JP5508708B2 - Hot isostatic press - Google Patents

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Description

本発明は、高圧ガス雰囲気下で処理対象物を加熱処理する熱間等方圧加圧装置に係り、特に、大加熱電力の供給を可能としつつ、ヒータエレメントを過熱による損傷から保護する熱間等方圧加圧装置に関するものである。   The present invention relates to a hot isotropic pressure pressurizing apparatus that heat-treats an object to be processed under a high-pressure gas atmosphere. The present invention relates to an isotropic pressure press.

高圧ガス雰囲気下で処理対象物を加熱して、鋳物の巣やガス気孔、あるいは焼結体中の残留気孔を圧壊して消滅させる処理(以下、HIP処理とも言う)には、一般的に熱間等方圧加圧装置(以下、HIP装置とも言う)が使用されている。熱間等方圧加圧装置に代表される高圧ガス雰囲気炉では、通常、導電材料の電気抵抗を利用したジュール発熱による加熱方法が採用されている。この目的で使用されるヒータエレメント(以下、単にヒータとも言う)の材料は、炉の雰囲気温度(処理温度)およびヒータ材料の耐熱性によって選定されている。   Generally, heat treatment is generally performed in a process (hereinafter also referred to as HIP process) in which the object to be treated is heated in a high-pressure gas atmosphere to crush and eliminate casting voids, gas pores, or residual pores in the sintered body. An isostatic pressurizing device (hereinafter also referred to as HIP device) is used. In a high-pressure gas atmosphere furnace typified by a hot isostatic press, a heating method using Joule heating that utilizes the electrical resistance of a conductive material is usually employed. The material of the heater element (hereinafter also simply referred to as a heater) used for this purpose is selected according to the furnace ambient temperature (treatment temperature) and the heat resistance of the heater material.

即ち、雰囲気温度に対して、ヒータエレメントの温度が耐熱温度以下となるような条件で、加熱電力を供給して使用されている。ここで、耐熱温度とは、クリープ変形を生じて形状を維持できなくなる温度、あるいは反応(雰囲気ガスとの反応や溶融反応)を生じてヒータとして機能しなくなる温度をいう。ヒータエレメントは、エレメントの表面からの放熱量と電流によるジュール発熱のバランスする(同等となる)温度で使用されることとなる。ヒータエレメントからの放熱形態は、真空炉では殆ど輻射によるものであり、大気炉や大気圧近傍の不活性ガス雰囲気加熱炉では、輻射と空気もしくはガスの自然対流によるものである。   That is, it is used by supplying heating power under conditions such that the temperature of the heater element is equal to or lower than the heat resistance temperature relative to the ambient temperature. Here, the heat-resistant temperature refers to a temperature at which a shape cannot be maintained due to creep deformation, or a temperature at which a reaction (reaction with an atmospheric gas or a melting reaction) occurs to stop functioning as a heater. The heater element is used at a temperature where the amount of heat released from the surface of the element and Joule heat generation due to current balance (equal). The heat radiation form from the heater element is mostly due to radiation in a vacuum furnace, and in an atmospheric furnace or an inert gas atmosphere heating furnace near atmospheric pressure, it is due to natural convection of radiation and air or gas.

従来例に係る熱間等方圧加圧装置につき、以下添付図4〜8を参照しながら説明する。図4は従来例に係る熱間等方圧プレス装置の構造を示す図、図5はFe−Al−Cr系ヒータの炉温に対する表面負荷密度を示す図、図6はFe−Al−Cr系ヒータの高圧及び大気圧窒素雰囲気における許容表面負荷密度を示す図、図7は高圧及び大気圧窒素雰囲気における窒素ガス流速と熱伝達係数の関係を示す図、図8は他の従来例に係る高圧容器及び電気炉の断面図である。   A hot isostatic pressurizing apparatus according to a conventional example will be described below with reference to FIGS. FIG. 4 is a view showing the structure of a hot isostatic pressing apparatus according to a conventional example, FIG. 5 is a view showing the surface load density with respect to the furnace temperature of the Fe—Al—Cr heater, and FIG. FIG. 7 is a diagram showing the allowable surface load density in a high-pressure and atmospheric-pressure nitrogen atmosphere of the heater, FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the nitrogen gas flow rate and the heat transfer coefficient in the high-pressure and atmospheric-pressure nitrogen atmosphere, and FIG. It is sectional drawing of a container and an electric furnace.

通常、従来例に係る熱間等方圧プレス装置(HIP装置)では、図4に示す如く、縦形円筒状の高圧容器102の内部に抵抗線加熱方式の電気炉が収納された構造を有している。高圧容器102の内部には、処理室104を取り囲む様に抵抗線加熱方式のヒータ103,103,103が、上下方向に複数段に分割されて配置され、雰囲気ガスの自然対流による上下部間の温度分布を、上下全体に渡って加熱することにより解消する様にしている。また、ガスの自然対流は、処理室104を加熱昇温するための熱が過度に系外に放散される要因ともなるため、これを効率良く抑制できる様に底付き円筒形状の断熱構造体105で処理室104とヒータ103,103,103とを取囲む構造が採用されている(特許文献1参照)。   Normally, the hot isostatic pressing device (HIP device) according to the conventional example has a structure in which a resistance wire heating type electric furnace is accommodated inside a vertical cylindrical high-pressure vessel 102 as shown in FIG. ing. Inside the high-pressure vessel 102, resistance wire heating type heaters 103, 103, 103 are arranged in a plurality of stages in the vertical direction so as to surround the processing chamber 104, and between the upper and lower parts by natural convection of atmospheric gas. The temperature distribution is eliminated by heating all over the top and bottom. Further, the natural convection of the gas also causes the heat for heating and raising the temperature of the processing chamber 104 to be excessively dissipated out of the system. Therefore, a structure that surrounds the processing chamber 104 and the heaters 103, 103, 103 is employed (see Patent Document 1).

そして、前記ヒータ103,103,103で発生した熱を輻射と自然対流による放熱により、雰囲気の高圧ガスおよび被処理対象物に供給にする構成となっており、熱源であるヒータ103,103,103は常に雰囲気ガスよりも高温となり、これらヒータエレメント材料の耐熱温度がその上限温度となっている。従って、処理温度がヒータエレメント材料の耐熱温度に近くなるにつれて、許容される表面負荷密度は小さくなり、これを表面積を大きくすることで回避せざるを得なくなる。即ち、必要な投入可能な電力を確保するには、ヒータ103,103,103のスペースを大きく取る必要が生じて、高価な高圧容器102の中でヒータ103,103,103の占める体積が大きくならざるを得えない。   Then, the heat generated by the heaters 103, 103, 103 is supplied to the high-pressure gas in the atmosphere and the object to be processed by radiation and radiation by natural convection, and the heaters 103, 103, 103 as heat sources are configured. Is always higher than the ambient gas, and the heat-resistant temperature of these heater element materials is the upper limit temperature. Therefore, as the processing temperature approaches the heat resistance temperature of the heater element material, the allowable surface load density decreases, and this must be avoided by increasing the surface area. That is, in order to secure the necessary electric power that can be input, it is necessary to increase the space of the heaters 103, 103, 103, and the volume occupied by the heaters 103, 103, 103 in the expensive high-pressure vessel 102 increases. I cannot help it.

この様に、従来例に係る熱間等方圧プレス装置は、通常は輻射と雰囲気を形成している気体の自然対流による放熱が主体である。このため、使用するヒータエレメントを製造販売しているメーカからは、雰囲気温度に対する許容表面負荷密度(=許容加熱電力/ヒータの表面積:W/cm)を設計資料として提供しており、この設計資料に基づいて、投入したい加熱電力に対してヒータの表面積を計算することにより、ヒータエレメントの断面形状や長さを算出している。 As described above, the hot isostatic pressing apparatus according to the conventional example is mainly mainly radiating heat by natural convection of gas forming radiation and atmosphere. For this reason, the manufacturer that manufactures and sells the heater elements to be used provides the allowable surface load density with respect to the ambient temperature (= allowable heating power / heater surface area: W / cm 2 ) as design data. Based on the data, the sectional shape and length of the heater element are calculated by calculating the surface area of the heater with respect to the heating power to be input.

