JPH1130489A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、燃焼排ガスなどの高温ガスにより
冷媒を加熱し、冷暖房装置に利用する熱交換器に関する
ものであり、高効率で熱交換し、機器の局部過熱および
冷媒の熱分解を防止することである。 【解決手段】 多穴管２３に流入する冷媒の水平方向の
流量分布をコントロールする複数の異種形状の冷媒通路
２４により、燃焼排ガスの通過量が多い伝熱フィン２
９、３０の排気口１９側になるほど冷媒を多く流すこと
により伝熱フィン２９、３０及び多穴管２３の局部過熱
がなくなり冷媒の熱分解や機器の異常温度上昇を防止す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼ガスの高温排
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、燃焼により冷媒を加熱して液状冷
媒を蒸発気化させ、潜熱により熱を運び暖房を行う熱交
換器は、特公平７−１８５９５号公報に記載されている
ようなものが一般的であった。この熱交換器は図４
（ａ）、（ｂ）に示すように、１は燃料供給装置、２は
バーナである。３は一端側にバーナ２を有する筒状の燃
焼室で、他端側が排気口４を有する、燃焼排ガス通路部
材５と伝熱隔壁６を接合して構成した燃焼排ガス通路７
に接合している。

【０００３】燃焼排ガス通路７の内部には伝熱隔壁６に
密着し燃焼排ガス入口８を形成するように上下２つの伝
熱フィン９、１０が設けられている。また図５に示すよ
うに前記伝熱フィン９、１０は伝熱隔壁６に取り付けら
れた状態において上下方向の多数のガス通路９ａ、１０
ａを形成し、燃焼室３から燃焼排ガス入口８を経て流入
した燃焼排ガスは上下方向の多数のガス通路９ａ、１０
ａを通過し、下側の多数のガス通路１０ａを経た排ガス
は伝熱フィン９、１０の外周を通り上側の伝熱フィン９
の上方中央で上側の多数のガス通路９ａを通過した燃焼
排ガスと集合する排気通路１１が形成されるようになっ
ている。なお上側の伝熱フィン９のガス通路９ａの長さ
は下側の伝熱フィン１０のガス通路１０ａの長さより長
くなっている。また、伝熱隔壁６の外面には熱伝導良く
接合された多穴管１２が設けられ、この多穴管１２には
上下方向の冷媒通路１３が多数設けられている。多穴管
１２の下端には冷媒入口ヘッダー管１４が設けられ、多
穴管１２の上端には冷媒出口ヘッダー管１５が設けられ
ている。

【０００４】次に動作、作用を説明すると、燃料供給装
置１より供給された燃料をバーナ２で燃焼し、燃焼室３
で発生した燃焼排ガスは図５に示すように燃焼排ガス入
口８を通り燃焼排ガス通路７内部の伝熱フィン９、１０
で形成されたガス通路９ａ，１０ａを通り、排気通路１
１から排気口４に流れる。冷媒入口ヘッダー管１４に入
った液冷媒は多穴管１５の下部より多数の上下方向の冷
媒通路１３に分流し、一方伝熱フィン９、１０がガス通
路９ａ，１０ａを流れる燃焼排ガスの熱を多穴管１２に
伝熱し、その結果冷媒通路１３内の冷媒を加熱する。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
効果で上下方向の冷媒通路１３内を上昇し、多穴管１２
の上端より冷媒出口ヘッダー管１５に流出してゆく。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
従来の構成では上下の、伝熱フィン９、１０で形成され
たガス通路９ａ、１０ａの長さを変えることにより上下
方向の燃焼排ガス量の適正化を図ってはいるが、水平方
向の冷媒流量の適正化手段を有していない為、冷媒入口
ヘッダー管１４と冷媒出口ヘッダー管１５に接続する多
穴管１２の冷媒通路１３の冷媒入口ヘッダー管１４や冷
媒出口ヘッダー管１５の冷媒出入り口と排気口の位置に
よっては多穴管１１に局部過熱が発生し冷媒の熱分解や
機器の異常温度上昇が生じる課題があった。

