JP2011025249A - 高周波誘導加熱ロウ付け方法および高周波誘導加熱ロウ付け装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の継手管とチューブの継手管挿入部上端に当接するロウ材近傍の温度を短時間で上昇させることができる高周波誘導加熱ロウ付け方法および高周波誘導加熱ロウ付け装置を実現する。
【解決手段】加熱コイルの巻き方として、各ループを側面から見て略Ｌ字状に折れ曲がった状態に複数回巻いた形にしている。そして、加熱コイルの略Ｌ字状に折れ曲がった形の加熱コイルの磁束が集中する一方の空間点がロウ付け目的箇所と重なる位置を、ロウ付け作業を行う際の加熱コイルの所定位置として位置決めし、加熱コイルに高周波電流を通電して、加熱コイルの磁束が集中する一方の空間点に配置したロウ材近傍を高周波誘導加熱してロウ材を溶融し、その後、高周波電流の通電を止めて前記ロウ材を固化させることによりロウ付け作業を行うよう構成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、高周波誘導加熱ロウ付け方法、高周波誘導加熱ロウ付け装置に関し、特に熱交換器のチューブと継手管を接続するための高周波誘導加熱ロウ付け方法、高周波誘導加熱ロウ付け装置に関する。

従来から冷蔵庫や熱交換器のチューブ等の部品の接続は気密性を保持するためにロウ付けが行われている。そして、ロウ付け方法には、ロウ材をガスバーナーで溶かす方法（ガスロウ付法）、ロウ材を高周波誘導加熱で溶かす方法等が知られている。特に後者は、チューブと継手管を局部的に加熱することが出来るため、熱交換器のチューブのように突出長さが短く、狭い間隔で多数のチューブが配置されている場合に利用されている。

図８に、従来の高周波誘導加熱ロウ付け方法を示す。図８では、接続対象物（ワーク）である一組のチューブ１１、１２とロウ材１３、そして加熱コイル１０の位置関係を示している。下側のチューブ１２の端部には予めチューブ１１を差し込めるように内径を拡大した挿入部１２ａを形成してある。チューブ１１の先端にリング状のロウ材１３を巻きつけて挿入部１２ａに嵌め込み、ロウ材１３を挿入部１２ａの上端に当てた状態で、Ａ矢印のように、加熱コイル１０をチューブ１１の先端が挿入されている挿入部１２ａとロウ材１３を囲むように近づける。

加熱コイル１０に高周波電流を通電すると、図８の加熱コイル１０上に矢印Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６、Ｂ７、Ｂ８、Ｂ９等で示したように電流が流れ、次の瞬間には逆方向の電流が流れる。電流の向きは高周波で切り替わる。加熱コイル１０上に電流が流れると磁界ができる。電流の向きが高速で切り替わると、磁界の向きも高速で切り替わる。このことにより、加熱コイル１０に囲まれた挿入部１２ａ、嵌めこまれたチューブ１１、そしてロウ材１３は内部にうず電流を生じて発熱する。ロウ材１３は溶け、加熱コイル１０の通電を停止することでロウ材１３が一組のチューブ１１、１２の間の気密を保った状態で固化する（例えば、特許文献１参照）。

従来、加熱コイル１０の巻き方としては、図８で示したように、加熱コイルを平面視Ｕ状ないしＣ状、側面視逆Ｕ状ないし逆Ｃ状に曲成するように巻いて、挿入部１２ａ上端に当接するロウ材１３が加熱コイル１０のワーク保持空間のほぼ中心部に位置するようにセットするのが良いといわれていた。
また、ロウ材１３近傍の温度を短時間で上昇しようとした場合、上記従来の加熱コイル１０の巻き方の巻き数は、１往復よりは２往復、２往復よりは３往復あるいはそれ以上にわたって曲成した複数ターンのものが望ましいと言われていた（例えば、特許文献２参照）。

