KR0115274Y1 - 열교환기의 전열핀 - Google Patents

Abstract

본 고안은 가스보일러등 순간 가열식 보일러에 사용되는 열교환기의 개선된 전열핀을 개시한다.

종래의 전열핀은 불필요한 가열부위가 많고 열기의 흐름이 전열핀을 바로 통과해 버리므로 열효율이 낮아 소형화가 곤란하였다.

본 고안에서는 전열핀의 관통구멍 외측에 열기의 흐름을 관통구멍측으로 안내하고 배출되는 열기로부터 열을 회수하는 쇼울더부를 구비하여 열효율인 현저한 향상을 달성하였으며 이에따라 열교환기 및 보일러의 소형화가 가능하게 하였다.

Description

열교환기의 전열핀

제1도는 듀얼방식 가스보일러의 구성를 도시한 계통도.

제2도는 듀얼방식 열교환기의 일반적 구성을 보이는 분해사시도.

제3도는 종래의 전열핀의 구성을 보이는 평면도.

제4도는 종래의 전열핀에 대한 열기의 흐름과 온도분포를 보이는 평면도.

제5도는 본 고안에 의한 전열핀의 구성을 보이는 사시도.

제6도는 본 고안 전열핀에 대한 열기의 흐름과 전열과정을 보이는 평면도.

제7도는 본 고안 전열핀의 온도 분포를 보이는 평면도이다.

* 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명

1 : 전열핀(電熱 fin) 2 : 쇼울더부(shoulder 部)

3 : 원주부(圓周部) 4,5 : 인입홈

L : 랜드부(land 部) H : 관통구멍

본 고안은 가스보일러등 순간가열식 보일러에 사용되는 열교환기에 관한 것으로, 특히 가열관의 전열면적의 확대를위한 전열핀(電熱 fin)에 관한 것이다.

보일러는 물을 가열하여 발생시킨 온수 또는 스팀을 이용하여 난방 또는 온수를 제공하는 장치이다.

이러한 보일러는 다양한 연료를 상용하고 있는데, 연료의 가열 특성에 따라 순간가열식과 저탕식(貯湯式)으로 구분될수 있다.

저탕식 보일러는 연탄이나 기름 등을 연료로 하여 물을 가열한 뒤 이를 온수저장탱크에 저장하여 두고 필요에 따라 난방이나 온수 공급을 행하게 된다.

이에 비하여 순간 가열식 보일러는 보일러 몸체내에 주열교환기 및/또는 온수용 열교환기를 구비하여 필요 경우 즉시 난방 또는 온수를 공급할 수 있다.

가스 보일러는 순간 가열식 보일러에 해당하는 바, 도시가스의 보급과 사용의 편의성에 의해 최근 가정용 난방 보일러로서 그 보급에 매우 활발하다.

가스 보일러는 또한 난방수와 온수의 공급방식에 따라, 즉 주열교환기의 구성에 따라 싱글(single)방식과 듀얼(dual)방식으로 구분되고 있다.

싱글방식의 시스템은 주열교환기는 난방수의 열교환만을 수행하고 온수는 별도의 2차 열교환기 또는 온수용 열교환기로 주열교환기에서 가열된 난방수를 이용하여 가열시키게 된다.

한편 듀얼 방식의 시스템은 주열교환기에서 난방수와 온수의 가열을 동시에 수행하게 된다.

제1도에는 상술한 듀얼방식 열교환기를 채택한 듀얼방식의 가스보일러를 개략적으로 도시하였다.

제1도에서, 버너(B)가 구비된 연소실 상에는 열교환기(X)가 설치되고 그 상부에는 배기후드(排氣 hood: H)가 설치된다.

부호 F는 배기후드(H)의 배기팬이며 M은 그 모터이다.

듀얼방식 열교환기(X)는 버너(B)의 가스 불꽂에 의해 직접 가열되는 난방수 가열관(12)내에 온수가열관(11: 이하 경우에 따라 가열관으로 약칭함)이 구비되어, 온수가 난방수와 열교환함으로써 2차적으로 가열된다.

듀얼방식이라는 명칭은 한 열교환기(X)내에서 난방수와 온수가 한꺼번에 가열된다는 의미이다.

