(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空室内に熱処理区画を備えた真空熱処理炉において、前記熱処理区画内へ支持台上に配置されて装填される被処理物が装填されるに伴って該被処理物の中心部をほぼ挿通するようにガス吹込管が設けられており、該ガス吹込管に開口された複数のガス吹出孔から前記被処理物に対してほぼ均等に接触するように不活性ガスまたは反応性ガスが放射状に吹き出されることを特徴とする真空熱処理炉。
【請求項２】
真空室内に熱処理区画を備えた真空熱処理炉において、前記熱処理区画内へ支持台上に配置されて装填される被処理物の外周側に第１ヒーターが設けられ、かつ前記被処理物の装填に伴って該被処理物の中心部をほぼ挿通するように同一部材を兼用して第２ヒーターとガス吹込管とが設けられており、前記被処理物が前記第１ヒーターと前記第２ヒーターとによって外周側と中心部とから加熱され、前記ガス吹込管に開口された複数のガス吹出孔から前記被処理物に対してほぼ均等に接触するように不活性ガスまたは反応性ガスが放射状に吹き出されることを特徴とする真空熱処理炉。
【請求項３】
前記第２ヒーターと前記ガス吹込管とが形成されている前記同一部材がそれぞれ端部の閉塞された内筒と外筒とからなる二重筒とされており、前記第２ヒーターはそれぞれに外部からの給電端子に接続されている前記内筒と前記外筒とが直列に接続された電気回路として形成され、前記ガス吹込管は外部からのガスが導入される前記内筒に前記外筒への連通孔が設けられ、前記外筒にはその挿通方向に多段に、かつ各段の周囲に等角度間隔に前記ガス吹出孔が開口されてガス流路が形成されている請求項２に記載の真空熱処理炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は真空熱処理炉に関するものであり、更に詳しくは加熱時間の短縮化、および熱処理雰囲気の均一化を図った真空熱処理炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来使用されている縦型２室式の真空熱処理炉１００の縦断面図である。真空熱処理炉１００は被処理物Ｔを搬入し搬出するための前室１０１と真空下に熱処理するための真空室１１１とからなり、それらの境には両室の間を気密に開閉する仕切弁１０２が設けられている。
【０００３】
前室１０１は側面に被処理物Ｔを搬入搬出するための開閉扉１０３、底部には真空室１１１との間で被処理物Ｔを昇降させるための支持台１０４をシャフト１０６の頂部に備え、その下方には上昇時に後述の熱処理区画１１６を閉塞するための断熱板１０５をシャフト１０６に取り付けた昇降用シリンダ１０７が設けられている。
【０００４】
また、扉１０３と対向する側にはモーターファン１０８が取り付けられ、その風道の周囲にはフィン付きの筒状熱交換器１０９が取り付けられており、前室１０１内の空気または不活性ガスを循環させて熱処理後の被処理物Ｔを冷却するようになっている。
【０００５】
真空室１１１は鋼板の二重壁構造として冷却水が通水可能な側壁１１２、および同様な構造の上蓋１１３で外殻が構成されている。真空室１１１内には、金属性リフレクタが張設された断熱材１１５で囲われて熱処理区画１１６が形成されている。また、熱処理区画１１６内には断熱材１１５の内面に近接してグラファイト製のヒーター１１７が配置されており、側壁１１２に設けた給電端子１１８に接続されている。更には必要な場合に、熱処理区画１１６内に反応性のガスを吹き込むためのガス吹出管１２１が設けられている。
【０００６】
上記の真空熱処理炉１００によって、被処理物Ｔは次ぎのように熱処理される。定常状態においては、真空室１１１内は常時真空排気系によって排気されている。昇降用シリンダ１０７のシャフト１０６が下降され、仕切弁１０２が閉じられた状態において、開閉扉１０３を開けて被処理物Ｔが搬入され、昇降用シリンダ１０７の支持台１０４に載置されて開閉扉１０３が閉じられる。
【０００７】
