JP5911752B2 - 熱交換用プレートとなる元板材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換用プレートの元板材の製造方法に関する。

従来より、熱交換器等に組み込まれる熱交換用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し表面積を拡大することがよく、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。

一方、特許文献２は、プレートに所定パターンの開孔列を形成し、２枚のプレートを開孔列を交差させて重ねてプレートセットとし、四隅に連通孔を開孔した隔壁プレートとプレートセットを交互に積層し、隔壁プレートで区画された流体の流通層を形成し、各流通層を上下の一層を隔てた流通層と連通させたプレート式熱交換器を開示する。この熱交換器に使用される熱交換用プレートは、伝熱性や強度を向上させるために、熱交換用プレート自体に、例えば「ヘリンボーン」と言われる高さ数ｍｍ〜数ｃｍの複数の山形の溝をプレス成形し、その後、熱交換器内に組み込まれるものとなっている。

特開２００６−２３９７４４号公報 特開２００９−１９２１４０号公報（例えば、図６）

特許文献１に開示された如く、熱交換用プレートにおいて、平板材の表面にミクロンオーダの微細な凹凸を形成し、表面積を拡大することで伝熱性を向上させているが、多くの場合、表面に微細な凹凸が形成された平板材は、そのままの形で熱交換用プレートとなることは少ない。
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（マクロ的な溝）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（ミクロ的な凹凸の形成）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。

特に、平板材がチタン製の場合、チタンは異方性を有する材料であり、材料の異方性が応力集中部における板厚の減少や歪み勾配等の変形挙動に影響するため、異方性のない他の材料と比較しプレス成形性などが著しく悪い。また、チタンは焼き付きやすい材料であり、プレス時に潤滑油の油膜切れを起こすと、材料の破断、プレス金型や工具との接触により疵が発生しやすくなる。

当然ながら、特許文献１や特許文献２に開示された技術は、チタン製の平板材に対する困難性を克服した上で、熱交換用プレートを製造する技術を開示するものとはなっていない。
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となる元板材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。
本発明における熱交換用プレートとなる元板材の製造方法は、表面に微細な凹部と凸部が形成されたチタン製の平板材で構成され、当該平板材に対してプレス加工が施されることによって熱交換用プレートとなる元板材の製造方法であって、焼鈍工程にて、前記平板材の表面に、前記プレス加工時における摩擦低減のための潤滑層として酸化皮膜を形成し、 前記潤滑層の一部をレーザ光によって取り除くことで、前記潤滑層が残存する表面領域を当該潤滑層でマスクされた状態とし、前記潤滑層でマスクされた表面を、酸洗いすることで表面に微細な凹凸部を形成し、前記焼鈍工程における熱処理条件が、前記潤滑層の厚さを６００ｎｍ以上とするために７５０℃以上かつ３分以上であることを特徴とする。

本発明の技術に係る元板材を用いることで、プレス加工時に割れ等を生じることなく熱交換用プレートを製造することができる。製造された熱交換用プレートは、伝熱性が非常に優れるものとなる。

熱交換用プレートの製造方法を示したものである。 元板材の形状を示した図であり、（ａ）は元板の平面図、（ｂ）は元板の断面図である。 熱交換用プレートの元板の製造方法を示したものである。 （ａ）は熱処理温度と生成される潤滑層の厚みとの関係とを示した図であり、（ｂ）は熱処理温度とエリクセン値との関係とを示した図である。 プレス加工を経て製造された熱交換プレートを模式的に示した図である。

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。この平板材１はチタン材（チタン製）であって、その寸法、板厚は最終製品である熱交換用プレートにて所望される寸法、板厚を考慮して決定する。以降、平板材１のことをチタン材ということがある。

次に、図１（ｂ）に示すように、平板材１の表面１ａに形成された潤滑層をレーザ加工方法を用いて取り除き、取り除いた部分を酸洗いすることによって微細な凹凸部３（複数の凸部４とこの凸部４に挟まれた凹部５）を形成し、これにより、熱交換用プレートの元となるプレート元板（元板材）２を作成する。平板材１の表面１ａに微細な凹凸形状（ミクロ的な凹凸）を形成すると、元板材２は、伝熱性が非常によい（熱伝達率が非常に高い）ものとなる。加えて、本発明の元板材２は、チタン材１から構成されているため、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。

