(57)【要約】【課題】被処理部材における熱容量の小さい部位のオーバーシュートを抑制し、かつ熱容量の大きい部位の目標熱処理温度への到達を確実に知ることができ、熱処理のためのサイクルタイムを短くすることのできる熱処理方法を提供する。【解決手段】グラファイトチューブ（ＧＣ）１２の周囲を囲繞する誘導加熱コイル１４と、ＧＣ１２を冷却する冷却手段とを備えた加熱炉１０内に、被処理部材４０と、第１ダミー部材２６ａと、第２ダミー部材２６ｂとを配置する搬入工程と、ＧＣ１２を被処理部材４０の熱処理目標温度以上に定めたピーク温度まで昇温させる昇温工程と、ＧＣ１２の温度が前記ピーク温度に到達した後、第１ダミー部材２６ａの温度が熱処理目標温度を超えないように、ＧＣ１２の温度を降下させると共に、第１ダミー部材２６ａと第２ダミー部材２６ｂの双方の温度を熱処理目標温度に整定する整定工程と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱容量の異なる部位を有する被処理部材の熱処理方法であって、
被誘導加熱部材により隔壁が構成され、前記隔壁の周囲を囲繞する誘導加熱コイルと、前記隔壁を冷却する冷却手段とを備えた加熱炉内に、少なくとも、前記被処理部材と、前記被処理部材における熱容量が最も小さい部位の温度変化に倣った温度を検出する第１ダミー部材と、前記被処理部材における熱容量が最も大きい部位の温度変化に倣った温度を検出する第２ダミー部材とを配置する搬入工程と、
前記隔壁を前記被処理部材の熱処理目標温度以上に定めたピーク温度まで昇温させる昇温工程と、
前記隔壁の温度が前記ピーク温度に到達した後、前記第１ダミー部材の温度が前記熱処理目標温度、または前記熱処理目標温度に対して予め定めた許容温度の範囲を超えないように、前記隔壁の温度を降下させると共に、前記第１ダミー部材と前記第２ダミー部材の双方の温度を前記熱処理目標温度に整定する整定工程と、
を有することを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】
前記整定工程の後に、
前記第２ダミー部材の温度が予め定めた取り出し温度に到達するまで冷却する冷却工程と、
前記冷却工程終了後に、前記被処理部材を前記加熱炉から取り出す取出し工程と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の熱処理方法。
【請求項３】
熱容量の異なる部位を有する被処理部材を熱処理するための加熱炉であって、
被誘導加熱部材により構成された隔壁と、
前記隔壁を囲繞する誘導加熱コイルと、
前記隔壁を冷却する冷却手段と、
前記隔壁内に配置され、前記被処理部材における熱容量が最も小さい部位の温度変化に倣った温度を検出する第１ダミー部材と、
前記隔壁内に配置され、前記被処理部材における熱容量が最も大きい部位の温度変化に倣った温度を検出する第２ダミー部材と、
前記第１ダミー部材による検出温度に基づき、当該第１ダミー部材による検出温度が熱処理目標温度、または前記熱処理目標温度に対して予め定めた許容温度の範囲を超えないように前記誘導加熱コイルへの供給電力を制御するための信号を出力し、前記第２ダミー部材による検出温度に基づき、当該第２ダミー部材による検出温度が前記熱処理目標温度に到達した際に、前記誘導加熱コイルへの供給電力低減、あるいは遮断するための信号を出力する制御部と、
を備えることを特徴とする加熱炉。
【請求項４】
前記誘導加熱コイルは、管状部材により構成され、内部に冷媒を挿通させることにより前記冷却手段としての働きも担う構成としたことを特徴とする請求項３に記載の加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理部材を熱処理する方法、およびこれに用いる加熱炉に係り、特に、誘導加熱を利用して熱処理を行う方法、および加熱炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
被処理部材の熱処理技術としては、ランプ加熱や抵抗加熱、誘導加熱などが知られている。ランプ加熱は、急速加熱が可能である反面、複数のランプを等間隔に配置して加熱が成されるため、温度制御が難しいという難点がある。また、抵抗加熱は、温度制御に関する優位性はあるものの、急速加熱に難がある。
【０００３】
これらの技術に対し、誘導加熱による熱処理は、急速加熱と温度制御の双方においてバランスが良いことが知られている。
ここで、部位によって熱容量が異なる被処理部材を熱処理するための技術として、特許文献１、２に開示されているような技術が知られている。
