JP2003244985A - チューブエキスパンダ用電動モータのコントローラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 省スペースで効率的且つ良好な精度でチュー
ブの拡管作業を行うことができるコントローラを提供す
ること。 【解決手段】 コントローラＣは、電源と電動モータと
の間に電気的に接続される。コントローラＣは、供給電
源の電圧検知する電圧検出部２２、トランス２４、制御
部４６を備えている。電圧検出部２２は、供給電源の電
圧を検知し、制御部４６にその信号を送る。トランス２
４は、制御部の信号によって供給電源の電圧を所定の電
圧に変圧する。コントローラＣは、低電圧を印加して電
動モータを低速で回転させ、電動モータの回転速度を所
定電流値で制御し、拡管作業中の管径を緩徐に増加させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チューブエキスパ
ンダ用電動モータのコントローラに関する。より詳細に
は、本発明は、熱交換機やボイラ等のチューブシートに
挿入されたチューブの拡管加工作業に用いられるチュー
ブエキスパンダ用の電動モータにおいて、その電動モー
タを制御するためのコントローラに関する。

【０００２】

【従来の技術】チューブエキスパンダは、熱交換器やボ
イラ等のチューブシートに挿入されたチューブの拡管加
工作業に用いられる。例えば、特開平１１−５１２８５
号公報に記載されるように、チューブエキスパンダは、
マンドレルのテーパ面を公転するローラを備えている。
前進するマンドレルのテーパ面をローラが公転すること
で、ローラの外接円が拡大する。チューブは、内周を転
動するローラによって徐々に拡管する。チューブエキス
パンダは駆動装置であるモータに接続される。このモー
タは、自動電圧調整器及びコントローラで制御される。

【０００３】図５は、従来のチューブエキスパンダの使
用例を示している。自動電圧調整器５０は電源から電力
の供給を受け、コントローラ５２に一定電圧の電力を供
給する。コントローラ５２は、自動電圧調整器から一定
電圧の電力の供給を受け、電動モータ５４に設定値の電
流を供給する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の自動
電圧調整器及びコントローラでチューブエキスパンダ用
電動モータを制御すると、以下の問題が生じる。 （１）従来の自動電圧調整器は、巻き線抵抗を利用した
サーボモータの電圧調整方式であるため、急激な供給電
圧変化に対して瞬時に対応できない。このため、一定電
圧をコントローラに供給できず、拡管寸法制御の精度に
悪影響を及ぼしていた。 （２）コントローラは、物理的な設定スイッチによって
電流値を設定しているので、その電流値の検出応答が遅
く、検出精度のバラツキの要因となる。チューブエキス
パンダを電動モータにより駆動する場合、従来のコント
ローラでは十分な管径精度を得ることができない。 （３）また、モータの回転速度を電流値の設定で変更す
るので、変速設定を行うことができない。そのため、種
々チューブ寸法や材質に適合した拡管条件に柔軟に対応
することが困難であり、拡管精度に問題を生じていた。
ここで、拡管精度とはチューブの肉厚減少率または内径
増加率により求められる拡管の度合いの精度のことであ
る。チューブ寸法（外径、肉厚）、チューブ材質、管板
穴径ごとに拡管条件の適正範囲が異なり、拡管精度に影
響を及ぼす。 （４）コントローラは電源電圧に応じた専用の自動電圧
調整器を必要とする。そのため、供給電源が異なると、
専用の自動電圧調整器を準備した上で、その自動電圧調
整器をコントローラに接続しなければならない。

【０００５】本発明の目的は、上記課題を解決し、管径
精度の良好なコントローラを提供することにある。本発
明の他の目的は、省スペースでチューブ拡管作業を行う
ことができるコントローラを提供することにある。本発
明のさらに他の目的は、効率よく高精度なチューブ拡管
作業を行うことができるコントローラを提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、チュ
ーブを拡管するためのチューブエキスパンダを駆動する
電動モータのコントローラにおいて、前記コントローラ
がケース内に電圧制御部を備え、前記電圧制御部は、入
力電圧を検知して一定電圧に変換する機能と、出力電圧
を所望の電圧に段階的に設定する機能とを有するチュー
ブエキスパンダ用電動モータのコントローラにより前記
課題を解決する。

