JP2012225557A - 熱処理装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】雰囲気ガスを供給するガス供給管20を、ガス供給管20の内部空間を複数の領域に空間的に分離する分離板23と、複数のガス通過領域の間を連通する連通口26と、ガスを炉内に噴出する噴出口28とを備えるように構成することにより、炉体外部からガス供給管内部に導入した雰囲気ガスが、各ガス通過領域を通過する間に炉内温度によって予熱され、かつ均一な流量で炉内に噴出される。その結果、均一な温度の雰囲気ガスが均等に被処理物11に供給される。
【選択図】図3
Description
炉体を構成する壁に囲まれた空間(以下、「炉体内部」とも呼ぶ)において被処理物へ雰囲気ガスを供給するための、炉体外部に設けられたガス供給装置に接続されたガス供給管、および炉体内部の温度を制御するための加熱器を有する熱処理装置であって、
ガス供給管は、
雰囲気ガスが通過するためのガス供給管の内部空間を、複数のガス通過領域に分離するための1または複数の分離板、および
雰囲気ガスが直接供給されず、かつ複数の分離板によって囲まれていないガス通過領域と空間的に連通している、雰囲気ガスを炉体内部に噴出するための噴出口
を有し、
分離板は、それが隔てているガス通過領域を空間的に連通させる連通口を有し、
分離板は、その主表面が噴出口から噴出されるガスの流れと角度を形成するように配置されている
熱処理装置である。
炉体を構成する壁に囲まれた空間(以下、「炉体内部」とも呼ぶ)において被処理物へ雰囲気ガスを供給するための、炉体外部に設けられたガス供給装置に接続されたガス供給管、および炉体内部の温度を制御するための加熱器を有する熱処理装置であって、
ガス供給管は、
雰囲気ガスが通過するためのガス供給管の内部空間を、n個のガス通過領域に分離するための(n−1)個の分離板、および
雰囲気ガスが直接供給されず、かつ複数の分離板によって囲まれていないガス通過領域と空間的に連通している、雰囲気ガスを炉体内部に噴出するための噴出口
を有し、
分離板のうち、雰囲気ガスが直接供給されるガス通過領域を規定している分離板は、炉体内部の領域において全体が多孔質構造を有し、他の分離板は、それが隔てているガス通過領域を空間的に連通させる連通口を有しており、
分離板はすべて、その主表面が噴出口から噴出されるガスの流れと角度を形成するように配置されている、
熱処理装置である。
図1(a)は、本発明の実施の形態1における熱処理装置10の搬送方向に垂直で、かつ搬送面に垂直な概略断面図、図1(b)は、本発明の実施の形態1における熱処理装置10の搬送方向に平行で、かつ搬送面に垂直な概略断面図である。ここで、「搬送方向」とは、被処理物が進行する方向であり、「搬送面」とは、被処理物(またはこれを積載した積載部材)が載置されている面である。一般に、「搬送面」は、熱処理装置の接地面と平行な面である。
この熱処理装置10は、被処理物11と、積載部材12と、炉体13と、炉体13の上壁として上部断熱壁13aと、炉体13の下壁として下部断熱壁13bと、炉体13の中の被処理物11の搬送面に対して垂直であり、(図1(a)の紙面の左右に)対向するように設置された組の側壁として側部断熱壁13cと、搬送ローラ14と、ゾーン隔壁16と、通過口17と、上部ヒータ18と、下部ヒータ19と、ガス供給管20と、ガス供給管噴出口28と、排気管42と、ガス吸込口41とを含む。
この熱処理装置10は、粉体状の被処理物11を積載した箱型の積載部材12を炉体13の内部で搬送し、この炉体13の内部空間(この空間を本明細書において「炉体内部」または「炉内」と呼ぶこともある)で被処理物11を熱処理する装置である。本実施の形態1では、図1(b)に示すように、搬送方向(図1(b)の紙面左右方向)に沿って複数個設置された搬送ローラ14の回転によって、積載部材12が搬送方向に搬送される。すなわち、並置された複数個の搬送ローラ14の上側の頂点を含む面が積載部材12の搬送面となり、この搬送面に積載部材12の搬送路が形成され、積載部材12は、図1(b)に矢印で示す搬送方向Dcに沿って、紙面上左から右の方向へ向かって搬送される。
