JP6417026B2 - 高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空熱処理技術分野に関し、特に、高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置に関する。

既存の真空設備が焼き入れを完了させる方法は２種類しかなく、一つは、加熱後の高圧空気焼き入れであり、もう一つは、加熱後に焼き入れ室に移動させて常圧または低圧下で油焼き入れすることである。

高圧空気焼き入れの優れた点は、部品の熱処理変形を減らし、加工品の油焼き入れの汚染（空気焼き入れ後の加工備品は洗浄しなくてよい）を減らし、しかも酸化ゼロ、汚染ゼロの熱処理技術であることである。しかし、その欠点も非常に顕著であり、気体を冷却媒体とするか否かに関わらず、その熱伝導能力は非常に限定的であり、液体の熱伝導能力との差が極めて大きい。従って、高圧空気焼き入れの熱処理効果を保証するために、小型加工品または薄い加工品のみ処理できる。

液体焼き入れ時の冷却速度は相当良好であり、基本的に各種加工品の焼き入れ工程を満たすことができるが、焼き入れ変形、焼き割れなどの熱処理の欠点は避けられず、焼き入れ時に発生する蒸気は加熱室を一定程度汚染し、汚染された後は設定が必要な真空度に達することが難しいので、加熱室および加工品移動台を定期的に洗浄する必要がある。

本発明の目的は、上述の既存の技術に存在する欠点を克服して、高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置を提供することであり、真空液体状態または超臨界状態の焼き入れを実現し、大型加工品の焼き入れ要求を満たすだけでなく、高圧空気焼き入れの効果にも達することができ、しかも清浄、清潔な熱処理であり、排気ガスと廃水汚染がなく、省エネで、環境にやさしい熱処理を実現するものである。

本発明の目的は以下の技術方案により実現される。
高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置は、
内部に加熱設備および冷却設備が設けられ、かつ真空ポンプユニットに接続される作業室と、
液体状態二酸化炭素供給口が設けられ、かつ作業室の液体状態二酸化炭素入口に接続される貯留タンクと、
増圧回路を介して作業室および貯留タンクにそれぞれ接続され、さらに循環回路を介して作業室および貯留タンクにそれぞれ接続される緩衝タンクと、
緩衝タンクのガス排出口箇所に設けられた気体増圧機と、
作業室に設けられた第１圧力測定器と、
作業室に設けられ、加熱設備および冷却設備にそれぞれ接続される温度コントローラと、を有する。

該装置は、緩衝タンクに設けられた第２圧力測定器および貯留タンクに設けられた第３圧力測定器をさらに有する。

該装置は、集積コントローラをさらに有し、前記集積コントローラは、真空ポンプユニット、気体増圧機、第１圧力測定器、および温度コントローラにそれぞれ接続される。

前記集積コントローラはＰＬＣコントローラを採用する。

前記集積コントローラは、表示パネル付きのホストコンピュータに無線で接続される。

前記作業室には動作状態を表示するための液晶表示パネルが設けられ、前記液晶表示パネルは集積コントローラに接続される。

該装置は、複数の制御弁をさらに有し、前記複数の制御弁は増圧回路、循環回路、および液体状態二酸化炭素入口箇所にそれぞれ対応して設けられる。

前記緩衝タンク内には気体フィルタが設けられる。

前記作業室と緩衝タンクとの間には減圧回路がさらに設けられ、前記減圧回路には流量調整バルブが設けられる。

高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ時に、貯留タンク内の液体状態二酸化炭素は加熱終了後の作業室内に入り、目標加工品を焼き入れし、焼き入れ時に、設定された圧力と温度の関係曲線に基づき、作業室内の二酸化炭素状態を制御し、液体状態焼き入れおよび超臨界状態焼き入れを行い、作業室内の圧力が設定された範囲よりも低いときには、増圧回路を開いて気体増圧機を運転させ、作業室内の圧力が設定された範囲よりも高いときには、減圧管路を開いて、排出される二酸化炭素を緩衝タンクへ搬送する。

