JP2016155170A - 金属プレート、積層プレート部品及びプレート式熱交換器の製造方法 - Google Patents
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Description
プレート式熱交換器は、積層したプレートにより熱交換媒体の通路、つまり高温媒体と低温媒体の通路を隣接して構成し、これら高温媒体の通路と低温媒体の通路に流す温度差を有する媒体が熱の授受により相互に熱交換作用を行うように構成されている。
また、熱交換器は、耐久性向上の観点から、素材の金属板として耐食性に優れたステンレス鋼板が用いられる。そして、小中型の熱交換器については、耐圧性を考慮して、ろう付けで接合されることが多い。
図1は、本発明に係る製造方法を使用して製造された金属プレート10に形成された凹凸形状を示す模式図である。金属プレート10は、ほぼ平板状の原板(ブランク)をプレス加工等で成形加工することによって、成形加工前の原板位置を基準にして、その上下で波状の凹凸が一方向に連続的に延びる形状を有している。複数の凹部及び凸部の形状は、互いに同一形状とすることができる。同一形状であると、金属プレート10を均一な凹凸状で均一な強度とすることができる点、また、用途によっては熱交換性や外観の点で好ましい。本明細書では、当該凹凸について、金属プレートの断面において中心線13から下に凸の領域を「凹部」といい、上に凸の領域を「凸部」という。中心線13は、プレス成形前の原板のほぼ中央位置に相当する。図1に示すように、金属プレート10は、凹部11a,11b,・・・(以下、「凹部11」と総称する。)と凸部12a,12b,・・・(以下、「凸部12」と総称する。)が波状に交互に形成されている。
以下、本発明に係る金属プレートの製造方法について説明する。
図3において凹凸部の線長Lは、原板の厚み方向における中心を繋ぐ中立軸であり、La、Lb、Lcの合計として求められる。αは波角度である。また、肩半径R1、R2が大きくなるとその弧の長さLa、Lcも長くなり、線長Lの直線部Lbの長さが短くなり、直線部Lbはなくなる場合がある。
La、Lb、Lcの個々の算出式は、以下の式(1)〜(3)のとおり表される。
La=(R1+0.5t)α 式(1)
Lc=(R2+0.5t)α 式(2)
図6の(a)、(b)は、本発明に係るプレート式熱交換器1の一例を示す模式図である。プレート式熱交換器1は、複数の金属プレート10が積層された構造である。金属プレート10は、固定フレーム2と可動フレーム3との間に挟まれ、ガイドバー4及び上部キャリングバー(図示省略)で支持される。そして、全体を支柱(図示省略)に取り付け、締付けボルト(図示省略)で締め付けている。
また、ステンレス鋼には、耐食性及び加工性の低下原因となるフリーC、Nをトラップする目的で、Ti、Nbを添加して、耐食性及び耐食性を向上させた鋼種が使用されている。Tiは、ろう付け性の阻害要因になることから、Nbを添加したSUS430J1Lは、Ti添加やTi+Nb複合添加した他のフェライト系ステンレス鋼と比べて、ろう付け性に優れており、ろう付け接合する鋼種として好ましい。
[試験方法]
原板として、表1に示す成分組成と表2に示す機械的性質を有する各種ステンレス鋼板を使用した。3つ以上の複数サンプルについて、下記の条件で所定形状のプレス成形体となるようにプレス成形を行い、図7に示すプレス成形体を得た。なお、「凹部の底部」及び「凸部の頂部」を合わせて、以下「凹凸先端」ということもある。また、「凸部と隣接する凸部との間の波幅」及び「凹部と隣接する凹部との間の波幅」を合わせて、以下「凹凸の波幅」ということもある。
装置:80tonサーボプレス(リンクモーション)
加工速度:10(spm)
潤滑条件:プレス油MB−13NR(40℃での動粘度:1.60mm2/s、アクア化学社製)
凹凸先端の半径:長辺部半径RL=1.0mm,1.2mm,1.4mmの3種類、短辺部半径RS=5.0mm、長辺部半径RLは、図8に示すとおりであり、短辺部半径RSは、図9に示すとおりである。
凹凸の波幅W:7.0mm
凹凸の高さh:1.5mm〜3.0mmの任意の高さ
板押え寸法:180mm×180mm(四角ビード付き)
ブランクの寸法:120mm
ブランクの方向:長辺長手方向と圧延方向とが平行
板押え力:5ton
