JP5028777B2 - 熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱処理装置に関するものである。

被処理物である金属材を加熱し、冷却することによって、いわゆる焼入れ等の処理を行う熱処理装置の中に、加熱処理された被処理物を熱処理炉内において循環する冷却ガスの流路途中に配置することによって冷却処理するものがある（特許文献１及び非特許文献１参照）。
具体的には、熱処理炉の内部に形成された熱処理室の内部に被処理物を配置し、この熱処理室の上下方向に冷却ガスが通過させることによって、被処理物を冷却ガスの流路途中に配置している。そして、このような熱処理装置においては、被処理物の均一な冷却を実現するために、熱処理室内部においてムラのない均一な冷却ガスの流れを形成することが好ましい。
このため、熱処理室の冷却ガス出入口に冷却ガスの均一な流れを形成するための流量分散板や整流器を配置する場合がある。例えば、特許文献１においては、流量分散板によって冷却ガス流の圧力損失係数０．１以上の流路抵抗をつけることによって、冷却ガスの流速の均一化を効率的に達成しようとしている。ところが、実際の装置においては流量分散板として全面に均一に開口部が形成されたパンチングメタルを用いており、この流量分散板によってのみでは十分に均一な冷却ガスを形成することが困難であった。よって、より冷却ガスの均一化を図るために、実際の装置においては、熱処理室の冷却ガスの入口近傍に冷却ガスの流れ方向を案内する案内板を設置し、この案内板によって冷却ガスの流れ方向を案内するとともに冷却ガスの流量ムラを調整している。
特開２００５−２９８７２号公報 「石川島播磨重工業株式会社、株式会社石川島岩国製作所：真空熱処理炉 ＶＱシリーズ 高速ガス冷却式横型真空炉：商品パンフレット」

しかしながら、上述のような案内板を設置した場合には、装置構成が複雑化及び大型化するとともに装置コストも増加してしまう。
また、非特許文献１に記載されているような、１つの熱処理室の内部において被処理物に対して加熱処理及び冷却処理を行う熱処理装置においては、加熱処理の際に熱が熱処理室の外部に逃げないように熱処理室の冷却ガス出入口を閉じる扉（冷却扉）を設置する必要があるが、上述のような案内板がある場合には、扉の開閉領域に制限が生じ、扉を観音開き構造あるいは両側スライド開き構造にせざるを得なくなる。このように、熱処理室の冷却ガス出入口を閉じる扉を観音開き構造あるいは両側スライド開き構造にする場合には、さらに装置コストが増加してしまうこととなる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、冷却性能を低下させることなく装置を簡略化及び低コスト化することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の熱処理装置では、第１の手段として、熱処理炉内を循環する冷却ガスの流路途中に被処理物を配置することによって上記被処理物を冷却処理する熱処理装置であって、上記冷却ガスの循環方向における上記被処理物の前段に、上記冷却ガスの流速及び流量が流路断面において均一化されるように、上記冷却ガスのムラに応じた開口部を有する均一化手段を有するという構成を採用する。