제2도에는 일반적인 구성의 듀얼방식 열교환기(X)를 도시하였다.

제2도에서 몸체(13)를 구성하는 다수의 전열핀(14)을 구비하는 난방수 가열관(12)내에는 온수의 가열을 위한 가열관(11)이 수납된다.

도시된 실시예에서 몸체(13)에는 두 난방수 가열관(12)이 구비되어 일단에서 연결덮개(15)에 의해 그 경로가 상호 연결되고, 연결덮개(15)의 하측에는 양 난방수 가열관(12)에 수납된 온수가열관(11)의 단수가 통과하는 관통구멍(15a)이 형성되어 이를 통해 온수가열관(11)이 연결관(16)과 연결되어 온수의 흐름경로를 형성하게 된다.

나머지 부호 17은 온수가열관(11)이 난방수 가열관(12)과 적절한 간격을 유지하도록 하기 위한 스페이서(spacer)이다.

이와같은 열교환기(X)에 사용되는 종래의 전열핀은 대략 제3도에 도시된 바와같이 구성을 가지고 있었다.

제3도에서, 도시되지 않은 두 가열관이 통과되는 두 관통구멍(H)의 외주에는 소정높이의 슬리이브(sleev: S)가 형성되고 전열핀의 양측에는 인접 전열핀 간에 서로 약갼 겹치게 되는 플랜지(flange: F)가 형성되어 있다.

전열핀의 복수의 위치에는 랜싱돌기(lancing 突起: P)들이 형성되어 슬리이브(S) 와 함께 인접 전열핀간의 간격을 유지하는 스페이서 역할을 하도록 되어 있다.

두 관통구멍(H) 사이에는 전열핀이 상당한 넓이로 연장되는 브리지부(bridge 部: B) 가 형성되어 있고, 관통구멍(H)의 하부는 관통구멍(H)의 형상을 따라 작은 거어스(g´)의 원주부(A)를 가지게 된다.

이러한 전열핀(14)에 있어서, 양 관통구멍(H)간의 전열핀 상부에는 열교환기 하부의 연소실의 버너에서 발생된 열기를 관통구멍(H)의 외주로 유도하는 대략 도립(倒立)된 사다리꼴 형상의 랜드부(land 部: L)가 형성되어 있다.

이와같은 구성의 다수의 전열핀이 가열관 외주에 끼워진후 접합됨으로써 열교환기를 구성하게 된다.

그런데 최근 가정용 가스보일러의 운반의 편의성과 설치공간의 문제 등에 따라 가스보일러는 슬림(slim)화, 컴팩트(compact)화 되어가고 있는 경향이다.

이에따라 열교환기의 크기도 축소되어야 하는바 단순히 가열관의 직경이나 전열핀의 크기만을 축소시켜서는 난방용량이 저하되어 버려 열효율의 근본적 개선이 없이는 열교환기의 소형화는 불가능하다는 것이 당업계의 일반적인 결론이다.

이에따라 순간 온수기 등에 사용하는 싱글방식의 열교환기를 구비한 가정용 가스보일러가 일부 출하되고 있으나, 이것은 눈가림에 불과할뿐 충분한 용량의 가스보일러의 구성은 전혀 불가능하다.

이러한 종래의 문제점을 감안하여 본 고안의 목적은 그 크기를 축소시켜도 충분한 난방용량을 유지할수 있을 뿐 아니라 오히려 종래에 비해 높은 열효율을 달성할수 있는 전열핀을 제공하는 것이다.

이와같은 목적을 달성하기 위해 본 고안자는 먼저 종래의 전열핀을 시험 및 측정을 통해 상세히 관찰하여 보았다.

보일러업계의 일반적인 상식으로는 연소실의 버너에서 발생된 열기가 직접 전달되는 가열관의 하반부에서 약70%, 열교환기내에서의 열기의 대류에 의해서 열이 전달되는 가열관의 상반부에서 약30%의 열교환이 이루어지는 것으로 알려져 있다.

