(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板を第１段塑性変形加工により波状に変形させて波状変形板を形成するステップと、
前記波状変形板に対して焼鈍の処理を実行するステップと、
前記焼鈍の後に第２段塑性変形加工により矩形状に変形させて矩形状変形板を形成するステップとを具える熱交換器の製造方法。
【請求項２】
前記波状変形板の谷間距離は２ｍｍ以下であり、前記平板の厚みは０．２ｍｍ以下である請求項１の熱交換器の製造方法。
【請求項３】
前記波状変形板の谷部と山部の間の壁部に穴をあけるステップを更に具える請求項１の熱交換器の製造方法。
【請求項４】
前記穴はエッチングにより形成される請求項１の熱交換器の製造方法。
【請求項５】
前記エッチングはフォトエッチングである請求項４の熱交換器の製造方法。
【請求項６】
前記矩形状変形板と平板を重ね合わせ締め付け組立体を形成するステップと、
前記矩形状変形板と前記平板とが接合する接合面にろう材を介在させるステップと、
前記ろう材が介在する組立体をろうづけ炉に挿入して加熱するステップとを更に具える請求項１〜５から選択される１請求項の熱交換器の製造方法。
【請求項７】
前記ろうづけ炉の中で前記組立体の温度をステップ状に上昇させ次に前記組立体の温度をステップ状に下降させるステップを更に具え、
前記ステップ状の温度上昇と前記ステップ状の温度下降とは時間的に概ね対称である請求項６の熱交換器の製造方法。
【請求項８】
前記組立体は、前記矩形状変形板の谷部と山部とがオフセットされている請求項６の熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器要素、及び、熱交換器の製造方法に関し、特に、細密な凹凸面を有する熱交換器要素、及び、熱交換器の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラントは、多様に熱を排出する。その熱は、回収されることが重要である。ガスタービン、特に、高温大型ガスタービンは、高温の動作ガスを放出する。このような高温ガスの熱の回収は特に重要である。
【０００３】
液体又は気体の熱を回収するために、熱交換器が用いられている。流体温度の上昇により、熱交換効率の向上が求められる。交換効率は、熱交換面積とその熱交換壁の厚みに強く相関する。熱交換面積の増大のために細密フィンが設計される。その熱交換面を形成する熱交換壁は、可能な限り薄いことが求められる。細密化と薄壁（薄膜）化のための加工技術の向上は、材料の塑性限界に阻まれる。
【０００４】
既知の最適切な材料を用いて、より細密でありより薄い熱交換膜の成形性の向上が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、より細密でありより薄い熱交換壁の成形性を向上させることができる熱交換器要素、及び、熱交換器の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００７】
本発明による熱交換要素は、塑性変形により形成される谷部（９又は９’）と、塑性変形により形成される山部（８又は８’）と、谷部（９又は９’）と山部（８又は８’）とを接合し塑性変形により形成される壁部（１１）とから形成されている。壁部（１１）には塑性変形に時間的に先行して穴（１２）が開けられている。穴（１２）が開けられた状態で塑性変形が行われるので、塑性変形時の加工硬化が抑制される。そのような穴（１２）は、流体の流通性を高め、熱交換効率を高めるという一石二鳥の効果がある。
【０００８】
穴（１１）はフォトエッチングにより開けられていて、加工硬化を抑制している。流路方向に並ぶ山部と谷部は、互いにオフセットされている。穴（１２）の存在は、オフセット加工の塑性変形時の加工硬化の抑制に効果的である。
【０００９】
