ろう付け装置
【課題】熱交換器等のワークをろう付けするための装置を小型化し、エネルギー消費量が小さく、ワークをろう付け温度に迅速かつ均一に昇温できるろう付け装置を提供する。
【解決手段】ろう付けチャンバ２内を加熱空間２１としてワークＷを配置し、ろう付けチャンバ２の上下に複数の近赤外線ヒータを設置して輻射加熱する一方、ろう付けチャンバ２の側面に窒素ガスの熱風を導入する導入口４１と排出口４２を設けて、加熱空間内に熱風を対流循環させる。輻射加熱と対流加熱を組み合わせて複数の近赤外線ヒータの出力を、温度センサ２４の測定値を基に制御部で制御することで、ワークＷ全体を均一加熱する。
【解決手段】ろう付けチャンバ２内を加熱空間２１としてワークＷを配置し、ろう付けチャンバ２の上下に複数の近赤外線ヒータを設置して輻射加熱する一方、ろう付けチャンバ２の側面に窒素ガスの熱風を導入する導入口４１と排出口４２を設けて、加熱空間内に熱風を対流循環させる。輻射加熱と対流加熱を組み合わせて複数の近赤外線ヒータの出力を、温度センサ２４の測定値を基に制御部で制御することで、ワークＷ全体を均一加熱する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の熱交換器等の各種金属製品のろう付けに好適であり、特にワークを個別にろう付けするための小型で熱効率のよいろう付け装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の熱交換器は、アルミニウム製の部品を組み立ててろう材にて接合することにより製造される。ろう付け工程に用いられる従来のろう付け装置としては、複数のワークをコンベアで搬送し連続的にろう付けを行なう大型の連続炉を備えるものが知られている（例えば、特許文献１等）。その装置構成の一例を、図１２（ａ）、（ｂ）に示す。図１２（ａ）において、ろう付け室１０２の一端側には、予熱室１０１が通路１０３を介して接続されており、ろう付け室１０２の他端側には、徐冷室１０５と急冷室１０６からなる冷却室１０４が配置されて、これら各室の内部に連続する加熱通路１０７を形成している（図１２（ｂ））。予熱室１０１は一端側に開口部１００を有し、加熱通路１０７を経て、急冷室１０６の他端側に形成した開口部１０８に連通している。
【０００３】
図１２（ｂ）に示すように、加熱通路１０７には、予熱室１０１の開口部１００からコンベア１０９上に載置されたワークＷが搬入される。予熱室１０１内は大気雰囲気で、頂面に炉内循環ファンＦ´が設置されており、コンベア１０９の上下に配置された熱源Ｈ´（ガスまたは電気ヒータ等）により、例えば４００℃に制御されて、コンベア１０９上のワークＷ´を予備加熱するようになっている。続くろう付け室１０２は、同様に頂面に炉内循環ファンＦ´が設置されており、炉内を低酸素状態に維持するために窒素雰囲気とし、例えば６００〜７００℃となるように熱源Ｈを制御することで、移送されるワークＷ´をろう材の溶融点以上に加熱する。冷却室１０４は、水冷式の徐冷室１０５と空冷式の急冷室１０６を備え、ろう付け後のワークＷ´が冷却されて開口部１０８から取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−７８３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のろう付け装置は、図１２（ｃ）に示すように、大きさの異なる熱交換器を処理対象とし、大小のワークＷ´の処理に一台の炉で対応している。また、連続炉構成として、大小のワークＷ´をコンベアで搬送しながら同時処理することで、生産能力を確保している。この場合、大小のワークＷ´を同時処理可能とし、かつワークＷ´の大きさ等によるバラツキを吸収するには、加熱通路１０７が十分な大きさを有し、加熱空間の熱容量を大きくして、雰囲気温度を安定させることが重要となる。
【０００６】
このため、ろう付け装置が大型化する問題があり、予熱室１０１から冷却室１０４へ至る炉長は、例えば数十ｍになっている。これに伴い、予熱室１０１やろう付け室１０２の炉内循環ファンＦ´、熱源Ｈ´といった付帯設備も大掛かりになりやすく、大きな加熱空間でワークＷ´を多数個同時に処理しているために、エネルギー消費量が大きい。また、連続炉の両端に開口部１００、１０８を有する構成であるため、ろう付け室１０２の雰囲気を低酸素状態に維持するには、窒素ガスを充填し続ける必要がある。
【０００７】
さらに、近年は、中小量生産のニーズも増加しているが、生産能力に合わせた装置の小型化やコストダウンができない。これは、上記装置構成のまま小型化すると、熱容量が小さくなることで雰囲気温度が変動しやすくなるからで、熱処理される複数のワークＷまたはワークＷ各部を均一に加熱し、所定のろう付け温度に制御することは難しい。結果的に、生産量が低下しても大型設備を使用せざるを得ず、エネルギー消費量の削減によるコストダウンが期待されている。
【０００８】
そこで、本発明は、熱交換器等のワークをろう付けするための装置を小型化して、エネルギー消費量を低減し、しかもワークをろう付け温度に迅速かつ均一に昇温することができ、生産性を向上できる新規なろう付け装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明請求項１に記載の発明は、ワークの構成部材をろう接するためのろう付け装置であって、
内部を上記ワークに対応する容積の加熱空間とするろう付けチャンバと、
上記加熱空間に収容される上記ワークを、輻射熱で加熱する複数の加熱源を備える輻射加熱手段と、
上記加熱空間に加熱した不活性ガスを流通させて、上記ワークを対流熱で加熱する対流加熱手段と、
上記複数の加熱源の作動および上記不活性ガスの流通を制御する制御手段を備え、
上記輻射加熱手段は、上記ワークの対向する二面をそれぞれ複数の領域に分けて、各領域に対応させて上記複数の加熱源を設置する一方、各加熱源を上記制御手段にて独立に制御可能とし、
上記対流加熱手段は、上記複数の加熱源により生じる上記ワークの温度差を緩和するように、上記不活性ガスを対流循環させることを特徴とする。
【００１０】
本発明請求項２に記載の発明では、上記ワークが扁平な形状であり、より受熱面積の大きい面を上記対向する二面として、上記複数の加熱源に対向配置される。
【００１１】
本発明請求項３に記載の発明では、上記複数の加熱源を近赤外線ヒータとして、近赤外線透過性材料で構成した上記ろう付けチャンバの対向する二面に近接配置する。
【００１２】
本発明請求項４に記載の発明では、上記ろう付けチャンバの他の対向する二面に、上記不活性ガスの導入口および排出口を設ける。
【００１３】
本発明請求項５に記載の発明では、上記複数の加熱源を、上記ワークの上記対向する二面にそれぞれ４個以上設置する。
【００１４】
本発明請求項６に記載の発明では、上記ワークは、アルミニウム製の熱交換器である。
【００１５】
本発明請求項７に記載の発明では、上記制御手段は、上記不活性ガスを上記ワークのろう付け温度近傍の一定温度とし、上記複数の加熱源を、温度検出手段により検出される上記ワークの各領域の温度に基づいてフィードバック制御する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の請求項１に記載のろう付け装置によれば、ワーク１個に対応する加熱空間を有するろう付けチャンバを用い、ヒータ等の加熱源による輻射加熱と、加熱した不活性ガスによる対流加熱を組み合わせることで、小型の加熱空間内における均熱性を向上させ、ワーク全体を高速かつ均一にろう付け温度に到達させる。これにより、小型で加熱効率のよいろう付け装置が実現でき、個々のろう付け処理にかかる時間を短縮することができる。また、大掛かりな装置が不要となるので、エネルギー効率が高く安価であり、生産性が向上する。
【００１７】
本発明請求項２に記載の発明によれば、上記ワークを、より受熱面積の大きい扁平面を対向する二面として、加熱源により輻射加熱するので、加熱効率が向上し、効果的に昇温することができる。
【００１８】
本発明請求項３に記載の発明のように、ろう付けチャンバをワークに対応する大きさとし、対向する二面に、加熱効率に優れる複数の近赤外線ヒータを配置して、光照射することで、ろう付けチャンバ内のワークを効果的に輻射熱で加熱できる。
【００１９】
