JP7705038B2 - Heat calculation program and heat treatment device - Google Patents
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Description
本発明は、熱計算プログラム及び熱処理装置に関する。 The present invention relates to a thermal calculation program and a thermal processing device.
従来から、計算機シミュレーションを用いて熱計算を行う技術が知られている。この技術は、建築材(例えば、特許文献1を参照)や断熱容器(例えば、特許文献2を参照)を含む様々な構造物に適用し得る。 Technology for performing thermal calculations using computer simulations has been known for some time. This technology can be applied to various structures, including building materials (see, for example, Patent Document 1) and insulated containers (see, for example, Patent Document 2).
ところで、上記した熱計算は、例えば、高温減圧下で炭化水素系ガスによる真空浸炭を行うための熱処理装置(つまり、真空浸炭炉)の炉内温度を推定する際にも適用し得る。例えば、コントローラが炉内温度を推定し、得られた推定値を用いて炉内の温度制御をリアルタイムで行う場合が想定される。 The above-mentioned thermal calculations can also be applied, for example, to estimating the temperature inside a heat treatment device (i.e., a vacuum carburizing furnace) for vacuum carburizing using a hydrocarbon gas at high temperature and reduced pressure. For example, a controller can estimate the temperature inside the furnace and use the estimated value to control the temperature inside the furnace in real time.
しかしながら、特許文献1,2に開示される方法では、熱拡散方程式(あるいは、熱伝導方程式)を解くことを前提としており、熱計算の演算精度が高い反面、その分だけ演算時間が掛かってしまう。その結果、温度制御のリアルタイム性が損なわれるという問題が生じる。
However, the methods disclosed in
また、温度制御のリアルタイム性を確保すべく、定常解を求めるための演算量がより少ない手法、例えば、フーリエの法則に従った微分方程式を用いて熱計算を行うことが望ましい。ところが、断熱壁の一面上の温度と該一面とは反対の他面上の温度との間の温度差(以下、「両壁面間の温度差」ともいう)が高くなるにつれて、フーリエの法則の「破れ」が生じ、演算精度が低下するという別の問題が生じる。特に、真空浸炭炉のような熱処理装置では、両壁面間の温度差が概ね1000℃に達する場合もあり、上記した演算精度の低下がより顕著に現われる。 In addition, to ensure real-time temperature control, it is desirable to perform thermal calculations using a method that requires less calculations to find a steady-state solution, for example, a differential equation following Fourier's law. However, as the temperature difference between the temperature on one side of the insulating wall and the temperature on the opposite side (hereinafter also referred to as the "temperature difference between the two wall surfaces") increases, another problem occurs in that Fourier's law is "broken" and the calculation accuracy decreases. In particular, in heat treatment equipment such as a vacuum carburizing furnace, the temperature difference between the two wall surfaces can reach approximately 1000°C, and the above-mentioned decrease in calculation accuracy becomes more noticeable.
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、フーリエの法則に基づく熱計算を行う際に、断熱壁の両壁面間の温度差に起因する演算精度の低下を抑制可能な熱計算プログラム及び熱処理装置を提供することにある。 The present invention was made in consideration of these problems, and its purpose is to provide a thermal calculation program and a thermal processing device that can suppress the decrease in calculation accuracy caused by the temperature difference between both wall surfaces of an insulating wall when performing thermal calculations based on Fourier's law.
本発明の第1態様における熱計算プログラムは、断熱材を含む断熱壁の状態を記述する熱構造モデルに関して、フーリエの法則に従って得られる熱流束に、前記断熱材の表面上の位置での定積比熱に対する前記断熱材の厚さ方向の位置での定積比熱の比である定積比熱比を引数とする補正関数を乗算又は除算することで、前記熱流束を補正する補正ステップと、補正された前記熱流束を用いて前記熱構造モデルの定常解を求める演算ステップと、をコンピュータに実行させる。 The thermal calculation program in the first aspect of the present invention causes a computer to execute a correction step of correcting a heat flux obtained according to Fourier's law for a thermal structural model describing the state of an insulated wall including a thermal insulating material by multiplying or dividing the heat flux by a correction function having as an argument a constant volume specific heat ratio, which is the ratio of the constant volume specific heat at a position on the surface of the thermal insulating material to the constant volume specific heat at a position in the thickness direction of the thermal insulating material, and a calculation step of obtaining a steady-state solution of the thermal structural model using the corrected heat flux.
