KR101563830B1

KR101563830B1 - 열교환용 플레이트의 원판재 및 이것을 사용한 열교환용 플레이트

Info

Publication number: KR101563830B1
Application number: KR1020147006764A
Authority: KR
Inventors: 야스유키 후지이; 아키오 오카모토; 요시오 이츠미; 아키히사 후지타
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2011-09-16
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2015-10-27
Also published as: KR20140049595A; EP2757341A1; EP2757341B1; CN103782125B; PL2757341T3; DK2757341T3; CN103782125A; WO2013039214A1; EP2757341A4; US20140202677A1

Abstract

본 발명에 관한 열교환용 플레이트(4)의 원판재는, 표면에 미세한 요철이 형성된 티탄제의 평판재(1)로 구성되고, 평판재(1)에 대해 프레스 가공이 실시된 후에 열교환용 플레이트(4)로 된다. 볼록부의 높이(㎛)×[오목부의 폭(㎛)/이웃하는 볼록부의 피치(㎛)]로 정의되는 형상 파라미터 G1이 85㎛ 이하이다. 또한, 본 발명에 관한 열교환용 플레이트(4)의 원판재에 관해, 볼록부의 높이(㎛)×[오목부의 폭(㎛)/이웃하는 볼록부의 피치(㎛)/볼록부의 각도(deg)]로 정의되는 형상 파라미터 G2가 0.94㎛/deg 이하이다.

Description

열교환용 플레이트의 원판재 및 이것을 사용한 열교환용 플레이트{RAW PLATE MATERIAL FOR HEAT EXCHANGING PLATE, AND HEAT EXCHANGING PLATE USING SAME}

본 발명은, 열교환용 플레이트의 원판재 및 이것을 사용한 열교환용 플레이트에 관한 것이다.

특허문헌 1 등의 플레이트식 열교환기 등에 내장되는 열교환용 플레이트에는, 양호한 전열 특성이 요구된다.

일본 특허 출원 공개 제2009-192140호 공보

본 발명의 목적은, 전열성이 매우 우수함과 함께, 후처리인 프레스 성형에서의 가공성이 매우 좋고, 용이하게 열교환용의 플레이트로 성형 가능한 열교환용 플레이트의 원판재를 제공하는 것이다.

본 발명에 있어서의 열교환용 플레이트의 원판재는, 표면에 미세한 요철이 형성된 금속제의 평판재로 구성되고, 후처리로서 당해 평판재에 대해 프레스 가공이 실시된 후에 열교환용 플레이트로 되는 원판재이며, 상기 요철에 관해, 볼록부의 높이(㎛)×[오목부의 폭(㎛)/이웃하는 볼록부의 피치(㎛)]로 정의되는 형상 파라미터 G1이 85㎛ 이하로 되도록, 상기 원판재의 표면의 요철이 설정되어 있다.

또한, 본 발명에 있어서의 열교환용 플레이트의 원판재는, 표면에 미세한 요철이 형성된 금속제의 평판재로 구성되고, 후처리로서 당해 평판재에 대해 프레스 가공이 실시된 후에 열교환용 플레이트로 되는 원판재이며, 상기 요철에 관해, 볼록부의 높이(㎛)×[오목부의 폭(㎛)/이웃하는 볼록부의 피치(㎛)/볼록부의 각도(deg)]로 정의되는 형상 파라미터 G2가 0.94㎛/deg 이하로 되도록 상기 원판재의 표면의 요철이 설정되어 있다.

본 발명의 기술에 관한 원판재를 사용함으로써 프레스 가공 시에 균열 등을 발생시키는 일 없이 열교환용 플레이트를 제조할 수 있다. 제조된 열교환용 플레이트는, 전열성이 매우 우수한 것으로 된다.

도 1은 열교환용 플레이트의 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 원판재의 표면에 형성한 볼록부의 배치도이다.
도 3은 원판재의 표면에 형성한 볼록부의 다른 배치도이다.
도 4는 L×Rz/P와 응력 집중율의 관계를 나타낸 도면이다.
도 5는 프레스 성형성 스코어를 산출하기 위한 참고도이다.
도 6은 원판재의 표면에 형성된 요철 형상의 치수 형상과 전열 효율의 관계 및 원판재의 표면에 형성된 요철 형상의 치수 형상과 프레스 성형성의 우수함의 관계를 나타낸 도면이다.
도 7은 원판재의 표면에 요철 형상을 형성하는 장치의 개략을 도시한 도면이다.
도 8은 볼록부의 형상을 설명하는 설명도이다.
도 9는 볼록부의 각도 η와 유체의 흐름의 관계를 나타낸 도면이다.
도 10은 형상 파라미터 G2와, 전열성 향상율의 관계를 나타낸 도면이다.
도 11은 형상 파라미터 G2와, 전열성 향상율 및 프레스 성형성의 관계를 나타낸 도면이다.
도 12는 형상 파라미터 G2와, 전열성 향상율 및 프레스 성형성의 관계를 나타낸 도면이다.

이하, 평판재(1)로서 티탄재를 사용한 예에 기초하여 설명한다.

티탄은 이방성을 갖는 재료이며, 재료의 이방성이 응력 집중부에 있어서의 판 두께의 감소나 변형 구배 등의 변형 거동에 영향을 미친다. 이로 인해, 티탄의 프레스 성형성 등은, 이방성이 없는 다른 재료와 비교하여 현저하게 나쁘다. 또한, 티탄은 시징되기 쉬운 재료이며, 프레스 시에 윤활유의 유막 끊김을 일으키면, 재료의 파단, 프레스 금형이나 공구와의 접촉에 의해 흠집이 발생하기 쉬워, 취급이 어렵다. 이로 인해, 티탄재에 의한 이하의 성공예는, 스테인리스, 알루미늄 등의 다른 금속 재료에 적용할 수 있다.

이하, 도면에 기초하여, 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

[제1 실시 형태]

도 1은 제1 실시 형태의 열교환용 플레이트의 제조 방법을 나타낸 개념도이다.

