JP2021170443A - Induction heating coil manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘導加熱コイルの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an induction heating coil.
従来、このような分野の技術として、特開２０１８−０１０８７６号公報がある。この公報に記載された誘導加熱コイルの製造方法では、誘導加熱コイルを金属積層造型で、加熱導体部と、その他の導体部と、を一体形成することが記載されている。なお、この誘導加熱コイルは、コイル部、電力供給部、冷媒通路は、金属積層造形法を用いて形成されており、コイル部は内径部と外径部を有する湾曲形状である。 Conventionally, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-010876 is available as a technique in such a field. In the method for manufacturing an induction heating coil described in this publication, it is described that the induction heating coil is integrally formed with a heating conductor portion and other conductor portions by metal lamination molding. In the induction heating coil, the coil portion, the power supply portion, and the refrigerant passage are formed by using a metal lamination molding method, and the coil portion has a curved shape having an inner diameter portion and an outer diameter portion.
また、他の誘導コイルの製造方法として、特開２０１０−１９２１６７号公報がある。この誘導コイルの製造方法では、機械加工で制作した平板ブロックをパルス通電接合で固相接合し、削り出すことによって製造することができる。 Further, as another method for manufacturing an induction coil, there is Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-192167. In this method of manufacturing an induction coil, a flat plate block produced by machining can be solid-phase bonded by pulse energization bonding and then machined.
しかしながら、前述した特許文献１に記載された誘導加熱コイルの製造方法では、銅合金の金属積層造形品とすると導電率が低くなることから、抵抗発熱が多くなり、電力消費が増大するという問題がある。
However, in the method for manufacturing an induction heating coil described in
より具体的には、金属積層造形では造形体の熱伝導率が高いため、レーザを用いた場合には熱が引かれ、積層が一般的に困難となる。そのため、クロムやジルコニウムを数％加えた銅合金を用いて積層造形を行う場合が多い。このとき熱処理により導電率が純銅の８８％程度まで回復させることができるが、寿命を向上させるために引っ張り強さを高くする熱処理を加えた場合には、伝導率が純銅の７３％程度になってしまい、効率が低下する。 More specifically, since the thermal conductivity of the modeled body is high in the metal lamination molding, heat is drawn when a laser is used, and the lamination is generally difficult. Therefore, in many cases, laminated modeling is performed using a copper alloy containing several% of chromium or zirconium. At this time, the conductivity can be restored to about 88% of pure copper by heat treatment, but when heat treatment to increase the tensile strength is added to improve the life, the conductivity becomes about 73% of pure copper. Therefore, the efficiency is reduced.
また、前述した特許文献２に記載された誘導コイルの製造方法では、ろう付けによって複数のパイプ部材を連結させる構造ではないため、焼き入れによってろう材が劣化することによって、ろう付け部分の接合強度が低下することや、剥離することを防止することができる。
Further, since the method for manufacturing an induction coil described in
しかしながら、パルス通電接合では接合面全体での均一な溶着が困難であり、１箇所で接合が完了してしまうと全ての電流がその部分を流れるため、未接合の部分で発熱が生じず、接合部が完全に閉じない状態となる場合がある。この場合、生じる隙間から冷却水が漏れる恐れがある。 However, in pulse energization bonding, uniform welding over the entire bonding surface is difficult, and when bonding is completed at one location, all current flows through that portion, so heat is not generated at the unbonded portion, and bonding is performed. The part may not be completely closed. In this case, the cooling water may leak from the generated gap.
また、固相接合部の熱影響層は組織が変化しており、疲労強度が低下した状態となる。さらに、この固相接合部は加熱を行う加熱導体部にあるため、熱疲労が発生することから、寿命が短くなる場合がある。 In addition, the structure of the heat-affected layer at the solid-phase junction has changed, resulting in a reduced fatigue strength. Further, since this solid phase joint portion is located in the heating conductor portion for heating, thermal fatigue occurs, which may shorten the life.
さらに、固相接合部はリード部及び加熱導体部にわたって存在するため、導電率の不均一が生じて電流密度が偏り、ワークの焼き入れ深さが不均一になる可能性がある。 Further, since the solid phase bonding portion exists over the lead portion and the heating conductor portion, the conductivity may be non-uniform, the current density may be uneven, and the quenching depth of the work may be non-uniform.
