JP5839945B2 - 熱交換用プレートの元板材 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換用プレートの元板材に関する。

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、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のが実情である。
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プレートの元板材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、表面に微細な凸部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、前記凸部は複数の側壁を備えていると共に、平面視で少なくとも１つ以上の頂部が形成されおり、前記複数の側壁のうち、一の側壁とこの側壁に隣接する側壁との交差部分が前記頂部を形成していることを特徴とする。

好ましくは、前記凸部は、平面視で多角形に形成されているとよい。
好ましくは、前記一の側壁とこの側壁に隣接する側壁とから構成される頂部の角度は、１４０度（ｄｅｇ）以下であるとよい。
本発明の熱交換用プレートとなる元板材の最も好ましい形態は、表面に微細な凸部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、前記凸部は、平面視で前記平板上に、凸部間ピッチの半分の位置に、交互に凸部を並べた配置である千鳥状に配置され、前記凸部の高さは、十点平均荒さＲｚで、５μｍ以上、且つ「０．１×平板材の厚み」で求められる値以下であるとされ、前記凸部は複数の側壁を備えていると共に、平面視で少なくとも１つ以上の頂部が形成されており、前記凸部は、平面視で角の数が３〜６の多角形であり、前記凸部の上縁の全長さに対して前記頂部が略均等に配置されていて、前記複数の側壁のうち、一の側壁とこの側壁に隣接する側壁との交差部分が前記頂部を形成することで、核沸騰を発生し易くする構成とされていることを特徴とする。

本発明によれば、核沸騰が発生し易くなると共に伝熱性を非常に優れたものとすることができる。

熱交換用プレートの製造方法を示したものである。 凸部の形状を説明する説明図である。 凸部の頂部と核沸騰との関係を示した関係図である。 凹凸の形状と伝熱効率との関係図である。 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。 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。

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。本発明の熱交換用プレートは、後述するように、特に、液体から気体に変化させつつ熱伝達を行う蒸発熱交換用のプレートとして優れている。

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）は凸部の斜視図であり、図２（ｂ）は凸部の平面図（上から見た図）である。図２（ａ）、（ｂ）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、平面視で多角形に形成されたものである。好ましくは、平面視で正多角形（例えば、正六角形など）に形成される。

六角形の凸部５では、厚み方向（プレート元板２の厚み方向）に起立した６個の側壁７と、６個の側壁７のそれぞれの上端（上縁）を結ぶ上壁８とから構成されている。言い換えれば、凸部５の頂部（凸部５を側面視したときの頂きの部分）には平坦部が設けられている。なお、凸部５は、六角形に限らず、三角形でも五角形でもよく、七角形以外であってもよい。さらに、側壁７は底部に対して９０度となるように起立するのが好ましいが、傾斜していてもよい。

詳しくは、凸部５の形状を見てみると、複数の側壁７のうち、一方の側壁７ａ（第１側壁という）と、第１側壁７ａに隣接する他方の側壁７ｂ（第２側壁という）との交差部分には、平面視で見ると尖った部分（頂部９）が形成されている。この頂部９は、核沸騰を発生し易くするためのものであって、本発明では、プレート元板２の表面２ａに形成された凸部５に、平面視で、少なくとも１つ以上の頂部９を設けることとしている。

次に、頂部９について詳しく説明する。
図３は、頂部と核沸騰との関係を示したものである。
図３（ａ）に示すように、本発明のように、凸部５を複数の側壁７から構成して、側壁７同士が交差する交差部分に頂部９を形成して、全体として凸部５を六角形にしたとする。このような凸部５に通して沸騰させた場合、初期沸騰状態では各側壁７の底部に気泡Ａが発生していき、次第に沸騰促進状態になる。

沸騰促進状態では、各側壁７の底部に形成されたそれぞれの気泡Ａが成長し核沸騰が発生し易い状態となる。ここで、隣り合う側壁７（第１側壁７ａや第２側壁７ｂ）に形成されたそれぞれの気泡Ａは、頂部９が邪魔となる（障害となる）ために合体し難く、気泡Ａ間にスペースができ、気泡Ａによって核沸騰を維持することができる。
一方、図３（ｂ）に示すように、凸部５を１つの側壁７、つまり、円形状に形成して頂部９を形成しなかった場合、初期沸騰状態では側壁７の周りに気泡Ａが発生するものの、沸騰促進状態では、邪魔になるものが存在しないため側壁７の周りにできた気泡Ａが合体して１つの大きなものとなる。その結果、凸部５が頂部９の無い円形状では、膜沸騰状態となってしまうため、核沸騰状態にすることができない。

また、図３（ｃ）に示すように、凸部５を長い形状（凹部６から見れば溝形状）にした場合、初期沸騰状態では長い側壁７の周りに気泡Ａが発生するものの、沸騰促進状態では、長い側壁７の周りにできた気泡Ａが合体して、円形状と同様に大きな気泡となる。その結果、凸部５に頂部９があったとしても、頂部９を構成する側壁７が非常に長いと、膜沸騰状態となってしまうため、核沸騰状態にすることができない。

