JP2015038414A - 熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍機器、エアコン等の空調機器に備えられる熱交換器の製造方法。【解決手段】所定間隔に平行に並設する複数の放熱フィンと、これらの放熱フィンを略直角に貫通し内面に螺旋状の内面フィンが形成された伝熱管とを備えた熱交換器の製造方法であって、放熱フィンに形成された挿通孔に伝熱管を挿通した後、伝熱管の内径より大きい径を持つ拡管プラグを、伝熱管の中心軸に対し軸回転するように駆動させながら伝熱管の内部に挿入することで伝熱管を拡管し、放熱フィンと伝熱管を密着させることを特徴とする熱交換器の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍機器、エアコン等の空調機器に備えられる熱交換器の製造方法に関するものである。

一般に空調機や冷凍機のフィンチューブ式の熱交換器には冷媒を流すための伝熱管が使用されている。この伝熱管として、管内に螺旋状の微細な溝（内面溝）を形成した内面螺旋溝付伝熱管を使用することで、従来の平滑管と比較して管内伝熱特性が飛躍的に向上することが知られている。なお、管内に螺旋状の溝が形成されることは、管内に螺旋状の内面フィンが形成されることを意味する。
このような、内面螺旋溝付伝熱管の製造方法として、製造ライン上で巻き取り方向を軸に、その管の円周方向に回転ダイスを用いて捻りを加える方法や、高速回転するボールベアリングで管を管内溝付きプラグに押付け、管の内面に捻れ溝を転造しながら引抜く溝転造法等が知られている。

図１３にフィンチューブ式の熱交換器の一例を示す。図１３に示す熱交換器１は、薄い板状に加工された複数の放熱フィン５と、この複数の放熱フィン５を貫通して設けられた伝熱管２により構成されており、伝熱管２にはフロン系冷媒あるいはその代替冷媒等が流れ、冷媒の相変化を利用して熱交換を行う構成を有する。

放熱フィン５と伝熱管２は、拡管工程により一体化されて熱交換器に組み込まれる。このような拡管工程は、例えば、図１４、及び図１５に示すようにして行われる。まず、伝熱管２が通りやすい程度に伝熱管２の外径よりも直径が大きくされた放熱フィン５の挿通孔５ａ（図１５参照）に、拡管前の伝熱管２を貫通させ、ついで、伝熱管２の内径よりも大きい外径を有する球状部６を備えた拡管ロッド７を、伝熱管２の内部に通過させることによって、伝熱管２を内部から押し広げて拡管し、上記挿通孔５ａとの隙間をなくして、複数の放熱フィン５に伝熱管２を固着する。
このように、伝熱管を拡管することにより放熱フィンと一体化するための様々な方法が、開示されている（例えば特許文献１）。

実開平０１−１３９９３８号公報

近年、エアコン性能の向上と消費電力の節約に伝熱管には更なる熱伝達性能の向上が要求されており、その中で、内面溝が高リード角で形成されたものや、溝間の距離が狭く、又深い内面溝を形成し、これにより幅が細く内面フィン高さの高いハイスリムフィンを有する内面溝形状が使用されている。
また、最近は高価な銅合金から軽量で安価なアルミニウム合金への代替要求が強く、アルミニウム合金の伝熱管が使用され始めているが、アルミニウム合金は銅合金に比べて強度に劣るため、耐圧強度の面から伝熱管の底肉厚を銅合金のそれに比べて厚くする必要があり、そのため、拡管時の拡管プラグに加わる拡管負荷が増大し拡管プラグロッドや伝熱管の座屈が発生し易く、また、高リード角やハイスリムフィン化するにつれて、拡管時に内面フィンが倒れやすくなる。

内面フィンの倒れが発生すると、伝熱管の伝熱特性が低下するのみならず、所定の拡管率を得ることができなくなり、伝熱管と放熱フィンとが十分に密着せず、熱交換器としての性能が大きく低下する。さらに、程度がひどい場合には、拡管時にプラグ支持体が座屈し、健全な熱交換器の製造が困難になるといった問題を生じる。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、拡管時の拡管荷重の低減及び拡管による伝熱管や拡管支持体の座屈、及び内面フィンの倒れ等を抑制しつつ、熱交換特性に優れる熱交換器を製造することを目的とする。

本発明の熱交換器の製造方法は、所定間隔に平行に並設する複数の放熱フィンと、これらの放熱フィンを直角に貫通し内面に螺旋状の内面フィンが形成された伝熱管とを備えた熱交換器の製造方法であって、前記放熱フィンに形成された挿通孔に前記伝熱管を挿通した後、前記伝熱管の内径より大きい径を持つ拡管プラグを、前記伝熱管の中心軸に対し軸回転するように駆動させながら前記伝熱管の内部に挿入することで前記伝熱管を拡管し、前記放熱フィンと前記伝熱管を密着させることを特徴とする。
なお、内径とは、伝熱管の横断面において内面フィンの頂点を繋いだ仮想的な面の直径を意味する。

