JP6742399B2 - 冷却装置及び熱処理装置 - Google Patents

Description

本開示は、冷却装置及び熱処理装置に関する。
本願は、２０１６年３月２３日に、日本に出願された特願２０１６−０５８９３０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

例えば、特許文献１には、焼入れ装置として、所定温度に加熱された部品にミスト状の冷却材を吹き付けて冷却するに際して、部品の温度がマルテンサイト変態温度を超える前に雰囲気圧力を低下させて上記冷却材の沸点を低下させることが記載されている。このような焼入れ装置によれば、冷却材の沸点を低下させることにより部品の表面と冷却材の液滴との間に発生する蒸気膜を維持することにより、部品の歪みや変形を抑制することが可能であるとされている。

日本国特開２０１３−１８１２２６号公報

上記焼入れ装置では蒸気膜を維持することによって部品の歪みや変形を抑制するとされている。しかしながら、蒸気膜の維持には被処理物である部品の形状等、複雑な要因が関係しているので、冷却開始からマルテンサイト変態温度を超えるまでの被処理物の冷却期間において、冷却材の沸点を低下させることのみによって蒸気膜を安定的に維持することは困難である。すなわち、部品の歪みや変形を抑制するために蒸気膜を維持する手法は、必ずしも現実的ではなく、被処理物の歪みや変形を確実に抑制することが困難である。

本開示は、上述した事情に鑑みてなされ、ミスト状冷却液による被処理物の冷却に際して被処理物の変形を従来よりも確実に抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示では、冷却装置に係る第１の解決手段として、ミスト状冷却液を用いて被処理物を冷却する冷却装置であって、被処理物の冷却の途中でミスト状冷却液の熱伝達率を比較的低い状態から比較的高い状態に切り換える熱伝達率切換手段を備える。

本開示によれば、被処理物の冷却の途中でミスト状冷却液の熱伝達率を比較的低い状態から比較的高い状態に切り換える手法を用いるので、被処理物の変形を従来よりも確実に抑制することができる。

本開示の一実施形態に係る冷却装置及び多室型熱処理装置の全体構成を示す第１の縦断面図である。 本開示の一実施形態に係る冷却装置及び多室型熱処理装置の全体構成を示す第２の縦断面図である。 図２におけるＡ−Ａ線断面図である。 図２におけるＢ−Ｂ線断面図である。 本開示の一実施形態における冷却処理の温度変化を示すグラフである。 本開示の一実施形態における冷却処理におけるミスト状冷却液のミスト粒径の変化を示すグラフである。 各冷却媒体の熱伝導率を示すグラフである。 本開示の実験結果におけるノズル毎の噴量と熱伝達率の関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本開示の一実施形態に係る冷却装置Ｒ及び多室型熱処理装置Ｍについて説明する。

多室型熱処理装置Ｍは、図１に示すように、冷却装置Ｒ、中間搬送装置Ｈ及び３つの加熱装置を一体化させた熱処理装置である。なお、図１では中間搬送装置Ｈの水平方向の中心位置における縦断面図を示しているので、図１には３つの加熱装置の中の２つの加熱装置、つまり加熱装置Ｋ１及び加熱装置Ｋ２のみが描かれている。

この多室型熱処理装置Ｍは、被処理物Ｘに対して焼入れ処理を行うための熱処理装置である。被処理物Ｘは、各種の金属部品であり、ダイス鋼（ＳＫＤ材）やハイス鋼（ＳＫＨ材）等の鋼材からなる部品である。

冷却装置Ｒは、被処理物Ｘを冷却処理する装置であり、図１〜図４に示すように、冷却チャンバー１、複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂ（第１、第２噴射ノズル）、複数のミストヘッダー３、冷却ポンプ４、熱交換器５、冷却排水管６、冷却水槽７、第１、第２制御弁８ａ、８ｂ及び冷却制御部９等を備えている。

複数のミストヘッダー３、冷却ポンプ４、熱交換器５、冷却水槽７、第１、第２制御弁８ａ、８ｂ及び冷却制御部９が、本開示における冷却液供給装置を構成する。また、このような冷却液供給装置と複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂが、本開示における熱伝達率切換手段を構成する。

冷却チャンバー１は、被処理物Ｘを収容する縦型円筒形の容器（中心軸線が鉛直方向となる容器）であり、内部空間が冷却室ＲＳである。この冷却チャンバー１の上には中間搬送装置Ｈが設けられている。冷却チャンバー１には冷却室ＲＳを中間搬送装置Ｈの内部空間（搬送室ＨＳ）に連通させる開口が形成されている。冷却室ＲＳには、この開口を介して被処理物Ｘが搬入あるいは搬出される。

