JPH01263490A - 伝熱管を有する熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、例えば暖房器、空調器、湯沸し器、工業用熱
交換器などに適用される伝熱管を有する熱交換器に関す
る。

「従来の技術」 従来Ｊ：す、燃焼ガスなどの加熱流体の流路を横切るよ
うに伝熱管を配置した各種の熱交換器が知られている。

これらの熱交換器の伝熱管内には、例えば水などの液体
や、空気などの気体などからなる被加熱流体が流される
。そして、加熱流体が伝熱管を加熱し、この熱が伝熱管
の壁を介して被加熱流体に伝達され、被加熱流体が加熱
されるようになっている。

また、近年、伝熱管の一種としてピー１〜パイプを用い
た熱交換器も知られている。この場合、ヒー１へパイプ
は、その一部が加熱流体の流路に配置されて受熱部とさ
れ、他の部分が被加熱流体の流路に配置されて放熱部と
される。そして、加熱流体がヒートバイブの受熱部を加
熱し、その熱がピー１〜パイプの放熱部に速やかに伝え
られ、ヒー［−バイブの放熱部に接触する被加熱流体が
加熱されるようになっている。

この」こうに、伝熱管を用いた熱交換器では、伝か（管
が加熱流体の流れにほぼ直交するように配置され、加熱
流体が伝熱管に接触することによって伝熱管を加熱する
ようになっている。しかし、加熱流体が燃焼カスのよう
な気体である場合、上記のような対流熱伝達では、十分
な伝熱効率を得ることができなかった。

そこで、加熱流体と伝執倹との間の伝執り〕十を向上さ
せるため、伝熱管の外側に多数のフィンを設Ｇづて伝熱
面積を広くとったり、加熱流体が極めて高慇である場合
にＧ」、加熱流体の流路に輻射体を設け、輻射による伝
熱促進を図ったりすることが行なわれている３゜ しかしながら、伝熱管に多数のフィンを設りることは、
製造コストが高くなり、フィンに」；って加熱流体の圧
力損失が大きくなり、フィンの間ｊｉｊ；４にダスト等
がイ」着しても清掃が容易でなく、加熱流体が極めて高
２品である場合にはフィンが熱１１″４傷するので使用
できないなどの問題があった。

また、加熱流体の流路に輻射体を設＋−ｊることは、流
路に輻射体を構築することが容易でなく、輻射体を凸装
置することによって圧力損失か大きくなり、輻射体とし
て耐熱性の高いものを用いるので製造コストが高くなる
などの問題があった。

［発明が解決しようとする課題」 本発明は、上記従来技術の問題臓に迄みてなされたもの
であり、そのｆｉｌ的は、加熱流体の圧）月ｆ」失を増
大させることなく、より簡単な構造で加熱流体と伝熱管
との伝熱促進を図ることができるようにした伝熱管を有
する熱交換器を提供することにある。

［課題を解決するだめの手段」 ］−２目的を達成するため、本発明は、加熱流体の流路
を横切るように伝熱管が配置された熱交換器に４６いて
、前記加熱流体の流れに沿って見たとき、］）１１記伝
熱管がより多く配置された部分では前記加熱流体の流路
幅が広く、前記伝熱管がより少なく配置された部分では
前記加熱流体の流路幅が狭くなるように、０１１記加熱
流体の流路壁が波形に形成されていることを特徴とする
。

１作用」 １ｉ１Ｑに、伝熱管を有する熱交換器において、伝熱管
が配置された部分では、伝熱管によって流路の一部が閉
塞されるので、実質的な流路幅が狭められる。したがっ
て、従来の熱交換器では、伝熱盾゛が多（配置された部
分では、加熱流体の流速がｉｉ’７ｉめらね、伝熱管が
少なく配置された部分では、伝熱管の流速が低下する傾
向がある。このにうに流路の途中で流速が繰り返し変化
することは、それたけ圧力損失の増大を招くことになる
。また、加熱流体は、流速が低−ドした状態で伝熱管に
衝突しやすくなるため、加熱流体の・ｊ（１性力が効果
的に作用せず、伝熱効率を向−１−できない−因となっ
ている。

