JPS63113324A - 熱間静水圧加圧装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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。）
装置に係り、特に閉端管を用いて炉内の光学的温度測定
を行う上記装置の閉端管構成の改良に関するものである
。

（従来の技術） ＨＩＰ装置は高温と高圧の相乗的効果を利用して粉体の
加圧焼結、焼結晶や鍛造品の欠陥除去あるいは拡散接合
などを行う装置で、近年、頓にその工業的利用が注目さ
れているが、最近ではその適用温度領域はエンジニアリ
ングセラミックスを対象として１７００〜２１００℃レ
ベルの高温領域に拡がっている。

ところで、かかるＨＩＰ装置においては、その高温高圧
炉内の温度制御は処理効果の上に極めて重要であり、そ
のため炉内温度を測定するための手段が種々溝ぜられて
いて、最も一般的には熱電対が使用されるが、現在、市
販されている熱電対には寿命に限界があることから、現
在ではその欠点を回避するものとして例えば特開昭６０
−１３３３２７号公報に示される如き閉端管を利用した
炉内温度の光学的測定手段の採用が提案されている。

即ち、この閉端管利用の炉内温度の測定手段は上記公報
の記載より閉端管と光ファイバを使用し、閉端管を断熱
層を含む高圧容器の下蓋上に試料台が設置されたＨＩＰ
装置の前記断熱層によって区画形成された炉室内にその
被測温部位に先端が位置されるように設置し、閉端管か
らの熱放射を閉端管下部にある光ファイバにより炉外に
導き、放射温度計からなる測定系に接続して測定するも
のである。

しかしながら、この提案された手段では特に被処理体が
設置される試料台の上面より下方に生ずるＨＩＰ装置特
有の急激な温度勾配にもとづく長手方向の圧媒ガスの密
度分布、即ち屈折率の分布と同領域でのガスの流動とに
より閉端管先端放射部から受光部に至る光学系に炉内の
圧力にともなう変動、即ち圧力依存性を生ぜし吟、測温
の精度。

安定性の上から問題となっていた。

そこで、かかる問題に対処し、これを解決すべく本出願
人はさきにその改良を試み、閉端管を用いて炉内の光学
的温度測定を行う前記ＨＩＰ装置において、第７図に示
す如く当該閉端管（９）の先端放射部００と下部に設け
られる放射光受光部（１２）との間で、レンズ（１１）
上部の少なくとも被処理体がｆ２置される炉内試料台の
上面より下方位置部分に多段の分割された空洞部（１Ｂ
）　（１８ａ）　（１８ｂ）を形成する絞り機構（１６
）　（１６ａ）　（１６ｂ）　（１６ｃ）又は該絞り機
構をもった構造物（１９）　（１９ａ）　（１９ｂ）を
有するコリメータ（１７）を配置せしめることを別途提
案した。（特願昭６１−２０６２７９号） （発明が解決しようとする問題点） ところが、上記コリメータの配置では、放射光受光部の
前面に絞り機構が設置されているため、受光部に入射す
る放射エネルギーは該絞り機構の存在によって減少する
。例えば、内径１０龍程度の閉端管の場合、絞り部分の
直径は側壁からの放射光の影響を避けるため通常、５謙
−以下にとられるので、受光部に入射するエネルギーは
閉端管先端部から放射されるエネルギーのうち、概略（
５／１０）”＝０．２５．即ち２５％以下のエネルギー
しか入射しないことになる。

このことは、ＨＩＰ装置を始めとする高温炉の測温にお
いては低温から高温までの広い温度範囲の測温か可能で
あるのが望ましいが、上述の如く絞り機構の影響により
入射エネルギーが減少するため低い温度領域の測温か実
質上、困難となるという欠点につながる。

更に上記の絞り機構では前記側壁からの放射光の入射を
避けるという目的の外に、ガス流動を抑え、閉端管内部
でのガス流動を防ぐという目的を合わせてもち、圧力が
一定のもとではガス流動抑止の効果を発揮するが、しか
しながらＨＩＰ装置の実際の操業においては、炉内の圧
力を上昇させるため、そのときにガスが閉端管内部へ流
入し、このとき、上記絞り部分で流速が上昇してガス流
動の乱れを惹起し、絞り機構をもたないものよりもガス
流動が激しく起こり、加圧時には安定した入射エネルギ
ーを得られにくいということが明らかになった。

か（て本発明は上記提案に係るコリメータ配置のその後
、明らかになった問題に対処し、更にコリメータの構成
、配置を見出すことによりその問題解決を図ることを目
的とするものである。

（問題点を解決するための手段） 即ち、本発明の特徴とするところは、閉端管を用いて炉
内の光学的温度測定を行う前記ＨＩＰ装置において、当
該閉端管の先端放射部と下部に設けられる放射光受光部
との間の、少なくとも被処理体が載置される炉内試料台
の上面より下方位置に前記絞り機構を有するコリメータ
とは異なるハニカム状のコリメータを配置せしめた点に
ある。

