JP6255196B2 - 真空排気方法及び真空排気設備 - Google Patents

Description

本発明は、浸炭処理炉等の処理室を真空排気する真空排気方法及び真空排気設備に関し、殊に、容積が小さい処理室を有する設備において、真空排気時間を短縮することを目的とした真空排気方法及び真空排気設備に関するものである。

鋼材等の被処理体の浸炭処理は、例えば特許文献１に開示されているような浸炭炉で行われる。浸炭炉は、予熱室、浸炭室、冷却室、焼入室等からなる複数の熱処理室を備え、各熱処理室に被処理体を順に移動させながら、予熱処理、浸炭処理、冷却処理、焼入処理等の各工程を連続的に行う。それぞれの熱処理室は、真空引きされた後、所定のガスが供給され、所定の温度で被処理体の熱処理が行われる。

このような浸炭炉では、操業を効率化するために、サイクルタイムを短縮することが求められる。特に、複数の熱処理室間で被処理体の搬送を伴う場合は、それぞれの熱処理室の真空排気時間を短縮させることが、サイクルタイムの短縮において必要である。

従来、浸炭炉を真空引きする真空ポンプは、熱処理室の容積に応じて決められていた。そのため、従来、真空排気能力を向上させるためには、ポンプ台数を増やすかポンプを大型化させており、設備のコスト増大を招いていた。

また、浸炭炉において、被処理体を浸炭炉に搬入または搬出する際には、被処理体を搬送する搬送ユニットが浸炭炉にドッキングし、搬送ユニットと浸炭炉の入口または出口との連結部が真空引きされた後、浸炭炉の扉が開く。この連結部は、容積が数リットル〜１０リットル程度と、熱処理室に比べて極めて小さい。

特開２０１１−７４４３５号公報

上記のような容積の小さい連結部や、各熱処理室を真空排気するために真空ポンプに接続される配管は、従来、真空ポンプの吸気口径と同径のものが用いられていた。これは、真空ポンプの能力を効率良く最大限に発揮させるためであるが、大型の真空ポンプで真空排気を行う際、連結部のように容積の小さい空間の場合、効率が低下することがある。つまり、容積の小さいチャンバーに対して、配管の容積が大きい場合、配管内を真空排気する割合が大きくなり、無駄な排気時間を要する。したがって、この場合、真空ポンプを大型化しても、無駄が増えることになる。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、設備サイズを増大させずに、処理室の容積に応じて真空排気時間を短縮することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、処理室と真空ポンプとが配管で接続され、前記配管を前記真空ポンプの吸気口の径と同径にすると、前記配管の容積が前記処理室の容積以上になる場合の真空排気方法であって、前記吸気口の径よりも小径の配管を用いて前記処理室の真空排気を行うことを特徴とする、真空排気方法を提供する。

前記真空排気方法において、前記吸気口の径よりも小径の配管の径は、前記吸気口の径の２５％〜７５％であることが好ましい。また、前記吸気口の径よりも小径の配管の径は、配管とバルブとの合成コンダクタンスおよび前記真空ポンプの真空排気能力から算出される排気速度が最速になるときの径とすることが好ましい。

また、本発明は、処理室と真空ポンプとが配管で接続され、前記配管を前記真空ポンプの吸気口の径と同径にすると、前記配管の容積が前記処理室の容積以上になる場合の真空排気設備であって、前記処理室に接続する配管の径が、前記吸気口の径よりも小径であり、配管とバルブとの合成コンダクタンスおよび前記真空ポンプの真空排気能力から算出される排気速度が最速になるときの径であることを特徴とする、真空排気設備を提供する。

前記真空排気設備は、浸炭処理炉の熱処理室を真空排気する設備でもよい。

本発明によれば、処理室の容積に応じて真空排気時間を短縮することができるので、熱処理炉等におけるサイクルタイムが短縮されて効率が上がり、コストの低減を図ることができる。

本発明に係る真空処理設備の概要を示す構成図である。 本発明の実施の形態の一例を示す真空処理設備の構成図である。 本発明の異なる実施の形態の例を示す真空処理設備の構成図である。 チャンバーｂの配管径による排気時間を示すグラフである。 チャンバーｃの配管径による排気時間を示すグラフである。 ３種類のチャンバーの配管径による排気時間を比較した説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。

図１は、本発明の真空排気設備１の実施の形態の一例を示し、１台の真空ポンプ２とチャンバー３とが、バルブ４を設けた配管５を介して接続されている。チャンバー３の容積が、配管５の容積（内径×長さ）よりも十分に大きい場合には、配管５の径は、真空ポンプ２の排気口１１と同径のものが用いられるが、チャンバー３の容積が配管５の容積と同じかそれよりも小さい場合には、配管５の径を真空ポンプ２の排気口１１よりも小さくする。このとき、配管５の径は、真空ポンプ２の排気口１１の径の２５％〜７５％の範囲であることが好ましい。２５％未満になると、排気コンダクタンスが大きくなり過ぎて排気時間が長くなり、７５％を超えると、配管５の容積を小さくする効果が低い。

