JP6577387B2 - 熱間等方圧加圧装置 - Google Patents

Description

本発明は、高温の高圧の圧媒ガスを被処理物に等方的に作用させることで被処理物を加圧処理する熱間等方圧加圧装置に関するものである。

この種の熱間等方圧加圧装置には、従来では、例えば下記の特許文献１、２に記載されたものがある。その従来技術は、次のように構成されている。

特許文献１に記載の熱間静水圧加圧装置は、圧力容器の軸方向両端が上蓋および下蓋によって開閉可能に密閉され、断熱層を介して加熱装置が内部に配置された装置である。当該装置は、上蓋と断熱層頂部との間の空間に、冷媒流路を内蔵する複数個の閉端管が上蓋側から突出状に列設されている。特許文献１は、この圧力容器の内部空間に高温の圧媒ガスを循環させながら、列設された複数個の閉端管に圧媒ガスを接触させることで、高温の圧媒ガスの冷却を促進させることが開示される。

特許文献２に記載のホットプレス成形のためのプレス装置は、圧力容器の軸方向両端が上蓋および下蓋によって開閉可能に密閉され、断熱層を介して加熱装置が内部に配置された装置である。複数のチャンネルを有する案内チャンネル部材が上蓋の内面に取り付けられている。特許文献２では、案内チャンネル部材部分を含む圧力容器の内部空間において高温のプレス媒体を循環させることで、案内チャンネル部材部分においてプレス媒体の冷却を促進させることが開示される。

実公平０５−１２７１８号公報 特表２０１４−５０７２８１号公報

従来、熱間等方圧加圧の処理の後、被処理物を取り出すまでの時間は極めて長い時間を要する。なぜなら、熱間当方圧加圧処理の後、炉内の圧媒ガスは高温になっており、圧媒ガスを排出するためには圧媒ガスの温度（あるいは炉内温度）がある程度下がるまで待つ必要があった。そこで、圧媒ガスの温度（炉内温度）に依存することなく、圧媒ガスを炉外へできる限り早く排出することができれば、早く処理品を取り出すことができ、歩留まりの向上にもつながる。
また、地震、火災などの非常事態が発生した場合、これに起因して圧力容器が破損するなどして二次災害が発生し得る。これを防ぐためにも、圧媒ガスの温度に依存することなく、圧力容器内をできる限り早く減圧することが望まれる。

特許文献１、２に記載の冷却構造（冷却方法）は、圧力容器内で高温の圧媒ガスを循環させながら冷却し、その後、圧力容器内の圧媒ガスを圧力容器外へ排出するという構造である。そのため、特許文献１，２に記載の冷却構造は、圧媒ガスの温度に依存し、圧媒ガスの温度がある程度下がるまで待つ必要があり、圧力容器内の圧媒ガスを圧力容器外へ迅速に排出することができない。

なお、高温の圧媒ガスを何ら冷却することなくそのまま圧力容器外へ排出すると、圧力容器に接続されている圧媒ガスを流すための配管および弁類の温度が過度に上昇して、配管接続部のシールは破損し、弁類は熱変形し得る。この結果、高温の圧媒ガスが配管などから大気中へ噴出してしまうという異常が発生し得る。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、圧力容器外へ圧媒ガスを冷却しつつ排出することができる構造を備える熱間等方圧加圧装置を提供することである。

本発明に係る熱間等方圧加圧装置は、被処理物が収容される筒形状の圧力容器本体と、圧媒ガス出入口が設けられ、前記圧力容器本体の端部開口を閉止する蓋体と、前記圧力容器本体の中に配置された加熱手段と、を備える熱間等方圧加圧装置である。前記蓋体のうち前記圧力容器本体の内部側にある面である内側面を冷却するための冷媒通路が前記蓋体に設けられている。一端が前記圧媒ガス出入口に接続され、他端が前記圧力容器本体の中で開口する圧媒ガスの流路を前記蓋体との間に形成する流路形成板が、前記蓋体の内側面に取り付けられている。

