KR100729644B1 - 열교환 튜브 및 그 열교환 튜브가 장착된 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉난방 시스템을 비롯한 각종의 장치 및 시설에 사용되는 열교환기의 열교환 효율을 향상시키기 위하여 열교환되는 표면적이 증대되도록 파이프의 표면을 빗살무늬 형태로 형성한 열교환 튜브 및 그 열교환 튜브가 장착된 열교환기에 관한 것이다.

본 발명에서는 주변의 열을 흡열하거나 주변으로 열이 방열되도록 열교환기 바디의 내부에 설치되는 열교환기용 열교환 튜브에 있어서, 유체가 통과되는 관의 좌/우측면은 평면상으로 형성되고, 그 상/하면은 외측을 향해 배부른 곡면상으로 형성되어지되, 상기한 좌/우측면에는 열교환시의 표면적 증대를 위한 경사진 빗살무늬 형태의 요철면이 형성된 것을 특징으로 한다.

열교환기, 열교환 튜브, 요철면

Description

열교환 튜브 및 그 열교환 튜브가 장착된 열교환기{The Heat Exchanging tube and The Heat Exchanger}

도 1 내지 도 3은 종래의 기술을 설명하기 위한 도면.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환 튜브의 사시도.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환 튜브의 정단면도.

도 6은 본 발명에 도 5에 표시된 A-A선 단면도.

도 7은 도 5에 표시된 B-B선 단면도.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 튜브의 사시도.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 튜브의 평단면도.

도 10a 및 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환 튜브가 장착된 열교환기의 구성도.

도 11a 및 11b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 튜브가 장착된 열교환기의 구성도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100,200 : 열교환 튜브 110,210 : 상측면

120,220 : 하측면 130,230 : 좌측면

140,240 : 우측면 150,250 : 요철면

300 : 열교환기 310 : 바디

320 : 난방수 유입측 챔버 330 : 난방수 유출측 챔버

340 : 연소가스 유입구 350 : 연소가스 유출구

본 발명은 열교환 튜브 및 그 열교환 튜브가 장착된 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉난방 시스템을 비롯한 각종의 장치 및 시설에 사용되는 열교환기의 열교환 효율을 향상시키기 위하여 열교환되는 표면적이 증대되도록 파이프의 표면을 빗살무늬 형태로 형성한 열교환 튜브 및 그 열교환 튜브가 장착된 열교환기에 관한 것이다.

열교환기는 에어컨 등과 같이 주변의 열을 흡열하는 주변의 온도를 낮추는 냉방장치, 온풍기 등과 같이 가열하는 주변의 온도를 높이는 난방장치를 비롯하여 산업 시설물이나 자동차 등에서의 냉각장치에 흔히 사용되고 있는 것이다. 이러한 열교환기의 구조는 적용되는 해당 장치의 목적이나 구조에 따라서 다양한 형태를 이루게 된다. 특히, 열교환이 필요한 유체의 종류나 온도 상태에 따라서 유체가 통과되는 튜브의 재질이나 형태를 달리 하고 있으며, 자동차의 라디에이터와 같이 공냉이 필요한 부분에 대해서는 튜브의 주변에 수많은 냉각핀이 설치되기도 한다.

한편, 건물의 경우에는 실내외의 공기를 환기시키는 목적의 환기장치에도 열교환기가 적용되어 건물의 냉방장치 및 난방장치의 에너지 효율이 높아지도록 하고 있는 실정이다.

또한, 각종의 연소장치의 경우에는 연소가스의 열을 이용하는 연소장치로 공급되는 연료의 예열이 가능하도록 연료가 통과되는 유로와 연소가스가 통과되는 유로가 교차되도록 하는 방식의 열교환기가 적용되고 있기도 하다.

도 1은 종래의 보일러에 적용되고 있는 열교환기의 한 예를 도시한 도면으로서, 열교환기(10)는 난방수가 유출입되기 위한 다수의 열교환 튜브(20)가 사방이 막혀진 바디(12)의 내부공간에 소정의 간격이 유지된 채로 배관되고, 바디(12)의 내부공간으로는 열교환 튜브(12)들 내부와는 격리된 채로 연소가스가 통과될 수 있도록 바디(12)의 양측벽에는 연소가스 유입구(18a) 및 연소가스 유출구(18b)가 형성된다. 바디(12)의 어느 일측면에는 다수로 분리형성된 각각의 열교환 튜브(20)로 난방수가 고르게 유입될 수 있도록 난방수 유입측 챔버(14)가 형성되고, 다른 일측면에는 각각의 열교환 튜브(20)들을 통과하면서 연소가스의 열을 전달받아 가열된 보온수가 한 데 모이도록 난방수 유출측 챔버(16)가 형성된다. 물론, 난방수 유입측 챔버(14) 및 난방수 유출측 챔버(16)에는 각각 난방수 유입구(14a) 및 난방수 유출구(16a)가 형성된다.

