内面溝付管及びその製造方法
【課題】本発明は、熱伝導性能に優れ、小型化、軽量化を図ることができ、省資源化を実現することができる内面溝付管及びこのような内面溝付管を効率よく安定して製造することができる製造方法の提供を目的とする。
【解決手段】設置部５０上を引抜方向へ移動可能な可動手段３３と、該可動手段３３と設置部５０の間で加工荷重Ｐを測定可能で荷重検出手段３５と、巻取りドラム３６を兼ねた引抜手段１６を補助する補助引抜手段１７と、補助引抜手段１７とともに可動手段３３上に設置され、素管１１ａを加工する縮径手段１３、及び、溝加工手段１４とを備えた製造装置１２を用いて、加工荷重をＰ（Ｎ）、溝加工手段通過後の管の軸方向に対する断面積、破断応力をそれぞれＡＣ１（ｍｍ２）、σＭ（Ｎ／ｍｍ２）としたとき、Ｐが（ＡＣ１×σＭ）の０．５倍から０．９倍の間になるよう前記補助引抜手段１７を制御することを特徴とする内面溝付き管の製造方法。
【解決手段】設置部５０上を引抜方向へ移動可能な可動手段３３と、該可動手段３３と設置部５０の間で加工荷重Ｐを測定可能で荷重検出手段３５と、巻取りドラム３６を兼ねた引抜手段１６を補助する補助引抜手段１７と、補助引抜手段１７とともに可動手段３３上に設置され、素管１１ａを加工する縮径手段１３、及び、溝加工手段１４とを備えた製造装置１２を用いて、加工荷重をＰ（Ｎ）、溝加工手段通過後の管の軸方向に対する断面積、破断応力をそれぞれＡＣ１（ｍｍ２）、σＭ（Ｎ／ｍｍ２）としたとき、Ｐが（ＡＣ１×σＭ）の０．５倍から０．９倍の間になるよう前記補助引抜手段１７を制御することを特徴とする内面溝付き管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エアコン、給湯器、冷凍機、床暖房等の、ヒートポンプ機器において、熱交換器用の伝熱管として用いられる内面溝付管及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エアコンや給湯器などのヒートポンプ機器の熱交換器に用いられる伝熱管は、熱交換性能の向上を図るため、内面に溝加工を施した例えば、銅製の内面溝付管が用いられることが多い。
【０００３】
近年では、熱交換器の小型化、高効率化の要求に対応させるため、内面に形成された溝を深くし、溝のねじれ角（リード角）を大きくし、フィンをシャープな形状にし、管の肉厚を薄くした内面溝付管を製造することにより、熱交換器の性能を向上させている。
【０００４】
例えば、下記特許文献１では、熱交換機器の小型化に有効な外径が３〜６ｍｍという小径伝熱管が提案されているが、溝の加工性は、従来の加工方法で行うことを前提としているため、ねじれ角は小さく、性能向上の程度が小さかった。
【０００５】
また、内面フィンの頂角が大きく、シャープな形状とはいえないため、近年の金属材料の省資源化に対応するための軽量化（単位長さあたりに使用する材料重量の削減）を図ることが難しかった。
【０００６】
また、下記特許文献２では、内面溝深さを深くした高性能伝熱管の例が提案されているが、外径６ｍｍ以上のものを対象としている。
【０００７】
下記特許文献３では、内面溝深さを深くし、ねじれ角の大きな高性能管の例が提案されているが、従来より、空調用伝熱管として一般的であった外径７ｍｍ前後の伝熱管を対象としている。
【０００８】
このように上述した特許文献２、３では、伝熱管の内面の溝深さを深くしたり、ねじれ角を大きくすることで高性能化を図っているが、熱交換器の小型化に有効な外径６ｍｍ以下の小径伝熱管に適用できていない。その理由は、同じ肉厚で径が異なる管同士がであれば、小径な管の方が破断荷重が小さくなることから、管が小径になると、従来の加工方法では内面溝の加工荷重が、管の破断荷重を上回って加工できなったからである。
【０００９】
特許文献４では、引抜き手段による管の引抜きを補助する補助引抜き装置と、引抜き力を検出する引抜き力検出手段と、前記引抜き力検出手段の検出値に基づいて、前記素管に対する引抜き力を目標範囲内に収まるように制御する制御手段とを備えた内面溝付管の製造装置、及び、該製造装置を用いた製造方法が提案されている。
【００１０】
しかし、特許文献４では、内面溝付管の製造装置を運転する上で引抜き力検出手段で検出する加工荷重が最適となる目標荷重値が管軸方向に対する断面積との関係の上で明らかにされていない。このため、補助引抜き装置を適切に制御することができず、高性能な伝熱管を効率よく安定して製造することができなかった。
【特許文献１】特開平４−２６０７９２号公報
【特許文献２】特開平８−２１６９６号公報
【特許文献３】特開２００１−２４１８７７号公報
【特許文献４】特開２００８−８７００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで本発明は、熱伝導性能に優れ、小型化、軽量化を図ることができ、省資源化を実現することができる内面溝付管及びこのような内面溝付管を効率よく安定して製造することができる製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の内面溝付管は、管の中心軸に対する溝のねじれ角をβ（度）、隣り合う溝と溝の間で形成されるフィンの頂角をα（度）としたとき、βが３０から６０、αが５から２０であり、外径をＤ（ｍｍ）、溝の深さをＨ（ｍｍ）、管の軸方向に対する断面積をＡＣ（ｍｍ２）としたとき、Ｄが６以下、Ｈが０．０７以上で、ＡＣ＜０．８×Ｄであることを特徴とする。
【００１３】
前記構成により、従来の内面溝付管よりも溝深さを大きく、ねじれ角を大きく、頂角を小さくすることができ、熱伝達性能を大きくすることができる。さらに、断面積を小さくすることにより、軽量化、省資源化を図ることができる。
また、前記内面溝付管は、高性能で軽量な伝熱管として用いることにより、熱交換器の小型化、軽量化を図ることができる。
【００１４】
この発明の態様として、内面溝付管は、外径Ｄ（ｍｍ）が３以上であることが好ましい。
【００１５】
前記構成により、内面溝付管を、エアコンまたは給湯器などのヒートポンプ機器に、より好ましい伝熱管として用いることができる。
【００１６】
またこの発明の態様として、内面溝付管は、溝の深さＨ（ｍｍ）が０．１０から０．３０であることが好ましい。
【００１７】
前記構成により、内面溝付管を、エアコンまたは給湯器用などのヒートポンプ機器に、より好ましい伝熱管として用いることができる。
【００１８】
また、本発明の内面溝付管の製造方法は、素管を引抜いて縮径させる縮径手段と、素管内面に多数の溝を形成する溝加工手段と、該溝加工手段の下流側で加工済みの内面溝付管を巻き取る巻取りドラムを兼ねた引抜手段と、前記縮径手段と前記溝加工手段との間で素管を引抜く補助引抜手段と、前記縮径手段、前記補助引抜手段、及び、前記溝加工手段を支持し、設置部に対して引抜方向へ移動可能な可動手段と、前記可動手段の前記設置部に対する移動に応じて作用する加工荷重を検出する荷重検出手段と、前記荷重検出手段により検出した前記加工荷重に基づいて、前記補助引抜手段を制御する制御手段とを備えた内面溝付管の製造装置を用いて、管の中心軸に対する溝のねじれ角をβ（度）、隣り合う溝と溝の間で形成されるフィンの頂角をα（度）としたとき、βが３０から６０、αが５から２０であり、外径をＤ（ｍｍ）、溝の深さをＨ（ｍｍ）、管の軸方向に対する断面積をＡＣ（ｍｍ２）としたとき、Ｄが６以下、Ｈが０．０７以上で、ＡＣ＜０．８×Ｄである内面溝付管の製造方法であって、前記加工荷重をＰ（Ｎ）、前記溝加工手段通過後の管の軸方向に対する断面積をＡＣ１（ｍｍ２）、前記溝加工手段通過後の管の破断応力をσＭ（Ｎ／ｍｍ２）としたとき、Ｐが（ＡＣ１×σＭ）の０．５倍から０．９倍の間になるよう前記補助引抜手段を制御することを特徴とする。
【００１９】
前記製造方法により、従来の内面溝付管よりも溝深さを大きく、ねじれ角を大きく、頂角を小さくすることができ、熱伝達性能が大きい内面溝付管を得ることができる。さらに、断面積を小さくすることにより、軽量で省資源化した内面溝付管を得ることができる。
【００２０】
また、高性能で軽量な伝熱管を、効率的、且つ、安定して得ることができ、熱交換器の小型化、軽量化を図ることができる。
【００２１】
ここで、Ｐ≧０．５×（ＡＣ１×σＭ）であるのは、Ｐ＜０．５×（ＡＣ１×σＭ）であると、前記補助引抜手段の駆動力の僅かな変動で管内面形状が変化し易くなり、溝深さ等が一定でなくなるからである。
