JP5931014B2 - 熱間等方圧加圧装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱間等方圧加圧装置に関するものである。

ＨＩＰ法（熱間等方圧加圧装置を用いたプレス方法)は、数１０〜数１００ＭＰａの高圧に設定された雰囲気の圧媒ガスのもと、焼結製品（セラミックス等）や鋳造製品等の被処理物をその再結晶温度以上の高温にして処理するものであり、被処理物中の残留気孔を消滅させることができるという特徴がある。そのため、このＨＩＰ法は、機械的特性の向上、特性のバラツキの低減、歩留まり向上などの目的で、今日、広く工業的に使用されるに至っている。

ところで、実際の製造現場ではＨＩＰ処理の迅速化が強く望まれており、そのためにはＨＩＰ処理の工程の中でも時間がかかる冷却工程を短時間で行うことが必要不可欠とされている。そのため、従来の熱間等方圧加圧装置（以下、ＨＩＰ装置という）では、炉内を均熱に保持したまま冷却速度を向上させる方法が提案されている。
例えば、特許文献１の熱間等方圧加圧装置では、第１循環流を流れる圧媒ガスの一部をファン及びイジェクターを用いてホットゾーンの下方から第２循環流に合流させ、合流した圧媒ガスがホットゾーン内を循環しつつ冷却されるため、冷却過程で生じる炉上部と下部の温度差を解消して炉内を効率的に冷却することができる。

特に、特許文献１の容器では、低温の圧媒ガスを直接炉内に導くことがないので、容器内周面を過度に冷却することがない。また、イジェクターを用いた強制循環であれば、高い冷却速度を実現することができる。さらに、ホットゾーン内にファンを設ける場合に比べれば、耐熱性などの材料に対する制約がないイジェクターを用いているので、炉構造が複雑にならず、ＨＩＰ装置の価格も高騰する虞はない。

また、特許文献２には、高圧容器内の圧媒ガスを容器外に取り出し、容器外で冷却してから容器内に戻すことで、冷却工程を短時間で行う技術が開示されている。

特開２０１１−１２７８８６号公報 特開２００７−３０９６２６号公報

従来のＨＩＰ装置は、生産性向上のための急速冷却技術を提供するものであり、ＨＩＰ処理の処理温度である1000℃〜1400℃の高温域から、被処理物の取り出しが可能な300℃以下の低温域まで冷却するのに必要とされる冷却時間を大幅に短縮できるものとなっている。具体的には、従来のＨＩＰ装置では、概ね平均冷却速度として、自然冷却がせいぜい数℃/minであるところ、数十℃/minの冷却速度を達成することが可能である。

一方、最近はアルミ鋳造品やＮｉ基ベース合金の精鋳品に対して溶体化処理等を行うために、ＨＩＰ処理後に再度熱処理を行い、急速冷却するニーズがある。このような溶体化処理で必要とされる急速冷却は冷却速度が低い通常のＨＩＰ装置では不可能であるため、ＨＩＰ処理とは別の炉内にて再加熱処理および急速冷却をおこなう。
ここで、アルミ鋳造品やＮｉ基ベース合金の精鋳品を対象とした急速冷却で必要とされる冷却速度は、少なくとも数十℃/min以上といった非常に速いものであり、処理物の肉厚や材質によっては100℃/min以上の冷却速度が求められる場合もある。このような速い冷却速度は、従来のＨＩＰ装置では達成が困難である。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、ＨＩＰ装置の処理室内を極めて短時間で冷却することができるＨＩＰ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の熱間等方圧加圧装置は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の熱間等方圧加圧装置は、被処理物を取り囲むように配設されたガス不透過性の内ケーシングと、この内ケーシングを外側から囲むように配設されたガス不透過性の外ケーシングと、前記内ケーシングの内側に設けられて前記被処理物の周囲に処理室を形成する加熱手段と、前記加熱手段及びケーシングを収納する高圧容器と、を備えており、前記処理室内の圧媒ガスを用いて前記被処理物に対して等方圧加圧処理を行う熱間等方圧加圧装置であって、前記外ケーシングと内ケーシングとの間には、下方から上方に圧媒ガスを案内する内側流路が設けられており、前記圧媒ガスは、前記内側流路を通って上昇し、前記高圧容器の内周面と外ケーシングの外周面との間に形成された外側流路を下降して、内側流路に戻る第１循環流と、前記第１循環流から分岐した圧媒ガスを内ケーシングの内周側に導いて処理室の被処理物と熱交換した後、熱交換後の圧媒ガスを第１循環流に帰還させる第２循環流とに沿って循環させられており、前記処理室の下方に設けられて、前記被処理物と熱交換した後の第２循環流の圧媒ガスを、第１循環流に合流する前に冷却する冷却促進用の蓄熱器と、前記蓄熱器に第２循環流の圧媒ガスを案内する冷却促進流路と、を有していることを特徴とする。