本発明による熱交換器の製造方法は、平板を第１段塑性変形加工により波状に変形させて波状変形板（１６）を形成するステップ（図５）と、波状変形板（１６）に対して焼鈍の処理を実行するステップと、焼鈍の後に第２段塑性変形加工により矩形状に変形させて矩形状変形板（７’）を形成するステップ（図６）とから構成されている。焼鈍工程の挿入により、細密波状板の加工硬化を減殺することにより、第２段塑性変形加工が健全に可能になる。０．１〜０．２ｍｍ程度の薄い板から谷間距離が２ｍｍ以下の細密な凹凸面を形成する塑性加工は、焼鈍工程の追加により初めて可能になった。塑性加工時の焼鈍処理は、周知の技術であるが、公知の加工率と延びの線形関係（図１６）と加工率と加工硬化度の非線形関係（図１７）の関係によれば、この度、焼鈍効果が決定的に重要であることが判明した。波状変形板の谷部と山部の間の壁部に穴をあけるステップの追加により、塑性加工の限界を更に突破することが判明した。穴（１２）がエッチングにより形成されることにより、その限界を更に突破することができる。そのエッチングがフォトエッチングであることにより、その限界を更に突破することができる。
【００１０】
矩形状変形板（７）と平板を重ね合わせ締め付け組立体（２３）を形成するステップと、矩形状変形板（７’）と平板（６）とが接合する接合面にろう材を介在させるステップと、ろう材が介在する組立体（２３）をろうづけ炉（２６）に挿入して加熱するステップとが追加される。ろうづけ炉の中で組立体（２３）の温度をステップ状に上昇させ次に組立体（２３）の温度をステップ状に下降させるステップの追加が更に好ましい。ステップ状の温度上昇とステップ状の温度下降とは時間的に概ね対称であることが、新たな歪みを生成させない点で好ましい。
【００１１】
組立体（２３）は、矩形状変形板（７’）の谷部と山部とがオフセットされている。
【００１２】
第１フォトエッチング加工により基板（３０）の表側に複数の第１溝（３２）を概ね平行に形成するステップと、第２フォトエッチング加工により基板（３０）の裏側に複数の第２溝（３２）を概ね平行に形成することにより基板を波状に形成するステップにより構成されている。フォトエッチング加工により溝を形成することにより波状板を形成するので、塑性変形に起因する加工硬化を効果的に抑制することができる。
【００１３】
基板（３０）の表側に第１溝（３２）に交叉して結合する第３溝（３１）を形成するステップが追加される。基板（３０）の裏側に第２溝（３２）に交叉して結合する第４溝（３１）を形成するステップとが効果的に追加される。第１溝（３２）は、部分的にオフセットしていることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明による熱交換要素の実施の形態は、ガスタービン発電設備に付随して複数的に配置される熱交換設備に用いられている。その熱交換設備１は、図１に示されるように、ガスタービン発電設備本体２の周辺に複数に同心円上に配置されている。熱交換設備１は、図２に示されるように、一方側流体給排部３と他方側流体給排部４と熱交換部５とから構成されている。
【００１５】
図３は、熱交換部５の内部の熱交換器の局所的領域の流路構造を示している。その流路構造は、仕切プレート６と、隣り合う上下段（又は左右段）の間に配置される波板７とにより形成されている。波板７は、山部８と谷部９とが交互に並んで連続する薄膜である。その薄膜の厚みは、０．１ｍｍの程度である。山部８と谷部９とは概ね平行であり、山部８と谷部９とは、壁面部１１で連続に接続されている。壁面部１１には、流通穴１２が開けられている。第ｎ段流路１３−ｎは、１枚の仕切プレート６により第ｎ＋１段流路１３−ｎ＋１から仕切られている。
【００１６】
第ｊ段流路１３−ｊと第ｋ段流路１３−ｋに通される２流体は、これらを仕切る仕切プレート６と山部８又は谷部９を介して互いに熱交換する。第ｊ段流路１３−ｊと第ｊ＋１段流路１３−ｊ＋１との間で熱交換することは可能である。
【００１７】