各々のサンプルについて、プレス成形体の凹凸の高さhを実測するとともに、長辺部及び短辺部の状態を目視で観察した。原板をプレス成形した際の張り出し加工性について、図10に示すように、ネッキングや割れが認められなかった場合を、張り出し加工性が良好であるとして「○」、ネッキングが認められたが、程度が小さかった場合を「△」、ネッキングが認められ、かつ、程度が大きかった場合を「黒塗り△」、割れが認められた場合を「×」で表示した。長辺部に関する結果を図11に示し、短辺部に関する結果を図12に示す。
また。原板Aの結果と原板Bの結果とを対比すると、原板A(実測板厚0.37mm)は、原板B(実測板厚0.26mm)よりも凹凸の高さhを高くすることができた。このことから、原板は、板厚が大きいほど、凹凸の高さhを高くすることができるから、プレス成形する際の張出し加工性の点で好ましい。
[試験方法]
凹凸先端の長辺部半径RLを1.2mmに固定し、凹凸の波幅Wを7.0mmと8.0mmの2種類にしたこと以外は、試験例1−1と同様の手法にてプレス成形体を得た。
試験例1−1と同様に、各々のサンプルについて、凹凸の高さhを実測するとともに、長辺部及び短辺部の状態を目視で観察した。長辺部に関する結果を図13に示し、短辺部に関する結果を図14に示す。
[試験方法]
原板として上記原板Dを使用し、凹凸先端の長辺部半径RLを1.2mmに固定し、凹凸先端の短辺部半径RSを1.5mm、3.0mm、5.0mm及び20°形状の4種類にしたこと以外は、試験例1−1と同様の手法にてプレス成形体を得た。
試験例1−1と同様に、各々のサンプルについて、凹凸の高さhを実測するとともに、長辺部の状態を目視で観察した。その結果を図15に示す。
[評価]
図16、図17は、試験例1−1及び試験例1−2の結果から、原板として上記原板Dを使用した場合におけるRL/t0又はW/t0と線長増加率εとの関係について図示したものである。RLは、凹凸先端の長辺部半径(本試験例では、1.0mm、1.2mm、1.4mmの3種類)であり、t0は、原板Dの実測厚さ(本試験例では0.40mm)である。RL/t0と線長増加率εとの関係を図16に示し、W/t0と線長増加率εとの関係を図17に示す。
R2:凹部先端の長辺部半径(本試験例では、RLをそのまま適用)
t :原板Dの実測厚さ(本試験例では0.40mm)
X1:凹部の底部から凸部の頂部までの波幅(本試験例では、凹凸の波幅Wの1/2)
Y1:d−R1−R2−t(dは、成形深さ(凹凸の高さhから上記tを減じた値)であり、R1、R2及びtは、上記と同じである)
R0:R1+R2+t(dは、成形深さ(凹凸の高さhから上記tを減じた値)であり、R1、R2及びtは、上記と同じである。)
α :下記式(8)から算出される値(X1、R0、Y1は、上記と同じである。)
[試験方法]
(試験例4−1) 1工程によるプレス成形
原板として上記原板Dを使用し、凹凸先端の長辺部半径RLを1.2mmにし、凹凸先端の短辺部半径RSを5.0mmにし、凹凸の波幅Wを7mmにしたこと以外は、試験例1−1と同様の手法にてプレス成形体を得た。
凹凸先端の長辺部半径RLを1.4mmにしたこと以外は、試験例4−1と同様の手法にて予備プレス成形体を得た。その後、凹凸先端の長辺部半径RLを1.2mmに変更し、他のパラメータを変えずに予備プレス成形体をプレス成形した。
試験例1−1と同様に、各々のサンプルについて、凹凸の高さhを実測するとともに、長辺部の状態を目視で観察した。その結果を図20に示す。
次に、プレスを複数工程で行うことによる張出し加工性の改善効果について、以下のように詳しく検討した。
〔試験方法〕
[第1工程のプレス成形(予備プレス)]
上記原板Dを原板として、下記の条件にてプレス成形を行い、図21に示す予備プレス成形体(凸部4個及び凹部3個の総計7個)を得た。ここで、凹凸の高さhは、図22に示すように、予備プレス成形体の凹凸の線長が下記本プレス成形体の凹凸の線長とほぼ同じになるように定めた。図22には、予備プレスまたは本プレスの各工程により実現される成形体の形状に応じた凹凸高さhと線長増加率εとを関係を示したものである。当該線長増加率は、原板から凹凸を形成する際に線長全体が増加する割合を意味する。この試験では、凹凸高さhが2.5mm(目標)である成形体が得られるように予備プレス成形及び本プレス成形が行われる。図22によると、本プレス工程に関する検量線において凹凸高さh2.5mmに相当する線長増加率εは、27.5%であり、その線長増加率に相当する予備プレス工程の凹凸高さhは、7.3mmとなることが分かる。