本発明請求項４に記載のように、好ましくは、ろう付けチャンバの他の対向する二面から、不活性ガスを導入および排出することで、加熱源による輻射加熱の方向と直交する方向のガス流れを形成し、輻射熱で加熱されるワークの温度分布を解消する効果が得られる。
【００２０】
本発明請求項５に記載の発明のように、好ましくは、複数の加熱源をワークの対向する二面にそれぞれ４個以上設置し、制御部にて個々に温度制御することで、全体を均熱化する効果が高まる。
【００２１】
本発明請求項６に記載の発明のように、ワークとしてアルミニウム製の熱交換器が好適に用いられ、本発明を採用する効果が高い。
【００２２】
本発明請求項７に記載の発明のように、制御手段は、具体的には不活性ガスをワークのろう付け温度近傍の一定温度として、加熱空間に対流循環させる。そしてワーク各部の温度に応じて複数の加熱源の出力を調整することで、ワーク全体を効果的に均一加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態であり、（ａ）は、ろう付け装置の主要部構成を示す概略斜視図、（ｂ）は、本装置によりろう付けされる熱交換器の概略構成を示す全体斜視図である。
【図２】（ａ）は、第１実施形態のろう付け装置の全体構成図、（ｂ）は、第１実施形態のろう付け装置の正面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、本発明のろう付け装置による効果を説明するための図である。
【図４】（ａ）は、本発明のろう付け装置による対流加熱の効果を説明するための図、（ｂ）は、本発明のろう付け装置に付設される対流加熱装置の構成例を示す概略図である。
【図５】（ａ）は、本発明の第２実施形態におけるろう付け装置の全体構成図、（ｂ）は、第２実施形態のろう付け装置の正面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、本発明のろう付け装置の制御部において実施される昇温制御方法を説明するための図、（ｃ）は、一般的な昇温制御方法を説明するための図である。
【図７】（ａ）は、一般的な均熱制御方法を説明するための図、（ｂ）は、本発明のろう付け装置の制御部において実施される均熱制御方法を説明するための図である。
【図８】（ａ）は、本発明の効果を確認するための試験方法を説明するためのろう付け装置の概略図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は、本発明の効果を確認するために実施した試験結果を、一般的な制御方法と比較して示す図である。
【図１０】（ａ）は、本発明の第３実施形態におけるろう付け装置の部分構成図、（ｂ）は、熱交換器の部分拡大断面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態におけるろう付け装置の正面図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は、従来のろう付け装置の全体斜視図および断面図であり、（ｃ）は、本発明で対象とする熱交換器のサイズを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明の第１実施形態について詳細に説明する。本発明のろう付け装置は、金属製のろう接対象物（ワーク）を、個別に加熱してろう付けするための小型の装置であり、本装置を用いたろう付け方法は、例えば車両搭載用の熱交換器といった種々の金属製品のろう接工程に適用することができる。図１（ａ）は、ろう付け装置１の主要部構成を示しており、図１（ｂ）は、本実施形態においてろう付け対象となるワークＷとしての熱交換器の概略構成を示している。熱交換器は、例えばアルミニウム製であり、銅、ステンレスといった他の金属で構成することもできる。図２は、ろう付け装置１の詳細構成例である。
【００２５】
図１（ａ）において、ろう付け装置１は、ワークＷを収容するろう付けチャンバ２と、ろう付けチャンバ２の上下に設置され、輻射加熱手段の加熱源となる複数の近赤外線ヒータ３と、ろう付けチャンバ２に対流加熱手段となる加熱した不活性ガスを流通させるための導入路４１および排出路４２を備えている。制御部５は、これら複数の近赤外線ヒータ３および不活性ガスの流通を制御し、輻射加熱と対流加熱を組み合わせることで、ワークＷ全体を高速かつ均一にろう付け温度まで昇温するようになっている。この制御の詳細については、後述する。
【００２６】
図１（ｂ）において、ワークＷである熱交換器は、扁平な直方体形状の熱交換器コアＷ１とその両端に配置される一対のタンクＷ２、Ｗ３を有している。熱交換器コアＷ１は、平行配設された扁平管状の多数のチューブ間に熱交換用のフィンを配設し各チューブの両端をタンクＷ２、Ｗ３のヘッダに挿通して接合固定した公知の構造を有し、本実施形態では、以降の説明において、図の上下に位置する面積の広い表面（頂面および底面）を、対向する二面となるコア面Ｗ４と呼称する。一対のタンクＷ２、Ｗ３には、図示しない熱交換媒体の導入口または導出口が設けられて、熱交換媒体の流路が接続され、熱交換器コアＷ１のチューブ内を熱交換媒体が流通可能に構成される。
【００２７】
ろう付けチャンバ２は直方体形状で、内部を加熱空間２１としてあり、その中央部にワークＷが配置される。ここでは、図示するように、ワークＷを受熱面積の広いコア面Ｗ４が上下に位置するように配置し、底面側のコア面Ｗ４を、加熱空間２１内を横切って配設した複数の耐熱ガラス製の棒状支持部材２２上に支持している。ろう付けチャンバ２は、加熱空間２１が処理対象となるワークＷを収容可能な容積を有し、かつワークＷの全周囲に不活性ガスが対流する適度な空間を有する大きさとなるように、ワークＷの形状や大きさに応じて設定することができる。また、ろう付けチャンバ２は、ワークＷの上下コア面Ｗ４に対向するチャンバ面２３（頂面および底面）を対向する二面として、近赤外線透過性材料である石英ガラスにて構成し、その上方および下方に、それぞれ複数の近赤外線ヒータ３を配設している。
【００２８】
図１（ｃ）に示すように、近赤外線ヒータ３は、ブロック状のユニットＵ前面にプロテクトガラスＧを備え、ユニットＵ内に平行配置した複数の棒状ヒータＨの背面に反射板Ｐを配置した公知の構造を有する正方形の平行照射タイプのものである。本実施形態では、この近赤外線ヒータ３を、ろう付けチャンバ２の頂面側に９個（上部近赤外線ヒータ）、底面側に９個（下部近赤外線ヒータ）、それぞれ配置して、加熱空間２１に配置されるワークＷの上下コア面Ｗ４と対向させている。９個の近赤外線ヒータ３は、図の左右および奥行方向にそれぞれ３個ずつ並ぶように配置される。これにより、ワークＷの上方のコア面Ｗ４を、９個の上部近赤外線ヒータ３に対応する９つの領域に分け、下方のコア面Ｗ４を、９個の下部近赤外線ヒータ３に対応する９つの領域に分けて、各領域を独立に加熱できる。
【００２９】
この時、加熱空間２１には、ワークＷの上下コア面Ｗ４に設定した複数の温度測定点における温度を検出するために、温度検出手段である温度センサ２４（例えば熱電対等）が複数設置される。温度センサ２４は、好適には、上部または下部近赤外線ヒータ３に対応する領域毎に設けられ、検出結果が制御部５に出力される。ワークＷの上下コア面Ｗ４の温度は、面内で温度分布があるために、各領域の温度を基に、近赤外線ヒータ３の出力を調整することで、効率よくワークＷを加熱できる。なお、近赤外線ヒータ３は、被加熱物であるアルミニウム製のワークＷに輻射熱を伝える場合に、反射率が最も低い（熱吸収が高い）、約０.８μｍの光波長（近赤外光）を照射するものであり、加熱効率に優れているので、有効である。
【００３０】
ろう付けチャンバ２は、他の対向する二面の一方である図の右側面上部に開口し、熱風導入路から加熱された不活性ガスが導入されるガス導入口４１と、他の対向する二面の他方である図の左側面下部に開口し、熱風排出路に接続されるガス排出口４２を備えている。不活性ガスとしては、通常、窒素ガスが用いられ、外部の加熱部にてろう付け温度近傍に加熱されて、熱風としてろう付けチャンバ２内に導入される。熱風は、ワークＷの上コア面Ｗ４に沿って流通する一方、熱交換器コアＷ１のフィン間隙を通過して下コア面Ｗ４側へ流れ、ガス排出口４２へ向かう。これにより、加熱空間２１の雰囲気を低酸素状態に維持するとともに、熱対流により、ワークＷの熱を高温部から低温部へ移送して、全体を均一に加熱することができる。
