JP5293584B2 - 捩り管形熱交換器および捩り管形熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、ヒートポンプ式給湯機用の水冷媒熱交換器に関するものである。

水冷媒熱交換器は、外周に螺旋状溝を有した捩り管を水配管に用い、水配管の螺旋状溝に沿って冷媒配管を外周側から巻き付け、水配管と冷媒配管とを伝熱接合したものであり、水配管内を流れる水と冷媒配管内を流れる冷媒との間で熱交換を行う熱交換器である。
ここで用いられる一般的な捩り管またはコルゲート管は、肉厚と外径の比が７％以下の金属素管を用い、円周外縁工具によって金属素管の外周に溝を成形している。しかし、その成形時に角張りが発生したり深い溝が成形できなかったりするという課題がある。これに対して、円周外縁工具に非圧延部を設けて、角張り抑制と深い溝を作る手段が提案されている。（特許文献１記載）

同様に、金属直管あるいは樹脂パイプからなる管路を路面下に埋設する道路融雪装置では、管路の曲げ加工が困難で施工性が悪い課題を解決するため、大径部外径と肉厚の割合が０．０５（５％）以下で、かつ大径部のピッチと、大径部半径と小径部半径の差との割合が０．５以下であるステンレススチール製のコルゲート管を用いることが提案されている。（特許文献２記載）

同様に、伝熱管内を通過する流体の応力を減らし伝熱管の応力割れを防止した造水装置を得るため、管端部の平滑部の肉厚を管径の６〜７％、管長を管径の約９０倍以下としたコルゲート形伝熱管を用いることが提案されている。（特許文献３記載）

一方で、管軸方向の引張強さと管周方向の引張強さの比１．０５以上とした拡管加工性に優れた溶接鋼管について提案されている。（特許文献４記載）

さらに、管軸方向の引張強さと管周方向の引張強さの比を０．９以上１．１以下とした耐座屈性能、耐内圧破壊性能を有する鋼管について提案されている。（特許文献５記載）

特開平１０−２４９４４５号公報（第３−４頁、第３図、第６図） 実開平５−６７６０６号号公報（第４−６頁、第１図） 特開昭５８−６４４９３号公報（第２頁、第１−３図） 特開２００１−９６３１５号公報（第２−３頁、第１−５図） 特開２００２−２０６１４０号公報（第３−５頁）

従来のコルゲート管に使用する鋼管やＳＵＳ管は、簡単に曲げ加工が行えない、あるいは、ヒートポンプ式給湯機などの銅管を使用した配管や配管部品と簡単に溶接ができないという課題があった。

また、外径が約φ１２〜１５ｍｍ程度、長さが約５０００ｍｍ以上の従来の銅管を素管とし、素管内に芯金を通し素管を捩じるネジリ加工を行った水配管は、水配管の外周側から冷媒配管を巻き付け、水配管と冷媒配管とを接合できる螺旋状溝が成形できないという課題があった。

また、素管に従来の銅管を用いたネジリ加工では、捩じられた素管が芯金に絡みつくトラブルが多く、生産性が低いという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、捩り管形熱交換器の水配管の素管に銅管を用いたネジリ加工を行う場合、ネジリ加工にて素管が芯金に絡みつくトラブルを防止し生産性の高い捩り管形熱交換器を得ることが目的である。

この発明の捩り管形熱交換器は、偏肉率が７．５％以下であって管軸引張強度／管周引張強度比が０．９±０．０２以内の銅管を用いネジリ加工を行うようにしたものである。

この発明は、偏肉率が７．５％以下であって管軸引張強度／管周引張強度比が０．９±０．０２以内の銅管を用いネジリ加工を行うようにしたので、ネジリ加工にて銅管が芯金に絡みつくトラブルを防止し生産性の高い捩り管形熱交換器を得ることができる。

この発明の実施の形態１による捩り管形熱交換器の斜視図。 この発明の実施の形態１による水配管の捩り形状を説明する平面図。 この発明の実施の形態１による水配管に冷媒配管の巻き付け状態を説明する図。 この発明の実施の形態１による水配管の素管にネジリ加工を行う手順を説明する図。 この発明の実施の形態１による捩り管形熱交換器の断面図。 この発明の実施の形態１によるネジリ加工後の水配管の斜視図。 この発明の実施の形態１による水配管の偏肉率と山部傾斜度および山部ピッチの標準偏差の関係を説明する図。 この発明の実施の形態１による水配管の外径／肉厚比と山部傾斜度および山部ピッチの標準偏差の関係を説明する図。 この発明の実施の形態２による水配管の素管の引張強度方向を説明する図。 この発明の実施の形態２による水配管の管軸／管周引張強度比と山部傾斜度および山部ピッチの標準偏差の関係を説明する図。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における捩り管形熱交換器の斜視図、図２は捩り管形熱交換器に用いる水配管の素管の捩り形状を説明する平面図、図３は水配管に冷媒配管の巻き付け状態を説明する図、図４は水配管の素管にネジリ加工を行う手順を説明する図、図５は捩り管形熱交換器の断面図、図６はネジリ加工後の水配管の斜視図、図７は水配管の肉厚寸法の偏りを表す偏肉率と山部傾斜度および山部ピッチの標準偏差の関係を説明する図である。

捩り管形熱交換器の構成を説明する。図１は捩り管形熱交換器１の全体の斜視図であり、捩り管形熱交換器１は冷媒配管３を螺旋状溝に巻き付けながら嵌め込んだ水配管２を長円コイル状にした熱交換器である。冷媒配管３は、冷媒分流部５ａと冷媒合流部５ｂにより、冷媒配管３ａ、３ｂ、３ｃに分流し、合流される。冷媒配管３の先は接続口７、８となっており、図示しない冷媒回路と接続され冷媒を循環させている。水配管２の先も、接続口９、１０となっており、捩り管形熱交換器１が収納されている装置の外部にある図示しない装置と接続され、捩り管形熱交換器１と外部の装置との間で水を循環させている。

