JP6222878B2 - 浸炭装置 - Google Patents

Description

本発明は、浸炭装置に関する。
本願は、２０１４年４月２３日に日本に出願された特願２０１４−０８９２０７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

下記特許文献１には、浸炭装置の一形態である真空浸炭炉が開示されている。この真空浸炭炉においては、炉体の内部にワーク（被処理物）を取り囲むようにセラミックス製の断熱材を設ける。また、炉体内の下部に浸炭対象物であるワークが載置される炉床を設け、炉体内の上部からワークの左右側方にかけてセラミックス製のラジアントチューブ（熱源）を設ける。このような真空浸炭炉では、炉体内に炭化水素系ガスを浸炭ガスとして供給し、かつ炉体内を５００〜６００℃の高温環境下とすることにより、浸炭ガスが熱分解して得られる炭素をワークの表面に浸入（浸炭）させる。

日本国特開２００６−１１２７７０号公報

ところで、炉体内の断熱材及びラジアントチューブは形状が比較的単純なためセラミックス製である。一方、炉床は、形状が比較的複雑であり、よって加工性の関係で一般に金属製である。すなわち、従来の浸炭装置においては、炉体内の部品が異なる材料で構成されているために部品の耐久性（耐用年数）が材料毎に異なり、よって材料毎に部品のメンテナンスサイクルが異なる。

しかしながら、このように材料毎に部品のメンテナンスサイクルが異なると、メンテナンス計画が煩雑になるので、使い勝手の面で課題を有していた。浸炭装置を稼働させて各種ワークの処理を行っているユーザーからは、浸炭装置の稼働率を少しでも向上させるために、メンテナンスを簡便にすることが強く要望されている。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来よりもメンテナンスが簡便である浸炭装置を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様は、被処理物に浸炭処理を施す浸炭装置であって、炉体と、前記炉体内に設けられる断熱容器と、前記断熱容器内に設けられ、前記被処理物が載置される炉床と、前記断熱容器内に設けられる熱源と、を備え、前記炉床の主要部品、前記熱源及び前記断熱容器の少なくとも表面がセラミックス材から形成される。

本発明の第二の態様は、上記第一の態様に係る浸炭装置において、前記炉床は、前記被処理物が直接載置されるセラミックス製の受け部材と、前記断熱材を貫通して設けられ、一端が前記受け部材に接続されると共に他端が前記炉体に接続されるセラミックス製の脚部材と、を前記主要部品として備え、前記脚部材は、中空に形成され、内部にセラミックス材からなる繊維部材が充填されている。

本発明の第三の態様は、上記第二の態様に係る浸炭装置において、前記脚部材は、前記炉体に対して着脱自在に接続されている。

本発明の第四の態様は、上記第二または第三の態様に係る浸炭装置において、前記脚部材は、密閉空間を挟んで前記炉体に対向している。

本発明の第五の態様は、上記第二〜第四のいずれかの態様に係る浸炭装置において、前記受け部材は、前記脚部材に対して着脱自在に接続されている。

本発明の第六の態様は、上記第五の態様に係る浸炭装置において、前記受け部材と前記脚部材とは、各々に設けられた貫通孔に止めピンを挿入することにより接続されている。

本発明によれば、熱源、断熱材及び炉床の少なくとも表面がセラミックス材から形成されるので、従来よりもメンテナンスが簡便な浸炭装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る浸炭装置の全体構成を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る浸炭装置の正面図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 本発明の一実施形態に係る浸炭装置における炉床の一部拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る浸炭装置は、図１に示すように、チャンバー１（炉体）、断熱容器２、炉床３、複数の浸炭ガス導入パイプ４、浸炭ガス供給源５、複数の加熱ヒータ６、排気管７、排気ポンプ８、一対の攪拌翼９、一対の攪拌モータ１０及び複数の熱電対１１等を備えている。

チャンバー１は、図１及び図２に示すように、直方体形状の本体容器であり、一側面に断熱ドア１ａが設けられている。この断熱ドア１ａは、チャンバー１内に被処理物Ｘを出し入れするための開閉扉である。断熱ドア１ａは、鉛直に立設されていると共に鉛直方向（上下方向）にスライドすることによりチャンバー１内を外部に対して開放あるいは閉鎖する。また、この断熱ドア１ａは、内側に断熱材が設けられているため断熱性能を併せ持つ。