本発明の第2態様における熱計算プログラムでは、前記演算ステップでは、前記断熱壁における一面上の温度と該一面とは反対の他面上の温度との間の温度差が500℃以上になるように、前記熱構造モデルの拘束条件が付与される。 In the thermal calculation program according to the second aspect of the present invention, in the calculation step, a constraint is imposed on the thermal structural model so that the temperature difference between the temperature on one surface of the insulating wall and the temperature on the opposite surface is 500°C or more.
本発明の第3態様における熱計算プログラムでは、前記断熱壁における一方の表面上の温度と、前記一方の表面上に接する外気の温度との間の温度差を引数とする伝熱関数が奇関数となるように、前記熱構造モデルの拘束条件が付与される。 In the thermal calculation program according to the third aspect of the present invention, a constraint is imposed on the thermal structure model so that the heat transfer function, which takes as an argument the temperature difference between the temperature on one surface of the insulating wall and the temperature of the outside air in contact with the one surface, is an odd function.
本発明の第4態様における熱計算プログラムでは、前記補正関数は、前記定積比熱比の恒等関数である。 In the thermal calculation program according to the fourth aspect of the present invention, the correction function is an identity function of the constant volume specific heat ratio.
本発明の第5態様における熱処理装置は、被処理物の表面を処理する装置本体と、前記装置本体を制御するコントローラと、を備える装置であって、前記装置本体は、断熱材を含み、前記被処理物を囲むように設けられる断熱壁と、前記断熱壁により形成される加熱室内を加熱する加熱器と、を備え、前記コントローラは、前記断熱壁の状態を記述する熱構造モデルに関して、フーリエの法則に従って得られる熱流束に、前記断熱材の表面上の位置での定積比熱に対する前記断熱材の厚さ方向の任意の位置での定積比熱の比である定積比熱比を引数とする補正関数を乗算又は除算することで前記熱流束を補正し、補正された前記熱流束を用いて前記熱構造モデルの定常解を求め、前記定常解から前記加熱室内の温度の推定値を計算し、得られた前記推定値を用いて前記加熱器に対する加熱制御を行う。 The heat treatment device according to the fifth aspect of the present invention is a device comprising a device body for treating the surface of a workpiece and a controller for controlling the device body, the device body comprising an insulating wall including a heat insulating material and arranged to surround the workpiece, and a heater for heating the inside of a heating chamber formed by the insulating wall, the controller corrects the heat flux obtained according to Fourier's law for a thermal structural model describing the state of the insulating wall by multiplying or dividing the heat flux by a correction function having as an argument a constant volume specific heat ratio, which is the ratio of the constant volume specific heat at a position on the surface of the insulating material to the constant volume specific heat at any position in the thickness direction of the insulating material, and obtains a steady-state solution of the thermal structural model using the corrected heat flux, calculates an estimate of the temperature inside the heating chamber from the steady-state solution, and performs heating control on the heater using the obtained estimate.
本発明によれば、フーリエの法則に基づく熱計算を行う際に、断熱壁の両壁面間の温度差に起因する演算精度の低下を抑制することができる。 According to the present invention, when performing thermal calculations based on Fourier's law, it is possible to suppress the decrease in calculation accuracy caused by the temperature difference between both wall surfaces of an insulating wall.
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same components in each drawing are denoted by the same reference numerals as much as possible, and duplicate descriptions will be omitted.
