JP7426767B1 - 螺旋コイルの製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長方形の断面形状を有する長尺の角パイプを、断面の形状を維持したままで、螺旋に巻く螺旋コイルの製造装置及び製造方法を提供する。【解決手段】螺旋コイルの製造装置１は、周壁に複数ターンの螺旋状の溝１２が設けられた成形主ロール１０と、成形主ロール１０の周囲に互いに近接配置された補助ロール２ａ、２ｂとを具備して液体が充填された角パイプ３を螺旋に巻く装置である。溝１２の断面形状は、短辺となる一対の側壁と、これに垂直な長辺となる底壁による長方形であって、角パイプ３の外形長辺に相当する幅を有し、補助ロール２と底壁との間隔は、角パイプ３の外形短辺に相当する間隔であり、溝１２が設けられた周壁は、軸心の回りに特定の角度ずつ弧状の複数の周壁ブロックに分割されて、周壁ブロックは成形主ロール１０の内側に向けて脱落可能なように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、長方形断面形状を有する角パイプにより螺旋コイルを製造する螺旋コイルの製造装置及び製造方法に関する。

一般的に、丸パイプを曲げるパイプベンダーは、特許文献１に示されるように、円弧状の固定シューに略半円状の凹溝が設けられ、可動シューには凹溝に対応する凹溝が設けられている。凹溝により、丸パイプが潰れることを抑止する。一方、角パイプを曲げる際には、丸パイプとは違い、形状崩れが発生することが問題になる。特に、曲げた角パイプの側面が内側に潰れ、内外周側にシワが発生する。自動２輪車のフレーム用の角パイプの変形を抑止して曲げる技術として、例えば、特許文献２では、リブ入りアルミ角パイプを曲げる際に、低融点合金を加熱して得た溶湯を該他端から角パイプの各層の空間内に注入し、角パイプ及び低融点合金を常温まで冷却させた後曲げ加工し、低融点合金を融点以上に加熱して該角パイプから排出させる技術が知られている。パイプベンダ（同文献、図２）の円盤シューのリムの間に角パイプを沿わせて曲げる。角パイプの上下の側壁、補強リブ間の側壁が内側に凹んで、凹面が形成され易いとされているが（同文献第２頁左上欄１０乃至１３行）、この技術によれば、角パイプの側壁の内側への変形は、側壁が凝固金属に衝合するため阻止されて凝固金属の曲げ方向厚さが変化しないため、外側への変形も阻止される。

さらに、特許文献３には、丸パイプから角パイプへの成形する過程で曲げる技術が開示されている。特許文献３では、自動車の骨組用の中空の丸パイプを角パイプに変形して曲げる際に、所謂、ハイドロベンド、ハイドロフォーミングという方法を利用し、丸パイプの中に水、油を封入して四方からロールで押し付けて四角断面の角パイプに成形する。曲げ成形時のしわ、形状崩れを抑止して曲げることができるとされている。

特開平１１－２２６６５４号公報 特開平１－１２２６２３号公報 特開２０２２－１１０７１８号公報 特開２００５－１４２５６８号公報

特許文献２では、元の角パイプの角形状や、面の弛みを抑止した上で曲げる事が可能であるが、低融点合金を扱う難しさがある。低融点合金の代わりに水を封入し、凍結させてから曲げ加工を行う方法も存在するが、長尺物を曲げようとすると、長尺に適した冷蔵庫を用意しなくてはならない。尚、角パイプの側壁は内側への変形しがちなものであるので、パイプベンダの円盤シューのリムは、角パイプの側面形状の変形を抑制するものではなく、角パイプの円板シューからの逸脱を抑制するものである。

また、特許文献３の技術では、最初から角パイプを曲げると面の部分の形状変化が大きく、丸パイプから曲げて角パイプに成形する方が良い結果となることが報告されている（同文献、図４）が、成形された角パイプの角の部分の丸みと、平坦部分の撓みが現れてしまう事は避けられない。