【０００７】本発明は、従来では別体であった電圧制御
部をケースに内蔵することで、省スペースを図りなが
ら、拡管作業中においても片手でコントローラを操作が
できるように構成されている。その上で、入力電圧を一
定にすること、及び、出力電圧を段階的に設定すること
により、電動モータの回転速度の制御を行う。

【０００８】電動モータの回転速度は、一定の設定電圧
状態で電流を調整することで、拡管作業の適正化を図る
ことができる。すなわち、チューブの拡管作業では、チ
ューブ外周面がチューブシート（管板穴の内周面）に接
触するまでエキスパンダを高速回転することで、作業の
効率化を図ることができ、チューブシートに接触した後
は、低速回転することで、チューブおよびチューブシー
トのスプリングバック量が安定し管径精度の向上が見込
まれる。また、作業完了後にエキスパンダを外す際に
も、エキスパンダを高速回転することで、作業の効率化
を図ることができる。

【０００９】このように、電動モータの回転速度を電圧
によって制御するのではなく、まず、電圧を一定に保っ
た状態で電流によって制御するので、供給される入力電
圧の変化によって電動モータの回転速度が影響を受ける
ことが極めて少ない。チューブエキスパンダの拡管作業
用に、微妙な回転速度の変化が管径に大きく影響を与え
る用途では、供給される入力電圧の変化が電動モータの
回転速度に影響を与えないようにすることが重要であ
り、本発明では、上記構成により、チューブの拡管精度
の向上を図っている。

【００１０】コントローラの電流制御部は、前記電圧制
御部で設定された一定の電圧状態で電動モータの回転速
度を制御する。電流を制御すること、具体的には、出力
電流をフィードバックして、一定電圧状態で電流を制御
することにより、均一なトルクで電動モータを駆動し、
管径を緩徐に大きくすることができる。特に、薄肉のチ
ューブを拡管する際、管径にばらつきが出やすい。ま
た、急激に拡管するとスプリングバックによって、管径
にばらつきが出やすい。したがって、電圧を設定した状
態で、電流を制御し、電動モータの回転速度を一定に保
つことにより、拡管精度を向上させることができる。

【００１１】電流制御部が、電動モータの回転速度を段
階的に制御することが好ましい。上述のように、拡管作
業ではチューブエキスパンダに負荷が作用しない作業も
含まれる。すなわち、チューブ外周面がチューブシート
に接触する前、エキスパンダを管から外す際では、電動
モータを高速回転させて作業の効率化を図ることが望ま
れる。例えば、チューブ外周面がチューブシートに接触
する前において、電動モータを高速回転させ、電流セン
サによってチューブ外周面がチューブシートに接触した
ことを検知させ、その後、電流値を緩徐に上昇させるこ
とで、効率的に拡管作業を行うことができる。

【００１２】コントローラが、出力電流を検知する電流
センサを備え、出力電流が閾値を越えたとき、電流制御
部が電流を遮断することが好ましい。拡管作業中、チュ
ーブ外周面がチューブシートに接触すると、本発明のコ
ントローラは均一な回転速度を維持するために電流制御
部が電流値を大きくする。そのまま拡管作業を継続する
と、過電流が生じて電動モータを損傷する恐れがある。
本発明では、電流により電動モータの回転速度を制御す
るため出力電流が閾値の越えた際には、これを遮断する
ことが望まれる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明によ
るチューブエキスパンダ用電動モータのコントローラの
一実施形態を説明する。

