JP2007309548A - 熱間等方圧プレス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理室内の温度分布を低減させるとともに特に冷却工程において冷却速度を速めることができかつ構造が単純な熱間等方圧プレス装置を提供する。
【解決手段】高圧容器２と、高圧容器内に収容された隔離室形成体と、隔離室形成体内に収容された処理室形成体４とを有し、隔離室形成体は上端に内外を連通させる通路１８が設けられ下端に内外を連通させる通路１９と当該通路を開閉する開閉弁７が設けられ、処理室形成体は上端が開放され下端にファン２７が換気のために設けられており、開閉弁は弁体４０がファンを駆動するモータ２８に一体化されてモータをその駆動軸１９方向に移動させることにより開閉動作するように構成されてなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温高圧の不活性ガス雰囲気下において、例えば異種材料の拡散接合を行う熱間等方圧プレス装置に関する。

熱間等方圧プレス法（以下「ＨＩＰ法」ということがある）は、数１０〜数１００ＭＰａの高圧ガス雰囲気下において処理対象物の再結晶温度以上の高温で処理することにより、鋳造製品中およびセラミックス等の焼結製品中の残留気孔を消滅させる技術として、機械的特性の向上、特性のバラツキの低減、および歩留まり向上などの効果が確認され、広く工業的に使用されるに至っている。
このような目的で使用される通常の熱間等方圧プレス装置（以下「ＨＩＰ装置」ということがある）の構造は、図１４に示される熱間等方圧プレス装置１０１のように、縦形円筒状の高圧容器１０２の内部に抵抗線加熱方式の電気炉が収納された構造となっている。高圧容器１０２内部には、処理室１０４を取り囲むように抵抗線加熱方式のヒータ１０３，１０３，１０３が上下方向に複数段に分割されて配置されている。これは、加圧および加熱用のガスの激しい自然対流によって上部が高温で下部が低温という温度分布が発生しやすいために、上下方向全体に渡って加熱することにより均熱性を確保するためである。また、ガスの自然対流は処理室１０４を加熱昇温するための熱が過度に系外に放散される要因ともなるため、これを効率よく抑制できるように底付き円筒形状の断熱構造体１０５で処理室１０４とヒータ１０３，１０３，１０３とを取囲む構造が採用されている。断熱構造体１０５を通過して高圧容器１０２に伝達された熱は、水冷ジャケット部１０６を流れる冷却水により除去される。

ところで、熱間等方圧プレス装置は１９５０年代の半ばに発明され、その後約２０年間は、温度圧力保持工程において高圧容器内部を均熱化し安定した操業を可能にするために加熱用のガスの自然対流による影響が着目された。そのため、内部のヒータ構造および高温の処理室空間から高圧容器内面への熱の放散を抑制するための断熱構造についての研究開発が主になされ、図１４および図１５に示される熱間等方圧プレス装置１０１，１１１に代表される断熱効果の高い構造が採用されるに至った。
図１４に示される熱間等方圧プレス装置１０１は、下方において内外を連通させる連通路１０７，１０７が設けられた上底付き円筒状の断熱構造体１０５を有し、図１５に示される熱間等方圧プレス装置１１１は、下方が閉じられ上端に内外を連通させる連通路１１２，１１２が設けられた上底付き円筒状の断熱構造体１１３を有している。

図１４および図１５に示される熱間等方圧プレス装置１０１，１１１の違いは、断熱構造体１０５，１１３の内外での温度差に起因する自然対流を抑止する手法の考え方の違いであって、図１４に示される断熱構造体１０５は、断熱構造体１０５の下端部の連通路１０７，１０７によって断熱構造体１０５の内側と外側でのガスの密度差による圧力差を解消しながら、断熱構造体１０５の上方を閉じることにより高圧容器１０２内の対流を抑制して、断熱構造体外１０５への過度の放熱を防止する。
一方、図１５示される断熱構造体１１３は、断熱構造体１１３の上端の連通路１１２，１１２により断熱構造体１１３の内外の圧力差を解消し、断熱構造体１１３の下方を閉じることにより高圧容器１１４内の対流を抑制して、断熱構造体１１３外への過度の放熱を防止する。

熱間等方圧プレス装置として図１４および図１５に示されるような構造を採用することにより、温度圧力保持工程においては高圧容器１０２，１１４内部の実用的な均熱化が図られ安定した操業が可能になったが、その一方で、図１４および図１５に示される構造は、断熱効果が高いために温度圧力保持工程後の冷却工程で冷却速度を速めることができず、冷却工程に長時間を要するという問題が生じた。
そこで、温度圧力保持工程で十分な断熱性能を維持しながら冷却工程では高圧容器内のガスの対流を利用して放熱させる方法が検討され、当初、ガスの温度差（密度差）による自然対流の利用が試みられた。

例えば、図１４に示されるような熱間等方圧プレス装置１０１では、断熱構造体１０５の上端に内外を連通させる流路および流路を開閉する弁を設け、冷却工程では弁を開いて断熱構造体１０５の内側と外側での圧力差による自然対流を生じさせ高圧容器１０２内面による熱交換を利用する。また、図１５に示されるような熱間等方圧プレス装置１１１では、断熱構造体１１３の下端に内外を連通させる流路および流路を開閉する弁を設け、冷却工程では弁を開いて自然対流を生じさせ高圧容器１１４内面による熱交換を利用するというものである（特許文献１）。

