JP6932863B1 - 縦型加熱炉 - Google Patents

Abstract

【課題】支持棒が速やかに引き下げられてもシール装置の破損が抑制される縦型加熱炉を提供する。【解決手段】炉室１６内が上下方向の複数の加熱領域Ｈ１〜Ｈ５に分割される縦型の炉体１４と、被搬送物Ｋを炉室１６内において上下方向に移動させる支持棒２８と、支持棒２８の外周面に摺接して炉室１６内を気密に封止するシール装置３４とを有する縦型加熱炉１０であって、支持棒２８は、外周側金属管６６と外周側金属管６６内に挿入された内周側金属管６８との２重構造により構成され、支持台６０は、断熱材６４を介して外周側金属管６６により支持され、外周側金属管６６内には、内周側金属管６８の内周側流通路７２と、外周側金属管６６の内周面と内周側金属管６８の外周面との間の外周側流通路７４とを有し、内周側流通路７２と外周側流通路７４とが内周側金属管６８の上端において連通する冷媒流通路７０が設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、被加熱物を昇降させることにより、被加熱物に対して加熱処理を行なう縦型加熱炉に関するものである。

一般に、被加熱物に対する加熱方法の開発試験などや、試験的な製造では、被加熱物に対して所望の焼成温度カーブを用いて加熱処理を行なうことが求められている。しかし、ローラハース炉などの横型炉では、被加熱物の搬送速度に限界があるため、被加熱物に対して急昇温加熱や急冷却を行なうには限界がある。このため、温度の変化速度を大きくした焼成温度カーブ（ヒートプロファイル）で加熱処理を行なうことが困難であった。

これに対して、炉室内の熱は上方へ行く特性を利用して、気密状態たとえば真空状態の縦型の炉室内の上部において坩堝内の原料を溶解させ、炉室内の上部よりも温度が低い炉室内の下部へ坩堝を移動させつつ、坩堝内の原料を結晶化させる縦型加熱炉が知られている。たとえば、特許文献１および特許文献２に記載されている昇降式の縦型加熱炉がそれである。

上記特許文献１および２に記載された縦型加熱炉では、坩堝内の被加熱物の熱処理を行なうために坩堝を支持する支持棒が備えられ、引き下げ速度が坩堝内の結晶成長速度となるようにゆっくりと支持棒が引き下げられるとともに、坩堝を支持する支持棒内には、坩堝の温度を制御するための冷媒が循環させられるとともに、支持棒を介して坩堝内の冷却が行なわれるようになっており、坩堝内の結晶成長が制御されるようになっている。

特開２０００−２７２９９１号公報 特開２００６−３２１６９０号公報

ところで、所望の焼成温度カーブを用いて加熱処理を行なうために上記のような縦型加熱炉を、結晶成長ではなく、たとえば被加熱物に対して急激な温度変化（降下）を与えるために支持棒を速やかに引き下げる熱処理に用いる場合がある。このような場合には、炉室を気密に維持するために支持棒に摺動可能なシール装置が設けられているためシール装置に高熱が加えられるので、シール装置が破損して炉室の気密性が損なわれる場合があった。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、支持棒が速やかに引き下げられてもシール装置の破損が抑制される縦型加熱炉を提供することにある。

本発明者は、上記の課題を解決するために種々の検討を重ねた結果、縦型の炉体内に入れられる坩堝とその坩堝を支持する支持棒との間に断熱材を介在させ、支持棒を内周側金属管と外周側金属管との二重構造から構成し、支持棒の外周側金属管の上部外周面の裏面に冷媒流通路を設けると、支持棒が速やかに引き下げられても、シール装置の破損が抑制されることを見いだした。本発明はその知見に基づいて為されたものである。

