JP2619956B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は燃焼ガスなどの高温ガスにより冷媒を加熱
し、冷暖房装置に利用する熱交換器に関するものであ
る。

従来の技術 被加熱側流体に冷媒を用いて、燃焼ガスにより加熱し
て液状冷媒を蒸発気化させて潜熱により熱を運び暖房を
行うものとして第６図に示すような冷媒加熱暖房装置が
知られている。この冷媒暖房加熱は、燃焼ガスと、冷媒
との熱交換器１と放熱器２を密閉管路３で連結するとと
もに、密閉管路３中に設けた冷媒搬送機４により冷媒を
強制循環するものである。第７図に前記熱交換器１を拡
大して示し、アルミなどの材料で押し出し成形した水平
方向に延びる円筒体５の内周面に複数のフイン６を設
け、また円筒体５の外周面軸方向にはパイプ保持部７を
設けるとともに、このパイプ保持部７に冷媒が内部を流
れるパイプ８を埋設したもので、バーナ９からの燃焼ガ
スを円筒体５の内部に水平方向に流して冷媒搬送機４に
より送られてきて前記パイプ８内を流れる冷媒を加熱す
るようになっている。

しかし、この暖房システムでは、冷媒搬送に外部動力
が必要であり、暖房運転時のランニングコストを低減す
ることが望まれている。

発明が解決しようとする課題 そこで暖房運転時のランニングコスト低減には、冷媒
搬送用の外部動力を無くして無動力で熱搬送することが
有効である。無動力搬送により、冷媒加熱暖房を行う場
合、液状冷媒が加熱されて発生する気体冷媒の浮力によ
る自然循環力が重要となる。ところが、前記従来の冷媒
加熱暖房装置は、第７図に示すように熱交換器１が用い
られており、冷媒は水平方向に延びるパイプ８内を流れ
るため、加熱されて気液二相混合状態の冷媒の気体成分
がスムーズに出口に向かって流れないため、冷媒の淀み
を生じ、局部的な異常過熱を発生し、また燃焼室と熱交
換部が一体であるため、熱交換量が燃料状態により不均
一となり、局部過熱を生じ、冷媒の熱分解や機器の異常
温度上昇が生じるなどの問題があった。

また第７図に示すように、熱交換器１の内部を燃焼室
としてあるため、燃焼火炎が直接熱交換器１に触れる場
合や燃料の偏りにより熱交換器１の一部が高温に過熱さ
れ冷媒が異常温度上昇が生じることがあった。

本発明はこのような課題を解決するもので、無動力搬
送を可能としてランニングコストの低減を図ることがで
き、また冷媒の熱分解や機器の異常温度上昇を防止して
信頼性を向上を図ることを目的とするものである。

課題を解決するための手段 本発明における課題解決手段は、燃料供給装置に接続
したバーナに一端側が連通して設けた燃焼室と、前記燃
焼室の前記バーナに対向した側に前記燃焼室に連通して
設けた燃焼ガス出口と、この燃焼ガス出口に連通して設
けた上下方向の複数の高温ガス通路と、前記高温ガス通
路内において高温ガス通路を覆う伝熱隔壁に密着して設
けられ上下方向に多数の通路を持つ上下複数段の伝熱フ
インと、前記多数の通路を集合した後連通した排気管
と、前記伝熱隔壁の外面と密着した冷媒通路部材と、前
記燃焼室の内面を覆う断熱材とからなり、前記燃焼ガス
出口は高温ガス通路に平行に配置し、前記冷媒通路部材
は上下方向に向く通路を多数設けて構成し下端を入口ヘ
ツダー管、上端を出口ヘツダー管に連通し、前記伝熱フ
インから前記排気管に至る通路距離の短い前記伝熱フイ
ンのフインピツチを他の伝熱フインのピツチに対して小
さくしている。

