JP4708820B2

JP4708820B2 - 内面螺旋溝付管の製造方法及びその装置

Info

Publication number: JP4708820B2
Application number: JP2005072289A
Authority: JP
Inventors: 信行東
Original assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Current assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: JP2005297062A

Description

本発明は、内面に螺旋状の溝を有する管を押出成形により製造する方法及びその装置に関する。

熱交換器などに使用される伝熱管としては、その伝熱効率を高めるために管の内面に細かい螺旋状の溝を設けたものが採用されている。螺旋状の溝を形成するための方法も各種提案されており、押出直後にダイスにて縮径させると共にマンドレルの先端に設けた溝付プラグとダイスの間から押出して管の内面に溝を形成する方法や（例えば、特許文献１参照）、溝付マンドレルを外部から駆動して回転させ螺旋溝を形成する回転ホイール式押出機による方法や（例えば、特許文献２参照）、ポートホール形状をねじらせることでチャンバー内に旋回流を生成させてマンドレルのねじれ溝に沿って押出す方法（例えば、特許文献３参照）等が開示されている。
特開平１０−１６６０８５号公報特開平１０−１６６０３４号公報特開平１０−１６６０３６号公報

しかしながら、押出直後にダイスを縮径させる構造では、押出成形を開始する時の頭出しで詰まって押出不可能になる恐れがあり、仮に押出成形が可能となっても縮径部の抵抗が大きくなり生産性が低下するものであった。また、マンドレル先端のプラグを外部駆動手段により回転させる方法は、回転ホイール式押出では適用が可能であるが、一般的な直接押出の場合にはプラグの駆動軸上に押出機のステムが存在するためプラグの駆動ができず、適用が困難であった。

また、材料を大きくねじらせてから押出す方法では、押出管の外周が大きく回転されて押し出されるため押出管の先端をチャックし押出方向に先導するプラーを回転可能な構造にする必要があるが、一般的に熱交換チューブは後加工工程の都合や生産性を確保するため連続的に押出成形された後にコイルに巻いた状態にする場合が多く、回転するプラーとコイル巻き取り装置を両立させるには極めて複雑な設備が必要であった。

それゆえ、本発明は、上記の事情を背景になされたものであり、生産性の低下をできるだけ抑えつつ、内面に螺旋状の溝を有する管を複雑な機構を用いず容易に製造する方法及びその装置を提供することを技術的課題とする。

上記した技術的課題を解決するため、本発明は、請求項１に記載のように、金属材料の押出成形により内面螺旋溝付管を製造する方法において、外周に複数の螺旋状の突部を有するプラグをマンドレルよりも押出方向前方に設け、前記プラグの最大外接円の直径を前記マンドレルの外径より大きく設定し、金属材料をダイスと前記マンドレルの間から押し出して押出管を形成し、該押出管を前記プラグに押し付けて内面に螺旋溝を形成することを特徴とする内面螺旋溝付管の製造方法とした。

本発明に係る内面螺旋溝付管の製造方法によれば、一般的な押出装置のマンドレルの先端に螺旋状の突部を有するプラグを設けるだけで、管の内面に螺旋溝を形成することができる。また、金属材料をダイスとマンドレルの間から押し出して押出管を形成した後に、マンドレルにより内径が成形されたその押出管をプラグに押し付けるので、プラグの外周部で金属材料がダイス等によって外面を拘束されずに内面に螺旋溝を形成することができる。従って、螺旋溝の形成がスムーズに行われるので、生産性を向上させることが可能となる。

好ましくは、請求項２に記載のように、プラグは、押出方向前方に向って拡径した形状であることが望ましい。このように、プラグをテーパ状にすることで、ダイスとマンドレルの間から押し出して形成した押出管の内面に、プラグのねじれ形状の突部が徐々に押し付けられるので、管の内面に螺旋溝が形成され易くなる。また、請求項３に記載のように、プラグは回転自在にして、押出管をプラグに押し付けてプラグを回転させながら内面に螺旋溝を形成することが望ましい。これにより、摩擦抵抗が減ることによって管の内面への螺旋溝の形成がより容易になるとともに、成形時の内面螺旋溝付管のねじれやうねりを抑えることができる。

より好ましくは、請求項４に記載のように、マンドレルのポート孔は、プラグの螺旋状の突部と同じねじれ方向又は反対のねじれ方向にねじらせて形成した形状であることが望ましい。これにより、ダイスとマンドレルの間から押出管がプラグの回転方向とは反対方向又は同じ方向に回転されて押し出されるので、プラグの螺旋状突起により発生する回転力と、プラグが押出方向に押し付けられることにより発生する回転抵抗とのバランスにおいて、最適な状態とすることが可能となり、より大きなねじれ角度の螺旋溝を有する内面螺旋溝付管を製造することが可能となる。

