JP2850587B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃焼ガス等の高温ガスに
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。

【０００２】

【従来の技術】従来の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に図４に示すような冷媒加
熱暖房機がある。これ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で連結すると共に密閉管路３中
に設けた冷媒搬送機４により冷媒を強制循環するように
構成されている。図５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
に延びる円筒状内周面に複数のフィン５を設け、外周面
軸方向にはパイプ保持部６及び冷媒が内部を流れるパイ
プ７を設けたもので、バーナ８からの燃焼ガスを円筒状
内面に水平横方向に流して、冷媒搬送機４により送られ
てくる水平横方向のパイプ７内を流れる冷媒を加熱する
ものである。９は温度検知器であり、前記パイプ保持部
６の間の表面に取り付け、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。

【０００３】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。

【０００４】

【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無くして無動
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。

【０００５】しかしながら上記従来の構成では、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
熱交換量が燃焼状態により不均一となり局部過熱を生じ
冷媒の熱分解あるいは機器の異常温度上昇など、機器の
信頼性能上課題があった。

【０００６】また、冷媒が異常温度上昇する時、冷媒が
潜熱変化した後、顕熱変化するため急激に温度が上昇す
るため、温度検知器の熱容量による応答が遅れ、そのた
め冷媒が過熱することによる熱分解を生じ、性能劣化や
腐食等機器の信頼性で問題であった。

【０００７】本発明は上記課題を解決するもので、バー
ナ等で加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を増進させてスムーズに循環させ、
さらに効率よく伝熱して熱効率を向上させるとともに、
高温燃焼ガスを燃焼室から均一に熱交換部に導き冷媒の
均一循環の維持とにより冷媒の熱分解を生じなくせし
め、さらに冷媒加熱器に冷媒が不足した場合等、冷媒が
過熱した時直ちにこれを検知し機器の保護とシステムの
動作を正常化することを目的としたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、燃料供給装置に接続したバーナに連通して
設けた燃焼室と、前記燃焼室の燃焼ガス出口に連通して
設けた高温ガス通路と、この高温ガス通路の外周伝熱隔
壁に密着した多数のフィンと、前記高温ガス通路の外壁
を構成する外周伝熱隔壁に一体とした冷媒通路部材と、
前記高温ガス通路の外周伝熱隔壁に密着した伝熱金具
と、前記伝熱金具に対向する前記冷媒通路部材に温度検
知手段を設けた構成としてある。

【０００９】

【作用】本発明は、上記構成によって、バーナ等で加熱
する冷媒加熱器の自然循環サイクルを、燃焼室と連通し
て設けた燃焼ガス出口から噴出したこの燃焼ガスは外周
の伝熱隔壁に密着した多数の伝熱フィンの間と高温ガス
通路を通過し、熱交換器での燃焼ガスの温度と流れを均
一にでき、一方冷媒の流れは、冷媒通路部材の各々の冷
媒通路に分流し、この冷媒通路途中で熱を受けガス化
し、冷媒通路部材の各部を均一加熱しスムーズに冷媒を
循環させ、かつ冷媒を局部過熱させることがなく無動力
熱搬送を確実におこなわせ冷媒の熱分解を生じない。そ
して、前記高温ガス通路の外周伝熱隔壁に密着した伝熱
金具と、前記伝熱金具に対向する前記冷媒通路部材に設
けた温度検知手段は、冷媒加熱器に冷媒が不足した場合
等、冷媒が過熱した時直ちにこれを検知し機器の保護と
システムの動作を正常化する。

【００１０】運転中、高温燃焼ガスの熱は、伝熱フィン
と伝熱金具で受熱し、外周伝熱隔壁から冷媒通路部材に
伝熱し、冷媒を加熱する。冷媒通路内の冷媒は熱を受け
てその一部が気化する潜熱変化するため、冷媒の圧力に
応じて常に一定である。温度検知手段は、伝熱金具から
熱を受け冷媒通路部材に放熱して一定の温度を保ってい
る。冷媒が外部に洩れる等、充填量の減少あるいは循環
量が減少した時、冷媒が潜熱変化した後顕熱変化するた
め急激に温度が上昇する。そのため、温度検知手段の冷
媒通路部材に放熱する熱量は急減し、伝熱金具からの熱
量は変わらないため、温度検知手段の温度は急速に上昇
し応答遅れ無く温度検知手段は動作する。

