JP2003121076A

JP2003121076A - 雰囲気制御型熱処理炉

Info

Publication number: JP2003121076A
Application number: JP2001314737A
Authority: JP
Inventors: Akisato Honjo; 哲吏本庄; Masahiro Egami; 雅裕江上; Teruo Izumi; 輝郎和泉; Toru Shiobara; 融塩原
Original assignee: International Superconductivity Technology Center; IHI Corp; Showa Electric Wire and Cable Co
Current assignee: International Superconductivity Technology Center; IHI Corp; SWCC Corp
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2003-04-23
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: JP3789341B2

Abstract

(57)【要約】【課題】管状炉の軸方向に安定した雰囲気を形成する
ことができる簡単な構造の雰囲気制御型熱処理炉を提供
する。【解決手段】炉心管を二重構造にし、外管と内管の間
に４枚の仕切板を設け２組のガス供給流路とガス排出流
路を形成する。ガス供給流路に複数箇所のガスガス流出
孔を、ガス排出流路に複数箇所のガス流入孔を設け、各
ガス供給流路とガス排出流路にそれぞれ異なるガスを異
なる流速で供給し、ガス流出孔とガス流入孔との間に圧
力差を生じさせ、炉心管の軸方向に対する垂直方向に異
なるガスをそれぞれ均一に流す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱処理炉に関し。特
に雰囲気制御が必要であるセラミックス、有機化合物、
金属および金属化合物などの長尺材料の熱処理に適した
雰囲気制御型熱処理炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、雰囲気制御が必要な長尺材料の熱
処理に用いられる雰囲気制御型管状炉においては、炉心
管の一方の端部から他方の端部に雰囲気ガスを流すこと
によって炉内の雰囲気を制御することが行われている。
このように長尺材料に対して炉心管の軸方向にガスを流
すと、長尺材料から反応時に発生するガスの影響によっ
て炉心管の軸方向に雰囲気が変化し、長尺材料を均一に
反応させることが極めて困難となる。

【０００３】このような問題を回避するためには、反応
ガスの影響を抑えて炉内の雰囲気を一定に保つために、
炉心管の軸方向に対して垂直方向にガスを流すことが必
要となる。この場合、炉心管の一方の側面部にガスの流
出孔を設け、その反対側の側面部に流入孔を設けて、そ
れぞれの流出入孔部の流量を制御しなければならない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法により炉心管の軸方向に対して垂直な方向にガスを
流す場合、個々のガスの流出入孔部の流量を制御するた
めにガス流出入孔の数に応じた流量計が必要となる。特
に長尺材料の場合には炉長が長くなるためにガスを炉内
に均一に流すためには、ガス流出入孔が多数必要にな
り、それに伴って設置する流量計の数が増加して、コス
トが上昇するという問題がある。

【０００５】本発明は、以上の問題を解決するためにな
されたもので、雰囲気制御が必要な長尺材料の熱処理に
おいて、反応時に発生するガスの影響を抑制し、均一な
反応を可能にするとともに、その製造コストの低減が可
能な雰囲気制御型熱処理炉を提供することをその目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、本発明の雰囲気制御型熱処理炉は、同心状に配置
された外管及び内側とからなる炉心管と、この外管及び
内管によって形成された円筒状空間を炉心管の軸方向に
垂直な断面内において複数に分割する仕切板により複数
のガス流路を形成し、この複数のガス流路の内管のほぼ
対向する位置に、それぞれ複数箇所のガス流出孔及びガ
ス流入孔を設けたものである。

【０００７】また、本発明の目的は、筒状の炉心管の内
部に複数本の筒状体を配設して複数のガス流路を形成
し、この複数本の筒状体のほぼ対向する位置に、それぞ
れ複数箇所のガス流出孔及びガス流入孔を設けることに
よっても達成することができる。

【０００８】上記の複数箇所のガス流出孔及びガス流入
孔を有するガス流路に、同質のガスを異なる流速で供給
することにより、ガス流出孔とガス流入孔との間に圧力
差を生じさせることが可能となり、炉心管の軸方向に対
する垂直方向にガスを均一に流すことができる。

