JP2016125762A

JP2016125762A - 熱交換器

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Publication number: JP2016125762A
Application number: JP2014266900A
Authority: JP
Inventors: 雅裕加藤; Masahiro Kato; 大介米倉; Daisuke Yonekura; 大西　賢治; Kenji Onishi; 賢治大西
Original assignee: DAIKATECH CO Ltd; University of Tokushima NUC
Current assignee: DAIKATECH CO Ltd; University of Tokushima NUC
Priority date: 2014-12-27
Filing date: 2014-12-27
Publication date: 2016-07-11
Anticipated expiration: 2034-12-27
Also published as: JP6390053B2

Abstract

【課題】安価で安定した高効率な熱交換を行うことができる熱交換器を提供する。【解決手段】ｎ枚の伝熱プレート１−１…ｎを、パッキンを介して積層して熱交換器が構成されている。伝熱プレート１−１…ｎの表裏面は熱伝導面６となっており、一方の熱伝導面６は高温流体が接し、他方の熱伝導面６には低温流体が接する。この熱伝導面６には研磨により凹凸が形成されている。凹凸は、そのピッチが１μｍ以下の範囲で凹凸の高さとピッチの比が０．０００５以上であり、かつ、当該比のばらつきが各波長における比の値の平均値から３割以内となるように形成される。従来は熱特性が安定しなかった研磨加工でも、安定した熱特性を得ることができ、また鏡面加工などと比べて熱交換効率を向上させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、プレート型の熱交換器に関するものである。

熱交換器の一つとして、複数枚の伝熱プレートをパッキンを介して積層した、プレート型の熱交換器がある。各伝熱プレートの間隙に高温流体と低温流体を交互に流すことにより、高温流体の熱が伝熱プレートを介して低温流体へと伝わり、熱交換が行われる。プレート型の熱交換器は小型化でき、省スペースであるとともに、分解掃除が可能でメンテナンス性に優れているなどの特徴を持つ。

熱交換器を小型化し、あるいは熱交換の効率を向上させるため、伝熱プレートの表面に凹凸や波形模様などをつけ、熱伝導面積を大きくすることが従来より行われている。例えば、伝熱プレートの表面に、ヘリボーンと呼ばれる魚の骨の形状の凹凸部をプレス加工によって作成し、熱伝導面積を確保している。しかし、プレス加工では凹凸のサイズに限界があるとともに、金型が必要なことから製造に費用がかかり、小規模な生産には不向きであるなどの欠点がある。

また、別の加工方法として、鋼板表面に精密機械加工やレーザー加工などによって凹凸を形成することも考えられているが、その加工費は非常に高価なものであり、現実的でない。ヘアライン加工やブラスト加工などによっても鋼板の表面に凹凸を形成することはできる。しかし、例えばヘアライン加工では加工が進むにつれて凹凸の度合いが変化してしまう。また、ブラスト加工では、平面上の各部において凹凸が異なってしまう。従って、これらの加工では安定して凹凸を形成することができず、製品のばらつきが大きくなってしまう。

さらに、例えば特許文献１に記載されているように、凹凸形状に成形された金属製のフィンを伝熱プレートの間隙に挟み込むことも考えられている。しかし、部品点数が多くなって高価になるとともに、清掃などのメンテナンス性も低下する。

表面加工技術の一つとして、研磨がある。この研磨によって伝熱プレートに凹凸を形成できれば、安価な熱交換器を提供することができる。しかし、一般に研磨は表面の凹凸をなくすための技術と考えられており、研磨により残る凹凸に再現性がなく、熱交換器の熱伝導面の加工に研磨を用いることはなかったし、熱伝導面に研磨加工を用いたとしても製品として安定して熱伝導を行うことができる熱交換器を構成できなかった。

国際公開第０８／０２３７３２号公報

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、安価で安定した高効率な熱交換を行うことができる熱交換器を提供することを目的とするものである。