すなわち、本発明の要旨とするところは、（ａ）炉室内が上下方向の複数の加熱領域に分割される縦型の炉体と、支持台が上端部に固定され、前記支持台により支持された被搬送物を前記炉室内において上下方向に移動させる支持棒と、前記支持棒の外周面に摺接して前記炉室内を気密に封止するシール装置とを有し、前記被搬送物を前記複数の加熱領域のいずれかに位置させることが可能な縦型加熱炉であって、（ｂ）前記支持棒は、外周側金属管と前記外周側金属管内に挿入された内周側金属管との２重構造により構成され、（ｃ）前記支持台は、断熱材を介して前記外周側金属管により支持され、（ｄ）前記外周側金属管内には、前記内周側金属管の内周側流通路と、前記外周側金属管の内周面と前記内周側金属管の外周面との間の外周側流通路とを有し、前記内周側流通路と前記外周側流通路とが前記内周側金属管の上端において連通する冷媒流通路が、設けられており、（ｅ）前記炉体の下端面には、前記炉室が下向きに開く開口が形成されており、（ｆ）前記炉体に形成された開口を開閉する開閉部材と、前記開閉部材を上下方向に駆動する開閉アクチュエータとを有する炉開閉装置が、備えられ、（ｇ）前記支持棒は、前記開閉部材を上下方向に移動可能に貫通し、前記支持棒と前記開閉部材との間が前記シール装置により封止されていることにある。

本発明の縦型加熱炉によれば、前記外周側金属管内には、内周側流通路と外周側流通路とを有し、前記内周側流通路と前記外周側流通路とが前記内周側金属管の上端において連通する冷媒流通路が、設けられている。これにより、断熱材により支持台から外周側金属管への熱伝導が抑制されるとともに、外周側流通路と内周側流通路との間で冷媒が流通させられることから、外周側金属管の内周面には流通する冷媒が接触しているので、支持棒が速やかに引き下げられても、シール装置の破損が抑制される。また、シール装置により支持棒と開閉部材との間が封止されているので、炉室内の気密性が維持され、真空加熱処理或いは所定のガス雰囲気加熱処理が可能となるとともに、炉開閉装置により炉室が開閉されるので、被搬送物の入れ出しが容易とされる。

ここで、好適には、（ａ）前記冷媒は、前記外周側流通路の下部から流出させられ、（ｂ）前記外周側金属管と前記内周側金属管との間には、前記支持棒の中心線方向において交互に位置する切欠きがそれぞれ設けられた円環状或いは部分円環状の複数個の板材であって、前記外周側流通路内において冷媒の前記支持棒の中心線方向の流通を部分的に阻止して前記冷媒の流通路を周方向に形成する複数個の瀬切り板が、設けられている。これにより、内周側金属管内では、瀬切り板により、内周側流通路へ流入させられ冷媒を内周側金属管の少なくとも上部の内周面近傍を通るように流通路が長く形成されるため、相対的に密度の高い低温の冷媒が速やかに下降することが抑制され、支持棒の外周面の冷却効率が高められる。

また、好適には、前記外周側流通路における前記冷媒の流通断面積は、前記内周側流通路における前記冷媒の流通断面積よりも小さくされている。これにより、外周側流通路へは内周側流通路よりも早い流速で冷媒が流通させられることから、支持棒を構成する外周側金属管の上端部の内側は、内周側流通路よりも早い流速の冷媒で冷却されるので、支持棒が速やかに引き下げられても、シール装置の破損が抑制される。

本発明の一実施例の縦型加熱炉を示す縦断面図である。 図１の縦型加熱炉のＩＩ−ＩＩ視断面図である。 図１の縦型加熱炉の附帯設備、および支持棒の上昇時の作動を説明する図である。 図１の縦型加熱炉に備えられた支持棒の構成を拡大して説明する断面図である。 図４に示す外周側流通路を展開して示す摸式図である。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は発明に関連する要部を説明するものであり、寸法及び形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明の一実施例の縦型加熱炉１０を示す縦断面図である。図２は、縦型加熱炉１０のＩＩ−ＩＩ視断面図である。図１に示すように、縦型加熱炉１０は、機枠（フレーム）１２によって支持された縦型の円柱状の炉体１４を備えている。炉体１４は、たとえばロックウール、耐火レンガ等の無機質の断熱材から構成されている。炉体１４には、炉体１４の下端面に開口する円柱状空間を形成する縦型の炉室１６が、炉体１４と同心に形成されている。

