JP6231835B2 - 空洞管の電解研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は空洞管の内面を電解研磨するための電解研磨装置に関する。

陽電子と陰電子を衝突させ、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。リニアコライダを用いた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。

ニオブ空洞管を研磨する方法としては、化学的に研磨する方法（以後「化学研磨」と称す）及び電気化学的に研磨する方法（以後「電解研磨」と称す）の２種類が知られている。

化学研磨法は、空洞管全体を電解液に浸漬するので、作業自体は簡便であるものの、本来不要な空洞管の外面まで研磨され、液の不要な汚染や老化・劣化を促し、また研磨対象物の浸漬方向によって研磨量に著しい差異を生ずるという問題がある。 また、発生するガスが空洞管の形状によっては、その内表面に付着して研磨状態を損ねる等難点が多い。

電解研磨については以下のような例がある。

特公昭５５−１２１１６号には、ニオブの空洞管の両端開口部を水平にした状態で、フッ酸、硫酸、水からなる電解液中に空洞管の下半分を部分浸漬して、停止状態で短時間通電して部分電解研磨し、次いで通電を停止したのち回転させ、酸化膜を溶解除去することを何回も繰り返して行う間歇的な電解研磨が開示されている。

この方法も本来、研磨を必要としない空洞管の外面をも同時に研磨することになり、空洞管の不要な溶解ロスが発生するとともに、電解液が不要に消耗し、また汚染することになる。また、研磨が間歇的であることによる、研磨段差が発生し、加えて、揮散性が高く有害なガスを発生するフッ酸と、発熱性の高い硫酸を扱う極めて危険性の高い作業となっている。

特開昭６１−２３７９９号に開示の発明は、ニオブの空洞管を回転させながら、通液パイプに連通する吹出孔から電解液を送液し、部分浸漬状態で連続電解しようとするようになっている。この構成で、研磨時間の短縮が計れると同時に無駄にニオブ材の溶解を起こさず、従って、電解液の不要な汚染や消耗が抑制されることになる。

しかながら、通液パイプに設けた吹出孔を電解液中に開口して、電解液を貯留した電解液中に吐出させるようにしているので、電解液の流速の差が研磨の状態に現れ、ニオブの空洞管の内面に研磨外観ムラを生じるという問題があった。

特開平１１−３５０２００に開示の発明は、基本的に上記特開昭６１−２３７９９号に開示の発明と同じであるが、前記通液パイプに設けた吹出孔を、研磨される側と反対側である電解液の上側に開口させて、貯留した電解液に直接電解液が流れ込まないようにして、研磨の均一化を図ろうとしている。

特開昭６１-２３７９９ 特開平１１−３５０２００

空洞管の内面の研磨に電解研磨を使用する場合、発生ガスの処理を適切にしないと、ガスに触れた部分が白濁したり、逆に黒く汚れたりする。特に、本願が主として対応しようとしているリニアコライダの加速器としての空洞管は周期的に内径が変化する構造であり、横向きの状態で電解研磨する場合はもちろん、縦向きに電解研磨する場合であっても内部にガスが滞留しやすい形状となっている。

上記した従来の電解研磨方法はいずれも、空洞管は横向きになっており、明らかにガスが滞留する構造であり、滞留したガスをどのようにして外部に逃がすのかが明らかになっていない。

本願出願人は、国際出願ＪＰ２０１３-０６８５９３号で、前記空洞管を縦にした状態で電解研磨できる電極を、それを用いた電解研磨装置とともに開示している。

これによると、電極は空洞管の内面に沿った形状に変化する翼を持つので、内面を高精度に研磨することができるようになっている。この場合、空洞管は縦に設置するようになっているので、前記各従来技術より空洞管の内部でガスが滞留することは軽減される。しかしながら、空洞管は周期的に内径が変化しているので、この観点からは発生するガスは内部に滞留する確率が高く、しかも内部に滞留したガスは外部から目視することができないので研磨の質を著しく低下させる懼れがある。

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、電解研磨時に発生するガスを空洞管の内部に滞留させず、かつ、ガスが発生したときにはそれを検知して電解液の循環量や研磨電流を制御できる電解研磨装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、空洞管の内面を、軸方向に挿入された電極によって電解研磨する電解研磨装置を前提とする。

