JP7193237B2 - 熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱処理装置に関する。

真空炉等の熱処理装置を用いて浸炭処理を行うと、熱処理装置の炉内に煤が付着することがある。炉内に付着した煤を除去する方法として、バーンアウトする方法が知られている。例えば、特許文献１には、炉内に燃焼ガスを導入し、煤を燃焼させる方法が開示されている。

特開２０１６－１１７９３９号公報

発明者らは、熱処理装置に関し、以下の課題を見出した。
熱処理装置の炉内には、断熱材が配置されていることがある。断熱材の内側には、処理空間が設けられている。ワークは、処理空間に格納され、浸炭処理を施される。浸炭処理を行う際には、処理空間内に浸炭ガスを導入する。

真空浸炭処理を行う際には、炉内を真空引きする必要がある。そこで、例えば、炉体に排気ポートを延設し、排気ポートを介して断熱材と炉体との間隙を真空引きする。断熱材同士の空間は、バルクによって埋められている。処理空間は、断熱材同士の空間を埋めるバルク等を介して真空引きされる。そのため、断熱材と炉体との間隙を真空引きすると、処理空間内の圧力が、断熱材と炉体との間隙の圧力よりも、高くなる。つまり、断熱材は、真空引きする際に、外側に向かう応力を受ける。

炉体には、断熱材と炉体との間隙に連通する排気ポートが延設されている。断熱材と炉体との間隙を真空引きする際には、排気ポートに接続された真空ポンプ等を用いて真空引きする。熱処理装置をバーンアウトする際には、排気ポートに燃焼ガス導入手段を接続し、燃焼ガスを導入する。

炉体に延設された排気ポートを介して燃焼ガスを導入すると、断熱材と炉体との間隙に燃焼ガスが導入される。したがって、燃焼ガスを導入する際に、断熱材と炉体との間隙の圧力が、処理空間の圧力よりも、高くなる。断熱材と炉体との間隙の圧力が処理空間の圧力よりも高くなると、断熱材は、内側に向かう応力を受ける。つまり、断熱材は、バーンアウトする際において、真空浸炭処理する際に受ける応力と反対向きの応力を受ける。

断熱材は、真空引きする際に変形しにくいように、外側に向かう応力を受けた際に変形しにくいように設計されている。したがって、断熱材は、内側に向かう応力を受けると、断熱材は、外側に向かう応力を受けた際よりも、変形しやすい。したがって、バーンアウトする際に、内側に向かって所定以上の応力を断熱材が受けることを抑制することによって、断熱材の変形を抑制することができる。

本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、断熱材の変形を抑制しつつバーンアウトを行うことができる熱処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための一態様は、炉体と、前記炉体に格納された断熱材と、を備え、前記断熱材の内側には、ヒーターを用いて加熱されるワーク処理空間が設けられており、前記炉体と前記断熱材との間隙及び前記ワーク処理空間に燃焼ガスを導入すると共に前記ヒーターを用いて前記ワーク処理空間を加熱することによって、前記炉体内に付着した煤を燃焼させるバーンアウトを行うことができる熱処理装置であって、前記燃焼ガスを導入する際に、一方の端が前記ワーク処理空間に開口しているノズルを介して前記ワーク処理空間に前記燃焼ガスを導入する。

本発明に係る熱処理装置では、燃焼ガスを導入する際に、一方の端がワーク処理空間に開口しているノズルを介してワーク処理空間に燃焼ガスを導入する。したがって、ワーク処理空間が、炉体と断熱材との間隙に比べて、所定以上の圧力を保つことができる。つまり、燃焼ガスを導入する際に、内側に向かって所定以上の応力を断熱材が受けることを抑制することができる。したがって、断熱材の変形を抑制しつつバーンアウトを行うことができる。

本発明によれば、断熱材の変形を抑制しつつバーンアウトを行うことができる熱処理装置を提供することができる。

本実施の形態に係る熱処理装置の断面図である。 本実施の形態に係る熱処理装置の系統図である。 燃焼ガス導入の流れを示す、熱処理装置の断面図である。 本実施の形態に係る熱処理装置の圧力差と、断熱材の変形量と、の関係を示すグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

