JP6502913B2

JP6502913B2 - フィン内蔵管

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Publication number: JP6502913B2
Application number: JP2016220486A
Authority: JP
Inventors: 裕之大野
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Calsonic Kansei Corp
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2036-11-11
Also published as: US10955198B2; US20200056847A1; WO2018088396A1; JP2018077028A

Description

本発明は、管の内部に螺旋フィンが介装されるフィン内蔵管に関する。

特許文献１には、伝熱管の内部に螺旋板が装着された熱交換器が開示されている。

上記熱交換器の製造時には、長板を予め捩って螺旋板を形成した後に、螺旋板を伝熱管の内部に設置している。

特開昭６２−２６８９９４号公報

上記熱交換器の製造時には、伝熱管を湾曲させる曲げ加工をすることがある。

しかし、上記伝熱管は、湾曲する曲げ加工部の曲げ剛性がその内部に介在する螺旋板の位置によって一定でないため、設計された形状に成形されない虞がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、曲げ加工部の成形精度を高められるフィン内蔵管を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、管の内部に螺旋フィンが介装されるフィン内蔵管であって、前記管は、中心線が略直線状に延びる直管部と、前記中心線が湾曲する曲げ加工部と、を有し、前記螺旋フィンは、前記管に対して前記直管部の内部と前記曲げ加工部の内部とで共に螺旋状に捩られており、板状のフィン材が前記中心線まわりに一定の角度だけ捩れる軸方向の螺旋ピッチが前記直管部に位置する部位に比べて前記曲げ加工部に位置する部位で大きくなっていることを特徴とするフィン内蔵管が提供される。

上記態様によれば、管の曲げ加工部では、直管部に比べて、螺旋フィンの螺旋ピッチが大きくなっていることで、螺旋フィンの曲げ剛性の変化が小さく抑えられる。よって、フィン内蔵管における曲げ加工部の成形精度を高められる。

図１は、本発明の実施形態に係る二重管を示す断面図である。図２は、フィン内蔵管の製造装置を示す斜視図である。図３は、芯金を示す平面図である。図４は、フィン内蔵管を製造する工程を示す斜視図である。図５は、フィン内蔵管を製造する工程を示す斜視図である。図６は、フィン内蔵管を製造する工程を示す斜視図である。図７は、フィン内蔵管を製造する工程を示す断面図である。図８は、変形例に係るフィン内蔵管を示す断面図である。図９は、他の変形例に係るフィン内蔵管を示す断面図である。図１０は、図９のＸ−Ｘに沿う断面図である。図１１は、さらに他の変形例に係るフィン内蔵管を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係るフィン内蔵管３０（熱交換チューブ）が適用される二重管４０を示す断面図である。二重管４０は、空調装置（図示省略）の冷媒（流体）が循環する熱交換器として設けられる。

二重管４０は、内部に内側流路５１を形成する円筒状の内管２０と、内管２０のまわりに外側流路５２を形成する円筒状の外管３２と、を備える。内管２０の両端部には冷媒を導く配管（図示省略）が接続される。外管３２の両端部３６、３７は、内管２０の外周に接合される。外管３２は、冷媒を導く配管（図示省略）が接続される入口３８及び出口３９を有する。

外側流路５２には、図中矢印Ａ、Ｂで示すように、入口３８及び出口３９を通じて高温高圧の液状冷媒が流通する。内側流路５１には、図中矢印Ｃ、Ｄで示すように、低温低圧のガス状冷媒が流通する。二重管４０では、外側流路５２及び内側流路５１を流通する冷媒どうしが熱交換する。

内管２０の内部には、螺旋フィン１０が介装される。螺旋フィン１０は、後述するように、帯板状のフィン材１１が螺旋状に捩られることで成形される。フィン材１１の両端部１１Ａ、１１Ｂは、内管２０の内面２１に例えばカシメによって固定される。

二重管４０を構成する各部材３２、２０、１０は、例えばアルミニウム等の金属を材質とする。

内管２０及び螺旋フィン１０は、熱交換器の要素としてフィン内蔵管３０を構成する。フィン内蔵管３０では、内側流路５１を流通する冷媒が螺旋フィン１０に沿って螺旋状に旋回しながら流通することで、冷媒が内管２０を介して熱交換することが促される。

二重管４０は、設置されるスペースに対応して、その中程を湾曲させた湾曲部４４を有する。内管２０は、湾曲部４４を構成する曲げ加工部２４と、曲げ加工部２４から直線状に延在する直管部２３、２５と、を有する。外管３２は、湾曲部４４を構成する曲げ加工部３４と、曲げ加工部３４から直線状に延在する直管部３３、３５と、を有する。

