JP2016110829A - 誘導加熱装置および誘導加熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加熱体に障害物が設けられている場合であっても、均一で良好なろう付けを行うことができる誘導加熱装置および誘導加熱方法を提供する。【解決手段】第１の被加熱体１０と、前記第１の被加熱体の差し込み口１１に差し込まれた第２の被加熱体２０とを誘導加熱によりろう付け接合する誘導加熱装置であって、第１の加熱導体部２と、第２の加熱導体部３とを備えている。前記第１の加熱導体部は、前記第１の被加熱体のうち、前記第２の被加熱体が差し込まれる被差し込み部の周囲の一部を周方向に覆う。前記第２の加熱導体部は、前記第２の被加熱体のうち、前記被差し込み部に差し込まれる差し込み部以外の部分の周囲の少なくとも一部を周方向に覆う。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、誘導加熱装置および誘導加熱方法に関する。

従来、部品同士を接合するろう付けの一手法として、トーチの火炎で部品を加熱することにより、ろう材を溶かして施工する手法がある。しかし、この手法の場合、施工場所が火気を安全に取り扱うことのできる場所に制限される。

他のろう付け手法として、火炎を用いない誘導加熱による手法も知られている。この場合、部品の周囲を加熱導体（誘導加熱コイル）で囲み、加熱導体に高周波電流を流すことで、部品の表面に渦電流を誘起する。誘起された渦電流は、部品の表層でジュール損失により熱を発生する。この熱によって部品が加熱され、ろう付けが行われる。誘導加熱によるろう付けの場合、火炎を用いないため、施工場所に対する制限が緩和される。

特開２００２−３０１５６６号公報

しかしながら、部品（被加熱体）の周囲に、施工の障害となる構造物等が設けられていることがある。例えば、第１の管状部材に第２の管状部材を差し込んでろう付けする場合であって、第１の管状部材が壁面等に固定されている場合がある。このような場合、加熱導体で第１の管状部材の全周を囲むことができないため、ろう付け部分を均一に加熱できず、均一なろう付けを行うことが困難であるという課題があった。

本発明が解決しようとする課題は、被加熱体に障害物が設けられている場合であっても、均一で良好なろう付けを行うことができる誘導加熱装置および誘導加熱方法を提供することである。

実施形態に係る誘導加熱装置は、第１の被加熱体と、前記第１の被加熱体の差し込み口に差し込まれた第２の被加熱体とを誘導加熱によりろう付け接合する誘導加熱装置であって、第１の加熱導体部と、第２の加熱導体部とを備えている。前記第１の加熱導体部は、前記第１の被加熱体のうち、前記第２の被加熱体が差し込まれる被差し込み部の周囲の一部を周方向に覆う。前記第２の加熱導体部は、前記第２の被加熱体のうち、前記被差し込み部に差し込まれる差し込み部以外の部分の周囲の少なくとも一部を周方向に覆う。

実施形態に係る誘導加熱方法は、第１の被加熱体、および前記第１の被加熱体の差し込み口に差し込まれた第２の被加熱体を誘導加熱によりろう付け接合する誘導加熱方法であって、前記第１の被加熱体のうち前記第２の被加熱体が差し込まれる被差し込み部の周囲の一部を周方向に覆う第１の加熱導体部と、前記第２の被加熱体のうち前記被差し込み部に差し込まれる差し込み部以外の部分の周囲の少なくとも一部を周方向に覆う第２の加熱導体部とに高周波電流を流し、前記第１および第２の被加熱体を個別に誘導加熱する。

本発明の実施形態に係る誘導加熱装置１の概略的な構成を示す図である。 誘導加熱装置１の加熱導体部の詳細について説明するための図である。 変形例１に係る加熱導体部について説明するための図である。 変形例２に係る加熱導体部について説明するための図である。 変形例３に係る加熱導体部について説明するための図である。 第１の被加熱体１０、および第１の被加熱体１０の被差し込み部１２に差し込まれる第２の被加熱体２０を示す図である。 発電機ステータの一部を示す斜視図である。

以下、実施形態に係る誘導加熱装置および誘導加熱方法について図面を参照しながら説明する。なお、各図において同等の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、同一符号の構成要素の詳しい説明は繰り返さない。

