JP2845564B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 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。

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選び暖房を
行うものに第５図に示すような冷媒加熱暖房機がある。
これは燃焼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）、アルミ等の材料で押し出し成形した水平方向
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を設けたもので、バーナ８からの燃焼ガスを円筒状
内面９に水平横方向に流して、冷媒加熱機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、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。そのため、本出願人は、先に、伝
熱フィン付きの平行接近面の下に拡大斜面を持つ伝熱隔
壁筒の外側に縦方向の冷媒通路部材を配置することを提
案した。（特願昭61−249961号） 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浮力による自然
循環力が重要となる。この種の暖房装置は、従来は、第
６図に示すように冷媒加熱熱交換器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、
加熱されて気液二層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、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、特願
昭61−249961号のものは伝熱フィンを帯状のアルミニウ
ム製の板を波状に屈曲させて構成しているため、伝熱フ
ィンと平行接近面の部品精度を高度管理しても高温のブ
レージング中に変形が生じ、伝熱フィンを平行接近面に
全域を完全に密着することが困難であった。そのため、
密着しない伝熱フィンの比率に応じて熱交換効率が低下
するばかりでなく、密着しない伝熱フィンは高温となり
変形して熱交換器全体に応力を生じ破損、あるいは排ガ
ス通路を閉塞し燃焼状態の異常を生じた。本発明はかか
る従来の課題を解消するもので、伝熱フィンを押し出し
成型材で構成すると共に前記伝熱隔壁と一体的にし、か
つ前記伝熱隔壁側を大きく前記伝熱フィン厚さを不均一
に設けた構成により、単位面積当りの伝熱面積を増大で
き、伝熱隔壁側の通路面積を大きくし燃焼ガス伝熱隔壁
の近傍を多く流せるために熱交換を促進し、熱交換機を
高負荷コンパクトにできかつ、バーナ等で加熱する冷媒
過熱器の燃焼ガスによる熱で均一に加熱して効率よく伝
熱して熱効率を向上かつ安定化させるもので、フィンの
局部高温を生じなく信頼性の高いシステムとすることを
目的とする。

課題を解決するための手段 本発明は、燃料供給装置に接続したバーナに連通して
設けた燃焼室と、前記燃焼室の側面に連通して設けた燃
焼ガス出口と、この燃焼ガス出口に連通して設けた高温
ガス通路と、燃焼ガスが通過する前記高温ガス通路の外
周伝熱隔壁に密着した多数のフィンで分割し通路を構成
した伝熱フィンと、前記高温ガス通路の内壁を前記燃焼
室で構成し、前記高温ガス通路の外壁を構成する外周伝
熱隔壁とこの外周伝熱隔壁と密着した冷媒通路部材によ
り二重壁構成と、前記燃焼室の前記高温ガス通路と接し
ない残りの外面を覆う断熱材と、前記伝熱フィンを押し
出し成型材で構成すると共に前記伝熱壁と一体的にし、
かつ前記伝熱隔壁側を大きく前記伝熱フィン厚さを不均
一に設けた構成としたものである。

