(57)【要約】【課題】製造中の素管の破断を防止でき、伝熱性能が高い内面溝付管を生産性よく製造できる内面溝付管の製造装置及びこの製造装置を使用する内面溝付管の製造方法を提供する。【解決手段】金属管１の内部に、フローティングプラグ２、連結軸４及び溝付プラグ５を配置する。溝付プラグ５には、外面に溝１３が形成された円柱部１１と、円柱部１１の抽伸方向下流側の端面に結合されたテーパ部１２を設ける。また、素管１の外側には１対の鼓形の圧延ロール６を配設する。そして、この１対の圧延ロール６を、圧延ロール６の回転軸を含む平面１８が溝付プラグ５の円柱部１１とテーパ部１２との境界面１７よりも上流側で且つ境界面１７からの距離Ｘが３乃至５ｍｍとなるような位置に配置する。【選択図】  図１
2004298899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属管の外面に接触する保持ダイスと、前記金属管の内部に配置され前記保持ダイスに係合され前記保持ダイスと共に前記金属管を縮径加工するフローティングプラグと、前記金属管の内部において前記フローティングプラグから見て前記金属管の引抜方向下流側に配置され前記フローティングプラグに対して回転可能に軸支され外面に溝が形成された円柱部及びこの円柱部の下流側の端面に結合され前記円柱部から下流側に遠ざかるにつれてその直径が減少するテーパ部からなる少なくとも１個の溝付プラグと、回転軸が前記金属管の管軸方向に直交するように前記金属管の外面に転接すると共に回転駆動されて前記金属管を前記溝付プラグに向けて押圧して前記金属管の内面に溝を形成する圧延ロールと、この圧延ロールよりも前記金属管の引抜方向下流側に配置され前記金属管の外面に接触して前記金属管にサイジング加工を施す整形ダイスと、を有し、前記圧延ロールは、この圧延ロールの回転軸が前記溝付プラグの円柱部とテーパ部との境界面よりも前記金属管の引抜方向の３乃至５ｍｍ上流側となる位置に配置されていることを特徴とする内面溝付管の製造装置。
【請求項２】
前記溝付プラグの外周面においてこの溝付プラグの軸方向に平行な直線と前記溝が延びる方向とのなす角度が０乃至２０°であり、前記溝の深さが０．０５乃至０．１５ｍｍであり、前記溝付プラグの軸直交断面において、前記溝間に形成されるフィンの両側面がなす角度が６０乃至１２０°であり、前記溝の底部の曲率半径が０．０４乃至０．０６ｍｍであり、前記フィンの頂部の曲率半径が０．０４乃至０．１０ｍｍであり、前記テーパ部の形状が円錐台形状であり、前記溝付プラグの中心軸を含む断面において、前記円柱部の側縁と前記テーパ部の側縁とのなす角度が３０乃至６０°であることを特徴とする請求項１に記載の内面溝付管の製造装置。
【請求項３】
前記溝付プラグの外周面においてこの溝付プラグの軸方向に平行な直線と前記溝が延びる方向とのなす角度が０乃至２０°であり、前記溝の深さが０．０５乃至０．１５ｍｍであり、前記溝付プラグの軸直交断面において、前記溝間に形成されるフィンの両側面がなす角度が６０乃至１２０°であり、前記溝の底部の曲率半径が０．０４乃至０．０６ｍｍであり、前記フィンの頂部の曲率半径が０．０４乃至０．１０ｍｍであり、前記テーパ部の側面が外側に膨らんだ曲面であり、前記溝付プラグの中心軸を含む断面において、前記曲面は曲率半径が１乃至２ｍｍの円弧状であることを特徴とする請求項１に記載の内面溝付管の製造装置。
【請求項４】
前記圧延ロールが２本設けられており、この２本の圧延ロールの回転軸が相互に平行であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の内面溝付管の製造装置。
【請求項５】
前記溝付プラグ及び前記複数の圧延ロールからなる転造部が前記金属管の引抜方向に沿って複数段配置されており、前記圧延ロールの回転軸が延びる方向が前記転造部間で相互に異なることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の内面溝付管の製造装置。
【請求項６】
金属管を引抜くことにより、この金属管の管外に配置された保持ダイス及び管内に配置され前記保持ダイスに係合させたフローティングプラグにより前記金属管を順次縮径加工する工程と、前記金属管の外面に圧延ロールをその回転軸が前記金属管の管軸方向に直交するように転接させると共に、前記金属管の内部において前記フローティングプラグから見て前記金属管の引抜方向下流側に配置され前記フローティングプラグに対して回転可能に軸支され外面に溝が形成された円柱部及びこの円柱部の前記金属管の引抜方向下流側の端面に結合され前記円柱部から下流側に遠ざかるにつれてその直径が減少するテーパ部からなる少なくとも１個の溝付プラグを前記金属管内における前記円柱部とテーパ部との境界面が前記圧延ロールの回転軸よりも前記金属管の引抜方向の３乃至５ｍｍ下流側となる位置に配置し、前記圧延ロールにより前記金属管を前記溝付プラグに押圧することにより前記金属管の内面に溝を形成する工程と、整形ダイスを前記金属管の外面に接触させることにより前記金属管にサイジング加工を施す工程と、を有することを特徴とする内面溝付管の製造方法。
【請求項７】
前記溝付プラグの外周面においてこの溝付プラグの軸方向に平行な直線と前記溝が延びる方向とのなす角度を０乃至２０°とし、前記溝の深さを０．０５乃至０．１５ｍｍとし、前記溝付プラグの軸直交断面において、前記溝間に形成されるフィンの両側面がなす角度を６０乃至１２０°とし、前記溝の底部の曲率半径を０．０４乃至０．０６ｍｍとし、前記フィンの頂部の曲率半径を０．０４乃至０．１０ｍｍとし、前記テーパ部の形状を円錐台形状とし、前記溝付プラグの中心軸を含む断面において、前記円柱部の側縁と前記テーパ部の側縁とのなす角度を３０乃至６０°とすることを特徴とする請求項６に記載の内面溝付管の製造方法。
【請求項８】
