JP6678054B2 - 熱処理炉の扉構造 - Google Patents

Description

本発明は、ワークの熱処理を行う熱処理炉の扉構造に関する。

自動車部品や他の機械構造用部品等を製造する過程では、部材の強度向上や耐摩耗性の向上等の目的に応じ、ワークに対して様々な熱処理が施される。ワークの熱処理を行う熱処理炉は炉内を所定の雰囲気に維持することが要求される。特にワークの搬入または搬出を行う熱処理炉の出入口部分においては炉内と炉外の温度差が大きくなるため、熱エネルギー効率の観点から扉の構造には優れた気密性と断熱性が要求される。

従来の熱処理炉用の扉構造として、特許文献１にはシリンダを用いた昇降式の扉を炉体に押し当てる構造が開示されている。特許文献２には可撓性と耐熱性を有する暖簾状の遮蔽カーテンを設ける構造が開示されている。特許文献３には、気密性の高いシート状扉を設ける構造が開示されている。

実開昭５６−８８１００号公報 実開昭６１−１３７６５２号公報 特開２０００−１６１８６３号公報

しかしながら、特許文献１のようなシリンダを用いて扉を昇降させる構造やクランプ機構を用いて扉を固定させる構造は、費用が嵩むといった課題がある。また、炉内外の熱の移動を遮断するためには扉の断熱材施工が必要となる。このため、扉構造が複雑かつ大掛かりなものとなり、重量増や占有スペースが増大する。

一方、特許文献２や特許文献３のように扉がシート素材である場合には、特許文献１に比べて扉本体が軽量となり、扉の設置費用を低くすることができる。しかし、特許文献２や特許文献３のような扉構造は、断熱性が十分なものではなく、熱エネルギー効率が悪いといった課題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、軽量で簡素な構造であって、かつ、十分な気密性と断熱性を有する熱処理炉用扉を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、ワークの熱処理を行う熱処理炉の扉構造であって、搬送されるワークが通過するワーク通過口が形成された第１の開口部材および第２の開口部材と、シート材の昇降により雰囲気を遮断するシートシャッターとを備え、前記第１の開口部材および前記第２の開口部材は互いに対向するように配置され、前記シートシャッターは、前記シート材を巻き取る巻取部と、前記巻取部の動作により昇降するシャッター部とを有し、前記シャッター部は、前記第１の開口部材と前記第２の開口部材との間に配置され、かつ、該シャッター部の閉扉時において前記第１の開口部材のワーク通過口を覆う第１のシート部と前記第２の開口部材のワーク通過口を覆う第２のシート部とを有し、前記シャッター部の閉扉時において、前記第１の開口部材と前記第２の開口部材との間に炉内から流入したガスが貯留するガス貯留部が形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、熱処理炉用の扉を軽量で簡素な構造にできると共に十分な気密性と断熱性を確保することができる。

本発明の一実施形態に係る扉構造の適用例を示す模式図であり、当該扉構造を備えた連続式焼き戻し炉の概略構成を示している。 本発明の一実施形態に係る焼き戻し炉入側の扉構造の模式図である。 図２中のＡ−Ａ断面図である。 図２中のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の一実施形態に係るシートシャッターの開扉時の状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係るシートシャッターの閉扉動作中の状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係るシートシャッターの閉扉時の状態を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る扉構造の構成を示す模式図である。

本発明に係る熱処理炉の扉構造は、例えば加熱炉や浸炭炉、焼入れ炉、焼き戻し炉のような熱処理炉に適用される。以下、本発明の一実施形態として、本発明に係る扉構造が連続式焼き戻し炉の扉に適用された実施形態について説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１に示すように、本実施形態における連続式焼き戻し炉１はローラーハース式の焼き戻し炉である。焼き戻し炉１の入側１ａから炉内に搬入されたワークＷは搬送方向Ｔに沿って搬送ローラー２で搬送される。なお、炉内のワークＷの搬送ラインは図１の紙面垂直方向、即ち炉幅方向Ｓに沿って２ライン設けられている。天井部および炉床部の炉壁３の内側には断熱材４が設けられている。炉内にはラジアントチューブ式の蛇腹状のヒーター（不図示）が設けられており、炉内は焼き戻し温度である２００℃程度まで加熱される。