特開平３−２６４１５８号公報 特開平１０−２１６９３０号公報

しかし、上記従来の加熱コイル１０のまま巻き数を増やしたとしても、加熱コイル１０を平面視Ｕ状ないしＣ状、側面視逆Ｕ状ないし逆Ｃ状に曲成している加熱コイル１０の個々の部分に流れる電流の向きは、あちこちを向いている。図８で加熱コイル１０上に示した矢印で言えば、矢印Ｂ２とＢ８、矢印Ｂ３とＢ７、矢印Ｂ４とＢ６、矢印Ｂ５とＢ９が反対向きになっている。

図９に、上記従来の加熱コイルの巻き方で巻き数を３往復にした場合の加熱コイル２０の外観斜視図を示す。なお、図９では、加熱コイル２０と磁界の関係を分かりやすく示すために、図８と違って、紙面奥側にあるワークに対して、紙面手前側にある加熱コイルを向けた形で示している。
図９（ａ）では、３往復に巻いた加熱コイル２０の形状と、加熱コイル２０の各部に流れる電流の流れ方向と、電流により生じる磁界の向きを示している。図中、実線の矢印は、ある瞬間に流れた電流の向きを示し、一点鎖線の矢印は電流の流れによって出きた磁界の向きを示している。加熱コイル２０でコイルを平面視Ｕ状ないしＣ状、側面視逆Ｕ状ないし逆Ｃ状に曲成しているのは図８と同じである。そのため、例えば図中、空間点Ｃの磁界の向きと空間点Ｄの磁界の向きは反対方向を向いている。

図９（ｂ）に、３往復に巻いた加熱コイル２０をワークであるＣ字状の継手管２１とチューブ２２の継手管挿入部２２ａ上端のロウ材２３に向けてセットした状態を示す。図９（ｂ）では、継手管挿入部２２ａ上端のロウ材２３近傍を加熱コイル２０のワーク保持空間のほぼ中心部に位置するようにセットしている。
図１０に、加熱コイル２０を継手管２１とチューブ２２の継手管挿入部２２ａに向けてセットした右側面図を加熱コイル２０を断面にして示す。図１０でも、図中、実線の矢印で、ある瞬間に流れた電流の向きを示し、一点鎖線の矢印で、電流の流れによって出きた磁界の向きを示した。図中、空間点Ｃの磁界の向きと空間点Ｄの磁界の向きは反対方向を向いている。ロウ材２３のある加熱コイル２０のワーク保持空間のほぼ中心部では、互いに逆向きである磁界の境界領域に相当するため、それぞれの磁界は互いに打ち消しあう方向に作用していると考えられる。

本発明は、継手管挿入部２２ａ上端に当接するロウ材２３近傍の温度を短時間で上昇させることを課題としている。

本発明は、加熱コイルの巻き方として、各ループを側面から見て略Ｌ字状に折れ曲がった状態に複数回巻いた形、言い換えると、一度ループ状に複数回巻いた後、Ｌ字状に折り曲げた形にしている。そして、加熱コイルの略Ｌ字状に折れ曲がった形の加熱コイルの磁束が集中する一方の空間点がロウ付け目的箇所と重なる位置を、ロウ付け作業を行う際の加熱コイルの所定位置として位置決めし、加熱コイルに高周波電流を通電して、加熱コイルの磁束が集中する一方の空間点に配置したロウ材近傍を高周波誘導加熱してロウ材を溶融し、その後、高周波電流の通電を止めて前記ロウ材を固化させることによりロウ付け作業を行うよう構成した。

本発明によれば、Ｃ字状の継手管挿入部上端に当接するロウ材近傍であっても、加熱コイルを外部から近接してセットすることが出き、継手管とチューブのロウ材近傍の磁束密度を高くしてロウ材近傍の温度を短時間で上昇させることができる。

