JP2003239013A - アルミニウム合金製ドームの熱処理方法および熱処理用冷却治具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 炉内で加熱後のアルミニウム合金製ドームの
板の面に対して速やかに均一に冷却水を噴射でき、適切
な冷却速度の確保と変形の防止が可能となる熱処理方法
と熱処理用冷却治具を提供する。 【解決手段】 アルミニウム合金製ドームの熱処理方法
を、複数の冷却ノズルを有する冷却パイプを備える冷却
治具に、外面と内面の少なくとも一方の面を冷却ノズル
に向けてアルミニウム合金製ドームを取り付け、アルミ
ニウム合金製ドームを冷却治具に取り付けた状態で加熱
炉内に搬入し、加熱炉内で所定の加熱を行なった後、ア
ルミニウム合金製ドームを冷却治具とともに加熱炉外に
搬出し、冷却ノズルより冷却水を噴射してアルミニウム
合金製ドームの冷却を行なうように構成し、熱処理にお
いて変形を防止し且つ所定の冷却速度が得られ時効後の
強度が得られた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロケットタンクの
大型鏡板等のアルミニウム合金製ドームの熱処理方法
と、その熱処理方法に用いられる熱処理用冷却治具に関
する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、ロケットタンクの大型鏡板は、
半球形のアルミニウム合金製ドームとして製造される
が、直径４ｍ〜５ｍ、板厚２０ｍｍ〜５０ｍｍの状態で
ドーム状に成型後、アルミニウム合金の時効処理前に析
出物を固溶化する溶体化処理が行なわれる。

【０００３】そして溶体化処理後の冷却を行なうにあた
っては、強度を確保するために冷却速度の確保と、冷却
による変形の低減が求められる。しかし従来、上記のよ
うな大型のアルミニウム合金製ドームは、その大きさの
ため冷却速度の確保、変形の低減の達成が困難であっ
た。

【０００４】冷却のため水槽内にどぶ浸けする場合は、
冷却速度は得られるが、全面を一度に冷却できないた
め、変形が大きくなるという問題が生じた。

【０００５】一方、シャワー冷却では、板の両面に対し
て均一に冷却水を噴射すれば冷却速度の確保と変形の防
止が可能となるが、半球形の大型のアルミニウム合金製
ドームに対して効率よく両面の冷却を行なうことは困難
であった。すなわち、３次元的な広がりのある形状のド
ームを炉内で加熱したのち炉外に搬出し、さらにその外
面だけでなく内面もふくめ冷却水を均一に噴射するよう
に冷却ノズルの設置等の段取りをする作業は時間を要す
るため、その間に温度低下が起きてしまう問題があり適
切な冷却速度を得ることができなかった。また、炉内か
ら取り出したばかりの高温部に冷却ノズルを設置する作
業では、冷却ノズルを正確に設置することが困難であ
り、冷却ノズルの位置の不正確さに起因する冷却の不均
一によって、アルミニウム合金製ドームに変形が生ずる
おそれもあった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来のアルミニウム合金製ドームの製造における溶体
化処理等の熱処理方法の問題を解消し、炉内で加熱後の
アルミニウム合金製ドームの板の面に対して速やかに均
一に冷却水を噴射でき、適切な冷却速度の確保と変形の
防止が可能となる熱処理方法と、その熱処理方法に用い
られる熱処理用冷却治具を提供することを課題とするも
のである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】（１）本発明はかかる課
題を解決するためになされたものであり、その第１の手
段として、複数の冷却ノズルを有する冷却パイプを備え
る冷却治具に、外面と内面の少なくとも一方の面を前記
冷却ノズルに向けてアルミニウム合金製ドームを取り付
け、同アルミニウム合金製ドームを同冷却治具に取り付
けた状態で加熱炉内に搬入し、同加熱炉内で所定の加熱
を行なった後、前記アルミニウム合金製ドームを前記冷
却治具とともに前記加熱炉外に搬出し、前記冷却ノズル
より冷却水を噴射して前記アルミニウム合金製ドームの
冷却を行なうことを特徴とするアルミニウム合金製ドー
ムの熱処理方法を提供する。

【０００８】上記の第１の手段によれば、ドーム加熱に
先立ち予めアルミニウム合金製ドームに対して冷却治具
の冷却ノズルを設置してあるので、ドーム加熱後、加熱
炉から搬出して速やかに冷却ノズルからの冷却水の噴流
でシャワー冷却が行なえ、また、予め冷却ノズルを設置
するので、ノズルの設置位置の精度が高く冷却速度を均
一化でき、急冷においてもアルミニウム合金製ドームの
変形量を著しく抑制できる。

【０００９】（２）第２の手段としては、複数の冷却ノ
ズルを有する冷却パイプを備える冷却治具に、外面と内
面の少なくとも一方の面を前記冷却ノズルに向けてアル
ミニウム合金製ドームを取り付け、同アルミニウム合金
製ドームを同冷却治具に取り付けた状態で加熱炉の炉体
を被せて覆い、同加熱炉内で所定の加熱を行なった後、
前記加熱炉の炉体を前記アルミニウム合金製ドームと前
記冷却治具上から取外し、前記冷却ノズルより冷却水を
噴射して前記ドームの冷却を行なうことを特徴とするア
ルミニウム合金製ドームの熱処理方法を提供する。

【００１０】上記の第２の手段によれば、ドーム加熱に
先立ち予めアルミニウム合金製ドームに対して冷却治具
の冷却ノズルを設置してあるので、ドーム加熱後、加熱
炉の炉体を取外して速やかに冷却ノズルからの冷却水の
噴流でシャワー冷却が行なえ、また、予め冷却ノズルを
設置するので、ノズルの設置位置の精度が高く冷却速度
を均一化でき、急冷においてもアルミニウム合金製ドー
ムの変形量を著しく抑制できる。