ワークＷが搬入される炉の入側１ａおよびワークＷが搬出される炉の出側１ｂには、炉内と炉外の雰囲気を遮断するシートシャッター１０が設けられている。図２に示すようにシートシャッター１０は、シート材１１を巻き取る巻取部１２と、巻取部１２の動作により昇降するシャッター部１３で構成されている。巻取部１２には一般的な巻取装置が設けられている。また、巻取部１２の周囲は炉壁３で囲まれている。本実施形態に係るシート材１１は、耐熱繊維を用いて作られたガラスクロス（所謂コーテッドガラスクロス）であり、耐熱温度が炉内温度以上となるような耐熱性を有している。

シートシャッター１０の設置位置には第１の開口部材１４および第２の開口部材１５といった２つの開口部材が設けられている。第１の開口部材１４および第２の開口部材１５は共に炉床に対して垂直に設けられ、また、互いに所定の間隔Ｄを空けて対向するように設けられている。間隔Ｄは炉内外の温度差やシート材１１が有する断熱性等に応じて適宜設定されるが、シャッター部１３の断熱性の観点からは、第１の開口部材１４と第２の開口部材１５の間隔Ｄは１０ｍｍ以上とすることが好ましい。

図２，図３に示すように第１の開口部材１４には搬送ローラー上のワークＷが通過可能な開口１４ａ（以下、“ワーク通過口”）が形成されている。シャッター部１３の開扉時にはこのワーク通過口１４ａを介してワークＷが搬入される。第２の開口部材１５にも第１の開口部材１４と同等のサイズのワーク通過口１５ａが形成されている。第１の開口部材１４および第２の開口部材１５の素材は例えば炉壁３と同様の材料で形成される。なお、図示はしていないが、第１の開口部材１４および第２の開口部材１５は例えばボルト締結等の固定方法により炉壁３に対して固定されている。

図２に示すようにシートシャッター１０は、閉扉時にシャッター部１３が第１の開口部材１４と第２の開口部材１５との間に位置するように設けられている。また、図４に示すようにシート材１１の幅は、第１の開口部材１４のワーク通過口１４ａを覆うことができる程度の十分な長さを有している。前述の通り第２の開口部材１５のワーク通過口１５ａも第１の開口部材１４のワーク通過口１４ａと同等の形状を有していることから、シャッター部１３の閉扉時には第２の開口部材１５のワーク通過口１５ａもシート材１１で覆うことができる。

図２，図４に示すようにシャッター部１３の下端には、第１の開口部材１４と第２の開口部材１５との間隔Ｄの長さと略同径の円柱状のシャフト１６が設けられている。このシャフト１６は炉壁等の他の部材に固定されておらず、周方向に回転自在に設けられている。巻取部１２から送り出されるシート材１１はそのシャフト１６で折り返され、シート材１１の先端部は炉壁３の天井部に固定されている。即ち、本実施形態のシートシャッター１０は、シャッター部１３が二重構造となっており、シート材１１の第１の開口部材１４に接触する部分１１ａ（以下、“第１のシート部”）と、シート材１１の第２の開口部材１５に接触する部分１１ｂ（以下、“第２のシート部”）により炉内と炉外の雰囲気を遮断する。なお、図２は本実施形態の扉構造の説明の便宜のために各シート部１１ａ，１１ｂと各開口部材１４，１５との間に隙間があるように図示しているが、実際には両者は接している。

