KR101467910B1

KR101467910B1 - 열교환기

Info

Publication number: KR101467910B1
Application number: KR1020140067858A
Authority: KR
Inventors: 김진곤; 유성연
Original assignee: 주식회사 두발
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2014-12-02

Abstract

본 발명은 보일러의 내부에 설치되는 열교환기에 관한 것으로, 열교환기는 내부에 유로(11)가 형성되고, 나선방향으로 권취되어 상하로 적층됨으로써 원통 형상을 이루며, 납작관 형상을 가지면서 상면과 하면에 각각 복수 개의 전열돌기와 간극돌기(14)가 돌출 형성된 전열관(10)과; 상기 전열관(10)의 양단에 각각 연결되어 열매체가 유입 및 배출되는 유입 및 유출부(20A, 20B)로 이루어지고, 상기 전열돌기는 호 형상으로 반복 형성된 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)로 이루어지며, 상기 간극돌기(14)는 타원 형상을 가지면서 원주방향으로 상기 제1전열돌기(12) 또는 상기 제2전열돌기(13)의 중앙 위치에 형성됨으로써 상기 전열관(10)을 나선 방향으로 권취시켜 상하로 적층시켰을 때 상기 간극돌기(14)가 상기 제1전열돌기(12) 또는 제2전열돌기(13)를 벗어나지 않고 상기 제1전열돌기(12) 또는 제2전열돌기(13)에 접촉되도록 구성되는 것을 특징으로 하며, 이에 의해 본 발명은 열교환기를 제작하는 과정에서 전열관의 비틀림에 의해 간극돌기의 상대적 위치가 변하더라도 간극돌기와 전열돌기 간의 접촉이 그대로 유지된다.

Description

열교환기{Heat Exchanger}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단면의 형상이 납작관형상으로 이루어진 열교환기에 있어서, 전열면적을 증가시키는 동시에 대류열전달을 증대시키고, 화염으로부터 발생되는 복사열을 효과적으로 차단할 수 있도록 함으로써 열교환 효율이 개선된 열교환기에 관한 것이다.

동절기를 위한 가정용 난방장치로 보일러가 주로 사용되고 있으며, 도시가스의 공급이 확대됨에 따라 가스보일러가 광범위하게 사용되고 있다.

최근, 에너지 비용의 증가됨에 따라 좀 더 효율이 높은 가스보일러에 대한 요구가 증대되고 있으며, 그 일환으로서 컨덴싱 보일러에 대한 관심과 수요가 증대되고 있다.

컨덴싱(condensing) 보일러란 고온의 배기가스에 포함된 수증기의 잠열을 회수하는 방식의 보일러로서 상대적으로 고온의 연소가스를 배기가스로 대기 중에 방출하는 일반보일러에 비해 열에너지 이용 효율이 높다.

이러한 컨덴싱 보일러에 있어서도 보일러의 효율은 열교환기의 열효율에 좌우되기 때문에 열교환기의 열효율을 높이고자 하는 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 그 하나의 예로서 유럽 특허공보 제0678186호 등에 개시된 열교환기를 들 수 있다.

상기 특허문헌에 개시된 열교환기는 도 1a에 도시된 바와 같이 단면의 형상이 납작관형인 전열관을 나선형으로 권취하고, 전열관의 표면에는 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같은 간격 유지돌기를 복수 개 성형함으로써 이들에 의해 상하로 적층된 전열관 사이의 간극이 일정하게 유지되도록 한 것이다.

또 다른 보일러의 열교환기에 대한 예로서 등록특허공보 제10-0813807호에 개시된 콘덴싱 보일러의 열교환기를 들 수 있는데, 이 문헌에 개시된 열교환기는, 열교환기 내부로 형성되는 열교환파이프를 버너부의 중심방향을 향하도록 일정한 경사각을 갖도록 형성하여 균일한 열분포에 따른 열효율을 향상시키고 아울러 응축수의 드레인을 촉진시킬 수 있도록 한 것이다.

상기 특허문헌 이외에도 실용신안등록공보 제20-0280095호, 등록특허공보 제10-0813807호 등에도 열전달 효율이 개선하기 위해 구조가 개선된 열교환기가 개시되어 있다.

그러나 위에서 언급된 특허문헌들에 개시된 열교환기를 포함하여 지금까지 개발된 대부분의 열교환기는 전열면적을 늘림으로써 열교환 효율을 높이는 데에 중점을 두고 있을 뿐, 전열면적을 늘리는 동시에 대류열전달과 복사열전달 성능도 아울러 높임으로써 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 열교환기의 개발은 아직 미미한 실정이다.

본 발명자 등은 상기와 같은 문제를 인식하여 대류열전달과 복사열전달 성능이 우수한 열교환기를 발명하여 등록(특허 제10-1321708호)을 받은바 있는데, 이 등록된 열교환기는 도 2에 도시된 바와 같이 전열관이 나선방향으로 권취되어 상하로 적층됨으로써 원통형상을 이루고, 전열관(100)의 상하면에는 각각 복수 개의 원형돌기(110)와 복수 개의 타원형돌기(120)가 형성되며, 원형돌기(110)는 전열관(100)의 상하면의 중앙에 형성되고, 타원형돌기(120)는 원형돌기(110)를 기준으로 전열관(100)의 외측에 일정 간격을 두고 각각 교대로 형성되고, 원형돌기(110)는 전열관(100)이 상하로 적층되었을 때 상부쪽의 전열관(100)의 하면에 형성된 원형돌기(110)와 하부쪽의 전열관(100)의 상면에 형성된 원형돌기(110)가 서로 맞닿도록 동일한 위치에 형성되며, 타원형돌기(120)는 배기가스의 유동방향에 수직이 되도록 호 형상으로 형성되면서 전열관(100)이 상하로 적층되었을 때 상부쪽의 전열관(100)의 하면에 형성된 타원형돌기(120)와 하부쪽의 전열관(100)의 상면에 형성된 타원형돌기(120)가 열교환기의 중심을 기준으로 동심원을 이루도록 이루어진 것이다.