本発明において、圧媒ガスの流れる方向に直交する方向における前記流路の断面形状が、前記内側面に沿う方向の長さがその直交方向の長さよりも長い形状とされていることが好ましい。

また本発明において、前記内側面は平坦な面とされ、前記流路形成板のうち前記内側面側の面に溝が設けられており、平坦な前記内側面と、前記溝とで前記流路が形成されていることが好ましい。

さらに本発明において、前記流路形成板の前記内側面側の面に、前記流路を形成する溝が同芯円状または渦巻き状に設けられていることが好ましい。

さらに本発明において、前記流路形成板は円盤状であり、前記流路の前記一端と前記他端との間の流路長さが、前記流路形成板の外径の３倍以上の長さとされていることが好ましい。

さらに本発明において、前記加熱手段は、耐酸化性能を有する発熱体であることが好ましい。

本発明の熱間等方圧加圧装置は、圧力容器外へ圧媒ガスを冷却しつつ排出することができる。

本発明の一実施形態に係る熱間等方圧加圧装置（ＨＩＰ装置）の縦断面図である。 図１に示す流路形成板の斜視図である。 図１に示す流路形成板の平面模式図である。 変形例としての流路形成板の平面模式図である。 変形例としての流路形成板の平面模式図である。 変形例としての熱間等方圧加圧装置（ＨＩＰ装置）の縦断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。熱間等方圧加圧装置は、数百〜２０００℃の高温、且つ数十〜数百ＭＰａの高圧にされた圧媒ガス雰囲気下で、焼結製品（セラミックなど）、鋳造製品などの被処理物を、それらの再結晶温度以上の高温にして加圧処理する装置である。熱間等方圧加圧法は、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing）と呼ばれる。圧媒ガスとしては、アルゴンガス、窒素ガスなどの不活性ガスが用いられる。

（熱間等方圧加圧装置の構成）
図１〜３に基づき、本発明の一実施形態に係るＨＩＰ装置１００の構成について説明する。ＨＩＰ装置１００は、被処理物Ｗが収容される円筒形状の圧力容器本体１を備える。圧力容器本体１の上下の開口部は、それぞれ上蓋２、下蓋３で塞がれる。圧力容器本体１の内部には、被処理物Ｗが載置される製品台４が設置され、被処理物Ｗを囲むように、加熱手段としてのヒータ５が設置される。本実施形態では、上下方向に３段でヒータ５が設置されている。これらヒータ５の外側には、当該ヒータ５を囲むように、上端部が閉じた断熱層６が配置されている。

圧力容器本体１の外周面には、円筒形状の水ジャケット７が取り付けられている。水ジャケット７には、給水口７ａおよび排水口７ｂが設けられている。冷媒（冷却媒体）としての冷却水が、給水口７ａから水ジャケット７内に供給され、排水口７ｂから排出されることで、圧力容器本体１はその外側から冷却される。

上蓋２は、円盤形状の上蓋本体９と、円盤形状の上蓋冷却板１０とで構成されている。上蓋本体９の中央部には、圧媒ガスの給排通路１７が設けられている。また、上蓋本体９には、冷媒（冷却媒体）としての冷却水の導入通路１３および排出通路１４が設けられている。

上蓋冷却板１０の上蓋本体９側の面には、冷媒通路１５となる渦巻き状の溝が設けられている。上蓋本体９の下面に上蓋冷却板１０の上面が当接されることで、上蓋本体９に設けられた冷却水の導入通路１３および排出通路１４は冷媒通路１５に接続される。冷媒通路１５に冷却水が流れることで上蓋冷却板１０が冷やされ、その下面１０ｂは冷却面として機能する。上蓋冷却板１０の下面１０ｂは、後述する流路形成板（ガススプリッタ）８の本体部１８が取り付けられる、上蓋２の内側面である。上蓋２の内側面とは、上蓋２の外周面のうちの圧力容器本体１の内方側の面のことをいう。

上蓋冷却板１０の中央部には貫通孔１０ａが開けられており、この貫通孔１０ａに、上蓋本体９の下面中央部に設けられた凸部９ａが挿入される。また、反対側からは、後述する流路形成板８の凸部１９が貫通孔１０ａに挿入される。

