JPH0580686B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は熱間静水圧加圧（以下、HIPと略記す
る。）装置における炉内温度の制御方法に係り、
詳しくは、複数の閉端管式放射温度計を炉内温度
の光学的測定に利用した上記HIP装置における炉
内温度の改善された制御方法に関するものであ
る。

（従来の技術） HIP装置は高温と高圧との相乗効果を利用して
粉体の加圧焼結、焼結品や鋳造品の欠陥除去、あ
るいは拡散接合などを行う装置であつて、近年頓
にその実使用が注目されているが、最近ではその
適用温度領域はエンジニアリングセラミツクスを
対象として1700〜2100℃レベルの高温領域に拡が
つている。

ところで、従来、これらHIP装置の高温高圧炉
内の温度測定手段としては最も一般的には熱電対
が使用され、これを絶縁管、更には保護管に挿入
し、熱接点部を炉内のヒーターの高さに固定する
ことによつて測定がなされていたが、現在市販さ
れている熱電対には寿命に限界があり、ランニン
グコストが非常に高くなることから、熱電対以外
の高温用温度計の採用が試みられ、気体温度計熱
雑音温度計、流体温度計、放射温度計などについ
て夫々適否が検討された結果、放射温度計の利用
が最も優れているとの結論を得て、その１例とし
てさきに特開昭60−133327号などに示す閉端管を
用いた炉内温度の光学的測定方法が提案された。

この閉端管の利用はHIP装置に特有な高圧ガス
の流動を抑えて安定な光学的測温を可能とするば
かりでなく、複数の高さの異なる閉端管を設置す
ることによつて複数段の独立のヒータを有する
HIP装置における炉内温度の測定ならびにヒータ
への投入電力の制御を可能とするなど、従来の方
法に比し数々の利点を有している。

しかしながら、一方においてHIP装置における
炉内空間の有効利用のためには閉端管をむやみに
大径のものとすることはできず、このことから取
り出される放射光のエネルギーには自ら限界が存
在する。

しかも、又、閉端管方式での測温精度を向上す
るという観点からすると、前記特開昭60−133327
号公報中にも記載する如く検出波長は短い方がよ
く、そのため可視光領域に適合する検出素子とし
て一般的なシリコンフオトダイオードを用いて単
色温度計を構成した場合には検出温度の下限値は
精々500℃で、閉端管の口径によつては1000℃程
度のより高温からでないと出力を得ることができ
ないという事態に遭遇する。

このことは二色温度計を構成した場合も同様で
あつて、更に高温にならないと出力が得られない
のが一般的である。

一方、既に述べた通り、HIP装置は温度、圧力
の２つの変数をもつて操業が行われ、処理する対
象に応じて、例えば第５図イに示すように先に昇
圧して、その後、昇温を行う（昇温によるガスの
自然膨張によつて圧力も上昇する。）、ロに示すよ
うに昇温を先行させてその後、昇圧を行う、ハに
示すように昇温と昇圧を同時に行うなど種々の処
理プロセスがとられる。

そして、この場合には炉内圧力が高くなる程、
炉内には激しい対流を生じ、上下方向に複数分割
されたヒータへの投入電力は大気圧下での運転と
は異なり、上下に著しい不均衡を生ずるのが通例
である。

従つて、上述の如く閉端管方式放射温度計の出
力が500℃あるいはそれ以上の温度まで出ないと
いうことになると、それまでの投入電力の制御、
放射温度計の種類の選択および同温度計への切り
換えを如何に行うかが昇温初期段階での均熱性の
確保、切り換え後の安定な昇温ならびに測温精度
の管理等の面から重要となる。

そこで、本発明者らは、この点に関し複数の閉
端管を用いて炉内の光学的測温ならびに該出力に
もとづき複数段のヒータの投入電力の制御を目的
として閉端管式放射温度計を単色又は二色の温度
計として構成し、ヒータへの投入電力を複数の単
色又は二色の温度計のうちの最低出力のものが設
定値に達するまでは電力の時間プログラムコント
ロールにより制御し、しかる後、単色又は二色の
温度計の出力による温度の時間プログラムコント
ロールに自動的に切り換える方法を別途提案し
た。

