JP2018525599A - 熱交換器 - Google Patents

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Abstract

本発明の熱交換器は、複数のプレート間の空間に暖房水が流動する暖房水流路と、温水が流動する温水流路、およびバーナーで燃焼した燃焼ガスが流動する燃焼ガス流路が隣接して交互に形成された熱交換部を具備するものの、前記熱交換部は、燃焼室の外側を包み込み、前記プレートの一側領域で構成されて前記バーナーの燃焼によって発生した燃焼ガスの顕熱を利用して暖房水を加熱する暖房顕熱部、前記プレートの他側の一部の領域で構成されて前記暖房顕熱部で熱交換を終えた燃焼ガスに含まれた水蒸気の潜熱を利用して暖房水を加熱する暖房潜熱部、および、前記プレートの他側の残りの領域で構成されて前記暖房潜熱部を通過した燃焼ガスに含まれた水蒸気の潜熱を利用して直水を加熱する温水潜熱部、からなることを特徴とする。【選択図】図2

Description

本発明は熱交換器に関するものであって、さらに詳細には多数個のプレートを積層させて暖房顕熱部と暖房潜熱部および温水潜熱部を一体に形成することによって組立構造を簡素化すると共に熱交換効率を向上させた熱交換器に関するものである。
暖房用または温水用として用いられるボイラーは、暖房水または直水(以下、「熱媒体」という)を、熱源によって加熱させて所望の地域に暖房を行ったり温水を供給する装置であって、ガスと空気の混合気を燃焼させるバーナーと、燃焼ガスの燃焼熱を熱媒体に伝達する熱交換器とを含んで構成される。
初期に生産されたボイラーは、バーナーの燃焼時に発生する顕熱のみを利用して熱媒体を加熱する方式の熱交換器を用いていたが、最近生産されるボイラーは、熱効率を向上させるために燃焼室から発生する燃焼ガスの顕熱を吸収する顕熱熱交換器と、前記顕熱熱交換器で熱交換を終えた燃焼ガスに含まれている水蒸気が凝縮する際に発生する潜熱を吸収する潜熱熱交換器とを具備したコンデンシングボイラーが用いられている。このようなコンデンシングボイラーは、ガスボイラーだけでなく、油ボイラーにも実用化されてボイラー効率の増加および燃料費の節減に大いに寄与している。
このようなコンデンシングボイラーと関連した先行技術は、大韓民国特許登録第10−0976032号に開示されている。しかし、前記のような従来のコンデンシングガスボイラーは、バーナーから出た熱を熱交換器で暖房水が吸収し、暖房水が吸収した熱を給湯熱交換器だけを利用して直水を温水で加熱するため、温水を暖めて還水される暖房水の温度が高く、コンデンシン効率が低くなるすなわち、熱効率が低下する問題点があった。
また、顕熱交換部と潜熱交換部はそれぞれ別途の熱交換パイプを利用して製作するため、生産単価が高く製造工程が複雑になる問題点があった。
一方、前記のように、顕熱熱交換器と潜熱熱交換器で構成される従来のコンデンシング方式の熱交換器は、通常ハウジングの上部に送風機と燃料供給ノズルおよびバーナーが設置され、前記バーナーの下側に、ハウジングの内部には熱交換パイプの外側に熱交換フィンが結合された顕熱熱交換器と潜熱熱交換器とが順に設置された構造となっている。しかし、このような従来のコンデンシング方式の熱交換器においては、ハウジングの上部に位置する送風機と、ハウジングの内部に個別的に構成された顕熱熱交換器と潜熱熱交換器の構造上、熱交換器の体積が大きくなる問題があった。
このような問題を解消し、最小限の体積を有するようにしつつ、熱交換効率を向上させるための先行技術の一例として、韓国登録特許第10−0813807号には、中央にバーナーが位置し、バーナーの周りにコイル状に巻かれた熱交換パイプで構成された熱交換器が開示されている。
前記先行技術文献に紹介された熱交換器は、チューブを平たい形態に成形しているため、熱伝達媒体部に圧力が加えられる場合、丸い形態に変形する問題を有しており、チューブを巻き上げて製作するため、厚さが厚くなる問題がある。
また、従来の熱交換器は、熱交換管が燃焼室の周りにコイル状に巻かれた構造で形成されており、熱媒体が熱交換管に沿って一方向にのみ流動するようになり、燃焼ガスと熱媒体との間の熱交換がコイル状に形成される熱交換器の周辺の局部的な空間でのみ行われるため、伝熱面積を広く確保することができない短所がある。
本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであって、多数個のプレートを積層させて暖房顕熱部と暖房潜熱部および温水潜熱部を一体に形成することによって組立構造を簡素化すると共に、暖房潜熱部と温水潜熱部で燃焼ガスの凝縮潜熱を吸収することによって暖房および温水使用時の熱効率を向上させ、熱効率が上昇することによって温水使用時に直水を予熱して温水の供給が速かに行われ得る熱交換器を提供することにその目的がある。
本発明の他の目的は、限定された空間に熱媒体の流動経路を長く形成して、熱媒体と燃焼ガスとの間の伝熱面積を広く確保する一方、熱媒体と燃焼ガスとの間の熱交換効率を最大化することができる熱交換器を提供することにある。
前述した目的を具現するための本発明の熱交換器は、複数のプレート間の空間に暖房水が流動する暖房水流路と、温水が流動する温水流路、およびバーナー100で燃焼した燃焼ガスが流動する燃焼ガス流路が隣接して交互に形成された熱交換部200を具備し、前記熱交換部200は、燃焼室(C)の外側を包み込み、前記プレートの一側領域で構成されて前記バーナー100の燃焼によって発生した燃焼ガスの顕熱を利用して暖房水を加熱する暖房顕熱部200A、前記プレートの他側の一部の領域で構成されて前記暖房顕熱部200Aで熱交換を終えた燃焼ガスに含まれた水蒸気の潜熱を利用して暖房水を加熱する暖房潜熱部200B、および、前記プレートの他側の残りの領域で構成されて前記暖房潜熱部200Bを通過した燃焼ガスに含まれた水蒸気の潜熱を利用して直水を加熱する温水潜熱部200C、からなることを特徴とする。