ところで、中実棒を螺旋状に巻いたコイルとして、ヘリカル共振に利用される螺旋コイルが、例えば特許文献４において知られている。この文献に開示されたヘリカル共振器は、プラズマにより半導体基板をエッチングする装置に利用されるものである。この他のヘリカル共振器の利用態様として、非接触電力送信への利用態様がある。これら用途のヘリカル共振器は、ＲＦ電源に接続されるものであり、螺旋コイルとして四角形断面のものが良いとされている（例えば、特許文献４の第００２０欄）。高周波が使用されるＲＦ電源に対応するには、導体金属により中実とされた角棒により作成された螺旋コイルより、中空方形導波管類似の断面形状を有する導体金属パイプにより作成された螺旋コイルの方が導体金属の使用効率上望ましい。そして、そのような導体金属としては、銅又は黄銅が望ましい。

尚、螺旋に複数ターンに巻く技術として、熱交換器用に丸銅パイプを螺旋に巻くことは古くから知られている。例えば、ロールに巻き付ける方法や、銅パイプを通す螺旋状の経路を複数の小ロールで取り囲み、小ロールで銅パイプを送りながら、螺旋に巻く方法である。ロールに巻き付ける方法では、巻き終えた銅パイプが巻き戻しにより、螺旋の径が円筒状ロールよりも大きくなり、自然に円筒状ロールから外れる。また、螺旋状の経路を複数の小ロールで取り囲む方法では、銅パイプを連続的に螺旋状にすることができる。

しかしながら、これらの熱交換器用の技術で角パイプを巻くと、断面に変形が生じてしまうため、ヘリカル共振器として安定した性能を得ることができず、これを適用することができない。

本発明の目的は、中空方形導波管の長方形の断面形状を有する長尺の角パイプを、断面の形状を維持したままで、螺旋に巻く螺旋コイルの製造装置及び製造方法を提供することである。

本発明の螺旋コイルの製造装置は、周壁に複数ターンの螺旋状の溝が設けられ、軸心の回りを回転する成形主ロールと、前記成形主ロールの周囲に互いに近接して配置され、成形主ロールと平行な軸を有する複数の補助ロールとを具備し、流動状態の液体が充填された導体金属による直線状の角パイプを螺旋に巻く螺旋コイルの製造装置であって、前記溝の断面形状は、短辺となる一対の側壁と、これに垂直な長辺となる底壁による長方形であって、前記角パイプの断面外周形状の外形長辺に相当する幅を有し、前記補助ロールの表面と前記底壁との間隔は、前記角パイプの断面外周形状の外形短辺に相当する間隔であり、前記溝が設けられた周壁は、軸心の回りに特定の角度ずつ弧状の複数の周壁ブロックに分割されて、周壁ブロックは前記成形主ロールの内側に向けて脱落可能なように構成されている。
また、本発明の螺旋コイルの製造方法は、上記製造装置を使用し、前記角パイプの内部に液体を充填して、前後の開口を封鎖板で塞ぎ、前記角パイプの端部を溝と前記補助ロールとの間に差し入れ、前記成形主ロールを回転させて、前記角パイプを前記成形主ロールの中に巻き込んでゆき、巻き込みが終了したら、前記周壁ブロックを前記成形主ロールの内側に向けて脱落させて、その後、他の周壁ブロックを取り外して螺旋コイルを製造する。

本発明によれば、角パイプの軸心側の短縮する側の面に発生するシワに対応するだけではなく、成形主ロールの溝の側壁によって、液体である水による押し出し力とバランスして、角パイプの側面の平行を保つことができ、角パイプの側面の形状維持に効果を発揮する。結果として、角パイプの断面形状を維持したままで、螺旋コイルに成形することができる。

螺旋コイルの製造装置の斜視図である。 成形主ロールを説明する図であり、図２Ａは成形主ロールの斜視図、図２Ｂは周壁の溝と角パイプの関係を説明する図、図２Ｃ－図２Ｅは成形主ロールの分解過程を示す図である。 成形された螺旋コイルを示す図である。 製作した製造装置を示す図である。 他の実施例を示す図である。

