(57)【要約】【課題】熱交換器用放熱材料への成形加工が容易で、熱伝達効率が高い伝熱部材を提供する。【解決手段】プレス成型可能な薄い金属材の表面に圧痕により形成された複数の微小凹凸部８を有する伝熱部材３であり、微小凹凸部８は、凹凸が前記薄い金属材に表裏一体として形成されている。微小凹凸部８の開口部直径（Ｌｏ）が０．０１〜１ｍｍ、かつ深さ（ｄ）が０．０１〜１ｍｍ、開口部直径（Ｌｏ）に対する深さ（ｄ）の比（ｄ／Ｌｏ）が０．０１〜１．０である。微小凹凸部８は、ビーズを包含する塗膜により形成された微小凸部を有するロール４によりプレス成型したものである。加工性に優れるため、種々の熱交換器の熱交換器用放熱部材として加工できる。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレス成型可能な薄い金属材の表面に圧痕により形成された複数の微小凹凸部を有する伝熱部材であって、
前記微小凹凸部は、凹凸が前記薄い金属材に表裏一体として形成され、
開口部直径（Ｌｏ）が０．０１〜１ｍｍ、かつ深さ（ｄ）が０．０１〜１ｍｍであることを特徴とする伝熱部材。
【請求項２】
前記微小凹凸部は、開口部が底部より大きな形状であることを特徴とする請求項１に記載の伝熱部材。
【請求項３】
前記微小凹凸部は、開口部直径（Ｌｏ）に対する深さ（ｄ）の比（ｄ／Ｌｏ）が０．０１〜１．０であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の伝熱部材。
【請求項４】
前記微小凹凸部は、ビーズを包含する塗膜により形成された微小凸部を有するロールにより、プレス成型したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載した伝熱部材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載した伝熱部材を成形加工した熱交換器用放熱部材であって、
成形加工後の微小凹凸部は、開口部直径（Ｌｏ）が０．０１〜１ｍｍ、かつ深さ（ｄ）が０．０１〜０．１ｍｍであることを特徴とする熱交換器用放熱部材。
【請求項６】
請求項５に記載した熱交換器用放熱部材を放熱フィンに用いた熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、熱交換器用放熱部材に用いられる伝熱部材及びその伝熱部材を製造する方法、並びに伝熱部材を加工した熱交換器用放熱部材を用いた熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器に組み込まれる放熱部材は高い伝熱性を有することが必要である。伝熱性を高めるためには境界層（乱流の場合は粘性低層、層流の場合は温度境界層）を効率的に崩すことが望ましい。このため、放熱部材に用いられる伝熱部材には、表面に凹凸を形成して表面積を拡大して伝熱効率を高くすることが行われている。
【０００３】
特許文献１では、チタン平板材の片面にミクロンオーダーの互いに隣接した凹凸形状が形成された熱交換用プレートの元板材が開示されている。チタン平板材を外周面の全周に凸状（台形状）の加工部をエッチングや放電ダルにより形成された加工ロールと支持ロールの間を通して、チタン平板材表面に凹部を形成する方法で製造されている。互いに隣接した凹凸がチタン材の片面に所定のピッチで規則正しく配列されており、さらに凹凸（ヘリボーンやディンプル）を形成することは目的としたものではない。ミクロンオーダーの互いに隣接した凹凸は、チタン平板材の片面にしか形成されておらず、伝熱効率を高める効果は限定される。
【０００４】
特許文献２では、一対の切り起こし歯を備えた歯車状成形具の間に放熱フィン構成材を通過させることで波状の凹凸を形成する方法が開示されている。波状の凹凸は表裏一体で形成されているが
