JPH03146282A - 伝熱管製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱交換器用の伝熱管の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、第１６図に示すように金属管ａの表面に針状フィ
ンｂ・・・を固着するため、抵抗溶接していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、空気液化サイクルロケットエンジン用の空気
液化熱交換器等に使用する伝熱管では、金属管ａの外径
が例えば散開で、針状フィンｂの寸法は、直径３００μ
ｍ、長さ１ｍｍ〜４胴と、極めて小さいため、抵抗溶接
では針状フィン素材の供給が困難であり、ロスも多く、
生産性が低く、溶接強度の信軒性も低いという問題があ
った。さらに、金属管ａが薄肉の場合の熱形９（変形）
が懸念される。また、ステンレス鋼から成る金属管ａに
対して、針状フィンｂも同種材質でなければ抵抗溶接が
出来ず、軽量化が強く要望されている上記用途の熱交換
器のために、針状フィンｂ・・・にアルミニウムを使用
出来なかった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記課題を解決するために、超音波振動印加
用ボンディングツールにより、ワイヤ材の一部を金属管
の表面に押圧して、接合し一次に、該ボンディングツー
ルを該表面から分離すると共に、長手方向に所定ピッチ
だけ離れた上記金属管表面に上記ボンディングツールに
より上記ワイヤ材に山形撓みが生ずるように他の部分を
押圧して、接合し、該山形撓みが山部と成り、接合され
た部分が谷部と成り、該山部と谷部が交互に連続する波
形の金属ワイヤフィンを、上記金属管の長手方向に付着
させる方法である。

〔作　用〕

連続状のワイヤ材を用いるから材料ロスが生じないと共
に、素材供給時等のハンドリングが容易であって作業能
率も優れている。超音波振動するボンディングツールを
用いるから、押圧力も微弱で、金属管が薄肉の場合にも
その熱影響も少なく、変形も生じない、さらに異種金属
であっても超音波にて接合が可能となり、金属ワイヤフ
ィンをアルミニウムとすることも可能となる。

長い線状のワイヤ材を、波形に形成しつつ谷部を順次金
属管表面へ接合してゆくから、連続して高能率にフィン
加工が可能となったのみならず、接合部の強度が均一化
、安定化して、接合強度の信幀性が向上する。

〔実施例〕

以下、図示の実施例に基づき本発明を詳説する。

第８図に本発明に係る製造方法によって製造される伝熱
管３の一例を示す、同図で明らかなように、山部４と谷
部５が交互に連続する波形の金属ワイヤフィン６・・・
を、金属管１の長手方向に付着させた構造であり、該ワ
イヤフィン６・・・の本数は１本から多数本まで、自由
に設定されるものである。

例えば、第９図に示す横断面図では、平面Ｐに関して対
称に３本と３本の合計６本のワイヤフィン６・・・が設
けられている。この伝熱管３は、例えば第１Ｏ図に示す
ように格子状として複数本を平行に配設して、空気液化
サイクルロケットエンジン用の空気液化熱交換器等に使
用される。同図中の矢印Ａは空気の流れを示し、伝熱管
３のワイヤフィン６・・・はこの流れと直交する方向へ
未設するのが望ましい、そのため、第９図と第１０図の
ように、横断面に於て、円周等ピツチではなく、ワイヤ
フィン６・・・を偏在させている。また、空気液化のた
めには金属管１内へ液体水素が流れる。

しかして、第１１図は本発明に係る伝熱管製造方法に使
用される装置の一例を示す、同図に於て、７は超音波振
動子であり、超音波発振器８からの電気信号により例え
ば６０ＫＩ（ｚ等の高周波数の振動を発生する。９はコ
ーン、１０はホーンであり、上記超音波振動を増幅して
、ホーン１０の先端に取付けたボンディングツール１１
へ伝達する。１５はワイヤクランプである。

１２は、ワイヤ材２のリール状に巻設されたスプールで
あり、このスプール１２から繰出されるワイヤ材２は、
ホーンｌＯの孔１３と、ボンディングツール１１のガイ
ド孔１４（第１図参照）を通って該ツール１１の先端へ
供給される。金属管１は上記ホーン１０と略平行に保持
され、ツール１１はその表面に対して略直角に接近する
。このようにボンディングツール１１により、ワイヤ材
２の一部を金属管ｌの表面へ所定加圧力にて押圧し、（
接合部に於て）ワイヤ材２の軸方向ｅ、ｆ（第２図又は
第５図参照）に超音波振動を印加すると、極（短時間で
接合（ボンディング）が完了する。