【００３１】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、より具体的には、ろう付けチャンバ２の頂面および底面に容器形状のカバー体２５を固定し、これらカバー体２５内に、上部および下部近赤外線ヒータ３を保持する構成とする。また、ろう付けチャンバ２内に、ワークＷの上下コア面Ｗ４と対向する通気板２６を設けて、ガス導入口４１が開口する加熱空間２１の上部空間と、ガス排出口４２が開口する加熱空間２１の下部空間を、ワークＷの収容空間と区画することもできる。通気板２６は、例えば、近赤外線透過性材料である石英ガラス製であり、板面にガス流通用の多数のスリットが設けられて、ガス導入口４１から導入される熱風を上下方向の流れとして、ワークＷの全面に均一供給することができる。この時、ガス導入口４１、ガス排出口４２の幅を、図示するように、右側面または左側面の幅に一致させて開口部を大きくすることで、不活性ガスの導入および排出を速やかに行うことができる。
【００３２】
次に、図３により、上記構成のろう付け装置１によるワークＷの加熱原理について説明する。本実施形態では、図３（ａ）に示すように、ワークＷである熱交換器を、加熱空間２１の上下に配置した近赤外線ヒータ３を用いて輻射加熱するとともに、加熱空間２１内に窒素ガスの熱風を導入して対流加熱する。ここで、図３（ｂ）に示すように、ワークＷである熱交換器は、受熱面積の広いコア面Ｗ４が上下面となるように配置されており、上下にそれぞれ９個の近赤外線ヒータ３を配置することで、上下コア面Ｗ４を各近赤外線ヒータ３に対応する９つの領域に分けて温度調整することが可能になる。すなわち、各領域の温度を温度センサ２４で検出し、検出された温度に基づいて対応する近赤外線ヒータ３の出力を増減することで、領域毎の昇温制御が可能になる。例えば、アルミニウム製品のろう付けでは、ワークＷがろう材の溶融温度以上、通常６００℃±１０℃の所定温度になるように、各近赤外線ヒータ３の目標温度を設定する。
【００３３】
ただし、輻射加熱のみの場合は、熱収支による物理的現象上、放熱性がワークＷの中央部と周辺部で異なり、図示するように放熱性の小さい中央部で温度が高く放熱性の小さい周辺部（図の左右端部）で低くなるために、温度分布が生じる。また、ワークＷのコア面Ｗ４の表面部と内部との間にも温度差が生じやすくなる。この温度分布は、複数の近赤外線ヒータ３の出力を調整するだけでは容易に解消されず、ワークＷを短時間で所定温度に均一加熱することは難しい。
【００３４】
一方、対流加熱のみの場合は、加熱空間２１内にガス導入口４１からワークＷに沿ってガス排出口４２へ向かう熱風の流れが形成され、ガス排出口４２側に熱が滞留しやすくなるために、ガス排出口４２の近傍に位置するワーク端部（図の左端部）において、温度が高くなる。このような温度分布は、窒素ガスの温度や流量を調整することでは解消できず、ガス導入口４１やガス排出口４２の配置といったろう付けチャンバ２の構造の変更によっても容易ではない。
【００３５】
そこで、本発明では、これら輻射加熱と対流加熱を組み合わせたハイブリッド加熱により、ワークＷ全体を、高速で所定のろう付け温度まで昇温し、かつ均熱化を図る。特に、本実施形態では、アルミニウム製品のワークＷに対して、加熱効率の優れた近赤外線ヒータ３による短波長輻射を用いて、受熱面積の広い上下コア面Ｗ４を直接加熱し、さらに、窒素ガスの熱風を導入して加熱空間２１内に対流を形成する。この時、輻射加熱用の近赤外線ヒータ３をろう付けチャンバ２の上下に配置する一方、対流加熱用のガス導入口４１およびガス排出口４２をろう付けチャンバ２の対向側面に開口させているので、対流加熱用のガス流れ方向は、全体として水平方向（図の右から左方向）となり、輻射加熱の方向（上下方向）に対して、直交する。これにより、ワークＷの高温部から低温部へ熱を移送し、ワークＷの水平面内の温度ムラを解消する効果が得られる。
【００３６】
また、加熱空間２１内に、ワークＷの上下に通気板２５を配置することにより、熱風の向きをワークＷと直交する方向に変え、熱交換器コアＷ１を通過するガス流れを形成している。これにより、熱交換器の特徴を利用し、熱交換面積の最大方向に熱風を通過させて、均熱化を促進することができる。すなわち、図４（ａ）に示すように、熱交換器コアＷ１は、チューブと熱交換用のフィンが交互に積層された構成であり、輻射加熱による熱は、コア面Ｗ４となる上下表面から内部へ伝達される。さらに、チューブ間の空間を熱風が通過することにより、表面積の大きいフィンを介して対流加熱による熱交換がなされる。この時、所定のろう付け温度（例えば６００℃）に加熱された熱風を送り込むことで、より高温部（例えば６３０℃）から余分な熱を奪い、より低温部（例えば５５０℃）へ加熱の補助がなされるので、ワークＷ全体を均一かつ急速に昇温することが可能になる。
【００３７】
図４（ｂ）に、対流加熱手段としての対流加熱装置４の一例を示す。対流加熱装置４は、対流加熱源となる加熱ヒータＨ１と対流加熱風速源となる循環ファンＦ１を備える対流加熱室４３を備え、ろう付けチャンバ２のガス導入口４１およびガス排出口４２との間を、それぞれ熱風導入路４４および熱風排出路４５で接続している。熱風導入路４４の途中には、図示しない窒素ガス供給部から対流熱調整用の窒素ガスを導入するための導入管４６が接続されている。熱風排出路４５の途中には、ろう付けチャンバ２を通過した窒素ガスを一定の酸素濃度に維持するための窒素ガス管４７が接続される。また、熱風導入路４４および熱風排出路４５には大気に連通する開閉弁付の通路４８が設けられ、ワークＷを空冷する冷却ファンＦ２が設置してある。
【００３８】
このような対流加熱装置４を設けることで、対流加熱室４３からろう付けチャンバ２へ、ろう付け温度域の窒素ガスの熱風を、所定風速で安定して供給する循環路を形成することができる。制御部５は、例えば、対流加熱室４３に循環された窒素ガスが所定温度より低い場合には、加熱ヒータＨ１で加熱し、所定温度より高い場合には、常温の窒素ガスを導入管４６から供給し、所定温度に保持することができる。また、ろう付け終了後に対流加熱室４３への循環路を閉じ、大気への通路４８を開放するとともに冷却ファンＦ２で送風冷却することで、速やかにワークＷを空冷することができる。
【００３９】
図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態であり、ろう付け装置１の全体構成を示す。本実施形態のろう付け装置１は、上記第１実施形態と同一の基本構成を有しており、ろう付けチャンバ２の頂面および底面に配置される上部および下部近赤外線ヒータ３の個数のみ異なっている。上記第１実施形態では、上部および下部近赤外線ヒータ３をそれぞれ９個とし、対向するワークＷの上下面を９つの領域に分けて温度制御可能としたが、ワークＷやろう付けチャンバ２の大きさや、近赤外線ヒータ３の加熱能力等に応じて、任意に設定することができる。
【００４０】
具体的には、ワークＷの長手方向、幅方向にそれぞれ２個以上、少なくとも計４個以上の近赤外線ヒータ３をワークＷの上下にそれぞれ配置すれば、対流加熱との組み合わせにより均熱効果が得られる。ワークＷが長方形状の熱交換器である場合には、好ましくは、図示するように、長手方向（図の奥行方向）に３個の近赤外線ヒータ３を、幅方向（図の左右方向）に２個の近赤外線ヒータ３を配置し、ワークＷの上下にそれぞれ６個の配置とすることで、十分な効果が得られる。
【００４１】
次に、図６、７により、本発明のろう付け装置１によるワークＷの加熱制御について説明する。上述したように、本発明の制御部５は、ろう付けチャンバ２に所定温度、所定風速で窒素ガスの熱風を導入し、対流循環させながら、ワークＷの上下にそれぞれ配置した上部および下部近赤外線ヒータ３の出力を、領域毎に調整して、輻射熱を制御する。ここで図６（ｃ）は、一般的な独立制御方法を示し、ワークＷの各領域における昇温特性を予め把握し、複数の段階（例えば３段階）に分けて、予め領域毎に出力値ＭＶを設定し、検出される測定温度ＰＶが所定温度に達したら、次の段階の制御に移行するような制御を行なう。例えば、昇温初期には近赤外線ヒータ３の出力を高くし、段階的に出力を低下させるとともに、放熱性の大きい周辺部ほど出力を高くし、段階的に出力差が小さくなるようにする。この制御では、領域毎に昇温特性が異なるために所定温度に達するまでの均熱時間が長くなり、急速加熱が難しい。
