(57)【要約】  噴出焼入れシステムは、一個以上の噴射焼入れリングが設けられ、当該噴射焼入れリングは、焼入れリングを通過するワークピース上に、制御された冷却剤噴射量を噴出する。焼入れリングへの冷却剤の供給は、焼入れリングの制御により調整されて、ワークピースが焼入れリングを通過するときに、物質冷却要求に応じて、ワークピース上への冷却剤噴射の圧力、焼入れリングからの冷却剤の噴射流出速度、流量又はパターンを選択的に変化させる。
2016527404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピースを焼入れする噴射焼入れシステムであり、該噴射焼入れシステムが、
一個以上の焼入れリングへの冷却剤の供給を備え、前記一個以上の焼入れリングが、
外側リング要素であって、該外側リング要素の内側領域への前記冷却剤の前記供給との接続のための少なくとも一個の外側開口部を有する外側リング要素と、
少なくとも部分的に前記外側リング要素内へ挿入された内側リング要素と、
前記内側リング要素の内側領域とともに、前記外側リング要素の前記内側領域から形成されて、前記少なくとも一個の外側開口部からの前記冷却剤の前記供給を受けるための焼入れリングプレナムと、
前記外側リングと前記内側リングの隣接対向エッジ間に形成されて、前記焼入れリングプレナムからの前記冷却剤を受け取るとともに、前記焼入れリングプレナムから受け取った前記冷却剤を、円錐状ボリュームで噴出して、前記ワークピースの表面領域に接触させる、前記焼入れリングプレナムからの出口通路と
を備える噴射焼入れシステム。
【請求項２】
前記一個以上の焼入れリングのうちの少なくとも一個のための一個以上の締め具を動的に調整して、前記一個の焼入れリングの少なくとも一個の前記出口通路の前記円錐状ボリュームを変化させる締め具制御装置をさらに備える請求項１に記載の噴射焼入れシステム。
【請求項３】
前記冷却剤の前記供給が、冷却剤貯蔵部から前記一個以上の焼入れリングへの前記冷却剤の流量を可変的に制御して、前記焼入れリングプレナム及び前記出口通路を通る前記冷却剤の質量流量並びに、前記出口通路から噴出される前記冷却剤の冷却剤速度を動的に調整する手段を備える請求項１又は２に記載の噴射焼入れシステム。
【請求項４】
前記冷却剤貯蔵部からの前記冷却剤の前記流量を可変的に制御する前記手段が、一個以上の可変容量形ポンプを備え、前記一個以上の可変容量形ポンプのそれぞれが、前記一個以上の焼入れリングの一個以上に、前記冷却剤を供給する請求項３に記載の噴射焼入れシステム。
【請求項５】
前記一個以上の焼入れリングの少なくとも一個のための一個以上の締め具を動的に調整して、前記一個以上の可変容量形ポンプから冷却剤を供給された前記一個以上の焼入れリングの一個以上の前記出口通路の円錐状ボリュームを変化させる締め具制御装置を更に備える請求項４に記載の噴射焼入れシステム。
【請求項６】
前記一個以上の焼入れリングへの前記冷却剤の前記供給が、冷却剤貯蔵部から冷却剤マニホールドへ前記冷却剤を供給する定容量形ポンプを備え、前記冷却剤マニホールドが、複数個の冷却剤マニホールド出口を有し、前記複数個の冷却剤マニホールド出口のそれぞれが、前記一個以上の焼入れリングの一個における少なくとも一個の外側開口部のそれぞれだけに連結される請求項１又は２に記載の噴射焼入れシステム。
【請求項７】
前記一個以上の焼入れリングへの前記冷却剤の前記供給が、冷却剤貯蔵部から、前記一個以上の焼入れリングのそれぞれの前記少なくとも一個の外側開口部へ前記冷却剤を供給する均一流れの高圧ポンプを備える請求項１又は２に記載の噴射焼入れシステム。
【請求項８】
噴射焼入れシステムでワークピースを焼入れする方法であり、前記方法が、
前記ワークピースを、一個以上の焼入リングを備える焼入れリングアセンブリに通過させ、前記一個以上の焼入れリングのそれぞれが、内側リング要素内に少なくとも部分的に挿入された外側リング要素を有し、前記外側リング要素及び前記内側リング要素が、一個以上の締め具により互いに連結されており、前記外側リング要素が、該外側リング要素の内側領域に、少なくとも一個の外側開口部を有し、
前記一個以上の焼入れリングの各一個における前記少なくとも一個の外側開口部に、冷却剤を供給し、前記少なくとも一個の外側開口部が焼入れリングプレナムに連通し、前記焼入れリングプレナムが、前記内側リング要素の内側領域とともに、前記外側リング要素の前記内側領域から形成されて、前記少なくとも一個の外側開口部からの前記冷却剤を受け取るためのものであり、前記焼入れリングプレナムが、該焼入れリングプレナムの出口通路に連通し、前記出口通路が、前記外側リング要素と前記内側リング要素の隣接対向エッジ間に形成されて、前記焼入れリングプレナムからの前記冷却剤を受け取るものであり、
前記一個以上の焼入れリングのそれぞれの出力通路から、前記冷却剤を円錐状ボリュームで噴出して、前記ワークピースの表面に接触させる方法。
【請求項９】
