JPH05118778A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 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、冷媒加熱
器の熱交換部にある冷媒を常に二相状態に保ち冷媒の過
熱防止と冷媒循環量の増大による熱交換能力の増大をは
かる。 【構成】 冷媒通路部材１５は複数の冷媒通路１６を有
し、この両端に接続したヘッダー管１７、１８に各々取
り付けた冷媒入口管１９と冷媒出口管２０と、この冷媒
出口管２０を垂直方向に対して傾斜部２５を設けてい
る。傾斜部２５により冷媒出口管２０から流出する二相
の冷媒のうち液相の冷媒の一部は傾斜部２５の底部を逆
流し冷媒加熱器に流れる。冷媒回路を流れる冷媒はガス
相が多くなり、同じ熱搬送量に対して循環冷媒量は少な
くできる。そして、循環冷媒量は少ないことは冷媒回路
の流れ抵抗が減少する。このため、冷媒循環量が増大
し、熱交換能力の増大をはかれる。

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を行
う熱交換器１と放熱器２を循環用の密閉管路３で連結す
ると共に密閉管路３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５９−１０７１６
７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、そして、バーナ８か
らの燃焼ガスを円筒状内面に沿い水平横方向に流して、
冷媒搬送機４により送られ、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】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この暖房シス
テムでは冷媒搬送に外部動力としての冷媒搬送機４が必
要であり、そこで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】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、図５に
示すように冷媒加熱の熱交換器１のような構成であり、
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
な異常過熱を発生する。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、機器の信頼性能上の課題があった。

【０００６】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ることによりスムーズに
循環させ、さらに効率よく伝熱して熱効率を向上させる
もので、無動力熱搬送を確実におこなわせ冷媒の熱分解
を生じなく、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
じなく信頼性の高いシステムとし、さらに冷媒加熱器の
熱交換部にある冷媒を常に二相状態に保ち冷媒の過熱防
止と冷媒循環量の増大による熱交換能力の増大をはか
る。

【０００７】

【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、燃料供給装置に接続したバーナを有する燃焼
室と、前記燃焼室に連通して設けた多数の高温ガス通路
と、前記高温ガス通路に接して熱を伝えられる伝熱隔壁
と、前記高温ガス通路と反対側において伝熱隔壁と一体
とした冷媒通路部材と、前記冷媒通路部材の複数の冷媒
通路の両端に接続したヘッダーパイプに各々取り付けた
冷媒入口管と冷媒出口管と、前記冷媒出口管を垂直方向
に対して傾斜部を設けた構成としてある。

【０００８】

【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高温ガス通路を通過させ、前
記高温ガス通路と反対側において、前記伝熱隔壁と一体
とした冷媒通路部材の複数の冷媒通路で燃焼ガスの温度
と流れを均一でき、かつ冷媒の流れは、冷媒入口管より
液の状態で流入し、入口ヘッダーパイプで冷媒通路部材
の各々の冷媒通路に分流し、この冷媒通路途中で熱を受
けその一部がガス化し、その後この冷媒は出口ヘッダー
パイプで集合して冷媒出口管より二相の状態で冷媒回路
に流れるため、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。

【０００９】そして、前記冷媒通路部材は複数の冷媒通
路を構成しこの両端に接続したヘッダーパイプに各々取
り付けた冷媒入口管と冷媒出口管と、前記冷媒出口管を
垂直方向に対して傾斜部を設けたため、前記傾斜部の上
部は下部より前記冷媒出口管から流出する二相の冷媒の
流れが早くなり、かつ前記傾斜部の上部は冷媒のガス相
分が多く下部は冷媒の液相分が多くなる。このため前記
傾斜部により前記冷媒出口管から流出する二相の冷媒の
うち液相の冷媒の一部は前記傾斜部の下部を逆流し冷媒
加熱器に流れる。冷媒回路を流れる冷媒はガス相が多く
なることは同じ熱搬送量に対して循環冷媒量は少なくで
きる。そして、循環冷媒量は少なくなることは冷媒回路
の流れ抵抗が減少する。このため、冷媒循環量が増大
し、熱交換能力の増大をはかることができる。

