JP4979508B2 - 熱交換器およびこれを用いた加熱調理器 - Google Patents

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Description

本発明は、熱交換器およびこれを用いた加熱調理器に関するものである。
熱交換器は、一般に、高温の固体から低温の流体へ、または、高温の流体から低温の固体へ、あるいは、高温の流体から低温の流体へ熱を伝える装置である。熱交換器を利用すれば、例えば、温水やスチームなどを発生させることができる。
従来、熱交換器としては、例えば、特許文献1に記載されるような、いわゆる、マイクロコンバスタを用いた熱交換器が知られている。
マイクロコンバスタは、化石燃料の燃焼熱を直接利用することができる燃焼器である。そのため、電気ヒータなどに比べ、約6割ものエネルギーを失う発電過程を省略することができることから、大幅な省エネルギー化を図ることができる技術として近年脚光を浴びている。
特許文献1に記載の熱交換器は、具体的には、未燃焼ガス流路と燃焼ガス流路とを伝熱壁を挟んで形成し、未燃焼ガスを燃焼室で燃焼させて本体両面にある加熱板を加熱するとともに、燃焼ガスの熱で未燃焼ガスの予熱を行うマイクロコンバスタを用いたもので、本体の加熱板に沿って熱交換チューブが設けられている(特許文献1の図5参照)。
なお、特許文献2の加熱調理器は、スチーム源として熱交換器を利用してはいないが、特許文献2に示されるように、加熱タンク内の水をバーナにより加熱し、生成したスチームを加熱庫内に吹き込む、いわゆるスチームコンベクションオーブンが公知である。
特開2007−85617号公報(図5) 特開平9−119642号公報
しかしながら、従来の熱交換器は、以下のような問題があった。すなわち、従来の熱交換器は、水などの流体を流通させる熱交換チューブが、本体の加熱板に沿って設けられている。そのため、熱交換チューブを流れる流体と熱源との熱交換を考えた場合、外気温度によって熱効率が低下することが懸念される。そのため、効率良く温水やスチームを発生させるには、未だ改良の余地があった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明が解決しようとする課題は、従来より熱効率を向上可能な熱交換器、また、これを用いた加熱調理器を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明に係る熱交換器は、外部から中心部に向かって予混合ガスを導入する予混合ガス流路を備えた予混合室と、前記予混合室と伝熱隔壁を隔てて設けられており、かつ、前記予混合室から供給された予混合ガスの燃焼により生じた排気ガスを、中心部から外部に向かって排出する排気ガス流路を備えた燃焼室とを有し、前記燃焼により加熱される燃焼室の上部加熱板の内部に、その下側に形成された溝部の開口が前記排気ガス流路を構成する流路壁の上部端面に塞がれてなる流体流路が形成されていることを要旨とする。
また、別の本発明に係る熱交換器は、外部から中心部に向かって予混合ガスを導入する予混合ガス流路を備えた予混合室と、前記予混合室と伝熱隔壁を隔てて設けられており、かつ、前記予混合室から供給された予混合ガスの燃焼により生じた排気ガスを、中心部から外部に向かって排出する排気ガス流路を備えた燃焼室とを有し、前記燃焼により加熱される燃焼室の上部加熱板の内部に、第1の流体流路が形成され、前記排気ガス流路を構成する流路壁の内部に、前記第1の流体流路に連通する第2の流体流路が形成されていることを要旨とする
この際、上記第1の流体流路は、上記排気ガス流路を構成する流路壁に沿って形成されていると良い。
前記伝熱隔壁の内部に、前記上部加熱板の内部に形成された流体流路に連通する第3の流体流路が形成されていると良い。
一方、本発明に係る加熱調理器は、上記熱交換器に流体として水を導入し、この熱交換器内にて生成したスチームを加熱庫内に流入させることを要旨とする。
この場合、熱交換器の燃焼室から排出される排気ガスは、加熱庫内雰囲気の加熱に利用するのが好ましい。
本発明に係る熱交換器は、予混合室と燃焼室との2室が伝熱隔壁により隔てられており、上記燃焼室の上部加熱板の内部に第1の流体流路が形成されている。
