JP4750624B2 - ソレノイドにおけるチューブの製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ソレノイド又はソレノイドバルブ等におけるチューブの製造装置及び製造方法に関するものである。

従来、図７に示すように磁性部７１と非磁性部７２とからなるチューブ７３がソレノイド又はソレノイドバルブ等の構成部品として使用されている。このチューブ７３を用いるソレノイドは、チューブ７３内周面に沿って摺動自在なプランジャ７４（可動鉄心）を配置すると共に、チューブ７３外周部にはコイル７５を配置する態様で用いられる。

このソレノイドの作用について説明する。コイル７５に通電することによって、コイル７５の周囲に磁束が発生し、その磁束がチューブ７３の磁性部７１とプランジャ７４とから構成される磁気回路に流れる。プランジャ７４は、コイル７５に生じるソレノイド推力によってプランジャ７４と一体のシャフト７６をリターンスプリング７７に抗して移動させる。

ここで、チューブ７３全体を磁性体で構成した場合には、発生した磁束はチューブ７３に流れプランジャ７４には流れ難くなるため、コイル７５に生じるソレノイド推力がプランジャ７４に作用し難くなる。このため、チューブ７３の一部を非磁性体（７２）で構成し、磁束がプランジャ７４を流れ易くする必要がある。

このような、磁性部と非磁性部とからなるチューブの製造方法として特許文献１には、コアと薄肉部とバルブハウジング部とを磁性材料によって一体成形し、薄肉部に浸炭処理を施すことによって薄肉部を非磁性に改質する発明が記載されている。しかし、特許文献１に記載の方法は、磁性部と非磁性部とが同一材料の場合に限定される。

磁性部と非磁性部とが異種の材料である場合のチューブの製造方法として、特許文献２には、磁性部であるコアと非磁性部である中間部材を溶接によって接合する発明が開示されている。しかし、溶接による方法では、溶接割れ等の不具合を生じ難い材料を選択する必要がある。それには溶接性を阻害する不純物元素含有量を制限した特殊鋼等の材料を使用する必要があり大量生産には向かない。

そこで、他の方法として、異種の材料の融点の違いを利用する溶着を用いる方法がある。これは、磁性材料からなるチューブと、磁性材料よりも融点が低い非磁性材料とを型内に収容し、その型を加熱炉にて非磁性材料の融点以上に加熱し、非磁性材料をチューブの外周に溶着させるというものである。
特開２００３−２７８６２２号公報 特開平１１−２００９７９号公報

しかし、この溶着を利用したチューブの製造方法は、型全体を加熱炉にて加熱する方法であるため、大型の炉を必要とし設備が大掛かりとなる。

また、型を介して非磁性材料に熱を加えなければならないため、非磁性材料を溶解するためには、非常に大きな熱量を加熱炉内へ投入する必要があり、効率が良いとはいえない。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、溶着を利用してチューブを製造するにあたり、簡便にかつ効率良く行うことができるチューブの製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るソレノイドにおけるチューブの製造装置は、非磁性材料である溶着金属が磁性材料であるチューブ本体の外周に配置された状態にて、双方を収容する容器を備え、前記チューブ本体は、当該チューブ本体の軸方向に形成された穴部を有し、前記容器内は、前記チューブ本体内側である冷却室と前記チューブ本体外側であり不活性ガスにて満たされた溶着室とに区画され、前記溶着金属は、高周波誘導加熱にて加熱されることによって溶融されて前記チューブ本体外周に形成された切り欠き部に流入し、当該切り欠き部に溶着され、前記切り欠き部における溶融した前記溶着金属の熱は、前記チューブ本体内周側から冷却媒体を介して奪われることを特徴とする。