しかし、特許文献１に開示された熱間等方圧プレス装置のように自然対流による熱交換の方式は、本来好ましくない処理室内の上下方向の温度分布の存在を前提としなければならない。また、自然対流による熱交換方式では、例えば特許文献１に開示されたように、加熱のためにサイドヒータとベースヒータとを併設する場合が多く、そのために偏流が発生して、高圧容器の円周方向の温度分布が一様ではなくなる。さらに、冷却が進行して高圧容器の内外の温度差が小さくなると高圧容器内の対流の速度が遅くなるという問題があることから、処理室の下部に撹拌用のファンを設置して、処理室内を強制対流を生じさせて均熱化する方法が研究開発の主流となった。（特許文献２、特許文献３）。
米国特許第４，２１７，０８７号 米国特許第４，３４９，３３３号 特開２００３−３３６９７２号公報

例えば特許文献２に開示された熱間等方圧プレス装置は、ファンを設けることにより冷却工程において冷却速度が速まることが期待できる一方で、サイドヒータおよびベースヒータの内側を、特別なガスフローを形成するための複雑な構造にする必要があるため、処理対象物の収容および取り出しが煩雑になり、熱間等方圧プレス装置の保守も容易ではないと考えられる。
特許文献３に開示された熱間等方圧プレス装置は、冷却工程において内部のガスを、ジャケットの冷却水で冷却された高圧円筒の内面に直接接触させて冷却することができないために、ガス温度が低下してくるとファンが設けられているにも拘わらず冷却速度が低下するおそれがある。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、ＨＩＰ処理において処理室内の温度分布を低減させるとともに特に冷却工程において冷却速度を速めることができかつ構造が単純な熱間等方圧プレス装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る熱間等方圧プレス装置は、処理対象物を収容し高温高圧の不活性ガスにより前記処理対象物の処理を行うための熱間等方圧プレス装置であって、高圧容器と、外面が前記高圧容器の内面と間隔を設けて前記高圧容器内に収容された隔離室形成体と、外面が前記隔離室形成体の内面と間隔を設けて前記隔離室形成体内に収容された処理室形成体と、を有し、前記隔離室形成体は、上端または下端の一方が開放されもしくは前記一方に内外を連通させる通路が設けられ、かつ上端または下端の他方に内外を連通させる通路と当該通路を開閉する開閉弁が設けられており、前記処理室形成体は、上端または下端の一方が開放されもしくは前記一方に内外を連通させる通路が設けられ、かつ上端または下端の他方にファンが換気のために設けられており、前記開閉弁は、弁体が前記ファンを駆動するモータに一体化されて前記モータをその駆動軸方向に移動させることにより開閉動作するように構成されてなる。

好ましくは、前記開閉弁により開閉される通路の前記隔離室形成体への開口部分の中心が前記処理室形成体の軸心に略一致しており、前記ファンは回転中心が前記処理室形成体の軸心に略一致するように構成される。
また、好ましくは、前記開閉弁が前記隔離室形成体の下端に設けられ、前記ファンが前記処理室形成体の下端に設けられ、前記開閉弁の弁体は、前記モータと前記ファンとを連結する駆動軸が回転可能に貫通した状態で前記モータに一体化される。
他の本発明に係る熱間等方圧プレス装置は、処理対象物を収容し高温高圧の不活性ガスにより前記処理対象物の処理を行うための熱間等方圧プレス装置であって、高圧容器と、外面が前記高圧容器の内面と間隔を設けて前記高圧容器内に収容された隔離室形成体と、外面が前記隔離室形成体の内面と間隔を設けて前記隔離室形成体内に収容された処理室形成体と、を有し、前記隔離室形成体は、上端または下端の一方が開放されもしくは前記一方に内外を連通させる通路が設けられ、かつ上端または下端の他方に内外を連通させる通路と当該通路を開閉する開閉弁が設けられており、前記処理室形成体は、上端の一方が開放されまたは上端に内外を連通させる通路が設けられ、かつ下端にファンが換気のために設けられており、前記開閉弁により開閉される通路の前記隔離室形成体への開口部分の中心が前記処理室形成体の軸心に略一致するように設けられ、前記ファンは回転中心が前記処理室形成体の軸心に略一致するように配置されてモータにより駆動される。

前記ファンが、スプロケットおよびチェーンの組み合わせ、プーリおよびベルトの組み合わせ、またはギヤの組み合わせのいずれかにより前記モータに連結されて駆動されるように構成してもよい。

本発明によると、ＨＩＰ処理において処理室内の温度分布を低減させるとともに特に冷却工程において冷却速度を速めることができかつ構造が単純な熱間等方圧プレス装置を提供することができる。

図１は本発明に係る熱間等方圧プレス装置１の正面断面図、図２は熱間等方圧プレス装置１下部の部分正面断面図である。
図１において、熱間等方圧プレス装置１は、高圧容器２、断熱構造体３、処理室形成体４、ヒータ５、撹拌装置６および冷却制御弁７などからなる。
高圧容器２は、耐圧円筒部８、耐圧円筒部８の上端を閉じる上蓋９および耐圧円筒部８の下端を閉じる下蓋１０からなる。高圧容器２は、耐圧円筒部８と上蓋９との嵌合部および耐圧円筒部８と下蓋１０との嵌合部にシールリング１１，１１が設けられて、数１０〜１００ＭＰａ以上の圧力に耐えることができる。耐圧円筒部８の外周には、冷却水を流通させるためのジャケット１２が設けられている。下蓋１０の内部には、高圧容器２の内部と外部とを連通させるそれぞれが独立したアルゴンガス導入路１３および液体アルゴン導入路１４が設けられている。

断熱構造体３は、構造体本体１５、蓋１６および下蓋カバー１７などからなる。
構造体本体１５は、耐圧円筒部８の内径よりも小さな外径を有する円筒であって、上端が蓋１６と一体化され、下端が下蓋カバー１７と一体化されている。構造体本体１５には蓋１６が開閉可能に一体化され、構造体本体１５と蓋１６との接合部分には断熱構造体３の内外を連通させる上部ガス通路１８，１８が複数設けられている。構造体本体１５と下蓋カバー１７との接合部分には、断熱構造体３の内外を連通させる下部ガス通路１９，１９が複数設けられている。構造体本体１５は、下蓋カバー１７を介して下蓋１０に固定されている。