複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂは、ミストヘッダー３及び熱交換器５を介して冷却ポンプ４から供給される所定の冷却液を、ミスト状の冷却液（ミスト状冷却液）に変換して被処理物Ｘに噴射する第１、第２噴射ノズルである。第１冷却ノズル２ａは、噴射孔の孔径（第１孔径）が比較的小さい第１噴射ノズルであり、第２冷却ノズル２ｂは、噴射孔の孔径（第２孔径）が第１冷却ノズル２ａよりも大きい第２噴射ノズルである。すなわち、第１冷却ノズル２ａから噴射されるミスト状冷却液の粒径（第１ミスト粒径）は、第２冷却ノズル２ｂから噴射されるミスト状冷却液の粒径（第２ミスト粒径）よりも小さい。そして、冷却液の供給先を第１噴射ノズル（第１冷却ノズル２ａ）から第２噴射ノズル（第２冷却ノズル２ｂ）に切り換えることにより、ミスト状冷却液のミスト粒径を第１ミスト粒径から第２ミスト粒径に調節する。また、熱伝達率切換手段は、ミスト状冷却液のミスト粒径を比較的小さい粒径から比較的大きい粒径に調節することによりミスト状冷却液の熱伝達率を切り換える。

このような複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂは、図１〜図４に示されているように、冷却室ＲＳ内に収容された被処理物Ｘの周囲に分散配置されている。より具体的には、複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂは、被処理物Ｘの周囲において、鉛直方向に多段（具体的には５段）かつ冷却チャンバー１（冷却室ＲＳ）の周方向に一定間隔を隔てた状態で、被処理物Ｘを全体として取り囲むように、かつ、被処理物Ｘとの距離が極力等距離となるように分散配置されている。

また、複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂは、所定数にグループ分けされている。すなわち、複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂは、冷却室ＲＳの鉛直方向における段毎にグループ化され、また冷却チャンバー１（冷却室ＲＳ）の周方向においても複数にグループ分けされている。このような複数のグループ（ノズルグループ）には、図３及び図４に示すように、ミストヘッダー３が個別に設けられている。

より具体的には、図１に示すようにミストヘッダー３は、上下方向において５段に配置されており、最上段には図３に示すように２つのミストヘッダー３が被処理物Ｘの周囲を取り囲むように円弧状に設けられている。また、上から２段目〜最下段の４段については図４に示すように３つのミストヘッダー３が被処理物Ｘの周囲を取り囲むように円弧状に設けられている。このような５段構成のミストヘッダー３のうち、上記複数の第２冷却ノズル２ｂは最上段、上から３段目及び最下段のミストヘッダー３に設けられ、また複数の第１冷却ノズル２ａは上から２段目及び４段目のミストヘッダー３に設けられている。このような複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂは、ノズル軸の向きが被処理物Ｘの方向を向くように調節されており、ミストヘッダー３を介してポンプ４から供給された冷却液を被処理物Ｘに向けて噴射する。

また、最上段に属する複数の第２冷却ノズル２ｂは、図１に示すように、鉛直方向において被処理物Ｘの上端よりも高い位置に配置されている。一方、最下段に属する複数の第２冷却ノズル２ｂは、被処理物Ｘの下端と略同等な高さに配置されている。さらには、最上段に属する複数の第２冷却ノズル２ｂは、他の段の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂよりも内側、つまり他の段の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂよりも冷却室ＲＳの内面から離れて配置される。

ここで、上記冷却液は、熱処理の冷却用に一般的に用いられる冷却油よりも粘性が低い液体であり、例えば水である。上記複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂの噴射孔は、水等の冷却液が所定の噴射角で均一かつ一定粒径の液滴となるように形状設定されている。また、複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂの噴射角及び互いに隣り合う第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂの間隔は、図１〜図４に示されているように、第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂから噴き出た液滴のうち、外周側に位置する液滴が隣接する第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂから噴き出た外周側の液滴と交差あるいは衝突するように設定されている。

また、このような複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂは、被処理物Ｘを冷却液の液滴の集合体つまりミスト状冷却液で全体的に包囲するようにミスト状冷却液を被処理物Ｘに向けて噴射する。上記ミスト状冷却液における液滴の粒径は、例えば２０〜７００μｍである。複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂの位置や角度は、被処理物Ｘの周囲のミスト状冷却液が均一な粒径かつ均一な密度となるように適宜設定される。

本実施形態の冷却装置Ｒは、上記ミスト状冷却液を用いて被処理物Ｘを冷却する装置、つまり被処理物Ｘをミスト冷却する装置である。なお、この冷却装置Ｒにおける冷却温度や冷却時間等の冷却条件は、被処理物Ｘにおける熱処理の目的や被処理物Ｘの材質等に応じて適宜設定される。