【０００５】
特許文献３では、伝熱プレートに凹凸（ヘリボーンやディンプル）を形成したプレート式熱交換器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−０７６５４８７号公報
【特許文献２】特開昭６３−２０１４９５号公報
【特許文献３】特開２０１５−０６４１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願発明は、熱交換器用放熱部材への成形加工によって、凹凸加工（ディンプルやヘリボーン）の形成が容易で、熱交換器用放熱部材への加工前に微細な凹凸が形成されているため熱伝達効率が高い伝熱部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明の課題は、以下の態様により解決できる。具体的には、
【０００９】
（態様１）  プレス成型可能な薄い金属材の表面に圧痕により形成された複数の微小凹凸部を有する伝熱部材であって、前記微小凹凸部は、凹凸が前記薄い金属材に表裏一体として形成され、開口部直径（Ｌｏ）が０．０１〜１ｍｍ、かつ深さ（ｄ）が０．０１〜１ｍｍであることを特徴とする伝熱部材である。
薄い金属材に凸部を有する加工ロールによって圧痕（微小凹凸）を形成したものである。微小凹凸は表裏一体として形成されている。すなわち、表面が凹形状であれば裏面は凸形状となる。このため、微小凹凸の効果は、伝熱部材の両面に現れる。
また、微小凹凸は、金属材表面に分散して形成されるものであり、開口部直径（Ｌｏ）が０．０１〜１ｍｍ、かつ深さ（ｄ）が０．０１〜１ｍｍである。このため、微小凹凸を形成したことによる表面積の増加は、０．００３〜０．０１％に留まる。この点は、従来技術の凹凸面を形成した伝熱部材と異なる。
【００１０】
（態様２）  前記微小凹凸部は、開口部が底部より大きな形状であることを特徴とする（態様１）に記載の伝熱部材である。
薄い金属材に形成された圧痕は、加工ロールの凸部が半球または円錐状であり、薄い金属板を裏面方向に押し付けて変形させて形成するため、開口部が底部より大きな形状となる。
【００１１】
（態様３）  前記微小凹凸部は、開口部直径（Ｌｏ）に対する深さ（ｄ）の比（ｄ／Ｌｏ）が０．０１〜１．０であることを特徴とする（態様１）または（態様２）のいずれかに記載の伝熱部材である。
薄い金属材に形成された圧痕は、加工ロールの凸部を薄い金属板を裏面方向に押し付けて変形させて形成するため、開口部直径（Ｌｏ）に対する深さ（ｄ）の比（ｄ／Ｌｏ）が０．０１〜１．０となる。
【００１２】
（態様４）  前記微小凹凸部は、ビーズを包含する塗膜により形成された微小凸部を有するロールにより、プレス成型したものであることを特徴とする（態様１）〜（態様３）のいずれかに記載した伝熱部材である。
前記微小凹凸部を形成する加工ロールの凸部は、ビーズを分散させた塗料を金属加工ロールの外周面に塗工して形成したものである。加工ロールの凸部は、使用により経時で摩耗変形する。塗膜は溶剤により容易に剥離することができるため、加工ロールのメンテナンスが容易である。
【００１３】
（態様５）  前記（態様１）〜（態様４）のいずれかに記載した伝熱部材を成形加工した熱交換器用放熱部材であって、成形加工後の微小凹凸部は、開口部直径（Ｌｏ）が０．０１〜１ｍｍ、かつ深さ（ｄ）が０．０１〜０．１ｍｍであることを特徴とする熱交換器用放熱部材である。
伝熱部材を熱交換器用放熱部材に加工する過程で、微小凹凸部に圧力が加わり、凹部が円錐台状になる。このため、開口部直径（Ｌｏ）が０．０１〜１ｍｍ、かつ深さ（ｄ）が０．０１〜０．１ｍｍと、開口部直径（Ｌｏ）に比べて深さが（ｄ）が小さくなる。
【００１４】