本発明は、高周波誘導加熱を利用するものであるため、大型炉のような大きな設備を必要としない。また、溶着金属は高周波誘導加熱によって溶融されるため、大型炉のように大きな熱量を必要としない。このように、本発明によれば、簡便にかつ効率良くチューブを製造することができる。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１〜図３を参照して実施の形態１のチューブ製造装置１００について説明する。図１は、溶着金属が溶融する前のチューブ製造装置１００を示す断面図であり、図２は、高周波誘導加熱を行っている状態のチューブ製造装置１００を示す斜視図であり、図３は、溶着金属が溶融した後のチューブ製造装置１００を示す断面図である。

チューブ製造装置１００は、磁性部と非磁性部とからなるソレノイド用のチューブを製造する装置であり、具体的には、磁性材料であるチューブ本体１に非磁性材料である溶着金属２を溶着させるための装置である。

チューブ製造装置１００は、チューブ本体１及び溶着金属２を収容する容器３と、容器３の外部に配置され、溶着金属２を加熱し溶融するための高周波誘導加熱装置１０とを備える。

チューブ本体１は、略円柱形状であり、外周に形成された環状の切り欠き部１ａと、チューブ本体１の軸方向に形成された穴部１ｂとを備える。

切り欠き部１ａは、チューブ本体１の外径と比較して小さく形成され、溶着金属２が溶融した際、流れ込み溶着される部位である。

溶着金属２は、リング状の部材であり、切り欠き部１ａの上方、かつチューブ本体１の外周に配置される。

容器３は、チューブ本体１及び溶着金属２を収容する収容部４ａを有するケース４と、ケース４の収容部４ａを閉じるキャップ５とを備える。ケース４の収容部４ａは、テーパ状に開口している。

チューブ本体１及び溶着金属２の容器３内への収容について説明する。チューブ本体１は、ケース４の収容部４ａ内に収容される。溶着金属２は、内周がチューブ本体１の外周に接触した状態で、かつ外周先端部が収容部４ａ内周のテーパ部４ｂに当接して配置される。このように、溶着金属２は、切り欠き部１ａの上方において、チューブ本体１外周と収容部４ａ内周とによって位置決めされる。これにより、溶着金属２が溶融した場合には、溶融した溶着金属（以下、「溶融金属」と称する。）は、収容部４ａ内周とチューブ本体１外周とによって形成される通路６を通り、切り欠き部１ａに流入する。

ここで、通路６の断面積が、溶融金属の進行方向にて急変する場合には、溶融金属が凝固する際の収縮バランスがくずれるため、欠陥の発生の原因となる。したがって、通路６は、その断面積が急変しないように構成することが望ましい。つまり、収容部４ａ内周のテーパ部４ｂは、チューブ本体１の外周の形状に沿った角度に形成するのが望ましい。

容器３の内部には、チューブ本体１及び溶着金属２を収容した状態において、チューブ本体１外側の溶着室８と、チューブ本体１内側の冷却室９とが形成される。

溶着室８は、溶着金属２の溶融と、チューブ本体１外周への溶融金属の溶着が行われる空間である。冷却室９は、後に詳述するように、溶融金属の熱をチューブ本体１内周側から奪うための空間である。

溶着金属２が溶融してチューブ本体１の切り欠き部１ａに拡散接合される際の、切り欠き部１ａの表面の酸化を防止するため、溶着室８内は、アルゴンガス等の不活性ガスにて満たされる。さらに、溶着室８内への酸素の進入を遮断するために、溶着室８と冷却室９とは完全に区画される。

具体的には、図１に示すように、円筒部材であるスリーブ１１を、その貫通孔１１ａとチューブ本体１の穴部１ｂとが連通するように、一端をチューブ本体１の端部に接触させ、かつ他端をキャップ５の頂面に形成された開口部５ａから突出させて配置する。この場合には、チューブ本体１の穴部１ｂとスリーブ１１の貫通孔１１ａとによって冷却室９が構成され、この冷却室９は、チューブ本体１及びスリーブ１１によって、溶着室８と完全に区画される。なお、ケース４とキャップ５の形状を、チューブ本体１の端部がキャップ５の開口部５ａから突出するように構成してもよく、この場合には、スリーブ１１を用いる必要がない。

