JP2012240084A - 管材製造装置、管材製造方法、および、管材 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な機構で高い押し出し力で押し出し成形することができ、しかも、管内面に形成する螺旋状の凸部のねじれ角を大きくすることができる管材製造装置、管材製造方法、および、管材を提供することを課題とする。
【解決手段】管材製造装置１０は、ビレット１２の押し出し方向Ｆの側に設けられ貫通孔２２が形成されているダイス１６と、先端が貫通孔２２よりも押し出し方向側に延び出すように貫通孔２２を挿通する挿通部３４とを備えている。挿通部３４は、ビレット収容空間Ｓ内に入れられたフローティングダイ３０に設けられており、貫通孔２２の内周と挿通部３４の外周との間に隙間が形成されている。挿通部３４の側面側には螺旋溝４０が形成されており、ビレット１２がこの隙間から押し出されてなる管材Ｐが成形される際に管材内面側に螺旋状の凸部が成形される。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に熱媒体を流す管材を製造するのに最適な管材製造装置、管材製造方法、および、管材に関する。

熱交換器では、一般的に、熱媒体と熱媒体を流す管材との熱交換率を高めるために管の内側に螺旋溝を付けている。このような内面螺旋溝付の管では、真直ぐな溝を持つ管材に比べ、熱交換の性能が優れている。この管材の材質としては、通常、銅が選定されており、管材の引抜きや溝付平板の電縫成形等によって製造されている（例えば、特許文献１〜４、非特許文献１参照）。

ところで、銅は比重が高く、しかも高価格である。一方、アルミニウムは比重が軽く低価格であるため、内面螺旋溝付の管の製造が可能となれば、工業的にも大きな利点がある。例えば、非特許文献２や特許文献５では、管の内面に螺旋溝を形成するために、周方向に自助回転するプラグを用いることが開示されている。

特開平１０−１６６０８５号公報 特開平１０−１６６０３４号公報 特開平１０−１６６０３６号公報 特開平１０−１６６０８６号公報 特開２００９−２２０１５３号公報

古河電工時報、第120号（平成19年9月）、pp93-94 高辻則夫他5名、塑性と加工、vol.49,578,(2008),pp58-62

しかし、非特許文献２や特許文献５に開示されたプラグを用いる場合、押出し加工する際にプラグを自助回転可能な状態で軸方向に留めておく必要がある。このため、押し出し方向に高い力がプラグに加えられるとプラグを自助回転可能に保持する機構が損傷する懸念があり、しかも、管内面に形成する螺旋溝の最大捩れ角は約８度で留まっている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、簡単な機構で高い押し出し力で押し出し成形することができ、しかも、管内面に形成する螺旋状の凸部のねじれ角を大きくすることができる管材製造装置、管材製造方法、および、管材を提供することを課題とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、ビレットの押し出し方向側に設けられ、貫通孔が形成されているダイスと、先端が前記貫通孔よりも前記押し出し方向側に延び出すように前記貫通孔を挿通し、前記ダイスとの間に隙間を形成する挿通部材と、を備え、前記挿通部材の側面側には、前記隙間から管材が押し出し成形される際に管材内面側に螺旋状の凸部を成形する溝が形成されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記溝として、複数本の螺旋溝が形成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、前記挿通部材として、前記貫通孔を挿通する挿通部を一体的に有するフローティングダイを備えたことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、前記隙間から押し出された前記管材を巻き取る巻き取り手段を更に備え、前記巻き取り手段は、前記管材を巻き取る巻き取りドラムと、前記巻き取りドラムを、ドラム軸回りに回転させつつ、前記管材の回転数と同じ回転数でドラム軸と直交する軸まわりに回転させる二軸回り回転機構と、を有することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、前記隙間から押し出された管材の径を矯正する矯正手段を更に備え、前記矯正手段は、前記管材を通過させることで前記管材の外径を矯正する矯正用貫通孔が形成された矯正用ダイスと、前記矯正用ダイスを前記矯正用貫通孔の中心軸まわりに回転可能に保持する保持機構と、を有することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１に記載の管材製造装置を用い、前記ビレットを加熱して前記隙間から押し出して前記凸部を内面側に有する管材を成形することを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１に記載の管材製造装置で押し出し成形されることで、管材内面側に前記凸部が成形されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、高い押圧力が挿通部材に加えられても、挿通部材が損傷する可能性が大幅に低い。従って、螺旋状の凸部のねじれ角が大きくなるように、挿通部材の溝部のねじれ角を大きくすることが可能になり、熱伝達率を高めた管材を押し出し成形で製造することが可能になる。