【０００４】
特許文献１に開示されている技術は、内部空間をトンネル状に形成された導電体により構成された壁面により囲われた加熱炉を備え、当該加熱炉の壁面を誘導加熱により加熱すると共に、加熱炉の外周に沿って形成された循環路を介して雰囲気ガスを加熱循環させることで、被処理部材を温度ムラ無く加熱するという技術である。
【０００５】
特許文献２に開示されている技術は、被処理部材の搬送手段であるコンベアによる搬送路上に配置された予熱室と加熱室から成り、予熱室により予め熱せられた被処理部材を加熱室で熱処理するというものである。このような技術において加熱室では、２つの加熱源を備える構成とされている。実施形態に係る例では、放射加熱を行う電気加熱源と、熱交換器を介して誘導加熱により加熱された雰囲気ガスや窒素ガスを被処理部材に吹き付ける局所加熱装置を備えている。局所加熱装置により、被処理部材において、熱容量の大きい箇所に熱風を吹きつけることで、被処理部材に生じる温度ムラを防ぐことができるという技術である。
【０００６】
また、誘導加熱を利用して被処理部材を加熱する技術としては、特許文献３に開示されているようなものが知られている。特許文献３に開示されている技術は、近接して配置された複数の誘導加熱コイルを同時に稼動させる技術である。各誘導加熱コイルには、周波数、および位相を同期させた交流電流を供給する。このような技術を用いることにより、各誘導加熱コイルに対して供給する電流値を精度良く調整することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１９０７８３号公報
【特許文献２】特開２００８−７００３０号公報
【特許文献３】特開２００５−２６７８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１、２に開示されている技術は、確かに熱容量の異なる部位がある被処理部材であっても、熱容量の小さい部位と熱容量の大きい部位の間に生ずる温度ムラを解消することができる可能性が高い。
【０００９】
しかし、いずれの技術においても、被処理部材における熱容量の小さい部位と熱容量の大きい部位が、実際に均等に加熱されているか否かについては、認知することができない。
また、目標とする熱処理温度に対し、熱容量の小さい部位がオーバーシュートする虞や、熱容量の大きい部位の加熱温度が、目標とする熱処理温度に到達しないといった事態が生じる虞もある。
【００１０】
こうした問題を解決するためには、加熱温度を目標とする熱処理温度以上とせず、熱容量の大きい部位においても目標とする熱処理温度に到達することを見込むことができる時間をかけて加熱することとなるが、こうした場合、熱処理に要するサイクルタイムが長くなり、生産性が低下するといった問題を生じさせる。
【００１１】
そこで本発明では、被処理部材における熱容量の小さい部位のオーバーシュートを抑制し、かつ熱容量の大きい部位の目標熱処理温度への到達を確実に知ることができ、さらに熱処理のためのサイクルタイムを短くすることのできる熱処理方法、および加熱炉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明に係る熱処理方法は、熱容量の異なる部位を有する被処理部材の熱処理方法であって、被誘導加熱部材により隔壁が構成され、前記隔壁の周囲を囲繞する誘導加熱コイルと、前記隔壁を冷却する冷却手段とを備えた加熱炉内に、少なくとも、前記被処理部材と、前記被処理部材における熱容量が最も小さい部位の温度変化に倣った温度を検出する第１ダミー部材と、前記被処理部材における熱容量が最も大きい部位の温度変化に倣った温度を検出する第２ダミー部材とを配置する搬入工程と、前記隔壁を前記被処理部材の熱処理目標温度以上に定めたピーク温度まで昇温させる昇温工程と、前記隔壁の温度が前記ピーク温度に到達した後、前記第１ダミー部材の温度が前記熱処理目標温度、または前記熱処理目標温度に対して予め定めた許容温度の範囲を超えないように、前記隔壁の温度を降下させると共に、前記第１ダミー部材と前記第２ダミー部材の双方の温度を前記熱処理目標温度に整定する整定工程と、を有することを特徴とする。
【００１３】
このような特徴を有する熱処理方法では、前記整定工程の後に、前記第２ダミー部材の温度が予め定めた取り出し温度に到達するまで冷却する冷却工程と、前記冷却工程終了後に、前記被処理部材を前記加熱炉から取り出す取出し工程と、を有するようにすると良い。
【００１４】
