JP3766509B2 - 高温引張測定装置および該装置用加熱炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属、有機材料などの高温での引張試験の測定装置および該装置用加熱炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気接続に使用される銅線、アルミ線などの金属細線においては、伸線製造による加工歪みおよび曲がりなどの除去、または機械的特性の調整などの目的で、熱処理することが必要となる。特性向上を目的として、材料を加熱して特性を調質して使用するものが多く、高温特性を正確に把握することが重要となる。
【０００３】
また材料の使用環境をみても、電子機器などでは動作時の発熱など高温・高湿に曝されるに伴い、使用材料の高温特性が性能を左右することとなる。信頼性への影響を考慮して、常温のみならず高温特性を評価する必要性が増している。
【０００４】
被加熱試料を加熱した状態で測定することは、材料試験として行われる機会は増加しているものの、常温の試験と異なり、加熱機構には技術的課題も多く残されている。特に、加熱装置においては、均熱域の確保および強度測定への熱影響の軽減などには十分な検討を要し、均熱性の点では被加熱試料の大きさ・形状に制約があった。
【０００５】
試料の加熱として、イメージ炉などによる放射加熱法が最も一般的であり、操作性および利便性などから実用化されている。しかし均熱性の保持が課題となる場合が多く、例えば、引張試験では床面に対して上下方向の駆動においての高温加熱では、炉内での加熱空気の対流が避けられず、炉内の上下で温度差が発生することが問題となる。
【０００６】
均熱性の点では、油浴漕においての加熱も考えられるが、均熱性を高めるための油の撹拌が必要であり、被加熱試料への微動の影響を受けやすく、高精度の測定を行うことが困難であった。さらに加熱後に試料表面の洗浄も必要であり、作業性でも問題があった。
【０００７】
高温測定および試料加工中の熱処理工程においては、材料の高温加熱において、正確な温度管理、安定性、作業性などに優れ、信頼性・再現性の高い加熱機構が望まれている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の観点からも、従来の放射加熱における高温測定では、温度勾配を軽減して、均熱域を確保することが課題となる。温度勾配が生じれば、それに伴う自然対流が発生して、炉内の温度管理が困難である。自然対流を制御することは難しいことから、加熱気体を加熱部に送り込み、加熱部内での場所による温度分布を低減することが望ましい。特に、炉内での長手方向の均熱性を確保することが最大の課題となる。しかし、加熱気体を送り込む機構として、単純な気体の一方向の吹き流しでは、気流に伴う試料の振動による測定値への影響が無視できない場合が多く、特に細線などの加熱においては振動は大きな問題となる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は前述した観点を考慮して、試料の加熱において加熱気体による加熱機構を検討した結果、流速を抑えた状態で、且つ、均熱域を確保する手法として、加熱炉全体に少量の気流を生じさせることが望ましく、その加熱気流の発生機構として、多孔質の管を使用して、多孔質中を通過した微風による加熱が適していることを見出した。炉内での長手方向の均熱性を確保するためには、多孔質の炉壁を加熱して、その多孔質を通過する間に加熱することが有効であり、その加熱法としては、多孔質の炉の外周部に加熱ヒータをコイル上に巻き付けて多孔質の炉壁を加熱する手法が、温度の安定性に優れていることが判明した。
【００１０】
また、炉内に発生させた気流の出口近傍においては、外部からの気体の逆流による温度低下が懸念されるために、炉の両端の開口部において、外部からの大気流入を防止する板をつけることにより、均熱域の確保が容易となる。
【００１１】
高温で被加熱物が酸化することが問題となるものにおいては、不活性または還元性などのガスを使用する必要があり、本手法では、多孔質を通過したガスにより雰囲気の形成も容易である。
【００１２】
この多孔質を通過した微量の対流を利用した加熱においては、線状の試料の時に特に有効であり、例えば、強度が低い細線などの試料の加熱、および高温引張試験などにおいて効果が大きいと考えられる。
【００１３】
引張試験装置としては、加重計、資料固定治具、さらに加重変化の測定値を表示する出力計または記録計より構成される。
【００１４】
すなわち、本発明は以下の構成を要旨とする。