図1(a)を用いて、積載部材12の搬送方法について、さらに説明する。積載部材12は図1(a)の紙面手前から奥に向かって搬送され、ここでは、搬送方向と直交する横方向(図1(a)の紙面左右方向)に3個の積載部材12が並置されている場合を示している。このように横方向(搬送方向に垂直で、かつ搬送面と平行な方向)に3個の積載部材12を並置して、それらを同時に搬送することで、横方向に並置された3個の積載部材12に積載されている各被処理物11を同時に熱処理することができる。前述したように、積載部材12は搬送方向に沿っても列をなして並べられているので、ここでは3本の列をなす積載部材12が同時に連続して搬送される。無論、横方向に並置する積載部材12の個数はこれに限定されるものではない。横方向に並置する積載部材12の数が増えるほど生産性が向上するが、装置の設置スペースが増大し、また、搬送の難易度、および横方向に均一な熱処理を行う難易度も高くなる。
続いて、炉体13の断熱壁について説明する。図1(a)に示すように、炉体13の上壁として上部断熱壁13aが、炉体13の下壁として下部断熱壁13bが、炉体13の横方向の寸法を規定する向かい合う側壁として側部断熱壁13cが、それぞれ設けられている。
続いて、熱処理装置10のゾーン構成について説明する。熱処理装置10の炉体13においては、その内部空間(即ち、炉内)が、搬送方向Dcに沿って複数の熱処理ゾーン(処理空間)に分割されている。各ゾーンにおいては、熱処理プロセスに応じた熱処理が行われる。図1(b)には、それらのうちの1つのゾーンの断面を示している。各ゾーンはゾーン隔壁16で仕切られており、ゾーン隔壁16には、被処理物11と積載部材12が通過可能な通過口17が設けられている。
本実施の形態1では、炉体13の寸法は、搬送面に対して垂直な方向(以下の説明を含む本明細書において、「鉛直方向」とも呼ぶ)の寸法(即ち、高さ)Hを1000[mm]、各ゾーンの搬送方向Dcに沿った長さLをそれぞれ1500[mm]とする。また搬送方向Dcに直交し、かつ搬送面と平行な方向(以下の説明を含む本明細書において、搬送面と平行な方向を「水平方向」とも呼び、搬送方向Dcに直交し、かつ搬送面と平行な方向を「横方向」とも呼ぶ)の寸法、即ち、横幅Wを1800[mm]とする。無論、寸法はこれに限定されるものではなく、被処理物11の処理量に応じて適切に選択される。
続いて、積載部材12の形状について説明する。図1(a)および図1(b)に示すように、ここでは、積載部材12として底面が正方形の箱型容器を用いる。無論、積載部材12の形状は特に限定されるものではなく、例えば、底面が円形であり、上部が開いている円筒状の容器、およびフチのない板状のもの等を用いることもできる。但し、流動性の高い粉体の搬送において、フチのない板状の積載部材を用いると、1個の積載部材に積載可能な粉体の量が制限されて生産性が低下するため、フチのある箱型容器を使用することが望ましい。
続いて、搬送ローラ14について説明する。搬送ローラ14の材質と太さは、被処理物11を積載した積載部材12の荷重に耐えうる強度を搬送ローラ14が持つように、選定する。また、積載部材12の落下が生じないように、搬送ローラ14は積載部材12の搬送方向Dcの寸法よりも充分に短いピッチで並べる。搬送ローラ14が太すぎる、または搬送ローラ14を並べるピッチが小さすぎると、後述する搬送路より下に位置する下部ヒータ19からの伝熱が搬送ローラ14によって阻害されるため、適正なローラの太さとピッチを選択することが望ましい。無論、搬送方法は搬送ローラ14の回転によって積載部材12を搬送する方法に限定されるものではなく、例えばローラ上の積載部材を油圧プッシャーで押す方法や、メッシュベルトのコンベヤで搬送する方法などを用いることができる。それらの方法を採用する場合には、その方法に応じた搬送装置または搬送媒体を熱処理装置内に設ける。
続いて、積載部材12と搬送ローラ14の材質について説明する。ここでは、積載部材12と搬送ローラ14の材質に、アルミナ質のセラミックスを用いる。無論、使用温度における耐熱性と強度を満足するものであれば、例えばジルコニア質のセラミックス、ならびにSUSおよびインコネルといった金属製のもの等を用いることもできる。但し、被処理物11の腐食性が高い場合には、積載した被処理物11および飛散した被処理物11によって、積載部材12および搬送ローラ14の表面が腐食して剥離し、被処理物11内に不純物として混入する恐れがある。そのため、積載部材12および搬送ローラ14の材質は耐食性を有することが望ましい。