実施形態に係る誘導加熱装置１は、２つの被加熱体を誘導加熱により、ろう付け接合する誘導加熱装置である。

ここで、図６を参照して、被加熱体である第１の被加熱体１０および第２の被加熱体２０について説明する。なお、図６では、第２の被加熱体２０の肉厚部２２は図示していない。図６に示すように、第１の被加熱体１０および第２の被加熱体２０は管状部材であり、第１の被加熱体１０および第２の被加熱体２０に障害物３０が設けられている。この障害物３０は、第１の被加熱体１０や第２の被加熱体２０に接続されていたり、近接する位置に設置された構造物等である。

ここで、障害物３０が発電機のステータである場合の例を、図７を用いて説明する。図７は、発電機のステータの一部を示す斜視図である。円筒状のステータの内壁面に沿って内側コイル４２が設けられている。また、ステータの外壁面に沿って外側コイル４３が設けられている。内側コイル４２および外側コイル４３の内部には冷却水が流通する。

第１の被加熱体１０は、内側コイル４２または外側コイル４３の端部を構成し、内部を冷却水が流通する管状部材である。第２の被加熱体２０は、ステータの端部において、内側コイル４２の第１の被加熱体１０と外側コイル４３の第１の被加熱体１０とを接続する部材である。即ち、第２の被加熱体２０は、図７に示すように、ステータの端面を跨いで内側コイル４２と外側コイル４３を接続する。この第２の被加熱体２０は、電気的導通を確保し、且つ冷却水流路となる管状部材である。

図６に戻って、差し込み部２１の中心線Ｃは、第２の被加熱体２０の先端から、差し込み部２１の長さの半分だけ離れた位置を示している。

第２の被加熱体２０は、第１の被加熱体１０の差し込み口１１から被差し込み部１２に差し込まれる。より詳しくは、第２の被加熱体２０のうち、先端部分の差し込み部２１が被差し込み部１２に差し込まれ、差し込み部２１の外周面が第１の被加熱体１０とろう付けされるろう付け面となる。なお、第１の被加熱体１０および第２の被加熱体２０は、管状部材に限らない。

次に、誘導加熱装置１の構成について図１を参照して説明する。

誘導加熱装置１は、図１に示すように、第１の加熱導体部（誘導加熱コイル）２と、第２の加熱導体部（誘導加熱コイル）３と、接続導体部４と、引出導体部５と、高周波電源６と、温度測定部７と、参照温度データ記録部８と、温度制御部９とを備えている。

第１の加熱導体部２、第２の加熱導体部３、接続導体部４および引出導体部５はいずれも導電性の材料からなり、１本の導電路を形成している。なお、導電路の内部には、水等の冷却媒体が流れる流路が設けられていてもよい。この導電路に高周波電源６から出力された高周波電流が流れることで、導電路に周囲を覆われた被加熱体の表層に渦電流が流れ、被加熱体はジュール熱により加熱される。より詳しくは、誘導加熱により、まず被加熱体の表層の温度が上昇し、その後、ジュール熱の拡散により、被加熱体の内部の温度が上昇するとともに、導電路の周辺の表層の温度が上昇する。その後、ろう付け部（第１の被加熱体１０と第２の被加熱体２０との間の重なり部分）の温度が所定の温度まで上昇すると、ろう付け部にろう材を溶かし込み、ろう付けを行う（いわゆる「差しろう」）。なお、ろう付け部に形成された溝に予めろう材を配置する等にして、ろう付け部に予めろう材を設けておいてもよい（いわゆる「置きろう」）。

第１の加熱導体部２は、第１の被加熱体１０の被差し込み部１２の周囲の一部を周方向に覆う。本実施形態では、第１の加熱導体部２は、図１に示すように、障害物３０を回避するように被差し込み部１２の周囲の一部を覆っている。より詳しくは、第１の加熱導体部２は、図２に示すように、導体管２ａ、導体管２ｂおよび導体管２ｃが接続されたものとして構成されている。導体管２ａ，２ｃは、第１の被加熱体１０の中心軸に直交する方向に延在している。導体管２ｂは、導体管２ａの上端部と導体管２ｃの上端部とを接続している。このように第１の加熱導体部２が被差し込み部１２の周囲の少なくとも一部を覆うようにすることで、ろう付け部を効率良く加熱することができる。

なお、効率の観点からは、第１の加熱導体部２は、被差し込み部１２に差し込まれた差し込み部２１の中心線Ｃを覆うように第１の被加熱体１０の周囲に設けられることが好ましい。即ち、第１の加熱導体部２の差し込み部２１への投影線が中心線Ｃに重なるようにすることが好ましい。これにより、第１の加熱導体部２はろう付け部を最も効率良く加熱することができる。

