JP2012242009A - 接続管、その製造方法、及びそれを用いた冷却装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】不凝縮性ガスの発生による冷却性能の低下を抑制することができる接続管を提供する。
【解決手段】本発明における接続管は、冷媒を流動する中空部を備えた金属層と、金属層の外層を覆うように形成された樹脂層とを備え、金属層は、少なくとも一部を重ね合わせて接合する接合部を設け、金属層の内面の表面粗さは、冷媒の凝縮核の大きさ以下であることを特徴する。
【選択図】 図1
【解決手段】本発明における接続管は、冷媒を流動する中空部を備えた金属層と、金属層の外層を覆うように形成された樹脂層とを備え、金属層は、少なくとも一部を重ね合わせて接合する接合部を設け、金属層の内面の表面粗さは、冷媒の凝縮核の大きさ以下であることを特徴する。
【選択図】 図1
Description
本発明は接続管、その製造方法、及びそれを用いた冷却装置に関し、特に冷媒の蒸発及び凝縮作用によって熱を輸送する冷却装置に用いる接続管、その製造方法に関する。
電子機器などの装置に使用される沸騰冷却は、発熱体が発する熱を受けて冷媒を液体から気体へと相変化させる蒸発部と、熱を外部へ放出することで冷媒を気体から液体に相変化させる凝縮部とで構成される。
蒸発部の内部に設けられた冷媒は、発熱体と熱的に接触しているため、発熱体が発する熱を受熱することで沸騰する。蒸発部内部の冷媒が沸騰することで発生した冷媒の蒸気は、気液の密度差による浮力によって、接続管を介して凝縮部に運ばれる。
凝縮部に運ばれた冷媒の蒸気は、外気と熱交換を行う。凝縮部が冷却されると、蒸発した冷媒は気体から液体に凝縮することで、外気へ発熱体で発生した熱の放熱を行う。発熱体がLSIなどのシリコン材料である場合、動作温度の範囲で冷却性能を向上させるために、沸騰冷却装置内を減圧、および沸点が低い有機材料の冷媒を用いる。
電子装置の配置自由度を向上させるため、沸騰冷却装置の蒸発部と凝縮部とをつなぐ接続管は、柔軟性のある材料を用いる必要がある。しかし、樹脂やゴムなどの柔軟性のある有機材料を配管として用いた場合、高温である冷媒の蒸気と接続管の有機材料とが反応して、凝縮部で凝縮することができない不凝縮性ガスが発生してしまう。その結果、冷却器内部の内圧が上昇し、冷却性能が低下してしまうという問題があった。
一方、不凝縮性ガスの発生を防止するために、接続管にアルミニウムや銅など金属を用いると、その硬さによって配管の配置が制限され、また屈曲部で座屈が生じ配管に凹みが発生してしまうという問題があった。
このような問題を解決する技術が、特許文献1に記載されている。特許文献1には、冷媒液を収容する蒸発部容器と、気化した冷媒を凝縮する凝縮器と、蒸発部容器と凝縮器を配管する沸騰冷却装置が記載されている。そしてこの管は、樹脂製の管の内壁にアルミニウム、ステンレス等耐蝕・耐透過性材料の薄膜を蒸着させた構成としている。
しかし特許文献1に記載の接続管は、接続管の内面に金属膜を蒸着した構成としている。そのため樹脂上に蒸着された金属膜の表面粗さによって、管の途中で冷媒蒸気が再凝縮して液化してしまう。そのため、このような配管を用いた関連する沸騰冷却装置においては、冷媒の熱輸送量、つまり冷却性能が低下してしまうという問題があった。
本発明の目的は、上述した課題を解決する接続管を提供することにある。
本発明における接続管は、冷媒を流動する中空部を備えた金属層と、金属層の外層を覆うように形成された樹脂層とを備え、金属層は、少なくとも一部を重ね合わせて接合する接合部を設け、金属層の内面の表面粗さは、冷媒の凝縮核の大きさ以下であることを特徴する。
本発明における接続管によれば、冷却性能の低下を抑制することができる。
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
〔第1の実施形態〕本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は本実施形態における接続管1の斜視図である。
