(57)【要約】【課題】炉内攪拌ファンの駆動機構を複雑にすることなく、熱処理炉の炉内から炉外への駆動軸を介した熱伝達を抑えることができる熱処理装置を提供する【解決手段】熱処理炉３の炉内に設けられた炉内攪拌ファン２と、熱処理炉３の炉体を貫通するようにして設けられた、炉内攪拌ファン２に接続された駆動軸４とを備えた熱処理装置１において、駆動軸４の少なくとも一部を中空軸８とし、前記熱処理炉内において中空軸８に炉内攪拌ファン２を接続し、中空軸８の中空部に、空気に比べて断熱性の高い断熱材１０を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理炉の炉内に設けられた炉内攪拌ファンと、前記熱処理炉の炉体を貫通するようにして設けられ、前記炉内攪拌ファンに接続された駆動軸とを備えた熱処理装置であって、
前記駆動軸の少なくとも一部が中空軸であり、
前記熱処理炉内において、前記中空軸に前記炉内攪拌ファンが接続され、
前記中空軸の中空部に、空気に比べて断熱性の高い断熱材が設けられていることを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
前記中空軸は、該中空軸内と前記熱処理炉内とが連通するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
【請求項３】
前記駆動軸が、前記中空軸と該中空軸に直列に連結された中実軸で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱処理装置。
【請求項４】
前記中実軸と前記中空軸の接合部が、前記熱処理炉の炉体表面より炉内側にあることを特徴とする請求項３に記載の熱処理装置。
【請求項５】
前記熱処理炉と前記中実軸との間に形成された隙間をシールするシール部材が設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載の熱処理装置。
【請求項６】
前記中実軸と前記中空軸の接合部が、前記熱処理炉の炉体表面より炉内側であって、且つ、前記シール部材より炉内側にあることを特徴とする請求項５に記載の熱処理装置。
【請求項７】
前記中実軸が前記熱処理炉の炉外に設けられたベアリングで支持されていることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の熱処理装置。
【請求項８】
前記中空軸と前記中実軸とが溶接により直列に連結されていることを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載の熱処理装置。
【請求項９】
前記駆動軸を支持するベアリングを冷却する冷却ファンが、前記熱処理炉の炉外の前記駆動軸上に設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の熱処理装置。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれかに記載の熱処理装置を製造する製造方法であって、
前記中空軸と中実軸とを焼嵌めで互いに固定した後に、前記中空軸と前記中実軸とを溶接することにより直列に連結して前記駆動軸を形成することを特徴とする熱処理装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱処理炉内の雰囲気を攪拌する炉内攪拌ファンを備えた熱処理装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
浸炭処理等の熱処理は、雰囲気制御された高温の熱処理炉内で行われる。品質の良い熱処理を行うためには、熱処理炉内において、雰囲気バラつきを低減すると共に、炉内温度を可能な限り均一にすることが必要となる。このため、熱処理炉内には、炉内の雰囲気を攪拌する炉内攪拌ファンが設けられる。
【０００３】
一般に、炉内攪拌ファンは、熱処理炉を貫通するようにして設けられた駆動軸に接続される。この駆動軸は、炉外に配置されたモーターに接続されると共に、熱処理炉の炉外において熱処理炉に隣接して設けられたベアリングにより支持される。
【０００４】
