JP5627206B2

JP5627206B2 - 耐熱ケース

Info

Publication number: JP5627206B2
Application number: JP2009190853A
Authority: JP
Inventors: 一浩座間
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2029-08-20
Also published as: JP2011043376A

Description

本発明は、加熱中のワークの物理量を計測する計測デバイス用の耐熱ケースに関する。

加熱処理におけるワークの温度や加熱時間の適正値を定めるために、加熱処理の全般に亘ってワークの物理状態を把握することが重要な場合がある。たとえば、焼入れ処理では、長時間に亘ってワークを加熱した後に液体に浸漬して表面を急速に冷却する。ワークの種類によっては、ワークは１０００度付近まで熱せられた後に１００度付近まで急速に冷却される。適正な焼入のためには、焼入れ中のワークの温度の経時変化を管理することが好ましい。そのため、加熱装置の加熱の程度とワークの物理状態の関係を把握するために加熱処理におけるワークの物理状態を経時的に計測することが望まれる。ここで、代表的な物理状態にはワークの温度と歪み量が挙げられる。ワークの物理状態を計測するための熱電対や歪みゲージなどのプローブは、厳しい温度環境に耐えられるものが存在するが、データロガーなどの電子デバイスを含む計測デバイス本体は、そのような厳しい温度環境（たとえば前記した焼入れ処理における環境）には耐えられない。そのような厳しい温度環境から計測デバイス本体を保護するために、計測デバイス本体は、耐熱ケースに収納されて用いられることがある。例えば特許文献１に、石膏材を用いて形成された石膏容器と、石膏容器をさらに収容する断熱材を用いた断熱容器で２重に覆われた耐熱ケースが提案されている。特許文献１の技術は、石膏材内に含まれる結晶水の蒸発潜熱によって、石膏容器内の温度上昇が結晶水の蒸発温度である１００度程度に維持されるので、耐熱性のよい耐熱ケースが実現される。

特開２００９−７５０７６号公報

しかし、特許文献１の耐熱ケースには、石膏材内に含まれる結晶水を石膏容器内に保持する構造を有していない。そのため、加熱中に結晶水が蒸発し、計測デバイス本体が収容されている収容部に水蒸気が侵入した場合、収容部の内部圧力が上昇し、計測デバイス本体が故障してしまう虞がある。また、耐熱ケースの外部に水蒸気が放出してしまった場合、加熱装置内部の雰囲気が変化し、所望の条件でワークを加熱することができなくなる。

本発明は上記課題に鑑み、加熱中のワークの物理量を計測する計測デバイスを、加熱処理の環境から保護するのに適した耐熱ケースを提供することを目的とする。なお、本明細書において用いる「ワーク」という用語は、焼入れの対象となるワークに限られず、また、製造工程の途中の部品に限られない。本明細書における「ワーク」は、加熱される対象物一般を意味する。

本明細書で開示される新規な耐熱ケースは、加熱中のワークの物理量を計測する計測デバイス用の耐熱ケースであり、内部容器と外部容器と多孔質材を備えている。内部容器は、計測デバイス本体を収納する。外部容器は、内部容器を収納する。多孔質材は、内部容器と外部容器の間の空間に配置されている。また、多孔質材は、水分を含有している。内部容器と外部容器は、円筒形の外形を有するとともに、前記多孔質材に含有される水分が蒸発して発生する水蒸気を通さない密閉容器である。この耐熱ケースは、加熱されている間、多孔質材に含有されている水分が内部容器の温度上昇を抑制する。水分が蒸発すればその蒸発潜熱によって内部容器の温度上昇が抑制される。多孔質材に含まれている水分が蒸発した場合でも、内部容器は水分を通さないのでその内部に収容されている計測デバイス本体が水分で故障することがない。また、内部容器は水分の侵入を阻止するので内部の圧力が上昇することもない。また、外部容器が、耐熱ケースの外部に水蒸気が漏れることを防止する。これによって、加熱装置内部の雰囲気が変化してしまうこともなく、ワークの加熱環境を変化させてしまうことがない。

本明細書で開示される新規な耐熱ケースは、多孔質材を用いることで、その内部に形成された気泡に多くの水分を保持しておくことができる。なお、「多孔質材」とは、内部に気泡が数多く形成されている部材を意味する。また、加熱中に水が蒸発した場合でも、気泡内に含まれる気体体積を利用して、内部容器と外部容器の間の空間の圧力増加を低く抑えることができる。

