JP2013154367A - 真空構造体の製造方法および真空構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】工程数の削減を図れるとともに、耐食性を向上させ、かつ軽量で強度に優れる真空構造体を製造できる真空構造体の製造方法および真空構造体を提供する。
【解決手段】内容器７２と外容器７３とを備え、これらの間に真空空間７４が形成される真空構造体の製造に際し、真空構造体を構成する部材としての底部８０を容器本体７０に溶接する溶接工程と、真空空間７４を形成する真空化工程とを同時に行う。容器本体７０と、底部８０は、同じ材料からなり、真空空間７４を密封するように容器本体７０に溶接されて真空空間７４の真空状態を保持する真空保持部として機能する。これにより、工程数の削減を図れるとともに、耐食性を向上させ、かつ軽量で強度に優れる真空構造体を製造できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、真空空間が形成される真空構造体の製造方法および真空構造体に関する。

魔法瓶等の内容器と外容器との間に真空空間が形成される真空構造体を製造するに際しては、構造体を形成した後、内容器と外容器との間の空間を真空にするために、空間につながる排気孔を形成し、空間内の空気を抜き取る。そして、この排気孔をろう材によって封止することが行われている（例えば特許文献１および２参照）。

特開平１０−３２８０４２号公報 特開２００９−２６９０４７号公報

しかしながら、上述の方法では、構造体を形成した後に、空間を真空にし、さらに排気孔を封止するため、構造体を形成する工程以外に、真空空間を形成する工程と排気孔を封止する工程が必要になり、工程数が多くなっていた。また、封止のためにろう材が必要になるので、ろう材と構造体の材料との間に界面が生じ、耐食性が十分でなかった。さらに、ろう材により封止するためには、外容器に相応の肉厚が必要となり、軽量化することが困難で強度が低くなりがちであった。

本発明の目的は、工程数の削減を図れるとともに、耐食性を向上させ、かつ軽量で強度に優れる真空構造体を製造できる真空構造体の製造方法および真空構造体を提供することにある。

＜１＞ 内容器と外容器とを備え、これらの間に真空空間が形成される真空構造体の製造方法であって、前記真空構造体を構成する部材を溶接する溶接工程と、前記真空空間を形成する真空化工程とを同時に行うことを特徴とする真空構造体の製造方法である。

＜２＞ 前記溶接工程では、前記真空構造体を構成する部材の材料により溶接を行う＜１＞に記載の真空構造体の製造方法である。

＜３＞ 溶接する領域にビームを照射しつつ、窒素ガスを付与する＜１＞または＜２＞に記載の真空構造体の製造方法である。

＜４＞ 相対的に高温条件下で、溶接する領域にビームを照射する＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の真空構造体の製造方法である。

＜５＞ 真空条件下で、溶接する領域にビームを照射する＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の真空構造体の製造方法である。

＜６＞ 内容器と外容器とを備え、これらの間に真空空間が形成される容器本体と、この容器本体と同じ材料からなり、前記真空空間を密封するように前記容器本体に溶接されて前記真空空間の真空状態を保持する真空保持部と、を有することを特徴とする真空構造体である。

＜７＞ 内容器と外容器とを備え、これらの間に真空空間が形成される容器本体と、この容器本体と同じ材料からなり、前記容器本体に嵌合し、前記真空空間を密封するように前記容器本体に溶接されて前記真空空間の真空状態を保持する真空保持部と、前記真空保持部の嵌合方向とは異なる方向に貯まる溶接用金属部と、を有することを特徴とする真空構造体である。

＜８＞ 前記溶接金属部は、前記容器本体の前記真空空間側とは反対側の面を基準として、最も深い位置が前記容器本体の前記真空空間側の面よりも浅い位置までに形成されるとともに、最も浅い位置の幅が最大となるように形成される＜６＞または＜７＞に記載の真空構造体である。

＜９＞ 前記容器本体および前記真空保持部はステンレス材により形成されるとともに、少なくとも前記真空空間側の面に内部より窒素濃度の高い相を有する＜６＞から＜８＞のいずれかに記載の真空構造体である。

