JP7136331B2

JP7136331B2 - 真空処理装置

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Publication number: JP7136331B2
Application number: JP2021508744A
Authority: JP
Inventors: 昭彦吉村; 裕嗣千品; 直矢山本; 幸宏中田; 渉上田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: WO2020194921A1; JPWO2020194921A1; US20220002875A1

Description

以下の開示は強化繊維にコーティングを施すプロセス等に利用しうる真空処理装置に関し、特に装置の大半を真空に保ったままボビンの交換を行うことができる真空処理装置に関する。

セラミックスマトリックス複合材料（ＣＭＣ）は、セラミックスよりなる強化繊維をセラミックスよりなるマトリックスにより結合したものである。例えばシリコンカーバイドよりなる強化繊維をシリコンカーバイドよりなるマトリックスにより結合したＳｉＣ／ＳｉＣコンポジットは、ジェットエンジンのタービン部品等への応用が期待されている。

マトリックスとの結合力を高める等の目的で、シリコンカーバイド繊維に例えばボロンナイトライドのごときコーティングを施すことがある。コーティングには、一例として、真空プロセスが利用される。十分な反応時間を確保するために、反応チャンバはしばしば長大になり、その全体について十分な真空度を達成しようとすると、相当程度の長時間にわたり真空ポンプの稼動を継続しなければならない。

一方、プロセスの前後には、新たな繊維を装填し、反応チャンバを通過させ、巻取りボビンに接続する作業が必要であるため、反応チャンバを大気に開放する必要がある。大気に開放された反応チャンバの内部には気体分子が吸着してしまい、再びこれを十分な真空度に到達せしめるには多大な時間を要する。

それゆえ、コーティング自体は短時間で実行できても、その前後の処理に長時間（例えば一昼夜）を要し、従ってかかる真空プロセスの生産性は限られたものである。コーティング装置の内部を大気に曝す時間を短縮できれば、生産性を著しく改善しうる。

繊維を巻取りボビンに接続する作業を真空中で実行することを可能にし、以って反応チャンバを大気に曝さずにボビン交換を可能にする技術が提案されている。特許文献１から３までは、関連する技術を開示している。

特開平７－１９７２６４号公報特開２０１１－１５７６３２号公報特開２０１５－２０３１２９号公報

同時に複数条の強化繊維を真空処理することができれば、生産性はさらに著しく改善する。しかし真空中において、すなわち手作業によれない環境において、強化繊維を長大な反応チャンバを通過させ、その先の巻取りボビンにまで正しく到達させることは容易ではない。複数条の強化繊維を同時に取り扱うことは、当然に、より困難である。また強化繊維は容易に毛羽が立ち、かかる毛羽が装置内の各所や他の強化繊維の毛羽に触れて強化繊維の軌道を変えてしまいがちである。このことは、複数の条の強化繊維を同時に取り扱うことをより一層困難にしてしまう。以下に開示する装置は、かかる問題に鑑みて為されたものである。

一局面によれば、複数条の強化繊維に真空処理を行う装置は、前記真空処理を行う単一の主チャンバを含む、全体を減圧状態に保持しうるチャンバと、前記複数条を前記主チャンバ中に互いに離して垂下するべく配置された複数の送りローラと、前記複数条をそれぞれ独立に巻き取る複数の巻取りボビンであって、鉛直に垂下された前記複数条から水平方向に離れて前記チャンバ中に配置された複数の巻取りボビンと、複数の可動アームであって、それぞれ、鉛直に垂下された前記複数条から水平方向に離れた第１の位置から、前記複数条の何れかに接する第２の位置を経由し、前記接した条を対応する巻取りボビンへ接しさせる第３の位置まで前記チャンバ中において移動可能な、可動アームと、を備える。

