JP6078000B2

JP6078000B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP6078000B2
Application number: JP2013536433A
Authority: JP
Inventors: 隆舩橋; 俊輔竹口
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: WO2013046446A1; JPWO2013047762A1; KR20140050734A; WO2013047762A1; KR101580241B1

Description

本件発明は、金属粉末を加熱処理して焼結させる連続式焼結炉に用いる冷却装置に関するものである。

従来、金属粉末の成形品の焼結処理に用いられる連続焼結炉は、一般的に、ワークの焼結が行われる焼結装置と、焼結が行われたワークを冷却する冷却装置とを備えている。ここで、連続焼結炉は、これらの装置にワークが順次搬送されて処理が施されることとなる。そして、焼結処理後に行われる冷却処理では、冷却装置内に冷却用ガスを導入し、冷却装置内に設けられたファンによって当該冷却用ガスを循環させてワークの放射熱損失による冷却が行われていた。

例えば、特許文献１（特開平３−２５７１１９号）には、真空状態において被処理物の加熱を行うローラハース式真空炉について開示されている。具体的には、特許文献１のローラハース式真空炉は、「真空状態で被処理物の加熱をおこなう加熱室の出口側に冷却装置を設けたローラハース式真空炉において、前記冷却装置の被処理物搬送路の側方に、冷却用ガスを噴出する複数個のノズルを設け、被処理物を搬送する搬送用ローラを上面にそなえ鉛直軸線のまわりに回転駆動される回転台を、前記冷却装置内に設け、前記加熱室より搬送され前記回転台上に載置された被処理物に前記ノズルから噴出した冷却用ガスを吹付けるようにした」ことを特徴としたものである（請求項１参照のこと。）。

特開平３−２５７１１９号公報

しかし、特許文献１に係るローラハース式真空炉は、被処理材を収容する冷却装置内において、ファンにより冷却ガスを循環させ、その冷却ガスと被処理材との熱交換によって冷却処理を行うものであるが、冷却装置内に複数の被処理物が搬入されて処理する場合に、各被処理物の配置位置によって冷却速度にばらつきが生じてしまう。また、特許文献１のローラハース式真空炉では、当該被処理物の部分部分でも冷却速度にばらつきが生じ、製品の機械的特性が安定せず製品品質の低下を招いてしまう。

以上のことから、本件発明は、連続焼結炉に備わる冷却処理室の内部に装入されたワークの冷却速度を均一とすることが可能な冷却装置の提供を目的とする。

そこで、本発明者等は、鋭意研究を行った結果、金属粉末を加熱処理して焼結させる連続式焼結炉に用いる冷却装置について所定の条件を満たすことで、上述した課題を解決するに到った。以下、本件発明に関して説明する。

本件発明に係る冷却装置は、複数段に段積みされた載置用治具に積載した複数のワークを、複数の並設されたローラーにより搬送して加熱処理と冷却処理とを順次行う連続炉に備わる冷却装置において、当該冷却装置は、加熱処理を施した複数のワークを収容した状態で密閉可能な冷却装置と、当該冷却装置を減圧する減圧装置と、当該冷却装置内において冷却ガスを循環させると共に、その循環速度を調節可能な冷却ファンと、当該冷却ガスを冷却するための熱交換器と、当該冷却装置の内部に当該複数のワークを包囲するように配した黒鉛板を備えることを特徴とする。

本件発明に係る冷却装置を設ける連続炉は、ローラハース式連続炉又はプッシャー式連続炉であることが好ましい。

本件発明に係る冷却装置を設ける前記連続炉は、前記ワークとして内燃機関用カムシャフトの熱処理に用いることが好ましい。

本件発明に係る冷却装置によれば、その内部において、治具に載置された複数のワーク全てを包囲するように黒鉛板を配設することで、加熱処理されたワークを全て均一な速度で、且つ短時間で冷却することが出来るため、当該ワークの品質向上と、処理時間の短縮とを図ることが出来る。

本件発明に係る冷却装置を備えた連続焼結炉を説明するために例示した正面図である。図１のＡ−Ａ’断面図である。図１の冷却装置を説明するための正面断面からの説明図である。