本発明者らは、真空ポンプ２とチャンバー３とを接続する配管５の径を小さくすることにより排気コンダクタンスが上昇しても、配管５の容積を小さくすることで、真空排気時間の短縮が可能であることを見出した。以下、コンダクタンスを考慮した真空排気速度の算出方法の例を説明する。

先ず、配管５のコンダクタンスＣ_２４（Ｌ／ｍｉｎ）を、株式会社アルバック編「真空ハンドブック改訂版３ Ｐ．４１」に記載された以下の式（１）で求める。
Ｃ_２４＝１３４９＊（ｄ^４／Ｌ）×（Ｐ_１＋Ｐ_２）／２ （１）
ｄ：配管径
Ｌ：配管長
Ｐ_１：上流側圧力
Ｐ_２：下流側圧力

次に、式（１）の結果を用いて、配管５とバルブ４の合成コンダクタンスＣ（Ｌ／ｍｉｎ）を、株式会社アルバック編「真空ハンドブック改訂版３ Ｐ．３６、図７．５−ａ」に記載された以下の式（２）で求める。
１／Ｃ＝１／Ｃ_１＋１／Ｃ_２４ （２）
Ｃ_１：バルブのコンダクタンス（バルブのメーカーから取得）

以上の計算結果を用いて、真空配管系全体の真空排気速度Ｓ_１（ｍ^３／ｓｅｃ）は、株式会社アルバック編「真空ハンドブック改訂版３ Ｐ．３８」に記載された以下の式（３）で求められる。
１／Ｓ_１＝１／Ｃ＋１／Ｓ_０ （３）
Ｓ_０：真空ポンプの真空排気能力（メーカーから取得）

式（３）で求められる真空排気速度Ｓ_１が、設備の操業において好ましい目標値になるように、配管５の径ｄを決定する。尚、実際の排気時間を正確に算出するために、任意の径の配管で実測したコンダクタンスと、上記式（２）を用いた合成コンダクタンスＣの計算値との比から係数を求め、計算値に係数を掛けた値をコンダクタンスとしてもよい。

配管５を真空ポンプ２の排気口１１と同径にすると、配管５の容積がチャンバー３の容積よりも大きくなる場合、あるいは、チャンバー３の容積に対して配管５の容積が極めて大きい場合、真空ポンプ２の排気口１１よりも小さく、且つ上記の計算で求められる、排気時間が最も短縮される径ｄの配管５とすることが有効である。

図２は、本発明の異なる実施の形態を示し、例えば浸炭処理炉の熱処理室等を真空排気する真空排気設備１は、１台の真空ポンプ２に、複数のチャンバー３ａ、３ｂ、３ｃが、それぞれバルブ４を設けた配管５を介して接続されて構成されている。チャンバー３は、例えば、チャンバー３ａが熱処理室、チャンバー３ｂが被処理体を搬送する搬送ユニット、チャンバー３ｃが熱処理室と搬送ユニットとの連結部のように、それぞれ容積が異なっている。この真空排気設備１では、真空ポンプ２の排気口１１と同径の配管にすると、配管の容積がチャンバー３ｃの容積よりも大きくなるため、排気口１１よりも小径で、且つ排気時間が最も短縮される径の配管５が各チャンバー３ａ、３ｂ、３ｃに接続されている。

図３は、本発明の更に異なる実施の形態を示す。図２に示す真空排気設備１と同様に複数のチャンバー３ａ、３ｂ、３ｃが設けられ、これら複数のチャンバー３ａ、３ｂ、３ｃに接続される配管５の径は、チャンバー３ａ、３ｂ、３ｃの容積に応じて、排気時間が最適となるように決定されている。図３の場合には、チャンバー３ｃに接続される配管５ｃが、他のチャンバー３ａ、３ｂに接続された配管５ａ、５ｂよりも小径とされている。

複数のチャンバー３を有する場合、従来は、最大容積のチャンバー３ａの容積と真空ポンプ２の排気量により真空排気設備の構成が決まり、配管５の口径は、真空ポンプ２の吸気口１１の径と同径とされていた。本発明では、チャンバー３の容積と真空ポンプ２の排気量だけではなく、配管５の容積およびコンダクタンスを考慮して配管径を決定することにより、排気時間を短縮できる最適な配管径ｄを算出することが可能になった。それにより、真空ポンプ２を増設したり大型のポンプに変更したりすることなく、より短時間で真空排気を完了させて、サイクルタイムを短縮することが可能となる。

以下、更に具体的に、配管径の決定方法の例について説明する。

浸炭炉の熱処理室の例として容積が０．２２５５ｍ^３のチャンバーａ、被処理体の搬送ユニットの例として容積が０．０５９ｍ^３のチャンバーｂ、搬送ユニットと熱処理室との連結部の例として容積が０．００４４ｍ^３のチャンバーｃの、３種類の容積のチャンバーについて、配管径による真空排気時間を調べた。

