KR101086917B1 - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환배관 내부를 통과하는 난방수와 연소가스와의 열전달이 효율적으로 이루어질 수 있는 열교환기에 관한 것이다. 상기 열교환기는 단부가 개방된 납작한 튜브형상의 단면을 갖으며, 그 내부로 난방수가 통과하는 다수의 열교환배관과, 길이방향으로 일정한 간격으로 이격된 배관삽입구멍을 갖고, 상기 배관삽입구멍에는 상기 다수의 열교환배관 각각의 양측 단부가 끼워지는 제1 고정판 및 제2 고정판과, 상기 제1 고정판 및 제2 고정판에 각각 고정되고, 상기 열교환배관의 양측 단부를 폐쇄하여 병렬유로를 형성하기 위한 제1 병렬유로캡 및 제2 병렬유로캡과, 상기 제1 병렬유로캡과 연결된 난방수유입구과, 상기 제1 및 제2 병렬유로캡 중 어느 하나와 연결된 난방수유출구를 포함하고, 상기 열교환배관의 단면은 상기 열교환배관들 사이를 통과하는 연소가스의 유동경로를 연장시키기 위해 상기 열교환배관의 폭방향으로 돌출부와 오목부가 교대로 반복되는 형상을 갖으며, 두께방향 양측으로 돌출되는 복수의 돌출부가 형성되되 그 돌출부는 대면접촉되고, 두께방향의 상부와 하부 형상이 상보적인 형태로 구비되되 인접하는 열교환배관에 의해 형성되는 각각의 연소가스 유동경로의 단면의 형상은 상기 열교환배관의 형상과 근사한 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

열교환기, 열교환배관, 고정판, 병렬유로캡, 돌출부, 오목부

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 보일러에 적용되는 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환배관 내부를 통과하는 난방수와 연소가스와의 열전달이 효율적으로 이루어질 수 있는 열교환기에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이 연소실 내에서 열교환배관 내부를 따라 흐르는 난방수를 버너를 이용하여 가열할 수 있는 구성을 가진 연소기기에는 크게 보일러와 온수기 등을 들 수 있다. 일반 가정이나 공공건물 등에 사용되는 보일러는 난방용 및 온수용으로 이용되고, 온수기는 냉수를 단시간 내에 소정의 온도로 가열하여 사용자가 편리하게 온수를 사용할 수 있도록 하는 것이다. 이러한 보일러 및 온수기와 같은 연소기기는 대부분 기름 혹은 가스를 연료로 사용하여 버너를 통해 연소시킨 다음, 이 연소과정에서 발생하는 연소열을 이용하여 물을 가열하고, 이 가열된 물(온수)을 사용자에게 제공하는 시스템을 가지고 있다.

상기와 같은 연소기기에는 버너로부터 발생한 연소열을 흡수하기 위하여 열교환기가 구비되어 있는데, 종래부터 열교환기의 열전달효율을 향상시키기 위한 다양한 방법들이 제안되어 왔다.

종래에, 열교환배관의 외면에 다수의 핀을 설치하여 열교환배관의 전열면적을 넓히는 방법이 널리 사용되었다. 그러나, 이러한 방식의 열교환배관은 제조방법이 복잡하여 제작비용이 증가되는 반면, 핀의 설치에 따른 전열면적의 증가효과는 그리 크지 않았다.

도 1은 종래의 핀형 열교환기보다 제조방법이 간단한 장방형 열교환기를 도시하는 도면이다.

상기 열교환기는 변의 폭이 높이에 비해 큰 장방형의 단면을 갖는 열교환배관(1)의 양단부를 고정판(2, 3)에 끼우고, 상기 고정판에는 단부판(4, 5)이 예를 들어, 블레이징 용접에 의해 밀착결합되는 구성을 갖고 있다. 단부판(4, 5)에는 난방수유입구(6)와 난방수유출구(7)가 각각 형성되어 있다. 각각의 열교환배관(1)은 배관연결부(8)에 의해 연결되어, 난방수유입구(6)로 유입된 난방수는 다수의 열교환배관(1) 및 배관연결부(8)를 통과하여 난방수유출구(7)로 유출된다. 이러한 열교환기는 핀형 열교환기보다 제조방법이 간단하고, 전열면적도 충분히 확보할 수 있는 장점을 갖고 있다.