그러나 본 발명자 등은 상기 특허 문헌에 개시된 전열관(100)은 전열관(100)의 상하면에 각각 형성된 원형돌기(110)가 서로 동일한 위치에 위치되어 서로 접촉되어야 함에도, 전열관(100)을 나선 형상으로 권취시켜 원통형상을 이루도록 제작하는 과정에서 전열관(100)의 비틀림에 의해 원형돌기(110)의 상대적 위치에 변화가 생김으로써 원형돌기(110)가 서로 접촉되지 않는 경우가 발생되고, 이로 인해 전열관(100)이 상하 일정 간격을 두고 권취되지 못하는 등의 문제가 있다는 것을 제작과정에서 알게 되었다.

KR

10-0813807

B1

KR

20-0280095

Y1

KR

10-0813807

B1

KR

10-1321708

B1

본 발명은 상기와 같은 종래의 납작관형 보일러용 열교환기가 가지는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 열전달 면적을 증대시키는 것과 동시에 대류열전달과 복사열전달을 증대시킴으로써 열전달 효율이 향상된 열교환기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명의 열교환기는 내부에 유로가 형성되고, 나선방향으로 권취되어 상하로 적층됨으로써 원통 형상을 이루며, 납작관 형상을 가지면서 상면과 하면에 각각 복수 개의 전열돌기와 간극돌기가 돌출 형성된 전열관과; 전열관의 양단에 각각 연결되어 열매체가 유입 및 배출되는 유입 및 유출부로 이루어지고, 전열돌기는 호 형상으로 반복 형성된 제1전열돌기와 제2전열돌기로 이루어지며, 간극돌기는 원주방향으로 제1전열돌기 또는 제2전열돌기의 중앙 위치에 형성됨으로써 전열관을 나선 방향으로 권취시켜 상하로 적층시켰을 때 간극돌기가 제1전열돌기 또는 제2전열돌기를 벗어나지 않고 제1전열돌기 또는 제2전열돌기에 접촉되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 열교환기는, 전열관의 상하면에는 각각 전열관의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주 상에 호 형상의 제1전열돌기와 제2전열돌기가 각각 일정 간격을 두고 반복 형성되면서 서로 엇갈리도록 형성되고, 상면의 제1,2전열돌기는 각각 하면의 제1,2 전열돌기와 서로 엇갈리도록 형성되며, 상하면에 각각 형성되면서 서로 이웃하는 제1전열돌기 사이에는 각각 간극돌기가 형성되고, 간극돌기는 각각 원주방향으로 제2전열돌기의 중앙에 형성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 열교환기는, 전열관의 상면에는 전열관의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주 중 외측의 원주 상에만 제1전열돌기가 일정 간격을 두고 반복 형성되고, 전열관의 하면에는 외측의 원주 상에는 간극돌기가 형성되고, 내측의 원주 상에는 제2전열돌기가 형성되며, 전열관의 하면에 형성된 제2전열돌기는 각각 전열관(10)의 상면에 형성된 제1전열돌기와 평행하도록 형성되고, 간극돌기는 각각 원주방향으로 제2전열돌기의 중앙에 형성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

이에 더하여 본 발명의 열교환기는, 전열관의 상하면에는 각각 전열관의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주 상에 제1전열돌기와 제2전열돌기가 각각 일정 간격을 두고 반복 형성되면서 서로 엇갈리도록 형성되고, 하면의 제1,2전열돌기는 각각 상면의 제1,2 전열돌기와 원주 방향으로 서로 엇갈리도록 형성되며, 상하면에 각각 형성되면서 서로 이웃하는 제1전열돌기 사이 및 제2전열돌기 사이에는 각각 간극돌기가 형성되고, 간극돌기는 각각 원주방향으로 제1전열돌기 또는 제2전열돌기의 중앙에 형성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한 본 발명의 열교환기는, 전열관의 상면에는 전열관의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 원주 중 외측의 원주 상에는 호 형상의 제1전열돌기가 일정 간격을 두고 반복 형성되고, 내측의 원주 상에는 간극돌기가 일정 간격을 두고 반복 형성되며, 전열관의 하면의 외측 원주 상에는 간극돌기가 일정 간격을 두고 반복 형성되고, 내측 원주 상에는 제2전열돌기가 일정 간격을 두고 반복 형성되며, 간극돌기는 원주방향으로 제1전열돌기 또는 제2전열돌기의 중앙에 형성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 열교환기는, 내부에 유로가 형성되고, 나선방향으로 권취되어 상하로 적층됨으로써 원통 형상을 이루며, 납작관 형상을 가지면서 상하면에 각각 복수 개의 제1전열돌기와 간극돌기가 돌출 형성된 전열관과; 전열관의 양단에 각각 연결되어 열매체가 유입 및 배출되는 유입 및 유출부로 이루어지고, 전열관의 상하면에는 각각 상기 전열관의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주 중 외측의 원주 상에만 제1전열돌기가 호 형상을 가지면서 일정 간격을 두고 반복 형성되고, 원주 방향으로 서로 이웃하는 제1전열돌기 사이에는 각각 간극돌기가 형성되며, 전열관의 상하면에 각각 형성된 제1전열돌기는 원주 방향으로 서로 엇갈리도록 형성되고, 간극돌기는 각각 원주방향으로 제1전열돌기의 중앙에 각각 형성됨으로써 전열관을 나선 방향으로 권취시켜 상하로 적층시켰을 때 상기 간극돌기가 상하면에 각각 형성된 제1전열돌기를 벗어나지 않고 제1전열돌기에 접촉되도록 구성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한 본 발명의 열교환기는, 내부에 유로가 형성되고, 나선방향으로 권취되어 상하로 적층됨으로써 원통 형상을 이루며, 납작관 형상을 가지면서 상하면에 각각 복수 개의 제1전열돌기와 간극돌기가 돌출 형성된 전열관과; 전열관의 양단에 각각 연결되어 열매체가 유입 및 배출되는 유입 및 유출부로 이루어지고, 전열관의 상면에는 전열관의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주 중 외측의 원주 상에는 제1전열돌기만 호 형상을 가지면서 일정 간격을 두고 반복 형성되고, 전열관의 하면의 외측의 원주 상에는 간극돌기가 일정 간격을 두고 반복 형성되며, 간극돌기는 원주 방향으로 제1전열돌기의 중앙에 형성됨으로써 전열관을 나선 방향으로 권취시켜 상하로 적층시켰을 때 간극돌기가 상면에 형성된 제1전열돌기를 벗어나지 않고 제1전열돌기에 접촉되도록 구성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