【０００６】本発明は上記課題を解決するもので、冷媒
入口ヘッダー管１４や冷媒出口ヘッダー管１５の冷媒出
入口と排気口４の位置に関係なく、上下方向の燃焼排ガ
ス流量および水平方向の冷媒流量の適正化を図り冷媒の
熱分解や機器の異常温度上昇を防止し機器の信頼性の向
上を図ることを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、一端にバーナを有し、他端に排気口を有する燃焼排
ガス通路部材と伝熱隔壁とを接合した燃焼排ガス通路を
備えた燃焼室と、前記燃焼排ガス通路内には前記燃焼室
に対して開口した燃焼排ガス入口と、前記燃焼排ガス入
口の上側と下側に複数のガス通路を形成する複数の伝熱
フィンを設け、前記伝熱隔壁の前記伝熱フィンの反対側
には前記伝熱隔壁と密着接合した複数の上下方向の冷媒
通路を有する多穴管と、前記多穴管の下端には一端が閉
塞した冷媒入口ヘッダー管を、前記多穴管の上端には一
端を閉塞した冷媒出口ヘッダー管を設け、前記多穴管の
複数の冷媒通路は、前記燃焼排ガス通路の前記排気口側
に近づく程冷媒通路の断面積が大となる形状とした構成
となっている。

【０００８】また、燃焼排ガス入口の上側と下側にそれ
ぞれ複数の上下方向のガス通路を形成する伝熱フィンは
良伝熱性材料で構成し、燃焼排ガス入口から下側に延び
るガス通路を形成する伝熱フィンの長さを燃焼排ガス入
口から上側に延びるガス通路を形成する伝熱フィンの長
さより短く構成している。

【０００９】上記発明によれば、液冷媒が多く分布する
多穴管の下側に燃焼排ガスを多く流し、冷媒が気液二相
状態となり液冷媒の分布が少ない多穴管の上側には燃焼
排ガスを下側より少なく流すように燃焼排ガスを上下方
向に分流するため伝熱フィンおよび多穴管を上下方向に
バランス良く効果的に加熱することができ熱交換効率が
向上する。更に水平方向では、燃焼排ガスの通過量が多
い伝熱フィンの排気口側になるほど冷媒を多く流すこと
により伝熱フィンおよび多穴管の局部過熱がなくなり冷
媒の熱分解や機器の異常温度上昇を防止することができ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】請求項１記載の発明は、一端にバ
ーナを有し、他端に排気口を有する燃焼排ガス通路部材
と伝熱隔壁とを接合した燃焼排ガス通路を備えた燃焼室
と、前記燃焼排ガス通路内には前記燃焼室に対して開口
した燃焼排ガス入口と、前記燃焼排ガス入口の上側と下
側に複数のガス通路を形成する複数の伝熱フィンを設
け、前記伝熱隔壁の前記伝熱フィンの反対側には前記伝
熱隔壁と密着合した複数の上下方向の冷媒通路を有する
多穴管と、前記多穴管の下端には一端が閉塞した冷媒入
口ヘッダー管を、前記多穴管の上端には一端を閉塞した
冷媒出口ヘッダー管を設け、前記多穴管の複数の冷媒通
路は、前記燃焼排機ガス通路の排気口側に近づく程冷媒
通路の断面積が大となる形状とした熱交換器である。