なお、好ましくは、前記蓄熱器は、内部に多数の気孔を備えた多孔構造の部材から形成されるとよい。
なお、好ましくは、前記蓄熱器は、複数の金属板を互いに距離をあけて配設してなる多層構造の部材から形成されるとよい。

本発明のＨＩＰ装置によれば、ＨＩＰ装置の処理室内を極めて短時間で冷却することができる。

本実施形態のＨＩＰ装置の正面断面図である。

以下、本発明に係る熱間等方圧加圧装置１の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
図１は、本実施形態の熱間等方圧加圧装置１（ＨＩＰ装置１と呼ぶこともある）を示している。このＨＩＰ装置１は、内外ケーシング３、４間に設けられた図示しない断熱部材内を通って上下に圧媒ガスを流動できる経路（内側流路２２）を備えている。その経路中に通路開閉のための機構（第１弁手段１７）を有し、処理室内を冷却する冷却過程においてはこの経路を開として用い、圧媒ガスは、断熱部材内を上昇した後、高圧容器２の内周面と外ケーシング４の外周面とのギャップ（外側流路１２）に導かれてこのギャップを降下する間に、高圧容器２の内周面との熱交換で冷却され、再び断熱部材の下部からガス流路（第２流通孔２４）を通って内側流路２２に導かれる第１循環流４１を形成する。さらに、第１循環流４１から分岐した圧媒ガスは、処理室内に導かれ、被処理物Ｗと熱交換された後、ガスルート（冷却促進流路４４）を通って、処理室より下の空間に設けた蓄熱器４３において蓄熱器４３と熱交換され、第１循環流４１に合流する。

また、ＨＩＰ装置１は、被処理物Ｗを収容する高圧容器２を有しており、この高圧容器２の内側には被処理物Ｗを取り囲むように配設されたガス不透過性の内ケーシング３と、この内ケーシング３を外側から取り囲むように配設されたガス不透過性の外ケーシング４と、を備えている。内ケーシング３と外ケーシング４との間には図示を省略する断熱部材が設けられており、この断熱部材により内ケーシング３の内部は外部から熱的に隔離されている。

また、ＨＩＰ装置１は、内ケーシング３の内側に被処理物Ｗを支持する製品台６と圧媒ガスを加熱する加熱手段７とを備えていて、製品台６の上側には被処理物Ｗが載置されている。そして、加熱手段７と被処理物Ｗとの間には、両者を仕切る整流筒８が設けられている。ＨＩＰ装置１は、整流筒８の外側に設けられた加熱手段７で加熱された圧媒ガスを整流筒８の下側から整流筒８の内部に供給し、この整流筒８の内部に供給された高温の圧媒ガスによって被処理物Ｗの周囲に圧媒ガスの雰囲気（以降、ホットゾーンという）を形成し、このホットゾーン内で被処理物Ｗに熱間等方圧加圧処理（以下、ＨＩＰ処理という）を行えるようになっている。

以降では、ＨＩＰ装置１を構成する各部材を詳しく説明する。
図１に示すように、高圧容器２は、上下方向に沿った軸心回りに円筒状に形成された容器を備えている。この容器本体９は、上方と下方との双方に向かって開口していて、上側（図１の紙面における上側）の開口は蓋体１０により塞がれており、容器本体９の下側（図１の紙面における下側）の開口は底体１１により塞がれている。

