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
【課題】伝熱性が非常に優れた凹凸が表面に形成されると共に、プレス加工を経ることで熱交換用のプレートに成形される「熱交換用のプレートの元板材」、及び、係る「熱交換用のプレートの元板材」の製造方法を提供する。
【解決手段】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、後処理として当該平板材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となる元板材であって、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が０．９４以下となるように、元板材の表面の凹凸が設定されている。
【解決手段】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、後処理として当該平板材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となる元板材であって、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が０．９４以下となるように、元板材の表面の凹凸が設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２３９７４４号公報
【特許文献２】特開２００９−１９２１４０号公報（例えば、図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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が０．９４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。
【０００９】
前記形状パラメータが０．１４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が好ましい。
前記形状パラメータが０．０２８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が好ましい。
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が好ましい。
【００１０】
さらに、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が０．９４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。
【００１１】
前記形状パラメータが０．１４以上となるように、前記元板材の表面に前記凹凸を形成することが好ましい。
前記形状パラメータが０．０２８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が好ましい。
また、前記凸部を平面視で円形状に形成すると共に、平板材の表面に千鳥配置で形成することが好ましい。
【００１２】
さらに、前記凸部の高さが、十点平均粗さＲｚが５μｍ以上であって、０．１×平板材の厚みμｍ以下となるように、平板材の表面に凸部を形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】熱交換用プレートの製造方法を示したものである。
【図２】凸部の形状を説明する説明図である。
【図３】元板材の表面に形成した凸部の配置図である。
【図４】元板材の表面に形成した凸部の別の配置図である。
【図５】Ｌ×Ｒｚ／Ｐと応力集中率との関係を示した図である。
【図６】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。
【図７】凸部の角度ηと流体の流れとの関係を示した図である。
【図８】形状パラメータと、伝熱性向上率との関係を示した図である。
【図９】形状パラメータと、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。
【図１０】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。
【図１１】プレス成形性スコアを算出するための参考図である。
【図１２】形状パラメータと、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。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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）に起立した複数の側壁７と、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の頂部には平坦部が設けられている。凸部５が円柱形状乃至は円錐形状の場合は、側壁７は１つであるが、角柱形状乃至は角錐形状の場合は、側壁７は複数となる。
【００１９】
図３（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との平面角度θが６０°となるように凸部５を配置してもよい。
【００２０】
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（隣合う凸部５の側壁７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（隣合う凸部５の側壁７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。
【００２１】
図３（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、即ち、上壁８の中心間の距離）は６００μｍ以上が好ましい。
図３（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。十点平均粗さＲｚにて示される凸部５（上壁８、即ち、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。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。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４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との平面角度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。
【００２４】
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、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『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。
【００２５】
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５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。
【００２６】
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、これらを表すパラメータには上限値があると考えられる。
【００２７】
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。
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１１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。
【００２８】
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。即ち、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。
【００２９】
上述したように、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。
【００３０】
ここで、伝熱効率とパラメータとの関係を考える。図６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、パラメータは８５μｍから徐々に小さくなる。このように、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。
【００３１】
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、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）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。
【００３２】
図７（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７（ｂ）は、図７（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７（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７（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ことになる。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とから、発明者らは、形状パラメータに、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、最適な形状パラメータを検討した。
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）』を形状パラメータとした。
【００３３】
図８は、形状パラメータと、伝熱性向上率との関係をまとめたものである。
図８に示すように、形状パラメータ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とから上述した形状パラメータは、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に対して、上述したようにプレス成形性も考慮する。図９は、凸部の立ち上がり角度ηを含む形状パラメータ『凸部５の高さＲｚ×（凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ）／凸部５の角度（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。
【００３４】
図９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０．９４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。
【００３５】
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が０．９４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を製造することができる。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９に示すように、形状パラメータは０．１４μｍ／ｄｅｇ以上にする必要がある。形状パラメータは０．１６以上であることが好ましく、さらに好ましくは０．２以上であることが好ましい。
【００３６】
したがって、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）／凸部５の角度（ｄｅｇ）』は０．１４以上０．９４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３（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。
【００３７】
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３における平面の面積（図３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３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。
