(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
浸炭処理を行う処理空間内に載置された被浸炭処理物に対する浸炭量を解析する浸炭解析装置であって、
連続の式、流体運動方程式、エネルギー方程式、ガス成分の輸送方程式、及び固体表面化学反応式に基づいて、前記被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を算出する流体解析部と、
前記炭素吸着速度の定常解を利用して、被浸炭処理物中の炭素の拡散方程式に基づいて、前記浸炭量を算出する固体内拡散解析部と、を備えることを特徴とする浸炭解析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の浸炭解析装置において、前記流体解析部は、前記処理空間の流体拡散が定常に達するまでの時間と前記処理空間の流体対流が定常に達するまでの時間の比が所定値以上の場合には、前記連続の式、前記流体運動方程式、前記エネルギー方程式、前記ガス成分の輸送方程式、前記固体表面化学反応式に基づいて、前記処理空間のガス流速の定常解を算出し、当該ガス流速の定常解を利用して、前記エネルギー方程式、前記ガス成分の輸送方程式、前記固体表面化学反応式に基づいて、前記炭素吸着速度の定常解を算出することを特徴とする浸炭解析装置。
【請求項３】
浸炭処理を行う処理空間内に載置された被浸炭処理物に対する浸炭量を解析する浸炭解析方法であって、
連続の式、流体運動方程式、エネルギー方程式、ガス成分の輸送方程式、及び固体表面化学反応式に基づいて、前記被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を算出する流体解析ステップと、
前記炭素吸着速度の定常解を利用して、被浸炭処理物中の炭素の拡散方程式に基づいて、前記浸炭量を算出する固体内拡散解析ステップと、を備えることを特徴とする浸炭解析方法。
【請求項４】
請求項３に記載の浸炭解析方法において、前記流体解析ステップでは、前記処理空間の流体拡散が定常に達すまでの時間と前記処理空間の流体対流が定常に達するまでの時間の比が所定値以上の場合に、前記連続の式、前記流体運動方程式、前記エネルギー方程式、前記ガス成分の輸送方程式、前記固体表面化学反応式に基づいて、前記処理空間のガス流速の定常解を算出し、当該ガス流速の定常解を利用して、前記エネルギー方程式、前記ガス成分の輸送方程式、前記固体表面化学反応式に基づいて、前記炭素吸着速度の定常解を算出することを特徴とする浸炭解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被浸炭処理物への浸炭量を解析する浸炭解析装置及び浸炭解析方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に示すように、従来から、鋼材等の被浸炭処理物を、浸炭ガスが供給される処理空間に載置することによって、被浸炭処理物の表層に炭素を拡散浸透させる浸炭処理が行われている。このような浸炭処理によれば、被浸炭処理物の表層が硬化し、被浸炭処理物の表面の耐摩耗性を向上させたりすることができる。
【０００３】
ところで、被浸炭処理物への炭素の含浸速度は、処理空間へ供給される浸炭ガスに含まれる炭素含有化合物の濃度や被浸炭処理物の形状等の様々な要件によって異なってくる。このため、実際の浸炭処理に先立ち、被浸炭処理物への浸炭量を数値解析し、この結果から最適な浸炭条件を設定する試みがなされている。
【０００４】
例えば、特許文献２には、流体解析により被浸炭処理物との境界領域における浸炭ガスの状態量を計算する状態量計算工程と、上記状態量から上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度を計算する表面炭素濃度計算工程と、上記被浸炭処理物の表面の炭素濃度に応じた上記被浸炭処理物への炭素流入量を設定し、当該炭素流入量に基づいて上記浸炭量を計算する浸炭量計算工程とを有する浸炭解析方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−５９９５９号公報
【特許文献２】特開２０１１−２６６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常、浸炭処理（特に真空浸炭処理）では、固体内物質拡散現象の空間スケールが、流体対流又は流体拡散現象の空間スケールに比べて非常に小さいため、特許文献２の技術のように、浸炭ガスの流体対流、流体拡散、及び固体内物質拡散を同時に解析すると計算規模や計算時間等の点で、著しく非効率となる。