우선, 도 1의 (a)에 도시하는 바와 같이, 소재인 평판재(1)를 소정의 크기로 형성한다. 그리고, 도 1의 (b)에 도시하는 바와 같이, 평판재(1)를 프레스 가공함으로써 평판재(1)의 표면(1a)에 미세한 요철 형상을 형성한 플레이트 원판(원판재)을 제작한다. 다음으로, 도 1의 (c)에 도시하는 바와 같이, 표면(2a)에 미세한 요철 형상이 형성된 플레이트 원판(2)(원판재)에, 예를 들어 「헤링본(herringbone)」이라고 일컬어지는 높이 수 ㎜∼수 ㎝의 복수의 산형의 홈을 프레스 성형에 의해 형성함으로써 열교환용 플레이트(4)를 제조한다.

도 1의 (a)에 도시하는 평판재(1)는 티탄재이며, 그 치수, 판 두께는, 최종 제품인 열교환용 플레이트(4)에서 요망되는 치수, 판 두께를 고려하여 결정된다. 이 평판재(1)의 표면(1a)에 대해, 후술하는 가공 장치(10)를 사용하여 미세한 요철 형상[복수의 볼록부(5)와 볼록부(5) 사이에 끼워진 오목부(6)]을 형성함으로써 플레이트 원판(2)이 형성된다. 요철 형상이 형성된 플레이트 원판(2)은, 전열성이 매우 좋은(열전달률이 매우 높은) 것으로 되어 있다. 덧붙여 말하면, 본 발명의 플레이트 원판(2)은 티탄제로 되어 있으므로, 내식성, 강도, 경량화 등의 특성이 타 금속과 비교하여 우수하다. 그러므로, 플레이트 원판(2)은, 플레이트식 열교환기의 플레이트 등 내식성, 강도가 필요해지는 제품에 대해 적합하다.

플레이트 원판(2)에 형성된 헤링본(3)은, 골격 형상을 나타낸 복수의 산형 홈이며, 홈의 크기는, 높이 수 ㎜∼수 ㎝로 되어 있다. 이 원판(2)은, 열교환기 내에 내장된다. 헤링본(3) 등으로 대표되는 경사 격자 형상은, 열교환기 내부의 작동 유체의 흐름이 불균일한 경우에도, 어느 방향으로부터의 흐름에 대해서도 요철이 작동 유체에 대해 직교하는 벽으로 될 수 있어, 난류에 의한 전열성 향상에 기여하게 된다.

이후, 플레이트 원판(2)의 표면의 요철 형상의 상세에 대해 서술한다.

도 2의 (a)에 도시하는 바와 같이, 플레이트 원판(2)의 표면(2a)에 형성된 볼록부(5)는, 평면에서 볼 때 대략 원형이며, 그 직경 D는 400㎛ 이상이다. 볼록부(5)의 평면에서 볼 때의 배치는, 지그재그 형상으로 되어 있다. 여기서 지그재그 형상의 배치(지그재그 배치)라 함은, 종방향 및 횡방향에 있어서, 어느 한쪽으로 이웃하는 볼록부(5, 5)의 중심이 일직선 상에 배열되지 않는다고 하는 의미이다.

구체적으로는, 플레이트 원판(2)에 있어서, 종방향으로 인접하는 볼록부(5, 5)는, 횡방향으로 반 피치만큼 어긋나 있어도 된다. 또한, 횡방향으로 인접하는 볼록부(5)의 중심끼리를 연결한 직선(일점 쇄선) A와, 종방향으로 인접하는 볼록부(5)의 중심끼리를 연결한 직선(일점 쇄선) B의 각도 θ가 60°로 되도록 볼록부(5)를 배치해도 된다.

이와 같이 볼록부(5)를 지그재그 격자 배열로 함으로써, 열교환기 내의 작동 유체의 흐름이 불균일한 경우에, 어느 방향으로부터의 흐름에 대해서도 요철이 작동 유체에 대해 직교하는 벽으로 될 수 있으므로, 난류에 의한 전열성 향상에 기여한다. 또한, 티탄 등의 이방성이 있는 재료에 대해, 이방성에 기인한 응력 집중에 대응할 수 있다.

종방향이나 횡방향으로 이웃하는 볼록부(5) 사이의 거리 L[오목부(6)의 폭 L]은, 200㎛ 이상이 바람직하다. 또한, 오목부(6)의 폭 L은, 횡방향 또는 종방향으로 인접하는 볼록부(5)끼리의 최단 거리이며, 「오목부(6)의 폭 L＝이웃하는 볼록부(5)의 피치 P－[볼록부(5)의 직경 D/2]×2」에 의해 구할 수 있다. 또한, 이웃하는 볼록부(5)의 피치 P는, 횡방향 또는 종방향으로 인접하는 가장 가까운 볼록부(5)끼리의 중심간의 거리[최단 거리에 있는 볼록부(5)끼리의 중심간 거리]이다.

도 2의 (a)에 도시한 오목부(6)의 폭 L은, 종방향 및 횡방향 모두 동일한 값이다. 즉, 종방향으로 인접하는 볼록부(5)끼리의 거리와, 횡방향으로 인접하는 볼록부(5)끼리의 거리가 모두 동일한 값이다. 이웃하는 볼록부(5)의 피치 P[볼록부(5)의 중심간 거리]는 600㎛ 이상이 바람직하다.

도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 플레이트 원판(2)의 표면에 형성된 볼록부(5)는, 단면에서 볼 때 상방으로 상승하는 측벽(7)과, 이 측벽(7)의 상부 테두리를 수평하게 연결하는 표면벽(8)으로 대략 사다리꼴 형상으로 구성되어 있다. 바꿔 말하면, 볼록부(5)의 정상부에는 평탄부가 설치되어 있다. 10점 평균 거칠기 Rz로 나타내어지는 볼록부(5)[측벽(7)]의 높이(이후, 높이 Rz라고 나타내는 경우가 있음)는 5㎛ 이상이며, 플레이트 원판(2)의 판 두께 t의 1/10(10분의 1) 이하로 되어 있다.

