CN102460057B

CN102460057B - 换热用的金属板及换热用的金属板的制造方法

Info

Publication number: CN102460057B
Application number: CN201080025123.0A
Authority: CN
Inventors: 藤井康之; 冈本明夫
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-06-01
Also published as: EP2442059A1; WO2010143564A1; EP2442059B1; CN102460057A; KR101369578B1; US8753752B2; EP2442059A4; US20120077055A1; JP4638951B2; RU2011154249A; KR20120024719A; RU2493527C1; JP2010281543A

Abstract

本发明提供一种容易发生泡核沸腾且传热性非常优异的换热用的金属板。在本发明的换热用的金属板中，形成具有相对于金属板的板厚为10％以下且5μm以上的深度(h1)的凹部(2)。至少在凹部(2)的底角部(6)形成裂缝部(7)。裂缝部(7)通过使凹部(2)的底角部(6)沿着厚度方向发生缺失而构成。发生缺失的一面与发生缺失的另一面所形成的角度θ为90度以下。而且，裂缝部(7)通过使晶粒(9)发生缺失而形成。通过将在加工辊(12)的表面形成的加工部(14)向移送中的金属板(1)的表面按压，而在该金属板(1)的表面形成凹部(2)。

Description

换热用的金属板及换热用的金属板的制造方法

技术领域

本发明涉及换热用的金属板及换热用的金属板的制造方法。

背景技术

一直以来，在换热器等中使用的换热板优选具有高的传热性。为了提高传热性，可以在板的表面形成微米级的微细的凹凸。如此，作为转印微米级的微细的凹凸的方法，开发有例如专利文献1所示那样的多种技术。

在该专利文献1的向金属板表面的转印方法中，利用移送辊的旋转来移送金属片。而且，通过将转印到转印辊的外周面上的凹凸状的转印部对移送的金属片进行按压，而在金属片的表面上形成与转印辊的转印部大致相同的凹凸的形状的被转印部。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本国特开2006-239744号公报

然而，在使用通过专利文献1所示的方法制造出的金属片作为换热用的金属板时，作为假定为气液二相的介质的换热用的金属板(板式换热器(PHE))，传热性实际上并不充分。因此，希望进一步提高传热性。

发明内容

因此，本发明鉴于上述问题点，其目的在于提供一种容易发生泡核沸腾且具有优良的传热性的换热用的金属板及换热用的金属板的制造方法。

为了实现所述目的，在本发明中采取以下的技术方法。

即，本发明的宗旨在于换热用的金属板，形成有具有相对于所述金属板的板厚为10％以下且5μm以上的深度的凹部，至少在所述凹部的底角部形成有裂缝部。

所述裂缝部优选通过晶界的氧化或使所述凹部的底角部沿着厚度方向发生缺失而构成，发生缺失的一面与发生缺失的另一面所形成的角度为90度以下。而且，所述裂缝部优选通过使晶界发生氧化或使晶粒发生缺失而形成。

另外，本发明的另一宗旨在于换热用的金属板的制造方法，通过将在加工辊的表面形成的加工部向移送中的金属板的表面按压，而在所述金属板的表面形成具有相对于所述金属板的板厚为10％以下且5μm以上的深度的凹部，通过使所述凹部的底角部侧发生缺失而形成裂缝部。

优选在形成了所述凹部后对所述凹部的所述底角部侧进行酸洗，从而在所述底角部侧使晶界发生氧化或使晶粒发生缺失，由此来形成所述裂缝部。而且，优选利用硝酸与氢氟酸混合成的混合液对所述底角部侧进行酸洗。

发明效果

根据本发明，能得到容易发生泡核沸腾且传热性非常优异的换热用的金属板。

附图说明

图1是在表面形成有凹部的换热用的金属板的图。

图2(a)表示凹部的形状，(b)是(a)的A部放大图。

图3是制造换热用的金属板的工序图。

图4(a)是加工装置的整体图，(b)是(a)中的加工辊的加工部的局部放大图，(c)是(a)中的形成有凹凸的金属板的局部放大图。

图5(a)是表示加工的状态的说明图，(b)是t＝0的部分P的放大图，(c)是t＝t1的放大图。

图6是表示t＝t1的加工部与凹部的位置关系的坐标图。

图7是表示张力与前滑率的关系的图。

图8(a)表示酸洗工序前的凹部的形状，(b)表示酸洗工序后的凹部的形状，(c)是(b)的A部放大图。

具体实施方式

以下，基于附图，说明本发明的实施方式。

图1、图2表示本发明的换热用的金属板。

从更优良的传热性(高传热率)的观点出发，换热用的金属板(金属性的PHE)1最适合通过在其表面实施凹凸形状的微细加工而使表面积增大，且该凹凸形状为容易发生泡核沸腾的形状。

