KR100529788B1 - 열교환기 - Google Patents

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KR100529788B1
KR100529788B1 KR10-2003-0086354A KR20030086354A KR100529788B1 KR 100529788 B1 KR100529788 B1 KR 100529788B1 KR 20030086354 A KR20030086354 A KR 20030086354A KR 100529788 B1 KR100529788 B1 KR 100529788B1
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나카무라겐지
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린나이코리아 주식회사
린나이가부시기가이샤
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    • F28F9/26—Arrangements for connecting different sections of heat-exchange elements, e.g. of radiators
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Abstract

(과제) 가스 버너에서의 연소 배기열을 흡수하며 또한 내부에 피가열유체가 흐르는 복수의 흡열 파이프(13a)∼(13d)가 교차되는 상태로 중첩된 흡열 파이프군과 상기 흡열 파이프군을 포위하는 케이싱(50)을 구비하는 열교환기에 있어서 상기 열교환기의 소형화를 도모한다.
(해결수단) 상기 각 흡열 파이프(13a)∼(13d)에 있어서의 상기 교차되는 부위(R)가 상기 중첩되는 방향으로 편평화되어 있다.

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}
본원 발명은 물 등의 피가열유체를 가열하기 위한 열교환기에 관한 것으로서, 예를 들면 급탕기나 탕로(bath furnace) 등의 열교환기로서 사용할 수 있다.
도 8은 급탕기에 짜 넣어지는 종래의 열교환기, 더욱 상세하게는 가스 버너에서의 연소배기의 현열 이외에 잠열도 흡수하는 형식의 도 9에 나타낸 콘덴싱급탕기의 잠열 회수용의 열교환기(1)의 요부 단면도이다(특허문헌 1 참조).
상기의 열교환기(1)에서는, 열교환기(1)내에는 피가열유체로서의 물이 흐르는 흡열 파이프(13a,13b)가 설치되어 있음과 아울러, 이들 흡열 파이프(13a,13b)는 표면적의 확대를 도모하여 열효율을 확보하기 위해 굴곡이 자유자재로운 콜게이트관으로 구성되어 있다.
일측의 흡열 파이프(13a)는 도 8의 지면과 평행인 면(이하, 「사행면」이라 함)내에서 사행하도록 굴곡이 이루어져 있고, 이에 의해 원호상의 반환부(R,R)와 그 양 단부에 연속되는 직선부(S,S)를 구비한 파형으로 형성되어 있다. 또한, 타측의 흡열 파이프(13b)도 상기와 마찬가지의 파형으로 굴곡이 이루어져 있다.
흡열 파이프(13a,13b)는 상기 사행면에 대해서 수직인 방향으로 중첩되어 있음과 아울러, 이들 흡열 파이프(13a,13b)는 상기 파형의 파장방향으로 서로 반피치 어긋하는 태양으로 설치되어 있다.
상기의 열교환기(1)에서는, 흡열 파이프(13a,13b)를 중첩상태로 설치하고 있기 때문에 열교환기(1)에 있어서의 상기 중첩방향의 치수를 어느 정도 작게 할 수 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2001-241873호 공보(도 1, 도 3)
그러나, 상기 종래의 것에서는 흡열 파이프(13a,13b)를 단순히 중첩시키는 것뿐이므로 열교환기(1)를 충분히 소형화할 수 없다는 문제가 있었다.
본원 발명은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로서,
가스 버너에서의 연소배기열을 흡수하며 또한 내부에 피가열유체가 흐르는 복수의 흡열 파이프가 교차되는 상태로 중첩된 흡열 파이프군과,
상기 흡열 파이프군을 포위하는 케이싱을 구비하는 열교환기에 있어서, 상기한 종래의 것에 비해 한층 더 소형화된 열교환기를 제공하는 것을 그 과제로 한다.
삭제
상기 과제를 해결하기 위한 본원 발명의 기술적 수단은,
첫째, 상기 각 흡열 파이프에서의 상기 교차되는 부위가 상기 중첩되는 방향으로 편평화되어 있다는 것이다.
상기 기술적 수단에 의하면 각 흡열 파이프가 편평화된 부위에서 중첩되기 때문에, 편평화되어 있지 않은 것에 비해, 흡열 파이프군 전체의 상기 중첩방향의 치수가 한층 더 작아지고, 그 만큼 상기 종래의 열교환기에 비해서 한층 더 소형화를 도모할 수 있다.