第２の手段として、上記第１の手段において、上記冷却ガスの循環方向における上記被処理物の後段に上記均一化手段をさらに備えるという構成を採用する。

第３の手段として、上記第１あるいは第２の手段において、複数の上記均一化手段が立体的に組み上げられているという構成を採用する。

第４の手段として、上記第１あるいは第２の手段において、上記均一化手段が立体的に加工されているという構成を採用する。

第５の手段として、上記第１〜第４いずれかの手段において、上記均一化手段は、パンチングメタルであるという構成を採用する。

第６の手段として、上記第１〜第５いずれかの手段において、前記熱処理炉の冷却ガス出入口と前記均一化手段との間に昇降式扉を有するという構成を採用する。

本発明の熱処理装置によれば、冷却ガスの循環方向における被処理物の前段に配置された、冷却ガスのムラに応じた開口部を有する均一化手段によって、冷却ガスの流速及び流量が流路断面において均一化される。
つまり、単一の均一化手段を設置するのみで、冷却ガスの流速及び流量が流路断面において均一化されるため、別途案内板を設置する必要がなくなる。したがって、本発明の熱処理装置によれば、冷却性能を低下させることなく装置を簡略化及び低コスト化することが可能となる。
また、本発明を、１つの熱処理室の内部において被処理物に対して加熱処理及び冷却処理を行う熱処理装置に応用した場合には、案内板を設置する必要がなくなり、扉の開閉可能領域を広く確保することができるため、扉を観音開き構造あるいは両側スライド開き構造にする必要がなくなる。よって、さらに装置を低コスト化することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る熱処理装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
本第１実施形態の熱処理装置Ｓ１は、１つの熱処理室の内部において被処理物に対して加熱処理及び冷却処理を行う、いわゆるバッチ式の熱処理装置である。図１及び図２は、本第１実施形態の熱処理装置Ｓ１の概略構成を示したものであり、図１が熱処理装置Ｓ１を横方向から見た断面図であり、図２が図１のＡ−Ａ線断面図である。

これらの図に示すように、本実施形態の熱処理装置Ｓ１は、内部において冷却ガスＸが循環される熱処理炉１と、熱処理炉１の内部に配置される熱処理室２とを備えて構成されている。
また、熱処理炉１の内部には、熱処理室２の他に、冷却ガスＸを冷却するための熱交換器３と冷却ガスＸを熱処理炉１の内部において循環させるためのファン４とが配置されている。

熱処理炉１は、熱処理炉１の内部の圧力状態が変化した場合であってもその圧力に耐えられるように略円筒形状に形状設定されており、この円筒形の中心軸が水平となるように姿勢設定されている。
また、熱処理炉１の片側端部はクラッチ式扉１１として構成されている。なお、このクラッチ式扉１１の内側と、熱処理室２の脱着自在な側壁部２１とは接続されており、クラッチ式扉１１を開けることによって側壁部２１脱離され、熱処理室２の内部に被処理物Ｗを搬入あるいは熱処理室２の内部から被処理物Ｗを搬出することができる構成とされている。また、クラッチ式扉１１が閉鎖されている場合には、熱処理炉１は密閉空間となる。
なお、熱処理炉１の内部において、熱処理室２の外部空間は、仕切板５によって上下に２分されている。また、この仕切板５によって熱処理室２が支持されている。

熱処理室２は、その内部において被処理物Ｗを加熱処理及び冷却処理するものである。この熱処理室２の内部には、被処理物Ｗを載置するための載置台２２が配置されており、この載置台２２には被処理物Ｗの搬出入を容易にするためのフリーローラ２３が複数設置されている。なお、この載置台２２は、図２に示すように、上下方向に気体が通過可能な構造（例えば、格子状）とされている。
また、熱処理室２の内部には、被処理物Ｗを加熱処理するための複数のヒータ６が設置されている。

また、熱処理室２の上壁部及び下壁部は、冷却ガスＸを整流するための整流部７（７ａ，７ｂ）として構成されている。具体的には、この整流部７としては、格子状に間切りをされた格子箱が用いられている。

