JPS6011278B2 - 超高真空用フランジ継手構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超高真空を必要とする粒子加速器等に用いら
れるフランジ継手構造に関し、特にフランジの材質とし
てアルミニウム合金を用いたけのに関する。

従来、粒子加速器等においては主としてステンレス鋼製
フランジ継手構造が用いられており、対向するフランジ
間には銅製の○リングとしてのガスケツトが用いられて
いる。

ところで、素材としてのステンレス鋼は、耐食性や機械
的強度などの点で優れている半面、重量が大きく、また
粒子加速器に用いた場合にかなりの残留放射能を発生す
るという問題点がある。

そこでステンレス鋼の代わりに、アルミニウム合金を用
いることが考えられる。すなわち、アルミニウム合金は
、重量が軽く、また粒子加速器に用いた場合でも残留放
射能の値がステンレス鋼の場合に比べて１ケタ少なくな
るという利点があるからである。しかし、単なるアルミ
ニウム合金製のフランジでは、表層の硬度が不足したり
、変形を起こしたりするという問題点があり、超高真空
を要する部分には不具合をきたす恐れがある。

また、金属面相互の密着による超高真空の保持について
、従来は粗面相互の噛合いによることが有効とされ、鏡
面仕上げされた金属面は却って密封性が劣るとされてい
たが、粗面相互の噛合いによる場合は着脱を繰返して使
用することができないという問題点がある。

そこで、本発明者らは、従来不具合とされていた鏡面仕
上による金属面間の密封について実験を重ねた。

まず、本発明者らは、５０仏れ位の粗度から徐々に粗度
を４・さくして気密特性を試験したところ、０．５ム凧
〜５仏ののいわゆる平滑といわれている表面で気密特性
が不安定であることを見出した。

ところで、本発明者らは、０．５山肌よりも粕度の小さ
い硬質鏡面（いわゆる超鏡面）を形成する手段として、
鏡面研削を施されたアルミニウム合金の表面に、イオン
プレーティング処理による窒化チタンまたは窒化クロム
の硬質表層を形成すればよいことを見出したため、かか
る手段によって得られた超鏡面についての気密特性を調
べてみた。この実験の結果、金属面の粗度を０．５山肌
よりも小さくした十分な鏡面仕上げにすれば、繰返し使
用に耐える超高真空のための密封性を得られることを見
出した。

本発明は、上述の諸点に鑑みて、アルミニウム合金製の
フランジに、鏡面仕上げの手段と、その表面のイオンプ
レーティングによる硬質化の手段とを組合せることによ
り、硬質の超鏡面仕上げを達成して、優れた密封性と、
繰返し使用できる性能とを得られるようにした超高真空
用フランジ継手構造を提供することを目的とする。

このため本発明の超高真空用フランジ継手構造は、対向
するアルミニウム合金製フランジ間に形成された環状ス
ペース内に、軟質金属で作られた環状のメタルガスケッ
トを介袋され、このメタルガスケットに密着すべき上記
環状スペースの内壁が、鏡面研削を施されたアルミニウ
ム合金の表面に、イオンプレーテイング処理による窒化
チタンまたは窒化クロムの硬質表層をそなえて、０．５
仏のよりも粗度の小さい硬質鏡面をもつように形成され
たことを特徴としている。

以下、図面により本発明の実施例としての粒子加速器に
おける超高真空用フランジ継手構造について説明すると
、第１図はその縦断面図、第２図はそのメタルガスケツ
ト部分の拡大断面図であり、第３図はその変形例を第２
図に対応させて示す断面図である。

第１図に示すように、左右のアルミニウム製／ぐィプー
，Ｙの端部に、それぞれアルミニウム合金製フランジ２
，２が互いに対向するように、溶接３により設けられ、
両フランジ２，２の間に形成された環状スペース４内に
、０リングとしてのメタルガスケット５が介装されてい
る。

なお環状スペース４の形状としては、円環状に限らず、
角型の環状など任意の形状にすることができる。そして
両フランジ２，２は、綿付ボルト６およびその締付ナッ
ト６ａにより縦付けられるようになっている。フランジ
２の材料であるアルミニウム合金としては、アルミニウ
ムを主成分とし、銅５〜跡ｔ％と、徴量のバナジウム、
チタン、マンガンとを含むものが望ましい。