そのため、第1の流体流路と外気との接触を極力抑制することができ、外部からの冷却を防止することが可能になる。したがって、本発明に係る熱交換器は、外部に流体流路が曝されている場合に比較して、熱効率を向上させることができ、効率良く温水やスチームなどを発生させることが可能になる。
また、上記熱交換器によれば、器内に導入する水などの流体の流量を制御することにより、発生させる温水量やスチーム量などを容易に制御することができる。
ここで、排気ガス流路を構成する流路壁の内部に、第1の流体流路に連通する第2の流体流路が形成されている場合には、上部加熱板の内部だけで熱交換を行う場合に比較して、大きな熱交換領域を確保することが可能になる。
そのため、流体流路を流れる流体への伝熱量が増大し、熱効率を一層向上させることが可能になる。
この際、第1の流体流路が、排気ガス流路を構成する流路壁に沿って形成されている場合には、第1の流体流路と第2の流体流路との間を連通させやすくなる。また、流体も流通させやすい。
また、上記伝熱隔壁の内部に、第1の流体流路に連通する第3の流体流路が形成されている場合には、上部加熱板の内部だけで熱交換を行う場合、あるいは、上部加熱板および流路壁の内部で熱交換を行う場合に比較して、大きな熱交換領域を確保することが可能になる。
そのため、流体流路を流れる流体への伝熱量が増大し、熱効率を一層向上させることが可能になる。
一方、本発明に係る加熱調理器は、上記熱交換器に流体として水を導入し、熱交換器内にて生成したスチームを加熱庫内に流入させる。
すなわち、上記熱交換器をスチーム発生器として用いることで、高い熱効率でスチームを加熱庫内に供給することができる。
また、従来必要であった加熱タンクが不要となることから、加熱調理器の小型化が可能になる。
さらに、熱交換器内に導入する水量をバルブ制御などで制御することにより、発生させるスチーム量を容易に制御することができ、調理性の向上に寄与することができる。
この際、熱交換器の燃焼室から排出される排気ガスを、加熱庫内雰囲気の加熱に利用するように構成した場合には、上記熱交換器により、熱風とスチームとを同時に供給することが可能になる。そのため、従来、熱風発生に使用していた加熱装置を省略することが可能になり、加熱調理器のさらなる小型化に寄与することが可能になる。
以下、本発明の一実施形態に係る熱交換器(以下、「本熱交換器」ということがある。)、これを用いた加熱調理器について説明する。
図1は、本熱交換器の一例を模式的に示した分解斜視図である。図2は、図1に示した本熱交換器の断面を模式的に示した図である。
本熱交換器10は、予混合室12と、予混合室12と伝熱隔壁30を隔てて設けられた燃焼室16とを有している。
本熱交換器10において、予混合室12は、ステンレス鋼、銅、銅合金、耐熱鋳鋼などの金属材料をプレス加工、鋳造、研削加工などすることにより、一端面が開口した有底略円柱状に形成されている。予混合室12は、底板18と、外周壁20と、後述する燃焼室16の底板30とにより囲まれることで密閉される。
予混合室12の外周壁20には、予混合ガスFを導入する予混合ガス導入口22が設けられている。なお、予混合ガス導入口22は、図1および図2では1つとされているが、これに限定されるものではなく、複数個形成されていても良い。
予混合室12の内部には、外部から中心部に向かって予混合ガスFを導入する予混合ガス流路24が形成されている。予混合ガス流路24は、流路壁26(外周壁20も含む)と、底板18と、後述する燃焼室16の底板30とにより囲まれた空間によって形成されている。
なお、図1および図2では、予混合ガス流路24は、略渦巻状に形成されているが、これに限定されるものではなく、外部から中心部に向かう放射状に形成されていても構わない。好ましくは、器内に導入された予混合ガスFが、中心部にたどり着くまでの距離・時間を長くでき、十分に予熱することができるなどの観点から、予混合ガス流路24は、略渦巻状に形成されていると良い。
予混合室12は、その中心部に、最も内側の流路壁26によって取り囲まれた空間28を有している。この空間28は、予混合ガス流路24の中心部側の開口端部と連通されている。
