JP2005144523A - ガス圧による拘束治具及びその拘束治具を用いたろう付け方法 - Google Patents

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Fumiko Kawashima
扶美子 川島
Toshihide Igari
敏秀 猪狩
Yoshimi Kamito
好美 上戸
Ryoji Kishikawa
良治 岸川
Kiichi Tokunaga
貴一 徳永
Masabumi Kuwabara
正文 桑原
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Abstract

【課題】 大型の熱交換をろう付けするのに、簡易かつ低コストで部材間を均一に拘束するガス圧による拘束治具を提供することを目的とする。
【解決手段】 拘束治具1は、上側規制板3とワーク4との間に加圧タンク14を配設し、さらにこの加圧タンク14とワーク4との間に上押さえ板11を配設し、加圧タンク14に所定圧力のガスを導入することにより、加圧タンク14が上押さえ板11を介してワーク4を押圧する。熱交換器のような積層構造体としてのワーク4は、中央部が加熱によるフィンのスプリング効果で中央部が盛り上がるような変形が生じるが、加圧タンク14によりワーク4全体を均一な圧力で押圧できるようにした。
【選択図】 図1

Description

本発明は、部材間を拘束するガス圧を用いた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。
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。
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、接合するべき母材同士に隙間がないように押付けてろう付を行う。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。
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。
図6は、そのプレートフィン型の熱交換器のろう付方法を示す。ワーク(熱交換)4は、プレート4bの上に台形形状の凹凸を交互に水平方向に形成したフィン4aを載置し、上下方向にプレート4bとフィン4aを交互に重ね合わせている。プレート4bとフィン4aとの接合部にはろう材を設け、それらの重合物56を天板53と基盤54との間に配設し、その両側部には側板55を配設している。そして、熱交換器を天板53と基盤54で挟み、さらに天板53と基盤54を押さえ治具で挟んで固定し、真空炉において、熱交換器を加熱してろう付を行っている。
図7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る。実際にワーク4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。このようなワーク4は、多数の波状のフィン4a及び平板状のプレート4bを数百層積層する。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間にシート状又はベースト状の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。
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。
ワーク4は、ろうの溶融とともに、ろうの厚さ分だけ、ワーク4の高さが減少していく。この時、ワーク4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、拘束力が働いていないと、熱応力、部材自体のたわみ等により、各接合部分が不均一に変形することとなる。
一般的に、ろう付の接合部分の隙間が所定の値に近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、金属の温度分布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。
特開2002−346735号公報 (従来の技術の欄、参照)
上述のプレートフィン熱交換器や熱交電池スタックなどの積層構造を作製する際の、層間のNiろうによるろう付け過程においては、真空炉中にて1000℃以上の高温で加熱される。上述したように、熱交換器は天板53と基盤54との間で挟んで熱交換器に面圧を負荷しているが、この方法では、ワークの端部しか拘束できないため、熱交換器の面積が大きい場合(約1m平方以上)は、フィン4aのスプリング効果が現れて図8に示すように、熱交換器の中間部分が上方側に突出し、天板53もまたプレートフィン構造のスプリングバックにより上方に歪んでしまう。この場合、熱交換器の中央部分は、面圧が負荷されない。また、積層が多く、熱交換器全体におけるろう材の厚みが厚い場合、ろうが溶けることにより、熱交換器の高さが減少しボルトの締結が緩み、面圧が負荷されない。