【００１１】（３）第３の手段として、第１の手段また
は第２の手段のアルミニウム合金製ドームの熱処理方法
において、熱処理を行なおうとする前記アルミニウム合
金製ドームと同じ材質と板厚の供試体に前記アルミニウ
ム合金製ドームを加熱すると同等の所定の加熱を行なっ
た後、同供試体を前記アルミニウム合金製ドームの冷却
を行なう前記冷却治具の冷却ノズルと同等の実験用の冷
却ノズルと冷却水の噴射で冷却し、冷却時の温度変化を
計測した結果をもとに冷却ノズル中心からの距離と前記
供試体表面の熱伝達係数の関係を求めるとともに、数値
解析により供試体表面の熱伝達係数と前記板厚内の冷却
速度との関係を求め、必要とする所定の冷却速度を得ら
れる前記冷却ノズル中心からの最大距離を、上記の両関
係から求めて、同最大距離をもとに前記冷却治具の冷却
ノズルの設置間隔を設定することを特徴とするアルミニ
ウム合金製ドームの熱処理方法を提供する。

【００１２】第３の手段によれば、第１または第２の手
段の作用に加え、実験による冷却ノズル中心からの距離
と供試体表面の熱伝達係数の関係と、数値解析による供
試体表面の熱伝達係数と供試体板厚内の冷却速度の関係
に基づいて、所定の冷却速度が得られる冷却ノズルの設
置間隔を設定することにより、アルミニウム合金製ドー
ムの材質、板厚、冷却ノズルの径、冷却水流速に合わせ
て、熱処理時の必要な冷却速度を確実に得ることができ
る。

【００１３】（４）また、第４の手段として、第１の手
段ないし第３の手段のいずれかのアルミニウム合金製ド
ームの熱処理方法において、前記冷却パイプを、前記冷
却ノズルに冷却水を送る冷却水流路と並んで同冷却パイ
プを冷却する循環冷却水を流す循環冷却水流路を備える
ものとして、前記加熱中に同循環冷却水流路に前記循環
冷却水を循環させ同冷却パイプを冷却することを特徴と
するアルミニウム合金製ドームの熱処理方法を提供す
る。

【００１４】第４の手段によれば、第１ないし第３の手
段のいずれかの作用に加え、冷却パイプがドーム加熱
中、循環冷却水流路に流される循環冷却水で冷却されて
いるため、ドーム冷却時に冷却水流路から冷却ノズルに
送られる冷却水が冷却パイプ内で沸騰して冷却水の噴出
が阻まれ冷却が遅れることが防止される。

【００１５】（５）第５の手段として、第１の手段ない
し第３の手段のいずれかのアルミニウム合金製ドームの
熱処理方法に用いられ前記アルミニウム合金製ドームを
載置して取付ける熱処理用冷却治具であって、前記の取
り付けられたアルミニウム合金製ドームの外面と内面の
少なくとも一方の面に向けた複数の冷却ノズルを有する
冷却パイプを備え、同冷却パイプは前記冷却ノズルに冷
却水を送る冷却水流路を備え、同冷却水流路は同冷却水
を供給する冷却用給水パイプと接続してなることを特徴
とする熱処理用冷却治具を提供する。

【００１６】第５の手段によれば、第１ないし第３の手
段のいずれかのアルミニウム合金製ドームの熱処理方法
を、具体的に実施可能とし、第１ないし第３の手段のい
ずれかの作用を奏することができる。 （６）第６の手段として、第５の手段の熱処理用冷却治
具において、前記冷却パイプは前記冷却水流路と並んで
循環冷却水を循環する循環冷却水流路を備え、同循環冷
却水流路は同循環冷却水を供給する循環冷却水供給パイ
プと同循環冷却水を排出する循環冷却水排出パイプとに
接続してなることを特徴とする熱処理用冷却治具を提供
する。

【００１７】第６の手段によれば、第５の手段の作用に
加え、冷却パイプをドーム加熱中冷却することができ、
冷却水流路から冷却ノズルに送られる冷却水が冷却パイ
プ内で沸騰して冷却水の噴出が阻まれ冷却が遅れること
を防止できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１から図４に基づいて、本発明
の実施の第１形態に係るアルミニウム合金製ドームの熱
処理方法とその熱処理方法に用いられる熱処理用冷却治
具を説明する。図１はアルミニウム合金製ドームを載置
した状態を示す本発明の実施の第１形態に係る熱処理用
冷却治具の断面図、図２は図１中Ａ−Ａ矢視による本実
施の形態の熱処理用冷却治具の外面冷却パイプの拡大断
面図、図３、図４は本実施の形態の熱処理方法における
施工手順の説明図であり、図３はアルミニウム合金製ド
ーム加熱時、図４は冷却時の状態を示す。

【００１９】本実施の形態のアルミニウム合金製ドーム
の熱処理方法においては、図１に示すように、アルミニ
ウム合金製ドーム（以下、単に「ドーム」という）１
は、凸面側（以下、「ドーム外面」という）１ａを上
に、凹面側（以下、「ドーム内面」という）１ｂを下に
伏せた状態で、熱処理用冷却治具（以下、単に「冷却治
具」という）２の冷却水受け皿３上に載置される。

【００２０】冷却治具２は、ドーム１を載置して取り付
ける載置台４を備え、ドーム１の下方において冷却後の
冷却水ａを受ける冷却水受け皿３と、載置台４上のドー
ム１のドーム外面１ａと間隔をあけて配置される外面冷
却パイプ５と、ドーム内面１ｂと間隔をあけて配置され
る内面冷却パイプ６と、外面冷却パイプ５に冷却水ａを
供給する外面冷却用給水パイプ７と、内面冷却パイプ６
に冷却水ａを供給する内面冷却用給水パイプ８と、外面
冷却パイプ５に後述の循環冷却水ｂを供給する外面循環
冷却水供給パイプ９ａと、外面冷却パイプ５から循環冷
却水ｂを排出する外面循環冷却水排出パイプ９ｂと、内
面冷却パイプ６に後述の循環冷却水ｂを供給する内面循
環冷却水供給パイプ１０ａ、内面冷却パイプ６から循環
冷却水ｂを排出する内面循環冷却水排出パイプ１０ｂを
備えている。