作用 本発明は、上記した構成によって、伝熱フィンを押し
出し成型材で構成することにより伝熱フィンの各々寸法
は高精度に加工できると共に、波状に屈曲させて構成し
た場合の様に残留応力も生じないため、伝熱隔壁と一体
的にするためブレージングするとき、伝熱フィンと伝熱
隔壁は全ての端面で確実に接することができる。そのた
め、ブレージングの時位置ぎめ保持治具の固定圧力も大
きく設定でき、伝熱フィンと伝熱隔壁は高圧力で全ての
面が密接した状態でブレージングできるため全域を完全
に密着することにより、伝熱フィンの全ての部分におい
ては燃焼ガスの熱を速やかに伝熱隔壁に伝熱する。この
ため、伝熱フィンの全ての部分が有効に作用して熱効率
を向上かつ安定化させるもので、フィン伝熱隔壁との不
密着によるフィンの局部高温を生じなく信頼性の高いシ
ステムとなる。また、伝熱フィンを押し出し成型材で構
成すると共に前記伝熱隔壁と一体的にし、かつ前記伝熱
隔壁側を大きく前記伝熱フィン厚さを不均一に設けた構
成により、単位面積当りの伝熱面積を増大でき、伝熱隔
壁側の通路面積を大きくし燃焼ガスを伝熱隔壁の近傍を
多く流せるために熱交換を促進し、熱交換器を高負荷コ
ンパクトにできかつ、最も高温となるフィンの先端を流
れる燃焼ガス量は相対的に減少するため、この温度を低
下できフィンの信頼性の高いシステムとなる。バーナ等
で加熱する冷媒加熱器の自然循環サイクルを、断熱構成
の燃焼室と連通して設けた燃焼ガス出口から噴出する燃
焼ガスが通過する前記高温ガス通路の外周伝熱隔壁に密
着した多数のフィンに連通した排気管を設けることによ
り冷媒通路から均一に蒸発を促進させ冷媒の循環量を増
加できる。そして、高温ガス通路の内壁を前記燃焼室で
構成し外壁を構成する外周伝熱隔壁とこの外周伝熱隔壁
と密着した冷媒通路部材で構成した二重壁構成により、
前記内壁から伝熱フィンを通じて冷媒通路に伝熱する為
伝熱効率が上昇しかつ多穴管構成の冷媒通路部材で構成
した二重壁構成により冷媒の燃焼ガス部への洩れ防止と
高温の燃焼室と冷媒通路を高温ガス通路で完全に分離し
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。

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８に連通して設けた燃焼室であり、11は伝熱
隔壁であり、12A、12Bは高温ガス通路であり燃焼室10に
連通して設けた燃焼ガス出口13と排気管24に連通し、外
側の伝熱隔壁11と内側を燃焼室10と仕切る内壁14で構成
している。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16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
でありそれぞれ入口管19、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、入口ヘッダーの他端
にはオイル抜き管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。22A、22Bは伝熱隔壁11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、多数のフィンと通
路を構成し伝熱隔壁11側のフィン厚さを大きく内壁14側
のフィン厚さを薄くし伝熱フィン厚さを不均一に設けた
押し出し成型材を、伝熱隔壁11にブレージング等により
一体的に構成している。燃焼室10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が設けてある。
また、高温ガス通路12A、12Bには、通路12Aから排気管2
4に連通する案内路25と、通路12Bからフィン22A、22Bの
外周を通り集合し排気管24に連通する案内路26を設けて
ある。

