JP2009235560A - 高温用部品の潤滑コーティング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電所などの高温環境で使われる部品の磨耗および擦り傷などの損傷を効果的に防止することが可能な、高温用部品の潤滑コーティング装置を提供すること。
【解決手段】高温用部品がセットされるセッティング部、および前記高温用部品に対するスパッタリング空間を形成する蓋を備えたチャンバーと、前記セッティング部にセットされた高温用部品を回転駆動させる回転駆動手段と、前記チャンバーのスパッタリング空間を真空に保つための真空ポンプと、前記チャンバーのスパッタリング空間を不活性気体雰囲気に造成するための不活性気体供給部と、前記蓋の上面部と前・後面部に前記高温用部品を向いて複数設置されたターゲットと、前記ターゲットに対応するように前記蓋の上面部と前・後面部に設置され、ターゲットの原子を放出させて前記高温用部品に蒸着させる複数のスパッタガンと、前記回転駆動手段、前記真空ポンプ、前記不活性気体供給部および前記スパッタガンを制御する制御部とを含んでなる、高温用部品の潤滑コーティング装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電所などで使われる高温用部品の磨耗および擦り傷(galling)による損傷を防止するために、スパッタリング工法を用いて高温用部品の表面に潤滑層を形成する高温用部品の潤滑コーティング装置に関する。

表面剥がれ
化学発電所のボイラ管、ガスタービン、原子炉のスタッドボルトなどは高温で使われる部品である。これらの高温用部品は、結合部の高い荷重および温度、接触面の堅い粒子、停滞時間の増加などによって磨耗および擦り傷などの損傷が発生する。

このような磨耗および擦り傷による損傷を緩和するために、従来では固着防止剤(Anti-seize compound)を高温用部品の表面に塗布する方法を適用している。固着防止剤は、金属と固体潤滑剤の含量が高い銅ベースのペーストである。このような固着防止剤の塗布だけでは、高温用部品の損傷を防止する根本的な対策にはなっていない。

そこで、本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、発電所などの高温環境で使われる部品の磨耗および擦り傷などの損傷を効果的に防止することが可能な、高温用部品の潤滑コーティング装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、高温用部品がセットされるセッティング部、および前記高温用部品に対するスパッタリング空間を形成する蓋を備えたチャンバーと、前記セッティング部にセットされた高温用部品を回転駆動させる回転駆動手段と、前記チャンバーのスパッタリング空間を真空に保つための真空ポンプと、前記チャンバーのスパッタリング空間を不活性気体雰囲気に造成するための不活性気体供給部と、前記蓋の上面部と前・後面部に前記高温用部品を向いて複数設置されたターゲットと、前記ターゲットに対応するように前記蓋の上面部と前・後面部に設置され、ターゲットの原子を放出させて前記高温用部品に蒸着させる複数のスパッタガンと、前記回転駆動手段、前記真空ポンプ、前記不活性気体供給部および前記スパッタガンを制御する制御部とを含んでなる、高温用部品の潤滑コーティング装置を提供する。

上述したように構成された本発明は、他の部品と接触する高温用部品の表面に化学的成分および機械的特性の異なる潤滑層を形成することにより、高温用部品の磨耗および擦り傷などの損傷を防止する。したがって、本発明は、高温用部品の修理および復旧費用を節減することができるうえ、高温用部品の寿命および設備信頼度を増加させるという効果がある。

また、本発明は、原子力発電所に設置される高温用部品に適用される場合、従来の問題点、すなわち高放射線区域で作業を行わなければならない困難さおよび放射線被爆の危険性などを画期的に減らすことができるという効果がある。

以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。ところが、これらの実施例は、当該技術分野における通常の知識を有する者に本発明を十分理解してもらうために提供されるもので、様々な形態に変形できる。なお、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

図１は本発明の実施例に係る潤滑コーティング装置の外観を示す斜視図、図２は図１の潤滑コーティング装置における蓋が開放された状態を示す斜視図、図３は図２の潤滑コーティング装置に高温用部品がセットされた状態を示す斜視図である。

図１〜図３に示すように、本実施例に係る高温用部品の潤滑コーティング装置は、高温用部品Ｐに対するスパッタリング工程が行われるチャンバー１００、チャンバー１００のスパッタリング空間を真空雰囲気に造成するための真空ポンプ２００、チャンバー１００のスパッタリング空間を不活性気体雰囲気に造成するための不活性気体供給部３００、およびチャンバー１００におけるスパッタリング工程を制御する制御部４００などがプラットフォーム５００に設置された構造となっている。

これらの構成要素の中でも、スパッタリング工程が行われるチャンバー１００は、スパッタリングによって潤滑コーティングが行われるべき高温用部品がセットされるセッティング部１１０と、このセッティング部１１０にセットされた高温用部品Ｐに対するスパッタリング空間を形成する蓋１２０とから構成される。また、チャンバー１００には、前記セッティング部１１０にセットされた高温用部品Ｐの表面に均一に潤滑コートが行われるように高温用部品Ｐを回転駆動する回転駆動手段６００が設置されている。

