JP5508708B2 - 熱間等方圧加圧装置 - Google Patents

Description

本発明は、高圧ガス雰囲気下で処理対象物を加熱処理する熱間等方圧加圧装置に係り、特に、大加熱電力の供給を可能としつつ、ヒータエレメントを過熱による損傷から保護する熱間等方圧加圧装置に関するものである。

高圧ガス雰囲気下で処理対象物を加熱して、鋳物の巣やガス気孔、あるいは焼結体中の残留気孔を圧壊して消滅させる処理（以下、ＨＩＰ処理とも言う）には、一般的に熱間等方圧加圧装置（以下、ＨＩＰ装置とも言う）が使用されている。熱間等方圧加圧装置に代表される高圧ガス雰囲気炉では、通常、導電材料の電気抵抗を利用したジュール発熱による加熱方法が採用されている。この目的で使用されるヒータエレメント（以下、単にヒータとも言う）の材料は、炉の雰囲気温度（処理温度）およびヒータ材料の耐熱性によって選定されている。

即ち、雰囲気温度に対して、ヒータエレメントの温度が耐熱温度以下となるような条件で、加熱電力を供給して使用されている。ここで、耐熱温度とは、クリープ変形を生じて形状を維持できなくなる温度、あるいは反応（雰囲気ガスとの反応や溶融反応）を生じてヒータとして機能しなくなる温度をいう。ヒータエレメントは、エレメントの表面からの放熱量と電流によるジュール発熱のバランスする（同等となる）温度で使用されることとなる。ヒータエレメントからの放熱形態は、真空炉では殆ど輻射によるものであり、大気炉や大気圧近傍の不活性ガス雰囲気加熱炉では、輻射と空気もしくはガスの自然対流によるものである。

従来例に係る熱間等方圧加圧装置につき、以下添付図４〜８を参照しながら説明する。図４は従来例に係る熱間等方圧プレス装置の構造を示す図、図５はＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系ヒータの炉温に対する表面負荷密度を示す図、図６はＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系ヒータの高圧及び大気圧窒素雰囲気における許容表面負荷密度を示す図、図７は高圧及び大気圧窒素雰囲気における窒素ガス流速と熱伝達係数の関係を示す図、図８は他の従来例に係る高圧容器及び電気炉の断面図である。

通常、従来例に係る熱間等方圧プレス装置（ＨＩＰ装置）では、図４に示す如く、縦形円筒状の高圧容器１０２の内部に抵抗線加熱方式の電気炉が収納された構造を有している。高圧容器１０２の内部には、処理室１０４を取り囲む様に抵抗線加熱方式のヒータ１０３，１０３，１０３が、上下方向に複数段に分割されて配置され、雰囲気ガスの自然対流による上下部間の温度分布を、上下全体に渡って加熱することにより解消する様にしている。また、ガスの自然対流は、処理室１０４を加熱昇温するための熱が過度に系外に放散される要因ともなるため、これを効率良く抑制できる様に底付き円筒形状の断熱構造体１０５で処理室１０４とヒータ１０３，１０３，１０３とを取囲む構造が採用されている（特許文献１参照）。

そして、前記ヒータ１０３，１０３，１０３で発生した熱を輻射と自然対流による放熱により、雰囲気の高圧ガスおよび被処理対象物に供給にする構成となっており、熱源であるヒータ１０３，１０３，１０３は常に雰囲気ガスよりも高温となり、これらヒータエレメント材料の耐熱温度がその上限温度となっている。従って、処理温度がヒータエレメント材料の耐熱温度に近くなるにつれて、許容される表面負荷密度は小さくなり、これを表面積を大きくすることで回避せざるを得なくなる。即ち、必要な投入可能な電力を確保するには、ヒータ１０３，１０３，１０３のスペースを大きく取る必要が生じて、高価な高圧容器１０２の中でヒータ１０３，１０３，１０３の占める体積が大きくならざるを得えない。

この様に、従来例に係る熱間等方圧プレス装置は、通常は輻射と雰囲気を形成している気体の自然対流による放熱が主体である。このため、使用するヒータエレメントを製造販売しているメーカからは、雰囲気温度に対する許容表面負荷密度（＝許容加熱電力／ヒータの表面積：Ｗ／ｃｍ^２）を設計資料として提供しており、この設計資料に基づいて、投入したい加熱電力に対してヒータの表面積を計算することにより、ヒータエレメントの断面形状や長さを算出している。