続いて、炉体13の内部の温度分布を熱処理プロセスに応じた温度分布に制御する加熱器について説明する。本実施の形態1では、加熱器として、積載部材12の搬送路を挟んで上下方向に、上部ヒータ18および下部ヒータ19をそれぞれ複数個ずつ設けている。詳しくは、図1(b)に示すゾーンにおいては、搬送ローラ14の上方(上部断熱壁13a側)に円筒状の上部ヒータ18が搬送方向Dcに沿って4個配置されており、同様に搬送ローラ14の下方(下部断熱壁13b側)に円筒状の下部ヒータ19が搬送方向Dcに沿って4個配置されている。また、上部ヒータ18および下部ヒータ19は、その長手方向が横方向(図1(a)の紙面左右方向)と平行になるように配置されている。
図2は、本発明の実施の形態1における熱処理装置10のブロック図である。
この熱処理装置10の制御機構は、制御装置45と、搬送コントローラ44と、搬送センサー34と、上部ヒータ用温度コントローラ18aと、下部ヒータ用温度コントローラ19aと、ガス供給源22と、ガス流量調整部24と、排気流量調整部43とからなる。
加熱器の制御機構について説明する。ここでは、上部ヒータ18と下部ヒータ19はそれぞれ上部ヒータ用温度コントローラ18aと下部ヒータ用温度コントローラ19aに接続されており、それらの温度コントローラは、上部ヒータ18と下部ヒータ19の出力、つまり温度を個別に制御する。
続いて、熱処理装置10のガス供給機構について説明する。被処理物11に施す熱処理が化学反応を伴う場合は、所望の化学反応に必要な種類の雰囲気ガスを炉体13の内部に供給する必要がある。また、化学反応を伴わなくても、蒸発ガスの発生を伴う熱処理(例えば、被処理物11が含有する溶媒および水を蒸発させて、被処理物11を乾燥させる処理)の場合は、蒸発ガスを含む炉内雰囲気を炉外に排出するガス排気機構が必要である。その場合、炉内の圧力バランスを保つためには、排気した流量と同程度の流量の雰囲気ガスを炉体13の内部に供給する必要がある。本実施の形態1においては、被処理物11には、化学反応と蒸発ガスの発生の両方を伴う熱処理を施すので、化学反応の促進と、炉内の圧力バランスの確保という2つの目的で雰囲気ガスの供給を行い、雰囲気ガスには酸素(O2)を用いる。
続いて、ガス供給管20とガスの供給方法について、図1(a)(b)を用いて、さらに説明する。ガス供給管20は、所望の熱処理に必要な雰囲気ガスを炉体13の内部へ供給するガス供給機構の一部であり、このガス供給管20は、円筒状であり、横方向(図1(a)の紙面左右方向)において延び、側部断熱壁13cを貫通する。図1(a)に示すように、このガス供給管20は、ガス供給機構の一部であるガス供給源22に炉体13の外部で接続している。また、ガス供給管20には、炉体13の外部において、ガス供給機構の一部であるガス流量調整部22が介装されている。また、図1(b)に示すように、ガス供給管20の炉体13の内部における位置は、積載部材12の搬送路(搬送ローラ14)の上方である。前述した上部ヒータ18との干渉を避けるために、ガス供給管20は上部ヒータ18と平行に設置するのが望ましい。
図3(a)は、本発明の実施の形態1における熱処理装置のガス供給管の詳細を、また図3(b)は、本発明の実施の形態1における熱処理装置のガス供給管の断面概念図を示す。
上記の構成により、雰囲気ガスは、ガス供給管20の内部空間に設けられた複数のガス通過領域を通過する間に、炉内温度によって加熱される。したがって、この構成のガス供給管20は、その内部に複数の区分けされた領域を有しない構成の通常の管(単純な単管構造の管)に比べ、雰囲気ガスがより加熱された状態で炉体13の内部空間に供給されることを可能にする。特に、この構成のガス供給管20は、炉体13の外部に近い位置(ガスが加熱される経路が短い位置)にあるガス供給管噴出口28において、低温のまま雰囲気ガスが炉内に噴出されるのを抑制し、被処理物11の熱処理ムラを抑制することができる。
