JP2005206895A

JP2005206895A - 真空浸炭炉

Info

Publication number: JP2005206895A
Application number: JP2004015876A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Yamaguchi; 和嘉山口; Hiroyuki Hashimoto; 弘之橋本; Zaigaku Ko; 在學高
Original assignee: Koyo Thermo Systems Co Ltd
Current assignee: JTEKT Thermo Systems Corp
Priority date: 2004-01-23
Filing date: 2004-01-23
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2024-01-23
Also published as: JP4539904B2

Abstract

【課題】１０５０℃等の高温で真空浸炭しても、浸炭中に加熱室から雰囲気ガスを排気する際に排気管がグラファイトや煤、タールで詰まったり、排気経路中の流量制御弁がタールで詰まって制御不能に陥る等の不具合を生じず、長期にわたって連続運転することのできる真空浸炭炉を提供する。
【解決手段】加熱室１内に真空浸炭用ガスを導入するためのガス導入管５を加熱室１の底部で開口させるとともに、加熱室１内の雰囲気ガスを排出する排気用配管３ａを当該加熱室１の天井部で開口させ、かつ、この排気用配管３ａを炉外で冷却する冷却手段４を設けることにより、排気管３ａ内のガスの温度をタールの発生しやすい３００〜８００℃の温度域を速やかに通過させ、タールの発生を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えは転がり軸受の軌道輪などの被処理物を減圧下で浸炭する、いわゆる真空浸炭処理のための真空浸炭炉に関する。

転がり軸受の軌道輪や歯車などの自動車部品等の被処理物を、３〜９ｋＰａの低圧下で浸炭する真空浸炭法が知られている。このような真空浸炭法に適した浸炭炉、つまり真空浸炭炉として、図３に模式的に示すように、上部に加熱用ヒータ３１ａが設けられた加熱室（浸炭室）３１の天井部に真空浸炭用ガスを導入するためのガス導入管３２を複数の噴出口３２ａにおいて開口させ、底部には当該加熱室３１内を真空排気すべく真空ポンプ３３に連通する真空排気管３４を開口させたものが知られている。真空排気管３４は、開閉弁３４ａを介して直接的に真空ポンプ３３に繋がる経路Ａと、別の開閉弁３４ｂおよびモータ駆動式のボール弁からなる流量制御弁３４ｃを介して真空ポンプ３３に繋がる経路Ｂを選択できるようになっている（例えば特許文献１参照）。

また、この例では、加熱室３１に隣接して油槽室３６を設け、この油槽室３６には、加熱室３１との間を仕切る扉３６１と、外部との間を仕切る扉３６２が設けられており、この油槽室３６も真空排気管３７を介して真空ポンプ３８により真空排気できるようになっている。

この装置構成において、加熱室３１を昇温および経路Ａを通じて真空排気しておくとともに、扉３６２を介して被処理物を一旦油槽室３６内に挿入し、０．１４ｋＰａ以下に真空排気し、これら両室の圧力が略同一となった時点で扉３６１を介して被処理物をを加熱室３１内に移送する。そして、扉３６１を閉じた後に被処理物を例えば１０５０℃の浸炭温度にまで昇温させて所定時間だけ予熱した後、ガス導入管３２を通じてエチレンガスと水素ガスからなる真空浸炭用ガスを加熱室３１内に導入して被処理物と反応させる。

このとき、経路Ｂを通じて所定の流量で加熱室３１内の雰囲気ガスを室外に排気することにより、圧力センサ（図示せず）による加熱室３１内の圧力検出値が３〜９ｋＰａの範囲の一定の圧力を維持するように流量制御弁３４ｃを駆動制御する。この状態を所定時間維持した後、浸炭ガスの導入を止め、かつ、経路Ａに切り換えて加熱炉３１内の雰囲気ガスを排気し、真空中で拡散を行う。この真空中での拡散を所定時間行った後、加熱炉３１内を降温して例えば８５０℃にて焼入均熱を行い、その後、被処理物を扉３６１を介して油槽室３６に移送して油冷を行い、所定時間後に扉３６２を介して被処理物を取り出す。
特開２００１−２４０９５４号公報