上述した複数のミストヘッダー３は、複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂに連通する円弧状の配管であり、供給口から取り込んだ冷却液を複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂに分配する。これらミストヘッダー３は、圧損が複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂについて略均等となるように供給口の位置が設定されており、冷却液を複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂに対して略均一に分配する。

ここで、複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂから被処理物Ｘに向けて噴射されるミスト状冷却液の熱伝達率は、上記ミスト状冷却液の粒径（ミスト粒径）に依存する。また、このミスト粒径は、第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂの噴射孔の孔径（第１、第２孔径）によって決定される。すなわち、第１孔径の第１冷却ノズル２ａから噴射される第１ミスト粒径のミスト状冷却液は、ミスト粒径が比較的小さいので熱伝達率（第１熱伝達率）が比較的低く、これに対して第２孔径の第２冷却ノズル２ｂから噴射される第２ミスト粒径のミスト状冷却液は、ミスト粒径が第１ミスト粒径よりも大きいので上記第１熱伝達率よりも高い熱伝達率（第２熱伝達率）を有する。

冷却ポンプ４は、冷却水槽７の冷却液をミストヘッダー３に圧送する。熱交換器５は、冷却制御部９から入力される温度指示に基づいて、冷却ポンプ４からミストヘッダー３に供給される冷却液の温度を所定温度に調節（維持）する温度調節器である。すなわち、冷却ポンプ４からミストヘッダー３に供給される冷却液は、温度が冷却制御部９によって管理される。

冷却排水管６は、冷却チャンバー１の下部と冷却水槽７とを連通させる配管であり、途中部位に排水弁（図示略）が設けられている。冷却水槽７は、上記冷却排水管６あるいは冷却循環管（図示略）を介して冷却チャンバー１から排水された冷却液を貯留する液体容器である。なお、上記冷却循環管は、浸漬冷却時において冷却チャンバー１からオーバーフローした冷却液を冷却水槽７に戻すために、冷却チャンバー１の上部と冷却水槽７の上部とを連通させる配管である。

第１、第２制御弁８ａ、８ｂは、複数のミストヘッダー３と熱交換器５との間に設けられた開閉弁である。第１、第２制御弁８ａ、８ｂのうち、第２制御弁８ｂは、第２冷却ノズル２ｂが設けられた最上段、上から３段目及び最下段のミストヘッダー３と熱交換器５との間に設けられ、第１制御弁８ａは、第１冷却ノズル２ａが設けられた上から２段目及び４段目のミストヘッダー３と熱交換器５との間に設けられている。すなわち、第１制御弁８ａは、冷却制御部８から入力される第１開閉信号に基づいて複数の第１冷却ノズル２ａへの冷却液の供給／非供給を切り換える。一方、第２制御弁８ｂは、冷却制御部８から入力される第２開閉信号に基づいて複数の第２冷却ノズル２ｂへの冷却液の供給／非供給を切り換える。

冷却制御部９は、上述した熱交換器５、第１、第２制御弁８ａ、８ｂ及び排水弁等を作動させることにより冷却装置Ｒの全体動作を制御する。この冷却制御部９は、冷却装置Ｒの制御の一環として、第１、第２制御弁８ａ、８ｂを制御して複数の第１、第２冷却ノズル２ａ，２ｂへの冷却液の供給／非供給を切り換える。したがって、被処理物Ｘの冷却の途中でミスト状冷却液の熱伝達率を比較的低い状態から比較的高い状態に切り換える。なお、冷却制御部９によるミスト状冷却液の熱伝達率の切換処理については詳細を後述する。

中間搬送装置Ｈは、搬送チャンバー１０、搬送室載置台１１、冷却室昇降台１２、冷却室昇降シリンダー１３、一対の搬送レール１４、一対のプッシャーシリンダー（プッシャーシリンダー１５及びプッシャーシリンダー１６）、加熱室昇降台１７及び加熱室昇降シリンダー１８等々を備えている。搬送チャンバー１０は、冷却装置Ｒと、加熱装置Ｋ１及び加熱装置Ｋ２を含む３つの加熱装置との間に設けられた容器であり、内部空間が搬送室ＨＳである。被処理物Ｘは、バスケット等の容器内に収容された状態で、外部の搬送装置によって搬入／搬出口（図示略）から搬送チャンバー１０内に搬入される。

搬送室載置台１１は、冷却装置Ｒで被処理物Ｘを冷却する際に冷却チャンバー１と搬送チャンバー１０との受渡口を塞ぐ支持台であり、他の被処理物Ｘを載置可能とされている。冷却室昇降台１２は、冷却装置Ｒで被処理物Ｘを冷却する際に被処理物Ｘを載せる支持台であり、被処理物Ｘの底部が極力広く露出するように被処理物Ｘを支持する。この冷却室昇降台１２は、冷却室昇降シリンダー１３の可動ロッドの先端に固定されている。

