JP2016032827A - 熱交換器用異形伝熱管の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素材管に座屈を生じさせることなく、両端近傍部の円筒部が十分に小径化された熱交換器用異形伝熱管を安価に製造することを可能にする手段を提供する。
【解決手段】熱交換器用異形伝熱管の製造方法において、素材管準備工程では、予め設定された管長及び外径を有する円筒形の素材管を準備する。第１の絞り加工工程では、素材管の両端近傍部にプレスによる第１の絞り加工を施して、素材管の最初の外径より小さい第１の外径を有する円筒形の縮径部を形成する。異形断面部形成工程では、両縮径部間において素材管の外周面にプレス成形を施すことにより、素材管の長手方向に伸びる複数の凹部及び凸部を有する花弁状異形断面部を形成する。第２の絞り加工工程では、花弁状異形断面部が形成された素材管に、プレスによる第２の絞り加工を施して、第１の外径より小さい第２の外径を有する円筒形の第１及び第２の円筒部を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、管長手方向に関して、一方の端部側に位置する第１の円筒部と、他方の端部側に位置する第２の円筒部と、第１の円筒部と第２の円筒部との間に位置する花弁状異形断面部とを備えた熱交換器用異形伝熱管の製造方法に関するものである。

被冷却流体の出入り口を持ちその内部を被冷却流体が流通する伝熱管（内管）と、冷却媒体（冷却水）の出入り口を持ちその内部を冷却媒体が流通するシェル（外管）とを有し、被冷却流体と冷却媒体との間で熱交換を行わせるようにした熱交換器としては、従来、種々の型式のものが知られている。具体的には、例えばシェル内に１本の伝熱管が配置された２重管型熱交換器などが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の２重管型熱交換器においては、その熱交換率を向上させるために、従来、様々な形状の伝熱管（異形伝熱管）が提案されている。

例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すような２重管型熱交換器のための伝熱管が提案されている。この２重管型熱交換器においては、１本の異形伝熱管１（内管）が、略円筒形のシェル２（外管）内に同軸状に配設され、管長手方向の両端近傍部を除いて、異形伝熱管１の外周面とシェル２の内周面との間に空間部が形成されている。

そして、異形伝熱管１内の空間部を矢印Ｘ１、Ｘ２で示すように被冷却流体が流通する一方、異形伝熱管１とシェル２の間の空間部を矢印Ｙ１、Ｙ２で示すように冷却媒体が流通する。シェル２の両端部には、それぞれテーパ状のキャップ３１、３２が接続され、両キャップ３１、３２の先端部にはそれぞれフランジ３、４が取り付けられている。なお、異形伝熱管１とシェル２と各キャップ３１、３２とは、２重管型熱交換器の両端近傍部においてそれぞれＴ１及びＴ２で示す部位で、例えばＴｉｇ溶接（タングステン・不活性ガス溶接）などの溶接施工により互いに結合されている。また、シェル２には、異形伝熱管１とシェル２の間の空間部に冷却媒体を給排するための接続パイプ５、６（枝パイプ）が取り付けられている。

図１（ｂ）に示す異形伝熱管１は、管長手方向の両端近傍に位置する２つの円筒部７と、それぞれ両円筒部７間に位置し異形の断面形状をもつ２つの不完全花弁状断面部８と、両不完全花弁状断面部８間に位置し異形の断面形状をもつ１つの花弁状異形断面部９とで構成されている。花弁状異形断面部９には、その軸方向と垂直な断面形状でみれば、伝熱管中心方向にへこむ複数の凹部１０が、放射状に、すなわち円周方向に等角度間隔で形成されている。その結果、異形伝熱管１の凹部１０が形成されていない部分は、円周方向に等角度間隔で並ぶ凸部１１となっている。つまり、花弁状異形断面部９の断面形状は、凹部１０と凸部１１とが円周方向に交互に並ぶ凹凸形状となっている。なお、花弁状異形断面部９の外径φＣ（凸部外径）は、円筒部７の外径φＢと同一であるか、又はそれ未満である。

このほか、図２に示すような異形伝熱管１’も提案されている。図１（ｂ）及び図２から明らかなとおり、この種の異形伝熱管１、１’では、その周長ないしは伝熱面積が、普通の円筒状の伝熱管に比べて大幅に大きくなるので、該異形伝熱管１、１’を用いた交換器の熱交換率が大幅に向上するといった利点がある。