すると、熱交換器の接合する面の中心部分におけるプレート4bとフィン4aとの間の拘束力が不十分となり、高温加熱中にプレートフィン間に隙間が生じる。そのため、ろう切れ欠陥が発生し、接合率が低くなり、ろう付け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けする場合は、全接合点を均一に拘束して、高品質にろう付けできる技術、つまり、対象物に一種の重しを押付けて、対象物を構成する部材同士に一定の面圧が負荷されるように、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。
従来は、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けにて接合する場合、常圧ろう付け技術により、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。
また、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、ろう付けの品質が管理できないという問題がある。
さらに、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けを行うホットプレス(HotPress)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。
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、大型(1m2以上)の熱交換をろう付けするのに、簡易かつ低コストで部材間を均一に拘束するガス圧による拘束治具及びそのガス圧による拘束治具を用いたろう付け方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明のガス圧の拘束治具は、規制部材と、ろう付けを行う積層構造体との間に加圧タンクを配設し、さらに該加圧タンクと積層構造体との間に押さえ板を配設し、前記加圧タンクにガスを導入して前記加圧タンクの体積変化を用いた押圧力により、前記押さえ板が前記積層構造体を押圧するようにした。
上記ガス圧による拘束治具は、前記加圧タンクの押圧板に当接する面を、押圧板側に向けて突出することができる。
また、上記目的を達成するために、本発明のガス圧による拘束治具は、規制部材の下部に押さえ板を固定し、これらの規制部材と押さえ板との間にガス圧室を形成し、前記ガス圧室にガスを導入しガス圧室の体積変化を用いた押圧力により、ろう付けを行う積層構造体を前記押さえ板で押圧するようにした。
上記各発明は、前記積層構造体が複数のフィンとプレートとを交互に重ね合わせた熱交換器であって、フィンとプレートとの接合面にろう材を挟着し、ろう材を溶融することによりフィンとプレートとを接合することができる。
また、上記各発明は、前記規制部材の上部に歪み防止用のリブを形成することができる。
さらに、上記各発明は、前記ガスを不活性ガスとすることができる。
上記目的を達成するために、複数の被加圧部材間の接合面にろう材を設け、前記ろう材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1〜6のいずれか1項のガス圧による拘束治具を用いて前記被加圧部材間を拘束してろう付けを行うようにした。
以上説明したように、本発明によれば、加圧タンク若しくは加圧室にガスを注入することにより、加圧タンク若しくは加圧室の底板(ワーク側)を膨張させてろう付けを行う積層構造体に押し付けるようにしたので、その構成部材を適度な押圧力で拘束することができる。また、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。
特に、積層構造体が複数のフィンとプレートとを交互に重ね合わせた熱交換器であって、フィンとプレートとの接合面にろうを設け、前記ろうを溶融することによりフィンとプレートとを接合するようにしたものであれば、そのフィンのスプリング効果を抑制し、フィンとプレートとの重合物を均等の圧力で押圧することができる。特に、従来困難であった、大型の熱交換器等のろう付けの接合率を大幅に向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態のガス圧による拘束治具について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明に係わるガス圧による拘束治具1を示す。拘束治具1は、下側規制板2と上側規制板3とを設けた外側治具(これを符号2,3とする)2,3とを備え、下側規制板2は平板ブロック形状であり、その任意の箇所には複数本のロッド(図1には2本のみ表示)5を下側規制板2面に対して直角にかつ上方に立設した。各ロッド5は、円柱形であり上端部及び下端部の周囲にネジ5a,5bを形成し、下端側のネジ5bは、下側規制板2に形成したネジ孔2aに螺合させて固定している。
