(57)【要約】【課題】冷却流体を供給して被冷却体を冷却する際の温度シミュレーション及び、目標冷却仕様を満たす冷却条件の決定において、多様な冷却条件に適用し得る一般化された温度シミュレーション方法或いは冷却条件の決定方法を提供すること。【解決手段】ノズルから供給した冷却流体により被冷却体を冷却する際の温度分布を推定する温度シミュレーション方法に関する。この温度シミュレーション方法は、ノズル内を流動する冷却流体のレイノルズ数Ｒｅを算出するレイノルズ数算出工程と、算出したレイノルズ数Ｒｅに基づいて、被冷却体の外表面における冷却流体との間の熱伝達係数の分布であるｈｃ分布を求めるｈｃ分布算出工程と、鍛造型の外表面における熱伝達係数の分布に基づいて、鍛造型の温度分布を求める温度分布算出工程とを行う。【選択図】図１
2005246471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルから供給した冷却流体により被冷却体を冷却する際の温度分布を推定する温度シミュレーション方法において、
上記ノズル内を流動する上記冷却流体のレイノルズ数を算出するレイノルズ数算出工程と、
上記レイノルズ数に基づいて、上記被冷却体の外表面における上記冷却流体との間の熱伝達係数の分布であるｈｃ分布を算出するｈｃ分布算出工程と、
上記ｈｃ分布に基づいて、上記被冷却体の内部及び外表面の温度分布を求める温度分布算出工程とを行うことを特徴とする温度シミュレーション方法。
【請求項２】
請求項１において、上記被冷却体は、鍛造プレス成形用の鍛造型であることを特徴とする温度シミュレーション方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記ｈｃ分布算出工程では、上記レイノルズ数と、上記被冷却体の外表面のうちの上記ノズルの水流中心における上記熱伝達係数との関係を表す第１のマップ及び、上記水流中心からの距離と、上記水流中心における上記熱伝達係数に対する割合である熱伝達係数比との関係を表す第２のマップを利用して上記ｈｃ分布を求めることを特徴とする温度シミュレーション方法。
【請求項４】
請求項３において、上記第１のマップ及び上記第２のマップは、上記ノズルから供給する上記冷却流体の広がり度合いを表す指標を用いて補正したものであることを特徴とする温度シミュレーション方法。
【請求項５】
請求項３又は４において、上記第２のマップは、上記被冷却体の上記外表面の曲率により補正したものであることを特徴とする温度シミュレーション方法。
【請求項６】
ノズルから供給した冷却流体により被冷却体を冷却する際の冷却条件の決定方法において、
上記被冷却体における特定点を設定すると共に、所定時間後における上記特定点の温度である目標到達温度を設定する目標設定工程と、
上記目標到達温度を実現するために必要な上記被冷却体の外表面における上記冷却流体との間の熱伝達係数の分布であるｈｃ分布を決定するｈｃ分布決定工程と、
上記ｈｃ分布に基づいて、上記ノズル内を流動する上記冷却流体のレイノルズ数を決定するレイノルズ数決定工程と、
上記レイノルズ数に基づいて、上記ノズルのノズル内径、上記ノズル内の上記冷却流体の流速、流量、温度、動粘性係数及び上記冷却流体の種類により規定される冷却条件のうち、少なくともいずれかを決定して上記冷却条件を決定する仕様決定工程とを行うことを特徴とする冷却条件の決定方法。
【請求項７】
請求項６において、上記被冷却体は、鍛造成形用の鍛造型であることを特徴とする冷却条件の決定方法。
【請求項８】
請求項７において、上記レイノルズ数決定工程では、上記レイノルズ数と、上記被冷却体の外表面のうちの上記ノズルの水流中心における上記熱伝達係数との関係を表す第１のマップ及び、上記水流中心からの距離と、上記水流中心における上記熱伝達係数に対する割合である熱伝達係数比との関係を表す第２のマップを利用して上記レイノルズ数を求めることを特徴とする冷却条件の決定方法。
【請求項９】
請求項８において、上記第１のマップ及び上記第２のマップは、上記ノズルから供給する上記冷却流体の広がり度合いを表す指標を用いて補正したものであることを特徴とする冷却条件の決定方法。
【請求項１０】
請求項８又は９において、上記第２のマップは、上記被冷却体の外表面の曲率により補正したものであることを特徴とする冷却条件の決定方法。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１項において、上記第２のマップは、上記被冷却体の外表面の法線方向と、上記ノズルが上記冷却流体を吹き付ける方向であるノズル方向とのなす角であるノズル傾斜角により補正したものであることを特徴とする冷却条件の決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，ノズルから供給した冷却流体により被冷却体を冷却する際の温度分布を推定する温度分布シミュレーション方法及び、目標とする冷却仕様を満たす冷却条件の決定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、冷却流体を供給して鋳造型を冷却する際の温度分布をシミュレーションする方法として、冷却流体の供給源である冷却ポイントの位置、噴射方向、噴射投影形状及び、冷却能力を基にして、鋳造型の外表面における外部との間の伝熱係数を求めるものがある。このシミュレーション方法は、上記のごとく求めた伝熱係数を基にして、鋳造型の温度分布を推定している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１７０２６９号公報