前記一個以上の焼入れリングが、少なくとも二個の焼入れリングを備え、前記少なくとも二個の焼入れリングのそれぞれの前記出口通路から前記冷却剤を噴出させるステップがさらに、前記焼入れリングアセンブリを通過するワークピースの方向とは反対の上流方向で、前記少なくとも二個の焼入れリングの少なくとも一個から前記冷却剤を噴出させること、及び、前記焼入れリングアセンブリを通過するワークピースの方向に対応する下流方向で、前記少なくとも二個の焼入れリングの残部から前記冷却剤を噴出することを備える請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記焼入れリングプレナム及び前記出口通路を通る前記冷却剤の質量流量を動的に調整すること、並びに、変的に制御された流量で、前記一個以上の焼入れリングの各一個の前記少なくとも一個の外側開口部への前記冷却剤供給により、前記出口通路から噴出される前記冷却剤の冷却剤速度を動的に調整することをさらに備える請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記出口通路の前記円錐状ボリュームを変化させるべく、前記内側リング要素と前記外側リング要素を連結する前記一個以上の締め具を動的に制御することをさらに備える請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記一個以上の焼入れリングの各一個における前記少なくとも一個の外側開口部に前記冷却剤を供給することがさらに、一個以上のマニホールド出口を有する冷却剤マニホールドから前記冷却剤を供給することを備え、前記一個以上のマニホールド出口の各一個が、前記一個以上の焼入れリングの各一個における前記少なくとも一個の外側開口部だけに連結され、該方法がさらに、
定容量形ポンプから前記冷却剤マニホールドに前記冷却剤を供給すること、及び、前記出口通路の円錐状ボリュームを変化させるべく、前記内側リング要素と前記外側リング要素を連結する前記一個以上の締め具を動的に制御することを備える方法。
【請求項１３】
前記一個以上の焼入れリングの各一個における前記少なくとも一個の外側開口部に前記冷却剤を供給することがさらに、均一流れの高圧ポンプから前記冷却剤を供給することを備え、該方法がさらに、前記出口通路の前記円錐状ボリュームを変化させるべく、前記内側リング要素と前記外側リング要素を連結する前記一個以上の締め具を動的に制御することを備える請求項８、１０又は１１に記載の方法。
【請求項１４】
第二ワークピースの誘導端部を前記ワークピースの牽引端部に隣接させて、第二ワークピースを前記焼入れリングに連続的に通過させることをさらに備える請求項８、１０又は１１に記載の方法。
【請求項１５】
噴射焼入れシステムでワークピースを焼入れする方法であり、該方法が、
前記ワークピースを、一個以上の焼入れリングを備える焼入れリングアセンブリに通過させ、前記一個以上の焼入れリングのそれぞれが、内側リング要素内に少なくとも部分的に挿入された外側リング要素を有し、前記外側リング要素と前記内側リング要素が、一個以上の締め具により互いに連結されており、前記外側リング要素が、該外側リング要素の内側領域への少なくとも一個の外側開口部を有し、
前記内側リング要素の内側領域とともに、前記外側リング要素の前記内側領域から形成されて、前記少なくとも一個の外側開口部から冷却剤を受け取る焼入れリングプレナムと、前記外側リング要素と前記内側リング要素の隣接対向エッジ間に形成されて、前記焼入れリングプレナムから前記冷却剤を受け取るとともに、前記焼入れリングプレナムから受け取った前記冷却剤を、円錐状ボリュームで噴出させて、前記ワーク―ピースの表面領域に接触させる、前記焼入れリングプレナムからの出口通路と、
少なくとも一個の可変容量形ポンプ、単一の均一流れの高圧ポンプ、又は、定容量形ポンプから冷却剤を供給される冷却剤マニホールドから、前記一個以上の焼入れリング各一個における前記少なくとも一個の外側開口部へ冷却剤を供給し、前記少なくとも一個の外側開口部が焼入れリングプレナムに連通し、前記焼入れリングプレナムが、前記内側リング要素の内側領域とともに、前記外側リング要素の前記内側領域から形成されて、前記少なくとも一個の外側開口部から前記冷却剤を受け取るためのものであり、前記焼入れリングプレナムが、前記焼入れリングプレナムからの出口通路に連通し、前記出口通路が、前記外側リング要素と前記内側リング要素の隣接対向エッジ間に形成されて、前記焼入れリングプレナムから前記冷却剤を受け取るためのものであり、
前記一個以上の焼入れリングのそれぞれの出口通路から、前記冷却剤を円錐状ボリュームで噴出し、前記ワークピースの表面に接触させる方法。
【請求項１６】
前記内側リング要素と前記外側リング要素を連結する前記一個以上の締め具を動的に制御し、前記出口通路の前記円錐状ボリュームを変化させることをさらに備える請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記一個以上の焼入れリングが、少なくとも二個の焼入れリングを備え、該方法がさらに、前記焼入れリングアセンブリを通過する前記ワークピースの物質冷却要求に応じて、前記少なくとも二個の焼入れリングの少なくとも二個の隣接する焼入れリング間にインライン距離を動的に調整するステップを備える請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記一個以上の焼入れリングを通過する前記ワークピースのワークピース中心軸の位置に応じて、前記一個以上の焼入れリングの少なくとも一個の焼入れリングの焼入れリング中心軸の位置を動的に調整するステップをさらに備える請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記一個以上の焼入れリングが、少なくとも二個の焼入れリングを備え、該方法が、前記二個の焼入れリングの少なくとも一個の前記内側リング要素又は前記外側リング要素のいずれかの外部に位置する噴射ガードの位置を動的に調整し、前記噴射ガードに隣接する前記少なくとも二個の焼入れリングの一個における前記出口通路から噴出された前記冷却剤がもたらした前記ワークピースからはね返された噴射を、前記焼入れリングアセンブリを通過する前記ワークピースの物質冷却要求に応じて偏向させるステップをさらに備える請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記一個以上の焼入れリングが、少なくとも二個の焼入れリングを備え、該方法がさらに、噴射焼入れ制御ソフトウェアプログラムを実行し、前記ワークピースが、前記噴射焼入れシステムを通過するとき、前記ワークピースの物質冷却要求により、
