JPH01263493A - ヒートパイプを有する熱交換器 - 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、例えば暖房機、空調機などに好適なヒートパ
イプを有する熱交換器に関する。

［従来の技術Ｊ 近年、ヒートパイプを利用した各種の熱交換器が提案さ
れつつある。ヒートパイプは、管内に作動媒体を封入し
ててきており、作動媒体の相変化（蒸発、祿縮）により
管内の伝熱を行なうものである。熱交換器に利用される
とき、ヒ−トバイブはその一部を加熱流体の流路に配置
されて受熱部とされ、他の部分を被加熱流体の流路に配
置されて放熱部とされる。ヒートパイプ受熱部では、外
部からの入熱により作動媒体が受熱部内表面で蒸発し、
多量の蒸発熱を得る。蒸発した作動媒体は、音速もしく
は音速に近い速さで放熱部に移動し、放熱部内表面で凝
縮して放熱部に多量の熱を与える。放熱部内表面で凝縮
した作動媒体は、ヒートパイプ内表面のウィックによる
毛細管力により再び受熱部に移動する。こうして極めて
短時間に受熱部から放熱部に多量の熱を伝えることがで
きる。例えばヒートパイプの受熱部を加熱すると、その
熱は速やかにヒートパイプの他の部分に伝達され、ピー
ｌ−パイプの軸方向温度勾配が殆どない状態で全体が加
熱される。同様にして、ヒートパイプの放熱部を冷却す
ると、温度勾配が殆どない状態で全体が冷却される。

ヒートバイブをガス−ガスの熱交換器に利用するとき、
ピー１受熱部プ受熱部は、燃焼ガスなどの高温ガスの流
路に配置され、ヒートパイプ放熱部は空気などの低２ｍ
ガスの流路に配置される１、この場合、高温ガスの流路
においては、高温ガスの熱ができるだけ効率的にヒート
パイプ受熱部にイ／、λられるようにし、低温ガスの流
路においてはヒー１へパイプ放熱部の熱ができるだけ効
率的に低７届ガスに伝えられるようにすることが要求さ
才する。高７品ガス側の伝熱効率を高める手段としては
、高温ガスの流路に輻射体を配置したり、ヒートパイプ
受熱部にフィンを設けたりすることが提案されている。

また、低温ガス側の伝熱効率を高める手段としては、ヒ
ートバイブ放熱部にフィンを設しづたりすることが提案
されている。

高温ガスとしては、通常、燃焼ガスが用いられるが、燃
焼ガスはバーナの直後において１２００〜１５００℃と
いう高温である。このため、燃焼ガスの上流側に配置さ
れるピー１受熱部プ受熱部は、フィンの熱損傷を防止す
るため、ベアパイプもしくはローフイン付」きパイプと
され、その代わりに輻射体を配置して輻射伝熱を利用す
ることが提案されている。また、燃焼ガスは、ヒートバ
イブプに接触して熱を奪われるため、下流側の温度は、
２００〜７００°Ｃ程度となる。このため、燃焼ガスの
下流側に配置されるヒートパイプ受熱部は、フィン高さ
の比較的高いフィン付きパイプとして、伝熱面積を広く
とることが提案されている。

ところで、ヒートパイプの作動媒体としては、蒸発熱が
多量に得られ、扱いやすい温度範囲で作動するなどの理
由から水が最もよく利用されており、また、ヒートパイ
プの管の材質としては、熱伝導性が良好で、材料コスト
が安く、作動媒体としての水に対して比較的安定である
などの理由から銅が最もよく利用されている。そして、
ヒートバイブにフィンを設りる場合、このフィンの材質
としても銅が最もよく利用されている。銅は、高温限界
が２００°Ｃ程度とされており、それ以上の高温にさら
されると、酸化されやすくなる。

しかしながら、燃焼ガスの上流側に配置されるヒートパ
イプ受熱部は、ベアパイプもしくはローフイン付きパイ
プとしても、極めて高温の燃焼ガスに接触するので、銅
などの金属からなるパイプ表面が高温により徐々に酸化
されていく。また、燃焼ガスの下流側に配置されるピー
１受熱部ブ受熱部は、燃焼ガス温度が低下しているとは
いえ、燃料の投入量が定格使用を超えた場合などにはそ
の表面が２００°Ｃを超えることがあり、長期間使用し
ているうちにやはり酸化される傾向がある。この場合、
ヒートパイプ受熱部に設けられたフィンは、ヒートパイ
プ自身よりもさらに高温になりやすく、より酸化されや
す（なる。

