JP2010256004A

JP2010256004A - マイクロチャネル熱交換器および熱エネルギー抽出方法

Info

Publication number: JP2010256004A
Application number: JP2010091856A
Authority: JP
Inventors: Abbas A Alahyari; エー．アラヤリアッバス; Mohsen Farzad; ファルザドモーセン
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2010-11-11
Also published as: US20100263847A1; FR2944590A1

Abstract

【課題】高い表面密集度を維持しつつ湿気の蓄積を減少させるマイクロチャネル熱交換器構造を提供する。
【解決手段】マイクロチャネル熱交換器１０は、流体を分配する少なくとも１つのマニホールド１４と、このマニホールド１４から延びる複数のチューブ１２と、を備える。チューブ１２は、実質的に曲線形の断面形状を有するとともに、各チューブ１２の第１の端部から第２の端部まで延び、流体を供給する複数のポートを備える。複数のチューブ１２を横切るようにフィン１６が列状に配設され、フィン１６に設けられた開口部を通ってチューブ１２が延びている。冷媒は、複数のポートを介してチューブ１２に亘って供給され、流れがチューブ１２と熱的に連通するようにフィン１６に亘って供給されて、熱エネルギーがフィン１６を介して冷媒に伝えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロチャネル熱交換器に関し、特に、マイクロチャネル熱交換器におけるチューブの構造に関する。

マイクロチャネル熱交換器は、住居、自動車、航空宇宙産業など種々の用途に用いられている。図９に示すように、従来のマイクロチャネル熱交換器１００は、複数のフラットチューブ１０２を備え、各チューブは、チューブを通って延びる複数のポート１０４を有する。チューブ１０２は、通常、各チューブ１０２の平面１０６が実質的に水平になるように配置される。チューブ１０２から延びるフィン１０８の列に亘って空気が流れ、複数のポート１０４を通って液体あるいは二相の冷媒流が流れる。

チューブ１０２の表面積およびフィン１０８の表面積の密集度が高いため、熱交換中、マイクロチャネル熱交換器に湿気、凝縮水および霜が堆積しやすくなる。この問題は、チューブ１０２の平面１０６が実質的に水平に配設されている熱交換器において、湿気が平面１０６上に留まる場合に、より深刻化する。湿気および霜が堆積することにより、熱交換器に亘る流れ抵抗および熱抵抗が増加して熱交換器の作動効率が低下してしまう。さらに、湿気により、チューブ１０２の表面に浸食および孔食（ピッチング）が生じ、チューブ表面の耐用年数が低下してしまう。したがって、従来のマイクロチャネル熱交換器における表面積の高い密集度を維持しつつ、効率を低下させる湿気の蓄積を減少させるマイクロチャネル熱交換器が求められている。

本発明の１つの態様によると、マイクロチャネル熱交換器は、流体を分配する少なくとも１つのマニホールドと、少なくとも１つのマニホールドから延びる複数のチューブと、を備える。複数のチューブのうち少なくとも１つのチューブは、実質的に曲線形の断面形状を有し、かつ各チューブの第１の端部から第２の端部まで延びる複数のポートを備える。複数のポートは、該ポートを通して流体を供給する。複数のフィンは、複数のチューブの長さに亘って配設される。

本発明の他の態様によると、流れ（フロー）から熱エネルギーを抽出する方法は、マニホールドと流体連通するように該マニホールドから複数のチューブに冷媒を供給することを含む。複数のチューブのうち少なくとも１つのチューブは、実質的に曲線形の断面形状を有し、かつ各チューブの第１の端部から第２の端部まで延びる複数のポートを備える。複数のポートは、該ポートを通して流体を供給する。冷媒は、複数のポートを介してチューブの長さに亘って供給される。流れが複数のチューブと熱的に連通するように複数のフィンに亘って供給され、熱エネルギーが複数のフィンを介して冷媒に伝えられる。

上記および他の利点および特徴について、以下に記載する発明を実施するための形態および添付の図面により詳細に説明する。発明を実施するための形態は、図面を参照することにより、発明の実施例、利点および特徴を説明するものである。以下、図面について簡単に説明する。