［実施例１］
本発明の一実施例である螺旋コイルの製造装置１を示す。本実施例としては、導体金属として銅を用いた角パイプを複数ターンの螺旋コイルに成形する。図１において、成形前の角パイプ３は、直線状であり、前後の開口を銅の封鎖板３ａ、３ｂを溶接して塞がれている。前後の開口を塞ぐ一方の封鎖板３ｂには、水の注入口３ｄと空気の排出口３ｃが設けられている。

製造装置１は、断面が長方形の角パイプ３を、螺旋コイルに成形する。製造装置１は、成形主ロール１０と、複数の補助ロール２と、軸心ｃを中心に成形主ロール１０を回転させる駆動装置４とを備える。成形主ロール１０は、周壁に螺旋状の溝１２が設けられている。複数補助ロール２は、滑らかな円筒状のロールであり、成形主ロール１０と平行な軸を有している。尚、本明細書において、「長方形」の語は、正方形を含む広義の意味で用いている。また、本明細書において、「短辺」、「長辺」の語は、正方形の場合は「一辺」の意味である。

図２において、成形主ロール１０を説明する。図２Ａにおいて、成形主ロール１０は、周壁に螺旋状に複数ターンの溝１２を有している。本実施例では８ターンのものを示した。図２Ｂの成形主ロール１０の断面によると、溝１２の断面形状は、長方形であり、この長方形の短辺となる一対の側壁１２ａ、１２ｂと、これに垂直な長辺となる底壁１２ｃにより構成される。底壁１２ｃの対辺は開口されている。溝１２は、深さｈ、幅ｗである。溝と溝の間の頂面も軸心ｃに対して平行な面になっている。角パイプ３の断面は、長方形であり、その断面の外周形状において、深さｈ、幅ｗに相当する外形短辺ａ、外形長辺ｂの長さを有している。

外形長辺ｂの方が幅ｗよりも若干狭いがこれらの相違は機械的に溝に角パイプが嵌合できる程度の相違である。一方、外形短辺ａは深さｈと同じである。そして、成形主ロール１０の周囲に配置されている補助ロール２は、その表面と底壁１２ｃの間を、外形長辺ｂの間隔を維持するように作用する。

補助ロール２は、成形主ロール１０の複数ターンの溝１２を覆う長さを有している。補助ロール２は、成形主ロール１０の周囲に５本を１つのグループとして成形主ロール１０の円周上の２箇所に離散的に配置されており、夫々が自己の軸回りに回転する。補助ロール２のグループの間で空いている箇所（図２の紙面上、グループの最初の補助ロール２ａの右の箇所）に対して、角パイプ３を差し込むようになっている。補助ロール２の径は、全てが同一径に統一されていなくても良いが、本実施例においては、補助ロール２の径は、成形主ロール１０に比べて小さくされ、５分の１程度に統一している。各グループの補助ロール２は、互いに近接して配置されており、本実施例では、２２．５度の角度間隔である。最初の補助ロール２ａとこれに隣接する補助ロール２ｂとは互いに近接配置されている。両者間の角度間隔２２．５度は、グループの最初の補助ロール２ａの表面と、これに隣接する次の補助ロール２ｂの表面とを僅かに離す角度である。補助ロール２ａに差し入れられた角パイプ３の先端が補助ロール２ｂに到達したときに、補助ロール２ｂにより溝１２側に誘導されるような位置関係になっている。

図２Ｃにおいて、成形主ロール１０を分解する過程を示している。成形主ロール１０は、上下の底板１１ａ、１１ｂと、複数の周壁ブロック１３、１４、１５に分解することができる。周壁ブロック１３、１４、１５は、成形主ロール１０の周壁を、軸心ｃの回りに特定の角度ずつ弧状に分割したものである。よって、特定の角度ずつ周壁ブロック１３、１４、１５に設けられた溝１２が分割されるのである。特定の角度は、周壁ブロック１３、１４、１５に共通でも良いし、異なっていても良い。周壁ブロック１３、１４、１５は、その上面、下面において、底板１１ａ、１１ｂにボルト５等を用いて連結することができる。図２Ｄにおいて、本実施例においては、周壁ブロック１３、１４、１５は６つであり、これらを組み合わすことにより一周した成形主ロール１０の周壁を形成する。