そして、本実施形態の熱処理装置Ｓ１においては、整流部７と隣接して均一化部８（均一化手段）が設置されている。より詳細には、熱処理室２の上壁部を構成する整流部７ａの上部に均一化部８ａが設置され、熱処理室２の下壁部を構成する整流部７ｂの下部に均一化部８ｂが設置されている。すなわち、均一化部８は、熱処理炉１の内部を循環される冷却ガスＸの循環方向における被処理物Ｗの前段及び後段に配置されている。なお、冷却ガスＸの循環方向は、図１に示す矢印方向とその逆方向とに変換可能とされている。そして、冷却ガスＸの循環方向が、図１に示す矢印方向であった場合には、均一化部８ａが被処理物Ｗの前段に配置される均一化部として機能し、均一化部８ｂが被処理物Ｗの後段に配置される均一化部として機能する。また、冷却ガスの循環方向が、図１に示す矢印方向と逆方向であった場合には、均一化部８ｂが被処理物Ｗの前段に配置される均一化部として機能し、金貨塚部８ａが被処理物Ｗの後段に配置される均一化部として機能する。
この均一化部８は、冷却ガスＸの流速及び流量を流路断面において均一化するものであり、本実施形態の熱処理装置Ｓ１においては、冷却ガスのムラに応じた開口部を有するパンチングメタルが用いられている。
なお、ここで言う冷却ガスの「ムラ」とは、流路断面における冷却ガスの流速及び流量ばらつきのことである。
また、ここで言う「冷却ガスのムラに応じた開口部」とは、例えば、冷却ガスのムラに応じて適切な抵抗値となるように設計された開口部のことである。なお、開口部の設計は、具体的には、パンチングメタル（均一化手段）取付部の面積に対する開口面積の比率や、開口部の形状・配置・寸法等によって決定される。
また、ここで言う「冷却ガスのムラに応じた開口部を有する」とは、例えば、均一化手段の場所ごとに冷却ガスのムラに応じた開口部を有するという意味である。つまり、均一化手段がパンチングメタルである場合には、単一のパンチングメタル内において開口部の設計を変更しても良いし、また、パンチングメタルが組み上げられるあるいは加工されることによって立体形状を有している場合には、立体形状の面ごとに開口部の設計を変更しても良い。
そして、このような均一化部８を被処理物Ｗの前段に配置することによって、冷却ガスの流速及び流量が流路断面において均一化され、被処理物Ｗが均一に冷却される。このため、従来の熱処理装置に設置してあった案内板が必要なくなり、別途案内板を設置する必要がなくなる。したがって、本実施形態の熱処理装置Ｓ１によれば、冷却性能を低下させることなく装置を簡略化及び低コスト化することが可能となる。

また、本実施形態の熱処理装置Ｓ１においては、図３に示すように、均一化部８が複数のパンチングメタル８１が枠体８２によって立体的に組み上げられた構造を有している。
このような立体構造を採用することによって、均一化部８の気体を通過できる表面積が増加し、均一化部８を単位時間に抜ける冷却ガスＸの流量を増加させることが可能となる。したがって、より多くの流量の冷却ガスＸを熱処理室２の内部に流入させることができ、被処理物Ｗをより短時間で急速冷却することが可能となる。
なお、均一化部８の上面部８３の面積は、熱処理室２の冷却ガス出入口（整流部７の平面視領域）と略同一の広さとされている。

また、本実施形態の熱処理装置Ｓ１においては、加熱処理の際に熱が熱処理室２の外部に逃げないように熱処理室２の冷却ガス出入口を閉じる扉９が設置されている。この扉９は、均一化部８の上面部８３の形状に合わせて、すなわち熱処理室２の開口部（冷却ガス出入口）の形状に合わせて形状設定されており、図２に示すように、昇降部１０によって昇降可能とされている。
従来の熱処理装置Ｓ１においては、案内板が熱処理室２の近傍に配置されていたがために、扉を昇降することができず、観音開きの扉あるいは両側スライド開き構造を設置していた。このため、装置コストが大幅に増加していたが、本実施形態の熱処理装置Ｓ１によれば、案内板の設置の必要がないために昇降部１０による扉９の昇降が可能となり、扉を観音開き構造あるいは両側スライド開き構造にする必要がなくなる。したがって、本実施形態の熱処理装置Ｓ１によれば、さらに装置コストを低減させることが可能となる。

熱交換器３は、複数のフィンチューブから構成されており、被処理物Ｗを冷却することによって加温された冷却ガスＸを再び冷却するものである。
また、ファン４は、冷却ガスＸを循環させるものであり、熱交換器３によって冷却ガスＸを吸い込んでから噴出することによって、冷却ガスＸに流れを与えている。
また、本実施形態の熱処理装置Ｓ１は、冷却ガスＸの循環方向を変化させるための循環方向切替板１２が設置されている。この循環方向切替板１２によって熱処理炉１の内部空間の適所を塞ぎ、適所を開放することによって、熱処理炉１の内部における冷却ガスＸの循環方向を変化させることが可能となる。

