JP4247736B2

JP4247736B2 - 輻射管式真空炉

Info

Publication number: JP4247736B2
Application number: JP2003008347A
Authority: JP
Inventors: 和彦勝俣
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2003-01-16
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2023-01-16
Also published as: JP2004218978A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、輻射管を用いて被処理品を加熱する輻射管式真空炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空炉は、内部を減圧した後、不活性ガス等を再充填して被処理品を熱処理する熱処理炉である。真空炉は、加熱後に炉内及び処理品についた水分等がガス化した後に再度減圧し、不活性ガス等を再充填することで、水分を完全に除去できるため、水分による色付きのない熱処理（例えば焼戻し処理）ができる利点がある。
【０００３】
真空炉は、熱源として電気ヒータを用いる「抵抗加熱式」と、熱源として輻射管（ラジアントヒート）を用いる「輻射管式」とに大別される。抵抗加熱式真空炉は、ヒータの配置が自由であり、温度分布調整が行いやすいため、温度分布精度の厳しい焼戻し用として従来から広く用いられている。しかし、抵抗加熱式真空炉は、電力消費量が大きくランニングコストが嵩む問題点がある。そこで、ランニングコストの低い輻射管式真空炉により、温度分布精度の厳しい焼戻しを行うことが要望されていた。
【０００４】
この要望を満たすために、例えば［特許文献１］［特許文献２］が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１４２０６０号公報
【特許文献２】
特開２００１−２６３９５７号公報
【０００６】
［特許文献１］の「雰囲気循環式熱処理炉」は、図５に示すように、炉内天井部に設けた循環ファン１１７と炉内に設けたバッフル１１３により雰囲気循環路１１６を形成し、循環ファンの下方にドーナツ状の邪魔板１２０を配設するとともに、この邪魔板の下方にバッフル内を上下に区画する多孔板１２４を設け、炉内雰囲気を多孔板を介して下方に噴出させて処理材Ｗを熱処理したのちバッフル側板下方から前記雰囲気循環路に循環させる雰囲気循環式熱処理炉において、前記循環雰囲気通路を形成するバッフル側板１１４の前記循環雰囲気通路を形成するバッフル側板１１４の前記循環ファンの真横下部に平板状の邪魔板１１４ａを下方に突設し、この部分で雰囲気の流れを分散して炉巾方向においてほぼ均一の流量としたものである。
【０００７】
［特許文献２］の「真空炉」は、図６に示すように、真空チャンバー２１２内に断熱壁２１４で囲まれた処理室２１６を設け、該処理室２１６に装入される処理品２１８と断熱壁２１４との間にラジアントチューブヒータ２３４を配設した真空炉において、前記処理品２１８とラジアントチューブヒータ２３４との間に、処理品２１８の均一な温度分布を向上させる伝熱板２３６を配置したものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１の装置では、多孔板１２４の直下ではほぼ均一の流量分布となるが、ガス温度を均一化する手段はなく、多孔板直下の温度分布も不均一となる。また、処理材Ｗの熱処理した後の流量分布は温度も流量分布も不均一となる。そのため、対流加熱により処理材全体を均一に加熱／熱処理することが困難であり、温度分布精度の厳しい焼戻し用には適用できなかった。
【０００９】
また、特許文献２の装置では、伝熱板２３６により処理品２１８の側面は輻射加熱により均一加熱できるが、流量分布は不均一であり処理品２１８全体を対流加熱することは困難であった。