【００２１】外面冷却パイプ５はドーム外面１ａの周囲
を囲む籠状に設けられ、また外面冷却パイプ５には複数
の外面冷却ノズル５ａがドーム外面１ａの外側に略均等
に分布するような所定の位置に設けられており、各外面
冷却ノズル５ａの先端はドーム外面１ａに向けてドーム
外面１ａと所定の間隔を有している。

【００２２】内面冷却パイプ６はドーム内面１ｂに囲ま
れる籠状に設けられ、また内面冷却パイプ６には複数の
内面冷却ノズル６ａがドーム内面１ｂの内側に略均等に
分布するような所定の位置に設けられており、各内面冷
却ノズル６ａの先端はドーム内面１ｂに向けてドーム内
面１ｂと所定の間隔を有している。

【００２３】冷却水受け皿３の下部には各冷却ノズル５
ａ、６ａから噴射される冷却水ａを排出するための冷却
水排出パイプ１１が接続している。

【００２４】外面冷却パイプ５には、図２に示すように
２つの流路が併設されており、ドーム外面１ａに面する
側に冷却水ａを通し外面冷却ノズル５ａに冷却水ａを送
る冷却水流路１２ａが設けられ外面冷却用給水パイプ７
と接続しており、その反対側に隣接して循環冷却水ｂを
通す循環冷却水流路１２ｂが設けられ外面循環冷却水供
給パイプ９ａと外面循環冷却水排出パイプ９ｂとに接続
し、循環冷却水ｂが外面循環冷却水供給パイプ９ａと外
面循環冷却水排出パイプ９ｂを介して循環冷却水流路１
２ｂを循環するように配管されている。

【００２５】内面冷却パイプ６にも同様に、ドーム内面
１ｂに面する側に冷却水ａを通し内面冷却ノズル６ａに
冷却水ａを送る冷却水流路１３ａが設けられ内面冷却用
給水パイプ８と接続しており、その反対側に隣接して循
環冷却水ｂを通す循環冷却水流路１３ｂが設けられ内面
循環冷却水供給パイプ１０ａと内面循環冷却水排出パイ
プ１０ｂとに接続し、循環冷却水ｂが循環冷却水流路１
３ｂを循環するように配管されている。

【００２６】そして、冷却治具２は、適宜の移動台車１
４上に取り付けられ、ドーム加熱時の状態を示す図３、
ドーム冷却時の状態を示す図４のように、加熱炉１５の
内側と外側の間を移動可能に設けられている。移動台車
１４の移動手段は、移動時に炉外からアクセスする連結
機構やコンベア、または移動台車１４に取り付けた押し
引き部材等を横行駆動するものなど、適宜な手段でよ
い。

【００２７】加熱炉１５は、電気炉やガス炉等の適宜の
熱処理用の炉であり耐火耐熱材の壁体１５ａで囲まれそ
の床部１５ｂが基礎１６上に据え付けられているが、移
動台車１４の出入りを可能とするため、移動台車１４の
出入り側の側壁部１５ｃは、図示しない適宜の開閉構造
を有している。例えば、図４に示すような上方にスライ
ド移動する扉、または揺動移動する等である。

【００２８】また、側壁部１５ｃは上記開閉時、および
図３に示すドーム加熱状態において、外面冷却用給水パ
イプ７、外面循環冷却水供給パイプ９ａ、外面循環冷却
水排出パイプ９ｂ、内面冷却用給水パイプ８、内面循環
冷却水供給パイプ１０ａ、内面循環冷却水排出パイプ１
０ｂ、冷却水排出パイプ１１を通過させ且つドーム加熱
時に外部と遮断する適宜な構造を備えている。例えば、
砂、粘土、シール機構等による閉塞を行なう開口部１５
ｄである。

【００２９】上記各パイプ７、９ａ、９ｂ、８、１０
ａ、１０ｂ、１１は、図４に示すように冷却治具２を取
り付けた移動台車１４が加熱炉１５外へ移動するときに
支障が無いように、図示しない適宜の必要な可撓部ない
し可動接続部を備えている。

【００３０】本実施の形態のアルミニウム合金製ドーム
の熱処理方法は、上記のような熱処理装置によって以下
のように行なわれる。本実施の形態のドーム１は直径４
ｍ、板厚３０ｍｍのアルミニウム合金（Ａ２０１４：ジ
ュラルミン）であり、外面冷却パイプ５と内面冷却パイ
プ６はＳＵＳ３０４製である。外面冷却ノズル５ａおよ
び内面冷却ノズル６ａはノズル径１０ｍｍ、ドーム外面
１ａ、ドーム内面１ｂに沿って設置間隔８０ｍｍで配置
される。

【００３１】ドーム加熱にあたっては、予め、ドーム１
を移動台車１４上の冷却治具２に取付け、外面冷却ノズ
ル５ａと内面冷却ノズル６ａがそれぞれ所定の位置でド
ーム外面１ａとドーム内面１ｂに向くように外面冷却パ
イプ５と内面冷却パイプ６を配置し、その状態のままで
図３に示すように、移動台車１４を加熱炉１５内に搬入
し、所定温度、例えば５５０°Ｃで所定時間、例えば１
ｈｒ、冷却治具２とともに加熱を行なう．そのとき、外
面冷却パイプ５の循環冷却水流路１２ｂには循環冷却水
ｂが外面循環冷却水供給パイプ９ａから供給され外面循
環冷却水排出パイプ９ｂから排出され、常時外面冷却パ
イプ５を冷却しその温度を略１００°Ｃ以下に保つ。

【００３２】内面冷却パイプ６も同様に、循環冷却水流
路１３ｂに循環冷却水ｂが内面循環冷却水供給パイプ１
０ａから供給され内面循環冷却水排出パイプ１０ｂから
排出され、常時内面冷却パイプ６を冷却しその温度を略
１００°Ｃ以下に保つ。

