(57)【要約】【課題】ロー材を介在させないフィン一体型チューブを、大掛かりや装置や多大な製作時間を要することなく高品質で製造し、低コストで高性能な自動車用の熱交換器を得る。【課題を解決するための手段】  円筒状の素材チューブ２´の基端部をチューブ保持部３に回転可能に保持し、先端側に、チューブ外周面を３方から囲む転造ローラ４１〜４３を所定のリード角で配置して、転造ローラヘッド４を軸方向に送る。転造ローラ４１〜４３を、多数のローラ山４４の先端Ｒ形状が軸方向に段階的に変化し、その先端幅が一端側から他端側へ徐々に大きくなる徐変ローラとして、チューブ外周肉を螺旋状に突出変形させながら、徐々に押し拡げて、フィン形状に立ち上げる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状のチューブ（２１）の外周に螺旋状のフィン（２２）を一体的に設けた熱交換器用のフィン一体型チューブ（２）を製造するための方法であって、
上記チューブの外周面を３方から囲んで、外周面に多数のローラ山（４４）を有する転造ローラ群（４１〜４３）を所定のリード角で配置し、かつ上記転造ローラ群を、多数のローラ山の先端Ｒ形状が軸方向に段階的に変化し、その先端幅が一端側から他端側へ徐々に大きくなる徐変ローラとして、
上記チューブと上記転造ローラ群の相対的な軸方向動作と回転動作により、上記チューブ外周肉を多数のローラ山で一端側から他端側の順に押圧して、螺旋状に突出変形させるとともに、上記先端Ｒ形状に倣って多数のローラ山間の上記チューブ外周肉を徐々に押し拡げて、フィン形状に立ち上げることを特徴とする熱交換器用フィン一体型チューブの製造方法。
【請求項２】
円筒状のチューブ外周に螺旋状のフィンを一体的に設けた熱交換器用のフィン一体型チューブを製造するための装置であって、
上記チューブの基端部を保持して一体回転可能なチューブ保持部（３）と、
上記チューブと同軸に位置し、軸方向に移動可能な転造ローラヘッド（４）を備え、
上記転造ローラヘッドは、上記チューブの外周面を３方から囲んで所定のリード角で配置される転造ローラ群を有し、かつ上記転造ローラ群を、外周面に設けた多数のローラ山の先端Ｒ形状が軸方向に段階的に変化し、その先端幅が一端側から他端側へ徐々に大きくなる徐変ローラとして、
上記チューブ保持部を回転駆動しながら、上記転造ローラヘッドを上記チューブの先端側から基端側へ軸方向に移動させることにより、上記転造ローラ群で上記チューブ外周肉を押圧し、多数のローラ山を一端側から他端側へ順に通過させて、螺旋状に立ち上がるフィン形状に転造加工することを特徴とする熱交換器用フィン一体型チューブの製造装置。
【請求項３】
上記転造ローラ群は、外周面に設けた多数のローラ山の先端高さが、軸方向の一端側より他端側で大きくなるように段階的に変化する形状である請求項２記載の熱交換器用フィン一体型チューブの製造装置。
【請求項４】
加工台上（７）に上記チューブ保持部と対向させて、上記転造ローラヘッドを軸方向に移動可能に支持する転造ヘッドホルダ（５）を設置し、該転造ヘッドホルダに、上記チューブ保持部側の端部に開口する摺動穴（５１）と、該摺動穴に摺動可能に保持され、上記転造ローラヘッドの基端部外周を支持する可動スリーブ（５２）と、該可動スリーブを上記転造ローラヘッドの進行方向に付勢する付勢手段（５６）を設け、上記チューブの転造加工に伴う伸びを吸収する伸び吸収機構とした請求項２または３記載の熱交換器用フィン一体型チューブの製造装置。
【請求項５】
上記フィン一体型チューブの材質がステンレス鋼である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の熱交換器用フィン一体型チューブの製造方法または製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、自動車に搭載される熱交換器に使用され、高温環境下での耐久性に優れるフィン一体型チューブを製造するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車の冷却系、駆動系、空調系等には、種々の熱交換器が使用されている。図１９は、熱交換器に使用される一般的なフィン付チューブであり、熱交換媒体が流通するチューブ２００の外周に、多数のハット型リング２０１を挿通して積層し、ロー付けしてフィン２０２を構成している。