冷却室昇降シリンダー１３は、上記冷却室昇降台１２を上下動（昇降）させるアクチュエータである。すなわち、冷却室昇降シリンダー１３及び上記冷却室昇降台１２は、冷却装置Ｒの専用搬送装置であり、冷却室昇降台１２上に載置された被処理物Ｘを搬送領域ＨＳから冷却室ＲＳに搬送すると共に冷却室ＲＳから搬送室ＨＳに被処理物Ｘを搬送する。

一対の搬送レール１４は、搬送チャンバー１０内の床部に水平方向に延びるように敷設されている。これら搬送レール１４は、冷却装置Ｒと加熱装置Ｋ１との間で被処理物Ｘを搬送させる際のガイド部材である。プッシャーシリンダー１５は、搬送チャンバー１０内の被処理物Ｘを加熱装置Ｋ１に向けて搬送する際に、被処理物Ｘを押圧するアクチュエータである。プッシャーシリンダー１６は、被処理物Ｘを加熱装置Ｋ１から冷却装置Ｒに搬送する際に、被処理物Ｘを押圧するアクチュエータである。

すなわち、一対の搬送レール１４、プッシャーシリンダー１５及びプッシャーシリンダー１６は、被処理物Ｘを加熱装置Ｋ１と冷却装置Ｒとの間に搬送する専用搬送装置である。なお、図１には一対の搬送レール１４、プッシャーシリンダー１５及びプッシャーシリンダー１６が示されているが、実際の中間搬送装置Ｈは、合計三対の搬送レール１４、プッシャーシリンダー１５及びプッシャーシリンダー１６を備えている。すなわち、搬送レール１４、プッシャーシリンダー１５及びプッシャーシリンダー１６は、加熱装置Ｋ１用だけではなく、他の２つの加熱装置用にも設けられている。

加熱室昇降台１７は、被処理物Ｘを中間搬送装置Ｈから加熱装置Ｋ１に搬送する際に被処理物Ｘが載置される支持台である。すなわち、被処理物Ｘは、上記プッシャーシリンダー１５によって図１の右方向に押圧されることにより、加熱室昇降台１７の直上に搬送される。加熱室昇降シリンダー１８は、上記加熱室昇降台１７上の被処理物Ｘを上下動（昇降）させるアクチュエータである。すなわち、加熱室昇降台１７及び加熱室昇降シリンダー１８は、加熱装置Ｋ１の専用搬送装置であり、加熱室昇降台１７上に載置された被処理物Ｘを搬送室ＨＳから加熱装置Ｋ１の内部（加熱室ＫＳ）に搬送すると共に被処理物Ｘを加熱室ＫＳから搬送室ＨＳに搬送する。

３つの加熱装置は基本的に同一構成を有するので、以下では代表して加熱装置Ｋ１の構成について説明する。加熱装置Ｋ１は、加熱チャンバー２０、断熱容器２１、複数の加熱ヒータ２２、真空排気管２３、真空ポンプ２４、攪拌翼２５及び攪拌モータ２６等々を備えている。

加熱チャンバー２０は、搬送チャンバー１０上に設けられた容器であり、内部空間が加熱室ＫＳである。この加熱チャンバー２０は、上述した冷却チャンバー１と同様に縦型円筒形の容器（中心軸線が鉛直方向となる容器）であるが、冷却チャンバー１よりも小型に形成されている。断熱容器２１は、上記加熱チャンバー２０内に設けられた縦型円筒形の容器であり、所定の断熱性能を有する断熱材から形成されている。

複数の加熱ヒータ２２は、棒状の発熱体であり、垂直姿勢で断熱容器２１の内側かつ周方向に所定間隔で設けられている。これら複数の加熱ヒータ２２は、加熱室ＫＳ内に収容された被処理物Ｘを所望温度（加熱温度）まで加熱する。なお、この加熱温度や加熱時間等の加熱条件は、被処理物Ｘに関する熱処理の目的や被処理物Ｘの材質等に応じて適宜設定される。

ここで、上記加熱条件には加熱室ＫＳの真空度（圧力）が含まれる。真空排気管２３は、加熱室ＫＳに連通する配管であり、一端が断熱容器２１の上部に接続され、他端が真空ポンプ２４に接続されている。真空ポンプ２４は、このような真空排気管２３を介して加熱室ＫＳ内の空気を吸引する排気ポンプである。加熱室ＫＳ内の真空度は、真空ポンプ２４による空気の排気量によって決定される。