請求項２に係る発明によれば、螺旋状の凸部を複数本形成することができる。

請求項３に係る発明によれば、簡単な構造のフローティングダイを用い、設定したねじれ角の凸部が内面側に形成された管材を容易に製造することができる。

請求項４に係る発明によれば、隙間から押し出された管材を巻き取る際に管材を逆方向に捩じらなくて済むので、巻き取る際に凸部のねじれ角が小さくなることを回避できる。

請求項５に係る発明によれば、隙間から押し出された後に管材の外形状に意図しない凹凸が形成されていても、この外形状を矯正することが可能である。

請求項６に係る発明によれば、螺旋状の凸部のねじれ角を大きくして熱伝達率を高めた管材を押し出し成形で容易に製造することができる。

請求項７に係る発明によれば、押し出し成形で製造される管材で、螺旋状の凸部のねじれ角を大きくして熱伝達率を高めた管材とすることができる。

第１実施形態の管材製造装置の構成を示す正面断面図である。 第１実施形態の管材製造装置を構成するフローティングダイの斜視図である。 図１の部分拡大図である（管材の図示を省略）。 第１実施形態で製造された管材の斜視断面図である。 第１実施形態で製造された管材の別の例を示す部分平面図である。 第２実施形態の巻き取り装置の構成を示す模式的斜視図である。 第３実施形態の矯正装置の構成を示す斜視図である。 第３実施形態の矯正装置で、（Ａ）は側面図、（ｂ）は正面断面図である。 実験例で得られたグラフ図である。 （ａ）は実験例で製造された管材Ｐの側面断面図であり、（ｂ）は実験例で製造された管材Ｐの断面斜視図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法比率等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

なお、第２実施形態以下では、すでに説明したものと同様の構成要素には同じ符号を付してその説明を省略する。

［第１実施形態］
まず、第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態の管材製造装置の構成を示す正面断面図であり、図２は、管材製造装置を構成するフローティングダイの斜視図である。図３は図１の部分拡大図である。なお、図３では、説明の都合上、管材を省略して描いている。

本実施形態で説明する管材製造装置（押し出し成形装置）１０は、収容された押し出し成形用のビレット１２を加熱可能なコンテナ１４と、コンテナ１４の押し出し方向側に設けられたダイス１６と、コンテナ１４のビレット収容空間Ｓに収容されたビレット１２に上方から当接するダミーブロック１８と、ダミーブロック１８をＦ側（ダイス側）に向けて押圧するラム２０と、を備えている。ビレット収容空間Ｓは円筒内側空間状である。

ダイス１６の中央には、ダイス中心軸Ｃに沿ってダイス１６の押し出し方向端から押し出し方向Ｆとは反対方向（図１では紙面上方向）に筒状空間を形成する凹部２０と、この凹部２０とビレット収容空間Ｓとを連通させる円孔状の貫通孔２２と、が形成されている。貫通孔２２の中心軸およびビレット収容空間Ｓの中心軸はダイス中心軸Ｃと同じにされている。凹部２０の内径は、後述の隙間２４から押し出される管材Ｐがスムーズに押し出されることを妨げない程度に、貫通孔２２の外径よりも大きくされている。

また、管材製造装置１０は、コンテナ１４内に入れられたフローティングダイ３０を備えている。このフローティングダイ３０は、本体部３２と、本体部３２の中央から押し出し方向側（以下、Ｆ側という）に延び出す挿通部３４と、で構成される。本体部３２は円盤状であり、本体部３２には中心軸まわりに均等に配置された複数のビレット流動用孔３６が形成されている。フローティングダイ３０の位置については、予め設定された位置とされている。

挿通部３４は円柱状であり、先端３４Ｔが貫通孔２２よりもＦ側（図１では下側）に延び出すように貫通孔２２を挿通している。そして、挿通部３４は、ダイス１６との間に隙間２４を形成するとともに、側面側（外周側）に溝部３８を有する。コンテナ１４内のビレット１２が隙間２４から押し出されてなる管材Ｐ（図１、図４参照）が成形される際に、管材内面側に螺旋状の凸部４２（図４参照）が成形されるように、この溝部３８には複数本の螺旋溝４０（螺旋状の溝）が形成されている。

この螺旋溝４０のねじれ角θ（図２参照）は、１０〜４０°の範囲であることが好ましく、その中でも１５°以上であることが好ましい。１０°未満であると、管材Ｐと管材Ｐ内を流動する熱媒体との間の熱伝達率があまり高くない。