이러한 일반적인 인식을 환인하기 위해 본 고안자는 연소실상에 설치된 열교환기에서 전열핀의 다수의 위치인 온도를 측정하여, 제4도와 같은 온도분포를 얻게 되었다.

제4도에는 전열핀의 온도를 고온대(Ⅰ), 중온대(Ⅱ), 저온대(Ⅲ)로 크게 구분하여 도시하였는바, 고온대(Ⅰ)는 양 관통구멍(H)의 중간까지의 높이로 분포하나 전열핀의 양측에서는 비교적 낮은 높이로 분포하고, 중온대(Ⅱ)의 폭 역시 전열핀의 양측에서는 비교적 좁게된다.

한편 브리지부(13) 상측에서 랜드부(L)의 양측을 따라 대략 V자 형태로 중온대(Ⅱ)가 형성된다.

즉 이와같은 측정결과에 따르면 관통구멍(H) 의 외주, 즉 가열관의 전열 거어스(girth)는 대략 약 1/3 정도씩 고온대(Ⅰ)와 중온대(Ⅱ), 저온대(Ⅲ)와 만나게 되어, 가열관에 대한 전열이 주로 관통구멍의 하반부에서 일어난다는 일반적인 인식을 확인하였다.

이러한 종래의 전열핀의 온도 분포를 고찰하여 본 고안자는 다음과 같은 세가지 결론을 얻게 되었다.

첫째, 열기의 흐름을 유도하는 랜드부(L)는 이를 따라 중온대(Ⅱ)의 온도분포를 나타내므로 열기의 흐름으로부터 열을 회수하는데 유용한다.

둘째, 전열핀 양측의 고온대(Ⅰ)와 중온대(Ⅱ)의 폭이 작은 것은 이를 통과하는 열기로부터 열이 회수되지 못하고 바로 통과되어 배기후드로 배출되기 때문이다.

셋째, 양 관통구멍(H) 사이의 브리지부(B)는 가열관을 충분히 가열시키지 못하고 불필요하게 가열되어 적열(赤熱)됨으로써 전열핀 자체의 내구성을 저하시킨다.

이상과 같은 결론에 기초하여 본 고안에 의한 전열핀은 관통구멍의 외측에 전열핀의 면외(面外)로 돌출하는 쇼율더부(shoulder 部)를 형성하는 것을 특징으로 한다.

이 쇼율더는 본 고안의 바람직한 한 특징에 따라 전열핀을 랜싱(lancing), 즉 절개 및 절곡하여 L 자형으로 형성함으로써 형성되고, 다른 바람직한 특징에 의하면 연결부가 관통구멍측으로 형성되며 대략 관통구멍의 접선방향으로 연장된다.

본 고안의 다른 특징에 의하면 전열핀 하부의 양 관통적인 사이에 브리지부는 상측으로 오목하게 인입형성되고, 전열핀의 하측 양단부로 인입형성되어 각각 인입부를 형성하게 된다.

이와 같은 본 고안의 구체적 특징과 이점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 바람직한 실시예의 설명으로 더욱 명확해질 것이다.

제6도에서, 본 고안에 의한 전열핀(1)은 원형 단면의 가열관이 각각 통과하도록 원형으로 형성된 두 관통구멍(H)과 그 외주에 형성된 슬리이브(S)를 구비하고, 양 측단에는 인접 전열핀과 일부 겹치게 되는 플랜지(F)가 절곡형성되며, 슬리이브(S)와 함께 인접 전열핀과의 간격유지를 위한 스페이서 역할을 하는 복수의 랜싱돌기(P)가 형성된다.

양 관통구멍(H) 사이의 상측에는 이 관통구멍(H)의 외단과 소정간격을 두고 도립된 사다리꼴의 랜드부(L)가 돌출성형되어 있고, 관통구멍(H)의 양외측에는 본 고안 특징에 따라 쇼율더부(2)가 랜드부(L)와 동일한 방향으로 돌출 성형되어 있다.

쇼울더부(2)는 바람직하기로 전열핀의 해당부위를 블랭킹(blanking)가공으로 절개하여 L자형으로 절곡하는 랜싱방법으로 구성되며, 이에 따라 전열핀(1)에서 이어지는 연결부(2a)와 이로부터 전열핀(1)의 면과 평행하게 연장되는 평면형태의 전열핀(2b)을 가지게 된다.