また、図２に示すように第１のシート部１１ａと第２のシート部１１ｂは、所定の間隔Ｄを空けて配置された第１の開口部材１４と第２の開口部材１５をそれぞれ覆うように設けられているため、両者の間には空間が形成される。炉内の雰囲気は炉外に対して高温となることから、炉内の圧力は炉外に対して陽圧となり、シャッター部１３の開扉時には炉内のガスが炉外に向けて流れやすくなる。このため、シャッター部１３の閉扉動作開始時、即ち、シャッター部１３の下降中においては、炉内のガスが第１のシート部１１ａと第２のシート部１１ｂとの間の空間に炉幅方向Ｓから流れ込んでいく。前述の通り、巻取部１２の周囲は炉壁３で覆われており、また、シャッター部１３は第１の開口部材１４および第２の開口部材１５に挟まれているため、シャッター部１３の閉扉時には第１の開口部材１４のシャッター部１３が設けられていない側の雰囲気および第２の開口部材１５のシャッター部１３が設けられていない側の雰囲気から隔離された閉空間１７が形成される。このため、シャッター部１３の下降時に第１のシート部１１ａと第２のシート部１１ｂとの間に流入したガスは、シャッター部１３の閉扉時にその閉空間１７に貯留する。以降の説明においては、ガスが貯留するその閉空間１７を“ガス貯留部”という。ここで「隔離される」とは、シート材１１や炉壁３などの物体により空間が仕切られることを意味しているが、本発明の効果を得るためには、シート材１１が第１の開口部材１４ならびに第２の開口部材１５の大部分と接していればよく、ガス貯留部１７が厳密に密閉されていなくても良い。また、本実施形態においては炉の内外での温度差による炉内陽圧について述べたが、ガス供給機構など別の機構を設けることにより、結果として炉内が陽圧となっていてもよい。
なお、第１の開口部材１４と第２の開口部材１５の間隔Ｄを１０ｍｍ以上とすることで、第１のシート部１１ａや第２のシート部１１ｂに少々のたわみがあった場合にも、両シート部１１ａ，１１ｂが接することなく、両シート部１１ａ，１１ｂの間にガスを介在させることができ、シャッター部１３の断熱性が担保される。

シャッター部１３の下端に設けられたシャフト１６は、シャッター部１３の昇降時に周方向に回転しながら、シート材１１と共に自身も昇降する。シャフト１６は他の部材に固定されていないことから、シート材１１にはシャフト１６の自重により鉛直方向Ｖの張力が生じる。これにより、シートシャッター１０の閉扉時におけるシート材１１の撓みが抑制される。このため、シャッター部１３と各開口部材１４，１５が密着しやすくなり、シャッター部１３の気密性が向上する。また、本実施形態においてはシャフト１６の長さがシート材の全幅よりも長くなっている。これにより、シャッター部１３の開閉動作時に炉幅方向全域においてシート材１１に鉛直方向の張力が生じるため、シート材１１のばたつきを安定して抑えることができる。なお、シャフト径は、第１の開口部材１４と第２の開口部材１５との間隔Ｄやシート材１１の厚み等を考慮して、シャッター部１３の気密性を十分に確保できるよう適宜設定される。

図２に示すように、第１のシート部１１ａと第２のシート部１１ｂの間、かつ、第１の開口部材１４および第２の開口部材１５のワーク通過口１４ａ，１５ａの上方にはガイドパイプ１８が設けられている。ガイドパイプ１８の径は、第１の開口部材１４と第２の開口部材１５との間隔Ｄの長さと略同一の径となっている。シャッター部１３のシート材１１にはシャフト１６の自重により張力が生じているが、シャッター部１３の下降時にシャッター部１３の下端と巻取部１２からの距離が長くなると、シャッター部下端と巻取部１２との間でシート材１１が浮き上がるおそれがある。一方、本実施形態のようにガイドパイプ１８が設けられていれば、シャッター部下端と巻取部１２との間でシート材１１の支持点が生まれ、シャッター部１３下降時におけるシート材１１の浮き上がりを抑制することができる。これにより、シャッター部１３と各開口部材１４，１５が密着しやすくなり、シャッター部１３の気密性が向上する。

