JP6169538B2 - 内面螺旋溝付管の製造方法および製造装置 - Google Patents
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Description
近年、空調機には省エネに向けた伝熱特性の向上が図られ、冷媒の見直しや熱交換器の構造設計の改良が行なわれている。その中で、構成要素の一つである伝熱管も更なる高性能化が求められている。現在は内面に連続した螺旋溝を設けた内面溝付管が主流となっており、熱交換効率の向上が図られている。
さらに他の製造方法として、内面に長さ方向に沿う複数の直線溝が周方向に間隔をおいて形成された素管を、コイル状に巻取りし、そのコイル状素管をそのコイル軸線上に沿って一定の張力を負荷し直管状に引き伸ばすことにより、該素管に捻りを加え内面螺旋溝付管を製造する方法が知られている(特許文献3参照)。
先の特許文献2に記載されている製造装置は、図14に示すように支柱型の2つの支持部材100によって軸周りに回転自在に水平に支持した回転軸101に操出ドラム102を軸支させ、この操出ドラム102にコイル状に巻き付けておいた素管103を引抜きダイス105を介し引き抜いた後、巻取りドラム106に巻き取る構成である。
素管103の内周面には直線溝が複数形成されており、引抜きダイス105を通過した素管103は内面に螺旋溝を有する内面螺旋溝付管108に成形される。
ところが、図14に示す製造装置では、操出ドラム102から素管103を繰り出した位置から、引抜きダイス105に至るまでの途中において素管103に捻れが作用し座屈するため、大きな捻れ角の付与が困難である。即ち、引抜きダイス105の内部側に捻れと縮径の両方の力をバランス良く作用させることが困難であった。このため、操出ドラム102から繰り出された位置から引抜きダイス105に至るまでの間、例えば、素管103の移動経路を変更した回転軸101の先端側位置やその前後位置などに捻れ力が集中し、素管103がダイス105に至る前に容易に座屈するという問題点を有していた。
図16に示す製造装置120は、内面に複数の直線溝により内面フィンが形成された押出素管121を巻取りロール122の円周上にコイル状に巻取る巻取り手段123と、コイル状に形成されたコイル状管材121aをそのコイル軸線124の延長方向前方側に向かって引き伸ばし、直管状に成形する引張り手段130と、引張り後の管体の断面形状を矯正する図示略の引抜きダイスと、矯正後の内面螺旋溝付管を加熱する熱処理手段とを備えている。なお、図16に示す製造装置120は必要とする捻り角の大きさに合わせて複数段直列接続して使用される。
引張り手段130には、コイル状管材121aをチャッキングして引き延ばすストレッチャー128と、引き延ばし後の管材に張力を付加しつつ直管状に成形するピンチロール129が複数設けられ、これらによる加工後、巻取りロール131に内面螺旋溝付管132が巻き取られる。
また、付与される捻り角は前述したように、巻取りするロール径だけでなく、そのコイル状に巻き取りされる際のピッチも大きく影響するが、一定ピッチのバネ状に加工するのが難しく、結果的に長手方向で捻り角のバラツキが大きく、安定した捻り角が付与できないといった問題点が挙げられる。それを複数回繰り返して行うことから、捻り角のバラツキが更に大きくなりやすい。
内面螺旋溝付管を製造する場合、引抜きダイス前で巻き出し側キャプスタンに素管を巻き付け、且つ、巻き出し側のドラムと同期して巻き出し側キャプスタンを回転させているので、捻りを加える加工域の軸芯を、キャプスタンに巻き付けられた管の巻数分、巻き出しドラムからの素管巻き出し路からキャプスタンの回転軸と平行な方向にずらすことができるとともに、キャプスタンに巻き付け拘束されることで、素管の捻れる加工域長さを巻き出し側キャプスタンのトップの位置から引抜きダイス終端部までとより短い範囲で一定に制御することが可能で、素管の巻き出し速度と巻き出し側キャプスタンの公転速度(ここでの公転とは、前記、加工域軸芯を中心にした巻き出し側キャプスタンの回転を意味する)および引抜きによる縮径率を制御することで、素管長手方向に安定して一定の捻り角を付与できるとともに、引抜きダイス手前のキャプスタンと引抜きダイスの距離を調整し、両者の距離を比較的短くするとともに、縮径率を大きくすることで、一度の巻き出しによる加工で大きな捻り角を付与した際にも、座屈の発生を抑制することができる。
