JPS6214937A - オ−トクレ−ブの冷却温度制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被処理物を熱処理室内で所定の温度に加熱し
て一定時間経過後に徐々に冷却するように成されたオー
トクレーブの冷却温度制御方法に関する。

〔従来技術とその問題点〕

オートクレーブは、加工品、試料等の被処理物を密閉さ
れた耐圧容器で成る熱処理室内に搬入して高温、高圧又
は減圧下で所定の熱処理を行うものであり、例えば旅客
機の翼などの航空機部品を加工処理する場合等に使用さ
れている。

このオートクレーブにより所定の熱処理を行う場合には
、まず加熱器を作動させて被処理物を収容する熱処理室
内を例えば３００℃まで加熱昇温させ、加熱温度が３０
０℃に達した後はサーモスタット等により該加熱器のオ
ン・オフ制御を行って熱処理室内を一定の温度に維持す
るように成されている。

そして、一定時間が経過して熱処理が終了すると、前記
加熱器をオフして自然冷却させ、あるいは冷却器を使用
して冷却させるのが従来一般の方法である。

ところで、航空機部品等の如く非常に厳しい製品品質を
要求される加工品にあっては、加熱時に所定の温度勾配
で昇温するように制御するだけでなく、冷却時において
も、例えば第３図実線に示すように熱処理室内の温度が
所定の温度勾配に従って徐々に降下するように制御する
ことが要求される。

しかしながら、加熱昇温時Ａにおいては加熱器の加熱容
量を可変制御するだけで比較的容易に所定の温度勾配に
従った温度制御することができるが、冷却時Ｃにおける
温度制御は非常に困難であった・ 即ち、冷却時Ｃにおいては、加熱器をオフして冷却器に
冷却水を流すこととしているが、この冷却水の供給量が
少ない場合には冷却効果がないから、充分な冷却効果を
得るためには多量の冷却水を供給しなければならず、こ
のように一度に多量の冷却水を供給したときは、熱処理
室内の温度が急降下して所定の温度勾配に従った温度制
御を行うことができないという問題がある。

そこで、従来は冷却器に冷却水を断続的に供給すること
により温度制御を行っていた。これを第３図を参照して
説明すると、まず冷却器に所要量の冷却水を供給し、熱
処理室内の温度ＮＴ’を降下させてから冷却水の供給を
停止させ、次いでこのように降下された温度ＮＴ”がジ
ュール熱で所定の温度勾配に従って設定された冷却温度
ＳＴにまで復帰するのを待ってから再び冷却器を稼働さ
せて再冷却するという制御を繰り返して熱処理室内の温
度を降下させていくこととしていた。

しかし、上記の如く単に冷却器をオン・オフ制御して熱
処理室内の温度を一時的に降下させ、降下し過ぎた温度
が自然に所定の温度勾配で設定された冷却温度まで復帰
するのを待ってから再冷却する場合には、所定の温度勾
配に復帰するまでに長時間を要し、熱処理室内の被処理
物を当該温度勾配に沿って漸次冷却させることができず
、高品質の加工品が得られないという欠点があっ−た。

〔発明の目的〕

そこで本発明は、冷却器により熱処理室内の温度を降下
させて該熱処理室内の被処理物を冷却させる際に、該冷
却器によって降下し過ぎた温度を速やかに所定の冷却温
度まで復帰させることにより、熱処理室内の温度を所定
の温度勾配に従って徐々に降下させることができる熱処
理装置の温度制御方法を提供し、被処理物の製品品質を
大幅に向上させることを目的とする。

〔発明の構成〕

この目的を達成するために、本願第一の発明は、被処理
物を所定の温度に加熱して一定時間経過後に徐々に冷却
するように成されたオートクレーブの冷却温度制御方法
において、冷却器により冷却される熱処理室内の温度を
定時的に検出し、その検出温度と所望の温度勾配に従っ
て予め設定されている所要冷却温度とを比較し、前記検
出温度がその検出時における所要冷却温度よりも降下す
るたびごとに、加熱器を稼働させて熱処理室内の温度を
所要冷却温度まで上昇させることにより、該熱処理室内
の温度を所定の温度勾配に沿って降下させるようにした
ことを特徴とする。

