JP4517604B2 - 外面螺旋フィン付きステンレス管の製造方法および外面螺旋フィン付きステンレス管 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換用の伝熱管として使用される外面螺旋フィン付きステンレス管の製造方法およびその製造方法により製造した外面螺旋フィン付きステンレス管、より詳しくは加工ロールのディスク寿命に優れ、製造中にスリップが起こらず、フィンの形状が良好で、真円性の高い製品を高能率に製造することができる外面螺旋フィン付きステンレス管の製造方法およびその製造方法により製造した外面螺旋フィン付きステンレス管に関する。

熱交換器用の伝熱管などとして用いられる外面螺旋フィン付きステンレス管は、下流側のものほど直径が大きい複数枚のディスクを軸長方向に配置した３個の加工ロールを被加工管の軸心回りに傾斜配設して被加工管の外面に１〜３条の螺旋状のフィンを成形する転造加工により製造される。

このような転造加工については、従来から多くの提案がなされている。

特許文献１には、被加工管と加工ロールのディスクとの間に所定温度の潤滑油を供給してディスク寿命を向上させるようにした方法が提案されている。

特許文献２には、フィン成形後のフィンを含めた管外径と管内径に応じて、これらと一定の関係を満たす内径を有する管を被加工管とすることでフィンの高さが５ｍｍ以上という極めて高いフィンの成形を可能とした方法が提案されている。

特許文献３には、３個の加工ロールのうちの２個の加工ロールに押し潰し用のディスクを設けることによって３条のフィンのうちの２条のフィン高さを低くする方法が記載されている。

しかしながら、転造加工は他の冷間加工に比較して低能率であり、かつ難加工材であるステンレスを加工する場合には、被加工管と工具間のスリップによるトラブルが発生していた。被加工管と工具間のスリップが発生すると、フィンの形状が乱れ、所定の加工ができなくなるため、良品率の低下および操業能率の低下を招き、大きな問題となる。

ところで、最近は、特許文献３にも記載されているように、３条フィンの成形が主流となりつつある。その理由はフィンの密度が３条フィンの場合が最も高く、伝熱効率をより高められるからである。

しかし、３条フィンの成形は加工ロールのディスクにかかる負荷が大きく、加工自体が著しく困難になるだけでなく、ディスクの寿命も短くなる。例えば、ピッチが同じフィンの外面螺旋フィン付きステンレス管を製造する場合、滑りがなく理想的な製造が行えるとすれば、被加工管の加工速度（管軸方向への進行速度）ｖ（ｍｍ／ｍｉｎ）は下記(4)式で与えられる。

ω＝（Ｄ／ｄ）・Ω ・・・・・・・・・・・・・・ (3)
ｖ＝ｋ・ｐ・ω＝ｋ・ｐ・（Ｄ／ｄ）・Ω ・・・・・ (4)
ここで、ωは被加工管の回転数（ｒｐｍ）、Ωはディスクの回転数（ｒｐｍ）、Ｄはディスクの外径（ｍｍ）、ｄは被加工管の外径（ｍｍ）、ｋはフィンの条数（１乃至３）、ｐはフィンのピッチ（ｍｍ）である。

(4)式から、管軸方向への進行速度は、フィンの条数に依存することがわかる。よって、同じ被加工管およびディスクを用いる場合、フィンの条数が大きいほど、被加工管の加工速度は速くなる。

一方、加工速度が速くなると、ディスクにかかる加工負荷が大きくなるため、工具寿命が低下し、高能率に製造することができなくなる。また、被加工管とディスクの間でスリップが起きやすくなり、外面螺旋フィン付きステンレス管の真円度およびフィンの形状に乱れが生じる。これらの影響は、３条フィンを有する外面螺旋フィン付きステンレス管に特に顕著である。

特開平３−２１１３９５号公報 特開平９−９４６２３号公報 特開２０００−２８３６７８号公報

本発明は、上記の実状に鑑みてなされたもので、加工ロールのディスク寿命に優れ、製造中にスリップが起こらず、真円度が高くフィンの形状が良好な外面螺旋フィン付きステンレス管を高能率に製造することができる外面螺旋フィン付きステンレス管の製造方法およびその製造方法により製造した外面螺旋フィン付きステンレス管の提供を目的とする。

本発明者らは、３条フィンを有する外面螺旋フィン付きステンレス管を製造するにあたり、まず、被加工管とディスクの間で起こるスリップを抑制することについて検討した。スリップは被加工管とディスクとの間の摩擦によるところが大きいと考え、両者間の摩擦抵抗を低減するために用いる潤滑油を種々変更し、外面螺旋フィン付きステンレス管を製造した。しかし、潤滑油の種類に対し、スリップはさほど大きく変わらなかった。

