JP5801118B2 - 真空容器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は一般の真空容器及び加速器システムに使用される導波管等の真空容器の製造方法に関する。

加速器システム等に用いられる導波管は高周波電力を伝達するための装置であり、その内部は真空に保たれ、電力損失や放電などを起こすことなく大電力を伝達することが求められる。

従来の導波管の製造方法を図９〜図１３により説明する。導波管の素材としては銅のように熱伝導率・電気伝導率が高いものが使われている。このような素材を用いて大径の導波管の製造する際、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接やＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接では板厚の関係から多層溶接となり入熱量が大きくなり導波管の歪みが大きくなってしまう。このため比較的安価であり歪みが少なく高品質であるという理由から、図９のように上下板１と一対の側板２を組み合わせ電子ビーム溶接で接合し導波管形状とする方法が一般的に採用されている。

しかしこの方法では導波管の内面側に図１０に示すようにスパッタ１５が飛散付着したり、図１１に示すように角部に口開き部１６が発生したり、又は図１２に示すように導波管全体が歪むなどの課題があった。このため電子ビーム溶接後に導波管を矯正する必要があり、やすりなどで内面側の手入れをするなどして内面の平滑性と形状精度を出す作業を行っているが、品質及びコストの面で問題があった。

一方、電子ビーム溶接以外の方法として特許文献１乃至３に示すような種々の溶接方法も提案されている。
例えば、特許文献１では摩擦攪拌接合が用いられているが、この方法では接合時に強固な固定が必要であることから製品形状に制約があるという短所がある。また、摩擦攪拌接合には裏当てが必要となるが、導波管内面側に裏当てを設置する際に導波管内面を傷つける可能性が高まる。さらに形状に合致した裏当てが必要となることから精度の高い製造工程が必要となり、また、高コストとなる。

また、特許文献２ではメッキによる製造法が用いられているが、このような構造では長時間の運転による負荷にメッキが耐えられず剥がれ等が起こって放電の要因になってしまう。

さらに、特許文献３では引き抜き加工法及びブローチ加工法を用いているが、この方法ではブローチ加工で用いる刃物の製作の必要性から少量の製作では高価になり、また直線形状しかできないなど汎用性に欠ける。さらに真空用機器に油を使うことは品質上のトラブルとなるため、油の使用は好ましくないが、それによって切削性が大きく落ちるので被削物の材質によっては平滑な表面が期待できない。

他に押し出し加工法などによっても導波管は製造されているが、この場合板厚が薄く小径かつ直線形状のものなど使用範囲が限定されていて高周波加速空洞等で要求されるような大電力の伝達には適さない。

また、一般の真空容器の製造方法において、例えば厚板（板厚８５ｍｍ程度）のインバー材などを溶接し容器形状とする際には、図１３のように容器の外側から電子ビーム溶接やレーザー溶接を行い、容器内面側をＴＩＧ溶接などでシールしているのが一般的である。

しかしこの方法では内面側を溶接することになり高コストになるほか、内面側を溶接する際に容器に傷をつけてしまうリスクがある。このため外面側一方向から溶接しスパッタによる飛散がなく滑らかな裏面を形成させることが望ましいが、インバー材など溶融金属の粘性が高い金属に対しては図１３に示すような開先形状や板組構造を用いた施工法では非常に困難であった。

特開２００１−２３７６２１号公報 特開平７−５８５２７号公報 特開平８−２１３８１２号公報

上述したＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、電子ビーム溶接等を用いた溶接によって導波管等の真空容器を製造する際の課題についてさらに詳しく説明する。

溶融接合で導波管を製作した場合、不具合の要因として大きく３点が挙げられる。
第１は導波管全体の歪みである。溶融接合による入熱により加熱・冷却時において板が歪んでしまう。これにより導波管に要求される高い寸法精度や形状精度が得られないという問題がある。このため、完成した導波管を組み合わせ回路とする時にガスケットの厚さの調整や導波管を矯正するなどの施策をとり時間を費やし位置あわせをしているのが現状である。

第２は溶融接合により発生するスパッタが導波管内面側に付着することにより急激な形状変化が生まれ、放電の原因となってしまうことである。また導波管内面に不連続や形状変化の多い裏波が出た場合も放電の原因となってしまう。導波管においては内面の平滑性という問題は極めて重要な問題となる。