次に、このように構成された本実施形態の熱処理装置Ｓ１の動作について説明する。

まず、熱処理炉１のクラッチ式扉１１及び熱処理室２の側壁部２１とが開放された状態で、熱処理室２の内部に被処理物Ｗを搬入する。
その後、クラッチ式扉１１及び熱処理室２の側壁部２１を閉鎖し、さらに昇降部１０を駆動することによって、熱処理室２の開口部（冷却ガス出入口）を扉９によって閉じる。

そして、ヒータ６によって被処理物Ｗを加熱することによって、被処理物Ｗを加熱処理する。この加熱処理では、被処理物Ｗを所定時間かけて所定の温度まで加熱する。

このような加熱処理が完了すると、昇降部１０が駆動され扉９が移動されることによって、熱処理室２の冷却ガス出入口が開放されるとともに、均一化部８の上面部８３が塞がれる。
これと同時に、熱交換器３が冷却ガスＸを冷却し、さらにファンが冷却ガスＸに流れを与えることによって、冷却ガスＸが熱処理炉１の内部を循環される。
このように循環される冷却ガスＸは、例えば、図１に示す矢印方向に循環されている場合には、ファン４から排出された後、均一化部８ａ及び整流部７ａを通過した後に熱処理室２の内部に流入する。
ここで、本実施形態の熱処理装置Ｓ１においては、均一化部８ａにおいて冷却ガスＸの流量及び流速が流路断面において均一化され、さらに整流部７ａにおいて冷却ガスＸの流れが整流される。このため、被処理物Ｗの全体に均一に冷却ガスＸが吹付けられ、被処理物Ｗを均一に冷却することができる。
また、本実施形態の熱処理装置Ｓ１においては、均一化部８がパンチングメタルが立体的に組み上げられた構造を有しているため、より多くの流量の冷却ガスＸを熱処理室２の内部に流入させることができる。したがって、本実施形態の熱処理装置Ｓ１によれば、被処理物Ｗを急速冷却することが可能となる。

熱処理室２の内部に流入した冷却ガスＸは、被処理物Ｗを冷却した後、均一化部８ｂ及び整流部７ｂを通過して熱処理室２の外部に流出する。
なお、熱処理室２の外部に流出する冷却ガスＸも整流部７ｂによって整流され、均一化部８ｂによって流路断面における流量及び流速が均一化される。このように、均一化部８ａ及び整流部７ａと均一化部８ｂ及び整流部７ｂとの間に挟まれた空間においては、冷却ガスＸの流れを安定化させる強制力が働くこととなるため、熱処理室２の内部空間における冷却ガスＸの流れを安定化することが可能となる。

その後、熱処理室２の外部に流出した冷却ガスＸは、再び熱交換器３によって熱交換されることによって冷却され、ファン４によって循環される。

なお、循環方向切替板１２によって冷却ガスＸの循環方向を逆方向に変化させた場合には、冷却ガスＸは、ファン４から排出された後、均一化部８ｂ及び整流部７ｂを通過した後に熱処理室２の内部に流入する。そして、冷却ガスＸは、被処理物Ｗを冷却した後に均一化部８ａ及び整流部７ａを通過して熱処理室２の外部に流出する。

このようにして被処理物Ｗの冷却処理が完了すると、熱処理炉１のクラッチ式扉１１及び熱処理室２の側壁部２１とが開放され、熱処理室２の内部に配置された被処理物Ｗが熱処理室２の外部に搬出される。

このような本実施形態の熱処理装置Ｓ１によれば、均一化部８によって、冷却ガスＸの流速及び流量が流路断面において均一化される。
よって、単一の均一化部８ａ，８ｂを設置するのみで、冷却ガスＸの流速及び流量が流路断面において均一化されるため、別途案内板を設置する必要がなくなる。したがって、冷却性能を低下させることなく装置を簡略化及び低コスト化することが可能となる。
また、案内板を設置する必要がなくなることで、扉９の開閉可能領域を広く確保することができるため、扉９を観音開き構造あるいはスライド開き構造にする必要がなくなる。よって、さらに装置を低コスト化することが可能となる。

