(57)【要約】【課題】導入ガス流速を上昇させることなく小容量のブロワを用いて、効率的に被処理物の加熱を行うことができるガス加熱装置を提供する。【解決手段】ガス加熱装置１は、円筒状の加熱容器１０と、加熱容器１０の上部側方または下部側方のいずれか一方に設けられるガス導入路２０と、他方に設けられるガス排出路３０によって構成されている。ガス導入路２０およびガス排出路３０は、加熱容器１０の外周接線方向に設けられ、かつ、給気方向と排気方向とが同じ回転方向になるように設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物を加熱するガス加熱装置であって、
円筒状の加熱容器と、前記加熱容器の上部側方または下部側方のいずれか一方に設けられる加熱ガス導入路と、他方に設けられる加熱ガス排出路とを備えることを特徴とする、ガス加熱装置。
【請求項２】
前記加熱ガス導入路および前記加熱ガス排出路は、前記加熱容器の外周接線方向に設けられ、かつ、給気方向と排気方向とが同じ回転方向になるように設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のガス加熱装置。
【請求項３】
前記加熱容器は、内筒部および外筒部により構成され、
前記内筒部と外筒部の間に形成される円環状空間を上部空間および下部空間に仕切る仕切り板と、
前記外筒部の上部側方または下部側方のいずれか一方に設けられる加熱ガス導入路と、他方に設けられる加熱ガス排出路と、
前記内筒部の上方に設けられる１又は複数の上部窓部と、
前記内筒部の下方に設けられる１又は複数の下部窓部と、
を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のガス加熱装置。
【請求項４】
前記外筒部側方の、前記仕切り板よりも上方および下方に、それぞれ加熱ガス導入路および加熱ガス排出路が設けられていることを特徴とする、請求項３に記載のガス加熱装置。
【請求項５】
前記加熱容器の接ガス部分の材質はステンレスであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のガス加熱装置。
【請求項６】
前記加熱容器内の雰囲気ガスは、空気、窒素、中性ガス、酸化性ガス、還元性ガス、浸炭性ガス、窒化性ガス、のいずれかであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のガス加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内に搬入された被処理物を加熱処理するガス加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被処理物等の加熱には、加熱ガスを炉内に循環させる加熱装置が用いられ、例えば特許文献１、２に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２５７６５８号公報
【特許文献２】特開２００７−３１５６９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、例えば前記特許文献に開示された従来の加熱装置は、図６に示すように、ヒータ１０１やファン１０２等の装置を加熱容器１００内に配置している。すなわち、図６（ａ）に示すように、加熱容器１００内のヒータ１０１で加熱した雰囲気ガスをファン１０２で攪拌して被処理物４０を加熱する。あるいは、図６（ｂ）に示すように、（ａ）の構成に加えて、加熱容器１００の外部にブロワ１０３を設け、加熱容器１００内部の雰囲気ガスを循環させて均熱化し、被処理物４０を加熱する。このような構造の加熱装置では、加熱容器１００内において、被処理物４０を収容するスペースが小さくなってしまう。また、ヒータ等のメンテナンス時には、加熱装置全体の稼働を停止してヒータ部分を取り出さなければならず、稼働効率の低下を招く。
【０００５】
そこで、ヒータを加熱容器の外部に設け、加熱容器の外側から内部へ加熱ガスを流入させて、加熱容器内に収容した被処理物を加熱する方法がある。このとき、被処理物に対して、ガスによって迅速にかつ均一に熱交換を行う際には、ガスの流速を被処理物近傍において、速く均一な流速とする必要がある。ところが、ガス管等のガス導入機構から容積の大きい容器へガスが流入する場合には、ガス流速は流入時に遅くなってしまう。以下に、図面を参照して従来技術におけるガス流速について説明する。
【０００６】
図７は、従来技術において、ガス導入部１１０から熱交換容器１１１へガスが流入する様子を示す模式図である。ガス導入部１１０の断面積をＹとし、熱交換容器１１１の入口部の断面積をＸとする場合に、ガス流速ｖでガス導入部１１０から流入したガスの流速は、熱交換容器１１１の入口部においては、ｖ×Ｙ／Ｘとなる。したがって、図７のように、ＸがＹよりもはるかに大きい場合には、熱交換容器１１１内におけるガス流速は、ｖよりもはるかに遅い流速となってしまう。即ち、断面積ＸとＹの差が小さいほどガス流速を保つためには好ましい。
