特許 6238063 拡管プラグ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6238063

(24)【登録日】2017年11月10日

(45)【発行日】2017年11月29日

(54)【発明の名称】拡管プラグ

(51)【国際特許分類】

   B21D 53/08 20060101AFI20171120BHJP

   B21D 39/20 20060101ALI20171120BHJP

【ＦＩ】

   B21D53/08 J

   B21D39/20 B

【請求項の数】3

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-272103(P2013-272103)

(22)【出願日】2013年12月27日

(65)【公開番号】特開2015-123498(P2015-123498A)

(43)【公開日】2015年7月6日

【審査請求日】2016年11月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000176707

【氏名又は名称】三菱アルミニウム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100089037

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 隆

(74)【代理人】

【識別番号】100129403

【弁理士】

【氏名又は名称】増井 裕士

(72)【発明者】

【氏名】高橋 宗尚

(72)【発明者】

【氏名】天野 敬治

【審査官】 石川 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２０８８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第４９１３３７１（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００５−２８８５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−００５２７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０２９８６３２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２１Ｄ ５３／０８

Ｂ２１Ｄ ３９／２０

Ｆ２８Ｆ １／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定間隔に平行に並設する複数の放熱フィンに形成された挿通孔に、内周面に複数の内面フィンが形成された伝熱管を通し拡管することで前記放熱フィンに密着させるために、前記伝熱管に挿入する拡管プラグであって、
軸部と、その先端側に形成されるヘッド部と、を有し、
前記ヘッド部は、その横断面が先端部から最大径部まで徐々に直径を大きくする略円形状であり、先端部から最大径部の間に、滑らかに接続される予備拡管部と主拡管部とを備え、
前記予備拡管部は、前記伝熱管の最小管内径より小径の先端部から前記最小管内径より大径の予備拡管終了部までを５ｍｍ以上７．９ｍｍ以下の曲率半径で接続し、
前記主拡管部は、前記予備拡管終了部から前記最大径部までを２０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の曲率半径で接続し、
前記予備拡管終了部の直径である予備拡管終了径が、以下の下記式で表されることを特徴とする拡管プラグ。
Ｄ_２＝｛Ｋ×β×（α_２−α_１）／α_１｝＋β
ただし、Ｄ_２は、予備拡管終了径であり、
Ｋは０．４５以上０．６５以下の予備拡管係数であり、
βは、拡管前の前記伝熱管の最小管内径であり、
α_１は、拡管前の前記伝熱管の外径であり、
α_２は、拡管後の前記伝熱管の外径である。

【請求項2】

前記伝熱管が、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、
拡管前の前記伝熱管の底肉厚ｔに対する外径α_１の比（α_１／ｔ）が、７以上１６以下であり、
拡管前の前記内面フィンのフィンピッチｉに対するフィン幅ｊの比（ｊ／ｉ）が、０．１以上０．７以下であることを特徴とする請求項１に記載の拡管プラグ。

【請求項3】

前記最大径部と当該最大径部より小径の後端部の間に後面拡管部を有し、
前記後面拡管部は、前記最大径部から前記後端部までを１０ｍｍ以下の曲率半径で接続することを特徴とする請求項１又は２に記載の拡管プラグ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、拡管プラグに関するものである。

【背景技術】

【0002】

一般に空調機や冷凍機のフィンチューブ式の熱交換器には冷媒を流すための伝熱管が使用されている。この伝熱管として、管内に微細なフィン（内面フィン）を形成した伝熱管を使用することで、従来の平滑管と比較して管内伝熱特性が飛躍的に向上することが知られている。

【0003】

このような伝熱管を使用して熱交換器を製造する際には、まず、伝熱管を挿通するための孔が予め形成された例えばアルミニウム合金製の多数の放熱フィンを、伝熱管の長さ方向に沿って所定のピッチで重なるように並べる。次に、伝熱管を前記各放熱フィンの孔内に挿通する。さらに、伝熱管内に拡管プラグを押込み伝熱管を拡管し、伝熱管の外径を放熱フィンの孔径より大きくする。これによって伝熱管の外周と放熱フィンの孔の内周面とを密着させる。

【0004】

拡管プラグを押し込み伝熱管を拡管する工程（拡管工程）で、伝熱管の内面フィンが倒れてしまうことがある。内面フィンに倒れが生じると伝熱管を所定の外径になるまで管を拡管できず伝熱管とプレートフィンとの間の密着性が低下する。これを防ぐために、伝熱管の材質や内面フィンの形状に合わせて、内面フィンの倒れが生じづらい拡管ロッドが様々に開発されている（例えば特許文献１、２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１−２０８８２３号公報

【特許文献2】特許第４９１３３７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

近年、エアコン性能の向上と消費電力の節約に伝熱管には更なる熱伝達性能の向上が要求されており、その中で、幅が細く内面フィン高さの高いハイスリムフィンを有する伝熱管が使用されている。しかしながら、ハイスリムフィン化するにつれて、拡管時に内面フィンが倒れやすくなるという問題があった。

【0007】

また、銅資源の枯渇などの背景から、伝熱管として軽量で安価なアルミニウム又はアルミニウム合金から形成する要求が高まっている。アルミニウム及びアルミニウム合金は、銅合金に比べて強度に劣るため、耐圧強度の面から伝熱管の底肉厚を銅合金を用いた場合に比べて厚くする必要がある。したがって、拡管時に拡管プラグ挿入方向に加わる荷重（拡管荷重）が増大し伝熱管の座屈が発生し易くなるという問題があった。