波板７は、図４に示されるように、複数段の波板７が並ぶ方向（例示：鉛直方向）に直交する直交方向（例示：水平方向）に分割的に配置されている。波板７は、複数の波板要素７−ｓの集合である。隣り合う２体の波板要素７−ｊ，７−ｊ＋１は、互いにオフセットの関係にあり、水平方向に隣り合う波板要素７−ｊ，７−ｊ＋１がそれぞれに山部８と谷部９とで形成する水平方向流路は、部分的に共通するが単一ではない。上流側の波板要素７−ｊ＋１の谷部８と山部９とが形成する１つの水平方向流路は、下流側の波板要素７−ｊの複数の谷部８と複数の山部９とが形成する２つの水平方向流路に分流的に接続している。複数の波板要素７−ｊ，７−ｋ，７−ｔは、互いにオフセットの関係にある。同一段で水平方向に流れる流束ａ，ｂ，ｃは、オフセット関係の複数の波板要素７−ｊ，７−ｊ＋１，７−ｊ＋２で互いに接近し更に乱流的に交叉して、時間の経過とともに、温度が全体的に（大域的に）均等化する。均等化は、熱効率を向上させる。流通穴１２の存在は、その均等化を促進する。オフセットの関係は、流路を迷路化して熱交換媒体の混合を促進し、且つ、強度を高くする効果がある。
【００１８】
図５は、本発明による熱交換器の製造方法の実施の形態を示している。波板７を製作する第１手順を示している。
手順１（第１段塑性加工：プレス）：
平面板は、サインカーブ凹凸面をそれぞれに持つ凹凸型プレス１５により、サインカーブ波板１６に成形される。サインカーブ波板１６は、次に熱処理を受けて焼鈍される。平面板として、オーステナイト系又はフェライト系ＳＵＳのようなステンレス鋼板が好適に用いられ、その厚さは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍである。このような焼鈍により、０．２ｍｍ以下、特に、０．１ｍｍ程度の薄板を用いた塑性変形加工が可能になる。
【００１９】
手順２（真空焼鈍）：
サインカーブ波板１６は、９００゜Ｃ〜１０００゜Ｃで１０分の焼鈍処理が施される。焼鈍としては、特に、酸化防止のために、真空焼鈍が採択される。処理が手順１により、サインカーブ波板１６を塑性成形する際にサインカーブ波板１６に残る歪みは、焼鈍処理により有効に除去される。ロール成形、プレス成形のような塑性加工の際に生じる加工硬化は、焼鈍により有効に防止される。
【００２０】
手順３（第２段塑性加工：プレス）：
焼鈍後のサインカーブ波板１６は、図６に示されるように、断面矩形状の凹凸型プレス１７により、滑らかなサインカーブが角形に矯正されて成形される。このように成形された波板要素７は、その総表面積がサインカーブ波板１６のそれよりも増大し、且つ、対変形性強度が増大する。手順１〜手順３の塑性変形硬化とそれの軟化と塑性変形硬化により、亀裂がなく強度が大きく総表面積が大きい細密凹凸面の波板要素中間品７’が成形される。波板要素中間品７’の山部８’と谷部９’の平らな表面は、後のろうづけ溶接の接合面積を最大化している。
【００２１】
手順４（ろう材固定）：
図７に示されるように、２枚又は２枚以上の波板要素中間品７’と２枚又は２枚以上の仕切プレート６を締付治具１８で締め付ける。上側波板要素中間品７’の下側面に上側仕切プレート６が接合し、下側波板要素中間品７’の上側面に上側仕切プレート６が接合している。上側仕切プレート６と下側仕切プレート６の間に弾性変形が可能である複数の間隔設定板（トルク管理材）１９が介設される。このように接合される仕切プレート６と波板７と間隔設定板１９の組立のセットは、多段に積み上げられる。このような多段セットは、２枚の上下の締め付け板２１により挟まれ、４隅の締め付けボルト２２により締め付けられて組み立てられる。間隔設定板１９は、トルク管理のために用いられている。このような組立の際に、仕切プレート６と波板７の接合領域面に、ろう材が挿入されている。ろう材として、Ｎｉ粉末ろう材が、好適に用いられている。このようなろう材が固定されて、組立体２３が図８に示されるように構成される。組立体２３のトルク管理層の数は、僅かである。