또한 흡열 파이프와 열교환되지 않는 연소배기의 양이 적어지게 되어 열효율이 향상된다는 작용효과가 발생한다. 즉, 각 흡열 파이프가 상기 중첩방향으로 간격을 두어서 설치되어 있는 경우에는 상기 연소배기가 각 흡열 파이프에 접촉되는 일 없이 상기 간격부를 통과하고, 이에 의해 흡열 파이프와 열교환되지 않는 연소배기의 양이 증가한다. 이에 비해, 본원 발명에서는 흡열 파이프군의 상기 중첩부가 편평화되어 있기 때문에, 상기한 종래의 것에 비해서 각 흡열 파이프가 더욱 더 조밀하게 설치된 상태가 되고, 그 만큼 상기 설치밀도가 낮은 종래의 것에 비해 흡열 파이프에 접촉되는 일 없이 배출되는 연소배기의 양이 적어진다. 즉, 유동하는 연소배기가 각 흡열 파이프의 안쪽까지 돌아서 들어가고, 이에 의해서 열효율이 향상된다.
둘째, 상기 각 흡열 파이프는 하나의 사행면내에서 파형으로 사행하는 형상을 가지고 있고, 상기 각 흡열 파이프는 상기 사행면에 대해 수직인 방향으로 순차적으로 중첩되어 있음과 아울러, 중첩방향으로 인접하는 흡열 파이프 서로가 상기 파형의 파장방향으로 어긋나 있다는 것에서는, 각 흡열 파이프가 파형으로 사행하고 있기 때문에 직선 파이프에 비해 길어지고, 그 만큼 열효율이 향상된다.
삭제
삭제
셋째, 상기 각 흡열 파이프는 서로 동일한 파형으로 굴곡이 이루어진 콜게이트관으로 구성되어 있음과 아울러, 원호상 반환부와 상기 원호상 반환부의 단부에 이어지는 직선부가 교대로 반복해서 연속되는 파형으로 굴곡되어 이루어져 있고,
삭제
삭제
상기 편평화된 부위는 상기 원호상 반환부로 되는 것에 의해서, 각 흡열 파이프가 동일한 형상으로 형성되어 있기 때문에, 다른 형상의 흡열 파이프를 제작하는 경우에 비해 제조효율의 향상과 부품의 공통화를 도모할 수 있다.
넷째, 상기 각 원호상 반환부는 상기 케이싱내에 위치하고 있고,
삭제
삭제
상기 각 원호상 반환부의 외주에 대해서 상기 케이싱의 내측벽이 압접되어 있다는 것에 의해서, 원호상 반환부가 케이싱의 내측벽에 압접되어서 안정적이다. 따라서, 피가열유체가 급격히 정지할 때의 워터해머현상에 기인하는 각 흡열 파이프의 진동음을 억제할 수 있다.
다섯째, 상기 각 흡열 파이프는 상기 교차되는 부위에 있어서 서로 고정되어 있다는 것에 의해서는, 상기 고정에 의해 흡열 파이프간의 위치어긋남을 방지할 수 있고, 각 흡열 파이프의 간격을 장기간에 걸쳐 적정 간격으로 유지할 수 있기 때문에 경시적인 열효율저하를 방지할 수 있다.
삭제
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(발명의 실시형태)
다음에 상기한 본원 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 상술한다.
도 1은 본원 발명의 실시형태에 관한 열교환기를 적용한 콘덴싱급탕기의 종단면도이다.
이 콘덴싱급탕기에서는 본체 케이스(H)내에 설치된 급기팬(F)의 상방에 연달아 설치된 연소박스(C)에는 가스 버너(B)가 수납되어 있음과 아울러, 상기 연소박스(C)의 상방에는 가스 버너(B)의 연소배기로부터 현열을 흡수하는 주열교환기(2)가 연달아 설치되어 있고, 상기 주열교환기(2)에는 상기 현열을 흡수하기 위한 흡열 파이프(21)가 설치되어 있다. 또한, 상기 흡열 파이프(21)는 도 1의 지면에 대해서 전후로 왕복하도록 사행하는 1개의 동파이프로 구성되어 있고, 그 하류단부(22)에서 가열승온된 온수가 유출되도록 되어 있다.
본원 발명의 대상이 되는 열교환기는 가스 버너(B)의 연소배기로부터 잠열을 회수하기 위한 부열교환기(5)로서 실시되고 있다.
이하, 부열교환기(5)의 구조에 대해서 더욱 상술한다.