【００２２】
Ｐ≦０．９×（ＡＣ１×σＭ）であるのは、Ｐ＞０．９×（ＡＣ１×σＭ）であると、僅かな肉厚変動や引抜き力の変動により、引抜き力が管の破断荷重を超える場合が生じ、管が破断してしまうからである。
【００２３】
また、断面積ＡＣ（ｍｍ２）がＡＣ＜０．８×Ｄというのは、従来と比較して肉厚の薄い管であることを示すが、管の肉厚が薄いと、座屈し易くなり前記溝加工手段による溝付け加工が困難になる。そして、軸方向の引張り力が大きいほど、周方向へ変形し難くなるため、より一層、溝付け加工が困難となる。
【００２４】
これに対して、本発明の製造方法によれば、上述したように、Ｐが（ＡＣ１×σＭ）の０．５倍から０．９倍の間になるよう前記補助引抜手段を制御することで、引抜方向への荷重が低減され、肉厚が薄い管でも周方向の座屈を抑えることが可能になる。
【００２５】
ここで、前記溝加工手段通過後の管の軸方向に対する前記断面積には、前記溝加工手段通過後の一次仕上げ管の軸方向に対する断面積ＡＣ１に限らず、一次仕上げ管に対して空引き等の追加工を施した最終仕上げ管の軸方向に対する断面積ＡＣも含むものとする。
なお、空引きとは、管内面には直接加工を施さずに、主に外径を減少させる加工であり、例えば、空引きダイスに通して引抜く加工を示す。
【００２６】
またこの発明の態様として、外径Ｄ（ｍｍ）が３以上であることが好ましい。
エアコンなどのヒートポンプの伝熱管においては、伝熱性能のほかに圧力損失が重要であり、圧力損失が増大すると、冷媒を送るためのポンプやコンプレッサー（圧縮機）の負荷が増大して、ヒートポンプの性能を低下させてしまうため、実用上の理由から外径Ｄ（ｍｍ）は、３以上が望ましい。
【００２７】
さらにまたこの発明の態様として、溝の深さＨ（ｍｍ）が０．１０から０．３０であることが好ましい。
エアコンなどのヒートポンプに使用する伝熱管は、アルミフィンに圧着させるために管内側からマンドレルのような工具によって押し広げられるが、その際に内面のフィンはつぶされて０．０１〜０．０２ｍｍ程度低くなる。その分を考慮して、溝深さは０．１ｍｍ以上であることが望ましい。
また、内面フィンが高すぎると、圧力損失が増加したり、材料重量が増えることから、溝深さＨ（ｍｍ）は０．３以下であることが望ましい。
【００２８】
ここで、前記補助引抜手段は、例えば、素管を軸方向に対して両側から挟む一対の無端状部材（ループ状部材）を備えて構成することができ、管を挟んだ状態でベルト、キャタピラなどの無端状部材を回転させることにより、管の引抜手段による引抜きを補助することができる。
【００２９】
前記荷重検出手段は、例えば、ロードセルなど荷重を検出できる手段で構成することができる。
前記荷重検出手段が検出する荷重は、例えば、圧縮荷重、引張り荷重、モーメント荷重を挙げることができる。
【００３０】
前記内面溝付管は、例えば、銅、アルミニウム、又は、それらの合金等など熱伝導性に優れた材料で形成することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明は、熱伝導性能に優れ、小型化、軽量化を図ることができ、省資源化を実現することができる内面溝付管及びこのような内面溝付管を効率よく安定して製造することができる製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。
本実施形態における内面溝付管１１の製造方法は、図１に示すような製造装置１２を用いて製造することができる。
【００３３】
なお、図１は、本実施形態における内面溝付管の製造装置１２の説明図である。
【００３４】
前記製造装置１２は、引抜方向（抽伸方向）（図１中のＸ方向）の上流側から下流側へ沿って、順に縮径部１３、補助引抜装置１７、溝加工部１４、仕上げ加工部１５を配設し、さらに下流側に、引抜装置１６を備え、これら構成により素管１１ａを連続加工して内面溝付管１１を製造している。
【００３５】
詳しくは、前記製造装置１２は、素管１１ａを引抜いて縮径させる縮径部１３と、素管１１ａ内面に多数の溝を形成する溝加工部１４と、該溝加工部１４の下流側で加工済みの内面溝付管１１を巻き取る巻取りドラム３６を兼ねた引抜装置１６と、縮径部１３と溝加工部１４との間で素管１１ａを引抜く補助引抜装置１７とで構成している。
【００３６】
さらに、前記製造装置１２は、固定台５０に対して引抜方向へ移動可能に、縮径部１３、補助引抜装置１７、及び、溝加工部１４を支持する可動台３３と、該可動台３３の前記固定台５０に対する移動に応じて作用する加工荷重Ｐを検出するロードセル３５と、該ロードセル３５により検出した前記加工荷重Ｐに基づいて、補助引抜装置１７を制御する制御装置４５とで構成している。
【００３７】
以下、上述した各部の構成について説明する。
前記縮径部１３は、通過する素管１１ａを縮径するための円筒状のダイス２２を構成している。前記ダイス２２は、上流側へ向けて末広がり状に開口したダイス孔２２ａを有している。
【００３８】
さらに、前記縮径部１３は、素管１１ａの内側にフローティングプラグ２３を備えている。該フローティングプラグ２３は、素管１１ａを介して前記ダイス２２と係合可能に外周面の軸方向の一部を円錐状に形成している。これにより、フローティングプラグ２３は、前記ダイス２２部分において回動自在に係合される。
【００３９】
また、前記溝加工部１４は、素管１１ａ内側において、外周に複数の螺旋状溝が形成された溝付プラグ２４を備えている。
【００４０】
前記溝付プラグ２４と前記フローティングプラグ２３とは、連結棒２５を介してそれぞれ独立して回動自在に連結されている。さらに、前記溝加工部１４には、複数のボール２６を備え、該複数のボール２６は、素管１１ａの外側において該素管１１ａを押圧しながら管軸回りに回転自在に配設されている。
【００４１】
前記溝加工部１４は、溝付プラグ２４が素管１１ａの内周面に当接し、素管１１ａが軸回りに回転しながら引抜方向へ引っ張られるとともに複数のボール２６による押圧により、素管１１ａの内周面に多数の平行な螺旋状をした螺旋状溝を形成することができる。
前記溝加工部１４を通過することで、内面溝付管１１を得ることができる。
【００４２】
前記仕上げ加工部１５では、整径ダイス２７を備え、該整径ダイス２７のダイス孔２７ａを内面溝付管１１が通過することにより、例えば、前記溝加工部１４におけるボール２６の押圧により生じた管表面の歪み等を滑らかに整径する加工を行っている。
【００４３】
前記引抜装置１６は、巻取りドラム３６、及び、巻取り用のモータＭ１を備え、該モータＭ１の回転駆動により内面溝付管１１を引張りながら巻取りドラム３６に巻き付けている。
【００４４】
前記補助引抜装置１７は、縮径部１３と溝加工部１４との間で、素管１１ａを引抜方向へ引き抜くことで引抜装置１６による引抜きを補助している。すなわち、前記溝加工部１４による溝加工は、素管１１ａを引抜く際の抵抗となり、この溝加工の際の引抜きの負荷が大きくなるが、補助引抜装置１７により素管１１ａにかかる前記引抜き負荷を分散させることができる。
【００４５】
前記補助引抜装置１７は、素管１１ａに対して上下各側、或いは、左右各側に配置された一対のベルト４２ａ，４２ｂを備えている。各ベルト４２ａ，４２ｂは、ループ状（無端状）に形成され、モータＭ２の回転駆動により回転可能にプーリー４３に張架されている。ベルト４２ａ，４２ｂは、外周面に、その長さ方向に沿って複数のパッド４４を連設したキャタピラ式に構成している。
【００４６】
前記補助引抜装置１７における一対のベルト４２ａ，４２ｂは、十分な引抜力を得ることと素管１１ａの変形を防止するといった観点からパッド４４による素管１１ａの押し付け力が例えば、０．３ＭＰａの所望の押し付け力に保たれるよう素管１１ａに対して各側に備えている。
【００４７】
前記パッド４４には、図示しないが、縮径部１３により縮径後の素管１１ａの外面との接触部分に、複数のパッド４４の連設方向に対する切断面が円弧状となるパッド溝４４ａを形成している。
なお、前記補助引抜装置１７の上流側には、素管１１ａの外表面に付着した油膜や異物を除去するためのワイパーを備えてもよい（図示せず）。
【００４８】
前記可動台３３は、固定台５０に対して引抜方向、或いは、その逆方向に平行移動可能なように複数の車輪３３ａを介して固定台５０に設置され、上述した縮径部１３、溝加工部１４、仕上げ加工部１５、及び、補助引抜装置１７を、ボックス３２に収容した状態で設置している。
【００４９】
