JP4872647B2 - クラッド材製造設備の加熱冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、クラッド材製造設備の加熱冷却装置に関するものである。

近年、例えば、母材である銅、ステンレス或いは耐熱合金等の金属板の両面又は片面に、リン銅、ニッケル等を主成分とする金属粉末を圧着してロウ材層を形成したクラッド材を製造することが行なわれるようになっており、このようなクラッド材を製造する際には、図８に示されるような装置を使用することが提案されている。

図８はクラッド材製造設備を構成する粉末圧着装置の一例を示したものであり、粉末圧着装置１は、水平方向へ対向配置された一対のロール１ａ，１ｂを備え、該一対のロール１ａ，１ｂは、対向側が下方へ回転するよう図示していないモータ等の駆動装置により駆動されると共に、ロールギャップＧを調整し得るようになっている。

前記ロール１ａ，１ｂの上面には、金属粉末供給ローラ２ａ，２ｂが回転駆動可能に配置され、該金属粉末供給ローラ２ａ，２ｂよりもロール１ａ，１ｂの回転方向上流側には、金属粉末Ｐｍが貯留され且つ該金属粉末Ｐｍをロール１ａ，１ｂ上面に供給可能な金属粉末ホッパ３ａ，３ｂが配設されている。

尚、図８中、Ｓは図示していない巻戻機により上方からロール１ａ，１ｂ間に供給される銅やステンレス等の母材である。

前述の如きクラッド材製造設備を構成する粉末圧着装置１においては、図示していないモータ等の駆動装置により一対のロール１ａ，１ｂが図８の矢印方向へ回転駆動されると共に、上方よりロール１ａ，１ｂ間に母材Ｓが送給され、金属粉末ホッパ３ａ，３ｂからロール１ａ，１ｂ上面に金属粉末Ｐｍが供給される。

而して、前記ロール１ａ，１ｂ上面に供給された金属粉末Ｐｍは、回転する金属粉末供給ローラ２ａ，２ｂにより供給量が調整されて母材Ｓ側へ送給され、ロール１ａ，１ｂのロールギャップＧにおいて母材Ｓの表面に圧着され、クラッド材４が形成される。

尚、前述の如きクラッド材製造設備を構成する粉末圧着装置と関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。
特開２００２−２１２６０８号公報

ところで、前述の如きクラッド材４においては、母材Ｓの表面に圧着した金属粉末Ｐｍを加熱して焼結させた後、冷却することがロウ材層をより安定化させる上で有効となるが、現時点では、金属粉末Ｐｍの加熱・冷却を効率良く安定して行い得る加熱炉や冷却器の具体的な形態に関しては確立されておらず、又、設備全長の長大化をいかに抑えて、設備費を削減するかという点も解決すべき大きな課題となっていた。尚、ここで言う焼結には、加熱炉に導かれて加熱されることにより金属粉末Ｐｍが融解して母材Ｓに融着されること、言い換えると、加熱によって金属粉末Ｐｍの粒子表面又はその一部が融解して（液相を出させて）軟化することにより金属粉末Ｐｍが母材Ｓに融着することも含まれる。

本発明は、斯かる実情に鑑み、母材の表面に圧着した金属粉末の加熱・冷却を効率良く安定して行い得ると共に、設備全長の長大化を抑えることができ、設備費削減を図り得るクラッド材製造設備の加熱冷却装置を提供しようとするものである。

本発明は、母材の表面に金属粉末を圧着し、該金属粉末を加熱炉で加熱して焼結させた後、冷却器で冷却することにより、クラッド材を製造するようにしたクラッド材製造設備の加熱冷却装置において、
前記冷却器が、不活性ガスによってクラッド材を冷却するガス冷却領域と、該ガス冷却領域で冷却されたクラッド材を噴射される水によって直接冷却する水冷却領域とを有するよう構成し、
前記加熱炉をクラッド材の搬送方向へ複数の加熱ブロックに分割すると共に、前記冷却器のガス冷却領域をクラッド材の搬送方向へ複数のガス冷却ブロックに分割し、且つ前記冷却器の水冷却領域を水冷却ブロックにて構成し、該水冷却ブロックの搬送方向入口でのクラッド材の温度が、水冷却ブロックにおいて噴射される水によってクラッド材表面の金属粉末が脱落しない温度以下となるよう前記ガス冷却ブロックにてクラッド材の冷却を行うことを特徴とするクラッド材製造設備の加熱冷却装置にかかるものである。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