またパイプ１の材料としては、適宜のアルミニウム合金
が用いられる。

ところで、各フランジ２における環状スペース４の内壁
は、相度（表面の凹凸の隣接する山と谷とのレベル差）
が０．５ｒｍよりも４・さし、鏡面仕上げを施されてお
り、このように滑らかな鏡面仕上げは、前述のアルミニ
ウム合金の素材面をダイヤモンド平形バイトで研削する
ことにより達成できる。

なおフランジ２の材料としてステンレス鋼を用いたので
は、ダイヤモンド平形バイトで研削しても、研削表面に
ささくれを生じて十分な鏡面を得ることはできない。こ
のようにして、メタルガスケツト５と密着すべき環状ス
ペース４の内壁が鏡面研削を施されてから、各フランジ
２の表面に、イオンプレーテイング処理により窒化チタ
ン（ＴＩＮ）または窒化クロム（ＣｒＮ）の硬質表面７
が形成されており、この硬質表面７の厚さは３〜１０仏
のとされ、好ましくは５〜７山肌とされる。

上述のイオンプレーティング処理は、真空容器中に窒素
ガスの雰囲気を形成し、この雰囲気においてチタンまた
はクロムのイオンを発生させて、陰極としてのアルミニ
ウム製フランジ２の所要部分にプラス電荷の窒化チタン
または窒化クロムを付着させるものであり、乾燥状態で
フランジ２の表面処理が行なわれ、これによりきわめて
強固な硬質表層７が形成される。

なおフランジ２の表面に窒化チタンおよび窒化クロムを
同時に付着させるようにしてもよい。

この硬質表層７が、鏡面研削された環状スべ−ス４の内
壁にイオンプレーティング処理により積層される際に、
その微小の凹凸面の凹部に凸部よりもやや多く積層が行
なわれる傾向があり、これにより環状スペース４の内壁
面は硬質表層７を形成されると更に滑らかな鏡面となり
、０．５山肌よりも十分に小さい粗度に保たれるのであ
る。環状スペース４の内壁の形状は、メタルガスケット
５と接触する壁面４ａをパイプ１の軸線ｌａと直角をな
すように形成されていてもよいが、ガスケット５との圧
着作用を繰返し有効に行なわせるためには、上記壁面４
ａが、第２図に示すように中心軸線ｌａに対し傾斜して
円錐面を形成するのが好ましい。また第３図に示すごと
く、両フランジ２，２の締付け時に、環状スペース４に
おいてメタルガスケット５と接触する部分が全部で４個
となるように、環状スペース４の薮壁面４ａを二重円錐
面（ダブルコーン）に形成してもよい。

メタルガスケット５は、第２，３図に示すように、全体
として円環状に形成されたニッケル鋼製コイルスプリン
グからなる弾性コア８と、これをニッケル製リティナ９
を介して被覆する軟質の純アルミニウム材１０とで形成
されている。

なお、この純アルミニウム材１０は、大気側にスリット
１０ａを有する環状パイプとして形成される。また締付
ボルト６およびこれに螺合する締付ナット６ａは、いず
れも高張力アルミニウム合金で形成されて、それらの表
面にアルマイト加工を施されている。すなわち、締付ボ
ルト６およびその続付ナット６ａの表面には、電解酸化
法により丈夫な酸化アルミニウムの被膜が形成されてい
る。

このようにして、従釆のステンレス鋼製のボルトおよび
ナットから、軽量で残留放射能の値の少ないアルミニウ
ム系のものへの代替をはかりながら、十分な強度と耐久
性とを得ることができる。

上述の構成により、アルミニウム製の各フランジ２は、
締付ボルト６およびその縦付ナット６ａによりメタルガ
スケット５との当たりを超高真空を保持するのに十分な
値にまで締付けられても、イオンプレーテイング処理に
よる窒化チタンまたは窒化クロムの硬質表層７の存在に
より表面に損傷を起こすことがない。そして、上述の縦
付け作用により、メタルガスケット５における軟質の純
アルミニウム材１０の表面が、フランジ２の環状スペー
ス４における硬質の鏡面としての接触壁面４ａで押圧さ
れて鏡面となり、しかもその粗度が０．５ムのよりも小
さいため、両鏡面の一方における微小の凸部が他方の鏡
面における微小の凹部と鉄まり合う緊密な接触を生じて
、高度の密封効果が得られるのである。

