JP2010111893A - Heat-treating method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、焼入れ等において、加熱後の被処理物を、冷媒ガスによって冷却する熱処理方法に関する。 The present invention relates to a heat treatment method in which an object to be processed after heating is cooled by a refrigerant gas in quenching or the like.
従来、金属加工物等をワーク(被処理物)とする熱処理として、真空焼入れが行われている。真空焼入れにおいては、ワークが、真空中で加熱(真空加熱)された後、急速に冷却される。加熱後のワークの冷却方法としては、水または油を用いる方法や、窒素ガス等の冷媒ガスを用いる方法がある。 Conventionally, vacuum quenching has been performed as heat treatment using a metal workpiece or the like as a workpiece (object to be processed). In vacuum quenching, a workpiece is heated in vacuum (vacuum heating) and then rapidly cooled. As a method for cooling the workpiece after heating, there are a method using water or oil and a method using a refrigerant gas such as nitrogen gas.
ガス冷却(冷媒ガスによる冷却)によれば、水または油を用いる方法との比較において、冷却速度の調整が容易であることからワークの焼入れ歪(急冷されることにより生じる熱変形)の調整が容易であることや、ワークの洗浄が不要であること等の利点が得られる。すなわち、水または油を用いる方法によれば、冷却速度を変える場合には冷媒としての水または油を交換する必要がある。この点、ガス冷却によれば、冷媒ガスの圧力や冷媒ガスを導入する速度等の調整により、冷却速度を調整することができる。また、冷媒として油が用いられる場合、油で汚れたワークについての洗浄が必要となるが、ガス冷却の場合は、そのような洗浄が不要である。 According to gas cooling (cooling by refrigerant gas), adjustment of quenching distortion (thermal deformation caused by rapid cooling) of the workpiece can be adjusted because the cooling rate can be easily adjusted in comparison with the method using water or oil. Advantages such as being easy and needing no workpiece cleaning are obtained. That is, according to the method using water or oil, when changing the cooling rate, it is necessary to exchange water or oil as a refrigerant. In this regard, according to the gas cooling, the cooling rate can be adjusted by adjusting the pressure of the refrigerant gas, the speed at which the refrigerant gas is introduced, and the like. In addition, when oil is used as the refrigerant, it is necessary to clean the workpiece soiled with oil. However, in the case of gas cooling, such cleaning is not necessary.
ガス冷却には、加熱後のワークに対して冷媒ガスを送風するためのファンを備える構成が用いられる。ファンを備える構成としては、加熱後のワークが存在する処理室(チャンバ等と称される)の内部にファンが設けられ、処理室内に導入された冷媒ガスがファンによって攪拌される構成や、処理室に対して配管等を介して連通する空間にファンが設けられ、ファンの回転によって冷媒ガスが処理室内に導入される構成がある。このようなガス冷却のためのファンの駆動には、一般的に、電動機が用いられる(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1には、電動機の駆動軸に直結されるファンが処理室内に設けられる構成が開示されている。
For gas cooling, a configuration including a fan for blowing refrigerant gas to the heated workpiece is used. As a configuration including a fan, a fan is provided inside a processing chamber (referred to as a chamber or the like) in which a workpiece after heating exists, and a refrigerant gas introduced into the processing chamber is stirred by the fan. There is a configuration in which a fan is provided in a space communicating with a chamber via a pipe or the like, and refrigerant gas is introduced into the processing chamber by rotation of the fan. In general, an electric motor is used to drive the fan for gas cooling (see, for example, Patent Document 1).
このように、ファンの駆動に電動機が用いられる場合、真空中において電動機の内部で発生する放電が問題となる。すなわち、真空加熱による加熱処理後のワークの冷却が行われる処理室内は、加熱時と同様に真空状態となる。このため、電動機が存在する空間が冷却のための処理室と連通する構成においては、ワークの冷却に際して電動機が真空状態にさらされることとなる。そこで、冷媒ガスが導入される前の真空状態下で電動機の始動が行われると、電動機の内部で放電が発生する場合がある。 Thus, when an electric motor is used to drive a fan, discharge generated inside the electric motor in a vacuum becomes a problem. That is, the processing chamber in which the workpiece is cooled after the heat treatment by vacuum heating is in a vacuum state as in the case of heating. For this reason, in the configuration in which the space where the electric motor exists communicates with the processing chamber for cooling, the electric motor is exposed to a vacuum state when the workpiece is cooled. Therefore, when the electric motor is started in a vacuum state before the refrigerant gas is introduced, a discharge may occur inside the electric motor.
このため、従来、ガス冷却のための電動機の運転について、冷媒ガス圧力(冷媒ガスが導入されること等により変化する処理室内の圧力)が所定の圧力(例えば、大気圧(1atm))に達した後に、電動機を始動させることが行われている。つまりこの場合、冷媒ガス圧力について、処理室への冷媒ガスの導入開始直後、電動機における放電が生じない所定の圧力となったタイミングで、電動機の始動が行われる。 For this reason, conventionally, in the operation of an electric motor for gas cooling, the refrigerant gas pressure (pressure in the processing chamber that changes due to introduction of the refrigerant gas, etc.) reaches a predetermined pressure (for example, atmospheric pressure (1 atm)). After that, the electric motor is started. That is, in this case, the electric motor is started at a timing at which the refrigerant gas pressure becomes a predetermined pressure immediately after the start of introduction of the refrigerant gas into the processing chamber so that no electric discharge occurs in the electric motor.
このような電動機の始動方法においては、冷媒ガス圧力の立上げと電動機により回転するファンの加速とが同時に行われることから、ファン(電動機)の加速中に、冷媒ガス圧力が上昇する。このため、ファン加速時間(電動機の始動時からファンが所定の設定回転数に達するまでの時間)が、ガス冷却における冷却速度(冷却能)に大きく影響し、十分な冷却速度が得られない場合がある。 In such an electric motor starting method, the rise of the refrigerant gas pressure and the acceleration of the fan rotated by the electric motor are performed at the same time. Therefore, the refrigerant gas pressure rises during the acceleration of the fan (electric motor). For this reason, when the fan acceleration time (the time from when the motor starts until the fan reaches a predetermined rotational speed) greatly affects the cooling rate (cooling capacity) in gas cooling, and a sufficient cooling rate cannot be obtained There is.
具体的には、ファン加速時間は、電動機あるいはファンの慣性モーメント(慣用的にGD2により求められる。以下同じ。)が大きくなるほど、長くなる傾向にある。ここで、ファンによる風量を増大させて冷媒ガスによる冷却能を高めようとした場合、一般的にファンの大型化を図ることが行われる。ファンが大型化すると、ファンの慣性モーメントが大きくなることに加え、電動機のトルクを上げる必要が生じる。電動機のトルクが上がると、電動機の慣性モーメントが大きくなる。このように、ガス冷却においては、冷却速度を高めることと、ファン加速時間の短縮化を図ることとの両立は困難であり、十分な冷却速度が得られない場合がある。 Specifically, the fan acceleration time tends to become longer as the moment of inertia of the electric motor or fan (usually determined by GD 2 ; the same applies hereinafter) increases. Here, when it is going to increase the cooling capacity by a refrigerant gas by increasing the air volume by a fan, generally enlargement of a fan is performed. As the fan size increases, the moment of inertia of the fan increases, and the torque of the motor needs to be increased. As the torque of the motor increases, the moment of inertia of the motor increases. As described above, in gas cooling, it is difficult to achieve both a higher cooling rate and a shorter fan acceleration time, and a sufficient cooling rate may not be obtained.
この点、ファン加速時間を短縮するため、比較的小型の電動機およびファンをそれぞれ複数台用いる方法が考えられる。かかる方法によれば、電動機およびファンが小型であることから前記のような慣性モーメントやトルクが小さくなり、ファン加速時間が短縮するとともに、複数台の電動機およびファンにより、ガス冷却に必要な風量が確保される。しかし、複数台の電動機およびファンを用いる方法によれば、設備費用の増大や、配管等のレイアウトの複雑化や、設置面積の増大等の問題が生じる。 In this regard, in order to shorten the fan acceleration time, a method using a plurality of relatively small motors and fans can be considered. According to this method, since the motor and the fan are small, the moment of inertia and torque as described above are reduced, the fan acceleration time is shortened, and the air volume necessary for gas cooling is reduced by the plurality of motors and fans. Secured. However, according to the method using a plurality of electric motors and fans, there are problems such as an increase in equipment costs, a complicated layout of piping and the like, and an increase in installation area.
そこで、ガス冷却における冷却速度に対するファン加速時間の影響を低減するため、次のような方法が考えられている。すなわち、冷媒ガス圧力について、ファン加速時間の間は電動機における放電が生じない程度の低い圧力に保持し、ファンが設定回転数に達した後に、ガス冷却に必要な圧力まで上昇させるという方法である。 Therefore, in order to reduce the influence of the fan acceleration time on the cooling rate in gas cooling, the following method is considered. That is, the refrigerant gas pressure is maintained at a low pressure that does not cause electric discharge in the motor during the fan acceleration time, and is increased to a pressure required for gas cooling after the fan reaches the set rotational speed. .
このようなファン加速時間との関係における冷媒ガス圧力を上昇させるタイミングについての内容が、特許文献2に示されている。しかし、特許文献2は、前述したようなファン加速時間との関係において冷媒ガス圧力を調整する方法についての具体的な内容や、かかる方法を実現するための具体的な手段を示すものではない。
The content about the timing which raises the refrigerant gas pressure in the relationship with such fan acceleration time is shown by
前述のように、冷媒ガス圧力を、電動機における放電が生じない程度の低い圧力と、ガス冷却に必要な圧力との二段階に上昇させるためには、一般的には次のような方法が考えられる。すなわち、処理室内に冷媒ガスを導入するためのガス導入通路において、冷媒ガスを油圧ポンプ等によって昇圧させ、タンク等を用いて蓄えた状態から、開閉弁等を用いて所定のタイミングで(二段階に)処理室内に導入する方法である。 As described above, in order to increase the refrigerant gas pressure in two stages, that is, a pressure that is low enough not to cause discharge in the electric motor and a pressure that is necessary for gas cooling, the following method is generally considered. It is done. That is, in the gas introduction passage for introducing the refrigerant gas into the processing chamber, the refrigerant gas is boosted by a hydraulic pump or the like and stored using a tank or the like at a predetermined timing using an on-off valve or the like (two steps). (Ii) A method of introducing into the processing chamber.
しかし、冷媒ガス圧力を二段階に上昇させるに際して、共通の配管構成(ポンプ、タンク、開閉弁等)が用いられる場合、通常、冷媒ガス圧力についての設定圧力差が大きくなる各段階において、冷媒ガス圧力を安定させることが難しい。特に、電動機における放電が生じない程度の低い圧力については、ガス冷却に必要な圧力と比べて非常に低いため、冷媒ガス圧力が上がり過ぎる等、圧力のバラツキが生じ、冷媒ガス圧力の安定化を図ることが困難である。
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、冷媒ガスによって加熱後の被処理物を冷却するガス冷却において、設備構造の複雑化やコストの増大等を招くことなく、冷媒ガスを被処理物に送風するためのファンの駆動に用いられる電動機における放電を効果的に防止することができるとともに、十分な冷却能を得ることができる熱処理方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and the problem to be solved is that in the gas cooling for cooling the object to be processed after being heated by the refrigerant gas, the equipment structure is complicated and the cost is reduced. Heat treatment method capable of effectively preventing electric discharge in an electric motor used to drive a fan for blowing refrigerant gas to an object to be processed without causing an increase in temperature and the like and obtaining sufficient cooling capacity Is to provide.
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。 The problems to be solved by the present invention are as described above. Next, means for solving the problems will be described.
すなわち、請求項1においては、加熱後の被処理物を、該被処理物を収容する処理室にて、該処理室と連通する空間に設けられる電動機を駆動源とするファンにより冷媒ガスを対流させることで冷却する熱処理方法であって、前記冷媒ガスを、前記処理室内に、該処理室内の圧力が前記電動機における放電が発生しない程度に低い圧力としてあらかじめ設定される第一の圧力となるように導入する前期冷媒ガス導入過程と、前記処理室内の圧力が前記第一の圧力である状態で、前記電動機を始動させ、該電動機の回転数を、前記ファンの駆動との関係においてあらかじめ設定される所定の回転数となるまで上昇させるファン始動過程と、前記電動機の回転数が前記所定の回転数である状態で、前記冷媒ガスを、前記処理室内に、該処理室内の圧力が前記被処理物の冷却に用いられる圧力としてあらかじめ設定される第二の圧力となるように導入する後期冷媒ガス導入過程と、を行うものであり、所定の供給源から供給される前記冷媒ガスを前記処理室内に導入するための通路であるガス導入通路に、前記冷媒ガスの導入方向についての上流側から下流側にかけて順に設けられる、前記ガス導入通路の開閉を行う第一の開閉弁手段、および前記開閉を行う第二の開閉弁手段を含む構成により、前記第一の開閉弁手段および前記第二の開閉弁手段が閉状態であるとともに、前記ガス導入通路における前記第一の開閉弁手段と前記第二の開閉弁手段との間の部分に、前記第一の圧力に対応する量の前記冷媒ガスを蓄えた状態から、前記第二の開閉弁手段を開状態とすることで、前記前期冷媒ガス導入過程を行い、前記第一の開閉弁手段が閉状態、かつ前記第二の開閉弁手段が開状態であるとともに、前記ガス導入通路における前記第一の開閉弁手段の前記上流側の部分に、前記第二の圧力に対応する量の前記冷媒ガスを蓄えた状態から、前記第一の開閉弁手段を開状態とすることで、前記後期冷媒ガス導入過程を行うものである。 That is, according to the first aspect of the present invention, the object to be processed after heating is convected by a fan that uses an electric motor provided in a space communicating with the processing chamber as a driving source in the processing chamber for storing the processing object. The refrigerant gas is cooled in the processing chamber so that the pressure in the processing chamber becomes a first pressure that is set in advance as a low pressure that does not cause discharge in the electric motor. In the state in which the refrigerant gas is introduced into the first stage and the pressure in the processing chamber is the first pressure, the electric motor is started, and the rotational speed of the electric motor is set in advance in relation to the driving of the fan. In a state where the fan is started up to a predetermined rotational speed and the rotational speed of the electric motor is at the predetermined rotational speed, the refrigerant gas is introduced into the processing chamber. And a late refrigerant gas introduction process in which the force is introduced so as to be a second pressure preset as a pressure used for cooling the workpiece, and the refrigerant supplied from a predetermined supply source First on-off valve means for opening and closing the gas introduction passage, which is provided in order from the upstream side to the downstream side in the introduction direction of the refrigerant gas in the gas introduction passage, which is a passage for introducing gas into the processing chamber And the first on-off valve means for opening and closing the first on-off valve means and the second on-off valve means in a closed state, and the first on-off valve in the gas introduction passage. From the state where the amount of the refrigerant gas corresponding to the first pressure is stored in a portion between the first on-off valve means and the second on-off valve means, the second on-off valve means is opened. Cold A gas introduction process is performed, the first on-off valve means is closed, the second on-off valve means is open, and the upstream portion of the first on-off valve means in the gas introduction passage In addition, the second refrigerant gas introduction process is performed by opening the first on-off valve means from a state where the amount of the refrigerant gas corresponding to the second pressure is stored.
