JP3125138U - 熱処理炉 - Google Patents

Abstract

【課題】大形の熱処理対象物を焼き入れ処理等するために好適な熱処理炉を提供する。
【解決手段】熱処理炉に熱機関６を付帯させ、熱処理対象物Ｗを冷却する期間、この熱機関６によってファン５を駆動して高圧の冷却ガスを攪拌することとした。
【選択図】図２

Description

本考案は、熱処理対象物を焼き入れ処理等するための熱処理炉に関する。

例えば金型等の熱処理対象物を焼き入れ処理する装置として、真空熱処理炉（下記特許文献を参照）が公知である。この種の真空熱処理炉では、炉内を真空引きした状態で熱処理対象物を所定時間加熱した後、その熱処理対象物を油槽に投入したり、低温の冷却ガスを充填しながらファンで攪拌したりして急冷処理することが通例となっている。

ガスによる冷却は、熱処理対象物が油で汚れてしまうことがなく、冷却速度を緩めて熱処理対象物の熱変形を回避できる等、大きなメリットが得られる。
特開平１０−１８３２３６号公報

昨今、より大形の対象物を熱処理できるようにしたいという需要が高まっている。工業製品生産上の要請から、または生産コスト低減の一環として、製品の構成要素となる部材（例えば自動車のドア等）を複数の部品に分割せずに一括製造することが試みられており、そのために大形の金型が必要とされている。よって、このような金型を熱処理し得るよう、熱処理炉もまた大形化を求められる趨勢にある。

だが、大形の熱処理対象物を急冷するには、内室に充填する冷却ガスの高圧化が必須となる。そして、大きな内室に充填された高圧のガスを攪拌するファンをどのように駆動するかに関する問題に行き当たる。元来、冷却ガスを攪拌するファンは電動機で駆動することが専らであったが、上述の如く高圧のガスを攪拌するには現状のものを遙かに超える大出力の電動機を採用しなければならない。さらに、大出力を得ようとすれば電動機に印加すべき電圧も高圧になる（とりわけ、ファンの起動時に巨大な機械的出力が必要であり、同時に印可電圧の高圧化が不可欠となる）が、定格電圧が４００Ｖを超える電動機の調達自体難しいだけでなく、工場内外に大規模な受電設備及び配電設備を設けざるを得なくなる。

その上、熱処理対象物の焼き入れ処理において、冷却工程はあくまでその全工程の中の一部でしかない。通常は、炉及び対象物の昇温工程に１〜２時間、対象物の均熱工程に数時間程度、しかる後に対象物の冷却工程に１〜２時間を要する。即ち、電動機でファンを駆動する期間はあくまで１〜２時間程度でしかなく、寧ろ電動機及びファンを停止させている期間の方が長い。発電し電力を供給する電力会社等の立場に立てば、１日にせいぜい数時間程度しか運転されない電動機のために、これがいつ運転されてもよいように常時発電能力、送電能力を保持し続ける必要がある。言い換えるならば、電力需要のピークに対応できるだけの発送電能力を確保するためのインフラストラクチャ整備に多大なコストを投入しなければならない。このコストは、無論電気料金に跳ね返っている。実際の電気料金には、消費電力量に応じた従量料金に、設備電力に応じた基本料金が加味される。大出力の電動機は設備電力の値を押し上げ、故に基本料金が甚大になるにもかかわらず、１日の間では電動機が運転されない時間の方が長い。熱処理炉のユーザは、不合理な費用負担をしている現況にある。

しかも、電力事情が日本国内ほど安定していない諸外国で熱処理炉を稼働させる場合にはリスク要因となる。冷却工程に入った時点で送電が不安定になれば、炉内の熱処理対象物が駄目になり致命的な損失が発生してしまう。

本考案は、上記の問題に初めて着目し、斬新な発想を以てなされたものであって、熱処理対象物を焼き入れ処理等するための熱処理炉に熱機関を付帯させ、熱処理対象物を冷却する期間、この熱機関によってファンを駆動することとした。

このようなものであれば、工場内外に大規模な受電設備及び配電設備を設ける必要性から解放される。並びに、利用されない期間の方が長いインフラストラクチャを整備するという不合理な社会的コストを削減することにもつながる。加えて今日、新規の発電所建設を回避するべく電力需要を平準化する努力がなされているが、本考案は正に電力需要の平準化に貢献し得る。また、火力発電所等で発電した電力を送電し、受電（変電）して電動機及びファンを駆動する場合と比較すれば、送電経路でのエネルギー損失、受電におけるエネルギー損失、電気−機械変換におけるエネルギー損失が省かれる。ファンを駆動する熱機関は冷却工程にて一時的に運転されるに過ぎず、この熱機関が排出する有害物質等を適切に抑制ないし除去することは合理的なコスト負担で充分に可能である。（熱処理炉が稼働する）各所に置かれた熱機関は、巨大な火力発電所等と比べれば工場マネジメント、検査や規制による公害の予防が容易でもある。