続いて、被処理物11に対するガス噴出方向について詳細に説明する。本実施の形態1では、図1(a)および(b)に示すように、雰囲気ガスは、ガス供給管20の噴出口28から被処理物11へ向けて噴出される。図1(b)にガス供給管20から噴出されるガスの方向Dg(以下の説明を含む本明細書において、この方向を「ガス噴出方向」とも呼ぶ)の一例を矢印で示す。ここでは、被処理物11の表層面と同じ高さの仮想面30の垂線とガス噴出方向Dgとがなす角度θが45°となるように、ガス噴出方向Dgを設定した。無論、角度θはこれに限定されるものではない。例えばθが0°となるようにガス噴出方向Dgを設定して、被処理物11の表層面に垂直に雰囲気ガスを噴出してもよい。ただし、炉内における雰囲気ガスの流路はDcと角度をなす(即ち、Dcと平行とならない)ことが好ましいので、ガス噴出方向Dgは、0°≦θ<90°の範囲内とし、かつ噴出後の雰囲気ガスが被処理物11にあたる前に上部ヒータ18などの炉内の他の部材にできるだけ衝突しないように設定することが望ましい。
続いて、ガス供給管噴出口28と分離板連通口26の配置について、図3(a)を用いて説明する。本実施の形態1では、板状の分離板23の炉体13の内部に位置する領域における主表面(板面)には、直径10〔mm〕の5個の円形状の分離板連通口26a、26b、26c、26d、26eをそれぞれ160〔mm〕のピッチで設けている。分離板23の分離板連通口26aの中心の、管の長手方向における座標(図3(a)においてy軸の座標)は、ガス供給管噴出口28aの中心およびガス供給管噴出口28bの中心を結ぶ線分の中点のy座標と一致するように配置されている。他の4つの分離板連通口26b〜26eも同様に、それらの中心のy座標が、隣り合う二つのガス供給管噴出口28の中心を結ぶ線分の中点のy座標と一致するように、配置されている。
本実施の形態1では、分離板23に連通口26として、円形の1つの貫通穴を形成しているが、分離板連通口26の形状(分離板23の主表面における形状)は円形である必要はない。各分離板連通口26は、第1ガス通過領域31と第2ガス通過領域32との間で、雰囲気ガスの移動を可能にする構造を有している限りにおいて、その形状は円形に限られず、また単一の貫通穴に限られない。例えば、図8(a)および(b)に示すように、分離板23に設けられた分離板連通口26を、多孔構造としてよい。多孔構造の連通口26’は、例えば、貫通穴を形成し、この貫通穴に多孔質材料を設置して形成する。多孔質材料は、例えば、多孔質セラミック、多孔質金属、多孔質カーボン等である。多孔構造の分離板連通口26に代えて、網目構造等のものを用いることも可能である。網目構造の分離板連通口は、例えば、格子状、パンチングメタル状、エキスパンドメタル状であってよい。多孔構造および網目構造の連通口は、1つの貫通穴である連通口と比較して、ガスの流れに対して一定の抵抗を生じさせたりするため、流量分布を確保し易く、また、クリーン度が要求される場合、異物の侵入を防ぐことが可能である。
本実施の形態1では、分離板23はその主表面とガス噴出方向Dgとが直角(即ち、90°)をなすように配置されている。また、分離板連通口26を通過するガスの方向Daとガス噴出方向Dgとは互いに平行となっている。このように分離板23を配置することによって、ガス供給管噴射口128から噴射されるガスの流量をより均一にすることができる。前述のように、必要に応じて、ガス供給管20全体をθ方向に回転させる場合、分離板23とガス通過方向Daとガス供給管噴出口28の位置関係が、保たれることが望ましい。勿論、装置の仕様および設計上等の制約により、上記のような位置関係が不可能な場合は、これに限らない。分離板23の主表面とガス噴出方向Dgとがなす角度が0°でない限りにおいて、複数のガス通過領域を設けることによる雰囲気ガスの予熱効果を得ることができる。
続いて、ガス供給管20の材質について説明する。本実施の形態1では、分離板23およびガス供給管20の材質として、耐熱性を有し、被処理物11、雰囲気ガス、および蒸発ガスに対する耐食性を有するアルミナ質のセラミックスを用いている。ガス供給管20の材質は、被処理物、雰囲気ガス、および蒸発ガスの種類に応じて適宜選択され、無論、使用温度における耐熱性を満たし、被処理物、雰囲気ガス、および蒸発ガスに対して耐食性を有する限りにおいて、アルミナ質セラミックス以外の材質を用いることもできる。しかしながら、雰囲気ガスが第1ガス通過領域31の内部を通過する間に予熱される効果を高めるためには、ガス供給管に用いる材料表面の輻射率が重要となる。
