(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒状の被冷却物を収納した通気性を有する被冷却物容器を収容する冷却槽と、該冷却槽内に液体冷媒を導入する冷媒導入経路と、該液体冷媒を霧状にして冷却槽内に拡散させるとともに、拡散された冷却槽内の低温雰囲気ガスを撹拌する撹拌ファンと、該撹拌ファンによる撹拌作用を向上させるための整流板とを備え、前記撹拌ファンにより撹拌された低温雰囲気ガスによって前記被冷却物容器に収容された前記粒状の被冷却物を０℃以下に冷却してサブゼロ処理を行うサブゼロ処理装置であって、前記被冷却物容器の上方にノズルフードを介して圧縮ガスを噴出するノズルを装着し、前記ノズルフードのノズル取付部に、前記ノズルから噴出する圧縮ガスの噴出力により、前記冷却槽内の低温雰囲気ガスを前記被冷却物容器内に巻き込むことができる通孔を形成し、該通孔から巻き込まれた低温雰囲気ガスを前記粒状の被冷却物に直接吹付けて、前記撹拌された低温雰囲気ガスとによって該粒状の被冷却物を冷却するとともに、前記ノズルに圧縮ガスを供給する圧縮ガス供給経路の前記冷却槽内の配管部分を蛇管状に形成して、前記冷却槽内の低温雰囲気ガスで冷却された圧縮ガスを前記ノズルから噴出して前記粒状の被冷却物に吹付けることを特徴とするサブゼロ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サブゼロ処理装置に関し、詳しくは、機械部品等の鉄鋼材を０℃以下の低温度に冷却して硬度や靭性等の性能の向上を図るサブゼロ処理装置であって、特に、軸受けベアリング球のような粒状の被冷却物のサブゼロ処理に適した装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
サブゼロ処理を行う方法としては、液化窒素等の低温液化ガスや、エーテル，アルコール，アセトン等とドライアイスとの混合物を冷媒として使用し、これらの液状の冷媒中に、サブゼロ処理を行う被冷却物を直接浸漬する直接浸漬法、あるいは、低温冷媒を被冷却物に直接噴霧して冷却する直接噴霧法、冷却槽内の雰囲気を冷凍機や液化窒素により冷却し、この冷却槽内に被冷却物を入れて冷却する低温雰囲気法等が知られている。
【０００３】
これらのサブゼロ処理方法において、直接浸漬法や直接噴霧法は、急冷により被冷却物に割れや変形を生じる危険性があり、寸法精度や経年変形に対する要求が厳しいもの、例えば軸受けベアリング球のようなものには適用することができなかった。このため、軸受けベアリング球のサブゼロ処理は、ほとんどが低温雰囲気法によって行われている。
【０００４】
図５は、この低温雰囲気法を実施するための冷却装置の一例を示すものである。この冷却装置は、断熱材１で覆われた冷却槽２に、低温液冷媒、例えば液化窒素を導入する冷媒導入経路３と、該経路３から導入した液化窒素を霧状にして槽内に拡散させるとともに、槽内の雰囲気ガスを撹拌する撹拌ファン４及び該撹拌ファン４による撹拌作用を向上させるための整流板５と、槽内の温度を検出する熱電対６及びこれに接続された温度調節計７と、この温度調節計７により弁開度が制御される液冷媒導入弁８とにより形成されており、軸受けベアリング球のような粒状の被冷却物９は、通気性を有する被冷却物容器であるバスケット１０に充填収納されて冷却槽２内にセットされる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の従来の低温雰囲気法で軸受けベアリング球のような粒状の被冷却物９をサブゼロ処理する場合、被冷却物９がバスケット１０内に層状に最密充填配列の状態で収納されるため、隣接する被冷却物９同士の間の空間が小さくなり、バスケット１０の中心部に位置する被冷却物９にまで冷気が十分に行き渡らず、中心部の被冷却物９は、周囲の被冷却物９との点接触での伝熱によって冷却されていた。
【０００６】
したがって、バスケット１０の外周部に収納されたものと、中心部に収納されたものとで冷却速度に大きな差が有り、バスケット１０内の収納位置によってサブゼロ処理効果にばらつきを生じるおそれがあるため、必要以上の冷却時間をとって中心部に充填されているものまで十分に冷却する必要があった。このため、単位時間当たりの処理量が極めて少なくなり、冷媒コストも嵩むという問題があった。
【０００７】
一方、従来の低温雰囲気法の冷却装置に設けられている撹拌ファン４は、冷却槽２内の温度を均一化することを目的として設けられているため、バスケット１０のような容器内に収納された被冷却物９に冷気を吹付けたりする風量や風力はなく、風向きもそのように考慮されていなかった。
【０００８】
また、軸受けベアリング球のような粒状の被冷却物９を撹拌したり、バスケット１０を揺らしたりして冷却することも考えられるが、被冷却物９同士の接触により製品に傷が付くおそれがあるだけでなく、サブゼロ処理装置自体の構造が複雑になるという不都合もある。
