JP5208260B2 - 熱交換用プレートの元板材、及び熱交換用プレートの元板材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換用プレートの元板材、及び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の元板材、及びこの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。
すなわち、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チタン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、凸部は平面視で円形状であってその直径は４００μｍ以上とされ、前記凸部の高さは十点平均粗さが５μｍ以上であって、０．１×平板材の厚みμｍ以下とされ、隣り合う凸部のピッチが６００μｍ以上とされ、凹部の幅は２００μｍ以上とされており、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が４μｍ以上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点にある。

前記凸部は、平板材の表面に千鳥状に配置されていることが好ましい。

また、本発明における熱交換用プレートの元板材の製造方法は、表面に微細な凹凸が形成されたチタン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の製造方法であって、前記凹凸に関し、凸部は平面視で円形状であってその直径は４００μｍ以上とされ、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、隣り合う凸部のピッチが６００μｍ以上とされ、凹部の幅は２００μｍ以上とされ、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が４μｍ以上８５μｍ以下となるように、前記元板材の表面に前記凹凸を形成する点にある。

前記凸部を、平板材の表面に千鳥配置で形成することが好ましい。

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された凹凸形状を示した図である。 元板材の表面に形成された別の凹凸形状を示した図である。 Ｌ×Ｒｚ／Ｐと応力集中率との関係を示した図である。 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。 プレス成形性スコアを算出するための参考図である。

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。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、ヘリンボーンと言われる山形の溝３を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とこの凸部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、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、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おり、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。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とは、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とは、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（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）。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上壁８と、この上壁８の上縁を水平に結ぶ表壁９とから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（上壁８）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ため、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。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、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）Ｃ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）Ｄとの角度θが４５°となるように凸部５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。
発明者は、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『［凸部５の高さＲｚ×（凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ］）』について着目した。

まず、上述した形状パラメータのうち、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は狭すぎないことが最適であって、これらを表す形状パラメータには上限値があると考えられる。

そこで、本願出願人らは、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『［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７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、各金型で元プレート元板２にヘリンボーン３を成形高さが０．１ｍｍ毎に異なる条件で成形して熱交換用プレート４を複数枚作成する。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５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願発明者らは確認している。

図５に示すように、形状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、形状パラメータが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できる。即ち、形状パラメータが８５μｍ以下であれば、ネッキングの発生を防止して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。

なお、形状パラメータが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を製造することができるようになることを本願発明者らは実験等により確認している。
上述したように、形状パラメータが８５μｍ以下であれば、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よりも大きいことが必要であるが、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との関係を考える。図５に示すように、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、形状パラメータは８５μｍから徐々に小さくなる。このように、形状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、形状パラメータが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、形状パラメータを４μｍ以上にすることが好ましい。さらに好ましくは、形状パラメータは１２μｍより大きいことが好ましく、形状パラメータは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、形状パラメータは８５μｍ以下であっても、ある程度確保する必要があり、具体的には、形状パラメータは、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が５μｍ〜０．１×平板材の厚みμｍとすることで、必然的に凹部６の幅Ｌ乃至は凸部５ピッチは決定する（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凹凸部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が４μｍ〜８５μｍ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６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、０．１×平板材の厚み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、凹部６を形成できる。即ち、加工装置１０によって、形状パラメータが４μｍ〜８５μｍ以下となり、高さＲｚが５μｍ以上で且つ板厚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、上記した加工装置に限定されない。

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、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。

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）
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
８ 上壁
９ 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 (4)

1. 表面に微細な凹凸が形成されたチタン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、凸部は平面視で円形状であってその直径は４００μｍ以上とされ、前記凸部の高さは十点平均粗さが５μｍ以上であって、０．１×平板材の厚みμｍ以下とされ、隣り合う凸部のピッチが６００μｍ以上とされ、凹部の幅は２００μｍ以上とされており、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が４μｍ以上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ことを特徴とする熱交換用プレートの元板材。
2. 前記凸部は、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に記載の熱交換用プレートの元板材。
3. 表面に微細な凹凸が形成されたチタン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の製造方法であって、
   前記凹凸に関し、凸部は平面視で円形状であってその直径は４００μｍ以上とされ、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、隣り合う凸部のピッチが６００μｍ以上とされ、凹部の幅は２００μｍ以上とされ、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が４μｍ以上８５μｍ以下となるように、前記元板材の表面に前記凹凸を形成することを特徴とする熱交換用プレートの元板材の製造方法。
4. 前記凸部を、平板材の表面に千鳥配置で形成することを特徴とする請求項３に記載の熱交換用プレートの元板材の製造方法。