ロードセル３５は、固定台５０上であって可動台３３における引抜方向の下流側端部分に、素管１１ａの引抜き力に応じて可動台３３から受ける加工荷重Ｐを検出可能に設けている。
【００５０】
前記制御装置４５は、ロードセル３５により検出した加工荷重Ｐを電気信号化した荷重検出信号Ｓｉｎが入力され、制御プログラムに従って、補助引抜装置１７のモータＭ２の駆動を制御する制御信号Ｓｏｕｔを出力する。
【００５１】
さらに、前記制御装置４５は、図示しないが信号の解析処理および演算処理を実行するための演算機（ＣＰＵ）、必要な制御プログラムを格納するためのハードディスク、及び、前記荷重検出信号Ｓｉｎを一時格納するためのメモリを備え、その他にも、制御パラメータを入力するキーボードなどの入力手段、モニタなどの表示手段を適宜、備えることができる。
【００５２】
本実施形態における内面溝付管１１の製造方法は、上述した内面溝付管の製造装置１２を用いて行なう。
詳しくは、本実施形態における内面溝付管１１の製造方法は、整径ダイス２７を通過後の内面溝付管１１を一次仕上げ管とすると、一次仕上げ管の軸方向断面積をＡＣ１（ｍｍ２）、一次仕上げ管の破断応力をσＭ（Ｎ／ｍｍ２）としたとき、加工荷重Ｐが（ＡＣ１×σＭ）の０．５倍から０．９倍の間になるよう補助引抜装置１７のモータＭ２の速度を制御することにより、所望の形状の一次仕上げ管を製造する方法である。
【００５３】
このように、補助引抜装置１７のモータＭ２の速度を、Ｐ≧０．５×（ＡＣ１×σＭ）の間になるよう制御するのは、Ｐ＜０．５×（ＡＣ１×σＭ）であると、補助引抜装置１７の駆動力の僅かな変動で管内面形状が変化し易くなり、溝深さ等が一定でなくなるからである。
【００５４】
補助引抜装置１７のモータＭ２の速度を、Ｐ≦０．９×（ＡＣ１×σＭ）の間になるよう制御するのは、Ｐ＞０．９×（ＡＣ１×σＭ）であると、管に有する僅かな肉厚変動や、引抜力の変動により、管が破断してしまうからである。
【００５５】
上述した内面溝付管１１の製造方法により、図２、及び、図３に示すように、外径Ｄが３ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲、溝２の深さＨが０．０７ｍｍ以上であって０．１０ｍｍから０．３０ｍｍの範囲、管の中心軸に対する溝２のねじれ角βが３０度から６０度の範囲、隣り合う溝２と溝２の間で形成されるフィン１の頂角αが５度から２０度の範囲であり、管の軸方向に対する断面積をＡＣ１（ｍｍ２）としたとき、ＡＣ１＜０．８×Ｄである内面溝付管１１を製造することができる。
なお、ＡＣ１＜０．８×Ｄというのは、従来と比較して肉厚が薄い管であることを示す。
これは、断面積を変えずにフィン１をならして溝２をなくしたときの平均肉厚がｔ’ｍｍであると仮定すると、肉厚が十分薄い場合において、ＡＣ≒πＤｔ’との関係が成り立ち、管の肉厚が、薄肉である例えば、ｔ’＜０．２５５を実現するためには、上述したように、断面積がＡＣ＜０．８×Ｄの関係を満たす必要があるからである。
【００５６】
また、ＡＣ＜０．８×Ｄのように、従来と比較して管の肉厚が薄い場合には、加工が困難になる。これは、単に断面積が小さくなることで破断荷重が小さくなるからだけでなく、以下のように溝付け加工特有の問題があるからである。
【００５７】
すなわち、肉厚が薄くなると、管壁がボールの公転方向に座屈し易くなり、管壁の一部がプラグの溝に充填される前に、管を構成する材料が半径方向外側に逃げてしまうからである。
【００５８】
特に、従来の加工では、管の引抜方向に加わる荷重が大きくなるが、このように、軸方向の引張り力が大きいほど、周方向への変形が困難になり、溝加工がし難くなる。
【００５９】
これに対して、上述した内面溝付管１１の製造方法によれば、管に加わる引抜方向への荷重が上述した制御により低減され、肉厚が薄い管に対して溝付け加工する場合でも、周方向の座屈を抑えることが可能になる。
【００６０】
以上により、前記内面溝付管１１は、従来技術よりも溝深さを大きく、ねじれ角を大きく、頂角を小さくすることができ、熱伝達性能が大きい伝熱管とすることができる。さらに、断面積を小さくすることにより、軽量で省資源化した伝熱管とすることができる。また、このような高性能で軽量な伝熱管を用いることにより、熱交換器を小型、軽量にすることができる。
【００６１】
また、上述した実施形態では、制御装置により補助引抜装置１７のモータＭ２の速度を制御する方法について述べたが、速度を制御パラメータとして制御するに限らず、モータＭ２の加速度、トルク、回転角度、或いは、これら複数を制御パラメータとして制御してもよい。
【００６２】
また、図１では前記補助引抜装置１７の駆動に、モーターＭ２を１つ取り付けた例を示しているが、左右それぞれにモーターを取り付けて２台で運転させてもよい。
このような場合、サーボ機構のような目標運転制御値に追従できるようなモーターを使用して、本発明のような破断が生じやすい難加工形状を有する内面溝付管加工時の加工荷重Ｐを、より詳細に制御できるようになって、設備運転の安定化に有効である。
【００６３】
さらにまた、本発明の製造方法は、少なくとも補助引抜装置１７を制御する方法であればよく、例えば、Ｐが（ＡＣ１×σＭ）の０．５倍から０．９倍の間になるよう例えば、補助引抜装置１７と引抜装置１６との双方を制御してもよい。
【００６４】
続いて、前記方法で構成した内面溝付管１１について実施した性能比較実験について説明する。
まず、前記各素管１１ａを、以下に示す適宜の条件の下、内面溝加工装置にかけ、内面溝付管として一次仕上げ管を作製する加工実験を行った。
本実験において、外径Ｄ、溝数、底肉厚ｔ、溝深さＨ、ねじれ角β、頂角α、溝底幅Ｗ１、山底幅Ｗ２、溝底幅Ｗ１と溝深さＨの比、軸方向に対する断面積ＡＣ１（それぞれ図２参照）をパラメータとして、以下の表１に示すような実施例１，２の内面溝付管１１、及び、これらの比較対照として比較例１から４の内面溝付管の製造を試みた。
【００６５】
詳しくは、実施例１，２、比較例１から４のそれぞれについて、加工原料として外径８ｍｍで内面が平滑な銅管（素管１１ａ）を複数本準備し、連続１０００ｍ以上を目標とする加工を５回行い、破断なく１０００ｍ以上の加工ができた回数を比較する加工歩留り実験を行なった。
【００６６】
実施例１，２は、上述した本発明の加工方法で行ったもの、すなわち、上述した製造装置１２を用いて、加工荷重Ｐが０．５×（ＡＣ１×σＭ）≦Ｐ≦０．９×（ＡＣ１×σＭ）になるよう補助引抜装置１７のモータＭ２の速度を制御する加工方法で製造したものである。
なお、実施例１，２では、目標引き抜き荷重をそれぞれ１２００Ｎ、７００Ｎに設定して実験を行なっている。
【００６７】
これに対して、比較例１，２では、上述した製造装置１２を用いて加工しているが、加工荷重Ｐが本発明の条件から外れた設定で製造したものである。
なお、比較例１，２では、目標引き抜き荷重をそれぞれ１２５０Ｎ、６００Ｎに設定して実験を行なっている。
【００６８】
比較例３，４では、前記特許文献３（特開２００１−２４１８７７号公報）に開示の内面溝付管の製造方法で行なったものである。すなわち、比較例３，４では、補助引抜装置１７を具備せずに、引抜き装置のみで素管１１ａを引抜く製造装置を用いて製造したものである。
【００６９】
実施例１，２、比較例１から４のそれぞれについて、一次仕上げ管の加工実験の結果を表１に示す。
【００７０】
【表１】
この結果からわかるように、実施例１，２については、本発明の装置構成１２を用い、Ｐを（ＡＣ１×σＭ）の０．５倍から０．９倍の間に制御して加工することにより、いずれも５回の試験中５回とも、表１に示すような形状の内面溝付管に安定して加工することができた。
【００７１】
なお、一次仕上げ管の頂角が１６度より小さい場合、溝付プラグ２４の溝を細く形成しておく必要があり、この溝付プラグ２４の細い溝に管肉をしっかりと充填できないため、加工が困難になる。
よって、実施例１，２のように、頂角を１６度で加工することができる本発明の製造方法は特に有効であるといえる。
【００７２】
一方、比較例１，２では、５回の加工中問題なく加工できたのはそれぞれ３回、１回となり、いずれも歩留まりが低下した。この結果より、加工荷重Ｐの範囲が本発明の条件を外れると、加工の安定性が低下することが明らかになり、本発明の製造方法の有効性を実証することができた。
【００７３】
