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発明の名称 スパイラルフィンのピッチ可変密着巻き付け装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平10−166087
公開日 平成10年(1998)6月23日
出願番号 特願平8−326420
出願日 平成8年(1996)12月6日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】滝本 智之 (外1名)
発明者 岡本 多郁士 / 那須 均 / 玉置 貞文 / 宮東 正行
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 チューブ中心軸に対して垂直面に設置され、連続したフィン材を厚さ方向で挟み込むように厚さ規制するフィン厚さ規正ガイドプレートと、連続したフィン材を狭着して回転する一対の押し込みローラと、チューブより押し込みローラ側でフィンの直線部の巻き付け外側を保持する初期巻きローラと、巻き付けられたフィンをチューブにレーザ溶接する際、強固な接合を得るためにフィンをチューブに対して位置決め加圧するフィン位置決め加圧ローラと、チューブ端をチャックしてチューブを所望する回転ピッチで駆動する回転ピッチ駆動装置と、レーザ発振機からのレーザ光を照射するレーザ出射鏡筒とを備え、前記フィン厚さ規制ガイドプレートによってチューブ垂直面でフィン厚さ方向に厚さ規制されたフィン材が押し込みローラでチューブより延在したフィン端を、初期巻きローラでチューブに初期巻きを行ってフィン端をフィン位置決め加圧ローラでチューブに位置決め加圧した状態でフィンとチューブの接触部にレーザ光を照射して溶接した後、押し込みローラと押し付けローラによりチューブへのフィンの巻き付けを進行させると同時に、前記回転ピッチ駆動装置がチューブを回転ピッチ駆動することによって、フィンを巻き付けながらピッチ拡大するスパイラルフィンのピッチ可変密着巻き付け装置。
【請求項2】 回転ピッチ駆動装置のピッチ送り機構で、チューブを回転駆動するチューブ回転モータと、チューブをピッチ駆動するチューブピッチ駆動モータを設置することによって回転ピッチ駆動を可変とすることにより、スパイラルフィン巻き付け途中でフィンピッチを変更することを可能とする請求項1記載のスパイラルフィンのピッチ可変密着巻き付け装置。
【請求項3】 フィンの巻き始点、巻き終点、フィンピッチ変更点及びその他の任意の点において、レーザ発振機からのレーザ光をレーザ出射鏡筒に光ファイバで導くと共に、レーザ出射鏡筒を保持する多関節ロボットを備え、出射鏡筒から照射されたレーザ光をフィンとチューブの接触部のチューブ円周方向に沿って焦光させてフィンとチューブを接合する請求項1または請求項2記載のスパイラルフィンピッチ可変密着巻き付け装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、冷蔵庫、ショーケース、自動車等の伝熱部品として使用されるチューブ外周に連続したフィン材をスパイラル状に巻き付けて構成したスパイラルフィン付き伝熱チューブの製造装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、そのコストパフォーマンスの高さにより冷蔵庫、ショーケース、自動車等に、直線状のチューブにスパイラル状に巻き付けた金属フィンよりなるスパイラルフィン付き伝熱チューブが熱交換器として多用されてきている。スパイラルフィン付き伝熱チューブの製造方法は多種多様であるが、冷蔵庫等の小型のものでは、圧延によりフィンをコイル状に成形しながら直接チューブに巻き付ける方法が主体である。
【0003】従来のスパイラルフィン巻き付け装置としては、特公平1−34683号公報に示されているものがある。
【0004】以下、図面を参照しながら上記従来のスパイラルフィンの巻き付け装置を説明する。
【0005】図6は、従来のスパイラルフィン巻き付け装置を示す平面図である。図6において、1はフィン、2はチューブ、3はローリングパン、4はスピンドルロールである。