【０００９】この場合、ガス流出孔とガス流入孔との間
の圧力差は、それぞれのガス流路の入口部と出口部の流
速を変化させることにより行うことができる。

【００１０】また、上記の複数箇所のガス流出孔及びガ
ス流入孔を有する一対のガス流路を複数組備え、それぞ
れの組のガス流路に異なる質のガスを供給することによ
り供給材料に２以上の反応を起こさせることができる。
例えば、２種類の異なるガスを用いる場合には仕切板は
４箇所設けられ、３種類の異なるガスを用いる場合には
仕切板は６箇所設けられて、それぞれの組のガス流路に
異なるガスが供給される。

【００１１】この場合、複数箇所のガス流出孔及びガス
流入孔を、炉心管の軸方向に沿って区画された範囲内に
おいて、いずれか一つの組のガス流路に対して設けるこ
とにより、それぞれの反応を均一に起こさせることがで
きる。例えば、２種類のガスを用いる場合には、炉心管
の軸方向に区画された３区域の中央部分にガスAの２つ
のガス流路に複数個のガス流出孔及びガス流入孔を形成
し、前後部分にガスBの２つのガス流路に複数個のガス
流出孔及びガス流入孔を形成する。

【００１２】以上の雰囲気制御型熱処理炉を用いて長尺
材料を連続的に熱処理する場合、炉心管のほぼ中央部に
長尺材料を支持するための溝部を有する支持部材を配設
し、複数箇所のガス流出孔及びガス流入孔をこの溝部側
に設けることが好ましい。これにより、長尺材料を炉内
に安定に供給して均一に反応させることが可能になる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１及び２は本発明による雰囲気
制御型熱処理炉を示したもので、２つのガス流路を有す
る炉心管の軸方向に垂直な２箇所の概略断面図を示して
いる。

【００１４】図１及び２に示すように、炉心管は二重構
造を有し、外側に配した外管１１と内側に配した内管１
２が同心状に配置され、外管１１と内管１２との間は4
枚の仕切板１３により４つのガス流路１５、１６、１
７、１８が形成されている。内管及び外管と仕切板と
は、それぞれ接合され、各流路に流すガスが互いに侵入
しないように完全に分離されている。

【００１５】図１において、ガス流路１７にはガス流出
孔１９が、またガス流路１８にはガス流入孔２０が形成
されている。一方図２において、ガス流路１５にはガ
ス流出孔２１が、またガス流路１６にはガス流入孔２２
が形成され、ガス流路１５、１６及びガス流路１７、１
８はそれぞれ一対のガス流路を形成する。

【００１６】上記のガス流出孔及びガス流入孔は適当な
間隔をおいて複数箇所形成され、図３に示すように、一
対のガス流路を形成する複数のガス流出孔及びガス流入
孔は、炉心管の軸方向に沿って区画された範囲内におい
て設けられている。図３の概略水平断面図及び図４の概
略垂直断面図において、区画（Ａ）においてはガス流
出孔１９及びガス流入孔２０が形成され、区画（Ｂ）に
おいてはガス流出孔２１及びガス流入孔２２が形成さ
れており、ガス流路１７、１８にはガスＡが、またガス
流路１５、１６にはガスＢが供給される。

【００１７】また、炉心管のほぼ中央部に長尺材料を支
持するための支持部材１４が配設され、複数箇所のガス
流出孔及びガス流入孔はこの支持部材の一側に配置され
ている。この支持部材には長尺材料を中央部に配置する
ための溝部を形成することが望ましい。

【００１８】以上の構成の雰囲気制御型熱処理炉におい
て、ガス流路１５、１７をガス供給流路とし、ガス流路
１６，１８をガス排出流路とする。そしてガス供給流路
１７とガス排出流路１８にガスAを、またガス供給流路
１５とガス排出流路１６にガスBを供給する。この場合
に、ガス供給流路１５、１７とガス排出流路１６、１８
との間の流速を異なるように各ガス流路にガスを供給す
る。

【００１９】この場合、それぞれのガス流路の入口部と
出口部の流速を変化させることによりガス流出孔とガス
流入孔との間に圧力差を発生させることができ、例え
ば、それぞれのガスのガス供給流路の入口部及びガス排
出流路の出口部のガス流速とガス供給流路の出口部及び
ガス排出流路の入口部のガス流速との間に差を設けるこ
とによって、ガス流出孔とガス流入孔との間に圧力差を
生じ、炉心管の軸方向に対して垂直方向にガスを均一に
流すことができる。