바람직하기로 연결부(2a)는 관통구멍(H)에 인접한 쪽에 형성되며, 또한 연결부(2a)는 관통구멍(H)과 소정간격을 두고 관통구멍(H)의 접선방향에 평행한 방향으로 연장된다.

이에 따라 복수의 전열핀(1)을 접합했을 때 관통구멍(H)상에는 그 슬리이브(S)와 랜드부(L) 및 쇼율더부(2)의 연결부(2a) 사이에는 그 사이의 간격들에 의해 대략 人자형의 관로(管路)가 형성된다.

한편 양 관통구멍(H)는 종래에 비해 그 중심사이의 간격이 상당히 축소되어 인접되어 있는데, 양 관통구멍(H)사이의 브리지부(B)와 전열핀(1) 양단측은 상측으로 상당히 인입되어 각각 인입부(4,5)를 형성하고 있다.

이에 따라 관통구멍(H) 하부의 원주부(3)는 종래에 비해 상당히 긴 길이의 거어스(g)를 가지게 된다.

전열핀의 상측은 인입부(4,5)와 동일한 형상으로 돌출형성되어 있는데, 이것을 넓은 판재로 다수의 전열핀을 블랭킹(blanking)할 때 인접 전열핀의 인입부(4,5)형성에 의해 형성되는 것으로 특별한 기능적 의미는 없는 부분이다.

이상과 같은 본 고안 전열핀(1)에 있어서의 전열과정을 제6도를 통해 살펴보기로 한다.

열교환기 하부의 연소실에서 발생된 열기(T1)는 전열핀(1)의 하부로부터 상방을 향해 유입된다.

그러면 전열핀(1)과 슬리이브(5)의 하단이 열기(T)의 복사열 및 대류열에 의해 가열되고, 이열(T2)이 원주부(3)를 통해 관통구멍(H)내의 가열관으로 전도된다.

한편 두 전열핀(1)사이로 빠져나와 상승하는 열기(T1)는 양 관통구멍(H) 사이에서는 랜드부(L)의 측벽을 따라 상방으로 흐르게 된다.

이에비해 관통구멍(H)의 외측으로 상승된 열기(T1)는 쇼율더부(2)를 만나게 되는데, 일부 열기(T1)는 전열면(2b)에 충돌하여 이를 가열시키고 나머지 대부분의 열기(T1) 쇼율더부(2)의 연결부(2a)를 따라 상방으로 흐르게 된다.

즉 본 고안 전열핀(1)에 있어서는 쇼율더부(2)가 열기(T1)의 흐름을 안내할뿐 아니라 그 자체가 가열됨으로써 배출될 열을 흡수하고 이열(T2)을 전도를 통해 관통구멍(H)내의 가열관으로 전달하게 된다.

이때 쇼율더(20)와 랜드부(L)가 이루는 관로는 각 관통구멍(H)상에 人자 형태로 형성되고, 이에 따라 열기(T1)의 흐름도 人자를 형성하게 된다.

이와같은 구성을 가지는 본 고안 전열핀(1)을 가열시켜 온도분포를 도시한 것이 제7도이다.

제7도에서 본 고안 전열핀(1)에 있어서는 고온대(Ⅰ)가 관통구멍(H) 상부의 상당한 높이까지 올라가고 쇼올더부(2) 위치에도 고온대(Ⅰ´)가 형성되어 관통구멍(H) 주위의 고온대(Ⅰ)와 연결된다.

한편 중온대(Ⅱ)는 이 고온대(Ⅰ,Ⅰ´) 주위에 형성되어 본 고안 전열핀(1)에 있어서는 저온대(Ⅲ)가 전열핀(1)에 있어서는 저온대(Ⅲ)가 전열핀(1)의 상단 일부 모서리외에는 거의 발생되지 않는다.

이에따라 관통구멍(H)의 외주의 거의 3/4 정도의 거어스에 고온대(Ⅰ)가 인접되고 나머지 1/4정도에 중온대(Ⅱ)가 인접되며, 저온대(Ⅲ)는 종래와 달리 관통구멍(H)에 인접되지 않게 된다.

