(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面楕円部分（ＯＰ）の集合体により構成される減圧可能な密閉室（７）と、この楕円の一方の焦点（Ｆ１）に位置する試験材料（１００）の設置部（９）と、前記楕円の他方の焦点（Ｆ２）に位置するヒーターランプ（２０）の発熱部（２１）と、前記設置部（９）の近傍に位置する前記試験材料（１００）を観察するための観察窓（４０）とを備えた赤外線高温加熱炉であって、前記設置部（９）と前記観察窓（４０）との間に透明の仕切り板（４４）を配置し、この仕切り板（４４）のうち前記設置部（９）と前記観察窓（４０）とを結ぶ間に貫通孔（４５）を形成し、前記仕切り板（４４）の前記観察窓側（Ｓ１）にガス注入路（４７）のガス供給口（４８）を設ける一方、前記仕切り板（４４）の前記ヒーターランプ側（Ｓ２）に吸引口（８）を設けてある赤外線高温加熱炉。
【請求項２】
前記仕切り板（４４）を介して前記密閉室（７）を分割させるように前記炉本体（２）は少なくとも二つの分割体（３，４）に分割可能であり、この仕切り板（４４）が交換可能である請求項１に記載の赤外線高温加熱炉。
【請求項３】
前記設置部（９）が直接通電ヒーター（１１）により加熱されるものである請求項１又は２に記載の赤外線高温加熱炉。
【請求項４】
前記ヒーターランプ（２０）が前記楕円の長軸方向（ＬＤ）に延びるガラス管で構成されたランプハウス（２４）に覆われると共にこのランプハウス（２４）の排出管（２５）が前記楕円の短軸方向（ＳＤ）に延びて外部に連通し、前記ヒーターランプ（２０）はこのランプの端子（２３）側から前記ランプハウス（２４）内に供給され且つ前記排出管（２５）から排気される冷却空気より冷却されるものである請求項１〜３のいずれかに記載の赤外線高温加熱炉。
【請求項５】
前記排出管（２５）と前記端子（２３）との間で前記密閉室（７）を分割させるように前記炉本体（２）は少なくとも二つの分割体（４，５）に分割可能であり、前記二つの分割体（４，５）を前記排出管（２５）の長手方向に沿って相対移動させることで前記排出管（２５）を前記分割体（４）から分離させることが可能である請求項４に記載の赤外線高温加熱炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線高温加熱炉に関するものである。さらに詳しくは、断面楕円部分の集合体により構成される減圧可能な密閉室と、この楕円の一方の焦点に位置する試験材料の設置部と、前記楕円の他方の焦点に位置するヒーターランプの発熱部と、前記設置部の近傍に位置する前記試験材料を観察するための観察窓とを備えた赤外線高温加熱炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述の如き赤外線高温加熱炉としては、例えば、特開平１−１６３５９４号公報に記載の如く、試験材料を横方向から出退させて、観察窓の近傍に配置する構成のものが知られている。同構成によれば、試験材料を高温に加熱できる反面、試験材料が加熱により蒸散すると、近傍に位置する観察窓に蒸散物の付着することがある。また、高温下では熱対流により観察に支障を来すこともある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の実状に鑑みて、本発明は、観察窓の汚染を防ぐことの可能な赤外線高温過熱炉を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る赤外線高温加熱炉の特徴は、断面楕円部分の集合体により構成される減圧可能な密閉室と、この楕円の一方の焦点に位置する試験材料の設置部と、前記楕円の他方の焦点に位置するヒーターランプの発熱部と、前記設置部の近傍に位置する前記試験材料を観察するための観察窓とを備えた構成であって、前記設置部と前記観察窓との間に透明の仕切り板を配置し、この仕切り板のうち前記設置部と前記観察窓とを結ぶ間に貫通孔を形成し、前記仕切り板の前記観察窓側にガス注入路のガス供給口を設ける一方、前記仕切り板の前記ヒーターランプ側に吸引口を設けたことにある。
【０００５】
前記仕切り板を介して前記密閉室を分割させるように前記炉本体を少なくとも二つの分割体に分割可能であり、この仕切り板が交換可能であるように構成するとよい。
また、前記設置部が直接通電ヒーターにより加熱されるように構成してもよい。
【０００６】
前記ヒーターランプが前記楕円の長軸方向に延びるガラス管で構成されたランプハウスに覆われると共にこのランプハウスの排出管が前記楕円の短軸方向に延びて外部に連通し、前記ヒーターランプはこのランプの端子側から前記ランプハウス内に供給され且つ前記排出管から排気される冷却空気より冷却されるものであるように構成してもよい。