【0006】断面が矩形状のフィン1を、図のようにローリングパン3とスピンドルロール4に挟んで圧延することによってフィンコイルを形成する装置で、ローリングパン3の圧延面は、チューブ側の圧下量をほとんど零とし、外側に向かって直線的に圧下量が増加するように傾斜したものとなっている。
【0007】図6に示すローリングパン3とスピンドルロール4の間に、フィン1を挟んでスピンドルロール4を回転駆動することによって、フィン1は圧延されスパイラル状に形成される。同時に形成されたスパイラルフィンの内周面よりわずかに小さい外周直径をもつチューブを、図6の右方からスパイラルフィン内周面内に送り込み、チューブにフィンの巻き付けを進行させる。
【0008】さらにスパイラルフィン径を安定させるために圧延曲げ加工前においてフィン1に張力を付加する装置を備え、その張力を制御しながらフィン1をチューブ2にスパイラルに巻き付ける方法もある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の巻き付け方法では、ローリングパン3およびスピンドルロール4の回転数すなわち圧延曲げ速度や、ローリングパン3とスピンドルロール4の隙間が変化すると、形成されるスパイラルフィンの内径が変化するため、フィン1の倒れや緩みが発生するという欠点があった。
【0010】このためのチューブ2の外周面に溝付けを行って、スパイラルフィンを挿入してかしめる方法があるが、チューブへの溝加工やかしめの必要が生じるため、生産性が低下するという欠点があった。
【0011】また、フィンとチューブの密着度が低いために熱交換性能が低いという欠点があった。
【0012】このため炉中ろう付けによってフィンとチューブに金属接合を施して必要な熱交換性能を確保する方法がとられているが、生産性が低下してコストアップにつながるという問題がある。
【0013】さらにフィンピッチを巻き付け途中で自由に変更出来ないため、熱交換器の要求特性に応じた設計自由度が無いという欠点があった。
【0014】本発明は従来の課題を解決するもので、スパイラルフィン付き伝熱チューブを製造する装置において、フィンとチューブの密着度を向上させることによって、フィンとチューブのかしめ加工や炉中ろう付けを行なわずに高効率なスパイラルフィン付き伝熱チューブを得る製造装置を提供することを目的とする。
【0015】本発明の他の目的は、巻き付け途中でフィンピッチ変更を可能とすることによって、熱交換器の要求特性に応じた設計自由度の向上を図ることである。
【0016】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため本発明は、スパイラルフィン付き伝熱チューブを製造する際、スパイラルフィンの巻き付けにおいてチューブ垂直面で巻き付けたフィンを巻き付けながらピッチ拡大することによって、残留応力によるスパイラルフィンの加圧巻きを可能とすると共に、巻き付け装置内において多関節ロボットに持たせた出射鏡筒からレーザ光を照射してフィンとチューブの接触部分を所定の長さに渡って連続的に接合して強固に固定することによって、巻き付け時のフィンの加圧巻きが保持できることから熱交換性能の向上を可能とするものである。
【0017】またさらに、ピッチ拡大量を可変とすることによってフィン巻き付けピッチの変更を可能とし、フィンピッチ変更点では前記のレーザ溶接装置によってフィンとチューブを溶接することにより、フィンピッチを巻き付け途中で変更することが可能なり、よって熱交換器仕様の自由度の向上によるスパイラルフィン付き伝熱管の適用範囲の拡大を可能とするものである。
【0018】
