(57)【要約】【課題】１本の金属素管に加工を施すことにより、高温冷媒を流す第一の内管と、水を流す第二の内管を備え、かつ熱交換部位を二重管構造にすることのない熱交管器用異形金属管を製造する。【解決手段】ステンレス鋼管等の１本の金属管に、当該金属管の管軸方向に対して垂直な断面において円形輪郭から内側に窪み、先端に半円部が形作られるとともに側壁に直線部が形成された円弧状の凹溝であって管軸方向に延びる凹溝を、管軸方向に対して垂直な断面で１つ、あるいは２つ以上の複数の溝を形成した後、当該円弧状凹溝の円形輪郭に繋がる両端部が互いに当接するまで前記金属管全体を縮径加工し、その後、当接した前記凹溝の両端部を、レーザ溶接法等で、好ましくは溶接ワイヤを供給しながら接合封止する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一本の金属管に、当該金属管の管軸方向に対して垂直な断面において円形輪郭から内側に窪み、先端に半円部が形作られるとともに側壁に直線部が形成された円弧状の凹溝であって管軸方向に延びる凹溝を、管軸方向に対して垂直な断面で１つ、あるいは２つ以上の複数の溝を形成した後、当該円弧状凹溝の円形輪郭に繋がる両端部が互いに当接するまで前記金属管全体を縮径加工し、その後、当接した前記凹溝の両端部を接合封止することを特徴とする熱交換器用異形金属管の製造方法。
【請求項２】
円弧状の凹溝を、円盤状のロールを用いたロール成形法で形成する請求項１に記載の熱交換器用異形金属管の製造方法。
【請求項３】
円弧状凹溝の円形輪郭に繋がる両端部が互いに当接するまでの金属管全体の縮径加工を、作用面が円弧状のロールを用いたロール成形法で行う請求項１又は２に記載の熱交換器用異形金属管の製造方法。
【請求項４】
円弧状凹溝の形成及び縮径加工を温間或いは熱間で行う請求項１〜３の何れか１項に記載の熱交換器用異形金属管の製造方法。
【請求項５】
凹溝両端部の接合封止を、レーザ溶接で行う請求項１〜４の何れか１項に記載の熱交換器用異形金属管の製造方法。
【請求項６】
溶接ワイヤを供給しながらレーザ溶接する請求項５に記載の熱交換器用異形金属管の製造方法。
【請求項７】
レーザ溶接により接合封止した凹溝両端接合部を、作用面を円弧状に窪ませた鼓形のロールで内側方向に押圧することによって凹溝両端接合部の間が突出した外形になるように成形した後、円弧状凹溝が備えられていない方向から円弧状のロールを用いて押圧することによって外形を真円形状に戻すことを特徴とする請求項５又は６に記載の熱交換器用異形金属管の製造方法。
【請求項８】
素材金属管として、ステンレス鋼管を用いる請求項１〜７の何れか１項に記載の熱交換器用異形金属管の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の方法で製造された異形金属管、当該異形金属管を覆う外管、及び当該外管と前記異形金属管との間隙に配置された冷媒漏洩検知器からなる金属製熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換媒体と水との間で効率的に熱交換できる金属管を簡便に製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高効率給湯機に使用される熱交換器には、銅製の熱交換器用異形管（以下、「熱交管」と記す。）が使用されている。例えば特許文献１では、例えば図１に見られるような、３本の第一の内管と１本の第二の内管、そしてこれらの内管を１本の外管で保持する構造の熱交管を提案している。第一の内管内を流れる高温冷媒の熱を、第二の内管内に流す水に置換えようとするものである。この熱交管では、第二の内管は凹溝が管軸方向に延びていて、この凹溝が第一の内管を内側に包む形状となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９‐１８０４５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１で提案されている熱交管では、５本の素管が用いられている。通常、素管としては銅管が用いられているために高価になるばかりでなく、素管の内側面に銅イオンの溶出防止，青水防止のためにすずめっきを施す必要がある。また、第二の内管を複雑形状に成形する必要があるばかりでなく、［第一の内管３本］＋［第二の内管１本］＋［外管１本］の計５本のパイプを１本に束ねることになり、これら製造工程増に伴いさらに高価になる。
【０００５】