[熱処理装置10の全体構成]
図1は、本発明の一実施形態における熱処理装置10の概略断面図である。この熱処理装置10は、真空浸炭炉12(「装置本体」に相当)と、コントローラ14(「コンピュータ」に相当)と、加熱電源16と、温度センサ18,20と、を含んで構成される。
[Overall configuration of heat treatment apparatus 10]
1 is a schematic cross-sectional view of a
真空浸炭炉12は、高温減圧下で炭化水素系ガスによる真空浸炭を行うための装置である。真空浸炭炉12は、被処理物であるワークWを収容する炉体22と、炉体22の内側に取り付けられている枠体24と、を備える。枠体24の内側には、相対的に大きい中空直方体状の断熱部材26と、相対的に小さい中空直方体状の断熱部材28と、断熱部材26を断熱部材28に連結するための複数の断熱部材30と、が設けられている。断熱部材26,28,30は、例えば、セラミックスファイバーボードなどの断熱材から構成される。2つの断熱部材26,28が離間して設けられることで、断熱層として機能する空間層32が形成されている。
The vacuum carburizing
炉体22の内部には、中空の断熱部材30に囲まれることで、真空浸炭を行うための浸炭室36が形成されている。炉体22には、その下部から浸炭室36の内方に延びるように炉床38が設けられている。炉床38の上端には、トレイ又はバスケット(不図示)に収容された状態にてワークWが載置されている。
The interior of the
炉体22の上部には、浸炭室36の内方に向かって延びるように複数本の放熱管40(「加熱器」に相当)が取り付けられている。各々の放熱管40は、浸炭室36の上端から下端までの範囲を広く網羅する位置に設けられている。これにより、浸炭室36がなす空間を略均等に加熱することができる。浸炭室36内は、例えば900℃を超える高温に設定される。
Multiple heat radiation pipes 40 (corresponding to "heaters") are attached to the upper part of the
炉体22の上部及び側部には、ワークWの位置に臨むように、複数本のガス導入ノズル42が設けられている。図示しないガス供給機構からガス導入ノズル42を介して浸炭室36に炭化水素ガスを導入することで、ワークWの表面に対して浸炭処理を施すことができる。
Multiple
炉体22の下部には、浸炭室36と真空浸炭炉12の外部とを連通させる排気管44が設けられている。図示しない真空ポンプを作動して排気口46から排気することで、浸炭室36内の圧力を調整することができる。
An
コントローラ14は、プロセッサ50及びメモリ52を有し、真空浸炭炉12の各部を動作制御するコンピュータである。コントローラ14は、メモリ52に記憶されたプログラム及びデータを読み出して実行することで、[1]炭化水素ガスを浸炭室36内に供給する供給制御、[2]浸炭室36内の圧力を調整する圧力制御、及び[3]浸炭室36内を加熱する加熱制御などを同期的又は並列的に実行する。これらの動作制御を行うため、流量センサ、圧力センサ(いずれも不図示)及び温度センサ18,20がコントローラ14に接続されている。
The
プロセッサ50は、温度センサ18,20から温度信号を取得し、測定された温度を用いて浸炭室36内の温度(以下、「炉内温度」ともいう)の推定値を計算する。そして、プロセッサ50は、自身が計算した推定値に基づいて加熱電源16をオン・オフすることで、各々の放熱管40に対する加熱制御を行う。ここでは、温度センサ18は炉体14の上部に接触する位置に、温度センサ20は真空浸炭炉12の周辺の位置にそれぞれ設けられている。
The
[コントローラ14の動作]
<温度制御動作の概要>
この実施形態における熱処理装置10は、以上のように構成される。続いて、熱処理装置10の動作、より詳しくは、コントローラ14による温度制御動作の一例について、図2のフローチャートを参照しながら説明する。
[Operation of controller 14]
<Overview of temperature control operation>
The
図2のステップSP10において、コントローラ14は、浸炭室36内の温度制御を継続するか否かを判定する。温度制御を継続する場合(ステップSP10:YES)、次のステップSP12に進む。
In step SP10 of FIG. 2, the
ステップSP12において、コントローラ14は、温度制御の実行タイミングが到来したか否かを判定する。実行タイミングがまだ到来していない場合(ステップSP12:NO)、ステップSP10に戻って、コントローラ14は、実行タイミングが到来するまでステップSP10,SP12を順次繰り返す。一方、実行タイミングが到来した場合(ステップSP12:YES)、次のステップSP14に進む。
In step SP12, the
ステップSP14において、コントローラ14は、現時点での炉内温度を推定する。この推定方法については、図3~図6を参照しながら後で詳しく説明する。
In step SP14, the
ステップSP16において、コントローラ14は、ステップSP14で計算された炉内温度の推定値に基づいて加熱電源16をオンまたはオフすることで、各々の放熱管40に対する加熱制御を行う。具体的には、コントローラ14は、いわゆるPID制御を含む公知の手法を用いて、予め定められた温度シーケンスに従って炉内温度が遷移するように温度制御を行う。
In step SP16, the
その後、ステップSP10に戻って、コントローラ14は、ステップSP10~SP16の動作を順次繰り返す。そして、コントローラ14は、浸炭室36内の温度制御を継続しない場合(ステップSP10:NO)、図2に示すフローチャートの動作を終了する。
Then, the process returns to step SP10, and the
<炉内温度の推定>
続いて、ステップSP14(図2)における炉内温度の推定方法について、図3のフローチャート及び図4を参照しながら詳細に説明する。
<Estimation of furnace temperature>
Next, a method for estimating the temperature inside the furnace in step SP14 (FIG. 2) will be described in detail with reference to the flow chart of FIG. 3 and FIG.