그러나, 이러한 열교환기에서 버너의 연소에 의한 연소가스는 화살표 방향을 따라 열교환배관(1) 사이의 공간을 지나가는데, 연소가스가 통과되는 유동경로가 비교적 짧아서 연소가스의 열이 열교환배관(1)에 충분히 전달되지 않는 문제점이 있었다. 또한, 열교환배관(1) 사이의 간격은 가정용 보일러의 경우 통상 1~2mm 정도인데, 보일러가 가동되어 열교환배관(1) 내로 난방수가 통과하면, 난방수의 압력에 의해 열교환배관(1)이 팽창하여 연소가스의 유동경로를 막아서 열교환효율이 저 하되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 열교환배관을 지나는 연소가스의 경로를 더 길게 함과 동시에 연소가스가 난류를 형성하도록 함으로써 열전달효율을 증가시킬 수 있는 열교환기를 제공하고자 함에 목적이 있다. 또한, 열교환배관 내로 유동하는 난방수의 압력에 의해 열교환배관이 팽창하여 연소가스의 유동경로를 차단하는 것을 방지할 수 있는 열교환기를 제공하고자 함에 목적이 있다. 또한, 연소가스가 통과되는 열교환배관 사이의 간격을 전체적으로 일정하게 유지할 수 있는 열교환기를 제공하고자 함에 목적이 있다.

본 발명의 열교환기는 단부가 개방된 납작한 튜브형상의 단면을 갖으며, 그 내부로 난방수가 통과하는 다수의 열교환배관과, 길이방향으로 일정한 간격으로 이격된 배관삽입구멍을 갖고, 상기 배관삽입구멍에는 상기 다수의 열교환배관 각각의 양측 단부가 끼워지는 제1 고정판 및 제2 고정판과, 상기 제1 고정판 및 제2 고정판에 각각 고정되고, 상기 열교환배관의 양측 단부를 폐쇄하여 병렬유로를 형성하기 위한 제1 병렬유로캡 및 제2 병렬유로캡과, 상기 제1 병렬유로캡과 연결된 난방수유입구과, 상기 제1 및 제2 병렬유로캡 중 어느 하나와 연결된 난방수유출구를 포함하고, 상기 열교환배관의 단면은 상기 열교환배관들 사이를 통과하는 연소가스의 유동경로를 연장시키기 위해 상기 열교환배관의 폭방향으로 돌출부와 오목부가 교대로 반복되는 형상을 갖으며, 두께방향 양측으로 돌출되는 복수의 돌출부가 형성되되 그 돌출부는 대면접촉되고, 두께방향의 상부와 하부 형상이 상보적인 형태로 구비되되 인접하는 열교환배관에 의해 형성되는 각각의 연소가스 유동경로의 단면의 형상은 상기 열교환배관의 형상과 근사한 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

삭제

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또한, 상기 제1 병렬유로캡 및 제2 병렬유로캡은 프레스 가공으로 형성되어, 상기 열교환배관의 단부를 폐쇄하기 위한 복수의 돔형상부와, 상기 돔형상부 사이의 연결부를 포함하고, 상기 연결부의 위치에는 상기 열교환배관의 단면형상과 유사한 단면형상을 갖는 삽입판이 상기 열교환배관 사이에 삽입되어, 각각의 연소가스의 유동경로의 형상과 간격은 근사하게 유지되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열교환배관은 프레스 가공되어 절곡된 후, 그 연결부는 용접되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 열교환기에 따르면, 열교환배관을 지나는 연소가스의 유동경로를 더 길게 형성하여 열전달효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 열교환배관 내로 유동하는 난방수의 압력에 의해 열교환배관이 팽창하여 연소가스의 유동경로를 차단하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 연소가스가 통과되는 각각의 열교환배관 사이의 간격을 전체적으로 일정하게 유지할 수 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

도 2는 본 발명의 열교환기(100)의 사시도이고, 도 3은 상기 열교환기의 개략적인 단면을 나타내는 도면이다.

