JP6502852B2 - 熱風オーブン - Google Patents

Description

本発明は、複数の熱交換管を含む熱風オーブン、およびそのような熱交換管を使用する方法に関する。

パン焼きオーブンで食物を加熱調理するための熱風は、バーナで燃料を燃焼させ、排ガスの熱を交差流型管熱交換器を介して調理用空気に伝達することで、調理用空気が排ガスで汚染されることなく生成することができる。加熱した調理用空気は、オーブンの調理チャンバに送られる。従来のパン焼きオーブンは、加熱チャンバ内に配置されたＳ字形状のダクトを使用して、高温の排出空気をバーナから排気筒に送り、Ｓ字のほぼ水平な底部部分はバーナの出口に連結され、Ｓ字のほぼ水平な中間部分は、調理用空気を加熱する熱交換器パイプを含み、ほぼ水平な上部部分は排気筒に連結される。熱交換器パイプは、通常、円形の横断面、または短辺が丸い長方形の横断面を有する管の形態を取り、高い熱伝達係数の材料でできている。排ガスは、熱交換器の熱伝達管の内側（「高温側」として公知）を通り、調理用空気は、管の外側（熱交換器の「低温側」として公知）のまわりを、管の内側の流れにほぼ垂直な方向に流れるように強制される。通常、調理用空気は、オーブンの調理チャンバに送られる前に、排ガスが最も低い温度にある加熱チャンバの底部からチャンバに入り、上方に向かって循環して、熱交換器管と温度が最も高いバーナ排出管とを通り過ぎる。空気のこの流れはファンによって生じる。排ガスから調理用空気に伝達される熱量は、排ガスおよび調理用空気と接触する熱交換器面の表面積と、（とりわけ、使用される材料および材料の面特性と、熱交換器内および熱交換器のまわりの空気流との影響を受ける）熱交換器の熱伝達係数と、熱交換器の壁の両側間の温度差との影響を受ける。従来の熱交換器は比較的コンパクトであり、良好な効率を有するが、それでもなお、広い空間を占有し、パン焼きオーブンの設置面積に大きくかかわる寄与物である。従来の熱交換器の効率を改善することが望ましい。これは、効率が高くなることで、同じ量の調理用空気を加熱するのに必要とされる燃料が少なくなることから、設置面積がより小さく、かつ／またはランニングコストがより低いパン焼きオーブンを製造できるという利点をもたらす。熱交換器において、排ガスから調理用空気への熱の流れを増加させる従来の方法には、熱交換器管の形状を変えて、調理用空気に触れる表面積を大きくするか、またはより多くの管を増設するものがある。そのような方策は、効率を若干高くするが、低温側の空気摩擦が大きくなるという代償を払うことになり、この空気摩擦の増大により、より大きなファンの使用が必要になり、ランニングコストが高くなる。

英国特許第２４２４２６５号明細書は、一体化ファンを有する熱交換管に関する。その背景技術において、加熱された流体が中を流れる導管に可能な限り大きい表面積を付与して、熱伝達を最大化するのは周知の事実であると述べている。管状体の内部は、通常、複数の長手方向通路に分割され、通路間の分割壁は、管状体を強化するようにも、通路を流れる流体との間で熱の伝達を行うことができる表面積を大きくするようにも機能する。

米国特許出願公開第２００３／２０９３４４号明細書は、複数の副通路に分割された通路をそれぞれが有する管を含む熱交換器に関する。各副通路は、形状が略長方形であり（他の幾何形状についても言及されている）、フィンの付いた内壁面を有する。

独国特許第１０２００５０２０７２７号明細書および欧州特許第０３５９３５８Ｄ３号明細書も、２つまたは数個のチャネルを有する管を設けた熱交換器に関する。

しかし、背景技術の先行技術文献のいずれも、特に、熱風オーブンでの使用に適した任意の熱交換器管を含まない。

本発明は、熱交換器管の外側の空気摩擦を大きくすることなく、熱風オーブン内の管熱交換器の効率をどのようにして改善するかという課題を、請求項１の特徴を有する熱交換器管を用いて解決する。