例えば、Fe−Al−Cr系のヒータ材料(株式会社リケン製パイロマックス)について図5を用いて説明する。本図5において、PX−Dと記された曲線は、クリープ変形が顕著となる耐熱温度が約1300℃とされているため、曲線は1300℃より高温では、許容される表面負荷密度は0W/cmとなっている。本曲線は設計用であり、安全率が考慮されているため、短時間であれば、網掛された設計範囲での使用も可能と推察される。また、放熱量は炉の断熱性にも依存するので、同じ炉温に対して断熱性が悪い場合、即ち放熱量が多い場合には、ヒータに余分な電力を投入する必要が生じる等の要因から、設計範囲は上記の曲線を囲む様な網掛領域で示されている。 For example, an Fe—Al—Cr-based heater material (Pyromax manufactured by Riken Corporation) will be described with reference to FIG. In FIG. 5, the curve indicated as PX-D has a heat resistance temperature at which creep deformation becomes remarkable, which is about 1300 ° C. Therefore, when the curve is higher than 1300 ° C., the allowable surface load density is 0 W / cm 2 . Since this curve is for design and the safety factor is taken into consideration, it is assumed that it can be used in a shaded design range for a short time. In addition, the amount of heat release depends on the heat insulation of the furnace, so if the heat insulation is poor for the same furnace temperature, that is, if there is a large amount of heat release, it will be necessary to supply extra power to the heater. Therefore, the design range is indicated by a shaded area surrounding the above curve.

この様に、ヒータ放熱量は、ヒータエレメント温度と雰囲気温度との差により発生する自然対流熱伝達及び周囲の構造物や処理品との間での輻射熱伝達により決まり、これは高圧ガス雰囲気の場合も同様である。大気圧近傍と大きく異なる点は、100MPaもの高圧のガス雰囲気の場合、ガスの密度が大きく比熱も大きくなるために、対流により伝達される熱量が大きくなる点である。   Thus, the amount of heat released from the heater is determined by the natural convection heat transfer generated by the difference between the heater element temperature and the ambient temperature, and the radiant heat transfer between the surrounding structures and processed products. Is the same. A significant difference from the vicinity of the atmospheric pressure is that, in a high-pressure gas atmosphere of 100 MPa, the gas density is large and the specific heat is large, so that the amount of heat transferred by convection is large.

即ち、同じ炉温であっても大気圧近傍と高圧ガス雰囲気下では、自然対流の熱伝達係数は大きくなり、同じ電力を投入してもヒータエレメント温度は大気圧下よりも低くなる。このことは、同じ炉温に対する許容表面負荷密度を大きくしても、雰囲気温度とヒータエレメント温度の差が小さくなって、ヒータエレメントの耐熱温度までの余裕が大きくなることを意味している。   That is, even at the same furnace temperature, the heat transfer coefficient of natural convection increases near atmospheric pressure and in a high-pressure gas atmosphere, and the heater element temperature becomes lower than that under atmospheric pressure even when the same power is applied. This means that even if the allowable surface load density for the same furnace temperature is increased, the difference between the ambient temperature and the heater element temperature is reduced, and the margin to the heat resistant temperature of the heater element is increased.

従来例に係るHIP装置のヒータの場合、ヒータエレメントは通常、輻射と自然対流による放熱現象が生じている状況で使用されている。実際、上記PX−D材の場合、設計資料(株式会社リケン、大気圧下用)では、図5に示す如く炉温1200℃に対する許容表面負荷密度は1W/cmとなっているが、100MPaの窒素ガス雰囲気下では、図6に示す様に10W/cm程度まで許容されることが分かっており、この表面負荷密度の経験値により設計されている。 In the case of the heater of the HIP apparatus according to the conventional example, the heater element is usually used in a situation where a heat radiation phenomenon due to radiation and natural convection occurs. In fact, in the case of the PX-D material, the design data (Riken Co., Ltd., for use under atmospheric pressure) shows an allowable surface load density of 1 W / cm 2 for a furnace temperature of 1200 ° C. as shown in FIG. Under the nitrogen gas atmosphere, as shown in FIG. 6, it is known that it is allowed up to about 10 W / cm 2, and it is designed based on an empirical value of this surface load density.

一方、近年装置のコンパクト化に対する要請が強くなっており、高圧容器の内部に強制対流用のファンを用いたものが用いられつつある。このファンの使用は、冷却時間の短縮の目的で採用されることが多いが、もう一つの利点として、ヒータの許容表面負荷密度を更に大きくできることが挙げられる。   On the other hand, in recent years, there has been a strong demand for a compact apparatus, and a high-pressure vessel using a fan for forced convection is being used. The use of this fan is often adopted for the purpose of shortening the cooling time, but another advantage is that the allowable surface load density of the heater can be further increased.

図7は強制対流による放熱量の増加を、高圧(100MPa)及び大気圧窒素雰囲気における窒素ガス流速と熱伝達係数の関係として示すものである。横軸は強制対流による流速であり、大気圧下では、流速を20m/sec以上にしても熱伝達係数は1桁増加程度であるが、100MPaの窒素ガス雰囲気下では、殆どの流速域で大気圧下より2桁大きな値となることが分かる。   FIG. 7 shows the increase in the heat release due to forced convection as a relationship between the nitrogen gas flow rate and the heat transfer coefficient in a high pressure (100 MPa) and atmospheric nitrogen atmosphere. The horizontal axis is the flow velocity by forced convection. Under atmospheric pressure, the heat transfer coefficient increases by an order of magnitude even when the flow velocity is 20 m / sec or more. It can be seen that the value is two orders of magnitude greater than under atmospheric pressure.

表1は、雰囲気温度を1200℃、ヒータエレメント温度が雰囲気温度より200℃高いとしたときの、大気圧状態及び100MPaの窒素ガス雰囲気下での自然対流の場合の熱伝達係数と、強制対流で流速を大きくした場合の熱伝達係数(W/mK)を計算した結果を示したものである。因みに、自然対流で生じる大気圧のガスの流速は0.4m/sec程度、高圧窒素では0.1m/sec程度に相当することが、この表から読み取れる。高圧の窒素ガス雰囲気下では、強制対流により流速を1〜5m/secとすることにより、熱伝達係数は自然対流の場合の10〜36倍程度にまで増大する。即ち、同じ雰囲気温度とヒータエレメントの温度差(200℃)に対して、10〜36倍の加熱電力の投入が可能となる。 Table 1 shows the heat transfer coefficient and forced convection in the case of natural convection in an atmospheric pressure state and a nitrogen gas atmosphere of 100 MPa when the atmospheric temperature is 1200 ° C. and the heater element temperature is 200 ° C. higher than the atmospheric temperature. The result of calculating the heat transfer coefficient (W / m 2 K) when the flow rate is increased is shown. Incidentally, it can be read from this table that the flow rate of the atmospheric gas generated by natural convection corresponds to about 0.4 m / sec, and that of high pressure nitrogen corresponds to about 0.1 m / sec. Under a high-pressure nitrogen gas atmosphere, the heat transfer coefficient is increased to about 10 to 36 times that of natural convection by setting the flow rate to 1 to 5 m / sec by forced convection. That is, it is possible to input heating power 10 to 36 times the temperature difference (200 ° C.) of the same atmospheric temperature and heater element.

