JP4755525B2 - 熱重量測定装置 - Google Patents

Description

この発明は、被処理物の加熱中の重量を測定器によって測定し、加熱後の被処理物を焼入することができるようにした熱重量測定装置に関する。

被処理物に対する熱処理の内容を決定するために、熱処理の前後における被処理物の重量が実験的に測定される。この実験には、熱重量測定装置が用いられる。被処理物に対する熱処理として、化学的に活性な反応ガスを炉内に導入して被処理物を加熱する浸炭、浸炭窒化、窒化等の処理がある。

反応ガス中での熱処理時に被処理物の重量を測定する場合、測定器が熱及び反応ガスに晒されると、故障や腐食を生じる。

そこで、従来の熱重量測定装置では、被処理物を収納するとともに反応ガスが導入される密閉容器の重量を測定器で測定するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。この装置では、密閉容器自体で密閉容器と測定器とが隔絶され、測定器は熱及び反応ガスに晒されることはない。

特開昭５９−５４９４４号公報

しかしながら、被処理物には加熱中の重量を測定した後、引き続いて焼入すると非常に好都合な場合もあるが、特許文献１に示した従来の熱重量測定装置では、被処理物を密閉容器内に収納しているため、加熱後の被処理物を焼入することができない問題がある。

この発明の目的は、加熱中の被処理物の重量を直接測定した後に、被処理物を焼入することができる熱重量測定装置を提供することにある。

この発明の熱処理炉装置は、測定器、測定器室、装入室、処理室、加熱室、取出室を備えている。測定器は、本体、本体から垂下した測定用ワイヤ、上端部が測定用ワイヤの下端に回転自在に取り付けられるとともに下端部に掛止部を備えたフック、上端が掛止部に係止されて下端に被処理物が装着される装着用ワイヤを含み、測定用ワイヤに作用する被処理物の重量を測定する。測定器室は、測定器を収納するとともに、測定用ワイヤが下面を貫通する。装入室は、測定器室の下方に位置し、開閉扉及び操作部材を備えており、測定用ワイヤが上面を貫通するとともに装着用ワイヤが下面を貫通し、内部にフックが非接触状態で位置する。処理室は、装入室の下面から装入室の内部に連通した上端を装着用ワイヤが貫通するとともに、内部の中間部分に被処理物が非接触状態で位置する。加熱室は、処理室の外周部の中間部分に対向したヒータを収納する。取出室は、上面で処理室の下端と連通し、内部に焼入油を貯留している。操作部材は、動作時にフックを揺動させて掛止部における装着用ワイヤの上端部の係止を解除する。

この構成では、処理室の内部に収納された被処理物をヒータによって加熱した後に操作部材を動作させると、フックが揺動して掛止部における装着用ワイヤの上端部の係止が解除され、装着用ワイヤは被処理物とともに下方に落下する。被処理物が収納されている処理室の下端は、焼入油を貯留した取出室の内部に連通している。処理室の中間部分から落下した被処理物は、焼入油に浸漬されて焼入される。

また、操作部材は、動作時にフックの中間部に当接するものとすることができる。

この構成では、操作部材を動作させるとフックの中間部に当接し、フックは上端部を支点に揺動し、掛止部における装着用ワイヤの上端部の係止が確実に解除される。

さらに、取出室は、底部に緩衝部材を備えたものとすることができる。

この構成では、取出室内に落下した被処理物が緩衝部材に衝突する。落下による衝撃が緩衝部材によって吸収され、被処理物に損傷を与えることがない。

この発明の熱重量測定装置によれば、処理室の内部に収納された被処理物をヒータによって加熱した後に操作部材を動作させることにより、フックを揺動させて掛止部における装着用ワイヤの上端部の係止を解除し、装着用ワイヤを被処理物とともに下方に落下させ、取出室に貯留された焼入油によって被処理物を確実に焼入することができる。

図１は、この発明の実施形態に係る熱重量測定装置１０の構成を示す概略の断面図である。熱重量測定装置１０は、測定器１、測定器室２、装入室３、処理管４、加熱室５、取出室６、フレーム７を備えている。

フレーム７の上面に測定器室２が支持、固定されており、フレーム７の下面に取出室６が固定されている。フレーム７の内側で測定器室２の下面に装入室３の上面が気密状態で固定されている。装入室３の下面には処理管４の上端が気密状態で固定されている。処理管４の下端は、取出室６の上面に気密状態で固定されている。加熱室５は、断熱層５Ａの内周表面にヒータ８が設けられており、処理管４の周面の中間部に対向する位置でフレーム７に固定されている。
フレーム７によって、測定器室２、装入室３、処理管４、取出室６が、上下方向にこの順に配置されている。