したがって、本発明は、複数の熱交換器管からなる少なくとも２つの列を含む交差流型管熱交換器を設けた熱風オーブンに関する。各列の熱交換器管は、基本的に水平面に配置され、１つの列の熱交換器管は、隣接する列の熱交換器管に対して所定の関係にある。各熱交換器管には、管壁を有する細長い管が含まれ、細長い管の内部には、少なくとも１つの長手方向に延びる内壁が設けられ、この内壁は、細長い管の内側表面の一方の側から内側表面の他方の側に向かって延びる。所定の関係には、隣接する列の管が垂直方向に一列に整列するか、または隣接する管が垂直方向にずれることが含まれるのが好ましい。

有利にも、熱交換器管の列は、交差流型管熱交換器の中間部分に配置される。

好ましい実施形態は従属請求項に記載される。

本発明による熱風オーブンは、従来の熱交換器が使用される場合と比較して効率を改善したものである。この場合に、効率が高くなることで、同じ量の調理用空気を加熱するのに必要とされる燃料が少なくなることから、設置面積がより小さく、かつ／またはランニングコストがより低いパン焼きオーブンを製造することが可能である。パン焼きオーブンは特別な要件を有し、外側（パン焼き空気流）は乱流的であり、高い熱伝達能力を有する。内側はかなり低い空気質量流量（約１／１０）を有するが、内側表面を広くすることで熱流束が増えて、効率が改善される。結果として、外側で面を大きくしても効率は改善されず、逆に、設置面積を大きくし、コストを上げる。

排ガスとパン焼き空気との間の温度差（ΔＴ）が小さくなるにつれて、大きな面が必要とされる。ΔＴが大きい場合、小さい表面積が必要とされ、より高い温度により、加熱要素の熱流束が増える。しかし、より大きいΔＴは表面の温度を高くし、耐熱鋼などのより専用性の高い材料を使用せざるを得なくなる。本発明は、内側表面の面積を最適化して、他方の面の温度を、使用される材料にとっての最適範囲に合致させることを可能にする。本発明の一実施形態では、熱交換器管の内側表面の面積が特定の位置で縮小される。例えば、熱流束を減らし、外側表面の温度を下げるためにバーナに近接する。この特徴は、温度制御を改善し、温度を最適範囲に調整するのを改善する。

パン焼きオーブン用の従来の交差流型管熱交換器の簡略化した側面図を概略的に示している。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った熱交換器管の断面図を概略的に示している。 本発明の第１の実施形態による熱交換器管を設けたパン焼きオーブン用の交差流型管熱交換器の簡略化した側面図を概略的に示している。 図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った熱交換器管の断面図を概略的に示している。 本発明による熱交換器管の第２の実施形態の、図４の断面図に相当する断面図を概略的に示している。 本発明による熱交換器管の第３の実施形態の、図４の断面図に相当する断面図を概略的に示している。 本発明による２列の熱交換器管の断面図を概略的に示している。 熱交換器管の実施形態の様々な図を示している。

図１は、従来の交差流型管熱交換器３を有するパン焼きオーブン１の簡略化した側面図を概略的に示している。熱交換器は加熱チャンバ５の内部にあり、加熱チャンバ内では、加熱される調理用空気は、上側の導入通気口７から流れて高温熱交換器を通り過ぎ、ユニットのベース部近くの出口９に至る。空気の流量はファン１１によって制御可能である。調理用空気を加温する高温の排ガスは、ガスまたはオイルなどの燃料を燃焼させるバーナ１３によって生成される。排ガスは、バーナから排気筒１７まで案内する気密ダクトシステム１５を通る。ダクトシステム１５は、３つの水平部分と３つの垂直部分とを有するＳ字形状である。Ｓ字のほぼ水平な底部部分１９は、その入り口端２１でバーナの出口２３に連結され、その出口端２５で下側垂直部分２８の入り口２７に連結されている。下側垂直部分の出口端２９は、Ｓ字のほぼ水平な中間部分３５を形成する複数の熱交換器管３３の入り口端３１に連結されている。これらの熱交換器パイプは、パイプ内部の排ガスから、パイプを通り過ぎる調理用空気に熱エネルギを伝達する。熱伝達管の出口端３７は、中間垂直部分４１の入り口端３９に連結されている。中間垂直部分の出口端４３は、上側水平部分４７の入り口端４５に連結されている。上側水平部分の出口端５１は、冷却された排ガスが出て行く、開放された上側端部を有する排気筒５５の下側入り口端５３に連結されている。