볼록부(5)의 높이 Rz를 이 범위로 하고 있는 것은, 판 두께에 대해 요철 형상이 지나치게 크면, 후술하는 가공 장치(10)에서의 압연 전사 시에 평탄도(형상)를 확보할 수 없어, 압연 안정성이 얻어지지 않기 때문이다. 또한, 평탄도가 확보되어 있지 않은 판에서는, 후공정에서의 프레스 성형 시에 응력 분포가 발생함으로써 응력이 높은 개소에 있어서 균열이 발생하기 때문이다. 즉, 프레스 가공 시에 볼록부(5)의 높이 Rz가 지나치게 크면 균열의 원인(기점)으로 되어, 흠집의 원인으로 된다. 한편, 높이 Rz가 지나치게 작으면(5㎛ 이하이면), 전열 효율의 향상을 도모할 수 없게 된다.

그런데, 볼록부(5)의 평면시 형상은, 완전한 원형이 아니라, 편평율 0.2 정도의 타원형까지도 포함한다. 또한, 볼록부(5)의 평면시 형상에 관해서는, 이외에 각형 등 여러 가지 형상이 생각되지만, 후공정에서 행해지는 프레스 가공 시의 응력 집중 회피의 관점에서, 볼록부(5)의 평면시 형상은 대략 원형인 것이 바람직하다.

그런데, 볼록부(5)의 지그재그 배치 상태는 도 2의 것에 한정은 되지 않는다.

예를 들어, 도 3에 도시하는 바와 같이, 횡방향으로 인접하는 볼록부(5)의 중심끼리를 연결한 직선(일점 쇄선) A'와, 종방향으로 인접하는 볼록부(5)의 중심끼리를 연결한 직선(일점 쇄선) B'의 각도 θ가 45°로 되도록 볼록부(5)를 배치해도 된다. 각도 θ는 다른 각도여도 된다.

이상과 같은 플레이트 원판(2)의 요철 형상에 관해, 그 근거로 되는 사항을 설명한다.

본 발명자들은, 플레이트 원판(2)을 제조하는 데 있어서, 플레이트 원판(2)의 표면에 형성한 볼록부(5)의 높이 Rz, 볼록부(5)의 수[오목부(6)의 폭 L], 이웃하는 볼록부의 피치 P를 원하는 요구 특성(전열 특성 등)을 만족하는 것으로 하기 위해, 이들을 포함하는 요철 형상의 형상 파라미터 G1 『{볼록부(5)의 높이 Rz×[오목부(6)의 폭 L/이웃하는 볼록부의 피치 P]}』를 발견하였다.

우선, 상술한 형상 파라미터 G1 중, 볼록부(5)의 높이 Rz를 일정하게 하여, 오목부(6)의 폭 L/이웃하는 볼록부의 피치 P(L/P)를 변화시켰을 때를 생각하면, 도 4에 나타내는 바와 같이, L/P가 증가함에 따라 응력 집중율이 증가하는 경향이 있다. 즉, 오목부(6)의 폭 L이 지나치게 크거나, 볼록부의 피치 P가 지나치게 좁으면, 응력이 집중하여 프레스 성형(헤링본 등을 성형하기 위한 프레스 가공)을 실시하였을 때 등에, 균열이 발생하기 쉬운 상황이 된다.

한편, 상술한 형상 파라미터 G1 중, 볼록부(5)의 높이 Rz를 높게 한 상황을 생각하면, 오목부(6)의 폭 L이나 이웃하는 볼록부의 피치 P와 마찬가지로, 프레스 성형을 실시하였을 때에, 불균일한 응력 분포가 발생하여 응력이 높은 개소에 있어서 균열이 발생할 우려가 있다.

따라서, 플레이트 원판(2)의 프레스 성형성을 생각하면, 볼록부(5)의 높이 Rz 또는 오목부(6)의 폭 L이 지나치게 크지 않고, 볼록부의 피치 P가 지나치게 좁지 않은 것이 최적이다. 이들을 나타내는 형상 파라미터 G1에는 상한값이 있다고 생각된다.

따라서, 본 발명자들은, 여러 가지 형상의 요철이 형성된 티탄제의 플레이트 원판(2)에 대해 형상 파라미터 G1 『{볼록부(5)의 높이 Rz×[오목부(6)의 폭 L/이웃하는 볼록부의 피치 P]}』와 프레스 성형성의 관계를 실험 등에 의해 밝혔다.

프레스 가공에서의 성형성(프레스 성형성)을 평가하는 평가 시험에서는, 우선, 도 5에 도시하는 바와 같이 플레이트 원판(2)에 헤링본(홈)(3)을 성형하여, 열교환용 플레이트(4)를 성형한다. 제작에 있어서는, 우선, 열교환기 사용 조건에 따른 성형용의 금형을 1매 준비해 둔다. 그리고, 금형으로 플레이트 원판(2)에 헤링본(3)을 성형하여, 복수매의 열교환용 플레이트(4)를 제작한다. 복수매의 열교환용 플레이트(4)는, 성형 높이가 0.1㎜마다 다른 조건에서 제작한다. 제작한 평가용 플레이트[열교환용 플레이트(4)] 중에서, 네킹이 발생하지 않는 금형의 성형 한계 높이(네킹이 발생하지 않는 최대의 성형 높이)를 압입량으로서 평가한다.

상기한 평가 시험에서, 압입량이 큰 경우에는 네킹이 발생하기 어렵고 프레스 성형성이 좋다고 말할 수 있고, 평가 시험에서 압입량이 작은 경우에는 네킹이 발생하기 쉽고 프레스 성형성은 나쁘다고 말할 수 있다. 이와 같이 평가 시험에서는, 잘록부(네킹)가 시작되는 성형 깊이, 성형에 견딜 수 있는 변형량을 평가할 수 있다.

도 6의 프레스 성형성의 스코어는 상술한 압입량을 정규화하여 나타낸 것이며, 프레스 성형성의 스코어가 1 이상이면, 네킹의 발생을 방지하면서 확실한 프레스 성형을 실현할 수 있는 것을 본 발명자들은 확인하고 있다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 형상 파라미터 G1이 커짐에 따라 프레스 성형성의 스코어는 저하되지만, 형상 파라미터 G1이 85㎛ 이하이면 프레스 성형성의 스코어를 1 이상으로 할 수 있다. 이에 의해, 네킹의 발생을 방지할 수 있다. 즉, 형상 파라미터 G1이 85㎛ 이하이면 네킹의 발생을 방지할 수 있으므로, 프레스 성형성이 저하된다고 하는 사태는 회피할 수 있다.

