JP4638951B2 - 熱交換用の金属プレート及び熱交換用の金属プレートの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換用の金属プレート及び熱交換用の金属プレートの製造方法に関する。

従来より、熱交換器等に使用される熱交換プレートは高い伝熱性を有していることが望まれている。伝熱性を向上させるためには、プレートの表面にミクロンオーダの微細な凹凸を形成することが良く、このようにミクロンオーダの微細な凹凸を転写する方法として、例えば、特許文献１に示すような技術が数多く開発されている。
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。

特開２００６−２３９７４４号公報

しかしながら、特許文献１に示した方法により製造した金属シートを、熱交換用の金属プレートに使用した場合、気液２相の媒体を想定した熱交換用の金属プレート（ＰＨＥ）としては、その伝熱性が十分とは言えないのが実情であり、さらに、伝熱性が向上することが望まれている。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、核沸騰が発生し易く伝熱性が非常に優れた熱交換用の金属プレート及び熱交換用の金属プレートの製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明における課題解決のための技術的手段は、深さが５μｍ以上で、且つ、板厚に対して１０％以下となる凹部が形成されており、少なくとも凹部の底隅部にクレバス部が形成されている点にある。
前記クレバス部は、結晶粒界の酸化、若しくは、前記凹部の底隅部を厚み方向に欠落させることで構成されており、欠落させた一方面と欠落させた他方面とのなす角は、９０度以下とされていることが好ましい。また、前記クレバス部は、結晶粒界の酸化、若しくは、結晶粒を欠落させることで形成されていることが好ましい。

本発明における課題解決のための他の技術的手段は、移送している金属プレートの表面に加工ロールの表面に形成された加工部を押圧することで当該金属プレートの表面に、高さが５μｍ以上で、且つ、板厚に対して１０％以下となる凹部を形成し、前記凹部の底隅部側を欠落させることでクレバス部を形成する点にある。
前記凹部を形成した後に、凹部の底隅部側を酸洗いして当該底隅部側の結晶粒界の酸化、若しくは、結晶粒を欠落させることで前記クレバス部を形成することが好ましい。また、前記酸洗いにおいては、硝酸とふっ酸とを混合した混合液により前記底隅部側を酸洗いすることが好ましい。
ところで、本発明における課題解決のための最も好ましい技術的手段は、深さが５μｍ以上で、且つ、板厚に対して１０％以下となる凹部が形成されており、少なくとも前記凹部を形成する横壁と縦壁との交差部分である底隅部にクレバス部が形成されていて、前記クレバス部は、酸洗いにより結晶粒界を酸化させる若しくは結晶粒を欠落させることで形成されていることを特徴とする。
好ましくは、前記クレバス部は、前記底隅部から板厚の厚み方向を向くように形成されているとよい。
前記クレバス部を構成する一方面と他方面とのなす角は、９０度以下とされているとよい。
上記した熱交換用の金属プレートがチタン材で形成されていることは好ましい。
また、本発明における課題解決のための最も好ましい技術的手段は、移送している金属プレートの表面に加工ロールの表面に形成された加工部を押圧することで当該金属プレートの表面に、高さが５μｍ以上で、且つ、板厚に対して１０％以下となる凹部を形成し、その後、前記凹部を形成する横壁と縦壁との交差部分である底隅部を酸洗いし、結晶粒界を酸化させる若しくは結晶粒を欠落させることで、前記底隅部にクレバス部を形成することを特徴とする。
好ましくは、前記酸洗いにおいては、硝酸とふっ酸とを混合した混合液により前記底隅部を酸洗いするとよい。

本発明によれば、核沸騰が発生し易く伝熱性が非常に優れたものとすることができる。

熱交換用の金属プレートの表面に凹部を形成した図である。 凹部の詳細図である。 熱交換用の金属プレートの製造する工程図である。 加工装置の全体図である。 加工の状態を示す説明図である。 ｔ１時間後の加工部と凹部の位置を示す座標図である。 張力と先進率との関係を示した図である。 ａ）酸洗い工程前の凹部の形状を示し、ｂ）酸洗い工程後の凹部の形状を示したものである。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。
図１、図２は、本発明の熱交換用の金属プレートを示したものである。
熱交換用の金属プレート（金属性のＰＨＥ）１は、伝熱性が良い（熱伝達率が高い）という観点からすれば、その表面に凹凸状の微細加工を施すことで表面積が増大していて、且つ、表面に形成した凹凸形状が核沸騰が発生しやすい形状であることが最適である。
そこで、本発明の金属プレート１の表面には、複数の凹部２と、この凹部２の間に形成された凸部とが形成されている。この凹部２は、断面視にて長手方向に延びる横壁４と、この横壁４の両側（移送方向の両側）から厚み方向に延びる縦壁５とから台形状に構成されている。なお、凹部２は、台形以外にも半円弧状の形状としてもよい。横壁４と縦壁５とが交差する底隅部６側には、核沸騰を促進させるためのクレバス部７が形成されている。

