JP2007309626A - 熱間等方圧加圧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】降温工程において冷却される圧媒の温度変化に伴う降温速度の鈍化を改善し、これによって、降温工程の短縮を図る。
【解決手段】処理室Ｒを形成する処理容器２と、処理容器２を収容する断熱体３と、断熱体３を収容する圧力容器４と、圧力容器４を冷却する冷却ユニット５と、処理容器２の流出口６と流入口７とを連通して処理室Ｒ内の圧媒を処理容器２と断熱体３の間に循環させる圧媒循環路８と、圧媒循環路８に分岐接続された圧媒冷却路９とを備え、圧媒冷却路９は、断熱体３と圧力容器４の間の冷却部３４と、冷却部３４を通過した圧媒を圧媒循環路８に返送する返送部３５とを備えている。冷却部３４と返送部３５の何れか一方に冷却部３４に流通する圧媒に対して冷却を促進する流れを付与する流れ付与手段を配備し、返送部３５に冷却部３４を通過した圧媒を流入口７近傍に返送する返送手段を配備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱間等方圧加圧装置に関するものである。

熱間等方圧加圧装置を用いた熱間等方圧加圧法においては、被処理材を処理する圧力容器内を脱気した後に昇温昇圧を同時に行い、所定の温度圧力に到達後、該温度圧力を維持して処理を行い、処理終了後所定温度まで降温した後に圧媒を回収して被処理材を取り出すことにより、１サイクルの操業が完了する。
圧力容器内の昇温や降温には多大な時間を要するため、上記熱間等方圧加圧法のサイクルタイムは昇温・降温工程が律速であると考えられる。サイクルタイムの短縮を図るべく、特に降温工程（冷却工程）の時間短縮を図った熱間等方圧加圧装置が開発されてきている。

例えば特許文献１には、倒立コップ状の断熱体の内部に被処理材を収容する処理室が設けられると共に、冷却ユニットを備えた圧力容器と断熱体との間に圧媒冷却路が設けられ、該処理室と圧媒冷却路とは、断熱体の上端部に形成された圧媒通路を介して上端部どうしを連通していると共に、圧力容器の外部に設けられたバルブ装置を介して下端部どうしを連通している熱間等方圧加圧装置が開示されている。
該熱間等方圧加圧装置によれば、バルブ装置を開閉することにより、処理室と圧媒冷却路を循環する圧媒の流量を調整することができ、これによって圧力容器内での温度差を駆動力として自己循環する圧媒の降温時間を調整することができる。

ところが、上記熱間等方圧加圧装置においては、圧媒冷却路を通過することにより急冷された圧媒がバルブ装置を介して処理室に流入して高温の被処理材と接触するため、該被処理材に熱応力を発生させてしまう問題があった。また、上述の如き装置構成においては、圧媒流入側となる処理室の下部を急冷することとなる。これによって処理室の上下で大きな温度差が生じ、被処理材にも同様の温度差を生じるため、被処理材の品質特性に悪影響を及ぼす虞がある。
かかる問題を解決すべく、特許文献２には、急冷に伴う処理室上下の温度勾配の緩斜化を図りつつ降温工程の短縮を試みた熱間等方圧加圧装置が開示されている。

該熱間等方圧加圧装置は、被処理材を収容する処理容器と該処理容器を収容する断熱体との間に圧媒循環路が形成されると共に、該断熱体と圧力容器の間に圧媒冷却路が形成されている。該圧媒冷却路は、断熱体と圧力容器の間に配備されたスリーブによって、断熱体とスリーブにより形成された内冷却部と、スリーブと圧力容器に形成された外冷却部とに分けられ、該内冷却部の下端は処理容器内部の圧媒循環路に連通され、内冷却部の上端は外冷却部に連通されている。また、該外冷却部の下端は、前記圧媒循環路に挿通された下部エジェクタと圧媒循環路と処理室とを連通する上部エジェクタを備えたエジェクタ部に連通されている。

該熱間等方圧加圧装置によれば、下部エジェクタは、前記圧媒冷却路により冷却された低温の圧媒を吸い込み上部エジェクタに供給する。上部エジェクタは、圧媒循環路からの高温圧媒と下部エジェクタからの低温圧媒を混合して吸い込み、処理室に導入する。該処理室へ導入される圧媒は、高温圧媒に低温圧媒を混合した冷却圧媒であるので、圧媒温度は被処理材の温度より低いが、被処理材との温度差は比較的小さなものとなる。このため、処理室内の上下の温度勾配が大きい場合に生じる被処理材の不均一な冷却や熱応力による被処理材の変形等のリスクが低減される。

また、該熱間等方圧加圧装置においては、圧媒冷却路を流通する圧媒は、スリーブ内外の温度差による圧媒密度差を駆動力して循環している。したがって、スリーブ内外の温度差が大きいほど圧媒冷却路内の圧媒流量が大きくなり、冷却能力が向上することとなる。
米国特許４１３１４１９号 米国特許５１２３８３２号

しかしながら、上記特許文献２の熱間等方圧加圧装置においては、スリーブに断熱性能が付与されていないため、内冷却部を上昇する圧媒は外冷却部を下降する圧媒と熱交換しながら流通することとなる。このため、スリーブ内外の温度差は比較的小さい値となり、これによって圧媒を流通させる駆動力が小さなものとなり、これに伴って圧媒冷却路内の圧媒の循環が鈍化して冷却能力が低下してしまう問題があった。特に、圧力容器内の温度がある程度低下した降温工程後半においては、スリーブ内外の温度差は僅かなものとなるため、急激に冷却能力が低下して降温速度の著しい鈍化を招来する虞がある。