熱重量測定装置１０は、また、測定器室用ガス導入手段である不活性ガス供給源２１及びバルブ２２、装入室用ガス導入手段である反応ガス供給源３１及びバルブ３２、装入室用排出手段である真空ポンプ３４及びバルブ３３、処理管用ガス導入手段である反応ガス供給源４１及びバルブ４２、処理管用排出手段である真空ポンプ４４及びバルブ４３、加熱室用ガス導入手段である不活性ガス供給源５１及びバルブ５２を備えている。

熱重量測定装置１０は、さらに、第１の遮熱板９Ａ及び第２の遮熱板９Ｂを備えている。

測定器１は、本体１１、測定用ワイヤ１２、フック１３、装着用ワイヤ１４を含む。測定用ワイヤ１２は、本体１１から垂下している。フック１３は、測定用ワイヤ１２の下端に取り付けられている。装着用ワイヤ１４は、上端がフック１３に着脱自在に係止されて下端に被処理物２０が装着される。本体１１には、測定用ワイヤ１２に作用する被処理物２０の重量を測定する機器が収納されている。

測定器室２は、水冷ジャケット構造とされ、測定器１の本体１１を収納するとともに測定用ワイヤ１２が下面を貫通する。不活性ガス供給源２１は、バルブ２２を介して測定器室２内に不活性ガスを導入する。

装入室３は、開閉扉３Ａを備え、測定用ワイヤ１２が上面を貫通し、フック１３を非接触状態にして収納する。この構造により、被処理物２０の装着が容易に行える。反応ガス供給源３１は、バルブ３２を介して装入室３内に反応ガスを導入する。真空ポンプ３４は、バルブ３３を介して装入室３内の気体を排出する。

処理管４は、この発明の処理室に相当するものであり、一例として、上下端が開放した石英管又は耐熱鋼管である。処理管４の上端は、装入室３内に連通している。処理管４の下端は、取出室６内に連通している。処理管４内には、上端から装着用ワイヤ１４が挿入されており、中間部に被処理物２０を非接触状態にして収納する。なお、この発明の処理室は、管状に限定されるものではなく、被処理物２０を非接触状態にして収納できるものであれば形状を問わない。

反応ガス供給源４１は、バルブ４２を介して処理管４の下端から処理管４内に反応ガスを導入する。真空ポンプ４４は、バルブ４３を介して処理管４の下端から処理管４内の気体を排出する。反応ガス供給源４１によって処理管４内に導入される反応ガス、及び、真空ポンプ４４によって処理管４内から排出される気体は、取出室６内を経由する。

加熱室５は、断熱層５Ａによって断熱構造とされ、処理管４の周面の中間部分に対向したヒータ８を収納する。不活性ガス供給源５１は、バルブ５２を介して加熱室５に不活性ガスを導入する。

不活性ガス供給源２１及び不活性ガス供給源５１が導入する不活性ガスは、一例として、窒素ガスである。反応ガス供給源３１及び反応ガス供給源４１が導入する反応ガスは、一例として、被処理物２０の浸炭や窒化に使用される炭化水素ガス、ＲＸガス、アルコール蒸気、アンモニアガス等、又はこれらを任意に組み合わせたガスである。

取出室６は、上面において処理管４の下端に連通しており、内部に焼入油を貯留している。取出室６の上部には、遮熱シャッタ６Ａが設けられている。遮熱シャッタ６Ａは、処理管４の下端部を閉鎖する位置と開放する位置（図１中に符号６ａ′で示す。）との間に移動自在にされている。

測定器室２、装入室３、処理管４、取出室６は、測定用ワイヤ１２及び装着用ワイヤ１４を中心にして上下方向に配置されている。被処理物２０が処理管４内の中間部分に配置された状態で、測定用ワイヤ１２、フック１３、装着用ワイヤ１４及び被処理物２０は、測定器室２、装入室３及び処理管４のいずれにも接触しない。

第１の遮熱板９Ａは、測定器室２の下面と装入室３の上面との間に配置されている。第２の遮熱板９Ｂは、装入室３の下面からヒータ５の上端までの範囲における処理管４の内部の全体に配置されている。但し、必ずしもこの範囲の全体に配置する必要はなく、少なくともこの範囲の一部に配置されていればよい。処理管４は、加熱室５内で断熱層５Ａを貫通しており、少なくとも加熱室５の内部で処理管４が上部の断熱層５Ａを貫通している部分には、第２の遮熱板９Ｂを配置してもよい。