図3のステップSP20において、コントローラ14は、温度センサ18,20から温度信号を取得し、炉体22の外壁温度及び外部温度をそれぞれ測定する。
In step SP20 of FIG. 3, the
ステップSP22において、コントローラ14は、炉体14の熱構造モデル及び解法の組み合わせを決定する。この「熱構造モデル」は、断熱材を含む断熱壁の状態を記述する数理モデルを意味する。モデルの「解法」には、方程式の種類、拘束条件、解の求め方、初期値の付与方法、収束条件などが含まれる。
In step SP22, the
図4は、炉体22の内部構造を模擬した熱構造モデルの一例を模式的に示す図である。より詳しくは、本図は、三枚の断熱材が積層されてなる断熱壁の断面を示している。例えば、炉体22の内側から外側に向かう方向に座標軸(X軸)が定義される。座標軸上の位置(単位:m)に関して、「炉内」が高温側、「炉外」が低温側にそれぞれ対応する。定常状態における熱伝達係数h1,h2(単位:W/m2・K)や温度分布T(単位:℃)を特定するために必要なパラメータとして、[1]断熱材の熱伝導率λ1~λ3(単位:W/m・K)、[2]断熱材の厚さl1~l3(単位:m)、[3]断熱材の表面積A(単位:m2)、[4]高温側の流体温度Th(単位:℃)、[5]低温側の流体温度Tc(単位:℃)、[6]高温側の壁面温度Twh(単位:℃)、[7]低温側の壁面温度Twc(単位:℃)などが挙げられる。
4 is a diagram showing a schematic example of a thermal structure model simulating the internal structure of the
図3のステップSP24において、コントローラ14は、算出対象である温度分布の初期値を与える。例えば、ニュートン・ラフソン法(以下、単に「ニュートン法」ともいう)を用いて非線形微分方程式を解く場合、いわゆる局所解にトラップされないように、初期値として定常解により近い値が与えられることが望ましい。
In step SP24 of FIG. 3, the
ステップSP26において、コントローラ14は、ステップS24で与えられた温度分布を、ニュートン法を含む逐次近似法を用いて更新する。コントローラ14は、高温側から低温側にわたって「前進差分法」により温度を位置毎に順次更新してもよいし、低温側から高温側にわたって「後退差分法」により温度を位置毎に順次更新してもよい。位置の間隔(ΔX)は、例えば、1mm間隔、5mm間隔など様々な値に設定され得る。後述するように、補正された熱流束が、温度分布の更新に使用される。
In step SP26, the
ステップSP28において、コントローラ14は、ステップSP26の更新後に、所定の収束条件を満たすか否かを判定する。収束条件の一例として、断熱壁に出入りする熱流束の差分が微小値になることなどが挙げられる。収束条件をまだ満たさないと判定された場合(ステップSP28:NO)、コントローラ14は、ステップSP26に戻って、収束条件を満たすようになるまでステップSP26,SP28を順次繰り返す。一方、収束条件を満たしていると判定された場合(ステップSP28:YES)、次のステップSP30に進む。
In step SP28, the
ステップSP30において、コントローラ14は、ステップSP26にて最後に求めた温度分布及び熱伝達係数を定常解として決定し、得られた温度分布を用いて炉内温度を推定する。このようにして、コントローラ14は、図3のフローチャート(図2のステップSP16)を終了する。
In step SP30, the
<熱計算方法の特徴>
続いて、この実施形態における熱計算方法の特徴について、図5及び図6を参照しながら説明する。
<Characteristics of the thermal calculation method>
Next, the features of the heat calculation method in this embodiment will be described with reference to FIGS.
(1.フーリエの法則の改良)
熱計算に用いられる方程式の一例として、熱拡散方程式が挙げられる。ところが、熱拡散方程式を用いることで熱計算の演算精度が高くなる反面、その分だけ演算時間が掛かってしまう。つまり、リアルタイム性が確保しにくいため、オンライン温度制御には不向きである。
(1. Improvement of Fourier's Law)
One example of an equation used in thermal calculations is the heat diffusion equation. However, while the use of the heat diffusion equation increases the accuracy of the thermal calculation, it also takes longer to calculate. In other words, it is difficult to ensure real-time performance, making it unsuitable for online temperature control.