このクレバス部７は、当該クレバス部７を形成する前の横壁４と縦壁５との交差部分をを厚み方向に数μｍ欠落させることによって構成したものである。即ち、金属プレート１は通常数十μｍの結晶粒９により構成されているが、底隅部６側付近の結晶粒９を意図的に欠落、若しくは、結晶粒界を酸化させることによって、数μｍのクレバス部７を形成させている。
そのため、クレバス部７は、大きさが数μｍのものであり、非常に小さいものであるため、クレバス部７内に気体が発生し易い気体ピットとなり、この気体ピット内の気体によって気泡（気相）が成長し、気泡発生点となる。

また、本発明の金属プレート１では、表面に形成した凹部２の底隅部６にクレバス部７を形成しているため、クレバス部７の気泡に対して縦壁５と横壁４との両側から熱が伝熱し易く、これにより、気泡の成長が促進されることとなり、より核沸騰が発生し易い状態となっている。特に、クレバス部７は、結晶粒９が欠落、若しくは、結晶粒界を酸化させて形成したものであるためクレバス部７の一方面７ａ（縦壁５側の面）と、クレバス部７の他方面７ｂ（横壁４側の面）とのなす角θは、９０度以下になっている。そのため、クレバス部７の一方面７ａと、クレバス部７の他方面７ｂとの間にて気泡が成長し易く、この点からも、核沸騰が発生し易いと言える。

金属プレート１の表面の凹部２の深さｈ１（縦壁５の高さ）は、５μｍ以上となっている。表面に凹部２を形成することによって、表面積は増加するものの、凹部２の深さｈ１が５μｍ未満では、表面積を増加させたことによる伝熱性への影響はほとんどないものと考えられる。即ち、凹部２の深さｈ１が５μｍ未満である場合は、凹部２は伝熱不感体となり、この不感体以上領域でないと、凹凸による表面積拡大の効果が得られないことから、この金属プレート１では、凹部２の深さｈ１を５μｍ以上としている。
また、金属プレート１の表面の凹部２の深さｈ１は、板厚ｔに対して１０％以下としている。金属プレート１に凹部２を形成する際、凹部２の深さｈ１が板厚ｔに対してあまりにも大きい（ｈ１＞０．１ｔ）と、凹部２を形成した際に金属プレート１の形状が変化する恐れがある。例えば、金属プレート１の板厚ｔが０．５ｍｍであるものに対して、深さｈ１を０．１ｍｍとしてしまい「ｈ１＞０．１ｔ」としてしまうと、金属プレート１の形状が変化する（金属プレート１が撓みやすくなったりする）。このような金属プレート１では、撓みやすいため、凹部２を形成した金属プレート１をプレス加工する際に、悪影響を及ぼすことがある。

また、凹部２においては、板厚ｔが０．５ｍｍであるものに対して０．１ｍｍの深さｈ１を０．１ｍｍとしてしまうと、この金属プレート１では、０．４ｍｍの部分と０．５ｍｍの部分とが数多く存在し、０．５ｍｍの板材としてプレス加工する際に割れ発生の原因となる。つまり、金属プレート１の表面に凹部２を形成する場合であっても、金属プレート１を全体として見たときに、金属プレート１の板厚ｔとして管理できないような大きな凹凸は形成するとプレス加工等に影響を及ぼすことから、凹部２の深さｈ１は、この点からも、板厚ｔに対して最大でも１０％以下にする必要がある。

これに加えて、金属プレート１の表面に複数の凹部２を設けることによって、金属プレート１をプレス加工する際に、当該金属プレート１の表面とプレスを行う金型との接触が点接触となり加工時における摩擦係数が低減するため、非常に加工がし易くなる。
さらに、金属プレート１の表面に複数の凹部２を設けることによって表面積を増加させると、例えば、金属プレート１をプレス加工する際に潤滑油を表面に供給した際に、表面張力のエネルギーバランスより、元々親水性である金属は接触角がより小さくなり、潤滑油が広がり易くなる。なお、金属プレート１に対してコーティング剤などを塗布する場合であっても、凹部２による表面積の増加により広がりやすくなり、金属プレート１の加工性を向上させることができる。

