JPH05312478A - 熱間等方圧加圧装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 高圧容器内の高圧室に倒立コップ状の断熱層
が設けられ、該断熱層内に配置された被処理体を圧媒ガ
スで熱間等方圧加圧処理した後、前記圧媒ガスを前記断
熱層上部に開設された通気孔から流出させ、前記断熱層
下部に開設された通気孔から再度前記断熱層内に流入さ
せることにより冷却する熱間等方圧加圧装置において、
前記断熱層の外周側面と前記高圧容器の内壁面との間隙
が、前記断熱層下部よりも上部の方が広くなっている。 【効果】 高圧容器上部の過昇温を防止すると共に、容
器の高さ方向全体にわたって熱交換を行うので、効率良
く冷却できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＨＩＰ処理後の冷却を
迅速に実施できる熱間等方圧加圧（以下、ＨＩＰと略記
する）装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＨＩＰ処理製品の生産性の向上を図るた
めには、ＨＩＰ処理後の冷却時間を短縮することが有効
である。ＨＩＰ処理後の冷却方法として、一般に高圧室
内で圧媒ガスを循環させる方法を利用している。すなわ
ち、高圧容器内の高圧室に設けられた倒立コップ状の断
熱層上部及び下部に通気孔を開設し、上部の通気孔から
断熱層内の圧媒ガスを流出させ、断熱層の外周側面と高
圧容器の内壁面との間を流下させ、下部の通気孔を介し
て再度断熱層内に到る循環流を生ぜしめる。断熱層内外
を循環する間に、高温の圧媒ガスと高圧室を画成する高
圧容器との間で熱交換を行うことにより、断熱層内の炉
室が冷却される。

【０００３】しかし、かかる方法では、ガス循環開始時
に高温ガスと熱交換を行う高圧容器上部が過昇温となる
ことがある。これは高圧容器の損傷を招くため大きな問
題である。高圧容器上部の過昇温防止対策を講じたＨＩ
Ｐ装置として、実開昭６３−８３５９５号公報に、図５
に示すようなＨＩＰ装置が提案されている。このＨＩＰ
装置は、高圧室１、該高圧室１上面の開口部を閉塞する
上蓋２、及び該高圧室１底面の開口部を閉塞する下蓋３
から画成される高圧室８内に、外側のケーシング１３及
び内側のケーシング１４で構成される断熱層６が設けら
れ、該断熱層６の内側はヒータ７が備えられた炉室４を
形成している。外側のケーシング１３の上面及び下端に
は第１通気孔１６及び第２通気孔１７が開設されてお
り、炉室４内のガスが断熱層６外に流出入できるように
なっている。また、上蓋２の一端に気体浸透性の小さい
材料からなる筒体１１が高圧容器１の内壁面上部を覆う
ように装着されていて、高圧容器１内面と該筒体１１と
の間にガス層形成空隙１２が形成されている。なお、駆
動装置１８の弁棒１９の下部は第１通気孔１６の弁１９
ａとなっていて、弁棒１９の上下動により断熱層上面の
第１通気孔１６を開閉できるようになっている。図中、
９は被処理体である。

【０００４】かかる装置において、ＨＩＰ処理後、弁１
９ａを開くと、断熱層６内の高温圧媒ガスが流出し、筒
体１１内面に沿って流下、さらに高圧容器１と断熱層６
とからなるガス流路を経て、反転して断熱層６内を上昇
するという矢印方向の循環流を生じる。そして、圧媒ガ
スが断熱層６内外を循環する間に、高圧容器と熱交換を
してガスの熱を奪うことにより、断熱層６内を冷却す
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記ＨＩＰ装置では、
高圧容器１上部の内壁面が筒体１１で覆われ、筒体１１
と容器１内壁面との間にはガス層形成空隙１２が存在す
るので、高圧容器１上部の内壁面の過昇温を防止でき
る。しかし、筒体１１と圧媒ガスとの温度差は第１通気
孔１６の開放後間もなく０となり、その後は筒体１１が
覆われていない高圧容器１の下部の内壁面及び上蓋２と
の熱交換による冷却が行われるのみで、熱交換面として
高圧容器内壁面が有効利用されているとはいえず、冷却
効率という点からも必ずしも高いとはいえない。

【０００６】一般に冷却効率を高めるには、高圧容器の
高さ方向全体にわたって効率よく熱交換を行わさせるこ
とが重要である。しかも高温の圧媒ガスと熱交換を行う
ことになる高圧容器上部での過昇温を防止するために
は、容器上部では熱伝達率が小さく、容器下部になるに
従って大きくなることが好ましい。本発明は、このよう
な事情に鑑みてなされたものであり、その目的とすると
ころは、高圧容器上部の過昇温を防止すると共に、容器
全体で効率よく熱交換を行うことにより迅速にＨＩＰ処
理を行うことができるＨＩＰ装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の熱間等方圧加圧
装置は、高圧容器内の高圧室に設けられた倒立コップ状
の断熱層内に配置された被処理体を圧媒ガスで熱間等方
圧加圧処理した後、前記圧媒ガスを前記断熱層上部に開
設された通気孔から流出させ、前記断熱層下部に開設さ
れた通気孔から再度前記断熱層内に流入させることによ
り冷却する熱間等方圧加圧装置において、前記断熱層の
外周側面と前記高圧容器の内壁面との間隙が、前記断熱
層下部よりも上部の方が広くなっている。