真空ポンプは、アルバック社製ドライ真空ポンプＬＲ１８０（吸気口径８０ｍｍ）を用い、真空ポンプから各チャンバーまでの配管長さは１０．４ｍとした。

真空ポンプは、チャンバーａの熱処理室の真空排気を想定したサイズであり、吸気口と同じ径の８０Ａの配管を用いた場合、配管の容積は０．０５０ｍ^３となり、チャンバーｃの容積を大きく上回る。したがって、８０Ａの配管でチャンバーｃを真空排気すると、チャンバー内よりも配管内の排気量が極めて多く効率が悪くなる。したがって、先ず２０Ａの配管で、３種類のチャンバーａ、ｂ、ｃについて排気時間を実測した。排気時間は、大気圧から５００Ｐａに達するまでの時間とした。

次に、２０Ａの配管による測定時のコンダクタンスの実測値と上述の計算式によるコンダクタンスの計算値とを比較して、計算値との積が実測値になる係数を求めた。この係数でコンダクタンスの計算値を補正し、チャンバーｂ、ｃに関して、配管が２５Ａ、４０Ａ、５０Ａ、６５Ａ、８０Ａの場合の排気時間を、前述の式（１）〜（３）により計算した。

図４、図５は、それぞれチャンバーｂ、ｃについて、２０Ａの配管による排気時間の実測値と、２５Ａ、４０Ａ、５０Ａ、６５Ａ、８０Ａの配管の場合の排気時間の計算値とを示したものである。図４に示すように、チャンバーｂでは４０Ａ〜６５Ａの場合に排気時間が略１０秒以下となり、図５に示すように、チャンバーｃでは４０Ａの場合に排気時間が３秒以下となった。これらより、４０Ａの配管の場合、チャンバーｂ、ｃともに排気時間が短縮されることがわかる。

そこで、チャンバーａ、ｂ、ｃについて、４０Ａの配管を接続して真空排気を実施した。図６は、３種類のチャンバーａ、ｂ、ｃに、配管径が２０Ａ、４０Ａ、８０Ａの３種類の配管を介して真空ポンプを接続した場合の、各チャンバー内の真空排気に要した排気時間を示したものである。尚、配管径が２０Ａと４０Ａは実測値、８０Ａは計算値である。

図６に示すように、容積が大きいチャンバーａは、配管径が大きい方が排気時間が短くなるが、容積が極めて小さいチャンバーｃの場合は、４０Ａの配管による排気時間が最も短く、８０Ａの配管による排気時間が最も長い。４０Ａの配管の容積は０．０１４ｍ^３であり、チャンバーｃの容積よりも大きくなるものの、チャンバーｃの容積よりも小さい容積となる２０Ａの配管では、コンダクタンスが小さ過ぎて、排気時間が長くなる。従って、容積の小さいチャンバーを真空排気する際には、チャンバーに対する配管の容積が大きくなり過ぎず、且つ、コンダクタンスが小さくなり過ぎない配管径とすることが、最も効率が良いことがわかった。さらに、図６に示すように、最も容積の大きいチャンバーａについても、４０Ａの配管で、８０Ａの場合と略同等の排気時間で真空排気が行える。

以上より、チャンバーａ、ｂ、ｃを真空排気する場合、全ての配管を４０Ａとしてもよいし、例えば容積が大きいチャンバーａに接続する配管のみを８０Ａとし、チャンバーｂ、ｃに接続する配管を４０Ａとしても良い。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、小規模な真空処理室に適用でき、殊に１ロット当たりのワーク量が少なく、頻繁に真空引きおよび大気開放を繰り返す真空処理室に好適である。

１ 真空排気設備
２ 真空ポンプ
３、３ａ、３ｂ、３ｃ チャンバー
４ バルブ
５、５ａ、５ｂ、５ｃ 配管

Claims (5)

1. 処理室と真空ポンプとが配管で接続され、前記配管を前記真空ポンプの吸気口の径と同径にすると、前記配管の容積が前記処理室の容積以上になる場合の真空排気方法であって、
   前記吸気口の径よりも小径の配管を用いて前記処理室の真空排気を行うことを特徴とする、真空排気方法。
2. 前記吸気口の径よりも小径の配管の径は、前記吸気口の径の２５％〜７５％であることを特徴とする、請求項１に記載の真空排気方法。
3. 前記吸気口の径よりも小径の配管の径は、配管とバルブとの合成コンダクタンスおよび前記真空ポンプの真空排気能力から算出される排気速度が最速になるときの径とすることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の真空排気方法。
4. 処理室と真空ポンプとが配管で接続され、前記配管を前記真空ポンプの吸気口の径と同径にすると、前記配管の容積が前記処理室の容積以上になる場合の真空排気設備であって、
   前記処理室に接続する配管の径が、前記吸気口の径よりも小径であり、配管とバルブとの合成コンダクタンスおよび前記真空ポンプの真空排気能力から算出される排気速度が最速になるときの径であることを特徴とする、真空排気設備。
5. 前記真空排気設備は、浸炭処理炉の熱処理室を真空排気する設備であることを特徴とする、請求項４に記載の真空排気設備。
   

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