本願請求項１に記載の発明は、複数枚の伝熱プレートを積層して構成されたプレート型の熱交換器において、各伝熱プレートの少なくとも流体と接する表面に研磨により凹凸が形成されており、該凹凸のピッチが１μｍ以下の範囲で凹凸の高さとピッチの比が０．０００５以上であり、かつ、当該比のばらつきが各波長における比の値の平均値から３割以内であることを特徴とする熱交換器である。

本発明によれば、従来は熱特性が安定しないことから利用されてこなかった研磨加工によって、安定した熱特性を有し、かつ高効率な、あるいは小型化した、熱交換器を安価に提供することができるという効果がある。また、汚れなどの付着を防止でき、メンテナンス性の高い熱交換器を提供することができる。

本発明の実施の一形態を示す熱交換器の分解概略図である。伝熱プレートの一例の平面図である。鋼材表面の凹凸形状を測定した結果を表わす鋼材表面の凹凸の計測結果の一例を示すグラフである。Ｆ研磨の各ランクにおける波長に対する波高対波長比の関係の一例を示すグラフである。Ｆ研磨の他のランクにおける波長に対する波高対波長比の関係の一例を示すグラフである。伝熱試験装置の一例の説明図である。ヒーターを用いない場合の放熱実験結果の一例を示すグラフである。ヒーターを用いた場合の熱伝達実験結果の一例を示すグラフである。伝熱試験装置の別の例の説明図である。伝熱試験装置の別の例における試験結果の一例を示すグラフである。

図１は、本発明の実施の一形態を示す熱交換器の分解概略図、図２は、伝熱プレートの一例の平面図である。図中、１，１−１…ｎは伝熱プレート、２〜５は送通孔、６は熱伝導面である。プレート型の熱交換器は、図１に分解して示すように、ｎ枚の伝熱プレート１−１…ｎを、パッキンを介して積層して構成されている。送通孔２〜５は、高温流体及び低温流体を送通させるための孔であり、この例では送通孔２から高温流体を供給して送通孔３から回収し、また送通孔４から低温流体を供給して送通孔５から回収する例を示している。高温流体及び低温流体は、液体でも気体でもよい。

送通孔２から供給された高温流体及び送通孔４から供給された低温流体は、各伝熱プレート１−１…ｎの間隙に交互に入り込む。図１に示した例では、伝熱プレート１−１と伝熱プレート１−２の間隙に送通孔４から低温流体が供給されて送通孔５から回収される。また、伝熱プレート１−２と伝熱プレート１−３の間隙に送通孔２から高温流体が供給されて送通孔３から回収される。同様に、熱プレート１−３と伝熱プレート１−４の間隙に送通孔４から低温流体が供給されて送通孔５から回収される、…という具合に交互に高温流体と低温流体が各伝熱プレートの間隙に供給され、回収される。

１枚の伝熱プレート１の表裏面は熱伝導面６となっており、一方の熱伝導面６は高温流体が接し、他方の熱伝導面６には低温流体が接することになる。伝熱プレート１の熱伝導面６に高温流体が接することにより伝熱プレート１が高温流体から熱を奪い、伝熱プレート１の反対側の熱伝導面６へと伝達される。伝熱プレート１の反対側の熱伝導面６は低温流体と接しており、伝達された熱は低温流体により伝熱プレート１から奪われる。これにより、高温流体から低温流体への熱の移動が行われ、高温流体と低温流体との間で熱交換が実現される。

本発明では、この伝熱プレート１の熱伝導面６に対して、研磨作業を進めても鋭利さが失われないダイヤモンドなどの硬質研磨粒子を紙または布に貼り付けた研磨材を使って鋼材表面に対して研磨処理（以下、Ｆ研磨と呼ぶ）を施している。このＦ研磨によって、熱伝導面６にミクロン単位の凹凸を設けている。なお、鋼材としては熱伝導率のよい材料を用いるとよい。

Ｆ研磨については、従来、金属面への粉体の付着を防止する技術として特許第４０６４４３８号公報に記載されているところであるが、熱の伝達については知られていなかった。Ｆ研磨は、レーザー加工や精密機械加工に比べて容易に施工可能であり、安価な装置を提供することができる。また、ヘアライン加工やブラスト加工などに比べて凹凸に再現性を持たせることができ、製品ばらつきを小さくした安定した製品を製造することができる。さらに、後述するように、高効率な熱交換器を提供することができる。