（１）前記少なくとも二個の焼入れリングの少なくとも二個の間のインライン距離を調整すること、
（２）前記少なくとも二個の焼入れリングの少なくとも一個の焼入れリング中心軸の位置を調整すること、
（３）前記少なくとも二個の焼入れリングの少なくとも一個に関連する少なくとも一個の噴射ガードの位置を調整すること、
（４）前記少なくとも二個の焼入れリングの少なくとも一個の前記出口通路の前記円錐状ボリュームを調整すること、及び／又は、
（５）前記少なくとも二個の焼入れリングの少なくとも一個における冷却剤の質量流量及び冷却剤速度を調整すること
を選択的に又は組み合わせで、前記少なくとも二個の焼入れリングのそれぞれから噴出される前記冷却剤を調整することをさらに備える方法。
【請求項２１】
前記ワークピースが前記焼入れリングアセンブリを通過するとき、前記ワークピースの温度を検出して、前記ワークピースが前記焼入れリングアセンブリを通過するとき、前記ワークピースの質量冷却要求により、前記少なくとも二個の焼入れリングのそれぞれから噴出される前記冷却剤を調整するステップをさらに備える請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属製品の熱処理プロセスで使用される噴射焼入れシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
焼入れ又は焼入れ及び焼き戻しの冶金プロセスは、金属製品の製造に用いられる出発材料のものとは異なる所望の冶金および機械的特性を達成するため、鋼管のような製造された金属製品を硬化し、又は硬化および焼き戻しすることに広く用いられている。焼入れはたとえば電気誘導加熱により製品を加熱した後に行われる。オープン噴射焼入れシステムは、金属製品の硬化および焼戻しを実現できるタイプの焼入れシステムである。円形、四角形又はその他の形状の製品、たとえば管、棒又はチューブ等を、生産ライン速度でインライン焼入れする場合、これらのプロセスにより達成される製品特性を決定する重要なパラメータは金属冷却速度であり、これは通常、所望の結果を得るために可能な限り速い速度としなければならない。冷却速度は、加熱された製品部分の急冷の間に使用される冷却剤（quenchant）の量と、金属表面における冷却剤の速度によって、ある程度決定される。加熱部分への大量の水の流れをもたらすことに用いられる従来の装置は、焼入れバレル（quench barrel）として知られていることがある。典型的な焼入れバレルは、中圧で焼入れ液を流す多数の孔またはノズルを備えた大径の一体シリンダーである。加熱された金属部分と接触するとき、冷却剤は、所望の硬度を得るために必要な急冷をもたらす。またよく知られているのは、定位置焼入れリング又はスロット焼入れである。この装置は、焼入れされる部分が通過する中空リングである。当該装置は、焼入れ液用のノズルとして機能する複数の等間隔の孔もしくはスロットを含む。スロット焼入れは一般に、高周波焼入れスキャナーのような単一の部分、少量の用途で用いられる。
【０００３】
特許文献１のような噴射焼入れ装置もまた存在し、ここでは、特許文献１の図２に示されているように、噴射口通路が、径方向フランジ（１５）の内面（３４）と、インサート（１７）及び環状鋳物（２７）の内面（３１）及び（３２）との間にそれぞれ形成されている。フランジ（１５）は、ワークピースの移動方向に対応するほぼ軸方向に延びる鋭いエッジ１６で終了する。環状鋳物（２７）もまた、ワークピースの移動方向に対応する軸方向に延びて、エッジ（３３）で終了する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第２，６５７，６９８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
焼き入れシステムは、広範な製品直径を処理する能力が必要である。しかしながら、既存の焼入れバレル及び焼入れリングは、固定の内径を有する。異なる径の製品が、これらの固定の径の装置を通過する場合、製品に影響を及ぼす噴射の形状、噴射流量、噴射圧は、噴射ノズルと製品との間の間隔の違いに起因して変化する。既存の焼入れシステムでは、所定のノズルにおいて噴射が製品からはね返るとき、はね返された噴射は、隣接するノズルの噴射パターンを妨げ、そしてそれらの有効性を低下させ又は損なわせることさえもある。既存の焼入れシステムの上記の欠点により、焼入れされる製品の表面でのスチームの膨張が引き起こされる可能性もある。これは、製品の冷却速度を大きく低下させる熱スチームバリアを生成する。
【０００６】
さらに、既存の焼入れシステムでウォータージェットを作り出すことに用いられる小さな「ピン孔」焼入れノズルは、達成可能な実効噴射量及び圧力を制限する。
【０００７】
また、製品は通常、直線状で回転しながら焼入れ装置を通して移動させることが必要であることから、支持コンベヤーロールは、製品の移動の軸に対して傾斜する。このことは、異なる径の製品を、異なる中心線上で、従来の固定配置の焼入れシステムを通って前進させる。
【０００８】
