WO2013039214A1 - 熱交換用プレートの元板材、及びこれを用いた熱交換用プレート - Google Patents

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heat exchange
base plate
convex portion
plate material
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藤井　康之
明夫 岡本
義男 逸見
皓久 藤田
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株式会社神戸製鋼所
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Definitions

  • the present invention relates to a base plate material for a heat exchange plate and a heat exchange plate using the same.
  • the object of the present invention is to provide a base plate material for a heat exchange plate that is very excellent in heat transfer and has excellent workability in press forming as post-processing, and can be easily formed into a plate for heat exchange. It is to be.
  • the base plate material of the heat exchange plate in the present invention is composed of a metal flat plate material having fine irregularities formed on the surface, and the heat exchange plate is subjected to press processing on the flat plate material as post-processing.
  • the shape parameter G1 defined by the height of the convex portion ( ⁇ m) ⁇ [the width of the concave portion ( ⁇ m) / the pitch of the adjacent convex portions ( ⁇ m)] is 85 ⁇ m or less with respect to the unevenness.
  • corrugation of the surface of the said base plate material is set so that it may become.
  • the base plate material of the heat exchange plate in the present invention is composed of a metal flat plate having fine irregularities formed on the surface, and heat exchange is performed after the flat plate is subjected to press working as post-processing.
  • a base plate material used as a plate for a projection wherein the height of the protrusion ( ⁇ m) ⁇ [the width of the recess ( ⁇ m) / the pitch of the adjacent protrusion ( ⁇ m) / the angle of the protrusion (deg)] with respect to the unevenness.
  • the unevenness of the surface of the base plate material is set so that the defined shape parameter G2 is 0.94 ⁇ m / deg or less.
  • the base plate material according to the technique of the present invention it is possible to manufacture a heat exchange plate without causing cracks or the like during press working.
  • the manufactured heat exchange plate is very excellent in heat transfer.
  • the manufacturing method of the plate for heat exchange is shown. It is an arrangement plan of convex parts formed in the surface of a former board material. It is another arrangement
  • Titanium is an anisotropic material, and the material anisotropy affects deformation behavior such as reduction of plate thickness and strain gradient in the stress concentration part. For this reason, the press formability of titanium is remarkably worse than other materials having no anisotropy. Titanium is a material that tends to seize, and if the oil film of the lubricating oil breaks during pressing, wrinkles are likely to occur due to material breakage or contact with a press die or tool, making handling difficult. For this reason, the following successful examples of titanium materials can be applied to other metal materials such as stainless steel and aluminum.
  • Drawing 1 is a key map showing the manufacturing method of the plate for heat exchange of a 1st embodiment.
  • a flat plate 1 as a material is formed to a predetermined size.
  • the plate base plate original plate material which formed the fine uneven
  • a plate base plate 2 base plate material having a fine uneven shape formed on the surface 2a is provided with a height of several millimeters, for example, called “herringbone”.
  • the heat exchanging plate 4 is manufactured by forming a plurality of ridges of several centimeters by press molding.
  • the flat plate 1 shown in FIG. 1A is a titanium material, and its dimensions and thickness are determined in consideration of the dimensions and thickness desired for the heat exchange plate 4 that is the final product.
  • the plate base plate 2 is formed on the surface 1a of the flat plate material 1 by forming a fine uneven shape (a plurality of convex portions 5 and concave portions 6 sandwiched between the convex portions 5) using a processing apparatus 10 described later. It is formed.
  • the plate base plate 2 on which the concavo-convex shape is formed has very good heat conductivity (having a very high heat transfer rate).
  • the plate base plate 2 of the present invention is made of titanium, characteristics such as corrosion resistance, strength, and weight reduction are superior to other metals. Therefore, the plate base plate 2 is suitable for products that require corrosion resistance and strength, such as plates of plate heat exchangers.
  • the herringbone 3 formed on the plate base plate 2 is a plurality of chevron grooves having a skeleton shape, and the size of the grooves is several mm to several cm in height.
  • This base plate 2 is incorporated into a heat exchanger.
  • the oblique lattice shape represented by the herringbone 3 and the like forms a wall in which the irregularities are perpendicular to the working fluid regardless of the flow from any direction, even when the flow of the working fluid inside the heat exchanger is uneven. As a result, it contributes to the improvement of heat transfer by turbulent flow.
  • the convex portion 5 formed on the surface 2a of the plate base plate 2 is substantially circular in plan view, and its diameter D is 400 ⁇ m or more.
  • the arrangement of the projections 5 in a plan view is staggered.
  • the staggered arrangement means that the centers of the convex portions 5 and 5 adjacent to either one are not aligned in a straight line in the vertical direction and the horizontal direction.
  • the protrusions 5 and 5 adjacent in the vertical direction may be shifted by a half pitch in the horizontal direction. Furthermore, an angle ⁇ between a straight line (dashed line) A connecting the centers of the convex parts 5 adjacent in the horizontal direction and a straight line (dashed line) B connecting the centers of the convex parts 5 adjacent in the vertical direction is 60. You may arrange
  • the distance L between the convex portions 5 adjacent in the vertical direction or the horizontal direction is preferably 200 ⁇ m or more.
  • the width L of the concave portion 6 is the shortest distance between the convex portions 5 adjacent to each other in the horizontal direction or the vertical direction. D / 2) ⁇ 2 ”.
  • the pitch P of the adjacent convex part 5 is the distance between the centers of the nearest convex parts 5 which adjoin the horizontal direction or the vertical direction (center distance of the convex parts 5 in the shortest distance).
  • the width L of the recess 6 shown in FIG. 2A is the same value in both the vertical direction and the horizontal direction. That is, the distance between the protrusions 5 adjacent in the vertical direction is the same as the distance between the protrusions 5 adjacent in the horizontal direction.
  • the pitch P of adjacent convex portions 5 is preferably 600 ⁇ m or more.
  • the convex portion 5 formed on the surface of the plate base plate 2 includes a side wall 7 that rises upward in a cross-sectional view, and a front wall 8 that horizontally connects the upper edge of the side wall 7. It is comprised from the substantially trapezoid shape.
  • a flat portion is provided at the top of the convex portion 5.
  • the height of the convex portion 5 (side wall 7) indicated by the ten-point average roughness Rz (hereinafter sometimes referred to as the height Rz) is 5 ⁇ m or more and is 1 / th of the plate thickness t of the plate base plate 2. 10 (1/10) or less.
  • the height Rz of the convex portion 5 is in this range because if the uneven shape is too large with respect to the plate thickness, the flatness (shape) cannot be ensured at the time of rolling transfer in the processing apparatus 10 described later, and rolling is performed. This is because stability cannot be obtained. Moreover, in the board which cannot ensure flatness, it is because a crack generate
  • the planar view shape of the convex part 5 includes not only a perfect circle but also an ellipse with a flatness ratio of about 0.2.
  • various shapes such as a square shape are conceivable, but the planar shape of the convex portion 5 is substantially circular from the viewpoint of avoiding stress concentration at the time of pressing performed in a subsequent process. It is preferable that By the way, the staggered arrangement state of the convex portions 5 is not limited to that shown in FIG.
  • the convex portion 5 may be arranged so that the angle ⁇ with B ′ is 45 °.
  • the angle ⁇ may be another angle.
  • the pitch P has a shape parameter G1 “[height Rz of the convex portion 5 ⁇ (width L of the concave portion 6 / adjacent convexity)”. Part pitch P])].
  • FIG. 1 As shown, the stress concentration rate tends to increase as L / P increases. In other words, if the width L of the concave portion 6 is too large or the pitch P of the convex portion is too narrow, cracks occur when stress is concentrated and press molding (press processing for forming a herringbone or the like) is performed. It becomes easy to do.