Figure 0005508708
Figure 0005508708

一方、近年処理温度が500℃近傍を対象としたHIP装置では、温度500℃近傍では高圧ガスの対流を利用する方が効率よく加熱できることが認識されて、図8に示す様に、高圧容器32内の高圧ガスを処理室34の下方に配置されたファン33により強制対流を生じさせて、ベースヒータ35からの熱の供給量を増大させるような熱間等方圧加圧装置31が提案されている(特許文献2参照)。しかし、この場合、何らかの原因で前記ファン33が停止して強制対流が遮断されてしまうと、除去される熱量の急速な減少により、ベースヒータ31の温度が急激に上昇して耐熱温度を越えてしまう危険性が生じる。
特開2007−309548号公報 特開2003−336972号公報
On the other hand, in recent years, it has been recognized that in a HIP apparatus targeting a processing temperature of around 500 ° C., it is possible to efficiently heat using convection of high-pressure gas at a temperature of around 500 ° C. As shown in FIG. A hot isostatic pressurization device 31 is proposed in which forced convection is caused by a fan 33 disposed below the processing chamber 34 to increase the amount of heat supplied from the base heater 35. (See Patent Document 2). However, in this case, if the fan 33 is stopped for some reason and the forced convection is interrupted, the temperature of the base heater 31 rapidly rises and exceeds the heat-resistant temperature due to a rapid decrease in the amount of heat removed. There is a risk that
JP 2007-309548 A JP 2003-336972 A

自然対流と輻射によりヒータから熱を、アルゴン、窒素等の高圧の雰囲気ガスを介して処理対象物に伝熱する従来例に係る熱間等方圧加圧装置では、ヒータエレメントの表面負荷密度の限界が小さくヒータ表面積を大きくする必要があるため、ヒータ自体が大きくなり、近年のコンパクト化の要請に応えることができない。また、Fe−Al−Cr合金のヒータエレメントでは、耐熱温度が1300℃強程度であるため、雰囲気温度、即ち炉温は、100MPaのアルゴン雰囲気の場合でこれより200℃程度低い温度、即ち1100〜1130℃程度が上限となってしまい、これ以上の温度を発生するには他のヒータエレメント材料を使用する必要が生じる。   In the hot isostatic pressing apparatus according to the conventional example, in which heat is transferred from the heater by natural convection and radiation to the object to be processed through a high-pressure atmospheric gas such as argon or nitrogen, the surface load density of the heater element is reduced. Since the limit is small and the surface area of the heater needs to be increased, the heater itself becomes large and cannot meet the recent demand for compactness. Further, since the heat resistant temperature of the Fe-Al-Cr alloy heater element is about 1300 ° C., the atmospheric temperature, that is, the furnace temperature, is about 200 ° C. lower than that in the case of an argon atmosphere of 100 MPa, that is, 1100 to 100 ° C. The upper limit is about 1130 ° C., and it is necessary to use another heater element material to generate a temperature higher than this.

しかしながら、耐酸化性が要求される場合には、白金のような高価な材料以外にヒータエレメント材に適したものがないという問題がある。更に、この白金も融点が1768℃であり、ヒータエレメントに白金を使用したとても、100MPaのアルゴン/酸素混合雰囲気下での炉温は1550〜1570℃が限界である。
一方、ファンを利用して、ヒータからの熱を高圧の雰囲気ガスに伝熱する強制対流方式による従来例に係る熱間等方加圧装置では、ファンが何らかの原因で停止したときに、ヒータエレメントの温度が急激に上昇して、断線等のトラブルを招くこととなる。
However, when oxidation resistance is required, there is a problem that there is no material suitable for the heater element material other than an expensive material such as platinum. Further, this platinum also has a melting point of 1768 ° C., and the limit of the furnace temperature in the argon / oxygen mixed atmosphere of 100 MPa using platinum as the heater element is 1550 to 1570 ° C.
On the other hand, in the hot isostatic press apparatus according to the conventional example using the forced convection method that transfers the heat from the heater to the high-pressure atmospheric gas using a fan, the heater element is stopped when the fan stops for some reason. The temperature rises rapidly, causing troubles such as disconnection.

従って、本発明の目的は、ヒータエレメントへの大加熱電力の供給が可能で、かつヒータエレメントの過熱による損傷を回避可能な熱間等方圧加圧装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a hot isostatic pressing device capable of supplying a large heating power to a heater element and avoiding damage due to overheating of the heater element.

前記目的を達成するために、本発明の請求項1に係る熱間等方圧加圧装置が採用した手段は、処理対象物を収容する高圧容器と、この高圧容器の下方に設置された加熱手段とを有し、この加熱手段により加熱された圧媒ガスを前記高圧容器内に強制的に対流させるための圧媒ガス強制対流手段を前記高圧容器の下方に備えてなる熱間等方圧加圧装置であって、前記加熱手段の近傍に設置され、前記加熱手段の近傍の雰囲気温度を検知する測温手段を備えると共に、前記雰囲気温度が所定温度以上の過熱状態になったことを前記測温手段が検知した場合に、前記加熱手段の過熱防止のために前記加熱手段への供給電力を遮断または低減する様に制御する保護手段が設けられ
前記圧媒ガス強制対流手段が、前記圧媒ガスを攪拌及び循環させる音響流を発生させる音響流発生部と、前記音響流発生部を振動させる超音波振動子とから構成されてなることを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the means adopted by the hot isostatic pressing device according to claim 1 of the present invention includes a high-pressure vessel that accommodates an object to be treated, and a heating installed below the high-pressure vessel. A hot isostatic pressure comprising pressure medium gas forced convection means under the high pressure vessel for forcibly convection of the pressure medium gas heated by the heating means into the high pressure vessel. The pressurizing device is provided in the vicinity of the heating means, and includes a temperature measuring means for detecting an ambient temperature in the vicinity of the heating means, and the atmospheric temperature is overheated to a predetermined temperature or more. When the temperature measuring means detects, a protection means is provided for controlling to cut off or reduce the power supplied to the heating means to prevent overheating of the heating means ,
The pressure medium gas forced convection means is composed of an acoustic flow generator that generates an acoustic flow for stirring and circulating the pressure medium gas, and an ultrasonic transducer that vibrates the acoustic flow generator. It is what.

本発明の請求項1に係る熱間等方圧加圧装置によれば、
処理対象物を収容する高圧容器と、この高圧容器の下方に設置された加熱手段とを有し、この加熱手段により加熱された圧媒ガスを前記高圧容器内に強制的に対流させるための圧媒ガス強制対流手段を前記高圧容器の下方に備えてなる熱間等方圧加圧装置であって、前記加熱手段の近傍に設置され、前記加熱手段の近傍の雰囲気温度を検知する測温手段を備えると共に、前記雰囲気温度が所定温度以上の過熱状態になったことを前記測温手段が検知した場合に、前記加熱手段の過熱防止のために前記加熱手段への供給電力を遮断または低減する様に制御する保護手段が設けられ、前記圧媒ガス強制対流手段が、前記圧媒ガスを攪拌及び循環させる音響流を発生させる音響流発生部と、前記音響流発生部を振動させる超音波振動子とから構成されてなる。
According to the hot isostatic pressing apparatus according to claim 1 of the present invention,
A pressure vessel for forcibly convection of the pressure medium gas heated by the heating means, into the high-pressure vessel. A hot isostatic pressurizing device provided with a medium gas forced convection means below the high-pressure vessel, the temperature measuring means being installed in the vicinity of the heating means and detecting the ambient temperature in the vicinity of the heating means And when the temperature measuring means detects that the ambient temperature is overheated to a predetermined temperature or higher, the power supplied to the heating means is cut off or reduced to prevent overheating of the heating means. Protective means for controlling in such a way that the pressure medium gas forced convection means generates an acoustic flow that agitates and circulates the pressure medium gas, and an ultrasonic vibration that vibrates the acoustic flow generator Composed of children and It becomes Te.

その結果、前記加熱手段が溶断する様なトラブルを抑制し、処理対象物と高圧ガス双方への熱の供給が改善されて加熱時間が短縮される。また、前記加熱手段の表面負荷密度を大きくした設計が可能となり、加熱手段のコンパクト化が可能となる。更に、同一発熱手段であっても、発生可能な温度の最高値を、従来例に係る自然対流・輻射型と比較して高くできる。
前記加熱手段が溶断するようなトラブルを発生することなく、処理対象物と高圧ガス双方への熱の供給が大きく改善されて、加熱時間が短縮される。また、前記加熱手段の表面負荷密度を大きくした設計が可能となり、加熱手段のコンパクト化が可能となる。更に、同一発熱手段であっても、発生可能な温度の最高値を、従来例に係る自然対流・輻射型と比較して100℃以上高くできる。
前記撹拌ファンの設置に伴うファン材料の高コスト化の問題を始め、曲げ応力やブレの問題、ファン駆動モータ等のスペース制約の問題等を回避することができる。
As a result, troubles such as melting of the heating means are suppressed, the supply of heat to both the object to be processed and the high-pressure gas is improved, and the heating time is shortened. In addition, the heating means can be designed with a higher surface load density, and the heating means can be made compact. Furthermore, even with the same heat generating means, the maximum temperature that can be generated can be increased as compared with the natural convection / radiation type according to the conventional example.
The supply of heat to both the object to be processed and the high-pressure gas is greatly improved and the heating time is shortened without causing a trouble that the heating means is melted. In addition, the heating means can be designed with a higher surface load density, and the heating means can be made compact. Furthermore, even with the same heating means, the maximum temperature that can be generated can be increased by 100 ° C. or more compared to the natural convection / radiation type according to the conventional example.
In addition to the problem of increasing the cost of the fan material associated with the installation of the agitating fan, it is possible to avoid problems such as bending stress and blurring, and space constraints such as fan drive motors.

