JP2013076551A - 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1で構成され、後処理として当該平板材1に対してプレス加工が施された後に熱交換用プレート4となる元板材であって、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)/凸部の角度(deg)]で定義される形状パラメータが0.94以下となるように、元板材の表面の凹凸が設定されている。
【選択図】図3
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)/凸部の角度(deg)]で定義される形状パラメータが0.94以下となるように、前記元板材の表面の凹凸が設定されている点にある。
前記形状パラメータが0.028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が好ましい。
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。
また、本発明における熱交換用プレートの元板材の製造方法は、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)/凸部の角度(deg)]で定義される形状パラメータが0.94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点にある。
前記形状パラメータが0.028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。
[第1実施形態]
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、厚み方向(プレート元板2の厚み方向)に起立した複数の側壁7と、側壁7のそれぞれの上端(上縁)を結ぶ上壁8とから構成されている。言い換えれば、凸部5の頂部には平坦部が設けられている。凸部5が円柱形状乃至は円錐形状の場合は、側壁7は1つであるが、角柱形状乃至は角錐形状の場合は、側壁7は複数となる。
具体的には、プレート元板2において、縦方向に隣接する凸部5、5は、横方向に半ピッチだけズレており、横方向に隣接する凸部5の中心同士を結んだ直線(一点鎖線)Aと、縦方向に隣接する凸部5の中心同士を結んだ直線(一点鎖線)Bとの平面角度θが60°となるように凸部5を配置してもよい。
縦方向や横方向に隣り合う凸部5間(隣合う凸部5の側壁7間)の距離L(凹部6の幅L)は、200μm以上が好ましい。なお、凹部6の幅Lとは、横方向又は縦方向に隣接する凸部5同士(隣合う凸部5の側壁7同士)の最短距離であって、「凹部6の幅L=隣り合う凸部5のピッチP−(凸部5の直径D/2)×2」により求めることができる。また、隣り合う凸部5のピッチPとは、横方向又は縦方向に隣接する最も近い凸部5同士の中心間の距離(最短距離にある凸部5同士の中心間距離)である。
図3(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。十点平均粗さRzにて示される凸部5(上壁8、即ち、側壁7)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。プレート元板2の凸部5のRzは、例えば、25μm程度(Raで表せば10μm程度)となっている。
例えば、図4に示すように、横方向に隣接する凸部5の中心同士を結んだ直線(一点鎖線)Cと、縦方向に隣接する凸部5の中心同士を結んだ直線(一点鎖線)Dとの平面角度θが45°となるように凸部5を配置してもよいし、他の角度であってもよい。
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、凸部の角度η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])/凸部の角度η』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、これらを表すパラメータには上限値があると考えられる。
プレス加工での成形性(プレス成形性)を評価する評価試験では、まず、図11に示すように、元プレート元板2にヘリンボーン(溝3)を成形して熱交換用プレート4を成形する。作成にあたっては、まず、熱交換器使用条件に応じた成形用の金型を一枚用意しておく。そして、各金型で元プレート元板2にヘリンボーン3を成形高さが0.1mm毎に異なる条件で成形して熱交換用プレート4を複数枚作成する。作成した評価用プレート(熱交換用プレート4)の中で、ネッキングが発生しない金型の成形限界高さ(ネッキングが発生しない最大の成形高さ)を押し込み量として評価する。
図6に示すように、パラメータが大きくなるにつれてプレス成形性のスコアは低下するものの、パラメータが85μm以下であれば、プレス成形性のスコアを1以上にすることができ、ネッキングの発生を防止しつつ確実なプレス成形を実現できる。即ち、パラメータが85μm以下であれば、ネッキングの発生を防止して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。
そこで、「凹凸形状を形成していない平板」の伝熱効率を1.00とし、凹凸形状を形成したプレート(熱交換用プレート)における伝熱効率を考えると、熱交換用プレートの伝熱効率は1.00よりも大きいことが必要であるが、現実の熱交換器で著しい作用を奏するためには、伝熱効率は1.05以上あることが望ましいとされている。
さて、熱交換用プレート4を挟んで裏面(一方側)に温度の高い流体(高温流体)を流し、表面(他方側であって凹凸面を形成した側)に温度の低い流体(低温流体)を流したとする。ここで、低温流体に関しては、気体から液体に変化する(凝縮する)場合もあり、液体のままの場合もある。いずれの場合にしても、熱交換用プレート4の伝熱効率を高めるために、低温流体(液体)側に乱流、強制対流を発生させることが重要である。