[전체 구조]
도 1, 2에 나타낸 바와 같이 부열교환기(5)는 피가열유체로서의 수돗물이 흐르고 또한 가스 버너의 연소배기로부터 잠열을 흡수하는 흡열 파이프(13a)∼(13d)와 이들을 장착하기 위한 케이싱(50)을 구비하고 있다.
[케이싱(50)]
상기 케이싱(50)은 전체로서 직사각형 상자형상으로 형성되어 있다. 그 때문에, 케이싱(50)은 직사각형 테두리형상으로 조립되는 전후판(53,54) 및 측판(51,52)과 상기 측판(51,52)등에 의해서 조립된 상측 개방의 직사각형 테두리의 상부를 폐색하는 상판(55)을 구비하고 있다.
케이싱(50)내에는 흡열 파이프(13a)∼(13d)의 상방에 배치된 배기안내판(56)과 흡열 파이프(13a)∼(13d)로부터 적하하는 드레인을 받는 드레인가이드(57)가 형성되어 있다. 이 드레인가이드(57)는 연소배기류의 하류측을 향해서 낮아지도록 경사져 있음과 아울러, 상기 경사부의 최하부에는 드레인집합부(58)가 오목하게 형성되어 있고, 상기 드레인집합부(58)에 모인 강산성의 드레인은 배액관(59)을 통과해서 도시생략한 중화장치에 유입되고, 상기 중화장치에 의해 중화된 후에 하수로 배출되도록 되어 있다.
배기 안내판(56)은 흡열 파이프(13a)∼(13d)가 설치된 곳을 따라서 연소배기가 흐르도록 하류측을 향해 경사져 있음과 아울러, 하류단부는 하방으로 굴곡되어서 수하벽(560)이 되어 있고, 상기 수하벽(560)의 하측이 열교환실(12)에서의 배기구(561)가 되어 있다. 또한 케이싱(50)을 구성하는 전판{前板(53)}의 상부에는 연소배기를 기기 밖으로 배출하기 위한 배기 톱(41)이 형성되어 있다.
[흡열 파이프(13a)∼(13d)]
상기 드레인가이드(57)와 배기 안내판(56)의 상하간에 형성된 열교환실(12)에 위치하는 흡열 파이프(13a)∼(13d)는 각각 동일한 파형으로 굴곡되어 이루어져 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 흡열 파이프(13a)∼(13d)는 스테인레스 또는 티탄으로 이루어진 콜게이트관(원호상의 골부와 산부가 축선방향에 교대로 연속되는 외면형상을 가진 관)이 하나의 평면(사행면)내에서 파형으로 굴곡을 이룬 것으로서, 용이하게 변형되지 않도록 비교적 큰 강성을 가지고 있다.
또 흡열 파이프(13a)∼(13d)는 사행방향의 중앙에 위치하는 반환부(R)와 그 양단부에서 각각 연장되는 2개의 직선부(S,S)와 상기 직선부(S,S)에 일단부가 연결되어 일체화된 2개의 반환부(R,R)와 상기 반환부(R,R)의 타단부에서 각각 연장되는 양 사이드의 직선부(S,S)를 구비하고 있고, 본 실시형태에서는 상기 각 반환부(R)가 반원호상으로 형성되어 있다. 이에 의해 흡열 파이프(13a)∼(13d)는 반환부(R)와 상기 반환부(R)의 단부에 연속되는 직선부(S)가 하나의 평면인 사행면내에서 반복하여 연속되는 파형으로 형성되어 있다.
흡열 파이프(13a)∼(13d)의 각 반환부(R)는 도 5에 나타낸 바와 같이, 원형 파이프를 상기 사행면에 대해서 수직인 방향으로 편평화한 타원형의 단면형상을 가지고 있다. 또한, 동도면은 흡열 파이프(13a)의 골부를 절단한 형상을 나타내고 있다. 한편, 흡열 파이프(13a)의 각 직선부(S)의 골부를 횡단한 단면형상은 도 4에 나타낸 바와 같이 원형이 된다.
도 1, 도 2에 나타낸 바와 같이, 흡열 파이프(13a)∼(13d)는 상기 사행면에 수직인 방향으로 중첩되어 있음과 아울러, 흡열 파이프(13a)∼(13d) 중 서로 중첩되는 흡열 파이프는 굴곡하는 파형의 파장방향으로 반피치만큼 어긋나 있다. 즉, 도 1에 있어서 위에서 2번째와 가장 아래쪽의 흡열 파이프(13b,13d)에 대해 이들에 인접하는 흡열 파이프(13a,13c)는 배기류의 하류방향으로 반피치 어긋난 부위에 설치되어 있다.
