JP2834303B2 - 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
したたとえば暖冷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、これを燃焼ガスにより加
熱して液状冷媒を蒸発気化させ、潜熱により熱を運び暖
房を行うものに、第５図に示すような回路構成をもった
冷媒加熱暖房機がある。これは燃焼ガスと冷媒の熱交換
を行う熱交換器１と放熱器２を密閉管路３で連結し、こ
の密閉管路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。

しかし、第５図のような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 暖房運転時のランニングコスト低減には冷媒搬送用の
外部動力をなくして無動力で熱搬送することが有効であ
る。無動力熱搬送により、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。

この種の暖房装置には、従来は、第６図に示すような
構成の熱交換器が用いられている。

第６図は熱交換器１の従来例を示したもので（特開昭
59−107167号公報）、水平方向に延びる円筒体の内周面
に複数のフィン５を設け、外周面に軸方向のパイプ保持
部６および冷媒が内部を流れるパイプ７を設けたもので
あり、バーナ８からの燃焼ガスを円筒体の内面に水平方
向に流し、冷媒搬送機４により送られてパイプ７内を流
れる冷媒を加熱する。９は温度検知器であり、パイプ保
持部６の間の表面に取り付けられており、冷媒が異常に
温度上昇した場合に加熱を停止するように制御してい
る。

このとき、冷媒は水平方向に延びるパイプ７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
はスムーズに出口に向かって流れず、このため冷媒の淀
みを生じて局部的な異常過熱を発生したり、また、燃焼
室と熱交換部が一体であるため熱交換量が燃焼状態によ
り不均一となって局部過熱を生じたりして、冷媒の熱分
解あるいは機器の異常温度上昇などが起こり、機器の信
頼性能上に問題があった。

本発明はかかる従来の問題を解決するもので、バーナ
などで過熱する冷媒加熱器の自然循環サイクルを、気泡
上昇による自然循環力の増進によりスムーズに循環させ
るとともに、冷媒加熱器に冷媒が不足した場合などで冷
媒が過熱したときには、直ちにこれを検知してシステム
の動作を正常化することができ、さらにはこの温度検知
あるいはこの出力により制御する動作に異常を生じた場
合の安全を維持することができ、機器を保護できる熱交
換器を提供す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 上記課題を解決するために本発明の熱交換器は、バー
ナの燃焼室に連通する燃焼ガス入口を有する高温ガス通
路部材と、燃焼室に面する内面に前記高温ガス通路部材
が密着された伝熱隔壁と、前記伝熱隔壁の外面の前記高
温ガス通路部材に対応する位置に一体的に形成されて複
数の上下方向の冷媒通路を有する冷媒通路部材と、前記
冷媒通路部材の上下両端に設けられたヘッダー管と、前
記ヘッダー管のそれぞれに取り付けられた冷媒入口管お
よび冷媒出口管と、前記冷媒出口管とは反対側の位置で
前記冷媒通路部材に設けられた温度検知手段とを備えた
ものである。

さらに、本発明の熱交換器は、上記温度検知手段に近
接して温度感応型のスイッチとを設けた構成にしたもの
である。

作用 本発明は、上記した構成によって、バーナなどで加熱
する冷媒加熱器の自然循環サイクルを、複数の冷媒通路
内での気泡上昇による自然循環力の増進によりスムーズ
に循環させることができ、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おこなわせて冷媒の熱
分解を生じることはない。そして、冷媒の流れは、冷媒
入口管より流入し、入口ヘッダー管で冷媒通路部材のそ
れぞれの冷媒通路に分流し、この冷媒通路途中で高温ガ
ス通路部材内を流れる高温ガスの熱を受けてガス化し、
その後出口ヘッダー管で集合して冷媒出口管より冷媒回
路に流れる。このとき、入口ヘッダー管を流れる冷媒は
液相が多く、出口ヘッダー管を流れる冷媒は熱を受ける
ため氣相が多くなり、冷房のヘッダー管内の流れ抵抗は
入口ヘッダー管内より大きくなる。このため、冷媒通路
部材のそれぞれの冷媒通路を流れる冷媒の量は冷媒出口
管に近い側ほど多く流れ、冷媒出口管とは反対側の位置
の冷媒通路に流れる冷媒流量は最も少なくなる。したが
って、冷媒が所定量より少なくなると全て気化（ガス
化）して顕熱による温度上昇が生じる。そこで、この冷
媒出口管とは反対側の位置で冷媒通路部材に温度検知手
段を設けたことにより、冷媒加熱器に冷媒が不足した場
合などで冷媒が過熱したときは、温度検知手段は直ちに
これを検知して、システムの動作を正常化でき、冷媒の
熱分解、劣化を阻止でき、信頼性の高いシステムが得ら
れる。