また、本実施形態の熱処理装置Ｓ１においては、より多くの冷却ガスＸを熱処理室２の内部に流入させることができるように、均一化部８としてパンチングメタルが立体的に組み上げられた構造を採用した。このような構成を採用することによって、より多くの冷却ガスＸを熱処理室２内部に流入させることができるだけでなく、立体構造の面ごとに開口部の設計を変更することが可能となり、より効率的に冷却ガスＸのムラに応じた開口部を設計することが可能となる。
また、均一化部８としてパンチングメタルが立体的に組み上げられた構造を採用することによって、立体構造の面ごとに開口部の設計を変更し、必要部分だけ交換することが容易となる。このため、どのような冷却ガスＸのムラが発生するにしても、より柔軟に対応することが可能となる。
また、均一化部８としてパンチングメタルが立体的に組み上げられた構造を採用することによって、より多くの冷却ガスＸを熱処理室２の内部に流入させることができるとともに、パンチングメタルの設計しろが大きくなり、きめの細かい設計が可能となる。

なお、本実施形態においては、より多くの冷却ガスＸを熱処理室２の内部に流入させることができるように、均一化部８としてパンチングメタルが立体的に組み上げられた構造を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、多くの冷却ガスＸを熱処理室２の内部に流入させる必要がないような場合には、均一化部として、板形状のパンチングメタルを１枚用いる構成を採用しても良い。
また、例えば、一枚の板形状のパンチングメタルを立体的に加工することによって、熱処理室２の内部に流入させる冷却ガスＸの流量を確保することも可能である。
さらに、パンチングメタルでなくとも同等の機能を有する他の部材であっても良い。
なお、いずれの構成を採用する場合であっても、パンチングメタルが、冷却ガスの流速及び流量が流路断面において均一化されるように、冷却ガスＸのムラに応じた開口部を有していることは言うまでもない。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図４は、本実施形態の熱処理装置Ｓ２を横方向から見た断面図である。この図に示すように、本実施形態の熱処理装置Ｓ２は、被処理物Ｗを冷却する冷却室（熱処理室）２０及び被処理物Ｗを加熱する加熱室３０を備える多室型熱処理装置であり、これらに加えて、冷却室２０と加熱室３０との間に中間室４０を有している。

冷却室２０の構造は、上記第１実施形態の熱処理装置Ｓ１の構造とほぼ同様であるが、本実施形態の冷却室２０は被処理物Ｗを冷却処理のみするためのものであり、ヒータ６及び扉９を備えていない。また、熱処理室２の側壁部２１が真空シールド扉８０に接続されている点、また、側壁部２１と対向する、同じく開閉可能な側壁部２５が、熱交換器３及びファン４を含んで開閉可能とされた扉５０と接続されている点で上記第１実施形態と異なる。

なお、扉５０は、支持脚５１によって支持されており、この支持脚５１は地面に設置されたスライド装置５２に固定されている。このスライド装置５２が駆動することによって、扉５０は、図示するように、冷却室２０に対して水平方向に近接あるいは離間する。このようなスライド装置５２を採用することによって扉５０の開閉を容易に行うことが可能となる。なお、容易に扉５０を開閉する機構としては、スライド装置５２に限られるものではなく、例えば、ヒンジ装置等であっても良い。

加熱室３０は、冷却室２０と同様に略円筒形に形状設定されており、図示するように、冷却室２０に対向配置されている。また、加熱室３０に連結された搬送棒収納室６２の内部には、本熱処理装置Ｓ１の内部において、被処理物Ｗを搬送するための搬送棒６１が設置されている。