そこで、定常解を求めるための演算量をより少なくすべく、「フーリエの法則」に従った微分方程式を用いて熱計算を行うことが考えられる。このフーリエの法則は、具体的には、以下の式(1)で与えられる。なお、Qは熱流束(単位;W/m2)、Aは断熱壁の表面積(単位:m2)、λは熱伝導率(単位:W/m・K)、Tは温度(単位:K)にそれぞれ相当する。 Therefore, in order to reduce the amount of calculation required to obtain a steady-state solution, it is possible to perform thermal calculations using a differential equation according to "Fourier's law". Specifically, Fourier's law is given by the following equation (1). Note that Q corresponds to heat flux (unit: W/ m2 ), A corresponds to the surface area of the insulating wall (unit: m2 ), λ corresponds to thermal conductivity (unit: W/m·K), and T corresponds to temperature (unit: K).
ところが、断熱壁の両壁面間の温度差が高くなるにつれて、フーリエの法則の「破れ」が生じ、温度差が概ね500℃を超えると熱計算の演算精度が低下するという別の問題が生じる。特に、真空浸炭炉12のような熱処理装置10では、両壁面間の温度差が800℃を超える場合が多く、上記した演算精度の低下がより顕著に現われる。
However, as the temperature difference between the two walls of the insulating wall increases, Fourier's law breaks down, and another problem occurs in that the accuracy of the thermal calculation decreases when the temperature difference exceeds approximately 500°C. In particular, in a
そこで、式(1)に示すフーリエの法則に改良を加えることで、熱拡散方程式の場合とほぼ同等の演算精度が得られる。熱流束Qは、以下の式(2)に従って求められる。 Therefore, by improving Fourier's law shown in equation (1), calculation accuracy almost equivalent to that of the heat diffusion equation can be obtained. The heat flux Q can be calculated according to the following equation (2).
式(1)及び式(2)から理解されるように、フーリエの法則に従って算出された熱流束Qに補正関数f(・)を乗算することで、補正された熱流束Qが求められる。この補正関数は、f(1)=1を満たす連続関数であり、例えば、多項式関数や指数関数などの様々な関数形状を有する。演算精度の向上及び演算量の低下を両立させるという観点では、補正関数が恒等関数(y=x)であることがより好ましい。 As can be seen from equations (1) and (2), the heat flux Q calculated according to Fourier's law is multiplied by the correction function f(·) to obtain the corrected heat flux Q. This correction function is a continuous function that satisfies f(1) = 1, and has various functional shapes, such as a polynomial function or an exponential function. From the viewpoint of achieving both improved calculation accuracy and reduced calculation volume, it is more preferable that the correction function is an identity function (y = x).
また、補正関数の引数であるrCvは、定積比熱の比(以下、「定積比熱比」という)であり、無次元の物理量である。rCvは、具体的には、以下の式(3)に従って求められる。 The argument of the correction function, rCv, is the ratio of specific heats at constant volume (hereinafter referred to as the "specific heat ratio at constant volume") and is a dimensionless physical quantity. Specifically, rCv is calculated according to the following formula (3).
ここで、Cp(・)は定圧比熱であり、ρ(・)は密度である。また、Tbは断熱材の表面温度であり、Tは断熱材の厚さ方向の任意の位置での温度に相当する。つまり、「定積比熱比」は、断熱材の表面上の位置での定積比熱に対する断熱材の厚さ方向の任意の位置での定積比熱の比である。 Here, Cp(.) is the specific heat at constant pressure, and ρ(.) is the density. Furthermore, Tb is the surface temperature of the insulation material, and T corresponds to the temperature at any position in the thickness direction of the insulation material. In other words, the "specific heat ratio at constant volume" is the ratio of the specific heat at constant volume at any position in the thickness direction of the insulation material to the specific heat at constant volume at a position on the surface of the insulation material.