圧力容器本体１内に導入された圧媒ガスが圧力容器本体１の外へ漏れないように、圧力容器本体１の上部内面と上蓋冷却板１０との間にはシール１６ａが配置され、且つ、上蓋本体９の凸部９ａと、上蓋冷却板１０の貫通孔１０ａ内面との間にはシール１６ｄが配置されている。また、冷媒通路１５を流れる冷却水が漏れないように、上蓋本体９の下面と上蓋冷却板１０の上面との間には、冷媒通路１５を囲むようにシール１６ｂおよび１６ｃが配置されている。

下蓋３は、円盤形状の下蓋本体１１と、円盤形状の下蓋冷却板１２とで構成されている。圧力容器本体１内に導入された圧媒ガスが圧力容器本体１の外へ漏れないように、圧力容器本体１の下部内面と下蓋冷却板１２との間にはシール１６ｅが配置されている。

＜流路形成板＞
ここで、上蓋２を構成する上蓋冷却板１０の下面１０ｂには、円盤形状の流路形成板８が取り付けられている。図２に例示されるように、流路形成板８は、円盤形状の本体部１８と、本体部１８の中央から突出するように形成された円柱形状の凸部１９とを有する。

本体部１８の上面（上蓋冷却板１０に接する面）には、同芯円状の複数の溝３０が設けられている。また、隣り合う同芯円状の溝３０同士を接続するように、本体部１８の径方向に延びる直線状の複数の溝３１が設けられている。径方向で隣り合う溝３１同士は、周方向で位置が少しずらされている。隣り合う直線状の溝３１と、円状の溝３０との交差部の溝３０内には、溝３０の内幅と同寸法の径のピン２３が取り付けられている。また、ピン２３の高さ寸法は、溝３０の深さ寸法と等しい。ピン２３は、溝３０を流れる圧媒ガスをせき止めて、圧媒ガスの流れを規定するためのピンである。図２および図３に示されるように、複数の溝３０、溝３１、およびピン２３により、圧媒ガスが半円状の経路を繰り返し往復するように流れる２本の流路２０，２１（第１流路２０、第２流路２１）が、流路形成板８の本体部１８の上面に形成される。

圧媒ガスの流れる方向に直交する方向における流路２０，２１の断面形状は、長方形である。この断面形状は、長辺が上蓋冷却板１０の下面１０ｂに沿う方向となるような長方形である。これにより、流路２０，２１を流れる圧媒ガスと、上蓋冷却板１０の下面１０ｂとの接触面積が大きくなり、圧媒ガスの冷却効率は高くなる。その結果、圧力容器の外へと排出された圧媒ガスは、十分低い温度まで冷却され得る。

ここで、圧媒ガスの流路２０，２１の一端２０ａ，２１ａ（図２では凸部１９側の端）は、上蓋冷却板１０の貫通孔１０ａおよび上蓋本体９の給排通路１７を介して圧媒ガス出入口１７ａに接続される。一方、本体部１８の外縁端にある他端２０ｂ，２１ｂは、圧力容器本体１の中で開口する。

本体部１８の溝３０，３１が設けられていない部分には複数の孔２２が開けられている。これら孔２２は、上蓋冷却板１０の下面に流路形成板８を取り付けるのに使用される。

前記したヒータ５は、耐酸化性能を有する発熱体であることが好ましい。耐酸化性能を有する発熱体としては、例えば、白金合金製、Ｆｅ−Ａｌ−Ｃｒ合金製の発熱体がある。また、これら金属製以外の耐酸化性能を有する発熱体としては、ジルコニア製セラミックヒータ、窒化ケイ素やアルミナといったセラミックで金属を保護した発熱体がある。また、この場合、断熱層６の少なくとも一部は耐酸化性能を有する材質からなることが好ましい。断熱層の少なくとも一部とは、特に被処理物Ｗに対向する断熱層の面や製品台４の上部など、被処理物Ｗと同程度の温度まで上昇する、断熱層６の中でもとりわけ高温になる箇所のことを言う。この場合の耐酸化性を有する材料としては、例えば、ジルコニア、アルミナ、窒化ケイ素、インコネル合金、またはステンレス合金などがある。