まず、図１及び図２を参照して、本実施の形態に係る熱処理装置の構成について説明する。
図１は、本実施の形態に係る熱処理装置の断面図である。熱処理装置１は、図１に示すように、炉体２、断熱材４、バルク５、ノズル８及び９を備える。炉体２には、図１に示すように、排気ポート３が延設されている。排気ポート３の端部には、図２に示すフランジ１４が設けられている。

図２は、本実施の形態に係る熱処理装置の系統図である。図２に示すように、熱処理装置１には、浸炭ガス導入経路、燃焼ガス導入経路、及び排気経路が接続されている。浸炭ガス導入経路には、電磁弁１０及び１１が接続されている。燃焼ガス導入経路には、電磁弁１３及び１５が接続されている。排気経路には、バルブ１２が接続されている。

炉体２は、例えば、断面矩形状である。炉体２には、図１に示すように、排気ポート３が延設されている。排気ポートの端部には、図２に示すように、フランジ１４が設けられている。排気ポート３は、図２に示す排気経路にフランジ１４を用いて連結されている。

排気経路は、例えば、真空ポンプ（不図示）に連結されている。真空ポンプを動作させることによって、炉体２の内部を排気ポート３を介して真空引きすることができる。排気経路の途中部には、バルブ１２が接続されている。バルブ１２は、例えば、開閉式のバルブである。

炉体２の内部には、図１に示すように、断熱材４が格納されている。間隙６は、炉体２と断熱材４との間隙である。断熱材４の内側には、ワーク処理空間７が設けられている。ワーク処理空間７には、ワークを格納することができる。ワーク処理空間７に格納されたワークは、例えば、浸炭処理を施される。

ワーク処理空間７は、ヒーター１６を用いて加熱される。例えば、バーンアウトを行う際には、ワーク処理空間７は、ヒーター１６を用いて８００℃以上に加熱される。ヒーター１６は、例えば、図１に示すように、断熱材４の内周面に設置される。なお、ヒーター１６が設置される位置は、ワーク処理空間７を加熱することができる位置であれば、特に限定されない。ヒーター１６は、例えば、炭化ケイ素ヒーター（ＳｉＣヒーター）である。

断熱材４及びヒーター１６は、例えば、一体となって取り外し可能なユニットを形成していてもよい。断熱材４及びヒーター１６を一体化してユニットを形成する場合、ヒーター用電極や炉体２の底部も一体となっていてもよい。炉体２と断熱材４との間には間隙６が設けられているため、断熱材４は、炉体２から容易に取り外すことができる。したがって、間隙６を設けることによって、間隙６が設けられない場合よりも、短時間でユニットの交換を行うことができる。

断熱材４は、セラミッスクを用いて構成される。断熱材４は、例えば、アルミナ・シリカ系セラミックスを用いて構成される。断熱材４は、例えば、複数の板状セラミックス材が積層された積層体である。セラミックス材は、例えば、繊維状態のセラミックスや、粒子形状のセラミックス及び繊維の混合材を、圧縮成型したものである。断熱材４同士の空間は、図１に示すように、バルク５によって埋められている。

バルク５は、綿状の繊維を圧縮することによって成形される。バルク５は、例えば、セラミックスファイバーを用いて構成される。バルク５は、気体を通すことができる。したがって、排気ポート３を介して間隙６を真空引きすることによって、ワーク処理空間７を真空引きすることができる。

断熱材４は、セラミックスを用いて構成されているため、例えば、金属製断熱材よりも、高温下における断熱性能に優れている。また、高温下において変形しにくいため、金属製断熱材よりも、長期間使用しても断熱性能が低下しにくい。しかしながら、セラミックスを用いて構成された断熱材４は、金属製断熱材よりも、機械的強度が弱い。したがって、ワーク処理空間７の圧力と、間隙６の圧力と、の圧力差が大きくなると、金属製断熱材よりも、変形及び破損しやすい。

間隙６を真空引きすると、ワーク処理空間７の圧力が、間隙６の圧力よりも、高くなる。つまり、断熱材４は、真空引きされる際に、外側に向かう応力を受ける。したがって、断熱材４は、外側に向かう応力を受ける際に変形しにくいように設計されている。そこで、バーンアウトを行う際に、所定以上の応力を断熱材４が内側に向かって受けることを抑制することによって、断熱材４の変形を抑制することができる。つまり、バーンアウトを行う際に、ワーク処理空間７の圧力が、間隙６の圧力に比べて、所定以上である状態を保つことによって、断熱材４の変形を抑制することができる。