前記溝付プラグの外周面においてこの溝付プラグの軸方向に平行な直線と前記溝が延びる方向とのなす角度を０乃至２０°とし、前記溝の深さを０．０５乃至０．１５ｍｍとし、前記溝付プラグの軸直交断面において、前記溝間に形成されるフィンの両側面がなす角度を６０乃至１２０°とし、前記溝の底部の曲率半径を０．０４乃至０．０６ｍｍとし、前記フィンの頂部の曲率半径を０．０４乃至０．１０ｍｍとし、前記テーパ部の側面を外側に膨らんだ曲面とし、前記溝付プラグの中心軸を含む断面において、前記曲面を曲率半径が１乃至２ｍｍの円弧状とすることを特徴とする請求項６に記載の内面溝付管の製造方法。
【請求項９】
前記圧延ロールを２本設け、この２本の圧延ロールの回転軸を相互に平行にすることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の内面溝付管の製造方法。
【請求項１０】
前記金属管の内面に溝を形成する工程を複数回繰り返し、前記圧延ロールの回転軸が延びる方向を前記工程間で相互に異ならせることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の内面溝付管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器に組み込まれる伝熱管として好適なシームレス内面溝付管の製造装置及びこの製造装置を使用する内面溝付管の製造方法に関し、特に、溝付プラグ及び圧延ロールを使用する内面溝付管の製造装置及び製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内面溝付管は、エアコンディショナ等に使用される空冷式熱交換器に組み込まれる伝熱管として使用されている。内面溝付管には、転造加工により製造されるシームレス内面溝付管及び高周波誘導溶接等により製造される溶接内面溝付管の２種類がある。このうち、生産性において、シームレス内面溝付管は溶接内面溝付管よりも優れている。
【０００３】
シームレス内面溝付管の製造方法には、ボール転造による製造方法とロール加工による製造方法とがある。ボール転造による内面溝付管の製造方法（以下、ボール転造法という）を以下に説明する。素材には、光輝焼鈍又はインダクションヒーターによる焼鈍により調質された焼鈍材（Ｏ材）からなる素管を使用する。この素管の内部に、外面に溝が形成された溝付プラグを挿入すると共に、前記素管の外面に転接して遊星回転する転造ボールを前記溝付プラグに対応する位置に配置する。転造ボールの遊星回転は磁気浮上式高速モータにより行う。そして、この転造ボールにより前記素管を前記溝付プラグに向けて押圧すると共に、前記素管を抽伸することにより、溝付プラグは管軸を中心に回転し、前記素管の内面全体に前記溝付プラグの溝が転写され、溝が形成される。
【０００４】
しかしながら、前述のボール転造法には以下に示すような問題点がある。先ず、ボール転造法においては、転造ボールを高速で回転させるために磁気浮上式高速モータを使用する必要がある。この磁気浮上式高速モータは極めて高価な装置であるため、設備コストが高くつくという問題点がある。
【０００５】
また、ボール転造法において、シームレス内面溝付管の生産性を向上させ、製造コストを低減するためには、管の抽伸速度を速くする必要がある。一方、ボール転造法において、管内面の溝成形性に影響を及ぼす因子の一つに加工ピッチ（１個のボールが１公転する間に進む素管の長さ）がある。この加工ピッチを従来と同程度にして溝成形性を維持しながら抽伸速度を速くするためには，転造ボールの公転速度を早くする必要がある。しかし、通常の磁気浮上式高速モータにおいては、回転速度の上限値は約３０，０００ｒｐｍである。このため、管の加工ピッチが１回転当たり２ｍｍである場合、抽伸速度の上限値は約６０ｍ／分となる。現有する最高速度の磁気浮上式高速モータにおいても、回転速度は約４５，０００ｒｐｍが限界であり、従って、抽伸速度は約９０ｍ／分が限界である。このため、ボール転造法においては、管の抽伸速度をあまり速くすることができず、生産性の向上にも限界がある。
【０００６】
このように、ボール転造法によるシームレス内面溝付管の製造は、溶接内面溝付管の製造よりは製造コストを低減できるものの、製造設備に磁気浮上式高速モータを設ける必要があるため設備コストが高くなり、また、管の抽伸速度を速くすることが困難であり、製造コストの低減には限界がある。
【０００７】
これらの問題点を解決する手段として、ロール加工によるシームレス内面溝付管の製造方法がある（例えば、特許文献１参照。）。ロール加工によるシームレス内面溝付管の製造方法（以下、ロール転造法という）を以下に説明する。
【０００８】
図６は、従来のロール転造法によるシームレス内面溝付伝熱管の製造装置及び製造方法を示す断面図であり、図７は、図６に示す製造装置の転造部を示す拡大断面図であり、図８は、図７に示すＡ−Ａ線による断面図である。図６に示すように、銅又は銅合金（以下、総称して銅という）からなる素管１の内部に、フローティングプラグ２が挿入されている。フローティングプラグ２の形状は、管供給側（上流側）の外径が素管１の内径よりやや小さく、管引抜き側（下流側）の外径は管供給側の外径よりも小さくなっている。フローティングプラグ２と整合する位置における素管１の外面には、フローティングプラグ２と共に素管１を縮径加工する保持ダイス３が配置されている。また、フローティングプラグ２には連結軸４を介して溝付プラグ１５が連結されている。溝付プラグ１５の外周面には、素管１の内周面に形成すべき形状の溝が加工されている。溝付プラグ１５は連結軸４を軸として自在に回転することができる。また、溝付プラグ１５の回転軸方向の長さは５乃至３０ｍｍ程度である。
【０００９】
なお、溝付プラグ１５の溝のリード角、即ち、溝付プラグ１５の側面における軸方向に平行な直線と溝が延びる方向とのなす角度は０乃至１０°である。また、溝の深さは０．０５乃至０．１５ｍｍである。更に、溝付プラグ１５の軸に直交する断面において、溝の底部の曲率半径は０．０４乃至０．０６ｍｍであり、溝間のフィンの頂部の曲率半径は約０．０５ｍｍであり、フィンの山頂角は８０乃至１２０°である。
【００１０】