なお、転造法のように只の丸管内部にプラグを入れて溝を転造する必要がないため、予め、捻り前の素管内壁に深い溝を形成しておくことで、本発明方法ではフィン高さが高く、フィンの頂角が小さいハイスリムフィンタイプの管の製造も精度良く容易に行うことができるとともに、素管加工後に管材内面の潤滑油洗浄を必要とせず、工数を削減できる。直線溝を形成した素管は、例えば、押出により容易に得ることが可能である。
引抜き加工と捻り加工を複合化すると、座屈を生じることなく捻れる最大捻り角(以後、限界捻り角と称す)の値が大きくなる。素管に捻り加工のみを行なった場合、素管の円周接線方向にせん断応力が付与され、素管が捻れるが、その時、素管の長手方向には圧縮応力が作用する。捻り角の増加につれてこの圧縮応力は高くなり、その圧縮応力が座屈を生じる座屈応力を上回った場合に座屈に至る。引抜きには、引抜きによる素管長手方向への引張応力の付与で、この圧縮応力を低減する効果があり、座屈の発生を抑制できる。
本発明者らの試験では、縮径率を大きくするほど、限界捻り角が向上する結果が得られている。
縮径率が小さ過ぎる場合は引抜きによる引張応力の効果が小さく、大きな捻り角を得ることが難しいので、5%以上とするのが好ましい。一方、縮径率が大きくなり過ぎると素管が破断するおそれがあるので、40%以下とするのが好ましい。
同様に、前記引抜き側キャプスタンには、該引抜き側キャプスタンとの間で前記内面螺旋溝付管を掛け回すように巻き付ける引抜き側従動ローラーが備えられており、該引抜き側従動ローラーは、前記内面螺旋溝付管の走行路から退避した位置に配置されているとよい。
従動ローラーを走行路から退避させて配置することにより、キャプスタン間の捻り加工領域を短くすることができ、座屈の発生を効果的に抑制することができる。
なお、従動ローラーを設ける場合、キャプスタンの軸心に対して交差する方向に配置すると、素管同士の重なりを防止することが可能で、作製した内面螺旋溝付管の表面スリ傷、破断、座屈の発生を効果的に抑制することができる。
また、フィン高さが高くフィン頂角の値が小さい内面螺旋溝付管が得られるととともに、細管(細径化)に対応でき、35゜以上の高い捻り角を付与できる。
これらの効果は、素管を巻き出すドラムから素管を直接引抜きダイスに通すのではなく、一端巻出し側キャプスタンに周回させてから引抜きダイスに通すことで、素管の長さ方向に捻り加工を負荷する領域を短く設定し、引抜きダイスの加工域にできる限り捻り加工域と縮径加工域を一致させることができることに起因する。
更に、製造した内面螺旋溝付管の内面には、アルミニウムカスなどのカスの発生がなく、長手方向に捻り角、フィン高さ、底肉厚が安定しているので、熱交換器を組み立てる際の拡管に悪影響を及ぼさない。
本実施形態の内面螺旋溝付管の製造装置Aは、内面に長さ方向に沿う複数の直線溝11aが周方向に間隔をおいて形成された素管11(図5参照)に、一定の捻りを生じさせ、内面に螺旋溝を有する内面螺旋溝付管11R(図6)を製造する装置である。
第1フレーム32は、ドラム21の回転軸21aを支持する矩形枠状の主フレーム32aと主フレーム32aの一側から先窄まり状に延出形成された側面視等脚台形状の副フレーム32bと、副フレーム32bの先端側に延出形成された軸型の前端部34と、主フレーム32aの後端側に延出形成された軸型の後端部35からなる。
第1フレーム32の前端部34は、一方の脚部37より更に前方に突出されており、その突出端部に巻出し側キャプスタン22を保持する第2フレーム(巻出し側フレーム)38が固定されている。したがって、第2フレーム38は第1フレーム32に対し一体化され、巻出し側キャプスタン22とともに、水平な軸心Cを中心として軸心周りに回転自在に支持されている。
この駆動部39により第1フレーム32及び第2フレーム38を一体に回転させる構成であり、駆動部39、両フレーム32、38、軸受36、脚部37等により、巻き出しドラム21と巻き出し側キャプスタン22とを上記軸心Cを中心に一体に回転する回転手段23が構成される。
なお、図2は図1に示す製造装置Aのうち、引抜きダイス24の前後に設けられている巻出し側キャプスタン22と引抜き側キャプスタン25を主体として素管11との相対関係を主体に描いた図であり、図2では従動ローラー41、43の記載を略している。
また、図2に示すようにキャプスタン22の頂上位置と引抜きダイス24の出口部分との間の長さLの領域が加工域とされる。
また、脚部37の中の軸受け36の中に、捻り加工前の素管11の真円を回復するための引抜きダイス16を有している。