また、上記目的を達成するための本発明に係る加熱炉は、熱容量の異なる部位を有する被処理部材を熱処理するための加熱炉であって、被誘導加熱部材により構成された隔壁と、前記隔壁を囲繞する誘導加熱コイルと、前記隔壁を冷却する冷却手段と、前記隔壁内に配置され、前記被処理部材における熱容量が最も小さい部位の温度変化に倣った温度を検出する第１ダミー部材と、前記隔壁内に配置され、前記被処理部材における熱容量が最も大きい部位の温度変化に倣った温度を検出する第２ダミー部材と、前記第１ダミー部材による検出温度に基づき、当該第１ダミー部材による検出温度が熱処理目標温度、または前記熱処理目標温度に対して予め定めた許容温度の範囲を超えないように前記誘導加熱コイルへの供給電力を制御するための信号を出力し、前記第２ダミー部材による検出温度に基づき、当該第２ダミー部材による検出温度が前記熱処理目標温度に到達した際に、前記誘導加熱コイルへの供給電力低減、あるいは遮断するための信号を出力する制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、このような特徴を有する加熱炉において前記誘導加熱コイルは、管状部材により構成され、内部に冷媒を挿通させることにより前記冷却手段としての働きも担う構成とすると良い。
【発明の効果】
【００１６】
上記のような特徴を有する熱処理方法、および加熱炉によれば、被処理部材における熱容量の小さい部位のオーバーシュートを抑制し、かつ熱容量の大きい部位の目標熱処理温度への到達を確実に知ることができる。また、被処理部材の熱処理に要するサイクルタイムを短くすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る加熱炉の構成を示す正面図である。
【図２】グラファイトチューブと被処理部材の整定工程までの温度変化を示すグラフである。
【図３】整定工程までに第１ダミー部材と第２ダミー部材により検出される温度データの変化を示すグラフである。
【図４】加熱炉内に２つの被処理部材を配置した場合におけるグラファイトチューブと被処理部材の整定工程までの温度変化を示すグラフである。
【図５】加熱炉内に２つの被処理部材を配置した場合において、整定工程までに第１ダミー部材と第２ダミー部材により検出される温度データの変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の熱処理方法、および加熱炉に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。まず、図１を参照して、実施形態に係る加熱炉について説明する。ここで、図１は、実施形態に係る加熱炉の全体構成を示す図である。
【００１９】
本実施形態に係る加熱炉１０は、グラファイトチューブ１２、誘導加熱コイル１４、断熱材１８、およびハウジング２０を基本として構成される。グラファイトチューブ１２は、炉内壁面を構成する導電性部材であり、電磁誘導の作用によって発熱し、被処理部材４０を放射加熱すると共に、熱伝達により炉内の雰囲気ガスを加熱する被誘導加熱部材である。
【００２０】
誘導加熱コイル１４は、上述したグラファイトチューブ１２の外周側に巻回されるコイルである。誘導加熱コイル１４には、電源２４が接続されており、当該電源２４からの電力の供給により、コイル周囲に磁界を生じさせる。コイル周囲に発生した磁界は、その磁束がグラファイトチューブ１２へ投入されることにより、電磁誘導の作用によって、グラファイトチューブ１２を発熱させることとなる。また、誘導加熱コイル１４は中空材として構成され、内部に冷媒（冷却水）等を挿通可能に構成されている。誘導加熱コイル１４自体が加熱されることを防ぐと共に、熱処理工程において、誘導加熱コイル１４を冷却手段として作用させることが可能となる。
【００２１】
断熱材１８は、グラファイトチューブ１２を囲繞するように配置された誘導加熱コイル１４の外周側に配置されている。炉内温度の変動を防ぐ作用を担うと共に、ハウジング２０側へ熱の影響が生ずることを防止する役割を担う。
【００２２】
ハウジング２０は、加熱炉１０の外郭を構成する要素である。ハウジング２０の構成部材としては、特に限定するものでは無いが、例えば耐熱性、耐食性があり、加工が容易な部材とすると良い。具体的な例としては、ステンレス等で構成すれば良い。ハウジング２０には、加熱炉１０に対して被処理部材４０を搬出入するための開口部（不図示）と、当該開口部を閉塞するための蓋（不図示）が備えられている。
【００２３】