さらに、温度検出手段に近接して温度感応型のスイッ
チを設けることにより、温度検知あるいはこの出力によ
り制御する動作に異常を生じた場合、冷媒通路部材の温
度を温度検知手段と同じように温度感応型のスイッチが
検知し、このスイッチの動作温度を温度検知手段より少
し高く設定することにより、機器の安全を維持すること
ができて機器の保護が可能となり、より、信頼性の高し
システムが得られる。

実施例 以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す熱交換器の一部切欠
斜視図、第２図は同熱交換器の通路部材の断面図、第３
図は同熱交換器の裏面図、第４図は同熱交換器の要部拡
大斜視図である。

第１図〜第４図において、10は燃料供給装置に接続し
たバーナ８に連通して設けた燃焼室であり、伝熱隔壁11
が燃焼室10に対面して取り付けられている。12は高温ガ
ス通路部材であり、燃焼室10に面して伝熱隔壁11の内面
に密着して取り付けられ、燃焼室10に連通して高温燃焼
ガスを取り入れる燃焼ガス入口13と燃焼室10外に連通す
る排気出口14を有している。15は伝熱隔壁11の外面に熱
的に連結させ高温ガス通路部材12に対応して取り付けら
れた冷媒通路部材であり、上下方向の冷媒通路16が多数
設けられている。17は冷媒通路部材16の下端に設けられ
た入口ヘッダー管、18は冷媒通路部材16の上端に設けら
れた出口ヘッダー管であり、それぞれ同一方向に延設さ
れた冷媒入口管19、冷媒出口管20を介して冷媒回路に接
続されており、入口ヘッダー管17の他端には下方に曲折
されてオイル抜き管21が設けられている。また、入口ヘ
ッダー管17と出口ヘッダー管18は冷媒通路部材16の上下
方向の冷媒通路16により互いに連通している。22は伝熱
隔壁11の内側に熱的に接するように設けられた多数の伝
熱フィンであり、燃焼室10が伝熱隔壁11に取り付けられ
たときに、燃焼室10の外枠は高温ガス通路部材12が燃焼
ガス入口13および排気出口14を除く両側を押圧し、高温
ガス通路部材12を伝熱フィン22とともに伝熱隔壁11に熱
的に結合する。また、燃焼室10の高温ガス通路部材12と
接しない残りの内面には全面を覆う断熱材23が設けられ
ている。冷媒出口管20とは反対側の位置で冷媒通路部材
15の上部に温度検知手段としての温度サーミスタ24と、
これに近接して温度感応型の温度スイッチ25が冷媒通路
部材15に密接して固定した金具26を用いて取り付けられ
ている。本実施例の温度スイッチ25は金具26の凸部にか
しめて止められ、温度感応型のスイッチ25は金具26にビ
ス止めされ、冷媒通路部材15に密接されている。27は温
度サーミスタ24と温度スイッチ25の検出出力によりシス
テムを制御する制御器である。

上記構成において、燃料供給装置から供給された燃料
はバーナ８で燃焼され、燃焼室10に発生した高温燃焼ガ
スは燃焼ガス入口13から入って高温ガス通路部材12の伝
熱フィン22間を含めた通路を通り、排気出口14から排気
通路28に流れ、排気管29から排出される。冷媒入口管19
を通って入口ヘッダー管17に入った液冷媒は冷媒通路部
材15の下部より多数の上下方向の冷媒通路16に分流して
流れ、高温ガス通路部材12内を流れる高温燃焼ガスから
伝熱フィン22、伝熱隔壁11を通して冷媒通路部材15に伝
熱された熱により加熱される。このとき、冷媒通路部材
15の上下方向の冷媒通路16内の冷媒は入口ヘッダー管17
に近い下部より十分に加熱される。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
二相状態となり、発生した気泡は浮力効果で上下方向の
冷媒通路16内を下方から上方に上昇する。特に燃焼ガス
は燃焼室10から直接燃焼ガス入口13に入り、高温ガス通
路部材12に伝熱するために燃焼ガスの温度と流れが均一
となり、冷媒通路部材15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、冷媒は局部過熱させるこ
とがない。したがって、無動力熱搬送を確実に行わせ冷
媒の熱分解を生じない。そして、均一加熱により冷媒通
路16のそれぞれの流量が均等となって全体として抵抗を
低減させ、気泡上昇力は強められて自然循環力が強くな
り、上方へ冷媒を送る気泡ポンプ作用が発生する。さら
に冷媒通路16の上部、下部においても伝熱フィン22以外
の伝熱隔壁11全面が伝熱面積となり、冷媒通路16内の気
液二相状態の冷媒をさらに加熱し、自然循環力をさらに
増大させる。冷媒通路16の上端に達した冷媒は出口ヘッ
ダー管18に流入し、冷媒出口管20より放熱器（図示せ
ず）に向かって流出する。