そこで、本発明は、降温工程において冷却される圧媒の温度変化に伴う降温速度の鈍化を改善し、これによって降温工程の短縮を図ることができる熱間等方圧加圧装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
即ち、本発明における課題解決のための技術的手段は、
被処理材を処理する処理室を形成する処理容器と、該処理容器を収容する断熱体と、該断熱体を収容する圧力容器と、該圧力容器を冷却する冷却ユニットと、処理容器に形成された流出口と流入口とを連通して処理室内の圧媒を処理容器と断熱体の間に循環させる圧媒循環路と、該圧媒循環路に分岐接続された圧媒冷却路とを備え、
該圧媒冷却路は、断熱体と圧力容器の間に設けられて冷却ユニットによって冷却された圧力容器により圧媒を冷却する冷却部と、該冷却部を通過して冷却された圧媒を圧媒循環路に返送する返送部とを備えている熱間等方圧加圧装置において、
前記冷却部と返送部の何れか一方に前記冷却部に流通する圧媒に対して冷却を促進させる流れを付与する流れ付与手段が配備され、
前記返送部に前記冷却部を通過した圧媒を前記流入口近傍に返送する返送手段が配備されていることを特徴としている。

本発明によれば、流れ付与手段によって圧力容器内を流れる圧媒は圧媒冷却路の冷却部に流れ込み、その後、返送部に流れ込む。そして、該圧媒は返送手段によって圧媒循環路と前記処理室の流入口との連結部を通じて該流入口に送り込まれる。このため、圧力容器内の温度が低下して圧媒の冷却路での駆動力となる圧力容器内の温度差が小さなものとなる場合にも、流れ付与手段によって圧媒冷却路に圧媒を引き込むことができると共に、返送手段によって連結流入部に低温の圧媒を定量的に供給することができる。これによって、圧媒の冷却路内での駆動力の低下に伴って処理品の冷却時間が間延びする問題を解消することができ、降温工程の短縮を図ることができる。

また、前記圧媒冷却路の返送部に前記流れ付与手段と返送手段とが設けられ、これら流れ付与手段と返送手段とが１つのポンプ装置により構成されていることが好ましい。
本発明の熱間等方圧加圧装置を用いて処理室内を急冷するには、先ず、ポンプ装置により処理室の流入口に向けて、圧媒冷却路を通過してきたことにより圧力循環路内の圧媒よりも低温となった圧媒を供給する。これにより、圧媒循環路を循環中の高温の圧媒は該低温の圧媒と混ざり合い、温度が低下する。そして、該低温の圧媒が処理室に流入して被処理材と熱交換を行うことにより、被処理材が冷却されることとなる。

また、上述の如くポンプ装置によって圧媒循環路に圧媒が導入されることにより、処理室→圧媒循環路→処理室と循環する圧媒の一部は該圧媒循環路から分岐する圧媒冷却路に流出する（溢れ出る）こととなる。
ここで、昇温工程のみならず、降温工程においても、圧力容器は冷却ユニットによって冷却されており、これによって冷却部は低温とされている。上述の如く圧媒循環路から圧媒冷却路に流れ込んだ高温の圧媒は、冷却部に流入することにより冷却された圧力容器と断熱体との間を通過することとなり、これによって圧媒は、圧力容器との間で熱交換を行い、冷却される。この様に、ポンプ装置により圧媒循環路に圧媒を導入することにより圧媒循環路内の圧媒は圧媒冷却路に流れ込むこととなり、この作用によりポンプ装置は流れ付与手段として機能しているのである。

そして、冷却部を通過して冷却された圧媒は返送部に流れ込み、ポンプ装置によって処理室の流入口近傍に返送されることとなる。これにより、処理室には、圧力容器内の圧媒の温度状態に拘わらず定量的に冷却された圧媒が送り込まれることとなる。この作用によりポンプ装置は返送手段として機能しているのである。
また、冷却能力は、処理室の流入口近傍に導入される低温の圧媒の導入量が多いほど高くなるため、必要な冷却能力に応じた任意のポンプ能力を選択することにより、圧媒循環路内の圧媒の温度を調整することができる。特に、処理室内の温度が低下して圧力容器内での圧媒の温度差が僅少となる降温工程後半であっても、上述の如きポンプ装置による圧媒の導入により圧媒冷却路における圧媒の駆動力を維持することができ、これによって冷却効率の低下を抑制することができる。

なお、降温工程前の昇温昇圧工程においては、ポンプ装置を停止状態とすることにより、圧媒が圧媒循環路に導入されることはなく、これにより圧媒の圧媒冷却路への流出による熱ロスが抑えられ、良好な昇温環境が保たれる。
また、前記圧力容器は、筒状の胴体と該胴体の上下開口を塞ぐ上蓋及び下蓋とを備え、前記圧媒循環路が処理容器と断熱体の間を上下方向に設けられると共に、前記圧媒冷却路の冷却部が断熱体と圧力容器の間を上下方向に設けられ、
前記下蓋には、圧力容器と断熱体との間を上下方向に伸びて前記冷却部を断熱体側の内流路部と圧力容器側の外流路部とに仕切る整流スリーブが立設されており、
前記圧媒循環路が前記冷却部の内流路部の下端部に連通され、該内流路部の上端部が外流路部の上端部に連通され、該外流通部の下端部が前記返送部に連通されていることが好ましい。

これによれば、圧媒冷却路の返送部を圧力容器の下部に集中的に配備することができ、該返送部を形成する配管系の簡素化が図られる。
また、前記圧媒冷却路の返送部には、前記冷却部を通過した圧媒を冷却する冷却器が配備されていることが好ましい。
これによれば、圧媒冷却路の冷却部を通過した圧媒をさらに冷却することができる。
また、前記圧媒冷却路の冷却部に前記流れ付与手段が配備され、前記返送部に前記返送手段が配備され、前記断熱体が外断熱層と内断熱層とを備えてなり、
前記流れ付与手段は、前記圧力容器と前記外断熱層との間に形成される外冷却部と、前記外断熱層と前記内断熱層との間に形成される内冷却部と、該内冷却部の圧媒を外冷却部の圧媒流入側に流通可能な第１連通口と、外冷却部を通過した圧媒を内冷却部に再び流入可能な第２連通口と、第１連通口を閉塞可能な開閉弁とを備えていることが好ましい。