そして、図１（ｃ）に示すように、表面１ａに微細な凹凸形状が形成された元板材２に、例えば、ヘリンボーンと言われる山形の溝６（マクロ的な溝）を形成することにより熱交換用プレート７を製造する。図５に示すように、例えば、プレス加工機などを用いて元板材２にヘリンボーン６を形成する。ヘリンボーン６は、図５に示すような骨格形状を呈した複数の山形溝であり、溝の大きさは、高さ数ｍｍ〜数ｃｍとされている。この元板２は、熱交換器内へ組み込まれる。ヘリンボーン６などに代表される斜格子形状は、熱交換器内部の作動流体の流れが不均一である場合に関しても、どの方向からの流れに対しても凹凸が作動流体に対して直交する壁となり得て、乱流による伝熱性向上に寄与することとなる。

以降、元板材の表面の凹凸形状の詳細について述べる。
図２（ａ）に示すように、元板材２（平板材１）の表面１ａに形成された凸部４は、平面視で円形であって、その直径Ｄは４００μｍ以上とされている。凸部４の平面視での配置は、千鳥状とされている。ここで千鳥状の配置（千鳥配置）とは、縦方向及び横方向において、いずれか一方に隣り合う凸部４、４の中心が一直線上に並ばないという意味である。具体的には、元板材２において、縦方向に隣接する凸部４、４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４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４の中心同士を結んだ直線（一点鎖線）Ｂとの角度θが６０°となるように凸部４を配置してもよい。

このように千鳥格子配列とすることで、熱交換器内の作動流体の流れが不均一である場合に関し、どの方向からの流れに対しても凹凸が作動流体に対して直交する壁となり得ることができ、乱流による伝熱性向上に寄与する。
凸部４の頂部８（凸部４の表面）、ならびに元板材２の裏面には潤滑層１０が形成されている。この潤滑層１０は、例えば、元材２を構成する前の平板材１の表面１ａを酸化させることによって形成した酸化皮膜層（酸化チタンの皮膜）により構成されている。潤滑層１０を酸化皮膜層で形成した場合、元板材２の自体を形成する平板材１に比して、反応性が低いと共に可塑性を有するため、プレス加工時における摩擦低減のための潤滑（ポンチ、ダイスと元材との間に存在し、潤滑作用を奏する層）として作用する。そのため、プレス加工時における、元板材２での応力集中やそれに伴う割れの発生の抑制に寄与することとなる。加えて、本明細書で説明する凹凸部３の形状は、チタン等の異方性のある材料に対して、異方性起因の応力集中の低減に対応できるものとなっている。

縦方向や横方向に隣り合う凸部４間の距離Ｌ（凹部５の幅Ｌ）は、２００μｍ以上が好ましい。また、隣り合う凸部４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４同士の中心間の距離（最短距離にある凸部４同士の中心間距離）である。
図２（ａ）に示した凹部５の幅Ｌは、縦方向及び横方向ともに同じ値である（縦方向に隣接する凸部４同士の距離と、横方向に隣接する凸部４同士の距離とが共に同じ値）。隣り合う凸部４のピッチＰ（凸部４の中心間距離）は６００μｍ以上が好ましい。

図２（ｂ）に示すように、元板材２の表面に形成された凸部４は、断面視にて上方に立ち上がる上壁１１と、この上壁１１の上縁を水平に結ぶ表壁１２（頂部８）とから台形状に構成されている。なお、凸部４は平面視形状は、完全な円形でなく、扁平率０．２程度の楕円形までも含む。凸部４の平面視形状に関しては、他に角形など様々な形状が考えられるが、後工程で行われるプレス加工時の応力集中回避の観点から、略円形であることが好ましい。また、凸部４の千鳥配置状態は図２のものに限定はされない。

