JP4126644B2

JP4126644B2 - 真空容器

Info

Publication number: JP4126644B2
Application number: JP2002075189A
Authority: JP
Inventors: 俊作中内
Original assignee: 国際技術開発株式会社
Priority date: 2002-02-12
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2022-02-12
Also published as: JP2003240121A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は大きな開口を有する真空容器に関するもので、特に開口を塞ぐ蓋を容易に真空封止する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来は金属の筐体に金属の蓋をした後に、蓋と筺体との密閉を完全にするために、蓋と筺体との間にガスケットを用い、且つ多くのボルト、ナット等で蓋と筺体とをきつく締め付けて、高い真空度を保つような作業を行っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような作業を簡略化して、ボルト、ナット等を用いずに、筺体に蓋をした後に簡単な操作で、筺体と蓋の間の隙間を無くして高真空を維持できる密閉手段及び簡単な操作で再び蓋を開ける手段を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、開口を有し、開口を形成する側壁上部の開口部を持つ筺体と、開口部に挿入される蓋と、常温において開口部の外周より小さい内周を持つ金属製のリングとを備え、リングを加熱膨張させて開口部の外周に嵌め込み、冷却させて開口部と蓋とを真空封止するものである。
【０００５】
そのため、容器状に形成した筺体の垂直な側壁上部に設けられた開口部の内周を、この部分に挿入される蓋の外周とほぼ同じ形状にし、極く僅かな隙間を持って蓋を出し入れ出来るようにする。
【０００６】
常温において、蓋の外周と対峙する筺体の側壁上部の開口部の外周より僅かに小さい内周を持つ金属製のリングと、このリングを熱する加熱装置とを備える。上記リングが熱せられて膨張し、その内周が筺体の開口部の外周よりやや大きくなった時にこのリングを蓋の外周と対峙する筺体の開口部に移動させる装置を設けてリングをその部分に移動させ、リングを開口部に嵌め込む。この時加熱装置もリングと一緒に移動するが、移動後に加熱作業は打ち切られる。
【０００７】
リングはその状態で自然冷却、或いは冷却装置によって冷却されて温度を下げる。温度を下げられたリングは元の寸法に戻ろうとして、筺体の開口部の外周を締め付ける。その締め付け力は、リングの材料の線膨張率、ヤング率、形状等によって任意に定めることが出来るので、要求される真空度によって必要な締め付け力を得ることが容易に出来る。
【０００８】
蓋を開けるときは、加熱装置を動作状態にし、リングを加熱膨張させて、リングの内周が筺体の開口部の外周より大きくなって、締め付け力が無くなってから蓋を外す。
この場合リングから筺体への熱伝導によって、筺体や蓋も熱膨張をする。しかし加熱はリングの外側等から行われるので、リングが十分高温度になっても筺体と蓋の全部が高温度になる訳ではない。従ってリングを加熱すると、リングと筺体との間に隙間ができて、リングを外せるようになる。
【０００９】
加熱されて膨張したリングは移動装置で筺体から離され、元の位置に戻される。その位置でリングは冷却して元の大きさに戻る。
なお、蓋の材料と筺体の開口部の材料の線膨張率をリングの材料の線膨張率より小さく選んでおくと更にリングの取り付け、取り外しは容易になる。
【００１０】
リングを移動する移動装置を無くし、リングを常に開口部の外側に固定して置き、蓋を開閉するときにだけ、リングを加熱膨張させて、蓋を開閉するようにすることも出来る。