このような基本構成とされる加熱炉１０には、図１に示すような、熱容量の異なる部位を有する異形部材を被処理部材４０として投入される。ここで、実施形態に係る加熱炉１０には、被処理部材４０と共に、複数のダミー部材を加熱炉内に配置するようにしている。本実施形態では、第１ダミー部材２６ａと第２ダミー部材２６ｂの２つを配置している。
【００２４】
第１ダミー部材２６ａは、被処理部材４０における熱容量の最も小さい部位の温度変化に倣った温度を検出するセンサー素子である。一方、第２ダミー部材２６ｂは、被処理部材４０における熱容量の最も大きい部位の温度変化に倣った温度を検出するセンサー素子である。
【００２５】
本実施形態では、第１ダミー部材２６ａと第２ダミー部材２６ｂの双方について、それぞれ構成部材の比熱と質量（体積）により、熱容量を異ならせるようにしている。ここで、被処理部材４０よりも体積や面積が小さなダミー部材を採用した場合、当然、被処理部材４０と比べ、加熱時における温度上昇率が異なる。このため、検出データに対して、被処理部材４０における対象部位の温度上昇率に基づく補正値をかけるようにすると良い。このような構成とすることにより、第１ダミー部材２６ａと第２ダミー部材２６ｂはそれぞれ、各対象部位に対応した温度を検出することができるようになる。
【００２６】
本実施形態では、第１ダミー部材２６ａと第２ダミー部材２６ｂにより検出されたデータは、制御手段２８に入力される。制御手段２８に入力された検出データは、対象部位等の温度上昇率に基づいて補正され、予め定められた熱処理目標温度との対比が行われる。制御手段２８では、検出データに基づく温度と熱処理目標温度との対比結果に基づいて、電源２４に対する指令信号を生成し、電源２４に出力する構成としている。このような構成とすることで、電源２４は、ダミー部材２６ａと第２ダミー部材２６ｂによる検出データに基づいて、電力制御を行うことが可能となる。
【００２７】
このような構成とされる加熱炉１０を用いた熱処理は、少なくとも、搬入工程と、昇温工程、整定工程、冷却工程、および取出し工程を経ることにより成される。
搬入工程は、加熱炉１０のグラファイトチューブ１２内に被処理部材４０を搬入する工程である。被処理部材４０の搬入は、加熱炉１０に設けられた開口部を介して成される。ここで、本実施形態では、被処理部材４０の搬入と同時に、あるいは被処理部材４０の搬入よりも前に、第１ダミー部材２６ａと第２ダミー部材２６ｂを、グラファイトチューブ１２内に配置する。なお、第１ダミー部材２６ａと第２ダミー部材２６ｂは、予めグラファイトチューブ１２内に配置しておいても良い。
【００２８】
昇温工程は、グラファイトチューブ１２により構成される加熱炉１０の隔壁を、誘導加熱コイル１４を介した誘導加熱により加熱して昇温させる工程である。昇温工程では、熱処理のサイクルタイムを短くするために、熱容量の小さい部位、熱容量の大きい部位を問わず、被処理部材４０全体を急速加熱する。このため、グラファイトチューブ１２は、誘導加熱により、目標とする熱処理温度（以下、熱処理目標温度と称す）よりも高い温度範囲に定めたピーク温度まで昇温させる。
【００２９】
本実施形態では図２に示すように、熱処理目標温度を６００℃とした場合に、ピーク温度を９００℃以上に定めている。ここで、第１ダミー部材２６ａと第２ダミー部材２６ｂは、互いに、熱容量の小さい部位と熱容量の大きい部位のそれぞれに近似した昇温曲線を描くようにして温度上昇を検出し、検出データを出力する。
【００３０】
整定工程は、被処理部材４０における熱容量の小さい部位と、熱容量の大きい部位との双方が、熱処理目標温度となるように熱処理温度の調整を行うための工程である。本実施形態では、第１ダミー部材２６ａからの検出温度に基づいてフィードバック制御を行うと共に、第２ダミー部材２６ａからの検出温度に基づいて整定時間を定めるようにしている。
【００３１】
具体的には、第１ダミー部材２６ａからの検出温度が熱処理目標温度を超えない（超えた場合であっても、許容温度範囲）範囲で昇温するように、グラファイトチューブ１２の温度を降下させる。グラファイトチューブ１２の温度の降下は、加熱手段である誘導加熱コイル１４を冷却手段として用いることで成される。すなわち、誘導加熱コイル１４に供給される電力による磁束の発生と、冷媒の挿通による冷却効果とを調整し、グラファイトチューブ１２の発熱と冷却の割合を調整するのである。誘導加熱コイル１４への電力の供給を遮断し、冷媒の挿通だけを行うことによれば、グラファイトチューブ１２を急速冷却させることができる。
【００３２】