また、図２に示すように第２の開口部材１５の上面部には、巻取部１２から送り出されたシート材１１が接するガイドローラー１９が設けられている。このガイドローラー１９は、シート材１１と第２の開口部材１５の上面角部との接触を防ぎ、シャッター部１３の開閉動作の繰り返しによるシート材１１の損傷を抑制している。

このように、本実施形態に係る焼き戻し炉１の扉構造は、炉内側から第１の開口部材１４、第１のシート部１１ａ、第２のシート部１１ｂ、第２の開口部材１５が順に設けられた構造となっている。なお、図２〜図４では焼き戻し炉１の入側１ａの扉構造を図示しているが、焼き戻し炉１の出側１ｂの扉構造も入側１ａと同様である。

次に、本実施形態のシートシャッター１０の動作について説明する。

まず、図５に示すように、シャッター部１３の開扉時においてはシート材１１が巻取部１２に巻き取られた状態にあり、シャッター部１３の下端は第１の開口部材１４および第２の開口部材１５のワーク通過口１４ａ，１５ａよりも上方に位置している。この状態で炉内へのワークＷの搬入または炉外へのワークＷの搬出が行われる。

ワークＷの搬入出動作の終了後、図６に示すようにシャッター部１３の閉扉動作が開始される。ここではシャフト１６が周方向に回転しながら下降すると共に、シート材１１がシャフト１６の自重によって生じる張力を受けながら巻取部１２から送り出される。このとき、第１のシート部１１ａと第２のシート部１１ｂとの間に炉幅方向Ｓから炉内のガスが流入していく。

続いて、図７に示すように、シャッター部１３の下端が炉床部に到達すると、第１の開口部材１４のワーク通過口１４ａが第１のシート部１１ａで覆われ、第２の開口部材１５のワーク通過口１５ａが第２のシート部１１ｂで覆われる。このとき、第１の開口部材１４と第２の開口部材１５との間に形成されるガス貯留部１７には、炉外に対して高温な炉内のガスが貯留しているため、雰囲気温度が高温になっている。このため、ガス貯留部内の圧力は炉外の雰囲気圧（大気圧）に対して高くなっている。したがって、シート材１１には第２のシート部１１ｂをガス貯留部側から第２の開口部材１５に押し付ける力Ｆが働き、第２のシート部１１ｂと第２の開口部材１５が密着する。これにより、第２のシート部１１ｂとワーク通過口１５ａの隙間からの外気の流入を抑えることが可能となる。
なお、図７に示すように、本実施形態では、シャッター部１３の下端が炉床部に到達するまでシャッター部１３を下降させているが、シャッター部１３の下端は必ずしも炉床部に到達している必要はなく、シャッター部１３はシート材１１が第１の開口部材１４のワーク通過口１４ａおよび第２の開口部材１５のワーク通過口１５ａを覆うことができる程度の高さまで下降していればよい。

このとき、第２のシート部１１ｂの炉外側の面のうち、ワーク通過口１５ａ付近の面は炉内温度に対して低温な炉外雰囲気に接している。しかし、第１のシート部１１ａと第２のシート部１１ｂとの間には間隔が空いており、ワーク通過口１４ａ付近において第１のシート部１１ａと第２のシート部１１ｂが互いに接触していないため、両者の間では接触による熱伝導は起こらない。一方、第２のシート部１１ｂを介して炉外への熱移動は起こるものの、ガス貯留部１７に炉内の高温のガスが貯留していることから、第２のシート部１１ｂを介したガス貯留部１７の雰囲気温度の低下には時間を要する。即ち、炉内の雰囲気温度とガス貯留部１７の雰囲気温度の温度差は、炉内と炉外の温度差に比べて小さくなる。このため、第１のシート部１１ａを介した炉内からガス貯留部１７への熱逃げが抑制され、炉内温度を高温に保ちやすくなる。