【００１４】図１は、チューブエキスパンダの一実施形
態を示している。チューブエキスパンダ１０は、フレー
ム１２内に回転自在に支持されたマンドレル１４を備え
ている。また、チューブエキスパンダ１０は、マンドレ
ル１４のテーパ部１６を公転する複数のローラ１８を備
えている。マンドレル１４が回転すると、ローラ１８は
自転しながら、マンドレル１４のテーパ部１６上を公転
する。さらに、マンドレル１４が前進すると、複数のロ
ーラ１８の外接円が拡大する。チューブエキスパンダ用
電動モータはチューブエキスパンダ１０の後端において
マンドレル１４に接続される。電動モータがマンドレル
１４を回転駆動することで、ローラ１８は自転及び公転
しながら外接円を拡大させる。

【００１５】チューブの拡管精度は、ローラ１８の外接
円の増分と密接な関係にある。すなわち、ローラ１８の
外接円の増分を小さくし及び均一にすることにより、拡
管精度が向上する。ローラ１８の外接円の増分を小さく
するには、マンドレル１４の回転数を小さくすることが
好ましく、ローラ１８の外接円の増分を均一にするに
は、マンドレル１４の回転速度を一定にすることが好ま
しい。その一方で、拡管作業では、チューブに負荷が作
用しない工程も存在する。チューブエキスパンダをチュ
ーブに挿入した後、ローラがチューブに接するまでの工
程では、チューブに作用する負荷は小さい。また、チュ
ーブエキスパンダをチューブから外す工程でも、チュー
ブに作用する負荷は比較的小さい。拡管作業を効率的に
行うには、これらの工程において、マンドレル１４を比
較的高速で回転させることが好ましい。

【００１６】図２は、電源と電動モータとの間の接続例
を示している。電源と電動モータとの間に本発明のコン
トローラＣが電気的に接続される。電源は、単相の１０
０Ｖ又は２００Ｖの交流電源である。電動モータ２０は
チューブエキスパンダ１０に結合される。コントローラ
Ｃは、供給電源の電圧を検知し、電動モータに拡管作業
に適した所定電圧及び所定電流を供給する。電動モータ
２０は、コントローラＣによって制御された電圧及び電
流によって、チューブエキスパンダ１０を駆動する。

【００１７】図３は、コントローラＣの回路図を示して
いる。コントローラＣは、電力供給側から、入力端子、
電圧検出部２２、トランス２４、整流回路２６、平滑回
路２８、電流アンプ３０、定電圧回路３２、定電流回路
３４、電圧センサ３６、電流センサ３８、出力端子を備
えている。一方、コントローラＣは、インターフェイス
として、電圧設定スイッチ４０、電流設定スイッチ４
２、表示部４４を備えている。また、コントローラＣ
は、半導体回路を内蔵する制御部４６を備えている。

【００１８】電圧検出部２２は、供給電源の電圧検知す
る。一般的に、電源は１００Ｖ又は２００Ｖであり、電
圧検出部２２は、供給電源の電圧が１００Ｖであるか２
００Ｖであるかを検知し、制御部４６にその信号を送
る。

【００１９】トランス２４は、供給電源の電圧を所定の
電圧に変圧する。例えば、電源投入時に２００Ｖの電力
供給があったとき、トランス２４は電圧を１００Ｖに降
圧し、電源投入時に１００Ｖの電力供給があったとき、
トランス２４は変圧を行わない。もっとも、電圧センサ
３６及び電圧設定スイッチ４０の信号を受け、制御部４
６が他の電圧へ変圧するようにトランス２４を制御して
もよい。

【００２０】整流回路２６は交流を直流に変換し、平滑
回路２８は整流された電流を完全な直流に変換する。

【００２１】電流アンプ３０は、電動モータ２０への出
力電流を制御する。制御部４６は、電流センサ３８及び
電流設定ボリューム４２の信号を受け、チューブエキス
パンダが拡管作業に適した回転速度で回転するように出
力電流を制御する。

【００２２】定電圧回路３２及び定電流回路３４は、電
源側の内部抵抗に起因する電圧降下を補正し、電動モー
タ端子間に一定の電圧及び電流を供給する素子である。
定電圧回路３２及び定電流回路３４は、制御部４６によ
って制御される。