ここで、上記ハニカム状のコリメータにおけるハニカム
の材質としてはハニカムの各セル壁からの放射光が少な
い方が好ましいことから放射率、即ち、放射係数の小さ
な材料、例えばタングステン、モリブデン等を選択する
ことが望ましく、またＨＩＰ装置中において高温下で使
用されるので耐熱性も合わせて有していることが好適で
ある。

特に試料台上面近傍では高温雰囲気であることより耐熱
性を考慮して炭素系の材料が望ましいものとして使用さ
れる。一方、比較的低温部では放射係数の小さなセラミ
ック等の使用が好適である。

又、ハニカムの形状としては開孔率が大きいこと、セル
数が多いこと、長いものであることが望ましく、これに
適合した形状が設計される。

更にハニカム壁へ入った放射光が反射して下部の集光部
へ入らぬように反射率も可及的小さい方が好ましい。

なお、閉端管下部に設けられる放射光受光部としては放
射温度計そのものであることも差し支えないが、好適な
受光部としては通常、レンズと光ファイバからなるもの
である。

このうち、レンズは閉端管の軸方向の放射光を集光する
役割を有し、従って半径方向に屈折率分布をもたせ、あ
るいは入射面を平面、内部に屈折率の異なる複数枚のレ
ンズの組み合わせからなる屈折率の高い凸レンズ状部分
を含ませるなどして集光効率良好な構成が付与される。

（作用） 畝上の如くハニカム状のコリメータをＨＩＰ装置内で急
激な温度を生ずる炉室内の下方、即ち、試料台上面より
下方位置に配置することにより、圧力に関係なく閉端管
先端部からの閉端管の軸方向放射光のコリメーションを
効率よく行うことが可能となり、圧力依存性を低減する
。又、ハニカム状コリメータの開花率を大きく５０〜９
０％位にすることができるので、従来技術で生じていた
入射エネルギーのロスを大きく改善することができ、こ
れにより従来よりも低温領域までの測温か可能となり、
操業上の効果大である。

更に、ハニカム状のコリメータはそのセル数が多く、８
００セル／ｉｎ”程度の細かいセルとすることができる
ので、ガスはその細かいセルで分割され、対流が起こり
難くなり、また、加圧時にも絞られた部分がなく−様な
ためガス流動の乱れも起こらず、安定した入射エネルギ
ーが得られる。

（実施例） 以下、更に添付図面に従って本発明の具体的な実施例を
説明する。

第１図（ａ）は本発明ＨＩ　Ｐ装置において要部をなす
閉端管の１例を示し、同図（ｂｌは放射光の軌跡を示す
。

これら図において（９）は閉端管で、その内部には本発
明の要部をなすハニカム状のコリメータ（２０）が配置
されていて、閉端管（９）の先端部（１０）からの閉端
管軸方向の放射光（２１）が閉端管（９）下部に設置し
たレンズ（ｌｌａ）に入射し、さらにこの入射した放射
光（２１）はレンズ（ｌｌａ）で集光され、下部の光フ
ァイバ（１２）に入射するようになっている。

ハニカム状のコリメータ（２０）は第２図に取り出し図
示しているが、耐熱性を有する放射率１反射率の小さな
材料をもって適宜長さの円筒状に形成され、細かく区画
された多数のセルと開孔を有し、好ましくは開孔率が５
０〜９０％となっている。

かくして、畝上の如き構成にて閉端管（９）の先端部（
１０）からの閉端管軸方向の放射光（２１）を集光する
ため、通常のＨＩ　Ｐ装置で生ずる閉端管内の上下方向
の屈折率分布による光路への影響を排することが可能と
なり、指示値の圧力依存性の問題を低減することができ
る。

しかも上述のハニカム状のコリメータ（２０）でコリメ
ーシヨンしているため、その間孔率も従来のものに比し
大きくとれるため、従来技術で生じていた入射エネルギ
ーのロスを大きく改善することができると共に、従来よ
りも低温領域までの測温を可能ならしめ、更にコリメー
ション部がハニカム状であるため、上下方向の面積に従
前のような絞り部分がなく−様なため、加圧の際にもガ
ス流動による乱れの発生が起こり難く安定した入射エネ
ルギーが得られる。

第３図乃至第５図は本発明における上記閉端管構成の他
の実施例を示し、それぞれ閉端管（９）の内部にハニカ
ム状のコリメータ（２０）が配設されており、同時に閉
端管（９）の先端部（１０）からハニカム状のコリメー
タ（２０）を通して入射する閉端管の軸方向の放射光を
炉内の圧力に影響されずに光ファイバ（１２）に導くた
めにレンズ（ｌｌｂ）　（１１ｃ０１１ｄ）（ｌｉｄ）
が設置されている。

