JP5808730B2 - 真空熱処理炉用の加熱素子配列構造 - Google Patents

Description

本発明は、概して、金属部品を熱処理するための真空炉に関するもので、詳しくは、そのような真空炉において用いられる加熱素子配列構造に関するものである。

金属ワークピースを熱処理するため多くの工業用真空炉は、電気抵抗性加熱素子を用いている。その加熱素子は、真空炉の設計上の要求条件に応じて様々な材料から作られている。高温炉用の通常の加熱素子の材料としては、グラファイト、並びに、モリブデン及びタンタルのような耐熱性金属がある。低温度及び中間温度用の加熱素子の材料としては、ステンレス鋼合金，ニッケル−クロム合金，ニッケル基超合金及び炭化ケイ素がある。加熱素子は、通常、ホットゾーン（ｈｏｔ ｚｏｎｅ）の内部の回りに列をなして配列されているので、その列は、熱処理される一作業量の金属ピースを取り囲む。こうして、その一作業量の金属ピースの全ての面に向けて熱を付加することができる。公知の配列構造が図１に概略的に示されている。各列における加熱素子は、通常、同じ電気抵抗と表面積とを有している。従って、各加熱素子は、エネルギーが供給された時に他の全ての加熱素子が発生する熱の量と同じ量の熱を発生する。

加熱素子列は群れをなして接続されて、図１に示したように、炉のホットゾーン内に個別にエネルギーが供給されるマルチ加熱ゾーンを提供している。各加熱ゾーンは、変圧器（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）のような単一のパワー源に接続された二つ又はそれ以上の数の加熱素子列を含んでいる。その変圧器は、個別に制御されて、相違した加熱ゾーンに多かれ少なかれ電流を供給する。こうして、加熱ゾーンは、一作業量の金属ピースの様々な部位に、又は、炉のホットゾーンの様々な領域に、多かれ少なかれ熱を加えることができるように調整可能（ｔｒｉｍｍａｂｌｅ）である。

加熱均一性をより高めるために一作業量の金属ピースの端部近傍に熱を提供することが要望される場合には、エンド加熱ゾーン（ｅｎｄ ｈｅａｔｉｎｇ ｚｏｎｅｓ）が、横型炉構造については、ホットゾーンのフロントエンド及びリアエンドにおいて用いられ、又は、縦型炉構造については、トップエンド及びボトムエンドにおいて用いられている。公知の真空炉においては、エンド加熱ゾーンは、夫々、通電電流（ｅｎｅｒｇｉｚｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ）を供給するために該エンド加熱ゾーンに接続されたそれ自体の変圧器を有している。通常、このことは二つの追加の変圧器を必要とし、即ち、その一つはエンド加熱ゾーン列の各々用のものである。より良好な加熱均一性のために熱処理サイクル中に一作業量の金属ピースの端に加えられる付加的な熱の利点を依然として提供しつつ、エンド加熱列用に個別の変圧器を提供することの複雑性とコストとを低減させることが望まれている。

本発明の第一のアスペクト（ａｓｐｅｃｔ）によれば、加熱素子にエネルギーが供給された時に真空熱処理炉における一作業量の金属ピースを加熱するための加熱素子配列構造が提供される。この加熱素子配列構造は、真空炉のホットゾーン壁の内側の回りに略ぴったり合うように構成及び配列された中央加熱素子列を有している。また、加熱素子配列構造は、中央加熱素子列から離間配置され且つ真空炉のホットゾーン壁の内側の回りに略ぴったり合うように構成及び配列された第一の外側加熱素子列を有している。更に、本発明の加熱素子配列構造は、中央加熱素子列から離間配置され且つホットゾーン壁の内側の回りに略ぴったり合うように構成及び配列されると共に第一の外側加熱素子から見て中央加熱素子列の反対側に位置決めされた第二の外側加熱素子列を有している。中央加熱素子列と第一の外側加熱素子列と第二の外側加熱素子列とは互いに略同軸的になっている。

