(57)【要約】      （修正有）【課題】竪型熱処理炉に大きな変更を加えること無く、その炉冷工程において、比較的速い冷却速度であっても安定的に制御し得るようにすることのできる冷却制御用冶具の提供【解決手段】蓋体６に被処理物１２を吊り下げて上部開口から円柱状の炉体２内部に挿入し上部開口を蓋体６で閉塞して熱処理を行う竪型熱処理炉１０の冷却制御用冶具３０であって、上部開口に沿って環状に配置され炉体２と蓋体６との間に挟まれてこの間を閉塞する環状ブロック３４を含み、環状ブロック３４は炉体２の円柱軸から放射方向に貫通するように熱排出孔３３を与えられており、熱排出孔３３を開放し炉体２内部を外部と連通させて冷却する竪型熱処理炉の冷却制御用冶具３０。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓋体に被処理物を吊り下げて上部開口から円柱状の炉体内部に挿入し該上部開口を該蓋体で閉塞して熱処理を行う竪型熱処理炉の冷却制御用冶具であって、
前記上部開口に沿って環状に配置され前記炉体と前記蓋体との間に挟まれてこの間を閉塞する環状ブロックを含み、前記環状ブロックは前記炉体の円柱軸から放射方向に貫通するように熱排出孔を与えられており、前記熱放出孔を開放し前記炉体内部を外部と連通させて冷却することを特徴とする竪型熱処理炉の冷却制御用冶具。
【請求項２】
前記熱排出孔は前記円柱軸の周りに等間隔で並ぶよう前記環状ブロックに設けられていることを特徴とする請求項１記載の竪型熱処理炉の冷却制御用冶具。
【請求項３】
前記環状ブロックは複数のブロック体を含んでなることを特徴とする請求項１又は２に記載の竪型熱処理炉の冷却制御用冶具。
【請求項４】
前記ブロック体は金属材料からなるとともに周囲を断熱材で覆われていることを特徴とする請求項３記載の竪型熱処理炉の冷却制御用冶具。
【請求項５】
前記環状ブロックは、前記ブロック体とその間の断熱材とからなることを特徴とする請求項３又は４に記載の冷却制御用冶具。
【請求項６】
蓋体に被処理物を吊り下げて上部開口から円柱状の炉体内部に挿入し該上部開口を該蓋体で閉塞して熱処理を行う竪型熱処理炉の冷却制御方法であって、
前記上部開口に沿って環状に配置される環状ブロックを前記炉体と前記蓋体との間に挟ませてこの間を閉塞させ、前記炉体の円柱軸から放射方向に貫通するように前記環状ブロックに与えられた熱排出孔を開放して前記炉体内部を外部と連通させることで前記被処理物を冷却することを特徴とする竪型熱処理炉の冷却制御方法。
【請求項７】
前記炉体内部のヒータの出力を合わせて調整し前記被処理物を冷却することを特徴とする請求項６記載の冷却制御方法。
【請求項８】
前記被処理物を第１温度で等温保持後、更に前記第１温度よりも低い第２温度で等温保持する熱処理において、前記第１温度から前記第２温度へ前記被処理物を冷却することを特徴とする請求項６又は７に記載の冷却制御方法。
【請求項９】
前記熱排出孔の少なくとも一部は吸引機構に接続されていることを特徴とする請求項６乃至８のうちの１つに記載の冷却制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、竪型熱処理炉において炉内の被処理物を安定した速度で冷却せしめるための冷却制御冶具及び冷却制御方法に関し、特に、比較的高速な冷却速度を安定的に制御し得るようにする冷却制御冶具及び冷却制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
円柱状の炉体に蓋体を組み合わせた竪型熱処理炉が長手の金属部品などの熱処理に使用される。被処理物は、蓋体の下部に吊り下げられて炉体の上部開口からその内部へと挿入され、上部開口を蓋体で閉塞した上で熱処理される。
【０００３】