（態様６）  前記（態様５）に記載した熱交換器用放熱部材を放熱フィンに用いた熱交換器である。
本願発明の伝熱部材は、加工性に優れるため、種々の熱交換器の熱交換器用放熱部材として加工できる。例えば、クロスフィン型熱交換器、プレートフィン型熱交換器、コルゲートフィン型熱交換器、マイクロチャンネル型熱交換器である。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明の伝熱部材は、熱交換器用放熱部材への加工前に微細な凹凸が形成されている。この微小凹凸は、伝熱性を高めるために境界層（乱流の場合は粘性低層、層流の場合は温度境界層）の流れを乱し、表層流のすべりを助長して熱伝達効率を５〜１０％向上させる効果がある。さらに、熱交換器用放熱部材への成形加工によって、凹凸加工（ディンプルやヘリボーン）の形成が容易である。このため、プレートフィン型熱交換器、クロスフィン型熱交換器、コルゲートフィン型熱交換器、マイクロチャンネル型熱交換等の種々の熱交換器の放熱部材として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本願発明の伝熱部材を作製する加工装置示す模式図である。
【図２】本願発明の微小凹凸部が形成された金属板の外観を示す写真である。
【図３】本願発明の微小凹凸部を形成するために用いる加工ロールの外観を示す写真である。
【図４】本願発明の微小凹凸を有する熱交換器用放熱部材（以下、「放熱フィン」という。）一部を示す写真である。
【図５】本願発明の伝熱部材の熱交換効率を評価する評価用熱交換器を示す写真である。
【図６】本願発明の伝熱部材の熱交換効率を評価するための熱交換効率評価装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本願発明を実施するための形態を図１〜図６と実施例により説明する。なお、本願発明は以下の発明を実施するための態様に限定されるものではない。
【００１８】
１．伝熱部材
本願発明の伝熱部材は、プレス成型可能な薄い金属材の表面に圧痕により形成された複数の微小凹凸部を有する伝熱部材であって、前記微小凹凸部は、凹凸が前記薄い金属材に表裏一体として形成され、開口部直径（Ｌｏ）が０．０１〜１ｍｍ、かつ深さ（ｄ）が０．０１〜１ｍｍである。
【００１９】
（１−１）金属板
本願発明の伝熱部材に用いる金属板は、プレス成型可能で、熱伝導性に優れる金属材料であれば特に限定されるものではない。具体的には、アルミ、銅、ステンレス等がある。熱交換器用放熱部材として使用される熱交換器の用途によって使い分けることができる。アルミは銅に比べて熱伝導率は銅の５０％であるが、重量は銅の３０％であり、コストも低い。このことから、熱伝導率（効率）を重視するか、価格・汎用性を重視するかによって用途は異なる。
金属板の厚みは、熱交換器用放熱部材の用途によって最終的に決定される。ただし、圧痕によって形成された表裏一体の微小凹凸部３を実現するためには、金属板２の厚みは、１ｍｍ以下が好ましい。金属板は、ロール状に巻き取られた帯状金属板を用いる。
【００２０】
（１−２）微小凹凸部
図１は、本願発明の複数の微小凹凸８を有する伝熱部材３を作製する加工装置１を示した模式図である。本願発明の微小凹凸部８は、帯状の金属板２を搬送ロール６により、凸部７を有する加圧ロール４と支持ロール５の間に搬送し、加圧ロール４の凸部７により帯状金属板２に圧痕を形成することで形成する。
図２は、帯状金属板２に本願発明の微小凹凸を形成した伝熱部材の一例を示す写真である。本願発明の微小凹凸部８は、伝熱部材３に複数形成される。伝熱部材３に形成された微小凹凸部８はサイズが均一ではなく、分布も規則性はない。
