JP3019548B2 - 熱交換器 - Google Patents

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中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
示すように冷媒加熱の熱交換機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、課題があった。

【０００６】また、冷媒が異常温度上昇する時、冷媒が
潜熱変化した後顕熱変化するため、この時、冷媒は急激
に温度上昇し、温度検知器の熱容量による応答遅れが生
じた。そのため冷媒が過熱し熱分解を発生し、性能劣化
や腐食等機器の信頼性で問題であった。

【０００７】本発明は上記課題を解決するもので、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、さらに冷媒加熱器に冷媒が不足した場
合等、冷媒が過熱した時直ちにこれを検知し機器の保護
とシステムの動作を正常化することを目的としたもので
ある。

【０００８】

【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、前記燃焼室に燃焼ガス出口に連通して設けた高温
ガス通路と、この高温ガス通路の外周伝熱隔壁に密着し
た高温ガス通路体の多数の伝熱フィンと、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にした冷媒通
路部材と、前記冷媒通路部材と対向した高温ガス通路に
位置する伝熱隔壁および高温ガス通路体に密着した伝熱
具と、前記伝熱具に対向した高温ガス通路体に温度検知
手段を設けた構成としてある。

【０００９】

【作用】本発明は上記構成によって、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
入口管より液相の状態で流入し、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
がなく冷媒の熱分解を生じない。

【００１０】そして、前記伝熱具に対向した高温ガス通
路体設けた前記温度検知手段により、冷媒加熱器に冷媒
が不足した場合等、冷媒が過熱した時直ちにこれを検知
し機器の保護とシステムの動作を正常化できる。

【００１１】すなわち、運転中、高温燃焼ガスの熱は、
伝熱フィンと伝熱隔壁で受熱し、伝熱隔壁から冷媒通路
部材に伝熱し、冷媒を加熱する。冷媒通路内の冷媒は、
熱を受けてその一部が気化し潜熱変化するため、冷媒の
圧力に応じて常に一定である。前記冷媒通路部材と反対
側において前記伝熱隔壁および高温ガス通路体に密着し
た伝熱具と、この伝熱具に対向した高温ガス通路体に温
度検知手段を設けた構成としたことにより、温度検知手
段は、伝熱具から熱を受けて一定の温度を保っており、
この伝熱具は、高温燃焼ガスの熱を受熱し、伝熱隔壁か
ら冷媒通路部材に伝熱し冷媒を加熱することで放熱して
熱的に平衡となり一定の温度となっている。冷媒が外部
に洩れる等、充填量の減少あるいは循環量が減少した
時、冷媒が潜熱変化した後顕熱変化に移行するため急激
に温度が上昇する。そのため、伝熱具から冷媒通路部材
に放熱する熱量は急減し、伝熱具は高温ガスからの受熱
によって、伝熱具と温度検知器の温度は急速に上昇し応
答遅れ無く温度検知器は動作する。そのため冷媒加熱器
に冷媒が不足した場合等冷媒が過熱する時、温度検知手
段の温度は直ちにこれを検知し機器の保護とシステムの
動作を正常化でき、冷媒の熱分解、劣化が生じ無く信頼
性の高いシステムになる。

【００１２】

【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。

【００１３】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を臨ませている。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の燃焼ガス
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
２２を通じて熱を均一に伝える。１４ａは燃焼室ケース
１０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１２
ａ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、多数枚としてある。燃焼室１０ａの高温ガス通路１
２と接しない残りの外面は全面を覆う断熱材２３を燃焼
ケース１０の内部に設けてある。高温ガス通路１２の伝
熱隔壁１１の一部にこの伝熱隔壁１１と高温ガス通路体
１２ａに密着して伝熱具２４を設け、この冷媒通路部材
１６に対向する位置の伝熱具２４と、この伝熱具２４と
対向した高温通路体１２ａに温度検知手段として温度ス
イッチ２５を取り付けた構成としたものである。本実施
例では、伝熱具２４、フィン１２、伝熱隔壁１１をアル
ミ材とし、伝熱具２４は伝熱フィン２２に嵌合した状態
で伝熱隔壁１１にブレージングロー付けすることによ
り、伝熱隔壁１１と伝熱フィン２２に伝熱具２４を密着
して設けてある。この伝熱具２４と接した高温ガス通路
体１２ａに温度スイッチ２５を熱伝導材を塗布して固定
ビス２６で保持している。２７は温度スイッチ２５の検
出出力によりシステムを制御する制御器である。

【００１４】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、下部においても設けた伝熱フィン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より放熱器（図
示せず）に向かって流出する。

【００１５】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１２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１０ａ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。

【００１６】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具
を嵌合させたアルミニウム製の伝熱フィン２２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た
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。