本件発明に係る冷却装置の好ましい実施の形態について、以下に図を用いて示しながら本件発明をより詳細に説明する。

本件発明に係る冷却装置：複数段に段積みされた載置用治具に積載した複数のワークを、複数の並設されたローラーにより搬送して加熱処理と冷却処理と順次行う連続炉に備わる冷却装置において、当該冷却装置は、加熱処理を施した複数のワークを収容した状態で密閉可能な冷却装置と、当該冷却装置を減圧する減圧装置と、当該冷却装置内において冷却ガスを循環させると共に、その循環速度を調節可能な冷却ファンと、当該冷却ガスを冷却するための熱交換器と、当該冷却装置の内部に当該複数のワークを包囲するように配した黒鉛板を備えることを特徴とするものである。

図１は、本件発明の実施の形態に係る連続焼結炉を説明するための正面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ’断面図である。また、図３は、図１の冷却装置を説明するための正面断面からの説明図である。本件発明に係る冷却装置５を備えた連続焼結炉１は、図１に例示するように、真空待機室２、脱ワックスを行う予備加熱装置３、焼結を行う焼結装置４、冷却装置５とで構成することが出来る。図１に示す連続焼結炉１は、処理前のワーク搬入用の入口扉１１と、処理後のワーク搬出用の出口扉１２とが、それぞれ開閉装置１３及び１４により昇降駆動されるようになつている。なお、図中１５〜２０に関しても、それぞれ開閉装置を示したものであり、各室を区画する各扉（不図示）の昇降駆動を行うものである。そして、連続焼結炉１の全長に亘って、ワークＷを搬送するための搬送用ロ−ラ２１が設けられている。

ここで、搬送ローラ２１は、円柱形状を呈し、当該搬送ローラ２１の軸が水平且つ前後方向に平行になるように入口扉１１と出口扉１２とを貫通して炉体内に配置される。このような搬送ローラ２１が、同じ高さで、ワークＷを積載した治具Ｊの搬送方向長さよりも狭い間隔で複数並設される。また、搬送ローラ２１は、それぞれ、ローラの軸を中心として回転自在に支持されている。そして、例えばモータ（不図示）を動力源としてチェーン（不図示）によって全てのローラが同じ方向に、同じ回転速度で回転する構成とすることが出来る。本件発明に係る冷却装置５を備える連続焼結炉１は、このような搬送ローラ２１にワークＷを載置し、搬送ローラ２１の回転によってワークＷを徐々に前方に移動させながら、加熱処理や冷却処理を施す方式を採用したものである。

ここで、本件発明に係る冷却装置５について説明する前に、図１に示す連続焼結炉１においてワークＷに施される処理に関して簡単に説明しておく。まず、ワークＷは、連続焼結炉１の搬入用の入口扉１１のある搬入口を通り連続式焼結炉１の内部に搬入される。そして、搬入されたワークＷは、搬送手段である搬送ローラ２１の回転によって、予熱加熱室３内に搬入され、例えば５００〜７００℃まで加熱されて予め添加されているワックスが蒸発除去される。そして、予備加熱装置３での処理が行われたワークＷは、焼結装置４内に搬入され、焼結温度である９００℃〜１２００℃まで加熱され焼結処理される。焼結処理が終了した後のワークＷは、冷却装置５において冷却され、搬出用の出口扉１２から搬出される。

なお、本件発明の連続焼結炉１に備わる予備加熱装置３、及び焼結装置４は、ワークＷに対して上下左右の四面に熱源（不図示）が設けられる。本件発明の連続焼結炉１は、ローラハース式連続炉又はプッシャー式連続炉を採用することで、隣接するローラの間から底面に配設した熱源の熱を直接的にワークＷに伝えることが出来る。その結果、本件発明の連続焼結炉１によれば、治具Ｊ上に積載された全てのワークＷに対して均一に加熱処理を行うことが出来る。

本明細書の発明を説明するための図面には、ローラハース式連続炉を用いて、本件発明に関して説明するようにしている。ローラーハース式連続炉は、炉内の治具Ｊ上に積載されたワークＷを、ローラーに載せて搬送しながら焼成し、冷却するトンネル型焼成炉である。このローラーハース式連続炉は、予熱、焼成、冷却の各温度ゾーンを備えており、精密な温度制御が可能で、量産効率に優れるという利点がある。このローラハース式連続炉を用いた場合、焼成の終了した治具Ｊ上に積載されたワークＷは、回転するローラの動きで、冷却装置５の内部に収容される。