例えば、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系のヒータ材料（株式会社リケン製パイロマックス）について図５を用いて説明する。本図５において、ＰＸ−Ｄと記された曲線は、クリープ変形が顕著となる耐熱温度が約１３００℃とされているため、曲線は１３００℃より高温では、許容される表面負荷密度は０Ｗ／ｃｍ^２となっている。本曲線は設計用であり、安全率が考慮されているため、短時間であれば、網掛された設計範囲での使用も可能と推察される。また、放熱量は炉の断熱性にも依存するので、同じ炉温に対して断熱性が悪い場合、即ち放熱量が多い場合には、ヒータに余分な電力を投入する必要が生じる等の要因から、設計範囲は上記の曲線を囲む様な網掛領域で示されている。

この様に、ヒータ放熱量は、ヒータエレメント温度と雰囲気温度との差により発生する自然対流熱伝達及び周囲の構造物や処理品との間での輻射熱伝達により決まり、これは高圧ガス雰囲気の場合も同様である。大気圧近傍と大きく異なる点は、１００ＭＰａもの高圧のガス雰囲気の場合、ガスの密度が大きく比熱も大きくなるために、対流により伝達される熱量が大きくなる点である。

即ち、同じ炉温であっても大気圧近傍と高圧ガス雰囲気下では、自然対流の熱伝達係数は大きくなり、同じ電力を投入してもヒータエレメント温度は大気圧下よりも低くなる。このことは、同じ炉温に対する許容表面負荷密度を大きくしても、雰囲気温度とヒータエレメント温度の差が小さくなって、ヒータエレメントの耐熱温度までの余裕が大きくなることを意味している。

従来例に係るＨＩＰ装置のヒータの場合、ヒータエレメントは通常、輻射と自然対流による放熱現象が生じている状況で使用されている。実際、上記ＰＸ−Ｄ材の場合、設計資料（株式会社リケン、大気圧下用）では、図５に示す如く炉温１２００℃に対する許容表面負荷密度は１Ｗ／ｃｍ^２となっているが、１００ＭＰａの窒素ガス雰囲気下では、図６に示す様に１０Ｗ／ｃｍ^２程度まで許容されることが分かっており、この表面負荷密度の経験値により設計されている。

一方、近年装置のコンパクト化に対する要請が強くなっており、高圧容器の内部に強制対流用のファンを用いたものが用いられつつある。このファンの使用は、冷却時間の短縮の目的で採用されることが多いが、もう一つの利点として、ヒータの許容表面負荷密度を更に大きくできることが挙げられる。

図７は強制対流による放熱量の増加を、高圧（１００ＭＰａ）及び大気圧窒素雰囲気における窒素ガス流速と熱伝達係数の関係として示すものである。横軸は強制対流による流速であり、大気圧下では、流速を２０ｍ／ｓｅｃ以上にしても熱伝達係数は１桁増加程度であるが、１００ＭＰａの窒素ガス雰囲気下では、殆どの流速域で大気圧下より２桁大きな値となることが分かる。

表１は、雰囲気温度を１２００℃、ヒータエレメント温度が雰囲気温度より２００℃高いとしたときの、大気圧状態及び１００ＭＰａの窒素ガス雰囲気下での自然対流の場合の熱伝達係数と、強制対流で流速を大きくした場合の熱伝達係数（Ｗ／ｍ^２Ｋ）を計算した結果を示したものである。因みに、自然対流で生じる大気圧のガスの流速は０．４ｍ／ｓｅｃ程度、高圧窒素では０．１ｍ／ｓｅｃ程度に相当することが、この表から読み取れる。高圧の窒素ガス雰囲気下では、強制対流により流速を１〜５ｍ／ｓｅｃとすることにより、熱伝達係数は自然対流の場合の１０〜３６倍程度にまで増大する。即ち、同じ雰囲気温度とヒータエレメントの温度差（２００℃）に対して、１０〜３６倍の加熱電力の投入が可能となる。