図２に示すように、各熱交換器管３３は、両端が丸い長方形形状の断面を有する、すなわち、断面は、距離Ｄだけ隔てられ、曲率径Ｄの凸形湾曲端部対５９’、５９’’によって連結された、２つの直線状で平行な長辺５７’、５７’’を有する。各熱交換器管の薄い管壁６１は、良好な熱伝導性および耐腐食性を有する材料、例えば、純粋な、または合金化されたアルミニウム、銅、または鉄などの金属でできている。

図３は、図１に示すタイプであるが、本発明の第１の実施形態による熱交換器管３３３を有する交差流型管熱交換器３０３を設けられたパン焼きオーブン３０１の簡略化した側面図を概略的に示している。図４に示すように、熱交換器管は、従来の管と同じ外部形状を有する、すなわち、距離Ｄだけ隔てられ、短い端部対３５９’、３５９’’によって連結された、２つの直線状で平行な長辺３５７’、３５７’’を含む断面を有する。本発明のこの実施形態では、短い端部は凸形であり、曲率径Ｄを有する。各熱交換器管３３３の薄い管壁３６１は、良好な熱伝導性および耐腐食性を有する材料、例えば、純粋な、または合金化されたアルミニウム、銅、または鉄などの金属でできている。これらの熱交換器管の内部には、１つまたは複数の（この例では２つの）長手方向に延びる内壁３６３、３６３’’が設けられている。各内壁は、熱交換器壁３６１の一方の長辺３５７’から反対側の長辺３５７’’まで及び、このため、熱交換器管を、排ガスが中を流れる３つの細長いコンパートメント３６５’、３６５’’、３６５’’’に分割している。好ましくは、コンパートメントは閉鎖される、すなわち、コンパートメント間の横断排ガス流れは全くなく、これは、排ガスに触れるコンパートメントの壁の表面積を最大限にする。しかし、代替案として、流れに乱流を引き起こすために、内壁の１つまたは複数は穴をあけることができる。内壁は、良好な熱伝導性および耐腐食性を有する材料、例えば、純粋な、または合金化されたアルミニウム、銅、または鉄などの金属でできていて、熱交換器管の薄い壁３６１と同じ材料でできているのが好ましい。内壁と熱交換器管壁の内側表面との間の接合は、内壁から熱交換器管壁への良好な熱伝達をもたらすように構成されるのが好ましい。内壁は、例えば、押出成形によって外壁と一体で形成されるか、または熱伝達ペーストを構成要素間に塗った状態で、溶接もしくはリベット打ちで互いに接合されるのが好ましい。使用中に、内壁は、細長いコンパートメント内の排ガス流れによって加熱され、内壁は、この熱を伝導によって熱交換器管壁に伝達する。したがって、内壁は、熱交換器管の内部の中心で排ガスと接触する。従来の熱交換器管では、熱交換器管の内部の中心にある排ガスは、熱交換器管の壁と接触せず、単に、比較的ゆっくりと熱を失うに過ぎない。本発明では、内壁は、排ガスから熱エネルギを抽出し、その熱エネルギを外壁に伝達し、これは、熱が従来の管熱交換器よりも迅速に排ガスから抽出されるのを可能にする。これは、本発明による管熱交換器が、より大型の従来の管熱交換器と同程度に機能するのを可能にする。

図５は、本発明による熱交換器管対５３３の第２の実施形態の断面図を示している。この実施形態では、これらの熱交換器管の内部には、１つまたは複数の（この例では４つの）長手方向に延びる内壁５６３’、５６３’’、５６３’’’、５６３’’’’が設けられている。各内壁は、一方の長辺５５７’から反対側の長辺５５７’’に向かって延びているが、接触していない。これは、熱交換器管を、排ガスが中を流れる３つの開放された（すなわち、排ガスが一方のコンパートメントから別のコンパートメントに流入するのを妨げるものがない）細長いコンパートメント５６５’、５６５’’、５６５’’’に分割する。内壁の最も内側の端部および／または露出面は、排ガスから内壁への熱エネルギの伝達の助けとするために乱流を誘発するように粗面化または成形することができる。