ノズル８及び９は、図１に示すように、一方の端がワーク処理空間７内に開口している管である。ノズル８及び９の他方の端は、図２に示す浸炭ガス導入経路に接続されている。浸炭ガスは、ノズル８及び９を介して、ワーク処理空間７に導入される。浸炭ガスは、炭素を含有するガスである。浸炭ガスは、アセチレンガス等の炭化水素ガスを用いて構成される。

浸炭ガス導入経路は、例えば、図２に示すように、途中部において分岐し、２つの分岐路を形成している。２つの分岐路のうち一方は、ノズル８に接続している。２つの分岐路のうち他方は、ノズル９に接続している。浸炭ガス導入経路は、ノズル８及び９を介して浸炭ガスを導入する。なお、浸炭ガス導入経路は、ワーク処理空間７に浸炭ガスを導入することができる位置であれば、どのように延設されていてもよい。浸炭ガス導入経路は、例えば、途中部において分岐せずに単一のノズルを介して浸炭ガスを導入してもよい。

浸炭ガス導入経路には、図２に示すように、電磁弁１０及び１１が接続されている。具体的には、ノズル８に接続されている分岐路の途中部に電磁弁１０が接続されている。ノズル９に接続されている分岐路の途中部に電磁弁１１が接続されている。電磁弁１０及び１１を開閉することによって、浸炭ガスの導入を制御することができる。なお、浸炭ガスの導入を制御することができるバルブであれば、電磁弁に限定されない。浸炭ガス導入経路には、例えば、手動バルブが接続されていてもよい。

ワークに浸炭処理を施す際には、まず、電磁弁１０、１１、１３、及び１５を閉じると共にバルブ１２を開け、排気ポート３を介して間隙６を真空引きする。したがって、真空引きする際には、ワーク処理空間７の圧力が間隙６の圧力よりも高くなる。間隙６が真空引きされると、バルク５を介してワーク処理空間７が真空引きされる。

ワークに浸炭処理を施す際には、間隙６及びワーク処理空間７の圧力が十分に低くなるまで真空引きを行う。ワーク処理空間７の圧力が十分低くなった後に、バルブ１２を閉じ、真空引きを停止する。そして、電磁弁１０及び１１を開け、浸炭ガスをワーク処理空間７に導入する。このような構成によって、ワーク処理空間７に格納されたワークに真空浸炭処理を施すことができる。

炉体２には、排気ポート３が、例えば、１箇所設けられている。排気ポート３を介して間隙６を真空引きすると、バルク５や断熱材４同士の合わせ面の隙間等から、ワーク処理空間７は真空引きされる。すなわち、ワーク処理空間７は、複数箇所から真空引きされている。

炉体２と断熱材４との間に間隙６が設けられない場合を考える。間隙６が設けられない場合、ワーク処理空間７の排気を行うために、一方の端がワーク処理空間７内に開口するように排気ポート３を配置する。ワーク処理空間７内に一方の端が開口した排気ポート３を用いてワーク処理空間７を真空引きすると、ワーク処理空間７において排気ポート３に向かう雰囲気の流れが発生する。

排気ポート３に向かう雰囲気の流れが発生すると、例えば、排気ポート３の近傍の領域は、排気されやすい。一方、排気ポート３に向かう雰囲気の流れが弱い領域は、排気されにくい。つまり、ワーク処理空間７内において、局部的な排気が起こることがある。局部的な排気が起こったワーク処理空間７において浸炭処理を行うと、品質のばらつきが起こる虞がある。

炉体２と断熱材４との間に間隙６が設けられている場合、炉体２に設けられた排気ポートが１箇所であっても、ワーク処理空間７を複数箇所から真空引きすることができる。したがって、ワーク処理空間７において、真空引きを行う際に発生する雰囲気の流れを抑制することができる。そのため、浸炭処理の品質のばらつきを抑制することができる。