図5は、補正関数の一例を示す図である。グラフの横軸は厚さ方向の位置(単位:mm)を示すとともに、グラフの縦軸は補正関数の値(単位:無次元)を示している。ここでは、高温側の表面の位置をX=0とし、低温側の表面の位置をX=Dとする。本図のグラフから理解されるように、前進差分の場合、任意の位置における定積比熱は、X=0における定積比熱により正規化される。つまり、補正関数は、X=0にて値が1であり、Xが増加するにつれて徐々に増加する特性を有する。一方、後退差分の場合、任意の位置における定積比熱は、X=Dにおける定積比熱により正規化される。つまり、補正関数は、X=Dにて値が1であり、Xが減少するにつれて徐々に減少する特性を有する。 Figure 5 is a diagram showing an example of a correction function. The horizontal axis of the graph indicates the position in the thickness direction (unit: mm), and the vertical axis of the graph indicates the value of the correction function (unit: dimensionless). Here, the position of the surface on the high temperature side is X=0, and the position of the surface on the low temperature side is X=D. As can be seen from the graph in this figure, in the case of forward differential, the isochoric specific heat at any position is normalized by the isochoric specific heat at X=0. In other words, the correction function has a property that the value is 1 at X=0 and gradually increases as X increases. On the other hand, in the case of backward differential, the isochoric specific heat at any position is normalized by the isochoric specific heat at X=D. In other words, the correction function has a property that the value is 1 at X=D and gradually decreases as X decreases.
このように、定積比熱比を引数とする補正関数を用いて熱流束を補正することで、フーリエの法則に対して「比熱」の違いを反映させることができる。その結果、断熱壁の両壁面間の温度差に起因する演算精度の低下が抑制される。 In this way, by correcting the heat flux using a correction function that uses the constant volume specific heat ratio as an argument, it is possible to reflect the difference in "specific heat" in Fourier's law. As a result, the decrease in calculation accuracy caused by the temperature difference between both wall surfaces of an insulated wall is suppressed.
(2.伝熱関数の形状)
図6は、伝熱関数の形状の一例を示す図である。グラフの横軸は温度差(単位:℃)を示すとともに、グラフの縦軸は熱流束(単位:単位;W/m2)を示している。この「温度差」とは、外部温度(Tc)から表面温度(Twc)を差し引いた値を意味する。全体の伝熱関数Qoutは、例えば、「輻射伝熱」を示す第1関数と「対流伝熱」を示す第2関数の和で表される。
(2. Shape of Heat Transfer Function)
6 is a diagram showing an example of the shape of a heat transfer function. The horizontal axis of the graph indicates the temperature difference (unit: °C), and the vertical axis of the graph indicates the heat flux (unit: W/m 2 ). This "temperature difference" means the value obtained by subtracting the surface temperature (Twc) from the external temperature (Tc). The entire heat transfer function Qout is expressed, for example, as the sum of a first function indicating "radiative heat transfer" and a second function indicating "convective heat transfer".
ここで、入力側の熱流束Qinが一定であると仮定して、出力側の熱流束Qoutが釣り合う場合が温度分布の定常解になる。そのため、ニュートン法を用いて定常解を求める際には、図6に示すように、熱流束Qoutの伝熱関数が単調増加関数であることが望ましい。このため、伝熱関数が奇関数となるように拘束条件を付与してもよいし、正側あるいは負側に分けた複数の偶関数を繋いだ合成関数となるように拘束条件を付与してもよい。 Here, assuming that the heat flux Qin on the input side is constant, the steady-state solution of the temperature distribution is when the heat flux Qout on the output side is balanced. Therefore, when finding a steady-state solution using Newton's method, it is desirable that the heat transfer function of the heat flux Qout is a monotonically increasing function, as shown in Figure 6. For this reason, a constraint may be imposed so that the heat transfer function is an odd function, or a constraint may be imposed so that it is a composite function that connects multiple even functions divided into positive and negative sides.
<熱流束の補正による効果>
図7は、熱流束の補正による演算精度の向上効果の一例を示す図である。このグラフは、熱計算により得られた温度分布を示している。つまり、グラフの横軸は厚さ方向の位置(単位:mm)を示すとともに、グラフの縦軸は温度(単位:℃)を示している。「比較例(補正なし)」は、式(1)を用いて求めた温度分布の定常解に相当する。一方、「実施例(補正あり)」は、式(2)を用いて求めた温度分布の定常解に相当する。
<Effect of heat flux correction>
7 is a diagram showing an example of the effect of improving calculation accuracy by correcting the heat flux. This graph shows the temperature distribution obtained by thermal calculation. That is, the horizontal axis of the graph indicates the position in the thickness direction (unit: mm), and the vertical axis of the graph indicates the temperature (unit: ° C.). The "Comparative Example (without correction)" corresponds to the steady-state solution of the temperature distribution obtained using equation (1). On the other hand, the "Example (with correction)" corresponds to the steady-state solution of the temperature distribution obtained using equation (2).