また、本発明の熱交換器の製造方法は、前記拡管プラグの挿入方向に対して、当該拡管プラグの軸回転方向が前記伝熱管の内面に形成された前記内面フィンの螺旋回転方向と同方向であることが好ましい。

また、本発明の熱交換器の製造方法は、前記拡管プラグの最外径部が描く螺旋軌跡のリード角を、前記伝熱管の内面に形成された螺旋状の前記内面フィンのリード角に対し、０．２倍以上、２倍以下となるように前記拡管プラグの挿入速度及び軸回転速度を定めることが好ましい。

また、本発明の熱交換器の製造方法は、前記拡管プラグを前記伝熱管に対し回転させながら挿入・拡管した後、前記拡管プラグを挿入時と同方向に回転させながら管から抜き取ることが好ましい。

また、本発明の熱交換器の製造方法は、前記拡管プラグを軸回転するように駆動させてから、前記伝熱管の内部に挿入することが好ましい。

また、本発明の熱交換器の製造方法は、前記伝熱管がアルミニウム合金からなるものであっても良い。

本発明によれば、拡管プラグを軸回転するように駆動させながら前記伝熱管の内部に挿入することで、拡管時に拡管荷重を低減することができ、伝熱管の座屈を防ぐことができる。また、拡管プラグをプラグ支持ロッドを介し押し込むように伝熱管の内部に挿入する場合においては、拡管荷重が低減されたことによって前記支持ロッドの座屈を抑制できる。
さらに、拡管プラグの挿入方向に対する軸回転方向を、前記伝熱管の内面フィンの螺旋回転方向と同方向とすることで、内面フィンの倒れを抑制することができる。これにより拡管率が向上し放熱フィンと伝熱管が十分に密着した熱交換器を製造することができる。

本発明の一実施形態である熱交換器の製造方法を示し、図１（ａ）は拡管プラグを押し込むように挿入する拡管工程であり、図１（ｂ）は拡管プラグを引き抜く工程である。 本発明の一実施形態に係る内面螺旋溝付伝熱管を示し、図２（ａ）は側面図であり、図２（ｂ）は縦断面図であり、図２（ｃ）は内面フィンの部分拡大図である。 本発明の一実施形態に係る拡管具を示し、図３（ａ）は拡管具の側面図であり、図３（ｂ）は拡管プラグの拡大図であり、図３（ｃ）は支持ロッドと駆動伝達部材及び把持部材の接続部分の断面図である。 本発明の実施例において用いた伝熱管保持ジグと当該伝熱管保持ジグを用いた拡管試験の手順を示し、図４（ａ）は支持台とこれに固定された第１保持部材を示す斜視図であり、図４（ｂ）は第１保持部材と第２保持部材を重ね合わせて固定した様子を示す斜視図であり、図４（ｃ）は孔に内面螺旋溝付伝熱管を挿入した様子を示す斜視図であり、図４（ｄ）は内面螺旋溝付伝熱管に拡管具を挿入した様子を示す斜視図である。 本発明の実施例において、内面螺旋溝付伝熱管に拡管プラグを挿入する際の、挿入ストロークに対する拡管荷重を示すグラフであり、図５（ａ）は拡管プラグを内面フィンの螺旋方向と逆方向に回転させた場合のグラフであり、図５（ｂ）は拡管プラグを内面フィンの螺旋方向と同方向に回転させた場合のグラフである。 本発明の実施例において、図５（ａ）、（ｂ）に示す結果から横軸に軸回転速度をとり、各軸回転速度に対応する拡管荷重の平衡値及び最大値をプロットしたグラフであり、図６（ａ）は拡管プラグを内面フィンの螺旋方向と逆方向に回転させた場合のグラフであり、図６（ｂ）は拡管プラグを内面フィンの螺旋方向と同方向に回転させた場合のグラフである。 本発明の実施例において、軸回転速度と拡管率の関係を示すグラフである。 本発明の実施例において、拡管プラグを無回転で挿入し拡管工程を行った場合の内面フィンの拡大断面写真である。 本発明の実施例において、拡管プラグを７．５ｒｐｍで軸回転するように駆動させながら挿入し拡管工程を行った場合の内面フィンの拡大断面写真を示し、図９（ａ）は拡管プラグを軸回転方向を内面フィンの螺旋方向と逆方向とした場合の拡大写真であり、図９（ｂ）は同方向とした場合の拡大写真である。 本発明の実施例において、拡管プラグを１２ｒｐｍで軸回転するように駆動させながら挿入し拡管工程を行った場合の内面フィンの拡大断面写真を示し、図１０（ａ）は拡管プラグを軸回転方向を内面フィンの螺旋方向と逆方向とした場合の拡大写真であり、図１０（ｂ）は同方向とした場合の拡大写真である。 本発明の実施例において、拡管プラグを３０ｒｐｍで軸回転するように駆動させながら挿入し拡管工程を行った場合の内面フィンの拡大断面写真を示し、図１１（ａ）は拡管プラグを軸回転方向を内面フィンの螺旋方向と逆方向とした場合の拡大写真であり、図１１（ｂ）は同方向とした場合の拡大写真である。 図８〜図１１に示す拡大写真を基に計測した、内面フィンの倒れのグラフに拡管プラグを８．９ｒｐｍで軸回転するように駆動させながら挿入した場合の内面フィン１１ｂの倒れの計測結果を追加したものであり、図１２（ａ）は拡管プラグを軸回転方向を内面フィンの螺旋方向と逆方向とした場合のグラフであり、図１２（ｂ）は同方向とした場合のグラフである。 伝熱管と放熱フィンを示す概略図である。 伝熱管の拡管工程を説明するための概略図である。 伝熱管の拡管工程における放熱フィンの挿通孔の一例を示した概略断面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴部分を強調する目的で、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、同様の目的で、特徴とならない部分を省略して図示している場合がある。