そこで、発明者らは、熱交換用プレートの元材であるプレート元板2を製造するにあたっては、凸部5の高さRz、凹部6の幅L、凸部5のピッチPを考慮するだけでなく、凸部5の角度η(側壁7の立ち上がり角度η)も考慮して、乱流、強制対流を起こしやすい凸部5の形状を検証した。
図7(a)に示すように、凸部の角度η、言い換えれば、凹部6を構成する底壁6aと側壁7とのなす角度ηが比較的大きい場合(側壁7がなだらかに立ち上がる場合)、流体は凸部5を乗り越え易く乱流が発生し難い状態となる。一方、図7(b)に示すように、凸部の角度ηが比較的小さい場合(側壁7が急峻に立ち上がる場合)、流体は凸部5に衝突し易く乱流が発生し易い。このように、凸部5の角度ηは、乱流に影響を与えて伝熱性が変化することになる。即ち、凸部5の角度ηが大きくなると伝熱性が低下する傾向があり、逆に凸部5の角度ηが小さくなると伝熱性が向上することから、発明者らは、形状パラメータに、凸部5の高さRz、凹部6の幅L、凸部5のピッチPだけでなく、伝熱性に影響の与える凸部5の角度ηを加えて、最適な形状パラメータを検討した。
即ち、上述したパラメータ『凸部5の高さRz×(凹部6の幅L/隣り合う凸部のピッチP)』を凸部5の角度ηで割った『凸部5の高さRz×(凹部6の幅L/隣り合う凸部のピッチP)/凸部5の角度η(deg)』を形状パラメータとした。
図8に示すように、形状パラメータを増減させたときの、凝縮の伝熱効率の傾向と、強制対流の伝熱効率の傾向とを見てみると、両者の傾向が同じとなることから上述した形状パラメータは、凝縮及び強制対流の伝熱特性を表すのに最も適していると言える。
ここで、さらに、凝縮及び強制対流の伝熱特性をよく表すことができる形状パラメータに対して、上述したようにプレス成形性も考慮する。図9は、凸部の立ち上がり角度ηを含む形状パラメータ『凸部5の高さRz×(凹部6の幅L/隣り合う凸部のピッチP)/凸部5の角度(deg)』を変化させたときのプレス成形性及び伝熱効率との関係をまとめたものである。
さて、凸部5を形成するにあたって変形防止を考えるのであれば、プレート元板2における圧着面積比Sが、図3(a)の凹凸形状においては、式(1)を満たすようにすることが好ましい。
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3における平面の面積(図3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3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。
上述した第1実施形態では、凸部の立ち上がり角度ηを含む形状パラメータについて0.14〜0.94としていたが、第2実施形態では、形状パラメータについて、さらに、実験等により検証を進めた。なお、第1実施形態と同じ構成については説明を省略する。
図12は、凸部の立ち上がり角度ηを含む形状パラメータ『凸部5の高さRz×(凹部6の幅L/隣り合う凸部のピッチP)/凸部5の角度(deg)』を変化させたときのプレス成形性及び伝熱効率との関係をまとめたものである。
ところで、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
また、プレート元板2に形成した凹凸に関して、形状パラメータが0.14〜0.94となる範囲は当該プレート元板2の少なくとも一部であればよく、好ましくは全体に亘るのがよい。
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
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、前記凹凸に関し、凸部は平面視で円形状であってその直径は400μm以上とされ、前記凸部の高さは十点平均粗さが5μm以上であって、0.1×平板材の厚みμm以下とされ、隣り合う凸部のピッチが600μm以上とされ、凹部の幅は200μm以上とされ、凸部の角度ηは90°以上とされており、凸部の高さ(μm)×[凹部の幅(μm)/隣り合う凸部のピッチ(μm)/凸部の角度(deg)]で定義される形状パラメータが0.14以上0.94以下となるように、前記元板材の表面の凹凸が設定されている点にある。
Claims (10)
- 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)/凸部の角度(deg)]で定義される形状パラメータが0.94以下となるように、前記元板材の表面の凹凸が設定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0.14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。
- 前記形状パラメータが0.028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1〜3のいずれか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1〜4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)/凸部の角度(deg)]で定義される形状パラメータが0.94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0.14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6に記載の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0.028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6〜8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。
- 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6〜9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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