JP5452987B2 - 熱処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、熱処理空間に配置されたワークに対して熱処理を行うように構成された熱処理装置に関する。

真空中あるいは不活性ガス雰囲気中において焼成や焼結等の熱処理を行う熱処理装置では、ワークから蒸発するワックスや水分などの汚染物質からヒータ、断熱材、炉殻などを保護するために有底筒状を呈するインナーマッフルを、ワークを囲むようにして配置する構成を採用するものがあった（例えば、特許文献１および２参照。）。

インナーマッフルの構成例としては、通常、円柱状の黒鉛をくり抜いて構成されるものや、鱗状黒鉛の圧縮成形板または炭素を炭素繊維で補強した複合材料であるＣ／Ｃコンポジット板のような市販の可撓性材料からなるものが挙げられる。このようなインナーマッフルによってワークを密封することにより、熱処理中にワークから蒸発するワックスや水分などをインナーマッフルにて確実に捕集できるとされていた。

特開２０００−１１１２６１号公報 実公平０７−３３１１８号公報

しかしながら、インナーマッフルは、密閉構造を採っているものの、黒鉛同士の接触によってのみインナーマッフル内の熱処理空間をシールするものであるため、熱処理空間の内部の雰囲気を熱処理空間の外部に対して完全に独立させるものではない。

このため、ヒータ、断熱材、炉殻などを汚損するガス等を発生させる虞があるワークに対して熱処理を試みる場合には、インナーマッフル以外の手段を適宜的に用いて熱処理空間の内部の雰囲気を熱処理空間の外部に対して完全に独立させることが好ましい場合があると言える。例えば、実験や研究目的で極少量のワークを炉内に入れて不活性ガスなどの雰囲気中や真空中で熱処理を施したい場合には、ワークから意図しないガス等が発生することを想定して、念のために熱処理空間の内部の雰囲気を熱処理空間の外部に対して完全に独立させることが好ましい。

本発明の目的は、簡易な構成により、適宜的に、熱処理空間の内部の雰囲気を熱処理空間の外部に対して完全に独立させることが可能な熱処理装置を提供することである。

本発明に係る熱処理装置は、熱処理空間に配置されたワークに対して熱処理を行うように構成される。この熱処理装置は、炉芯管を選択的に装着可能に構成された真空容器、真空容器に対して着脱可能な炉芯管、および炉芯管の端部を覆うように構成され、炉芯管を真空容器に気密に接続可能にするように構成されたシールユニットを備える。

真空容器は、炉芯管端部支持部、炉芯管導入部、および隔壁部材を少なくとも備える。炉芯管端部支持部は、真空容器の第１の端部に配置され、炉芯管の第１の端部を支持するように構成される。炉芯管導入部は、真空容器の第２の端部に配置され、炉芯管を装着するときに炉芯管を真空容器の内部に導入するための炉芯管導入口、および炉芯管導入口の周囲に配置された真空容器側フランジ部材を有する。隔壁部材は、真空容器の内部に配置されるとともに熱処理空間を画定するように構成されており、炉芯管を挿通するための挿通孔と、挿通孔を塞ぐための栓部材を有する。

シールユニットは、炉芯管側フランジ部材、真空用ベローズ、およびガス流入出ユニットを有する。炉芯管側フランジ部材は、炉芯管の第２の端部を支持するように第２の端部に接続される。真空用ベローズは、真空容器側フランジ部材と炉芯管側フランジ部材との間に接続可能で、かつ、真空容器内の真空を維持するように構成される。ガス流入出ユニットは、炉芯管側フランジの外側に接続可能なガス流入出ユニットであって、第２の端部を介して炉芯管に対するガスの供給およびガスの排出を行うように構成される。

以上の構成においては、取り外し可能な炉芯管を適宜的に真空容器に挿通することによって熱処理装置を多目的に使用することが可能になる。このとき炉芯管と真空容器との間に熱膨張量の差がある場合であっても、その熱膨張の差が伸縮可能な真空ベローズによって吸収される。また、真空ベローズによって、炉芯管と、真空容器内部および外気との間の気密性が維持される。