〔構造の説明〕図1に示すように、本実施形態における接続管1は、金属層2と、樹脂層3とを備えている。
接続管1は、少なくとも内層に金属層2と外層に樹脂層3を設けた多層の接続管である。
金属層2は、内部に中空部を備えるように曲げられて円筒状の金属管を形成している。金属層2は、アルミニウム、スズ、ステンレス、銅、真鍮、亜鉛など柔軟性を有した材料で構成される。
なお円筒状に形成した金属層2の内面の表面粗さは、接続管1を流動する冷媒の凝縮核の大きさ以下である。具体的には、表面の中心線平均粗さを、0.1μm以上かつ10μm以下、さらに好適には1μm以下とすることにより、金属層2の内面が冷媒の凝縮核となることを回避することができる。
金属層2は、少なくとも一部に接合部4を設けている。接合部4において金属層2を重ね合わせて接合することで、金属層2は円筒状の金属管を形成している。
接合部4には、ロウ材として金属層2の材質より融点の低い材料を設けることができる。そして接合部4を、金属層2の融点より低く、ロウ材の融点より高い温度で加熱することで、金属層2の接合を行う。なお金属層2の接合部4には、ロウ材を設けずに、溶接により重ね合わせた金属層2同士を接合することとしてもよい。
樹脂層3は、金属層2を覆うように、金属層2の外縁部に設けられている。樹脂層3の厚さは1mm〜3mmであることが望ましく、材料はポリエチレン、ブチルゴム、フッ素ゴム、シリコン、エチレンなど柔軟性のある樹脂を用いることができる。これは、樹脂層3の厚さが1mmよりも薄くなると、曲げ強度および耐内圧強度を保つことが困難になるためである。一方、樹脂層3の厚さが3mmよりも大きくなると、冷却装置の接続管1の柔軟性が低下するためである。
〔製造方法の説明〕次に、本実施形態における接続管1の製造方法について、図2を用いて説明する。
図2に示すように、平板状の金属層2をロールなどの器具を用いて筒状に折り曲げ、接合部4が重なり合うように円筒状の金属管を形成する。接合部4における金属層2同士の接合は、接合部4に設けたロウ材により接合してもよい。また接合部4にロウ材を設けないで、溶接により重ね合わせた金属層2同士を接合してもよい。
接合部4における金属層2同士の接合をロウ材により行う場合、金属層2の接合部4には、金属層2より融点が低いロウ材が設けられている。そして、金属層2の接合部4を加熱することによりロウ材を拡散させて、金属層2同士の接合を行う。なお接合部4の加熱は、金属層2の融点より低く、ロウ材の融点より高い温度で行う。
次に、金属層2を円筒状に形成した金属管の外層を覆うように、高温で溶かした状態のポリエチレン、ブチルゴム、フッ素ゴム、シリコン、エチレンなどの樹脂材料を射出して樹脂層3を形成する。樹脂層3は、厚さが1mmから3mmの範囲で形成されることが望ましい。
〔効果の説明〕次に、本実施形態における作用について説明を行う。
特許文献1に記載の管は、樹脂層の内面部に金属層を設けた構造であるが、金属層を樹脂層の内壁に蒸着した構造である。そのため樹脂の表面粗さによって、樹脂上に蒸着された金属層の表面も粗くなり、管の途中で冷媒の蒸気が再凝縮して液化してしまう。その結果、蒸発部容器から凝縮器に冷媒の蒸気を運ぶ熱輸送量が低下することで、冷却性能が低下してしまうという問題があった。
そこで本実施形態における接続管1は、平板状の金属層2に接合部4を設け、金属層2を丸めて接合部4において重ね合わせることで円筒状の金属管を形成している。そして金属層2を覆うように樹脂層3を設けている。ここで金属層2の表面粗さは、冷媒の凝縮核の大きさ以下である。
つまり本実施形態における接続管1の内層は、平板状の金属層2を丸めた構造であるため、金属層2は樹脂層3の内表面における粗さの影響をうけない。そのため金属層2の内面における表面粗さは、冷媒の凝縮核の大きさ以下とすることができる。
換言すると、接続管1内を流動する冷媒の蒸気が、金属層2の表面粗さを凝縮核として再凝縮することを防止することができる。その結果、接続管1が運ぶ冷媒蒸気の熱輸送量を低下させることがないため、冷却性能の低下を抑制することができる。