しかしながら、上記の制御方法、とりわけ電力
の時間プログラムコントロールに関する方法は何
れをとつた場合でも昇温初期段階の未だ輻射伝熱
が支配的でなく対流伝熱が支配的である場合の制
御方法としては複雑に過ぎ、かつ均熱性を充分確
保するものとは言えず、かりに確保し得たとして
もプログラミング自体に経験値の膨大な蓄積を必
要とし、更にはマイクロコンピユータ等の高価な
制御機器の導入を必要とする。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は叙上の如き実状に対処し、特に複数の
閉端管を用いて炉内の光学的測温ならびに該出力
にもとづき複数段のヒータへの投入電力の制御を
行うHIP装置の炉内温度の制御方法において、前
記閉端管式放射温度計の出力が得られない初期段
階、更に放射温度計への切り換え段階ならびにそ
の後のヒータへの電力制御を対象とし、とりわけ
閉端管式放射温度計の出力が充分に得られない昇
温初期段階での電力制御の簡便化及び炉内の均熱
性確保を問題点としてその解決を図り、もつて高
温HIP装置の利用分野の拡大、被処理体の品質向
上に進めることを目的とするものである。

（問題点を解決するための手段） しかして、上記の目的に適合し、これを達成す
る本発明の特徴とするところは、以下の如き制御
方法よりなる。測ち、前述した如くHIP装置の炉
内に複数の閉端管を設置し、各閉端管先端部から
の熱放射パワーを複数の放射温度計からなる測定
計により夫々検知して炉内複数個所の温度を測定
すると共に、該温度計の出力にもとづき複数段ヒ
ータへの投入電力の制御を行う閉端管式放射温度
計利用の炉内温度制御方法において、炉室内にフ
アンを設け、ヒータへの投入電力を前記複数の温
度計のうちの最低出力のものが設定値に達するま
では複数段のヒータのうちの最下段ヒータのみに
限定して電力投入を電力の時間プログラムコント
ロールにより制御し、しかる後、温度計の最低出
力が設定値に達すると温度計の出力による温度の
時間プログラムコントロールに自動的に切り換え
複数段のヒータへの投入電力を制御すると共に、
上記電力の時間プログラムコントロールの間、即
ち昇温初期段階の間、前記炉内に内蔵されたフア
ンによつて炉室内ガスの撹拌を行うことにある。

ここで前記複数の放射温度計としては単色又は
二色の温度計をもつて構成され、これらは何れか
単独又は併用することも可能である。又、閉端管
の構造としては前記特開昭60−133327号公報にお
いて開示された如き構成である。

そして、上記放射温度計を特に単色温度計とし
て構成した場合には、同温度計の出力が検出部の
汚れ等の影響で信頼に欠ける憾みがあり、炉内に
金属の固液変態検出装置の如き第２の温度基準が
併設され較正可能とすることが行われる。

（作用） 叙上の如き本発明制御方法によれば、先ず、室
温より複数の温度計のうちの最低出力が設定値に
達するまでは制御系中の電力プラグラムコントロ
ーラにより制御を受け複数段のヒータのうちの最
下段ヒータのみへの投入電力の時間プログラムコ
ントロールが行われる。

そして、炉内温度が上昇し、温度計の最低出力
が設定値に達したことを検出すると、その時点で
即ち、すべての温度計が動作可能となつた時点で
検出器から出力によつて温度計の出力にもとづく
温度の時間プログラムコントロールに切り換えら
れ、ヒータへの投入電力の時間プログラムコント
ロールが行われることになり、安定した電力制御
がなされるが、上記の制御にあたり、更に昇温初
期の電力プログラムコントロール制御時において
炉内ガスを撹拌するためのフアンを駆動し、炉室
内のガスを撹拌して均熱化が達成される。

すなわち、比較的低温の温度領域である程度の
ガス圧の存在下ではヒータから被処理体への熱伝
達は通常、対流熱伝達が主体となる。

そのため、最下段ヒータのみへの電力投入制御
と相埃つて内蔵されたフアンを駆動し炉室内ガス
の撹拌を促進することは均熱性確保に有効であ
り、放射温度系との組み合わせにおいて頗る効果
的手段となる。

（実施例） 以下、更に添付図面にもとづき本発明の具体的
な実施態様を説明する。

第１図は閉端管を用いて炉内の光学的測温を行
うHIP装置の１例を示し、複数段のヒータ２，
２′と断熱層３を内蔵する高圧容器１の下蓋４上
に被処理体（図示せず）を載置する試料台６が設
けられていると共に、ヒータ２，２′の内側に形
成される炉室７の被側温部位に先端が位置される
ように上端部が閉じた複数の閉端管８，８′が設
置され、各閉端管先端からの熱放射は下部の開口
部に位置する光フアイバ９，９′により下蓋４を
通じて高圧容器１外へ導かれ、図においては単色
温度計として構成される複数の放射温度計１０，
１０′からなる測定系に夫々接続されて測温が行
われ、かつ、同時に対応するヒータ２，２′への
電力制御に供せられる構成となつている。

