JP2012153912A - 通電熱加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物である材料に対する温度制御ができ、固体電解質が被加工物に対してイオン伝導を制御できる通電熱加工装置を提供することである。
【解決手段】熱加工装置において、パルス電流又は直流電流の出力端子部と、一対の対向電極との間に、スイッチング素子と逆並列に接続したダイオードを有する４組のスイッチング素子ユニットを、縦横それぞれ２組ずつになるように配置した状態で、直列、並列、逆直列及び逆並列の中から選択し構成した極性反転スイッチング回路を介設し、前記極性反転スイッチング回路の出力側の端子の極性を正極性又は負極性に任意に設定された時間間隔パターンで交互に反転させる制御を可能とすることによって実現できた。
【選択図】 図４

Description

本発明は、被加工物に対しパルス電流又は直流電流を与えて放電焼結、焼成、蒸着、溶解、溶接等の熱加工を行う装置に関し、特に被加工物に対し熱加工するときの温度又はイオン伝導性を制御する熱加工装置に関する。

被加工物に対する温度の均一化に関する技術としては、加圧下にある粉体材料を収納する筒状の型の側面に一対の電極を当接して該型に電流を供給することにより、該型内の前記粉体材料に熱を付与する焼結方法において、前記型の側面に対する前記一対の電極の通電当接点を、時間の経過に伴って異なせる焼結方法の技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。

特開平１０−２５９４０５号公報

しかし、特許文献１に記載の電流の流れ方向を変更する技術は、段落［００１０］に「前記各組の一対の電極に対する通電が交互に切換えられて、その通電される１組の一対の電極のみから前記型に電流供給が行われるように設定されている」との記載があり、また図４乃至図６のいずれかに記載されているように、一対の電極のそれぞれの端子のプラス側又はマイナス側が一定になる構造となっており、選択する一対の対向電極による違いで電流の流れる方向を異ならせる技術であって、一対の対向する電極間に流れる電流の方向は一方向のみである。

段落［０００４］に「電極と型側面との当接部付近位置に比べて、電極と型側面との当接部よりも離れた位置において、温度上昇が遅く、それらの間において、ある程度の温度差が開き」との記載があり、温度差は、電極と当接する部位と電極から離れた部位とを比較したときに生じると記載されているが、プラス電極側の当接部付近の方がマイナス電極側の当接部付近より温度が高いという温度差が解消されないという問題があり、通電熱加工を実施したときに温度が均一にならないため被加工物の組織や特性が均一になりにくいという問題があった。

さらに、融点よりもかなり低い温度で高いイオン伝導性を示すとともに、高い温度で種々の機能を発揮する固体である固体電解質はナトリウム硫黄電池や燃料電池に使用されているが、例えば固体電解質であるジルコニアＺｒＯ_２を通電熱加工した場合に、ジルコニア内における酸素濃度が偏ってしまい、酸素濃度を制御することが困難であり、狙いの結晶構造を有する物質を造り出すことが極めて困難であるという問題があった。

型が大きくなり被加工物が大きくなると、対向電極間を結ぶ中心線から外方に向かうに従って温度が漸減するという温度傾斜が大きくなり、熱加工時に被加工物の温度分布が均一にならないという問題があった。

また、型が大きくなり被加工物が大きくなると、被加工物を装填した型内を狙いの温度環境にしようとすれば、多大の電力を被加工物に与えなければならず、被加工物の製造コストが高騰するという問題があった。

そこで、本発明の目的は、被加工物である材料に対する均一な温度分布を実現させるように温度制御ができ、固体電解質が被加工物となる材料に対して狙いのイオン分布を実現させるようにイオン伝導を制御することもできる通電熱加工装置を提供することを第一の目的とし、さらに前記第一の目的に加えて大型化した型でも温度分布が均一で、少ない電力消費で熱加工できる通電熱加工装置を提供することを第二の目的とする。

「発明が解決しようとする課題」に記載した課題を解決するために、請求項１に記載の通電熱加工装置１の発明は、被加工物８及び前記被加工物８を挟持する一対の対向電極１２が配置される加工部２に対して電力供給を行う電源装置３と、前記電源装置３に接続された管理制御装置５とを含む手段を備え、前記電源装置３は、少なくとも、パルス電流を供給するパルス電源回路２１及び／又は直流電流を供給する直流電源回路（図略）と、入力端子部２２、２３がパルス電源回路２１及び／又は直流電源回路の出力端子部９１、９２と接続され、出力端子部２４、２５が対向電極１２と接続され、スイッチング素子と逆並列に接続したダイオードを有する４組のスイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６を、縦横それぞれ２組ずつになるように配置した状態で、直列、並列、逆直列及び逆並列の中から選択し接続した極性反転スイッチング回路２０と、前記管理制御装置５からの信号に応じて、パルス電源回路２１及び／又は直流電源回路の制御、及び極性反転スイッチング回路２０のスイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６のオン・オフの制御をする制御手段を有し、前記スイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６の制御は、前記極性反転スイッチング回路２０を構成する４個のスイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６のうち、前記スイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６が直列又は逆直列接続されていない、プラス入力端子部２２接続側のスイッチングユニット９３、９４及びマイナス入力端子部２３接続側のスイッチング素子ユニット９５、９６のうちのプラス側又はマイナス側のスイッチングユニットの各１つを１組として一方の組をオンにするときには他方の組をオフとなる制御をするとともに、前記一組のスイッチング素子ユニットと他方の一組のスイッチング素子ユニットとのオン時間又はオフ時間を任意に設定された時間間隔パターンで交互に切換える制御をして、前記極性反転スイッチング回路２０の出力端子部２４、２５と接続された前記対向電極１２のそれぞれの電極の極性を正極性又は負極性に前記任意に設定された時間間隔パターンで交互に反転させることを特徴とする。

