JP7024503B2

JP7024503B2 - 気密処理装置

Info

Publication number: JP7024503B2
Application number: JP2018037018A
Authority: JP
Inventors: 貴規山本; 理一郎太田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2022-02-24
Anticipated expiration: 2038-03-02
Also published as: JP2019151882A

Description

本発明は、外界と異なる気圧に保持された処理室に対して、ワークを連続的に搬送（搬入、搬出）できる気密処理装置に関する。

所定の雰囲気下で行うことが要求される処理や加工等は多い。例えば、ワーク（被処理材）の表面処理は、真空雰囲気や所望ガス雰囲気でなされることが多い。このような場合、通常、ワークを処理室内に載置等した後、その処理室を気密状態にして処理室内を真空排気等する。その後、処理室内を所定の真空度にしたり、さらに処理室内へ所定のガスを導入して、表面処理（例えばＰＶＤやＣＶＤ等）がなされる。処理後のワークは、処理室内を開放して取り出される。

しかし、このような処理方法は、バッチ処理であるため、連続的な処理ができず効率が悪い。また、処理室内の排気と大気開放等を繰り返すため、作業時間の短縮も困難である。さらに、１回あたりの処理数を増加させる場合、装置の大型化や処理時間の長期化が避けられない。

そこで連続的な処理を可能とする真空処理装置等に関する提案がされており、関連する記載が下記の特許文献にある。

特開平６－２９６８５３号公報特公平７－６５１７３号公報特開２０１３－７６１４７号公報

特許文献１は、Ｕ字管内に入れた水銀等の封液により大気側と真空側とをシールすると共に、その封液を通じて大気側と真空側の間で材料の搬入出を行っている。しかし、特許文献１は、１本のＵ字管だけに入れた封液でシールしている。このため特許文献１の装置では、封液の液面の高低差が大きくなり、装置が大型化し易い。このような事情は、特許文献２についても基本的に同様である。

特許文献３は、その封液の液面高さの差異を抑制するために、封液を入れたシール槽の開口部の面積を、処理室外側よりも処理室内側で大きくすることを提案している。しかし、特許文献３の提案は、パスカルの原理に反しており、実現不可能である。

本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来とは異なる新たな構成からなる気密処理装置を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、封液を入れるシール槽（連通路）を分割することを着想し、これを具現化すると共に発展させて、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《気密処理装置》
（１）本発明は、ワークを処理する処理室と、該処理室と外界との間に設けられる第１中間室と、該処理室と該第１中間室の間に設けられる略Ｕ字状の第１連通路と、該第１中間室と該外界または該第１中間室の該外界側にある第２中間室との間に設けられる略Ｕ字状の第２連通路と、該第１連通路に入れた第１封液と、該第２連通路に入れた第２封液と、該第１連通路と該第２連通路を貫いて、該処理室に対して該ワークを搬送する搬送手段と、を備える気密処理装置である。

（２）本発明の気密処理装置（単に「装置」ともいう。）によれば、外界と異なる圧力の処理室へワークを連続的に搬送でき、ワークの効率的な処理（加工、成形等を含む）が可能となる。特に本発明の装置では、処理室と外界の間に中間室を設けているため、処理室と外界との間の気圧差を段階的に移行させることができる。これにより、一つの連通路に収容している封液の液面の高低差（液柱高さ）が過大にならず、装置自体の高さも抑制できる。

《その他》
特に断らない限り本明細書でいう「ｘ～ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ～ｂ」のような範囲を新設し得る。

本発明の気密処理装置の原理を説明する模式図である。ＨｇとＧａに係る蒸気圧と温度の関係を示すグラフである。気密処理装置の一実施例（処理室を負圧にした場合）を示す模式図である。気密処理装置の別な実施例（処理室を正圧にした場合）を示す模式図である。Ｇａを封液として、気密処理装置の原理を検証した様子を示す写真である。

上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。本明細書で説明する内容は、装置としてのみならず、その装置を用いた処理方法等にも適宜該当する。方法的な構成要素であっても物に関する構成要素ともなり得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《原理》
気密処理装置の一形態例（搬送手段は省略）を図１に示した。なお、説明の便宜上、図１には、処理室と外界（大気雰囲気）との間に中間室を一つだけ設けた場合を例示しているが、同様な中間室を２以上介設してもよい。