また、前記上下方向に多数の通路を持つ上下複数段の
伝熱フインの内、何れかの伝熱フインのフインピツチを
不均一として設けている。

作用 この構成により、バーナなどで加熱される冷媒加熱装
置の自然循環サイクルを、断熱構造の燃焼室と連通して
設けた燃焼ガス出口から噴出する燃焼ガスが通過する前
記高温ガス通路の伝熱隔壁に密着した複数の伝熱フイン
で分割した。

このため、燃焼室と伝熱隔壁を分離してあり、燃焼室
と燃焼ガス出口と高温ガス通路を連通しているため、燃
焼室で完結したあと、高温燃料ガスが燃焼ガス出口から
流出し、伝熱隔壁で冷媒に熱交換する。そのため、燃焼
火炎による局部過熱を生じることによる冷媒の熱分解や
機器の異常温度上昇を生じることがない。

そして、上下方向の複数の高温ガス通路を構成してい
るため、この高温ガス通路に設ける伝熱フイン面積を広
くでき、効率アツプと機器のコンパクト化が可能とな
る。

また、伝熱フインは、前記伝熱フインから前記排気管
に至る通路距離の短い前記伝熱フインのフインピツチを
他の上下複数段の伝熱フインのフインピツチに対して小
さくし、また、前記入口ヘツダーから前記出口ヘツダー
に至る通路距離の短い前記伝熱フインのフインピツチを
他の伝熱フインのピツチに対して小さくしたため、燃焼
ガス流量に対しての伝熱面積が等しく一様に熱交換し、
排気管で合流する燃焼ガスの温度が等しくでき、トータ
ルの熱交換率を大きくできるものである。そして、前記
入口ヘツダーから前記出口ヘツダーに至る通路距離の短
い前記伝熱フインのフインピツチを他の伝熱フインのピ
ツチに対して小さくし、前記伝熱フインの内、何れかの
伝熱フインのフインピツチを不均一として設けたため、
冷媒流量の多い冷媒通路部材に接する燃焼ガス側の伝熱
面積が大きくなり、さらに、総伝熱面積が増大による効
率アツプと機器のコンパクト化が可能になるとともに高
効率の安定維持が可能になり、冷媒の熱分解や機器の異
常温度上昇を生じることなく安全性と耐久性の高いもの
である。

このように、燃焼ガスの流量と温度に応じて何れかの
伝熱フインのピツチを変えて伝熱付加を一定にすること
により冷媒を均一に加熱できるために、冷媒通路部材の
各部を均一加熱が可能となり、総熱交換効率の向上によ
る熱交換器のコンパクト化と同時に、冷媒をスムーズに
循環させ、かつ冷媒を局部過熱させることがなく無動力
熱搬送を確実に行わせ冷媒の熱分解も防止できる。

実施例 以下、本発明の一実施例について、図面に基づいて説
明する。

第１図〜第５図において、11は燃料供給装置に接続し
たバーナ12に一端側が連通して設けて燃焼室で、この燃
焼室11は伝熱隔壁13に密着して設けられた高温ガス通路
部材14の燃焼ガス出口15をバーナ12に対抗した側に燃焼
室11に連通している。そして、この燃焼ガス出口15に連
通して設けた上下方向の複数の高温ガス通路部材14と、
燃焼ガス出口15はこの上下方向の高温ガス通路部材14に
平行に配置してある。

なお高温ガス通路部材14には排気管16を有している。
詳しくは、高温ガス通路部材14に伝熱隔壁13が組み合わ
さって高温ガス通路が形成されている。前記伝熱隔壁13
の外面には熱的に連結させた冷媒通路部材17が設けら
れ、この冷媒通路部材17には上下方向に向く通路18が多
数設けられている。

前記冷媒通路部材17の下端には入口ヘツダー管19が設
けられ、冷媒通路部材17の上端には、出口ヘツダー管20
が設けられている。

そして入口ヘツダー管19の一端には、入口管21が接続
され、出口ヘツダー管20の一端には、出口管22が接続さ
れ、おのおのが冷媒回路と接続される。前記入口ヘツダ
ー管19の他端には下方に曲折されたオイル抜き管23が設
けられている。また入口ヘツダー管19と出口ヘツダー管
20は、前記上下方向の通路18により互いに連通してい
る。