母材の表面に圧着された金属粉末は加熱炉で加熱されて焼結された後、冷却器のガス冷却領域で不活性ガスによって冷却され、続いて、水冷却領域で噴射される水によって直接冷却され、この結果、金属粉末の加熱・冷却が効率良く安定して行われ、設備全長の長大化を抑えて、設備費を削減することが可能となる。

前記クラッド材製造設備の加熱冷却装置においては、前記加熱炉をクラッド材の搬送方向へ複数の加熱ブロックに分割すると共に、前記冷却器のガス冷却領域をクラッド材の搬送方向へ複数のガス冷却ブロックに分割し、且つ前記冷却器の水冷却領域を水冷却ブロックにて構成し、該水冷却ブロックの搬送方向入口でのクラッド材の温度が、水冷却ブロックにおいて噴射される水によってクラッド材表面の金属粉末が脱落しない温度以下となるよう前記ガス冷却ブロックにてクラッド材の冷却を行うため、水冷によるクラッド材表面の金属粉末の脱落を防止しつつクラッド材を確実に且つ効率良く冷却することが可能となる一方、加熱炉及び冷却器のメンテナンスを行う際には、各ブロックを必要に応じて幅方向へサイドシフトさせることにより、その使い勝手をより向上させることが可能となる。

前記クラッド材製造設備の加熱冷却装置においては、前記水冷却ブロックの搬送方向入口でのクラッド材の温度が５００℃以下となるように、前記ガス冷却ブロックにてクラッド材の冷却を行ったり、或いは、前記水冷却ブロックの搬送方向入口でのクラッド材の温度が２５０℃以下となるように、前記ガス冷却ブロックにてクラッド材の冷却を行ったりすることができる。

又、耐火ケーシング内に耐熱金属製隔壁で覆われたクラッド材流通路を形成すると共に、前記耐火ケーシング内における耐熱金属製隔壁の外側に発熱体を配設することにより、前記加熱炉の加熱ブロックを構成し、該加熱ブロックをクラッド材の搬送方向へ連結し、前記それぞれの加熱ブロックの設定温度を個々に設定して各加熱ブロック毎に発熱体の出力を調整し加熱温度を制御するよう構成することが、金属粉末の加熱焼結をより効率良く安定して行い、品質を損なわずに設備全長の長大化を避ける上で更に有効となる。

本発明の請求項１〜４記載のクラッド材製造設備の加熱冷却装置によれば、母材の表面に圧着した金属粉末の加熱・冷却を効率良く安定して行い得ると共に、設備全長の長大化を抑えることができ、設備費削減を図り得るという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１〜図４は本発明を実施する形態の一例であって、前記粉末圧着装置１（図８参照）において金属粉末Ｐｍが母材Ｓの表面に圧着されたクラッド材４を加熱して前記金属粉末Ｐｍを焼結させる加熱炉５と、該加熱炉５の下流側に配設された冷却器６とを備え、該冷却器６が、窒素等の不活性ガスによってクラッド材４を冷却するガス冷却領域６Ａと、該ガス冷却領域６Ａで冷却されたクラッド材４を噴射される水によって直接冷却する水冷却領域６Ｂとを有するよう構成したものである。

前記加熱炉５は、クラッド材４の搬送方向へ複数（図１の例では三個）の加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃに分割すると共に、前記冷却器６のガス冷却領域６Ａは、クラッド材４の搬送方向へ複数（図１の例では二個）のガス冷却ブロック６ａ，６ｂに分割し、且つ前記冷却器６の水冷却領域６Ｂは水冷却ブロック６ｃにて構成してある。