【0008】

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みなされたものであり、拡管時の伝熱管の座屈を抑制しつつ、及び内面フィンの倒れを抑制する拡管プラグの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者らの鋭意検討により、拡管時に生じる内面フィンの倒れ、並びに拡管時の拡管荷重は、伝熱管の内周面と当接する拡管プラグのヘッド部の曲率半径と相関があることがわかった。内面フィンの倒れの抑制にはヘッド部の曲率半径を大きくすることが有効であり、拡管荷重の低減には小さくすることが有効である。即ち、内面フィンの倒れ抑制と拡管荷重の低減は、互いに相反する曲率半径により効果を得るものである。

【0010】

本発明者らはさらに鋭意検討を進め、拡管荷重は、伝熱管に拡管プラグを挿入する時の拡管荷重（初期拡管荷重）が最も大きくなることを見出した。したがって、伝熱管の座屈は、拡管プラグを挿入する際に最もおこりやすい。本発明者らは、この初期拡管荷重を低減することで座屈を抑制できることに着目して、本発明を完成するに至った。
即ち、拡管プラグのヘッド部の先端側に曲率半径の比較的小さな予備拡管部を設け、初期拡管荷重を低減させた。さらに、予備拡管部より後端側には、曲率半径の比較的大きな主拡管部を設け、内面フィン倒れを低減させた。これによって、この拡管プラグは、拡管工程における内面フィン倒れの抑制と伝熱管の座屈の抑制を同時に実現できる。

【0011】

本発明の拡管プラグは、所定間隔に平行に並設する複数の放熱フィンに形成された挿通孔に、内周面に複数の内面フィンが形成された伝熱管を通し拡管することで前記放熱フィンに密着させるために、前記伝熱管に挿入する拡管プラグであって、軸部と、その先端側に形成されるヘッド部と、を有し、前記ヘッド部は、その横断面が先端部から最大径部まで徐々に直径を大きくする略円形状であり、先端部から最大径部の間に滑らかに接続される予備拡管部と主拡管部とを備え、前記予備拡管部は、前記伝熱管の最小管内径より小径の先端部から前記最小管内径より大径の予備拡管終了部までを５ｍｍ以上７．９ｍｍ以下の曲率半径で接続し、前記主拡管部は、前記予備拡管終了部から前記最大径部までを２０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の曲率半径で接続し、前記予備拡管終了部の直径である予備拡管終了径が、以下の下記式で表されることを特徴とする。
Ｄ_２＝｛Ｋ×β×（α_２−α_１）／α_１｝＋β
ただし、Ｄ_２は、予備拡管終了径であり、Ｋは０．４５以上０．６５以下の予備拡管係数であり、βは、拡管前の前記伝熱管の最小管内径であり、α_１は、拡管前の前記伝熱管の外径であり、α_２は、拡管後の前記伝熱管の外径である。

【0012】

また、本発明の拡管プラグは、前記伝熱管が、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、拡管前の前記伝熱管の底肉厚ｔに対する外径α_１の比（α_１／ｔ）が、７以上１６以下であり、拡管前の前記内面フィンのフィンピッチｉに対するフィン幅ｊの比（ｊ／ｉ）が、０．１以上０．７以下であってもよい。

【0013】

また、本発明の拡管プラグは、前記最大径部と当該最大径部より小径の後端部の間に後面拡管部を有し、前記後面拡管部は、前記最大径部から前記後端部までを１０ｍｍ以下の曲率半径で接続していてもよい。

【発明の効果】

【0014】

本発明の拡管プラグは、ヘッド部の先端側に、曲率半径が比較的小さい予備拡管部が形成されている。これによって、拡管プラグを伝熱管に挿入する際の初期拡管荷重を低減し、伝熱管の座屈を抑制できる。また、予備拡管部の後方には、曲率半径が比較的大きい主拡管部が形成されている。これによって、主拡管部での拡管を行う際に、内面フィンが倒れることを抑制できる。
したがって、互いに相反する座屈の抑制と内面フィン倒れの軽減を同時に実現することができる。本発明の拡管プラグによれば、座屈が起こりにくく、内面フィンの倒れの少ない熱交換器の製造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施形態に係る拡管プラグにより伝熱管を拡管して熱交換器を組み立てる手順を示す斜視図である。

【図2】同拡管プラグにより伝熱管を拡管して伝熱管に加工する拡管動作を示す部分断面図であり、図２（ａ）は拡管プラグを伝熱管の開口部に挿入しようとする瞬間の状態を示し、図２（ｂ）は拡管プラグを伝熱管の開口部から挿入し把持治具によるクランプを行う直前の状態を示す。

【図3】同拡管プラグにより拡管される伝熱素管の一例を示す横断面図であり、図３（ａ）は、断面全体を示し、図３（ｂ）は内面フィンを拡大して示す。

【図4】螺旋溝が形成された伝熱管の一例を示す断面図を示す。

【図5】本発明の一実施形態である拡管プラグを示す側面図であり、図５（ａ）は拡管プラグ全体を示し、図５（ｂ）はヘッド部を拡大して示す。

【図6】従来の拡管プラグのヘッド部の一例を示す側面図である。

【図7】従来の拡管プラグによる拡管工程において、ストロークと拡管荷重の関係を示すグラフである。

【図8】従来の拡管プラグによる拡管工程において、ヘッド部の前面曲部の曲率半径と拡管荷重及びフィン高さ減少率の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴部分を強調する目的で、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、同様の目的で、特徴とならない部分を省略して図示している場合がある。