本考案に係る熱処理炉は、電力事情が日本国内ほど安定していない諸外国で稼働させるためにも好適なものとなる。

副効用としては、自動車、船舶等で用いられている既知の回転数制御機構を適用してファンの回転数を制御し、熱処理対象物の冷却速度を柔軟にコントロールすることができる。このことは、冷却速度の緩急を調節する必要がある素材の焼き入れ処理等において特に有効となる。即ち、所望の急冷効果（硬度等）を確保しながら熱変形の発生を抑止することが可能である。

本考案によれば、工場内外に大規模な受電設備及び配電設備を設ける必要性から解放される。並びに、利用されない期間の方が長いインフラストラクチャを整備するという不合理な社会的コストを削減することにつながる。また、電力事情が日本国内ほど安定していない諸外国での稼働にも好適となる。

以下、本考案の実施の形態を、図面を参照して説明する。本実施形態の熱処理炉は、真空状態で熱処理対象物Ｗを加熱した後、その熱処理対象物Ｗを油槽２６に投入し、または冷却用の流体を充填しながらファン５で攪拌して急冷処理する真空熱処理炉である。この熱処理炉は、図１及び図２に示すように、熱処理対象物Ｗを加熱する加熱室１と、加熱室１で加熱した熱処理対象物Ｗを冷却する冷却室２とを有する二室型のもので、加熱室１側に断熱本体１２及びヒータ１４、真空排気系３等を備え、冷却室２側に油槽２６、流体導入系４及びファン５等を備えている。

より具体的には、加熱室１の外殻となる炉胴１１内に略箱体状をなす断熱本体１２を配し、その内部にヒータ１４を設置して熱処理対象物Ｗを加熱する熱処理空間を構成している。断熱本体１２の冷却室２側には、開閉動作可能な断熱蓋１３を設けてある。断熱本体１２及び断熱蓋１３は、例えばグラファイトフェルト等を素材として作製する。真空排気系３は、例えば拡散ポンプ（図示せず）、メカニカルブースタポンプ（図示せず）や油回転真空ポンプ（図示せず）を直列に連接してなるもので、バルブを介して断接切替可能であるように炉胴１１に接続している。ヒータ１４は、熱処理対象物Ｗを所要の温度に加熱し得る例えばグラファイトヒータ等であって、熱処理空間における熱処理対象物Ｗを取り巻く位置に配設する。

炉胴１１は、冷却室２の外殻となるハウジング２１に連通している。炉胴１１とハウジング２１との境界は、断熱蓋１３と一体的に動作する仕切扉２７によって隔てている。ハウジング２１は上下方向に拡張しており、その上部領域に冷却用の流体（例えばＮ₂等の不活性ガス）を充填する流体導入系４、充填された流体を攪拌し循環させるファン５、ハウジング２１内を循環する流体を冷却する熱交換器２２を設けてガス焼き入れ空間を構成してある。流体導入系４は、加熱処理を終えた対象物Ｗを急冷する不活性ガスを、ガスボンベ（図示せず）からハウジング２１内に送り込むものである。流体導入系４の中途にバルブを介設していることは言うまでもない。ファン５は、ハウジング２１上端に配設し、その駆動軸５１をハウジング２１を貫通して上方に突出させている。ファン５の駆動軸５１がハウジング２１を貫通する部位には、真空シール２３を施す。因みに、ファン５の駆動軸５１を冷却するための手段として、駆動軸５１内に冷媒を流通させる流路（例えば軸内水冷口。図示せず）を設けておいてもよい。また、ハウジング２１の所要箇所に、熱処理対象物Ｗを出し入れする出入口２４を設ける。この出入口２４は、開閉する扉２５によって密閉される。加えて、ハウジング２１の下部領域を油焼き入れ空間とし、焼き入れ用の油を蓄える油槽２６を設けているが、この油槽２６は必須ではない。

しかして、本実施形態では、ファン５を駆動する駆動力を出力する熱機関６を付帯させるとともに、熱機関６の出力軸６１とファン５の駆動軸５１との間に伝達機構７を介在させて両者を連結している。

熱機関６は、燃料を燃焼させて機械的エネルギーを取り出し出力軸６１を回転駆動するもの（特に内燃機関）であるが、その具体的態様は一意に限定されない。ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、ガスタービンエンジン等、設計仕様や他の事情に応じて種々の熱機関６を選択し採用することが可能である。好ましくは、自動車や船舶等で用いられる既知の回転数制御機構（図示せず）を適用して出力軸６１の回転数制御を行い得るものとする。この熱機関６は、炉胴１１やハウジング２１とは別に構築した架台６２に支持させる。

