JP2004017061A - 拘束治具及びその拘束治具を用いたろう付方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ低コストで部材間を均一に拘束する拘束治具及びその拘束治具を用いたろう付方法を提供する。
【解決手段】門型架台２とワーク３との間に配設された加圧タンク１の下面側のワーク３との接触面１ａを扁平とし、予めワーク３の部材間の隙間の変位可能な変位量Ｈだけ凹ませて成形しておき、ワーク３の部材間の隙間の変位とともに凹ませた接触面１ａを、所定の圧力の不活性ガスを導入することにより押付けるようにする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、部材間を拘束する拘束治具及びその拘束治具を用いたろう付方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ろう付は母材より低い融点の金属又は合金からなるろうを溶融させ、溶融させたろうを母材間の隙間等に満たして接合する方法である。
【０００３】
例えば、母材間の接合部分にろうを挟み込み、バーナー等の加熱方法により接合部分を加熱して、ろうを溶融することでろう付を行う。この時、母材間の接合部分のろう切れ（接合部分の母材同士がろうを介して接合できていない状態）を防止するために、母材同士を押付けて互いに動かないように拘束することで、適切な隙間を形成してろう付を行う。つまり、ろう付時には、母材間を動かないように拘束して行うことが重要である。なお、ろう付は、母材表面の酸化を防止するため、還元性雰囲気、不活性雰囲気、又は真空中で行われることが多い。
【０００４】
ろう付の利点として、他の溶接方法が適用し難い材料や複雑で精密な部品の接合ができること、異種金属の溶接が容易で、かつ、母材をほとんど溶融しないこと等が有り、そのため、フィン及びプレートを何層も積層したプレートフィン型熱交換器等の接合にも従来から使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
プレートフィン型熱交換器を構成するプレートとフィンとの間をろう付にて接合する場合、常圧ろう付技術により、ポイントだけを押え込むくさび型の拘束治具を用いてプレートとフィンとの間を密着させて接合する。この場合、プレートとフィンとの間の拘束力は局所的であり、全接合部分に均一に働くものではない。そのため、接合率（全接合点に対して接合良点の割合）は必ずしも高いものではなかった。
【０００６】
特に、分割して作製できない場合がある大型（面積の広い）のプレートフィン型熱交換機の場合、接合する面の中心部分におけるプレートとフィンとの間の拘束力が不十分となり、高温加熱中にろう付の隙間の不均一変形が防止できない。そのため、ろう切れ欠陥が発生し、接合率が低くなり、ろう付の品質が不十分となる。従って、大型の熱交換器等をろう付する場合でも、全接合点を均一に拘束して、高品質にろう付できる技術、つまり、対象物に対する一種の重しとして対象物に押付けて、対象物を構成する部材同士が動かないように、全接合点を均一に拘束する拘束治具の開発が望まれている。
【０００７】
拘束技術の一つとして、板バネ、ベローズ等を用いたバネ式の多点拘束治具がある。この技術でも、大型（大面積）熱交換器等の構成部材の接合部分を均一に押え付けることが難しく、又、プレート及びフィンの積層段数が増えた場合、ろうの溶融後の積層高さの変化に対して、拘束治具の変形量に限界（１０ｍｍ以下）があるため、ろう付の品質が管理できないという問題がある。
【０００８】
又、他の拘束技術として、油圧作動のシリンダを用いて、高温下で上方より加圧することで、構成部材の接合部分を拘束してろう付を行うホットプレス（Ｈｏｔ　Ｐｒｅｓｓ）式がある。しかしながら、この技術は、装置が特殊で高価であり、生産コストが高いものであること、加圧対象物の大きさの制約があり、汎用性がないこと、低圧力での加圧の調整ができないなどの問題がある。