또한, 형상 파라미터 G1이 65㎛ 이하이면, 요철 높이의 증가에 수반하는, 윤활 상태의 불균일 분포에 의한 국소 면압의 증가나 시징 현상의 발생을 한층 더 방지할 수 있게 된다. 이에 의해, 프레스 가공 시의 트러블을 발생시키는 일 없이 확실하게 열교환용 플레이트(4)를 제조할 수 있는 것을 본 발명자들은 실험 등에 의해 확인하고 있다.

상술한 바와 같이, 형상 파라미터 G1이 85㎛ 이하이면, 프레스 성형성이 저하되는 것과 같은 사태는 회피할 수 있지만, 본 발명의 플레이트 원판(2)은, 열교환기를 구성하는 플레이트의 바탕으로 되는 것이며, 열교환을 행하는 격벽으로 되는 것이다. 따라서, 본 발명의 플레이트 원판(2)에 있어서는, 열전달률이 큰(전열 효율이 큰) 것도 요구된다.

따라서, 「요철 형상을 형성하고 있지 않은 평판」의 전열 효율을 1.00으로 하고, 요철 형상을 형성한 플레이트(열교환용 플레이트)에 있어서의 전열 효율을 생각하면, 열교환용 플레이트의 전열 효율은 1.00보다도 클 필요가 있다. 또한, 현실의 열교환기에서 현저한 작용을 발휘하기 위해서는, 전열 효율은 1.05 이상인 것이 바람직하다고 여겨지고 있다.

여기서, 전열 효율과 형상 파라미터 G1의 관계를 생각한다. 예를 들어, 볼록부(5)의 높이 Rz를 작게 하거나, 오목부(6)의 폭 L을 작게 하거나, 볼록부의 피치 P를 크게 함으로써, 형상 파라미터 G1은 85㎛로부터 서서히 작아진다. 이와 같이, 형상 파라미터 G1을 서서히 작게 하면, 도 6에 나타내는 바와 같이 전열 효율도 서서히 작아져, 전열 효율은, 요철을 형성하고 있지 않은 평판에 근접하게 된다. 그러나, 형상 파라미터 G1이 4㎛ 이상이면, 현실의 열교환기에서 필요로 하는 전열 효율(1.05 이상)을 확보할 수 있다.

따라서, 전열 효율의 관점에서 보면, 플레이트 원판(2)을 제조하는 데 있어서는, 형상 파라미터 G1을 4㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 형상 파라미터 G1은 12㎛보다 큰 것이 바람직하고, 형상 파라미터 G1은 12㎛를 초과하고 85㎛ 이하인 것이 바람직하다.

그런데, 오목부(6)의 폭 L을 작게 하면 할수록, 형상 파라미터 G1은 작아진다. 유체를 흘렸을 때의 온도 경계층의 관점에서 생각하면, 오목부(6)의 폭 L이 지나치게 작으면 전열성의 저하를 초래해 버리므로, 오목부(6)의 폭 L도 어느 정도 확보한 쪽이 좋다. 즉, 형상 파라미터 G1도, 어느 정도 클 필요가 있다고 생각된다.

이와 같이, 온도 경계층과 오목부(6)의 폭 L의 관계성에서 보아도, 형상 파라미터 G1은 85㎛ 이하라도, 어느 정도 확보할 필요가 있다. 구체적으로는, 형상 파라미터 G1은, 상술한 바와 같이 4㎛ 이상으로 할 필요가 있다고 생각된다. 형상 파라미터 G1을 4㎛∼85㎛ 내 중 어느 하나의 값으로 하고, 전술한 바와 같이, 볼록부(5)의 높이 Rz를 10점 평균 거칠기 Rz를 5㎛ 이상 또한 (평판재의 두께×0.1)㎛로 함으로써, 필연적으로 오목부(6)의 폭 L[또는 볼록부(5)의 피치 P]이 결정된다(산출할 수 있음).

덧붙여 말하면, 후공정에서 실시되는 프레스 작업에서의 가공성이나 볼록부(5)의 변형 방지를 생각하는 것이라면, 플레이트 원판(2)에 있어서의 압착 면적비 S가, 도 2의 (a)의 요철 형상에 있어서는, 수학식 1을 만족하는 것이 바람직하다.

여기서, S1＝P·P·tan(θ/180·π)/4

S2＝π/4·D·D/2

S＝압착 면적비＝S2/S1

P＝프레스 가공 시의 하중

수학식 1의 S1은, 도 2에 있어서의 평면의 면적(도 2에 도시한 직선 A 및 직선 B로 둘러싸이는 삼각형의 면적)이다. 수학식 1의 S2는, 도 2에 있어서의 볼록부의 면적(전술한 삼각형 내에 존재하는 볼록부의 면적)이다.

이와 같이, 티탄제이며, 형상 파라미터 G1이 4㎛∼85㎛로 되는 요철이 표면에 형성되어 있는 원판재(2)를 사용함으로써, 프레스 가공 시에 균열 등을 발생시키는 일 없이, 열교환기를 구성하는 열교환용 플레이트(4)를 제조할 수 있다. 이와 같이 하여 제조된 열교환용 플레이트(4)는, 열교환율이 1.05 이상이며 전열성이 매우 우수한 것으로 되고, 이 열교환용 플레이트(4)가 내장된 열교환기는, 열교환 효율이 매우 높은 것으로 된다.

그런데, 상기한 플레이트 원판(2)은, 도 7에 도시하는 바와 같은 가공 장치(10)를 사용하여 형성할 수 있다. 이 가공 장치(10)는, 이송 롤(11)과, 가공 롤(12)과, 지지 롤(13)을 구비하고 있다. 이송 롤(11)은, 평판재(1)를 이송하기 위한 것이며, 가공 롤(12)에서 볼 때 상류측 및 하류측에 배치되어 있다.

