JP2018154889A - 電解処理装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電解処理時の気泡による表面粗れを抑制する。【解決手段】 縦方向に配設された空洞管に、当該空洞管の内部の形状に沿う外形の電極が挿入される。液流制御手段は当該空洞管に供給ポンプと第一の弁機構によって、空洞管の一方から電解液を第１の所定時間供給するとともに、戻しポンプと第二の弁機構によって、空洞管の他方から電解液を引き抜いて電解液を液タンクの戻し、その後、第２の休止時間を挟んで、空洞管の前記他方から第１の所定時間、電解液の供給をするとともに、空洞管の前記一方から電解液の引き抜きをする。また、電解制御手段は、前記電解液が空洞管に供給されている期間、電解研磨に必要な電圧を前記空洞管と電極との間に印加する。【選択図】図２

Description

本発明は電解処理に関し、特に、電解研磨または電解メッキの電解液の循環に関する装置と方法に関するものである。

ビッグバン状態を形成する装置としてリニアコライダが建設されようとしている（ILC計画）。リニアコライダには図５に示すように、両端にフランジ１０１ａ、１０１ｂを有し、軸方向に周期的に径が変化するニオブの空洞管１００が使用される。この実験で所定の効果を得るための要素の１つとして、このニオブの空洞管１００の内面が平滑になっているか否かがある。

ところが、空洞管１００は、成形時に過大な圧力や熱を掛けるところから、その内表面の組織は不均一に歪んだ状態となっている。この表面状態をこのままにしておくと、電気的特性、磁気的特性も不均一な状態となり、結果として、電子や陽子に所定の速度を与えることができなくなる。そこで、空洞管の内面を所定の厚さ、研磨する方法が開発されている。

ニオブに限らず、上記のような空洞管を研磨する方法としては、化学研磨と電解研磨が一般的にしようされているが、ここでは電解研磨について記述する。

上記のように空洞管、特に内面がストレートでなく複雑な形状を持った空洞管の内面を電解研磨する場合、研磨液から発生する気泡の処理が重要となる。すなわち、気泡が滞留するとその部分の表面が荒れた状態となり、満足できる状態とはならない。

特開昭61-23799には、前記管の長手方向中央部に膨らみを持った空洞管（金属製中空体）の内面を研磨する装置が開示されている。すなわち、前記空洞管の長手方向を水平に保持した状態で、当該金属製中空体の中心に通液パイプを通して、当該通液パイプの一方の端から電解液を前記膨らみ部に供給する構成とし、前記中空体の中心軸に対して中空体を回転させながら内部の略下半分が研磨液に浸漬されるように研磨液を給液する構成としている。ここでは、中空体の中心に通した給液パイプの一方から当該給液パイプの下側で中空体の膨らみ部に対応する位置に設けた供給口から電解液を供給し、中空体の他方開口部から抜く構成となっている。したがって、膨らんだ部分に供給される電解液の流れの状態が部分によって異なり、研磨状態に不均一が生じることになる。

特開平11-350200では、上記の欠点を改良すべく、給液パイプの上側から電解液を垂直上方向に供給するようにして、電解液の流れを膨らみ部に生じさせないようにして、研磨状態を均一にしようとしている。

しかしながら、上記のように空洞管を水平に配設した場合、上半分が電解液に浸漬されていない状態となり、電解に伴って発生する気泡による表面荒れを無視することはできない。そこで本願出願人は特許5807938にて空洞管の軸を縦に配置して、空洞管の内面全体が電解液に浸される状態で、電解処理（研磨、メッキ）をする装置を開示している。