（被処理物Ｗの加圧処理と、加圧処理に供した圧媒ガスの排出について）
高圧の圧媒ガスは、上蓋本体９の圧媒ガス出入口１７から圧力容器本体１内に導入される。圧媒ガス出入口１７から加圧装置内に導入された圧媒ガスは、流路２０，２１の一端２０ａ，２１ａから流路形成板８に導入される。圧媒ガスは、下方向から水平方向へと流路形成板８によりその流れ方向が変えられると同時に２方向へ分配され、第１流路２０および第２流路２１を経て流路２０，２１の開口端２０ｂ，２１ｂから圧力容器本体１内に導入される。この構成によれば、圧媒ガスが、圧力容器本体１内に配置された断熱層６などの構造物に直接吹き付けられることはない。さらに、圧媒ガスの流速は、流路２０，２１部分で低下される。この結果、圧力容器本体１内部への高圧の圧媒ガス導入による圧力容器本体１内の構造物の損傷といった影響を防ぐことができる。次に、ヒータ５により圧媒ガスは加熱され、高温且つ高圧となった圧媒ガスにより被処理物Ｗは加圧処理される。

被処理物Ｗの加圧処理が完了し、ヒータ５は停止される。その後、圧力容器本体１の内部と外部とが連通されることにより、圧媒ガスは、流路２０，２１の開口端２０ｂ，２１ｂから、当該流路２０，２１に積極的に導入される。圧媒ガスは、冷媒通路１５を流れる冷却水で冷却された上蓋冷却板１０の下面１０ｂとの熱交換により冷却される。そして、圧媒ガスは、上蓋冷却板１０の貫通孔１０ａ部分を経て、給排通路１７を流れ、圧媒ガス出入口１７から圧力容器本体１の外部へ排出される。

（作用・効果）
上記したＨＩＰ装置１００によると、上蓋２を構成する上蓋冷却板１０と、その下面１０ｂに取り付けられた流路形成板８との間に形成された圧媒ガスの流路２０，２１を、圧媒ガスは、他端２０ｂ，２１ｂ側から一端２０ａ，２１ａ側へ向けて冷却されながら流れ、圧媒ガス出入口１７ａから排出される。圧媒ガス出入口１７ａへ向けて圧媒ガスが冷却されつつ排出される構成であるので、圧力容器本体１の外へ圧媒ガスは冷却されつつ迅速に排出される。

またＨＩＰ装置１００において、圧媒ガスの流れる方向に直交する方向における流路２０，２１の断面形状は、上蓋冷却板１０の下面１０ｂに沿う方向の長さがその直交方向の長さよりも長い形状とされている。この構成によると、圧媒ガスの冷却効率が高まり、より低い温度まで圧媒ガスは冷却され得る。

さらにＨＩＰ装置１００において、上蓋冷却板１０の下面１０ｂは平坦な面とされ、流路形成板８の上記下面１０ｂ側の面に溝３０，３１が設けられており、平坦な上記下面１０ｂと、溝３０，３１とで流路２０，２１が形成されている。

この構成によると、上蓋冷却板１０の高圧の圧媒ガスが接する面に、圧媒ガスの流路を形成するための加工が不要になり、流路の加工に起因する応力集中の発生が防止される。

さらにＨＩＰ装置１００において、流路形成板８の、上蓋冷却板１０の下面１０ｂ側の面に、流路２０，２１を形成する溝３０が同芯円状に設けられている。
またＨＩＰ装置１００において、流路２０，２１の一端２０ａ，２１ａと他端２０ｂ，２１ｂとの間の流路長さは、流路形成板８の本体部１８の外径の３倍以上の長さであることが好ましい。