溶着室８内の不活性ガスとしてアルゴンガス等のように、比重が空気よりも重いガスを用いる場合には、ガスは下方に滞留する。したがって、不活性ガスとして比重が空気よりも重いガスを用いる場合には、不活性ガスを、チューブ本体１の切り欠き部１ａよりも上方から溶着室８内へ導入することによって、不活性ガスは下方に滞留し、かつ容器３内の空気は上方に移動するため、チューブ本体１の切り欠き部１ａの酸化を有効に防止することができる。このことから、不活性ガスの供給口１２及び排気口１３は、図１に示すように、容器３の上側に設けることが望ましい。

高周波誘導加熱装置１０は、図２に示すように、トンネル状に形成された加熱コイル１０ａと、高周波電流を発生する高周波電源（図示せず）と、高周波電流を加熱コイル１０ａへ供給するためのリード線（図示せず）とを備える。

溶着金属２を加熱するには、チューブ本体１及び溶着金属２を収容した容器３を、図２に示すように、加熱コイル１０ａにて形成されたトンネル内に配置する。そして、加熱コイル１０ａに高周波電流を通電し磁界を発生させることによって、容器３内の溶着金属２に電流を流す。この電流が溶着金属２の抵抗によって発熱し、溶着金属２は加熱される。

次に、チューブ製造装置１００を用いたチューブ製造方法、すなわちチューブ本体１への溶着金属２の溶着方法について説明する。

まず、ケース４を、図２に示すように、加熱コイル１０ａにて形成されたトンネル内に配置する。

次に、チューブ本体１を、切り欠き部１ａを下方にして、ケース４の収容部４ａ内に収容する。

次に、溶着金属２をチューブ本体１の外周に沿って収容部４ａ内に収容する。収容部４ａの内周はテーパ状に形成されているため、溶着金属２の外周先端部がテーパ部４ｂに当接する。このように、溶着金属２は、切り欠き部１ａの上方において、チューブ本体１外周と収容部４ａ内周とによって位置決めされる。

なお、チューブ本体１及び溶着金属２をケース４に収容する前に、収容部４ａの内周面に、カーボン系の離型剤を、スプレー等を用いて塗布するのが望ましい。

カーボン系の離型剤を用いることによって、溶着金属２溶着後に容器３とワークの分離が容易になる。また、副次的な効果として、溶着金属２とチューブ本体１との溶着界面の品質が向上する。これは、容器３内が高温に加熱される際、カーボンは活性化され、チューブ本体１表面の酸化物を還元作用により除去すると共に、溶着室８内の微量な酸素と反応してＣＯガスとして外部へ排出されることによって、チューブ本体１表面の酸化が抑制されるためである。

次に、ケース４にキャップ５を取り付ける。そして、キャップ５の開口部５ａから容器３内にスリーブ１１を挿入し、チューブ本体１上に配置する。これにより、チューブ本体１の穴部１ｂとスリーブ１１の貫通孔１１ａとは連通し、容器３内は、溶着室８と冷却室９とに区画される。

キャップ５に設けられた供給口１２にアルゴンガス供給配管１４を接続し、溶着室８内へアルゴンガスを導入し、溶着室８内をアルゴンガスにて満たす。

この状態にて、高周波誘導加熱装置１０によって、加熱コイル１０ａに高周波電流を通電する。これにより、溶着金属２は高周波誘導加熱にて加熱されて溶融する。

溶融した溶着金属２は、通路６を流れ落ち、図３に示すように、チューブ本体１の切り欠き部１ａに流入し、溶着される。

加熱コイル１０ａと容器３との鉛直方向の位置関係は、加熱コイル１０ａの高さ方向中心が、溶着金属２と切り欠き部１ａの間となるように設定することが望ましく、そのように設定することによって、効率良く溶着金属２を溶融することができる。