ところで、上記した構造の従来の真空浸炭炉においては、長時間にわたって運転すると、流量制御弁３４ｃにタールが詰まり、流量制御が不能となってそれ以上連続運転ができなくなるという不具合が発生した。また、炉内の排気管３４にもガラス状のグラファイトや煤が詰まり、排気効率が悪くなるという不具合も発生した。このタールや煤等の発生は、従来の浸炭温度である９３０〜９５０℃では少量で特に問題とはならなかったが、加熱温度を１０５０℃にまで上げると大量となって連続運転を阻害するようになった。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、１０５０℃等の高温で真空浸炭しても、浸炭中に加熱室から雰囲気ガスを排気する際に排気管がグラファイトや煤、タールで詰まったり、排気経路中の流量制御弁がタールで詰まって制御不能に陥る等の不具合を生じず、長期にわたって連続運転することのできる真空浸炭炉を提供することをその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明の真空浸炭炉は、被処理物を収容するための加熱室と、その加熱室に連通して当該加熱室内を真空排気する排気用配管と、この加熱室に連通して当該加熱室内に真空浸炭用ガスを導入する雰囲気ガス導入用配管を備え、上記加熱室内を真空排気状態で被処理物を導入して加熱した状態で、当該加熱室内に真空浸炭用ガスを導入しつつ、この加熱室内の圧力を一定に保つべく内部の雰囲気ガスを所要の流量で排気しながら被処理物を浸炭する真空浸炭炉において、上記雰囲気ガス導入用配管が上記加熱室の底部で開口し、かつ、上記排気用配管が上記加熱室の天井部で開口しているとともに、この排気用配管を炉外で冷却する冷却手段を備えていることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記排気用配管は、上記加熱室の天井部で開口する複数本の配管を含み、その各配管は１本ずつ炉外に導かれている構成（請求項２）を採用することが好ましい。

また、本発明においては、更に加えて、上記排気用配管に設けられて浸炭時に加熱室内の圧力を一定に保つべく雰囲気ガスの排気流量を制御する流量制御弁を、ガス流入口に連通する直線的な流入側ガス流路と、ガス流出口に連通する直線的な流出側ガス流路とが略直交して相互に連通するＬ字形のガス流路を有するとともに、上記流入側ガス流路内を上記ガス流入口に接近／離隔する方向に移動する弁体を備えた構造とすること（請求項３）が好ましい。

本発明は、従来の真空浸炭炉において発生するタールを分析し、その発生要因を解析することによって考えられる種々の対策についてそれぞれ実験した結果としてなされたものである。

すなわち、従来の真空浸炭炉において発生したタールを分析した結果、［表１］に示す性状を有し、［化１］に示す構造の物質であることが判った。

以上の分析結果に基づき、タールや煤の発生要因は次の通りであると考えられる。
（１）エチレンから水素が外れ、その外れた水素が繋がって［化１］で表される構造のタールができる。
（２）［化１］のタールから水素がなくなり、完全にベンゼン環が繋がることによりグラファイトになる。
（３）タールは３００〜８００℃程度の比較的低い温度の箇所で生じ、温度の高い炉内ではグラファイトになる。
（４）グラファイトの柔らかい結晶が煤で、硬い結晶はガラス状になる。
（５）タールは温度の低い箇所に集中して溜まる。
（６）タールは比重が重いので、下の方に溜まりやすい。煤は比重が軽いので炉内の全面にできる。
（７）水素がなければタールの生成が促進される。

以上の解析結果を踏まえて、種々の対策を講じて実験を行ったところ、請求項１に係る発明のように、加熱炉内の排気を行うための排気用配管を加熱炉の天井部に開口させ、これに対応して真空浸炭用のガス導入管を加熱炉の底部に開口させ、排気用配管については炉外に冷却手段を設けて排気ガスを冷却する構成が最も効果的であることが判明した。

すなわち、加熱炉の天井部から炉内の雰囲気ガスを排気することにより、排気用配管に導かれるガスの温度を高くし、かつ、炉外で速やかに冷却することによって、雰囲気ガスの温度が上記した３００〜８００℃の範囲となる時間を可及的に少なくし、タールの発生を有効に抑制することができる。

また、請求項２に係る発明のように、排気用配管として、加熱炉の天井部に開口する複数本の配管を含んだものとし、その各配管を１本ずつ炉外に導いたうえで冷却することが、上記した作用効果をより確実なものとすることができる。

そして、以上の対策に加えて、浸炭時に加熱炉内の圧力を一定に保つべく排気用配管に設けられている流量制御弁の構造を改良することも、当該流量制御弁内に付着するタールの量を軽減させて長期にわたる使用を可能とするのに有効である。すなわち、従来のボールバルブ型の流量制御弁では、図４に模式的に示すように、流入口４１に連通する流路がボール４２内の流路４２ａと繋がる部分においてシート４３との間で狭くなり、このボール４２内の流路４２ａは、その出口部分において再び狭くなった後、流出口４４に連通する広い流路に繋がっており、従ってこのボールバルブを通過するガスは２回の圧縮・膨張を繰り返す。ボール４２内の流路４２ａと、ボール４２の下流側の流路においてタールが溜まる原因がこのような複雑な流路形状にあることが推定された。

