(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的安価でありながらも空調プロセスに最適な伝熱効果をもたらすことができる代替の材料が、空調機の経済的かつ機能的な熱交換機、すなわち凝縮器および蒸発器を作製するために必要とされている。【解決手段】空調機の熱交換機は、ポリマーの熱伝導率を改良するためにカーボンナノチューブ、金、銀、またはチタンなどのナノ粒子が埋め込まれたプラスチックなどのポリマーから作製された熱消散シート１０２を備える。熱消散シートは、空調機の冷媒導管１０１に取り付けられて、冷媒からの熱がシート上に伝達されて周囲に消散されることを可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空調機の熱交換機であって、
ポリマーより高い熱伝導率を有するカーボンナノチューブなどのナノ粒子が埋め込まれたプラスチックなどの前記ポリマーから作製された熱消散シート（１０２、１０３、３０５）であって、冷媒からの熱を周囲に伝達し消散させるために前記空調機の冷媒導管（１０１、１０４）に取り付けられる、熱消散シート（１０２、１０３、３０５）を備える熱交換機。
【請求項２】
前記冷媒導管（１０１、１０４）が、ポリマーより高い熱伝導率を有するカーボンナノチューブなどのナノ粒子が埋め込まれたプラスチックなどの前記ポリマーから作製される、請求項１に記載の熱交換機。
【請求項３】
前記導管が、チューブ（１０１）の形態である、請求項１に記載の熱交換機。
【請求項４】
前記導管が、マイクロチャネル（１０５）を有するブロック（１０４）の形態である、請求項１に記載の熱交換機。
【請求項５】
前記ナノ粒子が、金、銀、またはチタンを含む、請求項１に記載の熱交換機。
【請求項６】
前記熱消散シート（１０１）が、前記チューブの上部から突出され、前記チューブの上部に沿って延びてフィンとして作用する、請求項３に記載の熱交換機。
【請求項７】
前記熱消散シート（１０２）が、前記チューブの底部から突出され、前記チューブの底部に沿って延びてフィンとして作用する、請求項３に記載の熱交換機。
【請求項８】
前記ナノ粒子が、互いに位置合わせされたナノ粒子のストライプを形成するようにポリマーシート上に前記ナノ粒子を分散させることによって前記ポリマー内に埋め込まれる、請求項１に記載の熱交換機。
【請求項９】
前記ナノ粒子が、ポリマーシート上に前記ナノ粒子を分散させることによって前記ポリマー内に埋め込まれる、請求項１に記載の熱交換機。
【請求項１０】
前記熱消散シート（３０５）が、前記ブロック（１０４ａ）とその対応するブロック（１０４ｂ）との間で曲がりくねった形状の形態である、請求項４に記載の熱交換機。
【請求項１１】
前記熱消散シートが、前記２つのブロック（１０４ａ、１０４ｂ）に取り付けられる、請求項１０に記載の熱交換機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、空調システムに関する。より詳細には、本発明は、強化されたポリマーから作製された空調機の熱交換機に関する。
【背景技術】
【０００２】
銅およびアルミニウムなどの金属が、通常、これらの金属材料は高い伝熱効率をもたらすため、空調機の熱交換機を作製するために使用されている。これらの金属材料は、高価になってきており、熱交換機を作製するためにこれらの材料に頼り続けることは、商業的に実現可能ではない。これらの材料のコストの上昇を鑑みて、比較的安価でありながらも空調プロセスに最適な伝熱効果をもたらすことができる代替の材料が、空調機の経済的かつ機能的な熱交換機、すなわち凝縮器および蒸発器を作製するために必要とされている。
【０００３】
本発明では、強化されたポリマーが、空調機の熱交換機を作製するために使用される。プラスチックなどのポリマーが、高い熱導体によって強化されてその熱伝導率を改良するが、これは、プラスチックが、０．１０から０．５０Ｗ／ｍ．Ｋの範囲内である低い熱伝導率を有するためである。ポリマーの熱伝導率値は、κ＝４０１Ｗ／ｍ．Ｋを有する銅と比較して低い。プラスチックの熱伝導率は、銅の約８分の１の低さである。他方では、カーボンナノチューブなどのナノ粒子は、銅の約７倍の高さである、約３０００Ｗ／ｍ．Ｋの高い熱伝導率κを有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、プラスチックなどのポリマーと高い熱伝導率のナノ粒子の組み合わせから作製された熱交換機を提供することである。これは、空調機の熱交換機に適した改良された材料であって、比較的安価であり、空調プロセスに必要とされる伝熱をもたらすことができる、材料を生み出すことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