【００３３】ドーム加熱が終了すると、図４に示すよう
に、ドーム１を移動台車１４上の冷却治具２に取り付け
たまま加熱炉１５から搬出し、外面冷却ノズル５ａ、内
面冷却ノズル６ａから冷却水ａを噴射して速やかにシャ
ワー冷却でドーム１を冷却する。

【００３４】冷却水ａは、図示しない高圧ポンプから外
面冷却用給水パイプ７と内面冷却用給水パイプ８を介し
て、外面冷却パイプ５内の冷却水流路１２ａと内面冷却
パイプ６内の冷却水流路１３ａとに送られ、外面冷却ノ
ズル５ａ、内面冷却ノズル６ａから約１０ｍ／ｓｅｃで
噴出するが、外面冷却パイプ５と内面冷却パイプ６は上
記のようにドーム加熱中、循環冷却水ｂで略１００°Ｃ
以下に冷却されているため、送り込まれた冷却水ａが外
面冷却パイプ５と内面冷却パイプ６内で沸騰して冷却水
の噴出が阻まれ冷却が遅れることが防止される。

【００３５】アルミニウム合金の溶体化処理において
は、時効後の強度を確保するために冷却速度を一定の値
以上にする必要があり、例えば、Ａ２０１４合金では強
度を確保する冷却速度は３０°Ｃ／ｓｅｃとされている
が、上記の本実施の形態によれば、外面冷却ノズル５
ａ、内面冷却ノズル６ａから近距離で高速の冷却水ａの
噴流をドーム１に吹き付けることができ、金属表面に発
生する蒸気膜を破り、熱伝達を向上させることができ
る。

【００３６】また、ドーム１の変形を防止するためには
ドーム１の全面で冷却速度を均一にする必要があるが、
本実施の形態においては、加熱に先立ち予めドーム１に
対して冷却治具２の外面冷却ノズル５ａ、内面冷却ノズ
ル６ａを設置するので、各ノズル５ａ、６ａを正確に設
置できる。その結果、ノズル位置の精度が高く冷却速度
を均一化でき、急冷においてもドーム１の変形量を著し
く抑制できる。

【００３７】したがって、アルミニウム合金製のドーム
１の熱処理において変形を防止し且つ所定の冷却速度が
得られ時効後の強度が得られる。

【００３８】なお、加熱によるドーム１と冷却治具２の
熱膨張差による位置のずれは、予め冷却治具２の配置、
形状の決定時に折り込んでおくことにより対処できる。
また、上記の実施の形態では板厚が大きいため内外面か
らの冷却を行なったが、板厚が小さいときは、内外面の
いずれかの片面からの冷却でも上記の効果を奏すること
ができる。

【００３９】次に図１、図２、および図５、図６に基づ
いて、本発明の実施の第２形態に係るアルミニウム合金
製ドームの熱処理方法とその熱処理方法に用いられる熱
処理用冷却治具を説明する。本実施の形態における熱処
理用冷却治具は、前述の実施の第１形態の図１、図２の
ものと同じであるので、図１、図２は本実施の形態の説
明図としても参照する。図５、図６は本実施の形態の熱
処理方法における施工手順の説明図であり、図５はアル
ミニウム合金製ドーム加熱時、図６は冷却時の状態を示
す。

【００４０】本実施の形態の説明において、前述の実施
の第１形態と同じ部分は、同じ符号を付して説明を省略
し、異なる部分を主に以下説明する。

【００４１】本実施の形態において、冷却用治具２の構
成は図１、図２に示すとおり、実施の第１形態と同じで
ある。

【００４２】しかし、冷却治具２は、実施の第１形態の
ように移動台車１４上に取り付けられる必要はなく、ド
ーム加熱時の状態を示す図５、ドーム冷却時の状態を示
す図６のように、加熱炉２５内に設置されていれる。

【００４３】また、加熱炉２５は、適宜の熱処理用の炉
であるが、例えば金属容器と低周波加熱コイルを組み合
わせた炉体２５ａを有し、床部２５ｂを分離できる構造
として搬送可能なものであり、図示しない適宜の昇降移
動機構を備え、炉体２５ａが昇降移動されるものであ
る。昇降移動機構は例えば、加熱炉２５の上方に備えら
れたクレーン、側部に設けられた昇降移動台等である。

【００４４】そして、加熱炉２５の炉体２５ａの持ち上
げにあたって冷却治具２が設置された床部２５ｂは、炉
体２５ａと分離され、冷却治具２とともに基礎２６上に
残る構造となっている。

【００４５】また、炉体２５ａは、昇降時および、図５
に示すドーム加熱状態において床部２５ｂ上に下ろされ
たとき、外面冷却用給水パイプ７、外面循環冷却水供給
パイプ９ａ、外面循環冷却水排出パイプ９ｂ、内面冷却
用給水パイプ８、内面循環冷却水供給パイプ１０ａ、内
面循環冷却水排出パイプ１０ｂ、冷却水排出パイプ１１
を通過させ且つドーム加熱時には外部と遮断する図示し
ない適宜な構造を備えている。例えば、砂、粘土、シー
ル機構等による閉塞を行なう開口部２５ｄである。

【００４６】なお、加熱炉２５の位置が固定的であれ
ば、炉体２５ａの開口部２５ｄを設けず、各パイプ７、
９ａ、９ｂ、８、１０ａ、１０ｂ、１１を、床部２５ｂ
と基礎２６を通して設置してもよい。

【００４７】本実施の形態のアルミニウム合金製ドーム
の熱処理方法は、上記のような熱処理装置によって以下
のように行なわれる。本実施の形態のドーム１は直径１
ｍ、板厚３０ｍｍのアルミニウム合金（Ａ２０１４：ジ
ュラルミン）であり、外面冷却パイプ５と内面冷却パイ
プ６はＳＵＳ３０４製である。外面冷却ノズル５ａおよ
び内面冷却ノズル６ａはノズル径１０ｍｍ、ドーム外面
１ａ、ドーム内面１ｂに沿って設置間隔８０ｍｍで配置
される。