なお、断面視にて台形となっている凹部２について説明しているが、凹部２の形状は、これに限定されず、放電ダルにより形成される形状であっても、例えば、円柱状、四角柱等のエンボス形状であっても、その他、ヘアラインやブラストの処理により形成される形状であってもよい。
図３は、熱交換用の金属プレート１の製造する工程を示している。
図３に示すように、熱交換用の金属プレート１を製造するには、まず、スポンジチタンを溶解工程Ｓ１にて溶解して冷却することで鋼材（インゴット）を製造し、このインゴットを分塊圧延工程Ｓ２にて所定の厚みの板材に分塊圧延する。そして、分塊圧延した板材を熱間圧延工程Ｓ３にて熱間圧延して板厚を薄くした後、温度帯域が熱間圧延工程Ｓ３よりも低い冷間工程Ｓ４にて冷間圧延を行う。さらに、冷間圧延した板材に対して焼鈍工程Ｓ５にて焼鈍し、酸洗い工程Ｓ６にて酸洗いを行うことによって、熱交換用の金属プレート１を製造することができる。

以下、熱交換用の金属プレート１の製造方法について詳しく説明する。
本発明では、冷間工程Ｓ４にて金属プレート（鋼材）１の表面に凹部２を形成するようにしていて、冷間工程Ｓ４後の酸洗い工程Ｓ６にて凹凸形状を核沸騰が発生しやすい形状（クレバス部７）を形成している。
図４は、冷間工程Ｓ４にて金属プレート（鋼材）の表面に微細な凹凸を形成する加工装置を示したものである。
図４に示すように、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、金属プレート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。加工ロール１２は、移送されている金属プレート１の表面にミクロンオーダ（数μｍ〜数百μｍ）の凹凸を形成するものである。

加工ロール１２の外周面の全周には、凸状（台形の凸）となる加工部１４が形成され、この加工部１４の高さｈ２は、５μｍ以上に設定されている。また、加工部１４の高さｈ２は、表面に形成された凹部２の深さｈ１が、当該金属プレート１の板厚ｔの１０％以下となるように、金属プレート１の板厚ｔの１０％以下に設定されている。
よって、この加工装置１０では、加工ロール１２を回転させながら、加工ロール１２に設けた加工部１４を、金属プレート１の表面に押しつけることによって、当該金属プレート１の表面に加工部１４を反転した形状と同じ凹部２を形成するようにしている。即ち、加工装置１０によって、金属プレート１の表面に深さｈ１が５μｍ以上で且つ板厚ｔに対して１０％以下となる凹部２を形成することができる。

さて、加工部１４を金属プレート１の表面に押し付けることによって、加工部１４を反転させたものと同じ形状の凹部２が金属プレート１の表面に形成させることができると考えられるが、実際には、金属プレート１の移送速度と加工ロール１２の周速との関係により、加工部１４の形状と表面に形成した凹部２の形状とが必ずしも一致しない場合がある。
そこで、本発明によれば、金属プレート１の移送速度と加工ロール１２の周速との関係も考慮することによって、加工部１４を反転させたものと同じ形状の凹部２が確実に金属プレート１の表面に形成できるようにしている。

図５は、加工ロール１２が金属プレート１に接触している様子を示した図である。
図５（ａ）に示すように、金属プレート１に凹部２が形成される状態を考えると、周方向に回転している加工ロール１２の加工部１４が金属プレート１の表面に押しつけられ、この押圧によって金属プレート１の表面が徐々に変形して、その表面に凹部２が形成されることになる。
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、加工ロール１２の加工部１４が金属プレート１の表面に最も近づいた位置（位置Ｐ）では、金属プレート１の表面には加工ロール１２の加工部１４を反転したものと同じ凹部２が形成された状態である。

図５（ｂ）に示すように、加工部１４を反転させたものと凹部２とが同じ形状となっている位置Ｐでは、加工部１４において回転方向の後側に位置する第１頂部Ｎ１と、凹部２において移送方向の前側に位置する第１底部（底隅部）Ｓ１とは略一致している。
ここで、図５（ｃ）及び図６に示すように、加工部１４の第１頂部Ｎ１と第１底部Ｓ１との一致部分を基準点Ｏとし、両者が一致した位置Ｏからｔ１秒後の状態を考える。なお、図６に示すｘ軸は金属プレート１の移送方向と同じであり、ｙ軸は金属プレート１の板厚ｔ方向と同じとする。

