JPS63259332A - ヒ−トパイプを用いた熱交換装置 - 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、温風暖房器などに好適に使用できるヒートパ
イプ（以下ＨＰと略す）を用いた熱交換装、置に関する
。

「従来の技術」 温風暖房器の熱交換装置としては、第６図に示すように
、バーナプレート６４の下流面で生成した燃焼ガスＨを
、筒状の伝熱管８１の内部に通し、被加熱空気りを伝熱
管６１外において伝熱管６１に直交させて流す方式が従
来より多用されている。

温風暖房器では、流速および温度とも可能な限り一様な
温風を１幅４０〜Ｈｃｍの温風吹出し口より室内に向け
て吹出すことが要請され、温風送出用ファン６５を用い
、かつ、伝熱管６１を２〜３パスとなるように蛇行状に
往復させて、温風の温度分布を均一となるようにしてい
る。

しかし、この方式では、所要の伝熱面積が大きくなり、
総括伝熱係数として２０〜３０ｋｃａ　ｌ／ｍ２　／ｈ
／”Ｃ程度が限界で、その結果、この方式を用いるかぎ
り装置の小型化が限界にきており、また、ファン６５の
すぐ下流の温風吹出し口における幅方向め温度分布が大
きいなどの問題点があった。

「発明の解決しようとする問題点」 本発明は、従来の温風暖房器用熱交換装置では小型化に
限界があり、かつ、温風吹出し口での温度むらが存在し
た点に鑑み、これらを解決する新規な熱交換装置を提供
することを目的とする。

「発明の構成」 本発明の熱交換装置は、加熱流体の流路には、ＨＰの受
熱部と、前記受熱部に近接した下流に通気可能に設けら
れる輻射体と、前記輻射体の下流に設けられる前記ＨＰ
の別の受熱部または別のＨＰの受熱部とを配置し、被加
熱流体の流路には、加熱流体の流路に受熱部を配置され
るＨＰの放熱部を配置することを特徴とする。

本発明ではＨＰを用いたので、ＨＰの放熱部の長手方向
の温度むらがなく、したがって温風吹出し口での幅方向
の温度分布がなくなる。

また、ＨＰ受熱部のうち、加熱流体の流路の上流側、す
なわち高温側に設けられる受熱部に近接した下流には、
通気可能に設けられた輻射体を配置する。

そのため、この受熱部はその周囲を流れた高温の、例え
ば１５００〜１７００℃の加熱流体カラ、８ｏｏ〜１５
００℃といったきわめて大きな温度差をもって対流伝熱
により加熱されるのみならず、加熱流体と輻射体との間
の対流伝熱により輻射体が加熱されて白熱し、この白熱
した輻射体から強い輻射線が上流側の受熱部に、上述し
た大きな温度差に基づいて効果的に照射される。

かくして、上流側の受熱部は対流伝熱と輻射伝熱との双
方により加熱され、高温火炎などを含む加熱流体と上記
ＨＰ受熱部との間の熱伝達率は、１００〜２００ｋｃａ
ｌ／ｍ２／ｈ／℃にも達する。

輻射体を通過した加熱流体はまだ７００〜１０００　’
Ｃ！の高温であり、ついで別のＨＰ受熱部、特には外面
にフィンを有する別のＨＰ受熱部に導かれて充分に熱吸
収される。ここで別のＨＰ受熱部は、別のＨＰの受熱部
であってもよいし、さきに上流側に受熱部を配置された
同じＨＰの別のＨＰ受熱部であってもよい。このように
高い熱伝達率によって小型化が達成される。

したがって、例えば高温の燃焼ガスからＨＰを介して熱
交換して温風を発生させるにあたり、受熱部側について
格別の配慮がなされてないと、例えば３，０００ｋｃａ
ｌ／ｈの放熱量を確保するには径３４＋ｅｍのＨＰを６
本捏度必要とし、価格的、スペース的にメリットが少な
かったのに対し、本発明によれば、径３４＋ａｍのＨＰ
が１〜２本でも済み、価格的にもスペース的にも大きな
メリットが生じる。