比較例３では、５回全て破断せずに加工できたが、例えば、外径Ｄが６ｍｍより大きい８ｍｍであり、頂角αが２０度より大きい２３度であり、軸方向に対する断面積ＡＣ１が０．８Ｄより大きい７．６ｍｍ２となり、本発明の形状は得られなかった。
【００７４】
比較例４では、比較例３と同じ製造装置を用い、特に、外径Ｄが実施例１，２と同じ６ｍｍに加工することを試みたが、５回の加工中問題なく加工できたものは０回であり、いずれも加工を開始するとすぐに破断し、加工の継続が不可能であった。
【００７５】
続いて、上述した加工実験で得られた実施例１，２、比較例３の一次仕上げ管について、それぞれ空引きダイス（図示せず）によって空引きし、所望の外径の最終仕上げ管として伝熱管を得る空引き加工実験を行なった。
【００７６】
詳しくは、空引きとは、一次仕上げ管の内面に直接、加工を加えずに、該一次仕上げ管をダイスに通して引き抜くもので、該空引きにより、外径が減少するとともに、肉厚も若干減少する。また、長手方向に伸びるのに伴い、ねじり角は低下する。
なお、空引きは、一般に一次仕上げ管が所望の外径であれば、行わず、所望の外径よりも大きい場合に、一次仕上げ管に対して行なう加工であるが、本実験では、空引き後の管形状について評価するために実施例１または２、及び、比較例３について空引き加工実験を行なった。
【００７７】
これにより、以下の表２に示すような実施例３、比較例５の伝熱管を製造することができる。
【００７８】
【表２】
なお、実施例３は、実施例１または２の一次仕上げ管を空引きして外径を５ｍｍまで縮径したものである。比較例５は、比較例３の一次仕上げ管を空引きして外径７ｍｍまで縮径したものである。
【００７９】
ここで、一次仕上げ管と、空引きを経た最終仕上げ管では、外径と断面積の比が厳密には一致しないが、実施の範囲では空引きの縮径率（外径の減少率）は１０〜２０％程度であり、この範囲内では、ＡＣ１／Ｄ１≒ＡＣ／Ｄとなっている。
なお、ＡＣ１，Ｄ１は、それぞれ一次仕上げ管の軸方向に対する断面積、外径を示し、ＡＣ，Ｄは、それぞれ最終仕上げ管の軸方向に対する断面積、外径を示す。
【００８０】
表２からわかるように、実施例３では、外径Ｄが３ｍｍ以上６ｍｍ以下である５ｍｍ、溝２の深さＨが０．０７ｍｍ以上であって０．１０ｍｍから０．３０ｍｍである０．１５ｍｍ、管の中心軸に対する溝２のねじれ角βが３０度から６０度である４０度、隣り合う溝２と溝２の間で形成されるフィン１の頂角αが５度から２０度である１０度であり、管の軸方向に対する断面積ＡＣが外径Ｄの０．８倍よりも小さな３．８ｍｍ２となり、空引き後も本発明の条件を満たす所望の形状の伝熱管が得られた。
【００８１】
一方、比較例５は、上述したとおり比較例３を一次仕上げ管として空引きしたものであるが、例えば、ＡＣ１＞０．８Ｄ１であるなどの点で所望の形状から外れている比較例３を空引きしても所望の形状に加工できなかった（ＡＣ＞０．８Ｄのまま）。
【００８２】
これは、空引きによる縮径率があまり大きすぎるとねじれ角が小さくなったり、フィン１が分断されてしまい、空引きで縮径できる縮径率には、限界があるからである。
また、実施例３、比較例５は、表２に示すように伝熱性能の評価も行なった。実施例３の伝熱性能は、比較例５の凝縮管内熱伝達率の値を１００としたときの相対的な伝熱性能で示している。
【００８３】
伝熱性能の算出に用いる凝縮管内熱伝達率は、以下の測定方法によって測定している。
前記各サンプル管を、それぞれ水平に設置した二重管式熱交換器サンプルの内管として挿入し、それらのサンプル内へ冷媒（Ｒ４１０ａ）を流すとともに、外管と内管との間の二重管部に冷却水を冷媒に対して対抗流となるように流し、冷却水と冷媒とで熱交換させることにより、冷媒を冷却させた。
【００８４】
そのときの熱交換量から、冷媒の質量流速３００ｋｇ／ｍ２ｓｅｃにおける管内熱（凝縮熱）伝達率を測定（管外面基準で測定）した。
【００８５】
表２に示すように、本発明の実施例３では、１３７となり、比較例５よりも高い伝熱性能が得られた。
なお、凝縮管内熱伝達率は、径にも依存するため、本来は、実施例３、比較例５は、同径のもの同士で伝熱性能を比較評価すべきであるが、上述したとおり、比較例５（すなわち、比較例３，４）の製造方法では、本発明のような外径Ｄが６ｍｍ以下という小径な管が製造できないため、表２には、異なる径の管同士で比較した伝熱性能を示している。
【００８６】
最後に、上述した本発明の製造方法により、最終仕上げ管として表３に示すような実施例４から８を製造し、これら実施例４から８をもとに本発明の内面溝付管の製造方法の有効性の検証を行なった。
なお、実施例６は、実施例１または２の一次仕上げ管を空引きしたものを用いている。
【００８７】
【表３】
表３に示すように、実施例４から８は、いずれも上述した本発明の内面溝付管１１の範囲を満たす所望の形状となり、高い歩留まりで加工することができた。
【００８８】
表３の結果より、本発明の製造方法によれば、従来技術よりも溝深さが大きく、ねじれ角が大きく、頂角が小さい本発明の内面溝付管１１の範囲を満たす所望の形状の内面溝付管１１を製造することができ、熱伝達性能が大きい伝熱管を製造することができることを実証することができた。
【００８９】
さらに、断面積を小さくすることにより、軽量で省資源化できる。これはエアコンや給湯器などのヒートポンプ機器の熱交換器用として最適で、高性能な伝熱管である。
【００９０】
なお、上述した性能評価実験では、一次仕上げ管を作成後に空引きを行なったが、本発明の内面溝付管については、空引きを行なったものを製品とする形態に限らず、一次仕上げ管の形状で製品とする形態も含む。
【００９１】
また、上述の実施形態と、この発明の構成との対応において、この実施形態の
縮径部１３は、この発明の縮径手段に対応し、以下同様に、
溝加工部１４は、溝加工手段に対応し、
引抜装置１６は、引抜手段に対応し、
補助引抜装置１７は、補助引抜手段に対応し、
可動部３３は、可動手段に対応し、
ロードセル３５は、荷重検出手段に対応し、
制御装置４５は、制御手段に対応し、
固定台５０は、設置部に対応し、
一次仕上げ管、或いは、最終仕上げ管は、溝加工手段通過後の管に対応する。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本実施形態の内面溝付管の製造装置を示す断面図。
【図２】本実施形態の内面溝付管を管軸に対して直角に切断した一部を示す断面図。
【図３】本実施形態の内面溝付管の管軸を通る面における断面図。
【符号の説明】
【００９３】
１１…内面溝付管
１２…内面溝付管の製造装置
１３…縮径部
１４…溝加工部
１６…引抜装置
１７…補助引抜装置
３３…可動台
３５…ロードセル
４５…制御装置
５０…固定台
Ｐ…加工荷重
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エアコン、給湯器、冷凍機、床暖房等の、ヒートポンプ機器において、熱交換器用の伝熱管として用いられる内面溝付管及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エアコンや給湯器などのヒートポンプ機器の熱交換器に用いられる伝熱管は、熱交換性能の向上を図るため、内面に溝加工を施した例えば、銅製の内面溝付管が用いられることが多い。
【０００３】
近年では、熱交換器の小型化、高効率化の要求に対応させるため、内面に形成された溝を深くし、溝のねじれ角（リード角）を大きくし、フィンをシャープな形状にし、管の肉厚を薄くした内面溝付管を製造することにより、熱交換器の性能を向上させている。
【０００４】
例えば、下記特許文献１では、熱交換機器の小型化に有効な外径が３〜６ｍｍという小径伝熱管が提案されているが、溝の加工性は、従来の加工方法で行うことを前提としているため、ねじれ角は小さく、性能向上の程度が小さかった。
【０００５】
また、内面フィンの頂角が大きく、シャープな形状とはいえないため、近年の金属材料の省資源化に対応するための軽量化（単位長さあたりに使用する材料重量の削減）を図ることが難しかった。
【０００６】
また、下記特許文献２では、内面溝深さを深くした高性能伝熱管の例が提案されているが、外径６ｍｍ以上のものを対象としている。
【０００７】
下記特許文献３では、内面溝深さを深くし、ねじれ角の大きな高性能管の例が提案されているが、従来より、空調用伝熱管として一般的であった外径７ｍｍ前後の伝熱管を対象としている。
【０００８】