コイル状に巻かれた素管11は、素管同士の接触で偏平状に変形している。変形したまままの形状で引抜きを行なうと、引抜きダイス24に偏平な素管11が均一に接触せず、捻りの付与で座屈してしまう。従って、真円度を長径/短径の比が1.2以内になるように、縮径率0.5〜3%の引抜きを行なう。この縮径率は、(引抜き前の素管11の外径−引抜き後の内面螺旋溝付管の外径)/引抜き前の素管の外径の百分率により求められる。
また、引抜き側キャプスタン25は、巻き出し側キャプスタン22と同様に、従動ローラー43を備えており、この従動ローラー43との間で内面螺旋溝付管11Rを複数ターン掛け回すように巻き付けた状態として上記軸心C1と平行に送り出すようにしている。内面螺旋溝付管11Rはキャプスタン25に数周分巻き付けられる。この引抜き側キャプスタン25において、内面螺旋溝付管11Rは、両キャプスタン22、25の間の軸心Cに対してキャプスタン25の回転軸と平行な方向にずれて送り出される。
巻き取りドラム29は、内面螺旋溝付管11Rを一定の張力で巻き取るものであり、回転のための駆動部46を備えている。
予め、押出により、図4に示すように、内面に長さ方向に沿う複数の直線溝11aが周方向に間隔をおいて形成された素管11を作製する(素管押出工程)。
そして、この素管11を巻き出しドラム21にコイル状に保持しておき、この巻き出しドラム21から巻き出した素管11を巻き出し側キャプスタン22に巻き付けつつ、回転手段23によってフレーム32、38と一体に巻き出しドラム21及び巻き出し側キャプスタン22を軸心C回りに回転させることにより、巻き出し側キャプスタン22から素管11を回転させながら巻き出す(素管巻き出し工程)。
この場合、捻りにより素管11には円周接線方向にせん断応力が作用し捻り角が付与されるが、同時に素管11の長手方向には捻りに伴う圧縮応力が作用し、その値が座屈応力を超えた場合に座屈が生じるが、引抜き加工による素管長手方向への引張応力により、圧縮応力を低減できるため、座屈の発生を抑制できる。
引抜きダイス24の終端部から引抜き側キャプスタン25の位置が離れすぎると、キャプスタン25に内面螺旋溝付管11Rを巻き付けてはいるものの、その拘束力が弱くなり、引抜きダイス24から内面螺旋溝付管11Rが出た後にも内面螺旋溝付管11Rが回転し、その場合、長手方向で加工域の長さが変化し、長手方向の捻り角がばらつく要因になる。
なお、内面螺旋溝付管の捻れ角は、巻き出しキャプスタン22の公転速度と素管11の巻き出し速度との関係により定められる。
最後に内面螺旋溝付管11Rは巻き取りドラム29に巻き付けられる(巻き取り工程)。 巻取りドラム29は、引抜き側キャプスタン25およびキャプスタン27と同期してモーター駆動で回転する。
図7に示す熱交換器80の構造において内面螺旋溝付管81は、フィン材82を直線状に貫通する複数のU字状の主管81Aと、隣接する主管81Aの隣り合う端部開口どうしをU字形のエルボ管81Bで図7(b)に示すように接続してなる。また、フィン材82を貫通している内面螺旋溝付管81の一方の端部側に冷媒の入口部86が形成され、内面螺旋溝付管81の他方の端部側に冷媒の出口部87が形成されることで図7に示す熱交換器80が構成されている。
図7に示す熱交換器80に内面螺旋溝付管81を適用することで、熱交換効率の良好な熱交換器80を提供できる。
また、例えば、内面螺旋溝付管11Rの外径が10mm以下と小さく、アルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる内面螺旋溝付管11Rを用いて熱交換器80を構成すると、小型高性能であり、リサイクル時にフィン材82と内面螺旋溝付管81の分離が不要であって、リサイクル性に優れた熱交換器を提供できる。
外径10mm、内径9.1mm、内面に直線溝が形成された3003アルミニウム合金素管を用いて内面螺旋溝付管の製造を行った。
素管は、外径10mm、内径9.1mmの3003押出まま材を用い、内面の直線溝の数は45個(8°/1山)で、これら直線溝により形成されるフィンの高さが0.28mm、フィンの頂角が10°であるものを用いた。この素管を用いて、引抜きダイスの孔径が7.5mm、縮径率25%、引抜き速度が5m/minの条件で引抜き加工を行った。
この図8に示されるように、両者の間には相関が認められ、加工域長さが短くなるにつれて限界捻り角の値は指数関数的に増大する傾向を示した。加工域長さ180mmでは座屈に至っておらず、参考データである。