水配管２は、外部の装置と接続するため、接続口９、１０に別の配管をろう付け延長し、捩り管形熱交換器１が収納されている装置の外部へ取り出すための接続口やバルブを延長した配管に取り付ける。一般的に、ヒートポンプ式給湯機の配管や配管に接続する部品には、熱伝導率が良く、ろう付けや曲げ加工が容易にできるりん脱酸銅管を使用するが、水配管２が鋼管やＳＵＳ管の場合、りん脱酸銅管とのろう付けが容易ではない上に、素管が硬いため長円コイル状に加工することは容易ではなく、熱伝導率も悪い。よって、ヒートポンプ式給湯機の捩り管形熱交換器に使う水配管にも、熱伝導率が良く、他の配管や配管部品とろう付けや曲げ加工が容易なりん脱酸銅管を使用している。

また、水配管２は、図２に示すように、山部２ａ、谷部２ｂからなる山谷、すなわち連続した溝が水配管２の両端部を除いて水配管２の全長に渡って水配管２の外周に複数条、螺旋状に設けられており、この連続した螺旋状溝に複数の冷媒配管３が山谷の形状に沿って巻き付けられながらその螺旋状溝に嵌め込まれる。つまり、図３のように冷媒配管３が水配管２の外周の連続した螺旋状溝に外周側から巻き付けられながらその螺旋状溝に嵌め込まれる。生産工程では、約２５０ｒｐｍ程度の速度で冷媒配管３が水配管２の連続した螺旋状溝に巻き付けられ嵌め込まれる。冷媒配管３が固定された水配管２を図１のように長円コイル状に曲げ加工を行い、目的の寸法とする。最後に、水配管２と冷媒配管３の熱伝導性をより高めるため、半田を溶融させた槽にディッピングさせ、水配管２と冷媒配管３とを半田にて接合し、捩り管形熱交換器１としている。また、他にも半田にて接合する方法として、半田を流し込む方法や半田ペーストを塗布する方法などがある。なお、水配管２の複数条の連続した螺旋状溝は、図１、２、３のすべて、３条の例で説明しているが、３条の螺旋状溝を形成し冷媒配管を３条に分配するのは、１条に比べると冷媒圧損が少なくなる効果と伝熱面積が多くなる効果を有しており、生産性（ろう付け点数）と圧力損失の影響を考慮して、最適な条数が３条であるため、この構成を用いて説明を行っている。また、水配管２の両端部は後から別の配管をろう付けするため螺旋状溝を設けていない。

以上のような構成にて捩り管形熱交換器１は、冷媒配管３内の冷媒と水配管２内の水との熱交換が行われる。例えば、捩り管形熱交換器１の外部にある冷媒回路で加熱された冷媒が捩り管形熱交換器１の冷媒配管３に流入する。冷媒配管３の熱は捩り管形熱交換器１の外部にある装置から流入し水配管２内を通過する水を温め、湯を生成する。生成された湯は、捩り管形熱交換器１の水配管２から外部にある装置に送られる。捩り管形熱交換器１の冷媒配管３を通過し水配管２を介して水を温めた冷媒は、再び捩り管形熱交換器１の外部にある冷媒回路に戻り、加熱され循環する。したがって、捩り管形熱交換器１の湯を生成する性能、すなわち、熱交換特性は、水配管２と冷媒配管３が接触する接触面積とその結果得られる伝熱特性によって左右される。