  • the height Rz of the convex portion 5 is increased among the shape parameters G1 described above, as with the width L of the concave portion 6 and the pitch P of the adjacent convex portions, when press molding is performed, There is a possibility that cracks may occur in places where stress is high due to uneven stress distribution. Therefore, considering the press formability of the plate base plate 2, it is optimal that the height Rz of the convex portion 5 or the width L of the concave portion 6 is not too large and the pitch P of the convex portion is not too narrow. It is considered that the shape parameter G1 representing these has an upper limit value.
  • the present inventors have applied the shape parameter G1 “[height Rz of the convex portion 5 ⁇ (width L of the concave portion 6 / adjacent convexity) to the titanium plate base plate 2 on which irregularities of various shapes are formed.
  • the relationship between the part pitch P])] and press formability was clarified through experiments and the like.
  • an evaluation test for evaluating the formability (press formability) in press working first, as shown in FIG. 5, a herringbone (groove) 3 is formed on the original plate base plate 2 to form the heat exchange plate 4. .
  • preparation first, one mold for molding corresponding to the heat exchanger use conditions is prepared.
  • the herringbone 3 is formed on the plate base plate 2 with a mold to produce a plurality of heat exchange plates 4.
  • the plurality of heat exchange plates 4 are formed under conditions such that the molding height differs every 0.1 mm.
  • the molding limit height maximum molding height at which necking does not occur
  • the indentation amount is evaluated as the indentation amount.
  • the press formability score in FIG. 6 is a normalized representation of the indentation amount described above, and if the press formability score is 1 or more, it is possible to realize reliable press forming while preventing the occurrence of necking. The inventors have confirmed.
  • the press formability score decreases as the shape parameter G1 increases, but if the shape parameter G1 is 85 ⁇ m or less, the press formability score can be 1 or more. Thereby, occurrence of necking can be prevented. That is, if the shape parameter G1 is 85 ⁇ m or less, the occurrence of necking can be prevented, and the situation where the press formability is reduced can be avoided.
  • the shape parameter G1 is 65 ⁇ m or less, it is possible to further prevent an increase in local surface pressure and a seizure phenomenon due to a non-uniform distribution of the lubrication state accompanying an increase in the uneven height.
  • the present inventors have confirmed through experiments and the like that the heat exchanging plate 4 can be reliably manufactured without causing trouble during press working.
  • the plate base plate 2 of the present invention is a source of the plate constituting the heat exchanger. There is a partition wall for heat exchange. Therefore, the plate base plate 2 of the present invention is also required to have a high heat transfer coefficient (high heat transfer efficiency).
  • the heat transfer efficiency of the heat exchange plate is 1. Must be greater than 00. Furthermore, in order to achieve a remarkable effect in an actual heat exchanger, it is desirable that the heat transfer efficiency is 1.05 or more.
  • the relationship between the heat transfer efficiency and the shape parameter G1 is considered.
  • the shape parameter G1 is gradually reduced from 85 ⁇ m by reducing the height Rz of the convex portion 5, reducing the width L of the concave portion 6, or increasing the pitch P of the convex portion.
  • the heat transfer efficiency is gradually reduced as shown in FIG. 6, and the heat transfer efficiency approaches a flat plate having no irregularities.
  • the shape parameter G1 is 4 ⁇ m or more, the heat transfer efficiency (1.05 or more) required in an actual heat exchanger can be ensured.
  • the shape parameter G1 when manufacturing the plate base plate 2, it is preferable to set the shape parameter G1 to 4 ⁇ m or more. More preferably, the shape parameter G1 is preferably greater than 12 ⁇ m, and the shape parameter G1 is preferably greater than 12 ⁇ m and not greater than 85 ⁇ m. Now, the smaller the width L of the recess 6, the smaller the shape parameter G1. Considering from the viewpoint of the temperature boundary layer when the fluid is flowed, if the width L of the concave portion 6 is too small, the heat conductivity is reduced. Therefore, it is better to secure the width L of the concave portion 6 to some extent. That is, it seems that the shape parameter G1 needs to be large to some extent.
  • the shape parameter G1 needs to be 4 ⁇ m or more as described above.
  • the shape parameter G1 is set to any value in the range of 4 ⁇ m to 85 ⁇ m, and as described above, the height Rz of the convex portion 5 is 10 points average roughness Rz of 5 ⁇ m or more and (thickness of flat plate ⁇ 0.1) ⁇ m.
  • the width L of the concave portion 6 (or the pitch P of the convex portion 5) is inevitably determined (can be determined).
  • the pressure-bonding area ratio S in the plate base plate 2 is as shown in FIG. It is preferable to satisfy the formula (1). Yield stress ⁇ y of flat plate material (titanium)> Surface pressure applied to convex part during pressing (P / S) (1)
  • S1 P ⁇ P ⁇ tan ( ⁇ / 180 ⁇ ⁇ ) / 4
  • S2 ⁇ / 4 ⁇ D ⁇ D / 2
  • S1 in the load formula (1) at the time of pressing is the area of the plane in FIG. 2 (the area of the triangle surrounded by the straight lines A and B shown in FIG. 2).
  • S2 in Expression (2) is the area of the protrusions in FIG. 2 (the area of the protrusions existing in the above-described triangle).
  • the plate 4 for heat exchange which comprises can be manufactured.
  • the heat exchange plate 4 manufactured in this way has a heat exchange rate of 1.05 or more and a very excellent heat transfer property, and the heat exchanger in which the heat exchange plate 4 is incorporated is The heat exchange efficiency is very high.
  • the plate base plate 2 described above can be formed using a processing apparatus 10 as shown in FIG.
  • the processing apparatus 10 includes a transfer roll 11, a processing roll 12, and a support roll 13.
  • the transfer roll 11 is for transferring the flat plate 1 and is arranged on the upstream side and the downstream side as viewed from the processing roll 12.
  • the processing roll 12 forms irregularities of micron order (several ⁇ m to several hundred ⁇ m) on the surface of the flat plate 1 being transferred. Specifically, the processing roll 12 forms the convex portions 5 and the concave portions 6 on the surface 1a of the flat plate 1 so that the shape parameter G1 is 4 ⁇ m to 85 ⁇ m in the processed plate base plate 2. That is, the processing roll 12 has the height Rz of the convex portion 5, the width L of the concave portion 6, and the adjacent convex portion for forming the convex portion 5 and the concave portion 6 so that the shape parameter G 1 is 4 ⁇ m to 85 ⁇ m. Pitch P is set.
  • a processed portion 14 having a convex shape (trapezoidal convex) is formed on the entire circumference of the outer peripheral surface of the processing roll 12 by etching or discharge dull.
  • the height of the processed portion 14 is set so that the height Rz of the convex portion 5 in the plate base plate 2 after processing is 5 ⁇ m or more and (thickness t ⁇ 0.1) ⁇ m of the flat plate material. Yes.
  • the surface layer of the work roll 12 is preferably subjected to Cr plating or tungsten carbide treatment from the viewpoint of load resistance and wear resistance.
  • the processing portion 14 provided on the processing roll 12 is pressed against the surface of the flat plate 1 while rotating the processing roll 12, thereby reversing the processing portion 14 on the surface of the flat plate 1.
  • the same convex part 5 and concave part 6 can be formed. That is, it is possible to form the plate base plate 2 having irregularities with the shape parameter G1 of 4 ⁇ m to 85 ⁇ m or less, the height Rz of 5 ⁇ m or more and 10% or less with respect to the plate thickness t by the processing apparatus 10.
