JP2605869B2 - 熱交換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は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５図に示すような冷媒加熱暖房機がある。
これは高温の燃焼排気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
た冷媒ポンプや圧縮機等の冷媒搬送機４により冷媒を強
制循環するものである。第６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
に延びるアルミニューム製の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
が内部を流れる銅材質からなるパイプ７を設けたもの
で、バーナー８からの高温の燃焼排気ガスを円筒状内面
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媒搬送に外部動力が
必要であり、さらに熱交換効率の向上も含めた暖房運転
時のランニングコストを低減することが望まれている。

また、この種の熱交換装置の従来公知技術として、特
開昭63−105395号公報および実開昭63−179464号公報に
示されたものがある。

これらには縦方向の多数の冷媒通路を形成した２つの
冷媒通路部材が用いられているが、さらに、冷媒の流れ
抵抗の低減、２つの冷媒通路部材への均等な分流、バー
ナーの燃焼排気ガスから冷媒への熱交換効率のアップ、
伝熱フィンから冷媒通路部材への熱のスムーズな伝熱と
温度の均一化、熱交換装置の構成の簡略化と小型化等の
課題を有しているものである。

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自然潤滑力が重
要となる。

この種の暖房装置は、従来は第５図、第６図に示すよ
うに冷媒加熱用熱交換器１のような構成であり、冷媒は
水平方向で、且つ連続した一通路としてパイプ７内を流
れるので、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したり、冷媒の流れ抵
抗が大きく、熱交換率も低い。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。

また従来の公知技術である特開昭63−105395号公報お
よび実開昭63−179464号公報に示されたものは、多数の
通路を形成した冷媒通路部材が燃焼室の両サイドに設け
られ、この各々の冷媒通路部材に伝熱フィンからの熱を
伝えると共に、冷媒通路部材に連通した入口及び出口ヘ
ッダー管とこれら左右のヘッダー管を連通させる管を有
している。

この場合、液冷媒が１本の冷媒入口管から分岐して左
右の２本の入口ヘッダー管に入り、各々の冷媒通路部材
の通路を上昇する過程で加熱され気液２相流となって出
口ヘッダー管に吹き上げる。この２本の出口ヘッダーか
ら１本の冷媒出口管に集合して放熱器に吐出する。

このように液冷媒の流れに対する分岐抵抗、冷媒通路
部材の通路抵抗、ガスと液の２相状態の冷媒の集合する
ところでの衝突による合流抵抗など、各々の冷媒の流れ
に対する抵抗変動が大きい。このため燃焼室を挟んで位
置する左右両サイドの冷媒部材の通路への冷媒流量に差
を生じる。

また、熱交換器が傾斜して設置された場合、前記冷媒
流量差がさらに大きくなる。さらに燃焼室内での燃焼火
災、燃焼排気ガスの流れも変動しやすく、左右両サイド
の冷媒通路部材を均等に加熱することが困難である。こ
のため左右両サイドの冷媒通路部材に温度差を生じ、冷
媒の過熱による熱分解を生じやすく、熱交換もばらつき
が大きく高効率を維持できないと共に、温度の不均一に
よる熱応力で変形、破損しやすいなど耐久性にも課題が
ある。

また、左右両サイドの冷媒通路部材の片方に過熱検知
センサーを配設しても熱交換器全体の代表温度とならず
安全に制御することができない。

さらに構成が複雑であり、製造時の加工ばらつきも大
きく、コストも非常に高いなど実用上の課題を有してい
る。

本発明は上記従来例の課題を解決するもので、冷媒の
均一な加熱と熱交換効率の向上、冷媒の円滑な流れと熱
交換装置の均一な温度分布と安全性、耐久性の向上、構
成の簡略化と小型化、低コスト化をはかることを目的と
する。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するために本発明の熱交換装置は、板
状の伝熱隔壁部材と、この一方の面に密着固定した上下
縦方向に伝熱隔壁部材に平行な複数列の通路群を有する
冷媒通路部材と、前記通路群に連通した下側に設けた入
口ヘッダー管および上側に設けた出口ヘッダー管と、前
記伝熱隔壁部材の他方の面に密着固定し間隔を有し上下
に分割した伝熱フィンと、この伝熱フィンを覆い前記伝
熱隔壁部材に固定した高温ガス通路部材と、この高温ガ
ス通路部材に連設した燃焼室と、この燃焼室に連通する
バーナと、このバーナからの燃焼排気ガスを前記上下に
分割し間隔を有した各々の伝熱フィンに導く高温ガス通
路部材に形成した高温の排気ガス入口と、前記伝熱フィ
ンを通った排気ガスを排出する排気部を備えた構成であ
る。