次に、水配管の素管の外周に連続した螺旋状溝を成形するネジリ加工について図４にて説明する。まず初めに、りん脱酸銅管でできた水配管２の素管の端部に、打痕Ｃを素管の外周側から３箇所打つ。打痕Ｃを打つ位置は、素管の端から素管の中心に向かって５０ｍｍ程度離れた素管の外周上で、３個の打痕がそれぞれ１２０°異なる位置すなわち素管の円周上に等間隔となる位置であり、打痕Ｃの形状は例えば３ｍｍ×１０ｍｍ程度の楕円形で、楕円の長軸方向を素管の管軸方向に対して約４０°傾けた形状である。
次に、打痕Ｃが打たれた素管内に芯金２０を通し、素管を捩じったとき素管が回転しないように打痕Ｃを打った側の素管の端（図４のＡ側）から素管の中心に向かって５０ｍｍ程度の部分まで、すなわち素管端部の外周表面を全て覆う形で固定治具にてチャックする。すなわち、固定治具にて素管端部を把持し素管を固定する。素管を固定後、固定した側とは反対側である図４のＢ側も同様に素管の端から素管の中心に向かって５０ｍｍ程度の部分まで、すなわち素管端部の外周表面を全て覆う形で回転治具にてチャックする。すなわち、回転治具にて素管端部を把持する。
次に、回転治具を回転させることによって把持された素管のＢ側を回転させる。例えば３００ｒｐｍ程度の速度で回転治具を回転し素管のＢ側を回転させ、素管を捩っていく。素管を捩る力により、素管に打った３箇所の打痕Ｃを起点にＢ側に向かって３条の螺旋状溝の連続した山谷の山部が素管表面部より隆起する形で、成形開始される。なお、素管のＡ側、Ｂ側の両端部、すなわち固定治具と回転治具に把持された部分すなわち素管端部は素管外周表面を覆う形で把持され、素管表面部から山部が隆起できないので、螺旋状溝は形成されない。なお、素管内には芯金が通されているので、山部が隆起する形で溝は成形される。また、ここでは素管端部の外周を覆う形で把持している説明をしたが、素管の端から所定位置まで全てを覆う形で把持する必要は無く、素管の端から所定寸法分は覆わず素管の任意の箇所を任意の寸法分だけ覆う形で把持する方法でも構わない。例えば、素管の端から２０ｍｍ間は把持されず、素管の端から２０ｍｍ進んだ位置から打痕を打った約５０ｍｍまで位置の区間の素管外周表面を全て覆う形で把持する仕組みでも螺旋状溝の成形には支障なく効果は変わらない。また、芯金２０を通しているので、素管を捩る応力により、素管の内径が狭くなったり、素管が曲がったりすることが防止される。
約２００回程度回転させると、螺旋状溝が全長約５０００ｍｍ以上ある素管の全長に渡って成形される。素管のＢ側を把持した部分すなわちＢ側の素管端部まで螺旋状溝が成形できたところで、完了とする。なお、このとき、全長約５０００ｍｍ以上ある素管は螺旋状溝の山部形成などにより収縮し、全長約４０００ｍｍ程度となる。また、３条の螺旋状溝を成形する方法なので打痕も３箇所としたが、複数の溝の場合は溝の数だけ打痕を素管の外周に等間隔に打てば良い。また、打痕は楕円状としたが長方形でも良く、楕円の長軸方向を素管の管軸方向に対して約４０°傾けて打つとしているが、傾ける角度は螺旋状溝の角度であり、熱交換器が最も性能が出せる角度に設定されれば良い。
螺旋状溝の成形完了後、素管の両端からチャックを外し、素管を芯金２０から外す。これにより、従来のように素管の外周に円周外縁工具のような治具を押し当てることなく、水配管２の複数条の連続した螺旋状溝を成形することができる。しかしながら、素管の種類、素管の肉厚、ネジリ加工の捩る応力により、素管に成形される螺旋状溝の山谷が等間隔ピッチに成形されなかったり、山部が倒れ溝の成形ができなかったり、素管の一部に応力が集中して素管の内径がつぶれ素管が芯金２０に絡みついたりする課題がある。

図５は捩り管形熱交換器１の水配管２とその水配管２の連続した３条の螺旋状溝に冷媒配管３ａ、３ｂ、３ｃがそれぞれ巻き付けられた図３の捩り管形熱交換器１の断面図とその拡大図である。
図５において、水配管２の外周に設けた３条の連続した螺旋状溝は、山部２ａ、谷部２ｂから構成されている。図５のように、冷媒配管３が螺旋状溝の山部２ａの斜面（図５中ｂ点とｃ点）と谷部２ｂの底面（図５中ａ点）とにしっかり接触し螺旋状溝に収めるためには、まず、山部２ａの高さＨは、冷媒配管３の直径Ｒｏの１／２以上直径Ｒｏ以下となる寸法が必要である。また、螺旋状溝の山部２ａと山部２ａとの間隙であるピッチＰは、山部２ａの傾斜と厚みを考慮して、ピッチＰ＞直径Ｒｏ＋（Ｄ＋Ｄ）の寸法が必要である。例えば、冷媒配管３の直径Ｒｏ＝φ３．８ｍｍの場合、山部ピッチＰ＝７．８ｍｍ程度の寸法に成形する。なお、螺旋状溝の谷部２ｂの底部は冷媒配管３の直径Ｒｏは必要なく、例えば、山部２ａの高さＨ＝冷媒配管３の直径Ｒｏ＝φ３．８ｍｍ、山部ピッチＰ＝７．８ｍｍの場合、２．０ｍｍ程度確保すると、冷媒配管３は螺旋状溝の谷部２ｂの底面１箇所（図５中ａ点）と山部２ｂの斜面中央部２箇所（図５中ｂ点とｃ点）の合計３箇所で、水配管２としっかり接触でき、伝熱面積を確保できる。
また、最後に半田付けにて接合する際も、水配管２と冷媒配管３との接触していない隙間を半田が埋めて、確実に水配管２と冷媒配管３との間で熱交換ができ、水配管２と冷媒配管３とが外れないように接合される。
以上により、冷媒配管３が水配管２にしっかり嵌め込まれ接触しているので、半田付けにて固定する際にも、螺旋状溝から冷媒配管３が外れたり浮き上がったりすることなく、必要な接触面積を保ちながら半田が冷媒配管３と水配管２との隙間を埋める形で半田にて接合され、熱交換に必要な伝熱特性が得られる。
しかしながら、螺旋状溝の山部２ａと山部２ａのピッチＰが広がりすぎると冷媒配管３が図５中のｂ点とｃ点で接触しない。また、螺旋状溝の山部２ａと山部２ａのピッチＰが狭すぎると冷媒配管３が図５中のａ点と接触しない。山部２ａは倒れすぎないように、山部２ａの倒れを山部傾斜度θとして山部傾斜度θを９０°とし、山部ピッチＰは所定の設計目標値どおり成形されている必要がある。

