JP7174339B2 - パイプベンダおよび金属製丸パイプの曲げ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、曲げ部が形成された金属製丸パイプに関連する技術に関する。

熱交換器の伝熱管として、Ｕ字状、蛇行状、あるいは螺旋状の伝熱管など、曲げ部を備えた金属製丸パイプがよく用いられる。このような曲げ部を備えた金属製丸パイプは、パイプベンダを用いて直管状の金属製丸パイプに曲げ加工を施して製作される（たとえば、特許文献１，２を参照）。

パイプベンダとしては、種々の構成のものが提案されているが、その多くは、簡略的には、図６に示すように、ロールブロック２およびプレッシャ型３を備えた構成とされている。これらロールブロック２およびプレッシャ型３は、ともに半円状の第１および第２のパイプ嵌入用凹部２１，３１を有しており、これらの内面によって金属製丸パイプ１を挟み付けるようにして、金属製丸パイプ１をロールブロック２の第１のパイプ嵌入用凹部２１に沿わせるように曲げる。

前記した手段によれば、図７に示すような曲げ部１０を有する金属製丸パイプ１が得られる。この金属製丸パイプ１の曲げ部１０は、中心線Ｃ１よりも内側の内側半部１１ａが半円弧状であるのに対し、中心線Ｃ１よりも外側の外側半部１１ｂの広い領域が中心線Ｃ１寄りに窪んだ形態である。外側半部１１ｂのうち、本来的には最外部となる筈の部分Ｐａが、適当な寸法Ｌｃだけ中心線Ｃ１寄りにオフセットしている。
曲げ部１０を形成する場合、内側半部１１ａは圧縮側となるのに対し、外側半部１１ｂは引っ張り側となる。このため、曲げ部１０の曲率半径Ｒ（曲げ半径）を小さくするほど、外側半部１１ｂにおける引っ張り変形量が多くなり、前記した寸法Ｌｃも増大し、外側半部１１ｂは偏平化する。また、金属製丸パイプ１の曲げ加工速度を速くした場合には、前記した偏平化がより顕著となる。

しかしながら、前記従来技術によれば、次に述べるように改善すべき余地がある。

第１に、曲げ部１０が前記したような形態に偏平化すると、曲げ部１０の断面積が、曲げ加工前の本来の断面積と比較して、かなり小さくなる。また、曲げ部１０の最小内幅Ｌｄも小さくなる。このため、金属製丸パイプ１に流体を流通させた際の流路抵抗が大きくなる。これは、金属製丸パイプ１を、たとえば熱交換器の伝熱管などとして用いる場合に好ましいものではない。
第２に、曲げ部１０の偏平化は、金属製丸パイプ１の曲げ加工速度を速くするほど顕著となるために、曲げ部１０の偏平化を抑制するには、曲げ加工速度を遅くする必要がある。このため、生産性を高める上で不利を招く。

なお、従来においては、たとえば特許文献３に記載されているように、金属製丸パイプに曲げ加工を施す際に、曲げ加工対象部分の内側に、芯金を配置させ、曲げ部の偏平化を防止する手段がある。ところが、このような手段によれば、作業が煩雑なものとなり、また設備コストが高価となるばかりか、金属製丸パイプの全長が比較的長い場合、あるいは１本の金属製丸パイプに複数の曲げ部を設けるような場合には、曲げ加工対象部分の内側に芯金を収容配置させることができず、芯金を利用した曲げ加工は困難となる。したがって、前述した不具合を適切に解消することはできない。