一方、近年処理温度が５００℃近傍を対象としたＨＩＰ装置では、温度５００℃近傍では高圧ガスの対流を利用する方が効率よく加熱できることが認識されて、図８に示す様に、高圧容器３２内の高圧ガスを処理室３４の下方に配置されたファン３３により強制対流を生じさせて、ベースヒータ３５からの熱の供給量を増大させるような熱間等方圧加圧装置３１が提案されている（特許文献２参照）。しかし、この場合、何らかの原因で前記ファン３３が停止して強制対流が遮断されてしまうと、除去される熱量の急速な減少により、ベースヒータ３１の温度が急激に上昇して耐熱温度を越えてしまう危険性が生じる。
特開２００７−３０９５４８号公報 特開２００３−３３６９７２号公報

自然対流と輻射によりヒータから熱を、アルゴン、窒素等の高圧の雰囲気ガスを介して処理対象物に伝熱する従来例に係る熱間等方圧加圧装置では、ヒータエレメントの表面負荷密度の限界が小さくヒータ表面積を大きくする必要があるため、ヒータ自体が大きくなり、近年のコンパクト化の要請に応えることができない。また、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ合金のヒータエレメントでは、耐熱温度が１３００℃強程度であるため、雰囲気温度、即ち炉温は、１００ＭＰａのアルゴン雰囲気の場合でこれより２００℃程度低い温度、即ち１１００〜１１３０℃程度が上限となってしまい、これ以上の温度を発生するには他のヒータエレメント材料を使用する必要が生じる。

しかしながら、耐酸化性が要求される場合には、白金のような高価な材料以外にヒータエレメント材に適したものがないという問題がある。更に、この白金も融点が１７６８℃であり、ヒータエレメントに白金を使用したとても、１００ＭＰａのアルゴン／酸素混合雰囲気下での炉温は１５５０〜１５７０℃が限界である。
一方、ファンを利用して、ヒータからの熱を高圧の雰囲気ガスに伝熱する強制対流方式による従来例に係る熱間等方加圧装置では、ファンが何らかの原因で停止したときに、ヒータエレメントの温度が急激に上昇して、断線等のトラブルを招くこととなる。

従って、本発明の目的は、ヒータエレメントへの大加熱電力の供給が可能で、かつヒータエレメントの過熱による損傷を回避可能な熱間等方圧加圧装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る熱間等方圧加圧装置が採用した手段は、処理対象物を収容する高圧容器と、この高圧容器の下方に設置された加熱手段とを有し、この加熱手段により加熱された圧媒ガスを前記高圧容器内に強制的に対流させるための圧媒ガス強制対流手段を前記高圧容器の下方に備えてなる熱間等方圧加圧装置であって、前記加熱手段の近傍に設置され、前記加熱手段の近傍の雰囲気温度を検知する測温手段を備えると共に、前記雰囲気温度が所定温度以上の過熱状態になったことを前記測温手段が検知した場合に、前記加熱手段の過熱防止のために前記加熱手段への供給電力を遮断または低減する様に制御する保護手段が設けられ、
前記圧媒ガス強制対流手段が、前記圧媒ガスを攪拌及び循環させる音響流を発生させる音響流発生部と、前記音響流発生部を振動させる超音波振動子とから構成されてなることを特徴とするものである。

本発明の請求項１に係る熱間等方圧加圧装置によれば、
処理対象物を収容する高圧容器と、この高圧容器の下方に設置された加熱手段とを有し、この加熱手段により加熱された圧媒ガスを前記高圧容器内に強制的に対流させるための圧媒ガス強制対流手段を前記高圧容器の下方に備えてなる熱間等方圧加圧装置であって、前記加熱手段の近傍に設置され、前記加熱手段の近傍の雰囲気温度を検知する測温手段を備えると共に、前記雰囲気温度が所定温度以上の過熱状態になったことを前記測温手段が検知した場合に、前記加熱手段の過熱防止のために前記加熱手段への供給電力を遮断または低減する様に制御する保護手段が設けられ、前記圧媒ガス強制対流手段が、前記圧媒ガスを攪拌及び循環させる音響流を発生させる音響流発生部と、前記音響流発生部を振動させる超音波振動子とから構成されてなる。