空調機の熱交換機の任意の適切な構成要素または伝熱を必要とする任意の構成要素は、強化されたポリマーから作製され得る。ポリマーを強化するために使用されるナノ粒子は、ナノメートルのサイズの粒子を有する粉末形態である。ナノ粒子の形状は、チューブ、ロッド、または球体の形態になることができる。ナノ粒子は、それだけに限定されないが、ナノチューブ、金、銀、およびチタンを含む。これらのナノ粒子は、ポリマーの熱伝導率を改良して熱を伝達しこれを分散させ、熱が周囲に消散されることを可能にする。これは、熱交換機の空気側の伝熱パフォーマンスを改良する。本明細書に説明する熱交換機は、空調機の凝縮器または蒸発器を含む。好ましくは、ナノ粒子は、ポリマーシートに埋め込まれて、２つのパターン、すなわち（ｉ）位置合わせされたパターンおよび（ｉｉ）分散パターンを形成する。ナノ粒子は、互いに位置合わせされたナノ粒子のストライプを形成するようにポリマーシート上に分散される。代替的には、ナノ粒子は、分散パターンを形成するようにポリマーシート上にまき散らされる。
【０００６】
本発明による空調機の熱交換機は、少なくとも熱消散手段を備え、この熱消散手段は、空調機の冷媒導管を流れ抜ける冷媒からの熱を伝達するようにポリマーの熱伝導率を改良するためにカーボンナノチューブなどのナノ粒子が埋め込まれた強化されたポリマー、すなわち、プラスチックの形態である。好ましくは、導管は、強化されたポリマーから作製される。導管は、マイクロチャネルを備えたチュービングまたはブロックの形態になることができる。
【０００７】
一実施形態では、熱交換機は、複数の熱消散手段またはシートをチューブの形態である導管周りに有し、この場合、強化されたポリマーから作製された熱消散手段は、チューブに取り付けられたフィンとして作用する。直立配置では、熱消散手段またはシートは、チューブの上部から適切な高さまで突出され、チューブの上部に沿って延びる。熱消散手段またはシートはまた、チューブの底部にも配設され、チューブの底部に沿って延びて底部フィンとして作用する。組み立てにおいては、複数のチューブおよびフィンが、熱交換機内に配置されてチューブバンクを形成する。
【０００８】
別の実施形態では、熱交換機は、２つの導管間に取り付けられた、強化されたポリマーから作製された熱消散手段またはシートを有するように構成され、この場合、シートは、導管間に曲がりくねったプロファイルを形成する。個々の導管は、マイクロチャネルを含む。曲がりくねったシートは、導管の内側を流れる冷媒からの熱が周囲に伝達され消散されることを可能にする。
【０００９】
熱消散シートは、好ましくは、導管（チューブまたはブロック）に取り付けられ、ここではこれは、伝熱表面積をより大きくするために延長部を形成する。さらに、空気を用いることによるシート上の冷却が、伝熱プロセスを促進させることができる。たとえば、フィンの長さ（Ｌ）は、チューブの油圧直径（Ｄｈ）に等しくとられる、Ｌ／Ｄｈ。強化されたポリマーから作製された熱消散手段の使用は、従来のポリマー（すなわちナノ粒子を有さない）と比較して熱交換機の空気側の伝熱パフォーマンスを改良することになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明は、次に、添付の図を参照して例として説明される。
【００１１】
【図１】強化されたポリマーから作製された熱消散シートが取り付けられたチューブを示す図である。
【図２】強化されたポリマーから作製された熱消散シートが取り付けられた複数のチューブを示す図である。
【図３】曲がりくねった熱消散シートを備えた熱交換機を示す図である。
【図４】２つ以上の曲がりくねった熱消散シートを備えた熱交換機を示す図である。
【図５】ポリマーシート内のナノ粒子のパターンを示す図である。
【図６】ポリマーシート内のナノ粒子の別のパターンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１および２に示すように、空調機の熱交換機は、複数のチューブ（１０１）を備える。円筒状チューブは、通常のプラスチック、またはチューブの伝熱能力を改良するためにナノ粒子で強化されたプラスチックから作製され得る。チューブは、空調機の冷媒導管として作用する。
【００１３】