第３は溶接の融合不足や開先の形状不良等の理由により発生する導波管内面の口開きである。これによっても放電が起こってしまうほか、切り欠きが存在するために応力の集中が発生し、強度低下の原因となってしまう。一般的にこのような切り欠きが存在する場合、フィレットがある場合のように連続的で滑らかな形状変化である場合と比べ強度が低下する。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、上述した３つの主要な課題を解決し高品質かつ低コストの真空容器の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明に係る真空容器の製造方法は、上下端部に傾斜段部が形成された一対の側板と、左右端部に傾斜段部が形成された上下板からなる真空容器の製造方法において、前記側板と上下板の接合面に形成された傾斜開先面及び水平開先面に対し、当該傾斜開先面にクロスする方向から前記傾斜開先面と水平開先面を溶接により接合することを特徴とする。

本発明によれば、上下板と側板を段部により接合することにより、外側からの溶融接合のみで、歪みが小さく、形状精度が高い、低コストの導波管等の真空容器を製造することができる。

（ａ）は第１の実施形態に係る製造方法を示す図、（ｂ）は溶接部の拡大図。 第１の実施形態に係る製造方法の変形例を示す図。 第２の実施形態に係る製造方法を示す図。 第２の実施形態に係る製造方法の変形例を示す図。 第３の実施形態に係る製造方法を示す図。 第４の実施形態に係る製造方法を示す図。 （ａ）、（ｂ）は第５の実施形態に係る製造方法を示す図。 第６の実施形態に係る製造方法を示す図。 従来の製造方法を示す図。 従来の製造方法を示す図で、容器内面にスパッタが付着した例を示す図。 従来の製造方法を示す図で、容器内面に口開き部が形成された例を示す図。 従来の製造方法を示す図で、容器に歪みが生じた例を示す図。 従来の製造方法を示す図で、容器内面をシール溶接した例を示す図。

以下、本発明に係る真空容器の製造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態では真空容器として導波管の製造方法について説明するが、一般の真空容器にも適用できることはもちろんである。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る導波管の製造方法を図１により説明する。
本第１の実施形態に係る導波管は、図１（ａ）、（ｂ）に示すとおり、上下板１と一対の側板２からなり、一対の側板２の内側上下に所定幅の段部を設け上下板１をこの段部に嵌合する構成となっている。これにより開先面は接合面の垂直部（垂直開先面ａ）と水平部（水平開先面ｂ）に形成される。

具体的な実施例として、上下板１と側板２の板厚は約１０ｍｍで、基材は無酸素銅ＣＬＡＳＳ１等の導電性が高くガスの発生が低いものを用い、垂直開先面ａの先端から導波管内面側までの距離は約３ｍｍとした。この構造で溶融接合又ははんだ・ろう付等の接合を実施した。３は溶融部である。

また、接合に際しては、上下板１の両端面からそれぞれ垂直開先面ａと水平開先面ｂの一部を含むように実施した。これにより、垂直開先面ａと水平開先面ｂの両方が含まれるように接合するため、全体の変形を抑制するとともに、強固な構造の導波管を得ることができる。なお、水平開先面ａの部分のみを接合しても同様の効果が得られる。

その結果、図１０〜図１３に示す従来例では接合時の応力に対し変形をおさえる機能がなく歪み易い形状となったり、スパッタ、口開き部等が発生するのに対し、本第１の実施形態では、接合時の応力の一部を側板２に受けさせることができるため、全体の変形を抑制することができる。

また、上下板１は溶接時の変形を側板２が抑える構造になっており、特に内面側角部において直角形状を保ち易い構造となることから角部の口開きや歪みを防止することが可能となるとともに、容器内面にスパッタが付着するのも抑制することができる。

また、第１の実施形態の変形例では、図２に示すように、上下板１と側板２の接合部に凹凸部４を設けている。これにより内面側角部がさらに強固に密着し、口開きを防止することができるほか導波管の矩形形状を保ち易い構造とすることができる。

以上説明したように、本第１の実施形態によれば、上下板及び側板の接合面を、段部を用いた嵌合構造として溶接接合を行うことにより、従来のものと比較し全体的な歪みが小さく、内面側角部の形状を保つことが可能な導波管を製造することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る導波管の製造方法を図３、図４により説明する。
本第２の実施形態では、図３に示すように、一対の側板２の上下端部に傾斜段部を形成するとともに、上下板１の左右端部にも傾斜段部を形成することにより、上下板１と一対の側板２の接合面を傾斜段部構造としている。開先面は傾斜部（傾斜開先面ｃ）と垂直部（垂直開先面ａ）に形成される。