【００１０】

【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。

【００１１】図１から図３において、１０は内面に断熱
材２３を設けて燃焼室１０ａを形成した円筒状の燃焼室
ケースで、底部にバーナ８を臨ませている。この燃焼室
ケース１０は先端の開口面を、多数の縦方向の高温ガス
通路１２を有する高温ガス通路体１２ａの外面に接合さ
せている。高温ガス通路体１２ａは上下に２分割して両
者間に、各高温ガス通路１２が燃焼室１０ａのガス出口
１３へ連通するように横長の入口１２ｂを形成してい
る。そして、高温ガス通路体１２ａは伝熱隔壁１１に接
合して、これに高温ガス通路１２の熱及び伝熱フィン２
２を通じて熱を均一に伝える。１４ａは燃焼室ケース１
０の先端を延長して、高温ガス通路体１２ａの各高温ガ
ス通路１２の上下の出口側および高温ガス通路体１２ａ
の左右側を囲んで排気室１４ｂを形成した排気ケース
で、上部に排気路１４を有する。１５は伝熱隔壁１１の
外面に熱的に結合させた冷媒通路部材であり、縦方向の
冷媒通路１６が多数設けられている。１７は冷媒通路部
材１５の下端に設けた入口ヘッダー管、１８は冷媒通路
部材１５の上端に設けた出口ヘッダー管であり、それぞ
れ冷媒入口管１９、冷媒出口管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１
７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
れ縦方向の冷媒通路１６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１０ａはその高
温ガス通路１２と接しない残りの外面を覆う断熱材２３
を燃焼室ケース１０の内部に設けてある。冷媒入口管１
９と冷媒出口管２０は垂直方向に対して傾斜部２４、２
５を設けた構成としたものである。そして、冷媒出口管
２０の傾斜部２５と冷媒入口管１９を連通する連通管２
６を取り付け、傾斜部２４、２５の上部に曲がり部２
７、２８を設けてある。２９はセパレターであり、冷媒
入口管１９、冷媒出口管２０と冷媒回路の冷媒回路冷媒
往管３０、冷媒戻り管３１を接続してある。

【００１２】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１０ａに発
生した高温ガスは燃焼ガス出口１３から入口１２ｂを通
り高温ガス通路体１２ａの上下に２分割した各々に流れ
て高温ガス通路１２と伝熱フィン２２の間の通路を通
り、高温ガス通路１２の上の出口から排気室１４ｂに流
れる高温ガスと、高温ガス通路１２の下の出口から高温
ガス通路体１２ａの左右側を囲んだ排気室１４ｂに流れ
る高温ガスは上の排気室１４ｂで合流し排気路１４に流
れる。

【００１３】冷媒入口管１９を通って入口ヘッダー管１
７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１６に分流して流れ、高温ガス通路１
２内を流れる燃焼ガスおよび伝熱フィン２２から伝熱隔
壁１１を介して熱を冷媒通路部材１５に伝熱する。した
がって、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１０ａから燃焼
ガス出口１３を出たのち、高温ガス通路１２より伝熱隔
壁１１を介して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１
２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よりセパレー
タ２９へ流れ、冷媒の気液分離した後、冷媒を往管３０
から放熱器（図示せず）に向かって流出する。

【００１４】また、高温ガス通路１２を高温ガス通路体
１２ａで形成し、かつ伝熱隔壁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、また多孔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１０ａと冷媒通路１６を高温ガス通路
体１２ａ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１０ａの高温ガス通路１２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。

【００１５】さらに冷媒通路部材１５を内部に多数の穴
を持つアルミニウム製の多孔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フ
ィン２２およびの多孔偏平押し出し管の冷媒通路部材１
６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共することが
できる。

【００１６】そして、冷媒出口管２０を垂直方向に対し
て傾斜した傾斜部２５を設けたため、傾斜部２５の上部
は下部より冷媒出口管２０から流出する二相の冷媒の流
れが早くなり、かつ傾斜部２５の上部は冷媒のガス相分
が多く下部は冷媒の液相分が多くなる。このため傾斜部
２５により冷媒出口管２０から流出する二相の冷媒のう
ち液相の冷媒の一部は傾斜部２５の下部を逆流しヘッダ
ーパイプ１８から冷媒通路１６の冷媒加熱器に流れる。
この流れた冷媒は加熱器の冷媒通路１６内で伝熱フィン
２２から熱を受けガス化して再び冷媒出口管２０に流れ
る。このため、冷媒出口管２０から流出する冷媒はガス
分が多くなり熱搬送は潜熱変化分が増加し顕熱変化分が
減少する。そのため、冷媒回路を流れる冷媒はガス相が
多くなることは同じ熱搬送量に対して循環冷媒量は少な
くできる。そして、循環冷媒量は少ないことは冷媒回路
の流れ抵抗が減少する。

【００１７】また、冷媒出口管２０を垂直方向に対して
傾斜部２５とこの傾斜部２５と冷媒入口管１９を連通す
る連通管２６を設けているから、傾斜部２５で分離した
冷媒の液分は、高温冷媒ガスが逆方向に流れるヘッダパ
イプ１８を通ることなく、連通管２６を介して同方向に
冷媒が流れてヘッダパイプ１７に流れるため、ヘッダー
パイプ１８における冷媒流れ抵抗が減じ加熱器を自然循
環で流れる冷媒の全抵抗を小さくでき、そのため冷媒循
環量が増大し、熱交換能力の増大をはかることができ
る。そして、傾斜部２５の上部の冷媒出口管２０に曲が
り部２８を設けたことにより、この曲がり部２８を流れ
る２相冷媒は、流れを乱され、かつ曲がり部２８の外周
部では冷媒の流速が遅くなり、二相の冷媒のうち液相の
冷媒は傾斜部２５の底部を逆流しヘッダーパイプ１８か
ら冷媒通路１６を通り冷媒加熱器に流れる。この加熱器
に戻った冷媒は加熱器の冷媒通路１６内で伝熱フィン２
２から再び熱を受けガス化して冷媒出口管２０に流れ
る。このため、同じ液ヘッドにおいて加熱器を自然循環
により流れる冷媒量は増加する。すなわち、冷媒循環量
が増大し、熱交換能力の増大をはかることができる。