特開昭61-23799号公報 特開平11-350200号公報 特許5807938号公報

上記特許5807938では、空洞管を縦にし、電解液を空洞管の内部全体に充填して処理するようにしている。加えて、空洞管の内部形状に沿った翼電極を、空洞管の内部で回転させることによって電解研磨をする構成としている。この構成では気泡は空洞管の上に抜けるので、前記気泡による表面荒れはかなりの程度で改善される。しかしながら、発生した気泡の大部分は期待どおりに上方に抜けてはくれるが、空洞管の膨らみ部には水平に近い部分もあり、この部分では気泡の流れが遅くなりって滞溜することになり、表面粗れが生じることになる。

本発明は上記従来の事情に鑑みて提案されたものであって、空洞管の形状に関わらず気泡による表面粗れを抑制した電解研磨ができる電解処理方法と装置を提供することを目的とする。

本発明は、以下の電極と、供給ポンプと第一の弁機構と、戻しポンプと第２の弁機構、液流制御手段と、電解制御手段とを備える。

縦方向に配設された空洞管に、当該空洞管の内部の形状に沿う外形の電極が挿入される。液流制御手段は当該空洞管に供給ポンプと第一の弁機構によって、空洞管の一方から電解液を第１の所定時間供給するとともに、戻しポンプと第二の弁機構によって、空洞管の他方から電解液を引き抜いて電解液を液タンクの戻し、その後、第２の休止時間を挟んで、空洞管の前記他方から第１の所定時間、電解液の供給をするとともに、空洞管の前記一方から電解液の引き抜きをする。また、電解処理手段は、前記電解液が空洞管に供給されている期間、電解研磨に必要な電圧を前記空洞管と電極との間に印加する。

前記空洞管は、周期的に膨らみを持ったニオブ管である場合がある。

上記構成により空洞管内を電解液が下から上に流れる期間と、上から下に流れる期間とを交互に入れ替えるので、発生する気泡が一ヶ所に留まることがない。従って、空洞管の内表面の研磨状態が、発生する気泡の影響を受けることは小さく、表面粗れを抑制できる。

本発明の概要を示す図。 本発明の制御系を示す概略図。 本発明に使用する膨らみ部１つの場合の電極を示す図。 本発明に使用する膨らみ部複数の場合の電極を示す図。 空洞管の例を示す図。

＜還流機構＞
図１は本願が適用される空洞管の電解研磨システムを示す図である。図５で示した複数の膨らみ部を備えた空洞管を縦に設置し、以下に説明するように電解液を供給する。図２は本発明の制御機構を示す概略図である。

弁機構は以下に説明するように、空洞管１００への電解液の供給をする供給弁機構２１０と、空洞管１００から電解液を抜く戻り弁機構２２０とよりなる。

図１及び図５で示すように、現実の空洞管１００は軸方向に周期的に複数の膨らみ部を持っているが、図２では膨らみ部を１つで表している。

縦方向に配設された空洞管１００の下側と上側に給排口１１０ａ、１１０ｂが設けられ、加えて供給ポンプ１２０ａ、戻しポンプ１２０ｂが設けられる。

上下側の給排口１１０ａ、１１０ｂは、供給弁機構２１０を介して供給ポンプ１２０ａに接続され、当該供給ポンプ１２０ａは電解液タンク３００に接続されている。また、前記上下側の給排口１１０ａ、１１０ｂは、戻り弁機構２２０を介して戻しポンプ１２０ｂに接続され、当該戻しポンプ１２０ｂも当然のことながら電解液タンク３００に接続されている。

前記供給弁機構２１０、戻り弁機構２２０の開閉状態は、液流制御装置４００で以下のように制御され、また、それと同時に電解制御装置５００での電解制御がなされる。

まず、空洞管１００には以下に説明する電極２０が装着される。当該電極２０が装着された状態で、液流制御装置４００で供給弁機構２１０を上側の給排口１１０ａ側に開、下側の給排口１１０ｂ側に閉とするとともに、戻り弁機構２２０を上側の給排口１１０ａ側に閉、下側の給排口１１０ｂ側に開とする。この状態で、所定時間例えば１０分、液タンク３００から電解液を空洞管１００の上から充填するとともに、下側の給排口１１０ｂ側から抜くように制御する。同時に、電解制御手段５００で、空洞管１００側に正、上記電極側に負の電圧を印加して、空洞管１００の内面を電解研磨する。