이에 더하여 본 발명의 열교환기는, 제1전열돌기, 제2전열돌기 또는 간극돌기의 돌출 높이는 각각 전열관이 상하로 적층되었을 때의 상하 간극의 높이의 1/4보다 크고 3/4보다 작도록 형성되고, 제1전열돌기 또는 제2전열돌기의 돌출 높이와 간극돌기의 돌출 높이를 더한 높이는 전열관이 상하로 적층되었을 때의 상하 간극의 높이와 동일하도록 형성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 열교환기는, 전열관의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주는 각각 상기 전열관 폭의 1/3 및 2/3에 해당되는 위치인 것을 또 다른 특징으로 한다.

본 발명은 열교환기를 제작하는 과정에서 전열관을 나선 형상으로 권취시킴으로써 전열관의 비틀림에 의해 간극돌기의 상대적 위치가 변하더라도 간극돌기와 전열돌기 간의 접촉이 그대로 유지된다.

또한 본 발명은 열교환기를 구성하는 전열관의 상하면 중 어느 한 면, 또는 양면에 복수 개의 전열돌기와 간극돌기가 형성됨으로써 열전달 면적이 증대되어 열전달 효율이 향상되는 동시에 전열관 사이의 상하 간격이 일정하게 유지됨으로써 연소가스 통로가 안정적으로 확보되어 균일한 성능을 가지는 열교환기가 제공된다.

그리고 본 발명은 전열관의 표면에 전열돌기가 일정 간격을 두고 형성됨으로써 이들 전열돌기가 열경계층을 단절시켜 대류열전달이 촉진되고, 또한 이들 전열돌기가 전열관의 3등분된 지점에 위치되기 때문에 대류열전달이 균일하게 일어난다.

이에 더하여 본 발명은 배기가스가 통과하는 경로 중에 2열의 전열돌기가 상하 서로 마주보는 형태로 배열됨으로써 배기가스가 상하 방향으로 사형상으로 흐르는 동시에 화염으로부터 생성된 복사열이 그대로 투과되는 것이 방지되어 열교환 효율이 향상되고, 또한 열교환기의 외측에 설치되는 열교환기 하우징으로의 복사 열전달양이 감소되어 하우징의 과열이 방지된다.

도 1a는 종래의 열교환기의 예를 보인 사시도,
도 1b, 도 1c는 각각 도 1a의 열교환기에 있어서의 간극 유지돌기의 예를 보인 평면도,
도 2는 종래의 열교환기의 예를 보인 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 열교환기의 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 열교환기의 예를 보인 측면도,
도 5(a, b)는 본 발명에 따른 전열관에 대한 제1실시예를 보인 평면도,
도 6은 도 5(a, b)의 전열관이 상하로 적층되었을 때를 나타낸 사용 상태도,
도 7(a, b)은 본 발명에 따른 전열관에 대한 제2실시예를 보인 평면도,
도 8(a, b)은 본 발명에 따른 전열관에 대한 제3실시예를 보인 평면도,
도 9는 도 8(a, b)의 전열관이 상하로 적층되었을 때를 나타낸 사용 상태도,
도 10(a, b)은 본 발명에 따른 전열관에 대한 제4실시예를 보인 평면도,
도 11(a, b)은 본 발명에 따른 전열관에 대한 제5실시예를 보인 평면도,
도 12(a, b)는 본 발명에 따른 전열관에 대한 제6실시예를 보인 평면도이다.

이하에서는 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작용을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명은 열교환 효율이 개선된 열교환기를 제공하고자 하는 것으로, 이를 위해 본 발명의 열교환기는 도 2에 도시된 바와 같이 단면의 형상이 납작관 형상인 전열관(10)과, 전열관(10)의 양단에 각각 연결되는 유입부(20A) 및 유출부(20B)로 이루어진다.