【０００４】
しかしながら、上記従来の温度シミュレーション方法には、次のような問題がある。すなわち、上記冷却ポイントを特定する位置、噴射方向、噴射投影形状及び、冷却能力のうち、特に、冷却能力は、冷却流体の種類や、その噴射量に依存する特性値である。それ故、上記の温度シミュレーション方法では、冷却流体の種類を変更したり、その噴射量を変更したとき、その都度、冷却能力を実測する必要を生じるおそれがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、冷却流体を供給して被冷却体を冷却する際の温度シミュレーション及び、目標とする冷却仕様を満たす冷却条件の決定において、多様な冷却条件に適用し得る一般化された温度シミュレーション方法あるいは冷却条件の決定方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、ノズルから供給した冷却流体により被冷却体を冷却する際の温度分布を推定する温度シミュレーション方法において、
上記ノズル内を流動する上記冷却流体のレイノルズ数を算出するレイノルズ数算出工程と、
上記レイノルズ数に基づいて、上記被冷却体の外表面における上記冷却流体との間の熱伝達係数の分布であるｈｃ分布を算出するｈｃ分布算出工程と、
上記ｈｃ分布に基づいて、上記被冷却体の内部及び外表面の温度分布を求める温度分布算出工程とを行うことを特徴とする温度シミュレーション方法にある（請求項１）。
【０００７】
上記第１の発明の温度シミュレーション方法は、「吹き付け冷却用の上記ノズル内を流動する上記冷却流体のレイノルズ数によって、上記被冷却体の外表面における上記冷却流体との間の熱伝達係数の分布を算出可能である」という旨の、発明者らが実験や解析等を通じて獲得した新たな知見に基づく方法である。
【０００８】
つまり、上記温度シミュレーション方法では、上記レイノルズ数算出工程において、上記ノズル内を流動する上記冷却流体のレイノルズ数を算出し、その後に行う上記ｈｃ分布算出工程では、算出したレイノルズ数に基づいて、上記被冷却体の外表面における上記冷却流体との間の熱伝達係数の分布である上記ｈｃ分布を求める。
そして、伝熱工学等に属する熱伝導解析手法及び熱伝達解析手法を利用して、上記被冷却体の外表面の上記熱伝達係数の分布から上記被冷却体の温度分布を求める。
【０００９】
以上のように、上記第１の発明の温度シミュレーション方法は、上記ノズル内の上記冷却流体のレイノルズ数に着目し、このレイノルズ数に基づいて上記被冷却体の外表面の上記熱伝達係数を定量化した点で、画期的な温度シミュレーション方法である。
【００１０】
第２の発明は、ノズルから供給した冷却流体により被冷却体を冷却する際の冷却条件の決定方法において、
上記被冷却体における特定点を設定すると共に、所定時間後における上記特定点の温度である目標到達温度を設定する目標設定工程と、
上記目標到達温度を実現するために必要な上記被冷却体の外表面における上記冷却流体との間の熱伝達係数の分布であるｈｃ分布を決定するｈｃ分布決定工程と、
上記ｈｃ分布に基づいて、上記ノズル内を流動する上記冷却流体のレイノルズ数を決定するレイノルズ数決定工程と、
上記レイノルズ数に基づいて、上記ノズルのノズル内径、上記ノズル内の上記冷却流体の流速、流量、温度、動粘性係数及び上記冷却流体の種類により規定される冷却条件のうち、少なくともいずれかを決定して上記冷却条件を決定する仕様決定工程とを行うことを特徴とする冷却条件の決定方法にある（請求項６）。
【００１１】
上記第２の発明の冷却条件の決定方法では、まず、上記目標設定工程を実施し、上記被冷却体における上記特定点を設定すると共に、所定時間後における上記特定点の温度である目標到達温度を設定する。そして、上記ｈｃ分布決定工程では、伝熱工学等に属する熱伝導解析手法や、熱伝達解析手法等を利用して、設定した上記目標到達温度を実現するために上記被冷却体の外表面において必要な上記熱伝達係数の分布である上記ｈｃ分布を決定する。
【００１２】
その後、上記レイノルズ係数決定工程を実施し、上記ｈｃ分布に基づいて、上記ノズル内を流動する上記冷却流体のレイノルズ数を決定する。そしてさらに、上記仕様決定工程を実施して、上記ノズルのノズル内径、上記ノズル内の上記冷却流体の流速、流量、温度、動粘性係数及び上記冷却流体の種類により規定される冷却条件のうち、少なくともいずれかを決定して上記冷却条件を決定する。
【００１３】