装置の全体を減圧状態にしたまま複数の繊維をそれぞれ複数のボビンに誘導して巻き取りを開始することができる。

図１は、一実施形態による真空処理装置の模式的な断面図である。図２は、一組の可動アームと巻取りボビンとの関係を特に示す、装置の斜視図である。図３は、一組の可動アームおよびプーリの平面図である。図４は、一例による複数条の強化繊維の配置と可動アームが移動する軌道との関係を示す平面図である。

幾つかの実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。図面は必ずしも正確な縮尺により示されておらず、従って相互の寸法関係は図示されたものに限られないことに特に注意を要する。

図１を参照するに、本実施形態による真空処理装置１は、例えば、ＣＶＤやＰＶＤのごとき真空を必要とするプロセスにより、強化繊維Ｆにコーティングを施す用途に利用できる。強化繊維の例としてはシリコンカーバイド、炭素、アルミナを挙げることができ、コーティングの例としてはボロンナイトライドや炭素を挙げることができるが、もちろんこれらに限られない。また単繊維に限らず、複数の繊維を束ねた糸条、トウ、帯、あるいは織物の真空処理に、さらにはそれらの複数条の真空処理に、本実施形態を適用することができる。

真空処理装置１は、概略、チャンバ３と、強化繊維Ｆを送り出すための一以上の送りボビン５と、送り出された一または複数条の強化繊維Ｆをそれぞれ垂下する一以上の送りローラ７と、ＣＶＤ等の処理を行う処理機９と、処理機９を通過した一または複数条の強化繊維ＣＦをそれぞれ誘導する可動アーム１１およびプーリ２３よりなる一以上の組み合わせと、誘導された一または複数条の強化繊維ＣＦをそれぞれ巻き取る一以上の巻取りボビン１３と、よりなる。詳しくは後述するが、複数組の送りボビン５、送りローラ７、プーリ２３および巻取りボビン１３により、複数条の強化繊維Ｆを単一の処理機９に平行に同時に通過させて真空処理を行わせることができる。

チャンバ３は、その全体を減圧状態に保持しうる真空チャンバである。チャンバ３はさらに複数のサブチャンバに区分される。図示の例では、送りボビン５および送りローラ７が収容される第１のサブチャンバ３ａと、処理機９が収容される単一の主チャンバ３ｂと、可動アーム１１および巻取りボビン１３等が収容される第２のサブチャンバ３ｃと、よりなり、互いに連通している。チャンバ３は必要に応じてさらに他のサブチャンバを備えてもよい。

チャンバ３内を減圧状態にするべく、チャンバ３には図外の一以上の真空ポンプが接続される。少なくとも主チャンバ３ｂには真空ポンプが接続され、さらに第１のサブチャンバ３ａおよび第２のサブチャンバ３ｃにもそれぞれ個別の真空ポンプが接続されていてもよい。さらに他のサブチャンバがある場合には、それらにも真空ポンプが接続されていてもよい。

強化繊維Ｆを鉛直に垂下して処理機９を通過させるため、第１のサブチャンバ３ａ、主チャンバ３ｂおよび第２のサブチャンバ３ｃは、鉛直に重ねられた形態をとる。また処理機９内において十分な反応時間を確保するために、主チャンバ３ｂは鉛直に長くなりうる。それゆえ、例えば第２のサブチャンバ３ｃを建屋の１階に、主チャンバ３ｂを２階に、第１のサブチャンバ３ａをさらに上層の階に設置することがありうる。

少なくとも第１のサブチャンバ３ａと主チャンバ３ｂとの間、および主チャンバ３ｂと第２のサブチャンバ３ｃとの間には、お互いを気密に遮断するためのゲート１５，１７が介在していてもよい。ゲート１５，１７にはゲートバルブを適用できるが、あるいは振り子バルブやバタフライバルブ等の他のバルブも利用できる。好ましくはゲート１５，１７を駆動するための油圧シリンダのごとき駆動装置が、それぞれに接続される。

第１のサブチャンバ３ａと主チャンバ３ｂとの間、および主チャンバ３ｂと第２のサブチャンバ３ｃとの間は、それぞれ連通路により気密に連絡され、ゲート１５，１７は、かかる連通路にそれぞれ設置されていてもよい。