そして、プッシャー式連続炉（図示は省略する。）は、複数段のワークＷを積載した治具を台板に載せ、油圧プッシャーにより当該台板を移動させて、炉内にワークを搬送するタイプの連続式焼成炉である。このプッシャー式連続炉は、ローラハース式連続炉に比べて、炉内の高い気密性を維持することが出来るため、窒素雰囲気、水素還元雰囲気等の製品仕様に合わせた雰囲気焼成に適し、使用する雰囲気ガス量も削減することが可能である。このプッシャー式連続炉を用いた場合、焼成の終了した治具上に積載された複数段のワークＷは、油圧プッシャーによって当該台板を移動させて、冷却装置５の内部に収容される。このとき、冷却装置５の側に、複数段のワークＷを積載した治具を引張るための引込手段を設けることで、複数段のワークＷを積載した治具を冷却装置５の内部に容易に収容できる。

これらローラハース式連続炉又はプッシャー式連続炉のいずれの使用も可能であるが、ローラハース式連続炉を使用することが、最も好ましい。ローラハース式連続炉の方が、治具上に複数段のワークＷを積載するプッシャー式連続炉に比べて、炉内温度を平準化することが容易であり、且つ、炉内に収容したワークＷに対する加熱のバラツキが、より生じにくいからである。よって、以下の説明では、ローラハース式連続炉を図面中で用いながら説明する。

次に、本件発明に係る冷却装置５に関して以下に説明していく。図２及び図３に示すように、本件発明に係る冷却装置５は、ワークＷを搬入する搬入扉５９と、ワークＷを搬出する図１に示す出口扉１２とが開閉する構成を備え、これら扉を閉じることで冷却装置５内を密閉状態とすることが出来る構造を備えている。本件発明の冷却装置５は、その内部を加圧させた状態で冷却を行うことで、治具Ｊに積載された複数のワークＷ全てに対して均一に冷却処理を行うことが出来る。ちなみに、本件発明に係る冷却装置５は、冷却処理室５２内を加圧する加圧装置（不図示）を介して接続し、冷却処理時において、冷却処理室５２内の圧力を１５００ＴＯＲＲ程度の所定の圧力まで加圧制御することが可能である。冷却時に冷却ガスを撹拌（循環）する場合には、冷却処理室５２内を加圧状態とすることによって、大気圧状態の場合に比べ、循環する冷却ガスの場所毎の冷却速度の差を低減させることが出来る。このような冷却処理室５２内の加圧による効果を利用することにより、冷却歪みが生じやすいワークＷであっても歪み発生を抑制することができ、高精度の寸法精度を維持したまま冷却処理を行うことが出来る。

また、本件発明に係る冷却装置５は、治具Ｊに積載されたワークＷ全てを包囲するように黒鉛製の板５１を設けた構造を備えるため、冷却処理時の黒鉛板５１による断熱作用、及び放熱作用によってワークＷの治具Ｊ上の載置位置に影響されずに個体差無く各ワークを均一な速度で冷却することが出来る。また、本件発明に係る冷却装置５は、その内部に黒鉛板５１が配置されることで、冷却処理室５２内に配置されるワークＷに直接的に冷却ガスが接触せず、当該ワークＷを急冷する場合であっても均一な速度で冷却することが可能になる。

本件発明に係る冷却装置５は、上述したように、治具Ｊに積載されたワークＷ全てを包囲するように黒鉛製の板５１を設けたものであり、この状態で冷却処理を行う方式を採用している。ここで、黒鉛とは、黒鉛化という高温熱処理をされることにより出来るカーボンの塊をいう。黒鉛素材は、多孔質であり、内部に存在する空気が熱を吸収して断熱材として機能する他、黒鉛自身の熱伝導率が良い（熱伝導性が高い）性質により、放熱・冷却用の敷板等にも好適に用いることが出来る。すなわち、本件発明の冷却装置５内でワークＷを囲う黒鉛板５１は、蓄熱体としても作用し、ワークＷの部分的な過冷却を防止出来ると共に、黒鉛板自身の昇温によりワークＷからの熱放射を抑制することで、ワークＷの配置位置による温度差を小さくすることが出来る。この結果、本件発明の冷却装置５によれば、冷却室５２内におけるワークＷ全てに関して均一な速度で冷却を行うことが出来ることとなり、ワークＷの部分部分で機械的特性にばらつきが生じて製品品質の低下を招くこともない。ちなみに、黒鉛板は、多孔質で通気性を有することから、これらの効果を得ることが可能になると考えられ、この点に鑑みれば多孔質で熱伝導性に優れるセラミックス製の板等でも代用することが出来る。

