JPH08304180A - 深穴用内壁面温度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 所定の部材に形成された深穴の内壁面の局所
温度を正確に検出することができる深穴用内壁面温度検
出装置を提供する。 【構成】 金型１０に形成された水冷穴１２の分岐部１
６の熱処理に際して、その水冷穴１２の分岐部１６に差
し入れられた深穴用内壁面温度検出装置３６の熱電対４
８の先端部付近には、分岐部１６の内壁面から放射され
る輻射エネルギーを吸収して熱電対４８の接合部４６を
加熱する輻射エネルギー吸収体すなわちインシュレータ
５２が設けられていることから、水冷穴１２の分岐部１
６の内壁面から放射される輻射エネルギーに対応した大
きさの起電力が熱電対４８から出力されるので、高周波
誘導加熱コイル２６によりその近傍の雰囲気が冷却され
た状態でも分岐部１６の内壁面の局所温度を正確に検出
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直径よりも軸心方向の
距離が充分に大きくなるように所定の部材に形成された
深穴の内壁面の局所温度を検出するための深穴用内壁面
温度検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】直径よりも軸心方向の距離が充分に大き
くなるように所定の部材に形成された深穴の所定場所の
内壁面の温度を局所的に測定する際には、熱電対などに
より構成された温度測定用プローブが上記深穴に差し入
れられる。たとえば、アルミダイキャスト用金型内に形
成された水冷穴の分岐部分に熱処理を施すためにその分
岐部分の内壁面の温度を局所的に検出する場合がそれで
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記温度測
定用プローブを用いる場合には、深穴内の所定場所の内
壁面との接触ができず、接触し得たとしても不充分であ
るために内壁面からの熱伝導が充分に得られないことか
ら、主として深穴内の所定場所の雰囲気温度が測定され
てしまうので、内壁面の温度が正確に測定され得ない欠
点があった。このように、深穴内の所定場所の内壁面の
温度が正確に測定され得ない場合には、その所定場所の
内壁面に施される熱処理が不充分となるおそれがあるの
である。特に、冷却水が縦通させられることにより冷却
される高周波誘導加熱コイルを用いて深穴の内壁面を局
部的に熱処理する場合においては、その高周波誘導加熱
コイル近傍の雰囲気が冷却されるので、上記の不都合が
顕著となる。

【０００４】本発明は以上の事情を背景として為された
ものであり、その目的とするところは、所定の部材に形
成された深穴の内壁面の局所温度を正確に検出すること
ができる深穴用内壁面温度検出装置を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための第１の手段】かかる目的を達成
するための本発明の要旨とするところは、直径よりも軸
心方向の距離が充分に大きくなるように所定の部材に形
成された深穴の内壁面の局所温度を検出するために、そ
の深穴に差し入れられる深穴用内壁面温度検出装置であ
って、(a) 前記深穴内に差し入れられる先端部が相互に
接合された異種金属からなる一対のリード線を備え、そ
の先端部の温度に対応した起電力を発生する熱電対と、
(b) その熱電対の先端部付近に設けられ、前記深穴の内
壁面から放射される輻射エネルギーを吸収してその熱電
対の先端部に伝導する輻射エネルギー吸収体とを、含む
ことにある。

【０００６】

【作用および第１発明の効果】このようにすれば、所定
の部材に形成された深穴内に差し入れられる熱電対の先
端部付近には、深穴の内壁面から放射される輻射エネル
ギーを吸収してその熱電対の先端部に伝導する輻射エネ
ルギー吸収体が設けられていることから、深穴の内壁面
から放射される輻射エネルギーに対応した大きさの起電
力が熱電対から出力されるので、深穴の内壁面の局所温
度を正確に検出することができる。

【０００７】

【課題を解決するための第２の手段】かかる目的を達成
するための本発明の要旨とするところは、直径よりも軸
心方向の距離が充分に大きくなるように所定の部材に形
成された深穴の内壁面の局所温度を検出するために、そ
の深穴に差し入れられる深穴用内壁面温度検出装置であ
って、(a) 先端部が前記深穴内に差し入れられる光ファ
イバーと、(b) その光ファイバーの先端部を露出させた
状態でその光ファイバーの外周面を覆う被覆管と、(c)
前記光ファイバーの基端部に設けられ、その光ファイバ
ーの先端部より伝送された輻射エネルギーを吸収して前
記深穴の内壁面の局所温度に対応する温度信号を出力す
る光検出素子とを、含むことにある。

