(57)【要約】【課題】プラズマ浸炭熱処理炉の被処理物から炉殻を貫通して直流電源の陰極に通じる導体の炉殻貫通部の炉殻との電気的な絶縁構造を改良し、カーボンの付着を確実に防止できるようにすることである。【解決手段】加熱炉内に炭化水素その他の処理ガスを導入し、炉殻２を陽極とし、被処理物５を陰極として両極間に直流電圧を印加し、断熱材１で囲まれた炉内にプラズマを発生させて被処理物５を浸炭処理するプラズマ浸炭熱処理炉において、炉殻２を貫通し直流電源６の陰極と接続した導体の炉殻貫通部７には、径差のある複数のセラミックス製の絶縁性スリーブ８（８ａ、８ｂ、８ｃ）を間隔を開けて非接触状態に配置し、かつ隣り合う絶縁性スリーブ（８ａ、８ｂ、８ｃ）は互いに非接触に２枚のパッキング９（９ａ、９ｂ）上に固定して導体の炉殻貫通部７と炉殻２とを絶縁し、また陰極に帯電した自己放電性の傘型除電器１０をその放電性傘部１０ａが絶縁性スリーブ８の全体を覆うようにする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱した炉内に炭化水素系ガスを導入すると共に、炉殻を陽極とし炉内の被処理物を陰極として両極間に直流電圧を印加し、炉内にプラズマを発生させて被処理物を浸炭処理するプラズマ浸炭熱処理炉において、
陰極に通じる導体の炉殻貫通部に、径差のある複数の絶縁性スリーブを多重にかつ互いに非接触となるように被せると共に、陰極に帯電した自己放電性の傘型除電器をその放電性傘部が１以上の絶縁性スリーブを覆うように設けたことを特徴とするプラズマ浸炭熱処理炉。
【請求項２】
放電性傘が、縁部の鋭利な放電性傘である請求項１に記載のプラズマ浸炭熱処理炉。
【請求項３】
複数の絶縁性スリーブが、炉殻内に臨ませた端面を炉内壁面とほぼ同じ高さになるように設けた絶縁性スリーブである請求項１または２に記載のプラズマ浸炭熱処理炉。
【請求項４】
複数の絶縁性スリーブが、炉殻貫通部に設けた絶縁・密封性パッキングに対し同心円状に間隔を開けて固定された複数の絶縁性スリーブであり、前記間隔にはセラミックス繊維が充填されている請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ浸炭熱処理炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電極の絶縁構造が改良されたプラズマ浸炭熱処理炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、金属製の被処理物の表面にプラズマ状態の炭化水素を作用させて、浸炭処理する表面処理方法が知られている。このような浸炭処理により、被処理物である鋼などは、その硬度、耐食性、摩擦摩耗特性が改良され、耐熱性なども改良される。
【０００３】
具体的なプラズマ浸炭処理方法を説明すると、断熱壁で覆われた耐圧構造のプラズマ熱処理炉に、メタンガス、プロパンガス、アンモニアガスなどの処理（プロセス）ガスやクリーニング用ガスを供給し、金属製の被処理物を陰極にすると共に炉殻などを陽極とし、両極間にグロー放電を起こさせてイオン化した炭素イオン、窒素イオンなどを被処理物に衝突させ表面下に浸入させて、いわゆる浸炭や窒化などの表面処理が行なわれる。
【０００４】
そして、図４に示すように、炉内の被処理物５に陰極を接触させる構造としては、炉内に設けた導電性テーブル１４の上に被処理物５を載置し、導電性テーブル１４の脚と一体になっている導体を炉内の断熱材１及び炉殻２の炉殻貫通部１５で貫通させ、さらに炉外の直流電源６の陰極に接続する。
【０００５】
従来のプラズマ熱処理炉では、この導体の炉殻貫通部１５の絶縁構造部分が、炉内の交流用のヒータ１６によって高温に熱せられるので、炉内で発生したカーボンが付着しやすい状態となっていた。そして、付着したカーボンが絶縁部材１７の表面を覆うと、絶縁部材１７の表面に電気が伝わって炉殻貫通部１５と陽極との炉殻２が短絡し、陰極電圧が低下したり、無用のアーク放電が起こって浸炭性能や浸炭効率が低下するという問題が起こる。
【０００６】
