JP4226510B2

JP4226510B2 - 真空熱処理炉

Info

Publication number: JP4226510B2
Application number: JP2004101869A
Authority: JP
Inventors: 良行岩上; 哲司町; 高堂　　亮; 末雄高島
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005281835A

Description

本発明はラジアントチューブ内に挿入された電気ヒータや燃焼ガスの加熱により熱処理を行う真空熱処理炉に関し、特に真空熱処理炉へのラジアントチューブ取付の改良に関する。

真空熱処理炉の加熱方法は、ガスによる燃焼方式か電気ヒータ方式に大別される。シビアな温度管理が要求される場合は、電気ヒータ方式が一般的である。さらに、真空熱処理炉においては、外部と遮断するために、一端が閉じられ、他端が開口するラジアントチューブ内にガスの燃焼部や、電気ヒータ部を挿入し、ラジアントチューブを外部と真空シールできるように真空熱処理炉内に挿入して炉内を加熱している。例えば、特許文献１は、ガスによる燃焼方式のものであり、一端が閉じ他端が開口し円盤状のフランジを有するラジアントチューブ内に燃焼ガスを送り込み反転させ加熱している。ラジアントチューブの真空熱処理炉への固定は、炉体に設けられ炉体内部に貫通する貫通穴を備えた上向きに取付面を有する固定フランジとバーナーボディ間に密封部材であるＯリングとラジアントチューブのフランジとを接触させ挟持し固定している。さらに、Ｏリングを保護するための水冷ジャケットを固定フランジ側あるいはバーナーボディ側に設け接触させている。

特許文献２は抵抗発熱体（電気ヒータ等）を用いたものであり、同様に、一端が閉じ他端が開口し円盤状のフランジを有するラジアントチューブ内に抵抗発熱体を挿入して加熱している。ラジアントチューブの真空熱処理炉への固定は、炉体に設けられ炉体内部に貫通する貫通穴を備えた上向きに取付面を有する固定フランジと蓋板間に密封部材であるＯリングとラジアントチューブのフランジ、Ｏリングを順次配設しボルトナットで挟持固定している。蓋板には抵抗発熱体に接続保持される端子棒を支持する碍子が取り付けられ抵抗発熱体が保持されている。端子棒とラジアントチューブとの間にセラミックスファイバ等の断熱材が挿入されている。また、ラジアントチューブ材質は金属製チューブ、Ａｌ₂Ｏ₃アルミナ、ＳｉＯ₂酸化ケイ素、Ｚｒ₂Ｏ₃ジルコニアなどの酸化物性セラミックスに代えて、Ｓｉｃ，Ｓｉ₃Ｎ₄，Ｃ等の各種炭化物、窒化物、炭素、黒鉛などを主成分とする非酸化物性セラミックスが使用されている。
特開平７−１９０６２９号公報要約、図１、図４特開２００３−４２６６４号公報段落００１４、図３

しかしながら、特許文献１のガス燃焼方式ではラジアントチューブの材質は明記されていないが、チューブ部は燃焼ガスで熱せられ、ラジアントチューブ外管のフランジ部は水冷ジャケットで冷却されているため温度分布が異なり、熱膨張による歪みの逃げ場がなくラジアントチューブ破損の可能性があるという問題があった。

また、特許文献２の電気ヒータ方式では非酸化物性セラミックス製ラジアントチューブのフランジ部を炉体の固定フランジと蓋板でボルト締めする構造である。このため、ボルトの締付力でセラミックスが破損する恐れがあることと、セラミックスの加熱時の熱膨張でフランジ部とチューブ部の温度差による熱応力で割れ等の可能性があるという問題があった。また、セラミックス材質チューブのフランジ部にボルト取付穴の加工とＯリングの溝加工及びフランジ両面のある程度の面粗さと平行度が必要であり、加工が困難であるという問題があった。また、非酸化物性のセラミックスの使用に限られ、酸化物性のセラミックスでは実用化できないという問題があった。