【００１７】運転中、高温ガス通路１２を流れる燃焼ガ
スの熱は、伝熱フィン２２とともに伝熱具２４でも受熱
する。この熱は伝熱隔壁１１から冷媒通路部材１５に伝
熱し、冷媒を加熱する。冷媒通路１６内の冷媒は熱を受
けてその一部が気化し潜熱変化するため、冷媒の圧力に
応じて常に一定温度である。冷媒通路部材１５に対向す
る伝熱具２４と、この伝熱具２４と対向した高温ガス通
路体１２ａに温度検知手段として温度スイッチ２５を設
けてあるため、この温度スイッチ２５は、伝熱具２４の
温度を検知し、伝熱具２５は伝熱フィン２２と高温ガス
から熱を受け冷媒通路部材１５に放熱して一定の温度に
平衡し保っているため、冷媒が外部に洩れる等、充填量
の減少あるいは循環量が減少した時、冷媒が潜熱変化し
た後顕熱変化に移行する時急激に温度が上昇する。その
ため、温度スイッチ２５の冷媒通路部材１５に放熱する
熱量は急減し、他方伝熱フィン２２、高温ガスからの熱
量は変わらないため、温度スイッチ２５の温度は急速に
上昇し応答遅れ無く検知し、制御器は動作する。

【００１８】このことにより、冷媒加熱器に冷媒が不足
した場合等冷媒が過熱する時、温度スイッチ２５の温度
は直ちにこれを検知し機器の保護とシステムの動作を正
常化でき、冷媒の熱分解、劣化が生じ無く信頼性の高い
システムになる。

【００１９】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。この場合、冷媒が減
少した時と同様に、冷媒通路１６に流れる冷媒流量は少
なくなり、冷媒流量が所定より少なくなると全て気化
（ガス化）して顕熱による温度上昇が生じ、温度検知手
段である温度スイッチ２５の温度が上昇する。この検出
出力により冷媒通路部材１５である冷媒通路１６の底部
に設けた入口ヘッダー１７に接続したオイル抜き管２１
から排出することにより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。

【００２０】図３は本発明の他の実施例を示し、伝熱具
２４には燃焼ガスが通過する高温ガス通路１２に両端が
連通するガス通路２８が設けてある。運転中、高温ガス
通路１２を流れる燃焼ガスの熱は、伝熱具２４の外周と
ともにガス通路２８をも流れ、熱を受熱する。このた
め、伝熱具２４は燃焼ガスから受ける熱量が大きくな
り、冷媒に放熱する熱量も大きい状態で平衡となるた
め、伝熱具２４と冷媒通路１６の温度勾配が大きくな
る。このため、冷媒が過熱する時、温度スイッチ２５の
温度上昇が早くなり、直ちに温度スイッチ２５がこれを
検知し機器の保護とシステムの動作を正常化でき、冷媒
の熱分解、劣化が生じ無く信頼性の高いシステムにな
る。

【００２１】この実施例の構成によれば、冷媒加熱器に
冷媒が不足した場合等、冷媒が過熱した時、温度検知手
段の時間的応答性が向上し直ちにこれを検知し機器の保
護とシステムの動作を正常化する。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、次の効果
が得られる。 （１）伝熱具は高温ガスから熱を受けることにより、温
度検知手段は応答遅れ無く検知でき、冷媒加熱器に冷媒
が不足した場合等冷媒が過熱した時、応答遅れなく直ち
にこれを検知し機器の保護とシステムの動作を正常化で
き、冷媒の熱分解、劣化が生じ無く信頼性の高いシステ
ムにできる。 （２）燃焼室から噴出した燃焼ガスは高温ガス通路を通
過させることにより、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ること
無く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た冷
媒通路部材を構成した二重壁構成により、冷媒を燃焼ガ
ス部と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）伝熱具に燃焼ガスが通過するガス通路を設けてい
るから、伝熱具の温度がさらに高温に保たれるため、異
常時には温度検知手段がより早く検知し機器の保護とシ
ステムの動作を正常化でき、冷媒の熱分解、劣化が生じ
無く信頼性の向上がはかれる。

【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断面図

【図２】同熱交換器の冷媒通路部材部分の断面図

【図３】本発明の他の実施例における熱交換器の部分断
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１２ａ 高温ガス通路体 １５ 冷媒通路部材 ２４ 伝熱具 ２５ 温度検知手段 ２８ ガス通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−213665（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−64398（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F28D 7/00 F24H 1/12 F25B 41/00

Claims (2)

(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を有する燃
   焼室と、前記燃焼室に燃焼ガス出口に連通して設けた高
   温ガス通路と、この高温ガス通路の外周伝熱隔壁に密着
   した高温ガス通路体の多数の伝熱フィンと、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にした冷媒
   通路部材と、前記冷媒通路部材と対向した高温ガス通路
   に位置する伝熱隔壁および高温ガス通路体に密着した伝
   熱具と、前記伝熱具に対向した高温ガス通路体に温度検
   知手段を設けた熱交換器。
2. 【請求項２】伝熱具には高温ガス通路に両端が連通する
   ガス通路を設けた請求項１記載の熱交換器。