上述したガス供給管の構成に関する条件は、発明者による様々な条件での数値解析により、ガス供給管噴出口の配置と個数、ガス噴出方向、ガス供給管の材質、ガス供給管に導入するガス流量を様々に変更し、複数のガス供給管噴出口28から噴出される雰囲気ガスの温度と流量の分布を求めることによって見出した条件である。上記の条件を用いることにより、炉体13の外部から導入された雰囲気ガスは、第1ガス通過領域31と第2ガス通過領域32の内部を通過する間に炉内温度によって充分に加熱され、複数のガス供給管噴出口28から均一な流量で噴出され、各被処理物11に対して均等に、被処理物11において温度ムラを生じさせることなく供給されることが可能になる。
次に、空間遮断材25について説明する。本実施の形態1では、図3(a)に示すように第2ガス通過領域32の端部に、半円筒状の空間遮断材25がガス供給管20の内壁および分離板23に接して設置されている。この空間遮断材25があることにより、ガス導入通過方向Diに沿ってガス供給管20に導入される雰囲気ガスが、確実に第1ガス通過領域31に流れ、逆に、炉外雰囲気温度に近い雰囲気ガスが第2ガス通過領域32に流れ込むことを防ぐことができる。
空間遮断材25の材質は、使用温度における耐熱性を満たし、被処理物、雰囲気ガス、および蒸発ガスに対する耐食性を有するものから適宜選択できる。本実施の形態1においては、熱膨張の差により分離板23およびガス供給管20に余計な応力を発生させないように、空間遮断材25の材質として、分離板23およびガス供給管20と同じアルミナ質のセラミックスを用いている。
続いて、ガス供給管の設置高さについて説明する。本実施の形態1では、図1(b)に示す被処理物11の表層面と同じ高さの仮想面Fvとガス供給管噴出口28との間の距離hが90[mm]となるようにガス供給管20の設置高さを設定している。なお、距離hを長く設定するほど、雰囲気ガスがガス供給管噴出口28を噴出してから被処理物11に達するまでの時間も長くなり、その間にも炉内温度によって雰囲気ガスが加熱されるので、被処理物11に供給される際の温度ムラがより軽減する傾向は得られる。しかしながら、距離hを長く設定するほど、炉体13の内部空間が大きくなるため、熱処理に必要な雰囲気ガスの供給量もより増大し、雰囲気ガスの購入または生成にかかるコスト、および雰囲気ガスを炉内で加熱するエネルギーコストがより増大するという不都合が生じる。これを防ぐには、距離hは好ましくは300[mm]以下であり、より好ましくは、200[mm]以下である。距離hが300[mm]以上であると、前述したコストが多大になり、経済的ではない。
本実施の形態1では、一枚の分離板23とガス供給管20とから構成される2つのガス通過領域31とガス通過領域32を設けたガス供給管20の例を示した。本実施の形態1の変形例において、ガス供給管20の内部に2枚以上の分離板を設置し、3つ以上のガス通過領域を構成することも可能である。この場合の分離板に設ける分離板連通口の形状、寸法および個数、ガス供給管の管径および肉厚、ならびにガス供給管噴出口28の個数および配置、およびガス噴出方向については、先に説明した分離板23とガス供給管20との関係と同様に設定することが望ましい。ガス供給管20内部のガス通過領域の数が多くなるほど、ガス供給管20内部で雰囲気ガスを予熱する効果を高めることができるが、必然的にガス供給管20の管の径が太くなるので、供給管を設置するためのスペースと共に製作コストも増大するという不都合が生じることがある。
図9(a)は2つの分離板がガス供給管の内部空間に配置されたガス供給管の別の例を示す、長手方向に沿って切断した面の断面図であり、図9(b)は、図9(a)の線A−A’に沿って切断した面の断面図である。図9(a)に示すガス供給管20は、その内部空間に第1分離板123aおよび第2分離板123bが配置されて、内部空間が、第1ガス通過領域131、第2ガス通過領域132、および第3ガス通過領域133に分離されたものである。雰囲気ガスは、ガス供給管20の両端部から、第1ガス通過領域131に直接的に供給される。ガス供給管20の両端部において、第2ガス通過領域132および第3ガス通過領域133はそれぞれ、空間遮断材125aおよび125bによって閉じられている。
本実施の形態1では、ガス供給管20の形状を円筒状、分離板連通口26およびガス供給管噴出口28の形状を円形状としている。先にも述べたように、それらの形状はそれらに限定されるものではなく、例えば、ガス供給管を角型としてよく、あるいは分離板連通口およびガス供給管噴出口を角型としてもよい。
