JP2014122733A - 真空熱処理炉用の補償加熱素子配列構造 - Google Patents

Abstract

【課題】真空炉での被処理物の均一な加熱を調整する真空熱処理炉を提供する。
【解決手段】加熱素子列を構成している加熱素子が、加熱素子列における異なった位置で異なった電気抵抗又は異なったワット密度を有している、真空熱処理炉用の加熱素子配列構造を提供する。この配列構造は、一処理量の被処理物においてより良好な温度均一性を提供するために、炉のホットゾーンにおいて必要とされる熱を提供するべく選択された電気抵抗を有する加熱素子を配列する。加熱素子列の電気抵抗とワット密度は、加熱素子列の一つのセグメントにおいて或るジオメトリを有する第一の加熱素子と、その加熱素子列の別のセグメントにおいて第一の加熱素子のジオメトリと異なったジオメトリを有する第二の加熱素子とを利用することにより変えられている。
【選択図】なし

Description

本発明は、概して、金属部品を熱処理するための真空炉に関するもので、詳しくは、そのような真空炉において用いられる加熱素子配列構造に関するものである。

金属ワークピースを熱処理するための多くの工業用真空炉は、電気抵抗性加熱素子を用いている。その加熱素子は、真空炉の設計上の要求条件に応じて様々な材料から作られている。高温炉用の通常の加熱素子の材料としては、グラファイト、並びに、モリブデン及びタンタルのような耐熱性金属がある。低温及び中間温炉用の加熱素子の材料としては、ステンレス鋼合金，ニッケル−クロム合金，ニッケル基超合金，炭化ケイ素がある。加熱素子は、通常、ホットゾーン（ｈｏｔ ｚｏｎｅ）の内部の回りに列をなして配列されているので、その列は、熱処理される一作業量の金属片を取り囲む。こうして、一作業量の金属片の全ての面に向けて熱を付加することができる。公知の配列構造が、図１に概略的に示され、図２に物理的に示されている。各列における加熱素子は、全て、同じ電気抵抗と表面積とを有している。従って、各加熱素子は、エネルギーが供給された時に他の全ての加熱素子が発生する熱の量と同じ量の熱を発生する。

これら加熱素子列は、接続されて、図１及び３に示したように、炉のホットゾーン内に個別にエネルギーが供給されるマルチ加熱ゾーンを提供している。各加熱ゾーンは、変圧器（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）のような単一のパワー源に接続された二つ又はそれ以上の数の加熱素子列を含んでいる。その変圧器は、個別に制御されて、相違した加熱ゾーンに多かれ少なかれ電流を供給する。こうして、加熱ゾーンは、一作業量の金属片の様々な部位に、又は、炉のホットゾーンの様々な領域に、多かれ少なかれ熱を加えることができるように調整可能である（ｔｒｉｍｍａｂｌｅ）。

公知の加熱ゾーン配列構造は、加熱サイクル中に炉のホットゾーンの様々な領域に加えられる熱の量を調節するという限られた能力を発揮する。然しながら、熱処理のための多くの被処理物は上部から下部まで又は左右方向で均一なジオメトリ又は密度を有していない。また、多くの真空炉のホットゾーンは均一な横断面を有しておらず、ホットゾーン内に延びた金属部材が存在して、熱をホットゾーンの外へ導くことになる。均一な横断面の欠如とホットゾーンに別の金属部品が存在することにより、加熱素子から被処理物への不均一な熱伝達という結果を齎す伝熱異常が生ずる。現在達成することができるよりも一層高い均一性をもって熱が一作業量の金属ワークピースに付加されることが可能となるように、パワー、従って、加熱素子列における個々の抵抗性加熱素子によって発生させられる熱を、一層正確に調整することが出来ることが望まれる。

本発明によれば、加熱素子列を構成している加熱素子が、加熱素子列における異なった位置において、異なった電気抵抗又はワット密度を有している、真空熱処理炉用の加熱素子配列構造が提供される。この構造は、一作業量の金属ワークピースにおける一層良好な温度均一性を提供するために炉のホットゾーンにおいて必要とされる熱を多かれ少なかれ提供するべく選択された電気抵抗を有する加熱素子を配列することを可能にさせる。加熱素子列の一セグメントにおいて或るジオメトリを有する第一の加熱素子と加熱素子列の別のセグメントにおいて第一の加熱素子のジオメトリと異なったジオメトリを有する第二の加熱素子とを用いることにより加熱素子列の電気抵抗が変えられている。

上述した発明の概要も以下に記載する詳細な説明も、添付図面を参照することにより明確に理解されるであろう。

図１は、公知の配列構造による三つの加熱素子列の概略図である。 図２は、公知の真空熱処理炉の部分断面端面図である。 図３は、図２に示した真空熱処理炉の部分断面側面図である。 図４は、本発明による三つの加熱素子列の概略図である。 図５は、本発明による真空熱処理炉の部分断面端面図である。

