JP7207270B2

JP7207270B2 - 赤外線溶着機

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Publication number: JP7207270B2
Application number: JP2019203873A
Authority: JP
Inventors: 陽一郎馬場
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2023-01-18
Anticipated expiration: 2039-11-11
Also published as: JP2021074970A

Description

本発明は、樹脂製の筒状部材同士を溶着により接合するための赤外線溶着機に関する。

例えば特許文献１には、２つのプラスチック管の各端面同士を溶着により接合する突合せ溶接装置が記載されている。

この装置は、耐熱性ならびに電気絶縁性を有する円板からなる固定板の両面に渦巻状または環状の抵抗加熱要素を取り付け、この固定板および抵抗加熱要素を筒状筐体要素と防護板とで覆い囲むような構成になっている。前記防護板は、赤外線透過性のガラスセラミックスとされている。

特表平０９－５０２４０５号公報

上記特許文献１の防護板は、そもそも前記抵抗加熱要素から放射される赤外線を透過する材質であって、前記抵抗加熱要素からの熱を遮るものではなく、前記抵抗加熱要素に対して前記筒状筐体要素が接触するものを防止するものである。そのために、前記赤外線が加熱対象以外の部位に照射されることが避けられないので、前記加熱対象以外の部位の昇温または熱劣化が懸念される。

このような事情に鑑み、本発明は、第１筒状部材の環状の端面と第２筒状部材の環状の端面とを溶着により接合するにあたって、接合対象となる前記各端面のみを加熱可能にして、前記第１、第２筒状部材の各端面以外の部位を不必要に加熱してしまうことを回避可能とする赤外線溶着機の提供を目的としている。

本発明は、樹脂製の第１筒状部材と第２筒状部材とを同軸上に向き合わせた状態で正対する環状の端面同士を溶着により接合するための赤外線溶着機であって、前記第１、第２筒状部材の各環状の端面に、個別に軸方向から非接触に対面した状態で赤外線を照射することにより前記両方の端面を加熱、溶融する環状の第１、第２ランプと、前記第１ランプから放射される赤外線が前記第１筒状部材の内部空間へ向かうことを遮断するための第１遮断部材と、前記第２ランプから放射される赤外線が前記第２筒状部材の内部空間へ向かうことを遮断するための第２遮断部材と、前記第１ランプと前記第２ランプとの間に非接触に配置されて当該各ランプから放射される赤外線が互いに向かうことを遮断するための第３遮断部材と、前記第１、第２ランプから放射される赤外線が前記第１、第２筒状部材の各端面よりも外径側へ向かうことを遮断するための第４遮断部材と、を備えていることを特徴としている。

この構成によれば、前記第１筒状部材の環状の端面と前記第２筒状部材の環状の端面とを溶着により接合するにあたって、接合対象となる前記各端面のみを加熱することが可能になって、前記第１、第２筒状部材の各端面以外の部位を不必要に加熱してしまうことを回避できるようになる。

ところで、上記赤外線溶着機は、前記第１筒状部材の環状の端面を照射するための第１ランプと、前記第２筒状部材の環状の端面を照射するための第２ランプとを備えているので、次のような作用、効果が得られる。

この構成によれば、前記第１筒状部材の環状の端面と前記第２筒状部材の環状の端面とを別々のランプで個別に加熱することが可能になる。これにより、各部材を精度良く加熱できる。

また、上記赤外線溶着機は、前記第１ランプと前記第２ランプとの間に非接触に配置されて当該各ランプから放射される赤外線が互いに向かうことを遮断するための第３遮断部材をさらに備えているので、次のような作用、効果が得られる。

この構成によれば、前記第１ランプおよび前記第２ランプがそれぞれの赤外線により過剰に昇温することを抑制または防止できるようになる。これにより、前記第１ランプからの赤外線と第２ランプからの赤外線との干渉が減り、精度良く加熱できる。

また、上記赤外線溶着機は、前記接合対象となる前記第１、第２筒状部材、ならびに当該赤外線溶着機を構成する各要素を覆い囲むケースをさらに備えているとともに、前記ランプから放射される赤外線が前記第１、第２筒状部材の各端面よりも外径側へ向かうことを遮断するための第４遮断部材をさらに備えているので、次のような作用、効果が得られる。

この構成によれば、前記ランプから放射される赤外線が前記ケースに直接照射することを阻止できるから、当該ケースの過剰な昇温を抑制できるようになる。これにより、設備の安全性が高まる。