本明細書で開示される新規な耐熱ケースは、水分を含有する多孔質材が内部容器を囲んでいることが好ましい。これによって、全方向からの内部容器の内側への熱の侵入を抑制することができ、内部容器の断熱性を向上することができる。

本発明は、加熱中のワークの物理量を計測する計測デバイスを、ワークの加熱環境から保護するのに適した耐熱ケースを提供する。

図１は、耐熱ケース２０を含む耐熱データ記録装置１０の模式図を示す。図２は、図１のII−II線に沿った耐熱ケース２０の縦断面図を示す。図３は、加熱処理中の耐熱ケース２０の温度分布を示す。図４は、加熱処理中の収容部２２の温度測定結果を示す。図５は、第２実施例の耐熱ケース１２０の一部縦断面図を示す。

以下に説明する実施例の主要な特徴を整理する。
（特徴１）耐熱ケースは、その外形が円筒形である。

図１に、加熱処理中のワーク１８の歪み量と温度の変化を測定する耐熱データ記録装置１０の模式図を示す。耐熱データ記録装置１０は、ワーク１８とともに加熱装置内に配置され、加熱処理の全体に亘ってワーク１８の歪み量と温度の変化を測定する。耐熱データ記録装置１０は、計測デバイスと耐熱ケース２０からなる。計測デバイスは、ワーク１８に貼着する熱電対や歪みゲージなどのプローブ１４、１６と、プローブから得られる電気信号を処理する計測デバイス本体４０からなる。熱電対や歪みゲージなどのプローブ１４、１６は、加熱処理における厳しい温度環境に耐え得るものが存在するが、計測デバイス本体４０は、典型的にはプローブから得られる電気信号を処理する電子回路とデータを記録するメモリを含み、その耐熱温度は、概ね１５０℃以下である。そのため、計測デバイス本体４０は、加熱処理の温度環境から計測デバイス本体４０を保護する耐熱ケース２０の内部に収容されて用いられる。

図２は、図１のII−II断面における耐熱ケース２０の模式的縦断面図を示している。耐熱ケース２０は、内部容器２６と、多孔質材２８と、外部容器３０と、外装容器３４を備えている。

内部容器２６は金属製であり、円筒形の外形状を有している。内部容器２６は、水分を通さないように気密に形成されている。内部容器２６内には断熱材２４が詰め込まれており、その断熱材２４の内側に内部空間２２が形成されている。計測デバイス本体４０は、内部空間２２に収容される。以下では、内部空間２２を、計測デバイス本体４０を収容するための収容部２２と称する場合がある。

多孔質材２８は、例えば煉瓦や耐熱性を有する発泡材等であり、円筒形の外形状をしている。多孔質材２８は、内部容器２６を囲んでいる。また、多孔質材２８には水分を含有させてある。多孔質材２８は、内部に数多くの気泡を含んでおり、この気泡部分に水分の大部分が保持される。ここで「水分を含有する」とは、結晶水等として多孔質材２８に含んでいてよいし、通常の液体の状態で含んでいてもよい。

外部容器３０は金属製であり、円筒形の外形状を有している。外部容器３０は、多孔質材２８を囲んでいるとともに、水分を通さないように気密に形成されている。外部容器３０の外側には、外部容器３０を囲むように断熱材３２が形成されている。また、断熱材３２を囲むように外装容器３４が形成されている。外装容器３４は金属製であり、円筒形の外形状を有している。外装容器３４は、気密に形成されており、外部から耐熱ケース２０内部へ液体や気体が侵入することを防止している。なお、本明細書における「気密」とは、液状の水分だけでなく、気化した気体状の水分も通さないことを意味する。