しかし、本発明では、伝熱管がより多く配置された部分
では流路幅が広く、伝熱管がより少なく配置された部分
では流路幅が狭くなるようにされているので、伝熱管に
よって閉塞される流路幅を除いた場合の実質的な流路幅
は、従来の熱交換器に比べてより一定となる。したがっ
て、加熱流体の流速が流路の」二流から下流に互ってに
り一定化される。このため、加熱流体が伝熱管に衝突す
る前の流速が高く維持され、加熱流体がその慣性力によ
り伝熱管に勢いよく衝突するので、伝熱管表面における
境膜抵抗層が薄くなり、伝熱効率を向上さぜることがて
きる。また、流路の途中におＧ゛〕る流速の変動が少な
いことから、加熱流体の圧力損失も低く抑えられる９、 さら（、二、本発明では、流路壁が滑らかな波形をなし
ているため、流路ラシイ・１近を通る加熱流体は、ファ
ングー効果に」；り流路壁から剥離することなく流れる
。１このように、流路壁付近を通る加熱流体の流ｔ１の
剥１ｉｉｌｆがないので、圧力↑（］失がさらに少なく
なる５、また、加熱流体が８［］０−１０００’Ｃ以上
という高温である場合には、流路壁が高温に加熱さね、
流路壁から伝熱管に幅躬線が昭ｑ＝ｔされ、化μｍ効率
が向上する。この場合、流路壁が波形をなしているので
、流路壁が伝熱管を見るように周囲をほとんど囲ってい
る状態であり、輻射における形態係ｖＪ、Ｌ：ｔ＋、ｏ
に近く、極めて効果的な輻射伝執がなされる。。

本発明の好ましい態様によれば、旧訳加熱流体の流路に
沿って前記伝熱管が一列に配置されており、前記伝熱管
が醒匿された部分では前記流路幅が広く、ｉ’Ｉｉｉ記
伝熱盾が配置されていない部分でＣＪ前記流路幅が狭く
なるように、前記流路壁が波形に形成されている。

上記態様においでは、加熱流体は、まず、上流側の伝熱
管に衝突するＪ：うに流れ、次いで伝熱管の表面に沿っ
て流れることにより伝熱管に熱を伝える。伝熱管をよぎ
った後、流路が徐々に狭くなるので、加熱流体は速度は
ぼ一定で中心に集まるように流れ、再び後流側の伝熱管
が近づくにつれ流路幅が広くなるが、大部分は慣性によ
り後流側の伝熱管に衝突するように流れる。加熱流体の
流路に沿って伝熱管を一列に配置した場合には、」−記
の作用がより効果的に得られるので、対流伝熱がより促
進される。また、伝熱管を一列に配置した場合には、流
路壁からの輻射における形態係数もより１．０に近くな
るので、輻ｑ＝を伝熱もより効果的になされる。

本発明の別の好ましい態様によれば、前記加熱流体の流
路が隔壁によって複数の流路に分割されており、それぞ
れの流路に沿ってｎｊｉ記伝熱管が一列に配置されてお
り、１）１１記伝熱管が配置された部分では前記流路幅
が広く、前記伝熱管が配置されていない部分ではｎ’ｉ
　配流路幅が狭くなるにうに、それぞれの流路を区画す
る流路壁が波形に形成されている９゜ このように、加熱流体の流路に沿って伝熱管が蝮数列に
１９［！置されている場合は、流路を分割するように隔
壁を設け、分割された各流路に沿って伝熱管が一列に配
列されるようにし、それぞれの流路を区画する流路壁を
波ＪＦヨにすることにより、前記と同様な効果を得るこ
とができる。

本発明のさらに好ましい態様によれば、前記流路壁の表
面がセラミックスファイバー質または多数の小さな凹凸
を有するセラミックスからなっている。にり具体的には
、セラミックスファイバー質Ｊ：りなるボード、ベーパ
、あるいは表面に多数の小さな凹凸を有するＪ：うに成
形されたセラミックスもしくはセラミックス多孔体、あ
るいは表面が粗いギヤスターなどが好ましく採用される
。

このように、流路壁の表面をセラミックスファイバー質
または多数の小さな凹凸を有するセラミックスとするこ
とにより、表面積を大きくすることが−Ｃきるのて、流
路壁ゴマ１近を通る加熱流体からの伝熱効率が向上し、
流路壁がより高（品となって伝熱管への輻射伝熱がさら
に促進される。

なお、本発明において、伝熱管とは、内部に被加熱流体
が流れる通常の伝熱管たけてなく、ピー１−バイブなと
も含める意味である。また、伝熱管の断面形状は、円バ
ヨもしくは円形に近いｊ［ヨが好ましいが、特に限定さ
れるものではない３．伝熱管の材質は、特に制約されな
いが、伝熱管の外表面についでは、輻射熱を受は入れや
すいように、輻射率の高いものが好ましい、。