攪拌翼２５は、断熱容器２１内の上部に、回転軸の方向が鉛直方向（上下方向）となる姿勢で設けられた回転翼である。この攪拌翼２５は、攪拌モータ２６によって駆動されることによって、加熱室ＫＳ内の空気を攪拌する。攪拌モータ２６は、出力軸が鉛直方向（上下方向）となるように加熱チャンバー２０上に設けられた回転駆動源である。加熱チャンバー２０上に位置する攪拌モータ２６の出力軸は、加熱チャンバー２０内に位置する攪拌翼２５の回転軸に対して、加熱チャンバー２０の気密性（シール性）を損なわないように結合している。

なお、本実施形態に係る多室型熱処理装置Ｍは、不図示の制御盤を備えている。この制御盤は、ユーザが熱処理における各種条件を設定入力する操作部と、上記操作部から入力される各種条件及び内部に予め記憶された制御プログラムに基づいて冷却装置Ｒ、中間搬送装置Ｈ及び３つの加熱装置を連携して作動させる制御部とを備えている。すなわち、この多室型熱処理装置Ｍは、制御盤によって冷却装置Ｒ、中間搬送装置Ｈ及び３つの加熱装置が自動制御されることによって被処理物Ｘに焼入れ処理を行う。

ここで、上述した冷却制御部８は、上記制御盤の制御機能のうち、冷却装置Ｒによる被処理物Ｘの冷却制御を担う機能構成要素である。すなわち、制御盤は、冷却装置Ｒによる被処理物Ｘの冷却制御の他に、中間搬送装置Ｈによる被処理物Ｘの搬送制御、３つの加熱装置による被処理物Ｘの加熱制御を行う。

次に、本実施形態に係る多室型熱処理装置Ｍの動作（焼入れ処理）について、図５Ａ、図５Ｂをも参照して詳しく説明する。

多室型熱処理装置Ｍによる焼入れ処理は、被処理物Ｘを所定の温度Ｔ１（加熱温度）に加熱した後に温度Ｔ２（冷却温度）まで一次冷却（急速冷却）した後にマルテンサイト変態点の温度まで二次冷却することにより行われる。このような被処理物Ｘの焼入れ処理に際して、被処理物Ｘは、作業者によって搬入／搬出口から中間搬送装置Ｈ内に収容される。そして、上記搬入／搬出口が作業者によって閉じられて搬送室ＨＳ内が密閉空間となると、中間搬送装置Ｈは、プッシャ―シリンダー１５を作動させて被処理物Ｘを加熱室昇降台１７上に移動させる。さらに、中間搬送装置Ｈは、加熱室昇降シリンダー１８を作動させて被処理物Ｘを加熱装置Ｋ１の加熱室ＫＳ内に収容させる。

そして、加熱装置Ｋ１は、被処理物Ｘが加熱室ＫＳ内に収容されると、加熱ヒータ２２を作動させて被処理物Ｘを温度Ｔ１に加熱する。そして、中間搬送装置Ｈは、上記加熱が完了すると、加熱室昇降シリンダー１８及びプッシャーシリンダー１６を作動させることによって被処理物Ｘを冷却室昇降台１２上に移動させる。また、中間搬送装置Ｈは、冷却室昇降シリンダー１３を作動させることによって被処理物Ｘを冷却室ＲＳに移動させ、さらに搬送室載置台１１によって搬送チャンバー１０と冷却チャンバー１との受渡口を塞ぐ。そして、冷却装置Ｒは、冷却ポンプ４を作動させることによってミスト状冷却液を複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂから被処理物Ｘに向けて噴射させる。この結果、被処理物Ｘは、温度Ｔ１から温度Ｔ２まで一次冷却（ミスト冷却）される。

この一次冷却（ミスト冷却）では、図５Ａに示すように温度Ｔ１の被処理物Ｘつまりオーステナイト組織を有する被処理物Ｘがパーライト組織への変態点Ｐｓ（所謂パーライトノーズ）を避けて温度Ｔ２に至るように急冷される。すなわち、被処理物Ｘは、図５Ａの時刻ｔ１〜時刻ｔ２の間において、複数の第１、第２冷却ノズル２ａ、２ｂからのミスト状冷却液の噴射によって温度Ｔ１から温度Ｔ２まで急冷される。なお、図５Ａでは、被処理物Ｘの表面温度履歴を実線で示し、被処理物Ｘの内部温度履歴を破線で示している。

ここで、本実施形態における一次冷却（ミスト冷却）では、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の途中時刻である時刻ｔａにおいてミスト状冷却液の熱伝達率が比較的低い状態から比較的高い状態への切り替え動作が１度行われる。すなわち、冷却制御部９は、時刻ｔ１〜時刻ｔａに亘る期間（前期冷却期間Ｓ１）では、第１制御弁８ａを開状態かつ第２制御弁８ｂを閉状態に設定することにより、図５Ｂに示すように、第１冷却ノズル２ａから第１ミスト粒径Ｃ１のミスト状冷却液を被処理物Ｘに向けて噴射させる。すなわち、この前期冷却期間Ｓ１では、第１熱伝達率のミスト状冷却液によって被処理物Ｘが冷却される。