なお、Ｆ研磨については、研磨粒子の公称精粗度（＃２４０〜＃２０００）に応じてランク分けしており、表面仕上げの状態が粗い順に「Ｆ０」（＃２４０）、「Ｆ１」（＃３２０）、「Ｆ２」（＃４００）、「Ｆ３」（＃５００）、「Ｆ４」（＃６００）、「Ｆ５」（＃８００）、「Ｆ６」（＃１０００）、「Ｆ７」（＃２０００）と名付けている。

図３は、鋼材表面の凹凸形状を測定した結果を表わす鋼材表面の凹凸の計測結果の一例を示すグラフである。ここでは、熱伝導面６の表面位置（μｍ）と凹凸の高さの平均高さからの相対値（μｍ）の関係を表している。図３（Ａ）はＦ研磨のランクがＦ２の場合を、図３（Ｂ）はＦ研磨のランクがＦ５の場合を、図３（Ｃ）はＦ研磨のランクがＦ７の場合を、図３（Ｄ）は鏡面仕上げを行った場合を、それぞれ示している。図３（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、この順に、表面の凹凸形状が細かくなるが、Ｆ研磨との比較のために測定した鏡面仕上げによる図３（Ｄ）に示した凹凸形状と対比すると十分な粗さを持っている。なお、図示しないが、Ｆ研磨のランクがＦ０、Ｆ１ではＦ２よりも粗く、Ｆ３，Ｆ４では図３（Ａ）と図３（Ｂ）の間の特性を有し、Ｆ６は図３（Ｂ）と図３（Ｃ）の間の特性を有することになる。

フーリエ変換を用いた波数解析を行うことによって、表面の凹凸の特徴を定量化し、具体的に、どのような間隔の凹凸がどのくらい高低差があるのかを数値で表わすことができる。Ｆ研磨のいくつかのランクのＦ研磨による鋼板表面の凹凸形状について、次式（１）
Ｘ（ｋ）＝Σ_n=0 ^N-1ｘ（ｎ）・ｅｘｐ（−２πｋｎｊ／Ｎ） …（１）
に従い離散フーリエ変換を行い、凹凸の波長（凹凸ピッチ）成分Ｌと波高（振幅：凹凸高さ）成分Ｈの関係を解析し、併せて、鏡面仕上げについても比較参考のためにフーリエ解析を行い、Ｆ研磨との比較を行った。ここで、ｘ（ｎ）は、鋼板表面を探針センサで所定の長さ（距離）方向に走査した場合に、所定のサンプリング間隔の点で探針センサにより計測される高さ方向の値（表面の凹凸を表わす）、すなわち、総サンプリング数Ｎ中のｎ番目のディジタルサンプリング値である。また、ｋは、単位長当りの波数（空間周波数）ｆ［回／μｍ］に対応する値であり（ｋ＝０，１，２，…，Ｎ−１）、全計測距離をＤ［μｍ］とすると、ｋ＝ｆＤで表わされる。

つまり、Ｘ（ｋ）は、単位長当り波数対応値ｋに対するフーリエ変換後の信号強度を表わすベクトルであり、このベクトルの絶対値（長さ）が波の凹凸（振幅）に比例する。従って、値ｋに対する変換後信号強度Ｘ（ｋ）に対して、凹凸形状の波高（振幅）Ｈは２｜Ｘ（ｋ）｜／Ｎで表わされ、波高（振幅）Ｈと波長Ｌの比（「波高（振幅）対波長比」、「波高比」あるいは「振幅比」という）Ｈ／Ｌは
Ｈ／Ｌ＝２｜Ｘ（ｋ）｜／ＮＬ …（２）
で表わされる。