各々のチューブは、少なくとも、強化されたポリマーから作製された熱消散シートを備える。個々の熱消散シートは、チューブ上に並んで配設されてフィンとして作用することができる。直立配置では、熱消散シート（１０２）は、適切な高さまで突出し、チューブの上部に沿って延びる。熱消散シート（１０３）は、適切な高さまで突出し、チューブの底部に沿って延びる。
【００１４】
図３を参照すれば、空調機の熱交換機は、マイクロチャネルを備えたブロックの形態の冷媒導管を備える。第１のブロック（１０４ａ）は、対応するブロック（１０４ｂ）と対にされ、強化されたポリマーから作製された熱消散シート（３０５）は、曲がりくねった状態で配置され、前記ブロック間に波状のプロファイルを形成する。剛性の曲がりくねったシートは、前記ブロックに連結される。図３および４に示すようなブロックは、空調機の冷媒ループを形成する単一導管または個々の導管のセクションになることができる。ブロックは、プラスチックまたは強化されたプラスチックから作製され得る。導管を流れ抜ける冷媒からの熱は、曲がりくねった熱消散シート（３０５）を介して伝達され分散されて、周囲に消散されることが可能になる。図４は、複数のブロックを連結する２つ以上の曲がりくねった熱消散シートを備えた熱交換機を示す図である。
【００１５】
シートを作製する際に使用されるナノ粒子は、ナノメートルの粒子サイズを有する粉末形態である。ナノ粒子の形状は、チューブ、ロッド、または球体の形態になることができる。ナノ粒子は、ポリマーシート上に分散される。図５に示すように、ナノ粒子は、長さ方向または横方向に埋め込まれ、ポリマーシート上にストライプを形成する。図６は、ポリマーシート上に分散されたパターンにあるナノ粒子を示す。
【００１６】
強化されたプラスチックは、生ポリマー材料、たとえばポリプロピレン、ポリカーボネート、およびポリエチレンを、充填物としてナノ粒子、たとえばカーボンナノチューブ、金、銀、またはチタンなどと組み合わせることによって生み出され得る。ナノ粒子の溶融温度は、ポリマー材料のものより高くなければならず、すなわち、一般的なポリカーボネートおよびカーボンナノチューブのナノ粒子の融点は、それぞれ約２００℃および１０００℃である。これは、ナノ粒子の構造が、ナノ粒子をポリマーに埋め込むために熱処理を受けた後でも無傷のままであることを可能にするためである。生ポリマー材料は、通常、樹脂、粉末、またはペレットの形態であり、ナノ粒子は、生ポリマー材料内に分散され、２相材料として混合される。ポリマーおよびナノ粒子の混合された生成物、すなわち強化されたプラスチックは、その後、熱硬化または熱可塑のプロセスにかけられ、たとえば射出成形または押し出しにかけられて、シリンダまたは平坦シートなどの最終的に意図された形状を形成する。ナノ粒子は、ナノスケール１×１０−９のサイズで非常に小さく、ポリマー材料のための充填物として機能して、ポリマーの全体的な熱伝導率を向上させる。強化されたプラスチックの最終形状は、熱交換機、たとえばフィン−チューブ熱交換機またはマイクロチャネル熱交換機を製造する構成要素として使用される。この方法は、ポリマー材料内に完全に分散されたナノ粒子のためのものである。
【００１７】
ポリマー内に分散された部分的に位置合わせされたナノ粒子のために、ポリマーの２枚のシートが必要とされる。ナノ粒子は、図５に示すようにポリマーの第１のシート上の狭小バンドのいくつかのストリップ内に分散され配置される。次いで、ポリマーの第２のシートがその上部に置かれる。ポリマーおよびナノ粒子の組み合わせは、湿度制御室内に置かれ、この組み合わされた材料を約２００℃〜２４０℃の温度で約３０分間加熱し、ここでは、この温度は、一般的なポリマーの融点である。これが溶融するにつれて、第１および第２のポリマーは、ナノ粒子と一緒になって融合される。加熱された材料、すなわちナノ粒子を備えたポリマーは、この室から引き出されて、室温まで冷却される。ポリマーおよびナノ粒子の硬くされた組み合わせは、このとき、新しい材料、すなわち埋め込まれ、部分的に位置合わせされたナノ粒子を備えたポリマーを形成する。ナノ粒子を備えたポリマーのこのシートは、熱処理されてシリンダなどの異なる形状に成形することができる。
【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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【外国語明細書】
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