JP2013226609A - 構造部材表面の加工方法及び構造部材 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱性能のばらつきを抑制することができる構造部材表面の加工方法を提供する。
【解決手段】構造部材表面の加工方法であって、上記構造部材１表面に、所定の方向に沿って複数の溝２を形成する工程と、上記溝２の形成方向と直交する方向に沿って上記構造部材表面を切削し、厚肉部１０、及びこの厚肉部１０よりも上記切削前の上記構造部材表面側に形成されて上記溝２の形成方向の厚さが上記厚肉部１０よりも薄い薄肉部１２、を有するフィン１３を複数形成する工程と、上記フィンをローラー５で押圧して上記薄肉部１２を上記溝２の形成方向に曲げ、上記フィン１３の先端近傍を隣接する上記フィン１３に接触させてトンネル流路６ａを形成する工程と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は構造部材表面の加工方法、および当該加工方法により加工された構造部材に関する。

発電機器、電力貯蔵機器，電力貯蔵用二次電池などのパワーエレクトロニクス機器や熱交換器等に用いられている伝熱管又は冷却機器等の部材は、伝熱面積又は放熱面積を増加させて冷却効率を向上させるために伝熱面に多数の冷却フィンが設置されたり、伝熱部の内外面に凹凸形状等の放熱部が形成されたりして構成される。

これらの冷却機器等における熱伝達が良好になると冷却対象の電子機器との温度差を小さくすることが可能になり、同じ温度差で単位伝熱面積当りで比較すると、より多くの熱量の除去（熱伝達）が可能となる。

各種の熱伝達機構の中で、特に沸騰熱伝達の効率を向上させる場合においては、冷却面上に多くの沸騰気泡を発生させ、冷却面が乾燥しないように発生した気泡を速やかに離脱させる必要がある。つまり沸騰気泡を速やかにかつ安定して生成する伝熱面が必要となる。

この沸騰熱伝達の効率向上には、多くの因子が影響する。その中で液体と蒸気の物性値を除いた主要パラメータとして、伝熱面の表面性状がある。具体的には微小なピットやキャビティなどの窪みを存在させることであり、これらの微細構造を起点として気泡発生核となることによって、気泡の発生が活発化され熱伝達が向上する。

従って、熱伝達向上のための伝熱面としては、微小なピットやキャビティを人工的に付与することが重要となる。これらを応用した表面性状を有する伝熱面としては、キャビティ内の気泡核安定性に有利な内側に凹んだ構造、いわゆるリエントラントなキャビティを高密度で形成した微細構造を有する伝熱面や、外表面に環状フィンを有するローフィン管などが用いられている。特にリエントラントな微細構造を有する伝熱面は平滑管と比較して、数倍の沸騰熱伝達の促進効果が得られる。これらの微細構造を有する伝熱面としては、基材表面に金属粒子や繊維を層状に焼結、溶射、めっき処理して得られる多孔質層の表面構造を有する伝熱面や、機械加工や転造加工などによって表面にトンネル構造（トンネル流路）を形成した伝熱面とがある。

部材表面を上記微細構造に加工する方法としては、例えば図７（ａ）に示すように基材としての円管１の表面に機械加工によって微細構造を形成する場合においては、まず円管１の伝熱面の周方向（管軸に直角な方向）に複数のＶ字溝２を形成し、次に円管の管軸方向に溝加工を実施して複数の溝３およびフィン部４を形成し、しかる後にフィン部４へローラー５を所定方向から押圧するローラー掛けを実施して、図７（ｂ）に示すようにフィン部４を傾斜もしくは湾曲させることにより、トンネル流路６を形成している。

特開２０１０−２４３１３２号公報

しかしながら、上記の従来技術においては、押圧ローラー５によってフィン部４が傾斜したり、もしくは湾曲したりする際に発生するフィン部４の引張り力により、図７（ｂ）に示すように溝３の底部も変形してしまう。また、湾曲したフィン部４の頂部が隣接するフィン部４に被さったり、又は隣接するフィン部４までに届かずに大きなポア７を形成したりする場合があり、形状等が均一な微細構造は得られていない問題点があった。