これに対して、捩り管形熱交換器１の生産工程では、１日の生産数を確保するため約２５０ｒｐｍ程度で水配管２の螺旋状溝に冷媒配管３を巻き付けながら嵌め込んでいく。そのため、螺旋状溝の山部傾斜度θや山部ピッチＰに公差を持った余裕が必要である。生産前の事前検討調査では、冷媒配管３の直径Ｒｏ＝φ３．８ｍｍ、山部ピッチＰ＝７．８ｍｍの場合、山部傾斜度θを９０°±５°以内、山部ピッチＰの標準偏差σが０．１ｍｍ以下の成形品では、水配管２の螺旋状溝に冷媒配管３を外れたり浮き上がったりすることなく嵌め込むことができ、図５の螺旋状溝のａ，ｂ，ｃ点の３箇所でしっかり接触できているという結果が得られている。この条件にて成形された水配管２では冷媒配管３と必要な接触面積を保ちながら、半田付け接合が可能で、熱交換に必要な伝熱特性を持った熱交換性能の良い捩り管形熱交換器が得られる。なお、山部ピッチＰの標準偏差σ＝０．１ｍｍのとき、山部傾斜度θ＝９０°±５°は山部ピッチＰの３σ程度の許容値である。
よって、水配管２のネジリ加工時、螺旋状溝の成形の設計目標値を、山部の高さＨが冷媒配管３の直径Ｒｏの１／２以上直径Ｒｏ以下、山部傾斜度θを９０°±５°以内、冷媒配管３の直径φ３．８ｍｍを嵌め込む場合で山部ピッチＰの標準偏差σが０．１ｍｍ以下（許容値は３σ程度）とし、成形管理している。

また、従来からある通常生産のネジリ加工品は、全長が６００〜２０００ｍｍ程度の管が一般的であり、図１にあるように冷媒配管３を巻き付けた水配管２をコイル状に加工する場合、水配管２の長さが短く、つなぎ合わせる必要がある。その場合、つなぎ合わせの不良によりガス漏れや素管内を流れる水の圧損増加による効率低下も予想される。一本の素管をネジリ加工し冷媒配管３を巻き付けコイル状に曲げ加工することが望ましく、その場合、素管は一本当たり約５０００ｍｍ以上の長さが必要である。すなわち、全長約５０００ｍｍ以上の素管をネジリ加工し、設計目標値どおりの螺旋状溝を素管の全長に成形する。

次に全長約５０００ｍｍ以上のりん脱酸銅管を素管に使い素管内に芯金を通して３条の連続した螺旋状溝を成形するネジリ加工において、素管の内径がつぶれ芯金に絡みつかず、設計目標値である螺旋状溝の山部２ａの高さＨが冷媒配管３の直径Ｒｏの１／２以上直径Ｒｏ以下、山部２ａの山部傾斜度θを９０°±５°以内、山部２ａと山部２ａとのピッチＰの標準偏差σを０．１ｍｍ以下（許容値は３σ程度）の製造を行う方法について説明する。
図６は３条の連続した螺旋状溝が成形された水配管２の素管の斜視図である。素管の肉厚寸法である肉厚ｔ₀は、素管全体で一様ではなく、肉厚の厚い部分、薄い部分のような僅かな肉厚寸法のバラツキがある。僅かな肉厚寸法のバラツキはネジリ加工の捩る応力を均等にできず、設計目標値どおりの高さの螺旋状溝の山部２ａが得られなかったり、螺旋状溝の山谷の等間隔ピッチを乱したり、山部２ａの倒れが著しく溝が成形できていなかったり、部分的に応力の集中を起こし素管の内径がつぶれ芯金に絡みついたりする。そのため、素管の設計値である素管全体の肉厚の平均寸法を公称肉厚ｔ、素管の肉厚の最大寸法をｔ_MAX、最小寸法をｔ_MINとし、これらから（ｔ_MAX−ｔ_MIN）／ｔで表される比を偏肉率とし、偏肉率を測定・算出することによって素管の肉厚寸法を管理しネジリ加工の捩る応力が素管に対して部分的に集中しない加工を行う。

図７は、ネジリ加工の捩る応力を全長約５０００ｍｍ以上ある水配管２の素管に加えたときの素管の偏肉率と設計目標値である山部傾斜度θおよび山部ピッチＰの標準偏差σを測定し、山部傾斜度θおよび山部ピッチＰの標準偏差σが設計目標値どおりの螺旋状溝が成形できたかどうかを事前検討調査したものである。
一般的なＪＩＳ基準のりん脱酸銅管の素管は、外径寸法φ１５ｍｍのもので偏肉率０〜１５％（肉厚許容差±０．０６ｍｍ）である。また、一般的に生産されている偏肉率の少ない素管で、０〜１０％である。しかしながら、これら従来品は、素管に設計目標値どおりの高さの螺旋状溝の山部２ａが成形されなかったり、山部と山部とが等間隔ピッチに成形されなかったり、山部が倒れ溝の成形ができなかったり、素管の一部に応力が集中して素管の内径がつぶれ素管が芯金に絡みついたりする課題を持つ素管を含むため課題は解消されていない。
図７の素管の偏肉率に対する分布を見ていくと、偏肉率７．５〜１５％の素管では、設計目標値どおりの連続した螺旋状溝が成形された成形品は少なく、山部２ａの倒れや山部２ａと山部２ａとのピッチＰのバラツキが増大する螺旋状溝成形不良が多数発生し、設計目標値どおりの高さの螺旋状溝の山部２ａが得られなかったり、ネジリ加工のときに芯金に絡みついたりなどのトラブルが頻度多いという結果が得られている。これは、ネジリ加工の捩る応力が均等に分散せず、素管の肉厚寸法の偏った部分に集中するためと考えられる。これに対して、偏肉率０〜７．５％の素管は、設計目標値どおりの山部高さＨと山部傾斜度θと山部ピッチＰとなる連続した螺旋状溝が成形でき、素管が芯金に絡みつくことがない少ないという結果が得られている。また、設計目標どおりの成形品は、約２５０ｒｐｍ程度の速度で冷媒配管３を巻き付けながら螺旋状溝に嵌め込んだとき、螺旋状溝から外れたり、浮き上がったりすることはないことも確認されている。
なお、図７は山部傾斜度θおよび山部ピッチＰの標準偏差σと加工良好領域および加工不具合領域の関係を表しているが、加工良好領域の成形品はすべて螺旋状溝の山部２ａの高さＨが設計目標値にどおりに成形できており、加工不具合領域の成形品は螺旋状溝の山部２ａの高さＨが設計目標値に成形できなかったものがあるということを含んでいる。
したがって、ネジリ加工の捩る応力を素管全体に均等に分散し設計目標値どおりの螺旋状溝を得るためには、偏肉率０〜７．５％の素管が必要である。