請求項２に記載の通電熱加工装置１の発明は、被加工物８及び前記被加工物８を挟持する一対の対向電極１２が配置される加工部２に対して電力供給を行う電源装置３と、前記電源装置３に接続された管理制御装置５とを含む手段を備え、前記電源装置３は、少なくとも、パルス電流を供給するパルス電源回路２１及び／又は直流電流を供給する直流電源回路と、入力端子部２２、２３がパルス電源回路２１及び／又は直流電源回路の出力端子部９１、９２と接続され、出力端子部２４、２５が対向電極１２と接続され、スイッチング素子と逆並列に接続したダイオードを有する４組のスイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６を、プラス入力端子部２２又はマイナス入力端子部２３にそれぞれ２つずつ並列接続させ、かつ前記並列接続させたスイッチング素子ユニットのプラス入力端子部２２接続側又はマイナス入力端子部２３接続側の各一つをそれぞれ直列接続させ、前記直列接続させたスイッチング素子ユニット間の中間点から電極への出力端子部２４、２５に接続させた極性反転スイッチング回路２０と、前記管理制御装置５からの信号に応じて、パルス電源回路２１及び／又は直流電源回路の制御、及び極性反転スイッチング回路２０のスイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６のオン・オフの制御をする制御手段を有し、前記スイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６の制御は、前記極性反転スイッチング回路２０を構成する４個のスイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６のうち、前記スイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６が直列接続されていない、プラス入力端子部２２接続側のスイッチング素子ユニット９３、９４及びマイナス入力端子部２３接続側のスイッチング素子ユニット９５、９６のうちのプラス側又はマイナス側のスイッチング素子ユニットの各１つを１組として一方の組をオンにするときには他方の組をオフとなる制御をするとともに、前記一組のスイッチング素子ユニットと他方の一組のスイッチング素子ユニットとのオン時間あるいはオフ時間を任意に設定された時間間隔パターンで交互に切換える制御をして、前記極性反転スイッチング回路２０の出力端子部２４、２５と接続された前記対向電極１２のそれぞれの電極の極性を正極性又は負極性に前記任意に設定された時間間隔パターンで交互に反転させることを特徴とする。

請求項３に記載の通電熱加工装置１の発明は、請求項１又は２において、４組のスイッチング素子ユニット９３，９４，９５，９６からなる極性反転スイッチング回路２０を２セット設けた極性反転スイッチング回路とすることを特徴とする。

請求項４に記載の通電熱加工装置１の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記パルス電源回路２１は、パルス波形が異なる複数種類のパルスパターンの中から１つのパルスパターン又は複数のパルスパターンの組み合わせを選択可能とするとともに、前記パルスパターンの各波形ごとにパルス電流、パルス周波数及びパルス幅を含むパルス特性調整要素を任意に変更可能とするように構成されたことを特徴とする。

請求項５に係る通電熱加工装置１の発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記被加工物８が装填される型１０を囲繞して配設される補助加熱手段９を備え、前記補助加熱手段９は、前記型１０を包囲するように形成された断熱部材３１と、この断熱部材３１に設けられた通電発熱体３２とを備えて構成され、前記断熱部材３１には、周囲に着脱自在に装着される蓋体３３を備えた筒状容器の内周面に内張り可能に複数分割し得るものであることを特徴とする。

請求項６に係る通電熱加工装置１の発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、対向電極１２は、対向面から順番に対向面が被加工物８に当接する均熱板４１ａ、４２ａと、各均熱板に積層されるパンチ板４１ｂ、４２ｂとをそれぞれ有し、前記パンチ板は均熱板４１ａ、４２ａに対する当接面の面積が均熱板４１ａ、４２ａの面積より小さくなるように寸法設定された当接部を有し、前記当接部は、パンチ板４１ｂ、４２ｂを横断するように設けられた複数条のパンチ突条４４ｂ、パンチ板４１ｂ、４２ｂに突設された複数のパンチ突起５２、又はパンチ板４１ｂ、４２ｂの中心位置から周方向の外方に向かうように同心円状に形成された突条５３によって構成されていることを特徴とする。

請求項７に係る通電熱加工装置１の発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記電極部が、被加工物８に対する加圧方向と同一方向で前記被加工物８を押圧する上部電極１３と下部電極１４との一対の対向電極１２の場合、又は被加工物８に対する加圧方向と直角方向で前記被加工物８の中心に対し対称的に配設し前記被加工物８の側面に当接させる一対の対向電極１２の場合であることを特徴とする。

請求項１に記載の発明は、被加工物８に当接し被加工物８を介して対向する電極それぞれの極性を連続的に反転させることができるので、固体電解質である被加工物８として例えば空格子なる欠陥構造を有する固体であるジルコニアＺｒＯ_２を被加工物８として通電熱加工したときに、ジルコニアの場合には酸素イオンが電荷の担い手であり、酸素イオンが格子欠陥部の空孔を利用して電流の流れとは逆にマイナス電極側からプラス電極側へ移動するので、一対の対向する電極の極性を交互に変換させることによって、被加工物８内の電荷の担い手である酸素イオンの移動方向を制御することができ、被加工物８内において酸素イオンを一方の電極側に偏らせないように制御することができ、被加工物８内における酸素濃度を制御することができるという効果を奏する。

したがって、固体電解質が被加工物８となる材料に対して狙いのイオン分布を実現させるようにイオン伝導を制御できるようになることから、狙いの酸素濃度の結晶構造を有する物質を造ることができるという効果を奏する。

また、被加工物８に当接し被加工物８を介して対向する電極それぞれの極性を連続的に反転させることができるので、被加工物８の電極のプラス端子側が温度が高く、被加工物８の電極のマイナス端子側が温度が低くなるという温度差を解消させ、被加工物８の対向した電極間における温度差を極小化させることができ、被加工物８である材料に対する均一な温度分布を実現させることができ、熱加工によって均一な特性の材料を製造することができるという効果を奏する。

また、被加工物８における温度やイオン伝導を制御できるので、狙いの結晶構造を有する傾斜機能材料を得ることができるという効果を奏する。

さらに、スイッチング素子は動作が極めて短いため、高速に極性を反転させることができ、またスイッチング素子は低抵抗のためスイッチング素子での電圧降下がほとんどなく損失が極めて少ないという効果を奏する。