これらの構成によると、圧媒ガスの流れる流路２０，２１が長くなる。流路２０，２１の長さが長い程、流路２０，２１を流れる圧媒ガスは上蓋冷却板１０の下面１０ｂに接する時間が長くなる。その結果、圧力容器本体１の外に排出される圧媒ガスは、十分低い温度まで冷却され得る。なお、図５に示すように、流路２８，２９が渦巻き状にされることでも、圧媒ガスの流れる流路は長くなる。

さらにＨＩＰ装置１００において、前記したように、加熱手段としてのヒータ５は、耐酸化性能を有する発熱体であることが好ましい。

高温で酸化消耗する発熱体が使用された場合、処理物を圧力容器外へ取り出すために高温の圧力容器内が大気開放されると、発熱体は酸化消耗し得る。したがって、圧力容器内が高温の状態では、発熱体を消耗させないために、作業者は圧力容器外へ処理物を取り出すことができない。上記構成によると、圧力容器内が十分に冷え切っていない高温の状態であっても、発熱体は酸化消耗をほとんどすることなく、作業者は圧力容器を開けて処理物を取り出すことができる。したがって、上記構成では、作業者は圧力容器内から圧力容器外へ処理物を早い段階で取り出せることができ、次の被処理物Ｗの熱間等方圧加圧処理の準備に早く着手することができる。

（変形例）
上蓋冷却板１０（上蓋）と流路形成板８との間に形成される圧媒ガスの導入排出流路は、前記した流路２０，２１に代えて、図４，５に示すような流路２５，２６、流路２８，２９とされてもよい。

図４に示す流路形成板２４の流路２５，２６は、流路形成板２４の径方向に直線状に延びる２本の流路である。このような構成は、流路の長さを短くしたい場合に有効である。図５に示す流路形成板２７の流路２８，２９は、渦巻き状に延びる２本の流路である。図４または図５の構成は、流路上に流れ方向に急な角度で変化する箇所が少ないため、圧媒ガスの流路抵抗は小さくされ得る。

なお、図３〜５に示す例では、上蓋冷却板１０（上蓋）と流路形成板８、２４、および２７との間に形成される圧媒ガスの流路の数は、いずれも２本である。これに限定されるものではなく、圧媒ガスの流路の数は、１本でもよいし、３本以上であってもよい。

前記した実施形態では、上蓋冷却板１０の下面１０ｂは溝などがない平坦な面とされ、流路形成板の上面（上蓋冷却板１０に接する面）のみに溝が設けられて、圧媒ガスの流路が形成されている。この構成に代えて、流路形成板の上面は溝などがない平坦な面とされ、上蓋冷却板１０の下面１０ｂのみに溝が設けられて、圧媒ガスの流路が形成されてもよい。さらには、上蓋冷却板１０の下面１０ｂおよび流路形成板の上面のいずれにも、圧媒ガスの流路を形成する溝が設けられてもよい。

前記した実施形態では、圧媒ガスの流れる方向に直交する方向における流路２０，２１の断面形状は長方形である。しかしながら、断面形状は、これに限定されることなく、どのような形状でもよい。ただし、断面形状は、上蓋冷却板１０の下面１０ｂに沿う方向の長さがその直交する方向の長さよりも長い長方形、台形、三角形、または長円などとされると、圧媒ガスの冷却効率が高められる点で好ましい。

前記した実施形態では、圧力容器本体１内外への圧媒ガスの出入口は、流路形成板８の流路２０，２１が接続する圧媒ガス出入口１７ａ、１箇所のみであるがこれに限定されるものではない。圧力容器本体１内を減圧することを最優先とする緊急事態時や加圧処理前の脱酸素のための真空引きをするときは、流路２０，２１が接続する圧媒ガス出入口１７ａに加えて、上蓋２または下蓋３に、別の圧媒ガス出入口（流路を含む）がさらに設けられてもよい。