【０００９】
そこで本発明は、低温雰囲気法によるサブゼロ処理において、バスケット等の容器内に最密充填配列の状態で収納された軸受けベアリング球のような粒状の被冷却物でも、均一に、しかも効率よく短時間で冷却することができるサブゼロ処理装置を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、粒状の被冷却物を収納した通気性を有する被冷却物容器を収容する冷却槽と、該冷却槽内に液体冷媒を導入する冷媒導入経路と、該液体冷媒を霧状にして冷却槽内に拡散させるとともに、拡散された冷却槽内の低温雰囲気ガスを撹拌する撹拌ファンと、該撹拌ファンによる撹拌作用を向上させるための整流板とを備え、前記撹拌ファンにより撹拌された低温雰囲気ガスによって前記被冷却物容器に収容された前記粒状の被冷却物を０℃以下に冷却してサブゼロ処理を行うサブゼロ処理装置であって、前記被冷却物容器の上方にノズルフードを介して圧縮ガスを噴出するノズルを装着し、前記ノズルフードのノズル取付部に、前記ノズルから噴出する圧縮ガスの噴出力により、前記冷却槽内の低温雰囲気ガスを前記被冷却物容器内に巻き込むことができる通孔を形成し、該通孔から巻き込まれた低温雰囲気ガスを前記粒状の被冷却物に直接吹付けて、前記撹拌された低温雰囲気ガスとによって該粒状の被冷却物を０℃以下に冷却するとともに、前記撹拌された低温雰囲気ガスとによって該粒状の被冷却物を冷却するとともに、前記ノズルに圧縮ガスを供給する圧縮ガス供給経路の前記冷却槽内の配管部分を蛇管状に形成して、前記冷却槽内の低温雰囲気ガスで冷却された圧縮ガスを前記ノズルから噴出して前記粒状の被冷却物に吹付けることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面を参照してさらに詳細に説明する。図１は、サブゼロ処理装置の参考例を示すものである。
【００１３】
このサブゼロ処理装置は、前記同様に断熱材１で覆われた冷却槽２と、該冷却槽２内に低温液冷媒を導入する冷媒導入経路３と、該経路３から導入した低温液冷媒を霧状にして冷却槽２内に拡散させるとともに、冷却槽２内の雰囲気ガスを撹拌する撹拌ファン４及び該撹拌ファン４による撹拌作用を向上させるための整流板５と、冷却槽２内の温度を検出する熱電対６及びこれに接続された温度調節計７と、この温度調節計７により弁開度が制御される液冷媒導入弁８と、バスケット１０に収納された被冷却物９に低温ガスを直接吹付ける手段である冷風ファン１１とを備えている。
【００１４】
上記冷風ファン１１は、バスケット１０の上方に円筒状のファンフード１２を介して設けられるもので、冷却槽２内の雰囲気ガスを、バスケット１０内の被冷却物９に直接吹付けることができるように設置されている。この冷風ファン１１の位置は、被冷却物９に近すぎると被冷却物９の全体に均一に低温ガスを吹付けることが困難になり、また、遠すぎると効率が低下するので、バスケット１０の大きさなどによって最適な位置に設定すべきである。例えば、バスケット１０の直径が３００ｍｍの場合は、被冷却物９の表面から３００〜４００ｍｍ程度が好ましい。さらに、冷風ファン１１の風速も任意であり、処理量等に応じて適宜に設定することができる。
【００１５】
上記サブゼロ処理装置を使用して、例えば軸受けベアリング球のサブゼロ処理を行う際には、まず、被冷却物９である軸受けベアリング球をバスケット１０内に充填収納する。このときの収納形態は、従来と同様の最密充填配列の状態となる。次いで、図示しない蓋部等からバスケット１０を冷却槽２内に入れ、バスケット１０と冷風ファン１１及びファンフード１２とが所定の位置関係になるようにセットする。
【００１６】
そして、モーター４ａ，１１ａを駆動して撹拌ファン４と冷風ファン１１とを作動させるとともに、冷媒導入経路３からの低温液冷媒、例えば液化窒素の導入を開始する。このとき、熱電対６を介して温度調節計７により測定された槽内温度に応じて液冷媒導入弁８が開閉制御され、液化窒素の導入量が調節されて冷却槽２内が所定の温度、例えば−８０〜−１５０℃の均一な低温雰囲気に保持される。
【００１７】
これにより、バスケット１０内の軸受けベアリング球には、冷風ファン１１によって槽内の低温雰囲気ガスが直接吹付けられる状態となり、軸受けベアリング球同士の僅かな隙間を低温ガスが通り抜ける状態となる。したがって、バスケット１０の中心部に充填収納されている軸受けベアリング球も、外周部に充填収納されているものと同様に低温ガスで直接冷却することができるので、全ての軸受けベアリング球を短時間で所定の温度にまで冷却することが可能となる。
【００１８】