本発明に係る熱交換器によると、多数個のプレートを積層させて暖房顕熱部と暖房潜熱部および温水潜熱部を一体に形成することによって熱交換器の組立構造を簡素化すると共に、暖房潜熱部と温水潜熱部で燃焼ガスの凝縮潜熱を吸収することによって暖房および温水使用時の熱効率を向上させ、熱効率が上昇することによって、温水使用時に直水を予熱した後に暖房水を利用して加熱することによって直水の加熱に要される時間が短縮されて、温水の供給が速かに行われ得る。
また、複数で積層されるプレートは暖房顕熱部が上部に位置し、暖房潜熱部と温水潜熱部が下部に位置するように直立構造からなり、バーナーは円筒形のバーナーであって、燃焼室の空間に正面から水平方向に挿入されて組み立てられるように構成することによって、熱交換器の清掃などのメンテナンス時にバーナーの分解および組立が容易であり、燃焼室側に接近するための作業空間を広く確保することができる。
また、類似するパターンで製作された多数の単位プレートを積層させて多重並列の流路を有する温水潜熱部と暖房潜熱部、直列の流路を有する暖房顕熱部を一体に形成することによって、温水と暖房水の流動抵抗を減らしながらも限定された空間内に暖房水の流動経路を長く形成して熱交換効率を最大化することができる。
また、暖房顕熱部暖房水流路内にガイド部を形成して暖房水が燃焼室の中央に向かって流動するように誘導することによって、暖房水とバーナーの燃焼熱間の熱交換効率を向上させることができる。
また、多数個の単位プレートが積層されて構成される熱交換部の内部には、暖房水流路と温水流路および燃焼ガス流路が形成されると共に、燃焼ガスが通過する外側面を密閉する外壁構造が一体型に形成されるため、熱交換器の設置構造を簡素化することができ、温水潜熱部の下部に一定の間隔で多数個の燃焼ガス通過部が形成されるため、燃焼ガスの流動抵抗を減少させ騒音および振動の発生を最小化することができる。
また、暖房顕熱部の後方に暖房潜熱部暖房水流路を通過した暖房水が暖房顕熱部暖房水流路に流動するように暖房水の連結流路を提供すると共に、燃焼室の断熱のための水タンク冷却部を具備することによって、燃焼室の断熱構造を簡素化すると共に暖房水の流動抵抗を減少させることができる。
本発明の熱交換器が備えられたコンデンシングガスボイラーの構成図。 本発明に係る熱交換器の斜視図。 本発明に係る熱交換器の右側面図。 本発明に係る熱交換器の正面図。 本発明に係る熱交換器の分解斜視図。 図5に図示された単位プレートの一部を拡大して図示した斜視図。 暖房潜熱部と暖房顕熱部を経由する暖房水の流動経路と、温水潜熱部を経由する温水の流動経路を示した斜視図。 図4のA−A線に沿って切開した斜視図。 図4のB−B線に沿って切開した斜視図。 図4のC−C線に沿って切開した斜視図。 図4のD−D線に沿って切開した斜視図。 図4のE−E線に沿って切開した斜視図。 図4のF−F線に沿って切開した斜視図。 図4のG−G線に沿って切開した斜視図。 図4のH−H線に沿って切開した斜視図。 図4のI−I線に沿って切開した斜視図。 図4のJ−J線に沿って切開した斜視図。 図4のK−K線に沿って切開した斜視図。 温水潜熱部の下部に燃焼ガス通過部が形成された様子を示した斜視図。 暖房水がガイド部によって燃焼室の内側に向かう方向に誘導される状態を示している図面。
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例についての構成および作用を詳細に説明する。
まず、図1を参照して本発明の熱交換器が備えられたコンデンシングガスボイラーについて説明する。
本発明の熱交換器1が備えられたコンデンシングガスボイラーは、暖房還水流入管11を通じて流入した暖房水を貯蔵する膨張タンク20と、前記膨張タンク20から排出された暖房水を暖房還水排出管12を通じて循環させる循環ポンプ30と、バーナー100で生成した燃焼ガスと暖房水および直水との間に熱交換が行われる熱交換器1と、暖房の稼動時には暖房水供給管13に暖房水を供給し、温水使用時には給湯熱交換器50側のバイパス管14に暖房水を供給する三方バルブ40、および暖房水と温水との間に間接熱交換が行われる給湯熱交換器50を含む。
前記熱交換器1の熱交換部200は、燃焼ガスの顕熱を利用して暖房水を加熱する暖房顕熱部200Aと、前記暖房顕熱部200Aを通過した燃焼ガスの潜熱を利用して暖房水を加熱する暖房潜熱部200Bと、前記暖房潜熱部200Bを通過した燃焼ガスの潜熱によって直水が加熱されて温水を生成した後、給湯熱交換器50に供給するようにする温水潜熱部200Cで構成される。
直水流入管15を通じて流入した直水は温水潜熱部200Cで加熱された後、温水排出管16を通じて給湯熱交換器50に供給される。この場合、前記暖房顕熱部200Aから供給された暖房水と前記温水潜熱部200Cから供給された温水は給湯熱交換器50で熱交換が行われ、温水供給管17を通じて使用者が所望する温度の温水を供給するようになる。
前記循環ポンプ30によって圧送された暖房水は、暖房潜熱部200Bに先に供給されてバーナー100で生成した燃焼ガスとの熱交換が一次的に行われ、前記暖房潜熱部200Bを通過した暖房水は暖房顕熱部200Aに供給されて前記燃焼ガスとの熱交換が2次的に行われた後、暖房水供給管13を通じて暖房所要先に供給される。
以下、本発明の熱交換器1の構成および作用を説明する。