浸炭炉等の熱処理炉の炉内温度は、非常に高温（例えば９００℃以上）となる。熱処理炉は、炉内の熱が炉外に伝達しないよう断熱構造とはなっているものの、炉内の熱は、熱処理炉を貫通するようにして設けられた炉内攪拌ファンの駆動軸を介して炉外まで伝達してしまう。この熱は、駆動軸を支持するベアリングや駆動軸に接続されたモーター等の駆動軸周辺部品にまで伝達してしまう。ベアリングやモーターには使用温度範囲が規定されているため、駆動軸を介して伝達された熱により、規定された温度範囲を超えた場合には、各部品の性能低下や故障を引き起こすおそれがある。
【０００５】
そのような事態を避けるため、従来においては、セラミックベアリング等の耐熱性の高い部品を採用したり、特許文献１〜４に記載された伝熱対策を施してきた。
【０００６】
特許文献１に記載された伝熱対策は、炉内攪拌ファンと連結する駆動軸を長くし、炉内攪拌ファンとファン側ベアリング間の長さを長くすることにより冷却空間を設け、さらに駆動軸を中空にしたものである。なお、この中空部内の雰囲気は、空気である。
【０００７】
特許文献２，３に記載された伝熱対策は、炉内攪拌ファンと連結する回転用シャフトに水冷機構又はガス冷機構を設けたものである。特許文献４に記載された伝熱対策は、炉内攪拌ファンと連結する回転用シャフトの炉外側に、ベアリングを冷却するための冷却ファンを取り付けたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６２−２６８９８４号公報
【特許文献２】特開平１０−８１４８号公報
【特許文献３】特開２００３−２１４７２号公報
【特許文献４】特開２０１２−２２９８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１の伝熱対策では、駆動軸が長くなりすぎることにより、設計自由度が低下するという問題がある。また、駆動軸やベアリングの温度は、１５０℃以下であることが好ましいが、特許文献１に記載された伝熱対策では、ベアリングの温度が２００℃に達するおそれがある（特許文献１の実施例参照のこと）。
【００１０】
また、特許文献２，３の伝熱対策における水冷機構又はガス冷機構は複雑であり、製造コストが高くなってしまう。また、メンテナンスにも手間がかかることに加え、冷却機構による冷却によって炉内の熱が奪われ、熱量の損失が大きくなってしまう。
【００１１】
また、特許文献４の伝熱対策のような冷却ファンを設けただけでは、浸炭処理のように熱処理炉内が極めて高温（例えば９００℃以上）となる場合には、十分な冷却効果は得られない。
【００１２】
本発明の目的は、上記問題点を解決するため、炉内攪拌ファンの駆動機構を複雑にすることなく、熱処理炉の炉内から炉外への駆動軸を介した熱伝達を抑えることができる熱処理装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明によれば、熱処理炉の炉内に設けられた炉内攪拌ファンと、前記熱処理炉の炉体を貫通するようにして設けられ、前記炉内攪拌ファンに接続された駆動軸とを備えた熱処理装置であって、前記駆動軸の少なくとも一部が中空軸であり、前記熱処理炉内において、前記中空軸に前記炉内攪拌ファンが接続され、前記中空軸の中空部に、空気に比べて断熱性の高い断熱材が設けられていることを特徴とする熱処理装置が提供される。
【００１４】
また、前記中空軸は、該中空軸内と前記熱処理炉内とが連通するように形成されていることが好ましい。
【００１５】
前記駆動軸が、前記中空軸と該中空軸に直列に連結された中実軸で構成されていても良い。このとき、前記中実軸と前記中空軸の接合部が、前記熱処理炉の炉体表面より炉内側にあることが好ましい。また、前記熱処理炉と前記中実軸との間に形成された隙間をシールするシール部材が設けられていても良い。このとき、前記中実軸と前記中空軸の接合部が、前記熱処理炉の炉体表面より炉内側であって、且つ、前記シール部材より炉内側にあることが好ましい。また、前記中実軸が前記熱処理炉の炉外に設けられたベアリングで支持されていても良い。また、前記中空軸と前記中実軸とが、溶接により直列に連結されていても良い。
【００１６】
また、前記駆動軸を支持するベアリングを冷却する冷却ファンが、前記熱処理炉の炉外の前記駆動軸上に設けられていても良い。
【００１７】