上述した容器本体９の上側開口と蓋体１０との間、及び容器本体９の下側開口と底体１１との間には、それぞれシール４５が設けられている。これらのシール４５により、高圧容器２の内部は、外部から物理的に隔離されている。
高圧容器２の周囲には、図示を省略する供給配管や排出配管が連結されている。これらの供給配管及び排出配管は、高温高圧の圧媒ガス（ＨＩＰ処理が可能なように１０〜３００ＭＰａ程度に昇圧されたアルゴンガスや窒素ガス）を容器に供給したり容器から排出したりするものである。

外ケーシング４は、高圧容器２の内側に配備された有蓋円筒状の部材である。この外ケーシング４は、ＨＩＰ処理の温度条件に合わせてステンレス、ニッケル合金、モリブデン合金またはグラファイトなどのガス不透過性の耐熱材料を用いて形成されている。外ケーシング４は、上述した高圧容器２よりも径が小さな円筒状であり、高圧容器２の内周面から径内側に距離をあけて配備されていて、外ケーシング４の外周面と高圧容器２の内周面との間には隙間が形成されている。この外ケーシング４と高圧容器２との間に形成される隙間は、圧媒ガスを上下方向に沿って流通可能な外側流路１２とされている。

具体的には、外ケーシング４は、下方に向かって開口した円筒状の外ケーシング本体１３と、この外ケーシング本体１３の下側開口を塞ぐ外ケーシング底体１４とを備えている。外ケーシング本体１３の上部には上開口部１５が形成されており、外ケーシング４の内側の圧媒ガスを下方から上方に導いて外ケーシング４の外側に案内できるようになっている。この上開口部１５には、内側から外側の外側流路１２に流れ出る圧媒ガスの流通を遮断する第１弁手段１７が設けられている。

また、外ケーシング底体１４の中央側には、上開口部１５と同様に、外側流路１２を経由して外ケーシング底体１４の下側に流れ込んだ圧媒ガスをホットゾーン内に導く下開口部１６が形成されている。この下開口部１６を通じて導入された圧媒ガスのうち、一部の圧媒ガスは後述する第２流通孔２４を通じて内側流路２２に流れ、残りの圧媒ガスは導管２８を通じてホットゾーン内に導かれる。また、下開口部１６には、この下開口部１６を通じて導入される圧媒ガスの循環を促進する強制循環手段２５が後述するように設けられている。

第２流通孔２４は、外ケーシング底体１４の内部を貫通して外ケーシング底体１４の上側と下側とを結ぶように形成されており、外ケーシング底体１４の下面に設けられた下開口部１６（入口）から取り込んだ圧媒ガスを、外ケーシング底体１４の上面に設けられた出口から内側流路２２に帰還できるようになっている。
第１弁手段１７（経路中に通路開閉のための機構）は、外ケーシング４の上開口部１５を塞ぐ栓部材１８と、この栓部材１８を上下方向に移動させる移動手段１９とを備えている。第１弁手段１７は、高圧容器２の外側に設けられた移動手段１９を用いて栓部材１８を上下いずれかの方向に移動させることで、上開口部１５を開閉できるようになっており、上開口部１５を経由する圧媒ガスの流通と遮断とを任意に切り換えることができるようになっている。

内ケーシング３は、外ケーシング４の内側に配備された筺体であって、外ケーシング４と同様に上下方向に沿った略円筒状に形成されている。内ケーシング３は、外ケーシング４よりも径が小さな有蓋円筒状に形成されており、外ケーシング４の内周面から径内方向に距離をあけて設けられており、外ケーシング４との間に径方向及び上下方向に隙間を形成できるようになっている。この外ケーシング４と内ケーシング３との隙間には、カーボンファイバを編み込んだ黒鉛質材料やセラミックファイバなどの多孔質材料で形成されたガス流通性の断熱部材が配備されている。すなわち、この断熱部材の内部を通る流路が、圧媒ガスを上下方向に沿って流通可能な内側流路２２とされている。

内ケーシング３は、外ケーシング４と同様の耐熱材料を用いて下方に向かって開口した円筒状に形成されており、上述した外ケーシング底体１４の上面よりやや上方に、外ケーシング底体１４の上面から上下方向に隙間をあけるようにして配備されている。そして、内ケーシング３の下部（下端）と外ケーシング底体１４との間には上下方向に隙間が形成されており、この隙間は内ケーシング３の内側にある圧媒ガスを外側（内側流路２２）に流通させる第１流通孔２３とされている。