ここで、図６は、上蓋２および下蓋３に圧媒ガスの出入口を設け、製品台４に圧媒ガスが通過する穴４１を設けた変形例を示す。上蓋２と下蓋３の圧媒ガス出入口は、圧媒ガスが通る配管４３によりガス循環ポンプ４０に接続されている。また、製品台４の上部には、製品台４に接して被処理物Ｗの外周を囲むように、整流筒４２が設置されていてもよい。図６中の矢印は、圧媒ガスの流れを示す。下蓋３から導入された冷たい圧媒ガスは、整流筒４２の内側を通って、断熱層６内部の最上部まで供給される。そのため、断熱層６内部を経て高温となった圧媒ガスは、断熱層６の外側に押し出される。そして、当該高温の圧媒ガスは、圧力容器本体１の内面で冷却された後、さらに上蓋冷却板１０の下面１０ｂと流路形成板８との間のガス流路内で冷却され、その後圧力容器外の配管４３に出ていく。圧力容器から出てきた高圧の冷媒ガスは、配管４３を介してガス循環ポンプ４０に吸い込まれ、再度下蓋３に供給される。これにより、被処理物Ｗを急速に冷却することが可能となる。

前記した実施形態では、上蓋２（上蓋本体９）に圧媒ガス出入口１７ａが設けられ、上蓋２（上蓋冷却板１０）の下面に流路形成板８が取り付けられている。これに代えて、下蓋３（下蓋本体１１）に圧媒ガス出入口が設けられ、下蓋３（下蓋冷却板１２）の上面に流路形成板８が取り付けられてもよい。この場合、冷却効率を高めるべく、下蓋冷却板１２に、上蓋冷却板１０に設けた冷媒通路１５のような通路が設けられることが好ましい。下蓋３（下蓋冷却板１２）の上面は、下蓋３の外周面のうちの圧力容器本体１の内方側の面、すなわち、下蓋３の内側面である。

その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行うことは可能である。

１：圧力容器本体
２：上蓋
３：下蓋
５：ヒータ（加熱手段）
８：流路形成板
９：上蓋本体
１０：上蓋冷却板
１０ｂ：下面（蓋体の内側面）
１５：冷媒通路
１７ａ：圧媒ガス出入口
２０：圧媒ガスの第１流路
２１：圧媒ガスの第２流路
１００：ＨＩＰ装置（熱間等方圧加圧装置）
Ｗ：被処理物

Claims (6)

1. 被処理物が収容される筒形状の圧力容器本体と、
   圧媒ガス出入口が設けられ、前記圧力容器本体の端部開口を閉止する蓋体と、
   前記圧力容器本体の中に配置された加熱手段と、
   を備える熱間等方圧加圧装置であって、
   前記蓋体のうち前記圧力容器本体の内部側にある面である内側面を冷却するための冷媒通路が前記蓋体に設けられており、
   一端が前記圧媒ガス出入口に接続され、他端が前記圧力容器本体の中で開口する圧媒ガスの流路を前記蓋体との間に形成する流路形成板が、前記蓋体の内側面に取り付けられていることを特徴とする、熱間等方圧加圧装置。
2. 請求項１に記載の熱間等方圧加圧装置において、
   圧媒ガスの流れる方向に直交する方向における前記流路の断面形状が、前記蓋体の内側面に沿う方向の長さがその直交方向の長さよりも長い形状とされていることを特徴とする、熱間等方圧加圧装置。
3. 請求項１または２に記載の熱間等方圧加圧装置において、
   前記蓋体の内側面は平坦な面とされ、
   前記流路形成板のうち前記蓋体の内側面側の面に溝が設けられており、
   平坦な前記蓋体の内側面と前記溝とで前記流路が形成されていることを特徴とする、熱間等方圧加圧装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の熱間等方圧加圧装置において、
   前記流路形成板の前記蓋体の内側面側の面に、前記流路を形成する溝が同芯円状または渦巻き状に設けられていることを特徴とする、熱間等方圧加圧装置。
5. 請求項４に記載の熱間等方圧加圧装置において、
   前記流路形成板は円盤状であり、
   前記流路の前記一端と前記他端との間の流路長さが、前記流路形成板の外径の３倍以上の長さとされていることを特徴とする、熱間等方圧加圧装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の熱間等方圧加圧装置において、
   前記加熱手段は、耐酸化性能を有する発熱体であることを特徴とする、熱間等方圧加圧装置。

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