さらに形成されるトンネル流路６の深さや使用材料の種類、ローラー５の押付力の微小差により変形の度合いは大きく異なることから、上記微細構造の変形の度合いを高度に制御することが困難であった。トンネル流路等の構造寸法と伝熱性能とは密接な関係があることが知られており、伝熱性能に大きなばらつきを生じる原因となっている。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、従来よりも伝熱性能のばらつきを抑制することができる構造部材表面の加工方法およびその加工方法により加工された構造部材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の各実施形態に係る構造部材表面の加工方法は、構造部材表面の加工方法であって、上記構造部材表面に、所定の方向に沿って複数の溝を形成する工程と、上記溝の形成方向と直交する方向に沿って上記構造部材表面を切削し、厚肉部、及びこの厚肉部よりも上記切削前の上記構造部材表面側に形成されて上記溝の形成方向の厚さが上記厚肉部よりも薄い薄肉部、を有するフィン（段付きフィン）を複数形成する工程と、上記フィンをローラーで押圧して上記薄肉部を上記溝の形成方向に曲げ、上記フィンの先端近傍を隣接する上記フィンに接触させてトンネル流路を形成する工程と、を備える。

上記構成に係る構造部材表面の加工方法によれば、伝熱面の部位による伝熱性能のばらつきが少なく、均一な伝熱特性を有する構造部材を提供することができる。

本発明の実施例１に係る構造部材表面の加工方法を説明する図であり、（ａ）は円管表面の外周方向に複数のＶ字溝を形成した状態を示す斜視図、（ｂ）は円管表面の管軸方向に複数の段付きフィンを形成した状態を示す斜視図、（ｃ）は円管表面に形成した管軸方向に複数の段付きフィンを形成した状態を示す斜視図、（ｄ）は段付きフィンの頂部をローラー掛けしてトンネル流路を形成する状態を示す断面図。 実施例２を説明する図であり、（ａ）はローラーと段差部との距離を小さく設定してローラー掛けを実施する状態を示す断面図であり、（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ矢視平面図、（ｃ）はローラーと段差部との距離を大きく設定してローラー掛けを実施する状態を示す断面図、（ｄ）は図２（ｃ）におけるＢ−Ｂ矢視平面図。 実施例３に係る構造部材表面の加工方法の他の実施例を示す断面図。 実施例４に係る構造部材表面の加工方法の他の実施例を示す断面図。 実施例５に係る構造部材表面の加工方法の他の実施例を示す斜視図。 実施例６に係る構造部材表面の加工方法の他の実施例を示す斜視図。 従来の構造部材表面の加工方法を示す図であり、（ａ）は従来のトンネル構造を形成する概念図、（ｂ）は形成されたトンネル構造を示す断面図。

以下、本発明に係る構造部材表面の加工方法の実施例について、添付図面を参照して具体的に説明する。

（実施例１）
図１は本発明に係る構造部材表面の加工方法の実施例を示す図である。本実施例に係る構造部材表面の加工方法は、上記構造部材表面に、所定の方向に沿って複数の溝を形成する工程と、上記溝の形成方向と直交する方向に沿って上記構造部材表面を切削し、厚肉部（第１フィン）、及び上記厚肉部よりも上記切削前の上記構造部材表面側に形成されて上記溝の形成方向の厚さが上記厚肉部よりも薄い薄肉部（第２フィン）、を有するフィン（段付きフィン）を複数形成する工程と、前記フィンをローラーで押圧して前記薄肉部を前記溝の形成方向に曲げ、前記フィンの先端近傍を隣接する前記フィンに接触させてトンネル流路を形成する工程と、から成る。
より具体的に説明すると、上記実施例に係る構造部材表面の加工方法は、構造部材１の基材となる円管表面の周方向に複数のＶ字溝２を形成する工程と、円管表面に近い第１フィン１０とこの第１フィン１０の頂部に連接され第１フィン１０の断面積より小さい断面積を有する第２フィン１２とを段差部１１を介して一体に形成された複数の段付きフィン１３を、円管表面の軸方向に平行に形成する工程と、上記段付きフィン１３の側面からローラー５を押圧して第２フィン１２のみを変形させ第２フィン１２の先端部を隣接する段付きフィン１３の段差部１１に圧接させることにより、上記隣接する一対の第１フィン１０と変形して圧接された第２フィン１２とで囲まれたトンネル流路６ａを形成する工程と、を備えて構成される。

上記構造部材表面の加工方法においては、まず図１（ａ）に示すように、基材としての円管１表面の軸方向に垂直な方向（周方向）に複数のＶ字溝２を掘る。円管１としては鋼管等が使用され、Ｖ字溝２のピッチは０．５〜５ｍｍ程度とする。