本熱交換器10において、燃焼室16は、ステンレス鋼、銅、銅合金、耐熱鋳鋼などの金属材料をプレス加工、鋳造、研削加工などすることにより、一端面が開口した有底略円柱状に形成されている。燃焼室16は、底板30と、外周壁32と、上部加熱板34とにより囲まれることで密閉される。
なお、本熱交換器10では、燃焼室16の底板30が、燃焼室16で発生した熱を予混合室12側に伝えるとともに、予混合室12と燃焼室16との間を区画する伝熱隔壁30としての役割を果たしていることになる。
本熱交換器10は、上記以外にも、例えば、一端が開口した有底略円柱状の予混合室形成部材と、一端面が開口した有底略円柱状の燃焼室形成部材と両開口面を対峙させて配置し、この開口面間に別体の伝熱隔壁を介在させるなどして構成されていても良い。また、予混合室12に天板を設け、これを伝熱隔壁として使用することもできる。
燃焼室16の外周壁32には、排気ガスEを排出する排気ガス排出口36が設けられている。なお、排気ガス排出口36は、図1および図2では1つとされているが、これに限定されるものではなく、複数個形成されていても良い。
燃焼室16の内部には、中心部から外部に向かって排気ガスEを排出する排気ガス流路38が形成されている。排気ガス流路38は、流路壁40(外周壁32も含む)と、上部加熱板34と、底板30(伝熱隔壁)とにより囲まれた空間によって形成されている。
なお、図1および図2では、排気ガス流路38は、略渦巻状に形成されているが、これに限定されるものではなく、外部から中心部に向かう放射状に形成されていても構わない。好ましくは、器外に排出される排気ガスEが、外部にたどり着くまでの距離・時間を長くでき、後述する流体との熱交換性に優れる、予混合室12内の予混合ガスFを予熱しやすい、排気ガスEの排出性が良いなどの観点から、排気ガス流路38は、略渦巻状に形成されていると良い。
燃焼室16は、その中心部に、最も内側の流路壁40によって取り囲まれた燃焼空間42を有している。この燃焼空間42は、排気ガス流路38の中心部側の開口端部と連通されている。
本熱交換器10は、予混合室12および燃焼室16の中心部がほぼ一致するように、予混合室12の片面側に燃焼室16が並設されることにより2層構造とされている。
本熱交換器10では、予混合室12および燃焼室16のほぼ中心部に、着火手段(不図示)が設けられている。
着火手段としては、具体的には、例えば、イグナイタ、セラミックヒータなどを例示することができるが、特に限定されるものではない。
着火手段は、その着火点が燃焼室側になるように配置されている。具体的には、予混合室12側から燃焼室16側に向かって着火手段を挿通し、その着火点が燃焼室16の燃焼空間42のほぼ中心部になるように配置すれば良い。
また、本熱交換器10では、上記着火手段の周囲に、消炎孔(不図示)が複数配置されている。この消炎孔は、予混合室12と燃焼室16とを連通し、予混合室12内に供給された予混合ガスFを、燃焼室16内に流入させる役割を有している。
上記消炎孔は、具体的には、予混合室12の空間28に対応する燃焼室16の底板30(伝熱隔壁)に形成することができる。それ以外にも、例えば、消炎孔は、燃焼室16の底板30(予混合室12の空間28側など)に取り付けたセラミックス体に複数形成しても良い。この場合には、消炎孔周辺の耐熱性が向上するため、燃焼室16内の高熱により、比較的小さな消炎孔が、酸化されたり、変形が生じたりし難くなり、耐久性が向上するなどの利点がある
なお、消炎孔とは、消炎直径以下の直径を有する孔を意味する。予混合室12と燃焼室16とを連通する孔の直径が、消炎直径以下であれば、燃焼室16で生じた火炎が予混合室12側へ逆火することを防止することができる。
また、消炎孔の数は、特に限定されるものではく、使用する燃料の種類、インプット量などに応じて、種々調節することができる。また、具体的な消炎直径については、燃料の種類、予混合ガスFの吹き出し速度、想定される予混合ガスFの温度などを考慮して決定することができるものである。
ここで、本熱交換器10は、図1および図2に示すように、上部加熱板34の内部に、第1の流体流路44が形成されている。なお、本熱交換器10の器内に導入される流体としては、具体的には、水などが挙げられる。