【０００７】
そこで、本発明は、被浸炭処理物の浸炭量の計算時間を短縮することが可能な浸炭解析装置及び浸炭解析方法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】
【０００８】
本発明は、浸炭処理を行う処理空間内に載置された被浸炭処理物に対する浸炭量を解析する浸炭解析装置であって、連続の式、流体運動方程式、エネルギー方程式、ガス成分の輸送方程式、及び固体表面化学反応式に基づいて、前記被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を算出する流体解析部と、前記炭素吸着速度の定常解を利用して、被浸炭処理物中の炭素の拡散方程式に基づいて、前記浸炭量を算出する固体内拡散解析部と、を備える。
【０００９】
また、前記浸炭解析装置において、前記流体解析部は、前記処理空間の流体拡散が定常に達するまでの時間と前記処理空間の流体対流が定常に達するまでの時間の比が所定値以上の場合には、前記連続の式、前記流体運動方程式、前記エネルギー方程式、前記ガス成分の輸送方程式、前記固体表面化学反応式に基づいて、前記処理空間のガス流速の定常解を算出し、当該ガス流速の定常解を利用して、前記エネルギー方程式、前記ガス成分の輸送方程式、前記固体表面化学反応式に基づいて、前記炭素吸着速度の定常解を算出することが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、浸炭処理を行う処理空間内に載置された被浸炭処理物に対する浸炭量を解析する浸炭解析方法であって、連続の式、流体運動方程式、エネルギー方程式、ガス成分の輸送方程式、及び固体表面化学反応式に基づいて、前記被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を算出する流体解析ステップと、前記炭素吸着速度の定常解を利用して、被浸炭処理物中の炭素の拡散方程式に基づいて、前記浸炭量を算出する固体内拡散解析ステップと、を備える。
【００１１】
また、前記浸炭解析方法において、前記流体解析ステップでは、前記処理空間の流体拡散が定常に達すまでの時間と前記処理空間の流体対流が定常に達するまでの時間の比が所定値以上の場合に、前記連続の式、前記流体運動方程式、前記エネルギー方程式、前記ガス成分の輸送方程式、前記固体表面化学反応式に基づいて、前記処理空間のガス流速の定常解を算出し、当該ガス流速の定常解を利用して、前記エネルギー方程式、前記ガス成分の輸送方程式、前記固体表面化学反応式に基づいて、前記炭素吸着速度の定常解を算出することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、被浸炭処理物の浸炭量の計算時間を短縮することが可能な浸炭解析装置及び浸炭解析方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る浸炭解析装置の構成の一例を示すブロック図である。
【図２】本実施形態の浸炭解析方法の一例を示すフロー図である。
【図３】被浸炭処理物の深さ方向のみに１次元化された被浸炭処理物のモデル図を示す。
【図４】実施例で求めた被浸炭処理物の深さ方向の炭素濃度の結果を示す図である。
【図５】実施例で求めた処理時間に対する浸炭量の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態の一例について、図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る浸炭解析装置の構成の一例を示すブロック図である。図１に浸炭解析装置１００は、浸炭処理を行う処理空間（例えば、浸炭炉）内に載置された被浸炭処理物（例えば、鋼材）に対する浸炭量を解析する装置である。処理空間には、被浸炭処理物中に炭素を拡散浸透させるための浸炭ガス（例えば、Ｃ２Ｈ２）が供給される。
【００１６】
図１の浸炭解析装置１００を構成する各ブロックは、ハードウエア的には、コンピュータのＣＰＵ（central processing unit）をはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろな形で実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。