そして、炉芯管を適宜的に使用することにより、例えば、ワークから発生するガスや蒸発物があっても、それらの発生物によって真空容器内の発熱体や断熱材等の炉内構築物が汚染されることがなくなる。

本発明によれば、簡易な構成により、適宜的に、熱処理空間の内部の雰囲気を熱処理空間の外部に対して完全に独立させることが可能になる。

この発明の実施形態に係る真空加熱炉の概略を示す図である。 真空加熱炉の使用状態を説明する図である。 真空加熱炉に炉芯管が導入された状態を示す図である。 第１の真空シール部および第２の真空シール部の概略を示す図である。

図１を用いて、この発明の実施形態に係る真空加熱炉１０の概略を説明する。真空加熱炉１０は概略円筒状を呈しており、真空容器１２、真空容器１２内にガスを供給するガス供給部１４、および真空容器１２内からガスを排出するガス排出部１６を備える。

真空容器１２は、容器本体１２２と、この容器本体１２２に揺動可能な状態で支持された第１の扉１２４および第２の扉１２６とを備える。第１の扉１２４には、後述する炉芯管３０を支持可能な炉芯管端部支持部２２が設けられる。一方で、第２の扉１２６には、炉芯管導入部２５が設けられる。炉芯管導入部２５は、炉芯管３０を装着するときに炉芯管３０を真空容器１２の内部に導入するための炉芯管導入口２４、炉芯管導入口２４の周囲に配置された真空容器側フランジ部材２６、および真空容器側フランジ部材２６に接続された真空容器蓋体２８を有する。

真空容器１２の内部には、熱処理されるべきワークを支持するように構成されたワーク支持台１９６が設けられる。ワーク支持台１９６の周囲には、円筒状のマッフル本体１８が設けられる。このマッフル本体１８の両側の開放部を選択的に閉塞するように第１のマッフル蓋体１８２および第２のマッフル蓋体１８４が設けられる。

この実施形態では、マッフル本体１８、第１のマッフル蓋体１８２、および第２のマッフル蓋体１８４が、それぞれ炭素を炭素繊維で補強してなるＣ／Ｃコンポジットによって構成されるが、この構成に限定されるものではない。

マッフル本体１８の外側には円筒状の断熱材本体２０が設けられる。さらに、断熱材本体２０の両側の開放端を選択的に閉塞するための第１の断熱材蓋体２０２および第２の断熱材蓋体２０４が設けられる。

この実施形態では、マッフル本体１８、第１のマッフル蓋体１８２、第２のマッフル蓋体１８４、断熱材本体２０、第１の断熱材蓋体２０２、および第２の断熱材蓋体２０４によって、熱処理空間を画定するように構成された隔壁部材が形成される。ただし、隔壁部材の構成はこれに限定されるものではない。

第１のマッフル蓋体１８２は第１の断熱材蓋体２０２にボルトおよびナット等の締結部を介して接続されており、さらに第１の断熱材蓋体２０２は上述の第１の扉１２４に固定されている。同様に、第２のマッフル蓋体１８４は第２の断熱材蓋体２０４にボルトおよびナット等の締結部を介して接続されており、さらに第２の断熱材蓋体２０４は上述の第２の扉１２６に固定されている。よって、第１の扉１２４の開放に伴って第１のマッフル蓋体１８２および第１の断熱材蓋体２０２が熱処理空間を開放するように移動する。また、第２の扉１２６の開放に伴って第２のマッフル蓋体１８４および第２の断熱材蓋体２０４が熱処理空間を開放するように移動する。

第１のマッフル蓋体１８２および第１の断熱材蓋体２０２には、後述する炉芯管３０を挿通可能な挿通孔１９１が形成されており、この挿通孔１９１を選択的に閉塞するための第１の栓１９２が設けられる。同様に、第２のマッフル蓋体１８４および第２の断熱材蓋体２０４には、後述する炉芯管３０を挿通可能な挿通孔１９３が形成されており、この挿通孔１９３を選択的に閉塞するための第２の栓１９４が設けられる。

上述のマッフル本体１８および断熱材本体２０の間には、円筒状を呈するヒータ２５が設けられる。ヒータ２５は、図示しないヒータ支持部材によって真空容器１２内の所定の位置に配置されるとともに、図示しない電力供給源より電力の供給を受けることによって発熱するように構成される。

