(57)【要約】【課題】  冷却時に熱処理材を高速冷却することができ、熱処理材全体に冷却ガスを均一に供給でき、かつ上向きと下向きの両方において冷却ガスを均一な速度と向きに整流して熱処理材全体の歪みを低減することができる高速循環ガス冷却式真空熱処理炉を提供する。【解決手段】  加熱した被処理品１を加圧した循環ガス２で冷却するガス冷却炉２０を備える。ガス冷却炉２０は、被処理品を静置する冷却領域を囲みその内側に上下方向に断面一定のガス流路を形成する冷却室２２と、冷却室内を上下方向に通過するガスを冷却して循環させるガス冷却循環装置２４と、冷却室内を上下方向に通過するガスの方向を交互に切り替えるガス方向切替え装置２６と、冷却室の上端及び下端を塞ぎ通過するガスの速度分布を均一化させる上下の整流器２８とを備える。【選択図】      図２
2005029872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱した被処理品を加圧した循環ガスで冷却するガス冷却炉を備えた高速循環ガス冷却式真空熱処理炉であって、
前記ガス冷却炉は、被処理品を静置する冷却領域を囲みその内側に上下方向に断面一定のガス流路を形成する冷却室と、該冷却室内を上下方向に通過するガスを冷却して循環させるガス冷却循環装置と、冷却室内を上下方向に通過するガスの方向を交互に切り替えるガス方向切替え装置と、冷却室の上端及び下端を塞ぎ通過するガスの速度分布を均一化させる上下の整流器と、を備えたことを特徴とする高速循環ガス冷却式真空熱処理炉。
【請求項２】
前記上下の整流器は、互いに積層された均等分配部と整流部とからなり、或いは均等分配部と整流部の両機能を備え、
均等分配部は、上昇ガス流の圧力損失係数０．１以上の流路抵抗をつけることにより流速の均等分配化を図るために前記上昇ガス流に直交する方向に均等に配置された複数の圧損発生手段を有し、
整流部は、均等分配部を通過した上昇ガス流の流れ方向を整流する複数の整流グリッドからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の高速循環ガス冷却式真空熱処理炉。
【請求項３】
更に、冷却室の上下にガス方向切替え装置から流出入するガス流の方向を案内する補助分配機構を設ける、ことを特徴とする請求項１に記載の高速循環ガス冷却式真空熱処理炉。
【請求項４】
前記ガス冷却循環装置は、冷却室に隣接して設置され冷却室を通過したガスを吸引して加圧する冷却ファンと、該冷却ファンに吸引されるガスを間接冷却する熱交換器とからなり、
前記ガス方向切替え装置は、前記熱交換器を間隔を隔てて囲む中空のカウリングと、該カウリングを昇降させる昇降シリンダとを備え、前記カウリングは、下降位置において冷却室の下方と連通する下方吸引口と、上昇位置において冷却室の上方と連通する上方吸引口とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の高速循環ガス冷却式真空熱処理炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速循環ガス冷却式真空熱処理炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空熱処理炉は、内部を減圧した後、不活性ガス等を再充填して被処理品を熱処理する熱処理炉である。真空熱処理炉は、加熱後に炉内及び処理品についた水分等がガス化した後に再度減圧し、不活性ガス等を再充填することで、水分を完全に除去できるため、水分による色付きのない熱処理（「光輝熱処理」と呼ぶ）ができる利点がある。
【０００３】
また、ガス冷却式真空熱処理炉は、光輝熱処理ができ、かつ脱炭浸炭がない、変形が少ない、作業環境が良いなど、種々の利点を有する。しかし、初期のガス冷却式真空熱処理炉は、減圧冷却式であるため、冷却速度が不十分な欠点があった。そこで、冷却速度を高めるために、高速循環ガス冷却方式が実用化されている。
【０００４】
図４は、非特許文献１に開示された高速循環ガス冷却炉の構成図である。この図において、５０は断熱材、５１はヒータ、５２は有効作業域、５３は炉体及び水冷ジャケット、５４は熱交換器、５５はターボファン、５６はファン用モータ、５７は冷却扉、５８は炉床、５９はガスディストリビュータである。
【０００５】
また、特許文献１の「真空炉におけるガス循環冷却促進法」は、図５に示すように、気密性の真空容器６１内に断熱壁６７によって囲った加熱室６６を設け、加熱室内に配置されたヒータ６２により被熱物６４を真空中で加熱すると共に、真空容器６１内にクーラ６２およびファン６３が設けられ真空容器内に供給された無酸化性ガスをクーラ６２により冷却し、無酸化性ガスをファン６３の回転により加熱室６６の相対する断熱壁６７面に設けられた開口６８，６９より加熱室６６内に循環させて被熱物６４を強制ガス循環冷却する真空炉において、少なくとも一端が末広がり状に形成れた耐熱性の筒状フード６５を加熱室６６内に置かれた被熱物６４の周囲を適宜間隔を離して囲うように、かつその両端が前記開口６８，６９に相対するように配置して無酸化性ガスを加熱室６６内に循環させるようにしたものである。