ノズル８及び９は、浸炭ガス導入経路に接続されると共に、図２に示す燃焼ガス導入経路にも接続されている。燃焼ガス導入経路は、例えば、図２に示すように、途中部において分岐し、２つの分岐路を形成している。２つの分岐路のうち一方は、電磁弁１０よりもノズル８側の位置でノズル８に接続している。２つの分岐路のうち他方は、電磁弁１１よりもノズル９側の位置でノズル９に接続している。燃焼ガス導入経路は、ノズル８及び９を介して燃焼ガスを導入する。

燃焼ガス導入経路には、図２に示すように、電磁弁１３及び１５が接続されている。具体的には、ノズル８に接続されている分岐路の途中部に電磁弁１３が接続されている。ノズル９に接続されている分岐路の途中部に電磁弁１５が接続されている。電磁弁１３及び１５を開閉することによって、燃焼ガスの導入を制御することができる。燃焼ガス導入経路は、熱処理装置１のバーンアウトを行う際に、ノズル８及び９を介してワーク処理空間７に燃焼ガスを導入する。

ワーク処理空間７に導入された燃焼ガスは、バルク５を介して間隙６に導入される。燃焼ガスは、例えば、エアーである。なお、電磁弁１３及び１５は、燃焼ガスの導入を制御することができるバルブであれば、電磁弁に限定されない。燃焼ガス導入経路には、例えば、手動バルブが接続されていてもよい。

図２では、燃焼ガス導入経路が浸炭ガス導入経路の途中部から延設されており、浸炭ガス導入経路に接続されているノズルを用いて燃焼ガスを導入する場合を示した。つまり、浸炭ガス導入経路に接続されているノズルを、浸炭ガスの導入及び燃焼ガスの導入のいずれにも使用する共通ノズルとする場合を示した。しかしながら、燃焼ガス導入経路は、ワーク処理空間７に燃焼ガスを導入することができる位置であれば、どのように配置されていてもよい。燃焼ガス導入経路は、例えば、浸炭ガス導入経路と異なるノズルを用いてワーク処理空間７に燃焼ガスを導入する経路であってもよい。

燃焼ガス導入経路は、ワーク処理空間７に燃焼ガスを導入することができる位置であれば、どのように配置されていてもよい。燃焼ガス導入経路は、例えば、途中部において分岐せずにノズル８または９のいずれか一方のみに接続されていてもよい。また、燃焼ガス導入経路は、浸炭ガス導入経路と異なるノズルを用いてワーク処理空間７に燃焼ガスを導入する経路であってもよい。

しかしながら、燃焼ガス導入経路は、図２に示すように、浸炭ガス導入経路に接続されている全てのノズルに接続されていることが好ましい。つまり、浸炭ガス導入経路に接続されている全てのノズルが、共通ノズルとして用いられることが好ましい。

ノズル８及び９を介してワーク処理空間７に浸炭ガスを導入することを繰り返し行うと、ノズル８及び９の内周面には、煤が付着する。ノズル８及び９は、内周面に付着した煤によって詰まることがある。ノズル８及び９が詰まると、浸炭ガスの流れや燃焼ガスの流れが止まる虞がある。そこで、ノズル８及び９の内周面から定期的に煤を除去する必要がある。

浸炭ガス導入経路に接続されている全てのノズル８及び９が、共通ノズルである場合、バーンアウトを行う際に、燃焼ガスは、ノズル８及び９を用いて導入される。ノズル８及び９は、ワーク処理空間７内の熱が伝導されるため、バーンアウトする際に、高温になる。したがって、ノズル８及び９の内周面に付着した煤は、バーンアウトする際に、燃焼される。

浸炭ガス導入経路に接続されている全てのノズル８及び９が、共通ノズルである場合、バーンアウトする際に、全てのノズル８及び９の内周面に付着した煤を燃焼させることができる。つまり、バーンアウトを行うことによって、全てのノズル８及び９において煤による詰まりを予防することができる。したがって、ノズルの内周面に付着した煤を除去する工程を、バーンアウトする工程と別途に行う必要がない。

次に、図３を参照して、バーンアウトを行う際における燃焼ガスの流れについて説明する。図３は、燃焼ガス導入の流れを示す、熱処理装置の断面図である。

バーンアウトを行う際には、まず、バルブ１２を開け、排気ポート３を介して間隙６を真空引きする。次に、電磁弁１０及び１１を閉じると共に電磁弁１３及び１５を開け、燃焼ガスをワーク処理空間７に導入する。したがって、燃焼ガスを導入する際には、ワーク処理空間７の圧力が間隙６の圧力よりも高い。