【００２０】このように二重管構造を用いることによっ
て、炉心管の軸方向に沿ってガスを流すことにより炉心
管の軸方向に対する垂直方向にガスを均一に流すことが
でき、炉心管の軸方向に沿って均一性をもった複数のガ
ス雰囲気を実現することができる。また、多数の流速計
を必要とせず、熱処理炉の製造コストが低減できるばか
りか、その使用方法も簡便となる。

【００２１】特に、長尺材料を一定速度で熱処理炉に送
り込み連続熱処理を行うためには、熱処理開始時の昇温
過程で通過する炉心管端部側部分、一定温度で熱処理を
行う過程で通過する炉心管中央部分、そして炉冷過程で
通過する他方の炉心管端部側部分で、異なる雰囲気区域
を作ることが材料の特性向上のために必要となり、以上
の二重管構造の雰囲気制御型熱処理炉は、ガス流路を4
つ以上設けることによって優れた性能を得ることができ
る。

【００２２】図５及び図６は、筒状の炉心管の内部に複
数本の筒状体を配設して複数のガス流路を形成した例を
示したもので、図５は円筒状の炉心管３０を用いた場合
を、また図６は矩形状炉の心管４０を用いた場合を示し
ている。それぞれの炉心管３０、４０の内部には、４本
の筒状体３１、３２、３３、３４または４１、４２、４
３、４４が配設され、筒状体３１と３２、３３と３４、
４１と４２、４３と４４はそれぞれ一組のガス流路を形
成する。筒状体３１、３３、４１、４３はガス供給流路
を、筒状体３２、３４、４２、４４はガス排出流路を形
成し、それぞれ対向する位置にガス流出孔及びガス流入
孔が設けられており、これらのガス流出孔及びガス流入
孔の間の圧力差によって炉心管の軸方向に対する垂直方
向に異なるガスA及びガスBを均一に流すことができる点
は上記の二重管構造の雰囲気制御型熱処理炉と同じであ
る。尚、３５及び４５は、中央部に長尺材料を配置する
ための溝部が形成された支持部材である。

【００２３】

【実施例】それぞれ全長１５００mmの内管と外管を用い
て、図1〜４に示すように仕切板が4つある二重管構造の
雰囲気制御型熱処理炉を作製した。外管の直径は１００
mm、内管の直径は５０mmとした。仕切板および内管、外
管は、すべて石英を用い、仕切板と内管及び外管は溶接
で接合し、各ガス通路が相互に完全に遮断されるように
した。内管に長手方向に２０mmの間隔を置いて直径１０
mmのガス孔を、図1、2及び4で示すように形成した。図1
は熱処理炉の両端部側断面、図2は中央部断面をそれぞ
れ示す。孔の位置は、中央部においてガスAの供給流路
１７からガスAの排出流路１８へガスが流れるように、
両端部側においてはガスBの供給流路１５からガスBの排
出流路１６にガスが流れるように設定した。

【００２４】ガス流路の出入口の流速の設定を図3によ
って説明する。

【００２５】ガスAの供給流路１７とガスBの供給流路１
５の入口部及びガスAの排出流路１８とガスBの排出流路
１６の出口部のガス流速を１０m/sec.に設定し、ガスA
の供給流路１７及びガスＢの供給通路１５の出口部及び
ガスAの排出流路１８とガスBの排出流路１６の入口部の
ガス流速を５m/sec.に設定した。

【００２６】上記の条件でガスを流した結果、炉心管の
軸方向に対する垂直方向の内管内部におけるガス流速
は、図７に示す分布となった。この結果によって、内管
内部における速度分布は一定であり、その流速は１m/se
c.に制御できることが判明した。