상기 열교환기(100)는 열교환배관(10), 제1 고정판(21) 및 제2 고정판(22), 제1 병렬유로캡(31) 및 제2 병렬유로캡(32), 난방수유입구(41) 및 난방수유출구(42)를 포함한다.

상기 열교환배관(10)은 단부가 개방된 납작한 튜브형의 단면을 가지며, 열교환배관(10)의 내부로는 난방수가 통과된다. 상기 열교환배관(10)은 다수개가 길이방향으로 적층된다.

제1 고정판(21) 및 제2 고정판(22)은 길이방향으로 일정한 간격으로 이격된 배관삽입구멍(21a)을 갖고, 상기 배관삽입구멍에는 상기 다수의 열교환배관(10) 각각의 양측 단부가 끼워진다(도 6 참조).

상기 제1 병렬유로캡(31) 및 제2 병렬유로캡(32)은 상기 제1 고정판(21) 및 제2 고정판(22)에 각각 고정되고, 상기 열교환배관(10)의 개방된 양측 단부를 폐쇄하여 병렬유로를 형성한다.

상기 제1 병렬유로캡(31)의 하부는 상기 난방수유입구(41)와 연결되고, 상부는 난방수유출구(42)와 연결된다. 이와 달리, 상기 난방수유입구(41)는 상기 제1 병렬유로캡(31)의 하부와 연결되고, 상기 난방수유출구(42)는 상기 제2 병렬유로캡(32)의 상부와 연결될 수도 있다.

이하에서는 도 3을 참조하여, 열교환기(100) 내부를 통과하는 난방수의 유동경로를 설명하기로 한다.

난방수는 열교환기(100) 하부의 난방수유입구(41)로 들어가서, 2개의 열교환배관(10) 내부를 지나서 우측으로 유동하게 된다. 열교환배관(10)의 우측 단부를 통과한 난방수는 상기 2개의 열교환배관(10) 상부에 적층된 또 다른 2개의 열교환배관(10)의 우측 단부를 통해 좌측으로 유동하게 된다. 상기 4개의 열교환배관(10)의 우측 단부는 제2 병렬유로캡(32)의 돔형상부(32a)에 의해 폐쇄된다.

좌측으로 유동한 난방수는 제1 병렬유로캡(31)의 돔형상부(31a)를 지나 또 다른 2개의 열교환배관(10)을 따라 우측으로 유동하게 된다. 이런 식으로, 난방수는 지그재그식으로 유로를 변경하면서 열교환배관(10) 내부를 지나 제1 병렬유로캡(31)의 상부와 연결된 난방수유출구(42)를 통해 빠져나가게 된다. 난방수가 열교환배관(10) 내부를 유동하는 동안 버너의 연소에 의한 연소가스와 열교환이 이루어진다. 도면에서, 연소가스는 지면에서 나오는 방향 또는 지면으로 들어가는 방향을 따라 열교환배관(10) 사이를 통과하면서 난방수에 열을 전달한다.

도 4는 다수의 열교환배관(10)이 적층된 단면의 형태를 나타내는 도면이고, 도 5는 하나의 열교환배관(10)의 형상을 나타내는 도면이다.

본 발명에서, 열교환배관(10)의 폭방향(w)은 열교환배관 사이로 연소가스가 통과되는 방향이고, 두께방향(t)은 납작한 튜브형 단면을 갖는 열교환배관(10)의 두께를 나타내는 방향이고, 길이방향(l)은 열교환배관(10)의 전체 길이를 나타내는 방향을 말한다(도 5 참조).