本発明は、加熱導体部の引張強さを強化するとともに、加熱導体部の導電率が適切な状態となる誘導加熱コイルの製造方法を提供するものである。 The present invention provides a method for manufacturing an induction heating coil in which the tensile strength of the heating conductor portion is strengthened and the conductivity of the heating conductor portion is in an appropriate state.
本発明にかかる誘導加熱コイルの製造方法は、誘導加熱コイルは、一体成形された加熱導体部と、前記加熱導体部とは別体で成形された他の導体部と、前記加熱導体部と、前記他の導体部とを接合する接合部と、を有し、前記加熱導体部は、銅と、前記銅以外のその他の材料としてジルコニウム、クロム、銀のいずれか少なくとも１つを含む材料であって、前記その他の材料を合計１０％以下で含む材料で構成されているとともに、導電率が、前記他の導体部より低く形成されており、前記加熱導体部に対して、熱処理することで引張強さを強化するステップと、その後、前記加熱導体部と、前記他の導体部とを接続するステップと、を有する。
これにより、加熱導体部に熱処理を先に実行しておくことで、他の導体部に対する熱処理の影響を低減することができる。
In the method for manufacturing an induction heating coil according to the present invention, the induction heating coil includes an integrally molded heating conductor portion, another conductor portion formed separately from the heating conductor portion, and the heating conductor portion. It has a joint portion for joining the other conductor portion, and the heated conductor portion is a material containing copper and at least one of zirconium, chromium, and silver as other materials other than the copper. In addition to being composed of a material containing the other materials in a total of 10% or less, the conductivity is formed to be lower than that of the other conductor portion, and the heated conductor portion is tensioned by heat treatment. It has a step of strengthening the strength, and then a step of connecting the heated conductor portion and the other conductor portion.
As a result, by performing the heat treatment on the heated conductor portion first, the influence of the heat treatment on the other conductor portions can be reduced.
これにより、加熱導体部の引張強さを強化するとともに、導電率が適切な状態となる誘導加熱コイルを製造できる。 As a result, it is possible to manufacture an induction heating coil in which the tensile strength of the heating conductor portion is strengthened and the conductivity is in an appropriate state.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、誘導加熱コイル１は、一体成形により形成された一対の加熱導体部１１と、電源から加熱導体部１１に電流を伝達するリード導体部１２と、一対の加熱導体部１１間で電流を伝達する伝達導体部１３と、加熱導体部１１とリード導体部１２、及び、加熱導体部１１と伝達導体部１３を接続するろう付け接合部１４と、を備える。誘導加熱コイル１は、円筒状のワーク２を片側から誘導加熱するためのコイルである。なお、リード導体部１２及び伝達導体部１３は、加熱導体部１１とは異なる、他の導体部とする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the
加熱導体部１１は、一対の１／４円状のもので半円状を形成しており、半円の内径側に円筒状のワーク２が対向して配置される。加熱導体部１１は、銅合金粉末を原料とする積層造形で一体的に形成されている。また加熱導体部１１は、造形後に、導電率を高くし、引張強さを強くするための熱処理が行われる。なお、一対の加熱導体部１１は、第１の加熱導体部１１ａと、第２の加熱導体部１１ｂにより構成されているものとする。
The