이때 전열관(10)은 나선방향으로 권취(coiling)되어 상하로 적층됨으로써 원통 형상의 열교환기를 구성하고, 스테인리스, 알루미늄 또는 동(copper)과 같이 열전달 성능이 우수한 금속재로 제조되며, 유입부(20A)와 유출부(20B)는 각각 전열관(10)의 끝단에 일체로 형성되면서 직선 형상으로 연결되고, 전열관(10)의 내부에는 유로(11)가 형성된다.

상기와 같은 구조에 의해 유입부(20A)를 통해 유입된 열매체는 유로(11)를 따라 나선 방향으로 흐른 다음, 유출부(20B)를 통해 배출되며, 이때 전열관(10)의 평면을 이루는 상하면 각각에는 전열돌기가 돌출 형성됨으로써 열전달 효율이 향상되도록 실시된다.

본 발명에 따른 전열관(10)에는 원통형의 열교환기의 내부에서 생성된 연소가스가 전열관(10) 사이의 간극을 통해 흐를 때 열경계층(Thermal Boundary Layer)을 각각 단절시키는 제1전열돌기(12) 및 제2전열돌기(13)와, 전열관(10) 사이의 상하 간극을 일정하게 유지시키는 간극돌기(13)가 형성된다.

한편, 본 발명의 열교환기는 상기와 같은 구조의 돌기, 즉 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13) 및 간극돌기(14)를 전열관(10)의 상하 평면 상에 어떤 형상으로 형성하고 어떻게 배열하는지에 따라 그 구조와 작용효과가 달라지는데, 이하에서는 각각의 경우를 하나의 실시예로 하여 설명한다.

<제1실시예>

제1실시예는 전열관(10)의 상면에는 5(a)에 도시된 바와 같이 전열관(10)의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주 상에 각각 호 형상의 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)가 일정 간격을 두고 반복 형성되면서 서로 엇갈리도록 형성되고, 외측의 원주 상에 형성되며 서로 이웃하는 제1전열돌기(12) 사이에는 원주방향으로 제2전열돌기(13)의 중앙 위치에 타원형의 간극돌기(14)가 형성되며, 전열관(10)의 하면에도 도 7(b)에 도시된 바와 같이 제1,2전열돌기(12, 13)가 일정 간격을 두고 반복 형성되고, 외측의 원주 상에 형성되며 서로 이웃하는 제1전열돌기(12) 사이에는 원주방향으로 제2전열돌기(13)의 중앙 위치에 타원형의 간극돌기(14)가 형성되는 것에 관한 것으로, 이때 전열관(10)의 상하면에 형성된 제1,2전열돌기(12, 13)와 하면에 형성된 제1,2전열돌기(12, 13)는 각각 전열관(10) 상하면의 폭의 1/3 및 2/3에 해당되는 원주 상에 형성되면서 형성위치가 서로 반대가 되고, 하면의 외측 원주 상에 형성된 간극돌기(14)는 상면의 외측 원주 상에 형성된 간극돌기(14)와 엇갈린 위치에 형성된다.

상기와 같은 전열돌기(12, 13)와 간극돌기(14)의 형상 및 배열에 의해 전열관(10)이 원통 형상의 열교환기를 이루기 위해 권취되어 전열관(10)의 전열면이 상하로 적층되었을 때 도 6에 도시된 바와 같이 상하면에 각각 형성된 간극돌기(14)가 제1전열돌기(12)와 접촉되게 되는데, 이때 전열관(10)을 나선 방향으로 권취시키는 과정에서 비틀림에 의해 간극돌기(14)의 제1전열돌기(12)에 대한 상대적 위치가 바뀌더라도 간극돌기(14)가 원주방향으로 제1전열돌기(12)의 중앙 위치에 형성됨으로써 원주방향으로 제1전열돌기(12) 길이의 반해 해당되는 만큼 여유가 있기 때문에 전열관(10)의 전열면이 상하로 적층되었을 때에도 간극돌기(14)가 제1전열돌기(12)가 형성된 부분을 벗어나지 않고 여전히 이들 돌기에 접촉되게 되며, 그 결과 전열관(10)의 상하 간극의 크기가 그대로 유지되면서 열교환기의 내측으로부터 생성된 연소가스가 간극을 통해 외측으로 원활하게 흐르게 된다.

이때 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)는 각각 호 형상을 이루면서 단면의 형상이 배기가스의 유동저항을 최소화할 수 있도록 반원형을 이루고, 간극돌기(14)는 타원 형상을 이루며, 이에 의해 전열관(10)을 상하로 적층시켰을 때 간극돌기(14)가 제1전열돌기(12)에 안정적으로 접촉된다.

그리고 간극돌기(14)의 돌출높이는 상하 전열관(10) 사이의 간극의 크기의 1/4 보다는 크고 3/4보다는 작도록 형성하고, 호 형상의 제1전열돌기(12) 및 제2전열돌기(13)의 돌출 높이도 간극 크기의 1/4보다는 크고 3/4보다는 작도록 형성하고, 제1전열돌기(12) 또는 제2전열돌기(13)의 돌출 높이와 간극돌기(14)의 돌출 높이를 더한 높이는 상기 전열관(10)이 상하로 적층되었을 때의 상하 간극의 높이외 동일하도록 형성하는 것이 바람직한데, 이러한 돌기들의 높이에 의해 전열관(10)의 전열면이 상하로 적층되었을 때 간극돌기(14)가 제1전열돌기(12)와 접촉되어 일정 크기의 간극을 유지하는 반면, 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)는 전열관(10)의 상면 또는 하면과 접촉되지 않고 일정 크기의 틈새를 형성하게 되며, 그 결과 열교환기 중심부로부터 생성된 연소가스가 제1전열돌기(12) 또는 제2전열돌기(13)와 전열관(10)의 상하면 사이에 각각 형성된 틈새를 통해 흐르면서 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)와 열교환하게 되고, 이에 의해 열전달이 촉진되면서 열교환 효율이 증대하게 된다.