ところで、熱交換は第一の内管と第二の内管が物理的に接触することで行われる。したがって、上記のような熱交管では、これら内管の肉厚は薄いほど熱交換性能に優れることになるが、熱交換部位は必ず二重管構造になるため薄肉化による熱効率向上には限度がある。さらに、第一の内管および第二の内管の接触長（＝接触面積）を大きくしなければ、満足のいく熱交換は行われない。すなわち、第二の内管に形成される管軸方向に伸びた形状の溝は、第一の内管と密着している必要がある。つまり溝形状には高い真円度が求められる。真円度に優れた異形管（第二の内管）の製造は技術的ハードルが高く、さらには工程増となるためにコストアップの要因となる。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、１本の金属素管に加工を施すことにより、高温冷媒を流す第一の内管と、水を流す第二の内管を備え、かつ熱交換部位を二重管構造にすることのない熱交管を製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の熱交換器用異形金属管の製造方法は、その目的を達成するため、１本の金属管に、当該金属管の管軸方向に対して垂直な断面において円形輪郭から内側に窪み、先端に半円部が形作られるとともに側壁に直線部が形成された円弧状の凹溝であって管軸方向に延びる凹溝を、管軸方向に対して垂直な断面で１つ、あるいは２つ以上の複数の溝を形成した後、当該円弧状凹溝の円形輪郭に繋がる両端部が互いに当接するまで前記金属管全体を縮径加工し、その後、当接した前記凹溝の両端部を接合封止することを特徴とする。
【０００８】
円弧状の凹溝は、円盤状のロールを用いたロール成形法で形成することが好ましい。
また、円弧状凹溝の円形輪郭に繋がる両端部が互いに当接するまでの金属管全体の縮径加工は、作用面が円弧状のロールを用いたロール成形法で行うことが好ましい。
さらに、凹溝両端部の接合封止は、溶接ワイヤを供給しながらレーザ溶接で行うことが好ましい。
凹溝両端部を溶接接合して得られた金属異形管が歪んでいた場合、作用面が円弧状のロールを用いて前記凹溝両端接合部を内側方向に押圧した後、作用面が円弧状のロールを用いて前記凹溝両端接合部間を押圧し、外形を真円に戻せばよい。
なお、素材金属管としてはステンレス鋼管を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明方法により、１本の金属素管を素材として２ないし３工程の加工を施すことにより、高温冷媒が通る領域と冷水が通る領域とが分けられ、かつ熱交換部位が二重管構造ではない熱交換器用金属管が低コストで製造することが可能となる。
このため、本発明方法で得られた異形金属管の外側を外管で覆い、異形金属管と外管の間の空隙に冷媒漏洩検知器を配置すれば、信頼性の高い金属製の熱交換器が低コストで提供できることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の熱交換器用異形管の断面構造を説明する図
【図２】本発明方法で熱交換器用異形金属管を製造する態様の説明図（その１）
【図３】上記態様の方法に続いて行った矯正時の加工態様を説明する図
【図４】本発明の熱交換器用異形金属管を製造する方法を説明する図（その２）
【図５】実施例１で用いたロールの形状を説明する図
【図６】実施例２で用いたロールの形状を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
前記した通り、例えば特許文献１で提案された熱交管では、５本の素管が用いられた二重管となっている。このため、素材コスト高になるばかりでなく、加工が複雑になって加工コストも高くなる。しかも、熱効率を高めるためには、第一の内管と第二の内管とが密に接触するように加工精度を高める必要があり、この点からもコスト高になってしまう。
そこで、本発明者らは、１本の金属管を素材として、高温冷媒と冷水が通る領域を分けて形作る手段について鋭意検討を重ね、本発明に到達した。
以下にその詳細を説明する。
【００１２】
図２に基づいて、３本の第一の内管が第二の内管内に包み込まれた断面形状の異形金属管の製造方法について説明する。第一の内管の本数は、１本以上であれば何本でも良い。同様の方法で製造できる。
まず、３つの円盤状ロールを母管に対して対称位置に配置したスタンドを用いてロール成形する。このロールスタンドでは、３つの円盤状ロールが対称に配置されているので１２０°のピッチで配置されていることになる。そして、ロール成形されると、母管の側面に、１２０°のピッチで３つの凹溝が長手方向に形成される。