【００４８】ドーム加熱にあたっては、予め、炉体２５
ａを外して加熱炉２５の位置から外れた位置に移動させ
た状態で、床部２５ｂ上に設置された冷却治具２にドー
ム１を取付け、外面冷却ノズル５ａと内面冷却ノズル６
ａがそれぞれ所定の位置でドーム外面１ａとドーム内面
１ｂに向くように外面冷却パイプ５と内面冷却パイプ６
を配置し、その後、炉体２５ａを加熱炉２５の位置に戻
し、図５に示すように冷却治具２とドーム１に被せて覆
うように下ろし、所定温度、例えば５５０°Ｃで所定時
間、例えば１ｈｒ、冷却治具２とともに加熱を行なう．
そのとき実施の第１形態と同様に、外面冷却パイプ５と
内面冷却パイプ６は循環冷却水ｂにより常時冷却され、
その温度を略１００°Ｃ以下に保つことができる。

【００４９】ドーム加熱が終了すると、低周波加熱コイ
ルの電源を遮断し、図６に示すように、炉体２５ａを図
示しない昇降移動機構により持ち上げて冷却治具２とド
ーム１上から取外し、加熱炉２５の位置から移動させ
る。

【００５０】冷却治具２とドーム１はその位置のまま
で、外面冷却ノズル５ａ、内面冷却ノズル６ａから冷却
水ａを噴射して速やかにシャワー冷却でドーム１を冷却
する。

【００５１】冷却水ａは、実施の第１形態と同様に、外
面冷却ノズル５ａ、内面冷却ノズル６ａから約１０ｍ／
ｓｅｃで噴出するが、外面冷却パイプ５と内面冷却パイ
プ６はドーム加熱中、循環冷却水ｂで略１００°Ｃ以下
に冷却されているため、送り込まれた冷却水ａが外面冷
却パイプ５と内面冷却パイプ６内で沸騰して冷却水の噴
出が阻まれ冷却が遅れることが防止される。

【００５２】したがって、外面冷却ノズル５ａ、内面冷
却ノズル６ａから近距離で高速の冷却水ａの噴流をドー
ム１に吹き付けることができ、金属表面に発生する蒸気
膜を破り、熱伝達を向上させることができる。

【００５３】また、本実施の形態においても、ドーム加
熱に先立ち予めドーム１に対して冷却治具２の外面冷却
ノズル５ａ、内面冷却ノズル６ａを設置するので、ノズ
ル位置の精度が高く冷却速度を均一化でき、急冷におい
てもドーム１の変形量を著しく抑制できる。

【００５４】したがって、アルミニウム合金製のドーム
１の熱処理において変形を防止し且つ所定の冷却速度が
得られ時効後の強度が得られる。

【００５５】また、本実施の形態においては冷却治具２
側を移動させないことが可能なので、冷却水関係の配管
と炉体のシールが容易となる。加熱炉２５はその種類を
限定するものではないが、炉体２５ａの昇降移動を行な
うことから、比較的小型の加熱炉がより適性を有する。

【００５６】なお、加熱によるドーム１と冷却治具２の
熱膨張差による位置のずれは、予め冷却治具２の配置、
形状の決定時に折り込んでおくことにより対処できるこ
と、また、板厚が小さいときは内外面のいずれかの片面
からの冷却でも上記の効果を奏することができること
は、実施の第１形態と同じである。

【００５７】図７から図９に基づき、上記の実施の第１
形態および実施の第２形態のアルミニウム合金製ドーム
の熱処理方法における、冷却治具２の外面冷却ノズル５
ａまたは内面冷却ノズル６ａの配置間隔の、より適切な
設定方法につき説明する。

【００５８】図７は、冷却ノズルの配置間隔の設定のた
めの実験装置の構成図であり、図８は、冷却ノズルの配
置間隔の設定のための実験結果の例を示すグラフ、図９
は、両面冷却の一次元非定常熱伝導解析結果を示すグラ
フである。

【００５９】上記の実施の第１形態および実施の第２形
態において、アルミニウム合金の溶体化処理での時効後
の強度を確保するためには、冷却速度を一定の値以上に
する必要がある。例えば、Ａ２０１４合金では強度を確
保する冷却速度は３０°Ｃ／ｓｅｃとされており、ドー
ム１の全面においてをその冷却速度を得ることのできる
配置間隔で外面冷却ノズル５ａと内面冷却ノズル６ａ
（図７〜図９の説明において以下、単に「冷却ノズル３
０」と記す）の位置を設定しなければならない。

【００６０】しかしながら、冷却速度を得るために徒に
冷却水ａの流速を上げ、あるいは徒に冷却ノズル３０の
設置間隔を狭めて冷却条件を上げるのは、無駄が多く効
率的ではない。

【００６１】そこで、ドーム１の材質、板厚、冷却ノズ
ル３０の径、冷却ノズル３０からの冷却水ａの流速等を
パラメータとして、必要とする正確な冷却ノズル３０の
設置間隔の値を得て、それに基づいて適切に冷却ノズル
３０を設定した冷却治具２を用いて、上記実施の第１形
態または実施の第２形のアルミニウム合金製ドームの熱
処理方法を行なう必要がある。

【００６２】図７において、３１は実験装置の加熱炉で
あり、熱処理を行なおうとするアルミニウム合金製ドー
ムの実機と同じ材質、板厚の円盤の供試体３２の加熱を
行なう。加熱炉３１から引き出された位置の供試体３２
の盤面に対して垂直に向くように、実機の冷却治具２の
外面冷却ノズル５ａまたは内面冷却ノズル６ａと同等の
同じ径を有する実験用の冷却ノズル３０が設置されてい
る。