ガス供給部１４は、真空加熱炉１０の熱処理に必要なガスを真空容器１２に供給するためのガス供給装置１４２を備える。ガス供給装置１４２は、バルブ１４４が設けられたダクトおよびポート１４６，１４８等を介して真空容器１２に接続される。

ガス排出部１６は、マッフル１８本体、第１のマッフル蓋体１８２、および第２のマッフル蓋体１８４によって囲まれる処理空間内のガスを排出するための排気ダクト１６５と、処理空間の外側のガスを排出するための排気用ポート１６２，１６４に接続されたダクトとを備える。排気ダクト１６５は、ワックス等を捕集するためのトラップを有しており、バルブ１６８を介して真空ポンプ１６０に接続される。排気用ポート１６２，１６４それぞれ、バルブ１６６を介して真空ポンプ１６０に接続される。

上述の真空加熱炉１０にワークを投入して熱処理を行う際には、例えば図２（Ａ）に示すように、第１の扉１２４、第１の断熱材蓋体２０２、および第１のマッフル蓋体１８２を開放して、処理空間内のワーク支持台１９６上にワークを載置することで加熱有効域を大きくとることができる。

さらに、真空加熱炉１０では、選択的に後述の炉芯管３０を用いて熱処理を行うことが可能になるように構成されている。炉芯管３０を用いる際には、まず図２（Ｂ）に示すように、第２の扉１２６、第２の断熱材蓋体２０４、および第２のマッフル蓋体１８４を開放し、第１の栓１９２および第２の栓１９４を取り除く。その状態で、図２（Ｃ）に示すように、炉芯管３０を下から支持するための炉芯管支持部材１９８をワーク支持台１９６の上に載置するとともに、第２の扉１２６を閉じ、真空容器蓋体２８を取り外す。真空容器蓋体２８を取り外すことにより、チューブ挿入口２４を介して炉芯管３０を真空加熱炉に導入することが可能になる。

図３は、真空加熱炉１０に炉芯管３０が導入された状態を示している。具体的には、同図は、真空容器１２の軸方向に炉芯管３０が挿通された状態を示している。炉芯管３０は、黒鉛やアルミナ等のセラミックス素材からなっており、その第１の端部３０２が炉芯管端部支持部２２によって支持される。この炉芯管３０は、処理量や処理品の大きさ、処理目的に合わせて取り外しが可能な構造となっている。また、炉芯管３０は、その中央部が炉芯管支持部材１９８によって支持される。

さらに、炉芯管３０は、その第１の端部３０２が、第１の真空シール部３２によって覆われるとともに、その第２の端部３０４が第２の真空シール部３４によって覆われる。なお、この実施形態では、第１の真空シール部３２および第２の真空シール部３４が本発明のシールユニットに対応する。

ここで、図４（Ａ）を用いて、第１の真空シール部３２の概略を説明する。同図に示すように、炉芯管３０の第１の端部３０２は、Ｏリング３２６等のシール部材を介して炉芯管端部支持部２２に支持される。第１の真空シール部３２は、Ｏリング３２６および炉芯管３０の第１の端部３０２を密閉状態にて覆うことによって真空容器１２内部および炉芯管３０内部の真空を維持するように構成されたカバー部材３２２を備える。カバー部材３２２には、炉芯管３０内の温度を測定するための熱電対３６を装着可能にするための熱電対取付フランジ３２４が設けられる。

続いて、図４（Ｂ）を用いて、第２の真空シール部３４の概略を説明する。炉心管３０の第２の端部３０４には、第２の端部３０４を支持するような状態で炉芯管側フランジ部材３４８がＯリング３４５等のシール部材を介して接続される。この炉芯管側フランジ部材３４８には、その第１の端部３４４が真空容器側フランジ部材２６に接続された真空用ベローズ３４２の第２の端部３４６がボルトやナット等の締結部材を介して接続される。真空用ベローズ３４２は、炉芯管側フランジ部材２６および炉芯管側フランジ部材３４８の間で真空容器１２の軸方向に伸縮可能になるように構成されており、真空容器１２内の真空を維持するように構成されている。