作用 本発明は上記した構成によって、冷媒が入口ヘッダー
管より一つの冷媒通路部材に伝熱隔壁部材に平行に複数
列設けた通路群を縦方向に流れることによって各々の通
路に均一に分流すると共に、高温の燃焼排気ガスが排気
ガス入口より上下に分割された伝熱フィンに分流して流
れ、この熱で伝熱フィンを介して冷媒通路部材を均一に
加熱する。また冷媒通路部材が片側のみの簡略化された
基本構成となる。

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４図において、10は燃料供給装置に接続
したバーナー８に連通して設けた燃焼室、11は板状の伝
熱隔壁部材であり、12は高温ガス通路部材でその外周は
伝熱隔壁部材11と密着し燃焼室10に連通して設けた排気
ガス入口13と排気部14を有している。15は伝熱隔壁部材
11の一方面に密着固定した冷媒通路部材であり縦方向の
通路16群を形成し、この通路群16は伝熱隔壁部材11に平
行に２列の通路群16a、16bを有している。

なお、この通路群16a、16bは必要に応じて列数を増し
てもよい。17は冷媒通路部材15の下端に固着した入口ヘ
ッダー管、18は冷媒通路部材15の上端に固着した出口ヘ
ッダー管でありそれぞれ入口管19、出口管20を接続し、
この各々が冷媒回路（図示無し）と接続している。入口
ヘッダー管17の他端には下方に曲折したオイル抜き管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群16a、16bと連通している。22
A、22Bは伝熱隔壁部材11の他方の面に上下に分割し間隔
を有して密着固定した伝熱フィンであり波形状に形成さ
せてある。燃焼室10の高温ガス通路部材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及び25は伝熱フィン22A、22Bに形成され燃焼排気ガ
スの通路、26、27は伝熱フィン22A、22Bの両サイドに形
成した排気通路で排気部14に連通している。

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に発生した高温の排気
ガスは排気ガス入口13を通り上下に分割された伝熱フィ
ン22A、22Bの通路24、25を通り、排気通路26、27から排
気部14より排気する。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の下部より縦方
向の通路群16a、16bに分流し上昇する。伝熱フィン22
A、22Bから伝熱隔壁部材11を介して冷媒通路部材15に伝
熱し、この冷媒通路部材15の縦方向の通路群16a、16b内
の冷媒を十分に加熱する。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群
16a、16b内を下方から上方に上昇し、気泡ポンプ作用が
発生する。特に排気ガスは燃焼室10から排気ガス入口13
を出たのち上下に分割された伝熱フィン22A、22B、に分
流する。一つの排気ガス入口から排気ガスが噴出するこ
とにより排気ガスの温度と流れを均一にして上下に分割
された伝熱フィン22A、22Bを加熱するので冷媒通路部材
の各部も均一加熱でき冷媒を局部過熱させることなく無
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。均一加熱と共に冷媒通路部材15には伝熱隔壁部材11
に平行に複数列の通路群16a、16bを有しているので、こ
の通路群16a、16bの冷媒通過の断面積が増加する。さら
に液冷媒への熱伝達面積も増加する。従って通路群16
a、16b内の流れの抵抗を低減させること及び冷媒への熱
伝達量が増すことによって気泡発生が増大し、この気泡
上昇力により自然循環力を強くすることができる。さら
に通路16a、16bの上部、下部に設けた伝熱フィン22A、2
2Bと共に伝熱隔壁11全面も伝熱面積となり排気ガスより
効率よく吸熱し通路群16a、16b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
群16a,16b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群16a、16bの下部から上部に
至るまで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。