次に、チューブ本体１、溶着金属２、及び容器３の材料について説明する。

本発明は、高周波誘導加熱を利用して溶着を行うものでるため、容器３内の溶着金属２のみを加熱することができる。したがって、従来の大型炉内で溶着を行う方法のように容器３自体を加熱する必要がない。このことから、容器３は、投入熱量の低減及び加熱による容器３の劣化防止のため、セラミックス等の絶縁体にて構成することが望ましい。

容器３のケース４がセラミックス製の場合、溶着金属２が溶融して通路６を流れ落ちる際、溶融金属の熱がケース４に奪われ、溶融状態が不均一になったり、溶着金属２が完全溶融状態に至るまでの時間が長くなる等の不具合が生じる可能性がある。そこで、ケース４がセラミックス製の場合には、これらの不具合を防止するために、溶着金属２の溶融を行う前に、ケース４を予熱することが望ましい。

高周波誘導加熱を用いて加熱を行った場合、電流が流れ難い材料、つまり電気抵抗の大きい材料の方が、より発熱し易く温度が上昇し易い。

したがって、チューブ本体１及び溶着金属２に対して高周波誘導加熱を施した場合、各々の電気抵抗の違いによって、両者に温度の差異が生じる。しかし、チューブ本体１と溶着金属２とは、熱交換を行うことによって温度平衡の状態に向かおうとする。

本発明の場合には、チューブ本体１が溶着金属２よりも高温となり、チューブ本体１から溶着金属２へ熱が伝わることによって、溶着金属２が溶融することが望ましい。これは、チューブ本体１が高温の状態にて、溶着金属２が溶着されることによって、チューブ本体１と溶着金属２が互いに拡散し合って良好な溶着界面を形成するためである。

このことから、溶着金属２の融点は、チューブ本体１の融点よりも低いことが望ましく、また、チューブ本体１の電気抵抗は、溶着金属２の電気抵抗よりも大きいことが望ましい。

この特性を満たす材料で、かつ溶着性を考慮すれば、チューブ本体１が鉄鋼材料、溶着金属２が銅合金という組み合わせが望ましい。

以上の本実施の形態１は、高周波誘導加熱を利用するものであるため、大型炉のような大きな設備を必要としない。したがって、本実施の形態１のチューブ製造装置１００は、従来の装置と比較して簡便に構成することができ、かつハンドリング性にも優れる。

また、加熱炉にワークを順番に送って溶着を行う連続炉を用いる場合には、長時間に渡って昇温、温度保持する必要があるため、膨大なエネルギーを必要とする。これに対して、本実施の形態１のチューブ製造装置１００は、高周波誘導加熱によって溶着金属２を溶融するものであり、余分なものを加熱する必要がないため、大きなエネルギーを必要とせず、かつ短時間で溶着作業を行うことができる。本実施の形態１のチューブ製造装置１００を用いれば、チューブ１個当たりに必要なエネルギーは、従来の連続炉を用いる場合のエネルギーの約３％と非常に小さく、極めて効率良くチューブを製造することができる。

さらに、高周波誘導加熱装置１０を用いるものであるため、昇温や温度保持の制御が容易であり、また、加熱コイル１０ａの溶着金属２に対する最適な位置決めも容易に行うことができる。したがって、多様な溶着条件に対応することができる。

（実施の形態２）
図４及び図５を参照して実施の形態２のチューブ製造装置２００について説明する。図４はチューブ製造装置２００を示す断面図であり、図５はチューブ完成品を示す断面図である。

本実施の形態２のチューブ製造装置２００の構成は、上述の実施の形態１のチューブ製造装置１００と略同様であるため、相違点を中心に説明する。チューブ製造装置１００と同様の構成には同一の符号を付し説明を省略する。