  • formation of the convex part 5 is not limited to mechanical processing, such as an above-described processing apparatus, Chemical processing, such as an etching process, may be sufficient.
  • the heat exchanging plate 4 is manufactured by pressing the plate base plate 2 of the present invention.
  • the plate base plate 2 may be pressed by any method and may not form the herringbone as described above. .
  • the range in which the shape parameter G1 is 4 ⁇ m to 85 ⁇ m or less may be at least a part of the plate base plate 2, and preferably the whole.
  • the convex portion 5 formed on the surface 2 a of the plate base plate 2 has a side wall 7 standing in the thickness direction (thickness direction of the plate base plate 2) and an upper end (upper edge) of the side wall 7. It is comprised from the front wall 8 to connect. In other words, a flat portion is provided at the top of the convex portion 5.
  • the convex portion 5 has a cylindrical shape or a conical shape
  • the number of the side walls 7 is one.
  • the convex portion 5 has a prismatic shape or a pyramid shape
  • the side walls 7 are plural.
  • the convex portion 5 formed on the surface 2a of the plate base plate 2 is substantially circular in a plan view, and its diameter D is 400 ⁇ m or more.
  • the arrangement of the projections 5 in a plan view is a staggered pattern as in the first embodiment, and the pitch P of the adjacent projections 5 (the distance between the centers of the projections 5, that is, the distance between the centers of the front walls 8). ) Is preferably 600 ⁇ m or more.
  • the convex portion 5 formed on the surface of the plate base plate 2 is formed in a substantially trapezoidal shape.
  • the height (height Rz) of the convex portion 5 (side wall 7) indicated by the ten-point average roughness Rz is 5 ⁇ m or more and is 1/10 (1/10) of the plate thickness t of the plate base plate 2. It is as follows.
  • Rz of the convex portion 5 of the plate base plate 2 is, for example, about 25 ⁇ m (about 10 ⁇ m in terms of Ra).
  • the concavo-convex shape of the plate base plate 2 according to the second embodiment, the matter as the basis will be described.
  • the inventors have made the height Rz of the convex portions 5 formed on the surface of the plate base plate 2, the number of the convex portions 5 (the width L of the concave portions 6), and the adjacent convex portions.
  • the shape parameter G2 of the concavo-convex shape including them “height Rz of the convex portion 5 ⁇ (width L of the concave portion 6 / pitch P of the adjacent convex portion]) Focusing on “/ angle ⁇ of convex part”.
  • FIG. 1 In the shape parameter G2 described above, when the height Rz of the convex portion 5 is constant and the width L of the concave portion 6 / the pitch P (L / P) of the adjacent convex portions is changed, FIG. As shown, the stress concentration rate tends to increase as L / P increases. That is, if the width L of the concave portion 6 is too large or the pitch P of the convex portion is too narrow, the stress concentrates and cracks occur when press molding (press processing for molding herringbone etc.) is performed. It becomes easy to do.
  • FIG. 6 shows the press formability when the parameter “height Rz of the convex part 5 ⁇ (width L of the concave part 6 / pitch P of the adjacent convex part)” except for the above-described rising angle ⁇ of the convex part is changed. It summarizes the relationship with heat transfer efficiency.
  • the press formability score in FIG. 6 is expressed by normalizing the indentation amount shown below.
  • the evaluation test for evaluating the formability (press formability) in the press working is the same as in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
  • the press formability score decreases as the parameter increases, but if the parameter is 85 ⁇ m or less, the press formability score can be 1 or more to prevent the occurrence of necking. However, reliable press molding can be realized.
  • the plate base plate 2 of the present invention is a source of the plate constituting the heat exchanger, and serves as a partition wall for performing heat exchange. Therefore, in the plate base plate 2 of the present invention, it is desirable that the heat transfer efficiency is 1.05 or more in order to achieve a remarkable effect in an actual heat exchanger.
  • the parameter is gradually reduced from 85 ⁇ m by decreasing the height Rz of the convex portion 5, reducing the width L of the concave portion 6, or increasing the pitch P of the convex portion.
  • the heat transfer efficiency is also gradually decreased, and the heat transfer efficiency approaches a flat plate on which no unevenness is formed.
  • the parameter is 4 ⁇ m or more, the heat transfer efficiency (1.05 or more) required in an actual heat exchanger can be ensured.
  • the parameter represented by “height Rz of the convex portion 5 ⁇ (width L of the concave portion 6 / pitch P of the adjacent convex portion)” is It is preferable to be 4 ⁇ m or more and 85 ⁇ m or less.
  • the plate base plate 2 having good press formability and excellent heat conductivity is manufactured.
  • a high temperature fluid (high temperature fluid) is allowed to flow on the back surface (one side) across the heat exchange plate 4, and a low temperature fluid (low temperature fluid) is provided on the front surface (the other side where the irregular surface is formed).
  • the low-temperature fluid may change (condense) from a gas to a liquid, or may remain a liquid.
  • the present inventors in manufacturing the plate base plate 2 that is the base material of the heat exchange plate, set the height Rz of the convex portion 5, the width L of the concave portion 6, and the pitch P of the convex portion 5.
  • the angle ⁇ of the convex portion 5 (rise angle ⁇ of the side wall 7) is also considered, and the shape of the convex portion 5 that easily causes turbulent flow and forced convection was verified.
  • FIG. 9A schematically shows the flow of fluid when the angle ⁇ of the convex portion 5 is large
  • FIG. 9B shows the angle ⁇ of the convex portion 5 as compared with FIG. 9A
  • 4 schematically shows the flow of a fluid when is small.
  • FIG. 9A when the angle ⁇ of the convex portion, in other words, the angle ⁇ formed by the bottom wall 6a and the side wall 7 constituting the concave portion 6 is relatively large (when the side wall 7 rises gently), The fluid tends to get over the convex portion 5 and is less likely to generate turbulence.
  • FIG. 9A when the angle ⁇ of the convex portion, in other words, the angle ⁇ formed by the bottom wall 6a and the side wall 7 constituting the concave portion 6 is relatively large (when the side wall 7 rises gently), The fluid tends to get over the convex portion 5 and is less likely to generate turbulence.
  • FIG. 9A when the angle ⁇ of the convex portion, in other words
  • the present inventors add not only the height Rz of the convex portion 5, the width L of the concave portion 6, the pitch P of the convex portion 5, but also the angle ⁇ of the convex portion 5 that affects the heat transfer, A more suitable shape parameter G2 was studied.
  • the above-described parameter “height Rz of the convex portion 5 ⁇ (width L of the concave portion 6 / pitch P of the adjacent convex portion)” divided by the angle ⁇ of the convex portion 5 is “height Rz of the convex portion 5 ⁇ ( The width L of the concave portion 6 / the pitch P of the adjacent convex portions / the angle ⁇ (deg) of the convex portion 5 ”was defined as the shape parameter G2.
  • FIG. 10 summarizes the relationship between the shape parameter G2 and the heat transfer improvement rate.
  • the shape parameter G2 described above is most suitable for expressing the heat transfer characteristics of condensation and forced convection.
  • the press formability which is a basic required characteristic, is also considered for the shape parameter G2 that can well represent the heat transfer characteristics of condensation and forced convection.
  • FIG. 11 shows the shape parameter G2 including the rising angle ⁇ of the convex part “height Rz of the convex part 5 ⁇ (width L of the concave part 6 / pitch P of the adjacent convex part) / angle ⁇ (deg) of the convex part 5”. It summarizes the relationship between the press formability and heat transfer efficiency when changing.
  • the press formability score decreases as the shape parameter G2 increases, the press formability score may be 1 or more if the shape parameter G2 is 0.94 ⁇ m / deg or less.