前記加熱炉５の加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃはそれぞれ、図１及び図２に示す如く、耐火ケーシング７内に耐熱金属製隔壁８で覆われたクラッド材流通路９を形成すると共に、前記耐火ケーシング７内における耐熱金属製隔壁８の外側に電熱ヒータ等の発熱体１０を配設することにより構成し、該加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃをクラッド材４の搬送方向へ連結するようにしてある。尚、前記耐熱金属製隔壁８で覆われたクラッド材流通路９内には、図示していないノズルから窒素等の不活性ガスが供給されるようになっている。

一方、前記ガス冷却ブロック６ａ，６ｂはそれぞれ、図３に示す如く、冷却ケーシング１１で覆われたクラッド材流通路１２内に、ノズル１３から窒素等の冷却用の不活性ガスを供給し得るようにしてある。

前記水冷却ブロック６ｃは、図４（ａ）に示す如く、冷却ケーシング１４で覆われたクラッド材流通路１５内に、水噴射ノズル１６から冷却用の水をクラッド材４の上下面へ向けて噴射し得るようにすると共に、図４（ｂ）に示す如く、冷却ケーシング１４で覆われたクラッド材流通路１５内における前記水噴射ノズル１６より少なくともクラッド材４の搬送方向下流側位置に、ガス噴射ノズル１７から窒素等の不活性ガスをクラッド材４の上下面へ向けて噴射し得るようにしてある。尚、前記ガス噴射ノズル１７から噴射される不活性ガスは、前記水冷却ブロック６ｃの冷却ケーシング１４で覆われたクラッド材流通路１５内部を不活性ガス雰囲気に保持してクラッド材４の酸化防止を図ることに加え更に、クラッド材４表面に付着した水を吹き飛ばして乾燥させる役割も果たしている。又、前記水冷却ブロック６ｃの出側には、ゴムパッド等でクラッド材４の上下面を挟み込み、前記クラッド材４表面に残存する水滴を掻き落とすための水切り装置（図示せず）を設置してある。

更に、前記加熱炉５及び冷却器６内には、図１に示す如く、該加熱炉５及び冷却器６内を通して外部へ循環させるようにしたメッシュベルト等からなる無端状の搬送ベルト１８を設けてあり、該搬送ベルト１８を図１の矢印方向へ駆動することによって前記クラッド材４の先端を前記加熱炉５及び冷却器６内に対して通過させることができるようにしてある。

次に、上記図示例の作用を説明する。

前記粉末圧着装置１（図８参照）において金属粉末Ｐｍが母材Ｓの表面に圧着されたクラッド材４は、先ず、その先端部が図１の矢印方向へ駆動される無端状の搬送ベルト１８上に載置された状態で、加熱炉５及び冷却器６内を通過し、巻取装置（図示せず）に巻き込まれる。

前記クラッド材４の先端が巻取装置に巻き込まれたら、前記搬送ベルト１８の張力を緩めて該搬送ベルト１８が少なくとも加熱炉５内でたるむようにする。尚、前記搬送ベルト１８は、最初からたるませておき、この上に前記クラッド材４を載置した状態で、加熱炉５及び冷却器６内を通過させるようにしても良い。

続いて、前記加熱炉５の加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃにおける耐熱金属製隔壁８で覆われたクラッド材流通路９内へ図示していないノズルから窒素等の不活性ガスを供給した状態で、電熱ヒータ等の発熱体１０による加熱を開始すると共に、冷却器６のガス冷却領域６Ａのガス冷却ブロック６ａ，６ｂにおける冷却ケーシング１１で覆われたクラッド材流通路１２内へノズル１３から窒素等の冷却用の不活性ガスを供給し、更に前記冷却器６の水冷却領域６Ｂの水冷却ブロック６ｃにおける冷却ケーシング１４で覆われたクラッド材流通路１５内へ水噴射ノズル１６から冷却用の水をクラッド材４の上下面へ向けて噴射しつつ、ガス噴射ノズル１７から窒素等の不活性ガスをクラッド材４の上下面へ向けて噴射し、前記巻取装置によりクラッド材４の巻取りを開始する。