図２Ｅにおいて、６つの周壁ブロック１３、１４、１５は、内側に向けて脱落可能なようになっている。本実施例の場合は、対向する２つの周壁ブロック１５が、内側に向けて脱落可能なようになっている。具体的には、隣りの周壁ブロック１３、１４と接触する周壁ブロック１５の２面の側面１５ａ、１５ｂが互いに平行とした。この周壁ブロック１５を内側に押し込めて脱落させると、他の周壁ブロック１３、１４も脱落する。

次に、製造装置１を用いて螺旋コイル３０を製造する工程を説明する。
直線状の角パイプ３に対して、銅を軟化させるため焼き鈍し処理を行う。角パイプ３に前後の開口に対して封鎖板３ａ、３ｂを溶接して封鎖する。角パイプ３の前側の開口は、長さ方向に鋭角となる角度θに斜めに切断されて封鎖板３ａが取り付けられている。これは、製造装置１に巻き込みやすくするためである。角パイプの後側を封鎖する封鎖板３ｂの注入口３ｄから水を充填して排出口３ｃから空気を排出する。その後、注入口３ｄ及び排出口３ｃを塞ぎ、密閉する。水の代わりに液体、例えば油でもよい。本例においては、塞いだときの角パイプ３の内圧は０ＭＰａである。成型主ロール１０の溝１２と最初の補助ロール２ａの間に角パイプ３の一端を差し入れる。

駆動装置４により成形主ロール１０を回転させると、次の補助ロール２ｂにより溝１２に押し込まれようとする過程で角パイプ３が若干膨らもうとし、差し入れられた成型主ロール１０の溝１２と補助ロール２ａ、２ｂの間から抜けられなくなって、そのまま角パイプ３は溝１２の中に巻き込まれる。巻き込まれるにつれて、角パイプ３は、軸心ｃに近い側の面が圧縮力を受け、遠い側の面が引張力を受ける。そして、両側面は曲げ力を受ける。角パイプ３内部の水は周囲の壁を押し出そうとするため、両側面の曲げ力は、角パイプ３を扁平に広げるように作用するが、溝１２の側壁１２ａ、１２ｂは、これを阻止する。よって、角パイプ３の側面は平行を保ったまま維持される。補助ロール２ｂに続く補助ロール２ｃ乃至２ｅにより、角パイプ３の巻き込みを確実にする。また、補助ロール２は、成形主ロール１０の複数ターンの溝１２を覆う長さを有しているので、成形主ロール１０が回転しても、定角度位置で角パイプ３を溝１２へ押さえ続ける。

また、角パイプ３の底壁１２ｃ側の壁は、短縮する側にあるため、シワになろうとするが、角パイプ３内の水により底壁１２ｃに押し付けられて、シワの発生が抑止される。そして、引張力を受けている角パイプ３の遠い側の面は、成形主ロール１０の周囲に離散的に配置された補助ロール２により押さえられているので、角パイプ３は溝１２に留まったまま成形主ロール１０に巻き込まれる。

角パイプ３の管内の体積は、成形主ロール１０への巻き込みにより縮小され、流動状態の液体である管内の水は角パイプ３内の全体にわたって角パイプ３を押し広げようとする。成形主ロール１０に既に巻き取られている角パイプ３に対しても、管内の水の圧力は及ぶが、溝１２の側壁１２ａ、１２ｂにより阻止が継続されている。また、角パイプ３の曲げを戻そうとする力に対しても、補助ロール２が成形主ロール１０の周囲を取り囲んでいるので、これを阻止する。結局、角パイプ３の内部空間が縮小されて行き場を失った水は、成形主ロール１０に巻き込まれずに残っている角パイプの端部Ｐに移動して外形を膨らませる。図３は成形された螺旋コイルを示す図であるが、角パイプの端部Ｐが膨らんでいる（尚、この状態は、図４Ａにも見られる。）。一方、螺旋に巻かれた部分の角パイプ３の断面形状は長方形状のまま維持される。このように、溝１２と補助ロール２により、特許文献２のように低融点の金属を管内で凝固させてから曲げた場合と同じような効果を、液体である水を利用して成し遂げることができる。