因此，在本发明的金属板1的表面形成有多个凹部2。该凹部2由在剖视下沿着长度方向延伸的横壁4和从该横壁4的两侧(移送方向的两侧)沿着厚度方向延伸的纵壁5构成，具有梯形形状的截面。需要说明的是，凹部2的截面除了梯形形状以外，还可以是半圆弧状的形状。在横壁4与纵壁5交叉的底角部6侧形成有用于促进泡核沸腾的裂缝部7。

裂缝部7通过使形成该裂缝部7之前的横壁4与纵壁5的交叉部分沿着厚度方向缺失几μm而形成。即，金属板1通常由几十μm的晶粒9构成，但通过有意地使底角部6侧附近的晶粒9发生缺失，或通过使晶界发生氧化，而形成几μm的裂缝部7。

如此，裂缝部7的尺寸为几μm，非常小，因此裂缝部7成为在内部容易产生气体的气体凹坑，在该气体凹坑内的气体的作用下，气泡(气相)成长。即，裂缝部7成为气泡产生点。

另外，在本发明的金属板1中，由于在表面形成的凹部2的底角部6形成有裂缝部7，因此容易从纵壁5和横壁4的两侧向裂缝部7的气泡传递热量。由此，能促进气泡的成长，因此能得到更易发生泡核沸腾的状态。尤其是裂缝部7通过使晶粒9发生缺失或使晶界发生氧化而形成，因此由裂缝部7的一面7a(纵壁5侧的面)和裂缝部7的另一面7b(横壁4侧的面)所形成的角度θ为90度以下。因此，在裂缝部7的一面7a与裂缝部7的另一面7b之间，气泡容易成长，从该点来说，也容易发生泡核沸腾。

金属板1的表面的凹部2的深度h1(纵壁5的高度)为5μm以上。由于在表面形成凹部2而使金属板1的表面积增加，但当凹部2的深度h1小于5μm时，可以认为使表面积增加对传热性几乎没有影响。即，当凹部2的深度h1小于5μm时，凹部2成为传热感觉迟钝体。当不是该感觉迟钝体以上区域时，无法得到凹凸引起的表面积扩大的效果，因此该金属板1上的凹部2的深度h1为5μm以上。

另外，金属板1的表面的凹部2的深度h1相对于板厚t为10％以下。若凹部2的深度h1相对于板厚t过大，则在金属板1上形成凹部2时，金属板1的形状可能会变化。例如，在金属板1的板厚t为0.5mm时，若深度h1为0.1mm，则成为“h1＞0.1t”，金属板1的形状发生变化而容易弯曲，在冲裁加工时可能会带来坏影响。

另外，在凹部2中，当板厚t为0.5mm且深度h1为0.1mm时，在该金属板1上存在很多的0.4mm的部分和0.5mm的部分。在将此种金属板1作为0.5mm的板材而进行冲裁加工时，可能会发生破裂。即，若形成大的凹凸，则整体观察金属板1时，无法将金属板1的板厚作为大致一样的板厚t进行管理，会对冲裁加工等造成影响。因此，凹部2的深度h1相对于板厚t必须最大也为10％以下。

除此之外，通过在金属板1的表面设置多个凹部2，而在对金属板1进行冲裁加工时，该金属板1的表面与进行冲裁的模具之间的接触为点接触。由此，减少加工时的摩擦系数，因此加工变得非常容易。

而且，若由于多个凹部2而金属板1的表面积增加，则例如在对金属板1进行冲裁加工时向表面供给润滑油的情况下，由于表面张力的能量平衡，而对原本亲水性的金属的接触角进一步减小。因此，润滑油容易扩散。需要说明的是，即使在向金属板1涂敷涂层剂等的情况下，由于凹部2所引起的表面积的增加而涂层剂容易扩散，能够提高金属板1的加工性。

需要说明的是，在本实施方式中，对剖视为梯形的凹部2进行了说明，但凹部2的形状并未限定于此。凹部2可以是通过电火花毛化技术形成的形状，例如是圆柱状、四棱柱等的压花形状，此外，也可以是通过拉丝或喷丸的处理而形成的形状。

图3表示制造换热用的金属板1的工序。

如图3所示，为了制造换热用的金属板1，首先，在熔化工序S1中，通过使海绵钛熔化并进行冷却，来制造钢材(钢锭)。该钢锭在分块轧制工序S2中被分块轧制成规定的厚度的板材。然后，在热轧工序S3中对分块轧制出的板材进行热轧而减薄板厚后，在温度区域比热轧工序S3低的冷轧工序S4中进行冷轧。然后，将冷轧后的板材在退火工序S5中退火，在酸洗工序S6进行酸洗，从而制造出换热用的金属板1。