本発明における隔離室形成体は、構造体本体１５および蓋１６により構成される。
処理室形成体４は、整流筒２０、棚板２１ａ〜２１ｄおよびケーシング２２などからなる。
整流筒２０は、構造体本体１５の内径よりも小さな外径を有する円筒であって、構造体本体１５の内側に、上端が蓋１６の内面との間に適度な間隙を設けて収容される。整流筒２０の上端は開放され下端はケーシング２２に連続している。整流筒２０は、その内部に下端からほぼ等間隔で水平に配置された棚板２１ａ〜２１ｄを４つ支持している。整流筒２０は、図示しないブラケット等により構造体本体１５に固定されている。整流筒２０は、上端を開放するのではなく蓋を設け整流筒２０の内外を連通させる通路を複数備えた構成とすることができる。

なお、以下の説明において整流筒２０の内側の空間を「処理室２３」という。
棚板２１ａ〜２１ｄは、熱間等方圧プレス処理（以下「ＨＩＰ処理」ということがある）が行われる処理対象物Ｗを載置するためのものである。棚板２１ａ〜２１ｄは、それぞれに上下に貫通する多数の孔２４ａ，…，２４ａ，２４ｂ，…，２４ｂ，２４ｃ，…，２４ｃ，２４ｄ，…，２４ｄが設けられて、処理室２３内において気体が上下方向に支障なく移動できるように構成されている。
ケーシング２２は、整流筒２０の下方に配置され整流筒２０を延長したような円筒形状を有しており、下端に略円形のファン孔２５を中央に有するファン外枠部２６を備えている。ファン孔２５の中心は整流筒２０の軸心、つまり処理室形成体４の軸心に略一致している。

ヒータ５は、最下段の棚板２１ａの下方のケーシング２２の内部に設けられている。
撹拌装置６は、ファン２７およびモータ２８からなる。ファン２７は、処理室内２３を換気するためのものであり、傾斜羽根を有する一般的な軸流式のプロペラファンであって、ファン孔２５内に回転中心を処理室形成体４の軸心と略一致させて配置される。ファン２７は、下方に配置されたモータ２８に駆動軸２９により接続されて駆動される。モータ２８は、下蓋１０に設けられたモータ孔３０に収容されている。
一般に、熱間等方圧プレス装置の高圧容器は、高温になったときに下蓋近傍に温度の低いガスが滞留し易いという特徴があるので、下蓋１０にモータ２８を配置することでモータ２８が過度に加熱されることを防止することができる。

冷却制御弁７は、底板３２、弁体部材３３および弁駆動用アクチュエータ３４により形成される。底板３２は円板にその中心が処理室形成体４の軸心と略一致する円形の孔３９が設けられたものであり、円形の孔３９の端縁近傍が弁座の働きをする。底板３２は、ファン外枠部２６の下方にファン外枠部２６との間に間隙を設けて略水平に配置され、構造体本体１５に固定されている。
弁体部材３３は、肉厚円板状の弁体部４０と弁体部４０の下面中心から下方に突出した円柱状の支持部４１とからなり、その中心を貫通孔４２が貫通している。

冷却制御弁７は、本発明における隔離室形成体に設けられた「内外を連通させる通路を開閉する開閉弁」に該当する。
弁体部材３３は、貫通孔４２に駆動軸２９を貫通させて支持部４１の突出した端がモータ２８に固定されている。つまり、弁体部材３３は、ファン２７およびモータ２８と一体となって高圧容器２内を上下動可能に構成されている。そして、弁体部材３３は、弁体部４０の上面の縁周辺部が底板３２の孔３９の端縁近傍に当接しまたは離れることにより、孔３９の開閉を行う。ファン２７は冷却制御弁７の開閉に伴ってファン孔２５内を上下するが、軸流式ファンであるため吸引および吐出を支障なく行うことができる。弁体部４０の上面の縁周辺部には、冷却制御弁７が閉じたときの気密性を保持するためにシールリング４３が設けられている。

弁駆動用アクチュエータ３４は、ガス圧で作動する流体圧シリンダであり、ロッド３５の先端がモータ２８の下端に固定されモータ２８の下方に配されてモータ孔３０に収容されている。弁駆動用アクチュエータ３４の伸張用ポート３６は作動アルゴン導入路３７に連通しており、収縮用ポート３８は熱間等方圧プレス装置１内に開口している。弁駆動用アクチュエータ３４とモータ２８との間には、ロッド３５の外周にコイルバネである押上バネ３１が設けられており、押上バネ３１はモータ孔３０を上方に付勢することにより、後に説明するＨＩＰ処理の温度圧力保持工程（＃１６）において冷却制御弁７を閉状態に維持する。

弁駆動用アクチュエータ３４にはガス圧駆動ではなく、油圧駆動、または電動モータ駆動などのアクチュエータを用いてもよい。
底板３２と下蓋カバー１７との間には、アルゴンガス導入路１３に連通するアルゴンガス注入口４４と液体アルゴン導入路１４に連通する液体アルゴン注入口４５とが開口している。
次に、熱間等方圧プレス装置１により、温度約１２００℃、圧力約１００ＭＰａの処理条件で行われるニッケル基超合金材料のＨＩＰ処理について説明する。