炉室１６の内周面には、内向きに突き出す複数個（本実施例では５個）の環状突部１８が形成されている。また、炉室１６の内周壁のうち、環状突部１８が形成されていない部分には、１０００℃、７５０℃、５５０℃、４００℃、２００℃などに独立して温度制御可能な複数個の円形のヒータ３０がそれぞれ配設されている。これにより、炉室１６内が上下方向の複数の第１加熱領域Ｈ１〜第５加熱領域Ｈ５に分割される。そして、複数個の環状突部１８のいずれかの内周側に、後述する支持棒２８に支持された円形の仕切り板５８が位置させられてその環状突部１８の内周側の開口が閉じられたとき、複数の第１加熱領域Ｈ１〜第５加熱領域Ｈ５のいずれかが仕切り板５８の上側位置で機能させられるようになっている。図３は、縦型加熱炉１０の附帯設備及び支持棒の上昇時の作動を説明する図であり、第１加熱領域Ｈ１が仕切り板５８の上側位置で機能させられている状態を示す図である。

円柱状空間である炉室１６は、炉体１４の下端面１４ａに開口している。炉体１４に形成された５個の環状突部１８のうちの最下段の環状突部１８の内周縁１８ａが、炉体１４の下端面１４ａに形成された開口に対応している。

図２に示すように、機枠１２には、炉体１４の下端面１４ａに形成された開口すなわち最下段の環状突部１８の内周縁１８ａを開閉する開閉部材２０と、開閉部材２０を上下方向に駆動する開閉アクチュエータ２２と、を有する炉開閉装置２４が備えられている。

開閉部材２０は、円盤状の部材であって、円環状の着座部２０ａを外周縁部に備えるとともに、支持棒２８を貫通させる円筒部２０ｂを中心部に備え、外周側へ突き出す突部２０ｃを介して、開閉アクチュエータ２２により支持されている。これにより、開閉アクチュエータ２２は、開閉部材２０の円環状の着座部２０ａが炉体１４の下端面１４ａに当接する閉位置と、開閉部材２０の円環状の着座部２０ａと炉体１４の下端面１４ａとの間が最も開いた開位置との間で、開閉部材２０を炉体１４の中心軸線ＣＬ方向に上下駆動するようになっている。

図４は、縦型加熱炉１０に備えられた支持棒の構成を拡大して説明する断面図である。開閉部材２０の円筒部２０ｂには、円筒部２０ｂと円筒部２０ｂの内側を貫通する支持棒２８との間を、支持棒２８の上下方向の移動を許容しつつ気密に封止するためのシール装置３４が設けられている。シール装置３４は、支持棒２８を通過させる環状のシール保持部材３６と、シール保持部材３６の内周面に嵌め着けられた摺接部材３８とから構成されている。摺接部材３８は、耐熱ゴム、ロックウール等により構成された環状の部材たとえばＯリングである。シール装置３４は、支持棒２８を炉体１４と同心となるように位置決めしつつ、支持棒２８を上下方向へ案内する機能を有している。

図１に示すように、支持棒２８は、機枠１２に設けられた上下駆動装置４０によって上下方向に駆動され且つ位置決められるようになっている。上下駆動装置４０は、電動機４２と、電動機４２によって回転駆動されるねじ軸４４と、ねじ軸４４に螺合されたナット部材４６と、上下方向ガイドロッド４８と、上下方向ガイドロッド４８により上下方向に案内され且つナット部材４６に連結された上下部材５０と、上下部材５０から突設され、支持棒２８の下部に連結された連結部材５２と、を備えている。

図４に示すように、支持棒２８の上端部２８ａには、耐火物等のセラミック材からなるホルダー５６と、環状突部１８の内周側の空間を閉じる円形の仕切り板５８と、被加熱物Ｗを収容する甲鉢等の窯道具として知られる有底円筒状の被搬送物Ｋが載置されてそれを支持するセラミック材からなる円板の載置板５４とを含む支持台６０が、支持棒２８と同心に固定されている。