発明の効果 以上のように本発明の熱交換装置は、板状の伝熱隔壁
部材と、この一方の面に密着固定した上下縦方向に伝熱
隔壁部材に平行な複数列の通路群を有する冷媒通路部材
と、前記通路群に連通した下側に設け入口ヘッダー管お
よび上側に設けた出口ヘッダー管と、前記伝熱隔壁部材
の他方の面に密着固定し間隔を有し上下に分割した伝熱
フィンと、この伝熱フィンを覆い前記伝熱隔壁部材に固
定した高温ガス通路部材と、この高温ガス通路部材に連
設した燃焼室と、この燃焼室に連通するバーナと、この
バーナからの燃焼排気ガスを前記上下に分割し間隔を有
した各々の伝熱フィンに導く高温ガス通路部材に形成し
た高温の排気ガス入口と、前記伝熱フィンを通った排気
ガスを排出する排気部を備えたもので次のような効果を
有する。

（１）従来公知技術のように燃焼室の左右両サイドに冷
媒通路部材を有し、それらの各々に出口ヘッダー管を設
けさらにこれら出入口ヘッダー管を集合させる管を有す
る構成に対して本発明は、伝熱隔壁に平行に複数列の通
路群を設けた一つの冷媒通路部材をその一方の側面から
伝熱フィンを介して加熱するので、熱交換装置が傾斜し
たとしても一つの入口ヘッダー管から各通路に均一に分
流されるので冷媒の過熱を生じることがない。また各々
の通路で均一な気泡ポンプ効果が発揮される。

さらに一つの冷媒通路部材が排気ガスによって均一に
過熱されるので熱応力が抑制され変形、破損を生じるこ
とがなく、例えば１つの過熱検知センサーによる安全な
検知も可能となる。

（２）冷媒通路部材は、板状の伝熱隔壁部材に平行に複
数列の通路群を有することによって冷媒通路の断面積が
増加し、さらに液冷媒への熱伝達面積も増加するので液
状冷媒を均一に加熱し、且つ体積膨張し上昇する冷媒の
流れ抵抗を減少させ気泡ポンプ作用を強くすることがで
き、さらに発生した気泡の強い上昇流により流れに撹拌
乱流効果が発揮され冷媒の局部加熱の防止および熱交換
装置の異常温度上昇防止が図られ信頼性を向上できる。

（３）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）出口ヘッダー管も一つとなり流れ抵抗が減少し円
滑な冷媒の流れが可能となる。

（６）伝熱隔壁部材を介して冷媒通路部材に対向する位
置に、上下に分割した伝熱フィンを設け、この各々の伝
熱フィンに排気ガスを分流して通過させることによって
冷媒通路部材の下部から上部まで巾広く均一に加熱する
ことができる。

（７）冷媒通路部材が片側のみで構成が大幅に簡略化さ
れ、小型化と共に製造時の加工、組立バラツキが小さく
品質の向上、コストの低減が図れる。

【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装置の断面図、
第２図は同冷媒通路部材の断面図、第３図は第１図の熱
交換装置の分解斜視図、第４図は第１図の熱交換装置の
排気ガス通路部の断面図、第５図は従来の冷媒通路暖房
器の回路構成図、第６図は従来の熱交換器の外観斜視図
である。 ８……バーナー、10……燃焼室、11……伝熱隔壁部材、
12……高温ガス通路部材、13……排気ガス入口、14……
排気部、15……冷媒通路部材、16a、16b……通路群、22
A、22B……伝熱フィン。

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 (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板状の伝熱隔壁部材と、この一方の面に密
   着固定した上下縦方向に伝熱隔壁部材に平行な複数列の
   通路群を有する冷媒通路部材と、前記通路群に連通した
   下側に設けた入口ヘッダー管および上側に設けた出口ヘ
   ッダー管と、前記伝熱隔壁部材の他方の面に密着固定し
   間隔を有し上下に分割した伝熱フィンと、この伝熱フィ
   ンを覆い前記伝熱隔壁部材に固定した高温ガス通路部材
   と、この高温ガス通路部材に連設した燃焼室と、この燃
   焼室に連通するバーナと、このバーナからの燃焼排気ガ
   スを前記上下に分割し間隔を有した各々の伝熱フィンに
   導く高温ガス通路部材に形成した高温の排気ガス入口
   と、前記伝熱フィンを通った排気ガスを排出する排気部
   を備えた熱交換装置。