送りボビン５は、第１のサブチャンバ３ａに収容される。その回転のためにモータ等の駆動装置が連結される。ゲート１５を閉じることにより、第１のサブチャンバ３ａと主チャンバ３ｂとの間が気密に遮断されるので、主チャンバ３ｂを真空に保ったまま第１のサブチャンバ３ａを大気に開放することができ、以って送りボビン５の搬入や交換が可能である。

第１のサブチャンバ３ａ内には、さらに他の装置、例えば張力検出器１９を設置してもよい。張力検出器１９は、送り出される強化繊維Ｆに印加される張力を検出する目的で使用される。

強化繊維Ｆは送りボビン５に巻かれた状態で搬入され、真空処理に供される。好ましくは図２に示す通り、強化繊維Ｆの先端には錘Ｗが結合される。錘Ｗは、強化繊維Ｆを、処理機９内を通って対応する可動アーム１１とプーリ２３との間へ、重力に従って誘導する。

図１に戻って参照するに、送りローラ７も第１のサブチャンバ３ａに収容されており、この図からは明らかでないが、水平方向に互いに離れて配置されている。これらの水平方向の配置は、対応する可動アーム１１とプーリ２３との組み合わせに対して特定的である。すなわち、送りボビン５から送り出された強化繊維Ｆが送りローラ７を通過し、そこから鉛直に垂下されると、処理機９を通過し、図２に示す通り、対応する可動アーム１１とプーリ２３との組み合わせの間を通過するように、送りローラ７は配置されている。模式的な立面図である図１において明瞭でないが、平面図である図４より理解される通り、送りローラ７、可動アーム１１およびプーリ２３よりなる複数の組み合わせは、複数条の強化繊維Ｆを処理機９内において互いに平行であって離れるように配置されている。かかる配置については、後にさらに詳しく説明する。送りローラ７は第１のサブチャンバ３ａに固定されていてもよく、あるいはその位置を調整するべく可動であってもよい。

図１に戻って参照するに、処理機９は、主チャンバ３ｂに収容されており、ＣＶＤあるいはＰＶＤのごとき真空処理を行うに適した構成を有する。例えばボロンナイトライドよりなるコーティングを施す場合であれば、フッ化ホウ素ガス、アンモニアガスおよびキャリアとしての水素ガスを導入するための配管、および加熱炉が、処理機９に含まれる。処理機９の構成は、もちろん、目的とした処理に応じて適宜に選択しうる。送りローラ７から垂下された強化繊維Ｆは鉛直に、また互いに離れて、処理機９を通過し、以ってコーティングのごとき処理を受ける。処理機９は、特に加熱炉は、鉛直に立った円筒形、あるいは円筒に近い多角筒にすることができ、その中心に対して対称的に複数条の強化繊維Ｆが通過することにより、各条へ均一な処理を行うことができる。

図１と組み合わせて図２を参照するに、一組の可動アーム１１とプーリ２３とは、第２のサブチャンバ３ｃ内であって、重力により引かれて自然に鉛直に垂下した強化繊維ＣＦから水平方向に離れ、かつ強化繊維ＣＦを挟むように、配置される。すなわち強化繊維ＣＦの先端は、概して重力作用のみにより、他の手段なしに、対応する可動アーム１１とプーリ２３との間に到達しうる。

図２にさらに図３を組み合わせて参照するに、可動アーム１１は鉛直方向にプーリ２３より下方であり、さらに当初待機している状態において、水平方向にもプーリ２３から離れて位置する。可動アーム１１は、図３において二点鎖線Ｌで表されるように、直線的に前進および後退することができ、平面視においてかかる線Ｌ上にプーリ２３の窪みが揃えられている。すなわち後退した当初の位置に待機している可動アーム１１は、前進することにより強化繊維ＣＦに接し、さらに前進すると強化繊維ＣＦをプーリ２３へ誘導し、その窪み内に落ち着かせる。