【0017】

＜拡管工程＞
図１に本発明の一実施形態である拡管プラグ１を用いた熱交換器の製造方法を示す。
この製造方法は、所定間隔に平行に並設する複数のフィン材１５（放熱フィン）に形成された挿通孔１５ａに伝熱管１１を通した状態で、伝熱管１１に拡管プラグ１を挿入して拡管し伝熱管１１の外周をフィン材１５の挿通孔１５ａの内径部に密着させて熱交換器を製造する方法である。

【0018】

以下にこの拡管工程の具体的な手順について説明する。
まず、アルミニウムあるいはアルミニウム合金製のフィン材１５を複数重ねてフィン集合体１６を構成する。各フィン材１５において伝熱管１１を挿通する予定位置には、挿通孔１５ａが形成されている。これらの挿通孔１５ａが一直線状に並ぶように各フィン材１５を配置する。
また、伝熱管１１をＵ字状に曲げてヘアピンパイプを構成しておく。これにより伝熱管１１の開口部１１ａは、一側にそろえられ他側にＵ字部１１ｂが形成される。このペアピンパイプ（伝熱管１１）を必要本数フィン集合体１６の挿通孔１５ａに挿通する。各伝熱管１１の開口部１１ａはフィン集合体１６の一側に揃えておく。

【0019】

この状態において各伝熱管１１の開口部１１ａから拡管プラグ１を強制的に押し込む。ヘッド部３が伝熱管１１を拡管する拡管動作を部分断面図として図２（ａ）、（ｂ）に示す。
図２（ａ）に示すように、開口部１１ａから拡管プラグ１のヘッド部３を強制的に押し込む。これによって、開口部１１ａから順にヘッド部の外周面に沿って伝熱管１１の拡管が行われる。
図２（ｂ）に示すように、ヘッド部３が開口部１１ａより内側に完全に入ったところで、開口部１１ａ近傍の伝熱管１１外周を把持治具でクランプする。ここまで（把持治具によるクランプを行うまで）の拡管工程は、伝熱管１１の長手方向に対し圧縮力が加わる押込み式（縮み式）の拡管工程と呼ばれる。

【0020】

把持治具によるクランプ工程以降も、ヘッド部３が伝熱管１１のＵ字部１１ｂ近傍に到達するまでヘッド部３を強制的に押込む。このとき、把持治具により伝熱管１１の開口部１１ａが固定（クランプ）されているため、伝熱管１１には長手方向に対し引張力が加わる。このように、クランプ工程以降の拡管工程は伝熱管１１に引張力が加わり吊下げ式（縮みレス式）の拡管工程と呼ばれる。

【0021】

押込み式、吊下げ式の拡管工程において、拡管プラグ１のヘッド部３が伝熱管１１を押し広げて塑性変形させて伝熱管１１を拡管できる。拡管された伝熱管１１はフィン材１５の挿通孔１５ａを押し広げるようにフィン材１５に結合するので、伝熱管１１をフィン材１５に機械的に接合できる。

【0022】

次に、把持治具によるクランプを解除しこの拡管プラグ１を引き抜く。この工程は引抜工程と呼ばれる。吊下げ式の拡管工程が終了した時点で、伝熱管１１には拡管が行われている。したがって、引抜工程は伝熱管１１の塑性変形を行わない。ただし、把持治具によるクランプを経ることによって、伝熱管１１の開口部１１ａの近傍は縮径されている。したがって引抜工程では、開口部１１ａの拡管を再度行うことになる。
以上の工程を経て、拡管工程が完了する。図２（ａ）、（ｂ）に示すように拡管プラグを挿入することで、伝熱管１１の外径は、拡管前外径α_１から拡管後外径α_２に拡管される。

【0023】

＜伝熱管＞
図３（ａ）に、本実施形態の拡管プラグ１によって拡管される伝熱管１１の拡管前の断面図を示す。また、図３（ｂ）に、図３（ａ）に示す伝熱管１１の内面フィン１２の一部の拡大図を示す。
伝熱管１１の内周面には、中心に向いて突出する内面フィン１２が複数形成されている。内面フィン１２は、伝熱管１１の長さ方向全長に渡り延在するように、伝熱管１１の内周面周方向に所定の間隔で複数隣接形成されている。内面フィン１２は周方向に沿って例えば、３０〜７２個形成されている。
伝熱管１１は、例えば銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金を押出加工することでこのような断面形状を得ることができる。

【0024】

内面フィン１２は、伝熱管１１の横断面において、伝熱管１１の中心に向く頂部１２ａとこの頂部１２ａを挟むように延在する傾斜部１２ｂ、１２ｂとを有する横断面視等脚台形状に形成されている。これらの内面フィン１２は、伝熱管１１の内周面の周方向に所定の間隔で複数形成されているので、隣接する内面フィン１２、１２の間にフィン溝１４が形成されている。
内面フィン１２の高さｈは例えば０．０５ｍｍ〜０．３５ｍｍ程度とされる。また、内面フィン１２のフィン幅ｊは、例えば０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍとされる。なお、フィン幅ｊとは、内面フィン１２の頂部の幅を意味し、図３（ｂ）に示すように頂部１２ａが断面半円形状を有する場合においては、頂部の半円形状の直径となる。内面フィン１２のフィンピッチｉ（即ちフィン溝１４の幅）は、伝熱管１１の内径と、形成される内面フィン１２の個数によって決まり、例えば０．０５ｍｍ〜０．７ｍｍとされる。

