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技術 伝熱管製造用の複合ロール及び伝熱管製造用の複合ロールの製造方法

出願人 冨士ダイス株式会社
発明者 中田勲小林京夫
出願日 2000年5月10日 (20年7ヶ月経過) 出願番号 2000-136599
公開日 2001年11月20日 (19年1ヶ月経過) 公開番号 2001-321805
状態 特許登録済
技術分野 圧延ロール・圧延スタンド・圧延機の駆動 他に分類されない板、線、管の製造と清浄 圧接、拡散接合 圧接、拡散接合
主要キーワード 単一形状 接合境界 拡散接合装置 加圧ロッド 溝付ロール 焼結結合 加工回数 金属帯板
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この項目の情報は公開日時点(2001年11月20日)のものです。
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課題

金属帯板複数種類の溝を形成する耐久性に優れ、長期間安定的な加工が可能な複合ロール、及びその製造方法を提供する。

解決手段

ニッケルバインダとする炭化タングステンニッケル系超硬合金で、ロックウェルA硬さ基準で81〜90の硬度を有する材料よりなる溝付ロールの、断面形状、回転方向に対するリード角、寸法の異なる凸部を有する複数を同軸上に連結した複数種類の溝を形成するための複合ロールで、個々のロール拡散接合により連結することを特徴とする。

概要

背景

冷凍機空調機等の熱交換器で使用されている伝熱管には、伝熱性能を確保するために、その内面に多数の溝が形成されたものが用いられている。近年、機器高性能化、小型化が求められていることから、この内面溝付の伝熱管についての改良が試みられており、その手法として、伝熱管内面の溝について、単一形状の溝を多数形成させたものから、断面形状、リード角、寸法の少なくとも何れかが異なる溝を複数種類形成させた溝付伝熱管の適用が検討されている。

そして、この溝付伝熱管の製造方法として、特開平4−158193号公報に記載された技術がある。この方法は、断面形状、軸方向に対するリード角、寸法の少なくともいずれの要素が異なる凸部を有するロールを3個以上同軸上に組合わせたロールを用い、平滑な帯状金属板をこの組合わせロールと平滑なロールとで挟むことにより帯状金属板表面に溝を形成した後、この帯状金属板を加工面が内側となるように巻回して管状に形成し、突き合わせ部を溶接して溝付伝熱管を製造するものである。

そして、ここで使用されるロールは、3個以上のロールを取り外し可能となるように締付けることで固定した状態で使用されるものである。この技術によれば、帯状金属板に複数種類の溝を一度に形成することができることから、伝熱管の生産効率が良好となると共に、高性能の伝熱管を製造することができる。

概要

金属帯板に複数種類の溝を形成する耐久性に優れ、長期間安定的な加工が可能な複合ロール、及びその製造方法を提供する。

ニッケルバインダとする炭化タングステンニッケル系超硬合金で、ロックウェルA硬さ基準で81〜90の硬度を有する材料よりなる溝付ロールの、断面形状、回転方向に対するリード角、寸法の異なる凸部を有する複数を同軸上に連結した複数種類の溝を形成するための複合ロールで、個々のロールを拡散接合により連結することを特徴とする。

目的

本発明は以上の背景の下になされたものであり、帯状金属板に複数種類の溝を形成する複合ロールについて、耐久性に優れ、長期間安定的な加工が可能な複合ロールを提供することを目的とする。また、この耐久性が良好な複合ロールを確実に製造する方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

断面形状、回転方向に対するリード角、寸法の少なくともいずれかが異なる凸部を有する溝付ロールを2以上、同軸上に連結して備え、帯状金属板押圧することで前記帯状金属板の表面に複数種類の溝を形成する伝熱管製造用複合ロールにおいて、前記2以上の溝付ロールは、相互に面接触した状態で一体的に接合されていることを特徴とする伝熱管製造用の複合ロール。

請求項2

2以上の溝付ロールの接合は、拡散接合によるものである請求項1記載の伝熱管製造用の複合ロール。

請求項3

少なくとも1の溝付ロールを構成する材料が、炭化タングステン基超硬合金であり、その硬度ロックウェルA硬さ基準で81〜90である請求項1又は2記載の伝熱管製造用の複合ロール。

請求項4

少なくとも1の溝付ロールを構成する材料が、炭化タングステンニッケル系超硬合金であり、その硬度がロックウェルA硬さ基準で81〜90である請求項1又は2記載の伝熱管製造用の複合ロール。