図2〜図7を参照する。本発明の一実施例に係る熱交換器1は、空気と燃料の混合気を燃焼させて燃焼熱と燃焼ガスとを発生させるバーナー100と、前記バーナー100の周りに備えられてバーナー100の燃焼によって発生する燃焼ガスと熱媒体との間に熱交換が行われ、複数のプレートが積層されて構成される熱交換部200と、前記熱交換部200を通過した燃焼ガスが排出される燃焼ガス排出部300とを含む。
前記バーナー100は円筒形のバーナーであって、熱交換部200に設けられる燃焼室(C)の空間に正面から水平方向に挿入されて組み立てられ、これによって、バーナー100の着脱および熱交換器1のメンテナンス作業の便宜性を向上させ得る。
前記熱交換部200は、燃焼室(C)の外側を包み込み、前記プレートの一側領域で構成されてバーナー100の燃焼によって発生した燃焼ガスの顕熱を利用して暖房水を加熱する暖房顕熱部200Aと、前記プレートの他側の一部の領域で構成されて前記暖房顕熱部200Aで熱交換を終えた燃焼ガスに含まれた水蒸気の潜熱を利用して暖房水を加熱する暖房潜熱部200B、および前記プレートの他側の残りの領域で構成されて前記暖房潜熱部200Bを通過した燃焼ガスに含まれた水蒸気の潜熱を利用して直水を加熱して温水を生成する温水潜熱部200Cで構成される。
前記複数のプレートは暖房顕熱部200Aが上部に位置し、暖房潜熱部200Bおよび温水潜熱部200Cが下部に位置するように直立構造に配置されて前後方に積層される。
前記燃焼ガス排出部300は、温水潜熱部200Cの下部を覆う下部蓋310と、前記下部蓋310の一側に連結されて上側に延びる燃焼ガス排出管320と、で構成される。前記下部蓋310の下部には温水潜熱部200Cで発生する凝縮水を排出するための凝縮水排出管311が連結される。
以下、前記熱交換部200を構成する複数のプレートと暖房顕熱部200Aと暖房潜熱部200Bおよび温水潜熱部200Cの構成および作用を説明する。
前記熱交換部200は、複数のプレートが前方から後方に積層されて構成され、上部に位置する暖房顕熱部200Aと下部に位置する暖房潜熱部200Bおよび温水潜熱部200Cは前記複数のプレートに一体形成される。
一実施例として、前記複数のプレートは、第1〜第12単位プレート200−1、200−2、200−3、200−4、200−5、200−6、200−7、200−8、200−9、200−10、200−11、200−12で構成され、前記それぞれの単位プレートは、前方に位置する第1プレート200a−1、200a−2、200a−3、200a−4、200a−5、200a−6、200a−7、200a−8、200a−9、200a−10、200a−11、200a−12と、その後方に積層される第2プレート200b−1、200b−2、200b−3、200b−4、200b−5、200b−6、200b−7、200b−8、200b−9、200b−10、200b−11、200b−12と、で構成される。
図8〜図18を参照する。前記それぞれの単位プレートを構成する第1プレートと第2プレートとの間には、暖房潜熱部暖房水流路P1と暖房顕熱部暖房水流路P3および温水潜熱部温水流路P5が形成され、隣接して積層される単位プレートのうち一側に位置する単位プレートを構成する第2プレートと、他側に位置する単位プレートの第1プレートと、の間には、暖房潜熱部燃焼ガス流路P2と暖房顕熱部燃焼ガス流路P4および温水潜熱部燃焼ガス流路P6が形成される。
図5と図6を参照する。前記第1プレートは、第1平面部210と、前記第1平面部210の一側から前方に突出し、中央には第1開放口A1が形成されて前記暖房顕熱部200Aを構成する第1突出部220と、前記第1平面部210の他側から前方に突出し、前記暖房潜熱部200Bを形成する第2突出部230a、前記第2突出部230aの他側から前方に突出し、前記温水潜熱部200Cを形成する第3突出部230b、および第1プレートの縁部から後方に折り曲げられた第1フランジ部240で構成される。
前記第1プレートのうち最前方に位置する第1プレート200a−1には、暖房潜熱部200Bの下部の一側に暖房水入口201が形成され、暖房顕熱部200Aの上部の一側には暖房水出口202が形成され、温水潜熱部200Cの下部の一側に直水入口203が形成され、温水潜熱部200Cの上部の他側に温水出口204が形成される。
前記第1プレートのうち前記最前方に位置する第1プレート200a−1の後方に順次積層される第1プレート200a−2〜200a−12には、暖房潜熱部200Bの下部の一側に第1貫通口H1が形成され、暖房潜熱部200Bの上部の他側には第2貫通口H2が形成され、暖房顕熱部200Aの下部の他側には第3貫通口H3が形成され、暖房顕熱部200Aの上部の一側には第4貫通口H4が形成され、温水潜熱部200Cの下部の一側に第9貫通口H9aが形成され、温水潜熱部200Cの上部の他側に第10貫通口H10aが形成される。
前記第2プレートは、第2平面部250と、前記第2平面部250の一側から後方に陥没して前記第1突出部220との間に暖房顕熱部暖房水流路P3を形成し、中央には前記第1開放口A1と対応する第2開放口A2が形成された第1陥没部260と、前記第2平面部250の他側から後方に陥没して前記第2突出部230aとの間に暖房潜熱部暖房水流路P1を形成する第2陥没部270aと、前記第2陥没部270aの他側から後方に陥没して前記第3突出部230bとの間に温水潜熱部温水流路P5を形成する第3陥没部270b、および第2プレートの縁部から後方に折り曲げられた第2フランジ部280からなる。