【0025】

伝熱管１１の内面に内面フィン１２を設けることで、伝熱管１１の内面の表面積を大きくして熱伝達効率を高めることができる。さらに熱伝達効率を大きくするためには、フィン幅ｊが細く内面フィンが高い（即ち高さｈが大きい）ハイスリムフィンが有効である。しかしながら、ハイスリムフィン化するにつれて、拡管プラグ１を挿入する際に内面フィン１２が倒れやすくなる。内面フィン１２の倒れが発生すると、伝熱管の伝熱特性が低下するのみならず、所定の拡管率を得ることができなくなり、伝熱管１１とフィン材１５の挿通孔１５ａ（図１参照）が十分に密着せず、熱交換器としての性能が大きく低下する。後段において詳しく説明するヘッド部３を備えた拡管プラグ１を用いて拡管を行うことによって、内面フィンの倒れを抑制できる。

【0026】

伝熱管１１の底肉厚ｔ（フィン溝１４に対応する部分の管の肉厚）は、０．３ｍｍ〜０．８ｍｍ程度とされる。伝熱管１１の外径α_１（拡管前外径α_１）は、例えば５〜１０ｍｍ程度とされる。この伝熱管１１は、拡管プラグ１が挿入され３％〜８％の拡管率で拡管される。即ち、拡管後の外径α_２（拡管後外径α_２）は、５．１５ｍｍ〜１０．８ｍｍとされる。

【0027】

伝熱管１１は、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるものを用いることができる。
伝熱管１１にアルミニウム合金を用いる場合は、そのアルミニウム合金に特に制限はなく、ＪＩＳで規定される１０５０、１１００、１２００等の純アルミニウム系、あるいは、これらにＭｎを添加した３００３に代表される３０００系のアルミニウム合金等を適用できる。勿論、これら以外にＪＩＳに規定されている５０００系〜７０００系のアルミニウム合金のいずれかを用いて伝熱管１１を構成しても良い。

【0028】

アルミニウム又はアルミニウム合金は、銅合金に比べて強度に劣る。したがって、耐圧強度の面から伝熱管１１の底肉厚ｔを銅合金で形成した伝熱管の底肉厚と比較して厚くする必要がある。底肉厚ｔが厚いアルミニウム及びアルミニウム合金からなる伝熱管１１を拡管しようとすると、拡管荷重が大きくなる。これにより、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる伝熱管１１は、拡管工程において座屈が発生しやすくなる。

【0029】

伝熱管１１としてアルミニウム又はアルミニウム合金を用いる場合において、拡管前の伝熱管１１の底肉厚ｔに対する伝熱管１１の外径α_１の比（α_１／ｔ）が、７以上１６以下であることが好ましい。
α_１／ｔが、７に満たない場合は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる伝熱管１１の拡管時の拡管荷重が大きくなる。これにより、伝熱管１１に座屈が生じやすくなる。また、拡管荷重が大きくなるために、拡管時に内面フィン１２に加わる力が大きくなり、内面フィン１２の倒れが生じやすくなる。α_１／ｔが、１１を超える場合は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる伝熱管１１の耐圧強度が下がり好ましくない。

【0030】

また、伝熱管１１の内面フィン１２について、フィンピッチｉに対しフィン幅ｊを大きくすると、拡管時の拡管荷重が大きくなり伝熱管１１に座屈が生じやすくなる。また、フィンピッチｉに対しフィン幅ｊを小さくすると、内面フィン１２が細長く立設された形状となるため内面フィン１２の倒れが生じやすくなる。したがって、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる伝熱管１１を用いた場合においては、伝熱管１１の拡管前の内面フィン１２のフィンピッチｉに対するフィン幅ｊの比（ｊ／ｉ）が、０．１以上０．７以下であることが好ましい。

【0031】

＜伝熱管の別の例＞
本実施形態の拡管プラグ１は、上述した伝熱管１１の他に、内面フィン２２が螺旋状に形成された螺旋溝付伝熱管２０（伝熱管２０）を用いてもよい。
図４に本発明に適用できる螺旋溝付伝熱管２０の縦断面構造を示す。この伝熱管２０は、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるものを用いることができる。また、この伝熱管２０は、上述した伝熱管１１と同様に、内周に突条型の内面フィン２２が形成され、隣接する内面フィン間にフィン溝２３が形成されている。また、伝熱管１１と、同等範囲の拡管前後の外径、並びに拡管前の底肉厚、フィン幅、フィンピッチを満たす。

【0032】

この例の伝熱管２０において、上述した伝熱管１１と異なる点は、内面フィン２２が伝熱管２０の内周面に沿ってその長さ方向に螺旋を描くように形成されている点である。
伝熱管２０の内面に形成されている複数の内面フィン２２は全ての内面フィン２２が同じピッチで螺旋状に形成されていて、内面フィン２２の間に形成されているフィン溝２３についても伝熱管２０の内部において所定のピッチで螺旋を描くように、即ち螺旋溝状に形成されている。

【0033】

内面フィン２２を伝熱管２０の長さ方向に対し螺旋状に形成することで、伝熱管２０に冷媒が流れる際、冷媒との熱交換効率を良好にすることができる。
本実施形態の拡管プラグ１は、長手方向に対し螺旋状に形成された内面フィン２２を備えた伝熱管２０であっても、座屈及び内面フィン２２の倒れを抑制しつつ拡管できる。