（ａ）本発明の実施の形態１にかかる加熱コイルの斜視図（ｂ）本発明の実施の形態１にかかる加熱コイルの側面図。 本発明の実施の形態１にかかる高周波誘導加熱ロウ付け装置の概略構成を示すブロック図。 （ａ）本発明の実施の形態１にかかる加熱コイルの斜視図（ｂ）本発明の実施の形態１にかかる加熱コイルの加熱状態を示す斜視図。 本発明の実施の形態１にかかる加熱コイルの加熱状態を示す一部を断面とした側面図。 （ａ）本発明の実施の形態２にかかる加熱コイルの斜視図（ｂ）本発明の実施の形態２にかかる加熱コイルの側面図。 本発明の実施の形態２にかかる加熱コイルの加熱状態を示す斜視図。 本発明の実施の形態２にかかる加熱コイルの加熱状態を示す一部を断面とした側面図。 従来の高周波誘導加熱ロウ付け装置とワークの位置関係を示した斜視図。 （ａ）従来の加熱コイルの斜視図（ｂ）従来の加熱コイルの加熱状態を示す斜視図。 従来の加熱コイルの加熱状態を示す一部を断面とした側面図。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１にかかる高周波誘導加熱ロウ付け方法および高周波誘導加熱ロウ付け装置を図面とともに説明する。図１（ａ）に本発明の実施の形態１にかかる高周波誘導加熱装置に用いる加熱コイルの斜視図を示す。また、図１（ｂ）に本発明の実施の形態１にかかる高周波誘導加熱装置に用いる加熱コイルの側面図を示す。

図１（ａ）、（ｂ）を用いて、加熱コイル１０７がどのように巻かれているかを説明する。加熱コイル１０７は、巻き方として、一度導線をループ状に複数回巻いた後、この導線によって囲まれる平面視扁平楕円状の内周面（コイル面）を第１の面と第２の面に二分するようにＬ字状に折り曲げた形にしている。なお、以下の説明では第１の面を水平方向に拡がる水平面とし、当該水平面に対して垂直をなす第２の面を垂直面として説明する。また、巻きつけ冶具を用いて当初から図１（ａ）の形に巻いていっても良い。図１（ａ）では、第１巻き目の巻き始めから巻き終わりまで、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇの符号を付けて示した。第２巻き目についても同様に、巻き始めから巻き終わりまで、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇの符号を付けて示した。第３巻き目についても同様に、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの符号を付けて示した。

詳しく説明すると、第１巻き目について最初は水平奥方向に（１ａ）、次に垂直上方向に（１ｂ）、水平右方向に曲げて（１ｃ）、垂直下方向に（１ｄ）、水平手前方向に（１ｅ）、水平左方向に曲げて（１ｆ）、水平奥方向に潜らせる（１ｇ）という手順で、図１（ｂ）に示すように側面から見るとＬ字状に９０度折れ曲がったループ状に巻きつけている。第２巻き目は第１巻き目と同じ巻き付け方をし、第３巻き目は、水平左方向に曲げた後（３ｆ）、水平手前方向に向きを変えて（３ｇ）、第１巻き目の下を水平手前方向に潜らせている。

図２に、本発明の実施の形態１にかかる高周波誘導加熱装置１００の概略構成をブロック図として示した。高周波誘導加熱装置１００の概略構成自体は一般的な高周波誘導加熱装置と類似しているため、各ブロックの機能と働きを簡単に説明する。
図２において、１０１は高周波誘導加熱装置１００の全体の動作を制御する全体制御手段である。この全体制御手段１０１には、ロウ付け対象のワークがロウ付けのためにセットされたことを検出するワーク検出手段１０２を接続している。また、図示しないアームの先端に加熱コイル１０７を取り付けたマニュピュレータを駆動するマニュピュレータ駆動手段１０３と、アームの先端の加熱コイル１０７が所定の位置にあることを検出する加熱コイル位置検出手段１０４を全体制御手段１０１に接続している。

ワーク検出手段１０２がロウ付け対象のワークがセットされたことを検出すると、全体制御手段１０１は、マニュピュレータ駆動手段１０３を駆動して図示しないマニュピュレータのアーム先端に取り付けた加熱コイル１０７をロウ付け箇所に移動する。そして、加熱コイル位置検出手段１０４が、加熱コイル１０７が所定の位置にあることを検出すると、ロウ付けのための加熱コイルの位置決め作業を終える。