【００４２】
そこで好適には、ワークＷの昇温制御方法として、図６（ａ）、（ｂ）に示すグルーピング制御を行なう。例えば、図６（ｂ）に制御アルゴリズムを示すように、ワークＷに設定した複数の温度測定点（温測点）において、目標温度ＳＰ１と温度センサ２４で検出される測定温度ＰＶ１、隣り合う温測点における測定温度ＰＶ２との温度差より目標温度補正処理を行なって目標温度ＳＰ１’を算出する。この目標温度ＳＰ１’を基にＰＩＤ演算を行い、近赤外線ヒータ３の出力値ＭＶを演算することで、均熱性を保持しながら目標温度ＳＰまで昇温させるものである。
【００４３】
具体的には、図６（ａ）中に示すように、ワークＷのタンクＷ２、Ｗ３間に並列した３個の近赤外線ヒータ３による輻射加熱を行なった時に、温度センサ２４による左端部の測定温度ＰＶ１に対して中央部の測定温度ＰＶ２が低い場合には、これらの温度差が小さくなるように、左端部の近赤外線ヒータ３の目標温度ＳＰを低下させ、これに伴い出力値ＭＶを低下させる補正を行なう。逆に、測定温度ＰＶ１に対して隣り合う領域の測定温度ＰＶ２が高い場合には、目標温度ＳＰおよび出力値ＭＶを上昇させることになる。
【００４４】
このグルーピング制御を、ワークＷの各領域に対応する上部および下部近赤外線ヒータ３の昇温制御に適用し、隣り合う温度差をフィードバックしながら加熱制御する。これにより、任意の温測点における熱干渉度合いを把握し、各到達温度の目標値を補正しながら、複数の近赤外線ヒータ３の出力を相関的に変えていくことが可能となる。
【００４５】
さらに、目標温度に到達した後の均熱制御についても、同様にグルーピング制御を採用することで、熱干渉を抑制することができる。図７（ａ）は、独立制御により近赤外線ヒータ３でワークＷの各領域を加熱した場合で、対応する測温点での測定温度ＰＶが目標温度ＳＰとなるように個々に出力ＭＶを制御する。ところが隣り合う領域からの熱伝達が考慮されないために熱干渉が発生し、目標温度に安定して制御することができない。これに対して、図７（ｂ）のグルーピング制御では、隣り合う測温点での測定温度ＰＶ１、ＰＶ２の温度差を検出し、温度差すなわち熱干渉度合が小さくなるように目標温度ＳＰおよび出力ＭＶをフィードバック補正するので、均熱制御が可能となる。
【００４６】
本発明の効果を確認するために、図８に示すろう付け装置１を用いてテストピースの加熱試験を行った。ろう付け装置１は、上記図１の装置とほぼ同一構成で、ユニット状の近赤外線ヒータ３の代わりに、５本の棒状近赤外線ランプヒータＨ３を、ろう付けチャンバ２の上方に平行配設している。テストピースは、アルミニウム製の扁平な直方体形状（３００×２５０×４０）であり、ろう付けチャンバ２内に平行配設した複数の支持部材２１上に支持されている。ろう付けチャンバ２には、ガス導入口４１および排出口４２が設けられて、加熱した窒素ガス（６００℃、１０ｍ／ｓ）で対流させるようになっている。目標温度を５００℃として、近赤外線ランプヒータＨ３の出力を、上述した独立制御およびグルーピング制御により昇温制御し、図示の温測ポイント（中央部５点、周辺部４点）における温度を測定した結果を、図９に示す。
【００４７】
図９（ａ）に明らかなように、独立制御を採用した場合には、目標温度に到達するまでの昇温時間は１４０秒と短いものの、温測ポイントの温度差が大きく、テストピースの面内における温度バラツキが大きい。また、目標温度に対してオーバーシュートが見られ、温度バラツキがあるために安定するまでに時間を要する。これに対して、グルーピング制御を採用することにより、目標温度に到達するまでの昇温時間は若干長くなるものの、昇温時の均熱性が向上し、目標温度に対するオーバーシュートおよび温度バラツキが小さくなる。その結果、目標温度に安定するまでの時間を短縮することができ、テストピース全体を均一に加熱できるために、エネルギー効率に優れることがわかる。
【００４８】
図１０（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施形態であり、上述した輻射加熱と対流加熱に加えて、内部加熱方式を組み合わせている。本発明でろう付け対象とするワークＷが熱交換器である場合には、上述したように熱交換器コアＷ１が多数のチューブからなり、内部にタンクに連通する流路を有している。したがって、熱交換器コアＷ１両端のタンクＷ２、Ｗ３に、対流加熱用の窒素ガスを導入するための管路Ｗ５を接続すれば、熱交換器コアＷ１とタンクＷ２、Ｗ３を内部から加熱することができ、昇温性がさらに向上する。
【００４９】
図１１は、本発明の第４実施形態であり、ろう付け装置１の全体構成を示す。本実施形態のろう付け装置１は、上記第２実施形態と同一の基本構成を有しており、ろう付けチャンバ２およびワークＷを縦置きとした点のみ異なっている。すなわち、上記第２実施形態では、扁平な形状を有するワークＷを、受熱面積の広いコア面Ｗ４が頂面および底面となり上下に位置するように配置したが、本実施形態では、図の左右位置の対向する二側面がコア面Ｗ４となる。したがって、ろう付けチャンバ２は、左右コア面Ｗ４に対向するチャンバ面２３（左右位置の対向する二側面）を、近赤外線透過性材料である石英ガラスにて構成し、その左方および右方に、それぞれ複数の近赤外線ヒータ３を配設することになる。また、ろう付けチャンバ２は、他の対向する二面として図の底面および頂面に、それぞれガス導入口４１とガス排出口４２を接続している。
【００５０】
このように、ワークＷの受熱面積の広いコア面Ｗ４を、近赤外線ヒータ３の輻射熱で加熱し、輻射加熱の方向（左右方向）に対して、対流加熱用のガス流れ方向を、全体として上下方向となるようにしてもよい。この場合も輻射加熱の方向と対流加熱の方向が直交することで、ワークＷの高温部から低温部へ熱を移送し、ワークＷの水平面内の温度ムラを解消する同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、熱交換器に限らず、種々の金属製車載部品その他のろう付けに採用することができ、小型のろう付けチャンバ内で、ろう付け対象物を高速で均一に加熱することができる。
【符号の説明】
【００５２】
Ｗ ワーク
Ｗ１ 熱交換器コア
Ｗ２、３ タンク
Ｗ４ コア面
１ ろう付け装置
２ ろう付けチャンバ
２１ 加熱空間
２２ 支持部材
２３ チャンバ面
２４ 温度センサ（温度検出手段）
２５ カバー体
２６ 通気板
３ 近赤外線ヒータ
４ 対流加熱装置
４１ 導入口
４２ 排出口
５ 制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の熱交換器等の各種金属製品のろう付けに好適であり、特にワークを個別にろう付けするための小型で熱効率のよいろう付け装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の熱交換器は、アルミニウム製の部品を組み立ててろう材にて接合することにより製造される。ろう付け工程に用いられる従来のろう付け装置としては、複数のワークをコンベアで搬送し連続的にろう付けを行なう大型の連続炉を備えるものが知られている（例えば、特許文献１等）。その装置構成の一例を、図１２（ａ）、（ｂ）に示す。図１２（ａ）において、ろう付け室１０２の一端側には、予熱室１０１が通路１０３を介して接続されており、ろう付け室１０２の他端側には、徐冷室１０５と急冷室１０６からなる冷却室１０４が配置されて、これら各室の内部に連続する加熱通路１０７を形成している（図１２（ｂ））。予熱室１０１は一端側に開口部１００を有し、加熱通路１０７を経て、急冷室１０６の他端側に形成した開口部１０８に連通している。
【０００３】