また、第二の発明は、検出温度がその検出時における所
要冷却温度よりも降下したときは、その温度偏差に応じ
た加熱容量で加熱器を稼働させ、検出温度がその検出時
における所要冷却温度よりも上昇したときは、その温度
偏差に応じた冷却容量で冷却器を稼働させるようにした
ことを特徴とする。

〔発明の作用〕

本願第一の発明方法によれば、熱処理室内の温度が冷却
器により冷却されて、該温度がその時点における所要冷
却温度よりも降下した場合に、その偏差に応じて加熱器
を稼働させ、熱処理室内の温度を所要冷却温度まで強制
的に且つ速やかに上昇させることとしているので、前記
熱処理室内の温度が予め設定した所望の温度勾配に沿っ
て降下される。

第二の発明によれば、さらに、そのときの温度偏差に応
じた冷却容量で冷却器を稼働させるようにしているので
、熱処理室内の温度の過冷却が最小に抑えられ、該温度
が所望の温度勾配に沿ってより確実に降下される。

〔実施例〕

以下、本発明を、図面に示す具体的な実施例に基づいて
説明する。

第１図は本発明方法を使用したオートクレーブ及びその
制御装置を示す説明図、第２図はその制御手順を示すフ
ローチャート、第３図は本発明方法により制御された熱
処理室内の温度と予め設定された冷却温度との関係を示
すグラフである。

図中、１はオートクレーブであって、一端に開閉扉２が
形成された円筒形の耐圧容器３の内部に熱処理室を形成
する筒形のマンフル４が配設されて二重構造に形成され
、耐圧容器３とマンフル４との間に気体流路５が形成さ
れている。

前記容器３内には、開閉扉２と対向する位置にマツフル
４内の気体を吸引し前記気体流路５を通って再びマツフ
ル４内に循環させるターボファン等の循環ファン６が配
設されている。

また、気体流路５内には、耐圧容器３の内側に沿って電
熱ヒータ等の加熱器７と、クーリングパイプ８内に熱交
換用の冷却水が供給される冷却器９とが配設されて、耐
圧容器２内の気体の加熱及び冷却を行うように成されて
いる。

なお、１０は加工品１１を載置した台車１２を搬入出す
るためのレール、１３は高圧気体供給環（図示せず）か
ら２〜２０ｋｇ／ａｄに加圧されたチッソガス等を耐圧
容器２内に供給し排出する給排気管、１４は開閉扉１を
密閉する扉締付リングである。

２０は、気体流路５内に配設された加熱器７の加熱容量
の可変制御及び冷却器９のオン・オフ制御を行う制御装
置であって、耐圧容器３の外部に配設され、少な（とも
インターフェイス回路２１、演算処理装置２２及び記憶
装置２３を有するマイクロコンピュータで構成されてい
る。

ここで、前記インターフェイス回路２１には、その入力
側に加熱温度ＳＴＩ、熱処理温度ＳＴ２及び冷却温度Ｓ
Ｔ３等の熱処理の各時刻における所要の基準温度ＳＴを
予め設定するためのキーボード２４と、マツフル４内に
配設された熱電対等の温度センサ２５によりマツフル４
内の温度ＮＴを連続的に検出する温度検出器２６が接続
されると共に、出力側には加熱容量に応じた電流を加熱
器７に供給する駆動装置２７と、冷却器９に冷却水を送
給する電磁バルブ２８を開閉させる駆動装置２９が夫々
接続されている。

また、演算処理装置２２は、前記温度検出器２６の出力
信号に基づいてマツフル４内の温度ＮＴを算出し、該温
度ＮＴをその検出時における基準温度ＳＴと比較して温
度偏差ρ＝ＮＴ−３Ｔを求め、該温度偏差ρに応じて加
熱器７及び冷却器９の駆動装置２７及び２９に制御信号
ＰＨ及びｐｃを出力する。

さらに、記憶装置２３は、前記演算処理装置２２の演算
処理に必要なプログラム及び必要な数値を記憶してい・
ると共に、熱処理開始から終了に至るまでの各時刻にお
ける基準温度ＳＴを記憶している。