前記高温ガス通路の内部には、伝熱隔壁13の内面に熱
的に接するように前記燃焼ガス出口15を上下より挟む位
置で伝熱フイン24,25が設けられ、これらは波形状に屈
曲されている。

ところで、燃焼室11は筒状であって、その内面には断
熱材26が設けられている。また前記伝熱フイン25は伝熱
フイン24よりフインピツチが小さく、かつ不均一であ
り、これら伝熱フイン24,25は伝熱隔壁13に取付けられ
た状態において上下方向に向く多数の通路24a,25aを形
成し、この伝熱フイン24,25が前記高温ガス通路部材14
で覆われた状態において伝熱フイン24,25の外周を通り
下側の伝熱フイン25の下方中央で集合する排気通路27が
形成されるようになっている。そしてこの排気通路27は
前記排気管16と連通するものである。

上記構成において、燃料の供給装置により供給された
燃料をバーナー12で燃焼し、燃焼室11で発生した高温ガ
スは、燃焼ガス出口15を通り高温ガス通路内部の伝熱フ
イン24,25の通路24a,25aを通り、排気通路27から排気管
16に流れる。

前記入口管21を通って入口ヘツダー管19に入った液冷
媒は、冷媒通路部材17の下部より多数の上下方向の通路
18に分流し、一方伝熱フイン24,25が前記通路24a,25a内
を流れる高温ガスの熱を冷媒通路部材17に伝熱し、その
結果冷媒通路部材17の上下方向の通路18内の冷媒を入口
ヘツダー管19に近い下部より十分に加熱する。

そこで加熱された液状冷媒は、気化蒸発を開始し、液
の中に気泡を生じる気液二相状態となる。発生した気泡
は、浮力効果で上下方向の通路18内を上昇し、特に燃焼
ガスは燃焼室11から燃料ガス出口15を出た後、高温ガス
通路内で冷媒に伝熱するため、燃焼ガスの温度と流れを
燃料ガス出口で規制でき、冷媒通路部材17の各部を均一
加熱でき、スムーズかつ均一に冷媒を蒸発させ、冷媒を
局部過熱させることがなく、無動力熱搬送を確実に行わ
せ、冷媒の熱分解も生じない。すなわち、燃焼室11と伝
熱隔壁13を分離してあり、燃焼室11と燃焼ガス出口15と
高温ガス通路部材14を連通しているため、燃焼室11で燃
焼が完結したあと高温燃焼ガスが燃料ガス出口15から流
出し、伝熱隔壁13で冷媒に熱交換する。

そのため、燃焼火炎による局部過熱を生じることによ
る冷媒の熱分解や機器の異常温度上昇を生じることがな
い。また上下方向の複数の高温ガス通路部材14を構成し
ているため、この高温ガス通路部材14に設ける伝熱フイ
ン24,25の面積が広くでき、効率アツプと機器のコンパ
クト化が可能となる。

均一加熱はまた通路18内の流れの抵抗を低減させるこ
とにより、気泡発生が増大し、気泡上昇力は強められ、
自然循環力が強くなるとともにまだ気化していない液冷
媒を伴って通路18の上部へ冷媒を送る気泡ポンプ作用が
発生する。

そして、伝熱フイン25のフインピツチは伝熱フイン24
より小さく設定してかつフインピツチを不均一といてあ
ることにより、通路抵抗を増加させずに伝熱フイン25側
の伝熱面積を伝熱フイン24より大きくし燃焼ガス流量に
応じて伝熱能力を増加してある。すなわち、燃焼ガスが
燃焼室11から燃焼ガス出口15を出た後、高温ガス通路を
通り排気管16に至る通路は、伝熱フイン24側の通路は、
伝熱フイン25側の通路より長くなるために燃焼ガスの流
れ抵抗が大きくなる。そのため、伝熱フイン24側の通路
を流れる燃焼ガスの流量は、伝熱フイン25側の通路を流
れる燃焼ガスの流量より少なくなる。そこで、伝熱フイ
ン25のフインピツチを伝熱フイン24のフインピツチより
小さく設定して伝熱面積を大きくしてあるため、燃焼ガ
ス流量に対しての伝熱面積が等しく一様に熱交換し、排
気管16で合流する燃料ガスの温度が等しくでき、燃焼ガ
ス通路抵抗に応じてフインのピツチを最適に設定でき
る。