図1および図2では、燃焼室16の排気ガス流路38を構成する略渦巻状の流路壁40に沿って、上部加熱板34の裏面に略渦巻状に溝部46が形成されることにより、第1の流体流路44とされている。この場合、第1の流体流路44は、上部加熱板34に形成された溝部46と、排気ガス流路38の流路壁40の上部端面とにより囲まれた空間より構成されることになる。
このように、排気ガス流路38を構成する流路壁40に沿って第1の流体流路44が形成されている場合には、第1の流体流路44と後述する第2の流体流路52との間を連通させやすくなる利点がある。
また、上部加熱板34表面のうち、燃焼空間42に近接する部分には、上部加熱板34内の第1の流体流路44に流体を導入する流体導入口48が設けられている。また、上部加熱板34の側壁には、第1の流体流路44内で熱交換により加熱された流体を吐出する流体吐出口50が設けられている。
なお、本熱交換器10では、器内に導入する水などの流体の流量を調節すれば、温水などの加熱された液体や、スチームなどの加熱された気体を流体吐出口50から吐出させることができる。
図1および図2では、第1の流路経路44が略渦巻状に形成されている場合を例示したが、第1の流体流路44の流路形態は上記形態に限定されるものではない。
すなわち、第1の流体流路44は、排気ガス流路38を構成する流路壁40に沿って形成されていなくても良く、上部加熱板34の内部に任意の経路で形成されていても良い。
図3は、第1の流体流路の変形例を模式的に示した図である。なお、図3は、本熱交換器を上方から見た図である。
図3(a)に例示したように、第1の流体流路44は、略蛇腹状など、蛇行状に形成されていても良いし、図3(b)に例示したように、角形状の略渦巻状に形成されていても良い。なお、これら流路は、例えば、上部加熱板34の裏面に任意の経路で溝部(不図示)を形成し、上部加熱板34の裏面を金属板材などで蓋をするなどすれば形成可能である。
図4は、本熱交換器の他の例を模式的に示した分解斜視図である。図5は、図4に示した本熱交換器の断面を模式的に示した図である。
図4の本熱交換器10は、排気ガス流路38を構成する流路壁40の内部に、第2の流体流路52が形成されている。そして、第2の流体流路52は、流路壁40に沿って形成された第1の流体流路44に連通されている。
このような構成にした場合には、上部加熱板34の内部だけで熱交換を行う場合に比較して、流路壁40内部でも熱交換を行うことができるため、大きな熱交換領域を確保することが可能になる。そのため、流路内を流れる流体への伝熱量が増大し、熱効率を一層向上させることが可能になる。
図6は、本熱交換器の別の他の例を模式的に示した断面図である。図6の本熱交換器10は、燃焼室16の底板30、つまり、伝熱隔壁の内部に、第3の流体流路54が形成されている。この第3の流体流路54は、連通管56を介して、第1の流体流路44に接続されている。
なお、第3の流体流路54の一端部には、流体を導入する流体導入口48が設けられており、第1の流体流路44の一端部には、器内で熱交換により加熱された流体を吐出する流体吐出口50が設けられている。
このような構成にした場合には、流体導入口48から第3の流体流路54内に流体を流入させると、燃焼室16から伝熱隔壁30に伝わる熱により、流体が予熱され、予め予熱された流体が第1の流体流路44内に送られる。そのため、本熱交換器10の熱効率を一層向上させることが可能になる。
なお、第3の流体流路54の流路形態は特に限定されるものではなく、伝熱隔壁30の内部に任意の経路で形成することができる。第3の流体流路54は、例えば、伝熱隔壁30の片面に任意の経路で溝部を形成し、溝部形成面側を金属板材などで蓋をするなどすれば形成可能である。
次に、上記構成を備えた本熱交換器の作用について説明する。なお、以下では、図1および図2に示した本熱交換器を用いて説明する。
本熱交換器10では、予混合ガス導入口22から導入された予混合ガスFは、予混合室12内の予混合ガス流路24に沿って流れ、予混合室12の中心部にある空間28に至る。予混合室12の空間28に至った予混合ガスFは、消炎孔より燃焼室16の燃焼空間42に噴出される。噴出された予混合ガスFは、着火手段により着火されて、火炎が形成されて燃焼が始まる。