本願発明の微小凹凸部８の側断面は、開口部直径（Ｌｏ）が底部直径より大きい反台形状である。薄い金属材２に形成された圧痕は、加工ロール４の凸部７が半球または円錐状であり、薄い金属板２を裏面方向に押し付けて変形させて形成するため、開口部直径（Ｌｏ）が底部直径より大きい反台形状となる。微小凹凸部８は、伝熱部材３に表裏一体で一組の凹凸を形成している。すなわち、表面が凹状である場合は、その裏面は凸状である。微小凹凸部８は、同一形態ではなく、開口部直径（Ｌｏ）と深さ（ｄ）は個々の微小凹凸部により異なる。
【００２１】
本願発明の微小凹凸部８は、レーザーＳＰＭ複合顕微鏡（ＳＦＴ−４５００  島津製作所製）で計測できる。開口部直径（Ｌｏ）は、０．０１〜１ｍｍが好ましく、深さ（ｄ）は、０．０１〜１ｍｍが好ましい。
本願発明の微小凹凸部８は、先行技術文献に開示された公知の凹凸部を形成した伝熱部材と異なり、伝熱性を高めるために境界層（乱流の場合は粘性低層、層流の場合は温度境界層）の流れを乱し、表層流のすべりを助長することを目的とする。したがって、先行技術文献に開示された公知の凹凸部のように開口部直径（Ｌｏ）及び深さ（ｄ）が１ｍｍを超える態様ではない。また、伝熱部材に開口部直径（Ｌｏ）及び深さ（ｄ）が１ｍｍを超える大きな凹凸があると、熱交換器用放熱部材への加工において、プレス成型時の位置決め等の加工精度に影響があり問題となる。一方、開口部直径（Ｌｏ）及び深さ（ｄ）が０．０１ｍｍ未満であると、熱伝達効率の効果が認められない。
【００２２】
本願発明の微小凹凸部８は、開口部直径（Ｌｏ）に対する深さ（ｄ）の比（ｄ／Ｌｏ）が０．０１〜１．０である。
薄い金属材に形成された圧痕は、加工ロール４の凸部７を薄い金属板を裏面方向に押し付けて変形させて形成するため、開口部直径（Ｌｏ）に対する深さ（ｄ）の比（ｄ／Ｌｏ）が０．０１〜１．０となる。
【００２３】
２．微小凹凸部の形成方法
本願発明の微小凹凸部８は、ビーズを包含する塗膜により形成された凸部７を有するロールにより、プレス成型したものである。
（２−１）加工装置
本願発明の微小凹凸部８を形成する加工装置１は、帯状の金属板２を搬送ロール６により、凸部７を有する加圧ロール４と支持ロール５の間に搬送し、加圧ロール４の凸部７により帯状金属板２に圧痕を形成することで作製する。帯状金属板２は、コイル状に巻かれた送出しロール（図示せず）からロール送出し機（図視せず）により送り出され、搬送ロール６により搬送され、微小凹凸部８を形成された帯状金属板（伝熱部材）３は、巻き取りロール（図示せず）によりコイル状巻き取られる。
【００２４】
（２−２）加工ロール
図３は、本願発明の微小凹凸部８を薄い金属板２に形成するために用いる加工ロール４の外観を示す写真である。加工ロール４は、外周表面にランダムに分布する多数の凸部７を有する。加工ロール４の凸部７は、金属ロールの外周面にビーズを分散させた塗料を塗工して作製する。
加工ロール４の凸部７は、加工使用により経時で摩耗変形する。このため、定期的なメンテナンスにより更新する必要がある。この点において、塗膜は溶剤により容易に剥離することができるため、加工ロールのメンテナンスが容易できるという長所がある。
加工ロール４に凸部７を形成するためのビーズを分散させた塗料に用いるビーズは、鉄やステンレスのような金属系ビーズ、シリカやガラスのような無機系ビーズ、アクリルビーズやウレタンビーズのような樹脂系ビーズがある。金属ロールの外表面に塗膜を形成するために、塗料を塗工、乾燥・硬化させる必要がある。塗膜形成におけるビーズの塗料分散の経時安定性の観点からは、樹脂系ビーズが好ましい。
ビーズの粒径は、形成する微小凹凸部８の開口部直径（Ｌｏ）及び深さ（ｄ）を考慮して選定される。粒径は０．０１５〜１ｍｍが好ましい。
【００２５】
加工ロール４に凸部７を形成するためのビーズを分散させた塗料の組成としては、エポキシ樹脂系、ウレタン樹脂系、アクリル樹脂系、シリコーン樹脂系、フッ素樹脂系、メラミン樹脂系等、いずれの樹脂系を用いてもよい。