これによれば、圧力容器内にて以下の第１急速冷却と第２急速冷却が展開される。
第１急速冷却においては、先ず、開閉弁を開き状態に設定し、既に稼働している冷却ユニットにより圧力容器を冷却する。これによって、外断熱層内側の内冷却部と外断熱層外側の外冷却部との温度差による圧媒の密度差を駆動力として内冷却部内の比較的高温の圧媒が開状態の第１連通口から外冷却部に流出する。
該外冷却部に流出した圧媒は、冷却ユニットにより冷却された圧力容器によって冷却される。ここで、外冷却部は返送部に連通していると共に第２連通口を介して内冷却部にも連通しているため、該冷却された圧媒の一部は返送部に流れ込み、一部は再び内冷却部に流入することとなる。ここに、内冷却部→外冷却部→内冷却部となる圧媒の循環路が形成されることとなり、該循環路を循環する圧媒は、内冷却部を通過する間に内断熱層内側から外側への伝熱による熱を奪い、外冷却部を通過する間に圧力容器との間で熱交換を行って熱を放出する。このとき、外断熱層によって外冷却部と内冷却部とは伝熱が制限されているため、これら外冷却部と内冷却部の間での熱交換は抑制される。これにより、内冷却部と外冷却部の間の温度差は維持され、該温度差を駆動力とした上述の圧媒の循環は効率よく行われる。

この様に流れ付与手段を構成する上記外断熱層、第１連通口、第２連通口及び開閉弁により冷却部内外の圧媒に温度差が付与されることとなり、これにより圧媒には、冷却部に流出し、且つ、該冷却部を循環する流れが付与されるのである。
一方、圧媒冷却路の返送部に流入する圧媒によって第２急速冷却が展開される。該第２急速冷却においては、前記返送部に流入した圧媒を返送手段によって処理室の流入口の近傍に送り込み、該圧媒を圧媒循環路内の圧媒に混入させる。
該圧媒流入路内の圧媒は、循環中に前記第１急速冷却によって冷却されており、該圧媒に返送手段により冷却された圧媒がさらに混入することにより、処理室に流入する圧媒は処理室流出時よりも著しく低温なものとなり、該圧媒が処理室内にて被処理材と熱交換を行うことにより、被処理材は速やかに冷却されることとなる。

したがって、上記構成によれば、圧力容器内の圧媒の循環によって第１急速冷却及び第２急速冷却が展開されることとなり、これによって降温工程が短縮されることとなるのである。また、圧媒循環路から内冷却部に流入する圧媒の温度は、前記第１急速冷却によって処理室流出直後よりも低下しており、これにより、高温な圧媒の通過に起因する断熱体・圧力容器への熱的な損傷が低減される。
また、かかる点に鑑みれば、前記圧媒冷却路の冷却部に前記流れ付与手段が配備され、前記返送部に前記返送手段が配備され、前記断熱体が外断熱層と内断熱層とを備えてなり、
前記流れ付与手段は、前記圧力容器と前記外断熱層との間に形成される外冷却部と、前記外断熱層と前記内断熱層との間に形成される内冷却部と、該内冷却部の圧媒を外冷却部の圧媒流入側に流通可能な第１連通口と、外冷却部を通過した圧媒を内冷却部に再び流入可能な第２連通口と、該第２連通口を閉塞可能な開閉弁とを備えていることも好ましい。

これによれば、開閉弁には圧媒冷却路の冷却部を通過して十分に冷却された圧媒が触れることとなり、これにより開閉弁への熱的負荷が抑制され、開閉弁の早期の劣化を回避することができる。
また、前記圧媒循環路には、圧媒をさらに導入するための圧媒導入手段が連通されていることが好ましい。
圧力容器内の降温が進行すると、該圧力容器内の圧力は圧媒の温度低下による圧媒の体積収縮により低下し、これによって圧媒の対流による熱伝達が低下するが、圧媒導入手段により圧媒を補充して圧力容器内の圧力を高圧に維持することにより、熱伝達の低下を抑制することができる。

さらに、前記圧媒は不活性ガスによって構成され、前記圧媒導入手段により圧媒循環路に導入する圧媒は、液化ガス又は液化ガスを気化させた低温ガスであることが好ましい。
液化ガスは低温であり、しかもガスの気化潜熱による吸熱作用も有しているので、該液化ガスを圧媒循環路に導入することにより該圧媒循環路内のガス温度を下げることができ、これによって冷却速度を向上させることができる。液化ガスに代わって液化ガスを気化させた低温ガスを用いた場合も、同様の効果が得られる。

本発明の熱間等方圧加圧装置によれば、降温工程において冷却される圧媒の温度変化に伴う降温速度の鈍化を改善し、これによって、降温工程の短縮を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
〈第１の実施の形態〉
図１に示す如く、本実施の形態の熱間等方圧加圧装置１は、被処理材Ｗを処理する処理室Ｒを形成する処理容器２と、該処理容器２を収容する断熱体３と、該断熱体３を収容する圧力容器４と、圧力容器４を冷却する冷却ユニット５と、処理容器２に形成された流出口６と流入口７とを連通して処理室Ｒ内の圧媒を処理容器２と断熱体３の間に循環させる圧媒循環路８と、該圧媒循環路８に分岐接続された圧媒冷却路９とを備えている。