そして、素管１の外側における溝付プラグ１５に整合する位置には、１対の圧延ロール６が素管１の外面に転接するように配設されている。各圧延ロール６は自転することができ、その回転軸の方向は素管１の管軸方向に直交している。なお、溝付プラグ１５及び圧延ロール６により転造部１７が構成されている。また、転造部１７の管引抜き方向下流側には、内面に溝が形成された素管１の外径を所定の寸法に縮径加工する整形ダイス８が設けられている。
【００１１】
図７に示すように、抽伸方向において、圧延ロール６の回転軸は、溝付プラグ１５の長手方向中心付近に位置している。そして、図８に示すように、圧延ロール６の形状はロール中央部の直径がロール両端部の直径よりも小さい鼓形であり、この圧延ロール６の回転軸を含む断面において、側縁の形状が素管１の外面形状に略整合するようになっている。即ち、圧延ロール６の側面の曲率半径は素管１の外面の曲率半径と略等しくなっている。
【００１２】
次に、従来の内面溝付管の製造方法について説明する。図６に示すように、先ず、素管１の内部におけるフローティングプラグ２の上流側に抽伸油１０を充填する。そして、素管１をフローティングプラグ２及び保持ダイス３により縮径加工する。次に、この縮径加工された素管１の外面を、この外面に転接して自転する圧延ロール６によって押圧することによって縮径すると共に、溝付プラグ１５に向けて押圧する。これにより、素管１の内面に溝付プラグ１５の溝が転写される。このとき、溝付プラグ１５は連結軸４を介してフローティングプラグ２に連結されており、フローティングプラグ２は素管１の引抜きによる摩擦力及び保持ダイス３からの抗力により、保持ダイス３と整合する位置に係止しているため、溝付プラグ１５も圧延ロール６と整合する位置に停止している。次に、転造部７を通過した内面に溝が形成された素管１は、整形ダイス８により更に縮径されると共に管軸直交断面の形状が真円形となるように整形され、所定の外径を有する内面溝付管９となる。
【００１３】
このように、ロール転造法においては、転造ボールを使用しないため、転造ボールを回転させるための磁気浮上式高速モータが不要である。このため、設備コストを抑えることができる。また、転造ボールを使用しないため、管の抽伸速度が転造ボールの公転速度によって決定されることがない。このため、管の抽伸速度を向上させ、生産性を向上させることができる。
【００１４】
【特許文献１】
特公平３−５８８２号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術には、以下に示すような問題点がある。即ち、図６乃至図８に示す従来の製造装置により内面溝付管９を製造しようとすると、素管１の内面に形成しようとする溝の形状及び抽伸速度等の製造条件によっては、主として圧延ロール６と整形ダイス８との間及び整形ダイス８の出側において素管１が破断することがある。例えば、素管１の内面に形成しようとする溝の深さが０．０５ｍｍ未満であれば、ほぼ問題なく加工できるが、深さが０．０５ｍｍ以上の溝を形成しようとすると、破断しやすくなる。また、転造部を２段以上設けてタンデム圧延を施そうとすると、溝形状によらず困難になる。
【００１６】
このように、内面溝付管の製造装置において素管が破断すると、その都度製造装置を停止させなくてはならなくなり、内面溝付管の生産性が低下する。また、素管が破断しないように内面溝の形状及び製造条件を調節すると、内面溝付管の伝熱性能が低下したり、抽伸速度を低く抑えることにより内面溝付管の生産性が低下したりしてしまう。
【００１７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、製造中の素管の破断を防止でき、伝熱性能が高い内面溝付管を生産性よく製造できる内面溝付管の製造装置及びこの製造装置を使用する内面溝付管の製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る内面溝付管の製造装置は、金属管の外面に接触する保持ダイスと、前記金属管の内部に配置され前記保持ダイスに係合され前記保持ダイスと共に前記金属管を縮径加工するフローティングプラグと、前記金属管の内部において前記フローティングプラグから見て前記金属管の引抜方向下流側に配置され前記フローティングプラグに対して回転可能に軸支され外面に溝が形成された円柱部及びこの円柱部の下流側の端面に結合され前記円柱部から下流側に遠ざかるにつれてその直径が減少するテーパ部からなる少なくとも１個の溝付プラグと、回転軸が前記金属管の管軸方向に直交するように前記金属管の外面に転接すると共に回転駆動されて前記金属管を前記溝付プラグに向けて押圧して前記金属管の内面に溝を形成する圧延ロールと、この圧延ロールよりも前記金属管の引抜方向下流側に配置され前記金属管の外面に接触して前記金属管にサイジング加工を施す整形ダイスと、を有し、前記圧延ロールは、この圧延ロールの回転軸が前記溝付プラグの円柱部とテーパ部との境界面よりも前記金属管の引抜方向の３乃至５ｍｍ上流側となる位置に配置されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明においては、圧延ロールが、その回転軸が溝付プラグにおける円柱部とテーパ部との境界面よりも金属管の引抜方向の３乃至５ｍｍ上流側となる位置に配置されているため、金属管と溝付プラグとの間の接触面積が小さくなり、金属管と溝付プラグとの間に発生する摩擦力が小さくなる。これにより、金属管に印加する引抜力を低減することができ、金属管が破断することを防止できる。
【００２０】
また、前記溝付プラグの外周面においてこの溝付プラグの軸方向に平行な直線と前記溝が延びる方向とのなす角度が０乃至２０°であり、前記溝の深さが０．０５乃至０．１５ｍｍであり、前記溝付プラグの軸直交断面において、前記溝間に形成されるフィンの両側面がなす角度が６０乃至１２０°であり、前記溝の底部の曲率半径が０．０４乃至０．０６ｍｍであり、前記フィンの頂部の曲率半径が０．０４乃至０．１０ｍｍであることが好ましい。