また本発明は、請求項５に記載のように、外周に複数の螺旋状の突部を有するプラグを用いて内面螺旋溝付管を押出成形する製造装置であって、押出方向前方に向かって拡径した形状のプラグをマンドレル及びダイスよりも押出方向前方に設けるとともに、前記プラグの最大外接円の直径を前記マンドレルの外径より大きく設定したことを特徴とする内面螺旋溝付管の製造装置とした。このようなプラグを使用することで、ダイスとマンドレルの間から押し出して形成した押出管の内面に、プラグのねじれ形状の突部が徐々に押し付けられるので、管の内面に螺旋溝が形成され易くなり、製造装置の生産性を向上させることが可能となる。

プラグをマンドレル及びダイスよりも押出方向前方に設けるとともに、プラグの最大外接円の直径をマンドレルの外径より大きく設定したことにより、一般的な押出装置においてマンドレルの先端に螺旋状の突部を有するプラグを設けるだけで、管の内面に螺旋溝を形成した内面螺旋溝付管を製造する装置とすることができる。

本発明によれば、外周に複数の螺旋状の突部を有するプラグを用いてスムーズに管の内面に螺旋溝を形成することができるので、生産性の低下を抑えつつ、容易に内面螺旋溝付管を製造することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態を模式的に示した断面図である。図１に示すように、マンドレル（ダイマンドレル）１にはダイス（ダイキャップ）２が組み合わされ、断面孔を形成している。マンドレル１とダイス２は、前方のバッカー７と共にダイリング８に組み付けられて、押出型を構成している。加熱された金属材料であるビレット５を、コンテナヒーター６により加熱されたコンテナ３に挿入し、ステム４により押出型に押し付けることで、押出型の断面孔から押出管１１が押出成形可能となっている。

図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３はマンドレル１とダイス２を主とした図１の部分拡大断面図である。図２に示すように、マンドレル１には、押出方向に平行な４つのポート孔１ｐが形成されている。マンドレル１の中心に位置するオス首部１ａは、押出管１１の内面を成形するベアリング１ｄを有している。ダイス２は、押出管１１の外面を成形するベアリング２ｂを有している。ベアリング１ｄとベアリング２ｂは、押出方向において略同じ位置となっており、押出型の断面孔を形成している。

マンドレル１のオス首部１ａの先端には、シャフト１ｂが設けられ、このシャフト１ｂにプラグ９が回転自在に取り付けられている。シャフト１ｂの先端にはネジ部１ｃが形成され、プラグ９の抜け止め用のナット１０が取り付けられている。シャフト１ｂの先端にネジ孔を形成してナット１０の代わりにボルトを用いてプラグ９の抜け止めとしたり、別体のシャフト１ｂをオス首部１ａに組み付けるようにしたりしてもよい。

図４はプラグ９単体を示す図であり、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は右側面図である。プラグ９は、外周に複数の螺旋状の突部９ａを有している。突部９ａは、押出方向に対して所定のねじれ角αで右回転方向に旋回して形成されている。隣あう２つの突部９ａの間には、同様に右回転方向に旋回した螺旋状の凹部９ｂが形成されている。ねじれ角αは、図４（ａ）に示すように正面（押出軸Ｚと垂直な方向）から見て、突部９ａが押出軸Ｚとなす角度である。

プラグ９は、押出方向前方に向って拡径した形状に形成されている。すなわち、プラグ９の後端の外接円９ｈから前端の外接円９ｇに向って徐々に径が大きくなっており、図４（ａ）に示すような正面視では、押出方向に広がるテーパ部９ｄとなっている。

プラグ９のプラグ孔９ｃにシャフト１ｂを挿入して、プラグ９がマンドレル１に組み付けられる。図３に示すように、プラグ９の最大の突起径である前端の外接円９ｇの直径９ｆは、マンドレル１のベアリング１ｄの外径１ｈより大きく、かつ、ダイス２のベアリング２ｂの内径２ｃより小さく設定されている。プラグ９の最小の突起径である後端の外接円９ｈの直径９ｅは、マンドレル１のベアリング１ｄの外径１ｈより小さく設定されている。

図１に示すように、加熱されたアルミニウム合金のビレット５を、コンテナヒーター６により加熱されたコンテナ３に挿入し、ステム４により押出型に押し付けることで、アルミニウム合金がポート孔１ｐ及びチャンバー２ａを経由し、ベアリング１ｄとベアリング２ｂの間から押出管１１が押出成形される。この押出管１１は、図５に示すような断面となり、押出管１１の外面１１ａの外径はベアリング２ｂの内径２ｃと略同一であり、押出管１１の内面１１ｂの内径はベアリング１ｄの外径１ｈと略同一である。押出管１１は、平滑な円柱パイプであり、ベアリング１ｄとベアリング２ｂの間から押し出された直後であるので、外面１１ａ及び内面１１ｂには凹凸が無い。