全体制御手段１０１には、高周波加熱制御手段１０６を接続している。そして、高周波加熱制御手段１０６には、ロウ付け箇所の温度を非接触で検出するワーク温度検出手段１０５と、加熱コイル１０７を接続している。高周波加熱制御手段１０６は、ワーク温度検出手段１０５でロウ付け箇所の温度を検出しつつ、加熱コイル１０７への通電制御を行い、所定の高周波誘導加熱をして、ロウ材を溶かしてロウ付け作業を行う。

ロウ付け作業終了後は、全体制御手段１０１がマニュピュレータ駆動手段１０３を駆動してマニュピュレータのアーム先端に取り付けた加熱コイル１０７をロウ付け箇所から所定の待機位置に移動させる。そして、ワーク検出手段１０２がロウ付けしたワークが取り外されたことを検出すると、高周波誘導加熱装置１００として次のワークがセットされるのを待つ。

図３に、本発明の実施の形態１にかかる加熱コイル１０７に通電した、ある瞬間の電流の流れ方向と、電流の流れによってできる磁界の向きを示した。図３（ａ）では、加熱コイル１０７上に実線矢印で、ある瞬間の電流の流れ方向を示した。また、一点鎖線で電流の流れによってできる磁界の向きを示した。本発明の実施の形態１にかかる加熱コイル１０７は、側面から見ると複数のループがＬ字状に折れ曲がった形をしているため、水平面及び垂直面の二つの空間点「Ｆ」、「Ｇ」に磁束が集中する。図３（ｂ）に、ロウ付け対象であるワークに加熱コイル１０７を接近して位置決めし、高周波電流を通電して高周波誘電加熱している瞬間の状態を示した。ロウ付け対象であるワークは、継手管２１の先端にロウ材２３を巻きつけたものを差し込んだチューブの継手管挿入部２２ａである。本発明の実施の形態１にかかる高周波誘導加熱装置１００では、加熱コイル１０７の水平面において磁束の集中する空間点「Ｆ」が継手管挿入部２２ａ上端のロウ材２３近傍と重なる位置を、加熱コイル１０７がロウ付けの際に位置すべき所定位置としている。

図４に、本発明の実施の形態１にかかる加熱コイルの加熱状態を、一部を断面とした側面図として示す。図４は先に説明した図３（ｂ）の側面図に相当するもので、加熱コイル１０７を断面で示している。図４は、加熱コイル１０７の水平面において磁束の集中する空間点「Ｆ」が継手管挿入部２２ａ上端のロウ材２３近傍と重なっていることを示している。また、加熱コイル１０７の垂直面において磁束の集中する他の空間点「Ｇ」は、継手管２１と重なってはいるが、磁束の集中する空間点「Ｆ」とロウ材２３近傍の重なり方に比べると、重なる程度が小さくなっている。そのため、加熱コイル１０７に高周波電流を通電すると、水平面において磁束の集中する空間点「Ｆ」と重なっているロウ材２３近傍は高温に発熱して、ロウ材２３が溶ける。通電を止めるとロウ材２３は継手管２１とチューブの継手管挿入部２２ａの気密を保つように固化する。

本発明は、以上説明したように加熱コイル１０７について、加熱コイル１０７の巻き方として、各ループを側面から見て略Ｌ字状に折れ曲がった状態に複数回巻いた形に形成し、加熱コイル１０７の略Ｌ字状に折れ曲がった形の加熱コイル１０７の磁束が集中する一方の空間点がロウ付け目的箇所と重なる位置を、ロウ付け作業を行う際の加熱コイル１０７の所定位置として位置決めし、加熱コイル１０７に高周波電流を通電して、加熱コイル１０７の磁束が集中する一方の空間点に配置したロウ材２３近傍を高周波誘導加熱してロウ材２３を溶融し、その後、高周波電流の通電を止めてロウ材２３を固化させることによりロウ付け作業をしている。このように本発明によれば、加熱コイル１０７を側面視Ｌ字状としたことで、水平面を通る磁束の向きと、垂直面を通る磁束の向きとが、それぞれ対向する成分を有さないため、従来の加熱コイルの巻き方に比べてロウ材２３近傍に磁束が集中し、継手管２１とチューブのロウ材２３近傍の温度をより短時間で上昇させることができる。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２にかかる高周波誘導加熱ロウ付け方法および高周波誘導加熱ロウ付け装置を図面とともに説明する。実施の形態２では、実施の形態１で示した加熱コイル２０７の巻き方を多段階にしてより磁束密度を高めたことを特徴としている。

