JPH0452600B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、真空容器の中で被加工物を加熱する
方法に関する。このような方法は、コーテイング
技術またはイオン処理技術と関連して、たとえ
ば、脱ガス、ろう付け、焼結、焼き入れ等に使用
されている。従来公知の真空熱処理炉では被加熱
物は、たとえば、加熱面により取り囲まれてい
て、輻射または熱伝導により被加熱物に加熱面か
ら熱を伝達するよう構成されている。導電性の被
加熱物に誘起された電流により被加熱物自身を加
熱することもできる。いわゆる異常放電の場合、
カソード表面全体を均一におおうグロー放電を熱
源として使用することも公知であり、この方法に
よればカソードとして接続された被加熱物を均一
に加熱することができる。 さらに、溶解すべき金属のごとき被加熱物を電
子を当てることにより真空中で加熱することも公
知である。しかし、この方法の場合、被加熱物上
で所要の温度分布が得られるよう幾何学的に特殊
なやり方で電子供給源を配置しなければならな
い。通常、周囲に関し大きい温度差でもつて局部
的に狭く限定された個所を加熱するため電子を当
てるようになつているが、電子ビームを焦点あわ
せすることが容易であるので、電子ビームを使用
することが好適している。 電子を当てることにより加熱を行なう特殊な形
態の１つは低電圧アークにより加熱を行なうこと
である。グロー放電により電子を放出する高温カ
ソードとアノードの間に生じるガス放電はこの明
細書の範囲内では低電圧アークの範疇に含められ
ている（この場合、ガス放電によるだけでカソー
ドを電子放出温度に保持するのか、あるいはカソ
ードを補足的に加熱するかはとるにたらないこと
である）。たいていの場合、たとえば、開口をへ
て真空容器と連通している中空カソードの空所ま
たは特殊な高温カソード室の中に稀ガス類が吹き
込まれる。中空カソードまたは高温カソード室か
ら開口を通つて容器の中にはいつたプラズマを磁
場の力により結束させるのが一般的である。中心
線が磁場の領域線に合致している螺線軌道上を電
子が移動する。この種の装置構成はスイス特許第
631743号と、米国特許第3210454号と第4197175号
と第3562141号より公知である。被溶解物の方に
向きぎめされた磁気的に結束されている低電圧ア
ークを用いてアノードとして接続された被溶解物
を加熱することがこれらの特許に記載されてい
る。周囲に関して大きい温度差でもつて局部的に
限定された高温個所を加熱するために低電圧アー
クを使用することもできる。 プラズマ・ビームを被加熱物に向きぎめするの
ではなく、プラズマが延在する磁力線を被加熱物
に沿つて誘導し、被加熱物の表面を均一に加熱す
ることもすでに提案されている。しかし、多くの
場合、被加熱物上におけるパワー密度（Ｗ／cm²）
が十分でないこと、すなわち、何時間もかけない
と被加熱物を所要温度に昇温させることができな
いことがしばしばであり、（真空蒸着装置のよう
に）高価な生産設備の場合、経済的に非常に不利
であることが明らかにされている。そのほか、低
電圧アーク放電のアノードに付加されるパワーを
意のままに高めることができないことも明らかに
されている。昔からの慣習とコスト上の理由から
これまで中性の残留ガス雰囲気としてもつぱらア
ルゴンが使用されているが、電極の配置により若
干の違いがあつても、パワーを高めるため、アル
ゴンを使用した低電圧アーク放電の電流密度を一
定の限界を越えて高めることはできない。そのほ
か、放電が不安定になり、広い周波数領域でとり
わけ高周波振動を発生する傾向があることも明ら
かにされている。このような傾向は許容されない
ものであり、このため高価な遮蔽措置を講じるこ
とが必要である。 したがつて、本発明の目的は、低電圧アークに
より真空のもとに被加熱物を加熱する方法であつ
て、比較的小さい直径の焦点上に低電圧アークの
パワーを限定する必要がなく、被加熱物の表面に