【０００８】

【作用および第２発明の効果】このようにすれば、所定
の部材に形成された深穴の内壁面から放射される輻射エ
ネルギーは、その深穴内に差し入れられる光ファイバー
の先端部付近に入射させられてその光ファイバーの基端
部に伝送され、その光ファイバーの基端部に設けられた
光検出素子により検出されることから、深穴の内壁面か
ら放射される輻射エネルギーに対応した大きさの温度信
号が光検出素子から出力されるので、深穴の内壁面の局
所温度を正確に検出することができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳
細に説明する。

【００１０】図１は、金型１０に形成された水冷穴１２
の分岐部の内壁面の耐ヒートクラック性を高めるため
に、その分岐部の内壁面に熱処理（焼鈍処理）を行う深
穴用熱処理装置１４を示す図である。上記金型１０は、
たとえば図２に示すような工具鋼製のアルミダイキャス
ト用金型であって、その水冷穴１２の分岐部１６の内壁
面には、熱応力に起因するヒートクラックの発生を防止
するために焼鈍処理が行われる。上記水冷穴１２は、そ
の直径よりも充分に大きい軸心方向の寸法すなわち深さ
を備えた深穴である。

【００１１】上記深穴用熱処理装置１４は、金型１０の
水冷穴１２であって分岐部１６の内壁面を加熱するため
の内壁面加熱装置２０と、冷却により金型１０の外壁面
の温度を調節するための外壁面冷却装置２２と、上記水
冷穴１２の内壁面の温度と金型１０の外壁面の温度とを
それぞれ調節することにより、その水冷穴１２の分岐部
１６の内壁面に所望の熱処理を施す温度制御装置２４と
を備えている。

【００１２】上記内壁面加熱装置２０は、前記水冷穴１
２内に差し入れられるために偏平ループ状に曲成された
長手状の高周波誘導加熱コイル２６と、その高周波誘導
加熱コイル２６に対して２００ｋＨｚ以上の高周波電力
を供給する高周波電源装置２８とを備え、上記温度制御
装置２４からの指令に従って水冷穴１２の内壁面を表皮
効果により高周波加熱する。上記高周波誘導加熱コイル
２６は、図３、図４、図５にそれぞれ示されるように、
断面が円形の金属パイプが曲成されたものであり、使用
に際してはその内部に冷却用媒体が循環させられるよう
になっている。

【００１３】また、上記外壁面冷却装置２２は、断熱壁
により構成されて金型１０を収容する温度槽３０と、温
度槽３０内に冷却空気を吹き込むための送風機３２と、
送風機３２へ供給する駆動信号を変化させることにより
送風機３２の送風量を変化させる駆動回路３４とを備
え、温度制御装置２４からの指令に従って金型１０の外
壁面温度を調節する。

【００１４】前記温度制御装置２４には、深穴用内壁面
温度検出装置３６により検出された水冷穴１２の内壁面
の温度Ｔ_INを表す信号ＳＴ_INと、外壁面温度検出装置３
８により検出された金型１０の外壁面温度Ｔ_OUT を表す
信号ＳＴ_OUT とがそれぞれ供給されるようになってい
る。この外壁面温度検出装置３８は、たとえば熱電対な
どの温度検出素子から構成され、金型１０の外壁面に装
着される。

【００１５】上記深穴用内壁面温度検出装置３６は、た
とえば図３、図４、図５にそれぞれ示されるように、水
冷穴１２内に挿入可能な幅寸法を備え且つセラミック
ス、耐熱ガラスなどの絶縁材料から構成された長手状保
持板４０に対して、前記高周波誘導加熱コイル２６と共
に、たとえばセラミック系耐熱絶縁性接着剤（商品名：
アロンセラミックなど）から構成された固定帯４２によ
り固定されている。深穴用内壁面温度検出装置３６は、
たとえば図６に示すように、水冷穴１２内に差し入れら
れる先端部が相互に接合された異種金属からなる一対の
リード線４４ａおよび４４ｂを備え、それらリード線４
４ａおよび４４ｂの接合部４６の温度に対応した起電力
を発生する熱電対４８と、一対の縦通穴５０によりその
熱電対４８をその先端部付近まで収容することにより熱
電対４８を保持するセラミックス製のインシュレータ５
２とから構成されている。このインシュレータ５２の先
端面は上記接合部４６に略接触する程度まで接近して位
置させられていることから、水冷穴１２の内壁面からの
輻射エネルギーがインシュレータ５２の先端部に吸収さ
れ、その吸収により発生した熱が上記熱電対４８の先端
の接合部４６に伝導されるようになっている。本実施例
では、上記インシュレータ５２の先端部が輻射エネルギ
ー吸収体として機能している。