内ケーシング３の内部には、径外側から順番に加熱手段７と整流筒８とが設けられており、この整流筒８の内部がホットゾーンとされている。次に、内ケーシング３の内部の構造について説明する。
加熱手段７は、上下方向に並んで配置された複数（図例では２つ）のヒータエレメントで構成されている。加熱手段７は内ケーシング３の内周面から径内側に距離をあけて配備されており、この加熱手段７から径内側にさらに距離をあけて整流筒８が配備されている。そして、加熱手段７の内側と外側とには、それぞれ圧媒ガスを上下に流通させるガス流通路が形成されている。

このガス流通路は、加熱手段７の外側に設けられる外側ガス流通路２０と、加熱手段７の内側に設けられる内側ガス流通路２１との２つで構成されている。外側ガス流通路２０は、内ケーシング３の内周面と加熱手段７との間に形成された流路であり、内ケーシング３の内周面に沿って上下方向に伸びている。外側ガス流通路２０を流通した圧媒ガスは、その殆どが後述する冷却促進流路４４に流れ込むようになっている。また、内側ガス流通路２１は、内ケーシング３の内周面と整流筒８との間に形成された流路であり、整流筒８の内周面に沿って上下方向に伸びている。この内側ガス流通路２１を流通した圧媒ガスは、殆どがガス導入孔２６と冷却促進流路４４とに分かれて流入するようになっている。

整流筒８は、ガスを透過しない板材で円筒状に形成されており、上方と下方との双方に向かって開口している。整流筒８の上端は内ケーシング３の内周面（上面）のやや下方に位置しており、整流筒８の上端と内ケーシング３との間には圧媒ガスを流通可能な隙間が上下方向に形成されていて、この隙間を介して整流筒８の内側（ホットゾーン内）にある圧媒ガスを整流筒８の外側に設けられたガス流通路（内側ガス流通路２１または外側ガス流通路２０のいずれか）に案内できるようになっている。

整流筒８の下側には、被処理物Ｗを載置する製品台６が設けられている。この製品台６は、圧媒ガスを流通可能な多孔板から形成されており、製品台６を透過して下側から上側に向かって圧媒ガスを案内できるようになっている。この製品台６の上側には、スペーサを介在させることで製品台６の上面に直接接触しない状態（かさ上げされた状態）で被処理物Ｗが載置されている。

また、整流筒８の外周面には、製品台６よりもさらに下方の位置に、上述したガス導入孔２６が形成されている。このガス導入孔２６は、整流筒８の側壁を内外に貫通するように形成されており、内側ガス流通路２１を流れる圧媒ガスを整流筒８の内側に導入できるようになっている。つまり、このガス導入孔２６を介して整流筒８の内部に導入された圧媒ガスは、上述した製品台６を透過して製品台６の上方に流れ込み、製品台６の上方に形成されたホットゾーンでＨＩＰ処理が行われる。

ところで、本発明のＨＩＰ装置１１は、ホットゾーン内を冷却する冷却手段として、次に示す第１冷却手段と第２冷却手段とを有している。
第１冷却手段は、第１循環流４１に沿って圧媒ガスを循環しつつ冷却するものである。この第１循環流４１は、上記した外ケーシング４と内ケーシング３との間に形成された内側流路２２を下方から上方に向かって導かれた圧媒ガスを、外ケーシング４の上開口部１５から外側流路１２に案内し、案内された圧媒ガスを外側流路１２に沿って上方から下方に案内しつつ高圧容器２の容器壁に接触させることで冷却し、冷却された圧媒ガスを外ケーシング４の第２流通孔２４から内側流路２２に戻すように圧媒ガスを循環するものである。

一方、第２冷却手段は、ホットゾーン内の圧媒ガスの一部をホットゾーンの外側に導き、外側に導かれた圧媒ガスを第１冷却手段（第１循環流４１）により強制循環する圧媒ガスに合流させて冷却を行い、冷却された圧媒ガスの一部をホットゾーンに戻すように圧媒ガスを循環する第２循環流４２に沿って圧媒ガスを循環して冷却するものである。上述した第１冷却手段で冷却された圧媒ガスの一部は、外ケーシング４の外側で冷却された後、ホットゾーンの上部からホットゾーン内にガス導入手段２７により導入される。