ホルダー５６は、支持棒２８の上端部２８ａをブランケットやヤーンロープ等の断熱材６４を介して嵌め入れる円筒状嵌合部５６ａと、円筒状嵌合部５６ａの上端に固定された円形板部５６ｂとを一体に有している。円形の仕切り板５８は、環状突部１８の内径よりも少し小径、且つホルダー５６よりも大径であって、ホルダー５６の円形板部５６ｂに同心に嵌着されている。載置板５４は、仕切り板５８の外径よりは小径、且つ被搬送物Ｋの外径よりは大径であるセラミック材から成る円板である。

図４に示すように、支持棒２８は、外周側金属管６６と、外周側金属管６６内に挿入された外周側金属管６６よりも小径の内周側金属管６８との２重構造により構成されている。外周側金属管６６の上端面は、断熱材６４に対して所定距離の空間Ｓを隔てた金属板によって液密に閉じられており、内周側金属管６８の上端は解放されている。外周側金属管６６と内周側金属管６８との間に形成された外周側流通路７４と、内周側金属管６８の内周側に形成された内周側流通路７２とは、支持棒２８の上端部２８ａすなわち内周側金属管６８の上端縁を回って相互に連通させられており、冷媒流通路７０として機能している。

外周側金属管６６および内周側金属管６８の下端は、下蓋部材７９により閉じられており、下蓋部材７９には、内周側金属管６８の内周側に形成された内周側流通路７２に連通する冷媒入力ポート７６と、外周側金属管６６と内周側金属管６８との間に形成された外周側流通路７４に連通する冷媒出力ポート７８と、が形成されている。

外周側金属管６６と内周側金属管６８との間に形成された外周側流通路７４の冷媒流通断面積は、内周側金属管６８の内周側に形成された内周側流通路７２の冷媒流通断面積よりも小さく設定されている。これにより、冷媒（本実施例では冷却水）Ｆが下蓋部材７９の冷媒入力ポート７６に供給されると、外周側流通路７４内の冷媒Ｆは、内周側流通路７２を流通する冷媒Ｆの速度よりも早い流速で流通させられ、下蓋部材７９の冷媒出力ポート７８から排出されるようになっている。図５は、図４に示す外周側流通路７４の一部（上部）を展開して示す摸式図である。この図５では、外周側金属管６６と瀬切り板６８ａとが、内周側金属管６８を外して示されている。

外周側金属管６６と内周側金属管６８との間には、それら外周側金属管６６と内周側金属管６８との間に形成された外周側流通路７４を流れる冷媒Ｆが、図４の上部では破線の矢印で示され、図５では実線の矢印で示される流線のように、少なくとも外周側金属管６６の内周面の上端部近傍を通る流線を中心軸線ＣＬまわりの周方向とそれと反対方向の他の周方向とに交互に形成して流通路を長く形成するための複数個の瀬切り板６８ａが水平な姿勢で設けられている。

複数個の瀬切り板６８ａは、外周側流通路７４内において冷媒Ｆの中心線ＣＬ方向の流れを部分的に阻止するためにたとえば円環状の一部に切欠き６８ｂが設けられることで半円環状或いは部分円環状とされた板材である。瀬切り板６８ａは、図５に示すように中心軸線ＣＬ方向に沿って切欠き６８ｂが交互となるように配置されており、冷媒Ｆが積極的に外周側金属管６６の少なくとも上部の内周面近傍を通るようにされている。上記複数個の瀬切り板６８ａは、所定の瀬切り板６８ａの切欠き６８ｂとそれに隣接する瀬切り板６８ａの切欠き６８ｂとの間が最も離間するように配置されることで、冷媒Ｆの流線が外周側金属管６６の少なくとも上部の内周面近傍を通るようにされている。これにより、相対的に低温で密度が高い内周側金属管６８からの冷媒Ｆが外周側流通路７４の上部に到達した状態において、瀬切り板６８ａの存在による密度差により冷媒Ｆの速やかな下降が阻止され、外周側金属管６６の少なくとも上部の冷却効率が高められている。

