JP6802929B2 - 熱処理炉 - Google Patents

Description

本発明は，熱効率の高い熱処理炉に関するものである。

例えば，アルミニウム合金が航空機部材や自動車用ホイールなど様々な場面で活用されているように，金属の硬度を向上させるために加熱処理をすることが知られている。この金属の加熱処理は，主に炉を使用して行われる。

例えば，アルミニウム合金を加熱処理するための炉の種類としては，炉内温度を均一に近づけることで品質の安定化を図るために熱風循環式の炉が使用され，あるいは熱処理施設の省スペース化のために多段型炉床回転炉が使用される。さらには，これらの特徴を組み合わせた熱風循環式の多段型炉床回転炉も存在する。

特許文献１は，その熱風循環式の多段型炉床回転炉の一例であるが，この熱風循環式の多段型炉床回転炉では，熱源により温められた熱風のワーク載置台内における軌道が下方より上方に通過する一方向であることから，下方から上方に順に収納されたワークを温めるという過程を経ることになる。そのため，上方に収納されたワークと下方に収納されたワークとの間で，昇温速度や熱履歴等の熱処理条件が均等にならず，品質が安定しにくい。また，熱風循環式の炉の場合，通常，主に軸流ファンが用いられるが，精度の高い均一加熱を行うとなると絶対風量が必要となるため軸流ファンのサイズが大きくなってしまうという問題がある。

そこで，特許文献２では，多段に収納した際，各収納されたワークの熱処理条件が均等であって，かつ軸流ファンによる風量を効率よく使用し，精度の高い均一加熱処理を可能にした熱風循環式の多段型炉床回転炉を提供することを目的とした熱風循環炉を提供している。

特許文献２の熱風循環炉は，ドーナッツ状に配置される複数のワーク格納室を有する熱風循環炉であって，各ワーク格納室は，ドーナッツ状中心に対して吹き込まれる熱風がドーナッツ状中心側から流入しドーナッツ状外側に排気されるように構成され，ドーナッツ状中心部に炉内容積を小さくするため熱風ガイドを有し，前記熱風ガイドは，各ワーク格納室に熱風が送り出される様に整風翼を有することを特徴とする熱風循環炉である。

特開２００４−２５７６５８

特開２００８−１３８９１６

しかし，特許文献２においては，秀逸な技術的思想が開示されてはいるものの，熱効率特に外部に逃げてしまう熱を少なくするための工夫が特段存在しないため，熱効率の点で課題が残されていた。

そこで，本願発明は，熱効率の高い熱処理炉を提供することを課題とする。

具体的には，本発明は，回転軸と，前記回転軸に軸支され回転する回転底面と，前記回転底面上に前記回転軸芯を中心として複数段ドーナッツ状に配置される複数のワーク格納室と，前記回転底面上に前記回転軸芯を中心としドーナッツ状中心部に炉内容積を小さくするとともに自身の上方から送り込まれる熱風の各段のワーク格納室に送り込まれる量を調整するための中空ベル状熱風ガイドと，前記回転底面と離間した炉体底面と，炉体底面上に配置される炉体側面とを有する熱処理炉を提供する。

次に，前記特徴に加えて，前記炉体底面が，中心から外壁面に向かって下りテーパーに構成されており，外壁面直下にて塵埃排出口が設けられている熱処理炉を提供する。

次に，前記特徴に加えて，前記炉体底面近傍の炉体側面に炉内点検口が設けられている熱処理炉を提供する。

最後に，前記特徴に加えて，炉体側面の各ワーク格納室の高さに合わせて設けられるワーク挿入口であって，上下関係にあるワーク格納室に対応するワーク挿入口又は／及びワーク取出口は，炉体側面に直上直下には来ないように配置されている熱処理炉を提供する。

以上のような構成の熱処理炉によって，熱効率の高い熱処理炉を提供することができる。

本発明における熱処理炉の概念を示す図 ワーク格納室の概念を示す図 複数のワーク格納室の概念を示す図 回転底面が中心からワーク格納室に向かって下りテーパーに構成されている場合の概念を示す図 実施形態２における熱処理炉の概念を示す図 実施形態３における熱処理炉の概念を示す図 実施形態４における熱処理炉の概念を示す図 ガラス繊維を間に混ぜ込んだ場合の回転軸の一例を示す図 モータを設けた熱処理炉の概念を示す図

以下では，本発明を実施するための実施形態を説明する。なお，本件発明は，以下に記載する実施形態に限定して解釈されるべきものでない。

実施形態１は，主に請求項１に関するものであり，実施形態２は，主に請求項２に関するものであり，実施形態３は，主に請求項３に関するものであり，実施形態４は，主に請求項４に関するものである。