火炎が一旦形成されると、中心部から熱くなり始め、やがて一定温度の定常状態に至る。そして、燃焼室16の上部加熱板34が加熱される。
また、燃焼により生じた排気ガスEは、燃焼室16内の排気ガス流路38に沿って、中心部から外部に向かって流れ、排気ガス排出口36から排出される。
なお、予混合室12では、燃焼室16の底板30(伝熱隔壁)を介して伝わる燃焼室16の熱を回収して、予混合ガスFが十分に予熱される。
ここで、例えば、水道管から供給される水を、開閉バルブなどで流量調節し、流体導入口48から第1の流体流路44内に流入させる。そうすると、第1の流体流路44に沿って、中心部から外部に向かって水が流れる。
この際、上部加熱板34からの伝熱により、流路内の水が加熱されて温水になる。水量によっては、水がスチームに状態変化する。そして、最終的には、生成した温水やスチームは、流体吐出口50から吐出される。
本熱交換器10は、温水などの加熱された液体や、スチームなどの加熱された気体を利用する加熱調理器に好適に用いることができる。もっとも、加熱調理器以外にも、ガス給湯器、ガス床暖房などの各種ガス機器の熱交換器としても使用することが可能である。
以下、本熱交換器10に流体として水を導入し、本熱交換器10内にて生成したスチームを加熱庫内に流入させる、いわゆる、スチームコンベクションオーブンなどの加熱調理器について説明する。
図7は、本熱交換器をスチーム発生器として使用したスチームコンベクションオーブンの一例を模式的に示した図である。なお、以下に説明するスチームコンベクションオーブンは、間接加熱方式のものであるが、これに限定されるものではなく、高温の燃焼排気ガスを直接加熱庫内に導入する直接加熱方式のものであっても良い。
図7に示すように、スチームコンベクションオーブン60は、直方体状の加熱庫62を中心に構成されている。加熱庫62内には、調理物64を載置するテーブル66が配置されている。
加熱庫62の側方(図の左側)には、金網などのフィルター68を隔てて、庫内循環ファン70が設けられている。庫内循環ファン70は、庫外に設けられたモータ72によって回転駆動可能とされている。
庫内循環ファン70の周りには、加熱管74が配置されている。加熱管74の下方から供給された熱風は、管内を流れながら加熱管74を加熱し、上方から排気される。
庫内循環ファン70からその外周方向に吹き出される庫内循環空気は、加熱管74に当たるときに加熱される。その後、循環空気は、フィルター68の周囲の吹き込み通路から加熱庫62内に戻される。加熱庫62内の空気は、庫内循環ファン70の中心部に向けて、フィルター68を通って吸い込まれ、庫内循環ファン70の外周から吹き出され、加熱庫62内を循環する。
ここで、加熱庫62の上部側方には、本熱交換器10が取り付けられている。本熱交換器10の予混合ガス導入口22には、配管76が接続されており、予混合室12内に予混合ガスFを導入することができるようになっている。
なお、予混合ガスFは、配管76の上流に配置した空気ファン78から供給される空気と、ガスボンベなどの燃料ガス源(不図示)から燃料配管80を通じて供給される燃料とが適当な混合比率で混合されて生成される。
また、本熱交換器10の所定の流体流路に連通する流体導入口48には、水道管82より供給される水を導入できるようになっている。この際、器内に導入する水量は、開閉バルブ83の制御により、スチームが発生する最適な量に調整されている。
また、本熱交換器10の流体吐出口50には、スチーム管84の一端が接続されており、スチーム管84の他端は、加熱庫62の庫内循環ファン70上方に接続されている。これにより、本熱交換器10で発生したスチームが、加熱庫62内に供給される。加熱庫62内に供給されたスチームは、庫内循環空気にのって加熱庫62内に充満する。
また、本熱交換器10の排気ガス排出口36には、排気管86の一端が接続されており、排気管86の他端は、加熱管74の下方に接続されている。そのため、排気ガスEの排熱により、加熱管74を加熱することができる。
上記スチームコンベンションオーブン60によれば、本熱交換器10をスチーム発生器として用いているので、高い熱効率でスチームを加熱庫62内に供給することができる。