【００１１】そして、燃焼室で発生した燃焼排ガスは、
燃焼排ガス入口を通り、燃焼排ガス通路内部の上側と下
側の伝熱フィンと伝熱隔壁により形成されたそれぞれ複
数のガス通路を通り排気口に流れる。一方冷媒入口ヘッ
ダー管に入った液冷媒は、前記伝熱隔壁と密着接合した
多穴管の下側より複数の上下方向の冷媒通路に分流し、
前記ガス通路を流れる燃焼排ガスから伝熱隔壁を介して
受熱し、加熱される。加熱された液体冷媒は気化蒸発を
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上下方向の冷媒通路内を上昇し
液冷媒をともなって冷媒出口ヘッダー管に流れ熱交換が
行われる。以上のように動作する熱交換器において、多
穴管の複数の冷媒通路の断面積を燃焼排ガス通路の排気
口側に近づく程大とする形状にすることにより、多穴管
のそれぞれの冷媒通路に分流する冷媒の水平方向の流量
分布を燃焼排ガスの通過量が多い排気口側に近いガス通
路を流れる燃焼排ガスと熱交換を行う冷媒通路に冷媒を
多く流し、逆に燃焼排ガスの通過量が少ない排気口から
遠い側のガス通路を流れる燃焼排ガスと熱交換する冷媒
通路の断面積を小さくして、冷媒を少なく流すことによ
り、多穴管を通過する冷媒の水平方向の熱交換を効率よ
く行うことができる。

【００１２】また、伝熱フィンおよび多穴管の局部過熱
もなく、冷媒の熱分解も生じない。さらに、この作用、
効果は冷媒入口ヘッダー管や冷媒出口ヘッダー管の位置
に関係なく成立する。

【００１３】また、請求項２記載の発明は、燃焼排ガス
入口の上側と下側にそれぞれ複数の上下方向のガス通路
を形成する良伝熱性材料で構成し、燃焼排ガス入口から
下側に延びるガス通路を形成する伝熱フィンの長さを燃
焼排ガス入口から上側に延びるガス通路を形成する伝熱
フィンの長さより短く構成した請求項１記載の熱交換器
である。

【００１４】そして請求項１記載の発明の作用、効果に
加えて、燃焼排ガス入口から下側に延びるガス通路を形
成する伝熱フィンの長さを燃焼排ガス入口から上側に延
びるガス通路を形成する伝熱フィンの長さより短くして
通路抵抗を小さくすることにより、液冷媒が多く分布す
る多穴管の下側部分と熱交換を行う燃焼排ガス入口から
下側に延びるガス通路の部分に燃焼排ガスを多く流し、
冷媒が気液二相状態となり、液冷媒の分布が少ない。多
穴管の上側部分と熱交換を行う燃焼排ガス入口から上に
延びるガス通路部分には燃焼排ガスを下側のガス通路よ
り少なく流すように燃焼排ガスを上下それぞれの側に分
流することができ、多穴管を通過する冷媒の垂直方向の
熱交換を効率よく行うことができる。また伝熱フィンお
よび多穴管の局部加熱がなく、冷媒の熱分解も生じな
い。

【００１５】また、多穴管は上下方向に複数の同形状の
冷媒通路を有し、多穴管の上端に複数の孔を設けた抵抗
板を密着接合し、抵抗板の孔が冷媒流出通路となるよう
に構成した請求項１記載の熱交換器である。

【００１６】そして請求項１記載の発明と同様な作用、
効果が得られるとともに抵抗板の孔の形状を変えること
により各種条件に容易に対応できるので伝熱フィンの標
準化が図れる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００１８】（実施例１）図１（ａ）は本発明の実施例
１の熱交換器の断面図、図１（ｂ）は同熱交換器のＡ−
Ａ断面図である。図２は同熱交換器の燃焼排ガス通路の
構成図、図２（ｂ）は同熱交換器の燃焼排ガスと冷媒の
流量分布図である。

【００１９】図１、図２において、１６は燃料供給装
置、１７はバーナである。１８は一端側にバーナ１７を
有する筒状の燃焼室で、他端はこの燃焼室１８を構成
し、排気口１９を有する燃焼排ガス通路部材２０と伝熱
隔壁２１を接合して構成した燃焼排ガス通路２２に接合
している。伝熱隔壁２１の外側には熱的に連結された多
穴管２３が設けられ、多穴管２３には上下方向に向かう
異種形状冷媒通路２４が複数設けられている。