このとき、前記巻取装置によってクラッド材４に張力が付与されることにより、前記クラッド材４は、前記加熱炉５の加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃと冷却器６のガス冷却領域６Ａのガス冷却ブロック６ａ内部を宙吊り状態で搬送されるようになる。

そして、前記加熱炉５では、クラッド材４の母材Ｓの表面に圧着した金属粉末Ｐｍを、該金属粉末Ｐｍが軟化して互いに融着する温度に加熱し、又、前記冷却器６では、前記金属粉末Ｐｍが軟化して互いに融着する温度よりも充分に低い温度に冷却する必要がある。

ここで、図５及び図６は本発明を実施する形態の一例における解析結果を示すものであって、母材Ｓの材質を純銅、母材Ｓの幅を200.0［ｍｍ］、母材Ｓの厚さを0.4［ｍｍ］、輻射率εを0.20、搬送速度を12.0［ｍ／ｍｉｎ］、冷却器内熱伝達率αを30.0［Ｗ／ｍ²・Ｋ］、加熱炉５入側のクラッド材４の温度を20.0［℃］、加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃの長さをそれぞれ４２００［ｍｍ］、加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃの設定温度をそれぞれ800.0［℃］、ガス冷却領域６Ａのガス冷却ブロック６ａ，６ｂへ供給する不活性ガス（窒素）の流量を300.0［Ｌ／ｍｉｎ］、該不活性ガス（窒素）の入側温度を30.0［℃］、不活性ガス（窒素）の出側温度を30.0［℃］、ガス冷却ブロック６ａ，６ｂの長さをそれぞれ３０００［ｍｍ］、水冷却領域６Ｂへ供給する水温を30.0［℃］、水冷却ブロック６ｃの長さを１３００［ｍｍ］とした場合、加熱炉５出側のクラッド材４の温度は765.9［℃］となり、ガス冷却終了後のクラッド材４の温度は258.0［℃］となり、水冷却後のクラッド材４の温度は、水冷熱伝達率を５００［Ｗ／ｍ ²・Ｋ］とすると58.6［℃］（図６の実線を参照）となり、水冷熱伝達率を１０００［Ｗ／ｍ ²・Ｋ］とすると33.7［℃］（図６の破線を参照）となる。

これに対し、前記水冷却領域６Ｂを構成する水冷却ブロック６ｃを設ける代わりに、ガス冷却ブロック６ａ，６ｂと同様の第三のガス冷却ブロックを設け、それ以外の条件は上述と同様とした場合、ガス冷却終了後のクラッド材４の温度は152.3［℃］（図６の仮想線を参照）までしか低下せず、しかも、設備全長の長大化も避けられなくなることが確認された。

上記図示例では水冷却ブロック６ｃの効果を示すため、各加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃの設定温度は同じ温度としたが、各加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃの設定温度は同一でなくても良い。

即ち、前記加熱炉５を複数の加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃに分割し、それぞれの加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃの設定温度を個々に設定して各加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃ毎に発熱体１０の出力を調整し加熱温度を制御するようにしても、設備全長の長大化を避けることができる。

例えば、母材Ｓの表面に金属粉末Ｐｍが圧着されたクラッド材４を約７６０［℃］に加熱して焼結する場合、クラッド材４の温度と焼結温度の差が比較的大きなクラッド材４搬入側の加熱ブロック５ａ，５ｂでは、その設定温度を焼結温度よりも高い温度に設定してクラッド材４の加熱を促進させる。このようにすることで、クラッド材４を焼結させるための温度に上昇させる加熱区間を短縮できる。又、クラッド材４の温度と焼結温度の差が小さくなるクラッド材４搬出側の加熱ブロック５ｃでは、その設定温度を焼結するためにきめ細かく制御することで、品質のばらつきを少なくすることができる。因みに、前述の如く、クラッド材４搬入側の加熱ブロック５ａ，５ｂの設定温度を焼結温度よりも高い温度に設定してクラッド材４の加熱を促進させた場合におけるクラッド材４の温度制御曲線は、図７に示すようになる。