つまり、平面視において、凸部５の周長（凸部５の上縁の全長さ）を考えた場合、周長全体に対して頂部９が均等に配置されている（頂部９と頂部９との間が極端に離れていない）ようにするとよい。これにより、側壁７に大きな気泡Ａをできるのを防止することができ、核沸騰が発生し易い状態にすることができる。なお、頂部９に関する均等配置は、幾何学的に厳密な均等に限定されるものではない。頂部９同士を結ぶ各辺の長さが若干異なっていてもよい。

図４は、凹凸の形状と伝熱効率（蒸発の伝熱効率）とをまとめたものである。図４では、四角形の凸部５を備えたプレート（角形状）と、図３（ｂ）に示した円形状の凸部５を備えたプレート（円形状）と、図３（ｃ）に示した長い凸部５を備えたプレート（溝形状）の３種類を用意し、各プレートを用いて液体から気体に蒸発させたときの伝熱効率をまとめたものである。凹凸を全く形成していないプレート（平板）の伝熱効率を基準（図４の縦軸の０％）とした。

図４に示すように、溝形状のプレートでは平板に対して１９％の伝熱効率の向上があり、円形状のプレートでは平板に対して２５％の伝熱効率あったものの、角形状のプレートは平板に対して３７％もの伝熱効率の向上があり、最も伝熱効率が向上していて熱交換用プレートとして十分に伝熱性が非常に優れたものであった。角形状のプレートでは、伝熱効率が３７％向上しているため、このプレートを用いて熱交換器を作成した場合、全体のプレートの材料を少なくすることができ、円形状のプレートと比べると１２％（３７％−２５％＝１２もの材料低減をすることができる。しかも、蒸発用の熱交換用プレート（気液用の熱交換用プレート）は、少なくとも５％以上の伝熱効率が望まれていて、本発明のプレートは十分にその条件を満たしている。

特に、頂部９を形成するに際しては、隣接する側壁７同士の気泡Ａを合体しないようにするため、図２（ａ）に示すように、第１側壁７ａと第２側壁７ｂとの交差部分において、その交差部分の下端から上端までの全域に亘って尖っている頂部９を形成することが好ましい。加えて、頂部９の角度φ（平面角度）は１４０度以下とすることが好ましい。言い換えれば、凸部５の上壁８を平面視したとき、上壁８の一辺（第１側壁７ａの上端）と、この一辺に隣接する他辺（第２側壁７ｂの上端）とのなす角度φが１４０度以下とするのがよく、特に、１２０度以下にすると、伝熱性が非常に優れたものにすることができる。つまり、側壁７の数を増加させることによって各側壁７に数多くの気泡Ａが発生するようにし、且つ、各側壁７に発生した気泡Ａが近くの他の気泡Ａと合体し難いように角度φを設定すれば、１つの凸部５における核沸騰の発生効率を向上させることができる。なお、上述した角度φは、幾何学的に定義されるものであって、第１側壁７ａの上端と第２側壁７ｂの上端との全体を見たときに、両者で形成される辺の角度が１４０度以下であればよい。

まとめると、凸部５に関し、第１側壁７ａとこれに隣接する第２側壁７ｂとの交差部分に、平面視で少なくとも１つ以上の頂部９を形成することによって、核沸騰が発生し易くすると共に伝熱性が非常に優れたものとすることができる。
このように、凸部５に頂部９を形成することによって核沸騰をさせやすくすることができるが、プレート元板２の凸部５の全体を下記に示すようにすることによって、さらに伝熱性や加工性等の優れたプレートを構成することができる。

図５は、プレート元板２に形成した凸部５の全体を示したものである。凸部５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。
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との配置角度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。なお、凸部５の配置については、図６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との配置角度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。

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５（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５（ｂ）に示すように、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。したがって、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にすることが好ましい。

なお、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、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、凸部５を形成させるための、凸部５の形状及び頂部９の形状、凸部５の高さＲｚ、凹部６の幅Ｌ、隣り合う凸部のピッチＰ等が設定されている。
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１０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、プレート元板２の全面に亘り形成されることが好ましいが、所望とする熱伝達率を得られるのであれば、プレート元板２の少なくとも一部に形成されていてもよい。

本発明の熱交換用プレートの元板材は、核沸騰促進効果によって蒸発用の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
７ 側壁
８ 上壁
９ 頂部
１０ 加工装置
１１ 移送ロール
１２ 加工ロール
１３ 支持ロール

Claims (1)

1. 表面に微細な凸部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、
   前記凸部は、平面視で前記平板上に、凸部間ピッチの半分の位置に、交互に凸部を並べた配置である千鳥状に配置され、前記凸部の高さは、十点平均荒さＲｚで、５μｍ以上、且つ「０．１×平板材の厚み」で求められる値以下であるとされ、
   前記凸部は複数の側壁を備えていると共に、平面視で少なくとも１つ以上の頂部が形成されており、
   前記凸部は、平面視で角の数が３〜６の多角形であり、前記凸部の上縁の全長さに対して前記頂部が略均等に配置されていて、
   前記複数の側壁のうち、一の側壁とこの側壁に隣接する側壁との交差部分が前記頂部を形成することで、核沸騰を発生し易くする構成と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。