そして、上記構成において更に前記試料台６の
下部に炉室７内部の高温ガスを撹拌するためのフ
アン２４が設置され、該フアンを駆動するための
モータ２５が試料台６の下部で、かつ高圧容器１
内で最も低温度域にあたる部分に設置されてい
る。

又、上蓋５には高圧容器１内へのガスを供給す
るガス導通孔１１が設けられ、その配管系１２に
は容器１内の圧力を検出する圧力計１３が設置さ
れている。

以上のようなHIP装置において、前述のように
単色温度計の出力は少なくとも500℃を越すまで
は得られないことから本発明方法を効果的に進め
るため複数の電力制御装置１６，１６′と電力プ
ログラムコントローラ１５、温度プログラムコン
トローラ１８、検出器１７を含む一連の制御系１
４が付設されており、室温より複数の単色温度計
１０，１０′のうちの出力の低い方、例えば、か
りに３段のヒータに対して３基の単色温度計があ
るとすればそのうちの最低出力のものが設定値に
達するまでは該制御系１４中の電力プログラムコ
ントローラ１５により電力制御装置１６，１６′
を制御してヒータ２′への投入電力の時間プログ
ラムコントロールが行われる。

この場合、上記の如き比較的低温の温度領域
で、かつ、ある程度のガス圧の存在下（少なくと
も高圧ガス取締法の適用を受ける10Kgｆ／cm²以上
の圧力領域）ではヒータから被処理体への熱伝達
は対流熱伝達が主体となるので電力の時間プログ
ラムコントロールの間、炉室内に内蔵されている
フアン２４を駆動し、炉室７ガスを撹拌して均熱
を図ることは簡便に、しかも確実に均熱化を達成
するという意味で放射温度形との組み合わせにお
いて極めて有効な手段となる。

又、この間のヒータへの電力の投入について
は、複数段のヒータ夫々に投入し、かつ時間プロ
グラムコントロールすることも勿論可能である
が、撹拌による均熱化という手段をより有効に活
かすものとしては、複数段２，２′のうちの単段
ヒータ、とりわけ第１図の如く最下段ヒータ２′
にのみ電力を投入することが好適であり、さらに
は第２図の如く最下段ヒータ２″を試料台６にフ
アン２４と共に設ける構成が好ましいものとして
推奨される。

この際の単段ヒータに対する電力の時間プログ
ラムコントロールの方法としては、最も単純には
昇温開始時に一定電力を投入し、その後、保持す
る方法をとり得るが、被処理の特性等に応じて時
間と共に投入電力をコントロールすることも勿論
可能である。

又、高圧になる程、一定の昇温速度を得るのに
要する投入電力が増大するというHIP装置の特性
をふまえて高温容器内圧力、即ち炉内圧力を第１
図、第２図に示す如く電力プログラムコントロー
ラ１５にフイードバツクして投入電力の制御を行
うという方法が、より高度な方法として採用可能
である。

例えば、所定圧力まで高圧容器内にガスを充填
し、その後、昇温する第５図イの如きプロセスに
おいて昇温開始時に一定電力を投入し、その後保
持する制御方法をとる場合でも投入電力量を昇温
開始時の検出圧力に応じて変化させるなどが最も
単純な形態でのフイードバツク制御として可能で
ある。

なお、その外、複数段ヒータでは１つのヒータ
への投入電力をプログラミングし、検出圧力に応
じて他のヒータへの投入電力の比率を変える方
法、各ヒータへの投入総電力を時間プログラミン
グして検出応力に応じて各ヒータへの配分比率を
変える方法、即ち、複数段ヒータへの配分比率の
制御である方法などのフイードバツク方式をとる
ことも可能であり、何れの場合も炉室内をより均
熱に近い状態で昇温させることができる。

かくして、叙上の電力の時間プログラムコント
ロールによつて炉内温度が上昇し、単色温度形１
０，１０′のうちの低い方の出力が設定値に到達
したことを検出器１７によつて検出すると、その
時点、即ち、全単色温度形が動作可能となつた時
点で同検出器１７からの出力によつて単色温度計
１０，１０′の出力にもとづく温度の時間プログ
ラムコントロールへの自動切り換え、即ち、温度
プログラムコントローラ１８への自動切り換えが
行われる。