そこで、請求項３に係る発明のように、ガス流入口とガス流出口を単純なＬ字形の流路で繋ぎ、ガス流入口に連通する直線的な流路内を当該ガス流入口に接近／離隔するように移動する弁体を有する構造の流量制御弁を用いることにより、バルブ内でタールが生成されて付着することを有効に抑制することができることが確かめられた。

本発明によれば、真空浸炭時において加熱炉内の雰囲気ガスの圧力を一定に維持すべく雰囲気ガスを排気するための排気用配管を、加熱炉の天井部に開口させて炉外において冷却手段により冷却するように構成し、これに対応して真空浸炭用ガスの導入用配管を加熱炉の底部に開口させた構成を採用しているので、真空浸炭時における雰囲気ガスの排気用配管内の温度が、タールの生じやすい３００〜８００℃となる時間が可及的に短くなり、炉内の排気用配管がその内部で生じたグラファイトや煤、およびタールで詰まったり、あるいはそのタール等が流量制御弁内に溜まって制御不能となるような不具合を生じることなく、長期にわたって連続運転することが可能となった。

また、流量制御弁の構造を、流入口と流出口をＬ字形の流路で連結し、その内部を弁体が直動するような単純な構造とすることによっても、流量制御弁内でタールが発生して内部に溜まるという不具合を解消することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の概略構成を示す模式図である。

炉体１０は、断熱材１ａで形成され、上部に加熱用ヒータ１ｂが設けられた加熱室１と、その加熱室１に隣接して金属板２ａで形成された油槽室２を主体とし、加熱室１の断熱材１ａはその周囲が金属板１０ａで覆われている。また、加熱室１と油槽室２の間は断熱扉１１で仕切られているとともに、この油槽室２には被処理物を出し入れするための扉１２が設けられている。

加熱室１には、その天井部に複数本の排気管３ａが開口しており、これらの各排気管３ａは、１本ずつ炉体１０外に導かれた後に合流して排気マニホールド３を形成している。そして、この排気マニホールド３は、炉体１０外において水冷ジャケット４により冷却される。

加熱室１の底部には、真空浸炭用ガスとして、エチレンと水素との混合ガスを導入するためのガス導入管５が挿入されており、このガス導入管５には、複数のガス噴出口５ａが設けられており、浸炭工程においては、この各ガス噴出口５ａから真空浸炭用ガスが加熱室１内に噴出するようになっている。なお、このガス導入管５は、それぞれレギュレータを備えたエチレンボンベと水素ボンベが混合バルブを介して接続されるのであるが、これらの図示は省略している。

前記した排気マニホールド３は、排気管６を経て真空ポンプ７に繋がっている。この排気管６は、真空ポンプ７の手前で２つの経路ＡおよびＢに分岐しており、一方の経路Ａには開閉弁６１が設けられているとともに、他方の経路Ｂには、開閉弁６２とその下流側にモータ駆動式の流量制御弁６３が設けられている。なお、油槽室２についても、排気管８を通じて別の真空ポンプ９に接続されている。

上述のモータ駆動式の流量制御弁６３の構成例を図２に示す。本体６３１は流入口６３１ａと流出口６３１ｂとをＬ字形の流路で接続した構造を有し、その流入口６３１ａに繋がる流路の直線部分に円板状の弁体６３２が当該流入口６３１ａに対して接近／離隔する方向に直動自在に設けられており、この弁体６３２の位置により、流入口６３１ａに通じる流路から流出口６３１ｂに通じる流路の繋がり部分の断面積が変化し、これによって流量が変化するようになっている。この流量制御弁６３は、図２の姿勢、つまり流入口６３１ａに連通する流路が水平で、流出口６３１ｂに連通する流路が鉛直下方を向くように排気管６の経路Ｂに装着される。

弁体６３２は弁軸６３３に固定されており、この弁軸６３３がねじ機構６３４を介してモータ６３５の駆動軸に係合し、このモータ６３５の回転駆動により弁体６３２が上記した方向に移動するように構成されている。弁体６３２の位置で決まる弁開度、従って流量は、浸炭時に加熱室１内の圧力を圧力センサ（図示せず）で検出し、その圧力検出結果が一定値を維持するようにモータ６３５に駆動制御信号を供給することによってフィードバック制御される。