以下、演算処理装置２２の処理手順を第２図に示すフロ
ーチャートを伴って説明する。

ここで、ステップ（１１〜（４）は熱処理開始までの予
熱手段、ステップ（５）〜（１７）は加熱から冷却に至
るまでの熱処理手段であり、該熱処理手段のうらステッ
プ（１０）〜（１２）は昇温時及び恒温時における温度
制御手段、ステップ（１５）〜（１７）までは冷却時に
おける温度制御手段である。

まず、制御装置２０のスイッチ（図示せず）をオンする
と、第２図に示す処理が実行開始され、ステップ（１）
で記憶装置２３に記憶された熱処理の開始時における基
準温度Ｓ：Ｔ’Ｏ（例えば２０℃）を呼び出した後ステ
ップ（２）に移行し、温度検出器２６の出力信号に基づ
きマンフル４内の温度ＮＴを測定する。

次いで、ステップ（３）において、マンフル４内の温度
ＮＴが前記基準温度ＳＴＯに達しているか否かを判定す
る。この場合の判定は、温度ＮＴの前記基準温度ＳＴＯ
に対する温度偏差ρ（ρ＝ＮＴ−３ＴＯ）によって行う
。そして、ρくＯのとき、即ち温度ＮＴが基準温度ＳＴ
Ｏに達していないときはステップ（４）に移行してその
温度偏差ρに応じた制御信号ＰＨを出力し、加熱器７を
オンしてステップ（２）に戻り、マンフル４内の温度Ｎ
ＴをＳＴｏまで上昇させる。その後、ρ＝０になったと
き、即ち温度ＮＴが基準温度ＳＴＯに達したときは、ス
テップ（５）以下の熱処理手段に移行され、予め設定さ
れた加熱温度ＳＴＩ、熱処理温度ＳＴ２及び冷却温度Ｓ
Ｔ３とからなる基準温度ＳＴに従って熱処理が開始され
る。

ステップ（５）では、まず制御装置２０内に配設された
タイマ（図示せず）をオンして時刻ｔの計数を開始し、
ステップ（６）に移行して、マツフル４内の温度ＮＴを
読み込むと共に、ステップ（７）でその検出時刻ｔにお
ける基準温度ＳＴを呼び出し、ステップ（８）において
温度偏差ρ−ＮＴ−３Ｔを算出する。

次いで、ステップ（９）に移行して基準温度ＳＴの温度
変化が、昇温状態、恒温状態または冷却状態の何れであ
るかを判定する。この場合の判定は、現在の基準温度Ｓ
Ｔと微少時間ｄｔ前の基準温度ＳＴ′との温度変化率σ
＝　（ＳＴ−３Ｔ’　）／ｄｔの正負によって判断され
る。そして、σ〉０の昇温状態またはσ＝Ｏの恒温状態
にあるときはステップ（１０）以下の温度制御手段に移
行し、σくＯの冷却状態にあるときは、ステップ（１５
）以下の温度制御手段に移行する。

ステップ（１０）では、熱処理室内の温度ＮＴと基準温
度ＳＴとの温度偏差ρがρ≧Ｏであるか否かを判定し、
ρくＯのときはステップ（１１）で温度偏差ρに応じて
制御信号ＰＨを出力して所定の加熱容量で加熱器７を作
動させ、ρくＯのときはステップ（１２）で制御信号Ｐ
Ｈの出力を停止して加熱器７をオフする。

また、ステップ（９）においてσ〈０　（冷却状態）と
判断された場合は、ステップ（１５）に移行してマンフ
ル４内の温度ＮＴと冷却温度ＳＴ３との温度偏差ρの正
負を判定し、該温度偏差ρに応じて加熱器７を稼働させ
又は冷却器９のオン・オフ制御を行う。

即ち、温度偏差ρ≧Ｏのときは温度ＮＴが検出時におけ
る冷却温度ＳＴ３より高いので、ステップ（１６）に移
行し、制御信号ＰＨの出力を停止して加熱器７をオフす
ると共に、制御信号ｐｃを出力して電磁バルブ２８を開
き、冷却器９に冷却水を供給して耐圧容器２内の気体を
冷却する。また、ρく０のときは温度ＮＴが検出時にお
ける冷却温度ＳＴ３より低いので、ステップ（１７）に
移行し、制御信号ＰＣの出力を停止することにより電磁
バルブ２８を閉成して冷却水の供給を停止すると共に、
温度偏差ρに応じて制御信号ＰＨを出力することにより
所定の加熱容量で加熱器７を作動させ耐圧容器２内の気
体を加熱する。