이때 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)의 돌출 높이를 더하였을 때 간극의 크기와 동일하거나 그 보다 더 크도록 형성, 예를 들어 제1전열돌기(12)의 돌출 높이는 간극 크기의 1/3이 되도록 형성하고, 제2전열돌기(13)의 돌출 높이는 간극 크기의 2/3가 되도록 형성하는 것이 더욱 바람직한데, 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)의 돌출 높이를 이와 같이 형성하게 되면 연소가스가 제2전열돌기(13)와 제1전열돌기(12)에 의해 상하 방향으로 사(蛇)형상으로 흐르면서 외측으로 배출되기 때문에 더욱 열전달이 촉진된다.

이에 더하여 상기와 같이 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)의 돌출 높이를 더하였을 때 간극의 크기와 동일하거나 더 크도록 형성하게 되면 열교환기의 중앙부에서의 연소에 의해 생성되는 화염에 의한 복사파가 열교환기의 외측으로 곧바로 통과하지 않고, 상하로 전열관(10)의 표면에 상하로 각각 돌출된 제2전열돌기(13)와 제1전열돌기(12)에 의해 복사파가 차단되며, 이에 의해서도 열전달이 촉진되면서 열교환 효율이 대폭 증대하게 된다.

그리고 상기와 같이 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)의 돌출 높이를 상하 전열관(10)이 이루는 간극 크기의 1/4보다는 크고 3/4보다는 작도록 형성하는 것은 돌출 높이가 간극 크기의 1/4보다 작은 경우에는 복사파 차단 효과와 대류열전달 촉진 효과가 낮고, 3/4보다 큰 경우에는 배기가스의 유동저항이 너무 커지는 것을 방지하고자 한데 따른 것이다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이 간극돌기(14)는 전열관(10)의 표면에 타원형을 가지도록 돌출 형성되는데, 이러한 간극돌기(14)는 연소가스의 유동 경로 상에 위치됨으로써 간극돌기(14)의 후방에서 와류가 발생되기 때문에 이에 의해 대류열전달이 촉진되어 열교환 효율이 더욱 향상된다.

<제2실시예>

제2실시예는 전열관(10)의 상면에는 도 7(a)에 도시된 바와 같이 전열관(10)의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주 중, 외측의 원주 상에만 제1전열돌기(12)가 일정 간격을 두고 반복 형성되고, 전열관(10)의 하면에는 도 7(b)에 도시된 바와 같이 외측의 원주 상에는 간극돌기(14)가 형성되고, 내측의 원주 상에는 제2전열돌기(13)가 형성된 것에 관한 것으로, 이때 하면의 내측 원주 상에 형성된 제2전열돌기(13)는 상면의 외측 원주 상에 형성된 제1전열돌기(12)와 평행하도록 형성되고, 하면의 간극돌기(14)는 원주방향으로 상면의 제1전열돌기(12)의 중앙에 각각 위치되도록 형성되며, 이때 상면의 제1전열돌기(12)는 전열관(10) 상하면의 폭의 1/3에 해당하는 원주 상에 형성되고, 하면의 간극돌기(14)와 제2전열돌기(13)는 전열관(10) 상하면의 폭의 1/3 및 2/3에 해당되는 원주 상에 각각 형성된다.

그리고 제1전열돌기(12), 제2전열돌기(13) 및 간극돌기(14)의 돌출 높이와 형상은 제1실시예와 동일하다.

상기와 같은 전열돌기(12, 13)와 간극돌기(14)의 형상 및 배열에 의해 전열관(10)의 전열면이 상하로 적층되었을 때 제1실시예에서와 마찬가지로 도 6에 도시된 바와 같이 하면에 형성된 간극돌기(14)가 상면의 제1전열돌기(12)와 접촉되게 되고, 그 결과 전열관(10)을 나선 방향으로 권취시키는 과정에서 비틀림에 의해 간극돌기(14)의 제1전열돌기(12)에 대한 상대적 형성위치가 바뀌더라도 간극돌기(14)가 제1전열돌기(12)가 형성된 부분을 벗어나지 않고 여전히 이들 돌기에 접촉되게 되며, 따라서 전열관(10)의 상하 간극의 크기가 그대로 유지되면서 열교환기의 내측으로부터 생성된 연소가스가 간극을 통해 외측으로 원활하게 흐르게 된다.

<제3실시예>

제3실시예는 전열관(10)의 상면에는 도 8(a)에 도시된 바와 같이 전열관(10)의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주 상에 각각 호 형상의 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)가 일정 간격을 두고 반복 형성되면서 서로 어긋나도록 형성되고, 원주 방향으로 서로 인접한 제1전열돌기(12) 사이 및 제2전열돌기(13) 사이에는 각각 간극돌기(14)가 형성되며, 전열관(10)의 하면에는 도 7(b)에 도시된 바와 같이 전열관(10)의 상면에 형성된 것과 동일한 형상으로 형성되면서 반대위치에 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)가 각각 형성됨으로써 서로 엇갈리도록 형성되고, 원주방향으로 서로 인접한 제1전열돌기(12) 사이 및 제2전열돌기(13) 사이에는 각각 간극돌기(14)가 형성된 것에 관한 것으로, 이때 상하면에 각각 형성되는 간극돌기(14)는 원주 방향으로 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)의 중앙에 위치되도록 형성되며, 제1전열돌기(12), 제2전열돌기(13) 및 간극돌기(14)의 돌출 높이와 형상 및 이들 돌기들이 전열관(10)의 상하면 폭의 1/3 및 2/3에 해당되는 원주 상에 형성되는 것은 제1실시예와 동일하다.