例えば、ノズル等の冷却装置を新規に設計するような場合には、決定された上記レイノルズ数を満たす範囲で、上記ノズル径や、上記冷却流体の流量や、温度等を決定することができる。或いは、例えば、既存の冷却装置を用いるような場合であって、上記ノズル径や、上記冷却流体の種類などが固定的であるときには、決定された上記レイノルズ数に基づいて、上記冷却流体の流量や、その温度などのその他の仕様を決定することができる。
【００１４】
以上のように上記第２の発明は、上記レイノルズ数と上記被冷却体の外表面における上記冷却流体との間の熱伝達係数との関係に注目し、その関係を利用して上記冷却条件を決定するものである。
すなわち、伝熱工学等に属する一般的な解析手法を利用し、上記目標到達温度から上記被冷却体の外表面で必要となる上記ｈｃ分布を求め、その後、該ｈｃ分布から上記レイノルズ係数を決定する。そして、該レイノルズ係数に基づいて、効率良く冷却条件を決定している。
なお、上記特定点としては、上記被冷却体の外表面にあっても、内部にあっても良く、また、１つだけ設定しても、複数設定しても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
上記第１及び上記第２の発明においては、上記被冷却体としては、例えば、鍛造型や、鋳造型や、切削加工機や、旋盤加工機や、加工対象であるワーク等、冷却を必要とする様々な対象がある。
上記第１の発明においては、上記被冷却体は、鍛造プレス成形用の鍛造型であることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記鍛造型の温度シミュレーションを精度良く実施でき、該鍛造型の温度管理を適切に行うことができる。そして、温度管理を適切に実施した上記鍛造型では、その型寿命を長くして生産コストを抑制できる。
【００１６】
また、上記ｈｃ分布算出工程では、上記レイノルズ数と、上記被冷却体の外表面のうちの上記ノズルの水流中心における上記熱伝達係数との関係を表す第１のマップ及び、上記水流中心からの距離と、上記水流中心における上記熱伝達係数に対する割合である熱伝達係数比との関係を表す第２のマップを利用して上記ｈｃ分布を求めることが好ましい（請求項３）。
【００１７】
この場合には、上記第１のマップ及び上記第２のマップを組み合わせることで、上記ノズルから上記冷却流体を供給して上記被冷却体を冷却する際、上記ｈｃ分布を効率良く求めることができる。
そして、上記ｈｃ分布が求まれば、その後、一般的な熱伝導解析手法や、熱伝達解析手法等を利用して効率良く上記被冷却体の温度分布を推定することができる。
【００１８】
また、上記第１のマップ及び上記第２のマップは、上記ノズルから供給する上記冷却流体の広がり度合いを表す指標を用いて補正したものであることが好ましい（請求項４）。
上記ノズルから供給する上記冷却流体の広がり度合いが変更されると、上記水流中心における上記熱伝達係数はもとより、該水流中心の周辺の上記ｈｃ分布が変わってくるおそれがある。
【００１９】
そのため、上記のごとく上記冷却流体の広がり度合いに応じて上記第１及び上記第２のマップを補正する場合には、上記被冷却体に供給する上記冷却流体の広がり度合いに関わらず、上記ｈｃ分布を精度良く算出することができる。
【００２０】
また、上記第２のマップは、上記被冷却体の上記外表面の曲率により補正したものであることが好ましい（請求項５）。
上記被冷却体の上記外表面の曲率が変わると、上記水流中心における熱伝達係数はそのままでも、該水流中心の周辺の上記ｈｃ分布が変わってくるおそれがある。
そのため、上記のごとく上記被冷却体の上記外表面の曲率に応じて上記第１のマップを補正する場合には、上記被冷却体の上記外表面の曲率に関わらず、上記ｈｃ分布を精度良く算出することができる。
【００２１】
上記第２の発明においては、上記被冷却体は、鍛造成形用の鍛造型であることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記鍛造型を適切に冷却するための上記冷却条件を効率良く決定することができる。そして、この冷却条件に従って上記鍛造型を冷却すれば、その型寿命を長くすることができる。
【００２２】
また、上記レイノルズ数決定工程では、上記レイノルズ数と、上記被冷却体の外表面のうちの上記ノズルの水流中心における上記熱伝達係数との関係を表す第１のマップ及び、上記水流中心からの距離と、上記水流中心における上記熱伝達係数に対する割合である熱伝達係数比との関係を表す第２のマップを利用して上記レイノルズ数を求めることが好ましい（請求項８）。
【００２３】
この場合には、上記第１のマップ及び上記第２のマップを組み合わせることで、上記ノズルから上記被冷却体に上記冷却流体を供給して冷却する際の、上記ｈｃ分布を効率良く求めることができる。
そして、上記ｈｃ分布が求まれば、その後、効率良く上記被冷却体の温度分布を推定することができる。
【００２４】
また、上記第１のマップ及び上記第２のマップは、上記ノズルから供給する上記冷却流体の広がり度合いを表す指標を用いて補正したものであることが好ましい（請求項９）。
この場合には、上記被冷却体に供給する上記冷却流体の広がり度合いに関わらず、上記ｈｃ分布を精度良く決定することができる。
【００２５】
また、上記第２のマップは、上記被冷却体の上記外表面の曲率値により補正したものであることが好ましい（請求項１０）。