特開２０１６－１３１９７７号公報 特開２０１２－１３５７９７号公報 特開２００４－３２２１８６号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、曲げ部の断面積や最小内幅が減少することを抑制し、流路抵抗を小さくするなどの利点が得られるとともに、容易かつ適切に製造することが可能な金属製丸パイプの製造に適するパイプベンダ、および前記金属製丸パイプの曲げ加工方法を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の後述するパイプベンダおよび金属製丸パイプの曲げ加工方法を利用して製造される金属製丸パイプは、曲げ部を有する金属製丸パイプであって、この金属製丸パイプは、ステンレス製であり、前記曲げ部の軸線方向断面視において、前記曲げ部の周壁部の外側半部は、前記曲げ部の内外周方向ｘに対して直交するｙ方向の中央部が最外周部とされ、かつこの最外周部からパイプ中心までの距離Ｌａよりも、前記外側半部の一対の基端部と前記最外周部との相互間の中間部から前記パイプ中心までの距離Ｌｂの方が短い非円弧状の外向き凸状であり、前記曲げ部の軸線方向断面視において、前記曲げ部の周壁部の内側半部は、半円弧状、または前記外側半部よりも半円弧状に近い略半円弧状であるとともに、前記内側半部には、この内側半部の一部が皺状に隆起した複数の隆起部が周方向に間隔を隔てて形成されており、前記最外周部から前記パイプ中心までの距離Ｌａは、前記金属製丸パイプの管外径の１／２よりも短いことを特徴としている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
第１に、従来技術とは異なり、曲げ部の外側半部が偏平な形状とはされておらず、曲げ部の断面積を従来技術よりも大きくすることができる。また、曲げ部の最小内幅も大きくすることができる。したがって、金属製丸パイプに流体を流通させた際の流路抵抗を小さくすることができる利点が得られる。
第２に、曲げ部の周壁部の外側半部は、前記中間部が最外周部よりもパイプ中心寄りに位置する形態であるが、このような形態によれば、曲げ部を加工形成する際に、曲げ部の外側半部が引っ張りを受けて伸ばされることによって窪みが生じる部位を、前記中間部の部位とし、このことによって外側半部の最外周部がパイプ中心寄りに大きく窪まないようにすることが可能である。このようなことから、曲げ部の偏平化を回避しつつ、金属製丸パイプの曲げ加工速度を速くし、生産性の向上、製造コストの低減化を図ることが可能となる。

本発明において、好ましくは、前記曲げ部の軸線方向断面視において、前記外側半部の前記最外周部および前記中間部は、外向き凸の湾曲状、または非湾曲状とされている。

このような構成によれば、曲げ部を加工する際に、外側半部の最外周部および中間部がパイプ中心寄りに大きく窪むことを抑制する上で一層好ましいものとなる。

本発明の第１の側面により提供されるパイプベンダは、金属製丸パイプの曲げ方向内面側を嵌入させるための第１のパイプ嵌入用凹部が外周面に形成されているロールブロックと、前記金属製丸パイプの曲げ方向外面側を嵌入させるための第２のパイプ嵌入用凹部が側面に形成されているプレッシャ型と、を備えており、前記第１および第２のパイプ嵌入用凹部のそれぞれの内面によって前記金属製丸パイプを挟み付けて、前記金属製丸パイプに曲げ部を形成することが可能とされている、パイプベンダであって、前記第２のパイプ嵌入用凹部は、前記第２のパイプ嵌入用凹部の開口幅方向の中央部が最奥部とされ、かつこの最奥部から前記第２のパイプ嵌入用凹部の一対の縁部の相互間の中心までの距離よりも、前記最奥部と前記一対の縁部との相互間の中間部から前記中心までの距離の方が短い断面非半円状とされており、前記第１のパイプ嵌入用凹部の内面には、この第１のパイプ嵌入用凹部よりも深さが深い複数の凹溝部が周方向に間隔を隔てて設けられていることを特徴としている。

本発明の第２の側面により提供される金属製丸パイプの曲げ加工方法は、外側面に第１のパイプ嵌入用凹部が形成されているロールブロックと、内側面に第２のパイプ嵌入用凹部が形成されているプレッシャ型と、を備えているパイプベンダを利用し、前記第１および第２のパイプ嵌入用凹部のそれぞれの内面によって金属製丸パイプを挟み付けて曲げる工程を有している、金属製丸パイプの曲げ加工方法であって、前記パイプベンダとして、本発明の第１の側面により提供されるパイプベンダを用いることを特徴としている。