前記第2プレートには、暖房潜熱部200Bの下部の一側に第5貫通口H5が形成され、暖房潜熱部200Bの上部の他側には第6貫通口H6が形成され、暖房顕熱部200Aの下部の他側には第7貫通口H7が形成され、暖房顕熱部200Aの上部の一側には第8貫通口H8が形成され、温水潜熱部200Cの下部の一側には第9貫通口H9bが形成され、温水潜熱部200Cの上部の他側には第10貫通口H10bが形成される。
そして、第9単位プレート200−9の第1プレート200a−9と、第8単位プレート200−8の第2プレート200b−8には、暖房顕熱部200Aの下部の他側に第1閉塞部H3'、H7'が形成され、第5単位プレー200−5の第1プレート200a−5と第4単位プレート200−4の第2プレート200b−4には暖房顕熱部200Aの上部の一側に第2閉塞部H4'、H8'が形成される。
前記第1閉塞部H3'、H7'と第2閉塞部H4'、H8'は、暖房顕熱部暖房水流路P3を通過する暖房水の流動経路を変換させて直列流路を形成するための構成であって、その作用は後述する。
図13と図16を参照する。前記貫通口H3、H4には、暖房顕熱部燃焼ガス流路P4に向かって突出した第1フランジ部H3−1、H4−1が形成され、前記貫通口H7、H8には、前記暖房顕熱部燃焼ガス流路P4に向かって突出し、前記第1フランジ部H3−1、H4−1の端部に当接する第2フランジ部H7−1、H8−1が形成される。
前記第1フランジ部H3−1、H4−1と第2フランジ部H7−1、H8−1の構成によると、暖房顕熱部暖房水流路P3と暖房顕熱部燃焼ガス流路P4とが空間的に分離されると共に、暖房顕熱部燃焼ガス流路P4の間隔を一定に維持することができる。
図14、図15、図18を参照する。前記暖房顕熱部200Aの後方には、暖房潜熱部200Bの暖房水流路を通過した暖房水が暖房顕熱部200Aの暖房水流路に流動するように暖房水の連結流路を提供すると共に、前記燃焼室(C)の断熱のための水タンク冷却部(B)が形成される。
前記水タンク冷却部(B)は、最後方に位置する単位プレート200−12の第1プレート200a−12に形成された第1断熱板B1と第2プレート200b−12に形成された第2断熱板B2との間に暖房水が充填されたもので構成される。前記第1断熱板B1と第2断熱板B2には、櫛歯の形態を有する突出部と陥没部とが互いに交差するように形成されて、前記水タンク冷却部(B)を通過する暖房水の流動に乱流が発生するように構成することができる。
このような水タンク冷却部(B)の構成によると、別途の断熱材を設置せずとも燃焼室(C)の断熱が可能となるため、熱交換器1の過熱を防止することができ、暖房潜熱部暖房水流路P1と暖房顕熱部暖房水流路P3とを連結する暖房水の連結流路を第1断熱板B1と第2断熱板B2との間の空間に広く確保することができるため、暖房水の流路抵抗を減少させることができる。
そして、前記燃焼室(C)を包み込む外壁には、暖房水が流れる暖房顕熱部暖房水流路P3が設けられて燃焼室(C)の外壁の断熱が可能であるため、前記燃焼室(C)は前記水タンク冷却部(B)と暖房顕熱部暖房水流路P3とにより、全体の領域に亘って断熱が可能となる。
一方、前記第2突出部230aと第2陥没部270a、第3突出部230bと第3陥没部270bは、相反する方向に折り曲げられた櫛歯の形態で構成され得る。この場合、前記第1プレートと第2プレートとを積層する時、前記第1平面部210と第2平面部250とは当接するようになり、一つの単位プレートで相反する方向に折り曲げられた第2突出部230aと第2陥没部270aとの間には、暖房水が流動する暖房潜熱部暖房水流路P1が形成され、隣接して積層される一側の単位プレートの第2陥没部270aと他側の単位プレートの第2突出部230aとの間には、燃焼ガスが流動する暖房潜熱部燃焼ガス流路P2が形成される。
そして、相反する方向に折り曲げられた第3突出部230bと第3陥没部270bとの間には、温水が流動する温水潜熱部温水流路P5が形成され、隣接して積層される一側の単位プレートの第3陥没部270bと他側の単位プレートの第3突出部230bとの間には、燃焼ガスが流動する温水潜熱部燃焼ガス流路P6が形成される。
このように第2突出部230aと第2陥没部270a、第3突出部230bと第3陥没部270bは、相反する方向に折り曲げられた櫛歯の形態で構成することによって、暖房潜熱部暖房水流路P1を通過する暖房水と、暖房潜熱部燃焼ガス流路P2を通過する燃焼ガスの流動、および温水潜熱部温水流路P5を通過する温水と、温水潜熱部燃焼ガス流路P6を通過する燃焼ガスの流動に乱流を発生させて熱交換効率を向上させることができる。
図8と図19を参照する。前記第1プレートと第2プレートとを積層する時、前記第1フランジ部240と第2フランジ部280は一部が重なり、重なった部位が溶接結合されることによって、熱交換部200の外壁を形成するようになる。
そして、隣り合うプレートの第1フランジ部240と第2フランジ部280とが重なった状態で、前記複数のプレートの縁のうち一部の領域には、前記温水潜熱部燃焼ガス流路P6を流動する燃焼ガスが燃焼ガス排出部300に向かって通過する燃焼ガス通過部Dが形成される。
このための構成として、前記第1フランジ部240の燃焼ガス排出側には複数の第1切開部241が形成され、前記第2フランジ部280の燃焼ガス排出側には複数の第2切開部281が形成され、前記第1プレートと第2プレートとを積層する時、前記第1切開部241と第2切開部281の一部の領域に前記燃焼ガス通過部Dが形成される。
前記燃焼ガス通過部Dは、温水潜熱部200Cの下部に横方向と縦方向に一定の間隔離隔して多数で形成され、これによって、温水潜熱部200Cを通過した燃焼ガスが温水潜熱部200Cの下部の全体の領域に亘って均一な流量で分配されて排出され得るため、温水潜熱部200Cを通過して燃焼ガス排出部300側に排出される燃焼ガスの流動抵抗を減少させて騒音および振動を防止する機能をする。