処理室Ｒに収容された被処理材Ｗは、圧力容器４に導入された不活性ガスからなる圧媒を介して熱間等方圧加圧処理（ＨＩＰ処理）を施されることとなる。
圧力容器４は、上下方向の軸心を有する円筒状の胴体１１と、該胴体１１の上端開口を閉塞する上蓋１２と、胴体１１の下端開口を閉塞する下蓋１３とから構成されている。
冷却ユニット５は、胴体１１の外周に配備されて該胴体１１の軸方向に伸びる側ジャケット１４と、上蓋１２の内部に同心円状に配備された上ジャケット１５とを備えており、各ジャケット１４、１５に水等の冷媒を通過させることで胴体１１及び上蓋１２は冷却され、これによって、胴体１１及び上蓋１２は、昇温昇圧工程時又は保持工程時に圧力容器４としての強度に問題のない温度以下に保たれる。本実施の形態においては、下蓋１３に冷却設備を配備していないが、必要に応じて上蓋１２と同様の構成とすることも可能である。

また、圧力容器４の圧媒の圧力によって上蓋１２及び下蓋１３に作用する上下方向の軸力は窓枠状のプレスフレーム（図示省略）によって支持される。
また、下蓋１３には、圧力容器４の内部に複数種の圧媒を供給するための圧媒供給管１６が配備されている。
断熱体３は、天井部が閉じた倒立コップ状の上断熱体２１と、該上断熱体２１の下部の開口を塞ぐ下断熱体２２とを備えており、圧力容器４との間に隙間を有して該圧力容器４内に収容されている。

処理容器２は、被処理材Ｗを段状に収容可能な有底円筒状に形成されており、断熱体３との間に隙間を有して該断熱体３内に収容されている。また、処理容器２の底部中央には開口部が形成されていると共に、処理容器２の外周部及び底板下部には、圧媒加熱用の抵抗加熱式ヒータ(図示省略)が配備されている。該抵抗加熱式ヒータは、処理室Ｒの温度分布を考慮し適宜分割設置され、温度調節計器（図示省略）により制御される。
また、処理室Ｒの底部であって処理容器２の開口部の直上となる位置には、処理室Ｒ内の圧媒を循環させるための圧媒循環ファン２５が配備されている。

該圧媒循環ファン２５は、処理容器２の軸心上に回転軸心を有すると共に前記開口部及び断熱体３の下断熱体２２を貫通して下蓋１３に向けて伸びる軸部材２６に軸支されており、下蓋１３に配備されたモータ２７によって該軸部材２６に回転力が付与される。
また、圧媒循環ファン２５は、開口部の下方から圧媒を吸い込み、処理室Ｒ上方に向けて圧媒を送り出す構成とされている。
上述の如く圧媒循環ファン２５が構成されていることにより、処理室Ｒ内の圧媒は底部から上部に向けて流動する。このため、処理室Ｒの上部開口が処理室Ｒから圧媒が流出する流出口６となり、開口部が処理室Ｒに圧媒が流入する流入口７となる。

また、上述の如く処理室Ｒ、断熱体３及び圧力容器４の間にそれぞれ隙間を設けることにより、前記圧媒循環路８や圧媒冷却路９が形成されることとなる。
圧媒循環路８は、処理容器２の側壁と上断熱体２１の側壁との間に設けられた圧媒流出部３１と、処理容器２の底壁と断熱体３の下断熱体２２との間に設けられた圧媒流入部３２とを備えている。
圧媒流出部３１の上端部は、処理容器２の上端縁と上断熱体２１の天板面との間に設けられた隙間Ｓ１を介して処理容器２の流出口６に連通されている。また、圧媒流出部３１の下端部が圧媒流入部３２と圧媒冷却路９とに分岐している。圧媒流入部３２は処理容器２の流入口７を通じて処理室Ｒに連通されており、ここに、処理室Ｒ→流出口６→圧媒流出部３１→圧媒流入部３２→流入口７→処理室Ｒとなる圧媒循環路８が形成されている。

また、圧媒冷却路９は、断熱体３と圧力容器４の間に設けられて冷却ユニット５に冷却された圧力容器４により圧媒を冷却する冷却部３４と、該冷却部３４を通過して冷却された圧媒を圧媒循環路８に返送する返送部３５とを備えている。該冷却部３４は、上断熱体２１の下端部と下断熱体２２に凹接された段状外縁部との間に設けられた圧媒通路３３を通じて圧媒循環路８の圧媒流出部３１に連通されている。
また、圧媒冷却路９の冷却部３４は、圧力容器４の胴体１１及び上蓋１２に沿って設けられており、該胴体１１及び上蓋１２がジャケット１４、１５を通過する冷媒によって冷却されることにより、これら冷却された胴体１１及び上蓋１２と断熱体３との間を通過中の圧媒との間で熱交換が行われ、これによって該圧媒が冷却されることとなる。また、該冷却部３４は、上蓋１２の下方に回り込んだ位置にて返送部３５に接続されている。

該返送部３５は、圧力容器４の上蓋１２を貫通して下蓋１３まで回り込み、該下蓋１３及び下断熱体２２を貫通して配設された管路３６を備え、該管路３６の先端部は圧媒流入部３２に連通されている。
また、管路３６の中途部には、圧媒循環路８内の圧媒に圧媒冷却路９を通過する流れを付与する流れ付与手段と圧媒冷却路９を通過して冷却された圧媒を、流入口７近傍の圧媒流入部３２に強制的に返送する返送手段とを兼ねるポンプ装置４１が配備されている。
ポンプ装置４１は、圧媒流入部３２に圧媒冷却路９を通過して冷却された圧媒を圧送可能に形成されており、該ポンプ装置４１を稼働させることにより、所定の圧媒が圧媒循環路８の圧媒流入部３２に導入され、該導入された圧媒と略同量の圧媒が圧媒通路３３を通じて圧媒冷却路９に溢れ出す。これにより、圧媒には、圧媒通路３３→冷却部３４→返送部３５と流通する流れが付与され、この作用によりポンプ装置４１は流れ付与手段として機能するのである。また、該圧媒は、返送部３５に流入した後、ポンプ装置４１によって圧媒流入部３２に強制的に返送される。この作用によりポンプ装置４１は返送手段として機能するのである。これにより、圧媒循環路８の圧媒は、冷却部３４と返送部３５からなる圧媒冷却路９を経由して圧媒循環路８に環流することとなるのである。