なお、これらの遮蔽板は、使用個所の温度条件により、ステンレス板、耐熱鋼板、インコネル板等の材料が適宜選択して用いられる。

不活性ガス供給源２１は、バルブ２２を介して測定器室１の内部に連通している。反応ガス供給源３１は、バルブ３２を介して、装入室３の内部に連通している。真空ポンプ３４は、バルブ３３を介して装入室３の内部に連通している。反応ガス供給源４１は、バルブ４２及び取出室６を介して処理管４の内部に連通している。真空ポンプ４４は、バルブ４３及び取出室６を介して処理管４の内部に連通している。不活性ガス供給源５１は、バルブ５２を介して加熱室５内のヒータ８と処理管４との間の空間に連通している。

図２及び図３は、熱重量測定装置１０のガス浸炭処理時の使用状態の一例を示す図である。ガス浸炭処理では、キャリアガスであるＲＸガスに少量の炭化水素ガスをエンリッチガスとして添加したガスを反応ガスとして用いる。この処理は、略大気圧で行われるため、真空ポンプ３４，４４は使用しない。排気系ダクト（常時負圧を供給する。）がこれに代わる。

この処理において、不活性ガスとしての窒素ガスは、反応ガスの測定器室２への流入を防止するとともに測定器１を補助的に冷却する第１の目的、昇温時に被処理物２０を保護する第２の目的、及び、反応ガスをパージ（掃出）する第３の目的を有する。

窒素ガスは測定器室２から供給し、反応ガスは処理管４の下端から供給する。窒素ガスの第２及び第３の目的を達成するためには、窒素ガスを測定器室２から供給する必要はなく、処理管４内に他の位置から別途供給することもできる。

窒素ガスを処理管４内に流入させる際には、処理管４の下方から排気する。反応ガスを処理管４内に流入させる際には、処理管４の上方から排気する。

具体的には、先ず、常温で、装入室３の開閉扉３Ａを開いて下端に被処理物２０を装着した装着用ワイヤ１４の上端をフック１３に係止し、開閉扉３Ａを閉じる。次いで、図２に示すように、測定器室２に不活性ガス供給源２１からバルブ２２を介して窒素ガスを供給するとともに、処理管４内の気体をバルブ４３を介して排出する。また、加熱室５内に、不活性ガス供給源５１からバルブ５２を介して窒素ガスを導入する。

この状態で、ヒータ８をオンし、処理管４内を８００℃まで昇温する。この後、図３に示すように、反応ガス供給源４１からバルブ４２を介して処理管４内にＲＸガスを供給するとともに、処理管４内の気体をバルブ３３を介して排出する。

この状態で、ヒータ８によって処理管４内を９３０℃まで昇温し、第１の所定時間にわたって炭化水素ガスをＲＸガスに添加して反応ガス供給源４１からバルブ４２を介して処理管４内に供給する（浸炭工程）。第１の所定時間が経過すると、炭化水素ガスの添加を停止して第２の所定時間にわたって保持した後（拡散工程）、焼入温度である８５０℃まで降温して第３の所定時間にわたって保持する（均熱工程）。

第３の所定時間が経過すると、遮熱シャッタ６Ａを開いて被処理物２０を取出室６内の焼入油内に落下させる（焼入工程）。ここで、ＲＸガスの供給を停止してヒータ８をオフし、バルブ４３を介して処理管４内を排気する。所定の冷却時間が経過した後、取出室６から被処理物２０を取り出す。

取出室６から供給された反応ガスが処理管４内を経由して装入室３から排気される間に、測定器室２には不活性ガスが導入されているため、反応ガスが測定器室２内に流入することはない。測定器室２内に収納された測定器１は、反応ガスに晒されて腐食することがなく、反応ガスから生成する煤によって汚損することもない。また、ヒータ８によって加熱された処理管４の熱は、遮熱板９Ａ，９Ｂによって遮蔽され、上方の測定器室２に伝導及び輻射することがない。このため、測定器室２内に収納された測定器１は、高温に晒されて故障することがない。

図４〜図７は、熱重量測定装置１０の真空浸炭処理時の使用状態の一例を示す図である。真空浸炭処理時には、一般に、反応ガスとして炭化水素ガスのみを用い、キャリアガスとしてのＲＸガスを使用しない。この処理では、真空ポンプ３４，４４を使用する。第２の使用状態では、処理管４内に下端から反応ガスを導入する。

この処理において、不活性ガスとしての窒素ガスは、反応ガスの測定器室２への流入を防止するとともに測定器１を補助的に冷却する第１の目的、被処理物２０を急冷する第２の目的、及び、処理管４内の圧力を復元する第３の目的を有する。