こうしてヒートパイプ受熱部の表面が酸化されると、銅
などの金属酸化物は熱伝導性が非常に悪いので、ヒート
パイプ内部の作動流体への熱伝達が阻害され、伝熱効率
が著しく低下してくる。また、酸化によってパイプ強度
が劣化し、ヒートバイブの破損に至るおそれも生しる。

一方、フィンが酸化された場合には、酸化物によってフ
ィンへの熱伝達が阻害されると共に、フィンの間隙に酸
化物が堆積したりして圧力損失が増大することがある。

したがって、上記のようなヒートパイプ受熱部における
高部酸化が熱交換器の寿命を著しく低下させるという問
題点があった。

「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点に鑑みてなされたもの
であり、その目的は、高温ガス流路に配置されるヒート
バイブ受熱部の酸化を防止し、低コス１へて耐久性を向
上させるようにしたヒートバイブを有する熱交換器を提
供することにある。

１課題を解決するための手段」 」二記目的を達成するため、本発明は、高温ガスが流れ
る加熱区画と、温度調節されるべき気体が流れる温度調
節区画とが設けられており、前記加熱区画とＷｉ記温度
調節区画とに互ってヒートパイプが配置された熱交換器
において、前記ヒートパイプの少なくとも加熱区画に１
置された部分の外表面が、耐酸化性金属でメッキされて
いることを特徴としている。

「作用」 このように、ヒートパイプの加熱区画に配置された部分
を耐酸化性金属でメッキすることにより、高温ガスに接
触しても表面が酸化することを防止でき、それによって
熱伝達率を長期間に亙って良好に維持させ、耐久性を向
上させることができる。なお、メッキ処理によるコスト
アップは、熱交換器全体のコストから見れば、無視し得
る程度にすることができる。

本発明の好ましい態様によれば、前記ヒートパイプが前
記加熱区画の高温ガス流路に沿って複数段に配置されて
おり、前記高温ガス流路の上流側に配置されたヒートパ
イプは、耐酸化性かつ耐熱性金属でメッキされ、前記高
温ガス流路の下流側に配置されたヒートパイプは、外周
にフィンを有すると共に、ヒートパイプおよびフィンが
耐酸化性の低融点金属でメッキされている。

高温ガスの上流側に配置されるヒートパイプ受熱部は、
例えば燃焼ガスの場合、１２００〜１５００°Ｃ程度の
ガスに接触することになるので、この部分には耐酸化性
かつ耐熱性金属をメッキすることにより、バイブ表面の
酸化を防止できる。なお、高温ガスの上流側に配置され
るヒートパイプ受熱部は、前述したようにベアバイブも
しくはローフィンイマｊきバイブとされることが好まし
い。また、高温ガスの下流側に配置されるヒートパイプ
受熱部は、例えば燃焼ガスの場合、２００〜７００°Ｃ
程度に温度が低下しているので、この部分では、比較的
フィン高さの高いフィンを設けて伝熱面積を広くとるこ
とが要求される。このようにフィンを設ける場合は、フ
ィンの酸化防止も図る必要があり、フィン自体にも耐酸
化性金属をメッキする必要がある。耐酸化性の低融点金
属を用いれば、例えばヒートパイプ受熱部およびフィン
をそれぞれ上記金属でメッキしておき、ヒートパイプ受
熱部をフィンの挿通孔に圧入し、その状態で」１記金属
を溶融させることにより、フィンとヒートパイプ受熱部
とを上記金属で溶接することができる。したがって、両
者の酸化防止が図れる共に、フィンとヒートパイプ受熱
部との接続を確実にし、両者の伝熱・目：も良好にする
ことができる。

また、」１記において、耐酸化性かつ耐熱性金属はニッ
ケル、クロム、ニッケル−クロム合金から選ばねだもの
からなり、耐酸化性の低融点金属は半田からなることが
好ましい。ただし、本発明における耐酸化性金属として
は、上記の他に、例えばクロム酸、スス、アルミニウム
溶射なども好適に使用できる。

なお、」１記金属のメッキ方法としては、例えば電解メ
ッキ、とぶ漬け、溶射など、公知の各種の方法が採用で
きる。

本発明のさらに好ましい態様によれば、前記ヒートパイ
プは、管材質として銅、作動媒体として水を用いたもの
からなる。これは、前述したように、現在のところ、コ
スト、性能の点から最も好ましい材料と考えられ、しか
も高温ガスに対する酸化防止が強く望まれるものだから
である。