このように、捩る速度を約３００ｒｐｍ程度でネジリ加工を行う場合、偏肉率を７．５％以下のりん脱酸銅管を選定し使用していくと、全長約５０００ｍｍ以上の素管の外周に３条の連続した設計値どおりの山部の高さＨを有した螺旋状溝が成形でき、その山部傾斜度θと山部ピッチＰのバラツキは少なく、約２５０ｒｐｍ程度で冷媒配管３を巻き付けながら嵌め込んだとき、螺旋状溝から外れたり、浮き上がったりすることなく、水配管２と冷媒配管３との十分な接触面積を確保した伝熱接合が可能である。また、その条件ではネジリ加工のときに芯金に絡みつくというトラブルも少ない。

一方、捩る速度すなわち捩る応力を変えても、その応力に応じて偏肉率のりん脱酸銅管を選定することにより、水配管２の螺旋状溝に冷媒配管３がしっかりと嵌め込まれた熱交換特性が良い捩り管形熱交換器１は得られる。
ただし、偏肉率に応じて、素管のネジリ加工の捩る応力すなわち捩る速度を約３００ｒｐｍ程度から変更・制御し全長約５０００ｍｍ以上ある素管の山部２ａの倒れや山部２ａと山部２ａとのピッチＰのバラツキの増大を抑制する方法では、生産速度がバラバラで１日の生産数の生産管理が難しい。１日の生産数を確保するために約４０秒程度で１台作成しているが、そのためには捩る速度は約３００ｒｐｍ程度必要である。
特に、全長約５０００ｍｍ以上ある素管の捩る応力を捩る速度で制御することは、容易ではない。

また、全長約５０００ｍｍ以上ある素管で、素管の全長に渡り、素管の押出、抽伸、圧延加工する段階で、肉厚を調整することは容易ではない。特に、管の外径寸法と管の真円度を確保し、管の曲がりない素管を押出、抽伸、圧延にて成形するので、素管の素材を伸縮できない歪が肉厚寸法誤差として残る場合が多い。よって、素管完成後またはネジリ加工前に素管の偏肉率を検査し、偏肉率７．５％以下のものだけをネジリ加工するようにしている。

以上により、偏肉率７．５％以下のりん脱酸銅管の素管を用いることにより、山部の高さＨ、山部傾斜度θ、山部ピッチＰが設計目標の範囲内となる３条の連続した螺旋状溝を全長約５０００ｍｍ以上の素管に成形した水配管の製造が可能となり、成形される螺旋状溝の山部傾斜度θと山部ピッチＰのバラツキが小さいため水配管と冷媒配管との確実に接合され接触面積が十分確保できた熱交換特性が良い捩り管形熱交換器が得られる。

また、ネジリ加工において、芯金に絡みつくというトラブルを防止し、生産効率を向上させることができる。

また、捩り管形熱交換器の水配管にりん脱酸銅管を用いることができるので、他の配管やバルブのような配管部品と簡単にろう付けができ、曲げ加工が容易になるとともに、熱伝導率の高い捩り管形熱交換器を得ることができる。

また、ネジリ加工の捩る速度や水配管の螺旋状溝に冷媒配管を巻き付けながら嵌め込んでいく速度は変更する必要なく、従来の装置と生産工程にて生産可能で大きな設備投資も必要としない。

また、水配管の素管の偏肉率を管理する以外に、素管の外径φと公称肉厚ｔの比を管理することで、素管の肉厚寸法のバラツキを管理し、螺旋状溝の山部２ａの高さＨが冷媒配管３の直径Ｒｏの１／２以上直径Ｒｏ以下、山部傾斜度θを９０°±５°以下、冷媒配管３の直径φ３．８ｍｍを嵌め込む場合で山部２ａと山部２ａとのピッチＰの標準偏差σを０．１ｍｍ以下（許容値は３σ程度）とした水配管を得ることができる。図６の斜視図において、φは水配管の素管の外径寸法であるが、素管全体では素管の肉厚寸法同様にバラツキがある。素管の偏肉率と同様、このバラツキがネジリ加工の捩る応力を均等にできず、設計目標値どおりの高さの螺旋状溝の山部２ａが得られなかったり、螺旋螺旋状溝の山谷の等間隔ピッチを乱したり、山部の倒れが著しく溝が成形できていなかったり、部分的に応力の集中を起こし素管の内径がつぶれ芯金に絡みついたりする。そのため、水配管の素管の外径寸法φと素管の公称肉厚ｔとし、これらからφ／ｔで表される外径寸法φと公称肉厚ｔとの寸法比すなわち外径／公称肉厚比を測定・算出することによって素管の肉厚寸法を管理しネジリ加工の捩る応力が素管に対して部分的に集中しない加工を行う。