さらに、特許文献１のガス燃焼方式ではガスバーナ、特許文献２の電気ヒータ方式ではヒータ自体の故障、破損などが発生した場合には、固定フランジ、ラジアントチューブ、バーナーボディ（水冷ジャケット）又は蓋の全てを分解するようになっているので、真空熱処理炉の操業を止め、保全作業を行わなければならないという問題があった。

本発明の課題は前述した問題点に鑑みて、ラジアントチューブのガス燃焼、電気ヒータによる温度上昇時の熱膨張による破損、破壊を防ぐと共に、ラジアントチューブがセラミックス等の脆性材料の場合でも、ボルトの締付力による破損等を回避することである。また、セラミックス等の脆性材料へのボルト取付穴加工、Ｏリング溝加工、フランジ部の両面加工及び外周加工を回避することである。さらには、ガスバーナー、電気ヒータの故障、破損時において、炉の操業を止めないで、すなわち真空炉の真空破壊せず炉冷をしないで電気ヒータ等の修理、交換を可能にすることである。

本発明においては、真空雰囲気内で被処理物の加熱処理を行う真空熱処理炉の炉体に設けられ炉体内部に貫通する貫通穴を備えた上向きに取付面を有する固定フランジと、前記固定フランジの貫通穴に挿入され一端が閉塞され他端が開口し前記開口側に円盤状のフランジを有するラジアントチューブと、前記ラジアントチューブ内に挿入された加熱装置と、前記加熱装置を支持する支持台と、を有する真空熱処理炉において、前記ラジアントチューブは前記フランジの下面が前記固定フランジの取付面に密封部材を介して載置されており、前記支持台は、前記固定フランジに固定され、前記支持台には、前記固定フランジ側より、前記フランジの外周部及び上面と隙間を有するようにされた逃げ部と、前記加熱装置の加熱部が貫通可能にされかつ前記フランジ外径より小さくされた貫通穴と、前記加熱装置を支持する支持部と、が順次設けられている真空熱処理炉を提供することにより前述した課題を解決した。

即ち、ラジアントチューブのフランジと支持台とは隙間を設けて配置され、ラジアントチューブのフランジの下面は固定フランジの取付面に密封部材を介して載置しただけなので、ラジアントチューブのフランジをボルトで挟持しないので無理な力がかからない。また、熱変形によってもフランジが支持台内部と干渉したりしない。また、固定フランジの取付面との他は高い精度を必要としない。また、炉内が真空雰囲気であるため、ラジアントチューブのフランジの下面側に炉外の大気圧と炉内の真空雰囲気をシールする密封用Ｏリングを配置し載置するだけで、炉内の排気時チューブの内径断面積分の大気圧と真空雰囲気の圧力差でフランジ下面と密封用Ｏリングを密着するので容易に炉内外の遮断が行える。なお、外周方向すきまはフランジの外周加工の精密仕上げを必要なくするため、加工寸法ばらつき分に若干量を加え厚み方向すきまはＯリングのつぶし代分に若干量を加える程度が好ましい。また、若干量はフランジ押え金とラジアントチューブとの熱膨張差分であればよい。

また、請求項２に記載の発明においては、前記支持台の他端側の加熱装置を支持する支持部は、前記支持台の前記固定フランジへの着脱とは独立して前記加熱装置を前記支持部及び前記ラジアントチューブ内から着脱可能にした。これにより、ラジアントチューブは真空熱処理炉にシール状態で取り付けたまま、加熱装置を外すことができる。また、ラジアントチューブ及び加熱装置は真空熱処理炉に多数設けるので、一部を停止交換している間でも炉内の熱の下降は少なく、また、予備を設ければ温度の低下もなく所定の温度制御が可能である。

さらに、請求項３に記載の発明においては、前記フランジの外周部及び上面と逃げ部との隙間に緩衝部材を挿入した。ラジアントチューブのフランジと外周方向と厚み方向に入れられた耐熱性緩衝体により、固定フランジ取付面に載せられたラジアントチューブの動きが防止されるので、真空熱処理炉のラジアントチューブ装着部の輸送時や地震等の振動によりすきま内で動くことがない。