  • reliable press molding can be realized while preventing the occurrence of necking. That is, if the shape parameter considering the condensation and forced convection is 0.94 ⁇ m / deg or less, the occurrence of necking can be prevented and the situation where the press formability is reduced can be avoided.
  • the shape parameter G2 obtained by multiplying the parameter represented by “height Rz of the convex portion 5 ⁇ (width L of the concave portion 6 / pitch P of the adjacent convex portion)” by the angle ⁇ of the convex portion is 0.94 ⁇ m / If the unevenness is formed so as to be less than or equal to deg, the plate base plate 2 having excellent heat conductivity and good press forming can be manufactured.
  • the shape parameter G2 is preferably 0.16 ⁇ m / deg or more, and more preferably 0.2 ⁇ m / deg or more.
  • the shape parameter G2 “height Rz of the convex portion 5 ⁇ (width L of the concave portion 6 / pitch P of the adjacent convex portion) / angle ⁇ (deg) of the convex portion 5” is 0.14 ⁇ m / deg or more and 0.94 ⁇ m. / Deg or less is preferable.
  • compression-bonding area ratio S in the plate base plate 2 should satisfy
  • the plate 4 for heat exchange which comprises a heat exchanger can be manufactured without this.
  • the heat exchange plate 4 manufactured in this way has a very excellent heat transfer property and can be used as a heat exchange plate for liquid and liquid as well as a heat exchange plate for gas and liquid.
  • the above-mentioned plate base plate 2 can be formed using the processing apparatus 10 as shown in FIG. 7 similarly to 1st Embodiment.
  • the processing roll 12 has a height Rz of the convex portion 5 and a width L of the concave portion 6 for forming the convex portion 5 and the concave portion 6 so that the shape parameter G2 is 0.14 to 0.94 ⁇ m / deg.
  • the pitch P of the adjacent convex portions and the angle ⁇ of the convex portions are set.
  • FIG. 12 shows a shape parameter G2 including the rising angle ⁇ of the convex portion “height Rz of the convex portion 5 ⁇ (width L of the concave portion 6 / pitch P of the adjacent convex portion) / angle ⁇ (deg) of the convex portion 5”. It summarizes the relationship between the press formability and heat transfer efficiency when changing.
  • the press formability score decreases as the shape parameter G2 increases, the press formability score may be 1 or more if the shape parameter G2 is 0.94 ⁇ m / deg or less.
  • reliable press molding can be realized while preventing the occurrence of necking. That is, if the shape parameter G2 considering the condensation and forced convection is 0.94 ⁇ m / deg or less, the occurrence of necking can be prevented and the situation where the press formability is reduced can be avoided. That is, as a result of the verification, the upper limit value of the shape parameter G2 needs to be 0.94 ⁇ m / deg or less, and the third embodiment has the same result as the second embodiment.
  • the heat exchange plate 4 when used for various purposes, it is necessary to set the heat transfer efficiency to 1.05 or more as described above. However, for example, when the heat exchange plate 4 is also used as a gas-liquid heat exchange plate or a liquid-liquid heat exchange plate, it is said that the heat transfer efficiency should be 1.03 or more. As shown in FIG. 12, if the shape parameter G2 is set to 0.028 ⁇ m / deg or more, the heat transfer efficiency can be set to 1.03 or more. Therefore, the lower limit value of the shape parameter G2 is 0.028 ⁇ m / deg. Is preferred. Note that “ ⁇ ” of forced convection and “ ⁇ ” of condensation shown in FIG. 12 are overlapped and have substantially the same value.
  • the unevenness may be formed by using the processing apparatus 10 (processing roll 12) so that the shape parameter G2 is 0.028 to 0.94 ⁇ m / deg.
  • the details of the manufacturing method are the same as those in each of the above embodiments, and thus the description thereof is omitted.
  • the range in which the shape parameter G2 is 0.14 to 0.94 ⁇ m / deg may be at least a part of the plate base plate 2, and preferably the whole. Good.