図３はＨＩＰ処理のフローチャート、図４はＨＩＰ処理の温度および圧力変化を示す図、図５ないし図８は熱間等方圧プレス装置１内のアルゴンガスの動きを示す図である。
初めに、上蓋９および断熱構造体３の蓋１６が上方に開けられて、処理対象物Ｗが処理室２３の各棚板２１ａ〜２１ｄに載置される。蓋１６が閉じられ、高圧容器２の上蓋９が高圧に耐えられるように留意して閉じられる（＃１１）。
続いてアルゴンガス導入路１３に接続された図示しない真空ポンプにより熱間等方圧プレス装置１内の空気を排気する（＃１２）。高圧容器２または真空ポンプへのラインに取り付けられた図示しない真空計が所定の圧力以下になったら排気作業を終了し、約１ＭＰａに減圧されたアルゴンガスをアルゴンガス導入路１３を経由して熱間等方圧プレス装置１内に注入する。高圧容器２に取り付けられた図示しない圧力計の圧力がアルゴンガスの供給圧に略等しくなったら、アルゴンガスの注入を停止し、熱間等方圧プレス装置１内のアルゴンガスをアルゴンガス導入路１３を経由して放出する。熱間等方圧プレス装置１内の残留空気をアルゴンガスに置換するこのような作業を２回または３回行う（＃１３）。

その後、供給圧が約１０ＭＰａのアルゴンガスを、アルゴンガス導入路１３を経由して熱間等方圧プレス装置１内に注入する（差圧注入、＃１４）。
熱間等方圧プレス装置１内の圧力とアルゴンガスの供給圧とがほぼ等しくなり熱間等方圧プレス装置１内の圧力上昇が停止したら、ヒータ５に通電して加熱を開始するとともに、図示しない圧縮機により昇圧されたアルゴンガスを熱間等方圧プレス装置１内に供給する（＃１５）。また、モータ２８を起動させファン２７を回転させる。
アルゴンガス注入口４４から熱間等方圧プレス装置１内に供給されたアルゴンガスは、図５を参照して、下部ガス通路１９，１９から耐圧円筒部８と断熱構造体３との間を上昇し、上部ガス通路１８，１８から断熱構造体３の内部に進入する。断熱構造体３の内部では、アルゴンガスは、ファン２７の回転による強制対流とヒータ５加熱による自然対流とによって、処理室２３内の上昇ガスフローおよび処理室２３外の下降ガスフローを形成し、処理室２３の内外を循環する。つまり、処理室２３外の下降ガスフローは断熱構造体３の下端部近傍の底板３２に当って内側への流れとなり、ファン２７に吸い込まれて処理対象物Ｗが収納された処理室２３を循環して、均熱状態を実現させる。

ヒータ５により加熱されたアルゴンガスは浮力があるため、ファン２７には大きなヘッド差対応機能は不要で軸流方式が適している。
各棚板２１ａ〜２１ｄにはそれぞれれ多数の孔２４ａ，…，２４ａ，２４ｂ，…，２４ｂ，２４ｃ，…，２４ｃ，２４ｄ，…，２４ｄが設けられているので、アルゴンガスの循環は棚板２１ａ〜２１ｄに妨げられることなく円滑に行われ、処理対象物Ｗは効率よく加熱される。
図示しない圧力計により計測された熱間等方圧プレス装置１内の圧力が所定圧力（１００ＭＰａ）に達したら、アルゴンガスの供給を停止する。また、図示しない温度計により計測された処理室２３の温度が所定温度（１２００℃）になったら昇温を停止してヒータ５のオンオフによる温度保持に切り替える。

熱間等方圧プレス装置１内は、アルゴンガスが封入されて処理室２３内の温度が略一定の状態で所定時間保持される（＃１６）。このような温度および圧力の保持状態においても、断熱構造体３内のアルゴンガスはファン２７により循環し、処理対象物Ｗは温度制御されたアルゴンガスにより一定の温度に維持される。
この温度圧力保持工程（＃１６）では、ガスフローはヒータ５によって加熱されて軽くなった高圧ガスの上昇流によって自然発生的に図６に示されるようなループを描いて流れる。ファン２７はこのガスフローを促進するためのものであり、断熱構造体３の内側のアルゴンガスが持っている浮力があるため、ファン２７には大きなヘッド差対応機能は不要で軸流方式が適している。場合によっては、ファン２７を逆転させることによりガスフローを弱くすることも可能である。いずれにしても均熱化を達成するのに自然対流をファン２７による強制対流により助長する、いわば自然現象を利用するという点で、優れた加熱手法である。

高圧容器２内の排気（＃１２）から温度圧力保持工程（＃１６）までの各工程では、冷却制御弁７は閉じられている。この冷却制御弁７の閉状態は、アルゴンガス導入路１３にアルゴンガスを供給する外部配管と作動アルゴン導入路とを連通させる外部配管に設けられた塞止弁４６を開とすることで維持される。温度圧力保持工程（＃１６）を除くこれらの工程（＃１２〜＃１６）では、アルゴンガス導入路１３にアルゴンガスを供給する外部配管に設けられた塞止弁４７が開かれて弁駆動用アクチュエータ３４の収縮側シリンダ室（図２における下方）内の圧力と伸張側シリンダ室内の圧力とが同じになっており、ピストンの受圧面積の違い（収縮側＞伸張側）から弁体部材３３は底板３２に押しつけられて冷却制御弁７の閉状態が維持される。

また、排気（＃１２）、アルゴンガス置換（＃１３）においてなされる塞止弁４６および塞止弁４７の開閉操作時およびアルゴンガスが封入された温度圧力保持工程（＃１６）における温度制御時に、高圧容器２内の圧力が一時的に上昇して弁駆動用アクチュエータ３４を収縮動作させようとしても、押上バネ３１の付勢力によって冷却制御弁７の閉状態が維持される。
熱間等方圧プレス装置１内の圧力および処理室２３の温度を所定時間保持した後、冷却を行う。