強化繊維ＣＦを捕捉してその中央に誘導するべく、可動アーム１１はその先導端に捕獲装置を備えてもよい。捕獲装置の一例は、図３に最もよく示されている通り、平面視においてＶ字形に開いた一対のガイド板２５である。またプーリ２３も同様に一対のガイド板２７のごとき捕獲装置を備えてもよい。これらは、強化繊維ＣＦの軌道が多少変わっても、それを確実に捕捉するのに有利である。もちろんガイド板に代えて、あるいは加えて、他の形状の構造体、錘Ｗを誘引する磁石や強化繊維ＣＦを静電的に誘引する帯電体のごとき誘引手段、または繊維が付着する粘着剤や粘弾性体を利用することができる。

可動アーム１１は、図２において実線で示された当初の待機位置から、上述の通り強化繊維ＣＦに接する第２の位置を経由して、少なくともさらに、図２において右方に二点鎖線で示される第３の位置にまで移動することができる。一方、巻取りボビン１３は、鉛直に垂下した強化繊維ＣＦから水平方向に離れ、かつ第３の位置に進出した可動アーム１１の先導端と平面視において重なる位置に、配置されている。可動アーム１１が第３の位置にあるとき、錘Ｗと共に強化繊維ＣＦを下降するか、または巻取りボビン１３を上昇すれば、強化繊維ＣＦは巻取りボビン１３へ接する。錘Ｗを巻取りボビン１３へ誘導するべく、巻取りボビン１３の直上に漏斗のような構造を設けてもよい。

可動アーム１１の移動は水平かつ直線的であってもよく、そのような動作のために直動機構を利用することができる。すなわち、真空処理装置１は、可動アーム１１を駆動する機構として直動機構を備えることができる。直動機構の一例は、図１に最もよく示されている通り、ラックアンドピニオン機構である。例えば、可動アーム１１はラックを備え、かかるラックに噛合するピニオン２１を、真空処理装置１は備えることができる。ピニオン２１は回転運動により駆動できるので、例えばモータをサブチャンバ３ｃの外部におき、気密にシールされてサブチャンバ３ｃを貫通するシャフトを利用して、サブチャンバ３ｃの外部から直動機構を駆動することができる。雰囲気を汚染するモータのごとき駆動装置をチャンバ３の外に置くことができるので、かかる構造は高純度の真空処理を実行するのに有利である。

もちろんラックアンドピニオン機構に代えて、ボールねじ、リニアモータ、油圧機構等の他の直動機構を利用することができる。

直動機構は、可動アーム１１ごとに付与されていてもよいが、図１に示すごとく、複数の可動アーム１１を結合し、かかる組に単一の直動機構が付与されていてもよい。可動アーム１１を個別に動作させることはできないが、雰囲気を汚染する要素が少なくなる点で、かかる構造は有利である。

上述の説明より理解される通り、巻取りボビン１３は、可動アーム１１が第３の位置に移動したときに強化繊維ＣＦを引き取る位置に配置される。その回転のためにモータ等の駆動装置が連結されるが、上述と同様に、気密にシールされたシャフトを介することにより、モータをサブチャンバ３ｃの外部に置くことができる。巻取りボビン１３は、予め回転が与えられ、あるいは可動アーム１１の移動に同期して回転が与えられることにより、強化繊維ＣＦを引き取り、これを巻き取る。このとき錘Ｗはカッタにより切り離してもよく、あるいは錘Ｗごと強化繊維ＣＦを巻き取ってもよい。また、かかる位置において錘Ｗを受けるべく、巻取りボビン１３の下方にトレイＨが設置されていてもよい。