「実施例」 第１図および第２図には、本発明をヒートパイプを用い
た暖房用熱交換器に適用した一実施例が示されている。

この熱交換器は、ケーシング１１内に隔壁１２て仕切ら
れた温度調節区画Δと加熱区画Ｉ３とが設けられている
。温度調節区画Ａは、上下が開口されており、下部間ロ
イ」近にクロスフロー型のファン＋３が設置さている。

室内空気Ｃは、ファン１１３が作動すると、温度調節区
画△の−４一部間「ｊから導火され、−ト部開口から流
出する。加熱区画Ｂには、上部に連結管１４を介して燃
焼用空気導入用のファン１５が接続され、管１４には燃
料Ｆを導入するノズル１６が接続されている。連結管１
４は、加熱区画ＢのＬ方内部に連通し、加熱区画Ｂのそ
れよりもやや下方には、バーナプレート１７が配置され
ている。

そして、バーナプレー１−１．６の上方空間は、予混合
室１８となっており、ここでファン１５から導入された
燃焼用空気とノズル１６から導入された燃れ１とが予混
合される。この予混合気は、バーナプレート１６の噴出
孔から下方に噴出し、図示しない点火手段にＪ：って沖
、火され、面状の火炎１９を形成する。

こうして発生した燃焼ガスＩ」は、燃焼ガス流路２０を
一ト方から下方に流れ、下部に形成された排気口２１か
ら外部にり１出される。

ピー１−バイブ２２は、一端が温度調節区画Δ内に配置
され、他端が加熱区画Ｂ内に配置されるように、両区画
に亙って設置されている。この場合、ヒートバイブプ２
２は、室内空気Ｃおよび燃焼ガスｌ−１の流れに対して
間軸方向がほぼ直交するように、Ｉ＋ 」１記流路を横切って設置されている１、また、室内空
気Ｃおよび燃焼カスＩ」の流れに沿って」−下一列に３
本設置されている。ヒートパイプ２２の加熱（区画Ｂに
配置された部分はペアデユープとされ、温度調節区画Δ
に配置された部分は共通のプレー１〜フイン２３を有す
るプレー１〜フインイ」きチコーブとされている。

本発明において、この熱交換器の特徴１４、第１図に示
すように、加熱区画■３の燃焼ガス１ｆｌｉ路２（］を
構成する両側の流路壁２４が、ヒートバイブ２２が配置
された部分では流路幅が広くなり、ヒートバイブ２２の
間の部分では流路幅が狭くなるように、波形の曲面とな
っていることである。そして、ピー１−バイブ２２によ
って閉塞される部分を除いた実質的な流路幅が、燃焼ガ
ス流路２０　（７）−ｉ’ｚ体にＬ７ってほぼ一定とな
るようにされている３、また、流路壁２４の表面は、セ
ラミックスファイバーからなるボードで形成されている
。

なお、ヒートバイブ２２としでは、この実ｈＩＢ例の場
合、銅製のパイプで内部に作動媒体として水を刺入した
ものが用いられている。作動時のヒートパイプ温度は、
１２０〜１４０°Ｃである。

この熱交換器では、加熱区画Ｂにおいて燃焼ガスＩ−１
が燃焼ガス流路２０を流れ、−列に配置された３本のヒ
ートバイブ２２に順次接触し、これらを加熱する。ヒー
トバイブ２２は、この熱を２Ｂ度調節区画Ａに配置され
た部分に速やかに伝え、殆ど温度勾酬がないような状態
で全体が加熱される。そして、温度調節区画Ａに配置さ
れた部分に設けられたプレー１〜フイン２３も加熱され
る。この状態で、ファン１３により温度調節区画△を流
れる室内空気Ｃが、ヒートバイブプ２２およびプレート
フィン２３に接触して加熱され、温風となって室内に供
給される。