なお、本明細書では、大気圧：Ｐ_０、処理室の内圧：Ｐ_ｔ、中間室の内圧：Ｐ_１（中間室がＮ室あるときは、それぞれの内圧：Ｐ_ｉ（ｉ＝１、２、３・・・Ｎ）とする。）とする。また、図１に示すように、第１連通路の断面積：Ａ_１、第２連通路の断面積：Ａ_２、第１封液の液面高低差：Ｈ_１、第２封液の液面高低差：Ｈ_２、第１封液の密度：ρ_１、第２封液の密度：ρ_２とする。なお、各密度（ρ）は、重力加速度（ｇ）を含むもの（比重）とする。

各封液中にあるＦ_１面、Ｆ_２面に作用する力の釣り合いは次式のようになる。なお、パスカルの原理により、Ｆ１面とＦ２面の下面側に作用する封液の圧力は、それぞれＰ_１、Ｐ_０となる。
Ｐ_ｔＡ_１＋ρ_１Ｈ_１Ａ_１＝Ｐ_１Ａ_１ → Ｐ_ｔ＋ρ_１Ｈ_１＝Ｐ_１（式１）
Ｐ_１Ａ_２＋ρ_２Ｈ_２Ａ_２＝Ｐ_０Ａ_２ → Ｐ_１＋ρ_２Ｈ_２＝Ｐ_０（式２）
式１、式２により、Ｐ_０－Ｐ_ｔ＝ ρ_１Ｈ_１＋ρ_２Ｈ_２（式３）

式３から明らかなように、処理室と外界の気圧差（Ｐ０－Ｐｔ）は、複数の封液の液柱高さ（Ｈ_１、Ｈ_２）に分割して担うことができ、装置全体として高さを抑制できることがわかる。また、封液の密度を大きくすることにより、その高さをより抑制できることもわかる。さらに、連通路毎に、封液の種類を変更すること（つまり複数種の封液を用いること）も可能であることがわかる。なお、式３は、図１に示す連通路の断面積：Ａ_１’、Ａ_２’がＡ_１’＝Ａ_１、Ａ_２’＝Ａ_２のときは勿論、Ａ_１’≠Ａ_１、Ａ_２’≠Ａ_２のときも当然成立する。

《封液》
（１）封液は、水でもよいが、水よりも密度（比重）が大きい重液であると、液面の高低差を抑制できて好ましい。このような重液として、装置の使用温度域で液体となる金属（単に「液体金属」という。）、ポリマー等がある。

封液は、装置の使用温度域において、蒸気圧が小さいほど好ましい。このような封液として、ＨｇやＧａ等の液体金属がある。特にＧａは、図２に示すように蒸気圧が非常に小さく（殆ど零であり）、到達真空度が高くなり、超真空下でも、処理時の汚染源となることがない。しかもＧａは、人体に対して実質的に無害でもある。なお、Ｇａは、密度：６．１ｇ／ｃｍ^３、融点：２９．７８℃である。封液としてＧａを用いるときは、連通路内を３０℃以上さらには４０℃以上に加熱して用いるとよい。

ちなみに、従来の封液として代表的なＨｇは、密度：１３．５９ｇ／ｃｍ^３、融点：－３８．８６℃であるが、Ｇａと比較すると、蒸気圧が大きく、また有害物質でもある。

（２）複数種の封液を用いる場合、少なくとも処理室側の第１封液はＧａであると好ましい。逆にいうと、外界側の封液にはＧａ以外（例えば水やＨｇ等）を用いてもよい。但し、同一の封液（特にＧａ）を用いると、圧力差の調整や取扱いが容易となり好ましい。なお、大気とふれる封液に、大気や水と反応しない液体（例えば水）を用いると、封液の酸化や変質による融点や蒸気圧の変化を防止できる。

《連通路》
連通路は、ワークの移動が可能であって、底側に貯留されている封液の液面が左右で高低差を形成できる形状であればよい。本明細書でいう「略Ｕ字状」は、そのような形状である限り、具体的な形態を問わない。例えば、連通路の底部は、略円弧状でも方形状等でもよい。

《処理室・中間室》
処理室は、ワークの処理内容により、その形態、気圧、内包ガス等が適宜選択される。中間室は処理室と外界との間の気圧調整だけに用いられてもよいし、処理室でなされる本処理に対する前処理または後処理に中間室が用いられてもよい。