特開２０００−１６１８７１号公報

そして、花弁状異形断面部９を有する異形伝熱管１、１’は、一般に、円筒形の素材管の両端近傍部間ないしは両円筒部７間の部分（中間部）に、花弁成形機を用いて管壁に対して押し込み（プレス）成形処理を施すことにより製造される。具体的には、例えば円筒部７と不完全花弁状断面部８と花弁状異形断面部９とを有する図１（ｂ）に示す異形伝熱管１を製造する場合、まず所定の長さに定尺切断された素材管の両端近傍部にスウェージング加工（回転冷間鍛造加工）を施し、素材管より小径の円筒部７を形成し、この後、花弁成形機を用いて、素材管の中間部、すなわち両円筒部７間の部分に押し込み（プレス）成形処理を施して複数の凹１０部を形成し、花弁状異形断面部９を形成するようにしている。

あるいは、図３に示すような２つの絞り治具１２、１３を用いて、素材管１４の両端近傍部にそれぞれ数段階に分けてプレス絞り加工により円筒部１５及びテーパ部１６を形成し、この後、花弁成形機（図示せず）を用いて、素材管１４の中間部に押し込み（プレス）成形処理を施して複数の凹部を形成し、花弁状異形断面部を形成するようにしている。なお、この工法によれば、図３中の位置関係において、左側の絞り治具１２を矢印Ｐで示す方向に移動させて素材管１４の左端近傍部に押し込むことにより左側の円筒部１５及びテーパ部１６を形成し、右側の絞り治具１３を矢印Ｑで示す方向に移動させて素材管１４の右端近傍部に押し込むことにより右側の円筒部１５及びテーパ部１６を形成する。このような操作を数段階に分けて行うことにより、両円筒部１５を段階的に縮径し、その外径を絞るようにしている。

このような従来の異形伝熱管の製造手法において、スウェージング加工を用いる場合、円筒部の外径を小さくすることは比較的容易であり、したがって所望の形状の熱交換器用異形伝熱管を製造することは比較的容易である。しかしながら、スウェージング加工を行うための設備が高価であるので、コストの観点からその導入が困難であったり、あるいは異形伝熱管の製造コストが上昇したりするといった問題がある。

他方、例えば図３に示すようなプレスによる絞り加工手法を用いる場合、素材管１４の両端近傍部に形成する円筒部１５の外径を、素材管１４の最初の外径の７５％未満に加工すると、例えば図４に示すように、素材管１４が座屈し、凸状の座屈１７、１８又は凹状の座屈１９が生じるといった問題がある。これは、プレスによる絞り加工により、円筒部１５を大幅に小径化しようとすると、素材管１４の強度が加工荷重に耐えられなくなり、素材管１４の中で最も強度が低い部分が座屈するといった現象により惹起されるものと考察される。したがって、このようなプレスによる絞り加工手法を用いる場合、円筒部１５の小径化には加工限界があり、素材管１４の最初の外径の７５％未満に絞ることは事実上不可能である。

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであって、素材管に座屈を生じさせることなく、両端近傍部の円筒部が十分に小径化された熱交換器用異形伝熱管を安価に製造することを可能にする手段を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る、管長手方向（管軸方向）に関して、一方の端部側に位置する第１の円筒部と、他方の端部側に位置する第２の円筒部と、前記第１の円筒部と前記第２の円筒部との間に位置する花弁状異形断面部とを備えた熱交換器用異形伝熱管の製造方法は、順次に実施される、素材管準備工程と、第１の絞り加工工程と、異形断面部形成工程（凹部成形工程）と、第２の絞り加工工程とを有している。

ここで、素材管準備工程では、予め設定された管長及び外径を有する円筒形の素材管を準備する。第１の絞り加工工程では、素材管の両端近傍部に、それぞれプレスによる第１の絞り加工を施して、素材管の最初の外径より小さい第１の外径を有する円筒形の縮径部を形成する。異形断面部形成工程では、両縮径部間において素材管の外周面に金型を押し付けてプレス成形を施すことにより、それぞれ素材管の長手方向に伸びる複数の凹部と、それぞれ隣り合う凹部間に位置する複数の凸部とを有する花弁状異形断面部を形成する。第２の絞り加工工程では、花弁状異形断面部が形成された素材管に（両縮径部のみ、又は、両縮径部及びその近傍部）、プレスによる第２の絞り加工を施して、第１の外径より小さい第２の外径を有する円筒形の第１及び第２の円筒部を形成する。