ここで、加熱導体部１１において行われる熱処理の条件は、加熱導体部１１の引張強さがリード導体部１２より高く、かつ、伝達導体部１３より高い状態となることである。
Here, the condition of the heat treatment performed in the
なお、加熱導体部１１の原材料となる銅合金粉末は、ジルコニウム（Ｚｒ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）のいずれかを合計１０％以下含み、残部が銅により構成されている。
The copper alloy powder used as the raw material of the
また後述するように、加熱導体部１１には、冷媒として使用する冷却水の通路２１が形成されている。
Further, as will be described later, the
リード導体部（リード部）１２は、電源１５から供給された電流を加熱導体部１１に伝達する。具体的には、リード導体部１２は、第１のリード導体部１２ａと、第２のリード導体部１２ｂと、により構成されている。
The lead conductor portion (lead portion) 12 transmits the current supplied from the
第１のリード導体部１２ａの端部は、後述する第１のろう付け接合部１４ａａを介して、第１の加熱導体部１１ａに接続されている。また、第２のリード導体部１２ｂの端部は、後述する第３のろう付け接合部１４ｂｂを介して、第２の加熱導体部１１ｂに接続されている。なお図２は、誘導加熱コイル１の、第１のリード導体部１２ａの端部が第１の加熱導体部１１ａにろう付けされている、第１のろう付け接合部１４ａａ近傍の上面図の一例である。
The end portion of the first
リード導体部１２は、加熱導体部１１と同様に銅合金粉末を原料とする積層造形で形成されている。リード導体部１２の導電率は、加熱導体部１１の導電率より高くなるように処理されているものが用いられる。
Like the
またはリード導体部１２は、純銅により形成されたパイプを折り曲げて構成することも可能である。
Alternatively, the
また、リード導体部１２には冷却水の通路２１が形成されている。
Further, a cooling
伝達導体部１３は、第１の加熱導体部１１ａと第２の加熱導体部１１ｂとの間で電流を伝達する。伝達導体部１３は、本体部１３ａと、本体部１３ａから分岐する第１の分岐部１３ｂと、第２の分岐部１３ｃと、を備える。
The
第１の分岐部１３ｂは、後述する第２のろう付け接合部１４ａｂを介して、第１の加熱導体部１１ａに接続されている。また、第２の分岐部１３ｃは、後述する第４のろう付け接合部１４ｂｃを介して、第２の加熱導体部１１ｂに接続されている。
The
伝達導体部１３は、加熱導体部１１と同様に銅合金粉末を原料とする積層造形で形成されている。伝達導体部１３の導電率は、加熱導体部１１の導電率より高くなるように処理されているものが用いられる。
Like the
または伝達導体部１３は、純銅により形成されたパイプを折り曲げて構成することも可能である。
Alternatively, the
また、伝達導体部１３には冷却水の通路２１が形成されている。これにより、リード導体部１２から挿入された冷却水が、加熱導体部１１を通過し、伝達導体部１３に流れて排出される状態にすることができる。
Further, a cooling
ろう付け接合部１４は、加熱導体部１１とリード導体部１２を接合する接合部であるととともに、加熱導体部１１と伝達導体部１３を接合する接合部である。
The brazed
ここでろう付け接合部１４は、第１，第２のろう付け接合部１４ａａ，１４ａｂと、第３，第４のろう付け接合部１４ｂｂ，１４ｂｃと、を有する。具体的には、第１，第２のろう付け接合部１４ａａ，１４ａｂは、第１の加熱導体部１１ａと第１のリード導体部１２ａの間や、第１の加熱導体部１１ａと伝達導体部１３の第１の分岐部１３ｂの間の接続を介するように設けられる。同様に、第３，第４のろう付け接合部１４ｂｂ，１４ｂｃは、第２の加熱導体部１１ｂと第２のリード導体部１２ｂ間や、第２の加熱導体部１１ｂと伝達導体部１３の第２の分岐部１３ｃの間の接続を介するように設けられる。
Here, the brazing
ここで、図３を参照して誘導加熱コイル１の詳細な製造方法について説明する。
Here, a detailed manufacturing method of the
図３に示すように、誘導加熱コイル１の製造は、加熱導体部１１の一体的形成（ステップＳ１）、加熱導体部１１の熱処理（ステップＳ２）、リード導体部１２および伝達導体部１３の一体的形成（ステップＳ３）、リード導体部１２および伝達導体部１３の熱処理（ステップＳ４）、加熱導体部１１に対し、リード導体部１２と伝達導体部１３のろう付け（ステップＳ５）、の手順により行われる。
As shown in FIG. 3, the
加熱導体部１１の一体的形成（ステップＳ１）について説明する。
図４は、金属３Ｄプリンタを用いて誘導加熱コイル１の製造している状態の一例である。ここで、加熱導体部１１は、クロム１．２％で残銅部である合金粉末（中心粒径３０μｍ）を原料とするものとして説明する。加熱導体部１１は、遠赤外（波長１０２４ｎｍ）で４００Ｗのファイバレーザを熱源として、粉末が選択的に溶融され、積層造形により一体的に形成される。なお図５は、合金粉末にレーザの照射した状態を示す拡大図である。
The integral formation of the heating conductor portion 11 (step S1) will be described.