次に、図２を参照して、フィン内蔵管３０の製造装置５０について説明する。

製造装置５０は、内管２０の内部に挿入する芯金６０と、内管２０の外周を把持するチャック７０と、内管２０の外周を摺動自在に支持して曲げ加工をする曲げ加工機８０と、を備える。

製造装置５０は、芯金６０を駆動する駆動機構６５と、チャック７０を駆動する駆動機構７５と、を備える。駆動機構６５は、矢印Ｅで示すように芯金６０を内管２０の軸Ｏまわりに回転駆動するとともに、矢印Ｆで示すように、芯金６０を軸Ｏ方向に移動させる。駆動機構７５は、チャック７０を矢印Ｈで示すように軸Ｏ方向に移動させる。駆動機構６５、７５及び曲げ加工機８０の作動は、コントローラ（図示省略）によって制御される。

曲げ加工機８０は、ロール型８１、圧力型８２、及びクランプ型８３を備える。ロール型８１は、曲げ中心軸Ｓを中心とする円弧状に延在する成形溝８１Ａを有する。圧力型８２は、軸Ｏ方向に延在するガイド溝８２Ａを有する。内管２０は、成形溝８１Ａとガイド溝８２Ａとの間に摺動自在に支持され、軸Ｏ方向に移動するように案内される。クランプ型８３は、内管２０の外周を把持するクランプ溝（図示省略）を有する。

曲げ加工時には、ロール型８１及びクランプ型８３は、両者の間に内管２０が把持された状態で、駆動機構（図示省略）によって曲げ中心軸Ｓを中心に回動する。これにより、駆動機構７５によって送られる内管２０は、成形溝８１Ａに沿って曲げられる。

芯金６０は、軸Ｏ方向に延在する円柱状の基端部６２、支持部６３、及び先端部６４と、支持部６３及び先端部６４にわたって開口するスリット６１と、を有する。

芯金６０の基端部６２は、駆動機構６５に連結される部位である。

芯金６０の支持部６３は、基端部６２に対して先端部６４を支持する部位である。支持部６３は、基端部６２及び先端部６４より縮径して形成され、内管２０の内面２１に間隙をもって軸Ｏ方向に延在する。これにより、芯金６０の摺動抵抗が小さく抑えられる。

図３に示すように、先端部６４は、内管２０の内面２１に摺接する型部６４Ａと、型部６４Ａから軸Ｏ方向に次第に縮径するように延在する型先端部６４Ｂ及び先端逃げ部６４Ｃと、を有する。

型部６４Ａは、円柱状に形成される。型部６４Ａの外周面は、内管２０の内面２１に間隙をもって対峙する。型部６４Ａは、後述するように、曲げ加工時に相対回転しながら曲げ加工部２４の近傍で内管２０の内面２１に当接して、曲げ加工部２４を成形するようになっている。

型先端部６４Ｂは、型部６４Ａから段差なく縮径する紡錘状に形成される。型先端部６４Ｂの外周面は、型部６４Ａの外周面から曲折することなく曲面状に延在している。型先端部６４Ｂは、後述するように、曲げ加工時に相対回転しながら曲げ加工部２４の内面２１に当接し、曲げ加工部２４を成形するようになっている。

先端逃げ部６４Ｃは、型先端部６４Ｂからさらに縮径して突出する。先端逃げ部６４Ｃは、後述するように、曲げ加工時に曲げ加工部２４の内面２１に干渉しないようになっている。

スリット６１は、一定の開口幅を有して軸Ｏ方向に延在する間隙であり、芯金６０に収容されるフィン材１１を支持する支持壁部を形成する。スリット６１の開口端部６１Ａは、次第に開口幅が増大して先端逃げ部６４Ｃに開口している。

次に、製造装置５０を用いてフィン内蔵管３０を製造する方法について説明する。

まず、図２に矢印Ｇで示すように、フィン材１１を内管２０に挿入する。そして、内管２０の外周をカシメることによって、フィン材１１の先端部１１Ａを内管２０に固定する。

なお、上記した構成に限らず、例えば、フィン材１１の先端部１１Ａを内管２０の内面２１に圧入して内管２０に固定する構成としてもよい。

続いて、図４に示すように、芯金６０を内管２０に挿入する。このとき、芯金６０のスリット６１にフィン材１１が挿入される。

続いて、図５、６に矢印Ｈで示すように、内管２０を芯金６０に対して軸Ｏ方向に移動するとともに、図５、６に矢印Ｅで示すように、芯金６０を内管２０に対して一方向に回転させる。