ワーク処理空間７に導入された燃焼ガスは、ワーク処理空間７内に付着した煤を燃焼する。一部の燃焼ガスは、バルク５を介して間隙６に導入される。間隙６に導入された燃焼ガスは、間隙６に付着した煤を燃焼する。そして、ワーク処理空間７及び間隙６において燃焼した燃焼ガスは、排気ポート３から排気される。

上記の構成によって、真空引きをする際及び燃焼ガスを導入する際に、ワーク処理空間７の圧力が、間隙６の圧力に比べて、所定以上である状態を保つことができる。したがって、バーンアウトする際に、内側に向かって所定以上の応力を断熱材が受けることを抑制することができる。内側に向かって所定以上の応力を受けないため、内側に向かって所定以上の応力を受ける場合よりも、断熱材４の変形やバルク５の破損の発生が抑制される。したがって、浸炭処理の性能のばらつきが、起こりにくい。また、断熱材４やバルク５の点検周期及び保全周期を長くすることができる。したがって、点検及び保全に要する手間や資源を低減することができる。

次に、図４を参照して、圧力差と断熱材の破損との関係について説明する。図４は、本実施の形態に係る熱処理装置の圧力差Δと、断熱材の変形量と、の関係を示すグラフである。図４に示した圧力差Δは、以下の数式（１）によって計算される。

（圧力差Δ）＝（ワーク処理空間７の圧力）－（間隙６の圧力） …数式（１）

図４に示すように、圧力差Δが－３０ｋＰａである場合、断熱材４は、変形量が大きくなり、破損した。一方、圧力差Δが－１０ｋＰａ以上である場合、断熱材４は、変形量が小さく、破損しなかった。したがって、間隙６の圧力が、ワーク処理空間７の圧力に比べて１０ｋＰａ以下である状態を保つことによって、断熱材４の変形を抑制することができる。

以上で説明した本実施の形態に係る発明により、断熱材の変形を抑制しつつバーンアウトを行うことができる熱処理装置を提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 熱処理装置
２ 炉体
３ 排気ポート
４ 断熱材
５ バルク
６ 間隙
７ ワーク処理空間
８、９ ノズル
１０、１１、１３、１５ 電磁弁
１２ バルブ
１４ フランジ
１６ ヒーター

Claims (5)

1. 炉体と、前記炉体に格納された断熱材と、を備え、
   前記断熱材の内側には、ヒーターを用いて加熱されるワーク処理空間が設けられており、
   前記炉体と前記断熱材との間隙及び前記ワーク処理空間に燃焼ガスを導入すると共に前記ヒーターを用いて前記ワーク処理空間を加熱することによって、前記炉体内に付着した煤を燃焼させるバーンアウトを行うことができる熱処理装置であって、
   前記燃焼ガスを導入する際に、一方の端が前記ワーク処理空間に開口しているノズルを介して前記ワーク処理空間に前記燃焼ガスを導入し、
   前記断熱材は、セラミックスで構成され、前記ワーク処理空間を囲むように配置され、ただし、前記断熱材が存在しない空間があり、前記空間は、気体を通過可能なバルクによって埋められており、前記バルクと前記断熱材とにより、前記ワーク処理空間が形成されており、
   バーンアウトを行う際の以下の数式（１）によって計算される圧力差Δは、－１０ｋＰａ以上、３０ｋＰａ以下である、
   熱処理装置。
   （前記圧力差Δ）＝（前記ワーク処理空間の圧力）－（前記間隙の圧力）・・・数式（１）
2. 前記バルクが、綿状の繊維の圧縮物である、請求項１に記載の熱処理装置。
3. 前記綿状の繊維が、セラミックスファイバーである、請求項２に記載の熱処理装置。
4. 前記断熱材が、複数の板状セラミックス材が積層された積層体である、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱処理装置。
5. 前記セラミックス材が、繊維状態のセラミックス、または、粒子形状のセラミックスおよび繊維の混合材を、圧縮成型したものである、請求項４に記載の熱処理装置。

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