【０００３】
一方、小型放熱器用の熱交換器の分野において、小型高効率化を図るために、放熱器となるチューブに多数のフィンを一体に設けたものがある（特許文献１参照）。特許文献１は、筒状チューブの外周または内周壁を削ぐことによって、多数のフィンを形成し、厚肉のフィン基端部をチューブと連結させて一体化している。また、削ぎ刃を用いて基端側から先端側へ薄肉となるフィンを多数形成し、表面積を大きくすることによって放熱効果を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３３２６６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、自動車に搭載される熱交換器として、排気熱回収器が注目されている。排気熱回収器は、エンジンから排出される排気熱を回収してエンジン冷却水との間で熱交換を行うもので、排気熱を回収するために、純水を封入したフィン付チューブを熱交換部として排気通路に設置している。排気熱回収器用のフィン付チューブは、排気に晒されることから、耐熱性、耐食性に優れたステンレス鋼で製作され、例えばニッケル系のロー材を用いて接合される。
【０００６】
ところが、エンジンの高効率化によって、排気がより高温となる傾向にあり（例えば９００℃）、一般的なフィン付チューブでは、ロー材を介した異種金属接合による線膨張差に起因して、フィンの変形が生じることが判明した。さらに、熱交換効率を高めようとすると、フィン枚数が増大するだけでなく、多数のフィンを重ね合せて個々のフィンとチューブを接合するために、多大な製作時間と製作コストを要する。
【０００７】
そこで、本発明者等は、特許文献１のように、ロー材を介在させない一体型のフィン付チューブの採用を検討した。しかしながら、特許文献１の製造方法は、アルミニウム等の加工の容易な金属には適するが、材質がステンレス鋼の場合には、チューブ表面を削いでフィン形状に立ち上げることは難しい。また、筒状チューブの内外表面を軸方向に削いでいくことから、一定以上の肉厚と剛性が必要である一方、削いだ後のチューブ表面に段差が形成されて肉厚が不均一となりやすく、フィン形状や肉厚にばらつきを生じやすいことから、放熱性能を均一にすることが難しい。このように、従来のフィン付チューブは、材質や形状の制約が大きく、製造コストの低減と高い熱交換効率を両立させることは困難であった。
【０００８】
本発明の目的は、ロー材を介在させないフィン一体型チューブを、大掛かりや装置や多大な製作時間を要することなく、しかも高い品質で製造可能とする方法と装置を実現し、それにより低コストで高性能な自動車用の熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１に記載の発明は、円筒状のチューブの外周に螺旋状のフィンを一体的に設けた熱交換器用のフィン一体型チューブを製造するための方法であって、
上記チューブの外周面を３方から囲んで、外周面に多数のローラ山を有する転造ローラ群を所定のリード角で配置し、かつ上記転造ローラ群を、多数のローラ山の先端Ｒ形状が軸方向に段階的に変化し、その先端幅が一端側から他端側へ徐々に大きくなる徐変ローラとして、
上記チューブと上記転造ローラの相対的な軸方向動作と回転動作により、上記チューブ外周肉を多数のローラ山で一端側から他端側の順に押圧して、螺旋状に突出変形させるとともに、上記先端Ｒ形状に倣って多数のローラ山間の上記チューブ外周肉を徐々に押し拡げて、フィン形状に立ち上げることを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の発明は、円筒状のチューブ外周に螺旋状のフィンを一体的に設けた熱交換器用のフィン一体型チューブを製造するための装置であって、
上記チューブの基端部を保持して一体回転可能なチューブ保持部と、