このうちレンズ（ｌｌｂ）は中心軸に対称な半径方向の
屈折率分布をもつレンズで、これにより閉端管（９）の
軸方向の放射光（２１）を光ファイバ（１２）に導いて
いる。この場合、放射光（２１）の集光はすべてレンズ
内部での屈折にもとづいているため、炉内圧力の影響を
受けることなく光ファイバ（１２）へ集光することがで
きる。

同様にレンズ（ｌｌｃ）（第４図参照）はレンズ内部に
屈折率の高い凸レンズ状部分（１１）　’を有している
レンズで、上記の場合と同じく放射光（２１）の集光の
ための屈折はすべてレンズ内部で行われる。

又、第５図の例ではレンズ（ｌｉｄ）はレンズ（ＩＩＣ
）と同様、レンズ内部に屈折率の高い凸レンズ部分（１
１）　’を有しているレンズで、光ファイバ（１２）へ
の出射側は光ファイバ（１２）の先端部を中心とする球
面となっており、当該球面より垂直に出射し、光ファイ
バ（１２）へ入射させて圧力の影響をなくしている。

なお、上記内部に屈折率の高い凸レンズ状部分を有する
レンズは一体物でもよいが、屈折率の異なる複数枚のレ
ンズの組み合わせとして同様な集光効果をもたせること
もできる。

以上、閉端管に関し若干の実施例を示したが、なかでも
第３図、第４図に示した例は実際のＨＩＰ装置に適用す
るに際し、最も適した構成である。

即ち、第１にハニカム状のコリメータの使用により閉端
管先端部から、下部への温度分布に伴う圧媒ガスの屈折
率の変化に起因する軸方向以外の光源からの入射光を遮
断し、かつ必要とする先端部からの軸方向の光を、光量
を大きく減することな（、下部の受光部に導くことが可
能である。

また、第２にＨＩＰ装置に光学的な測温機構を用いる場
合、高圧容器内部から外部へ光を取り出すには、ガスの
シール性および安全性の観点から光ファイバを用いるこ
とが好ましく、この場合、光ファイバの径が小さいため
、集光手段を用いて光ファイバへの伝達光量を多くする
ことが必要となる。この目的には、通常光学レンズが使
用されるが、このレンズと光ファイバの入射部の間に圧
媒ガスが存在すると、圧力の変化による圧媒ガスの屈折
率の変化により、レンズの焦点距離が変化して、圧力が
変わると光ファイバに伝達される光量に変化を生じる。

これを解決する手段が、第３図、第４図に示した光学レ
ンズを光ファイバの入射部に密着もしくは近接させてお
く方法である。

当然のことながら、このような圧媒ガスの温度や圧力に
よる屈折率の変化は、光の波長が短い程、大きいが、本
発明により、このような波長の違いによる入射光量の変
化も低減することができる。

以上は本発明の要部をなす閉端管の基本構成であるが、
第６図にかかる閉端管を用いて炉内の光学的測温を行う
本発明ＨＩＰ装置の全体を概要的に図示している。

即ち、同図において、ヒータ（２）と断熱層（３）とを
内蔵する高圧容器（１）の下蓋（４）上に被処理体（７
）を載置する試料台（６）が設置されており、ヒータ（
２）の内側に形成される炉室（８）の被測温部位にその
先端α〔が位置されるよう前記閉端管（９）が設置され
、先端ａ…からの熱放射が同閉端管（９）の下部に設け
られたレンズ（１１）によって光ファイバ（１２）の上
端面に集光され、更に光ファイバ（１２）が下蓋（４）
を通じて高圧容器外に引き出され、放射温度計（１３）
に接続されて測温が行われている。

一方、上Ｍ（５）側には高圧容器（１）内へ圧媒ガスを
導入する導圧孔（１４）が設けられ、下蓋（４）及び上
蓋（５）に作用する軸力は図示しないプレスフレームに
より支持されて全体としての装置が構成されている。

そして、以上の構成において、所要の部位に設置された
閉端管（９）にはその詳細を第１図〜第５図により説明
した如く閉端管（９）の先端Ｑｌと受光部であるレンズ
（１１）との間の温度勾配が存在する領域、即ち、少な
くとも試料台（６）の上面（１５）より下方にハニカム
状のコリメータ（２０）が配置され、確実に閉端管先端
部からの熱放射のみが取り出されるように光学的構成が
施されている。

なお、上記第６図に示す装置例は受光部をレンズ（１１
）と光ファイバ（１２）とにより構成しているが、受光
部に放射温度計そのものを設置する場合にも上記各構成
が有効であることは勿論である。