以下，详细地说明换热用的金属板1的制造方法。

在本发明中，利用冷轧工序S4在金属板(钢材)1的表面形成凹部2。然后，在冷轧工序S4后的酸洗工序S6中，将凹部2形成为具有容易发生泡核沸腾的形状(裂缝部7)。

图4(a)表示利用冷轧工序S4在金属板(钢材)的表面形成微细的凹凸的加工装置。如图4(a)所示，加工装置10具备移送辊11、加工辊12、支承辊13。移送辊11用于移送金属板1，配置在从加工辊12观察时的上游侧及下游侧。加工辊12用于在移送的金属板1的表面形成微米级(几μm～几百μm)的凹凸。

如图4(a)、(b)所示，在加工辊12的外周面的整周形成有凸状(梯形的凸)的加工部14，该加工部14的高度h2设定成5μm以上。而且，加工部14的高度h2设定成金属板1的板厚t的10％以下，以使得凹部2的深度h1成为金属板1的板厚t的10％以下。

由此，该加工装置10使加工辊12旋转并将设置在加工辊12上的加工部14压抵于金属板1的表面，从而在金属板1的表面上形成与使加工部14反转后的形状相同的凹部2。如图4(c)所示，根据加工装置10，能够将深度h1为5μm以上且相对于板厚t为10％以下的凹部2形成在金属板1的表面。

此外，通过将加工部14压抵于金属板1的表面，而认为在金属板1的表面形成有与使加工部14反转后的形状相同的形状的凹部2。然而，实际上，根据金属板1的移送速度与加工辊12的周速的关系，而存在加工部14的形状与在表面上形成的凹部2的形状不一致的情况。

因此，在本发明中，由于也考虑了金属板1的移送速度与加工辊12的周速的关系，而可靠地在金属板1的表面上形成与使加工部14反转的形状相同的形状的凹部2。

图5表示加工辊12与金属板1接触的情况。

如图5(a)所示，沿周向旋转的加工辊12的加工部14被压抵于金属板1的表面。由于该按压而金属板1的表面逐渐变形，从而形成凹部2。

图5(a)所示的部分P将加工辊12的加工部14与金属板1的表面最接近的时间形成为时间t＝0。从而，在金属板1的表面形成与使加工辊12的加工部14反转的形状相同的凹部2。

如图5(b)所示，在使加工部14反转后的形状与凹部2为相同形状的t＝0的位置上，加工部14中的位于旋转方向的后侧的第一顶部N1与凹部2中的位于移送方向的后侧的第一底部(底角部)S1大体一致。在此，将加工部14的第一顶部N1与第一底部S1的一致部分作为基准点O。

在此，图5(c)及图6表示移送部分P的t＝t1(秒)的状态。需要说明的是，图6所示的x轴与金属板1的移送方向相同，y轴与金属板1的板厚t方向相同。

观察加工部14侧时，t1秒后(t＝t1)的加工部14的第一顶部N1的移动量可以如式(1)及式(2)所示。在式(1)及式(2)中，L1是第一顶部N1的水平方向(x轴方向)的移动量(水平移动量)，L2是第一顶部N1的垂直方向(y轴方向)的移动量(垂直移动量)。

[数式1]

L 1 = Ra \cdot \sin (\frac{VR}{Ra} \cdot t 1) \cdot \cdot \cdot (1)

Z 1 = Ra - Ra \cdot \cos (\frac{VR}{Ra} \cdot t 1) \cdot \cdot \cdot (2)

其中，

L1：加工部的第一顶部的水平移动量

Z1：加工部的第一顶部的垂直移动量

Ra：加工辊的半径

VR：加工辊的周速

t1：加工部从位置P到达位置Q的经过时间

另一方面，观察凹部2侧时，t1秒后(t＝t1)的凹部2的第一底部S1的移动量能够如式(3)及式(4)所示。在式(3)及式(4)中，L2是第一底部S1的x轴方向的移动量(水平移动量)，Z2是第一底部S1的垂直方向(y轴方向)的移动量(垂直移动量)。

[数式2]

L2＝V·t1 …(3)

Z2＝0 …(4)