また、上記赤外線溶着機において、前記第１、第２遮断部材には、自身を冷却するための冷却手段が設けられている構成とすることができる。

この構成によれば、前記第１、第２遮断部材の過剰な昇温を抑制できるようになる。これにより、前記第１、第２遮断部材を耐熱性の高い高価な材料にせずに済むので、設備コストの低減に貢献できる。

また、上記赤外線溶着機は、前記ランプおよび前記第１、第２遮断部材を、前記第１筒状部材の環状の端面と前記第２筒状部材の環状の端面との対向空間（照射位置）に配置させる一方で、当該対向空間から離れた待機位置に配置させるための移送手段をさらに備えている構成とすることができる。

この構成によれば、前記第１、第２筒状部材の各端面を加熱、溶融した後で、素早く加圧作業へと移行できるようになる。これにより、ロスタイムを短縮できるので、接合時間ならびに接合コストの低減に貢献できる。

また、上記赤外線溶着機は、前記第１筒状部材を不動に保持する固定板と、前記第２筒状部材を保持した状態で当該第２筒状部材の環状の端面を前記第１筒状部材の環状の端面に当接させて加圧する加圧手段と、をさらに備えている構成とすることができる。

本発明によれば、第１筒状部材の環状の端面と第２筒状部材の環状の端面とを溶着により接合するにあたって、接合対象となる前記各端面のみを加熱可能にして、前記第１、第２筒状部材の各端面以外の部位を不必要に加熱してしまうことを回避可能とする赤外線溶着機を提供することができる。

本発明に係る赤外線溶着機の一実施形態の概略構成を説明するための図である。第１、第２ランプの概略構成を説明するための正面図である。第１～第３遮断板の概略構成を説明するための側面図である。第１～第３遮断板の冷却管の概略構成を説明するための正面図である。第１、第２筒状部材の各端面を加熱、溶融した後の動作を説明するための図である。第１、第２筒状部材の各端面を当接して加圧する工程を説明するための図である。本発明に係る赤外線溶着機の他の実施形態の概略構成を説明するための図である。本発明に係る赤外線溶着機のさらに他の実施形態の概略構成を説明するための図である。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１から図６に本発明の一実施形態を示している。図中、１は赤外線溶着機の全体を示している。

この赤外線溶着機１は、樹脂製の第１筒状部材２と第２筒状部材３とを同軸上に向き合わせた状態で正対する環状の端面同士を溶着により接合するものである。

ここで、赤外線溶着機１の詳細説明に先立ち、第１筒状部材２および第２筒状部材３について詳細に説明する。

第１、第２筒状部材２，３は、例えばナイロンなどのポリアミド樹脂等とされる。第１筒状部材２は、円筒胴部２１の軸方向一端側を第１ドーム部２２で閉塞したような形状になっている。第２筒状部材３は、円筒胴部３１の軸方向一端側を第２ドーム部３２で閉塞したような形状になっている。

そして、第１筒状部材２の円筒胴部２１における軸方向他端側の環状の端面と、第２筒状部材３の円筒胴部３１における軸方向他端側の環状の端面とを溶着により接合することにより、中空容器４が製作される。

この中空容器４は、例えば車載用の燃料電池システムに用いる水素等を貯蔵するために利用される高圧タンクとされる。

このような高圧タンクとする場合には、耐圧性を高めるために、前記のような中空容器４を製作した後、当該中空容器４の両円筒胴部２１，３１の外周に外殻（図示省略）を覆うように形成することにより二重殻構造とすることが好ましい。

なお、前記外殻は、カーボン繊維等の強化繊維にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸した繊維強化プラスチックとされる。

この外殻は、例えば中空容器４の外表面にフッ素系離型剤またはシリコン系離型剤を塗布して膜状に硬化させてからフィラメントワインディング法（以下、ＦＷ法とも呼ぶ）によって巻き付けられることによって形成される。

また、前記高圧タンク内に前記水素等を充填するための供給ノズルの取付口、ならびに前記高圧タンク内に充填される前記水素等を外部に排出するための排出ノズルの取付口として、第１、第２ドーム部２２，３２の中心には、それぞれ第１、第２口金２３，３３が円筒胴部２１，３１の中心軸線に沿って貫通するように取り付けられている。なお、第１、第２口金２３，３３は、例えばアルミニウム合金等で形成される。

次に、赤外線溶着機１について詳細に説明する。

赤外線溶着機１は、例えば図１に示すように、第１ランプ５、第２ランプ６、第１遮断部材７、第２遮断部材８、第３遮断部材９、第４遮断部材１０、移送手段１１、ケース１２、載置板１３、固定板１４、加圧手段１５等を備えている。