先ず、参考例の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置(HIP装置)の構造及び作用を、以下添付図1〜3を参照しながら説明する。図1は参考例の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置の構造を説明するため、空炉状態の立断面を示す模式的立断面図、図2は図1における操業中の高圧容器内の高圧ガスの流れ状態を説明するための模式的立断面図、図3は本発明の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置の構造を説明するため、空炉状態の立断面を示す模式的立断面図である。 First, the structure and operation of hot isostatic pressing apparatus according to the shape condition of the embodiment of Reference Example (HIP apparatus) will be described with reference to the accompanying drawings 1-3 below. 1 for illustrating the structure of isostatic pressing device hot in accordance with the form status of implementation of the reference example, schematic elevational sectional view showing a sectional elevation of an empty furnace condition, Figure 2 is in operation in FIG. 1 schematic elevational cross-sectional view for explaining the flow conditions of the high-pressure gas in the high pressure vessel, Figure 3 is for explaining the structure of hot isostatic pressing apparatus according to the shape condition of the present invention, empty furnace conditions FIG.

参考例の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置は、高圧円筒1、上蓋2、下蓋3で構成される高圧容器の内部に、断熱構造体4で画成された処理室5と、この処理室5下端の加熱室6a内に配置されたヒータ(加熱手段)6と、更に、この加熱室6a内のヒータ6下方に配置された強制対流発生用の撹拌ファン(圧媒ガス強制対流手段)7が備えられている。参考例の実施の形態に係る図1の熱間等方圧加圧装置は、前述した図4に示した様に側面部ヒータからの輻射熱による処理対象物の加熱を行なうことなく、1000℃以上の高温までの処理を可能とするものである。 Hot isostatic pressing apparatus according to the shape condition of the embodiment of the reference example, a high-pressure cylinder 1, the upper lid 2, the interior of the pressure vessel consists of the lower lid 3, the field made a processing chamber of a heat insulating structure 4 5, a heater (heating means) 6 disposed in the heating chamber 6a at the lower end of the processing chamber 5, and a stirring fan (pressure medium) for generating forced convection disposed below the heater 6 in the heating chamber 6a. Gas forced convection means) 7 is provided. Hot isostatic pressing apparatus 1 according to the shape condition of the embodiment of the reference example, without performing the heating of the radiant heat by the process object from the side surface heater as shown in FIG. 4 was pre-mentioned, 1000 It enables processing up to a high temperature of ℃ or higher.

通常の処理時においては、前記処理室5内には、前図4もしくは図8に示された様に棚板が設置され、各棚板上に処理対象物が載置される。本例は前記処理室が棚板も処理対象物も無い空の状態、即ち空炉状態を示している。処理室5内に収納された全ての処理対象物の熱履歴を保証するために、通常は、少なくとも前記処理室5の上端部近傍には上部処理室測温部材9aが、前記処理室5の下端部近傍には下部処理室測温部材9bが取り付けられて、処理室5内の夫々の温度を測定可能としている。また、前記加熱室6aのヒータ6近傍にはヒータ過熱監視用測温部材(測温手段)10が取り付けられて、ヒータ6近傍の雰囲気温度を測定可能としている。   During normal processing, shelves are installed in the processing chamber 5 as shown in FIG. 4 or FIG. 8, and a processing object is placed on each shelf. This example shows an empty state in which the processing chamber has neither a shelf nor an object to be processed, that is, an empty furnace state. In order to guarantee the heat history of all the processing objects stored in the processing chamber 5, the upper processing chamber temperature measuring member 9 a is usually provided at least near the upper end of the processing chamber 5. A lower processing chamber temperature measuring member 9b is attached in the vicinity of the lower end so that each temperature in the processing chamber 5 can be measured. Further, a heater overheating monitoring temperature measuring member (temperature measuring means) 10 is attached in the vicinity of the heater 6 of the heating chamber 6a so that the ambient temperature in the vicinity of the heater 6 can be measured.

そして、前記上部処理室測温部材9a及び下部処理室測温部材9bによって検出された
温度検出信号は、図示しない制御器に送信されると共に、前記上部及び下部処理室測温部材9a,9bによって検出された検出温度を基に、前記制御器によりヒータ6への加熱電力を遮断または低減する制御を行ない、前記ヒータ6を保護する保護手段が設けられている。また、前記上部処理室測温部材9a及び下部処理室測温部材9bによって検出された検出温度に所定値以上の温度差がある場合には、前記制御器が撹拌ファン7を駆動している駆動モータ8の回転数を制御して、高圧ガスの対流々速を上げて処理室5内の均熱性を制御する様に構成されている。
The temperature detection signals detected by the upper processing chamber temperature measuring member 9a and the lower processing chamber temperature measuring member 9b are transmitted to a controller (not shown), and also by the upper and lower processing chamber temperature measuring members 9a, 9b. Protection means for protecting the heater 6 is provided by performing control to cut off or reduce the heating power to the heater 6 by the controller based on the detected temperature detected. Further, when the detected temperature detected by the upper processing chamber temperature measuring member 9a and the lower processing chamber temperature measuring member 9b has a temperature difference of a predetermined value or more, the controller drives the stirring fan 7 The rotational speed of the motor 8 is controlled to increase the convection speed of the high pressure gas so as to control the heat uniformity in the processing chamber 5.

符号14はガス流通孔14aが設けられた台座であり、この台座上に図示しない複数段の棚板が設置され、各棚板に処理対象物が載置される。そして、ヒータ6によって加熱された高圧ガスは、撹拌ファン7によって撹拌された後、加熱室6aから前記ガス流通孔14aを経て処理室5に至る。尚、1000℃程度までの温度域では、撹拌ファン7をある速度以上の高速で駆動していれば、処理室5内の均熱性は容易に確保されることが経験的に知られている。ここで、符号12は高圧容器内に高圧ガスを導入するためのガス導入孔、符号13は高圧円筒1を冷却するための水冷ジャケットであり、この水冷ジャケット13には、冷却水を供給するための冷却水入口13aと、排出するための冷却水出口13bが取り付けられている。   Reference numeral 14 denotes a pedestal provided with a gas flow hole 14a. A plurality of shelf boards (not shown) are installed on the pedestal, and a processing object is placed on each shelf board. The high-pressure gas heated by the heater 6 is stirred by the stirring fan 7 and then reaches the processing chamber 5 from the heating chamber 6a through the gas circulation hole 14a. In the temperature range up to about 1000 ° C., it is empirically known that the heat uniformity in the processing chamber 5 can be easily secured if the stirring fan 7 is driven at a speed higher than a certain speed. Here, reference numeral 12 denotes a gas introduction hole for introducing high-pressure gas into the high-pressure vessel, and reference numeral 13 denotes a water-cooling jacket for cooling the high-pressure cylinder 1. The water-cooling jacket 13 is supplied with cooling water. The cooling water inlet 13a and the cooling water outlet 13b for discharging are attached.

高圧の状態でヒータ6に通電すると、ヒータ6が収納された空間に充填された高圧ガスが加熱されて処理室5内を上昇し、図示しない処理対象物を収納している円筒状の整流筒11の外側を下降して撹拌ファン7の部分に戻る様な自然対流が発生する。即ち、この自然対流による流れは、図2に矢印で示した様な循環流を描く。この高圧ガスの循環により処理室5内の処理対象物は加熱される。   When the heater 6 is energized in a high-pressure state, the high-pressure gas filled in the space in which the heater 6 is stored is heated to rise in the processing chamber 5, and a cylindrical rectifier cylinder that stores a processing object (not shown). Natural convection is generated such that the outer side of 11 is lowered and returned to the stirring fan 7 portion. That is, the flow by this natural convection draws a circulating flow as shown by arrows in FIG. The processing object in the processing chamber 5 is heated by the circulation of the high-pressure gas.