図５（ａ）に本発明の実施の形態２にかかる高周波誘導加熱装置に用いる加熱コイル２０７の斜視図を示す。また、図５（ｂ）に本発明の実施の形態２にかかる高周波誘導加熱装置に用いる加熱コイル２０７の側面図を示す。図５（ａ）に示した加熱コイル２０７では、３往復巻いたループの上に更に２往復のループを巻いている。
図５（ａ）では、図１（ａ）と同様に、第１巻き目の巻き始めから巻き終わりまで、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇの符号を付けて示し、第２巻き目、第３巻き目、第４巻き目、第５巻き目についても同様に、巻き始めから巻き終わりまで、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇ等の符号を付けて示すことにしたが、見やすくするために一部の符号を省略して示した。

実施の形態２の特徴である第４巻き目、第５巻き目の巻き方を詳しく説明する。第３巻き目の前半までの巻き方は、既に図１（ａ）で説明したとおりである。図１（ａ）では、第３巻き目の後半は、水平左方向に曲げた後（３ｆ）、水平手前方向に向きを変えて（３ｇ）、第１巻き目の下を水平手前方向に潜らせたのであるが、実施の形態２では、水平左方向に曲げた後（３ｆ）、第３巻き目と第２巻き目の外周が隣り合う溝部の上（外側）に第４巻き目となるコイルを巻きつけていく。図５（ａ）では隠れて見えないが、図５（ｂ）では、水平左方向に曲げた後（３ｆ）、第４巻き目は、破線に示したように、第３巻き目と第２巻き目の外周が隣り合う溝部をめがけて右上に巻いていく様子を示している。

第４巻き目は、第３巻き目と第２巻き目の外周が隣り合う溝部の上（外側）に乗せた後、第３巻き目と第２巻き目の外周が隣り合う溝部に沿って水平奥方向に、次に垂直上方向に、水平右方向に曲げて（４ｃ）、垂直下方向に（４ｄ）、水平手前方向に（４ｅ）、水平左方向に曲げる（４ｆ）。そして第５巻き目は、第４巻き目と同様に、第２巻き目と第１巻き目の外周が隣り合う溝部の上（外側）に乗せた後、第２巻き目と第１巻き目の外周が隣り合う溝部に沿って水平奥方向に、次に垂直上方向に、水平右方向に曲げて（５ｃ）、垂直下方向に（５ｄ）、水平手前方向に（５ｅ）、水平左方向に曲げる（５ｆ）、そして最後は、水平手前方向に向きを変えて（５ｇ）、第１巻き目の下を水平手前方向に潜らせている。

図６に、本発明の実施の形態２にかかる加熱コイルの加熱状態を示す斜視図を示す。また図７に、本発明の実施の形態２にかかる加熱コイルの加熱状態を示す一部を断面とした側面図を示す。本発明の実施の形態２にかかる高周波誘導加熱装置に用いる加熱コイル２０７は、図６に示すように５往復のループで巻き付けている。加熱コイル２０７の水平面において磁束が集中する一方の空間点（図ではＨ点）をロウ付け箇所であるロウ材２３の中心位置に重なるように位置決めし、加熱コイル２０７に高周波電流を通電する。すると、ロウ付け箇所に実施の形態１以上に磁束が集中して、継手管２１とチューブのロウ材２３近傍の温度が実施の形態１よりも短時間で上昇する。そしてロウ材２３が溶ける。通電を止めるとロウ材２３は継手管２１とチューブの継手管挿入部２２ａの気密を保つように固化する。

このように、本発明の実施の形態２にかかるロウ付け方法および高周波誘導加熱ロウ付け装置によれば、実施の形態１よりも短時間で継手管２１とチューブをロウ付けすることができるという効果がえられる。
なお、本発明の実施の形態２にかかる高周波誘導加熱装置２００の概略構成は実施の形態１と同じなので説明を省略する。