また、上述した第２流通孔２４の中途側には、第２流通孔２４を流通する圧媒ガスの流量（第１循環流４１を流れる圧媒ガスの流量）と、ガス導入手段２７を通じてホットゾーン内を流通する圧媒ガスの流量（第２循環流４２を流れる圧媒ガスの流量）との比率を調整する第２弁手段３３（絞り弁手段）が設けられている。具体的には、底ケーシング底体１４のファン格納部３２の上面には、ファン格納部３２内の圧媒ガスをガス導入手段２７に送る連通孔３４が形成されており、上述した第２弁手段３３を用いて連通孔３４を閉鎖したり開放したりすれば、ファン格納部３２からガス導入手段２７側に流れ込む圧媒ガスの流量を調整できるようになっている。このような第２弁手段３３を設けることで、第１循環流４１を流れる圧媒ガスの流量と、第２循環流４２を流れる圧媒ガスの流量との割合（流量比）を任意に変更することも可能となって、ＨＩＰ装置１１の冷却速度をより精密に制御することも可能となる。

ガス導入手段２７は、ホットゾーンの下方からホットゾーンの上部に伸びると共にホットゾーンの上部で開放された導管２８と、ケーシングの外側で冷却された圧媒ガスを導管２８に沿ってホットゾーンの上部に案内する強制循環手段２５とを有している。
まず、強制循環手段２５について説明する。
強制循環手段２５は、外ケーシング底体１４の下開口部１６に設けられて、下開口部１６の下側の圧媒ガスをホットゾーン内に強制的に引き込んで循環させるものである。本実施形態の強制循環手段２５は、高圧容器２の底体１１に設けられたモータ３０と、このモータ３０から下開口部１６を通って上方に伸びる軸部３１と、軸部３１の上端に取り付けられたファン２９とを備えている。このファン２９は外ケーシング底体１４の内部に形成されたファン格納部３２に格納されており、このファン格納部３２と外側流路１２との間を連通するようにして下開口部１６が形成されている。そして、ファン２９はこの下開口部１６を貫通して上下方向に伸びる軸（軸部３１）回りに回転することで、圧媒ガスに下方から上方に向かう流れを強制的に発生できるようになっている。

つまり、この強制循環手段２５では、モータ３０を用いて軸部３１の先端に設けられたファン２９を回転させると、外ケーシング底体１４の下側に貯留された圧媒ガスが下開口部１６を通ってファン格納部３２に強制的に流れ込む。そして、ファン格納部３２に流れ込んだ圧媒ガスは導管２８を介してホットゾーンの上部に送られ、圧媒ガスがホットゾーンの上部から流れ込んでホットゾーン内を冷却するために用いられる。なお、強制循環手段２５の例としては、ファン２９だけでなくポンプ等を用いてもよい。

導管２８は、ファン格納部３２に流れ込んだ圧媒ガスをホットゾーンの上部に送るためのものであり、圧媒ガスを管外に漏らさずに且つホットゾーンの圧媒ガスと交わることなく案内できるように内部が空洞とされた管材で形成されている。この導管２８の下端はファン格納部３２の上側の内周面に開口しており、この開口からファン格納部３２の圧媒ガスを管内に取り込むことができるようになっている。また、導管２８は、ファン格納部３２（ホットゾーンの下方）から整流筒８の内部を上下方向に貫通するようにホットゾーンの上部まで伸びている。導管２８の上端は、内ケーシング３の上面のやや下方でＴ字状に分岐しており、分岐した出口から圧媒ガスをホットゾーン内に向かって水平に噴出できるようになっている。