【００１７】
図１に浸炭解析装置１００は、入力装置１０２および出力装置１０４と接続される。入力装置１０２は、浸炭解析装置１００で実行される処理に関係するユーザの入力を受けるためのキーボード、マウスなどであってもよい。入力装置１０２は、インターネットなどのネットワークやＣＤ、ＤＶＤなどの記録媒体から入力を受けるよう構成されていてもよい。出力装置１０４は、ディスプレイなどの表示機器やプリンタなどの印刷機器であってもよい。
【００１８】
浸炭解析装置１００は、諸条件設定部１０６と、流体解析部１１０と、固体内拡散解析部１１２と、データ保持部１１４と、表示制御部１１６とを備える。
【００１９】
諸条件設定部１０６は、入力装置１０２を介してユーザから入力された入力情報に基づいて、処理空間内の流体（浸炭ガス等）の流体解析に必要な諸条件を設定する。流体解析に使用する諸条件としては、流入流量、質量分率、処理空間温度、処理空間圧力、メッシュデータ、最大計算時間、反応速度係数、拡散係数、計算時間刻み、各物性値（粘性係数、拡散係数等）である。ここで、流入流量は、処理空間に供給する浸炭ガスの流量である。また、質量分率は、浸炭ガスを構成する物質の質量の割合である。メッシュデータは、処理空間の形状を示すものであり、微小な複数の領域の集まりとした形状を表すものである。また、メッシュデータは、これらの各分割領域同士における物理量のやり取りを規定するための条件等も含まれる。
【００２０】
流体解析部１１０は、完全連成解析部１１８と、ガス成分輸送解析部１２０と、を備えている。完全連成解析部１１８は、後述する連続の式、流体運動方程式、エネルギー方程式、ガス成分の輸送方程式、固体表面化学反応式を用いた流体解析を実行し、処理空間内のガス流速又は被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を算出する。ガス成分輸送解析部１２０は、処理空間内のガス流速の定常解を利用して、エネルギー方程式、ガス成分の輸送方程式、固体表面化学反応式を用いた流体解析を実行し、被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を算出する。詳細は後述するが、例えば、処理空間内のガス流速が定常に達するまでの時間が、被浸炭処理物への炭素吸着速度が定常に達するまでの時間よりも非常に短い時間であることが推定される場合（後述するΛが所定値以上の場合）には、完全連成解析部１１８において、処理空間内のガス流速の定常解が得られるまで流体解析が実行され、ガス成分輸送解析部１２０において、得られたガス流速の定常解を利用して、炭素吸着速度の定常解が得られるまで流体解析が実行される。また、例えば、処理空間内のガス流速が定常に達するまでの時間が、被浸炭処理物への炭素吸着速度が定常に達するまでの時間と同程度であることが推定される場合（後述するΛが所定値未満の場合）には、完全連成解析部１１８において、被浸炭処理物への炭素吸着速度が定常に達するまで流体解析が実行される。
【００２１】
流体解析部１１０は、上記方程式により、被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を算出する機能を有してれば特に制限されるものではないが、流体解析に要する時間の短縮化の観点から、後述するΛが所定値以上の場合、連続の式、流体運動方程式、エネルギー方程式、ガス成分の輸送方程式、固体表面化学反応式に基づいて、処理空間内のガス流速の定常解を算出し、そのガス流速の定常解を利用して、エネルギー方程式、ガス成分の輸送方程式、固体表面化学反応式に基づいて、被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を算出する機能を有することが好ましい。
【００２２】
固体内拡散解析部１１２は、流体解析部１１０により算出された被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を利用し、後述する被浸炭処理物中の炭素の拡散方程式に基づいて、浸炭量を算出する。
【００２３】
データ保持部１１４は、固体内拡散解析部１１２により算出された浸炭量をデータとして保持する。また、表示制御部１１６は、データ保持部１１４に保持された浸炭量を、浸炭量の時間変化、被浸炭処理物中の炭素濃度分布として、出力装置１０４に表示させる。
【００２４】
以下に、本実施形態に係る浸炭解析装置１００の動作を図２に示すフロー図に従って説明する。