分離板23を有するガス供給管20は、ガス供給管20に分離板23(分離板を2以上有する場合には2以上の分離板)を挿入し、それから空間遮断材25を嵌め込んで組み立てることができる。この組み立ての際に、分離板連通口26およびガス供給管噴出口28の配置を調節して、先に説明した位置関係が達成されるようにする。ガス供給管20の組み立ては、先にガス供給管20を熱処理装置10内に配置し、それから、分離板23を挿入し、さらに空間遮断材25を取り付ける手順で実施してもよい。
本実施の形態1では、雰囲気ガスとして1種類のガス成分を用いる場合の例を示している。雰囲気ガスが2種以上のガス成分からなる場合には、各ガス成分を供給する雰囲気ガス供給源ごとにガス流量調整部を設けて、雰囲気ガスの流量とともに、雰囲気ガスの成分混合比も制御できる構成としてもよい。
続いて、熱処理装置10のガス排気機構について説明する。被処理物11の熱処理は、図1(a)に示した上部ヒータ18および下部ヒータ19からの熱の供給、ならびにガス供給管噴出口28から噴出された雰囲気ガスと被処理物11との接触によって進行する。その熱処理中に、被処理物11に含有される成分の蒸発または化学反応によって被処理物11から蒸発ガスが発生することがある。この蒸発ガスが炉体13の内部に滞留すると、被処理物11において、所望の化学反応とは逆の反応が起こる可能性がある。したがって、この蒸発ガスは、雰囲気ガスとともに炉外に排出する必要がある。
蒸発ガスを炉体13の内部から外部へ排出するガス排気機構の一部である円筒状のガス排気管42は、炉体13を横方向(図1(a)の紙面左右方向)から貫通する。このガス排気管42は、図2に示すように、ガス排気機構の一部である排気流量調整部43に炉体13の外部で接続している。また、図1(b)に示すように、ガス排気管42の炉体13の内部における位置は、積載部材12の搬送路(搬送ローラ14)の上方である。前述した上部ヒータ18との干渉を避けるために、ガス排気管42は、ガス供給管20と同様に上部ヒータ18と平行に設置するのが望ましい。
無論、ガス排気機構の構成はこれに限定されるものではなく、ガス吸込口41およびガス排気管42の形状、配置、および個数は、被処理物11に施す熱処理の種類に応じて、また被処理物11および積載部材12の形状、配置、および個数に応じて適宜選択する。
ガス排気管42の材質として、ここでは、耐熱性を有し、被処理物11、雰囲気ガス、および蒸発ガスに対する耐食性を有するアルミナ質のセラミックスを用いる。ガス排気管42の材質は、被処理物、雰囲気ガス、および蒸発ガスの種類に応じて適宜選択され、使用温度における耐熱性を満たし、被処理物、雰囲気ガス、および蒸発ガスに対する耐食性を有する限りにおいて、アルミナ質のセラミックス以外の材質を用いることもできる。
熱処理装置10の炉体13においては、前述したように、その内部空間が搬送方向Dcに沿って熱処理プロセスに応じた複数のゾーン(処理空間)に分割されている。前述したガス供給機構、ガス排気機構、上部ヒータ18および下部ヒータ19は、熱処理プロセスに応じて複数のゾーンの一部または全部に設ける。例えば、前述した蒸発ガスが発生しないゾーンは、ガス排気機構を有しない構成としてもよい。また、被処理物11の急速な冷却を行うゾーンは、上部ヒータ18および下部ヒータ19を有しない構成としてもよい。
被処理物11の搬送が行われていることを検知する検知手段として、例えば搬送センサー34を設けることが好ましい。搬送センサー34は、被処理物11の搬送(すなわち搬送ローラ14が回転)が行われていないときに、各ゾーンの上部ヒータ18および下部ヒータ19の出力を制御する上部ヒータ用温度コントローラ18aおよび下部ヒータ用温度コントローラ19aに信号を送る。これらのコントローラはその信号を受信したときに、それぞれのヒータの出力を低減する。また、搬送センサー34の信号は、ガス流量調整部24にも送られて、搬送の状況に応じて各ゾーンのガス供給管20へ供給する雰囲気ガスのガス流量が制御される(例えば、搬送が行われていないときには、ガスの流量が低減される)ようにすることが好ましい。搬送状況に応じたヒータ等の制御によって、生産が行われていないときの熱処理装置の消費エネルギーを低減し、熱処理装置のランニングコストをさらに低減することが可能となる。