【００２２】
手順５（ろうづけ）：
既述のように組立られたろう材固定組立体２３は、図９に示されるように、脱ワックス炉２４に挿入される。組立体２３は、次に、予熱炉２５に挿入される。組立体２３は、更に本ろうづけ炉２６に挿入される。組立体２３は、更に、冷却炉２７に挿入される。組立体２３の中の波板要素中間品７’は、図１０に示されるように、本ろうづけ炉２６の中で、ステップ状に常温から１０５０゜Ｃに加熱され、１５分間の１０５０゜Ｃの温度状態が維持され、１０５０゜Ｃから常温までステップ状に冷却される。
【００２３】
ステップ状の温度の上昇と下降は、温度が一定である状態が一定時間継続し、加熱によりろうづけ固定の際の歪みの発生とそれの持続を抑制し、且つ、温度下降時のろうづけ歪みの焼鈍作用時に歪みが新たに発生することを効果的に抑制し、その焼鈍を効果的にする。ステップ状の温度上昇下降は、細密フィンの成形にとって重要な技術である。
【００２４】
このように本ろうづけされた熱交換要素組立体は外装体に取り付けられ、熱交換部５が構成される。熱交換部５に一方側流体給排部３と他方側流体給排部４とが組み立てられて、図２と図１１に示される熱交換設備１が組立てられる。
【００２５】
図１２は、本発明による熱交換器の製造方法の実施の他の形態を示し、特に、既述の波板要素中間品７’の製造方法を示している。波板要素中間品７’には、既述の流通穴１２が開けられている。この流通穴１２は、フォトエッチングにより形成されている。このフォトエッチングは、レーザーのスポット照射又はレーザーの走査的照射より孔開け加工が施されている。レーザーのスポット照射では、その穴は円形又は楕円形になる。微細ビーム直径のレーザーの走査的照射は、その穴を任意の形状（例示：正方形）に加工することができる。このような穴開け加工の後に、図５と図６に示されるプレス加工が実行される。穴開け加工の後のプレス加工は、加工時の歪みによる加工硬化が抑制され、後の焼鈍硬化を相乗的に高めることができる。フォトエッチングは、打ち抜きプレス加工（せん断加工）と異なり、材料に歪みを生じさせない特性がある。フォトエッチングに代えられて、溶解エッチング（例示：塩化鉄使用）が用いられ得る。谷部と山部は、オフセットされて成形されている。
【００２６】
図１３〜図１５は、本発明による熱交換器の製造方法又は本発明による熱交換要素の実施の更に他の形態を示している。図１３に示されるように、素材の金属板３０が用いられる。金属板３０にそれの表裏面側に第１方向溝３１を形成する溝加工が施される。その溝加工は、レーザーによるフォトエッチングが最適切である。
【００２７】
次に、図１４に示されるように、金属板３０にそれの表裏面側に第２方向溝３２を形成する溝加工が施される。その溝加工は、レーザーによるフォトエッチングが最適切である。第２方向溝３２は、第１方向溝３１に直交している。第２方向溝３２は、第１方向溝３１で分割される領域で互いにオフセット（位置ずれ）している。第２方向溝３２は、第１方向溝３１に繋がっている。第１方向溝３１と第２方向溝３２の断面形状は、サインカーブに類似して半円形である。このような形状は、レーザー加工の特徴として現れる。
【００２８】
図１５は、図１４で加工された半製品３３の複数枚が重ね合わせられている。その重ね合わせ方には、２通りがある。その１つ目は、上段側の半製品３３（谷部９’に対応）の下側の第２方向溝３２が下段側の半製品３３の上側の山部８’に位置的に一致する重合である。その２つ目は、上段側の半製品３３の下側の第２方向溝３２（谷部９’に対応）が下段側の半製品３３の上側の第２方向溝３２（谷部９’に対応）に位置的に一致する重合である。
【００２９】