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、簡易かつ低コストで部材間を均一に拘束する拘束治具及びその拘束治具を用いたろう付方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明に係る拘束治具は、固定部材と複数の被加圧部材との間に配設された加圧タンクに、所定の圧力の気体を導入することにより、前記加圧タンクを前記被加圧部材に押付けるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する本発明に係る拘束治具は、前記加圧タンクの下面側の前記被加圧部材との接触面を、予め前記被加圧部材間の隙間の変位可能な変位量だけ凹ませて成形し、前記被加圧部材間の隙間の変位とともに前記凹ませた接触面を押し出すようにしたことを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する本発明に係る拘束治具は、前記加圧タンクを複数とすることを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する本発明に係る拘束治具は、前記接触面を扁平としたことを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する本発明に係る拘束治具は、前記接触面を、前記被加圧部材間の面圧分布が均一になるような形状としたことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決する本発明に係る拘束治具は、前記接触面を、前記被加圧部材間の面圧分布が、その中央部分において大きくなるような形状としたことを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決する本発明に係る拘束治具は、前記気体を不活性ガスとすることを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する本発明に係るろう付方法は、請求項１乃至請求項７のいずれかの拘束治具を用いて前記被加圧部材間を拘束することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る実施形態の一例を示す拘束治具の図であり、（ａ）は拘束治具の斜視図、（ｂ）はワークとなるプレートフィン型熱交換器の細部の拡大図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施例に係る拘束治具は、固定部材となる門型形状の門型架台２と、門型架台２と複数の被加圧部材からなるワーク３との間に配設された加圧タンク１を有している。加圧タンク１は、具体的には、下面側の被加圧部材との接触面１ａが扁平な形状を有しており、門型架台２により、その内面上部に、上方から支持されている。ワーク３は加圧タンク１の下面側と門型架台２を構成する平板状の底板２ａとに挟み込まれるように設置されている。
【００２０】
加圧タンク１は、その内部へ所定の圧力の気体が導入され、その内部を加圧できるように構成されている。そのため、加圧タンク１には図示していない配管が接続されており、その配管を通して気体が外部から供給される。又、導入する気体の圧力が過大となり加圧タンク１が膨出（バースト）しないように管理されている。加圧タンク１に所定の圧力を有する気体を導入することで、加圧タンク１の下面側のワーク３との接触面１ａを用いて、ワーク３を上方より押付けることができる。なお、加圧タンク１は高温化で加圧されることを考慮して、融点の高い金属で構成されており、それ自体の酸化を避けるため、導入される気体として、例えば、Ａｒ等の不活性ガスを使用している。
【００２１】
門型架台２とその底部を構成する底板２ａは堅牢に構成されており、加圧タンク１が所定の圧力の気体の導入により加圧され、ワーク３を上方より押付けている時にも、門型架台２及び底板２ａは変形することなく加圧タンク１及びワーク３を支持することができる。
【００２２】
加圧タンク１が堅牢な門型架台２の内面上部に支持されているため、加圧タンク１の内部に所定の圧力を有する気体を導入すると、加圧タンク１内部の圧力が、加圧タンク１の接触面１ａを介して、ワーク３の上面に均一に働くこととなる。つまり、ワーク３は、扁平な形状の接触面１ａと平板状の底板２ａにより平行に挟まれ、均一に押付けられる。
【００２３】