しかし、自然対流のみでは、表1を参照して説明した様に、100MPaの高圧窒素ガスといえども、その熱伝達係数は100W/mK程度であり、処理対象物への熱の供給及びヒータエレメント6表面からの熱の吸収効率が十分ではない。そのため、加熱に時間を要する一方、前述の様に大きな電力を投入するとヒータエレメント6からの熱の放散が少なく、ヒータエレメント6自体が過熱されて耐熱温度を超えてしまう様な状態となり易い。加熱室に設置されたヒータ過熱監視用測温部材10は、この様な状態を検知するために設置されたもので、このヒータ過熱監視用測温部材10によって検出された検出温度が所定温度を超えると、前記制御器によりヒータ6への供給加熱電力を遮断もしくは低減する制御を行う様に構成されている。 However, only natural convection has a heat transfer coefficient of about 100 W / m 2 K, even as high-pressure nitrogen gas of 100 MPa, as described with reference to Table 1, The heat absorption efficiency from the surface of the heater element 6 is not sufficient. Therefore, while it takes time for heating, if a large electric power is applied as described above, heat dissipation from the heater element 6 is small, and the heater element 6 itself is overheated and tends to exceed the heat resistant temperature. The heater overheat monitoring temperature measuring member 10 installed in the heating chamber is installed to detect such a state, and the detected temperature detected by the heater overheat monitoring temperature measuring member 10 has a predetermined temperature. If it exceeds, it is comprised so that control which interrupts | blocks or reduces the supply heating electric power to the heater 6 may be performed by the said controller.

尚、加熱室6aの中でも、ヒータエレメント6が過熱され易い部分は、自然対流によるガスの流れが淀み易く、かつ熱も溜まり易い部位が該当する。即ち、この様な部位の一つは、ヒータエレメント6の上端近傍でヒータエレメント6の上側空間が開放されていない部分であるので、この様な部位に少なくとも1個のヒータ過熱監視用測温部材10を配置する。具体的には、図1,2に示された如く撹拌ファン7が配置されている場合、ファン回転軸8a上の正面に位置する空間はガスの流速が低下し易いので、ヒータエレメント6の上端近傍の水平面内で、ファン回転軸8a上方に配置することが推奨される。   In the heating chamber 6a, the portion where the heater element 6 is easily overheated corresponds to a portion where the gas flow due to natural convection is likely to stagnate and heat is likely to accumulate. That is, one of such portions is a portion where the upper space of the heater element 6 is not opened near the upper end of the heater element 6, and therefore, at least one heater overheating monitoring temperature measuring member is provided in such a portion. 10 is arranged. Specifically, when the agitating fan 7 is arranged as shown in FIGS. 1 and 2, the space located in front of the fan rotation shaft 8a tends to reduce the gas flow velocity. It is recommended to dispose the fan rotating shaft 8a above the nearby horizontal plane.

もちろん、前記ヒータ過熱監視用測温部材10は、この一箇所に限らず、複数個所設置することが好ましい。図1,2に示された様に加熱室6aの内部では、上記のファン回転軸8aの上の他に、ヒータエレメント6が配置され、かつ撹拌ファン7から遠い位置も過熱状態となる可能性があるので、このような位置にも配置することが現実的である。尚、ヒータ過熱監視用測温部材10としては、設置スペースが小さくて済み、測温精度と信頼性の観点から熱電対を用いることが推奨されるが、抵抗温度計等の他の手段を用いても良い。   Of course, the temperature measuring member 10 for monitoring the heater overheat is not limited to this one place, and it is preferable to install a plurality of places. As shown in FIGS. 1 and 2, in the heating chamber 6a, in addition to the fan rotation shaft 8a, the heater element 6 is disposed and a position far from the stirring fan 7 may be overheated. Therefore, it is realistic to arrange it at such a position. As the temperature measuring member 10 for monitoring the heater overheat, a small installation space is required, and it is recommended to use a thermocouple from the viewpoint of temperature measurement accuracy and reliability, but other means such as a resistance thermometer are used. May be.

参考例の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置においては、上述の如く撹拌ファン7をファン駆動モータ8により駆動して、高圧容器内のガスを強制対流させている。このときの高圧ガスの流れは、基本的に上述の自然対流による流れと同様な循環流を描くように形成される。この様な強制対流は、元々自然対流による流れが形成される現象を更に助長する様な形態で作用するので、前記撹拌ファン7の駆動にはさほど大きな動力は必要としない。 In hot isostatic pressing apparatus according to the shape condition of the embodiment of the reference example, the stirring fan 7 as described above is driven by a fan drive motor 8, thereby forcing convection of the gas in the high pressure vessel. At this time, the flow of the high-pressure gas is formed so as to draw a circulation flow similar to the flow by the natural convection described above. Such forced convection originally acts in such a way as to further promote the phenomenon in which a flow due to natural convection is formed, so that a large amount of power is not required to drive the stirring fan 7.

尚、撹拌ファン7の構造は、高流速が得易い、いわゆる軸流形(アクシャルタイプ)が適しており、撹拌ファン7の材質等には、1200℃の高温に耐え得るモリブデン合金等を用いるのが一般的である。この様な撹拌ファン7を用いた強制対流により、高圧ガスの流速を容易に1〜5m/secとすることが可能である。この結果、表1に示した様に、熱伝達係数が飛躍的に向上されて、処理対象物への熱の供給はもちろんヒータエレメント6からの熱の伝達が良くなり、ヒータエレメント6が過熱されるのを防ぐことが可能となる。この結果、同一のヒータエレメント材を使用したヒータ6であっても、本発明の如く強制対流を利用することによって、従来の自然対流型HIP装置の場合と比較して、最高雰囲気温度(炉温)を、ヒータエレメント材の耐熱温度により近い温度まで近づけることが可能となる。   In addition, the structure of the stirring fan 7 is suitable for a so-called axial flow type (axial type) in which a high flow rate is easily obtained, and a material such as a molybdenum alloy that can withstand a high temperature of 1200 ° C. is used. It is common. By forced convection using such a stirring fan 7, the flow rate of the high-pressure gas can be easily set to 1 to 5 m / sec. As a result, as shown in Table 1, the heat transfer coefficient is drastically improved, the heat transfer from the heater element 6 is improved as well as the supply of heat to the object to be processed, and the heater element 6 is overheated. Can be prevented. As a result, even with the heater 6 using the same heater element material, the maximum ambient temperature (furnace temperature) can be obtained by using forced convection as in the present invention as compared with the case of the conventional natural convection type HIP apparatus. ) Can be brought closer to a temperature closer to the heat resistant temperature of the heater element material.

参考例の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置では、この様な強制対流型ヒータ構造を採用する場合の技術的な問題点である、撹拌ファン7に何らかのトラブルが発生して高圧ガスの強制対流が利用できなくなった場合に対して、ヒータ6の保護手段を加えることが肝要である。即ち、撹拌ファン7は構成材料および駆動モータ8の耐熱性の関係から、処理室5空間の下方の加熱室6aにおいて、ヒータ6の下部に配置されるのが通例であるが、処理対象物に付着した砂、錆等が落下して、撹拌ファン7もしくは駆動モータ8の軸受部に侵入して、ファン回転軸8aが回転しなくなるといったトラブルが発生し易い。 The hot isostatic pressing apparatus according to the shape condition of the embodiment of the reference example, a technical problem when adopting such a forced convection heater structure, some trouble occurs in stirred fan 7 It is important to add protection means for the heater 6 when forced convection of high pressure gas becomes unavailable. In other words, the stirring fan 7 is usually disposed below the heater 6 in the heating chamber 6a below the space of the processing chamber 5 because of the heat resistance of the constituent material and the drive motor 8. The adhering sand, rust, etc. are likely to fall and enter the bearing portion of the agitating fan 7 or the drive motor 8 to cause a trouble that the fan rotating shaft 8a does not rotate.

この様に、撹拌ファン7もしくは駆動モータ8の軸受部分に錆や砂などの異物が侵入する等して回転しなくなった場合には、通常は過負荷を検知する電流計等のセンサーにより過負荷信号が制御器に送信され、この制御器の指令により駆動モータ8への供給電力が遮断されるが、前記過負荷信号を用いてヒータ6への加熱電力の供給も遮断する保護回路を設けることも推奨される。   In this way, when foreign matter such as rust or sand enters the bearing portion of the agitating fan 7 or the drive motor 8 and stops rotating, it is usually overloaded by a sensor such as an ammeter that detects overload. A signal is transmitted to the controller, and the power supplied to the drive motor 8 is cut off by a command from the controller, but a protection circuit is provided to cut off the supply of heating power to the heater 6 using the overload signal. Is also recommended.