既存の技術と比較して、本発明は以下の優れた点を有する。
１：液体状態または超臨界状態の二酸化炭素を焼き入れ媒体として利用し、加工品への焼き入れを完了し、焼き入れ効果が非常に優れ、加工品に焼き割れや変形などの熱処理欠陥がない。
２：ＣＯ_２の液体状態または超臨界状態の焼き入れは主に、作業室内の圧力および温度を制御するものであり、圧力測定器および温度コントローラを設け、分離された増圧回路および循環回路の動作に協働するので、作業室内の圧力が設定圧力範囲よりも低いときには、増圧回路の緩衝タンク、気体増圧機で圧力を増加させ、作業室の圧力が設定された圧力範囲よりも高いときには、制御弁で作業室内の二酸化炭素を排出し、これによりリアルタイムに作業室内の圧力および温度を調整する目的を実現する。作業室の後部には冷却装置が装着され、温度コントローラに協働し、作業室内の液体状態二酸化炭素が設定された温度範囲内にあることを保証する。
３：目標加工品のサイズの影響を受けず、異なる加工品の要求を満たすことができ、普及利用しやすく、実用性が高い。
４：作業室の圧力を制御することで、液体状態焼き入れ、超臨界状態焼き入れを選択でき、超臨界状態のＣＯ_２は加工品を洗浄する作用をさらに有する。同時に焼き入れ後の加工品を洗浄する必要がなく、しかも作業室は汚染されない。
５：ＣＯ_２は安全で、無毒で、汚染ゼロで、回収可能であり、取得しやすく、かつ循環利用可能で、ユーザーのコストを節約する。
６：作業室は、真空引きのための真空ポンプユニットに接続され、加工品を作業室に入れたときに入り込む空気を真空引きし、ＣＯ_２と空気の混合、焼き入れ媒体の汚染を防ぎ、また、加工品が真空下で加熱され、酸化せず、昇温速度が速いことも保証する。真空の作業室内の加工品の加熱完了後、加熱設備を停止させ、かつ迅速に液体状態の二酸化炭素を作業室内へ搬送し、液体状態の二酸化炭素は、作業室後部の冷却設備に協働して降温し、液体状態の加工品の液体状態または超臨界状態の焼き入れを実現する。
７：緩衝タンクを設け、焼き入れ終了後、作業室内のＣＯ_２を緩衝タンク内に排出し、この緩衝タンク内の圧力を制御し、最後に循環回路の気体増圧機を介して気体状態ＣＯ_２を貯留タンク内に搬送し、次の周期の作業を待つ。
８：集積コントローラ、制御弁などを設け、自動化制御を実現し、作業効率および制御精度を向上させ、ホストコンピュータおよび液晶表示パネルに協働し、操作者がリアルタイムに設備のすべての動作状態を観察することに便利であり、可視性が良好である。
９：追加で減圧管路を設け、流量調整バルブを介して作業室内の圧力を正確に低減でき、循環回路に減圧調節がないことで作業室内の圧力調整が不正確になるという欠点を補う。

は本発明の全体構造概略図である。 は本発明における設定された圧力と温度の関係曲線概略図である。図中：１：真空ポンプユニット、２：第１制御弁、３：冷却設備、４：第１圧力測定器、５：温度コントローラ、６：作業室、７：目標加工品、８：加熱設備、９：第２制御弁、１０：第３制御弁、１１：第４制御弁、１２：第５制御弁、１３：第６制御弁、１４：第２圧力測定器、１５：緩衝タンク、１６：気体増圧機、１７：緩衝タンク、１８：第３圧力測定器、１９：第７制御弁、２０：第８制御弁、２１：液体状態二酸化炭素供給口、２２：第１管路、２３：第２管路、２４：第３管路、２５：第４管路、２６：減圧管路

発明を実施するための形態
以下に図面および具体的実施例を踏まえ、本発明に詳細な説明を行う。本実施例は本発明の技術方案を前提として実施され、詳細な実施形態および具体的な操作過程を提示するが、本発明の保護範囲は以下の実施例に制限されない。