そして、冷却制御部８は、時刻ｔａ〜時刻ｔ２に亘る期間（後期冷却期間Ｓ２）では、第１制御弁８ａを閉状態かつ第２制御弁８ｂを開状態に設定することにより、つまり冷却液の供給先を第１冷却ノズル２ａから第２冷却ノズル２ｂに切り換えることにより、図５Ｂに示すように、第２冷却ノズル２ｂから第２ミスト粒径Ｃ２のミスト状冷却液を被処理物Ｘに向けて噴射させる。すなわち、この後期冷却期間Ｓ２では、前期冷却期間Ｓ１の第１熱伝達率よりも高い第２熱伝達率のミスト状冷却液によって被処理物Ｘが冷却される。

ここで、前期冷却期間Ｓ１におけるミスト状冷却液の第１熱伝達率つまり第１ミスト粒径Ｃ１は、一次冷却（ミスト冷却）に起因する被処理物Ｘの変形を最大限に抑制し得るように設定されている。すなわち、第１ミスト粒径Ｃ１は、予め行われる実験等によって被処理物Ｘの材質や形状毎に決定される。また、前期冷却期間Ｓ１つまり時刻ｔａについても、予め行われる実験等によって被処理物Ｘの材質や形状毎に決定される。

背景技術でも説明したように、ミスト冷却では蒸気膜を維持することができないために部品（被処理物）に変形が発生する。しかしながら、本実施形態では、蒸気膜を維持するのではなく、被処理物Ｘに変形が発生し得る被処理物Ｘの高温期間つまり前期冷却期間Ｓ１に第１ミスト粒径Ｃ１を設定することによって、ミスト状冷却液の熱伝達率を低下させる。そして、この結果として被処理物Ｘの冷却能率を抑制することによって被処理物Ｘの変形を抑制する。

このような前期冷却期間Ｓ１における被処理物Ｘのミスト冷却は被処理物Ｘの温度低下が比較的緩やかになる。したがって、仮に後期冷却期間Ｓ２においても前期冷却期間Ｓ１と同様に第１ミスト粒径Ｃ１のミスト状冷却液でミスト冷却を行った場合には、一次冷却においてパーライト組織への変態点Ｐｓを避けることができない可能性がある。そこで、本実施形態では、第１ミスト粒径Ｃ１よりも粒径が大きい第２ミスト粒径Ｃ２のミスト状冷却液で後期冷却期間Ｓ２におけるミスト冷却を行う。よって、後期冷却期間Ｓ２における冷却能率を前期冷却期間Ｓ１における冷却能率よりも向上させ、以ってパーライト組織への変態点Ｐｓを避けた一次冷却を実現している。

ここで、図６に示すように、代表的な冷却剤である水道水、油（ＪＩＳ 日本工業規格 Ｃ ２３２０−１９９９ １種２号油）、窒素（１０ｂａｒ １５ｍ／ｓ）中の焼入れした銀円柱試片（１０ｍｍ径、３０ｍｍ長）の冷却曲線のデータから、集中熱容量法によって算出された各々の冷却剤の表面熱伝達特性曲線が知られている。
図６によると、銀円柱試片の表面温度が約６００℃以上の高温領域において、３０℃の水道水は８０℃の上記油に対して、表面熱伝達率が大きいことがわかる。

そこで、上記実施形態を模擬した、例えば以下のような冷却装置を用いて、試験体（被処理物）のミスト状冷却液として水を使用したミスト冷却実験を行った。
冷却装置は、水タンク、所定の配管及びノズルから成る。
水タンクは容量６０Ｌであり、冷却に使用する水が貯留されている。また、上記水タンクは窒素ガスで加圧されており、所定の配管と接続されている。
ノズルには、水のみを噴射する一流体ノズルと、ガスを使用して水を微細化させて噴射する二流体ノズルの２種類のノズルを採用した。より詳細には、一流体ノズル１−１には、いけうち社製 １／４Ｍ ＪＪＸＰ ０６０ ＨＴＰＶＣ、一流体ノズル１−３には、エバーロイ社製 １／４ＫＳＦＨＳ ０８６５、一流体ノズル１−４には、新倉工業社製 Ｍ１／４ ＥＸ４３８、二流体ノズル２−２には、エバーロイ社製 １／４ ＫＳＡＭＦ １８７５−１／４ Ａ２４ １／４ Ｗ２０をそれぞれ使用した。尚、上記ノズルは、所定の配管の、水タンクが取り付けられている端部とは反対側の端部に設けられている。また、ノズルの先端は、試験体表面から２００ｍｍ離間した位置に設置される。
試験体としては、厚さ５０ｍｍ、直径１００ｍｍの円盤形状のステンレス鋼（ＪＩＳ 日本工業規格 ＳＵＳ３０４）を使用した。試験体は、電気炉に挿入され、１０００℃まで加熱される。
水タンクに貯留された水は、窒素ガスで加圧され、加圧された水がノズルから、１０００℃まで加熱された試験体に対して噴射される。また、各ノズルからは、噴射液圧が０．０３〜０．５ＭＰａになるように、水が噴射される。