【００６３】冷却ノズル３０には水槽３３の冷却水ａが
ポンプ３４によって送りこまれるように配管されてお
り、必要な制御弁３５が設けられ、流量計３６、圧力計
３７と図示しない制御装置により、冷却ノズル３０から
噴射する冷却水ａの流速を設定できるようにしている。

【００６４】供試体３２の上面近傍には冷却ノズル３０
からの距離を定めて複数の点に熱電対３８が設けられ、
供試体３２表面の各部の温度を検出するように設定され
ており、同各部の冷却時の温度変化を計測する構成とな
っている。

【００６５】以上のような実験装置により、加熱炉３１
で実機の所定の加熱条件（例えば５５０°Ｃ、１ｈｒ）
で供試体３２を加熱した後、直ちに供試体３２を引き出
し、実機と同等の所定の（例えば１０ｍｍ径）冷却ノズ
ル３０から所定の流速（例えば１０ｍ／ｓｅｃ）で冷却
水ａを噴射し、複数の熱電対３８で供試体３２表面の各
部の温度変化を計測し、計測結果に基づき、そのノズル
形状、および冷却水ａの流速による熱伝達係数の分布の
関係を作成する。図８は、その冷却ノズル３０中心から
の半径方向距離ｄ（ｍｍ）に対する供試体３２表面の熱
伝達係数（Ｗ／ｍ² Ｋ）の関係の例を示すグラフであ
り、流速（ｍ／ｓｅｃ）をパラメータとして示される。

【００６６】また、一次元非定常熱伝導解析により、図
９に示すような供試体３２表面の熱伝達係数（Ｗ／ｍ²
Ｋ）と、供試体３２の板厚内の冷却速度（°Ｃ／ｓｅ
ｃ）の関係を解析することができる。なお、図９に示さ
れる関係は、両面冷却の一次元非定常熱伝導解析結果で
あり、供試体３２の材質、板厚をパラメータとしてお
り、図中の実線は材質Ａ２０１４、板厚３０ｍｍの場合
を示している。

【００６７】以上の様な実験結果と解析結果により、実
機のドーム１の条件に合わせた、実機における冷却ノズ
ル３０の設置間隔を求めることができる。

【００６８】すなわち、所定の材質の所定の板厚のドー
ム１において強度を確保するに必要な所定の冷却速度を
達成する冷却時の熱伝達係数は図９から求まり、その熱
伝達係数が得られるのは、所定の冷却ノズル３０からの
冷却水ａの所定の流速の噴射部（冷却ノズル３０中心）
からどの距離ｄまでかが、図８から求まる。

【００６９】従って、冷却ノズル３０の設置間隔は２ｄ
以下としなければならない。

【００７０】具体的には、図９によれば、例えば材質Ａ
２０１４合金、板厚３０ｍｍの板材において強度を確保
する冷却速度である３０°Ｃ／ｓｅｃを達成する必要な
熱伝達係数は、図９のグラフの板厚３０ｍｍの線から、
熱伝達係数６０００Ｗ／ｍ²Ｋ以上と読める。

【００７１】１０ｍｍ径の冷却ノズル３０から、流速１
０ｍ／ｓｅｃの冷却水ａの噴流を受けた材質Ａ２０１４
合金、板厚３０ｍｍの板材において、熱伝達係数６００
０Ｗ／ｍ² Ｋ以上の領域（冷却ノズル３０中心からの最
大距離ｄ）は、図８からｄ＝４０ｍｍ以下と読める。し
たがって、冷却ノズル３０の設置間隔は、２ｄ＝８０ｍ
ｍ以下となる。

【００７２】以上のように、実験と解析結果に基づいて
冷却ノズルの設置間隔を設定して、前述の実施の第１形
態または実施の第２形態のアルミニウム合金製ドームの
熱処理方法を実施することにより、実機のドーム１の材
質、板厚、冷却ノズル３０の径、流速に合わせて、熱処
理時の必要な冷却速度を確実に得ることができ、アルミ
ニウム合金の溶体化処理での時効後の強度を確保するこ
とができ、また、適切で無駄のない効率的な熱処理を行
なえる。

【００７３】以上、本発明の実施の形態を説明したが、
上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の
範囲内でその具体的構成および構造に種々の変更を加え
てもよいことは勿論である。

【００７４】

【発明の効果】（１）請求項１の発明によれば、アルミ
ニウム合金製ドームの熱処理方法を、複数の冷却ノズル
を有する冷却パイプを備える冷却治具に、外面と内面の
少なくとも一方の面を前記冷却ノズルに向けてアルミニ
ウム合金製ドームを取り付け、同アルミニウム合金製ド
ームを同冷却治具に取り付けた状態で加熱炉内に搬入
し、同加熱炉内で所定の加熱を行なった後、前記アルミ
ニウム合金製ドームを前記冷却治具とともに前記加熱炉
外に搬出し、前記冷却ノズルより冷却水を噴射して前記
アルミニウム合金製ドームの冷却を行なうように構成し
たので、ドーム加熱に先立ち予めアルミニウム合金製ド
ームに対して冷却治具の冷却ノズルを設置してあるた
め、ドーム加熱後、加熱炉から搬出して速やかに冷却ノ
ズルからの冷却水の噴流でシャワー冷却が行なえ、近距
離で高速の冷却水の噴流が金属表面に発生する蒸気膜を
破り、熱伝達を向上させることができる。また、予め冷
却ノズルを設置するため、ノズルの設置位置の精度が高
く冷却速度を均一化でき、急冷においてもアルミニウム
合金製ドームの変形量を著しく抑制できる。したがっ
て、アルミニウム合金製ドームの熱処理において変形を
防止し且つ所定の冷却速度が得られ時効後の強度が得ら
れる。