このように、加熱炉５を複数の加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃに分割することで、各加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃ毎に発熱体１０の出力を調整し加熱温度を制御することが可能となるので、品質を損なわずに設備全長の長大化を避けることができる。

又、前記冷却器６も複数のガス冷却ブロック６ａ，６ｂと水冷却ブロック６ｃとに分割することでガス冷却領域６Ａの長さの長大化を避けることが可能となる。

即ち、水冷却ブロック６ｃでは水冷であるがためにクラッド材４の冷却能力がガス冷却よりかなり高いので、ガス冷却領域６Ａでの冷却は、クラッド材４の搬送方向最後のガス冷却ブロック６ｂ出口でクラッド材４の温度が金属粉末Ｐｍを母材Ｓにしっかり固着させる温度まで降下する程度の冷却であればよく、これによりガス冷却領域６Ａの長さの長大化を避けることができる。尚、水冷却ブロック６ｃの搬送方向入口でのクラッド材４の温度は、変質防止温度以下、即ち該水冷却ブロック６ｃにおいて噴射される水によってロウ材層が損なわれないよう金属粉末Ｐｍが母材Ｓにしっかり固着する約５００［℃］以下となっていることが好ましい。又、ガス冷却後のクラッド材４の温度が高い場合、その後の水冷によってクラッド材４表面が変色することがあるが、該クラッド材４表面の変色が起こらないようにするには、水冷却ブロック６ｃの搬送方向入口でのクラッド材４の温度は、変質防止温度以下、即ち約２５０［℃］以下となっていることが好ましい。

前述の図１〜図４に示す例の如く構成すると、母材Ｓの表面に圧着された金属粉末Ｐｍは加熱炉５で加熱されて焼結された後、冷却器６のガス冷却領域６Ａで窒素等の不活性ガスによって冷却され、続いて、水冷却領域６Ｂで噴射される水によって直接冷却され、この結果、金属粉末Ｐｍの加熱・冷却が効率良く安定して行われ、設備全長の長大化を抑えて、設備費を削減することが可能となる。

しかも、前記加熱炉５をクラッド材４の搬送方向へ複数の加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃに分割すると共に、前記冷却器６のガス冷却領域６Ａをクラッド材４の搬送方向へ複数のガス冷却ブロック６ａ，６ｂに分割し、且つ前記冷却器６の水冷却領域６Ｂを水冷却ブロック６ｃにて構成しているため、加熱炉５及び冷却器６のメンテナンスを行う際には、各ブロックを必要に応じて幅方向へサイドシフトさせることにより、その使い勝手をより向上させることが可能となる。

又、耐火ケーシング７内に耐熱金属製隔壁８で覆われたクラッド材流通路９を形成すると共に、前記耐火ケーシング７内における耐熱金属製隔壁８の外側に発熱体１０を配設することにより、前記加熱炉５の加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃを構成し、該加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃをクラッド材４の搬送方向へ連結しているため、金属粉末Ｐｍの加熱焼結をより安定化させることも可能となる。

尚、前記クラッド材４は、前記加熱炉５の加熱ブロック５ａ，５ｂ，５ｃと冷却器６のガス冷却領域６Ａのガス冷却ブロック６ａ内部を宙吊り状態で搬送されるため、加熱により金属粉末Ｐｍが軟化した状態となっているロウ材層が傷付く心配はない。