この熱交換器では、燃焼カス流路２０の流路壁２４が前
記のＪ：うに波形に形成されているので、燃焼ガスｌ−
］の流速が全流路に亙ってほぼ一定となる。

また、燃焼ガスＩ−１は、波形の流路壁２４によって中
央に集められた後、その慣性力によりそれぞれのピー１
−バイブ２２に衝突するように流れる。この結果、対流
熱伝達が促進される。さらに、流路壁２４付近を流れる
燃焼ガス■」は、滑らかな波形の曲面に沿って剥離する
ことなく流れ、セラミックスファイバーのボードによる
表面積増大の効果も寄与して、流路壁２４は高副に加熱
される。その結果、流路壁２４から輻射線がヒートバイ
ブ２２に向Ｇづて照射され、輻射伝熱もなされる。この
輻射にＪ６ける形態係数は、両側の流路壁２４が湾曲し
てヒートバイブ２２を囲むようになっているので、はぼ
１０に近い値となる。したがって、燃焼ガス■」の圧力
損失を低く抑えつつ、良好な伝熱効率が得られる。

実際に、燃焼ガス１−１は、バーナプレー１〜１７近傍
で１２００〜１５００°Ｃ程度であり、最も上流側のヒ
ー１へパイプ２２を囲も流路壁２４部分は、Ｉ　Ｏ［１
［１〜１２０（ドＣ程度の高温になるので、強い幅１１
線を照射する。燃焼ガスＩ］は、ヒートバイブ２２に熱
を奪われ、下流にいくに従って温度低下し、最も下流側
のピー１〜バイブ２２の近傍では、５　［１［］　”０
４１１度となり、この部分における輻射伝熱は、それは
ど期待できない。

したがって、最も下流側のヒートバイブ２２においでは
、燃焼カスｌ」の衝突流による対流熱伝達が主となる。

このため、下流側のヒ−１〜パイプ２２にはハイフィン
、プレートフィンなどのフィンを設けて伝熱面積を広く
とるようにしてもよい。

なお、比較として、燃焼ガス流路２０の流路幅を燃焼ガ
スＩ−１がヒートパイプ２２をよぎるときの流路幅で一
定にしたものについて、熱伝達量」６よび圧力損失を測
定した結果、本発明の熱交換器では熱伝達量が比較のも
のに比へて１２〜１５イ名となり、圧力１０失は比較の
ものに比べて１０〜１１倍であり、圧力１１１失の増大
を招くことなく伝熱促進効果を得られることが確認され
た。

第３図」５よび第４図には、本発明をガスとカスとを熱
交換する熱交換器に適用した他の実施例が示されている
。

このμｍ交換器は、缶体３１の両側端面に管板３２．３
３が取イ」けられ、管板３２．３３に両端部を保持され
るようにして、複数の伝熱管３４がほぼ平行に支持され
ている。（］コ体３１の一１二下面は開口され、上方が
］５ 高温カスｌ−１の人口３５、下方が出口；３にとなって
いる。高温ガス＋−１としでは、例えばへ重油の燃焼ガ
スなどが用いられる９、また、管板３２には人口ヘッダ
３７が取イマ１けられ、被加熱カスとしての空気Ｃが人
［１３８から導入されるようになっている。さらに、管
板３３には出口ヘッダ３９が取付けられ、空気Ｃが出口
４０から流出するようになっている。

第３図に示すように、伝熱管３４は千鳥に扉列されてお
り、高温ガス■」の流路を複数（この場合３つ）に分割
するように隔壁＜１．４２が配置され、分割された各１
ｈ路において、伝熱管３４が高温ガスｌ−１の流れに沿
って一列に配置されるようになっている。そして、各流
路を区画する両側壁が、伝熱管３４が配置された部分で
は流路幅が広く、伝熱管３４が配置されていない部分で
は流路幅が狭くなるように波形に形成されている。缶体
３１の内側面は、波形曲面に形成されたキャスタブル表
面に、セラミックスファイバーのペーパーを貼り伺けて
形成されており、隔壁４１．４２は、波形に屈曲された
ステンレス板の両面に同しくセラミックスファイ］６ バーのベーパーを貼り付Ｇづて形成されている。