加工部１４側を見たとき、ｔ１秒後における加工部１４の第１頂部Ｎ１の移動量は、式（１）及び式（２）のように示すことができる。式（１）及び式（２）において、Ｌ１は、第１頂部Ｎ１の水平方向（ｘ軸方向）の移動量（水平移動量）であり、Ｌ２は、第１頂部Ｎ１の垂直方向（ｙ軸方向）の移動量（垂直移動量）である。

一方で、凹部２側を見たとき、ｔ１秒後の凹部２の第１底部Ｓ１の移動量は、式（３）及び式（４）のように示すことができる。式（３）及び式（４）において、Ｌ２は第１底部Ｓ１のｘ軸方向）の移動量（水平移動量）であり、Ｚ２は第１底部Ｓ１の垂直方向（ｙ軸方向）の移動量（垂直移動量）である。

位置Ｐから下流側にいくにつれて、加工部１４は凹部２から離れることになるが、加工部１４が凹部２から離れる過程で、ｔ１秒後に、加工部１４の第１頂部Ｎ１が、凹部２の第１底部Ｓ１よりｙ軸方向にｂの距離だけシフトした第２頂部Ｎ２よりも基準点Ｏ側に位置した状態であると、第１頂部Ｎ１と第２頂部Ｎ２とがオーバラップするため、第１頂部Ｎ１によって凹部２を削ることになり、凹部２が変形してしまう。
そこで、本発明では、第１頂部Ｎ１が第２頂部Ｎ２よりも先行している場合は、加工部１４（第１頂部Ｎ１）によって凹部２が削られず変形しないと考え、ｔ１秒後において、第１頂部Ｎ１のｘ座標が、第２頂部Ｎ２のｘ座標よりも大きくなるという条件、つまり、式（５）を満たす条件下にて、金属プレート１を製造することにしている。式（６）は、式（５）を整理したものである。

詳しくは、第１頂部Ｎ１が第２頂部Ｎ２に達した際（Ｚ１＝ｂ）のｙ座標は式（７）で表され、この式（７）により、時間ｔ１を求めると式（８）となる。

また、金属プレート１の移送速度は、先進率の式により式（９）のようになる。

式（８）及び式（９）を用いて式を整理すると、先進率は式（１０）に表すことができ、この先進率を式（１０）を満たすように制御することによって、加工ロール１２の加工部１４の第１頂部で金属プレート１の凹部２を削らないようにし、加工ロール１２の加工部１４を反転したものと同じ形状のものを金属プレート１に転写することができる。

つまり、本発明では、式（１０）の条件下で、先進率を制御することによって、加工ロール１２の加工部１４の第１頂部で金属プレート１の凹部２を削らないようにし、凹部２の深さｈ１を含む形状が加工ロール１２の加工部１４の高さｈ２と同一になるようにしている。加工ロール１２の表面に形成された加工部１４を押圧することによって、金属プレート１の表面に、高さが５μｍ以上で且つ板厚ｔに対して１０％以下となる凹部２を形成することができる。
より詳しくは、加工部１４によって凹部２を形成するに際し、凹部２の形状、即ち、水平成分ａ及び垂直成分ｂ（逆に言えば、凹部２に相当する加工部１４の水平成分ａ’及び垂直成分ｂ’）を設定した上で、加工ロール１２の圧下率、加工ロール１２の入出側における金属プレート１の板厚ｔ、金属プレート１の上流及び下流側の張力、摩擦係数を設定した上で、式（１１）で求められる先進率が式（１０）を満たすように、各種条件を変更する。ただし、凹部２の形状の垂直成分ｂ又は、加工部１４の垂直成分ｂ’を設定するにあたっては、凹部２の深さｈ１が５μｍ以上となり、且つ、板厚ｔに対して１０％以下となるように設定する。

例えば、先進率が式（１０）を満たすように、上流側の張力を上げたり、下流側の張力を下げたりすることで、金属プレート１の凹部２の形状が変わらないようにする。下流側の張力を下げるにあたっては下流側の移送ロール１１の周速を下げ、上流側の張力を上げるにあたっては上流側の移送ロール１１の周速を下げる。先進率を制御するに際しては、図７に示すような張力に対する先進率の変化を考慮して制御することが好ましい。
以上のように、冷間工程Ｓ４にて先進率を制御しながら加工部１４を金属プレート１の表面（上面）に押圧することによって、金属プレート１の表面に、凹部２を形成することができる。