前記電解研磨装置において、前記空洞管の上端に、所定高さの位置に液循環口が設けられた液導出室が設けられる。液循環手段で前記空洞管の下端から空洞管に電解液を注入し、さらに、空洞管から液導出室の前記液循環口を介し電解液を循環させる。泡検出手段は、前記液導出室の液循環口付近の喫水線から上の位置に滞留する泡を検出する。制御手段は、前記検出された泡の状態に応じて泡の発生状態を制御する。すなわち、電解に使用している電圧あるいは循環している電解液の流量を制御する。

前記泡検出手段は、液導出室の喫水線の上側の光の透過を検出する光センサを用いるのが好ましい。

電解研磨中に電解液に発生するガスは泡の形態となる。上記構成によって、電解液に泡が発生すると、電解液が空洞管を下側から上側の液導出室に循環しているので、前記発生したガスは液導出室の喫水にまで上昇することになる。従って、前記喫水線位置に泡が滞留すると光センサが働くことになる。これを受けて制御手段で、電解液の循環速度を大きくする、あるいは、電解電流を小さくする等の制御がなされ、ガスの滞留がない状態が維持できる。

本発明の装置の主要部を示す側面図 本発明の装置の全体を示す側面図 本発明に使用する単位の電極 本発明に使用する電極の全体図 空洞管の全体図

図１は本発明に係る装置を用いて、空洞管の電界研磨をしている状態を示す図である。

基台１０上に、架台１１が設けられ、当該架台１１の上側に、研磨対象物である空洞管１００が一方のフランジ１０１ａを利用して固定される。当該架台１１の下側には、空洞管と通液性を保って液導入室１４が設けられ、当該液導入室１４には電解液が電解液タンク１５からポンプ１６を介して供給され、さらに、当該液導入室１４を介して架台１１上に載置された空洞管１００の内部に導入できるようになっている。

この状態で、電極２０が空洞管１００の上端から差し込まれる。この電極は所定の太さの棒状であってもかまわないが、ここでは国際出願ＪＰ２０１３-０６８５９３号に開示する電極を使用しており、当該電極２０自体の構造および差込方法については後に説明する。

上記電極２０が挿入された後に、空洞管１００の上側のフランジ１０１ｂ上に透明の液導出室１９が取り付けられる。この液導出室１９は図２に示すように所定高さの上底を備えた空洞よりなり、前記所定高さの半分程度の位置に、以下のように循環する電解液が排出される循環口１９１が設けられる。当該循環口１９１は排出される電解液を電解液タンク１５に戻す循環ホース１９２に連通する構成となっている。

上記循環口１９１の位置は、電解液の喫水線となり、当該喫水線に対応して、径方向の一方の外部から発光素子４０ａで発光し、他方側で受光素子４０ｂで受光する光センサ４０が設けられる。電解処理中に泡が発生すると、喫水線より上に浮上して滞留することになり、前記光センサ４０は当該泡の存在を検知することができる。

この光センサ４０の出力は制御手段５０に入力され、泡の発生を検出したときは、後述する泡の発生を抑える制御をすることになる。

尚、液導出室１９の上底付近には、ガス排出口１９４が設けられ、電解処理中に発生するガスを、減圧ポンプ８０で引いて排出するようになっている。ガス排出口１９４に対向する側に調整弁８１が設けられ、当該弁の開閉で減圧ポンプ８０での吸引力を調整できるようになっている。また、上記排出口１９１の上側で前記ガス排出口１９４の下側に予備的に第二の排出口１９３が設けられ、過剰な泡が大量に滞留したとき、当該第二の排出口１９３にから、ホース１９５を介して電解液タンク１５に戻すようにしている。

空洞管１００全体は空調カバー６１に収められており、当該空調カバー６１の雰囲気は熱交換機６０で所定の温度に調整さるようになっている。さらに、電解液タンク１５の電解液はチラー７０の冷水によって冷却されるようになっている。更に、本件では国際出願ＪＰ２０１３-０６８５９３号に開示の翼を持った電極を使用しており、当該電極２０をゆっくり回転させる駆動手段１２０が設けられている。

上記の構成で、電解処理の開始前に、給液ポンプ１６で電解液タンク１５から液導入室１４を介して空洞管１００に電解液を充填し、さらに空洞管１００から液導出室１９を介して当該液導出室１９の循環口１９１から循環ホース１９２を介して電解液タンク１５に電解液を循環する。この循環は、所定の流量継続的に行われ、電解液の速度を一定に保持する。