本発明の好ましい態様では、輻射体に近接した上流に設
けられる受熱部を、ベアチューブまたはフィン高さが３
ｍｍ以下のローフインチューブ、特には、ベアチューブ
とし、輻射体の下流に設けられる受熱部を、前記ベアチ
ューブまたはローフインチューブよりもフィン高さが高
いフィンチューブとする。上流側の受熱部を、フィン高
さの高いチューブとすると、高温によりフィンが熱損傷
を受けやすい。下流側の受熱部を、上記よりフィン高さ
の低いチューブとすると、伝熱面積が不充分で充分な熱
吸収がしにくくなる。

一方、ＨＰの放熱部にはフィンをつけて放熱を促進し、
ＨＰ内部の作動流体の温度を所定の温度範囲内に維持す
るのが望ましい。

輻射体は、高温で効果的な輻射熱を発生させうるように
、耐熱性材料、例えば炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ア
ルミニウムなどのセラミックス材料製とするのが好まし
い。形状としては、ハニカム、クロス、三次元網状体な
ど、それ自身で通気性を有するものが好ましいが、それ
自身では通気性を有しない小球、細巾板、細棒などを適
宜な間隔をおいて配置するなどして、輻射体層を加熱流
体が通気可能としてもよい。

ＨＰについては、温風暖房器に使用する場合、管材質と
してはステンレス、銅、アルミニウムなど、作動媒体と
しては水、フロン、ダウサム、ナフタリンなどが好まし
い。

本発明において、加熱流体には、燃料として都市ガス、
プロパンガス、天然ガスなどの気体燃料や灯油などの液
体燃料を燃焼させて生成した高温の燃焼ガス、特には１
５００〜１７００℃といった高温の燃焼ガスが好適であ
る。燃焼手段としては拡散燃焼型バーナあるいは予混合
型バーナが使用でき、その際、上流側ＨＰの受熱部上流
縁と燃焼手段の燃料ガス吐出口（例えばバーナ先端ある
いはバーナプレート下流面）との距離は、拡散燃焼型バ
ーナでは５０〜１５０ｍｍ、予混合型バーナでは１１０
０ｔ以下として、本発明装置のいっそうの小型化に資す
るのがよい。なお、この距離をこのように短くしても、
白熱した輻射体の酸化機能により、ＣＯなどの不完全燃
焼成分の発生は抑制される。

本発明で上流側受熱部を有するＨＰは好ましくは１〜２
本配置され、下流側受熱部を有する別のＨＰも好ましく
は１〜２本配置される。なお、上流側受熱部はかなりの
高温にさらされるが、放熱部を流れる空気などの被加熱
流体により冷却されるので、熱損傷が防止される。

「実施例」 第１図および第２図に示す本発明の実施例の熱交換装置
では、ケーシング９が加熱流体である燃焼ガスＨの流路
と被加熱流体である空気りの流路を区画している。燃焼
用空気と燃料ガスとを所定割合で混合した予混合気Ｐは
、燃焼手段である面状のバーナプレート４に導かれる。

このバーナプレート４は多数の貫通する炎孔を有し、炎
孔を通過した予混合気Ｐはバーナプレート４の下流側で
面状に火炎を形成し、燃焼ガスＨとなる。

燃焼ガスＨの流れ方向で見てバーナプレート４に近接し
た下流には２木の第１ＨＰＩの受熱部１ａが配置され、
受熱部１ａに近接した下流にセラミックスハニカムから
なる輻射体３を配する。また、輻射体３に近接した下流
には２本の第２ＨＰ２の受熱部２ａを配する０本実施例
では第１ＨＰＩの受熱部１ａをフィンのないベアチュー
ブ、第２ＨＰ２の受熱部２ａをフィン７を有するフィン
チューブとしている。これらの受熱部１ａ、輻射体３、
受熱部２ａはいずれも燃焼ガスＨの流れに直交するよう
に配置されている。