上記チューブと同軸に位置し、軸方向に移動可能な転造ローラヘッドを備え、
上記転造ローラヘッドは、上記チューブの外周面を３方から囲んで所定のリード角で配置される転造ローラ群を有し、かつ上記転造ローラ群を、外周面に設けた多数のローラ山の先端Ｒ形状が軸方向に段階的に変化し、その先端幅が一端側から他端側へ徐々に大きくなる徐変ローラとして、
上記チューブ保持部を回転駆動しながら、上記転造ローラヘッドを上記チューブの先端側から基端側へ軸方向に移動させることにより、上記転造ローラ群で上記チューブ外周肉を押圧し、多数のローラ山を一端側から他端側へ順に通過させて、螺旋状に立ち上がるフィン形状に転造加工することを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項３に記載の発明は、上記転造ローラ群を、外周面に設けた多数のローラ山の先端高さが、軸方向の一端側より他端側で大きくなるように段階的に変化する形状とする。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の発明は、加工台上に上記チューブ保持部と対向させて、上記転造ローラヘッドを軸方向に移動可能に支持する転造ヘッドホルダを設置し、該転造ヘッドホルダに、上記チューブ保持部側の端部に開口する摺動穴と、該摺動穴に摺動可能に保持され、上記転造ローラヘッドの基端部外周を支持する可動スリーブと、該可動スリーブを上記転造ローラヘッドの進行方向に付勢する付勢手段を設け、上記チューブの転造加工に伴う伸びを吸収する伸び吸収機構としている。
【００１３】
本発明の請求項５に記載の発明は、上記フィン一体型チューブの材質がステンレス鋼である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の製造方法および製造装置によれば、チューブの外周肉を転造加工して螺旋状のフィンを一体的に設けることができる。この時、薄肉のチューブを転造ローラ群でチューブを３方から挟持するので、転造荷重を３方向に分散させて変形を防止できる。また、ローラ山の先端Ｒ形状が変化する徐変ローラを採用することで、外周肉を段階的に塑性変形させ、徐々に大きくなる先端幅で荷重を側方に分散させて、フィン基端側の肉を絞り上げ、所望のフィン高さを実現することができる。さらに好適には、チューブの外周肉を押圧するローラ山の先端高さを段階的に変化させることで、押し込み量を増加させ、相対的にフィン高さをより高くすることができる。
【００１５】
したがって、チューブ材質が制限されず、ステンレス鋼のように剛性の高い材質のチューブであっても適用可能であり、所望形状に精度よく成形することができる。また、外周肉を圧縮することで素材強度が向上し、切削加工のような形状のばらつきや材料の無駄が生じず、多大な製作時間を必要としない。よって、所望の熱交換性能を有し、高温環境下でもフィン変形の生じないフィン一体型チューブを得ることができ、自動車用の熱交換器に好適に用いられて高い耐久性を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態におけるフィン一体型チューブの製造装置の全体概略構成図である。
【図２】本発明により製造されるフィン一体型チューブの形状例を示す部分拡大斜視図である。
【図３】装置主要部である転造加工部の部分拡大断面図である。
【図４】転造加工部を構成する転造ローラヘッドの正面図および側面図である。
【図５】排気熱回収器の部分拡大断面図である。
【図６】本発明が適用される排気熱回収器の概略構成を示す断面図である。
【図７】排気熱回収器の概略構成を示す斜視図である。
【図８】転造ローラヘッドによる転造加工方法を説明するための模式的な図である。
【図９】転造ローラのローラ山形状例を示す図である。
【図１０】転造ローラのローラ山によるフィンの転造加工工程を説明するための模式的な図である。
【図１１】転造ローラのローラ山によるフィン立ち上げの様子を模式的に示す図である。
【図１２】転造ローラのローラ山の角度による効果を説明するための模式的な図である。