本実施の形態２のチューブ製造装置２００におけるチューブ製造装置１００との相違点は、溶融した溶着金属２を冷却する冷却構造を備える点である。

その冷却構造として、チューブ製造装置２００は、チューブ本体１の穴部１ｂに挿入され、穴部１ｂ内に冷却媒体としての冷却ガスを噴射する冷却ノズル２０を備える。

冷却ノズル２０は、ガス供給源（図示せず）から供給される水素、窒素、アルゴン等の芯部冷却用ガスを穴部１ｂに直接噴射するものである。

チューブ本体１の穴部１ｂは、少なくとも切り欠き部１ａよりは深く形成されている。したがって、溶融して切り欠き部１ａに流入した溶着金属２の熱は、穴部１ｂに噴射された冷却ガスを介して奪われる。つまり、溶融した溶着金属２の熱は、チューブ本体１の内側から奪われる。

これにより、溶融した溶着金属２は、穴部１ｂに近い内周側から凝固を開始し、最終凝固位置は穴部１ｂから遠い外周側となる。このように、穴部１ｂに冷却ガスを導入することによって、凝固を外表面に向けて進行させる方向性凝固を行うことができ、凝固形態の制御が可能となる。

したがって、本実施の形態２によれば、引け巣が発生した場合でも、図４に示すように、その引け巣２１を最終凝固位置であるチューブ外周側に位置させることができる。そして、その外周側に位置した引け巣２１を切削加工によって削り落とすことによって、図５に示すような、引け巣が存在しない非磁性部（２）を有するチューブ完成品２２を得ることができる。

これに対して、穴部１ｂに冷却ガスを導入せず凝固形態の制御を行わない場合には、溶融金属の凝固は、容器３に接触している外周側から始まり、内周側が最終凝固位置となる。これにより、溶融金属の凝固の過程で引け巣が発生した場合には、引け巣は内周側に発生することとなる。

なお、切り欠き部１ａの外周に、図４に示すように、穴部１ｂに対峙する溝部１ｃを形成するのが望ましい。切り欠き部１ａに溝部１ｃを形成することによって、溶融金属は、溝部１ｃにも流入し、溝部１ｃに流入した溶融金属は、薄肉部１ｄを介して穴部１ｂに対峙することになる。これにより、切り欠き部１ａに流入した溶融金属は、最内周である溝部１ｃから凝固を開始するため、方向性凝固を内周側から外周側へと確実に進行させることができる。

また、溶着金属２をチューブ本体１へ溶着するあたり、高周波誘導加熱による急加熱とガス冷却による急冷が繰り返し行われるため、容器３には熱衝撃、及び繰り返し使用に対する耐久性が要求される。そこで、容器３に用いられる材料としては、耐熱衝撃性が優れる窒化アルミ系セラミックスや窒化シリコン系セラミックスの材料を用いるのが望ましい。

本実施の形態２では、溶融金属を冷却する媒体として冷却ガスを用いたが、他の冷却媒体として、図６に示すような、穴部１ｂに挿入する棒状部材２５を用いてもよい。

棒状部材２５は、チューブ本体１の穴部１ｂに嵌合する吸熱部２５ａと、容器３から突出する放熱部２５ｂとを有する。

棒状部材２５は、チューブ本体１内周と接触する吸熱部２５ａを通じて、切り欠き部１ａにおける溶融金属の熱をチューブ本体１内周側から奪い、その熱を容器３から突出した放熱部２５ｂによって放熱する。

棒状部材２５の材料は、溶着金属２を冷却するためのものであるため、鉄鋼、ステンレス、又はニッケル合金等の熱伝導率の大きい金属を用いるのが望ましい。

この棒状部材２５を用いた場合でも、溶融金属の方向性凝固を内周側から外周側へと進行させることができ、冷却ガスを用いた場合と同様の作用効果を奏する。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明のチューブ製造装置及び製造方法は、ソレノイド又はソレノイドバルブに用いられるチューブの製造に利用することができる。