FIG. 4 is an example of a state in which the
ここで図６に示すように、加熱導体部１１は、２段の円弧状パイプを片端で繋いだ形状である。なお図７は、金属３Ｄプリンタから１対の加熱導体部を取り出した状態の一例である。
Here, as shown in FIG. 6, the
ここで図８は、図６に示したＡ−Ａ断面図である。図８に示すように、加熱導体部１１の内部には、略ひし形の空間が形成されている。この略ひし形の空間は、冷却水の通路２１として機能する。
Here, FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. As shown in FIG. 8, a substantially diamond-shaped space is formed inside the
加熱導体部１１の２段の円弧状のパイプは、ワーク２の焼き入れ時にフィレット部とピン部に対向するように配置される。なお図９は、図８に示したＢ−Ｂ断面図である。
The two-stage arcuate pipe of the
加熱導体部１１の熱処理（ステップＳ２）について説明する。
ステップＳ１で形成された加熱導体部１１に対して、５００℃で１時間の熱処理を実行する。ここで図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すように、加熱導体部１１には、クロム１．２％で残銅部である合金粉末を用いられていることから、導電率７３％、引張強さ６００ＭＰａとなる。
The heat treatment (step S2) of the
The
次に、リード導体部１２および伝達導体部１３の一体的形成（ステップＳ３）について説明する。
図１１に示すように、リード導体部１２および伝達導体部１３のそれぞれを、ステップＳ１の加熱導体部１１の積層造形と同様の銅合金粉末、及び金属３Ｄプリンタを用いて造形する。
Next, the integral formation of the
As shown in FIG. 11, each of the
ここで図１２に示すように、リード導体部１２及び伝達導体部１３の断面（伝達導体部１３のＣ−Ｃ断面、リード導体部１２についても同様）は、ともに均一肉厚で略長方向であり、かつ、隅がＲで繋がれた断面を有するとともに、形成時には未溶融粉で満たされた状態で造形される。なお、リード導体部１２及び伝達導体部１３を金属３Ｄプリンタから取り外し、粉末を除去することで空洞となり、冷却水の通路２１となる。
Here, as shown in FIG. 12, the cross sections of the
ここで図１２に示すように、リード導体部１２及び伝達導体部１３の形成時には、断面長方形の短辺側がベースプレート面に平行になるように配置することで、断面内部にサポートを設けなくても形状を得ることができる。一方で、コイルの外側にはサポートを設けた状態でリード導体部１２及び伝達導体部１３を形成するとともに、コイルの形成後にワイヤーカット加工機等によってサポートを除去することができる。
Here, as shown in FIG. 12, when the
なおこのステップＳ３に代えて、従来の誘導加熱コイルの形成を行う場合と同様に、リード導体部１２及び伝達導体部１３の形成に際して、純銅製のパイプを折り曲げ、接合部にろう付けを行う方法としてもよい。その場合には、後述するステップＳ４に示す熱処理を行う必要はない。
Instead of this step S3, a method of bending a pure copper pipe and brazing the joint portion when forming the
次に、リード導体部１２および伝達導体部１３の熱処理（ステップＳ４）について説明する。
ステップＳ３で形成したリード導体部１２および伝達導体部１３に対して、７００℃で１時間の熱処理を実行する。ここで、図１３（ａ）、図１３（ｂ）に示すように、リード導体部１２および伝達導体部１３には、クロム１．２％で残銅部である合金粉末を用いられていることから、導電率９０％、引張強さ３００ＭＰａとなる。
Next, the heat treatment (step S4) of the
The
次に、加熱導体部１１に対し、リード導体部１２と伝達導体部１３のろう付け（ステップＳ５）を行う処理について説明する。
熱処理が終了した加熱導体部１１に対して、熱処理が終了したリード導体部１２、および熱処理が終了した伝達導体部１３のろう付けを行う。ろう付け接合部１４のろうには、ＪＩＳ銀ろう（ＢＡＧ−１Ａ：成分配合Ａｇ：５０％、Ｃｕ：１５．５％、Ｚｎ：１６．５％、Ｃｄ：１８％、導電率２５％）を用いることができる。
Next, a process of brazing the
The
例えば、加熱導体部１１と伝達導体部１３とが接合される箇所には嵌合部が形成されており、嵌合部で加熱導体部１１と伝達導体部１３を仮固定しておく。その後、図１４及び図１５に示すように、嵌合部における加熱導体部１１と伝達導体部１３の隙間に、バーナーの炎で溶かされたろう棒のろうが入り込んだ状態とし、冷却固定することで、ろう付け接合部１４ａｂを形成することができる。なお図１５は、図１４のＤ−Ｄ断面図である。
For example, a fitting portion is formed at a portion where the
これにより、ろう付け接合部１４は、熱疲労を留意すべき部位である誘導加熱時に高温になる加熱導体部１１から遠ざけた状態にすることができる。そのため、ろう付け接合部１４における疲労破壊による水漏れの発生を抑制できる。
As a result, the brazed
図１６は、各導体部における電気伝導率と温度の関係の一例を示している。ここで、リード導体部１２および伝達導体部１３の導電率は高いため、電力消費量の増大を抑制することができる。
FIG. 16 shows an example of the relationship between the electric conductivity and the temperature in each conductor portion. Here, since the