例えば、特許文献１では、典型的な竪型熱処理炉の構造が開示されている。炉体の開口に配置される蓋体の下部には吊設冶具が取り付けられており、この吊設冶具を介して被処理物を炉内に吊り下げる。なお、この竪型熱処理炉では、バッチ処理で繰り返し使用される炉体をバッチ間で冷却するための冷却ガスを供給する冷却ダクトが炉体底部に備えられている。
【０００４】
ここで、竪型熱処理炉では、上下方向に温度差が生じやすく、特に、精密部品の製造のためには、炉の温度の正確な管理が必要となる。また、高温の被処理物を所定の冷却速度で炉冷させる場合、炉体内部に備えられたヒータ出力を調整して炉内温度を調整するが、冷却速度を速くしようとすると、温度の安定性に欠ける。例えば、析出硬化型合金の２段時効熱処理において、１段目の保持温度から１段目より低温の２段目の保持温度まで比較的速い冷却速度で且つ正確に炉冷しようとする場合など、より温度の安定性を高める必要がある。
【０００５】
ところで、特許文献２では、冷却ガスの導入により炉冷速度を調整可能な半導体製造装置の竪型炉が開示されている。かかる竪型炉では、被処理物の挿入される反応管及びその外部の均熱管を備え、均熱管の外側の空間からガスをブロアで吸引し、排気できる。さらに、この空間と均熱管の内部の空間（均熱管及び反応管の間の空間）とを連通させて、均熱管の内部の空間にノズルから流量を制御しつつ冷却ガスを導入できる。つまり、冷却ガスが反応管と均熱管との間の空間に導かれ、反応管を介して被処理物の熱を奪い、均熱管の外側の空間を通ってブロアから外部に排気されるのである。これによって、従来２℃／ｍｉｎであった冷却速度を４．４〜５℃／ｍｉｎにするとともに、炉内の上下で均一な冷却速度を得ることができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３０３４４８号公報
【特許文献２】特開平７−３３５５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
竪型熱処理炉において、炉内に冷却ガスを導入して冷却速度を高める方法が求められているが、被処理物の冷却速度の正確な制御は難しい、また、竪型熱処理炉に反応管を追加したり、冷却速度の正確な制御のための改造を行うにしても、炉の形状等が変化することにより、従来から処理していた被処理物の操業条件の見直しまでを検討しなければならず、特に、加熱時の操業条件に影響を与えてしまうと多大な手間となる。
【０００８】
本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、竪型熱処理炉に大きな変更を加えること無く、その炉冷工程において、比較的速い冷却速度であっても安定的に制御し得るようにする冷却制御用冶具及び冷却制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による竪型熱処理炉の冷却制御用冶具は、蓋体に被処理物を吊り下げて上部開口から円柱状の炉体内部に挿入し該上部開口を該蓋体で閉塞して熱処理を行う竪型熱処理炉の冷却制御用冶具であって、前記上部開口に沿って環状に配置され前記炉体と前記蓋体との間に挟まれてこの間を閉塞する環状ブロックを含み、前記環状ブロックは前記炉体の円柱軸から放射方向に貫通するように熱排出孔を与えられており、前記熱放出孔を開放し前記炉体内部を外部と連通させて冷却することを特徴とする。
【００１０】
かかる発明によれば、炉冷工程において比較的速い冷却速度であっても安定的に制御し得るようにすることができる。また、冷却制御用冶具を炉体と蓋体との間に挟むだけであり、竪型熱処理炉に大きな変更を加えることもない。
【００１１】
上記した発明において、前記熱排出孔は前記円柱軸の周りに等間隔で並ぶよう前記環状ブロックに設けられていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、炉体内部の温度差をより低減できて、安定的な冷却制御が可能となる。
【００１２】