상기와 같은 전열돌기 및 간극돌기의 형상 및 배열에 의해 전열관(10)이 상하로 적층되었을 때에는 도 9에 도시된 바와 같이 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)는 서로 평행을 이루게 되고, 상하면에 각각 형성된 간극돌기(14)는 전열관(10)의 상하면에 각각 형성된 제1전열돌기(12) 및 제2전열돌기(13)와 각각 접촉되면서 전열관(10)의 내외측을 각각 지지하는 형태가 되며, 이에 의해 전열관(10)의 상하 간격이 더욱 견고하게 유지된다.

<제4실시예>

제4실시예는 전열관(10)의 상면에는 도 10(a)에 도시된 바와 같이 전열관(10)의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 원주 중 외측의 원주 상에는 호 형상의 제1전열돌기(12)가 일정 간격을 두고 반복 형성되고, 내측의 원주 상에는 타원형의 간극돌기(14)가 일정 간격을 두고 반복 형성되며, 전열관(10)의 하면에는 도 10(b)에 도시된 바와 같이 제1전열돌기(12)와 동일한 형상을 가지면서 상면에서와 반대로 외측의 원주 상에는 간극돌기(14)가 일정 간격을 두고 반복 형성되고, 내측의 원주 상에는 제2전열돌기(13)가 상면의 제1전열돌기(12)와 평행을 이루도록 일정 간격을 두고 반복 형성된 것에 관한 것으로, 이때 상하면에 각각 형성되는 간극돌기(14)는 원주 방향으로 제1전열돌기(12) 및 제2전열돌기(13)의 중앙에 형성되며, 제1전열돌기(12), 제2전열돌기(13) 및 간극돌기(14)의 돌출 높이와 형상 및 이들 돌기들이 전열관(10)의 상하면 폭의 1/3 및 2/3에 해당되는 원주 상에 형성되는 것은 제1실시예와 동일하다.

상기와 같은 전열돌기 및 간극돌기의 형상 및 배열에 의해 전열관(10)이 상하로 적층되었을 때에는 제3실시예에서와 마찬가지로 도 9에 도시된 바와 같이 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)는 서로 평행을 이루게 되고, 상하면에 각각 형성된 간극돌기(14)가 전열관(10)의 상하면에 각각 형성된 제1전열돌기(12) 및 제2전열돌기(13)와 각각 접촉되면서 전열관(10)의 내외측을 각각 지지하기 때문에 전열관(10)의 상하 간격이 더욱 견고하게 유지된다.

위에서 설명한 제1실시예 내지 제4실시예는 전열관의 표면에 제1,2전열돌기 및/또는 간극돌기(14)가 전열관(10)의 전열면 상에 2열로 형성된 것으로서, 이러한 2열 구조에 의해 전열관(10)이 상하로 적층되었을 때 간극돌기(14)와 제1전열돌기(12) 또는 제2전열돌기(13)의 접촉에 의해 상하로 적층된 전열관(10) 사이에 일정한 크기의 간극이 형성되면서 간극의 크기가 그대로 유지되며, 따라서 이러한 간극에 의해 열교환기의 내부에서 생성된 연소가스의 통로가 형성되면서 연소가스의 흐름이 원활하게 이루어진다.

그리고 제1실시예 내지 제4실시예에서는 위에서 설명한 바와 같이 전열관(10)이 상하로 적층되었을 때 전열관(10)에 상면 및/또는 하면에 형성된 제1,2전열돌기(12, 13)가 반경방향으로 서로 일정 간격을 두고 서로 마주보게 됨으로써 열교환기의 내부에서 생성된 연소가스는 제2,1전열돌기(13, 12)를 차례로 지나면서 상하 방향으로 사(蛇)형상으로 흐르게 되며, 이에 의해 열교환 효율이 대폭 향상된다.

이에 더하여 상기와 같이 제1,2전열돌기(12, 13)가 반경방향으로 서로 일정 간격을 두고 상하 방향으로 서로 마주보도록 형성됨으로써 복사 차폐체로서 기능하며, 따라서 열교환 내부에서 발생된 화염으로부터의 복사열이 열교환기의 외측으로 곧바로 빠져나가지 않고 제1,2전열돌기(12, 13)에 의해 차단됨으로써 열교환 효율이 더욱 향상된다.

<제5실시예>

제5실시예는 전열관(10)의 상면에 도 11(a)에 도시된 바와 같이 전열관(10)의 외곽선과 평행을 이루는 한 쌍의 원주 중, 외측의 원주 상에만 호 형상의 제1전열돌기(12)와 간극돌기(14)가 일정 간격을 두고 반복 형성되고, 전열관(10)의 하면에도 도 11(b)에 도시된 바와 같이 전열관(10)의 외곽선과 평행을 이루는 한 쌍의 원주 중, 외측의 원주 상에만 호 형상의 제1전열돌기(12)와 간극돌기(14)가 일정 간격을 두고 반복 형성된 것에 관한 것으로, 이때 상하면에 각각 형성된 제1전열돌기(12)는 원주방향으로 서로 엇갈리도록 형성되고, 상하면에 각각 형성된 간극돌기(14)는 원주 방향으로 서로 이웃하는 제1전열돌기(12) 사이에 형성되면서 원주방향으로 제1전열돌기(12)의 중앙에 형성되며, 이에 의해 전열관(10)의 전열면이 상하로 적층되었을 때 상면의 간극돌기(14)는 하면의 제1전열돌기(12)와 접촉되고, 하면의 간극돌기(14)는 상면의 제1전열돌기(12)와 접촉되게 된다.