本図から理解されるように、温度勾配が急激に変化する部位(X=80~100mm)を中心に両者のグラフに乖離が生じる。これに対して、熱拡散方程式を用いて求めた温度分布の定常解は、「実施例」のグラフに概ね一致する。換言すれば、熱流束の補正により、フーリエの法則を用いて熱計算を行う場合であっても演算精度の低下が抑制される。 As can be seen from this figure, a divergence occurs between the two graphs, mainly around the area where the temperature gradient changes abruptly (X = 80 to 100 mm). In contrast, the steady-state solution of the temperature distribution obtained using the heat diffusion equation generally coincides with the graph of the "Example". In other words, by correcting the heat flux, the decrease in calculation accuracy is suppressed even when heat calculations are performed using Fourier's law.
以上のように、この実施形態における熱計算プログラム及び方法では、一つ又は複数のコンピュータ(ここでは、コントローラ14)が、断熱材を含む断熱壁の状態を記述する熱構造モデルに関して、フーリエの法則に従って得られる熱流束に、断熱材の表面上の位置での定積比熱に対する断熱材の厚さ方向の任意の位置での定積比熱の比である定積比熱比を引数とする補正関数を乗算又は除算することで、熱流束を補正する補正ステップ(図3のSP26)と、補正された熱流束を用いて熱構造モデルの定常解を求める演算ステップ(SP28)を実行する。 As described above, in the thermal calculation program and method of this embodiment, one or more computers (here, controller 14) execute a correction step (SP26 in FIG. 3) for correcting the heat flux obtained according to Fourier's law by multiplying or dividing the heat flux by a correction function whose argument is the constant volume specific heat ratio, which is the ratio of the constant volume specific heat at a position on the surface of the insulation to the constant volume specific heat at any position in the thickness direction of the insulation, and a calculation step (SP28) for finding a steady-state solution of the thermal structure model using the corrected heat flux.
このように、定積比熱比を引数とする補正関数を用いて熱流束を補正することで、フーリエの法則に対して「比熱」の違いを反映させることができる。その結果、断熱壁の両壁面間の温度差に起因する演算精度の低下が抑制される。 In this way, by correcting the heat flux using a correction function that uses the constant volume specific heat ratio as an argument, it is possible to reflect the difference in "specific heat" in Fourier's law. As a result, the decrease in calculation accuracy caused by the temperature difference between both wall surfaces of an insulated wall is suppressed.
また、演算ステップでは、断熱壁における一面上の温度と該一面とは反対の他面上の温度との間の温度差が500℃以上になるように、熱構造モデルの拘束条件が付与されてもよい。この温度差が大きくなるにつれて、フーリエの法則の破れが生じる程度が大きくなる傾向があるので、その分だけ、補正関数を用いた補正による演算精度の維持効果がより顕著に現われる。 In addition, in the calculation step, a constraint condition may be imposed on the thermal structure model so that the temperature difference between the temperature on one surface of the insulating wall and the temperature on the opposite surface is 500°C or more. As this temperature difference increases, the degree to which Fourier's law is violated tends to increase, and therefore the effect of maintaining calculation accuracy by correction using the correction function becomes more pronounced.
また、断熱壁における一方の表面上の温度と、該一方の表面に接する外気の温度との間の温度差を引数とする伝熱関数が奇関数となるように、熱構造モデルの拘束条件が付与されてもよい。伝熱関数が原点対称になることで定常解の収束性が高まる。 A constraint may also be imposed on the thermal structure model so that the heat transfer function, whose argument is the temperature difference between the temperature on one surface of the insulating wall and the temperature of the outside air in contact with that surface, is an odd function. Making the heat transfer function symmetric about the origin improves the convergence of the steady-state solution.
また、補正関数は、定積比熱比の恒等関数であってもよい。これにより、演算精度の向上及び演算量の低下を両立させやすくなる。 The correction function may also be an identity function of the constant volume specific heat ratio. This makes it easier to improve the calculation accuracy while reducing the amount of calculation.