プラグ９の後端の外接円９ｈの直径９ｅが押出管１１の内径１１ｃより小さいため、押出型から押し出された直後の押出管１１は、プラグ９の突部９ａに接触しない。その後、プラグ９の突部９ａの外接円が押出方向前方に向って拡大するに伴って、押出管１１の内面１１ｂは、徐々に突部９ａに近づき、やがて突部９ａに接触し、徐々に突部９ａに押し付けられる。その結果、押出管１１の内径１１ｃに、螺旋溝１２ｃが成形される。プラグ９は、押出管１１の内径１１ｃへの溝成形時の抵抗により、シャフト１ｂを中心に左回転する。

プラグ９が左回転することで、押出管１１の内径１１ｃに形成される螺旋溝１２ｃは、押出方向に対して所定のねじれ角βで右回転方向に旋回して形成され、スパイラルチューブである内面螺旋溝付管１２が製造される。内面螺旋溝付管１２は、図６に示すような断面となり、外面１２ａは平滑で凹凸が無く、内面１２ｂに螺旋溝１２ｃが形成されている。ねじれ角βは、図７に示すように横断面図を押出軸Ｚと垂直な方向から見て、螺旋溝１２ｃが押出軸Ｚとなす角度である。ねじれ角βは、ねじれ角αよりも小さくなる。

以上のように、本発明に係る内面螺旋溝付管１２の製造方法によれば、一般的な押出装置のマンドレル１の先端に螺旋状の突部９ａを有するプラグ９を設けるだけで、マンドレル１とダイス２との間から押し出された押出管１１の内面１１ｂに螺旋溝１２ｃを形成することができる。また、アルミニウム合金を押し出して押出管１１を形成した後に、マンドレル１により内径１１ｂが成形されたその押出管１１をプラグ９に押し付けるので、プラグ９の外周部で押出管１１がダイス等によって外面１１ａを拘束されずに内面１１ｂに螺旋溝１２ｃを形成することができる。従って、螺旋溝１２ｃの形成がスムーズに行われるので、生産性を向上させることが可能となる。

また、プラグ９を、押出方向前方に向って拡径した形状とし、プラグ９をテーパ状にすることで、ダイス２とマンドレル１の間から押し出して形成した押出管１１の内面１１ｂに、プラグ９のねじれ形状の突部９ａが徐々に押し付けられるので、押出管１１の内面１１ｂに螺旋溝１２ｃが形成され易くなる。また、プラグ９を回転自在にして、押出管１１をプラグ９に押し付けてプラグ９を回転させながら内面１１ｂに螺旋溝１２ｃを形成することにより、摩擦抵抗が減ることによって押出管１１の内面１１ｂへの螺旋溝１２ｃの形成がより容易になるとともに、成形時の内面螺旋溝付管１２のねじれやうねりを抑えることができる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。図８は、第２実施形態を示した断面図であり、前述した第１実施形態の図２（図１のＡ−Ａ断面図）に対応する。尚、本第２実施形態は、図８に示すマンドレル５１以外については前述した第１実施形態と同じ構成であり、詳細な説明は省略する。

第２実施形態における第１実施形態との相違点は、マンドレル５１のポート孔５１ｐが、押出方向に対してねじらせて形成されている。図８に示す例は、マンドレル５１のポート孔５１ｐが、押出方向に対して右回転方向にねじらせて形成されている。すなわち、ポート孔５１ｐは、プラグ９の螺旋状の突部９ａと同じねじれ方向にねじらせて形成してある。押出軸Ｚに対するこのポート孔５１ｐのねじれ角θｐは、ダイス２とマンドレル５１の間から押し出される押出管１１が、若干の回転力が付与される程度とした。ポートねじれ角θｐは、プラグねじれ角αと同様に、正面（押出軸Ｚと垂直な方向）から見て、ポート孔５１ｐが押出軸Ｚとなす角度である。

ポート孔５１ｐのねじれ角θｐは、プラグ９の螺旋状突起９ａにより発生する回転力と、プラグ９が押出方向に押し付けられることにより発生する回転抵抗とのバランスにおいて、最適な状態となるように設定されればよい。従って、マンドレル５１のポート孔５１ｐが、押出方向に対して左回転方向にねじらせて形成されてもよい。すなわち、ポート孔５１ｐは、プラグ９の螺旋状の突部９ａと反対のねじれ方向（図８に示す例と反対のねじれ方向）にねじらせて形成してもよい。表１に、ポート孔５１ｐのねじれ角θｐを６水準、プラグ９のねじれ角度αを３水準とし、それぞれ同じ製造条件（ビレット温度４００℃、ラム速度１ｍｍ／秒）で形成された内面螺旋溝付管の溝ねじれ角度β２示す。