第一のエンド加熱素子が、第一の外側加熱素子列に隣接して配置され、且つ、中央加熱素子列と外側加熱素子列の共通軸に略垂直な面において配向されている。第二のエンド加熱素子が、第二の外側加熱素子列に隣接して配置され、且つ、中央加熱素子列と外側加熱素子列との共通軸に略垂直な面において配向されている。

第一の電力変圧器が、中央加熱素子列に電流を供給するために中央加熱素子列に作動的に接続されている。第二の電力変圧器が、第一の外側加熱素子列と第一のエンド加熱素子に電流を供給するために第一の外側加熱素子列と第一のエンド加熱素子とに作動的に接続されている。第三の変圧器が、第二の外側加熱素子列と第二のエンド加熱素子とに電流を供給するために第二の外側加熱素子列と第二のエンド加熱素子とに作動的に接続されている。

本発明の別のアスペクトによれば、真空炉において加熱素子列を接続するための方法が提供され、この方法は次の工程を含んでいる。第一の電力変圧器を真空炉における中央加熱素子列に接続する。第二の電力変圧器を第一のエンド加熱素子列に接続する。第一のエンド加熱素子列は、中央加熱素子列から離間し且つ中央加熱素子列と同軸的に配置された第一の外側加熱素子と、第一の外側加熱素子に隣接して配置され且つ第一の外側加熱素子と中央加熱素子列との共通軸に略垂直な面において配向された第一のエンド加熱素子を有している。第三の電力変圧器を第二のエンド加熱素子列に接続する。第二のエンド加熱素子列は、中央加熱素子列から離間し且つ中央加熱素子列と同軸的に配置された第二の外側加熱素子と、第二の外側加熱素子に隣接して配置され且つ第一の外側加熱素子と中央加熱素子列との共通軸と略垂直な面において配向された第二のエンド加熱素子を有している。

上述した発明の概要も以下に記載する詳細な説明も、添付図面を参照することにより明確に理解されるであろう。

図１は、真空炉用の公知のマルチ加熱ゾーン配列構造の概略図である。 図２は、本発明によるマルチ加熱ゾーン配列構造の概略図である。 図３は、本発明による加熱素子配列構造の斜視図である。 図４は、図３に示した加熱素子配列構造を用いることのできる真空炉の端面図である。

同じ参照符号が全体に亘って同一又は同様な特徴の部品を示している図面、特に図２をここで参照すると、本発明による真空炉用加熱素子配列構造が概略的に示されている。その加熱素子配列構造１０は、中央加熱素子列１２と、第一の外側加熱素子列１４と、第二の外側加熱素子列１６と、第一のエンド加熱素子１８と、第二のエンド加熱素子２０を有している。中央加熱素子列１２は、二つ又はそれ以上の数の加熱素子サブ列（ｈｅａｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｕｂ−ａｒｒａｙｓ）３０から形成されたサーキット（ｃｉｒｃｕｉｔ）である。中央加熱素子列１２は第一の電力変圧器（ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）２２に接続されていて、この第一の電力変圧器は、エネルギーが供給された時に、中央加熱素子列１２に電流を供給する。