このような降温制御の一方で、第２ダミー部材２６ｂからの検出温度に基づいて、被処理部材４０に対する加熱の継続と停止の判断が成される。すなわち、第２ダミー部材２６ｂからの検出温度が熱処理目標温度に至っていない状態では、被処理部材４０の加熱を継続するように判断が成される。一方で、第２ダミー部材２６ｂからの検出温度が熱処理目標温度に至った後には、被処理部材４０の加熱を停止する旨の判断が成される（図３参照）。
【００３３】
このような工程を経ることにより、被処理部材４０における熱容量の小さい部位が過加熱されることを抑制しつつ、被処理部材４０全体を熱処理目標温度に到達させることができる。また、熱容量の大きい部位が熱処理目標温度に到達する最短時間を知ることができるため、次工程への切り替えタイミングにロスが無い。よって、熱処理に要するサイクルタイムを必要十分な最短時間とすることができる。
【００３４】
冷却工程は、被処理部材４０を冷却する工程である。具体的には、被処理部材４０の温度が、加熱炉１０への搬入時の温度近傍に至るまで冷却を行う。加熱状態での外部雰囲気への露出による酸化等を防ぐためである。被処理部材４０の冷却は、誘導加熱コイル１４の内部に挿通される冷媒により成される。この際、誘導加熱コイル１４に対する電力の供給は、遮断する。これにより、グラファイトチューブ１２が急速冷却され、被処理部材４０を強制冷却することが可能となると共に、冷却時間を短縮することができる。なお、強制冷却時において、誘導加熱コイル１４への供給電力は、遮断に限らず、単に低減させることで、熱歪みなどを防ぎつつ冷却するようにしても良い。
【００３５】
取出し工程は、被処理部材４０を加熱炉１０から取り出す工程である。具体的には、加熱炉１０の開口部を介して被処理部材４０を取り出すというものである。なお、被処理部材４０を加熱炉１０から取り出した後には、再び搬入工程へと移行し、新たな被処理部材４０の投入が成される。
【００３６】
上記実施形態では、被処理部材４０および第１ダミー部材２６ａ、第２ダミー部材２６ｂの加熱は、グラファイトチューブ１２からの放射加熱のみによって成されるように記載した。しかしながら、実施形態に係る加熱炉、および熱処理方法では、他の加熱手段との併用により、被処理部材４０および第１ダミー部材２６ａ、第２ダミー部材２６ｂを加熱するようにしても良い。
【００３７】
例えば、グラファイトチューブ１２からの放射加熱に加えて熱風加熱を行うようにした場合、第１ダミー部材２６ａと第２ダミー部材２６ｂはそれぞれ、グラファイトチューブ１２と対向する一方の面を放射加熱により加熱されると共に、全周を熱風により加熱されることとなる。
【００３８】
また、熱風加熱を併用する場合には、熱風の流路における上流側と下流側のそれぞれに、第１ダミー部材２６ａと第２ダミー部材２６ｂの双方を配置すると良い。熱風加熱による熱交換の影響で、熱風の上流側と下流側とでは、その温度に差が生じる虞がある。実施形態においては、そのような温度偏差に対応するために、上流側と下流側での検出データの平均値を求めるようにする。
【００３９】
また、上記実施形態では、加熱炉１０に配置する被処理部材４０は、１つであるように記載した。しかしながら、本発明に係る熱処理方法では、複数の被処理部材４０を加熱炉１０内へ配置する場合においても適用することができる。図４から読み取れるように、加熱炉１０内に配置する被処理部材４０を複数（２つ）とした場合であっても、グラファイトチューブ１２のピーク温度は、被処理部材４０の熱処理目標温度よりも高く設定される。ここで、加熱炉１０内に配置する被処理部材４０を複数とした場合には、単一の被処理部材４０を加熱する場合に比べて、熱処理に要するサイクルタイムを長くした場合であっても、その生産性を高く保つことができる。このため、図４に示すグラフでは、グラファイトチューブ１２のピーク温度を８００℃程度とし、昇温工程、および整定工程にかける時間を長くしている。
【００４０】
このような熱処理方法を実施する場合であっても、第１ダミー部材２６ａ、第２ダミー部材２６ｂは、それぞれ被処理部材４０における対象部位に倣った温度データを検出することができ、図５に示すような昇温曲線を示すこととなる。
【符号の説明】
【００４１】
１０………加熱炉、１２………グラファイトチューブ、１４………誘導加熱コイル、１８………断熱材、２０………ハウジング、２４………電源、２６ａ………第１ダミー部材、２６ｂ………第２ダミー部材、２８………制御手段、４０………被処理部材。
【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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