このように上述した特許文献２、３では、伝熱管の内面の溝深さを深くしたり、ねじれ角を大きくすることで高性能化を図っているが、熱交換器の小型化に有効な外径６ｍｍ以下の小径伝熱管に適用できていない。その理由は、同じ肉厚で径が異なる管同士がであれば、小径な管の方が破断荷重が小さくなることから、管が小径になると、従来の加工方法では内面溝の加工荷重が、管の破断荷重を上回って加工できなったからである。
【０００９】
特許文献４では、引抜き手段による管の引抜きを補助する補助引抜き装置と、引抜き力を検出する引抜き力検出手段と、前記引抜き力検出手段の検出値に基づいて、前記素管に対する引抜き力を目標範囲内に収まるように制御する制御手段とを備えた内面溝付管の製造装置、及び、該製造装置を用いた製造方法が提案されている。
【００１０】
しかし、特許文献４では、内面溝付管の製造装置を運転する上で引抜き力検出手段で検出する加工荷重が最適となる目標荷重値が管軸方向に対する断面積との関係の上で明らかにされていない。このため、補助引抜き装置を適切に制御することができず、高性能な伝熱管を効率よく安定して製造することができなかった。
【特許文献１】特開平４−２６０７９２号公報
【特許文献２】特開平８−２１６９６号公報
【特許文献３】特開２００１−２４１８７７号公報
【特許文献４】特開２００８−８７００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで本発明は、熱伝導性能に優れ、小型化、軽量化を図ることができ、省資源化を実現することができる内面溝付管及びこのような内面溝付管を効率よく安定して製造することができる製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の内面溝付管は、管の中心軸に対する溝のねじれ角をβ（度）、隣り合う溝と溝の間で形成されるフィンの頂角をα（度）としたとき、βが３０から６０、αが５から２０であり、外径をＤ（ｍｍ）、溝の深さをＨ（ｍｍ）、管の軸方向に対する断面積をＡＣ（ｍｍ２）としたとき、Ｄが６以下、Ｈが０．０７以上で、ＡＣ＜０．８×Ｄであることを特徴とする。
【００１３】
前記構成により、従来の内面溝付管よりも溝深さを大きく、ねじれ角を大きく、頂角を小さくすることができ、熱伝達性能を大きくすることができる。さらに、断面積を小さくすることにより、軽量化、省資源化を図ることができる。
また、前記内面溝付管は、高性能で軽量な伝熱管として用いることにより、熱交換器の小型化、軽量化を図ることができる。
【００１４】
この発明の態様として、内面溝付管は、外径Ｄ（ｍｍ）が３以上であることが好ましい。
【００１５】
前記構成により、内面溝付管を、エアコンまたは給湯器などのヒートポンプ機器に、より好ましい伝熱管として用いることができる。
【００１６】
またこの発明の態様として、内面溝付管は、溝の深さＨ（ｍｍ）が０．１０から０．３０であることが好ましい。
【００１７】
前記構成により、内面溝付管を、エアコンまたは給湯器用などのヒートポンプ機器に、より好ましい伝熱管として用いることができる。
【００１８】
また、本発明の内面溝付管の製造方法は、素管を引抜いて縮径させる縮径手段と、素管内面に多数の溝を形成する溝加工手段と、該溝加工手段の下流側で加工済みの内面溝付管を巻き取る巻取りドラムを兼ねた引抜手段と、前記縮径手段と前記溝加工手段との間で素管を引抜く補助引抜手段と、前記縮径手段、前記補助引抜手段、及び、前記溝加工手段を支持し、設置部に対して引抜方向へ移動可能な可動手段と、前記可動手段の前記設置部に対する移動に応じて作用する加工荷重を検出する荷重検出手段と、前記荷重検出手段により検出した前記加工荷重に基づいて、前記補助引抜手段を制御する制御手段とを備えた内面溝付管の製造装置を用いて、管の中心軸に対する溝のねじれ角をβ（度）、隣り合う溝と溝の間で形成されるフィンの頂角をα（度）としたとき、βが３０から６０、αが５から２０であり、外径をＤ（ｍｍ）、溝の深さをＨ（ｍｍ）、管の軸方向に対する断面積をＡＣ（ｍｍ２）としたとき、Ｄが６以下、Ｈが０．０７以上で、ＡＣ＜０．８×Ｄである内面溝付管の製造方法であって、前記加工荷重をＰ（Ｎ）、前記溝加工手段通過後の管の軸方向に対する断面積をＡＣ１（ｍｍ２）、前記溝加工手段通過後の管の破断応力をσＭ（Ｎ／ｍｍ２）としたとき、Ｐが（ＡＣ１×σＭ）の０．５倍から０．９倍の間になるよう前記補助引抜手段を制御することを特徴とする。
【００１９】
前記製造方法により、従来の内面溝付管よりも溝深さを大きく、ねじれ角を大きく、頂角を小さくすることができ、熱伝達性能が大きい内面溝付管を得ることができる。さらに、断面積を小さくすることにより、軽量で省資源化した内面溝付管を得ることができる。
【００２０】
また、高性能で軽量な伝熱管を、効率的、且つ、安定して得ることができ、熱交換器の小型化、軽量化を図ることができる。
【００２１】
ここで、Ｐ≧０．５×（ＡＣ１×σＭ）であるのは、Ｐ＜０．５×（ＡＣ１×σＭ）であると、前記補助引抜手段の駆動力の僅かな変動で管内面形状が変化し易くなり、溝深さ等が一定でなくなるからである。
【００２２】
Ｐ≦０．９×（ＡＣ１×σＭ）であるのは、Ｐ＞０．９×（ＡＣ１×σＭ）であると、僅かな肉厚変動や引抜き力の変動により、引抜き力が管の破断荷重を超える場合が生じ、管が破断してしまうからである。
【００２３】
また、断面積ＡＣ（ｍｍ２）がＡＣ＜０．８×Ｄというのは、従来と比較して肉厚の薄い管であることを示すが、管の肉厚が薄いと、座屈し易くなり前記溝加工手段による溝付け加工が困難になる。そして、軸方向の引張り力が大きいほど、周方向へ変形し難くなるため、より一層、溝付け加工が困難となる。
【００２４】
これに対して、本発明の製造方法によれば、上述したように、Ｐが（ＡＣ１×σＭ）の０．５倍から０．９倍の間になるよう前記補助引抜手段を制御することで、引抜方向への荷重が低減され、肉厚が薄い管でも周方向の座屈を抑えることが可能になる。
【００２５】
ここで、前記溝加工手段通過後の管の軸方向に対する前記断面積には、前記溝加工手段通過後の一次仕上げ管の軸方向に対する断面積ＡＣ１に限らず、一次仕上げ管に対して空引き等の追加工を施した最終仕上げ管の軸方向に対する断面積ＡＣも含むものとする。
なお、空引きとは、管内面には直接加工を施さずに、主に外径を減少させる加工であり、例えば、空引きダイスに通して引抜く加工を示す。
【００２６】
またこの発明の態様として、外径Ｄ（ｍｍ）が３以上であることが好ましい。
エアコンなどのヒートポンプの伝熱管においては、伝熱性能のほかに圧力損失が重要であり、圧力損失が増大すると、冷媒を送るためのポンプやコンプレッサー（圧縮機）の負荷が増大して、ヒートポンプの性能を低下させてしまうため、実用上の理由から外径Ｄ（ｍｍ）は、３以上が望ましい。
【００２７】
さらにまたこの発明の態様として、溝の深さＨ（ｍｍ）が０．１０から０．３０であることが好ましい。
エアコンなどのヒートポンプに使用する伝熱管は、アルミフィンに圧着させるために管内側からマンドレルのような工具によって押し広げられるが、その際に内面のフィンはつぶされて０．０１〜０．０２ｍｍ程度低くなる。その分を考慮して、溝深さは０．１ｍｍ以上であることが望ましい。
また、内面フィンが高すぎると、圧力損失が増加したり、材料重量が増えることから、溝深さＨ（ｍｍ）は０．３以下であることが望ましい。
【００２８】
ここで、前記補助引抜手段は、例えば、素管を軸方向に対して両側から挟む一対の無端状部材（ループ状部材）を備えて構成することができ、管を挟んだ状態でベルト、キャタピラなどの無端状部材を回転させることにより、管の引抜手段による引抜きを補助することができる。
【００２９】
前記荷重検出手段は、例えば、ロードセルなど荷重を検出できる手段で構成することができる。
前記荷重検出手段が検出する荷重は、例えば、圧縮荷重、引張り荷重、モーメント荷重を挙げることができる。
【００３０】
前記内面溝付管は、例えば、銅、アルミニウム、又は、それらの合金等など熱伝導性に優れた材料で形成することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明は、熱伝導性能に優れ、小型化、軽量化を図ることができ、省資源化を実現することができる内面溝付管及びこのような内面溝付管を効率よく安定して製造することができる製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。