「実施例」 第１〜５図には、本発明を空調用熱交換器に適用した実
施例が示されている。

第１図において、この空調用熱交換器１１には、隔壁１
２．１３、Ｉ４て仕切られた加熱区画Ａと温度調節区画
Ｂとが設けられている。加熱区画Ａには加熱流体である
燃焼ガスＨが」一方から下方に流れ、温度調節区画Ｂに
は温度調節されるべき室内の空気Ｃが同じく上方から下
方に流れるようになっている。なお、隔壁１３は、適宜
な材質からなる断熱構造とされている。

この実施例の場合、４本のヒートバイブ１５．１６、　
］？、１８が、それらの一端が加熱区画Ａに配置され、
他端が温度調節区画Ｂに配置されるようにして支持され
ている。ピー１〜バイブ１５．１６．１７．１８は、第
２図および第３図に示すように、加熱区画Ａおよび温度
調節区画Ｂにおいて、流路のほぼ中央部に並ぶように１
列に配置されている。

また、温度調節区画Ｂにおいては、冷却管１９がヒート
バイブ１５．１６．１７．１８の列の両側に１列に並ぶ
ように配置されている。冷却管１９は、隔壁１２から外
側に突出した部分および隔壁１３の内部においてＵ字状
のベント１９ａによって接続され、全体として連続した
１本の管となっている。そして、冷媒が冷却管１９の入
口１９ｂから入り、出口１９ｃから流出するようになっ
ている。

温度調節区画Ｂにおいて、ヒートバイブ１５、１６．１
７．１８と、冷却管１９とは、互いにほぼ平行に配置さ
れ、この部分が共通のプレートフィン２０に挿通されて
いる。プレートフィン２０は、この実施例の場合は銅板
からなり、所定のピッチで多数枚平行に配列されている
。なお、第１図において、温度調節区画Ｂの中間部は、
プレートフィン２０が省略して示されている。温度調節
区画Ｂの下部開口部には、クロスフロー型のファン２１
が設置されており、このファン２１の作動により、室内
の空気Ｃが上方から下方に流れるようになっている。

加熱区画ＡにＪ３いて、燃焼ガスＩ」の流路の最も上流
側には、バーナプレート２２が取イ」りられてＪ５す、
図示しないファンおよび燃料ノズルから供給された燃焼
用空気と燃料とが予め混合されて予混合気となり、この
バーナプレー１−２２を上方から下方に通って噴出する
ようになっている。予混合気は、図示しない点火手段で
点火され、バーナプレート２２の下面に面状の火炎が形
成される。こうして発生した燃焼ガスＨは、加熱区画Ａ
を上方がら下方へと流れ、排気口２３から排出される。

］２ 第２図に示すように、加熱区画Ａは、両側の側壁２４．
２５によって流路幅を規定されており、この流路幅は、
上流側において狭く、下流側において広くなるようにさ
れている。そして、上流側に配置されたヒートバイブ１
５．１６の端部は、ペアデユープとされており、下流側
に配置されたヒートバイブ１７．１８の端部は、共通の
プレートフィン２６に挿通されている。また、ヒートバ
イブ１５．１６の間およびヒートバイブ１６．１７の間
には、通気性の輻射体２７．２８が配置されている。こ
の実施例の場合、輻射体２７．２８はセラミックファイ
バーボードよりなっている。

そして、加熱区画Ａにおける燃焼ガスＩ］の上流側に配
置されたヒートバイブプ１５．１６の加熱区画Ａに位置
する部分は、第４図に示すように、外周にニッケル−ク
ロム合金メッキ３１が施されている。

この場合、メッキ３１の厚さは、１０μｍ以上とされて
いる。また、加熱区画Ａにおける燃焼ガスＨの下流側に
配置されたヒートバイブ１７．１８の加熱区画Ａに位置
する部分、およびその部分に装着されたプレートフィン
２６には、第５図に示すように、半田メッキ３２が施さ
れている。この場合、半田メッキ３２の厚さは、１０μ
ｍ以上とされている。この半田メッキ３２は、ヒートバ
イブ１７、】８の加熱区画Ａに配置される端部を予め半
田メッキしておき、かつ、プレートフィン２６の表面に
も予め半田メッキしておき、プレートフィン２６の挿通
孔にヒートバイブ１７．１８を圧入し、その後、半田が
溶融する温度に加熱して、ヒートバイブ１７．１８とプ
レートフィン２６との接合部を半田によって溶接するよ
うにして形成されている。なお、半田としては、この実
施例の場合、融点２００°Ｃのものが使用されている。