一実施例におけるマイクロチャネル熱交換器の概略図。図１のマイクロチャネル熱交換器を示す図。他の実施例における図１のマイクロチャネル熱交換器の図。一実施例におけるマイクロチャネル熱交換器のチューブの断面図。他の実施例におけるマイクロチャネル熱交換器のチューブの断面図。さらに別の実施例におけるマイクロチャネル熱交換器のチューブの断面図。他の実施例におけるマイクロチャネル熱交換器の断面図。チューブ端に設けられたＵ字コネクタを有するマイクロチャネル熱交換器の概略図。従来のマイクロチャネル熱交換器の概略図。

図１にマイクロチャネル熱交換器１０の一実施例を示す。熱交換器１０は、少なくとも１つのマニホールド１４から延びる複数のチューブ１２を備える。図１では２つのマニホールド１４を示しているが、熱交換器１０は、他の数（例えば、１つまたは３つ以上）のマニホールド１４を有していてもよい。各チューブ１２は、例えば、ろう付け、あるいは他の適切な接続手段により少なくとも１つのマニホールド１４に接続される。複数のチューブ１２を横切るようにフィン１６が列状に設けられる。フィン１６は、図２に示すような折り畳み型のフィンから構成されてもよく、あるいは図３に示すような個々のフィンプレート１６から構成されてもよい。さらに、フィン１６は、ルーバ１８、あるいはフィン１６の熱伝達能力を向上させる他の促進部材を備えていてもよい。図４に示すように、フィン１６は、フィン開口部２０を有する。この開口部２０は、例えば、押抜きなどの穴開け加工により形成される。フィン開口部２０は各チューブ１２が通る通路となる。各フィン１６は、複数のフィン開口部２０を有しており、このフィン開口部２０を介して複数のチューブ１２が各フィン１６を通って延びる。例えば、図４に示すように、各フィン１６は、２つのフィン開口部２０を有しており、これにより、該フィン１６を通って２つのチューブ１２が延在可能となる。しかし、例えば、各フィン１６に他の数（例えば、３つまたは４つ）のフィン開口部２０を開口してもよいことを理解されたい。一実施例では、フィン開口部２０は、隣接するフィン１６間のスペースを画定するように、フィン開口部２０の外周に亘って少なくとも部分的に延在するつば（カラー）２２を備える。一実施例では、フィン１６は各フィン開口部２０においてチューブ１２にろう付けされ、これにより、フィン１６がチューブ１２に対して所定の位置に固定され、フィン１６とチューブ１２の熱的な接触が向上する。

一実施例では、図４に示すように、各チューブ１２の断面は、実質的に環状をなす。各チューブ１２は、中心軸２６を中心に配列され、かつ一実施例では、チューブ１２の第１の端部から第２の端部に延びる複数のポート２４を含む。ポート２４の幅は、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍである。図４に示す実施例では、各ポート２４の断面は環状であるが、図５に示す他の実施例では、各ポート２４の断面は円弧形（ｃｉｒｃｕｌａｒｓｅｃｔｉｏｎ）である。図４，５に示すポート２４の断面形状は例示的なものに過ぎず、ポートおよびチューブは他の断面形状を有していてもよいことを理解されたい。さらに、１つのチューブ１２におけるポート２４の形状および大きさ、あるいはマイクロチャネル熱交換器１０の複数のチューブ１２全体におけるポート２４の形状および大きさは、マイクロチャネル熱交換器１０の性能を向上させるように変更され得る。

さらに、図４を参照すると、一実施例では、チューブ１２は、チューブ１２の長さに亘って延びる中空部２８を備える。中空部２８は、図４に示すように環状の断面を有していてもよいく、所望の場合は他の断面形状を有していてもよい。図４の実施例では、中空部２８は、中心軸２６に沿って設けられているが、他の実施例では、中空部２８は、中心軸２６からオフセットしていてもよい。中空部２８を備える実施例では、中空部２８と、チューブ１２の外面（外壁）３０との間にポート２４が配設される。中空部２８によって、押出成形あるいは他の適正な方法により形成されるチューブ１２の形成に必要な材料の量が減少する。マイクロチャネル熱交換器１０を作動させる前に、中空部２８は、冷媒がポート２４をバイパスしないように、あるいは冷媒が中空部２８を通流しないように、チューブ１２の少なくとも１つの端部において塞がれる。