このような構成によれば、本発明の第１の側面により提供される金属製丸パイプを適切に製造することが可能である。

本発明において、好ましくは、前記第１のパイプ嵌入用凹部は、断面半円状、または前記第２のパイプ嵌入用凹部よりも断面半円状に近い断面略半円状とされている。

このような構成によれば、金属製丸パイプの曲げ部の内側半部を、半円弧状、または外側半部よりも半円弧状に近い略半円弧状の断面形状とすることができる。

本発明において、好ましくは、前記第２のパイプ嵌入用凹部の前記最奥部および前記中間部は、断面視おいて、凹状の湾曲状、または非湾曲状である。

このような構成によれば、金属製丸パイプの曲げ部の外側半部の最外周部および中間部が大きく窪んだ形状にならないようにすることが可能である。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

（ａ）は、本発明に係る金属製丸パイプの曲げ加工方法によって加工された金属製丸パイプの一例を示す要部平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIb－Ib拡大断面図である。 （ａ）は、本発明に係るパイプベンダの一例を示す概略平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIIb－IIb断面図であり、（ｃ）は、（ａ）のIIc－IIc断面図である。 （ａ）は、図２に示すパイプベンダに金属製丸パイプをセットした状態の概略平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIIIb－IIIb断面図である。 図３に示す状態からパイプベンダを動作させて金属製丸パイプに曲げ部を形成した状態を示す概略平面断面図である。 （ａ）は、曲げ部を有する金属製丸パイプを用いて構成された熱交換器の一例を示す平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のVb－Vb断面図であり、（ｃ）は、側面図である。 パイプベンダの従来技術の一例を示す要部断面図である。 （ａ）は、金属製丸パイプの従来技術の一例を示す要部平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のVIIb－VIIb拡大断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
なお、図６および図７に示した従来技術と同一または類似の要素には、従来技術と同一の符号を適宜付すこととする。

図１に示す金属製丸パイプ１は、たとえばステンレス製であり、１８０°の角度範囲で、適当な曲率半径Ｒで湾曲した曲げ部１０を有している。同図（ｂ）に示すように、曲げ部１０の軸線方向断面視において、曲げ部１０の周壁部１１の内側半部１１ａ（中心線Ｃ１よりも内側（左側））は、半円弧状である。ただし、内側半部１１ａは、周壁部１１が圧縮された部位であるため、同図（ａ）に示すように、複数の隆起部１２を有する皺状に形成される。

一方、曲げ部１０の周壁部１１の外側半部１１ｂ（中心線Ｃ１よりも外側）は、非円弧状の外向き凸状である。より具体的には、外側半部１１ｂは、曲げ部１０の内外周方向ｘ（図１（ｂ）の左右方向）に対して直交するｙ方向（同図の上下縦方向）の中央部（中心線Ｃ２が通過する部位）が最外周部１３とされている。ここで、最外周部１３からパイプ中心Ｏまでの距離Ｌａよりも、一対の中間部１５からパイプ中心Ｏまでの距離Ｌｂの方が短い構成（Ｌａ＞Ｌｂの関係）とされている。ここで、中間部１５は、外側半部１１ｂの一対の基端部１４と最外周部１３との相互間の部位である。一対の基端部１４は、外側半部１１ｂの基端となる部位であり、外側半部１１ｂのうちの中心線Ｃ１の付近である。

なお、最外周部１３は、後述する金属製丸パイプ１の曲げ加工がなされることにより、曲げ加工前の本来の位置よりもパイプ中心Ｏ寄りに僅かに位置ずれする場合がある。このため、中間部１５のうち、基端部１４に近い部分からパイプ中心Ｏまでの距離が、距離Ｌａよりも長くなる場合があり得る。ただし、本発明においては、中間部１５の全域がＬａ＞Ｌｂの関係を満たす必要はなく、中間部１５の少なくとも一部（たとえば、中間部１５の中央部またはその付近）からパイプ中心Ｏまでの距離Ｌｂが、Ｌａ＞Ｌｂの関係を満たせばよい。
この点は、後述するプレッシャ型３の第２のパイプ嵌入用凹部３１の最奥部３１ａと中間部３１ｃとの距離Ｌａ’，Ｌｂ’の関係についても同様である。

