JP4573290B2

JP4573290B2 - 高圧熱処理炉

Info

Publication number: JP4573290B2
Application number: JP2003357462A
Authority: JP
Inventors: 晶鈴木; 博敏石川; 達也浜田; 昇木屋; 規輝永井
Original assignee: IHI Corp; IHI Machinery and Furnace Co Ltd
Current assignee: IHI Corp; IHI Machinery and Furnace Co Ltd
Priority date: 2003-10-17
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2023-10-17
Also published as: CN1867806A; DE112004001923B4; KR20070020191A; DE112004001923T5; CN100465296C; KR100859934B1; WO2005038373A1; JP2005121308A

Description

本発明は、超硬合金などの金属、セラミックス、複合材等を常用圧力１ＭＰａＧ以上の高圧で熱処理する高圧熱処理炉に関し、さらに詳しくは、炉内の急速冷却を可能にした高圧熱処理炉に関する。

超硬合金、セラミックス等を常用圧力１ＭＰａＧ以上の高圧で熱処理する高圧熱処理炉では、サイクルタイムの短縮及び処理品の品質向上のために、炉の冷却時間をいかにして短縮するかが重要な課題となっている。図３は、例えば下記特許文献１に開示されているような従来の一般的な高圧熱処理炉の概略構成図である。図３において符号３は、炉容器１と炉容器１の両端を閉じる炉蓋２とから構成される圧力容器であり、炉容器１の外周と炉蓋の外側にはそれぞれジャケット４、５が設けられ、その内部に冷却水を流通させるようになっている。圧力容器３内には両端に開口部を有する中空円筒形の断熱壁６が設けられており、その内部にはインナーケース１７が配置され、被加熱物７はその内部に収容される。符号８は、断熱壁６の開口部を開閉する断熱蓋（バング）であり、炉蓋２の外側に設けられたシリンダ９により開閉駆動されるようになっている。また、符号１０は、被加熱物７を加熱するヒータであり、断熱壁６内部に加熱室１１が形成される。また、図４に示すように、炉容器１の外周部に冷却水用のジャケットを設ける代わりに、炉容器１の内壁に内部に冷却水を流通させる水冷チューブ１２を設けたものもある。なお、図３及び図４において、符号１６は、圧力容器３と断熱壁６との間に形成される空間である。

この熱処理炉では、加熱室１１内に被処理物７を装入して断熱壁８を閉じた後、加熱室１１内に雰囲気ガスを導入してヒータ１０により被処理物７をガス雰囲気下で加熱焼結させ、処理後には、加熱室１１内の雰囲気ガスおよび被処理物７が十分に冷却されてから被処理物１１を取り出すようにしている。

図５は、上記の熱処理炉における操業時の炉内温度（加熱室温度）の変化の様子を示す図である。この図に示すように、操業開始時刻ｔ₀においてヒータに通電して昇温を開始し、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂までの間にわたって所定の処理温度（例えば１５００℃）に保持して熱処理を行う。そして、処理が完了した時刻ｔ₂の時点でヒータに対する通電を停止して冷却工程に移行する。冷却工程では、最初のうちは断熱蓋８を閉じておき、炉内温度が所定温度Ｔまで低下したら断熱蓋８を開くようにしている。なお、温度Ｔのときの時刻をｔ₃とする。これにより、加熱室１１と空間１６との温度差により自然対流が生じ、加熱室１１から流出したガス１８が水冷された炉壁内面と熱交換を行うことにより冷却され、炉の冷却を促進するようになっている。

図６は、特許文献２に開示された熱処理炉である。この熱処理炉は、内部循環ファン１９と、内部循環ファン１９を回転駆動させるモータ２０と、循環ガス案内板２１とを備えている点に特徴を有している。冷却工程では、上述した熱処理炉と同様に、最初のうちは断熱蓋８を閉じておき、炉内温度が所定温度まで低下したら断熱蓋８を開くようにし、内部循環ファン１９により断熱壁６の一方の開口部（図で右側）から加熱室１１内の高温のガス１８を吸引し、循環ガス案内板２１により反対側の開口部（図で左側）から加熱室１１に循環させるようになっている。これにより強制ガス対流を発生させ、圧力容器３内面との熱交換を促進させ、炉の冷却能力を向上させている。