本発明の真空構造体の製造方法によれば、溶接工程と真空化工程とを同時に行うので、工程数の削減を図れるとともに、耐食性を向上させ、かつ軽量で強度に優れる真空構造体を製造することができる。

本発明の真空構造体によれば、容器本体と同じ材料からなる真空保持部が、真空空間を密封するように容器本体に溶接されるので、耐食性を向上させ、かつ軽量で強度に優れたものとすることができる。

図１は、本発明の一形態の真空構造体の容器に溶接を行う溶接装置を示す図である。 図２は、図１のＩ部拡大図である。 図３は本発明の溶接前の真空構造体を示す図であり、左側は正面図、右側は縦断面図である。 図４は、図３のII部拡大図である。 図５は、本発明の真空構造体の溶接する領域の一形態の要部断面拡大図であり、（ａ）は溶接前、（ｂ）は溶接後を示す図である。 図６は、本発明の真空構造体の溶接する領域の他の形態の要部断面拡大図である。 図７は、本発明の真空構造体の溶接する領域の他の形態の要部断面拡大図である。

本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の真空構造体の容器に溶接を行う溶接装置を示す図であり、図２はそのＩ部拡大図である。図３は本発明の溶接前の真空構造体を示す図であり、左側は正面図、右側は縦断面図であり、図４はそのII部拡大図である。図５は、本発明の真空構造体の溶接する領域の一形態の要部断面拡大図であり、（ａ）は溶接前、（ｂ）は溶接後を示す図である。なお、説明中、真空構造体について、真空空間が形成される前の構造体についても、説明の便宜上、真空構造体と称することがある。

図１に示すように、溶接装置１は、装置本体１０と、回転台２０と、駆動部３０と、補助部４０とから主に構成されている。また、溶接装置１による溶接対象物としては、内容器と外容器との間に空間が形成される真空構造体が対象となるが、図１では、その例として魔法瓶５０が用いられている。なお、魔法瓶５０については、図１および図２では、理解の便宜のため、左側に縦断面図、右側に正面図を示している。

装置本体１０は、ビーム照射機１１と、これを据え付ける据付台１２とを備えている。図２に特に示すように、ビーム照射機１１は、水平方向の先端がビーム照射部１１ａとなっており、このビーム照射部１１ａは、溶接対象物の方向に向けて尖った錘状をなし、ビームを集中させるようになっている。溶接対象物に照射するビームは、レーザビームであってもよいし、電子ビームであってもよい。溶接対象物の肉厚が２ｍｍ以上であれば、より強力である電子ビームが好ましいが、それよりも薄い肉厚のものであればレーザビームが好ましい。図１の例では、溶接対象物が魔法瓶５０であるので、軽量化の観点から薄肉化するのが好ましく、そのためレーザビームを照射する。

ビーム照射部１１ａの後上方には、窒素ガス注入部１３が設けられており、ここよりレーザ照射機１１内に注入した窒素ガスを、ビーム照射部１１ａからビームとともに溶接対象物の溶接する領域の周辺に噴射するようになっている。なお、図１中の番号１４はランプである。

回転台２０は、挟持部２１を備えており、これにより溶接対象物の溶接する領域の高さがビーム照射位置の高さと一致するように挟持する。また、回転台２０は、底部に駆動部３０の軸３１が挿入されるとともに、ビーム照射機１１とは反対の側部で補助部４０の支持具４１により支持され、駆動部３０により水平方向に回転自在となっている。ここで、駆動部３０は、連結部３２によりモータ３３が減速器３４を介して軸３１に連結されており、モータ３３の回転速度を減速器３４により適宜に減速可能となっている。なお、補助部４０における番号４２は溶接対象物の位置を検知するセンサ、番号４３は挟持部２１の傾きを検知するセンサである。