加熱室３０の内部には略直方形に形状設定された断熱室３１が設置されている。この断熱室３１の一方側（冷却室２０と対向する側）の側面部には、断熱扉３２が設置されており、他方側の側面部には搬送棒６１の出入口となる搬送棒用扉３３が設置されている。この搬送棒用扉３３は、加熱室３０の外壁から突出するように設置された昇降部４１によって開閉が規定される。なお、この搬送棒用扉３３も断熱扉３２と同様に断熱設計されている。断熱室３１の内部には、被処理物Ｗを載置するための載置台３４が設置されている。この載置台３４は、被処理物Ｗが均一に加熱されるように、例えばフレーム状に形成されると共に、被処理物Ｗの移送を良好に行うためのフリーローラ３５が設置されている。なお、断熱室３１内部に設置された載置台３４と熱処理室２内部に設置された載置台２２とは、同じ高さに配置されている。また、断熱室３１の内部には、被処理物Ｗを加熱するためのヒータ３６が複数設置されている。

中間室４０は、中空の略方形状に形状設定されており、冷却室２０と加熱室３０との間に配置されている。その上部には、真空シールド扉８０を昇降するためのシールド扉用昇降部４１と断熱扉３２を昇降するための断熱扉用昇降部４２とが設置されている。

次に、このように構成された本発明に係る熱処理装置の動作について説明する。

まず、スライド装置５２によって扉５０が冷却室２０に対して離間された状態で、被処理物Ｗは、熱処理室２内部の載置台２２に載置される。そして、扉５０がスライド装置５２によって冷却室２０に当接され、冷却室２０が密閉される。そして、冷却室２０、加熱室３０及び中間室４０は、減圧装置（不図示）の駆動によって真空引きされる。そして、昇降部４１、真空シールド扉用昇降部４１及び断熱扉用昇降部４２とが駆動することによって搬送棒用扉３３、真空シールド扉８０及び断熱扉３２が開放される。

ここで、搬送棒６１によって、被処理物Ｗは、熱処理室２内部の載置台２２から断熱室３１内部の載置台３４上に移送される。そして、再び昇降部４１及び断熱扉用昇降部４２とが駆動して搬送棒用扉３３及び断熱扉３２が閉じられる。そして、この状態において、被処理物Ｗは、ヒータ３６によって加熱される。被処理物Ｗの加熱が完了すると、搬送棒用扉３３及び断熱扉３２が開放され、被処理物Ｗは、搬送棒６１によって再び熱処理室２内部の載置台２２に移送される。そして、被処理物Ｗが熱処理室２の載置台２２に移送されると、真空シールド扉８０が密閉される。

そして、上記第１実施形態と同様に、熱交換器３によって冷却された冷却ガスＸがファン４によって循環され、この循環される冷却ガスＸが均一化部８によって流量及び流速が流路断面において均一化され、この均一化された冷却ガスＸが被処理物Ｗに吹付けられることによって、被処理物Ｗが均一に冷却される。

そして、被処理物Ｗが所定の温度まで冷却されると、扉５０が冷却室２０から脱離され、被処理物Ｗが外部に搬出される。

このような本実施形態の熱処理装置Ｓ２においても、上記第１実施形態の熱処理装置Ｓ１と同様に、均一化部８によって冷却ガスＸの流量及び流速が流路断面において均一化されるため、案内板を設置する必要がなくなる。したがって、冷却性能を低下させることなく装置を簡略化及び低コスト化することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る熱処理装置の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

本発明の第１実施形態である熱処理装置を横方向から見た断面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 均一化部の構成図である。 本発明の第２実施形態である熱処理装置を横方向から見た断面図である。

符号の説明

Ｓ１，Ｓ２……熱処理装置
１……熱処理炉
２……熱処理室
８（８ａ，８ｂ）……均一化部（均一化手段）
Ｘ……冷却ガス
Ｗ……被処理物

Claims (4)

1. 熱処理炉内を循環する冷却ガスの流路途中に被処理物を配置することによって前記被処理物を冷却処理する熱処理装置であって、
   前記冷却ガスの流速及び流量が流路断面において均一化されるように、前記冷却ガスのムラに応じた開口部を有する均一化手段を、前記冷却ガスの循環方向における前記被処理物の前段及び後段に設けることを特徴とする熱処理装置。
2. 前記均一化手段が立体的に組み上げられていることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
3. 前記均一化手段が立体的に加工されていることを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
4. 前記均一化手段は、パンチングメタルであることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の熱処理装置。

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