本発明に係る熱交換器用異形伝熱管の製造方法において、素材管準備工程では、例えば素材管の最初の外径と同一の外径を有する一方素材管より長い管材を、前記管長を備えるように切断することにより素材管を準備するのが好ましい。第１の絞り加工工程では、第１の絞り加工を複数段階で施して、第１の外径を有する縮径部を形成するのが好ましい。

縮径部の第１の外径は素材管の最初の外径の７５％以上であるのが好ましい。第１及び第２の円筒部の第２の外径は、素材管の最初の外径の７５％未満であり、かつ素材管の最初の外径の５４％以上であるのが好ましい。第１の絞り加工及び第２の絞り加工は、それぞれ、絞り治具を素材管に圧入し、又は素材管を絞り治具に圧入することにより行うのが好ましい。

本発明に係る熱交換器用異形伝熱管の製造方法によれば、第２の絞り加工工程を実施する際には、両円筒部間に花弁状異形断面部が形成されている。そして、この花弁状異形断面部は、断面が花弁状であるので、この部分が円筒形である場合に比べて、管長手方向（管軸方向）の強度が大幅に高められている。このため、第２の絞り加工工程で、素材管に管長手方向の強い力を加えても、花弁状異形断面部はこのような加工の荷重に耐えることができ、素材管に座屈は生じない。また、第１及び第２の絞り加工工程では、プレスによる絞り加工を行うので、スウェージング装置のような高価な設備を必要としない。このため、素材管に座屈を生じさせることなく、両端近傍部の第１及び第２の円筒部が十分に小径化された熱交換器用異形伝熱管を安価に製造することができる。

（ａ）は２重管式熱交換器の側面断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す熱交換器を構成する異形伝熱管の側面断面図である。 従来の異形伝熱管の斜視図である。 素材管にプレスによる絞り加工を施す際の加工手法を示す図である。 図３に示す加工手法で製作された素材管（異形伝熱管中間体）の側面図である。 本発明に係る異形伝熱管の製造方法における定尺切断工程の終了後における素材管の側面図である。 本発明に係る異形伝熱管の製造方法における第１の絞り加工工程の第１段階終了後における素材管（伝熱管中間体）の側面図である。 本発明に係る異形伝熱管の製造方法における第１の絞り加工工程の第２段階終了後における素材管（伝熱管中間体）の側面図である。 本発明に係る異形伝熱管の製造方法における第１の絞り加工工程の第３段階終了後における素材管（伝熱管中間体）の側面図である。 本発明に係る異形伝熱管の製造方法における異形断面部形成工程（凹部成形工程）終了後における素材管（伝熱管中間体）の一部断面側面図である。 本発明に係る異形伝熱管の製造方法における第２の絞り加工工程の終了により完成した異形伝熱管の一部断面側面図である。

以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施形態を具体的に説明する。本発明に係る異形伝熱管の製造方法においては、下記の各工程が順に実施される。
（１）管材を所定の管長に切断して素材管を生成する定尺切断工程（素材管準備工程）
（２）素材管の両端部近傍に円筒形の縮径部を形成する第１の絞り加工工程
（３）両縮径部間に花弁状異形断面部を形成する異形断面部形成工程（凹部成形工程）
（４）素材管の両縮径部に第１及び第２の円筒部を形成する第２の絞り加工工程

以下、図５〜図１０を参照しつつ、本発明に係る異形伝熱管の製造方法の上記各工程における加工手法を説明する。
（定尺切断工程）
図５に示すように、定尺切断工程では、製作すべき素材管２０の外径φＡと同一の外径を有する一方、この素材管２０より管長が長い管材、例えばステンレススチール管、鉄管、アルミニウム管等を、切断具を用いて製作すべき素材管２０の所定の管長を備えるように切断する。

（第１の絞り加工工程）
図６に示すように、第１の絞り加工工程では、まず素材管２０の両端近傍部に、それぞれ、例えば絞り治具を用いて、プレスによる第１段目の絞り加工を施し、素材管２０の最初の外径φＡより小さい外径φｂを有する円筒形の２つの縮径部２１と、これらの縮径部２１と未成形部２３との間に位置する２つのテーパ部２２とを形成する。つまり、第１段目の絞り加工では、素材管２０の両端近傍部の外径は、φＡからφｂに縮小される。なお、各テーパ部２２の最大外径はφＡであり、最小外径はφｂである。