また真空平板式太陽熱収集装置のように、ガラス蓋を本発明によって真空封止してその後蓋を開けない場合もある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施形態を示す断面図である。１は真空容器、２は筺体、３は蓋、４は筺体２の垂直な側壁、５は側壁４の上部で構成される開口部、６は開口部５に対峙する蓋３の端面である垂直部分、７は開口部５の外周に嵌め込まれた金属製のリング、８はリング７を熱する加熱器、９はリング７を冷却する冷却器、１０はリング７を図上で上下に移動させる移動装置、１１は移動装置１０とリング７を繋ぐケーブル、１２は真空容器１から空気を吸い出す吸引口、１３は真空容器１の内部に収納される被加工物である。
【００１２】
筺体２はアルミニウムやステンレス鋼等の一枚の金属板を加工して、側壁４と底板とが継ぎ目なしに一体となった容器状に形成されている。このように構成することにより真空保持能力の非常に高い筐体２を得ることができる。
なお、筺体２は上から見て円形状又は角を丸くした正方形等の多角形状に構成されている。
筐体２の側壁４の上部は筐体２の開口を形成する開口部５を構成しており、筐体２の側壁４を含む本体部分の厚さより薄く形成されている。
【００１３】
蓋３は筐体２の開口を塞ぐように筐体２の形状に対応した形状をしており、金属やガラス等の材料で形成される。蓋３は平板状でも良いが、図のように中央部分を山型にしても良い。
【００１４】
リング７は開口部５の外周と同じ形状で、常温において開口部５の外周より僅かに小さい内周を持っており、ステンレス鋼や炭素鋼等の金属で作製される。
【００１５】
図１で、真空容器１の蓋３を開閉して中に被加工物１３を出し入れする場合について説明する。
真空の雰囲気中で加工を必要とする被加工物１３は、蓋３が取り外されて空いた開口から、筺体２の内部に入れられる。
この時点では、筺体２の内部の気圧は１気圧である。
【００１６】
その後、蓋３が開口部５に挿入される。蓋３と開口部５の内周との間の隙間は、所謂嵌め合いと称されている程度に小さいものにされている。
隙間が小さいとしても、隙間があるから真空容器１内の気圧を真空にすることは不可能である。そこでリング７を用いてこの隙間を無くす。
【００１７】
リング７の内周は常温では、開口部５の外周より少し小さく作られている。このリング７を加熱器８で加熱して膨張させる。リング７が高温になって、その内周が開口部５の外周より大きくなったら、開口部５の外側まで移動装置１０によってリング７を移動させる。
この際、加熱装置８もリング７と共に移動する。
【００１８】
加熱器８はリング７の近くに設け、熱源としては電気（電熱器、赤外線ランプ等）を用いるのが一般的である。またリング７の内部又は外部に絶縁物を介してリング７に密着させ、リング７と加熱器８とを一体化するのも操作が簡単になり、良い方法である。リング７の内部の場合は電熱線を埋め込むことになる。
【００１９】
リング７が開口部５の外側まで来て開口部５の外周に嵌めこまれると、移動装置１０は停止し、その場所にリング７を保持する。そうするとリング７は自然冷却によって温度を下げる。
自然冷却によらずに、冷却器９でリング７を冷やしてその温度を下げることも良い方法である。
【００２０】
冷却器９としては、適当なファンで空気を吹き付けたり、或いは水等の液体を霧状にして吹き付けるようなものが適している。冷却器９を用いる時は、リング７の温度低下がリング７の全周に亙って一様に下がるようにすることが大切である。
常温近くまで温度を下げられたリング７は、温度の低下に伴い収縮する。
【００２１】
もともとリング７の内周は開口部５の外周より小さく作られているから、リング７はその収縮の過程で開口部５を締め付けるようになる。
その締め付ける力はリング７の材料の線膨張率と、リング７を熱する温度、両方の材料のヤング率、形状等によって定まるが、開口部５の外周１ｍｍ^２当たり数キログラムから数１０キログラムの圧縮力は容易に得られる。
この圧縮力により開口部５の内周と蓋３の垂直部分６とが密着して隙間が無くなり、高度の真空封止が完成する。
【００２２】
リング７には引っ張り強度が強い金属が適している。その中でも頑丈さから選定して炭素鋼やステンレス鋼が適している。
これらの材料の線膨張率は、２０℃〜２００℃の間での平均値で、炭素鋼が１２×１０^−６、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）は１６×１０^−６位である。