具体的には、導管２８は、ファン格納部３２の上面に形成された開口（下側の開口）から、ホットゾーンの中央側を通って上方に向かって伸び、整流筒８（ホットゾーン）の上部で径外側に２又状に分岐している。そして、導管２８の先端から噴出した冷却後の圧媒ガスは、内ケーシング３の上面に沿って水平に流れ、ホットゾーンの上部にある高温の圧媒を巻き込むように外側ガス流通路２０及び内側ガス流通路２１に流れ込む。このとき、第１循環流４１で冷却された圧媒ガスとホットゾーン内を上方に移動してきた圧媒ガスとが接触して混合されるため、互いに混合されにくい第１冷却手段の圧媒ガスと第２冷却手段の圧媒ガスとを（温度差の大きな圧媒ガス同士を）確実に混合することが可能となる。

次に、本発明の特徴である蓄熱器４３及び冷却促進流路４４について詳しく説明する。
図１に示すように、蓄熱器４３は、内ケーシング３の内径よりもやや小さい外径を備えた略円柱状の部材であり、加熱手段７より下方の内ケーシング３の内部に配備されている。図例の蓄熱器４３は、円筒状に形成された内ケーシング３の内周側に遊嵌し且つ上下方向に厚みを持った円柱状に形成されている。

具体的には、上述した整流筒８の上下方向の中途側には、整流筒８の上部と下部とを区切る下部断熱材４６が設けられている。この下部断熱材４６は、圧媒ガスが不透過とされた部材であり、内ケーシング３の内部空間を上下に区切っている。そして、上述した蓄熱器４３は、この下部断熱材４６のさらに下方に配備されている。
また、蓄熱器４３は、多量の熱エネルギを吸収可能なように大きな熱容量を備えている。このような蓄熱器４３としては、例えば、多孔質セラミックスなどのように内部に多数の気孔を備えた多孔構造の部材、複数の金属板を互いに距離をあけて並べたような多層板構造、あるいはセラミックスの小片や微小な粒子を疎に堆積させたような構造を有するものが挙げられる。このような構造を備えた蓄熱器４３は、加熱されにくく冷却されにくいため、高温の圧媒ガスに対して十分な冷却能を備えている。

例えば、蓄熱器４３を、内部に多数の気孔を備えた多孔構造の部材から形成すれば、冷却時のガス流に対して接触表面積が格段に増大して熱交換効率が上がる。さらに、急速冷却時以外の時、すなわちホットゾーン内の昇温時及び温度保持時のようにガス流がない時には、この多孔構造の部材（堆積層）が下部への伝熱を抑制する断熱材として機能する。
一方、蓄熱器４３を、複数の金属板を互いに距離をあけて並べた多層構造の部材から形成した場合にも、多孔構造の場合と同じく冷却時のガス流に対して接触表面積を増大させる効果がある。また、ホットゾーン内の昇温時及び温度保持時のようにガス流がない時には、多孔構造の場合と同じく下部への断熱効果を発揮することができる。

さらに、蓄熱器４３の内部には、蓄熱器４３の上方の圧媒ガスを蓄熱器４３の下方に案内するガス案内孔４７が、複数形成されている。これらのガス案内孔４７は、蓄熱器４３の上面に互いに距離をあけて複数形成されており、蓄熱器４３を上下に貫通するようになっていて、それぞれのガス案内孔４７内に導入された圧媒ガスとの間の熱交換面積を拡大できるようになっている。

この蓄熱器４３の取り付け高さは、蓄熱器４３は加熱手段７により直接加熱されることがないホットゾーンの下部、つまりホットゾーンの中でも低温の場所に配置されている。そのため、蓄熱器４３はホットゾーンの上部に設けられる処理室に比べれば低温となるホットゾーンの下部と同じ温度となっており、ホットゾーンの上部の高温の圧媒ガスを冷却できるような冷却能を備えている。

冷却促進流路４４は、上述した蓄熱器４３に対して第２循環流４２の圧媒ガスを案内するものである。具体的には、冷却促進流路４４は、外側ガス流通路２０及び内側ガス流通路２１の下端から蓄熱器４３を通って第１流通孔２３までの間を結ぶものであり、外側ガス流通路２０及び内側ガス流通路２１を通って上方から下方に流れた圧媒ガスを、各ガス流通路の下部で１つに集めた後、集めた圧媒ガスを蓄熱器４３に送っている。このようにして蓄熱器４３に送られた圧媒ガスは複数のガス案内孔４７に分配され、それぞれのガス案内孔４７を通過することで冷却される。そして、圧媒ガスは、内ケーシング３の下側に形成された第１流通孔２３から内側流路２２を流れる第１循環流４１に合流させられている。