도 2는 종래의 보일러에 적용되고 있는 열교환기의 다른 예를 도시한 도면으로서, 열교환기(20)의 바디(12) 내부에 배관된 열교환 튜브(30)가 지그재그 형태로 절곡된 파이프가 사용된 상태이다.

도 3은 종래의 열교환 튜브의 다른 한 형태를 도시한 도면으로서, 열교환 튜브(40)가 파이프 자체에 일정한 간격으로 주름이 형성된 주름관으로 형성된 형태를 보이고 있다.

전술한 바와 같이 종래의 열교환기의 내부에 배관되는 열교환 튜브들은 단순한 파이프 형태의 원형관, 지그재그 형태로 절곡된 형태의 절곡관, 파이프 자체에 무수한 주름이 형성된 주름관 등이 주로 이용되고 있는 실정이다.

그런데, 종래에 사용되었던 일반적인 원형관 형태의 열교환 튜브의 경우에는 굴곡관 형태의 열교환 튜브나 주름관 형태의 열교환 튜브에 비하여 열교환 효율이 떨어질 수 밖에 없었던 문제점이 있었고, 절곡관 형태의 열교환 튜브가 적용된 열교환기의 경우에는 절곡부에서 유체의 흐름이 원활이 이루어지지 못하거나 충격에 상대적으로 취약한 절곡부분의 파손될 위험이 있는 문제점이 있었고, 주름관 형태의 열교환 튜브의 경우에는 파이프의 전둘레에 걸쳐서 주름부를 성형하는 과정에서의 제작상 어려움이 있었을 뿐만 아니라 주름부의 파손이 문제점으로 지적되고 있었다.

특히, 주름관 형태의 열교환 튜브가 사용될 경우에는 주름 부위에 유체에 포함된 이물질이 고착되는 현상이 발생되거나, 유체가 파이프의 전둘레에 걸쳐 형성된 주름부를 통과되는 과정에서 기포가 발생되는 현상이 발생되므로서, 열교환 튜 브를 통과하는 유체의 흐름이 원활하게 이루어지지 못하게 되는 원인이 될 뿐만 아니라 맥동음의 원인이 되는 것으로 지적되고 있는 실정이다.

따라서 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 열교환기에서 발생되는 문제점들을 감안하여 안출된 것으로서, 냉난방 시스템을 비롯한 각종의 장치 및 시설에 사용되는 열교환기의 열교환 효율을 향상시키기 위하여 열교환되는 표면적이 증대되도록 파이프의 표면을 빗살무늬 형태로 형성한 열교환 튜브 및 그 열교환 튜브가 장착된 열교환기를 제공하는 데 목적이 있는 것이다.

본 발명은 전술한 바와 같은 발명의 목적달성을 위한 수단으로서, 주변의 열을 흡열하거나 주변으로 열이 방열되도록 열교환기 바디의 내부에 설치되는 열교환기용 열교환 튜브에 있어서, 유체가 통과되는 관의 좌/우측면은 평면상으로 형성되고, 그 상/하면은 외측을 향해 배부른 곡면상으로 형성되어지되, 상기한 좌/우측면에는 열교환시의 표면적 증대를 위한 경사진 빗살무늬 형태의 요철면이 형성된 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에서는 상기한 요철면은 사다리꼴 형태의 산과 골이 연속형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 상기한 요철면은 좌/우측면과 일체로 성형되어 좌/우측 면의 내부에도 요철면에 대응되는 굴곡이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 상기한 요철면은 좌/우측면과는 별도로 성형된 후 좌/우측면에 부착된 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 열교환기용 튜브의 구성 및 작동에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환 튜브의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환 튜브의 정단면도이며, 도 6은 본 발명에 도 5에 표시된 A-A선 단면도이며, 도 7은 도 5에 표시된 B-B선 단면도이며, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 튜브의 사시도이며, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 튜브의 평단면도이며, 도 10a 및 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환 튜브가 장착된 열교환기의 구성도이며, 도 11a 및 11b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 튜브가 장착된 열교환기의 구성도이다.

도면 중에 표시되는 도면부호 100과 200은 각각 본 발명의 일실시예 따른 열교환 튜브를 지시하는 것으로, 열교환 튜브(100,200)는 그 양측단이 열교환기의 바디에 양측벽에 각각 고정된 상태에서 그 중간 구간이 바디의 내부공간을 가로질러 통과되면서 주변의 열을 흡수하거나 주변에 열을 빼앗기도록 형성되는 것이다.