駆動装置４による巻き取りを停止し、螺旋コイル３０を取り外す。図４Ａに５ｍの角パイプ２を螺旋コイル３０に成形した例を示す。図において、手前側の補助ロール２が成形主ロール１０から取り外され、奥側の補助ロール２は残っている。螺旋コイル３０の巻き始めと巻き終わりの位置に置いては、巻き戻しにより、螺旋コイル３０の巻き径が若干大きくなって、溝１２から若干浮き上がっている。一方で、中間部分においては、溝１２の中に固着している。この固着は、角パイプ３が曲がる際に、溝１２の側壁１２ａ、１２ｂに角パイプ３の外形短辺ａが押し付けられた結果として生じたものである。

周壁ブロック１３、１４、１５を分解して、螺旋コイル３０を取り出す（図４Ｂ参照）。螺旋コイル３０は、周壁ブロック１３、１４、１５の側壁１２ａ、１２ｂに対して固着しているため、周壁ブロック１５を成形主ロール１０の内側に押し込むことにより、取り外すのである。

尚、角パイプへの最初の焼き鈍し処理をすると、表面に酸化銅が生成されて表面粗さが粗くなることから、成形主ロール１０に巻く前に、研磨処理により表面粗さを調整するのが良い。螺旋コイル３０を周壁ブロック１３、１４、１５から取り外す際に支障を与えないように、螺旋コイル３０と周壁ブロック１３、１４、１５との固着の程度をコントロールすることができるからである。また、潤滑剤を予め溝１２に塗布しておいても良い。

螺旋コイル３０の巻き残した端部Ｐのように形状が不安定な部分は切り落とす。このように作成された螺旋コイル３０を溶接により連結することによって、所望の巻き数を有する螺旋コイルを作成する。

［実施例２］
実施例１においては、角パイプ３に前後の開口を封鎖板３ａ、３ｂを溶接し、水を充填した後、注入口３ｄ及び排出口３ｃを塞いで密閉した。この結果、角パイプ３の圧力が高まり、内部の圧力による形状の不安定さは、端部Ｐに集中した。実施例１の図４の例において、角パイプ３内の圧力を測定すると、当初０Ｍｐａであったものが、１．２ＭＰａに達していた。実施例２では、角パイプ３を図５に示すように、排出口３ｃにリリース弁３ｅを取り付ける変更を行った。リリース弁３ｅは、作動圧力０．４Ｍｐａのものを使用した。また、製造装置１により巻き始める以前に、角パイプ３の内部圧力を０．４ＭＰａ（リリース弁３ｅの作動圧力）としておいた。他の構成は実施例１と同じである。リリース弁３ｅは、角パイプ３の圧力が０．４Ｍｐａ以上になろうとすると、内部の水を排出する。角パイプ３の断面形状は長方形状のまま維持した上で、螺旋コイル３０の巻き残した端部Ｐの長さを短くすることができた。また、最初から０．４ＭＰａに角パイプ３内の圧力を高めたことから、巻き始めにおける変形が減少した。

長尺の角パイプを密閉して螺旋状に巻くと、内部圧力が上昇し、端部Ｐを巻き残した状態で容易に巻けなくなるか、若しくは破裂することになるが、本実施例２のようにリリース弁３ｅを取り付けて角パイプ２の内部圧力を一定値以下にしておけば、長尺の角パイプでも端部Ｐの巻き残しを少なくして巻くことができる。