上述したＨＩＰ装置１を用いて処理室内を急速冷却する際には、まず第１弁手段１７の移動手段１９を用いて栓部材１８を上方に移動させ、外ケーシング４の上開口部１５を開放する。そして、外ケーシング底体１４のファン格納部３２に設けられる強制循環手段２５のファン２９を回転させる。そうすると、回転するファン２９により外ケーシング底体１４の下方の圧媒ガスが下開口部１６を通ってファン格納部３２に流れ込み、ファン格納部３２に流れ込んだ圧媒ガスの一部が第２流通孔２４を通って内側流路２２に流入し、流入した圧媒ガスが内側流路２２を通って上方に移動し、外ケーシング４の上開口部１５から外側流路１２に流れ出る。そして、今度は外側流路１２に沿って上方から下方に下降し、この下降時に高圧容器２の内周壁との間に熱交換が行われて、圧媒ガスの冷却が行われる。このようにして冷却された圧媒ガスは、外ケーシング底体１４の下方に戻る。この圧媒ガスの流れが第１循環流４１であり、この第１循環流４１に沿って圧媒ガスは冷却される。

一方、上述した第２弁手段３３を用いて連通孔３４を開閉すると、ファン格納部３２に流れ込んだ圧媒ガスの残りが、ガス導入手段２７の導管２８を通じてホットゾーンの内部に流れ込む。つまり、導管２８の先端から径外側に向かって噴出した冷却後の圧媒ガスは、自然対流によって上昇してきた処理室の高温の圧媒ガスを巻き込みつつ外側ガス流通路２０及び内側ガス流通路２１に流れ込む。そして、外側ガス流通路２０及び内側ガス流通路２１を下降しつつ加熱手段７などを冷却し、これらの流通路の下端から冷却促進流路４４に流入する。このとき、内側ガス流通路２１を下降する圧媒ガスの一部は、ガス導入孔２６から処理室内に流れ込み、流れ込んだ圧媒ガスで処理室内の被処理物Ｗが冷却される。

また、冷却促進流路４４に流入した圧媒ガスは、冷却促進流路４４を通って蓄熱器４３に導かれる。そして、蓄熱器４３に導かれた圧媒ガスは、複数のガス案内孔４７に分配され、それぞれのガス案内孔４７の内部で熱交換される。つまり、上述したように蓄熱器４３はホットゾーンの中でも低温となる下部に配備されているので、処理室内の圧媒ガスを十分に冷却可能な冷却能を備えている。そのため、蓄熱器４３に送られた圧媒ガスは、短時間で急速に冷却され、十分低温となった圧媒ガスが第１流通孔２３から第１循環流４１に合流する。

例えば、蓄熱器４３がない従来技術の装置の場合であれば、処理室内の冷却速度をアップするため、第２循環流４２から第１循環流４１に合流させる圧媒ガスの流量を大きくし過ぎると、第１循環流４１を流通する圧媒ガスの温度が上昇しすぎて、強制循環手段２５のモータ３０や第２弁手段３３などを焼損する可能性があり、第２循環流４２から第１循環流４１に合流させる圧媒ガスの流量には一定の制限があった。

しかし、上述した蓄熱器４３を用いて一旦冷却された圧媒ガスを第１循環流４１に合流させるのであれば、第２循環流４２から第１循環流４１に合流させる圧媒ガスの流量を従来よりも大きくすることができ、被処理物Ｗの量や製造条件に依らず、概ね１００℃/minを超える冷却速度が可能となる。
つまり、ホットゾーンでは、処理室の下部は処理室に比べて比較的低温に保たれている。従って、ここに蓄熱器４３を配置しておけば、処理室が1000℃を超える高温であっても、蓄熱器４３はより低温の300〜400℃に保持される。一方、処理室内で被処理物Ｗと熱交換された後の圧媒ガスは処理室内とほぼ同じ温度であり、蓄熱器４３よりも高温となっている。そのため、この高温とされた圧媒ガスを蓄熱器４３に導いて熱交換させれば、熱容量が大きな蓄熱器４３に圧媒ガスの熱エネルギを吸収させることができ、圧媒ガスを短時間で低温化することが可能となる。