次に本発明の実施の形態1における熱処理装置のガス供給温度とガス噴出速度の均一化の効果の検証結果について、図5および図6を用いて説明する。ここでは、炉体13が高さ方向に2段に積層される多段炉のうち、一方の段の炉体13に、分離板を配置したガス供給管20を設けて、本発明の効果を検証した。
ガス供給管20本体、ガス供給管20の内部空間に設置した分離板23は共に、ムライト材料を用いて形成した。
従来の単純管からガスを噴出させた場合(比較)には、炉体13の炉壁に近い端により近い噴出口からのガスの温度が低くなり、両端の噴射口では設定された炉内温度580℃に対し、400℃以下となってしまった。一方、分離板23を有するガス供給管20からガスを噴出させた場合(本発明)には、すべての噴出口のガスの温度はほぼ500℃以上であった。
図7は、本発明の実施の形態2における熱処理装置10の搬送方向に垂直で、かつ搬送面に垂直な面の概略断面図を示している。なお、図5において、実施の形態1で説明した要素と同じ要素は同じ符号で示され、以下においてそれらの要素の説明が省略されることがある。
本発明の実施の形態2における熱処理装置100は、被処理物11と、積載部材12と、炉体13と、搬送ローラ14と、上部ヒータ18と、下部ヒータ19と、ガス供給管20と、ガス供給管噴出口28と、ガス排気排管42(図示せず)と、ガス吸込口41(図示せず)とを含み、炉体13によって囲まれた内部空間を有する熱処理部110を高さ方向(上下方向)に積層した多段炉体35と、各炉体13の外部において各段のガス供給管20を接続した合流ガス供給管36とからなる。本実施の形態2において、積層された熱処理部110はすべて実施の形態1の熱処理装置10と同様に、炉体13内の空間に、分離板23を有するガス供給管20から、雰囲気ガスが噴出されるように構成されている。別の形態において、1つまたは複数の熱処理部は、従来のガス供給管を備えたものであってよい。
この熱処理装置100は、前述した実施の形態1で説明した熱処理装置10を熱処理部110として、それを画定する炉体13を高さ方向(上下方向)に複数積層した構成となっている。図7には3個の炉体13が積層されてなる多段炉体35を示している。各段の炉体13の内部において、被処理物11を積載した積載部材12は同時に搬送される。したがって、この熱処理装置100の生産性は、1段の構成のものに比べて、3倍に向上する。
各段の熱処理部110が備えるガス供給管20は、炉体13の外部においてガス供給機構の一部である合流ガス供給管36に接続している。合流ガス供給管36は、図2に示した構成と同様の構成となるように、炉体13の外部において雰囲気ガス供給源22に接続している。各段のガス供給管20は、前述した実施の形態1と同様に、図3(a)に示すような構成を有し、具体的にはガス供給管噴出口28と、ガス供給管20の内部空間に設置された分離板23と、分離板連通口26と、空間遮断材25とを有する。分離板連通口26およびガス供給管噴出口28の配置および個数、ならびにガス噴出方向などは、実施の形態1で説明した方法によって、全ての段において雰囲気ガスの充分な予熱と、各被処理物11に対しての均等な量のガス供給とを両立できるように選択されている。
上記の構成によれば、炉体13の外部から内部への雰囲気ガスの導入は、炉体13の横方向に対向する側壁から行う。したがって、実施の形態2の装置においては、特許文献1に示すような、各段の炉体13の上面および下面にガスを導入する経路を設ける必要がなく、また、特許文献1に示すような、炉内の上部空間にガス予熱のための余分なスペースを設ける必要がないので、装置の設置高さを抑えつつ、熱処理部110(即ち、これを画定する炉体13)の高さ方向への多段積層が可能となっている。
熱処理部110を積層する段数は3段に限定されるものではない。熱処理部は、熱処理装置の設置高さ、および床の耐荷重が許容する範囲内であれば、何段に積層しても構わない。段数が増えるほど生産性が向上し、単位生産量あたりのエネルギーコストも低減できる。一方、段数が増えるほど、搬送の難易度、および各段への均一なガス供給および熱量供給の難易度も高くなる。
各段の熱処理部110に備わる上部ヒータ18と下部ヒータ19には、それぞれ個別に出力を制御する温度コントローラ(出力制御部)を設けるのが望ましい。そのようにすれば、上部ヒータ18および下部ヒータ19の出力をそれぞれ最適に制御することで、多段炉体34の上面および下面から外部への放熱などの影響を回避して、各段における積載部材12および被処理物11の温度ムラを抑制することが可能となる。