本実施例では排気管16側の伝熱フイン25を全域にわた
り伝熱フイン25よりピツチを小さくしている。よって、
排気管16に至る通路の近い伝熱フイン25側は燃焼ガスが
多く流れるものの、フインのピツチを小さくして伝熱面
積を多くしたため、燃焼ガスの流量に対応した伝熱面積
を確保している。

他方、排気管16に至る通路の長い伝熱フイン24側で
は、通路抵抗が大きく燃焼ガスが少なく流れているの
で、伝熱面積が伝熱フイン25側より小さくても燃焼ガス
の流量に対応した伝熱面積は確保されており、トータル
として伝熱フイン25側と同じ熱交換率に設定でき、すべ
ての排気燃焼がす温度を均一に低くでき、トータル熱交
換効率を大きくできるものである。

また、冷媒の流れに応じて、フインのピツチを変化す
ることにより伝熱能力に分布を設け、燃焼ガスの流れ分
布にかかわらず熱交換性能をコントロールできる。

冷媒は出口管22の近傍を多く流れ、出口管22と反対側
になるに従って流量は少ないから、この部分のフインピ
ツチを順次小さくすることにより、均一伝熱効率が得ら
れ、高効率となる。本実施例では、入口ヘツダー19から
出口ヘツダー20に至る通路距離の短い伝熱フイン25のフ
インピツチを他の伝熱フイン24のピツチに対して小さく
し、伝熱フイン25のフインピツチを不均一として設けた
ため、冷媒流量の多く冷媒通路部材17に接する燃焼ガス
側の伝熱面積は大きくなり、さらに、総伝熱面積が増大
による効率アツプと機器のコンパクト化が可能となると
ともに、高効率の安定維持が可能となり、冷媒の熱分解
や機器の異常温度上昇を生じることがなく、安全性と耐
久性の高いものである。

さらに伝熱フイン24,25が設けられている部分以外の
伝熱隔壁13の面も伝熱面となり、高温ガス通路内を流れ
る高温ガスより効率よく吸熱し、通路18内の気液二相状
態の冷媒をさらに加熱して自然循環力をさらに増大させ
る。

通路18の上端に達した冷媒は、出口ヘツダー管20に流
入し、出口管22より放熱器（図示せず）に向かって流出
する。このように上下方向の通路18の下部から上部に至
るまで均一に加熱することにより、自然循環を高めるだ
けでなく、下部において伝熱フイン25のピツチを小さく
することにより、さらに強く加熱することで自然循環力
をさらに増加させることができる。

また、高温ガス通路部材14に前記燃焼室11を取付ける
とともに伝熱隔壁13を取付け、この伝熱隔壁13に冷媒通
路部材17が取付けられていることにより、燃焼室11から
の高温ガスの熱を前記伝熱フイン24,25から通路18に効
率よく伝達することができ、また冷媒通路部材17は多管
二重壁構成であるため、冷媒の燃焼ガス部への洩れを防
止することができる。

また、高温の燃焼室11と通路18を高温ガス通路部材14
で形成される高温ガス通路で完全に分離したため、局部
過熱による冷媒の熱分解、劣化が生じることなく、かつ
機器の異常温度上昇を防止し、信頼性を向上させること
ができる。

さらに、冷媒通路部材17を内部に多数の通路を持つア
ルミニウム製の多管偏平押し出し管とし、また伝熱フイ
ン24,25として帯状のアルミニウム製の板を波状に屈曲
させるか、または、櫛形に多数のフインを一体にした押
出し成形品を用いて構成し、さらに伝熱隔壁13は、アル
ミニウム製心材の表裏にろう材を事前にクラツドしたブ
レージングシートとして組立て、同時に一体ブレージン
グすることにより、容易にフインピツチを可変できかつ
熱的に連通でき、接触熱抵抗がない伝熱性能に優れ、か
つ軽量で低コストの熱交換器が得られる。