【００１１】そのため冷媒加熱器に冷媒が不足した場合
等冷媒が過熱する時、温度検知手段の温度は直ちにこれ
を検知し機器の保護とシステムの動作を正常化でき、冷
媒の熱分解、劣化が生じ無く信頼性の高いシステムにで
きる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面を参照して
説明する。

【００１３】図１から図２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、１１は
伝熱隔壁、１２は高温ガス通路であり、伝熱隔壁１１と
密着し燃焼室１０に連通して設けた燃焼ガス出口１３と
排気通路１４を有している。１５は伝熱隔壁１１の外面
に熱的に連結させた冷媒通路部材であり、縦方向の通路
１６が多数設けられている。１７は冷媒通路部材１６の
下端に設けた入口ヘッダー管で、１８は冷媒通路部材１
６の上端に設けた出口ヘッダー管であり、それぞれ入口
管１９、出口管２０を接続しこのおのおのにより冷媒回
路と接続しており、入口ヘッダー管１７の他端には下方
に曲折しオイル抜き管２１を設けてある。入口ヘッダー
管１７と出口ヘッダー管１８はそれぞれ縦方向の通路１
６により連通している。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伝熱フィンであり、多数枚
としてある。燃焼室１０はその高温ガス通路１２と接し
ない残りの外面は全面を覆う断熱材２３が設けてある。
高温ガス通路１２の外周伝熱隔壁１１の一部にこの伝熱
隔壁１１に密着して伝熱金具２４を設け、この伝熱金具
２４に対向する位置の冷媒通路部材１５に温度検知手段
として温度サーミスタ２５を取り付けた構成としたもの
である。本実施例では、伝熱金具２４、伝熱フィン２
２、伝熱隔壁１１をアルミ材とし、伝熱金具２４は伝熱
フィン２２に嵌合した状態で伝熱隔壁１１にブレージン
グロー付けして、伝熱隔壁１１に密着して伝熱金具２４
を設けてある。この伝熱金具２４のほぼ中央に伝熱金具
２４、伝熱隔壁１１を貫通し、冷媒通路部材１５の冷媒
通路１６近傍に至る穴を設け、この穴に温度サーミスタ
２５を熱伝導材を塗布して挿入し固定具２６で保持し、
温度サーミスタ２５の温度感温部は、先端にあり冷媒通
路１６近くに位置する。２７は温度サーミスタ２４の検
出出力によりシステムを制御する制御器である。２９は
排気管である。

【００１４】上記構成において、燃料の供給装置により
供給した燃料をバーナー８で燃焼し、燃焼室１０に発生
した高温ガスは燃焼ガス出口１３を通りそしてこれを間
にして上下に分かれている高温ガス通路１２と伝熱フィ
ン２２の間の通路を通り、上下の各排気通路１４からの
矢印のように流れて排気管２９に流れる。一方、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の下部より多数の縦方向の冷媒通路１
６に分流して流れ、高温ガス通路１２内を流れる燃焼ガ
スから伝熱フィン２２により燃焼ガスから熱を冷媒通路
部材１５に伝熱し、この冷媒通路部材１５の縦方向の冷
媒通路１６内の冷媒を入口ヘッダー１７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縦方向に設けた冷媒通路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
から燃焼ガス出口１３を出たのち高温ガス通路１２で冷
媒に伝熱するために、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、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の各々の流
量が均等となり全体として抵抗を低減させ、気泡上昇力
は強められ自然循環力が強くなり上部へ冷媒を送る気泡
ポンプ作用が発生する。さらに冷媒通路１６の上部、下
部においても設けた伝熱フィン２２以外の伝熱隔壁１１
全面も伝熱面積となり高温ガス通路１２を流れる加熱流
体から効率よく吸熱し冷媒通路１６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。
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。

【００１５】また、高温ガス通路１２の内壁を前記燃焼
室１０で構成し外壁を構成する外周伝熱隔壁１１と、こ
の外周伝熱隔壁１１と密着した冷媒通路部材１５で構成
した二重壁構成により、前記内壁から伝熱フィン２２を
通じて冷媒通路１６に伝熱するため伝熱効率が上昇しま
た多穴管構成の冷媒通路部材１５で構成した二重壁構成
による冷媒の燃焼ガス部への洩れ防止と高温の燃焼室１
０と冷媒通路１６を高温ガス通路１２で完全に分離した
ため局部過熱による冷媒の熱分解、劣化が生じ無く信頼
性の高いシステムである。燃焼室１０の高温ガス通路１
２と接しない残りの外面は断熱材２３で覆い放熱を防止
する。