【００１６】前記温度制御装置２４は、ＣＰＵ、ＲＯ
Ｍ、ＲＡＭなどを含む所謂マイクロコンピュータにより
構成されており、予めＲＯＭなどに記憶されたプログラ
ムに従って入力信号を処理し、高周波電源装置２８およ
び駆動回路３４へ指令信号を出力することにより、水冷
穴１２の分岐部１６の内壁面に焼鈍を施す。

【００１７】図１の温度制御装置２４内には、温度制御
装置２４の制御機能の要部を説明する機能ブロック線図
が記載されている。各機能ブロックは、温度制御装置２
４の制御機能の各要部にそれぞれ対応するものである。
以下、それらの各機能ブロックを用いて温度制御装置２
４の制御機能を説明する。

【００１８】設定パラメータ読込手段６０は、図示しな
い入力装置から入力された設定パラメータを読み込む。
この設定パラメータは、分岐部１６の内壁面に施す熱処
理温度Ｔ_AN、分岐部１６の内壁面に施す熱処理深さ
Ｄ_AN、金型１０の放熱係数（熱交換係数或いは熱伝達係
数）Ｋなどである。上記の熱処理温度Ｔ_ANは、焼鈍に好
適な７００℃程度の値に設定される。

【００１９】内壁面目標温度算出手段６２は、予め実験
的に求められた複数種類の時間函数から、設定された分
岐部１６の内壁面に施す熱処理温度Ｔ_ANに基づいて、そ
の熱処理温度Ｔ_ANを最終値として立ち上がる時間函数を
選択し、時間経過に伴って最終値まで所定の速度で変化
してその最終値に所定時間保持する内壁面目標温度Ｔ _IN
^T を出力する。

【００２０】制御偏差演算手段６４は、上記内壁面目標
温度Ｔ_IN ^T と前記深穴用内壁面温度検出装置３６により
検出された実際の内壁面の温度Ｔ_INとの偏差（Ｔ_IN ^T −
Ｔ_IN）を算出する。内壁面温度調節手段６６は、よく知
られたフィードバック制御式からその偏差（Ｔ_IN ^T −Ｔ
_IN）に基づいて、その偏差（Ｔ_IN ^T −Ｔ_IN）を解消させ
る大きさの指令値を高周波電源装置２８へ出力する。

【００２１】一方、外壁面目標温度算出手段６８は、予
め記憶された関係から、入力設定された分岐部１６の内
壁面に施す熱処理温度Ｔ_AN、分岐部１６の内壁面に施す
熱処理深さＤ_AN、金型１０の放熱係数（熱交換係数或い
は熱伝達係数）Ｋなどに基づいて外壁面目標温度Ｔ_OUT
^T を算出する。上記関係は、分岐部１６の内壁面の温度
Ｔ_IN、金型１０の外壁面の温度Ｔ_OUT 、金型１０の放熱
係数Ｋなどのパラメータに基づいて決定される、たとえ
ば図７に示すような伝熱曲線（温度分布曲線）である。
一定の金型１０では放熱係数Ｋが一定であるので、設定
された分岐部１６の内壁面に施す熱処理温度Ｔ_AN ^T と熱
処理深さＤ_ANとをそれぞれ満足する伝熱曲線が一義的に
決定され、その伝熱曲線を形成するための外壁面温度が
外壁面目標温度Ｔ_OUT ^T として決定されるのである。

【００２２】制御偏差演算手段７０は、上記外壁面目標
温度Ｔ_OUT ^T と前記外壁面温度検出装置３８により検出
された実際の外壁面の温度Ｔ_OUT との偏差（Ｔ_OUT ^T −
Ｔ_{OU T} ）を算出する。外壁面温度調節手段７２は、よく
知られたフィードバック制御式からその偏差（Ｔ_OUT ^T
−Ｔ_OUT ）に基づいて、その偏差（Ｔ_OUT ^T −Ｔ_OUT）
を解消させる大きさの指令値を駆動回路３４へ出力し、
送風機３２から送られる冷却空気量を変化させる。

【００２３】上述のように、本実施例によれば、金型１
０に形成された水冷穴１２の分岐部１６の熱処理に際し
て、その水冷穴１２の分岐部１６に差し入れられた深穴
用内壁面温度検出装置３６の熱電対４８の先端部付近に
は、分岐部１６の内壁面から放射される輻射エネルギー
を吸収して熱電対４８の接合部４６を加熱する輻射エネ
ルギー吸収体すなわちインシュレータ５２が設けられて
いることから、水冷穴１２の分岐部１６の内壁面から放
射される輻射エネルギーに対応した大きさの起電力が熱
電対４８から出力されるので、高周波誘導加熱コイル２
６によりその近傍の雰囲気が冷却された状態でも分岐部
１６の内壁面の局所温度を正確に検出することができ
る。