それら処理の一例を挙げると、スパッタリング等の物理蒸着（ＰＶＣ）やプラズマ等を利用した化学蒸着（ＣＶＤ）による成膜、プラズマ等を利用した表面改質（窒化等）や表面洗浄、エッチング、予備加熱等がある。

《搬送手段》
搬送手段は、湾曲または屈曲した連通路を通じて、外界と処理室の間でワークの搬入または搬出を行える限り、その形態や機構は問わない。搬送手段は、例えば、ロール、ベルト、チェーン等の連続体と、連続体の駆動源と、ワークの保持や受渡等を行う治具や機構とを備えると好ましい。

また、封液を通過する搬送手段の構成要素は、少なくともその表面が、封液（特に第１封液）に対する撥液性を有する材質からなると好ましい。封液の種類にも依るが、例えば、封液がＧａである場合、塩化ビニル樹脂やポリテトラフルオロエチレン (ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）等のフッ化炭素樹脂で、構成部材の表面が被覆されていると好ましい。なお、搬送手段の全体の他、封液に接触する部分のみが、撥液性の材質で構成または被覆されているだけでもよい。

《封液除去手段》
封液を通過したワーク等に、封液が残存し得るときは、その封液を除去する封液除去手段を設けると好ましい。封液除去手段は、例えば、ワークを加振したり、ワークを回転または姿勢変化させたり、ワークへ噴流（気流）を付与したりするものである。封液の除去は、封液を通過したワークが処理室へ搬入されるときのみならず、封液を通過したワークが他の中間室へ搬入されるときや外界へ搬出されるときになされてもよい。

［第１実施例］
気密処理装置の具体例を挙げつつ、本発明をさらに詳しく説明する。本発明に係る一実施例である気密処理装置Ｓ（単に「装置Ｓ」という。）を図３に示した。

装置Ｓは、処理室１ｔ、中間室１１、１２、１３、それらを順に連通する略Ｕ字状の連通路２１、２２、２３と、中間室１３と外界（大気雰囲気）とを連通する略Ｕ字状の連通路２４と、連通路２４の開放端部と処理室１ｔ内との間でワークｗを搬入出するベルトコンベア３（搬送手段）と、処理室１ｔ内でワークｗを搬入出するベルトコンベア４と、処理室１ｔと各中間室とに各々設けた排気バルブおよびガス導入バルブ（単に「バルブ」という。）を備える。なお、中間室１１が本発明でいう第１中間室に、中間室１２～１３が第２中間室に、連通路２１が第１連通路に、連通路２２～２４が第２連通路に、連通路２１内のＧａが第１封液に、連通路２２～２３内のＧａまたは連通路２４内の水が第２封液に、それぞれ相当する。

処理室１ｔと各中間室の排気は、配管５を通じて真空ポンプｐによりなされる。連通路２１～２３の底側にはＧａ（液体金属）が封入されており、連通路２４の底部には注水バルブおよび排水バルブを介して水（封液）の給排が可能となっている。なお、適宜、連通路２１～２４を併せて、単に「連通路２」という。

図３には、処理室１ｔ内で成膜プロセス（ＣＶＤやＰＶＤ）を行うことを前提に、処理室１ｔ内を陰圧（負圧、真空）の雰囲気とする場合を例示している。また、Ｇａの酸化を防止するため、各中間室の圧力調整はＡｒガスを導入して行うと共に、連通路２４には水を入れている。各中間室内のＡｒガスの圧力調整は、連通路２１～２３に入れた各Ｇａ（封液）の液面の高低差Ｈ１～Ｈ３が同じになるように、バルブを操作して行った。また、連通路２１～２３は、Ｇａ全体が溶融する温度（例えば５０℃）に保持した。

ベルトコンベア３は、無端状のベルト３１とベルト３１を誘導または駆動する複数のローラ３２を備える。ベルト３１の表面には、ワークｗの収容と放出を行える収容体（詳細は省略）が設けられている。処理室１ｔへ搬入される途中、ワークｗは収容体内に内包された状態となっており、ワークｗ自体は連通路２を通過するときに封液（Ｇａ、水）と接触しない。なお、収容体は、例えば、蓋体（天板）と、蓋体を開閉可能に枢支する略直方体状の容体とからなる。蓋体がＯ－リング等でシールされつつ容体を閉じることにより、内部の気密状態が確保される。蓋体は、収容体の移動中に不用意に開かないように、閉状態を維持するロック機構を備える。