この場合には、上記被冷却体の上記外表面の曲率に関わらず、上記ｈｃ分布を精度良く決定することができる。
【００２６】
また、上記第２のマップは、上記被冷却体の外表面の法線方向と、上記ノズルが上記冷却流体を吹き付ける方向であるノズル方向とのなす角であるノズル傾斜角により補正したものであることが好ましい（請求項１１）。
この場合には、上記吹き付け角度に関わらず、上記ｈｃ分布を精度良く決定することができる。
【実施例】
【００２７】
（実施例１）
本例は、ノズルから供給した冷却流体により熱間鍛造用の鍛造型を冷却する際の温度分布を推定する温度シミュレーション方法に関する。この内容について、図１〜図６を用いて説明する。
本例は、ノズルから供給した冷却流体により被冷却体（本例では、図示しない鍛造型。）を冷却する際の温度分布を推定する温度シミュレーション方法に関する。
この温度シミュレーション方法は、ノズル内を流動する冷却流体のレイノルズ数Ｒｅを算出するレイノルズ数算出工程と、算出したレイノルズ数Ｒｅに基づいて、被冷却体の外表面における冷却流体との間の熱伝達係数の分布であるｈｃ分布を算出するｈｃ分布算出工程と、鍛造型の外表面における熱伝達係数の分布に基づいて、鍛造型の内部及び外表面の温度分布を求める温度分布算出工程とを行う。
以下に、この内容について詳しく説明する。
【００２８】
本例は、熱間鍛造プレスに用いる鍛造型を冷却する際の温度分布を推定する温度シミュレーション方法である。この温度シミュレーション方法は、発明者らが、長年にわたる実証実験と解析作業を通じて新たに見出した新たな知見に基づくものである。この新たな知見とは、ノズル内を流動する冷却流体のレイノルズ数Ｒｅが、鍛造型の外表面における冷却流体との間の熱伝達係数と密接に関係しており、レイノルズ数Ｒｅに基づいて上記熱伝達係数を求め得るという知見である。この内容を以下に説明する。
【００２９】
ノズルから冷却流体を供給して鍛造型を冷却する際、その外表面の熱伝達係数は、図１に示すごとく、上記ノズル内を流動する冷却流体のレイノルズ数Ｒｅに依存して変化する。同図では、冷却開始１秒後の熱伝達係数の実測値をプロット１ａ（塗りつぶし◇印で示す。）として示し、実線１ｂには、最小二乗法で求めた近似曲線を示している。
【００３０】
なお、同図では、横軸には、ノズル内を流動する冷却流体のレイノルズ数Ｒｅを示し、縦軸には、鍛造型の外表面のうち、ノズルによる水流中心に当たる位置での冷却流体との間の熱伝達係数を示している。さらに、同図では、略平面状を呈する外表面に冷却流体を供給する場合を示してある。
【００３１】
すなわち、同図によれば、鍛造型の外表面のうち上記水流中心での熱伝達係数は、レイノルズ数Ｒｅに依存して変化する。そして、発明者らによる様々な実証実験によれば、上記熱伝達係数は、ノズル口径や、冷却流体の流速、流量や、冷却流体の温度等の個々の値に依らず、レイノルズ数Ｒｅのみに依存していることがわかった。すなわち、上記レイノルズ数Ｒｅが略一致している限り、鍛造型の外表面のうち上記水流中心における熱伝達係数はほぼ一定である。
【００３２】
さらに、鍛造型の外表面における熱伝達係数は、図２に示すごとく、上記水流中心からの距離に応じて変化する。なお、同図では、横軸に、水流中心からの距離ｒをノズル経Ｄによって除した無次元数を規定し、縦軸には、水流中心の熱伝達係数を１としたときの各位置における熱伝達係数を示してある。
そして、上記水流中心の周辺の熱伝達係数の変化は、ノズル内を流動する冷却流体のレイノルズ数の影響を受ける。すなわち、レイノルズ数Ｒｅ＝４７０００〜７００００の範囲にある場合（同図中、プロット２ａ（白抜き○印で示す。）。）の方が、Ｒｅ＝１００００〜１４００００の範囲にある場合（同図中、プロット２ｂ（×印で示す。）。）と比べて、水流中心から離れたときの熱伝達係数の低下が抑制されている。
【００３３】
さらに、発明者らは、被冷却体としての鍛造型の温度を変更した実験を行い、上記のレイノルズ数と熱伝達係数との関係（図１及び図２に示す関係。）が、図３に示すごとく、鍛造型の温度に依存せず略一定の関係を呈することを見出した。
上記実験の実測値をプロット３ａ（塗りつぶし□印で示す。）で表すと共に、本例の温度シミュレーション方法による計算値をプロット３ｂ（塗りつぶし◇印で示す。）によって表した図３によれば、鍛造型の温度によらず実測値と計算値とが非常に良く一致している。このことは、上記のレイノルズ数Ｒｅと熱伝達係数との関係が、鍛造型の温度によらず略一定であることを示している。
なお、同図では、その横軸に冷却開始前の鍛造型の温度を規定し、縦軸には、冷却開始１秒後の鍛造型の温度を規定してある。
【００３４】
さらにまた、発明者らは、鍛造型を冷却する冷却流体の種類や温度を変更した実験を行い、上記のレイノルズ数と熱伝達係数との関係（図１及び図２に示す関係。）が、供給する冷却流体の温度に依存せず略一定の関係を呈することを見出した。