本実施形態の熱交換器の製造方法は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、管内面に内面フィン１１ｂが形成された内面螺旋溝付伝熱管１１を、放熱フィン２０の挿通孔２０ｂに通し、内面螺旋溝付伝熱管１１の内部に拡管プラグ１２を挿入することにより内面螺旋溝付伝熱管１１を拡管して前記放熱フィン２０と前記内面螺旋溝付伝熱管１１を密着させて図１３に示すような熱交換器１を製造する方法である。

図２（ａ）、（ｂ）に、本実施形態の熱交換器の製造方法に係る内面螺旋溝付伝熱管１１の側面図及び縦断面図を示す。
内面螺旋溝付伝熱管１１は、例えば、国際アルミニウム合金規格３０００番台、例えばＡ３００３、Ａ３００４合金などからなり、外径１０ｍｍ以下、例えば、３〜１０ｍｍ、凸型の内面フィン１１ｂを複数、例えば、３０〜６０個、凹型の内面溝１１ａを複数、例えば、３０〜６０個有する。また、内面螺旋溝付伝熱管１１において、内面フィン１１ｂの高さ０．１〜０．３ｍｍ、内面フィン頂角８〜３０°、底肉厚（内面溝底の位置における管の肉厚）０．３〜０．８ｍｍ、内面フィン１１ｂのリード角θ１５〜４０°などとされている。なお、内面フィン１１ｂのリード角θとは、軸方向に対する溝の角度を意味する。即ち、図２（ｂ）に示すように内面螺旋溝付伝熱管１１の縦断面を描いた場合、管の内側に表示される内面溝１１ａ、又は内面フィン１１ｂの直線状に描かれる部分の延長線Ｓと管の外面とのなす角度を示す。
より具体的には、リード角θは、内面螺旋溝付伝熱管１１の溝底部内径をＡとし、螺旋のピッチ（溝が円周方向に１回転さす際の長手方向（軸方向）に平行な長さ）をＢとして、以下の式（１）を用いて算出することができる。
なお、溝底部内径とは、内面螺旋溝付伝熱管の横断面において内面溝１１ａの底面を繋いだ仮想的な面の直径を意味する。

図３（ａ）に内面螺旋溝付伝熱管の拡管試験を行うため工具の一例である拡管具１４を示す。拡管具１４は、支持ロッド１３とその先端端部に一体となって構成される拡管プラグ１２を有する。また、支持ロッド１３の反対側の端部には、円盤状の駆動伝達部材２２と把持部材２１が接続され、これらによって支持ロッド１３が支持されている。

図３（ｂ）に、拡管プラグ１２の拡大図を示す。拡管プラグ１２は、端末面１２ｄから徐々にその直径を大きくしていく第１拡径部１２ｂと、直径が最大となる最外径部１２ａと、支持ロッド１３との接続部にかけて徐々に直径を小さくしていく第２拡径部１２ｃとから構成される。最外径部１２ａの直径は、内面螺旋溝付伝熱管１１の内径より大きい径となっている。

この拡管プラグ１２を内面螺旋溝付伝熱管１１に押し込むように挿入する場合は、第１拡径部１２ｂ及び最外径部１２ａが、内面螺旋溝付伝熱管１１の内面フィン１１ｂに当接し内面螺旋溝付伝熱管１１が徐々に外側に押し広げられる。また、拡管プラグ１２を引き抜く（抜き取る）際には、第２拡径部１２ｃ及び最外径部１２ａが内面螺旋溝付伝熱管１１の内面フィン１１ｂに当接する。

本実施形態の拡管プラグ１２は、支持ロッド１３と一体物として形成されている。しかしながら、その表面に大きな摩擦力が加わる拡管プラグ１２の材質を超硬合金から形成し、支持ロッド１３と着脱可能に固定しても良い。

