JP6358720B2 - 内面螺旋溝付管の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器の伝熱管に用いられる内面螺旋溝付管を製造する方法および製造装置に関する。

エアコンや給湯器用などのフィンチューブタイプの熱交換器には、アルミニウムフィン材に冷媒を通すための伝熱管を挿入し熱交換を行っている。伝熱管には従来銅管が使用されてきたが、軽量化、低コスト化及びリサイクル性改善への要求から、アルミニウム合金管への代替が要求されている。
近年、空調機には省エネに向けた伝熱特性の向上が図られ、冷媒の見直しや熱交換器の構造設計の改良が行なわれている。その中で、構成要素の一つである伝熱管も更なる高性能化が求められている。現在は内面に連続した螺旋溝を設けた内面溝付管が主流となっており、熱交換効率の向上が図られている。

内面螺旋溝付管の製法として、管の内面に捻れ溝を転造しながら引抜く溝転造法（特許文献１）が知られている。従来の銅管では、管の外周から高速回転するボールベアリングで管を管内周に設けた溝付きプラグに押し付け、管内面に捻れ溝を転造する溝転造方法が採用されており、内面螺旋溝付管のアルミ化にも同様に溝転造法が使われようとしている。

また、内面螺旋溝付管の他の製造方法として、内面に直線溝を有する素管を用い、この素管を引抜きダイスに入る手前で捻りつつ引抜きダイスで縮径しながら引き抜きして、素管の縮径部を塑性流動させて捻れ角を有する内面螺旋溝付管を製造する方法が知られている（特許文献２参照）。
さらに他の製造方法として、内面に長さ方向に沿う複数の直線溝が周方向に間隔をおいて形成された素管を、コイル状に巻取りし、そのコイル状素管をそのコイル軸線上に沿って一定の張力を負荷し直管状に引き伸ばすことにより、該素管に捻りを加え内面螺旋溝付管を製造する方法が知られている（特許文献３参照）。

特開平０６−１９０４７６号公報 特開平１０−１６６０８６号公報 特開２０１２−２３６２２５号公報

しかしながら、アルミニウム合金を用いた内面螺旋溝付管を製造するにあたり特許文献1に示す溝転造法で所定の溝形状を得ることは困難である。そもそも、アルミニウム合金は銅合金に比べて強度が低いことから、内面螺旋溝付管で耐圧強度を得るために、銅内面螺旋溝付管に比べ管の底肉厚を厚くする必要があり、その場合、塑性流動しづらくなるために、所定の内面溝形状、その中でも、フィン高さが高く、フィン幅が狭い、いわゆるハイスリムタイプのフィンを転造するのが困難で、溝欠けなど塑性流動不良による欠陥を生じやすい。無理に加工すると管が座屈したり破断したりする。また、内周側に設けた溝プラグと管内周側の接触でアルミ滓が発生し、加工時の溝形状の精度を低下させたり、加工後に取り除くのが難しく管内に残存して溝を詰まらせ、伝熱特性及び圧力損失を大きくするといった問題が挙げられる。更に、溝転造法は予め浮きプラグを挿入する際、管の内周側に溝転造用潤滑油を充填しておくが、それが１コイルの長手方向の長い距離加工するうちに潤滑油の粘度が劣化・低下し、製造した内面螺旋溝付管の底肉厚及び溝形状が長手方向の頭とおしりとで変化し、その溝形状のバラツキが大きい。底肉厚及び溝形状のバラツキは熱特性に影響を及ぼすとともにフィンと内面螺旋溝付管を接合する拡管において、その拡管率にバラツキを生じさせる原因になる。
図１５に溝転造装置を示すが、管の外周から高速回転するボールベアリング５５で管を管内周に設けた溝付きプラグ５７に押し付け、管内面に捻れ溝５８を転造することができる。５１、５３はダイスであり、管５０の内部に挿入された浮きプラグ５２の先端部５６の前方に溝付プラグ５７が設けられている。

このため、アルミニウム合金からなる内面螺旋溝付管を製造するには溝転造法以外の製造方法が必要となる。
先の特許文献２に記載されている製造装置は、図１４に示すように支柱型の２つの支持部材１００によって軸周りに回転自在に水平に支持した回転軸１０１に操出ドラム１０２を軸支させ、この操出ドラム１０２にコイル状に巻き付けておいた素管１０３を引抜きダイス１０５を介し引き抜いた後、巻取りドラム１０６に巻き取る構成である。
素管１０３の内周面には直線溝が複数形成されており、引抜きダイス１０５を通過した素管１０３は内面に螺旋溝を有する内面螺旋溝付管１０８に成形される。

図１４において１１０は回転軸１０１を回転させるためのモーターなどの駆動装置であり、この駆動装置１１０の出力軸が無端ベルト等の伝達装置１１１を介し回転軸１０１の端部側に回転駆動力を伝達する。なお、図１４では簡略化して記載しているが、回転軸１０１は枠状のフレームの一部として構成され、このフレームの内側に回転軸１１３により操出ドラム１０２が回転自在に支持されている。回転軸１０１の先端側には素管１０３を案内する図示略のローラーが設けられ、このローラーを介し素管１０３の移動軌跡を変更し、架台１１５の上に設置されている引抜きダイス１０５の引抜き孔に素管１０３を軸芯合わせした上で素管１０３を引き抜くことができる。

図１４に示す製造装置は、引抜きダイス１０５を用いて素管１０３を捻りつつ縮径することにより、素管１０３の縮径部において塑性流動を生じさせて大きな捻れ角の内面螺旋溝付管を製造できる装置として知られている。
ところが、図１４に示す製造装置では、操出ドラム１０２から素管１０３を繰り出した位置から、引抜きダイス１０５に至るまでの途中において素管１０３に捻れが作用し座屈するため、大きな捻れ角の付与が困難である。即ち、引抜きダイス１０５の内部側に捻れと縮径の両方の力をバランス良く作用させることが困難であった。このため、操出ドラム１０２から繰り出された位置から引抜きダイス１０５に至るまでの間、例えば、素管１０３の移動経路を変更した回転軸１０１の先端側位置やその前後位置などに捻れ力が集中し、素管１０３がダイス１０５に至る前に容易に座屈するという問題点を有していた。