請求項2においては、前記第一の開閉弁手段の前記下流側に、前記ガス導入通路から分岐して前記電動機が設けられる前記空間に連通する分岐ガス導入通路を設けるものである。 According to a second aspect of the present invention, a branch gas introduction passage that branches from the gas introduction passage and communicates with the space in which the electric motor is provided is provided on the downstream side of the first on-off valve means.
請求項3においては、加熱後の被処理物を、該被処理物を収容する処理室にて、該処理室と連通する空間に設けられる電動機を駆動源とするファンにより冷媒ガスを対流させることで冷却する熱処理方法であって、前記冷媒ガスを、前記処理室内に、該処理室内の圧力が前記電動機における放電が発生しない程度に低い圧力としてあらかじめ設定される第一の圧力となるように導入する前期冷媒ガス導入過程と、前記処理室内の圧力が前記第一の圧力である状態で、前記電動機を始動させ、該電動機の回転数を、前記ファンの駆動との関係においてあらかじめ設定される所定の回転数となるまで上昇させるファン始動過程と、前記電動機の回転数が前記所定の回転数である状態で、前記冷媒ガスを、前記処理室内に、該処理室内の圧力が前記被処理物の冷却に用いられる圧力としてあらかじめ設定される第二の圧力となるように導入する後期冷媒ガス導入過程と、を行うものであり、所定の供給源から供給される前記冷媒ガスを前記処理室内に導入するための通路であるガス導入通路として、前記前期冷媒ガス導入過程を行うための前記ガス導入通路である第一のガス導入通路と、前記後期冷媒ガス導入過程を行うための前記ガス導入通路である第二のガス導入通路とを設け、前記第一のガス導入通路および前記第二のガス導入通路のそれぞれに設けられ、前記ガス導入通路の開閉を行う開閉弁手段を含む構成により、前記第一のガス導入通路を用い、該第一のガス導入通路の前記開閉弁手段が閉状態であるとともに、前記第一のガス導入通路における前記開閉弁手段よりも前記冷媒ガスの導入方向についての上流側の部分に、前記第一の圧力に対応する量の前記冷媒ガスを蓄えた状態から、前記第一のガス導入通路の前記開閉弁手段を開状態とすることで、前記前期冷媒ガス導入過程を行い、前記第二のガス導入通路を用い、該第二のガス導入通路の前記開閉弁手段が閉状態であるとともに、前記第二のガス導入通路における前記開閉弁手段よりも前記上流側の部分に、前記第二の圧力に対応する量の前記冷媒ガスを蓄えた状態から、前記第二のガス導入通路の前記開閉弁手段を開状態とすることで、前記後期冷媒ガス導入過程を行うものである。 According to a third aspect of the present invention, the object to be processed after heating is convected in a processing chamber containing the object to be processed by a fan having a motor as a drive source provided in a space communicating with the processing chamber. The refrigerant gas is introduced into the processing chamber so that the pressure in the processing chamber becomes a first pressure that is preset as low as not to cause discharge in the electric motor. In the state in which the refrigerant gas is introduced and the pressure in the processing chamber is the first pressure, the electric motor is started, and the rotational speed of the electric motor is set in advance in relation to the driving of the fan. In a state where the fan is started up until the number of revolutions reaches the predetermined number of revolutions, and the number of revolutions of the electric motor is the predetermined number of revolutions, the refrigerant gas is introduced into the processing chamber, and the pressure in the processing chamber is A late-stage refrigerant gas introduction process that introduces a second pressure that is set in advance as a pressure used for cooling the processed object, and the refrigerant gas supplied from a predetermined supply source is processed As a gas introduction passage that is a passage for introduction into a room, a first gas introduction passage that is the gas introduction passage for performing the first-stage refrigerant gas introduction process and the gas for performing the second-stage refrigerant gas introduction process A second gas introduction passage which is an introduction passage, and is provided in each of the first gas introduction passage and the second gas introduction passage, and includes an opening / closing valve means for opening and closing the gas introduction passage. , Using the first gas introduction passage, the on-off valve means of the first gas introduction passage is in a closed state, and the cooler than the on-off valve means in the first gas introduction passage. By opening the on-off valve means of the first gas introduction passage from a state in which the refrigerant gas in an amount corresponding to the first pressure is stored in the upstream portion in the gas introduction direction. , Performing the previous-stage refrigerant gas introduction process, using the second gas introduction passage, the on-off valve means of the second gas introduction passage being closed, and the on-off valve in the second gas introduction passage By opening the on-off valve means of the second gas introduction passage from a state in which the refrigerant gas in an amount corresponding to the second pressure is stored in the portion upstream of the means, The latter-stage refrigerant gas introduction process is performed.
請求項4においては、前記第一のガス導入通路の前記開閉弁手段の前記下流側に、前記第一のガス導入通路から分岐して前記電動機が設けられる前記空間に連通する分岐ガス導入通路を設けるものである。 According to a fourth aspect of the present invention, a branch gas introduction passage that branches from the first gas introduction passage and communicates with the space in which the electric motor is provided on the downstream side of the on-off valve means of the first gas introduction passage. It is provided.
請求項5においては、前記前期冷媒ガス導入過程を行う前の前記被処理物の温度を、前記ファン始動過程中に低下する前記被処理物の温度低下量に相当する分あらかじめ上昇させるものである。 According to a fifth aspect of the present invention, the temperature of the object to be processed before the refrigerant gas introduction process is increased in advance by an amount corresponding to the temperature decrease amount of the object to be decreased during the fan starting process. .
請求項6においては、前記温度低下量を、次式に基づいて推定するものである。
ΔTw={Q・t(Tf−Ts)α}/A+Ts
ここで、ΔTw:前記温度低下量、Q:前記ファン始動過程中の平均風量、t:前記ファン始動過程の時間、Ts:前記ファン始動過程開始時の前記冷媒ガスの温度、Tf:前記ファン始動過程終了時の前記冷媒ガスの温度、α:前記冷媒ガスの比熱、A:あらかじめ求められる前記被処理物の放熱係数である。
In
ΔT w = {Q · t (T f −T s ) α} / A + T s
Here, [Delta] T w: the temperature decrease amount, Q: the average amount of air in the fan starting process, t: the time of the fan starting process, T s: the fan startup process at the start of the temperature of the refrigerant gas, T f: The temperature of the refrigerant gas at the end of the fan starting process, α: the specific heat of the refrigerant gas, and A: the heat dissipation coefficient of the workpiece to be obtained in advance.
請求項7においては、前記前期冷媒ガス導入過程を行う前の前記被処理物の温度を、あらかじめ設定される所定の目標温度まで上昇させるに際し、
前記前期冷媒ガス導入過程を行う前の前記被処理物の温度を前記目標温度に上昇させることに相当する前記ファン始動過程の時間を、次式に基づいて推定するものである。
t={A(ΔTwa−Ts)}/{Q(Tf−Ts)α}
ここで、t:前記ファン始動過程の時間、A:あらかじめ求められる前記被処理物の放熱係数、ΔTwa:前記ファン始動過程中に低下する前記被処理物の温度低下量の測定値と前記被処理物の温度を前記目標温度まで上昇させる際の温度上昇量との和、Ts:前記ファン始動過程開始時の前記冷媒ガスの温度、Q:前記ファン始動過程中の平均風量、Tf:前記ファン始動過程終了時の前記冷媒ガスの温度、α:前記冷媒ガスの比熱である。
In claim 7, when the temperature of the object to be processed before performing the refrigerant gas introduction process is increased to a predetermined target temperature set in advance,
The time of the fan starting process corresponding to raising the temperature of the object to be processed before the refrigerant gas introduction process to the target temperature is estimated based on the following equation.
t = {A (ΔT wa −T s )} / {Q (T f −T s ) α}
Here, t: time of the fan starting process, A: heat dissipation coefficient of the object to be processed obtained in advance, ΔT wa : measured value of temperature decrease amount of the object to be processed that decreases during the fan starting process, and the object to be processed Sum of temperature rise when raising the temperature of the workpiece to the target temperature, T s : temperature of the refrigerant gas at the start of the fan starting process, Q: average air volume during the fan starting process, T f : The temperature of the refrigerant gas at the end of the fan starting process, α: the specific heat of the refrigerant gas.
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
すなわち、本発明によれば、冷媒ガスによって加熱後の被処理物を冷却するガス冷却において、設備構造の複雑化やコストの増大等を招くことなく、冷媒ガスを被処理物に送風するためのファンの駆動に用いられる電動機における放電を効果的に防止することができるとともに、十分な冷却能を得ることができる。
As effects of the present invention, the following effects can be obtained.
That is, according to the present invention, in the gas cooling for cooling the object to be processed after being heated by the refrigerant gas, the refrigerant gas is blown to the object to be processed without incurring the complexity of the equipment structure or increasing the cost. Discharge in the electric motor used for driving the fan can be effectively prevented, and sufficient cooling ability can be obtained.
本発明は、冷媒ガスによって加熱後の被処理物を冷却するガス冷却において、被処理物が存在する処理室に対する冷媒ガスの導入を二段階で行うことで、処理室内の圧力を、ファンを駆動するための電動機における放電が発生しない程度に低い(真空状態に近い)圧力と、被処理物を冷却するための比較的高い圧力との二段階で上昇させる方法を、具体的な手法ととともに提案するものである。以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、本実施の形態では、本発明に係る熱処理として、金属加工物等を被処理物とする真空焼入れが行われる場合を例に説明する。 In the gas cooling for cooling the object to be processed after being heated by the refrigerant gas, the present invention performs the introduction of the refrigerant gas into the processing chamber in which the object to be processed is introduced in two stages, thereby driving the pressure in the processing chamber. Proposed with a specific method of raising the pressure in two stages, a pressure that is low enough to prevent discharge in the electric motor (close to vacuum) and a relatively high pressure to cool the workpiece To do. Embodiments of the present invention will be described below. In this embodiment, a case where vacuum quenching using a metal workpiece or the like as an object to be processed will be described as an example of the heat treatment according to the present invention.
本発明の一実施形態に係る熱処理方法が行われる熱処理装置の構成について、図1を用いて説明する。図1に示すように、本実施形態に係る熱処理装置は、被処理物としてのワーク1を真空加熱するための加熱室2と、真空加熱後のワーク1を冷媒ガスによって冷却するための冷却室3とを備える。つまり、本実施形態に係る熱処理装置は、加熱室2と冷却室3とを備える二室型の構造を有する。加熱室2と冷却室3とは、中間室4を介して互いに隣り合うように設けられる。
A configuration of a heat treatment apparatus in which a heat treatment method according to an embodiment of the present invention is performed will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the heat treatment apparatus according to the present embodiment includes a
加熱室2は、ワーク1を真空加熱するためのいわゆる真空熱処理炉である。つまり、ワーク1が入れられた加熱室2内が所定の真空度に減圧された状態で、ワーク1の焼入れのための加熱が行われる。加熱室2に対しては、加熱室2内を所定の真空度に減圧するための真空排気系5が設けられる。真空排気系5は、真空ポンプ等が接続された配管構成が、切換弁等によって加熱室2内に対する連通・非連通が切り換えられる状態で設けられることで構成される。真空排気系5を構成する真空ポンプとしては、例えば、所望の真空度等に応じて、ロータリポンプ、メカニカルブースタポンプ、拡散ポンプ等が設けられる。
The
加熱室2は、中間室4側に、耐火物等により構成される断熱扉7を有する。つまり、断熱扉7が開くことで、加熱室2内は中間室4内と連通した状態となる。断熱扉7は、加熱室2を密閉するものではなく、加熱室2と中間室4とは、略同じ圧力となる。加熱室2内には、ワーク1を所定の荷姿でセットするためのトレイ等の支持手段や、ワーク1を所定の焼入れ温度に加熱するための加熱手段等が設けられる。加熱手段としては、例えば加熱室2内にセットされるワーク1を取り囲むようにして設けられるグラファイトヒータ等が用いられる。なお、加熱室2には、加熱室2内のメンテナンス等を行うための作業扉6が設けられる。
The
冷却室3は、加熱室2において真空加熱されたワーク1について、ガス冷却(冷媒ガスによる冷却)を行うためのものである。つまり、ワーク1が入れられた冷却室3内に冷媒ガスが導入されることで、ワーク1の焼入れのための冷却が行われる。ガス冷却に際し、ワーク1は、ガス冷却室3内に設けられるトレイ8に対して、所定の荷姿でセットされる。
The cooling
本実施形態では、ガス冷却のための冷媒ガスとして、窒素ガス(N2ガス)が用いられる。ただし、冷媒ガスの種類は特に限定されるものではない。冷媒ガスとしては、窒素ガスのほか、例えばアルゴンガス(Arガス)等の不活性ガスや空気等が用いられる。 In the present embodiment, nitrogen gas (N 2 gas) is used as the refrigerant gas for gas cooling. However, the type of refrigerant gas is not particularly limited. As the refrigerant gas, in addition to nitrogen gas, for example, an inert gas such as argon gas (Ar gas), air, or the like is used.