次いで仕切弁１０２が開けられ、昇降用シリンダ１０７のシャフト１０６が上昇されて、被処理物Ｔは熱処理区画１１６内へ装填され、シャフト１０６に取り付けられている断熱板１０５によって熱処理区画１１６は閉塞される。そして、ヒーター１１７に通電され、熱処理区画１１６内を所定の温度に保持して被処理物Ｔの熱処理が行なわれる。必要な場合には不活性ガスまたは反応性のガスがガス吹出管１２１から導入される。
【０００８】
所定の熱処理時間の経過後、ヒーター１１７の加熱が停止され、ガスが導入されている場合にはそれを停止し、昇降用シリンダ１０７のシャフト１０６が下降されて、被処理物Ｔは前室１０１内へ降ろされ仕切弁１０２が閉じられる。次いで、図示しない配管から大気または不活性ガスが前室１０１内へ導入されると共に、モーターファン１０８が起動され、前室１０１内の空気または不活性ガスが筒状熱交換器１０９で冷却され循環されることにより被処理物Ｔは冷却され、冷却の完了後、開閉扉１０３から外部へ取り出される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来例の真空熱処理炉１００によって熱処理を行なう場合、加熱に長時間を要するほか、吹き込まれるガスの熱処理区画１１６内における分布も均一でないという不都合な点がある。
【００１０】
図４に示すように、ヒーター１１７は熱処理区画１１６内において断熱材１１５に近接して、すなわち、被処理物Ｔの外周側にのみ設けられているので、加熱時間は真空熱処理炉１００が大型になり熱処理区画１１６の容積が大になるに従って長時間化する。図５、図６は外寸法の異なる熱処理領域Ｔ1 、Ｔ2 内で複数の被処理物Ｔを熱処理する場合に生じる昇温速度の差を概念的に示す図である。図５のＡは外周上の点ａ、中心点ｂを持つ半径ｒの円柱状の熱処理領域Ｔ1 、図５のＢは外周上の点Ａ、中心点Ｂを持つ半径Ｒの円柱状の熱処理領域Ｔ2 であり、その外周上の点ａ、またはＡは何れもヒーター１１７から同一の距離にある。これらの熱処理領域Ｔ1 、Ｔ2 の上記各点における加熱時間と温度は図６に示すようになる。すなわち、外周面のａ点、Ａ点の温度は熱処理領域Ｔ1 、Ｔ2 の外寸法に関係なく同一曲線に従って時間と共に上昇するのに対し、外寸法の大きい熱処理領域Ｔ2 の中心点Ｂの温度上昇は外寸法の小さい熱処理領域Ｔ1 の中心点ｂよりも遅れる。
【００１１】
図７は昇温速度に差が発生する理由を説明する図である。熱処理領域には対流する気体が存在しないので、ヒーター１１７の熱は輻射のみによって伝えられるが、図７に示すように、複数の被処理物ＴＡ 、 ＴＢ 、 ＴＣ が並べて多段に載置されており（多段に載置するための部材は図７において省略されている）、輻射熱が直接に中心部まで届かない場合には、ヒーター１１７から被処理物ＴＡ への輻射熱で被処理物ＴＡ が昇温され、被処理物ＴＡ から被処理物ＴＢ への輻射熱で被処理物ＴＢ が昇温され、被処理物ＴＢ から被処理物ＴＣ への輻射熱で被処理物ＴＣ が昇温されるようなプロセスを辿るので、中心部の被処理物ＴＣ の昇温は遅れ、熱処理領域内での保持時間をかなり長くしなければ外周側の被処理物ＴＡ と同程度の温度にすることはできない。この時間遅れはヒーター１１７から熱処理領域の中心部までの距離、すなわちヒーター１１７からヒーター間の中立点までの距離Ｌに大約比例する。
【００１２】
また、図４に示すように、ガス吹出管１２１は被処理物Ｔの上方に設置されており、その部分の拡大図である図８において、ガスは矢印で示すようにダウンブローに流され、被処理物ＴＡ、ＴＢ、ＴＣが多段に載置されている場合に、外周部への流れが大で中央部の被処理物ＴＣはガスとの接触が不十分となり、反応性のガスを使用する場合には全体を均一に処理することは困難で、その改善が求められている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の真空熱処理炉は、熱処理区画内へ装填される被処理物の中心部となるようにガス吹込管を設置し、ガス吹込管に複数のガス吹出孔を開口して、被処理物に対しガスが均一に接触するようにしている。
【００１４】
また本発明の真空熱処理炉は、熱処理区画を囲う断熱材の内面に近接してヒーターを設けると共に、熱処理区画内へ装填される被処理物の中心部となるようにガス吹込管兼用の筒状のヒーターを設けて、被処理物を外周側と中心部とから加熱するようにしている。