冷却工程は、温度に応じて少なくとも３段階に分けて実施される。なお、冷却工程ではジャケット１２内を冷却水が流れ、耐圧円筒部８を冷却することにより冷却速度が速められる。
まず最初の冷却は、保持終了時すなわち熱間等方圧プレス装置１内にアルゴンガスを閉じこめた状態でヒータ５による加熱を完全に停止して開始される。断熱構造体３内のアルゴンガスは、ファン２７によって図６に示されるように断熱構造体３の内部を循環し、構造体本体１５および蓋１６を経由する熱伝導による放熱によって冷却される。処理対象物Ｗは、冷却されたアルゴンガスにより冷却される（＃１７）。

とくに処理室２３の温度がＨＩＰ処理を行った所定温度（１２００℃）に近い冷却初期段階では、ジャケット１２の冷却水で冷やされた耐圧円筒部８の内面と熱間等方圧プレス装置１内のアルゴンガスとの温度差が大きく、耐圧円筒部８内面にアルゴンガスを循環させながら冷却すると急冷されたアルゴンガスによって処理室２３内に大きな温度分布が生ずるおそれがある。そこで、冷却制御弁７により底板３２の孔３９を閉じ、上部ガス通路１８，１８から耐圧円筒部８と断熱構造体３との間を下降し下部ガス通路１９，１９から底板３２の孔３９を経由して処理室２３に至る循環流の発生を阻止して、急激なアルゴンガスの冷却、つまり処理室２３内の温度分布の発生を防止する（自然放冷）。

第１段階の冷却においては、熱間等方圧プレス装置１内の圧力はボイルシャルルの法則にしたがって自然に低下する（図３参照）。
処理室２３の温度が自然放冷による冷却速度が鈍化する８００℃近辺（このときの圧力は約８０ＭＰａ）になったら、モータ２８を下降させて冷却制御弁７を開にし（＃１８）、強制（対流）冷却を開始する。モータ２８の下降は、作動アルゴン導入路３７の圧力を低下させ弁駆動用アクチュエータ３４を収縮動作させることにより行われる。作動アルゴン導入路３７の圧力の低下は、塞止弁４６を経由して接続された図示しないアルゴンガス供給装置の２次圧力（供給圧力）を下げることにより行われる。塞止弁４８を開くことにより作動アルゴン導入路３７の圧力を低下させてもよい。

冷却制御弁７が開になったことにより、熱間等方圧プレス装置１内のアルゴンガスには、図７に示されるように、処理室２３から上部ガス通路１８，１８、耐圧円筒部８と断熱構造体３との間、下部ガス通路１９，１９、冷却制御弁７およびファン２７を経て処理室２３に戻る循環流が発生する。この経路を循環するアルゴンガスは、ジャケット１２内を流れる冷却水により直接冷却される耐圧円筒部８の内面で除熱され、処理対象物Ｗは除熱されたアルゴンガスによって冷却が促進される。
ファン２７は軸流方式であるため、冷却制御弁７の開閉に伴いファン２７が上下動しても吐出量および吐出方向は変化せず、所定の機能を発揮することができる。

弁体部材３３は、ファン２７およびモータ２８と一体となって熱間等方圧プレス装置１内を上下動することにより底板３２の孔３９を開閉するように構成されているため、ファン２７および開閉部分を熱間等方圧プレス装置１の中心に配置することが可能となり、処理室２３内のアルゴンガスを偏流および停滞部分を生じさせることなく流動させ、温度分布の発生を防止することができる。
処理室２３内の温度が５００〜８００℃の範囲である場合に、このような高温のアルゴンガスが上部ガス通路１８，１８から多量に耐圧円筒部８と断熱構造体３との間に流れ出ると、耐圧円筒部８の上部ガス通路１８，１８近くの部分が局部的に過熱されてしまうおそれがある。そのような事態を回避するために、上部ガス通路１８，１８から耐圧円筒部８と断熱構造体３との間に流れ出るアルゴンガスの量の調整が、冷却制御弁７の開閉動作または開度調整により行われる。このアルゴンガスの量の調整は、ファン２７の回転速度の制御を併用させて行うこともできる。なお、冷却制御弁７の開度調整をより厳密に行う場合には、弁駆動用アクチュエータ３４に流体圧シリンダを使用するのではなく、電動モータ駆動のアクチュエータを使用することが考えられる。

耐圧円筒部８の局部的な過熱を抑制するために、耐圧円筒部８における上部ガス通路１８，１８の開口部分を覆うように蓋１６にスカート部材を取り付けることも推奨される。
処理室２３内の温度が５００℃以下になると冷却速度が低下してくるので、冷却を促進するためにファン２７の回転速度を速くするとともに、冷却制御弁７を全開にする。
次の段階の冷却は、処理室２３内の温度が３００℃前後（このときの圧力は約４０ＭＰａ）にまで冷却された後に行われる。
処理室２３内の温度が３００℃前後になると、冷却水によって冷却されて温度が１００℃前後になった耐圧円筒部８の内面による除熱のみでは冷却速度が極端に低下してくる。そこで、図８に示されるように、液体アルゴンを液体アルゴン導入路１４を経由させて液体アルゴン注入口４５から熱間等方圧プレス装置１内に注入し、処理対象物Ｗの冷却を促進させる（＃１９）。

液体アルゴンの沸点は−１８５〜１８６℃と極めて低く、液体状態で注入されると熱間等方圧プレス装置１の内部で蒸発し、そのときに周囲から気化潜熱を奪ってアルゴンガスの温度を低下させる。温度が低くなったアルゴンガスは、ファン２７により処理室２３内に送り込まれ、処理対象物Ｗを効率よく冷却する。
圧力が過上昇した時に行われるアルゴンガスの外部への放出は、放出するアルゴンガスが完全に気化し熱間等方圧プレス装置１内の熱を吸収して昇温したものであることが冷却を促進させるために効率的なので、液体アルゴン注入口４５はアルゴンカス注入口４４から離れた場所に設けられるのが好ましい。