【００２１】
更に、前記テーパ部の形状が円錐台形状であってもよく、この場合、前記溝付プラグの中心軸を含む断面において、前記円柱部の側縁と前記テーパ部の側縁とのなす角度が３０乃至６０°であることが好ましい。これにより、金属管の破断をより効果的に防止することができる。
【００２２】
又は、前記テーパ部の側面が外側に膨らんだ曲面であってもよく、この場合、前記溝付プラグの中心軸を含む断面において、前記曲面は曲率半径が１乃至２ｍｍの円弧状であることが好ましい。これにより、金属管の破断をより効果的に防止することができる。
【００２３】
更に、前記溝付プラグ及び前記圧延ロールからなる転造部が前記金属管の引抜方向に沿って複数段配置されており、前記圧延ロールの回転軸が延びる方向が前記転造部間で相互に異なっていてもよい。これにより、金属管の内面に溝をより均一に形成することができる。また、金属管の内面に複数種類の溝を形成することができる。
【００２４】
本発明に係る内面溝付管の製造方法は、金属管を引抜くことにより、この金属管の管外に配置された保持ダイス及び管内に配置され前記保持ダイスに係合させたフローティングプラグにより前記金属管を順次縮径加工する工程と、前記金属管の外面に圧延ロールをその回転軸が前記金属管の管軸方向に直交するように転接させると共に、前記金属管の内部において前記フローティングプラグから見て前記金属管の引抜方向下流側に配置され前記フローティングプラグに対して回転可能に軸支され外面に溝が形成された円柱部及びこの円柱部の前記金属管の引抜方向下流側の端面に結合され前記円柱部から下流側に遠ざかるにつれてその直径が減少するテーパ部からなる少なくとも１個の溝付プラグを前記金属管内における前記円柱部とテーパ部との境界面が前記圧延ロールの回転軸よりも前記金属管の引抜方向の３乃至５ｍｍ下流側となる位置に配置し、前記圧延ロールにより前記金属管を前記溝付プラグに押圧することにより前記金属管の内面に溝を形成する工程と、整形ダイスを前記金属管の外面に接触させることにより前記金属管にサイジング加工を施す工程と、を有することを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、前述の素管破断の原因を究明すべく鋭意実験研究を行い、以下に示す知見を得た。即ち、図８に示すように、ロール転造法において、素管１の内面に均一に溝を形成するためには、圧延ロール６の形状を鼓形とし、圧延ロール６の側面が素管１の外面に可及的に均一に接触するようにする必要がある。これにより、素管１の内面は溝付プラグ１５の外面に略均一に線接触する。また、溝付プラグ１５の溝に流れ込んだ素管１の材料は、スプリングバックすることなく、溝付プラグ１５との間で接触が保たれる。このため、溝付プラグ１５と素管１との接触面積が大きくなる。この状態で素管１が抽伸方向に引抜かれると、前記接触面積が大きいため、大きな摩擦力が発生する。従って、素管１を引抜くためには、この大きな摩擦力を上回る大きな引抜力を素管１に印加する必要がある。この結果、転造部１７よりも下流側において、素管１に大きな力が加わり、この力が素管１の引張破断強度を超えると、素管１が破断する。なお、ボール転造法においては、転造ボールは素管の外面に点接触するため、素管の内面と溝付プラグとの接触面積は小さく、上述のような問題は発生しにくい。
【００２６】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係るロール転造法によるシームレス内面溝付伝熱管の製造装置及び製造方法を示す断面図であり、図２は、図１に示す製造装置の転造部を示す拡大断面図であり、図３は、本実施形態における溝付プラグを示す部分断面図である。なお、図１乃至図３に示す構成要素のうち、図６乃至図８に示す従来の装置の構成要素と同じものには同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００２７】
図１に示すように、本実施形態に係る内面溝付管の製造装置においては、フローティングプラグ２に、連結軸４を介して溝付プラグ５が連結されている。溝付プラグ５の外周面には、素管１の内周面に形成すべき形状の溝が加工されている。また、溝付プラグ５は連結軸４を軸として自在に回転することができる。
【００２８】
また、図２に示すように、溝付プラグ５は、抽伸方向上流側に配置された円柱部１１と、この円柱部１１の抽伸方向下流側の端面に結合されたテーパ部１２とから構成されている。溝付プラグ５の軸方向における全長は例えば５乃至３０ｍｍであり、例えば２５ｍｍである。また、外径は例えば１０ｍｍである。そして、円柱部１１の形状は円柱形であり、その側面には螺旋状又は直線状の溝１３が形成されている。溝１３のリード角θ、即ち、円柱部１１の側面における円柱部１１の軸方向に平行な直線と溝１３が延びる方向とのなす角度は例えば０乃至２０°である。リード角θが０°の場合は、溝１３が軸方向に平行な直線状の溝である場合である。
【００２９】
そして、図３に示すように、溝付プラグ５の円柱部１１においては、溝１３間がフィン１４となっている。溝１３の深さｈは例えば０．０５乃至０．１５ｍｍである。なお、溝１３の深さｈは、フィン１４の高さと等しく、中心軸が溝付プラグ５の中心軸と同一であり溝１３の底部を結ぶ仮想的な円柱面１６ａと、中心軸が溝付プラグ５の中心軸と同一でありフィン１４の頂部を結ぶ仮想的な円柱面１６ｂとの間の距離である。また、図３に示す断面、即ち、円柱部１１の軸に直交する断面において、溝１３の底部の曲率半径ｒ１は例えば０．０４乃至０．０６ｍｍであり、フィン１４の頂部の曲率半径ｒ２は例えば０．０４乃至０．１０ｍｍであり、フィン１４の山頂角α、即ち、フィン１４の両側面がなす角度は例えば６０乃至１２０°である。なお、溝付プラグ５は例えば超微粒子超硬合金により形成されていることが好ましく、超微粒子超硬合金は直径が０．５μｍ以下のタングステンカーバイド（ＷＣ）の微粒子を含むことがより好ましい。
【００３０】