内部容器２６、外部容器３０、及び、外装容器３４はいずれも、上下２つに分割可能である。符号３６は、各容器の上側部品と下側部品の境界面（分割面）を示している。また、断熱材２４、多孔質材２８、及び、断熱材３２も、容器の境界面で分割できる。すなわち、耐熱ケース２０は、その全体が境界面３６で上下２つに分割できるようになっている。外装容器３４の上側部品には、境界面３６の近傍にフランジ３８ａが形成されている。外装容器３４の下側部品には、境界面３６近傍にフランジ３８ｂが形成されている。符号３９はメタルシールを示しており、フランジ３８ａとフランジ３８ｂの間に配置されている。メタルシール３９は、耐熱ケース２０の上側部品と下側部品を封止する際に、ボルトやナット等の締結部材によって圧縮され、外装容器３４の上側部品と下側部品の間の気密を保っている。また、耐熱ケース２０の収容部２２からは、耐熱ケーブル１２が延出している。耐熱ケーブル１２が延出する出口周辺もメタルシールで封止されている。耐熱ケース２０は、外装容器３４の気密性とメタルシールによって気密性が保たれており、気体中だけでなく液体中においてワーク１８を加熱する場合でも、内部の計測デバイス本体４０を保護し、ワーク１８の物理量の測定を可能にする。

計測デバイス本体４０は、バッテリ４２と、データ記録部４４と、温度補償回路４６とによって構成されている。バッテリ４２は、データ記録部４４と温度補償回路４６に電力を供給している。データ記録部４４は、プローブ１４、１６から得られる電気信号を記録するデータロガーである。データ記録部４４は、熱電対のプローブ１４に接続されており、プローブ１４から入力された電気信号を記憶する。データ記録部４４は、温度補償回路４６を介して歪みゲージのプローブ１６に接続されている。プローブ１６から入力される電気信号は、ワーク１８の歪み量に応じて変化するだけでなく、ワーク１８の温度変化に応じても変化する。温度補償回路４６は、プローブ１６から入力される電気信号から、ワーク１８の温度変化の影響を除去する。データ記録部４４は、プローブ１６から入力され、温度補償回路４６によって処理された電気信号を記録する。データ記録部４４は、プローブ１４から入力される電気信号とプローブ１６から入力される電気信号を同期して記憶する。同期して記憶された温度データを用いて、歪み量データを補正することで、歪み量データから温度の影響をより正確に除去することができる。

耐熱ケース２０から歪みゲージのプローブ１６までの耐熱ケーブル１２の距離は、短いことが好ましく、さらには０．５ｍ以内であることが好ましい。これによって、プローブ１６から入力される電気信号のノイズ成分を大幅に削減される。

耐熱データ記録装置１０を用いて加熱中のワーク１８の温度と歪み量の経時変化を測定するときは、計測デバイス本体４０を耐熱ケース２０に収納し、プローブ１４、１６をワーク１８に貼着し、ワーク１８ととともに耐熱データ記録装置１０を加熱装置内に配置して加熱処理を行う。例えば焼入れ加工用の加熱装置は、ワーク１８とともに耐熱データ記録装置１０を約９５０℃まで加熱する。耐熱ケース２０では、多孔質材２８の温度が１００℃を超えると、多孔質材２８に含まれている水分が蒸発し始める。多孔質材２８に含まれている水分が蒸発している間は、図３に示すように、水の蒸発潜熱によって多孔質材２８の温度が１００℃付近に保持される。図４に、一例として、焼入れ加工における加熱処理中の収容部２２内の温度を測定した結果を示す。耐熱ケース２０では、多孔質材２８の温度が１００℃付近に保持される結果、収容部２２の温度も１００℃程度に抑えられ、収容部２２に収容されている計測デバイス本体４０が破壊温度（約１５０℃）まで上昇することが防止される。

実施例の耐熱ケース２０では、多孔質材２８よりも内側に気密に形成された内部容器２６が設けられている。内部容器２６は、多孔質材２８に含まれている水が蒸発した場合でも、水蒸気が収容部２２に侵入することを阻止する。これによって、収容部２２に収容されている計測デバイス本体４０が、水分で故障することがない。また、収容部２２内の圧力が計測デバイス本体４０の破壊圧力まで上昇することが防止される。

また、実施例の耐熱ケース２０では、多孔質材２８よりも外側に気密に形成された外部容器３０が設けられている。外部容器３０は、多孔質材２８に含まれている水が蒸発した場合でも、水蒸気が耐熱ケース２０外部の加熱装置内に放出されることを阻止する。これによって、加熱装置内の加熱状態が変化してしまうことが防止される。

実施例の耐熱ケース２０では、内部容器２６と外部容器３０が気密に形成されている。そのため、多孔質材２８に含有されている水分が蒸発した場合、内部容器２６と外部容器３０の間の空間の圧力が上昇する。実施例の耐熱ケース２０では、この空間に多孔質材２８が配置されている。多孔質材２８は、内部に気泡が数多く形成されている。そのため、気泡内に含まれる気体体積を利用して、内部容器と外部容器の間の空間の圧力増加を低く抑えることができる。