図８は、ネジリ加工の捩る応力を全長約５０００ｍｍ以上ある水配管２の素管に加えたときの素管の外径／公称肉厚比と山部傾斜度θおよび山部ピッチＰの標準偏差σを測定し、山部傾斜度θおよび山部ピッチＰの標準偏差σが設計目標値どおりの螺旋状溝が成形できたかどうかを事前検討調査したものである。
一般的なりん脱酸銅管の素管は、外径寸法φ１５ｍｍのもので、外径／公称肉厚比４．０〜６．０％であり、従来の課題を持つ素管を含むため課題は解消されていない。
図８の素管の外径／公称肉厚比に対する分布を見ていくと、外径／公称肉厚比４．０〜４．７％の素管や外径／公称肉厚比５．３〜６．０％の素管では、設計目標値どおりの連続した螺旋状溝が成形された成形品は少なく、螺旋溝成形不良やネジリ加工時のトラブルが多いという結果が得られている。これに対して、外径／公称肉厚比４．７〜５．３％の素管では、設計目標値どおりの連続した螺旋状溝が成形でき、素管が芯金に絡みつくことが少ないという結果が得られている。また、設計目標どおりの成形品は、約２５０ｒｐｍ程度の速度で冷媒配管３を巻き付けながら螺旋状溝に嵌め込んだとき、螺旋状溝から外れたり、浮き上がったりすることはないことも確認されている。
なお、図８は山部傾斜度θおよび山部ピッチＰの標準偏差σと加工良好領域および加工不具合領域の関係を表しているが、加工良好領域の成形品はすべて螺旋状溝の山部２ａの高さＨが設計目標値にどおりに成形できており、加工不具合領域の成形品は螺旋状溝の山部２ａの高さＨが設計目標値に成形できなかったものがあるということを含んでいる。
したがって、ネジリ加工の捩る応力を素管全体に均等に分散し設計目標値どおりの螺旋状溝を得るためには、外径／公称肉厚比４．７〜５．３％の素管が必要である。

このように、捩る速度を約３００ｒｐｍ程度でネジリ加工を行う場合、外径／公称肉厚比を５％±０．３％以内のりん脱酸銅管を選定し使用していくと、全長約５０００ｍｍ以上の素管の外周に３条の連続した設計値どおりの山部の高さＨを有した螺旋状溝が成形でき、その山部傾斜度θと山部ピッチＰのバラツキは少なく、約２５０ｒｐｍ程度で冷媒配管３を巻き付けながら螺旋状溝に嵌め込んだとき、螺旋状溝から外れたり、浮き上がったりすることなく、水配管２と冷媒配管３との十分な接触面積を確保した伝熱接合が可能である。また、その条件ではネジリ加工のときに芯金に絡みつくというトラブルも少ない。

一方、捩る速度すなわち捩る応力を変えても、その応力に応じた外径／公称肉厚比のりん脱酸銅管を選定することにより、水配管２の螺旋状溝に冷媒配管３がしっかりと嵌め込まれた熱交換特性が良い捩り管形熱交換器１が得られる。
ただし、偏肉率同様、外径／公称肉厚比に応じて、捩る速度を約３００ｒｐｍ程度から変更・制御する方法は生産速度の管理が難しく、１日の生産数を確保が困難となる。
特に、全長約５０００ｍｍ以上ある素管の捩る応力を捩る速度で制御することは、容易ではない。

また、全長約５０００ｍｍ以上ある素管で、素管の全長に渡り、素管の押出、抽伸、圧延加工する段階で、外径や肉厚を調整することは容易ではない。特に、管の真円度を確保し、管の曲がりない素管を押出、抽伸、圧延にて成形するので、素管の素材を伸縮できない歪が肉厚寸法誤差として残る場合が多い。よって、素管完成後またはネジリ加工前に素管の外径／公称肉厚比を検査し、５％±０．３％以内のものだけをネジリ加工するようにしている。

以上により、外径／公称肉厚比５％±０．３％以内のりん脱酸銅管の素管を用いることにより、山部の高さＨ、山部傾斜度θ、山部ピッチＰが設計目標の範囲内となる３条の連続した螺旋状溝を全長約５０００ｍｍ以上の素管に成形した水配管の製造が可能となり、半田付けによって水配管と冷媒配管との確実に接合され接触面積が十分確保できた熱交換特性が良い捩り管形熱交換器が得られるとともに、ネジリ加工において芯金に絡みつくというトラブルが防止でき生産効率は向上し、水配管にりん脱酸銅管を用いることができるのでろう付けや曲げ加工が容易で熱伝導率の高い捩り管形熱交換器を得ることができる。

また、ネジリ加工の捩る速度や水配管の螺旋状溝に冷媒配管を巻き付けながら嵌め込んでいく速度は変更する必要なく、従来の装置と生産工程にて生産可能で大きな設備投資も必要としない。

さらに、水配管の素管の偏肉率を７．５％以下でかつ外径／公称肉厚比を５％±０．３％以内に管理することにより、山部傾斜度θと山部ピッチＰのバラツキ、分散をさらに絞り込むことができる。すなわち、山部傾斜度θが９０°±５°で、山部ピッチＰの標準偏差σが０．１ｍｍの限界値できた螺旋状溝より、山部傾斜度θが９０°に近く、山部ピッチＰの標準偏差σが０に近いものが、多く成形できる。これにより、水配管２の螺旋状溝に冷媒配管３がしっかりと嵌め込まれた捩り管形熱交換器１の生産性が向上できる。

実施の形態２．
実施の形態１では、ネジリ加工を行う水配管の素管の肉厚寸法を管理する方法を説明したが、素管の持っている特性である管軸引張強度と管周引張強度を管理してネジリ加工を行っても構わない。その方法を説明する。図９は水配管の素管の管軸引張強度と管周引張強度のそれぞれの方向を示した斜視図、図１０は水配管の素管の管軸／管周引張強度比と山部傾斜度および山部ピッチの標準偏差の関係を示す図である。

