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技術 冷却用噴射ノズルの設計方法

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 大原秀之
出願日 2015年11月19日 (5年3ヶ月経過) 出願番号 2015-226680
公開日 2017年6月1日 (3年8ヶ月経過) 公開番号 2017-094243
状態 特許登録済
技術分野 ノズル及び噴霧装置
主要キーワード 流通回路 噴霧域 正規分布データ 付着温度 吹付け量 円環形 実測温度 分解結果
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年6月1日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

課題

冷却対象物均一温度分布に冷却することが可能な冷却用噴射ノズル設計方法を提供する。

解決手段

鋼材(冷却対象物)の温度分布実測値)から目標温度を差引いて目標吹付け量分布を作成するステップと、目標吹付け量分布を正規分布に分解するステップと、分解結果の個々の正規分布を、噴孔形状に変換してノズル転写するステップと、を含む。このようにして設計されたノズルは、吹付け量分布を、目標吹付け量分布に近似させることが可能である。これにより、冷却対象物を均一な温度分布に冷却することができる。

概要

背景

例えば、特許文献1には、鋼材冷却、洗浄等の用途に使用される噴射ノズルが開示されている。この特許文献1には、当該噴射ノズルを使用することにより、噴霧域全体において均一な噴霧を実現できることが記載されている。ところで、特許文献1記載の噴射ノズルを使用して、局部的に昇温した部分(便宜上「高温部」と称する)が複数存在する冷却対象物を冷却する、すなわち、温度斑が存在する冷却対象物を、冷却液吹付けて均一な温度分布となるように冷却する場合、一般には、吹付け幅が狭い噴射ノズルを複数配置して、冷却対象物の高温部を重点的に冷却する。

このように、冷却対象物の個々の高温部を、対応する噴射ノズルにて冷却する場合、設置スペース等の制約により、噴射ノズルを能率的に配置できないことがある。また、複数個の噴射ノズルを設置する場合、冷却液の流通回路が複雑化し、設備コストが増大するとともに、メンテナンス作業が煩雑化する。さらに、点在する高温部の温度に合わせて、噴射ノズルの吹付け量を個々に調整するため、実質上、冷却対象物の高温部以外の部分の温度制御がなされておらず、冷却対象物を均一温度分布に冷却することが困難である。

概要

冷却対象物を均一温度分布に冷却することが可能な冷却用噴射ノズルの設計方法を提供する。鋼材(冷却対象物)の温度分布(実測値)から目標温度を差引いて目標吹付け量分布を作成するステップと、目標吹付け量分布を正規分布に分解するステップと、分解結果の個々の正規分布を、噴孔形状に変換してノズル転写するステップと、を含む。このようにして設計されたノズルは、吹付け量分布を、目標吹付け量分布に近似させることが可能である。これにより、冷却対象物を均一な温度分布に冷却することができる。

目的

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、冷却対象物を均一温度分布に冷却することが可能な冷却用噴射ノズルの設計方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

冷却対象物冷却液吹付けて冷却するための冷却用噴射ノズル設計方法であって、前記冷却対象物の温度分布を測定するステップと、前記冷却対象物の実測温度と冷却後の目標温度との差を算出し、算出結果に基づき、冷却液の目標吹付け量分布を決定するステップと、前記目標吹付け量分布を正規分布に分解するステップと、前記目標吹付け量分布の個々の前記正規分布を、噴孔形状に変換して前記冷却用噴射ノズルに転写するステップと、を含むことを特徴とする。

技術分野

0001

本発明は、冷却用噴射ノズル設計方法に関し、特に、温度斑が存在する冷却対象物を冷却するための噴射ノズルの設計方法に関する。

背景技術

0002

例えば、特許文献1には、鋼材冷却、洗浄等の用途に使用される噴射ノズルが開示されている。この特許文献1には、当該噴射ノズルを使用することにより、噴霧域全体において均一な噴霧を実現できることが記載されている。ところで、特許文献1記載の噴射ノズルを使用して、局部的に昇温した部分(便宜上「高温部」と称する)が複数存在する冷却対象物を冷却する、すなわち、温度斑が存在する冷却対象物を、冷却液吹付けて均一な温度分布となるように冷却する場合、一般には、吹付け幅が狭い噴射ノズルを複数配置して、冷却対象物の高温部を重点的に冷却する。