一方、前記暖房顕熱部200Aの暖房水流路P3には、暖房水が燃焼室(C)の中央に向かって流動するように誘導するガイド部221、261が形成される。前記ガイド部221、261は、暖房顕熱部200Aの外側部に周方向に離隔して複数で形成される。ここで、前記暖房顕熱部200Aの外側部は、暖房顕熱部200Aの幅の中間部と外側端との間の領域であって、前記暖房顕熱部200Aの外側端に近接する領域を指し示す。
前記ガイド部221、261は、第1プレートで暖房顕熱部暖房水流路P3に向かって突出した複数の第1ガイド部221と、第2プレートで暖房顕熱部暖房水流路P3に向かって突出し、前記第1ガイド部221と対応する位置に形成された複数の第2ガイド部261で構成される。
図14と図20を参照する。前記第1ガイド部221の突出した端部と、第2ガイド部261の突出した端部とは当接するように形成されて、第1プレートと第2プレートとの間の結合強度を向上させることができる。
前記第1ガイド部221は、暖房水の流動方向を基準として前方に位置する第1ガイド221aと、前記第1ガイド221aの後方から燃焼室(C)に向かう斜線方向に離隔して位置する第2ガイド221bと、前記第1ガイド221aの後方に離隔して位置する第3ガイド221cで構成され得、第2ガイド部261も前記第1ガイド部221と対応するように構成され得る。
このようなガイド部221、261の構成によると、図20で矢印で示したように、暖房顕熱部暖房水流路P3に沿って流動する暖房水は、前記ガイド部221、261によりその流動経路が燃焼室(C)に向かう方向に誘導されるため、燃焼室(C)内に装着されるバーナー100と暖房水との間の離隔距離が近くなってバーナー100の燃焼熱が暖房水に効果的に伝えられ、暖房水の流動に乱流の発生が促進されて熱伝達効率を向上させることができる。
図15を参照する。前記第1突出部220には暖房顕熱部燃焼ガス流路P4に向かって突出した複数の第1間隔維持部222が形成され、前記第1陥没部260には暖房顕熱部燃焼ガス流路P4に向かって突出し、前記第1間隔維持部222と対応する位置に形成された複数の第2間隔維持部262が形成される。前記第1間隔維持部222の突出した端部と前記第2間隔維持部262の突出した端部とは、当接するように形成される。
このような第1間隔維持部222と第2間隔維持部262の構成によると、前述した第1フランジ部H3−1、H4−1と第2フランジ部H7−1、H8−1の構成と共に暖房顕熱部燃焼ガス流路P4の間隔を一定に維持し、第1プレートと第2プレートとの間の結合強度を向上させることができる。
一方、前記暖房顕熱部燃焼ガス流路P4を通過する燃焼ガスの流動に局部的な層流を形成することによって、燃焼ガスと熱媒体との間に熱交換効率が向上し得るように、前記暖房顕熱部燃焼ガス流路P4の上下に離隔した間隔は、0.8〜1.6mmの範囲で設定されることが好ましい。
そして、図14と図15および図18に図示された通り、燃焼室(C)の周りに位置する第1プレートの端部と第2プレートの端部のうちいずれか一つは折り曲げられて他の一つに密着するように、シーミング(Seaming)加工されて溶接結合される。この場合、シーミング加工された端部(S)の過熱を防止し、溶接の品質が維持できるように、前記シーミング加工された第1プレートと第2プレートの端部(S)の長さは、1〜5mmの範囲に設定されることが好ましい。
図20を参照する。前記暖房顕熱部200Aを構成するプレートの領域のうち、暖房潜熱部200Bを向く側の領域の幅E1が前記暖房潜熱部200Bの反対側の領域の幅E2よりも大きく形成されることが好ましい。これは、燃焼室(C)で発生した燃焼ガスはほとんど暖房潜熱部200Bに向かって流動するようになるため、暖房潜熱部200Bを向く側の領域の幅E1を暖房潜熱部200Bの反対側の領域の幅E2よりも大きく形成することによって、熱交換が活発に行われる領域の伝熱面積をさらに広く確保するためである。
以下、本発明に係る熱交換器1で燃焼ガスの流動経路と暖房水および温水の流動経路を説明する。
まず、図17を参照して燃焼ガスの流動経路を説明する。図17において、矢印は燃焼ガスの流動方向を示している。
バーナー100の燃焼によって発生した燃焼ガスは、燃焼室(C)内で放射状の外側方向に流動して暖房顕熱部200Aの単位プレートの間に形成された暖房顕熱部燃焼ガス流路P4を通過するようになり、この過程で暖房顕熱部暖房水流路P3を通過する暖房水に燃焼ガスの顕熱を伝達するようになる。
前記暖房顕熱部燃焼ガス流路P4を経由して下向き移動する燃焼ガスは、暖房潜熱部200Bの単位プレートの間に形成された暖房潜熱部燃焼ガス流路P2と、温水潜熱部200Cの単位プレートの間に形成された温水潜熱部燃焼ガス流路P6を通過して下向き移動するようになり、この過程で燃焼ガスの水蒸気に含まれた凝縮水の潜熱は、暖房潜熱部暖房水流路P1を通過する暖房水と温水潜熱部温水流路P5に伝えられて、暖房水と直水(温水)を予熱するようになる。
前記温水潜熱部燃焼ガス流路P6の下部に到達した燃焼ガスは、温水潜熱部200Cの下部に一定の間隔をあけて多数で形成された燃焼ガス通過部Dを通過して下方向に排出される。この時、前記燃焼ガスは、一定の間隔で形成された燃焼ガス通過部Dによって温水潜熱部200Cの下部領域の全体に亘って均一な流量で分かれて排出されることによって、燃焼ガスが一側に偏る現象が防止されて燃焼ガスの流動抵抗を減少させることができ、かつ騒音および振動の発生を最小化することができる。
前記燃焼ガス通過部Dを通過した燃焼ガスは、下部蓋310と燃焼ガス排出管320を通じて上側に排出され、凝縮水は下部蓋310の下部に連結された凝縮水排出管311を通じて排出される。