そこで、加工ロールを３００ｒｐｍで回転させ、外径１９．０５ｍｍ、肉厚１．９０ｍｍ、材質ＳＵＳ４１０Ｔｉからなる被加工管から外面螺旋フィン付きステンレス管を様々な条件で製造し、製造した際のスリップの有無と加工中の被加工管の形状との相関性について調査した。
図１は、外面螺旋フィン付きステンレス管の製造を被加工管の軸方向から見たところを模式的に示した図である。被加工管１は３方向からのディスク２０から圧力を受け、被加工管のディスクとディスクの間に位置する部位には噛出３が発生する。ここで、この噛出に着目したところ、噛出の大きさを示す噛出率がスリップの有無に依存することが判明した。なお、図中の符号４はプラグである。

ここで、噛出率とは、加工途中でディスクの回転を止め、圧下を解除して、加工中の外面螺旋フィン付きステンレス管を取り出した際の特定断面での最大外径と最小外径の差を平均外径で割った値をいう。なお、特定断面とは最大外径のディスクが接触している断面をいう。
表１は、噛出率とスリップの有無について示した表である。表１から明らかなように、噛出率が４％以下の場合には、スリップが発生しないという知見を得た。

一方、加工中、加工ロールのディスクが外面から被加工管に食い込む体積が大きくなれば、ディスクにより押出されるステンレスの体積も量が多くなる。押出されたステンレスは被加工管の外面方向へ移動し、この結果、被加工管は真円性を保てず、噛出率が増大する。言い換えれば、噛出率を小さくし、スリップをなくするには、ディスクが外面から被加工管に食い込む体積（食い込み量）を小さくすればよい。

そのためには、被加工管へのディスクの圧下量を減少させるか、ディスクの先端形状を細くするかのいずれか一方、または両方を行うことが考えられる。前者の場合、フィンの高さを低くせざるを得ず、外面の面積が低下することから、外面螺旋フィン付きステンレス管の熱交換効率が減少する。一方、後者の場合、ディスクの強度不足によるディスク寿命の低下を招く。よって、製造の際の食い込み量を制御するためには、両者をバランスよく制御することが必要である。

図２は、製造後の外面螺旋フィン付きステンレス管の縦断面の一部を模式的に示した図である。図２において、（ｂ）図のＨはフィン高さ、Ｗはフィン幅である。また、（ａ）図のＳｆはフィンの断面積、Ｓｐはフィン直下にある管部の断面積であり、これらの断面積を外面螺旋フィン付きステンレス管の任意の長さで積分して得られる体積が、フィンの体積Ｖｆおよびフィン直下にある管部の体積Ｖｐとなる。

まず、Ｖｆ／Ｖｐは体積の比であり、フィンの形状、ひいてはディスクの先端形状を反映したものではない。同一のディスクを使用した場合、圧下量を増加させると、フィンの高さが高くなる一方、フィンの幅は変化しない。このため、圧下量が大きいほど、フィンの高さと幅の比Ｈ／Ｗは大きな値となる。

また、圧下量が同一の場合、ディスクの先端形状が細いほど、フィンの高さは変わらないが、一方でフィンの幅は大きくなるため、Ｈ／Ｗは小さな値となる。

以上より、Ｈ／Ｗはディスク圧下量とディスクの先端形状に依存する。
一方、Ｈ／Ｗを用いて評価するだけでは、フィン直下にある管部の肉厚の違いによる影響を評価できない。

そこで、フィンの体積およびフィン直下にある管部の体積に着目した。同一のディスクを使用した場合、圧下量を増加させると、フィン部の体積は増加する一方、フィン直下にある管部の体積は小さくなる。このため、圧下量が大きいほど、任意の長さにおけるフィンの体積とフィン直下にある管部の体積との比Ｖｆ／Ｖｐは大きな値となる。

また、圧下量が同一の場合、ディスクの先端形状が細いほど、フィン部の体積は増加する。この際、フィン直下にある管部の体積は、ディスクの先端形状には大きく依存しない。このため、ディスクの先端形状が細いほど、Ｖｆ／Ｖｐは大きな値となる。