こうして、母材Ｓの表面に圧着した金属粉末Ｐｍの加熱・冷却を効率良く安定して行い得ると共に、設備全長の長大化を抑えることができ、設備費削減を図り得る。

尚、本発明のクラッド材製造設備の加熱冷却装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す概要側断面図である。 本発明を実施する形態の一例における加熱炉の加熱ブロックを示す正断面図である。 本発明を実施する形態の一例における冷却器のガス冷却領域のガス冷却ブロックを示す正断面図である。 本発明を実施する形態の一例における冷却器の水冷却領域の水冷却ブロックを示す正断面図であって、（ａ）は水冷却ブロックの水噴射ノズルが配設された部分を示す図、（ｂ）は水冷却ブロックのガス噴射ノズルが配設された部分を示す図である。 本発明を実施する形態の一例における解析結果を示す図表である。 本発明を実施する形態の一例におけるクラッド材の温度履歴を示すグラフである。 本発明を実施する形態の一例において、クラッド材搬入側の加熱ブロックの設定温度を焼結温度よりも高い温度に設定してクラッド材の加熱を促進させた場合におけるクラッド材の温度制御曲線である。 クラッド材製造設備を構成する粉末圧着装置の一例を示す側面図である。

符号の説明

１ 粉末圧着装置
４ クラッド材
５ 加熱炉
５ａ 加熱ブロック
５ｂ 加熱ブロック
５ｃ 加熱ブロック
６ 冷却器
６Ａ ガス冷却領域
６Ｂ 水冷却領域
６ａ ガス冷却ブロック
６ｂ ガス冷却ブロック
６ｃ 水冷却ブロック
７ 耐火ケーシング
８ 耐熱金属製隔壁
９ クラッド材流通路
１０ 発熱体
１１ 冷却ケーシング
１２ クラッド材流通路
１３ ノズル
１４ 冷却ケーシング
１５ クラッド材流通路
１６ 水噴射ノズル
１７ ガス噴射ノズル
Ｐｍ 金属粉末
Ｓ 母材

Claims (4)

1. 母材の表面に金属粉末を圧着し、該金属粉末を加熱炉で加熱して焼結させた後、冷却器で冷却することにより、クラッド材を製造するようにしたクラッド材製造設備の加熱冷却装置において、
   前記冷却器が、不活性ガスによってクラッド材を冷却するガス冷却領域と、該ガス冷却領域で冷却されたクラッド材を噴射される水によって直接冷却する水冷却領域とを有するよう構成し、
   前記加熱炉をクラッド材の搬送方向へ複数の加熱ブロックに分割すると共に、前記冷却器のガス冷却領域をクラッド材の搬送方向へ複数のガス冷却ブロックに分割し、且つ前記冷却器の水冷却領域を水冷却ブロックにて構成し、該水冷却ブロックの搬送方向入口でのクラッド材の温度が、水冷却ブロックにおいて噴射される水によってクラッド材表面の金属粉末が脱落しない温度以下となるよう前記ガス冷却ブロックにてクラッド材の冷却を行うことを特徴とするクラッド材製造設備の加熱冷却装置。
2. 前記水冷却ブロックの搬送方向入口でのクラッド材の温度が５００℃以下となるように、前記ガス冷却ブロックにてクラッド材の冷却を行うことを特徴とする、請求項１記載のクラッド材製造設備の加熱冷却装置。
3. 前記水冷却ブロックの搬送方向入口でのクラッド材の温度が２５０℃以下となるように、前記ガス冷却ブロックにてクラッド材の冷却を行うことを特徴とする、請求項２記載のクラッド材製造設備の加熱冷却装置。
4. 耐火ケーシング内に耐熱金属製隔壁で覆われたクラッド材流通路を形成すると共に、前記耐火ケーシング内における耐熱金属製隔壁の外側に発熱体を配設することにより、前記加熱炉の加熱ブロックを構成し、該加熱ブロックをクラッド材の搬送方向へ連結し、前記それぞれの加熱ブロックの設定温度を個々に設定して各加熱ブロック毎に発熱体の出力を調整し加熱温度を制御するよう構成した請求項１〜３のいずれか一項に記載のクラッド材製造設備の加熱冷却装置。

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