本実施例によれば、角パイプ３の軸心ｃ側の短縮する側の面に発生するシワに対応するだけではなく、成形主ロール１０に側壁１２ａ、１２ｂが設けられているので、角パイプ３内の水による押し出し力とバランスして、角パイプ３の側面の平行を保つことにより、角パイプ３の側面の形状維持に効果を発揮する。結果として、角パイプ３の断面形状を維持したままで、螺旋コイル３０に成形することができる。また、周壁ブロック１３、１４、１５は成形主ロール１０の内側に押し込むことで分解ができるので、溝１２に固着した螺旋コイル３０を容易に取り外すことができる。補助ロール２ａと補助ロール２ｂにより、角パイプ３を成形主ロール１０から抜け出せなくさせることができるため、角パイプ３を成形主ロール１０に固定するため手段や固定作業を改めてしなくても良い。

本実施例では、隣りの周壁ブロック１３、１４と接触する周壁ブロック１５の２面の側面１５ａ、１５ｂは互いに平行としたが、周壁ブロック１３、１４、１５が脱落する構造は、どのような構造でも良い。例えば、側面１５ａ、１５ｂが軸心ｃに近くなるほど距離を離す構造でもよい。また、周壁ブロック１３、１４、１５を軸心ｃ側から支えるバックアップ機構を備えて、バックアップ機構側を分解できる様にしても良い。また、本実施例において、補助ロール２の各グループに５つの補助ロール２を備えたが、最初の補助ロール２ａと近接して配置された次の補助ロール２ｂの２本だけでもよい。また、１つのグループのみでもよい。

１ 製造装置
２ 補助ロール
３ 角パイプ
３ａ、３ｂ 封鎖板
３ｃ 排出口
３ｄ 注入口
４ 駆動装置
５ ボルト
１０ 成形主ロール
１１ａ、１１ｂ 底板
１２ 溝
１２ａ、１２ｂ 側壁
１２ｃ 底壁
１３、１４、１５ 周壁ブロック
１５ａ、１５ｂ 側面
３０ 螺旋コイル

Claims (3)

1. 周壁に複数ターンの螺旋状の溝が設けられ、軸心の回りを回転する成形主ロールと、
   前記成形主ロールの周囲に互いに近接して配置され、前記成形主ロールと平行な軸を有する複数の補助ロールとを具備し、流動状態の液体が充填された導体金属による直線状の角パイプを螺旋に巻く螺旋コイルの製造装置であって、
   前記溝の断面形状は、短辺となる一対の側壁と、これに垂直な長辺となる底壁による長方形であって、前記角パイプの断面外周形状の外形長辺に相当する幅を有し、
   前記補助ロールの表面と前記底壁との間隔は、前記角パイプの断面外周形状の外形短辺に相当する間隔であり、
   前記溝が設けられた周壁は、軸心の回りに特定の角度ずつ弧状の複数の周壁ブロックに分割されて、周壁ブロックは前記成形主ロールの内側に向けて脱落可能なように構成されていることを特徴とする螺旋コイルの製造装置。
   
2. 請求項１の螺旋コイルの製造装置を用いた螺旋コイルの製造方法であって、
   前記角パイプの内部に液体を充填して、前後の開口を封鎖板で塞いで密閉し、
   前記角パイプの端部を最初の前記補助ロールと前記溝との間に差し入れ、
   前記成形主ロールを回転させて、前記角パイプを前記成形主ロールの中に巻き込んでゆき、
   巻き込みが終了したら、前記周壁ブロックを前記成形主ロールの内側に向けて脱落させて、その後、他の周壁ブロックを取り外して螺旋コイルを製造する方法。
   
3. 請求項１の螺旋コイルの製造装置を用いた螺旋コイルの製造方法であって、
   前記角パイプの内部に液体を充填して、前後の開口を封鎖板で塞ぐとともに前記角パイプの液体を排出するリリース弁をとりつけ、
   前記角パイプの端部を最初の前記補助ロールと前記溝との間に差し入れ、
   前記成形主ロールを回転させて、前記角パイプを前記成形主ロールの中に巻き込んでゆき、
   巻き込みが終了したら、前記周壁ブロックを前記成形主ロールの内側に向けて脱落させて、その後、他の周壁ブロックを取り外して螺旋コイルを製造する方法。