JP7389572B2 - 雰囲気撹拌ファン及び熱処理炉 - Google Patents

Description

本発明は、雰囲気撹拌ファン及び熱処理炉に関する。より特定的には、浸窒処理又は浸炭浸窒処理に用いられる雰囲気撹拌ファン及び熱処理炉に関する。

特許文献１（特開平４－１９４４１５号公報）には、鋼製の転がり軸受の構成部品（転動体及び軌道輪）に対する浸炭浸窒処理が記載されている。特許文献１に記載の浸炭浸窒処理では、ＲＸガス、エンリッチガス及びアンモニアガスを含む雰囲気ガス中において鋼製の転がり軸受の構成部品を８７０℃に保持することにより、浸炭浸窒処理が行われる。

特開平４－１９４４１５号公報

浸窒処理は、雰囲気ガス中に存在するアンモニアガスと水素ガスとの平衡反応により進行することが知られている。しかしながら、アンモニアガスは、浸窒処理が行われるような温度（８００℃以上９５０℃以下の温度）においては、分解されやすい。そのため、浸窒処理を効率的に進めるためには、浸窒処理の対象となる部品の近傍に、未分解のアンモニアガスを十分に供給する必要がある。

浸窒処理の対象となる部品の近傍に未分解のアンモニアガスを十分に供給することができるか否かは、アンモニアガスを含む雰囲気ガスに対する撹拌方法に大きく依存する。特許文献１に記載の浸炭浸窒処理においては、アンモニアを含む雰囲気ガスの撹拌に関し、特段の配慮はなされていない。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、浸窒処理又は浸炭浸窒処理を効率的に行うことが可能な雰囲気撹拌ファン及び熱処理炉を提供するものである。

本発明の一態様に係る雰囲気撹拌ファンは、外周面を有するボスと、外周面から径方向に沿って延在する複数のブレードとを備える。ブレードの数は、４以上である。ブレードの平均ピッチ角は、４５°以下である。ブレードの平均翼弦長は、雰囲気撹拌ファンの直径の０．３倍以上である。

上記の雰囲気撹拌ファンにおいて、ブレードの平均ピッチ角は、３０°以下であってもよい。上記の雰囲気撹拌ファンにおいて、ブレードの平均翼弦長は、雰囲気撹拌ファンの直径の０．４倍以上であってもよい。

本発明の一態様に係る熱処理炉は、雰囲気ガスの導入口が設けられた加熱室と、上記の雰囲気撹拌ファンと、加工対象部材が載置される製品バスケットとを備える。雰囲気撹拌ファンは、加熱室内に配置されている。製品バスケットは、加熱室内において雰囲気撹拌ファンの下方に配置されている。

上記の熱処理炉において、製品バスケットは、加工対象部材が載置される底壁と、底壁よりも通気性が低い側壁とを有していてもよい。上記の熱処理炉において、雰囲気ガスはアンモニアガスを含んでいてもよい。

本発明の一態様に係る雰囲気撹拌ファン及び熱処理炉によると、浸窒処理又は浸炭浸窒処理を効率的に行うことができる。

雰囲気撹拌ファン１０の斜視図である。 雰囲気撹拌ファン１０の平面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。 熱処理炉１００の模式図である。 製品バスケット３０の斜視図である。 比較例１の雰囲気撹拌ファン１０を用いた際の加熱室２０内における雰囲気ガスの流れを示すＣＦＤ解析結果である。 比較例２の雰囲気撹拌ファン１０を用いた際の加熱室２０内における雰囲気ガスの流れを示すＣＦＤ解析結果である。 実施例１の雰囲気撹拌ファン１０を用いた際の加熱室２０内における雰囲気ガスの流れを示すＣＦＤ解析結果である。 実施例２の雰囲気撹拌ファン１０を用いた際の加熱室２０内における雰囲気ガスの流れを示すＣＦＤ解析結果である。

実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さない。

（実施形態に係る雰囲気撹拌ファンの構成）
以下に、実施形態に係る雰囲気撹拌ファン（以下においては「雰囲気撹拌ファン１０」とする。）の構成を説明する。

図１は、雰囲気撹拌ファン１０の斜視図である。図２は、雰囲気撹拌ファン１０の平面図である。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。図１～図３に示されるように、雰囲気撹拌ファン１０は、モータ等の駆動源（図示せず）により、回転中心軸Ａ周りに回転可能になっている。雰囲気撹拌ファン１０は、ボス１と、複数のブレード２とを有している。