このように、本実施形態のようにシートシャッター１０を二重構造としつつ、第１のシート部１１ａと第２のシート部１１ｂの間隔が空いた構造とすることにより、従来よりも簡素な扉構造にできると共に、十分な気密性，断熱性を確保することが可能となる。

なお、本実施形態では、シートシャッター１０と開口部材１４，１５を備えた扉構造を炉の入側１ａおよび出側１ｂに設けることとしたが、この扉構造を設ける位置は炉の入側１ａや出側１ｂに限定されることはない。例えば連続炉の構造によっては炉内に複数の処理室が設けられる場合もある。そのような構造の場合、炉内の隣り合う処理室の間で温度差や圧力差が生じることもある。上記実施形態のような扉構造はそのような処理室の雰囲気を仕切る仕切扉としても採用し得る。この場合、隣接する処理室に対して陽圧の処理室側からその隣接する処理室にシート材１１が押し付けられることになり、気密性および断熱性を確保することが可能となる。ただし、本実施形態に係る扉構造は、温度差の大きい雰囲気同士を遮断する箇所に設けた方が得られる効果が顕著となるため、ワークＷの搬入を行う炉の入側１ａおよびワークＷの搬出を行う炉の出側１ｂの少なくともいずれか一方に設けられることが好ましい。

また、本実施形態では、シートウェイトとして第１の開口部材１４と第２の開口部材１５との間にシャフト１６を設けたが、シャフト１６を設けなくても、第１の開口部材１４と第２の開口部材１５の間隔Ｄや各開口部材１４，１５の平滑度、シート材１１の厚み、シート材１１の平滑度等を適宜設定することでシャッター部１３の気密性を確保することはできる。ただし、気密性向上の観点からは上記実施形態のようなシャフト１６を設けることが好ましい。なお、シャッター部１３と各開口部材１４，１５を十分に密着させることができ、シャッター部１３のシートウェイトとして機能する長尺部材であれば、シャフト１６のような円形状の部材でなくても良い。

また、本実施形態では、第１のシート部１１ａと第２のシート部１１ｂとの間にガイドパイプ１８を設けたが、ガイドパイプ１８を設けなくても、第１の開口部材１４と第２の開口部材１５の間隔Ｄやシート材１１の巻取部１２の位置等を適宜設定することでシャッター部１３の気密性を確保することができる。ただし、気密性向上の観点からはガイドパイプ１８を設けることが好ましい。また、本実施形態ではガイド部材としてパイプを用いたが、周方向に回転可能なローラーをガイド部材として用いても良い。また、ガイド部材は円形状でなくても良い。即ち、第１のシート部１１ａと第２のシート部１１ｂとの間、かつ、第１の開口部材１４および第２の開口部材１５のワーク通過口１４ａ，１５ａの上方に当該第１のシート部１１ａおよび第２のシート部１１ｂの浮き上がりを抑制するようなガイド部材を設ければ、気密性を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば上記実施形態では１枚のシート材１１を折り返して、第１のシート部１１ａおよび第２のシート部１１ｂを形成したが、図８に示すように２枚のシート材１１，２０を用い、それぞれのシート材１１，２０を第１のシート部１１ａおよび第２のシート部２０ａとしてシートシャッター１０を構成しても良い。この場合、例えば巻取部１２の巻取装置は２つ設けられ、シート材１１，２０の下端にはシートウェイトとして板厚の薄いプレート２１が取り付けられる。この場合であっても閉扉時においては、第１のシート部１１ａと第２のシート部２０ａの間には上記実施形態で説明したようなガス貯留部１７が形成されるため、気密性と断熱性を十分に確保することができる。ただし、扉構造の簡素化の観点からは１枚のシート材１１を折り返す構造の方が好ましい。なお、２枚以上のシート材を互いに接合することで１枚のシート材を構成しても良い。