【0034】

＜従来工法の拡管荷重と内面フィンの倒れについて＞
従来の拡管プラグを用い上段に説明した拡管工程を行った場合の、拡管荷重と内面フィンの倒れについて説明する。

【0035】

図６に、一例として従来用いられている拡管プラグ１０１のヘッド部１０３を示す。なお、この拡管プラグ１０１の横断面形状は円形である。
拡管プラグ１０１は支持棒１０２の先端にヘッド部１０３が固定されている。ヘッド部１０３は、樽型に膨出して形成されており、側面から見た中央部には最大径部１０３ｃが形成されている。先端部１０３ａから最大径部１０３ｃまでは、徐々に径が大きくなり、最大径部１０３ｃから後端部１０３ｄまでは、徐々に径が小さくなっている。
先端部１０３ａから最大径部１０３ｃまでは、１つの曲面である前面曲部１０６により接続されている。この前面曲部１０６の曲率半径ｒで形成されている。
最大径部１０３ｃから後端部１０３ｄまでは、１つの曲面である後面曲部１０７により接続されている。

【0036】

図７に、従来の拡管プラグ１０１を用いた拡管工程におけるストローク（押込み量）と拡管荷重（拡管プラグに加わる挿入方向の荷重）の相関関係の一例を示す。なお、図７のグラフでは、引き抜き工程を省略している。
図７に示すように、拡管工程の拡管荷重は、拡管プラグ挿入直後にピークを迎える。これは、拡管プラグのヘッド部を伝熱管の開口部に挿入する際に最も大きな拡管荷重（初期拡管荷重）が生じることを意味する。初期拡管荷重は、一例として図２（ａ）に示す状態で発生する。初期拡管荷重は、押込み式の拡管工程（即ち把持治具によるクランプを行う前の工程）中に生じる。押込み式の拡管工程においては伝熱管に圧縮力が加わるため、この初期拡管荷重が発生する際に伝熱管の座屈が最も起こりやすくなる。したがって、伝熱管の座屈の発生を防ぐためには、初期拡管荷重を低減することが重要となる。

【0037】

初期拡管荷重は、前面曲部１０６の曲率半径ｒと相関関係を有する。従来の拡管プラグ１０１において、前面曲部１０６の曲率半径ｒを小さくすると、拡管荷重を低減できる。これに伴い初期拡管荷重も低減され拡管時の伝熱管１１の座屈を抑制できる。これは、前面曲部１０６の曲率半径ｒを小さくすると、伝熱管の内周面とヘッド部１０３との挿入方向の接触部が短くなるため、拡管荷重が低減されると考えられる。

【0038】

また、内面フィンの倒れも前面曲部１０６の曲率半径ｒと相関関係を有する。拡管プラグ１０１において、前面曲部１０６の曲率半径ｒを小さくすると、内面フィン１２の倒れが増加する。これは、伝熱管１１の内周面と拡管プラグ１０１のヘッド部１０３との接触面積が小さくなることで、内面フィン１２に加わる面圧が増加するためであると考えられる。

【0039】

図８に、初期拡管荷重及び内面フィンのフィン高さ減少率と前面曲部１０６の曲率半径ｒの関係のグラフを示す。なおフィン高さ減少率とは、拡管前後の内面フィン１２の高さの減少率を示すものである。内面フィン１２に倒れが生じるとフィン高さが減少し、このフィン高さ減少率が大きくなる。

【0040】

図８に示すように、前面曲部１０６の曲率半径ｒを大きくするに従い、拡管荷重は小さくなる。即ち、座屈が抑制される。逆にフィン高さ減少率は大きくなり、内面フィンの倒れが顕著となる。

【0041】

図８に示すように、内面フィン１２の倒れ抑制には前面曲部１０６の曲率半径ｒを大きくすることが有効である。また、拡管荷重の低減には前面曲部１０６の曲率半径ｒを小さくすることが有効である。内面フィン１２の倒れと拡管荷重の低減は、ともに前面曲部１０６の曲率半径ｒと相関関係があり、互いに相反する条件が求められる。本発明の拡管プラグ１は、この相反する条件を満たし、内面フィン１２の倒れ抑制と拡管荷重の低減を同時に実現するものである。

【0042】

＜拡管プラグ＞
図５（ａ）は本発明に係る一実施形態の拡管プラグ１を示すものである。また、図５（ｂ）は、この拡管プラグ１のヘッド部３を拡大したものである。
図５（ａ）に示すように、拡管プラグ１は、軸部２とその先端側に一体形成されたヘッド部３とからなる。軸部２の後端側にはねじ軸２ａが形成されている。拡管プラグ１は、ねじ軸２ａの部分に対し、嵌合自在なねじ穴を有する図示略の延長ロッドをねじ接合して拡管プラグ１の長さを調整できる。これにより、拡管プラグ１の長さを調整し、伝熱管１１の全長に渡り、拡管できるように調整できる。

【0043】

図５（ｂ）に拡大図として示すように、ヘッド部３は、樽型をなして軸部２より径が大きくなるように膨出形成されている。ヘッド部３は、平坦面をなす先端部３ａと、軸部２と接続される後端部３ｄとの間に最大径部３ｃが形成されている。また、ヘッド部３の横断面は、略円形に形成されている。横断面の直径は、先端部３ａから最大径部３ｃにかけて徐々に大きくなっていき、最大径部３ｃから後端部３ｄにかけて徐々に小さくなっていく。先端部３ａは直径Ｄ_１に形成され、最大径部３ｃは直径Ｄ_３に形成されている。
なお、横断面が「略円形」とは、円形である伝熱管１１の内周に沿った形状であることを意味している。例えば、横断面円形のヘッド部３の表面に溝を形成して、横断面に凹凸が形成されていてもよい。