冷却室3は、中間室4側に仕切扉9を有する。つまり、仕切扉9が開くことで、ガス冷却室3内は中間室4内と連通した状態となる。また、冷却室3には、冷却室3内に対するワーク1の出し入れ等を行うための開閉扉10が設けられる。
The cooling
加熱室2で加熱されたワーク1は、中間室4を介して冷却室3に搬入され、ガス冷却される。具体的には、ワーク1が加熱室2で真空加熱された後、加熱室2の断熱扉7および冷却室3の仕切扉9が開かれることで、加熱室2と冷却室3とが中間室4を介して連通した状態となる。かかる連通状態で、加熱室2内のワーク1が、図示せぬ搬送手段等により、冷却室3内に搬送される。
The
ここで、断熱扉7および仕切扉9が開かれて加熱室2と冷却室3とが連通状態とされるため、加熱室2と冷却室3とは、均圧弁11を有する配管12によって接続される。つまり、断熱扉7および仕切扉9が開かれるに際しては、均圧弁11が所定の時間開弁されることで、加熱室2(および中間室4)と冷却室3とが均圧とされる。
Here, since the heat insulation door 7 and the
また、冷却室3は、図示せぬ真空排気系により、加熱室2と同様、所定の真空度に減圧可能に構成される。そして、冷却室3内の真空状態は、冷却室3が仕切扉9および開閉扉10によって密閉されることで確保される。なお、図示は省略するが、加熱室2および冷却室3には、作業扉6および開閉扉10が開かれるに際して加熱室2または冷却室3内の圧力を大気圧と等しくするための弁を有する配管が接続される。
The cooling
このように、中間室4に対して断熱扉7を介して連通可能な加熱室2と、同じく中間室4に対して仕切扉9を介して連通可能な冷却室3とは、中間室4を介して温度的に遮断可能であるとともに、それぞれ独立した圧力の調整が可能に構成される。
As described above, the
次に、ワーク1のガス冷却のための構成について説明する。図1に示すように、冷却室3内に導入される冷媒ガスは、電動機(モータ)15を駆動源とするファン16により対流させられる。ファン16は、電動機15の駆動軸に直結される。したがって、本実施形態では、電動機15の回転数がファン16の回転数となる。ファン16は、遠心方向を送風方向とする遠心ファンである。
Next, the structure for gas cooling of the workpiece |
電動機15およびファン16は、冷却室3の内部空間と連通する空間を形成するモータハウジング17内に収容される。ファン16の回転により送風される冷媒ガスは、送入用ダクト18によって冷却室3内に導かれ、送出用ダクト19によって冷却室内から送り出される。したがって、送入用ダクト18および送出用ダクト19は、それぞれ一端側が冷却室3に接続され、他端側がモータハウジング17に接続される。
The
送入用ダクト18は、モータハウジング17から冷却室3への冷媒ガスの送り配管である。送入用ダクト18は、モータハウジング17から、ファン16の遠心方向に含まれる方向(本実施形態では上方向)に配される。本実施形態では、モータハウジング17から上方に向けて配される送入用ダクト18は、冷却室3に対して上側に接続される。送入用ダクト18には、冷却室3内に導入される冷媒ガスの温度を低下させるためのガスクーラ20が設けられる。
The feeding
送出用ダクト19は、冷却室3からモータハウジング17への冷媒ガスの戻し配管である。本実施形態では、送出用ダクト19は、冷却室3に対して送入用ダクト18が接続される側の反対側である下側に接続される。また、送出用ダクト19は、モータハウジング17に対しては、電動機15の軸方向に沿う方向に接続される。
The
このような構成における冷却室3とモータハウジング17との間の冷媒ガスの流れとしては、送入用ダクト18により、回転するファン16によってモータハウジング17から上向きに送り出される冷媒ガスが、冷却室3に対して上側から下向きに送り込まれる(矢印A1参照)。冷却室3内に送り込まれる冷媒ガスは、トレイ8上のワーク1に吹き付けられるとともに、送出用ダクト19により、冷却室3から下向きに送り出されて、モータハウジング17内に送り込まれる(矢印A2参照)。
As a flow of the refrigerant gas between the cooling
このように、電動機15により回転するファン16によって冷却室3とモータハウジング17との間を送入用ダクト18および送出用ダクト19を介することで対流する冷媒ガスにより、冷却室3内のワーク1が冷却される。このように対流しながら冷却室3内に導入される冷媒ガスは、例えばガスボンベ等により構成される冷媒ガスについての所定の供給源31から、ガス導入通路30によって導入される。
As described above, the
すなわち、図1に示すように、供給源31からは、前述したようにファン16の回転によって対流する冷媒ガスの通路(以下「対流通路」という。)内に冷媒ガスを送り込むための導入配管30aが配される。導入配管30aは、対流通路を構成する送入用ダクト18に接続される。したがって、本実施形態では、供給源31からの導入配管30aと、送入用ダクト18の一部とにより、所定の供給源から供給される冷媒ガスを冷却室3内に導入するための通路であるガス導入通路30が構成される。
That is, as shown in FIG. 1, as described above, the
なお、導入配管30aの対流通路に対する接続位置は、特に限定されない。つまり、供給源31からの導入配管30aは、対流通路を構成する送入用ダクト18および送出用ダクト19における任意の位置に接続されればよい。言い換えると、供給源31からの導入配管30aは、かかる導入配管30aを経た冷媒ガスがファン16の回転による冷媒ガスの流れにおける任意の位置から送り込まれるように送入用ダクト18または送出用ダクト19に接続されればよい。
In addition, the connection position with respect to the convection channel | path of the
以上のように、本実施形態に係る熱処理方法(真空焼入れ方法、以下同じ。)においては、加熱後のワーク1が、ワーク1を収容する処理室としての冷却室3にて、この冷却室3と連通する空間であるモータハウジング17内に設けられる電動機15を駆動源とするファン16により冷媒ガスが対流させられることで冷却される。
As described above, in the heat treatment method according to the present embodiment (vacuum quenching method, the same applies hereinafter), the
そして、本実施形態の熱処理方法では、ワーク1のガス冷却に際し、冷媒ガスが導入されること等により変化する冷却室3内の圧力(以下「冷媒ガス圧力」という。)が、電動機15の始動時からファン16が所定の回転数に達するまでの時間の間は電動機15における放電が生じない程度の低い圧力に保持される。そして、ファンが所定の回転数に達した後に、冷媒ガス圧力が、ガス冷却に必要な圧力まで上昇させられる。そこで、本実施形態の熱処理方法では、ワーク1のガス冷却に際し、前期冷媒ガス導入過程と、ファン始動過程と、後期冷媒ガス導入過程とが行われる。
In the heat treatment method of the present embodiment, the pressure in the cooling chamber 3 (hereinafter referred to as “refrigerant gas pressure”) that changes due to the introduction of the refrigerant gas or the like when the
前期冷媒ガス導入過程では、冷媒ガスが、冷却室3内に、冷媒ガス圧力が電動機15における放電が発生しない程度に低い圧力としてあらかじめ設定される第一の圧力となるように導入される。
In the first-stage refrigerant gas introduction process, the refrigerant gas is introduced into the
前期冷媒ガス導入過程は、電動機15の始動前に行われる冷媒ガスの導入過程である。前期冷媒ガス導入過程においては、加熱室2における真空加熱後のワーク1が搬入された真空状態の冷却室3に対して、わずかな量の冷媒ガスが導入されることにより、冷媒ガス圧力が第一の圧力まで上昇させられる。前期冷媒ガス導入過程により、送入用ダクト18および送出用ダクト19を介して冷却室3内と連通するモータハウジング17内の圧力は、第一の圧力となる。
The first-stage refrigerant gas introduction process is a refrigerant gas introduction process performed before the
前期冷媒ガス導入過程において用いられる第一の圧力は、例えば、冷媒ガス圧力と電動機15における放電が発生する電圧(放電開始電圧)との関係を表すいわゆるパッシェン曲線に基づいて設定される。パッシェン曲線は、ある気体中での所定の電極間距離における気体の圧力と放電開始電圧との関係を示すグラフであり、放電限界である放電開始電圧は気体の種類、気体の圧力、電極間の距離によって決まるというパッシェンの法則から導かれる。 The first pressure used in the refrigerant gas introduction process in the previous period is set based on a so-called Paschen curve representing the relationship between the refrigerant gas pressure and the voltage at which electric discharge occurs in the electric motor 15 (discharge start voltage), for example. The Paschen curve is a graph showing the relationship between the gas pressure and the discharge start voltage at a predetermined distance between electrodes in a certain gas, and the discharge start voltage that is the discharge limit is the type of gas, the gas pressure, and the distance between the electrodes. Derived from Paschen's law, which is determined by distance.
したがって、冷媒ガスとして窒素ガスが用いられる本実施形態において、第一の圧力の設定に際して用いられるパッシェン曲線は、電動機15を構成するコイルと本体アース間の距離の最小値を電極間距離とする、窒素ガスの圧力(冷媒ガス圧力)と電動機15における放電開始電圧との関係を示すものとなる。このため、第一の圧力は、電動機15の製作精度のバラツキ等(個体差)にもよるが、本実施形態の場合は、例えば、0.005〜0.1MPaの範囲で設定される。
Therefore, in this embodiment in which nitrogen gas is used as the refrigerant gas, the Paschen curve used for setting the first pressure uses the minimum value of the distance between the coil constituting the
第一の圧力の範囲について、その下限値(前記の例では0.005MPa)は、電動機15における放電が発生しない程度の最小限の圧力という観点に基づく値である。したがって、第一の圧力の範囲の下限値は、例えばパッシェン曲線による放電開始電圧に対応する冷媒ガス圧力の値をわずかに上回るように規定される。
The lower limit (0.005 MPa in the above example) of the first pressure range is a value based on the viewpoint of the minimum pressure that does not cause discharge in the
また、第一の圧力の範囲について、その上限値(前記の例では0.1MPa)は、前期冷媒ガス導入過程において冷却室3内に導入される冷媒ガスにより、ワーク1の温度が緩やかに低下することで後期冷媒ガス導入過程においてワーク1の急冷作用が得られなくなることを抑制するという観点に基づく値である。すなわち、前期冷媒ガス導入過程において冷却室3内に導入される冷媒ガスの量が多くなると、その冷媒ガスが前期冷媒ガス導入過程の後のファン始動過程にて駆動するファン16の回転によって対流することで、後期冷媒ガス導入過程が開始される前までにおけるワーク1の温度低下が大きくなる。このように後期冷媒ガス導入過程の前までのワーク1の温度低下が大きくなると、後期冷媒ガス導入過程におけるワーク1の急冷作用が不十分となる(十分な冷却速度が得られない)。したがって、第一の圧力の範囲の上限値は、ガス冷却によるワーク1の冷却速度が確保できて焼入れ品質が損なわれない程度に、後期冷媒ガス導入過程の前までのワーク1の温度低下が抑制されるように規定される。
In addition, the upper limit value (0.1 MPa in the above example) of the first pressure range is that the temperature of the
前期冷媒ガス導入過程の後に、ファン始動過程が行われる。ファン始動過程では、冷却室3内の圧力が第一の圧力である状態で、電動機15が始動させられ、電動機15の回転数が、ファン16の駆動との関係においてあらかじめ設定される所定の回転数となるまで上昇させられる。
A fan starting process is performed after the refrigerant gas introducing process in the previous period. In the fan starting process, the
ファン始動過程は、前期冷媒ガス導入過程により第一の圧力まで上昇した冷媒ガス圧力が第一の圧力に保持された状態で、電動機15の回転数を所定の回転数まで上昇させる過程である。本実施形態では、前記のとおり電動機15の回転数とファン16の回転数(以下「ファン回転数」という。)とが一対一で対応するため、電動機15の回転数が所定の回転数である状態では、ファン回転数もその所定の回転数と同じ回転数となる。したがって、本実施形態では、電動機15についての所定の回転数は、ファン16の駆動(回転)との関係において、ワーク1のガス冷却に必要な風量が得られるようなファン回転数に対応するようにあらかじめ設定される。以下では、電動機15の回転数が所定の回転数である状態におけるファン回転数を「設定回転数」とする。
The fan starting process is a process in which the rotational speed of the
このように、ファン始動過程においては、ファン16(電動機15)の回転が停止している状態から、電動機15が始動して、ファン回転数が設定回転数となるまで、ファン16(電動機15)の回転が加速させられる。したがって、ファン始動過程による経過時間は、電動機15の始動時からファン回転数が設定回転数に達するまでの時間(以下「ファン加速時間」という。)に相当する。
Thus, in the fan starting process, the fan 16 (electric motor 15) is stopped from the state where the rotation of the fan 16 (electric motor 15) is stopped until the
ファン始動過程においては、冷媒ガスが第一の圧力に保持されることから、電動機15における放電が生じることがない。また、同じく冷媒ガスが第一の圧力に保持される(低圧下である)ことから、ファン16が回転することによっても、対流する冷媒ガスが少量であるため、ワーク1の温度低下は抑制される。
In the fan starting process, since the refrigerant gas is held at the first pressure, the
ファン始動過程の後に、後期冷媒ガス導入過程が行われる。後期冷媒ガス導入過程では、電動機15の回転数が所定の回転数である状態で、冷媒ガスが、冷却室3内に、冷媒ガス圧力がワーク1の冷却に用いられる圧力としてあらかじめ設定される第二の圧力となるように導入される。
After the fan start-up process, a late refrigerant gas introduction process is performed. In the latter-stage refrigerant gas introduction process, the refrigerant gas is set in advance in the
後期冷媒ガス導入過程は、ファン始動過程において始動した電動機15によりファン回転数が設定回転数である状態(電動機15の回転数が所定の回転数である状態)で行われる冷媒ガスの導入過程である。後期冷媒ガス導入過程においては、第一の圧力に保持されていた冷却室3に対して、前期冷媒ガス導入過程で導入される冷媒ガスの量との比較において多量の冷媒ガスが導入されることにより、冷媒ガス圧力が第一の圧力から第二の圧力まで上昇させられる。
The latter-stage refrigerant gas introduction process is a refrigerant gas introduction process performed in a state where the fan rotation speed is a set rotation speed (a state where the rotation speed of the
後期冷媒ガス導入過程において用いられる第二の圧力は、焼入れ対象としてのワーク1について、十分な急冷作用が得られるように導入される冷媒ガスの量に対応する圧力として設定される。第二の圧力は、通常、第一の圧力の百倍から数百倍程度の範囲で設定される。
The second pressure used in the late refrigerant gas introduction process is set as a pressure corresponding to the amount of refrigerant gas introduced so as to obtain a sufficient quenching action for the
以上のように、ワーク1のガス冷却において行われる前記各過程について、図2に示すグラフを用いて具体的に説明する。図2において、(a)および(b)に示すグラフは、時間(sec)を示す横軸を共通にするものであり、(a)に示すグラフは冷媒ガス圧力(MPa)の時間変化を、(b)に示すグラフはファン回転数(rpm)の時間変化をそれぞれ表す。また、ここでは、第一の圧力が0.01MPaとして設定され、ファン回転数についての設定回転数が3600rpmとして設定され、第二の圧力が1MPaとして設定される場合を例に説明する。