本発明の目的は、既存の噴射焼入れシステムの上記の限界を克服することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、噴射焼入れシステムにおける焼入れリングが、焼入れリングへの冷却剤の供給と密接に連携して、噴射焼入れシステムにおける焼入れリングの排出口からの圧力、焼入れリング出口速度、流量、及び／又は、噴射焼入れのパターンを変化させることのできる噴射焼入れシステムを提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、この明細書及び添付の特許請求の範囲で説明されるこの発明の側面により示される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一の側面では、本発明は、金属製品又はワークピースを焼入れするための噴射焼入れシステムである。冷却材は、一個以上の焼入れリングへ供給される。各焼入れリングは、外側および内側リング要素を有する。外側リング要素は、外側リング要素の内側領域への冷却材の供給に接続するための少なくとも一個の外側開口部を有する。内側リング要素は、少なくとも部分的に外側リング要素内に挿入されており、上記の少なくとも一個の外側開口部からの冷却材の供給を受けるための焼入れリングプレナムが、内側リング要素の内側領域とともに、外側リング要素の内側領域から形成されている。焼入れリングプレナムからの出口通路は、焼入れリングプレナムから冷却剤を受け取るとともに、焼入れリングプレナムからの冷却剤を、ワークピースの表面領域と接触させるべく円錐状ボリューム（conical volume）で噴出させるため、外側リング要素及び内側リング要素の隣接対向エッジの間に形成されている。一個以上の締め具が内側リング要素と外側リング要素を連結する。各焼入れリングへの冷却剤の供給は、高圧ポンプを含む固定又は可変の流量源からのものとすることができる。締め具制御装置は、この発明のいくつかの例で設けられ、焼入れプロセスの間に一個以上の焼入れリングの出口通路の容積を変化させるよう締め具を調整する。
【００１２】
他の側面では、本発明は、金属製品又はワークピースを噴射焼入れシステムで焼入れする方法である。ワークピースは、一個以上の焼入れリングを備える焼入れリングアセンブリを通過する。各焼入れリングは、内側リング要素内に少なくとも部分的に挿入された外側リング要素を有し、それらの外側リング要素と内側リング要素は、一個以上の締め具により互いに連結される。外側リング要素は、外側リング要素の内側領域への少なくとも一個以上の外部開口部を有する。焼入れリングプレナムは、少なくとも一個の外側開口部から冷却剤を受けるため、内側リング要素の内側領域とともに、外側リング要素の内側領域から形成されており、焼入れリングプレナムからの出口通路は、焼入れリングプレナムから冷却剤を受けるとともに、焼入れリングプレナムからの冷却剤を円錐状ボリュームで噴射して、ワークピースの表面領域と接触させるため、外側リング要素と内側リング要素の隣接対向エッジの間に形成される。
【００１３】
他の側面では、本発明は、コンピュータ・プロセッサにより噴射焼入れ制御ソフトウェアプログラムを実行する方法であって、ワークピースが噴射焼入れシステムを通過するとき、（１）少なくとも二個の焼入れリングの焼入れの少なくとも二個の間のインライン距離を調整すること、（２）少なくとも二個の焼入れリングの少なくとも一個の焼入れリング中心軸を調整すること、（３）少なくとも二個の焼入れリングの少なくとも一個に関連する少なくとも一個の噴射ガードの位置を調整すること、（４）少なくとも二個の焼入れリングの少なくとも一個の出口通路の容積及び口形を調整すること、並びに／又は、（５）少なくとも二個の焼入れリングの少なくとも一個の冷却剤の量および流量を調整することを選択的に又は組み合わせて、ワークピースの物質冷却要求（mass cooling requirement）に合わせて、少なくとも二個の焼入れリングのそれぞれから噴出される冷却剤を調整する。ワークピースが噴射焼入れシステムを通過するときに、ワークピースの物質冷却要求に合わせて、少なくとも二個のそれぞれから噴出される冷却剤をさらに調整するため、ワークピースが噴射焼入れシステムを通過するときに、ワークピースの温度を測定することができる。
【００１４】
本発明の上記の又は他の側面は、この明細書中で、また添付の特許請求の範囲でさらに説明する。
【００１５】
前述の概要及び、後述の発明の詳細な説明は、添付図面と併せて読んだ場合によりよく理解される。本発明を説明する目的で、図面に、現在好ましいとされる本発明の例示的な形態を示すが、本発明は、後述の添付図面に開示された特定の構成及び手段に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の噴射焼入れシステムで用いられる一個の焼入れリングの例の斜視図である。
【図２】本発明の噴射焼入れシステムで用いられる複数個の焼入れリングの例の斜視図である。
【図３】本発明の噴射焼入れシステムの二個の焼入れリングの一例の断面図である。
【図４】本発明の噴射焼入れシステムの三個の焼入れリングの一例の断面図である。
【図５】本発明の噴射焼入れシステムの焼入れリングを通過するワークピースの中心軸のずれ、及び、ワークピースの中心軸のずれに対する焼入れリングの位置調整を示す。
【図６】延在する噴射ガードを有する本発明の噴射焼入れシステムの二個の焼入れリングの一個の例の断面図である。
【図７】本発明の噴射焼入れシステムにおける複数個の焼入れリングの一例の斜視図であり、ここでは、複数個の焼入れリングが支持構造に取り付けられている。
【図８（ａ）】本発明の噴射焼入れシステムで使用できる焼入れリングの他の例の断面図である。
【図８（ｂ）】図８（ａ）におけるＡ−Ａ線を通る図８（ａ）の焼入れリングの断面図である。
【図９（ａ）】本発明の噴射焼入れシステムで使用できる焼入れリングの出口通路の一例の詳細な拡大断面図である。
【図９（ｂ）】本発明の噴射焼入れシステムで使用できる焼入れリング用の締め具、内側リング要素及び外側リング要素の分解断面図である。
【図９（ｃ）】図９（ａ）に示す出口通路およびプレナム容積を断面で示す。
【図１０（ａ）】本発明の噴射焼入れシステムで使用できる焼入れリングの出口通路の容積を変化させるための締め具制御装置を用いる一の構成を示す。