図１３〜図１５に示される製造法では、材料に歪みが生じないので、加工硬化がない。図１６は、材料の伸びと加工率の関係を示している。図５の加工段階の加工率は概ね５０％であり、図６の加工段階の加工率は１００％である。加工率と伸びは、概ね線形関係にある。図５の予備成形の終了時点で、あるＳＵＳでは材料に亀裂が生じる。オーステナイト系ＳＵＳでは、更に伸びた段階で亀裂が生じる。いずれの材料であっても、それがより薄ければ、加工率が１００％に到達する前に亀裂が不測の位置で生じる。焼鈍処理が行われていれば、亀裂が生じる加工率はより高くなる。流通穴１２が予め形成されている場合には、亀裂が生じる加工率は更に低下する。流通穴１２は、より速い段階で形成されることが望ましいが、その形成の時期が早すぎれば、成形後の強度が弱くなる。予備成形の後又は予備生起の後の焼鈍の後の孔開け加工が望ましい。焼鈍と変形加工を同時に行うことは好ましい。
【００３０】
図１７は、加工率と加工硬化度の関係を示している。加工率と加工硬化度の関係は、線形ではない。加工率の増大により、硬化度は急激に増大する。従って、焼鈍は、硬化度が急激に上昇し始める前に実行されることが望ましい。サインカーブ加工の加工率は、概ね５０％であり、硬化度はその５０％を越えて急激に増大するので、サインカーブ加工後に焼鈍を行うことが合理的に望ましい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明による熱交換器要素、及び、熱交換器の製造方法は、より細密でありより薄い熱交換膜の成形性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による熱交換要素の実施の形態が適用される装置系を示す平面図である。
【図２】図２は、熱交換部を示す平面図である。
【図３】図３は、熱交換部の内部の詳細を示す断面図である。
【図４】図４は、図３の平面断面図である。
【図５】図５は、本発明による熱交換器の製造方法の実施の形態の手順を示す断面図である。
【図６】図６は、図５の次の手順を示す断面図である。
【図７】図７は、更に次の手順を示す断面図である。
【図８】図８は、更に次の手順を示す断面図である。
【図９】図９は、更に次の手順を示す断面図である。
【図１０】図１０は、ろうづけの温度変化を示すグラフである。
【図１１】図１１は、組立を示す斜軸投影図である。
【図１２】図１２は、本発明による熱交換器の製造方法の実施の他の形態を示す斜軸投影図である。
【図１３】図１３は、本発明による熱交換器の製造方法の実施の更に他の形態を示す斜軸投影図である。
【図１４】図１４は、図１３の次の手順を示す断面図である。
【図１５】図１５は、図１４の次の手順を示す断面図である。
【図１６】図１６は、加工率と伸びの関係を示すグラフである。
【図１７】図１７は、加工率と加工硬化度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
６…平板
７，７’…矩形状変形板
８，８’…山部
９，９’…谷部
１１…壁部
１２…穴
１６…波状変形板
２３…組立体
２６…ろうづけ炉
３０…基板
３１…第３溝（第４溝）
３２…第１溝（第２溝）
【図１】
0003806353.tif 000002
【図２】
0003806353.tif 000003
【図３】
0003806353.tif 000004
【図４】
0003806353.tif 000005
【図５】
0003806353.tif 000006
【図６】
0003806353.tif 000007
【図７】
0003806353.tif 000008
【図８】
0003806353.tif 000009
【図９】
0003806353.tif 000010
【図１０】
0003806353.tif 000011
【図１１】
0003806353.tif 000012
【図１２】
0003806353.tif 000013
【図１３】
0003806353.tif 000014
【図１４】
0003806353.tif 000015
【図１５】
0003806353.tif 000016
【図１６】
0003806353.tif 000017
【図１７】
0003806353.tif 000018