【0044】

ヘッド部３は、先端部３ａから最大径部３ｃまでを前面拡管部６とされる。また、ヘッド部３は、最大径部３ｃから後端部３ｄまでを後面拡管部７とされる。即ち、ヘッド部３は、最大径部３ｃを境に先端側が前面拡管部６、後端側が後面拡管部７とされる。
先端部３ａの直径Ｄ_１は、拡管対象である伝熱管１１の最小内径βより小さい径に形成されており伝熱管１１の内径にスムーズに挿入できる。

【0045】

前面拡管部６は、拡管プラグ１を伝熱管に挿入する際に、伝熱管１１を径方向外側に押し広げて拡管する役割を果たす。前面拡管部６は、それぞれ異なる曲率半径を有する予備拡管部６Ａと主拡管部６Ｂに、予備拡管終了部３ｂを境として分けられる。
予備拡管部６Ａは、曲率半径Ｒ_１を有する一様な曲面である。また、主拡管部６Ｂは、曲率半径Ｒ_２を有する一様な曲面である。
予備拡管部６Ａの曲面と主拡管部６Ｂの曲面は、予備拡管終了部３ｂにおいて、滑らかに接続されている。即ち、予備拡管部６Ａと主拡管部６Ｂは、縦断面をとった時に互いの接線の傾きが一致した点でエッヂを生じることなく接続されている。

【0046】

予備拡管部６Ａの曲率半径Ｒ_１は、５ｍｍ以上７．９ｍｍ以下であることが好ましい。予備拡管部６Ａは、伝熱管１１の開口部１１ａに当接し、初期拡管荷重を受けながら伝熱管を最初に拡管する部分である（図２（ａ）参照）。したがって、この予備拡管部６Ａの曲率半径Ｒ_１を小さくすることで、伝熱管１１の開口部１１ａに挿入した直後の拡管荷重（初期拡管荷重）を低減できる。予備拡管部６Ａの曲率半径Ｒ_１を７．９ｍｍ以下とすることで、初期拡管荷重を低減し、伝熱管１１の座屈を抑制できる。また、予備拡管部６Ａの曲率半径Ｒ_１を５ｍｍ以上とすることで、内面フィン１２の倒れを抑制できる。

【0047】

主拡管部６Ｂの曲率半径Ｒ_２は、２０．１ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが好ましい。主拡管部６Ｂは、伝熱管１１の拡管工程において、予備拡管部６Ａに沿って予備拡管された伝熱管１１をさらに径方向外側に押し広げる役割を果たす（図２（ｂ）参照）。したがって、主拡管部６Ｂは、予備拡管部６Ａに対して内面フィン１２に大きな負荷を加える。即ち、主拡管部６Ｂは、内面フィン１２の倒れに対し支配的に作用する。主拡管部６Ｂの曲率半径Ｒ_２を大きくすることで、内面フィン１２の倒れを抑制できる。
主拡管部６Ｂの曲率半径Ｒ_２が、２０．１ｍｍ未満の場合は、内面フィン１２の倒れが顕著となり好ましくない。また、３０ｍｍを超える場合は、拡管荷重が大きくなり、それに伴い、初期拡管荷重も大きくなる。したがって、伝熱管１１の座屈発生の懸念が高まる。

【0048】

予備拡管部６Ａと主拡管部６Ｂの境界となる予備拡管終了部３ｂの径Ｄ_２（予備拡管終了径Ｄ_２）は、伝熱管１１の最小内径βより大きく形成されている。したがって、伝熱管１１の最小内径部（即ち、内面フィン１２の頂部）が予備拡管部６Ａに当接することなく、主拡管部６Ｂに当接することはない。
また、予備拡管終了径Ｄ_２は、予備拡管係数Ｋを０．４５以上０．６５以下として、以下式を満たす。
Ｄ_２＝｛Ｋ×β×（α_２−α_１）／α_１｝＋β
なお、βは、拡管前の伝熱管１１の最小管内径であり、α１は、拡管前の伝熱管１１の外径であり、α２は、拡管後の伝熱管１１の外径である。

【0049】

予備拡管係数Ｋを大きくすると予備拡管終了径Ｄ_２が大きくなる。これに伴い、前面拡管部６において、予備拡管部６Ａが相対的に大きくなり、主拡管部６Ｂが相対的に小さくなる。予備拡管部６Ａは曲率半径Ｒ_１を小さく形成されているため、予備拡管部６Ａが相対的に大きくなることで、内面フィン１２の倒れが顕著となる虞がある。
反対に、予備拡管係数Ｋを小さくすると予備拡管終了径Ｄ２が小さくなる。これに伴い、前面拡管部６において、予備拡管部６Ａが相対的に小さくなり、主拡管部６Ｂが相対的に大きくなる。主拡管部６Ｂは曲率半径Ｒ_２を大きく形成されているため、主拡管部６Ｂが相対的に大きくなることで、拡管時の初期拡管荷重が大きくなり伝熱管１１が座屈する虞がある。
予備拡管係数Ｋを０．４５以上、０．６５以下とすることで、内面フィン１２の倒れ及び伝熱管１１の座屈を同時に抑制できる。

【0050】

ヘッド部３の最大径部３ｃより後方には、後面拡管部７が形成されている。後面拡管部７、曲率半径Ｒ_３を有する一様な曲面である。
後面拡管部７は、拡管プラグ１を伝熱管１１から引き抜く際に（引抜工程において）、弾性変形分だけ縮径した伝熱管１１を再度径方向外側に押し広げて引抜をスムーズにさせる役割を果たす。加えて、把持治具によるクランプによって、縮径した伝熱管１１の開口部１１ａの近傍を再度拡管する役割を果たす。