가공 롤(12)은, 이송되고 있는 평판재(1)의 표면에 마이크로미터 오더(수 ㎛∼수백 ㎛)의 요철을 형성하는 것이다. 구체적으로는, 가공 롤(12)은, 가공 후의 플레이트 원판(2)에 있어서 형상 파라미터 G1이 4㎛∼85㎛로 되도록, 평판재(1)의 표면(1a)에 볼록부(5) 및 오목부(6)를 형성하는 것이다. 즉, 가공 롤(12)에는, 형상 파라미터 G1이 4㎛∼85㎛로 되도록, 볼록부(5) 및 오목부(6)를 형성시키기 위한, 볼록부(5)의 높이 Rz, 오목부(6)의 폭 L, 이웃하는 볼록부의 피치 P가 설정되어 있다.

가공 롤(12)의 외주면의 전체 둘레에는, 볼록 형상(사다리꼴의 볼록부)으로 되는 가공부(14)가 에칭이나 방전 덜(dull)에 의해 형성되어 있다. 가공부(14)의 높이는, 가공 후에 있어서의 플레이트 원판(2)에 있어서의 볼록부(5)의 높이 Rz가 5㎛ 이상으로 되고, 또한, (평판재의 두께 t×0.1)㎛ 이하로 되도록 설정되어 있다. 가공 롤(12)의 표면층은, 내하중성이나 내마모성의 관점에서, Cr 도금 또는 텅스텐 카바이트 처리를 행하면 좋다.

이 가공 장치(10)에서는, 가공 롤(12)을 회전시키면서, 가공 롤(12)에 설치한 가공부(14)를, 평판재(1)의 표면에 가압함으로써, 당해 평판재(1)의 표면에 가공부(14)를 반전한 형상과 동일한 볼록부(5) 및 오목부(6)를 형성할 수 있다. 즉, 가공 장치(10)에 의해, 형상 파라미터 G1이 4㎛∼85㎛ 이하로 되고, 높이 Rz가 5㎛ 이상 또한 판 두께 t에 대해 10％ 이하로 되는 요철을 가진 플레이트 원판(2)을 형성할 수 있다. 또한, 볼록부(5)의 형성은, 상기한 가공 장치 등의 기계 가공에 한정되지 않고, 에칭 처리 등의 화학적 처리여도 된다.

열교환용 플레이트(4)는, 본 발명의 플레이트 원판(2)을 프레스 가공함으로써 제조되지만, 플레이트 원판(2)의 프레스 가공은 무엇이든지 좋고, 상술한 바와 같은 헤링본을 형성하는 것이 아니어도 된다.

또한, 플레이트 원판(2)에 형성한 요철에 관해, 형상 파라미터 G1이 4㎛∼85㎛ 이하로 되는 범위는 당해 플레이트 원판(2)의 적어도 일부이면 되고, 바람직하게는 전체에 걸치는 것이 좋다.

[제2 실시 형태]

상기 제1 실시 형태와 공통되는 부분은 적절히 생략하면서, 이하, 제2 실시 형태를 설명한다.

도 8에 도시하는 바와 같이, 플레이트 원판(2)의 표면(2a)에 형성된 볼록부(5)는, 두께 방향[플레이트 원판(2)의 두께 방향]으로 기립한 측벽(7)과, 측벽(7)의 상단부(상부 테두리)를 연결하는 표면벽(8)으로 구성되어 있다. 바꿔 말하면, 볼록부(5)의 정상부에는 평탄부가 설치되어 있다. 볼록부(5)가 원기둥 형상 또는 원뿔 형상인 경우에는, 측벽(7)은 1개이지만, 볼록부(5)가 각기둥 형상 또는 각뿔 형상인 경우에는, 측벽(7)은 복수로 된다.

도 2의 (a)에 도시하는 바와 같이, 플레이트 원판(2)의 표면(2a)에 형성된 볼록부(5)는, 평면에서 볼 때 대략 원형이며, 그 직경 D는 400㎛ 이상으로 되어 있다. 볼록부(5)의 평면에서 볼 때의 배치는, 제1 실시 형태와 동일하게 지그재그 형상으로 되고, 또한, 이웃하는 볼록부(5)의 피치 P[볼록부(5)의 중심간 거리, 즉, 표면벽(8)의 중심간의 거리]는 600㎛ 이상이 바람직하다.

도 2의 (b)에 도시하는 바와 같이, 제1 실시 형태와 동일하게, 플레이트 원판(2)의 표면에 형성된 볼록부(5)는, 대략 사다리꼴 형상으로 구성된다. 10점 평균 거칠기 Rz로 나타내어지는 볼록부(5)[측벽(7)]의 높이(높이 Rz)는 5㎛ 이상이며, 플레이트 원판(2)의 판 두께 t의 1/10(10분의 1) 이하이다. 플레이트 원판(2)의 볼록부(5)의 Rz는, 예를 들어 25㎛ 정도(Ra로 나타내면 10㎛ 정도)로 되어 있다.

제2 실시 형태에 관한 플레이트 원판(2)의 요철 형상에 관해, 그 근거로 되는 사항을 설명한다.

본 발명자들은, 플레이트 원판(2)을 제조하는 데 있어서, 플레이트 원판(2)의 표면에 형성한 볼록부(5)의 높이 Rz, 볼록부(5)의 수[오목부(6)의 폭 L], 이웃하는 볼록부의 피치 P, 볼록부의 각도 η를 최적의 것으로 하기 위해, 이들을 포함하는 요철 형상의 형상 파라미터 G2 『볼록부(5)의 높이 Rz×[오목부(6)의 폭 L/이웃하는 볼록부의 피치 P]/볼록부의 각도 η』에 대해 착안하였다.