【００７５】（２）請求項２の発明によれば、アルミニ
ウム合金製ドームの熱処理方法を、複数の冷却ノズルを
有する冷却パイプを備える冷却治具に、外面と内面の少
なくとも一方の面を前記冷却ノズルに向けてアルミニウ
ム合金製ドームを取り付け、同アルミニウム合金製ドー
ムを同冷却治具に取り付けた状態で加熱炉の炉体を被せ
て覆い、同加熱炉内で所定の加熱を行なった後、前記加
熱炉の炉体を前記アルミニウム合金製ドームと前記冷却
治具上から取外し、前記冷却ノズルより冷却水を噴射し
て前記ドームの冷却を行なうように構成したので、ドー
ム加熱に先立ち予めアルミニウム合金製ドームに対して
冷却治具の冷却ノズルを設置してあるため、ドーム加熱
後、加熱炉の炉体を取外して速やかに冷却ノズルからの
冷却水の噴流でシャワー冷却が行なえ、近距離で高速の
冷却水の噴流が金属表面に発生する蒸気膜を破り、熱伝
達を向上させることができる。また、予め冷却ノズルを
設置するため、ノズルの設置位置の精度が高く冷却速度
を均一化でき、急冷においてもアルミニウム合金製ドー
ムの変形量を著しく抑制できる。したがって、アルミニ
ウム合金製ドームの熱処理において変形を防止し且つ所
定の冷却速度が得られ時効後の強度が得られる。

【００７６】（３）請求項３の発明によれば、請求項１
または請求項２に記載のアルミニウム合金製ドームの熱
処理方法において、熱処理を行なおうとする前記アルミ
ニウム合金製ドームと同じ材質と板厚の供試体に前記ア
ルミニウム合金製ドームを加熱すると同等の所定の加熱
を行なった後、同供試体を前記アルミニウム合金製ドー
ムの冷却を行なう前記冷却治具の冷却ノズルと同等の実
験用の冷却ノズルと冷却水の噴射で冷却し、冷却時の温
度変化を計測した結果をもとに冷却ノズル中心からの距
離と前記供試体表面の熱伝達係数の関係を求めるととも
に、数値解析により供試体表面の熱伝達係数と前記板厚
内の冷却速度との関係を求め、必要とする所定の冷却速
度を得られる前記冷却ノズル中心からの最大距離を、上
記の両関係から求めて、同最大距離をもとに前記冷却治
具の冷却ノズルの設置間隔を設定するように構成したの
で、請求項１または請求項２の発明の効果に加え、実験
による冷却ノズル中心からの距離と供試体表面の熱伝達
係数の関係と、数値解析による供試体表面の熱伝達係数
と供試体板厚内の冷却速度の関係に基づいて、所定の冷
却速度が得られる冷却ノズルの設置間隔を設定すること
により、アルミニウム合金製ドームの材質、板厚、冷却
ノズルの径、冷却水流速に合わせて、熱処理時の必要な
冷却速度を確実に得ることができ、アルミニウム合金の
溶体化処理での時効後の強度を確保することができ、ま
た、適切で無駄のない効率的な熱処理を行なえる。

【００７７】（４）請求項４の発明によれば、請求項１
ないし請求項３のいずれかに記載のアルミニウム合金製
ドームの熱処理方法において、前記冷却パイプを、前記
冷却ノズルに冷却水を送る冷却水流路と並んで同冷却パ
イプを冷却する循環冷却水を流す循環冷却水流路を備え
るものとして、前記加熱中に同循環冷却水流路に前記循
環冷却水を循環させ同冷却パイプを冷却するように構成
したので、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明の
効果に加え、冷却パイプがドーム加熱中、循環冷却水流
路に流される循環冷却水で冷却されているため、ドーム
冷却時に冷却水流路から冷却ノズルに送られる冷却水が
冷却パイプ内で沸騰して冷却水の噴出が阻まれ冷却が遅
れることが防止される。

【００７８】（５）請求項５の発明によれば、熱処理用
冷却治具を、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載
のアルミニウム合金製ドームの熱処理方法に用いられ前
記アルミニウム合金製ドームを載置して取付ける熱処理
用冷却治具であって、前記の取り付けられたアルミニウ
ム合金製ドームの外面と内面の少なくとも一方の面に向
けた複数の冷却ノズルを有する冷却パイプを備え、同冷
却パイプは前記冷却ノズルに冷却水を送る冷却水流路を
備え、同冷却水流路は同冷却水を供給する冷却用給水パ
イプと接続してなるように構成したので、請求項１ない
し請求項３のいずれかのアルミニウム合金製ドームの熱
処理方法を、具体的に実施可能とし、請求項１ないし請
求項３のいずれかの発明の効果を奏することができる。

【００７９】（６）請求項６の発明によれば、請求項５
に記載の熱処理用冷却治具において、前記冷却パイプは
前記冷却水流路と並んで循環冷却水を循環する循環冷却
水流路を備え、同循環冷却水流路は同循環冷却水を供給
する循環冷却水供給パイプと同循環冷却水を排出する循
環冷却水排出パイプとに接続してなるように構成したの
で、請求項５の効果に加え、冷却パイプをドーム加熱中
冷却することができ、冷却水流路から冷却ノズルに送ら
れる冷却水が冷却パイプ内で沸騰して冷却水の噴出が阻
まれ冷却が遅れることを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】アルミニウム合金製ドームを載置した状態を示
す本発明の実施の第１形態および実施の第２形態に係る
熱処理用冷却治具の断面図である。