  • the base plate material of the heat exchange plate of the present invention and the heat exchange plate using the same are suitable as a base plate of a plate constituting a heat exchanger used for temperature difference power generation and the like and a heat exchange plate using the plate. is there.

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Abstract

　本発明に係る熱交換用プレート４の元板材は、表面に微細な凹凸が形成されたチタン製の平板材１で構成され、平板材１に対してプレス加工が施された後に熱交換用プレート４となる。凸部の高さ（μｍ）×［凹部の幅（μｍ）／隣り合う凸部のピッチ（μｍ）］で定義される形状パラメータＧ１が８５μｍ以下である。また、本発明に係る熱交換用プレート４の元板材に関し、凸部の高さ（μｍ）×［凹部の幅（μｍ）／隣り合う凸部のピッチ（μｍ）／凸部の角度（ｄｅｇ）］で定義される形状パラメータＧ２が０．９４μｍ／ｄｅｇ以下である。

Description

熱交換用プレートの元板材、及びこれを用いた熱交換用プレート
　本発明は、熱交換用プレートの元板材、及びこれを用いた熱交換用プレートに関する。
　特許文献１等のプレート式熱交換器等に組み込まれる熱交換用プレートには、良好な伝熱特性が要求される。
日本国特開２００９－１９２１４０号公報
　本発明の目的は、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の元板材を提供することである。
　本発明における熱交換用プレートの元板材は、表面に微細な凹凸が形成された金属製の平板材で構成され、後処理として当該平板材に対してプレス加工が施された後に熱交換用プレートとなる元板材であって、前記凹凸に関し、凸部の高さ（μｍ）×［凹部の幅（μｍ）／隣り合う凸部のピッチ（μｍ）］で定義される形状パラメータＧ１が８５μｍ以下となるように、前記元板材の表面の凹凸が設定されている。
　また、本発明における熱交換用プレートの元板材は、表面に微細な凹凸が形成された金属製の平板材で構成され、後処理として当該平板材に対してプレス加工が施された後に熱交換用プレートとなる元板材であって、前記凹凸に関し、凸部の高さ（μｍ）×［凹部の幅（μｍ）／隣り合う凸部のピッチ（μｍ）／凸部の角度（ｄｅｇ）］で定義される形状パラメータＧ２が０．９４μｍ／ｄｅｇ以下となるように前記元板材の表面の凹凸が設定されている。
　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。 元板材の表面に形成した凸部の配置図である。 元板材の表面に形成した凸部の別の配置図である。 Ｌ×Ｒｚ／Ｐと応力集中率との関係を示した図である。 プレス成形性スコアを算出するための参考図である。 元板材の表面に形成された凹凸形状の寸法形状と伝熱効率との関係及び元板材の表面に形成された凹凸形状の寸法形状とプレス成形性の良さとの関係を示した図である。 元板材の表面に凹凸形状を形成する装置の概略を示した図である。 凸部の形状を説明する説明図である。 凸部の角度ηと流体の流れとの関係を示した図である。 形状パラメータＧ２と、伝熱性向上率との関係を示した図である。 形状パラメータＧ２と、伝熱性向上率及びプレス成形性との関係を示した図である。 形状パラメータＧ２と、伝熱性向上率及びプレス成形性との関係を示した図である。
　以下、平板材１としてチタン材を使用した例に基づき説明する。
　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。このため、チタンのプレス成形性などは、異方性のない他の材料と比較して著しく悪い。また、チタンは焼き付きやすい材料で、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、取り扱いが難しい。このため、チタン材での以下の成功例は、ステンレス、アルミニウム等の他の金属材料に適用し得る。
　以下、図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。
［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態の熱交換用プレートの製造方法を示した概念図である。
　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。そして、図１（ｂ）に示すように、平板材１をプレス加工することによって平板材１の表面１ａに微細な凹凸形状を形成したプレート元板（元板材）を作成する。次に、図１（ｃ）に示すように、表面２ａに微細な凹凸形状が形成されたプレート元板２（元板材）に、例えば、「ヘリンボーン（herringbone）」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により形成することにより熱交換用プレート４を製造する。
　図１（ａ）に示す平板材１はチタン材であって、その寸法、板厚は、最終製品である熱交換用プレート４にて所望される寸法、板厚を考慮して決定される。この平板材１の表面１ａに対して、後述する加工装置１０を用いて微細な凹凸形状（複数の凸部５と凸部５に挟まれた凹部６）を形成することでプレート元板２が形成される。凹凸形状が形成されたプレート元板２は、伝熱性が非常によい（熱伝達率が非常に高い）ものとなっている。加えて、本発明のプレート元板２はチタン製とされているため、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、プレート元板２は、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。
　プレート元板２に形成されたヘリンボーン３は、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３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、プレート元板２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、プレート元板２の表面２ａに形成された凸部５は、平面視で略円形であって、その直径Ｄは４００μｍ以上である。凸部５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５、５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、プレート元板２において、縦方向に隣接する凸部５、５は、横方向に半ピッチだけズレていてもよい。さらに、横方向に隣接する凸部５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５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５を配置してもよい。
　このように凸部５を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、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ので、乱流による伝熱性向上に寄与する。また、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に対応できる。
　縦方向や横方向に隣り合う凸部５間の距離Ｌ（凹部６の幅Ｌ）は、２００μｍ以上が好ましい。なお、凹部６の幅Ｌは、横方向又は縦方向に隣接する凸部５同士の最短距離であって、「凹部６の幅Ｌ＝隣り合う凸部５のピッチＰ－（凸部５の直径Ｄ／２）×２」により求めることができる。また、隣り合う凸部５のピッチＰは、横方向又は縦方向に隣接する最も近い凸部５同士の中心間の距離（最短距離にある凸部５同士の中心間距離）である。
　図２（ａ）に示した凹部６の幅Ｌは、縦方向及び横方向ともに同じ値である。すなわち、縦方向に隣接する凸部５同士の距離と、横方向に隣接する凸部５同士の距離とが共に同じ値である。隣り合う凸部５のピッチＰ（凸部５の中心間距離）は６００μｍ以上が好ましい。
　図２（ｂ）に示すように、プレート元板２の表面に形成された凸部５は、断面視にて上方に立ち上がる側壁７と、この側壁７の上縁を水平に結ぶ表壁８とから略台形状に構成されている。言い換えれば、凸部５の頂部には平坦部が設けられている。十点平均粗さＲｚにて示される凸部５（側壁７）の高さ（以降、高さＲｚと示すことがある）は５μｍ以上であって、プレート元板２の板厚ｔの１／１０（１０分の１）以下となっている。
　凸部５の高さＲｚをこの範囲としているのは、板厚に対して凹凸形状が大きすぎると、後述する加工装置１０での圧延転写の際に平坦度（形状）が確保できず、圧延安定性が得られないためである。また、平坦度が確保できていない板では、後工程でのプレス成形時に応力分布が発生することで応力が高い箇所において割れが発生するためである。すなわち、プレス加工の際に凸部５の高さＲｚが大きすぎると割れの原因（起点）となり、疵の原因となる。一方、高さＲｚが小さすぎる（５μｍ以下である）と、伝熱効率の向上を図ることができなくなる。