以上より、Ｖｆ／Ｖｐもディスク圧下量とディスクの先端形状に依存する。

よって、本発明は、Ｈ／ＷおよびＶｆ／Ｖｐに着目することにより、完成に至った。

本発明は、下記（１）および（２）に示す外面螺旋フィン付きステンレス管の製造方法、ならびに（３）および（４）に示す外面螺旋フィン付きステンレス管を要旨とする。

（１）軸長方向に複数枚のディスクが配置された複数個の加工ロールを被加工管の軸心回りに傾斜配設して被加工管の外面に螺旋状のフィンを成形する外面螺旋フィン付きステンレス管の製造方法であって、フィン高さＨおよびフィン幅Ｗ、ならびに任意の長さにおけるフィンの体積Ｖｆおよびフィン直下にある管部の体積Ｖｐが下記の(1)式と(2)式を満足するように製造する外面螺旋フィン付きステンレス管の製造方法。
０．４≦Ｖｆ／Ｖｐ≦０．７５ ・・・・・ (1)
２．４≦Ｈ／Ｗ≦３．５ ・・・・・・・ (2)

（２）外面螺旋フィン付きステンレス管のフィンが３条フィンであることを特徴とする上記（１）に記載の外面螺旋フィン付きステンレス管の製造方法。

（３）軸長方向に複数枚のディスクが配置された複数個の加工ロールを被加工管の軸心回りに傾斜配設して被加工管の外面に螺旋状のフィンを成形する方法によって製造された外面螺旋フィン付きステンレス管であって、フィン高さＨおよびフィン幅Ｗ、ならびに任意の長さにおけるフィンの体積Ｖｆおよびフィン直下にある管部の体積Ｖｐが下記の(1)式と(2)式を満足する外面螺旋フィン付きステンレス管。
０．４≦Ｖｆ／Ｖｐ≦０．７５ ・・・・・ (1)
２．４≦Ｈ／Ｗ≦３．５ ・・・・・・・ (2)

（４）外面螺旋フィン付きステンレス管のフィンが３条フィンであることを特徴とする上記（３）に記載の外面螺旋フィン付きステンレス管。

本発明の方法によれば、過大な負荷のかかる３条フィン成形時においてもディスク寿命が長くなるので、製造コスト低減が可能である。また、製造中にスリップも起こらず、真円度が高く、形状の良好なフィンを有する外面螺旋フィン付きステンレス管を得ることができる。

本発明の外面螺旋フィン付きステンレス管の製造方法は、軸長方向に複数枚のディスクが配置された複数個の加工ロールを被加工管の軸心回りに傾斜配設して被加工管の外面に螺旋状のフィンを成形することを前提とする。

図３は被加工管にフィンを成形する加工ロールにより外面螺旋フィン付きステンレス管が製造されるところを模式的に示した図であり、図４は外面螺旋フィン付きステンレス管を製造している時の加工断面を模式的に示した図である。

図３に示すように、被加工管１に対し、複数個の加工ロール２が配置される。この加工ロールには、軸長方向に複数枚のディスク２０（図４、参照）が配置されており、被加工管の軸心回りに傾斜配設される。このように傾斜配設されることにより、図４に示すように、ディスクが被加工管の外面に溝を徐々に成形し、最終的に螺旋状のフィン１０が成形され、外面螺旋フィン付きステンレス管５（図３、参照）となる。

図５は、１条から３条のフィンを有する外面螺旋フィン付きステンレス管の展開図 (上段)およびその外面螺旋フィン付きステンレス管を製造するための加工ロールのディスク配列（下段）を模式的に示した図である。

フィンの条数は、ディスクのピッチに合せて加工ロールの位置を調節することにより変えることができる。例えば、図３に示したような３つの加工ロールを有する加工装置でフィンを成形した場合、１〜３条のフィンを有する外面螺旋フィン付きステンレス管を製造することができるが、１〜３条のフィンを有する外面螺旋フィン付きステンレス管を製造するには、図５の下段のようなディスク配列になるように、加工ロールを被加工管の軸長方向にずらして配置すればよい。
しかし、条数が増えるほど、被加工管およびディスクにかかる応力が大きくなるため、条数が多い外面螺旋フィン付きステンレス管ほど製造しにくい。

なお、下記にも示すように、本発明は、製造が困難な３条フィンを有する外面螺旋フィン付きステンレス管を考慮して完成したものであるが、３条よりも少ない条数を有する外面螺旋フィン付きステンレス管であっても、本発明は適用可能である。

本発明の外面螺旋フィン付きステンレス管の製造方法では、フィン高さＨおよびフィン幅Ｗ、ならびに任意の長さにおけるフィンの体積Ｖｆおよびフィン直下にある管部の体積Ｖｐが下記の(1)式と(2)式を満足するように製造する。