また、請求項４に記載の発明においては、前記フランジの下面の前記固定フランジ取付面に当接する部分のみを機械加工仕上げするようにした。即ち、ラジアントチューブは炉体上の固定フランジ取付面に載せるだけの構造とし、フランジの下面のみ仕上加工しボルト取付穴及びフランジ上面は加工しないようにした。

本発明によれば、ラジアントチューブは特に取付け手段を必要とせず、排気による真空状態で大気圧によるＯリングシールとしたので、排気を継続中なら真空熱処理炉を外部と遮断できる。また、ラジアントチューブのフランジと支持台とは隙間を設けて配置され、ラジアントチューブのフランジの下面を固定フランジの取付面に密封部材を介して載置し、フランジをボルト等で挟持せず、また熱変形で支持台内部と干渉させないようにしたので、ラジアントチューブの材料がセラミックス等の脆性材料の場合でもボルトの締付力による破損等を回避し、ラジアントチューブの熱膨張による破損、破壊を防ぐものとなった。さらに、破壊し易い酸化物性セラミックス、熱変形しやすい金属製等も使用可能であり、汎用性が高く、コストも低いラジアントチューブを使用できるものとなった。また、炉内の昇温、降温時において、ラジアントチューブを拘束していないため、前述したような非酸化物性セラミックス、酸化物性セラミックスのいずれのセラミックスのラジアントチューブでも問題はない。

また、請求項２に記載の発明においては、支持台の固定フランジへの着脱とは独立して加熱装置をラジアントチューブ内から着脱可能にし、ラジアントチューブを真空熱処理炉にシール状態としたまま加熱装置を外すことができるので、ガスバーナー、電気ヒータの故障、破損時において、炉の操業を止めないで、電気ヒータの修理、交換を可能となった。また、炉の温度を下げなくてもよいのでエネルギーが無駄にならない

さらに、請求項３に記載の発明においては、フランジの外周部及び上面と隙間に緩衝部材を挿入し、ラジアントチューブの動きを防止し、輸送時や地震等の振動によりすきま内で動かないようにしたので、輸送や取扱が容易になった。また、炉内での保守作業中にラジアントチューブに触れても破損しにくいものとなった。

また、請求項４に記載の発明においては、フランジの下面の固定フランジ取付面のみ機械加工仕上げし、ボルト取付穴及びフランジの上面は加工しないでよいので、セラミックス等の脆性材料へのボルト取付穴加工、Ｏリング溝加工、フランジ部の両面加工及び外周加工を回避し、加工も簡単で低コストのラジアントチューブとなった。

本発明の実施の形態を図面により説明する。図１は本発明の実施の形態を示す真空熱処理炉の断面図、図２は本発明の実施の形態を示す真空熱処理炉のラジアントチューブの取付部の断面図である。図１に示すように真空熱処理炉１の炉体２の内部２ａは酸化アルミナ系の断熱材２１で囲まれ、炉体下部の炉床上２ｂにトレイ又はバスケットに入れたワーク（被加熱物）２２が搬入される。ワーク２２の両側面２２ａ，２２ｂにあたる部分には炉体上部２ｃに取付けられた固定フランジ３の貫通穴３ｂからラジアントチューブ４が挿入配置されている。図２に示すように、炉体２と一体になっている固定フランジ３には中央に貫通穴３ｂが設けられ上面に取付面３ａが設けられている。取付面３ａにはＯリング溝３ｃが設けられ、Ｏリングの上側の一部が取付面より上側に突出するように密封用Ｏリング６（密封部材）がはめ込まれている。固定フランジ３は上下の二部品に分かれており、上側固定フランジ３ｅには水冷溝２３ａが設けられている。下側固定フランジ３ｄには水冷溝２３ａに沿ってＯリング溝３ｆ，３ｆが設けられＯリングの上側の一部が取付面より上側に突出するように水冷ジャケット用Ｏリング２４，２４がはめ込まれ、上側固定フランジと図示しないボルトにより固着されており、水冷ジャケット２３を形成する。Ｏリングの材質は耐熱、耐水性を有する合成ゴム系のものであり、例えばフッ素ゴムである。