　ところで、凸部５の平面視形状は、完全な円形でなく、扁平率０．２程度の楕円形までも含む。なお、凸部５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、凸部５の平面視形状は略円形であることが好ましい。
　ところで、凸部５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３に示すように、横方向に隣接する凸部５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５の中心同士を結んだ直線（一点鎖線）Ｂ’との角度θが４５°となるように凸部５を配置してもよい。角度θは他の角度であってもよい。
　以上のようなプレート元板２の凹凸形状に関して、その根拠となる事項を説明する。
　本発明者らは、プレート元板２を製造するにあたって、プレート元板２の表面に形成した凸部５の高さＲｚ、凸部５の数（凹部６の幅Ｌ）、隣り合う凸部のピッチＰを所望の要求特性（伝熱特性等）を満足するものとするため、これらを含む凹凸形状の形状パラメータＧ１『［凸部５の高さＲｚ×（凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ］）』を見出した。
　まず、上述した形状パラメータＧ１のうち、凸部５の高さＲｚを一定として、凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ（Ｌ／Ｐ）を変化させたときを考えると、図４に示すように、Ｌ／Ｐが増加するにしたがって応力集中率が増加する傾向がある。即ち、凹部６の幅Ｌが大きすぎたり、凸部のピッチＰが狭すぎると、応力が集中してプレス成形（ヘリンボーン等を成形するためのプレス加工）を実施したときなどに、割れが発生し易い状況になる。
　一方、上述した形状パラメータＧ１のうち、凸部５の高さＲｚを高くした状況を考えると、凹部６の幅Ｌや隣り合う凸部のピッチＰと同様に、プレス成形を実施した際に、不均一な応力分布が発生して応力が高い箇所において割れが発生する恐れがある。
　したがって、プレート元板２のプレス成形性を考えると、凸部５の高さＲｚ又は凹部６の幅Ｌが大きすぎず、凸部のピッチＰが狭すぎないことが最適である。これらを表す形状パラメータＧ１には上限値があると考えられる。
　そこで、本発明者らは、様々な形状の凹凸が形成されたチタン製のプレート元板２に対して形状パラメータＧ１『［凸部５の高さＲｚ×（凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ］）』とプレス成形性との関係を実験等により明らかにした。
　プレス加工での成形性（プレス成形性）を評価する評価試験では、まず、図５に示すように元プレート元板２にヘリンボーン（溝）３を成形して、熱交換用プレート４を成形する。作成にあたっては、まず、熱交換器使用条件に応じた成形用の金型を一枚用意しておく。そして、金型でプレート元板２にヘリンボーン３を成形して、複数枚の熱交換用プレート４を作成する。複数枚の熱交換用プレート４は、成形高さが０．１ｍｍ毎に異なるような条件で作成する。作成した評価用プレート（熱交換用プレート４）の中で、ネッキングが発生しない金型の成形限界高さ（ネッキングが発生しない最大の成形高さ）を押し込み量として評価する。
　上記した評価試験で、押し込み量が大きい場合はネッキングが発生し難くプレス成形性が良いと言え、評価試験で押し込み量が小さい場合はネッキングが発生し易くプレス成形性は悪いと言える。このように評価試験では、くびれ（ネッキング）が始まる成形深さ、成形に耐えうるひずみ量を評価することができる。
　図６のプレス成形性のスコアは上述した押し込み量を正規化して表したものであり、プレス成形性のスコアが１以上であれば、ネッキングの発生を防止しつつ確実なプレス成形を実現できることを本発明者らは確認している。
　図６に示すように、形状パラメータＧ１が大きくなるにつれてプレス成形性のスコアは低下するものの、形状パラメータＧ１が８５μｍ以下であれば、プレス成形性のスコアを１以上にすることができる。これにより、ネッキングの発生を防止できる。即ち、形状パラメータＧ１が８５μｍ以下であれば、ネッキングの発生を防止できるので、プレス成形性が低下するという事態は回避できる。
　なお、形状パラメータＧ１が６５μｍ以下であれば、凹凸高さの増加に伴う、潤滑状態の不均一分布による局所面圧の増加や焼き付き現象の発生をより一層防げることとなる。これにより、プレス加工時のトラブルを発生することなく確実に熱交換用プレート４を製造できることを本発明者らは実験等により確認している。
　上述したように、形状パラメータＧ１が８５μｍ以下であれば、プレス成形性が低下するといった事態は回避できるものの、本発明のプレート元板２は、熱交換器を構成するプレートの元となるものであり、熱交換を行う隔壁となるものである。ゆえに、本発明のプレート元板２においては、熱伝達率が大きい（伝熱効率が大きい）ことも要求される。
　そこで、「凹凸形状を形成していない平板」の伝熱効率を１．００とし、凹凸形状を形成したプレート（熱交換用プレート）における伝熱効率を考えると、熱交換用プレートの伝熱効率は１．００よりも大きい必要がある。さらに、現実の熱交換器で著しい作用を奏するためには、伝熱効率は１．０５以上あることが望ましいとされている。
　ここで、伝熱効率と形状パラメータＧ１との関係を考える。例えば、凸部５の高さＲｚを小さくしたり、凹部６の幅Ｌを小さくしたり、凸部のピッチＰを大きくすることによって、形状パラメータＧ１は８５μｍから徐々に小さくなる。このように、形状パラメータＧ１を徐々に小さくすると、図６に示すように伝熱効率も徐々に小さくなり、伝熱効率は、凹凸を形成していない平板に近づくことになる。しかしながら、形状パラメータＧ１が４μｍ以上であれば、現実の熱交換器にて必要とされる伝熱効率（１．０５以上）を確保できる。
　したがって、伝熱効率の点からすれば、プレート元板２を製造するにあたっては、形状パラメータＧ１を４μｍ以上にすることが好ましい。さらに好ましくは、形状パラメータＧ１は１２μｍより大きいことが好ましく、形状パラメータＧ１は１２μｍを超えて８５μｍ以下であることが好ましい。
　さて、凹部６の幅Ｌを小さくすればするほど、形状パラメータＧ１は小さくなる。流体を流したときの温度境界層の観点から考えると、凹部６の幅Ｌが小さ過ぎると伝熱性の低下を招いてしまうことから、凹部６の幅Ｌもある程度確保したほうが良い。即ち、形状パラメータＧ１も、ある程度大きい必要があると思われる。
　このように、温度境界層と凹部６の幅Ｌとの関係性から見ても、形状パラメータＧ１は８５μｍ以下であっても、ある程度確保する必要がある。具体的には、形状パラメータＧ１は、上述したように４μｍ以上にする必要があると考えられる。形状パラメータＧ１を４μｍ～８５μｍ内のいずれかの値とし、前述したように、凸部５の高さＲｚを十点平均粗さＲｚを５μｍ以上且つ（平板材の厚み×０．１）μｍとすることで、必然的に凹部６の幅Ｌ（または凸部５のピッチＰ）が決定される（割り出すことができる）。
　加えて、後工程で実施されるプレス作業での加工性や凸部５の変形防止を考えるのであれば、プレート元板２における圧着面積比Ｓが、図２（ａ）の凹凸形状においては、式（１）を満たすことが好ましい。
平板材（チタン）の降伏応力σｙ＞プレス時に凸部にかかる面圧（Ｐ／Ｓ）・・・（１）
ここで、Ｓ１＝Ｐ・Ｐ・tan(θ／１８０・π)／４
Ｓ２＝π／４・Ｄ・Ｄ／２
Ｓ＝圧着面積比＝Ｓ２／Ｓ１
Ｐ＝プレス加工時の荷重
式（１）のＳ１は、図２における平面の面積（図２に示した直線Ａ及び直線Ｂにて囲まれる三角形の面積）である。式（２）のＳ２は、図２における凸部の面積（前述の三角形内に存在する凸部の面積）である。
　このように、チタン製であって、形状パラメータＧ１が４μｍ～８５μｍとなるような凹凸が表面に形成されている元板材２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、熱交換器を構成する熱交換用プレート４を製造することができる。このようにして製造された熱交換用プレート４は、熱交換率が１．０５以上であって伝熱性が非常に優れたものとなり、この熱交換用プレート４が組み込まれた熱交換器は、熱交換効率の非常に高いものとなる。
　ところで、上記したプレート元板２は、図７に示すような加工装置１０を用いて形成することができる。この加工装置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、平板材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、移送されている平板材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。具体的には、加工ロール１２は、加工後のプレート元板２において形状パラメータＧ１が４μｍ～８５μｍとなるように、平板材１の表面１ａに凸部５及び凹部６を形成するものである。即ち、加工ロール１２には、形状パラメータＧ１が４μｍ～８５μｍとなるように、凸部５及び凹部６を形成させるための、凸部５の高さＲｚ、凹部６の幅Ｌ、隣り合う凸部のピッチＰが設定されている。