第１ランプ５は、第１筒状部材２の環状の端面に、軸方向から非接触に対面した状態で赤外線を照射することにより前記端面を加熱、溶融する。

第２ランプ６は、第２筒状部材３の環状の端面に、軸方向から非接触に対面した状態で赤外線を照射することにより前記端面を加熱、溶融する。

具体的に、第１、第２ランプ５，６は、図２に示すように、環状のガラス管５１，６１の内部空間にフィラメント５２，６２を収容した構成である。

ガラス管５１，６１は、密閉されていて、その内部空間には、不活性ガスと微量のハロゲンガスが封入されている。

フィラメント５２，６２は、例えばタングステン線を螺旋状に巻回した構成であって、それぞれ側面視ほぼ半円形状に形成されている。これら半円形状のフィラメント５２，６２は、ガラス管５１，６１内において側面視ほぼ円形にするように接続される。

このようなフィラメント５２，６２には、電源装置１６が接続されている。この電源装置１６によりフィラメント５２，６２に通電することにより、当該フィラメント５２，６２から赤外線をガラス管５１，６１の径方向外向きの全方位へ向けて放射させる。

第１遮断部材７は、第１ランプ５から放射される赤外線が第１筒状部材２の内部空間へ向かうことを遮断するものである。

第２遮断部材８は、第２ランプ６から放射される赤外線が第２筒状部材３の内部空間へ向かうことを遮断するものである。

第３遮断部材９は、第１ランプ５と第２ランプ６との間に非接触に配置されていて、第１、第２ランプ５，６から放射される赤外線が互いに向かうことを遮断するものである。

第１、第２、第３遮断部材７，８，９は、自身を冷却することが可能となるように構成されている。

具体的に、第１、第２、第３遮断部材７，８，９は、図３に示すように、第１、第２円形板７１，７２，８１，８２，９１，９２の間に冷却管７３，８３，９３を介装した構成になっている。

第１、第２円形板７１，７２，８１，８２，９１，９２は、耐熱性を有する金属で形成されている。冷却管７３，８３，９３は、図４に示すように、外径側輪状部７３ａ，８３ａ，９３ａと、第１内径側半円部７３ｂ，８３ｂ，９３ｂと、第２内径側半円部７３ｃ，８３ｃ，９３ｃと、を有している。

第１内径側半円部７３ｂ，８３ｂ，９３ｂの一端には、不図示の冷媒導入管が接続される導入部７３ｄ，８３ｄ，９３ｄが設けられている。第２内径側半円部７３ｃ，８３ｃ，９３ｃには、不図示の冷媒排出管が接続される排出部７３ｅ，８３ｅ，９３ｅが設けられている。

なお、前記不図示の冷媒導入管および冷媒排出管は、下記するベース１１１の内部を通してケース１２の外部に設置される不図示の熱交換器ならびに循環ポンプ等に接続されるようになっている。

第４遮断部材１０は、第１、第２ランプ５，６から放射される赤外線が第１、第２筒状部材２，３の各端面よりも外径側ならびに第１、第２筒状部材２，３の外周へ向かうことを遮断するものであって、円筒部材１０１および第１、第２環状板１０２，１０３を有している。

円筒部材１０１は、第３遮断部材９の外周に取り付けられている。第１、第２環状板１０２，１０３は、第１、第２遮断部材７，８の外径側に所定間隔離した状態で配置されるように取り付けられている。

移送手段１１は、第１、第２ランプ５，６および第１～第４遮断部材７～１０を支持して鉛直方向に沿って昇降させるものであって、ベース１１１、アクチュエータ１１２等を備えている。

ベース１１１は、第１、第２ランプ５，６および第１～第４遮断部材７～１０を支持する。アクチュエータ１１２は、ベース１１１を鉛直方向に沿って直線的に昇降させるものである。

このアクチュエータ１１２は、例えば油圧シリンダまたはエアシリンダ等とされており、シリンダ１１３が縦向き姿勢でケース１２の底壁に貫通するように固定されており、また、ピストン１１４の先端がベース１１１に固定されている。

具体的に、移送手段１１は、第１、第２ランプ５，６および第１～第４遮断部材７～１０を、図１に示すように、第１筒状部材２の環状の端面と第２筒状部材３の環状の端面との対向空間（照射位置）に配置させる一方で、図５に示すように、前記対向空間から離れた待機位置に配置させるように作動される。