ボス１は、例えば円柱形状を有している。ボス１は、外周面１１を有している。ブレード２の数は、例えば４である。但し、ブレードの数は、これに限られず、４以上であればよい。各々のブレード２の形状は、同一である。ブレード２は、周方向に沿って等間隔で配置されている。ここで、周方向とは、平面視において回転中心軸Ａを中心とする円周に沿う方向である。ブレード２は、外周面から径方向に沿って延在している。ボス１とブレード２とは、一体に形成されていてもよい。

ブレード２は、第１エッジ２１と、第２エッジ２２とを有している。第１エッジ２１及び第２エッジ２２は、周方向におけるブレード２の縁である。ブレード２は、さらに、第３エッジ２３を有している。第３エッジ２３は、外周面１１とは反対側の第１エッジ２１の端と外周面１１とは反対側の第２エッジ２２の端とに連なるブレード２の縁である。平面視において回転中心軸Ａから第３エッジ２３の中点Ｃに向かう方向が、上記の径方向である。平面視において中心軸Ａ周りの回転に伴ってブレード２が描く円（図中において点線で示されている）の直径が、雰囲気撹拌ファン１０の直径Ｄとなる。

ブレード２は、第１面２４と、第２面２５とを有している。第１面２４及び第２面２５は、ブレード２の主面を構成している。第２面２５は、第１面２４の反対面である。第１面２４及び第２面２５は、例えば平面である。第１面２４及び第２面２５は、曲面であってもよい。第１面２４及び第２面２５は、互いに平行であってもよい。ブレード２は、厚さＴを有している。厚さＴは、第１面２４と第２面２５との間の距離である。厚さＴは、第１エッジ２１と第２エッジ２２との間において一定になっていてもよい。

径方向に直交する各断面において、ブレード２は、ピッチ角θを有している。ピッチ角θは、径方向に直交する断面視において、第１エッジ２１及び第２エッジ２２を結んだ直線Ｌと回転中心軸Ａに直交する平面Ｐとがなす角度である。径方向に直交する各断面において、ピッチ角θは、一定であってもよく、変化していてもよい。径方向に沿ってピッチ角θを平均化した値を、平均ピッチ角という。

径方向に直交する各断面において、ブレード２は、翼弦長ＣＬを有している。翼弦長ＣＬは、径方向に直交する断面視における第１エッジ２１と第２エッジ２２との間の距離である。径方向に直交する各断面において、翼弦長ＣＬは、一定であってもよく、変化していてもよい。径方向に沿って翼弦長ＣＬを平均化した値を、平均翼弦長という。

平均ピッチ角は、４５°以下である。平均ピッチ角は、３０°以下であってもよい。平均翼弦長は、直径Ｄの０．３倍以上である。平均翼弦長は、直径Ｄの０．４倍以上であってもよい。

（実施形態に係る熱処理炉の構成）
以下に、実施形態に係る熱処理炉（以下においては「熱処理炉１００」とする。）の構成を説明する。

熱処理炉１００は、浸窒処理又は浸炭窒化処理に用いられる熱処理炉である。浸窒処理とは、鋼をＡ_１変態点以上の温度に加熱するとともに、当該鋼に窒素を侵入型固溶させる熱処理である。浸炭浸窒処理とは、鋼をＡ_１変態点以上の温度に加熱するとともに、当該鋼に炭素及び窒素を侵入型固溶させる熱処理である。Ａ_１変態点とは、鋼中のフェライト相がオーステナイト相への変態を開始する温度である。