우선, 상술한 형상 파라미터 G2 중, 볼록부(5)의 높이 Rz를 일정하게 하여, 오목부(6)의 폭 L/이웃하는 볼록부의 피치 P(L/P)를 변화시켰을 때를 생각하면, 도 4에 나타내는 바와 같이, L/P가 증가함에 따라 응력 집중율이 증가하는 경향이 있다. 즉, 오목부(6)의 폭 L이 지나치게 크거나, 볼록부의 피치 P가 지나치게 좁으면, 응력이 집중하여, 프레스 성형(헤링본 등을 성형하기 위한 프레스 가공)을 실시하였을 때 등에 균열이 발생하기 쉬운 상황이 된다.

한편, 상술한 형상 파라미터 G2 중, 볼록부(5)의 높이 Rz를 변화시켜, 볼록부(5)의 높이 Rz를 높게 한 상황을 생각하면, 오목부(6)의 폭 L이나 이웃하는 볼록부의 피치 P와 마찬가지로, 프레스 성형을 실시하였을 때에, 불균일한 응력 분포가 발생하여 응력이 높은 개소에 있어서 균열이 발생할 우려가 있다.

따라서, 플레이트 원판(2)의 프레스 성형성을 생각하면, 볼록부(5)의 높이 Rz 또는 오목부(6)의 폭 L이 지나치게 크지 않고, 볼록부의 피치 P가 지나치게 좁지 않은 것이 최적이며, 이들을 나타내는 파라미터에는 상한값이 있다고 생각된다.

도 6은 상술한 볼록부의 상승 각도 η를 제외한 파라미터 『볼록부(5)의 높이 Rz×[오목부(6)의 폭 L/이웃하는 볼록부의 피치 P]』를 변화시켰을 때의 프레스 성형성 및 전열 효율과의 관계를 정리한 것이다. 도 6의 프레스 성형성의 스코어는, 하기에 나타내는 압입량을 정규화하여 나타낸 것이다.

여기서, 프레스 가공에서의 성형성(프레스 성형성)을 평가하는 평가 시험은, 제1 실시 형태와 동일하므로, 설명을 생략한다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 파라미터가 커짐에 따라 프레스 성형성의 스코어는 저하되지만, 파라미터가 85㎛ 이하이면, 프레스 성형성의 스코어를 1 이상으로 할 수 있고, 네킹의 발생을 방지하면서 확실한 프레스 성형을 실현할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 플레이트 원판(2)은, 열교환기를 구성하는 플레이트의 바탕으로 되는 것이며, 열교환을 행하는 격벽으로 되는 것이다. 따라서, 본 발명의 플레이트 원판(2)에 있어서는, 현실의 열교환기에서 현저한 작용을 발휘하기 위해서는, 전열 효율은 1.05 이상인 것이 바람직하다.

여기서, 전열 효율과 파라미터의 관계를 생각한다. 예를 들어, 볼록부(5)의 높이 Rz를 작게 하거나, 오목부(6)의 폭 L을 작게 하거나, 볼록부의 피치 P를 크게 함으로써, 파라미터는 85㎛로부터 서서히 작아진다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 파라미터를 서서히 작게 하면 전열 효율도 서서히 작아져, 전열 효율은, 요철을 형성하고 있지 않은 평판에 근접하게 된다. 그러나, 파라미터가 4㎛ 이상이면, 현실의 열교환기에서 필요로 하는 전열 효율(1.05 이상)을 확보할 수 있다. 따라서, 전열 효율의 관점에서 보면, 플레이트 원판(2)을 제조하는 데 있어서는, 『볼록부(5)의 높이 Rz×[오목부(6)의 폭 L/이웃하는 볼록부의 피치 P]』로 나타내어지는 파라미터는, 4㎛ 이상 85㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 볼록부(5)의 높이 Rz, 오목부(6)의 폭 L 및 이웃하는 볼록부의 피치 P를 설정함으로써 프레스 성형성이 좋고, 전열성이 우수한 플레이트 원판(2)을 제조할 수 있다.

그런데, 열교환용 플레이트(4)를 사이에 끼워 이면(일방측)에 온도가 높은 유체(고온 유체)를 흘리고, 표면(타측이며 요철면을 형성한 측)에 온도가 낮은 유체(저온 유체)를 흘린 것으로 한다. 여기서, 저온 유체에 관해서는, 기체로부터 액체로 변화하는(응축하는) 경우도 있고, 액체의 상태인 경우도 있다. 어느 경우로 해도, 열교환용 플레이트(4)의 전열 효율을 높이기 위해, 저온 유체(액체)측에 난류, 강제 대류를 발생시키는 것이 중요하다. 따라서, 또한, 본 발명자들은, 열교환용 플레이트의 원재인 플레이트 원판(2)을 제조하는 데 있어서는, 볼록부(5)의 높이 Rz, 오목부(6)의 폭 L, 볼록부(5)의 피치 P를 고려할 뿐만 아니라, 볼록부(5)의 각도 η[측벽(7)의 상승 각도 η]도 고려하여, 난류, 강제 대류를 일으키기 쉬운 볼록부(5)의 형상을 검증하였다.

도 9의 (a)는 볼록부(5)의 각도 η가 큰 경우의 유체의 흐름을 모식적으로 도시한 것이며, 도 9의 (b)는 도 9의 (a)보다도 볼록부(5)의 각도 η가 작은 경우의 유체의 흐름을 모식적으로 도시한 것이다.

도 9의 (a)에 도시하는 바와 같이, 볼록부의 각도 η, 바꿔 말하면, 오목부(6)를 구성하는 저벽(6a)과 측벽(7)이 이루는 각도 η가 비교적 큰 경우[측벽(7)이 완만하게 상승하는 경우], 유체는 볼록부(5)를 타고 넘기 쉬워 난류가 발생하기 어려운 상태로 된다. 한편, 도 9의 (b)에 도시하는 바와 같이, 볼록부의 각도 η가 비교적 작은 경우[측벽(7)이 급격하게 상승하는 경우], 유체는 볼록부(5)에 충돌하기 쉬워6 난류가 발생하기 쉽다. 이와 같이, 볼록부(5)의 각도 η는, 난류에 영향을 미쳐 전열성이 변화하는 요인으로 된다. 즉, 볼록부(5)의 각도 η가 커지면 전열성이 저하되는 경향이 있고, 반대로 볼록부(5)의 각도 η가 작아지면 전열성이 향상된다. 이것으로부터, 본 발명자들은, 볼록부(5)의 높이 Rz, 오목부(6)의 폭 L, 볼록부(5)의 피치 P뿐만 아니라, 전열성에 영향을 미치는 볼록부(5)의 각도 η를 더하여, 보다 적합한 형상 파라미터 G2를 검토하였다.