例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を２００℃温度上昇させると、１ｍにつき約３．２ｍｍ膨張する。このように膨張すると、常温では開口部５の外周より小さい内周を持つリング７でも容易に開口部５の外周より大きい内周を持つようになり、開口部５の外周に嵌め込むことができる。
【００２３】
ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）をリング７に用いると、その熱伝導率が炭素鋼の１／３位であるから、移動装置１０によって移動中でのリング７の温度低下が少なく、本発明の装置に適している。
蓋３の垂直部分６とこれに対応する開口部５の内周面の両者の表面をきれいに鏡面仕上げにして置き、開口部５の材料として銅や錫等の柔らかい金属材料を用いると、前記のリング７の締め付け力だけで、完全な真空封止を完成出来る。
【００２４】
真空封止が完成したら吸引口１２から、真空ポンプを用いて筺体２の内部の空気を抜いて、真空を作る。
そこで、被加工物１３にスパッタリングのような真空中で加工をした後、被加工物１３を外に出すには、加熱器８でリング７を加熱膨張させ、リング７の内周が開口部５の外周より大きくなったら図示してない取っ手等を利用して蓋３を外し、中の被加工物１３を取り出せば良い。
なお、この際、リング７及び加熱器８を筐体２から取り外して移動装置１０により移動させることもできる。
【００２５】
移動装置１０は、ケーブル１１を巻き上げ、ケーブル１１に繋がるリング７（及び加熱器８）を動かして開口部５の所に持って来るための物であるが、その目的は蓋３の開閉操作を行う時以外には、リング７を常に筺体２の開口部５から離しておくためのものである。
これによって、蓋３を開閉するときだけにリング７を開口部５の外側に持って来て、加熱器８に通電してリング７の温度を上げ、蓋３の開閉を行い、その他の時は通電を断って節電することが出来る。
【００２６】
なお、図１で、蓋３は中央部分が高くなった山型に形成されている。蓋３をこのような形にすると、真空容器１の内部を真空にした場合、蓋３にかかる大気圧によって、蓋３の周辺部では矢印で示したような外向きの力が発生する。この力が、リング７が開口部５を締め付ける力と対向して、蓋３と開口部５との締め付け力を増大させる長所を生ずる。
また真空容器１の内部を大気圧に戻した場合、蓋３の外周部の寸法がやや縮んで、蓋３の取り外しを容易にする利点もある。
【００２７】
図２は筺体２と蓋３とを結合する所での蓋３の外周部と開口部５の構造を示す一部拡大断面図で、（ａ）はガスケットの無い場合、（ｂ）はガスケットのある場合を示す。２１はガスケットで、２２はガスケット用の溝である。
通常用いられるガスケットを開口部５と蓋３との間に挿入して、開口部５と蓋３の両者に要求される面仕上げの程度を緩和するのも良い方法である。開口部５と蓋３との間にガスケットを挿入する場合は、開口部５の材料として銅より堅い炭素鋼等も用い得る。
【００２８】
ガスケット２１として、ゴムガスケットを使用する場合、溝２２の断面積はガスケット２１の断面積とほぼ同じにする。
またゴムガスケットを使用する場合は、ゴムガスケットが溶融しないうちに冷却器９を使用してリング７を急速に冷却する必要がある。
【００２９】
リング７を特に高温にする場合、その温度と使用する頻度によっては、冷却器９を用いてもゴムガスケットを使用できない。このような場合は金属中空Ｏリング又は商品名ヘリオスタットと呼ばれる中空Ｏリングがガスケット２１として推奨される。
【００３０】
図２で、開口部５の所の厚さｔ１は筺体２の側壁４を含む本体部分の厚さｔ２より小さくして、その厚さを減らしている。
筺体２は内部が真空になった時に、大きな大気圧による圧力を受けるので、その圧力に耐えるために、その厚さｔ２は一般的には相当厚いことが要求される。
【００３１】
しかし開口部５の所では、内部に機械的強度が高い蓋３が挿入されるので、この部分では厚みを要求されない。むしろリング７で締め付けられた時に、蓋３と密着するためには、厚みは薄くして柔軟性を持たした方がより効果が大きい。