鉛直に張られた強化繊維Ｆの上端を送りローラ７が支持し、下端をプーリ２３が支持するので、これらの組み合わせによって強化繊維Ｆは処理機９中において正確に位置決めされる。送りボビン５、送りローラ７、プーリ２３および巻取りボビン１３よりなる組は、図１に示されている通り鉛直方向に互いに離れて配置されていてもよい。これらはさらに、水平方向にも互いに離れて配置され、以って強化繊維ＣＦを図３に例示されるごとく互いに離して配置することができる。処理機９の炉心管壁３ｆが例えば円筒の場合、例えばかかる円筒と同心円上に強化繊維ＣＦを等間隔に配置することができる。また円筒の中心にもこれらと等間隔になるよう強化繊維ＣＦを配置することができる。互いに等間隔に配置されることは、各強化繊維ＣＦへの真空処理を均等化するのに役立つ。

強化繊維ＣＦの水平方向の配置に応じて可動アーム１１の軌道Ｌを適宜に配することにより、繊維ＣＦおよび装置の各構成が互いに干渉することを避けることができる。例えば、強化繊維ＣＦは、図４のごとく、正六角形の頂点および中心に配置することができる。このとき、４組の可動アーム１１とプーリ２３とを、可動アーム１１の軌道Ｌが互いに平行であって、軌道Ｌとは異なる方向において互いに離れて配置することができる。また残る３組も同様に互いに離れ、かつそれらの軌道Ｌが前者と斜めに交差するように配置することができる。このような配置にすれば、それぞれ直動しても可動アーム１１は互いに干渉することがない。これは、同時に複数の条の強化繊維Ｆを取り扱うのに有利である。もちろん可動アーム１１とプーリ２３の配置はこれに限られないし、その組み合わせの数も７組に限られず、より多くてもよく、あるいは少なくてもよい。

ゲート１７を閉じることにより、主チャンバ３ｂと第２のサブチャンバ３ｃとの間が気密に遮断されるので、主チャンバ３ｂを真空に保ったまま第２のサブチャンバ３ｃを大気に開放することができ、以って巻取りボビン１３の搬入や交換が可能である。処理された強化繊維ＣＦは、巻取りボビン１３に巻き取られた状態で回収される。

本実施形態によれば、強化繊維にＣＶＤあるいはＰＶＤのごとき真空処理を行う手順は、例えば次のようである。

図１を参照するに、図外の真空ポンプによってチャンバ３内は減圧状態に維持されている。ゲート１５，１７が閉じられることにより、第１，第２のサブチャンバ３ａ，３ｃが主チャンバ３ｂから気密に遮断される。次いで第１，第２のサブチャンバ３ａ，３ｃに外気が導入され、以ってこれらは大気に開放される。このときにも主チャンバ３ｂ内は減圧状態に維持されている。

大気に開放された第１のサブチャンバ３ａに、強化繊維Ｆが巻かれた送りボビン５がそれぞれ導入される。空の送りボビン５が既に第１のサブチャンバ３ａ内にある場合は、これらと交換される。導入された送りボビン５から強化繊維Ｆがそれぞれ引き出され、設置されていれば張力検出器１９をそれぞれ通され、さらに送りローラ７をそれぞれ通されて鉛直に垂下される。その先端には錘Ｗがそれぞれ結合される。

並行して、大気に開放された第２のサブチャンバ３ｃに、空の巻取りボビン１３がそれぞれ導入される。処理された強化繊維ＣＦが巻かれた巻取りボビン１３が既にあれば、これらと交換される。

第１，第２のサブチャンバ３ａ，３ｃは閉じられ、図外の真空ポンプにより減圧される。内部が必要な真空度に到達したら、ゲート１５，１７が開けられ、第１のサブチャンバ３ａ、主チャンバ３ｂ、第２のサブチャンバ３ｃが互いに連通する。このとき図２に示されるごとく、可動アーム１１は後退した位置にそれぞれ待機している。

送りローラ７から鉛直に垂下された複数の条の強化繊維Ｆは、主チャンバ３ｂ内に配置された処理機９を通過する。処理機９を通過した強化繊維Ｆはさらに鉛直に落下して、それらの先端が対応する可動アーム１１とプーリ２３との間にそれぞれ到達する。各可動アーム１１を前進しめて各条に接しさせ、各プーリ２３の溝に位置決めする。