【００１８】また、冷媒入口管１９と冷媒出口管２０を
垂直方向に対して同じ傾斜部２４、２５を設けること
は、冷媒入口管１９と冷媒出口管２０の配管位置が近接
し冷媒回路全体の長さを短くすることができ、そのため
冷媒回路の流れ抵抗の低減とコンパクト化、低コスト化
が可能となる。

【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（図示せず）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２１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にで
きる。

【００２０】この実施例の構成によれば、冷媒出口管を
垂直方向に対して傾斜部を設けたため、冷媒回路を流れ
る冷媒はガス相が多くなり同じ熱搬送量に対して循環冷
媒量は少なくできるため冷媒回路の流れ抵抗が減少す
る。このため、冷媒循環量が増大し、熱交換能力の増大
をはかることができる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、燃料供給
装置に接続したバーナを有する燃焼室と、前記燃焼室に
連通して設けた多数の高温ガス通路と、前記高温ガス通
路に接して熱を伝えられる伝熱隔壁と、前記高温ガス通
路と反対側において伝熱隔壁と一体とした冷媒通路部材
と、前記冷媒通路部材の複数の冷媒通路の両端に接続し
たヘッダーパイプに各々取り付けた冷媒入口管と冷媒出
口管と、前記冷媒出口管を垂直方向に対して傾斜部を設
けたものであるから次の効果が得られる。

【００２２】（１）傾斜部により冷媒出口管から流出す
る二相の冷媒のうち液相の冷媒の一部は傾斜部の底部を
逆流し冷媒過熱器に流れるため、冷媒回路を流れる冷媒
はガス相が多くなり、同じ熱搬送量に対して循環冷媒量
は少なくできる。そして、循環冷媒量が少なくなること
は冷媒回路の流れ抵抗が減少する。このため、冷媒循環
量が増大し、熱交換能力の増大をはかることができる。

【００２３】（２）燃焼ガスは多数の高温ガス通路を通
過させて燃焼ガスの温度と流れを均一化できるから、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、かつ冷媒を局部過熱させることがないので、熱
分解を生じなく、低ランニングコストにできる。

【００２４】（３）高温ガス通路と反対側に伝熱隔壁と
一体とした冷媒通路部材を形成した二重壁であるから、
冷媒を燃焼ガスと完全に分離でき、冷媒が洩れた場合も
火炎に直接冷媒ガスが触れることが無く安全性を高くで
きる。

【００２５】（４）冷媒出口管の傾斜部と冷媒入口管を
連通する連通管を設けているから、加熱器を自然循環で
流れる冷媒の抵抗を減じ、このため冷媒循環量が増大
し、熱交換能力の増大をはかることができる。そして、
冷媒出口管の傾斜部に対抗する上部の冷媒出口管に曲が
り部を設けたことにより、より多くの液相の冷媒はヘッ
ダーパイプから冷媒通路の冷媒加熱器に流れるため、同
じ液ヘッドにおいても加熱器を自然循環により流れる冷
媒量は増加できる。すなわち、冷媒循環量が増大し、熱
交換能力の増大をはかることができる。

【００２６】（５）冷媒入口管と冷媒出口管を垂直方向
に対して傾斜部を設けることにより、配管位置が近接で
き、冷媒回路全体の長さが短くでき、そのため冷媒流れ
の全抵抗の低減とコンパクト化、低コスト化が可能とな
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要部断面
の斜視図

【図２】同熱交換器の側面図

【図３】同熱交換器の冷媒出口管部分の断面図

【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 １０ａ 燃焼室 １１ 伝熱隔壁 １２ 高温ガス通路 １３ 燃焼ガス出口 １５ 冷媒通路部材 １６ 冷媒通路 １７ 入口ヘッダ管 １８ 出口ヘッダ管 １９ 冷媒入口管 ２０ 冷媒出口管 ２４、２５ 傾斜部 ２６ 連通管 ２７、２８ 曲がり部

Claims (3)

【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を有する燃
   焼室と、前記燃焼室に連通して設けた多数の高温ガス通
   路と、前記高温ガス通路に接して熱を伝えられる伝熱隔
   壁と、前記高温ガス通路と反対側において伝熱隔壁と一
   体とした冷媒通路部材と、前記冷媒通路部材の複数の冷
   媒通路の両端に接続したヘッダーパイプに各々取り付け
   た冷媒入口管と冷媒出口管と、前記冷媒出口管を垂直方
   向に対して傾斜部を設けた熱交換器。
2. 【請求項２】冷媒出口管の傾斜部と冷媒入口管を連通す
   る連通路を設けた請求項１記載の熱交換器。
3. 【請求項３】冷媒出口管の傾斜部に対向する上部の冷媒
   出口管に曲がり部を設けた請求項１記載の熱交換器。