特開平４−２６７２６号公報（第７図）実公昭６２−５５５２９号公報（第１図）

しかし、上述した従来の高圧熱処理炉における冷却方式には、以下のような種々の問題点があった。
（１）図３に示したような炉容器１及び炉蓋２にジャケット４、５を設ける方式では、伝熱面積が圧力容器３の内壁面積に限定されるため、冷却面積が十分でなく、冷却能力が低い。また、圧力容器３の壁厚は高圧に耐え得るよう肉厚となっているため、圧力容器３外壁から水冷しても圧力容器３内壁を十分に冷却することは困難である。このため、冷却能力が制約されてしまう。
（２）図４に示したような炉容器２の内壁に水冷チューブ１２を設ける方式では、水冷チューブ１２自体が高価であるため、コスト面での負担が大きく不経済であり、また、水冷チューブ１２の設置スペースを確保するため炉径を大きくする必要がある。また、水冷チューブ１２からの水漏れ及びガスリークの危険性がある。さらに、水冷チューブ１２内にゴミが詰まる等により通水量が減少すると冷却効果が得られなくなるだけでなく、水冷チューブ１２が損傷する危険性もある。
（３）図６に示したような圧力容器３内に内部循環ファン１９、モータ２０及び循環ガス案内板２１を設ける方式では、ファン及びモータ等の追加により、構造が複雑になり製造コスト増の要因となる。また、モータへの電力供給に伴う客先電源設備及びランニングコストが増加する。また、軸受の損傷などによる故障の危険性があり、メンテナンスコストも増加する。また、ファンの風圧によっては軽量の被処理物を処理できない場合がある。さらに、モータの設置スペースによりモータ容量が制限されてしまい、冷却能力が制約されてしまう。

本発明は上述した問題点を解決するため創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、冷却能力が高く、サイクルタイムを短縮でき、構造が簡単で、かつ経済的な高圧熱処理炉を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の高圧熱処理炉は、炉容器と該炉容器を閉じる炉蓋とを有する圧力容器と、該圧力容器内に設けられ、前記炉蓋に対向する位置に開口部を有し、内部に被処理物を収容する加熱室を形成する断熱壁と、該断熱壁の前記開口部を開閉するように駆動される断熱蓋と、前記加熱室に設けられ被処理物を加熱するヒータと、前記炉蓋の内壁面に取り付けられ、内部を流れる冷媒により冷却される冷却部材と、該冷却部材に連結され、前記圧力容器内のガスを冷却する複数の冷却フィンと、を備え、前記冷却フィンは、ファンではなく自然対流によって生じるガスの流れに沿う方向にフィンの長手方向を向けており、前記ヒータによる加熱後に、前記断熱蓋を開くことにより前記開口部を開き、開いた前記開口部を通して、前記加熱室の外部における前記圧力容器内と前記加熱室との間で、ファンによらず自然対流により循環するガスに接触するように前記複数の冷却フィンが設けられていることを特徴とする。

また、上記本発明の高圧熱処理炉において、前記冷却フィンと前記冷却部材とは、一体成形されていることが好ましい。

また、上記本発明の高圧熱処理炉において、前記各冷却フィンは、熱膨張を吸収するためのスリットを有している、ことが好ましい。

また、上記本発明の高圧熱処理炉において、前記冷却フィンは、熱伝導率に優れる材料（アルミニウム、銅など）からなる、ことが好ましい。

本発明によれば、圧力容器内を流れるガスを冷却する複数の冷却フィンを設けることで、圧力容器内の冷却面積が大幅に増加し、この結果、冷却性能が向上する。従って、炉のサイクルタイムを短縮することができるという効果が得られる。

また、可動部がないため、作動不良を起こす要因が無く、電気やガスなどを必要とせず、寿命の問題がない。従って、省エネに優れ、半永久的に使用できる。

また、冷却フィンを、冷媒により冷却される冷却部材に連結して設ける構成としたので、構造が簡単であり、部品点数の増加も少ないため、コスト増が最小限に抑えられ、経済的である。

また、冷却部材を炉蓋の内壁面に取り付けることにより、炉容器長を伸ばすだけで設置可能となり、設計が容易である。また、加熱室からの高温ガスが噴き出す位置の近傍に冷却フィンがあるため、冷却効果を高くすることができる。

また、冷却フィンと冷却部材を一体成形とすることにより、冷却フィンと冷却部材との連結部に生じる隙間を無くすことができる。これにより、冷却フィンと冷却部材との間の伝熱量を十分に確保して冷却性能を十分に発揮することができる。

また、各冷却フィンは、熱膨張を吸収するためのスリットを有しているので、冷却フィンの変形、破損を防止できると共に、ガスがスリットに入り込むことによりガス流れに渦を発生させ冷却効率が向上する。