また、スイッチング回路がシリンダーなどのアクチュエーターを使用したメカ的構造でないため、スイッチングの構造が簡単であることから、故障が生じにくく、製造コストの低減化ができるという効果を奏する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明と同じ効果を奏する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明と同じ効果を奏する。さらに、被加工物８が大きい場合で熱加工のために必要とされる大電流を通電させることができるという効果を奏する。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明と同じ効果を奏する。さらに、パルス特性に関係する各種要素の設定や変更が可能であり、種々の設定条件下での熱処理を実施することができることから、多種多様な材料からなる被加工物８に対して、それぞれの材質に応じて適正なパルス特性を設定でき、狙いの温度分布で熱加工でき、狙いのイオン伝導を行わせて狙いの酸素濃度の物質を製造することができるという効果を奏する。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明と同じ効果を奏する。さらに、型１０が大きくなり被加工物８が大きくなる場合においても、この型１０を挟持した状態で電流を供給する対向電極１２と、型１０の周囲に配設される補助加熱手段９とを備えることから、被加工物８内の温度分布が均一になり、均質な製品を得ることができるという効果を奏する。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明と同じ効果を奏する。さらに、当接部４４の面積が均熱板４１ａ、４２ａの面積より小さくなっている分、各当接位置での電流密度が大きくなり、これによるパンチ板４１ｂ、４２ｂの当接部の通電における電気エネルギーの効率的な熱エネルギーへの変換が可能になり、型１０内で一対の均熱板４１ａ、４２ａにより挟持された被加工物８は均一かつ高温に加熱されるという効果を奏する。

請求項７に記載の発明は、被加工物８に対する一対の対向する電極の配設位置が、被加工物８に対する加圧方向と同一方向、又は被加工物８に対する加圧方向と直角方向で、前記被加工物８の中心に対し対称的に配設した構造の場合（図略）にも、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明と同じ効果を奏する。

本発明の一実施形態による熱加工装置全体の概略図である。 加工部の構造説明図である。 制御系の概略を示すブロック図である。 管理制御装置及び電源装置の基本構成説明図である。 パルス電源回路を示す回路図である。 極性反転スイッチング回路を示す回路図である。 極性反転スイッチング回路を示す回路図である。 （ａ）〜（ｄ）はパルス波形が異なる複数種類のパターンを示す説明図である。 図８の複数種類のパターンの組み合わせを示す説明図である。 補助加熱手段、及び均熱板やパンチ板等からなる対向電極を装着した熱加工装置全体の概略図である。 図１０のA−A線断面図である。 補助加熱手段の一実施形態を示す斜視図であり、（ａ）は上部一部切欠き分解斜視図、（ｂ）は組立斜視図である。 パンチ板の第一の実施形態を示す上部パンチ板の斜視図であり、（ａ）は上部パンチ板を、（ｂ）は下部パンチ板を示している。 パンチ板の第二の実施形態を示す上部パンチ板の斜視図であり、（ａ）は上部パンチ板を、（ｂ）は下部パンチ板を示している。 パンチ板の第三の実施形態を示す上部パンチ板の斜視図であり、（ａ）は上部パンチ板を、（ｂ）は下部パンチ板を示している。 実験例及び比較例の試料と対向電極のセット状態の概要図である。

図１は通電熱加工装置１の全体の概要構造を示し、図２は加工部２の構造を示し、図３は制御系の概要を示している。通電熱加工装置１は、被加工物８及び前記被加工物８を挟持する一対の対向電極１２が配置される加工部２と、この加工部２に対して電力供給を行う電源装置３と、加工部２の加圧装置６４等を制御する制御盤４と、電源装置３に接続された、パソコンからなる管理制御装置５とを含む手段を備えている。前記管理制御装置５にはキーボードなどからなる入力操作部６と、各種データを表示するディスプレイ７が具備されている。

前記加工部２は、図２に示すように環境設定用のチャンバー６１内に被加工物８が設置されるようになっており、例えば放電焼結を行う場合には一対の焼結成形型間に被加工物８としての焼結材料が保持されるようになっている。

さらに、チャンバー６１内には、加圧部材を兼ねる上下一対の対向電極１２が配置されており、電源装置３から対向電極１２に通電されるようになっている。また、加圧用サーボモータ６８又は油圧シリンダ（図略）を備えた加圧装置６４により、対向電極１２を押圧し、対向電極１２を介して被加工物８に加圧力を加えることができるようになっている。

前記チャンバー６１にはバルブ６９等を介して真空ポンプ６２に接続されるとともに、バルブ７０等を介してガス供給手段６３に接続され、前記真空ポンプ６２によりチャンバー６１内が減圧され、また、必要に応じてガス供給手段６３から不活性ガス等がチャンバー６１内に供給されるようになっている。さらに、前記チャンバー６１内には、被加工物８の温度を検出する温度センサ（図略）、チャンバー６１内の温度を検出する温度センサ（図略）、チャンバー６１内の真空度を検出する圧力センサ（図略）等が設けられている。

前記対向電極１２は電源装置３に接続されている。また、被加工物８への加圧方向に対する対向電極１２の配設方向は、被加工物８に対する加圧方向と同一方向で前記被加工物８を押圧する上部電極１３と下部電極１４とが一対の対向電極１２の場合、又は被加工物８に対する加圧方向と直角方向で前記被加工物８の中心に対し対称的に配設し前記被加工物８の側面に当接させる一対の対向電極１２の場合がある。

加圧装置６４のサーボモータ６８及び各種センサが制御盤４に接続されており、この制御盤４には、図３に示すように、シーケンサ６５、加圧装置６４を駆動するプレス駆動部６６、センサからの信号を受ける信号変換器６７等が設けられている。

図３に示すように、電源装置３及び制御盤４は管理制御盤５に接続されている。そして、図４に示すように、電源装置３と管理制御装置５との間でシリアル通信が行われるとともに、管理制御装置５から電圧・電流制御信号及びパルス電流の極性を反転させるスイッチング素子の導電（オン）又は非導電（オフ）の制御信号等が電源装置３に送られ、電源装置３から電圧・電流値等が管理制御装置５に送られる。