図４、図５は、Ｆ研磨の各ランクにおける波長に対する波高対波長比の関係の一例を示すグラフである。上述の波高対波長比を波長ごとに示すと図４及び図５に示すようになる。図４には、Ｆ研磨のランクがＦ２、Ｆ５、Ｆ７の場合と、鏡面仕上げを行った場合について示している。また、図５は、Ｆ研磨のランクがＦ４、Ｆ５、Ｆ６の場合、及び鏡面仕上げの場合について示している。

図４，図５に示した解析結果によれば、例えば波長Ｌが１μｍ以下の範囲で見ると、Ｆ研磨を行った場合には、鏡面仕上げを行った場合に比べてグラフの振幅が小さい。この振幅は、各波長における平均値から２〜３割程度である。従って、Ｆ研磨により形成された凹凸が安定していることが分かる。例えば凹凸を設ける際に一般的に行われているヘアライン加工やブラスト加工などでは、Ｆ研磨で得られているような安定した凹凸が形成されない。また、一般的な研磨技術であるバフ研磨で例えば図４，図５に示した鏡面仕上げを行った場合、波高対波長比は２桁程度のばらつきが存在しており、凹凸が安定して形成されていないことが分かる。

もちろん、Ｆ研磨の場合にも、それぞれの凹凸にはばらつきがあるものの、面として見ると周波数特性が揃った凹凸が形成されており、このような周波数特性の凹凸が安定して再現されている。このことは、熱交換が行われる鋼材の表面の状態が安定して再現されており、熱伝導の際の特性が安定していることを示している。従って、従来は熱交換器の熱伝導面６の表面加工として利用されてこなかった研磨加工でも、Ｆ研磨であれば安定した熱特性を有する熱交換器を製造することができる。

次に、Ｆ研磨が伝熱性を向上させていることを、実験結果により示す。図６は、伝熱試験装置の一例の説明図である。図６（Ａ）は分解図、図６（Ｂ）は断面図である。図中、１１は伝熱プレート、１２は熱伝導面、１３はベースプレート、１４は導入口、１５は排出口、１６はガスケット、１７はヒーター、１８は温度計挿入口である。伝熱プレート１１の熱伝導面１２をベースプレート１３と対向させて、ガスケット１６を挟んで積層する。そして、導入口１４から蒸留水などの流体を内部に送る。流体はベースプレート１３と伝熱プレート１１の間隙を通り、排出口１５から排出される。伝熱プレート１１には、側面に等間隔に孔を穿設して温度計挿入口１８とし、熱電対などの温度計を挿入して、伝熱プレート１１の表面温度が測定できるようにしている。実験に応じて伝熱プレート１１を加熱できるように、伝熱プレート１１の熱伝導面１２の反対面にヒーター１７が設けられている。

図７は、ヒーターを用いない場合の放熱実験結果の一例を示すグラフである。まず、ヒーター１７による加温をせずに伝熱プレートによる放熱実験を行った。伝熱プレート１１としてＳＵＳを用い、熱伝導面１２として、Ｆ１、Ｆ５のランクでＦ研磨を施した場合と、比較のために鏡面仕上げを行った場合について、伝熱プレート１１の各位置における温度を測定した結果を図７に示している。ここで、導入口１４から供給する流体の温度は６０℃、流量は６８ｍＬ／分とした。また、伝熱プレート１１の位置としては、導入口１４を０とし、導入口１４から排出口１５へ向けた方向の距離をプレート高さｚとして示している。

図７において、熱伝導面１２をＦ１のランクでＦ研磨を施した場合を破線で、Ｆ５のランクでＦ研磨を施した場合を細線で、鏡面仕上げを行った場合を太線でそれぞれ示している。導入口１４から供給された流体は、熱伝導面１２と接触して熱を放出することから、導入口１４から排出口１５へ向けて流体の温度は徐々に低下して行く。流体の温度低下とともに、流体に接触している熱伝導面１２の温度も低下してゆく。