As described above, each process performed in the gas cooling of the
図2(a)に示すように、加熱室2における真空加熱後のワーク1が搬入された冷却室3の真空状態(圧力p0<0.01MPa)において、前期冷媒ガス導入過程が開始される(時刻t0)。すなわち、前期冷媒ガス導入過程では、電動機15(ファン16)が停止している状態で、圧力p0の冷却室3に対して、わずかな量の冷媒ガスが導入されることにより、冷媒ガス圧力が、圧力p0から0.01MPaに上昇させられる。冷媒ガス圧力が0.01MPaに達することで、前期冷媒ガス導入過程が終了する(時刻t1)。
As shown in FIG. 2 (a), in the vacuum state (pressure p0 <0.01 MPa) of the
図2(b)に示すように、前期冷媒ガス導入過程の終了時に対応する時刻t1に、ファン始動過程が開始される。すなわち、ファン始動過程では、冷媒ガス圧力が0.01MPaである状態で、停止状態にある電動機15が始動し、その回転が加速することで、ファン回転数が3600rpmまで上昇させられる。ファン回転数が3600rpmに達することで、ファン始動過程が終了する(時刻t2)。したがって、本例では、ファン加速時間は、時刻t1から時刻t2までの時間となる。図2(a)に示すように、ファン加速時間の間は、冷媒ガス圧力は、0.01MPaに保持される。
As shown in FIG. 2B, the fan starting process is started at time t1 corresponding to the end of the previous refrigerant gas introducing process. That is, in the fan starting process, the
ファン始動過程の終了時に対応する時刻t2に、後期冷媒ガス導入過程が開始される。すなわち、後期冷媒ガス導入過程では、ファン回転数が3600rpmである状態で、0.01MPaの冷却室3に対して、前期冷媒ガス導入過程で導入される冷媒ガスの量との比較において多量の冷媒ガスが導入されることにより、冷媒ガス圧力が、0.01MPaから1MPaに上昇させられる。このように、冷媒ガス圧力が上昇するとともに、対流通路内を冷媒ガスが対流することで、ワーク1が冷却される。
The late refrigerant gas introduction process is started at time t2 corresponding to the end of the fan start-up process. That is, in the latter-stage refrigerant gas introduction process, a large amount of refrigerant is compared with the amount of refrigerant gas introduced in the first-stage refrigerant gas introduction process with respect to the 0.01
本実施形態の熱処理方法においては、これらの各過程を行うため、次のような構成が用いられる。すなわち、図1に示すように、ガス導入通路30に、冷媒ガスの導入方向についての上流側(以下単に「上流側」という。)から下流側(同じく「下流側」という。)にかけて順に設けられる、第一開閉弁35、および第二開閉弁38を含む構成である。
In the heat treatment method of the present embodiment, the following configuration is used to perform each of these processes. That is, as shown in FIG. 1, the
第一開閉弁35は、ガス導入通路30におけるリザーブタンク34の下流側に設けられる。第一開閉弁35は、ガス導入通路30の開閉を行う第一の開閉弁手段として機能する。すなわち、第一開閉弁35の開状態においては、第一開閉弁35の位置における冷媒ガスの流れが確保され、第一開閉弁35の閉状態においては、第一開閉弁35の位置における冷媒ガスの流れが止められる。
The first on-off
第二開閉弁38は、ガス導入通路30における第一開閉弁35の下流側に設けられる。第二開閉弁38は、第一開閉弁35と同様にガス導入通路30の開閉を行う第二の開閉弁手段として機能する。なお、第一開閉弁35および第二開閉弁38としては、ガス導入通路30の開閉を行うことができる機能を有するものであれば、その弁機構の種類等は特に限定されない。
The second on-off
また、ガス導入通路30においては、昇圧ユニット33が設けられている。昇圧ユニット33は、供給源31からの冷媒ガスの圧力を上昇させる昇圧手段として機能する。昇圧ユニット33は、電動機33bを駆動源とする油圧ポンプ33aにより構成される。ただし、例えば、供給源31から供給される冷媒ガスの圧力が、ワーク1のガス冷却に用いられる圧力として十分な場合等においては、昇圧ユニット33は省略可能である。
Further, a
また、ガス導入通路30においては、リザーブタンク34が設けられている。リザーブタンク34は、ガス導入通路30における昇圧ユニット33の下流側であって第一開閉弁35の上流側に設けられる。リザーブタンク34は、昇圧ユニット33により圧力が上昇した冷媒ガスを蓄える収容手段として機能する。リザーブタンク34としては、リザーブタンク34が用いられて蓄えられた冷媒ガスが冷却室3に導入されることで所望の冷媒ガス圧力が得られるように、冷却室3の容積やガス導入通路30の長さ・管径等に基づいて、必要な容積を有するものが用いられる。
Further, a
また、ガス導入通路30においては、第一開閉弁35と並列に、圧力調整弁36が設けられている。圧力調整弁36は、ガス導入通路30に対して小さい管径を有する分岐配管37に設けられる。分岐配管37は、その一端側が、導入配管30aにおける第一開閉弁35の上流側に接続され、他端側が、同じく第一開閉弁35の下流側に接続される。圧力調整弁36により、ガス導入通路30における第一開閉弁35の開状態での冷媒ガスの流量の微調整が行われる。
In the
また、本実施形態の冷媒ガスの配管構成においては、好ましくは次のような構成が備えられる。すなわち、図1に示すように、本実施形態においては、第一開閉弁35の下流側に、ガス導入通路30から分岐して電動機15が設けられる空間であるモータハウジング17内に連通する分岐ガス導入通路40が設けられる。
The refrigerant gas piping configuration of the present embodiment is preferably provided with the following configuration. That is, as shown in FIG. 1, in this embodiment, the branch gas that branches from the
本実施形態では、分岐ガス導入通路40は、ガス導入通路30における第一開閉弁35の下流側である第一開閉弁35と第二開閉弁38との間の位置から分岐され、モータハウジング17に接続される。分岐ガス導入通路40は、ガス導入通路30に対して小さい管径を有する。分岐ガス導入通路40は、ガス導入通路30によって冷却室3内に導かれる冷媒ガスの一部を、モータハウジング17に直接的に送り入れるための冷媒ガスの通路である。
In the present embodiment, the branch
すなわち、モータハウジング17内に導入される冷媒ガスについて、ガス導入通路30により冷却室3内に導入される冷媒ガスがファン16の回転によって対流通路を対流する冷媒ガスに加え、分岐ガス導入通路40により、ガス導入通路30内の冷媒ガスが分岐されて導入される。分岐ガス導入通路40には、分岐ガス導入通路40の開閉を行う分岐開閉弁41が設けられる。
That is, with respect to the refrigerant gas introduced into the
以上のような構成を備える熱処理装置により行われる本実施形態の熱処理方法について、図3に示すフロー図を加えて説明する。本実施形態の熱処理方法では、加熱室2においてワーク1の真空加熱(S10)が行われた後、冷却室3におけるワーク1のガス冷却が行われる(S20)。ワーク1のガス冷却においては、前述した各過程、つまり前期冷媒ガス導入過程(S21)、ファン始動過程(S22)、および後期冷媒ガス導入過程(S23)が行われる。
The heat treatment method of the present embodiment performed by the heat treatment apparatus having the above configuration will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In the heat treatment method of the present embodiment, after the
本実施形態の装置構成において、前期冷媒ガス導入過程(S21)は、次のようにして行われる。すなわち、前期冷媒ガス導入過程に際しては、まず、第一開閉弁35が開状態、かつ第二開閉弁38が閉状態のもとで、ガス導入通路30における第二開閉弁38よりも上流側における冷媒ガスによる圧力が、前期冷媒ガス導入過程用の所定の圧力(以下「前期用圧力」という。)とされる。つまり、第一開閉弁35が開状態、かつ第二開閉弁38が閉状態のもとで、昇圧ユニット33により、供給源31からの冷媒ガスの圧力が上昇させられ、第二開閉弁38よりも上流側(昇圧ユニット33およびリザーブタンク34を含む部分)が、前期用圧力とされる。
In the apparatus configuration of this embodiment, the refrigerant gas introduction process (S21) is performed as follows. That is, in the first-stage refrigerant gas introduction process, first, the first on-off
そして、第二開閉弁38よりも上流側が前期用圧力とされた状態で、第一開閉弁35が閉状態とされる。これにより、ガス導入通路30における第一開閉弁35と第二開閉弁38との間の部分(以下「弁間通路部分」という。)を構成する配管部分30t(図1参照)に、前期用圧力の冷媒ガスが蓄えられた状態となる。つまり、第一開閉弁35および第二開閉弁38が閉状態となることで配管部分30tによって形成される閉空間(配管の内部)に、前期用圧力の冷媒ガスが蓄えられる。なお、前期冷媒ガス導入過程に際しては、配管部分30tに連通する分岐配管37に設けられる圧力調整弁36は閉状態とされる。
Then, the first on-off
配管部分30tを含む弁間通路部分に前期用圧力の冷媒ガスが蓄えられた状態から、第二開閉弁38が開状態とされる。これにともない、弁間通路部分内の冷媒ガスが、真空状態(圧力p0)に対する差圧によってガス導入通路30により冷却室3内に導入される。
The second on-off
このように、本実施形態では、第一開閉弁35および第二開閉弁38が閉状態であるとともに、弁間通路部分に、昇圧ユニット33が用いられて、第一の圧力(0.01MPa)に対応する量の冷媒ガスが蓄えられた状態から、第二開閉弁38が開状態とされることで、前期冷媒ガス導入過程が行われる。
Thus, in this embodiment, while the 1st on-off
したがって、前期冷媒ガス導入過程に際し、弁間通路部分内の圧力について、冷媒ガスが蓄えられることによる前期用圧力(蓄えられる冷媒ガスの量)は、冷却室3の容積やガス導入通路30の長さ・管径等に基づいて、弁間通路部分内の冷媒ガスが冷却室3内に導入されることで、冷媒ガス圧力が第一の圧力に達するような圧力(冷媒ガスの量)として設定される。このように、弁間通路部分について、前期用圧力の冷媒ガスが蓄えられた状態は、第一の圧力に対応する量の冷媒ガスが蓄えられた状態に相当する。
Therefore, during the first-stage refrigerant gas introduction process, the first-stage pressure (the amount of refrigerant gas stored) due to the refrigerant gas being stored in the pressure in the inter-valve passage portion is the volume of the
また、前述したように分岐ガス導入通路40が設けられる配管構成においては、前期冷媒ガス導入過程に際し、第一の圧力に対応する量の冷媒ガスが蓄えられた状態となる弁間通路部分に、分岐ガス導入通路40の一部が含まれる。
Further, in the piping configuration in which the branch
具体的には、分岐ガス導入通路40における分岐開閉弁41よりも上流側の配管部分40t(図1参照)が、弁間通路部分に含まれる。つまり、分岐ガス導入通路40が設けられる配管構成においては、互いに連通するガス導入通路30の配管部分30tと分岐ガス導入通路40の配管部分40tが、弁間通路部分に含まれる。
Specifically, a pipe portion 40t (see FIG. 1) upstream of the branch opening / closing valve 41 in the branch
したがって、前期冷媒ガス導入過程に際して、昇圧ユニット33によって弁間通路部分が前期用圧力とされるときには、第二開閉弁38および分岐開閉弁41(および圧力調整弁36)が閉状態とされる。そして、第二開閉弁38および分岐開閉弁41よりも上流側が前期用圧力とされた状態で、第一開閉弁35が閉状態とされることで、弁間通路部分に、前期用圧力の冷媒ガスが蓄えられた状態となる。つまり、第一開閉弁35、第二開閉弁38、および分岐開閉弁41(および圧力調整弁36)が閉状態となることで、主に配管部分30tおよび配管部分40tによって形成される閉空間(配管の内部)に、前期用圧力の冷媒ガスが蓄えられる。
Therefore, during the first-stage refrigerant gas introduction process, when the
そして、弁間通路部分に前期用圧力の冷媒ガスが蓄えられた状態、つまり第一の圧力に対応する量の冷媒ガスが蓄えられた状態から、第二開閉弁38と分岐開閉弁41とが同じタイミングで開状態とされる。これにともない、弁間通路部分内の冷媒ガスが、真空状態(圧力p0)に対する差圧によって冷却室3内およびモータハウジング17内に導入される。つまり、弁間通路部分内の冷媒ガスは、第二開閉弁38が開かれることでガス導入通路30によって冷却室3内に導入されるとともに、分岐開閉弁41が開かれることで分岐ガス導入通路40によってモータハウジング17に導入される。分岐ガス導入通路40が設けられる場合は、このようにして前期冷媒ガス導入過程が行われる。
Then, from the state in which the refrigerant gas of the previous pressure is stored in the inter-valve passage portion, that is, from the state in which the amount of the refrigerant gas corresponding to the first pressure is stored, the second on-off
このように、前期冷媒ガス導入過程において、分岐ガス導入通路40が用いられることで、モータハウジング17内の圧力を、効率的に第一の圧力まで上昇させることができる。すなわち、前期冷媒ガス導入過程における冷媒ガスの導入が、ガス導入通路30のみによって行われる場合との比較において、分岐ガス導入通路40が設けられることにより、電動機15が存在するモータハウジング17内の圧力を短時間で第一の圧力まで上昇させることができる。これにより、前期冷媒ガス導入過程の時間の短縮化を図ることができ、前期冷媒ガス導入過程における経時的なワーク1の温度低下を抑制することができる。
As described above, the branch
なお、分岐ガス導入通路40のガス導入通路30に対する分岐位置は、ガス導入通路30における第一開閉弁35の下流側であれば特に限定されない。分岐ガス導入通路40は、例えば、ガス導入通路30における第二開閉弁38の下流側の部分から分岐されてもよい。この場合、分岐開閉弁41を省略することが可能となる。
The branch position of the branch
また、本実施形態の装置構成において、後期冷媒ガス導入過程(S23)は、次のようにして行われる。すなわち、後期冷媒ガス導入過程に際しては、第一開閉弁35が閉状態のもとで、ガス導入通路30における第一開閉弁35よりも上流側における冷媒ガスによる圧力が、後期冷媒ガス導入過程用の所定の圧力(以下「後期用圧力」という。)とされる。つまり、第一開閉弁35が閉状態のもとで、昇圧ユニット33により、供給源31からの冷媒ガスの圧力が上昇させられ、第一開閉弁35よりも上流側(昇圧ユニット33およびリザーブタンク34を含む部分)が、後期用圧力とされる。ここで、第一開閉弁35よりも上流側を後期用圧力とする冷媒ガスは、第一開閉弁35よりも上流側において主にリザーブタンク34内に蓄えられる。
In the apparatus configuration of the present embodiment, the late refrigerant gas introduction process (S23) is performed as follows. That is, in the late refrigerant gas introduction process, the pressure by the refrigerant gas upstream of the first open /
第一開閉弁35よりも上流側が後期用圧力とされた状態は、開閉弁32(図1参照)により確保される。開閉弁32は、ガス導入通路30の開閉を行うものであり、ガス導入通路30における供給源31の下流側であって昇圧ユニット33の上流側に設けられる。つまり、第一開閉弁35が閉じられた状態で昇圧ユニット33により上昇させられる冷媒ガスの圧力が後期用圧力に達した状態で、開閉弁32が閉状態とされることにより、ガス導入通路30における開閉弁32と第一開閉弁35との間の部分の圧力が後期用圧力に保持される。なお、第一開閉弁35よりも上流側を後期用圧力に保持するための開閉弁32は、ガス導入通路において昇圧ユニット33とリザーブタンク34との間に設けられてもよい。
The state where the upstream side of the first opening / closing
また、第一開閉弁35よりも上流側が後期用圧力とされるに際しての第一開閉弁35の閉動作(閉状態となるための動作)としては、例えば、前述したように前期冷媒ガス導入過程に際して弁間通路部分に前期用圧力の冷媒ガスが蓄えられるための閉動作が用いられる。この場合、弁間通路部分に前期用圧力の冷媒ガスを閉じ込めるために第一開閉弁35が閉状態となってから、第一開閉弁35よりも上流側が昇圧ユニット33によって後期用圧力に昇圧される。