【００２４】なお、上記実施例において、図６の破線に
示すように、耐熱セメント、耐火物粘土、或いはガラス
などから構成された無機接着剤８０を固着させると、そ
の無機接着剤８０において輻射エネルギーが吸収され且
つそれから変換された熱が熱電対４８の接合部４６に伝
達されるので、一層上記の効果を享受できる。この場合
には、無機接着剤８０およびインシュレータ５２が輻射
エネルギー吸収体として機能するが、好適には、輻射エ
ネルギーの吸収率を高めるためにそれら無機接着材８０
およびインシュレータ５２の少なくとも一方が黒色に着
色される。

【００２５】次に、本発明の他の実施例を説明する。な
お、以下の説明において前述の実施例に共通する部分に
は同一の符号を付して説明を省略する。

【００２６】図８に示す深穴用内壁面温度検出装置３６
は、所謂シーズ型熱電対と称されるものと同様に構成さ
れており、たとえば先端部が閉じられた可撓性のステン
レス管８２内に、アルミナ粉などの絶縁体粉体８４を介
して熱電対４８が電気的に絶縁された状態で保持されて
いる。本実施例においても、ステンレス管８２および絶
縁体粉体８４により吸収された輻射エネルギーが熱に変
換されて熱電対４８の接合部４６に伝達されるので、前
述の実施例と同様の効果が得られる。

【００２７】図９に示す深穴用内壁面温度検出装置３６
は、インシュレータ５２の先端面から突き出された熱電
対４８の接合部４６に、耐熱セメント、耐火物粘土、或
いはガラスなどから構成された無機接着剤８０が固着さ
れている。本実施例においても、その無機接着剤８０に
おいて輻射エネルギーが吸収され且つそれから変換され
た熱が熱電対４８の接合部４６に伝達されるので、前述
の実施例と同様の効果が得られる。

【００２８】図１０は、前記分岐部１６の内壁面から放
射される輻射光のエネルギーを直接的に検出する形式の
深穴用内壁面温度検出装置９０が、長手状保持板４０に
対して高周波誘導加熱コイル２６と共に取りつけられた
例を示している。上記深穴用内壁面温度検出装置９０
は、たとえば図１１に示すように、石英、サファイヤ、
高い光学的性質を備えた樹脂などの比較的長波長の光を
効率良く伝達する材料により単芯若しくは多芯に構成さ
れた所定長さの光ファイバー９２と、その光ファイバー
９２の外周面を保護し且つ外乱光を遮断するために光フ
ァイバー９２の先端部を残して被覆する、ステンレス薄
膜等の金属製或いは樹脂製の可撓性の被覆管９４と、光
ファイバー９２の基端部に固定されたカバー９６と、カ
バー９６内において光ファイバー９２に対応する状態で
固定された光検出素子９８とを備えている。その光検出
素子９８は、比較的長波長の赤外線領域の光を効率よく
電気信号に変換する、たとえばＰｂＳｅ、ＩｎＳｂ光電
変換素子、或いはｐｎ接合を備えた接合型光電変換素子
が好適に用いられる。

【００２９】本実施例によれば、金型１０に形成された
水冷穴１２の分岐部１６の内壁面内から放射される輻射
エネルギーは、水冷穴１２の断面である図１２に示すよ
うに、その水冷穴１２内に上記長手状保持板４０および
高周波誘導コイル２６と共に差し入れられた光ファイバ
ー９２の先端部付近に入射させられてその光ファイバー
９２の基端部に伝送され、その光ファイバー９２の基端
部に設けられた光検出素子９８により検出されることか
ら、水冷穴１２の内壁面から放射される輻射エネルギー
に対応した大きさの温度信号が光検出素子９８から出力
されるので、水冷穴１２の分岐部１６の内壁面の局所温
度を正確に検出することができる。ここで、上記図１２
に示すように、内壁面の１点Ａから放射された熱エネル
ギーは多重反射によって必ず光ファイバー９２に入射さ
せられることから、実質的に黒体と同様となって内壁面
の放射率が無関係となるので、これも測定精度が高めら
れる要因となっている。

【００３０】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
説明したが、本発明はその他の態様においても適用され
る。