本実施形態では、隙間２４の間隔Ｇ、すなわち、挿通部３４の外周と貫通孔２２の内周との間隔Ｇは、押し出し成形で製造する管材Ｐの肉厚に応じて設定されている。また、貫通孔２２のＦ側の縁部２２Ｅ（図１および図３参照）からの挿通部３４の延び出し長さＬ、および、貫通孔２２の軸方向長さ（Ｆ方向長さ）Ｍは、ビレット１２の材質や温度、隙間２４の間隔Ｇ、ラム２０の押圧力、螺旋溝４０のねじれ角θ、凸部４２のねじれ角α（図１０、図１１参照）などに応じて設定されている。

（作用、効果）
以下、本実施形態の作用、効果について説明する。本実施形態では、ビレットとしてアルミニウムを用いる例で説明するが、アルミニウム以外でも適用可能である。

まず、フローティングダイ３０をコンテナ１４内の設定位置に配置し、ビレット１２をコンテナ１４に入れて所定温度にまで加熱する。ビレット１２としてアルミニウムを用いる場合、５００℃程度に加熱することが、押し出し成形する観点で好ましい。

そして、ビレット１２が所定温度となった状態で、ラム２０に押し出し方向への押圧力を加える。この結果、ビレット１２が塑性変形してビレット流動用孔３６を通過して本体部３２のＦ側に流動し隙間２４に到達する。そして、塑性変形して隙間２４から図４に示すような管材Ｐとなって押し出される。その際、螺旋溝４０によって管材Ｐの内面側（内周側）に螺旋状の凸部４２が形成される。凸部４２のねじれ角αは、主に螺旋溝４０のねじれ角θによって決まる。

このように、本実施形態では、フローティングダイ３０が一体物であり、本体部３２に対して相対移動するフローティングダイ部分は形成されていない。従って、高い押圧力が挿通部３４に加えられても、挿通部３４が損傷する可能性は、従来に比べて大幅に低下する。よって、凸部４２のねじれ角αが従来よりも大幅に大きくなるように螺旋溝４０のねじれ角θを大幅に大きくすることが可能になる。従って、熱交換器などで熱伝達率を格段に高めた管材Ｐを押し出し成形で製造することができる。また、挿通部３４および貫通孔２２の径を小さくして内径の小さい管材Ｐを容易に成形することができる。

また、ビレット１２としてアルミニウムを用いることにより、押し出し成形がし易く、しかも管材Ｐを軽量にすることができる。

また、挿通部３４の側面側に螺旋溝４０を複数本形成しておくことで、螺旋状の凸部４２を複数本成形することができる。

また、簡単な構造のフローティングダイ３０を用い、設定したねじれ角αの凸部４２を内面側に有する管材Ｐを容易に製造することができる。

なお、本実施形態では、コンテナ１４からのビレット１２の押し出し方向Ｆを下方向に描いた図で説明したが、本発明では押し出し方向は下方には限定されない。水平方向や斜め下方に押し出しても良いし、更には上方向に押し出して管材を成形することも可能である。

また、管材Ｐは、円管状に限らず、例えば角状とすることも可能である。この場合、挿通部３４を角柱状にして、その側面側に溝部を形成する。

また、本実施形態では、ダイス１６の貫通孔２２を挿通する挿通部材として、フローティングダイ３０の挿通部３４が貫通孔２２を挿通する例で説明したが、本発明はこれに限らず、挿通部材として、マンドレルなどの他の部材を用いて挿通させてもよい。

また、本実施形態では、溝として螺旋溝４０が挿通部３４に形成されている例で説明したが、螺旋状の凸部４２を形成することができる溝であれば、螺旋溝４０に限らず他の形状の溝とすることが可能である。

また、本実施形態では、ダイス１６の中央に凹部２０が形成され、その凹部２０よりも径が小さい貫通孔２２を形成した例で説明したが、特に凹部２０を設けない構成にすることが可能であり、貫通孔２２のＦ側の縁部２２Ｅから挿通部３４が延び出していれば本実施形態の効果が奏される。

また、図４では、螺旋状の凸部４２が８本形成されている例を描いており、これを成形できるように、図２では挿通部３４に８本の螺旋溝４０が形成されているが、凸部および螺旋溝の本数は特に限定せず、図５に示すようにもっと多く（例えば２４本）の螺旋溝４１を形成してもっと多くの凸部を成形してもよい。また、逆に凸部の本数がもっと少なくても（例えば１本）、凸部を成形したことによるこれらの効果が奏される。