各可動アーム１１をさらに前進しめて、各条をそれぞれ対応する巻取りボビン１３に接しさせ、各巻取りボビン１３により各強化繊維ＣＦを巻き取る。並行して可動アーム１１を後退せしめる。

処理機９を稼動して強化繊維Ｆにコーティング等の処理を施し、同時に巻取りボビン１３を回転せしめて、処理された強化繊維ＣＦを一定の速度で巻取りボビン１３に巻き取らせる。

上述の説明より理解される通り、真空処理が終了してボビンを交換するときには、第１，第２のサブチャンバを大気に開放する必要があるが、主チャンバは真空に保ったままにすることができる。真空処理装置のうちで最も容積および内面積の大きな主チャンバを真空に保ったままでおけるので、ボビンを交換した後には短時間の減圧作業で目的の真空度が得られ、従って高い生産性をもって真空処理を繰り返すことができる。

また本実施形態によれば、繊維を巻取りボビンに接続する作業は、真空下で実行することができる。さらに本実施形態によれば、複数の条の繊維を並行して真空処理に付することができる。

かかる作業は、大気圧下であれば、手作業で容易に実行することができる。あるいは繊維を空気とともにノズルに吸引することで位置決めすることができる。すなわち、大気圧下であれば、かかる作業を自動化することもできる。しかしながらかかる作業は、繊維が主チャンバを通過した状態で行うのであるから、必然的に主チャンバをも大気に開放しなければならない。それは既に述べたごとく、生産性を著しく損なう。真空下であれば、手作業も、ノズルによる吸引も、共に実行することが不可能である。

本実施形態によれば、強化繊維を可動アームにより捕捉して巻取りボビンに誘導できるので、かかる作業を真空下において自動的に実行できる。必然的に主チャンバを大気に開放する必要がなく、高い生産性が得られる。また装置の各要素を適切に配置することにより、複数の条を同時に取り扱うことができるので、より高い生産性が得られる。

幾つかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。

装置の大半を真空に保ったまま複数の条の繊維をそれぞれ複数のボビンに誘導して巻取りをすることができる真空処理装置が提供される。

Claims

複数条の強化繊維に真空処理を行う装置であって、
前記真空処理を行う単一の主チャンバを含む、全体を減圧状態に保持しうるチャンバと、
前記複数条を前記主チャンバ中に互いに離して垂下するべく配置された複数の送りローラと、
前記複数条をそれぞれ独立に巻き取る複数の巻取りボビンであって、鉛直に垂下された前記複数条から水平方向に離れて前記チャンバ中に配置された複数の巻取りボビンと、
複数の可動アームであって、それぞれ、鉛直に垂下された前記複数条から水平方向に離れた第１の位置から、前記複数条の何れかに接する第２の位置を経由し、前記接した条を対応する巻取りボビンへ接しさせる第３の位置まで前記チャンバ中において移動可能な、可動アームと、
を備えた装置。
前記第１の位置から前記第２の位置を経由して前記第３の位置に至る移動はそれぞれ水平な第１の方向に沿い、前記複数の可動アームは前記第１の方向とは異なる水平な第２の方向において互いに離れて配置される、請求項１の装置。
前記各可動アームを前記第１の方向に沿って直線的に駆動する直動機構を、
さらに備えた請求項２の装置。
前記直動機構はラックと前記ラックに噛合したピニオンとを備え、前記ピニオンは前記チャンバ外から回動される、請求項３の装置。
前記各可動アームは、前記接した条を捕捉して中央に誘導するガイド板を備えた先導端を備える、請求項１の装置。
前記チャンバは、さらに前記送りローラを収容する第１のサブチャンバと、前記巻取りボビンおよび前記可動アームを収容する第２のサブチャンバと、を含み、前記主チャンバは前記第１のサブチャンバおよび前記第２のサブチャンバから一時的に気密に遮断されるよう構成されている、請求項１から５までの何れか１項の装置。