次に、図７に示すように、第１段目の絞り加工が施された素材管２０の両端近傍部に、それぞれ、例えば絞り治具を用いて、プレスによる第２段目の絞り加工を施し、縮径部２１とテーパ部２２とを縮径する。これにより、各縮径部２１の外径はφｂからφｂ’（φｂ＞φｂ’）に縮小される。また、各テーパ部２２の最小外径もφｂからφｂ’に縮小される。なお、各テーパ部２２の最大外径はφＡのままである。

さらに、図８に示すように、第２段目の絞り加工が施された素材管２０の両端近傍部に、それぞれ、例えば絞り治具を用いて、プレスによる第３段目の絞り加工を施し、縮径部２１とテーパ部２２とをさらに縮径する。これにより、各縮径部２１の外径はφｂ’から外径φｂ”（φｂ’＞φｂ”）に縮小される。また、各テーパ部２２の最小外径もφｂ’からφｂ”に縮小される。なお、各テーパ部２２の最大外径はφＡのままである。

このように、第１の絞り加工工程では、第１の絞り加工を複数段階で施して、素材管２０の両端近傍部を段階的に縮径し、外径がφｂ”である縮径部２１を形成するが、前記のとおり、プレスによる絞り加工手法を用いる場合、素材管２０の両端近傍部の外径を、素材管２０の最初の外径φＡの７５％未満に絞ると、素材管２０に座屈が生じる（図４参照）。そこで、第１の絞り加工工程では、縮径部２１の外径φｂ”は、素材管２０の最初の外径φＡの７５％以上の値に設定される。なお、第１の絞り加工工程の各段階での絞り加工に、例えば図３に示すような絞り治具を用いる場合は、絞り治具を素材管２０に圧入し、又は素材管２０を絞り治具に圧入することにより絞り加工が施される。

（異形断面部形成工程）
図９に示すように、異形断面部形成工程（凹部成形工程）では、花弁成形機（図示せず）を用いて、両縮径部２１間において素材管２０の外周面に金型を押し付け、管壁を径方向内側に押し込んでプレス成形を施すことにより、それぞれ素材管２０の長手方向（軸方向）に伸びる複数の凹部２５と、それぞれ隣り合う凹部２５間に位置する複数の凸部２６とを有する花弁状異形断面部２７を形成する。このとき、各縮径部２１の外径は変化せずφｂ”のままである。

（第２の絞り加工工程）
図１０に示すように、第２の絞り加工工程では、花弁状異形断面部２７が形成された素材管２０に（縮径部２１のみ、又は、縮径部２１及び縮径部近傍の径方向外側に膨出した部分）、プレスによる第２の絞り加工を施して、各縮径部２１の外径φｂ”より小さい外径φＤ（φｂ”＞φＤ）を有する円筒形の第１及び第２の円筒部２８、２９を形成する。これにより、花弁状異形断面部２７の外径は、第１及び第２の円筒部２８、２９の外径φＤと同一又はこれ未満となる。

これにより、管長手方向に関して、一方の端部側に位置する第１の円筒部２８と、他方の端部側に位置する第２の円筒部２９と、第１の円筒部２８と第２の円筒部２９との間に位置する花弁状異形断面部２７とを備えた熱交換器用異形伝熱管３０が完成する。ここで、第１及び第２の円筒部２８、２９の外径φＤは、素材管２０の最初の外径φＡの７５％未満となるように設定される。本願発明者の実験によれば、このような加工手法で熱交換器用異形伝熱管３０を製造した場合、第１及び第２の円筒部２８、２９の外径φＤを素材管２０の最初の外径φＡの５４％まで低減することができることが判明している。なお、第２の絞り加工工程での絞り加工に、絞り治具を用いる場合は、絞り治具を素材管２０に圧入し、又は素材管２０を絞り治具に圧入することにより絞り加工が施される。