図４Ａは、熱処理炉１００の模式図である。図４Ａに示されるように、熱処理炉１００は、雰囲気撹拌ファン１０と、加熱室２０と、製品バスケット３０とを有している。

加熱室２０は、内部温度を制御可能に構成されている。加熱室２０は、上壁２０ａと、底壁２０ｂと、側壁２０ｃとを有している。上壁２０ａは、ガス導入口２０ｄを有している。ガス導入口２０ｄは、加熱室２０の内部と連通している。ガス導入口２０ｄからは、加熱室２０の内部に雰囲気ガスが導入される。雰囲気ガスは、例えば、Ｒガス（吸熱型変成分ガス）と、アンモニアガスとを含んでいる。底壁２０ｂは、上壁２０ａに対向している。側壁２０ｃは、上壁２０ａ及び底壁２０ｂに連なっている。側壁２０ｃは、ガス排出口２０ｅを有している。ガス排出口２０ｅは、加熱室２０の内部と連通している。ガス排出口２０ｅからは、加熱室２０の内部の雰囲気ガスが排出される。

雰囲気撹拌ファン１０は、加熱室２０の内部に配置されている。雰囲気撹拌ファン１０は、例えば、上壁２０ａの中央近傍に取り付けられている。雰囲気撹拌ファン１０を中心軸Ａ周りに回転させることにより、ガス導入口２０ｄから加熱室２０の内部に導入された雰囲気ガスが撹拌される。

図４Ｂは、製品バスケット３０の斜視図である。製品バスケット３０には、浸炭浸窒処理（浸窒処理）の対象となる加工対象部材が載置される。加工対象部材は、鋼製である。加工対象部材を構成する鋼は、例えば、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ Ｇ ４８０５：２００８）に定められたＳＵＪ２等の高炭素クロム軸受鋼である。製品バスケット３０は、加熱室２０の内部に配置されている。より具体的には、製品バスケット３０は、底壁２０ｂ上に配置されている。製品バスケット３０は、雰囲気撹拌ファン１０の下方に配置されている。

製品バスケット３０は、側壁３１と、底壁３２とを有している。加工対象部材は、底壁３２上に載置される。底壁３２の通気性は、側壁３１の通気性よりも高くなっていることが好ましい。すなわち、側壁３１は、製品バスケット３０の剛性確保のため、底壁３２よりも密な部材により形成されていることが好ましい。側壁３１は、例えば板状部材により形成されており、底壁３２は、例えば、メッシュ部材により形成されている。メッシュ部材は、例えば、金網である。製品バスケット３０は、多段に積み重ねられていてもよい。

熱処理炉１００を用いた浸炭浸窒処理においては、第１に、加工対象部材の準備が行われる。熱処理炉１００を用いた浸炭浸窒処理においては、第２に、加工対象部材が、加熱室２０内にある製品バスケット３０に載置される。熱処理炉１００を用いた浸炭浸窒処理においては、第３に、加熱室２０内において、加工対象部材が所定の温度に保持される。所定の温度は、加工対象部材を構成する鋼のＡ_１変態点以上の温度（例えば、８００℃以上９５０℃以下）の温度である。この際、熱処理炉１００内には、ガス導入口２０ｄから雰囲気ガスが供給されているとともに、当該雰囲気ガスは、雰囲気撹拌ファン１０により撹拌されている。熱処理炉１００を用いた浸炭浸窒処理においては、第４に、加工対象部材をＭｓ変態点以下の温度まで冷却することにより、加工対象部材が焼き入れられる。Ｍｓ変態点とは、オーステナイト相からマルテンサイト相への変態を開始する温度である。

上記の熱処理が行われた後、加工対象部材に対して、焼き戻し等の熱処理がさらに行われるとともに、研削等の仕上げ加工が行われる。以上により、加工対象部材から転がり軸受を構成する部品（例えば、軌道輪、転動体）が形成される。

（実施例）
以下に、雰囲気撹拌ファン１０及び熱処理炉１００の実施例を説明する。

雰囲気撹拌ファン１０を用いた熱処理炉１００の加熱室２０内における雰囲気ガスの流れ及び未分解アンモニアガスの分率を明らかにするため、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析を行った。

＜アンモニアガスの分解反応における反応次数及び反応速度定数＞
アンモニアガスの分解反応（２ＮＨ_３→Ｎ_２＋３Ｈ_２）における反応次数を１．７、アンモニアガスの分解反応における反応速度定数を０．５ｍ^３／（ｍｏｌ・ｓ）として、ＣＦＤ解析を行った。なお、上記の反応次数及び反応速度定数を用いることにより、ＣＦＤ解析において実環境を精度よく再現できることは、予め確認した。