なお、バーナプレート４下流面から下流であって、かな
り高温の加熱流体Ｈが流れる部分には、断熱ライニング
１０が施されている。

第１ＨＰＩおよび第２ＨＰ２はそれぞれ空気りの流路ま
で延在して、空気りの流れに直交するように配置され、
それぞれ放熱部１ｂ、放熱部２ｂとして機能する。放熱
部１ｂおよび放熱部２ｂはそれぞれフィン７を有して所
要の放熱面績を備える。また本実施例では空気りの流れ
に沿って放熱部２ｂ、放熱部１ｂ、ファン５がこの順に
設けられているが、空気りの流れに沿って、例えば放熱
部１ｂ、放熱部２ｂ、ファン５の順に設けることもでき
る。

第１ＨＰＩの作動媒体はダウサムなどの有機系熱媒油ま
たはナフタリンとし、第２ＨＰ２の作動媒体は水とする
のが温風暖房器用として好ましいが、条件によっては第
２ＨＰ２の作動媒体も有機系熱媒油やナフタリンとする
こともできる。第２ＨＰ２の作動媒体にナフタリンを用
いる場合には作動媒体の凝固を防ぐために、放熱部２ｂ
のフィン高さは高過ぎないようにする。

第３図に示す別の実施例では、ＨＰ８の受熱部を高温側
受熱部８ｃと低温側受熱部６ｄに区分し、受熱部８ｃを
ベアチューブ、受熱部８ｄをフィンチューブとしている
。バーナプレート４の下流に受熱部８ｃを置き、その近
接下流で輻射線が受熱部６ｃを照射する位置にセラミッ
クスハニカムからなる輻射体３を配置し、さらにケーシ
ング９により転向させられた燃焼ガスが受熱部６ｄを加
熱するように配置されている。６ｂは放熱部である。

この実施例によれば、第１図に示した実施例よりもＨＰ
の本数が少なくでき、例えば全部でただ１本のＨＰとす
ることもできて、さらにコンパクトな熱交換装置が得ら
れる。

なお、第３図の実施例で受熱部８ｄを通過した加熱流体
をもう一度転向させてＨＰ８のさらに別の受熱部に熱を
与えるように構成するこ′とも可能である。

なお、これらの実施例において、ＨＰは水平に設置して
も充分な効果が得られるが、ＨＰを受熱部が下がるよう
に１０度以下、好ましくは６度程度傾けると、熱サイフ
オンの原理が応用でき、ＨＰの輸送熱量がさらに増大し
、よりコンパクトな装置が形成される。

第４図の例は、高さが２ＩＩＩ層のフィン８を有するロ
ーフインチューブからなる受熱部１ａを複数段に千鳥配
置して、輻射体３からバーナプレート４への輻射線をな
るべくさえぎるようにし、それにあわせて受熱部２ａも
複数段に千鳥配置した他は第１図の例とほぼ同様である
。

第５図の例は、セラミックスハニカムからなる複数枚の
輻射体３を、高さが２■のフィン８を有するローフイン
チューブからなる受熱部６Ｃの軸方向に向けて傾斜配置
して、輻射体３からの輻射線がより有効に受熱部６Ｃに
入射するようにした他は第３図の実施例とほぼ同様であ
る。

このように受熱部１ａないしは受熱部６Ｃは、フィンを
過熱したり作動媒体を過熱したりしない範囲でフィン高
さ３１以下のローフインチューブとすることも可能であ
る。

なお、第１図、第３図、第５図の実施例でＨＰｌ、２．
８はそれぞれ１木でも複数本でもよく、複数本の場合に
は同一段に水平配列しても複数段に千鳥配列してもよい
ことはいうまでもない。

「作　用」 本発明では、高温の加熱流体の流路には、ＨＰの受熱部
、その近接下流には通気可能とされた輻射体、さらにそ
の下流には第２の受熱部をそれぞれ配はし、主に上流側
の受熱部に対し輻射伝熱が作用し、高温流体からＨＰへ
の高い熱伝達率が実現される。もちろん、高温流体と上
記したそれぞれの受熱部との間で対流伝熱も行なわれる
。