なお、上述の場合において単色温度計１０，１
０′の出力は検出部の汚れ、例えば第１図〜第３
図の図示例では光フアイバ端面の汚れなどの影響
を受けて信頼性に欠ける難いがあることから、何
らかの手段で較正可能とすることが望ましく、特
に金属材料の固液変態を第２の温度基準として用
いることが簡便な手段として好適である。この場
合、金属材料としてはAl、Cu、Ni、Co、Pd、
Ti、Pt、Rh、Irの群から適宜選択することが効
果的である。

第１図〜第３図における１９，１９′はかかる
金属の固液変態検出装置を示し、同図示例におい
ては、該検出装置１９，１９′は試料台６に設置
されており、その具体的な構成は第１図ロに例示
する如く、例えば、電気的に絶縁された金属製の
棒２０，２１の閉端管８先端部との対応位置に固
液変態する金属細線２２を渡し、固液変態に伴う
金属細線２２の溶断を検出するようになつてい
る。

ここで、上記金属製の棒２０，２１の材質とし
ては金属細線２２の融点降下を惹起しない材質の
ものを選定することが必要であり、モリブデン、
タングステンなどが一般的に使用される。

なお、上記金属細線と閉端管先端部とは炉内温
度に対する応答性が異なり、前者の応答性が早き
に過ぎに可能性があるので、検出装置の先端部分
にカバーを施してヒータからの直接輻射を防止す
るか、又は検出装置全体に閉端管２３を被せるな
どの構成が好適なものとして採用される。

そして、このことは同時に炉内構造物構成部材
およびガス中の不純物との相互作用にともづく金
属細線の汚染ならびに融点降下を防止する上から
も好適である。

叙上の構成により固液変態による金属細線の溶
断を検出すると同時に単色温度計の出力較正を自
動的に行わしめ、較正された出力にもとづき最終
処理温度に到らしめることが被処理物の品質の安
定化を図る上で望ましい。

更に、本発明制御方法の他の好ましい態様とし
て上記出力の特に複数の単色温度計のうちの最低
出力の較正と前記単色温度計の出力による温度の
時間プログラムコントロールへの切り換えを同時
に行わせる方法がある。

この方法は第３図に示すように固液変態検出装
置１９，１９′の出力を単色温度計１０，１０′と
検出器１７とに導いて最後に残つた金属細線の溶
断と同時に出力が最も低い単色温度計の自動較正
が行われ、かつ、電力プログラムコントローラ１
５から温度プログラムコントローラ１８への切り
換えが自動的に行われ、温度管理上、また、シス
テムの簡易化を図る上から好適である。

なお、前記金属細線による固液変態の検出は、
一回毎の使い切りとなるので検出装置１９，１
９′を試料台６に設けて被処理物と共に下方に取
り出し可能とすることが金属細線の交換を簡便化
する上で好適かつ有用である。

以上、本発明制御方法を第１図〜第３図に従つ
て説明して来たが、上記各例は何れも電力の時間
プログラムコントロール後の切り換えを単色温度
計を用いて行わしめる場合である。しかし、本発
明においては放射温度計として単色温度計を二色
温度計に置き変えることも勿論可能であり、この
場合においては単色温度計に比し再現性に優れる
ことから前述の検出装置を置くことは必ずしも必
要でなく、より簡易化される。

第４図はかかる二色温度計使用の例であり、前
記各図と対応し同一符号をもつて示している。

なお、以上は閉端管先端部からの熱放射パワー
の光学的に炉外に導き高圧容器外の放射温度計で
検出する場合を例として説明したが、放射温度計
を高圧容器内に設置する場合についても、同様の
方法が適用可能なことはいうまでもない。

かくして、以上の方法によつてHIP装置のヒー
タへの投入電力の制御において閉端管式放射温度
計の出力が得られない段階、更には放射温度計へ
の切り換え段階およびその後のヒータへの電力制
御を安定かつ再現性をもつて行わしめ、従前の閉
端管式放射温度計利用時の難点を解消することが
できる。