【０００７】
そのため、熱交換容器１１１内におけるガス流速を上昇させるためには、ガスを導入する際の、元の流速を上昇させるか、あるいは、熱交換容器１１１の断面積を小さくする必要がある。しかし、導入するガス流速を上昇させるためにブロワ等の性能を向上させると、高コストとなってしまう。また、熱交換容器１１１の断面積を小さくしてガス流路を狭くすると、圧損が大きくなり、ブロワ等に負荷がかかり効率的ではない。
【０００８】
そこで、上記問題点を解決するために、本発明の目的は、導入ガス流速を上昇させることなく小容量のブロワを用いて、効率的に被処理物の加熱を行うことができるガス加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題を解決するため、本発明は、被処理物を加熱するガス加熱装置であって、円筒状の加熱容器と、前記加熱容器の上部側方または下部側方のいずれか一方に設けられる加熱ガス導入路と、他方に設けられる加熱ガス排出路とを備えることを特徴とするガス加熱装置を提供する。
【００１０】
前記加熱ガス導入路および前記加熱ガス排出路は、前記加熱容器の外周接線方向に設けられ、かつ、給気方向と排気方向とが同じ回転方向になるように設けられていることが好ましい。
【００１１】
前記加熱容器は、内筒部および外筒部により構成され、前記内筒部と外筒部の間に形成される円環状空間を上部空間および下部空間に仕切る仕切り板と、前記外筒部の上部側方または下部側方のいずれか一方に設けられる加熱ガス導入路と、他方に設けられる加熱ガス排出路と、前記内筒部の上方に設けられる１又は複数の上部窓部と、前記内筒部の下方に設けられる１又は複数の下部窓部と、を備えてもよい。
【００１２】
前記外筒部側方の、前記仕切り板よりも上方および下方に、それぞれ加熱ガス導入路および加熱ガス排出路が設けられてもよい。
【００１３】
前記加熱容器の接ガス部分の材質はステンレスであってもよい。
【００１４】
前記加熱容器内の雰囲気ガスは、空気、窒素、中性ガス、酸化性ガス、還元性ガス、浸炭性ガス、窒化性ガス、のいずれかであってもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、導入ガス流速を上昇させることなく、効率的に被処理物の加熱を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施の形態にかかるガス加熱装置１であり、図１（ａ）は斜視図であり、図１（ｂ）は上方から見た平面図である。図２は、図１の加熱装置１を用いた加熱方法の概略図である
【００１８】
図１に示すように、ガス加熱装置１は、円筒状の加熱容器１０と、加熱容器１０の上部側方に設けられたガス導入路２０と、加熱容器１０の下部側方に設けられたガス排出路３０によって構成されている。加熱容器の接ガス部分の材質は、例えばステンレスが好ましい。ガス導入路２０およびガス排出路３０は、いずれも中空の管によって構成されている。図１（ｂ）に示すように、ガス導入路２０およびガス排出路３０の軸方向が、いずれも加熱容器１０の外周接線方向となるように、ガス導入路２０およびガス排出路３０が配置されている。ガス導入路２０の給気方向およびガス排出路３０の排気方向は、上から見た状態において、同じ回転方向（図１（ｂ）の例では時計回り）である。また、加熱時において、被処理物４０は、加熱容器１０の内部中央に配置される。
【００１９】
以上のような構成のガス加熱装置１において、被処理物４０を加熱する際には、被処理物４０を加熱容器１０の内部中央に配置し、加熱容器１０を密閉する。そして、被処理物４０を酸化させないため、加熱容器１０の内部を真空ポンプ（図示せず）によって真空状態とする。そして、図２に示すように、ヒータ１１にガスを導入し、加熱容器１０の外側に設けられたヒータ１１で加熱されたガスを、ガス導入路２０から加熱容器１０内へ導入させて、加熱容器１０内を加熱ガスで満たす。一方、ガス排出路３０から排出される加熱ガスは、ブロワ１２を介してヒータ１１へ送られ、ヒータ１１により所定の温度に調整された後、再び加熱容器１０へ送られる。こうして、加熱ガスは、ブロワ１２、ヒータ１１、および加熱容器１０を循環する。
【００２０】
このとき、図１に示すように、ガス導入路２０、ガス排出路３０の突出方向を同方向とし、開口方向を加熱容器１０の外周接線方向とすることで、加熱容器１０内における加熱ガスの流れは、上方から下方への螺旋状となる。
【００２１】
加熱容器１０内において、加熱ガスが螺旋状に流れる場合、その流速は、ガス導入路２０における加熱ガス導入速度とほぼ同じ速度となる。これは、加熱ガスの流路の断面積の変化が極めて小さいからである。
【００２２】