ロッド5の上端側のネジ5aは、上側規制板3を貫通している。上側規制板3は、四角形状の平板の上面に、補強用の縦リブ6を1条または複数条(若しくは井形)設けてリブ6が上側に突出するようにして形成し、各ロッド5に対応する位置には、ネジ貫通孔3aを形成している。上側規制板3は、その貫通孔3aに各ロッド5を通し、上側規制板3の上面側にナット8を螺着している。
拘束治具1の下側規制板2上には、プレートフィン型熱交換器としての積層型ワーク4を保持し、下押さえ板10と上押さえ板11を設けた内側治具(これを符号10,11とする)10,11を配設している。下押さえ板10は平板状のブロックで形成し、ワーク4の周りの任意の位置には複数本のロッド(図1には2本のみ表示)12を下押さえ板10面に対して直角に立設している。各ロッド12は、円柱形であり上端部及び下端部の周囲にネジ12a,12bを形成し、下端側のネジ12bは、下押さえ板10に形成したネジ孔10aに螺合している。
上押さえ板11のロッド12に対応する位置には、ネジ貫通孔11aを形成し、上押さえ板11はその貫通孔11aに各ロッド12を通し、上押さえ板11の上側の位置で、ナット13をロッド12のネジ12aに螺着している。よって、上押さえ板11は、上方側への動きはナット13で規制されるが、下方側への動きは規制されない。
下押さえ板10と上押さえ板11との間には、ワーク4を配設している。ワーク4は、上下に面圧を付与する天板16を設け、側部には側板18を配している。このワーク4は、下押さえ板10の面上に載置し、ワーク4の面上には上押さえ板11を載置している。そして、上側規制板3と上押さえ板11との間には間隔が開けられ、それらの板3,11との間に挟まれるようにして加圧タンク14を配設している。
図2の(a)及び(b)は、加圧タンク14を示す。金属製の加圧タンク14は、幅方向の両端部が半円(円弧)形状であり、上側規制板3と上押さえ板11と当接する面を平坦形状に形成している。また、図2の(b)に示すように、前後方向の断面は、矩形断面である。加圧タンク14は、その側面を形成する側板14cを有している。一方の側板14cには供給口14dが設けられ、この供給口14dに接続された配管を通して、不活性ガス等のガスが加圧タンク14内へ導入される。加圧タンク14の高さは、ワークの溶融前の高さにおいて、上側規制板3と上押さえ板11との間の長さに適合するように形成した。加圧タンク14の強度は、ろう付けに必要な温度と応力に、必要な時間だけ耐えるものでなければならない。
なお、ワーク4については、従来技術で説明した図7に示すワーク4と同じものであるので、その詳細な説明を省略した。
次に、本発明の実施の形態の拘束治具の作用について説明する。
図1に示すように、ワーク4が内側治具10,11に挟むようにして配置され、上側規制板3と上押さえ板11との間に加圧タンク14が配置されている。このような状態で、加圧タンク14は、その内部へ任意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14には、図示し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14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14に導入する気体量を調整することにより、加圧タンク14の膨張量(若しくは収縮量)を調整し、下面側の上押さえ板11を用いて、上方よりワーク4に押付けることができる。
本実施例においては、ワーク4(天板16)の上面を均一に押付けるように、加圧タンク14とワーク4との間には、ワーク4との接触面が平坦形状の上押さえ板11が設けられている。したがって、ワーク4は、その平坦な接触面を有する上下押さえ板10,11との間に挟まれて、均一に押付けられることになる。
ろうの溶融等の熱によるワーク4の高さの増減に伴って、加圧タンク14の内圧により、加圧タンク14の断面形状が上下方向に広がる方向に変形していき、それにより上押さえ板11が下側へ押し出され、上押さえ板11がワーク4側へ常に押付けられることとなる。このようにろう付け作業中に、加圧タンク14のガス供給量を調整することにより、ワーク4の押圧力が好適になるようにガス圧を調整する。こうして、加圧タンク14に接する平坦な上押さえ板11を、ワーク4側へ常に均一にかつ適度な押圧力にて押付けることができ、ワーク4を構成する部材間を均一に拘束して、ワーク4の接合不良を防ぎ、高品質のろう付ができるようにしている。
このように本実施の形態では、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調整して、上押さえ板11により加圧対象物であるワーク4を均一に押し付けることにより、ワーク4の全体を均一に拘束することができる。そのため、高温(1000℃以上)のろう付装置において、ワーク4を構成する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、高品質な接合をすることができる。また、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。