熱間等方圧プレス装置１は、液体アルゴンを気化させその気化熱により低温となったアルゴンガスを、冷却制御弁７を開とした状態でファン２７により熱間等方圧プレス装置１内で強制対流させることにより、３００℃前後から１００℃前後まで冷却するのに要する時間を大幅に短縮することができる。
液体アルゴンの注入は、処理室２３内の温度が１００〜１５０℃にまで低下したら終了し、最終段階における冷却が行われる。
冷却の最終段階は、圧力が３５〜４５ＭＰａとなった熱間等方圧プレス装置１内のアルゴンガスを外部に放出することにより行われる（＃２０）。高圧のアルゴンガスを外部に放出することにより、熱間等方圧プレス装置１内のアルゴンガスは断熱状態で急激に膨張し、熱力学の第一法則（断熱膨張）に基づいて温度は急激に低下する。このような断熱膨張による冷却効果により、熱間等方圧プレス装置１内の圧力が大気圧近くまで低下した時点で、処理対象物Ｗの温度を室温近傍（処理対象物Ｗの取り出し（＃２１）可能な温度）にまで低下させることができ、高圧のアルゴンガスの放出は処理対象物Ｗの冷却に効率的である。

このように、熱間等方圧プレス装置１内の高圧アルゴンガスを放出することにより、１００〜１５０℃から処理対象物Ｗを取り出すことができる温度までの処理室２３内の冷却に要する時間を大幅に短縮することができる。
なお、冷却の第２段階において、冷却制御弁７を開にして行うファン２７による強制対流および液体アルゴンの注入（＃１９）を採用しない場合には、処理室２３の温度を１００℃以下にまで冷却するために、上記方法に比べて数十倍の時間を要する。
熱間等方圧プレス装置１は、撹拌装置６と冷却制御弁７とを一体で移動可能に構成しかつこれを処理室形成体４の軸心に一致させることで、軸方向のどの位置においても軸方向に直交する断面のアルゴンガスの流れを偏り（一部分の流速が速まること）なく均質なものとすることができ、載置された処理対象物Ｗの加熱および冷却を均等にかつ効率的に行うことができる。

図９は他の実施形態における熱間等方圧プレス装置１Ｂの正面断面図、図１０は熱間等方圧プレス装置１Ｂ下部の部分正面断面図である。
熱間等方圧プレス装置１Ｂにおいて熱間等方圧プレス装置１（図１）と同一の番号の符号を付した部分は、熱間等方圧プレス装置１と略同一の構成である。以下、図９を参照しながら、熱間等方圧プレス装置１Ｂについて熱間等方圧プレス装置１と異なる構成を主に説明する。
熱間等方圧プレス装置１Ｂは、高圧容器２Ｂ、断熱構造体３、処理室形成体４、ヒータ５、撹拌装置６Ｂおよび冷却制御弁７Ｂなどからなる。

高圧容器２Ｂは、耐圧円筒部８、耐圧円筒部８の上端を閉じる上蓋９および耐圧円筒部８の下端を閉じる下蓋１０Ｂからなる。下蓋１０Ｂの内部には、高圧容器２の内部と外部とを連通させる別個のアルゴンガス導入路１３および液体アルゴン導入路１４と、冷却制御弁７Ｂを動作させる作動アルゴン導入路３７Ｂが設けられている。
断熱構造体３は、構造体本体１５、蓋１６および下蓋カバー１７などからなる。
本発明における隔離室形成体は、構造体本体１５および蓋１６により構成される。
処理室形成体４は、整流筒２０、棚板２１ａ〜２１ｄおよびケーシング２２などからなる。

断熱構造体３、整流筒２０およびヒータ５の構成は、熱間等方圧プレス装置１におけるものと略同一である。
撹拌装置６Ｂは、ファン２７、モータ２８および動力伝達装置４９Ｂからなる。
ファンは、円形のファン孔２５に回転軸を処理室形成体４の軸心に略一致させて配置されている。ファン２７およびモータ２８における機能および構成は、熱間等方圧プレス装置１におけるものと同じである。モータ２８は、下蓋１０Ｂにおいて中心からずれた位置に設けられたモータ孔３０Ｂに固定されて収容されている。

動力伝達装置４９Ｂは、図１０によく示されるように、駆動スプロケット５０Ｂ、従動スプロケット５１Ｂおよびチェーン５２Ｂからなる。駆動スプロケット５０Ｂはモータ２８の駆動軸２９Ｂに取り付けられ、従動スプロケット５１Ｂはファン２７の回転軸に取り付けられる。チェーン５２Ｂは駆動スプロケット５０Ｂと従動スプロケット５１Ｂとを連結し、モータ２８の回転をファン２７に伝達してファン２７を間接駆動させる。
冷却制御弁７Ｂは、底板３２、弁体部４０Ｂおよび弁駆動用アクチュエータ３４Ｂにより構成される。底板３２は、その中心が処理室形成体４の軸心と略一致する円形の孔３９を有すること、円形の孔３９の端縁近傍が弁座の働きをすること、およびその配置等について、熱間等方圧プレス装置１における底板３２と同じである。