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に発生した高温ガスは
燃焼ガス出口13を通り高温ガス通路12A、12Bの伝熱フィ
ン22A、22Bの間を通り、排気通路25、26から排気管24に
流れる。冷媒入口管17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通
路16に分流し、伝熱フィン22A、22Bが高温ガス通路12内
の燃焼ガスから熱を熱的に連結された伝熱隔壁11から冷
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16内の冷媒を入口ヘッダー17に近い下部より加熱す
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16内を下方から上方に上昇
し、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。さらに通路16
の上部、下部においても設けた伝熱フィン22A、22B以外
の伝熱隔壁11全面も伝熱面積となり高温ガス通路12A、1
2Bを流れる加熱流体からより効率よく吸熱し通路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。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より放熱器（図示せず）に
向かって流出する。そして、伝熱フィン22A、22Bを押し
出し成型材で構成することにより伝熱フィンの各々寸法
は高精度に加工できると共に、波状に屈曲させて構成し
た場合の様に残留応力も生じないため、伝熱隔壁11と一
体的にするためにブレージングするとき、伝熱フィン22
A、22Bと伝熱隔壁11は全ての端面で確実に接することが
できる。そのため、ブレージングの時位置ぎめ保持治具
の固定圧力も大きく設定でき、伝熱フィン22A、22Bと伝
熱隔壁11は高圧力で全ての面が密接した状態でブレージ
ングできるため全域を完全に密着することにより、伝熱
フィン22A、22Bの全ての部分においては燃焼ガスの熱を
速やかに伝熱隔壁11に伝熱する。このため、伝熱フィン
22A、22Bの全ての部分が有効に作用して熱効率を向上か
つ安定化させるもので、フィン22A、22Bと伝熱隔壁11と
の不密着によるフィンの局部高温を生じなく信頼性の高
いシステムとなる。また、高温ガス通路12A、12Bの内壁
14と前記伝熱フィン22A、22Bとを、多数のフィンと通路
を構成し伝熱隔壁11側のフィン厚さを大きく内壁14側の
フィン厚さを薄くし伝熱フィン厚さを不均一に設けた押
し出し成型材で一体に構成することにより単位面積当り
の伝熱面積を増大でき、高温ガス通路12A、12Bは伝熱隔
壁11側の通路面積を大きくし燃焼ガスを伝熱隔壁11の近
傍を多く流せるために熱交換を促進し、熱交換器を高負
荷コンパクトにできかつ、最も高温となるフィン22A、2
2Bの先端を流れる燃焼ガス量は相対的に減少するため、
この部分での熱交換量が少なくなり高温ガスからの熱は
伝熱隔壁11に温度差が少なくて伝熱し、この温度を低下
できフィンの信頼性の高いシステムとなる。また、フィ
ンを押し出し材で構成することによりフィンのピッチと
フィン厚みは自由に設定できる。冷媒の流れに応じて、
フィンをピッチを変化することにより伝熱能力に分布を
設け燃焼ガスの流れ分布にかかわらず熱交換性能をコン
トロールできる。冷媒は出口管近傍を多く流れ端部の流
量は少ないから、この部分をフィンピッチを順次小さく
することにより均一伝熱効率となり、過熱を生じなくか
つ高効率となる。均一加熱はまた通路16内の流れを均一
化し流れの抵抗を低減させることにより気泡発生が増大
し、気泡上昇力は強められ自然循環力が強くなると共に
まだ気化していない液冷媒を伴って通路16の上部へ冷媒
を送る気泡ポンプ作用が発生する。さらに通路16の上
部、下部においても設けた伝熱フィン22A、22B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
加熱流体より効率よく吸熱し通路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。
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16の下部から上部に至るま
で均一に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のピッチを小さくする
ことによりさらに強く加熱することで自然循環力をさら
に増加させることができる。また、高温ガス通路12の内
壁を前記燃焼室10で構成し外壁を構成する外周伝熱隔壁
11とこの外周伝熱隔壁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
A、22Bを通じて冷媒通路16に伝熱する為伝熱効率が上昇
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
10と冷媒通路16を高温ガス通路12A、12Bで完全に分離し
たため局部過熱による冷媒の熱分解、劣化が生じ無くあ
るいは機器の異常温度上昇防止による信頼性の高いシス
テムである。燃焼室10の高温ガス通路12A、12Bと接する
内壁14以外の残りの外面は断熱材23で覆い放熱を防止す
る。

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22A、2
2Bとしてアルミニウム製の押し出し成型材で構成し、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10の内外面にアルミニウム製の伝熱フィ
ン22A、22Bおよびアルミニウム製の多穴偏平押し出し管
の冷媒通路部材16をもちいて組立て、同時に一体ブレー
ジングすることにより容易にフィンのピッチを可変でき
かつ熱的に連結でき、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。伝熱フィン22A、22Bとしてはアルミニウム製の
断面が格子状に複数段設けた押し出し成型材の形状とし
ては第２図に示すような多段に多穴を設け伝熱隔壁11側
の多穴を内壁11側の多穴より大きくし内壁14を一体にし
単位当りの伝熱フィン面積を増大したもの、第３図に示
すような櫛状にフィンを突起して設け内壁14を一体にし
たもの、第４図に示すような串状にフィンを両側に突起
して設け単位当りの伝熱フィン面積を増大したものを示
した。