ろう付を行う場合、加圧対象物となるワーク３としては、複数の部材から構成されるものが考えられ、例えば、多数のプレートとフィンにより構成されるプレートフィン型の熱交換器が該当する。具体的には、上記拘束治具は大型の真空炉の中に設置されており、炉の温度を上げることによりワーク３を構成する部材間、例えば、熱交換器を構成するプレートとフィンの間に設けたろうを溶融してろう付を行う。
【００２４】
この時、ろうが溶融するにしたがい溶融したろうの厚さ分、ワーク３の高さが減少する。そのため、上記拘束治具では、ワーク３上面側の加圧タンク１をＡｒ等の不活性ガスを導入して加圧して、加圧タンク１の接触面１ａをワーク３側へ常に押付けることで、接合不良を防いで高品質のろう付ができるようにしている。
【００２５】
本実施例においては、ワーク３の上面を均一に押付けられるように、加圧タンク１のワーク３との接触面１ａは扁平な形状に形成されており、更に、ろうの溶融後のワーク３の高さの変位量Ｈだけ、最初から加圧タンク１の内側に凹んだ形状としている。したがって、加圧タンク１の接触面１ａは、ろうの溶融後加圧タンク１内部の圧力により下面側に押し出され、（図１（ａ）中に示した点線の接触面１ｂ参照）、その側面の断面形状が略楕円状となる。この接触面１ａの変化を、図１（ｂ）を用いて詳述する。
【００２６】
図１（ｂ）は、ワークとなるプレートフィン型熱交換機の細部の拡大図であり、図１（ａ）のＡ部分の拡大図である。
これは、実際は奥行き、幅のあるものであるが、わかりやすいように一部を抜き出して記載した。
【００２７】
プレートフィン型熱交換器は、多数の波状のフィン４ａ及び平板状のプレート４ｂを積層したものであり、多いものになると数百層も積層したものがある。このような構造の熱交換器を作製する場合、一般的には積層したフィン４ａ、プレート４ｂ間にシート状又はペースト状のＮｉろう等を挿入し、炉中で加熱してろうを溶かして互いを接合している。
【００２８】
プレートフィン型熱交換器のろう付の場合、全接合部分を均一に押付けるとともに、フィン４ａとプレート４ｂの接合部分の隙間を所定値（例えば、０．１ｍｍ）以下に管理しながらろう付を行うことが、ろう切れを防止し、高品質のろう付とする点で大切である。本実施例の場合、加圧タンク１のワーク３との接触面１ａは、予め、ろうの溶融に伴う最大収縮高さ、即ち、ワーク３の変位可能な変形量Ｈ分内側へプレス成形等により凹ませて成形されており、その状態を初期状態として、ワーク３を設置する。変位量Ｈ（最大収縮高さ）は、例えば、ろうの厚さを０．１ｍｍとし、その積層数をＮ段とした場合、変位量Ｈ＝０．１×Ｎｍｍ内側に凹みを形成する（図１（ａ）における接触面１ａ参照）。
【００２９】
ろうの溶融とともに、ワーク３の高さが減少していく。この時、ワーク３を構成する部材、つまり、熱交換器を構成するフィン４ａ、プレート４ｂの接合部分に、その拘束力となる力が働いていないと、熱応力、部材自体の応力等により、各接合部分が不均一に変形することとなり、フィン４ａとプレート４ｂの接合部分の隙間を所定値以下に管理することが難しくなり、ろう切れ等の問題が発生することとなる。そのため、本実施例では、ワーク３の高さの減少とともに、加圧タンク１の内部の圧力により、扁平な接触面１ａを介して、ワーク３上面を常に均一に押付けるようにし、熱交換器を構成するフィン４ａ、プレート４ｂの接合部分に、均一に拘束力を働かせて、各接合部分が不均一に変形することを防いでいる。そのため、フィン４ａとプレート４ｂの接合部分の隙間を所定値以下に管理することができ、ろう切れ等の問題を防止できる。ろうの溶融後には、加圧タンク１の接触面１ａは、加圧タンク１内部の圧力により下面側に変位量Ｈ押し出される（図１（ａ）中に示した点線の接触面１ｂ参照）形状となる。
【００３０】
一般的に、ろう付の接合部分の隙間が狭いほどろう付の接合強度が向上するため、接合部分の隙間を管理しながらろう付できることは、ろう付の接合率の向上のみならず、接合部の強度の向上にも寄与する。特に、高温ガス炉ヘリウムタービン発電システム等で用いられる再生熱交換機では、低温高圧、高温低圧、高温高圧の流体が内部を流れるため、流体の圧力のみならず、異なる温度を有する流体による熱応力も働くため、ろう付の品質、つまり接合強度が、熱交換器の構造上の耐圧強度等の向上に関連し、非常に重要な要素となる。