この凹溝は、次工程で断面円形とされるので、先端に半円部が形作られるとともに側壁に直線部が形成された円弧状とすることが好ましい。
【００１３】
次に、側面に３つの凹溝が形成された金属管を周面方向から押圧して径を細くする。具体的には、作用面を円弧状に窪ませた鼓形ロール間を通すロール成形により母管に縮径加工を施す。この縮径加工を施すことにより、円弧状凹溝の円形輪郭に繋がる両端部が互いに近づく。
なお、前記二工程目の縮径加工にはスクイズロールと同じ形状のロールをもう１組増やし、目標とする縮径を２段階に分けてロール成形することで得た方がより好ましい。
この後、円弧状凹溝の円形輪郭に繋がる両端部が互いに近づいた異形金属管を、対称位置に配置した３つのロールからなるスクイズロール間を通して、凹溝の互いに近づいていた両端部を当接させ、その状態で、凹溝の両端突合せ部を接合封止する。
【００１４】
接合部は密封されていないと意味がないので、接合封止手段としては溶接法を採用することが好ましい。溶接法に制限はない。ＴＩＧ溶接やプラズマ溶接等によるアーク溶接法を用いてもよいが、生産性を考慮すると、レーザ溶接が好ましい。
両端突合せ部は、互いに小Ｒを有する両端部が突き合わされているので、その当接端には窪みが形成された状態となっている。十分な密封性を確保する意味で、溶接接合時に溶接ワイヤを供給して前記窪みを埋めながら溶接することが好ましい。
【００１５】
前記図２で説明した態様は、３本の第一の内管が第二の内管内に包み込まれた断面形状の異形金属管を製造しようとするものである。この際、第一の内管の径が第二の内管に径に比べて小さいとき、製造された異形金属管の外形が真円形になっていない場合がある。
この場合には、図２に示した装置で、凹溝の両端突合せ部を溶接接合した後、図３に示すロールスタンドを用いて矯正することが好ましい。
すなわち、溶接後の異形金属管の溶接接合部を、作用面を円弧状に窪ませた鼓形の３方ロールで３方向から内方に押圧する。このとき、小管（第一の内管）同士が密着した状態となり、異形金属管全体は、二つの溶接接合部の間が突出した異形輪郭状に成形される（No.4）。
【００１６】
続いて、異形輪郭状に成形された金属管の溶接接合部間の突出部を、作用面を円弧状に窪ませた鼓形の３方ロールで３方向から内方に軽く押圧して外形を真円形状に戻すとともに、小管（第一の内管）同士を引き離す（No.5）。
このような矯正工程を付加することにより、外形（第二の内管）に比べて小管（第一の内管）の径が比較的に小さ異形金属管であっても、外形が整ったものを製造することができる。
【００１７】
上記のような製造された異形金属管の外形が歪む現象は、例えば第一の内管の本数が２本以下で、第一の内管の径が第二の内管に径に比べて小さいときに現れやすい。
そこで、図４に基づいて、２本の第一の内管が第二の内管内に包み込まれた断面形状の異形金属管を製造する方法について、外形が歪む態様および矯正態様を説明する。
まず、２つの円盤状ロールを母管に対して対称位置に配置したスタンドを用いてロール成形する。このロールスタンドでロール成形されると、母管の側面に２つの凹溝が、その底部を互いに当接させた形状で長手方向に形成される（No.1）。
【００１８】
次に、側面に２つの凹溝が形成された金属管を周面方向から押圧する。具体的には、作用面を円弧状に窪ませた鼓形のサイドロール間を通すロール成形を行う。このロール成形を施すことにより、２つの凹溝はその底部を互いに当接させたままで、２つの凹溝を形作っている長手方向先端壁が互いに近づくような形状となる（No.2）。
その後、凹部径の大きい鼓形のサイドロール間を通すロール成形を行って、前段で形成された円弧状凹溝の両先端部を互いに近づけて円形輪郭を形成するように繋ぐ。
そして、凹溝の互いに近づいていた両端部を当接させて小管を形作り（No.3）、その状態で、凹溝の両端突合せ部を溶接封止する。
【００１９】
上記凹溝の両端突合せ部を溶接接合して小管（第一の内管）を形成した段階では、外管（第二の内管）形状は図４に見られるように縦長の楕円形になっている。
そこで、溶接後の異形金属管を、作用面を円弧状に窪ませた鼓形の上下ロールで上下方向から押圧する。このとき、小管（第一の内管）同士が密着した状態となり、異形金属管全体は横長の楕円形状に成形される（No.4）。
このため、作用面を円弧状に窪ませた鼓形のサイドロールで左右方向から押圧して、横長楕円となった異形金属管の外形を真円形状に戻すとともに、小管（第一の内管）同士を引き離す（No.5）。
