JPH01139936A - ヒートパイプを備えた熱交換装置 - 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）を備え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５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６１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ａｌ房器では、流速および温度とも可能な限り−ａ
な温風を、幅４０〜６０ｃｍ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ヲ２〜３バ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
でいる。

しかし、この方式では、所要の伝熱面積が大きくなり、
総括伝熱係数としで２０−３０ｋｃａｌ／ｍ２／ｈ／”
Ｃ程度が限界で、その結果、この方式を用いるかぎり製
雪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の温度分布が大きい
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、従来の熱交換装置では小型化に限界があり、
かつ、被加熱流体にはその出口で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Ｍを提供する
ことを目的とする。

「問題点を解決するための手段」 本発明の熱交換装置は、加熱流体の流路（こは、ヒート
パイプの受熱部と、前記受熱部を囲んで設けられた内面
に多数の微小な突起を有する輻射体と、前記輻射体の下
流に設けられた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耐雪し、被加熱流体の流路
には、加熱流体の流路に受熱部を耐重された前記ヒート
パイプの放熱部を耐重したことを特徴とする。

「作用」 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、１−ＩＰの受熱部のうち、加熱流体流路の上流側
、すなわち高温側の受熱部を囲んで内面に多数の微小な
突起を有する輻射体を配雪する。

そのため、受熱部はその周囲を流れる高温の、例えば１
５００〜１７００℃の加熱流体から、８００〜１５００
℃といったきわめて大きな温度差をもっで対流伝熱によ
り加熱されるのみならず、加熱流体から輻射体へのガス
輻射伝熱および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。しかも輻射体が上流側の受熱部を囲んで耐雪され
でいるので、輻射線が上記受熱部の外周の全周にわたっ
てくまなく照射され、輻射線による加熱がより効果的に
なされる。

かくして上流側の受熱部は対流伝熱と輻射伝熱とで加熱
され、加熱流体と上記受熱部との間の熱伝達率は１５０
〜２５０ｋｃａｌ／ｍ”／ｈ／　’Ｃにも達する。

輻射体を通過した加熱流体は一般にはまだ７００〜１０
００℃の高温であり、ついで別の受熱部、特１こは外面
（こフィンを有する別の受熱部に導かれて充分に熱交換
される。ここで別の受熱部は、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耐雪された同じＨ
Ｐの別の受熱部であってもよい。

したがって１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ｌｌｌこつ
いで格別の配慮がなされてないと、例えば３　、０００
ｋｃａｌ／ｈの放熱！を確保するには径３４ｍｍのＨＰ
が６本捏度必要で実用的ではなかったのに対し、本発明
によれば径３４ｍｍ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。

「発明の好ましい態様」 本発明では、高温で効果的な輻射熱を発生させつるよう
に、輻射体の形状は、輻射の形態係数が１もしくは１に
近い円筒、角筒などの筒状体とすることが好ましい。

また、輻射体に囲まれたＨＰＯ軸方向に加熱流体が流れ
るように加熱流体流路が形成されでいることが好ましい
。

輻射体の内面の突起の形状は、ひだ状、針状、ボス状、
半球状など各種の形状が採用できる。また、突起の高ざ
ｈが加熱流体の層流底層の厚さｔの２倍数上であり、突
起のどツチＰが前記高ざｈの４倍以上であることが好ま
しい、高ざｈが加熱流体の層流底層の厚さｔの２倍未満
では、加熱流体との接触面積を増大させ、加熱効率を高
める効果が乏しくなる。どツチＰが高ざｈの４倍未満で
は、突起かとに配列されることになり、輻射体内面近傍
での加熱流体の流速が弱められて層流底層が厚くなり、
かえって加熱効率が低下する傾向がある。突起のピッチ
Ｐは、突起の高さｈの８〜２０倍とすることがざらに好
ましい。

輻射体は、アルミノシリカファイバなどの無機繊維の成
形体、反応焼結型、再結晶型、金１ケイ素含有型、常圧
焼結型などの炭化ケイ素質焼結体、反応焼結型、常圧焼
結型などの窒化ケイ素質焼結体、常圧焼結型などの窒化
アルミニウム貢焼結体といったセラミックス材料製とす
るのが好ましい。

輻射体によって囲まれる高温側受熱部を有するＨＰの本
数は１本でも複数本でもよく、このＨＰが複数本である
場合は、複数本のＨＰの高温側受熱部をまとめて１つの
輻射体で囲んでもよく、あるいはＨＰの高温側受熱部を
１本ずつ輻射体で囲んでもよい、また、低温側受熱部は
、上記高温側受熱部を有するＨＰの別の部位に設けても
よく、あるいは全く別のＨＰに設けてもよい、低温側受
熱部のみを有するＨＰを設ける場合、そのＨＰの本数も
１本でも複数本でもよい。