【００１０】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、対流加熱と輻射加熱の両方を併用し、被処理材全体を均一に加熱／熱処理することができる輻射管式真空炉を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、被処理品を静置する加熱領域を囲みその内側に上下方向に断面一定の流路を形成する複数の整流パネルと、該整流パネルを間隔を隔てて囲み上下方向の流路を形成する内壁と、整流パネルの上方に設置され整流パネルの内側を上昇する上昇ガス流とその外側を下降する下降ガス流を形成する循環ファンと、前記整流パネルの上端及び下端を塞ぎ前記上昇ガス流の速度分布を均一化させ前記加熱領域を上下に挟む上下の整流器と、整流パネルと内壁との間に位置し前記下降ガス流を対流加熱しかつ整流パネルを輻射加熱する輻射管と、を備え、前記輻射管の内部には燃焼ガスが流れるようになっており、前記整流パネルは熱伝導性を有し、前記循環ファンにより前記上昇ガスと前記下降ガス流とからなる循環ガス流が形成され、前記整流パネルは前記循環ガス流に接するようになっており、下側の前記整流器は、上流側の均等分配部と下流側の整流部とからなり、前記均等分配部は、流速の均等分配化を図るために前記上昇ガス流に直交する方向に均等に配置された複数の貫通孔を有し、前記整流部は、前記均等分配部を通過した上昇ガス流の流れ方向を整流する複数の整流フィンからなり、下側の前記整流器において、前記均等分配部の一方側の面は前記加熱領域の側を向き、前記均等分配部の他方側の面は前記加熱領域とは反対側を向いており、前記均等分配部と前記整流部とは前記上昇ガス流の流れ方向に空間を介して隔てられており、前記複数の貫通孔を通過した前記上昇ガス流は、前記空間で合流した後に前記複数の整流フィンを通過するように、下側の前記整流器が構成されている、ことを特徴とする輻射管式真空炉が提供される。
【００１２】
上記本発明の構成によれば、複数の整流パネルにより被処理品を静置する加熱領域を囲み、その内側に上下方向に断面一定の流路を形成するので、加熱領域を通過するガス流の速度変化を最少限度に抑えることができる。
また、内壁により整流パネルを間隔を隔てて囲み、上下方向の流路を形成するので、整流パネルの上方に設置された循環ファンにより、整流パネルの内側を上昇する上昇ガス流とその外側を下降する下降ガス流を形成して加熱領域を循環する循環ガス流を形成することができる。
【００１３】
更に、整流パネルの上端及び下端を塞ぐ上下の整流器により、整流パネルの内側を上昇する上昇ガス流の速度分布を均一化させることができる。
また、整流パネルと内壁との間に位置する輻射管により、整流パネルの外側を下降する下降ガス流を対流加熱するので、下側の整流器に流入するガスの温度を均一化し、対流加熱により被処理材全体を均一に加熱／熱処理することができる。
更に、輻射管により整流パネルを輻射加熱するので、加熱された整流パネルを介して被処理品の外周部を輻射加熱することができ、外周部の温度低下を抑制することができる。
【００１５】
また、複数の貫通孔により流速分布を均等化し、複数の整流フィンによりガス流の流れ方向を均等化できる。
【００１６】
また、一対の前記整流パネルは、前記加熱領域を間に挟んで対向するように設けられ、前記均等分配部より熱伝導率の高い熱伝導板からなり、
前記輻射管は、該熱伝導板を均等に輻射加熱するように熱伝導板に沿って延びるＵ型輻射管又はＷ型輻射管である。
【００１７】
均等分配部より熱伝導率の高い熱伝導板で整流パネルを構成することにより、Ｕ型輻射管又はＷ型輻射管による輻射加熱のアンバランスを面内の熱伝導で均温化することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１９】
図１は、本発明による輻射管式真空炉の全体構成図である。この図において、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）はそのＢ-Ｂ断面図である。
【００２０】
この図に示すように、本発明の輻射管式真空炉１０は、複数の整流パネル１２、内壁１４、及び外壁１５を備える。
複数（例えば４枚）の整流パネル１２は、被処理品１を静置する加熱領域１１を囲み、その内側に上下方向に断面一定の流路を形成する。被処理品１は、例えばジェットエンジンの動翼、静翼、ボルト等の小型金属部品であり、トレーやバスケット内に収容し、所定の加熱領域１１に静置する。
【００２１】
図１Ａ，Ｂに示すように、この例では、１対（２枚）の整流パネル１２と、装入・取出ドア１３、及び背面内壁１４ａで加熱領域１１が構成されている。またこの例で、１対（２枚）の整流パネル１２は、均等分配部１８ａより広くかつ熱伝導率の高い熱伝導板（例えば、金属板、グラファイト板）からなり、輻射加熱のアンバランスを面内の熱伝導で均温化するようになっている。
【００２２】
真空炉の内壁１４は、整流パネル１２を水平方向に間隔を隔てて囲み、その隙間に上下方向の流路を形成する。真空炉の外壁１５は、気密容器であり、排気管１５ａを介して内部を真空に減圧し、かつ図示しない管路から内部に不活性ガス（アルゴン、ヘリウム、窒素等）を充填できるようになっている。内壁１４と外壁１５の間には、断熱材１７が充填され放熱を低減している。
【００２３】