第２図、第３図、第４図に示した様な押し出し成型材
を用いて高温ガス通路12A、12Bの内壁14を構成する一体
化により前記伝熱フィン22A、22Bと内壁14は一体のフィ
ンの効果があり燃焼室10からの熱が伝熱フィン22A、22B
を通じて冷媒通路16に高効率な熱交換効率で伝熱し、効
率アップと機器のコンパクト化が可能となる。また、冷
媒中にはコンプレッサーのオイルが常に溶存しており加
熱器で冷媒を気化させると次第にオイルが溜ってくる。
オイルが多く溜るとその粘性と低熱伝導のため冷媒の気
化、循環を阻害する。冷媒通路部材15の冷媒通路16の底
部の入口ヘッダー17に接続したオイル抜き管21を設けて
あるため加熱器にオイルが溜ると冷媒と一緒にオイルを
オイル抜き管から排出し確実にオイルを加熱器から除去
し冷媒の均一循環の維持により局部過熱による冷媒の熱
分解を生じなく信頼性の高いシステムである。

発明の効果 以上のように本発明の熱交換器によれば、燃料供給装
置に接続したバーナに連通して設けた燃焼室と、前記燃
焼室の側面に連通して設けた燃焼ガス出口と、この燃焼
ガス出口に連通して設けた高温ガス通路と、燃焼ガスが
通過する前記高温ガス通路の外周伝熱隔壁に密着した多
数のフィンで分割し通路を構成した伝熱フィンと、前記
高温ガス通路の内壁を前記燃焼室で構成し、前記高温ガ
ス通路の外壁を構成する外周伝熱隔壁とこの外周伝熱隔
壁と密着した冷媒通路部材による二重壁構成と、前記燃
焼室の前記高温ガス通路と接しない残りの外面を覆う断
熱材と、前記伝熱フィンを押し出し成型材で構成すると
共に前記伝熱隔壁と一体的にし、かつ前記伝熱隔壁側を
大きく前記伝熱フィン厚さを不均一に設けた構成で次の
効果が得られる。

（１） 伝熱フィンを押し出し成型材で構成すると共に
前記伝熱隔壁と一体的にし、かつ前記伝熱隔壁側を大き
く前記伝熱フィン厚さを不均一に設けた構成により、単
位面積当りの伝熱面積を増大でき、伝熱隔壁側の通路面
積を大きくし燃焼ガスを伝熱隔壁の近傍を多く流せるた
めに熱交換を促進し、熱交換機を高負荷コンパクトにで
きかつ、バーナ等で加熱する冷媒加熱器の燃焼ガスによ
る熱で均一に加熱して効率よく伝熱して熱効率を向上か
つ安定化させるもので、またフィンのピッチとフィンの
厚みは自由に設定できる。冷媒の流れに応じて、フィン
のピッチを変化することにより伝熱能力に分布を設け燃
焼ガスの流れ分布にかかわらず熱交換性能をコントロー
ルできる。冷媒は出口管近傍を多く流れ端部の流量は少
ないから、この部分のフィンピッチを順次小さくするこ
とにより均一伝熱効率となり、過熱を生じなくかつ高効
率となり高負荷コンパクトな熱交換器となる。

（２） 伝熱フィンを押し出し成型材で構成することに
より伝熱フィンの各々の寸法は高精度に加工できると共
に、波状に屈曲させて構成した場合の様に残留応力も生
じないため、伝熱隔壁と一体的にするためブレージング
するとき、伝熱フィンと伝熱隔壁は全ての端面で確実に
接することができる。そのため、ブレージングの時位置
ぎめ保持治具の固定圧力も大きく設定でき、伝熱フィン
と伝熱隔壁は高圧力で全ての面が密接した状態でブレー
ジングできるため全域を完全に密着することにより、伝
熱フィンの全ての部分においては燃焼ガスの熱を速やか
に伝熱隔壁に伝熱する。このため、伝熱フィンの全ての
部分が有効に作用して熱効率を向上かつ安定化させるも
ので、フィン伝熱隔壁との不密着によるフィンの局部高
温を生じなく、最も高温となるフィンの先端を流れる燃
焼ガス量は相対的に減少するため、この部分での熱交換
量が少なくなり高温ガスからの熱は伝熱隔壁に温度差が
少なくて伝熱し、この温度を低下できフィンの信頼性の
高いシステムとなる。