請求項5

超硬合金からなり、断面形状、回転方向に対するリード角、寸法の少なくともいずれかが異なる凸部を有する溝付ロールを2以上同軸上で連結した後、連結された溝付ロールを加熱しつつ加圧して接合する伝熱管製造用の複合ロールの製造方法。

請求項6

加熱温度を溝付ロールの構成材料である超硬合金のバインダー融点以下とし、加圧力を1.0〜5.0MPaとし、非酸化雰囲気下で2〜7時間加圧保持することにより溝付ロールを接合する請求項5記載の伝熱管製造用の複合ロールの製造方法。

請求項7

溝付ロールの連結前に、接合面を研磨加工する工程を含む請求項5又は請求項6記載の伝熱管製造用の複合ロールの製造方法。

請求項8

接合面の平坦度を5μm以下として接合する請求項7記載の伝熱管製造用の複合ロールの製造方法。

技術分野

0001

本発明は、内面複数種類の溝が形成された伝熱管を製造するために用いられる帯状金属板を製造するための複合ロール及びこの複合ロールの製造方法に関する。

背景技術

0002

冷凍機空調機等の熱交換器で使用されている伝熱管には、伝熱性能を確保するために、その内面に多数の溝が形成されたものが用いられている。近年、機器高性能化、小型化が求められていることから、この内面溝付の伝熱管についての改良が試みられており、その手法として、伝熱管内面の溝について、単一形状の溝を多数形成させたものから、断面形状、リード角、寸法の少なくとも何れかが異なる溝を複数種類形成させた溝付伝熱管の適用が検討されている。

0003

そして、この溝付伝熱管の製造方法として、特開平4−158193号公報に記載された技術がある。この方法は、断面形状、軸方向に対するリード角、寸法の少なくともいずれの要素が異なる凸部を有するロールを3個以上同軸上に組合わせたロールを用い、平滑な帯状金属板をこの組合わせロールと平滑なロールとで挟むことにより帯状金属板表面に溝を形成した後、この帯状金属板を加工面が内側となるように巻回して管状に形成し、突き合わせ部を溶接して溝付伝熱管を製造するものである。

0004

そして、ここで使用されるロールは、3個以上のロールを取り外し可能となるように締付けることで固定した状態で使用されるものである。この技術によれば、帯状金属板に複数種類の溝を一度に形成することができることから、伝熱管の生産効率が良好となると共に、高性能の伝熱管を製造することができる。

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、この組合せロールにより帯状金属板を繰り返し加工した場合、加工初期においては良好な品質の溝付の帯状金属板を製造することができるが、加工回数の増加に伴い、溝形状の不良が生じることがある。特に、異なるロールが接している界面付近の溝により加工された面には、加工不足による溝の断絶や溝の変形が生じることがある。即ち、従来の方法で使用されている複合ロールは耐久性に乏しく交換頻度が高いことから、大量生産に適さず製品コストの上昇が懸念されるものである。

0006

本発明は以上の背景の下になされたものであり、帯状金属板に複数種類の溝を形成する複合ロールについて、耐久性に優れ、長期間安定的な加工が可能な複合ロールを提供することを目的とする。また、この耐久性が良好な複合ロールを確実に製造する方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

本発明者は、従来の組合せロールについて使用過程におけるロール表面の状態について検討を行なったところ、従来のロールにおいては、繰り返し使用により各ロールの接触部の極めて微少間隙被加工材侵入すると共に、侵入した被加工材がロールと帯状金属板との接触により間隙を押し広げようとするため接触部近傍の溝が変形又は欠損するという現象が生じていることが判明した。そして、本発明者はこの検討結果から、複合ロールの耐久性を向上させるためには、接合面に間隙が全く存在しないとすることが必要であるとの考察に至り本発明を想到した。

0008

即ち、本願請求項1記載の発明は、断面形状、回転方向に対するリード角、寸法の少なくともいずれかが異なる凸部を有する溝付ロールを2以上、同軸上に連結して備え、帯状金属板に押圧することで前記帯状金属板の表面に複数種類の溝を形成する伝熱管製造用の複合ロールにおいて、前記2以上の溝付ロールは、相互に面接触した状態で一体的に接合していることを特徴とする伝熱管製造用の複合ロールとするものである。

0009

ここで、請求項1の記載中の「接合」とは、溶接やろう付けといった化学的又は材料学的な接合方法になされた接合状態を指すものであり、連結された材料同士が隙間という不連続面を有することなく物理的に一体化された状態となることをいう。従来の組合せロールでなされている締め付け、つまり物理的な接合手法で一体化された状態と区別されるものである。