以下、図5と図7を参照して暖房水と温水の流動経路を説明する。図5と図7で実線の矢印は暖房水の流動方向を示し、点線の矢印は直水(温水)の流動方向を示している。
まず、暖房潜熱部200Bでの暖房水の流動経路を説明する。
多数のプレートのうち前面に位置する第1プレート200a−1に形成された暖房水入口201に流入した暖房水は、その後方に積層される多数のプレート200b−1〜200a−12に形成された第1貫通口H1および第5貫通口H5を順に通過して、最後方に位置する単位プレート200−12の第1プレート200a−12と第2プレート200b−12との間に設けられる水タンク冷却部(B)に向かって流動する。
そして、前記第1貫通口H1および第5貫通口H5を順に通過する暖房水のうち一部の流量の暖房水は、それぞれの単位プレート200−1〜200−11の内部に並列構造で設けられた暖房潜熱部暖房水流路P1を通過して前記第1貫通口H1および第5貫通口H5と対角線の方向に位置する第2貫通口H2および第6貫通口H6を順に通過し、前記第1プレート200a−12と第2プレート200b−12との間に設けられる水タンク冷却部(B)に向かって流動する。
このように暖房潜熱部200Bの暖房水流路は多重並列で備えられるため、暖房潜熱部暖房水流路P1を通過する暖房水の流動抵抗を減少させると共に、暖房潜熱部暖房水流路P1は暖房潜熱部燃焼ガス流路P2と隣接して交互に配置されるため、暖房潜熱部暖房水流路P1を通過する暖房水は燃焼ガスに含まれた水蒸気の潜熱を効果的に吸収して予熱され得る。
次いで、暖房顕熱部200Aでの暖房水の流動経路を説明する。
前記水タンク冷却部(B)を通過した暖房水は、燃焼室(C)の後方に伝えられる熱を吸収した後、第12単位プレート200−12の第1プレート200a−12に形成された第3貫通口H3とその前方に順に積層されるプレート200b−11〜200b−9に形成された第3貫通口H3と第7貫通口H7を順に通過する。
そして、その前方に積層されるプレート200a−9、200b−8には第1閉塞部H3'、H7'が形成されるため、前記第3貫通口H3と第7貫通口H7を順に通過してそれぞれの単位プレート200−12〜200−9に形成された暖房顕熱部暖房水流路P3に流入した暖房水のうち一部は、両方向に分岐して第3貫通口H3と第7貫通口H7の対角線の方向に位置する第4貫通口H4と第8貫通口H8に向かう方向に流動した後、前記第4貫通口H4と第8貫通口H8を順に通過して前方に流動するようになる。
前記プレート200a−9、200b−8の第4貫通口H4と第8貫通口H8を通過した暖房水は、その前方に順に積層されるプレート200a−8〜200b−5に形成された第4貫通口H4と第8貫通口H8を順に通過する。
そして、その前方に積層されるプレート200a−5、200b−4には第2閉塞部H4'、H8'が形成されるため、前記第4貫通口H4と第8貫通口H8を順に通過してそれぞれの単位プレート200−8〜200−5に形成された暖房顕熱部暖房水流路P3に流入した暖房水のうち一部は、両方向に分岐して第4貫通口H4と第8貫通口H8で対角線の方向に位置する第3貫通口H3と第7貫通口H7に向かう方向に流動した後、第3貫通口H3と第7貫通口H7を順に通過して前方に流動するようになる。
前記プレート200a−5、200b−4の第3貫通口H3と第7貫通口H7を通過した暖房水は、その前方に順に積層されるプレート200a−4〜200b−1に形成された第3貫通口H3と第7貫通口H7を順に通過する。
そして、最前方に位置するプレート200a−1には、前記第3貫通口H3および第7貫通口H7と対応する部位が閉塞されているため、前記第3貫通口H3と第7貫通口H7を順に通過してそれぞれの単位プレート200−4〜200−1に形成された暖房顕熱部暖房水流路P3に流入した暖房水のうち一部は、両方向に分岐して第3貫通口H3と第7貫通口H7で対角線の方向に位置する第4貫通口H4と第8貫通口H8に向かう方向に流動した後、前記第4貫通口H4と第8貫通口H8を順に通過して最前方に位置するプレート200a−1に形成された暖房水出口202を通じて排出される。
次いで、温水潜熱部200Cでの直水(温水)の流動経路を説明する。
多数のプレートのうち前面に位置する第1プレート200a−1に形成された直水入口203に流入した直水は、その後方に積層される多数のプレート200b−1〜200a−12に形成された第9貫通口H9a、H9bを順に通過して、最後方に位置するプレート200b−12に向かって後方に流動し、前記第9貫通口H9a、H9bを順に通過する直水のうち一部の流量の直水は、それぞれの単位プレート200−1〜200−11の内部に並列構造で設けられた温水潜熱部温水流路P5を通過して前記第9貫通口(H9a、H9b)と対角線の方向に位置する第10貫通口((H10a、H10b)を順に通過して、最前方に位置する第1プレート200a−1に形成された温水出口204を通じて排出される。
このように温水潜熱部200Cの温水流路P5は多重並列で備えられ、温水潜熱部燃焼ガス流路P6と隣接して交互に配置されるため、温水潜熱部温水流路P5を通過する直水(温水)は、燃焼ガスに含まれた水蒸気の潜熱を効果的に吸収して予熱され得る。そして、温水出口204を通じて排出された温水は、前述した通り、給湯熱交換器50に供給されて暖房水と2次熱交換されて加熱された後、温水供給管17を通じて使用者が所望する温度の温水を供給するようになる。
図7は、前記で説明した暖房潜熱部200Bと暖房顕熱部200Aでの暖房水の流動経路と、温水潜熱部200Cでの温水の流動経路をプレート群の単位で示したものである。