第一の外側加熱素子列１４と第一のエンド加熱素子１８は、電気的に一体に接続されて、単一の電気回路を構成している。その電気回路は第二の電力変圧器２４に接続されていて、この第二の電力変圧器は、エネルギーが供給された時に、第一の外側加熱素子列１４と第一のエンド加熱素子１８とによって構成された回路に電流を供給する。第二の外側加熱素子列１６は、第二のエンド加熱素子２０に電気的に接続されて、別の電気回路を構成している。第二の外側加熱素子列１６と第二のエンド加熱素子２０とにより構成された電気回路は、エネルギーが供給された時に、当該回路に電流を供給する第三の電力変圧器２６に接続されている。然しながら、第二のエンド加熱素子２０は、圧力／真空容器（ｐｒｅｓｓｕｒｅ／ｖａｃｕｕｍ ｖｅｓｓｅｌ）のドアの内側に取り付けられているので、当然のことならが、該ドアが開閉成される時にドアと共に移動するようになっている。従って、第二のエンド加熱素子２０と電力変圧器との間の電気的接続は外部でなされている。これに関連して、パワーケーブル又はその他の可撓性コネクタが、第二のエンド加熱素子２０のターミナルエンド２１ａ，２１ｂに接続されている。そのコネクタは、第二の外側加熱素子列１６と電力変圧器２６との接続のために圧力／真空容器のドアを貫通して延びている。図２に示した加熱素子配列構造が、図１に示された公知の配列構造と同じ数の加熱素子を備えていることが容易に分かる。然しながら、本発明による配列構造は、より少ない数の電圧変圧器を有している。

ここで図３を参照すると、本発明による加熱素子配列構造の一実施形態が示されている。この加熱素子配列構造１０は、中央加熱素子列１２と第一の外側加熱素子列１４と第二の外側加熱素子１６と第一のエンド加熱素子１８と第二のエンド加熱素子２０とを有している。図示実施形態においては、中央加熱素子列１２は、四つの加熱素子サブ列３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄから構成されている。然しながら、中央加熱素子列は、より多くの又はより少ないサブ列を含んでいてもよい。また、真空炉の寸法に応じて、追加の中央加熱素子列を含んでいてもよい。その追加の中央加熱素子列は、夫々、それら自体の変圧器に接続されている。然しながら、当然のことながら、必要とされる変圧器の総数は、公知の接続設計で必要とされる数よりも常に少ない。

第一及び第二の外側加熱素子列１４，１６と加熱素子サブ列３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、一体に接続された複数の加熱素子セグメント３２から公知の態様で構成されている。これら加熱素子セグメント３２は、公知の態様で、セグメントコネクタ３４と一体に接続されている。加熱素子サブ列３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、サブ列コネクタ３６ａ，３６ｂ，３６ｃによって一体に接続されて、図示されているように、中央加熱素子列１２を構成している。ターミナルコネクタ３８ａが加熱素子列１２の一端に取り付けられ、ターミナルコネクタ３８ｂが加熱素子列１２の他端に取り付けられている。ターミナルコネクタ３８ａ，３８ｂは、中央加熱素子列１２を電力変圧器（図示せず）に接続させることができるように、接続ポイントを備えている。

ターミナルコネクタ４０ａが第一の外側加熱素子列１４の一端に接続され、ターミナルコネクタ４０ｂが第一のエンド加熱素子１８の一端に接続されているので、外側加熱素子列１４と第一のエンド加熱素子１８とにより構成されるサーキットは電力変圧器（図示せず）に接続することができる。ターミナルコネクタ４１ａとターミナルコネクタ４１ｂが第一の外側加熱素子列１６の両端に取り付けられているので、外側加熱素子列１６の一端を電力変圧器（図示せず）に接続し、他端を第二のエンド加熱素子２０の一ターミナルエンドに接続することができる。第二のエンド加熱素子２０の他方のターミナルエンドは、図２を参照して上述したように、外部から電力変圧器に接続されている。