以上で本発明の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施の形態１、２の加熱コイル１０７、２０７は、コイル面を第１の面（水平面）及び第２の面（垂直面）に二分するよう側面から見てＬ字状に９０度折れ曲げているが、この折り曲げる角度は第１の面を通る磁束の向きと第２の面を通る磁束の向きがそれぞれ対向する成分を有さない角度であって、十分なワーク保持空間を確保できればよく、９０度より若干鈍角になっても構わない。

また、上記実施の形態１、２では、ロウ付け対象であるワークの継手管２１が屈曲した形状をなしているが、ロウ付け対象であるワークの形状はこれに限るものではない。例えば、ワークが直管型である場合には、加熱コイルを傾けて、ワークに対しコイル面が傾斜する形で位置決めするようにすればよい。

本発明は、チューブの継手管挿入部上端に当接するロウ材近傍の温度を短時間で上昇させることができる高周波誘導加熱ロウ付け方法および高周波誘導加熱ロウ付け装置を実現したものであり、冷蔵庫や熱交換器の継手管とチューブのロウ付け、チューブ同士のロウ付けはもちろん、ロウ付け対象物の突出長さが短く、狭い間隔で配置されているか、多数の障害物が周囲に配置されていて、加熱コイルでロウ付け対象物を囲むことが難しいという場合のロウ付け作業に適用することができる。

１ 加熱コイルの第１巻き目部分
２ 加熱コイルの第２巻き目部分
３ 加熱コイルの第３巻き目部分
４ 加熱コイルの第４巻き目部分
５ 加熱コイルの第５巻き目部分
２１ 継手管
２２ チューブ
２２ａ 継手管挿入部
２３ ロウ材
１０１ 全体制御手段
１０２ ワーク検出手段
１０３ マニュピュレータ駆動手段
１０４ 加熱コイル位置検出手段
１０５ ワーク温度検出手段
１０６ 高周波加熱制御手段
１０７、２０７ 加熱コイル

Claims (4)

1. 加熱コイルの巻き方として、各ループを側面から見て略Ｌ字状に折れ曲がった状態に複数回巻いた形に形成し、
   前記加熱コイルの略Ｌ字状に折れ曲がった形の加熱コイルの磁束が集中する一方の空間点がロウ付け目的箇所と重なる位置を、ロウ付け作業を行う際の加熱コイルの所定位置として位置決めし、
   前記加熱コイルに高周波電流を通電して、前記加熱コイルの磁束が集中する一方の空間点に配置したロウ材近傍を高周波誘導加熱してロウ材を溶融し、
   その後、高周波電流の通電を止めて前記ロウ材を固化させることによりロウ付け作業を行うよう構成したことを特徴とする高周波誘導加熱ロウ付け方法。
2. 加熱コイルの巻き方として、各ループを側面から見て略Ｌ字状に折れ曲がった状態に複数回巻いた形に形成し、
   前記加熱コイルの略Ｌ字状に折れ曲がった形の加熱コイルの磁束が集中する一方の空間点がロウ付け目的箇所と重なる位置を、ロウ付け作業を行う際の加熱コイルの所定位置として位置決めし、
   前記加熱コイルに高周波電流を通電して、前記加熱コイルの磁束が集中する一方の空間点に配置したロウ材近傍を高周波誘導加熱してロウ材を溶融し、
   その後、高周波電流の通電を止めて前記ロウ材を固化させることによりロウ付け作業を行うよう構成したことを特徴とする高周波誘導加熱ロウ付け装置。
3. 加熱コイルの巻き方として、各ループを側面から見て略Ｌ字状に折れ曲がった状態に複数回かつ外側に多段階に巻いた形に形成したことを特徴とする請求項１に記載の高周波誘導加熱ロウ付け方法。
4. 加熱コイルの巻き方として、各ループを側面から見て略Ｌ字状に折れ曲がった状態に複数回かつ外側に多段階に巻いた形に形成したことを特徴とする請求項２に記載の高周波誘導加熱ロウ付け装置。

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