冷却流体として、２３℃の水（プロット４ａ（塗りつぶし○印で示す。））、４０℃の水（プロット４ｂ（塗りつぶし△印で示す。））、１０℃の水（プロット４ｃ（塗りつぶし□印で示す。））、水に１０体積％の潤滑剤を希釈したものよりなる２３℃の潤滑剤Ａ（プロット４ｄ（白抜き○印で示す。））、１０℃の同潤滑剤Ａ（プロット４ｅ（白抜き□印で示す。））、４０℃の同潤滑剤Ａ（プロット４ｆ（白抜き△印で示す。））を用いた上記実験の各結果を示す図４によれば、冷却流体の種類や温度を変更しても、レイノルズ数と熱伝達係数との関係はほぼ一定である。
なお、同図では、横軸に、レイノルズ数Ｒｅを示し、縦軸に、上記水流中心における熱伝達係数を示している。
【００３５】
さらに、本例で上記温度シミュレーション方法を適用するに当たっては、その妥当性を実証する実証実験を行っている。この実証実験は、図５に示すごとく、高さ５０ｍｍ、直径５０ｍｍの略円柱体形状を呈する被冷却体１０を用いたものである。そして、実証実験では、この被冷却体１０に対して、その円形端面１０１に対面して配置したノズル２０から冷却流体を供給して冷却したときの温度変化を実測した。
【００３６】
実証実験のノズル２０は、略円柱状を呈する被冷却体１０の軸線１０２に沿って、円形端面１０１から６０ｍｍ離れた位置に配置してある。そして、このノズル２０は、上記軸方向１０２に沿って冷却流体を流出させ、被冷却流体１０の円形端面１０１の略中心に、その水流中心を形成するように構成してある。
なお、このノズル２０は、内径Φ３．４ｍｍの開口先端を有してなり、その開口先端から水よりなる冷却流体を、流速５．３ｍ毎秒（流量３リットル／ｍｉｎ）で供給するように構成してある。このとき、ノズル２０内を流動する冷却流体のレイノルズ数は、１００５６となった。
【００３７】
この実証実験による被冷却体１０の内部の温度変化を図６に示す。同図では、略円柱形状を呈する被冷却体１０の軸線２０上の深さ０．５ｍｍ（プロット６ａ（ハッチング◇印で示す。））、２ｍｍ（プロット６ｂ（白抜き△印で示す。））、４ｍｍ（プロット６ｃ（白抜き◇印で示す。））、２５ｍｍ（プロット６ｄ（白抜き□印で示す。））の各測定点における温度の経時変化を示す。
なお、同図では、横軸に冷却時間を示し、縦軸に温度を示してある。さらに同図では、各実測値に加えて、本例の温度シミュレーション方法を用いて推定した各測定点における温度を実線で示してある。なおまた、上記の結果は、ノズル２０と被冷却体１０との距離を、５〜２００ｍｍまで変化させても略同様の結果が得られている。
【００３８】
同図によれば、実線で示す実測値と、本例の温度シミュレーションによる各プロット値６ａ〜６ｄとが良く一致していることがわかる。そして、このことは、レイノルズ数Ｒｅに基づいて、被冷却体１０の外表面の熱伝達係数を求めて温度を推定する本例の温度シミュレーション方法の妥当性を示している。それ故、本例の温度シミュレーション方法を用いて、被冷却体１０の温度分布が精度高く推定できている。
【００３９】
以上のように、発明者らが見出した知見とは、レイノルズ数Ｒｅと熱伝達係数とが密接な相関関係を有しており、かつ、その相関関係は、被冷却体の温度によって変動するおそれが少なく、さらに、水ならびに、水に１０体積％程度まで潤滑剤を希釈した冷却流体の種類やその温度等によって変動するおそれも少ないというものである。
そして、上記の知見を基礎として、冷却流体のレイノルズ数Ｒｅから被冷却体の熱伝達係数を算出するという本例の温度シミュレーション方法は、適用範囲の広い一般性を備えた優れたシミュレーション方法である。したがって、本例の温度シミュレーション方法によれば、冷却流体の種類や、その温度等によらず、被冷却体の冷却温度を精度良く推定することができる。
【００４０】
なお、厳密に言えば、上記冷却流体を吹き付けたときの冷却能力は、潤滑剤の種類や温度等に、若干、依存性を有している。そこで、潤滑剤の種類と温度等に応じて、個別に上記の相関関係を求めておけば、本例の温度シミュレーション方法による温度推定精度を、さらに向上することができる。
【００４１】
次に、本例の温度シミュレーション方法の内容について説明する。本例では、平面状の外表面を呈する鍛造型の冷却温度を推定した例である。
この温度シミュレーション方法は、上記のごとく、ノズル内を流動する冷却流体のレイノルズ数Ｒｅを算出するレイノルズ数算出工程と、レイノルズ数Ｒｅに基づいて、鍛造型の外表面における冷却流体との間の熱伝達係数の分布であるｈｃ分布を求めるｈｃ分布算出工程と、鍛造型の外表面における熱伝達係数の分布に基づいて、鍛造型の内部及び外表面の温度分布を求める温度分布算出工程とを行う。
なお、本例では、冷却開始時の鍛造型の温度を３００℃としてある。そして、この鍛造型に向けて、内径Φ３．４ｍｍのノズルから水よりなる２３℃の冷却流体を、流速５．３ｍ／秒（流量３リットル／分）で供給した。
【００４２】
上記レイノルズ数算出工程は、ノズルから被冷却体に冷却流体を供給する際の、ノズルにおける冷却流体のレイノルズ数Ｒｅを計算するステップである。本例では、ノズル口径Ｄ、温度に応じた動粘性係数ν、冷却流体の流速Ｖ、流量Ｑ、ノズル断面積Ｓを用いた次式によってレイノルズ数Ｒｅを計算した。
【００４３】
なお、本例で用いたレイノルズ数の算出式は、次の通りである。
すなわち、
Ｒｅ＝ＤＶ／ν
