概要：低圧浸炭プロセス（真空浸炭）における真空度の精密制御の要求を満たすために、本稿では対応するソリューションを提案する。透過ガス混合用のガス混合タンクを追加し、上流と下流の動的真空度制御方法を使用して、温度との制御方法の連携による真空度、浸透プロセスの真空度と温度の迅速かつ精密な制御を達することができる。

低圧浸炭は、真空浸炭とも呼ばれ、高温の炉内に浸炭媒体を通し、低圧の真空状態で急速浸炭を行うプロセスである。真空浸炭プロセスには、一段型、パルス型、スイング型がある。このうち、真空度、温度、浸炭時間は、それぞれの要求に応じて変化し、特に真空度は温度変化により大きく変化する。そのため、真空浸炭プロセスでは、真空度制御の観点から、以下のような問題を解決する必要がある。

(1) 定点制御、プログラム制御、高速パルス制御など、真空度の高速・高精度制御の問題から、真空制御システムには高い応答速度と制御精度が要求される。特に、真空度の全領域で正確な制御を行うためには、異なる真空度センサーとそれに対応する上流と下流の制御モードを、異なるレンジに応じて使い分ける必要がある。

(2) 真空度と温度の同時制御の問題。浸炭は高温環境下で行われるため、真空度と温度の同時制御が必要である。
低圧浸炭プロセスにおける真空度の精密制御の要求に応えるため、本稿では真空度の精密制御のソリューションに焦点を当て、デュアルチャネルPID制御を採用して同期温度制御を実現した。

2.解決方法
低圧浸炭プロセスにおける真空度・温度制御システムの全体構成を図1に示す。

真空度の精密制御の基本原理は動的制御法である。つまり、制御設定値と真空計の測定値に従って、浸炭室の吸気流と排気流をそれぞれ調整し、流入と流出が動的平衡に達することができるようにするのである。自動制御が必要な場合は、PID 制御アルゴリズムとそれに対応したコントローラが必要である。

図1に示すように、本稿で提案する真空度の精密制御ソリューションは、吸気流量の調整に電子ニードルバルブを使用し、排気流量の調整に電子ボールバルブまたは電子ニードルバルブを使用し、真空ポンプを真空源として使用する動的制御方式を採用しています。真空度の自動制御はPIDコントローラを採用している。

異なる低圧浸炭プロセスでは、真空度の制御範囲は1Pa~100kPaである。したがって、特定のプロセスでは、異なる真空度範囲での制御のために、異なる動的制御モードを採用する必要があります。1Pa~1kPaの高真空領域での真空度制御には、排気流量固定と吸気流量調整の上流制御モードを採用し、1kPa~100kPaの低真空領域での真空度制御には、吸気流量固定と排気流量の下流制御モードを採用する。

図1に示すように、吸気流量の調整と制御に到達するために、ガス混合タンクを浸炭室の吸気端に追加し、ガスマスフローメータを使用して、ガス混合タンクに様々な浸透ガスを流通させる。ガスは電子ニードルバルブを通って流れ、流量調整・制御を行う。

この方式では、温度制御機能を同時に達成するために、2チャンネルPIDコントローラを採用し、1チャンネルは真空度を制御し、もう1チャンネルは温度を制御しています。このデュアルチャンネルPIDコントローラを図2に示す。このPID制御は24ビットA/Dと16ビットD/Aを持ち、47の入力信号形式（熱電対、熱抵抗、DC電圧）を持ち、様々な真空と温度センサーに接続して測定、表示、2つの独立した測定制御チャンネル、2線式RS485、標準MODBUS RTU通信プロトコルを制御することができる。

真空度調整工程で高精度な調整を実現するために、図3に示すように数値制御ステッピングモータによる微調整が可能な電子ニードルバルブを採用している。FCシリーズのニードルバルブは、電磁弁に比べてヒステリシスが非常に小さく、1秒以内の高速応答が可能であり、特にフッ素ゴム（FKM）シール技術の採用により、優れた耐腐食性を有しています。数値制御電子ニードルバルブにステッピングモーター駆動回路モジュールを搭載し、数値制御ニードルバルブに必要な電源（DC24V）と制御信号（DC0〜10V）を供給し、RS485シリアル通信の直接制御も可能です。

吸込管路の直径が大きい場合、この方式では図4に示すような小型の電子ボール弁を使用します。この電子ボールバルブシリーズは、小型の電子バルブである。制御信号（DC0～10V）の変化に応じて、弁開度を連続的に調整することができる。最速の開閉時間は7秒以下、開閉時間は1秒以下にも達することができる。バルブとバルブ本体の一体型設計により、外形容積を小さくし、低価格を実現しています。密閉容器と真空ポンプの間に設置し、排気量を調整することが多い。

結論として、この論文で述べた解決策によって、低圧浸炭プロセスの真空度制御精度はフルスケール領域で1%に達することができ、それに対応する温度制御も実施することができるようになった。