図３（ｃ）に支持ロッド１３と、駆動伝達部材２２及び把持部材２１の接続部分の断面図を示す。なお、図３（ｃ）は、特徴となる部分を拡大して示している部分があり、各構成要素の寸法比率などが図３（ａ）と異なる部分がある。
支持ロッド１３は、把持部材２１の先端に設けられたロッド保持穴２１ａに複数のボールベアリング２４を介し回転自在に取り付けられている。また、支持ロッド１３は、駆動伝達部材２２の嵌着孔２２ｃに嵌合され固定されている。駆動伝達部材２２と把持部材２１の間には、スラストベアリング２３が介装され、支持ロッド１３に圧縮方向の力を加えながら、駆動伝達部材２２と把持部材２１を相対的に回転させることができるよう構成されている。一例として、駆動伝達部材２２の外周部２２ａに駆動プーリと接続された無端ベルトを巻きかけ、駆動プーリを回転させることで、拡管具１４を回転させるように構成できる。

この拡管具１４は、把持部材２１を固定し、駆動伝達部材２２の外周部２２ａに拡管具１４を軸回転させる駆動力を印加することで、軸回転させることができる。即ち、把持部材２１を固定した状態で、支持ロッド１３にトルクを印加し軸回転させることができる。

次に図１（ａ）を基に本発明の本実施形態の熱交換器の製造方法について説明する。
まず、放熱フィン２０を所定間隔に平行に併設し、放熱フィン群２０Ａを形成する。各放熱フィン２０には、内面螺旋溝付伝熱管１１を挿通するための挿通孔２０ｂが設けられている。また、当該挿通孔２０ｂは、それぞれ同一方向に屈曲された縁部２０ａが形成されている。なお、放熱フィン群２０Ａにおいて、各放熱フィン２０に形成された挿通孔２０ｂは、その位置が一致している。

次に、この挿通孔２０ｂ、に長手方向中央部をＵ字曲げした内面螺旋溝付伝熱管１１を挿入する。なお、図１（ａ）、（ｂ）において、Ｕ字曲げ部分の図示を省略した。
上述したように、前記放熱フィン群２０Ａの各挿通孔２０ｂは、位置が一致しているため、内面螺旋溝付伝熱管１１を一括して挿入することができる。この時、内面螺旋溝付伝熱管１１を放熱フィン群２０Ａに完全に貫通させ、内面螺旋溝付伝熱管１１の第１端部１１ｄ及び第２端部１１ｅが、それぞれ放熱フィン群２０Ａの外部に配置させる。なお、第２端部１１ｅの先には、Ｕ字曲げ部分が形成されている。

次に、この内面螺旋溝付伝熱管１１の第１端部１１ｄ及び第２端部１１ｅをクランプして、第１端部１１ｄ側から、拡管プラグ１２を軸回転するように駆動させながら挿入する。上述したように、この拡管プラグ１２は、支持ロッド１３によって支持されている。この支持ロッド１３を介し、拡管プラグ１２を内面螺旋溝付伝熱管１１の中心軸１１ｃに対し軸回転するように駆動させ、さらにこの中心軸１１ｃに沿って押し込むように挿入する。これによって内面螺旋溝付伝熱管１１を拡管し、放熱フィン群２０Ａと内面螺旋溝付伝熱管１１を密着させ、固定することができる。
以上の工程によって、所定間隔に平行に並設する放熱フィン群２０Ａと、この放熱フィン群２０Ａを略直角に貫通する内面螺旋溝付伝熱管１１とを備えた熱交換器（図１３に熱交換器１として一例を示す）を製造することができる。

以上のような内面螺旋溝付伝熱管１１の拡管工程においては、拡管プラグ１２を押し込むために要する拡管荷重は、内面螺旋溝付伝熱管１１を変形させる（拡管する）ための力と内面螺旋溝付伝熱管１１の内周面と拡管プラグ１２の摩擦力の合力のうち、内面螺旋溝付伝熱管１１の中心軸１１ｃ方向の成分とみなすことができる。

この拡管荷重は、上述したように、支持ロッド１３を介し拡管プラグ１２を押し込むように挿入する場合においては、支持ロッド１３に加わる圧縮力となる。したがって、拡管荷重が高まると支持ロッド１３が座屈しやすくなる。

拡管プラグ１２を回転させずに挿入する場合においては、内面螺旋溝付伝熱管１１を変形させる力と前記摩擦力が何れも、内面螺旋溝付伝熱管１１の中心軸１１ｃと同方向であって挿入方向と逆方向に作用する。
しかしながら、拡管プラグ１２を回転させることで、前記摩擦力の作用方向が、拡管プラグ１２と内面螺旋溝付伝熱管１１の内面が当接する軌跡である螺旋状に変化し、内面螺旋溝付伝熱管１１の中心軸１１ｃに対して傾きをもつことになり、拡管荷重を低減できる。
拡管プラグ１２の挿入速度を一定とした場合、軸回転速度が速くなるにつれて摩擦力が作用する方向の、内面螺旋溝付伝熱管１１の中心軸１１ｃに対する傾きは大きくなり、当該摩擦力の中心軸１１ｃ方向の成分は低減される。これによって、拡管荷重を抑制することができる。

上述の拡管工程において、拡管プラグ１２を、内面螺旋溝付伝熱管１１の内部に挿入前から軸回転駆動させておき、軸回転させながら、第１端部１１ｄに挿入していくことが好ましい。
拡管荷重は、拡管プラグ１２を、内面螺旋溝付伝熱管１１に挿入する際に最大荷重を示す。拡管プラグ１２の挿入前から軸回転を開始することで、挿入する際の最大荷重を低減させることができる。