【発明の実施の形態】本発明は、チューブ中心軸に対して垂直面に設置され、連続したフィン材を厚さ方向で挟み込むように厚さ規制するフィン厚さ規制ガイドプレートと、連続したフィン材を狭着して回転する一対のフィン押し込みローラと、チューブより押し込みローラ側でフィンの直線部の巻き付け外側を保持するガイドローラと、フィン押し込みローラと対向してチューブ外周を揺動可能に軸支したフィン押し付けローラと、巻き付けられたフィンをチューブに位置決め加圧するフィン位置決め加圧ローラと、チューブ端をチャックしてチューブを所望する回転ピッチ駆動する回転ピッチ駆動装置と、レーザ発振機からのレーザ光をレーザ出射鏡筒に光ファイバで導くと共に、レーザ出射鏡筒を保持する多関節ロボットを備え、前記のフィン厚さ規制ガイドプレートによってチューブ垂直面でフィン厚さ方向に厚さ規制されたフィン材が押し込みローラでチューブより延在したフィン端を初期巻きローラてチューブに初期巻きを行ってフィン端をフィン位置決め加圧ローラでチューブに位置決め加圧した状態でフィンとチューブの接触部にレーザ光を照射して溶接した後、押し込みローラと押し付けローラによりチューブへのフィンの巻き付けを進行させると同時に、前記の回転ピッチ駆動装置がチューブを回転ピッチ駆動することによって、フィンを巻き付けながらピッチ拡大するものである。
【0019】例えばφ5のチューブ直交面でフィンを巻き付けた場合のフィンとチューブとの接触長は15.7mm/周である。これをピッチ5mmに拡大することによって接触長は16.5mm/周になる。すなわち、フィンピッチを拡大することによってフィン曲げRが拡大されることになるため、残留応力による締め付け力が、結果としてフィンとチューブの密着度向上による熱交換性能の向上へ寄与するものである。
【0020】これにより、フィンとチューブには残留応力による巻き付け加圧力が生じ、強固な密着巻きを可能とするものである。
【0021】また、回転ピッチ駆動装置のピッチ送り機構で、チューブを回転駆動するチューブ回転モータと、チューブをピッチ駆動するチューブピッチ駆動モータを設置することにより、ピッチ回転駆動を可変とすることでスパイラルフィン巻き付け途中でフィン巻き付けピッチを変更することを可能とするものである。
【0022】また、レーザ発振機からのレーザ光をレーザ出射鏡筒に光ファイバで導くと共に、レーザ出射鏡筒を保持する多関節ロボットを備え、フィン巻き付け装置内からフィンを巻き付けたスパイラルフィン付きチューブを取り出すことなく出射鏡筒から照射されたレーザ光をフィンとチューブの接触部のチューブ円周方向に沿って焦光させてフィンとチューブを接合するものである。
【0023】これにより、フィン巻き付け開始点と終了点及びフィンピッチ切替点を含む任意点で、フィン位置決め加圧ローラでフィンをチューブに位置決め加圧してチューブを回転させずにフィンとチューブの接触部をその円周方向に沿った所定長さの曲線部分を常にレーザの焦点に合わせた状態で、且つ最適な照射角度を確保しつつ溶接することができることから、フィン巻き付け時のフィンの巻き付け加圧力とピッチを確保した状態でフィンとチューブを固定することと、フィンの残留応力による溶接部の外れを発生させない強固な溶接を可能としたものである。
【0024】
【実施例】以下、本発明によるスパイラルフィンのピッチ可変密着巻き付け装置の一実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、従来と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【0025】図1は、本発明の一実施例による巻き付け機構装置の平面図で、図2は同実施例による巻き付け装置全体の斜視図である。図3は本発明の一実施例によるフィン初期曲げ機構を示す正面図で、図4は同実施例によるフィン巻き始め状態を示す斜視図である。
【0026】図において、12a,12bはフィン厚さ規制ガイドプレートで、チューブ2の回転中心軸に対して鉛直なる面でフィンを挟み込むように設置することによりフィン厚さ方向を規制するものであり、その規制面はフィン1がフィン押し込みローラ13a,13bを通過してからチューブ位置までの区間及びフィン1がチューブ2に巻き付けられた巻き付け角度が約120度までの区間において、フィンの厚さ方向を規制するものである。