【００３１】
図２は本発明に係る実施形態の一例を示す加圧タンクの図であり、（ａ）は接触面成形前の加圧タンクの断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’矢視断面図、（ｃ）は接触面成形後の加圧タンクの断面図である。
【００３２】
図２（ａ）に示すように、加圧タンク１の凹んだ接触面１ａの成型方法としては、予め接触面１ｂを有する形状、即ち、ワークの溶融後の高さに合うような略楕円状の断面形状の加圧タンク１を作製する。その長手方向の断面（図２（ａ）のＢ−Ｂ’矢視断面）の形状は、図２（ｂ）に示すように矩形状となっており、加圧タンク１は、その側面を形成する側板１ｃを有している。一方の側板１ｃには供給口１ｄが設けられ、この供給口１ｄに接続された配管を通して、不活性ガス等が加圧タンク１内へ導入される。
【００３３】
加圧タンク１は、図２（ｃ）に示すように、その後、プレス成形等により、接触面１ａを有する形状、即ち、ワークの溶融前の高さに合い、ワークの上面に相当する面が、変位量Ｈ凹んだ扁平な形状とする。上記成型方法とすることで、高温（９００℃以上）、圧力数ｋｇ／ｃｍ２以下で、クリープ変形による加圧タンク１の膨出、寿命低下をクリアすることができる。なお、加圧タンク１の材質、厚さを適切に選択することで、更に、耐圧性をあげることもできる。又、ワークの設置時の設置しやすさを考慮して、加圧タンク１の下面側のワークの搬入側の形状を、ワークを設置しやすいような形状としてもよい。
【００３４】
図３は本発明に係る実施形態の他の一例を示す拘束治具の斜視図である。
【００３５】
図３に示すように、本実施例に係る拘束治具は、固定部材となる門型形状の門型架台２と、門型架台２と複数の被加圧部材からなるワーク３との間に配設された２つ（複数）の加圧タンク５を有している。加圧タンク５は、具体的には、図１において示した加圧タンク１を複数にしたものであり、楕円断面形状を有し、門型架台２により、その内面上部に、上方より支持されている。しかしながら、加圧タンクを複数としたことにより、加圧タンク５の下面側に配設され、下面側の被加圧部材との接触面が扁平なるようにした押圧板６とを備えた。ワーク３は、加圧タンク５の下面側の押圧板６と門型架台２を構成する平板状の底板２ａに挟み込まれるように設置されている。
【００３６】
加圧タンク５は、図１に示した加圧タンク１同様に、その内部へ所定の圧力の気体が導入され、加圧できるように構成されている。加圧タンク５には、図示していない配管を通して気体が外部から供給される。加圧タンク５が膨出しないように、導入する気体の圧力は管理されている。加圧タンク５に所定の圧力を有する気体を導入することで、加圧タンク５が変形し、下面側の押圧板６を用いて、上方よりワーク３に押付けることができる。又、加圧タンク５が２つ設けられているため、Ａｒ等の不活性ガスの導入量に対する一つのタンク当たりの体積が小さいため、ワーク３の高さの変化に伴う応答が早くなる。なお、加圧タンク５の数は２つに限るものでなく、加圧タンクの変形量が確保できれば、増やしてもよい。
【００３７】
門型架台２とその底部を構成する底板２ａも、図１に示したものと同様に、堅牢に構成されており、加圧タンク５の加圧時にも変形しないようになっている。
【００３８】
本実施例においては、複数の加圧タンク５を用いても、ワーク３の上面を均一に押付けられるように、加圧タンク５とワーク３との間には、ワーク３との接触面となる扁平な形状の押圧板６が設けられている。したがって、ワーク３は、扁平な接触面を有する押圧板６と平板状の底板２ａにより平行に挟まれて、均一に押付けられることとなる。
【００３９】
ワーク３の高さが変化する前（ワーク３を構成する部材間のろうの溶融前）の状態では、加圧タンク５の断面形状がつぶれた円、即ち楕円状になっており、加圧タンク５の内部に導入された気体の圧力により、押圧板６を介して、ワーク３上面に均一な力が働いている。
【００４０】