０．４≦Ｖｆ／Ｖｐ≦０．７５ ・・・・・ (1)
２．４≦Ｈ／Ｗ≦３．５ ・・・・・・・ (2)
様々な形状のディスクを有する加工ロールを用い、外面螺旋フィン付きステンレス管でも特に製造が難しいとされる３条フィンを有する外面螺旋フィン付きステンレス管を製造した。このとき、加工ロールを３００ｒｐｍで回転させ、外径１９．０５ｍｍ、肉厚１．９０ｍｍ、材質ＳＵＳ４１０Ｔｉからなるステンレス管から外面螺旋フィン付きステンレス管を製造した。

表２に、加工ロールのディスク形状を示す。なお、表２における各パラメータの意味は、図６に示すとおりである。また、前述のように、加工ロールには複数枚のディスクが配置されるため、表２におけるＤとＴに関しては、その最小値（上流側）と最大値（下流側）を示した。

表３に、表２に示したディスク形状を有する加工ロールで製造した外面螺旋フィン付きステンレス管のフィン体積Ｖｆとフィン直下にある管部の体積Ｖｐとの比Ｖｆ／Ｖｐならびにフィン高さＨとフィン幅Ｗとの比Ｈ／Ｗを示す。形状の異なるディスクを有する加工ロールを用いた場合には、それぞれその形状が反映され、異なるＶｆ／ＶｐおよびＨ／Ｗを有する外面螺旋フィン付きステンレス管が成形される。

表４に、表２に示したディスク形状を有する加工ロールで外面螺旋フィン付きステンレス管を製造した際の噛出率、スリップの有無およびディスクの寿命を示す。先にも述べたように表４から噛出率が４％を超えるとスリップが発生することがわかる。ここで、ディスク寿命とは、ディスクを未使用の状態から外面螺旋フィン付きステンレス管を製造し、破損するまでに外面螺旋フィン付きステンレス管を製造した延べ長さをいう。

まず、スリップの起こらない噛出率４％以下のＶｆ／ＶｐおよびＨ／Ｗについてまとめた。

図７はＶｆ／Ｖｐに対する噛出率の依存性を示した図であり、図８はＨ／Ｗに対する噛出率の依存性を示した図である。

図７および図８より、噛出率を４％以内に抑え、製造中にスリップを起こさせないようにするためには、Ｖｆ／Ｖｐを０．４以上に、またＨ／Ｗを３．５以下にしなければならない。好ましくは、Ｖｆ／Ｖｐを０．４４以上に、またＨ／Ｗを３．２以下にすることである。

そこで、ディスク寿命とＶｆ／ＶｐおよびＨ／Ｗとの関係をまとめた。

図９はＶｆ／Ｖｐに対するディスク寿命の依存性を示した図であり、図１０はＨ／Ｗに対するディスク寿命の依存性を示した図である。

図９および図１０より、ディスク寿命はＶｆ／Ｖｐが０．７５のところに、また、Ｈ／Ｗが２．４のところに変曲点があり、ディスク寿命を長くするためには、Ｖｆ／Ｖｐを０．７５以下に、また、Ｈ／Ｗを２．４以上にしなければならない。好ましくは、Ｖｆ／Ｖｐを０．６以下に、またＨ／Ｗを２．８以上である。
以上から、本発明の外面螺旋フィン付きステンレス管の製造方法では、フィン高さＨおよびフィン幅Ｗ、ならびに任意の長さにおけるフィンの体積Ｖｆおよびフィン直下にある管部の体積Ｖｐが下記の(1)式と(2)式を満足するように製造するとした。

０．４≦Ｖｆ／Ｖｐ≦０．７５ ・・・・・ (1)
２．４≦Ｈ／Ｗ≦３．５ ・・・・・・・ (2)

３４ｍｍの間に３８枚のディスクを配置した加工ロール３個をパスライン回りに傾斜等配設し、外径１９．０５ｍｍ、肉厚１．９０ｍｍ、材質ＳＵＳ４１０Ｔｉからなるステンレス管を被加工管とし、３条フィンを有する外面螺旋フィン付きステンレス管を製造した。その際、外径１３．３６ｍｍのプラグを用い、加工ロールの回転数を３００ｒｐｍとした。

また、図６の（ｂ）右図に示す断面形状を有し、先端部のＲが０．３０ｍｍ、テーパー角αが７．０゜、ディスク幅Ｔが０．８８〜０．９６ｍｍの形状を有するディスクを用いた。
なお、製造した外面螺旋フィン付きステンレス管は、フィンの密度が管軸方向２５．４ｍｍ（１インチ）当たり２６枚の３条のフィンを有し、フィン部を含めた外径が１９．０５ｍｍ、フィン部を除く外径（谷径）が１４．８８ｍｍであり、Ｖｆ／Ｖｐは０．４４、Ｈ／Ｗは２．９４となり、本発明の範囲内とした。