【0027】11a,11bはフィン押し付けローラで、その回転中心軸はチューブ2の回転中心軸に平行な位置に設置され、チューブ2との距離をフィン1巾と一致させることによってフィンの巾方向を規制し、フィンの進行方向を強制的にフィンをチューブに巻き付ける方向に曲げることによって、フィン1をチューブ2に巻き付ける。
【0028】13a,13bはフィン押し込みローラ、16は押し込みモータで、連続した金属薄板のフィン1を一対のフィン押し込みローラ13a,13bで挟着し、押し込みモータ16により回転されてフィン1はチューブ2、フィン押し付けローラ11、フィン厚さ規制ガイドプレート13によってフィンの巾方向、厚さ方向に規制された空間に押し込まれることによって、フィン1はチューブ2に巻き付けられる。
【0029】14は回転チャック、17はチューブ回転モータ、18はチューブピッチ駆動モータで、20はこれらを配置したテーブル、19はスライドレールで、チューブ2端を回転チャック14でクランプしてチューブ回転モータ17でチューブ2を回転させながらチューブピッチ駆動モータ17でスライドレール19に沿って走行することによって、チューブにピッチ回転駆動を与えるものである。
【0030】21はレーザ出射鏡筒、22はレーザ出射鏡筒駆動装置の多関節ロボット、23は光ファイバ、24はレーザ発振ユニットで、レーザ発振ユニット24からのレーザ光は、光ファイバ23で出射鏡筒21に導光され、出射鏡筒21内に収納された焦光レンズで1点に焦光される。このレーザ光の焦点がフィン1とチューブ2の接触部に位置するようにレーザ出射鏡筒駆動装置22により出射鏡筒21の位置決めが行われる。
【0031】25はフィンの初期巻きを行う初期巻きローラで旋回中心26で旋回駆動するものであり、旋回中心26はチューブ2の中心である巻き付け中心28に対してフィン押し込みローラ13と反対側の横方向と巻き付け開始点Aへの縦方向にそれぞれ偏心している。本実施例ではこの偏心量は縦、横方向共にチューブ2の外径の略3分の1に設定してある。また、初期巻きローラ25の戻り状態でローラ外周がフィン1の巻き付け開始点Aより押し込みローラ13側の巻き付け外側の直線部分に接触するように位置させて、フィン1のガイドローラの機能を兼ね備えている。
【0032】27はフィン押し付けローラ11a,11bを設けた揺動レバーで、チューブ2とフィン押し付けローラ11の距離がフィン1の巾と一致する押し付け位置と、初期巻きローラ25を旋回させたときに干渉しない待避位置となるよう往復揺動するものである。
【0033】29はフィン位置決め加圧ローラで、巻き付けられたフィン1の外周に沿って当接する溝を有し、駆動シリンダによってフィン1をチューブ2に押し付けるもので、フィン位置決め加圧ローラ29で押し付けられたフィン1とチューブ2の接触部分にレーザ光を焦光させて接合するものである。
【0034】30は切断パンチ、31はダイでこれらの組み合わせで一般的なパンチプレスを構成し、フィン1を長さ方向に対して直角な辺とチューブ2への巻き付け側でフィン1巾の略2分の1の大きさの面取り辺を切断部の両側に形成される形状に切断パンチ30及びダイ31を成形している。
【0035】以上のように構成されたスパイラルフィンのピッチ可変密着巻き付け装置について、以下にその動作を説明する。
【0036】フィン1はフィン押し込みローラ13a,13bによって狭着され、押し込みモータ16の回転でフィン押し込みローラが回転することによってフィン厚さ規制ガイドプレート12a,12bがフィン厚さ方向を規制する空間にチューブ2の上面を通過して設定量だけ延在させた後に、初期巻きローラ25が旋回中心26を軸心にしてチューブ2の回りを回転する。
【0037】旋回中心26はチューブ2の中心である巻き付け中心28よりフィン端方向に偏心しているため、初期巻きローラ25はフィン1とチューブ2との接触点で曲げ加工され、チューブ2への巻き付けが進行する。
【0038】フィン1のチューブ2への巻き付けの進に伴い、フィン端のチューブ2からの延在距離は減少するが、旋回中心26が巻き付け開始点Aの方向にも偏心しているため、初期曲げが進行するに従って初期巻きローラ25とチューブ2の距離も減少し、フィン端を追いかける形で回転していく。