따라서 열교환 튜브(100,200)는 기체상태 또는 액체상태의 유체가 자유스럽게 흐를 수 있도록 그 몸체가 관형태로 형성된다. 이와 같이 본 발명에 의한 열교 환 튜브(100,200)의 몸체가 전체적으로 관형상을 이루는 점은 종래기술의 의한 일반적인 열교환 튜브들과 비교할 때 커다란 차이점은 없는 것이다. 그러나 본 발명에 의한 열교환 튜브(100,200)의 형태를 종래기술에 의한 일반적인 열교환 튜브들과 비교하여 상세하게 살펴 보면 그 단면의 형태 및 측면의 구조에서 커다란 차이점을 찾을 수 있게 된다.

우선, 도 5에 도시된 바와 같이 관의 단면형상을 살펴보면, 본 발명에 의한 열교환 튜브(100)는 그 단면형상이 원형상도 사각형상도 아닌 형태로 일부는 원형상의 단면형태를 일부는 사각형상의 단면형태를 취하는 것이다. 즉, 원형의 단면상으로 구성된 부위는 유체의 흐름이 보다 원활이 이루어지도록 하는 측면에서는 유리한 것이고, 사각의 단면상으로 구성된 부위는 통과되는 유체의 열교환 표면적을 증대시키는 측면에서 유리한 것이다. 전술한 바와 같은 유체의 흐름이 우수해지도록 할 뿐만 아니라 열교환 표면적의 증대를 위해서 본 발명에 의한 열교환 튜브(100)는 도면상 그 상/하측면(110,120)은 원형단면의 일부인 곡면상으로 이루어지고, 그 좌/우측면(130,140)은 사각단면의 일부는 평면상으로 이루어지는 것이다.

특히, 열교환기(300)의 바디(310) 양측에 장착되는 전후방 끝단의 일부 구간을 제외한 좌/우측면(130,140)의 중간 구간은 소정의 간격을 두고 산과 골이 연속된 요철면(150)으로 형성되므로서, 유체가 통과되는 전체의 구간이 평면형태일 경우보다 열교환이 이루어지는 표면적이 더욱 증대되도록 이루어지는 것이다. 이러한 요철면(150)의 산과 골의 형성방향은 도면상 경사진 상하방향을 향하는 형태의 빗살무늬 구조를 이루게 된다.

요철면(150)을 이루는 산과 골은 도 7에서 확인되는 바와 같이 그 단면형상이 각각 사다리꼴을 이루는 산과 골이 서로 교차되는 형태로 연속하여 형성되는데, 열교환 튜브(100)의 내부로 통과되는 유체의 흐름 뿐만 아니라 열교환 튜브(100)의 외부 즉 열교환기(300)의 바디(310) 내부를 통과하는 유체의 흐름도 상대적으로 원활히 이루어질 수 있도록 하기 위한 것이다.

전술한 바와 같은 요철면(150)은 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 형태와, 도 8 내지 도 9에 도시된 바와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 형태로 이루어질 수 있는 것이다. 즉, 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이 요철면(150)이 열교환 튜브(100)의 좌/우측면(130,140)을 이루는 튜브 본체에 일체로 형성될 수 있는 것이며, 도 8 내지 도 9에 도시된 바와 같이 요철면(250)은 별도의 플레이트(250a)에 성형이 이루어진 상태에서 열교환 튜브(200)의 좌/우측면(230,240)에 부착될 수도 있는 것이다. 이 경우에도, 열교환 튜브(200)의 상/하측면(210,220)은 곡면상으로 형성된다.

도 4 내지 도 7에 도시된 경우와 같이 열교환 튜브(100)의 좌/우측면(130,140)에 요철면(150)이 일체로 성형되는 경우에는 관의 내부에도 요철면과 대응되는 굴곡이 있게 되므로서 관 내부를 통과하는 유체의 열교환 효과는 더욱 크게 얻을 수 있게 되지만, 유체의 흐름이 원활하게 이루어지는 측면에서는 도 8 내지 도 9에 도시된 경우에 비하여 상대적으로 그 효율이 저하될 수는 있을 것이다.

반면에 도 8 내지 도 9에 도시된 경우와 같이 요철면(250)이 열교환 튜브 (200)의 본체와 별도로 성형된 후에 튜브 본체에 부착되는 경우에는 유체가 통과되는 유로의 좌/우측면(230,240)은 평면상태가 되므로서 유체의 흐름이 도 4 내지 도 7에 도시된 경우에 비하여 상대적으로 원활하게 흐를 수 있는 조건이 될 수 있는 것이다.