次に、図１（ｂ）に示すように、円管１表面の軸方向に平行な方向に複数の段付きフィン１３を形成する。この段付きフィン１３は、円管１表面に近い第１フィン（厚肉部）１０とこの第１フィン１０の頂部に連接され第１フィン１０の断面積より小さい断面積を有する第２フィン（薄肉部）１２とを段差部１１を介して一体に形成されて構成される。換言すると、段付きフィン１３は厚肉部（第１フィン１０）の上に薄肉部（第２フィン１２）が形成されたものである。この段付きフィン１３は溝切り研削工具等で形成される。第２フィン１２の頂部には図１（ａ）に示す工程で形成されたＶ字溝２が形成されている。

最後に、図１（ｃ）に示すように、段付きフィン３に対してその垂直方向からローラー５を転動させて第２フィン１２のみを隣接する段付きフィン１３の段差部１１の方向（矢印方向）に変形せしめて、図１（ｄ）に示すように、トンネル流路６ａを形成する。

上記ローラー掛け工程において、段付きフィン１３の側面からローラー５を押圧した際には、図１（ｄ）に示すように、より剛性が小さい第２フィン１２のみが、隣接する段付きフィン１３の段差部１１の方向に変形され、段差部１１に圧接される。したがって根元の第１フィンは変形しないために、隣接する第１フィンと変形した第２フィンとで囲まれたトンネル流路６ａの変形が少なく所定の均一な伝熱面が得られる。そのため、伝熱面の部位による伝熱性能のばらつきが少なく、均一な伝熱特性を発揮できる。

すなわち、本実施例においては、円管１の軸方向に垂直にＶ字溝２を掘り、円管１の軸方向に平行な段付きフィン１３を形成し、段付きフィン１３と垂直方向にローラー５を転がし、トンネル流路６ａを形成することによってリエントラントな形状を有する伝熱面が高い寸法精度で形成される。

（実施例２）
次に本発明の他の実施例について図２を参照して説明する。図２はローラーと段差部との距離を調整して、第２フィンに形成されたＶ字溝と段差部とに囲まれた三角孔の大きさを制御する方法を示す図である。

すなわち、本実施例に係る構造部材表面の加工方法は、ローラー５を押圧して第２フィンを変形させる際に、ローラーと段差部との距離を調整することにより、第２フィンに形成されたＶ字溝と段差部とに囲まれた三角孔の大きさを制御することを特徴とする。他の構成は実施例１と同一である。

具体的には、実施例１と同様に、円管１の軸方向に垂直なＶ字溝２を掘り、円管１の軸方向に平行な段付きフィン１３を形成する。最後に段付きフィン１３に対して垂直方向からローラー５を転動する際にローラー５と段差部１１との距離を調整することで三角孔１４ａ，１４ｂの大きさを制御するものである。

図２（ａ）に示すように、ローラー５と段差部１１との距離Ｌ１を小さく設定してローラー掛けを実施した場合には、図２（ｂ）に示すように、変形して段差部１１上に圧接された第２フィン１２の先端部が圧壊されることにより、第２フィン１２に形成されたＶ字溝２と段差部１１とに囲まれた三角孔１４ａの大きさを小さく制御することができる。

一方、図２（ｃ）に示すように、ローラー５と段差部１１との距離Ｌ２を大きく設定してローラー掛けを実施した場合には、図２（ｄ）に示すように、第２フィン１２の先端部が圧壊されないので第２フィン１２に形成されたＶ字溝２と段差部１１とに囲まれた三角孔１４ｂの大きさを大きく制御することができる。

高い剛性を有する第１フィン１０に囲まれたトンネル流路６ａ，６ｂの寸法は、ローラー５の押付力やローラー５と段差部１１との距離に対して影響を受けることは少ない。一方、低い剛性を有する第２フィン１２の変形量は容易に制御可能である。したがって、形成したい三角孔の大きさに基づいてローラー５と段差部１１との距離Ｌ（換言すると、段付きフィン１３の高さ方向におけるローラー５の位置）や、ローラー５の押圧力を調整することで、三角孔１４ａ，１４ｂの大きさを任意の寸法で形成することができる。

本実施例によれば、ローラー５を転動する際に、ローラー５と段差部１１との距離を調整することにより、三角孔１４ａ，１４ｂを所望の寸法に制御してリエントラントな形状を有する伝熱面が効果的に得られる。