【0039】フィン端の内周側には面取り加工が施されているため、内周側の端がチューブ2と接触した状態でもフィン端の外周側には直線部が残り、この部分と初期巻きローラ25が接触することで、内周端の巻き付けが終了した時でも充分な曲げモーメントが付加できる。
【0040】さらに初期巻きローラ25の旋回角度を進行すると、初期巻きローラ25とチューブ2の距離がフィン1の巾より僅かに狭くなる位置で初期巻きローラ25フィン端から外れるよう初期巻き前の直線状のフィン1のチューブ2からの延在距離を設定しているため、フィン端は初期巻き完了位置でフィン端外側が僅かにチューブ2方向に押し込まれ、フィン内周のチューブ2との接触部を充分に密着させると共に、残った直線部を内周方向に押し込むことになり、フィン端外周が巻き付け外周円からはみ出すことなくフィン端の初期巻が完了する。
【0041】初期巻が完了すると初期巻きローラ25は巻き付け開始点Aよりフィン押し込みローラ13寄りのフィン1の直線部の外側と接触する位置に戻り、次いで揺動レバー27は、フィン押し付けローラ11a,11bとチューブ2との距離がフィン1巾となる位置で保持される。
【0042】次に、フィン押し込みローラ13a,13bでフィンを押し込むと、初期巻きローラ25と巻き付け開始点A及びフィン押し付けローラ11の3点での偶力が発生し、初期巻と同様な曲げモーメントとなりフィン1が押し込まれた量だけチューブ2に巻き付いていく。
【0043】フィン端がフィン位置決め加圧ローラ29の位置に達すると、フィン位置決め加圧ローラ29でフィン端外周を内周に押し付け、チューブ2にフィン1の内周を密着させ、レーザ出射鏡筒駆動装置22で保持したレーザ出射鏡筒21から照射させれレーザ光の焦点をフィン1とチューブ2の接線に合わせ、レーザ出射鏡筒駆動装置22を駆動してフィン端の密着部から所定の長さをチューブ2外周の曲面に沿って移動させて所定長さの溶接部を形成し、フィン1の始端がチューブ2に溶接部15によって固定される。
【0044】フィン位置決め加圧ローラ29を駆動シリンダにより加圧位置より待避させてから、チューブ端をチャックした回転チャック14を回転すると、チューブ2が回転し、チューブ2に固定されたフィン1の始端からフィン1の巻き取りが行われる。これと同期してフィン押し込みローラ13でフィン1を押し込むことにより容易に巻き付けが行われる。
【0045】さらに、回転チャック14の回転角度に対応させてチューブピッチ駆動モータ18を駆動することで、回転チャック14を配置したテーブル20をスライドレール19に沿って走行させることにより、チューブ2の垂直面で巻き付けられたフィンが、フィン厚さ規制ガイドプレート12による厚さ規制区間から出たところから、ピッチを拡大されることによって螺旋状のスパイラルフィンが形成されていく。
【0046】フィン巻き付け途中で巻き付けピッチを変更する場合、巻き付けを一時停止させてフィン位置決め加圧ローラ29でフィン外周を押し付け、フィン始端の固定と同様にチューブに位置決め加圧してフィン1とチューブ2との接触部にレーザ光の焦点が位置するようにレーザ出射鏡筒21を駆動してレーザ溶接を行い、フィン1をチューブ2に固定する。残留応力によって、巻き付け時のフィンピッチが変わらないようにするための固定を目的とするものである。
【0047】フィン1とチューブ2の固定完了後、押し込みモータ16、チューブ回転モータ17、チューブピッチ駆動モータ18の相対速度を変更することによりフィンの巻き付けピッチを変更することが出来るため、任意の点でのフィン巻き付けピッチの変更が可能となる。
【0048】必要量のスパイラルフィンが形成されたら、再度フィン位置決め加圧ローラ29でフィン外周を押し付けフィン始端の固定と同様に、フィン1とチューブ2との接触部にレーザ光の焦点が位置するようにレーザ出射鏡筒駆動装置20を駆動してレーザ溶接を行い、フィン1をチューブ2に仮固定する。この仮固定の後に、切断パンチ30をダイ31に押し込み、フィンの切断を行う。