【図１３】転造ローラのローラ山先端Ｒ形状による効果を説明するための模式的な図である。
【図１４】転造加工によるチューブ伸びの様子を説明するための模式的な図である。
【図１５】転造ローラヘッドの伸び吸収機構の効果を説明するための断面図である。
【図１６】第２実施形態の転造ローラのローラ山形状例を示す側面図である。
【図１７】第２実施形態の転造ローラを用いた転造加工工程を説明するための模式的な図である。
【図１８】第３実施形態の芯金を用いた転造加工工程を説明するための模式的な図である。
【図１９】従来のフィン付チューブ形状を示す全体斜視図および部分拡大展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の第１実施形態について説明する。本発明は、自動車に搭載される種々の熱交換器に適用され、熱交換部を構成するフィン一体型チューブを、図１の製造装置を用いて、転造加工する。図２は、この装置により製造されるフィン一体型チューブ２であり、図１中に示す円筒状の素材チューブ２´を転造加工部６の転造ローラヘッド４で塑性変形させ、チューブ２１の外周を螺旋状に所定のピッチで取り巻くフィン２２を一体的に形成する。図３、４に、装置主要部である転造加工部６、転造ローラヘッド４を示す。これら装置の各部構成と転造加工方法については、詳細を後述する。
【００１８】
図５〜７は、フィン一体型チューブ２と、フィン一体型チューブ２が適用される熱交換器の具体的構成例であり、排気熱回収器としてエンジンの排気系に設置される。排気熱回収器は、エンジンの排気熱を回収してエンジン冷却水との間で熱交換を行うもので、エンジンの暖機等に利用されて燃費向上に寄与している。図６、７中、排気熱回収器は、排気通路の途中に接続されるダクトＤ内に、複数のフィン一体型チューブ２を収容した加熱部（熱交換部）１を設け、その上部にヒートガード１００を介して配置したタンクの上部空間内に、エンジン冷却水（ＬＬＣ）が流通するＬＬＣパイプＰを収容した凝縮部１０１を設けている。加熱部１と凝縮部１０１は、蒸気通路１０２およびバルブ１０３を介してループ状に接続され、作動媒体が封入されたループ型ヒートパイプ（ヒートループ）を構成している。ループ型ヒートパイプは、作動媒体の蒸発・凝縮によって熱移動を行うものであり、ここでは、作動媒体として水（純水）が用いられる。
【００１９】
加熱部１は、多数のフィン一体型チューブ２を有し、ダクトＤ内の排気の流れ方向および流れと直交する方向（水平方向）にそれぞれ複数列となるように並設されている。各フィン一体型チューブ２は、排気の流れと直交して垂直方向に延びるチューブ２１と、その外周から径方向に突出する螺旋状のフィン２２からなる。チューブ２１の下端は閉鎖され、上端は、タンク底面を構成するコアプレート３を貫通してタンクの下部空間内に開口している。タンク内はタンクインナ４で上下に仕切られ、その一部を上方へ突出開口させた蒸気通路１０２が、フィン一体型チューブ２が開口する下部空間と上部空間の凝縮部１０１とを連通している。
【００２０】
蒸気通路１０２から凝縮部１０１へ導入された水蒸気は、ＬＬＣパイプＰと接触して内部を流通するエンジン冷却水と熱交換し、凝縮水となる。バルブ１０３はタンク内圧に応じて開閉し、凝縮水をタンクの下部空間さらに加熱部１へ還流させる。蒸気通路１０２の側方には、例えば高温蒸気が金属と接触して発生する水素を取り除くために、水素導入孔１０４を有する仕切り１０５が設けられ、仕切り１０５で区画された空間の下方に、粒状酸化銅１０７を収容した酸化銅封入ケース１０６が取り付けられる。水素は、水素導入孔１０４から酸化銅封入ケース１０６に導かれ、還元除去される。
【００２１】
図５に模式的に示すように、フィン２２は、基端部がチューブ２１と一体的に結合し、薄肉の先端部が所定のフィンピッチ（Ｆｐ）でチューブ２１の軸方向に層状に連なって、フィン表面に接触する排気と熱交換する。フィン一体型チューブ２の材質は、ダクトＤ内の高温の排気に晒されるため、耐熱性、耐酸化性を有する金属であることが望ましく、通常、ステンレス鋼が用いられる。また近年、排気がより高温化する傾向にあり（例えば１００〜９００℃程度）、このような使用環境においては、一般的なロー付けによる熱交換器の製法では、フィン変形が生じて性能が低下する不具合がある。