供試材の圧延方向:L方向、D方向、T方向の3種類
L方向:長辺長手方向と原板の圧延方向とが垂直
D方向:長辺長手方向と原板の圧延方向とが45°
T方向:長辺長手方向と原板の圧延方向とが平行
装置:80tonサーボプレス
プレスモーション:リンクモーション、ソフトタッチモーション、
バンピングモーションの3種類(各種モーションの具体的な条件は、図23のとおり。)
潤滑油:低粘度潤滑油、高粘度潤滑油の2種類
低粘度潤滑油:プレス油MB−13NR(40℃での動粘度:1.60mm2/s,アクア化学社製)
高粘度潤滑油:プレス油G−755BM(40℃での動粘度:564mm2/s,日本工作油社製)
凹凸先端の半径:長辺部半径RL=1.2mm、短辺部半径RS=5mm、長辺部半径RLは図8に示すとおりであり、短辺部半径RSは図9に示すとおりである。
凹凸の波幅W:7mm
凹凸の高さh:7.3mm(目標値)
板押え寸法:180mm×180mm(四角ビード付き)
ブランク寸法:□120mm
板押え力:6.3ton
上記予備プレス成形体を下記の条件にてプレス成形を行い、図24に示す本プレス成形体(凸部11個及び凹部10個の総計21個)を得た。
供試材の圧延方向:L方向
装置:80tonサーボプレス
プレスモーション:バンピングモーション(バンピングモーションの具体的な条件は、図23のとおりである。)
潤滑油:上記高粘度潤滑油
凹凸先端の半径:長辺部半径RL=1.2mm
短辺部半径RS=5mm
(長辺部半径RLは、図8に示すとおり、短辺部半径RSは、図9に示すとおりである。)
凹凸の波幅W:7mm
凹凸の高さh:2.5mm(目標値)
板押え寸法:180mm×180mm(四角ビード付き)
ブランク寸法:□120mm
板押え力:6.3ton
各々の予備プレス体について、凹凸の高さhを実測するとともに、長辺の断面を目視で観察した。その結果を図25に示す。ネッキングや割れが認められなかった場合を「○」、ネッキングが認められたが、程度が小さかった場合を「△」、ネッキングが認められ、かつ、程度が大きかった場合を「黒塗り△」、割れが認められた場合を「×」で表示した。
本プレス体について、凹凸の高さhを実測するとともに、長辺の断面を目視で観察した。評価基準は上記[評価 その1]と同じである。その結果を図26に示す。なお、対照として、上記(本プレス条件)にて原板Dを直接プレスした場合の結果も図26に示す。
[試験例6−1]
上記原板Dを下記の条件にてプレス成形を行い、図24に示す本プレス成形体を得た。
供試材の圧延方向:T方向
装置:80tonサーボプレス
プレスモーション:リンクモーション(リンクモーションの条件は、図23のとおり。)
潤滑油:上記低粘度潤滑油
凹凸先端の半径:長辺部半径RL=1.2mm、短辺部半径RS=5mm、長辺部半径RLは図8に示すとおりであり、短辺部半径RSは図9に示すとおりである。
凹凸の波幅W:7.0mm
板押え寸法:180mm×180mm(四角ビード付き)
ブランク寸法:□120mm
板押え力:6.3ton
供試材の圧延方向がL方向であり、潤滑油がプレス油G−755BM(40℃での動粘度:564mm2/s、日本工作油社製)であり、プレスモーションがバンピングモーション(バンピングモーションの条件は、図23のとおり)であること以外は、試験例6−1と同じ手法にて本プレス成形体を得た。
[[第1工程のプレス成形(予備プレス)]]
上記原板Dを原板として、下記の条件にてプレス成形を行い、図21に示す予備プレス成形体(凸部4個及び凹部3個の総計7個)を得た。なお、試験例5と同様に、図22に示すように、凹凸の高さhは、予備プレス成形体の凹凸の線長が下記本プレス成形体の凹凸の線長と同じになるように定めた。
供試材の圧延方向:L方向
装置:80tonサーボプレス
プレスモーション:バンピングモーション(バンピングモーションの条件は、図23のとおり。)
潤滑油:上記高粘度潤滑油
凹凸先端の半径:長辺部半径RL=5mm、短辺部半径RS=5mm、長辺部半径RLは図8に示すとおりであり、短辺部半径RSは図9に示すとおりである。
凹凸の波幅W:21.0mm
凸部及び凹部の1個当たりの線長L1: 13.38mm
板押え寸法:180mm×180mm(四角ビード付き)