【００１６】さらに冷媒通路部材１６を内部に多数の穴
を持つアルミニウム製の多穴偏平押し出し管とし、伝熱
フィン２２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てこの素材を
用いた伝熱隔壁１１の内外面にアルミニウム製の伝熱金
具２４を嵌合させた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穴偏平押し出し管の冷媒通路部
材１６を用いて組立て、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、接触熱抵抗が無い伝熱性能に
優れる熱交換器を軽量でかつ低コストで実用に供するこ
とができる。

【００１７】運転中、高温ガス通路１２を流れる燃焼ガ
スの熱は、伝熱フィン２２とともに伝熱金具２４でも受
熱する。この熱は外周伝熱隔壁２０から冷媒通路部材１
５に伝熱し、冷媒を加熱する。冷媒通路１６内の冷媒は
熱を受けてその一部が気化し潜熱変化するため、冷媒の
圧力に応じて常に一定温度である。伝熱金具２４に対向
する冷媒通路部材１５に温度検知手段として温度サーミ
スタ２５を設けてあるため、この温度検知手段２５は、
伝熱金具２４から熱を受け冷媒通路部材１５に放熱して
一定の温度を保っている。そのため、温度サーミスタ２
５の伝導金具２４近くの部分はサーミスタの温度より高
く維持されるため温度サーミスタ２５の熱容量による応
答遅れが防止できる。冷媒が外部に洩れる等、充填量の
減少あるいは循環量が減少した時、冷媒が潜熱変化した
後顕熱変化する時急激に温度が上昇する。そのため、温
度検知手段２５の冷媒通路部材１５に放熱する熱量は急
減し、他方伝熱フィン２２からの熱量は変わらないた
め、温度検知手段２５の温度は急速に上昇し応答遅れ無
く検知し、制御器２７は動作する。

【００１８】そのため冷媒加熱器に冷媒が不足した場合
等で冷媒が過熱される時、温度検知手段２５の温度は直
ちにこれを検知し機器の保護とシステムの動作を正常化
でき、冷媒の熱分解、劣化が生じ無く信頼性の高いシス
テムになる。

【００１９】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。この場合、冷媒が減
少した時と同様に、冷媒通路１６に流れる冷媒流量は少
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、温度検知手
段である温度サーミスタ２５の温度が上昇する。この検
出出力により冷媒通路部材１５である冷媒通路１６の底
部に設けた入口ヘッダー１７に接続したオイル抜き管２
１から排出することにより確実にオイルを加熱器から除
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
熱分解を生じなく信頼性の高いシステムである。

【００２０】図３は他の実施例を示し、上記実施例と同
一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分
を中心に説明する。伝熱金具２４には燃焼ガスが通過す
る高温ガス通路に両端が連通するガス通路２８が設けて
ある。運転中、高温ガス通路１２を流れる燃焼ガスの熱
は、伝熱金具２４の外周とともにガス通路２８をも流
れ、熱を受熱する。このため、伝熱金具２４は燃焼ガス
から受ける熱量が大きく、冷媒に放熱する熱量も大きい
状態で平衡となるため、伝熱金具２４と冷媒通路１６の
温度勾配が大きくなる。このため、冷媒が過熱される
時、温度検知手段２５の温度は伝熱金具２４の温度がさ
らに高温に保たれ冷媒通路１６に流れて平衡状態となっ
ている大きい熱量が流れを停止するため、温度検知手段
２５の温度上昇が早くなり、直ちに温度検知手段２５が
これを検知し機器の保護とシステムの動作を正常化で
き、冷媒の熱分解、劣化が生じ無く信頼性の高いシステ
ムになる。