【００２３】電圧センサ３６は電動モータ端子間の電圧
を検知し、その信号を制御部４６に送る。電流センサ３
８は電動モータ端子間の電流を検知し、その信号を制御
部４６に送る。

【００２４】一方、インターフェース側の電圧設定スイ
ッチ４０は、作業者が操作し、電動モータ２０への供給
電圧を設定するスイッチである。作業者が電圧を設定す
ることにより、電動モータ２０の回転速度が設定され
る。制御部４６は、電圧設定スイッチ４０の信号を受け
て、定電圧回路３２を制御する。

【００２５】電流設定ボリューム４２は、作業者が操作
し、電動モータ２０への供給電流を設定するスイッチで
ある。電流設定ボリューム４２は、主として、電流上昇
傾度を設定する。

【００２６】表示部４４は、設定電圧値・電流値・拡管
作業終了等を表示する。また、制御部４６が過大電流等
の異常を察知した際、表示部４４はアラーム等で作業者
に注意を喚起する。

【００２７】次に、拡管作業に即して本発明による制御
部４６の制御フローを説明する。コントローラＣの電源
をＯＮにすると、電圧検出部２２が電源電圧を検知して
制御部４６に電圧に関する信号を送る。作業者が電圧設
定スイッチ４０を操作して電動モータが所望の回転速度
となるように電圧を設定する。制御部４６は、電圧検出
部２２からの信号を電圧設定スイッチ４０からの信号に
よってトランス２４に電圧を昇圧又は降圧する信号を送
る。トランス２４は制御部４６によって制御され、供給
電圧を所定電圧に変圧する。

【００２８】作業者は、電流設定スイッチ４２を操作し
て電動モータが所望の電流上昇傾度を得るように電流を
設定する。その後、作業者は、拡管作業の対象となるチ
ューブにチューブエキスパンダを挿入する。作業者が電
動モータに設けられたチイッチを操作すると、制御部４
６は所定電圧の電流を出力端子に供給する。

【００２９】トランス２４によって所定の電圧に変圧さ
れた電力は、整流回路２６及び平滑回路２８を通じて電
流アンプ３０に送られる。電流アンプ３０は、電動モー
タに供給する電流を所定傾度に設定する。所定電圧及び
所定電流の電力は、定電圧回路３２、定電流回路３４、
電圧センサ３６及び電流センサ３８を通じて出力端子に
印加される。

【００３０】定電圧回路３２及び定電流回路３４は、内
部抵抗によって変動する電圧及び電流を一定に維持す
る。電圧センサ３６及び電流センサ ３８は、電動モー
タへ供給される電力の電圧及び電流を検出し、制御部４
６にその信号を送る。制御部４６は、出力端子に印可さ
れる電力を一定に維持するため、トランス２４及び電流
アンプ３０に信号を送る。

【００３１】電動モータ２０は、コントローラＣの出力
端子から電力の供給を受けて起動し、チューブエキスパ
ンダ１０を作動させる。図４は、電動モータ２０に供給
される電流（アンペア）、電圧、電動モータ２０の回転
速度、電動モータ２０のトルクを示している。電動モー
タ２０の回転速度は安定して供給される段階的な電圧に
対応し、トルクは供給される電流（アンペア）に対応し
て変化する。電動モータ２０は、所定電圧において、コ
ントローラＣによって所定上昇傾度の電流を供給されて
起動する。拡管されるチューブ外周面がチューブシート
に接触するまで、コントローラＣは、所定上昇傾度で電
動モータに電流を供給する。電動モータは、チューブ外
周面がチューブシート管板穴の内周面に接触するまで高
速で回転する。

【００３２】チューブ外周面がチューブシートに接触す
ると、チューブエキスパンダが仕事を行うので、コント
ローラＣは電流を上昇させるが、回転速度は低速とす
る。高速と低速の切り替えは、電流センサ３８が検知す
る電流値によって、又は、回転速度及び時間によってコ
ントローラＣが制御する。低速で回転する電動モータ２
０は、ローラの外接円直径を緩徐に増大させる。