0010

請求項1記載の複合ロールは、被加工材の侵入する間隙がなく物理的に一体化されていることから、使用時に溝変形が生じることはない。したがって、この複合ロールは耐久性に優れ、長期間かつ連続的な帯状金属板の加工ができる。

0011

そして、この溝付ロール同士の接合部については、上記の様に、ろう付けにより形成されたものも適用できるが、ろう付けによる接合はロールの材質を考慮して適当なろう材を選択しても接合強度が低いものとなる。そこで、請求項2記載のように、2以上の溝付ロールの接合は、拡散接合によるものであるのが好ましい。拡散接合とは、接触面間原子拡散により材料を接合させたものであるが、この拡散接合は、ろう付けのように中間材であるろう材が使用されていないことから材料組織的に均一な接合部となる上に、接合強度もろう付けで接合されたものより良好である。また、溶接のように非接合材料溶融されることなく接合されていることから、接合前の溝付ロールの凸部を変形させることなく各溝付ロールを一体化することができる。

0012

また、本発明のように帯状金属板を絶えず押圧するロールを構成する材質としては、請求項3のように、硬度ロックウェルA硬さ基準で81〜90である炭化タングステン基超硬合金を適用するのが好ましい。一般的な工具鋼も適用できるが、超硬合金は硬質でありロールの耐久性を保持することができるからである。ここで、炭化タングステン基超硬合金とは、炭化タングステン(WC)粉末を鉄、コバルトニッケルバインダーとして焼結結合してなる合金をいい、炭化タングステンに加えて、炭化チタン(TiC)、炭化タンタル(TaC)、炭化モリブデン(Mo2C)、炭化バナジウムVC)といった炭化物を添加したものもこの炭化タングステン基超硬合金に含まれるものである。また、この超硬合金の硬度についてロックウェルA硬さ基準で81〜90の範囲の超硬合金を適用するのが好ましいとする理由は、硬度81未満の超硬合金は耐摩耗性が不十分であり、一方、硬度90を超える超硬合金は、耐摩耗性は十分あるものの靭性が低下するためロールとしたときに凸部が欠損し易くなるからである。

0013

更に、この炭化タングステン基超硬合金には、コバルトをバインダーとして炭化タングステンを焼結させたものが一般的であるが、請求項4のように、耐食性を考慮してニッケルをバインダーとした炭化タングステン−ニッケル系超硬合金を適用するのが好ましい。帯状金属板を加工する際には、ロールと被加工物との固着の防止及び加工効率の向上を目的として潤滑液加工液をロールと被加工材との間に流すことがあるが、この加工液は腐食性があるからである。尚、炭化タングステン−ニッケル系超硬合金を適用する場合も、上記と同様の理由により、硬度がロックウェルA硬さ基準で81〜90であるものを適用するのが好ましい。

0014

次に、本発明に係るロールの製造方法について説明する。既に述べたように、本発明においては、拡散接合により2以上の溝付ロールを接合、一体化するものである。そして、そのための方法としては、請求項5記載のように、断面形状、回転方向に対するリード角、寸法、の少なくともいずれかが異なる凸部を有する溝付ロールを2以上同軸上で連結した後、連結された溝付ロールを加熱しつつ加圧して接合することとする。

0015

この際の条件としては、請求項6記載のように、加熱温度を溝付ロールの構成材料である超硬合金のバインダーの融点以下とし、加圧力を1.0〜5.0MPaとし、非酸化雰囲気下で2〜7時間加圧保持することにより溝付ロールを接合するのが好ましい。このように加熱温度を制限するのは、溝付ロールの構成材料である超硬合金のバインダーの融点以上とした場合、超硬合金に部分的な軟化又は溶融が生じるため、接合過程で溝付ロールに変形が生じ良好な精度の複合ロールを製造することができないからである。また、加熱保持時間を2〜7時間とするのは、このように長時間加圧保持することにより比較的低温でも確実に接合することができるようにするためである。尚、接合を非酸化雰囲気下で行なうのは、溝付ロールの接触面の酸化を防止し接合を促進させるためである。

0016

更に、かかる条件で拡散接合を行なう際には、請求項7記載のように、溝付ロールの連結前に、接合面を研磨加工するのが好ましい。実際の加工面には原子拡散を阻害する酸化皮膜が存在することから、これを取り除く必要があるためである。また、接合面を平坦にすることにより、実際の接触面積を増加させ接合をよリ速やかに行うことができるからである。そして、接合面を研磨加工する場合の接合面の平坦度は5μm以下とするのが好ましい。