また、内面螺旋溝付伝熱管１１に対する拡管プラグ１２の挿入方向に対して、拡管プラグ１２の軸回転方向は、内面螺旋溝付伝熱管１１の内面フィン１１ｂの螺旋回転方向と同方向であることが好ましい。即ち、例えば、内面フィン１１ｂが拡管プラグ１２の挿入方向に対して右回転するように螺旋状に形成されている場合においては、拡管プラグ１２は、その挿入方向に対して右回転させることが好ましい。同様に、内面フィン１１ｂが拡管プラグ１２の挿入方向に対して左回転するように螺旋状に形成されている場合においては、拡管プラグ１２は、その挿入方向に対して左回転させることが好ましい。

図２（ｃ）に示すように、内面フィン１１ｂは、内面螺旋溝付伝熱管１１の長手方向に沿って螺旋状に形成されている。したがって、この内面フィン１１ｂの頂部１１ｈも同様に、螺旋回転をして形成されている。また、内面フィン１１ｂの両側面１１ｆ、１１ｆは、奥行き方向に沿って螺旋状に傾斜していく。即ち、内面フィン１１ｂの側面１１ｆは、３次元的に螺旋方向に傾斜する。
拡管プラグ１２を内面フィン１１ｂの螺旋回転方向と同方向に回転しながら挿入することで、拡管プラグ１２と頂部１１ｈの当接面に働く摩擦力のうち、内面フィン１１ｂを一方の側面１１ｆ側に倒そうとする摩擦力が軽減できる。これにより、内面フィン１１ｂの倒れを抑制できる。したがって、内面フィン１１ｂの螺旋形状に沿って（リード角を一致させて）拡管プラグ１２を挿入する場合に、内面フィン１１ｂの倒れ抑制効果が最も高まる。

また、拡管工程においては、内面螺旋溝付伝熱管１１の内部に拡管プラグ１２を挿入することで、最初に内面フィン１１ｂが潰れ加工硬化した後、力が外周厚肉部１１ｇに伝わり外径が拡管される。その際、内面フィン１１ｂに倒れが生じると、それによって内面フィン１１ｂの高さが低くなるため、拡管プラグ１２の力が外周厚肉部１１ｇに十分に伝わらず、外径を十分に広げることが出なくなる。したがって、内面フィン１１ｂの倒れが生じると、拡管率が減少する。換言すると、内面フィン１１ｂの倒れを抑制することで、拡管率を上昇させることができる。
拡管率を増加させることで、内面螺旋溝付伝熱管１１と放熱フィン群２０Ａを密着させ、これらを確実に固定することができる。

また、拡管プラグ１２の軸回転速度は、当該軸回転速度と、当該拡管プラグ１２の最外径部１２ａの直径、及び挿入速度との関係から導かれる最外径部１２ａが描く螺旋軌跡のリード角ψが、前記内面螺旋溝付伝熱管１１の内面に形成された螺旋状の前記内面フィンのリード角θに対し、０．２倍以上、２倍以下となるように定めることが好ましい。
拡管プラグ１２の最外径部１２ａが描く螺旋軌跡のリード角ψは、拡管プラグ１２の最外径部１２ａの直径をＤ、挿入速度をｖ（例えば単位としてｍｍ／ｍｉｎ）、軸回転速度をｓ（例えば単位としてｒｐｍ）としたときに、以下の式（２）から導くことができる。

図１（ａ）に、この最外径部１２ａの描く螺旋軌跡を曲線Ｌとして示す。螺旋軌跡のリード角ψは、曲線Ｌと内面螺旋溝付伝熱管１１の中心軸１１ｃとの交点における曲線Ｌの傾きの角度として表される。

最外径部１２ａの螺旋軌跡のリード角ψを、内面螺旋溝付伝熱管１１の内面に螺旋状に形成される内面フィン１１ｂのリード角θに対して、０．２〜２倍とすることによって、この内面フィン１１ｂの倒れを抑制することができる。
最外径部１２ａの螺旋軌跡のリード角ψが、内面フィン１１ｂのリード角θに対し、２倍を超える場合においては、内面フィン１１ｂの先端部に回転方向の摩擦力に起因する応力が過剰に加わり、内面フィン１１ｂが逆方向に倒れてしまう。
また、最外径部１２ａの螺旋軌跡のリード角ψが、内面フィン１１ｂのリード角θに対し、０．２倍に満たない場合においては、拡管荷重の低減効果が小さい。
なお、最外径部１２ａの螺旋軌跡のリード角ψを、内面螺旋溝付伝熱管１１の内面に螺旋状に形成される内面フィン１１ｂのリード角θと一致させる場合に最も内面フィン１１ｂの倒れ抑制効果が高まる。