固定フランジ３の貫通穴３ｂにラジアントチューブ４が挿入されている。ラジアントチューブ４は先端４ｂが閉塞され、長尺円筒状チューブの上部に円盤状のフランジ５が設けられている。フランジ５の下面５ｂは平滑な平面に加工され、固定フランジ３の取付面３ａに設けられた密封用Ｏリング６の上に載せられている。炉内２ａが大気圧下では密封用Ｏリング６はつぶれていない状態であるが、炉内の排気を開始し真空状態になるとラジアントチューブの内側断面積の大気圧分で密閉用Ｏリングがつぶれ、シールする。これによりラジアントチューブ４は特に取付け用のボルト類を使用しないで、置くだけでよい。また、密封用Ｏリング６は水冷ジャケット２３により冷却され、高温にならないようにされている。

ラジアントチューブ４の材質は加熱温度に耐えられるものなら、特に問題はないが気密性を有することが必要であり、例えば耐熱鋳鋼、耐熱ステンレス、非酸化物性セラミックス、酸化物性セラミックスといった材料である。フランジ５の外側の固定フランジ３の取付面３ａに支持台８が図示しないボルトで固定されている。支持台８の下端内部には逃げ部８ｃが設けられ、ラジアントチューブ４のフランジ５とは隙間９を有しており、干渉しないようにされている。支持台８の逃げ部８ｃとフランジ５は外周方向はわずかにすきまを設け、厚み方向は密封用Ｏリング６のつぶし代分にわずかのすきまを加えたすきまを設ける。逃げ部８ｃに続いて上部に貫通穴８ａが設けられている。この貫通穴８ａの径ｄはラジアントチューブ４のフランジ外径Ｄより小さくされており、フランジ５が上方に抜けないようにされており、支持台８を固定フランジ３から外さないとラジアントチューブが取り出せないようになっている。

電気ヒータ７は棒状の電気ヒータ本体（加熱部）７ａの端部に鍔７ｂが形成され、鍔の反ヒータ本体側に二個のヒータ端子７ｃ，７ｃが設けられ図示しない電源に接続されている。ヒータ本体７ａの外径ｄａは支持台８の貫通穴８ａ及びラジアントチューブ４のチューブ内径Ｄａより小さくされ、ラジアントチューブ内に挿入可能にされている。電気ヒータ７をラジアントチューブ内４ａに挿入して、前述した支持台８の貫通穴８ａの上部に形成された電気ヒータの鍔７ｂが当接する段部８ｄに鍔を当接させ、図示しないボルトで電気ヒータの鍔を押さえ板８ｅと段部８ｄとの間に挟持固定することにより、電気ヒータを支持台８で支持する。押さえ板８ｅを外すことにより電気ヒータ７をラジアントチューブ内４ａから取り出すことができる。従って、電気ヒータ７が故障又は破損といったトラブル時、炉内２ａの排気を続け押え板８ｅを外すことにより、電気ヒータ７を炉の操業を止めないで交換できる。

次に、本発明の他の実施の形態について説明する。図３は本発明の他の実施の形態を示す真空熱処理炉のラジアントチューブの取付部の部分断面図である。前述した図２とはほぼ同様であるので、同部品については同符号を付し説明の一部を省略する。図３に示すようにこのものは、図２に対してフランジ外周方向に弾性をもつ外周方向緩衝体１０、厚み方向部に弾性をもつ厚み方向緩衝体１１が設けられている。緩衝体１０，１１の材質は耐熱性及び弾力性のあるフッ素ゴム、石綿ガスケット等を使用すればよい。厚み方向緩衝体１１の厚み寸法は、密封用Ｏリング６がつぶされていない状態で支持部８の逃げ部８ｃの厚み方向高さよりフランジ厚み及び密封用Ｏリング６の飛び出し量を差し引いた値とほぼ等しくする。運搬時、メンテナンス時には緩衝体１０，１１等で固定され、真空排出時には密封用Ｏリング６がつぶれた状態で隙間ができるようにするのがよい。また、外周方向緩衝体１０の外径寸法は、支持部逃げ部８ｃの内径よりわずかに小さく、内径寸法はフランジ５の外径Ｄよりわずかに大きくして微少隙間を与え固定フランジ貫通穴３ｂとラジアントチューブ４の外径とが干渉しないようにする一方、わずかに動くようにして外力や温度による変形を防止する。