図９において、ＴＳ_PLは水配管の素管の管軸引張強度、ＴＳ_PCは水配管の素管の管周引張強度である。管軸引張強度とは、図９に示すように管の軸方向、すなわち長手方向に引っ張り・伸ばしたとき、管が破壊するまでの強度であり、管周引張強度とは、管を外周方向に引っ張り・広げたとき、管が破壊するまでの強度である。この引張強度が素管毎にバラツキがあり、一様ではないため、ネジリ加工の捩る応力を均等に保てず、設計目標値どおりの高さの螺旋状溝の山部２ａが得られなかったり、螺旋状溝の山谷の等間隔ピッチを乱したり、山部２ａの倒れが著しく溝が成形できていなかったり、部分的に応力の集中を起こし素管の内径がつぶれ芯金に絡みついたりする。そのため、管軸引張強度ＴＳ_PLと管周引張強度ＴＳ_PCから、ＴＳ_PL／ＴＳ_PCで表される管軸引張強度／管周引張強度比を得ることによって応力に対する素管の強度を管理しネジリ加工の捩る応力が素管に対して部分的に集中しない加工を行う。

図１０は、ネジリ加工の捩る応力を全長約５０００ｍｍ以上ある水配管２の素管に加えたときの素管の管軸引張強度／管周引張強度比と山部傾斜度θおよび山部ピッチＰの標準偏差σを測定し、山部傾斜度θおよび山部ピッチＰの標準偏差σが設計目標値である螺旋状溝が成形できたかどうかを事前検討調査したものである。
一般的なりん脱酸銅管の素管は、外径寸法φ１５ｍｍのもので、管軸引張強度／管周引張強度比０．８４〜０．９６％であり、従来の課題を持つ素管を含むため課題は解消されていない。
図１０の素管の管軸引張強度／管周引張強度比に対する分布を見ていくと、管軸引張強度／管周引張強度比０．８４〜０．８８％の素管や管軸引張強度／管周引張強度比０．９２〜０．９６％の素管では、設計目標値どおりの連続した螺旋状溝が成形された成形品は少なく、螺旋溝成形不良やネジリ加工時のトラブルが多いという結果が得られている。これに対して、管軸引張強度／管周引張強度比０．８８〜０．９２％の素管では、設計目標値どおりの連続した螺旋状溝が成形でき、素管が芯金に絡みつくことが少ないという結果が得られている。また、設計目標どおりの成形品は、約２５０ｒｐｍ程度の速度で冷媒配管３を巻き付けながら螺旋状溝に嵌め込んだとき、螺旋状溝から外れたり、浮き上がったりすることはないことも確認されている。
なお、図１０は山部傾斜度θおよび山部ピッチＰの標準偏差σと加工良好領域および加工不具合領域の関係を表しているが、加工良好領域の成形品はすべて螺旋状溝の山部２ａの高さＨが設計目標値にどおりに成形できており、加工不具合領域の成形品は螺旋状溝の山部２ａの高さＨが設計目標値に成形できなかったものがあるということを含んでいる。
したがって、ネジリ加工の捩る応力を素管全体に均等に分散し設計目標値どおりの螺旋状溝を得るためには、管軸引張強度／管周引張強度比０．８８〜０．９２％の素管が必要である。

このように、捩る速度を約３００ｒｐｍ程度でネジリ加工を行う場合、管軸引張強度／管周引張強度比が０．９±０．０２以内のりん脱酸銅管を選定し使用していくと、全長約５０００ｍｍ以上の素管の外周に３条の連続した設計値どおりの山部の高さＨを有した螺旋状溝が成形でき、その山部傾斜度θと山部ピッチＰのバラツキは少なく、冷媒配管３を約２５０ｒｐｍ程度で冷媒配管３を巻き付けながら嵌め込んだとき、螺旋状溝から外れたり、浮き上がったりすることなく、水配管２と冷媒配管３との十分な接触面積を確保した伝熱接合が可能である。また、その条件ではネジリ加工のときに芯金に絡みつくというトラブルも少ない。

同様に、捩る速度すなわち捩る応力を変えても、その応力に応じた管軸引張強度／管周引張強度比のりん脱酸銅管を選定することにより、水配管２の螺旋状溝に冷媒配管３がしっかりと嵌め込まれた熱交換特性が良い捩り管形熱交換器１が得られる。
ただし、偏肉率や外径／公称肉厚比同様、管軸引張強度／管周引張強度比に応じて捩る速度を約３００ｒｐｍ程度から変更・制御する方法は生産速度の管理が難しく、１日の生産数を確保が困難になる。
特に、素管毎の管軸引張強度や管周引張強度の測定方法は破壊検査のため、素管を破壊する以外に測る術はないので素管毎の個別の制御は困難であり、素管ロット毎に一律同じ制御となる。

同様に、管軸引張強度や管周引張強度の検査は、破壊検査であるため、生産工程のネジリ加工前に１本１本検査を行うことはできない。また、管軸引張強度や管周引張強度は、金属組成や結晶構造によるもので、素管製造時の押出や抽伸、圧延加工するときに容易に調整できるものではない。よって、事前に素管ロットからサンプルを抜き取り、管軸引張強度や管周引張強度の破壊検査を行い、サンプルを抜き取った素管ロットが管軸引張強度／管周引張強度比が０．９±０．０２以内であることを検査確認し、その素管ロットのものだけをネジリ加工するようにする。
一方、生産工程で、素管の肉厚や外径を検査する手間がなくなるため、生産効率は向上する。