一方、図２に示すように、テーパ部１２の形状は側面がテーパ状である円錐台形状であり、円柱部１１との境界面１７から離れるほど、即ち、抽伸方向下流側にいくほどその直径が小さくなっている。また、テーパ部１２の外面には溝は形成されていない。溝付プラグ５の中心軸を含む断面において、円柱部１１の側縁とテーパ部１２の側縁とのなす角度は、例えば３０乃至６０°である。
【００３１】
素管１の外側における溝付プラグ５に整合する位置には、１対の圧延ロール６が素管１の外面に転接するように配設されている。各圧延ロール６は自転することができ、１対の圧延ロール６の回転軸は相互に平行であり、その回転軸の方向は素管１の管軸方向に直交している。圧延ロール６の形状は両端部が太く中央部が細い鼓形であり、回転軸を含む断面において、その側面の曲率半径は素管１の外面の半径と略等しくなっており、圧延ロール６の側縁形状は素管１の外面形状に略整合し、圧延ロール６は素管１に略均等に線接触している。なお、溝付プラグ５及び圧延ロール６により転造部７が構成されている。
【００３２】
そして、抽伸方向において、圧延ロール６の回転軸は、溝付プラグ５における円柱部１１とテーパ部１２との境界面１７よりも３乃至５ｍｍ上流側に位置している。即ち、１対の圧延ロール６の回転軸を含む平面１８は、素管１の管軸に垂直であり、円柱部１１の内部を横断しており、この平面１８と境界面１７との間の距離Ｘは３乃至５ｍｍとなっている。
【００３３】
更に、転造部１７の管引抜き方向下流側には、内面に溝が形成された素管１の外径を所定の寸法にサイジング加工する整形ダイス８が設けられている。本実施形態に係る内面溝付管の製造装置における上記以外の構成は、図６乃至図８に示す従来の製造装置の構成と同様である。
【００３４】
以下、本発明の各構成要件における数値限定理由について説明する。
【００３５】
圧延ロールの回転軸の位置：円柱部とテーパ部との境界面よりも３乃至５ｍｍ上流側
圧延ロールの回転軸を含む平面と前記境界面との間の距離Ｘが３ｍｍ未満であると、圧延ロールのロールセンターが溝付プラグの下流側端部に乗ってしまう。このため、素管における圧延ロールとの接触部分と、溝付プラグとの接触部分との重なりが少なくなり、圧延ロールが素管を押圧する力が素管の内面に溝を形成することに有効に使用されなくなる。このため、溝を形成することが困難になる。また、素管における溝付プラグの円柱部とテーパ部との境界部分に相当する部分に応力が集中するため、素管が破断しやすくなる。一方、前記距離Ｘが５ｍｍを超えると、素管の内面に形成されたフィンと溝付プラグの溝との接触面積が増加し、素管と溝付プラグとの摩擦力が増加するため、素管が破断しやすくなる。従って、圧延ロールの回転軸の位置は円柱部とテーパ部との境界面よりも３乃至５ｍｍ上流側とする。
【００３６】
溝付プラグの溝のリード角：０乃至２０°
溝付プラグにより素管の内面に溝を形成する際には、溝付プラグの溝と、この溝が素管の内面に転写されて形成された素管内面のフィンとが相互に噛み合った状態となる。溝が螺旋状、即ち、溝のリード角が０°より大きい角度であると、素管が抽伸されることにより、素管が、その内面に形成された溝に沿って溝付プラグを回転させようとする。そして、素管は溝付プラグからの反力を受け、溝付プラグと逆の方向に回転しようとする。一方、圧延ロールは素管との接触面積が大きいため、素管を管周方向に拘束し、回転を妨げる。この結果、素管には管周方向に沿って大きな力が加わり、この力が管軸方向に沿った引抜力に加算される。溝付プラグの溝のリード角が２０°を超えると、この力が大きくなり、素管が破断しやすくなる。従って、溝付プラグの溝のリード角は０乃至２０°とすることが好ましい。
【００３７】
溝付プラグの溝の深さｈ：０．０５乃至０．１５ｍｍ
溝付プラグの溝の深さｈが０．０５ｍｍ未満であると、この溝が素管の内面に転写されて形成されるフィンの高さが低くなり、内面溝付管の伝熱性能が低下する。一方、溝付プラグの溝の深さが０．１５ｍｍを超えると、素管が破断しやすくなり、加工できなくなる。従って、溝付プラグの溝の深さｈは０．０５乃至０．１５ｍｍとすることが好ましい。
【００３８】
溝付プラグの溝の底部の曲率半径ｒ１：０．０４乃至０．０６ｍｍ
溝の底部の曲率半径ｒ１が０．０４ｍｍ未満であると、溝の形状が鋭くなりすぎて溝の加工ができなくなる。一方、曲率半径ｒ１が０．０６ｍｍを超えると、内面溝付管の内面に形成されるフィンが太くなり、内面溝付管の伝熱性能が低下すると共に、内面溝付管の単重が重くなる。従って、溝付プラグの溝の底部の曲率半径ｒ１は０．０４乃至０．０６ｍｍとすることが好ましい。
【００３９】
溝付プラグの溝間のフィンの頂部の曲率半径ｒ２：０．０４乃至０．１０ｍｍ
溝付プラグのフィンの頂部の曲率半径ｒ２が０．０４ｍｍ未満であると、このフィンの形状が鋭利なくさび状になり、素管がこのフィンの頂部を起点として破断しやすくなる。一方、曲率半径ｒ２が０．１０ｍｍを超えると、フィンの形状が太くなり過ぎ、素管を形成する材料のメタルフローが悪くなり、フィンの成形性が劣化する。従って、溝付プラグの溝間のフィンの頂部の曲率半径ｒ２は０．０４乃至０．１０ｍｍとする。
【００４０】
溝付プラグのフィンの山頂角α：６０乃至１２０°
フィンの山頂角αが６０°未満であると、高さ、即ち溝の深さが０．０５ｍｍ以上となるフィンを形成できなくなる。一方、フィンの山頂角αが１２０°を超えると、素管の内面に形成される溝の幅が広くなり、内面溝付管の伝熱性能が低下する。従って、溝付プラグのフィンの山頂角αは６０乃至１２０°とすることが好ましい。
【００４１】
円柱部の側縁とテーパ部の側縁とのなす角度φ：３０乃至６０°
テーパ部は溝付プラグの抽伸方向下流側の端部と素管との接触部分において、素管に応力集中部が生じて素管が破断することを避けるために設けるものである。円柱部の中心軸を含む断面において、円柱部の側縁とテーパ部の側縁とのなす角度φが３０°未満であると、上述のテーパ部の効果を得るためにはテーパ部を長くする必要が生じる。この結果、テーパ部と素管との接触長さが長くなるため、溝付プラグと素管との間に発生する摩擦力が増大し、素管が破断しやすくなる。一方、前記角度φが６０°を超えると、溝付プラグの下流側端部の形状が鋭利になり、テーパ部を設けることによる効果が減少し、素管が破断しやすくなる。従って、円柱部の側縁とテーパ部の側縁とのなす角度φは３０乃至６０°とすることが好ましい。