<実施例>
従来例に係る自然対流・輻射型HIP装置(比較例)と、参考例の実施の形態に係る強制対流型HIP装置(実施例)について、同一のヒータエレメント材を用いた場合に、常用できる最高雰囲気温度について評価した結果を表2に示す。例えば、粉末ハイス鋼のHIP処理においては、通常温度1100℃程度で高圧処理が行われ、Fe−Al−Cr系ヒータを用いることができる。この場合、比較例においては、雰囲気の最高温度が1150℃程度であったため、ヒータ寿命が必ずしも十分ではなかったが、実施例においては最高雰囲気温度1250℃まで昇温可能なため、ヒータ温度を150℃の余裕温度△T(=耐熱温度−最高雰囲気温度)を持って加熱でき、実用上ヒータ寿命は全く問題がない状況となった。
<Example>
Natural convection, radiation type HIP apparatus according to the conventional example (Comparative Example), the forced convection type HIP apparatus according to the shape condition of the embodiment of Reference Example (Example), when using the same heater element material, it customary Table 2 shows the results of evaluation on the maximum ambient temperature. For example, in HIP processing of powder high-speed steel, high-pressure processing is performed at a normal temperature of about 1100 ° C., and an Fe—Al—Cr heater can be used. In this case, in the comparative example, since the maximum temperature of the atmosphere was about 1150 ° C., the life of the heater was not always sufficient, but in the example, the temperature could be increased to the maximum atmospheric temperature of 1250 ° C. Heating can be carried out with a margin temperature ΔT (= heat-resistant temperature−maximum ambient temperature), and there is no problem in practical life of the heater.

Figure 0005508708
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また、一部の酸化物セラミックスの熱間等方圧加圧処理では、処理圧力100MPa、処理温度1500℃以上で、アルゴンに酸素を1〜10%程度添加した雰囲気ガスが使用されるが、この様なガス雰囲気で使用できるヒータ材料は白金もしくは白金ロジウム合金しかなく、大形のHIP装置では、従来例に係る自然対流・輻射型では表面負荷密度を大きくできず、表面積を大きくする、すなわち大量の白金を使用せざるを得ないという問題が発生していた。   In addition, in the hot isostatic pressing process for some oxide ceramics, an atmospheric gas in which oxygen is added to about 1 to 10% at a processing pressure of 100 MPa and a processing temperature of 1500 ° C. or higher is used. The only heater material that can be used in such a gas atmosphere is platinum or platinum rhodium alloy. In large HIP devices, the natural convection / radiation type according to the conventional example cannot increase the surface load density and increase the surface area, that is, a large amount. The problem of having to use platinum was generated.

また、白金ロジウム合金ではエレメント温度が高くなればなる程、ロジウムが揮発して減量するとともに炉内の壁に再付着するという問題があったが、本発明によりヒータエレメント温度に100℃以上の余裕ができて、ヒータエレメント6が溶断するというトラブルも発生しなくなった。モリブデンもしくは耐熱性に優れたLaを添加したモリブデン合金のヒータエレメントについても同様の結果となった。 Further, in the platinum rhodium alloy, the higher the element temperature, the more the rhodium volatilizes and the weight is reduced, and there is a problem that it reattaches to the wall of the furnace. And the trouble that the heater element 6 is melted does not occur. Similar results were obtained with a molybdenum alloy heater element to which molybdenum or La 2 O 3 having excellent heat resistance was added.

ところで、熱間等方圧加圧装置を最高温度で運転しているとき、即ちヒータエレメント6に大きな表面負荷密度で電力供給されているときに、撹拌ファン7の回転が停止して、強制対流が不可能になって自然対流状態に戻ってしまうと、ヒータエレメント6の温度が急上昇し、場合によっては溶断してしまう。このため、駆動モータ8が過負荷になった状態またはヒータ過熱監視用測温部材10からの温度検出信号値が所定の値より大きくなった場合には、ヒータ6への供給電流を遮断もしくは低減する制御を行う保護装置を必須としている。   By the way, when the hot isostatic pressing device is operated at the maximum temperature, that is, when the heater element 6 is supplied with electric power at a large surface load density, the rotation of the stirring fan 7 is stopped and forced convection is performed. If this becomes impossible and the state returns to the natural convection state, the temperature of the heater element 6 will rise rapidly, and in some cases, it will melt. Therefore, when the drive motor 8 is overloaded or the temperature detection signal value from the heater overheat monitoring temperature measuring member 10 becomes larger than a predetermined value, the supply current to the heater 6 is cut off or reduced. The protection device that performs the control is essential.

ヒータ6への供給電流を遮断するか低減するかについては、ヒータエレメント材料に応じて選択するのが現実的である。即ち、表2に示したFe−Al−Cr系合金や白金もしくは白金合金の場合は、耐熱性の基準が溶融にあるために、過熱によるヒータ6の損傷は即時的かつ致命的であり、遮断する方法が好ましい。一方、純モリブデンやモリブデン合金あるいは表2には示されていないがHIP装置でしばしば使用される黒鉛の場合には、過熱状態となっても、融点が非常に高いため運転温度で即時的にヒータが溶断することは少なく、運転は可能であるので、負荷を小さくする程度である程度の保護を実現することができる。   Whether to cut off or reduce the supply current to the heater 6 is practically selected according to the heater element material. That is, in the case of the Fe—Al—Cr alloy shown in Table 2 or platinum or platinum alloy, since the heat resistance standard is melting, damage to the heater 6 due to overheating is immediate and fatal, Is preferred. On the other hand, in the case of pure molybdenum or molybdenum alloy or graphite that is not shown in Table 2 but is often used in HIP devices, the heater is instantly used at the operating temperature because the melting point is very high even if overheated. Since fusing is rare and operation is possible, a certain degree of protection can be realized by reducing the load.

この場合、低減させる供給電流の範囲は、運転されている圧力にも依存するが、強制対流から自然対流になった場合の熱伝達係数で評価が可能であり、かつ、短時間であれば、表2に示す如く余裕温度△T=200℃ではなくて、強制対流においては余裕温度△T=100℃程度まで許容される。また、供給電力WはW=IRで示されるので、電流は電力の平方根で評価され、供給電流値を1/3〜1/6に低減することでヒータ6の保護が実現される。もっとも電力が必要な昇温を終了して温度保持に入った直後でなく、保持してから15〜30分以降であれば、この程度供給電力を低減させても、温度の急激な低下はなく、急激な温度低下で損傷を受けるような処理品の救済も可能となる。 In this case, the range of the supply current to be reduced depends on the operating pressure, but it can be evaluated by the heat transfer coefficient when forced convection changes to natural convection, and if it is a short time, As shown in Table 2, not the margin temperature ΔT = 200 ° C., but the forced convection allows the margin temperature ΔT = 100 ° C. Further, since the supplied power W is represented by W = I 2 R, the current is evaluated by the square root of the power, and the protection of the heater 6 is realized by reducing the supplied current value to 1/3 to 1/6. However, if the power supply is reduced to this extent, the temperature will not drop sharply as long as it is 15 to 30 minutes after the temperature is maintained, not immediately after the temperature increase that requires power is completed and the temperature is maintained. In addition, it is possible to relieve a processed product that is damaged by a rapid temperature drop.

尚、ヒータ過熱監視用測温部材10は、1箇所に限らず複数個所設置することが好ましい。図1,2に示された例のようにヒータ6が収納された加熱室6aの内部で、過熱され易い部分や、撹拌ファン7の位置から遠い位置にも設置することが現実的である。ヒータ過熱監視用測温部材10に用いられる測温部材としては、設置スペース及び測温精度の観点から熱電対が推奨されるが、他の測温手段を用いても良い。   In addition, it is preferable to install not only one location but the temperature measuring member 10 for heater overheat monitoring in multiple places. As in the example shown in FIGS. 1 and 2, it is practical to install the heater 6 in the heating chamber 6 a in which the heater 6 is housed, or at a position that is easily overheated or a position far from the position of the stirring fan 7. As a temperature measuring member used for the heater overheating monitoring temperature measuring member 10, a thermocouple is recommended from the viewpoint of installation space and temperature measuring accuracy, but other temperature measuring means may be used.