그리고 본 발명의 각 실시예에 따른 열교환 튜브(100,200)는 그 튜브 몸체를 제작하는 과정에서 도면에서와 같이 상하측면의 중앙선 상에 표시된 접합선(160,260)을 기준으로 좌측 몸체와 우측 몸체로 분리형성된 후에 별도의 접합과정을 통해서 접합되어 형성될 수 있는 것이다.

도 10 내지 도 11은 이상에서 설명된 바와 같이 구성된 열교환 튜브(100,200)가 각각 보일러의 열교환기(300)에 적용된 상태를 보인 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이 열교환기(300)에는 다수의 열교환 튜브(100,200)가 소정의 상하 간격을 두고 배열된다.

열교환기(300)의 바디(310)에는 각각 도면상 그 전/후방측에 난방수의 유입 및 유출을 유도하기 위한 난방수 유입측 챔버(320)와 난방수 유출측 챔버(330)가 구성되고, 바디(310)의 좌/우측면측에는 바디(310)의 내부로 연소가스의 유입을 유도하는 연소가스 유입구(340) 및 바디(310)의 내부를 통과한 연소가스의 유출을 유도하는 연소가스 유출구(350)가 형성된 상태이다. 또한, 난방수 유입측 챔버(320) 및 난방수 유출측 챔버(330)에는 각각 난방수 유입구(340) 및 난방수 유출구(350)가 형성된 상태이다. 참고로, 이와 같은 열교환 튜브(100,200)가 보일러의 열교환 기(300)에 적용된 것은 본 발명에 의한 열교환 튜브가 사용되는 일실시예를 설명하기 위한 하나의 예에 불과한 것임을 밝혀두면서, 이하에서는 열교환 튜브(100,200)의 작동에 관한 설명을 열교환기(300)의 작동과 함께 설명하기로 한다.

전술한 바와 같이 보일러에 열교환기(300)를 두는 이유는 연소실에서 생성된 고온의 연소가스를 배기관을 통해 외부로 배출시키기 전단계에서 연소가스의 열을 이용하여 보일러의 가열부로 공급되는 난방수를 미리 예열해주므로서 상대적으로 높은 난방효율을 얻을 수 있도록 하기 위한 것이다. 또한, 대기중으로 방출되는 연소가스의 온도를 낮추게 되므로서 대기오염을 줄일 수 있게 되는 것이다.

보일러가 운전됨과 동시에 보일러의 연소실에서는 연료의 연소에 따른 고온의 연소가스가 생성되는데, 이때 생성된 연소가스는 보일러의 내부 및 외부에 배관된 배기관을 따라서 외부로의 방출이 이루어진다. 하지만, 본 발명과 같이 열교환기(300)가 형성된 경우에는 배기관의 일부 또는 전부가 열교환기(300)의 바디(310)를 경유하게 된다. 연소가스 유입구(340)를 통해서 열교환기(300)의 바디(310) 내부로 유입된 고온의 연소가스는 바디 내부에서 일정 부분 순환된 후 연소가스 유출구(350)를 통해서 다시 원래의 배기관으로 복귀되어 외부로의 방출이 이루어진다.

한편, 보일러의 운전과 함께 연소실에 근접형성된 가열부로는 난방수의 공급이 이루어지는데, 이 난방수의 일부 배관 또는 전부가 통과하도록 배관된 열교환 튜브(100,200)가 열교환기(300)의 바디(310) 내부에 형성되어 있으므로서 난방수는 자연히 열교환기(300)를 통과하는 연소가스에 의해서 예열이 이루어진 상태가 된다. 보일러의 운전 초기시에는 연소가스의 온도가 상대적으로 낮을 뿐만 아니라, 이미 차갑게 식어 있는 상태의 난방수가 가열부로 공급됨에 따라서 예열의 효과는 상대적으로 낮을 수 있다. 하지만, 보일러가 계속해서 운전되는 도중 또는 일시정지된 후에 다시 재운전되는 경우에는 보일러의 운전 초기시의 경우보다 높은 효율을 얻을 수 있는 것이다.

특히, 본 발명에 따른 열교환 튜브(100,200)는 이미 전술한 바와 같이 유체(보일러의 경우에는 난방수)가 통과되는 유로의 형태가 일부는 곡선면으로 형성되고 일부는 굴곡진 평면상으로 형성되므로서, 유체의 흐름에 저항요소(굴곡면 등)가 관로 전둘레에 걸쳐서 절반 이하로 그치게 되므로서 유체의 흐름은 원활히 유지하면서도 요철면(150,250)을 통한 관로의 표면적 증대에 의해서 열교환 효과는 상대적으로 높아질 수 있는 것이다.