【００２５】
ステップＳ１０では、諸条件設定部１０６により、浸炭処理を行う処理空間内の流体（浸炭ガス等）の流体解析に使用する諸条件が設定される。
【００２６】
ステップＳ１２では、流体解析部１１０を構成する完全連成解析部１１８により、上記設定した諸条件の下、式（１）〜式（６）で表される方程式が連成され、処理空間内の流体の流体解析が実行される。式（１）〜式（６）で表される方程式を連成して計算することにより、処理空間内のガス流速（ｕｊ）や被浸炭処理物への炭素吸着速度（Ｗｓ）等が求められるが、完全連成解析部１１８では、後述するように、処理空間内のガス流速（ｕｊ）、又は被浸炭処理物への炭素吸着速度（Ｗｓ）が定常になるまで、式（１）〜式（６）を繰り返し計算する。ここで、定常とは、時間が経過しても式（１）〜式（６）を連成して求められた物理量（例えばガス流速（ｕｊ））がほとんど変化しなくなった状態を意味し、その状態における物理量の値を定常解とする（例えば、ガス流速の定常解）。
【００２７】
【数１】
0006447276.tif 000002
【数２】
0006447276.tif 000003
【数３】
0006447276.tif 000004
【数４】
0006447276.tif 000005
【数５】
0006447276.tif 000006
【００２８】
式（１）は連続の式である。式（２）は流体運動方程式であり、Ｎａｖｉｅｒ−Ｓｔｏｋｅｓ方程式で表される。式（３）はエネルギー方程式である。式（４）はガス成分の輸送方程式である。なお、圧力は、流体の流速が音速よりも十分に小さいことを仮定して（低マッハ数近似）、基準圧Ｐ０（一定値）と基準圧からの変動分Ｐ（式（２）中）に分離された表現となっている。しかし、本実施形態は、この解法に限定されるものではなく、流体の密度変化を取り扱うことのできる解法であれば、どのような解法を用いても良い。
【００２９】
式中、ｕｊは処理空間内のガス流速、ρは密度（ｋｇ／ｍ３）、ｔは時間（ｓ）、ｕｉは速度ベクトル、ｐは基準圧からの変動圧力（ｋｇ／ｍ／ｓ２）、μは粘性係数（Ｐａ・ｓ）、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ２）、Ｔは温度（Ｋ）、Ｃｐは定圧比熱（Ｊ／ｋｇ／Ｋ）、λは熱伝導率（Ｗ／ｍ／ｋ）、Ｙｉは処理空間内の各ガス成分の質量分率、Ｄｉは処理空間内の各ガス成分の有効拡散係数（ｍ２／ｓ）、Ｐ０は基準圧（ｋｇ／ｍ／ｓ２）、Ｒはガス定数（Ｊ／ｍｏｌ／Ｋ）、Ｍは分子量（ｋｇ／ｍｏｌ）である。なお、各物性値の代表的な算出方法として、Ｃｈａｐｍａｎ−Ｅｎｓｋｏｇ理論によるもの（化学工学便覧、第６版、化学工学会編、丸善、１９９９）が挙げられるが、本実施形態では、当該方法に限定されるものではなく、どのような算出方法を用いても良い。
【００３０】
式（１）及び式（４）のＷｓは、処理空間内の流体と被浸炭処理物の表面との表面反応速度である。表面反応としては、例えば、浸炭ガスから被浸炭処理物表面への炭素吸着反応が想定されるため、表面反応速度Ｗｓは、下式（６）の固体表面化学反応式を用いて、被浸炭処理物への炭素吸着速度（ｋｇ／ｍ３／ｓ）として算出される。下式（６）は、Ａｒｒｅｈｅｎｉｕｓ型の吸着反応モデルにより表される式であり、浸炭ガスをＣ２Ｈ２とした場合である。
【００３１】
【数６】
0006447276.tif 000007
【００３２】
式中、ＣＣ２Ｈ２は、被浸炭処理物表面近傍におけるＣ２Ｈ２のモル濃度（ｍｏｌ／ｍ３）であり、Ａａｄは頻度因子（ｍ／ｓ）であり、Ｅａｄは活性化エネルギー（Ｊ／ｍｏｌ）である。Ａａｄ及びＥａｄは、浸炭ガスの種類ごとに、予備実験等を行うことにより、適宜同定されるものである。
【００３３】
ここで、完全連成解析部１１８の流体解析において、処理空間の流体拡散が定常に達するまでの時間／処理空間の流体対流が定常に達するまでの時間が所定値以上の場合には、式（１）〜式（６）で表される方程式から、処理空間内のガス流速の定常解を求めた段階で、ステップＳ１４に進む。一方、処理空間の流体拡散が定常に達するまでの時間／処理空間の流体対流が定常に達するまでの時間が所定値未満の場合には、ステップＳ１６に進み、完全連成解析部１１８の流体解析がそのまま継続される。以下に、処理空間の流体拡散が定常に達するまでの時間／処理空間の流体対流が定常に達するまでの時間について説明する。
【００３４】
処理空間の流体拡散が定常に達するまでの時間／処理空間の流体対流が定常に達するまでの時間をΛとすると、以下の式（７）で表される。