ワークｗが処理室１ｔ内に搬入されると、収容体は開放してワークｗを処理室１ｔ内のベルトコンベア４に渡す。また、ベルトコンベア３は、ベルトコンベア４から搬送されてきた処理済みのワークｗを収容体に内包して、ワークｗを封液（Ｇａ、水）と接触させることなく外界へ搬出する。ワークｗが外界へ到達すると、収容体は開放して、処理済みのワークｗが外部に取り出される。なお、封液に接触するベルトコンベア３の構成部材は、撥液性に優れた塩化ビニル樹脂やフッ化炭素樹脂、若しくは塩化ビニル樹脂やフッ化炭素樹脂でコーティングされたものとなっている。

［第２実施例］
装置Ｓを用いて、処理室１ｔを陽圧（正圧）とする場合を図４に示した。この場合、先ず、真空ポンプｐにより処理室１ｔおよび各中間室１１～１３を排気する。その後、各室に所望のガスを所定圧となるまで導入する。こうして処理室１ｔ内のガス圧を、大気圧に対して段階的に大きくしている。従って、本実施例の場合も封液の液面の高低差は抑制され、装置Ｓが過大になることが回避される。なお、高圧な処理室１ｔ内で行う処理として、食品加工、浸炭、窒化、水熱合成、超臨界処理等がある。

［検証実験］
大気圧を４分割した液中で支えられることを検証した。この実験の様子を図５に示した。封液には全てＧａを用いた。４つの真空室は４つのＵ字管により形成した。Ｕ字状管には、内径１０ｍｍの塩化ビニル樹脂チューブを用いた。Ｇａを入れたＵ字管は、湯槽に漬けて約５０℃に保温した。

図５に示すように、図左端側にある真空室の圧力を、真空ポンプの限界真空度（１．７ｋＰａ）に到達させることに成功した。

Ｓ気密処理装置
１ｔ処理室
１１中間室
２１連通路
３ベルトコンベア（搬送手段）

Claims

ワークを処理する処理室と、
該処理室と外界との間に設けられる第１中間室と、
該処理室と該第１中間室の間に設けられる略Ｕ字状の第１連通路と、
該第１中間室と外界との間に設けられる略Ｕ字状の第２連通路と、
該第１連通路に入れた第１封液と、
該第２連通路に入れた第２封液と、
該第１連通路と該第２連通路を貫いて、該処理室に対して該ワークを搬送する搬送手段とを備え、
該第１封液は、Ｇａからなり、
該第１中間室には、Ｇａの酸化防止ガスが導入されており、
該第２封液は、大気と反応しない液体である気密処理装置。
ワークを処理する処理室と、
該処理室の外界側に設けられる第１中間室と、
該処理室と該第１中間室の間に設けられる略Ｕ字状の第１連通路と、
該第１中間室の外界側に設けられる一以上の第２中間室と、
該第１中間室と該第２中間室の間および該第２中間室と外界の間に設けられる略Ｕ字状の第２連通路と、
該第１連通路に入れた第１封液と、
該第２連通路に入れた第２封液と、
該第１連通路と該第２連通路を貫いて、該処理室に対して該ワークを搬送する搬送手段とを備え、
該第１封液および該第１中間室と該第２中間室の間にある該第２連通路に入れられた該第２封液は、Ｇａからなり、
該第１中間室および該第２中間室には、Ｇａの酸化防止ガスが導入されており、
該第２中間室と外界の間にある該第２連通路に入れられた該第２封液は、大気と反応しない液体である気密処理装置。
前記酸化防止ガスの圧力は、前記処理室から外界に向って順に段階的に単調変化している請求項１または２に記載の気密処理装置。
前記搬送手段は、封液に対する撥液性を有する材質からなる請求項１～３のいずれかに記載の気密処理装置。
さらに、前記ワークの搬出側に、該ワークに残存した封液を除去する封液除去手段を備える請求項１～４のいずれかに記載の気密処理装置。
前記酸化防止ガスは、Ａｒガスであり、
前記大気と反応しない液体は、水である請求項１～５のいずれかに記載の気密処理装置。