そして、本実施例では、炉体１４には、図３に示すように、空気、窒素ガス、酸素、水蒸気、水素ガス、アルゴンガスを炉室１６に流量計９４を通して選択的にそれぞれ供給するための、ガス供給配管８０が設けられている。また、炉体１４には、調節弁８２および排気ガス処理装置８４を介して炉体１４内のガスを排出する排気ファン８６が接続されている。さらに、炉体１４には、並列接続されたオンオフ弁８８および調節弁９０を介して真空排気するための真空ポンプ９２が設けられている。これにより、空気、窒素ガス、酸素、水蒸気、水素ガス、アルゴンガスの選択により、また、調節弁９０および真空ポンプ９２の作動により所望の加熱雰囲気が設定されるようになっている。また、各ヒータ３０の温度設定と、支持棒２８の上下駆動操作により、所望の焼成温度カーブを用いて加熱処理を行なうことができる。

上述のように、本実施例の縦型加熱炉１０によれば、上下方向の炉室１６内が複数の加熱領域Ｈ１〜Ｈ５に分割される縦型の炉体１４と、支持台６０が上端部２８ａに固定され、支持台６０により支持された被搬送物Ｋを炉室１６内において上下方向に移動させる支持棒２８と、支持棒２８の外周面に摺接して炉室１６内を気密に封止するシール装置３４とを有し、被搬送物Ｋを複数の加熱領域Ｈ１〜Ｈ５のいずれかに位置させることが可能な縦型加熱炉１０であって、支持棒２８は、外周側金属管６６と外周側金属管６６内に挿入された内周側金属管６８との２重構造により構成され、支持台６０は、断熱材６４を介して外周側金属管６６により支持され、外周側金属管６６内には、内周側金属管６８の内周側流通路７２と、外周側金属管６６の内周面と内周側金属管６８の外周面との間の外周側流通路７４とを有し、内周側流通路７２と外周側流通路７４とが内周側金属管６８の上端において連通する冷媒流通路７０が、設けられている。これにより、断熱材６４により支持台６０から外周側金属管６６への熱伝導が抑制されるとともに、外周側流通路７４と内周側流通路７２との間で冷媒Ｆが流通させられることから、外周側金属管６６の内周面には流通する冷媒Ｆが常時接触しているので、支持棒２８が速やかに引き下げられても、シール装置３４の破損が抑制され、耐久性が高められる。

また、本実施例の縦型加熱炉１０によれば、冷媒Ｆは、内周側金属管６８内の内周側流通路７２の下部へ流入させられるとともに、外周側金属管６６の内周面と内周側金属管６８の外周面との間の外周側流通路７４の下部から流出させられ、外周側金属管６６と内周側金属管６８との間の外周側流通路７４には、内周側流通路７２から外周側流通路７４の上部へ流入させられ冷媒Ｆの流通路を、周方向に形成して長くする瀬切り板６８ａが、設けられている。これにより、外周側金属管６８内では、瀬切り板６８ａにより、内周側流通路７２の下部へ流入させられ冷媒Ｆを内周側流通路７２の上部へ向う過程で、内周側金属管６８の少なくとも上部の内周面近傍を長く通るように流通路が形成されているため、相対的に密度の高い低温の冷媒Ｆが速やかに下降することが抑制され、支持棒２８の外周面の冷却効率が高められる。

また、本実施例の縦型加熱炉１０によれば、外周側流通路７４における冷媒Ｆの流通断面積は、内周側流通路７２における冷媒Ｆの流通断面積よりも小さくされている。これにより、外周側流通路７４へは内周側流通路７２よりも早い流速で冷媒Ｆが流通させられることから、支持棒２８を構成する外周側金属管６６の上端部の内側は、内周側流通路７２よりも早い流速の冷媒Ｆで冷却されるので、支持棒２８が速やかに引き下げられても、シール装置３４の破損が抑制される。

また、本実施例の縦型加熱炉１０によれば、炉体１４の下端面１４ａには、炉室１６が下向きに開く開口（最下段の環状突部１８の内周縁）１８ａが形成されており、炉体１４に形成された開口１８ａを開閉する開閉部材２０と、開閉部材２０を上下方向に駆動する開閉アクチュエータ２２とを有する炉開閉装置２４が、備えられ、支持棒２８は、開閉部材２０を上下方向に移動可能に貫通し、支持棒２８と開閉部材２０との間がシール装置３４により封止されている。このように、シール装置３４により支持棒２８と開閉部材２０との間が封止されているので、炉室１６内の気密性が維持され、真空加熱処理或いは所定のガス雰囲気加熱処理が可能となる。また、炉開閉装置２４により炉室１６が開閉されるので、被搬送物Ｋの炉室１６への入れ出しが容易とされている。