즉, 상술한 파라미터 『볼록부(5)의 높이 Rz×[오목부(6)의 폭 L/이웃하는 볼록부의 피치 P]』를 볼록부(5)의 각도 η로 나눈 『볼록부(5)의 높이 Rz×[오목부(6)의 폭 L/이웃하는 볼록부의 피치 P]/볼록부(5)의 각도 η(deg)』를 형상 파라미터 G2로 하였다.

도 10은 형상 파라미터 G2와, 전열성 향상율의 관계를 정리한 것이다.

도 10에 나타내는 바와 같이, 형상 파라미터 G2를 증감시켰을 때의, 응축의 전열 효율의 경향과, 강제 대류의 전열 효율의 경향을 보면, 양자의 경향이 동일해진다. 이것으로부터, 상술한 형상 파라미터 G2는, 응축 및 강제 대류의 전열 특성을 나타내는 데 가장 적합하다고 말할 수 있다.

여기서, 또한, 응축 및 강제 대류의 전열 특성을 잘 나타낼 수 있는 형상 파라미터 G2에 대해, 상술한 바와 같이, 기본 요구 특성인 프레스 성형성도 고려한다. 도 11은 볼록부의 상승 각도 η를 포함하는 형상 파라미터 G2 『볼록부(5)의 높이 Rz×[오목부(6)의 폭 L/이웃하는 볼록부의 피치 P]/볼록부(5)의 각도 η(deg)』를 변화시켰을 때의 프레스 성형성 및 전열 효율의 관계를 정리한 것이다.

도 11에 나타내는 바와 같이, 형상 파라미터 G2가 커짐에 따라 프레스 성형성의 스코어는 저하되지만, 형상 파라미터 G2가 0.94㎛/deg 이하이면, 프레스 성형성의 스코어를 1 이상으로 할 수 있고, 네킹의 발생을 방지하면서 확실한 프레스 성형을 실현할 수 있다. 즉, 응축 및 강제 대류도 고려한 형상 파라미터가 0.94㎛/deg 이하이면, 네킹의 발생을 방지할 수 있고, 프레스 성형성이 저하되는 것과 같은 상황은 회피할 수 있다.

즉, 『볼록부(5)의 높이 Rz×[오목부(6)의 폭 L/이웃하는 볼록부의 피치 P]』로 나타내어지는 파라미터에, 볼록부의 각도 η를 곱한 형상 파라미터 G2가 0.94㎛/deg 이하로 되도록 요철을 형성하면, 전열성이 매우 우수함과 함께 프레스 성형도 좋은 플레이트 원판(2)을 제조할 수 있다. 또한, 볼록부의 각도 η 이외의 파라미터에서 설명한 바와 같이, 형상 파라미터 G2에 대해서도 하한값을 고려한 경우(전열 효율을 1.05 이상을 확보함)에는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 형상 파라미터 G2를 0.14㎛/deg 이상으로 할 필요가 있다. 형상 파라미터 G2는 0.16㎛/deg 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.2㎛/deg 이상인 것이 바람직하다.

따라서, 형상 파라미터 G2 『볼록부(5)의 높이 Rz×[오목부(6)의 폭 L/이웃하는 볼록부의 피치 P]/볼록부(5)의 각도 η(deg)』는 0.14㎛/deg 이상 0.94㎛/deg 이하로 하는 것이 바람직하다.

그런데, 볼록부(5)를 형성하는 데 있어서 변형 방지를 생각하는 것이라면, 플레이트 원판(2)에 있어서의 압착 면적비 S가, 도 2의 (a)의 요철 형상에 있어서는, 수학식 1을 만족하도록 하는 것이 바람직하다.

[수학식 1]

여기서, S1＝P·P·tan(θ/180·π)/4

S2＝π/4·D·D/2

S＝압착 면적비＝S2/S1

P＝프레스 가공 시의 하중

이와 같이, 티탄제이며, 표면에 형상 파라미터 G2가 0.14∼0.94㎛/deg로 되는 요철이 형성되어 있는 원판재(2)를 사용함으로써, 프레스 가공 시에 균열 등을 발생시키는 일 없이, 열교환기를 구성하는 열교환용 플레이트(4)를 제조할 수 있다. 이와 같이 하여 제조된 열교환용 플레이트(4)는, 전열성이 매우 우수한 것으로 되고, 기액용의 열교환용 플레이트로서 사용함과 함께 액액용의 열교환용 플레이트로서도 사용할 수 있다.

그런데, 상기한 플레이트 원판(2)은, 제1 실시 형태와 동일하게, 도 7에 도시하는 바와 같은 가공 장치(10)를 사용하여 형성할 수 있다. 가공 롤(12)에는, 형상 파라미터 G2가 0.14∼0.94㎛/deg로 되도록, 볼록부(5) 및 오목부(6)를 형성하기 위한, 볼록부(5)의 높이 Rz, 오목부(6)의 폭 L, 이웃하는 볼록부의 피치 P, 볼록부의 각도 η가 설정되어 있다.

[제3 실시 형태]

상술한 제2 실시 형태에서는, 볼록부의 상승 각도 η를 포함하는 형상 파라미터 G2에 대해 0.14∼0.94㎛/deg로 하고 있었지만, 제3 실시 형태에서는, 형상 파라미터 G2에 대해, 실험 등에 의해 더욱 검증을 진행하였다. 또한, 제2 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 설명을 생략한다.

도 12는 볼록부의 상승 각도 η를 포함하는 형상 파라미터 G2 『볼록부(5)의 높이 Rz×[오목부(6)의 폭 L/이웃하는 볼록부의 피치 P]/볼록부(5)의 각도 η(deg)』를 변화시켰을 때의 프레스 성형성 및 전열 효율과의 관계를 정리한 것이다.