図６を参照すると、チューブ１２は、非環状の断面形状をなしている。例えば、図６に示すように、チューブ１２の断面は、涙滴（ティアドロップ）形状、つまりエアフォイル形状である。一実施例では、エアフォイル形状の断面には、中空部２８と、該中空部２８と外面３０との間に配列されたポート２４と、が含まれる。涙滴つまりエアフォイル形状を有するチューブ１２は、チューブ１２に亘る圧力低下を向上させ、より優れた伝熱効果をもたらすとともに、チューブ１２からの湿気の排出を向上させる。

図７を参照すると、各フィン１６を複数のチューブ１２が貫通するマイクロチャネル熱交換器１０の構造では、チューブ１２は、例えば、第１の列３２および第２の列３４におけるチューブ間を通流する流れに相互作用が生じるように互いに近接して配設される。伝熱効果を促進するように相互作用を利用かつ向上させるために、チューブ１２の形状および位置が調節される。例えば、第２の列３４のチューブ１２により方向付けられる流れ３６が第１の列３２のチューブ１２によって妨害されないように、第２の列３４のチューブ１２は第１の列３２のチューブ間に配設される。さらに、第１の列３２のチューブ１２の後縁部３８は、隣接する第２の列３４のチューブ１２に向かって延在しており、これにより、伝熱を向上させるように流れ３６が第２の列３４のチューブ１２に向かって方向付けられる。

一実施例では、マイクロチャネル熱交換器１０は、各チューブ１２が複数のフィン１６を２回以上通過するマルチパス構造である。この構造は、図８に示すように、各チューブ１２の少なくとも１つの端部に配置されるU字形のコネクタ４０によりもたらされる。コネクタ４０は、チューブ１２にろう付けされてもよい。コネクタ４０は、第１のチューブ部分４２からコネクタ４０へと流れる冷媒を、複数のフィン１６を通過させるように第２のチューブ部分４４へと方向付ける。一実施例では、第１のチューブ部分４２は、第１の列３２に配置され、第２のチューブ部分４４は、第２の列３４に配置される。

限定された実施例により本発明を詳細に説明してきたが、本発明は開示した実施例に限定されないことを理解されたい。本発明は、開示していない種々の変更、修正、置換を含むように本発明の範囲を逸脱することなく修正され得る。さらに、本発明の複数の実施例を開示したが、本発明の形態は、開示した実施例のうちいくつかの実施例だけを含んでいてもよいことを理解されたい。本発明は、前記の実施例に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲の範囲によってのみ決定されるものである。

１０マイクロチャネル熱交換器
１２チューブ
１４マニホールド
１６フィン
１８ルーバ
２０フィン開口部
２２つば
２４ポート
２６中心軸
２８中空部
３０外面
３２第１のチューブ列
３４第２のチューブ列
３６流れ
３８後縁部
４０コネクタ
４２第１のチューブ部分
４４第２のチューブ部分
１００従来のマイクロチャネル熱交換器
１０２従来のフラットチューブ
１０４従来のポート
１０６チューブ平面
１０８従来のフィン