また、アルミニウムのビレット１２の押し出し成形ではなくプラスチックの押し出し成形によって、内面側に螺旋溝を有するプラスチック管を製造することも可能である。

また、貫通孔２２の孔壁に螺旋溝を形成することで、管材Ｐの外周側にも螺旋状の凸部を形成するように成形することも可能である。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。本実施形態の管材製造装置は、第１実施形態に比べ、管材製造装置１０から押し出された管材Ｐを、図６に示すような巻き取り装置５０を更に備えている。以下の説明では、管材製造装置１０が水平方向に配置されて隙間２４から管材Ｐが水平方向に押し出され、この管材Ｐが巻き取り装置５０に直線状に案内されて巻き取られることで説明する。

この巻き取り装置５０は、管材Ｐを巻き取る巻き取りドラム５２と、巻き取りドラム５２を、ドラム軸５２Ｘの回りに回転させつつ、ドラム軸５２Ｘと直交し貫通孔２２の方向を向く直交軸５２Ｙの回りにこの巻き取りドラム５２を回転させる二軸回り回転機構５４と、を備えている。

二軸回り回転機構５４は、円輪状でその中心軸まわりに回転自在となるように保持された回転体５６と、回転体５６に回転力を与える駆動ローラ５８と、を備えている。駆動ローラ５８は回転体５６の外周に当接しており、駆動ローラ５８と回転体５６との摩擦力により駆動ローラ５８からの回転力が回転体５６に伝達される構造になっている。そして、回転体５６には、巻き取りドラム５２のドラム軸両端部を回転可能に保持するドラム軸端保持部６０が設けられている。この構成により、ドラム軸５２Ｘがドラム軸端保持部６０に回動可能に保持されて外部からドラム軸５２Ｘの回りに回転する力が付与されることによって、巻き取りドラム５２が回転して管材Ｐを巻き取るようになっている。

また、本実施形態では、駆動ローラ５８の回転数を制御する制御部６２が設けられている。この制御部６２は、隙間２４から押し出されてくる管材Ｐの回転数と回転体５６の回転数とが同じになるように、回転体５６および駆動ローラ５８の半径を考慮して駆動ローラ５８の回転数を制御する。

本実施形態では、隙間２４から回転しながら押し出されてくる管材Ｐを、管材Ｐと同じ回転数で巻き取りドラム５２を直交軸５２Ｙの回りに回転させつつ、この巻き取りドラム５２で巻き取っていく。従って、管材Ｐの回転を妨げることなく管材Ｐを巻き取ることができる。すなわち、巻き取る際に管材Ｐを逆方向に捩じらなくて済むので、巻き取る際に凸部４２のねじれ角αが小さくなることを回避できる。このことは、成形する管材Ｐが長い場合（例えば数百メートル程度）、巻き取りにかかる時間を短縮する上で特に大きな効果を奏する。

また、管材Ｐの回転数を強制的に回転体５６の回転数とすることになるので、隙間２４から送り出された管材Ｐの回転数が設定回転数からずれても、このずれを解消させることができる。

なお、貫通孔２２に向く直交軸５２Ｙの回りに回転体５６を回転させることで説明したが、途中で管材Ｐがカーブを描いて巻き取りドラム５２に巻き取られる場合など、巻き取り装置５０に巻き取られる直前の管材長手方向が貫通孔２２の方向を向いていないときには、上記の直交軸５２Ｙではなく、巻き取られる直前の管材長手方向の軸回りに回転体５６を回転させる。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。本実施形態の管材製造装置は、第２実施形態に比べ、隙間２４から押し出された管材Ｐの径を矯正する矯正装置７２（図７、図８参照）を隙間２４と巻き取り装置５０との間に更に備えている。

矯正装置７２は、管材Ｐを通過させることで管材Ｐの外径を矯正する矯正用貫通孔７４が形成された矯正用ダイス７６と、矯正用ダイス７６を矯正用貫通孔７４の中心軸まわりに回転可能に保持する筒状の保持部８０と、を有する。

保持部８０の内周側には、図８（ｂ）に示すように、ボール状のベアリング部材８２が配置され得るように収容凹部８４が形成されており、この収容凹部８４に配置されたベアリング部材８２によって、保持部８０に挿通された矯正用ダイス７６が回転可能にされている。

本実施形態では、隙間２４から送り出された管材Ｐを矯正用貫通孔７４に挿通させることで、隙間２４から押し出された後に管材Ｐの外形状に意図しない凹凸が形成されていても、この外形状を矯正することが可能である。例えば、隙間２４から押し出された後に管材Ｐが膨らんで外径が設定値に比べて大きくなっても、この外径を矯正することができる。また、矯正用貫通孔７４に管材Ｐを挿通させる際に矯正用ダイス７６から管材Ｐを引き抜く力が必要となるが、この力を巻き取り装置５０から管材Ｐに及ぼすことができ、新たに引き抜き装置を設けることなく効率的に管材Ｐの外径を矯正することができる。