前記セッティング部１１０の具体的な構成は、図４に示すように、フレーム１１１、移動パネル１１２および治具１１３からなることを例として挙げることができる。フレーム１１１は、高温用部品Ｐの長さに相当する長さだけ左右に長く延設されているが、このフレーム１１１上に前記移動パネル１１２が設置され、フレーム１１１の左右両端に治具１１３が設置されている。移動パネル１１２は、図４に３つ例示されているように複数個が備えられている。これらの移動パネル１１２には前記回転駆動手段６００が設置される。特に、移動パネル１１２がフレーム１１１上で左右に摺動し得るように、フレーム１１１には左右滑走レール１１１ａが設けられている。それぞれの移動パネル１１２には、回転駆動手段６００が前後方向に摺動し得るように前後滑走レール１１２ａが設けられている。また、前記治具１１３は高温用部品Ｐの両端部を回転可能に支持する。このように、移動パネル１１２がフレーム１１１上で左右に移動することができ、回転駆動手段６００は移動パネル１１２上で前後に移動することができるため、治具１１３によって支持される高温用部品Ｐの大きさと形態によって回転駆動手段６００の配置状態を調整することにより、高温用部品Ｐを安定的に支持しながら回転駆動することができる。

本実施例の回転駆動手段６００は、駆動モータ６１０、駆動ローラ６２０およびガイドローラ６３０から構成されるが、駆動モータ６１０から発生した回転駆動力によって駆動ローラ６２０が回転駆動して高温用部品Ｐを回転させ、ガイドローラ６３０は高温用部品Ｐの回転の際にこれを安定的に支持する。図４に示すように、駆動ローラ６２０は中央部の移動パネル１１２に一対が設置され、ガイドローラ６３０は左右側移動パネル１１２にそれぞれ一対ずつ設置される。

前述したように、図４に例示したセッティング部１１０は、大型部品、例えば原子炉のスタッドボルトなどに適した構造であるが、小型部品、例えば蒸気発生器のマンウェイスタッドボルト（Ｍａｎｗａｙスタッドボルト）などに対しては図５に例示したセッティング部１１０’が適用できる。すなわち、図５のセッティング部１１０’は、フレーム１１１’に設置された移動パネル１１２’上に、小型の高温用部品Ｐ’を支持する支柱１１４’を備えており、この支柱１１４’とフレーム１１１’の両端部の治具１１３’によって支持される小型の高温用部品Ｐ’を回転させる駆動ローラ６２０’が駆動モータ６１０’と共に設置された構造となっている。図４および図５にそれぞれ例示したセッティング部１１０、１１０’は、通常の固定手段、例えばボルトによってチャンバー１００に設置されるので、高温用部品の大きさと形態に応じて適切なもので交替してチャンバー１００に設置できる。

チャンバー１００の蓋１２０は、図１〜図３に示すように直六面体の形状をしており、セッティング部１１０上を覆い被せて閉じた状態でスパッタリング空間を形成する。この蓋１２０は傾斜ヒンジ(tilting hinge)１２１によって回転しながら開閉される。蓋１２０の開閉は、プラットフォーム５００の左右両側に設置された通常の油空圧機構７００、例えば油圧シリンダなどによって行われる。蓋１２０の開閉と開放角度を調節するための油空圧機構７００の作動は前記制御部４００によって制御される。

前記蓋１２０の上面部と前・後面部には、セッティング部１１０にセットされた高温用部品Ｐを向いてスパッタリングを行うためのターゲット８１０、８２０とスパッタガン９１０、９２０が複数設置されている。すなわち、図１および図２に示すように、蓋１２０の内側上面部に総６個のターゲット８２０が２列に配置されており、蓋１２０の内側前・後面部にも各３つずつのターゲット８１０が配置されている。それぞれのターゲット８１０、８２０はボルトＢなどの締結手段によって蓋１２０に組み立てられる。これらのターゲット８１０、８２０のうち、上面部と前・後面部の中央にそれぞれ位置するターゲットは、高温用部品Ｐの左右長さによって位置が変更できるが、ボルトＢを除去した状態でターゲットのフレームを１８０°回転させてさらにボルトＢで蓋１２０に組み立てればよい。このようなターゲット８１０、８２０に対応して、ターゲット８１０、８２０から原子が放出されて高温用部品Ｐに蒸着されるようにするスパッタガン９１０、９２０がターゲット８１０、８２０の位置と個数に一致するように蓋１２０の上面部と前・後面部に備えられている。