【００２０】
ところで、前記凹溝を形作るロール成形、鼓形ロール間を通して縮径する成形加工、及びスクイズロール間を通して凹溝の両端部を突合せる加工は、常温で行ってもよいが、加工性を高めるためには、温間或いは熱間で行うことが好ましい。
素材金属管に制限はない。普通鋼管でも良いが、熱交換器用であることを考慮すると、熱伝導性と耐食性に優れた金属管を使用することが好ましい。このような特性を備えた素材金属管としてはステンレス鋼管が好ましい。このステンレス鋼管に前記変形加工を温間或いは熱間で行うとすれば、加工温度は１００℃〜５００℃とするのが好ましく、さらには２００℃から４００℃とするのがより好ましい。
【００２１】
フェライト系ステンレス鋼に比べ、銅は熱伝導率が約１５倍高い。一般的に、熱伝導率が高いと溶接に必要な溶接熱が母材側に拡散するため、溶接性能が悪くなる。例えば、溶け込み不良やスラグ（酸化物）巻きこみ等の溶接欠陥が生じ易くなる。特に銅をレーザ溶接する場合、レーザ光の吸収効率が極端に悪いため溶接は困難である。しかも、熱膨張係数も銅の方が約１.５倍高く、溶接時の熱変形が大きい。同時に溶接後の冷却時においても熱収縮が大きいため、溶接部に圧縮ひずみが集中する。結果，割れ感受性が高まる。
これらの理由より、異形管を成形するまでの工程であれば銅材でも十分に可能であるが、突合せ部における溶接性を考量すると、ステンレス鋼管を用いることが好ましい。
【００２２】
なお、前記した方法で製造した、第二の内管が複数の第一の内管を内側に包む断面形状となっている異形管からなる金属製熱交換器であっても、第一の内管に損傷が発生して高温冷媒が漏れ出す虞がある。このような場合に備え、異形管の外周面を外管で覆い、漏洩検知管としての機能を付与してもよい。
【実施例】
【００２３】
実施例１；
熱交管素材には母管径φ25.4mm，肉厚t0.3mmのフェライト系ステンレス鋼管を用い、最終的には外径φ12.7mmに冷間で成形した。第一の内管は目標直径をφ3.7mmとした。
試作は２スタンドおよび３スタンドで成形を行った。
No.1スタンドには、図３のNo.1で示すプロフィールの円盤状ロールを３方配置したものを使用し、母管に120°ピッチで３つの凹溝を設けた。なお、このときの各ロールの圧下量は、母管にロールが接触した状態からそれぞれ7.2mmである。
【００２４】
２スタンドで成形を行った場合は、No.2スタンドには、図３のNo.2で示すプロフィールのロールを３方配置したものを60°回転して用い、No.1ロールによる成形で生じた凸部を外径がφ18mmとなるように押圧した。その後、図３のNo.3に示すスクイズロールを用い、凹溝両端部を溶接して熱交換器用異形管を得る。
３スタンドで成形した場合には、上述した２スタンドによる成形と同様にNo.2スタンドまで成形を行った後、No.3の成形として、図３のNo.3で示すプロフィールのロールを３方配置し、No.2スタンドまでに得られた外径をφ12.7mmにまで縮径した。その後、同様に図３のNo.3に示す通りのスクイズロールを用い、凹溝両端部を溶接して熱交換器用異形管を得る。
【００２５】
実施例２；
熱交管素材には母管径φ25.4mm，肉厚t0.5mmのフェライト系ステンレス鋼管（SUS430）を用い、最終的には外径φ12.7mmに冷間で成形した。第一の内管は目標直径をφ3.7mm相当の円弧状とした。
試作は５スタンドで行った。最初の３スタンドでは成形および溶接を行い、残りの２スタンドでは形状矯正を行った。実験に用いたロール寸法（ロールカリバ）は図５に示す通りである。
【００２６】
これらの形状を有するロールを用い、次に示すロールギャップで検討を行った。
No.1スタンドにおけるロールギャップ（ロール先端からロール先端までの距離）は1.0mm、同様にNo.2スタンドでのロールギャップは5.1mm，No.3スタンドでは1.0mm，No.4スタンドでは0.5mm，No.5スタンドでは0.1mmである。
なお，No.4スタンドで成形されたサンプルの形状を測定すると、横方向（小管がない方向）に約15mm，縦方向（小管がある方向）に約11mmと、横長に楕円の形状であった。このとき小管同士は密着していた。同様にNo.5スタンドで成形されたサンプルは、外径が狙い通りφ12.7mmの円形であり、また小管同士は約1.5mm離れていた。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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