従来より大幅に高いパワー密度を確保し、もつて
従来より格段に早い加熱を行なうことができる方
法およびこの方法を実施するための装置を提供す
ることである。 上記の目的を達成するために、本願第１の発明
は、 真空容器内および開口を経て該真空容器と連通
しているカソード室内の不活性ガス雰囲気中で、
該真空容器の中に配置されたアノードと、該カソ
ード室の中に設けられた高温のカソードとの間に
低電圧アーク放電を発生させ、該真空容器の中に
ある被加熱物に該アーク放電により発生した電子
を衝突させることによつて該被加熱物を加熱する
方法において、 該放電のパワーを上昇させることにより、該被
加熱物に該電子が衝突するパワー密度を上昇さ
せ、 パワーを上昇させた該放電を、実質的にヘリウ
ムおよびネオンの少なくとも一方から成る該不活
性ガス雰囲気中で発生させることにより、該放電
を該上昇したパワーに安定して維持する ことを特徴とする真空容器内で被加熱物を加熱す
る方法 であり、本願第２の発明は 真空容器の中に配置されたアノードと、開口を
経て該真空容器と連通しているカソード室の中に
設けられた高温のカソードとの間に低電圧アーク
放電を発生させる際に、該放電を、一つの軸にほ
ぼ沿つて該開口を経て該容器内まで伸びた状態
で、且つ該真空容器内および該カソード室内の不
活性ガスを含む雰囲気中で発生させ、該真空容器
の中にある被加熱物に該アーク放電により発生し
た電子を衝突させることによつて該被加熱物を加
熱する方法において、 該被加熱物の加熱される表面にほぼ平行な磁力
線を有する磁界を発生させ、該磁界により該電子
に螺線軌道を取らせることにより、該表面に沿つ
た該表面上の電子密度および電子衝突密度の均一
性を高めるようにしたことを特徴とする真空容器
内で被加熱物を加熱する方法 であり、本願第３の発明は、 真空容器と、開口を経て該真空容器と連通する
カソード室とを有し、該真空容器の中に配置され
たアノードと、該カソード室の中に設けられた高
温のカソードとによつて、該真空容器内の不活性
ガスを含んだ雰囲気中で、該開口から一つの軸に
沿つて該容器内に至る低電圧アーク放電を発生さ
せて該真空容器内の被加熱物を加熱する装置にお
いて、 該真空容器内に磁界を発生させる装置と該被加
熱物を保持する装置とを設け、該保持装置は、該
被加熱物の最初に加熱されるべき表面を該磁界内
で該磁界の磁力線とほぼ平行にして該被加熱物を
保持する装置であることを特徴とする真空容器内
で被加熱物を加熱する装置である。 本願第１発明において、被加熱物の加熱される
表面にほぼ平行な磁力線を有する磁界を発生さ
せ、この磁界により該電子に螺線軌道を取らせる
ことにより、上記表面に沿つたこの表面上の電子
密度および電子衝突密度の均一性を高めるように
することが望ましい。その際、上記磁界として、
低電圧アーク放電の軸とほぼ同軸状の磁力線を有
する磁界を発生させることが望ましい。また、被
加熱物をアノード上に配置すること、被加熱物
を、最初に加熱されるべき表面を低電圧アーク放
電の軸に沿つてほぼ同軸状にして配置することが
望ましい。 本願第２発明において、磁界の磁力線が上記一
つの軸とほぼ同軸状であること、被加熱物を該低
電圧アーク放電のアノード上に配置すること、被
加熱物を、最初に加熱されるべき表面を低電圧ア
ーク放電の軸に沿つてほぼ同軸状にして配置する
ことが望ましい。 本願第３発明において、アノードを上記一つの
軸と同軸状に配置し、保持装置により被加熱物の
最初に加熱されるべき表面をこの軸に平行に配置
するようにすることが望ましい。 残留ガス雰囲気の中に保持されている磁気的に
結束された低電圧アーク放電にもとづいて発生し
た電子を被加熱物に当てることにより真空容器の
中で被加熱物を加熱する本発明に係る方法は、残
留ガス雰囲気がヘリウム及び／またはネオンより
成ることを特徴としている。 被加熱物をできるだけ均一に加熱するため、カ
ソード室と容器の間の開口を通過する磁力線が被
加熱物に当たらないよう形成された磁場を、加熱