【００２０】また、多穴管２３の下端には一端が閉塞さ
れた冷媒入口ヘッダー管２５が設けられ、多穴管２３の
上端には冷媒入口ヘッダー管２５の閉塞された一端と逆
方向の一端が閉塞された冷媒出口ヘッダー管２６が設け
られている。そして冷媒入口ヘッダー管２５の冷媒入口
２５ａ、冷媒出口ヘッダー管２６の冷媒出口２６ａはそ
れぞれ冷媒回路と接続されている。また冷媒入口ヘッダ
ー管２５と冷媒出口ヘッダー管２６は上下方向の多穴管
２３により互いに連通している。また、燃焼排ガス通路
２２の内部には伝熱隔壁２１の内面に熱的に接するよう
に伝熱フィンユニット２７がが設けられている。この伝
熱フィンユニット２７は燃焼排ガス入口２８と、燃焼排
ガス入口２８の上側と下側にそれぞれ複数の伝熱フィン
２９、３０を有している。また、３１は燃焼室１７の内
面に設けられた断熱材である。また図２（ａ）に示すよ
うに伝熱フィンユニット２７を伝熱隔壁２１に取り付け
た状態において伝熱フィン２９、３０はそれぞれ上下方
向の複数のガス通路２９ａ、３０ａを形成し、燃焼室１
８から燃焼排ガス入口２８を経た燃焼排ガスは上下方向
の複数のガス通路２９ａ、３０ａを通過し、下側の複数
のガス通路３０ａを経た燃焼排ガスは伝熱フィン２９、
３０の外周を通り燃焼排ガス入口２８にたいし冷媒出口
ヘッダー管２６の閉塞端側で上側の複数のガス通路２８
ａを経た燃焼排ガスと集合する排気通路３２が形成され
るようになっている。そしてこの排気通路３２は排気口
１８と連通するものである。

【００２１】次に動作、作用について説明すると、上記
構成において、燃料供給装置１６により供給された燃料
をバーナ１７で燃焼し、燃焼室１８で発生した燃焼排ガ
スは燃焼排ガス入口２８を通り燃焼排ガス通路２２内部
の上側と下側の伝熱フィン２９、３０により形成された
それぞれの複数のガス通路２９ａ、３０ａを通り、排気
通路２９から排気口１９に流れる。また冷媒入口ヘッダ
ー管２５に入った液冷媒は多穴管２３の下部より複数の
上下方向の冷媒通路２４に分流し、一方前記ガス通路２
９ａ、３０ａ内を流れる燃焼排ガスの熱が多穴管２３に
伝熱し熱交換が行われ、その結果多穴管２３の上下方向
の冷媒通路２４内の冷媒を冷媒入口ヘッダー管２５に近
い下部より十分に加熱する。

【００２２】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になる。発生した気
泡は浮力効果で上下方向の冷媒通路２４内を上昇し液冷
媒をともなって冷媒出口ヘッダー管２６に流れていく。
燃焼排ガス入口２８の上側と下側の伝熱フィン２９、３
０により形成されるそれぞれ複数のガス通路２９ａ，３
０ａは、燃焼排ガス入口２８から下側に延びるガス通路
３０ａの通路長さを上側に延びるガス通路２９ａの長さ
より短くし通路抵抗を小さくすることにより液冷媒が多
く分布する多穴管２３の下側部分と熱交換する燃焼排ガ
ス入口２９から下側に延びるガス通路２９ａに燃焼排ガ
スを多く流し、冷媒が気液二相状態となり液冷媒の分布
が少ない多穴管２３の上側部分と熱交換する燃焼排ガス
入口２７から上側に延びるガス通路２９ａには燃焼排ガ
スを下側のガス通路３０ａより少なく流すように燃焼排
ガスを上下方向に分流することができる。これにより伝
熱フィン２９、３０は効果的に加熱され、多穴管内の冷
媒も上下方向に効率的に加熱される。この結果伝熱フィ
ン２９、３０および多穴管２３の局部過熱のない効率的
な熱交換ができる。また冷媒の熱分解も生じない。