また、本発明によれば、上記熱処理装置を製造する製造方法であって、前記中空軸と中実軸とを焼嵌めで互いに固定した後に、前記中空軸と前記中実軸とを溶接することにより直列に連結して前記駆動軸を形成することを特徴とする熱処理装置の製造方法も提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、駆動軸の少なくとも一部を中空軸とし、炉内攪拌ファンに接続される中空軸の中空部に、空気に比べて断熱性の高い断熱材を設けることにより、駆動軸を介した炉内から炉外への熱伝達を抑えることができる。これにより、駆動軸周辺部品の温度上昇を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る熱処理装置の炉内攪拌ファンの周辺を示す概略縦断面図である。
【図２】図１中の中空軸周辺を拡大した図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る熱処理装置を示す図である。
【図４】本発明例と従来例における熱処理炉の炉外にある駆動軸温度及びベアリング温度を示す図である。
【図５】本発明例と従来例における熱処理終了時からの経過時間とベアリング温度の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を熱処理装置１に基づいて説明する。なお、本実施の形態では、熱処理装置１の各構成部のうち、炉内攪拌ファン２の周辺についてのみ説明する。また、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。
【００２１】
まず、バッチ式或いは連続式の浸炭処理炉などの熱処理炉３の内部の雰囲気を攪拌する炉内攪拌ファン２は、熱処理炉３の炉体の上部に設けられる。図１に示す通り、炉内攪拌ファン２を回転させる駆動軸４は、熱処理炉３に隣接して設けられたハウジング５の中央部に収容され、熱処理炉３の炉体を貫通するようにして設けられている。この駆動軸４の一端は、炉内攪拌ファン２に接続され、駆動軸４の他端は、ハウジング５の外部に配置されたモーター６に接続されている。なお、駆動軸４の材質は、例えばカロライジング処理を施したステンレスである。また、熱処理炉３の炉体は、外気に接する炉殻９とその内側の熱処理炉断熱材１６で構成されている。
【００２２】
図１に示す通り、駆動軸４は、中実軸７と中空軸８で構成されており、中実軸７の下端は、熱処理炉３の炉体の炉殻９付近或いは炉殻９と熱処理炉断熱材１６の境界面より炉内側まで延びていることが好ましい。すなわち中実軸７と中空軸８の接合部は、熱処理炉３の炉体（炉殻９）より炉内側にあることが駆動軸４の強度を向上させるために好ましい。
【００２３】
一方、中空軸８の中空部には、空気より断熱性の高い（熱伝導率の低い）断熱材１０が設けられている。特に本発明において、「空気より断熱性の高い」断熱材１０とは、８００℃における熱伝導率が空気よりも低い断熱材を意味する。さらに具体的には、空気の８００℃における熱伝導率が０．０７１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるので、それより低い熱伝導率のものを意味する。例えば、断熱材１０には、微細多孔構造を有するマイクロサーム（登録商標）等を用いることが好ましい。マイクロサームは、品種によって熱伝導率が異なるが、８００℃における熱伝導率が０．０３〜０．０４５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲のものであることが好ましい。また、その他の断熱材として８００℃の熱伝導率が０．０４４Ｗ／（ｍ・Ｋ）のロスリム（登録商標）ボードなどがあり、本発明に好適である。なお、断熱材１０の熱伝導率はＩＳＯ８３０２に基づいて測定される。
【００２４】
図１，図２に示す通り、中空軸８の底部には、中空軸内の雰囲気が熱処理炉内の雰囲気と通過可能な連通孔１３が設けられており、さらに中空軸８内の雰囲気は熱処理炉３の炉外の雰囲気から遮断された構造となっている。この連通孔１３を設けることにより、熱処理炉内の熱の影響によって中空軸内で膨張したガスを熱処理炉内に逃がすことができる。よって、中空軸内が高圧になることを防ぎ、中空軸８の変形や破損を防ぐことができる。
【００２５】