また、本発明においては、高温側受熱部を、ベアパイプ
またはフィン高さが４ｍｍ以下のローフインパイプ、特
にはベアパイプとし、低温側受熱部を、前記ベアパイプ
またはローフインパイプよりもフィン高さが高いフィン
パイプとするのがよい、高温側受熱部をフィン高さの高
いパイプとすると、高温によりフィンが熱損傷を受けや
すい。

低温側受熱部を上記よりフィン高さの低いパイプとする
と、伝熱面積が不足して充分な熱吸収がしがたい、一方
、ＨＰの放熱部にはフィンをつけで放熱を促進し、ＨＰ
内の作動流体を所定の温度範囲内に維持するのが望まし
い。

ＨＰについでは、温風暖房器に使用する場合、管材質は
炭素鋼、ステンレス、チタン、銅、キュプロニッケル、
アルミプラス、アルミニウムなど、作動媒体は水、フロ
ン、ダウサム、ナフタリンなどが好ましく、２ライセ（
揚げ物機）の熱源機や温水器として使用する場合、管材
質は銅、ステンレス、チタンなと、作動流体は水、ナフ
タリンなどが好ましい。

加熱流体には、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で生成した
高温の燃焼ガス、特には１５００〜１７００℃といった
高温の燃焼ガスが好適である。

バーナに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、高温側受熱部のバーナ側の端部と、
バーナの燃料ガス吐出口（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１００ｍｍ
以下として、本発明装置の一層の小型化に資するのがよ
い、この距ｍ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、ＧＯなどの不完全燃焼成分の発生は
抑制される。−高温側受熱部はかなりの高温にざらされ
るが、放熱部を流れる空気、水、油などの被加熱流体に
て冷却されるので、熱損傷が防止される。

「実施例」 第１図、第２図および第３図には、本発明による熱交換
装置の一実施例が示されている。

図においで、加熱流体である燃焼ガスＨの流路１４と、
被加熱流体である空気りの流路１６とをそれぞれ画定す
るようにケージジグ１１が形成されている。流路１４の
一端には、多数の貫通する炎孔を有する面状のバーナプ
レート１３が配架され、燃焼用空気と燃料ガスとの予混
合気Ｐは、炎孔を通過してバーナプレート１３の下流側
で面状に火炎を形成し、燃焼ガスＨとなる。この燃焼ガ
スＨは流路１４をＨＰ１５の軸方向に沿って流れる。

上記ＨＰ　＋５は、受熱側の端部を流路１４内に挿入さ
れ、放熱側の端部を空気りの流路１６内に挿入されてい
る。流路１４に挿入されたＨＰ１５の端部は、高温側受
熱部＋５ａと低温側受熱部＋５ｂとに分けられ、高湯側
受熱部＋５ａはバーナプレート１３により近接しでいる
。

本発明では、この高温側受熱部１５ａを囲んで筒状の輻
射体１７が配置されている。この場合、流路１４はケー
シング１１とその内側に施された断熱ライニング１８と
によって形成されており、輻射体１７は断熱ライニング
１８に適合して耐雪されている。輻射体１７の内周には
ボス状の多数の突起１７ａが形成されでおり、この突起
１７ａは、第３図に示すように、突起の高ざｈが燃焼ガ
スＨの層流底層の厚さｔの２倍以上であり、突起のピッ
チＰが高ざｈの４倍以上となるようにされている。この
実施例では、高温側受熱部１５ａはフィンのないベアパ
イプとなっているが、高温側受熱部１５ａの外周にフィ
ン高さ４ｍｍ以下で軸線に平行なフィン面を有するロー
フインを放射状に形成してもよい。

低温側受熱部＋５ｂの周囲には、輻射体１７は設けられ
てなく、その代りに低温側受熱部＋５ｂの外周には、第
２図に示すように、フィン面が軸線を含むように放射状
に形成された矢羽根杖のフィン１９が設けられている。

流路１４に沿って高温側受熱部１５ａおよび低温側受熱
部＋５ｂの周囲ｖ？ＨＰの軸方向に流れた燃焼ガスＨは
、ケーシング１１の空間２０に流入猾、排気孔２１から
外部に排出されるようになっている。

ＨＰ　１５の他端部は流路１６内に延びて放熱部１５ｃ
をなしている。放熱部１５ｃは、空気りの流れに直交す
るように耐雪され、所要の放熱面積が得られるようにフ
ィン２２を有している。流路１６内に設けられたファン
２３により、空気しは第１図中矢印の如く導入され、放
熱部＋５ｃおよびそのフィン２２に接触して昇温された
猪、室内に送り出される。