図２は、図１Ａの拡大図である。この図に示すように、本発明の輻射管式真空炉１０は、更に、循環ファン１６、上下の整流器１８及び輻射管２０を備える。
循環ファン１６は、整流パネル１２の上方の空間内に設置され、その部分のガスを上向きに吸引し、これにより、整流パネル１２の内側を上昇する上昇ガス流２と、その外側（整流パネル１２と内壁１４の隙間）を下降する下降ガス流３を形成する。
２１の冷却用熱交換器は、加熱・熱処理温度保持後に処理品及び炉内温度を冷やす際に、循環ガス流の発生している部位に移動させて循環ガス温度を下げることで、結果として処理品及び炉内温度を下げる。
図１Ｂに示すように、循環ファン１６は、外部に設置された循環ファンモータ１６ａによりベルト等を介して回転駆動するようになっている。
【００２４】
図３は、整流器の構成図である。上下の整流器１８は、整流パネル１２の上端及び下端を塞ぎ、かつ整流パネル１２の内側を上昇する上昇ガス流２の速度分布を均一化させる機能を有する。
【００２５】
図３に示すように、下側の整流器１８は、上流側（図で下側）の均等分配部１８ａと、下流側（図で上側）の整流部１８ｂとからなる。
均等分配部１８ａは、上昇ガス流２に直交する方向（この例で水平方向）に均等に配置された複数の圧損発生手段１９ａを有する。圧損発生手段１９ａは、貫通孔であり、流路抵抗をつけることにより流速の均等分配化を図るようになっている。流路抵抗（圧損）は、上昇ガス流２の全圧損に占める割合が高いほど均等分配化の効果が高く、好ましくは上下の圧損発生手段１９ａの流路抵抗（圧損）を上昇ガス流２の全圧損の１／２以上に設定する。
【００２６】
整流部１８ｂは、格子状に配列した複数の整流フィン１９ｂからなり、均等分配部１８ａを通過した上昇ガス流２の流れ方向を整流し、流れ方向を均等化する。
【００２７】
輻射管２０は、整流パネル１２と内壁１４との間に位置し、整流パネル１２と内壁１４の隙間を下降する下降ガス流３を対流加熱し、かつ整流パネルを輻射加熱する機能を有する。
【００２８】
この例において、加熱領域１１を間に挟んで対向する１対の整流パネル１２は、均等分配部１８ａより広く、かつ熱伝導率の高い熱伝導板からなる。また輻射管２０は、熱伝導板１２（整流パネル）を均等に輻射加熱するように熱伝導板に沿って延びるＷ型輻射管である。なお、輻射管２０は、Ｕ型輻射管でもよく、その他の形態でもよい。
輻射管２０は、その一端から高温の燃焼ガスが流入し、他端から燃焼ガスを排気し、輻射管を内面から加熱する。下降ガス流３は輻射管２０の外面に接触して加熱され高温となり、加熱領域１１において被処理品１を対流加熱する。また高温となった輻射管２０は、熱伝導板１２の外面を輻射加熱する。
【００２９】
図４は、熱伝導板と輻射管との関係を示す図である。この図に示すように、均等分配部１８ａより広く、かつ熱伝導率の高い熱伝導板１２で整流パネル１２を構成することにより、Ｕ型輻射管又はＷ型輻射管による輻射加熱のアンバランスを面内の熱伝導で均温化するようになっている。
【００３０】
上述したように、本発明では加熱手段として、対流加熱と輻射加熱の両方を併用する。また、主加熱を対流加熱とし、輻射加熱を補助的に用いて流速分布と温度分布の両方を均一化する。
処理品の有効加熱帯における温度分布の精度を向上させるために、ガス流分布の均一化を図る。そのために上下の整流器１８と、側面パネル１２を用いる。
上下の整流器１８は、ガスの吐出側（処理品に対して下側）とガス吸入側（処理品に対して上側）に整流器を取り付ける。
下側の整流器１８は、流れ方向の上流側の均等分配部１８ａと、その下流の整流部１８ｂからなる。
【００３１】
均等分配部１８ａは、例えばほぼ均等に穴開けされたパンチングメタルであり、このパンチングメタルによる吐出側の上流と下流側との間に圧損（ガス流抵抗）を生じさせ、どの穴からもほぼ均等のガス量を得る。ただしこれだけでは、対流ガスのベクトルの進行方向が乱れているために、下流側の整流部１８ｂ（例えば格子板）によりガス流の流れ方向を安定化させる。
【００３２】
また、入口側だけの調整ではガス流の途中から乱れが生じてしまう。例えば、ファンの吸込み口があるとガス流はそこに向かってしまう。そのために有効加熱帯の一部に不均一を生じてしまうおそれがあるため、ガス吸入側にも整流器を設けることで有効加熱帯のガス流を安定化させる。
【００３３】
さらに副加熱の輻射加熱の不均一化を緩和するために輻射管による直接加熱でなしにガス流の流れを整流化する側面パネル（以下、側面整流板）を暖めることで輻射管の部位による温度の不均一を緩和する。輻射管の部位による温度の不均一があっても側面整流板は熱伝導により板全体に熱が伝わりかつ対流ガスにより側面整流板の熱も奪っていくために一層の温度不均一化を緩和する。いわば側面整流板は緩衝材的な役割を果たす。以上により温度分布精度を向上させるようになっている。