また本実施形態における接続管1は、金属層2における接合部4を重ね合わせて接続をすることで、金属層2同士が接合する接触面積を大きくすることができ、強い接続関係を実現することができる。そのため接続管1を折り曲げて配置する場合であっても、接合部4における金属層2同士の接合が分離するのを回避できる。その結果、冷媒の蒸気と樹脂層3が反応して不凝縮性ガスが発生することによる冷却性能の低下を抑制することができる。
また接続管1は、金属層2同士が接合する接触面積を大きくして強く接続すると、金属層2を薄くすることができる。なお本実施形態の構造では、金属層2の薄さを0.03mm〜1mmとすることが望ましい。金属層2を薄くできることで、接続管1は、柔軟性を有し、接続する機器にあわせて自由に配置することができる。また接続管1は、内層に金属層2を設けているため、接続管1の内部で高温の冷媒の蒸気が流動しても、樹脂層3と反応して冷却性能が低下することを防ぐことができる。
〔第2の実施形態〕次に、第2の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
〔構造の説明〕本実施形態における接続管1は、図3に示すように樹脂層3を熱収縮チューブ5で構成している。それ以外の構造、接続関係は、第1の実施形態と同様である。
金属層2は、内部に中空部を備える円筒状の金属管である。金属層2の膜厚は、0.03mm〜1mmとすることが望ましく、アルミニウム、スズ、ステンレス、銅、真鍮、亜鉛などの柔軟性を有した材料で構成されている。なお金属層2を円筒状に形成した金属管の内面の表面粗さは、接続管1を流動する冷媒の凝縮核の大きさ以下である。
金属層2は、平板形状であり少なくとも一部に接合部4を設けている。接合部4において金属層2同士を重ね合わせて接合することで、金属層2は円筒状の金属管を形成している。接合部4は、ロウ材として金属層2の材質であるアルミニウムやスズよりも融点の低い材料を、金属層2上に設けて接合してもよいし、また金属層2を溶接により接合してもよい。
熱収縮チューブ5は、金属層2の外縁部に設けられており、金属層2と密着している。熱収縮チューブ5の材料は、ポリエチレン、ブチルゴム、フッ素ゴム、シリコン、エチレンなどで構成される。熱収縮チューブ5の厚さは、1mm〜3mmであることが望ましい。
〔製造方法の説明〕次に本実施形態における接続管1の製造方法について、図3を用いて説明する。図3は本実施形態における接続管1の製造方法を示す斜視図である。
まず第1の実施形態における製造方法と同様に、平板状の金属層2をロールなどの器具により曲げて、接合部4が重なり合うように円筒状の金属管を形成する。接合部4における金属層2同士の接合は、接合部4に設けたロウ材を加熱することにより接合してもよいし、また溶接により接合させてもよい。
次に、図3に示すように円筒状に形成された金属管の外径より内径が大きく、また金属層2と長さが等しい、もしくは長い熱収縮性チューブ5で円筒状の金属層2を覆う。
次に、熱収縮チューブ5が円筒形状の金属層2を覆った状態で、熱収縮チューブ5に対して温風などを吹きつけて加熱する。加熱された熱収縮チューブ5は、半径方向、および長手方向に収縮して、熱収縮チューブ5と金属層2とが密着する。
〔効果の説明〕次に本実施形態における接続管1の効果について説明する。
本実施形態における接続管1は、第1の実施形態と同様に、平板状の金属層2を丸めて形成した円筒状の金属管である。つまり圧延処理などにより形成されているので、金属層2の内面における表面粗さは、冷媒の凝縮核の大きさ以下とすることができる。その結果、接続管1内を流れてくる冷媒の蒸気は、金属表面の粗さにより再凝縮などは起こらない。つまり蒸発部から凝縮部に冷媒の蒸気を運ぶ熱輸送量を低下させることがないため、冷却性能の低下を抑制することができる。