このとき、製造中の噛出率は３．１％であり、スリップは起こらず、真円性の高い外面螺旋フィン付きステンレス管が得られた。また、ディスク寿命は７８０ｍであり、十分、ディスク寿命を長くできた。

実施例１と同じステンレス管を被加工管として用い、図６の（ｂ）図に示す断面形状を有し、先端部のＲが０．２５ｍｍ、テーパー角αが５．０°、ディスク幅Ｔが０．８８〜０．９６ｍｍの形状を有するディスクを用いて、２条フィンを有する外面螺旋フィン付きステンレス管を製造した。その際、用いたプラグの外径、加工ロールの回転数は実施例１と同じである。

製造した外面螺旋フィン付きステンレス管は、Ｖｆ／Ｖｐは０．５６、Ｈ／Ｗは３．０３となり、本発明の範囲内とした。

このとき、製造中の噛出率は２．２％であり、スリップは起こらず、真円性の高い外面螺旋フィン付きステンレス管が得られた。また、ディスク寿命は８３０ｍであり、十分、ディスク寿命を長くできた。

本発明の方法によれば、過大な負荷のかかる３条フィン成形時においてもディスク寿命が長くなるので、製造コスト低減が可能である。また、製造中にスリップも起こらず、真円度が高く、形状の良好なフィンを有する外面螺旋フィン付きステンレス管を得ることができる。

外面螺旋フィン付きステンレス管の製造を被加工管の軸方向から見たところを模式的に示した図である。 製造後の外面螺旋フィン付きステンレス管の縦断面の一部を模式的に示した図である。 被加工管にフィンを成形する加工ロールにより外面螺旋フィン付きステンレス管が製造されるところを模式的に示した図である。 外面螺旋フィン付きステンレス管を製造している時の加工断面を模式的に示した図である。 １条から３条のフィンを有する外面螺旋フィン付きステンレス管の展開図 (上段)およびその外面螺旋フィン付きステンレス管を製造するための加工ロールのディスク配列（下段）を模式的に示した図である。 ディスクの先端の断面形状を説明するための図である。 Ｖｆ／Ｖｐに対する噛出率の依存性を示した図である。 Ｈ／Ｗに対する噛出率の依存性を示した図である。 Ｖｆ／Ｖｐに対するディスク寿命の依存性を示した図である。 Ｈ／Ｗに対するディスク寿命の依存性を示した図である。

符号の説明

１ 被加工管
２ 加工ロール
２０ ディスク
３ 噛出
４ プラグ
１０ フィン
５ 外面螺旋フィン付きステンレス管

Claims (4)

1. 軸長方向に複数枚のディスクが配置された複数個の加工ロールを被加工管の軸心回りに傾斜配設して被加工管の外面に螺旋状のフィンを成形する外面螺旋フィン付きステンレス管の製造方法であって、フィン高さＨおよびフィン幅Ｗ、ならびに任意の長さにおけるフィンの体積Ｖｆおよびフィン直下にある管部の体積Ｖｐが下記の(1)式と(2)式を満足するように製造する外面螺旋フィン付きステンレス管の製造方法。
   ０．４≦Ｖｆ／Ｖｐ≦０．７５ ・・・・・ (1)
   ２．４≦Ｈ／Ｗ≦３．５ ・・・・・・・ (2)
2. 外面螺旋フィン付きステンレス管のフィンが３条フィンであることを特徴とする請求項１に記載の外面螺旋フィン付きステンレス管の製造方法。
3. 軸長方向に複数枚のディスクが配置された複数個の加工ロールを被加工管の軸心回りに傾斜配設して被加工管の外面に螺旋状のフィンを成形する方法によって製造された外面螺旋フィン付きステンレス管であって、フィン高さＨおよびフィン幅Ｗ、ならびに任意の長さにおけるフィンの体積Ｖｆおよびフィン直下にある管部の体積Ｖｐが下記の(1)式と(2)式を満足する外面螺旋フィン付きステンレス管。
   ０．４≦Ｖｆ／Ｖｐ≦０．７５ ・・・・・ (1)
   ２．４≦Ｈ／Ｗ≦３．５ ・・・・・・・ (2)
4. 外面螺旋フィン付きステンレス管のフィンが３条フィンであることを特徴とする請求項３に記載の外面螺旋フィン付きステンレス管。

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