【００３８】
このように、チタン製であって、表面に形状パラメータが０．１４〜０．９４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、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。
【００３９】
ところで、上記したプレート元板２は、図１０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。
【００４０】
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０．１４〜０．９４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０．１４〜０．９４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、凸部の角度ηが設定されている。
【００４１】
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。
【００４２】
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０．１４〜０．９４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。
【００４３】
[第２実施形態]
上述した第１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について０．１４〜０．９４としていたが、第２実施形態では、形状パラメータについて、さらに、実験等により検証を進めた。なお、第１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『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（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。
【００４４】
図１２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０．９４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。つまり、検証を進めた結果、形状パラメータの上限値については、０．９４以下にする必要があり、第２実施形態においても第１実施形態と同じ結果となった。
【００４５】
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が、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、形状パラメータを０．０２８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、形状パラメータの下限値は０．０２８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。
【００４６】
また、プレート元板２を製造するに際しては、形状パラメータが０．０２８〜０．９４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く、製造方法の詳細については、第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。
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。
【００４７】
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０．１４〜０．９４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。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
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。
【符号の説明】
【００４９】
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２３９７４４号公報
【特許文献２】特開２００９−１９２１４０号公報（例えば、図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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が０．９４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。
【０００９】
前記形状パラメータが０．１４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が好ましい。
前記形状パラメータが０．０２８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が好ましい。
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が好ましい。
【００１０】
さらに、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が０．９４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。
【００１１】
前記形状パラメータが０．１４以上となるように、前記元板材の表面に前記凹凸を形成することが好ましい。
前記形状パラメータが０．０２８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が好ましい。
また、前記凸部を平面視で円形状に形成すると共に、平板材の表面に千鳥配置で形成することが好ましい。
【００１２】
さらに、前記凸部の高さが、十点平均粗さＲｚが５μｍ以上であって、０．１×平板材の厚みμｍ以下となるように、平板材の表面に凸部を形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】熱交換用プレートの製造方法を示したものである。
【図２】凸部の形状を説明する説明図である。
【図３】元板材の表面に形成した凸部の配置図である。
【図４】元板材の表面に形成した凸部の別の配置図である。
【図５】Ｌ×Ｒｚ／Ｐと応力集中率との関係を示した図である。
【図６】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。
【図７】凸部の角度ηと流体の流れとの関係を示した図である。
【図８】形状パラメータと、伝熱性向上率との関係を示した図である。
【図９】形状パラメータと、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。
【図１０】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。
【図１１】プレス成形性スコアを算出するための参考図である。
【図１２】形状パラメータと、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。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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）に起立した複数の側壁７と、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の頂部には平坦部が設けられている。凸部５が円柱形状乃至は円錐形状の場合は、側壁７は１つであるが、角柱形状乃至は角錐形状の場合は、側壁７は複数となる。
【００１９】
図３（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との平面角度θが６０°となるように凸部５を配置してもよい。
【００２０】
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（隣合う凸部５の側壁７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（隣合う凸部５の側壁７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。
【００２１】
図３（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、即ち、上壁８の中心間の距離）は６００μｍ以上が好ましい。
図３（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。十点平均粗さＲｚにて示される凸部５（上壁８、即ち、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。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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。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４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との平面角度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。
【００２４】
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、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『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。
【００２５】
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５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。
【００２６】
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、これらを表すパラメータには上限値があると考えられる。
【００２７】
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。
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１１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。
【００２８】
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。即ち、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。
【００２９】
上述したように、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。
【００３０】
ここで、伝熱効率とパラメータとの関係を考える。図６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、パラメータは８５μｍから徐々に小さくなる。このように、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。
【００３１】
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、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）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。
【００３２】
図７（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７（ｂ）は、図７（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７（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７（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ことになる。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とから、発明者らは、形状パラメータに、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、最適な形状パラメータを検討した。