また、図２に示すように、本件発明に係る冷却装置５は、その内部にファン５３が設けられ、ファン駆動装置Ｍに格納されているモータにより回転させられることで、図示せぬ冷却ガス導入口より導入される冷却ガスを冷却処理室５２内に循環させることが出来る。また、本件発明に係る冷却装置５では、冷媒導入管５６から導入した冷媒を分配して熱交換させ、冷媒導出管５７より導出させる熱交換器５５を冷却処理室５２内に設置することも出来る。本件発明の冷却装置５は、このような構造とした場合、冷却処理室５２内を循環する冷却ガスや空気が熱交換器５５に接触する毎に冷やされて急冷処理を行うことが出来る。また、冷却処理室５２内には、導入されてきた冷却ガスを効率良く対流循環させるための整流板５８が設けられる。そして、ファン５３は、冷却ガスを循環させる際の循環速度を変更することが出来る。例えば、ファン５３は、冷却ガスを循環させない状態であるファン回転数０Ｈｚの状態から、ファン回転数２０Ｈｚ〜６０Ｈｚの状態の間で制御可能である。従って、本件発明に係る冷却装置によれば、上述した冷却処理室５２内の圧力の状態とファン回転数の条件とを最適な組合せとすることで、ワークＷの冷却処理速度を向上させながらも、ワークＷに所望の機械的特性を安定して付与することが出来ることとなる。なお、図２では、ファン５３は、冷却ガスを側方より送るよう構成配置されているが、この位置に限定されるものではない。また、本件発明の冷却処理工程で用いる冷却ガスは、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム等を加圧したものを用いることが出来る。

本件発明に係る冷却装置５は、以上のような構造を備えるので、優れた冷却歪み抑制効果と、冷却歪み発生可能性が低い温度領域での冷却効率向上効果の両方を得ることが出来る。なお、ワークＷの冷却処理が行われた後は、冷却装置５内に例えば窒素ガスを導入して、大気圧状態に復圧し、その後、搬出側の出口扉１２を開け、搬送ローラ２１を回転させることで、冷却装置５からワークＷを搬出することが出来る。

また、図３には、複数段に積み重なって載置されたワークＷが複数示されているが、本件発明の冷却装置５によれば、ワークＷの載置位置に関係なく均一に冷却させることが可能となり、ワークＷの均一な冷却を確実に行うことで、不良品発生を抑制することが出来る。

また、本件発明に係る冷却装置５によれば、冷却処理時間を従来に比べて大幅に短縮することが可能であるため、連続式焼結炉１を構成する各装置の中でも比較的処理時間の短い予備加熱装置３や焼結装置４と並行して処理を行うことが可能となる。そのため、本件発明に係る冷却装置５を備えた連続式焼結炉１によれば、非常に効率よく処理を進めることが出来る。言い換えれば、連続式焼結炉１は、本件発明に係る冷却装置を備えることで、各処理装置２〜５を順次移動するように搬送ローラ２１によりワークＷを移動（図１に示す矢印方向）させる際に効率よくワークＷを移動させることが出来るようになる。

また、本件発明に係る冷却装置において、ワークは、内燃機関用カムシャフトであることが好ましい。

過酷な摺動条件下で使用される内燃機関用カムシャフトは、内燃機関の高性能化や高出力化に伴い、従来より高い耐摩耗性を備え、高面圧、高負荷に耐えられる軽量のカムシャフトが求められている。具体的には、内燃機関用カムシャフトには、エンジン高回転、高接触面圧下での厳しい摺動条件に耐えられる耐ピッチング性や耐スカッフィング性等の摩耗特性に優れたものが求められている。これらの要求に応えるために、内燃機関用カムシャフトは、焼結材のカムロブを鋼製シャフトに接合した所謂焼結カムシャフトが用いられ、焼結後の冷却処理において、カムシャフトの冷却速度を全周均一となるように制御することが求められている。