外側半部１１ｂは、別の側面から考察すると、中間部１５が、一対の基端部１４および最外周部１３の３点を通過する円弧ａよりも、パイプ中心Ｏ寄りに位置する形態に相当する。

最外周部１３、および中間部１５は、曲げ部１０の軸線方向断面視において、ともに外向き凸の湾曲状とされている。これらの曲率半径ｒ１，ｒ２は相違しており、たとえばｒ１＜ｒ２である。ただし、これに限定されず、最外周部１３、および中間部１５の一方または双方を、たとえば非湾曲状とすることもできる。

次に、前記した曲げ部１０を形成するためのパイプベンダＡの一例、およびこれを用い
て曲げ部１０を形成する方法の一例について説明する。

図２に示すパイプベンダＡは、ロールブロック２、プレッシャ型３、およびクランプ型４を備えている。

ロールブロック２は、軸部２０を中心として水平回転可能であり、その外周面には、第１のパイプ嵌入用凹部２１が一連に形成されている。平面断面視において、第１のパイプ嵌入用凹部２１は、１８０°の角度範囲にわたって円弧状に湾曲した湾曲部２１ａ、およびその両端に繋がった直線部２１ｂ，２１ｃを有している。第１のパイプ嵌入用凹部２１は、既述した曲げ部１０の内側半部１１ａに対応した形態であり、具体的には、同図（ｃ）に示すように、断面半円状（内面が半円弧状）である。ただし、第１のパイプ嵌入用凹部２１の内面には、この第１のパイプ嵌入用凹部２１よりも深さが深い複数の凹溝部２２が適当な間隔で設けられている。この凹溝部２２は、図１（ａ）に示した隆起部１２に対応する部位である。

プレッシャ型３は、側面に第２のパイプ嵌入用凹部３１が、矢印Ｎａで示す水平方向に一連に形成されたブロック状の部材であり、ロールブロック２の横に位置して前記した矢印Ｎａ方向に往復動可能である他、これと交差する矢印Ｎｂの水平方向にも往復動し、ロールブロック２への接近および離反が可能である。第２のパイプ嵌入用凹部３１は、既述した曲げ部１０の外側半部１１ｂに対応した形態である。具体的には、図２（ｃ）に示すように、第２のパイプ嵌入用凹部３１は、上下開口幅方向の中央部が最奥部３１ａとされ、かつこの最奥部３１ａから第２のパイプ嵌入用凹部３１の一対の縁部３１ｂの相互間の中心Ｏａまでの距離Ｌａ’よりも、一対の中間部３１ｃから中心Ｏａまでの距離Ｌｂ’の方が短い断面非半円状である。中間部３１ｃは、各縁部３１ｂと最奥部３１ａとの相互間の部位である。最奥部３１ａ、および中間部３１ｃは、図１に示した曲げ部１０の最外周部１３および中間部１５に対応する部位であり、好ましくは、断面視において、凹状の湾曲状である。ただし、これらを断面視において非湾曲状とすることもできる。

クランプ型４は、ロールブロック２との間で金属製丸パイプ１をクランプし、金属製丸パイプ１の引っ張り動作を生じさせるための部位である。このクランプ型４の側面には、図２（ｂ）に示すような断面半円状の第３のパイプ嵌入用凹部４１が設けられている。クランプ型４は、ロールブロック２を軸部２０を中心として回転させる際には、これに伴い、軸部２０を中心として水平回転するように構成されている。このことにより、ロールブロック２との相対的な位置関係にズレが生じないようにし、ロールブロック２とクランプ型４との両者によって金属製丸パイプ１のクランプ状態を維持することができる。

