JP2012021767A - 熱交換用プレートの元板材、及び熱交換用プレートの元板材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る熱交換用プレート4の元板材は、表面に微細な凹凸が形成されたチタン製の平板材で構成され、後処理として当該平板材に対してミリメートルオーダ以上の山高さを形成するプレス加工が施された後に熱交換用プレートとなる元板材であって、プレス加工時の成形性を向上させるべく、凹凸に関し、凸部5の高さ(μm)×[凹部6の幅(μm)/隣り合う凸部5のピッチ(μm)]で定義される形状パラメータが12μm以下となるように、元板材の表面の凹凸が形成されている。
【選択図】図2
Description
この特許文献1の金属板表面への転写方法では、移送ロールの回転によって金属シートを移送させ、移送している金属シートに対して転写ロールの外周面に転写された凹凸状の転写部を押圧することによって、金属シートの表面に転写ロールの転写部と略同じ凹凸の形状の被転写部を形成させるようにしている。
すなわち、特許文献2の図6に開示されているように、通常は微細な凹凸が形成された平板材は、その平面に例えば「ヘリンボーン」と言われる高さ数mm〜数cmの山形の溝がプレス成形され、その後、熱交換器内へ組み込まれる。そのため、微細な凹凸形成後の平板材に関しては、プレス成形性が望まれることとなる。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、表面に凹凸が形成されることで伝熱性が非常に優れると共に、後処理であるプレス成形での加工性が非常に良く、容易に熱交換用のプレートへと成形可能な熱交換用プレートの元板材、及びこの元板材の製造方法を提供することを目的とする。
すなわち、本発明における熱交換用プレートの元板材は、表面に微細な凹凸が形成されたチタン製の平板材で構成され、後処理として当該平板材に対してミリメートルオーダ以上の山高さを形成するプレス加工が施された後に熱交換用プレートとなる元板材であって、前記プレス加工時の成形性を向上させるべく、前記凹凸に関し、凸部の高さ(μm)×[凹部の幅(μm)/隣り合う凸部のピッチ(μm)]で定義される形状パラメータが12μm以下となるように、前記元板材の表面の凹凸が形成されている点にある。
前記凸部は平面視で円形状であって、平板材の表面に千鳥状に配置されていることが好ましい。
さらに、前記凸部の高さは、十点平均粗さRzが5μm以上であって、0.1×平板材の厚みμm以下とされていることが好ましい。
また、前記凸部を平面視で円形状に形成すると共に、平板材の表面に千鳥配置で形成することが好ましい。
さらに、前記凸部の高さが、十点平均粗さRzが5μm以上であって、0.1×平板材の厚みμm以下となるように、平板材の表面に凸部を形成することが好ましい。
図1は、熱交換用プレートの製造方法を示した概念図である。
図1に示すように、熱交換用プレートを製造するにあたっては、まず、図1(a)に示すように素材である平板材1を所定の大きさに形成する。そして、図1(b)に示すように、平板材1をプレス加工することによって平板材1の表面1aに微細な凹凸形状を形成したプレート元板(元板材)を作成する。次に、図1(c)に示すように、表面2aに微細な凹凸形状が形成されたプレート元板2(元板材)に、例えば、ヘリンボーンと言われる山形の溝3を形成することにより熱交換用プレート4を製造する。
この平板材1の表面1aに対して、後述する加工装置10を用いて微細な凹凸形状(複数の凸部5とこの凸部5に挟まれた凹部6)を形成することでプレート元板2が形成される。凹凸形状が形成されたプレート元板2は、伝熱性が非常によい(熱伝達率が非常に高い)ものとなっている。加えて、本発明のプレート元板2はチタン製とされているため、耐食性、強度、軽量化などの特性が他金属と比較し優れている。それゆえに、プレート式熱交換器のプレートなど耐食性、強度が必要となる製品に対して好適である。
図2(a)に示すように、プレート元板2の表面2aに形成された凸部5は、平面視で円形であって、その直径Dは400μm以上とされている。凸部5の平面視での配置は、千鳥状とされている。ここで千鳥状の配置(千鳥配置)とは、縦方向及び横方向において、いずれか一方に隣り合う凸部5、5の中心が一直線上に並ばないという意味である。
このように千鳥格子配列とすることで、熱交換器内の作動流体の流れが不均一である場合に関し、どの方向からの流れに対しても凹凸が作動流体に対して直交する壁となり得ることができ、乱流による伝熱性向上に寄与する。また、チタン等の異方性のある材料に対して、異方性起因の応力集中に対応できる。
図2(b)に示すように、プレート元板2の表面に形成された凸部5は、断面視にて上方に立ち上がる上壁8と、この上壁8の上縁を水平に結ぶ表壁9とから台形状に構成されている。言い換えれば、凸部5は、その頂部に平坦部(水平部)を有している。また、十点平均粗さRzにて示される凸部5(上壁8)の高さ(以降、高さRzと示すことがある)は5μm以上であって、プレート元板2の板厚tの1/10(10分の1)以下となっている。
ところで、凸部5の千鳥配置状態は図2のものに限定はされない。
以上のようなプレート元板2の凹凸形状に関して、その根拠となる事項を説明する。
発明者は、プレート元板2を製造するにあたって、プレート元板2の表面に形成した凸部5の高さRz、凸部5の数(凹部6の幅L)、隣り合う凸部のピッチPを最適なものとするため、これらを含む凹凸形状の形状パラメータ『[凸部5の高さRz×(凹部6の幅L/隣り合う凸部のピッチP])』について着目した。