第１２図と第１３図、及び第１４図に於て、第１１図に
て例示した超音波振動印加装置Ｂとはやや相違する形状
・構造の装置を用いた製造装置全体図を示す０例えばス
プール１２がツール１１よりもかなり離れた位置に設け
られている。しかしながら、主要部の構成は第１１図の
ものと同一であるのでその詳細は省略する。

そして、第１２図と第１３図に於て、ベツド１６上には
、ワークとしての金属管１を水平状に保持しつつ長手方
向に送りを与える移動台１７が、設けられている。つま
り、リニアガイド機構１８を介して移動台１７は矢印Ｃ
とその逆方向に往復動可能である。

また、ベツド１６上には、取付部材１９を立設して、上
記超音波印加装置Ｂを取付け、さらに該取付部材１９の
下部には、パルスモータ２０を設けてピニオン２１を回
転駆動する。

移動台１７には、このピニオン２１に噛合す“るラッり
２２を設ける。また、第１４図に示すように、押え治具
２３．２３・・・によって前後側方から金属管１を保持
固定すると共に、下方からは受は治具２４にて金属管ｌ
を支持して、超音波振動が逃げない程度に金属管１を固
定する。なお、第１２図〜第１４図の回倒では、金属管
１の全長にわたって、複数箇所にて保持固定しているが
、これを、ボンディングツール１１の直下部だけを両受
ロール等にて押えるも、好ましい。

また、（図示省略するカリ金属管１の内部へ丸棒を挿通
して、内側から固定することも可能である。

しかして、上述のような製造装置を使用して金属管１の
表面にワイヤフィン６・・・を波形に接合する方法を、
第１図〜第７図にて順次説明すると、まず第１図に示す
ように、ワイヤ材２の先端をボンディングツール１１の
ガイド孔１４に通して、これを矢印Ｅのように下降させ
て金属管１の表面へ接近させる。ここで、金属管１とし
ては、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル合金、チタン
、チタン合金、ニオブ、ニオブ合金、銅等の薄肉パイプ
であって、外径寸法が約２ｍｍ〜Ｌｏｗ程度のものが好
適であり、かつ、表面を予め電解研磨や機械的研磨法に
て表面粗度を向上しておく０例えば、０．５μ＋ｓＲａ
以下とする。またワイヤ材２は、アルミニウム等で線径
が数１０μ−〜数１００μ鋼のものを使用する。

次に、第２図のようにボンディングツール１１を金属管
１の表面へ矢印Ｆのように、例えば３０ｇ〜１２００　
ｇの加圧力にて押圧し、かつ、矢印ｅ、　　ｆの方向へ
超音波振動を印加する。即ち、ワイヤ材２が矢印ｅ、ｆ
のように超音波振動を受けつつ金属管１の表面へ押圧さ
れて、接合される。この印加時間は０．２５ｓｅｃ〜２
　ｓｅｃ程度で十分であり、超音波出力との関係によっ
て増減する。

このようにして接合完了すると、ボンディングツール１
１の振動を停止し、第３図に示すように、ボンディング
ツール１１を矢印Ｇのように上昇させる。このときワイ
ヤクランプ１５を遊離状態として、矢印Ｇ方向へのツー
ル１１の上昇ストロークによって、接合された部分２５
から、ガイド孔１４までのワイヤ材２長さを所望値に設
定する。

次に、第４図のように金属管ｌを所定ピッチにだけ矢印
Ｃ方向へ送りを与える。（第１２図のパルスモータ２０
とピニオン２１とラック２２による。）そして、クラン
プ１５を閉じて後、矢印Ｅ方向へツール１１を下降させ
て、再度、第５図に示す如く、ツール１１によって矢印
Ｆ方向の加圧力を付与すると共に矢印ｅ、　　ｆ方向に
超音波振動を印加して、接合する。

このように、第１番目の接合部分２５から長手方向に所
定ピッチにだけ離れた金属管１の表面の他の位置に、ワ
イヤ材２の他の部分を押圧して、接合し、かつ、第４図
〜第５図で明らかな如く、山形撓みＭが生ずるようにす
る。

その後、ツール１１の振動を停止して、第６図のように
矢印Ｇ方向へツール１１を上昇させ、第２番目の接合さ
れた部分２６からガイド孔１４までのワイヤ材２長さを
所定値に設定し、次に、第７図のように所定ピッチにだ
け金属管ｌを矢印Ｃ方向へ送ると共に、ツール１１を下
降させる。

このような工程を繰返すことによって、第１１図と第１
２図のように波形のワイヤフィン６を、金属管ｌの長手
方向に付着させることができる。つまり、第８図に示す
如く、第４図〜第７図の山形撓みＭ・・・が山部４・・
・と成り、接合部分２５．２６・・・が谷部５・・・と
して、山部４と谷部５が交互に連続する波形にワイヤフ
ィン６が形成される。