次に、本発明の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置を、以下添付図3を参照しながら説明する。図3は本発明の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置の構造を説明するため、空炉状態の立断面を示す模式的立断面図である。 Next, a hot isostatic pressing apparatus according to the shape condition of the present invention will be described with reference to the accompanying Figure 3 below. Figure 3 is for explaining the structure of hot isostatic pressing apparatus according to the shape condition of the present invention, is a schematic sectional elevation view showing a sectional elevation of an empty furnace conditions.

尚、本発明の実施の形態が上記参考例の実施の形態と相違するところは、圧媒ガス強制対流手段の構成に相違があり、その他は全く同構成であるから、この圧媒ガス強制対流手段とこれに関連する構成についての説明に止めるものとする。 Incidentally, when the shape condition of the present invention is different form on purpose of implementation of the above reference example, there are differences in the structure of the medium gas forced convection means, because other is exactly the same configuration, the pressure medium gas The description of the forced convection means and the configuration related thereto will be limited.

即ち、参考例の実施の形態に係る圧媒ガス強制対流手段の構成においては、加熱室6a内に、駆動モータ8に回転軸8aを介して接続された撹拌ファン7が備えられていたのに対し、本発明の実施の形態に係る圧媒ガス強制対流手段の構成においては、加熱室6a内に、圧媒ガスを攪拌及び循環させる音響流を発生させる音響流発生部18と、この音響流発生部18を駆動させるための超音波振動子19とからなる圧媒ガス強制対流手段が備えられている。 That is, the in the configuration of the pressure medium gas forced convection means according to the shape condition of the embodiment of the reference example, the heating chamber 6a, stirring fan 7 which is connected via a rotary shaft 8a to the drive motor 8 was equipped with hand, in the configuration of the pressure medium gas forced convection means according to the shape condition of the present invention, the heating chamber 6a, an acoustic flow generation section 18 for generating the acoustic streaming to stir and circulate the medium gas, the Pressure medium gas forced convection means comprising an ultrasonic transducer 19 for driving the acoustic flow generator 18 is provided.

前記音響流発生部18は、処理室5の均熱化を促進するためのものであって、平面視した状態で処理室5の中央に配置されたメインホーン20と、このメインホーン20の周囲に配置されたサブホーン21とを有している。   The acoustic flow generator 18 is for accelerating soaking of the processing chamber 5, and has a main horn 20 disposed in the center of the processing chamber 5 in a plan view, and a periphery of the main horn 20. The sub horn 21 is disposed on the horn.

メインホーン20やサブホーン21は、内部が空洞もしくは中実で外観が逆円錐台形状を有しており、先端に行くに従って径大となっている。メインホーン20やサブホーン21の径大部(即ち先端部)は上方を向く様に配置されており、その先端は振動面(ホーン振動面)が形成されている。ホーン振動面の材質は、暴露される温度等によって選択されるが、音波の減衰が少ない高ヤング率のタングステンやモリブデン、またはNi基の超合金等の金属材料、或いは炭化珪素、窒化珪素等の耐熱セラミックスを使用可能である。   The main horn 20 and the sub horn 21 have a hollow or solid inside and have an inverted frustoconical shape. The diameter increases toward the tip. The main horn 20 and the sub horn 21 have large diameter portions (that is, tip portions) arranged so as to face upward, and a vibration surface (horn vibration surface) is formed at the tip. The material of the horn vibration surface is selected depending on the temperature of exposure, etc., but a metal material such as tungsten or molybdenum with high Young's modulus with little attenuation of sound waves, or a Ni-based superalloy, or silicon carbide, silicon nitride, etc. Heat-resistant ceramics can be used.

超音波振動子19は、メインホーン20及びサブホーン21の夫々に1対1対応となる様に、メインホーン20やサブホーン21の基端部(下端部)に設けられており、夫々周囲が上方からの輻射熱による温度上昇を防止するための断熱保護材22によって包囲され、この断熱保護材22ごと、取付カバー23を介して下蓋3の上面に固定されている。
これら超音波振動子19に電圧を印加して駆動させると、各超音波振動子19に各メインホーン20やサブホーン21がホーン振動面を振動させる様になり、この振動に誘起されて上向きに音響直進波(音響波)が発生することになる。この音響直進波が、加熱室6aから処理室5に向けて、メインホーン20及びサブホーン21によるガス流を発生させることになる。
The ultrasonic transducer 19 is provided at the base end portion (lower end portion) of the main horn 20 and the sub horn 21 so as to have a one-to-one correspondence with each of the main horn 20 and the sub horn 21, and the surroundings are respectively viewed from above. It is surrounded by a heat insulating protective material 22 for preventing temperature rise due to radiant heat, and the heat insulating protective material 22 is fixed to the upper surface of the lower lid 3 through an attachment cover 23.
When a voltage is applied to the ultrasonic vibrators 19 to drive them, the main horns 20 and the sub horns 21 vibrate the horn vibration surfaces in the respective ultrasonic vibrators 19, and the sound is upwardly induced by this vibration. A straight wave (acoustic wave) is generated. This acoustic traveling wave generates a gas flow by the main horn 20 and the sub horn 21 from the heating chamber 6 a toward the processing chamber 5.

上記メインホーン20によるガス流は、主として処理室5での循環流を促進させるものとして作用し、サブホーン21によるガス流は、主として冷却用の循環流を促進させるものとして作用する。
メインホーン20用の超音波振動子19には、板状の圧電体素子を振動方向に重ねて使用するランジュバン型のものを使用することができる他、1MHz程度の高い周波数で駆動させることを条件として、厚さが10mm以下の薄い単一素子型のものを使用することもできる。単一素子型を使用する場合、投入電力は制限されるものの、メインホーン20からの熱伝導で超音波振動子19が過熱することを防止できる利点がある。
The gas flow caused by the main horn 20 mainly acts as an acceleration of the circulation flow in the processing chamber 5, and the gas flow caused by the sub horn 21 acts mainly as an acceleration of the circulation flow for cooling.
The ultrasonic vibrator 19 for the main horn 20 can be a Langevin type that uses plate-like piezoelectric elements stacked in the vibration direction, and is driven under a high frequency of about 1 MHz. As a thin single element type having a thickness of 10 mm or less can be used. When the single element type is used, the input power is limited, but there is an advantage that the ultrasonic vibrator 19 can be prevented from being overheated by heat conduction from the main horn 20.

これに対して、サブホーン21用の超音波振動子19には、冷却用の循環流を発生させるという主目的を果たさせる上で大電力の投入が必要となるために、ランジュバン型のものを使用するのが好適となる。この場合、20〜30kHzの周波数で駆動させるのが好ましい。
加熱室6aには、その内周面から所定高さで室内へ張出す様にして円環形状のデフューザ部25が設けられている。このデフューザ部25が設けられる高さは、音響流発生部18のメインホーン20(即ち、処理室5に対してその中央位置に配置されたホーン)のホーン振動面と、その上方に配置されたヒータ6との上下間に配設される様に位置決められている。
On the other hand, the ultrasonic vibrator 19 for the sub horn 21 needs to be charged with a large amount of power in order to achieve the main purpose of generating a cooling circulation flow. It is preferable to use it. In this case, it is preferable to drive at a frequency of 20 to 30 kHz.
In the heating chamber 6a, an annular diffuser portion 25 is provided so as to protrude from the inner peripheral surface to the room at a predetermined height. The height at which the diffuser unit 25 is provided is disposed above and above the horn vibration surface of the main horn 20 of the acoustic flow generation unit 18 (that is, the horn disposed at the center of the processing chamber 5). It is positioned so as to be disposed between the top and bottom of the heater 6.

前記デフューザ部25の中央には開口部25aが形成されている。この開口部25aは、メインホーン20に対向する位置関係(平面視して同心円となる関係)にあり、このメインホーン20より径大(面積大)に形成されている。そのため、メインホーン20で上昇流となるガス流を発生させた場合、このガス流に対して、デフューザ部25の下方に存在する圧媒ガスが、加熱室6aに引き込まれて吸引ガス流となるといったエジェクタ効果が誘起される。この様な吸引ガス流は、メインホーン20によるガス流(処理室内循環流)の発生促進や、サブホーン21によるガス流(冷却用循環流)の発生促進を更に効率良く行わせ、循環ガスの流量を増幅させる上で極めて有効である。   An opening 25 a is formed at the center of the diffuser portion 25. The opening 25a is in a positional relationship facing the main horn 20 (a concentric relationship in plan view) and has a larger diameter (larger area) than the main horn 20. Therefore, when a gas flow that is an upward flow is generated in the main horn 20, the pressure medium gas existing below the diffuser portion 25 is drawn into the heating chamber 6 a and becomes a suction gas flow. The ejector effect is induced. Such suction gas flow promotes the generation of a gas flow (circulation flow in the processing chamber) by the main horn 20 and the generation of a gas flow (cooling circulation flow) by the sub horn 21 more efficiently. Is extremely effective in amplifying the signal.