상기 열교환배관(10)의 단면은 열교환배관들 사이를 통과하는 연소가스의 유동경로를 연장시키기 위해 열교환배관(10)의 폭방향(w)으로 돌출부(11)와 오목부(12)가 교대로 반복되는 형상을 갖는다. 또한, 상기 열교환배관(10)의 단면은 두께방향(t) 상부와 하부의 형상이 상보적인 형태를 갖는다. 즉, 열교환배관(10)의 두께방향(t) 상부의 형상이 돌출되었다면, 하부의 형상은 오목하게 들어간 형상을 갖는다. 따라서, 인접하는 2개의 열교환배관(10)에 의해 형성되는 연소가스의 유동경로의 단면형상은 복수의 S자 형태가 되고, 이러한 형상은 전체 열교환배관(10)에 있어 거의 동일하다.

이러한 구성에 의해, 연소가스의 유동경로가 길어지고 열교환배관(10)의 전열면적이 넓어짐으로써, 연소가스가 가지고 있는 열은 열교환배관(10) 내부의 난방수로 충분히 전달될 수 있다. 또한, 연소가스의 유동경로가 S자 형태가 됨으로써 연소가스의 유동은 난류를 형성하게 된다. 따라서, 연소가스가 유동경로에서 머무르는 시간이 길어지고, 그만큼 연소가스의 열은 열교환배관(10)을 통해 난방수에 더욱 잘 전달될 수 있어 열교환효율이 상승한다.

상기 열교환배관(10)은 두께방향(t) 상부와 하부의 형상을 하나의 금속판에 프레스 가공한 후, 가운데를 절곡하고 그 연결부는 용접하여 형성하는 것이 바람직하다. 이는 제조공정을 간단하게 하여 열교환배관(10)의 생산비용을 절감시킨다.

한편, 보일러가 작동되어 상기 열교환배관(10) 내부로 난방수가 유동하면, 난방수의 압력에 의해 열교환배관(10)이 두께방향(t)으로 팽창될 수 있다. 통상, 가정용 보일러에 내장되는 열교환기는 소형이고, 따라서 열교환배관(10) 사이의 간격은 1~2mm 정도이다. 즉, 연소가스는 1~2mm 정도의 간격을 통해 지나가게 되므로, 열교환배관(10)이 팽창될 경우 연소가스가 지나가는 통로를 막게 되어 열교환효율이 떨어지게 된다.

본 발명의 열교환배관(10)은 돌출부(11)와 오목부(12)가 반복되는 형상을 갖고 프레스 가공에 의해 제작됨으로써 그 자체의 강성이 충분하여, 난방수의 압력에 의해 열교환배관(10)이 팽창되는 정도는 매우 미미한 수준이다. 그러나 난방수의 압력에 의해 열교환배관(10)이 팽창되는 것을 더욱 확실하게 방지하기 위해서, 상기 열교환배관은 열교환배관의 길이방향으로 일정한 간격으로 이격되어 열교환배관의 두께방향(t) 양측으로 돌출되는 복수의 돌출부(13)를 갖는 것이 바람직하다(도 5 참조). 상기 열교환배관(10)이 길이방향으로 설치되었을 때, 인접하는 상기 열교환배관 각각의 돌출부(13)는 서로 대면 접촉된다. 따라서, 이러한 돌출부(13)에 의해 열교환배관(10)이 팽창되어 연소가스의 유동경로를 막는 것을 방지할 수 있다.

한편, 이러한 돌출부(13)는 열교환배관(10)의 길이방향으로 이격되게 설치된다. 즉, 돌출부(13)는 연소가스의 유동경로와 평행한 방향으로 이격되게 설치되어 있어, 연소가스가 이동되는 경로는 돌출부(13)로 인해 거의 차단되지 않으며, 오히려 연소가스가 이동되는 경로를 다수의 구획으로 구분함으로써, 연소가스의 열이 열교환배관(10)으로 잘 전달될 수 있게 한다. 또한, 열교환배관(10) 내로 유동하는 난방수는 돌출부(13)를 지나면서 난류를 형성하게 되어 연소가스의 열을 더 잘 전달받을 수 있고, 따라서 전체 열교환효율이 상승하는 효과도 발생한다.