　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がエッチングや放電ダルにより形成されている。加工部１４の高さは、加工後におけるプレート元板２における凸部５の高さＲｚが５μｍ以上となり、且つ、（平板材の厚みｔ×０．１）μｍ以下となるように設定されている。加工ロール１２の表面層は、耐荷重性や耐摩耗性の観点より、Ｃｒメッキ又はタングステンカーバイト処理を行うとよい。
　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、平板材１の表面に押しつけることによって、当該平板材１の表面に加工部１４を反転した形状と同じ凸部５及び凹部６を形成できる。即ち、加工装置１０によって、形状パラメータＧ１が４μｍ～８５μｍ以下となり、高さＲｚが５μｍ以上且つ板厚ｔに対して１０％以下となる凹凸を有したプレート元板２を形成することができる。なお、凸部５の形成は、上記した加工装置等の機械加工に限定されず、エッチング処理等の化学的処理でもよい。
　熱交換用プレート４は、本発明のプレート元板２をプレス加工することにより製造されるが、プレート元板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。
　また、プレート元板２に形成した凹凸に関して、形状パラメータＧ１が４μｍ～８５μｍ以下となる範囲は当該プレート元板２の少なくとも一部であればよく、好ましくは全体に亘るのがよい。
［第２実施形態］
　上記第１実施形態と共通する部分は適宜省略しながら、以下、第２実施形態を説明する。
　以降、プレート元板２の表面の凹凸形状の詳細について述べる。
　図８に示すように、プレート元板２の表面２ａに形成された凸部５は、厚み方向（プレート元板２の厚み方向）に起立した側壁７と、側壁７の上端（上縁）を結ぶ表壁８とから構成されている。言い換えれば、凸部５の頂部には平坦部が設けられている。凸部５が円柱形状または円錐形状の場合は、側壁７は１つであるが、凸部５が角柱形状または角錐形状の場合は、側壁７は複数となる。
　図２（ａ）に示すように、プレート元板２の表面２ａに形成された凸部５は、平面視で略円形であって、その直径Ｄは４００μｍ以上とされている。凸部５の平面視での配置は、実施形態１と同じく千鳥状とされ、また、隣り合う凸部５のピッチＰ（凸部５の中心間距離、即ち、表壁８の中心間の距離）は６００μｍ以上が好ましい。
　図２（ｂ）に示すように、第１実施形態と同じく、プレート元板２の表面に形成された凸部５は、略台形状に構成される。十点平均粗さＲｚにて示される凸部５（側壁７）の高さ（高さＲｚ）は５μｍ以上であって、プレート元板２の板厚ｔの１／１０（１０分の１）以下である。プレート元板２の凸部５のＲｚは、例えば、２５μｍ程度（Ｒａで表せば１０μｍ程度）となっている。
　第２実施形態にかかるプレート元板２の凹凸形状に関して、その根拠となる事項を説明する。
　本発明者らは、プレート元板２を製造するにあたって、プレート元板２の表面に形成した凸部５の高さＲｚ、凸部５の数（凹部６の幅Ｌ）、隣り合う凸部のピッチＰ、凸部の角度ηを最適なものとするため、これらを含む凹凸形状の形状パラメータＧ２『凸部５の高さＲｚ×（凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ］）／凸部の角度η』について着目した。
　まず、上述した形状パラメータＧ２のうち、凸部５の高さＲｚを一定として、凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ（Ｌ／Ｐ）を変化させたときを考えると、図４に示すように、Ｌ／Ｐが増加するにしたがって応力集中率が増加する傾向がある。即ち、凹部６の幅Ｌが大きすぎたり、凸部のピッチＰが狭すぎると、応力が集中して、プレス成形（ヘリンボーン等を成形するためのプレス加工）を実施したときなどに割れが発生し易い状況になる。
　一方、上述した形状パラメータＧ２のうち、凸部５の高さＲｚを変化させ、凸部５の高さＲｚを高くした状況を考えると、凹部６の幅Ｌや隣り合う凸部のピッチＰと同様に、プレス成形を実施した際に、不均一な応力分布が発生して応力が高い箇所において割れが発生する恐れがある。
　したがって、プレート元板２のプレス成形性を考えると、凸部５の高さＲｚ又は凹部６の幅Ｌが大きすぎず、凸部のピッチＰが狭すぎないことが最適であって、これらを表すパラメータには上限値があると考えられる。
　図６は、上述した凸部の立ち上がり角度ηを除くパラメータ『凸部５の高さＲｚ×（凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ）』を変化させたときのプレス成形性及び伝熱効率との関係をまとめたものである。図６のプレス成形性のスコアは、下記に示す押し込み量を正規化して表したものである。
　ここで、プレス加工での成形性（プレス成形性）を評価する評価試験は、第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。
　図６に示すように、パラメータが大きくなるにつれてプレス成形性のスコアは低下するものの、パラメータが８５μｍ以下であれば、プレス成形性のスコアを１以上にすることができ、ネッキングの発生を防止しつつ確実なプレス成形を実現できる。
　上述したように、本発明のプレート元板２は、熱交換器を構成するプレートの元となるものであり、熱交換を行う隔壁となるものである。ゆえに、本発明のプレート元板２においては、現実の熱交換器で著しい作用を奏するためには、伝熱効率は１．０５以上あることが望ましい。
　ここで、伝熱効率とパラメータとの関係を考える。例えば、凸部５の高さＲｚを小さくしたり、凹部６の幅Ｌを小さくしたり、凸部のピッチＰを大きくすることによって、パラメータは８５μｍから徐々に小さくなる。図６に示すように、パラメータを徐々に小さくすると伝熱効率も徐々に小さくなり、伝熱効率は、凹凸を形成していない平板に近づくことになる。しかしながら、パラメータが４μｍ以上であれば、現実の熱交換器にて必要とされる伝熱効率（１．０５以上）を確保することができる。したがって、伝熱効率の点からすれば、プレート元板２を製造するにあたっては、『凸部５の高さＲｚ×（凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ）』で示されるパラメータは、４μｍ以上８５μｍ以下にすることが好ましい。
　上述したように、凸部５の高さＲｚ、凹部６の幅Ｌ及び隣り合う凸部のピッチＰを設定することによってプレス成形性が良く、伝熱性に優れたプレート元板２を製造することができる。
　さて、熱交換用プレート４を挟んで裏面（一方側）に温度の高い流体（高温流体）を流し、表面（他方側であって凹凸面を形成した側）に温度の低い流体（低温流体）を流したとする。ここで、低温流体に関しては、気体から液体に変化する（凝縮する）場合もあり、液体のままの場合もある。いずれの場合にしても、熱交換用プレート４の伝熱効率を高めるために、低温流体（液体）側に乱流、強制対流を発生させることが重要である。そこで、さらに、本発明者らは、熱交換用プレートの元材であるプレート元板２を製造するにあたっては、凸部５の高さＲｚ、凹部６の幅Ｌ、凸部５のピッチＰを考慮するだけでなく、凸部５の角度η（側壁７の立ち上がり角度η）をも考慮して、乱流、強制対流を起こしやすい凸部５の形状を検証した。
　図９（ａ）は、凸部５の角度ηが大きい場合の流体の流れを模式的に示したものであり、図９（ｂ）は、図９（ａ）よりも凸部５の角度ηが小さい場合の流体の流れを模式的に示したものである。
　図９（ａ）に示すように、凸部の角度η、言い換えれば、凹部６を構成する底壁６ａと側壁７とのなす角度ηが比較的大きい場合（側壁７がなだらかに立ち上がる場合）、流体は凸部５を乗り越え易く乱流が発生し難い状態となる。一方、図９（ｂ）に示すように、凸部の角度ηが比較的小さい場合（側壁７が急峻に立ち上がる場合）、流体は凸部５に衝突し易く乱流が発生し易い。このように、凸部５の角度ηは、乱流に影響を与えて伝熱性が変化する要因になる。即ち、凸部５の角度ηが大きくなると伝熱性が低下する傾向があり、逆に凸部５の角度ηが小さくなると伝熱性が向上する。このことから、本発明者らは、凸部５の高さＲｚ、凹部６の幅Ｌ、凸部５のピッチＰだけでなく、伝熱性に影響の与える凸部５の角度ηを加えて、より適した形状パラメータＧ２を検討した。
　即ち、上述したパラメータ『凸部５の高さＲｚ×（凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ）』を凸部５の角度ηで割った『凸部５の高さＲｚ×（凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ）／凸部５の角度η（ｄｅｇ）』を形状パラメータＧ２とした。
　図１０は、形状パラメータＧ２と、伝熱性向上率との関係をまとめたものである。
　図１０に示すように、形状パラメータＧ２を増減させたときの、凝縮の伝熱効率の傾向と、強制対流の伝熱効率の傾向とを見てみると、両者の傾向が同じとなる。このことから、上述した形状パラメータＧ２は、凝縮及び強制対流の伝熱特性を表すのに最も適していると言える。
　ここで、さらに、凝縮及び強制対流の伝熱特性をよく表すことができる形状パラメータＧ２に対して、上述したように、基本要求特性であるプレス成形性も考慮する。図１１は、凸部の立ち上がり角度ηを含む形状パラメータＧ２『凸部５の高さＲｚ×（凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ）／凸部５の角度η（ｄｅｇ）』を変化させたときのプレス成形性及び伝熱効率との関係をまとめたものである。