塗膜は、刷毛、ローラー、スプレイ、ロールコーター等を適宜用いる塗工方法により形成できる。形成した塗膜は、自然乾燥、６０〜３５０℃での加熱乾燥、ＵＶ等の電磁線等により、塗膜成分の架橋反応、重合反応を促進して硬化皮膜とする。乾燥硬化後の塗膜厚みは、０．０１〜０．８ｍｍが好ましい。
【００２６】
（２−３）支持ロール
本願発明の微小凹凸部８を形成する加工装置１では、支持ロール５として、ウレタン樹脂ロール、フッ素樹脂ロール等の樹脂ロールを用いる。帯状の金属板２から表裏一体として形成される微小凹凸部８は、搬送される帯状の金属板２に加工ロール４の凸部７を押し付けて形成する。金属板２の加工ロール４の凸部７を押し付ける面の裏側に微小凹凸部８の凸面（底面）が突き出して形成される。このため、凸面（底面）の形成の抵抗とならない素材の柔軟性が必要である。このためには、支持ロール５は、樹脂ロールが好ましく。樹脂ロールの素材や弾力性等の物理特性を適切に選定する必要がある。
【００２７】
３．熱交換器用放熱部材
図４は、本願発明の熱交換器用放熱部材（以下、「放熱フィン」という。）９に形成したフィンカラー１０とフィンコア１２の一部を示す写真である。放熱フィン９は、伝熱部材３をプレス加工してテーパー筒状のフィンカラー１０を複数穿設して製作する。フィン・アンド・チューブ型熱交換器では、フィンカラー１０を連接して複数の放熱フィン９を重ね、フィンカラー１０を接合して管路１１及びフィンコア１２を構成する。
伝熱部材３に形成された微小凹凸部８の形状は、フィンプレス加工によりプレス圧が加わるため、底部が押された円錐台形状となる。
【００２８】
４．熱交換器
図５は、本願発明の伝熱部材の熱交換効率を評価するために試作した評価用熱交換器１３を示す写真である。フィン・アンド・チューブ型熱交換器は、フィンカラー１０を連接して複数の放熱フィン９を重ねた放熱部１４及び流体用管路部１５で構成する。
【００２９】
５．熱交換効率評価装置
図６は、本願発明の伝熱部材の熱交換効率を評価するための熱交換効率評価装置の構成を示す模式図である。熱交換効率評価装置１６は、評価用熱交換器１７に所定風量で空気を送る送風部１８と、評価用熱交換器温度を調整する恒温循環水槽１９と、評価用熱交換器１７と、評価用熱交換器から排出される空気温度を計測する計測部２０、とで構成される。なお、送風部１８から評価用熱交換器１７に送風する空気は２５℃に調整される。
【実施例】
【００３０】
次に本願発明の効果を奏する実施態様を実施例として示す。また、そのまとめを表１に示す。
【００３１】
１．伝熱部材の作製
コイル状の帯状アルミ板（幅４００ｍｍ，厚み０．１５ｍｍ）に加工装置を用いて表裏一体の微小凹凸部が形成された伝熱部材（以下、「実施例伝熱部材」という。）を作製した。実施例伝熱部材の微小凹凸部について、開口径と深さを任意の３０点を選んで、レーザーＳＰＭ複合顕微鏡（ＳＦＴ−４５００  島津製作所製）により測定した。開口径は０．０１〜１．０ｍｍ、深さは０．０１〜０．０４ｍｍであった。
【００３２】
２．熱交換器用放熱部材（放熱フィン）の製作
実施例伝熱部材をフィンプレス加工してカラーを形成し、所定のサイズに裁断して熱交換器用放熱部材を作製した（以下、「実施例放熱部材」という。）。実施例放熱部材を図４に示す。実施例放熱部材の微小凹凸部について、開口径と深さを任意の３点を選んで、レーザーＳＰＭ複合顕微鏡（ＳＦＴ−４５００  島津製作所製）により測定した。フィンプレス加工後の開口径は０．０２５〜０．６６ｍｍ、深さは０．０１〜０．０２ｍｍであった。フィンプレス加工により、微小凹凸部の形状は、底部が押された円錐台形状となった。