前記ターゲット８１０、８２０は接着層ターゲット８１０と潤滑層ターゲット８２０に区分されているが、特に、接着層ターゲット８１０は、潤滑層ターゲット８２０の素材が持つ接着力が弱いため、高温用部品Ｐの表面に直接接着され難いので、これを補完するために高温用部品Ｐの表面に薄膜の接着層を形成するように備えられるものである。接着層ターゲット８１０の素材としては接着力に優れたニッケル（Ｎｉ）が使用され、潤滑層ターゲット８２０の素材としては摩擦係数の低い銀パラジウム（ＡｇＰｄ）合金が使用される。高温用部品Ｐに対するスパッタリングは、接着層の形成に次いで潤滑層が形成される順序で行われるが、前記制御部４００の制御によって、接着層形成の際には潤滑層ターゲット８２０に対するスパッタガン９２０のパワー印加が停止し、潤滑層形成の際には接着層ターゲット８１０に対するスパッタガン９１０のパワー印加が停止する。

一方、前記真空ポンプ２００は、例えば回転ポンプとターボポンプから構成でき、最大１×１０^−６ｔｏｒｒまで排気することにより、チャンバー１００のスパッタリング空間を真空状態に保つ。前記不活性気体供給部３００は、アルゴン（Ａｒ）またはクリプトン（Ｋｒ）またはキセノン（Ｘｅ）などの純度９９．９９９％の不活性気体を真空状態のチャンバー１００の内部に供給することにより、不活性気体によってグロー放電(glow discharge)がなされ、陽イオンが陰極バイアスされたターゲット８１０、８２０に衝突してターゲット８１０、８２０の原子が高温用部品Ｐの表面に蒸着されるようにする。

前述したように構成された回転駆動手段６００、真空ポンプ２００、不活性気体供給部３００およびスパッタガン９１０、９２０などは、制御部４００によって作動が制御される。これにより、高温用部品Ｐに対する潤滑コーティングが行われる。次に、本実施例の潤滑コーティング装置によって行われるスパッタリング過程について考察する。

まず、図６および図７ａに示すように、本発明では、前述したように構成された潤滑コーティング装置にスパッタリングすべき高温用部品Ｐを移送し、ロードするためのホイストＨが準備される。また、高温用部品Ｐの表面に存在する油や塵などを除去するとともに、スパッタリングによる接着層が高温用部品Ｐの表面に適切に形成できるように、高温用部品ＰはＲＭＳ(Root Mean Square Roughness：二乗平均粗さ)約６００ｎｍ程度の粗さで前処理加工された状態で準備される。

ホイストＨは、例えばチャンバー１００のセッティング部にセットされる数に相当するだけの個数の高温用部品Ｐを一挙に引き上げてロードし得るようにクランプＣを備えている。図７ｂには、作業者が手作業で高温用部品をクランプすることが可能な通常のハンドリングクランプが例示されている。クランプＣによって固定された高温用部品Ｐは、ホイストＨに備えられたウィンチＷによって一定の高さに持ち上げられて潤滑コーティング装置のチャンバー１００へ移送される。

次いで、図８に示すように、チャンバー１００の蓋１２０が開いた状態で、セッティング部１１０上の回転駆動手段６００に高温用部品Ｐがロードされる。そして、蓋１２０が閉じた状態で制御部４００の制御によって真空ポンプ２００が作動してチャンバー１００のスパッタリング空間内の空気が全て排気され、不活性気体供給部３００からスパッタリング空間へアルゴンなどの不活性気体が供給されることにより、スパッタリングに適切な雰囲気が造成される。

チャンバー１００内の不活性気体の雰囲気下で接着層ターゲット８１０を相手にしてスパッタガン９１０が作動すると、接着層ターゲット８１０の原子が放出されて高温用部品Ｐの表面に蒸着されることにより、接着層が形成される。この際、潤滑層ターゲット８２０に対応するスパッタガンは作動しないように制御されるため、接着層ターゲット８１０の原子のみが放出される。

接着層ターゲット８１０による接着層の形成が完了すると、接着層ターゲット８１０を相手にするスパッタガン９１０は作動が停止し、潤滑層ターゲット８２０を相手にするスパッタガン９２０が作動して潤滑層ターゲット８２０の原子を放出させることにより、高温用部品Ｐの表面に潤滑層を形成する。

前述したように接着および潤滑の蒸着層を形成するとき、ターゲット８１０、８２０から放出されてチャンバー１００内で自由に運動する原子のうち高温用部品に入射した原子が蒸着層を形成する。特に、スパッタリングされた原子は、運動量の伝達によって比較的高い運動エネルギーを持つので、高温用部品の表面において蒸着層を形成するときに熱力学的に安定的な位置に表面拡散するため、緻密な組織を形成する。このように形成される接着層および潤滑層の厚さは、蒸着時間を調節することにより制御することができる。