【０００７】
本発明の実施形態によれば、前記排出管と前記端子との間で前記密閉室を分割させるように前記炉本体は少なくとも二つの分割体に分割可能であり、前記二つの分割体を前記排出管の長手方向に沿って相対移動させることで前記排出管を前記分割体から分離させることが可能である。
本発明のさらに他の目的、構成及び効果については以下に示す「発明の実施の形態」の欄で明らかになるであろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜３を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
本発明にかかる赤外線高温観察炉１は、各種素材や素材応用部品等の研究開発、製造試験における超高温観察試験や分析に使用されるものである。この赤外線高温加熱炉１は、大略、炉本体２と、直接通電ヒーター１１と、ヒーターランプ２０とを備えている。炉本体２は互いにシールドで気密的に組み立てられる第一〜第三分割体３，４，５よりなり、炉本体２の内部には冷却水を循環させる水路６が形成されている。
【０００９】
炉本体２の内部に形成される密閉室７は、断面楕円部分ＯＰを回転させた集合体により構成され、吸引口８からの排気により密閉状態で減圧される。この密閉室７をなす楕円の第一焦点Ｆ１には試験材料１００を設置するための設置部としてルツボ９が配置されている。密閉室をなす楕円の他の焦点Ｆ２には、ヒーターランプ２０の発熱部であるフィラメント２１が配置される。そして、密閉室７の内面に金メッキ等を施し、フィラメント２１から発せられる赤外線を密閉室７の内面で反射させ、第一焦点Ｆ１の試験材料に照射させるよう構成してある。
【００１０】
ルツボ９はフィラメント２１により加熱されると共に、直接通電ヒーター１１によっても加熱される。この場合の放射熱はルツボ９の下面及び側面を覆うタンタル等の熱シールド１０で遮られ、吸収によりシールド板が温度上昇する。また、熱シールド１０は赤外線イメージ炉の加熱で等温壁を作る。さらに、直接通電ヒーター１１の螺旋部１２により囲まれる。ランプフィラメント２１の発光温度がシールド１０の温度と同等であるか又はそれ以上であれば輻射の熱交換が少なく、直接通電ヒーター１１の温度を更に上昇させることが可能である。
【００１１】
直接通電ヒーター１１の両端は左右一対の水冷電極１４，１４に止めねじ１６，１６で取り付けられ、電流が供給される。図１、３は基本的に縦断面図であるが、第二分割体４の部分のみ図２Ａ−Ａ線における断面図としてあることから、同図の右側にのみ水冷電極１４が示されている。各水冷電極１４と第二分割体４との間には絶縁管１５が介挿されてこれらの間を絶縁すると共に、密閉室７の気密性を保持している。各水冷電極１４の内部には水注入口１７から冷却水が供給されて、水排出口１８より排出される。なお、図２左側の水排出口は下向きに配向してある。
【００１２】
ルツボ９には温度制御用熱電対がスポット溶接されており、これに基づいて温度制御が行われる。赤外線イメージ炉だけで温度制御する他、直接通電ヒーター１１により温度制御する場合も直接通電ヒーター１１又はフィラメント２１の直接温度制御が可能である。そして、通電加熱時では、直接通電ヒーター１１上にあるルツボ９は伝熱加熱される。直接通電ヒーター１１に使用されるフィラメントは、定格で２８００℃のものが使用され、実際には２０００℃への到達が可能である。
【００１３】
ヒーターランプ２０は、希ガス等を封入した石英ガラス製のヒーター管２２内に、一対の端子２３，２３間に接続される螺旋状のフィラメント（発熱部）２１を支持したものである。このヒーターランプ２０は、楕円の長軸方向ＬＤに延びる石英ガラス管で構成されたランプハウス２４に覆われる。また、このランプハウス２４の排出管２５が楕円の短軸方向ＳＤに延びて外部に連通する。
【００１４】
ランプハウス２４は第三分割体５の下部に形成された縦孔に貫通し、シールド輪２６と第三分割体５との間に挿入されるシールにより密閉室７と略円筒形の空洞２８とを気密的に隔離する。ヒーターランプ２０の下部は断面半円状の柱体である固定具２７に固定される。そして、ヒーター管２２をランプハウス２４内に挿入すると共に固定具２７を空洞２８に嵌合させることで、ヒーターランプ２０を固定する。空洞２８は封止蓋２９及びシールによりその下面が封止されて気密状体が保たれる。
【００１５】
排出管２５は第二分割体４に形成された横孔に貫通し、シールド素子３１と第二分割体４との間に挿入されるシールにより密閉室７と外部とを気密的に離隔する。シールド素子３１には誘導管３２が接続され、さらに吸引装置に接続される。
【００１６】