伝達機構７は、熱機関６が出力する回転駆動力をファン５の駆動軸５１に伝達する。本実施形態では、クラッチ及びかさ歯車を要素として伝達機構７を構成する。図示例では、クラッチを収めるクラッチボックス７１を架台６２上に載置し、かさ歯車を収めるギヤボックス７２をハウジング２１上に載置している。但し、伝達機構７の構成は、上記のものに限定されない。クラッチ、かさ歯車はそれぞれ必須ではない。当然ながら、かさ歯車以外の歯車を採用することも考えられる。また、ベルトやチェーン等の巻掛伝動を用いることも許される。

なお、熱機関６を架台６２に支持させ、また熱機関６とファン５との間に伝達機構７を介在させるのは、熱機関６の運転時にその振動がハウジング２１や炉胴１１等に伝わることを抑制するためでもある。

本実施形態の真空熱処理炉による焼き入れ処理のプロセスを述べると、出入口２４から入れられた熱処理対象物Ｗを搬送機構（図示せず）によって加熱室１内の熱処理空間に搬入し、断熱本体１２の断熱蓋１３及び仕切扉２７を閉止して熱処理対象物Ｗに対する加熱を進行させる。加熱完了後、断熱蓋１３及び仕切扉２７を開放して、熱処理対象物Ｗを搬送機構によってハウジング２１内のガス焼き入れ空間に搬送する。そして、熱機関６を起動してファン５を回転させる。ファン５の回転速度が所定回転数に達したら、流体導入系４より熱処理炉の内室（言い換えるならば、冷却室２内）に冷却用の流体即ち不活性ガスを流入させ、これをファン５で攪拌しながら熱処理対象物Ｗを急冷する。冷却完了後、熱処理炉の内圧を大気圧まで下げつつ、熱処理対象物Ｗを搬送機構によって出入口２４近傍まで搬送する。因みに、加熱した熱処理対象物Ｗの冷却に際して、この熱処理対象物Ｗを油槽２６に投入する油焼き入れを行うことも可能である。

本実施形態によれば、熱処理対象物Ｗを加熱する加熱室１と、前記加熱室１で加熱した熱処理対象物Ｗが搬入される冷却室２と、前記冷却室２に充填された流体を攪拌して前記熱処理対象物Ｗを冷却するファン５と、前記熱処理対象物Ｗを前記冷却室２においてファン冷却する期間、前記ファン５を駆動する駆動力を出力する熱機関６と、前記熱機関６が出力する駆動力を前記ファン５の駆動軸５１に伝達する伝達機構７とを具備してなる熱処理炉を構成したため、工場内外に大規模な受電設備及び配電設備を設ける必要性から解放される。並びに、利用されない期間の方が長いインフラストラクチャを整備するという不合理な社会的コストを削減することにつながる。また、電力事情が日本国内ほど安定していない諸外国での稼働にも好適となる。

なお、本考案は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、図３に示すように、加熱室１と冷却室２とが分離していない一室型の熱処理炉を構成することができる。本図示例の熱処理炉では、ファン５の駆動軸５１及び熱機関６の出力軸６１がともに略水平方向を向き、これらが互いに略平行となっている。従って、ファン５の駆動軸５１と熱機関６の出力軸６１とを連結する伝達機構７の要素として、平歯車、はすば歯車またはやまば歯車等を用いることができる。さらに、本図示例の如くファン５の駆動軸５１と熱機関６の出力軸６１とが互いに略平行である場合には、伝達機構７を介在させずに両者を直結することも可能である。

その他各部の具体的構成は上記実施形態に限られるものではなく、本考案の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本考案の一実施形態における熱処理炉を示す概略的な側断面図。 同実施形態の熱処理炉を示す概略的な正断面図。 本考案の変形例の一を示す概略的な側断面図。

符号の説明

５…ファン
６…熱機関
７…伝達機構

Claims (2)

1. 熱処理対象物を加熱し、しかる後に冷却用の流体を充填して熱処理対象物を冷却する熱処理炉であって、
   前記熱処理対象物が搬入され、前記流体が充填される内室と、
   前記内室に充填された流体を攪拌して前記熱処理対象物を冷却するファンと、
   前記内室の外殻を貫通して外方に突出する前記ファンの駆動軸と、
   前記内室の外に配置され、前記熱処理対象物をファン冷却する期間、前記駆動軸及び前記ファンを駆動する駆動力を出力する熱機関と
   を具備してなることを特徴とする熱処理炉。
2. 熱処理対象物を加熱し、しかる後に冷却用の流体を充填して熱処理対象物を冷却する熱処理炉であって、
   前記熱処理対象物が搬入され、前記流体が充填される内室と、
   前記内室に充填された流体を攪拌して前記熱処理対象物を冷却するファンと、
   前記内室の外殻を貫通して外方に突出する前記ファンの駆動軸と、
   前記内室の外に配置され、前記熱処理対象物をファン冷却する期間、前記駆動軸及び前記ファンを駆動する駆動力を出力する熱機関と、
   前記熱機関が出力する駆動力を前記ファンの駆動軸に伝達する伝達機構と
   を具備してなることを特徴とする熱処理炉。

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