その結果、前記加熱手段が溶断する様なトラブルを抑制し、処理対象物と高圧ガス双方への熱の供給が改善されて加熱時間が短縮される。また、前記加熱手段の表面負荷密度を大きくした設計が可能となり、加熱手段のコンパクト化が可能となる。更に、同一発熱手段であっても、発生可能な温度の最高値を、従来例に係る自然対流・輻射型と比較して高くできる。
前記加熱手段が溶断するようなトラブルを発生することなく、処理対象物と高圧ガス双方への熱の供給が大きく改善されて、加熱時間が短縮される。また、前記加熱手段の表面負荷密度を大きくした設計が可能となり、加熱手段のコンパクト化が可能となる。更に、同一発熱手段であっても、発生可能な温度の最高値を、従来例に係る自然対流・輻射型と比較して１００℃以上高くできる。
前記撹拌ファンの設置に伴うファン材料の高コスト化の問題を始め、曲げ応力やブレの問題、ファン駆動モータ等のスペース制約の問題等を回避することができる。

先ず、参考例の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置（ＨＩＰ装置）の構造及び作用を、以下添付図１〜３を参照しながら説明する。図１は参考例の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置の構造を説明するため、空炉状態の立断面を示す模式的立断面図、図２は図１における操業中の高圧容器内の高圧ガスの流れ状態を説明するための模式的立断面図、図３は本発明の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置の構造を説明するため、空炉状態の立断面を示す模式的立断面図である。

参考例の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置は、高圧円筒１、上蓋２、下蓋３で構成される高圧容器の内部に、断熱構造体４で画成された処理室５と、この処理室５下端の加熱室６ａ内に配置されたヒータ（加熱手段）６と、更に、この加熱室６ａ内のヒータ６下方に配置された強制対流発生用の撹拌ファン（圧媒ガス強制対流手段）７が備えられている。参考例の実施の形態に係る図１の熱間等方圧加圧装置は、前述した図４に示した様に側面部ヒータからの輻射熱による処理対象物の加熱を行なうことなく、１０００℃以上の高温までの処理を可能とするものである。

通常の処理時においては、前記処理室５内には、前図４もしくは図８に示された様に棚板が設置され、各棚板上に処理対象物が載置される。本例は前記処理室が棚板も処理対象物も無い空の状態、即ち空炉状態を示している。処理室５内に収納された全ての処理対象物の熱履歴を保証するために、通常は、少なくとも前記処理室５の上端部近傍には上部処理室測温部材９ａが、前記処理室５の下端部近傍には下部処理室測温部材９ｂが取り付けられて、処理室５内の夫々の温度を測定可能としている。また、前記加熱室６ａのヒータ６近傍にはヒータ過熱監視用測温部材（測温手段）１０が取り付けられて、ヒータ６近傍の雰囲気温度を測定可能としている。

そして、前記上部処理室測温部材９ａ及び下部処理室測温部材９ｂによって検出された
温度検出信号は、図示しない制御器に送信されると共に、前記上部及び下部処理室測温部材９ａ，９ｂによって検出された検出温度を基に、前記制御器によりヒータ６への加熱電力を遮断または低減する制御を行ない、前記ヒータ６を保護する保護手段が設けられている。また、前記上部処理室測温部材９ａ及び下部処理室測温部材９ｂによって検出された検出温度に所定値以上の温度差がある場合には、前記制御器が撹拌ファン７を駆動している駆動モータ８の回転数を制御して、高圧ガスの対流々速を上げて処理室５内の均熱性を制御する様に構成されている。

符号１４はガス流通孔１４ａが設けられた台座であり、この台座上に図示しない複数段の棚板が設置され、各棚板に処理対象物が載置される。そして、ヒータ６によって加熱された高圧ガスは、撹拌ファン７によって撹拌された後、加熱室６ａから前記ガス流通孔１４ａを経て処理室５に至る。尚、１０００℃程度までの温度域では、撹拌ファン７をある速度以上の高速で駆動していれば、処理室５内の均熱性は容易に確保されることが経験的に知られている。ここで、符号１２は高圧容器内に高圧ガスを導入するためのガス導入孔、符号１３は高圧円筒１を冷却するための水冷ジャケットであり、この水冷ジャケット１３には、冷却水を供給するための冷却水入口１３ａと、排出するための冷却水出口１３ｂが取り付けられている。

高圧の状態でヒータ６に通電すると、ヒータ６が収納された空間に充填された高圧ガスが加熱されて処理室５内を上昇し、図示しない処理対象物を収納している円筒状の整流筒１１の外側を下降して撹拌ファン７の部分に戻る様な自然対流が発生する。即ち、この自然対流による流れは、図２に矢印で示した様な循環流を描く。この高圧ガスの循環により処理室５内の処理対象物は加熱される。