【００２２】
そこで、本発明では、素材チューブ２´（図１参照）の外周部に転造加工を施すことにより、チューブ２１の外周を取り巻く一続きの螺旋状フィンとして、フィン２２をチューブ２１と一体に成形する。加工前の素材チューブ２´は、例えば、外径が約１０ｍｍ、内径が約７ｍｍ、肉厚が約１．５ｍｍ程度であり、外周肉の一部をフィン成形部として、目標となる熱交換性能、排気流通性能（排気通過圧損）が得られるように、フィン高さ（Ｆｈ）、フィン厚さ（Ｆｔ）を設定する。フィン成形部とする肉厚は、必要な強度を確保できるように、通常、チューブ２１の厚さ（ｔ）以下（素材チューブ２´の肉厚の１／２以下）、例えば０．７ｍｍ程度とし、より薄肉で高さのあるフィン形状に加工することが望ましい。例えば、フィンピッチが１．５ｍｍの時、フィン高さが１．８〜２．６ｍｍの範囲となるように、外周肉を径方向に塑性変形させることで、目標性能が達成できる。
【００２３】
ここで、一般に転造加工は、素材の外周面に転造ローラを押圧し、転造ローラの外周面形状に倣って塑性変形させるものであり、薄肉の素材チューブ２´を、径方向外方へ拡がるように成形し、外径がより大きい（高さのある）薄肉のフィン形状に成形するには適していない。このため、本発明では、所望のフィン形状を実現するために、フィン成形に特化した転造ローラヘッド４を開発した。この転造ローラヘッド４を用いた製造装置（転造加工装置）と、フィン一体型チューブ２の製造方法について、次に説明する。
【００２４】
図１に示すフィン一体型チューブ２の製造装置は、加工前の素材チューブ２´を保持固定するチューブ保持部３と、転造ローラヘッド４と転造ヘッドホルダ５を備える転造加工部６を、加工台７上に対向配設してなる。チューブ保持部３は、素材チューブ２´の基端部（図の左端部）を保持する固定チャック３１を、駆動部７１に連結される回転軸３２に取り付け、回転軸３２を回転駆動することにより、素材チューブ２´を軸周りに回転可能としている。転造加工部６は、３ローラ方式の転造ローラヘッド４を転造ヘッドホルダ５に取り付け、転造ヘッドホルダ５の支持台６２に設けた移動軸６１によって、加工台７上を軸方向に移動可能としている。駆動部７１は、移動軸６１を回転軸３２と同期させて駆動し、転造ローラヘッド４を所定の送り速度で、同軸上に配置した素材チューブ２´の先端部（図の右端部）へ向けて送るようになっている。
【００２５】
図３において、転造ローラヘッド４は、転造ローラ群（転造ローラ４１、４２、４３）が取り付けられるフランジ部４４と筒状基端部４５を有する。転造ローラヘッド４の筒状基端部４５は、容器状の可動スリーブ５２内に挿入、固定される。可動スリーブ５２は、転造ヘッドホルダ５の一端（図の左端）側に開口するように設けた摺動穴５１内に、軸方向に摺動可能に支持される。転造ヘッドホルダ５は、摺動穴５１側面を貫通する軸方向の長孔５５を有し、可動スリーブ５２の外周に設けた複数の回り止めピン５４を、長孔５５から突出位置させて、可動スリーブ５２の回転方向の変位を規制している。可動スリーブ５２の容器底面と転造ヘッドホルダ５の他端（図の右端）との間には、コイル状の圧縮スプリング（付勢部材）５６が収容されて、可動スリーブ５２を転造ヘッドローラヘッド４方向へ付勢している。
【００２６】
可動スリーブ５２と、スプリング５６は、転造加工時の素材チューブ２´の伸びを吸収する伸び吸収機構を構成している。可動スリーブ５２の可動範囲は、素材チューブ２´の伸びに対応可能な距離を有し、スプリング５６は、可動スリーブ５２の後方（転造ヘッドローラヘッド４と反対側）に配置されて、常に前方（チューブ加工方向）へ適切な荷重で押し付けている。可動スリーブ５２に作用するスプリング５６の付勢力は、転造ローラヘッド４の送り開始時に、転造ローラ４１、４２、４３のローラ山が素材チューブ２´の外周に食付き可能な押し込み力を発生し、かつ素材チューブ２´の伸び分を吸収して収縮可能となるように、予備試験等を行って適宜設定することができる。また、転造ヘッドホルダ５の他端（図の右端）開口には、調整ネジ５７が取り付けられ、軸方向に調整ネジ６５を螺挿することにより、その先端が当接するスプリング５６の圧縮量を調整可能となっている。