前記したパイプベンダＡを用いて金属製丸パイプ１に曲げ部１０を形成する加工は、次のようにして行なわれる。

まず、図３に示すように、金属製丸パイプ１は、曲げ方向内面側をロールブロック２の第１のパイプ嵌入用凹部２１（直線部２１ｂ）に嵌入させる一方、曲げ方向外面側をプレッシャ型３およびクランプ型４の第２および第３のパイプ嵌入用凹部３１，４１に嵌入させるように設定する。プレッシャ型３およびクランプ型４は、ロールブロック２側に接近させ、これらと金属製丸パイプ１との間に滑りなどを生じないように金属製丸パイプ１を十分な力でクランプしておく。次いで、このような設定状態において、軸部２０を中心として、ロールブロック２およびクランプ型４を１８０°水平回転させる。このことにより、図４に示すように、金属製丸パイプ１の一部は、ロールブロック２の第１のパイプ嵌入用凹部２１の湾曲部２１ａに沿った状態に曲げられ、曲げ部１０が形成される。この曲げ部１０は、図１を参照して説明したのと同様な構成となる。なお、ロールブロック２およびクランプ型４の前記した回転時に、プレッシャ型３を矢印Ｎｃ方向に前進させることに
より、曲げ部１０の外側半部１１ｂの引っ張り力、あるいは引っ張り量を調整することが可能である。

図５は、熱交換器ＨＥの一例を示しているが、この熱交換器ＨＥの複数の伝熱管１Ａは、金属製丸パイプ１に前記した曲げ部１０を複数箇所形成することによって、全体を蛇行状とした伝熱管である。この熱交換器ＨＥにおいては、複数の伝熱管１Ａが、上下高さ方向に間隔を隔てて積層された状態で、ケース５内に収容されている。ケース５は、加熱用気体としての燃焼ガスの給気口５０および排気口５１が設けられている。また、各伝熱管１Ａの端部は、入水用および出湯用のヘッダ６ａ，６ｂ内に配され、ヘッダ６ａの入水口６０ａから供給された湯水は、各伝熱管１Ａを通過して加熱されてからヘッダ６ｂ内に到達し、その出湯口６０ｂから出湯するように構成されている。

次に、図１に示した金属製丸パイプ１の作用について説明する。

まず、曲げ部１０は、内側半部１１ａが偏平化されていないことは勿論のこと、外側半部１１ｂも大きく偏平した形状とはされていない。このため、図７に示した従来技術と比較すると、曲げ部１０の断面積、および最小内幅を大きくすることが可能である。したがって、金属製丸パイプ１に流体を流通させた際の流路抵抗を小さくすることが可能である。これは、図５に示した熱交換器ＨＥの伝熱管１Ａの通水抵抗を軽減する上で好ましい。

曲げ部１０の外側半部１１ｂは、中間部１５が最外周部１３よりもパイプ中心Ｏ寄りに位置する形態であるが、このような形態は、曲げ部１０を加工形成する際に、曲げ部１０の外側半部１１ｂが引っ張りを受けて伸ばされることにより窪み（パイプ中心Ｏ寄りへの変位）を生じる部位が、中間部１５とされた形態である。したがって、外側半部１１ｂの最外周部１３がパイプ中心Ｏ寄りに大きく窪まないようにすることが可能である。このようなことから、金属製丸パイプ１の曲げ加工速度を比較的速くした場合であっても、曲げ部１０の偏平化を適切に回避することが可能である。
本実施形態では、既述したように、曲げ部１０の外側半部１１ｂの最外周部１３および中間部１５は、曲げ部１０の軸線方向断面視において、ともに外向き凸の湾曲状とされているため、これらの部位がパイプ中心Ｏ寄りに大きく窪むことはより確実に防止される。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係るパイプベンダの各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内で種々に設計変更自在である。本発明に係る金属製丸パイプの曲げ加工方法の各作業工程の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内で種々に変更自在である。

本発明は、金属製丸パイプの曲げ部の外側半部の偏平化を防止または抑制する点に主眼をおくものである。したがって、内側半部については種々の事情に応じてその具体的な形状を選択することが可能である。ただし、内側半部は、半円弧状、または少なくとも外側半部よりも半円弧に近い形態（略半円弧状）とすることが好ましい。