図１に示すように、高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置は、作業室６、真空ポンプユニット１、貯留タンク１７、緩衝タンク１５、気体増圧機１６、増圧回路、循環回路、複数の制御弁、および複数の圧力測定器を有し、作業室６内部には均等に設けられた複数の加熱設備８および冷却設備３が設けられ、作業室６には温度コントローラ５、第１圧力測定器４が設けられる。
温度コントローラ５は加熱設備８および冷却設備３にそれぞれ接続され、真空ポンプユニット１は第１制御弁２を介して作業室６に接続され、貯留タンク１７には第７制御弁１９付きの液体状態二酸化炭素供給口２１が設けられ、かつ第２制御弁９付きの管路を介して作業室６の液体状態二酸化炭素入口に接続され、緩衝タンク１５は増圧回路を介して作業室６および貯留タンク１７にそれぞれ接続され、さらに循環回路を介して作業室６および貯留タンク１７にそれぞれ接続される。
ここで、増圧回路は、第６制御弁１３付きの第１管路２２および第４制御弁１１付きの第２管路２３を有し、循環回路は、第３制御弁１０付きの第３管路２４および第５制御弁１２付きの第４管路２５を有する。気体増圧機１６は、緩衝タンク１５のガス排出口箇所に設けられ、緩衝タンク１５には第２圧力測定器１４が設けられ、貯留タンク１７には第３圧力測定器１８が設けられ、作業室６と緩衝タンク１５との間には減圧管路２６がさらに設けられ、減圧管路２６には第８制御弁２０が設けられ、第８制御弁２０は流量調整バルブを採用する。

本発明の装置がＣＯ_２を焼き入れ媒体として選択するのは、ＣＯ_２は自然界にあり、安全で、可燃爆発性でなく、無毒であり、腐食性がなく、かつＣＯ_２の液体状態または超臨界状態を実現する条件が簡単であるからである。同時に、ＣＯ_２は常圧下で気体状態であり、放出完了後、作業室６内にはその他の気体または液体成分がなく、残ったＣＯ_２のみが存在し、空気を汚染せず、加工品にも残留せず、焼き入れ後のＣＯ_２はリサイクルされ、エネルギーを節約し、最良の焼き入れ効果に達することもでき、ユーザーに経済効果をもたらすことができる。

高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ時には、貯留タンク１７内の液体状態二酸化炭素は加熱終了後の作業室６内に入り、目標加工品７を焼き入れし、焼き入れ時に、設定された圧力と温度の関係曲線に基づき、作業室６内の二酸化炭素状態を制御し、液体状態焼き入れまたは超臨界状態焼き入れを行い、作業室６内の圧力が設定された範囲よりも低いときには、増圧回路を開いて気体増圧機１６を運転させ、作業室６内の圧力が設定された範囲よりも高いときには、減圧管路２６を開いて、排出される二酸化炭素を緩衝タンク１５へ搬送する。

設定された圧力と温度の関係曲線は図２に示すように、圧力と温度の関係曲線は二次関数曲線に適合するものであり、図２中のＡは固体状態領域であり、Ｂは液体状態領域であり、Ｃは気体状態領域であり、Ｄは超臨界状態領域であり、Eは亜超臨界状態領域であり、ａは臨界点である。

図２から、ＣＯ_２は、温度が３１．１℃よりも高くかつ圧力が７３ｂａｒよりも高いときには、超臨界状態にあることがわかる。温度が−５６．６℃よりも高くかつ圧力が５．７ｂａｒよりも高いときには、液体状態にあることがわかる。実験室データによると、ＣＯ_２は、２０℃のときに、圧力が５７ｂａｒに達すると、液化できることがわかる。本発明は、ＣＯ_２のこの特徴を利用して高圧液体状態または超臨界状態焼き入れの目的を実現するものである。

該装置は、集積コントローラをさらに有し、集積コントローラは、真空ポンプユニット１、気体増圧機１６、第１圧力測定器４、および温度コントローラ５にそれぞれ接続される。集積コントローラはＰＬＣコントローラを採用し、かつ表示パネル付きのホストコンピュータに無線で接続され、自動モニタリングと集中制御の機能を実現する。

作業室６には動作状態を表示するための液晶表示パネルが設けられ、液晶表示パネルは集積コントローラに接続される。

緩衝タンク１５内には気体フィルタが設けられ、循環利用されるＣＯ_２に不純物ろ過を行い、ＣＯ_２の清浄度を保証できる。

真空高圧液体状態または超臨界状態焼き入れの作業過程は以下の通りである。
まず、目標加工品７を作業室６内に収容し、その後、第１制御弁２および真空ポンプユニット１を起動し、作業室６に真空引き処理し、目的は、目標加工品７と入り込んだ空気を取り除くためであり、真空下で加熱するためであり、ＣＯ_２の清浄度を保証するためでもある。第１圧力測定器４が、作業室６内の真空度が設定された要求に達したことを検出した後、第１制御弁２および真空ポンプユニット１を停止させる。加熱設備８を起動して目標加工品７を加熱し、温度コントローラ５を利用して作業室６内の温度が設定された範囲内にあるように制御する。