次に、温度測定方法について説明する。
熱電対は、試験体の中心位置において、表面から深さ方向に２ｍｍ、６ｍｍ、１０ｍｍ、２５ｍｍの４箇所、及び、試験体の側面に上端から２５ｍｍ及び表面から２ｍｍの位置に互いに周方向に１８０°ずらした２箇所の合計６箇所に設置される。
そして、１０００℃まで加熱された試験体がミスト冷却されて常温になるまでの温度変化が測定される。

上記ミスト冷却試験を行い、試験体に挿入した熱電対の温度の時間変化から、平均熱伝達率を算出した結果を図７に示す。尚、図７には、試験体の表面温度が６００〜１０００℃の範囲に対応する場合の平均熱伝達率が示されている。
図７の点線が、油冷却をした場合の値を示しており、一流体ノズルである１−３や、二流体ノズルである２−２のノズルを使用すると、水を使用したミスト冷却であっても油冷却とほぼ同様の熱伝達率を実現できた。つまり、本ミスト冷却を使用した冷却装置によれば、ミスト状冷却液の熱伝達率を油冷却と略同等に低下させることができる。そして、被処理物Ｘの冷却能率を抑制することによって被処理物Ｘの変形を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態における冷却装置Ｒによれば、被処理物Ｘが比較的高温な期間つまり前期冷却期間Ｓ１と被処理物Ｘが比較的低温な期間つまり後期冷却期間Ｓ２とでミスト状冷却液のミスト粒径を第１ミスト粒径Ｃ１から第２ミスト粒径Ｃ２に調節するので、一次冷却において被処理物Ｘの変形を抑制し、かつパーライト組織への変態点Ｐｓを避けることが可能である。

なお、本開示は上記実施形態に限定されず、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、図５Ｂに示すように、ミスト状冷却液のミスト粒径を第２ミスト粒径Ｃ１から第１ミスト粒径Ｃ２に調節することによりミスト状冷却液の熱伝達率を第１熱伝達率から第２熱伝達率に切り換えたが、本開示はこれに限定されない。ミスト状冷却液の密度（ミスト密度）を切り替えることにより熱伝導率を第１熱伝達率から第２熱伝達率に切り換えてもよい。例えば、ミスト状冷却液の密度を比較的低い密度から比較的高い密度に調節することにより、ミスト状冷却液の熱伝達率を切り換えてもよい。

例えば冷却液と所定のガスとの気液二相流をミスト状冷却液として噴射ノズルから被処理物Ｘに噴射し、かつ冷却液に対するガスの混合比を調節してミスト密度を第１ミスト密度から第２ミスト密度に調節することにより、熱伝達率を第１熱伝達率から第２熱伝達率に切り換える。なお、このようなミスト密度の調節に代えて、噴射ノズルに供給する冷却液の流量を調節することによりミスト密度を切り換えてもよい。

（２）上記実施形態では、図５Ｂに示すように時刻ｔａにおいて、第１ミスト粒径Ｃ１と第２ミスト粒径Ｃ２とを切り替えたが、本開示はこれに限定されない。例えば時刻ｔａから所定期間（オーバーラップ期間）に亘って第１ミスト粒径Ｃ１のミスト状冷却液と第２ミスト粒径Ｃ２のミスト状冷却液とを第１、第２冷却ノズル２ａ，２ｂから噴射し、上記オーバーラップ期間の経過後に第２ミスト粒径Ｃ２のミスト状冷却液のみを第２冷却ノズル２ｂから噴射してもよい。
つまり、ミスト状冷却液のミスト粒径を、第１ミスト粒径のミスト状冷却液と第２ミスト粒径のミスト状冷却液とが混在する状態を経て第１ミスト粒径から第２ミスト粒径に調節してもよい。