【００３５】
【数７】
0006447276.tif 000008
【００３６】
式中、Ｌｇは処理空間に浸炭ガスが流入する流入部から被浸炭処理物までの距離であり、Ｄｇは浸炭ガスの拡散係数であり、Ｕｉｎは、浸炭ガスの流入速度である。これらのパラメータは、流体解析の計算における諸条件として設定される値であるため、Λは流体解析を実行する際に求められる。また、処理空間の流体拡散が定常に達するまでの時間は被浸炭処理物への炭素吸着速度が定常に達するまでの時間に対応し、処理空間の流体対流が定常に達するまでの時間は処理空間内のガス流速が定常に達するまでの時間に対応する。したがって、Λの値が大きいほど、処理空間内のガス流速が定常に達するまでの時間が、被浸炭処理物への炭素吸着速度が定常に達するまでの時間よりも非常に短い時間であることが推定され、Λの値が小さいほど、被浸炭処理物への炭素吸着速度が定常に達するまでの時間が、処理空間内のガス流速が定常に達するまでの時間と同程度か又は短いと推定される。
【００３７】
所定値は、被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を求める計算量を軽減する観点から、適宜設定されればよいが、例えば１０以上の範囲で設定されることが好ましい。図２では、所定値を１０に設定している。すなわち、Λが１０以上であれば、処理空間内のガス流速が定常に達するまでの時間が、被浸炭処理物への炭素吸着速度が定常に達するまでの時間よりも非常に短い時間であると推定する。この場合、完全連成解析部１１８では、上記式（１）〜（６）の計算を繰り返して、処理空間内のガス流速の定常解が得られた段階で、ガス流速の定常解データを、ガス成分輸送解析部１２０に送信し、完全連成解析部１１８での流体解析を停止する（以降、後述するステップＳ１４）。また、Λが１０未満であれば、被浸炭処理物への炭素吸着速度が定常に達するまでの時間が、処理空間内のガス流速が定常に達するまでの時間と同程度（又は短い）と推定する。この場合、完全連成解析部１１８において、引き続き上記式（１）〜（６）の計算を繰り返す（以降、後述するステップＳ１６）。
【００３８】
ステップＳ１４では、ガス成分輸送解析部１２０により、完全連成解析部１１８から送信された処理空間内のガス流速の定常解データを利用して、式（８）〜式（１１）で表される方程式が繰り返し計算され、被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解が求められる。
【００３９】
【数８】
0006447276.tif 000009
【数９】
0006447276.tif 000010
【数１０】
0006447276.tif 000011
【数１１】
0006447276.tif 000012
【００４０】
式（８）はエネルギー方程式である。式（９）はガス成分の輸送方程式である。式（１０）は流体の密度ρを求めるために用いられる。式（１１）は、Ａｒｒｅｈｅｎｉｕｓ型の吸着反応モデルにより表される固体表面化学反応式である（浸炭ガスをＣ２Ｈ２とした場合である）。
【００４１】
式（８）及び（９）中のＵ−ｊは、平均移流速度であり、このパラメータに処理空間内のガス流速の定常解が当てはめられる。その他の式中のパラメータは前述の通りである。
【００４２】
このように、処理空間内のガス流速の定常解を利用して、エネルギー方程式、ガス成分の輸送方程式、固体表面化学反応式を連成し、これらを繰り返し計算することにより被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を求める。すなわち、被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を求める際に、処理空間内のガス流速の定常解を利用することで、連続の式、流体運動方程式を解く必要がなくなるため、流体解析に係る計算時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００４３】
ステップＳ１６では、完全連成解析部１１８により、引き続き式（１）〜式（６）で表される方程式が繰り返し計算され、被浸炭処理物への炭素吸着速度（Ｗｓ）の定常解が求められる。Λが所定値未満である場合、すなわち被浸炭処理物への炭素吸着速度が定常に達するまでの時間が、処理空間内のガス流速が定常に達するまでの時間と同程度あるいは長いと推定される場合には、ガス流速の定常解の受け渡しができないため、処理空間内のガス流速の定常解を利用して、式（８）〜式（１１）のみを解くことはできない。