次いで、前記ステップ（１１）　　（１２）　　（１６
）又は（１７）からステップ（１３）に移行して、熱処
理を終了するか否かを判定する。この判定は、現在の時
刻ｔが熱処理終了時刻ｅと一致するか否かを判断するこ
とによって行い、時刻ｔｈｅのときはステップ（６）に
戻って前述した温度制御を繰り返し、時刻ｔ＝ｅのとき
はステップ（１４）に移行し、制御信号ＰＨ及びＰＣの
出力を停止し加熱器７及び冷却器９をオフして熱処理を
終了する。

以上が本発明方法を使用したオートクレーブの一例構成
であり、次にその温度制御方法を第３図に基づいて説明
する。

加工品１１を熱処理しようとするときは、まず熱処理の
開始から終了に至るまでの各時刻における温度について
、第３図実線で示すように、昇温時Ａに２０℃から３０
０℃まで例えば５℃／ｓｅｃの勾配で昇温される所要加
熱温度ＳＴＩと、恒温時Ｂに例えば３００℃に維持され
る所要熱処理温度ＳＴ２と、冷却時Ｃに３００℃から２
０℃まで例えば−５’Ｃ／ｓｅｅの勾配で冷却される所
要冷却温度ＳＴ３とを、それぞれ基準温度ＳＴとしてキ
ーボード２４を用いて予め設定しておく。

次いで、マツフル４内の温度ＮＴが熱処理開始時におけ
る基準温度５ＴＯ（例えば２０”ｃ）以下であることを
確認した後に、加工品１１を台車１２に載せてマツフル
４内に搬入する。

加工品１１の搬入作業が終了し、開閉扉２を閉じて扉締
付リング１４により密閉した後に、給排気管１３から耐
圧容器３内の空気を抜き出すと共に、該耐圧容器３内に
高圧チッソガス、アルゴンガス等の不活性気体を供給し
、循環ファン６を作動させると、マンフル４内の気体が
気体流路５に吸引されて該気体流路５を通じて再びマ・
ノフル６に循環され、耐圧容器３内で強制対流せられる
。

ここで、温度制御装置２０のスイッチ（図示せず）をオ
ンすると、最初はＮＴ＜ＳＴＯであるから加熱器８がオ
ンされてマツフル４内が予熱される〔ステップ（１）〜
（４）〕。

その結果、マ・７フル４内の温度ＮＴが前記基準温度Ｓ
ＴＯに達すると、タイマがオンされて時刻ｔの計数を開
始し、その時点から前記基準温度ＳＴに従って熱処理が
開始されることとなる〔ステップ（５）〜〕。

まず、マンフル４内の温度ＮＴを所要加熱温度ＳＴＩに
従って所要熱処理温度５Ｔ２（３００℃）まで上昇させ
る昇温時Ａにおいては、温度ＮＴをその検出時における
加熱温度ＳＴＩと比較し〔ステップ（１０）　）　、温
度ＮＴが加熱温度ＳＴＩより低い場合には、温度偏差ρ
に応じて制御信号ＰＨが駆動装置２７に出力され、該制
御信号ＰＨに基づき温度偏差ρに応じた電流が駆動装置
２７から加熱器７に供給されて該加熱器７が所定の加熱
容量で作動され、マンフル４内の温度ＮＴが昇温される
〔ステップ（１１）　）。

そして、温度ＮＴがその検出時における加熱温度ＳＴＩ
を超えた場合には、制御信号ＰＨの出力が停止されて加
熱器７がオフされ、該加熱器７の余熱によって加熱され
る〔ステップ（１２）　）。

その後、マンフル４内の温度ＮＴがその時点における加
熱温度ＳＴ１以下に下がると、再び加熱器７がオンされ
てマツフル４内に循環される気体が加熱され〔ステップ
（１１）　）　、温度ＮＴは加熱温度ＳＴＩに追従し所
定の温度勾配（５℃／５ｅｃ）に沿って上昇することと
なる。