本実施形態の熱交換器の製造方法において、支持ロッド１３を介して、拡管プラグ１２を押し込むように内面螺旋溝付伝熱管１１に挿入した後に（図１（ａ）参照）、押し込んだ拡管プラグ１２を引き抜く（抜き取る）際には（図１（ｂ）参照）、拡管プラグ１２の軸回転方向は、押し込む際の軸回転方向と逆方向であることが好ましい。これにより、引抜きの際においても、内面螺旋溝付伝熱管１１の内面フィン１１ｂの螺旋回転方向と同方向に拡管プラグ１２を回転させることができる。

以下、実施例を示しつつ本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（拡管試験）
まず、表１に示す各部寸法及び溝形状を有する３００３アルミニウム合金からなる内面螺旋溝付伝熱管を用意した。

また、この内面螺旋溝付伝熱管に対して４００℃×４ｈの熱処理を行った。以下の拡管試験は、上述した熱処理後の内面螺旋溝付伝熱管を用いて行う。

拡管試験を行った後に内面螺旋溝付伝熱管１１を容易に取り出すことができる様に構成された拡管試験用の伝熱管保持ジグ３０と、当該伝熱管保持ジグ３０を用いた拡管試験の手順を図４（ａ）〜（ｄ）に示す。
伝熱管保持ジグ３０は、支持台３４、第１保持部材３１、並びに第２保持部材３２から概略構成されている。図４（ａ）に示すように、支持台３４は、この伝熱管保持ジグ３０を設置する設置面に固定されており、当該支持台３４に、ブロック状の第１保持部材３１が固定されている。また、図４（ｂ）に示すように、第２保持部材３２は、第１保持部材３１と同様にブロック状に形成され、第１保持部材３１に着脱自在に重ね合わせ可能に構成されている。

第１保持部材３１及び第２保持部材３２には、それぞれ断面形状が半円の溝３１Ａ、３２Ａが鉛直方向に延びるように形成されている。第１保持部材３１と第２保持部材３２を重ね合わせると、これらの溝３１Ａ、３２Ａが一つの孔３３を構成する。
支持台３４には、第１保持部材３１及び、第２保持部材３２の幅と一致するスライド溝３４ａが形成されており、このスライド溝状に第１保持部材３１及び第２保持部材３２を載置することによって、これらの幅方向の位置合わせが可能となる。即ち、第１保持部材３１、及び第２保持部材３２に設けられた溝３１Ａ、３２Ａ同士の位置合わせは、前記スライド溝３４ａにより容易に行うことができる。

図４（ａ）に示すように、第１保持部材３１には、螺子孔３１ａが設けられている。図４（ｂ）に示すように、第２保持部材３２を重ね合わせた後に第２保持部材側から、前記螺子孔３１ａに固定ボルト３２ａを螺着することで、第１保持部材３１と第２保持部材３２を固定することができる。

この拡管試験用の伝熱管保持ジグ３０を用いて行う拡管試験の手順を説明する。まず、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第１保持部材３１と第２保持部材３２を重ね合わせて固定する。これにより、第１保持部材３１と第２保持部材３２の境界部に孔３３が形成される。
次に図４（ｃ）に示すように、前記孔３３に内面螺旋溝付伝熱管１１を挿入する。なお、前記孔３３の内径は、内面螺旋溝付伝熱管１１の外径よりも十分に大きく形成されており、上方から容易に挿入することができる。
次に図４（ｄ）に示すように、拡管具１４を挿入することで、内面螺旋溝付伝熱管１１を拡管する。
最後に、固定ボルト３２ａを取り外し、第１保持部材３１と第２保持部材３２を開くことで、拡管された内面螺旋溝付伝熱管１１を取り出し、これを観察する。

上述した内面螺旋溝付伝熱管１１及び拡管プラグ１２と、図３に示す伝熱管保持ジグ３０を用いて、拡管試験を行った。なお、今回の拡管試験において用いる拡管プラグ１２の最外径部１２ａの直径は、５．９ｍｍのものを用いた。また、拡管プラグ１２は、超硬合金からなるものを用いる。
また、拡管プラグ１２の挿入速度は、２８５ｍｍ／ｍｉｎとした。

内面螺旋溝付伝熱管１１に拡管プラグ１２を挿入する際の、拡管プラグ１２の軸回転駆動に関しては、内面螺旋溝付伝熱管１１の内面フィン１１ｂの螺旋方向に対し同方向の軸回転を付加する場合と、逆方向の軸回転を付加する場合と、軸回転を付加しない場合とをそれぞれ行った。
拡管プラグ１２の軸回転速度は、７．５ｒｐｍ、１２ｒｐｍ、３０ｒｐｍに設定して、それぞれの軸回転方向に対して試験を行った。なお、当然のことながら、回転を付加しない場合においては、軸回転速度は０ｒｐｍである。

また、内面螺旋溝付伝熱管１１の内周面と拡管プラグ１２との潤滑油として、エヌ・エス ルブリカンツ株式会社製のＲＦ−５２０を使用した。
拡管を行う内面螺旋溝付伝熱管１１の長さは１００ｍｍであり、このうち９５ｍｍを拡管ストロークとして拡管試験を行った。