また、冷媒通路部材16を内部に多数の孔を持つアルミ
ニウム製の多穴偏平押し出し管で成形し、伝熱フィン22
を帯状のアルミニウム製の板を波状に屈曲させるかアル
ミニウム製の押し出し材で構成し、かつ伝熱隔壁11はア
ルミニウム製心材の表裏にろう材を事前にクラッドした
ブレージングシートとし、この伝熱隔壁11の内外面にア
ルミニウム製の伝熱フィン22およびアルミニウム製の多
孔偏平押し出し管の冷媒通路部材16を当接して組立て、
同時に一体ブレージングすることにより熱的に連結でき
る。

一方、入口ヘッダー管17を流れる冷媒は液相が多く、
出口ヘッダー管18を流れる冷媒は熱を受けるため氣相が
多くなり、冷媒の出口ヘッダー管18内の流れ抵抗は入口
ヘッダー管17内より大きくなる。このため、冷媒通路部
材15のそれぞれの冷媒通路16を流れる冷媒の量は冷媒出
口管20に近い側ほど多く流れる。そのため、冷媒出口管
20とは反対側の位置の冷媒通路16に流れる冷媒流量は最
も少なく、冷媒が所定量より少なくなると全て気化（ガ
ス化）して顕熱による温度上昇が生じる。そこで、この
冷媒出口管20とは反対側の位置で冷媒通路部材15の上部
に温度検知手段としての温度サーミスタ24とこれに近接
して温度感応型のスイッチ25を冷媒通路部材15密接して
固定した金具26を用いて取り付けたことにより、冷媒が
冷媒回路から漏れた場合などで、暖冷房装置の冷媒加熱
器に冷媒が不足し、冷媒が過熱したとき、温度サーミス
タ24の温度は直ちに上昇し、これを検知することによ
り、システムの動作を正常化でき、冷媒の熱分解、劣化
を阻止でき、信頼性の高いシステムが得られる。

さらに、温度サーミスタ24に近接して温度感応型の温
度スイッチ25を冷媒通路部材15に密接して固定した金具
26を用いて取り付けたことにより、冷媒通路部材15の温
度を温度サーミスサ24と同じように温度感応型の温度ス
イッチ25が検知でき、温度スイッチ25の動作温度を温度
サーミスタ24より少し高く設定することにより、誤動作
も無く、温度サーミスタ24あるいはこの出力により制御
する動作に異常を生じた場合の安全を維持でき、機器を
保護できるものである。

また、冷媒入口管19と冷媒出口管20を引き出し方向を
同一方向にしてそれぞれヘッダー管17,18に取り付ける
ことにより、冷媒の流路は冷媒入口管19および冷媒出口
管20とは反対側の位置の冷媒通路16を最も長く構成でき
るため、流れ抵抗の増加にともなう冷媒流量の減少によ
り冷媒が過熱したとき、温度サーミスタ24の温度はさら
に早く上昇し、これを検知することにより、より信頼性
の高いシステムが得られる。そして、冷媒通路部材15に
ブレージングにより密接して金具26を固定することによ
り、冷媒通路部材15の熱を金具26に固定された温度感応
型のスイッチ25にこの金具26を通して伝熱でき応答性が
向上する。

また、冷媒が少し減少した場合も冷媒通路部材15の上
部の冷媒通路16では冷媒がガスとなり、熱を顕熱で吸収
し温度上昇を生じるから、温度サーミスタ24を冷媒出口
管20とは反対側の位置で冷媒通路部材15の上部に取り付
けることによりこれを検出でき、より信頼性の高いシス
テムが得られる。そして、前記冷媒通路部材15を構成す
る複数の冷媒通路16のうち、同一冷媒通路に温度検知手
段の温度サーミスタ24と温度感応型のスイッチ25を取り
付けたことにより、温度と気相状態が同一である一本の
冷媒通路16の温度を温度サーミスタ24と温度感応型のス
イッチ25が常に検知するため、温度スイッチ25はさらに
精度良くかつ誤動作がなくなり、安全を維持できるもの
である。

また、冷媒通路16にオイルが多く溜ると、その粘性と
低熱伝導のため冷媒の気化、循環を阻害する。このとき
冷媒が減少したときと同様に循環が阻害されることによ
り、冷媒出口管20とは反対側の位置の冷媒通路16に流れ
る冷媒流量は最も少なくなり、冷媒流量が所定より少な
くなると全て気化（ガス化）して顕熱による温度上昇が
生じ、温度サーミスタ24の温度が上昇する。この検出出
力により入口ヘッダー管17に接続したオイル抜き管21か
らオイルを排出することにより、冷媒の均一循環を維持
でき、局部過熱による冷媒の熱分解は生じなくなり、信
頼性の高いシステムが得られる。