また本実施形態における接続管1は、金属層2を円筒状に形成した金属管の外径よりも内径が大きく、また金属層2の長さと等しい、もしくは長い熱収縮性チューブ5を備えている。熱収縮性チューブ5は、金属管の外縁部を覆った状態で、温風などで加熱されることにより収縮して金属層2と密着する。
その結果、接合部4において重ね合わせて接合した金属管を、外側からも支持することで強く接続することができる。
また接続管1を折り曲げて配置する場合であっても、接合部4における金属層2同士の接合が分離することがないため、冷媒の蒸気と樹脂層3とが反応することで不凝縮性ガスが発生することによる冷却性能の低下を抑制することができる。
〔第3の実施形態〕次に、本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図4は本実施形態における接続管1の斜視図である。
〔構造の説明〕図4に示すように、本実施形態における接続管1は、樹脂層3を樹脂テープ6で構成している。それ以外の構造、接続関係は、第1の実施形態と同様である。
金属層2は、内部に中空部を備える円筒状の金属管である。金属層2の膜厚は、0.03mm〜1mmとすることが望ましく、アルミニウム、スズ、ステンレス、銅、真鍮、亜鉛などの柔軟性を有した材料で構成されている。なお金属層2を円筒状に形成した金属管の内面の表面粗さは、接続管1を流動する冷媒の凝縮核の大きさ以下である。
金属層2は、平板形状であり少なくとも一部に接合部4を設けている。接合部4において金属層2同士を重ね合わせて接合することで、金属層2を丸めて円筒状の金属管を形成する。接合部4は、ロウ材として金属層2の材質であるアルミニウムやスズなどの融点の低い材料を、金属層2上に設けて接合してもよいし、金属層2を溶接により接合してもよい。
樹脂テープ6は、金属層2の外縁部に巻きつられており、金属層2の外側に樹脂層3を形成する。なお樹脂テープ6の材料は、ポリエチレン、ブチルゴム、フッ素ゴム、シリコン、エチレンなどで構成される。
樹脂テープ6の厚さや幅は特に限定されず、円筒状の金属層2に巻きつけられたとき、隣り合う樹脂テープ6を重なり合うように巻きつけた構造でもよいし、重なり合わないように巻きつけた構造でもよい。なお樹脂テープ6を金属層2の外側に巻きつけたとき、樹脂テープ6の厚さが、1mm〜3mmであることが望ましい。
これは、樹脂層3の厚さが1mmよりも薄くなると、曲げ強度および耐内圧強度を保つことが困難になるためである。一方、樹脂層3の厚さが3mmよりも大きくなると、冷却装置の接続管1の柔軟性が低下するためである。
〔製造方法の説明〕次に本実施形態における接続管1の製造方法について、図5を用いて説明する。
まず第1の実施形態における製造方法と同様に、平板状の金属層2をロールなどの器具により曲げて、接合部4が重なり合うように円筒状に形成する。接合部4における金属層2同士の接合は、接合部4に設けたロウ材により接合してもよいし、また溶接により接合させてもよい。
次に円筒状に形成された金属管に対して樹脂テープ6を巻きつけることで、金属層2の外側に樹脂層を形成する。
図5では、重なり合う部分がないように樹脂テープ6を金属層2に巻きつけた構造が記載されているが、これに限らない。樹脂テープ6を金属層2の外側に巻きつけたときの厚さが、1mm〜3mmであることが望ましい。
つまり樹脂テープ6の厚さが1mm〜3mmである場合、隣り合う樹脂テープ6どうしが重ならないように、樹脂テープ6を巻きつけることが望ましい。一方、樹脂テープ6の厚さが1mm〜3mmより薄い場合、何度か重ねあわせて巻きつけることで、樹脂テープ6の厚さを1mm〜3mmとしてもよい。
樹脂テープ6の厚さが1mm〜3mmより薄い場合、樹脂テープ6を巻きつける回数により、樹脂層3の厚さを制御できる。そのため、例えば接続管1の湾曲部など、樹脂層3を部分的に厚く設けたい箇所には、樹脂テープ6を巻きつける回数を多くして所望の厚さを有する樹脂を形成することができる。
〔効果の説明〕次に本実施形態における接続管1の効果について説明する。
本実施形態における接続管1は、金属層2を円筒状に形成した金属管の外縁部に樹脂テープ6を巻きつけた構造である。なお、樹脂テープ6の厚さ、幅は特に限定されない。