ここで、本件発明に係る冷却装置５は、配置される黒鉛板がカムシャフトを包囲する構造を備えているため、当該カムシャフトをムラ無く均一な速度で冷却することが出来る。また、本件発明に係る冷却装置においては、冷却処理室５２内の圧力の状態とファン回転数の条件とを最適な組合せにより、カムシャフトに求められる上記各特性を短時間で安定して付与することが出来ることとなる。例えば、焼結カムシャフトの冷却処理においては、焼結処理が終了した後、まず冷却処理室５２内の圧力が７６０ｔｏｒｒでファン回転数が０Ｈｚ〜２０Ｈｚの状態で所定時間冷却（第１徐冷モード）し、次に冷却処理室５２内の圧力が９１０ｔｏｒｒでファン回転数が２０Ｈｚ〜３０Ｈｚの状態で所定時間冷却（第２徐冷モード）し、次に冷却処理室５２内の圧力が１５００ｔｏｒｒでファン回転数が３０Ｈｚ〜６０Ｈｚの状態で所定時間冷却（急冷モード）するような冷却モード条件を設定することが出来る。このように、本件発明に係る冷却装置によれば、当該焼結カムシャフトの冷却速度をＡ_１変態点付近の温度の前後で切り変えることも可能であり、耐ピッチング性や耐スカッフィング性等の摩耗特性に優れた焼結カムシャフトを、短時間で安定して提供することが出来る。

参考までに、焼結カムシャフトの加熱処理及び冷却処理は、処理効率の向上を図るため、例えばカムシャフトを水平横置きにして複数載置した載置プレートを複数段積み重ねた状態で一度に処理される（図３におけるワークＷ参照のこと。）。従って、カムシャフトは載置される位置によって温度差が生じやすく、加熱処理や冷却処理の際に、カムシャフトの全周を均一に加熱・冷却することが必要とされる。本件発明の連続焼結炉１によれば、上述したように、ローラハース式を採用することで、加熱処理においては底面側にも熱源を配置出来、冷却処理においても底面側に黒鉛板を配置出来るため、カムシャフトの温度を個体差なく制御することが可能となる。

本件発明に係る冷却装置は、複数のワーク全てを包囲して黒鉛板を配置した構成とすることで、全てのワークを短時間でムラ無く均一な速度で冷却することが出来る。そのため、本件発明に係る冷却装置によれば、ワークの品質向上と、処理時間の短縮とを実現することが出来、製造コストの低減化を図ることが出来る。以上のことから、本件発明に係る冷却装置によれば、高い品質と高い機械的強度が要求される、例えば内燃機関に用いられる他の摺動要素にも好適に使用することが出来る。

１連続式焼結炉
２待機室
３予備加熱装置
４焼結装置
５冷却装置
２１搬送ローラ
１１入口扉
１２出口扉
５１黒鉛板
５２冷却処理室
５３ファン
５４集風誘導ダクト
５５熱交換器
５６冷媒導入管
５７冷媒導出管
５８整流板
５９搬入扉
Ｊ治具
Ｍファン駆動用モータ装置
Ｗワーク（カムシャフト）

Claims

複数段に段積みされた載置用治具に積載した複数のワークを、複数の併設されたローラーにより搬送して加熱処理と冷却処理とを順次行う連続炉に備わる冷却装置において、
当該冷却装置は、加熱処理を施した複数のワークを収容した状態で密閉可能な冷却装置と、
当該冷却装置を減圧する減圧装置と、
当該冷却装置内において冷却ガスを循環させるとともに、その循環速度を調節可能な冷却ファンと、
当該冷却ガスを冷却するための熱交換器と、
当該冷却装置の内部に当該複数のワークを包囲するように配した黒鉛板と、
当該冷却装置を加圧する加圧装置と、を備え、
前記加圧装置により加圧した状態で、かつ、前記黒鉛板によって冷却ガスが直接的にワークに接触しない状態で、ワークを冷却することを特徴とする冷却装置。
冷却装置の圧力を７６０ｔｏｒｒとし、冷却ファン回転数を０Ｈｚ〜２０Ｈｚとする第１徐冷モードで所定時間冷却し、
次いで冷却装置の圧力を９１０ｔｏｒｒとし、冷却ファン回転数を２０Ｈｚ〜３０Ｈｚとする第２徐冷モードで所定時間冷却し、
次いで冷却装置の圧力を１５００ｔｏｒｒとし、冷却ファン回転数を３０Ｈｚ〜６０Ｈｚとする急冷モードで冷却すること、を特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記連続炉は、ローラハース式連続炉又はプッシャー式連続炉である請求項１又は請求項２に記載の冷却装置。
前記ワークは、内燃機関用カムシャフトである請求項１〜３の何れか一項に記載の冷却装置。