の間、保持することが推奨されている。被加熱物
自身が低電圧アーク放電を行なうアノードとして
接続されるようにするのがとくに有利である。磁
場の強さ（磁気誘導Ｂ）により放電電圧を所要の
値に調整することが容易に可能であることが明ら
かにされている。アーク放電の領域における磁気
誘導Ｂが大きければ大きいほど、放電電圧は高く
なる。また、磁場を使用すると比較的高い電圧ま
で放電が安定して発生し、しかも磁気誘導Ｂが大
きければ大きいほど放電が安定するので有利であ
る。 本発明の趣旨に従がつて残留ガス雰囲気として
ヘリウムを選択したほうがよいのかあるいはネオ
ンを選択したほうがよいのかは、比較的大きい飛
散作用を必要とするのかあるいは比較的小さい飛
散作用で十分であるのかによつて定まる。（飛散
効果はアノードと向かい合つて負の電圧を有する
容器内の構成部材または被加工物に現われる。）
ヘリウムは原子重量がネオンより小さいので、そ
の飛散効果はネオンを使用する場合より小さい。
（たとえば、いわゆるイオン・エツチングにより
次に蒸着すべき面をクリーニングするため）飛散
効果を適切に調節することができるようにするた
め、残留ガス雰囲気としてヘリウムとネオンの混
合物を使用することが有利である。 以下、本発明の実施例にもとづいて本発明を詳
細に説明する。 添付図面の第１図は、円筒形の容器の軸に沿つ
て延在したプラズマ・ビームを用いて本発明方法
を実施する装置を図解したものである。被加熱物
は容器の軸に沿つて延在したプラズマ束のまわり
に配置されていて、電子が軸方向に移動してか
ら、アノードとして接続された被加熱物に向かつ
て分散することにより半径方向に移動し、被加工
物に到達するよう軸方向の磁場が形成されてい
る。電子の移動の自由度に関するこの異方性のお
かげで軸方向に電流密度を均一に分散させること
ができるとともに、容器の軸のまわりに配置され
た被加熱物に均一な加熱作用を行なうことができ
る。 被加熱物を保持する保持装置が加熱室の中でプ
ラズマ束の軸を外壁状に取り囲んでいて、プラズ
マを結束する磁場を作るために同軸のマグネツ
ト・コイルを設けるよう構成された装置の好適し
た実施態様においては、加熱室とカソード室とを
互に連通する開口を通過した磁力線は被加熱物と
交差することなく被加工物により取り囲まれた状
態で被加熱物のそばを誘導されている。電子が被
加熱面に到達するまえに、磁場により結束された
プラズマから横方向に電子がそれるように構成さ
れていて、磁力線に沿う電子の移動性は大きい
が、磁力線に直角方向の移動性は低いので、電子
は広い面にひろがつて被加熱物上に分散されるか
ら、被加熱物に直接向きぎめされている磁気的に
結束されたプラズマ・ビームを使用する従来の方
法の場合より大幅に均一な加熱を行なうことがで
きる。 添付図面の第１図において、参照数字１はつり
鐘状の真空容器であつて、被加熱物３は該真空容
器１の中で保持装置２により保持されている。保
持装置２は電気絶縁物４を介して真空容器の底板
５に固定されていて、外部からの漏洩が生じない
よう封止された電流案内手段６を通つて電源７の
正の極と電気的に接続されている。容器の上部に
高温カソード室８が設けられていて、該高温カソ
ード室８は開口９をへて容器１の内部と連通して
いる。電流を通すことにより加熱されるワイヤで
ある高温カソード１２が電気的に絶縁されたプレ
ート１１により担持された状態で高温カソード室
８の中に取り付けられている。高温カソード１２
は外部から加熱される中空のカソードでもよく、
また自己加熱式中空カソードでもよい。調節弁１
３は高温カソード室８の中にガスを流入させるた
めに使用される。マグネツト・コイル１４は容器
１と同軸の磁場を形成する。高温プロセスを実施
するまえに容器１と該容器１と連通している高温
カソード室８がポンプ継手１５をへて高真空ポン
プにより0.01Paより低い圧力レベルまで排気され
ている。真空ポンプを運転している間、調節弁１
３を通つてヘリウムまたはネオンまたは両ガスの