図１２（ｂ）に示すように、加熱通路１０７には、予熱室１０１の開口部１００からコンベア１０９上に載置されたワークＷが搬入される。予熱室１０１内は大気雰囲気で、頂面に炉内循環ファンＦ´が設置されており、コンベア１０９の上下に配置された熱源Ｈ´（ガスまたは電気ヒータ等）により、例えば４００℃に制御されて、コンベア１０９上のワークＷ´を予備加熱するようになっている。続くろう付け室１０２は、同様に頂面に炉内循環ファンＦ´が設置されており、炉内を低酸素状態に維持するために窒素雰囲気とし、例えば６００〜７００℃となるように熱源Ｈを制御することで、移送されるワークＷ´をろう材の溶融点以上に加熱する。冷却室１０４は、水冷式の徐冷室１０５と空冷式の急冷室１０６を備え、ろう付け後のワークＷ´が冷却されて開口部１０８から取り出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−７８３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のろう付け装置は、図１２（ｃ）に示すように、大きさの異なる熱交換器を処理対象とし、大小のワークＷ´の処理に一台の炉で対応している。また、連続炉構成として、大小のワークＷ´をコンベアで搬送しながら同時処理することで、生産能力を確保している。この場合、大小のワークＷ´を同時処理可能とし、かつワークＷ´の大きさ等によるバラツキを吸収するには、加熱通路１０７が十分な大きさを有し、加熱空間の熱容量を大きくして、雰囲気温度を安定させることが重要となる。
【０００６】
このため、ろう付け装置が大型化する問題があり、予熱室１０１から冷却室１０４へ至る炉長は、例えば数十ｍになっている。これに伴い、予熱室１０１やろう付け室１０２の炉内循環ファンＦ´、熱源Ｈ´といった付帯設備も大掛かりになりやすく、大きな加熱空間でワークＷ´を多数個同時に処理しているために、エネルギー消費量が大きい。また、連続炉の両端に開口部１００、１０８を有する構成であるため、ろう付け室１０２の雰囲気を低酸素状態に維持するには、窒素ガスを充填し続ける必要がある。
【０００７】
さらに、近年は、中小量生産のニーズも増加しているが、生産能力に合わせた装置の小型化やコストダウンができない。これは、上記装置構成のまま小型化すると、熱容量が小さくなることで雰囲気温度が変動しやすくなるからで、熱処理される複数のワークＷまたはワークＷ各部を均一に加熱し、所定のろう付け温度に制御することは難しい。結果的に、生産量が低下しても大型設備を使用せざるを得ず、エネルギー消費量の削減によるコストダウンが期待されている。
【０００８】
そこで、本発明は、熱交換器等のワークをろう付けするための装置を小型化して、エネルギー消費量を低減し、しかもワークをろう付け温度に迅速かつ均一に昇温することができ、生産性を向上できる新規なろう付け装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明請求項１に記載の発明は、ワークの構成部材をろう接するためのろう付け装置であって、
内部を上記ワークに対応する容積の加熱空間とするろう付けチャンバと、
上記加熱空間に収容される上記ワークを、輻射熱で加熱する複数の加熱源を備える輻射加熱手段と、
上記加熱空間に加熱した不活性ガスを流通させて、上記ワークを対流熱で加熱する対流加熱手段と、
上記複数の加熱源の作動および上記不活性ガスの流通を制御する制御手段を備え、
上記輻射加熱手段は、上記ワークの対向する二面をそれぞれ複数の領域に分けて、各領域に対応させて上記複数の加熱源を設置する一方、各加熱源を上記制御手段にて独立に制御可能とし、
上記対流加熱手段は、上記複数の加熱源により生じる上記ワークの温度差を緩和するように、上記不活性ガスを対流循環させることを特徴とする。
【００１０】
本発明請求項２に記載の発明では、上記ワークが扁平な形状であり、より受熱面積の大きい面を上記対向する二面として、上記複数の加熱源に対向配置される。
【００１１】
本発明請求項３に記載の発明では、上記複数の加熱源を近赤外線ヒータとして、近赤外線透過性材料で構成した上記ろう付けチャンバの対向する二面に近接配置する。
【００１２】
本発明請求項４に記載の発明では、上記ろう付けチャンバの他の対向する二面に、上記不活性ガスの導入口および排出口を設ける。
【００１３】
本発明請求項５に記載の発明では、上記複数の加熱源を、上記ワークの上記対向する二面にそれぞれ４個以上設置する。
【００１４】
本発明請求項６に記載の発明では、上記ワークは、アルミニウム製の熱交換器である。
【００１５】
本発明請求項７に記載の発明では、上記制御手段は、上記不活性ガスを上記ワークのろう付け温度近傍の一定温度とし、上記複数の加熱源を、温度検出手段により検出される上記ワークの各領域の温度に基づいてフィードバック制御する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の請求項１に記載のろう付け装置によれば、ワーク１個に対応する加熱空間を有するろう付けチャンバを用い、ヒータ等の加熱源による輻射加熱と、加熱した不活性ガスによる対流加熱を組み合わせることで、小型の加熱空間内における均熱性を向上させ、ワーク全体を高速かつ均一にろう付け温度に到達させる。これにより、小型で加熱効率のよいろう付け装置が実現でき、個々のろう付け処理にかかる時間を短縮することができる。また、大掛かりな装置が不要となるので、エネルギー効率が高く安価であり、生産性が向上する。
【００１７】
本発明請求項２に記載の発明によれば、上記ワークを、より受熱面積の大きい扁平面を対向する二面として、加熱源により輻射加熱するので、加熱効率が向上し、効果的に昇温することができる。
【００１８】
本発明請求項３に記載の発明のように、ろう付けチャンバをワークに対応する大きさとし、対向する二面に、加熱効率に優れる複数の近赤外線ヒータを配置して、光照射することで、ろう付けチャンバ内のワークを効果的に輻射熱で加熱できる。
【００１９】
本発明請求項４に記載のように、好ましくは、ろう付けチャンバの他の対向する二面から、不活性ガスを導入および排出することで、加熱源による輻射加熱の方向と直交する方向のガス流れを形成し、輻射熱で加熱されるワークの温度分布を解消する効果が得られる。
【００２０】
本発明請求項５に記載の発明のように、好ましくは、複数の加熱源をワークの対向する二面にそれぞれ４個以上設置し、制御部にて個々に温度制御することで、全体を均熱化する効果が高まる。
【００２１】
本発明請求項６に記載の発明のように、ワークとしてアルミニウム製の熱交換器が好適に用いられ、本発明を採用する効果が高い。
【００２２】
本発明請求項７に記載の発明のように、制御手段は、具体的には不活性ガスをワークのろう付け温度近傍の一定温度として、加熱空間に対流循環させる。そしてワーク各部の温度に応じて複数の加熱源の出力を調整することで、ワーク全体を効果的に均一加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態であり、（ａ）は、ろう付け装置の主要部構成を示す概略斜視図、（ｂ）は、本装置によりろう付けされる熱交換器の概略構成を示す全体斜視図である。
【図２】（ａ）は、第１実施形態のろう付け装置の全体構成図、（ｂ）は、第１実施形態のろう付け装置の正面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、本発明のろう付け装置による効果を説明するための図である。
【図４】（ａ）は、本発明のろう付け装置による対流加熱の効果を説明するための図、（ｂ）は、本発明のろう付け装置に付設される対流加熱装置の構成例を示す概略図である。
【図５】（ａ）は、本発明の第２実施形態におけるろう付け装置の全体構成図、（ｂ）は、第２実施形態のろう付け装置の正面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、本発明のろう付け装置の制御部において実施される昇温制御方法を説明するための図、（ｃ）は、一般的な昇温制御方法を説明するための図である。
【図７】（ａ）は、一般的な均熱制御方法を説明するための図、（ｂ）は、本発明のろう付け装置の制御部において実施される均熱制御方法を説明するための図である。
【図８】（ａ）は、本発明の効果を確認するための試験方法を説明するためのろう付け装置の概略図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は、本発明の効果を確認するために実施した試験結果を、一般的な制御方法と比較して示す図である。