도 6은 본 발명의 제1 고정판(21)의 형상을 나타내는 도면이다. 상기 제2 고정판(22)의 형상도 제1 고정판(21)과 동일하다.

상기 제1 고정판(21)에는 열교환배관(10)의 단부가 끼워지는 배관삽입구멍(21a)이 일정한 간격으로 이격되어 형성된다. 상기 제1 고정판(21) 위에는 제1 병렬유로캡(31)이 예를 들어, 브레이징 용접에 의해 고정되어 병렬유로를 형성하게 된다.

도 7는 본 발명의 제1 병렬유로캡(31)의 형상을 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 열교환배관(10) 사이에 삽입되는 삽입판(50)을 나타내는 도면이다. 제2 병렬유로캡(32)의 형상도 난방수유입구(41)와 난방수유출구(42)와 연결하기 위한 개구를 제외하고는 제1 병렬유로캡(31)과 거의 동일하다.

상기 제1 병렬유로캡(31)은 상기 열교환배관(10)의 단부를 폐쇄하기 위한 복수의 돔형상부(31a)와, 상기 돔형상부 사이의 연결부(32b)를 포함한다. 일반적으로, 이러한 형태의 병렬유로캡은 프레스 가공에 의해 제작된다. 상술한 바와 같 이, 보일러에서 열교환배관(10) 사이의 간격은 1~2mm에 불과하지만, 프레스 가공에 의해서 상기 돔형상부를 1~2mm 간격마다 형성하는 것은 매우 어렵다[즉, 연결부(31b)의 거리가 1~2mm가 되게 제1 병렬유로캡(31)을 프레스 가공으로 제작하는 것은 매우 어렵다]. 일반적으로, 연결부(32b)를 프레스 가공으로 형성할 수 있는 최소한의 거리는 4~5mm 정도이다. 이러한 형태의 병렬유로캡에 의해 열교환 경로를 형성할 경우에는, 병렬유로캡의 연결부에 인접하는 열교환배관(10) 사이의 간격은 4~5mm가 되어야 하고, 나머지 열교환배관(10) 사이의 간격은 1~2mm 가 되므로, 열교환배관(10) 사이 간격의 불균형이 생긴다. 즉, 돔형상부(31a) 부분에 위치하는 열교환배관(10) 사이의 이격거리는 1~2mm인 반면, 연결부에 인접하는 열교환배관(10) 사이의 이격거리는 4~5mm 가 된다. 이러한 경우, 연소가스는 4~5mm의 이격거리를 갖는 열교환배관(10) 사이로 주로 통과하게 되어 연소가스가 열교환배관(10) 사이로 골고루 통과하지 않아 열교환효율이 저하된다.

본 발명에서는 이러한 점을 개선하기 위해, 상기 제1 병렬유로캡의 연결부(31b)의 위치에는 상기 열교환배관(10)의 단면형상과 유사한 단면형상을 갖는 삽입판(50)이 열교환배관(10) 사이에 삽입된다(도 4 참조). 이러한 삽입판(50)은 제1 병렬유로캡(31)과 엊갈리게 배치되는 제2 병렬유로캡(32)의 연결부(32b)에도 마찬가지로 삽입된다. 결과적으로, 상기 삽입판(50)은 2개의 열교환배관마다 삽입된다(도 3 참조). 그에 따라, 상기 열교환배관(10) 사이의 간격은 연결부(31b)에 관계없이 1~2mm 정도로 일정하게 유지할 수 있고, 연소가스는 전체 열교환배관(10) 사이를 골고루 통과할 수 있어 열교환효율이 향상된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 열교환배관(10)은 열교환배관의 폭방향으로 돌출부(11)와 오목부(12)가 교대로 반복되는 단면형상을 가짐으로써, 열교환배관을 지나는 연소가스의 경로를 더 길게 함과 동시에 연소가스가 난류를 형성하도록 함으로써 열전달효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 각각의 열교환배관(10)에는 길이방향(l)으로 이격되어 배치된 돌출부(13)가 형성되고, 인접하는 열교환배관의 돌출부(13)는 서로 대면 접촉함으로써, 열교환배관 내로 유동하는 난방수의 압력에 의해 열교환배관이 팽창하여 연소가스의 유동경로를 차단하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 병렬유로캡의 연결부(31b)에 해당하는 위치에는 열교환배관(10)의 단면과 유사한 형상을 갖는 삽입판(50)이 삽입되어, 전체적으로 열교환배관(10) 사이의 간격을 일정하게 유지할 수 있어, 열교환효율을 증가시킬 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