【００２３】さらに多穴管２３の冷媒通路２４を異種形
状とし、燃焼排ガス通路２２の排気口１９側に近づく程
冷媒通路２４の断面積を大きくしているので多穴管２３
に流入する冷媒の水平方向の流量分布は燃焼排ガスの通
過量が多い排気口１９側のガス通路２９ａ、３０ａと熱
交換する冷媒通路２３になるほど冷媒が多く流れるの
で、伝熱フィン２９、３０で形成されたガス通路２９
ａ、３０ａを流れる燃焼排ガスと多穴管２４を通過する
冷媒は水平方向においても効率的に熱交換される。本実
施例においては図２（ａ）、（ｂ）に示すように構成上
伝熱フィン２９、３０により形成される通路２９ａ、３
０ａの水平方向の燃焼排ガスの流量は流路抵抗の少ない
排気口９側が多い傾向なので、多穴管２３内の水平方向
の冷媒流量分布も排気口１９側が多くなるよう設定され
ている。

【００２４】本実施例では図２（ａ）、（ｂ）に示すよ
うに燃焼排ガスの流量が多い伝熱フィン２９、３０によ
り形成される通路２９ａ、３０ａの排気口１９側になる
ほど燃焼排ガスを多く流すようコントロールしているた
め、多穴管２３の冷媒通路２４の冷媒通路断面積をＹ方
向にいくほど段階的に減少させるようにしている。

【００２５】本実施例では、機器の縦方向の長さを短か
くしコンパクト化を図かるため排気口１９を伝熱フィン
２９、３０の横方向に位置する構成としたが、多穴管２
３の冷媒通路２４の形状により冷媒の流量分布をコント
ロールすることができるので、冷媒入口ヘッダー管２５
の冷媒入口２５ａや冷媒出口ヘッダー管２６の冷媒出口
２６ａの位置を多穴管２３の位置に関係なく自由に設定
することが可能になった。

【００２６】（実施例２）図３（ａ）は本発明の実施例
２の熱交換器の多穴管と抵抗板の要部破断正面図、図３
（ｂ）は同熱交換器の多穴管と抵抗板の上面図である。
なお実施例１と同符号のものは同一構造を有するので、
説明は省略する。

【００２７】実施例１と異なる点は、多穴管２３の複数
の冷媒通路２４は同一形状とし、多穴管２３の上端に密
着接合された抵抗板３３を設け、抵抗板３３の孔形状に
よって冷媒の通過抵抗をコントロールすることである。

【００２８】次に動作、作用について説明すると、多穴
管２３内の水平方向の冷媒流量については抵抗板３３の
孔形状を図２（ｂ）に示すＹ方向に進むにつれて狭くす
ることにより冷媒流量をコントロールし、伝熱フィン２
９、３０により形成される通路２９ａ、３０ａを流れる
燃焼排ガスと多穴管２３の複数の冷媒通路２４を流れる
冷媒は水平方向において効率的に加熱され熱交換され
る。また冷媒の熱分解も生じない。

【００２９】

【発明の効果】以上のように請求項１記載の発明によれ
ば、一端にバーナを有し、他端に排気口を有する燃焼ガ
ス通路部材と伝熱隔壁とを接合した燃焼排ガス通路を備
えた燃焼室と、前記燃焼排ガス通路内には前記燃焼室に
対して開口した燃焼排ガス入口と、前記燃焼排ガス入口
の上側と下側に複数のガス通路を形成する複数の伝熱フ
ィンを有し、前記伝熱隔壁の前記伝熱フィンの反対側に
は前記伝熱隔壁と密着接合した複数の上下方向の冷媒通
路を有する多穴管と、前記多穴管の下端には一端が閉塞
した冷媒入口ヘッダー管を、前記多穴管の上端には一端
を閉塞した冷媒出口ヘッダー管を設け、前記多穴管の複
数の冷媒通路は、前記燃焼排ガス通路の前記排気口側に
近づく程冷媒通路面積が大となる形状とし水平方向では
多穴管は、伝熱フィンの排気口側になる程冷媒通路の断
面積を大きくする形状としているため、水平方向では燃
焼排ガス通過量が多い伝熱フィンの排気管側になるほど
冷媒を多く流すことにより効率的な熱交換ができ、ま
た、伝熱フィンや多穴管の局部過熱がなくなり、冷媒の
熱分解も防止できる。