しかし、自然対流のみでは、表1を参照して説明した様に、１００ＭＰａの高圧窒素ガスといえども、その熱伝達係数は１００Ｗ／ｍ^２Ｋ程度であり、処理対象物への熱の供給及びヒータエレメント６表面からの熱の吸収効率が十分ではない。そのため、加熱に時間を要する一方、前述の様に大きな電力を投入するとヒータエレメント６からの熱の放散が少なく、ヒータエレメント６自体が過熱されて耐熱温度を超えてしまう様な状態となり易い。加熱室に設置されたヒータ過熱監視用測温部材１０は、この様な状態を検知するために設置されたもので、このヒータ過熱監視用測温部材１０によって検出された検出温度が所定温度を超えると、前記制御器によりヒータ６への供給加熱電力を遮断もしくは低減する制御を行う様に構成されている。

尚、加熱室６ａの中でも、ヒータエレメント６が過熱され易い部分は、自然対流によるガスの流れが淀み易く、かつ熱も溜まり易い部位が該当する。即ち、この様な部位の一つは、ヒータエレメント６の上端近傍でヒータエレメント６の上側空間が開放されていない部分であるので、この様な部位に少なくとも１個のヒータ過熱監視用測温部材１０を配置する。具体的には、図１，２に示された如く撹拌ファン７が配置されている場合、ファン回転軸８ａ上の正面に位置する空間はガスの流速が低下し易いので、ヒータエレメント６の上端近傍の水平面内で、ファン回転軸８ａ上方に配置することが推奨される。

もちろん、前記ヒータ過熱監視用測温部材１０は、この一箇所に限らず、複数個所設置することが好ましい。図１，２に示された様に加熱室６ａの内部では、上記のファン回転軸８ａの上の他に、ヒータエレメント６が配置され、かつ撹拌ファン７から遠い位置も過熱状態となる可能性があるので、このような位置にも配置することが現実的である。尚、ヒータ過熱監視用測温部材１０としては、設置スペースが小さくて済み、測温精度と信頼性の観点から熱電対を用いることが推奨されるが、抵抗温度計等の他の手段を用いても良い。

参考例の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置においては、上述の如く撹拌ファン７をファン駆動モータ８により駆動して、高圧容器内のガスを強制対流させている。このときの高圧ガスの流れは、基本的に上述の自然対流による流れと同様な循環流を描くように形成される。この様な強制対流は、元々自然対流による流れが形成される現象を更に助長する様な形態で作用するので、前記撹拌ファン７の駆動にはさほど大きな動力は必要としない。

尚、撹拌ファン７の構造は、高流速が得易い、いわゆる軸流形（アクシャルタイプ）が適しており、撹拌ファン７の材質等には、１２００℃の高温に耐え得るモリブデン合金等を用いるのが一般的である。この様な撹拌ファン７を用いた強制対流により、高圧ガスの流速を容易に１〜５ｍ／ｓｅｃとすることが可能である。この結果、表１に示した様に、熱伝達係数が飛躍的に向上されて、処理対象物への熱の供給はもちろんヒータエレメント６からの熱の伝達が良くなり、ヒータエレメント６が過熱されるのを防ぐことが可能となる。この結果、同一のヒータエレメント材を使用したヒータ６であっても、本発明の如く強制対流を利用することによって、従来の自然対流型ＨＩＰ装置の場合と比較して、最高雰囲気温度（炉温）を、ヒータエレメント材の耐熱温度により近い温度まで近づけることが可能となる。

参考例の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置では、この様な強制対流型ヒータ構造を採用する場合の技術的な問題点である、撹拌ファン７に何らかのトラブルが発生して高圧ガスの強制対流が利用できなくなった場合に対して、ヒータ６の保護手段を加えることが肝要である。即ち、撹拌ファン７は構成材料および駆動モータ８の耐熱性の関係から、処理室５空間の下方の加熱室６ａにおいて、ヒータ６の下部に配置されるのが通例であるが、処理対象物に付着した砂、錆等が落下して、撹拌ファン７もしくは駆動モータ８の軸受部に侵入して、ファン回転軸８ａが回転しなくなるといったトラブルが発生し易い。

この様に、撹拌ファン７もしくは駆動モータ８の軸受部分に錆や砂などの異物が侵入する等して回転しなくなった場合には、通常は過負荷を検知する電流計等のセンサーにより過負荷信号が制御器に送信され、この制御器の指令により駆動モータ８への供給電力が遮断されるが、前記過負荷信号を用いてヒータ６への加熱電力の供給も遮断する保護回路を設けることも推奨される。