＜実施形態１＞
本実施形態の熱処理炉は，本発明の最も基本的な構成であって，概要として，回転軸と，回転底面と，前記回転底面上に配置される複数のワーク格納室と，中空ベル状熱風ガイドと，前記回転底面と離間した炉体底面と，炉体底面上に配置される炉体側面とを有する熱処理炉である。

図１は，本発明における熱処理炉の概念を示す図である。熱処理炉（０１０１）は，回転軸（０１０２）と，回転底面（０１０３）と，前記回転底面上に配置される複数のワーク格納室（０１０４）と，中空ベル状熱風ガイド（０１０５）と，前記回転底面と離間した炉体底面（０１０６）と，炉体底面上に配置される炉体側面（０１０７）によって構成されている。

「回転軸」とは，回転底面を回転させるための軸である。また，回転底面を回転させるだけではなく，回転底面・中空ベル状熱風ガイド・複数のワーク格納室を支える役割もある。

この回転軸は，回転底面・中空ベル状熱風ガイド・複数のワーク格納室を下から支えるのに十分な強度であることが望ましいが，他方において，大き過ぎると炉体底面に伝える熱量が多くなってしまい，その結果，熱の外部への放出量が多くなってしまうために熱効率が下がってしまう。そのため，回転底面・中空ベル状熱風ガイド・複数のワーク格納室は回転軸を中心に均等に配置されていることが望ましく，その上で，回転軸自体の大きさは，可能な限り小さい方が望ましい。

回転軸の素材は，熱効率を下げないために熱伝導率の低い素材若しくは中空状態であることが望ましい。熱伝導率の低い素材の具体例としては，一般的に，ステンレス鋼，セラミックス，水晶，ガラス，ポリエチレン，エポキシ樹脂，シリコーン，木材などが挙げられるところ，その中でも，コスト面で優れ，強度も高く，かつ燃えにくい素材であるとすれば，ステンレス鋼，セラミックスが望ましい。また，ガラスのみだと強度が十分ではないものの，ガラスは断熱性に優れており圧縮強度も高いことから，ガラス繊維を間に混ぜ込むことで回転軸全体の熱伝導率を相対的に下げるという工夫も考えられる。

図８は，ガラス繊維を間に混ぜ込んだ場合の回転軸の一例を示す図である。回転底面（０８０１）と炉体底面（０８０２）の間に回転軸（０８０３）が存在するところ，回転軸は，ステンレス鋼などの基本素材（０８０４）の間にガラス繊維（０８０５）が混ぜ込められて構成されている。

さらに、回転軸を回転させるためのモータを回転軸近辺に設けても良い。図９は，モータを設けた熱処理炉の概念を示す図である。熱処理炉（０９０１）は，回転軸（０９０２）と回転軸近辺に設けられたモータ（０９０８）と，回転底面（０９０３）と，前記回転底面上に配置される複数のワーク格納室（０９０４）と，中空ベル状熱風ガイド（０９０５）と，前記回転底面と離間した炉体底面（０９０６）と，炉体底面上に配置される炉体側面（０９０７）によって構成されている。

次に，「回転底面」とは，前記回転軸に軸支され回転する機構である。この回転底面についても，熱効率を下げないために熱伝導率の低い素材で構成されていることが望ましい。

次に，「複数のワーク格納室」とは，前記回転底面上に前記回転軸芯を中心として複数段ドーナッツ状に配置される機構である。

図２は，ワーク格納室の一部の概念を示す図である。ワーク格納室は，ワークを個別に収納するための空間（０２０１）であり，炉内にドーナッツ状に配置されている。各ワーク格納室は，周方向の面につき中間仕切板（０２０３）により仕切られ，他方，上下方向の面につき格納室天井（０２０４）と格納台（０２０５）により仕切られている。そして，ワーク格納室の周方向及び上下方向は，共に中間仕切板・格納室天井・格納台が存在することから熱風が通過しないのに対して，ワーク格納室のドーナッツ状の内側面（以下，「内面」という。０２０６）と外側面（以下，「外面」という。０２０７）は，空間を仕切るものは何もないことから，熱風の通過が可能である。そして，ドーナッツ状の外面と炉内壁とは非接触で，その間には一定のスペース（０２０２）が存在し，当該スペースを熱風が通過することが可能である。

ワーク格納室における内面及び外面の構造については，吹き抜けとなっていればよく，例えば，穴を有する仕切り板や網目状仕切り板等で仕切られていてもよい。

図３は，複数のワーク格納室の概念を示す図である。ワーク格納室は上下方向に積層可能であり，積層する段数については，特段制限されないが，作業性や当該炉を配置する施設のスペース等を考慮すれば，３段から４段程度が望ましい。