曲げ部の外側半部の最外周部や中間部は、外向き凸の湾曲状、あるいは少なくとも非湾曲状とし、内向きに窪んだ湾曲状に形成することは避けることが好ましいが、あえてそのような形状としてもよく、この場合にも本発明の意図する形状の範囲内にあれば、本発明の技術的範囲に属する。

曲げ部の具体的な曲げ角度は限定されない。上述の実施形態においては、１８０°の角度範囲で曲げ部を形成しているが、これに代えて、９０°などの他の角度とすることもできる。また、具体的な曲げ半径、曲げ対象となる金属製丸パイプのサイズ、材質なども限定されない。
本発明が適用された金属製丸パイプは、熱交換器の伝熱管として利用するのに適するが、これ以外の用途に用いることもできる。

Ａ パイプベンダ
Ｏ パイプ中心
Ｏａ 中心（一対の縁部の相互間の中心）
ＨＥ 熱交換器
１ 金属製丸パイプ
１Ａ 伝熱管
１０ 曲げ部
１１ 周壁部
１１ａ 内側半部
１１ｂ 外側半部
１３ 最外周部（外側半部の）
１４ 基端部（外側半部の）
１５ 中間部（外側半部の基端部と最外周部との相互間）
２ ロールブロック
２１ 第１のパイプ嵌入用凹部
３ プレッシャ型
３１ 第２のパイプ嵌入用凹部
３１ａ 最奥部（第２のパイプ嵌入用凹部の）
３１ｂ 縁部（第２のパイプ嵌入用凹部の）
３１ｃ 中間部（最奥部と縁部との相互間）

Claims (4)

1. 金属製丸パイプの曲げ方向内面側を嵌入させるための第１のパイプ嵌入用凹部が外周面に形成されているロールブロックと、
   前記金属製丸パイプの曲げ方向外面側を嵌入させるための第２のパイプ嵌入用凹部が側面に形成されているプレッシャ型と、
   を備えており、
   前記第１および第２のパイプ嵌入用凹部のそれぞれの内面によって前記金属製丸パイプを挟み付けて、前記金属製丸パイプに曲げ部を形成することが可能とされている、パイプベンダであって、
   前記第２のパイプ嵌入用凹部は、前記第２のパイプ嵌入用凹部の開口幅方向の中央部が最奥部とされ、かつこの最奥部から前記第２のパイプ嵌入用凹部の一対の縁部の相互間の中心までの距離よりも、前記最奥部と前記一対の縁部との相互間の中間部から前記中心までの距離の方が短い断面非半円状とされており、
   前記第１のパイプ嵌入用凹部の内面には、この第１のパイプ嵌入用凹部よりも深さが深い複数の凹溝部が周方向に間隔を隔てて設けられていることを特徴とする、パイプベンダ。
2. 請求項１に記載のパイプベンダであって、
   前記第１のパイプ嵌入用凹部は、断面半円状、または前記第２のパイプ嵌入用凹部よりも断面半円状に近い断面略半円状とされている、パイプベンダ。
3. 請求項１または２に記載のパイプベンダであって、
   前記第２のパイプ嵌入用凹部の前記最奥部および前記中間部は、断面視おいて、凹状の湾曲状、または非湾曲状である、パイプベンダ。
4. 外側面に第１のパイプ嵌入用凹部が形成されているロールブロックと、内側面に第２のパイプ嵌入用凹部が形成されているプレッシャ型と、を備えているパイプベンダを利用し、
   前記第１および第２のパイプ嵌入用凹部のそれぞれの内面によって金属製丸パイプを挟み付けて曲げる工程を有している、金属製丸パイプの曲げ加工方法であって、
   前記パイプベンダとして、請求項１ないし３のいずれかに記載のパイプベンダを用いることを特徴とする、金属製丸パイプの曲げ加工方法。

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