【００４２】
次に、本実施形態に係る内面溝付管の製造装置の使用方法、即ち、本実施形態に係る内面溝付管の製造方法について説明する。図１に示すように、先ず、素管１を準備する。素管１を形成する材料は、管に加工可能な金属であれば何でもよいが、例えば銅又は銅合金であり、例えば、伝熱性及び加工性が良好なＪＩＳ  Ｈ１２２０に記載されている脱酸銅又はＪＩＳ  Ｈ１１０１に記載されているＯＦＣ（Ｏｘｙｇｅｎ  Ｆｒｅｅ  Ｃｏｐｐｅｒ：無酸素銅）である。また、調質は例えば引張強度が３５０Ｎ／ｍｍ２を超える程度のＨ材とする。次に、素管１の内部におけるフローティングプラグ２の上流側に抽伸油１０を充填する。そして、素管１に対して抽伸方向に向かう引抜力を印加し、素管１を抽伸方向に引抜く。このとき、整形ダイス８を通過した後の内面溝付管９の引抜速度を例えば６ｍ／秒とする。
【００４３】
これにより、素管１をフローティングプラグ２及び保持ダイス３により縮径加工する。次に、この縮径加工された素管１の外面を、この外面に転接して自転する圧延ロール６によって押圧することによって縮径すると共に、溝付プラグ５に向けて押圧する。これにより、素管１の内面に溝付プラグ５の溝１３が転写され、フィンが形成される。即ち、溝付プラグ５の溝１３が素管１の内面に転写されてフィンとなり、フィン１４が素管１の内面に転写されて溝１９となる。
【００４４】
このとき、溝付プラグ５は連結軸４を介してフローティングプラグ２に連結されており、フローティングプラグ２は素管１の引抜きによる摩擦力及び保持ダイス３からの抗力により、保持ダイス３と整合する位置に係止しているため、溝付プラグ５も圧延ロール６と整合する位置に停止している。次に、転造部７を通過した内面に溝が形成された素管１は、１対の圧延ロール６により１軸方向に押圧されるため、管軸直交断面の形状が楕円形となっている。そこで、この素管１は整形ダイス８によりサイジング加工を施され、更に縮径されると共に管軸直交断面の形状が真円形となるように整形され、所定の外径を有する内面溝付管９となる。この内面溝付管９は、外径が例えば４乃至１０ｍｍであり、内面に螺旋状又は直線状の溝１９が形成されたものである。
【００４５】
本実施形態においては、１対の圧延ロール６を使用して内面溝付管９を製造している。このため、転造ボールを使用する製造装置と比較して、高価な磁気浮上式高速モータを設ける必要がないため、設備コストが低い。また、転造ボールを使用しないため、管の抽伸速度が転造ボールの公転速度によって決定されることがなく、抽伸速度を高速化することが可能である。このため、内面溝付管の生産性を向上させることができる。
【００４６】
また、圧延ロール６の回転軸の位置を、溝付プラグ５の円柱部１１とテーパ部１２との境界面１７よりも３乃至５ｍｍ上流側とすることにより、素管１と溝付プラグ５との接触面積が減少し、素管１と溝付プラグ５との間に生じる摩擦力が低減する。これにより、素管１に印加する引抜力を従来よりも小さくすることができ、素管１の破断を防止することができる。
【００４７】
更に、溝付プラグ５の溝１３が上述の形状を有しているため、内面溝付管の内面に所定の形状の溝１９を形成することができる。この結果、この内面溝付管を熱交換器の伝熱管として使用する場合に、伝熱性能が良好な伝熱管を得ることができる。
【００４８】
次に、本第１実施形態の変形例について説明する。図４は、本変形例における溝付プラグを示す断面図である。図４に示すように、本変形例に係る内面溝付管の製造装置においては、前述の第１の実施形態と比較して、溝付プラグ５の替わりに溝付プラグ５ａが設けられている。本変形例における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００４９】
図４に示すように、溝付プラグ５ａは、円柱部１１と、この円柱部１１の抽伸方向下流側の端面に結合されたテーパ部１２ａとから構成されている。円柱部１１の構成は、前述の第１の実施形態における円柱部１１と同様である。一方、テーパ部１２ａは、円柱部１１との境界面１７から離れるほど、即ち、抽伸方向下流側にいくほどその直径が小さくなっている。そして、テーパ部１２ａの側面２０は、外側に膨らんだ曲面となっており、溝付プラグ５ａの中心軸を含む断面において、側面２０は円弧状となっている。この側面２０がなす円弧の曲率半径Ｒは、例えば１乃至２ｍｍである。また、本変形例においても、前述の第１の実施形態と同様に、１対の圧延ロール６の回転軸を含む平面１８（図２参照）は、円筒部１１とテーパ部１２ａとの境界面１７よりも３乃至５ｍｍ抽伸方向上流側に位置している。本変形例における動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。以下、前述の数値限定理由を説明する。
【００５０】
溝付プラグのテーパ部の側面の曲率半径Ｒ：１乃至２ｍｍ
前記テーパ部の側面の曲率半径Ｒが１ｍｍ未満であると、溝付プラグの下流側端部の形状が鋭利になり、テーパ部を設けることによる効果が減少し、素管が破断しやすくなる。一方、前記曲率半径Ｒが２ｍｍを超えると、テーパ部の効果を得るためにはテーパ部を長くする必要が生じる。この結果、テーパ部と素管との接触長さが長くなるため、溝付プラグと素管との間に発生する摩擦力が増大し、素管が破断しやすくなる。従って、溝付プラグのテーパ部の側面の曲率半径Ｒは１乃至２ｍｍとすることが好ましい。
【００５１】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図５は、本実施形態に係るロール転造法によるシームレス内面溝付伝熱管の製造装置及び製造方法を示す断面図である。なお、図５においては、素管の内面に形成された溝は図示を省略している。