其中，

L2：凹部的第一底部的水平移动量

Z2：凹部的第一底部的垂直移动量

V：位置P处的金属板的移送速度

t1：凹部从位置P到达位置Q的经过时间

随着从位置P朝向下游侧，而加工部14从凹部2离开。在该加工部14从凹部2离开的过程中，在t1秒后(t＝t1)，当加工部14的第一顶部N1处于比相对于凹部2的第一底部S1沿y轴方向偏移了距离b的金属板1的第二顶部N2靠基准点O侧的状态时，第一顶部N1与第二顶部N2交叠。这种情况下，由于第一顶部N1切削凹部2，而凹部2发生变形。

在此，第一顶部N1比第二顶部N2靠前时，认为不会利用加工部14(第一顶部N1)将凹部2切削，而凹部2不会发生变形。因此，在本发明中，在t1秒后(t＝t1)，在第一顶部N1的x坐标大于第二顶部N2的x坐标这样的条件，即，在满足式(5)的条件下，制造金属板1。式(6)通过对式(5)进行整理而得到。

[数式3]

L2-a＞L1 …(5)

(V \cdot t 1) - a > Ra \cdot \sin (\frac{VR}{Ra} \cdot t 1) \cdot \cdot \cdot (6)

详细而言，第一顶部N1到达第二顶部N2时(Z1＝b)的y坐标由式(7)表示。通过该式(7)求出时间t1时，能得到式(8)。

[数式4]

y = Z 1 = b = Ra - Ra \cdot \cos (\frac{VR}{Ra} \cdot t 1) \cdot \cdot \cdot (7)

t 1 = \frac{Ra}{VR} \cdot F \cdot \cdot \cdot (8)

其中，

F = \cos^{- 1} (1 - \frac{b}{Ra})

另外，金属板1的移送速度根据前滑率的式子，由式(9)表示。

[数式5]

Fs = \frac{V - VR}{VR}

V＝(1+Fs)·VR …(9)

其中，

Fs：前滑率

使用式(8)及式(9)对式子进行整理时，前滑率由式(10)表示。

即，通过以满足式(10)的方式控制前滑率，而防止金属板1的凹部2被加工部14的第一顶部切削的情况，从而能够向金属板1转印与使加工部14反转后的形状相同的形状的凹部。

[数式6]

Fs > \frac{1}{F} \cdot {\sin (F) + \frac{a}{Ra}} - 1 \cdot \cdot \cdot (10)

其中，

F = \cos^{- 1} (1 - \frac{b}{Ra})

Fs：前滑率

a：从凹部的基准点到移送前侧的第一底部的水平距离

b：从凹部的基准点到移送前侧的第一底部的铅垂距离

Ra：加工辊的半径

即，在本发明中，通过在式(10)的条件下控制前滑率，而防止金属板1的凹部2被加工部14的第一顶部切削的情况，从而凹部2的深度h1与加工部14的高度h2相同。通过将在加工辊12的表面形成的加工部14向金属板1的表面按压，而能够在金属板1的表面形成具有相对于金属板的板厚为10％以下且5μm以上的深度的凹部2。

更详细而言，在利用加工部14形成凹部2时，首先，设定凹部2的形状，即，水平成分a及垂直成分b(反过来说是与凹部2相当的加工部14的水平成分a’及垂直成分b’)。接下来，设定加工辊12的下压率、加工辊12的出入侧的金属板1的板厚t、金属板1的上游及下游侧的张力、摩擦系数。接下来，以在式(11)中求出的前滑率满足式(10)的方式变更各种条件。其中，在设定凹部2的形状的垂直成分b或加工部14的垂直成分b’时，以相对于板厚t为10％以下且为5μm以上的方式设定凹部2的深度h1。

[数式7]

Fs = \tan (\sqrt{\frac{hi}{{Ri}^{'}}} \times \frac{Hn}{2}) \cdot \cdot \cdot (11)

其中，

Hn = \sqrt{\frac{{Ri}^{'}}{hi}} \cdot \tan^{- 1} (\sqrt{\frac{Hi - hi}{hi}}) - \frac{1}{2 μ} \ln D

D = \frac{Hi}{hi} \cdot \frac{1 - σ_{f} / ki}{1 - σ_{b} / ki}

Fs：前滑率，Hi：入侧板厚，hi：出侧板厚，σb：入侧张力，σf：出侧张力，μ：摩擦系数，ki：变形阻力，Hn：中立点板厚，Ri’：扁平辊直径

以往的钛薄板的轧制中，为了防止因辊与材料的滑动所产生的烧伤，而将张力在上游侧和下游侧设定为恒定，或将下游侧的张力设定成比上游侧高。然而，在本发明中，以前滑率满足式(10)的方式提高上游侧的张力或降低下游侧的张力，由此来防止金属板1的凹部的形状发生改变。根据该控制，虽然成为前滑率减少的方向，但由于辊和材料受到凹凸的限制，因此不易引起滑动等问题。在降低下游侧的张力时，使下游侧的移送辊11的周速下降，当提升上游侧的张力时，使上游侧的移送辊11的周速下降。在控制前滑率时，优选图7所示那样的考虑前滑率相对于张力的变化来进行控制。