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）』を形状パラメータとした。
【００３３】
図８は、形状パラメータと、伝熱性向上率との関係をまとめたものである。
図８に示すように、形状パラメータ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とから上述した形状パラメータは、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に対して、上述したようにプレス成形性も考慮する。図９は、凸部の立ち上がり角度ηを含む形状パラメータ『凸部５の高さＲｚ×（凹部６の幅Ｌ／隣り合う凸部のピッチＰ）／凸部５の角度（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。
【００３４】
図９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０．９４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。
【００３５】
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が０．９４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を製造することができる。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９に示すように、形状パラメータは０．１４μｍ／ｄｅｇ以上にする必要がある。形状パラメータは０．１６以上であることが好ましく、さらに好ましくは０．２以上であることが好ましい。
【００３６】
したがって、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）／凸部５の角度（ｄｅｇ）』は０．１４以上０．９４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３（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。
【００３７】
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３における平面の面積（図３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３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。
【００３８】
このように、チタン製であって、表面に形状パラメータが０．１４〜０．９４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、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。
【００３９】
ところで、上記したプレート元板２は、図１０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。
【００４０】
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０．１４〜０．９４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０．１４〜０．９４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、凸部の角度ηが設定されている。
【００４１】
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。
【００４２】
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０．１４〜０．９４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。
【００４３】
[第２実施形態]
上述した第１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について０．１４〜０．９４としていたが、第２実施形態では、形状パラメータについて、さらに、実験等により検証を進めた。なお、第１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『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（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。
【００４４】
図１２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０．９４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。つまり、検証を進めた結果、形状パラメータの上限値については、０．９４以下にする必要があり、第２実施形態においても第１実施形態と同じ結果となった。
【００４５】
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が、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、形状パラメータを０．０２８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、形状パラメータの下限値は０．０２８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。
【００４６】
また、プレート元板２を製造するに際しては、形状パラメータが０．０２８〜０．９４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く、製造方法の詳細については、第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。
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。
【００４７】
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０．１４〜０．９４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。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
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。
【符号の説明】
【００４９】
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
【特許請求の範囲】
【請求項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が０．９４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。
【請求項２】
前記形状パラメータが０．１４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。
【請求項３】
前記形状パラメータが０．０２８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。
【請求項４】
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１〜３のいずれかに記載の熱交換用プレートの元板材。
【請求項５】
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１〜４のいずれかに記載の熱交換用プレートの元板材。
【請求項６】
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が０．９４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。
【請求項７】
前記形状パラメータが０．１４以上となるように、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請求項６に記載の熱交換用プレートの元板材の製造方法。
【請求項８】
前記形状パラメータが０．０２８以上となるように、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請求項６に記載の熱交換用プレートの元板材の製造方法。
【請求項９】
前記凸部を平面視で円形状に形成すると共に、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６〜８のいずれかに記載の熱交換用プレートの元板材の製造方法。
【請求項１０】
前記凸部の高さが、十点平均粗さＲｚが５μｍ以上であって、０．１×平板材の厚みμｍ以下となるように、平板材の表面に凸部を形成することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の熱交換用プレートの元板材の製造方法。
【請求項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が０．９４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。
【請求項２】
前記形状パラメータが０．１４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。
【請求項３】
前記形状パラメータが０．０２８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。
【請求項４】
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１〜３のいずれかに記載の熱交換用プレートの元板材。
【請求項５】
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１〜４のいずれかに記載の熱交換用プレートの元板材。
【請求項６】
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が０．９４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。
【請求項７】
前記形状パラメータが０．１４以上となるように、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請求項６に記載の熱交換用プレートの元板材の製造方法。
【請求項８】
前記形状パラメータが０．０２８以上となるように、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請求項６に記載の熱交換用プレートの元板材の製造方法。
【請求項９】
前記凸部を平面視で円形状に形成すると共に、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６〜８のいずれかに記載の熱交換用プレートの元板材の製造方法。
【請求項１０】
前記凸部の高さが、十点平均粗さＲｚが５μｍ以上であって、０．１×平板材の厚みμｍ以下となるように、平板材の表面に凸部を形成することを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の熱交換用プレートの元板材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−７６５５１（Ｐ２０１３−７６５５１Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８４６０５（Ｐ２０１１−２８４６０５）
【出願日】平成２３年１２月２７日（２０１１．１２．２７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月２７日（２０１１．１２．２７）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]