ヒーター管２２の外面とランプハウス２４の内面との間には僅かな通気用の隙間が介在する。そして、供給口３０から空洞２８に冷却用の空気を供給し、当該隙間に冷却空気を通過させ、排出管２５及び誘導管３２を介して排出する。ヒーターランプ２０は、このような冷却空気の流通により冷却されることとなる。
【００１７】
密閉室７の上部にはルツボ９内の試験材料１００を観察するための観察窓４０を形成してあり、顕微鏡の対物レンズ１１０を介して観察が行われる。超高温での顕微鏡観察では対物レンズ１１０の作動距離が限られており、対物レンズ１１０の焦点距離及びストロークより、密閉室７における焦点Ｆ１，Ｆ２の位置が定まり、ルツボ９と観察窓４０との距離も定まることとなる。観察窓４０は、第一分割体３の上部に開口した観察孔４１をシールを介して石英ガラス等よりなる窓板４２により塞ぎ、窓板４２により固定してなる。
【００１８】
ルツボ９は直接通電ヒーター１１とフィラメント２１とにより超高温に加温され、ルツボ９内の試験材料１００やその付着物は蒸散することがある。上述の対物レンズ１１０と試験材料１００との位置関係により、観察窓４０はルツボ９に近く、したがって、蒸散した試験材料１００の一部が観察窓４０の観察孔４１に付着することもあり、熱対流により観察に支障を来す場合もある。また、特定雰囲気下における試験材料１００の観察を行いたい場合も生じ得る。
【００１９】
かかる蒸散物の付着や熱対流の不具合を防止し、特定雰囲気下の観察を実現するため、貫通孔４５を有する仕切り板４４を密閉室７の上部に設けてある。ここで、仕切り板４４は、円形の石英ガラスであって、平面視で円形の密閉室７の縁部と同心円状に削り込まれた段差部４６に嵌合する。貫通孔４５はルツボ９内の試験材料１００を上方から観察できるように、その中心をルツボ９の中心に一致させて形成してある。ガス注入路４７は第二分割体４の側面と上面とを連通させるように形成され、上面のガス供給口４８は仕切り板４４の外周と輪状のシール５０の内周との間に配置される。
【００２０】
ガス注入路４７にはガス注入口４９からガスが供給され、吸引口８を介して吸引が行われる。ガス注入路は、その出口側に位置する上向き開口のガス供給口４８と、第一、第二分割体３，４間の僅かな隙間とを介して、観察窓側Ｓ１の密閉室７と連通する。その結果、仕切り板４４を介して観察窓側Ｓ１よりもヒーターランプ側Ｓ２がより低圧となり、ガス注入口４９からガス注入路４７を介して供給されたガスは貫通孔４５を介して観察窓側Ｓ１からヒーターランプ側Ｓ２に流動することとなる。したがって、ルツボ９において蒸散した試験材料１００の蒸気は当該流動するガスと共に観察窓側Ｓ１からヒーターランプ側Ｓ２に強制排出され、蒸散物の窓板４２に対する付着が防止される。また、ルツボ９内の試験材料１００は常に流動する当該ガスの雰囲気下で加熱されることとなる。
【００２１】
第一分割体３を貫通する図示しないボルトを第二分割体４のねじ孔４ａに螺合させることで、第一分割体３と第二分割体４とを着脱自在に結合している。また、第一分割体３と第二分割体４との間ではシール５０により密閉室７の気密性が維持されている。第一分割体３を取り外すと、仕切り板４４も同時に取り外すことができ、ルツボ９に対する試験材料１００の出し入れとルツボ９周りのメンテナンスとを容易に行うことができる。
【００２２】
第二分割体４と第三分割体５とも図示しないボルトにより着脱が可能であり、第二分割体４と第三分割体５との間ではシール５１により密閉室７の気密性が維持されている。第二分割体４，第三分割体５を分離するには、まずシールド素子３１，誘導管３２を取り外し、排出管２５の先端と第二分割体４との固定を解除する。次に、第二分割体４と第三分割体５との結合を解き、図１の紙面右側に向かって楕円の短軸方向ＳＤに沿い第二分割体４に対して第三分割体５を相対移動させることで、排出管２５と第二分割体４との嵌合を解く。これにより、第二分割体４を上方に持ち上げて第三分割体５から完全に分離させることが可能となる。
【００２３】
使用に際しては、ルツボ９に試験材料１００を設置してから仕切り板４４と第一分割体３とを順次閉じ、第一分割体３と第二分割体４とを固定する。供給口３０から冷却空気を供給しつつ誘導管３２から吸引を行い、熱気の自然上昇と冷却空気の強制流通を利用してヒーターランプ２０を冷却する。各水冷電極１４の水注入口１７から冷却水を供給する一方水排出口１８から排出を行う。さらに、ガス注入口４９から所望のガスを供給し、吸引口８から吸引排気を行う。かかる状態でフィラメント２１及び密閉室７の反射によりルツボ９を赤外線イメージ加熱により加熱すると共に、直接通電ヒーター１１による直接通電でもルツボ９の加熱を行う。
【００２４】
楕円の第二焦点Ｆ２に置かれたフイラメント２１から放射する赤外線は楕円反射鏡により第一焦点Ｆ１に集光される。実験では１０mmの坩堝で鉄の溶解が可能で、１５００℃以上の温度到達が可能であった。さらに、直接通電ヒーター１１への通電を併用することで、１５００℃から２０００℃への段階的温度変化も可能であることが確認された。