上記した発明において、前記環状ブロックは複数のブロック体を含んでなることを特徴としてもよい。また、上記した発明において、前記ブロック体は金属材料からなるとともに周囲を断熱材で覆われていることを特徴としてもよい。さらに、上記した発明において、前記環状ブロックは、前記ブロック体とその間の断熱材とからなることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、ブロック体を並べる簡単な作業で環状ブロックを形成させ得て、冷却制御用冶具を簡単な構造とし得る。
【００１３】
さらに、本発明による竪型熱処理炉の冷却制御方法は、蓋体に被処理物を吊り下げて上部開口から円柱状の炉体内部に挿入し該上部開口を該蓋体で閉塞して熱処理を行う竪型熱処理炉の冷却制御方法であって、前記上部開口に沿って環状に配置される環状ブロックを前記炉体と前記蓋体との間に挟ませてこの間を閉塞させ、前記炉体の円柱軸から放射方向に貫通するように前記環状ブロックに与えられた熱排出孔を開放して前記炉体内部を外部と連通させることで前記被処理物を冷却することを特徴とする。
【００１４】
かかる発明によれば、炉冷工程において比較的速い冷却速度であっても安定的に制御し得るようにすることができる。また、炉体と蓋体との間に環状ブロックを挟むだけであり、竪型熱処理炉に大きな変更を加えることもない。
【００１５】
上記した発明において、前記炉体内部のヒータの出力を合わせて調整し前記被処理物を冷却することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、炉冷工程においてより安定的に制御し得る。
【００１６】
上記した発明において、前記被処理物を第１温度で等温保持後、更に前記第１温度よりも低い第２温度で等温保持する熱処理において、前記第１温度から前記第２温度へ前記被処理物を冷却することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、炉冷工程において安定的に制御できて速やかに第２温度での等温保持に移行できる。
【００１７】
上記した発明において、前記熱排出孔の少なくとも一部は吸引機構に接続されていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、炉冷工程において安定的に制御しつつも冷却速度を向上させ得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】竪型熱処理炉の側断面図である。
【図２】本発明による冷却制御用冶具を取り付けた竪型熱処理炉の部分断面図である。
【図３】冷却制御用冶具の上面図である。
【図４】冷却制御用冶具の要部の斜視図である。
【図５】２段時効の例の熱処理線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明による竪型熱処理炉の冷却制御用冶具について、図１乃至図４を用いて詳細に説明する。
【００２０】
冷却制御用治具は、従来の竪型熱処理炉１０と組み合わせて用いられるものであり、竪型熱処理炉１０に機械加工を与えることなく取り付け得るのである。そこで、まず、冷却制御用冶具を使用しない場合の竪型熱処理炉１０について説明する。
【００２１】
図１に示すように、竪型熱処理炉１０は床面に設けられたピット１１内に収容されて上側の一部を床面上に突出させたバッチ式の竪型の炉体を有する熱処理炉である。かかる竪型熱処理炉１０は、下側の閉じた筒状の炉体２と、炉体２の上端の開口部である上部開口２ａを閉塞できる蓋体６とを備える。つまり、蓋体６は、炉体２の上端面である縁部２ｂに載置されることで上部開口２ａを閉塞できる。
【００２２】
炉体２は、内周側の断熱材３と外周側の炉殻４とからなる二重構造の略円筒体の炉壁を有する円柱状体であり、その内部には断熱材３に沿って上下方向に複数並んだヒーターユニット５が備えられる。ヒーターユニット５は、例えば、炉体２の内部である内部室１を包囲するように円周方向に延びた複数の円環状のヒータの集合体からなる。また、ヒーターユニット５は、内部室１を上段、中段、下段の３箇所の加熱ゾーンに分割したそれぞれの加熱ゾーンに対応する３箇所に分割して取り付けられている。