このようなガス加熱装置１を用いて被処理物４０の加熱を行うと、加熱容器１０内の加熱ガスの流速が、導入する加熱ガスの流速とほぼ同じ速度であるため、効率よく被処理物４０を加熱することが可能となる。また、加熱容器１０内の加熱ガスの流速を上昇させ、加熱能力を上昇させたい場合に、必要最低限のブロワ能力の上昇で済むため、従来技術と比較して、加熱コストの削減が可能となる。
【００２３】
また、ヒータ１１およびブロワ１２を加熱容器１０の外部に設置することにより、加熱容器１０の容積が増えるうえ、ヒータ１１の種類や形状等、任意のものが使用でき、メンテナンスが容易となる。さらに、ヒータを複数台設けておけば、メンテナンス時に別のヒータを稼働させることで、ガス加熱装置を停止させなくても済む。
【００２４】
なお、上記の実施の形態において、加熱ガスが螺旋状を保ちながら加熱容器１０の下方に進むとき、徐々に円筒状の中心部に広がるために、あるいは被処理物４０の抵抗のために、流速が低下するが、図７に示す熱交換容器１１１に同じ流速のガスを導入した場合と比べると、格段に速く、被処理物４０の加熱速度も非常に速いことを確認した。
【００２５】
また、図１（ａ）に示す加熱容器１０のガス導入路２０とガス排出路３０を入れ替えることで、図３に示すように、加熱容器１０の下方から上方へ向けて加熱ガスを流してもよい。すなわち、ブロワ１２からの送風によりヒータ１１に導入されたガスが、加熱容器１０の下方に設けられたガス導入路２０から加熱容器１０内へ導入される。上方のガス排出路３０から排出される加熱ガスは、ブロワ１２によりヒータ１１へ送られ、ヒータ１１により所定の温度に調整された後、再び加熱容器１０内へ送られる。こうして、加熱ガスは、加熱容器１０内を下方から上方に向けて螺旋状に移動し、ブロワ１２、ヒータ１１、および加熱容器１０を循環する。
【００２６】
なお、本発明において、加熱容器１０内で加熱ガスとして用いられる雰囲気ガスは、例えば空気、窒素、中性ガス、酸化性ガス、還元性ガス、浸炭性ガス、窒化性ガス等である。
【００２７】
図４は、本発明の第２の実施の形態にかかるガス加熱装置５０を示す斜視図である。図４に示すように、ガス加熱装置５０の加熱容器１０は、円筒状の外筒６０と、外筒６０の内部に配置され外筒６０の内径よりも小さい外径を有する内筒７０により構成される。外筒６０と内筒７０は同程度の高さを有しており、両者の上端部には、内部を密閉することが可能な開閉式の蓋６５が備えられている。外筒６０と内筒７０の下端部は、底面６６によりふさがれている。
【００２８】
ガス加熱装置５０内には、外筒６０と内筒７０によって囲まれる円環状の空間を、上部空間Ａと下部空間Ｂに仕切る円板状の仕切り板７５が設けられている。
【００２９】
このガス加熱装置５０において、被処理物４０は、加熱時、内筒７０の内部空間Ｃの中央部に配置される。
【００３０】
上部空間Ａの下方にガスを導入するガス導入路８０ａと、下部空間Ｂの上方にガスを導入するガス導入路８０ｂが、それぞれ外筒６０の外周部に設けられている。また、上部空間Ａの上方からガスを排出するガス排出路９０ｂと、下部空間Ｂの下方からガスを排出するガス排出路９０ａが、それぞれ外筒６０の外周部に設けられている。なお、各ガス導入路８０ａ、８０ｂおよびガス排出路９０ａ、９０ｂは、それぞれの軸方向が、上記第１の実施の形態同様、外筒６０の外周接線方向に沿うように配置される。また、ガス導入路８０ａの給気方向とガス排出路９０ａの排気方向は、上から見た状態において同じ回転方向であり、ガス導入路８０ｂの給気方向とガス排出路９０ｂの排気方向についても同様である。
【００３１】
また、内筒７０の上端外周部および下端外周部には、それぞれ複数の上部窓部６７ａ、下部窓部６７ｂが設けられており、これら複数の窓部６７ａ、６７ｂを通じて、加熱ガスが内筒７０の内部空間Ｃと上部空間Ａおよび下部空間Ｂを行き来できるようになっている。
【００３２】
以上のような構成のガス加熱装置５０における被処理物４０の加熱手順について、図５に基づいて説明する。
【００３３】
加熱容器１０の上端部の蓋６５を開き、被処理物４０を内部中央に配置し、蓋６５を閉じて加熱容器１０を密閉する。そして、被処理物４０を酸化させないため、加熱容器１０の内部を、真空ポンプ（図示せず）によって真空状態とする。その後、加熱ガス導入口から加熱ガスを導入し、加熱容器１０内を加熱ガスでパージする。
【００３４】
第１工程として、ヒータ１１で加熱されたガスが、ブロワ１２からの送風によりガス導入路８０ａを介して上部空間Ａに導入される。上部空間Ａに導入された加熱ガスは、ガス導入路８０ａが外筒６０の接線方向に設けられていることに加え、上部空間Ａが円環状の空間であることから、螺旋状に上部空間Ａ内を上昇する。
【００３５】
こうして、上部空間Ａ内が加熱ガスで満たされると共に、加熱ガスは、内筒７０上端外周部に設けられた上部窓部６７ａから、内筒７０の内部空間Ｃへ流入する。内部空間Ｃへ流入した加熱ガスは、上部空間Ａにおいて螺旋状の流れが形成された加熱ガスであるため、同様に螺旋状の流れを保ちつつ、内部空間Ｃの下方へ流れていく。このとき、螺旋状に内部空間Ｃ内を流れる加熱ガスによって、被処理物４０が加熱される。