次に，「中空ベル状熱風ガイド」とは，前記回転底面上に前記回転軸芯を中心とし，ドーナッツ状中心部に炉内容積を小さくするとともに，自身の上方から送り込まれる熱風の各段のワーク格納室に送り込まれる量を調整するための熱風ガイドであり，中空かつベル状であるものをいう。中空であることにより，熱伝導を低く抑えることができ，当該熱風ガイド及び回転軸を通じて外部に漏れる熱を減らすことができる。また，ベル状にすることにより，熱風を各ワーク格納室に均等に送り込むことができる。

さらに，ベル状の内容については，ベル状の底面部分については，径が大きい方が望ましい。径が大きいことにより，熱風の回転底面接触部分から回転軸までの熱移動距離を長くすることができ，しかもベル状ガイドの中は中空であって空気が詰まっているため熱伝導率が低いので，回転軸を通して外部に熱が漏れる程度を一層低くすることができる。

次に，「炉体底面」とは，前記回転底面と離間した熱処理炉全体の底面に当たる部分である。炉体底面が前記回転底面と離間して存在していることにより，回転底面から炉体底面への熱移動を回転軸のみにすることが可能になる。回転底面からの熱放射を防止して更に熱効率を高めるため，回転底面の下面に沿って，例えばガラス繊維など断熱性の高い物質を配置することが望ましい。

次に，「炉体側面」とは，炉体底面上に配置される熱処理炉全体の側面に当たる部分である。炉体側面が存在することにより，炉体の一部分から集中的に熱風を排出することができるようになる。炉体側面は，ワーク格納室の外面と接近していることが望ましい。接近していれば，ワーク格納室の外面から出てくる熱風が，ワーク格納室と炉体側面の間から，例えば炉体底面側に漏れたり，あるいは炉体底面に存在するモータなどを熱することを防止することができる。モータは，磁力による回転をしている場合には，熱の影響で効率が下がってしまうことがあるので，モータに熱を伝えなくするという意味でも望ましいものである。

熱処理炉の形状は円柱状であることが望ましく，その場合，炉体底面及び炉体上面から見た場合の形状は円形，側面から見た場合の形状は筒状であることとなる。

さらには，前記回転底面は，ベル状熱風ガイドと回転底面の接触点からワーク格納室に向かって下りテーパーに構成されていることが望ましい。それにより，塵埃を炉体底面に落とすことができる。

図４は，回転底面が中心からワーク格納室に向かって下りテーパーに構成されている場合の概念を示す図である。熱処理炉（０４０１）は，回転軸（０４０２）と，回転底面（０４０３）と，前記回転底面上に配置される複数のワーク格納室（０４０４）と，中空ベル状熱風ガイド（０４０５）と，前記回転底面と離間した炉体底面（０４０６）と，炉体底面上に配置される炉体側面（０４０７）によって構成されており、回転底面（０４０３）は，中心からワーク格納室に向かって下りテーパーに構成されている。

以上のような構成を有する熱処理炉により，熱効率の高い熱処理炉を提供することができる。

＜実施形態２＞
本実施形態の熱処理炉は，実施形態１の特徴に加えて，前記炉体底面が，中心から外壁面に向かって下りテーパーに構成されており，外壁面直下にて塵埃排出口が設けられていることを特徴とする熱処理炉である。

図５は，本実施形態における熱処理炉の概念を示す図である。熱処理炉（０５０１）は，回転軸（０５０２）と，回転底面（０５０３）と，前記回転底面上に配置される複数のワーク格納室（０５０４）と，中空ベル状熱風ガイド（０５０５）と，前記回転底面と離間した炉体底面（０５０６）と，炉体底面上に配置される炉体側面（０５０７）によって構成されている。そして，炉体底面（０５０６）は，中心から外壁面に向かって下りテーパーに構成されており，外壁面直下にて塵埃排出口（０５０８）が設けられている。

さらには，回転軸には，回転軸から外壁面に向かって炉体底面の表面に沿って空気を送出するための工夫を有していても良い。工夫の具体例としては，回転軸に羽根を設けることにより，回転軸が回転することに伴って下向きに風が発生するように構成したり，回転底面に孔を空けて回転軸に通じるようにして，回転底面からの空気を回転軸から送出するように構成したりすることが考えられる。それらにより，中心から外壁面に向かって効率よく塵埃を移動させることができる。

以上のような構成により、塵埃が熱処理炉内に溜まることを防ぐことができ，塵埃の影響による熱放射を防ぐことができ，熱効率を高く保つことができる。

＜実施形態３＞
本実施形態の熱処理炉は，実施形態１又は２の特徴に加えて，前記炉体底面近傍の炉体側面に炉内点検口が設けられていることを特徴とする熱処理炉である。

図６は，本実施形態における熱処理炉の概念を示す図である。熱処理炉（０６０１）は，回転軸（０６０２）と，回転底面（０６０３）と，前記回転底面上に配置される複数のワーク格納室（０６０４）と，中空ベル状熱風ガイド（０６０５）と，前記回転底面と離間した炉体底面（０６０６）と，炉体底面上に配置される炉体側面（０６０７）によって構成されている。そして，前記炉体底面近傍の炉体側面に炉内点検口（０６０８）が設けられている。