したがって、プレート元板2のプレス成形性を考えると、凸部5の高さRz又は凹部6の幅Lが大きすぎず、凸部のピッチPは狭すぎないことが最適であって、これらを表す形状パラメータには上限値があると考えられる。
図5は、形状パラメータとプレス成形性スコアとの関係を示したものである。図5に示すように、形状パラメータが大きくなるにつれてプレス成形性スコアは低下するものの、形状パラメータが12μm以下であれば、プレス成形性スコアを60点以上とすることができる。即ち、形状パラメータが12μm以下であれば、プレス成形性が低下するといった状況は回避することができる。
ここで、伝熱効率と形状パラメータとの関係を考える。図5に示すように、例えば、凸部5の高さRzを小さくしたり、凹部6の幅Lを小さくしたり、凸部のピッチPを大きくすることによって、形状パラメータは12μmから徐々に小さくなる。このように、形状パラメータを徐々に小さくすると伝熱効率も徐々に小さくなり、伝熱効率は、凹凸を形成していない平板に近づくことになる。しかしながら、形状パラメータが4μm以上であれば、現実の熱交換器にて必要とされる伝熱効率(1.05以上)を確保することができる。
さて、凹部6の幅Lを小さくすればするほど、形状パラメータは小さくなる。流体を流したときの温度境界層の観点から考えると、凹部6の幅Lが小さ過ぎると伝熱性の低下を招いてしまうことから、凹部6の幅Lもある程度確保したほうが良い、即ち、形状パラメータも、ある程度大きい必要があると思われる。
形状パラメータを4μm〜12μm内のいずれかの値とし、前述したように、凸部5の高さRzを十点平均粗さRzが5μm〜0.1×平板材の厚みμmとすることで、必然的に凹部6の幅L乃至は凸部5ピッチは決定する(割り出すことができる)。
平板材(チタン)の降伏応力σy>プレス時に凸部にかかる面圧(P/S) (1)
ここで、S1=P・P・tan(θ/180・π)/4
S2=π/4・D・D/2
S=圧着面積比=S2/S1
P=プレス加工時の荷重
式(1)のS1は、図2における平面の面積(図2に示した直線A及び直線Bにて囲まれる三角形の面積)である。式(2)のS2は、図2における凸部の面積(前述の三角形内に存在する凸部の面積)である。
この加工装置10は、移送ロール11と、加工ロール12と、支持ロール13とを備えている。移送ロール11は、平板材1を移送するためのものであって、加工ロール12から見て上流側及び下流側に配置されている。
例えば、熱交換用のプレート4は、プレート元板2をプレス加工することにより製造されるが、プレート元板2のプレス加工は何でも良く、上述したようなヘリンボーンを形成するものでなくてもよい。
1a 平板材の表面
2 プレート元板(元板材)
2a プレート元板の表面
3 溝
4 熱交換用プレート
5 凸部
6 凹部
8 上壁
9 表壁
10 加工装置
11 移送ロール
12 加工ロール
13 支持ロール
Claims (8)
- 表面に微細な凹凸が形成されたチタン製の平板材で構成され、後処理として当該平板材に対してミリメートルオーダ以上の山高さを形成するプレス加工が施された後に熱交換用プレートとなる元板材であって、
前記プレス加工時の成形性を向上させるべく、前記凹凸に関し、凸部の高さ(μm)×[凹部の幅(μm)/隣り合う凸部のピッチ(μm)]で定義される形状パラメータが12μm以下となるように、前記元板材の表面の凹凸が形成されていることを特徴とする熱交換用プレートの元板材。 - 前記形状パラメータが4μm以上となるように、前記元板材の表面に前記凹凸を形成していることを特徴とする請求項1に記載の熱交換用プレートの元板材。
- 前記凸部は平面視で円形状であって、平板材の表面に千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱交換用プレートの元板材。
- 前記凸部の高さは、十点平均粗さRzが5μm以上であって、0.1×平板材の厚みμm以下とされていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の熱交換用プレートの元板材。
- 表面に微細な凹凸が形成されたチタン製の平板材で構成され、後処理として当該平板材に対してミリメートルオーダ以上の山高さを形成するプレス加工が施された後に熱交換用プレートとなる元板材の製造方法であって、
前記プレス加工時の成形性を向上させるべく、前記凹凸に関し、凸部の高さ(μm)×[凹部の幅(μm)/隣り合う凸部のピッチ(μm)]で定義される形状パラメータが12μm以下となるように、前記元板材の表面に前記凹凸を形成することを特徴とする熱交換用プレートの元板材の製造方法。 - 前記形状パラメータが4μm以上となるように、前記元板材の表面に前記凹凸を形成することを特徴とする請求項5に記載の熱交換用プレートの元板材の製造方法。
- 前記凸部を平面視で円形状に形成すると共に、平板材の表面に千鳥配置で形成することを特徴とする請求項5又は6に記載の熱交換用プレートの元板材の製造方法。
- 前記凸部の高さが、十点平均粗さRzが5μm以上であって、0.1×平板材の厚みμm以下となるように、平板材の表面に凸部を形成することを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載の熱交換用プレートの元板材の製造方法。
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