如以上所述，在冷轧工序S4中，对前滑率进行控制并将加工部14按压在金属板1的表面(上表面)，由此能够在金属板1的表面形成凹部2。

在冷轧工序S4中，在金属板1的表面形成了凹部2后，在酸洗工序S6中，对凹部2的底角部6侧进行酸洗。通过酸洗，底角部6侧的晶粒9发生缺失或晶界发生氧化，从而在底角部6形成促进泡核沸腾的裂缝部7。

如图8(a)所示，在冷轧工序S4中在金属板1的表面形成了凹部2之后且在酸洗工序S6之前，凹部2由剖视下沿着移送方向延伸的横壁4和从该横壁4的两侧(移送方向的两侧)沿着厚度方向延伸的纵壁5构成。横壁4与纵壁5交叉的部分是底壁部。需要说明的是，底角部6中的移送方向前侧成为上述的第一底部S1。

如图8(b)、(c)所示，在除去外皮等的酸洗工序S6中，使金属板1浸渍在硝酸与氢氟酸混合而成的混合液中，利用该混合液强制地使凹部2的底角部6腐蚀。凹部2的底角部6是金属板1上形成凹部2时应力最高的部分。因此，在酸洗工序S6中促进底角部6的腐蚀，构成金属板1的晶粒9沿厚度方向发生缺失，或腐蚀沿着晶界发展(构成纵壁5的晶粒9发生缺失，并且构成横壁4的晶粒9发生缺失)，由此形成裂缝部7。需要说明的是，在酸洗工序S6中，若利用掩膜等防止底角部6以外的部分被混合液腐蚀，则能够仅在底角部6形成裂缝部7。

如此，在形成了凹部2后，通过对凹部2的底角部6侧进行酸洗，而使底角部6侧的晶粒9发生缺失或使晶界发生氧化时，晶粒9发生缺失而形成的裂缝部7的一面(纵壁5侧的面)与裂缝部7的另一面(横壁4侧的面)所形成的角度θ为90度以下。

以上，在本发明的制造方法中，通过将在加工辊12的表面形成的加工部14向移送中的金属板1的表面按压，而在该金属板1的表面形成具有相对于金属板的板厚为10％以下且5μm以上的深度的凹部2。而且，在形成了凹部2后，通过使凹部2的底角部6侧发生缺失，而形成裂缝部7。或者在形成了凹部2后，对凹部2的底角部6侧进行酸洗而使该底角部6侧的晶粒9发生缺失，由此形成裂缝部7。

根据本发明，能够简单地制造出可适用于假定气液二相的介质的PHE的容易发生泡核沸腾的金属板1。而且，根据本发明，即使不是复杂的制造方法，也能够简单地形成几μm的裂缝部7。

需要说明的是，本次公开的实施方式全部的点应该被认为是例示，而并未受限制。本发明的范围不是由上述说明而是由权利要求书的范围所公开，包括与权利要求书的范围相等的意思及范围内的全部变更。本申请基于2009年6月8日提出申请的日本专利出愿(特愿2009-137233)，并将其内容作为参照而包含于此。

符号说明：

1换热用的金属板

2凹部

4横壁

5纵壁

6底角部

7裂缝部

9晶粒

h1深度(凹部的深度)

Claims

1.一种换热用的金属板，其中，

形成有具备相对于所述金属板的板厚为10％以下且5μm以上的深度的凹部，至少在所述凹部的底角部形成有裂缝部，所述裂缝部通过利用酸洗使晶界发生氧化或使晶粒发生缺失而形成。

2.根据权利要求1所述的换热用的金属板，其中，

所述裂缝部通过使所述凹部的底角部沿着厚度方向发生缺失而构成，发生缺失的一面与发生缺失的另一面所形成的角度为90度以下。

3.一种换热用的金属板的制造方法，其中，

通过将在加工辊的表面形成的加工部向移送中的金属板的表面按压，而在所述金属板的表面形成具备相对于所述金属板的板厚为10％以下且5μm以上的深度的凹部，

在形成了所述凹部后对所述凹部的底角部侧进行酸洗，从而在所述底角部侧使晶界发生氧化或使晶粒发生缺失，由此来形成裂缝部。

4.根据权利要求3所述的换热用的金属板的制造方法，其中，

利用硝酸与氢氟酸混合成的混合液对所述底角部侧进行酸洗。