0003

このように、冷却対象物の個々の高温部を、対応する噴射ノズルにて冷却する場合、設置スペース等の制約により、噴射ノズルを能率的に配置できないことがある。また、複数個の噴射ノズルを設置する場合、冷却液の流通回路が複雑化し、設備コストが増大するとともに、メンテナンス作業が煩雑化する。さらに、点在する高温部の温度に合わせて、噴射ノズルの吹付け量を個々に調整するため、実質上、冷却対象物の高温部以外の部分の温度制御がなされておらず、冷却対象物を均一温度分布に冷却することが困難である。

先行技術

0004

特開2010−221121号公報

発明が解決しようとする課題

0005

そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、冷却対象物を均一温度分布に冷却することが可能な冷却用噴射ノズルの設計方法を提供することを課題としてなされたものである。

課題を解決するための手段

0006

上記課題を解決するために、本発明の冷却用噴射ノズルの設計方法は、冷却対象物に冷却液を吹付けて冷却するための冷却用噴射ノズルの設計方法であって、前記冷却対象物の温度分布を測定するステップと、前記冷却対象物の実測温度と冷却後の目標温度との差を算出し、算出結果に基づき、冷却液の目標吹付け量分布を決定するステップと、前記目標吹付け量分布を正規分布に分解するステップと、前記目標吹付け量分布の個々の前記正規分布を、噴孔形状に変換して前記冷却用噴射ノズルに転写するステップと、を含むことを特徴とする。

発明の効果

0007

本発明によれば、目標吹付け量分布に則した吹付け量分布の冷却用噴射ノズルを得ることが可能であり、単一の冷却用噴射ノズルにて、温度斑が存在する冷却対象物を、均一温度分布に冷却することができる。

図面の簡単な説明

0008

本実施形態のフローチャートである。
本実施形態の説明図であって、(A)は冷却対象物としての鋼材を示し、(B)は冷却前の鋼材の温度分布を示し、(C)は冷却液の目標吹付け量分布を示し、(D)は目標吹付け量分布の分解結果を示す。
本実施形態の説明図であって、目標吹付け量分布の分解結果の、ノズルへの転写を説明するための図である。
本実施形態の説明図であって、ノズルの吹付け量分布と正規分布との対応を説明するための図である。
本実施形態の説明図であって、(A)はノズルの噴孔幅Lと吹付け量分布のピーク値Aとの関係を示し、(B)はノズルの噴孔幅Lと吹付け量分布の標準偏差σとの関係を示し、(C)はノズルの吹付け量分布のピーク値Aと標準偏差σとの関係を示す。
本実施形態の説明図であって、(A)、(B)、(C)は1回目の吹付け量分布(目標吹付け量分布)の分解手順を示し、(D)、(E)、(F)は2回目の吹付け量分布の分解手順を示し、(G)は5回目の吹付け量分布の分解結果を示す。
本実施形態を適用した一実施例の説明図であって、(A)は冷却対象物としてのダイス軸平面による断面を示し、(B)はダイスの温度分布を示し、(C)は冷却液の目標吹付け量分布を示し、(D)は目標吹付け量分布の分解結果を示す。
本実施形態を適用した一実施例の説明図であって、図7(D)の分解結果の、ノズルへの転写を説明するための図である。

0009

本発明の一実施形態を添付した図を参照して説明する。
ここでは、図1に示されるフローチャートに基づき、矩形板状の鋼材10(図2(A)参照)を冷却対象とする冷却用噴射ノズル1(便宜的に「ノズル1」と称する)の設計方法を説明する。なお、冷却前の鋼材10の温度分布11(図2(B)参照)には、長手方向(図2における左右方向)に、局部的に温度が高い部分が存在する。また、鋼材10の幅方向図2(A)における奥行方向)の寸法は、長手方向の寸法に対して十分に小さいものであり、単一のノズル1(図3参照)にてカバーできる(冷却液を吹付け可能な範囲内)程度である。