ケース１２は、接合対象となる第１、第２筒状部材２，３、ならびに赤外線溶着機１を構成する各要素（５～１１）を覆い囲むものである。

載置板１３は、第１、第２筒状部材２，３を同軸上に向かい合うように搭載されるものであって、ケース１２の周壁内面に取り付けられている。

固定板１４は、第１筒状部材２を不動に保持するものであって、ケース１２の周壁内面において載置板１３よりも上の所定位置に取り付けられている。

加圧手段１５は、第２筒状部材３を保持した状態で当該第２筒状部材３の環状の端面を第１筒状部材２の環状の端面に当接させて加圧するものである。

この加圧手段１５は、例えば油圧シリンダまたはエアシリンダ等とされており、シリンダ１５１が横向き姿勢でケース１２の側壁に貫通するように固定されており、また、ピストン１５２の先端が第２筒状部材３に固定される。

次に、上述した赤外線溶着機１を用いて第１筒状部材２と第２筒状部材３とを溶着により接合するときの手順ならびに動作について説明する。

まず、図１に示すように、第１筒状部材２および第２筒状部材３を同軸上に向き合わせるように載置板１３上に配置し、第１筒状部材２を固定板１４に保持させる一方で第２筒状部材３に加圧手段１５のピストン１５２を固定する。

そして、移送手段１１によりベース１１１に取り付けている第１、第２ランプ５，６および第１～第４遮断部材７～１０を、第１筒状部材２の環状の端面と第２筒状部材３の環状の端面との対向空間（照射位置）に配置させる。

このように準備した後、電源装置１６により第１、第２ランプ５，６に通電することにより、第１、第２ランプ５，６から赤外線を放射させる。これにより、前記赤外線が第１筒状部材２の環状の端面および第２筒状部材３の環状の端面に照射されることになる。

このとき、第１、第２遮断部材７，８の存在により、前記赤外線は、第１筒状部材２の環状の端面および第２筒状部材３の環状の端面のみに照射されることになるので、当該両方の端面が効率良く加熱、溶融されることになる。このときの条件（加熱温度や加熱時間等）については、経験的に把握している最適値に適宜調整される。

この加熱、溶融を所定時間実行した後、図５に示すように、移送手段１１によりベース１１１に取り付けている第１、第２ランプ５，６および第１～第４遮断部材７～１０を、前記対向空間（照射位置）から離れた待機位置に配置させる。

続いて、図６に示すように、第２筒状部材３を第１筒状部材２へ向けて移動させることにより、第２筒状部材３の環状の端面を第１筒状部材２の環状の端面に当接させて加圧する。

これにより、第１筒状部材２の環状の端面と第２筒状部材３の環状の端面とが溶着されて接合されることになって、中空容器４が得られる。このときの条件（当接速度、加圧圧力、加圧時間等）については、経験的に把握している最適値に適宜調整される。

なお、前記加圧過程では、図６において拡大して図示しているように、第１筒状部材２の環状の端面と第２筒状部材３の環状の端面との溶着により接合部分の一部を加圧圧力によって径方向外向きと径方向内向きとにはみ出させるようにしている。この径方向外向きにはみ出す部分に符号２０を、また、径方向内向きにはみ出す部分に符号２１を付している。

その理由を説明する。そもそも、上記加熱、溶融過程においては、第１筒状部材２の環状の端面と第２筒状部材３の環状の端面との外表面が酸化されることになるので、この酸化される部分を前記溶着により接合部分に残存させると接合強度が低下する原因になりかねない。

そこで、前記酸化される部分を径方向外向きと径方向内向きとにはみ出させるようにすれば、前記溶着により接合部分から不純物を排除することができるので、前記溶着により接合部分の接合強度を向上することが可能になるのである。なお、径方向外向きにはみ出した部分２０は、後で除去される。

以上説明したように、本発明を適用した実施形態によれば、第１筒状部材２の環状の端面と第２筒状部材３の環状の端面とを溶着により接合するにあたって、接合対象となる前記各端面のみを加熱することが可能になって、第１、第２筒状部材２，３の各端面以外の部位を不必要に加熱してしまうことを回避できるようになる。

特に、上記実施形態では、第１ランプ５で第１筒状部材２の環状の端面を、また、第２ランプ６で第２筒状部材３の環状の端面を個別に加熱しているから、前記第１、第２筒状部材２，３を精度良く加熱できる。

また、上記実施形態では、第１ランプ５と第２ランプ６との間に第３遮断部材９を配置しているから、第１ランプ５および第２ランプ６が、それぞれの赤外線を受けて過剰に昇温することを抑制または防止できるようになる。これにより、第１ランプ５からの赤外線と第２ランプ６からの赤外線との干渉が減り、精度良く加熱できる。