【０００６】
【非特許文献１】山崎勝弘，金属材料の真空熱処理（２），熱処理３０巻２号，平成２年４月
【特許文献１】特開平５−２３０５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１及び特許文献１に記載の高速循環ガス冷却炉は、加熱と冷却を同一の場所で行うため、以下の問題点があった。
（１）加熱終了時に加熱用のヒータや炉体が高温になっており、冷却時にヒータや炉体も同時に冷却するため、熱処理材を高速冷却できない。
（２）熱処理材を囲んで加熱用のヒータや炉体があるため、冷却時に冷却ガスを均一に供給できない。
（３）上下方向に交互にガス冷却する場合でも、上向きと下向きの両方の冷却ガスを均一な速度と向きに整流する手段はなく、熱処理材全体の歪みを低減することが困難であった。
【０００８】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、冷却時に熱処理材を高速冷却することができ、熱処理材全体に冷却ガスを均一に供給でき、かつ上向きと下向きの両方において冷却ガスを均一な速度と向きに整流して熱処理材全体の歪みを低減することができる高速循環ガス冷却式真空熱処理炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、加熱した被処理品を加圧した循環ガスで冷却するガス冷却炉を備えた高速循環ガス冷却式真空熱処理炉であって、前記ガス冷却炉は、被処理品を静置する冷却領域を囲みその内側に上下方向に断面一定のガス流路を形成する冷却室と、該冷却室内を上下方向に通過するガスを冷却して循環させるガス冷却循環装置と、冷却室内を上下方向に通過するガスの方向を交互に切り替えるガス方向切替え装置と、冷却室の上端及び下端を塞ぎ通過するガスの速度分布を均一化させる上下の整流器と、を備えたことを特徴とする高速循環ガス冷却式真空熱処理炉が提供される。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記上下の整流器は、互いに積層された均等分配部と整流部とからなり、或いは均等分配部と整流部の両機能を備え、均等分配部は、上昇ガス流の圧力損失係数０．１以上の流路抵抗をつけることにより流速の均等分配化を図るために前記上昇ガス流に直交する方向に均等に配置された複数の圧損発生手段を有し、整流部は、均等分配部を通過した上昇ガス流の流れ方向を整流する複数の整流グリッドからなる。
【００１１】
更に、冷却室の上下に冷却室から流出入するガス流の方向を案内する補助分配機構を設けることが好ましい。
【００１２】
前記ガス冷却循環装置は、冷却室に隣接して設置され冷却室を通過したガスを吸引して加圧する冷却ファンと、該冷却ファンに吸引されるガスを間接冷却する熱交換器とからなり、前記ガス方向切替え装置は、前記熱交換器を間隔を隔てて囲む中空のカウリングと、該カウリングを昇降させる昇降シリンダとを備え、前記カウリングは、下降位置において冷却室の下方と連通する下方吸引口と、上昇位置において冷却室の上方と連通する上方吸引口とを有する。
【発明の効果】
【００１３】
上記本発明の構成によれば、上下の整流器により、冷却室の上端及び下端を塞ぎ通過するガスの速度分布を均一化させるので、冷却領域を通過するガス流の速度変化を最少限度に抑えることができ、被処理品に対して乱れの少ない冷却ガスを吹き付けることができる。また、被処理品を通った後の出口部も均等に冷却ガスを排出することで、被処理品の中央部にも均等に冷却ガスを通すような強制力が発揮され、熱処理材全体の歪みを低減することができる。
【００１４】
また複数の圧損発生手段により流速分布を均等化し、複数の整流グリッドによりガス流の流れ方向を均等化できる。
さらに補助分配機構（例えば吹き込み板）を設けることにより、冷却室の上下面積が大きい場合でも、複数箇所に向かうガス流の方向を最適化し、流れの均一化を高めることができる。
【００１５】
またガス方向切替え装置により下方吸引口と上方吸引口を交互に冷却ファンの吸引側に連通させることにより、冷却室内を上下方向に通過するガスの方向を交互に切り替えることができる。この切替えにより、整列化された被処理品の位置による冷却速度の差を低減し、熱処理材全体の歪みを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明による高速循環ガス冷却式真空熱処理炉の全体構成図である。この図に示すように、本発明の真空熱処理炉は、真空加熱炉１０、ガス冷却炉２０、及び移動装置３０を備える多室型熱処理炉である。