例えば、図２に示すように、横方向に隣接する凸部４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４の中心同士を結んだ直線（一点鎖線）Ｄとの角度θが４５°となるように凸部４を配置してもよいし、他の角度であってもよい。
以上のような元板材２に関して、その製造方法について精説する。
熱交換プレートの元材２となる平板材１は、ブルームやビレットなどの鋳片を熱間圧延工程や冷間圧延工程などの圧延工程によって形成される。ここで、平板材１を冷間圧延工程などに導入する前には、材料特性を調整するために平板材１を焼鈍炉に導入する。この焼鈍炉（焼鈍工程）では、例えば、炉内の上下に対で配備した直火のバーナの火炎によっ
て炉内の温度を所定温度まで上昇させ、炉内の雰囲気の状態により、炉内を連続的に通過する平板材１の表面性状をコントロールするようにしている。

焼鈍炉では、空気比１以上の燃焼ガスを燃焼させることによって平板材１の表面１ａを酸化させて加熱する。平板材１の表面１ａを酸化させる場合は、大気雰囲気を導入してもよい。焼鈍炉内を通過する際には、平板材１の焼鈍が進められると共に、表面に酸化皮膜（酸化チタンの皮膜）が形成されることになる。この酸化皮膜が本実施形態における潤滑層１０である。

図３（ａ）は、焼鈍工程を経て、平板材１の表面１ａに潤滑層１０が形成された状態を示している。焼鈍工程によって平板材１の表面１ａを酸化させることにより潤滑層１０を形成しているため、平板材１の両面（表面、裏面）全体に潤滑層１０が形成されている状態である。
このように、平板材１の表面に潤滑層１０を形成した後は、図３（ｂ）に示すように、平板材１の表面にレーザ光１３を照射し、潤滑層１０の一部を除去するようにする。具体的には、平板材１の表面１ａを見たとき、この表面１ａ上に凹部５を形成する部分に対して、例えば、ＹＡＧレーザにより生成されたレーザ光１３を照射し、このレーザ光１３によって平板材１の表面１ａに形成された潤滑層１０を取り除く。レーザ光１３の照射により剥離させずに残存させた潤滑層１０は、後述するように、凹凸部５を形成する際でのマスク材として作用することとなる。つまり、平板材１の表面１ａにレーザ光１３を照射することによって、平板材１の表面１ａに、潤滑層１０を形成した部分と、潤滑層１０を除去した部分とを形成させる。

次に、図３（ｃ）に示すように、潤滑層１０が存在する平板材１を、硝酸とフッ酸の混合液などの酸洗い液１４に浸す。潤滑層１０(マスク材）が存在しない部分（非マスク部分）は、酸洗い液１４により溶かし出され、腐食が平板材１の内部へと進行し、凹部５が形成される。非潤滑層１０（マスク材）に覆われた部分は、腐食が進まず凸部４となる。凹部５の深さＨは、１０μｍ以上であることが好ましく、凹部５の幅は、１０μｍ以上であることが好ましい。また、潤滑層１０の厚みｔは、３５０ｎｍ以上であることが好ましく、さらには、４００ｎｍ以上であることが好ましい。図３（ｄ）に示す如く、酸洗い工程を経た平板材１は、水などにより洗浄され、元板材２となる。

この元板材２は、表面に潤滑層１０すなわち酸化皮膜が残存することとなる。本実施形態の元板材２では、この潤滑層１０を除去することはせず敢えて残すようにしている。この潤滑層１０は、平板材１よりも流動性に富み、他の金属との反応性も高くない故、プレス加工機の金型やポンチなどと、加工材である平板材１との間に存在し潤滑剤として作用することとなる。そのため、ヘリンボーンなどのマクロ的な溝を形成するためのプレス加工時に、平板材１（元板材２）に割れが生じたり、亀裂が発生したりするといった不都合の発生を可及的に抑制することが可能となる。