【図１０】（ａ）は、本発明の第３実施形態におけるろう付け装置の部分構成図、（ｂ）は、熱交換器の部分拡大断面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態におけるろう付け装置の正面図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は、従来のろう付け装置の全体斜視図および断面図であり、（ｃ）は、本発明で対象とする熱交換器のサイズを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明の第１実施形態について詳細に説明する。本発明のろう付け装置は、金属製のろう接対象物（ワーク）を、個別に加熱してろう付けするための小型の装置であり、本装置を用いたろう付け方法は、例えば車両搭載用の熱交換器といった種々の金属製品のろう接工程に適用することができる。図１（ａ）は、ろう付け装置１の主要部構成を示しており、図１（ｂ）は、本実施形態においてろう付け対象となるワークＷとしての熱交換器の概略構成を示している。熱交換器は、例えばアルミニウム製であり、銅、ステンレスといった他の金属で構成することもできる。図２は、ろう付け装置１の詳細構成例である。
【００２５】
図１（ａ）において、ろう付け装置１は、ワークＷを収容するろう付けチャンバ２と、ろう付けチャンバ２の上下に設置され、輻射加熱手段の加熱源となる複数の近赤外線ヒータ３と、ろう付けチャンバ２に対流加熱手段となる加熱した不活性ガスを流通させるための導入路４１および排出路４２を備えている。制御部５は、これら複数の近赤外線ヒータ３および不活性ガスの流通を制御し、輻射加熱と対流加熱を組み合わせることで、ワークＷ全体を高速かつ均一にろう付け温度まで昇温するようになっている。この制御の詳細については、後述する。
【００２６】
図１（ｂ）において、ワークＷである熱交換器は、扁平な直方体形状の熱交換器コアＷ１とその両端に配置される一対のタンクＷ２、Ｗ３を有している。熱交換器コアＷ１は、平行配設された扁平管状の多数のチューブ間に熱交換用のフィンを配設し各チューブの両端をタンクＷ２、Ｗ３のヘッダに挿通して接合固定した公知の構造を有し、本実施形態では、以降の説明において、図の上下に位置する面積の広い表面（頂面および底面）を、対向する二面となるコア面Ｗ４と呼称する。一対のタンクＷ２、Ｗ３には、図示しない熱交換媒体の導入口または導出口が設けられて、熱交換媒体の流路が接続され、熱交換器コアＷ１のチューブ内を熱交換媒体が流通可能に構成される。
【００２７】
ろう付けチャンバ２は直方体形状で、内部を加熱空間２１としてあり、その中央部にワークＷが配置される。ここでは、図示するように、ワークＷを受熱面積の広いコア面Ｗ４が上下に位置するように配置し、底面側のコア面Ｗ４を、加熱空間２１内を横切って配設した複数の耐熱ガラス製の棒状支持部材２２上に支持している。ろう付けチャンバ２は、加熱空間２１が処理対象となるワークＷを収容可能な容積を有し、かつワークＷの全周囲に不活性ガスが対流する適度な空間を有する大きさとなるように、ワークＷの形状や大きさに応じて設定することができる。また、ろう付けチャンバ２は、ワークＷの上下コア面Ｗ４に対向するチャンバ面２３（頂面および底面）を対向する二面として、近赤外線透過性材料である石英ガラスにて構成し、その上方および下方に、それぞれ複数の近赤外線ヒータ３を配設している。
【００２８】
図１（ｃ）に示すように、近赤外線ヒータ３は、ブロック状のユニットＵ前面にプロテクトガラスＧを備え、ユニットＵ内に平行配置した複数の棒状ヒータＨの背面に反射板Ｐを配置した公知の構造を有する正方形の平行照射タイプのものである。本実施形態では、この近赤外線ヒータ３を、ろう付けチャンバ２の頂面側に９個（上部近赤外線ヒータ）、底面側に９個（下部近赤外線ヒータ）、それぞれ配置して、加熱空間２１に配置されるワークＷの上下コア面Ｗ４と対向させている。９個の近赤外線ヒータ３は、図の左右および奥行方向にそれぞれ３個ずつ並ぶように配置される。これにより、ワークＷの上方のコア面Ｗ４を、９個の上部近赤外線ヒータ３に対応する９つの領域に分け、下方のコア面Ｗ４を、９個の下部近赤外線ヒータ３に対応する９つの領域に分けて、各領域を独立に加熱できる。
【００２９】
この時、加熱空間２１には、ワークＷの上下コア面Ｗ４に設定した複数の温度測定点における温度を検出するために、温度検出手段である温度センサ２４（例えば熱電対等）が複数設置される。温度センサ２４は、好適には、上部または下部近赤外線ヒータ３に対応する領域毎に設けられ、検出結果が制御部５に出力される。ワークＷの上下コア面Ｗ４の温度は、面内で温度分布があるために、各領域の温度を基に、近赤外線ヒータ３の出力を調整することで、効率よくワークＷを加熱できる。なお、近赤外線ヒータ３は、被加熱物であるアルミニウム製のワークＷに輻射熱を伝える場合に、反射率が最も低い（熱吸収が高い）、約０.８μｍの光波長（近赤外光）を照射するものであり、加熱効率に優れているので、有効である。
【００３０】
ろう付けチャンバ２は、他の対向する二面の一方である図の右側面上部に開口し、熱風導入路から加熱された不活性ガスが導入されるガス導入口４１と、他の対向する二面の他方である図の左側面下部に開口し、熱風排出路に接続されるガス排出口４２を備えている。不活性ガスとしては、通常、窒素ガスが用いられ、外部の加熱部にてろう付け温度近傍に加熱されて、熱風としてろう付けチャンバ２内に導入される。熱風は、ワークＷの上コア面Ｗ４に沿って流通する一方、熱交換器コアＷ１のフィン間隙を通過して下コア面Ｗ４側へ流れ、ガス排出口４２へ向かう。これにより、加熱空間２１の雰囲気を低酸素状態に維持するとともに、熱対流により、ワークＷの熱を高温部から低温部へ移送して、全体を均一に加熱することができる。
【００３１】
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、より具体的には、ろう付けチャンバ２の頂面および底面に容器形状のカバー体２５を固定し、これらカバー体２５内に、上部および下部近赤外線ヒータ３を保持する構成とする。また、ろう付けチャンバ２内に、ワークＷの上下コア面Ｗ４と対向する通気板２６を設けて、ガス導入口４１が開口する加熱空間２１の上部空間と、ガス排出口４２が開口する加熱空間２１の下部空間を、ワークＷの収容空間と区画することもできる。通気板２６は、例えば、近赤外線透過性材料である石英ガラス製であり、板面にガス流通用の多数のスリットが設けられて、ガス導入口４１から導入される熱風を上下方向の流れとして、ワークＷの全面に均一供給することができる。この時、ガス導入口４１、ガス排出口４２の幅を、図示するように、右側面または左側面の幅に一致させて開口部を大きくすることで、不活性ガスの導入および排出を速やかに行うことができる。
【００３２】
次に、図３により、上記構成のろう付け装置１によるワークＷの加熱原理について説明する。本実施形態では、図３（ａ）に示すように、ワークＷである熱交換器を、加熱空間２１の上下に配置した近赤外線ヒータ３を用いて輻射加熱するとともに、加熱空間２１内に窒素ガスの熱風を導入して対流加熱する。ここで、図３（ｂ）に示すように、ワークＷである熱交換器は、受熱面積の広いコア面Ｗ４が上下面となるように配置されており、上下にそれぞれ９個の近赤外線ヒータ３を配置することで、上下コア面Ｗ４を各近赤外線ヒータ３に対応する９つの領域に分けて温度調整することが可能になる。すなわち、各領域の温度を温度センサ２４で検出し、検出された温度に基づいて対応する近赤外線ヒータ３の出力を増減することで、領域毎の昇温制御が可能になる。例えば、アルミニウム製品のろう付けでは、ワークＷがろう材の溶融温度以上、通常６００℃±１０℃の所定温度になるように、各近赤外線ヒータ３の目標温度を設定する。
【００３３】
ただし、輻射加熱のみの場合は、熱収支による物理的現象上、放熱性がワークＷの中央部と周辺部で異なり、図示するように放熱性の小さい中央部で温度が高く放熱性の小さい周辺部（図の左右端部）で低くなるために、温度分布が生じる。また、ワークＷのコア面Ｗ４の表面部と内部との間にも温度差が生じやすくなる。この温度分布は、複数の近赤外線ヒータ３の出力を調整するだけでは容易に解消されず、ワークＷを短時間で所定温度に均一加熱することは難しい。
【００３４】