弁体部４０Ｂは肉厚円板で形成され、弁体部４０Ｂの上面の縁周辺部には、冷却制御弁７Ｂが閉じたときの気密性を保持するためにシールリング４３が設けられている。
弁駆動用アクチュエータ３４Ｂは、ガス圧で作動する流体圧シリンダであり、ロッド３５Ｂの伸縮により弁体部４０Ｂが上下動するようにロッド３５Ｂの先端が弁体部４０Ｂに固定的に一体化されている。弁駆動用アクチュエータ３４Ｂのロッド側カバーと弁体部４０Ｂとの間には弁体部４０Ｂを上方に付勢する押上バネ３１Ｂが設けられている。弁駆動用アクチュエータ３４Ｂの伸張用ポート３６Ｂは作動アルゴン導入路３７Ｂに連通しており、収縮用ポート３８Ｂは熱間等方圧プレス装置１Ｂ内に開口している。なお、弁駆動用アクチュエータ３４Ｂは下蓋１０Ｂ内に一部が収容され、ロッド３５Ｂが押上バネ３１Ｂとともに下蓋カバー１７を貫通してその先端が弁体部４０Ｂに一体化されている。

モータ２８とファン２７との間の動力の伝達方法は、上述したようなスプロケットおよびチェーンによる方法の他に、プーリおよびベルトによる方法、またはギアの噛み合わせによる間接駆動方法を採用してもよい。スプロケットとチェーンとを用いた駆動機構は、全て金属で構成され高温環境下における損傷が少ない点で推奨される。
熱間等方圧プレス装置１ＢによるＨＩＰ処理の各工程は、例えば、上に説明した熱間等方圧プレス装置１によるニッケル基超合金材料のＨＩＰ処理における各工程（＃１１〜＃２１）と全く同様にして行われる。

熱間等方圧プレス装置１を、図１１ないし図１３に示すように構成することができる。
図１１において、熱間等方圧プレス装置１Ｃは、ケーシング２２Ｃの下方が開放され上方に処理室２３Ｃを換気するファン２７Ｃが設けられている。ファン２７Ｃの回転中心は処理室形成体４Ｃの軸心に略一致している。断熱構造体３Ｃは上端が開放されており、処理室形成体４Ｃは、その内面と構造体本体１５Ｃの外面との間に間隔を有して構造体本体１５Ｃに収容されている。底板３２、底板３２に設けられた円形の孔３９，および孔３９を開閉するための弁体部材３３は熱間等方圧プレス装置１におけるものと同一である。モータ２８のの駆動軸２９Ｃは、弁体部材３３の中心に設けられた貫通孔４２を回転可能に貫通して上部のファン２７Ｃに連結されている。

構造体本体１５Ｃに熱間等方圧プレス装置１における蓋１６相当の蓋を設け、かつ構造体本体１５Ｃの内外を連通させる複数の上部ガス通路を設けてもよい。
図１２において、熱間等方圧プレス装置１Ｄは、熱間等方圧プレス装置１Ｃと同様にケーシング２２Ｄの下方が開放され上方に処理室２３Ｄを換気するファン２７Ｄが設けられている。ファン２７Ｄの回転中心は処理室形成体４Ｄの軸心に略一致している。また、構造体本体１５Ｄの上端には、熱間等方圧プレス装置１における冷却制御弁７とほぼ同じ構成の冷却制御弁７Ｄが設けられている。冷却制御弁７Ｄは、肉厚円板状の弁体部４０Ｄが駆動軸２９Ｄに固定されてファン２７Ｄとともに回転する。弁体部４０Ｄは、閉動作時にＨＩＰ処理において実用的な閉状態を得ることができる。なお、孔３９Ｄは、処理室形成体４Ｄの軸心に設けられている。

図１３において、熱間等方圧プレス装置１Ｅは、熱間等方圧プレス装置１と同様に、ケーシング２２の下端に処理室形成体４内を換気するためのファン２７が設けられている。ファン２７を駆動するモータ２８は下蓋１０Ｅに設けられたモータ孔３０Ｅに収容されている。構造体本体１５Ｅの上端には、熱間等方圧プレス装置１Ｂにおける冷却制御弁７Ｂとほぼ同じ構成の冷却制御弁７Ｅが設けられている。冷却制御弁７Ｅを構成する上板３２Ｄの孔３９Ｅは、その中心が処理室形成体４の軸心と略一致している。ファン２７はモータ２８に直結されているが、熱間等方圧プレス装置１Ｂにおけるファン２７のように間接駆動されるものであってもよい。

図１１ないし図１３において熱間等方圧プレス装置１，１Ｂ（図１，９）における符号と同一の番号が付された部分は熱間等方圧プレス装置１，１Ｂと略同一の構成である。また、熱間等方圧プレス装置１Ｃ，１Ｄ，１Ｅのファン２７Ｃ，２７Ｄ，２７および冷却制御弁７Ｃ，７Ｄ，７ＥのＨＩＰ処理時における動作は、熱間等方圧プレス装置１におけるファン２７および冷却制御弁７のＨＩＰ処理時における動作と同じである。
熱間等方圧プレス装置１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１ＥによるＨＩＰ処理では、従来問題とされてきた、（１）サイクルタイムの長時間化、とくに３００℃以下の温度域での冷却時間が長くなる問題、および（２）冷却過程における処理室２３内の上部および下部における温度分布（温度差）の発生の問題、が解消され、短い冷却時間で処理対象物ＷをＨＩＰ装置から取り出すことが可能となり、ＨＩＰ装置の占有時間を短縮することができる。