また、上記実施形態では、第１、第２ランプ５，６から放射される赤外線がケース１２に直接照射することを第４遮断部材１０によって阻止できるから、当該ケース１２の過剰な昇温を抑制できるようになる。これにより、設備の安全性が高まる。

また、上記実施形態では、第１～第３遮断部材７～９を冷却管７３，８３，９３で冷却するようにしているから、第１～第３遮断部材７～９の過剰な昇温を抑制できるようになる。これにより、第１～第３遮断部材７～９の各第１、第２円形板７１，７２，８１，８２，９１，９２を耐熱性が過剰に高い高価な材料にせずに済むので、設備コストの低減に貢献できる。

また、上記実施形態では、第１、第２筒状部材２，３の各端面を加熱、溶融した後で、移送手段１１により第１、第２ランプ５，６および第１～第４遮断部材７～１０を第１筒状部材２の環状の端面と第２筒状部材３の環状の端面との対向空間（照射位置）から離れた待機位置に移送させるようにしているから、素早く加圧作業へと移行できるようになる。これにより、ロスタイムを短縮できるので、接合時間ならびに接合コストの低減に貢献できる。

また、上記実施形態では、第１、第２ランプ５，６および第１～第４遮断部材７～１０を待機位置に配置した後で、固定板１４で不動に保持した第１筒状部材２の環状の端面に加圧手段１５により第２筒状部材３の環状の端面を当接させて加圧するようにしているから、素早く加圧作業へと移行できるようになる。これにより、ロスタイムを短縮できるので、接合時間ならびに接合コストの低減に貢献できる。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。

（１）例えば図７に本発明の他の実施形態を示している。この実施形態において図１に示す実施形態との相違は、第４遮断部材１０を備えていないことである。その他の構成については、図１に示す実施形態と基本的に同様とされている。この実施形態でも上記実施形態と同様の作用、効果が得られる。

（２）例えば図８に本発明の他の実施形態を示している。この実施形態において図１に示す実施形態との相違は、単一のランプ５Ａを備えていることと、第３遮断部材９および第４遮断部材１０を備えていないことである。その他の構成については、図１に示す実施形態と基本的に同様とされている。この実施形態でも上記実施形態と遜色のない作用、効果が得られる。

（３）上記実施形態では、第１～第３遮断部材７～９を冷却可能に構成した例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではない。

例えば第１～第３遮断部材７～９については、前記のような冷却するための構成を備えていない構成つまり単一の円形板とすることが可能である。このような構成の第１～第３遮断部材７～９も本発明に含まれる。

（４）上記実施形態では、第１筒状部材２の環状の端面と第２筒状部材３の環状の端面とを溶着により接合する例を挙げているが、本発明はこれのみに限定されるものではない。

例えば図示していないが、第１、第２筒状部材２，３における円筒胴部２１，３１と第１、第２ドーム部２２，３２とを別体で形成しておいて、それらを溶着により接合する場合には、当該接合を本発明に係る赤外線溶着機１で行うことが可能である。

本発明は、樹脂製の筒状部材同士を溶着するための赤外線溶着機に好適に利用することが可能である。

１赤外線溶着機
２第１筒状部材
３第２筒状部材
５第１ランプ
６第２ランプ
７第１遮断部材
７１第１円形板
７２第２円形板
７３冷却管
８第２遮断部材
８１第１円形板
８２第２円形板
８３冷却管
９第３遮断部材
９１第１円形板
９２第２円形板
９３冷却管
１０第４遮断部材
１１移送手段
１２ケース
１３載置板
１４固定板
１５加圧手段
１６電源装置

Claims

樹脂製の第１筒状部材と第２筒状部材とを同軸上に向き合わせた状態で正対する環状の端面同士を溶着により接合するための赤外線溶着機であって、
前記第１、第２筒状部材の各環状の端面に、個別に軸方向から非接触に対面した状態で赤外線を照射することにより前記両方の端面を加熱、溶融する環状の第１、第２ランプと、
前記第１ランプから放射される赤外線が前記第１筒状部材の内部空間へ向かうことを遮断するための第１遮断部材と、
前記第２ランプから放射される赤外線が前記第２筒状部材の内部空間へ向かうことを遮断するための第２遮断部材と、
前記第１ランプと前記第２ランプとの間に非接触に配置されて当該各ランプから放射される赤外線が互いに向かうことを遮断するための第３遮断部材と、
前記第１、第２ランプから放射される赤外線が前記第１、第２筒状部材の各端面よりも外径側へ向かうことを遮断するための第４遮断部材と、を備えていることを特徴とする赤外線溶着機。