なお、本実施の形態においては、圧媒として不活性のアルゴンガスを採用している。
本実施の形態は以上の構成からなるものであって、次に、本実施の形態の熱間等方圧加圧装置１を用いた処理工程について説明していく。
本実施の形態の熱間等方圧加圧装置１を用いた熱間等方圧加圧法においては、先ず、処理室Ｒ内に複数の被処理材Ｗを段状に収容し、その後、昇温昇圧工程を開始する。この昇温昇圧工程において、昇圧は、圧媒供給管１６から圧媒圧縮機(図示省略)により高圧の圧媒を導入することで実施される。また、昇温は、抵抗加熱式ヒータに通電することで実施される。

該昇温昇圧工程においては、モータ２７を稼働させることにより圧媒循環ファン２５を回転させ、該圧媒循環ファン２５により圧媒が送り出されることによって、該圧媒は、圧媒循環路８内を処理室Ｒ→流出口６→圧媒流出部３１→圧媒流入部３２→流入口７→処理室Ｒの順に循環する。これにより、処理室Ｒ内の上下の温度勾配は僅少となり、処理室Ｒ内は良好な均熱性が確保される。
そして、処理室Ｒが被処理材Ｗに必要な温度・圧力状態に達すると、保持工程に移行する。該保持工程においては、処理室Ｒ内の温度・圧力状態が処理品に必要とされる温度・圧力状態に一定時間保持される。

これら昇温昇圧及び保持工程において、ポンプ装置４１は停止状態にあり、これにより圧媒循環路８内の圧媒が圧媒冷却路９に流出することはなく、処理室Ｒからの熱放散が抑制されることとなる。
そして、保持工程完了後、降温工程に移行する。
該降温工程においては、昇温昇圧工程と同様に、圧力容器４の胴体１１及び上蓋１２に配備された各ジャケット１４、１５に水等の冷媒を流通させて圧力容器４は冷却されている。

なお、該降温工程では熱抵抗式ヒータヘの通電は遮断されるが、処理室Ｒ内の均熱を保つべく、圧媒循環ファン２５は稼働状態に維持される。
先ず、ポンプ装置４１を稼働させ、圧媒循環路８の圧媒流入部３２に圧媒冷却路９を通過してきたことにより圧力循環路８内の圧媒よりも低温となった圧媒を導入する。該低温の圧媒を圧媒流入部３２に導入して圧媒循環路８内の圧媒に混入することにより、該圧媒循環路８内の圧媒の温度は低下し、処理室Ｒには処理室Ｒ内よりも低温の圧媒が流入することとなる。そして、該圧媒が圧媒循環ファン２５により処理室Ｒ内の被処理材Ｗと接触しながら処理室Ｒの下方から上方に向けて流動することにより、被処理材Ｗの急速冷却が実現される。

また、ポンプ装置４１によって圧媒循環路８に圧媒が導入されることにより、圧媒循環路８を循環する高温の圧媒の一部は圧媒通路３３を通じて断熱体３外方の圧媒冷却路９に流出する（溢れ出す）こととなる。該圧媒冷却路９に流出した圧媒は、断熱体３と圧力容器４の間の冷却部３４を上昇し、冷却ユニット５により冷却された圧力容器４の胴体１１及び上蓋１２に沿って流動することにより冷却される。そして、該圧媒は、上蓋１２に設置された管路３６に流入することで返送部３５に流入し、ポンプ装置４１を通じて圧媒循環路８の圧媒流入部３２に送り込まれる。

これにより、圧媒冷却路９を循環して冷却された圧媒は、ポンプ装置４１を通じて圧媒循環路８の圧媒流入部３２に定量的に導入されることとなるため、圧媒流入部３２の圧媒を処理室Ｒ内の圧媒よりも十分に低温に保つことができ、該圧媒を処理室Ｒに流入させることにより、被処理材Ｗの急速冷却が促進され、降温工程の短縮化が図られる。
また、圧媒冷却路９により冷却された低温の圧媒がポンプ装置４１によって定量的に圧媒循環路８の圧媒流入部３２に供給されることにより、圧媒冷却路９の冷却部３４を流れる圧媒に十分な駆動力が付与される。このため、特に降温工程後半等、従来技術では圧力容器４内の温度が低下して圧媒の循環駆動力となる圧力容器４内の温度差が小さなものとなる場合にも、降温工程初期と同様に圧媒にポンプ装置４１による駆動力を付与することができ、これによって冷却効率の低下を抑制することができ、降温工程が短縮されることとなる。

また、本実施の形態の熱間等方圧加圧装置１の冷却能力は、ポンプ装置４１により圧媒流入部３２に圧媒に導入する圧媒量を変更することにより調整可能であり、これによって処理室Ｒ内の冷却速度を任意に調整することができる。
なお、本実施の形態においては、図中に２点差線で示す如く、圧媒冷却路９の返送部３５の管路３６に冷却器４２を配備することも可能である。これによれば、冷却部３４を通過した圧媒をさらに冷却することが可能となる。
〈第２の実施の形態〉
本実施の形態においては、図２に示す如く、断熱体３と圧力容器４の胴体１１との間に介在する筒状の整流スリーブ４３が下蓋１３に立設されている。該整流スリーブ４３は、下蓋１３から断熱体３の上端部と略同じ高さ位置まで延設されている。