また、図３に示すように、管理制御装置５と制御盤４のシーケンサ６５との間で通信が行われるとともに、管理制御装置５からプレス圧力・速度制御信号が制御盤４のプレス駆動部６６に送られ、制御盤４の信号変換器６７からアナログデータが管理制御装置５へ送られるようになっている。

図４は、前記管理制御装置５及び電源装置３の基本構成を示し、この図において、管理制御装置５と電源装置３との間のシリアル通信のためにシリアル通信手段１１０、１１１が両装置に設けられるとともに、各種信号（外部指令信号、検出信号等）の入出力のための管理制御装置５にD／A変換器１０１、I／Oポート１０２及びA／D変換器１０３が設けられている。また、電源装置３にA／D変換器１０４及びI／Oポート１０５が設けられている。

さらに、電源装置３は、パルス電流を供給するパルス電源回路２１及び／又は直流電流を供給する直流電源回路と、入力端子部２２、２３がパルス電源回路２１又は直流電源回路と接続され、出力端子部２４、２５が対向電極１２と接続され、スイッチング素子と逆並列に接続したダイオードを有する４組のスイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６を、縦横それぞれ２組ずつになるように配置した状態で、直列、並列、逆直列及び逆並列の中から選択し接続した極性反転スイッチング回路２０と、これらを制御するCPU１０７（制御手段）と、メモリ１０６とを有している。

前記CPU１０７は、管理制御装置５からの信号に応じて、パルス電源回路２１のパルス特性調整要素の制御、直流電源回路の直流特性調整要素（電流値、通電時間等）の制御、極性反転スイッチング回路２０のスイッチング素子のオン・オフ制御を行う。

そして、必要に応じて各種の制御情報がシリアル通信で管理制御装置５から電源装置３に送られ、それが指令データならばメモリ１０６に格納されるようになっている。また、管理制御装置５のI／Oポート１０２から外部信号が送られてきたときにこれをシリアル通信による指示より優先させることもできるようにしている。

また、メモリ１０６に格納されたデータはCPU１０７によって随時読み出され、このCPU１０７により、D／A変換器１１２を介してパルス電源回路２１及び極性反転スイッチング回路２０が制御されるようになっている。これらのパルス電源回路２１の出力は極性反転スイッチング回路２０を介して前記加工部２１に供給され、かつ、その出力値が管理制御装置５に送られるようになっている。

パルス電源回路２１は、放電焼結加工等の熱加工のためのパルスを発生させるとともに、パルス波形が異なる複数種類のパルスパターンの中から１つのパルスパターン又は複数のパルスパターンの組み合わせを選択可能とするとともに、前記パルスパターンの各波形ごとに、そのパルス波形、パルス幅、パルス間隔、パルス電流、電圧を含むパルス特性調整要素を任意に変更可能となるように構成されている。

例えば、図５に示すように、パルス電源回路２１は、整流回路の出力側に接続されたインバータ１０８と、このインバータ１０８にトランスを介して接続されたパルス出力回路１０９とを備え、前記インバータ１０８は４個のトランジスタTｒ１〜Tｒ４及びダイオードD１〜D４等で構成され、パルス出力回路１０９は複数のサイリスタS１〜S４を有している。そして、前記CPU１０７でトランジスタTｒ１〜Tｒ４及びサイリスタS１〜S４が制御されることによりパルス特性が調整されるようになっている。

特に、波形が異なる複数種類のパルスパターンが選択可能とされ、具体的には、図８（ａ）のＤＣ波形ＷＡ、同図（ｂ）のパルス波形ＷＢ、同図（ｃ）の極性反転パルス波形ＷＣ、同図（ｄ）のアップダウンスロープ波形ＷＤの４種類のパターンが選択可能となっている。

図８に示す４種類のパターンのうちの２種類以上を組み合わせて任意の順番で出力することにより、例えば図９に示すように各種波形のパターンが時間的に変化するような出力を得ることも可能である。例えば、パルス波形を各波形ごとに、周波数を０．１〜５００Ｈｚ及びパルス幅を１５〜８５％の範囲からパルスパターンを設定でき、前記各波形ごとのパルスパターンの一連の組み合わせを設定パターンとして連続的に繰り返すことができる。

管理制御装置５は、入力操作部６の入力に応じてパルス特性や極性反転パターンに関係する各種要素を設定する設定手段としての機能を有し、また、設定された要素、パルス特性及び極性反転パターン等に関するデータを記憶する記憶手段を有するとともに、前記電源装置３及び制御盤４の信号変換器６７から得られるデータに基づいて現実の加工状態を監視する監視手段としての機能を有している。

前記設定手段は、パルス特性に関係する要素として、前記パルスパターンとパルス電流、電圧、パルス幅、パルス周期等のパルス特性調整要素を、また極性反転パターンに関係する要素として反転周期パターン等の反転調整要素を、入力操作に応じて設定し、その設定に応じた信号を前記電源装置３に出力するようになっている。

さらに、管理制御装置５は、パルス特性及び極性反転パターンに関係する要素の設定に際し、１つのパルスパターン及び１つの極性反転パターンの選択に基づいてパルス特性及び極性反転パターンの設定、並びにそれに従った電力供給の制御を行う手動制御モードと、複数のパルスパターン及び複数の極性反転パターンの組み合わせに基づいてその複数のパルスパターン及び複数の極性反転パターンの組み合わせからなるパルス特性及び極性反転パターン、並びにそれに従った電力供給の制御を行う半自動制御モードと、最終的なパルス特性及び極性反転パターンの設定に応じて電力供給の自動制御を行う自動制御モードとを選択可能としている。また、上記設定に応じて温度等の制御パラメータの時間的変化をシミュレートしてディスプレイ７に表示するようになっている。

極性反転スイッチング回路２０を図５及び図６で説明する。極性反転スイッチング回路２０は、パルス電源回路２１の極性の異なる出力端子部９１、９２にそれぞれ接続された２つの入力端子部２２、２３と、一対の対向電極１２のそれぞれの電極に接続された２つの出力端子部２４、２５との間に介設されている。また、極性反転スイッチング回路２０は既存のパルス電源回路２１の出力側に追加設置することができ、既存の熱加工装置に追加工事で設けることができる。