これにより、芯金６０のスリット６１から出ていくフィン材１１は、先端部１１Ａを支点として捩られる。こうして、内管２０の直管部２５の内部で螺旋フィン１０が形成される。

続いて、図７に示すように、曲げ加工機８０を作動して内管２０を曲げる。このときに、ロール型８１及びクランプ型８３が内管２０を把持した状態で矢印Ｉで示すように曲げ中心軸Ｓを中心に回動する。これにより、駆動機構７５によって矢印Ｈで示すように送られる内管２０は、円弧状の成形溝８１Ａに沿って曲げられる。

上記曲げ加工時に、内管２０は、その内面２１に芯金６０の先端部６４の外周が当接することによって曲げ加工部２４が成形される。

上記曲げ加工時に、曲げ加工部２４の内側に位置する湾曲内側部分２４Ａでは、圧縮応力が生じるが、その近傍で円柱状の型部６４Ａが内管２０の内面２１に当接することによって、座屈することが抑えられる。これにより、湾曲内側部分２４Ａには、シワ等の成形不良が発生することが抑えられる。

上記曲げ加工時に、曲げ加工部２４の外側に位置する湾曲外側部分２４Ｂでは、引張応力が生じるが、紡錘状の型先端部６４Ｂが相対回転してその内面２１に当接することによって、その円弧形状をした断面形状が維持される。これにより、湾曲外側部分２４Ｂでは、その断面形状が過度に扁平になった部位が形成されることが抑えられる。

コントローラは、上記曲げ加工時に、駆動機構７５によって内管２０を矢印Ｈで示すように軸Ｏ方向に送る移動速度に対して駆動機構６５によって芯金６０を矢印Ｅで示すように回転させる回転速度を低下させる制御を行う。こうして、螺旋フィン１０は、フィン材１１が軸Ｏについて一定角度だけ捩れる軸Ｏ方向の長さ（以下、「螺旋ピッチ」と称する。）が直管部２３、２５に比べて曲げ加工部２４で大きくなるように形成される。

上記曲げ加工が行われた後に、曲げ加工機８０は、内管２０を把持していたクランプ型８３を退避位置に移動させる。そして、内管２０を芯金６０に対して軸Ｏ方向に移動するとともに、芯金６０を回転させることで、内管２０の直管部２３の内部に螺旋フィン１０を形成する。

そして、内管２０の外周をカシメることによって、フィン材１１の基端部１１Ｂを内管２０に固定する。

こうして、フィン内蔵管３０が製造される。上記したフィン内蔵管３０が製造される工程の前に内管２０に外管３２の両端部が接合されている。また、フィン内蔵管３０が製造される工程の前に内管２０に外管３２の一端部が接合され、フィン内蔵管３０が製造される工程の後に内管２０に外管３２の他端部が接合される構成としてもよい。いずれの場合にも、製造装置５０は、曲げ加工機８０を用いて内管２０及び外管３２を共に曲げ加工する。なお、図７では、便宜上、外管３２の図示を省略している。

図８は、こうして製造されたフィン内蔵管３０を示す断面図である。螺旋フィン１０は、直管部２３の内部に介装される直フィン部１３と、曲げ加工部２４に介装される曲げフィン部１４と、直管部２５の内部に介装される直フィン部１５と、を有する。

直フィン部１３、１５は、それぞれの中心線が内管２０の軸Ｏに沿って略直線状に延びる。直フィン部１３、１５の螺旋ピッチＰ１、Ｐ２は、任意に設定される。

曲げフィン部１４は、その中心線が内管２０の軸Ｏに沿って湾曲する。曲げフィン部１４の螺旋ピッチＰ３は、直フィン部１３、１５の螺旋ピッチＰ１、Ｐ２より大きくなっている。

以上のように、本実施形態によれば、フィン内蔵管３０は、内管２０（管）の内部に螺旋フィン１０が介装される。内管２０は、中心線が略直線状に延びる直管部２３、２５と、中心線が湾曲する曲げ加工部２４と、を有する。曲げ加工部２４に延在する螺旋フィン１０の螺旋ピッチＰ３は、直管部２３、２５に延在する螺旋フィン１０の螺旋ピッチＰ１、Ｐ２に比べて大きくなるように構成される。

上記構成に基づき、曲げ加工部２４では、螺旋フィン１０の螺旋ピッチが直管部２３、２５に比べて大きくなっていることで、螺旋フィン１０の曲げ剛性の変化が小さく抑えられる。これにより、フィン内蔵管３０は、内管２０の曲げ加工が螺旋フィン１０の曲げ剛性に影響されることが抑えられるため、曲げ加工部２４の成形精度を高められる。