該整流スリーブ４３の介在により、冷却部３４は、断熱体３と整流スリーブ４３の間に設けられた内流路部４５と、整流スリーブ４３と胴体１１との間に設けられた外流路部４６とに仕切られている。また、内流路部４５の下端部は、圧媒通路３３を介して圧媒流出部３１に連通され、内流路部４５の上端部が整流スリーブ４３と圧力容器４の上蓋１２との間の隙間Ｓ２を介して外流路部４６に連通されている。また、外流路部４６の下端部は、圧力容器４の下蓋１３に設けられた返送部３５の管路３６に連通されている。
なお、管路３６の接続位置は最下端である必要はない。

本実施の形態においては、圧媒冷却路９の返送部３５の管路３６を下蓋１３に配置するだけでよく、該返送部３５の配管系が簡素化される。また、上蓋１２に圧媒を循環させるための配管を配設する必要はないため、被処理材Ｗの取り出しを上蓋１２から行う装置構成を容易なものとすることができる。
なお、本実施の形態においては、図３に示す如く、圧力容器４内にポンプ装置４１を配備することも可能であり、これにより、装置構成の簡素化が図られるばかりでなく、圧力容器４の下蓋１３の周囲の省スペース化が図られる。

さらに、本実施の形態においては、図４に示す如く、整流スリーブ４３の上端部に円板状の蓋部材４４を取り付け、該蓋部材４４の中央部に開口部４４ａを設ける構成とすることもできる。これにより、冷却ユニット５の側ジャケット１４を配備している胴体１１によってのみではなく上ジャケット１５を配備している上蓋１２によっても圧媒の冷却を行うことができる。
〈第３の実施の形態〉
本実施の形態においては、図５に示す如く、圧媒循環路８の圧媒流入部３２に、処理室Ｒに圧媒をさらに導入するための圧媒導入手段４８が連通されている。

なお、該圧媒導入手段４８により圧媒流入部３２に導入する圧媒として、常温のガスのほか、液化ガス又は液化ガスを気化させた低温ガスが選択されている。
上記降温工程では、ガス温度の低下によるガスの体積収縮により圧力容器４内の圧力が低下し、これにより対流による熱伝達が小さくなり、冷却効率が低下する虞がある。これを補う手段として、本実施の形態においては圧媒導入手段４８を追加設置し、該圧媒導入手段４８に圧媒を補充することにより圧力容器４内の圧力低下を抑制し、これにより熱伝達の低下を抑制している。

さらに、圧媒導入手段４８により導入される圧媒を液化ガスや液化ガスを気化させた低温ガスとすることで、ガスの気化潜熱や低温ガスの吸熱作用により、これらを圧媒流入部３２へ導入して圧媒循環路内の圧媒と混合することで、該圧媒の温度を低下させることができ、急速な冷却が可能となる。
この様な液化ガス又は低温ガスの利用は、圧媒循環路８を循環する圧媒の温度がある程度下がって冷却速度が低下した場合に、処理室Ｒ内の温度をさらに室温に近い温度域にまで降温させるときに特に効果的である。これにより、降温工程はさらに短縮化されることとなり、保持工程後早期に被処理材Ｗをハンドリングする場合にも、火傷防止等のための特別な治具等を使用することなく行うことができる。
〈第４の実施の形態〉
本実施の形態において、図６に示す如く、断熱体３は、内断熱層５０と外断熱層５１、及び下断熱体２２とから構成される。また、流れ付与手段は、圧力容器４と、外断熱層５１と、該外断熱層５１の天板部の略中央部に設けられた第１連通口５２と、外断熱層５１の下端部と下断熱体２２の外周縁との間に設けられた第２連通口５３と、該第１連通口５２に配備された開閉弁５４とによって構成されている。

開閉弁５４は、開放量を調整可能に構成されており、開閉弁５４を開くことにより外断熱層５１内外が連通される。
また、外断熱層５１を配備することにより、圧媒冷却路９の冷却部３４は、内断熱層５０と外断熱層５１の間の内冷却部５６と、外断熱層５１と圧力容器４の間の外冷却部５７とに仕切られる。内冷却部５６と外冷却部５７とは、上端部どうしが第１連通口５２を介して連通されており、下端部どうしが第２連通口５３を介して連通されている。また、外冷却部５７の下端部は、返送部３５にも連通されている。

また、この第４の実施の形態において、圧媒冷却路９の返送部３５は、圧力容器４の下蓋１３と下断熱体２２との間に設けられている。また、返送部３５に配備される返送手段は、前記モータ２７の側方に配備されたファン装置６０と、下断熱体２２を貫通して該ファン装置６０から送り込まれる圧媒を圧媒循環路８の圧媒流入部３２に導入する管路６１とを備えている。
本実施の形態は以上の構成からなるものであって、次に、本発明の熱間等方圧加圧装置１を用いた処理工程について説明していく。

本実施の形態の熱間等方圧加圧装置１を用いた熱間等方圧加圧法の昇温昇圧工程及び保持工程は、上記第１の実施の形態と同様であるが、これらの工程は開閉弁５４を閉じ状態に設定して行う。これにより、外断熱層５１外への熱拡散が抑制され、外断熱層５１内に良好な昇温環境が形成される。
そして、一定時間の保持動作完了後、降温工程に移行する。
本実施の形態においては、降温工程にて圧力容器４内にて以下の第１急速冷却と第２急速冷却が展開される。