前記極性反転スイッチング回路２０を１例として図６で説明する。入力端子部２２、２３がパルス電源回路２１及び／又は直流電源回路の出力端子部９１、９２と接続され、出力端子部２４、２５が対向電極１２と接続されるようになっており、スイッチング素子と逆並列に接続したダイオードを有する４組のスイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６を、プラス入力端子部２２又はマイナス入力端子部２３にそれぞれ２つずつ並列接続させ、かつ前記並列接続させたスイッチング素子ユニットのプラス入力端子部２２接続側又はマイナス入力端子部２３接続側の各一つをそれぞれ直列接続させ、前記直列接続させたスイッチング素子ユニット間の中間点から電極への出力端子部２４、２５に接続させている。

CPU１０７によるスイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６に対する制御は、前記極性反転スイッチング回路２０を構成する４個のスイッチング素子ユニット９３、９４，９５、９６のうち、前記スイッチング素子ユニットが直列接続されていない、プラス入力端子部２２接続側又はマイナス入力端子部２３接続側のスイッチング素子ユニットの各１つを１組として一方の組をオンにするときには他方の組をオフとなる制御をするとともに、前記一組のスイッチング素子ユニットと他方の一組のスイッチング素子ユニットとのオン時間あるいはオフ時間を任意に設定された時間間隔パターンで交互に切換える制御をして、前記極性反転スイッチング回路２０の出力端子部２４、２５と接続された前記対向電極１２の対向するそれぞれの電極の極性を正極性又は負極性に前記任意に設定された時間間隔パターンで交互に反転させることができる。

図６において、スイッチング素子ユニット９３、９６を導通（オン）させ、スイッチング素子ユニット９４、９５を非導通（オフ）にすると、電流は、プラス入力端子部２２、スイッチング素子ユニット９３、出力端子部２５、対向電極１２、被加工物８、対向電極１２、出力端子部２４、スイッチング素子ユニット９６、そしてマイナス入力端子部２３と流れる。一方、スイッチング素子ユニット９４、９５を導通（オン）させ、スイッチング素子ユニット９３、９６を非導通（オフ）にすると、電流は、プラス入力端子部２２、スイッチング素子ユニット９４、出力端子部２４、対向電極１２、被加工物８、対向電極１２、出力端子部２５、スイッチング素子ユニット９５そしてマイナス入力端子部２３と流れる。前記動作を繰り返すことで、出力端子部２４、２５の極性を連続して反転させ続けることができる。

また、前記極性反転スイッチング回路２０は、他の例として図７に示すように、スイッチング素子と逆並列に接続したダイオードを有する４組のスイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６を、２つずつ逆直列接続させた組を２組構成し、前記それぞれ逆直列接続させたスイッチング素子ユニット９３、９４間の中間点からプラス入力端子部２２に接続させ、スイッチング素子ユニット９５、９６間の中間点からマイナス入力端子部２３に接続させ、かつプラス入力端子部２２と接続させた１組のスイッチング素子ユニット９３、９４と、マイナス入力端子部２３と接続させた１組のスイッチング素子ユニット９５、９６とを逆並列接続させて、前記逆並列接続させた回路の、それぞれの中間点から電極への出力端子部２４、２５に接続させる回路から構成されている。

前記スイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６は、寄生ダイオードを内蔵したＦＥＴ、ダイオードとＦＥＴ又はＩＧＢＴ等の半導体スイッチとの組み合わせ、あるいはサイリスタと機械接点のリレー又はマグネットコンタクタなどの組み合わせの等うちいずれでもよい。

また、４組のスイッチング素子ユニット９３、９４、９５、９６からなる極性反転スイッチング回路２０を２セット設けた極性反転スイッチング回路とすることができる。これにより、大容量の通電をさせることができる。

電極の極性反転によって生じる固体電解質に係るイオン伝導性についての効果を記載する。固体電解質は、強電解質溶液と同程度の電気伝導率を高温で示すイオン結晶であり、電流の運び手である電荷担体（キャリヤーともいう。）がイオンである伝導体である。そして、固体電解質の伝導性イオンは陽イオン又は陰イオンの１種であり、電極の極性を一定とした場合には、固体電解質に直流電圧をかけ続けると、伝導性イオンは一方の極の方へ偏ってしまい、時間とともに電流が流れなくなってしまうが、電極の極性を反転させることによって、被加工物８中の伝導性イオンを傾斜化させたり、平準化させたりすることができる。これにより、被加工物８中の伝導性イオンを狙いの分布にすることができ、狙いの特性を有する被加工物８を製造することができるようになる。

また、温度差について効果を記載する。温度は電流を流したときのジュール熱により生じ、ジュール熱は電圧と電流を流す時間を乗じて求めることができる。また、被加工物８に電流を流すと、プラス極側の電極からマイナス極側に向かって電流が流れ、被加工物８の抵抗によって生ずる電圧降下によって、前記マイナス極側の電極に当接した部位の電圧値が前記プラス極側の電極に当接した部位の電圧値より小になる。

このため、電極の極性を一定とし電流を流した場合には、被加工物８のプラス極側の電極に当接した部位の方が、マイナス極側の電極に当接した部位より、ジュール熱が大きくなり発熱量が大きくなって、一対の電極間で温度差が生じるが、電極の極性を反転させることによって、被加工物８中の温度を傾斜化させたり、平準化させたりすることができる。これにより、被加工物８中の熱加工時の温度差を解消させることができ、温度差による特性の差を生じさせることがなくなり、被加工物８全体に亘って均一な特性を有する被加工物８を製造することができるようになる。

次に、大容量の被加工物８に対し通電する場合の熱加工装置の構造について、図１０乃至図１５で説明する。

まず、一対の対向した電極間を結ぶ中心線近傍の部位の温度と前記中心線から離れた部位の温度との差をなくすために、加工部２内で被加工物８が装填される型１０を囲繞して配設される補助加熱手段９を備えた構成とする。

前記補助加熱手段９は、前記型１０を囲繞するように形成された断熱部材３１と、この断熱部材３１に設けられた通電発熱体３２とを備えて構成され、前記断熱部材３１には、周囲に着脱自在に装着される蓋体３３を備えた筒状容器の内周面に内張り可能に複数分割し得るものである。