図６は、本発明による熱交換器管の第２の実施形態の断面図を示している。この実施形態では、熱交換器管の短辺６５９’、６５９’’は直線状であり、熱交換器管は方形断面を有する。これらの熱交換器管の内部には、１つまたは複数の（この例では３つの）長手方向に延びる内壁６６３’、６６３’’、６６３’’’が設けられている。各内壁は、一方の長辺６５７’から反対側の長辺６５７’’まで延びている。各内壁は、熱交換器管の長辺に平行に配置された中心壁６６９によって、その隣接する１つまたは複数の壁に連結されている。各中心壁６６９は、外壁から最も遠くに離れた排ガスが熱エネルギを抽出されるのを保証するように、熱交換器管の対称線上に配置されるのが好ましい。これらの内壁は、熱交換器管を、排ガスが中を流れる８つの閉じた、細長いコンパートメントに分割している。

図７は、排ガスが通るＳ字形状のダクトシステムの水平中間部分の、図３のＩＶ−ＩＶに沿った断面図を示している。この実施形態では、中間部分は、複数の熱交換器管７３３からなる、基本的に水平方向に配置された２つの列７３４を含む。熱交換器管の列は、必ずしも中間部分に配置されるのではなくて、交差流型熱交換器の上側または下側部分にも配置される。この図示した実施形態では、１０個の管が各列に設けられているが、当然ながら、数個以上の管を配置することができる。これらの各管は、本願で説明した熱交換器管のいずれかとすることができる。図示した実施形態では、各管には、各管内で３つの独立したチャネルを画定する、長手方向に延びる壁が設けられている。図では、調理用空気は、垂直方向の矢印で示されている。

図８は、図７に示すのと同様な実施形態を示している。この実施形態では、熱交換器管８３３の２つの列８３４は互いに対してずれている。これは、調理用空気が、交換器管の下側の列の排ガス流れの熱にいっそうさらされやすくなっている点で有利である。

図９および図１０は、２つの折り曲げた同一金属板部品で構成された好ましい熱交換器管の簡略化した断面図である。図９は、好ましくは溶接または融着によって結合される前の２つの部品９３１、９３２を示し、図１０は、結合された熱交換器管１０３３の断面図を示している。図１１には、結合して熱交換器管を形成する前の２つの折り曲げた金属板部品９３１、９３２を示す斜視図が示されている。図９〜１１に示すように製造された熱交換器管は、低製造コストおよび優れた熱伝達能力といった高い要件を満たしたものである。

本発明のすべての実施形態において、長手方向に延びる内壁の最も内側の端部および／または露出面は、排ガスから内壁への熱エネルギの伝達の助けとするために、乱流を誘発するように粗面化、穴あけ、または成形することができる。内壁は、良好な熱伝導性および耐腐食性を有する材料、例えば、純粋な、または合金化されたアルミニウム、銅、または鉄などの金属でできているのが好ましく、熱交換器管の薄い壁３と同じ材料でできているのが好ましい。熱交換器管壁の内壁と内側表面との間の接合は、内壁から熱交換器管壁への良好な熱伝達をもたらすように構成されるのが好ましい。内壁は、例えば、押出成形によって外壁と一体に形成されるか、または溶接もしくはリベット打ちで互いに接合されるのが好ましい。熱交換器管が、複数の構成要素を組み立てることで製造される場合、構成要素間の高い熱伝導性を保証するために、構成要素間に熱伝達ペーストを使用するのが好ましい。

本発明によれば、長手方向に延びる内壁は直線状とされて、熱交換器管の長手軸と整列してよいし、または螺旋状のフルートのように湾曲してもよい。

本発明の一実施形態では、熱交換器管の内側表面の面積が特定の位置で、すなわち、熱交換器管の長手方向に沿って縮小される。これは、例えば、長手方向の内壁５６３’、５６３’’、５６３’’’、５６３’’’’の高さを管の長手方向に高くすることで達成される。１つの有益な例では、熱交換器管の内側表面の面積は、バーナの近くでより小さく、さらに空気流の方向に大きくなる。それによって、熱流束が減少し、さらに熱交換器管の外側表面の温度も低下する。この特徴は、温度制御と、温度の最適範囲への調整実現性とを向上させる。