　図１１に示すように、形状パラメータＧ２が大きくなるにつれてプレス成形性のスコアは低下するものの、形状パラメータＧ２が０．９４μｍ／ｄｅｇ以下であれば、プレス成形性のスコアを１以上にすることができ、ネッキングの発生を防止しつつ確実なプレス成形を実現できる。即ち、凝縮及び強制対流をも考慮した形状パラメータが０．９４μｍ／ｄｅｇ以下であれば、ネッキングの発生を防止することができ、プレス成形性が低下するといった状況は回避することができる。
　つまり、『凸部５の高さＲｚ×（凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ）』で示されるパラメータに、凸部の角度ηを掛け合わせた形状パラメータＧ２が０．９４μｍ／ｄｅｇ以下となるように凹凸を形成すれば、伝熱性が非常に優れると共にプレス成形もよいプレート元板２を製造できる。なお、凸部の角度η以外のパラメータで説明したように、形状パラメータＧ２についても下限値を考慮した場合（伝熱効率を１．０５以上を確保する）は、図１１に示すように、形状パラメータＧ２を０．１４μｍ／ｄｅｇ以上にする必要がある。形状パラメータＧ２は０．１６μｍ／ｄｅｇ以上であることが好ましく、さらに好ましくは０．２μｍ／ｄｅｇ以上であることが好ましい。
　したがって、形状パラメータＧ２『凸部５の高さＲｚ×（凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ）／凸部５の角度η（ｄｅｇ）』は０．１４μｍ／ｄｅｇ以上０．９４μｍ／ｄｅｇ以下にすることが好ましい。
　さて、凸部５を形成するにあたって変形防止を考えるのであれば、プレート元板２における圧着面積比Ｓが、図２（ａ）の凹凸形状においては、式（１）を満たすようにすることが好ましい。
　平板材（チタン）の降伏応力σｙ＞プレス時に凸部にかかる面圧（Ｐ／Ｓ）・・・（１）
ここで、Ｓ１＝Ｐ・Ｐ・tan(θ／１８０・π)／４
Ｓ２＝π／４・Ｄ・Ｄ／２
Ｓ＝圧着面積比＝Ｓ２／Ｓ１
Ｐ＝プレス加工時の荷重
　式（１）のＳ１は、図２における平面の面積（図２に示した直線Ａ及び直線Ｂにて囲まれる三角形の面積）である。式（２）のＳ２は、図２における凸部の面積（前述の三角形内に存在する凸部の面積）である。
　このように、チタン製であって、表面に形状パラメータＧ２が０．１４～０．９４μｍ／ｄｅｇとなるような凹凸が形成されている元板材２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、熱交換器を構成する熱交換用プレート４を製造できる。このようにして製造された熱交換用プレート４は、伝熱性が非常に優れたものとなり、気液用の熱交換用プレートとして用いると共に液液用の熱交換用プレートとしても用いることができる。
　ところで、上記したプレート元板２は、第１実施形態と同じく、図７に示すような加工装置１０を用いて形成することができる。加工ロール１２には、形状パラメータＧ２が０．１４～０．９４μｍ／ｄｅｇとなるように、凸部５及び凹部６を形成するための、凸部５の高さＲｚ、凹部６の幅Ｌ、隣り合う凸部のピッチＰ、凸部の角度ηが設定されている。
[第３実施形態]
　上述した第２実施形態では、凸部の立ち上がり角度ηを含む形状パラメータＧ２について０．１４～０．９４μｍ／ｄｅｇとしていたが、第３実施形態では、形状パラメータＧ２について、さらに、実験等により検証を進めた。なお、第２実施形態と同じ構成については説明を省略する。
　図１２は、凸部の立ち上がり角度ηを含む形状パラメータＧ２『凸部５の高さＲｚ×（凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ）／凸部５の角度η（ｄｅｇ）』を変化させたときのプレス成形性及び伝熱効率との関係をまとめたものである。
　図１２に示すように、形状パラメータＧ２が大きくなるにつれてプレス成形性のスコアは低下するものの、形状パラメータＧ２が０．９４μｍ／ｄｅｇ以下であれば、プレス成形性のスコアを１以上にすることができ、ネッキングの発生を防止しつつ確実なプレス成形を実現できる。即ち、凝縮及び強制対流をも考慮した形状パラメータＧ２が０．９４μｍ／ｄｅｇ以下であれば、ネッキングの発生を防止することができ、プレス成形性が低下するといった状況は回避できる。つまり、検証を進めた結果、形状パラメータＧ２の上限値については、０．９４μｍ／ｄｅｇ以下にする必要があり、第３実施形態においても第２実施形態と同じ結果となった。
　さて、熱交換用プレート４を様々な用途で用いる場合は、上述したように伝熱効率を１．０５以上とすることが必要である。しかしながら、例えば、熱交換プレート４を気液用の熱交換用プレートや液液用の熱交換用プレートとしても用いる場合は、伝熱効率を１．０３以上確保すればよいとされている。図１２に示すように、形状パラメータＧ２を０．０２８μｍ／ｄｅｇ以上にすれば、伝熱効率を１．０３以上にすることができるため、形状パラメータＧ２の下限値は０．０２８μｍ／ｄｅｇであることが好ましい。なお、図１２に示す強制対流の「●」と、凝縮の「○」とは重複していて略同じ値である。
　また、プレート元板２を製造するに際しては、形状パラメータＧ２が０．０２８～０．９４μｍ／ｄｅｇとなるように、加工装置１０（加工ロール１２）を用いて凹凸を形成すればよい。製造方法の詳細については、上記各実施形態と同じであるため、説明を省略する。
　また、プレート元板２に形成した凹凸に関して、形状パラメータＧ２が０．１４～０．９４μｍ／ｄｅｇとなる範囲は当該プレート元板２の少なくとも一部であればよく、好ましくは全体に亘るのがよい。
　以上、本発明の各実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能である。本出願は２０１１年９月１６日出願の日本特許出願（特願２０１１－２０３４２２）、２０１１年９月１６日出願の日本特許出願（特願２０１１－２０３４２３）、２０１１年１１月１０日出願の日本特許出願（特願２０１１－２４６５７４）および２０１１年１２月２７日出願の日本特許出願（特願２０１１－２８４６０５）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　本発明の熱交換用プレートの元板材及びこれを用いた熱交換用プレートは、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及びこれを用いた熱交換用プレートとして好適である。
１　平板材
１ａ　平板材の表面
２　プレート元板（元板材）
２ａ　プレート元板の表面
３　溝
４　熱交換用プレート
５　凸部
６　凹部
７　側壁
８　表壁
１０　加工装置
１１　移送ロール
１２　加工ロール
１３　支持ロール

Claims (10)

  1. 　プレス加工が施された後に熱交換用プレートとなる元板材であって、素材としての金属製の平板材の表面に微細な凹凸が形成されていて、前記凹凸が、凸部の高さ（μｍ）×［凹部の幅（μｍ）／隣り合う凸部のピッチ（μｍ）］で定義される形状パラメータＧ１が８５μｍ以下となる範囲であることを特徴とする熱交換用プレートの元板材。
  2. 　前記形状パラメータＧ１が４μｍ以上となるように、前記元板材の表面に前記凹凸を形成していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換用プレートの元板材。
  3. 　前記凸部は平面視で円形状であって、平板材の表面に千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換用プレートの元板材。
  4. 　前記凸部の高さは、十点平均粗さＲｚが５μｍ以上であって、０．１×平板材の厚み（μｍ）以下とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換用プレートの元板材。
  5. 　前記熱交換用プレートの元板材をプレス加工して形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換用プレート。
  6. 　プレス加工が施された後に熱交換用プレートとなる元板材であって、素材としての金属製の平板材の表面に微細な凹凸が形成されていて、前記凹凸が、凸部の高さ（μｍ）×［凹部の幅（μｍ）／隣り合う凸部のピッチ（μｍ）／凸部の角度（ｄｅｇ）］で定義される形状パラメータＧ２が０．９４μｍ／ｄｅｇ以下となる範囲であることを特徴とする熱交換用プレートの元板材。
  7. 　前記形状パラメータＧ２が０．１４μｍ／ｄｅｇ以上となるように、前記元板材の表面に前記凹凸を形成していることを特徴とする請求項６に記載の熱交換用プレートの元板材。
  8. 　前記形状パラメータＧ２が０．０２８μｍ／ｄｅｇ以上となるように、前記元板材の表面に前記凹凸を形成していることを特徴とする請求項６に記載の熱交換用プレートの元板材。
  9. 　前記凸部の高さは、十点平均粗さＲｚが５μｍ以上であって、０．１×平板材の厚み（μｍ）以下とされていることを特徴とする請求項６～８のいずれか１項に記載の熱交換用プレートの元板材。
  10. 　前記熱交換用プレートの元板材をプレス加工して形成されていることを特徴とする請求項６～８のいずれか１項に記載の熱交換用プレート。
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