上記の構造により、樹脂テープ6が薄い場合、金属層2に樹脂テープ6を何度か重ねあわせて巻きつけた構造とすることで、部分的に樹脂テープ6で形成された樹脂層3の厚さを制御することができる。そのため樹脂テープ6の巻き数と、軸方向の力が比例するので、樹脂層3と金属層2との密着性を巻き数によって調整することができる。
つまり接続管1を引き回す場合に、湾曲させる箇所や配置箇所などにより、接続管1の厚さを制御することができる。なお本実施形態における接続管1は、金属層2に樹脂テープ6を巻きつける回数を部分的に制御することで、所望の箇所において樹脂テープ6が巻きつけられている厚さを、厚くしたり、薄くしたりと制御することができる。
また本実施形態における接続管1は、第1の実施形態と同様に、平板状の金属層2を丸めて形成した円筒状の金属管である。つまり金属層2の内面における表面粗さは、冷媒の凝縮核の大きさ以下である。その結果、接続管1内を流れてくる冷媒の蒸気は、金属表面の粗さにより再凝縮などは起こらない。つまり蒸発部から凝縮部に冷媒の蒸気を運ぶ熱輸送量を低下させることがないため、冷却性能の低下を抑制することができる。
〔第4の実施形態〕本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図6は本実施形態における冷却装置10の断面図である。
〔構造の説明〕図6に示すように、本実施形態における冷却装置10は、実施形態1で記載している金属層2と、樹脂層3とを有する接続管1と、蒸発部7と凝縮部8とを備えている。
蒸発部7は、箱型形状であり内部に冷媒9を設けている。具体的な冷媒9としてHFC(hydro fluorocarbon:ハイドロフルオロカーボン)や、HFE(hydro fluor ether:ハイドロフルオロエーテル)を用いているが、低沸点の材料であればこれに限定されない。
蒸発部7は、下面部において発熱体と熱的に接触しており、発熱体が発生する熱により冷媒9は沸騰する。また蒸発部7は、少なくとも2つの接続管1と接続しており、それぞれの接続管1は、凝縮部8と接続している。
蒸発部7の上面と接続する接続管1aは、凝縮部8の上部と接続している。また蒸発部7の側部と接続する接続管1bは、凝縮部8の下部と接続している。なお、蒸発部7と接続管1bの接続箇所は、下面に近いほどよい。上記構造とすることで、蒸発部7において蒸気となった冷媒9が凝縮部8に運ばれ、そして凝縮部8において凝縮された冷媒9が蒸発部7に運ばれるという熱サイクルを維持することができる。
凝縮部8は箱型形状であり、接続管1aから凝縮部8の上部に冷媒9が流入されると、冷媒9は凝縮部8内部を上部から下部に流れる。凝縮部8が外気により冷却されることで、凝縮部8に流入した冷媒9の蒸気は凝縮され液化する。液化した冷媒9は、凝縮部8の下部に接続した接続管1bを介して、側面部から蒸発部7に流れこむ。
ここで蒸発部7と凝縮部8とを接続する接続管1a、1bは、第1の実施形態に記載されている接続管1である。接続管1は、内層に金属層2と、外層に樹脂層3を設けた多層の接続管であり、金属層2の膜厚は、0.5mm以下と薄く、主にアルミニウムやスズなどの柔軟性を有した材料で構成されている。
金属層2は、少なくとも一部に接合部4を設けている。そして金属層2を丸めて接合部4において金属層2を重ね合わせて接合することで、円筒状の金属管を形成する。接合部4は、ロウ材として金属層2の材質より融点の低い材料が金属層2上に設けられている。
接続管1は、内層が薄い金属層2であり、外層が樹脂層3で構成されているため、柔軟性を有している。そのため、接続管1を任意の方向に湾曲させることで、蒸発部7と凝縮部8の配置場所に関わらず、自由に配置することができる。ここで図6に示すように、接続管1を湾曲させる場合、接合部4が内側になるように、接続管1を湾曲させることが望ましい。
〔作用・効果の説明〕次に本実施形態における作用・効果について説明を行う。