上記オーバーラップ期間は、第１ミスト粒径Ｃ１のミスト状冷却液と第２ミスト粒径Ｃ２のミスト状冷却液とが混在する期間である。つまり、第１熱伝達率と第２熱伝達率との中間に位置する熱伝達率を有するミスト状冷却液が存在する期間である。このようなオーバーラップ期間を経てミスト状冷却液のミスト粒径を第１ミスト粒径Ｃ１から第２ミスト粒径Ｃ２に調節することにより、第１熱伝達率から第２熱伝達率への切換を緩やかにすることが可能である。よって、上記構成によれば、被処理物Ｘ内の熱応力の蓄積を抑制することができる。

（３）上記実施形態では、前期冷却期間Ｓ１において第１ミスト粒径Ｃ１のミスト状冷却液を噴射し、後期冷却期間Ｓ２において第２ミスト粒径Ｃ２のミスト状冷却液を噴射したが、本開示はこれに限定されない。後期冷却期間Ｓ２において第２ミスト粒径Ｃ２のミスト状冷却液に加えて第１ミスト粒径Ｃ１のミスト状冷却液を噴射してもよい。この場合には、ミスト粒径が大きくなって熱伝達率が上昇するだけではなく、ミスト密度を上昇させることができるので、熱伝達率をさらに上昇させることができる。

（４）上記実施形態では、は、図１に示すように、冷却装置Ｒ、中間搬送装置Ｈ及び３つの加熱装置を一体化させた多室型熱処理装置Ｍ（熱処理装置）について説明したが、本開示はこれに限定されない。熱処理装置の必要最小構成要素は加熱装置及び冷却装置であり、被処理物を加熱する加熱装置と、加熱装置で加熱された被処理物を冷却する冷却装置とを備える熱処理装置であればよく、中間搬送装置Ｈのような搬送装置については別体としてもよい。

本開示における冷却装置及び熱処理装置によれば、被処理物の冷却の途中でミスト状冷却液の熱伝達率を比較的低い状態から比較的高い状態に切り換える手法を用いるので、被処理物の変形を従来よりも確実に抑制することができる。

Ｋ１、Ｋ２ 加熱装置
Ｍ 多室型熱処理装置
Ｒ 冷却装置
Ｘ 被処理物
１ 冷却チャンバー
２ａ、２ｂ 第１、第２冷却ノズル（第１、第２噴射ノズル）
３ ミストヘッダー
４ 冷却ポンプ
５ 熱交換器
６ 冷却排水管
７ 冷却水槽
８ａ、８ｂ 第１、第２制御弁
９ 冷却制御部

Claims (6)

1. ミスト状冷却液を用いて被処理物を冷却する冷却装置であって、
   前記ミスト状冷却液の熱伝達率が比較的低い状態と比較的高い状態との間の状態を経るように、前記被処理物の冷却の途中で前記熱伝達率を前記比較的低い状態から前記比較的高い状態に切り換える熱伝達率切換手段を備え、
   前記熱伝達率切換手段は、前記ミスト状冷却液のミスト粒径を比較的小さい第１ミスト粒径から比較的大きい第２ミスト粒径に調節することにより前記ミスト状冷却液の熱伝達率を切り換える冷却装置。
2. 前記熱伝達率切換手段は、
   第１孔径の噴射孔を備え、前記第１ミスト粒径の前記ミスト状冷却液を噴射する第１噴射ノズルと、
   前記第１孔径よりも大きな第２孔径の噴射孔を備え、前記第２ミスト粒径の前記ミスト状冷却液を噴射する第２噴射ノズルと、
   前記第１噴射ノズル及び前記第２噴射ノズルに冷却液を供給する冷却液供給装置とを備え、
   前記冷却液の供給先を第１噴射ノズルから第２噴射ノズルに切り換えることにより、前記ミスト状冷却液のミスト粒径を前記第１ミスト粒径から前記第２ミスト粒径に調節する請求項１記載の冷却装置。
3. 前記熱伝達率切換手段は、前記第１ミスト粒径の前記ミスト状冷却液と前記第２ミスト粒径の前記ミスト状冷却液とを混在させることによって前記比較的低い状態と前記比較的高い状態との間の状態を作り出す請求項１記載の冷却装置。
4. 前記熱伝達率切換手段は、前記第１ミスト粒径の前記ミスト状冷却液と前記第２ミスト粒径の前記ミスト状冷却液とを混在させることによって前記比較的低い状態と前記比較的高い状態との間の状態を作り出す請求項２記載の冷却装置。
5. 前記熱伝達率切換手段は、前記ミスト状冷却液のミスト粒径を比較的小さい第１ミスト粒径から比較的大きい第２ミスト粒径に調節することに加えて、前記ミスト状冷却液の密度を比較的低い密度から比較的高い密度に調節することにより前記ミスト状冷却液の熱伝達率を切り換える請求項１記載の冷却装置。
6. 前記被処理物を加熱する加熱装置と、
   該加熱装置で加熱された前記被処理物を冷却する請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷却装置と
   を備える熱処理装置。

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