以上の本発明の実施の形態の動作は、基本的には従来の真空浸炭と同等であり、まず、扉１２を介して被処理物を油槽室２内に挿入し、真空ポンプ９を駆動して真空排気するとともに、加熱室１についてもあらかじめ昇温および経路Ａを通じて０．１４ｋＰａ以下に真空排気しておく。油槽室２内の圧力が０．１４ｋＰａ以下に達したら断熱扉１１を介して被処理物を加熱室１内に移送し、加熱室１内で被処理物を浸炭温度である例えば１０５０℃に加熱して真空中で所定時間予熱を行った後、エチレンガスと水素からなる真空浸炭用ガスをガス導入管５を介して加熱室１内に導入して、所定時間浸炭を行う。このとき、加熱室１内の圧力が３〜９ｋＰａのあらかじめ設定されている圧力を維持するように、各排気管３ａと排気管６の経路Ｂを通じて流量制御弁６３を制御しつつ雰囲気ガスを排気する。

所定時間浸炭を行った後、真空浸炭用ガスの供給を止め、かつ、経路Ａに切り換えて真空排気を行い、真空中で拡散を行う。所定時間の拡散工程を完了した後、加熱室１内を降温し、焼入均熱（例えば８５０℃）し、次いで被処理物を油槽室２内に移送して油冷を行い、扉１２を介して被処理物を取り出す。

以上の手順において、浸炭中に加熱室１内の雰囲気ガスを排気するとき、複数の排気管３ａが加熱室１内の天井部で開口して１本ずつ炉外に導かれて水冷ジャケット４で冷却されるので、排気される雰囲気ガスは加熱室１の上部の高温域から直ちに冷却されることになり、タールの生じやすい３００〜８００℃の温度域を速やかに通過する。従って、各排気管３ａを含む排気マニホールド３、およびその下流の排気管６を含めて、内部でガラス状のグラファイトや煤、タールが発生しなくなり、管の閉塞による不具合が生じず、長期にわたって連続運転を行うことが可能となった。

また、排気管６に設けられている流量制御弁６３の内部流路を単純なＬ字形としているため、この流量制御弁６３内でタールが詰まることもなくなり、この流量制御弁６３の定期的な清掃が不要、もしくは期間の長期化を達成することができた。

本発明の実施の形態の概略構成を示す模式図である。本発明の実施の形態において用いられている流量制御弁の構成例の説明図である。従来の真空浸炭炉の概略構成を示す模式図である。従来の真空浸炭炉の流量制御弁として用いられていたボールバルブの構造例の説明図である。

符号の説明

１加熱室
２油槽室
３排気マニホールド
３ａ排気管
４水冷ジャケット
５ガス導入管
６排気管
７，９真空ポンプ
１０炉体
１０ａ金属板
１１断熱扉
１２扉
６１，６２開閉弁
６３流量制御弁
６３１本体
６３１ａ流入口
６３１ｂ流出口
６３２弁体

Claims

被処理物を収容するための加熱室と、その加熱室に連通して当該加熱室内を真空排気する排気用配管と、この加熱室に連通して当該加熱室内に真空浸炭用ガスを導入する雰囲気ガス導入用配管を備え、上記加熱室内を真空排気状態で被処理物を導入して加熱した状態で、当該加熱室内に真空浸炭用ガスを導入しつつ、この加熱室内の圧力を一定に保つべく内部の雰囲気ガスを所要の流量で排気しながら被処理物を浸炭する真空浸炭炉において、
上記雰囲気ガス導入用配管が上記加熱室の底部で開口し、かつ、上記排気用配管が上記加熱室の天井部で開口しているとともに、この排気用配管を炉外で冷却する冷却手段を備えていることを特徴とする真空浸炭炉。
上記排気用配管は、上記加熱室の天井部で開口する複数本の配管を含み、その各配管は１本ずつ炉外に導かれていることを特徴とする請求項１に記載の真空浸炭炉。
上記排気用配管に設けられて浸炭時に加熱室内の圧力を一定に保つべく雰囲気ガスの排気流量を制御する流量制御弁が、ガス流入口に連通する直線的な流入側ガス流路と、ガス流出口に連通する直線的な流出側ガス流路とが略直交して相互に連通するＬ字形のガス流路を有するとともに、上記流入側ガス流路内を上記ガス流入口に接近／離隔する方向に移動する弁体を備えた構造であることを特徴とする請求項１または２に記載の真空浸炭炉。