さらに、加熱導体部１１の引張強さが高く形成されているため、加熱導体部１１の疲労強度も高く、高寿命となる。図１７は、図１８に示す本手法により形成した誘導加熱コイル１と、図１９に示す比較対象とする従来のコイルの引張強さの比較を示した図である。なお図１７において図１６に対応する箇所は、点線で囲んで示している、本例加熱導体部、比較例リード部、比較例加熱導体部の３つである。
Further, since the
さらに図２０は、図１８に示した本手法により形成した誘導加熱コイル１と、図１９に示した比較対象とする従来のコイルの部位ごとの導電率と、引張強さを比較した図である。なお図２０は、図１８、図１９におけるそれぞれの丸囲み文字の位置で比較したものである。その結果、誘導加熱コイル１は、従来のコイルに比べて、特に熱疲労を留意すべき部位である加熱導体部１１における引張強さが強化されていることがわかる。
Further, FIG. 20 is a diagram comparing the
したがって、加熱導体部１１に対して熱処理を行う際に、加熱導体部１１の熱処理を、リード導体部１２および伝達導体部１３との接続前に実行することで、リード導体部１２および伝達導体部１３への影響を考慮せずに、加熱導体部１１の引張強さと導電率が最適となるように実行することができる。
Therefore, when the
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。すなわち上記の記載は、説明の明確化のため、適宜、省略及び簡略化がなされており、当業者であれば、実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be appropriately modified without departing from the spirit. That is, the above description has been omitted or simplified as appropriate for the purpose of clarifying the description, and those skilled in the art can easily change, add, or convert each element of the embodiment within the scope of the present invention. It is possible.
例えば上記では、他の導体部とは、リード導体部１２および伝達導体部１３の両方を指すものとしたが、いずれか一方であってもよい。
For example, in the above, the other conductor portion refers to both the
１ 誘導加熱コイル
２ ワーク
１１ 加熱導体部
１１ａ 第１の加熱導体部
１１ｂ 第２の加熱導体部
１２ リード導体部
１２ａ 第１のリード導体部
１２ｂ 第２のリード導体部
１３ 伝達導体部
１３ａ 本体部
１３ｂ 第１の分岐部
１３ｃ 第２の分岐部
１４ ろう付け接合部
１４ａａ 第１のろう付け接合部
１４ａｂ 第２のろう付け接合部
１４ｂｂ 第３のろう付け接合部
１４ｂｃ 第４のろう付け接合部
１５ 電源
２１ 通路
1
Claims (1)
前記誘導加熱コイルは、
一体成形された加熱導体部と、
前記加熱導体部とは別体で成形された他の導体部と、
前記加熱導体部と、前記他の導体部とを接合する接合部と、を有し、
前記加熱導体部は、銅と、前記銅以外のその他の材料としてジルコニウム、クロム、銀のいずれか少なくとも１つを含む材料であって、前記その他の材料を合計１０％以下で含む材料で構成されているとともに、導電率が、前記他の導体部より低く形成されており、
前記加熱導体部に対して、熱処理することで引張強さを強化するステップと、
その後、前記加熱導体部と、前記他の導体部とを接続するステップと、を有する
誘導加熱コイルの製造方法。 It is a method of manufacturing an induction heating coil.
The induction heating coil is
The integrally molded heating conductor part and
With another conductor part molded separately from the heated conductor part,
It has a joint portion for joining the heated conductor portion and the other conductor portion.
The heated conductor portion is composed of a material containing copper and at least one of zirconium, chromium, and silver as other materials other than copper, and containing the other materials in a total amount of 10% or less. At the same time, the conductivity is formed lower than that of the other conductor portions.
A step of strengthening the tensile strength of the heated conductor portion by heat treatment,
After that, a method for manufacturing an induction heating coil, comprising a step of connecting the heating conductor portion and the other conductor portion.
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2020
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