蒸発部7は、発熱体8と熱的に接触している。そのため、蒸発部7の内部に設けられた冷媒9は、発熱体8が発する熱を受熱することで沸騰する。
蒸発部7内部の冷媒9が沸騰することにより発生した蒸気は、気液の密度差による浮力によって、蒸発部7に接続している接続管1aを介して凝縮部8に運ばれる。
凝縮部8に運ばれた冷媒9の蒸気は、凝縮部8を上端部から下端部に流れるあいだ、外気と熱交換を行う。凝縮部8が冷却されることで、蒸発した冷媒9は気体から液体に凝縮し、発熱体9で発生した熱を外気へ放熱することができる。なお、凝縮部8の下端部において液化した冷媒9は、下端部に接続した接続管1bを介して蒸発部7に運ばれる。
ここで金属層2を重ね合わせて接合させた接合部4を、接続管1を湾曲させた場合の外側に設けた場合、接合部4には接続管1を湾曲させたことにより外側に向かう力が集中してかかり、接合が分離されてしまう可能性があった。そして接合部4において金属層2の接合が分離されると、その隙間から冷媒9が侵入し、冷媒9と樹脂層3とが反応して不凝縮ガスを発生し、冷却性能を低下させてしまうなどの問題があった。
そこで本実施形態では、接続管1を湾曲させた場合、接合部4を内側に設けている。そのため接合部4に外側に向かう力がかかるのを防ぐことにより分離を回避することができ、冷媒9の蒸気と樹脂層3とが反応して不凝縮性ガスが発生することによる冷却性能の低下を抑制することができる。
1 接続管
2 金属層
3 樹脂層
4 接合部
5 熱収縮性チューブ
6 樹脂テープ
7 蒸発部
8 凝縮部
9 冷媒
10 冷却装置
2 金属層
3 樹脂層
4 接合部
5 熱収縮性チューブ
6 樹脂テープ
7 蒸発部
8 凝縮部
9 冷媒
10 冷却装置
Claims (15)
- 冷媒が流動する中空部を備えた円筒状の金属層と
前記金属層の外層を覆うように被覆して形成された樹脂層とを備え、
前記金属層は、重ね合わせて接合した接合部を有し、
前記金属層の内面の表面粗さは、前記冷媒の凝縮核の大きさ以下であることを特徴とする接続管。 - 前記金属層の表面粗さは、0.1μm以上かつ10μm以下である請求項1に記載の接続管。
- 前記樹脂層の厚さは、1mm以上3mm以下であり、
前記金属層の厚さは、0.03mm以上1mm以下である請求項1乃至2に記載の接続管。 - 前記接合部は、ロウ材により接合されている請求項1乃至3に記載の接続管。
- 前記ロウ材の融点は、前記金属層の融点より低い請求項4に記載の接続管。
- 前記接合部における前記金属層は、溶接により重ね合わせた前記金属層を接合されている請求項1乃至3に記載の接続管。
- 前記金属層の材質は、アルミニウム、スズ、ステンレス、銅、真鍮、亜鉛である請求項1乃至6に記載の接続管。
- 前記樹脂層は、熱収縮性チューブである請求項1乃至7に記載の接続管。
- 前記樹脂層は、樹脂テープである請求項1乃至8に記載の接続管。
- 前記1乃至9に記載の前記接続管と
発熱体と接触し、内部に冷媒を備える蒸発部と
前記発熱体が発する熱により蒸発した前記冷媒を凝縮する凝縮部とを備え、
前記蒸発部と前記凝縮部とを接続し、前記接続管を通して前記冷媒が流動する冷却装置。 - 前記接続管は湾曲した形状で配置され、前記接合部が湾曲した前記接続管の内側に設けられている請求項10に記載の冷却装置。
- 金属層の少なくとも一部を重ね合わせて接合することにより、円筒状の金属層を形成し、
前記金属層の外縁部に、樹脂層を形成することを特徴とする接続管の製造方法。 - 前記金属層の外縁部に、熱収縮性材料を配置し、
前記熱収縮性材料を加熱し収縮させることにより前記金属層と密着させる請求項12に記載の接続管の製造方法。 - 前記熱収縮性材料は円筒形状であり、前記熱収縮性材料で前記金属層の外縁部を覆う請求項13に記載の接続管の製造方法。
- 前記熱収縮性材料は帯状であり、前記金属層の外周を周回して前記熱収縮性材料を配置する請求項13に記載の接続管の製造方法。
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