【００４４】
流体解析部１１０（完全連成解析部１１８又はガス成分輸送解析部１２０）で求められた被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解データは、固体内拡散解析部１１２に送信される。
【００４５】
ステップＳ１８では、固体内拡散解析部１１２により、流体解析部１１０から送信された被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を利用して、被浸炭処理物中の炭素の拡散方程式に基づいて、浸炭量が求められる。被浸炭処理物中の炭素の拡散方程式は式（１２）により表される。
【００４６】
【数１２】
0006447276.tif 000013
【００４７】
式中、ρＡは被浸炭処理物密度（ｋｇ／ｍ３）、ＹＣは  被浸炭処理物中の炭素質量分率、ＤＣは、被浸炭処理物中の炭素の拡散係数（ｍ２／ｓ）である。被浸炭処理物中の炭素の拡散係数は、予備実験等により求めても良いし、実験結果として報告されているデータを用いてもよい。例えば、オーステナイトのγ相中の炭素の拡散係数は、非特許文献（Ｗｅｌｌｓ，Ｃ．ｅｔａｌ．，Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｃａｒｂｏｎ  ｉｎ  ａｕｓｔｅｎｉｔｅ，Ｔｒａｎｓ．Ａｍ．Ｉｎｓｔ．Ｍｉｎ．Ｍｅｔａｌ．Ｅｎｇ．，１８８（１９５０）．）等により報告されている。
【００４８】
また、拡散方程式の境界条件は、被浸炭処理物の任意の点における深さ方向のみに１次元化されたメッシュデータに基づいて設定することが望ましい。図３に、被浸炭処理物の深さ方向のみに１次元化された被浸炭処理物のモデル図を示す。図３に示す被浸炭処理物のモデルを用い、被浸炭処理物表面における炭素濃度の固溶限界に対応する炭素質量分率をＴＣｓａｔ、被浸炭処理物中の初期（浸炭処理前）の炭素質量分率をＹＣ０とすると、境界条件は、下式（１３）〜（１５）として設定される。そして、式（１３）中のＷＳに被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解が当てはめられる。
【００４９】
【数１３】
0006447276.tif 000014
【数１４】
0006447276.tif 000015
【数１５】
0006447276.tif 000016
【００５０】
このように、被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を利用して、式（１２）〜（１５）を計算することにより、浸炭量が求められる。求められた浸炭量はデータとしてデータ保持部１１４に保存される。ステップＳ２０では、表示制御部１１６により、保存された浸炭量データを出力装置１０４に出力する。なお、表示制御部１１６により、浸炭量データを浸炭量の時間変化や被浸炭処理物中の炭素濃度分布等として出力してもよい。
【００５１】
本実施形態では、式（１）〜（６）（連続の式、流体運動方程式、エネルギー方程式、ガス成分の輸送方程式、固体表面化学反応式）を用いた流体解析により、被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を求めた上で、その被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を利用して、式（１２）〜（１５）を用いた被浸炭処理物内の炭素拡散解析を行い、浸炭量を求めるため、例えば、式（１）〜（６）を用いた流体解析を実行しながら、式（１２）〜（１５）を用いた被浸炭処理物内の炭素拡散解析を実行して、浸炭量を求める場合と比較して、浸炭量の計算において式（１）〜（６）を解く必要がなくなるため、計算時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００５２】
さらに、本実施形態では、被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を求める際に、Λが所定値以上であれば、流体解析で求められる処理空間内のガス流速の定常解を利用して、式（８）〜（１１）（エネルギー方程式、ガス成分の輸送方程式、固体表面化学反応式）に基づいて、被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を求めることにより、例えば、連続の式、流体運動方程式を解く必要がなくなるため、流体解析に係る計算時間を大幅に短縮することが可能となる。なお、式（１）〜（６）を用いた流体解析を実行しながら、式（１２）〜（１５）を用いた被浸炭処理物内の炭素拡散解析を実行して、浸炭量を求める計算方法では、Λが所定値以上であっても、言い換えれば処理空間内のガス流速が早い段階で定常に達している場合であっても、計算式を省略することができないため、計算時間は膨大となる。