また、この実施例の場合、ヒ＝ドパイブ１５．１６．１
７．１８としては、外径１５．８ｍｍの銅製のバイブに
作動媒体として水を刺入したものが用いられている。作
動時のピー１−パイプ温度は１２０〜１４０℃である。

次に、この空調用熱交換器１１の作用について説明する
と、暖房時には、バーナブレー１−２２．Ｊ：っ子混合
気を噴出させて面状の火炎を形成し、１２００〜１５０
０°Ｃという高温の燃焼ガスＨを発生させる。燃焼ガス
Ｉ」は、流路を上方から下方に流れていき、」１流側に
配置されたヒートパイプ１５．１６の端部を加熱する１
、ヒートバイブ１５．１６の端部は、ベアパイプである
ため、伝熱面積を広くとれないが、この部分の流路幅が
狭くなっているので、燃焼ガス■］の流速が高くなり、
３０〜５０ｋｃａ１．／ｍ２ｈ℃程度の良好な熱伝達率
が得られる。また、燃焼ガスＨは、輻射体２７．２８を
通過するとき、これらを９００〜［１００°Ｃ程度に加
熱し、輻射体２７．２８は、大きな輻射熱をヒートパイ
プ１５．１６の端部に照射する。この輻射による熱伝達
率は、７０〜１００　ｋｃａｌ／ｍ２ｈ°Ｃ程度になる
。」１流側のヒートバイブ１５．１６の端部と熱交換し
て、６００〜７００’Ｃ程度に温度低下した燃焼ガスｌ
」は、さらに下流側に流れていき、下流側に配置された
ヒートバイブ１７．１８の端部を加熱する。下流側にお
いては、流路幅が広くなるので流速が低下し、熱伝達率
は１５−３０ｋｃａ１．／ｍ２ｈ’ｃ程度と小さくなる
が、プレートフィン２６により伝熱面積が広くとれるの
で、十分な伝熱がなされる。さらに、燃焼ガスＨの流速
を減じることでプレートフィン２６で生じる圧損を約２
ｍｍ１ｇ以下とすることができる。

燃焼ガスｉ」の」１流側に配置されたヒートバイブ１５
．１６は、ベアパイプとされているので、内部の作動媒
体による冷却効果が外表面までいきとどき、例えば燃料
投入３７００ｋｃａｌ／ｈ程度では、パイプ温度を１８
０℃以下に保つことが可能である。しかし、周囲の断熱
打粉などがパイプに付着したり、燃料投入量が定格を超
えた場合などには、外表面の温度が２００°Ｃを超えて
しまうことがあり、銅パイプのまま使用した場合には、
長期間経過すると表面に黒色の酸化層が形成されてくる
。この実施例では、ヒートバイブ１５．１６の加熱区画
Ａに配置された部分に、ニッケル−クロム合金メッキ３
１が施されているので、上記のような酸化を完全に防止
することができる。実際に長期間使用した後でもメッキ
３１のハゲや損傷はなく、内部の銅パイプの酸化も起こ
っていないことが確認された。

また、燃焼ガスＩ］の下流側に配置されたヒートバイブ
１７．１８およびプレートフィン２６は、燃焼ガスＩ」
の温度が低下しているので、その温度が通常は２００°
Ｃ以下に保たれるようにすることができるが、周囲の断
熱打粉などがイ」着したり、燃料投入量が定格を超えた
り、ヒートバイブ１７．１８とプレートフィン２６との
接続が悪かったりすると、外表面の温度が２００°Ｃを
超えてしまうことがあり、銅のまま長期間使用した場合
には、やはり表面に黒色の酸化層が形成されてくる。こ
の実施例では、ヒートバイブ１７．１８およびプレート
フィン２６に半田メッキ３２が施されており、しかも両
者の接続部が半田メッキ３２によって溶接されているの
で、上記のような酸化を完全に防止することができる。