【００２７】
転造ローラヘッド４は、図４に示すように、素材チューブ２´の外周面を３方から取り囲む転造ローラ群として、等間隔で同心円状に配置される３つの転造ローラ４１、４２、４３を有する。これら転造ローラ４１、４２、４３は、外周に所望のフィン形状を加工するための多数のローラ山４４を有し、転造ローラ４１、４２、４３は、素材チューブ２´の中心軸に対して所定のリード角（ここでは、例えば３°程度）で傾斜するように、図３の転造ローラヘッド４に回転可能に軸支される。
【００２８】
図８に示すように、これら多数のローラ山４４は、軸方向に等ピッチで平行に配設された凹凸部からなる。また、３つの転造ローラ４１、４２、４３は、軸方向に所定ピッチずらして配置される。この時、転造ローラヘッド４を素材チューブ２´の回転に同期して（１回転で１ピッチ）軸方向に送ることで、転造ローラ４１、４２、４３間に素材チューブ２´が押し込まれ、各転造ローラ４１、４２、４３が従動回転しながら軸方向に相対移動する。これに伴い、素材チューブ２´の外周面を、転造ローラ４１、４２、４３のローラ山４４が順に押圧しながら通過し、螺旋状に突出するフィン２２形状に転造加工する。
【００２９】
転造加工によって、薄肉の転造ローラヘッド６１の伝熱面積の大きいフィン形状に成形することは容易でなく、このため本発明では、３つの転造ローラ４１、４２、４３を、ローラ山４４の形状が軸方向に段階的に変化する徐変ローラとする。具体的には、図９に示すように、各転造ローラ４１、４２、４３のローラ山４４先端に丸みを持たせて、略円弧状の先端Ｒ形状とし、かつ先端Ｒ部の大きさ（先端幅）が、軸方向の一端側から他端側へ徐々に大きくなる形状とする。軸方向の一端側（チューブ保持部３に対向する側）においては、素材チューブ２´への食い付きを容易にするために、ローラ山４４は全体が略三角断面の山形形状で、その先端を十分小さいＲ形状としている。この先端Ｒ部の円弧径を徐々に大きくしていくことで、ローラ山４４の先端幅が拡がり、軸方向の他端側（転造ヘッドホルダ５側）において、ローラ山４４は全体が逆Ｕ字断面形状となる。
【００３０】
このような転造ローラヘッド４は、三方から荷重をかけるのでチューブ変形しにくく、さらに徐変ローラとすることで、加工荷重を低減できる。また、転造ローラ群は、３つの転造ローラ４１、４２、４３のローラ山４４が全体として、素材チューブ２´に当接する順に、ローラ山４４の先端Ｒ部が徐々に大きくなる形状とする。この時、ローラ山４４の円弧径（Ｒ）が全体として段階的に変化していればよく、隣り合う複数の先端Ｒ形状が同一であってもよい。
【００３１】
好適には、ローラ山４４の両端部を除いて、転造ローラ４１、４２、４３の先端Ｒ部を全て異なる形状とするとよい。例えば、図９中の表に示すように、転造ローラ４１、４２、４３が、軸方向にそれぞれ１３列のローラ山４４を有する時、その円弧状先端部の円弧径（Ｒ）を１列目（Ｒ＝ａ）と１２、１３列目（Ｒ＝６ａ）では同じ値に設定し、２列目で転造ローラ４１（Ｒ＝ａ）に対し、転造ローラ４２、４３（Ｒ＝ａ＋０．０２ｍｍ、ａ＋０．０４ｍｍ、）と、加工順に大きくする。また、１１列目で転造ローラ４１、４２、４３（Ｒ＝６ａ−０．０５ｍｍ、ａ−０．０３ｍｍ、ａ−０．０１ｍｍ）とする。このように、ローラ山４４を細分化することで、荷重を分散させながら精度よい加工が可能であり、加工の初期と終期においては同じローラ山形状とすることでばらつきを低減し、安定した転造加工を行なうことができる利点がある。
【００３２】
図１０、１１は、転造ローラ４１、４２、４３（Ｒ徐変ローラ）によるフィン立ち上げのメカニズムを模式的に示したものである。加工開始時は、ローラ山４４の先端Ｒが小さく、素材チューブ２´外周のフィン成形部（厚さｔ）を、小さい荷重でローラ山４４の形状に倣って、山形に押し込むことができる。次いで、ローラ山４４の先端Ｒ部を徐々に大きくし、押し込み幅が大きくなることで、ローラ山４４の側面間で素材チューブ２´を絞り、上方へ伸びるように塑性変形させる。これによって、押し込み力を側面方向に分散させることができ、フィン形状を略台形の山形から徐々に絞り上げて、所望のフィン形状にスムーズに立ち上げることが可能となる。