＜実施例＞
従来例に係る自然対流・輻射型ＨＩＰ装置（比較例）と、参考例の実施の形態に係る強制対流型ＨＩＰ装置（実施例）について、同一のヒータエレメント材を用いた場合に、常用できる最高雰囲気温度について評価した結果を表２に示す。例えば、粉末ハイス鋼のＨＩＰ処理においては、通常温度１１００℃程度で高圧処理が行われ、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系ヒータを用いることができる。この場合、比較例においては、雰囲気の最高温度が１１５０℃程度であったため、ヒータ寿命が必ずしも十分ではなかったが、実施例においては最高雰囲気温度１２５０℃まで昇温可能なため、ヒータ温度を１５０℃の余裕温度△Ｔ（＝耐熱温度−最高雰囲気温度）を持って加熱でき、実用上ヒータ寿命は全く問題がない状況となった。

また、一部の酸化物セラミックスの熱間等方圧加圧処理では、処理圧力１００ＭＰａ、処理温度１５００℃以上で、アルゴンに酸素を１〜１０％程度添加した雰囲気ガスが使用されるが、この様なガス雰囲気で使用できるヒータ材料は白金もしくは白金ロジウム合金しかなく、大形のＨＩＰ装置では、従来例に係る自然対流・輻射型では表面負荷密度を大きくできず、表面積を大きくする、すなわち大量の白金を使用せざるを得ないという問題が発生していた。

また、白金ロジウム合金ではエレメント温度が高くなればなる程、ロジウムが揮発して減量するとともに炉内の壁に再付着するという問題があったが、本発明によりヒータエレメント温度に１００℃以上の余裕ができて、ヒータエレメント６が溶断するというトラブルも発生しなくなった。モリブデンもしくは耐熱性に優れたＬａ_２Ｏ_３を添加したモリブデン合金のヒータエレメントについても同様の結果となった。

ところで、熱間等方圧加圧装置を最高温度で運転しているとき、即ちヒータエレメント６に大きな表面負荷密度で電力供給されているときに、撹拌ファン7の回転が停止して、強制対流が不可能になって自然対流状態に戻ってしまうと、ヒータエレメント６の温度が急上昇し、場合によっては溶断してしまう。このため、駆動モータ８が過負荷になった状態またはヒータ過熱監視用測温部材１０からの温度検出信号値が所定の値より大きくなった場合には、ヒータ６への供給電流を遮断もしくは低減する制御を行う保護装置を必須としている。

ヒータ６への供給電流を遮断するか低減するかについては、ヒータエレメント材料に応じて選択するのが現実的である。即ち、表２に示したＦｅ−Ａｌ−Ｃｒ系合金や白金もしくは白金合金の場合は、耐熱性の基準が溶融にあるために、過熱によるヒータ６の損傷は即時的かつ致命的であり、遮断する方法が好ましい。一方、純モリブデンやモリブデン合金あるいは表２には示されていないがＨＩＰ装置でしばしば使用される黒鉛の場合には、過熱状態となっても、融点が非常に高いため運転温度で即時的にヒータが溶断することは少なく、運転は可能であるので、負荷を小さくする程度である程度の保護を実現することができる。

この場合、低減させる供給電流の範囲は、運転されている圧力にも依存するが、強制対流から自然対流になった場合の熱伝達係数で評価が可能であり、かつ、短時間であれば、表２に示す如く余裕温度△Ｔ＝２００℃ではなくて、強制対流においては余裕温度△Ｔ＝１００℃程度まで許容される。また、供給電力ＷはＷ＝Ｉ^２Ｒで示されるので、電流は電力の平方根で評価され、供給電流値を１／３〜１／６に低減することでヒータ６の保護が実現される。もっとも電力が必要な昇温を終了して温度保持に入った直後でなく、保持してから１５〜３０分以降であれば、この程度供給電力を低減させても、温度の急激な低下はなく、急激な温度低下で損傷を受けるような処理品の救済も可能となる。

尚、ヒータ過熱監視用測温部材１０は、１箇所に限らず複数個所設置することが好ましい。図１，２に示された例のようにヒータ６が収納された加熱室６ａの内部で、過熱され易い部分や、撹拌ファン７の位置から遠い位置にも設置することが現実的である。ヒータ過熱監視用測温部材１０に用いられる測温部材としては、設置スペース及び測温精度の観点から熱電対が推奨されるが、他の測温手段を用いても良い。