＜加熱室２０＞
加熱室２０の形状は、１．５ｍ×１．５ｍ×１．５ｍの立方体形状とした。なお、実環境においては、加熱室２０内に製品バスケット３０が配置されるが、ＣＦＤ解析においては、雰囲気ガスの流れを明確化するために、製品バスケット３０の配置が省略された。ガス導入口２０ｄは、上壁２０ａに２箇所設けられ、ガス排出口２０ｅは側壁２０ｃに１箇所設けられた。加熱室２０内における温度は、８５０℃とされた。

＜雰囲気ガス＞
雰囲気ガスには、Ｒガスとアンモニアガスとを混合したものを用いた。Ｒガスの導入量は、常温常圧換算で１５ｍ^３／ｈ（２箇所のガス導入口２０ｄの合計。なお、各々のガス導入口２０ｄからの導入量は、均等とされた。）とされた。Ｒガスに対するアンモニアガスの添加量は、３質量パーセントとされた。加熱室２０内における雰囲気ガスの圧力は、１０１ｋＰａとされた。表１には、ＣＦＤ解析に用いられたＲガスの８５０℃におけるＲガスの物性が示されている。

＜雰囲気撹拌ファン１０＞
表２に示されるように、４種類の雰囲気撹拌ファン（以下においては、比較例１、比較例２、実施例１及び実施例２とする。）が準備された。比較例１においては、平均ピッチ角が９０°であり、平均翼弦長が直径Ｄの０．２倍であった。比較例２においては、平均ピッチ角が４５°であり、平均翼弦長が直径Ｄの０．２倍であった。

実施例１においては、平均ピッチ角が４５°であり、平均翼弦長が直径Ｄの０．３倍であった。実施例２においては、平均ピッチ角が３０°であり、平均翼弦長が直径Ｄの０．４倍であった。なお、比較例１～実施例２においては、直径Ｄは、いずれも１５００ｍｍとされた。比較例１～実施例２においては、ブレード２の数は、４とされた。比較例１～実施例２においては、雰囲気撹拌ファン１０の回転数は１５００ｒｐｍとされ、雰囲気撹拌ファン１０の回転方向は、加熱室２０の内部から見て反時計回りとされた。

＜ＣＦＤ解析結果＞
図５Ａは、比較例１の雰囲気撹拌ファン１０を用いた際の加熱室２０内における雰囲気ガスの流れを示すＣＦＤ解析結果である。図５Ｂは、比較例２の雰囲気撹拌ファン１０を用いた際の加熱室２０内における雰囲気ガスの流れを示すＣＦＤ解析結果である。図５Ｃは、実施例１の雰囲気撹拌ファン１０を用いた際の加熱室２０内における雰囲気ガスの流れを示すＣＦＤ解析結果である。図５Ｄは、実施例２の雰囲気撹拌ファン１０を用いた際の加熱室２０内における雰囲気ガスの流れを示すＣＦＤ解析結果である。なお、図５Ａ～図５Ｄ中における矢印は、雰囲気ガスの流れを示しており、当該矢印が大きいほど、雰囲気ガスの流速が大きい。

図５Ａに示されるように、比較例１において、雰囲気ガスは、雰囲気撹拌ファン１０の側方へ広がるように流れていた。他方で、図５Ｂ～図５Ｄに示されるように、比較例２、実施例１及び実施例２において、雰囲気撹拌ファン１０の側方及び上方にある雰囲気ガスが、雰囲気撹拌ファン１０の近傍に集積されるとともに、そこから下方へと押し出されていた。比較例２と実施例１とを比較すると、実施例１のほうが、雰囲気ガスをより強く下方に押し出していた。また、実施例１と実施例２とを比較すると、実施例２のほうが、雰囲気ガスをより強く下方に押し出していた。このように、このように、平均ピッチ角を４５°以下にするとともに、平均翼弦長を直径Ｄの０．３倍以上とすることにより、雰囲気ガスが雰囲気撹拌ファン１０から下方に向かって製品バスケット３０の近傍に吹き付けられるように撹拌されることが明らかにされた。