内面螺旋溝付伝熱管１１に拡管プラグ１２を挿入する際の、挿入ストロークに対する拡管荷重を図５（ａ）、（ｂ）に示す。また、図５（ａ）、（ｂ）に示す結果から、横軸に軸回転速度をとり、各軸回転速度に対応する拡管荷重の平衡値及び最大値をプロットしたグラフを図６（ａ）、（ｂ）に示す。図５、及び図６において、（ａ）に示すグラフは、拡管プラグ１２を内面螺旋溝付伝熱管１１の内面フィン１１ｂの螺旋方向と逆方向に回転させた場合のものである。また、（ｂ）に示すグラフは、同方向に回転させた場合のものである。
なお、平衡値とは、拡管荷重が安定して推移する部分の平均値である。

図５、図６を参照すると、拡管プラグ１２を無回転（０ｒｐｍ）で内面螺旋溝付伝熱管１１に挿入する場合は、拡管荷重の最大値は２３１Ｎであり、平衡値（ストローク５０〜９２ｍｍの平均値）は１９８Ｎであった。これに対し、何れの方向に軸回転駆動させた場合であっても、軸回転速度が高くなるにつれて拡管荷重が抑制されていることがわかる。即ち、拡管プラグ１２を回転させながら内面螺旋溝付伝熱管１１に挿入することで、拡管荷重を抑制できることが確認された。また、拡管プラグ１２の軸回転速度を上昇させることで、拡管荷重抑制の効果が高まることが分かった。

また、拡管プラグ１２の軸回転方向を内面螺旋溝付伝熱管１１の内面フィン１１ｂの螺旋方向と逆方向とした場合（図５（ａ）、図６（ａ）参照）と、同方向とした場合（図５（ｂ）、図６（ｂ）参照）を比較すると、最大値、平衡値ともに、逆方向とした場合の方が、わずかに拡管荷重が低くなっている。
なお、拡管プラグ１２の軸回転方向を内面フィン１１ｂの螺旋方向と逆方向とした場合では、軸回転速度３０ｒｐｍにおいて、拡管荷重の最大値は１４８Ｎ、平衡値は１２９Ｎを示し、無回転に比べて約３５％の拡管荷重抑制の効果を得ることが出来た。

また、拡管前後の内面螺旋溝付伝熱管１１の外径から各サンプルの拡管率を算出した。図７に軸回転速度と拡管率の関係を、拡管プラグ１２が無回転の場合（０ｒｐｍ）を中心に、内面フィン１１ｂの螺旋方向と同方向に回転させた場合、及び逆方向に回転させた場合の軸回転速度を横軸にとり図示した。
図７から、内面フィン１１ｂの螺旋方向と同方向に回転させることで、拡管率が上昇することがわかる。また、また、螺旋方向と同回転の方向への軸回転速度を増加させるにしたがって、拡管率も上昇することがわかる。
これは、内面フィン１１ｂの螺旋方向に対して、同方向に拡管プラグ１２を回転させることで、内面フィン１１ｂが倒れにくくなり、これによって、拡管プラグ１２の拡管荷重が、外周厚肉部１１ｇに十分に伝わるためであると考えられる。なお、このことは、後段において説明する図１２のグラフと合わせて読み取ることができる。

図８に、拡管プラグ１２を無回転で挿入し、拡管工程を行った場合の内面螺旋溝付伝熱管１１の内面フィン１１ｂの拡大断面写真を示す。
また、図９〜図１１に、拡管プラグ１２を軸回転速度７．５ｒｐｍ、１２ｒｐｍ、３０ｒｐｍで回転させた場合の拡大写真を示す。なお、図９〜図１１において、（ａ）に示す拡大写真は、拡管プラグ１２の軸回転方向を内面螺旋溝付伝熱管１１の内面フィン１１ｂの螺旋方向と逆方向とした場合のものである。また、（ｂ）に示す拡大写真は、同方向とした場合のものである。

これらの拡大写真から、拡管プラグ１２の軸回転方向を内面螺旋溝付伝熱管１１の内面フィン１１ｂの螺旋方向と同方向にして拡管工程を行ったサンプルの内面フィン１１ｂの倒れ（図９〜図１１の各（ｂ）の拡大写真）に対して、無回転の場合（図８の拡大写真）及び、逆方向の場合（図９〜図１１の各（ａ）の拡大写真）は、内面フィン１１ｂの倒れが顕著になっている。

拡大写真を基に、内面フィン１１ｂの倒れを計測し、これを図１２（ａ）、（ｂ）にまとめた。さらに、軸回転速度８．９ｒｐｍで拡管プラグ１２を内面フィン１１ｂの螺旋方向と同方向又は逆方向に回転させた場合の内面フィン１１ｂの倒れの計測結果を、これに追加した。
なお、図１２（ａ）に示すグラフは、拡管プラグ１２を内面フィン１１ｂの螺旋方向と逆方向に回転させた場合のものであり、図１２（ｂ）に示すグラフは、同方向に回転させた場合のものである。