第２の加熱導体部３は、第２の被加熱体２０のうち差し込み部２１以外の部分の周囲の少なくとも一部を周方向に覆う。本実施形態では、第２の加熱導体部３は、図１に示すように、障害物３０を回避するように第２の被加熱体２０の周囲の一部を覆っている。より詳しくは、第２の加熱導体部３は、図２に示すように、導体管３ａおよび導体管３ｂを有する。導体管３ａ，３ｂは、下端部が接続導体部４に接続し、第２の被加熱体２０の中心軸に直交する方向に沿って肉厚部２２の側面上を延在した後、折れ曲がり、肉厚部２２の上面上を延在している。肉厚部２２は、管状部材である第２の被加熱体２０のうち、部分的に周囲よりも肉厚に構成された部位である。なお、肉厚部２２は、管状部材である第２の被加熱体２０のうち、部分的に周囲よりも比熱の高い材料で構成された部位であってもよい。

本実施形態では、第２の加熱導体部３は、管状部材である第２の被加熱体２０の肉厚部２２の周囲に設けられている。これにより、より多くの熱量が第２の被加熱体２０に蓄えられるため、ろう付け部を効率良く加熱することができる。なお、第２の加熱導体部３は、肉厚部に限らず、第２の被加熱体２０のうち熱容量が他の部位よりも大きな部位の周囲に設けられてもよい。

接続導体部４は、第１の加熱導体部２と第２の加熱導体部３を接続する。より詳しくは、接続導体部４は、図２に示すように、導体管２ａと導体管３ａを接続し、導体管２ｃと導体管３ｂを接続する。この接続導体部４を設けることにより、一つの高周波電源６で第１の被加熱体１０と第２の被加熱体２０の両方を誘導加熱することができる。その結果、誘導加熱装置１の簡略化および低コスト化を図ることができとともに、高周波電源６の制御を容易にすることができる。なお、接続導体部４を設けずに、第１の加熱導体部２および第２の加熱導体部３を別々の高周波電源に接続してもよい。

引出導体部５は、第２の加熱導体部３と高周波電源６とを電気的に接続している。より詳しくは、引出導体部５は、導体管３ａに接続された導体管５ａと、導体管３ｂに接続された導体管５ｂとを有する。図２に示すように、導体管５ａと導体５ｂは互いに平行に近接配置されることが好ましい。これにより、両導体管間に存在するインダクタンスを小さくすることができ、電源効率を向上させることができる。

高周波電源６は、接続導体部４および引出導体部５を介して、第１の加熱導体部２および第２の加熱導体部３に高周波電流を流す。この高周波電源６から出力される高周波電流は、電流値および周波数を変化させることが可能である。第１の加熱導体部２および第２の加熱導体部３に高周波電流を流すことより、第１の被加熱体１０および第２の被加熱体２０の各々の表層に渦電流が誘起され、第１の被加熱体１０および第２の被加熱体２０はジュール熱により加熱される。

温度測定部７は、被加熱体の表面の温度を測定する。より詳しくは、温度測定部７は、第１の被加熱体１０の差し込み口１１近傍（例えば第１の被加熱体１０の端面１０ａ上の点）における第１の被加熱体１０の温度Ｔ１を測定する。温度測定部７は、例えば、熱電対や放射温度計により構成される。

なお、温度測定部７は、温度Ｔ１とともに、または温度Ｔ１に代えて、差し込み口１１近傍における第２の被加熱体２０の温度Ｔ２を測定してもよい。例えば、温度測定部７は、差し込み口１１近傍における、ろう付け部以外の第２の被加熱体２０の外周面の温度を測定する。

参照温度データ記録部８は、温度Ｔ１とろう付け部の温度Ｔ３とを対応付けた温度データを記録している。この温度データは事前の加熱試験により取得されたものである。温度Ｔ３は、例えば第２の被加熱体２０の差し込み部２１の外周面の温度であるが、これに限らず、差し込み口１１の温度であってもよいし、あるいは、第１の被加熱体１０の被差し込み部１２の内周面の温度であってもよい。参照温度データ記録部８は、ハードディスク、半導体メモリまたは光ディスク等の記録媒体から構成される。