断熱容器２は、図１及び図３に示すように、チャンバー１内に設けられた直方体形状の容器であり、所定の断熱性能を有する断熱材（セラミックス材）から形成されている。このような断熱容器２の内部空間は、被処理物Ｘを収容し、浸炭処理を施す浸炭室Ｓである。浸炭室Ｓには、断熱ドア１ａを介して被処理物Ｘ（浸炭対象物）が搬入される。なお、本実施形態では、断熱ドア１ａに平行な水平方向をチャンバー１（浸炭室Ｓ）の幅方向とし、断熱ドア１ａに垂直な水平方向をチャンバー１（浸炭室Ｓ）の奥行き方向とする。

炉床３は、本実施形態に係る浸炭装置の最も特徴的な構成要素であり、図１及び図３に示すように、断熱容器２の内側かつ下部に備えられている。この炉床３は、断熱ドア１ａを介して外部から搬入された被処理物Ｘが載置される載置台であり、主要部品がアルミナ等のセラミックス材から形成されている。すなわち、炉床３の主要部品はセラミックス製の部材である。

図１及び図３に加えて図４を参照してさらに詳しく説明すると、炉床３は、受け部材３ａ、脚部材３ｂ、繊維部材３ｃ、支持部材３ｄ、台座部材３ｅ及び止めピン３ｆを備えている。なお、これら各部材は、図１及び図３に示すように複数設けられている。また、受け部材３ａ及び脚部材３ｂは、炉床３の主要部品である。

受け部材３ａは、被処理物Ｘと当接する角棒状の部材であり、アルミナ等のセラミックス材から形成されている。この受け部材３ａは、浸炭室Ｓの奥行き方向（水平方向）に延びると共に、浸炭室Ｓの幅方向（水平方向）に所定間隔をあけて３列に設けられている。また、図１に示すように、受け部材３ａは、奥行き方向において３本が連接されている。すなわち、この炉床３では、受け部材３ａが奥行き方向及び幅方向ともに各々３本づつ（合計９本）配列されている。

脚部材３ｂは、長手方向が鉛直方向（上下方向）に設定された角棒状の部材であり、アルミナ等のセラミックス材から形成されている。この脚部材３ｂは、断熱容器２を貫通し、上端が受け部材３ａに当接すると共に下端が台座部材３ｅに当接する。この脚部材３ｂは、受け部材３ａの各端部に当接するように受け部材３ａの各列に４本設けられている。また、この脚部材３ｂは、中空状の角棒であり、内部に繊維部材３ｃが充填されている。この繊維部材３ｃは、ガラス等のセラミックス材からなる繊維を束ねて形成される。

支持部材３ｄは、チャンバー１の内面に溶接固定されると共に、上方に向けて開口する矩形開口３ｇが形成された金属部材である。矩形開口３ｇは、脚部材３ｂの下端が挿抜自在に嵌合する形状に形成されている。すなわち、この炉床３では、主要部品である受け部材３ａ及び脚部材３ｂがチャンバー１に対して着脱自在に設けられている。

台座部材３ｅは、矩形開口３ｇ内においてチャンバー１の内面から所定寸法だけ離間した位置に溶接固定された矩形の板状部材（金属部材）である。すなわち、この炉床３では、チャンバー１の内面、支持部材３ｄ及び台座部材３ｅによって密閉空間Ｍが形成されている。したがって、脚部材３ｂは、密閉空間Ｍを挟んでチャンバー１の内面と対向する。

止めピン３ｆは、受け部材３ａと脚部材３ｂとを係合させる細線状部材である。図４に示すように、受け部材３ａの下側の中央には矩形凸部３ｈが形成され、脚部材３ｂの上端には矩形凸部３ｈに嵌合する矩形凹部３ｉが形成されている。また、矩形凸部３ｈ及び矩形凹部３ｉには、互いに符合する位置に貫通孔３ｊが形成されている。止めピン３ｆを、この貫通孔３ｊに挿通することにより、受け部材３ａと脚部材３ｂとを係合させる。