このような問題点を改善するために、導体の炉殻貫通部１５の絶縁構造全体を断熱材１より外側に伸ばして配置し、特に絶縁部材１７を加熱室の熱から遠ざけて高温に曝されなくすることにより、導電性カーボンの付着を防止していた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２５７１４２１号公報（特許請求の範囲、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来周知の絶縁技術では、陰極の導体の炉殻貫通部を高温に曝されなくしただけであるから、炉内の温度が予想以上に上げると、カーボンが付着する可能性があり、また、炉外に配置された導体の炉殻貫通部を覆う部分から浸炭用ガスや、負圧にした炉内気密状態が漏れない構造および絶縁構造は複雑になり、これでは浸炭装置の耐久性や絶縁状態の安定性が充分ではないと考えられた。
【０００９】
そこで、この発明の課題は上記した問題点を解決して、被処理物から炉殻を貫通して直流電源の陰極に通じる導体の炉殻貫通部と炉殻との電気的な絶縁構造を改良し、比較的簡単な構造で陰極に通じる導体の炉殻貫通部と炉殻とを絶縁でき、しかもカーボン（煤）の付着を確実に防止できるようにすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明においては、加熱した炉内に炭化水素系ガスを導入すると共に、炉殻を陽極とし炉内の被処理物を陰極として、両極間に直流電圧を印加し炉内にプラズマを発生させて被処理物を浸炭処理するプラズマ浸炭熱処理炉において、陰極に通じる導体の炉殻貫通部に、径差のある複数の絶縁性スリーブを多重にかつ互いに非接触となるように被せると共に、陰極に帯電した自己放電性の傘型除電器をその放電性傘部が１以上の絶縁性スリーブを覆うように設けたことを特徴とするプラズマ浸炭熱処理炉としたのである。
【００１１】
上記したように構成されるこの発明のプラズマ浸炭熱処理炉は、陰極に通じる炉殻貫通部に、径差のある複数の絶縁性スリーブを多重にかつ非接触状態に被せ、このような絶縁構造を介して陰極に通じる導体と炉殻とを完全に電気的に絶縁できる。
【００１２】
そして、プラズマ浸炭熱処理炉を使用しているときに、炉殻内で処理用のガスがヒータで加熱され、プラズマ状態となった炭素原子（プラスイオン）がマイナスに帯電した被処理物に衝突して浸炭が進行する。
【００１３】
この発明では、陰極に帯電可能な自己放電性の傘型除電器をその放電性傘部が１以上の絶縁性スリーブを覆うように設けているので、浸炭処理時に陰イオンに帯電した傘型除電器の全体に陽イオンのプラズマ状態の炭素が集中的に吸着し、放電性傘部の直下の絶縁性スリーブには陽イオンの炭素が到達し難くなり、複数の絶縁スリーブ同士の間隙に炭素粉が溜まることなく漏電することはない。このような作用で、各絶縁スリーブの絶縁機能が確実に発揮されて陰極側導体と炉殻との電気的絶縁状態が確実に維持される。
【００１４】
また、放電性傘が、縁部の鋭利な放電性傘であるものを採用すると、鋭利な縁部からマイナスの電荷が絶縁スリーブ直上に放出され、いわゆるコロナ放電が発生する。このようなコロナ放電により、放電性傘部の直下の雰囲気内で電荷は中和されて、その付近の電圧が低下し、絶縁性スリーブには陽イオンの炭素到達エネルギーが小さくなり、カーボンが付き難くなる。縁部の鋭利な放電性傘を使用すると、各絶縁スリーブの絶縁機能は、より確実に発揮される。
【００１５】
また、複数の絶縁性スリーブが、炉殻内に臨ませた端面を炉内壁面とほぼ同じ高さになるように設けると、絶縁性スリーブは炉殻内に大きく突出する場合に比べて炉内壁面に近いことでヒーターから遠ざかり、また炉殻に内装された断熱材に囲まれる部分が多くなって温度が若干低くなり、それだけ絶縁性スリーブに炭素粉が付着し難くなって、複数の絶縁スリーブ同士の間隙に炭素粉が溜まらず絶縁状態が長時間保てる。
【００１６】