（実施例３）
本発明の他の実施例について図３を参照して説明する。図３に示す本実施例３に係る構造部材表面の加工方法は、円管として肉厚が管軸方向に変化する円管１ａに適用するものであり、円管１ａの内部の断面積は管軸方向で一定であるが、上端の頂部の肉厚が大きい一方、底部の肉厚は小さく、全体としてテーパ状の形状を有している。

すなわち実施例３に係る構造部材表面の加工方法は、実施例１と同様に円管１ａの軸方向に垂直な方向（周方向）に複数のＶ字溝を掘り、さらに円管１ａの軸方向に平行な方向に複数の段付きフィンを形成する。最後に段付きフィンに対して垂直方向からローラーを転動させて段付きフィンの頂部を隣接する段付きフィンの段差部方向に変形させて圧着させる。

さらに本実施例では、外形がテーパ状の円管１ａに対して例えば段付きフィンのような溝１５を掘ることにより、トンネル流路の深さを制御でき、円管１ａの軸方向に対して伝熱性能を変化させた伝熱面を形成することができる。こうして、本実施例によれば、肉厚が管軸方向に異なる円管１ａを用いてリエントラントな形状を形成する伝熱面が製造できる。

（実施例４）
本発明の他の実施例について図４を参照して説明する。図４に示す本実施例４に係る構造部材表面の加工方法は、肉厚が管軸方向において段階的に異なる円管１ｂに適用したものであり、円管１ｂの内部の断面積は管軸方向で一定であるが、上端の頂部の肉厚が大きい一方、底部の肉厚は小さく、全体として管肉厚が軸方向で変化する形状を有している。

すなわち実施例４に係る伝熱面の製造方法は、実施例１と同様に円管１ｂの軸方向に垂直な方向（周方向）に複数のＶ字溝を掘り、さらに円管１ｂの軸方向に平行な方向に複数の段付きフィンを形成する。最後に段付きフィンに対して垂直方向からローラーを転動させて段付きフィンの頂部を隣接する段付きフィンの段差部方向に変形させて圧着させる。

さらに本実施例では、肉厚が段階的に変化する円管１ｂに対して例えば段付きフィンのような溝１５を掘ることにより、トンネル流路の深さを制御でき、円管１ｂの軸方向に対して伝熱性能を変化させた伝熱面を形成することができる。こうして、本実施例によれば、肉厚が管軸方向に段階的に変化する円管１ｂを用いてリエントラントな形状を形成する伝熱面が製造できる。

（実施例５）
本発明の他の実施例について図５を参照して説明する。図５に示す本実施例５に係る伝熱面の製造方法は、前記円管として周方向に複数分割された構造体１６を用いることを特徴とするものであり、図５においては想定する円管を周方向に４分割した例で示している。

すなわち、実施例５に係る構造部材表面の加工方法は、実施例１と同様に周方向に分割した構造体１６の軸方向に垂直な方向（周方向）に図示しない複数のＶ字溝を掘り、さらに構造体１６の軸方向に平行な方向に複数の段付きフィン１３を形成する。各段付きフィン１３の形状は実施例１と同様である。最後に段付きフィン１３に対して垂直方向からローラーを転動させて段付きフィン１３の頂部を隣接する段付きフィン１３の段差部方向に変形させて圧着させる。

実施例１に示した円管に比べて非常に曲率が大きく、大口径を有する円管を製造する場合には、周方向に分割した各構造体１６に対して、図示しないＶ字溝を掘り、さらに各構造体１６の軸方向に平行な方向に複数の段付きフィン１３を掘る。最後に段付きフィン１３に対して垂直方向からローラーを転動させて段付きフィン１３の頂部を隣接する段付きフィン１３の段差部方向に変形させて圧着させる。各構造体１６についてトンネル流路の形成が完了した段階で４つの構造体を合体させて一体に接合することにより、大口径を有する円管が形成される。

本実施例のように、大口径を有する円管を周方向に分割して伝熱面を製造することにより、伝熱面の製造装置の大規模化を回避することができ、設備費の軽減を図ることが可能になる。そして、本実施例によれば大口径な円管を周方向に分割した構造体１６を用いてリエントラントな形状を形成する伝熱面が効率的に製造できる。
（実施例６）

本発明の他の実施例について図６を参照して説明する。図６に示す本実施例６に係る伝熱面の製造方法は、前記円管として管軸方向に連接した複数の円管要素１７ａ，１７ｂを用い、各円管要素１７ａ，１７ｂの周方向に複数箇所形成したトンネル流路６ａに案内線１８を挿通した円管要素１７ａ，１７ｂを結合することにより、トンネル流路６ａの断裂がない伝熱面を形成することを特徴とするものであり、その他の構成は実施例１と同一である。