In addition, as the closing operation of the first opening / closing
そして、第一開閉弁35よりも上流側(開閉弁32と第一開閉弁35との間)が後期用圧力とされた状態、つまり閉状態の第一開閉弁35の上流側の部分(主にリザーブタンク34)に後期用圧力の冷媒ガスが蓄えられた状態から、第一開閉弁35が開状態とされる。これにともない、開閉弁32と第一開閉弁35との間の冷媒ガスが、第一の圧力に対する差圧(後期用圧力は第一の圧力に対して十分に高い)によってガス導入通路30により冷却室3内に導入される。
Then, the upstream side of the first on-off valve 35 (between the on-off
すなわち、前期冷媒ガス導入過程に際して第二開閉弁38が開状態とされることで導入される冷媒ガスにより冷媒ガス圧力が第一の圧力となっている状態で、後期用圧力の冷媒ガスを蓄えるために閉状態となっている第一開閉弁35が開状態とされることで、第一開閉弁35よりも上流側の冷媒ガスが、ガス導入通路30により開状態の第二開閉弁38を介して冷却室3内に導入される。
That is, the refrigerant gas having the latter pressure is stored in the state where the refrigerant gas pressure is the first pressure by the refrigerant gas introduced by opening the second on-off
このように、本実施形態では、第一開閉弁35が閉状態、かつ第二開閉弁38が開状態であるとともに、ガス導入通路30における第一開閉弁35の上流側の部分に、第二の圧力(1MPa)に対応する量の冷媒ガスが蓄えられた状態から、第一開閉弁35が開状態とされることで、後期冷媒ガス導入過程が行われる。
As described above, in the present embodiment, the first on-off
したがって、後期冷媒ガス導入過程に際し、第一開閉弁35よりも上流側の圧力について、冷媒ガスが蓄えられることによる後期用圧力(蓄えられる冷媒ガスの量)は、冷却室3の容積やガス導入通路30の長さ・管径等に基づいて、第一開閉弁35よりも上流側の冷媒ガスが冷却室3内に導入されることで、冷媒ガス圧力が第二の圧力に達するような圧力(冷媒ガスの量)として設定される。
Therefore, during the latter-stage refrigerant gas introduction process, the latter-stage pressure (the amount of refrigerant gas stored) due to the refrigerant gas being stored with respect to the pressure upstream of the first opening / closing
また、後期用圧力の設定に際しては、第一開閉弁35よりも上流側において冷媒ガスが蓄えられる主な部分を構成するリザーブタンク34の容積が考慮される。つまり、リザーブタンク34の容積は、後期冷媒ガス導入過程によって冷媒ガス圧力が第二の圧力に達するような量の冷媒ガスを第一開閉弁35よりも上流側に蓄えることができる容積として設定される。このように、ガス導入通路30における第一開閉弁35の上流側の部分について、後期用圧力の冷媒ガスが蓄えられた状態は、第二の圧力に対応する量の冷媒ガスが蓄えられた状態に相当する。
Further, when the late pressure is set, the volume of the
なお、後期冷媒ガス導入過程においては、分岐開閉弁41の開閉状態は特に限定されない。このことは、第二の圧力が第一の圧力に対して十分に高いこと(例えば0.01MPaに対して1MPa)、および分岐ガス導入通路40の管径がガス導入通路30に対して小さいことに基づく。すなわち、後期冷媒ガス導入過程において、ガス導入通路30によって冷却室3内に冷媒ガスが導入されることで冷媒ガス圧力が第二の圧力に上昇する過程では、分岐ガス導入通路40により冷媒ガスが導入されることによる影響が小さい。このため、後期冷媒ガス導入過程では、分岐ガス導入通路40の利用の有無、つまり分岐開閉弁41の開閉状態は特に限定されない。
In the latter-stage refrigerant gas introduction process, the opening / closing state of the branch opening / closing valve 41 is not particularly limited. This is because the second pressure is sufficiently higher than the first pressure (for example, 1 MPa with respect to 0.01 MPa) and the pipe diameter of the branch
後期冷媒ガス導入過程の後は、冷媒ガス圧力が第二の圧力に保持される。後期冷媒ガス導入過程中、あるいは後期冷媒ガス導入過程後の圧力保持に際しては、冷却室3内に導入される冷媒ガスについて、圧力調整弁36による流量の微調整が行われる。
After the late refrigerant gas introduction process, the refrigerant gas pressure is maintained at the second pressure. When the pressure is maintained during the late refrigerant gas introduction process or after the late refrigerant gas introduction process, the flow rate of the refrigerant gas introduced into the
以上のように本実施形態の装置構成が用いられて前期冷媒ガス導入過程(S21)および後期冷媒ガス導入過程(S23)が行われるワーク1のガス冷却(S20)の一例について説明する。
As described above, an example of gas cooling (S20) of the
ガス冷却(S20)においては、まず、第一開閉弁35が開状態、第二開閉弁38および分岐開閉弁41が閉状態のもとで、昇圧ユニット33により、第二開閉弁38および分岐開閉弁41よりも上流側が前期用圧力とされた後、第一開閉弁35が閉状態とされる。かかる状態から、第二開閉弁38および分岐開閉弁41が同じタイミングで開状態とされることにより、前期冷媒ガス導入過程(S21)が行われる。つまり、冷媒ガス圧力が第一の圧力に上昇させられる。
In the gas cooling (S20), first, the first on-off
前期冷媒ガス導入過程(S21)が行われた後、ファン始動過程(S22)が行われる。すなわち、冷媒ガス圧力が第一の圧力である状態で、電動機15が始動させられ、ファン回転数が設定回転数に達するまで加速させられる。
After the refrigerant gas introduction process (S21) is performed, the fan start process (S22) is performed. That is, with the refrigerant gas pressure being the first pressure, the
前期冷媒ガス導入過程(S21)において第一開閉弁35が閉状態とされてから、前期冷媒ガス導入過程(S21)およびファン始動過程(S22)と並行して、第一開閉弁35よりも上流側の部分に、リザーブタンク34が用いられて後期冷媒ガス導入過程(S23)に際しての冷媒ガスが蓄えられる。つまり、第一開閉弁35よりも上流側の部分が、後期用圧力とされる。
After the first on-off
そして、ファン始動過程(S22)によってファン回転数が設定回転数に達した状態から、第一開閉弁35が開状態とされることにより、後期冷媒ガス導入過程(S23)が行われる。つまり、冷媒ガス圧力が第二の圧力に上昇させられる。その後は、冷媒ガス圧力が第二の圧力に保持された状態で対流する冷媒ガスにより、ワーク1が冷却される。
Then, the first on-off
以上のような本実施形態の熱処理方法によれば、冷媒ガスによって加熱後のワーク1を冷却するガス冷却において、設備構造の複雑化やコストの増大等を招くことなく、冷媒ガスをワーク1に送風するためのファン16の駆動に用いられる電動機15における放電を効果的に防止することができるとともに、十分な冷却能を得ることができる。
According to the heat treatment method of the present embodiment as described above, in the gas cooling in which the
すなわち、本実施形態の熱処理方法においては、前期冷媒ガス導入過程が行われることにより、ファン始動過程の間(ファン加速時間の間)は、冷媒ガス圧力が電動機15における放電が生じない程度に低い圧力(第一の圧力)の状態であり、冷却室3内に導入される冷媒ガスの量も少ない。このため、ファン加速時間の間は、電動機15における放電が防止されるとともに、ファン回転数が設定回転数まで上昇することによっても冷却能の低い状態が保たれる。そして、ファン回転数が設定回転数となった状態で、冷媒ガス圧力が、後期冷媒ガス導入過程によってガス冷却に必要な圧力(第二の圧力)まで上昇させられる。これにより、ガス冷却における冷却速度に対するファン加速時間の影響が低減され、ワーク1を焼入れするための十分な冷却速度(冷却能)が得られる。
That is, in the heat treatment method of the present embodiment, the refrigerant gas pressure is low enough to prevent discharge in the
そして、本実施形態の熱処理方法においては、冷媒ガス圧力についての設定圧力が通常二桁程度異なる(例えば0.01MPaと1MPa)前期冷媒ガス導入過程と後期冷媒ガス導入過程とが、同一系統の配管構成(ガス導入通路30)によって行われる。このため、設備構造の複雑化やコストの増大等を回避することが容易となる。 In the heat treatment method of the present embodiment, the set pressure for the refrigerant gas pressure is usually different by about two orders of magnitude (for example, 0.01 MPa and 1 MPa). The configuration (the gas introduction passage 30) is performed. For this reason, it becomes easy to avoid the complexity of an equipment structure, the increase in cost, etc.
具体的には、本実施形態の配管構成では、冷却室3に冷媒ガスを導入するためのガス導入通路30の一部(配管部分30t参照)が、前期冷媒ガス導入過程のための圧力制御やリザーブタンク等として代用されている。このため、設備コスト、設備の維持管理コスト、設備の操業コスト等の低減化、ならびに設備のシンプル化およびコンパクト化を図ることができる。
Specifically, in the pipe configuration of the present embodiment, a part of the
また、本実施形態の熱処理方法によれば、電動機15における放電を防止するに際し、電動機15が設けられる空間(モータハウジング17内)を冷却室3あるいはこれと連通する空間に対して気密性を保つためのシール構造等が不要である。この点からも、装置構成の複雑化を防止することができる。
Further, according to the heat treatment method of the present embodiment, when preventing discharge in the
本実施形態の熱処理方法による効果について、冷媒ガスを一段階で導入する熱処理方法(以下「従来方法」という。)との比較により説明する。まず、従来方法について、図4に示すグラフを用いて説明する。図4においては、図2と同様に、(a)に示すグラフは冷媒ガス圧力の時間変化を、(b)に示すグラフはファン回転数の時間変化をそれぞれ表す。なお、従来方法において本実施形態と共通する構成等については、便宜上、同一の符号を用いる等して引用する。 The effect of the heat treatment method of the present embodiment will be described by comparison with a heat treatment method (hereinafter referred to as “conventional method”) in which refrigerant gas is introduced in one stage. First, the conventional method will be described with reference to the graph shown in FIG. In FIG. 4, similarly to FIG. 2, the graph shown in (a) represents the change over time in the refrigerant gas pressure, and the graph shown in (b) represents the change over time in the fan rotation speed. In addition, about the structure etc. which are common in this embodiment in a conventional method, it quotes using the same code | symbol etc. for convenience.
従来方法では、図4(a)、(b)に示すように、加熱室2における真空加熱後のワーク1が搬入された冷却室3の真空状態(圧力p0<0.01MPa)において、冷却室3に対する冷媒ガスの導入が開始される(時刻t3)。そして、冷媒ガス圧力が、電動機15における放電が生じない所定の圧力(本例では0.01MPa)となったタイミング(時刻t4)で、電動機15の始動が行われる。電動機15が始動した後は、ファン回転数は設定回転数(本例では3600rpm)まで上昇させられる。
In the conventional method, as shown in FIGS. 4A and 4B, in the vacuum state (pressure p0 <0.01 MPa) of the
従来方法では、冷媒ガス圧力は、その上昇が開始されてから(冷却室3に対する冷媒ガスの導入が開始されてから)、ワーク1の冷却に用いられる所定の圧力(本例では1MPa)に達するまで、徐々に(一様に)上昇させられる。したがって、従来方法では、冷媒ガス圧力の立上げと電動機15により回転するファン16の加速とが同時に行われることから、ファン16(電動機15)の加速中に、冷媒ガス圧力が上昇する。このため、ファン加速時間が、ガス冷却における冷却速度(冷却能、以下同じ。)に大きく影響し、十分な冷却速度が得られない場合がある。
In the conventional method, the refrigerant gas pressure reaches a predetermined pressure (1 MPa in this example) used for cooling the
図5は、従来方法および本実施形態の熱処理方法のそれぞれについての、ファン加速時間(sec)と、ワーク1が真空焼入れされることにより得られる焼入れ品の硬さ(ビッカース硬さ:Hv)との関係についての実験結果の一例を示すものである。図5において、本実施例(白丸で示す計測点)は、本実施形態の熱処理方法による実験結果を示し、従来例(黒四角で示す計測点)は、従来方法による実験結果を示す。本実験結果例は、ファン加速時間が、1secから6secまでの1sec毎における焼入れ品の硬さを計測したものである。
FIG. 5 shows the fan acceleration time (sec) and the hardness of a quenched product (Vickers hardness: Hv) obtained by vacuum-quenching the
図5に示すように、従来方法によれば、ファン加速時間が長くなるにともない、焼入れ品の硬さが低下する。具体的には、従来例については、ファン加速時間が1secである場合は、焼入れ品の硬さがHv650程度の硬さであるが、ファン加速時間が長くなるにともない、焼入れ品の硬さが徐々に低下する。本例では、ファン加速時間が6secの場合は、焼入れ品の硬さがHv280程度にまで低下している。このように、ファン加速時間が長くなるにつれて焼入れ品の硬さが低下することは、従来方法では、前述したようにファン加速時間がガス冷却における冷却速度に大きく影響し、十分な冷却速度が得られないことによる。 As shown in FIG. 5, according to the conventional method, the hardness of the hardened product decreases as the fan acceleration time becomes longer. Specifically, for the conventional example, when the fan acceleration time is 1 sec, the hardness of the quenched product is about Hv650, but as the fan acceleration time increases, the hardness of the quenched product decreases. Decrease gradually. In this example, when the fan acceleration time is 6 sec, the hardness of the quenched product is reduced to about Hv280. As described above, the hardness of the quenched product decreases as the fan acceleration time increases. In the conventional method, as described above, the fan acceleration time greatly affects the cooling rate in gas cooling, and a sufficient cooling rate is obtained. Because it is not possible.