本実施形態における内面溝付管１１の製造方法は、図１に示すような製造装置１２を用いて製造することができる。
【００３３】
なお、図１は、本実施形態における内面溝付管の製造装置１２の説明図である。
【００３４】
前記製造装置１２は、引抜方向（抽伸方向）（図１中のＸ方向）の上流側から下流側へ沿って、順に縮径部１３、補助引抜装置１７、溝加工部１４、仕上げ加工部１５を配設し、さらに下流側に、引抜装置１６を備え、これら構成により素管１１ａを連続加工して内面溝付管１１を製造している。
【００３５】
詳しくは、前記製造装置１２は、素管１１ａを引抜いて縮径させる縮径部１３と、素管１１ａ内面に多数の溝を形成する溝加工部１４と、該溝加工部１４の下流側で加工済みの内面溝付管１１を巻き取る巻取りドラム３６を兼ねた引抜装置１６と、縮径部１３と溝加工部１４との間で素管１１ａを引抜く補助引抜装置１７とで構成している。
【００３６】
さらに、前記製造装置１２は、固定台５０に対して引抜方向へ移動可能に、縮径部１３、補助引抜装置１７、及び、溝加工部１４を支持する可動台３３と、該可動台３３の前記固定台５０に対する移動に応じて作用する加工荷重Ｐを検出するロードセル３５と、該ロードセル３５により検出した前記加工荷重Ｐに基づいて、補助引抜装置１７を制御する制御装置４５とで構成している。
【００３７】
以下、上述した各部の構成について説明する。
前記縮径部１３は、通過する素管１１ａを縮径するための円筒状のダイス２２を構成している。前記ダイス２２は、上流側へ向けて末広がり状に開口したダイス孔２２ａを有している。
【００３８】
さらに、前記縮径部１３は、素管１１ａの内側にフローティングプラグ２３を備えている。該フローティングプラグ２３は、素管１１ａを介して前記ダイス２２と係合可能に外周面の軸方向の一部を円錐状に形成している。これにより、フローティングプラグ２３は、前記ダイス２２部分において回動自在に係合される。
【００３９】
また、前記溝加工部１４は、素管１１ａ内側において、外周に複数の螺旋状溝が形成された溝付プラグ２４を備えている。
【００４０】
前記溝付プラグ２４と前記フローティングプラグ２３とは、連結棒２５を介してそれぞれ独立して回動自在に連結されている。さらに、前記溝加工部１４には、複数のボール２６を備え、該複数のボール２６は、素管１１ａの外側において該素管１１ａを押圧しながら管軸回りに回転自在に配設されている。
【００４１】
前記溝加工部１４は、溝付プラグ２４が素管１１ａの内周面に当接し、素管１１ａが軸回りに回転しながら引抜方向へ引っ張られるとともに複数のボール２６による押圧により、素管１１ａの内周面に多数の平行な螺旋状をした螺旋状溝を形成することができる。
前記溝加工部１４を通過することで、内面溝付管１１を得ることができる。
【００４２】
前記仕上げ加工部１５では、整径ダイス２７を備え、該整径ダイス２７のダイス孔２７ａを内面溝付管１１が通過することにより、例えば、前記溝加工部１４におけるボール２６の押圧により生じた管表面の歪み等を滑らかに整径する加工を行っている。
【００４３】
前記引抜装置１６は、巻取りドラム３６、及び、巻取り用のモータＭ１を備え、該モータＭ１の回転駆動により内面溝付管１１を引張りながら巻取りドラム３６に巻き付けている。
【００４４】
前記補助引抜装置１７は、縮径部１３と溝加工部１４との間で、素管１１ａを引抜方向へ引き抜くことで引抜装置１６による引抜きを補助している。すなわち、前記溝加工部１４による溝加工は、素管１１ａを引抜く際の抵抗となり、この溝加工の際の引抜きの負荷が大きくなるが、補助引抜装置１７により素管１１ａにかかる前記引抜き負荷を分散させることができる。
【００４５】
前記補助引抜装置１７は、素管１１ａに対して上下各側、或いは、左右各側に配置された一対のベルト４２ａ，４２ｂを備えている。各ベルト４２ａ，４２ｂは、ループ状（無端状）に形成され、モータＭ２の回転駆動により回転可能にプーリー４３に張架されている。ベルト４２ａ，４２ｂは、外周面に、その長さ方向に沿って複数のパッド４４を連設したキャタピラ式に構成している。
【００４６】
前記補助引抜装置１７における一対のベルト４２ａ，４２ｂは、十分な引抜力を得ることと素管１１ａの変形を防止するといった観点からパッド４４による素管１１ａの押し付け力が例えば、０．３ＭＰａの所望の押し付け力に保たれるよう素管１１ａに対して各側に備えている。
【００４７】
前記パッド４４には、図示しないが、縮径部１３により縮径後の素管１１ａの外面との接触部分に、複数のパッド４４の連設方向に対する切断面が円弧状となるパッド溝４４ａを形成している。
なお、前記補助引抜装置１７の上流側には、素管１１ａの外表面に付着した油膜や異物を除去するためのワイパーを備えてもよい（図示せず）。
【００４８】
前記可動台３３は、固定台５０に対して引抜方向、或いは、その逆方向に平行移動可能なように複数の車輪３３ａを介して固定台５０に設置され、上述した縮径部１３、溝加工部１４、仕上げ加工部１５、及び、補助引抜装置１７を、ボックス３２に収容した状態で設置している。
【００４９】
ロードセル３５は、固定台５０上であって可動台３３における引抜方向の下流側端部分に、素管１１ａの引抜き力に応じて可動台３３から受ける加工荷重Ｐを検出可能に設けている。
【００５０】
前記制御装置４５は、ロードセル３５により検出した加工荷重Ｐを電気信号化した荷重検出信号Ｓｉｎが入力され、制御プログラムに従って、補助引抜装置１７のモータＭ２の駆動を制御する制御信号Ｓｏｕｔを出力する。
【００５１】
さらに、前記制御装置４５は、図示しないが信号の解析処理および演算処理を実行するための演算機（ＣＰＵ）、必要な制御プログラムを格納するためのハードディスク、及び、前記荷重検出信号Ｓｉｎを一時格納するためのメモリを備え、その他にも、制御パラメータを入力するキーボードなどの入力手段、モニタなどの表示手段を適宜、備えることができる。
【００５２】
本実施形態における内面溝付管１１の製造方法は、上述した内面溝付管の製造装置１２を用いて行なう。
詳しくは、本実施形態における内面溝付管１１の製造方法は、整径ダイス２７を通過後の内面溝付管１１を一次仕上げ管とすると、一次仕上げ管の軸方向断面積をＡＣ１（ｍｍ２）、一次仕上げ管の破断応力をσＭ（Ｎ／ｍｍ２）としたとき、加工荷重Ｐが（ＡＣ１×σＭ）の０．５倍から０．９倍の間になるよう補助引抜装置１７のモータＭ２の速度を制御することにより、所望の形状の一次仕上げ管を製造する方法である。
【００５３】
このように、補助引抜装置１７のモータＭ２の速度を、Ｐ≧０．５×（ＡＣ１×σＭ）の間になるよう制御するのは、Ｐ＜０．５×（ＡＣ１×σＭ）であると、補助引抜装置１７の駆動力の僅かな変動で管内面形状が変化し易くなり、溝深さ等が一定でなくなるからである。
【００５４】
補助引抜装置１７のモータＭ２の速度を、Ｐ≦０．９×（ＡＣ１×σＭ）の間になるよう制御するのは、Ｐ＞０．９×（ＡＣ１×σＭ）であると、管に有する僅かな肉厚変動や、引抜力の変動により、管が破断してしまうからである。
【００５５】
上述した内面溝付管１１の製造方法により、図２、及び、図３に示すように、外径Ｄが３ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲、溝２の深さＨが０．０７ｍｍ以上であって０．１０ｍｍから０．３０ｍｍの範囲、管の中心軸に対する溝２のねじれ角βが３０度から６０度の範囲、隣り合う溝２と溝２の間で形成されるフィン１の頂角αが５度から２０度の範囲であり、管の軸方向に対する断面積をＡＣ１（ｍｍ２）としたとき、ＡＣ１＜０．８×Ｄである内面溝付管１１を製造することができる。
なお、ＡＣ１＜０．８×Ｄというのは、従来と比較して肉厚が薄い管であることを示す。
これは、断面積を変えずにフィン１をならして溝２をなくしたときの平均肉厚がｔ’ｍｍであると仮定すると、肉厚が十分薄い場合において、ＡＣ≒πＤｔ’との関係が成り立ち、管の肉厚が、薄肉である例えば、ｔ’＜０．２５５を実現するためには、上述したように、断面積がＡＣ＜０．８×Ｄの関係を満たす必要があるからである。
【００５６】
また、ＡＣ＜０．８×Ｄのように、従来と比較して管の肉厚が薄い場合には、加工が困難になる。これは、単に断面積が小さくなることで破断荷重が小さくなるからだけでなく、以下のように溝付け加工特有の問題があるからである。
【００５７】
すなわち、肉厚が薄くなると、管壁がボールの公転方向に座屈し易くなり、管壁の一部がプラグの溝に充填される前に、管を構成する材料が半径方向外側に逃げてしまうからである。