このような構成により、溶接対象物を水平方向に回転させてビームにより溶接すると、酸素の燃焼や窒素ガスにより、溶接する領域周辺の酸素が除去されるので、溶接が完了した時点で溶接対象物の内容器と外容器との間の空間が密封されて真空構造体が完成する。つまり、溶接工程と真空化工程とを同時に行うので、溶接が完了した段階で真空空間を形成できるのである。

また、図１の例では、ビーム照射部１１ａから窒素ガスを噴射しながら溶接を行っているが、溶接装置１を窒素ガスが充填された室（チャンバ）内に設置して溶接を行ってもよい。この場合は、室内で内容器と外容器との間の空間が密封され、室外に出した時点で真空空間が形成される。

さらに、窒素ガス付与の代わりに、相対的な高温条件下、好ましくは３０〜１００℃の室内に溶接装置１を設置し、空気を希薄にして溶接を行ってもよいし、真空状態の室内（真空条件下）で同様な溶接を行ってもよい。これらの場合も、室内における溶接完了により内容器と外容器との間の空間が密封され、室外に出した時点、つまり常温ないし常圧下で真空空間が形成される。また、これらの各条件を組み合わせて真空化を行ってもよい。要するに、酸素を除去しやすい、あるいは酸素がない環境下で溶接を行い、溶接後に真空空間が形成できればよい。

窒素ガスが充填された、あるいは真空条件下の室内での溶接は、より精密に密封することが可能なので、相対的に大きな溶接対象物や小さくても精密さが要求される溶接対象物に好適である。また、相対的な高温条件下の室内での溶接は、酸素の除去を速められるので、相対的に大きな溶接対象物のように、表面積が大きく窒素ガスの噴射のみでは酸素の除去に時間がかかりやすいものに好適である。

ここまでの説明からわかるように、本発明において、「溶接工程と真空化工程とを同時に行う」とは、完全に同一のタイミングで行う必要はなく、一方の工程を、早く開始したり、遅く終了させてもよく、例えば、上述したように、相対的な高温条件や真空条件を整えた上で、その条件下で溶接を行ってもよい。なお、溶接工程と真空化工程は、同時に行えるのであれば、図示した溶接装置１以外の装置やシステムで行ってもよいが、同じ装置やシステムで行うのが好ましいことはいうまでもない。

次に、魔法瓶５０における具体的な溶接方法について説明する。図３に示すように、魔法瓶５０は、溶接前に、構成する部材として、上から順に、キャップ６０と、容器本体７０と、底部８０とからなる構造体を形成しておく。なお、この溶接前までの構造体の形成については、公知の方法により行うことができる。

この魔法瓶５０は、キャップ６０の内面と、容器本体７０のキャップ６０との係合域に、キャップ６０を容器本体７０に締めるためのネジ部６１、７１がそれぞれ形成されている。

容器本体７０は、内容器７２と、外容器７３とを備え、これらの間には空間７４が形成されている。この空間７４は、上述の溶接を経た後に真空空間となる。

内容器７２と外容器７３は、上端で溶接されている。この溶接には、上述した本発明のための溶接装置１を用いてもよいし、公知の溶接装置を用いてもよい。外容器７３のネジ部７１の下方は、少なくともネジ部７１よりは大径に形成され、底部８０まで直線状に伸びる側部７５となっている。ネジ部７１と側部７５の間には、両者より大径に形成された大径部７６を備えており、これによりキャップ６０が滑り落ちないようになっている。

図４に特に示すように、側部７５の下端には、溝７７が周方向に沿って形成されており、ここに底部８０が、側部７５と表面位置が合わさるように長手方向に嵌合し、空間７４を閉じている。つまり、底部８０は、溶接装置１により、溶接が完了した時点で容器本体７１を密封するので、溶接後は、空間７４の真空空間を保持する真空保持部として機能する。そして、この底部８０が、溶接装置１により、容器本体７０の外容器７３に溶接され、空間７４を真空化する。

容器本体７０および底部８０は同じステンレス材からなり、キャップ６０も少なくともネジ部７１は、それらと同じステンレス材からなることが好ましい。ステンレス材としては、特に制限はないが、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４５などが好適に挙げられる。