発明を実施するための最良の形態

0017

以下、本発明の好適な実施形態を図面と共に説明する。

0018

第1実施形態:図1は、本実施形態に係る複合ロール1の外観を概略図示したものである。図1において、複合ロール1は向きのみ異なる4種類の溝(深さ0.26mm、溝ピッチ0.41mm)を有する溝付ロール2〜5をそれぞれ1ずつ、同軸上に接合してなるものである。これらの溝付ロールは、後述する工程により拡散接合で接合されており一体化されている。また、溝付ロールは炭化タングステン超硬合金(WC−22%Co、WC平均粒度2.5μm:硬度HRA84.5)

0019

この複合ロール1の製造方法は、溝付ロール2〜5を、ダイヤモンド砥石を用いた研削、研磨加工により所望の凸部を形成加工した後、更にそれぞれの接合面を研磨して面粗度を調整し、これらを同軸上に重ねて拡散接合工程に供した。

0020

拡散接合は、図2に示す拡散接合装置10を用いて行なった。この図2において、拡散接合装置10は、チャンバー11と加圧ロッド12と加圧受台13とヒータ14とからなる。そして、接合工程においては、加圧受台13に溝付ロール2〜5を載置し、位置合わせを行った後、チャンバー11内を脱気して非酸化雰囲気とし、ヒーター14により室内を所定温度まで加熱した後加圧ロッド12で溝付ロール2〜5を加圧しその状態で所定時間加圧保持するようにしている。この際の接合条件は次の通りである。

0021

接合温度: 950℃
加圧力: 3.0MPa
加圧保持時間: 4時間

0022

そして、上記条件にて溝付ロールを接合したときの接合境界の拡大写真図3に示す。図3より、上記手法により接合した溝付ロールの接合面にはわずかに境界線と認められる箇所があるものの、境界線は殆ど消失している。特に、バインダー相については、2つの部材間でほとんど一体化しており、これら溝付ロールが物理的にほぼ一体化しているのがわかる。

0023

そして、この複合ロール1を用いて銅板(幅33.0mm、厚さ0.3mm)の片面に対して溝の加工を行なった。その結果、20トンの銅板を加工するまでロールの変形が生じないことが確認された。

0024

第2実施形態:本実施形態では、溝付ロールの構成材料を変更し、炭化タングステン−Mo2C−ニッケル超硬合金(WC−1.6%MoC−20%Ni合金、WC平均粒度2.5μm:硬度HRA82.5)からなる溝付ロールを接合して複合ロールを製造し、その耐久性を確認した。ここでの接合条件は第1実施形態と同様である。

0025

そして、この複合ロールを使用して第1実施形態と同様の銅板に対して溝の加工を行なったところ、40トンの銅板を加工するまでロールの変形が生じないことが確認された。これは第1実施形態の複合ロールより2倍の重量の銅板を加工できるものであるが。この差はニッケルをバインダーとして使用したことにより、複合ロールの耐食性が向上したことによるものと考えられる。

0026

比較例:以上の2つの実施形態で製造した複合ロールの耐久性を確認するために、従来の溝付ロールを締付固定して製造された複合ロールを用いて帯状金属板の加工を行った。

0027

この比較例で使用した複合ロールは、第1実施形態と同様の材質からなり、溝の形状、寸法、ピッチの溝付ロールを連結しボルトにて締付固定したものである。この際、各溝付ロールの接合面には目視では殆ど隙間は見られなかった。

0028

このボルト固定の複合ロールで第1実施形態と同様の銅板に対して溝の加工を行なったところ、2トンの銅板を加工した段階で銅板の溝に変形が見られることが確認された。即ち、この比較例の複合ロールの耐久性は、本実施形態に係る複合ロールの10分の1程度であることが確認された。

発明の効果

0029

以上説明したように、本発明に係る複合ロールによれば、帯状金属板に複数種類の溝を効率的に加工することができる。特に本発明の複合ロールは耐久性に優れ、長期間安定的に良好な品質の製品加工が可能であるから、複合ロールの交換頻度を低減することができ、製品コストの低減に貢献することができる。

図面の簡単な説明

0030

図1第1実施形態で製造した複合ロールの概略図。
図2本実施形態で使用した複合ロールの拡散接合装置の概略図。
図3本実施形態で製造した複合ロールの接合境界の拡大写真。

--

0031

1複合ロール
2〜5溝付ロール
10拡散接合装置
11チャンバー
12加圧ロッド
13加圧受台
14 ヒーター

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