또한, 각 흡열 파이프(13a)∼(13d)는 편평하게 가공된 반환부(R,R) 부분에서 서로 중첩되어 있음과 아울러, 도 1, 도 2에 나타낸 바와 같이 흡열 파이프(13a)∼(13d)간의 중첩부분(평면에서의 교차부)이, 중첩방향으로 4개를 모아서 결속금구(16,16)에 의해 고정되어 있다. 이에 의해 흡열 파이프(13a)∼(13d)의 간격을 장기간에 걸쳐서 적정 간격으로 유지하고, 경시적인 열효율저하를 방지할 수 있도록 하고 있다.
또한 흡열 파이프(13a)∼(13d)의 반환부(R,R) 외주에는 케이싱(50)의 내측벽으로서의 측판(51,52)이 압접되어 있고, 이에 의해서 후술하는 워터해머현상에 의해 흡열 파이프(13a)∼(13d)가 진동하는 것을 억제하고 있다.
또한, 흡열 파이프(13a)∼(13d)의 양 단부는 부열교환기(5)를 구성하는 케이싱(50)의 측판(52)을 바깥쪽으로 관통하고 있음과 아울러, 흡열 파이프(13a)∼(13d)의 상기 관통한 일측 단부는, 도 2, 도 6에 나타낸 바와 같이, 유입측 헤더(31)로 연결되어 있음과 아울러, 상기 유입측 헤더(31)에는 수도배관과 연결되는 급수관(33)이 접속되어 있다. 한편, 흡열 파이프(13a)∼(13d)의 타단부는 유출측 헤더(32)로 연결되어 있음과 아울러, 상기 유출측 헤더(32)에는 주열교환기(2)의 흡열 파이프(21)의 상류단부와 연결되는 연결 파이프(34)가 접속되어 있다. 이와 같이 흡열 파이프(13a)∼(13d)는 그 양 단부가 유입측 헤더(31)와 유출측 헤더(32)로 연결되어 전체로서 병렬 접속된 상태가 되어 있고, 이에 의해 흡열 파이프(13a)∼(13d)가 직렬 접속된 경우에 비해 통수 저항의 경감이 도모되고 있다.
[각 부의 기능 등의 설명]
상기의 것에서는, 주열교환기(2)를 구성하는 흡열 파이프(21)의 하류측에 급탕밸브(K)를 배관 접속해서 사용한다.
급탕밸브(K)의 개방에 의해서 상기 흡열 파이프(21) 등이 통수상태가 되면, 이것을 검지하는 도시생략한 수량 센서의 신호에 의해 급기팬(F)이 회전하는 동시에 가스 버너(B)가 연소되기 시작한다.
그러면, 급수관(33)으로부터 공급되는 피가열유체로서의 수돗물은 유입측 헤더(31)→흡열 파이프(13a)∼(13d)→유출측 헤더(32)→연결 파이프(34)→흡열 파이프(21)→급탕밸브(K)로 이어지는 경로로 유동한다.
한편, 가스 버너(B)에서의 연소배기는 주열교환기(2)의 흡열 파이프(21)의 설치부→부열교환기(5)의 흡열 파이프(13a)∼(13d)의 설치부→배기구(561)→배기 톱(41)으로 이어지는 경로로 흐른다. 이 때, 상기 연소배기의 현열은 주열교환기(2)의 흡열 파이프(21)부분을 흐르는 물에 흡수되는 한편, 상기 흡열에 의해 온도저하된 연소배기의 잠열은 부열교환기(5)의 흡열 파이프(13a)∼(13d)부분을 흐르는 물에 흡수된다. 그리고, 이러한 흡열작용에 의해 가열 생성된 온수가 급탕밸브(K)에 공급된다.
한편, 상기 연소배기에서의 잠열흡수에 의해 부열교환기(5)부분에서 생성된 드레인은 드레인가이드(57) 상에 적하하여 드레인집합부(58)로부터 배액관(59)을 통해 도시생략한 중화장치에 안내된다.
상기의 것에서는, 각 흡열 파이프(13a)∼(13d)를 편평하게 한 반환부(R)에서 서로 중첩되도록 하고 있기 때문에, 편평화되어 있지 않은 것에 비해, 흡열 파이프군 전체에 있어서의 상기 중첩방향의 치수가 작아지고, 부열교환기(5)를 소형화할 수 있다.