また、従来必要であった加熱タンクが不要となることから、スチームコンベンションオーブン60の小型化が可能になる。さらに、本熱交換器10内に導入する水量をバルブ制御で制御することにより、発生させるスチーム量を容易に制御することができ、調理性の向上に寄与する。
また、本熱交換器10の燃焼室16から排出される排気ガスEを、加熱庫62内の雰囲気の加熱に利用しているので、本熱交換器10により、熱風とスチームとを同時に供給することができる。そのため、従来、熱風発生に使用していた加熱装置を省略することが可能になり、スチームコンベンションオーブン60のさらなる小型化に寄与することが可能になる。
以上、実施形態に係る熱交換器、加熱調理器について説明したが、上記実施形態は、本発明を何ら限定するものではなく、種々の変形・改良などが可能なものである。
本実施形態に係る熱交換器の一例を模式的に示した分解斜視図である。 図1に示した熱交換器の断面を模式的に示した図である。 第1の流体流路の変形例を模式的に示した図である。 本実施形態に係る熱交換器の他の例を模式的に示した分解斜視図である。 図4に示した熱交換器の断面を模式的に示した図である。 本実施形態に係る熱交換器の他の例を模式的に示した断面図である。 本実施形態に係る熱交換器をスチーム発生器として使用したスチームコンベクションオーブンの一例を模式的に示した図である。
符号の説明
10 本熱交換器
12 予混合室
16 燃焼室
18 底板(予混合室)
20 外周壁(予混合室)
22 予混合ガス導入口
24 予混合ガス流路
26 流路壁(予混合室)
28 空間
30 底板(伝熱隔壁)
32 外周壁(燃焼室)
34 上部加熱板
36 排気ガス排出口
38 排気ガス流路
40 流路壁(燃焼室)
42 燃焼空間
44 第1の流体流路
46 溝部
48 流体導入口
50 流体吐出口
52 第2の流体流路
54 第3の流体流路
56 連通管
60 スチームコンベクションオーブン
62 加熱庫
64 調理物
66 テーブル
68 フィルター
70 庫内循環ファン
72 モータ
74 加熱管
76 配管
78 空気ファン
80 燃料配管
82 水道管
83 開閉バルブ
84 スチーム管
86 排気管
F 予混合ガス
E 排気ガス

Claims (6)

  1. 外部から中心部に向かって予混合ガスを導入する予混合ガス流路を備えた予混合室と、
    前記予混合室と伝熱隔壁を隔てて設けられており、かつ、前記予混合室から供給された予混合ガスの燃焼により生じた排気ガスを、中心部から外部に向かって排出する排気ガス流路を備えた燃焼室とを有し、
    前記燃焼により加熱される燃焼室の上部加熱板の内部に、その下側に形成された溝部の開口が前記排気ガス流路を構成する流路壁の上部端面に塞がれてなる流体流路が形成されていることを特徴とする熱交換器。
  2. 外部から中心部に向かって予混合ガスを導入する予混合ガス流路を備えた予混合室と、
    前記予混合室と伝熱隔壁を隔てて設けられており、かつ、前記予混合室から供給された予混合ガスの燃焼により生じた排気ガスを、中心部から外部に向かって排出する排気ガス流路を備えた燃焼室とを有し、
    前記燃焼により加熱される燃焼室の上部加熱板の内部に、第1の流体流路が形成され、
    記排気ガス流路を構成する流路壁の内部に、前記第1の流体流路に連通する第2の流体流路が形成されていることを特徴とす熱交換器。
  3. 前記第1の流体流路は、前記排気ガス流路を構成する流路壁に沿って形成されていることを特徴とする請求項2に記載の熱交換器。
  4. 前記伝熱隔壁の内部に、前記上部加熱板の内部に形成された流体流路に連通する第3の流体流路が形成されていることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の熱交換器。
  5. 請求項1から4の何れかに記載の熱交換器に流体として水を導入し、
    前記熱交換器内にて生成したスチームを加熱庫内に流入させることを特徴とする加熱調理器。
  6. 前記熱交換器の燃焼室から排出される排気ガスを、加熱庫内雰囲気の加熱に利用することを特徴とする請求項5に記載の加熱調理器。
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