また、冷却フィンは、熱伝導率の優れた材料からなるので、圧力容器内のガスを効果的に冷却することができる。これにより、冷却性能が向上し、炉のサイクルタイムを大幅に短縮化できる。

また、冷却フィンの長手方向をガスの流れに沿う方向に設定することにより、ガスの流れを妨げず、自然対流が円滑に行われ、良好な冷却性能を発揮することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を図１及び図２に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の高圧熱処理炉の実施形態を示す概略構成図である。図１において、符号３は、中空円筒形の炉容器１と炉容器１の両端を閉じる平板状の炉蓋２とから構成される圧力容器である。この圧力容器３は、内部の圧力を制御可能に構成されている。また、炉容器１の外周にはジャケットが設けられており、内部に冷媒として冷却水を流通させ、炉容器１を冷却するようになっている。

符号６は圧力容器３内に設けられた中空円筒形の断熱壁であり、その内部にはインナーケース１７が配置され、被加熱物７はその内部に収容される。また断熱壁６の両端は炉壁２に対向する位置で開口する開口部を有している。符号８は断熱壁６の開口部を開閉する断熱蓋（バング）であり、炉蓋２の外側に設けられたシリンダ９により開閉駆動されるようになっている。また、符号１０は、被加熱物７を加熱するヒータであり、断熱壁６内部に加熱室１１が形成される。符号１６は、圧力容器３と断熱壁６との間に形成される空間である。

符号１３は、圧力容器３内のガス１８を冷却するための冷却フィンであり、炉蓋２の内壁面に取り付けられた冷却部材１４に連結されている。冷却部材１４は円形平板状であり、内部に冷媒として冷却水が流れる構造となっている。また、冷却部材１４は、中心部にシリンダ９のロッドを通すための開口部１４ａを有している。冷却フィン１３は、方形平板状であり、冷却部材１４の一方の面に対して垂直に互いに所定間隔を隔てて複数連結されている。冷却フィン１３には熱伝導性に優れる金属材料が使用されるが、特に熱伝導性の良いアルミニウムや銅等を用いるのが好ましい。なお、銅は、アルミニウムよりも熱伝導性が高く、かつ線膨張係数も小さいため、冷却フィンの材料としてはアルミニウムよりも銅の方がより適しているといえる。

また、本実施形態において、高圧熱処理炉は横置き型であるため、加熱室１１から吹き出たガス１８は矢印の方向に流れる。従って、冷却フィン１８は、ガス１８の流れる方向に沿う方向、即ち、長さ方向（長手方向）が上下方向に向くように設定すると良い。これにより、ガス１８の流れを妨げず、自然対流が円滑に行われ、良好な冷却性能を発揮することができる。

また、冷却フィン１３には、熱膨張を吸収するためのスリットを設けるとよい。スリットは、例えば、冷却フィン１３の幅方向（短手方向）に延びる切欠きを冷却フィン１３の長さ方向（長手方向）にわたって複数設けるとよい。これにより、熱応力を吸収して冷却フィンの変形、破損を防止できると共に、ガスがスリットに入り込むことによりガス流れに渦を発生させ冷却効率が向上するという効果が得られる。

図１において、冷却部材１４は炉蓋２に取り付けられている。このように構成された冷却部材１４に導入された冷却水は、冷却部材１４を冷却し、排出されるようになっている。そして、冷却部材１４に連結された冷却フィン１３は、冷却部材１４により冷却されるようになっている。

なお、冷却フィン１３と冷却部材１４はそれぞれ別々に成形した後、溶接等により接合してもよいが、冷却フィン１３と冷却部材１４との合わせ面を全て密着させることは難しく、冷却フィン１３の冷却性能を十分に発揮できないことも考えられる。そこで、冷却フィン１３と冷却部材１４との隙間をなくすため、両者を一体成形することが好ましい。これにより、冷却フィン１３と冷却部材１４との間の伝熱量を十分に確保することができる。