次に、本発明の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置を、以下添付図３を参照しながら説明する。図３は本発明の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置の構造を説明するため、空炉状態の立断面を示す模式的立断面図である。

尚、本発明の実施の形態が上記参考例の実施の形態と相違するところは、圧媒ガス強制対流手段の構成に相違があり、その他は全く同構成であるから、この圧媒ガス強制対流手段とこれに関連する構成についての説明に止めるものとする。

即ち、参考例の実施の形態に係る圧媒ガス強制対流手段の構成においては、加熱室６ａ内に、駆動モータ８に回転軸８ａを介して接続された撹拌ファン７が備えられていたのに対し、本発明の実施の形態に係る圧媒ガス強制対流手段の構成においては、加熱室６ａ内に、圧媒ガスを攪拌及び循環させる音響流を発生させる音響流発生部１８と、この音響流発生部１８を駆動させるための超音波振動子１９とからなる圧媒ガス強制対流手段が備えられている。

前記音響流発生部１８は、処理室５の均熱化を促進するためのものであって、平面視した状態で処理室５の中央に配置されたメインホーン２０と、このメインホーン２０の周囲に配置されたサブホーン２１とを有している。

メインホーン２０やサブホーン２１は、内部が空洞もしくは中実で外観が逆円錐台形状を有しており、先端に行くに従って径大となっている。メインホーン２０やサブホーン２１の径大部（即ち先端部）は上方を向く様に配置されており、その先端は振動面（ホーン振動面）が形成されている。ホーン振動面の材質は、暴露される温度等によって選択されるが、音波の減衰が少ない高ヤング率のタングステンやモリブデン、またはＮｉ基の超合金等の金属材料、或いは炭化珪素、窒化珪素等の耐熱セラミックスを使用可能である。

超音波振動子１９は、メインホーン２０及びサブホーン２１の夫々に１対１対応となる様に、メインホーン２０やサブホーン２１の基端部（下端部）に設けられており、夫々周囲が上方からの輻射熱による温度上昇を防止するための断熱保護材２２によって包囲され、この断熱保護材２２ごと、取付カバー２３を介して下蓋３の上面に固定されている。
これら超音波振動子１９に電圧を印加して駆動させると、各超音波振動子１９に各メインホーン２０やサブホーン２１がホーン振動面を振動させる様になり、この振動に誘起されて上向きに音響直進波（音響波）が発生することになる。この音響直進波が、加熱室６ａから処理室５に向けて、メインホーン２０及びサブホーン２１によるガス流を発生させることになる。

上記メインホーン２０によるガス流は、主として処理室５での循環流を促進させるものとして作用し、サブホーン２１によるガス流は、主として冷却用の循環流を促進させるものとして作用する。
メインホーン２０用の超音波振動子１９には、板状の圧電体素子を振動方向に重ねて使用するランジュバン型のものを使用することができる他、１ＭＨｚ程度の高い周波数で駆動させることを条件として、厚さが１０ｍｍ以下の薄い単一素子型のものを使用することもできる。単一素子型を使用する場合、投入電力は制限されるものの、メインホーン２０からの熱伝導で超音波振動子１９が過熱することを防止できる利点がある。

これに対して、サブホーン２１用の超音波振動子１９には、冷却用の循環流を発生させるという主目的を果たさせる上で大電力の投入が必要となるために、ランジュバン型のものを使用するのが好適となる。この場合、２０〜３０ｋＨｚの周波数で駆動させるのが好ましい。
加熱室６ａには、その内周面から所定高さで室内へ張出す様にして円環形状のデフューザ部２５が設けられている。このデフューザ部２５が設けられる高さは、音響流発生部１８のメインホーン２０（即ち、処理室５に対してその中央位置に配置されたホーン）のホーン振動面と、その上方に配置されたヒータ６との上下間に配設される様に位置決められている。