同様に、コイル状の帯状アルミ板（幅４００ｍｍ，厚み０．１５ｍｍ）をフィンプレス加工してカラーを形成し、所定のサイズに裁断して熱交換器用放熱部材を作製した（以下、「比較例放熱部材」という。）。
【００３３】
３．熱効率評価用熱交換器の製作
実施例放熱部材を用いて、フィン・アンド・チューブ型熱交換器（以下、「実施例評価用熱交換器」という。）を作製した。同様に、比較例放熱部材を用いて、フィン・アンド・チューブ型熱交換器（以下、「比較例評価用熱交換器」という。）を作製した。
【００３４】
４．熱交換効率評価装置
熱交換効率評価装置は、評価用熱交換器に所定風量で空気を送る送風部と、評価用熱交換器温度を調整する恒温循環水槽と、評価用熱交換器と、評価用熱交換器から排出される空気温度を計測する計測部、とで構成される。なお、送風部から評価用熱交換器に送風する空気は２５℃に調整される。
【００３５】
５．熱交換率評価
評価用熱交換器を用いて、風速と熱交換効率との関係の評価試験を行った。
【００３６】
＜実施例評価用熱交換器＞
サイズ：幅１５０ｍｍ×高さ１２７ｍｍ×奥行き８８ｍｍ
冷媒管：直径１０ｍｍ×肉厚０．６ｍｍ ２０本
フィン：板厚０．２ｍｍ×６０枚 フィンピッチ２．５ｍｍ
＜比較例評価用熱交換器＞
サイズ：幅１５０ｍｍ×高さ１２７ｍｍ×奥行き８８ｍｍ
冷媒管：直径１０ｍｍ×肉厚０．６ｍｍ ２０本
フィン：板厚０．２ｍｍ×６２枚 フィンピッチ２．５ｍｍ
【００３７】
＜試験条件＞
循環液：温水（５５℃〜８０℃）
温水と空気の温度差：３０℃〜５５℃
【００３８】
＜放熱量算出式＞
Ｑa＝Ｃpa×Ｗa×(θao−θai)
ここで、
Ｑa：放熱量(Ｗ)、Ｃpa：空気比熱(J/(（ｋｇ・Ｋ）)、Ｗa：質量流量(ｋｇ/ｓ)
θao：出側気温（℃）、θai：入側気温（℃）、である。
＜総括伝熱係数算出式＞
Ｕa＝Ｑa/(Ａ×ΔＴ)
ΔＴ＝((θwi−θaｉ)−(θwo−θao))/ｌｎ((θwi−θai)/(θwo−θao))
ここで、
Ｕa：熱通過率(Ｗ/(ｍ2・Ｋ))、Ａ：熱伝達面積(ｍ2)、ΔＴ：対数平均温度差(Ｋ)
θwi：入側水温(℃)、θwo：出側水温(℃)である。
【００３９】
実施例評価用熱交換器及び比較例評価用熱交換器をそれぞれ熱交換効率評価装置に設置して、上記条件と放熱量算出式に基づいて、風速を０．０２〜１．００ｍ／ｓに変えて（実施例１〜６，比較例１〜６）、熱通過率（Ｗ／ｍ２・Ｋ）を測定した。表１に示すような結果が得られた。
【表１】
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【００４０】
上記評価試験の結果、実施例評価用熱交換器の熱通過率（Ｗ／ｍ２・Ｋ）は、風速条件のいずれにおいても、増加率６．４〜１０．８％と、比較例評価用熱交換器を上回った。
【００４１】
上記より、微小凹凸部を有する伝熱材が、熱変換効率（熱伝達率）が高いことが判った。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本願発明により、熱伝達効率が高い伝熱部材を提供できる。
【符号の説明】
【００４３】
１  加工装置
２  金属板
３  伝熱部材
４  加工ロール
５  支持ロール
６  搬送ロール
７  凸部（加工ロール）
８  微小凹凸部
９  熱交換器用放熱部材（放熱フィン）
１０  フィンカラー
１１  管路
１２  フィンコア
１３  評価用熱交換器
１４  放熱部
１５  流体用管路部
１６  熱交換効率評価装置
１７  評価用熱交換器
１８  送風部
１９  恒温循環水槽
２０  計測部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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