【００１５】
そして、ガス吹込管兼用の筒状のヒーターは内筒と外筒とが直列に接続された二重筒として内筒と外筒をそれぞれ給電端子に接続すると共に、ガスは内筒へ供給して連通孔から外筒へ導き、外筒の外周面に多段にガス吹出孔を設けたものとしている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による真空熱処理装置について、図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は実施の形態の真空熱処理装置に置ける真空室１１の断面図である。真空室１１の下方に設けられる仕切弁や冷却ファン、昇降用シリンダを備えた前室は従来例の真空熱処理装置１００と全く同様に設けられているので、それらの説明は省略する。
【００１８】
真空室１１は鋼板の二重構造として冷却水が通水可能な側壁１２、および同様な構造の上蓋１３で外郭が構成され、その内部に金属製リフレクタが張設された断熱材１５で囲われて熱処理区画１６が形成されていることは従来例の真空熱処理装置１００と同様である。更には、熱処理区画１６内において、断熱材１５の内面に近接してヒーター１７が設けられており、側壁１２に設けた筒状部１４内に固定されている銅製の水冷電極端子１９と一体的なモリブデン製の導電軸１８に接続されている。
【００１９】
そして、本発明を構成する筒状のヒーター２１が熱処理区画１６の中央部に天井面から挿入され、下方から被処理物Ｔを載置して挿入される支持台４にほぼ達する長さに垂下されている。ヒーター２１は二重筒とされ、内筒２２と外筒２３とが直列に接続されて電気回路が形成されており、それぞれは上蓋１３に設けられた水冷電極端子３２、３６に接続されている。すなわち、外筒２３の下端部において、内筒２２と外筒２３とは導電性の環状栓２４によって電気的に接続され、内筒２２の下端部には絶縁性の円柱栓２６が嵌入されている。他方、外筒２３の上端部においては、内筒２２と外筒２３とは絶縁性の環状栓２５によって絶縁されている。
【００２０】
また、内筒２２はその外周端部に固定した電極バー３４を介し、上蓋１３に設けた筒状部３１内に固定されている銅製の水冷電極端子３２と一体的なモリブデン製の導電軸３３に接続されている。同じく外筒２３もその外周端部に固定した電極バー３８を介して、上蓋１３に設けた筒状部３５内に固定されている水冷電極３６と一体的な導電軸３７に接続されている。
【００２１】
更にはこのヒーター２１はガスの吹込管として兼用されるようになっている。すなわち、上蓋１３に設けたガス導入端子４２に外部のガス供給源４１が接続され、ガス導入端子４２に付属するノズル４３が内筒２２の上端にかぶせた絶縁性のキャップ４４に挿通されている。そして、内筒２２には、外筒２３内の上方に位置して、内筒２２と外筒２３との連通孔４５が開口されており、外筒２３の熱処理区画１６内に挿入されている部分には、多段に載置される被処理物Ｔの各段間にガスが放射状に流れ込むように、ガス吹出孔４６が多段に、かつ各段において円周を４等分する位置に開口されている。なお、図１において、ヒーター２１は明確に示すために太く画かれており、実際にはヒーター１７と同程度の径である。また、支持台４上に被処理物Ｔを多段に載置するための部材は省略されている。そのほか、熱処理区画１６は支持台４が挿入されると同時に底面が断熱板５によって閉塞される。なおガスとしては不活性ガスまたは反応性ガスが導入される。すなわち不活性ガスは炉内圧力の調整、被処理物Ｔからの放出ガスの除去、昇温の加速に、また反応性ガスは被処理物Ｔの変性と昇温の加速を目的として導入される。
【００２２】
本実施の形態による真空熱処理炉の真空室１１は以上のように構成されているが、次ぎにその作用を説明する。真空室１１を含む真空熱処理炉としての基本的な作用は従来例の真空熱処理炉１００と同様であるので説明の重複は避け、従来例の真空熱処理炉１００の真空室１１１と異なる作用を主体に説明する。
【００２３】