또한, 도 8 내지 도 9에 도시된 바와 같이 요철면(250)이 튜브 본체와는 별도로 형성된 경우에는 유체의 흐름에는 굴곡면 등에 위한 어떠한 저항요소도 제공하지 않는 상태에서 열교환 튜브(200)의 좌/우측면(230,340)에 부착된 요철면(250)에서의 열교환이 이루어질 수 있게 되는 것이다. 특히, 이 경우에는 튜브 본체의 내부공간에는 굴곡면의 형성되지 않으므로서 유체가 통과되는 과정에서의 정체 등에 따른 기포발생현상이나 이물질이 축적되는 현상 등이 방지될 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 열교환 튜브(100,200)의 외부공간 즉, 열교환기(300)의 바디 내부공간을 통과하는 연소가스의 측면에서는 연소가스 유입구(340)에서 유입된 연소가스가 연소가스 유출구(350)를 향하여 흐르는 과정에서 열교환 튜브(100,200)의 도면상 좌/우측면 상에 마련된 요철면(150,250)에 의해서 연소가스의 교반상태가 우수해질 뿐만 아니라, 열교환면적의 확대를 위해 형성된 요철면(150,250)이 곡면형태 또는 주름관 형태가 아닌 경사진 직선 형태로 이루어지므로서 연소가스의 보다 균일한 흐름을 유도할 수 있게 되는 것이다.

열교환 튜브(100,200)의 강도 측면에서 본 발명에 따른 열교환 튜브의 장점을 살펴보면, 요철면(150,250)이 형성되는 부분이 관로의 좌/우측면에 한정되므로서 전둘레에 걸쳐서 주름이 형성되었던 주름관 형태의 열교한 튜브의 경우보다 높은 강성을 가지게 되어 열교환 튜브가 좌굴되거나 변형되는 현상이 방지될 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의해 구성된 열교환 튜브 및 그 열교환 튜브가 구비된 열교환기는 유체의 흐름상태는 최대한 원활한 상태로 유지시키면서도 열교환을 위한 표면적의 증대 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 주름관 형태의 종래 열교환 튜브에 비하여 높은 강성을 띠게 되어 변형이나 파손 등에 따른 고장원인을 줄일 수 있는 커다란 장점이 있는 것이다. 아울러, 열교환 튜브의 좌우측면에 형성된 요철면이 경사진 직선 상의 빗살무늬 형태로 형성되므로서, 열교환 튜브 외측공간을 통과하는 유체의 교반 상태를 원할히 하는 한편, 유체의 균일한 흐름을 유도할 수 있는 커다란 장점이 있는 것이다.

Claims (8)

1. 주변의 열을 흡열하거나 주변으로 열이 방열되도록 열교환기 바디의 내부에 설치되는 열교환기용 열교환 튜브에 있어서,

   유체가 통과되는 관의 좌/우측면은 평면상으로 형성되고, 그 상/하면은 외측을 향해 배부른 곡면상으로 형성되어지되, 상기한 좌/우측면에는 열교환시의 표면적 증대를 위한 경사진 빗살무늬 형태의 요철면이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 열교환 튜브.
2. 제 1항에 있어서,

   상기한 요철면은 사다리꼴 형태의 산과 골이 연속형성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 열교환 튜브.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기한 요철면은 좌/우측면과 일체로 성형되어 좌/우측면의 내부에도 요철면에 대응되는 굴곡이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 열교환 튜브.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기한 요철면은 좌/우측면과는 별도로 성형된 후 좌/우측면에 부착된 것을 특징으로 하는 열교환기용 열교환 튜브.
5. 주변의 열을 흡열하거나 주변으로 열이 방열되도록 다수의 열교환 튜브가 바디 내측에 배관되는 열교환기에 있어서,

   유체가 통과되는 상기 열교환 튜브의 좌/우측면은 평면상으로 형성되고, 그 상/하면은 외측을 향해 배부른 곡면상으로 형성되어지되, 상기한 좌/우측면에는 열교환시의 표면적 증대를 위한 경사진 빗살무늬 형태의 요철면이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
6. 제 5항에 있어서,

   상기한 요철면은 사다리꼴 형태의 산과 골이 연속형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

   상기한 요철면은 좌/우측면과 일체로 성형되어 좌/우측면의 내부에도 요철면에 대응되는 굴곡이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
8. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,

   상기한 요철면은 좌/우측면과는 별도로 성형된 후 좌/우측면에 부착된 것을 특징으로 하는 열교환기.

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