又、上記構成を実質上変更しない範囲において適宜、改
変を加え得ることも当然である。

かくして、以上のように構成することにより、急激な温
度分布を生ずる少なくとも炉室の下方に存在する圧媒ガ
スの密度勾配による屈折率分布により光路が曲げられて
生ずる入射エネルギーの変動及び閉端管の側壁から入射
する熱放射を低減することが出来るばかりでなく、閉端
管内部におけるガスの流動を圧カ一定のときは勿論、加
圧時においても低減して測温の圧力依存性の低減と共に
安定性の向上にも寄与する。

（発明の効果） 本発明は以上のようにＨＩＰ装置の炉内温度の光学的測
温においてハニカム状のコリメータを少なくとも炉室の
下方で試料台の上面より下方に位置して配置せしめた装
置であり、ＨＩＰ装置特有の試料台下方の温度勾配によ
って生ずる光学的測温の圧力依存性を低減し、かつ、安
定性を増した炉内温度の測温を可能ならしめ、閉端管を
用いたＨＩＰ装置の炉内の光学的測温の精度ならびに安
定性を大幅に向上することができる。

しかも本発明における上記ハニカム状のコリメータでは
開孔率が大きくとれることから入射エネルギーが大幅に
増大し、比較的低温領域までの測温が可能となるのみな
らず、コリメーション部がハニカム状であるため上下方
向の面積が一様となり、絞り部分が存在せず圧カ一定の
ときは勿論のこと、加圧時においてもガス流動による乱
れの発生が起こりにくく安定した入射エネルギーが得ら
れる特長を有し、今後における高温ＨＩ　Ｐ装置の工業
生産用途への適用を広げ得る顕著な効果が期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　（ｂ）は本発明装置の要部をなす閉端管
構成の１例を示す断面概要図及び同閉端管における放射
光の軌跡を示す説明図、第２図はハニカム状のコリメー
タの構成例を示す斜視図、第３図乃至第５図は何れも閉
端管構成の他の実施例を示し、（ａ）は断面概要図、（
ｂ）は夫々における放射光の各軌跡を示す説明図、第６
図は上記閉端管を利用したＨＩＰ装置の全体概要図、第
７図（ａｌ　（ｂｌは本発明前の閉端管の各構成を示す
断面概要図である。 （６）・・・試料台。 （７）・・・被処理体。 （８）・・・炉　室。 （９）・・・閉端管。 （１０）・・・閉端管先端。 （１１）・・・レンズ。 （１２）・・・光ファイバ。 （１３）・・・放射温度計。 （１５）・・・試料台上面。 （２０）・・・ハニカム状のコリメータ。 （２１）・・・放射光。 第１図 （ａ）　　　　　　（ｂ） 第３０ （ａ）（ｂ） 感４目 （ａ）　　　　　　（ｂ’＞ 第、５０ （ａ）　　　　　　　（ｂ’） 第６Ｉ２］ 第７Ｉ２１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、熱間静水圧加圧装置の炉内に閉端管を設置し、該閉
   端管先端の熱放射を光学系により受光して炉内の光学的
   温度測定を行う装置において、前記閉端管内に、その先
   端放射部と下部に設けられる放射光受光部との間の少な
   くとも被処理体が載置される試料台の上面より下方位置
   にハニカム状のコリメータを配置せしめたことを特徴と
   する熱間静水圧加圧装置。 ２、受光部がレンズと光ファイバからなる特許請求の範
   囲第１項記載の熱間静水圧加圧装置。 ３、レンズが閉端管の軸方向の放射光を集光する特許請
   求の範囲第２項記載の熱間静水圧加圧装置。 ４、レンズによる閉端管の軸方向の放射光の集光が、レ
   ンズに半径方向の屈折率分布をもたせることによりなさ
   れる特許請求の範囲第３項記載の熱間静水圧加圧装置。 ５、レンズによる閉端管の軸方向の放射光の集光が、入
   射面が平面で、内部に屈折率の高い凸レンズ状部分を有
   するレンズによりなされる特許請求の範囲第３項記載の
   熱間静水圧加圧装置。 ６、屈折率の高い凸レンズ状部分を内部に有するレンズ
   が屈折率の異なる複数枚のレンズの組み合わせである特
   許請求の範囲第５項記載の熱間静水圧加圧装置。 ７、受光部が放射温度計そのものからなる特許請求の範
   囲第１項記載の熱間静水圧加圧装置。 ８、ハニカム状コリメータが放射係数小なる耐熱性材料
   で形成される特許請求の範囲第１項、第２項又は第７項
   記載の熱間静水圧加圧装置。 ９、ハニカム状コリメータが上部高温部は炭素系材料、
   下部低温部は放射係数の小さいセラミックで形成される
   特許請求の範囲第１項、第２項又は第７項記載の熱間静
   水圧加圧装置。