真空加熱炉１０は、被処理品１を減圧した後、不活性ガス等を再充填して加熱する機能を有する。ガス冷却炉２０は、加熱した被処理品１を加圧した循環ガス２で冷却する機能を有する。移動装置３０は、被処理品１を真空加熱炉１０とガス冷却炉２０との間で移動する機能を有する。
なお、本発明は多室型熱処理炉に限定されず、真空加熱とガス冷却を単室で行う単室炉であってもよい。
【００１８】
真空加熱炉１０は、内部が真空排気されるようになった真空容器１１、被処理品１を内部に収容する加熱室１２、加熱室に被処理品１を出し入れするための前扉１３、加熱室内の被処理品１を移動させるための開口を閉じる後扉１４、被処理品１を前後に水平移動可能に載せる載置台１５、被処理品１を加熱するためのヒータ１６、等からなる。この構成により、真空容器１１の内部を真空に減圧し、ヒータ１６により被処理品１を所定の温度まで加熱することができる。
【００１９】
移動装置３０は、被処理品１を真空加熱炉１０とガス冷却炉２０との間で水平に移動させる搬送棒３２、後扉１４を昇降させて開閉する後扉昇降装置３３、前扉１３を昇降させて開閉する前扉昇降装置３４、及びガス冷却炉２０の中間断熱扉２１ａを昇降させて開閉する中間扉昇降装置３４を備える。この例において、搬送棒３２はラックピニオン駆動、後扉昇降装置３３は直動シリンダ、前扉昇降装置３４と中間扉昇降装置３４は巻上げ機であるが、本発明はこれに限定されず、その他の駆動機構であってもよい。この構成により、後扉１４、前扉１３及び中間断熱扉２１ａを開放した状態で、搬送棒３２により、被処理品１を真空加熱炉１０とガス冷却炉２０との間で水平に移動させることができる。
【００２０】
図２は図１の部分拡大図であり、図３は図２のＡ−Ａ線における断面図である。図１〜図３に示すように、ガス冷却炉２０は、真空容器２１、冷却室２２、ガス冷却循環装置２４、ガス方向切替え装置２６及び整流器２８を備える。
真空容器２１は、真空加熱炉１０の前扉１３に対向して設けられた中間断熱扉２１ａ、被処理品１を内部に収容する円筒形の容器胴部２１ｂ、ガス冷却循環装置２４を収容する循環部２１ｃ、及び気密に開閉可能なクラッチリング２１ｄ，２１ｅからなる。この構成により、クラッチリング２１ｅを開放し循環部２１ｃを容器胴部２１ｂから図１で右方に後退させることにより、被処理品１を容器胴部２１ｂの内部に直接収納することができる。また、クラッチリング２１ｄ，２１ｅにより中間断熱扉２１ａと循環部２１ｃを容器胴部２１ｂに気密に連結し、加圧した冷却用ガス（アルゴン、ヘリウム、窒素、水素等）を内部に供給することにより、加圧ガスを冷却に用いることができる。
【００２１】
冷却室２２は、真空加熱炉１０に隣接して容器胴部２１ｂの中央部に設けられる。冷却室２２の真空加熱炉側は中間断熱扉２１ａ、ガス冷却循環装置と両側面は気密性のある断熱壁２２ａ、２２ｂで仕切られている。またこの冷却室２２は、上下端は開口しており、かつその内側に上下方向に断面一定のガス流路を形成している。この冷却室２２の内側が冷却領域であり、被処理品１は、例えばギヤ・シャフトジェットエンジンの動翼、静翼、ボルト等の小型金属部品であり、トレーやバスケット内に収容し、冷却室２２の中央に通気性のある載置台２３に載せて静置される。
載置台２３は真空加熱炉１０の載置台１５と同一高さに設置され、内蔵するローラ上を自由に移動できるようになっている。また、容器胴部２１ｂと断熱壁２２ｂの間に、図３に示すように水平仕切板２２ｃが設けられ、冷却室２２の上下に位置するガスを気密に仕切っている。
【００２２】
ガス冷却循環装置２４は、冷却室２２に隣接して設置され冷却室２２を通過したガスを吸引して加圧する冷却ファン２４ａと、冷却ファン２４ａに吸引されるガスを間接冷却する熱交換器２５とからなる。冷却ファン２４ａは、真空容器２１の循環部２１ｃに取付けられた冷却ファンモータ２４ｂにより回転駆動され、その中央部からガスを吸引し、外周部から吐出する。熱交換器２５は、例えば内部を水冷された冷却フィンチューブである。
この構成により、熱交換器２５で冷却された循環ガスを中央部から吸引し、外周部から吐出した冷却室２２内を上下方向に通過するガスを冷却して循環することができる。
【００２３】
ガス方向切替え装置２６は、この例では、熱交換器２５を間隔を隔てて囲む中空のカウリング２６ａと、カウリング２６ａを昇降させる昇降シリンダ２７とからなる。カウリング２６ａは、下降位置において冷却室２２の下方と連通する下方吸引口２６ｂと、上昇位置において冷却室２２の上方と連通する上方吸引口２６ｃとを有する。
【００２４】