【００３３】
ここで、図１０に示すように、転造ローラ４１、４２、４３のローラ山間の谷部は、先端Ｒが小さい一端側から、他端側へ徐々に深くなるように設定している。図１１に示すように、フィン高さは徐々に立ち上がるので、フィン高さが低い一端側の谷部は、フィン２２を保持可能な深さであればよく、転造ローラ４１、４２、４３の強度を確保して破損等を防止できる。一方、フィンが立ち上げに伴い、ローラ山４４の間の谷部を徐々に深くなるようにし、立ち上がるフィンを保持可能な空間を形成するとよい。
【００３４】
図１２、１３により、転造ローラ４１、４２、４３のローラ山形状による効果を説明する。上述した形状とすることで、図１２に示すように、先端Ｒ部が小さい時、ローラ山４４の側面がなす角度（ローラ角度）はＶ字となり、先端Ｒ部が大きくなるにつれて、ローラ角度はＶ字から徐々に小さくなる。これにより、押し込み力が側面方向へ分散され、フィン立ち上げに寄与する。また、図１３に示すように、先端部をＲ形状とし、先端幅が徐々に大きくなるローラ山形状（全Ｒ徐変ローラ）としたので、先端にせん断応力が集中するのを防止して、側面方向に荷重を分散できる。さらに、徐々に円弧径（Ｒ）が大きくなることで、先ローラに対し後ローラの転造加工部が、側方の４５度円内に集中する。これらの効果で側面方向への荷重配分を大きくし、フィン基端側の厚肉部を徐々に押し拡げて、高さ方向への伸びを大きくすることができる。
【００３５】
図１４、１５により、転造ヘッドホルダ５に設けた伸び吸収機構の効果を説明する。本発明で採用する転造加工では、図１４に示すように、転造ローラヘッド４の軸方向送りにより、転造ローラ４１、４２、４３の先端ローラ山４４（図中、一番山）が素材チューブ２´外周に食い付く際に、チャック５１方向へ伸びが発生する。また、Ｒ徐変ローラによるフィン立ち上げにより、一山ごとに伸びが蓄積し、素材チューブ２´を軸方向に圧縮して変形を生じやすい。これに対し、図１５の転造ヘッドホルダ５は、転造ローラヘッド４の基端部４５（45の図の位置が不明）を、可動スリーブ５２とスプリング５６で弾性支持して、転造ヘッドホルダ５に対して変位可能であるから、一端側が固定され回転している素材チューブ２´と一定速度で前進する転造ローラヘッド４の間に生じるチューブの伸び応力を、可動スリーブ５２が受けてスプリング５６を収縮させながら後退することで開放することができる。したがって、素材チューブ２´の伸びを吸収して変形を防止できる。
【００３６】
図１６、１７は、本発明の第２実施形態であり、転造ローラヘッド４の転造ローラ４１、４２、４３を２段ローラ構造とした例を示す。好適には、図１６に示すように、３つの転造ローラ４１、４２、４３を、それぞれ第１転造ローラ４ａと第２転造ローラ４ｂを軸方向に接続した構成とし、２段転造を行う。第１転造部４ａは、素材チューブ２´に対向する先端側から後端部近傍に至る主要部分で、上記第１実施形態と同様、ローラ山４４の先端Ｒ形状が段階的に大きくなるＲ徐変ローラである。すなわち、図１７に示すように、素材チューブ２´側の先端部でローラ山４４の先端Ｒ部が小さく、後端側ほど先端Ｒ部が大きくなって、徐々にフィン形状を径方向外方（図の上方）に絞り上げる（Ｆｔ１）。第１転造ローラ４ａにおいて、ローラ山４４の高さ（外径Ｄ１）は一定であり、ローラ山４４の間の谷部を徐々に深くして、フィン立ち上げにより徐々に高くなるフィンを、谷部に保持可能な十分な深さとしている。
【００３７】
図１６において、第１転造ローラ４ａに続く第２転造ローラ４ｂは、ローラ山４４の高さ（外径Ｄ２）が、第１転造ローラ４ａより大きく、かつ後端側へ段階的に大きくなる突き出しローラとなっている。この突き出しローラ形状により、図１７に示すように、素材チューブ２´を、径方向内方（図の下方）へ徐々に押し出し（Ｆｔ２）、相対的にフィン高さをより大きくすることができる。この時、素材チューブ２´は、第１転造ローラ４ａによる加工で薄肉となっているので、押し出しによる塑性変形が容易にできる。