次いで、上記所定時間が経過すると、別の所定時間（例えば１分）の間液の供給と、電解研磨を休止する。次いで、液流制御装置４００で供給弁機構２１０を下側の給排口１１０ｂ側に開、上側の給排口１１０ｂ側に閉とするとともに、戻り弁機構２２０を上側の給排口１１０ａ側に開、下側の給排口１１０ｂ側に閉とする。この状態で、電解液を上記所定の時間下から上に流すとともに、電解制御装置で電解研磨に必要な電圧を印加する。

次いで、再び別の所定時間の休止を経て、再び、上側から電解液を供給する最初の状態に戻る。液流制御装置４００と電解制御装置５００はこのサイクルを維持する制御をすることになる。

上記のように、制御することで、一方（例えば上から下）に電解液が流れている間に発生し、空洞管１００の一部に溜まった気泡が、次の工程（下から上に電解液が流れる工程）で、流れの方向が逆の電解液に押し流され、研磨の状態に悪影響を及ぼすことを避けることができることになる。

＜電極＞
上記空洞管１００の内面を電解研磨するには空洞管１００の内部に電極を挿入する必要がある。 図３は、本発明に用いる電極２０の斜視図を示すものであり、より詳しくは特許5807938公報に開示されている。

電極軸２１には、基端が軸方向に所定幅で外周端が、研磨対象物の空洞管１００のふくらみ部の内面形状に対応する形状となっており、少なくとも外周端が金属で構成された薄板よりなる単翼２２a、２２ｂ・・を、１枚もしくは複数枚（図示では２枚）、周方向に等間隔に配置して翼電極２２を形成する。

翼電極２２を構成する各単翼２２a、２２ｂ・・は、可撓性を有しており、電極軸２１に巻回された状態で、最小径となり、この状態で、電極軸２１と同心に配置された収納筒２９に収納されるようになっている。前記収納筒２９に収納された状態の各単翼２２a、２２ｂ・・の先端に対応する位置に、軸方向のスリット群２３（２３ａ、２３ｂ・・）が設けられ、当該スリット群を構成する各スリット23ａ、２３ｂ・・に、各単翼２２a、２２ｂ・・の先端部が、収納筒２９の外部に僅かに出る程度に挿通しておく。これによって、電極軸２１と収納筒２９とを相対的に回転することによって、各単翼２２a、２２ｂ・・の先端を径方向に挿抜することができ、各単翼２２a、２２ｂ・・の先端の径を調整できる構成（径調整手段：電極軸２１＋翼電極２２＋収納筒２９＋スリット群23）とする。

尚、前記電極軸２１に収納筒２９を同心に配置する構成として、例えば、電極軸２１に当該電極軸２１より径が大きく、収納筒２９の径に符合するスペーサ３０を嵌める構成とすることが考えられる。

更に、各単翼２２a、２２ｂ・・には合成樹脂製のメッシュ（例えば１μｍ以下の編み目）が被せられている。

上記のように翼電極２２は、収納状態と、稼動状態の２つの態様を採る。すなわち、図示しない収納状態では、各単翼２２a、２２ｂ・・の先端が、収納筒２９の各スリット２３ａ、２３ｂ・・から僅かに出た状態を呈する。この状態で、空洞管１００への当該電極の装着や、取り外しが行われる。また、図３、に示すように稼動状態では、電極軸２１と収納筒２９を相対的に回転させ、各単翼２２a、２２ｂ・・の外周端が、空洞管１００の内周面近くに押し出された状態（各単翼２２a、２２ｂ・・の外周端と空洞管１００の内周面との距離が例えば１cm前後）を呈する。