補助加熱手段９について一例を説明する。図１２は、補助加熱手段９の一実施形態を示す斜視図であり、（ａ）は、一部切り欠け分解斜視図、（ｂ）は、組立て斜視図である。図１２に示すように、補助加熱手段９は、煉瓦、モルタル又はカーボン繊維等の断熱材からなる円弧状に形成された断熱部材３１と、この断熱部材３１に設けられた棒状の通電発熱体３２とからなる基本構成を有している。通電発熱体３２としては、ニクロム線等の金属ヒータや黒鉛ヒータ等を挙げることができる。

そして、補助加熱手段９は、被加工物８が装填される型１０を囲繞して配設され、周囲に着脱自在に装着される蓋体３３を備えた筒状容器の内周面に内張り可能に複数分割し得るものである。

例えば、断熱部材３１は、中心角が１２０°に設定されており、三体の断熱部材３１の各両側縁部を互いに合わせることによって、図１２（ｂ）に示すように円筒状になり、図１１に示すように型１０を囲繞するように配設される。

ここで、前記断熱部材３１の形態は、中心角が９０°に設定されて、四体の断熱部材３１の各両側縁部を互いに合わせることによって直方体状（図略）を形成する形態であってもよく、分割された各両側縁部を互いに合わせることによって前記型１０を囲繞するように配設することが可能な形態であればよい。

通電発熱体３２が被加工物８に対して極めて卑近な距離に設けられており、被加工物８は通電発熱体３２の輻射熱で瞬時に加熱されるため、被加工物８の昇温が迅速に行われるという効果がある。

次に、大容量の被加工物８に対し通電する場合には、多大の電力を必要とさせないように、対向電極１２の電極構造が、対向面から順番に対向面が被加工物８に当接する均熱板４１ａ、４２aと、各均熱板４１ａ、４２aに積層されるパンチ板４１ｂ、４２ｂとをそれぞれ有し、前記パンチ板４１ｂ、４２ｂは均熱板４１ａ、４２aに対する当接面の面積が均熱板４１ａ、４２aの面積より小さくなるように寸法設定された当接部を有し、前記当接部が、パンチ板４１ｂ、４２ｂを横断するように設けられた複数条のパンチ突条４４ｂ、パンチ板４１ｂ、４２ｂに突設された複数のパンチ突起５２、又はパンチ板４１ｂ、４２ｂの中心位置から周方向の外方に向かうように同心円状に形成された突条５３を備えた構成とする。

前記電極構造を具備した一実施形態の熱加工装置全体の概要斜視図を図１０に示し、図１１に図１０のＡ―Ａ線断面図を示す。

図１１に示す電極構造について説明する。対向電極１２は、上部電極１３と下部電極１４とから構成され、上部電極１３は、型１０のキャビティ内に上から摺接状態で嵌挿される黒鉛製の上部均熱板４１ａと、この上部均熱板４１ａの上面に積層される黒鉛製の上部パンチ板４１ｂと、この上部パンチ板４１ｂの上面に積層される上部均圧板４１ｃと、この上部均圧板４１ｃの上面に順次積層される第一上部スペーサー４１ｄ、第二上部スペーサー４１ｅ、第三上部スペーサー４１ｆ及び第四上部スペーサー４１ｇ等から構成される。

前記下部電極１４は、図１１に示すように、型１０のキャビティ内に下から摺接状態で嵌挿される黒鉛製の下部均熱板４２ａと、この下部均熱板４２ａの下面に積層される黒鉛製の下部パンチ板４２ｂと、この下部パンチ板４２ｂの下面に積層される下部均圧板４２ｃと、この下部均圧板４２ｃのした面に順次積層される第一下部スペーサー４２ｄ、第二下部スペーサー４２ｅ、第三下部スペーサー４２ｆ及び第四下部スペーサー４２ｇ等から構成される。

そして、型１０内に充填された被加工物８は、上部各均熱板４１ａ、４２ａに押圧挟持された状態でパルス電源回路２１からのパルス電流が印加されることにより、被加工物８の通電発熱及び被加工物８の粒子間で生起されるアーク放電による放電発熱によって加熱され熱加工される。

図１３は、パンチ板４１ｂ、４２ｂの第一実施形態を示しており、図１３（ａ）は上部パンチ板４１ｂの斜視図で、図１３（ｂ）は下部パンチ板４２ｂの斜視図である。

前記パンチ板４１ｂ、４２ｂは、図１３に示すように、型１０の内径寸法より僅かに小さい外形寸法を有するパンチ板本体４３と、このパンチ板本体４３の一方の面に形成された円形突出部４４とからなっている。

前記円形突出部４４は、径寸法がパンチ板本体４３の径寸法より若干小さく設定されてパンチ板本体４３から同心で突設されている。かかる円形突出部４４には、互いに平行な複数のパンチスリット４４ａが当該円形突出部４４を横断するように等ピッチで凹設されているとともに、隣り合った各パンチスリット４４ａ間にそれぞれパンチ突条４４ｂが形成されている。かかる円形突出部４４の外周縁部とパンチ板本体４３の外周縁部との間には面一状態の環状扁平部４３ａが形成されている。

前記パンチ板４１ｂ、４２ｂを用いることにより、パンチ突条４４ｂの表面のみが均熱板４１ａ、４２ａに当接することになり、この当接面積はパンチ突条４４ｂが設けられていない場合より大幅に小さくなるため、当接面積当りの電流密度の値が大きくなって、これによってパンチ突条４４ｂと均熱板４１ａ、４２ａとの当接位置での発熱量が全面当接の場合に比べて格段に多くなる。

パンチ板４１ｂ、４２ｂは、同一の電力を供給した場合にパンチ突条４４ｂが存在しないよりも発熱量が多くなってより高温に加熱される。

図１４は、パンチ板４１ｂ、４２ｂの第二実施形態を示しており、図１４（ａ）は上部パンチ板４１ｂの斜視図で、図１４（ｂ）は下部パンチ板４２ｂの斜視図である。第二実施形態のパンチ突部は、複数個の円柱状パンチ突起５２により構成される。