그리고 제1전열돌기(12)와 간극돌기(14)의 형상 및 돌출 높이는 제1실시예와 동일하지만, 제1전열돌기(12) 및 간극돌기(14)는 모두 전열관(10)의 상하면 폭의 1/3에 해당되는 외측 원주 상에만 형성된다.

<제6실시예>

제6실시예는 전열관(10)의 상면에는 도 12(a)에 도시된 바와 같이 전열관(10)의 외곽선과 평행을 이루는 한 쌍의 원주 중, 외측의 원주 상에는 호 형상의 제1전열돌기(12)만 일정 간격을 두고 반복 형성되고, 하면에는 도 12(b)에 도시된 바와 같이 외측 원주 상에 간극돌기(14)만 일정 간격을 두고 반복 형성되며, 이때 간극돌기(14)는 전열관(10)의 전열면이 상하로 적층되었을 때 하면의 간극돌기(14)가 상면의 제1전열돌기(12)와 접촉되도록 원주방향으로 제1전열돌기(12)의 중앙에 형성된다.

그리고 제1전열돌기(12)와 간극돌기(14)의 형상 및 돌출 높이 및 제1전열돌기(12)와 간극돌기(14)가 전열관(10)의 상하면 폭의 1/3에 해당되는 외측의 원주 상에만 형성되는 것은 제5실시예와 동일하다.

상기와 같은 전열돌기 및 간극돌기의 형상 및 배열에 의해 전열관(10)의 전열면이 상하로 적층되었을 때 하면에 형성된 간극돌기(14)가 상면에 형성된 제1전열돌기(12)에 접촉되는 구조가 된다.

위에서 설명한 제5실시예 및 제6실시예는 제1실시예 내지 제4실시예와 달리 전열관의 표면에 제1전열돌기 및/또는 간극돌기(14)가 전열관(10)의 전열면 상의 외측에만 1열로 형성된 것으로서, 이러한 구조에 의해 전열관(10)이 상하로 적층되었을 때 간극돌기(14)와 제1전열돌기(12)가 서로 접촉됨으로써 상하로 적층된 전열관(10)의 외측 원주 상에 일정한 크기의 간극이 형성되면서 간극의 크기가 그대로 유지되고, 따라서 이러한 외측 간극에 의해 열교환기의 내부에서 생성된 연소가스의 통로가 형성 및 유지되면서 원활한 연소가스의 흐름이 이루어진다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 열교환기의 전열관의 상하면에 각각 다양한 형상의 전열돌기를 형성 및 배열함으로써 열전달 면적을 증대시키는 것과 동시에 대류열전달 및/또는 복사열전달을 증대시켜 열전달 효율이 대폭 향상된다.