さらに、本発明の別の実施の形態について説明する。図４は本発明の別の実施の形態を示す真空熱処理炉のラジアントチューブの取付部の部分断面図である。前述した図２、３とはほぼ同様であるので、同部品については同符号を付し説明の一部を省略する。図４に示すようにこのものは、図３に対して密封用Ｏリング６をアセタール樹脂等の比較的高温に耐えかつ弾力性がある材質のカラー６ａに装着して、密封用Ｏリング６とカラー６ａとで密封部材６′としたものである。カラー６ａは固定フランジ３の取付面３ａに設けられた段部の上向き面３ｇとカラー用Ｏリング２５でシールされ、水冷ジャケット２３によりカラー６ａ及び密封用Ｏリング６が冷却される。従って、ラジアントチューブ４の材質がセラミックス等の脆性材質であっても、堅い固定フランジ３に対して弾力性があるカラー６ａで受けるようにされているので、炉体２にラジアントチューブを組み込む際に、衝撃による割れやチップを防止することができる。また、取扱が容易となる。

なお、前述した実施の形態においては、加熱装置７は電気ヒータの場合について述べたが、燃焼ガスの場合も同様であることはいうまでもない。

本発明の実施の形態を示す真空熱処理炉の断面図である。本発明の実施の形態を示す真空熱処理炉のラジアントチューブの取付部の断面図である。本発明の他の実施の形態を示す真空熱処理炉のラジアントチューブの取付部の部分断面図である。本発明の別の実施の形態を示す真空熱処理炉のラジアントチューブの取付部の部分断面図である。

符号の説明

１真空熱処理炉
２炉体
２ａ炉体内部
３、３ｄ、３ｅ固定フランジ
３ａ固定フランジの取付面
４ラジアントチューブ
４ａラジアントチューブ内
５フランジ
５ａフランジの上面
５ｂフランジの下面
５ｄフランジの外周部
６密封部材（密封用Ｏリング）
６′ 密封部材
６ｂカラー
７加熱装置（電気ヒータ、燃焼ガス）
７ａ加熱部（電気ヒータ本体）
８支持台
８ａ（支持台の）貫通穴
８ｂ支持部
８ｃ逃げ部
９隙間
１０、１１緩衝体
ｄ支持部貫通穴内径
Ｄフランジ外径

Claims

真空雰囲気内で被処理物の加熱処理を行う真空熱処理炉の炉体に設けられ炉体内部に貫通する貫通穴を備えた上向きに取付面を有する固定フランジと、前記固定フランジの貫通穴に挿入され一端が閉塞され他端が開口し前記開口側に円盤状のフランジを有するラジアントチューブと、前記ラジアントチューブ内に挿入された加熱装置と、前記加熱装置を支持する支持台と、を有する真空熱処理炉において、前記ラジアントチューブは前記フランジの下面が前記固定フランジの取付面に密封部材を介して載置されており、前記支持台は、前記固定フランジに固定され、前記支持台には、前記固定フランジ側より、前記フランジの外周部及び上面と隙間を有するようにされた逃げ部と、前記加熱装置の加熱部が貫通可能にされかつ前記フランジ外径より小さくされた貫通穴と、前記加熱装置を支持する支持部と、が順次設けられていることを特徴とする真空熱処理炉。
前記支持台の支持部は、前記支持台の前記固定フランジへの着脱とは独立して前記加熱装置を前記支持部及び前記ラジアントチューブ内から着脱可能にされていることを特徴とする請求項１に記載の真空熱処理炉。
前記隙間に緩衝部材が挿入されていることを特徴とする請求項１又は２記載の真空熱処理炉。
前記フランジの下面の前記固定フランジ取付面に当接する部分のみが機械加工仕上げされていることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の真空熱処理炉。