また、高温ガス通路部材14をアルミニウム製心材の片
面にろう材を事前にクラツドしたブレージングシートと
し、ブレージングにより前記伝熱フイン24,25と一体的
に構成することにより燃焼室11からの熱が伝熱フイン2
4,25を通じて通路18に高い熱交換効率で伝熱し、効率ア
ツプと機器のコンパクト化が可能となる。そして、前記
高温ガス通路部材14をアルミニウムとし伝熱隔壁13と一
体ブレージングすることは、簡単な構成でかつ機密性を
維持でき、排ガスが洩れることがなく、安全性が高いも
のである。

また、冷媒中にはコンプレツサーのオイルが常に溶存
しており、加熱器で冷媒を気化させると次第にオイルが
溜まってくる。オイルが多く溜まるとその粘性と低熱伝
導のための冷媒の気化、循環を阻害する。そこで、冷媒
通路部材17の通路18の底部の入口ヘツダー管19に接続し
てオイル抜き管23を設けてあるため、加熱器にオイルが
溜まると冷媒と一緒にオイルをオイル抜き管23から排出
し、オイルを加熱器から確実に除去し、冷媒の均一循環
の維持により局部過熱による冷媒の熱分解をなくし、信
頼性の向上を図れる。

発明の効果 以上のように本発明によれば、燃料供給装置に接続し
たバーナに一端側が連通して設けた燃焼室と、前記燃焼
室の前記バーナに対向した側に前記燃焼室に連通して設
けた燃焼ガス出口と、この燃焼ガス出口に連通して設け
た上下方向の複数の高温ガス通路と、前記高温ガス通路
内において高温ガス通路を覆う伝熱隔壁に密着して設け
られ上下方向に多数の通路を持つ上下複数段の伝熱フイ
ンと、前記多数の通路を集合した後連通した排気管と、
前記伝熱隔壁の外面と密着した冷媒通路部材と、前記燃
焼室の内面を覆う断熱材とからなり、前記燃焼ガス出口
は、この上下方向の高温ガス通路に平行に配置し前記複
数の伝熱フインは、前記伝熱フインから前記排気管に至
る通路距離の短い前記伝熱フインのフインピツチを他の
上下複数段の伝熱フインのピツチに対して小さくし、前
記冷媒通路部材は上下方向に向く通路を多数設けて構成
し、下端を入口ヘツダー管、上端を入口ヘツダー管に連
通し、前記入口ヘツダー管から出口ヘツダー管に至る通
路距離の短い前記伝熱フインのフインピツチを他の伝熱
フインのピツチに対して小さくし前記伝熱フインの内、
何れかの伝熱フインのフインピツチを不均一として設け
たものであり、次の効果が得られる。

燃焼室と伝熱隔壁を分離してあり、燃焼室と燃焼ガス
出口と高温ガス通路を連通しているため、燃焼室で燃焼
が完結したあと高温燃焼ガスが燃焼ガス出口から流出
し、伝熱隔壁で冷媒に熱交換する。そのため、燃焼火炎
による局部過熱を生じることによる冷媒の熱分解や機器
の異常温度上昇を生じることがない。また上下方向の複
数の高温ガス通路を構成しているため、この高温ガス通
路に設ける伝熱フイン面積が広くでき、効率アツプと機
器のコンパクト化が可能となる。

また、前記伝熱フインから前記排気管に至る通路距離
の短い前記伝熱フインのフインピツチを他の上下複数段
の伝熱フインのピツチに対して小さくしたことにより、
通路抵抗を増加させずにその伝熱フイン側の伝熱面積を
他の伝熱フインより大きくし、燃焼ガス流量に応じて伝
熱性能力を増加してある。すなわち、燃焼ガスが燃焼室
から燃焼ガス出口を出た後、高温ガス通路を通過する抵
抗に応じてフインのピツチを最適に設定できる。

