点からＬ[m]離れた位置における局所温度と、冷却対象部材のバルク温度との温度差θ(t)は、温度変化は時間[s]に対して下記の式で与えられる。
【００３１】
【数２】
2019163490.tif 000004
【００３２】
θ(0)は液滴が蒸発した時点での冷却対象部材の接触面の局所温度とバルク温度の温度差であり、λｍは冷却対象部材の熱伝導係数[W/(m・K)]、cpmは冷却対象部材の比熱[J/(kg・K)]、ρmは冷却対象部材の密度[kg/m3]である。
【００３３】
この時、冷却対象部材表面の平均温度がライデンフロスト点近傍であり、且つ接触面の熱伝導が充分行われずθが大きい状態で次の液滴が衝突すると、その場所では遷移沸騰が開始され急激な冷却が起こる。これにより、温度ムラが更に拡大する事になる。
【００３４】
図３は、液滴と接触した表面における温度変化の模式図である。冷却対象部材と接触した液滴は半球状となり冷却対象部材と接触する。この模式図はその中心点における温度変化を示す。
【００３５】
冷却対象部材表面と接触した液滴は蒸発するまでの時間ｔＷまで冷却対象部材から熱を奪い、冷却対象部材表面温度をバルク温度に対してθ(0)まで低下させる。そこからバルクへの熱伝導によって、冷却対象部材表面温度がバルク温度に近づいていく。このとき、実際は冷却によってバルク温度も時間と共に低下していくが、噴射停止時間はバルクの温度低下に対して充分小さいため考慮しないものとする。液滴と接触した部分の温度はバルク温度に近づくほどより望ましいが、噴射停止時間が長すぎる場合には冷却能が低下してしまう。実験的には液滴と冷却対象部材の接触点から、液滴径分はなれた位置で、温度差θが1/10程度になれば、充分温度分布が緩和され、安定した冷却が可能となる。
【００３６】
すなわち、最適な噴射停止時間tpは下記の式から求められる。
【００３７】
【数３】
2019163490.tif 000005
【００３８】
スプレーの噴射停止時間は、予め噴射停止時間の異なる条件での冷却実験を行い、最適となる噴射停止時間を実験的に求めても良い。
【００３９】
スプレーの噴射停止時間は、冷却能が低下しすぎないように１秒以下とすることが望ましい。
【００４０】
以上のように、本実施形態は最適なスプレーの噴射停止時間を求め、この噴射停止時間を用いて噴射スプレーの噴射実行時間を設定するものである。噴射実行時間は、冷却対象部材表面での温度分布の拡大を抑制するため１秒以下とする事が望ましく、噴射停止時間の０．５〜２倍の範囲とすることがより望ましい。
【００４１】
また、スプレーの噴射実行時間および噴射停止時間は、冷却対象部材の表面温度Ｔｍと追随して時間的に変化させることが望ましいが、制御性の観点から、膜沸騰条件から遷移沸騰条件へ移行する温度近傍で最も効果が現れる様に、Ｔｍを噴霧流体のライデンフロスト点近傍としてもよい。
【００４２】
噴霧流体の噴霧流体としては、例えば油、塩水、ポリマー溶液等を用いることが出来るが、経済性の観点から市水もしくはイオン交換水を使用することが望ましい。また、噴霧流体の気体としてはアルゴン、ヘリウム、窒素等を用いることもできるが、空気を用いることが望ましい。
【００４３】
また、冷却は減圧もしくは加圧した雰囲気で行うことも出来るが、経済性の観点から１気圧とする事が望ましい。
【００４４】
上記の冷却方法において、噴霧流体として市水、気体として空気を用い、雰囲気を１気圧とし、冷却対象部材を鉄系部材とした場合には、噴霧流体の液滴を１０〜１００μｍとし、噴射実行時間を１０〜１０００ミリ秒とし、噴射停止時間を１０〜１０００ミリ秒とする事が好ましい。
【００４５】
より好ましくは、噴霧流体の液滴を５０〜１００μｍとし、噴射実行時間を１０〜１００ミリ秒とし、噴射停止時間を１０〜１００ミリ秒とする事が好ましい。
【００４６】
また、冷却対象部材を構成する冷却対象部材をアルミ系部材とした場合には、噴霧流体の液滴を１０〜１００μｍとし、噴射実行時間を１０〜５００ミリ秒とし、噴射停止時間を１０〜５００ミリ秒とする事が好ましい。