【0051】

この再度拡管される伝熱管の開口部１１ａは、拡管と縮径を経ているため、加工硬化が起こっている。したがって、後面拡管部７の曲率半径Ｒ_３を適切に設定しない場合は、引抜工程において、伝熱管１１に過度に引張応力が加わり、伝熱管１１の破断が起こる。また、この引抜工程において、過度の引張応力が加わると、伝熱管１１自身が伸長しその際に径方向に引けが生じる。即ち、拡管した伝熱管１１が縮径されてしまう。
このような現象を防ぐために、後面拡管部７の曲率半径Ｒ_３は、１０ｍｍ以下とすることが好ましい。１０ｍｍ以下とすることで、伝熱管１１に過度な引張応力が加わることを抑制できる。

【0052】

図５（ａ）に示す拡管プラグ１において、軸部２は、強度の高い鋼材、例えば、ＪＩＳ規定ＳＣＭ４３５で示されるクロムモリブデン鋼からなる。また、ヘッド部３は超硬合金から一体形成されている。ヘッド部３は軸部２に対しカシメ加工により結合されているか、銀ろう等を用いたろう付け手段により結合されている。

【0053】

ヘッド部を構成する超硬合金としては、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素の炭化物をＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの鉄系金属で焼結した超硬合金を用いることができる。一例として、ＷＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−Ｔａ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｔａ−Ｃｏ系合金、ＷＣ−Ｎｉ系合金、ＷＣ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金などを適宜用いることができる。
一例としてＷＣ粒子にＣｏを５〜１７質量％添加した超硬合金においてＨＲＣ８５〜９５の範囲を得ることができるので、本実施形態の拡管プラグ１の構成材料に適用することができる。上述の超硬合金としてＪＩＳＶ１０、Ｖ２０、Ｖ３０、Ｖ４０、Ｖ５０、Ｖ６０などで規定されている種類の超硬合金を利用することができる。

【0054】

また、図５（ａ）に示すように、拡管プラグ１は、ヘッド部３の外周面全面にダイヤモンドライクカーボン皮膜５が形成されていても良い。ダイヤモンドライクカーボン皮膜５を形成する場合には、その膜厚は、０．５μｍ以上３．０μｍ以下の範囲であることが好ましい。ダイヤモンドライクカーボン皮膜５の膜厚が０．５μｍ未満であると、アルミニウムの凝集抑制効果が低下し、拡管時に拡管プラグ１に対するアルミニウムの凝着が生じ易くなる。また、ダイヤモンドライクカーボン皮膜５の膜厚が３．０μｍを超えるようであると、ダイヤモンドライクカーボン皮膜５の膜剥がれを生じ易くなる。
ダイヤモンドライクカーボン皮膜５の硬さについては、２０ＧＰａ以上７０ＧＰａ以下であることが好ましい。ダイヤモンドライクカーボン皮膜５の硬さが２０ＧＰａ未満では耐摩耗性が低下して拡管プラグ１の寿命が短くなり、７０ＧＰａを超える硬さでは成膜自体が困難となる。

【0055】

また、ダイヤモンドライクカーボン皮膜５の臨界剥離荷重は、５Ｎ以上であることが好ましい。ダイヤモンドライクカーボン皮膜５の臨界剥離荷重が５Ｎ未満では、皮膜の剥離が起こり易くなり、拡管プラグ１の寿命が短くなる。また、ダイヤモンドライクカーボン皮膜５の臨界膜厚荷重が３０Ｎ以上であれば、より長い距離の拡管を施してもアルミニウムの凝着を生じ難い。

【0056】

拡管プラグ１とともに拡管時に用いる潤滑油は、特に図示はしていないが、引火点１００℃以下、動粘度１．０ｍｍ^２／Ｓ（ａｔ４０℃）以上の潤滑油を用いることが好ましい。
この条件に用いることができる潤滑油として例示するならば、ダフニーパンチオイルＡＦ−２Ａ（出光興産製：動粘度１．３７ｍｍ^２／Ｓ）を挙げることができる。

【実施例】

【0057】

以下、実施例を示しつつ本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【0058】

（試験１）
拡管プラグの前面拡管部と、初期拡管荷重及び内面フィンの倒れについて試験１として調査した。
図５（ａ）、（ｂ）に示す拡管プラグを数種類用意した。なお、拡管プラグのヘッド部は、ＶＭ４０相当の超硬合金（ＨＲＡ９０）からなり、軸部は、ＪＩＳ規定ＳＣＭ４３５からなる。これらの拡管プラグの後面拡管部は、曲率半径７．５ｍｍである。

【0059】

これらの拡管プラグによって拡管される伝熱管として、図３（ａ）、（ｂ）に示すような内面フィンが長手方向に対し直線状に形成された伝熱管を数種類用意した。また、この伝熱管はＪＩＳ３００３合金からなる。
用意した拡管プラグを用いて、伝熱管の拡管工程を行った。拡管の際、伝熱管を潤滑油（ダフニーパンチオイルＡＦ−２Ａ：出光興産製：動粘度１．３７ｍｍ^２／Ｓ）に浸漬後、直ちに拡管した。拡管時の拡管プラグの挿入速度は、５００ｍｍ／ｍｉｎとした。
拡管プラグ、及び伝熱管の組み合わせをＮｏ．１〜Ｎｏ．３０として表１にまとめる。なお、表１において、外径拡管率とは、α_１を拡管前の伝熱管の外径、α_２を拡管後の伝熱管の外径とし、以下の式で百分率として表される。
１００×（α_２−α_１）／α_１
このような拡管工程の結果として生じた、初期拡管荷重、安定拡管荷重、内面フィンの減少率を表２に示す。なお、安定拡管荷重とは、図７に示すように、拡管荷重が安定した領域の荷重を意味する。