なお、この参照温度データ記録部８は、温度Ｔ２と温度Ｔ３とを対応付けた温度データを記録してもよいし、あるいは、温度Ｔ１、温度Ｔ２および温度Ｔ３を対応付けた温度データを記録してもよい。

温度制御部９は、温度測定部７により測定された温度、および参照温度データ記録部８に記憶された温度データに基づいて、ろう付け部の温度が所定の温度になるように高周波電源６を制御する。具体的には、温度制御部９は、高周波電源６から出力される高周波電流の電流値（電流振幅）や周波数を変化させることで、ろう付け部の温度を調整する。例えば、温度制御部９は、温度データ間の隙間を補間する補間処理により、温度測定部７で測定された温度からろう付け部の温度を推定し、推定された温度が所定の温度になるように高周波電源６を制御する。

なお、温度制御部９は、第１の被加熱体１０の差し込み口１１近傍における第１の被加熱体１０の温度、および／または、差し込み口１１近傍における第２の被加熱体２０の温度が所定の温度になるように高周波電源６を制御してもよい。

上記の所定の温度（ろう付け部の目標温度）は、ろう材の種類、ろう材の融点等に基づいて決められた温度であることが好ましい。これにより、より均一で良好なろう付けを行うことができる。

以上説明したように、本実施形態に係る誘導加熱装置１は、差し込み口１１を挟んで第１の加熱導体部２および第２の加熱導体部３が設けられている。第１および第２の加熱導体部２，３に高周波電流を流すことより、第１の被加熱体１０および第２の被加熱体２０を個別に誘導加熱する。第１の被加熱体１０および第２の被加熱体２０の表層で発生した渦電流による熱はそれぞれ拡散しながら内部に熱伝導する。このため、第１の加熱導体部２および第２の加熱導体部３がそれぞれ第１の被加熱体１０および第２の被加熱体２０の全周を覆わなくとも、第１および第２被加熱体１０，２０のろう付け部の全周が均一に加熱され、均一で良好なろう付けを行うことができる。

よって、本実施形態によれば、被加熱体に障害物が設けられている場合であっても、均一で良好なろう付けを行うことができる。

また、本実施形態によれば、第１の被加熱体１０および第２の被加熱体２０が個別に誘導加熱されるため、差し込み部２１と被差し込み部１２との間に隙間がある等して接触熱抵抗が大きい場合であっても、均一なろう付けを行うことができる。

なお、第２の加熱導体部３は、第１の被加熱体１０の差し込み口１１から、所定の距離だけ離して設けることが好ましい。より詳しくは、第２の加熱導体部３は、第１の被加熱体１０の差し込み口１１から、差し込み部２１の長さの半分以上離れた位置に設けられていることが好ましい。これにより、第２の加熱導体部３により第２の被加熱体２０に発生した熱が熱拡散により、第２の加熱導体部３で覆われない第２の被加熱体２０の障害物３０側にまで回り込んだ後、差し込み部２１に熱伝導する。このため、差し込み部２１は、差し込み口１１から第２の被加熱体２０の先端にかけて全周にわたって均一に加熱される。その結果、さらに均一で良好なろう付けを行うことができる。

次に、本実施形態に係る３つの変形例（変形例１〜３）について説明する。いずれの変形例によっても、上記の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（変形例１）
図３を参照して変形例１について説明する。本変形例は、第２の加熱導体部３が第２の被加熱体２０の中心軸に沿って延在する場合である。図３に示すように、導体管２ａ，２ｃは、下端部が第１の被加熱体１０の中心軸付近で接続導体部４に接続されている。また、導体管３ａ，３ｂは、第２の被加熱体２０の中心軸に沿って延在している。

（変形例２）
次に、図４を参照して変形例２について説明する。本変形例は、第２の被加熱体２０に肉厚部２２が設けられていない場合である。図４に示すように、第１の加熱導体部２および接続導体部４は、既述の実施形態と同様である。導体管３ａ，３ｂは、図４に示すように、接続導体部４の端部から第２の被加熱体２０に向けて延在した後、第２の被加熱体２０の中心軸と直交する方向に延在し、第２の被加熱体２０の周囲の一部を覆っている。