このように、同じ材料を溶接して真空化するので、魔法瓶５０を構成する部材としての容器本体７０および底部８０を薄肉化することができ、軽量で強度に優れるものとすることができる。また、真空化のために、魔法瓶５０を構成する部材と異なる材料を用いないので、材料間に界面が生じる懸念がなく耐食性の向上を図ることができる。ただし、真空化の万全を図ったり、デザイン用の肉盛を行うために、ろう材等の異なる材料を溶接してもよい。

また、容器本体７０の内容器７２、外容器７３、および底部８０のそれぞれの空間７４側の面に内部より窒素（分子）濃度の高い相を有することが好ましい。これにより、耐食性の向上を図ることができる。なお、空間７４側でない面にも同様な相を形成してもよい。

この窒素濃度の高い相を形成するに際しては、溶接時に空間７４に窒素ガスを噴射する方法、つまり上述した本発明の方法によってもよいし、板状または溶接前の状態で窒素ガスを充填した雰囲気内でステンレス材を１２００℃以下の窒素吸着が可能な温度（通常、窒素吸着が行われる温度）で加熱し、表面に窒素を吸着させる方法によってもよい。また、表面に窒素を吸着させるには、表面をオーストナイト相にしてもよいし、オーストナイト系材料を使用してもよいし、表面の窒素濃度を内部に対して相対的に高くしてもよい。オーステナイト相とする場合や窒素濃度を相対的に高くする場合には、その部分の厚さは、例えば１０〜２００μｍが好ましい。

次に、底部８０の外容器７３への溶接方法について説明する。図５（ａ）に特に示すように、底部８０が外容器７３の溝７７に嵌合した先端と、溝７７の側面との間には若干の隙間９０が存在する。溶接装置１により底部８０を溶接するに際しては、この隙間９０に底部８０の金属を相対的に多めに、外容器７３（溝７７の側面）の金属を相対的に少なめに、それぞれ図５（ａ）中の楕円状に囲んだ部分を目処として溶かす。これにより、図５（ｂ）に示すように、底部８０の嵌合方向（溝７７の側面方向）とは略鉛直方向に貯まる溶接金属部１００を形成する。このように、溶接金属部１００を底部８０の嵌合方向と異なる方向に形成することで、隙間９０の壁面となる外容器７３や底部８０の金属を利用できるので、少ない金属を溶かすだけで、強度の高い確実な溶接が可能となる。つまり、溶接金属部１００は、底部８０の嵌合方向と異なる方向に形成すれば、隙間９０の壁面を利用して、溶かす金属を少なくしつつ確実な溶接ができるので、必ずしも略鉛直方向に形成しなくてもよい。

溶接金属部１００は、外容器７３の表面（溶接装置１によりビームが照射される側の面）を基準として、最も深い位置が外容器７３の金属内で収まるように、つまり空間７４側の面より浅い位置までに形成する。空間７４側の面より深い位置まで形成すると、空間７４を十分に真空にすることが困難になるおそれがある。

また、底部８０は溝７７と当接する位置があり、この位置より手前に小さな隙間９１が存在する。溶接金属部１００は、最も浅い位置の幅Ｗが最大となるように形成し、溶けた金属が隙間９１に極力拡がらないようにし、好ましくは隙間９１に入り込まないようにする。これにより、溶かす金属を少なくできるとともに、外容器７３と底部８０との溶接をより確実にすることができる。

以上説明したように、本発明の真空構造体の製造方法では、真空構造体を構成する部材を溶接する溶接工程と、真空空間を形成する真空化工程とを同時に行うので、構造体を形成した後に、真空化工程を別途経る必要がなく、工程数の削減を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態を詳細に説明したが、本発明の真空構造体は、上記実施の形態に限定されない。例えば、上記実施の形態では、真空構造体として魔法瓶を例に挙げて説明したが、これに限らず、真空筒体、真空タンク、フロート、真空球体などに適用することもできる。