また、上述のごとく締付けられたメタルガスケット５は
、このフランジ継手の密封と離脱とを繰返す際に、その
密封時にフランジ２の接触壁面４ａと接触する位置が変
化しても、そのつどメタルガスケット５の欧質表面が鏡
面化されるので、支障なく密封作用を行なうことができ
る。この密封作用に際して、フランジ２の環状スペース
４における接触壁面４ａの形状は、第２，３図を示すよ
うな円錐形または二重円錐形とする方が高い密封効果を
もたらすことができるが、これは緒付け時に接触壁面４
ａに対しメタルガスケット５の欧質表面がしごかれるよ
うに微４・の摺り合せ作用を生じて鏡面化されるためで
あり、実験の結果、１０‐ｌｏＴｏｍ・そ／ｓｅｃ程度
で真空度を保つ場合に、少なくとも２０回以上の繰返し
使用に耐えることができた。

また１０‐８Ｔｏｍ・そ／ｓｅｃ程度で真空度を維持す
る場合は、少なくとも１００回の繰返し使用に耐えるこ
とができた。一方、フランジ２、綿付ボル．ト６および
その縦付ナット６ａの各素材をアルミニウム系にするこ
とにより、粒子加速器に用いても残留放射能がステンレ
ス鋼製の場合に比べて大幅に減少する利点が得られる。

また各フランジ２の素材としてのアルミニウム合金は、
超高真空を達成するのに必要な表面からのガスの放出係
数がステンレス鋼の場合と同等で、しかも放出ガスの成
分が単純なため良質の真空を達成することができる。

このほか、素材としてのアルミニウム合金は、熱伝導性
や加工性の点で優れており、また重量が軽く、価格も安
いなどの利点がある。

さらに、窒化チタンまたは窒化クロムの硬質表層７は、
イオンプレーティングによる乾式処理で形成されたもの
であるから、超高真空中でもガス放出を超こし１こくい
利点がある。

なお前述の実施例では、メタルガスケツト５として軟質
の純アルミニウム材１０を含んだ特殊構造のものが示さ
れているが、メタルガスケット全体も純アルミニウム材
で形成してもよい。

以上詳述したように、本発明の超高真空用フランジ継手
構造によれば、対向するアルミニウム合金製フランジ間
に形成された環状スペース内に、軟質金属で作られた環
状のメタルガスケットを介装され、このメタルガスケッ
トの密着すべき上記環状スペースの内壁が、鏡面研削を
施されたアルミニウム合金の表面に、イオンプレーティ
ング処理による窒化チタンまたは窒化クロムの硬質表層
をそなえて、０．５仏のよりも粗度の４・さし、硬質鏡
面をもつように形成されるという簡素な構成で、従来困
難とされれてし、たアルミニウム系の材料による超高真
空部分のフランジ継手構造を実現することが可能となり
、しかもその高度の真空密封性能を維持したまま繰返し
使用することが可能となるので、粒子加速器や、原子力
発電設備、核融合関係の設備、その他宇宙開発関係の諸
機器等の性能向上に寄与しうる利点がある。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の実施例としての粒子加速器における超高真
空用フランジ継手構造を示すもので、第１図はその縦断
面図、第２図はそのメタルガスケット部分の拡大断面図
であり、第３図はその変形例を第２図に対応させて示す
断面図である。 １・・…・パイプ、２・・・・・・アルミニウム合金製
フランジ、３・・・・・・溶接部、４・・・・・・円環
状スペース、４ａ・・・・・・接触壁面、５・・…・メ
タルガスケツト、６・・・・・・稀付ボルト、６ａ・・
・・・・締付ナット、７・・・・・・硬質表層、８・・
・・・・弾性コア、９・・・・・・リティナ、１０・・
・…軟質の純アルミニウム材、１０ａ・・…・スリット
、１１……カップリング。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 対向するアルミニウム合金製フランジ間に形成され
   た還状スペース内に、軟質金属で作られた環状のメタル
   ガスケツトを介装され、このメタルガスケツトに密着す
   べき上記環状スペースの内壁が、鏡面研削を施されたア
   ルミニウム合金の表面に、イオンプレーテイング処理に
   よる窒化チタンまたは窒化クロムの硬質表層をそなえて
   、０．５μｍよりも粗度の小さい硬質鏡面をもつように
   形成されたことを特徴とする、超高真空用フランジ継手
   構造。