10: 전열관 11: 유로
12: 제1전열돌기 13: 제2전열돌기
14: 간극돌기 20A: 유입부
20B: 유출부

Claims

보일러의 내부에 설치되어 화염에 의해 내부를 순환하는 열매체를 가열하는 열교환기에 있어서,
상기 열교환기는 내부에 유로(11)가 형성되고, 나선방향으로 권취되어 상하로 적층됨으로써 원통 형상을 이루며, 납작관 형상을 가지면서 상면과 하면에 각각 복수 개의 전열돌기와 간극돌기(14)가 돌출 형성된 전열관(10)과; 상기 전열관(10)의 양단에 각각 연결되어 열매체가 유입 및 배출되는 유입 및 유출부(20A, 20B)로 이루어지고,
상기 전열돌기는 호 형상으로 반복 형성된 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)로 이루어지며,
상기 간극돌기(14)는 원주방향으로 상기 제1전열돌기(12) 또는 상기 제2전열돌기(13)의 중앙 위치에 형성됨으로써 상기 전열관(10)을 나선 방향으로 권취시켜 상하로 적층시켰을 때 상기 간극돌기(14)가 상기 제1전열돌기(12) 또는 제2전열돌기(13)를 벗어나지 않고 상기 제1전열돌기(12) 또는 제2전열돌기(13)에 접촉되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 전열관(10)의 상하면에는 각각 상기 전열관(10)의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주 상에 상기 호 형상의 제1전열돌기(12)와 상기 제2전열돌기(13)가 각각 일정 간격을 두고 반복 형성되면서 서로 엇갈리도록 형성되고,
상기 상면의 제1,2전열돌기(12, 13)는 각각 상기 하면의 제1,2 전열돌기(12, 13)와 서로 엇갈리도록 형성되며,
상기 상하면에 각각 형성되면서 서로 이웃하는 상기 제1전열돌기(12) 사이에는 각각 상기 간극돌기(14)가 형성되고,
상기 간극돌기(14)는 각각 원주방향으로 상기 제2전열돌기(13)의 중앙에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 전열관(10)의 상면에는 상기 전열관(10)의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주 중 외측의 원주 상에만 상기 제1전열돌기(12)가 일정 간격을 두고 반복 형성되고,
상기 전열관(10)의 하면의 외측의 원주 상에는 상기 간극돌기(14)가 형성되고, 내측의 원주 상에는 상기 제2전열돌기(13)가 형성되며,
상기 전열관(10)의 하면에 형성된 상기 제2전열돌기(13)는 각각 상기 전열관(10)의 상면에 형성된 제1전열돌기(12)와 평행하도록 형성되고,
상기 간극돌기(14)는 각각 원주방향으로 상기 제2전열돌기(13)의 중앙에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 전열관(10)의 상하면에는 각각 상기 전열관(10)의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주 상에 상기 제1전열돌기(12)와 제2전열돌기(13)가 각각 일정 간격을 두고 반복 형성되면서 서로 엇갈리도록 형성되고,
상기 하면의 제1,2전열돌기(12, 13)는 각각 상기 상면의 제1,2 전열돌기(12, 13)와 원주 방향으로 서로 엇갈리도록 형성되며,
상기 상하면에 각각 형성되면서 서로 이웃하는 상기 제1전열돌기(12) 사이 및 상기 제2전열돌기(13) 사이에는 각각 상기 간극돌기(14)가 형성되고,
상기 간극돌기(14)는 각각 원주방향으로 상기 제1전열돌기(12) 또는 제2전열돌기(13)의 중앙에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 전열관(10)의 상면에는 상기 전열관(10)의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 원주 중 외측의 원주 상에는 상기 호 형상의 제1전열돌기(12)가 일정 간격을 두고 반복 형성되고, 내측의 원주 상에는 상기 간극돌기(14)가 일정 간격을 두고 반복 형성되며,
상기 전열관(10)의 하면의 외측 원주 상에는 상기 간극돌기(14)가 일정 간격을 두고 반복 형성되고, 내측 원주 상에는 상기 제2전열돌기(13)가 일정 간격을 두고 반복 형성되며,
상기 간극돌기(14)는 원주방향으로 상기 제1전열돌기(12) 또는 상기 제2전열돌기(13)의 중앙에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
보일러의 내부에 설치되어 화염에 의해 내부를 순환하는 열매체를 가열하는 열교환기에 있어서,
상기 열교환기는 내부에 유로(11)가 형성되고, 나선방향으로 권취되어 상하로 적층됨으로써 원통 형상을 이루며, 납작관 형상을 가지면서 상하면에 각각 복수 개의 제1전열돌기(12)와 간극돌기(14)가 돌출 형성된 전열관(10)과;
상기 전열관(10)의 양단에 각각 연결되어 열매체가 유입 및 배출되는 유입 및 유출부(20A, 20B)로 이루어지고,
상기 전열관(10)의 상하면에는 각각 상기 전열관(10)의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주 중 외측의 원주 상에만 상기 제1전열돌기(12)가 호 형상을 가지면서 일정 간격을 두고 반복 형성되고, 원주 방향으로 서로 이웃하는 상기 제1전열돌기(12) 사이에는 각각 상기 간극돌기(14)가 형성되며,
상기 전열관(10)의 상하면에 각각 형성된 제1전열돌기(12)는 원주 방향으로 서로 엇갈리도록 형성되고,
상기 간극돌기(14)는 각각 원주방향으로 상기 제1전열돌기(12)의 중앙에 각각 형성됨으로써 상기 전열관(10)을 나선 방향으로 권취시켜 상하로 적층시켰을 때 상기 간극돌기(14)가 상기 상하면에 각각 형성된 제1전열돌기(12)를 벗어나지 않고 상기 제1전열돌기(12)에 접촉되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
보일러의 내부에 설치되어 화염에 의해 내부를 순환하는 열매체를 가열하는 열교환기에 있어서,
상기 열교환기는 내부에 유로(11)가 형성되고, 나선방향으로 권취되어 상하로 적층됨으로써 원통 형상을 이루며, 납작관 형상을 가지면서 상하면에 각각 복수 개의 제1전열돌기(12)와 간극돌기(14)가 돌출 형성된 전열관(10)과;
상기 전열관(10)의 양단에 각각 연결되어 열매체가 유입 및 배출되는 유입 및 유출부(20A, 20B)로 이루어지고,
상기 전열관(10)의 상면에는 상기 전열관(10)의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주 중 외측의 원주 상에는 상기 제1전열돌기(12)만 호 형상을 가지면서 일정 간격을 두고 반복 형성되며,
상기 전열관(10)의 하면의 외측의 원주 상에는 상기 간극돌기(14)가 일정 간격을 두고 반복 형성되고,
상기 간극돌기(14)는 원주 방향으로 상기 제1전열돌기(12)의 중앙에 형성됨으로써 상기 전열관(10)을 나선 방향으로 권취시켜 상하로 적층시켰을 때 상기 간극돌기(14)가 상기 상면에 형성된 제1전열돌기(12)를 벗어나지 않고 제1전열돌기(12)에 접촉되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1전열돌기(12), 제2전열돌기(13) 또는 간극돌기(14)의 돌출 높이는 각각 상기 전열관(10)이 상하로 적층되었을 때의 상하 간극의 높이의 1/4보다 크고 3/4보다 작도록 형성되고,
상기 제1전열돌기(12) 또는 상기 제2전열돌기(13)의 돌출 높이와 상기 간극돌기(14)의 돌출 높이를 더한 높이는 상기 전열관(10)이 상하로 적층되었을 때의 상하 간극의 높이와 동일하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
청구항 2 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전열관(10)의 외곽선과 평행을 이루는 2개의 평행하는 원주는 각각 상기 전열관(10) 폭의 1/3 및 2/3에 해당되는 위치인 것을 특징으로 하는 열교환기.