JP2020070453A - 多管式熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】未溶融粉末による仕上げ加工への悪影響を抑制する。【解決手段】複数の配管を有する棒状造形物１を備えた多管式熱交換器の製造方法を提供する。棒状造形物１は、棒状造形物１の一端に棒状造形物の本体部１０よりも小さい外形の第一の中実部１２を有する。また、棒状造形物１は、棒状造形物１の他端に第一の中実部１２よりも大きい外形であり、かつ、第一の中実部１２と棒状造形物１の長手方向においてオーバーラップしない領域に第二の中実部１１とを有する。この棒状造形物１を３次元積層造形方法により造形する。造形後、棒状造形物１の内部から未溶融粉末を除去する。第一の中実部１２及び第二の中実部１１を把持して棒状造形物の外形を仕上げ加工する。【選択図】図９

Description

本発明は、多管式熱交換器の製造方法に関し、より詳細には、３次元積層造形方法を用いた多管式熱交換器の製造方法に関する。

熱交換効率を増大させるために、高温ガスが通過する複数本の内管（伝熱管）と、冷却水が通過する外管（胴体）とを備えた多管式熱交換器が幅広く使用されている。例えば、特許文献１には、複数本の内管と外管とを備えた伝熱管群を、伝熱管群の一端にある導入側保持板の保持部位で、高温ガスの導入口と対面するように曲げ束ねた多管式熱交換器が開示されている。

特許文献１に記載の多管式熱交換器の製造においては、伝熱管の本体となる扁平管に、伝熱フィンとなる金属製の波板を挿入して、伝熱管を形成する。その後、複数の伝熱管を束ねた伝熱管群の両端を、導入側保持板の伝熱管保持孔及び排出側保持板の伝熱管保持孔にそれぞれ挿入・接合して製造される。

特開２００２−１８１４６７号公報

ところで、近年、レーザや電子ビームを溶融光源として用い、樹脂や金属を原料とした３次元積層造形方法が注目されている。３次元積層造形方法を用いて多管式熱交換器を製造することで、特許文献１に記載するような複数の配管を束ねる工程を経ずに容易に多管式熱交換器を一体成型することができる。しかし、３次元積層造形方法では、造形物の表面が荒くなりやすく、シール性が必要な部位や圧入する部位では、最終的に切削加工などによる仕上げ加工が必要である。

仕上げ加工を精度良く行うためには、芯出しをした状態で仕上げ加工をする必要がある。また、複数の配管を有する造形物は、各配管は薄肉であるため、造形物の両端を把持して加工するには、強度が不足している。そのために、３次元積層造形方法による複数の配管を有する造形物には、仕上げ加工用又は芯出し用の中実部を設けておく方法がある。これにより、中実部を把持して芯出しして、仕上げ加工を行うことができる。しかし、例えば、中実部を造形物の両端の全面に設けてしまうと、３次元積層造形時における残存した配管内部の未溶融粉末を除去するためには、仕上げ加工後に中実部を切り離してから未溶融粉末を除去する必要がある。

しかしながら、未溶融粉末が配管などの造形物の内部に残存したまま仕上げ加工を行うと、未溶融粉末が内部から噴出して、仕上げ加工機に入り込むなど、仕上げ加工に悪影響を及ぼす恐れがあった。したがって、仕上げ加工に未溶融粉末による悪影響を抑制しつつ高精度に多管式熱交換器を製造することが困難であった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、３次元積層造形方法により生じた未溶融粉末による仕上げ加工への悪影響を抑制した、多管式熱交換器の製造方法を提供するものである。

本発明に係る、複数の配管を有する棒状造形物を備えた多管式熱交換器の製造方法は、
棒状造形物の一端に前記棒状造形物の本体部よりも小さい外形の第一の中実部と、前記棒状造形物の他端に前記第一の中実部よりも大きい外形であり、かつ、前記第一の中実部と前記棒状造形物の長手方向においてオーバーラップしない領域に第二の中実部とを有する棒状造形物を、３次元積層造形方法により造形する造形物造形工程と、
前記棒状造形物の内部から未溶融粉末を除去する未溶融粉末除去工程と、
前記第一の中実部及び前記第二の中実部を把持して前記棒状造形物の外形を仕上げ加工する仕上げ加工工程と、
を含むものである。