なる算出式である。
あるいは  Ｒｅ＝ＤＱ／（Ｓν）なる算出式を用い、
ノズル２０の開口形状が丸形である場合には、Ｓ＝πＤ２／４なので、
Ｒｅ＝４Ｑ／（πＤν）なる算出式を用いることもできる。
但し、上記各算出式におけるνは、温度と冷却流体の種類により決まる値である。
【００４４】
上記ｈｃ分布算出工程は、レイノルズ数Ｒｅに基づいて、被冷却体の外表面における熱伝達係数の分布であるｈｃ分布を求めるステップである。このステップでは、レイノルズ数Ｒｅと、鍛造型におけるノズルの水流中心の熱伝達係数との関係を表す第１のマップ（図１に規定される関係。）及び、水流中心からのずれ量に対する熱伝達係数の変化を表す第２のマップ（図２に規定される関係。）に基づいて、上記ｈｃ分布を調べる。
上記のごとく第１のマップと第２のマップとを組み合わせれば、ノズルから鍛造型に冷却流体を供給して冷却する際の、該鍛造型の外表面における熱伝達係数の分布を、高精度かつ高効率に求めることができる。
【００４５】
そして、次に温度分布算出工程を実施すれば、鍛造型の外表面における熱伝達係数の分布であるｈｃ分布に基づいて、鍛造型の温度分布を求めることができる。すなわち、上記ｈｃ分布が求まれば、一般的な熱伝導解析手法や、熱伝達解析手法等を実施し、鍛造型の温度分布を精度高く推定することができる。
【００４６】
以上のごとく、本例の温度シミュレーション方法によれば、解析的に、極めて効率良く鍛造型の温度分布を推定することができる。
なお、本例に代えて、複数のノズルから同一の水流中心に向けて冷却流体を供給することも良い。この場合には、各ノズルのレイノルズ数を合計した総レイノルズ数を用いて、本例と同様に上記温度シミュレーションを実施すことができる。
【００４７】
（実施例２）
本例は、実施例１の温度シミュレーション方法を基にして、鍛造型を冷却する際の適切な冷却条件を決定した例である。
本例の冷却条件の決定方法は、実施例１と同様、レイノルズ数Ｒｅと熱伝達係数とが密接な相関関係を有している旨の知見に基づくものである。この内容について、図１及び図２を用いて説明する。
【００４８】
本例の冷却条件の決定方法では、鍛造型における特定点を設定すると共に、所定時間後の特定点の温度である目標到達温度を設定する目標設定工程と、目標到達温度を実現するために必要な上記被冷却体の外表面における冷却流体との間の熱伝達係数の分布であるｈｃ分布を決定するｈｃ分布決定工程と、熱伝達係数に基づいて、冷却流体を供給するノズルのレイノルズ数Ｒｅを決定するレイノルズ数決定工程と、上記レイノルズ数に基づいて、上記ノズルのノズル内径、上記ノズル内の上記冷却流体の流速、流量、温度、動粘性係数及び上記冷却流体の種類により規定される冷却条件のうち、少なくともいずれかを決定して上記冷却条件を決定する仕様決定工程とを行う。
【００４９】
本例の冷却条件の決定方法では、まず、上記目標設定工程を実施し、鍛造型における特定点を設定すると共に、所定時間後における特定点の温度である目標到達温度を設定する。
なお、上記特定点としては、鍛造型の外表面上の位置であっても、内部の位置であっても良く、また、１点のみを設定しても、複数点を設定しても良い。
【００５０】
次に、上記ｈｃ分布決定工程では、設定した特定点において目標到達温度を実現するために必要な鍛造型の外表面の熱伝達係数の分布であるｈｃ分布を決定する。つまり、この工程では、設定した目標到達温度を実現し得るｈｃ分布を求める。なお、本例では、一般的な熱伝導解析手法や、熱伝達解析手法等を用いて、上記ｈｃ分布を決定した。
【００５１】
そしてその後、上記レイノルズ数決定工程では、上記のごとく得たｈｃ分布に基づいて、ノズル内を流動する冷却流体のレイノルズ数Ｒｅを決定する。
ここでは、ノズル内を流動する冷却流体のレイノルズ数Ｒｅと、鍛造型の外表面のうちノズルの水流中心の熱伝達係数との関係を表す第１のマップ（実施例１で説明した図１に規定される関係。）及び、上記水流中心からの距離に対する熱伝達係数の変化を示す第２のマップ（実施例１で説明した図２に規定される関係。）を利用して、上記ｈｃ分布からレイノルズ数Ｒｅを求めた。
すなわち、本例では、実施例１と逆の手順により、上記ｈｃ分布からレイノルズ数Ｒｅを求めている。
【００５２】
そして、後工程の仕様決定工程では、実施例１で示したレイノルズ数Ｒｅの計算式を用いてノズルから冷却流体を供給する際の冷却条件を決定する。
なお、本例では、ノズル径、冷却流体の種類、流速、温度に依存した動粘性係数等の固定値を、上記計算式に代入して、流量、温度の変動的な仕様値を冷却条件として決定した。
【００５３】
以上のように本例では、設定した目標到達温度を実現する鍛造型の熱伝達係数の分布を決定し、該熱伝達係数に基づいてレイノルズ数Ｒｅを計算する。そして、このレイノルズ数Ｒｅに基づいて冷却流体を供給する冷却条件を決定した。このように冷却流体の冷却条件を決定すれば、加工現場での現物合わせ等に頼ることなく、解析的に効率良く上記冷却条件を決定することができる。
なお、その他の構成及び作用効果については実施例１と同様である。
【００５４】
（実施例３）