なお、ガスの吐出側の均等分配部で意図的に偏った流れを作ることも可能である。例えば中心にガスを流したくない場合には中心の穴を塞ぐ、等の処置がとれる。
【００３４】
上述した本発明の構成によれば、複数の整流パネル１２により被処理品１を静置する加熱領域１１を囲み、その内側に上下方向に断面一定の流路を形成するので、加熱領域１１を通過するガス流の速度変化を最少限度に抑えることができる。
また、内壁１４により整流パネル１２を間隔を隔てて囲み、上下方向の流路を形成するので、整流パネルの上方に設置された循環ファン１６により、整流パネルの内側を上昇する上昇ガス流２とその外側を下降する下降ガス流３を形成して加熱領域１１を循環する循環ガス流を形成することができる。
【００３５】
更に、整流パネルの上端及び下端を塞ぐ上下の整流器１８により、整流パネルの内側を上昇する上昇ガス流２の速度分布を均一化させることができる。
また、整流パネルと内壁との間に位置する輻射管２０により、整流パネル１２の外側を下降する下降ガス流３を対流加熱するので、下側の整流器１８に流入するガスの温度を均一化し、対流加熱により被処理材全体を均一に加熱／熱処理することができる。
更に、輻射管２０により整流パネル１２を輻射加熱するので、加熱された整流パネル１２を介して被処理品１の外周部を輻射加熱することができ、外周部の温度低下を抑制することができる。
【００３６】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで自由に変更することができることは勿論である。
【００３７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の輻射管式真空炉は、対流加熱と輻射加熱の両方を併用し、被処理材全体を均一に加熱／熱処理することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による輻射管式真空炉の全体構成図である。
【図２】図１Ａの拡大図である。
【図３】下側の整流器の構成図である。
【図４】熱伝導板と輻射管との関係を示す図である。
【図５】従来の輻射管式真空炉の構成図である。
【図６】従来の別の輻射管式真空炉の構成図である。
【符号の説明】
１被処理品、２上昇ガス流、３下降ガス流、
１０輻射管式真空炉、１１加熱領域、
１２整流パネル（熱伝導板）、１４内壁、
１５外壁、１５ａ排気管、
１６循環ファン、１６ａ循環ファンモータ、
１７断熱材、１８整流器、
１８ａ均等分配部（パンチングメタル）、１８ｂ整流部、
１９ａ圧損発生手段（貫通孔）、１９ｂ整流フィン、
２０輻射管（Ｕ型輻射管又はＷ型輻射管）、
２１冷却用熱交換器

Claims

被処理品を静置する加熱領域を囲みその内側に上下方向に断面一定の流路を形成する複数の整流パネルと、該整流パネルを間隔を隔てて囲み上下方向の流路を形成する内壁と、整流パネルの上方に設置され整流パネルの内側を上昇する上昇ガス流とその外側を下降する下降ガス流を形成する循環ファンと、前記整流パネルの上端及び下端を塞ぎ前記上昇ガス流の速度分布を均一化させ前記加熱領域を上下に挟む上下の整流器と、整流パネルと内壁との間に位置し前記下降ガス流を対流加熱しかつ整流パネルを輻射加熱する輻射管と、を備え、
前記輻射管の内部には燃焼ガスが流れるようになっており、前記整流パネルは熱伝導性を有し、前記循環ファンにより前記上昇ガスと前記下降ガス流とからなる循環ガス流が形成され、前記整流パネルは前記循環ガス流に接するようになっており、
下側の前記整流器は、上流側の均等分配部と下流側の整流部とからなり、
前記均等分配部は、流速の均等分配化を図るために前記上昇ガス流に直交する方向に均等に配置された複数の貫通孔を有し、前記整流部は、前記均等分配部を通過した上昇ガス流の流れ方向を整流する複数の整流フィンからなり、
下側の前記整流器において、前記均等分配部の一方側の面は前記加熱領域の側を向き、前記均等分配部の他方側の面は前記加熱領域とは反対側を向いており、
前記均等分配部と前記整流部とは前記上昇ガス流の流れ方向に空間を介して隔てられており、前記複数の貫通孔を通過した前記上昇ガス流は、前記空間で合流した後に前記複数の整流フィンを通過するように、下側の前記整流器が構成されている、ことを特徴とする輻射管式真空炉。
前記下降ガス流は、前記内壁により形成される前記上下方向の前記流路を下降し、
該流路を形成する前記内壁は、前記輻射管の上下方向に延びる部分および前記整流パネルと平行である、ことを特徴とする請求項１に記載の輻射管式真空炉。