一方、対流加熱のみの場合は、加熱空間２１内にガス導入口４１からワークＷに沿ってガス排出口４２へ向かう熱風の流れが形成され、ガス排出口４２側に熱が滞留しやすくなるために、ガス排出口４２の近傍に位置するワーク端部（図の左端部）において、温度が高くなる。このような温度分布は、窒素ガスの温度や流量を調整することでは解消できず、ガス導入口４１やガス排出口４２の配置といったろう付けチャンバ２の構造の変更によっても容易ではない。
【００３５】
そこで、本発明では、これら輻射加熱と対流加熱を組み合わせたハイブリッド加熱により、ワークＷ全体を、高速で所定のろう付け温度まで昇温し、かつ均熱化を図る。特に、本実施形態では、アルミニウム製品のワークＷに対して、加熱効率の優れた近赤外線ヒータ３による短波長輻射を用いて、受熱面積の広い上下コア面Ｗ４を直接加熱し、さらに、窒素ガスの熱風を導入して加熱空間２１内に対流を形成する。この時、輻射加熱用の近赤外線ヒータ３をろう付けチャンバ２の上下に配置する一方、対流加熱用のガス導入口４１およびガス排出口４２をろう付けチャンバ２の対向側面に開口させているので、対流加熱用のガス流れ方向は、全体として水平方向（図の右から左方向）となり、輻射加熱の方向（上下方向）に対して、直交する。これにより、ワークＷの高温部から低温部へ熱を移送し、ワークＷの水平面内の温度ムラを解消する効果が得られる。
【００３６】
また、加熱空間２１内に、ワークＷの上下に通気板２５を配置することにより、熱風の向きをワークＷと直交する方向に変え、熱交換器コアＷ１を通過するガス流れを形成している。これにより、熱交換器の特徴を利用し、熱交換面積の最大方向に熱風を通過させて、均熱化を促進することができる。すなわち、図４（ａ）に示すように、熱交換器コアＷ１は、チューブと熱交換用のフィンが交互に積層された構成であり、輻射加熱による熱は、コア面Ｗ４となる上下表面から内部へ伝達される。さらに、チューブ間の空間を熱風が通過することにより、表面積の大きいフィンを介して対流加熱による熱交換がなされる。この時、所定のろう付け温度（例えば６００℃）に加熱された熱風を送り込むことで、より高温部（例えば６３０℃）から余分な熱を奪い、より低温部（例えば５５０℃）へ加熱の補助がなされるので、ワークＷ全体を均一かつ急速に昇温することが可能になる。
【００３７】
図４（ｂ）に、対流加熱手段としての対流加熱装置４の一例を示す。対流加熱装置４は、対流加熱源となる加熱ヒータＨ１と対流加熱風速源となる循環ファンＦ１を備える対流加熱室４３を備え、ろう付けチャンバ２のガス導入口４１およびガス排出口４２との間を、それぞれ熱風導入路４４および熱風排出路４５で接続している。熱風導入路４４の途中には、図示しない窒素ガス供給部から対流熱調整用の窒素ガスを導入するための導入管４６が接続されている。熱風排出路４５の途中には、ろう付けチャンバ２を通過した窒素ガスを一定の酸素濃度に維持するための窒素ガス管４７が接続される。また、熱風導入路４４および熱風排出路４５には大気に連通する開閉弁付の通路４８が設けられ、ワークＷを空冷する冷却ファンＦ２が設置してある。
【００３８】
このような対流加熱装置４を設けることで、対流加熱室４３からろう付けチャンバ２へ、ろう付け温度域の窒素ガスの熱風を、所定風速で安定して供給する循環路を形成することができる。制御部５は、例えば、対流加熱室４３に循環された窒素ガスが所定温度より低い場合には、加熱ヒータＨ１で加熱し、所定温度より高い場合には、常温の窒素ガスを導入管４６から供給し、所定温度に保持することができる。また、ろう付け終了後に対流加熱室４３への循環路を閉じ、大気への通路４８を開放するとともに冷却ファンＦ２で送風冷却することで、速やかにワークＷを空冷することができる。
【００３９】
図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２実施形態であり、ろう付け装置１の全体構成を示す。本実施形態のろう付け装置１は、上記第１実施形態と同一の基本構成を有しており、ろう付けチャンバ２の頂面および底面に配置される上部および下部近赤外線ヒータ３の個数のみ異なっている。上記第１実施形態では、上部および下部近赤外線ヒータ３をそれぞれ９個とし、対向するワークＷの上下面を９つの領域に分けて温度制御可能としたが、ワークＷやろう付けチャンバ２の大きさや、近赤外線ヒータ３の加熱能力等に応じて、任意に設定することができる。
【００４０】
具体的には、ワークＷの長手方向、幅方向にそれぞれ２個以上、少なくとも計４個以上の近赤外線ヒータ３をワークＷの上下にそれぞれ配置すれば、対流加熱との組み合わせにより均熱効果が得られる。ワークＷが長方形状の熱交換器である場合には、好ましくは、図示するように、長手方向（図の奥行方向）に３個の近赤外線ヒータ３を、幅方向（図の左右方向）に２個の近赤外線ヒータ３を配置し、ワークＷの上下にそれぞれ６個の配置とすることで、十分な効果が得られる。
【００４１】
次に、図６、７により、本発明のろう付け装置１によるワークＷの加熱制御について説明する。上述したように、本発明の制御部５は、ろう付けチャンバ２に所定温度、所定風速で窒素ガスの熱風を導入し、対流循環させながら、ワークＷの上下にそれぞれ配置した上部および下部近赤外線ヒータ３の出力を、領域毎に調整して、輻射熱を制御する。ここで図６（ｃ）は、一般的な独立制御方法を示し、ワークＷの各領域における昇温特性を予め把握し、複数の段階（例えば３段階）に分けて、予め領域毎に出力値ＭＶを設定し、検出される測定温度ＰＶが所定温度に達したら、次の段階の制御に移行するような制御を行なう。例えば、昇温初期には近赤外線ヒータ３の出力を高くし、段階的に出力を低下させるとともに、放熱性の大きい周辺部ほど出力を高くし、段階的に出力差が小さくなるようにする。この制御では、領域毎に昇温特性が異なるために所定温度に達するまでの均熱時間が長くなり、急速加熱が難しい。
【００４２】
そこで好適には、ワークＷの昇温制御方法として、図６（ａ）、（ｂ）に示すグルーピング制御を行なう。例えば、図６（ｂ）に制御アルゴリズムを示すように、ワークＷに設定した複数の温度測定点（温測点）において、目標温度ＳＰ１と温度センサ２４で検出される測定温度ＰＶ１、隣り合う温測点における測定温度ＰＶ２との温度差より目標温度補正処理を行なって目標温度ＳＰ１’を算出する。この目標温度ＳＰ１’を基にＰＩＤ演算を行い、近赤外線ヒータ３の出力値ＭＶを演算することで、均熱性を保持しながら目標温度ＳＰまで昇温させるものである。
【００４３】
具体的には、図６（ａ）中に示すように、ワークＷのタンクＷ２、Ｗ３間に並列した３個の近赤外線ヒータ３による輻射加熱を行なった時に、温度センサ２４による左端部の測定温度ＰＶ１に対して中央部の測定温度ＰＶ２が低い場合には、これらの温度差が小さくなるように、左端部の近赤外線ヒータ３の目標温度ＳＰを低下させ、これに伴い出力値ＭＶを低下させる補正を行なう。逆に、測定温度ＰＶ１に対して隣り合う領域の測定温度ＰＶ２が高い場合には、目標温度ＳＰおよび出力値ＭＶを上昇させることになる。
【００４４】
このグルーピング制御を、ワークＷの各領域に対応する上部および下部近赤外線ヒータ３の昇温制御に適用し、隣り合う温度差をフィードバックしながら加熱制御する。これにより、任意の温測点における熱干渉度合いを把握し、各到達温度の目標値を補正しながら、複数の近赤外線ヒータ３の出力を相関的に変えていくことが可能となる。
【００４５】
さらに、目標温度に到達した後の均熱制御についても、同様にグルーピング制御を採用することで、熱干渉を抑制することができる。図７（ａ）は、独立制御により近赤外線ヒータ３でワークＷの各領域を加熱した場合で、対応する測温点での測定温度ＰＶが目標温度ＳＰとなるように個々に出力ＭＶを制御する。ところが隣り合う領域からの熱伝達が考慮されないために熱干渉が発生し、目標温度に安定して制御することができない。これに対して、図７（ｂ）のグルーピング制御では、隣り合う測温点での測定温度ＰＶ１、ＰＶ２の温度差を検出し、温度差すなわち熱干渉度合が小さくなるように目標温度ＳＰおよび出力ＭＶをフィードバック補正するので、均熱制御が可能となる。
【００４６】