また、前記のプラズマ浸炭熱処理炉において、複数の絶縁性スリーブが、炉殻貫通部に設けた絶縁・密封性パッキングに対し同心円状に間隔を開けて固定された複数の絶縁性スリーブであり、前記間隔にはセラミックス繊維が充填されているものが好ましい。セラミックス繊維により、炉内の加熱時に熱風が絶縁性スリーブの間隔を通過して部品などの鉄皮をいためないからである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施形態のプラズマ浸炭熱処理炉を、以下に添付図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１および図２に示すように、実施形態のプラズマ浸炭熱処理炉は、カーボン系の断熱材１と炉殻２で囲まれた加熱した炉内にガスタンクマニホールド（多岐管）３を介して図外のタンクから炭化水素系ガスその他の処理ガス（メタン、プロパン、水素、窒素、アンモニアなど）を導入すると共に、排気用真空ポンプ４による減圧に耐える鋼鉄等からなる金属製の炉殻２を陽極とし、炉内にある金属製の被処理物５を陰極として両極間に直流電圧を印加し、断熱材１で囲まれた炉内にプラズマを発生させて被処理物５を浸炭処理するプラズマ浸炭熱処理炉である。
【００１９】
このプラズマ浸炭熱処理炉の断熱材１および炉殻２を貫通して、直流電源６の陰極と接続した導体の炉殻貫通部７には、径差のある複数のセラミックス製の絶縁性スリーブ８（８ａ、８ｂ、８ｃ）を、径の大きさにより周壁に間隔を開けて非接触状態に配置し、かつ隣り合う２組の絶縁性スリーブ（８ａ、８ｂ）、（８ｂ、８ｃ）は互いに非接触となるように間隔を開けて同心円状に２枚重ねたパッキング９（９ａ、９ｂ）上面に固定し、これによって導体の炉殻貫通部７と炉殻２とを絶縁および気密にシールしたものである。
【００２０】
図２および図３に示す部品は、フランジ状の放電性傘部１０ａを有する傘型除電器１０であり、これを図２に示すように炉殻貫通部７に嵌めると、放電性傘部１０ａの直下に絶縁性スリーブ８が位置する状態になる。
【００２１】
なお、図２中の符号１１は、固定用リング、１２はハースサポート、１３は炉床ハースである。
【００２２】
絶縁性スリーブは、径差により１〜１０ｍｍ程度の間隔（好ましくは２〜５ｍｍ間隔）を開けて配置された小径、中径、大径の３つのスリーブ８（８ａ、８ｂ、８ｃ）と、炉殻貫通部７と炉殻２とを密閉する２枚重ねた絶縁・密封性のパッキング９（９ａ、９ｂ）から構成されている。なお、図示は省略したが、前記間隔を開けて固定された複数の絶縁性スリーブ同士の間隔には、セラミックス繊維などの耐熱性繊維塊または不織布などを充填することも好ましい。このようにすると、繊維間の気体による断熱効果により、炉内の加熱時に熱風が絶縁性スリーブの間隔を通過することによる鉄皮の損傷を防止できる。
【００２３】
絶縁性スリーブ８（８ａ、８ｂ、８ｃ）およびパッキング９（９ａ、９ｂ）は、いずれも耐熱性および電気的絶縁性のある材質製品であり、例えば、酸化アルミニウムなどの絶縁性セラミックスで形成したものが好ましい。
【００２４】
絶縁性スリーブ８（８ａ、８ｂ、８ｃ）と、パッキング９（９ａ、９ｂ）とは、別途形成したものを組み付けたものを図示したが、絶縁性スリーブ８（８ａ、８ｂ）と、パッキング９とを一体成型により作製したものでもよい。
【００２５】
また、炉殻貫通部７に設けた絶縁・密封性のパッキング９に同心円状に複数の溝（図示せず。）を形成し、この溝に複数の絶縁性スリーブの端部を嵌めることにより、複数の絶縁性スリーブを径方向に間隔を開けて配置することもできる。
【００２６】
また、図２に示した実施形態では、炉殻貫通部７に密接させて設けたスリーブ８ａの高さを炉内壁面から２〜３ｃｍだけ突出させ、スリーブ８ｂの上端面が炉内壁面１８とほぼ同じ高さになるように設けている。このようにすると処理時のスリーブ８全体の温度が断熱材１に囲まれて若干低くなるため、それだけ絶縁性スリーブ８（特に８ｂ、８ｃ）に炭素粉が付着し難くなって好ましい。
【００２７】
放電性傘部１０ａを有する傘型除電器１０は、６００〜１３２０℃の耐熱性および導電性のある周知の材料で形成されていればよく、例えばステンレス鋼や黒鉛で形成することができる。放電性傘部１０ａは、イオン化した炭素原子を静電気的に集合させ、かつコロナ放電を起こしやすい先鋭な縁部を有する形態が好ましく、図２の外形状に示されるように、フランジ状の縁部が両刃状に尖った先鋭な放電性傘部１０ａであることがより好ましく、その他の例としては縁を王冠のように不連続に尖らせた形状や、または菊花等のような複数枚の花弁状としても好ましい。