次に、本発明の第2の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、上記第1の実施の形態と同じ部分については同一の符号を付して説明する。
図3は、本発明に係わるガス圧による拘束治具1を示す。拘束治具1は、下側規制板2と上側規制板3とを設けた外側治具2,3とを備え、下側規制板2は平板形状であり、その任意の箇所には複数本のロッド5を下側規制板2面に対して直角に立設した。各ロッド5は、円柱形であり上端部及び下端部の周囲にネジ5a,5bを形成し、下端側のネジ5bは、下側規制板2に形成したネジ孔2aに螺合している。
ロッド5の上端側のネジ5aは、上側規制板3を貫通している。上側規制板3は、四角形状の平板の上面に、補強用の縦リブ6を1条または複数条(若しくは井形)上側に突出するようにして形成し、各ロッド5に対応する位置には、ネジ貫通孔3aを形成している。上側規制板3は、その貫通孔3aに各ロッド5を通し、上側規制板3の上面側にナット8を螺着している。
拘束治具1の下側規制板2上には、プレートフィン型熱交換器としてのワーク4を保持し、下押さえ板10と上押さえ板11を設けた内側治具10,11を配設している。下押さえ板10は平板状のブロックで形成し、ワーク4の周りの任意の位置には複数本のロッド12を下押さえ板10面に対して直角に立設している。各ロッド12は、円柱形であり上端部及び下端部の周囲にネジ12a,12bを形成し、下端側のネジ12bは、下押さえ板10に形成したネジ孔10aに螺合させて固定している。
上押さえ板11のロッド12に対応する位置には、ネジ貫通孔11aを形成し、上押さえ板11はその貫通孔11aに各ロッド12を通し、上押さえ板11の上側の位置で、ナット13をロッド12のネジ12aに螺着している。
下押さえ板10と上押さえ板11との間には、ワーク4を配設している。ワーク4は、従来技術及び上記第1の実施の形態で説明したワーク4と同じであるので、その詳細な説明を省略する。
上側規制板3とワーク4との間には、金属製の加圧タンク15を配設している。加圧タンク15は、幅方向において(図面の左右方向)、下板15aのワーク4側に向いた面が円弧形状であり、この円弧形状は図面の前後方向に向けて同一断面形状である。そして、上板15bの上側規制板3側に向いた面を、平面形状に形成している。また、下板15aの肉厚t1は、上板15bの肉厚t2よりも薄いものを用いている。ワーク4の大きさで数値は異なるが、本実施の形態では下板15aの肉厚t1を3〜6mmとし、上板15bの肉厚t2を12mmとしている。
加圧タンク15には図示しない供給口が設けられ、この供給口に接続された配管を通して、不活性ガス等のガスが加圧タンク15内へ導入される。加圧タンク15の高さは、ワークの溶融前の高さにおいて、上側規制板3と上押さえ板11の間隔に適合するように形成した。加圧タンク15の強度は、高温(900℃以上)、圧力2kg/cm2以上に耐えるものでなければならない。
本第2の実施の形態では、加圧タンク15は上押さえ板11側の上板15bの肉厚t2よりも、ワーク4側に向けた下板15aの肉厚t1の方を薄く形成している。よって、加圧タンク15内にガスを注入すると、下板15a側が大きく下側に突出し上板15b側は平らな状態を維持する。よって、ワーク4のろうが溶けてワーク4の高さが低くなっても、加圧タンク15がワーク4を押圧することができる。また、ワーク4のスプリング効果が生じて、その中央部に大きな押圧力が生じても加圧タンク15の半円形の突出部分がワーク4の中央部を強く押圧する。よって、ワーク4の両端部から中央部まで均等な圧力を得ることができる。
その他の効果については上記実施の形態と同じである。
次に、本発明のガス圧による拘束治具の第3の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図4及び図5は、本実施形態の拘束治具1の上部を示す。上記各実施の形態と同様に拘束治具1の上部には、上面に縦、横方向に延在するリブ6を形成した上側規制板3を設けている。上側規制板3の下面には、中間部材21と左右側板22a,22bとからなる固定ブロック20を設け、側板22a,22bは、下側規制板2から上方に向けて立設されている。
中間部材21の下面には、上方に窪ませた凹所23を形成している。そして、その凹所23を塞ぐようにして、押さえ板としての変形板24と中間部材21を溶接aして、凹所23を密閉し、加圧室25を形成している。
加圧室25には、ガス供給口26が設けられ、この供給口26に接続された図示しない配管を介して、不活性ガス等のガスが加圧室25内へ導入される。加圧室25の底板を形成している変形板24の位置は、ワーク4のろう材の溶融前の高さに適合するように形成している。加圧室25は、高温(900℃以上)、圧力2kg/cm2以上に耐えるものでなければならず、変形板24はガス圧により変形可能な材質及び厚さを有するものを使用する。