また、先の特許文献３に記載されている製造装置は、内面に長さ方向に沿う複数の直線溝が周方向に間隔をおいて形成された押出素管に一定の捻りを生じさせ、内面に螺旋溝を有する内面螺旋溝付管を製造する装置であり、その概要を図１６に示す。
図１６に示す製造装置１２０は、内面に複数の直線溝により内面フィンが形成された押出素管１２１を巻取りロール１２２の円周上にコイル状に巻取る巻取り手段１２３と、コイル状に形成されたコイル状管材１２１ａをそのコイル軸線１２４の延長方向前方側に向かって引き伸ばし、直管状に成形する引張り手段１３０と、引張り後の管体の断面形状を矯正する図示略の引抜きダイスと、矯正後の内面螺旋溝付管を加熱する熱処理手段とを備えている。なお、図１６に示す製造装置１２０は必要とする捻り角の大きさに合わせて複数段直列接続して使用される。

製造装置１２０において、巻取りロール１２２の外側にコイル状管材１２１ａを送り出す送りロール１２５と抑えロール１２６が設けられ、コイル状管材１２１ａを抑えるガイド板１２７が設けられている。また、抑えロール１２６の一部に加熱ヒーターが内蔵され、コイル状管材１２１ａを加工に必要な温度（２００〜３００℃）に加熱することができる。
引張り手段１３０には、コイル状管材１２１ａをチャッキングして引き延ばすストレッチャー１２８と、引き延ばし後の管材に張力を付加しつつ直管状に成形するピンチロール１２９が複数設けられ、これらによる加工後、巻取りロール１３１に内面螺旋溝付管１３２が巻き取られる。

図１６に示す製造装置１２０によってアルミニウムまたはアルミニウム合金製の押出素管１２１をコイル状管材１２１ａに加工し、ストレッチャー１２８により引き延ばしてピンチロール１２９により直管状に成形することで、内面に直線溝を備えた押出素管１２１を内面に螺旋溝を備えた内面螺旋溝付管１３２に加工して巻き取ることができる。

ところが、図１６に示す製造装置１２０によって内面螺旋溝付管を製造した場合、得られる捻り角は巻き取りロール１２２の径に依存し、一度の加工で大きな捻りを付与するには径を小さくする必要がある。しかしながら、小さい径のロールに中が中空の管を巻き取ると、管が偏平したり座屈するため、大き目の径に巻き取り、引き延ばすといった工程を複数回繰り返す必要があり、生産的でない。また、ロールに巻き取りする工程と引き延ばす工程で管が加工硬化するので、この加工硬化を除去するために熱処理工程が必要となり製造時間がより長くなる問題がある。
また、付与される捻り角は前述したように、巻取りするロール径だけでなく、そのコイル状に巻き取りされる際のピッチも大きく影響するが、一定ピッチのバネ状に加工するのが難しく、結果的に長手方向で捻り角のバラツキが大きく、安定した捻り角が付与できないといった問題点が挙げられる。それを複数回繰り返して行うことから、捻り角のバラツキが更に大きくなりやすい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、内面螺旋溝付管製造時にその内周にアルミカスの発生がなく、且つ、長手方向に溝形状および捻り角の寸法精度が高く、且つフィン高さの高い内面螺旋溝付管が得られるとともに、大きな捻り角を付与でき、生産性に優れる内面螺旋溝付管の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

本発明の内面螺旋溝付管の製造方法において、内面に溝またはフィンを有する素管を巻き出し側キャプスタンに巻き付けつつ、巻き出して引抜きダイスに通し、巻き出してから前記引抜きダイスにいたる前記素管をその軸心周りに回転させるように、かつ、巻き付け前の素管を前記巻き付けた素管と共に同期回転させるように前記巻き出し側キャプスタンを回転させ、巻き出された前記素管を前記引抜きダイスに通して縮径しながら捻りを付与して内面螺旋溝付管とする捻り引抜き工程と、前記引抜きダイスを通過した内面螺旋溝付管を巻き取る巻き取り工程を具備することを特徴とする。

特許文献２に開示の技術のように、コイルから素管を単に送り出して、そのまま引抜きダイスを通すだけでは、コイルから巻き出された素管が引抜きダイスに入るまでの加工域の距離が長く、その間で局部的に屈曲したようによじれが発生して素管に座屈が生じ易いため、大きな捻りを付与することが出来ない。
内面螺旋溝付管を製造する場合、引抜きダイス前で巻き出し側キャプスタンに素管を巻き付け、且つ、巻き出し側キャプスタンを回転させているので、捻りを加える加工域の軸芯を、キャプスタンに巻き付けられた管の巻数分、キャプスタンの回転軸と平行な方向にずらすことができるとともに、キャプスタンに巻き付け拘束されることで、素管の捻れる加工域長さを巻き出し側キャプスタンのトップの位置から引抜きダイス終端部までのより短い範囲で一定に制御することが可能で、素管の巻き出し速度と巻き出し側キャプスタンの公転速度（ここでの公転とは、前記、加工域軸芯を中心にした巻き出し側キャプスタンの回転を意味する）および引抜きによる縮径率を制御することで、素管長手方向に安定して一定の捻り角を付与できるとともに、引抜きダイス手前のキャプスタンと引抜きダイスの距離を調整し、両者の距離を比較的短くするとともに、縮径率を大きくすることで、一度の巻き出しによる加工で大きな捻り角を付与した際にも、座屈の発生を抑制することができる。

更に、素管をドラムから巻き出す際に、ドラムの軸の回転にパウダーブレーキ等のブレーキ装置で後方張力を付与すると共に、引抜き側キャプスタンを設けて前方張力を付与する機能をもつならば、素管に適切な張力を安定して付与することができるため、素管パスラインにたるみが無く、素管が芯ずれせずに引抜きダイスに入るため、偏肉の発生や座屈を防止できる。引抜きダイスに素管が入る際の芯ずれに関しては、引抜きダイス前後で素管をキャプスタンに拘束することでも、芯ずれを抑制する効果が得られている。