また、冷媒の流れに応じてフインのピツチを不均一に
することにより伝熱能力に分布を設け、燃焼ガスの流れ
分布にかかわらず熱交換性能をコントロールできる。ま
た、断熱構造の燃焼室と連通した燃焼ガス出口から噴出
する燃焼ガスが通過する前記高温ガス通路内に伝熱隔壁
に密着した複数の伝熱フインを設け、伝熱隔壁と冷媒通
路部材を備えて構成した熱交換器で燃焼ガスの温度と流
れを均一にでき、冷媒通路部材の各部を均一加熱できて
冷媒をスムーズに循環させ、かつ冷媒を局部過熱させる
ことがなく、無動力搬送熱搬送を確実に行わせ、冷媒の
熱分解も防止できる。

また、前記入口ヘツダーから前記出口ヘツダーに至る
通路距離の短い前記伝熱フインのフインピツチを他の伝
熱フインのピツチに対して小さくし、前記伝熱フインの
内、何れかの伝熱フインのフインピツチを不均一として
設けたため、冷媒流量の多い冷媒通路部材に接する燃焼
ガス側の伝熱面積が大きくなり、さらに、総伝熱面積の
増大による効率アツプと機器のコンパクト化が可能にな
るとともに、高効率の安定維持が可能となり、冷媒の熱
分解や機器の異常温度上昇を生じることがなく、安全性
と耐久性の高いものである。

さらに均一加熱は冷媒通路部材の通路内の流れの抵抗
を低減させることにより、気泡発生が増大し、気泡上昇
力は強められて自然循環力が強くなり、熱交換効率が増
大し、機器のコンパクト化が可能となり、また均一加熱
により冷媒の局部異常過熱を防止することにより、機器
の異常温度上昇防止による信頼性の向上を図ることがで
きる。

また無動力搬送が可能となることにより、ランニング
コストの低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明の一実施例を示すもので、第１
図は熱交換器の縦断面図、第２図は冷媒通路部材の横断
面図、第３図は熱交換器の分解斜視図、第４図は下側の
伝熱フインの横断面図、第５図は高温ガス通路内部の構
成図、第６図は従来の冷媒加熱暖房装置の回路構成図、
第７図は従来の熱交換器の斜視図である。 11……燃焼室、12……バーナ、13……伝熱隔壁、14……
高温ガス通路部材、15……燃焼ガス出口、16……排気
管、17……冷媒通路部材、18……通路、19……入口ヘツ
ダー管、20……出口ヘツダー管、24,25……伝熱フイ
ン、24a,25a……通路、26……断熱材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桜武 達規 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 山口 紘一郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−105395（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−28494（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料供給装置に接続したバーナに一端側が
   連通して設けた燃焼室と、前記燃焼室の前記バーナに対
   向した側に前記燃焼室に連通して設けた燃焼ガス出口
   と、この燃焼ガス出口に連通して設けた上下方向の複数
   の高温ガス通路と、前記高温ガス通路内において高温ガ
   ス通路を覆う伝熱隔壁に密着して設けられ上下方向に多
   数の通路を持つ上下複数段の伝熱フインと、前記多数の
   通路を集合した後連通した排気管と、前記伝熱隔壁の外
   面と密着した冷媒通路部材と、前記燃焼室の内面を覆う
   断熱材とからなり、前記燃焼ガス出口は高温ガス通路に
   平行に配置し、前記冷媒通路部材は上下方向に向く通路
   を多数設けて構成し下端を入口ヘツダー管、上端を出口
   ヘツダー管に連通し、前記伝熱フインから前記排気管に
   至る通路距離の短い前記伝熱フインのフインピツチを他
   の伝熱フインのピツチに対して小さくした熱交換器。
2. 【請求項２】前記上下方向に多数の通路を持つ上下複数
   段の伝熱フインの内、何れかの伝熱フインのフインピツ
   チを不均一として設けた請求項１記載の熱交換器。