また、この実施形態における熱処理装置10は、被処理物(ここでは、ワークW)の表面を処理する装置本体(ここでは、真空浸炭炉12)と、真空浸炭炉12を制御するコントローラ14と、を備える。真空浸炭炉12は、断熱材を含み、ワークWを囲むように設けられる断熱壁(ここでは、断熱部材26,28,30)と、断熱壁により形成される加熱室(ここでは、浸炭室36)内を加熱する加熱器(ここでは、放熱管40)と、を備える。
The
そして、コントローラ14は、定積比熱比を引数とする補正関数を乗算又は除算することで熱流束を補正し、補正された熱流束を用いて熱構造モデルの定常解を求め、定常解から浸炭室36内の温度の推定値を計算し、得られた推定値を用いて放熱管40に対する加熱制御を行う。これにより、熱拡散方程式を用いて浸炭室36内の温度を推定する場合と比べて、定常解を求めるための演算量が少なくなるので、その分だけ温度制御のリアルタイム性を確保しやすくなる。
The
[変形例]
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。あるいは、技術的に矛盾が生じない範囲で各々の構成を任意に組み合わせてもよい。
[Modification]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be freely modified without departing from the spirit and scope of the present invention. Alternatively, the respective configurations may be arbitrarily combined without causing any technical contradiction.
上記した実施形態では、温度センサ18,20を用いて外壁温度及び外部温度を測定して浸炭室36内の温度を推定する場合について説明したが、温度センサの配置はこの形態に限られない。例えば、浸炭室36内に耐熱性の温度センサを設けてワークWの温度を推定してもよい。また、真空浸炭炉12の外部温度が既知の管理範囲内で保たれていれば、温度センサ20の構成を省略してもよい。
In the above embodiment, the
上記した実施形態では、熱処理装置10の一部を構成するコントローラ14が熱計算プログラムを実行する場合について説明したが、装置の構成はこれに限られない。例えば、真空浸炭炉12とは独立した汎用コンピュータが、計算機シミュレーションを目的として熱計算プログラムを実行してもよい。
In the above embodiment, the
10…熱処理装置、12…真空浸炭炉(装置本体)、14…コントローラ(コンピュータ)、26,28,30…断熱部材、36…浸炭室(加熱室)、50…プロセッサ、52…メモリ、W…ワーク(被処理物) 10...Heat treatment device, 12...Vacuum carburizing furnace (device body), 14...Controller (computer), 26, 28, 30...Insulating member, 36...Carburizing chamber (heating chamber), 50...Processor, 52...Memory, W...Work (processed object)
Claims (5)
補正された前記熱流束を用いて前記熱構造モデルの定常解を求める演算ステップと、
をコンピュータに実行させることを特徴とする熱計算プログラム。 A correction step of correcting a heat flux obtained according to Fourier's law with respect to a thermal structural model describing a state of an insulating wall including a thermal insulating material by multiplying or dividing the heat flux by a correction function having as an argument a constant volume specific heat ratio, which is the ratio of the constant volume specific heat at a position on the surface of the insulating material to the constant volume specific heat at an arbitrary position in the thickness direction of the insulating material;
A calculation step of obtaining a steady-state solution of the thermal structural model using the corrected heat flux;
A thermal calculation program characterized by causing a computer to execute the above.
前記装置本体は、
断熱材を含み、前記被処理物を囲むように設けられる断熱壁と、
前記断熱壁により形成される加熱室内を加熱する加熱器と、
を備え、
前記コントローラは、
前記断熱壁の状態を記述する熱構造モデルに関して、フーリエの法則に従って得られる熱流束に、前記断熱材の表面上の位置での定積比熱に対する前記断熱材の厚さ方向の任意の位置での定積比熱の比である定積比熱比を引数とする補正関数を乗算又は除算することで前記熱流束を補正し、
補正された前記熱流束を用いて前記熱構造モデルの定常解を求め、
前記定常解から前記加熱室内の温度の推定値を計算し、得られた前記推定値を用いて前記加熱器に対する加熱制御を行うことを特徴とする熱処理装置。 A heat treatment apparatus comprising an apparatus body for treating a surface of a workpiece and a controller for controlling the apparatus body,
The device body includes:
A heat insulating wall including a heat insulating material and arranged to surround the object to be treated;
A heater for heating a heating chamber formed by the heat insulating wall;
Equipped with
The controller:
With respect to a thermal structural model describing the state of the insulating wall, a heat flux obtained according to Fourier's law is corrected by multiplying or dividing the heat flux by a correction function having as an argument a constant volume specific heat ratio, which is the ratio of the constant volume specific heat at a position on the surface of the insulating material to the constant volume specific heat at an arbitrary position in the thickness direction of the insulating material;
determining a steady-state solution of the thermal structural model using the corrected heat flux;
a heat treatment apparatus comprising: a heat treatment unit for controlling heating of the heater by calculating an estimated value of a temperature in the heating chamber from the steady-state solution and using the estimated value thus obtained.
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