製造する内面螺旋溝付管の捻り角は、素管の引抜き速度と巻き出し側キャプスタンの公転速度との関係で制御することができ、引抜き速度一定のもと、巻出し側キャプスタンの公転速度を上げると捻り角は大きくなる。
なお、転造法のように只の丸管内部にプラグを入れて溝を転造する必要がないため、予め、捻り前の素管内壁に深い溝を形成しておくことで、本発明方法ではフィン高さが高く、フィンの頂角が小さいハイスリムフィンタイプの管の製造も精度良く容易に行うことができるとともに、素管加工後に管材内面の潤滑油洗浄を必要とせず、工数を削減できる。直線溝を形成した素管は、例えば、押出により容易に得ることが可能である。

本発明の内面螺旋溝付管の製造方法において、前記引抜きダイスによる縮径率は５〜４０％とするとよい。
引抜き加工と捻り加工を複合化すると、座屈を生じることなく捻れる最大捻り角（以後、限界捻り角と称す）の値が大きくなる。素管に捻り加工のみを行なった場合、素管の円周接線方向にせん断応力が付与され、素管が捻れるが、その時、素管の長手方向には圧縮応力が作用する。捻り角の増加につれてこの圧縮応力は高くなり、その圧縮応力が座屈を生じる座屈応力を上回った場合に座屈に至る。引抜きには、引抜きによる素管長手方向への引張応力の付与で、この圧縮応力を低減する効果があり、座屈の発生を抑制できる。
本発明者らの試験では、縮径率を大きくするほど、限界捻り角が向上する結果が得られている。
縮径率が小さ過ぎる場合は引抜きによる引張応力の効果が小さく、大きな捻り角を得ることが難しいので、５％以上とするのが好ましい。一方、縮径率が大きくなり過ぎると素管が破断するおそれがあるので、４０％以下とするのが好ましい。

本発明の内面螺旋溝付管の製造装置は、内面に溝またはフィンを有する素管を巻き付け自在、かつ、巻き出し自在な巻き出し側キャプスタンと、前記巻き出した素管をその軸線周りに回転させるように、かつ、巻き付け前の素管を前記巻き付けた素管とともに同期回転させるように、前記巻き出し側キャプスタンと前記素管を回転させる回転手段と、前記巻き出し側キャプスタンから巻き出される前記素管を通して縮径と捻りを行うための引抜きダイスと、前記引抜きダイスを通過して捻りと縮径がなされた内面螺旋溝付管を巻き取る巻き取りドラムを備えることを特徴とする。

引抜きダイスの前後でそれぞれにキャプスタンを設け、それらに素管を巻き付けるならば、捻りを加える加工域の軸芯を、巻き出し側キャプスタンに巻き付けられた素管の巻数分、キャプスタンの回転軸と平行な方向にずらすことができるとともに、前後のキャプスタンに巻き付け拘束することで、素管の加工域長さを巻き出し側キャプスタンのトップの位置から引抜きダイス終端部までと一定に制御することが可能であるとともに、引抜き側キャプスタンで内面螺旋溝付管を巻き付け拘束するために、引抜きダイス終端部以降、内面螺旋溝付管の回転がなくなり、巻取りドラムに無回転で巻き取ることができるため、内面螺旋溝付管同士の擦り傷がなくなる。

また、本発明の内面螺旋溝付管の製造装置において、前記キャプスタンには、該キャプスタンとの間で前記素管を掛け回すように巻き付ける従動ローラーが備えられており、該従動ローラーは、前記素管の走行路から退避した位置に配置されているとよい。
同様に、前記引抜き側キャプスタンには、該引抜き側キャプスタンとの間で前記内面螺旋溝付管を掛け回すように巻き付ける引抜き側従動ローラーが備えられており、該引抜き側従動ローラーは、前記内面螺旋溝付管の走行路から退避した位置に配置されているとよい。
従動ローラーを走行路から退避させて配置することにより、キャプスタン間の捻り加工領域を短くすることができ、座屈の発生を効果的に抑制することができる。
なお、従動ローラーを設ける場合、キャプスタンの軸心に対して交差する方向に配置すると、素管同士の重なりを防止することが可能で、作製した内面螺旋溝付管の表面スリ傷、破断、座屈の発生を効果的に抑制することができる。

本発明によれば、使用する素管は特にアルミニウム合金に限定したものではなく、銅合金等他の金属も用いることが可能で、押出材や圧延して溝を形成した板材をロール成型で丸状に加工し接合部を溶接した電縫管などの内面に溝を有する素管の内面溝を使えるため、作製した内面螺旋溝付管の内面溝形状の自由度が大きく寸法精度が高い。
また、フィン高さが高く、フィン頂角の値が小さい内面螺旋溝付管が得られるととともに、細管（細径化）に対応でき、３５゜以上の高い捻り角を付与できる。
これらの効果は、素管を直接引抜きダイスに通すのではなく、一端巻出し側キャプスタンに周回させてから引抜きダイスに通すことで、素管の長さ方向に捻り加工を負荷する領域を短く設定し、引抜きダイスの加工域にできる限り捻り加工域と縮径加工域を一致させることができることに起因する。

また、素管を周回させた巻出し側キャプスタンを巻き付け前の素管と巻き付けた素管とともに素管の軸心周りに同期回転させて引抜きダイス側に巻き出すことで、素管の長さ方向に捻り加工を負荷する領域を短く設定しつつ素管を引抜きダイスまで到達させることができるので、素管の座屈を抑制しつつ素管の捻り加工と縮径加工ができる。
更に、製造した内面螺旋溝付管の内面には、アルミニウムカスなどのカスの発生がなく、長手方向に捻り角、フィン高さ、底肉厚が安定しているので、熱交換器を組み立てる際の拡管に悪影響を及ぼさない。