また、加圧室25の凹所23の底部形状は、全体として平坦にしたが、底部形状を円弧形状等の曲線形状に窪ませるようにしてもよい。
本第3の実施の形態における拘束治具1では、加圧室25の下板を形成する変形板24が、図5に示すように、加圧室25に注入したガス圧により、変形させることが可能である。よって、加圧室25内にガスを注入すると、変形板24の中央部が大きく下側に突出する。
よって、ワーク4の接合部に配したろうが溶けてワーク4の高さが低くなっても、変形板24がワーク4を押圧することができる。また、ワーク4のスプリング効果が生じ、その中央部が上方へ突出しようとしても、加圧室25のガス圧により変形板24の中央部が下向きに突出しワーク4の中央部を押圧する。よって、ワーク4は両端部から中央部まで均等な圧力を得ることができる。その他の効果については、上記第1の実施の形態と同様の効果を奏する。
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明の技術的思想に基づいて、勿論、本発明は種々の変形または変更が可能である。
例えば、上記第1の実施の形態における加圧タンク14の上押さえ板11に接する側の底板14aの肉厚、及び第2の実施の形態の加圧タンク15の下板15aの肉厚t1、及び第3の実施の形態の加圧室25の変形板24の肉厚を、各々均一厚さとしたが、中央部分を突出変形しやすいように、肉厚を薄くしてもよい。
また、下側規制板2と下押さえ板10を別途設けたが、下押さえ板10を省略して下側規制板2の上にワーク4を載置し、内側治具10,11のロッド12を下側規制板2に固定するようにしてもよい。
さらに、本発明における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。
本発明の第1の実施の形態によるガス圧による拘束治具の概略正面図である。 本発明の第1の実施の形態に示す加圧タンクであり、(a)は加圧タンクの幅方向の断面図であり、(b)は、(a)のA−A線方向における断面図である。 本発明の第2の実施の形態によるガス圧による拘束治具の概略正面図である。 本発明の第3の実施の形態によるガス圧による拘束治具の変形前の概略正面図である。 図4の拘束治具の変形後の概略正面図である。 従来例によるガス圧による拘束治具と熱交換器の概略斜視図である。 図6の熱交換器のフィン部の拡大斜視図である。 図6の拘束治具に配設されているワークが加熱によりスプリング効果を生じた状態を示す斜視図である。
符号の説明
1 拘束治具
2 下側規制板
3 上側規制板
4 ワーク
5,12 ロッド
6 リブ
8,13 ナット
10 下押さえ板
11 上押さえ板
14,15 加圧タンク
20 固定ブロック
21 中間部材
22a,22b 側板
23 凹所
24 変形板
25 加圧室
26 供給口

Claims (7)

  1. 規制部材とろう付けを行う積層構造体との間に加圧タンクを配設し、さらに該加圧タンクと積層構造体との間に押さえ板を配設し、前記加圧タンクにガスを導入して前記加圧タンクの体積変化を用いた押圧力により、前記押さえ板が前記積層構造体を押圧するようにしたことを特徴とするガス圧による拘束治具。
  2. 前記加圧タンクの押圧板に当接する面を、押圧板側に向けて突出するようにしたことを特徴とする請求項1に記載のガス圧による拘束治具。
  3. 規制部材の下部に押さえ板を固定し、これらの規制部材と押さえ板との間にガス圧室を形成し、前記ガス圧室にガスを導入しガス圧室の体積変化を用いた押圧力により、ろう付けを行う積層構造体を前記押さえ板で押圧するようにしたことを特徴とするガス圧による拘束治具。
  4. 前記積層構造体が複数のフィンとプレートとを交互に重ね合わせた熱交換器であって、フィンとプレートとの接合面にろう材を挟着し、ろう材を溶融することによりフィンとプレートとを接合するようにしたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに1項に記載のガス圧による拘束治具。
  5. 前記規制部材の上部に歪み防止用のリブを形成したことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のガス圧による拘束治具。
  6. 前記ガスを不活性ガスとすることを特徴とする請求項1〜5に記載のガス圧による拘束治具。
  7. 複数の被加圧部材間の接合面にろう材を設け、前記ろう材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1〜6のいずれか1項のガス圧による拘束治具を用いて前記被加圧部材間を拘束してろう付けを行うようにしたことを特徴とするろう付方法。
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