ブランク寸法:□120mm
板押え力:6.3ton
上記予備プレス成形体を下記の条件にてプレス成形を行い、図24に示す本プレス成形体(凹凸の凸部:11個、凹部:10個)を得た。
供試材の圧延方向:L方向
装置:80tonサーボプレス
プレスモーション:バンピングモーション(バンピングモーションの条件は、図23のとおり。)
潤滑油:上記高粘度潤滑油
凹凸先端の半径:長辺部半径RL=1.2mm、短辺部半径RS=5mm、長辺部半径RLは図8に示すとおりであり、短辺部半径RSは図9に示すとおりである。
凹凸の波幅W:7.0mm
凸部及び凹部の1個当たりの線長L2: 4.46mm
板押え寸法:180mm×180mm(四角ビード付き)
ブランク寸法:□120mm
板押え力:6.3ton
試験例6−1に係る本プレス成形体、試験例6−2に係る本プレス成形体、及び試験例6−3に係る本プレス成形体のそれぞれについて、図27の位置1〜17における板厚減少率を測定した。板厚減少率は、測定部近傍をワイヤー加工により切断し、断面部分を撮影後、測長計で測定した。結果を図28に示す。
2 固定フレーム
3 可動フレーム
4 ガイドバー
5 上部キャリングバー
6 支柱
7 締付けボルト
8a,8b 高温側流体用配管接続口
9a,9b 低温側流体用配管接続口
10 金属プレート
11 凹部
12 凸部
13 中心線
Claims (12)
- 複数のプレス成形工程により原板をプレス成形して、複数の凹部及び凸部を交互に有する金属プレートを製造する方法であって、
第1工程のプレス成形により形成される第1凸部及び第1凹部の個数の総計をN1、前記第1凸部及び第1凹部の1個当たりの線長をL1とし、第2工程のプレス成形により形成される第2凸部及び第2凹部の個数の総計をN2、前記第2凸部及び第2凹部の1個当たりの線長をL2とし、第n工程のプレス成形により形成される第n凸部及び第n凹部の個数の総計をNn、前記第n凸部及び第n凹部の1個当たりの線長をLnとする場合(nは自然数)、N1<N2<Nn(nは自然数)かつL1×N1=L2×N2=Ln×Nnの関係を満たすようにプレス成形を行う、金属プレートの製造方法。 - 前記第1凸部の頂部又は前記第1凹部の底部における曲率半径をRL1とし、前記第2凸部の頂部又は前記第2凹部の底部における曲率半径をRL2とし、前記第n凸部の頂部又は前記第n凹部の底部における長辺部半径をRLnとする場合、RL1>RL2>RLnの関係をさらに満たすようにプレス成形を行う、請求項1に記載の金属プレートの製造方法。
- 前記プレス成形は、加工開始位置からスライドが複数回上下動しながら降下するバンピングモーションによって行われる、請求項1又は2に記載の金属プレートの製造方法。
- 前記加工開始位置からスライドが上方向に動く回数C1及び下方向に動く回数C2の合計回数が4以上の偶数回である、請求項1から3のいずれかに記載の金属プレートの製造方法。
- 前記プレス成形に使用する潤滑油の40℃における動粘性係数が50mm2/s以上である、請求項3又は4に記載の金属プレートの製造方法。
- 前記原板は、鋼、チタン、アルミニウム又はこれらの合金から選択される金属からなる、請求項1から5のいずれかに記載の金属プレートの製造方法。
- 前記原板がフェライト系ステンレス鋼板である、請求項1から5のいずれかに記載の金属プレートの製造方法。
- 前記プレス成形は、前記凸部の長手方向と前記原板の圧延方向とが直角になるように配置された前記原板をプレス成形する、請求項1から7のいずれかに記載の金属プレートの製造方法。
- プレス成形前の前記原板の平均板厚t0が1.0mm以下であり、
プレス成形後の前記金属プレートの最小板厚t2と最大板厚t1との比t2/t1が0.8以上である、請求項1から8のいずれかに記載の金属プレートの製造方法。 - 前記最大板厚t2と前記原板の平均板厚t0との比t2/t0が0.7以上である、請求項9に記載の金属プレートの製造方法。
- 前記原板に対し、請求項1から10のいずれかに記載の製造方法により製造された金属プレートを積層して積層プレート部品を製造する、積層プレート部品の製造方法。
- 請求項11に記載の製造方法により製造された積層プレート部品を用いて製造する、プレート式熱交換器の製造方法。
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