また、このように配置することにより、輻射体からバー
ナプレートなどの燃焼手段への熱輻射の大部分が上流側
の受熱部により遮蔽され、燃焼バーナの過熱、逆火など
が防止される。この目的から上流側ＨＰが複数本のＨＰ
からなる場合、千鳥配置が好ましい。下流側の受熱部で
は加熱流体の温度が下がって、フィンの損傷の恐れも少
ないので、外面にフィンをつけ伝熱をさらに促進するこ
とが可能である。

上述の如く、上流側および下流側の受熱部に原人した熱
は、ＨＰの作用により、きわめて効果的に放熱部に伝え
られる。この熱によりＨＰの放熱部の管の温度は上昇す
るが、ＨＰの特性として、ＨＰＰ手方向の温度むらはほ
とんどない、そのため、温風暖房器として要求される均
一な温風が得られる。

また、ＨＰでは管内に含まれた作動媒体の相変化（蒸発
、凝縮）により、管内の伝熱を行なうため、ＨＰ内部で
の熱の伝達はきわめて効果的に行なわる。したがって、
加熱流体から被加熱流体への熱伝達は、実質的に加熱流
体からＨＰ受受熱性外壁の、およびＨＰＰ熱部から被加
熱流体への熱伝達によって制限される。

放熱部については圧損が許されるかぎり密なフィンを設
けることが可能なため、熱伝達率が比較的小さくてもＨ
ＰＰ外表面積あたりの熱流束を大きくとることができる
。

問題は受熱部であるが、本発明によれば、上流側、すな
わち最も高温側でバーナプレートに近い受熱部はベアチ
ューブまたはローフインチューブからなっており、高温
火炎に近接しているため、高温の加熱流体と受熱部外壁
との間に８００〜１５００℃の温度差が与えられ、かつ
、輻射体には９００〜１２００℃の高温流体が流入して
輻射体を白熱させ、白熱した輻射体から強い輻射線が上
流側受熱部に照射されて、加熱流体と上記受熱部との間
の熱伝達率を　１００〜２００ｋｃａｌ／ｍ２／ｈ／　
”Ｏにも達せしめ、かつ、輻射体を通過して７００〜１
０００℃まで温度の低下した加熱流体を外面にフィンを
有する下流側受熱部に導き、主に対流伝熱によって熱吸
収させるため、効果的な熱交換ができ、本発明の構成に
よらない場合に比して、受熱部のＨＰの本数を　１／３
〜１／８にすることが可能となる。

「発明の効果」 以上説明した通り、本発明によれば、熱交換装置の小型
化が図れるため、温風暖房器の小型化、薄型化が可能と
なるうえ、吹出し温風温度の均一化が図れる。

なお、本発明の装置は温風暖房器のみならず、食用油、
浴槽などの加熱にも使用できる。

【図面の簡単な説明】

：ＪＳ１図は本発明装鐙の一実施例の断面図、第２図は
第１図における■−！！線に沿った断面図、第３図、第
４図、第５図はは本発明装はのそれぞれ異なる別の実施
例の断面図、第６図は従来の温風暖房器用熱交換装置の
断面図である。 １．２Ｊ：ヒートパイプ　　Ｉａ、２ａ、ｅｅ、Ｇｄ：
受熱部ｌｂ、２ｂＪｂ：放熱部　　３：輻射体　　７．
８：フィン第３０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、加熱流体の流路には、ヒートパイプの受熱部と、前
   記受熱部に近接した下流に通気可能に設けられる輻射体
   と、前記輻射体の下流に設けられる前記ヒートパイプの
   別の受熱部または別のヒートパイプの受熱部とを配置し
   、被加熱流体の流路には、加熱流体の流路に受熱部を配
   置されるヒートパイプの放熱部を配置することを特徴と
   する熱交換装置。 ２、前記輻射体に近接した上流に設けられる受熱部を、
   ベアチューブまたはフィン高さが３ｍｍ以下のローフィ
   ンチューブとし、前記輻射体の下流に設けられる受熱部
   を、前記ベアチューブまたはローフィンチューブよりも
   フィン高さの高いフィンチューブとする特許請求の範囲
   第１項記載の熱交換装置。