【００３６】
さらに、内筒７０の下端外周部に下部窓部６７ｂが設けられているため、内部空間Ｃの下方に到達した加熱ガスは、内筒７０下端外周部の下部窓部６７ｂから下部空間Ｂへ流入し、その後、ガス排出路９０ａから外筒６０の外部へ排出される。図５に示すように、排出された加熱ガスをブロワ１２に戻してヒータ１１により加熱、温度調整し、再び加熱ガスとして用いても良い。
【００３７】
上記第１工程が一定時間行われると、被処理物４０の上部における加熱ガスと、被処理物４０の下部における加熱ガスの加熱能力に差が生じる。これは、低温の被処理物４０上部との間で熱交換した後の加熱ガスが、被処理物４０下部へ流れていくためである。
【００３８】
そこで、本実施の形態においては、第２工程として、以下に説明するガス加熱が一定時間行われ、第１工程および第２工程を一定時間ずつ繰り返し行うことで、被処理物４０を、より均一に加熱することができる。
【００３９】
第２工程として、ヒータ１１で加熱されたガスが、ブロワ１２からの送風により、ガス導入路８０ｂから下部空間Ｂに導入される。そして、下部空間Ｂの下方へ螺旋状に流れた加熱ガスは、内筒７０下端外周部に設けられた下部窓部６７ｂから内部空間Ｃへ流入し、上記第１工程の場合と同様、内部空間Ｃを上方へ向かって螺旋状に流れる。このとき、内部空間Ｃを流れる加熱ガスによって、被処理物４０が加熱される。
【００４０】
内筒７０の上端外周部には上部窓部６７ａが設けられているため、加熱ガスは、上部窓部６７ａから上部空間Ａへ流入し、その後、ガス排出路９０ｂから、外筒６０の外部へ排出される。排出された加熱ガスは、第１工程と同様、ヒータ１１で加熱し、ブロワ１２に戻して再び加熱ガスとして再利用しても良い。
【００４１】
以上のように、被処理物４０が、第１工程では上部から加熱され、第２工程では下部から加熱されるため、２つの工程を一定時間ずつ交互に行うことにより、被処理物４０を均等に加熱できる。
【００４２】
第２の実施の形態にかかるガス加熱装置５０を用いて被処理物４０の加熱を行う場合、ガス加熱装置５０内の加熱ガスの流速が、導入する加熱ガスの流速とほぼ同じ速度であるため、効率よく被処理物４０を加熱することが可能となる。また、ガス加熱装置５０内の加熱ガスの流速を上昇させて加熱能力を向上させたい場合に、上部空間Ａおよび下部空間Ｂを設けることにより、加熱ガスの流れを極めて均一な螺旋状とすることができるため、必要最低限のブロワ能力を上昇させるだけで済み、従来技術と比較して、加熱コストの削減が可能となる。
【００４３】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４４】
例えば、上記第２の実施の形態において、内筒にヒータを巻き付けたものを加熱手段としてもよい。また、第２の実施の形態において、第１工程および第２工程を一定時間ずつ交互に行うとしたが、本発明はこれに限るものではなく、加熱対象である被処理物の形状や温度分布等の条件により、第１工程および第２工程の実施時間等を適宜設定することが望ましい。また、第１工程のみによる一方向の加熱のみを行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、例えば鋼材の浸炭処理等のような各種熱処理の際に、被処理物を加熱する加熱装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるガス加熱装置１を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図２】図１のガス加熱装置１を用いた加熱方法を示す模式図である。
【図３】図２のガス加熱装置１を用いた異なる加熱方法を示す模式図である。
【図４】第２の実施の形態にかかるガス加熱装置５０の斜視図である。
【図５】図４のガス加熱装置５０を用いた加熱方法を示す模式図である。
【図６】従来の加熱装置による加熱方法を示す模式図である。
【図７】従来技術において、ガス導入部から熱交換容器へガスが流入する様子を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    ガス加熱装置
１０  加熱容器
１１  ヒータ
１２  ブロワ
２０  ガス導入路
３０  ガス排出路
４０  被処理物
５０  ガス加熱装置
６０  外筒
６７ａ  上部窓部
６７ｂ  下部窓部
７０  内筒
７５  仕切り板
８０  ガス導入路
９０  ガス排出路
１１０  ガス導入部
１１１  熱交換容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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