【００３０】また、請求項２記載の発明によれば、燃焼
排ガス入口の上側と下側のそれぞれ複数の上下方向のガ
ス通路を形成する伝熱フィンは良伝熱性材料で構成し、
燃焼排ガス入口から下側に延びるガス通路を形成する伝
熱フィンの長さを燃焼排ガス入口から上側に延びるガス
通路を形成する伝熱フィンの長さより短い構成となって
いる。このため下側に延びるガス通路の方が上側に延び
るガス通路より通路抵抗が少なく液冷媒が多く分布する
多穴管の下側と熱交換する下側に延びるガス通路に燃焼
排ガスが多く流れ、冷媒が気液二相状態となり液冷媒の
分布が少ない多穴管の上側と熱交換する上側に延びるガ
ス通路には燃焼排ガスが下側より少なく流れるように燃
焼排ガスが分流されるため伝熱フィンおよび多穴管を上
下方向にバランス良く効果的に加熱することができ燃焼
排ガスと冷媒の熱交換効率が向上する。また、冷媒の熱
分解や機器の異常局部温度上昇を防止し機器の信頼性の
向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の実施例１における熱交換器の断
面図 （ｂ）同熱交換器のＡ−Ａ断面図

【図２】（ａ）同熱交換器の燃焼排ガス通路の構成図 （ｂ）同熱交換器の燃焼排ガスと冷媒の流量分布図

【図３】（ａ）実施例２における熱交換器の多穴管と抵
抗板の要部破断正面図 （ｂ）同熱交換器の多穴管と抵抗板の上面図

【図４】（ａ）従来例における熱交換器の断面図 （ｂ）同熱交換器のＡ−Ａ断面図

【図５】同熱交換器の燃焼排ガス通路の構成図

【符号の説明】

１７ バーナ １８ 燃焼室 １９ 排気口 ２０ 燃焼排ガス通路部材 ２１ 伝熱隔壁 ２２ 燃焼排ガス通路 ２３ 多穴管 ２４ 冷媒通路 ２５ 冷媒入口ヘッダー管 ２６ 冷媒出口ヘッダー管 ２８ 燃焼排ガス入口 ２９ 伝熱フィン ２９ａ，３０ａ ガス通路 ３０ 伝熱フィン ３２ 排気通路 ３３ 抵抗板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 落合 秀志 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端にバーナを有し、他端に排気口を有
   する燃焼排ガス通路部材と伝熱隔壁とを接合した燃焼排
   ガス通路を備えた燃焼室と、前記燃焼排ガス通路内には
   前記燃焼室に対して開口した燃焼排ガス入口と、前記燃
   焼排ガス入口の上側と下側に複数のガス通路を形成する
   複数の伝熱フィンを設け、前記伝熱隔壁の前記伝熱フィ
   ンの反対側には前記伝熱隔壁と密着接合した複数の上下
   方向の冷媒通路を有する多穴管と、前記多穴管の下端に
   は一端が閉塞した冷媒入口ヘッダー管を、前記多穴管の
   上端には一端を閉塞した冷媒出口ヘッダー管を設け、前
   記多穴管の複数の冷媒通路は、前記燃焼排ガス通路の前
   記排気口側に近づく程冷媒通路の断面積が大となる形状
   とした熱交換器。
2. 【請求項２】 燃焼排ガス入口の上側と下側にそれぞれ
   複数の上下方向のガス通路を形成する伝熱フィンは良伝
   熱性材料で構成し、燃焼排ガス入口から下側に延びるガ
   ス通路を形成する伝熱フィンの長さを燃焼排ガス入口か
   ら上側に延びるガス通路を形成する伝熱フィンの長さよ
   り短く構成した請求項１記載の熱交換器。
3. 【請求項３】 多穴管は上下方向に複数の同形状の冷媒
   通路を有し、多穴管の上端に複数の孔を設けた抵抗板を
   密着接合し、抵抗板の孔が冷媒流出通路となるように構
   成した請求項１記載の熱交換器。