【００５２】
図５に示すように、本実施形態に係る内面溝付管の製造装置においては、前述の第１の実施形態と比較して、圧延ロールが２段設けられたタンデム圧延方式となっている点が異なっている。即ち、１段目の転造部７と整形ダイス８との間に、溝付プラグ５ｂ及び１対の圧延ロール６ｂからなる２段目の転造部７ｂが設けられている。また、１段目の転造部７と２段目の転造部７ｂとの間に、素管１を整形する中間ダイス２１が設けられている。
【００５３】
更に、連結軸４は溝付プラグ５を貫通しており、溝付プラグ５は連結軸４に沿って抽伸方向に移動可能に取り付けられている。そして、フローティングプラグ２と溝付プラグ５との間、及び溝付プラグ５と溝付プラグ５ｂとの間には、環状のワッシャ２２が複数個相互に密接するように設けられており、このワッシャ２２の開口部を連結軸４が貫通している。これにより、ワッシャ２２の数により溝付プラグ５はその抽伸方向における位置が調節され固定されている。
【００５４】
２段目の転造部７ｂにおいては、溝付プラグ５ｂの直径は１段目の転造部７の溝付プラグ５の直径よりも小さく、素管１の内部に設けられている。また、圧延ロール６ｂの構成は例えば１段目の転造部７の圧延ロール６と同じであり、素管１の外部における素管１の外面に転接する位置に設けられている。圧延ロール６ｂの回転軸が延びる方向は、素管１の抽伸方向に直交しており、且つ、圧延ロール６の回転軸が延びる方向にも直交している。転造部７ｂにおける溝付プラグ５ｂと圧延ロール６ｂとの相対的な位置関係は、転造部７における溝付プラグ５と圧延ロール６との相対的な位置関係と同様である。本実施形態における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００５５】
次に、本実施形態の動作について説明する。本実施形態においては、整形ダイス８を通過した後の内面溝付管９ｂの引抜速度を例えば４ｍ／秒とする。素管１はフローティングプラグ２及び保持ダイス３により縮径された後、転造部７において溝付プラグ５及び圧延ロール６により縮径されると共に内面に溝が形成される。その後、素管１は中間ダイス２１により管軸直交断面が真円形になるように整形される。次に、転造部７ｂにおいて、素管１は、溝付プラグ５ｂ及び１対の圧延ロール６ｂにより縮径されると共に内面に溝が形成され、整形ダイス８により更に縮径されると共に整形され、内面溝付管９ｂとなる。本実施形態における上記以外の動作は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００５６】
本実施形態においては、転造部を２段設けてタンデム圧延としているため、２対の圧延ロールにより素管１を相互に直交する方向から押圧することができる。これにより、素管１の内面により均一に溝を形成することができる。また、２段目の溝付プラグ５ｂの外面に形成されている溝の形状を、１段目の溝付プラグ５の外面に形成されている溝の形状と異ならせることにより、素管１の内面に２種類の溝を形成することができる。これにより、例えば、相互に異なる方向に沿って延びる２種類の溝が形成された交差溝内面溝付管を製造することができる。本実施形態における上記以外の効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
【００５７】
【実施例】
以下、本発明の効果について、その特許請求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明する。
【００５８】
試験例１
本試験例１においては、前述の第１の実施形態において示したシングル圧延方式の製造装置（図１参照）により、長さが２０００ｍの内面溝付管を製造し、このとき、素管に破断が生じたか否かを評価した。サイジング後の内面溝付管の外径は７ｍｍとした。また、溝付プラグの形状は、フィンの高さ（溝の深さ）ｈを０．０８ｍｍとし、フィンの山頂角αを９０°とし、溝数を８０とした。更に、溝付プラグのテーパ部の形状は側面がテーパ状である円錐台形状とし、中心軸を含む断面における円柱部の側縁とテーパ部の側縁とのなす角度φを４５°とし、テーパ部の長さを１．５ｍｍとした。なお、溝付プラグの全長は２５ｍｍとした。整形ダイスの下流側における抽伸速度、１対の圧延ロールの回転軸を含む平面と溝付プラグにおける円柱部とテーパ部との境界面との間の距離Ｘ、溝付プラグの溝のリード角θ、内面溝付管の内面に形成された溝のリード角、及び加工性を表１に示す。なお、表１に示す「加工性」とは、長さが２０００ｍの内面溝付管を製造したときの素管の破断の有無を示し、破断が生じた場合を「×」、生じなかった場合を「○」と表記した。
【００５９】
【表１】
2004298899.tif 000003
【００６０】
表１に示すＮｏ．３、４、６、７、８は本発明の実施例である。実施例Ｎｏ．３、４、６、７、８は、１対の圧延ロールの回転軸を含む平面が溝付プラグの円柱部とテーパ部との境界面よりも抽伸方向上流側にあり、前記平面と境界面との間の距離Ｘが３乃至５ｍｍであるため、長さが２０００ｍの内面溝付管を製造しても途中で素管が破断せず、加工性が良好であった。特に、実施例Ｎｏ．６は、抽伸速度が６ｍ／秒と高速で加工することができた。また、実施例Ｎｏ．３、４、６、７、８は、溝付プラグの溝の形状が本発明の範囲を満たしているため、製造した内面溝付管の伝熱性能が良好である。なお、実施例Ｎｏ．８において、サイジング後（整形ダイス通過後）の内面溝付管のフィンの高さを測定したところ、０．１０ｍｍであった。
【００６１】
これに対して、表１に示すＮｏ．１、２、５は比較例である。比較例Ｎｏ．１及び２は距離Ｘが５ｍｍを超えていたため、溝付プラグと素管との間に発生する摩擦力が大きくなり、製造途中で素管が破断した。また、比較例Ｎｏ．５は、距離Ｘが３ｍｍ未満であったため、溝付プラグの下流側端部で素管が破断した。
【００６２】
試験例２