詳細な説明

茲で図４を参照すると、三つの加熱素子列１０，２０，３０が示されている。これら加熱素子列の各々は、金属部品を熱処理するための真空炉のホットゾーンの一領域に熱を付加するように適合されている。各加熱素子列は、加熱素子列１０，２０，３０に夫々電流を供給する変圧器１２，２２，３２に夫々接続されている。各加熱素子列１０，２０，３０は、複数の電気抵抗加熱素子から構成されている。例えば、図４に示した実施形態においては、加熱素子列１０は、直列に一体接続された加熱素子１４ａ，１４ｂ，１４ｃから構成されている。加熱素子１４ａ，１４ｂの端部は変圧器１２に接続されている。同様に、加熱素子列２０は、加熱素子２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄから構成されていて、これら加熱素子２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄは、加熱素子２４ａ，２４ｂの端部が変圧器２２に接続された状態で、直列に接続されている。加熱素子列３０は、同様に、構成され且つ接続されている。

図４に示した配列構造においては、加熱素子１４ａと加熱素子１４ｂは、それぞれ、抵抗値Ｒ１と、抵抗値Ｒ２を有している。Ｒ１は、Ｒ２と等しくても異なっていてもよい。加熱素子１４ｃと加熱素子１４ｄは、それぞれ、抵抗値Ｒ３と、抵抗値Ｒ４を有している。Ｒ３は、Ｒ４と等しくても異なっていてもよい。本発明の一実施形態によれば、Ｒ３は、好ましくは、Ｒ１の倍数又は分数（ｆｒａｃｔｉｏｎ）であり、Ｒ４は、好ましくは、Ｒ２の倍数又は分数である。

Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びＲ４の値は、加熱される一処理量の金属部品の予想されるジオメトリ及び密度に基づいて決定される。これに代えて、または、これに加えて、抵抗値は、炉のホットゾーンのジオメトリ及び構成を参照して決定される。加熱素子によって発生させられるパワーは、公知の関係Ｐ＝Ｉ^２・Ｒに基づくので、電流と所望のパワー出力を一旦選択すると、加熱素子の抵抗値を簡単に決定することができる。材料の電気抵抗は、その材料の横断面に反比例する。細長い又は平棒状の加熱素子の場合には、横断面は、その加熱素子の厚さと幅とによって決定される。他方、丸棒状の加熱素子の場合には、横断面は、その加熱素子の直径又は半径によって決定される。従って、加熱素子において所望量の電気抵抗を提供するように選択された横断面を有する加熱素子を用いることによって、所望の抵抗値が実現される。例えば、ホットゾーンの下部においてより多くの熱が必要とされる場合には、加熱素子１４ｃ又は加熱素子１４ｄ、又は、それら双方は、図５に示したように、加熱素子１４ａ及び／又は加熱素子１４ｂの横断面よりも小さい横断面を有するように形成される。それに代えて、加熱素子は同一又は実質的に同一な横断面を有していてもよいが、加熱素子の間で異なったワット密度を提供するための異なった表面積構造を有している。ホットゾーンの上部においてより多くの熱が必要とされる場合には、加熱素子１４ｃ又は加熱素子１４ｄ、又は、それら双方は、加熱素子１４ａ及び／又は加熱素子１４ｂの横断面よりも大きい横断面を有するように形成される。こうして、加熱素子１４ａ〜１４ｄにとって適切な横断面を有する加熱素子を用いることにより、真空炉のホットゾーン内で発生させられる熱は、一処理量の金属部品の全ての部位への最適な熱伝達を齎すと共に、一処理量の金属部品の幾つかの部分の不十分な加熱という結果を齎す不均一な熱伝達を回避するべく、調整される。

例えば、図５に示した実施形態においては、一処理量の金属部品を支持する炉床支持ポスト（ｈｅａｒｔｈ ｓｕｐｐｏｒｔ ｐｏｓｔ）４０ａ，４０ｂ，４０ｃが、炉壁４２からホットゾーン壁４４を通って伸びている。こうして、支持ポストは、ホットゾーン外への著しい熱伝達のための手段を構成している。本発明によれば、加熱素子１４ｃ，１４ｄは、加熱素子１４ａ，１４ｂの抵抗値Ｒ１，Ｒ２よりも高く（例えば、２５％高く）選択された抵抗値Ｒ３，Ｒ４を有するように形成されている。加熱素子列１０にエネルギーが供給された時に、加熱素子１４ｃ，１４ｄは加熱素子１４ａ，１４ｂよりも多くの熱を発生する。その理由は、抵抗値Ｒ３，Ｒ４が抵抗値Ｒ１，Ｒ２よりも高く且つ同じ電流が加熱素子のセグメントの四方全てを流れるためである。この例においては、加熱素子１４ｃ，１４ｄがホットゾーンの下部において高いパワー（即ち、熱）を発生させ、それにより、炉床支持ポストを介したホットゾーン外の付加的な熱損失を補償する。このことは、ホットゾーンにおける加熱均一性を向上させるのに資する。