以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、前述の実施例において、縦型の炉体１４および炉室１６は円筒状であったが、角柱状であってもよい。この場合、被搬送物Ｋは、有底角筒状のものが好適に用いられる。

また、前述の実施例において、炉室１６内の上下方向には、５つの第１加熱領域Ｈ１〜第５加熱領域Ｈ５が形成されていたが、少なくとも２つの加熱領域が形成されていればよい。

また、前述の実施例において、瀬切り板６８ａは、支持棒２８の上部に６枚設けられていたが、これに限られない。例えば、上部から下部にかけて６枚未満または７枚以上の瀬切り板６８ａが設けられていてもよい。要するに、瀬切り板６８ａは、外周側金属管６６と内周側金属管６８との間に設けられ、内周側流通路７２から外周側流通路７４の上部へ流入させられた冷媒Ｆの流通路を、周方向に形成するものであればよい。

また、前述の縦型加熱炉１０は、種々の焼成温度カーブを用いて加熱処理試験を行なう昇降式加熱試験機としても好適に用いられる。また、小量生産の製品の加熱処理を行なう加熱炉としても好適に用いられる。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。

１０：縦型加熱炉
１４：炉体
１６：炉室
１８ａ：内周縁（開口）
２０：開閉部材
２２：開閉アクチュエータ
２４：炉開閉装置
２８：支持棒
２８ａ：上端部
３４：シール装置
６０：支持台
６４：断熱材
６６：外周側金属管
６８：内周側金属管
６８ａ：瀬切り板
７０：冷媒流通路
７２：内周側流通路
７４：外周側流通路
Ｆ：冷媒
Ｈ１〜Ｈ５：第１加熱領域〜第５加熱領域（複数の加熱領域）
Ｋ：被搬送物

Claims (3)

1. 炉室内が上下方向の複数の加熱領域に分割される縦型の炉体と、支持台が上端部に固定され、前記支持台により支持された被搬送物を前記炉室内において上下方向に移動させる支持棒と、前記支持棒の外周面に摺接して前記炉室内を気密に封止するシール装置とを有し、前記被搬送物を前記複数の加熱領域のいずれかに位置させることが可能な縦型加熱炉であって、
   前記支持棒は、外周側金属管と前記外周側金属管内に挿入された内周側金属管との２重構造により構成され、
   前記支持台は、断熱材を介して前記外周側金属管により支持され、
   前記外周側金属管内には、前記内周側金属管の内周側流通路と、前記外周側金属管の内周面と前記内周側金属管の外周面との間の外周側流通路とを有し、前記内周側流通路と前記外周側流通路とが前記内周側金属管の上端において連通する冷媒流通路が、設けられており、
   前記炉体の下端面には、前記炉室が下向きに開く開口が形成されており、
   前記炉体に形成された開口を開閉する開閉部材と、前記開閉部材を上下方向に駆動する開閉アクチュエータとを有する炉開閉装置が、備えられ、
   前記支持棒は、前記開閉部材を上下方向に移動可能に貫通し、前記支持棒と前記開閉部材との間が前記シール装置により封止されている
   ことを特徴とする縦型加熱炉。
2. 前記外周側金属管と前記内周側金属管との間には、前記支持棒の中心線方向において交互に位置する切欠きがそれぞれ設けられた円環状或いは部分円環状の複数個の板材であって、前記外周側流通路内において冷媒の前記支持棒の中心線方向の流通を部分的に阻止して前記冷媒の流通路を周方向に形成する複数個の瀬切り板が、設けられている
   ことを特徴とする請求項１の縦型加熱炉。
3. 前記外周側流通路における前記冷媒の流通断面積は、前記内周側流通路における前記冷媒の流通断面積よりも小さくされている
   ことを特徴とする請求項１又は２の縦型加熱炉。

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