本例は、実施例１及び実施例２について、被冷却体の外表面の形状（曲率）による補正を行った例である。この内容について、図２、図７及び図８を用いて説明する。
本例では、冷却流体を供給する鍛造型の外表面の曲率によって、熱伝達係数を補正している。すなわち、本例は、鍛造型の外表面の曲率が小さくなる（平面から曲面になる）に伴って、熱伝達係数が低下する影響を考慮した温度シミュレーション方法の例である。
【００５５】
本例では、実施例１及び実施例２で用いた第２のマップ（水流中心からの距離に対する熱伝達係数の変化の関係を表すマップ。すなわち、図２に規定される関係。）に代えて、図７及び図８に示すごとく、曲率補正を含めた本例の第２のマップを用いている。
そのため、本例によれば、鍛造型の外表面の曲率によらず、精度の高い温度シミュレーションあるいは、精度の高い冷却条件の決定を行うことができる。
【００５６】
図７に示すごとく、曲率が無限大である平面（プロット７ａ（塗りつぶし□印で示す。））と、曲率Ｒ＝２５ｍｍの凸状の曲面（プロット７ｂ（塗りつぶし◇印で示す。））とを比べると、水流中心を中心とした外表面における冷却流体の流量分布が異なっている。すなわち、曲面よりなる鍛造型の場合には、曲率が小さくなることで、水流の大部分が、比較的速く鍛造型の表面から流出してしまうため、水流中心からの距離に対する流量が少なくなっている。
なお、同図では、横軸に、水流中心からの距離をノズル径を用いて除算した無次元数を示し、縦軸には、水流中心の流量を１としたときの各位置における流量割合を示している。
【００５７】
そして、鍛造型の外表面に沿って流れる冷却流体の流量の違いから、図８に示すごとく、曲面（プロット８ｂ（塗りつぶし◇印で示す。））と平面（プロット８ａ（塗りつぶし□印で示す。））とで熱伝達係数の分布に差異を生じている。すなわち、曲面の場合（プロット８ｂ（塗りつぶし◇印で示す。））では、水流中心からの距離に対して冷却流体の流量が少ないため、熱伝達係数も小さくなっている。
【００５８】
そして、本例では、冷却表面が曲面であるか平面であるかによって熱伝達係数の分布が異なることを考慮し、この違いを補正して温度分布の推定（実施例１）や、熱伝達係数の算出（実施例２）を行っている。
それゆえ、実施例１の温度シミュレーション方法では、その温度推定精度を向上することができる。また、同様に、実施例２の冷却条件の決定方法による冷却条件の決定では、その決定精度を向上することができる。
なお、その他の構成及び作用効果については、実施例１あるいは実施例２と同様である。
【００５９】
（実施例４）
本例は、実施例１を基にして、熱間鍛造を繰り返し行う鍛造型の定常温度を推定した例である。この内容について、図９及び図１０を用いて説明する。
本例では、１Ｈｚ周期で熱間鍛造加工を繰り返し行う鍛造型に対して、ノズルから冷却流体を供給して冷却する。
【００６０】
加工開始後の非定常区間９ａにおける鍛造型の温度は、図９に示すごとく、加工熱による温度上昇と、冷却による温度降下とを小刻みに繰り返しながら次第に上昇していく。そしてその後、加工熱の大きさと、冷却熱の大きさとがほぼつり合うと、鍛造型の平均温度が略一定した定常状態（定常区間９ｂ）に遷移する。
なお、同図では、横軸に、時間を規定し、縦軸には、鍛造型の温度を規定してある。
【００６１】
ここで、実施例１の温度シミュレーション方法を用いれば、非定常区間９ａから上記定常区間９ｂの全範囲に渡って鍛造型の平均温度と、変動温度範囲を精度良く推定することができる。
具体的には、まず、図９及び図１０に示すごとく、定常区間９ｂにおける最低温度、すなわち、加工周期における加工直前の温度を変数Ｔｍｉｎとする。
次に、エネルギー保存則を利用して、プレス直前の鍛造型の温度がＴｍｉｎである場合に、熱間鍛造時の加工熱が入力された後の到達温度Ｔｍａｘを計算する。
【００６２】
その後、温度Ｔｍａｘの鍛造型に向けて冷却流体を供給する際の鍛造型の外表面の熱伝達係数を求め、冷却により奪われる冷却熱の大きさを計算する。
そして、変数Ｔｍｉｎを変更しながら繰り返し、上記の計算を実施し、加工熱の大きさと冷却熱の大きさとを略一致させる温度Ｔｍｉｎと、そのときの鍛造型の到達温度Ｔｍａｘを求める。
【００６３】
このように、実施例１の温度シミュレーション方法を用いれば、熱間鍛造加工を一定周期で実施する際の、鍛造型の温度変化範囲（Ｔｍｉｎ〜Ｔｍａｘ）と、加工繰り返しによる変動を精度良く推定することができる。そして、鍛造型の温度変化を推定できれば、加工に用いる鍛造型の寿命の予測を精度良く行うことができる。
【００６４】
また、鍛造型に要求される型寿命から維持するべき温度範囲が事前に定まれば、実施例２の冷却条件の決定方法を用いて上記温度範囲から冷却流体を供給する際の冷却条件を精度良く決定することもできる。
なお、その他の構成及び作用効果については、実施例１或いは実施例２と同様である。
【００６５】
（実施例５）
本例は、実施例１及び実施例２について、ノズル２０から冷却流体を供給する際の広がり度合いによる補正を追加した例である。この内容について、図１１〜図１３を用いて説明する。ここで、本例では、冷却流体の広がり度合いは、図１１に示すごとく、吹き付け領域の半径Ｒを、ノズル内径Ｄにより除した無次元数Ｒ／Ｄを用いて規定した。