図２に示す通り、駆動軸４を構成する中実軸７と中空軸８は、中空軸８の上部に中実軸７の下部が嵌め込まれ、中実軸７の外周面と中空軸８の内周面が当接され、中実軸７の外周面と中空軸８の円筒上部の円周上の面が溶接されることにより直列に連結されている。このとき、中実軸７を中空軸８の断熱材１０に当接させて溶接してもよい。これにより、溶接時における中実軸７の位置決めを容易にすることができる。さらに、中実軸７と中空軸８とを焼嵌めで固定した後に溶接することも好ましい。これにより、位置精度良く中実軸７と中空軸８とを溶接することができ、炉内攪拌ファン２の回転時における駆動軸４の軸心のぶれを防ぐことができる。また、溶接中においても中実軸７の位置が規制されることから、溶接の品質バラつきを低減させることができる。
【００２６】
上述のとおり中実軸７と中空軸８の中心軸のずれが最小となるように、寸法精度良く接続することが重要である。すなわち、高温下において炉内攪拌ファン２は、高速回転して炉内雰囲気を攪拌するので、中実軸と中空軸の両者の軸ずれが大きいと振動が発生して故障の原因となる。よって、上記焼き嵌めなどで固定した後に、溶接することにより連結することが好ましい。
【００２７】
中実軸７は、熱処理炉３に隣接して設けられたベアリング１１に支持されている。図２に示す通り、中実軸７の外周面と熱処理炉３の炉体（炉殻９）の境界部分には、シール部材１２が設けられている。このシール部材１２が熱処理炉３と中実軸７との間に形成された境界（隙間）を埋めることにより、炉内の雰囲気ガスが炉外に漏れることを防止することができる。また、中空軸８が破損する等のトラブルが発生した場合であっても、炉外から炉内に空気が混入することを防ぐことができ、これに加えて、熱処理炉内の雰囲気ガス（浸炭ガス等）の炉外への流出も防ぐことができるため、火災等のトラブルの発生も防ぐことができる。なお、シール部材１２とは、例えばＯリングやオイルシールである。
【００２８】
また、中実軸７と中空軸８の接合部は、熱処理炉３の炉体表面より炉内側であって、且つ、シール部材１２より炉内側にあることが好ましい。これによりさらに、中空軸７が破損したとしても炉内の雰囲気ガスが炉外に漏れることを防ぐことができ、安全性を高めることができる。また、駆動軸４の強度を向上させるためにも好ましい。
【００２９】
炉内攪拌ファン２の上板１４の上面には、補強板１５が設けられている。図２に示す通り、補強板１５は、炉内攪拌ファン２の上板１４の上面において溶接され、中空軸８は、補強板１５の上面及び炉内攪拌ファン２の上板１４の下面において溶接されている。
【００３０】
本発明の実施の形態では、以上のように構成された熱処理装置で熱処理を行う。このように構成された熱処理装置によれば、駆動軸を中実軸と中空軸で構成し、炉内攪拌ファンに接続された中空軸の中空部に、空気に比べて断熱性の高い（熱伝導率の低い）断熱材を設けることにより、駆動軸を介した炉内から炉外への熱伝達を抑えることができる。これにより、駆動軸を支持するベアリングや駆動軸に接続されるモーター等の駆動軸周辺部品の温度上昇を抑制することができる。その結果、周辺部品それぞれに規定された使用温度範囲内で各部品を使用することができ、安定した性能を引き出せると共に耐久性の低下も抑制することができる。また、駆動軸からの熱伝達を抑えることに伴い、駆動軸周辺部品を耐熱性の高い材質の例えばセラミックスで作製されたものから、比較的耐熱性の低い材質の例えば金属製ものに切り換えることができるため、部品コストを削減することができる。また、断熱性が高いため、炉内を加熱、保温するエネルギーコストを低減することもできる。
【００３１】
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。
【００３２】
例えば、上記実施形態では、駆動軸を中実軸と中空軸で構成することとしたが、駆動軸全体を中空軸としても良い。中空部に空気より断熱性の高い断熱材を設けることにより、炉内攪拌ファンの駆動機構を複雑にすることなく、熱処理炉の炉内から炉外への駆動軸を介した熱伝達を抑える作用効果を奏することができる。また、上記実施形態では、中実軸や中空軸、補強板、炉内攪拌ファン等を互いに溶接することとしたが、溶接箇所や溶接長は適宜変更されるものである。また、各部品の固定方法についても溶接に限定されるものではなく、その他の手法により固定しても良い。
【００３３】
また、前述の通り、中空軸は例えばその底部に中空軸内の雰囲気が熱処理炉内の雰囲気と通過可能な連通孔が設けられている構造となっている。このような構造とするために、中空軸は底面付きの円筒部材の底面に穴を開けて作製してもよく、或いは円筒部材にドーナツ状の円盤を底面部材として用意して両者を溶接などにより接合して作製しても良い。また、中空軸と中実軸で駆動軸を構成するときの中空軸内部への断熱材の挿入は、中実軸を接合する前でも後でも構わない。