複数本のワイヤフィン６・・・を設けるには、金属管１
の移動台１７への固定位置を、軸心廻りに回転して変更
後、上述の工程を繰返せば良い、この時、先に付着した
波形ワイヤフィン６を避けるために、第１４図に示す受
は治具２４には逃げ部２７を切欠形成しておく。

回倒で明らかなように、金属管１の表面が曲面であって
も、ボンディングツール１１の振動方向ｅ。

ｆを金属管１の軸（長手）方向に一敗させることによっ
て、超音波溶接が可能となる。また、既述のように、金
属管１の表面を研磨等により粗度を向上させたから、−
層確実かつ強固な接合が得られる。

なお、使用条件や熱効率等に応じてワイヤフィン６・・
・の本数、及び、波形のピッチと高さ等の形状を種々変
更自由であるが、前述の送りとッ千にと、ツール１１の
上下ストローク量から、この形状を洒単に変更可能であ
る。

なお、本発明は上述の実施例に限定されず、設計変更自
由である。例えば、上述の製造工程にて波形にワイヤフ
ィン６を形成した後に、第１５図に示すように、冬山部
４の一方の付根部を切断して、独立フィン２８・・・と
することも可能であり、しかも、同図に示すように直線
状にこの独立フィン２８・・・を、矯正しても好ましい
、また、金属管１として、横断面矩形、正方形等の角パ
イプや、楕円形とすることも可能である。さらに、第１
２図では、金属管１を間欠的に矢印Ｃ方向へ送りを与え
ているが、逆に、金属管１を固定して、超音波印加装置
Ｂを所定ピッチＫにて間欠的に送ることも、自由である
。

〔発明の効果〕

本発明は上述の構成により次のような著大な効果を奏す
る。

■　熱交換器の技術分野では全く新しい超音波振動印加
による接合方法を活用して、ワイヤフィン６を連続的か
つ高能率に、かつ安定した品質にて、製造することを可
能とした。特にワイヤフィン６の接合強度の信頬性が高
い。

■　ワイヤフィン６のピッチと高さ　　　つまり波形の
形状　　　を、容易に変更出来て、所望の効率の良い伝
熱管とすることが出来る。即ち、ボンディングツール１
１のストロークと、金属管１又はボンディングツール１
１の送りピッチＫを、調整することにより、ワイヤフィ
ン６の波形を変更出来る。

■　超音波振動印加による接合であるから、各接合が短
時間で完了し、金属管ｌへの熱影響が少なく、金属管ｌ
の変形が微小となり、薄肉のパイプを利用出来る。従っ
て、軽量化が強く要望される用途に好適な熱交換器を提
供する。

■　ワイヤ材２を使用するため、素材の供給等のハンド
リングが容易で、連続的、高能率に製造出来る。かつ、
材料ロスが少ない。

■　金属ワイヤ材２と金属管１とが異種金属であっても
、接合が可能となり、例えば、金属ワイヤ材２にアルミ
ニウムを用いて全体の軽量化を図ることも可能となる。

■　本発明によって得られた伝熱管は、波形の金属ワイ
ヤフィン６・・・を有するから、フィンの単位重量当た
りの熱交換面積を大きくすることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図は本発明の一実施例を工程順に示す説明
図、第８図は本発明に係る製造方法によって得られる伝
熱管の一例の要部斜視図、第９図は同横断面図、第１０
図は熱交換器の簡略要部断面図、第１１図は製造装置の
要部斜視図、第１２図は製造装置の全体側面図、第１３
図は同正面図、第１４図は第１３図の要部拡大断面図、
第１５図は伝熱管の変形例を示す要部側面図である。第
１６図は従来例の斜視図である。 １・・・金属管、２・・・ワイヤ材、４・・・山部、５
・・・谷部、６・・・ワイヤフィン、　１１・・・ボン
ディングツール、Ｍ・・・山形撓み、Ｋ・・・ピッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、超音波振動印加用ボンディングツールにより、ワイ
   ヤ材の一部を金属管の表面に押圧して、接合し、次に、
   該ボンディングツールを該表面から分離すると共に、長
   手方向に所定ピッチだけ離れた上記金属管表面に上記ボ
   ンディングツールにより上記ワイヤ材に山形撓みが生ず
   るように他の部分を押圧して、接合し、該山形撓みが山
   部と成り、接合された部分が谷部と成り、該山部と谷部
   が交互に連続する波形の金属ワイヤフィンを、上記金属
   管の長手方向に付着させることを特徴とする伝熱管製造
   方法。