本実施例では前方から後方に8個ずつのプレートの集合からなる第1プレート群200−Aと第2プレート群200−Bおよび第3プレート群200−Cで構成された場合を例示して説明したが、本発明において積層される全体のプレートの個数および各プレート群を構成するプレートの個数は、これとは異なって設定されて実施され得ることは言うまでもない。
前記のように、本発明は、暖房顕熱部200Aで暖房水の流動経路が直列に連結されるように構成することによって、暖房顕熱部200Aの限定された空間内で暖房水の流動経路を最大限長く形成することができるため、暖房水と燃焼ガスとの間の熱交換効率を大幅に向上させることができる。
1 熱交換器
11 暖房還水流入管
12 暖房還水排出管
13 暖房水供給管
14 バイパス管
15 直水流入管
16 温水排出管
17 温水供給管
100 バーナー
200 熱交換部
200A 暖房顕熱部
200B 暖房潜熱部
200C 温水潜熱部
200−1〜200−12 単位プレート
200a−1〜200a−12 第1プレート
200b−1〜200b−12 第2プレート
200−A 第1プレート群
200−B 第2プレート群
200−C 第3プレート群
201 暖房水入口
202 暖房水出口
203 直水入口
204 温水出口
210 第1平面部
220 第1突出部
221 第1ガイド部
222 第1間隔維持部
230a 第2突出部
230b 第3突出部
240 第1フランジ部
241 第1切開部
250 第2平面部
260 第1陥没部
261 第2ガイド部
262 第2間隔維持部
270a 第2陥没部
270b 第3陥没部
280 第2フランジ部
281 第2切開部
300 燃焼ガス排出部
310 下部蓋
311 凝縮水排出管
320 燃焼ガス排出管
A1 第1開放口
A2 第2開放口
B 水タンク冷却部
B1 第1断熱板
B2 第2断熱板
C 燃焼室
D 燃焼ガス通過部
H1〜H10b 貫通口
H3'、H7' 第1閉塞部
H4'、H8' 第2閉塞部
H3−1、H4−1 第1フランジ部
H7−1、H8−1 第2フランジ部
P1 暖房潜熱部暖房水流路
P2 暖房潜熱部燃焼ガス流路
P3 暖房顕熱部暖房水流路
P4 暖房顕熱部燃焼ガス流路
P5 温水潜熱部温水流路
P6 温水潜熱部燃焼ガス流路

Claims (17)

  1. 複数のプレート間の空間に暖房水が流動する暖房水流路と、温水が流動する温水流路、およびバーナー(100)で燃焼した燃焼ガスが流動する燃焼ガス流路が隣接して交互に形成された熱交換部(200)を具備し、
    前記熱交換部(200)は、
    燃焼室(C)の外側を包み込み、前記プレートの一側領域で構成されて前記バーナー(100)の燃焼によって発生した燃焼ガスの顕熱を利用して暖房水を加熱する暖房顕熱部(200A)、
    前記プレートの他側の一部の領域で構成されて前記暖房顕熱部(200A)で熱交換を終えた燃焼ガスに含まれた水蒸気の潜熱を利用して暖房水を加熱する暖房潜熱部(200B)、および、
    前記プレートの他側の残りの領域で構成されて前記暖房潜熱部(200B)を通過した燃焼ガスに含まれた水蒸気の潜熱を利用して直水を加熱する温水潜熱部(200C)、からなることを特徴とする、
    熱交換器。
  2. 前記暖房顕熱部(200A)と暖房潜熱部(200B)との間には暖房水の連結流路が形成され、前記プレートは前記暖房顕熱部(200A)が上部に位置し、前記暖房潜熱部(200B)および温水潜熱部(200C)が下部に位置するように直立構造からなり、前記バーナー(100)は円筒形のバーナーであって、前記燃焼室(C)の空間に正面から水平方向に挿入されて組み立てられることを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器。
  3. 前記暖房顕熱部(200A)を構成するプレートは、前記暖房潜熱部(200A)を向く側の領域の幅が前記暖房潜熱部(200A)の反対側の領域の幅より大きく形成されたことを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器。
  4. 前記暖房顕熱部(200A)と暖房潜熱部(200B)との間には暖房水の連結流路が形成され、前記暖房潜熱部(200B)は、前記暖房水が流入する暖房水入口(201)と、前記複数のプレート間に形成されるものの、前記暖房水入口(201)に並列に連通する複数の暖房潜熱部暖房水流路(P1)を含み、前記暖房顕熱部(200A)は、前記暖房水が流出する暖房水出口(202)と、前記複数のプレート間に形成されるものの、前記暖房潜熱部暖房水流路(P1)と前記暖房水出口(202)との間に直列に連結される複数の暖房顕熱部暖房水流路(P3)を含むことを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器。
  5. 前記温水潜熱部(200C)は、直水が流入する直水入口(203)と、温水が流出する温水出口(204)が対角線の方向に形成され、前記複数のプレート間には、前記直水入口(203)と温水出口(204)に並列に連通する複数の温水潜熱部温水流路P5が設けられたことを特徴とする、請求項4に記載の熱交換器。
  6. 前記暖房顕熱部(200A)の暖房水流路には、前記暖房水が前記燃焼室(C)の中央に向かって流動するように誘導するガイド部(221、261)が形成されたことを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器。