【００２８】
このような放電性傘部１０ａ付きの傘型除電器１０を、炉殻貫通部７に嵌めると、絶縁性スリーブ８が放電性傘部１０ａの直下に配置されて、プラズマ浸炭処理時に放電性傘部１０ａの上面に陽イオンとなったプラズマ状態炭素が集中的に衝突および付着し、放電性傘部１０ａの直下の絶縁性スリーブ８（８ａ、８ｂ、８ｃ）には炭素粉が殆ど付着しない。
【００２９】
【実施例】
〔実施例１〕
プラズマ浸炭熱処理炉の炉殻を貫通し陰極と接続した導体の炉殻貫通部に、酸化アルミニウム（アルミナ）製の３本の絶縁性スリーブを、炉内壁面とほぼ同じ高さになるように図２に示す状態に配置し、炉内陰極の炉殻貫通部には図３に示すフランジ状の放電性傘部付き円筒形ステンレス鋼製の傘型除電器を嵌めて絶縁シールを放電性傘部の直下に配置した。このようなプラズマ浸炭熱処理炉を用いてプロパンと水素の混合ガスで炉内圧力１Ｔｏｒｒ、電圧６００Ｖ、浸炭温度９００℃、処理時間３時間の条件で被処理サンプルをプラズマ浸炭処理し、処理後の絶縁スリーブ表面と傘型除電器の表面と裏側のカーボン（煤）の付着の程度を肉眼で観察した。
【００３０】
この結果、放電性傘部付きの傘型除電器の外側面にカーボンの付着はあったが、傘型除電器の内側（裏側）面にはカーボンの付着は殆どなく、また絶縁性スリーブの周壁の内側および外側は、いずれもカーボンの付着が殆どなく、さらに絶縁スリーブ同士の間隙にもカーボンは溜まらず、これらの状況から絶縁スリーブはそれぞれ独立して絶縁性が保たれていることが確認された。
【００３１】
〔実施例２〕
実施例１において、放電性傘部付き円筒形ステンレス鋼製の傘型除電器に代えて、放電性傘部付き円筒形黒鉛製の傘型除電器を用いたこと以外は同実施例と全く同様にして、試験を行ないカーボンの付着状態を観察した。
【００３２】
その結果、黒鉛製の傘型除電器でもその表面にはカーボンが付着しているが、内側（裏側）面にカーボンの付着は殆どなく、また絶縁性スリーブの周壁の内側および外側のいずれにもカーボンの付着が殆どなく、さらに絶縁スリーブ同士の間隙にもカーボンの溜まりはなく、これらの状況から絶縁スリーブはそれぞれ独立して絶縁性が保たれていることが確認された。
【００３３】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、複数の絶縁性スリーブの周壁同士が非接触状態に配置され、炉殻貫通部には放電性傘部付きの傘型除電器を装着したので、導電性の放電性傘部の直下の絶縁性スリーブにはプラズマ状態の炭素が付着し難く保護され、個々の絶縁性スリーブの絶縁性能がそれぞれ確実に発揮されて、陰極に通じる導体の炉殻貫通部と炉殻との電気的絶縁状態は、確実に保たれるという利点がある。
【００３４】
また、絶縁性スリーブを、炉内壁面とほぼ同じ高さに設けると、絶縁性スリーブが炉殻内に配置されることで温度が若干低くなるため、炭素粉が付着し難くなって、絶縁性スリーブの絶縁状態がより確実に保たれる利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態のプラズマ浸炭熱処理炉の全体構造を示す縦断面図
【図２】実施形態のプラズマ浸炭熱処理炉の要部の拡大縦断面図
【図３】（ａ）実施形態の放電性傘部付き傘型除電器の平面図
（ｂ）実施形態の放電性傘部付き傘型除電器の縦断面図
【図４】従来のプラズマ浸炭熱処理炉の全体構造を示す縦断面図
【符号の説明】
１  断熱材
２  炉殻
３  ガスタンクマニホールド
４  排気用真空ポンプ
５  被処理物
６  電源
７、１５  炉殻貫通部
８、８ａ、８ｂ、８ｃ  絶縁性スリーブ
９、９ａ、９ｂ  パッキング
１０ａ  放電性傘部
１０  傘型除電器
１１  固定用リング
１２  ハースサポート
１３  炉床ハース
１４  導電性テーブル
１６  ヒータ
１７  絶縁部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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