本発明に係る内面螺旋溝付管の製造装置の一実施形態を示す模式図。 同製造装置の要部拡大説明図。 同製造装置の巻出し側キャプスタンに対する素管の巻き付け状態を模式的に示す平面図。 同製造装置に用いられる引抜きダイスの断面図。 内面に直線溝が形成された素管を説明する図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が側断面図。 内面に螺旋溝が形成された内面螺旋溝付管の断面と一部を展開した状態を示す説明図。 本実施形態に係る内面螺旋溝付管を備えた熱交換器の一例を示すもので、（ａ）は側面図、（ｂ）は斜視図。 実施例において内面螺旋溝付管を製造した場合の加工域長さと限界捻り角との関係を示すグラフ。 実施例において内面螺旋溝付管を製造した場合の引抜き時の縮径率と限界捻り角との関係を示すグラフ。 実施例において内面螺旋溝付管を製造した場合の巻出し側キャプスタンの公転速度と捻り角の管径を示すグラフ。 実施例において製造した内面螺旋溝付管の一例の長さ方向測定位置と捻れ角の関係を示すグラフ。 実施例において製造した内面螺旋溝付管におけるフィン頂角とフィン頂幅を示す図。 実施例において製造した内面螺旋溝付管におけるフィン倒れ角を示す説明図。 引抜きダイスを用いて内面螺旋溝付管を製造するための従来装置の一例を示す構成図。 溝転造法を実施するための装置の断面図。 ドラムの外周に押出素管を巻き付けてから引き伸ばすことにより内面螺旋溝付管を製造する装置の一例を示す構成図。

以下、本発明に係る内面螺旋溝付管の製造装置とそれを用いた内面螺旋溝付管の製造方法の実施形態について図面を参照しながら説明する。
本実施形態の内面螺旋溝付管の製造装置Ａは、内面に長さ方向に沿う複数の直線溝１１ａが周方向に間隔をおいて形成された素管１１（図５参照）に、一定の捻りを生じさせ、内面に螺旋溝を有する内面螺旋溝付管１１Ｒ（図６）を製造する装置である。

この製造装置Ａは、図１に示すように、内面に直線溝１１ａによりフィン１１ｂが形成された素管１１をコイル状に巻き取った状態に保持するドラム２１と、このドラム２１から巻き出される素管１１を巻き付けながら、該素管１１を巻き出す巻き出し側キャプスタン２２と、これらドラム２１及び巻き出し側キャプスタン２２をドラム２１の巻軸２１ａと直交する軸心Ｃを中心として回転する回転手段２３と、巻き出し側キャプスタン２２から送り出される素管１１を通す引抜きダイス２４と、引抜きダイス２４を通って内面の直線溝が螺旋溝となった内面螺旋溝付管１１Ｒを巻き付けながら送り出す引抜き側キャプスタン２５と、引抜き側キャプスタン２５を経由した内面螺旋溝付管１１Ｒを通す第２の引抜きダイス２６と、この第２の引抜きダイス２６を経由した内面螺旋溝付管１１Ｒを巻き付ける第３のキャプスタン２７と、第３のキャプスタン２７から巻き出される内面螺旋溝付管１１Ｒを巻き取る巻き取りドラム２９とを備えている。

巻き出し側のドラム（以下、巻き出しドラムと称す）２１は、巻き出される素管１１を上記軸心Ｃに沿って案内するためのガイドプーリ３１および支持軸３１ａとともに第１フレーム３２に取り付けられている。この場合、巻き出し側ドラム２１は、回転自在に第１フレーム３２に支持されるとともに、巻き径によりブレーキ力を制御しながら一定の張力で素管１１を送り出すようになっている。符号３３は巻き出しドラム２１、ガイドプーリ３１等を一体に覆うカバーを示す。図１に示す構造ではドラム２１のブレーキ力は回転軸２１ａに接続するように設けられているトルク調節自在なパウダーブレーキ等のブレーキ装置１５により発生される。

また、この第１フレーム３２の前端部３４及び後端部３５は上記軸心Ｃに沿って軸状に延びており、これら前端部３４及び後端部３５が軸受３６を介し２つの脚部３７により水平に、かつ、軸心周りに回転自在に支持されて、第１フレーム３２が回転自在とされている。第１フレーム３２の前端部３４は、脚部３７より前方に突出しており、その突出端部に巻き出し側キャプスタン２２を保持する第２フレーム３８が固定されている。したがって、この第２フレーム３８は第１フレーム３２に対して固定状態とされ、巻き出し側キャプスタン２２ごと、上記軸心Ｃを中心として回転自在に支持されている。
第１フレーム３２は、ドラム２１の回転軸２１ａを支持する矩形枠状の主フレーム３２ａと主フレーム３２ａの一側から先窄まり状に延出形成された側面視等脚台形状の副フレーム３２ｂと、副フレーム３２ｂの先端側に延出形成された軸型の前端部３４と、主フレーム３２ａの後端側に延出形成された軸型の後端部３５からなる。
第１フレーム３２の前端部３４は、一方の脚部３７より更に前方に突出されており、その突出端部に巻出し側キャプスタン２２を保持する第２フレーム（巻出し側フレーム）３８が固定されている。したがって、第２フレーム３８は第１フレーム３２に対し一体化され、巻出し側キャプスタン２２とともに、水平な軸心Ｃを中心として軸心周りに回転自在に支持されている。

また、第１フレーム３２の後端部３５は、脚部３７より後方に突出されており、その突出端部の下方にモーター等の駆動部３９が設けられている。この駆動部３９の回転軸には無端ベルト等の伝達装置３９ａの一端が巻き掛けられており、伝達装置３９ａの他端が前記後端部３５の突出端に巻き掛けられている。このため、駆動部３９の回転軸の回転力を後端部３５の突出端に伝達し、第１フレーム３２及び第２フレーム３８を回転することができる。
この駆動部３９により第１フレーム３２及び第２フレーム３８を一体に回転させる構成であり、駆動部３９、両フレーム３２、３８、軸受３６、脚部３７等により、巻き出しドラム２１と巻き出し側キャプスタン２２とを上記軸心Ｃを中心に一体に回転する回転手段２３が構成される。