また、マツフル４内の温度ＮＴを所要熱処理温度ＳＴ２
に維持する恒温時Ｂにおいては、マツフル４内の温度Ｎ
Ｔと前記熱処理温度ＳＴ２とを比較して、昇温時Ａと同
様に加熱器７の加熱容量を可変制御することにより恒温
状態を維持する〔ステップ（１０）〜（１２）　）。

次いで、温度ＮＴを所要冷却温度に従って所定の温度勾
配で降下させる冷却時Ｃには、冷却器９と加熱器７とを
併用することにより以下の手順に従い温度制御を行う。

まず、冷却時Ｃに移行すると、時間の経過に伴って基準
温度ＳＴが降下し、マツフル４内の温度ＮＴは所要冷却
温度ＳＴ３を超えることとなるから、制御装置２０から
制御信号ＰＣが駆動装置２９に出力され、該駆動装置２
９により電磁バルブ２８が開放されて冷却器９のクーリ
ングパイプ８に冷却水が供給され、耐圧容器３内を循環
する気体が冷却される〔ステップ（１Ｂ）　）。

これにより、温度ＮＴが下がってその検出時における冷
却温度ＳＴ３以下になると、電磁バルブ２８が閉成され
て冷却水の供給を停止すると同時に、加熱器７がオンさ
れてその温度偏差ρに応じた加熱容量で耐圧容器３内の
気体が加熱され〔ステップ（１７）　）　、熱処理室内
の温度ＮＴが゛強制的に且つ速やかに上昇されることと
なる。

そして、温度ＮＴが再びその検出時における冷却温度Ｓ
Ｔ３を超えると、加熱器８をオフすると同時に、再び冷
却器９に冷却水が供給し耐圧容器３内の気体が冷却され
る〔ステップ（１６）　）。

そして、以上の温度制御を時刻ｔが熱処理終了時刻ｅに
達するまで繰り返し行った後、熱処理を終了する〔ステ
ップ（１３）　　（１４）　）。

このように、冷却時においては、検出されたマツフル４
内の温度ＮＴがその検出時における冷却温度ＳＴ３以下
に下がったときは、冷却器９をオフすると同時に、加熱
器７をオンして耐圧容器３内の気体を加熱して温度ＮＴ
を速やかに所望の冷却温度ＳＴ３にまで戻し、また温度
ＮＴが冷却温度ＳＴ３と一致し又は超えたときは加熱器
７をオフすると同時に冷却器９に冷却水を供給して気体
を冷却するので、以上の温度制御を繰り返し行うことに
より、マンフル４内の温度ＮＴを冷却温度ＳＴ３に従い
所定の温度勾配（−５℃／５ｅｃ）に沿って確実に変化
させることができ、したがって、高品質の加工品１１を
得ることができる。

なお、本発明方法において、冷却時Ｃに加熱器７を稼働
させてマンフル４内の温度ＮＴを冷却温度ＳＴ３まで上
昇させる場合には、温度ＮＴの絶対値を上昇させる場合
に限らず、第、４図に示すようにマツフル４内の温度Ｎ
Ｔを冷却温度ＳＴ３に対して相対的に上昇させる場合も
含む。即ち、加熱器７を稼働させることにより温度ＮＴ
と基準温度ＳＴとの温度偏差ρΦ値が時間の経過に伴っ
て小さくなればよい。

また、上記実施例の説明では温度偏差ρのみに基づいて
加熱器７の加熱容量を可変制御する場合についてのみ説
明したが、本発明はこれに限らず、例えば温度ＮＴの時
間に対する変化率を考慮して前記温度偏差ρに基づき加
熱器７の加熱容量を変化させるものであってもよい。

さらに、加熱器７は加熱容量を可変制御するものに限ら
ず、例えば温度偏差ρの正負に応じてオン・オフ制御す
るものであってもよい。

また、冷却器９は、冷却水の供給・停止によりオン・オ
フ制御するものに限らず、例えば温度ＮＴが所要冷却温
度ＳＴ３よりも上昇した際に、温度偏差ρに応じて冷却
水の供給量等を変化させることによりその冷却容量を可
変制御するものであってもよい。このような冷却器を用
いれば、温度ＮＴの過冷却を最小に抑えることがき、よ
り確実な温度制御を行うことができる。