【００２７】また、内管内の軸方向中央部における軸方
向の速度分布を図８に示す。この結果から、軸方向の速
度分布が均一であることが判明した。

【００２８】次に、上記の二重管構造の雰囲気制御型熱
処理炉を用いて、Y系酸化物超電導（YBCO）テープ線材
の作製を行った。

【００２９】基板として、幅１０mm、厚さ０．１mmのハ
ステロイテープ上にIBAD法（基板に対して斜め方向から
イオンを照射しながら、基板上にターゲットから発生し
た粒子を堆積させる方法:Ion Beam Assisted Depositio
n）で成膜した０．５μm厚のYSZ中間層を作製し、その
上にスパッタ法によって０．５μm厚のCeO₂中間層を作
製したテープを用いた。まず、YBa₂Cu₃-TFA塩をメタノ
ール溶液に混合し、溶液濃度を０．２５mol/Lに調整し
た。その溶液を基板テープ上にディップコーティングし
た後、上記の管状炉内に基板テープを送り、水蒸気を含
んだ酸素雰囲気下において、４００℃まで加熱し、Y-Ba
-Cu前駆体膜テープを得た。その後、このY-Ba-Cu前駆
体膜テープを、図９に示す温度分布に設定した管状炉に
６００mm/hの一定速度で送り、酸素濃度を０．１%に調
整したアルゴン/酸素混合ガス（ガスB）中において４０
０℃まで熱処理を行い、引き続き水蒸気を含んだ酸素濃
度を０．１%に調整したアルゴン/酸素混合ガス（ガス
A）中において７７５℃で１時間焼成を行った。その
後、再びガスB中において炉冷処理を行った。作製したY
BCOテープを１０cm長に切断し、４５０℃で１時間酸素
アニール処理を施した。

【００３０】このようにして得られたYBCOテープの臨界
電流密度(Jc値)を、直流四端子法によって（電圧基準１
μV/cm）、液体窒素中において測定した結果、線材長１
０ｍ当りの平均値として２ MA/cm²の値が得られた。こ
のときのばらつきは±１０％であり、均一な特性を有す
る線材の製造が可能であることが判明した。

【００３１】比較例本発明の効果を調べるために、従来技術を用いた軸方向
にガスAを流すことにより雰囲気制御を行う管状炉にお
いて、他の条件を上記実施例と同一にした熱処理を施
し、YBCOテープを作製した。

【００３２】このようにして得られたYBCOテープのJc値
を、実施例と同様の方法により測定した果、線材長１０
ｍ当りの平均値として０．２ MA/cm²の値が得られた。
このときのばらつきは±５０％であった。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明による雰囲気
制御型熱処理炉によれば、炉内の雰囲気制御を所定の条
件で適正に行うことができ、特性の向上した均一な長尺
材料が得られる。

【００３４】即ち、従来技術のように長尺材料の長手方
向にガスが流れる場合、材料から反応時に発生するガス
の影響によって材料の長手方向に雰囲気の分布が変化
し、均一な反応が得られない。これに比して、本発明の
熱処理炉では、ガスが材料の長手方向に対して横から吹
き付け横から排出するために、材料から発生するガスの
影響は軽微であり、均一な反応を得ることが可能にな
る。

【００３５】また、本発明の雰囲気制御型熱処理炉は、
複数のガス供給流路と複数のガス排出通路を設けること
により、昇温及び冷却過程と高温反応過程において異な
る雰囲気制御が可能である。

【００３６】さらに、本発明の雰囲気制御型熱処理炉
は、材料の長手方向に対して垂直にガスを流すものであ
るにもかかわらず、炉長が長くなっても流量計を増やす
必要がないため大幅に熱処理炉の製造コストの低減が可
能であり、熱処理炉の運用の簡便性をもたらす。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による雰囲気制御型熱処理炉の一実施例
を示す炉心管の軸方向に垂直な断面図（ガスAを内管に
流す区域の断面図）である。