この構成により、ガス方向切替え装置２６により下方吸引口２６ｂと上方吸引口２６ｃを交互に冷却ファン２４ａの吸引側に連通させることにより、冷却室２２内を上下方向に通過するガスの方向を交互に切り替え、整列化された被処理品の位置による冷却速度の差を低減し、熱処理材全体の歪みを低減するようになっている。
【００２５】
整流器２８は、冷却室２２の上端及び下端を塞いで上下に設けられ、冷却室２２を通過するガスの速度分布を均一化させる機能を有する。
上下の整流器２８は、互いに積層された均等分配部２８ａと整流部２８ｂとからなる。なお整流器２８は、均等分配部と整流部の両機能を備えてもよい。
均等分配部２８ａは、ガス流の圧力損失係数０．１以上の流路抵抗をつけることにより流速の均等分配化を図るためにガス流２に直交する方向（この例で水平方向）に均等に配置された複数の圧損発生手段を有する。圧損発生手段は、例えば貫通孔であり、流路抵抗をつけることにより流速の均等分配化を図るようになっている。流路抵抗（圧損）は、ガス流２の全圧損に占める割合が高いほど均等分配化の効果が高く、好ましくは上下の圧損発生手段の流路抵抗（圧損）を上昇ガス流２の圧力損失係数０．１以上に設定する。
なお、圧力損失係数ζと損失ヘッドｈ、流速Ｖ、重力加速度ｇとの間には、式（１）の関係がある。
ｈ＝ζ・Ｖ2／（２・ｇ）・・・（１）
【００２６】
整流部２８ｂは、例えば格子状に配列した複数の整流グリッドからなり、均等分配部２８ｂを通過したガス流２の流れ方向を整流し、流れ方向を均等化する。
この構成により、複数の圧損発生手段により流速分布を均等化し、複数の整流グリッドによりガス流の流れ方向を均等化するようになっている。
【００２７】
また、本発明の高速循環ガス冷却式真空熱処理炉は、冷却室２２の上下に冷却室から流出入するガス流の方向を案内する補助分配機構２９（例えば吹き込み板）を設け、冷却室の上下面積が大きい場合でも、複数箇所に向かうガス流の方向を最適化し、流れの均一化を高めるようになっている。
【００２８】
上記本発明の構成によれば、上下の整流器２８により、冷却室２２の上端及び下端を塞ぎ通過するガスの速度分布を均一化させるので、冷却領域を通過するガス流の速度変化を最少限度に抑えることができ、被処理品に対して乱れの少ない冷却ガスを吹き付けることができる。また、被処理品１を通った後の出口部も均等に冷却ガスを排出することで、被処理品の中央部にも均等に冷却ガスを通すような強制力が発揮され、熱処理材全体の歪みを低減することができる。
【００２９】
上述したように、本発明の高速循環ガス冷却式真空熱処理炉は、冷却時に熱処理材を高速冷却することができ、熱処理材全体に冷却ガスを均一に供給でき、かつ上向きと下向きの両方において冷却ガスを均一な速度と向きに整流して熱処理材全体の歪みを低減することができる、等の優れた効果を有する。
【００３０】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで自由に変更することができることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による高速循環ガス冷却式真空熱処理炉の全体構成図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線における断面図である。
【図４】非特許文献１に開示された高速循環ガス冷却炉の構成図である。
【図５】特許文献１の「真空炉におけるガス循環冷却促進法」の構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  被処理品、２  循環ガス、
１０  真空加熱炉、１１  真空容器、１２  加熱室、
１３  前扉、１４  後扉、１５  載置台、１６  ヒータ、
２０  ガス冷却炉、２１  真空容器、
２１ａ  中間断熱扉、２１ｂ  容器胴部、
２１ｃ  循環部、２１ｄ，２１ｅ  クラッチリング、
２２  冷却室、２２ａ，２２ｂ  断熱壁、２２ｃ  水平仕切板、
２４  ガス冷却循環装置、２４ａ  冷却ファン、
２４ｂ  冷却ファンモータ、２５  熱交換器、
２６  ガス方向切替え装置、２６ａ  カウリング、
２６ｂ  下方吸引口、２６ｃ  上方吸引口、２７  昇降シリンダ、
２８  整流器、２８ａ  均等分配部、２８ｂ  整流部、
２９  補助分配機構、３０  移動装置、３２  搬送棒、
３３  後扉昇降装置、３４  前扉昇降装置、
３４  中間扉昇降装置
【図１】
2005029872.tif 000003
【図２】
2005029872.tif 000004
【図３】
2005029872.tif 000005
【図４】
2005029872.tif 000006
【図５】
2005029872.tif 000007