実際に長期間使用した後でも酸化は起こらないことが確
認された。また、接続部を半田メッキ３２によってン容
接したことにより、ヒートバイブ゛１７１８とプレート
フィン２６との間の熱伝導性がよくなり、フィン効率が
向」−シて１〜２％の熱効率の向上がみられた３゜ こうして加熱区画Ａに配置されたヒートバイブ１５．１
６．１７．１８の端部が加熱されると、その熱は速やか
にヒートバイブ１５．１６．１７．１８の他の部分に伝
達され、ヒートバイブ１５、Ｊ６．１７．１８の全体が
温度勾配が殆ど生しない状態で加熱される。−方、温度
調節区画Ｂには、ファン２Ｊにより室内の空気Ｂが流れ
ており、この空気Ｂは、ヒートバイブ１５．１６．１７
．１８およびそれらによって加熱されたプレートフィン
２０と接触し、加熱されて温風となって室内に供給され
る。この場合、プレートフィン２０により伝熱面積が広
くとれ、がっ、プレートフィン２０は中央部のヒートバ
イブＪ５．１６．１７．１８から均一に加熱されている
ので、良好な伝熱がなされる。

一方、冷房時には、冷却管１９に例えば冷却水などの冷
媒を流す。圧縮器、凝縮器、蒸発管に冷媒を循環させる
構造の場合は、冷却管１９は実質的に蒸発管となる。こ
れによって、温度調節区画Ｂを流れる空気Ｂは、冷却管
１９およびそれにより冷却されたプレートフィン２０、
ヒートパイプ１５．　１６、１７１８と接触し、冷風と
なって室内に供給される。この場合、プレートフィン２
０により伝熱面積を広くとることができる。また、プレ
ートフィン２０は両側の冷却管１９から均一に冷却され
る。さらに、ビー１〜パイプ１５．１６１７．１８によ
りプレートフィン２０どうじの熱伝達も促進されるので
、プレートフィン２０は、より均一に冷却される。した
がって、良好な冷却効率を得ることができる。

なお、」１記実施例は１本発明を空調用の熱交換器に適
用したものであるが、本発明は、例えば上記実施例にお
いて冷却管１９を設けないで構成した暖房専用の熱交換
器などにも適用することができる。

［発明の効果］ 以上説明したように　本発明によれば、ヒートバイブの
少なくとも加熱区画に配置された部分の外表面を耐酸化
性金属でメッキしたことにより、高温ガスによる酸化を
防止することができ、長期間に亙って熱伝導性を良好に
維持し、耐久性を向」−させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を空調用熱交換器に適用した実施例を示
す正面断面図、第２図は第１図におけるＩＩ　−ＩＩ線
に沿った断面図、第３図は同熱交換器の左側面図、第４
図は加熱区画の上流側に配置されたヒートバイブの横断
面図、第５図は加熱区画の下流側に配置されたヒートバ
イブおよびプレートフィンンの縦断面図である。 図中、１１は空調用熱交換器、１２、Ｉ３、Ｉ４は隔壁
、１５．１６．１７．　１８はヒートバイブ、１９は冷
却管、２０はプレートフィン、２■はファン、２２はバ
ーナプレート、３１はニッケル−クロム合金メッキ、３
２は半田メッキ、Ａは加熱区画、Ｂは温度調節区画、Ｃ
は空気、Ｉ」は燃焼ガスである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）高温ガスが流れる加熱区画と、温度調節されるべ
   き気体が流れる温度調節区画とが設けられており、前記
   加熱区画と前記温度調節区画とに亙ってヒートパイプが
   配置された熱交換器において、前記ヒートパイプの少な
   くとも加熱区画に配置された部分の外表面が、耐酸化性
   金属でメッキされていることを特徴とするヒートパイプ
   を有する熱交換器。
2. （２）前記ヒートパイプが前記加熱区画の高温ガス流路
   に沿って複数段に配置されており、前記高温ガス流路の
   上流側に配置されたヒートパイプは、耐酸化性かつ耐熱
   性金属でメッキされ、前記高温ガス流路の下流側に配置
   されたヒートパイプは、外周にフィンを有すると共に、
   ヒートパイプおよびフィンが耐酸化性の低融点金属でメ
   ッキされている請求項１記載のヒートパイプを用いた熱
   交換器。
3. （３）前記耐酸化性かつ耐熱性金属がニッケル、クロム
   、ニッケル−クロム合金から選ばれたものからなり、前
   記耐酸化性の低融点金属が半田からなる請求項２記載の
   ヒートパイプを有する熱交換器。
4. （４）前記ヒートパイプは、管材質として銅、作動媒体
   として水を用いたものである請求項１、２または３記載
   のヒートパイプを有する熱交換器。