窒素ガスは測定器室２から供給し、反応ガスは処理管４の下端から供給する。窒素ガスの第２及び第３の目的を達成するためには、窒素ガスを測定器室２から供給する必要はなく、処理管４内に他の位置から別途供給することもできる。

反応ガスの供給中は処理管４の上方から排気し、急冷時にのみ処理管４の下方から排気する。

具体的には、先ず、常温で、装入室３の開閉扉３Ａを開いて下端に被処理物２０を装着した装着用ワイヤ１４の上端をフック１３に係止し、開閉扉３Ａを閉じる。次いで、図４に示すように、測定器室２に不活性ガス供給源２１からバルブ２２を介して少量の窒素ガスを供給しつつ、バルブ４３を介して真空ポンプ４４によって排気し、処理管４内を所定圧力に減圧する。少量の窒素ガスの供給は省略することもできる。また、加熱室５内に、不活性ガス供給源５１からバルブ５２を介して窒素ガスを導入する。

この状態で、ヒータ８をオンし、処理管４内を１０００℃まで昇温する。次に、バルブ３３を介して真空ポンプによって排気し、さらにバルブ４３を閉じて真空排気系の切換を行う。この後、図５に示すように、第１の所定時間にわたって処理管４内に反応ガス供給源４１からバルブ４２を介して炭化水素ガスを供給しつつ、バルブ３３を介して真空ポンプ３４によって排気し、処理管４内を第２の所定圧力にする（浸炭工程）。炭化水素ガスは、連続して又は間欠的に供給することができる。

第１の所定時間が経過すると、炭化水素ガスの供給を停止し、第２の所定時間にわたって保持する（拡散工程）。第２の所定時間が経過すると、バルブ４３を介して真空ポンプ４４によって処理管４内を排気し、さらにバルブ３３を閉じて真空排気系の切換を行う。次いで、ヒータ８をオフし、図６に示すように、不活性ガス供給源２１からバルブ２２を介して多量の窒素ガスを供給し、被処理物２０を急冷する（ガス冷却工程）。

さらに、図７に示すように、不活性ガス供給源２１からの窒素ガスの供給量を元の状態に戻し、上記と同様に真空排気系の切換を行って、バルブ３３を介して真空ポンプ３４によって処理管４内を排気する。この後、再度ヒータ８をオンして処理管４内を所定の焼入温度（８５０度）まで昇温し、第３の所定時間にわたって保持する（均熱工程）。

第３の所定時間が経過すると、遮熱シャッタ６Ａを開き、被処理物２０を取出室６内の焼入油内に落下させる（焼入工程）。ここで、ヒータ８をオフして充分に降温させた後、真空ポンプ３４による真空排気を停止し、大気圧まで復圧した後に不活性ガス供給源２１からの窒素ガスの供給も停止する。所定の冷却時間が経過した後、取出室６から被処理物２０を取り出す。

取出室６から供給された反応ガスが処理管４内を経由して装入室３から排気される間に、測定器室２には不活性ガスが導入されているため、反応ガスが測定器室２内に流入することはない。測定器室２内に収納された測定器１は、反応ガスに晒されて腐食することがなく、反応ガスから生成する煤によって汚損することもない。また、ヒータ８によって加熱された処理管４の熱は、遮熱板９Ａ，９Ｂによって遮蔽され、上方の測定器室２に伝導及び輻射することがない。このため、測定器室２内に収納された測定器１は、高温に晒されて故障することがない。

上記ガス浸炭処理及び真空浸炭処理の何れにおいても、最上部に位置する測定器室２に収納された測定器１の本体１１から垂下した測定用ワイヤ１２に、フック１３及び装着用ワイヤ１４を介して吊り下げられた被処理物２０に対する浸炭処理が施される。この浸炭処理中に、測定用ワイヤ１２、フック１３、装着用ワイヤ１４及び被処理物２０は、測定器室２、装入室３及び処理管４のいずれにも被触しない。測定器１は、浸炭処理の開始から終了までの間に測定用ワイヤ１２に作用する被処理物２０の重量の変化を正確に測定できる。

処理管４の周面の中間部分に対向するヒータ８を収納する加熱室５内には不活性ガスが導入されるため、処理管４が被損した場合でもヒータ８の損傷を最小限に抑えることができる。また、処理管４内に導入される可燃性ガスと空気との接触による爆発の危険性を回避できる。

なお、測定器室２と装入室３との間、装入室３と処理管４との間、処理管４と取出室６との間は、気密状態にされている。このため、処理管４内に反応ガスを導入して所要の雰囲気とすることができ、大気圧浸炭処理や真空浸炭処理等の表面硬化熱処理を行うこともできる。