또한, 각 흡열 파이프(13a)∼(13d)를 편평화한 반환부(R)에서 서로 중첩되도록 하고 있기 때문에, 도 7에 나타낸 바와 같이 흡열 파이프(13b,13d)의 직선부(S) 중심축과 이것에 서로 중첩되는 흡열 파이프(13a,13c)의 직선부(S) 중심축의 중첩방향의 거리가 작아진다. 즉, 상기 흡열 파이프(13a)∼(13d)군을 배기류의 방향으로 투영한 경우에는, 흡열 파이프(13b,13d)에 있어서의 직선부(S)와 흡열 파이프(13a,13c)에 있어서의 직선부(S)가 완전히 겹쳐진 상태가 된다. 따라서, 각 흡열 파이프(13a)∼(13d)가 조밀하게 설치된 상태가 되고, 그 만큼 상기 설치밀도가 낮은 경우에 비해 흡열 파이프(13a)∼(13d)에 접촉하는 일 없이 배출되는 연소배기의 양이 적어진다. 즉, 유동하는 연소배기가 각 흡열 파이프(13a)∼(13d)의 안쪽까지 돌아서 들어가고, 이에 의해서 열효율이 향상된다.
또한, 상기 실시형태에서는 콘덴싱급탕기의 부열교환기(5)로서 본원 발명을 적용한 경우를 예시적으로 설명하였으나, 가스 버너(B)의 연소배기의 현열을 흡수하는 주열교환기(2)에 본원 발명을 적용해도 된다. 또 욕조내와 욕로를 순환하는 재열회로의 욕로내의 열교환기에 본원 발명을 적용해도 되며, 본원 발명은 피가열유체가 흐르는 여러 가지의 열교환기에 적용할 수 있다.
본원 발명은 상기의 구성으로서 다음과 같은 특유의 효과를 가진다.
상기한 종래의 것에 비해서 흡열 파이프군 전체의 중첩방향의 치수가 한층 더 작아지기 때문에 열교환기를 한층 더 소형화할 수 있다.
또한 상기한 바와 같이, 연소배기가 배기류에 대한 각 흡열 파이프의 안쪽까지 돌아서 들어가기 쉬워지고, 이에 의해 흡열 파이프와 접촉되는 일 없이 배출되는 연소배기의 양이 적어지기 때문에, 그 만큼 열효율이 향상된다.
그리고, 각 흡열 파이프가 동일한 형상으로 형성되어 있기 때문에 부품의 공통화를 도모할 수 있다.
또, 피가열유체가 급격하게 정지할 때의 워터해머현상에 기인하는 각 흡열 파이프의 진동음을 억제할 수 있다.
그리고, 각 흡열 파이프의 간격을 장기간에 걸쳐 적정 간격으로 유지할 수 있기 때문에 경시적인 열효율저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본원 발명의 실시형태에 관한 열교환기를 적용한 급탕기의 종단면도
도 2는 부열교환기(5)의 횡단면도
도 3은 흡열 파이프(13a)의 사시도
도 4는 도 3에 있어서의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도
도 5는 도 3에 있어서의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도
도 6은 부열교환기(5)의 배면도
도 7은 각 흡열 파이프(13a)∼(13d)의 배치관계 설명도
도 8은 종래예의 설명도
도 9는 종래예의 설명도
* 도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명 *
13a∼13d - 흡열 파이프 2 - 주열교환기
5 - 부열교환기 50 - 케이싱
B - 가스 버너 R - 반환부
S - 직선부

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 가스 버너에서의 연소배기열을 흡수하며 또한 내부에 피가열유체가 흐르는 복수의 흡열 파이프가 교차되는 상태로 중첩된 흡열 파이프군과,
    상기 흡열 파이프군을 포위하는 케이싱을 구비하고,
    상기 각 흡열 파이프에서의 상기 교차되는 부위가 상기 중첩되는 방향으로 편평화되어 있는 것에 있어서,
    상기 각 흡열 파이프는 서로 동일한 파형으로 굴곡이 이루어진 콜게이트관으로 구성되어 있음과 아울러, 원호상 반환부와 상기 원호상 반환부의 단부에 이어지는 직선부가 교대로 반복해서 연속되는 파형으로 굴곡되어 이루어져 있고,
    상기 편평화된 부위는 상기 원호상 반환부인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 각 원호상 반환부는 상기 케이싱내에 위치하고 있고,
    상기 각 원호상 반환부의 외주에 대해서 상기 케이싱의 내측벽이 압접되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 청구항 3 및 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 흡열 파이프는 상기 교차되는 부위에 있어서 서로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
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