0010

まず、冷却前の鋼材10(冷却対象物)の温度分布11(図2(B)参照)を測定する(図1におけるステップ1)。なお、温度分布11の測定には、例えば、放射温度計を使用する。次に、鋼材10に対する冷却液の目標吹付け量分布20(図2(C)参照)を決定する(図1におけるステップ2)。ここで、目標吹付け量分布20は、鋼材10(冷却対象物)の温度分布11(実測温度)と目標温度(図2(B)参照)との差に比例する。よって、目標吹付け量分布20は、冷却前の鋼材10の温度分布11と、冷却後の鋼材1の目標温度12との差を算出することにより、当該算出結果に基づき決定することができる。すなわち、温度分布11の曲線と目標吹付け量分布20の曲線とは、重ねて一致させることができる。

0011

次に、目標吹付け量分布20(図2(C)参照)を、正規分布21乃至25(図2(D)参照)に分解する(図1におけるステップ3)。なお、目標吹付け量分布20を正規分布21乃至25に分解する方法は後述する。次に、図3に示されるように、目標吹付け量分布20の分解結果である個々の正規分布21乃至25を、噴孔3乃至7に変換してノズル1に転写する(図1におけるステップ4)。なお、図3から理解できるように、「転写」とは、個々の正規分布21乃至25に対応する吹付け量を確保する形状を有する噴孔3乃至7(噴孔形状)を、正規分布21乃至25間の位置関係に基づき、ノズル1に配置することを指す。

0012

次に、目標吹付け量分布20を正規分布21乃至25に分解する方法を説明する。前述の図1におけるステップ3において、正規分布21乃至25は、例えば、蓄積された正規分布データから抽出される。ここで、正規分布データは、噴孔形状と正規分布とを一対一で対応させたものである(図4参照)。また、正規分布データは、ノズル1の噴孔幅Lを変化させたときの、吹付け量分布のピーク値A(図5(A)参照)と標準偏差σ(図5(B)参照)とを調査し、ピーク値Aと標準偏差σとの関係(図5(C)参照)を求めることにより、予め作成される。なお、「ピーク値A」は、冷却対象物における吹付け量が最大になる値であり、統計学上の正規分布における「確率の最大値」に相当する。そして、噴孔形状は、円(長丸)、楕円長方形等の適切な形状を選択することができる。

0013

そして、目標吹付け量分布20を分解するには、まず、図6(A)に示されるように、目標吹付け量分布20のピーク値A1に、正規分布データの対応する正規分布21を当てはめる。換言すると、蓄積された正規分布データから、ピーク値A1に適合する正規分布21を抽出する。次に、目標吹付け量分布20から正規分布21を差し引いた吹付け量分布27(図6(B)参照)を作成する。ここで、図6(c)は、現時点の分解結果を示す。

0014

次に、図6(D)に示されるように、吹付け量分布27のピーク値A2に、正規分布データの対応する正規分布22を当てはめる。換言すると、蓄積された正規分布データから、ピーク値A2に適合する正規分布22を抽出する。次に、吹付け量分布27から正規分布22を差し引いた吹付け量分布28(図6(E)参照)を作成する。ここで、図6(F)は、現時点の分解結果を示す。

0015

このように、現在の吹付け量分布のピーク値Aに適合する正規分布を抽出するステップと、現在の吹付け量分布から抽出した正規分布を差し引いた、新たな吹付け量分布を作成するステップとを、ピーク値Aが閾値T(図6(B)、図6(E)参照)以下になるまで順次繰り返し行う。そして、本実施形態では、両ステップを5回繰り返し行うことにより、図6(G)に示される分解結果を得ることができる。

0016

そして、前述したように、当該分解結果(図6(G)参照)をノズル1に転写する。すなわち、図3に示されるように、分解結果の個々の正規分布21乃至25に対応する噴孔3乃至7(噴孔形状)を選択し、正規分布21乃至25間の位置関係に基づき、個々の噴孔3乃至7をノズル1に配置する。このようにして設計されたノズル1においては、吹付け量分布を目標吹付け量分布20に近似させることができる。

0017

本実施形態では以下の効果を奏する。
本実施形態によれば、鋼材10(冷却対象物)の温度分布11(実測値)から目標温度12を差引いて目標吹付け量分布20を作成し、当該目標吹付け量分布20を正規分布21乃至25に分解する。そして、分解結果の個々の正規分布21乃至25を、噴孔3乃至7(噴孔形状)に変換してノズル1に転写する。