なお、ＨＰＩ５の作動媒体としては、熱輸送量の点で水
が最適であり、この場合、熱輸送量と内圧の関係からそ
の作動温度を１１０〜１５０℃とするのがよい、ざらに
ダウサムなどの有機系熱媒油やナフタリンなども用いつ
る。

上記構成においで、燃焼ガスＨは、流路１４をＨＰＩ５
の軸方向に流れるが、まず最初１こ高温側受熱部１５ａ
を囲む輻射体１７の内側に導入される。燃焼ガスＨは、
高温側受熱部１５ａに接触してこれを加熱すると共に、
輻射体１７の内面に接触して輻射体１７を加熱する。輻
射体１７の内面には、多数の突起１７ａが形成されてい
で、燃焼ガスＨとの接触面積が広くとれると共に、伝熱
を妨げる層流底層の部分に乱流を起こさせて伝熱効率を
高める。このため、輻射体１７は効果的に加熱され、高
温となっで１ｉＩＩ４ｓＩＦ！：高温側受熱部１５ａに
照射する。この輻射線は高温側受熱部１５ａの外周をそ
の全周１こわたっでくまなく照射するので、高温側受熱
部１５ａは極めて効果的に加熱される。なお、燃焼ガス
Ｈが高温側受熱部１５ａに接触して温度低下し、ＧＯな
どの不完全燃焼成分が発生したとしでも、かがる不完全
＃Ａ焼酸成分、輻射体１７の内壁に接触しで加熱され完
全燃焼きれる。このため、高温側受熱部＋５ａをバーナ
プレート１３（こ近づけて伝熱効率を高めるとともに、
装置Ｉヲコンパクト化できる。

ざらに輻射体１７を筒状にして高温側受熱部＋５ａを囲
むように耐雪したので、輻射体１７がらバーナプレート
１３に照射される輻射線は、バーナプレート面に対して
小ざい角度でのみ入射するため、入熱量が小さくなり、
バーナプレート１３の過熱、逆火などが防止される。

輻射体１７の内Ｉを通過した燃焼ガスＨは、そのまま流
路１４内を流れで、低温側受熱部＋５ｂおよびフィン１
９に接触してこれらを加熱する。このとき燃焼ガスＨは
、高温側受熱部１５ａを通っである程度温度低下してい
るので、フィン１９がハイフィンであっても熱損傷を起
こす恐れは少なく、これにより伝熱面積が広くとれ、低
温側受熱部＋５ｂを効果的に加熱できる。こうして高温
側受熱部１５ａおよび低温側受熱部＋５ｂを加熱された
Ｈ　Ｐ　１５は、その熱を放熱部１５ｃおよびフィン２
２に伝える。

空気しは、放熱部＋５ｃおよびフィン２２に接触して加
熱され、温風となって室内に送風される。この場合、圧
損が許される限り、フィン２２の高さを高く、配列！度
を空にできるので、熱伝達率が比較的小さくてもＨＰ管
管外面面積当の熱流速を大きくとれる。また、ＨＰ　１
５の特性としで、放熱部１５ｃにおける長平方向の温度
むらはほとんどないので、温風暖房器として要求される
均一な温風が得られる。

第４図には、本発明による熱交換製画の他の実施例が示
されでいる。

この実施例では、ケーシング１１の内部に、燃焼ガスＨ
が下方から上方へ流れる流路１４と、空気りが上方から
下方へ流れる流路１６とが形成されでいる６両流路を仕
切るｌ＠Ｗ２６を貫通して、一端が流路１４内に挿入さ
れ、他端が流路１６内に挿入された第１ｌ−ＩＰ２４と
第２ＨＰ２５とが配置されている。第１ＨＰ２４の流路
１４内に配置された端部は、下方に折曲されて軸方向を
燃焼ガスＨの流れ方向とされた高温側受熱部２４ａをな
し、第１ＨＰ２４の流路１６内に配置された端部は、空
気りの流れに対して直交する放熱部２４ｃをなしでいる
。第２ＨＰ２５の流路１４内に配置された端部は、燃焼
ガスＨの流れには（′ｆ！直交する低温側受熱部２５ｂ
をなし、第２ＨＰ２５の流路１６内に配置された端部は
、空気［の流れに対して直交する放熱部２５ｃをなして
いる。

流路１４の断熱ライニング１８の内周には、ベアパイプ
状の高温側受熱部２４ａを囲んで筒状の輻射体１７が配
置されており、輻射体１７の内面には、さぎの実施例と
同様に多数の微小な突起が形成されでいる。一方、外周
にフィン１９を有する低温側受熱部２５ｂは、燃焼ガス
Ｈの流れに対して高温側受熱ｉ！１Ｂ２４ａよりも下流
側に配）されている。