【0060】

【表1】

【0061】

【表2】

【0062】

初期拡管荷重が５００Ｎ以上になると座屈が生じやすくなる。また、安定拡管荷重は４５０Ｎ以上になると、座屈が生じやすくなる。
内面フィンの減少率は、１５％以上となると、内面フィンが倒れて熱交換効が下がり好ましくなる。また、内面フィンの倒れによって、外径が十分に拡管されないことがある。

【0063】

表１、表２に示すように、様々な組み合わせの拡管プラグと伝熱管を用いた拡管工程のうち、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．２４の拡管工程においては、拡管荷重、及び内面フィンの高さ減少率を抑えることができていることがわかる。これに対して、Ｎｏ．２５〜Ｎｏ．３０の拡管工程においては、拡管荷重が高いか、又は内面フィンの減少率が大きくなっている。特に、Ｎｏ．２６、２８、２９の拡管工程においては、拡管初期において座屈が生じた。
表１、表２に示す結果から、予備拡管部の曲率半径、主拡管部の曲率半径、予備拡管終了部の直径を適切に設定することで、拡管荷重を抑制しつつ、内面フィンの倒れを抑制可能であることを確認した。
また、伝熱管の底肉厚ｔに対する外径α_１の比（α_１／ｔ）が、７以上１６以下であり、内面フィンのフィンピッチｉに対するフィン幅ｊの比（ｊ／ｉ）が、０．１以上０．７以下である場合に、より好ましい拡管工程を行うことができることが確認された。

【0064】

（試験２）
次に、拡管プラグの後面拡管部と、初期拡管荷重及び内面フィンの倒れについて試験２として調査した。
図５（ａ）、（ｂ）に示す拡管プラグであって、後面拡管部の曲率半径が異なる拡管プラグを数種類用意した。これらの拡管プラグは、予備拡管部の曲率半径が７ｍｍ、主拡管部の曲率半径が２２ｍｍ、予備拡管終了径が５．５７ｍｍ、最大径部の直径が５．８６ｍｍである。ヘッド部及び軸部の材質は、上述の試験１と同等である。
これらの拡管プラグによって拡管される伝熱管として、図３（ａ）、（ｂ）に示すような内面フィンが長手方向に対し直線状に形成されＪＩＳ３００３合金からなる伝熱管を用意した。これらの伝熱管の拡管前の最小内径は、５．４ｍｍ、外径は、７．０ｍｍ、底肉厚は、０．５ｍｍ、外径／底肉厚は、１４．０、フィン幅は、０．１５ｍｍ、フィンピッチは、０．３８ｍｍ、フィンピッチ／フィン幅は、０．４、内面フィンの数は、５０個である。
用意した拡管プラグを用いて、伝熱管の拡管工程を行った結果をＮｏ．３１〜Ｎｏ．３４として表１にまとめる。なお、拡管後の伝熱管の外径は、７．４ｍｍとなっていた。
拡管工程は、押込み式の拡管工程後に把持治具により伝熱管の開口部をクランプし、次いで吊下げ式の拡管工程、引抜工程を順次行った。クランプにより、伝熱管の開口部は、外径７．０ｍｍに縮径されており、引抜工程において後面拡管部により再度拡管されている。

【0065】

【表3】

【0066】

表３に示すように、複数の拡管プラグを用いた拡管工程のうち、Ｎｏ．３１においては、引抜工程時に、伝熱管の開口部付近で非常に大きな引抜力が生じ、伝熱管に破断が生じた。
また、Ｎｏ．３２においては、引抜時の抵抗で伝熱管が長手方向に延ばされ、それに伴い引けが生じた（伝熱管の外径が小さくなった）。これにより、伝熱管が全長に亘り外径７．３５ｍｍとなっていた。これに対して、Ｎｏ．３３、Ｎｏ．３４の拡管工程においては、正常に引抜工程が行われた。
試験２の結果から、後面拡管部の曲率半径を１０ｍｍ以上とすることで、引抜時に伝熱管に過度な引張応力が加わることがないことが確認された。

【0067】

以上に、本発明の様々な実施形態を説明したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。

【符号の説明】

【0068】

１…拡管プラグ、２…軸部、３…ヘッド部、３ａ…先端部、３ｂ…予備拡管終了部、３ｃ…最大径部、３ｄ…後端部、５…ダイヤモンドライクカーボン皮膜、６…前面拡管部、６Ａ…予備拡管部、６Ｂ…主拡管部、７…後面拡管部、１１、２０…伝熱管、１１ａ…開口部、１２、２２…内面フィン、１４、２３…フィン溝、１５…フィン材（放熱フィン）、１５ａ…挿通孔、Ｄ_１…先端部の直径、Ｄ_２…予備拡管終了径、Ｄ_３…最大径部の直径、Ｋ…予備拡管係数、Ｒ_１…予備拡管部の曲率半径、Ｒ_２…主拡管部の曲率半径、Ｒ_３…後面拡管部の曲率半径、ｈ…フィンの高さ、ｉ…フィンピッチ、ｊ…フィン幅、ｔ…底肉厚、α_１…拡管前外径、α_２…拡管後外径、β…最小内径

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】