一方、本実施形態の熱処理方法によれば、ファン加速時間が1〜6secの間において、焼入れ品についてHv600以上の硬さが保持される。つまり、本実施形態の熱処理方法によれば、ガス冷却における冷却速度に対するファン加速時間の影響が低減されることから、ファン加速時間がある程度長くなることによっても、焼入れ品の硬さが低下することが抑制される。これにより、ファン加速時間との関係において、良好な焼入れ品質を容易に得ることが可能となる。 On the other hand, according to the heat treatment method of the present embodiment, the hardness of Hv600 or higher is maintained for the quenched product during the fan acceleration time of 1 to 6 seconds. That is, according to the heat treatment method of the present embodiment, the influence of the fan acceleration time on the cooling rate in the gas cooling is reduced, so that the hardness of the quenched product is reduced even if the fan acceleration time is increased to some extent. Is suppressed. This makes it possible to easily obtain good quenching quality in relation to the fan acceleration time.
なお、前述した本発明の実施形態(以下「第一実施形態」という。)では、ワーク1のガス冷却において、前期冷媒ガス導入過程と後期冷媒ガス導入過程とが同一系統の配管構成(ガス導入通路30)によって行われるが、これらの過程は、それぞれの過程を行うために設けられる別系統の配管構成によって行うこともできる。この場合の配管構成の一例を、本発明の別実施形態として、図6を用いて説明する。なお、本実施形態の説明においては、第一実施形態における構成と共通する部分については同一の符号を用いる等して適宜説明を省略するとともに、第一実施形態における構成に基づいて(構成を引用して)説明する。
In the above-described embodiment of the present invention (hereinafter referred to as “first embodiment”), in the gas cooling of the
本実施形態では、所定の供給源31から供給される冷媒ガスを冷却室3内に導入するための通路であるガス導入通路として、前期冷媒ガス導入過程を行うためのガス導入通路である第一のガス導入通路としての前期用通路50と、後期冷媒ガス導入過程を行うためのガス導入通路である第二のガス導入通路としての後期用通路60とが設けられる。そして、各通路にリザーブタンク等の冷媒ガスを蓄えるための収容手段が設けられる。
In the present embodiment, the first gas introduction passage for performing the refrigerant gas introduction process is used as the gas introduction passage which is a passage for introducing the refrigerant gas supplied from the predetermined
具体的には、本実施形態では、図6に示すように、第一実施形態の配管構成におけるガス導入通路30が、後期用通路60として用いられる。この場合、ガス導入通路30について第二開閉弁38(図1参照)が省略されるとともに、昇圧ユニット33とリザーブタンク34と第一開閉弁35とを備える配管構成が、後期用通路60として用いられる。したがって、本実施形態では、第一開閉弁35が、後期用通路60の開閉を行う開閉弁手段として機能する。
Specifically, in this embodiment, as shown in FIG. 6, the
このような後期用通路60に対し、前期用通路50が設けられる。前期用通路50は、導入配管30aにおける昇圧ユニット33の下流側であってリザーブタンク34の上流側から分岐されることで構成される。つまり本実施形態では、後期用通路60と前期用通路50とで、冷媒ガスの圧力を上昇させる昇圧手段としての昇圧ユニット33が共用される。ただし、後期用通路60および前期用通路50のそれぞれに、昇圧ユニット33等の昇圧手段が設けられてもよい。また、昇圧ユニット33については、前述したように省略可能である。
An
前期用通路50は、冷媒ガス圧力を第一の圧力に上昇させるためのものであるため、後期用通路60に対して小径の配管により構成される。前期用通路50には、昇圧ユニット33の下流側に、開閉弁55が設けられている。開閉弁55は、前期用通路50の開閉を行う開閉弁手段として機能する。
Since the first-
また、前期用通路50においては、リザーブタンク54が設けられている。リザーブタンク54は、前期用通路50における昇圧ユニット33の下流側であって開閉弁55の上流側に設けられる。リザーブタンク54は、昇圧ユニット33により圧力が上昇した冷媒ガスを蓄える収容手段として機能する。リザーブタンク54としては、リザーブタンク54が用いられて蓄えられた冷媒ガスが冷却室3に導入されることで所望の冷媒ガス圧力が得られるように、冷却室3の容積や前期用通路50の長さ・管径等に基づいて、必要な容積を有するものが用いられる。したがって、リザーブタンク54は、前期冷媒ガス導入過程よりも冷媒ガス圧力についての設定圧力が高い後期冷媒ガス導入過程に用いられる後期用通路60に設けられるリザーブタンク34よりも、容積が小さいものとなる。
Further, a
前期用通路50は、後期用通路60を構成する導入配管30aから分岐する導入配管50aにより主に構成される。導入配管50aは、対流通路を構成する送入用ダクト18に接続される。したがって、本実施形態では、導入配管30aから分岐する導入配管50aと、送入用ダクト18の一部とにより、前期用通路50が構成される。なお、導入配管50aの対流通路に対する接続位置は、特に限定されない。つまり、導入配管50aは、対流通路を構成する送入用ダクト18および送出用ダクト19における任意の位置に接続されればよい。
The first-
また、本実施形態の冷媒ガスの配管構成においては、好ましくは次のような構成が備えられる。すなわち、図6に示すように、本実施形態においては、前期用通路50の開閉弁55の下流側に、前期用通路50から分岐して電動機15が設けられる空間であるモータハウジング17内に連通する分岐ガス導入通路70が設けられる。
The refrigerant gas piping configuration of the present embodiment is preferably provided with the following configuration. That is, as shown in FIG. 6, in the present embodiment, in the
分岐ガス導入通路70は、前期用通路50を構成する導入配管50aと略同じ管径を有する。分岐ガス導入通路70は、前期用通路50によって冷却室3内に導かれる冷媒ガスの一部を、モータハウジング17に直接的に送り入れるための冷媒ガスの通路である。
The branch
すなわち、モータハウジング17内に導入される冷媒ガスについて、前期用通路50により冷却室3内に導入される冷媒ガスがファン16の回転によって対流通路を対流する冷媒ガスに加え、分岐ガス導入通路70により、前期用通路50内の冷媒ガスが分岐されて導入される。
That is, with respect to the refrigerant gas introduced into the
本実施形態の装置構成において、前期冷媒ガス導入過程(S21)は、次のようにして行われる。すなわち、前期冷媒ガス導入過程では、前期用通路50が用いられる。つまり、前期冷媒ガス導入過程では、供給源31から供給されて昇圧ユニット33により昇圧される冷媒ガスは、前期用通路50側に対して導入される。したがって、前期冷媒ガス導入過程に際しては、図示せぬ開閉弁等により、後期用通路60側への冷媒ガスの導入が制限される。
In the apparatus configuration of this embodiment, the refrigerant gas introduction process (S21) is performed as follows. That is, the first-
前期冷媒ガス導入過程に際しては、開閉弁55が閉状態のもとで、前期用通路50における開閉弁55よりも上流側における冷媒ガスによる圧力が、前期用圧力とされる。つまり、開閉弁55が閉状態のもとで、昇圧ユニット33により、供給源31からの冷媒ガスの圧力が上昇させられ、開閉弁55よりも上流側(昇圧ユニット33およびリザーブタンク54を含む部分)が、前期用圧力とされる。ここで、開閉弁55よりも上流側を前期用圧力とする冷媒ガスは、開閉弁55よりも上流側において主にリザーブタンク54内に蓄えられる。また、開閉弁55よりも上流側が前期用圧力とされた状態は、開閉弁32により確保される。
In the first stage refrigerant gas introduction process, the pressure by the refrigerant gas upstream of the on / off
これにより、開閉弁55よりも上流側(開閉弁32と開閉弁55との間)が前期用圧力とされた状態、つまり閉状態の開閉弁55よりも上流側の部分(主にリザーブタンク54)に、前期用圧力の冷媒ガスが蓄えられた状態となる。かかる状態から、開閉弁55が開状態とされることで、開閉弁32と開閉弁55との間の冷媒ガスが、真空状態(圧力p0)に対する差圧によって前期用通路50により冷却室3内に導入される。
As a result, the upstream side of the on-off valve 55 (between the on-off
このように、本実施形態では、前期用通路50が用いられ、前期用通路50の開閉弁55が閉状態であるとともに、前期用通路50における開閉弁55よりも上流側の部分に、昇圧ユニット33が用いられて、第一の圧力に対応する量の冷媒ガスが蓄えられた状態から、開閉弁55が開状態とされることで、前期冷媒ガス導入過程が行われる。
As described above, in the present embodiment, the first-
なお、前期用圧力の設定が、冷却室3の容積や前期用通路50の長さ・管径やリザーブタンク54の容積等に基づいて行われることは、第一実施形態と同様である。つまり、前期用通路50における開閉弁55よりも上流側の部分について、前期用圧力の冷媒ガスが蓄えられた状態は、第一の圧力に対応する量の冷媒ガスが蓄えられた状態に相当する。
The setting of the pressure for the first period is performed based on the volume of the
また、前述したように分岐ガス導入通路70が設けられる配管構成においては、前期冷媒ガス導入過程に際し、開閉弁55が開状態とされることで、開閉弁55から前期用通路50を下流側に流れる冷媒ガスの一部が、分岐ガス導入通路70を介してモータハウジング17内に導入される。これにより、第一実施形態において分岐ガス導入通路40が設けられる場合と同様に、モータハウジング17内の圧力を、効率的に第一の圧力まで上昇させることができる。
Further, in the piping configuration in which the branch
また、本実施形態の装置構成において、後期冷媒ガス導入過程(S23)は、次のようにして行われる。すなわち、後期冷媒ガス導入過程では、後期用通路60が用いられる。つまり、後期冷媒ガス導入過程では、供給源31から供給されて昇圧ユニット33により昇圧される冷媒ガスは、後期用通路60側に対して導入される。したがって、後期冷媒ガス導入過程に際しては、図示せぬ開閉弁等により、前期用通路50側への冷媒ガスの導入が制限される。
In the apparatus configuration of the present embodiment, the late refrigerant gas introduction process (S23) is performed as follows. That is, the
後期冷媒ガス導入過程に際しては、第一開閉弁35が閉状態のもとで、後期用通路60における第一開閉弁35よりも上流側における冷媒ガスによる圧力が、後期用圧力とされる。つまり、第一開閉弁35が閉状態のもとで、昇圧ユニット33により、供給源31からの冷媒ガスの圧力が上昇させられ、第一開閉弁35よりも上流側(昇圧ユニット33およびリザーブタンク34を含む部分)が、後期用圧力とされる。ここで、第一開閉弁35よりも上流側を後期用圧力とする冷媒ガスは、第一開閉弁35よりも上流側において主にリザーブタンク34内に蓄えられる。また、第一開閉弁35よりも上流側が後期用圧力とされた状態は、開閉弁32により確保される。
In the latter-stage refrigerant gas introduction process, the pressure due to the refrigerant gas upstream of the first on-off
これにより、第一開閉弁35よりも上流側(開閉弁32と第一開閉弁35との間)が後期用圧力とされた状態、つまり閉状態の第一開閉弁35よりも上流側の部分(主にリザーブタンク34)に、後期用圧力の冷媒ガスが蓄えられた状態となる。かかる状態から、第一開閉弁35が開状態とされることで、開閉弁32と第一開閉弁35との間の冷媒ガスが、第一の圧力に対する差圧によって後期用通路60により冷却室3内に導入される。
Thus, the upstream side of the first on-off valve 35 (between the on-off
このように、本実施形態では、後期用通路60が用いられ、第一開閉弁35が閉状態であるとともに、第一開閉弁35よりも上流側の部分に、昇圧ユニット33が用いられ、第二の圧力に対応する量の冷媒ガスが蓄えられた状態から、第一開閉弁35が開状態とされることで、後期冷媒ガス導入過程が行われる。
Thus, in the present embodiment, the
なお、後期用圧力の設定が、冷却室3の容積や後期用通路60の長さ・管径やリザーブタンク34の容積等に基づいて行われることは、第一実施形態と同様である。つまり、後期用通路60における第一開閉弁35よりも上流側の部分について、後期用圧力の冷媒ガスが蓄えられた状態は、第二の圧力に対応する量の冷媒ガスが蓄えられた状態に相当する。
The latter-stage pressure is set based on the volume of the
以上のように、前期冷媒ガス導入過程と後期冷媒ガス導入過程とが別系統の配管構成によって行われる本実施形態によれば、冷媒ガス圧力についての設定圧力差が大きい(通常二桁程度異なる)前期冷媒ガス導入過程と後期冷媒ガス導入過程とについて、各過程での冷媒ガス圧力の安定性の確保が容易となる。 As described above, according to the present embodiment in which the first-stage refrigerant gas introduction process and the second-stage refrigerant gas introduction process are performed by separate piping configurations, the set pressure difference for the refrigerant gas pressure is large (usually different by about two digits). With respect to the first-stage refrigerant gas introduction process and the second-stage refrigerant gas introduction process, it is easy to ensure the stability of the refrigerant gas pressure in each process.
ところで、本実施形態の装置構成により行われるワーク1のガス冷却においては、電動機15の始動電流の制限や電動機15の駆動にともなって生じる高調波等との関係で、ファン加速時間(ファン始動過程の時間)について十分な短時間化が図れない場合がある。すなわち、ガス冷却における冷却速度を上げるためには、ファン加速時間が短時間化されればよい。しかし、ファン加速時間の短時間化は、電動機15の始動電流の増加にともなう高調波やノイズ等の原因となる。高調波等の発生は、電動機15を備える設備のみならず、周辺設備へも影響する場合がある。
By the way, in the gas cooling of the
このように、ファン加速時間について十分な短時間化が図れない場合、ファン加速時間の間に、ワーク1の温度(以下「ワーク温度」という。)が低下してしまい、ガス冷却において十分な冷却速度が得られないときがある。ガス冷却において十分な冷却速度が得られないことは、焼入れが不十分となることや、十分な硬さが得られないこと等、焼入れ品質の低下を招く原因となる。 As described above, when the fan acceleration time cannot be sufficiently shortened, the temperature of the workpiece 1 (hereinafter referred to as “work temperature”) decreases during the fan acceleration time, and sufficient cooling is performed in the gas cooling. There are times when speed cannot be obtained. Insufficient cooling rate in gas cooling can cause quenching quality to deteriorate, such as insufficient quenching and insufficient hardness.