電解が進行して液温が上昇すると、電解反応が激しくなり、空洞管１００の内部で泡のガスが泡の形態で発生する。

液の循環に従って液導出室１９に押し出され、あるいは浮上した泡は前記循環口１９１の近辺の喫水線の上にまで浮上することになり、泡が発生しないとき、あるいは泡が少ないときは前記発光素子４０ａからの光ビームが受光素子４０ｂで受光されることになるが、泡が多くなると発光素子からの光を遮ることになる。

光が遮られたとき、過剰な電解処理をしていることになるので、制御手段５０は泡の発生を抑える制御をすることになる。泡の発生を抑える制御としては、電解電流を少なくすること、ポンプ１６を制御して液の循環量を多くすること、熱交換機６０を制御して空調室６１内の雰囲気温度を下げること、チラー７０を制御して液温を下げること、さらに、減圧ポンプ７０とバルブ７１によって液導出室１９内の圧力を強制的に排出すること等が考えられる。また、本件では国際出願ＪＰ２０１３-０６８５９３号に開示する電極を使用している。この電極の回転速度も泡の発生に関係するところから、駆動手段１２０による電極の回転数の制御によっても泡の発生を制御することができる。上記の少なくとも１つの手段を講じて泡の発生を抑えることによって、電解研磨後の表面を満足できる状態に保つことができる。

空洞管１００内の電解研磨用の電極としては直線上の電極棒を空洞管１００の軸の位置に挿入することも考えられるが、本願出願人は、国際出願ＪＰ２０１３-０６８５９３号で、空洞管を電解研磨するための電極について出願しているので、以下簡単に説明する。

図３は、空洞管１００の１のふくらみに対応した単位の電極２０を示すものである。

電極軸２１に、空洞管１００の膨らみの内形状に対応した単翼２２ａ、２２ｂ・・が少なくとも１枚取り付けられる。当該各単翼２２ａ、２２ｂ・・は可撓性を供え、前記電極軸２１に巻回可能となっている。一方、前記各単翼２２ａ、２２ｂ・・に対応した位置に軸方向にスリット２３ａ、２３ｂ・・が設けられた収納筒２９を用意し、前記スリット２９に前記各単翼２２ａ、２２ｂ・・が挿通された状態で、電極軸２１に前記収納筒２９を嵌挿する。当然のことながら、収納筒２９は電極軸２１に対して径は大きくなり、電極軸２１との間にスペーサ３０が介在される。

これによって、電極軸２１に対して収納筒２９を一方に回転すると、各単翼２２ａ、２２ｂ・・は電極軸２１に巻回され、収納筒２９の内部に収納された状態となる（収納状態）。各単翼２２ａ、２２ｂ・・の先端をスリット２３ａ、２３ｂの先端に少し出した状態で前記収納状態を形成し、ついで、電極軸２１に対して収納筒２９を他方に回転すると、各単翼２２ａ、２２ｂ・・）は電極軸２１から延伸する。各単翼２２ａ、２２ｂ・・は可撓性を備えており、各単翼２２ａ、２２ｂ・・の形状は空洞管１００の内周面の形状に符合するので、前記延伸によって、各単翼２２ａ、２２ｂ・・の周端と空洞管１００の内面の距離は、いずれのポイントでも略一定となり、かつ、電解研磨に適した距離まで近づくことになる（稼動状態）。これによって、所定の電界を掛け、かつ、電極２０をゆっくり回転させると、空洞管１００の内面はむらなく均一に電解研磨が可能となる。

尚、図３では各単翼２２ａ、２２ｂ・・を金属の網体で構成している。当該各単翼２２ａ、２２ｂ・・に可撓性を与えるための構造、あるいは材質の選択は種々あるが、図３では、可撓性をもつ合成樹脂板２２１ａ、２２１ｂ・・を各単翼の基端（電極軸側）から先端に貼り渡すようにしている。更に図３では、各単翼２２ａ、２２ｂ・・の先端の、空洞管１００の膨らみの頂点に対応する位置に周方向に長い補助電極２２０ａ、２２０ｂ・・を設けて、当該膨らみの頂点部分が研磨不足にならないようにしている。