本実施の形態2によれば、熱処理部110を高さ方向に多段に積層する熱処理装置においても、余分なスペースおよび追加の熱源を要することなく、雰囲気ガスを予熱して、被処理物に接触するガスの温度を均一化し、もって熱処理ムラの抑制を実現できる。その結果、生産性が大幅に向上し、エネルギーコストを大幅に低減することが可能となる。
2、12 積載部材
3、13 炉体
4、14 搬送ローラ
10 熱処理装置
13 炉体
18 上部ヒータ
18a 上部ヒータ用温度コントローラ
19 下部ヒータ
19a 下部ヒータ温用度コントローラ
20 ガス供給管
22 ガス供給源
23 分離板
24 ガス流量調整部
25 空間遮断材
26 分離板連通口
28 ガス供給管噴出口
31 第1ガス通過領域
32 第2ガス通過領域
34 搬送センサー
35 多段炉体
36 合流ガス供給管
41 ガス吸込口
42 排気管
43 排気ガス流量調整部
44 搬送コントローラ
45 制御装置
100 熱処理装置
110 熱処理部
123a、223a 第1分離板
123b、223b 第2分離板
125a、125b、225a、225b 空間遮断材
126、127、226、227 分離板連通口
128、228 ガス供給管噴出口
131、232 第1ガス通過領域
132、232 第2ガス通過領域
133、233 第3ガス通過領域
Claims (8)
- 炉体を構成する壁に囲まれた空間(以下、「炉体内部」とも呼ぶ)において被処理物へ雰囲気ガスを供給するための、炉体外部に設けられたガス供給装置に接続されたガス供給管、および炉体内部の温度を制御するための加熱器を有する熱処理装置であって、
ガス供給管は、
雰囲気ガスが通過するためのガス供給管の内部空間を、複数のガス通過領域に分離するための1または複数の分離板、および
雰囲気ガスが直接供給されず、かつ複数の分離板によって囲まれていないガス通過領域と空間的に連通している、雰囲気ガスを炉体内部に噴出するための噴出口
を有し、
分離板は、それが隔てているガス通過領域を空間的に連通させる連通口を有し、
分離板は、その主表面が噴出口から噴出されるガスの流れと角度を形成するように配置されている、
熱処理装置。 - 前記分離板に設けられた連通口の中心のガス供給管の長手方向における座標は、前記噴出口の中心のガス供給管の長手方向における座標とは異なる請求項1に記載の熱処理装置。
- 前記連通口が複数個設けられ、かつ前記噴出口が複数個設けられている請求項1または2に記載の熱処理装置。
- 前記分離板は、その主表面が前記噴出口を通過するガスの流れとガス噴出方向と直角をなすように配置されている請求項1〜3のいずれかに記載の熱処理装置。
- 前記連通口の一部または全部が、多孔構造又は網目構造である、請求項1〜4のいずれかに記載の熱処理装置。
- 前記分離板の材質は、その表面の輻射率が0.5以上である請求項1〜5のいずれかに記載の熱処理装置。
- 炉体を構成する壁に囲まれた空間(以下、「炉体内部」とも呼ぶ)において被処理物へ雰囲気ガスを供給するための、炉体外部に設けられたガス供給装置に接続されたガス供給管、および炉体内部の温度を制御するための加熱器を有する熱処理装置であって、
ガス供給管は、
雰囲気ガスが通過するためのガス供給管の内部空間を、n個のガス通過領域に分離するための(n−1)個の分離板、および
雰囲気ガスが直接供給されず、かつ複数の分離板によって囲まれていないガス通過領域と空間的に連通している、雰囲気ガスを炉体内部に噴出するための噴出口
を有し、
分離板のうち、雰囲気ガスが直接供給されるガス通過領域を規定している分離板は、炉体内部の領域において全体が多孔質構造を有し、他の分離板は、それが隔てているガス通過領域を空間的に連通させる連通口を有しており、
分離板はすべて、その主表面が噴出口から噴出されるガスの流れと角度を形成するように配置されている、
熱処理装置。 - 熱処理部が複数個積層されており、少なくとも1つの熱処理部が請求項1〜7のいずれか1項に記載の熱処理装置である、多段熱処理装置。
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