（１）加熱した被加熱試料の引張測定装置において、孔径が０．５〜５０μｍである多孔質の管を使用し、該多孔質から炉内方向にのみ通過した加熱気体により被測定物を加熱する装置を有することを特徴とする高温引張測定装置。
（２）上記（１）記載の加熱装置が、多孔質の管の周囲に加熱ヒータを巻き付けた構造であることを特徴とする高温引張測定装置。
（３）上記（１）あるいは（２）記載の加熱装置が、多孔質の管の少なくとも一方の端に、外部からの大気流入を防止する板を設けた構造であることを特徴とする高温引張測定装置。
（４）被測定物を加熱する気体として、不活性ガスまたは還元性ガスを使用する加熱装置を備えたことを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の高温引張測定装置。
（５）送風機を設置した炉の内壁に孔径が０．５〜５０μｍである多孔質の管を使用し、多孔質から炉内方向にのみ通過した加熱気体により被測定物を加熱する手段を有することを特徴とする高温引張測定用加熱炉。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、試料の加熱装置に関する本発明の構成を図に示す実施例に基づいて説明する。
図１において、筒状の加熱炉２の内壁に多孔質体（以下多孔体という）１を設置し、送風機４に連結した送風管３より、多孔体１を通して、炉内にガスを供給する。５は多孔体１の外周に設けたヒーターであり、必要に応じて炉体内を加熱する。６は炉２の上下に設けた蓋であり、被加熱試料７を挿通する。８は試料固定治具、９は荷重計である。
【００１６】
多孔体１は管に形成され、該多孔体１を通して高温ガスを供給すると共にその中（炉内）に被加熱試料を挿通する。引張試験装置としては、加重計９の端部に取り付けた固定治具８に被測定試料７の一端を保持し、他端も固定する機構であり、試料を上下方向に引張りながら加重および変化量を測定する。
【００１７】
多孔体中を通過した気体は、風速の制御が容易であり、風速を小さく抑えて、多孔体全体から炉内にほぼ均一にガスが吹き込むようにすれば、炉内での温度勾配を小さく抑えることが可能である。
【００１８】
多孔体１を通過して出る気体により試料を加熱することを考えると、多孔体の形状としては管状とする。管状であれば試料を包み込むような加熱雰囲気を形成しやすく、温度管理も容易である。多孔体中に気体を通過させるためには、気体に圧力をかけて、多孔体の表面から気体を滲み出させればよい。送風機４により圧力を加えた気体は、送風管３を通り、加熱炉２における中空部から多孔体１を通過して、加熱炉の内側に流出して、被加熱試料７を加熱する仕組みである。ここで、気体の圧力も流速を左右する重要な因子であり、送風機４の圧力により簡単に制御可能である。
【００１９】
多孔体１の穴径は気流の風速、加熱温度などに影響を及ぼす重要な因子であり、加熱温度範囲および試料形状などに適した多孔体の穴径を選択することが必要となる。穴径が小さすぎると多孔体中をガス通過させるために圧力が高くなることが問題であり、また大きすぎると流速が速くなり、温度勾配を生じる原因となりやすい。よって多孔体の適正な孔径は、０．５〜５０μｍである。またガスの流量としては、単位面積当たりで、０．０５〜５０リットル／分／cm² であることが好ましい。これは、熱勾配を低くて、均熱域を確保するためには、０．０５リットル／分／cm² 以上必要であり、５０リットル／分／cm² を超えると、温度勾配を生じる可能性が高いためである。
【００２０】
また、多孔体を複数に分割して、それぞれの加熱温度あるいは風速などを変えることも可能である。多孔体を分割しておけば、加熱炉内での温度分布を場所により変えたり、加熱炉が長くて一本の多孔体のみでは場所による温度分布が発生しやすい場合などに有効である。
【００２１】
均熱性を保つためには、加熱炉の内側での気体の対流において、流速を極力抑えること、ただし、ガスを供給し続けることなどを考慮すると、気体の圧力を陽圧に保つことが好ましい。そのためには、炉の両端に蓋６を設置すれば対流を形成し、炉の外部からの気体の流入も防止して温度の低下を抑えることができる。ここで蓋６の中央部に穴を形成することにより、温度維持のために供給し続けるガスの逃げ口となり、また試料の通過する穴の役割も果たす。
【００２２】
気体の加熱法としては大別して２通りあり、多孔質物質を加熱しておき、気体がその多孔質中を通過する間に加熱する方法、あるいは、多孔質物質を通過させる前に予め気体を加熱しておく手法を用いることが可能である。多孔質体を加熱する手法がより好ましく、炉の外周部に加熱ヒーター５を巻き付けて加熱することが好適である。これは温度の安定性がよく、温度操作が容易であること、目的温度に達するまでの即応性も良好であることが挙げられる。予め加熱した気体を多孔体を通過させる手法では、気体が加熱部から炉内に到達するまでの温度の低下、さらに温度の安定性が問題となる。
