JPH0776637B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 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。

従来の技術 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
うものに第４図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ものである。第５図は、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９に水平横方向に流して、冷媒搬
送機４により送られてきた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。

しかし、この暖房システムでは冷房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。

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。

この種の暖房装置は、従来は、第５図に示すように冷媒
加熱熱交換器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、加熱されて気流二相混
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であるため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。

本発明はかかる従来の課題を解消するもので、バーナ等
で過熱する熱を均一に冷媒加熱器に伝熱し冷媒加熱器の
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
とすることを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明はかかる従来の課題を解消するもので、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
燃焼室と連通して設けた燃焼ガス出口、高温ガス通路
と、前記高温ガス通路と接続した排気部を設け、前記高
温ガス通路の外壁を構成する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内壁を前記燃焼
室で構成し、前記外周伝熱隔壁と密着した冷媒通路部材
を設けた二重壁構成と、前記燃焼室は前記高温ガス通路
と接しない残りの外面を覆う断熱材と、前記高温ガス通
路の少なくとも一部に前記高温ガス通路の通路面積縮小
部を設けた構成としたものである。

作用 本発明は、上記した構成によって、バーナ等で加熱する
冷媒加熱器の自然循環サイクルを、断熱構成の燃焼室と
連通して設けた燃焼ガス出口から噴出する燃焼ガスを燃
焼ガスが通過する前記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高温ガス通路の外周伝熱隔壁と
縦方向の通路を有する多穴管構成の冷媒通路部材で構成
した熱交換器と、高温ガス通路の少なくとも一部に前記
高温ガス通路の通路面積縮小部を設けることにより伝熱
フィンの流れ抵抗を均一に設定できこの伝熱フィン内の
高温燃焼ガスの温度と流れを均一化により冷媒通路部材
の各部を均一加熱できスムーズに冷媒を循環させ、高効
率かつ冷媒を局部加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、高温ガス通路の内壁を前記燃焼室で構成し外壁
を構成する外周伝熱隔壁とこの外周伝熱隔壁と密着した
冷媒通路部材で構成した二重壁構成により、前記内壁か
ら伝熱フィンを通じて冷媒通路に伝熱する為、伝熱効率
が上昇しまた多穴管構成の冷媒通路部材で構成した二重
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、劣化が生じ無く信頼性の高
いシステムである。

実施例 以下、本発明の実施例を添付図面にもとづいて説明す
る。第１図〜第３図において、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であり、11は伝熱
隔壁であり、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、18は冷媒通路部材16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16により連通している。22A、22B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波形
状に屈曲させて多数枚としてある。燃焼室10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。24は、高温ガス通路の一部に設けた突起部で
あり、伝熱フィン22B側の高温ガス通路12出口の通路面
積を縮小している。

上記構成に於て、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を通り高温ガス通路12の伝熱フィン22A、2
2Bの間を通り、排気通路14から排気する。冷媒入口管17
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通路16に分流し、伝熱フ
ィン22A、22Bが高温ガス通路12内の燃焼ガスから熱を熱
的に連結された冷媒通路部材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通路
16内を下方から上方に上昇し、特に燃焼ガスを燃焼室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、燃焼ガスの温度と流れを均一でき冷媒通
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、高温ガス通路12の一部に設けた突起部24によ
り、伝熱フィン22B側の高温ガス通路12出口の通路面積
を縮小しているため燃焼ガスは伝熱フィン22A、22Bを均
一に流れる。すなわち、燃焼ガスを燃焼室10から燃焼ガ
ス出口13を出たのち高温ガス通路12を通り排気部14に至
る通路の燃焼ガス通過抵抗を突起部24の位置と形状と大
きさにより最適に設定できる。本実施例では排気部14側
の伝熱フィン22Bの高温ガス通路12出口を全域にわたり
板状の金具により突起部を形成し通路面積を縮小してい
る。そのため、排気部24に近い伝熱フィン22B側と、排
気部24に通路25、26を通る通路抵抗の大きい伝熱フィン
22B側とがトータルとして同じ抵抗に設定でき、燃焼ガ
スを均一に流せ、伝熱フィンの各部の伝熱量を均一化で
きるものである。

また、冷媒の流れに応じて、突起部24により流量抵抗に
分布を設け燃焼ガスの流れ分布をコントロールできる。
冷媒は出口管近傍を多く流れ端部の流量は少ないから、
この部分の突起部24を順次大きくすることにより均一温
度となり、過熱を生じなく高効率となる。

均一加熱はまた通路16内の流れを均一化し流れの抵抗を
低減させることにより気泡発生が増大し、気泡上昇力は
強められ自然循環力が強くなると共にまだ気化していな
い液冷媒を伴って通路16の上部へ冷媒を送る気泡ポンプ
作用が発生する。さらに通路16の上部、下部においても
設けた伝熱フィン22A、22B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を流れる加熱流体より効率よ
く吸熱し通路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。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。

このように縦方向の通路16の下部から上部に至るまで均
一に加熱することにより自然循環を高めるだけでなく、
下部において伝熱フィン22Bにより強く加熱することで
自然循環力をさらに増加させる。

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22A、22Bを通じて冷媒通路16に伝
熱する為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10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る。燃焼室10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。

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22A、22B
として帯状のアルミニウム製の板を波状に屈曲させて構
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10の内外面にアルミニウム製の
伝熱フィン22A、22B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をもちいて組立て、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。