本発明による熱交換器管は、第１の流体から第２の流体に熱エネルギを交換する方法で使用することができ、この方法において、第１の流体は第２の流体よりも高温であり、第１の流体は、本発明による熱交換器管の内部に沿って流れ、低温の方の第２の流体は、前記熱交換器管の外側を流れるか、またはその逆である。好ましくは、熱交換器管の外側の流体は、上記および図に示したように、熱交換器管にほぼ垂直に交差して流れるか、または反対方向に流れるか、または熱交換器管の内部の流体の流れ方向に対して９０°以外の角度で流れる。

本発明が、短い端部が直線状かまたは丸い略方形断面の熱交換器管を用いて説明されたが、本発明の内壁を任意の実用断面形状の管とともに使用することが可能である。

本発明は上記に示した例に限定されるのではなくて、添付の請求項の範囲内で変更することができる。

Claims (10)

1. 複数の熱交換器管（３３３、５３３、６３３、７３３、８３３）からなる少なくとも２つの列（７３４、８３４）を含む交差流型管熱交換器を設けた熱風オーブンであって、
   前記熱交換器管は、加熱チャンバ（５）内に配置され、加熱される調理用空気が前記加熱チャンバ内を流れて高温の前記熱交換器管を通り過ぎるように構成され、前記調理用空気を加温する高温排ガスはバーナによって生成され、前記排ガスは、前記バーナから排気筒まで案内する前記熱交換器管を含む気密ダクトシステムを通り、各列の前記熱交換器管は、基本的に水平面に配置された、熱風オーブンにおいて、
   各熱交換器管は、直線状であり、断面において、管壁（３６１）を有する細長い管（３３３）を実現しており、前記細長い管の内部には、少なくとも１つの長手方向に延びる内壁（３６３’、３６３”）が設けられ、前記内壁は、前記細長い管の内側表面の一方の側から前記内側表面の他方の側に向かって延び、前記内壁は前記排ガスによって加熱されるように配置され、この熱を伝導によって前記熱交換器管の壁に伝達し、
   前記管は、距離Ｄだけ隔てられ、曲率径Ｄの凸形湾曲端部対（５９’、５９’’）によって連結された、２つの直線状で平行な長辺（５７’、５７’’）を備えた断面を有し、
   少なくとも１つの前記内壁は、一方の長辺から他方の長辺まで延びることを特徴とする熱風オーブン。
2. １つの列の熱交換器管が隣接する列の前記熱交換器管に対する関係には、隣接する列の前記管が垂直方向に一列に整列することが含まれる、請求項１に記載の熱風オーブン。
3. １つの列の熱交換器管が隣接する列の前記熱交換器管に対する関係には、隣接する前記管が垂直方向にずれることを含まれる、請求項１に記載の熱風オーブン。
4. 前記熱交換器管の列は、交差流型管熱交換器の中間部分に配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱風オーブン。
5. 前記少なくとも１つの内壁は、前記内側表面の一方の側から延び、前記内側表面の他方の側と接触する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱風オーブン。
6. 各前記少なくとも１つの内壁は中実であり、前記管は、長手方向に延びるコンパートメント（３６５’、３６５’’、３６５’’’）に分割され、前記少なくとも１つの内壁（３６３’、３６３’’）は、前記コンパートメント間の横断流れを妨げるように構成されている、請求項５に記載の熱風オーブン。
7. 前記管は、それぞれが１つの細長い平面金属板から折り曲げられ、次いで結合されて前記管を形成する２つの同一金属板部品（９３１、９３２）で構成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱風オーブン。
8. 熱エネルギを第１の流体から第２の流体に交換する方法であって、前記第１の流体が、請求項１〜７のいずれか１項に記載の前記熱風オーブンの前記熱交換器管内を通過させられ、前記第２の流体が前記熱交換器管の外側を通過させられることを特徴とする方法。
9. 前記第２の流体は、前記第１の流体の流れ方向に交差する方向に通過させられる、請求項８に記載の方法。
10. 前記第２の流体は、前記第１の流体の流れ方向と反対の方向に通過させられる、請求項８に記載の方法。

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