真空室１１の熱処理区画１６内へ下方から支持台４に多段に載置された被処理物Ｔが装填されると共に、熱処理区画１６の底面が断熱板５で閉塞される。次いで、被処理物Ｔの外周側のヒーター１７と中央部のヒーター２１とが通電され、熱処理区画１６内が所定の温度に保持されて、被処理物Ｔの熱処理が行なわれる。同時にガス供給源４１から反応性のガスが導入されるものとする。反応性のガスはノズル４３から内筒２２内を下降し連通孔４５を経由して外筒２３内へ流れ込み、外筒２３に多段に、かつ各段において９０度の等角度間隔に開口されているガス吹出孔４６から被処理物Ｔの段間へ放射状に均等に吹き出される。
【００２４】
所定の熱処理時間が経過すると、反応性のガスの導入が停止され、ヒーター１７、２１への通電が停止されると共に、支持台４が下降され、被処理物Ｔは冷却されて外部へ取り出される。
【００２５】
以上に説明したように、本実施の形態の真空熱処理炉における真空室１１の熱処理区画１６は被処理物Ｔを外周側から加熱するヒーター１７と中央部から加熱するヒーター２１とを有しているので、加熱の所要時間が大幅に短縮される。従来例の真空熱処理炉１００における熱伝達を説明した図７に対応するものとして、本実施の形態の真空熱処理炉の熱処理区画１６内における熱伝達を図２で説明する。図２は熱処理区画１６内に複数の被処理物ＴＡ 、ＴＢ が多段に並べて載置されている場合を示すが、被処理物ＴＡ 、ＴＢ の外周側となるヒーター１７と共に中心部にヒーター２１が設けられている。図２において、被処理物ＴＡ は主としてヒーター１７の輻射熱によって、被処理物ＴＢ は主としてヒーター２１の輻射熱によってそれぞれ直接に加熱され、被処理物ＴＡ の昇温を待って被処理物ＴＡ の輻射熱により被処理物ＴＢ が昇温されるというようなプロセスではない。
【００２６】
従来例においては、ヒーター１１７から加熱区画１１６の中心部までの距離、すなわち、ヒーター１１７からヒーター間中立点までの距離がＬであったに対して、本実施の形態の加熱区画１６ではこの距離が（Ｌ／２）となるので、被処理物ＴＡ 、ＴＢ を所定の温度まで昇温させるに要する時間が短縮され、昇温速度が非常に早い真空熱処理炉となる。中心部にヒーター２１を設けることにより、加熱区画１６の有効容積は当然減少するが、熱処理区画１６の有効直径が６００ｍｍ以上である場合、その減少率は５％以下となるので、生産性の向上に対しては、中心部にヒーター２１を設けることによる熱処理速度増大の効果の方が大きい。
【００２７】
また、図３はガス吹込管に兼用されるヒーター２１の部分を示し、図３のＡはその縦断面図、図３のＢは図３のＡにおける［Ｂ］−［Ｂ］線方向の断面図である。被処理物Ｔは外筒２３の周囲に多段に載置され、ガス吹出孔４６が外筒２３に、かつ各段において９０度の等角度間隔に開口されているので、ガスは載置された被処理物Ｔの各段の段間を中心部から外周側へ放射状に広がって流れる。反応性のガスを流して被処理物Ｔと反応させるような熱処理を行なう場合には、反応が均一に進むので最適である。また、ヒーター２１と兼用され、専用の設置スペースを必要としないので、真空熱処理炉の有効容積を低下させず、生産性の点で好ましい。
【００２８】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限られることなく、本発明の技術的精神に基づいて種々の変形が可能である。
【００２９】
例えば本実施の形態においては、真空熱処理炉にはガス吹込管を兼用するヒーターを設けたが、ガス吹込管を兼用させずに中央部にヒーターのみを設けるようにしてもよく、また場合によっては、ヒーターを兼用させずに中央部にガス吹込管のみを設けるようにしてもよい。
【００３０】
また本実施の形態においては、上下２室型の真空熱処理炉について説明したが、被処理物Ｔの外周側と同時に被処理物の中心部に設けるヒーターおよびガス吹込管は１室型の真空熱処理炉にも適用され得る。
【００３１】
また本実施の形態においては、熱処理区画１６の中心部に設けるガス吹込管兼用のヒーター２１を二重筒として、ガス吹き込み用のノズル４３を内筒２２へ挿入したが、直接に外筒２３へ挿入するようにしてもよい。
【００３２】