図８は、装入室３の内部の構成を示す断面図である。挿入室３の内部には、測定器１の本体１１から垂下した測定用ワイヤ１２の下端部が位置している。この測定用ワイヤ１２の下端部には、装入室３に取り付けられたピン１５に対してフック１３が揺動自在に取り付けられている。フック１３の下端部には、切欠き１３Ａが形成されている。切欠き１３Ａには、装着用ワイヤ１４の上端が掛止されている。

挿入室３には、操作部材３Ｂが備えられている。操作部材３Ｂは、一例としてエアシリンダーであり、アクチュエータ３Ｃがフック１３の中間部分に水平方向に対向している。操作部材３Ｂを駆動すると、アクチュエータ３Ｃがフック１３の中間部に水平方向に当接し、フック１３が図８中二点鎖線で示すようにピン１５を中心として揺動する。これによって、切欠き１３Ａから装着用ワイヤ１４の上端が外れ、装着用ワイヤ１４は被処理物２０とともに下方に落下する。

図９は、取出室６の内部の構成を示す断面図である。被処理物２０が収納されている処理管４の下端は取出室６の内部に連通しており、取出室６は内部に焼入油６２を貯留している。装着用ワイヤ１４の上端が切欠き１３Ａから外れることにより、被処理物２０は装着用ワイヤ１４とともに下方に落下する。被処理物２０は、取出室６内で焼入油６２に浸漬されて急冷され、焼入処理される。

取出室６の内部の底面には、緩衝部材６１が配置されている。緩衝部材６１は、被処理物２０の落下時の衝撃を吸収し、被処理物２０の損傷を防止する。また、衝撃音を緩和する。緩衝部材６１として、例えばスポンジシートを用いることができる。

なお、上記の構成において、反応ガス供給源３１及びバルブ３２、真空ポンプ３４及びバルブ３３、反応ガス供給源４１及びバルブ４２、真空ポンプ４４及びバルブ４３の全てが必須である訳ではない。切換弁及び接続管を備えることで、真空ポンプ３４と真空ポンプ４４とを共用することもできる。給排気位置も、同じ目的を達成しうる範囲で変更できる。また、加熱室５内に不活性ガスを導入する必要がない場合には、窒素ガス供給源５１及びバルブ５２を省略することもできる。

この発明の実施形態に係る熱重量測定装置１０の構成を示す概略の断面図である。 熱重量測定装置１０のガス浸炭処理時の使用状態の一例を示す図である。 同ガス浸炭処理時の使用状態を示す図である。 熱重量測定装置１０の真空浸炭処理時の使用状態の一例を示す図である。 同真空浸炭処理時の使用状態を示す図である。 同真空浸炭処理時の使用状態を示す図である。 同真空浸炭処理時の使用状態を示す図である。 装入室３の内部の構成を示す断面図である。 取出室６の内部の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 測定器
２ 測定器室
３ 装入室
３Ｂ 操作部材
４ 処理管（処理室）
５ 加熱室
６ 取出室
１０ 熱重量測定装置
１１ 本体
１２ 測定用ワイヤ
１３ フック
１３Ａ 切欠き（掛止部）
１４ 装着用ワイヤ

Claims (3)

1. 本体、前記本体から垂下した測定用ワイヤ、上端部が前記測定用ワイヤの下端に回転自在に取り付けられるとともに下端部に掛止部を備えたフック、上端が前記掛止部に係止されて下端に被処理物が装着される装着用ワイヤを含み、前記測定用ワイヤに作用する前記被処理物の重量を測定する測定器と、
   前記測定器を収納するとともに、前記測定用ワイヤが下面を貫通する測定器室と、
   前記測定器室の下方に位置し、開閉扉及び操作部材を備えており、前記測定用ワイヤが上面を貫通するとともに前記装着用ワイヤが下面を貫通し、内部に前記フックが非接触状態で位置する装入室と、
   前記装入室の下面から前記装入室の内部に連通した上端を前記装着用ワイヤが貫通するとともに、内部の中間部分に前記被処理物が非接触状態で位置する処理室と、
   前記処理室の外周部の中間部分に対向したヒータを収納する加熱室と、
   上面に前記処理室の下端が連通し、内部に焼入油を貯留した取出室と、を備え、
   前記操作部材は、動作時に前記フックを揺動させて前記掛止部における前記装着用ワイヤの上端部の係止を解除することを特徴とする熱重量測定装置。
2. 前記操作部材は、動作時に前記フックの中間部に当接することを特徴とする請求項１に記載の熱重量測定装置。
3. 前記取出室は、底部に緩衝部材を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱重量測定装置。

Images