巻き出し側キャプスタン２２は、図示例では、従動ローラー４１を備えており、この従動ローラー４１との間で素管１１を複数ターン掛け回すように巻き付けた状態として再度上記軸心Ｃに沿って送り出すようにしている。素管１１はキャプスタン２２に数周分巻き付けられることにより、図３に示すように、素管１１は、巻き出しドラム２１からの巻き出し路とはキャプスタン２７の回転軸と平行な方向にずれた軸心（後述する加工域の軸心）Ｃ１に沿って送り出される。素管１１は数周分巻き付けられるので、安定した張力で巻き出される。
なお、図２は図１に示す製造装置Ａのうち、引抜きダイス２４の前後に設けられている巻出し側キャプスタン２２と引抜き側キャプスタン２５を主体として素管１１との相対関係を主体に描いた図であり、図２では従動ローラー４１、４３の記載を略している。
また、図２に示すようにキャプスタン２２の頂上位置と引抜きダイス２４の出口部分との間の長さＬの領域が加工域とされる。

この場合、従動ローラー４１は、上記軸心Ｃ（素管１１の走行路）から退避した位置に設けられており、図示例の場合は、巻き出し側キャプスタン２２に対して軸心Ｃ（素管１１の走行路）と垂直となるように配置されている。また、キャプスタン２２と従動ローラー４１とは平行ではなく、キャプスタン２２の軸心に対して従動ローラー４１の軸心が交差する方向に配置されており、このような配置とされていることにより、巻き付けられる素管同士の重なりを防止して、作製される内面螺旋溝付管の表面スリ傷、破断、座屈の発生を効果的に抑制することができる。
また、脚部３７の中の軸受け３６の中に、捻り加工前の素管１１の真円を回復するための引抜きダイス１６を有している。
コイル状に巻かれた素管１１は、素管同士の接触で偏平状に変形している。変形したまままの形状で引抜きを行なうと、引抜きダイス２４に偏平な素管１１が均一に接触せず、捻りの付与で座屈してしまう。従って、素管１１の真円度を長径/短径の比が１．２以内になるように、縮径率０．５〜３％の引抜きを行なう。この縮径率は、（引抜き前の素管１１の外径−引抜き後の内面螺旋溝付管の外径）／引抜き前の素管の外径の百分率により求められる。

引抜きダイス２４は、巻き出し側キャプスタン２２から巻き出された直後の素管１１を通すように上記軸心Ｃ１上に配置されている。具体的には、引抜き側キャプスタン２５が巻き出し側キャプスタン２２と素管１１の走行路を上記軸心Ｃ１と一致させた状態に配置され、これら両キャプスタン２２、２５の間に引抜きダイス２４が配置されている。引抜き側キャプスタン２５はモーター駆動で回転する。この場合、引抜き側キャプスタン２５は、架台４２に支持されており、その架台４２の前端部に引抜きダイス２４も一体に固定されている。
また、引抜き側キャプスタン２５は、巻き出し側キャプスタン２２と同様に、従動ローラー４３を備えており、この従動ローラー４３との間で内面螺旋溝付管１１Ｒを複数ターン掛け回すように巻き付けた状態として上記軸心Ｃ１と平行に送り出すようにしている。内面螺旋溝付管１１Ｒはキャプスタン２５に数周分巻き付けられる。この引抜き側キャプスタン２５において、内面螺旋溝付管１１Ｒは、両キャプスタン２２、２５の間の軸心Ｃに対してキャプスタン２５の回転軸と平行な方向にずれて送り出される。

この場合も、従動ローラー４３は、上記軸心Ｃ１（内面螺旋溝付管１１Ｒの走行路）から退避した位置に設けられており、引抜き側キャプスタン２５に対して軸心Ｃ１（内面螺旋溝付管１１Ｒの走行路）と垂直となるように配置されている。したがって、この引抜き側キャプスタン２５とその上流の巻き出し側キャプスタン２２との間隔が狭められ、その間での素管１１の捻り加工領域が短くなることにより、座屈の発生を効果的に抑制することができる。

引抜きダイス２４は、図４に示すように素管１１を挿通させるダイス孔２４ａを有しており、素管１１の外径を減少させる空引きを行う。その引抜きダイス２４における縮径率は５〜４０％とされる。縮径率が小さ過ぎる場合は引抜きによる効果が乏しく、大きな捻り角を得ることが難しいので、５％以上とするのが好ましい。一方、縮径率が大きくなり過ぎると加工限界で破断を生じ易くなるので、４０％以下とするのが好ましい。

また、この実施形態では、引抜き側キャプスタン２５の下流位置に、架台４４に支持された第３のキャプスタン２７が備えられており、引抜き側キャプスタン２５と第３のキャプスタン２７との間に第２の引抜きダイス２６が設けられている。第３のキャプスタン２７はモーター駆動で回転する。この第２の引抜きダイス２６は、前段の引抜きダイス２４を通過することにより形成された内面螺旋溝付管１１Ｒのスキンパス用に設けられるもので、引抜きによる断面の変化は少なく、表面及び寸法が仕上げ整形されるとともに内面螺旋溝付管１１Ｒの真円度が回復する。

第３のキャプスタン２７の構成は前述の他のキャプスタン２２、２５と同様であり、内面螺旋溝付管１１Ｒは、従動ローラー４５との間で複数ターン掛け回すように巻き付けた状態として巻き出される。従動ローラー４５が軸心Ｃ（内面螺旋溝付管１１Ｒの走行路）から退避するように配置され、第３のキャプスタン２７に対して軸心Ｃ（内面螺旋溝付管１１Ｒの走行路）に垂直となるように配置されている点は、他の従動ローラー４１、４３と同様である。
巻き取りドラム２９は、内面螺旋溝付管１１Ｒを一定の張力で巻き取るものであり、回転のための駆動部４６を備えている。