図１５は、パンチ板４１ｂ、４２ｂの第三実施形態を示しており、図１５（ａ）は上部パンチ板４１ｂの斜視図で、図１５（ｂ）は下部パンチ板４２ｂの斜視図である。第三実施形態のパンチ突部は、パンチ板の中心位置から周方向の外方に向かうように渦巻き状に形成された渦巻き突条５３により構成される。

均圧板４１ｃ、４２ｃは、パンチ板４１ｂ、４２ｂと第一スペーサー４１ｄ、４２ｄとの間に介され、第一スペーサー４１ｄ、４２ｄからの加圧力を均してパンチ板４１ｂ、４２ｂに伝達するものである。

第一〜第四上部スペーサーの内の第一〜第三上部スペーサーは環状体によって形成され、これらの内径寸法は、第一上部スペーサーのものが最大に設定され、第三上部スペーサーに向かうに従って順次小さくなるように寸法設定されている。

これに対し第四上部スペーサー４１ｇ（これが実質的な電極の役割を担っている）は、環状体によって形成されていない代わりに内部に冷却水路（図略）が設けられ、この冷却水路に冷却水源からの冷却水が供給されることによって上部電極１３が冷却されるようになっている。

そして、第一上部スペーサー４１ｄは、内径寸法が他のスペーサーに比べて最大になって断面積が最少になっていることにより通電抵抗が最大になって、第一〜第三スペーサーの中で最大の通電発熱量が得られる。

前記第一〜第三下部スペーサーは、上記第一〜第三上部スペーサーと全く同一に寸法設定されている。

次に、本発明の極性反転スイッチング回路２０を備えた熱加工装置を用いた実験例を示す。

パルス電流を一定の極性反転パターンで繰り返して通電させたときの温度差に関する効果を検証した。１つのパルスパターン及び１つの極性反転パターンの選択に基づいてパルス特性及び極性反転パターンの設定、並びにそれに従った電力供給の制御を行う手動制御モードで、被加工物８のプラス電極側とマイナス電極側との温度差が僅少値になる条件を求めた。

図１６により実験に求めた条件を説明する。試料体８１として、黒鉛から成型１０されたφ５０ｍｍ×３５ｍｍの円筒形状の試料８２を縦に６つ積重ねた。試料体８１を挟持する対向する電極のうち、上部電極側は、試料体８１側から上方に向かって、黒鉛製でφ１００ｍｍ×１５ｍｍの第一上スペーサー８３、ＳＵＳ製でφ１００ｍｍ×２０ｍｍの第二上スペーサー８４、銅製でφ１００ｍｍの上電極８５からなる。下部電極側は、前記試料体８１側から下方に向かって、黒鉛製でφ１００ｍｍ×１５ｍｍの第一下スペーサー８６、ＳＵＳ製でφ１００ｍｍ×２０ｍｍの第二下スペーサー８７、銅製でφ１００ｍｍの下電極８８からなる。そして、試料体８１を装着したチャンバー６１内の環境を真空度３Ｐａ、全体圧力２トンとした。試料体８１の温度測定個所は、上下方向の中心に対して対称的な位置Ｃ点、Ｄ点とし、Ｃ点とＤ点間の間隔を上下方向で１０５ｍｍとした。

１，２００Ａ、３．５Ｖの直流電流を１０秒ごとに極性を反転させて通電時間を１２分としたケース（実験例１）、及び１，２００Ａ、３．５Ｖの直流電流を９秒経過後に極性反転させ、さらに１１秒経過後に極性を反転させるパターンを繰り返して通電時間を１３分としたケース（実験例２）で測定した。比較例として１，２００Ａ、３．５Ｖの直流電流を極性を一定のままで測定した。

その結果は、実験例１はＣ点で８５０℃、Ｄ点で８４５℃で温度差は僅かに５℃であり、実験例２はＣ点で８５０℃、Ｄ点で８５０℃で温度差は０℃であった。これに対して比較例の場合は、Ｃ点で８５０℃、Ｄ点で７８０℃で温度差は７０℃も生じた。この検証結果から、本発明の熱加工装置に極性反転スイッチング回路２０を具備させることによって、被加工物８のプラス電極側とマイナス電極側との温度差をなくし均一な温度分布が初めて実現できるようになったことが示された。

１ 通電熱加工装置
２ 加工部
３ 電源装置
４ 制御盤
５ 管理制御装置
６ 入力操作部
７ ディスプレイ
８ 被加工物
９ 補助加熱手段
１０ 型
１２ 対向電極
１３ 上部電極
１４ 下部電極
２０ 極性反転スイッチング回路
２１ パルス電源回路
２２ 入力端子部
２３ 入力端子部
２４ 出力端子部
２５ 出力端子部
３１ 断熱部材
３２ 通電発熱体
３３ 蓋体
４１ａ 上部均熱板
４１ｂ 上部パンチ板
４１ｃ 上部均圧板
４１ｄ 第一上部スペーサー
４１ｅ 第二上部スペーサー
４１ｆ 第三上部スペーサー
４１ｇ 第四上部スペーサー
４２ａ 下部均熱板
４２ｂ 下部パンチ板
４２ｃ 下部均圧板
４２ｄ 第一下部スペーサー
４２ｅ 第二下部スペーサー
４２ｆ 第三下部スペーサー
４２ｇ 第四下部スペーサー
４３ パンチ板本体
４３ａ 環状扁平部
４４ 円形突出部（当接部）
４４ａ パンチスリット
４４ｂ パンチ突条
５２ パンチ突起
５３ 突条
６１ チャンバー
６２ 真空ポンプ
６３ ガス供給手段
６４ 加圧装置
６５ シーケンサ
６６ プレス駆動部
６７ 信号変換器
６８ サーボモータ
６９ バルブ
７０ バルブ
７１ 油圧シリンダ
８１ 試料体
８２ 試料
８３ 第一上スペーサー
８４ 第二上スペーサー
８５ 上電極
８６ 第一下スペーサー
８７ 第二下スペーサー
８８ 下電極
９１ 出力端子部
９２ 出力端子部
９３ スイッチング素子ユニット
９４ スイッチング素子ユニット
９５ スイッチング素子ユニット
９６ スイッチング素子ユニット
１０１ D／A変換器
１０２ I／Oポート
１０３ A／D変換器
１０４ A／D変換器
１０５ I／Oポート
１０６ メモリ
１０７ CPU
１０８ インバータ
１０９ パルス出力回路
１１０ シリアル通信手段
１１１ シリアル通信手段
１１２ Ｄ／Ａ変換器