発明の効果 以上のように本発明の熱交換器によれば、バーナなど
で加熱する冷媒加熱器の自然循環サイクルを、複数の冷
媒通路内での気泡上昇による自然循環力を増進させるこ
とにより、スムーズに循環させることができ、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
て熱分解を生じさせない。

そして、冷媒出口管とは反対側の位置で冷媒通路部材
に温度検知手段を設けた構成としたことにより、暖冷房
装置の冷媒加熱器に冷媒が不足した場合などで冷媒が過
熱するときは、温度検知手段の温度は直ちにこれを検知
し、システムの動作を正常化でき、冷媒の熱分解、劣化
を阻止できる。

さらに、温度サーミスタに近接して温度感応型のスイ
ッチを冷媒通路部材に密接して取り付けたことにより、
冷媒通路部材の温度を温度サーミスタと同じように温度
感応型のスイッチが検知でき、スイッチの動作温度を温
度サーミスタより少し高く設定することにより、誤動作
がない状態で、温度サーミスタあるいはこの出力により
制御する動作に異常を生じた場合の安全を維持でき、機
器を保護できるものである。

また、冷媒入口管と冷媒出口管を同一方向でそれぞれ
ヘッダー管に取り付けることにより、冷媒が過熱すると
き、温度サーミスタの温度はさらに早く上昇し、より信
頼性の高いシステムが得られる。

また、温度サーミスタを、さらにはこれに近接して温
度感応型のスイッチを冷媒出口管とは反対側の位置で冷
媒通路部材の上部に取り付けることにより、冷媒が少し
減少した場合も冷媒通路の上部は冷媒がガスとなり、熱
を顕熱で吸収し温度上昇を生じるから、これを検出で
き、より信頼性の高いシステムが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す熱交換器の一部切欠斜
視図、第２図は同熱交換器の通路部材の断面図、第３図
は同熱交換器の裏面図、第４図は同熱交換器の要部拡大
斜視図、第５図は従来の冷媒加熱暖房機の回路構成図、
第６図は従来の冷媒加熱暖房機に使用される熱交換器の
斜視図である。 ８……バーナ、10……燃焼室、11……伝熱隔壁、12……
高温ガス通路部材、13……燃焼ガス入口、14……排気出
口、15……冷媒通路部材、16……冷媒通路、17……入口
ヘッダー管、18……出口ヘッダー管、19……冷媒入口
管、20……冷媒出口管、24……温度サーミスタ（温度検
知手段）、25……温度感応型のスイッチ。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F28D 1/00 - 13/00 F25B 49/02 510 F25B 41/00

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バーナの燃焼室に連通する燃焼ガス入口を
   有する高温ガス通路部材と、燃焼室に面する内面に前記
   高温ガス通路部材が密着された伝熱隔壁と、前記伝熱隔
   壁の外面の前記高温ガス通路部材に対応する位置に一体
   的に形成されて複数の上下方向の冷媒通路を有する冷媒
   通路部材と、前記冷媒通路部材の上下両端に設けられた
   ヘッダー管と、前記ヘッダー管のそれぞれに取り付けら
   れた冷媒入口管および冷媒出口管と、前記冷媒出口管と
   は反対側の位置で前記冷媒通路部材に設けられた温度検
   知手段とを備えた熱交換器。
2. 【請求項２】バーナの燃焼室に連通する燃焼ガス入口を
   有する高温ガス通路部材と、燃焼室に面する内面に前記
   高温ガス通路部材が密着された伝熱隔壁と、前記伝熱隔
   壁の外面の前記高温ガス通路部材に対応する位置に一体
   的に形成されて複数の上下方向の冷媒通路を有する冷媒
   通路部材と、前記冷媒通路部材の上下両端に設けられた
   ヘッダー管と、前記ヘッダー管のそれぞれに取り付けら
   れた冷媒入口管および冷媒出口管と、前記冷媒出口管と
   は反対側の位置で前記冷媒通路部材に設けられた温度検
   知手段と、この温度検知手段に近接して設けられた温度
   感応型のスイッチとを備えた熱交換器。
3. 【請求項３】冷媒入口管と冷媒出口管は、ヘッダー管の
   それぞれに同一方向に延設されて取り付けられている請
   求項１または２記載の熱交換器。
4. 【請求項４】温度検出手段は、冷媒出口管とは反対側の
   位置で冷媒通路部材の上部に取り付けられている請求写
   口または２記載の熱交換器。
5. 【請求項５】温度検出手段とこれに近接した温度感応型
   のスイッチは、冷媒通路部材に密接して固定した金具を
   用いて上部に取り付けられている請求項２記載の熱交換
   器。
6. 【請求項６】温度検出手段とこれに近接した温度感応型
   のスイッチは、冷媒通路部材を構成する複数の冷媒通路
   のうち同一冷媒通路に対応して取り付けられている請求
   項２記載の熱交換器。