次に、このように構成した製造装置Ａを用いて、内面螺旋溝付管１１Ｒを製造する方法について説明する。
予め、押出により、図５に示すように、内面に長さ方向に沿う複数の直線溝１１ａが周方向に間隔をおいて形成された素管１１を作製する（素管押出工程）。
そして、この素管１１を巻き出しドラム２１にコイル状に保持しておき、この巻き出しドラム２１から巻き出した素管１１を巻き出し側キャプスタン２２に巻き付けつつ、回転手段２３によってフレーム３２、３８と一体に巻き出しドラム２１及び巻き出し側キャプスタン２２を軸心Ｃ回りに回転させることにより、巻き出し側キャプスタン２２から素管１１を回転させながら巻き出す（素管巻き出し工程）。

巻き出された素管１１を引抜きダイス２４に通した後に、引抜き側キャプスタン２５に巻き付けることにより、素管１１を引抜き加工して縮径する（素管引抜き工程）。この素管引抜き工程により、素管１１に捻りが付与され、内面に螺旋溝が形成された内面螺旋溝付管１１Ｒとなる。
この場合、捻りにより素管１１には円周接線方向にせん断応力が作用し捻り角が付与されるが、同時に素管１１の長手方向には捻りに伴う圧縮応力が作用し、その値が座屈応力を超えた場合に座屈が生じるが、引抜き加工による素管長手方向への引張応力により、圧縮応力を低減できるため、座屈の発生を抑制できる。

引抜きダイス２４の前後でそれぞれのキャプスタン２２、２５に素管１１あるいは内面螺旋溝付管１１Ｒを巻き付けているので、ドラム巻き出し軸及び最終ドラム巻取り軸と捻りを加える加工域の軸心Ｃ１が、巻き出し側キャプスタン２２に巻き付けられた素管１１の周数分キャプスタン２２の回転軸と平行な方向にずれるとともに、前後のキャプスタン２２、２５に巻き付け拘束されることで、素管１１の加工域長さは図４に示すように、巻き出し側キャプスタンのトップの位置から引抜きダイス最終端部の位置までの距離Ｌと一定に制御が可能となる。加工域の長さが長いほど、座屈応力は小さくなり、その結果、わずかな捻りにおいても座屈を生じやすくなることからキャプスタン２２、２５の距離を調整しできる限りその距離を短くすることで、大きな捻り角を付与した際にも、座屈の発生を抑制することが出来る。
引抜きダイス２４の終端部から引抜き側キャプスタン２５の位置が離れすぎると、キャプスタン２５に内面螺旋溝付管１１Ｒを巻き付けてはいるものの、その拘束力が弱くなり、引抜きダイス２４から内面螺旋溝付管１１Ｒが出た後にも内面螺旋溝付管１１Ｒが回転し、その場合、長手方向で加工域の長さが変化し、長手方向の捻り角がばらつく要因になる。

両キャプスタン２２、２５の間隔を狭くしすぎた場合、引抜きダイス２４を支持する架台４２にキャプスタン２２、２５が接触してしまうので、接触しない範囲で狭いのが好ましい。両キャプスタン２２、２５の径は、１００ｍｍ以上が好ましい。１００ｍｍ未満では、それぞれのキャプスタン２２、２５に巻き付けた際に素管が座屈または偏平するおそれがある。逆に９００ｍｍ以上にすると前述したようにキャプスタン２２、２５の距離が広すぎて座屈を生じやすくなる。
なお、内面螺旋溝付管の捻れ角は、巻き出しキャプスタン２２の公転速度と素管１１の巻き出し速度との関係により定められる。

この引き抜き加工により形成された内面螺旋溝付管１１Ｒを引抜き側キャプスタン２５から巻き出し、第３のキャプスタン２７に巻き付けながら、これら両キャプスタン２５、２７の間で第２の引抜きダイス２６に内面螺旋溝付管１１Ｒを挿通することにより、表面を整形する（仕上げ引抜き工程）。素管引抜き工程において内面螺旋溝付管１１Ｒに若干のつぶれ等の変形が生じていた場合でも、この仕上げ引抜き工程を経ることにより、その変形も修正して、所定の真円度の内面螺旋溝付管１１Ｒとすることができる。
最後に内面螺旋溝付管１１Ｒは巻き取りドラム２９に巻き付けられる（巻き取り工程）。 巻取りドラム２９は、引抜き側キャプスタン２５およびキャプスタン２７と同期してモーター駆動で回転する。

以上のように、巻き出し側キャプスタン２２と引抜き側キャプスタン２５との間で一定の張力を付与した状態で素管１１を回転させながら引抜き加工することにより、座屈を生じることなく、大きな捻り角の内面螺旋溝付管１１Ｒを製造することができる。特に内部にプラグ等を入れた転造加工を行う必要がないため、予め、押出加工時に素管１１の内壁に頂角の小さい高いフィン１１ｂを形成しておくことで、そのフィン１１ｂをつぶすことなく素管１１を捻ることができ、スリムフィンタイプの内面螺旋溝付管１１Ｒを製造することができるとともに、加工後、特に管材の内面の洗浄を必要としない。

図７は、本発明に係る内面螺旋溝付管を備えた熱交換器８０の一例を示す概略図であり、冷媒を通過させるチューブとして内面螺旋溝付管８１を蛇行させて設け、この内面螺旋溝付管８１の周囲に複数のアルミニウム合金製フィン材８２を平行に配設した構造である。内面螺旋溝付管８１は、平行に配設したフィン材８２を貫通するように設けた複数の透孔を通過するように設けられている。
図７に示す熱交換器８０の構造において内面螺旋溝付管８１は、フィン材８２を直線状に貫通する複数のＵ字状の主管８１Ａと、隣接する主管８１Ａの隣り合う端部開口どうしをＵ字形のエルボ管８１Ｂで図７（ｂ）に示すように接続してなる。また、フィン材８２を貫通している内面螺旋溝付管８１の一方の端部側に冷媒の入口部８６が形成され、内面螺旋溝付管８１の他方の端部側に冷媒の出口部８７が形成されることで図７に示す熱交換器８０が構成されている。