【００５８】
特に、従来の加工では、管の引抜方向に加わる荷重が大きくなるが、このように、軸方向の引張り力が大きいほど、周方向への変形が困難になり、溝加工がし難くなる。
【００５９】
これに対して、上述した内面溝付管１１の製造方法によれば、管に加わる引抜方向への荷重が上述した制御により低減され、肉厚が薄い管に対して溝付け加工する場合でも、周方向の座屈を抑えることが可能になる。
【００６０】
以上により、前記内面溝付管１１は、従来技術よりも溝深さを大きく、ねじれ角を大きく、頂角を小さくすることができ、熱伝達性能が大きい伝熱管とすることができる。さらに、断面積を小さくすることにより、軽量で省資源化した伝熱管とすることができる。また、このような高性能で軽量な伝熱管を用いることにより、熱交換器を小型、軽量にすることができる。
【００６１】
また、上述した実施形態では、制御装置により補助引抜装置１７のモータＭ２の速度を制御する方法について述べたが、速度を制御パラメータとして制御するに限らず、モータＭ２の加速度、トルク、回転角度、或いは、これら複数を制御パラメータとして制御してもよい。
【００６２】
また、図１では前記補助引抜装置１７の駆動に、モーターＭ２を１つ取り付けた例を示しているが、左右それぞれにモーターを取り付けて２台で運転させてもよい。
このような場合、サーボ機構のような目標運転制御値に追従できるようなモーターを使用して、本発明のような破断が生じやすい難加工形状を有する内面溝付管加工時の加工荷重Ｐを、より詳細に制御できるようになって、設備運転の安定化に有効である。
【００６３】
さらにまた、本発明の製造方法は、少なくとも補助引抜装置１７を制御する方法であればよく、例えば、Ｐが（ＡＣ１×σＭ）の０．５倍から０．９倍の間になるよう例えば、補助引抜装置１７と引抜装置１６との双方を制御してもよい。
【００６４】
続いて、前記方法で構成した内面溝付管１１について実施した性能比較実験について説明する。
まず、前記各素管１１ａを、以下に示す適宜の条件の下、内面溝加工装置にかけ、内面溝付管として一次仕上げ管を作製する加工実験を行った。
本実験において、外径Ｄ、溝数、底肉厚ｔ、溝深さＨ、ねじれ角β、頂角α、溝底幅Ｗ１、山底幅Ｗ２、溝底幅Ｗ１と溝深さＨの比、軸方向に対する断面積ＡＣ１（それぞれ図２参照）をパラメータとして、以下の表１に示すような実施例１，２の内面溝付管１１、及び、これらの比較対照として比較例１から４の内面溝付管の製造を試みた。
【００６５】
詳しくは、実施例１，２、比較例１から４のそれぞれについて、加工原料として外径８ｍｍで内面が平滑な銅管（素管１１ａ）を複数本準備し、連続１０００ｍ以上を目標とする加工を５回行い、破断なく１０００ｍ以上の加工ができた回数を比較する加工歩留り実験を行なった。
【００６６】
実施例１，２は、上述した本発明の加工方法で行ったもの、すなわち、上述した製造装置１２を用いて、加工荷重Ｐが０．５×（ＡＣ１×σＭ）≦Ｐ≦０．９×（ＡＣ１×σＭ）になるよう補助引抜装置１７のモータＭ２の速度を制御する加工方法で製造したものである。
なお、実施例１，２では、目標引き抜き荷重をそれぞれ１２００Ｎ、７００Ｎに設定して実験を行なっている。
【００６７】
これに対して、比較例１，２では、上述した製造装置１２を用いて加工しているが、加工荷重Ｐが本発明の条件から外れた設定で製造したものである。
なお、比較例１，２では、目標引き抜き荷重をそれぞれ１２５０Ｎ、６００Ｎに設定して実験を行なっている。
【００６８】
比較例３，４では、前記特許文献３（特開２００１−２４１８７７号公報）に開示の内面溝付管の製造方法で行なったものである。すなわち、比較例３，４では、補助引抜装置１７を具備せずに、引抜き装置のみで素管１１ａを引抜く製造装置を用いて製造したものである。
【００６９】
実施例１，２、比較例１から４のそれぞれについて、一次仕上げ管の加工実験の結果を表１に示す。
【００７０】
【表１】
この結果からわかるように、実施例１，２については、本発明の装置構成１２を用い、Ｐを（ＡＣ１×σＭ）の０．５倍から０．９倍の間に制御して加工することにより、いずれも５回の試験中５回とも、表１に示すような形状の内面溝付管に安定して加工することができた。
【００７１】
なお、一次仕上げ管の頂角が１６度より小さい場合、溝付プラグ２４の溝を細く形成しておく必要があり、この溝付プラグ２４の細い溝に管肉をしっかりと充填できないため、加工が困難になる。
よって、実施例１，２のように、頂角を１６度で加工することができる本発明の製造方法は特に有効であるといえる。
【００７２】
一方、比較例１，２では、５回の加工中問題なく加工できたのはそれぞれ３回、１回となり、いずれも歩留まりが低下した。この結果より、加工荷重Ｐの範囲が本発明の条件を外れると、加工の安定性が低下することが明らかになり、本発明の製造方法の有効性を実証することができた。
【００７３】
比較例３では、５回全て破断せずに加工できたが、例えば、外径Ｄが６ｍｍより大きい８ｍｍであり、頂角αが２０度より大きい２３度であり、軸方向に対する断面積ＡＣ１が０．８Ｄより大きい７．６ｍｍ２となり、本発明の形状は得られなかった。
【００７４】
比較例４では、比較例３と同じ製造装置を用い、特に、外径Ｄが実施例１，２と同じ６ｍｍに加工することを試みたが、５回の加工中問題なく加工できたものは０回であり、いずれも加工を開始するとすぐに破断し、加工の継続が不可能であった。
【００７５】
続いて、上述した加工実験で得られた実施例１，２、比較例３の一次仕上げ管について、それぞれ空引きダイス（図示せず）によって空引きし、所望の外径の最終仕上げ管として伝熱管を得る空引き加工実験を行なった。
【００７６】
詳しくは、空引きとは、一次仕上げ管の内面に直接、加工を加えずに、該一次仕上げ管をダイスに通して引き抜くもので、該空引きにより、外径が減少するとともに、肉厚も若干減少する。また、長手方向に伸びるのに伴い、ねじり角は低下する。
なお、空引きは、一般に一次仕上げ管が所望の外径であれば、行わず、所望の外径よりも大きい場合に、一次仕上げ管に対して行なう加工であるが、本実験では、空引き後の管形状について評価するために実施例１または２、及び、比較例３について空引き加工実験を行なった。
【００７７】
これにより、以下の表２に示すような実施例３、比較例５の伝熱管を製造することができる。
【００７８】
【表２】
なお、実施例３は、実施例１または２の一次仕上げ管を空引きして外径を５ｍｍまで縮径したものである。比較例５は、比較例３の一次仕上げ管を空引きして外径７ｍｍまで縮径したものである。
【００７９】
ここで、一次仕上げ管と、空引きを経た最終仕上げ管では、外径と断面積の比が厳密には一致しないが、実施の範囲では空引きの縮径率（外径の減少率）は１０〜２０％程度であり、この範囲内では、ＡＣ１／Ｄ１≒ＡＣ／Ｄとなっている。
なお、ＡＣ１，Ｄ１は、それぞれ一次仕上げ管の軸方向に対する断面積、外径を示し、ＡＣ，Ｄは、それぞれ最終仕上げ管の軸方向に対する断面積、外径を示す。
【００８０】
表２からわかるように、実施例３では、外径Ｄが３ｍｍ以上６ｍｍ以下である５ｍｍ、溝２の深さＨが０．０７ｍｍ以上であって０．１０ｍｍから０．３０ｍｍである０．１５ｍｍ、管の中心軸に対する溝２のねじれ角βが３０度から６０度である４０度、隣り合う溝２と溝２の間で形成されるフィン１の頂角αが５度から２０度である１０度であり、管の軸方向に対する断面積ＡＣが外径Ｄの０．８倍よりも小さな３．８ｍｍ２となり、空引き後も本発明の条件を満たす所望の形状の伝熱管が得られた。
【００８１】
一方、比較例５は、上述したとおり比較例３を一次仕上げ管として空引きしたものであるが、例えば、ＡＣ１＞０．８Ｄ１であるなどの点で所望の形状から外れている比較例３を空引きしても所望の形状に加工できなかった（ＡＣ＞０．８Ｄのまま）。
【００８２】
これは、空引きによる縮径率があまり大きすぎるとねじれ角が小さくなったり、フィン１が分断されてしまい、空引きで縮径できる縮径率には、限界があるからである。
また、実施例３、比較例５は、表２に示すように伝熱性能の評価も行なった。実施例３の伝熱性能は、比較例５の凝縮管内熱伝達率の値を１００としたときの相対的な伝熱性能で示している。
【００８３】
伝熱性能の算出に用いる凝縮管内熱伝達率は、以下の測定方法によって測定している。