一方、図３に示すように、高温用部品Ｐは回転駆動手段６００によって回転するため、高温用部品Ｐの表面に接着層と潤滑層が均一に蒸着されて形成される。

一般に、互いに接触する金属製部品同士の２つの面が金属学的に同じ材質で出来ていると、高温高圧で付着し合おうとする性質があるが、本発明によって高温用部品Ｐの表面に形成された潤滑層は同じ性質の他の部品と直接接触することを基本的に遮断するので、部品間の固着現象を防止することができる。

高温用部品Ｐの表面に接着層と潤滑層の蒸着が完了すると、前記ホイストＨによって高温用部品Ｐがさらにクランピングされて設置位置へ移送される。

以上では本発明を好適な実施例に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内において、当該技術分野における通常の知識を有する者によって様々な変形が可能である。

本発明の実施例に係る潤滑コーティング装置の外観を示す斜視図である。 図１の潤滑コーティング装置における蓋が開いた状態を示す斜視図である。 図２の潤滑コーティング装置に高温用部品がセットされた状態を示す斜視図である。 図２の潤滑コーティング装置に設置される大型部品用セッティング部と回転駆動手段を示す平面図である。 図２の潤滑コーティング装置に設置される小型部品用セッティング部と回転駆動手段を示す斜視図である。 図１の潤滑コーティング装置、および高温用部品を移送するホイストを一緒に示す斜視図である。 図６のホイストに高温用部品が引き上げられた状態を示す図である。 図６のホイストに備えられたハンドリングクランプ部位を拡大して示す図である。 図６のホイストによって高温用部品が潤滑コーティング装置にセットされる状態を示す斜視図である。

符号の説明

１００ チャンバー
１１０ セッティング部
１１１ フレーム
１１２ 移動パネル
１１３ 治具
１２０ 蓋
２００ 真空ポンプ
３００ 不活性気体供給部
４００ 制御部
５００ プラットフォーム
６００ 回転駆動手段
６１０ 駆動モータ
６２０ 駆動ローラ
６３０ ガイドローラ
７００ 油空圧機構
８１０ 接着層ターゲット
８２０ 潤滑層ターゲット
９１０、９２０ スパッタガン
Ｐ 高温用部品

Claims (8)

1. 高温用部品がセットされるセッティング部、および前記高温用部品に対するスパッタリング空間を形成する蓋を備えたチャンバーと、
   前記セッティング部にセットされた高温用部品を回転駆動させる回転駆動手段と、
   前記チャンバーのスパッタリング空間を真空に保つための真空ポンプと、
   前記チャンバーのスパッタリング空間を不活性気体雰囲気に造成するための不活性気体供給部と、
   前記蓋の上面部と前・後面部に前記高温用部品に向いて複数設置されるターゲットと、
   前記ターゲットに対応するように前記蓋の上面部と前・後面部に設置され、前記ターゲットの原子を放出させて前記高温用部品に蒸着させる複数のスパッタガンと、
   前記回転駆動手段、前記真空ポンプ、前記不活性気体供給部および前記スパッタガンを制御する制御部とを含んでなることを特徴とする、高温用部品の潤滑コーティング装置。
2. 前記セッティング部は、
   前記回転駆動手段が前後方向に移動し得るように設置される前後滑走レールを備えた移動パネルと、
   前記移動パネルが左右方向に移動し得るように設置される左右滑走レールを備えたフレームと、
   前記フレームの左右両端で前記高温用部品を回転可能に支持する治具とを含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の高温用部品の潤滑コーティング装置。
3. 前記セッティング部は、前記高温用部品の大きさと形態に応じて交替可能であることを特徴とする、請求項１または２に記載の高温用部品の潤滑コーティング装置。
4. 前記蓋を回転開閉するように前記制御部の制御によって作動する油空圧機構をさらに含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の高温用部品の潤滑コーティング装置。
5. 前記回転駆動手段は、
   回転駆動力を発生させる駆動モータと、
   前記駆動モータによって回転する中央の駆動ローラと、
   前記駆動ローラの左右に位置するガイドローラとを含んでなることを特徴とする、請求項１に記載の高温用部品の潤滑コーティング装置。
6. 前記ターゲットの一部は、前記高温用部品の軸方向に沿って位置が変更できるように前記蓋上にボルトによって締結されることを特徴とする、請求項１に記載の高温用部品の潤滑コーティング装置。
7. 前記ターゲットの一部は接着層ターゲットであり、残りは潤滑層ターゲットであることを特徴とする、請求項１に記載の高温用部品の潤滑コーティング装置。
8. 前記接着層ターゲットの素材はニッケル（Ｎｉ）であり、前記潤滑層ターゲットの素材は銀パラジウム（ＡｇＰｄ）合金であることを特徴とする、請求項７に記載の高温用部品の潤滑コーティング装置。
   

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