ろうの溶融等によるワーク３の高さの減少に伴って、加圧タンク５の内圧により、加圧タンク５の断面形状が真円へ変形していき、それにより押圧板６が下側へ押し出されることで、押圧板６がワーク３側へ常に押付けられることとなる。上記拘束治具を用いてろう付を行う場合、加圧タンク５に接する扁平な押圧板６を、ワーク３側へ常に均一に押付けることで、ワーク３を構成する部材間を均一に拘束して、接合不良を防ぎ、高品質のろう付ができるようにしている。
【００４１】
本発明は、加圧タンクを設け、加圧タンク内部に導入した気体の圧力を用いて加圧対象物に加圧タンクを均一に押し付けることで、加圧対象物を構成する部材間を均一に拘束することが特徴である。そのため、図１及び図３において示した拘束治具を用いれば、高温（１０００℃以上）のろう付装置において、加圧対象物となるワークの部材間を均一に拘束することができ、部材間の接合面に設けたろうを、ろう切れすることなく溶融することができ、高品質に接合することができる。又、Ａｒ等の不活性ガスによる加圧タンクを用いた簡単な構造であるため、簡易かつ低コストで上記拘束治具を提供することができる。
【００４２】
なお、上記実施例では、加圧タンクのワークとの接触面を扁平にすることで、ワーク上面を均一に押付け、部材間の接合部分の拘束力を均一にするようにした。しかしながら、加圧タンクの接触面を扁平としても、部材間の横ずれ等により、上面から働く力が横方向に逃げて、部材間の接合部分を均一に拘束することができない場合や放射熱による加熱によりワーク内部に不均一な温度分布が発生し、その不均一な温度分布により、部材間の接合部分に不均一な面圧分布が存在する場合ある。その場合、その面圧分布を均一にするように加圧タンクの接触面の形状を変更してもよい。例えば、扁平な接触面の中央部の面圧が高いような同心円の分布を有する場合、その面圧分布に相似し、中央部に凹みを有する形状の接触面とすることで、ワーク上面を均一に押付けるようにしてもよい。
【００４３】
又、ワーク上面の中央部を積極的に押付けたい場合、逆に中央部に凸部を有する形状の接触面とすることで、ワーク上面を押付けるようにしてもよい。この場合、接合率の低くなりやすいワーク中央部を積極的に押付けることで、ワーク中央部の接合率を向上させることが可能となる。
【００４４】
いずれの接触面の場合でも、高温時のクリープ変形による膨出を避けるため、加圧タンクの成型方法としては、加圧タンクの最終的な形状（例えば、ワーク中の部材間のろうが完全に溶融し、ワークの高さが最も低くなった時）を成形し、その後プレス成形等により、初期状態の形状（例えば、ワーク中の部材間のろうを溶融する前であり、ワークの高さが最も高い時）を成形するのがよい。
【００４５】
なお、本発明における架台及び加圧タンクの形状は、実施例の図において示したものに限定するものではなく、本発明の範囲において適宜に変更できる。又、本発明は大型の熱交換器の真空ろう付やコジェネレーション用電池積層スタック等の大型製品の熱処理時の加圧拘束に好適であるが、対象として大型製品、熱交換器等に限定するものではない。更に、本発明はろう付のみに用いるものではなく、対象物を加圧拘束する必要があれば他の用途に用いてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、拘束治具が、固定部材と複数の被加圧部材との間に配設された加圧タンクに、所定の圧力の気体を導入することにより、前記加圧タンクを前記被加圧部材に押付けるようにしたので、加圧式のタンクを用いて、対象物に押付けて、その構成部材を動かないように拘束することができ、又、他の技術と比較して簡易な構造で、かつ、低コストで提供することができる。
【００４７】
請求項２に係る発明によれば、前記加圧タンクの下面側の前記被加圧部材との接触面を、予め前記被加圧部材間の隙間の変位可能な変位量だけ凹ませて成形し、前記被加圧部材間の隙間の変位とともに前記凹ませた接触面を押し出すようにしたので、対象物の厚さの変化に追従するように、対象物の上面を一定の力で押付けるができる。
【００４８】
請求項３に係る発明によれば、前記加圧タンクを複数とするので、導入された気体に対する一つ当たりの加圧タンクの体積が小さいため、対象物の厚さの変化への追従が早くなる。
【００４９】
請求項４に係る発明によれば、前記接触面を扁平としたので、対象物の上面を均一に押付けることができる。
【００５０】