導入口１４から供給した流体の温度と排出口１５から排出された流体の温度の差が大きいほど、流体が放出した熱量が多いことを示している。熱伝導面１２を鏡面仕上げした場合及びＦ５のランクでＦ研磨を施した場合の温度差は５℃程度であるのに対して、Ｆ１のランクでＦ研磨を施した場合には６．５℃程度の温度差が生じている。このことから、熱伝導面１２にＦ５のランクより粗いＦ研磨を施すことにより、熱伝達が促進されたことが分かる。例えば図４を参照すると、Ｆ５のランクのＦ研磨を施した場合の波高対波長比（Ｈ／Ｌ）は、０．０００５より小さい値であることから、これ以上の波高対波長比となる、例えばＦ３、Ｆ２、Ｆ１、Ｆ０などのランクのＦ研磨を施せばよい。

図８は、ヒーターを用いた場合の熱伝達実験結果の一例を示すグラフである。ここでは、ヒーター１７に対して通電し、付属の温度計が示す温度が設定温度となるようにヒーター１７を制御した。実験では設定温度を６０℃とした。また、上述のヒーター１７を用いない場合と同様に、伝熱プレート１１としてＳＵＳを用い、熱伝導面１２として、Ｆ１、Ｆ５のランクでＦ研磨を施した場合と、比較のために鏡面仕上げを行った場合について、伝熱プレート１１の各位置における温度を測定した。その結果を図８に示している。ここで、導入口１４から供給する流体の温度は６０℃、流量は６８ｍＬ／分とした。また、伝熱プレート１１の位置としては、導入口１４を０とし、導入口１４から排出口１５へ向けた方向の距離をプレート高さｚとして示している。

図８において、熱伝導面１２をＦ１のランクでＦ研磨を施した場合を破線で、Ｆ５のランクでＦ研磨を施した場合を細線で、鏡面仕上げを行った場合を太線でそれぞれ示している。ヒーター１７で発生した熱は伝熱プレート１１を通して熱伝導面１２へと伝達される。導入口１４から供給された流体は、熱伝導面１２と接触し、熱伝導面１２へと伝達された熱を吸収する。これによって、導入口１４から排出口１５へ向けて流体の温度は徐々に上昇して行く。流体の温度とヒーター１７による加熱温度の差が大きいほど流体に吸収される熱量が大きいことから、導入口１４から排出口１５へ向けて流体の温度上昇とともに、流体に接触している熱伝導面１２の温度も上昇している。

導入口１４から供給した流体の温度と排出口１５から排出された流体の温度の差が大きいほど、流体が吸収した熱量が多いことを示している。熱伝導面１２を鏡面仕上げした場合の温度差は７℃程度であるのに対して、Ｆ１及びＦ５のランクでＦ研磨を施した場合には７．５℃程度の温度差が生じている。このことから、熱伝導面１２にＦ研磨を施すことにより、熱伝達が促進されたことが分かる。

このように、流体からの熱の吸収及び流体への熱の放出の両者の実験結果を合わせると、波高対波長比（Ｈ／Ｌ）が０．０００５以上となるＦ研磨を施すと、熱伝導面１２を鏡面とする場合に比べて、効率よく熱交換が行われることが分かる。なお、熱交換の効率は、表面粗さが粗いＦ研磨を行うほど、高くなっており、上述したＦ２のランクよりもＦ１のランク、Ｆ１ランクよりもＦ０ランクのＦ研磨を行った方が、熱交換の効率は高くなる。

上述の各実験から、熱伝導面１２に波高対波長比（Ｈ／Ｌ）が０．０００５以上となるＦ研磨を施すことにより、高効率な熱交換器を構成することができる。あるいは、同等の効率の熱交換器であれば、熱交換器を小型化することができ、または伝熱プレートの枚数を減らしてメンテナンス性を向上させることができる。さらに、熱伝導面１２の加工がＦ研磨であることから、レーザー加工や精密機械加工などと比べて安価に加工することができるとともに、プレス加工などに比べて少数量、小面積の熱伝導面１２を有する熱交換器にも安価に対応することができる。さらにまた、上述した特許第４０６４４３８号公報にも記載されているように、Ｆ研磨加工された面は粉体の付着が抑止されることから、熱伝導面１２への汚れの付着も抑止され、メンテナンス性も向上する。