貫通孔３ｊの大きさは、止めピン３ｆの太さよりも多少大きい。
これによって受け部材３ａと脚部材３ｂとは、機械的に固く係合しているのではなく、ある程度の遊びを持った状態、つまり相互の移動が可能な状態で係合している。なお、このような止めピン３ｆは、高温環境下でも機械的特性が比較的低下しないモリブデン（Ｍｏ）等の金属から形成されている。

複数の浸炭ガス導入パイプ４は、アセチレン等の浸炭ガスを浸炭室Ｓ内に導入するための管路であり、先端が浸炭室Ｓ内に開口すると共に後端が浸炭ガス供給源５に連通する。
浸炭ガス供給源５は、所定流量の浸炭ガスを浸炭ガス導入パイプ４に吐出する。すなわち、浸炭室Ｓ内には、浸炭ガス供給源５によって流量設定された浸炭ガスが供給される。

複数の加熱ヒータ６は、図３に示すように水平方向に延びる棒状の熱源であり、断熱容器２の内側の上部及び下部に所定間隔で設けられている。これら複数の加熱ヒータ６は、セラミックス製の直管の内部に棒状の発熱体を収納することにより形成され、浸炭室Ｓ内の被処理物Ｘを所定温度（加熱温度）まで加熱する。なお、この加熱温度や加熱時間等の加熱条件は、浸炭処理の目的や被処理物Ｘの材質等に基づいて適宜設定される。

排気管７は、一端が浸炭室Ｓ内に開口し、他端が排気ポンプ８の吸引口に接続された管路である。排気ポンプ８は、排気管７を介して浸炭室Ｓ内のガス（浸炭ガスや、浸炭ガスが熱分解した熱分解ガス等）を浸炭室Ｓ外に排気する。排気ポンプ８の排気量は、浸炭処理の目的や被処理物Ｘの材質等に応じて適宜設定される。

一対の攪拌翼９は、断熱容器２の内側の上部（加熱ヒータ６よりも被処理物Ｘに近い位置）に、回転軸方向が鉛直方向（上下方向）と一致するように設けられている。この攪拌翼９は、攪拌モータ１０によって駆動されることによって浸炭室Ｓ内のガスを攪拌する。一対の攪拌モータ１０は、出力軸が鉛直方向（上下方向）と一致するようにチャンバー１の上部に設けられた回転駆動源である。攪拌モータ１０の出力軸は、チャンバー１内に位置する攪拌翼９の回転軸に対して、チャンバー１の気密性（シール性）を損なわないように軸結合している。

複数の熱電対１１は、図３に示すように、浸炭室Ｓ内において被処理物Ｘを取り囲むように離散配置されている。熱電対１１は、被処理物Ｘの表面温度と同等な浸炭室Ｓ内の雰囲気温度を検出し、検出結果を制御盤に出力する。

図１〜図４には示されていないが、本実施形態に係る浸炭装置は、専用の制御盤（制御装置）を備えている。この制御盤は、ユーザーが浸炭処理における各種条件を設定入力する操作部と、内部に予め記憶された制御プログラムに基づいて浸炭ガス供給源５、加熱ヒータ６及び排気ポンプ８等の各駆動部を制御することにより、被処理物Ｘに対して設定情報及び熱電対１１の検出温度に基づいた浸炭処理を実行させる制御部と、を備えている。

次に、このように構成された浸炭装置の動作（浸炭処理方法）について詳しく説明する。なお、この浸炭装置の動作は、制御盤により、設定情報及び熱電対１１の検出温度に基づいて主体的に実行される。

被処理物Ｘは、断熱ドア１ａが開放された状態で外部の搬送装置によって炉床３上に載置される。この際、被処理物Ｘは、バスケットやトレー等の収納容器内に収納された状態で炉床３上に載置される。そして、断熱ドア１ａが閉鎖されることによって浸炭室Ｓ内が密閉空間となる。