表１に示すように、プラグねじれ角度αが１４°の場合は、ポートねじれ角θｐが右１４°や右２１°、すなわちプラグねじれ角度αとおなじ右方向のとき、溝ねじれ角度β２が大きくなっている。このとき、ビレット５のアルミニウム合金はポート孔５１、チャンバー２ａを経由し、ダイス２とマンドレル５１の間から押出管１１がプラグ９の回転方向とは反対方向に回転されて押し出されるので、その押出管１１に対するプラグ９の相対的な回転量が多くなり、より大きなねじれ角度β２の螺旋溝を有する内面螺旋溝付管を製造することが可能となる。従って、第１実施形態と同じ製造条件（ビレット温度や押出速度）とした場合では、「α＞β２＞β」となる。また、第２実施形態も第１実施形態と同様に主としてプラグ９の回転により螺旋溝１２ｃが形成されるので、成形時の内面螺旋溝付管のねじれやうねりを最小限に抑えることができる。更には、螺旋溝１２ｃが形成されるときの抵抗がプラグ９を回転させるが、このプラグ９の反力により押出管１１に左回転方向の回転力が作用し、ポート孔５１ｐのねじれによる押出管１１の右回転方向の回転力と中和する方向に働くため、成形時の内面螺旋溝付管のねじれやうねりを更に抑えることが可能である。

プラグねじれ角αが大きいと、プラグ９が押出方向に押し付けられることにより発生する回転抵抗も大きくなるため、例えばプラグねじれ角αが１７．５°の場合では、ポートねじれ角θｐが０°や右７°で溝ねじれ角β２が大きくなり、プラグ９の螺旋状突起９ａにより発生する回転力と、プラグ９が押出方向に押し付けられることにより発生する回転抵抗とのバランスが最適な状態となっている。また、プラグねじれ角αが２１°の場合では、更に回転抵抗も大きくなるため、プラグの回転方向と同じである左方向、すなわちポートねじれ角θｐが左７°や０°で溝ねじれ角β２が大きくなり、プラグ９の螺旋状突起９ａにより発生する回転力と、プラグ９が押出方向に押し付けられることにより発生する回転抵抗とのバランスが最適な状態となっている。

尚、上記した実施形態では、いずれも内面螺旋溝付管１２の螺旋溝１２ｃの数（すなわちプラグ９の突部９ａの数）が１６本の例を示したが、本発明の実施にあたっては、特に熱交換器用のチューブに適用するときは、もっと多くの螺旋溝（例えば外径φ６ｍｍのチューブでは５０本ほどの螺旋溝）とすることもできる。

本発明の一実施形態を示した断面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１の部分拡大断面図である。プラグ９単体を示す図であり、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は右側面図である。押出管１１の断面図である。内面螺旋溝付管１２の断面図である。内面螺旋溝付管１２の横断面図である。第２実施形態を示した断面図である。

符号の説明

１、５１マンドレル
１ｈマンドレルの外径
１ｐ、５１ｐポート孔
２ダイス
３コンテナ
４ステム
５ビレット（金属材料）
９プラグ
９ａ突部
９ｂ凹部
９ｅプラグ９の後端の外接円
９ｆプラグ９の前端の外接円（最大外接円）
９ｇ外接円９ｆの直径
９ｈ外接円９ｅの直径
１１押出管
１１ａ押出管１１の外面
１１ｂ押出管１１の内面
１２内面螺旋溝付管
１２ａ内面螺旋溝付管１２の外面
１２ｂ内面螺旋溝付管１２の内面
１２ｃ螺旋溝

Claims

金属材料の押出成形により内面螺旋溝付管を製造する方法において、外周に複数の螺旋状の突部を有するプラグをマンドレルよりも押出方向前方に設け、前記プラグの最大外接円の直径を前記マンドレルの外径より大きく設定し、金属材料をダイスと前記マンドレルの間から押し出して押出管を形成し、該押出管を前記プラグに押し付けて内面に螺旋溝を形成することを特徴とする内面螺旋溝付管の製造方法。
前記プラグは、押出方向前方に向って拡径した形状であることを特徴とする請求項１に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
前記プラグは回転自在になっており、前記押出管を前記プラグに押し付けて前記プラグを回転させながら内面に螺旋溝を形成することを特徴とする請求項２に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
前記マンドレルのポート孔は、前記プラグの螺旋状の突部と同じねじれ方向又は反対のねじれ方向にねじらせて形成した形状であることを特徴とする請求項３に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
外周に複数の螺旋状の突部を有するプラグを用いて内面螺旋溝付管を押出成形する製造装置であって、押出方向前方に向かって拡径した形状のプラグをマンドレル及びダイスよりも押出方向前方に設けるとともに、前記プラグの最大外接円の直径を前記マンドレルの外径より大きく設定したことを特徴とする内面螺旋溝付管の製造装置。