図７に示す熱交換器８０は、フィン材８２のそれぞれに形成した透孔を貫通するように内面螺旋溝付管８１を設け、フィン材８２の透孔に挿通後、拡管プラグにより内面螺旋溝付管８１の外径を押し広げて内面螺旋溝付管８１とフィン材８２を機械的に一体化することで組み立てられている。
図７に示す熱交換器８０に内面螺旋溝付管８１を適用することで、熱交換効率の良好な熱交換器８０を提供できる。
また、例えば、内面螺旋溝付管１１Ｒの外径が１０ｍｍ以下と小さく、アルミニウムあるいはアルミニウム合金からなる内面螺旋溝付管１１Ｒを用いて熱交換器８０を構成すると、小型高性能であり、リサイクル時にフィン材８２と内面螺旋溝付管８１の分離が不要であって、リサイクル性に優れた熱交換器を提供できる。

「実施例１」
外径１０ｍｍ、内径９．１ｍｍ、内面に直線溝が形成された３００３アルミニウム合金素管を用いて内面螺旋溝付管の製造を行った。
素管は、外径１０ｍｍ、内径９．１ｍｍの３００３押出まま材を用い、内面の直線溝の数は４５個（８°／１山）で、これら直線溝により形成されるフィンの高さが０．２８ｍｍ、フィンの頂角が１０°であるものを用いた。この素管を用いて、引抜きダイスの孔径が７．５ｍｍ、縮径率２５％、引抜き速度が５ｍ／ｍｉｎの条件で引抜き加工を行った。

まず、加工域長さと巻き出し側キャプスタンの公転速度を上げて限界捻り角（座屈を生じないで捻れる最大捻り角）の関係を調べたところ、図８に示す結果となった。
この図８に示されるように、両者の間には相関が認められ、加工域長さが短くなるにつれて限界捻り角の値は指数関数的に増大する傾向を示した。加工域長さ１８０ｍｍでは座屈に至っておらず、参考データである。
加工域長さを２２０ｍｍとして上記の条件で作製した素管引抜き工程後の内面螺旋溝付管は、外径が７．５ｍｍとなり、内面に捻り角が３０°の螺旋溝が形成されていた。仕上げ引抜き工程後では、第３の引抜きダイスを通すことにより、捻れ角がわずかに小さくなることから、最終的に、外径が７．２ｍｍで、内面螺旋溝の捻り角は２８°となった。
また、内面にストレートの溝を設けた外径Φ１０、内径Φ９．１の３００３アルミニウム合金素管を用いて、加工域長さ２２０ｍｍ、引抜速度５ｍ／ｍｉｎで、巻き出し側キャプスタンの公転速度を変量し、引抜き時の縮径率が限界捻り角（座屈を生じずに捻れる最大捻り角）に及ぼす影響を調べた結果、図９に示す結果となった。
この図９に示されるように、両者の間には相関が認められ、引抜き時の縮径率を大きくするにつれて限界捻り角が大きくなる傾向が認められる。

次に、内面に直線溝を設けた外径φ＝１０ｍｍ、内径φ＝９．１ｍｍの３００３アルミニウム合金からなる押出素管を用い、図１に示す装置を用いて引抜き時の捻り角と巻出し側フレームの回転速度の関係を調べた結果、図１０に示す結果が得られた。
図１０は、加工域長さ２２０ｍｍ、３０％リダクションで外径φ７．５ｍｍ、内径φ６．６ｍｍ、引抜速度１０ｍ／ｍｉｎの条件において捻り角と巻き出し側キャプスタン回転速度の関係を示している。
巻出し側フレームの回転速度と捻り角は比例する関係となり、巻出し側フレームの回転速度を変量することにより、捻り角の変量が可能であることが判った。

「実施例２」
次に、内面に直線溝を設けた外径φ＝１０ｍｍ、内径φ＝９．１ｍｍの３００３アルミニウム合金からなる素管を用い、図１に示す装置を用いて、加工域長さ２２０ｍｍ、３０％リダクション、引抜速度１０ｍ／ｍｉｎ、巻き出し側キャプスタンの公転速度１８０ｒｐｍで、外径φ７．５ｍｍ、内径φ６．６ｍｍの製造条件にて、２０゜の内面螺旋溝を有する長さ７７８ｍの内面螺旋溝付管を製造した。その内面螺旋溝付管の一部を長さ５ｍにわたり、切り出し、切り出した内面螺旋溝付管の長さ方向における捻り角の分布を調べた。その結果を図１１に示す。
図１１に示す結果から、図１に示す製造装置を用いて形成した内面螺旋溝付管は、長手方向で安定した捻り角の付与ができていた。また、捻れ角のばらつきは、±０．５゜の範囲内に納まっており、極めて優秀な精度で管材の長手方向に均一な捻り角を付与できていることが判った。

「実施例３」
次に、内面に直線溝を設けた外径φ＝１０ｍｍ、内径φ＝９．０ｍｍの３００３アルミニウム合金からなる押出素管を用い、図１に示す装置を用いて２５゜の内面螺旋溝を有する長さ７７８ｍの内面螺旋溝付管を製造した。この製造は、引抜きリダクション３０％、加工域長２２０ｍｍ、外形φ７ｍｍの捻り管を引抜速度１０ｍ／ｍｉｎ、巻き出し側キャプスタンの公転速度２５０ｒｐｍの条件で作成した。
長さ７７８ｍの内面螺旋溝付管について、加工開始位置から、長さ方向に１０ｍ、１９５ｍ、３８９ｍ、５８４ｍ、７７５ｍの各位置において捻り角（゜）、外径（ｍｍ）、底肉厚（ｍｍ）、フィン高さ（ｍｍ）、フィン頂幅（ｍｍ）、フィン頂角（゜）を測定した結果を以下の表１に示す。
フィン頂角とは、図１２に示す等脚台形状のフィンにおいて、左右の斜辺がなす角度であり、フィン頂幅とはフィン頂部分の幅である。フィン高さはフィン底部からフィン頂部までの高さとした。
底肉厚とは、図１３に示すように螺旋溝１１ｄの部分に相当する内面螺旋溝付管１１Ｒの肉厚を示す。なお、内面螺旋溝付管１１Ｒは断面円形のため、正確には図１３に示すようにフィン１１ｃの底辺の中央点とフィン１１ｃの頂辺の中央点どうしを結ぶ高さｔとして計測している。
また、得られた内面螺旋溝付管のそれぞれの測定位置の部分から長さ１４０ｍｍにわたり管を切り出し、切り出した管をそのまま試験片として用い、ＴＳ（引張り強さ）、ＹＳ（耐力）、ＥＬ（伸び）を測定した。