次に、上述のように構成された本発明の高圧熱処理炉の動作について説明する。図２は、本発明の高圧熱処理炉における操業時の炉内温度（加熱室温度）の変化の様子を示す図であり、実線は本発明による温度変化を示し、破線は図５の従来の高圧熱処理炉による温度変化を示している。この図に示すように、操業開始時刻ｔ₀においてヒータに通電して昇温を開始し、時刻ｔ₁から時刻ｔ₂までの間にわたって所定の処理温度（例えば１５００℃）に保持して熱処理を行う。そして、処理が完了した時刻ｔ₂の時点でヒータに対する通電を停止して冷却工程に移行する。冷却工程では、最初のうちは断熱蓋８を閉じておき、炉内温度が所定温度Ｔ’まで低下したら断熱蓋８を開くようにしている。このとき、加熱室１１内の高温のガス１８が、断熱壁６の開口部から空間１６に向けて吹き出し、冷却フィン１３に接触する。この冷却フィン１３は冷却部材１４により冷却されているため、開閉ドアを開くときの温度Ｔ’は、図７における従来の高圧熱処理炉の断熱蓋の開放温度Ｔより高い温度に設定することができる。この結果、断熱蓋を開放する時刻ｔ₃’を、図５の時刻ｔ₃より早めることができる。

そして、冷却フィン１３と接触したガス１８は、多数の冷却フィン１３と熱交換を行って冷却されながら圧力容器３内を対流し、断熱壁６の開口部から加熱室１１へ循環される。この冷却フィン１３は、圧力容器内に多数設けられ、その冷却面積が従来と比較して大幅に増加しているため、冷却性能が高い。この結果、図２に示すように、冷却時間を大幅に短縮することができ、炉のサイクルタイムを短縮することができるという効果が得られる。例えば、従来と比較して冷却時間を約半分に短縮することが可能である。

本発明では、上述した効果に加え、次のような効果が得られる。すなわち、炉の冷却機構に可動部がないため、作動不良を起こす要因が無く、また、電気やガスなどを必要とせず、寿命の問題がない。従って、省エネに優れ、半永久的に使用できる。また、冷却フィンを、冷媒により冷却される冷却部材１４に連結して設け、冷却部材１４を圧力容器３の内壁部に取り付ける構成としたので、水冷チューブによる冷却方式やモータ及びファンによる冷却方式などに比べて構造が簡単であり、部品点数の増加も少ないため、コストアップが最小限に抑えられる。しかも、冷却部材１４を炉蓋２の内壁に取り付けることにより、炉容器長を伸ばすだけで設置可能となり、設計が容易である。

なお、上述した実施形態では、圧力容器３の炉蓋２は、平板であったが、湾曲した形状の鏡板であっても良い。この場合、冷却部材１４の炉蓋２に面する側は、鏡板の湾曲形状に合わせて成形される。

また、上述した実施形態では横置き型の焼結炉について説明したが、本発明は縦置き型の焼結炉についても当然に適用可能である。

その他、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の実施形態の概略構成図である。本発明の高圧熱処理炉における操業時の炉内温度（加熱室温度）の変化の様子を示す図である。従来の高圧熱処理炉の概略構成図である。従来の高圧熱処理炉の概略構成図である。図３、図４の高圧熱処理炉における操業時の炉内温度（加熱室温度）の変化の様子を示す図である。従来の高圧熱処理炉の概略構成図である。

符号の説明

１炉容器
２炉蓋
３圧力容器
４ジャケット
６断熱壁
７被加熱物
８断熱蓋
９シリンダ
１０ヒータ
１１加熱室
１３冷却フィン
１４冷却部材
１６空間
１７インナーケース
１８ガス

Claims

炉容器と該炉容器を閉じる炉蓋とを有する圧力容器と、
該圧力容器内に設けられ、前記炉蓋に対向する位置に開口部を有し、内部に被処理物を収容する加熱室を形成する断熱壁と、
該断熱壁の前記開口部を開閉するように駆動される断熱蓋と、
前記加熱室に設けられ被処理物を加熱するヒータと、
前記炉蓋の内壁面に取り付けられ、内部を流れる冷媒により冷却される冷却部材と、
該冷却部材に連結され、前記圧力容器内のガスを冷却する複数の冷却フィンと、を備え、
前記冷却フィンは、ファンではなく自然対流によって生じるガスの流れに沿う方向にフィンの長手方向を向けており、
前記ヒータによる加熱後に、前記断熱蓋を開くことにより前記開口部を開き、開いた前記開口部を通して、前記加熱室の外部における前記圧力容器内と前記加熱室との間で、ファンによらず自然対流により循環するガスに接触するように前記複数の冷却フィンが設けられている、ことを特徴とする高圧熱処理炉。
前記冷却フィンと前記冷却部材とは、一体成形されている、ことを特徴とする請求項１に記載の高圧熱処理炉。
前記各冷却フィンは、熱膨張を吸収するためのスリットを有している、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の高圧熱処理炉。
前記冷却フィンは、熱伝導率に優れる材料からなる、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高圧熱処理炉。