【００２３】
加熱炉内の温度を測定するためには、炉内の試料近傍に熱電対を設けることが必要である。測定温度に基づいて、目的温度に保つように加熱装置を制御することができる。炉内温度の場所による温度差を低減するためには、複数箇所に熱電対を設置して、その温度分布を調べることが必要である。
【００２４】
加熱気体としては、通常は大気を用いる。しかし大気に限定されず、被加熱試料の高温酸化を抑制する必要があるときは不活性ガスあるいは還元ガスなどを使用することも可能である。多孔体を通過した気体により加熱しているため、目的に応じて気体の種類を選定することができる。
【００２５】
【実施例】
本発明に係わる加熱装置における均熱性を確認するために、筒型の多孔体を用いて加熱炉を作製し、温風を炉内部で対流させた状態で、加熱温度を測定した。均熱性の影響としては、図１に示したような、線状試料の加熱引張試験において、最も敏感に現れると思われるため、加熱部としては筒型の形状で評価した。多孔体の炉長は５cm、炉の内側の内径は１．５cmとした。圧縮送風機を用いて加熱空気を吹き出し、流速は対流を抑えるためにできる限り小さく抑えた。使用した多孔体の、平均孔径は３μｍであり、風量は０．３〜１リットル／分／cm² の範囲で適正化した。
【００２６】
また、温度勾配が大きいと思われる、炉の上下方向の熱勾配について調べるために、炉の上部、中央部、下部の３箇所に熱電対を設置して温度測定を行った。炉の中央部が１５０，２００，２５０℃になるように加熱条件を調整して、温度分布を測定した結果を表１に示した。また、各部においての温度の時間変動を調べ、１時間経過した後の温度変化が１℃以下なら◎、２℃以内であれば○、４℃以内であれば△、４℃を超えると×で示した。
【００２７】
【表１】

【００２８】
表１に示すように、炉の上下方向の温度差は１０℃程度に抑えられていることが確認された。それに対し、比較例１は、従来の輻射加熱だけであり、縦型炉の上下の温度差は５０℃以上となることからも、本発明の加熱機構の方が均熱性に優れていることが確認された。
【００２９】
加熱法としては、炉の外周部に加熱ヒータを巻付けた多孔体中を通過させて加熱する手法では、温度変化も小さく抑えられ、良好な安定性が得られている。それに対し、測定例６では、多孔質の炉壁は加熱しないで、別の加熱装置で加熱しておいた温風を用いると、場所による均熱性は良好であるが、温度が安定するまでに時間が多くかかった。
【００３０】
測定例４および５は、炉の上下端の開口部に蓋を設置したものであり、温風の上昇を制御することにより、均熱性も向上し、さらに、作業時に外部から大気が流入することを防止することにより、温度の安定性もさらに向上していることが確認された。
【００３１】
【発明の効果】
以上、本発明に係わる多孔体を用いた温風により加熱する手法は、炉内の均熱性が優れており、信頼性・再現性の高い高温引張測定装置を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる装置における断面の概要図を示したものである。なお、矢印は気体の流れを示した。
【符号の説明】
１：多孔体
２：加熱炉
３：送風管
４：送風機
５：加熱ヒータ
６：蓋
７：被加熱試料
８：試料固定冶具
９：荷重計

Claims (5)

1. 加熱した被加熱試料の引張測定装置において、孔径が０．５〜５０μｍである多孔質の管を使用し、該多孔質から炉内方向にのみ通過した加熱気体により被測定物を加熱する装置を有することを特徴とする高温引張測定装置。
2. 加熱装置が、多孔質の管の周囲に加熱ヒータを巻き付けた構造であることを特徴とする請求項１記載の高温引張測定装置。
3. 加熱装置が、多孔質の管の少なくとも一方の端に、外部からの大気流入を防止する板を有する構造であることを特徴とする請求項１または２に記載の高温引張測定装置。
4. 被測定物を加熱する気体として、不活性ガスまたは還元性ガスを使用する加熱装置を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の高温引張測定装置。
5. 送風機および孔径が０．５〜５０μｍである多孔質の管を使用し、多孔質から炉内方向にのみ通過した加熱気体により被測定物を加熱する手段を有することを特徴とする高温引張測定装置用加熱炉。

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