このような理由で開口部５の部分の厚みは、筺体２本体部分の厚さより薄くされているのである。
【００３２】
図２で、リング７は開口部５の上端に近い所に設置されており、その下端は図示したように、筺体２の厚い本体部分の上端より距離ｄだけ上部に位置するようにされている。
これは加熱器８を移動させずに、常に開口部５の上端に配置しておき、そこで加熱、冷却を行うようにした時に、蓋３を取り去って開口部５の所に蓋３が無い場合、リング７が冷えて収縮する時に、リング７と側壁４の厚い部分との間で開口部５が挟まれて大きな剪断応力を受けないようにするためである。
【００３３】
以上のように第１の実施形態によれば、常温において開口部５の外周より小さい内周を持つ金属製のリング７を加熱膨張させて開口部５の外周に嵌め込み、冷却させて開口部５と蓋３とを真空封止するので、簡単な操作で高真空を維持でき、また、リング７を加熱膨張させることにより簡単に蓋を開けることが出来る。
【００３４】
図３は本発明の第２の実施形態を示す断面図で、３１は内部筺体、３２は外部筺体、３３は内部筺体３１の底板、３４はその側壁である。
第２の実施形態では、筺体を、一枚の金属板で底板と開口部５を有する側板とを一体化して作った金属板製の真空を保持するための外部筺体３２と、大気圧に耐えるために頑丈に作られた内部筺体３１とに分けて、二重構造に構成する。その他は第１の実施形態と同じである。
【００３５】
内部筺体３１を構成する底板３３と側壁３４は、プレス或いはダイキャスト等によって一体となって形成されのが普通であるが、異なる材料等によって別々に作っても良い。いずれの場合も、その強度は大気圧に十分に対抗出来るように板厚を厚くして丈夫に作られているが、必ずしも気密性を持っている必要はない。その材料には一般的には金属が用いられるが、ガラス等で作ることもできる。
【００３６】
外部筺体３２は内部筐体３１の外部に沿って設けられる真空封止用のもので、比較的薄い、例えば１ｍｍ前後位の厚さの金属板をプレス等で一体に作られ、その側壁上部は開口部５を形成している。
外部筺体３２の役目は筺体の内部を真空に封止することであって、大気圧に耐えられるような強度を持っていないから、その大半は大気圧によって内部筐体３１に隙間なく押し付けられて、その側壁上部の開口部５は第１の実施形態と同様にリング７によって締め付けられた時に、筺体の気密性を確保する。
【００３７】
開口部５は蓋３とリング７の間に挟まっており、リング７の締め付け力によって蓋３に強く密着して真空封止をしている。外部筺体３２の役目はリング７の締め付け力を生かして真空封止を完成することにあるので、内部筺体３１のように頑丈に作られてはおらず、リング７の締め付け力を生かすように柔軟に作られている。
外部筺体３２は一枚の連続したアルミニウム等の金属板で構成されているから、その真空保持能力は完全である。
【００３８】
このように筺体を二つの部分に分けて作り、二重構造にすることによって、大気圧に耐えるように頑丈に作られる内部筺体３１と、リング７の締め付け力を有効に活用するために柔軟に作られる開口部５を持ち、全体として真空保持の役目をする外部筺体３２とを、その目的に合わせて合理的に作れるようになり、その二つの組み合わせで大型の真空容器も容易に作ることが出来ると言う利点が生ずる。
【００３９】
内部筺体３１は大気圧に耐える強度を持っているだけで、真空保持の能力は無くても良く、材質に対する要求は第１の実施形態の場合より緩和され、多孔質の材料や柔軟性のない材料でも使えるので、例えば陶器や磁器、ガラス等も使用できる。
【００４０】
以上のように第２の実施形態によれば、第１の実施形態の効果に加えて、板厚を厚くした内部筐体３１と板厚を薄くた外部筐体３２とで筐体を構成するので、大型の真空容器を容易に作ることが出来、内部筐体３１の場合には材質についての要件が緩和される。
【００４１】
図４は第３の実施形態を示す断面図で、４１は内部側板、４２は外部筺体である。内部側板４１は図３の内部筺体３１の代わりに用いるもので、図に示すように、板厚の厚い材料でリング状に形成され、図３の底板３３が無く側板３４だけになったものに相当する。
内部側板４１は、薄い金属で出来た外部筺体４２が大気圧に押し潰されないように用いられるもので、大気圧に十分対抗出来るだけの機械的強度を持たせておく。