本発明による補償加熱素子のコンセプトは、如何なる材料から形成された如何なる抵抗性加熱素子に適用することができる。また、それは、如何なる加熱素子構造（直列又は並列），如何なる素子形状，素子横断面及びホットゾーン形状にも適用することができる。当然のことながら、ここに記載した技術は、上述した前後又は上下の手作業による電子トリミングのための公知の技術と組み合わせて用いることができる。

Claims (10)

1. 金属部品を熱処理するための真空熱処理炉であって、
   圧力／真空容器と、
   前記圧力容器内に位置するホットゾーンと、
   前記ホットゾーン内に配置された加熱素子列と、
   前記加熱素子列に接続された電気エネルギー源とを有し、
   前記加熱素子列が、
   前記ホットゾーンの第一の領域に配置されて、第一のワット密度を提供するように選択されたジオメトリを有する第一の加熱素子と、
   前記ホットゾーンの第二の領域に配置されて、第二のワット密度を提供するように選択されたジオメトリを有する第二の加熱素子とを有し、
   前記第一及び第二の加熱素子に前記電気エネルギー源によってエネルギーが提供された時に、前記第一の加熱素子が第一の量の熱を提供するように前記第一のワット密度の値が選択され且つ前記第二の加熱素子が前記第一の量と異なった第二の量の熱を提供するように前記第二のワット密度の値が選択され、それにより、前記ホットゾーンの前記第一の領域において前記第一の量の熱が提供され、前記ホットゾーンの前記第二の領域において前記第二の量の熱が提供されることを特徴とする真空熱処理炉。
2. 前記第一の加熱素子の前記ジオメトリが、前記第一の加熱素子の横断面である、請求項１に記載の真空熱処理炉。
3. 前記第二の加熱素子の前記ジオメトリが、前記第二の加熱素子の横断面である、請求項２に記載の真空熱処理炉。
4. 前記第一の加熱素子の前記ジオメトリが、前記第一の加熱素子の表面積である、請求項１に記載の真空熱処理炉。
5. 前記第二の加熱素子の前記ジオメトリが、前記第二の加熱素子の表面積である、請求項２に記載の真空熱処理炉。
6. 金属部品を熱処理するための真空熱処理炉の製造方法であって、
   圧力／真空容器を提供する工程と、
   前記圧力容器内にホットゾーンを取り付ける工程と、
   第一のワット密度を提供するように選択されたジオメトリを有する第一の加熱素子を形成する工程と、
   第二のワット密度を提供するように選択されたジオメトリを有する第二の加熱素子を形成する工程と、
   前記第一の加熱素子と前記第二の加熱素子とを接続して加熱素子列を形成する工程と、
   前記第一の加熱素子が前記ホットゾーンの第一の領域に位置し且つ前記第二の加熱素子が前記ホットゾーンの第二の領域に位置するように、前記加熱素子列を前記ホットゾーン内に取り付ける工程と、
   前記加熱素子列に電気エネルギー源を接続する工程とを含み、
   前記第一及び第二の加熱素子に前記電気エネルギー源によってエネルギーが提供された時に、前記第一の加熱素子が第一の量の熱を提供するように前記第一のワット密度の値を選択し且つ前記第二の加熱素子が前記第一の量と異なった第二の量の熱を提供するように前記第二のワット密度の値を選択し、それにより、前記ホットゾーンの前記第一の領域において前記第一の量の熱が提供され、前記ホットゾーンの前記第二の領域において前記第二の量の熱が提供されるようにしたことを特徴とする、真空熱処理炉の製造方法。
7. 第一の加熱素子を形成する前記工程が、前記第一のワット密度を提供する横断面を有するように前記第一の加熱素子を形成する工程を含んでいる、請求項６に記載の真空熱処理炉の製造方法。
8. 第二の加熱素子を形成する前記工程が、前記第二のワット密度を提供する横断面を有するように前記第二の加熱素子を形成する工程を含んでいる、請求項７に記載の真空熱処理炉の製造方法。
9. 第一の加熱素子を形成する前記工程が、前記第一のワット密度を提供する表面積を有するように前記第一の加熱素子を形成する工程を含んでいる、請求項６に記載の真空熱処理炉の製造方法。
10. 第二の加熱素子を形成する前記工程が、前記第二のワット密度を提供する表面積を有するように前記第二の加熱素子を形成する工程を含んでいる、請求項９に記載の真空熱処理炉の製造方法。

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