（発明の効果） 本発明は以上の如く複数の閉端管を用いて炉内
の光学的側温ならびに該出力にもとづき複数段の
ヒータへの投入電力の制御を行うHIP装置におい
て、そのヒータへの投入電力を複数の温度のうち
の最低出力のものが設定値に達するまでは複数段
のヒータのうちの最下段ヒータのみに限定して電
力投入を電力の時間プログラムコントロールによ
り制御し、しかる後、前記温度計の出力による温
度の時間プログラムコントロールに自動的に切り
換え制御すると共に電力の時間プログラムコント
ロールの間、フアンによつて炉室内ガスの撹拌を
行う方法であり、HIP装置の炉室内加熱のヒータ
への投入電力制御を複数段のヒータにおいても放
射温度計の出力が得られない段階、更には放射温
度計への切り換え段階ならびにその後を通じ炉室
の均熱化が確保されるよう、しかも安定で、かつ
再現性をもつて行わしめることができると共に、
特に複数段のヒータ構成を有する炉の温度制御に
おいて、電力の時間プログラムコントロールを行
う間の電力投入を最下段のヒータのみに限定した
ことにより、昇温初期の、未だ輻射伝熱が支配的
でなく、対流伝熱が支配的であり著しい対流伝熱
機能が存する段階においてHIP装置の伝熱特性を
最大限に利用して電力の制御を簡便化することが
でき、更にこれにフアンにより炉室内ガスの撹拌
を組み合わせることによつて対流伝熱特性の利用
をより有効ならしめ、放射温度計の出力が得られ
ない段階での炉室の均熱化を向上させ、放射温度
計出力により複数段ヒータへの投入電力制御を同
時的に極めてスムーズに行わしめて被処理体の品
質向上をもたらし、炉構造の寿命の増大と相埃つ
て今後における高温HIP装置の工業生産用途への
広汎な適用が期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図イは本発明制御方法を実施するHIP装置
の１例を示す断面概要図、第１図ロは第１図イに
おける固液変態検出装置１９，１９′の上端部Ａ
拡大図、第２図乃至第４図は何れも本発明を実施
する他のHIP装置例に係る断面概要図、第５図
イ，ロ，ハはHIP処理の各プロセスを示す図表で
ある。 １……高圧容器、２，２′……ヒータ、７……
炉室、８，８′……閉端管、１０，１０′……放射
温度計、１４……制御系、１５……電力プログラ
ムコントローラ、１６，１６′……電力制御装置、
１７……検出器、１８……温度プログラムコント
ローラ、１９，１９′……金属の固液変態検出装
置、２４……フアン。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱間静水圧加圧装置の炉内に複数の閉端管を
   設置し、各閉端管先端部からの熱放射パワーをそ
   れぞれ放射温度計からなる測定系により検知して
   炉内複数個所の温度を測定し、該温度計の出力に
   もとづき複数段のヒータへの投入電力の制御を行
   う方法において、炉内にフアンを収設し、ヒータ
   への投入電力を前記複数の温度計のうちの最低出
   力のものが設定値に達するまでは複数段のヒータ
   のうちの最下段ヒータのみに限定して電力投入を
   電力の時間プログラムコントロールにより制御
   し、しかる後、温度計の最低出力が設定値に達す
   ると温度計の出力により温度の時間プログラムコ
   ントロールに自動的に切り換え複数段のヒータへ
   の投入電力を制御すると共に、前記電力の時間プ
   ラグラムコントロールの間、炉室に内蔵した前記
   フアンによつで炉室内ガスの攪拌を行うことを特
   徴とする熱間静水圧加圧装置の炉内温度の制御方
   法。 ２ 放射温度計が単色又は二色の温度計である特
   許請求の範囲第１項記載の熱間静水圧加圧装置の
   炉内温度の制御方法。 ３ 単色温度計が炉内に設置された第２の温度基
   準により較正可能に構成される特許請求の範囲第
   １項又は第２項記載の熱間静水圧加圧装置の炉内
   温度の制御方法。 ４ 第２の温度基準が金属の固液変態検出装置で
   ある特許請求の範囲第３項記載の熱間静水圧加圧
   装置の炉内温度の制御方法。 ５ 金属の固液変態の検出と同時に単色温度計の
   較正が自動的に行われる特許請求の範囲第３項又
   は第４項記載の熱間静水圧加圧装置の炉内温度の
   制御方法。 ６ 単色温度計の出力による温度の時間プラグラ
   ムコントロールへの自動切り換えが複数の単色温
   度計のうちの最低出力のものの自動較正と同時に
   行われる特許請求の範囲第１項又は第３項記載の
   熱間静水圧加圧装置の炉内温度の制御方法。 ７ 最下段のヒータが試料台に設置される特許請
   求の範囲第１〜６項の何れかの項に記載の熱間静
   水圧加圧装置の炉内温度の制御方法。 ８ 電力の時間プログラムコントロールにおける
   投入電力値が一定に保持される特許請求の範囲第
   １〜７項の何れかの項に記載の熱間静水圧加圧装
   置の炉内温度の制御方法。 ９ 電力の時間プログラムコントロールにおい
   て、プログラムコントローラの出力値が炉内圧力
   のフイードバツクを受ける特許請求の範囲第１〜
   ８項の何れかの項に記載の熱間静水圧加圧装置の
   炉内温度の制御方法。