図９は、伝熱試験装置の別の例の説明図、図１０は、伝熱試験装置の別の例における試験結果の一例を示すグラフである。図中、２１は金属容器、２２はヒーター、２３は温度センサ、２４は水である。別の伝熱試験として、水２４の加熱試験を行った。金属容器２１の内面にＦ研磨加工を施したものと、鏡面仕上げを施したものを用意した。金属容器２１には水２４を満たし、金属容器２１の底面から、ＩＨヒーターなどのヒーター２２によって加温して、時間ごとの水２４の温度を温度センサ２３により計測した。なお、初期の状態では空気が水２４の中に溶け込んでいるため、初期状態とともに、一旦沸騰させてから冷却し、その後、再度加熱する場合についても試験を行った。

図１０において、初期の状態で加熱試験を行った場合について、金属容器２１の内面をＦ研磨した場合を実線で示し、鏡面仕上げした場合を点線で示している。また、一旦沸騰させた後、冷却して再度加熱した場合について、金属容器２１の内面をＦ研磨した場合を太線で示し、鏡面仕上げした場合を破線で示している。２つの場合とも、Ｆ研磨を施した場合の方が速く水２４の温度が上昇しており、Ｆ研磨によってヒータ２２による熱が水２４へ効率よく伝導したことがわかる。

なお、沸騰状態では気泡が温度センサ２３に接触する場合があることから、正確な温度が計測できなかったが、沸騰により発生する気泡は、鏡面仕上げの場合には一般的に認識されている大きな水蒸気の泡がボコボコと発生するのに対して、Ｆ研磨の場合には細かい気泡が発生し、表面加工の違いが気泡にも表れた。

この試験からも、Ｆ研磨を施した面では高効率な熱交換が行われることが分かる。従って、熱交換器における熱伝導面にＦ研磨を施すことによって、高効率に熱交換が行われる熱交換器を構成することができる。あるいは、同等の効率の熱交換器であれば、熱交換器を小型化することができ、または伝熱プレートの枚数を減らしてメンテナンス性を向上させることができる。他の加工との比較やよごれの付着防止などの効果については、先の試験の場合と同様である。

なお、上述の試験の例では平面にＦ研磨を行って試験を行っているが、Ｆ研磨を施工する前の熱伝導面６は平面に限らず、例えばプレスなどによって凹凸が形成されている面などであっても、Ｆ研磨を施工することができる。この場合、プレス加工された凹凸による熱効率の向上とともに、Ｆ研磨による熱効率の向上が図られ、さらに効率のよい熱交換器を提供することができる。

また、本発明の熱交換器は図１に示した例に限られるものではなく、公知の様々なプレート型の熱交換器に対して適用可能である。例えば特許文献１に記載されているような積層された伝熱プレートの一方側から高温流体を導入して他方側から排出し、他方側から低温流体を導入して一方側から排出する構成において、伝熱プレートの表面をＦ研磨加工する構成であってもよい。あるいは、流体として気体を用いる構成であってもよく、積層された伝熱プレートの間隙に、交互に、低温気体と高温気体を送通させる構成であってもよい。もちろんこのほかにも、本発明の趣旨を変更しない範囲で適宜変形可能であることは言うまでもない。

１，１−１…ｎ…伝熱プレート、２〜５…送通孔、６…熱伝導面、１１…伝熱プレート、１２…熱伝導面、１３…ベースプレート、１４…導入口、１５…排出口、１６…ガスケット、１７…ヒーター、１８…温度計挿入口、２１…金属容器、２２…ヒーター、２３…温度センサ、２４…水。

Claims

複数枚の伝熱プレートを積層して構成されたプレート型の熱交換器において、各伝熱プレートの少なくとも流体と接する表面に研磨により凹凸が形成されており、該凹凸のピッチが１μｍ以下の範囲で凹凸の高さとピッチの比が０．０００５以上であり、かつ、当該比のばらつきが各波長における比の値の平均値から３割以内であることを特徴とする熱交換器。