冷間工程Ｓ４にて金属プレート１の表面に凹部２を形成した後、酸洗い工程Ｓ６では、凹部２の底隅部６側を酸洗いして、当該底隅部６側の結晶粒９を欠落、若しくは、結晶粒界を酸化させることによって、当該底隅部６に核沸騰を促進させるクレバス部７を形成させている。
図８（ａ）に示すように、冷間工程Ｓ４にて金属プレート１の表面に凹部２を形成した後であって酸洗い工程Ｓ６前では、凹部２は、断面視にて移送方向に延びる横壁４と、この横壁４の両側（移送方向の両側）から厚み方向に延びる縦壁５とから構成された状態である。横壁４と縦壁５とが交差する部分が底壁部である。なお、底隅部６の移送方向前側が上述した第１底部Ｓ１となる。

図８（ｂ）に示すように、スケール等を除去する酸洗い工程Ｓ６では、金属プレート１を硝酸とふっ酸とを混合した混合液に浸漬させ、凹部２の底隅部６を混合液により強制的に腐食させる。凹部２の底隅部６は、金属プレート１にて凹部２を形成する際に応力が最も高かった部分となるため、酸洗い工程Ｓ６では、底隅部６は腐食が促進し、金属プレート１を構成する結晶粒９が厚み方向に欠落したり、結晶粒界に沿って腐食が進む（縦壁５を構成する結晶粒９が欠落すると共に、横壁４を構成する結晶粒９が欠落する）ことによって、クレバス部７が形成することになる。なお、酸洗い工程Ｓ６にて、底隅部６以外の他の部分にマスキングをして混合液により腐食しないようにすれば、底隅部６のみにクレバス部７を形成させることが可能である。

このように、凹部２を形成した後に凹部２の底隅部６側を酸洗いして底隅部６側の結晶粒９を欠落、若しくは、結晶粒界を酸化させると、結晶粒９が欠落して形成されたクレバス部７の一方面（縦壁５側の面）と、クレバス部７の他方面（横壁４側の面）とのなす角θは、９０度以下にすることができる。
以上、本発明の製造方法では、移送している金属プレート１の表面に加工ロール１２の表面に形成された加工部１４を押圧することで当該金属プレート１の表面に、高さが５μｍ以上で、且つ、板厚に対して１０％以下となる凹部２を形成し、凹部２の底隅部６側を欠落させることでクレバス部７を形成している。また、凹部２を形成した後に、凹部２の底隅部６側を酸洗いして当該底隅部６側の結晶粒９を欠落させることでクレバス部７を形成している。

そのため、気液２相の媒体を想定したＰＨＥでは核沸騰が発生し易い金属プレート１を簡単に製造することができ、数μｍとなるクレバス部７を複雑な製造方法でなくても簡単に構成することができる。
なお、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。

１ 熱交換用の金属プレート
２ 凹部
４ 横壁
５ 縦壁
６ 底隅部
７ クレバス部
９ 結晶粒
ｈ１ 深さ（凹部の深さ）

Claims (6)

1. 深さが５μｍ以上で、且つ、板厚に対して１０％以下となる凹部が形成されており、少なくとも前記凹部を形成する横壁と縦壁との交差部分である底隅部にクレバス部が形成されていて、前記クレバス部は、酸洗いにより結晶粒界を酸化させる若しくは結晶粒を欠落させることで形成されていることを特徴とする記載の熱交換用の金属プレート。
2. 前記クレバス部は、前記底隅部から板厚の厚み方向を向くように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換用の金属プレート。
3. 前記クレバス部を構成する一方面と他方面とのなす角は、９０度以下とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換用の金属プレート。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載された金属プレートがチタン材で形成されていることを特徴とする熱交換用の金属プレート。
5. 移送している金属プレートの表面に加工ロールの表面に形成された加工部を押圧することで当該金属プレートの表面に、高さが５μｍ以上で、且つ、板厚に対して１０％以下となる凹部を形成し、その後、前記凹部を形成する横壁と縦壁との交差部分である底隅部を酸洗いし、結晶粒界を酸化させる若しくは結晶粒を欠落させることで、前記底隅部にクレバス部を形成することを特徴とする熱交換用の金属プレートの製造方法。
6. 前記酸洗いにおいては、硝酸とふっ酸とを混合した混合液により前記底隅部を酸洗いすることを特徴とする請求項５に記載の熱交換用の金属プレートの製造方法。

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