また、上記実施の形態では、底部を真空保持部として外容器と溶接しているが、これと同一な方法により、例えば、真空タンクのように容量の大きな真空構造体では、内壁を真空保持部として内容器と嵌合させて溶接してもよい。また、複数箇所を真空保持部として、容器本体と嵌合させて溶接してもよい。なお、この場合に、嵌合方向は、真空構造体が、球体であれば径方向とすればよいし、径の方が高さより大きい大径の真空構造体であれば高さ方向（短手方向）とすればよい。

さらに、上記実施の形態では、容器本体７０の外容器７３および真空保持部となる底部８０の双方の金属を溶かしているが、これに限定されない。例えば、図６に示すように、底部８０を溝７７に面で圧着させておき、底部８０の一点にビーム（図中矢印参照）を照射することで、その周囲の金属を溶かして溶接金属部１００を形成して溶接する、いわゆるスポット溶接を行うこととしてもよい。また、図７に示すように、容器本体７０に合わせ溝７８を形成しておき、ここに底部８０を嵌合させ、容器本体７０と底部８０とにより形成される角部８１にビームを照射することにより、その周辺の金属を溶かして溶接金属部１００を形成することにより溶接してもよい。

１ 溶接装置
１０ 装置本体
１１ ビーム照射機
１１ａ ビーム照射部
１２ 据付台
１３ 窒素ガス注入部
１４ ランプ
２０ 回転台
３０ 駆動部
３１ 軸
３２ 連結具
３３ モータ
３４ 減速器
４０ 補助部
４１ 支持具
４２ センサ
４３ センサ
５０ 魔法瓶（真空構造体）
６０ キャップ
６１ ネジ部
７０ 容器本体
７１ ネジ部
７２ 内容器
７３ 外容器
７４ 空間（真空空間）
７５ 側部
７６ 大径部
７７ 溝
７８ 合わせ溝
８０ 底部（真空保持部）
８１ 角部
９０ 隙間
９１ 隙間
１００ 溶接金属部
Ｗ 最も浅い位置の溶接金属部の幅

Claims (9)

1. 内容器と外容器とを備え、これらの間に真空空間が形成される真空構造体の製造方法であって、前記真空構造体を構成する部材を溶接する溶接工程と、前記真空空間を形成する真空化工程とを同時に行うことを特徴とする真空構造体の製造方法。
2. 前記溶接工程では、前記真空構造体を構成する部材の材料により溶接を行う請求項１に記載の真空構造体の製造方法。
3. 溶接する領域にビームを照射しつつ、窒素ガスを付与する請求項１または２に記載の真空構造体の製造方法。
4. 相対的に高温条件下で、溶接する領域にビームを照射する請求項１から３のいずれかに記載の真空構造体の製造方法。
5. 真空条件下で、溶接する領域にビームを照射する請求項１から４のいずれかに記載の真空構造体の製造方法。
6. 内容器と外容器とを備え、これらの間に真空空間が形成される容器本体と、
   この容器本体と同じ材料からなり、前記真空空間を密封するように前記容器本体に溶接されて前記真空空間の真空状態を保持する真空保持部と、を有することを特徴とする真空構造体。
7. 内容器と外容器とを備え、これらの間に真空空間が形成される容器本体と、
   この容器本体と同じ材料からなり、前記容器本体に嵌合し、前記真空空間を密封するように前記容器本体に溶接されて前記真空空間の真空状態を保持する真空保持部と、
   前記真空保持部の嵌合方向とは異なる方向に貯まる溶接用金属部と、を有することを特徴とする真空構造体。
8. 前記溶接金属部は、前記容器本体の前記真空空間側とは反対側の面を基準として、最も深い位置が前記容器本体の前記真空空間側の面よりも浅い位置までに形成されるとともに、最も浅い位置の幅が最大となるように形成される請求項６または７に記載の真空構造体。
9. 前記容器本体および前記真空保持部はステンレス材により形成されるとともに、少なくとも前記真空空間側の面に内部より窒素濃度の高い相を有する請求項６から８のいずれかに記載の真空構造体。