本試験例２においては、前述の第２の実施形態において示したタンデム圧延方式の製造装置（図５参照）により、長さが２０００ｍの内面溝付管を製造し、このとき、素管に破断が生じたか否かを評価した。サイジング後の内面溝付管の外径を７ｍｍとし、フィンの高さを０．１０ｍｍとし、フィンの山頂角を９５°とした。また、１段目及び２段目共に、溝付プラグの溝数を７５とし、溝付プラグのテーパ部の側面形状は円弧状とし、その曲率半径Ｒを１．５ｍｍとし、溝付プラグの全長を２５ｍｍとした。整形ダイスの下流側における抽伸速度、１段目及び２段目の転造部における１対の圧延ロールの回転軸を含む平面と溝付プラグにおける円柱部とテーパ部との境界面との間の距離Ｘ、溝付プラグの溝のリード角θ、内面溝付管の内面に形成された溝のリード角、及び加工性を表２に示す。加工性の判断基準及び表記は、前述の試験例１と同様である。
【００６３】
以下、前記距離Ｘの測定方法について説明する。図５に示すように、素管１を圧延している状態において素管の引抜きを停止し、加工部の素管並びにフローティングプラグ２、連結軸４、溝付プラグ５及び溝付プラグ５ｂからなるサンプルを作製した。そして、フローティングプラグ２の側面に生じた光沢が他の領域と異なる環状領域を検出した。この環状領域が保持ダイス３の押圧による素管１との摺動部である。次に、この環状の摺動部の抽伸方向下流側の端Ｂと、素管１における保持ダイス３の出側に相当する部分、即ち、保持ダイス３による縮径加工の終了端との位置を合わせた。このとき、素管１の外面における圧延ロール６による圧痕の下流側端縁が圧延ロール６のロールセンターに相当する。従って、この圧痕の下流側端縁と溝付プラグ５における円柱部１１とテーパ部１２との境界面との間の距離を測定することにより、前記距離Ｘを求めることができた。また、２段目の転造部７ｂにおいても同様に距離Ｘを求めることができた。そして、フローティングプラグ２と溝付プラグ５との間及び溝付プラグ５と溝付プラグ５ｂとの間に任意の数のワッシャ２２を挟むことにより、距離Ｘを所望の値に調整した。
【００６４】
【表２】
2004298899.tif 000004
【００６５】
表２に示すＮｏ．１１、１２、１４、１５は本発明の実施例である。実施例Ｎｏ．１１、１２、１４、１５は、１段目の転造部及び２段目の転造部の双方において、１対の圧延ロールの回転軸を含む平面が溝付プラグの円柱部とテーパ部との境界面よりも抽伸方向上流側にあり、前記平面と境界面との間の距離Ｘが３乃至５ｍｍであるため、長さが２０００ｍの内面溝付管を製造しても途中で素管が破断せず、加工性が良好であった。また、実施例Ｎｏ．１１、１２、１４、１５は、溝付プラグの溝の形状が本発明の範囲を満たしているため、製造した内面溝付管の伝熱性能が良好である。特に、実施例Ｎｏ．１４においては、抽伸速度が２．０ｍ／秒と高速で加工することができた。また、実施例Ｎｏ．１５においては、抽伸速度を１．０ｍ／秒と高速にでき、且つ、管の内面にリード角が１４°と大きい溝を形成することができた。このため、実施例Ｎｏ．１５の内面溝付管は、伝熱性能が特に良好である。
【００６６】
これに対して、表２に示すＮｏ．９、１０、１３は比較例である。比較例Ｎｏ．９及び１０は距離Ｘが５ｍｍを超えていたため、溝付プラグと素管との間に発生する摩擦力が大きくなり、製造途中で素管が破断した。また、比較例Ｎｏ．１３は、１段目の転造部において距離Ｘが３ｍｍ未満であったため、素管が破断した。
【００６７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、圧延ロールを、その回転軸を含む平面が溝付プラグにおける円柱部とテーパ部との境界面よりも金属管の引抜方向上流側であり前記平面と前記境界面との間の距離が３乃至５ｍｍとなる位置に配置することにより、金属管と溝付プラグとの間の接触面積を小さくし、金属管が破断することを防止することができる。これにより、伝熱性能が高い内面溝付管を生産性よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るロール転造法によるシームレス内面溝付伝熱管の製造装置及び製造方法を示す断面図である。
【図２】図１に示す製造装置の転造部を示す拡大断面図である。
【図３】本実施形態における溝付プラグを示す部分断面図である。
【図４】本実施形態の変形例における溝付プラグを示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るロール転造法によるシームレス内面溝付伝熱管の製造装置及び製造方法を示す断面図である。
【図６】従来のロール転造法によるシームレス内面溝付伝熱管の製造装置及び製造方法を示す断面図である。
【図７】図６に示す製造装置の転造部を示す拡大断面図である。
【図８】図７に示すＡ−Ａ線による断面図である。
【符号の説明】
１；素管
２；フローティングプラグ
３；保持ダイス
４；連結軸
５、５ａ、５ｂ、１５；溝付プラグ
６、６ｂ；圧延ロール
７、７ｂ、１７；転造部
８；整形ダイス
９、９ｂ；内面溝付管
１０；抽伸油
１１；円柱部
１２、１２ａ；テーパ部
１３；溝
１４；フィン
１６ａ、１６ｂ；仮想的な円柱面
１７；円柱部１１とテーパ部１２との境界面
１８；１対の圧延ロール６の回転軸を含む平面
１９；溝
２０；溝付プラグ５ａの側面
２１；中間ダイス
２２；ワッシャ
ｒ１；溝１３の底部の曲率半径
ｒ２；フィン１４の頂部の曲率半径
Ｒ；側面２０の曲率半径
Ｘ；平面１８と境界面１７との間の距離
α；フィン１４の山頂角
θ；溝１３のリード角
φ；円柱部１１の側縁とテーパ部１１の側縁とのなす角度
【図１】
2004298899.tif 000005
【図２】
2004298899.tif 000006
【図３】
2004298899.tif 000007
【図４】
2004298899.tif 000008
【図５】
2004298899.tif 000009
【図６】
2004298899.tif 000010
【図７】
2004298899.tif 000011
【図８】
2004298899.tif 000012