【図１０（ｂ）】本発明の噴射焼入れシステムで使用できる焼入れリングの出口通路の容積を変化させるための締め具制御装置を用いる一の構成を示す。
【図１０（ｃ）】容積変化を断面で示す、対応する詳細図である。
【図１０（ｄ）】容積変化を断面で示す、対応する詳細図である。
【図１１（ａ）】本発明の噴射焼入れシステムで使用できる焼入れリングの出口通路の容積を変化させるための締め具制御装置を用いる他の構成を示す。
【図１１（ｂ）】本発明の噴射焼入れシステムで使用できる焼入れリングの出口通路の容積を変化させるための締め具制御装置を用いる他の構成を示す。
【図１２（ａ）】本発明の噴射焼入れシステムで使用できる焼入れリングへ冷却剤を供給する一の構成を示す。
【図１２（ｂ）】本発明の噴射焼入れシステムで使用できる焼入れリングへ冷却剤を供給する他の構成を示す。
【図１２（ｃ）】本発明の噴射焼入れシステムで使用できる焼入れリングへ冷却剤を供給する他の構成を示す。
【図１３】システムにおける他の焼入れリングの裏側で出口通路に配向された少なくとも一個の焼入れリングを有する本発明の噴射焼入れシステム用の複数個の焼入れリングの一例の断面図である。
【図１４】本発明の噴射焼入れシステムを通る二個の分離したワークピースの反対端部の連続的な供給を断面で示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の全ての例において、熱処理されるワークピース９０（金属製品）は、本発明の噴射焼入れシステムで、Ｚ軸および図示の矢印の方向に沿って、一個以上の焼入れリングを通って直線状に移動する。本発明のいくつかの例では、ワークピースはまた、一個以上の焼入れリングを通って移動するときに、Ｚ軸の周りに回転させることができる。ワークピースを焼入れリングに通して前進させるため、図示しない適切な機械的手段、たとえば支持ローラーを用いることができる。ワークピース９０は円筒状のパイプないし管として描いているが、本発明は、限定されるものではないが、四角形状のチューブ等の異なる形状のワークピースに用いることができる。また、ワークピースは、ギヤのような一連の分離したワークピースを備えることがあり、分離したワークピースを一個以上の焼入れリングに通して移動させるための搬送手段上に適切に取り付けられる。焼入れに先立ってワークピースを加熱するための加熱装置は、図示していないが、限定的ではなく例として、交流が一個以上のコイルに流れるときに、ワークピースを誘導加熱するべくワークピースを取り囲む一個以上のソレノイド電気誘導コイルとすることができる。また、いくつかの構成では、加熱装置は、二個以上の焼入れリングの間に設けることができる。
【００１８】
図１を参照すると、本発明の噴射焼入れシステムで使用された焼入れリング１２の一例が示されている。この例では、相互に連結される第一リング要素１４及び第二リング要素１６を備える。この非限定的な例では、第二リング要素１６は、図３、図４又は図５に良く示されているように、第一リング要素１４内に調整可能に挿入されて、焼入れリングプレナム１８及び出口通路２０を形成する。第一及び／又は第二リング要素を、規定された中心軸、Ｚｒ（図１）に沿って移動させることは、焼入れリングの出口通路２０の寸法を増大又は減少させて、出口通路からの噴射のパターン、流量、速度及び／又は圧力を変化させる。本発明のいくつかの例では、出口通路調整機能は、ゼロ流量のために閉鎖された出口通路を含むことができる。本発明のこの非限定的な例では、一個以上の締め具２８は、第一及び第二リング要素の間の間隔を制御するべく使用され、それにより、当該間隔が変化するとき、出口開口部の容積及び形状が対応して変化する。一個以上の入口通路２２により、適切な源から焼入れプレナムに冷却剤が供給される。たとえば、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示すように、冷却剤の供給は、必要に応じて補給冷却剤を有する適切な使用済み冷却剤回収システムにより、以前の焼入れプロセスから貯蔵された冷却剤を含む冷却剤貯蔵部８２とすることができる。冷却剤は、詳細は後述するような適切な冷却剤供給システムにより、焼入れリングの入口通路（外側開口部ともいう）へ供給される。本発明のこの非限定的な例では、出口通路２０が、一般には円錐形状の環状開口部であり、図３、図４又は図５における典型的な流量９２（斜線部分として部分的に示す）で示すような円錐状ボリュームで、ワークピース９０の周囲を３６０°にわたって冷却剤を噴出する。当該例は、３６０円錐状流れパターンを用いているが、この発明の他の例は、第一及び第二リング要素の特定の構成により決定されるような異なる流れパターンを用いることができる。たとえば、一の代替手段は、ワークピースの周囲で、環状にセグメント化された円錐状流れ部分とすることができ、ここでは、セグメント化された部分が、バリアにより分離されて、ワークピースの周囲で選択される一以上の領域にて、冷却材流れを生成する。たとえば、図８（ａ）及び図８（ｂ）に焼入れリング１５用に示すように、上述したような３６０°冷却剤流れではなく、冷却剤流れ９２ａは、図８（ｂ）に断面で示すように、分離バリア２０ａによりワークピース９０の周囲で０〜９０°及び１８０°〜２７０°として規定される環状出口通路領域２０’に制限され得る。本発明のいくつかの例では、焼入れリングの出口の容積及び形状は固定されることがある。
【００１９】