【００３３】チューブの内径が所定値に達すると、コン
トローラＣは電動モータへの電力を供給を止める。ある
いは、作業者が電動モータのスイッチをＯＦＦにする。
その後、コントローラＣが電動モータ２０を逆転するよ
うに電力を供給するか、作業者が電動モータを逆転する
ようにスイッチを操作する。この場合、コントローラＣ
は、出力端子に電動モータを高速で回転させるように電
流を制御する。電動モータ２０は、ローラの外接円直径
を急速に縮小させ、チューブエキスパンダを初期状態に
復帰させる。

【発明の効果】

【００３４】以上のように、本発明によるチューブエキ
スパンダ用電動モータのコントローラは、以下の特有の
効果を奏する。 （１）コントローラ内に供給電源を検知し、所定電圧に
変圧する機能を備えているので、電源電圧に拘らず電動
モータを制御することができる。したがって、従来で
は、電動モータを制御するために専用の電源調整器が必
要であったが、本発明のコントローラを利用すること
で、省スペースで拡管作業を行うことができる。 （２）本発明のコントローラは、所望の電圧で電動モー
タに電力を供給できるので、低電圧を印加して電動モー
タを低速で回転させ、電動モータの回転速度を所定電流
値で制御し、拡管作業中の管径を緩徐に増加させる。し
たがって、拡管精度が向上し、薄肉のチューブであって
も高精度に拡管作業を行うことができる。また、緩徐に
拡管作業を行うことができるので、いわゆるスプリング
バック量を抑えることができ、固着力を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、チューブエキスパンダの一実施形態を示す
断面図である。

【図２】は、電源、コントローラ及び電動モータの接続
例を示す概略図である。

【図３】は、コントローラの回路図である。

【図４】は、電動モータの挙動（時間−アンペア−電圧
−回転速度−トルクの関係）を示すグラフである。

【図５】は、従来の接続例の概略図である。

【符号の説明】

１０ チューブエキスパンダ １２ フレーム １４ マンドレル １６ テーパ部 １８ ローラ ２０ 電動モータ ２２ 電圧検出部 ２４ トランス ２６ 整流回路 ２８ 平滑回路 ３０ 電流アンプ ３２ 定電圧回路 ３４ 定電流回路 ３６ 電圧センサ ３８ 電流センサ ４０ 電圧設定スイッチ ４２ 電流設定スイッチ ４４ 表示部 ４６ 制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3L065 CA03 5H570 AA23 BB20 CC06 DD06 EE01 EE03 FF02 FF04 FF07 FF08 FF10 GG01 GG02 HB12 KK02 KK08 LL02 LL03 MM02 MM07

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チューブを拡管するためのチューブエキ
   スパンダを駆動する電動モータのコントローラにおい
   て、 前記コントローラがケース内に電圧制御部を備え、 前記電圧制御部は、入力電圧を検知して一定電圧に変換
   する機能と、出力電圧を所望の電圧に段階的に設定する
   機能とを有する、チューブエキスパンダ用電動モータの
   コントローラ。
2. 【請求項２】 前記コントローラが電流制御部を備え、
   前記電流制御部は、前記電圧制御部で設定された一定の
   電圧状態で電動モータの回転速度を制御する、請求項１
   記載のチューブエキスパンダ用電動モータのコントロー
   ラ。
3. 【請求項３】 前記電流制御部が、電動モータの回転速
   度を段階的に制御する、請求項２記載のチューブエキス
   パンダ用電動モータのコントローラ。
4. 【請求項４】 前記コントローラが、出力電流を検知す
   る電流センサを備え、出力電流が閾値を越えたとき、電
   流制御部が電流を遮断する、請求項１乃至３のいずれか
   に記載のチューブエキスパンダ用電動モータのコントロ
   ーラ。