（変形例３）
次に、図５を参照して変形例３について説明する。本変形例は、第２の被加熱体２０が途中でＬ字状に折れ曲がっている場合である。図５に示すように、第１の加熱導体部２および接続導体部４は、既述の実施形態と同様である。導体管３ａ，３ｂは、図５に示すように、接続導体部４の端部から、折れ曲がった先の第２の被加熱体２０の中心軸に沿って延在し、第２の被加熱体２０の肉厚部２２の周囲の一部を覆っている。

以上、１つの実施形態および３つの変形例について説明したが、これらの実施形態および変形例によれば、被加熱体に障害物が設けられている場合であっても、均一で良好なろう付けを行うことができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 誘導加熱装置
２ 第１の加熱導体部
２ａ，２ｂ，２ｃ 導体管
３ 第２の加熱導体部
３ａ，３ｂ 導体管
４ 接続導体部
５ 引出導体部
５ａ，５ｂ 導体管
６ 高周波電源
７ 温度測定部
８ 参照温度データ記録部
９ 温度制御部
１０ 第１の被加熱体
１０ａ 端面
１１ 差し込み口
１２ 被差し込み部
２０ 第２の被加熱体
２１ 差し込み部
２２ 肉厚部（熱容量の大きい部位）
３０ 障害物
４０ （発電機の）ステータ
４２ 内側コイル
４３ 外側コイル
Ｃ 中心線

Claims (11)

1. 第１の被加熱体と、前記第１の被加熱体の差し込み口に差し込まれた第２の被加熱体とを誘導加熱によりろう付け接合する誘導加熱装置であって、
   前記第１の被加熱体のうち、前記第２の被加熱体が差し込まれる被差し込み部の周囲の一部を周方向に覆う第１の加熱導体部と、
   前記第２の被加熱体のうち、前記被差し込み部に差し込まれる差し込み部以外の部分の周囲の少なくとも一部を周方向に覆う第２の加熱導体部と、
   を備えることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記第２の加熱導体部は、前記第１の被加熱体の前記差し込み口から、前記差し込み部の長さの半分以上離れた位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記第２の加熱導体部は、前記第２の被加熱体のうち熱容量が他の部位よりも大きな部位の周囲に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記第２の被加熱体は管状部材であり、前記部位は部分的に周囲よりも肉厚に構成された肉厚部であることを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱装置。
5. 前記第２の被加熱体は管状部材であり、前記部位は部分的に周囲よりも比熱の高い材料で構成されたことを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱装置。
6. 前記第１の加熱導体部と前記第２の加熱導体部を接続する接続導体部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の誘導加熱装置。
7. 前記第１の加熱導体部の、前記被差し込み部に差し込まれた前記差し込み部への投影線が、前記差し込み部の中心線と重なることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の誘導加熱装置。
8. 前記第１および第２の加熱導体部に高周波電流を流す高周波電源と、
   前記差し込み口近傍における前記第１の被加熱体の第１の温度、および／または、前記差し込み口近傍における前記第２の被加熱体の第２の温度を測定する温度測定部と、
   前記第１の温度および前記第２の温度のうち少なくともいずれか一方の温度と、ろう付け部の温度とを対応付けた温度データを記録した参照温度データ記録部と、
   前記温度測定部により測定された温度、および前記参照温度データ記録部に記憶された前記温度データに基づいて、前記ろう付け部の温度が所定の温度になるように前記高周波電源を制御する温度制御部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の誘導加熱装置。
9. 前記第１の被加熱体は、発電機の円筒状のステータの内壁面に沿って設けられた内側コイルの端部、または前記ステータの外壁面に沿って設けられた外側コイルの端部を構成し、前記第２の被加熱体は、前記内側コイルの第１の被加熱体と、前記外側コイルの第１の被加熱体とを接続することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の誘導加熱装置。
10. 第１の被加熱体、および前記第１の被加熱体の差し込み口に差し込まれた第２の被加熱体を誘導加熱によりろう付け接合する誘導加熱方法であって、
    前記第１の被加熱体のうち前記第２の被加熱体が差し込まれる被差し込み部の周囲の一部を周方向に覆う第１の加熱導体部と、前記第２の被加熱体のうち前記被差し込み部に差し込まれる差し込み部以外の部分の周囲の少なくとも一部を周方向に覆う第２の加熱導体部とに高周波電流を流し、前記第１および第２の被加熱体を個別に誘導加熱する誘導加熱方法。
11. 前記第２の加熱導体部は、前記第１の被加熱体の前記差し込み口から、前記差し込み部の長さの半分以上離れた位置に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の誘導加熱方法。

Images