第１急速冷却においては、先ず、開閉弁５４を開き状態に設定する。また、圧力容器４は前工程から継続して冷却ユニット５により冷却されている。
このとき、内冷却部５６内の圧媒の温度は外冷却部５７の圧媒の温度よりも高く、これにより、両冷却部５６、５７の圧媒密度は内冷却部５６＜外冷却部５７となっているため、開閉弁５４を開くことにより、両冷却部３４の密度差（温度差）を駆動力として、内冷却部５６内の圧媒が内冷却部５６を上昇して開状態の開閉弁５４から外冷却部５７に流出する。

該外冷却部５７に流出した圧媒は、圧力容器４の内面に沿って下降する。ここで、外冷却部５７の圧媒は、冷却ユニット５により冷却された圧力容器４の上蓋１２及び胴体１１と熱交換を行うことによって冷却されることとなる。
そして、外冷却部５７の下端部まで下降した圧媒は、一部が圧媒返送部３５に流れ込み、一部が再び内冷却部５６に流入することとなる。ここに、内冷却部５６→外冷却部５７→内冷却部５６となる冷却用の循環路が形成されることとなり、該冷却用の循環路を循環する圧媒は、内冷却部５６を上昇する間に内断熱層５０内側から外側への伝熱による熱を奪い、外冷却部５７を下降する間に圧力容器４との間で熱交換を行って熱を放出する。また、外断熱層５１によって外冷却部５７と内冷却部５６とは伝熱が制限されているため、これら外冷却部５７と内冷却部５６の間での熱交換は抑制され、これにより内冷却部５６と外冷却部５７の間の温度差は維持され、該温度差を駆動力とした上述の圧媒の循環は効率よく行われる。

また、該第１急速冷却によって圧媒冷却路９を循環する圧媒は、処理室Ｒの圧媒よりも低温なものであるため、これにより、外断熱層５１及び圧力容器４への熱的負荷が抑制されることとなる。
また、開閉弁５４の開き具合を調整することにより上記冷却用の循環路を循環する圧媒の流量を調整することができ、これにより、処理室Ｒ内の温度状態を調整することが可能となる。
そして、該第１急速冷却を所定時間行って処理室Ｒ内の温度を低下させた後、第２急速冷却を行う。

該第２急速冷却は、ファン装置６０を稼働させ、返送部３５に流入した圧媒を圧媒流入部３２に送り込むことにより行われる。
これにより、圧媒流入部３２に圧媒冷却路９を通過して冷却された圧媒が導入されることとなる。圧媒循環路８を循環する圧媒は、圧媒流出部３１を通過中に前記第１急速冷却によって冷却されており、該圧媒に圧媒冷却路９を循環して冷却された圧媒が混ざり合うことにより、処理室Ｒに流入する圧媒は処理室Ｒ流出時よりも十分に低温なものとなり、該圧媒が処理室Ｒ内にて被処理材Ｗと熱交換を行うことにより、被処理材Ｗの冷却は促進される。

また、上述の如くファン装置６０により圧媒を圧媒流入部３２に導入することにより、該圧媒と略同量の圧媒が連通路を通じて圧媒冷却路９の内冷却部５６に流出することとなる。該圧媒が上記冷却用の循環路を循環し、或いは外冷却部５７により冷却された後に返送部３５を介して圧媒流入部３２に導入され、圧媒循環路８の圧媒と混合することで温度が低下し、これに伴って被処理材Ｗ、処理室Ｒの急速冷却が実現されることとなる。
また、ファン装置６０による圧媒流入部３２への圧媒の導入量を調整することにより処理室Ｒに流入する圧媒の温度を調整することができ、これによっても処理室Ｒ内の温度を調整することが可能となる。

本実施の形態によれば、圧力容器４内の圧媒の循環によって第１急速冷却及び第２急速冷却を展開することにより、処理室Ｒ内は急速に冷却され、これによって降温工程が短縮されることとなるのである。また、本実施の形態においては第１急速冷却をある程度行った後ファン装置６０を稼働させて第２急速冷却を行うこととしているが、降温工程にて第１急速冷却と第２急速冷却を同時に開始することももちろん可能である。
また、本実施の形態においても、図中に２点鎖線で示す如く、圧媒循環路８の圧媒流入部３２に、処理室Ｒに圧媒をさらに導入するための圧媒導入手段４８を配備することも可能である。

これにより、降温工程における圧力容器４内の圧力の低下を抑制し、圧媒の対流熱伝達の低下が抑制されることとなる。
〈第５の実施の形態〉
本実施の形態においては、図７に示す如く、外断熱層５１の下端部と下蓋１３の間となる位置、即ち、外冷却部５７から第２連通口５３と返送部３５に分岐する流路に開閉弁５４が配備されている。該開閉弁５４を閉じ状態とすることにより、外冷却部５７と内冷却部５６及び圧媒返送部３５への連通状態は遮断されることとなる。

開閉弁５４を閉じ状態に設定することにより外断熱層５１内外への圧媒の流れは遮断され、これによって外断熱層５１内に良好な昇温環境が形成される。
また、降温工程においては、開閉弁５４を開き状態に設定することによりにより、外冷却５７と内冷却部５６は連通されることとなり、上述の如き第１急速冷却及び第２急速冷却は実現される。
本実施の形態によれば、開閉弁５４には冷却部３４を通過して十分に冷却された圧媒が接触することとなるため、開閉弁５４への熱的負荷が抑制されて該開閉弁５４の早期の劣化が回避されることとなる。