このように、３次元積層造形方法により造形後、仕上げ加工前に、未溶融粉末を除去することができるので、未溶融粉末による仕上げ加工への悪影響を抑制することができる。

本発明によれば、３次元積層造形方法により生じた未溶融粉末による仕上げ加工への悪影響を抑制した、多管式熱交換器の製造方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る棒状造形物の一端側から見た斜視図である。 第１の実施形態に係る棒状造形物の一端側から見た拡大断面斜視図である。 第１の実施形態に係る棒状造形物の他端側から見た斜視図である。 第１の実施形態に係る棒状造形物の他端側から見た拡大断面斜視図である。 第１の実施形態に係る環状中実部と円形中実部の大きさと位置関係を説明する図である。 第２の実施形態に係る環状中実部と円形中実部の大きさと位置関係を説明する図である。 第３の実施形態に係る中実部と矩形中実部の大きさと位置関係を説明する図である。 第３の実施形態に係る中実部と楕円形中実部の大きさと位置関係を説明する図である。 棒状造形物の製造方法を説明する図である。 棒状造形物の製造方法を説明する図である。 ホース結合部位に外径加工を行う例を説明する図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載および図面は、適宜、簡略化されている。

［第１の実施形態］
まず、図１〜図５を参照して、第１の実施形態に係る棒状造形物１の全体的な構成について説明する。図１は、棒状造形物１の一端側から見た斜視図である。図２は、棒状造形物１の一端から見た拡大斜視図である。図３は棒状造形物１の他端側から見た斜視図である。図４は、棒状造形物１の他端側から見た拡大斜視図である。図５は、環状中実部１１と円形中実部１２の大きさと位置関係を説明する図である。

本発明に係る棒状造形物１は、多管式熱交換器を構成する部材であり、後述するように３次元積層造形方法により製造される。棒状造形物１の長さは、例えば、熱交換器の製品の長さと、中実部の長さ（約５〜１０ｍｍ）、サポート部の長さ（０〜１０ｍｍ）の合計である。図１に示すように、棒状造形物１の本体部１０は、流体（高温ガス又は冷却水）が通過するための複数の棒状配管１０ａを有している。また、配管内部には、伝熱効率を向上させるために、複数のフィン（例えば、波状フィン、台形断面フィン）が形成されていてもよい。なお、多管式熱交換器は、例えば、流通する作動流体と図示しない内燃機関の排気との間で熱交換を行うことができる。そしてこれにより、排気から回収した熱エネルギーで作動流体を加熱することができる。

棒状造形物１の本体部の配管は、アルミニウム等の熱伝導率の高い高熱伝導材料からなる金属製の伝熱管である。各配管の肉厚は、１．０ｍｍ以下（例えば、０．４ｍｍ）である。また、フィンの肉厚は、例えば、０．３ｍｍとしてもよい。このように各配管は薄肉であり、強度が不足している。そのため、本実施形態に係る棒状造形物１の両端には、中実部を設けている。具体的には、図１及び図２に示すように、後工程の仕上げ加工において、棒状造形物１を芯出しし、外径加工するために、棒状造形物１のＡ側端部において棒状造形物１を把持するための環状中実部１１を設けている。なお、これらの中実部は、棒状造形物１の本体部と同様に、アルミニウムで形成してもよいが、強度を向上させるために、チタンや鉄などで形成してもよい。

同様に、図３及び図４に示すように、棒状造形物１のＢ側端部においては、後工程の仕上げ加工において、棒状造形物１を芯出しし、外径加工するために、棒状造形物１を把持するための円形中実部１２が設けられている。

なお、軸Ｏ−Ｏは、後工程で棒状造形物１の外径仕上げ加工を行う際の回転軸である。また、Ａ線は、棒状造形物１の一方の端部において、中心軸Ｏを通る垂線である。一方、Ｂ線は、棒状造形物１の他方の端部において、中心軸Ｏを通る垂線である。図２は、Ａ−Ｂ面での断面図のＡ側端部の拡大斜視図である。一方、図４は、Ａ−Ｂ面での断面図のＢ側端部の拡大斜視図である。

図５を参照して、環状中実部１１と円形中実部１２の大きさと位置関係を説明する。
図５に示すように、軸Ｏ−Ｏ方向（長手方向）において、環状中実部１１の内周穴に対応した位置に、当該内周穴の実質的に同形である円形中実部１２が設けられている。すなわち、円形中実部１２は、棒状造形物１の長手方向において環状中実部１１とオーバーラップしない領域に設けられている。これは、３次元積層造形方法により棒状造形物１を造形した際に残留する未溶融粉末を、図２及び図４に示すように、互い違いの方向に除去するためである。