【０００８】

【作用】ＨＩＰ処理後の冷却に際しての熱伝達率αは、
式に示すような、強制対流熱伝達におけるネセルト数
Ｎｕの関数として表される。

【０００９】

【数１】

【００１０】λ…圧媒ガスの熱伝導率 ｌ…高圧容器内壁面と断熱層外周側面の間隙寸法 一方、Ｎｕは強制対流熱伝達では式のようにレイノル
ズ数Ｒｅの関数で表される。

【００１１】

【数２】

【００１２】Ｐｒ…プラントル数 ｎ…べき定数（ｎ≒０．８） さらに、Ｒｅは式のように表される。

【００１３】

【数３】

【００１４】Ｑ…圧媒ガス流量 ν…圧媒ガスの動粘性係数 Ｄ…高圧容器内径と断熱層外径の平均 式及び式を、式に代入すると、式に示すように
なる。

【００１５】

【数４】

【００１６】式において、（Ｑ・Ｐｒ・λ）／（ν・
Ｄ・π）が一定となる系を考えれば、熱伝達率αは１／
ｌに比例する関数となる。すなわち、高圧容器と断熱層
との間隙の大きさを調整することにより、熱伝達率を変
えることができる。本発明のＨＩＰ装置では、高圧容器
内壁面と断熱層外周側面との間隙が高温のガスが接触す
る高圧容器上部では広く、下部では狭くなっていること
から、高圧容器上部では熱伝達率が小さく下部では大き
くなる。

【００１７】ここで、ガスから高圧容器内面への単位面
積当たりの熱伝達量は、熱伝達率αと、圧媒ガスと容器
内面との温度差Δｔとの積で与えられる。温度差Δｔは
熱伝達率αとは反対に容器上部から下部になるに従い減
少するので、熱伝達量は容器全体にわたってほぼ均等に
なる。従って、高温の圧媒ガスが流出する通気孔付近の
高圧容器上部の過昇温を防止する上に、高圧容器全体に
わたって圧媒ガスと熱交換を行うことにより、効率良い
冷却を実施できる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しつつ説明する。図１は、本発明一実施例のＨＩＰ装置
を示している。このＨＩＰ装置は高圧容器２１、該高圧
容器２１の上面開口部を閉塞する上蓋２２、及び該高圧
容器２１の底面開口部を閉塞する下蓋２３により高圧室
２４が画成され、該高圧室２４内には倒立コップ状の断
熱層２５が設けられている。さらに断熱層２５の内側
は、ヒータ２６を備えた炉室２７を形成している。炉室
２７には、被処理体２８が試料台２９の上に載置されて
いる。そして、断熱層２５の上面２５ａ及び側面２５ｂ
下部それぞれに、断熱層２５内の圧媒ガスを流出入させ
るための通気孔３０、３１が開設されている。断熱層２
５の上面２５ａに開設された第１通気孔３０は、上蓋２
２に装設された駆動装置３２の弁棒３３の下部を弁３３
ａとして、弁棒３３を上下動せしめることにより開閉で
きるようになっている。また、断熱層２５と高圧容器２
１内壁面との間隙は、第１通気孔３０から流出してくる
断熱層２５内部の圧媒ガスが流下するときのガス流路と
なっている。このガス流路の幅は、断熱層２５の下面の
外径が上面２５ａの外径よりも大きくなっていることか
ら、上部で広く、下部になるに従って狭くなっている。

【００１９】このような装置において、ＨＩＰ処理後の
冷却は次のようにして行われる。ヒータ２６の通電を止
めて弁３３ａを開くと、断熱層２５内のガスが第１通気
孔３０から流出し、矢印方向にガス流路を流下して、断
熱層２５の側面下部２５ｂに開設された第２通気孔３１
から再び断熱層２５内に流入するというガス循環流を生
じる。ガスが循環する間、ガスと高圧容器２１内面との
間で熱交換することにより、ガス温度が低下する。ここ
で、熱伝達率αは高圧容器２１の外周側面と断熱層２５
との間隙寸法ｌに反比例する（「作用」の欄参照）こと
から、高圧室２４の上部における熱伝達率は下部のそれ
より小さい。よって、上部の間隙寸法ｌを適宜選択する
ことにより、第１通気孔３０から流出したばかりの高温
の圧媒ガスと熱交換を行う高圧容器２１の上部の過昇温
を抑制できる。一方、下部になるに従って熱伝達率が大
きくなるので、断熱層２５外周側面と容器２１内壁面と
の間の温度差Δｔが小さくなるにも拘らず熱交換を行
う。よって、温度差Δｔと熱伝達率αとの積で表される
熱伝達量は容器上部から下部へ向かって均等化され、容
器全体にわたって熱交換を行う。