図２に、本発明の噴射焼入れシステムの他の例を示す。この例では、ワークピース９０が、複数個の焼入れリング１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄを通って移動するときに、焼入れリングはそれを取り囲む。各焼入れリングは、図１に示す焼入れリングと同様に構成されている。隣接する焼入れリング間の距離ｄsは、インライン距離と称することができ、適切な取付け構造により独立して調整されて、特定の用途の焼入れ条件を満たすことができる。また、各焼入れリング（図１）の中心軸Ｚrの位置は、適切な取付け構造により独立して調整されて、特定の用途の焼入れ条件を満たすことができる。先述したように、いくつかの用途では、ワークピースは、一個以上の焼入れリングを通って移動する間に、Ｚ軸の周りに回転する。この構成では、トルク力が、ワークピースの中心軸の位置をもたらすことがあり、それにより、焼入れリングを通って通過するときにずれを生じさせる。焼入れリングを移動させることにより、その中心軸が、それを通って移動するワークピースの位置の当該ずれを追跡し、このことは有効であることがある。たとえば、図５に、焼入れリングの領域を通って移動するときの、焼入れリングの中心軸Ｚrとの一致（Ｚwp）からのワークピース９０の中心軸のずれを示し、ここでは、トルク力により、Ｚ’wpへのワークピースの中心軸のずれが引き起こされる。本発明では、焼入れリング１２ｂは下方へと再配置することができ、それにより、その中心軸がＺ’wpに向けて移動して、ワークピースの中心軸のずれを追跡する。
【００２０】
図７に、適切な取付け支持構造３０の非限定的な一例を示す。支持構造３０は、支持アーム３２ａ〜３２ｄおよび、焼入れリング位置制御要素３４を備える。支持アーム３２ａ〜３２ｄは、焼入れリング１２ａ〜１２ｄをそれぞれ焼入れリング位置制御要素３４に連結する。各支持アームの位置は、制御要素３４により、Ｚ軸に沿って調整することができ、それにより、二個以上の隣接する焼入れリング間のインライン距離ｄsを変化させる。本発明のいくつかの例では、たとえば図５における焼入れリング１２ｂの再配置によって示すように、制御要素３４によって一個以上の焼入れリングに関連する支持アームを、Ｘ−Ｙ平面上で移動させることで、一個以上の焼入れリングの中心軸の位置を、Ｘ−Ｙ平面上で変化させることができる。制御要素３４及び支持アームは、コンピュータ・プロセッサ・コントローラ（プロセッサ）の出力に応答する適切なアクチュエータにより駆動することができ、それにより、一個以上の焼入れリングの位置の所望の変化を迅速に実行する。一個以上の焼入れリングの位置の変化は、ワークピースが焼入れされる間に、又は焼入れプロセスの開始に先立って、動的に達成することができる。
【００２１】
図３に、本発明の噴射焼入れシステムの他の例を示す。焼入れリング１２ｅ及び１２ｆは、図１に示す焼入れリングと同様に構成されており、焼入れリングの上流側に取り付けられてはね返された噴射ボリューム９４（図に斜線で部分的に示す）を偏向させるとともに消散させる噴射ガード２４も含む。噴射ガードの非限定的な例は、環状ディスクの形状をなす。噴射ボリューム９４は、ボリューム９２における入射噴射からのワークピースのはね返された噴射用のエンベロープを意味する。冷却剤が下流の焼入れリングから放出される前に、はね返された噴射ボリュームを偏向及び消散させることは、下流の焼入れリングから放出された冷却剤と、はね返された噴射との干渉を防止する。たとえば、図４では、焼入れリング１２ｅから放出されてはね返された冷却剤は、下流の焼入れリング１２ｆに関連する噴射ガード２４により偏向され、また、焼入れリング１２ｆからはね返された冷却剤は、下流の焼入れリング１２ｇに関連する噴射ガード２４により偏向される。噴射ガード２４は、それに関連する焼入れリングの側部に恒久的に取り付けるか、又は、図６に示すように、それに関連する焼入れリングに調整可能に取り付けられるものとすることができ、ここでは、一個以上のオフセット締め具２６が、噴射ガード２４を、関連する焼入れリング１２ｊからオフセットさせることに用いられる。この構成は、焼入れリングの側部に噴射ガードを直接取り付けることに適するというよりもむしろ、下流の焼入れリングがさらに下流に位置する用途において利点がある。各噴射ガードの当該形状及び配置は、焼入れリングの特定の構成及び、熱処理されるワークピースに応じて変化させることができる。
【００２２】
図１３に示すような本発明の噴射焼入れシステムの他の例では、この例における複数個の焼入れリング１２ａ、１２ｂ’及び１２ｃは、少なくとも一個の焼入れリング１２ｂ’を含むことができ、ここでは、出口通路２０が上流方向（矢印で示すようなワークピースの方向とは反対）で焼入れ流れボリューム９３に向き、それにより、焼入れリングのラインにて、領域（図１３では領域「Ａ」）での集中冷却をもたらす。上流側に向く焼入れリング１２ｂ’の出口通路２０並びに、下流側に向く焼入れリング１２ａ及び１２ｃの出口通路２０は個々に、手動で、又は、さらに後述する噴射焼入れ制御ソフトウェアプログラムの実行等の予め設定したプログラムで、閉鎖した（ゼロ流量の）位置から十分に開放した（最大流量の）位置への間の範囲内で移行することができ、それにより、焼入れプロセスを実行する。上述したような一個以上の噴射ガードは、図１３における領域「Ａ」内で使用され、上述したような噴射の干渉を回避することができる。
【００２３】
本発明の上記の例では、本発明の噴射焼入れシステムで使用される焼入れリングの出口通路２０は、出口流量を達成するため、焼入れリングからのリング要素の突出なしに、図９（ａ）にさらなる詳細を示すように、第一（外側）リング要素１４の対向エッジ１４ａと、第二（内側）リング要素１６の隣接対向エッジ１６ａとの間に形成される。
【００２４】