すなわち、棒状造形物１の長手方向において環状中実部１１に対応する位置に形成された本体部１０の配管１０ａ内部に残留する未溶融粉末は、図４に示すように、Ｂ側端部において、本体部１０の複数の配管（外周穴）１０ａから除去することができる。一方、棒状造形物１の長手方向において円形中実部１２に対応する位置に形成された本体部１０の配管１０ａ内部に残留する未溶融粉末は、図２に示すように、棒状造形物を傾けて、Ａ側端部において、本体部１０の複数の配管１０ａ（内周穴１１ａ）から除去することができる。

以上のように、第１の実施形態に係る棒状造形物によれば、棒状造形物の両端に中実部を設けながら、棒状造形物を傾けたり、振ったりすることで、３次元積層造形方法により生じる未溶融粉末を棒状造形物内部から容易に除去することができる。

［第２の実施形態］
上記第１の実施形態の棒状造形物１は、両端の中実部の強度の観点から、中実部のサイズをできる限り大きくするため、図５に示すように環状中実部１１の内周穴１１ａと実質的に同形の円形中実部１２を設けたが、これに限定されない。例えば、図６に示すように、環状中実部１１の内周穴１１ａより小さい円形中実部１２を設けてもよい。この場合も、円形中実部１２は、棒状造形物１の長手方向において環状中実部１１とオーバーラップしない領域に設けられていることになる。すなわち、棒状造形物１の長手方向において内周穴１１ａと円形中実部１２との間に対応する位置に形成された本体部１０の配管１０ａ内部に残留する未溶融粉末は、棒状造形物１の長手方向におけるいずれの両端からも除去することができる。

以上のように、第２の実施形態に係る棒状造形物によれば、棒状造形物の両端に中実部を設けながら、棒状造形物を傾けたり、振ったりすることで、３次元積層造形方法により生じる未溶融粉末を棒状造形物の内部から容易に除去することができる。

［第３の実施形態］
第１及び第２の実施形態に係る棒状造形物は、３次元積層造形方法により形成後、最終的に芯出しした状態で、軸Ｏ−Ｏを回転軸として円筒状造形物を回転させながら、外径加工を施すことを想定している。しかし、本発明の趣旨はこれに限定されず、例えば、棒状造形物の両端の中実部を把持しながら、回転させずに、外形加工するようにしてもよい。例えば、図７に示すように、両端に設ける中実部として、矩形中実部１２と矩形中実部１２に対応する穴１１ａを有する矩形中実部１１の組み合わせからなる直方体状の棒状造形物も考えられる。なお、この場合も、棒状造形物の両端で軸Ｏ−Ｏで芯出しておくことで精度良く仕上げ加工を行うことが可能となる。

［第４の実施形態］
第３の実施形態と同様に、棒状造形物を回転させずに、外形加工する例としては、図８に示すように、楕円形穴１１ａを有する楕円形中実部１１と円形中実部１２の組み合わせからなる棒状造形物も考えられる。

なお、上記の実施形態に係る棒状造形物の両端に設けられた中実部の形状は例示的なものであり、これら以外の様々な形状、例えば、円形、楕円形、矩形、三角形、六角形など、又はこれらの組み合わせであってもよい。

続いて、図９及び図１０を参照して、本発明に係る棒状造形物１を備えた多管式熱交換器の製造方法を説明する。本例では、第１の実施形態（図１〜図５）の棒状造形物１を用いて説明する。

３次元積層造形技術では、３Ｄプリンタ等の立体印刷機を用いて、一層ごと積層し溶融結合を繰り返すことで、３次元造形物を形成することができる。具体的には、定盤上に粉末を敷き詰め、粉末層を形成する工程と、この粉末層の所定領域に光ビ−ムを照射し、焼結または溶融固化させることにより硬化層を形成する工程とを繰り返す。このような造形物造形工程を経て、多数の硬化層を積層一体化して三次元形状の造形物を製造することができる。