加工域長さを220mmとして上記の条件で作製した素管引抜き工程後の内面螺旋溝付管は、外径が7.5mmとなり、内面に捻り角が30°の螺旋溝が形成されていた。仕上げ引抜き工程後では、第3の引抜きダイスを通すことにより、捻れ角がわずかに小さくなることから、最終的に、外径が7.2mmで、内面螺旋溝の捻り角は28°となった。
また、内面にストレートの溝を設けた外径Φ10、内径Φ9.1の3003アルミニウム合金素管を用いて、加工域長さ220mm、引抜速度5m/minで、巻き出し側キャプスタンの公転速度を変量し、引抜き時の縮径率が限界捻り角(座屈を生じずに捻れる最大捻り角)に及ぼす影響を調べた結果、図9に示す結果となった。
この図9に示されるように、両者の間には相関が認められ、引抜き時の縮径率を大きくするにつれて限界捻り角が大きくなる傾向が認められる。
図10は、加工域長さ220mm、30%リダクションで外径φ7.5mm、内径φ6.6mm、引抜速度10m/minの条件において捻り角と巻き出し側キャプスタン回転速度の関係を示している。
巻出し側フレームの回転速度と捻り角は比例する関係となり、巻出し側フレームの回転速度を変量することにより、捻り角の変量が可能であることが判った。
次に、内面に直線溝を設けた外径φ=10mm、内径φ=9.1mmの3003アルミニウム合金からなる素管を用い、図1に示す装置を用いて、加工域長さ220mm、30%リダクション、引抜速度10m/min、巻き出し側キャプスタンの公転速度180rpmで、外径φ7.5mm、内径φ6.6mmの製造条件にて、20゜の内面螺旋溝を有する長さ778mの内面螺旋溝付管を製造した。その内面螺旋溝付管の一部を長さ5mにわたり、切り出し、切り出した内面螺旋溝付管の長さ方向における捻り角の分布を調べた。その結果を図11に示す。
図11に示す結果から、図1に示す製造装置を用いて形成した内面螺旋溝付管は、長手方向で安定した捻り角の付与ができていた。また、捻れ角のばらつきは、±0.5゜の範囲内に納まっており、極めて優秀な精度で管材の長手方向に均一な捻り角を付与できていることが判った。
次に、内面に直線溝を設けた外径φ=10mm、内径φ=9.0mmの3003アルミニウム合金からなる押出素管を用い、図1に示す装置を用いて25゜の内面螺旋溝を有する長さ778mの内面螺旋溝付管を製造した。この製造は、引抜きリダクション30%、加工域長220mm、外形φ7mmの捻り管を引抜速度10m/min、巻き出し側キャプスタンの公転速度250rpmの条件で作成した。
長さ778mの内面螺旋溝付管について、加工開始位置から、長さ方向に10m、195m、389m、584m、775mの各位置において捻り角(゜)、外径(mm)、底肉厚(mm)、フィン高さ(mm)、フィン頂幅(mm)、フィン頂角(゜)を測定した結果を以下の表1に示す。
フィン頂角とは、図12に示す等脚台形状のフィンにおいて、左右の斜辺がなす角度であり、フィン頂幅とはフィン頂部分の幅である。フィン高さはフィン底部からフィン頂部までの高さとした。
底肉厚とは、図13に示すように螺旋溝11dの部分に相当する内面螺旋溝付管11Rの肉厚を示す。なお、内面螺旋溝付管11Rは断面円形のため、正確には図13に示すようにフィン11cの底辺の中央点とフィン11cの頂辺の中央点どうしを結ぶ高さtとして計測している。
また、得られた内面螺旋溝付管のそれぞれの測定位置の部分から長さ140mmにわたり管を切り出し、切り出した管をそのまま試験片として用い、TS(引張り強さ)、YS(耐力)、EL(伸び)を測定した。
また、得られた内面螺旋溝付管は長さ方向についてTS、YS、ELのばらつきも小さく、均一に加工されていることが判る。
11 素管
11a 直線溝
11b フィン
11R 内面螺旋溝付管
21 ドラム(巻き出し側ドラム)
21a 巻軸
22 巻き出し側キャプスタン
23 回転手段
24 引抜きダイス
24a ダイス孔
25 引抜き側キャプスタン
26 第2の引抜きダイス
27 第3のキャプスタン
29 巻き取りドラム
31 ガイドプーリ
32 フレーム(第1フレーム)
38 第2フレーム
C 軸心(回転手段の軸心)
C1 軸心(加工域の軸心)
Claims (15)