加熱素子セグメント３２、セグメントコネクタ３４、サブ列コネクタ３６ａ〜３６ｃ及びターミナルコネクタ３８，４０ａ，４０ｂは、真空炉における電気的加熱素子のために用いられる公知の材料の何れかから形成することができる。好ましくは、加熱素子セグメントとコネクタは、グラファイト、又は、モリブデン，タングステン又はタンタルのような耐熱性金属から作られている。加熱素子の形状は、平らであっても、丸くても及び／又は曲線であってもよく、何らかの好適な断面ジオメトリを有していてもよい。加熱素子セグメントと加熱素子列は、丸い又は矩形のホットゾーンにおいて使用するために形成することができるので、加熱素子列は、ホットゾーンの内部形状に略一致している。例えば、図３に示した加熱素子配列構造は、円形のホットゾーンにおいて用いられるように設計される。図４には、真空熱処理炉用の典型的な配列構造が示されている。この真空炉は圧力／真空容器４２を有している。圧力／真空容器の内部は、ホットゾーン壁４６によって区画されたホットゾーン４４となっている。図４に示した真空炉においては、ホットゾーンは略円形の断面を有している。加熱素子サブ列３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、該加熱素子サブ列がホットゾーン壁の円形の形状と一致するように形成された加熱素子セグメントを有している。それに代えて、加熱素子セグメントは、ホットゾーン壁と形状的に更に一致し且つホットゾーンにより広い内部スペースを提供するために湾曲させ又は弓形に形成することができる。そのような配列構造は、米国特許第５，９６５，０５０号公報に開示されていて、この公報の内容全体を本明細書において援用する。加熱素子列とサブ列とを、直列回路又は並列回路として、又は、直列回路と並列回路とを組み合わせた回路として接続することができることは当業者によって理解されるであろう。

本発明による加熱素子配列構造についての上述した記載を考慮すると、この配列構造の利点及び有益性の幾分かが更に明確に理解されるであろう。例えば、この新規な加熱素子配列構造は、隣接した外側素子と組み合わせてエンド素子を接続して、一つの加熱ゾーンを構成している。これにより、より広い素子カバレッジ（ｅｌｅｍｅｎｔ ｃｏｖｅｒａｇｅ）、即ち、より広い表面積を提供することとなるが、単一の電力変圧器を利用する。本発明は加熱素子列にエネルギーを供給するために必要とされる電力変圧器の数を少なくさせるものであるため、本発明による加熱素子配列構造は、公知の配列構造と比較して、真空熱処理炉の複雑性と製造コストとを低減させる。更に、本発明による配列構造における追加の素子カバレッジによって、同一の電源を用いた真空炉におけるワークピースのより一層均一な加熱が図られる。素子の断面及び表面積は、最良の加熱均一性を確保するべく、加熱素子の表面上の熱負荷（ワット密度）を調節するように特に設計される。これに関連して、加熱素子セグメントの幅，厚み，断面ジオメトリ又は表面積は、２０１２年１２月２日に出願された、「真空熱処理炉用の補償加熱素子配列構造」に係る発明の米国非仮出願中に記載されているように変更することができ、この出願の内容全体を本明細書中において援用する。

本明細書において用いた用語及び表現は、本発明を説明するために用いたに過ぎないものであって、本発明を何ら限定するものではない。そのような用語及び表現を用いたからと言って、そのことに、上述した特徴又は工程の何らかの均等物又はその一部を排除する意図はない。従って、本発明の範囲及び要旨の範囲内で様々な修正を加えることができることが認められる。よって、本発明は、上述した発明の範囲に属する変形例を包含するものである。

Claims (11)