しかし真空保持の役目は持っていないから、使用材料には図３の内部筺体３１と同じく多様なものを用い得る。
【００４２】
外部筺体４２は図３の外部筺体３２とほぼ同じ材質と構造をもっており、外部筺体３２と同じく真空封止を目的としたものである。
図４の場合、外部筺体４２は大気圧に押されて筺体の内部に沈み込んだ形になっているが、筺体の大きさ、例えば半径があまり大きくない場合には、この沈みこみ量もあまり大きくなく、このような場合は材料を節約できるので有用である。
【００４３】
以上のように第３の実施形態によれば、第２の実施形態の効果に加えて、内部側板４１と外部筺体４２とで筐体を構成するので、材料を節約することが出来る。
【００４４】
なお上記した実施形態において、蓋３を透明なガラスで作ると真空容器１はそのまま真空平板式太陽熱収集装置の安価な真空容器として適したものになる。
太陽熱収集装置の真空容器として用いる場合は、リング７は製造時に一度だけ加熱されて、真空封止のために用いられ、その後は再び加熱されることは無く、開口部５をガラス製の蓋３に締め付けて真空封止を長く維持するためにその位置に係合されたまま使用される。
【００４５】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、リングを加熱膨張させて開口部の外周に嵌め込み、冷却させて開口部と蓋を真空封止するので、簡単な操作で高真空を維持出来る。
また、リングを加熱膨張させることにより簡単に蓋を開けることが出来る。
更に、筐体を二重構造にすることにより、構成材料を多様化出来るとともに、大型の真空容器も容易に安価に製作することが出来る。
また、真空容器を真空式太陽熱収集装置に適用した場合には、真空平板式太陽熱収集装置を容易に且つ安価に製造できて、その経済的効果は著しい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】蓋と開口部を説明する一部拡大断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１真空容器
２筺体
３蓋
４側壁
５開口部
６垂直部分
７リング
８加熱器
９冷却器
１０移動装置
２１ガスケット
３１内部筺体
３２，４２外部筺体
４１内部側板

Claims

開口を有し、前記開口を形成する側壁上部の開口部を持つ筺体と、
前記開口部に挿入される蓋と、
常温において前記開口部の外周より小さい内周を持つ金属製のリングとを備え、
前記リングを加熱膨張させて前記開口部の外周に嵌め込み、冷却させて前記開口部と蓋とを真空封止することを特徴とする真空容器。
前記リングを加熱膨張させるための加熱器を備えたことを特徴とする請求項１記載の真空容器。
加熱膨張させられた前記リングを、前記開口部の外周に嵌め込んだ状態で強制的に冷却する冷却器を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の真空容器。
前記開口部の厚さを前記筺体の本体部分の厚さより薄くしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の真空容器。
前記蓋を中央部分が高くなった山型に形成したことを特徴とする請求項１〜４記載の真空容器。
前記加熱器を、前記リングの内部又は外部に絶縁物を介して電熱線を密着させて構成し、前記リングと一体にしたことを特徴とする請求項１〜５記載の真空容器。
前記開口部と、前記開口部に対向する前記蓋の垂直部分との間にガスケットを設けたことを特徴とする請求項１〜６記載の真空容器。
前記筐体を、板厚を厚くした内部筐体と、前記内部筐体より板厚を薄くした外部筐体とで構成したことを特徴とする請求項１〜７記載の真空容器。
前記筐体を、板厚を厚くしたリング状の内部側板と、前記内部側板より板厚を薄くした外部筐体とで構成したことを特徴とする請求項１〜７記載の真空容器。
前記開口部を軟らかい金属で形成し、前記リングを炭素鋼又はステンレス鋼で形成したことを特徴とする請求項１〜９記載の真空容器。
真空式太陽熱収集装置用として、前記蓋を透明なガラスで形成したことを特徴とする請求項１〜１０記載の真空容器。