図１２（ａ）から、拡管プラグ１２を内面フィン１１ｂの螺旋方向と逆方向に回転させた場合においては、軸回転速度が増すにしたがって、内面フィン１１ｂの倒れが顕著になることがわかる。
これに対して、図１２（ｂ）から、拡管プラグ１２を内面フィン１１ｂの螺旋方向と同方向に回転させた場合においては、無回転の状態から軸回転速度を増加させるにしたがって、内面フィン１１ｂの倒れが抑制され、８．９ｒｐｍ付近で最小を示し、それ以上では増加することがわかる。また、３０ｒｐｍを超えると、内面フィン１１ｂの倒れが大きくなり、拡管プラグ１２を無回転で挿入した場合の倒れ量に近づく。

ところで、拡管プラグ１２が描く螺旋軌跡のリード角ψは、上段に示した式（２）から導くことができる。今回の拡管試験において、拡管プラグ１２の最外径部１２ａの直径は５．９ｍｍ、挿入速度を２８５ｍｍ／ｍｉｎ、軸回転速度を７．５ｒｐｍ、１２ｒｐｍ、３０ｒｐｍで行っている。式（２）により、それぞれの軸回転速度で行った拡管プラグ１２の螺旋軌跡のリード角ψは、軸回転速度が７．５ｒｐｍの場合に約２６°、８．９ｒｐｍの場合に約３０°、１２ｒｐｍの場合に約３８°、３０ｒｐｍの場合に約６３°となる。

内面螺旋溝付伝熱管１１の内面フィン１１ｂの螺旋形状のリード角θは、３０°である。図１２（ｂ）に示すように、軸回転速度８．９ｒｐｍ（リード角ψが約３０°）の場合に、内面フィン１１ｂの倒れが最小となっていることから、拡管プラグ１２が描く螺旋軌跡のリード角ψが内面フィン１１ｂのリード角θと略一致する場合に、最も内面フィン１１ｂの倒れ抑制効果が高まることが確認された。

上述したように、拡管プラグ１２の軸回転速度３０ｒｐｍ（螺旋軌跡のリード角ψに換算して６３°）を超えると、内面フィン１１ｂの倒れが大きくなってしまう。内面螺旋溝付伝熱管１１の内面フィン１１ｂの螺旋形状のリード角θは、３０°であるため、この２倍を超えるリード角ψとなるように、拡管プラグ１２を軸回転させると、内面フィン１１ｂの倒れが、逆に多くなってしまうことが確認された。

また、図１２（ｂ）から、軸回転速度が７．５ｒｐｍ以上、２０ｒｐｍ以下（即ち、拡管プラグ１２の螺旋軌跡のリード角ψが２６°以上、５２°以下）の場合に、内面フィン１１ｂの倒れを２．５°以下とできることが読み取れる。このことから、内面フィン１１ｂのリード角θに対して、０．８６倍以上、１．７４倍以下であることがより好ましいことがわかる。

１…熱交換器、１１…内面螺旋溝付伝熱管（伝熱管）、１１ａ…内面溝、１１ｂ…内面フィン、１１ｃ…中心軸、１１ｆ…側面、１１ｇ…外周厚肉部、１２…拡管プラグ、１２ａ…最外径部、１３…支持ロッド、１４…拡管具、１５…当接部、２０…放熱フィン、２０Ａ…放熱フィン群、２０ｂ…挿通孔、Ｌ…曲線（螺旋軌跡）、θ、ψ…リード角

Claims (6)

1. 所定間隔に平行に並設する複数の放熱フィンと、これらの放熱フィンを略直角に貫通し内面に螺旋状の内面フィンが形成された伝熱管とを備えた熱交換器の製造方法であって、
   前記放熱フィンに形成された挿通孔に前記伝熱管を挿通した後、
   前記伝熱管の内径より大きい径を持つ拡管プラグを、前記伝熱管の中心軸に対し軸回転するように駆動させながら前記伝熱管の内部に挿入することで前記伝熱管を拡管し、前記放熱フィンと前記伝熱管を密着させることを特徴とする熱交換器の製造方法。
2. 前記拡管プラグの挿入方向に対して、当該拡管プラグの軸回転方向が前記伝熱管の内面に形成された前記内面フィンの螺旋回転方向と同方向であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器の製造方法。
3. 前記拡管プラグの最外径部が描く螺旋軌跡のリード角を、前記伝熱管の内面に形成された螺旋状の前記内面フィンのリード角に対し、０．２倍以上、２倍以下となるように前記拡管プラグの挿入速度及び軸回転速度を定めることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器の製造方法。
4. 前記拡管プラグを前記伝熱管に対し回転させながら挿入、拡管した後、前記拡管プラグを挿入時と同方向に回転させながら管から抜き取ることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の熱交換器の製造方法。
5. 前記拡管プラグを軸回転するように駆動させてから、前記伝熱管の内部に挿入することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の熱交換器の製造方法。
6. 前記伝熱管がアルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の熱交換器の製造方法。