도 12에 나타내는 바와 같이, 형상 파라미터 G2가 커짐에 따라 프레스 성형성의 스코어는 저하되지만, 형상 파라미터 G2가 0.94㎛/deg 이하이면, 프레스 성형성의 스코어를 1 이상으로 할 수 있고, 네킹의 발생을 방지하면서 확실한 프레스 성형을 실현할 수 있다. 즉, 응축 및 강제 대류도 고려한 형상 파라미터 G2가 0.94㎛/deg 이하이면, 네킹의 발생을 방지할 수 있고, 프레스 성형성이 저하되는 것과 같은 상황은 회피할 수 있다. 즉, 검증을 진행한 결과, 형상 파라미터 G2의 상한값에 대해서는, 0.94㎛/deg 이하로 할 필요가 있고, 제3 실시 형태에 있어서도 제2 실시 형태와 동일한 결과로 되었다.

그런데, 열교환용 플레이트(4)를 여러 가지 용도로 사용하는 경우에는, 상술한 바와 같이 전열 효율을 1.05 이상으로 하는 것이 필요하다. 그러나, 예를 들어 열교환 플레이트(4)를 기액용의 열교환용 플레이트나 액액용의 열교환용 플레이트로서도 사용하는 경우에는, 전열 효율을 1.03 이상 확보하면 된다고 여겨지고 있다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 형상 파라미터 G2를 0.028㎛/deg 이상으로 하면, 전열 효율을 1.03 이상으로 할 수 있으므로, 형상 파라미터 G2의 하한값은 0.028㎛/deg인 것이 바람직하다. 또한, 도 12에 나타내는 강제 대류의 「●」와, 응축의 「○」는 중복되어 있어 대략 동일한 값이다.

또한, 플레이트 원판(2)을 제조할 때에는, 형상 파라미터 G2가 0.028∼0.94㎛/deg로 되도록, 가공 장치(10)[가공 롤(12)]를 사용하여 요철을 형성하면 된다. 제조 방법의 상세에 대해서는, 상기 각 실시 형태와 동일하므로, 설명을 생략한다.

또한, 플레이트 원판(2)에 형성한 요철에 관해, 형상 파라미터 G2가 0.14∼0.94㎛/deg로 되는 범위는 당해 플레이트 원판(2)의 적어도 일부이면 되고, 바람직하게는 전체에 걸치는 것이 좋다.

이상, 본 발명의 각 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 특허청구범위에 기재한 한에 있어서 다양하게 변경하여 실시하는 것이 가능하다. 본 출원은 2011년 9월 16일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2011-203422호), 2011년 9월 16일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2011-203423호), 2011년 11월 10일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2011-246574호) 및 2011년 12월 27일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2011-284605호)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

본 발명의 열교환용 플레이트의 원판재 및 이것을 사용한 열교환용 플레이트는, 온도 차 발전 등에 사용되는 열교환기를 구성하는 플레이트의 원판 및 이것을 사용한 열교환용 플레이트로서 적합하다.

1 : 평판재
1a : 평판재의 표면
2 : 플레이트 원판(원판재)
2a : 플레이트 원판의 표면
3 : 홈
4 : 열교환용 플레이트
5 : 볼록부
6 : 오목부
7 : 측벽
8 : 표면벽
10 : 가공 장치
11 : 이송 롤
12 : 가공 롤
13 : 지지 롤

Claims

표면에 미세한 요철이 형성된 티탄제의 평판재로 구성되고, 후처리로서 해당 평판재에 대해 프레스 가공이 실시된 후에 열교환용 플레이트로 되는 원판재이며, 상기 요철에 있어서, 볼록부는 평면에서 볼 때 원 형상이며 그 직경은 400㎛ 이상이며, 상기 볼록부의 높이는 10점 평균 거칠기 Rz가 5㎛ 이상이며 0.1×평판재의 두께(㎛) 이하로 되어 있고, 이웃하는 볼록부의 피치가 600㎛ 이상이며, 오목부의 폭은 200㎛ 이상으로 되어 있고, 볼록부의 높이(㎛)×[오목부의 폭(㎛)/이웃하는 볼록부의 피치(㎛)]로 정의되는 형상 파라미터 G1이 4㎛ 이상 및 85㎛ 이하로 되도록, 상기 원판재의 표면의 요철이 설정되는 것을 특징으로 하는, 열교환용 플레이트의 원판재.
삭제
제1항에 있어서, 상기 볼록부는 평판재의 표면에 지그재그 형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 열교환용 플레이트의 원판재.
삭제
제1항 또는 제3항의 상기 열교환용 플레이트의 원판재를 프레스 가공하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열교환용 플레이트.
표면에 미세한 요철이 형성된 티탄제의 평판재로 구성되고, 후처리로서 해당 평판재에 대해 프레스 가공이 실시된 후에 열교환용 플레이트로 되는 원판재이며, 상기 요철에 있어서, 볼록부는 평면에서 볼 때 원 형상이며 그 직경은 400㎛ 이상이며, 상기 볼록부의 높이는 10점 평균 거칠기 Rz가 5㎛ 이상이며 0.1×평판재의 두께(㎛) 이하로 되어 있고, 이웃하는 볼록부의 피치가 600㎛ 이상이며, 오목부의 폭은 200㎛ 이상으로 되어 있고, 볼록부의 높이(㎛)×[오목부의 폭(㎛)/이웃하는 볼록부의 피치(㎛)/볼록부의 각도(deg)]로 정의되는 형상 파라미터 G2가 0.14㎛/deg 이상 및 0.94㎛/deg 이하로 되도록, 상기 원판재의 표면의 요철이 설정되는 것을 특징으로 하는, 열교환용 플레이트의 원판재.
삭제
제6항에 있어서, 상기 형상 파라미터 G2가 0.028㎛/deg 이상으로 되도록, 상기 원판재의 표면에 상기 요철을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는, 열교환용 플레이트의 원판재.
삭제
제6항 또는 제8항의 상기 열교환용 플레이트의 원판재를 프레스 가공하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열교환용 플레이트.