また、第１ＨＰ２４の放熱部２４ｃおよび第２ＨＰ２５
の放熱部２５ｃは、それぞれ外周に多数のフィン２２を
有している。ざらに、流路１６には、ざきの実施例と同
様にファン２３が設置されている。

この実施例では、燃焼ガスＨが、まず輻射体１７内を流
れるときに高温側受熱部２４ａおよびｍ封体１７を加熱
する。ざきの実施例と同様に、輻射体１７は輻射線を高
温側受熱部２４ａに照射し、高温側受熱部２４ａは効果
的に加熱されで、その熱を放熱部２４ｃに伝える。！！
射鉢体１７内通過して温度がやや低下した燃焼ガスＨは
、次に低温側受熱ｇＢ２５ｂおよびフィン１９に接触し
て、それらを加熱する。低温側受熱部２５ｂは、燃焼ガ
スＨの温度が低いけれどもフィン１９により伝熱面積を
広くとっであるので効果的に加熱され、その熱を放熱部
２５ｃに伝える。こうして流路１４ヲ流れた燃焼ガスＨ
は上方から外部に排気される。

流路１６では第２ＨＰ２５の放熱部２５ｃおよび第１Ｈ
Ｐ２４の放熱部２４ｃに順次接触して空気りが加熱され
、温風となって下方から室内に送風される。

なお、これらの実施例において、ＨＰは水平に設置しで
も充分な効果が得られるが、ＨＰを受熱部が下がるよう
に水平から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の輸送熱量がざら
に増大し、よりコンパクトな装置が形成される。

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、加熱流体がまず
ＨＰの高温側受熱部に接触してこれを加熱すると共に、
高温側受熱部を囲むように形成された輻射体に接触して
輻射体を加熱する。輻射体は内面に多数の微小な突起を
有しているので、加熱流体により効果的に加熱され、輻
射線を高温側受熱部に照射してこれをさらに加熱する。

また、加熱流体が高温側受熱部を通過した復、同じＨＰ
の他の部分に設けられた低温側受熱部あるいは伯のＨＰ
に設けられた低温側受熱部に接触してこれらを加熱する
。このとき加熱流体の温度は低下しでいるが、低温側受
熱部にフィンを設けることにより伝熱効率を高めで、低
温側受熱部においでも熱交換効率を高めることができる
。

高温側受熱部および低温側受熱部に流入した熱は、１−
ＩＰ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長手方向の温度むらはほとんどなく、温風暖房器な
どに要求される被加熱流体の均一な温度分布が得られる
。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。

かくして、本発明では、熱交換装置の小型化が図れて温
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】

第１図は本発明による熱交換装置の一寅施例の断面図、
第２図は第１図における■−■線に沿った断面図、第３
図は同熱交換装置における輻射体の内面形状を示す断面
図、第４図は本発明による熱交換製画の他の実施例の断
面図、第５図は従来の温風暖房器用熱交換製雪の断面図
。 １１はケーシング、１３はバーナプレート、１４は燃焼
ガスの流路、１５はヒートパイプ、１５ａは高温側受熱
部、＋５ｂは低温側受熱部、１５ｃは放熱部、１６は空
気の流路、１７は輻射体、１７ａは突起、１９はフィン
、２２はフィン、２４は第１ヒートパイプ、２４ａは高
温側受熱部、２４ｃは放熱部、２５は第２ヒートパイプ
、２５ｂは低温側受熱部、２５ｃは放熱部、Ｈは燃焼ガ
ス、しは空気。

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
   記受熱部を囲んで設けられた内面に多数の微小な突起を
   有する輻射体と、前記輻射体の下流に設けられた前記ヒ
   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た前記ヒートパイプの放熱部を配置
   したことを特徴とする熱交換装置。 ２）前記輻射体に囲まれた前記ヒートパイプの軸方向に
   前記加熱流体が流れるように前記加熱流体の流路が形成
   されている特許請求の範囲第１項記載の熱交換装置。 ３）前記輻射体に囲まれた受熱部をベアパイプまたはフ
   ィン高さが４ｍｍ以下のローフィンパイプとし、前記輻
   射体の下流に設けられた受熱部を前記ベアパイプまたは
   ローフィンパイプよりもフィン高さの高いフィンパイプ
   とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の熱交換
   装置。 ４）前記輻射体は、無機繊維成形体、炭化ケイ素質焼結
   体、窒化ケイ素質焼結体または窒化アルミニウム質焼結
   体からなる特許請求の範囲第１項、第２項または第３項
   記載の熱交換装置。 ５）前記突起は、突起の高さｈが前記加熱流体の層流底
   層の厚さｔの２倍以上であり、突起のピッチＰが前記高
   さｈの４倍以上となるようにされている特許請求の範囲
   第１項、第２項、第３項または第４項記載の熱交換装置
   。