尚、前記開口部25aの縁部(即ち、デフューザ部25の張出し部)は、その全周を上方に向けてリブ状に突出させておくのが、エジェクタ効果を早期にかつ効率良く発生させる上で更に好適となる。
そして、上部処理室測温部材9a及び下部処理室測温部材9bによって検出された温度検出信号が、図示しない制御器に送信されると共に、前記上部処理室測温部材9aと下部処理室測温部材9bによって検出された検出温度の温度差が所定値を越えたときに、前記制御器により超音波振動子19を駆動すべく制御し、もって処理室の均熱性が保持される様に構成されている。
It is to be noted that the edge of the opening 25a (that is, the protruding portion of the diffuser 25) is protruded in a rib shape with its entire circumference facing upward so that the ejector effect can be generated quickly and efficiently. It becomes more suitable.
Then, temperature detection signals detected by the upper processing chamber temperature measuring member 9a and the lower processing chamber temperature measuring member 9b are transmitted to a controller (not shown), and the upper processing chamber temperature measuring member 9a and the lower processing chamber temperature measurement are performed. When the temperature difference between the detected temperatures detected by the member 9b exceeds a predetermined value, the controller controls the ultrasonic vibrator 19 to be driven, so that the thermal uniformity of the processing chamber is maintained. ing.

以上説明した通り、本発明に係る熱間等方圧加圧装置によれば、音響流発生部と超音波振動子からなる圧媒ガス強制対流手段を用いると共に、ヒータエレメントの過熱防止保護手段の機能によって、ヒータが溶断するようなトラブルを発生することなく、処理対象物への熱の供給とヒータエレメントから高圧ガスへの熱の供給の双方が大きく改善されて、加熱時間が短縮される。また、ヒータの表面負荷密度を大きくした設計が可能となる結果、ヒータのコンパクト化が可能となり、同材質のヒータエレメントでも発生可能な温度の最高値が、従来の自然対流・輻射型と比較して100℃以上改善できる等の効果が享受され、熱間等方圧加圧装置の利用分野の拡大、生産性の向上に寄与するところが極めて大きい。 Above-described above, according to the hot isostatic pressing apparatus according to the present invention, the use of the pressure medium gas forced convection means comprising acoustic flow generation section and the ultrasonic vibrator, preventing overheating protection means of the heater element With this function, both the supply of heat to the object to be processed and the supply of heat from the heater element to the high-pressure gas are greatly improved and the heating time is shortened without causing trouble that the heater blows. . In addition, as a result of the design that increases the surface load density of the heater, the heater can be made more compact, and the maximum temperature that can be generated even with a heater element of the same material is compared to the conventional natural convection / radiation type. The effect of being able to improve the temperature by 100 ° C. or more is greatly enjoyed, which greatly contributes to the expansion of the application field of the hot isostatic pressing device and the improvement of productivity.

参考例の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置の構造を説明するため、空炉状態の立断面を示す模式的立断面図である。For illustrating the structure of a hot isostatic pressing apparatus according to the shape condition of the embodiment of the reference example, it is a schematic sectional elevation view showing a sectional elevation of an empty furnace conditions. 図1における操業中の高圧容器内の高圧ガスの流れ状態を説明するための模式的立断面図である。FIG. 2 is a schematic vertical sectional view for explaining a flow state of high-pressure gas in a high-pressure vessel during operation in FIG. 1. 本発明の実施の形態に係る熱間等方圧加圧装置の構造を説明するため、空炉状態の立断面を示す模式的立断面図である。For illustrating the structure of a hot isostatic pressing apparatus according to the shape condition of the present invention, it is a schematic sectional elevation view showing a sectional elevation of an empty furnace conditions. 従来例に係る熱間等方圧プレス装置の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the hot isostatic press apparatus which concerns on a prior art example. Fe−Al−Cr系ヒータの炉温に対する表面負荷密度を示す図である。It is a figure which shows the surface load density with respect to the furnace temperature of a Fe-Al-Cr type | system | group heater. Fe−Al−Cr系ヒータの高圧及び大気圧窒素雰囲気における許容表面負荷密度を示す図である。It is a figure which shows the allowable surface load density in the high pressure and atmospheric pressure nitrogen atmosphere of a Fe-Al-Cr type | system | group heater. 高圧及び大気圧窒素雰囲気における窒素ガス流速と熱伝達係数の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the nitrogen gas flow rate and heat transfer coefficient in a high pressure and atmospheric pressure nitrogen atmosphere. 他の従来例に係る高圧容器及び電気炉の断面図である。It is sectional drawing of the high pressure vessel and electric furnace which concern on another prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

1:高圧円筒, 2:上蓋, 3:下蓋,
4:断熱構造体, 5:処理室,
6:ヒータ(加熱手段), 6a:加熱室,
7:撹拌ファン,
8:駆動モータ, 8a:ファン回転軸,
9a:上部処理室測温部材, 9b:下部処理室測温部材,
10:ヒータ過熱監視用測温部材(測温手段),
11:整流筒, 12:ガス導入口,
13:冷却水ジャケット, 13a:冷却水入口, 13b:冷却水出口,
14:台座, 14a:ガス流通孔,
18:音響流発生部, 19:超音波振動子,
20:メインホーン, 21:サブホーン,
22:断熱保護材, 23:取付カバー,
25:デフューザ部, 25a:開口部
1: high pressure cylinder, 2: upper lid, 3: lower lid,
4: Thermal insulation structure, 5: Processing chamber,
6: heater (heating means), 6a: heating chamber,
7: Stirring fan,
8: Drive motor, 8a: Fan rotation shaft,
9a: Upper processing chamber temperature measuring member, 9b: Lower processing chamber temperature measuring member,
10: Temperature measuring member for monitoring overheating of heater (temperature measuring means),
11: Rectifier cylinder, 12: Gas inlet,
13: Cooling water jacket, 13a: Cooling water inlet, 13b: Cooling water outlet,
14: Pedestal, 14a: Gas flow hole,
18: acoustic flow generator, 19: ultrasonic transducer,
20: Main horn, 21: Sub horn,
22: Thermal insulation protective material, 23: Mounting cover,
25: Diffuser part, 25a: Opening part

Claims (1)

処理対象物を収容する高圧容器と、この高圧容器の下方に設置された加熱手段とを有し、この加熱手段により加熱された圧媒ガスを前記高圧容器内に強制的に対流させるための圧媒ガス強制対流手段を前記高圧容器の下方に備えてなる熱間等方圧加圧装置であって、前記加熱手段の近傍に設置され、前記加熱手段の近傍の雰囲気温度を検知する測温手段を備えると共に、前記雰囲気温度が所定温度以上の過熱状態になったことを前記測温手段が検知した場合に、前記加熱手段の過熱防止のために前記加熱手段への供給電力を遮断または低減する様に制御する保護手段が設けられ
前記圧媒ガス強制対流手段が、前記圧媒ガスを攪拌及び循環させる音響流を発生させる音響流発生部と、前記音響流発生部を振動させる超音波振動子とから構成されてなることを特徴とする熱間等方圧加圧装置。
A pressure vessel for forcibly convection of the pressure medium gas heated by the heating means, into the high-pressure vessel. A hot isostatic pressurizing device provided with a medium gas forced convection means below the high-pressure vessel, the temperature measuring means being installed in the vicinity of the heating means and detecting the ambient temperature in the vicinity of the heating means And when the temperature measuring means detects that the ambient temperature is overheated to a predetermined temperature or higher, the power supplied to the heating means is cut off or reduced to prevent overheating of the heating means. Protective means to control are provided ,
The pressure medium gas forced convection means is composed of an acoustic flow generator that generates an acoustic flow for stirring and circulating the pressure medium gas, and an ultrasonic transducer that vibrates the acoustic flow generator. A hot isostatic pressing device.
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