混合物を流入させ、容器１内の圧力が0.1Paと
1Paの間のレベルとなるよう圧力調整を行なう。
しかるのち高温カソード１２を加熱し、電源７を
オンに切り換えて通電する。電源７は、たとえ
ば、100ボルトの電圧を発生する。（低電圧アーク
を発生させるには、開口９を有する絶縁された壁
体に短時間アノード電位を印加するかまたは前記
壁体をつねに抵抗をへて電源７のプラス極に接続
しておくことが効果的である。）磁場の強さが十
分（例えば0.01テスラ）の場合、開口９を通つて
容器１の中にはいつた電子が半径が非常に小さい
螺線軌道上にある磁力線をたどつて移動するのに
伴なつて、容器の中心軸に沿つてプラズマ・コラ
ムが発生する。このプラズマ・コラムの直径は開
口９の直径により設定される。アーク電流が100
アンペア、アーク電圧が70ボルトの場合、約4.2
キロワツトの加熱パワーが（60パーセント効率
で）ホルダー２と被加熱物３に伝達される。 第１図に示されている実施例の場合、コイル１
４は垂直に延在した容器の軸に平行な磁場を形成
する。容器の軸の近傍でプラズマ束に沿つて延在
した磁力線が被加熱物と交差しないことは明らか
である。プラズマ束と被加熱面との間に延在する
空間内では容器の軸にほぼ平行な磁場が形成され
ており、上述のようにこの磁場の作用により電子
は軸方向に均一に分散し、被加熱面に衝突する。 第１図に示されている装置を使用して：（鋼製
の螺線ドリルのごとき）工具を装填した場合、 12分内に平均350℃の温度に加熱される。なお、
装填物のもつとも高温の位置ともつとも低温の位
置との間の温度差は25℃程度にすぎない。室温に
保持されている容器の壁に対する遮蔽材を設ける
必要なく、加熱すべき工具を容器の中に配置する
ことができる。従来公知の方法ではこのように迅
速かつ均一に加熱を行なうには非常に費用がかか
ることをがまんしなければならなかつた。次の表
は、残留ガス雰囲気としてアルゴンの代わりにヘ
リウムを使用することによりどのような利点が得
られるかを示す。なお、上述の装置で180アンペ
アのアーク電流を使用して表に記載されている温
度に同じ被加熱物を加熱するために必要な時間が
アルゴンとヘリウムについて表中に記載されてい
る。

【表】 この表より明らかなように、残留ガス雰囲気と
してヘリウムを使用した場合、加熱時間を大幅に
短縮することができる。すなわち、約300℃以下
ではほぼ1/4に短縮することができる。ネオンを
使用した場合も同様に加熱時間を大幅に短縮する
ことができる。 本発明に係る加熱方法において被加熱物のわず
かな温度差を完全に解消しようとする場合、たと
えば、垂直軸のまわりで保持装置を回転させるご
とく、被加熱物を移動させるのが効果的である。 本発明では工具類のごとき製品だけでなく、た
とえば、粉末の形をした材料も被加熱物の中に含
めることができる。 たとえば、低電圧のアーク放電により生じた正
のイオンを高加熱物に衝突させるごとき他の方法
工程にも本発明方法を実施するために必要な装置
を使用することができるので、本発明方法は非常
に有利である。

【図面の簡単な説明】

添付図面の第１図は本発明方法を実施する装置
の一実施例を図解した断面図。 １……真空容器、２……保持装置、３……被加
熱物、４……電気絶縁材、５……底板、６……電
流案内手段、７……電源、８……高温カソード
室、９……開口、１１……絶縁プレート、１２…
…高温カソード、１３……調節弁、１４……マグ
ネツト・コイル、１５……ポンプ継手。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 真空容器内および開口を経て該真空容器と連
   通しているカソード室内の不活性ガス雰囲気中
   で、該真空容器の中に配置されたアノードと、該
   カソード室の中に設けられた高温のカソードとの
   間に低電圧アーク放電を発生させ、該真空容器の
   中にある被加熱物に該アーク放電により発生した