そのため、上述したＨＩＰ装置１によれば、処理室内を極めて短時間で急速に冷却することができ、急速冷却を必要とする熱処理をＨＩＰ処理の冷却工程に続いて実施することが可能となる。また、熱処理において再加熱などが不要となるので、工程を短縮化して溶体化処理などを簡便に実施することも可能となる。
ＨＩＰ処理後の冷却工程で急速冷却ができれば、ＨＩＰ処理後にわざわざ溶体化処理のための再加熱処理と急速冷却を実施することが不要になる。そうすれば、従来の溶体化処理のように、ＨＩＰ処理後に処理物を再加熱して熱処理を行い、急速冷却を行う手間が減り、溶体化処理の工程を大幅に簡略化できることはもちろん、大幅な省エネを達成することが可能となる。

なお、上述した蓄熱器４３及び冷却促進流路４４を用いた処理室の急速冷却の方法は、実際に1200℃から概ね500℃程度までの温度域の冷却に利用される。500℃という温度は、通常炉の開放には高過ぎる温度であるが、例えばNi基合金の溶体化処理等においては、1200℃から500℃までの急速冷却が求められており、1200〜500℃の温度域を素早く冷却することでＨＩＰ処理後の冷却工程で溶体化処理を合わせて実施することが可能となる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、発明の本質を変更しない範囲で各部材の形状、構造、材質、組み合わせなどを適宜変更可能である。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 熱間等方圧加圧装置（ＨＩＰ装置）
２ 高圧容器
３ 内ケーシング
４ 外ケーシング
６ 製品台
７ 加熱手段
８ 整流筒
９ 容器本体
１０ 蓋体
１１ 底体
１２ 外側流路
１３ 外ケーシング本体
１４ 外ケーシング底体
１５ 上開口部
１６ 下開口部
１７ 第１弁手段
１８ 栓部材
１９ 移動手段
２０ 外側ガス流通路
２１ 内側ガス流通路
２２ 内側流路
２３ 第１流通孔
２４ 第２流通孔
２５ 強制循環手段
２６ ガス導入孔
２７ ガス導入手段
２８ 導管
２９ ファン
３０ モータ
３１ 軸部
３２ ファン格納部
３３ 第２弁手段
３４ 連通孔
４１ 第１循環流
４２ 第２循環流
４３ 蓄熱器
４４ 冷却促進流路
４５ シール
４６ 下部断熱材
４７ ガス案内孔
Ｗ 被処理物

Claims (3)

1. 被処理物を取り囲むように配設されたガス不透過性の内ケーシングと、この内ケーシングを外側から囲むように配設されたガス不透過性の外ケーシングと、前記内ケーシングの内側に設けられて前記被処理物の周囲に処理室を形成する加熱手段と、前記加熱手段及びケーシングを収納する高圧容器と、を備えており、前記処理室内の圧媒ガスを用いて前記被処理物に対して等方圧加圧処理を行う熱間等方圧加圧装置であって、
   前記外ケーシングと内ケーシングとの間には、下方から上方に圧媒ガスを案内する内側流路が設けられており、
   前記圧媒ガスは、
   前記内側流路を通って上昇し、前記高圧容器の内周面と外ケーシングの外周面との間に形成された外側流路を下降して、内側流路に戻る第１循環流と、
   前記第１循環流から分岐した圧媒ガスを内ケーシングの内周側に導いて処理室の被処理物と熱交換した後、熱交換後の圧媒ガスを第１循環流に帰還させる第２循環流とに沿って循環させられており、
   前記処理室の下方に設けられて、前記被処理物と熱交換した後の第２循環流の圧媒ガスを、第１循環流に合流する前に冷却する冷却促進用の蓄熱器と、前記蓄熱器に第２循環流の圧媒ガスを案内する冷却促進流路と、を有していることを特徴とする熱間等方圧加圧装置。
2. 前記蓄熱器は、内部に多数の気孔を備えた多孔構造の部材から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱間等方圧加圧装置。
3. 前記蓄熱器は、複数の金属板を互いに距離をあけて配設してなる多層構造の部材から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱間等方圧加圧装置。