排気ポンプ８が作動して浸炭室Ｓ内の空気が外部に排気されることによって浸炭室Ｓ内の雰囲気（被処理物Ｘの周囲雰囲気）が所定の真空状態（圧力状態）まで減圧されると、加熱ヒータ６が作動して被処理物Ｘの表面温度が所定温度（浸炭温度）まで加熱される。なお、この被処理物Ｘの加熱時において、排気ポンプ８は作動を一旦停止する。したがって、被処理物Ｘの表面温度は、熱電対１１の検出結果に基づいて加熱ヒータ６が制御されることによって、温度一定の圧力環境下で一定時間を掛けて徐々に上昇して浸炭温度まで到達する。

被処理物Ｘの表面温度が浸炭温度にて安定した状態で、浸炭ガス供給源５が作動することによって、所定流量の浸炭ガスが各浸炭ガス導入パイプ４を介して浸炭室Ｓ内に連続的に導入される。一方、排気ポンプ８は、浸炭ガス供給源５の作動に呼応するように作動を再開して、浸炭室Ｓ内のガスを各排気管７を介して外部に排気する。

浸炭ガス供給源５及び排気ポンプ８の同時作動によって、浸炭室Ｓ内の真空度（圧力）は所定圧力（浸炭圧力）に維持される。すなわち、各浸炭ガス導入パイプ４から浸炭室Ｓ内に連続導入される浸炭ガスの導入量と各排気管７を介して浸炭室Ｓ内から外部に排気されるガスの排出量とのバランスが維持されることによって、浸炭室Ｓ内の圧力は所定の浸炭圧力を維持する。

そして、浸炭圧力が維持された状態が所定の時間（浸炭時間）に亘って継続することによって、浸炭ガスが熱分解して発生した炭素原子（Ｃ）が被処理物Ｘの表面から被処理物Ｘ内に徐々に浸入する。この結果、被処理物Ｘの表面近傍に所定深さ（浸炭深さ）の浸炭層が形成される。すなわち、被処理物Ｘの浸炭深さは、浸炭時間によって主にコントロールされる。

ここで、浸炭ガスとしては、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）の他にメタン（ＣＨ_４）等の炭化水素が一般的に使用される。このような浸炭ガスが熱分解すると、炭素原子（Ｃ）と水素ガス（Ｈ_２）とが生成される。そして、炭素原子（Ｃ）が被処理物Ｘの浸炭に寄与し、水素ガス（Ｈ_２）は余剰ガスとして排気管７から浸炭室Ｓ外に排気されるが、炭素原子（Ｃ）及び水素ガス（Ｈ_２）は、浸炭温度下において強い活性を示すので浸炭室Ｓ内の各部材を劣化させる。また、浸炭室Ｓ内の各部材は、５００℃以上の浸炭温度に曝されることによっても劣化する。

特に劣化し易い部材は、被処理物Ｘの近傍に位置する炉床３、特に主要部品である受け部材３ａ及び脚部材３ｂである。そして、このような炉床３の主要部品は、メンテナンス時に交換される交換部品である。このような浸炭装置の交換部品について、従来の浸炭装置では、炉床の主要部品が金属材料（耐熱鋼等）から形成されていたので、セラミックス材から形成された断熱容器等、他の交換部品とは劣化の進行度合いが異なっていた。

これに対して、本実施形態に係る浸炭装置では、炉床３の主要部品（受け部材３ａ及び脚部材３ｂ）を断熱容器２等、他の交換部品と同様にセラミックス材から形成したので、炉床３における主要部品の交換時期と他の交換部品の交換時期とを略同一時期にすることが可能である。したがって、本実施形態に係る浸炭装置によれば、従来よりもメンテナンスを簡便にすることが可能である。

また、本実施形態における炉床３では、脚部材３ｂがチャンバー１に対して着脱自在に構成されているので、脚部材３ｂを交換する場合の作業性が良い。また、止めピン３ｆを抜くことによって受け部材３ａと脚部材３ｂとを容易に分離することができるので、受け部材３ａ及び脚部材３ｂのメンテナンス性が良い。