   電子を衝突させることによつて該被加熱物を加熱
   する方法において、 該放電のパワーを上昇させることにより、該被
   加熱物に該電子が衝突するパワー密度を上昇さ
   せ、 パワーを上昇させた該放電を、実質的にヘリウ
   ムおよびネオンの少なくとも一方から成る該不活
   性ガス雰囲気中で発生させることにより、該放電
   を該上昇したパワーに安定して維持する ことを特徴とする真空容器内で被加熱物を加熱す
   る方法。 ２ 該被加熱物の加熱される表面にほぼ平行な磁
   力線を有する磁界を発生させ、該磁界により該電
   子に螺線軌道を取らせることにより、該表面に沿
   つた該表面上の電子密度および電子衝突密度の均
   一性を高めるようにしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ３ 該磁界として、該低電圧アーク放電の軸とほ
   ぼ同軸状の磁力線を有する磁界を発生させること
   を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の方法。 ４ 該被加熱物を該アノード上に配置する工程を
   含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の方法。 ５ 該被加熱物を、最初に加熱されるべき表面を
   該低電圧アーク放電の軸に沿つてほぼ同軸状にし
   て配置する工程を含むことを特徴とする特許請求
   の範囲第３項記載の方法。 ６ 真空容器の中に配置されたアノードと、開口
   を経て該真空容器と連通しているカソード室の中
   に設けられた高温のカソードとの間に低電圧アー
   ク放電を発生させる際に、該放電を、一つの軸に
   ほぼ沿つて該開口を経て該容器内まで伸びた状態
   で、且つ該真空容器内および該カソード室内の不
   活性ガスを含む雰囲気中で発生させ、該真空容器
   の中にある被加熱物に該アーク放電により発生し
   た電子を衝突させることによつて該被加熱物を加
   熱する方法において、 該被加熱物の加熱される表面にほぼ平行な磁力
   線を有する磁界を発生させ、該磁界により該電子
   に螺線軌道を取らせることにより、該表面に沿つ
   た該表面上の電子密度および電子衝突密度の均一
   性を高めるようにしたことを特徴とする真空容器
   内で被加熱物を加熱する方法。 ７ 該磁界の磁力線が該軸とほぼ同軸状であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の方
   法。 ８ 該被加熱物を該低電圧アーク放電のアノード
   上に配置する工程を含むことを特徴とする特許請
   求の範囲第６項記載の方法。 ９ 該被加熱物を、最初に加熱されるべき表面を
   該低電圧アーク放電の軸に沿つてほぼ同軸状にし
   て配置する工程を含むことを特徴とする特許請求
   の範囲第７項記載の方法。 １０ 真空容器と、開口を経て該真空容器と連通
   するカソード室とを有し、該真空容器の中に配置
   されたアノードと、該カソード室の中に設けられ
   た高温のカソードとによつて、該真空容器内の不
   活性ガスを含んだ雰囲気中で、該開口から一つの
   軸に沿つて該容器内に至る低電圧アーク放電を発
   生させて該真空容器内の被加熱物を加熱する装置
   において、 該真空容器内に磁界を発生させる装置と該被加
   熱物を保持する装置とを設け、該保持装置は、該
   被加熱物の最初に加熱されるべき表面を該磁界内
   で該磁界の磁力線とほぼ平行にして該被加熱物を
   保持する装置であることを特徴とする真空容器内
   で被加熱物を加熱する装置。 １１ 該アノードを該軸と同軸状に配置し、該保
   持装置により該被加熱物の該表面を該軸に平行に
   配置するようにしたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１０項記載の装置。