【００２３】
蓋体６は、上部開口２ａを閉塞するために、昇降移動装置やクレーンで吊り上げ可能とされている。蓋体６は昇降移動装置等のフックを取り付け可能な係止部８をその上部に備えるとともに、吊り下げ治具７をその下部に備え、内部室１に収容される長尺の金属部品１２を被処理物として吊り下げ可能である。吊り下げ冶具７は、例えば、下端にピンを備え、かかるピンを金属部品１２の上端近傍に設けた貫通穴に挿通して金属部品１２を吊り下げるものとすることができる。
【００２４】
また、炉体２には、内部室１内に向けて開口する炉体２の冷却に使用される送風ノズル２１が設けられる。送風ノズル２１は、送風管２３を介して床面上に備えられる送風装置２４に接続している。送風装置２４は冷却ガスとして例えば空気を送風ノズル２１に供給できる。なお、送風装置２４は、バッチ処理で繰り返し使用される炉体２をバッチ間で冷却する場合に使用され、通常は被処理物の冷却に使用されるものではない。
【００２５】
次に、本発明による１つの実施例である冷却制御用冶具について説明する。かかる冷却制御用冶具は、竪型熱処理炉１０において、金属部品１２をある温度からこれより低い温度まで冷却し保持する場合の炉冷工程において、冷却速度を向上させる目的で使用される。
【００２６】
図２に示すように、冷却制御用冶具３０は、上記した竪型熱処理炉１９において、炉体２の上端面である縁部２ｂと蓋体６との間に挟まれて配置される略環状の環状ブロック３４を含む。環状ブロック３４は、炉体２の円柱軸から放射方向に内部室１から外部へ向けて貫通する熱排出孔３３を備える。
【００２７】
また、冷却制御用冶具３０を用いる場合は、環状ブロック３４の厚さの分だけ蓋体６の位置を高くすることになるので、その厚さに対応する分だけ吊り下げ冶具７を長くした吊り下げ冶具７’を用いることが好ましい。これによって、冷却制御用冶具３０を用いた場合であっても金属部品１２の内部室１での位置を変えないようにすることができる。
【００２８】
さらに、冷却制御用冶具３０を用いる場合は、送風ノズル２１に通じる送風装置２４の開口部を閉塞板２５によって閉塞する。熱排出孔３３を開放させたときに、送風ノズル２１から低温のガスである外気を内部室１の底部近傍に侵入させてしまうと、後述するように却って被処理物である金属部品１２の冷却速度を低下させてしまう。そのため、このような冷却速度の低下を防止するために送風装置２４を閉塞するとよい。
【００２９】
図３に示すように、冷却制御用冶具３０は、炉体２の円環状の上端面に沿って並べられた複数のブロック体３１及びその間を埋める断熱材３２によって環状に形成された環状ブロック３４と、熱排出孔３３を閉塞する閉塞具３５とを含む。ここでは、それぞれ１つずつの熱排出孔３３を備える６つのブロック体３１を上部開口２ａ（図１参照）に沿って並べて、熱排出孔３３を互いに等間隔に配置させている。なお、ブロック体３１及び熱排出孔３３の数はこれに限られない。また、断熱材３２としては、例えば、セラミックファイバーによるファイバーブランケットの積層体を用い得る。また、ブロック体３１は例えば金属材料からなり、これによって蓋体６を支持する。ブロック体３１を金属材料とする場合、その表面にファイバーブランケットを貼り付けて、ブロック体３１自体からの熱の漏洩を少なくすることが好ましい。
【００３０】
図４に示すように、ブロック体３１の熱排出孔３３は、閉塞具３５で閉塞することができる。閉塞具３５としては、例えば、ファイバーブランケットを巻いて円柱状に形成した栓を用いることができる。閉塞具３５は、竪型熱処理炉１０の加熱中に熱排出孔３３を閉塞して、内部室１から熱排出孔３３を通じての熱の流出を抑制するとともに、冷却制御中には取り外されて、熱排出孔３３からの熱の流出を許容して金属部品１２の冷却速度を向上させることができる。