なお、この矯正用ダイス７６は、管材Ｐを巻き取り装置５０で巻き取る途中に限らず、隙間２４から押し出された直後の管材Ｐに使用することが可能であり、また、巻き取った後の管材Ｐに対しても、例えば巻き出しする際に使用することが可能である。更には、管材Ｐを所定長さに切断した後に使用することも可能である。

＜実験例＞
本発明者は、第１実施形態で、１つのフローティングダイ３０を用い、貫通孔２２からの挿通部３４の延び出し長さＬ（図３参照）をパラメータとして変化させ、各延び出し長さＬで成形された管材Ｐについて、螺旋状の凸部４２のねじれ角αを測定した。本実験例では凸部４２の本数を２０本とし、Ｍを４ｍｍとした。測定結果を図９に示す。なお、図９で、Ｌが負の場合では凸部４２の下端が縁部２２Ｅよりも上方に位置しており、縁部２２Ｅを形成する下面よりも凸部４２が引っ込んでいることを意味する。

図９から判るように、延び出し長さＬが長いほど、凸部４２のねじれ角αが大きいという結果になっており、しかも３０°以上の高いねじれ角αの凸部４２を形成できた管材もあった。なお、螺旋溝４０のねじれ角θを更に大きくすることや、挿通部３４の延び出し長さＬを更に長くすることなどで、ねじれ角αを更に大きくすることが可能である。

また、図１０で、（ａ）は本実験例で成形された管材Ｐの側面断面図であり、（ｂ）は本実験例で成形された管材Ｐの断面斜視図である。管材Ｐの内周側に螺旋状の凸部４２が形成されていることが確認された。

なお、隙間２４から管材Ｐが押し出される際、管材Ｐは回転しながら押し出されるので、管材Ｐの外周側にはねじれ線の模様が形成される。このねじれ線のねじれ角αは、凸部４２のねじれ角αと同じ角度となる。

１０ 管材製造装置
１６ ダイス
１２ ビレット
２２ 貫通孔
３０ フローティングダイ
３４ 挿通部
３４Ｔ 先端
２４ 隙間
４２ 凸部
４０ 螺旋溝
４１ 螺旋溝
４２ 凸部
５０ 巻き取り装置（巻き取り手段）
５２ 巻き取りドラム
５４ 二軸回り回転機構
７２ 矯正装置（矯正手段）
７４ 矯正用貫通孔
７６ 矯正用ダイス
８０ 保持部（保持機構）
Ｆ 押し出し方向
Ｐ 管材

Claims (7)

1. ビレットの押し出し方向側に設けられ、貫通孔が形成されているダイスと、
   先端が前記貫通孔よりも前記押し出し方向側に延び出すように前記貫通孔を挿通し、前記ダイスとの間に隙間を形成する挿通部材と、
   を備え、
   前記挿通部材の側面側には、前記隙間から管材が押し出し成形される際に管材内面側に螺旋状の凸部を成形する溝が形成されていることを特徴とする管材製造装置。
2. 前記溝として、複数本の螺旋溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の管材製造装置。
3. 前記挿通部材として、前記貫通孔を挿通する挿通部を一体的に有するフローティングダイを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の管材製造装置。
4. 前記隙間から押し出された前記管材を巻き取る巻き取り手段を更に備え、
   前記巻き取り手段は、
   前記管材を巻き取る巻き取りドラムと、
   前記巻き取りドラムを、ドラム軸回りに回転させつつ、前記管材の回転数と同じ回転数でドラム軸と直交する軸まわりに回転させる二軸回り回転機構と、
   を有することを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の管材製造装置。
5. 前記隙間から押し出された管材の径を矯正する矯正手段を更に備え、
   前記矯正手段は、
   前記管材を通過させることで前記管材の外径を矯正する矯正用貫通孔が形成された矯正用ダイスと、
   前記矯正用ダイスを前記矯正用貫通孔の中心軸まわりに回転可能に保持する保持機構と、
   を有することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の管材製造装置。
6. 請求項１に記載の管材製造装置を用い、前記ビレットを加熱して前記隙間から押し出して前記凸部を内面側に有する管材を成形することを特徴とする管材製造方法。
7. 請求項１に記載の管材製造装置で押し出し成形されることで、管材内面側に前記凸部が成形されていることを特徴とする管材。

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