本発明の実施の形態１における溶着金属が溶融する前のチューブ製造装置１００を示す断面図である。 高周波誘導加熱を行っている状態のチューブ製造装置１００を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１における溶着金属が溶融した後のチューブ製造装置１００を示す断面図である。 本発明の実施の形態２のチューブ製造装置２００を示す断面図である。 チューブ完成品を示す断面図である。 本発明の実施の形態２の他の態様を示す断面図である。 一般的なソレノイドを示す断面図である。

符号の説明

１００，２００ チューブ製造装置
１ チューブ本体
１ａ 切り欠き部
１ｂ 穴部
２ 溶着金属
３ 容器
４ ケース
５ キャップ
６ 通路
８ 溶着室
９ 冷却室
１０ 高周波誘導加熱装置
１０ａ 加熱コイル
１１ スリーブ
２０ 冷却ノズル
２１ 引け巣
２５ 棒状部材
２５ａ 吸熱部
２５ｂ 放熱部

Claims (11)

1. 非磁性材料である溶着金属が磁性材料であるチューブ本体の外周に配置された状態にて、双方を収容する容器を備え、
   前記チューブ本体は、当該チューブ本体の軸方向に形成された穴部を有し、
   前記容器内は、前記チューブ本体内側である冷却室と前記チューブ本体外側であり不活性ガスにて満たされた溶着室とに区画され、
   前記溶着金属は、高周波誘導加熱にて加熱されることによって溶融されて前記チューブ本体外周に形成された切り欠き部に流入し、当該切り欠き部に溶着され、
   前記切り欠き部における溶融した前記溶着金属の熱は、前記チューブ本体内周側から冷却媒体を介して奪われることを特徴とするソレノイドにおけるチューブの製造装置。
2. 前記容器は、絶縁物であることを特徴とする請求項１に記載のソレノイドにおけるチューブの製造装置。
3. 前記溶着金属の融点は、前記チューブ本体の融点よりも低いことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のソレノイドにおけるチューブの製造装置。
4. 前記チューブ本体の電気抵抗は、前記溶着金属の電気抵抗よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載のソレノイドにおけるチューブの製造装置。
5. 前記チューブ本体の前記切り欠き部には、前記穴部に対峙する溝が形成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のソレノイドにおけるチューブの製造装置。
6. 前記冷却媒体は、前記チューブ本体の前記穴部に噴射される冷却ガスであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のソレノイドにおけるチューブの製造装置。
7. 前記冷却媒体は、前記チューブ本体の前記穴部に嵌合する吸熱部と、前記容器から突出する放熱部とを有する棒状部材であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のソレノイドにおけるチューブの製造装置。
8. 前記容器の内表面に、カーボン系の離型剤が塗付されてなることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のソレノイドにおけるチューブの製造装置。
9. 比重が空気よりも重い不活性ガスを用いる場合には、当該不活性ガスを前記切り欠き部よりも上方から前記溶着室内へ導入することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のソレノイドにおけるチューブの製造装置。
10. 前記溶着金属は、前記容器内周と前記チューブ本体外周とによって位置決めされ、
    前記溶融した溶着金属が通過する通路は、前記容器内周と前記チューブ本体外周とによって形成され、
    前記通路は、その断面積が急変しないように構成されてなることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のソレノイドにおけるチューブの製造装置。
11. 非磁性材料である溶着金属を磁性材料であるチューブ本体の外周に溶着させるソレノイドにおけるチューブの製造方法であって、
    前記溶着金属を前記チューブ本体の外周に配置した状態にて双方を容器内に収容することによって、前記容器内を、前記チューブ本体外側であり不活性ガスにて満たされた溶着室と、前記チューブ本体の軸方向に形成された穴部によって構成され前記チューブ本体内側である冷却室とに区画し、
    前記溶着金属を、高周波誘導加熱にて加熱することによって溶融し、前記チューブ本体外周に形成された切り欠き部に流入させ、当該切り欠き部に溶着し、
    前記切り欠き部における溶融した前記溶着金属の熱を、前記チューブ本体内周側から冷却媒体を介して奪うことを特徴とするソレノイドにおけるチューブの製造方法。