【図２】図１中Ａ−Ａ矢視による熱処理用冷却治具の外
面冷却パイプの拡大断面図である。

【図３】本発明の実施の第１形態の熱処理方法の施工手
順の説明図であり、アルミニウム合金製ドーム加熱時の
状態を示す。

【図４】本発明の実施の第１形態の熱処理方法の施工手
順の説明図であり、アルミニウム合金製ドーム冷却時の
状態を示す。

【図５】本発明の実施の第２形態の熱処理方法の施工手
順の説明図であり、アルミニウム合金製ドーム加熱時の
状態を示す。

【図６】本発明の実施の第２形態の熱処理方法の施工手
順の説明図であり、アルミニウム合金製ドーム冷却時の
状態を示す。

【図７】本発明の実施の第１形態および実施の第２形態
における外面冷却ノズルまたは内面冷却ノズルの配置間
隔等の設定のための実験装置の構成図である。

【図８】図７の実験装置による外面冷却ノズルまたは内
面冷却ノズルの配置間隔の設定のための実験結果の例を
示すグラフである。

【図９】両面冷却の一次元非定常熱伝導解析結果を示す
グラフである。

【符号の説明】

１ ドーム ２ 冷却治具 ３ 冷却水受け皿 ４ 載置台 ５ 外面冷却パイプ ５ａ 外面冷却ノズル ６ 内面冷却パイプ ６ａ 内面冷却ノズル ７ 外面冷却用給水パイプ ８ 内面冷却用給水パイプ ９ａ 外面循環冷却水供給パイプ ９ｂ 外面循環冷却水排出パイプ １０ａ 内面循環冷却水供給パイプ １０ｂ 内面循環冷却水排出パイプ １１ 冷却水排出パイプ １２ａ 冷却水流路 １２ｂ 循環冷却水流路 １３ａ 冷却水流路 １３ｂ 循環冷却水流路 １４ 移動台車 １５ 加熱炉 １５ａ 壁体 １５ｂ 床部 １５ｃ 側壁部 １６ 基礎 ２５ 加熱炉 ２５ａ 炉体 ２５ｂ 床部 ２６ 基礎 ３０ 冷却ノズル ３１ 加熱炉 ３２ 供試体 ３３ 水槽 ３４ ポンプ ３５ 制御弁 ３６ 流量計 ３７ 圧力計 ３８ 熱電対

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｆ 1/00 ６２０ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６２０ ６３０ ６３０Ａ ６７２ ６７２ (72)発明者 都筑 隆之 名古屋市港区大江町10番地 三菱重工業株 式会社名古屋航空宇宙システム製作所内 (72)発明者 山田 毅 名古屋市港区大江町10番地 三菱重工業株 式会社名古屋航空宇宙システム製作所内 Ｆターム(参考） 4K034 AA02 BA06 DB03 EA02 FA05 FB03 FB09 GA07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の冷却ノズルを有する冷却パイプを
   備える冷却治具に、外面と内面の少なくとも一方の面を
   前記冷却ノズルに向けてアルミニウム合金製ドームを取
   り付け、同アルミニウム合金製ドームを同冷却治具に取
   り付けた状態で加熱炉内に搬入し、同加熱炉内で所定の
   加熱を行なった後、前記アルミニウム合金製ドームを前
   記冷却治具とともに前記加熱炉外に搬出し、前記冷却ノ
   ズルより冷却水を噴射して前記ドームの冷却を行なうこ
   とを特徴とするアルミニウム合金製ドームの熱処理方
   法。
2. 【請求項２】 複数の冷却ノズルを有する冷却パイプを
   備える冷却治具に、外面と内面の少なくとも一方の面を
   前記冷却ノズルに向けてアルミニウム合金製ドームを取
   り付け、同アルミニウム合金製ドームを同冷却治具に取
   り付けた状態で加熱炉の炉体を被せて覆い、同加熱炉内
   で所定の加熱を行なった後、前記加熱炉の炉体を前記ア
   ルミニウム合金製ドームと前記冷却治具上から取外し、
   前記冷却ノズルより冷却水を噴射して前記ドームの冷却
   を行なうことを特徴とするアルミニウム合金製ドームの
   熱処理方法。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載されたア
   ルミニウム合金製ドームの熱処理方法において、熱処理
   を行なおうとする前記アルミニウム合金製ドームと同じ
   材質と板厚の供試体に前記アルミニウム合金製ドームを
   加熱すると同等の所定の加熱を行なった後、同供試体を
   前記アルミニウム合金製ドームの冷却を行なう前記冷却
   治具の冷却ノズルと同等の実験用の冷却ノズルと冷却水
   の噴射で冷却し、冷却時の温度変化を計測した結果をも
   とに冷却ノズル中心からの距離と前記供試体表面の熱伝
   達係数の関係を求めるとともに、数値解析により供試体
   表面の熱伝達係数と前記板厚内の冷却速度との関係を求
   め、必要とする所定の冷却速度を得られる前記冷却ノズ
   ル中心からの最大距離を、上記の両関係から求めて、同
   最大距離をもとに前記冷却治具の冷却ノズルの設置間隔
   を設定することを特徴とするアルミニウム合金製ドーム
   の熱処理方法。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれかに記
   載されたアルミニウム合金製ドームの熱処理方法におい
   て、前記冷却パイプを、前記冷却ノズルに冷却水を送る
   冷却水流路と並んで同冷却パイプを冷却する循環冷却水
   を流す循環冷却水流路を備えるものとして、前記加熱中
   に同循環冷却水流路に前記循環冷却水を循環させ同冷却
   パイプを冷却することを特徴とするアルミニウム合金製
   ドームの熱処理方法。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項３のいずれかに記
   載のアルミニウム合金製ドームの熱処理方法に用いられ
   前記アルミニウム合金製ドームを載置して取付ける熱処
   理用冷却治具であって、前記の取り付けられたアルミニ
   ウム合金製ドームの外面と内面の少なくとも一方の面に
   向けた複数の冷却ノズルを有する冷却パイプを備え、同
   冷却パイプは前記冷却ノズルに冷却水を送る冷却水流路
   を備え、同冷却水流路は同冷却水を供給する冷却用給水
   パイプと接続してなることを特徴とする熱処理用冷却治
   具。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の熱処理用冷却治具にお
   いて、前記冷却パイプは前記冷却水流路と並んで循環冷
   却水を循環する循環冷却水流路を備え、同循環冷却水流
   路は同循環冷却水を供給する循環冷却水供給パイプと同
   循環冷却水を排出する循環冷却水排出パイプとに接続し
   てなることを特徴とする熱処理用冷却治具。