図３では、膨らみ部が１つの場合を示したが、膨らみ部が複数ある場合は、図４に示す形状となる。

＜電解研磨＞
上記図１、図２に示す経常の空洞管において、表面粗さが最も大きくなる位置は膨らみ部の上側の肩部分である。そこで電極２０を用いて、電解液を下の給排口１１０ｂから１５分供給（上の給排口から吸引）、１分停止、その後、電解液を上の給排口１１０ａから１５分供給（下の給排口から吸引）した場合の上記位置の表面粗さは、０．３μｍ程度であり、他の部分（例えば膨らみの下側の肩部分）の表面粗さも同等であった。それに対して、棒状の電極を用いての実験では上側の肩部分の表面粗さが３μｍもあり、他の部分は０．５μｍ以下であった。

本願のシステムのよる方法が優れていることが理解できる。

以上説明したように、本願発明に係る装置を用いて、空洞管を電解研磨すると研磨中に発生する気泡の影響を受け易い部分の表面粗さも、それ以外の部分と変わりなくなり、例えば、リニアコライダに使用する空洞管の内面研磨を当該装置で行うと、磁気的、電気的に高いパーフォーマンスを得ることができる。

２０ 電極
２１ 電極軸
２２ 翼電極
２２a、２２ｂ 単翼
２９ 収納筒
２３（２３ａ、２３ｂ・・） スリット群
１００ 空洞管
２１０ 供給弁機構
２２０ 戻り弁機構
１１０ａ、１１０ｂ 給排口
１２０ａ 供給ポンプ
１２０ｂ 戻しポンプ
３００ 電解液タン
４００ 液流制御装置
５００ 電解制御手段

Claims (4)

1. 縦方向に配設された空洞管に挿入された電極と、
   前記空洞管に電解液を供給する供給ポンプと、
   前記空洞管より電解液を液タンクに戻す戻しポンプと、
   前記空洞管の一方から前記供給ポンプによって電解液を供給する回路を形成する第一の弁機構と、
   前記空洞管の他方から前記戻しポンプによって電解液を引抜く回路を形成する第二の弁機構と、
   前記空洞管の一方から電解液を供給状態にするとともに、空洞管の他方からの電解液を引き抜いて液タンクに戻す戻し状態を第１の所定時間継続した後、第２の所定時間休止し、その後空洞管の他方からの電解液を供給状態にするとともに、空洞管の一方から電解液を引き抜いて液タンクに戻す戻し状態を前記第１の所定時間継続するサイクルを制御する液流制御手段と、
   前記第１の所定時間の間、電解研磨に必要な電圧と電流を前記電極と空洞管の間に印加し、第２の所定時間前記電圧の印加を休止する電解制御手段と
   を備えた電解処理装置。
2. 前記空洞管が、周期的に膨らみを持ったニオブ管である請求項１に記載の電解処理装置。
3. 前記電極は、空洞管の内面に沿った形状の単翼を複数備えた翼電極が、電極軸に巻回された状態の収納状態と、前記巻回を解かれて周方向に延伸した状体の稼動状態とをとり、前記電圧、電流の印加は前記稼動状態で実行する請求項１または２に記載の電解処理装置。
4. 請求項１に記載の電解処理装置を用いた電解処理方法であって、
   軸が縦方向に配設された空洞管の一方から電解液を供給状態にするとともに、空洞管の他方から電解液を引き抜いて液タンクに戻す戻し状態を第１の所定時間継続し、その間空洞管に対する電解研磨を実行するステップと、
   前記第１の所定時間後の第２の所定時間、電解液の供給と電解研磨を休止するステップと、
   その後空洞管の前記他方からの電解液を供給状態にするとともに、空洞管の前記一方から電解液を引き抜いて液タンクに戻す戻し状態を前記第１の所定時間継続するとともに、その間空洞管に対する電解研磨を実行するステップと
   を備えた電解処理方法。

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