このように、バスケット１０内に充填収納した軸受けベアリング球のような被冷却物９に低温ガスを強制的に吹付けることにより、短時間で中心部の被冷却物まで冷却することができるようになり、単位時間当たりのサブゼロ処理の処理量を増大させることができるとともに、被処理物９における温度差を小さくできるので、高品質の製品を得ることができる。また、被冷却物９には、所定温度の雰囲気ガスが吹付けられるため、直接浸漬法や直接噴霧法のような急冷による割れや変形を生じることがない。
【００１９】
特に、ファンフード１２を設けることにより、冷風ファン１１からの低温ガスを、バスケット１０内の被冷却物９に効率よく均一に吹き付けることができるので、サブゼロ処理の効率を更に向上させることができる。
【００２０】
図２は、本発明のサブゼロ処理装置の一形態例を示すもので、バスケット１０の上方に圧縮ガスを噴出するノズル２１を設けたものである。このノズル２１は、ノズルフード２２を介してバスケット１０に装着されており、ノズルフード２２のノズル取付部には、ノズル２１から噴出する圧縮ガスの噴出力により、冷却槽２内の低温雰囲気ガスを巻き込むことができるような通孔２３が形成されている。
【００２１】
本形態例によれば、サブゼロ処理を行う際に、上記ノズル２１から被冷却物９に向けて圧縮ガスを噴出させることにより、圧縮ガスの噴出力で周囲の低温雰囲気ガスを巻込んで被冷却物９に吹付けることができ、前記参考例と同様に、被冷却物９を効率よく均一に冷却することができる。
【００２２】
さらに、上記ノズル２１に圧縮ガスを供給する圧縮ガス供給経路２４における冷却槽２内の配管部分を蛇管状に形成することにより、冷却槽２内の低温雰囲気ガスで圧縮ガスを冷却することができるので、ノズル２１から噴出して被冷却物９に吹付けられる圧縮ガスの温度を低くすることができ、冷却効率を更に向上させることができる。
【００２３】
前記圧縮ガスとしては、冷却槽２内の低温雰囲気で氷結する水分等の不純物を含まないガス、例えば窒素ガスのようなものなら任意のガスを使用することができる。また、圧縮ガスの流量や流速も、処理量等に応じて任意に設定することができる。
【００２４】
なお、本形態例において、前記参考例の装置における構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２５】
【実施例】
図３に示すように、被冷却物９として直径１．６ｍｍのベアリング球を６ｋｇ用意し、直径３００ｍｍのバスケット１０内に層状に充填収納した。このときのベアリング球の積み高さは２０ｍｍとなった。また、ベアリング球充填層の中心部に熱電対Ｓをセットした。一方、サブゼロ処理装置には、前記図１に示す冷却ファンを有するもの（Ａ）、図２に示す圧縮ガス噴出ノズルを有するもの（Ｂ）、図５に示す従来のもの（Ｃ）の３種類を用意した。
【００２６】
そして、熱電対Ｓの指示値が６０℃になるまで加熱した後、−８５℃に保持されている各装置Ａ，Ｂ，Ｃの冷却槽内にセットしてそれぞれ冷却運転を行い、熱電対Ｓの指示値が−８０℃になるまでの温度変化を測定した。なお、装置（Ａ）における冷却ファンは、ベアリング球表面から３８ｃｍの位置に設置し、その風速は毎秒約９ｍとした。また、装置（Ｂ）の圧縮ガス噴出ノズルからは、圧力２ｋｇ／ｃｍ2 Ｇ、温度２０℃の窒素ガスを毎分６００リットルで噴出させた。
【００２７】
その結果を図４に示す。図４から明らかなように、装置（Ａ）では冷却に要する時間が約１２分となり、装置（Ｃ）の４５分に比べて冷却時間を約７３％短縮できることがわかる。また、装置（Ｂ）においても、約２６分で−８５℃に到達していることから、約４２％短縮できたことになる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、軸受けベアリング球のようにバスケット内に最密充填配列の状態で収納される粒状のものでも、短時間で均一に冷却することができるので、効率よくサブゼロ処理を行うことができ、製品の均質化とともに、生産性の大幅な向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  サブゼロ処理装置の参考例を示す概略図である。
【図２】  本発明のサブゼロ処理装置の一形態例を示す概略図である。
【図３】  実施例におけるベアリング球の収納状体を示す説明図である。
【図４】  実施例における経過時間と温度変化の関係を示す図である。
【図５】  従来のサブゼロ処理装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１…断熱材、２…冷却槽、３…冷媒導入経路、４…撹拌ファン、５…整流板、６…熱電対、７…温度調節計、８…液冷媒導入弁、９…被冷却物、１０…バスケット、１１…冷風ファン、１２…ファンフード、２１…ノズル、２２…ノズルフード、２３…通孔、２４…圧縮ガス供給経路
【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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