また、本実施形態における炉床３は、脚部材３ｂの下端がチャンバー１の内面に直接当接するのではなく、断熱空間として機能する密閉空間Ｍを挟んだ状態でチャンバー１の内面に対向する。したがって、浸炭室Ｓ内の熱が脚部材３ｂ及びチャンバー１を介して外部に逃げることを抑制することが可能である。

また、脚部材３ｂが中空に形成され、また内部にセラミックス材からなる繊維部材３ｃが充填されているので、脚部材３ｂが中実に形成された場合に比較して、脚部材３ｂの熱伝導を抑制することが可能である。これによっても浸炭室Ｓ内の熱が脚部材３ｂ及びチャンバー１を介して外部に逃げることを抑制することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、炉床３の主要部品（受け部材３ａ及び脚部材３ｂ）を全体としてセラミックス材で形成したが、本発明はこれに限定されない。炉床３の主要部品の少なくとも表面をセラミックス材から構成すればよい。例えば、金属材からなる母材の表面にセラミックスコーティングを施すことによって、炉床３の主要部品の表面のみをセラミックス材とすることが考えられる。

（２）上記実施形態では、断熱容器２の内側かつ被処理物Ｘの上方に位置する一対の攪拌翼９については材料を特に限定しなかったが、セラミックス材から構成することが好ましい。一対の攪拌翼９も炉床３の主要部品とほぼ同様な環境下に置かれるので、セラミックス材から構成することによって、交換時期を炉床３の主要部品と同一にすることができる。なお、一対の攪拌翼９及び一対の攪拌モータ１０については、必ずしも必要なものではなく、削除してもよい。

（３）上記実施形態では、受け部材３ａが浸炭室Ｓの幅方向に３列に設けられているが、本発明はこれに限定されない。受け部材３ａを、所定間隔を隔てた２列に設けてもよい。また、浸炭室Ｓの奥行き方向に３本の受け部材３ａを設けたが、これに代えてより長尺な１本の受け部材３ａを設けてもよい。

（４）上記実施形態では浸炭条件を具体的に限定しなかったが、この浸炭条件は浸炭の目的や被処理物Ｘの材質等によって変わり得る。しかし、アセチレンを浸炭ガスとして用いる場合には、浸炭圧力を１ｋＰａ以下、また浸炭温度を１０００℃付近とすることが好ましい。

本発明によれば、従来よりもメンテナンスが簡便な浸炭装置を提供することができる。

１ チャンバー（炉体）
２ 断熱容器
３ 炉床
３ａ 受け部材
３ｂ 脚部材
３ｃ 繊維部材
３ｄ 支持部材
３ｅ 台座部材
３ｆ 止めピン
４ 浸炭ガス導入パイプ
５ 浸炭ガス供給源
６ 加熱ヒータ
７ 排気管
８ 排気ポンプ
９ 攪拌翼
１０ 攪拌モータ
１１ 熱電対
Ｍ 密閉空間
Ｘ 被処理物

Claims (4)

1. 被処理物に浸炭処理を施す浸炭装置であって、
   炉体と、
   前記炉体内に設けられる断熱容器と、
   前記断熱容器内に設けられ、前記被処理物が載置される炉床と、
   前記断熱容器内に設けられる熱源と、
   を備え、
   前記炉床の主要部品、前記熱源及び前記断熱容器の少なくとも表面がセラミックス材から形成され、
   前記炉床は、
   前記被処理物が直接載置されるセラミックス製の受け部材と、
   前記断熱容器を貫通して設けられ、一端が前記受け部材に接続されると共に他端が前記炉体に接続されるセラミックス製の脚部材と、を前記主要部品として備え、
   前記脚部材は、中空に形成され、内部にセラミックス材からなる繊維部材が充填され、
   前記脚部材は、密閉空間を挟んで前記炉体に対向している浸炭装置。
2. 前記脚部材は、前記炉体に対して着脱自在に接続されている請求項１に記載の浸炭装置。
3. 前記受け部材は、前記脚部材に対して着脱自在に接続されている請求項１または２に記載の浸炭装置。
4. 前記受け部材と前記脚部材とは、各々に設けられた貫通孔に止めピンを挿入することにより接続されている請求項３に記載の浸炭装置。

Images