表１に示す試験結果から、図１に示す装置で製造した内面螺旋溝付管は約７７８ｍの長さの内面螺旋溝付管であっても、その長さ方向に均一な捻り角、外径、底肉厚、フィン高さ、フィン頂幅、フィン頂角を示すことが明らかである。捻り角については、目標の角度２５゜に対し、±０．５゜の範囲内に納まっていた。
また、得られた内面螺旋溝付管は長さ方向についてＴＳ、ＹＳ、ＥＬのばらつきも小さく、均一に加工されていることが判る。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、また、材料に関しても特にアルミニウム合金に限定したものでは無く、銅合金等にも使用可能で、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

Ａ 内面螺旋溝付管の製造装置
１１ 素管
１１ａ 直線溝
１１ｂ フィン
１１Ｒ 内面螺旋溝付管
２１ ドラム（巻き出し側ドラム）
２１ａ 巻軸
２２ 巻き出し側キャプスタン
２３ 回転手段
２４ 引抜きダイス
２４ａ ダイス孔
２５ 引抜き側キャプスタン
２６ 第２の引抜きダイス
２７ 第３のキャプスタン
２９ 巻き取りドラム
３１ ガイドプーリ
３２ フレーム（第１フレーム）
３８ 第２フレーム
Ｃ 軸心（回転手段の軸心）
Ｃ１ 軸心（加工域の軸心）

Claims (15)

1. 内面に溝またはフィンを有する素管を巻き出し側キャプスタンに巻き付けつつ、巻き出して引抜きダイスに通し、巻き出してから前記引抜きダイスにいたる前記素管をその軸心周りに回転させるように、かつ、巻き付け前の素管を前記巻き付けた素管と共に同期回転させるように前記巻き出し側キャプスタンを回転させ、巻き出された前記素管を前記引抜きダイスに通して縮径しながら捻りを付与して内面螺旋溝付管とする捻り引抜き工程と、前記引抜きダイスを通過した内面螺旋溝付管を巻き取る巻き取り工程を具備することを特徴とする内面螺旋溝付管の製造方法。
2. 前記引抜きダイスによる縮径率は５〜４０％とすることを特徴とする請求項１記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
3. 前記巻出し側キャプスタンに前記素管を巻き始める位置と前記巻出し側キャプスタンから前記引抜きダイス側に前記素管を送り始める位置を前記巻出し側キャプスタンの回転軸と平行な方向にずらすことにより、前記巻出し側キャプスタンと前記引抜きダイスとの間を前記素管の捻り加工領域とすることを特徴とする請求項１または２に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
4. 前記引抜きダイスに前記素管を通して前記素管を捻りつつ縮径する際、前記素管に前方張力と後方張力を付加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
5. 前記引抜きダイスを通過した前記内面螺旋溝付管を引抜き側キャプスタンに巻き付けることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
6. 前記引抜き側キャプスタンから巻出した前記内面螺旋溝付管を第２の引抜きダイスで整形することを特徴とする請求項５に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
7. 前記素管を前記巻出し側キャプスタンに到達する前に引抜きダイスにより真円状に整形することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
8. 前記素管がアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる押出素管であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の内面螺旋溝付管の製造方法。
9. 内面に溝またはフィンを有する素管を巻き付け自在、かつ、巻き出し自在な巻き出し側キャプスタンと、前記巻き出した素管をその軸線周りに回転させるように、かつ、巻き付け前の素管を前記巻き付けた素管とともに同期回転させるように、前記巻き出し側キャプスタンと前記素管を回転させる回転手段と、前記巻き出し側キャプスタンから巻き出される前記素管を通して縮径と捻りを行うための引抜きダイスと、前記引抜きダイスを通過して捻りと縮径がなされた内面螺旋溝付管を巻き取る巻き取りドラムを備えることを特徴とする内面螺旋溝付管の製造装置。
10. 前記巻出し側キャプスタンに前記素管を巻き始める位置と前記巻出し側キャプスタンから前記引抜きダイス側に前記素管を送り始める位置が、前記巻出し側キャプスタンの回転軸と平行な方向にずらされ、前記巻出し側キャプスタンの巻出し位置と前記引抜きダイスとの間が前記素管の捻り加工領域とされたことを特徴とする請求項９に記載の内面螺旋溝付管の製造装置。
11. 前記素管を巻き出し自在であって前記巻き出し側キャプスタンに前記素管を供給可能なドラムを設け、前記ドラムの回転を規制することにより前記引抜きダイス手前側の前記素管へ後方張力を付加する機能を備えたことを特徴とする請求項９または１０に記載の内面螺旋溝付管の製造装置。
12. 前記引抜きダイスの後段側に前記内面螺旋溝付管を巻き付けて巻出し、前記内面螺旋溝付管に前方張力を付与する引抜き側キャプスタンが備けられたことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の内面螺旋溝付管の製造装置。
13. 前記引抜き側キャプスタンの後段側に前記内面螺旋溝付管を整形する第２の引抜きダイスが設けられたことを特徴とする請求項１２に記載の内面螺旋溝付管の製造装置。
14. 前記巻出し側キャプスタンの前段側に前記素管を真円状に整形する引抜きダイスが設けられたことを特徴とする請求項９〜１３のいずれか一項に記載の内面螺旋溝付管の製造装置。
15. 前記巻き出し側キャプスタン及び引抜き側キャプスタンには、これらキャプスタンとの間で前記素管または内面螺旋溝付管を掛け回すように巻き付ける従動ローラーが備えられており、該従動ローラーは、前記素管または内面螺旋溝付管の走行路から退避した位置に配置されていることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の内面螺旋溝付管の製造装置。

Images