1. エネルギーが供給された時に真空熱処理炉における一作業量の被処理物を加熱するための加熱素子配列構造であって、
   ホットゾーン壁の内側の回りに合うように構成及び配列された中央加熱素子列と、
   前記中央加熱素子列から離間し、前記ホットゾーン壁の内側の回りに合うように構成及び配列された第一の外側加熱素子列と、
   前記中央加熱素子列から離間し且つ前記ホットゾーン壁の内側の回りに合うように構成及び配列されると共に、前記第一の外側加熱素子列から見て前記中央加熱素子列の反対側に位置決めされた第二の外側加熱素子列と、
   前記ホットゾーン壁によって区画されたホットゾーンの縦軸に垂直な面における第一のエンド位置に配置された第一のエンド加熱素子と、
   前記ホットゾーンの前記縦軸に垂直な面における前記第一のエンド位置と反対側の第二のエンド位置に配置された第二のエンド加熱素子と、
   前記中央加熱素子列に電流を供給するために前記中央加熱素子列に作動的に接続される第一の変圧器と、
   前記第一の外側加熱素子列と前記第一のエンド加熱素子に電流を供給するために前記第一の外側加熱素子列と前記第一のエンド加熱素子とに作動的に接続される第二の変圧器と、
   前記第二の外側加熱素子列と前記第二のエンド加熱素子に電流を供給するために前記第二の外側加熱素子列と前記第二のエンド加熱素子とに作動的に接続される第三の変圧器とを有し、
   前記中央加熱素子列と前記第一の外側加熱素子列と前記第二の外側加熱素子列とが同軸的になっている加熱素子配列構造。
2. 前記中央加熱素子列が、二つの加熱素子サブ列と、該二つの加熱素子サブ列を一体に相互に接続するためのコネクタを含んでいる、請求項１に記載の加熱素子配列構造。
3. 前記加熱素子サブ列の各々が、複数の加熱素子セグメントと、該複数の加熱素子セグメントの複数対を一体に相互に接続するための複数のセグメントコネクタを含んでいる、請求項２に記載の加熱素子配列構造。
4. 前記中央加熱素子列が、複数の加熱素子サブ列と、該複数の加熱素子サブ列を一体に相互に接続して、前記中央加熱素子列を構成するために配列された複数のコネクタを含んでいる、請求項１に記載の加熱素子配列構造。
5. 前記加熱素子サブ列の各々が、複数の加熱素子セグメントと、該複数の加熱素子セグメントの複数対を一体に相互に接続するための複数のセグメントコネクタを含んでいる、請求項４に記載の加熱素子配列構造。
6. チャンバーを区画する壁を含んでいる真空容器と、
   前記チャンバーの前記容器壁に取り付けられて、前記チャンバー内でホットゾーンを区画しているホットゾーン壁と、
   前記ホットゾーン内に配置された、請求項１に記載された加熱素子配列構造を有する真空熱処理炉。
7. 前記中央加熱素子列が、二つの加熱素子サブ列と、該二つの加熱素子サブ列を一体に相互に接続するためのコネクタを含んでいる、請求項６に記載の真空熱処理炉。
8. 前記加熱素子サブ列の各々が、複数の加熱素子セグメントと、該複数の加熱素子セグメントの複数対を一体に相互に接続するための複数のセグメントコネクタを含んでいる、請求項７に記載の真空熱処理炉。
9. 前記中央加熱素子列が、複数の加熱素子サブ列と、該複数の加熱素子サブ列を一体に相互に接続して、前記中央加熱素子列を構成するように配置された複数のコネクタを含んでいる、請求項６に記載の真空熱処理炉。
10. 前記加熱素子サブ列の各々が、複数の加熱素子セグメントと、該複数の加熱素子セグメントの複数対を一体に相互に接続するための複数のセグメントコネクタを含んでいる、請求項９に記載の真空熱処理炉。
11. 真空炉における加熱素子列の接続方法であって、
    第一の電力変圧器を中央加熱素子列に接続する工程と、
    第二の電力変圧器を第一のエンド加熱素子および第一の外側加熱素子列に接続する工程と、
    第三の電力変圧器を第二のエンド加熱素子および第二の外側加熱素子列に接続する工程とを含み、
    第一の外側加熱素子列が、前記中央加熱素子列から離間し且つ前記中央加熱素子列と同軸的に配置され、
    前記第一のエンド加熱素子が、前記第一の外側加熱素子列に隣接して配置され且つ前記第一の外側加熱素子列と前記中央加熱素子列との共通軸と垂直な面で配向され、
    第二の外側加熱素子列が、前記中央加熱素子列から離間し且つ前記中央加熱素子列と同軸的に配置され、
    前記第二のエンド加熱素子が、前記第二の外側加熱素子列に隣接して配置され且つ前記第一の外側加熱素子列と前記中央加熱素子列との共通軸と垂直な面で配向されたことを特徴とする、真空炉における加熱素子列の接続方法。

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