以上により、管軸引張強度／管周引張強度比０．９±０．０２以内のりん脱酸銅管の素管を用いることにより、山部の高さＨ、山部傾斜度θ、山部ピッチＰが設計目標の範囲内となる３条の連続した螺旋状溝を全長約５０００ｍｍ以上の素管に成形した水配管の製造が可能となり、半田付けによって水配管と冷媒配管との確実に接合され接触面積が十分確保できた熱交換特性が良い捩り管形熱交換器が得られるとともに、ネジリ加工において芯金に絡みつくというトラブルが防止でき生産効率は向上し、水配管にりん脱酸銅管を用いることができるのでろう付けや曲げ加工が容易で熱伝導率の高い捩り管形熱交換器を得ることができる。

また、ネジリ加工の捩る速度や水配管の螺旋状溝に冷媒配管を巻き付けながら嵌め込んでいく速度は変更する必要なく、従来の装置と生産工程にて生産可能で大きな設備投資も必要としない。

また、事前に素管の管軸引張強度／管周引張強度比を０．９±０．０２以内とされた素管において、偏肉率あるいは外径／公称肉厚比のいずれか一方または両方の検査を行い、偏肉率を７．５％以下あるいは外径／公称肉厚比を５％±０．３％以内のいずれかの管理または両方の管理を行っても構わない。このような管理によって、さらに、ネジリ加工を行ったときの山部傾斜度θや山部ピッチＰのバラツキ、分散を絞り込むことができ、芯金に絡みつくというトラブルも防止でき生産効率が向上する。

以上により、偏肉率７．５％以下のりん脱酸銅管あるいは外径／公称肉厚比５％±０．３％以内のりん脱酸銅管の素管を用いることにより、山部の高さＨが冷媒配管３の直径Ｒｏの１／２以上直径Ｒｏ以下、山部傾斜度θを９０°±５°以内、ピッチＰの標準偏差σを０．１ｍｍ以下（許容値は３σ程度）の３条の連続した螺旋状溝を全長約５０００ｍｍ以上の素管に成形した水配管の製造が可能となり、成形される螺旋状溝の山部傾斜度θと山部ピッチＰのバラツキが小さいため水配管と冷媒配管とは確実に嵌め込まれ、半田付けにて接合でき、接触面積が十分確保できた熱交換特性が良い捩り管形熱交換器が得ることができる。また、事前に素管の管軸引張強度／管周引張強度比を０．９±０．０２以内とされた素管を使用することにより、さらにバラツキの精度が向上する。

１ 熱交換器
２ 水配管
２ａ 山部
２ｂ 谷部
３ 冷媒配管
３ａ 第１冷媒配管
３ｂ 第２冷媒配管
３ｃ 第３冷媒配管
５ａ 冷媒分流部
５ｂ 冷媒合流部
７ 冷媒配管接続口
８ 冷媒配管接続口
９ 水配管接続口
１０ 水配管接続口
２０ 芯金

Claims (8)

1. 偏肉率が７．５％以下で管軸引張強度／管周引張強度比が０．９±０．０２以内の銅管と、前記銅管の管内に芯金を通し前記銅管の両端を把持し把持した把持部を所定の速度で回転させ捩ることにより外周に連続した螺旋状溝が成形された水配管と、前記螺旋状溝に沿って嵌め込み前記水配管と接合された冷媒配管と、を備えたことを特徴とする捩り管形熱交換器。
2. 前記水配管の前記螺旋状溝の山部の高さは前記冷媒配管の外径の１／２以上、かつ、前記冷媒配管の外径以下であることを特徴とする請求項１に記載の捩り管形熱交換器。
3. 前記水配管の前記螺旋状溝は複数の連続した溝から構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の捩り管形熱交換器。
4. 前記銅管の外径／公称肉厚比は５％±０．３％以内であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の捩り管形熱交換器。
5. 外周に連続した螺旋状溝を有する水配管と、前記水配管の前記螺旋状溝に沿って嵌め込み接合された冷媒配管と、を備え、前記水配管の前記螺旋状溝は前記冷媒配管の外径の１／２以上、かつ、前記冷媒配管の外径以下の高さであって、ピッチＰの標準偏差σが０．１ｍｍ以下の山部を有し、前記水配管の素管は偏肉率が７．５％以下であって、外径／公称肉厚比が５％±０．３％以内の銅管または管軸引張強度／管周引張強度比が０．９±０．０２以内の銅管であることを特徴とする捩り管形熱交換器。
6. 複数条の連続した前記螺旋状溝を有しそれぞれの前記螺旋状溝に前記冷媒配管が嵌め込まれ接合された少なくとも１本の前記水配管が長円コイル状の熱交換器を形成したことを特徴とする請求項５に記載の捩り管形熱交換器。
7. 請求項１乃至４のいずれかに記載の銅管において、前記銅管の端部から所定寸法離れた前記銅管の外周上に複数の打痕を等間隔に打つステップと、前記打痕を打った前記銅管の管内に芯金を通し前記銅管の前記端部を固定治具で把持し固定するステップと、前記端部とは反対側の前記銅管の端部を回転治具で把持し前記回転治具を所定速度と所定回転数で回転させることによって前記銅管を捩るステップと、を有し、前記銅管を捩ることによって前記銅管に打った複数の前記打痕を起点に前記打痕と同数の溝が螺旋状に成形されることを特徴とする捩り管形熱交換器の製造方法。
8. 前記銅管に成形された螺旋状の前記溝に沿って冷媒配管を嵌め込むステップと、前記冷媒配管を嵌め込んだ前記銅管を所定寸法の長円コイル状に曲げ加工を行うステップと、長円コイル状に曲げ加工を行った前記銅管と前記冷媒配管を半田にて接合するステップと、を有することを特徴とする請求項７に記載の捩り管形熱交換器の製造方法。

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