【００６６】
図１２に示すごとく、ノズル２０から吹き付けた冷却流体の広がり度合いを表すＲ／Ｄが大きくなる（吹き付け領域が拡大すると）と、水流中心の熱伝達係数は低下する傾向にある。また、図１３に示すごとく、冷却流体の広がり度合いを表すＲ／Ｄが大きくなると、水流中心からの距離ｒ／Ｄに対する熱伝達係数は、大きな領域まで安定するが、被冷却体への吹き付け面から外側では急激に小さくなる傾向にある。
【００６７】
そこで、本例は、上記Ｒ／Ｄに応じて、上記第１のマップ（レイノルズ数Ｒｅと水流中心の熱伝達係数との関係を示すマップ。すなわち、図１に規定される関係。）及び上記第２のマップ（水流中心からの距離に対する熱伝達係数の変化を示すマップ。すなわち、図２に規定される関係。）を補正した。
そのため、本例によれば、ノズル２０から供給した冷却流体の広がり度合いによらず、精度の高い温度シミュレーションあるいは、精度の高い冷却条件の決定を行うことができる。
【００６８】
なお、冷却流体の広がり度合いをＲ／Ｄにより表現する本例に代えて、上記広がり度合いを広がり角度や、噴霧密度（ノズル出口流量を被冷却体表面に吹き付けられる単位面積当たりの到達量としたもの）等の指標を用いて表現することもできる。
なお、その他の構成及び作用効果については、実施例１或いは実施例２と同様である。
【００６９】
（実施例６）
本例は、実施例１及び実施例２について、鍛造型１０の表面に対してノズル方向を傾斜させた例である。この内容について、図１４及び図１５を用いて説明する。
本例では、図１４に示すごとく、鍛造型１０の表面の法線方向に対するノズル方向のずれ角（両方向のなす角）をノズル傾斜角θと規定する。そして、図１５では、横軸に、水流中心１１からの距離ｒ／Ｄを規定し、縦軸には、熱伝達係数の変化を規定してある。
なお、同図では、水流中心１１におけるθ＝０度での熱伝達係数と、水流中心１１からの距離がｒ／Ｄである位置１２（図１４参照。）の熱伝達係数との比で示してある。
【００７０】
図１５に示すごとく、上記ノズル傾斜角θがゼロから９０度に近づくにつれて熱伝達係数が大きくなり、冷却性能が向上している。これは、冷却流体がその位置へ到達する流量が大きくなるためである。
したがって、上記ノズル傾斜角θに応じた補正を行えば、実施例１の温度シミュレーションあるいは、実施例２の冷却条件の決定精度を向上することができる。
なお、その他の構成及び作用効果については、実施例１と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】実施例１その他における、レイノルズ数Ｒｅと熱伝達係数との関係を示すグラフ。
【図２】実施例１その他における、水流中心からの距離ｒ／Ｄに対する熱伝達係数の変化を示すグラフ。
【図３】実施例１における、冷却開始時の鍛造型の温度を変更して、冷却開始後の鍛造型の温度を推定した結果を示すグラフ。
【図４】実施例１における、レイノルズ数Ｒｅと熱伝達係数との関係を示すグラフ。
【図５】実施例１における、被冷却体を冷却する実証実験を説明する説明図。
【図６】実施例１における、被冷却体を冷却する実証実験での実測値と計算値とを比較するグラフ。
【図７】実施例３における、水流中心からの距離ｒ／Ｄに対する到達流量の変化を示すグラフ。
【図８】実施例３における、水流中心からの距離ｒ／Ｄに対する熱伝達係数の変化を示すグラフ。
【図９】実施例４における、熱間鍛造を行う鍛造型の温度変化を示すグラフ。
【図１０】実施例４における、熱間鍛造を行う鍛造型の１周期中の温度変化を示すグラフ。
【図１１】実施例５における、ノズルから供給する冷却流体の広がり度合いを表すＲ／Ｄを説明する説明図。
【図１２】実施例５における、冷却流体の広がり度合いＲ／Ｄと、水流中心の熱伝達係数との関係を示すグラフ。
【図１３】実施例５における、水流中心からの距離ｒ／Ｄに対する熱伝達係数の変化を示すグラフ。
【図１４】実施例６における、ノズル傾斜角θを説明する説明図。
【図１５】実施例６における、ノズル傾斜角θが熱伝達係数の変化に及ぼす影響を示すグラフ。
【符号の説明】
【００７２】
１０  被冷却体、鍛造型
１０１  円形端面
１０２  軸線
２０  ノズル
【図１】
2005246471.tif 000003
【図２】
2005246471.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005246471.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005246471.tif 000009
【図８】
2005246471.tif 000010
【図９】
2005246471.tif 000011
【図１０】
2005246471.tif 000012
【図１１】
2005246471.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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