前記実施例１に示した製造方法によって製造された伝熱面を有する円管の軸方向長さを延長する場合において、ローラーを転がす直前に、円管の周方向の複数箇所に形成したトンネル流路６ａに案内線１８を挿通しておく。ローラーを転がした後の円管要素１７ａと円管要素１７ｂの案内線１８を結束した後に、円管要素１７ａと円管要素１７ｂとを結合して軸方向長さを延長することにより、円管要素１７ａと円管要素１７ｂとの結合部分でのトンネル流路６ａの断裂がない長尺の円管を製造することができる。

本実施例によれば、各円管要素の周方向に形成した複数のトンネル流路６ａに案内線１８を挿通した円管要素１７ａ，１７ｂを結合することにより、トンネル流路６ａの断裂がないリエントラントな形状を形成する伝熱面を製造することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、各実施例では円管の外表面を加工対象として説明したが、本発明の適用対象はこれに限定されない。角管、平板、種々の装置表面等、様々な部材の表面に適用可能である。
また、実施例では周方向にＶ字溝２を形成するものとして説明したが、例えばＵ字、Ｗ字、逆台形等の溝であってもよく、Ｖ字に限定されるものではない。
また、段付きフィン１３を形成するものとして説明したが、段が形成されてなくともよい。フィンの厚みを変化させることでローラーの押圧によってフィンが折り曲げられる位置を制御することが肝要であり、例えば局部的にテーパ部を形成する、あるいはフィンの中途に局部的に薄肉部を形成する加工であってもよい。

１，１ａ，１ｂ…構造部材（基材、円管）、２…円管の周方向に形成された（Ｖ字）溝、３…溝、４…フィン部、５…ローラー、６，６ａ…トンネル流路、７…ポア、１０…第１フィン（厚肉部）、１１…段差部、１２…第２フィン（薄肉部）、１３…段付きフィン、１４ａ，１４ｂ…三角孔、１５…溝、１６…周方向に分割された構造体、１７ａ，１７ｂ…円管要素、１８…案内線。

Claims (8)

1. 構造部材表面の加工方法であって、
   上記構造部材表面に、所定の方向に沿って複数の溝を形成する工程と、
   上記溝の形成方向と直交する方向に沿って上記構造部材表面を切削し、厚肉部、及びこの厚肉部よりも上記切削前の上記構造部材表面側に形成されて上記溝の形成方向の厚さが上記厚肉部よりも薄い薄肉部、を有するフィンを複数形成する工程と、
   上記フィンをローラーで押圧して上記薄肉部を上記溝の形成方向に曲げ、上記フィンの先端近傍を隣接する上記フィンに接触させてトンネル流路を形成する工程と、
   を備える構造部材表面の加工方法。
2. 前記構造部材が円管であり、前記複数の溝は前記円管の周方向に形成され、
   前記フィンは前記円管の軸方向に沿って形成されることを特徴とする請求項１記載の構造部材表面の加工方法。
3. 前記フィンの先端近傍が前記隣接するフィンに接触することで前記溝と前記隣接するフィンに囲まれて形成される孔部の寸法に基づいて、前記ローラーを押圧して前記薄肉部を変形させる際の前記フィンの高さ方向における前記ローラーの前記フィンとの相対位置を制御する請求項１または２記載の構造部材表面の加工方法。
4. 前記円管は肉厚が管軸方向に漸次変化する円管である請求項２または３記載の構造部材表面の加工方法。
5. 前記円管は肉厚が管軸方向において段階的に異なる円管であることを特徴とする請求項２または３記載の構造部材表面の加工方法。
6. 円筒が周方向に複数分割された形状の構造体の表面に前記トンネル流路を形成した後、上記構造体を複数結合して前記円管として形成する請求項２乃至５の何れか１項に記載の構造部材表面の加工方法。
7. 円筒が軸方向に複数分割された形状の複数の円管要素の表面に前記トンネル流路を形成した後、前記各円管要素の周方向に複数箇所形成されたトンネル流路に案内線を挿通して前記円管要素を軸方向に結合して前記円管として形成する請求項２乃至５の何れか１項に記載の構造部材表面の加工方法。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の構造部材表面の加工方法によって加工された構造部材。

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