- 内面に長さ方向に沿う複数の直線溝が周方向に間隔をおいて形成された素管をコイル状に保持したドラムから巻き出して巻き出し側キャプスタンに巻き付けつつ、これらドラム及び巻き出し側キャプスタンをドラムの巻軸と直交する軸心に沿って回転させることにより、前記巻き出し側キャプスタンから前記素管を前記軸心回りに回転させながら巻き出す素管巻き出し工程と、巻き出された前記素管を引抜きダイスに通して縮径しながら捻りを付与して内面螺旋溝付管とする捻り引抜き工程とを備えることを特徴とする内面螺旋溝付管の製造方法。
- 前記引抜きダイスによる縮径率は5〜40%とすることを特徴とする請求項1記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
- 前記巻出し側キャプスタンに前記素管を巻き始める位置と前記巻出し側キャプスタンから前記引抜きダイス側に前記素管を送り始める位置を前記巻出し側キャプスタンの回転軸と平行な方向にずらすことにより、前記巻出し側キャプスタンと前記引抜きダイスとの間を前記素管の捻り加工領域とすることを特徴とする請求項1または2に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
- 前記引抜きダイスに前記素管を通して前記素管を捻りつつ縮径する際、前記素管に前方張力と後方張力を付加することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
- 前記引抜きダイスを通過した前記内面螺旋溝付管を引抜き側キャプスタンに巻き付けることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
- 前記引抜き側キャプスタンから巻出した前記内面螺旋溝付管を第2の引抜きダイスで整形することを特徴とする請求項5に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
- 前記ドラムから巻出した前記素管を前記巻出し側キャプスタンに到達する前に引抜きダイスにより真円状に整形することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
- 前記素管がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる押出素管であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
- 内面に長さ方向に沿う複数の直線溝が周方向に間隔をおいて形成された素管を保持するドラムと、該ドラムから巻き出した前記素管を巻き付けながら巻き出す巻き出し側キャプスタンと、これらドラム及び巻き出し側キャプスタンを前記ドラムの巻軸と直交する軸心を中心として回転する回転手段と、前記巻き出し側キャプスタンから巻き出される前記素管を通して縮径と捻りを行う引抜きダイスを備えることを特徴とする内面螺旋溝付管の製造装置。
- 前記巻出し側キャプスタンに前記素管を巻き始める位置と前記巻出し側キャプスタンから前記引抜きダイス側に前記素管を送り始める位置が、前記巻出し側キャプスタンの回転軸と平行な方向にずらされ、前記巻出し側キャプスタンの巻出し位置と前記引抜きダイスとの間が前記素管の捻り加工領域とされたことを特徴とする請求項9に記載の内面螺旋溝付管の製造装置。
- 前記ドラムの回転を規制することにより前記引抜きダイス手前側の前記素管へ後方張力を付加する機能を備えたことを特徴とする請求項9または10に記載の内面螺旋溝付管の製造装置。
- 前記引抜きダイスの後段側に前記内面螺旋溝付管を巻き付けて巻出し、前記内面螺旋溝付管に前方張力を付与する引抜き側キャプスタンが備けられたことを特徴とする請求項9〜11のいずれか一項に記載の内面螺旋溝付管の製造装置。
- 前記引抜き側キャプスタンの後段側に前記内面螺旋溝付管を整形する第2の引抜きダイスが設けられたことを特徴とする請求項12に記載の内面螺旋溝付管の製造装置。
- 前記巻出し側キャプスタンの前段側に前記素管を真円状に整形する引抜きダイスが設けられたことを特徴とする請求項9〜13のいずれか一項に記載の内面螺旋溝付管の製造装置。
- 前記巻き出し側キャプスタン及び引抜き側キャプスタンには、これらキャプスタンとの間で前記素管または内面螺旋溝付管を掛け回すように巻き付ける従動ローラーが備えられており、該従動ローラーは、前記素管または内面螺旋溝付管の走行路から退避した位置に配置されていることを特徴とする請求項12〜14のいずれか一項に記載の内面螺旋溝付管の製造装置。
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