Claims

流体を分配する少なくとも１つのマニホールド（１４）と、
前記少なくとも１つのマニホールド（１４）から延びる複数のチューブ（１２）と、
を備え、
前記複数のチューブ（１２）のうち少なくとも１つのチューブ（１２）が、実質的に曲線形の断面形状を有し、さらに、
各チューブ（１２）の第１の端部から第２の端部まで延び、かつ流体を供給する複数のポート（２４）と、
複数のチューブ（１２）の長さに沿って配設される複数のフィン（１６）と、
を備えることを特徴とするマイクロチャネル熱交換器（１０）。
前記複数のチューブ（１２）のうち少なくとも１つのチューブ（１２）は、長さに沿って延びる中空部（２８）を備え、この中空部（２８）と、チューブ（１２）の外壁（３０）との間に複数のポート（２４）が配設されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器（１０）。
中空部（２８）は、流体が中空部（２８）に流入しないように一端部において塞がれることを特徴とする請求項２に記載のマイクロチャネル熱交換器（１０）。
前記複数のチューブ（１２）のうち少なくとも１つのチューブ（１２）は、実質的に環状の断面形状を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器（１０）。
前記複数のチューブ（１２）のうち少なくとも１つのチューブ（１２）は、実質的にエアフォイル形の断面形状を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器（１０）。
前記複数のチューブ（１２）のうち少なくとも２つのチューブ（１２）は、一端部においてU字形のコネクタ（４０）により接続されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器（１０）。
前記複数のチューブ（１２）のうち少なくとも２つのチューブ（１２）は、伝熱を促進するため空気流との相互作用を向上させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器（１０）。
各フィン（１６）は、少なくとも１つのチューブ（１２）が通る少なくとも１つのフィン開口部（２０）を備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器（１０）。
前記少なくとも１つのフィン開口部（２０）は、隣接するフィン（１６）間のスペースを画定するつば（２２）を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器（１０）。
前記複数のフィン（１６）のうち少なくとも１つのフィン（１６）は、複数のフィン（１６）の伝熱効果を促進させる少なくとも１つのルーバ（１８）を備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器（１０）。
各ポート（２４）の幅は、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャネル熱交換器（１０）。
流れから熱エネルギーを抽出する方法であって、
マニホールド（１４）と流体連通するように該マニホールド（１４）から複数のチューブ（１２）に冷媒を供給するステップであって、前記複数のチューブ（１２）のうち少なくとも１つのチューブ（１２）は、実質的に曲線形の断面形状を有するとともに、各チューブ（１２）の第１の端部から第２の端部まで延び、かつ流体を供給する複数のポート（２４）を備える、供給ステップと、
前記複数のポート（２４）を介してチューブ（１２）の長さに亘って冷媒を供給するステップと、
前記複数のチューブ（１２）と熱的に連通するように複数のフィン（１６）に亘って流れを供給するステップと、
前記複数のフィン（１６）を介して冷媒に熱エネルギーを伝えるステップと、
を含むことを特徴とする熱エネルギー抽出方法。
前記複数のチューブ（１２）のうち少なくとも１つのチューブ（１２）は、長さに沿って延びる中空部（２８）を備え、この中空部（２８）と、チューブ（１２）の外壁（３０）との間に複数のポート（２４）が配設されることを特徴とする請求項１２に記載の熱エネルギー抽出方法。
流体が中空部（２８）に流入しないように一端部において中空部（２８）を塞ぐステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の熱エネルギー抽出方法。
前記複数のチューブ（１２）のうち少なくとも１つのチューブ（１２）は、実質的に環状の断面形状を有することを特徴とする請求項１２に記載の熱エネルギー抽出方法。
前記複数のチューブ（１２）のうち少なくとも１つのチューブ（１２）は、実質的にエアフォイル形の断面形状を有することを特徴とする請求項１２に記載の熱エネルギー抽出方法。
前記複数のチューブ（１２）のうち第１のチューブ（１２）を通して冷媒を流すステップと、
前記複数のチューブ（１２）のうち第１のチューブ（１２）と第２のチューブ（１２）との間に設けられたＵ字形コネクタ（４０）を通して冷媒を流すステップと、
前記第２のチューブ（１２）を通して冷媒を流すステップと、
を含むことを特徴とする請求項１２に記載の熱エネルギー抽出方法。
前記複数のチューブ（１２）のうち少なくとも２つのチューブ（１２）は、伝熱を促進するため空気流との相互作用を向上させるように構成されることを特徴とする請求項１２に記載の熱エネルギー抽出方法。
各フィン（１６）は、少なくとも１つのチューブ（１２）が通る少なくとも１つのフィン開口部（２０）を備えることを特徴とする請求項１２に記載の熱エネルギー抽出方法。
伝熱効果を促進させるように前記複数のフィン（１６）に設けられた少なくとも１つのルーバ（１８）に亘って前記流れを供給するステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の熱エネルギー抽出方法。