【００３１】
次に、竪型熱処理炉１０における冷却制御用冶具３０の使用方法について図２乃至図４を用いて詳細に説明する。
【００３２】
図２に図３を併せて参照すると、まず、炉体２の上端面にブロック体３１と断熱材３２とを並べて環状ブロック３４を形成しておき、その上で、金属部品１２を吊り下げた蓋体６で炉体２の上部開口２ａを閉塞する。つまり、蓋体６を環状ブロック３４の上に載置する。また、環状ブロック３４の熱排出孔３３は、閉塞具３５で閉塞されており、これによって、炉体２と蓋体６との間は冷却制御用冶具３０で閉塞されることになる。
【００３３】
次いで、金属部品１２に所定の熱処理を施すよう、竪型熱処理炉１０の制御を開始し、ヒーターユニット５に通電するなどして内部室１を加熱する。ここでは、例として、Ｎｉ基超合金であるＡｌｌｏｙ７１８の２段時効処理を挙げる。この合金においては、図５に示すような、７１８℃×８ｈ→炉冷→６２１℃×８ｈの２段時効とするが、「炉冷」においては冷却速度を５５±８℃／ｈとするよう制御する必要がある。まず、７１８℃まで昇温し、８時間保持する。
【００３４】
図４（ａ）に示すように、炉冷工程では、開始時に熱排出孔３３から閉塞具３５を取り外して閉塞を解除する。つまり、熱排出孔３３を開放し炉体２の内部室１を外部に連通させる。これとともに、竪型熱処理炉１０の制御によってヒーターユニット５の出力調整をすることで、冷却を開始する。
【００３５】
なお、図４（ｃ）に示すように、熱排出孔３３の一部が内部室１からガスを吸引し排気する吸引機構（ホース３６を含む）に接続されていてもよい。
【００３６】
ここで、７１８℃からの５５±８℃／ｈの冷却速度は竪型熱処理炉による炉冷としては比較的速い冷却速度であり、炉の性能によっては冷却制御用冶具３０を用いずには達成できない場合がある。そして、冷却制御用冶具３０の熱排出孔３３を開放することで、内部室１の加熱されたガス（空気）の外部への流出を許容する。内部室１で加熱されたガスは外気との比重差によって流出すると考えられる。これによって、内部室１のガスの温度を低下させ、金属部品１２の冷却速度を向上させて上記したような冷却速度を達成し得るのである。また、冷却ガスを強制的に流入させて内部室１内に積極的に冷却用の気流を形成させるような冷却でもないため、２段目の６２１℃の保持に速やかに移行できる。また、そのためにも、ヒーターユニット５の加熱制御は冷却中も継続させる。
【００３７】
そして、図４（ｂ）に示すように、閉塞具３５によって再び熱排出孔３３を閉塞し、２段目の保持を開始し、以降は冷却制御用冶具３０を用いない公知の方法と同様に処理を進める。
【００３８】
このように、冷却制御用冶具３０を用いた冷却においては熱排出孔３３から内部室１の高温のガスの流出を許容するが、送風ノズル２１を送風装置２４の開口部で閉塞しており、内部室１から流出する加熱されたガスの代わりに内部室１へ流入する低温のガスは熱排出孔３３を通過する。つまり、外部に流出するガスと内部に流入するガスとが熱排出孔３３で衝突する。そのため、熱排出孔３３では強い気流は形成されず、低温の外気を緩やかに取り入れることができると考えられる。また、熱排出孔３３は炉体２の円柱軸から放射方向に貫通しているため、炉外へ流出したガスの上昇する気流の方向と熱排出孔３３内で水平方向に移動する気流の方向とが異なり、これによっても熱排出孔３３に強い気流の形成を誘引することはないと考えられる。
【００３９】
内部室１内に熱排出孔３３から流入した低温のガスは、炉体２の円柱軸に向けて移動しつつも内部の高温のガスとの比重差によって沈降するが、既に熱排出孔３３で高温のガスと衝突しており、ある程度加熱されていると考えられる。また、送風ノズル２１を閉塞することによって炉体２の底部の気流は遮断されており、そのため、比熱の大きい炉壁の断熱材３や加熱制御中のヒーターユニット５に加熱されたガスは、比重差によって炉壁の壁面に沿った緩やかな上昇気流を形成させて上部に移動する。このようにして、冷却制御用冶具３０の熱排出孔３３の開放によって、強い気流を形成することなく内部室１の温度を全体的に低下させやすくしていると考えられる。そのため、７１８℃からの５５±８℃／ｈの冷却速度を達成でき、これをヒーターユニット５の出力の調整によって安定的に制御することができる。