なお、マツフル４内の温度ＮＴは上述したように連続的
に検出する場合に限らず、所定時間毎に検出する場合で
あってもよい。

また、温度ＮＴの検出において、マツフル４内の数箇所
に温度センサを複数配設し、その平均値を求めるように
すれば、より正確に熱処理室内の温度ＮＴを検出するこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本願第一の発明方法によれば、熱処
理室内の温度が冷却器により冷却され、該温度がその時
点における所要冷却温度よりも降下するたびごとに、そ
の偏差に応じて加熱器を稼働させて、熱処理室内の温度
を所要冷却温度まで強制的に且つ速やかに上昇させるこ
ととしているので、前記熱処理室内の温度を所要の温度
勾配に沿って漸次冷却させることができ、さらに第二の
い発明方法によれば、冷却器の冷却容量をも可変制御す
ることとしているので、より確実に温度制御を行うこと
ができ、したがって指定された温度条件で確実に熱処理
を行うことにより製品品質を大幅に向上させることがで
きるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を使用したオートクレーブ及びその
制御装置を示す説明図、第２図はその制御手順を示すフ
ローチャート、第３図及び第４図は熱処理室内の温度と
予め設定された冷却温度との関係を示すグラフである。 符号の説明 １−オートクレーブ、３−耐圧容器、４−・マツフル、
５−気体流路、６−・・循環ファン、７−加熱器、８−
クーリングパイプ、９−・−冷却器、１１−加工品、２
〇−制御装置、２４−・−キーボード、２５−・一温度
センサ、２６一温度検出器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）被処理物を所定の温度に加熱して一定時間経過後
   に徐々に冷却するように成されたオートクレーブの冷却
   温度制御方法において、冷却器により冷却される熱処理
   室内の温度を定時的に検出し、その検出温度と所望の温
   度勾配に従って予め設定されている所要冷却温度とを比
   較し、前記検出温度がその検出時における所要冷却温度
   よりも降下するたびごとに、加熱器を稼働させて熱処理
   室内の温度を所要冷却温度まで上昇させることにより、
   該熱処理室内の温度を所定の温度勾配に沿って降下させ
   るようにしたことを特徴とするオートクレーブの冷却温
   度制御方法。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載のオートクレーブの冷
   却温度制御方法において、前記検出温度がその検出時に
   おける所要冷却温度よりも降下するたびごとに、その偏
   差に応じて加熱器を稼働開始させると同時に、冷却器の
   作動を一旦停止させるようにしたオートクレーブの冷却
   温度制御方法。
3. （３）被処理物を所定の温度に加熱して一定時間経過後
   に徐々に冷却するように成されたオートクレーブの冷却
   温度制御方法において、冷却器により冷却される熱処理
   室内の温度を定時的に検出すると共に、その検出温度と
   所望の温度勾配に従って予め設定されている所要冷却温
   度とを比較し、前記検出温度がその検出時における所要
   冷却温度よりも降下したときに、その温度偏差に応じた
   加熱容量で加熱器を稼働させることにより熱処理室内の
   温度を所要冷却温度まで上昇させ、前記検出温度がその
   検出時における所要冷却温度よりも上昇したときに、そ
   の温度偏差に応じた冷却容量で冷却器を稼働させること
   により熱処理室内の温度を所要冷却温度まで降下させ、
   該熱処理室内の温度を所定の温度勾配に沿って降下させ
   るようにしたことを特徴とするオートクレーブの冷却温
   度制御方法。
4. （４）特許請求の範囲第３項記載のオートクレーブの冷
   却温度制御方法において、前記検出温度が冷却器により
   冷却されて降下し、その検出時における所要冷却温度と
   一致したときに該冷却器の作動を一旦停止させ、前記検
   出温度が加熱器により加熱されて上昇し、その検出時に
   おける所要冷却温度と一致したときに該加熱器の作動を
   一旦停止させるようにしたオートクレーブの冷却温度制
   御方法。