以上、本発明の実施の形態を詳述したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。例えば、圧媒冷却路９の返送部３５の管路３６の先端は、圧媒循環路８の圧媒流入部３２と処理容器２の流入口７との連結部に連通されているが、圧媒循環路８が圧媒流入部３２と圧媒冷却路９に分岐した位置よりも処理容器２の流入口７側となる位置であれば、何れの位置に連通されていても構わない。
また、処理室Ｒ内の圧媒循環手段として圧媒循環ファン２５を使用し、処理容器２内の圧媒を圧媒冷却路９に流通させると共に該圧媒冷却路９を通過した圧媒を圧媒流入部３２に返送する手段としてポンプ装置４１を使用しているが、これらの手段はファン・ポンプ装置に限定されるものではなく、必要な機能を果たす他の手段、例えばエジェクタ等を使用することもできる。

本発明の第１の実施の形態の熱間等方圧加圧装置の正面断面図である。 本発明の第２の実施の形態の熱間等方圧加圧装置の正面断面図である。 本発明の第２の実施の形態の他の熱間等方圧加圧装置の正面断面図である。 本発明の第２の実施の形態のさらに他の熱間等方圧加圧装置の正面断面図である。 本発明の第３の実施の形態の熱間等方圧加圧装置の正面断面図である。 本発明の第４の実施の形態の熱間等方圧加圧装置の正面断面図である。 本発明の第５の実施の形態の熱間等方圧加圧装置の正面断面図である。

符号の説明

１ 熱間等方圧加圧装置
２ 処理容器
３ 断熱体
４ 圧力容器
５ 冷却ユニット
６ 流出口
７ 流入口
８ 圧媒循環路
９ 圧媒冷却路
１１ 胴体
１２ 上蓋
１３ 下蓋
２１ 上断熱体
２２ 下断熱体
３１ 圧力流出部
３２ 圧力流入部
３３ 圧媒通路
３４ 冷却部
３５ 返送部
４１ ポンプ装置
４３ 整流スリーブ
４５ 内冷却部
４６ 外冷却部
４８ 圧媒導入手段
５０ 内断熱層
５１ 外断熱層
５２ 第１連通口
５３ 第２連通口
５４ 開閉弁
５６ 内冷却部
５７ 外冷却部
Ｒ 処理室
Ｗ 被処理材

Claims (8)

1. 被処理材を処理する処理室を形成する処理容器と、該処理容器を収容する断熱体と、該断熱体を収容する圧力容器と、該圧力容器を冷却する冷却ユニットと、処理容器に形成された流出口と流入口とを連通して処理室内の圧媒を処理容器と断熱体の間に循環させる圧媒循環路と、該圧媒循環路に分岐接続された圧媒冷却路とを備え、
   該圧媒冷却路は、断熱体と圧力容器の間に設けられて冷却ユニットによって冷却された圧力容器により圧媒を冷却する冷却部と、該冷却部を通過して冷却された圧媒を圧媒循環路に返送する返送部とを備えている熱間等方圧加圧装置において、
   前記冷却部と返送部の何れか一方に前記冷却部に流通する圧媒に対して冷却を促進させる流れを付与する流れ付与手段が配備され、
   前記返送部に前記冷却部を通過した圧媒を前記流入口近傍に返送する返送手段が配備されていることを特徴とする熱間等方圧加圧装置。
2. 前記圧媒冷却路の返送部に前記流れ付与手段と返送手段とが設けられ、これら流れ付与手段と返送手段とが１つのポンプ装置により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱間等方圧加圧装置。
3. 前記圧力容器は、筒状の胴体と該胴体の上下開口を塞ぐ上蓋及び下蓋とを備え、前記圧媒循環路が処理容器と断熱体の間に上下方向に設けられると共に、前記圧媒冷却路の冷却部が断熱体と圧力容器の間に上下方向に設けられ、
   前記下蓋には、圧力容器と断熱体との間を上下方向に伸びて前記冷却部を断熱体側の内流路部と圧力容器側の外流路部とに仕切る整流スリーブが立設されており、
   前記圧媒循環路が前記冷却部の内流路部の下端部に連通され、該内流路部の上端部が外流路部の上端部に連通され、該外流通部の下端部が前記返送部に連通されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱間等方圧加圧装置。
4. 前記圧媒冷却路の返送部には、前記冷却部を通過した圧媒を冷却する冷却器が配備されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の熱間等方圧加圧装置。
5. 前記圧媒冷却路の冷却部に前記流れ付与手段が配備され、前記返送部に前記返送手段が配備され、前記断熱体が外断熱層と内断熱層とを備えてなり、
   前記流れ付与手段は、前記圧力容器と前記外断熱層との間に形成される外冷却部と、前記外断熱層と前記内断熱層との間に形成される内冷却部と、該内冷却部の圧媒を外冷却部の圧媒流入側に流通可能な第１連通口と、外冷却部を通過した圧媒を内冷却部に再び流入可能な第２連通口と、第１連通口を閉塞可能な開閉弁とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の熱間等方圧加圧装置。
6. 前記圧媒冷却路の冷却部に前記流れ付与手段が配備され、前記返送部に前記返送手段が配備され、前記断熱体が外断熱層と内断熱層とを備えてなり、
   前記流れ付与手段は、前記圧力容器と前記外断熱層との間に形成される外冷却部と、前記外断熱層と前記内断熱層との間に形成される内冷却部と、該内冷却部の圧媒を外冷却部の圧媒流入側に流通可能な第１連通口と、外冷却部を通過した圧媒を内冷却部に再び流入可能な第２連通口と、該第２連通口を閉塞可能な開閉弁とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の熱間等方圧加圧装置。
7. 前記圧媒循環路には、圧媒をさらに導入するための圧媒導入手段が連通されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載の熱間等方圧加圧装置。
8. 前記圧媒は不活性ガスによって構成され、前記圧媒導入手段により圧媒循環路に導入する圧媒は、液化ガス又は液化ガスを気化させた低温ガスであることを特徴とする請求項７に記載の熱間等方圧加圧装置。
   
   
   

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