Claims (7)

1. 被加工物及び前記被加工物を挟持する一対の対向電極が配置される加工部に対して電力供給を行う電源装置と、前記電源装置に接続された管理制御装置とを含む手段を備え、前記電源装置は、少なくとも、パルス電流を供給するパルス電源回路及び／又は直流電流を供給する直流電源回路と、入力端子部がパルス電源回路及び／又は直流電源回路の出力端子部と接続され、出力端子部が対向電極と接続され、スイッチング素子と逆並列に接続したダイオードを有する４組のスイッチング素子ユニットを、縦横それぞれ２組ずつになるように配置した状態で、直列、並列、逆直列及び逆並列の中から選択し接続した極性反転スイッチング回路と、前記管理制御装置からの信号に応じて、パルス電源回路及び／又は直流電源回路の制御、及び極性反転スイッチング回路のスイッチング素子ユニットのオン・オフの制御をする制御手段を有し、前記スイッチング素子ユニットの制御は、前記極性反転スイッチング回路を構成する４個のスイッチング素子ユニットのうち、前記スイッチング素子ユニットが直列又は逆直列接続されていない、プラス入力端子部接続側のスイッチングユニット及びマイナス入力端子部接続側のスイッチング素子ユニットのうちのプラス側又はマイナス側のスイッチングユニットの各１つを１組として一方の組をオンにするときには他方の組をオフとなる制御をするとともに、前記一組のスイッチング素子ユニットと他方の一組のスイッチング素子ユニットとのオン時間又はオフ時間を任意に設定された時間間隔パターンで交互に切換える制御をして、前記極性反転スイッチング回路の出力端子部と接続された前記対向電極のそれぞれの電極の極性を正極性又は負極性に前記任意に設定された時間間隔パターンで交互に反転させることを特徴とする通電熱加工装置。
2. 被加工物及び前記被加工物を挟持する一対の対向電極が配置される加工部に対して電力供給を行う電源装置と、前記電源装置に接続された管理制御装置とを含む手段を備え、前記電源装置は、少なくとも、パルス電流を供給するパルス電源回路及び／又は直流電流を供給する直流電源回路と、入力端子部がパルス電源回路及び／又は直流電源回路の出力端子部と接続され、出力端子部が対向電極と接続され、スイッチング素子と逆並列に接続したダイオードを有する４組のスイッチング素子ユニットを、プラス入力端子部又はマイナス入力端子部にそれぞれ２つずつ並列接続させ、かつ前記並列接続させたスイッチング素子ユニットのプラス入力端子部接続側又はマイナス入力端子部接続側の各一つをそれぞれ直列接続させ、前記直列接続させたスイッチング素子ユニット間の中間点から電極への出力端子部に接続させた極性反転スイッチング回路と、前記管理制御装置からの信号に応じて、パルス電源回路及び／又は直流電源回路の制御、及び極性反転スイッチング回路のスイッチング素子ユニットのオン・オフの制御をする制御手段を有し、前記スイッチング素子ユニットの制御は、前記極性反転スイッチング回路を構成する４個のスイッチング素子ユニットのうち、前記スイッチング素子ユニットが直列接続されていない、プラス入力端子部接続側のスイッチング素子ユニット及びマイナス入力端子部接続側のスイッチング素子ユニットのうちのプラス側又はマイナス側のスイッチング素子ユニットの各１つを１組として一方の組をオンにするときには他方の組をオフとなる制御をするとともに、前記一組のスイッチング素子ユニットと他方の一組のスイッチング素子ユニットとのオン時間あるいはオフ時間を任意に設定された時間間隔パターンで交互に切換える制御をして、前記極性反転スイッチング回路の出力端子部と接続された前記対向電極のそれぞれの電極の極性を正極性又は負極性に前記任意に設定された時間間隔パターンで交互に反転させることを特徴とする通電熱加工装置。
3. ４組のスイッチング素子ユニットからなる極性反転スイッチング回路を２セット設けた極性反転スイッチング回路とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の通電熱加工装置。
4. パルス電源回路は、パルス波形が異なる複数種類のパルスパターンの中から１つのパルスパターン又は複数のパルスパターンの組み合わせを選択可能とするとともに、前記パルスパターンの各波形ごとにパルス電流、パルス周波数及びパルス幅を含むパルス特性調整要素を任意に変更可能とするように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の通電熱加工装置。
5. 前記被加工物が装填される型を囲繞して配設される補助加熱手段を備え、前記補助加熱手段は、前記型を包囲するように形成された断熱部材と、この断熱部材に設けられた通電発熱体とを備えて構成され、前記断熱部材には、周囲に着脱自在に装着される蓋体を備えた筒状容器の内周面に内張り可能に複数分割し得るものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の通電熱加工装置。
6. 前記対向電極は、対向面から順番に対向面が被加工物に当接する均熱板と、各均熱板に積層されるパンチ板とをそれぞれ有し、前記パンチ板は均熱板に対する当接面の面積が均熱板の面積より小さくなるように寸法設定された当接部を有し、前記当接部は、パンチ板を横断するように設けられた複数条のパンチ突条、パンチ板に突設された複数のパンチ突起、又はパンチ板の中心位置から周方向の外方に向かうように同心円状に形成された突条、によって構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の通電熱加工装置。
7. 前記電極部が、被加工物に対する加圧方向と同一方向で前記被加工物を押圧する上部電極と下部電極との一対の対向電極の場合、又は被加工物に対する加圧方向と直角方向で前記被加工物の中心に対し対称的に配設し前記被加工物の側面に当接させる一対の対向電極の場合であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の通電熱加工装置。

Images