【００２１】この実施例の構成によれば前記高温ガス通
路１２の外周伝熱隔壁１１に密着した伝熱金具２４と、
前記伝熱金具に対抗する前記冷媒通路部材１５に温度検
知手段を設けた構成としたことにより、冷媒加熱器に冷
媒が不足した場合等で冷媒が過熱した時、温度検知手段
の時間的応答性が向上し直ちにこれを検知し機器の保護
とシステムの動作を正常化するという効果がある。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の熱交換器
は、燃料供給装置に接続したバーナに連通して設けた燃
焼室と、前記燃焼室の燃焼ガス出口に連通して設けた高
温ガス通路と、この高温ガス通路の外周伝熱隔壁に密着
した多数のフィンと、前記高温ガス通路の内壁を前記燃
焼室で構成し、前記高温ガス通路の外壁を構成する外周
伝熱隔壁と一体とした冷媒通路部材と、前記高温ガス通
路の外周伝熱隔壁に密着した伝熱金具と、前記伝熱金具
に対向する前記冷媒通路部材に温度検知手段を設けた構
成であるから、以下のような作用効果を期待できる。

【００２３】（１）バーナ等で加熱する冷媒加熱器の自
然循環サイクルを、燃焼ガスの温度と流れを均一化で
き、このため冷媒通路部材の各部は均一加熱となりスム
ーズに冷媒を循環させ、かつ冷媒を局部加熱させること
無く無動力熱搬送を確実におこなわせ熱分解を生じな
い。そして、冷媒加熱器に冷媒が不足した場合等、冷媒
が加熱した時、応答遅れなく直ちにこれを検知し機器の
保護とシステムの動作を正常化でき、冷媒の熱分解、劣
化が生じ無くできる。

【００２４】（２）上昇気泡流による気泡ポンプ作用に
より無動力熱搬送が可能となり、低ランニングコストの
暖房ができる。

【００２５】（３）外周伝熱隔壁と一体に冷媒通路部材
を構成した二重壁であるから、冷媒の燃焼ガス部への洩
れ防止と高温の燃焼室と冷媒通路を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
じ無くあるいは機器の異常温度上昇防止による信頼性の
高いシステムであり簡単な構成でかつ気密性を維持でき
排ガスが洩れることがなく、冷媒が洩れた場合も火災に
直接冷媒ガスが触れることが無く安全性が高いものにで
きる。

【００２６】（４）伝熱金具に燃焼ガスが通過するガス
通路を設けることにより、冷媒が過熱する時、温度検知
手段の温度は伝熱金具の温度がさらに高温に保たれ冷媒
通路に流れて平衡状態となっている大きい熱量が流れを
停止するため、直ちに温度検知手段がこれを検知し機器
の保護とシステムの動作を正常化でき、冷媒の熱分解、
劣化が生じなくできる。

【００２７】（５）一般に加熱器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。そして冷媒が減少した時と同様に、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
度上昇が生じるので、本発明では温度検知手段の温度が
上昇し、この検出出力により冷媒通路部材の冷媒通路の
底部の入口ヘッダーに接続したオイル抜き管から排出す
るものであるから、確実にオイルを加熱器から除去し冷
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
を生じなく、またオイルの高温劣化を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における熱交換器の断面図

【図２】同冷媒通路部材部分の断面図

【図３】同他の実施例における熱交換器の部分断面図

【図４】従来の冷媒加熱機の回路構成図

【図５】従来の冷媒加熱機の外観斜視図

【符号の説明】

８ バーナー １０ 燃焼室 １１ 伝熱隔壁 １２ 高温ガス通路 １３ 燃焼ガス出口 １４ 排気部 １５ 冷媒通路部材 １６ 冷媒通路 ２２ 伝熱フィン ２４ 伝熱金具 ２５ 温度検知手段 ２８ ガス通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−217150（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−152857（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−7344（ＪＰ，Ｕ) 実開 平３−31258（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F24H 1/12

Claims (3)

(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連通して
   設けた燃焼室と、前記燃焼室に燃焼ガス出口に連通して
   設けた高温ガス通路と、この高温ガス通路の外周伝熱隔
   壁に密着した多数の伝熱フィンと、前記高温ガス通路の
   外壁を構成する外周伝熱隔壁と一体にした冷媒通路部材
   と、前記高温ガス通路に位置する外周伝熱隔壁に密着し
   た伝熱金具と、前記伝熱金具に対向する前記冷媒通路部
   材に温度検知手段を設けた熱交換器。
2. 【請求項２】伝熱金具からこの伝熱金具に対向する前記
   冷媒通路部材にまで貫通する穴を設け、この穴に温度検
   知手段を挿入した請求項１記載の熱交換器。
3. 【請求項３】伝熱金具には前記高温ガス通路に両端が連
   通するガス通路を設けた請求項１記載の熱交換器。