도 1은 종래의 장방형 열교환기를 도시하는 도면.

도 2는 본 발명의 열교환기의 사시도.

도 3은 본 발명의 열교환기의 개략적인 단면을 나타내는 도면.

도 4는 본 발명의 다수의 열교환배관이 적층된 단면의 형태를 나타내는 도면.

도 5는 본 발명의 열교환배관의 형상을 나타내는 도면.

도 6은 본 발명의 제1 고정판의 형상을 나타내는 도면.

도 7는 본 발명의 제1 병렬유로캡의 형상을 나타내는 도면.

도 8은 본 발명의 열교환배관 사이에 삽입되는 삽입판의 형상을 나타내는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 열교환배관

11 : 돌출부

12 : 오목부

13 : 돌출부

21 : 제1 고정판

21a : 배관삽입구멍

22 : 제2 고정판

31 : 제1 병렬유로캡

32 : 제2 병렬유로캡

31a, 32a : 돔형상부

31b, 32b : 연결부

41 : 난방수유입구

42 : 난방수유출구

50 : 삽입판

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 단부가 개방된 납작한 튜브형상의 단면을 갖으며, 그 내부로 난방수가 통과하는 다수의 열교환배관;

   길이방향으로 일정한 간격으로 이격된 배관삽입구멍을 갖고, 상기 배관삽입구멍에는 상기 다수의 열교환배관 각각의 양측 단부가 끼워지는 제1 고정판 및 제2 고정판;

   상기 제1 고정판 및 제2 고정판에 각각 고정되고, 상기 열교환배관의 양측 단부를 폐쇄하여 병렬유로를 형성하기 위한 제1 병렬유로캡 및 제2 병렬유로캡;

   상기 제1 병렬유로캡과 연결된 난방수유입구;

   상기 제1 및 제2 병렬유로캡 중 어느 하나와 연결된 난방수유출구를 포함하고,

   상기 열교환배관의 단면은 상기 열교환배관들 사이를 통과하는 연소가스의 유동경로를 연장시키기 위해 상기 열교환배관의 폭방향으로 돌출부와 오목부가 교대로 반복되는 형상을 갖으며, 두께방향 양측으로 돌출되는 복수의 돌출부가 형성되되 그 돌출부는 대면접촉되고, 두께방향의 상부와 하부 형상이 상보적인 형태로 구비되되 인접하는 열교환배관에 의해 형성되는 각각의 연소가스 유동경로의 단면의 형상은 상기 열교환배관의 형상과 근사한 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 병렬유로캡 및 제2 병렬유로캡은 프레스 가공으로 형성되어, 상기 열교환배관의 단부를 폐쇄하기 위한 복수의 돔형상부와, 상기 돔형상부 사이의 연결부를 포함하고,

   상기 연결부의 위치에는 상기 열교환배관의 단면형상과 유사한 단면형상을 갖는 삽입판이 상기 열교환배관 사이에 삽입되어, 각각의 연소가스의 유동경로의 형상과 간격은 근사하게 유지되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 열교환배관은 프레스 가공되어 절곡된 후, 그 연결부는 용접되는 것을 특징으로 하는 열교환기.

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