さらには，炉体点検口には，点検時にのみ炉対内部を観察できて点検時以外には熱を逃がさないよう，開閉構造を有していても良い。あるいは，炉体点検口は，その部分のみ透明の部材にて構成されることにより，熱を外部に漏らすことなく熱処理炉外部から熱処理炉の内部を観察できるようにしても良い。これらの工夫により，熱効率を下げることなく熱処理炉内部を点検することができるようになる。

さらには，赤外線カメラを用いて炉内点検口からベル状熱風ガイドの表面色を見ることにより，炉内温度を測ることも可能になる。

以上のような構成により、熱処理炉内部の点検を容易にし，熱処理炉の故障防止や定期的なメンテナンスを容易にすることができる。

＜実施形態４＞
本実施形態の熱処理炉は，実施形態１から実施形態３のいずれかの特徴に加えて，炉体側面の各ワーク格納室の高さに合わせて設けられるワーク挿入口であって，上下関係にあるワーク格納室に対応するワーク挿入口又は／及びワーク取出口は，炉体側面に直上直下には来ないように配置されていることを特徴とする熱処理炉である。

図７は，本実施形態における熱処理炉の概念を示す図である。（１）熱処理炉を上から見た場合の平面図と、（２）正面からの断面図と、（３）側面図が存在する。（１）平面図においては，中空ベル状熱風ガイド（０７０１）の周りにワーク格納室（０７０２）が存在し、ワーク挿入口（０７０３）が存在することがわかる。（２）正面からの断面図において，中空ベル状熱風ガイド（０７０１）の周りにワーク格納室（０７０２）が存在し、炉体側面の各ワーク格納室の高さに合わせて設けられるワーク挿入口が存在することがわかる。（３）側面図において，上下関係にあるワーク格納室に対応するワーク挿入口又は／及びワーク取出口（０７０３）は，炉体側面に直上直下には来ないように配置されていることがわかる。直上直下には来なければよく，例えば側面から見た場合に，上から順に左・真ん中・右という配置であっても，上から順に左・真ん中・左という配置であっても，上から順に左・右・左という配置であっても，上から順に右・左・真ん中という配置であっても，その他の配置であっても，いずれでも良い。もっとも、一度に熱が逃げることを防ぐという意味では，直上直下でなくとも上下で被らないように構成することが一層望ましい。

以上のような構成により、一度に熱が逃げるのを防ぐことができ，熱効率を上げることができる。

０１０１，０４０１，０５０１、０６０１：熱処理炉
０１０２，０４０２，０５０２、０６０２、０８０３：回転軸
０１０３，０４０３、０５０３、０６０３、０８０１：回転底面
０１０４，０４０４，０５０４、０６０４、０７０２：ワーク格納室
０１０５，０４０５，０５０５、０６０５、０７０１：中空ベル状熱風ガイド
０１０６，０４０６、０５０６、０６０６、０８０２：炉体底面
０１０７，０４０７、０５０７、０６０７：炉体側面
０５０８：塵埃排出口
０６０８：炉内点検口
０７０３：ワーク挿入口
０２０３：中間仕切板
０２０４：格納室天井
０２０５：格納台
０２０６：ワーク格納室のドーナッツ状の内側面
０２０７：ワーク格納室のドーナッツ状の外側面

Claims (4)

1. 回転軸と，
   前記回転軸に軸支され回転する回転底面と，
   前記回転底面上に前記回転軸の軸芯を中心として複数段ドーナッツ状に配置される複数のワーク格納室と，
   前記回転底面上に前記回転軸の軸芯を中心とし，ドーナッツ状中心部に炉内容積を小さくするとともに，自身の上方から送り込まれる熱風の各段のワーク格納室であってワーク格納室のドーナッツ状の内側面と外側面が熱風の通過が可能であるワーク格納室に送り込まれる量を調整するための中空ベル状熱風ガイドと，
   前記回転底面と離間した炉体底面と，
   炉体底面上に配置される炉体側面と，
   を有する熱処理炉。
2. 前記炉体底面は，中心から外壁面に向かって下りテーパーに構成されており，外壁面直下にて塵埃排出口が設けられている請求項１に記載の熱処理炉。
3. 前記炉体底面近傍の炉体側面に炉内点検口が設けられている請求項１又は請求項２に記載の熱処理炉。
4. 炉体側面の各ワーク格納室の高さに合わせて設けられるワーク挿入口であって，
   上下関係にあるワーク格納室に対応するワーク挿入口又は／及びワーク取出口は，炉体側面に直上直下には来ないように配置されている請求項１から請求項３のいずれか一に記載の熱処理炉。

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