本発明の上記の例では、本発明の噴射焼入れシステムで使用される焼入れリングにおける焼入れリングプレナムボリュームの形状は、第一（外側）リング要素１４及び／又は第二（内側）リング要素１６の位相内面により決定される。本発明の上記の例では、図９（ｂ）にさらなる詳細を示すように、内側及び外側リング要素の位相内面（それぞれ内面１６ｂ及び１４ｂ）は、図９（ｃ）に示すような環状プレナム１８を形成し、これは通常、プレナム内の冷却剤の乱流を最小化させる略円形の角部を有する容積で円筒形状であり、軸Ｚrと一致する中心軸を有することができる。したがって、この例では、外側リング要素内に部分的に挿入される内側リング要素の部分は概して、チューブ形状である。本発明の他の例では、内側及び外側リング要素の形状は、正方形、楕円形、長方形又は、目標とする冷却パターンを要求する複雑な形状を含む製品のための特定の（非円形の）ワークピース形状に適合するべく形成され得る。プレナム形状は、必要に応じて、内側及び外側リング形状を変化させることにより操作することができる。
【００２５】
上述したように、一個以上の締め具２８は、本発明の噴射焼入れシステムで使用される焼入れリングの第一（内側）及び第二（外側）リング要素の間の間隔を制御することに用いることができ、それにより、当該間隔が変化するにつれて、出口開口部の形状及び容積をそれに応じて変化させる。締め具制御装置の本発明の一例では、締め具は、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に図式的に示すような適切なリニアアクチュエータ８０に連結することができ、それにより、リニアアクチュエータが、締め具及び、取り付けられた内側リング１６を、焼入れリングの中心軸Ｚrの方向に直線状に移動させ、出口通路を通る冷却剤流量を増加（図１０（ａ）から図１０（ｂ）へ移行）又は減少（図１０（ｂ）から図１０（ａ）へ移行）させる。図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）にそれぞれ、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示す配置のための冷却剤の構成及び出口通路の変化を断面で示す。本発明の他の例では、内側及び外側リング要素の間の間隔は、締め具２８が調整されるときに手動で、たとえば、内側リング要素１４と外側リング要素１６との間の隙間ゲージ又はスペーサを用いることにより設定することができる。複数個の焼入れリングを有する本発明の噴射焼入れシステムでは、内側及び外側リング要素の間の間隔は、各焼入れリング用に個々に調整することができる。中心軸Ｚrの方向における内側及び外側リング要素の間の直線移動は、焼入れリング要素間の回転調整に比して、出口通路の正確な変化をもたらす。
【００２６】
あるいは、締め具制御装置の本発明の他の例では、一個以上の締め具は、たとえば、図１１（ａ）に示すようなスプリング８４により、張力下に維持されることができ、それにより、入口２２に供給される冷却剤の圧力が、プレナムの容積を拡大させるとともに、スプリング８４を圧縮して、図１１（ｂ）に示すように、出口通路２０を通る冷却剤流量を増加させる。本発明の他の例では、締め具は、プレナム及び出口通路の容積を変化させる働きをする。
【００２７】
本発明のいくつかの例では、図１２（ａ）に示すように、可変容量形ポンプ７８又は、可変流量制御バルブのような、一個以上の焼入れリングの入口への冷却剤の可変流量を制御する手段は、（１）固定の出口通路容積を保持する一個以上の締め具、又は、（２）入口への冷却剤の可変流量を制御する手段と組み合わせて出口通路を変化させる一個以上の締め具とともに、本発明の噴射焼入れシステムで用いることができる。
【００２８】
本発明のいくつかの例では、冷却剤一定変位ポンプ９８は、図１２（ｂ）に示すように、本発明の噴射焼入れシステムで、複数の焼入れリングに冷却剤を運ぶため、マニホールド８８とともに用いることができる。
【００２９】
本発明の他の例では、図１２（ｃ）に示すように、適切な単一の高圧ポンプ８６、たとえば、タービンポンプ又は、均一流量かつ高圧で冷却剤を供給する他の手段は、本発明の噴射焼入れシステムで、複数の焼入れリングに直接的に冷却剤を供給するために用いることができる。
【００３０】
本発明の他の例では、本発明の上記の例の一以上を組み合わせて、本発明の噴射焼入れシステムでの個々の焼入れリングからの冷却剤流れは、各焼入れリングからの冷却流れの配分を最適化するべく調整することができ、それにより、噴射焼入れシステム全体の焼入れ速度を、ワークピースの物質冷却要求に一致させる。たとえば、本発明の噴射焼入れ制御システムは、噴射焼入れ制御ソフトウェアプログラムを実行するため、適切な入出力噴射焼入れシステム制御装置とともに、コンピュータ・プロセッサを利用することができ、該ソフトウェアプログラムは、（１）先にさらに述べたように、二個以上の焼入れリング間のインライン距離を調整すること、（２）先にさらに述べたように、一個以上の焼入れリングの焼入れリング中心軸を調整すること、（３）先にさらに述べたように、一個以上の噴射ガードの位置を調整すること、（４）先にさらに述べたように、噴射焼入れシステムにおける一個以上の焼入れリングの出口通路の形状及び容積を調整すること（一個以上の焼入れリングのための出口通路を完全に閉鎖することを含む）、並びに／あるいは、（５）可変容量形ポンプ又は、一個以上の焼入れリングに冷却剤の可変流量を供給するための他の手段により、一個以上の焼入れリング用の冷却剤流量及び冷却剤ボリュームを調整することのうち、少なくとも一の噴射焼入れシステム調整の組み合わせの一以上を達成するべく用いられ得る。これらの焼入れシステム調整は、たとえば、焼入れ試料処理のトライアル・アンド・エラーにより決定され得る、焼入れリングを通過するワークピースの物質冷却要求に基き、コンピュータ・プロセッサによって実行されるコンピュータ・プログラムにより動的に達成することができる。本発明のいくつかの例では、たとえば赤外線検出及び撮像による本発明の噴射焼入れシステムを通過するワークピースの熱画像は、噴射焼入れ制御システムにフィードバックデータを与えることに用いることがき、それにより、上述した五つの噴射焼入れシステム調整の一つ以上を適応的に実行するため、図７に示す赤外線センサーＡ〜Ｄによって、リアルタイムの冷却結果を表示する。