請求項５に係る発明によれば、前記接触面を、前記被加圧部材間の面圧分布が均一になるような形状としたので、対象物を構成する部材間の面圧分布が不均一な場合でも、接触面の形状を合わせることで、面圧分布が均一になり、部材間の接合部分の隙間を所定値以下に管理することができる。
【００５１】
請求項６に係る発明によれば、前記接触面を、前記被加圧部材間の面圧分布が、その中央部分において大きくなるような形状としたので、部材間の接合部分の隙間が広がりやすい対象物の中央部分において、接合部分の面圧を高くすることができ、部材間の接合部分の隙間を所定値以下に管理することができる。
【００５２】
請求項７に係る発明によれば、前記気体を不活性ガスとするので、加圧タンクの酸化を防止し、加圧タンクの寿命を延ばすことができる。又、高温下で漏洩したとしても、他の物質と反応することもなく安全であり、対象物を変質することがない。
【００５３】
請求項８に係る発明によれば、複数の被加圧部材間の接合面にろうを設け、前記ろうを溶融することで前記被加圧部材間を接合するろう付方法において、請求項１乃至請求項７のいずれかの拘束治具を用いて前記被加圧部材間を拘束するので、対象物を構成する部材を均一に拘束することで、簡易かつ低コストで、ろう切れの無い、高品質なろう付を行うことができる。特に、従来難しかった大型の熱交換器等のろう付の接合率を大幅に向上させることができる（接合率５０％→８０％以上）。接合率の向上は、熱交換効率の向上につながり、ひいては熱交換器の小型化も可能となる。又、ろう付の隙間を所定値に管理することは、ろう付の強度を強くすることができるとともに、対象物の耐圧強度も高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係る実施形態の一例を示す拘束治具の図であり、（ａ）は拘束治具の斜視図、（ｂ）はワークとなるプレートフィン型熱交換器の細部の拡大図である。
【図２】本発明に係る実施形態の一例を示す加圧タンクの図であり、（ａ）は接触面成形前の加圧タンクの断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’矢視断面図、（ｃ）は接触面成形後の加圧タンクの断面図である。
【図３】図３は本発明に係る実施形態の他の一例を示す拘束治具の斜視図である。
【符号の説明】
１　　加圧タンク
２　　門型架台
２ａ　底板
３　　ワーク（熱交換器）
４ａ　フィン
４ｂ　プレート
５　　加圧タンク
６　　押圧板

Claims (8)

1. 固定部材と複数の被加圧部材との間に配設された加圧タンクに、所定の圧力の気体を導入することにより、前記加圧タンクを前記被加圧部材に押付けるようにしたことを特徴とする拘束治具。
2. 請求項１記載の拘束治具において、
   前記加圧タンクの下面側の前記被加圧部材との接触面を、予め前記被加圧部材間の隙間の変位可能な変位量だけ凹ませて成形し、前記被加圧部材間の隙間の変位とともに前記凹ませた接触面を押し出すようにしたことを特徴とする拘束治具。
3. 請求項２記載の拘束治具において、
   前記加圧タンクを複数とすることを特徴とする拘束治具。
4. 請求項２又は請求項３記載の拘束治具において、
   前記接触面を扁平としたことを特徴とする拘束治具。
5. 請求項２又は請求項３記載の拘束治具において、
   前記接触面を、前記被加圧部材間の面圧分布が均一になるような形状としたことを特徴とする拘束治具。
6. 請求項２又は請求項３記載の拘束治具において、
   前記接触面を、前記被加圧部材間の面圧分布が、その中央部分において大きくなるような形状としたことを特徴とする拘束治具。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の拘束治具において、
   前記気体を不活性ガスとすることを特徴とする拘束治具。
8. 複数の被加圧部材間の接合面にろうを設け、前記ろうを溶融することで前記被加圧部材間を接合するろう付方法において、
   請求項１乃至請求項７のいずれかの拘束治具を用いて前記被加圧部材間を拘束することを特徴とするろう付方法。

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