본 고안 전열핀을 종래의 전열핀과 비교측정한바 약 30%이상의 현저한 열효율의 개선이 관찰되었는바, 이러한 결과는 전열핀(1)의 크기를 종래의 구성에 비해 30%정도 축소시켜도 동일한 난방능력을 발휘할 수 있다는 것을 의미한다.

이와같은 본 고안 전열핀(1)의 온도분포와 이에따른 열효율의 개선을 다음과 같은 이유에 기인한다고 사료된다.

먼저 양 관통구멍(H)의 외측에서 고온대(Ⅰ)의 분포가 상승되고 쇼울더부(2) 주위에 고온대(Ⅰ´)가 형성되는 이유는, 쇼울더부(2)가 열기(T1)의 흐름을 관통구멍(H)의 슬리이브(S)외주에 접축하도록 유도하고 쇼울더부(2) 자체가 열기(T1)의 흐름에 노출되어 있기 때문이라 사료된다.

즉 쇼울더부(2)는 열기(T1)의 흐름을 관통구멍(H)측, 즉 가열관 측으로 유도하여 더 큰 열교환이 이루어지도록 하는 동시에 그 자체가 열기(T1)에 노출되어 가열되고 이에따라 회수된 열(T2)전도를 통해 관통구멍(H)측으로 전달하게 되는 것이다.

또한 양 관통구멍(H) 사이에 고온대(Ⅰ)의 분포가 상승되는 이유는 그 사이의 브리지부에 인입부(4)가 형성되므로 브리지부의 불필요한 가열이 없이 열이 직접 관통구멍(H)측으로 전열되며, 또한 쇼울더부(2)에 의해 열기(T1)의 흐름이 촉진되기 때문이라 사료된다.

이상에서 본 고안을 특히 두 가열관이 결합되도록 관통구멍(H)이 두 개인 전열핀(1)을 통해 설명하였으나 본 고안은 이에 제한되는 것은 아니다.

즉 관통구멍(H)이 3개이상인 전열핀이나, 관통구멍(H)이 1개인 전열핀에도 본 고안은 그대로 적용될수 있다.

특히 관통구멍(H)이 1개인 전열핀에 대해서는 랜드부(L)의 형성이 불가능 하므로 본 고안의 쇼울더부(2)가 관통구멍(H)의 양 상측에 구비되어 열기(T1) 의 흐름을 안내하게 된다.

이와같이 본 고안에 의하면 열교환기의 열효율이 현저히 개선되어 그 크기를 축소시켜도 난방용량의 저하가 없으며, 이에따라 이를 구비하는 가스보일러의 크기를 현저히 감소시켜 이동 및 설치가 간편한 슬림형 가스보일러를 제공하는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 순간가열식의 보일러에 사용되는 열교환기에서 원형단면의 가열관의 전열면핀을 확대시키는 전열핀에 있어서, 상기 원형단면의 가열관이 통과하는 원형의 관통구멍(H)의 외측상부에 전열핀(1)의 면외로 돌출하는 쇼울더부(2)를 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 전열핀.
2. 제1항에 있어서, 상기 쇼울더부(2)가 상기 전열핀(1)의 일부를 절개하여 연결부(2a)와 전열면(2b)을 가지도록 L자형으로 절곡함으로써 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 전열핀.
3. 제2항에 있어서, 상기 연결부(2a)가 상기 관통구멍(H)에 인접한 쪽에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 전열핀.
4. 제3항에 있어서, 상기 연결부(2a)가 상시 원형의 관통구멍(H)과 소정간격을 두고 상기 관통구멍(H)의 접선방향에 평행한 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 전열핀.
5. 제1항에 있어서, 상기 관통구멍(H)이 각각 가열관이 통과하도록 복수로 구비되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 전열핀.
6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 관통구멍(H) 사이를 연결하는 브리지부의 하부가 상측으로 인입되어 인입부(4)를 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 전열핀.
7. 제1항에 있어서, 상기 전열핀(1) 하축 양단부에 상측으로 인입된 인입부(5)가 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 전열핀.