前記各サンプル管を、それぞれ水平に設置した二重管式熱交換器サンプルの内管として挿入し、それらのサンプル内へ冷媒（Ｒ４１０ａ）を流すとともに、外管と内管との間の二重管部に冷却水を冷媒に対して対抗流となるように流し、冷却水と冷媒とで熱交換させることにより、冷媒を冷却させた。
【００８４】
そのときの熱交換量から、冷媒の質量流速３００ｋｇ／ｍ２ｓｅｃにおける管内熱（凝縮熱）伝達率を測定（管外面基準で測定）した。
【００８５】
表２に示すように、本発明の実施例３では、１３７となり、比較例５よりも高い伝熱性能が得られた。
なお、凝縮管内熱伝達率は、径にも依存するため、本来は、実施例３、比較例５は、同径のもの同士で伝熱性能を比較評価すべきであるが、上述したとおり、比較例５（すなわち、比較例３，４）の製造方法では、本発明のような外径Ｄが６ｍｍ以下という小径な管が製造できないため、表２には、異なる径の管同士で比較した伝熱性能を示している。
【００８６】
最後に、上述した本発明の製造方法により、最終仕上げ管として表３に示すような実施例４から８を製造し、これら実施例４から８をもとに本発明の内面溝付管の製造方法の有効性の検証を行なった。
なお、実施例６は、実施例１または２の一次仕上げ管を空引きしたものを用いている。
【００８７】
【表３】
表３に示すように、実施例４から８は、いずれも上述した本発明の内面溝付管１１の範囲を満たす所望の形状となり、高い歩留まりで加工することができた。
【００８８】
表３の結果より、本発明の製造方法によれば、従来技術よりも溝深さが大きく、ねじれ角が大きく、頂角が小さい本発明の内面溝付管１１の範囲を満たす所望の形状の内面溝付管１１を製造することができ、熱伝達性能が大きい伝熱管を製造することができることを実証することができた。
【００８９】
さらに、断面積を小さくすることにより、軽量で省資源化できる。これはエアコンや給湯器などのヒートポンプ機器の熱交換器用として最適で、高性能な伝熱管である。
【００９０】
なお、上述した性能評価実験では、一次仕上げ管を作成後に空引きを行なったが、本発明の内面溝付管については、空引きを行なったものを製品とする形態に限らず、一次仕上げ管の形状で製品とする形態も含む。
【００９１】
また、上述の実施形態と、この発明の構成との対応において、この実施形態の
縮径部１３は、この発明の縮径手段に対応し、以下同様に、
溝加工部１４は、溝加工手段に対応し、
引抜装置１６は、引抜手段に対応し、
補助引抜装置１７は、補助引抜手段に対応し、
可動部３３は、可動手段に対応し、
ロードセル３５は、荷重検出手段に対応し、
制御装置４５は、制御手段に対応し、
固定台５０は、設置部に対応し、
一次仕上げ管、或いは、最終仕上げ管は、溝加工手段通過後の管に対応する。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本実施形態の内面溝付管の製造装置を示す断面図。
【図２】本実施形態の内面溝付管を管軸に対して直角に切断した一部を示す断面図。
【図３】本実施形態の内面溝付管の管軸を通る面における断面図。
【符号の説明】
【００９３】
１１…内面溝付管
１２…内面溝付管の製造装置
１３…縮径部
１４…溝加工部
１６…引抜装置
１７…補助引抜装置
３３…可動台
３５…ロードセル
４５…制御装置
５０…固定台
Ｐ…加工荷重
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管の中心軸に対する溝のねじれ角をβ（度）、隣り合う溝と溝の間で形成されるフィンの頂角をα（度）としたとき、
βが３０から６０、αが５から２０であり、
外径をＤ（ｍｍ）、溝の深さをＨ（ｍｍ）、管の軸方向に対する断面積をＡＣ（ｍｍ２）としたとき、
Ｄが６以下、Ｈが０．０７以上で、ＡＣ＜０．８×Ｄである
内面溝付管。
【請求項２】
外径Ｄ（ｍｍ）が３以上である
請求項１に記載の内面溝付管。
【請求項３】
溝の深さＨ（ｍｍ）が０．１０から０．３０である
請求項１、又は、請求項２に記載の内面溝付管。
【請求項４】
素管を引抜いて縮径させる縮径手段と、素管内面に多数の溝を形成する溝加工手段と、該溝加工手段の下流側で加工済みの内面溝付管を巻き取る巻取りドラムを兼ねた引抜手段と、前記縮径手段と前記溝加工手段との間で素管を引抜く補助引抜手段と、前記縮径手段、前記補助引抜手段、及び、前記溝加工手段を支持し、設置部に対して引抜方向へ移動可能な可動手段と、前記可動手段の前記設置部に対する移動に応じて作用する加工荷重を検出する荷重検出手段と、前記荷重検出手段により検出した前記加工荷重に基づいて、前記補助引抜手段を制御する制御手段とを備えた内面溝付管の製造装置を用いて、
管の中心軸に対する溝のねじれ角をβ（度）、隣り合う溝と溝の間で形成されるフィンの頂角をα（度）としたとき、βが３０から６０、αが５から２０であり、外径をＤ（ｍｍ）、溝の深さをＨ（ｍｍ）、管の軸方向に対する断面積をＡＣ（ｍｍ２）としたとき、Ｄが６以下、Ｈが０．０７以上で、ＡＣ＜０．８×Ｄである内面溝付管の製造方法であって、
前記加工荷重をＰ（Ｎ）、前記溝加工手段通過後の管の軸方向に対する断面積をＡＣ１（ｍｍ２）、前記溝加工手段通過後の管の破断応力をσＭ（Ｎ／ｍｍ２）としたとき、
Ｐが（ＡＣ１×σＭ）の０．５倍から０．９倍の間になるよう前記補助引抜手段を制御する
内面溝付管の製造方法。
【請求項５】
外径Ｄ（ｍｍ）が３以上である
請求項４に記載の内面溝付管の製造方法。
【請求項６】
溝の深さＨ（ｍｍ）が０．１０から０．３０である
請求項４、又は、請求項５に記載の内面溝付管の製造方法。
【請求項１】
管の中心軸に対する溝のねじれ角をβ（度）、隣り合う溝と溝の間で形成されるフィンの頂角をα（度）としたとき、
βが３０から６０、αが５から２０であり、
外径をＤ（ｍｍ）、溝の深さをＨ（ｍｍ）、管の軸方向に対する断面積をＡＣ（ｍｍ２）としたとき、
Ｄが６以下、Ｈが０．０７以上で、ＡＣ＜０．８×Ｄである
内面溝付管。
【請求項２】
外径Ｄ（ｍｍ）が３以上である
請求項１に記載の内面溝付管。
【請求項３】
溝の深さＨ（ｍｍ）が０．１０から０．３０である
請求項１、又は、請求項２に記載の内面溝付管。
【請求項４】
素管を引抜いて縮径させる縮径手段と、素管内面に多数の溝を形成する溝加工手段と、該溝加工手段の下流側で加工済みの内面溝付管を巻き取る巻取りドラムを兼ねた引抜手段と、前記縮径手段と前記溝加工手段との間で素管を引抜く補助引抜手段と、前記縮径手段、前記補助引抜手段、及び、前記溝加工手段を支持し、設置部に対して引抜方向へ移動可能な可動手段と、前記可動手段の前記設置部に対する移動に応じて作用する加工荷重を検出する荷重検出手段と、前記荷重検出手段により検出した前記加工荷重に基づいて、前記補助引抜手段を制御する制御手段とを備えた内面溝付管の製造装置を用いて、
管の中心軸に対する溝のねじれ角をβ（度）、隣り合う溝と溝の間で形成されるフィンの頂角をα（度）としたとき、βが３０から６０、αが５から２０であり、外径をＤ（ｍｍ）、溝の深さをＨ（ｍｍ）、管の軸方向に対する断面積をＡＣ（ｍｍ２）としたとき、Ｄが６以下、Ｈが０．０７以上で、ＡＣ＜０．８×Ｄである内面溝付管の製造方法であって、
前記加工荷重をＰ（Ｎ）、前記溝加工手段通過後の管の軸方向に対する断面積をＡＣ１（ｍｍ２）、前記溝加工手段通過後の管の破断応力をσＭ（Ｎ／ｍｍ２）としたとき、
Ｐが（ＡＣ１×σＭ）の０．５倍から０．９倍の間になるよう前記補助引抜手段を制御する
内面溝付管の製造方法。
【請求項５】
外径Ｄ（ｍｍ）が３以上である
請求項４に記載の内面溝付管の製造方法。
【請求項６】
溝の深さＨ（ｍｍ）が０．１０から０．３０である
請求項４、又は、請求項５に記載の内面溝付管の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−１３１６６１（Ｐ２０１０−１３１６６１Ａ）
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１２０１６（Ｐ２００８−３１２０１６）
【出願日】平成２０年１２月８日（２００８．１２．８）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月８日（２００８．１２．８）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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