これにより接合時の歪みを抑制し、また内面側角部をより強固に密着させる方向に応力を向けることが可能となる。また、内面側角部が強固に密着するので、口開きを防止することができるほか管の矩形形状を保ち易い構造とすることができる。

また、第２の実施形態の変形例として図４に示すように、傾斜開先面ｃの溶接と当該傾斜開先面ｃにクロスし垂直開先面ａを含む溶接を併用することにより、溶接接合時の歪みをさらに抑制し、内面側角部をより強固に密着させる方向に応力を向けることが可能となる。
これにより内面側角部が強固に密着し、口開きを防止することができるほか導波管の矩形形状を保ち易い構造とすることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る導波管の製造方法を図５により説明する。
本第３の実施形態では、図５に示すように溶融部３の両端近傍に溝部５を設け、強度的に弱い部分をあえて形成することにより、溶接接合時にその部分で歪みを吸収し、全体の歪みを防止する。
これにより導波管の矩形形状をさらに保ち易い構造とすることができる。

（第４の実施の形態）
第４の実施形態に係る導波管の製造方法を図６により説明する。
本第４の実施形態では、図６に示すように側板２と上下板１との接合面に凹部６を設け、接合時に上下板１と側板２の内面接合部がより強固に密着し易い構造とする。
これにより導波管の矩形形状を保ち易い構造とするとともに、内面側角部における口開きの発生を防止することができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態に係る導波管の製造方法を図７（ａ）、（ｂ）により説明する。
本第５の実施形態では、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、側板２と上下板１との接合面において、側板２又は上下板１のいずれかに凹部７を設け、その部分に、はんだ材・ろう材等からなる溶融材８を配置した後に導波管を組立て、溶接する。

この時の溶接時の入熱により、凹部７内に配置された溶融材８は溶融し、図７（ｂ）のように接合面の空隙を補填する。その際、溶融材８の選定と接合条件を調節することによりフィレット部９を形成することも可能である。

これにより容器の内面側が確実にシールされ、例えば、真空容器等に必要とされる内面側のシール溶接が不必要となりコストを大幅に減らすことができると同時に内面側での作業がなくなることから内面側を傷つけてしまうという品質リスクを回避することが可能となる。

また、接合面の空隙がなくなることにより、空気溜まりもなくなるため、真空に引く時間の短縮や、導波管内への不純物質の混入防止の効果も有する。また、フィレット部９が形成されることにより、接合面の強度が低下するというリスクを回避することができる。

一般的にはこのような接合方法は従来別々の工程で実施されているが、本第５の実施形態によれば、垂直開先面ａ及び水平開先面ｂの溶接と、接合面のシールを同時に実施しているため、工程の短縮化と低コスト化を実現することができる。また、リードタイムも短縮することができる。

例えば、従来の方法では溶接前後に内部の真空ろう付を行うとすると、真空引き、昇温、ろう付、冷却と真空加熱炉内での拘束時間が長い。特に対象物が大きくなればなるほどこの拘束時間は長く、かつ大きなものが入る真空加熱炉も別途必要となってしまう。しかしながら、本第５の実施形態によればこれらの問題を回避することが可能となる。

（第６の実施の形態）
第６の実施形態に係る導波管の製造方法を図８により説明する。
本第６の実施形態では、図８に示すように、溶融部３の両端近傍に冷却パイプ等の冷却構造体1０を溝部１１内に配置するとともに、溝部内にはんだ材・ろう材等の溶融材（図示せず）を配置する。
これにより、導波管を溶接する際の入熱を利用して冷却構造体１０を溝１１内に固着することができる。なお、冷却構造体１０は、導波管を冷却するために設置される。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…上下板、２…側板、３…溶融部、４…凹凸部、５…溝部、６…凹部、７…凹部、８…溶融材、９…フィレット部、１０…冷却構造体側板、１１…溝部、１５…スパッタ、１６…口開き部。

Claims (2)

1. 上下端部に傾斜段部が形成された一対の側板と、左右端部に傾斜段部が形成された上下板からなる真空容器の製造方法において、
   前記側板と上下板の接合面に形成された傾斜開先面及び水平開先面に対し、当該傾斜開先面にクロスする方向から前記傾斜開先面と水平開先面を溶接により接合することを特徴とする真空容器の製造方法。
2. 前記上下板の上下面に形成される溶融部の両端近傍に溝部を設け、当該溝部内に冷却構造体と溶融材を配置したことを特徴とする請求項１記載の真空容器の製造方法。

Images