次に、図９〜１１に示すフィン内蔵管３０の変形例について説明する。

図９に示すように、曲げフィン部１４より先に加工される直フィン部１５は、曲げ加工部２４に近接する部位の螺旋ピッチＰ４が、曲げ加工部２４から離れた他の部位の螺旋ピッチＰ５に比べて小さく形成される。これにより、螺旋フィン１０は、直管部２５の端部におけるフィン材１１の位置が任意に調整される。

なお、上記した構成に限らず、図１１に示すように、直フィン部１５は、曲げ加工部２４に近接する部位の螺旋ピッチＰ６が、曲げ加工部２４から離れた他の部位の螺旋ピッチＰ７に比べて大きく形成されるようにしてもよい。これにより、螺旋フィン１０は、直管部２５の端部におけるフィン材１１の位置が任意に調整される。

直フィン部１３は、曲げ加工部２４に近接する部位の螺旋ピッチＰ１、Ｐ２が、曲げ加工部２４から離れた他の部位に比べて大きく形成される。これにより、螺旋フィン１０は、直管部２３の端部におけるフィン材１１の位置が任意に調整される。

こうして、螺旋フィン１０は、直管部２５、２３の各端部におけるフィン材１１の位置が調整されることにより、曲げ加工部２４の内部に介在するフィン材１１の両端部の位置が決まる。

曲げフィン部１４は、曲げ加工部２４の内部に介在するフィン材１１が曲げ中心軸Ｓと略平行になるように配置される。曲げフィン部１４は、フィン材１１が軸Ｏについて捩られることがなく、螺旋ピッチが無限大になっている。

図１０は、曲げ中心軸Ｓを含む内管２０（曲げ加工部２４）及び曲げフィン部１４（フィン材１１）の断面図である。図１０に示すように、曲げフィン部１４を形成するフィン材１１は、曲げ中心軸Ｓに対して略平行に延在する。

曲げフィン部１４は、曲げ加工部２４の内部空間を曲げ中心軸Ｓに対して径方向内側の空間４１と径方向外側の空間４２とを仕切るように延在する。

曲げ加工部２４では、フィン材１１が曲げ中心軸Ｓと略平行に延在することにより、螺旋フィン１０の曲げ剛性が最も小さく抑えられる。これにより、フィン内蔵管３０は、内管２０の曲げ加工が螺旋フィン１０の曲げ剛性に影響されることが抑えられるため、曲げ加工部２４の成形精度を高められる。

なお、図１０に２点鎖線で示すように、フィン材１１が曲げ中心軸Ｓと略直交することで、螺旋フィン１０の曲げ剛性が最も大きくなり、曲げ加工部２４の成形精度が低くなる。

この対処方法として、曲げ加工部２４では、フィン材Ｓが曲げ中心軸と直交しないように延在するように構成してもよい。これにより、螺旋フィン１０の曲げ剛性が最も大きくなることが回避される。よって、曲げ加工部２４の成形精度を高められる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

上記実施形態のフィン内蔵管３０は、熱交換器を構成する熱交換チューブとして好適であるが、熱交換器以外に使用される機械又は設備にも適用できる。

１０螺旋フィン
１１フィン材
１１Ａ先端部
２０内管（管）
２４曲げ加工部
３０フィン内蔵管
４１空間
４２空間
Ｓ曲げ中心軸

Claims

管の内部に螺旋フィンが介装されるフィン内蔵管であって、
前記管は、
中心線が略直線状に延びる直管部と、
前記中心線が湾曲する曲げ加工部と、を有し、
前記螺旋フィンは、前記管に対して前記直管部の内部と前記曲げ加工部の内部とで共に螺旋状に捩られており、板状のフィン材が前記中心線まわりに一定の角度だけ捩れる軸方向の螺旋ピッチが前記直管部に位置する部位に比べて前記曲げ加工部に位置する部位で大きくなっていることを特徴とするフィン内蔵管。
請求項１に記載のフィン内蔵管であって、
前記曲げ加工部は、曲げ中心軸を中心として曲げられ、
前記螺旋フィンは、前記曲げ加工部において前記フィン材が前記曲げ中心軸と直交しないよう延在することを特徴とするフィン内蔵管。
請求項２に記載のフィン内蔵管であって、
前記直管部に介在する前記螺旋フィンは、前記曲げ加工部に近接する部位の螺旋ピッチが他の部位に比べて小さくなっていることを特徴とするフィン内蔵管。
請求項２に記載のフィン内蔵管であって、
前記直管部に介在する前記螺旋フィンは、前記曲げ加工部に近接する部位の螺旋ピッチが他の部位に比べて大きくなっていることを特徴とするフィン内蔵管。