【００２５】
最後に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について説明する。
上記実施形態では、断面楕円部分ＯＰを回転させた集合体により密閉室７を構成した。しかし、密閉室７は、断面楕円部分ＯＰを直線状に移動させた集合体により構成しても構わない。
【００２６】
上記実施形態では、断面楕円部分ＯＰの集合体により構成される密閉室７を全て気密構造とした。しかし、この密閉室を楕円の短軸近傍を境にガラス板で分割し、試験材料側を密閉構造とし、ヒーターランプ側を常圧とするように構成してもよい。
【００２７】
上記実施形態では、直接通電ヒーター１１として螺旋部１２を有する線状のヒーターを使用した。しかし、この直接通電ヒーター１１としては、板状部材を屈曲したものであってもよい。
【００２８】
上記実施形態では、吸引口８を第三分割体５の下側に設けた。しかし、この吸引口８は仕切り板４４のヒーターランプ側Ｓ２であれば第二分割体４の上側部分に設けても構わない。但し、上記実施例の如く密閉室７のうち可能な限り仕切り板から遠ざかった位置に吸引口８を設けることで、貫通孔４５を介してのガスの流通がルツボ９全体に対して均一に行われる利点がある。
【００２９】
【発明の効果】
このように、上記本発明に係る赤外線高温加熱炉の特徴によれば、仕切り板の観察窓側にガス注入路のガス供給口を設ける一方、仕切り板のヒーターランプ側に吸引口を設けることで、観察窓から遠ざかる側へのガスの流動が試験材料の近傍で発生し、試験材料が例え蒸散しても観察窓に付着することを防止できるようになった。また、観察窓から遠ざかる方向へのガスの規則的な流動により、熱対流による観察への支障も防止できるようになった。そして、これらの結果、観察を行いやすい視界を確保することができ、顕微鏡による観察精度を向上させることが可能となった。
【００３０】
また、炉本体を少なくとも二つの分割体に分割可能に構成すると共に、この仕切り板を交換可能とすることで、試験材料の交換や密閉室内のメンテナンスを容易に行えるようになった。
【００３１】
加えて、設置部が直接通電ヒーターにより加熱されるように構成することで、ヒーターランプによる赤外線イメージ加熱と相まって、より超高温の加熱を実現できるようになった。その結果、通常では発生し易い試験材料の蒸散による観察窓の汚染や熱対流を効果的に防止することが可能となった。
【００３２】
一方、ヒーターランプを覆う上述のランプハウスの構造及び強制冷却により、高圧電圧が印加されるヒーターランプの端子を常圧部分に配置でき、効率的な冷却と端子間の放電を有効に防止することが可能となった。
【００３３】
また、炉本体の分割と排出管及び炉本体の嵌合構造とにより、ヒーターランプ近傍で炉本体を分割し、ヒーターランプのメンテナンスを容易に行えるようになった。
【００３４】
なお、特許請求の範囲の項に記入した符号は、あくまでも図面との対照を便利にするためのものにすぎず、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる赤外線高温加熱炉の縦断面図である。
【図２】第一分割体を除去した状態を示す平面図である。
【図３】ルツボ近傍の縦断面図である。
【符号の説明】
１：赤外線高温観察炉、２：炉本体、３：第一分割体、４：第二分割体、４ａ：ねじ孔、５：第三分割体、６：水路、７：密閉室、８：吸引口、９：ルツボ（設置部）、１０：熱シールド、１１：直接通電ヒーター、１２：螺旋部、１４：水冷電極、１５：絶縁管、１６：止めネジ、１７：水注入口、１８：水排出口、２０：ヒーターランプ、２１：フィラメント（発熱部）、２２：ヒーター管、２３：端子、２４ランプハウス、２５：排出管、２６：シールド輪、２７：固定具、２８：空洞、２９：封止蓋、３０：供給口、３１：シールド端子、３２：誘導管、４０：観察窓、４１：観察孔、４２：窓板、４３：窓押え、４４：仕切り板、４５：貫通孔、４６：段差部、４７：ガス注入路、４８：ガス供給口、４９：ガス注入口、５０，５１：シール、１００：試験材料、１１０：対物レンズ、Ｆ１：第一焦点，Ｆ２第二焦点，ＬＤ：楕円の長軸方向、ＳＤ：楕円の短軸方向、ＯＰ：断面楕円部分、Ｓ１：観察窓側、Ｓ２：ヒーターランプ側
【図１】
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【図２】
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【図３】
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