【００４７】
より好ましくは、噴霧流体の液滴を５０〜１００μｍとし、噴射実行時間を１０〜５０ミリ秒とし、噴射停止時間を１０〜５０ミリ秒とする事が好ましい。
【００４８】
以下、実施例を説明する。
【実施例】
【００４９】
本実施形態の効果を確認するため、円盤状試験片を用いた試験を実施した。スプレー冷却時実施の対象冷却対象部材は、ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４を用いた。ＳＵＳ３０４の熱物性を表１に示す。
【００５０】
【表１】
2019163490.tif 000006
【００５１】
試験片は丸棒の押出材から切削加工し、Φ３０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの試験片を用いた。噴霧流体は２５℃の水を用い、雰囲気は１気圧とした。冷却に用いるスプレーノズルは、噴霧角度７０°の２流体円錐ノズルを用い、冷却槽下部から垂直方向に噴霧される位置に１個設置した。スプレーユニットは、噴霧流体の噴射量と噴霧圧力と噴霧流体の液滴径を個別に設定できるものを用いた。噴霧流体の噴射量は毎分２０リットルとし、噴射圧力は０．２ＭＰａとした。噴霧流体の液滴径は概ね５０〜１００μｍの範囲の収まる様にした。試験片には上部及び側面に厚さ約３ｍｍの耐熱セラミックペーパーを、耐熱性無機接着剤で接着し、これにより試験片は下面より一次元方向(厚さ方向)に冷却されるものと考えた。温度変化は試験片下部から１ｍｍ内側に穴を開け、Ｋ型熱電対を挿入して測定した。冷却前の熱処理温度は８５０℃とした。
【００５２】
駆動部先端の支持フレームに試験片を固定し、加熱炉で加熱した後に試験片を冷却槽まで搬送してスプレーを開始した。
【００５３】
スプレー冷却時における噴射実行時間と噴射停止時間の条件は、４条件で実施した。それぞれの条件を表２に示す。
【００５４】
【表２】
2019163490.tif 000007
【００５５】
図４に、冷却試験中に測定した冷却曲線を示す。条件１に示す従来技術と比較し、本実施形態を用いて冷却した場合は冷却曲線の変局が緩やかになっており、噴霧流体の沸騰条件が膜沸騰から遷移沸騰へ安定して緩やかに移行したことがわかる。試験片の温度が１００℃程度まで低下するまでの時間は本実施形態を用いて冷却した方が短くなっており、これは水の蒸発潜熱が有効に利用されていることで冷却が効率化できていることを示す。冷却速度は条件２より条件３と条件４が速くなっており、より冷却能が高い条件であることが分かる。
【００５６】
図５に、従来技術で実施した試験の冷却曲線から集中熱容量法で導出した熱伝達係数を示す。従来技術では、本来のライデンフロスト点より高温で熱伝達係数の急増が認められ、遷移沸騰と膜沸騰を繰り返している。これは、冷却対象部材に局所的に冷却される箇所が存在し冷却ムラが発生していることを示している。
【００５７】
図６に、発明技術で実施した試験の冷却曲線から集中熱容量法で導出した熱伝達係数を示す。本実施形態では、熱伝達係数は緩やかに変化している。これにより、本実施形態は、冷却対象部材に噴射される噴霧流体の膜沸騰状態から遷移沸騰状態への移行を安定させる事が可能であり、冷却ムラを抑制し、変形や改質不良等の発生を軽減することが可能であると示された。
【符号の説明】
【００５８】
１…加熱炉、２…駆動部、３…冷却槽、４…ノズル、５…スプレーユニット、
６…シリンダー、７…コントロールユニット、８…支持フレーム、
【図１】
2019163490.tif 000010
【図２】
2019163490.tif 000011
【図３】
2019163490.tif 000012
【図４】
2019163490.tif 000013
【図５】
2019163490.tif 000014
【図６】
2019163490.tif 000015