0018

このような設計方法により得られたノズル1は、吹付け量分布を、目標吹付け量分布20に近似させることが可能である。すなわち、鋼材10(冷却対象物)の全域において、温度分布11に応じた吹付け量にて、冷却液を吹付けることができる。換言すると、鋼材10の高温部(局部的に温度が高い部分)に、より多量の冷却液を吹付ける(配分する)ことができる。

0019

よって、従来、温度斑が存在する冷却対象物を均一温度分布に冷却する場合、吹付け幅が狭い噴射ノズルを複数配置し、高温部を重点的に冷却していたが、本実施形態の設計方法を適用したノズル1では、単一のノズル1にて、温度斑が存在する冷却対象物を均一温度分布に冷却することが可能である。これにより、ノズル1の設置スペースの問題を解消することができ、さらに、設備コストを削減することができる。また、吹付け幅が狭い噴射ノズルを複数配置した場合、実質上、高温部以外の部分の温度制御がなされておらず、温度斑が存在する冷却対象物を均一温度分布に冷却することが困難であったが、本実施形態では、高温部間の領域においても、温度分布に応じた吹付け量にて冷却液が吹付けられるので、温度斑が存在する冷却対象物をより均一な温度分布に冷却することができる。

0020

なお、本実施形態において、図1におけるステップ3の、目標吹付け量分布20を、正規分布21乃至25に分解するステップ、及び図1におけるステップ4の、目標吹付け量分布20の分解結果である個々の正規分布21乃至25を、噴孔3乃至7に変換してノズル1に転写するステップ、の2つのステップは、オペレータが自ら行うことが可能であるが、例えば、CAD(Computer-Aided Design)/CAE(Computer Aided Engineering)を利用して実施することが可能である。

0021

前述した設計方法を適用して、図7(A)に示される熱間鍛造型のダイス10Aの成形面10B(冷却対象物)を冷却するためのノズル1A(図8参照)を設計する方法を説明する。

0022

なお、成形面10B、すなわち、ダイス10Aにおける冷却液が吹付けられる面は、図7(A)に示される成形面10Bとダイス10Aの一軸平面との交線L1を、軸線L0を中心に回転させた形状を成す。また、成形面10Bは、軸線L0を中心とする同心円上の位置、すなわち、軸線L0からの距離が等しい位置では、温度が同一であるような温度分布である。さらに、本実施例において、成形面10Bの目標温度12A(図7(B)参照)は、黒鉛熱間鍛造用潤滑剤における最適付着温度である200℃とする。

0023

まず、冷却前の成形面10B、本実施例においては、成形完了後、成形品をダイス10Aから取り出した直後の成形面10Bの温度分布11A(図7(B)参照)を測定する。次に、温度分布11Aから目標温度12Aを差引いた温度に対応する、目標吹付け量分布20A(図7(C)参照)を作成する。次に、前述した手順にて、目標吹付け量分布20Aを、正規分布31乃至36(図7(D)参照)に分解する。

0024

そして、図8に示されるように、目標吹付け量分布20Aの分解結果である個々の正規分布31乃至36を、噴孔13乃至18に変換してノズル1Aに転写する。ここで、図8は、正規分布31乃至36の、ノズル1Aへの転写を概念的に表すものである。すなわち、図8において、噴孔13乃至18は、円環形により表されているが、例えば、各々が複数個の各噴孔13乃至18を、同心円状に(各円環形に沿って)ノズル1Aに配置するように設計することができる。

実施例

0025

このようにして得られたノズル1Aを適用することにより、ダイス10Aの成形面10B(冷却対象物)を均一温度分布(200℃)に冷却することができる。これにより、次の潤滑剤塗布工程において、成形面10Bに、均一な厚さの潤滑剤による膜を形成することが可能であり、熱間鍛造における成形性及び離型性を向上させることができる。延いては、安定した品質の成形品を得ることができる。

0026

1ノズル(冷却用噴射ノズル)、3〜7噴孔(噴孔形状)、10鋼材(冷却対象物)、11温度分布、12目標温度、20目標吹付け量分布、21〜25 正規分布

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