また本実施の形態においては、ガス吹込管兼用のヒーター２１を二重筒としたが、一重筒を縦割りにし絶縁材を挟み込んで両半割り部を直列に接続すると共に上下の両端を塞いで形成される一重筒にガス吹出孔を開口して、ヒーターとガス吹込管とを兼用させるようにしてもよく、本発明のガス吹込管を兼ねるヒーターは被処理物Ｔの中心部に位置するように設置される限りにおいて、その形状は問わない。
【００３３】
また本実施の形態においては、熱処理区画１６は円筒状としたが、角筒状としてもよいことはいうまでもない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は以上に説明したような形態で実施され、次に記載するような効果を奏する。
【００３５】
本願発明の請求項１および請求項２の真空熱処理炉によれば、支持台に多段に載置されて下方から加熱室の熱処理区画内へ装填される被処理物の中心部にガス吹込管が挿通され、ガス吹込管の外周面には多段に、そして各段においては外周側ヘ向かって等角度間隔に配置された複数のガス吹出孔から放射状に不活性ガスまたは反応性ガスを吹き出して被処理物に均等に接触するようにしているので、反応性ガスを使用する場合には反応が均一に進行する。
【００３６】
請求項２の真空熱処理炉によれば、支持台に多段に載置されて下方から加熱室の熱処理区画へ装填される被処理物の外周側となる第１ヒーターのほかに、被処理物の中心部を挿通するようにガス吹込管兼用の第２ヒーターを設けているので、ヒーター間距離が短くなるだけ被処理物の昇温時間が短縮される。中心部に第２ヒーターを設けることにより熱処理区画の内容積は減少するが、そのことよりも熱処理速度が向上する効果の方が大であり、真空熱処理炉の生産性を増大させる。
【００３７】
そして請求項３の真空熱処理炉によれば、第２ヒーターを内筒と外筒とが直列に接続された二重筒とし、内筒へ吹き込むガスが連通孔を経て外筒内へ導かれ、外筒の外周面のガス吹出孔から吹き出すようにして、第２ヒーターとガス吹込管と兼用させているので、これらの設置スペースが節減されて熱処理区画の有効容積が増大し、結果的に真空熱処理装置の生産性を向上させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態による真空熱処理炉の加熱室の縦断面図である。
【図２】  同加熱室の熱処理区画内における熱伝達を示す図である。
【図３】  同加熱室の熱処理区画内に挿入垂下されるヒーター兼用ガス吹込管の一部をガスの流れと共に示し、Ａは縦断面図であり、ＢはＡにおける［Ｂ］−［Ｂ］線方向の断面図である。
【図４】  従来例の２室型の真空熱処理炉の縦断面図である。
【図５】  図６と共に外寸法の異なる熱処理炉内で複数の被処理物を同時に熱処理する場合の昇温速度の差異を概念的に示す図であり、Ａは外寸法の小さい熱処理領域の温度の測定点とヒーター位置を示し、Ｂは外寸法の大きい熱処理領域の同様な温度側定点を示す。
【図６】  図５の外寸法の異なる熱処理領域の各温度測定点における熱処理時間と温度の関係を示す図である。
【図７】  図６に示す外寸法の異なる熱処理領域において昇温速度の差異の発生を説明する図である。
【図８】  従来例におけるガス吹出管によるガスの流れを示す図である。
【符号の説明】
１１  真空室
１２  側壁
１３  上蓋
１５  断熱材
１６  熱処理区画
１７  ヒーター
１８  導電軸
１９  水冷電極端子
２１  ヒーター
２２  内筒
２３  外筒
２４  導電性環状栓
２５  絶縁性円柱栓
２６  絶縁性環状栓
３２  水冷電極端子
３３  導電軸
３４  電極バー
３６  水冷電極端子
３７  導電軸
３８  電極バー
４１  ガス供給源
４２  ガス導入端子
４３  ノズル
４４  絶縁性キャップ
４５  連通孔
４６  ガス吹出孔
１００  従来例の真空熱処理炉
１０１  前室
１０２  仕切弁
１０３  開閉扉
１０４  支持台
１０５  断熱板
１０６  シャフト
１０７  昇降用シリンダ
１０８  モーターファン
１０９  熱交換器
１１１  真空室
１２１  ガス吹出管
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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