また、内部容器２６と外部容器３０は円筒形状を有している。円筒形状は角形状に比べて剛性が高く、内圧の上昇に対して変形しにくい。

焼入れ加工では加熱処理後、ワーク１８は加熱装置から取り出されて冷却される。耐熱データ記録装置１０は、加熱期間中の記録に加えて、冷却時のワーク１８の歪み量や温度の経時変化も記録することができる。すなわち、耐熱データ記録装置１０は、ワーク１８とともに加熱装置から取り出され、ワーク１８とともに耐熱データ記録装置１０も冷却されてよい。耐熱データ記録装置１０の冷却後、計測デバイス本体４０が耐熱ケース２０から取り出され、データ記録部４４に記録された歪み量データと温度データがコンピュータへと移される。

上記のとおり、実施例の耐熱ケース２０は、多孔質材２８に水分を含ませることで、耐熱性を向上させることができる。また、内部容器２６と外部容器３０を設けることで、多孔質材２８に水分を含ませることで生じる可能性のある不具合、例えば計測デバイス本体４０の破損やワーク１８の加熱条件の変化という問題の発生を防止している。以上のとおり、本明細書が開示する技術によって、加熱中のワーク１８の物理量を計測する計測デバイスを、加熱環境から保護するのに適した耐熱ケースが実現される。

図５に、実施例２の耐熱ケース１２０の部分縦断面図を示す。図５は、耐熱ケース１２０のうち、外部容器１３０よりも内側の構造を記載した断面図である。耐熱ケース１２０では、内部容器１２６の上側部品と下側部品に、お互いに勘合するネジ部１５０が形成されており、外部容器１３０の上側部品と下側部品にも、お互いに勘合するネジ部１５４が形成されている。

耐熱ケース１２０では、収容部２２に計測デバイス本体４０を収容して内部容器１２６を密閉する際に、ネジ部１５０にＯリング１５２を配置し、ネジ部１５０を締結する。Ｏリング１５２によって、内部容器１２６の上側部品と下側部品の境界面３６が気密に封止される。これによって、多孔質材２８に含まれる水分が収容部２２内に侵入することを効果的に抑制することができる。

また、耐熱ケース１２０では、収容部２２に計測デバイス本体４０を収容して外部容器１３０を密閉する際に、ネジ部１５４にＯリング１５６を配置し、ネジ部１５４を締結する。Ｏリング１５６によって、外部容器１３０の上側部品と下側部品の境界面３６が気密に封止される。これによって、多孔質材２８に含まれる水分が耐熱ケース１２０の外部に放出されることを効果的に抑制することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
多孔質材２８に含有される液体は、水に限定されず、液体であればよい。多孔質材２８に含ませる液体として、水と同様に比較的大きな気化潜熱を有している液体を用いてよい。さらには、固体の物質の融解潜熱を利用してもよい。例えば、常温では固体であり、加熱によって融解し、比較的大きな融解潜熱を有している物質を用いる。加熱中にこの物質が融解すると、融解潜熱により、内部容器よりも内側を一定の温度付近に保つことができる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：耐熱データ記録装置
１２：耐熱ケーブル
１４、１６：プローブ
１８：ワーク
２０：耐熱ケース
２２：収容部
２４：断熱材
２６：内部容器
２８：多孔質材
３０：外部容器
３２：断熱材
３４：外装容器
３８ａ、３８ｂ：フランジ
３９：メタルシール
４０：計測デバイス本体
４２：バッテリ
４４：データ記録部
４６：温度補償回路
１５０、１５４：ネジ部
１５２、１５６：Ｏリング

Claims

加熱中のワークの物理量を計測する計測デバイス用の耐熱ケースであり、
計測デバイス本体を収納する内部容器と、
前記内部容器を収納する外部容器と、
前記内部容器と前記外部容器の間の空間に配置されており、水分を含有している多孔質材と、
を備えており、
前記内部容器と前記外部容器が、円筒形の外形を有するとともに、前記多孔質材に含有される水分が蒸発して発生する水蒸気を通さない密閉容器であることを特徴とする耐熱ケース。
水分を含有する前記多孔質材が、前記内部容器を囲んでいることを特徴とする請求項１に記載の耐熱ケース。