次に、本発明の熱交換用プレートとなるプレート元板の製造方法を用いて、潤滑層１０が表面に形成された元材を作成し、その後、プレス成形を行った実験について、説明を行う。
図４（ａ）は、５つのサンプル（サンプルＡ〜サンプルＥ）について、焼鈍工程における加熱状態、すなわち熱処理温を変化させた際の形成される潤滑層１０の厚さを示したものである。この実験における平板材１の加熱時間は４分間としている。

図４（ａ）から判るように、熱処理温度が７５０℃では、潤滑層１０の厚さは約６００ｎｍであるが、熱処理温度が８００℃では、潤滑層１０の厚さは１０００ｎｍを超えるようになり、熱処理温度が８５０℃では、潤滑層１０の厚さは１３００ｎｍ程度の厚さとなる。
図４（ｂ）には、このように焼鈍処理を行って、潤滑層１０（酸化皮膜層）を形成した元板材２に対し、エリクセン試験を行い、プレス成形性を評価した結果を示している。

エリクセン試験とは、試験片をダイスとしわ押さえで拘束し、穴径２７ｍｍのダイス穴に内に球径２０ｍｍのポンチを押し込み、試験片を押し出し加工する試験のことである。ＪＩＳ Ｚ ２２４７に規定されたエリクセン試験方法では、試験片の拘束の仕方によっ
てＡ法とＢ法とに分けられる。エリクセン値は、張り出し部の少なくとも一カ所に裏面に達する割れが発生するまでに、ポンチの先端がしわ押さえ面から下方に移動した距離（ポンチの押し込み深さ）を言う（単位ｍｍ）。

図４（ｂ）から判るように、潤滑層１０を有さない元板材２（素材のサンプルＡ、サンプルＢ）においては、エリクセン試験の結果値が１１〜１２ｍｍ程度であるのに対して、潤滑層１０を形成させた元板材２の場合（７５０℃×３分、７７５℃×３分、８００℃×３分、８２５℃×３分のサンプルＡ、サンプルＢ）は、エリクセン試験の結果値が１３〜１４ｍｍ程度となり、１〜２ｍｍも向上していることが判る。

この実験結果からも明らかなように、表面に微細な凹部５と凸部４が形成されたチタン製の平板材で構成され、当該平板材に対してプレス加工が施されることによって熱交換用プレートとなる元板材であって、凸部４の頂部８に、プレス加工時における摩擦低減のための潤滑層１０が形成されているため、潤滑層１０が、プレス加工機の金型やポンチなどと、加工材である平板材との間に存在し、潤滑として作用することとなる。そのため、ヘリンボーンなどのマクロ的な溝を形成するためのプレス加工時に、元板材２（平板材１）に割れ生じたり、亀裂が発生したりするといった不都合の発生を可及的に抑制することが可能となる。

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。
例えば、熱交換用のプレート４は、元板材２をプレス加工することにより製造されるが、元板材２のプレス加工は何でも良く、上述したようなヘリンボーンを形成するものでなくてもよい。

本発明の熱交換用プレートの元板材は、温度差発電等に用いられる熱交換器を構成するプレートの元板として好適である。

１ 平板材
１ａ 平板材の表面
２ プレート元板（元板材）
３ 凹凸部
４ 凸部
５ 凹部
６ 溝（ヘリンボーン６）
７ 熱交換プレート
８ 頂部
１０ 潤滑層
１１ 上壁
１２ 表壁

Claims (1)

1. 表面に微細な凹部と凸部が形成されたチタン製の平板材で構成され、当該平板材に対してプレス加工が施されることによって熱交換用プレートとなる元板材の製造方法であって、
   焼鈍工程にて、前記平板材の表面に、前記プレス加工時における摩擦低減のための潤滑層として酸化皮膜を形成し、
   前記潤滑層の一部をレーザ光によって取り除くことで、前記潤滑層が残存する表面領域を当該潤滑層でマスクされた状態とし、
   前記潤滑層でマスクされた表面を、酸洗いすることで表面に微細な凹凸部を形成し、
   前記焼鈍工程における熱処理条件が、前記潤滑層の厚さを６００ｎｍ以上とするために７５０℃以上かつ３分以上であることを特徴とする熱交換用プレートとなる元板材の製造方法。