【００４０】
他方、上記したように、送風装置２４の開口部を閉塞板２５によって閉塞していない場合、却って金属部品１２の冷却速度を低下させてしまうことがある。その理由は以下のように考えられる。送風ノズル２１から低温の外気を内部室１の底部に侵入させると、上部には熱排出孔３３を開放させているため、ガスの比重差によって下方から上方へ向かう気流を形成させやすくなる。比重の大きな低温のガスは内部室１の下部に滞留しやすく、これを気流によって上昇させても加熱されて高温のガスとなるため、内部室１の上下の温度差を大きくしてしまう。ヒーターユニット５の出力によってその温度差を低減するように制御すると、低温の下方部分で大きな出力とせざるを得ず、その結果、内部室１全体としては冷却速度を低下させてしまうものと考えられる。
【００４１】
つまり、竪型熱処理炉１０の内部室１の下部の気流を遮断した上で冷却制御用冶具３０を用いることで、炉冷工程において、緩やかに上部から外気を取り入れて比較的速い冷却速度であっても安定的に制御し得るのである。
【００４２】
さらに、冷却制御用冶具３０は、炉体２と蓋体６との間に挟んで配置するだけの簡単な構造とでき、竪型熱処理炉１０に大きな変更を加えることなく、炉冷の冷却速度を向上させることができる。つまり、冷却制御用冶具３０は、上記したＡｌｌｏｙ７１８の２段時効処理のような、冷却速度を向上させる必要のある特定の炉冷処理の場合のみに使用でき、冷却制御用冶具３０を取り外せば、他の製品を従来通りに熱処理できる。
【００４３】
さらに冷却制御用冶具３０を上記したようにブロック体３１を含む構成としたことや、ブロック体３１を炉体２の上端面である縁部２ｂに沿って複数並べてその間を断熱材３２で閉塞する構成としたことで、冷却制御用冶具３０の設置及び取り外しを比較的簡単な作業でできる。
【００４４】
また、熱排出孔３３を上部開口ａに沿って等間隔に配置したことで、炉冷中の内部室１における円周方向の温度勾配を小さくできる。結果として、炉冷工程での安定的な制御に寄与する。
【００４５】
なお、上記したように熱排出孔３３の一部に吸引機構を接続した場合は、安定的な冷却制御を維持しつつも冷却速度をさらに向上させることができる。また、熱排出孔３３の大きさや数を変更した冷却制御用冶具を用いることで、制御可能な冷却速度の範囲を調整することもできる。炉冷に際して閉塞具３５を取り外す数を変更して閉塞を解除する熱排出孔３３の数を変更させることでも制御可能な冷却速度を調整できる。なお、熱排出孔３３には、閉塞具３５に変えて断熱材による蓋体などを設けてもよく、さらには蓋体を自動開閉できる機構を設けてもよい。
【００４６】
また、上記したような、冷却制御用冶具３０を用いずとも比較的速い冷却速度を得られる一部の竪型熱処理炉においても、冷却制御用冶具３０を用いることで、炉冷の冷却速度を向上させることができ、比較的速い冷却速度をより確実に制御することができる。
【００４７】
ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく改変例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例を見出すことができるだろう。
【符号の説明】
【００４８】
２  炉体
６  蓋体
１０  竪型熱処理炉
３０  冷却制御用冶具
３４  環状ブロック
【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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