（実施形態に係る雰囲気撹拌ファン及び熱処理炉の効果）
以下に、雰囲気撹拌ファン１０及び熱処理炉１００の効果を説明する。

雰囲気ガスが加熱室２０内において製品バスケット３０の近傍に吹き付けられるように撹拌されると、雰囲気ガス中のアンモニアガスが分解される前に雰囲気ガスが製品バスケット３０の近傍に供給され、製品バスケット３０の近傍における未分解のアンモニアガスの分率を高めることができる。そのため、平均ピッチ角が４５°以下かつ平均翼弦長が直径Ｄの０．３倍以上との条件を満たしている場合、製品バスケット３０の近傍において、未分解のアンモニアガスの分率を高めることができる。

側壁３１の通気性が底壁３２の通気性よりも低い場合、雰囲気ガスが側方へ広がるように流れると、雰囲気ガスの流れが側壁３１により遮られるため、加工対象部材近傍に高濃度の未分解アンモニアガスが供給されにくい。しかしながら、上記のＣＦＤ解析結果に示されるように、雰囲気撹拌ファン１０を用いることにより（すなわち、平均ピッチ角が４５°以下かつ平均翼弦長が直径Ｄの０．３倍以上との条件を満たすことにより）、雰囲気ガスは、雰囲気撹拌ファン１０から下方へと吹き付けられるため、側壁３１の通気性が底壁３２の通気性よりも低い場合であっても、加工対象部材近傍に高濃度の未分解アンモニアガスが供給することができる。

なお、底壁３２の通気性は、側壁３１の通気性よりも高く、雰囲気ガスの流れが底壁３２により妨げられにくいため、雰囲気撹拌ファン１０を用いた場合、製品バスケット３０が多段に積み重ねられたとしても、加工対象部材近傍に高濃度の未分解アンモニアガスが供給することができる。

以上のように、雰囲気撹拌ファン１０及びそれを用いた熱処理炉１００によると、浸窒処理又は浸炭浸窒処理を効率的に行うことが可能となる。

以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

上記の実施形態は、浸窒処理又は浸炭浸窒処理に用いられる雰囲気撹拌ファン及び熱処理炉に特に有利に適用される。

１ ボス、２ ブレード、２１ 第１エッジ、２２ 第２エッジ、２３ 第３エッジ、２４ 第１面、２５ 第２面、１１ 外周面、２０ 加熱室、２０ａ 上壁、２０ｂ 底壁、２０ｃ 側壁、２０ｄ ガス導入口、２０ｅ ガス排出口、３０ 製品バスケット、３１ 側壁、３２ 底壁、１０ 雰囲気撹拌ファン、１００ 熱処理炉、Ｃ 中点、ＣＬ 翼弦長、Ｄ 直径、Ｌ 直線、Ｐ 平面、Ｔ 厚さ、Ａ 回転中心軸。

Claims (5)

1. 雰囲気ガスの導入口が設けられた加熱室と、
   雰囲気撹拌ファンと、
   加工対象部材が載置される製品バスケットとを備え、
   前記雰囲気撹拌ファンは、前記加熱室内に配置され、
   前記雰囲気攪拌ファンは、回転中心軸を有し、
   前記雰囲気撹拌ファンは、前記回転中心軸に沿う柱状であり、外周面を有するボスと、前記外周面から径方向に沿って延在する複数のブレードとを備え、
   前記ブレードの数は、４以上であり、
   前記ブレードの平均ピッチ角は、４５°以下であり、
   前記ブレードの平均翼弦長は、前記雰囲気撹拌ファンの直径の０．３倍以上であり、
   前記雰囲気攪拌ファンは、前記回転軸が上下方向に沿うように配置されており、かつ雰囲気ガスを下方に吹き付けるように前記回転中心軸回りに回転され、
   前記製品バスケットは、前記加熱室内において前記雰囲気撹拌ファンの下方に配置される、熱処理炉。
2. 前記平均ピッチ角は、３０°以下である、請求項１に記載の熱処理炉。
3. 前記平均翼弦長は、前記直径の０．４倍以上である、請求項１又は請求項２に記載の熱処理炉。
4. 前記製品バスケットは、前記加工対象部材が載置される底壁と、前記底壁よりも通気性が低い側壁とを有する、請求項１に記載の熱処理炉。
5. 前記雰囲気ガスは、アンモニアガスを含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の熱処理炉。

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