【0049】フィン位置決め加圧ローラ29でフィンを加圧したまま押し込みモータ16を停止した状態で、回転チャック14をピッチ回転駆動することにより切断ユニットに次の製品に使用するフィンの始端を残したままフィン1はチューブ2に巻き取られるように巻き付けが行われ、フィン終端がフィン位置決め加圧ローラ29にかかったところで回転チャック14を停止させ、フィン1の終端とチューブ2の接触部にレーザ光の焦点が位置するようにレーザ出射鏡筒20を駆動してレーザ溶接を行い、フィン1と終端とチューブ2とのレーザ溶接を行う。
【0050】溶接後、回転チャック14を再度回転させることによって、巻き付けを完了したスパイラルフィンチューブを巻き付け装置より取り出す。
【0051】尚、本発明のスパイラルフィンの固定装置は多関節ロボットでレーザ光の照射位置を制御しており、レーザ溶接は短時間で完了できるため、巻き付け動作中に任意の部分にレーザ光を照射して部分固定や全周固定を行う方法も可能である。
【0052】
【発明の効果】以上説明したように、本発明はチューブ中心軸に対して垂直面に設置され、連続したフィン材を厚さ方向で挟み込むように厚さ規制するフィン厚さ規制ガイドプレートと、連続したフィン材を狭着して回転する一対のフィン押し込みローラと、チューブより押し込みローラ側でフィンの直線部の巻き付け外側を保持するガイドローラと、フィン押し込みローラと対向してチューブ外周を揺動可能に軸支したフィン押し付けローラと、巻き付けられたフィンをチューブに位置決め加圧するフィン位置決め加圧ローラ,回転チャック,チューブ回転モータ,チューブピッチ駆動モータ,テーブル,スライドによって構成され、チューブ端をチャックしてチューブを所望する回転ピッチ駆動する回転ピッチ駆動装置と、レーザ発振機からのレーザ光をレーザ出射鏡筒に光ファイバで導くと共に、レーザ出射鏡筒を保持する多関節ロボットを備え、前記のフィン厚さ規制ガイドプレートによってチューブ垂直面でフィン厚さ方向に厚さ規制されたフィン材が押し込みローラでチューブより延在したフィン端を初期巻きローラでチューブに初期巻きを行った後、フィン端をフィン位置決め加圧ローラでチューブに位置決め加圧した状態でフィンとチューブの接触部にレーザ光を照射して溶接した後、フィン押し込みローラとフィン押し付けローラによりチューブへのフィンの巻き付けを進行させると同時に、前記の回転ピッチ駆動装置がチューブを回転ピッチ駆動することによって、フィンを巻き付けながらピッチ拡大することが可能となり、これによりフィンの残留応力によるフィンの巻き付け加圧力によって、熱交換性能の高いスパイラルフィン付き伝熱チューブが製造できる。
【0053】また、回転ピッチ駆動装置のピッチ送り機構で、チューブを回転駆動するチューブ回転モータと、チューブをピッチ駆動するチューブピッチ駆動モータを設けることによりピッチ回転駆動が可変となり、スパイラルフィン巻き付け途中でフィンピッチを変更することが可能となり、熱交換器の要求特性に応じた設計自由度が向上するものである。
【0054】また、レーザ出射鏡筒を多関節ロボットで駆動することによって、フィンとチューブの任意の接触部をその円周方向に沿った所定長さの曲線部分を常にレーザの焦点に合わせた状態で、、且つ、最適な照射角度を確保しつつ溶接することができることからフィンの巻き付け加圧力を確保した状態でフィンとチューブを固定することと、フィンの残留応力による溶接部の外れを発生させない強固な溶接を可能としたものである。
【0055】これにより巻き付け加圧力に緩みが生ずることなくフィンとチューブを固定することが可能となる。さらにスパイラルフィン巻き付け途中においてもフィン巻き付け装置内でフィンとチューブを溶接固定できることから、スパイラルフィンの巻き付け途中で巻き付けピッチを変更した場合においても、少なくともピッチ切替点でフィンとチューブと固定することによって巻き付け時のフィンピッチを確保することを可能とするものである。




 

 


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