JPH05126488A - 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を構
成しこの両端に接続したヘッダーパイプ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を水平方向に対して下に湾曲部２５を設
けたため、この湾曲部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湾曲部２５
の下部を逆流し冷媒加熱器に流れる。このため、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
して循環冷媒量を少なくでき、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。

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、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ことを目的と
したものである。

【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前記伝熱隔壁と
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、前記冷媒出口管に水平
方向に対して下へ屈曲させた湾曲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、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
した冷媒通路部材を複数の冷媒通路を有する冷媒通路部
材で構成した熱交換器で燃焼ガスの温度と流れを均一に
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に
取り付けた冷媒入口管と冷媒出口管と、前記冷媒出口管
を水平方向に対して下に湾曲部を設けたため、冷媒の流
れの主流は、いちど下方向に流れその後上向きとなり次
に元の方向となる。前記湾曲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
つ前記湾曲部の上部では冷媒が湾曲部に衝突し流れが乱
れるため冷媒のガス相分が多く下部は冷媒の液相分が多
くなる。このため前記湾曲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湾曲
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り、この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
は少なくなる事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に臨ませている。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１
６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１７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。２２は伝熱隔壁１
１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を燃
焼室ケース１０の内部に設けてある。冷媒入口管１９と
冷媒出口管２０は、水平方向に対して下に湾曲部２４、
２５を設けた構成としたものである。そして、冷媒入口
管１９と冷媒出口管２０は冷媒回路側を銅、冷媒加熱器
側をアルミニウムで異種の金属管をろう付け、またはフ
ラッシュバット結合して構成し、この結合部と前記湾曲
部２４、２５の外面は塗装してある。２６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２７、冷媒戻り管２８を接続してあ
る。また、本実施例図３では、冷媒出口管２０の湾曲部
２５は拡管してあり、他の冷媒出口管２０より径が大き
い。

【００１２】上記構成において、燃料の供給装置により
供給した燃料はバーナー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である伝熱フィン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
れる高温ガスは排気室１４ｂで合流し排気路１４に流れ
る。冷媒入口管１９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
冷媒通路１６に分流して流れ、高温ガス通路１２内を流
れる燃焼ガスから伝熱フィン２２により燃焼ガスから熱
を冷媒通路部材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で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１
６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１２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２６へ
流れ、冷媒の気液分離した後、冷媒往管２７から放熱器
（図示せず）に向かって流出する。また、高温ガス通路
１２の内壁を前記燃焼室１０ａで構成し、外壁を構成す
る伝熱隔壁１１とこの伝熱隔壁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１０ａと冷媒通路１６を高温ガス通路１
２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１
０ａ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。

【００１３】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および多穴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。

【００１４】そして、ヘッダーパイプ１７、１８に各々
取り付けた冷媒入口管１９と冷媒出口管２０は、水平方
向に対して下に湾曲部２４、２５を設けたため、湾曲部
２５における冷媒の流れの主流は、一度下方向に流れそ
の後上向きとなり次に元の方向となる。このため、湾曲
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、かつ湾曲部２５の上部では
冷媒が湾曲部２５に衝突し流れが乱れるため冷媒のガス
相分が多く、湾曲部２５の下部は冷媒の液相分が多くな
る。このため湾曲部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図３に示す如
く湾曲部２５の下部に溜りヘッダーパイプ１８から冷媒
通路１６の冷媒加熱器に逆流する。この逆流した冷媒
は、再び加熱器の冷媒通路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。
冷媒回路を流れる冷媒の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、冷媒回路の
流れ抵抗が減少する。

【００１５】また、本実施例図３では、冷媒出口管２０
の湾曲部２５を拡管してあり、他の冷媒出口管２０より
径が大きい。そのため、湾曲部２５内で冷媒の流速はさ
らに遅くなり、流出する二相冷媒の液分がより多く湾曲
部２５の下部に溜り冷媒加熱器に戻る。このため、冷媒
循環量がより増大でき、熱交換能力の増大をはかること
ができる。

【００１６】また、冷媒入口管１９と冷媒出口管２０は
冷媒回路側を銅、冷媒加熱器側をアルミニウムで異種の
金属管をろう付けまたはフラッシュバット結合して構成
し、この結合部と前記湾曲部２４、２５の外面は外面を
塗装してある。そのため、冷媒回路の部品は加工性、ろ
う付け性の良い銅を用いることができ、冷媒加熱器は成
型性、耐燃焼ガス性の良いアルミニウムを用いられる。
冷媒を用いた回路では運転状態、運転条件によっては冷
媒回路に結露を生じる場合があり、銅とアルミニウムを
用いたときこの結露水の銅イオンで電気的にアルミニウ
ムが腐食された。冷媒入口管１９と冷媒出口管２０の結
合部と湾曲部２４、２５の外面を塗装することにより、
接続した冷媒回路が結露しこの結露水が冷媒入口管１
９、冷媒出口管２０から流下した時、湾曲部２４、２５
から滴下し冷媒加熱器に流れることがなく、この湾曲部
２４、２５の外面は塗装しているから腐食を防止でき、
信頼性の高い熱交換器にできる。

【００１７】この実施例の構成によれば、冷媒出口管を
水平方向に対して下に湾曲部を設けたため、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。

【００１８】

【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前記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、前記冷媒出口管に水平方向に対して下に屈
曲させた湾曲部を設けた構成で、次の効果が得られる。 （１）湾曲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湾曲部の下部に溜り冷媒
加熱器に逆流するため、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、循環冷媒量の減少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。 （２）燃焼室と連通して設けた燃焼ガス出口から噴出
し、この燃焼ガスは高温ガス通路を通過させたことによ
り、燃焼ガスの温度と流れを均一化でき、このため冷媒
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、かつ熱分解を生じなく
できる。 （３）高温ガス通路と反対側に伝熱隔壁と一体として冷
媒通路部材を構成した二重壁構成により、冷媒と燃焼ガ
ス部とを完全に分離したため、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が高いものに
できる。 （４）冷媒入口管と冷媒出口管を異種の金属管で結合
し、この結合部と湾曲部の外面を塗装しているから、冷
媒回路が結露しこの結露水が冷媒入口管、冷媒出口管か
ら流下した時も湾曲部から滴下し、冷媒加熱器に流れる
ことが無く、湾曲部の外面の腐食を防止でき、信頼性の
高い熱交換器にできる。 （５）湾曲部を拡管しているから、湾曲部内での冷媒の
流速が速くなり、流出する二相冷媒の液分がより多く湾
曲部の下部に溜り冷媒加熱器に逆流する。このため、よ
り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。

【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 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 湾曲部

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前記伝熱隔壁
   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、前記冷媒出口管に水
   平方向に対して下へ屈曲させた湾曲部を設けた熱交換
   器。
2. 【請求項２】湾曲部を拡管した請求項１記載の熱交換
   器。
3. 【請求項３】冷媒入口管と冷媒出口管は異種の金属管を
   結合して構成し、この結合部と前記湾曲部の外面を塗装
   した請求項１記載の熱交換器。