本発明の効果を確認するために、図８に示すろう付け装置１を用いてテストピースの加熱試験を行った。ろう付け装置１は、上記図１の装置とほぼ同一構成で、ユニット状の近赤外線ヒータ３の代わりに、５本の棒状近赤外線ランプヒータＨ３を、ろう付けチャンバ２の上方に平行配設している。テストピースは、アルミニウム製の扁平な直方体形状（３００×２５０×４０）であり、ろう付けチャンバ２内に平行配設した複数の支持部材２１上に支持されている。ろう付けチャンバ２には、ガス導入口４１および排出口４２が設けられて、加熱した窒素ガス（６００℃、１０ｍ／ｓ）で対流させるようになっている。目標温度を５００℃として、近赤外線ランプヒータＨ３の出力を、上述した独立制御およびグルーピング制御により昇温制御し、図示の温測ポイント（中央部５点、周辺部４点）における温度を測定した結果を、図９に示す。
【００４７】
図９（ａ）に明らかなように、独立制御を採用した場合には、目標温度に到達するまでの昇温時間は１４０秒と短いものの、温測ポイントの温度差が大きく、テストピースの面内における温度バラツキが大きい。また、目標温度に対してオーバーシュートが見られ、温度バラツキがあるために安定するまでに時間を要する。これに対して、グルーピング制御を採用することにより、目標温度に到達するまでの昇温時間は若干長くなるものの、昇温時の均熱性が向上し、目標温度に対するオーバーシュートおよび温度バラツキが小さくなる。その結果、目標温度に安定するまでの時間を短縮することができ、テストピース全体を均一に加熱できるために、エネルギー効率に優れることがわかる。
【００４８】
図１０（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施形態であり、上述した輻射加熱と対流加熱に加えて、内部加熱方式を組み合わせている。本発明でろう付け対象とするワークＷが熱交換器である場合には、上述したように熱交換器コアＷ１が多数のチューブからなり、内部にタンクに連通する流路を有している。したがって、熱交換器コアＷ１両端のタンクＷ２、Ｗ３に、対流加熱用の窒素ガスを導入するための管路Ｗ５を接続すれば、熱交換器コアＷ１とタンクＷ２、Ｗ３を内部から加熱することができ、昇温性がさらに向上する。
【００４９】
図１１は、本発明の第４実施形態であり、ろう付け装置１の全体構成を示す。本実施形態のろう付け装置１は、上記第２実施形態と同一の基本構成を有しており、ろう付けチャンバ２およびワークＷを縦置きとした点のみ異なっている。すなわち、上記第２実施形態では、扁平な形状を有するワークＷを、受熱面積の広いコア面Ｗ４が頂面および底面となり上下に位置するように配置したが、本実施形態では、図の左右位置の対向する二側面がコア面Ｗ４となる。したがって、ろう付けチャンバ２は、左右コア面Ｗ４に対向するチャンバ面２３（左右位置の対向する二側面）を、近赤外線透過性材料である石英ガラスにて構成し、その左方および右方に、それぞれ複数の近赤外線ヒータ３を配設することになる。また、ろう付けチャンバ２は、他の対向する二面として図の底面および頂面に、それぞれガス導入口４１とガス排出口４２を接続している。
【００５０】
このように、ワークＷの受熱面積の広いコア面Ｗ４を、近赤外線ヒータ３の輻射熱で加熱し、輻射加熱の方向（左右方向）に対して、対流加熱用のガス流れ方向を、全体として上下方向となるようにしてもよい。この場合も輻射加熱の方向と対流加熱の方向が直交することで、ワークＷの高温部から低温部へ熱を移送し、ワークＷの水平面内の温度ムラを解消する同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、熱交換器に限らず、種々の金属製車載部品その他のろう付けに採用することができ、小型のろう付けチャンバ内で、ろう付け対象物を高速で均一に加熱することができる。
【符号の説明】
【００５２】
Ｗ ワーク
Ｗ１ 熱交換器コア
Ｗ２、３ タンク
Ｗ４ コア面
１ ろう付け装置
２ ろう付けチャンバ
２１ 加熱空間
２２ 支持部材
２３ チャンバ面
２４ 温度センサ（温度検出手段）
２５ カバー体
２６ 通気板
３ 近赤外線ヒータ
４ 対流加熱装置
４１ 導入口
４２ 排出口
５ 制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの構成部材をろう接するためのろう付け装置であって、
内部を上記ワークに対応する容積の加熱空間とするろう付けチャンバと、
上記加熱空間に収容される上記ワークを、輻射熱で加熱する複数の加熱源を備える輻射加熱手段と、
上記加熱空間に加熱した不活性ガスを流通させて、上記ワークを対流熱で加熱する対流加熱手段と、
上記複数の加熱源の作動および上記不活性ガスの流通を制御する制御手段を備え、
上記輻射加熱手段は、上記ワークの対向する二面をそれぞれ複数の領域に分けて、各領域に対応させて上記複数の加熱源を設置する一方、各加熱源を上記制御手段にて独立に制御可能とし、
上記対流加熱手段は、上記複数の加熱源により生じる上記ワークの温度差を緩和するように、上記不活性ガスを対流循環させることを特徴とするろう付け装置。
【請求項２】
上記ワークが扁平な形状であり、より受熱面積の大きい面を上記対向する二面として、上記複数の加熱源に対向配置させる請求項１記載のろう付け装置。
【請求項３】
上記複数の加熱源を近赤外線ヒータとして、近赤外線透過性材料で構成した上記ろう付けチャンバの対向する二面に近接配置する請求項１または２記載のろう付け装置。
【請求項４】
上記ろう付けチャンバの他の対向する二面に、上記不活性ガスの導入口および排出口を設ける請求項３記載のろう付け装置。
【請求項５】
上記複数の加熱源を、上記ワークの上記対向する二面にそれぞれ４個以上設置する請求項１ないし４のいずれか１項に記載のろう付け装置。
【請求項６】
上記ワークは、アルミニウム製の熱交換器である請求項１ないし５のいずれか１項に記載のろう付け装置。
【請求項７】
上記制御手段は、上記不活性ガスを上記ワークのろう付け温度近傍の所定温度とし、上記複数の加熱源を、温度検出手段により検出される上記ワークの各領域の温度に基づいてフィードバック制御する請求項１ないし６のいずれか１項に記載のろう付け装置。
【請求項１】
ワークの構成部材をろう接するためのろう付け装置であって、
内部を上記ワークに対応する容積の加熱空間とするろう付けチャンバと、
上記加熱空間に収容される上記ワークを、輻射熱で加熱する複数の加熱源を備える輻射加熱手段と、
上記加熱空間に加熱した不活性ガスを流通させて、上記ワークを対流熱で加熱する対流加熱手段と、
上記複数の加熱源の作動および上記不活性ガスの流通を制御する制御手段を備え、
上記輻射加熱手段は、上記ワークの対向する二面をそれぞれ複数の領域に分けて、各領域に対応させて上記複数の加熱源を設置する一方、各加熱源を上記制御手段にて独立に制御可能とし、
上記対流加熱手段は、上記複数の加熱源により生じる上記ワークの温度差を緩和するように、上記不活性ガスを対流循環させることを特徴とするろう付け装置。
【請求項２】
上記ワークが扁平な形状であり、より受熱面積の大きい面を上記対向する二面として、上記複数の加熱源に対向配置させる請求項１記載のろう付け装置。
【請求項３】
上記複数の加熱源を近赤外線ヒータとして、近赤外線透過性材料で構成した上記ろう付けチャンバの対向する二面に近接配置する請求項１または２記載のろう付け装置。
【請求項４】
上記ろう付けチャンバの他の対向する二面に、上記不活性ガスの導入口および排出口を設ける請求項３記載のろう付け装置。
【請求項５】
上記複数の加熱源を、上記ワークの上記対向する二面にそれぞれ４個以上設置する請求項１ないし４のいずれか１項に記載のろう付け装置。
【請求項６】
上記ワークは、アルミニウム製の熱交換器である請求項１ないし５のいずれか１項に記載のろう付け装置。
【請求項７】
上記制御手段は、上記不活性ガスを上記ワークのろう付け温度近傍の所定温度とし、上記複数の加熱源を、温度検出手段により検出される上記ワークの各領域の温度に基づいてフィードバック制御する請求項１ないし６のいずれか１項に記載のろう付け装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１５９２１８（Ｐ２０１２−１５９２１８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７９０７（Ｐ２０１１−１７９０７）
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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