加熱完了後、加熱設備８を停止させ、第２制御弁９を開いて、液体状態の二酸化炭素を迅速に作業室６へ補充し焼き入れを完了する。第１圧力測定器４が、圧力が設定された範囲よりも低いことを検出したときに、第４制御弁１１ＩＶ、第６制御弁１３、および気体増圧機１６を起動し、第１圧力測定器４が、圧力が設定された範囲よりも高いことを検出したときに、第８制御弁２０が自動で開き、排出されるＣＯ_２を緩衝タンク１５へ搬送し、リサイクル可能である。焼き入れ時は工程要求に基づき、第１圧力測定器４を介して作業室６内のＣＯ_２状態を制御でき、液体状態焼き入れおよび超臨界状態焼き入れを実現できる。

焼き入れ完了後、第３制御弁１０、第５制御弁１２、および気体増圧機１６を起動し、作業室６内のＣＯ_２を、緩衝タンク１５を介して貯留タンク１７内へ搬送し、焼き入れ工程が終了する。第３圧力測定器１８で貯留タンク１７内の圧力を制御し、ＣＯ_２が貯留タンク１７内で液体状態になるようにする。

第２圧力測定器１４を介して緩衝タンク１５内のＣＯ_２が気体状態になるように制御し、このようにする目的は、気体増圧機１６が正常に運転できることを保証するためである。使用過程でのＣＯ_２の消耗を補うために、定期的に第７制御弁１９を介して貯留タンク１７の補給を完了させることができる。

Claims (10)

1. 高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置であって、
   内部に加熱設備（８）および冷却設備（３）が設けられ、かつ真空ポンプユニット（１）に接続される作業室（６）と、
   液体状態二酸化炭素供給口（２１）が設けられ、かつ作業室（６）の液体状態二酸化炭素入口に接続される貯留タンク（１７）と、
   増圧回路を介して作業室（６）および貯留タンク（１７）にそれぞれ接続され、さらに循環回路を介して作業室（６）および貯留タンク（１７）にそれぞれ接続される緩衝タンク（１５）と、
   緩衝タンク（１５）のガス排出口箇所に設けられた気体増圧機（１６）と、
   作業室（６）に設けられた第１圧力測定器（４）と、
   作業室（６）に設けられ、加熱設備（８）および冷却設備（３）にそれぞれ接続される温度コントローラ（５）と、を有する、
   ことを特徴とする高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置。
2. 緩衝タンク（１５）に設けられた第２圧力測定器（１４）および貯留タンク（１７）に設けられた第３圧力測定器（１８）をさらに有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置。
3. 集積コントローラをさらに有し、前記集積コントローラは、真空ポンプユニット（１）、気体増圧機（１６）、第１圧力測定器（４）、および温度コントローラ（５）にそれぞれ接続される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置。
4. 前記集積コントローラはＰＬＣコントローラを採用する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置。
5. 前記集積コントローラは、表示パネル付きのホストコンピュータに無線で接続される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置。
6. 前記作業室（６）には、動作状態を表示するための液晶表示パネルが設けられ、
   前記液晶表示パネルは集積コントローラに接続される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置。
7. 複数の制御弁をさらに有し、
   前記複数の制御弁は、増圧回路、循環回路、および液体状態二酸化炭素入口箇所にそれぞれ対応して設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置。
8. 前記緩衝タンク（１５）内には気体フィルタが設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置。
9. 前記作業室（６）と緩衝タンク（１５）との間には減圧管路（２６）がさらに設けられ、
   前記減圧管路（２６）には流量調整バルブが設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置。
10. 高圧液体状態または超臨界状態での焼き入れ時において、
    貯留タンク（１７）内の液体状態二酸化炭素は加熱終了後の作業室（６）内に入り、目標加工品７を焼き入れし、焼き入れ時に、設定された圧力と温度の関係曲線に基づき、作業室（６）内の二酸化炭素状態を制御し、液体状態焼き入れおよび超臨界状態焼き入れを行い、
    作業室（６）内の圧力が設定された範囲よりも低いときには、増圧回路を開いて気体増圧機（１６）を運転させ、
    作業室（６）内の圧力が設定された範囲よりも高いときには、減圧管路（２６）を開いて、排出される二酸化炭素を緩衝タンク（１５）へ搬送する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の高圧液体状態または超臨界状態の焼き入れ装置。