【図２】本発明による雰囲気制御型熱処理炉の一実施例
を示す炉心管の軸方向に垂直な断面図（ガスBを内管に
流す区域の断面図）である。

【図３】本発明による雰囲気制御型熱処理炉の一実施例
を示す軸方向を含む概略水平断面図である。

【図４】本発明による雰囲気制御型熱処理炉の一実施例
を示す軸方向を含む概略垂直断面図である。

【図５】本発明による雰囲気制御型熱処理炉の他の実施
例を示す炉心管の軸方向に垂直な概略断面図

【図６】本発明による雰囲気制御型熱処理炉の他の実施
例を示す炉心管の軸方向に垂直な概略断面図

【図７】本発明による雰囲気制御型熱処理炉の炉心管内
のガス流速の軸方向に対する垂直方向の分布の一実施例
を示すグラフである。

【図８】本発明による雰囲気制御型熱処理炉の炉心管内
中央部のガス流速の軸方向の分布の一実施例を示すグラ
フである。

【図９】本発明による雰囲気制御型熱処理炉の炉心管内
軸方向の温度分布の一実施例を示すグラフである。

【符号の説明】

１１…外管１２…内管１３…仕切板１４…支持板１５…ガス流路（ガスBの供給流路）１６…ガス流路（ガスBの排出流路）１７…ガス流路（ガスAの供給流路）１８…ガス流路（ガスAの排出流路）１９…ガス流出孔（ガスAの内管への入口）２０…ガス流入孔（ガスAの内管からの出口）２１…ガス流出孔（ガスBの内管への入口）２２…ガス流入孔（ガスBの内管からの出口）３０、４０…炉心管３１、３３、４１、４３…筒状体(ガス供給流路）３２、３４、４２、４４…筒状体(ガス排出流路）３５、４５…支持部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者本庄哲吏東京都江東区東雲１−10−13 財団法人国際超電導産業技術研究センター超電導工学研究所内 (72)発明者江上雅裕東京都江東区東雲１−10−13 財団法人国際超電導産業技術研究センター超電導工学研究所内 (72)発明者和泉輝郎東京都江東区東雲１−10−13 財団法人国際超電導産業技術研究センター超電導工学研究所内 (72)発明者塩原融東京都江東区東雲１−10−13 財団法人国際超電導産業技術研究センター超電導工学研究所内Ｆターム(参考） 4G015 CA08 4K050 AA02 BA01 BA05 BA16 CC07 CC10 CG01 4K063 AA05 AA15 AA19 BA02 BA03 BA04 BA12 CA03 DA14 DA15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同心状に配置された外管及び内側とからな
る炉心管と、前記外管及び前記内管によって形成された
円筒状空間を前記炉心管の軸方向に垂直な断面内におい
て複数に分割する仕切板により複数のガス流路を形成
し、前記複数のガス流路の前記内管のほぼ対向する位置
に、それぞれ複数箇所のガス流出孔及びガス流入孔を設
けたことを特徴とする雰囲気制御型熱処理炉。
【請求項２】筒状の炉心管の内部に複数本の筒状体を配
設して複数のガス流路を形成し、前記複数本の筒状体の
ほぼ対向する位置に、それぞれ複数箇所のガス流出孔及
びガス流入孔を設けたことを特徴とする雰囲気制御型熱
処理炉。
【請求項３】複数箇所のガス流出孔及びガス流入孔を有
するガス流路に、同質のガスを異なる流速で供給するこ
とにより、前記ガス流出孔と前記ガス流入孔との間に圧
力差を生じさせ、炉心管の軸方向に対する垂直方向にガ
スを均一に流すことを特徴とする請求項１又は２記載の
雰囲気制御型熱処理炉。
【請求項４】ガス流出孔とガス流入孔との間の圧力差
は、それぞれのガス流路の入口部と出口部の流速を変化
させることにより行われることを特徴とする請求項３記
載の雰囲気制御型熱処理炉。
【請求項５】複数箇所のガス流出孔及びガス流入孔を有
する一対のガス流路を複数組備え、それぞれの組のガス
流路に異なる質のガスを供給することを特徴とする請求
項３又は４記載の雰囲気制御型熱処理炉。
【請求項６】複数箇所のガス流出孔及びガス流入孔は、
炉心管の軸方向に沿って区画された範囲内において、い
ずれか一つの組のガス流路に対して設けられていること
を特徴とする請求項５記載の雰囲気制御型熱処理炉。
【請求項７】炉心管のほぼ中央部に長尺材料を支持する
ための溝部を有する支持部材を配設し、複数箇所のガス
流出孔及びガス流入孔を前記溝部側に設けたことを特徴
とする請求項１乃至６いずれか１項記載の雰囲気制御型
熱処理炉。