【実施例】
【００５３】
以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に制限されるものではない。
【００５４】
実施例では、被浸炭処理物を載置した浸炭炉内の３次元数値シミュレーションを実施し、対応する実験結果と比較した。対応する実験の条件は、浸炭ガスをＣ２Ｈ２とし、炉内圧力を約１２００Ｐａとし、炉内温度を９５０℃とし、被浸炭処理物をＳＣｒ２０とし、浸炭ガスの供給時間を２４０秒とした。Ｃ２Ｈ２供給停止後、ただちにＳＣｒ２０を冷却し、ＳＣｒ２０の炭素濃度分布をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏ  Ａｎａｌｙｓｅｒ）により測定した。
【００５５】
３次元数値シミュレーションでは、上記の条件に加え、投入流量に対応する流入速度、物性値を算出するための各種パラメータ等の諸条件を設定した。
【００５６】
また、Ｃ２Ｈ２からＳＣｒ２０表面への炭素吸着を表す化学反応として、以下の反応式を設定した。
Ｃ２Ｈ２→２Ｃ＋Ｈ２↑
【００５７】
上記設定した諸条件の下、式（１）〜（６）（連続の式、流体運動方程式、エネルギー方程式、ガス成分の輸送方程式、固体化学表面反応式）を連成して、流体解析を実行した。ここで、実施例の条件では、Λは３０以上となり、Λ≧１０以上であった。したがって、式（１）〜（６）により、処理空間内のガス流速の定常解を求め、その定常解を利用して、式（８）〜（１１）により、被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を求めた。
【００５８】
次に、被浸炭処理物への炭素吸着速度の定常解を利用して、式（１２）〜（１５）により、浸炭量を求めた。浸炭量は、処理時間に対する浸炭量、及び被浸炭処理物の深さ方向の炭素濃度として表した。これらの結果を、上記実験結果と共に、図４及び図５に示す。
【００５９】
図４及び図５の結果から分かるように、実施例の３次元数値シミュレーションから求められた炭素量は、実験結果に近似した値となった。すなわち、実施例は、非常に高い計算精度であることが確認された。
【００６０】
実施例では、２４０秒後の浸炭処理後の浸炭量を求めるまでに、約２日の時間を費やした。これに対し、式（１）〜（６）を連成して、流体解析を実行しながら、式（１２）〜（１５）を実行して、２４０秒後の浸炭処理後の浸炭量を求めるまでに係る時間を見積もると、約１００００日を要することになる。なお、この場合の計算時間には、メッシュデータを非常に細かくすることによる計算負荷の増大、また、細かくしたメッシュデータにより生じる時間ステップの更なる制約等は加味されておらず、実際には、更に計算時間が増大することになる。
【００６１】
以上により、実施例の計算方法は、式（１）〜（６）を連成して、流体解析を実行しながら、式（１２）〜（１５）を実行する計算方法と比べて、計算時間を短縮することが可能であると言える。そして、実施例の計算結果は実験結果と近似しており、高い計算精度が保証されていると言える。
【００６２】
なお、実施例では、Ｃ２Ｈ２を原料とする浸炭処理に関するものであるが、本実施形態はこれに限定されるものではない。また、被浸炭処理物、炉内温度、炉内圧力等も実施例に限定されるものではない。そして、本発明はその要旨を変更しない限りにおいて、変形可能であり、それらは全て本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６３】
１００  浸炭解析装置、１０２  入力装置、１０４  出力装置、１０６  諸条件設定部、１１０  流体解析部、１１２  固体内拡散解析部、１１４  データ保持部、１１６  表示制御部、１１８  完全連成解析部、１２０  ガス成分輸送解析部。
【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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