【００３１】たとえば、前述の実施例の深穴用内壁面温
度検出装置９０では、光ファイバー９２の基端面に直接
的に対向して配置された光検出素子９８に替えて、既存
の放射温度計が設けられても差支えない。このような放
射温度計は、光学系により測定光が集光される光検出素
子が備えられる。

【００３２】また、前述の実施例の深穴用熱処理装置１
４は、水冷穴１２の分岐部１６の内壁面に焼鈍処理を施
すためのものであったが、焼き入れ処理を施すためのも
のであってもよい。

【００３３】また、前述の実施例では、水冷穴１２の分
岐部１６の内壁面に局所的に焼鈍処理を施すように説明
されていたが、分岐部１６以外の場所であっても何等差
支えない。

【００３４】また、前述の実施例では、外壁面冷却装置
２２は送風機３２により送風される空気によって冷却す
る形式のものであったが、水などの液体を用いて冷却す
る形式のものでもよい。このような場合には、高周波誘
導加熱コイル２６および熱電対４８が挿入される穴を除
く他の穴の開口が閉じられることにより、高周波誘導加
熱コイル２６や熱電対４８の絶縁が保持され得る。

【００３５】また、前述の実施例の高周波誘導加熱コイ
ル２６は断面円形の金属パイプであったが、断面矩形の
金属パイプであっても差し支えない。

【００３６】その他一々例示はしないが、本発明は当業
者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実
施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を含む深穴用熱処理装置の構
成を説明する図である。

【図２】図１の金型の一例を詳しく示す断面図である。

【図３】図１の実施例の深穴用内壁面温度検出装置が長
手状保持板に高周波誘導加熱コイルと共に固定された状
態を示す正面図である。

【図４】図１の実施例の深穴用内壁面温度検出装置が長
手状保持板に高周波誘導加熱コイルと共に固定された状
態を示す平面図である。

【図５】図１の実施例の深穴用内壁面温度検出装置が長
手状保持板に高周波誘導加熱コイルと共に固定された状
態を示す底面図である。

【図６】図３の深穴用内壁面温度検出装置要部を示す一
部を切り欠いた図である。

【図７】図１の制御装置に含まれる外壁面目標温度算出
手段が用いる伝熱曲線を示す図である。

【図８】本発明の他の実施例における図６に相当する図
である。

【図９】本発明の他の実施例における図６に相当する図
である。

【図１０】本発明の他の実施例の光学式の深穴用内壁面
温度検出装置を示す図３に相当する図である。

【図１１】図１０の実施例の光学式の深穴用内壁面温度
検出装置の構成を拡大して説明する図である。

【図１２】図１０の実施例の光学式の深穴用内壁面温度
検出装置の測定原理を説明する図である。

【符号の説明】

１０：金型 １２：水冷穴（深穴） ３６：深穴用内壁面温度検出装置 ４８：熱電対 ５２：インシュレータ（輻射エネルギー吸収体） ８０：無機接着剤（輻射エネルギー吸収体） ８２：ステンレス管、８４：絶縁体粉体（輻射エネルギ
ー吸収体） ９０：深穴用内壁面温度検出装置 ９２：光ファイバー ９４：被覆管 ９８：光検出素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直径よりも軸心方向の距離が充分に大き
   くなるように所定の部材に形成された深穴の内壁面の局
   所温度を検出するために、該深穴に差し入れられる深穴
   用内壁面温度検出装置であって、 前記深穴内に差し入れられる先端部が相互に接合された
   異種金属からなる一対のリード線を備え、該先端部の温
   度に対応した起電力を発生する熱電対と、 該熱電対の先端部付近に設けられ、前記深穴の内壁面か
   ら放射される輻射エネルギーを吸収して該熱電対の先端
   部に伝導する輻射エネルギー吸収体と、 を、含むことを特徴とする深穴用内壁面温度検出装置。
2. 【請求項２】 直径よりも軸心方向の距離が充分に大き
   くなるように所定の部材に形成された深穴の内壁面の局
   所温度を検出するために、該深穴に差し入れられる深穴
   用内壁面温度検出装置であって、 先端部が前記深穴内に差し入れられる光ファイバーと、 該光ファイバーの先端部を露出させた状態で該光ファイ
   バーの外周面を覆う被覆管と、 前記光ファイバーの基端部に設けられ、該光ファイバー
   の先端部より伝送された輻射エネルギーを吸収して前記
   深穴の内壁面の局所温度に対応する温度信号を出力する
   光検出素子とを、含むことを特徴とする深穴用内壁面温
   度検出装置。