そこで、本実施形態の熱処理方法においては、前期冷媒ガス導入過程が行われる前のワーク温度が、ファン始動過程中に低下するワーク1の温度低下量(以下「ワーク温度低下量」という。)に相当する分あらかじめ上昇させられることが好ましい。
Therefore, in the heat treatment method of the present embodiment, the work temperature before the refrigerant gas introduction process is reduced to the temperature drop amount of the
具体的には、ファン加速時間の間のワーク温度低下量が、あらかじめ実験等により測定される。ワーク温度低下量の測定は、前述したような熱処理方法によって実際にワーク1のガス冷却が行われる場合と同様にして前期冷媒ガス導入過程の後に行われるファン始動過程におけるワーク温度低下量が測定されることで行われる。
Specifically, the amount of decrease in the workpiece temperature during the fan acceleration time is measured in advance by experiments or the like. The workpiece temperature reduction amount is measured by measuring the workpiece temperature reduction amount in the fan starting process performed after the refrigerant gas introduction process in the same manner as when the
ワーク温度低下量の測定においては、加熱室2による真空加熱後の冷却直前(前期冷媒ガス導入過程が行われる前)のワーク温度についてあらかじめ設定される所定の温度(以下「ワーク基準温度」という。)が基準とされる。つまり、ワーク温度低下量の測定においては、ワーク基準温度からの温度の低下量が測定される。ワーク温度低下量の測定としては、ワーク1自体の温度低下量を測定することによる直接的な測定、あるいはワーク1がセットされる冷却室3の雰囲気温度を測定することによる間接的な測定が行われる。
In the measurement of the amount of decrease in the workpiece temperature, a predetermined temperature (hereinafter referred to as “workpiece reference temperature”) set in advance for the workpiece temperature immediately before cooling after the vacuum heating in the heating chamber 2 (before the previous refrigerant gas introduction process is performed). ) Is the standard. That is, in the measurement of the workpiece temperature decrease amount, the temperature decrease amount from the workpiece reference temperature is measured. As the measurement of the work temperature drop, direct measurement by measuring the temperature drop of the
そして、あらかじめ測定したワーク温度低下量の分、ワーク温度が上昇させられる。ここで上昇させられるワーク温度は、加熱室2による真空加熱後の冷却直前のワーク温度である。例えば、ワーク温度低下量が50℃である場合、ワーク温度が、ワーク基準温度から50℃上昇させられる。ワーク温度の上昇は、加熱室2に設けられるグラファイトヒータ等の加熱手段によるワーク1の加熱温度の調整により行われる。
Then, the workpiece temperature is raised by the amount of the workpiece temperature decrease measured in advance. The workpiece temperature raised here is the workpiece temperature immediately before cooling after the vacuum heating in the
このように、ワーク1のガス冷却に際し、ワーク温度があらかじめ上昇させられることにより、ファン加速時間の間においてワーク温度が低下することで十分な冷却速度が得られなくなることを防止することができる。つまり、ワーク温度があらかじめ上昇させられることで、ファン加速時間の間にワーク温度が低下することによっても、ワーク1の焼入れに際しての温度低下代が確保されることから、十分な冷却速度が得られる。
As described above, when the
また、ワーク温度低下量ΔTw(℃)は、次式(1)に基づいて推定することができる。
ΔTw={Q・t(Tf−Ts)α}/A+Ts ・・・(1)
Further, the workpiece temperature decrease amount ΔT w (° C.) can be estimated based on the following equation (1).
ΔT w = {Q · t (T f −T s ) α} / A + T s (1)
上記式(1)において、Qはファン始動過程中の平均風量(Nm3/min)、tはファン始動過程の時間(sec)、Tsはファン始動過程開始時の冷媒ガスの温度(℃)、Tfはファン始動過程終了時の冷媒ガスの温度(℃)、αは冷媒ガスの比熱、Aはあらかじめ求められるワーク1の放熱係数である。
In the above formula (1), Q is the average air volume (Nm 3 / min) during the fan starting process, t is the time (sec) of the fan starting process, and T s is the refrigerant gas temperature (° C.) at the start of the fan starting process. , T f is the temperature (° C.) of the refrigerant gas at the end of the fan starting process, α is the specific heat of the refrigerant gas, and A is the heat dissipation coefficient of the
ここで、冷媒ガスの比熱αは、冷媒ガスの種類に応じて既知の固有定数である。また、ワーク1の放熱係数Aは、ワーク1がセットされるトレイ8その他の治具やワーク1自体等の熱容量、ワーク1の形状、その他の設備構造等に基づいて定まる固有の定数であり、あらかじめ実験等で求めることができる値である。また、ファン始動過程中の平均風量Qについて、Nm3により示される値は、気体の体積についてのノルマル値であり、温度0℃、気圧760mmHg、湿度0%の状態における値として換算される気体の体積である。また、ファン始動過程の時間t(sec)は、ファン加速時間に相当する。このため、以下では、tをファン加速時間とする。また、ファン始動過程開始時の冷媒ガスの温度Tsを「開始時温度」とし、ファン始動過程終了時の冷媒ガスの温度Tfを「終了時温度」とする。
Here, the specific heat α of the refrigerant gas is a known eigen constant depending on the type of the refrigerant gas. The heat dissipation coefficient A of the
上記式(1)は、次式(2)から導かれたものである。
Q・t(Tf−Ts)α=A(ΔTw−Ts) ・・・(2)
The above formula (1) is derived from the following formula (2).
Q · t (T f −T s ) α = A (ΔT w −T s ) (2)
上記式(2)は、ガス冷却において、ワーク1を冷却するための熱量が、冷却されるワーク1において減少する熱量に等しいとの観点に基づくものである。上記式(2)が変形されることで、上記式(1)が導かれる。
The above formula (2) is based on the viewpoint that the amount of heat for cooling the
そして、上記式(1)によるワーク温度低下量ΔTwの算出に際しては、開始時温度Tsとして、ファン始動過程の開始時、つまりファン16の回転が開始された時(図2、時刻t1参照)における冷却室3内の雰囲気温度が測定される。また、前記平均風量Qおよびファン加速時間tとして、ファン始動過程の開始時(図2、時刻t1参照)から、ファン回転数が設定回転数に達した時(同図、時刻t2参照)までの平均送風量および経過時間(時刻t1から時刻t2までの時間)が測定される。また、終了時温度Tfとして、ファン始動過程の終了時、つまりファン回転数が設定回転数に達した時(図2、時刻t2参照)における冷却室3内の雰囲気温度が測定される。
Then, when calculating the work temperature decrease [Delta] T w according to the above formula (1), as a starting point temperature T s, at the start of the fan starting process, i.e. when the rotation of the
また、前記のとおり実験等で求められる値であるワーク1の放熱係数Aについて、その実験結果の一例を以下に示す。本実験結果例では、前記のように測定される開始時温度Ts等の各値についての測定値として、次のような測定結果が得られた。すなわち、ΔTw=50(℃)、Ts=30(℃)、Tf=50(℃)、t=1.0(sec)、Q=210(Nm3/min)である。また、αについては、冷媒ガスとして窒素ガスが用いられる場合は、α=1.04(kJ/kg・K)となる。
Moreover, an example of the experimental result is shown below about the thermal radiation coefficient A of the workpiece |
一方、上記式(2)は、次式(3)のように変形できる。
A={Q・t(Tf−Ts)α}}/(ΔTw−Ts) ・・・(3)
On the other hand, the above equation (2) can be transformed as the following equation (3).
A = {Q · t (T f −T s ) α}} / (ΔT w −T s ) (3)
したがって、前記の実験結果例における測定結果による各値が、上記式(3)に代入されることにより、A=218.4が算出される。そして、このようにして算出されたワーク1の放熱係数Aが、上記式(1)によるワーク温度低下量ΔTwの算出に用いられる。すなわち、上記式(1)において、ワーク1の放熱係数A=218.4、冷媒ガスの比熱α、および前記のように測定される開始時温度Ts等の各値についての測定値から、ワーク温度低下量ΔTwが算出される。
Therefore, A = 218.4 is calculated by substituting each value according to the measurement result in the above experimental result example into the above equation (3). Then, in this way the radiation coefficient A of the
このように、ワーク温度低下量ΔTwを、上記式(1)により算出される値として推定することにより、ワーク温度低下量ΔTwを求めることが容易となる。つまり、ワーク温度低下量ΔTwを求めるに際し、上記式(1)が用いられることにより、ワーク1のガス冷却における各種条件の変化により様々に変化するワーク温度低下量ΔTwについて、その導出が容易となる。
Thus, the work temperature decrease [Delta] T w, by estimating a value calculated by the equation (1), it is easy to determine the workpiece temperature decrease [Delta] T w. That is, upon determining the workpiece temperature decrease [Delta] T w, by the equation (1) is used, the work temperature decrease [Delta] T w which varies variously by a change in various conditions in the gas cooling the
また、上記式(2)を用いることで、前述したようにワーク1のガス冷却に際し、ワーク温度をあらかじめ上昇させる場合、その上昇させる温度に応じたファン加速時間tを求めることができる。すなわち、ワーク温度をあらかじめ上昇させる場合と、上昇させない場合との比較において、ファン加速時間t経過時のワーク温度が同じであるとの条件の下では、ワーク温度をあらかじめ上昇させる場合の方が、ファン加速時間tが長くなる。言い換えると、ワーク温度があらかじめ上昇させられることで、ファン16の始動が行われてからワーク温度がある所定の温度にまで低下するまでの時間が長くなるということである。
Further, by using the above formula (2), when the workpiece temperature is raised in advance during the gas cooling of the
このように、ワーク温度をあらかじめ上昇させる場合において、その上昇させる温度変化量(以下「ワーク温度上昇量」という。)の変化に対応して変化するファン加速時間tが、次式(4)により推定される。
t={A(ΔTwa−Ts)}/{Q(Tf−Ts)α} ・・・(4)
Thus, when the workpiece temperature is raised in advance, the fan acceleration time t that changes in response to the change in the temperature change amount to be raised (hereinafter referred to as “work temperature rise amount”) is expressed by the following equation (4). Presumed.
t = {A (ΔT wa −T s )} / {Q (T f −T s ) α} (4)
上記式(4)において、ΔTwaは、ワーク温度低下量ΔTwの測定値とワーク温度を所定の目標温度まで上昇させる際のワーク温度上昇量との和である。言い換えると、ΔTwaは、ワーク温度が所定の目標温度まで上昇させられる場合におけるワーク温度低下量ΔTwに相当する。 In the above formula (4), [Delta] T wa is the sum of the workpiece temperature rise amount at the time of raising the measured value and the work temperature of the workpiece decreased temperatures [Delta] T w to a predetermined target temperature. In other words, [Delta] T wa corresponds to the work temperature decrease [Delta] T w when the work temperature is raised to a predetermined target temperature.
上記式(4)によりファン加速時間tが推定される場合、ワーク1のガス冷却に際してあらかじめ上昇させられるワーク温度が、所定の目標温度Tm(℃)としてあらかじめ設定される。ここで設定される目標温度Tmは、ワーク1の熱処理品質(例えば、結晶粒径、疲労強度、部分融解等)を確保するために規定される上限値等に基づいて決定される。
When the fan acceleration time t is estimated by the above equation (4), the workpiece temperature that is raised in advance when the
上記式(4)によるファン加速時間tの推定について、目標温度Tmが950℃であり、ワーク温度上昇量が50℃である場合を例に説明する。この場合、あらかじめ上昇させられる前のワーク基準温度Tb(℃)は、950−50=900(℃)となる。そして、上記実験結果例において得られた測定結果を用いると、ΔTwa=ΔTw+(ワーク温度上昇量:Tm−Tb)=50(℃)+(950−900)(℃)=100(℃)となる。 The estimation of the fan acceleration time t according to the above formula (4) will be described by taking as an example a case where the target temperature Tm is 950 ° C. and the workpiece temperature increase is 50 ° C. In this case, the workpiece reference temperature T b (° C.) before being raised in advance is 950−50 = 900 (° C.). Then, using the measurement results obtained in the above experimental example results, ΔT wa = ΔT w + (workpiece temperature increase: T m -T b) = 50 (℃) + (950-900) (℃) = 100 (° C).
そして、上記のようにして算出されたΔTwaの値と、上記実験結果例において得られた測定結果を上記式(4)に代入すると、t=3.5(sec)が得られる。つまりこの場合に得られたt=3.5(sec)は、ワーク温度が目標温度Tm(950℃)にあらかじめ上昇させられ、かつワーク温度低下量ΔTw=50℃である場合のファン加速時間に相当する。 Then, if the value of ΔTwa calculated as described above and the measurement result obtained in the above experimental result example are substituted into the above equation (4), t = 3.5 (sec) is obtained. That is, t = 3.5 (sec) obtained in this case is a fan acceleration when the workpiece temperature is raised to the target temperature T m (950 ° C.) in advance and the workpiece temperature drop amount ΔT w = 50 ° C. It corresponds to time.
すなわち、ファン加速時間t経過時のワーク温度が同じであるとの条件、つまりワーク温度低下量ΔTw=50(℃)であるとの条件の下では、ワーク温度があらかじめ上昇させられる(ワーク温度が目標温度Tm(950℃)とされる)ことにより、ワーク温度が上昇させられない場合(ワーク温度がワーク基準温度Tb(900℃)である場合)との比較において、ファン加速時間が1secから3.5secに長くなる。言い換えると、上記の実験結果例において得られた測定結果については、前期冷媒ガス導入過程が行われる前のワーク温度が、ワーク基準温度Tb(900℃)から目標温度Tm(950℃)に上昇させられることは、ファン加速時間tが、1secから3.5secに遅らされることに対応する。 That is, under the condition that the workpiece temperature is the same when the fan acceleration time t has elapsed, that is, the workpiece temperature reduction amount ΔT w = 50 (° C.), the workpiece temperature is raised in advance (workpiece temperature). by but the target temperature T m (950 ° C.) are), in comparison with the case where the work temperature is not raised when (workpiece temperature is work reference temperature T b (900 ° C.) a), fan acceleration time The time is increased from 1 sec to 3.5 sec. In other words, regarding the measurement results obtained in the above experimental result example, the workpiece temperature before the refrigerant gas introduction process is changed from the workpiece reference temperature T b (900 ° C.) to the target temperature T m (950 ° C.). Raising the speed corresponds to delaying the fan acceleration time t from 1 sec to 3.5 sec.
このように、本実施形態の熱処理方法においては、前期冷媒ガス導入過程が行われる前のワーク温度が、あらかじめ設定される所定の目標温度Tmまで上昇させられるに際し、前期冷媒ガス導入過程を行う前のワーク温度が目標温度Tmに上昇することに相当するファン加速時間t(ファン始動過程の時間)が、上記式(4)に基づいて推定される。 Thus, in the heat treatment method of the present embodiment, workpiece temperature before year refrigerant gas introduction process is performed, when raised to a predetermined target temperature T m which is set in advance, it performs year refrigerant gas introduction process Previous work temperature is the target temperature T corresponds to rise m fan acceleration time t (time of the fan starting process) is estimated based on the equation (4).