このように第２の絞り加工工程において、第２の絞り加工を実施する際には、両縮径部２１間ないしは両円筒部２８、２９間に花弁状異形断面部２７が形成されている。ここで、花弁状異形断面部２７は、その断面が花弁状であるので、この部分が円筒形である場合に比べて、管長手方向（管軸方向）の強度が大幅に高められている。このため、第２の絞り加工工程で、素材管２０に管長手方向の強い力を加えても、花弁状異形断面部２７はこのような加工の荷重に耐えることができ、素材管２０に座屈は生じない。

前記のとおり、第１及び第２の絞り加工工程では、プレスによる絞り加工で行うので、スウェージング装置のような高価な設備を必要としない。このため、素材管２０に座屈を生じさせることなく、第１及び第２の円筒部２８、２９が十分に小径化された熱交換器用異形伝熱管３０を安価に製造することができる。よって、素材管２０に座屈を生じさせることなく、素材管２０の両端近傍部の円筒部２８、２９が十分に小径化された熱交換器用異形伝熱管３０を安価に製造することができる。

以上のように、本発明に係る熱交換器用異形伝熱管の製造方法は、素材管に座屈を生じさせることなく両端近傍部の円筒部が十分に小径化された熱交換器用異形伝熱管を安価に製造する手段として有用であり、例えば自動車用エンジンのＥＧＲガス冷却器用の伝熱管などに用いるのに適している。

１ 伝熱管、２ シェル、３ フランジ、４ フランジ、５ 接続パイプ、６ 接続パイプ、７ 円筒部、８ 不完全花弁状断面部、９ 花弁状異形断面部、１０ 凹部、１１ 凸部、１２ 絞り治具、１３ 絞り治具、１４ 素材管、１５ 円筒部、１６ テーパ部、１７ 凸状の座屈、１８ 凸状の座屈、１９ 凹状の座屈、２０ 素材管、２１縮径部、２２ テーパ部、２３ 未成形部、２５ 凹部、２６ 凸部、２７ 花弁状異形断面部、２８ 第１の円筒部、２９ 第２の円筒部、３０ 熱交換器用異形伝熱管、３１ キャップ、３２ キャップ。

Claims (6)

1. 管長手方向に関して、一方の端部側に位置する第１の円筒部と、他方の端部側に位置する第２の円筒部と、前記第１の円筒部と前記第２の円筒部との間に位置する花弁状異形断面部とを備えた熱交換器用異形伝熱管の製造方法であって、
   予め設定された管長及び外径を有する円筒形の素材管を準備する素材管準備工程と、
   前記素材管の両端近傍部に、それぞれプレスによる第１の絞り加工を施して、前記素材管の最初の外径より小さい第１の外径を有する円筒形の縮径部を形成する第１の絞り加工工程と、
   前記両縮径部間において前記素材管の外周面に金型を押し付けてプレス成形を施すことにより、それぞれ前記素材管の長手方向に伸びる複数の凹部と、それぞれ隣り合う凹部間に位置する複数の凸部とを有する花弁状異形断面部を形成する異形断面部形成工程と、
   前記花弁状異形断面部が形成された前記素材管に、プレスによる第２の絞り加工を施して、前記第１の外径より小さい第２の外径を有する円筒形の第１及び第２の円筒部を形成する第２の絞り加工工程とを有することを特徴とする熱交換器用異形伝熱管の製造方法。
2. 前記素材管準備工程では、前記素材管の最初の外径と同一の外径を有する一方前記素材管より長い管材を前記管長を備えるように切断することにより前記素材管を準備することを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器用異形伝熱管の製造方法。
3. 前記第１の絞り加工工程では、前記第１の絞り加工を複数段階で施して、前記第１の外径を有する前記縮径部を形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱交換器用異形伝熱管の製造方法。
4. 前記縮径部の前記第１の外径は前記素材管の最初の外径の７５％以上であり、前記第１及び第２の円筒部の前記第２の外径は前記素材管の最初の外径の７５％未満であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の熱交換器用異形伝熱管の製造方法。
5. 前記第１及び第２の円筒部の前記第２の外径は前記素材管の最初の外径の５４％以上であることを特徴とする、請求項４に記載の熱交換器用異形伝熱管の製造方法。
6. 前記第１の絞り加工及び前記第２の絞り加工を、それぞれ、絞り治具を前記素材管に圧入することにより、又は前記素材管を絞り治具に圧入することにより行うことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の熱交換器用異形伝熱管の製造方法。

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