【００３８】
図１８により、本発明の第３実施形態を説明する。図は、転造ローラヘッド４による転造加工断面を模式的に示しており、上図に示すように、加工後のチューブ２１の内周壁には、転造ローラ４１、４２、４３のローラ山４４による押し込み方向に、わずかな塑性変形が生じることが判明した。これを抑制するために、下図に示すように、チューブ２１の筒内に対応する内径の芯金８を装着し、その状態で転造加工を行なうことができる。これにより、加工開始時の逃げを抑制して食い付きを容易にし、加工抵抗の大きい第１転造時に、ローラ山４４を押し込む際のチューブ弾性変形による逃げを最小限に抑えて、フィン２２を最大高さに立ち上げる。また、薄肉のチューブ２１を補強して、曲りを抑制する効果が得られる。
【００３９】
このようにして製造された本発明のフィン一体型チューブ２を、図６、７に示した構成の排気熱回収器に適用し、熱耐久試験を行って評価した。フィン一体型チューブ２をダクトＤに所定数配置して加熱部１とした排気熱回収器を製作し、ダクトＤへの入りガス温度を１００℃〜９００℃の範囲で変化させることを繰返し、試験前後の状態を調べた（２０００サイクル）。また、比較のため、図１９に示した従来のフィン付チューブを採用して、同様の試験を行った。
【００４０】
その結果、本発明のフィン一体型チューブ２を採用した装置は、試験前後でフィン２２の形状変化は見られなかった。また、熱交換性能、圧損ともに規格内であった。これに対して、従来のフィン付チューブを用いた装置では、フィン付チューブの接合部の線膨張係数差に起因して、徐々にフィン変形が大きくなり、２０００サイクル後に熱交換性能は２５％低下、圧損は５０％低下した。これにより、本発明によるフィン一体型チューブ２の有効性が確認され、特に、高温となる環境下において、優れた耐久性が得られる。
【００４１】
本発明によれば、徐変ローラを用いた３方ローラ方式の転造ローラヘッドにより、チューブの外周肉を転造加工する方法により、螺旋状のフィンを一体的に設けたフィン一体型チューブを成形性よく製造することができる。この製造方法は、素材チューブ２´を塑性変形させるので、切削加工のような材料の無駄がなく、転造ローラのリード角に応じてフィンピッチを調整し、伝熱面積すなわち熱交換性能を容易に調整可能である。このような本発明の趣旨を逸脱しない限り、製造装置の構成は特に制限されるものではなく、上述した図１の製造装置の各部構成を適宜変更することもできる。
【００４２】
なお、上記実施形態では、フィン一体型チューブ２の材質をステンレス鋼としたが、使用環境によっては、熱伝導性の良好な他の金属、例えばアルミニウムや銅またはそれらの合金等を用いることもできる。また、転造ローラ４１〜４３の材質は、素材チューブ２´の材質に応じて適宜選択することができる。例えば、素材チューブ２´が硬質材からなる時は、より強靭な材料、例えば超硬合金等を採用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の製造方法、製造装置により製造されるフィン一体型チューブは、排気熱回収器に限らず、種々の熱交換器に適用可能であり、例えば、自動車の冷却系、駆動系、空調系等に配設される種々の熱交換器において、熱交換部として使用されて高い熱交換性能と耐久性を実現することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  加熱部（熱交換部）
２  フィン一体型チューブ
３  チューブ保持部
４  転造ローラヘッド
４１〜４３  転造ローラ（転造ローラ群）
４４  ローラ山
５  伸び吸収式転造ヘッドホルダ
５１  摺動穴
５２  可動スリーブ
５６  圧縮スプリング（付勢手段）
６  転造加工部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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