近年の生産用熱間等方圧プレス装置は、スケールアップ効果による処理コストの低減の観点から処理室径で１ｍ以上と大形化する一方で、大型化に伴う処理の長時間化によるコストアップの問題が顕在化している。また、このような大型の熱間等方圧プレス装置では、ＨＩＰ処理が終了しても温度が５０℃以下程度にならないと処理対象物を次の工程に移せないことから、大型化によるコストダウン効果（スケールメリット）が享受されていないという問題がある。
また、近年、処理対象物が大型化しており、近い将来には処理室径が２ｍといった超大型の熱間等方圧プレス装置が実用化されるものと推測されるが、実用化には上記の問題の解消が不可欠である。上に記載した熱間等方圧プレス装置１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは、これらの問題を解決し、今後の超大型熱間等方圧プレス装置の普及に大きく寄与して産業の発達に資するところ極めて大きい。

上述の実施形態において、昇圧用ガスおよび液化ガスとして窒素ガス（液化窒素）またはヘリウムガス（液化ヘリウム）を使用することができる。
その他、熱間等方圧プレス装置１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ、および熱間等方圧プレス装置１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅの各構成または全体の構造、形状、寸法、個数、材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

本発明は、高温高圧の不活性ガス雰囲気下において、例えば異種材料の拡散接合を行う熱間等方圧プレス装置に利用することができる。

本発明に係る熱間等方圧プレス装置の正面断面図である。 熱間等方圧プレス装置下部の部分正面断面図である。 ＨＩＰ処理のフローチャートである。 ＨＩＰ処理の温度および圧力変化を示す図である。 ＨＩＰ処理における熱間等方圧プレス装置内のアルゴンの動きを示す図である。 ＨＩＰ処理における熱間等方圧プレス装置内のアルゴンの動きを示す図である。 ＨＩＰ処理における熱間等方圧プレス装置内のアルゴンの動きを示す図である。 ＨＩＰ処理における熱間等方圧プレス装置内のアルゴンの動きを示す図である。 他の実施形態における熱間等方圧プレス装置の正面断面図である。 他の実施形態における熱間等方圧プレス装置下部の部分正面断面図である。 他の実施形態における熱間等方圧プレス装置の正面断面図である。 他の実施形態における熱間等方圧プレス装置の正面断面図である。 他の実施形態における熱間等方圧プレス装置の正面断面図である。 従来の熱間等方圧プレス装置の構造を示す図である。 従来の熱間等方圧プレス装置の構造を示す図である。

符号の説明

１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ 熱間等方圧プレス装置
２，２Ｂ 高圧容器
４，４Ｃ，４Ｄ 処理室形成体
７，７Ｃ，７Ｄ 冷却制御弁
１５，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ 隔離室形成体（構造体本体）
１６ 隔離室形成体（蓋）
１８ 通路（上部ガス通路）
１９，１９Ｃ，１９Ｄ 駆動軸
２７，２７Ｃ，２７Ｄ ファン
２８ モータ
３９，３９Ｄ，３９Ｅ 通路（底板の円形の孔）
４０ 弁体（弁体部）

Claims (5)

1. 処理対象物を収容し高温高圧の不活性ガスにより前記処理対象物の処理を行うための熱間等方圧プレス装置であって、
   高圧容器と、
   外面が前記高圧容器の内面と間隔を設けて前記高圧容器内に収容された隔離室形成体と、
   外面が前記隔離室形成体の内面と間隔を設けて前記隔離室形成体内に収容された処理室形成体と、を有し、
   前記隔離室形成体は、
   上端または下端の一方が開放されもしくは前記一方に内外を連通させる通路が設けられ、
   かつ上端または下端の他方に内外を連通させる通路と当該通路を開閉する開閉弁が設けられており、
   前記処理室形成体は、
   上端または下端の一方が開放されもしくは前記一方に内外を連通させる通路が設けられ、
   かつ上端または下端の他方にファンが換気のために設けられており、
   前記開閉弁は、
   弁体が前記ファンを駆動するモータに一体化されて前記モータをその駆動軸方向に移動させることにより開閉動作するように構成されてなる
   ことを特徴とする熱間等方圧プレス装置。
2. 前記開閉弁により開閉される通路の前記隔離室形成体への開口部分の中心が前記処理室形成体の軸心に略一致しており、
   前記ファンは回転中心が前記処理室形成体の軸心に略一致するように構成された、
   請求項１に記載の熱間等方圧プレス装置。
3. 前記開閉弁が前記隔離室形成体の下端に設けられ、
   前記ファンが前記処理室形成体の下端に設けられ、
   前記開閉弁の弁体は、
   前記モータと前記ファンとを連結する駆動軸が回転可能に貫通した状態で前記モータに一体化された
   請求項１または請求項２に記載の熱間等方圧プレス装置。
4. 処理対象物を収容し高温高圧の不活性ガスにより前記処理対象物の処理を行うための熱間等方圧プレス装置であって、
   高圧容器と、
   外面が前記高圧容器の内面と間隔を設けて前記高圧容器内に収容された隔離室形成体と、
   外面が前記隔離室形成体の内面と間隔を設けて前記隔離室形成体内に収容された処理室形成体と、を有し、
   前記隔離室形成体は、
   上端または下端の一方が開放されもしくは前記一方に内外を連通させる通路が設けられ、
   かつ上端または下端の他方に内外を連通させる通路と当該通路を開閉する開閉弁が設けられており、
   前記処理室形成体は、
   上端の一方が開放されまたは上端に内外を連通させる通路が設けられ、
   かつ下端にファンが換気のために設けられており、
   前記開閉弁により開閉される通路の前記隔離室形成体への開口部分の中心が前記処理室形成体の軸心に略一致するように設けられ、
   前記ファンは回転中心が前記処理室形成体の軸心に略一致するように配置されてモータにより駆動される
   ことを特徴とする熱間等方圧プレス装置。
5. 前記ファンが、
   スプロケットおよびチェーンの組み合わせ、プーリおよびベルトの組み合わせ、またはギヤの組み合わせのいずれかにより前記モータに連結されて駆動される
   請求項４に記載の熱間等方圧プレス装置。

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