  7. 前記複数のプレートの縁には折り曲げられたフランジ部が形成され、前記隣り合うプレートのフランジ部が重なった状態で前記複数のプレートの縁のうち一部の領域に前記燃焼ガス流路を流動する燃焼ガスが通過する燃焼ガス通過部(D)が形成されたことを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器。
  8. 前記暖房顕熱部(200A)の後方には、暖房潜熱部(200B)の暖房水流路を通過した暖房水が暖房顕熱部(200A)の暖房水流路に流動するように暖房水の連結流路を提供すると共に、前記燃焼室(C)の断熱のための水タンク冷却部(B)が形成されたことを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器。
  9. 前記複数のプレートは、第1プレートと第2プレートとが積層された単位プレートが多数で積層されて構成され、前記単位プレートの第1プレートと第2プレートとの間に暖房水流路と温水流路が形成され、隣接して積層される単位プレートのうち一側に位置する単位プレートを構成する第2プレートと、他側に位置する単位プレートの第1プレートとの間に燃焼ガス流路が形成されたことを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器。
  10. 前記第1プレートは、第1平面部(210)と、前記第1平面部(210)の一側から前方に突出し、中央には第1開放口(A1)が形成されて前記暖房顕熱部(200A)を構成する第1突出部(220)と、前記第1平面部(210)の他側から前方に突出し、前記暖房潜熱部(200B)を形成する第2突出部(230a)、および前記第2突出部(230a)の他側から前方に突出し、前記温水潜熱部(200C)を形成する第3突出部(230b)からなり、前記第2プレートは、第2平面部(250)と、前記第2平面部(250)の一側から後方に陥没して前記第1突出部(220)との間に暖房顕熱部暖房水流路(P3)を形成し、中央には前記第1開放口(A1)と対応する第2開放口(A2)が形成された第1陥没部(260)と、前記第2平面部(250)の他側から後方に陥没して前記第2突出部(230a)との間に暖房潜熱部暖房水流路(P1)を形成する第2陥没部(270a)、および前記第2陥没部(270a)の他側から後方に陥没して前記第3突出部(230b)との間に温水潜熱部温水流路P5を形成する第3陥没部(270b)からなることを特徴とする、請求項9に記載の熱交換器。
  11. 前記第1プレートと第2プレートとを積層する時、前記第1平面部(210)と第2平面部(250)は当接し、前記第2突出部(230a)と第2陥没部(270a)は相反する方向に折り曲げられた櫛歯の形態からなり、前記第3突出部(230b)と第3陥没部(270b)は相反する方向に折り曲げられた櫛歯の形態で構成されることを特徴とする、請求項10に記載の熱交換器。
  12. 前記第1突出部(220)には前記燃焼ガス流路に向かって突出した複数の第1間隔維持部(222)が形成され、前記第1陥没部(260)には前記燃焼ガス流路に向かって突出し、前記第1間隔維持部(222)と対応する位置に形成された複数の第2間隔維持部(262)が形成されたことを特徴とする、請求項10に記載の熱交換器。
  13. 前記暖房顕熱部暖房水流路(P3)の間には暖房顕熱部燃焼ガス流路(P4)が設けられ、前記暖房潜熱部暖房水流路(P1)の間には前記暖房顕熱部燃焼ガス流路(P4)と連通する暖房潜熱部燃焼ガス流路(P2)が設けられ、前記温水潜熱部温水流路(P5)の間には前記暖房潜熱部燃焼ガス流路(P2)と連通する温水潜熱部燃焼ガス流路(P6)が設けられたことを特徴とする、請求項4に記載の熱交換器。
  14. 前記暖房潜熱部(200B)には、前記暖房潜熱部暖房水流路(P1)を並列に連結するために、前記暖房潜熱部暖房水流路(P1)と連通する一側の貫通口(H1、H5)と他側の貫通口(H2、H6)が対角線の方向に形成され、前記暖房顕熱部(200A)には、前記暖房顕熱部暖房水流路(P3)を直列に連結するために、前記暖房顕熱部暖房水流路(P3)と連通する一側の貫通口(H3、H7)と他側の貫通口(H4、H8)が対角線の方向に形成されたことを特徴とする、請求項4に記載の熱交換器。
  15. 前記一側の貫通口(H3、H7)を通じて暖房顕熱部暖房水流路(P3)に流入した暖房水は、両方向に分岐して対角線の方向の他側に形成された貫通口(H4、H8)に向かって流動し、前記貫通口(H4、H8)を通じて暖房顕熱部暖房水流路(P3)に流入した暖房水は、両方向に分岐して対角線の方向の他側に形成された前記貫通口(H3、H7)に向かって流動することを特徴とする、請求項14に記載の熱交換器。
  16. 前記暖房顕熱部(200A)には、前記一側の貫通口(H3、H7)を通じて暖房顕熱部暖房水流路(P3)に流入した熱媒体が、対角線の方向の他側に形成された貫通口(H4、H8)に向かって流動するように誘導するための第1閉塞部(H3'、H7')と、前記他側の貫通口(H4、H8)を通じて暖房顕熱部暖房水流路(P3)に流入した熱媒体が、対角線の方向の他側に形成された貫通口(H3、H7)に向かって流動するように誘導するための第2閉塞部(H4'、H8')が形成されたことを特徴とする、請求項15に記載の熱交換器。
  17. 前記貫通口(H3、H4)には前記燃焼ガス流路に向かって突出した第1フランジ部(H3−1、H4−1)が形成され、前記貫通口(H7、H8)には前記燃焼ガス流路に向かって突出して、前記第1フランジ部(H3−1、H4−1)の端部に当接する第2フランジ部(H7−1、H8−1)が形成されたことを特徴とする、請求項14に記載の熱交換器。
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