【００２０】図２は、高圧室２４の位置に対する容器２
１内面温度及び圧媒ガス温度の変化を表示したグラフで
ある。図２中、直線はガス温度を表し、点線は高圧容器
２１の内壁面温度を表している。図２からわかるよう
に、高圧容器２１の内壁面温度は緩やかに変化している
にも拘らず、ガス温度は急激に低下している。すなわ
ち、第１通気孔３０から流出したばかりの高温の圧媒ガ
スは、過昇温しない範囲で容器２１上部及び上蓋２２と
熱交換し、温度差が小さくなる容器２１下部では高熱伝
達率αに基づいて熱交換を行うことから、容器２１全体
にわたって圧媒ガスの熱を奪うことができる。

【００２１】容器内壁面と断熱層外周側面との間隙ｌ
が、断熱層下部より上部の方を広くする構成として、図
３に示すように、上面の外径と下面の外径とが等しい倒
立コップ状の断熱層３６の外周に、高さの異なる間隙調
整用筒体３７ａ〜３７ｃを各順に多重に嵌合して、下方
になる程外径が大きくなるようにしてもよい。また、帯
状物をらせん形に巻き付けることにより、円筒型断熱層
の外周が下方になるに従って大きくなるようにしてもよ
い。これらの構成は、いずれも段階的ではあるが、間隙
寸法ｌが断熱層の上部で広く下方になるに従って狭くな
っているので、断熱層から流出した直後の高温ガスによ
る高圧容器内面の過昇温を抑制すると共に、容器全体に
わたって効率よく熱交換する。

【００２２】さらに、図４に示すように、断熱層３８上
部を、断熱層３８上面に向けてテーパを形成した、いわ
ゆる鏡板形状としてもよい。かかる構成は、上部で急激
に間隙寸法ｌが広くなっているため、高圧容器２１上部
の内面の過昇温防止に特に有効である。なお、上記実施
例はいずれも断熱層の外径寸法を高さ方向に変化させる
ことで、間隙寸法を下方になるに従って小さくする構成
であるが、本発明は、容器内壁面が間隙を狭める方向に
向けて傾斜している高圧容器、あるいは高圧容器の内周
面に間隙調整用筒体又は帯状物をらせん状に巻き付ける
ことにより、下方部の間隙を狭めるようにしてもよい。

【００２３】また、図１、図３及び図４に示すＨＩＰ装
置は、いずれも断熱層が１重で、炉室内の圧媒ガスを直
接断熱層内外で循環させて冷却する直接冷却タイプであ
ったが、図５に示すＨＩＰ装置のように、外側ケーシン
グ１３と内側ケーシング１４とから画成される断熱層内
の圧媒ガスを循環させる間接冷却タイプのＨＩＰ装置に
も適用できる。

【００２４】

【発明の効果】熱伝達率は断熱層の外周側面と高圧容器
の内壁面との間隙に反比例し、本発明のＨＩＰ装置では
当該間隙が上部では広くなっていることから、高圧容器
上部での熱伝達率が小さい。よって、高圧容器上部を筒
体のようなもので覆わなくても高圧容器上部の過昇温を
防止できる。一方、ガスと容器内壁面との温度差が小さ
くなる下部では、間隙が狭く、熱伝達率が大きくなって
いて、冷却効率を高める。

【００２５】従って、筒体のようなものを設けることな
く、高圧容器上部の過昇温を防止すると共に、高圧容器
の高さ方向全体にわたって熱交換を行うことにより、効
率良く冷却できる。また、筒体を設けないことは、容器
の有効面積が損なわれない点からも好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明一実施例のＨＩＰ装置の構成を示す図で
ある。

【図２】本発明一実施例のＨＩＰ装置で冷却した場合の
ガス温度及び容器内壁面の温度変化を示す図である。

【図３】本発明の他の実施例のＨＩＰ装置の構成を示す
図である。

【図４】本発明の他の実施例のＨＩＰ装置の構成を示す
図である。

【図５】従来のＨＩＰ装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

２１ 高圧容器 ２４ 高圧室 ２５ 断熱層 ３０ 第１通気孔 ３１ 第２通気孔 ３６ 断熱層 ３８ 断熱層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高圧容器内の高圧室に設けられた倒立コ
   ップ状の断熱層内に配置された被処理体を圧媒ガスで熱
   間等方圧加圧処理した後、前記圧媒ガスを前記断熱層上
   部に開設された通気孔から流出させ、前記断熱層下部に
   開設された通気孔から再度前記断熱層内に流入させるこ
   とにより冷却する熱間等方圧加圧装置において、 前記断熱層の外周側面と前記高圧容器の内壁面との間隙
   が、前記断熱層下部よりも上部の方が広くなっているこ
   とを特徴とする熱間等方圧加圧装置。