以上のように、ファン加速時間の推定を行うことができることにより、例えば本実施形態の熱処理方法を行うための設備が他の工場等に移設された際等、ワーク1について一品一様で変化する各種条件について、条件出しのリードタイムの短縮化を図ることが可能となる。
As described above, since the fan acceleration time can be estimated, for example, when the equipment for performing the heat treatment method of the present embodiment is moved to another factory or the like, the
例えば、ガス冷却における冷却速度を速くするためには、ファン加速時間が短時間化されればよい。しかし、ファン加速時間の短時間化は、前述したように電動機15の始動電流の増加にともなう高調波等との関係から限界が生じる場合がある。また、高調波等の発生の有無は、熱処理方法を行うための設備が現場において実際に稼動されないと判明しない場合が多い。さらに、前記のとおり高調波等の発生は電動機15を備える設備のみならず周辺設備へも影響する場合があることから、高調波等の発生時は、その対策が早急に実施される必要がある。
For example, in order to increase the cooling rate in gas cooling, the fan acceleration time may be shortened. However, shortening the fan acceleration time may have a limit due to the relationship with the harmonics accompanying the increase in the starting current of the
そこで、例えば、高調波の発生を防止するため、電動機15の始動電流を低減させたい場合において、後期冷媒ガス導入過程が行われる前のワーク温度を確保するためにワーク温度があらかじめ上昇させられるときには、前述したように、上記式(4)により、ファン加速時間(t)の推定が行われる。
Therefore, for example, when it is desired to reduce the starting current of the
すなわち、電動機15の始動電流を低減させることは、ファン加速時間を遅らせる(長くする)ことに対応する。このため、高調波の発生を防止するために電動機15の始動電流を低減させる場合は、上記式(4)を用いる方法によれば、あらかじめ上昇させられるワーク温度との関係において、どの程度ファン加速時間を遅くするかを推定することができる。このように、早急な対策が必要とされる高調波等の発生時等において、ワーク温度との関係でファン加速時間を推定することができることは、ファン加速時間の設定に際して条件出しのリードタイムの短縮化を図るうえで極めて有効である。
That is, reducing the starting current of the
なお、上記の例は、ワーク温度をあらかじめ上昇させるとともに、ファン加速時間を遅らせる場合についてのものであるが、上記式(2)は、変形して用いられることで、他の因子の調整を行うために用いることも可能である。例えば、電動機15の変更、電動機15の製作精度のバラツキ、冷媒ガス圧力のバラツキ、冷媒ガスの種類の変更、あるいはこれらにともなって変化する電動機15の放電条件(前述したパッシェン曲線で表される)等の各種条件の変更にともない、上記式(2)を変形して用いることで、その都度ワーク1の加熱温度やファン加速時間の調整を行うことが可能である。このように、各種条件の変化に応じてワーク1の加熱温度やファン加速時間の調整が図られることにより、電動機15により駆動されるファン16の回転によって冷媒ガスが対流させられることで行われるガス冷却において、省エネ化に貢献することが可能となる。
The above example relates to a case where the workpiece temperature is raised in advance and the fan acceleration time is delayed. However, the above equation (2) is used in a modified manner to adjust other factors. Can also be used. For example, a change in the
また、上述した本発明の実施の形態においては、熱処理方法が行われる熱処理装置の構成として、加熱室2と冷却室3とを備える二室型の構造を有するものが採用されているが、これに限定されない。つまり、本発明に係る熱処理方法は、加熱室2と冷却室3とが共通の処理室として構成される一室型の構造を有する熱処理装置においても適用可能である。
Further, in the above-described embodiment of the present invention, as the configuration of the heat treatment apparatus for performing the heat treatment method, one having a two-chamber structure including the
1 ワーク(被処理物)
2 加熱室
3 冷却室(処理室)
15 電動機
16 ファン
17 モータハウジング
18 送入用ダクト
19 送出用ダクト
30 ガス導入通路
31 供給源
33 昇圧ユニット
34 リザーブタンク
35 第一開閉弁(第一の開閉弁手段、開閉弁手段)
38 第二開閉弁(第二の開閉弁手段)
40 分岐ガス導入通路
50 前期用通路(第一のガス導入通路)
54 リザーブタンク
55 開閉弁(開閉弁手段)
60 後期用通路(第二のガス導入通路)
70 分岐ガス導入通路
1 Workpiece (object to be processed)
2
DESCRIPTION OF
38 Second on-off valve (second on-off valve means)
40 Branch
54
60 Late passage (second gas introduction passage)
70 Branch gas introduction passage
Claims (7)
前記冷媒ガスを、前記処理室内に、該処理室内の圧力が前記電動機における放電が発生しない程度に低い圧力としてあらかじめ設定される第一の圧力となるように導入する前期冷媒ガス導入過程と、
前記処理室内の圧力が前記第一の圧力である状態で、前記電動機を始動させ、該電動機の回転数を、前記ファンの駆動との関係においてあらかじめ設定される所定の回転数となるまで上昇させるファン始動過程と、
前記電動機の回転数が前記所定の回転数である状態で、前記冷媒ガスを、前記処理室内に、該処理室内の圧力が前記被処理物の冷却に用いられる圧力としてあらかじめ設定される第二の圧力となるように導入する後期冷媒ガス導入過程と、を行うものであり、
所定の供給源から供給される前記冷媒ガスを前記処理室内に導入するための通路であるガス導入通路に、前記冷媒ガスの導入方向についての上流側から下流側にかけて順に設けられる、前記ガス導入通路の開閉を行う第一の開閉弁手段、および前記開閉を行う第二の開閉弁手段を含む構成により、
前記第一の開閉弁手段および前記第二の開閉弁手段が閉状態であるとともに、前記ガス導入通路における前記第一の開閉弁手段と前記第二の開閉弁手段との間の部分に、前記第一の圧力に対応する量の前記冷媒ガスを蓄えた状態から、前記第二の開閉弁手段を開状態とすることで、前記前期冷媒ガス導入過程を行い、
前記第一の開閉弁手段が閉状態、かつ前記第二の開閉弁手段が開状態であるとともに、前記ガス導入通路における前記第一の開閉弁手段の前記上流側の部分に、前記第二の圧力に対応する量の前記冷媒ガスを蓄えた状態から、前記第一の開閉弁手段を開状態とすることで、前記後期冷媒ガス導入過程を行うことを特徴とする熱処理方法。 A heat treatment method in which a heated object to be processed is cooled by convection of a refrigerant gas by a fan having a motor as a drive source provided in a space communicating with the process chamber in a processing chamber containing the object to be processed. There,
Introducing the refrigerant gas into the processing chamber so that the pressure in the processing chamber becomes a first pressure set in advance as a low pressure such that discharge in the electric motor does not occur;
In a state where the pressure in the processing chamber is the first pressure, the electric motor is started, and the rotational speed of the electric motor is increased to a predetermined rotational speed that is set in advance in relation to the driving of the fan. Fan starting process,
In a state where the rotational speed of the electric motor is the predetermined rotational speed, the refrigerant gas is set in advance in the processing chamber, and the pressure in the processing chamber is preset as a pressure used for cooling the object to be processed. And a late refrigerant gas introduction process for introducing the pressure so as to become pressure,
The gas introduction passage provided in order from the upstream side to the downstream side in the refrigerant gas introduction direction in a gas introduction passage which is a passage for introducing the refrigerant gas supplied from a predetermined supply source into the processing chamber. The first opening / closing valve means for opening and closing the second opening / closing valve means for opening and closing,
The first on-off valve means and the second on-off valve means are in a closed state, and a portion of the gas introduction passage between the first on-off valve means and the second on-off valve means is From the state in which the amount of the refrigerant gas corresponding to the first pressure is stored, by opening the second on-off valve means, the previous refrigerant gas introduction process is performed,
The first on-off valve means is in a closed state and the second on-off valve means is in an open state, and the second inlet on the upstream side of the first on-off valve means in the gas introduction passage A heat treatment method characterized in that the second refrigerant gas introduction process is performed by opening the first on-off valve means from a state where the amount of the refrigerant gas corresponding to the pressure is stored.
前記冷媒ガスを、前記処理室内に、該処理室内の圧力が前記電動機における放電が発生しない程度に低い圧力としてあらかじめ設定される第一の圧力となるように導入する前期冷媒ガス導入過程と、
前記処理室内の圧力が前記第一の圧力である状態で、前記電動機を始動させ、該電動機の回転数を、前記ファンの駆動との関係においてあらかじめ設定される所定の回転数となるまで上昇させるファン始動過程と、
前記電動機の回転数が前記所定の回転数である状態で、前記冷媒ガスを、前記処理室内に、該処理室内の圧力が前記被処理物の冷却に用いられる圧力としてあらかじめ設定される第二の圧力となるように導入する後期冷媒ガス導入過程と、を行うものであり、
所定の供給源から供給される前記冷媒ガスを前記処理室内に導入するための通路であるガス導入通路として、前記前期冷媒ガス導入過程を行うための前記ガス導入通路である第一のガス導入通路と、前記後期冷媒ガス導入過程を行うための前記ガス導入通路である第二のガス導入通路とを設け、
前記第一のガス導入通路および前記第二のガス導入通路のそれぞれに設けられ、前記ガス導入通路の開閉を行う開閉弁手段を含む構成により、
前記第一のガス導入通路を用い、該第一のガス導入通路の前記開閉弁手段が閉状態であるとともに、前記第一のガス導入通路における前記開閉弁手段よりも前記冷媒ガスの導入方向についての上流側の部分に、前記第一の圧力に対応する量の前記冷媒ガスを蓄えた状態から、前記第一のガス導入通路の前記開閉弁手段を開状態とすることで、前記前期冷媒ガス導入過程を行い、
前記第二のガス導入通路を用い、該第二のガス導入通路の前記開閉弁手段が閉状態であるとともに、前記第二のガス導入通路における前記開閉弁手段よりも前記上流側の部分に、前記第二の圧力に対応する量の前記冷媒ガスを蓄えた状態から、前記第二のガス導入通路の前記開閉弁手段を開状態とすることで、前記後期冷媒ガス導入過程を行うことを特徴とする熱処理方法。 A heat treatment method in which a heated object to be processed is cooled by convection of a refrigerant gas by a fan having a motor as a drive source provided in a space communicating with the process chamber in a processing chamber containing the object to be processed. There,
Introducing the refrigerant gas into the processing chamber so that the pressure in the processing chamber becomes a first pressure set in advance as a low pressure such that discharge in the electric motor does not occur;
In a state where the pressure in the processing chamber is the first pressure, the electric motor is started, and the rotational speed of the electric motor is increased to a predetermined rotational speed that is set in advance in relation to the driving of the fan. Fan starting process,
In a state where the rotational speed of the electric motor is the predetermined rotational speed, the refrigerant gas is set in advance in the processing chamber, and the pressure in the processing chamber is preset as a pressure used for cooling the object to be processed. And a late refrigerant gas introduction process for introducing the pressure so as to become pressure,
A first gas introduction passage which is the gas introduction passage for performing the previous refrigerant gas introduction process as a gas introduction passage which is a passage for introducing the refrigerant gas supplied from a predetermined supply source into the processing chamber. And a second gas introduction passage that is the gas introduction passage for performing the latter-stage refrigerant gas introduction process,
According to a configuration including opening / closing valve means provided in each of the first gas introduction passage and the second gas introduction passage, for opening and closing the gas introduction passage,
The first gas introduction passage is used, the on-off valve means of the first gas introduction passage is closed, and the introduction direction of the refrigerant gas is more than the on-off valve means in the first gas introduction passage. From the state where the amount of the refrigerant gas corresponding to the first pressure is stored in the upstream portion of the first gas introduction passage, the opening / closing valve means of the first gas introduction passage is opened, thereby the first refrigerant gas Perform the introduction process,
Using the second gas introduction passage, the on-off valve means of the second gas introduction passage is in a closed state, and in the portion upstream of the on-off valve means in the second gas introduction passage, The second refrigerant gas introduction process is performed by opening the on-off valve means of the second gas introduction passage from a state where the refrigerant gas corresponding to the second pressure is stored. A heat treatment method.
ΔTw={Q・t(Tf−Ts)α}/A+Ts
ここで、ΔTw:前記温度低下量、Q:前記ファン始動過程中の平均風量、t:前記ファン始動過程の時間、Ts:前記ファン始動過程開始時の前記冷媒ガスの温度、Tf:前記ファン始動過程終了時の前記冷媒ガスの温度、α:前記冷媒ガスの比熱、A:あらかじめ求められる前記被処理物の放熱係数である。 The heat treatment method according to claim 5, wherein the temperature decrease amount is estimated based on the following equation.
ΔT w = {Q · t (T f −T s ) α} / A + T s
Where ΔT w is the amount of temperature decrease, Q is the average air volume during the fan start process, t is the time of the fan start process, T s is the temperature of the refrigerant gas at the start of the fan start process, and T f is : The temperature of the refrigerant gas at the end of the fan starting process, α: the specific heat of the refrigerant gas, and A: the heat dissipation coefficient of the workpiece to be obtained in advance.
前記前期冷媒ガス導入過程を行う前の前記被処理物の温度を前記目標温度に上昇させることに相当する前記ファン始動過程の時間を、次式に基づいて推定することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱処理方法。
t={A(ΔTwa−Ts)}/{Q(Tf−Ts)α}
ここで、t:前記ファン始動過程の時間、A:あらかじめ求められる前記被処理物の放熱係数、ΔTwa:前記ファン始動過程中に低下する前記被処理物の温度低下量の測定値と前記被処理物の温度を前記目標温度まで上昇させる際の温度上昇量との和、Ts:前記ファン始動過程開始時の前記冷媒ガスの温度、Q:前記ファン始動過程中の平均風量、Tf:前記ファン始動過程終了時の前記冷媒ガスの温度、α:前記冷媒ガスの比熱である。 When raising the temperature of the object to be processed before performing the previous refrigerant gas introduction process to a predetermined target temperature set in advance,
The time for the fan starting process corresponding to raising the temperature of the object to be processed before the refrigerant gas introduction process to the target temperature is estimated based on the following equation. The heat processing method as described in any one of -4.
t = {A (ΔT wa −T s )} / {Q (T f −T s ) α}
Here, t: time of the fan starting process, A: heat dissipation coefficient of the object to be processed obtained in advance, ΔT wa : measured value of temperature decrease amount of the object to be processed that decreases during the fan starting process, and the object to be processed Sum of temperature rise when raising the temperature of the workpiece to the target temperature, T s : temperature of the refrigerant gas at the start of the fan starting process, Q: average air volume during the fan starting process, T f : The temperature of the refrigerant gas at the end of the fan starting process, α: the specific heat of the refrigerant gas.
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