【００３１】
本発明の他の例では、特定の内径の一個以上の焼入れリングは、本発明の焼入れシステムのためのモジュール内に組み立てられることができる。当該モジュールは、上述した支持構造を組み込むことができる。異なる内径の焼入れリングを有する異なるモジュール、及び／又は、他の異なる焼入れシステム構成は、熱処理ライン上で置き換えられて、異なる径のワークピース、及び／又は、異なる物質冷却要求を有するワークピースに適合させることができる。各モジュールには、冷却剤のための迅速な接続並びに、任意の電気的及び／機械的インターフェースを設けることができる。
【００３２】
本発明の例で示す第一及び第二焼入れリング要素の特定の形状は、当該要素が冷却剤プレナムチャンバー及び調整可能な出口開口部もしくは開口部を形成するのであれば、本発明の範囲から逸脱することなく変更することができる。また、二個以上のリング要素（第一及び第二焼入れリング要素）は、本発明の範囲から逸脱することなしに、説明した発明のいくつかの機能を実行することができる。本発明のいくつかの例では、一個以上の焼入れリングは、選択的なヒンジとともに、分割リングアセンブリとして形成されることができ、それにより、一個以上の焼入れリングが、ワークピースの周囲で置き換えられ得る。
【００３３】
本発明の噴射焼入れシステムは、たとえば図１４に示すように、焼入れリングから設置された流量９２が、ワークピースの先端の望ましくない一端焼入れ効果（end-quench effects）及び、隣接するワークピース９０及び９１の端部内側領域への冷却剤の流入を回避し又は最小化する点で、様々な従来技術のシステムに対する特定の改良がある。噴射焼入れシステムを通過する連続的なワークピースの間の端部間距離は一般に、他のプロセス要求に基くものであり、対向するワークピース９０の牽引端部９０ａ及びワークピース９１の誘導端部９１ａは、一端焼入れ効果及び、ワークピースの内部への冷却剤のゼロの流入なしで、ゼロ以下の端部間距離（これは、互いに接触する管牽引端部９０ａ及び誘導端部９１ａである）を含むことができる。
【００３４】
一定の個数の焼入れリングを、本発明の様々な例で示したが、焼入れリングの個数は、本発明の範囲から逸脱することなく変更することができる。また、一個以上の焼入れリングは、特定の用途において、ワークピース用の機械的支持もしくは移送コンポーネントや、誘導加熱装置等の加熱コンポーネントのような他のコンポーネントとの間に空間を設けることができる。二個の焼入れリングを有する構成では、各焼入れリングの出口容積は個々に、特定の用途に必要とされるような固有の噴射量を形成するべく調整することができる。
【００３５】
本発明の上述した例は、単に説明の目的で提供したものであり、決して本発明を限定するものとして解釈されるものではない。様々な実施形態を参照して本発明を説明したが、ここで使用した単語は、限定の単語ではなく説明及び例示の単語である。ここでは、特定の手段、材料及び実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は、ここで開示した事項に限定されることを意図するものではない。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲内にあるような全ての機能的に均等な構造、方法及び使用にまで及ぶものである。この明細書及び添付の特許請求の範囲の教示を利用できる当業者は、それに多くの変更をもたらすことができ、そして、変更は、本発明の側面でその範囲から逸脱することなしになされ得る。
【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（ａ）】
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【図８（ｂ）】
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【図９（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図９（ｃ）】
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【図１０（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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【図１０（ｃ）】
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【図１０（ｄ）】
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【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１２（ａ）】
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【図１２（ｂ）】
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【図１２（ｃ）】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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