【００３４】
また、図３に示すように、本発明の他の実施形態として、ハウジング５の内部（熱処理炉の炉外）の駆動軸上に、ベアリング１１を冷却する冷却ファン１７を設けても良い。この冷却ファン１７は、駆動軸４の回転に合わせて回転する。これにより、上記実施形態で説明した熱伝達抑制効果、高い断熱効果に加えて、冷却ファン１７の回転によって生じた風によるベアリングの冷却効果も得ることができる。
【実施例】
【００３５】
本発明に係る熱処理装置と従来の熱処理装置を用いた場合の熱処理炉外への熱伝達について比較を行った。なお、本発明に係る熱処理装置とは、上記実施形態で説明した図１に示す構成を有する装置であり、従来の熱処理装置とは、駆動軸を全て中実軸としたものである。
【００３６】
まず、熱処理炉の炉外にある駆動軸温度及びベアリング温度を測定した。結果を図４に示す。なお、温度の測定ポイントは、図２に示すＰ１、Ｐ２である。また、熱処理炉の炉内温度は９５０℃である。
【００３７】
温度測定の結果、熱処理中の軸温度Ｐ１は、従来例が２８５℃であったのに対して、実施例では１３５℃であった。また、熱処理中のベアリング温度Ｐ２は、比較例が１６５℃であったのに対して実施例では１３５℃であった。本実施例の結果によれば、駆動軸の一部を中空軸とし、その中空軸の中空部に空気より断熱性の高い断熱材を設けることにより、駆動軸を介した周辺部品の温度上昇を大きく抑えることができる。また、本発明例の場合、ベアリング温度が１５０℃以下となっている。このため、従来使用されてきたセラミックス製のベアリングに代えて、耐熱性のあまり高くない金属製のベアリングを採用することができ、コストを削減することができる。
【００３８】
次に、熱処理炉内にある駆動軸（本発明例：断熱材を設けた中空軸、従来例：中実軸）からの放熱量を測定した。その結果、従来例が６７ｋｃａｌ／ｈであったのに対して、本発明例では３１ｋｃａｌ／ｈであった。また、熱処理炉外にある駆動軸（本発明例：中実軸、従来例：中実軸）からの放熱量についても測定した。その結果、従来例が１２３ｋｃａｌ／ｈであったのに対して、本発明例では２７ｋｃａｌ／ｈであった。これらの結果から、本発明例によれば、駆動軸からの放熱を大きく抑えることができ、駆動軸周辺部品への熱伝達を抑えられることが示される。特に、本発明例における熱処理炉の炉外にある駆動軸（中実軸）からの放熱量は、従来例に比べて極めて小さくなっている。すなわち、本発明は駆動軸周辺部品の温度の上昇を抑制するとともに、駆動軸周辺からの伝熱や放熱が小さいので高い断熱効果をも備える。
【００３９】
次に、炉内攪拌ファンの停止後（熱処理終了後）のベアリング温度を測定した。結果を図５に示す。なお、温度測定ポイントは、図２に示すＰ２である。図５によれば、従来例の場合には、熱処理炉内の余熱が駆動軸を介してベアリングに伝達し、経過時間と共にベアリング温度が上昇している。一方、本発明例によれば、経過時間と共にベアリングの温度が上昇することはなく、経過時間が３０分となる頃にはベアリング温度が低下している。すなわち、本発明例によれば、熱処理終了後の熱処理炉内の余熱に起因した駆動軸周辺部品の温度上昇を防ぐことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、熱処理炉内の雰囲気を攪拌する炉内攪拌ファンを備えた熱処理装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１      熱処理装置
２      炉内攪拌ファン
３      熱処理炉
４      駆動軸
５      ハウジング
６      モーター
７      中実軸
８      中空軸
９      炉殻
１０    断熱材
１１    ベアリング
１２    シール部材
１３    連通孔
１４    炉内攪拌ファン上板
１５    補強板
１６    熱処理炉断熱材
１７    冷却ファン
ＷＰ    溶接部
【図１】
2014163637.tif 000003
【図２】
2014163637.tif 000004
【図３】
2014163637.tif 000005
【図４】
2014163637.tif 000006
【図５】
2014163637.tif 000007