この熱交換器に」６いでは、高温ガスｌ−１が人口３５
から尋人され、缶体３１内を−に方から下方に流れ、出
［＋３６から流出する。また、空気Ｃが人口３８がら導
入され、各伝熱管３４の内部を流れた後、出口４゜から
流出する。高温ガスＩ−１は、伝熱管３４を加熱してそ
の内部をＩＡすれる空気Ｃを加熱し、ガス−ガスの熱交
換が行なわれる。こうして加熱された空気Ｃは、例えば
燃焼用空気などとして利用されることになる。そして、
この熱交換器においても、高温カスＨの流路が伝μｍ管
３４が配置された部分では広く、伝熱管３４が配置され
ていない部分では狭くなるＪ：うにされているので、高
温ガス■」の流速が流路全体に亙ってほぼ一定となり、
高温ガスＨがその慣性力によって各伝熱管に衝突するよ
うに流れる。、また、両側の流路壁イ」近を通る高温ガ
スＩ−１は、Ｈ″１らかな波形曲面に沿って剥離するこ
となく流れる。さらに、両側の流路壁がら伝熱管３４へ
の輻ｑ・１におりる形態係数は、はぼ１．０となる。そ
の結果、１１；１記実施例と同様に、高温ガス＋−ｉの
圧）月ｉｊ失を増大させることなく、対流μｍ伝達およ
び輻ｑ・ｊ熱伝達が促進され、良好な伝熱効率を得るこ
とができる。

比較のため、缶体３］の内側面を伝熱管：３４が配置さ
れた部分の幅をもって平板状にし、隔壁４］、　４２を
設しづないて構成した熱交換器と、本発明の上記熱交換
器との伝熱管３４外側の熱伝達率を測定した結果、本発
明の熱交換器は、比較のものに比べて１５〜１７倍の熱
伝達率が得られた。

な１−３、」−２実施例において、缶体３１の内側面を
波形曲面にして隔壁４」、４２を設けないＪ：うにして
もよい。この場合、高温ガス１１の流路に伝熱管３４が
複数列で配置されることになるが、伝熱管３４が多く配
置された部分では流路幅が広く、伝熱管３４が少なく配
置された部分では流路幅が狭くなることにより、本発明
の効果を得ることができろ、。

「発明の効果」 以」−説明したＪ：うに、本発明によれば、伝熱管がよ
り多く配置された部分では加執流体の流路幅が広く、伝
熱管がより少なく配置された部分でＧ；Ｊ加熱流体の流
路幅が狭くなるようにしたことにより、加熱流体の圧力
損失を増大させることなく、対流熱伝達および輻射熱伝
達を促進させ、伝熱効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の熱交換器の一実施例を示すも
ので、第１図は第２図における］−１線に沿った断面図
、第２図は同熱交換器の正面断面図、第３図、第４図は
本発明の熱交換器の他の実施例を示すもので、第３図は
第４図におしづるＩＩＩ　−■線に沿った断面図、第４
図は同熱交換２ｘの正面断面図である。 図中、月はケーシング、１３はファン、１８は予混合室
、１７はバーナプレート、１９は火炎、２（］は燃焼ガ
ス流路、２２はヒートバイブ、２３はプレートフィン、
２４は流路壁、３１は１１１体、：（２，３３は管扱、
３４は伝熱管、３５は高温ガスの入１］１．３６は高温
ガスの出口、３８は空気の人口、４０は空気の出］］、
４１．４２は隔壁、Ａは温度調節区画、Ｂは加熱区画、
Ｃは被加熱流体としての空気、１」は加熱流体としての
燃］９ 類カスまたは高調カスである４゜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）加熱流体の流路を横切るように伝熱管が配置され
   た熱交換器において、前記加熱流体の流れに沿って見た
   とき、前記伝熱管がより多く配置された部分では前記加
   熱流体の流路幅が広く、前記伝熱管がより少なく配置さ
   れた部分では前記加熱流体の流路幅が狭くなるように、
   前記加熱流体の流路壁が波形に形成されていることを特
   徴とする伝熱管を有する熱交換器。
2. （２）前記加熱流体の流路に沿って前記伝熱管が一列に
   配置されており、前記伝熱管が配置された部分では前記
   流路幅が広く、前記伝熱管が配置されていない部分では
   前記流路幅が狭くなるように、前記流路壁が波形に形成
   されている請求項１記載の伝熱管を有する熱交換器。
3. （３）前記加熱流体の流路が隔壁によって複数の流路に
   分割されており、それぞれの流路に沿って前記伝熱管が
   一列に配置されており、前記伝熱管が配置された部分で
   は前記流路幅が広く、前記伝熱管が配置されていない部
   分では前記流路幅が狭くなるように、それぞれの流路を
   区画する流路壁が波形に形成されている請求項１記載の
   伝熱管を有する熱交換器。
4. （４）前記流路壁の表面がセラミックスファイバー質ま
   たは多数の小さな凹凸を有するセラミックスからなる請
   求項１、２または３項記載の伝熱管を有する熱交換器。