連続式焼き戻し炉の入側、出側の扉構造として本発明に係る熱処理炉の扉構造を採用して、ワークの焼き戻し処理を実施した。本発明に係る扉構造とは図２に示すような構造である。焼き戻し処理の目標均熱温度を１５０±７．５℃として、ワーク搬入後から目標均熱温度までの昇温時間、目標均熱温度に到達してからの保持時間（均熱時間）、昇温時の目標均熱温度の中央値に対するオーバーシュート温度について測定した。結果は下記表１の通りである。表１中の目標値とは、従来の鉄扉構造の炉で要求されている昇温時間、均熱時間、オーバーシュート温度である。なお、炉内でのワークの測温にはシース熱電対を用いている。

表１に示す通り、本発明に係る扉構造を用いた焼き戻し炉では、均熱温度までの昇温時間が目標値の範囲内であった。また、扉構造が十分な断熱性を有していることにより均熱時間についても目標時間を確保することができた。オーバーシュート温度も合格レベルにあった。即ち、本発明に係る扉構造を用いれば、従来炉よりも構造を簡素化できると共に従来炉レベルの断熱性能を確保することが可能となる。

本発明は、ワークの焼き戻し処理を行う焼き戻し炉に適用できる。

１ 連続式焼き戻し炉
１ａ 炉の入側
１ｂ 炉の出側
２ 搬送ローラー
３ 炉壁
４ 断熱材
１０ シートシャッター
１１ シート材
１１ａ 第１のシート部
１１ｂ 第２のシート部
１２ 巻取部
１３ シャッター部
１４ 第１の開口部材
１４ａ 第１の開口部材のワーク通過口
１５ 第２の開口部材
１５ａ 第２の開口部材のワーク通過口
１６ シャフト
１７ ガス貯留部
１８ ガイドパイプ
１９ ガイドローラー
２０ シート材
２０ａ 第２のシート部
２１ プレート
Ｄ 第１の開口部材と第２の開口部材の間隔
Ｆ 押し付け力
Ｓ 炉幅方向
Ｔ 搬送方向
Ｖ 鉛直方向
Ｗ ワーク

Claims (7)

1. ワークの熱処理を行う熱処理炉の扉構造であって、
   搬送されるワークが通過するワーク通過口が形成された第１の開口部材および第２の開口部材と、
   シート材の昇降により雰囲気を遮断するシートシャッターとを備え、
   前記第１の開口部材および前記第２の開口部材は互いに対向するように配置され、
   前記シートシャッターは、
   前記シート材を巻き取る巻取部と、
   前記巻取部の動作により昇降するシャッター部とを有し、
   前記シャッター部は、前記第１の開口部材と前記第２の開口部材との間に配置され、かつ、該シャッター部の閉扉時において前記第１の開口部材のワーク通過口を覆う第１のシート部と前記第２の開口部材のワーク通過口を覆う第２のシート部とを有し、
   前記シャッター部の閉扉時において、前記第１の開口部材と前記第２の開口部材との間に炉内から流入したガスが貯留するガス貯留部が形成されている、熱処理炉の扉構造。
2. 前記シャッター部の下端に周方向に回転自在に設けられた長尺部材が配置され、
   １枚のシート材が前記長尺部材で折り返されることで前記第１のシート部および前記第２のシート部が構成される、請求項１に記載の熱処理炉の扉構造。
3. 前記長尺部材の長さが前記シート材の全幅よりも長い、請求項２に記載の熱処理炉の扉構造。
4. 前記第１のシート部と前記第２のシート部との間、かつ、前記ワーク通過口の上方に前記シート材の撓みを抑制するガイド部材が設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱処理炉の扉構造。
5. 前記第１の開口部材と前記第２の開口部材との間隔が１０ｍｍ以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱処理炉の扉構造。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載された熱処理炉の扉構造が、ワークの搬入を行う炉の入側およびワークの搬出を行う炉の出側の少なくともいずれか一方の扉構造として採用されている、熱処理炉。
7. 請求項６に記載された熱処理炉を用い、炉内の圧力を炉外の圧力に対して陽圧にしてワークの熱処理を行う、ワークの熱処理方法。

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