さらに、炉芯管側フランジ部材３４８の外側には、炉芯管３０に対するガスの供給およびガスの排出を行うように構成されたガス流入出ユニット３５０が接続される。ガス流入出ユニット３５０は、ガス導入部３５１およびガス排出部３５２を備えており、第２の端部３０４を介して炉芯管３０に対するガスの供給および排出を行うように構成される。例えば、この実施形態では、ガス流入出ユニット３５０は、炉芯管３０の内部にＮ₂ 、Ｈ₂ 、Ａｒガス等の雰囲気ガスを導入したり、炉芯管３０の内部を真空排気したりするように構成される。

以上の構成においては、真空加熱炉１０でワークを真空容器１２内の処理空間のワーク支持台１９６の上に載せて有効寸法を大きくとって通常の熱処理をすることが可能であるとともに、熱処理空間に炉芯管３０を挿入して炉心管３０の内部のワークに対して熱処理を行うことが可能となる。つまり、真空加熱炉１０を多目的に利用することが可能となる。

例えば、炉芯管３０を使用することにより、ワークから発生する汚染物質により真空容器１２の内部が汚染されることがない。また、雰囲気ガスは比較的小径な炉芯管３０の内部のみに流せるため少量のガスで熱処理が可能になる。このため、実験や研究目的で極少量のワークを炉内に入れて不活性ガスなどの雰囲気中や真空中で熱処理を施したい場合に、適宜的に炉芯管３０を利用して熱処理を行うと良い。

そして、たとえ炉芯管３０が熱によって真空容器１２より大きく膨張する場合であっても、炉芯管３０の伸びに応じて真空用ベローズ３４２が伸びて炉芯管３０の伸びを吸収するため、真空容器１２内の真空が適切に維持される。

上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０−真空加熱炉
１２−真空容器
１４−ガス供給部
１６−ガス排出部
２２−炉芯管端部支持部
２５−炉芯管導入部
３０−炉芯管
３２−第１の真空シール部
３４−第２の真空シール部
３４２−真空用ベローズ
３４８−炉芯管側フランジ部材
３５０−ガス流入出ユニット

Claims (3)

1. 熱処理空間に配置されたワークに対して熱処理を行うように構成された熱処理装置であって、
   炉芯管を選択的に装着可能に構成された真空容器と、
   前記真空容器に対して着脱可能な炉芯管と、
   前記炉芯管の端部を覆うように構成され、前記炉芯管を前記真空容器に気密に接続可能にするように構成されたシールユニットと、
   を備えており、
   前記真空容器は、
   前記真空容器の第１の端部に配置され、前記炉芯管の第１の端部を支持するように構成された炉芯管端部支持部と、
   前記真空容器の第２の端部に配置され、前記炉芯管を装着するときに前記炉芯管を前記真空容器の内部に導入するための炉芯管導入口、および前記炉芯管導入口の周囲に配置された真空容器側フランジ部材を有する炉芯管導入部と、
   前記真空容器の内部に配置されるとともに前記熱処理空間を囲って前記熱処理空間を画定する隔壁部材であって、前記炉芯管を挿通するための挿通孔と、前記挿通孔を塞ぐための栓部材とを有する隔壁部材と、を備え、
   前記シールユニットは、
   前記炉芯管の第２の端部を支持するように前記第２の端部に接続された炉芯管側フランジ部材と、
   前記真空容器側フランジ部材と前記炉芯管側フランジ部材との間に接続可能で、かつ、前記真空容器内の真空を維持するように構成された真空用ベローズと、
   前記炉芯管側フランジの外側に接続可能なガス流入出ユニットであって、前記第２の端部を介して前記炉芯管に対するガスの供給およびガスの排出を行うように構成されたガス流入出ユニットと、を備えた
   熱処理装置。
2. 前記隔壁部材は、前記熱処理空間を囲うように配置されたインナーマッフルと、前記インナーマッフルの外側に配置された断熱材とを有する請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記真空容器の第１の端部に、前記炉芯管の第１の端部側の真空を維持するための第１のシール部であって、前記炉芯管内の温度を測定するための熱電対を装着可能な第１のシール部が設けられた請求項１または２に記載の熱処理装置。

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