更に、収納状態から稼動状態へまたはその逆の状態に行こうするには、収納筒２９を手で押さえて、摩擦力に抗して電極軸２１を回転させることになるが、電極２０全体を回転させるためには、電極軸２１に弱い回転力を与えることで足りる。

図４は、複数のふくらみを持つ空洞管１００に対応した電極を示すものである。

前記各単翼２２ａ、２２ｂ・・を１組とする翼電極２２が、膨らみの数に対応する数、電極軸２１の軸方向に設けられ、収納筒２９が電極軸２１にスペーサ３０を介して挿入される。このとき、前記各翼電極２２の各単翼２２ａ、２２ｂ・・と、収納筒２９に設けられたスリット２３ａ、２３ｂ・・との関係は前記単位の電極で説明したとおりである。

上記の電極２０を前記架台１１上に設置した空洞管１００の上から同軸に挿入することになるが、挿入に際して、前記収納状態で挿入し、その後、稼動状態にして前記電解研磨を実行することになる。

電解研磨処理が終了後は収納状態にして電極２０を抜き取ることになる。

この電極２０を使用して電解処理をするとき、電極２０は空洞管１００に対してゆっくり回転し、しかも、電解液は所定の速度で循環している。さらに、各単翼２２ａ、２２ｂ・・は電極軸２１を回転させることによって回転している。従って、電解液は螺旋上に回転しながら空洞管１００の内部を上昇するので、空洞管１００の内部でガス（泡）は発生しにくいが、流す電流と電解液の循環速度の関係のバランスが崩れるとガスが泡の形態で発生することになる。

泡が発生すると、前記光センサ４０で検出され、電解電圧、循環する液の流量、電極（翼）の回転速度、空調カバー１６内の温度、液の温度、液導出室の引き圧のいずれかを調整することになる。

本発明において、電解液としては従来と同様の電解液（例えばフッ酸、硫酸、水からなる電解液）が使用されることは勿論である。また、ここで研磨される厚みは、当該空洞管が高速加速器である場合には、５０μm〜１００μmである。更に、研磨時に掛かる電圧は１５Ｖ前後、流れる電流は２０Ａ／ｄｍ^２程度、電極の回転数は５rpm程度、電解液の循環流量は５Ｌ/minである。

また、本願発明に使用する電極は、ニオブの電解研磨だけでなく、種々の金属管の内面を電解研磨するときに使用でき、更に、電解研磨だけでなく、電解メッキにも利用できる。

以上説明したように、本発明は、空洞管の内部の電解研磨の進行にともなってガスが泡の形態で発生したとき、その泡を検出して、電解状態、例えば流れる電流あるいは電解液の循環量を調整するので、空洞管、特にリニアコライザに用いる空洞化の内面を短時間に均一に研磨することができる、産業上の利用可能性は極めて高い。

１０ 基台
１１ 架台
１４ 液導入室
１７ 液導出室
２１ 電極軸
２０ 電極
２１ 電極軸
２２ 翼電極
２２a、２２ｂ・・ 単翼
２３ スリット群
２３ａ、２３ｂ・・ スリット
２９ 収納筒
４０ 光センサ
５０ 制御手段
１００ 空洞管
１９１ 循環口
１９２ 循環ホース
１９４ ガス排出口

Claims (3)

1. 空洞管の内面を、軸方向に挿入された電極によって電解研磨する電解研磨装置において、
   前記空洞管の上端に設けられ、所定高さの位置に液循環口が設けられた液導出室と、
   前記空洞管の下端から空洞管に電解液を注入し、さらに、空洞管から液導出室の前記液循環口を介し電解液を循環させる液循環手段と、
   前記液導出室の液循環口付近の喫水線から上の位置に滞留する泡を検出する泡検出手段と、
   前記検出手段の出力を受けて泡の発生状況を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする空洞管の電解研磨装置。
2. 前記泡検出手段が液導出室の喫水線の上側の光の透過を検出する光センサである請求項１に記載の空洞管の電解研磨装置。
3. 制御手段の制御対象が、空洞管を包む空調カバー内の温度、電解液の温度、前記液導出室の圧力、電解液の循環流量、電解電圧の少なくともいずれか１つである請求項１または２に記載の空洞管の研磨装置。

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