例えば、本発明に係る棒状造形物１を、図１のＡ端部からＢ端部に向かって、積層造形することができる。すなわち、環状中実部１１、複数の配管１０ａを有する本体部１０、及び円形中実部１２が順に形成される。なお、造形する順番は、円形中実部１２、本体部１０、及び環状中実部１１の順に形成してもよい。棒状造形物１は、すべてアルミニウムなどの同一の金属で造形してもよいし、強度を向上させるために、中実部１１、１２のみをチタン、鉄などの強度の高い別の金属で造形してもよい。

図９には、造形直後の複数の棒状造形物１を示されている。棒状造形物１は、サポート材などで支持され、ベースプレート２に直立した状態となっている。造形直後の棒状造形物１は、表面が荒れており、後述するように、シール性が必要な部位や圧入する部位では、あるいは、熱交換器として用いる場合は、伝熱効率を向上させるために切削加工仕上げが必要である。

その後、ベースプレート２から棒状造形物１を切り離し、前述したように、互い違いの方向から、未溶融粉末を棒状造形物１の内部から取り除く。その後、棒状造形物１を、互いに離して配置した２つのブロック３の切り欠き３ａ上に固定し、環状中実部１１を有する端部のセンター穴と、円形中実部１２を有する端部のセンター穴を加工する。このとき、図１０に示すように、環状中実部１１を有する端部のセンター穴の直径は、円形中実部１２を有する端部のセンター穴の直径より大きく形成する。これらのセンター穴にそれぞれ対応するセンター押さえ治具４ａ、４ｂを挿入し、治具４ａ、４ｂを介して中実部１１，１２を把持して、棒状造形物１を回転させながら、棒状造形物１の外径を切削加工する。また、中実部１１、１２を直接把持してもよいし、上記のように治具等を介して間接的に把持してもよい。仕上げ加工後に、両端の中実部１１，１２を切断し、多管式熱交換器の構成部品である棒状造形物が完成する。

以上のように、多管式熱交換器の製造方法によれば、複数の薄肉の配管からなる造形物の両端を、中実部を介して把持することができ、芯出しした状態で仕上げ加工を精度良く実施することができる。また、本実施形態によれば、仕上げ加工前に未溶融粉末を除去する（未溶融粉末除去工程）ことができるので、未溶融粉末による仕上げ加工（加工工程）への悪影響を抑制することができる。

なお、以上の製造方法では、棒状造形物を全面加工し、パイプ等に圧入する例を示したが、これに限定されず、例えば、棒状造形物を部分的に全周加工してホース結合してもよい（図１１）。

なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。なお、上記の製造方法では、外形加工は、棒状造形物を回転させながら、外径加工を行ったが、これに限定されず、回転せずに行ってもよい。外形加工は、例えば、研削、切削によって行うことができる。また、研削、切削加工の後に、端縁を研磨してもよい。

上述したように、棒状造形物１を製造した後、造形物内部には、溶融結合しないで残留している残留粉末が存在する。この残留粉末は、棒状造形物を傾けたり、振ったりすることで、除去することができるが、これに限定されない。例えば、配管１０ａから経路内の空気を吸引することで、未溶融粉末を除去してもよい。また、配管１０ａに圧縮エア、高温エア、ドライエア、不活性ガスなどの気体、水、油、洗浄剤、液体研磨剤などの液体、パイプ用のワイヤーブラシなどの器具を注入及び挿入して、未溶融粉末を除去してもよい。

１ 棒状造形物
２ ベースプレート
３ ブロック
４ａ、４ｂ 治具
１０ 本体部
１０ａ 配管
１１ 中実部
１１ａ 穴
１２ 中実部
Ｏ 軸

Claims (1)

1. 複数の配管を有する棒状造形物を備えた多管式熱交換器の製造方法であって、
   前記棒状造形物の一端に前記棒状造形物の本体部よりも小さい外形の第一の中実部と、前記棒状造形物の他端に前記第一の中実部よりも大きい外形であり、かつ、前記第一の中実部と前記棒状造形物の長手方向においてオーバーラップしない領域に第二の中実部とを有する棒状造形物を、３次元積層造形方法により造形する造形物造形工程と、
   前記棒状造形物の内部から未溶融粉末を除去する未溶融粉末除去工程と、
   前記第一の中実部及び前記第二の中実部を把持して前記棒状造形物の外形を仕上げ加工する仕上げ加工工程と、
   を含む、多管式熱交換器の製造方法。

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