また高温ガス通路12の内壁を構成する前記燃焼室10の外
壁をアルミニウム製心材の片面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一体ブ
レージングにより前記伝熱フィン22A、22Bと一体に構成
することにより燃焼室10からの熱が伝熱フィン22A、22B
を通じて冷媒通路16に高効率な熱交換効率で伝熱し、効
率アップと機器のコンパクト化が可能となる。

そして、内壁を構成する前記燃焼室10の外壁をアルミニ
ウムとし伝熱隔壁11と一体ブレージングすることは簡単
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
く安全性が高いものである。

また、燃焼室10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の外周に冷媒通路部材15の通路16と連通
する通路（たとえば密閉管路３の放熱器３への往き管）
を密接して構成すると断熱材23から外部に放熱する熱を
冷媒回路に伝熱しさらに高効率なシステムとなる。冷媒
中にはコンプレッサーのオイルが常に溶存しており加熱
器で冷媒を気化させると次第にオイルが溜ってくる。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。冷媒通路部材15の冷媒通路16の底
部の入口ヘッダー17に接続した下方に曲折しオイル抜き
管21を設けてあるため加熱器にオイルが溜ると冷媒と一
緒んオイルをオイル抜き管から排出し確実にオイルを加
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。

発明の効果 以上のように本発明の熱交換器によれば、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
室と連通して設けた燃焼ガス出口、高温ガス通路と、前
記高温ガス通路と接続した排気部を設け、前記高温ガス
通路の外壁を構成する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内壁を前記燃焼室で構
成し、前記外周伝熱隔壁を密着した冷媒通路部材を設け
た二重壁構成と、前記燃焼室は前記高温ガス通路と接し
ない残りの外面を覆う断熱材と、前記高温ガス通路の少
なくとも一部に前記高温ガス通路の通路面積縮小部を設
けた構成で次の効果が得られる。

（１）高温ガス通路12の一部に設けた突起部24により、
伝熱フィン22B側の高温ガス通路12出口の通路面積を縮
小しているため燃焼ガスは伝熱フィン22A、22Bを均一に
流れる。すなわち、燃焼ガスを燃焼室10から燃焼ガス出
口13を出たのち高温ガス通路12を通り排気部14に至る通
路の燃焼ガス通過抵抗を突起部24の位置と形状と大きさ
により最適に設定できる。そのため、各部の通路抵抗が
トータルとして同じ抵抗に設定でき、燃焼ガスを均一に
流せ、伝熱フィンの各部の伝熱量を均一化できるもので
ある。このことにより、局部過熱による冷媒の分解劣化
を生じなく、高効率な熱交換が可能となる。

（２）冷媒の流れに応じて、突起部24により流量抵抗に
分布を設け燃焼ガスの流れ分布をコントロールできる。
冷媒を出口管近傍を多く流れ端部の流量は少ないから、
この部分の突起部24を順次大きくすることにより均一温
度となり、過熱を生じなく高効率となる。

（３）断熱構成の燃焼室と連通して設けた燃焼ガス出口
から噴出する燃焼ガスを燃焼ガスが通過する前記高温ガ
ス通路の外周伝熱隔壁に密着した多数の伝熱フィン高温
ガス通路の外周伝熱隔壁縦方向の通路を有する多穴管構
成の冷媒通路部材で構成した熱交換器で燃焼ガスの温度
と流れを均一でき冷媒通路部材の各部を均一加熱できス
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
を生じなく均一加熱はまた通路内の流れの抵抗を低減さ
せることにより気泡発生が増大し、気泡上昇力は強めら
れ自然循環力が強くなり熱交換効率が増大し機器のコン
パクト化が可能となり、また均一加熱により冷媒の局部
異常過熱を防止することにより冷媒の熱分解あるいは機
器の異常温度上昇防止による信頼性向上を図ることがで
きる。

（４）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。

（５）外周伝熱隔壁と一体に冷媒通路部材15を構成した
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である。

（６）高温ガス通路の内壁を構成する燃焼室の外壁をア
ルミニウム製心材の片面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一体ブレージ
ングにより伝熱フィンと一体に構成することにより燃焼
室からの熱が伝熱フィンを通じて冷媒通路に高効率な熱
交換効率で伝熱し、効率アップと機器のコンパクト化が
可能となり、一体ブレージングすることは簡単な構成で
かつ気密性を維持でき排ガスが洩れることがなく安全性
が高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す熱交換器の断面図、第
２図は冷媒通路部材の断面図、第３図は同熱交換器の外
観斜視図、第４図は従来の冷媒加熱機の回路構成図、第
５図は従来の冷媒加熱機の外観斜視図である。 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……通路、24……突起。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桜武 達規 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 山口 紘一郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (2)

【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、前記燃焼室と連通して設けた燃焼ガス
   出口と、高温ガス通路と、前記高温ガス通路と接続した
   排気部を設け、前記高温ガス通路の外壁を構成する外周
   伝熱隔壁に密着した多数の伝熱フィンと、前記高温ガス
   通路の内壁を前記燃焼室内に構成し、前記外周伝熱隔壁
   と密着して冷媒通路部材を設けた二重壁構成と、前記燃
   焼室は前記高温ガス通路と接しない残りの外面を覆う断
   熱材と、前記高温ガス通路の少なくとも一部に前記高温
   ガス通路の通路面積縮小部を設けた熱交換器。
2. 【請求項２】高温ガス通路を上下に設けると共に、前記
   高温ガス通路の一方は伝熱フィンを通過した後この伝熱
   フィンの外周を通る構成として排気部に接続し、他方の
   高温ガス通路は前記伝熱フィンを通過した後に突起部を
   構成し高温ガス通路の通路面積を縮小しその後前記排気
   部に接続した特許請求の範囲第１項記載の熱交換器。