前記デフューザ部２５の中央には開口部２５ａが形成されている。この開口部２５ａは、メインホーン２０に対向する位置関係（平面視して同心円となる関係）にあり、このメインホーン２０より径大（面積大）に形成されている。そのため、メインホーン２０で上昇流となるガス流を発生させた場合、このガス流に対して、デフューザ部２５の下方に存在する圧媒ガスが、加熱室６ａに引き込まれて吸引ガス流となるといったエジェクタ効果が誘起される。この様な吸引ガス流は、メインホーン２０によるガス流（処理室内循環流）の発生促進や、サブホーン２１によるガス流（冷却用循環流）の発生促進を更に効率良く行わせ、循環ガスの流量を増幅させる上で極めて有効である。

尚、前記開口部２５ａの縁部（即ち、デフューザ部２５の張出し部）は、その全周を上方に向けてリブ状に突出させておくのが、エジェクタ効果を早期にかつ効率良く発生させる上で更に好適となる。
そして、上部処理室測温部材９ａ及び下部処理室測温部材９ｂによって検出された温度検出信号が、図示しない制御器に送信されると共に、前記上部処理室測温部材９ａと下部処理室測温部材９ｂによって検出された検出温度の温度差が所定値を越えたときに、前記制御器により超音波振動子１９を駆動すべく制御し、もって処理室の均熱性が保持される様に構成されている。

以上説明した通り、本発明に係る熱間等方圧加圧装置によれば、音響流発生部と超音波振動子からなる圧媒ガス強制対流手段を用いると共に、ヒータエレメントの過熱防止保護手段の機能によって、ヒータが溶断するようなトラブルを発生することなく、処理対象物への熱の供給とヒータエレメントから高圧ガスへの熱の供給の双方が大きく改善されて、加熱時間が短縮される。また、ヒータの表面負荷密度を大きくした設計が可能となる結果、ヒータのコンパクト化が可能となり、同材質のヒータエレメントでも発生可能な温度の最高値が、従来の自然対流・輻射型と比較して１００℃以上改善できる等の効果が享受され、熱間等方圧加圧装置の利用分野の拡大、生産性の向上に寄与するところが極めて大きい。

参考例の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置の構造を説明するため、空炉状態の立断面を示す模式的立断面図である。 図１における操業中の高圧容器内の高圧ガスの流れ状態を説明するための模式的立断面図である。 本発明の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置の構造を説明するため、空炉状態の立断面を示す模式的立断面図である。 従来例に係る熱間等方圧プレス装置の構造を示す図である。 Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系ヒータの炉温に対する表面負荷密度を示す図である。 Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ系ヒータの高圧及び大気圧窒素雰囲気における許容表面負荷密度を示す図である。 高圧及び大気圧窒素雰囲気における窒素ガス流速と熱伝達係数の関係を示す図である。 他の従来例に係る高圧容器及び電気炉の断面図である。

符号の説明

１：高圧円筒， ２：上蓋， ３：下蓋，
４：断熱構造体， ５：処理室，
６：ヒータ（加熱手段）， ６ａ：加熱室，
７：撹拌ファン，
８：駆動モータ， ８ａ：ファン回転軸，
９ａ：上部処理室測温部材， ９ｂ：下部処理室測温部材，
１０：ヒータ過熱監視用測温部材（測温手段），
１１：整流筒， １２：ガス導入口，
１３：冷却水ジャケット， １３ａ：冷却水入口， １３ｂ：冷却水出口，
１４：台座， １４ａ：ガス流通孔，
１８：音響流発生部， １９：超音波振動子，
２０：メインホーン， ２１：サブホーン，
２２：断熱保護材， ２３：取付カバー，
２５：デフューザ部， ２５ａ：開口部

Claims (1)

1. 処理対象物を収容する高圧容器と、この高圧容器の下方に設置された加熱手段とを有し、この加熱手段により加熱された圧媒ガスを前記高圧容器内に強制的に対流させるための圧媒ガス強制対流手段を前記高圧容器の下方に備えてなる熱間等方圧加圧装置であって、前記加熱手段の近傍に設置され、前記加熱手段の近傍の雰囲気温度を検知する測温手段を備えると共に、前記雰囲気温度が所定温度以上の過熱状態になったことを前記測温手段が検知した場合に、前記加熱手段の過熱防止のために前記加熱手段への供給電力を遮断または低減する様に制御する保護手段が設けられ、
   前記圧媒ガス強制対流手段が、前記圧媒ガスを攪拌及び循環させる音響流を発生させる音響流発生部と、前記音響流発生部を振動させる超音波振動子とから構成されてなることを特徴とする熱間等方圧加圧装置。

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