（３） 断熱構成の燃焼室と連通して設けた燃焼ガス出
口から噴出する燃焼ガスを燃焼ガスが通過する前記高温
ガス通路の外周伝熱隔壁に密着した多数の伝熱フィン高
温ガス通路の外周伝熱隔壁と縦方向の通路を有する多穴
管構成の冷媒通路部材で構成した熱交換器で燃焼ガスの
温度と流れを均一でき冷媒通路部材の各部を均一加熱で
き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
分解を生じなく均一加熱はまた通路16内の流れの抵抗を
低減させることにより気泡発生が増大し、気泡上昇力は
強められ自然循環力が強くなり熱交換効率が増大し機器
のコンパクト化が可能となり、また均一加熱により冷媒
の局部異常過熱を防止することにより冷媒の熱分解ある
いは機器の異常温度上昇防止による信頼性向上を図るこ
とができる。

（４） 外周伝熱隔壁と一体に冷媒通路部材を構成した
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
の燃焼室と冷媒通路を高温ガス通路で完全に分離したた
め局部過熱による冷媒の熱分解、劣化が生じ無くあるい
は機器の異常温度上昇防止により信頼性の高いシステム
であり簡単な構成でかつ気密性を維持でき排ガスが洩れ
ることがなく、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である。

（５） フィンを押し出し材で構成することは、残留応
力を除去できることと、フィン全てを密着できるため、
伝熱フィンは局部的に高温となり変形して熱交換器全体
に応力を生じ破損、あるいは排ガス通路を閉塞し燃焼状
態の異常を生じることがなく安全性と耐久性の高いもの
である。

【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器の一部切欠外
観斜視図、第２図は同器の冷媒通路部材と伝熱フィン部
の断面図、第３図、第４図はそれぞれ同器の伝熱フィン
の断面図、第５図は従来の冷媒加熱機の回路構成図、第
６図は従来の冷媒加熱機の外観斜視図である。 ８……バーナー、10……燃焼室、11……伝熱隔壁、12
A、12B……高温ガス通路、13……燃焼ガス出口、14……
内壁、15……冷媒通路部材、16……通路、22A、22B……
フィン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大橋 忠善 大阪府堺市海山町６丁224番地 昭和ア ルミニウム株式会社内 (72)発明者 高山 稔 大阪府堺市海山町６丁224番地 昭和ア ルミニウム株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−51664（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−105395（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F24H 9/00 F25B 41/00 F28D 7/00

Claims (1)

(57)【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に連通して
   設けた燃焼室と、前記燃焼室の側面に連通して設けた燃
   焼ガス出口と、この燃焼ガス出口に連通して設けた高温
   ガス通路と、燃焼ガスが通過する前記高温ガス通路の外
   周伝熱隔壁に密着した多数のフィンで分割し通路を構成
   した伝熱フィンと、前記高温ガス通路の内壁を前記燃焼
   室で構成し、前記高温ガス通路の外壁を構成する外周伝
   熱隔壁とこの外周伝熱隔壁と密着した冷媒通路部材によ
   る二重壁構成と、前記燃焼室の前記高温ガス通路と接し
   ない残りの外面を覆う断熱材と、前記伝熱フィンを押し
   出し成型材で構成すると共に前記伝熱隔壁と一体的に
   し、かつ前記伝熱隔壁側を大きく前記伝熱フィン厚さを
   不均一に設けた熱交換器。