KR101596284B1 - 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열매체의 유동 경로를 길게 형성하여 열매체와 연소가스 간의 전열 면적을 넓게 확보하는 한편 열매체와 연소가스의 유동에 난류 발생을 촉진시킴으로써 열효율을 극대화함과 아울러 열매체의 유로와 연소가스의 유로 및 그 외측면을 밀폐하는 외벽 구조를 일체형으로 구성함으로써, 열교환기를 구성하는 부품의 개수를 줄이고 결합구조를 간소화 한 열교환기를 제공하는데 있다.
이를 구현하기 위한 본 발명은, 공기와 연료가 혼합된 혼합기가 유입되는 혼합기 유입부(100); 상기 혼합기 유입부(100)를 통해 유입되는 혼합기를 연소시키는 버너(200); 상기 버너(200)의 둘레에 구비되어, 상기 버너(200)의 연소에 의해 발생하는 연소가스와, 열매체 간에 열교환이 이루어지고, 다수개의 단위플레이트가 상하로 적층되어 구성되는 열교환부(300,400); 및 상기 열교환부(300,400)를 통과한 연소가스가 배출되는 연소가스 배출부(500);를 포함하되, 상기 열교환부(300,400)를 구성하는 다수개의 적층된 단위플레이트의 내부에는, 열매체 유로(P1)와 연소가스 유로(P2)가 서로 분리되어 상하로 인접하게 교대로 형성됨과 아울러, 상기 연소가스 유로(P2)와 상기 연소가스 배출부(500)를 연결하는 연소가스 배출통로(P3)가 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}
본 발명은 난방용 또는 온수용 보일러에 구비되는 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열매체와 연소가스 간의 열전달 효율을 향상시킴과 아울러 일정한 패턴으로 제작된 단위플레이트를 적층시켜 열매체 유로와 연소가스 유로 및 연소가스 배출통로를 일체로 형성함으로써 구조를 간소화 한 열교환기에 관한 것이다.
난방용 또는 온수용으로 사용되는 보일러는 난방수 또는 직수(이하, ‘열매체’라 통칭함)를 열원에 의해 가열시켜 원하는 지역을 난방하거나 온수를 공급하는 장치로서, 가스와 공기의 혼합기를 연소시키는 버너와, 연소가스의 연소열을 열매체로 전달하는 열교환기를 포함하여 구성된다.
초기에 생산된 보일러는 버너의 연소 시 발생하는 현열만을 이용하여 열매체를 가열하는 방식의 열교환기를 사용하였으나, 근래에 생산되는 보일러는 열효율을 향상시키기 위해 연소실에서 발생되는 연소가스의 현열을 흡수하는 현열 열교환기와, 상기 현열 열교환기에서 열교환을 마친 연소가스에 포함되어 있는 수증기가 응축되면서 발생하는 잠열을 흡수하는 잠열 열교환기를 구비한 콘덴싱 보일러가 사용되고 있다. 이러한 콘덴싱 보일러는 가스보일러 뿐만 아니라 기름보일러에도 실용화되어 보일러 효율의 증가 및 연료비 절감에 많은 기여를 하고 있다.
이와 같이 현열 열교환기와 잠열 열교환기로 구성되는 종래의 콘덴싱 방식의 열교환기는, 통상 하우징의 상부에 송풍기와 연료공급노즐 및 버너가 설치되고, 상기 버너의 하측으로 하우징의 내부에는 열교환파이프의 외측에 열교환핀이 결합된 현열 열교환기와 잠열 열교환기가 순차적으로 설치된 구조로 이루어져 있다.
그러나, 이와 같은 콘덴싱 방식의 열교환기에 있어서는, 하우징의 상부에 위치하는 송풍기와, 하우징의 내부에 상하로 위치하는 현열 열교환기와 잠열 열교환기의 구조상 열교환기의 부피가 커지게 되는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해소하고 최소한의 부피를 갖도록 하면서 열교환 효율을 향상시키기 위한 선행기술로, 등록특허 제10-1321708호, 등록특허 제10-0581578호, 등록특허 제10-0813807호 등에는, 중앙에 버너가 위치하고, 버너의 둘레에 코일형태로 감겨진 열교환파이프로 구성된 열교환기가 개시되어 있다.
도 1은 상기 등록특허 제10-0813807호에 개시된 콘덴싱 보일러의 열교환기의 단면도를 나타낸 것으로, 도 1에 도시된 열교환기(40)는, 연소가스가 하향식으로 배출되게 설치되는 버너(10)와, 상기 버너(10)에서 발생되는 열에 의해 그 내부로 공급되는 물을 원하는 온도로 가열하여 난방수 또는 온수로 제공할 수 있도록 상기 버너(10)의 둘레에 코일형태로 감겨진 열교환파이프(20), 상기 열교환파이프(20)의 하부에 횡방향으로 설치되어 연소가스의 유로를 형성하는 격막(30)을 포함하여 구성되고, 상기 열교환파이프(20)는 버너(10)의 중심방향을 향하도록 몸체 외측에서 내측으로 소정의 경사면(21)을 갖도록 배치되며, 상기 격막(30)의 몸체에는 그 내부로 연통홀(32)을 형성하면서, 일측과 타측으로는 열교환파이프(20)의 일측과 타측을 상호 연결하는 접속관(33)이 연결 설치된 구성이 나타나 있다.
그러나, 상기 선행기술 문헌들에 소개된 열교환기는, 열교환파이프를 나선형으로 가공하는 과정에서 비틀림 현상이 발생하게 되므로 그 표면을 전체적으로 균일한 형태로 가공하기가 용이하지 않은 단점이 있다.
또한, 열교환파이프의 굽힘 가공 시 버너의 중심을 향하는 내측면과 그 반대측의 외측면 간에는 변형율에 차이가 있으므로 굽힘 가공 시 파손의 우려가 있어, 연소가스와 열교환이 이루어지는 열교환파이프의 너비를 크게 형성하는데 한계가 있다. 이로 인하여 열매체와 연소가스 간의 열전달 효율을 보다 향상시키기 위한 구성으로, 열교환파이프의 표면에 난류 유동을 촉진하는 요철 형태를 가공하기 위한 면적을 충분히 확보할 수 없는 구조적인 한계가 있다.
또한, 종래의 열교환기는 나선형으로 감긴 열교환파이프(20)의 외측 둘레를 밀폐하기 위한 구성으로 하우징(H)이 별도로 구비되어야 하므로, 열교환기의 설치 구조가 복잡하고, 버너(10)의 연소에 의해 발생된 연소가스가 열교환파이프(20)의 상하로 이격된 공간을 통과하여 열교환파이프(20)와 하우징(H)의 내벽 사이의 공간을 통해 유동하면서 하우징(H)에 전달되는 열은 하우징(H)의 외부로 그대로 방열되어 소실되므로 열교환파이프(20)의 내부를 흐르는 열매체에 연소가스의 열원을 충분히 전달할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 종래의 열교환기는 버너(10)의 연소에 의해 발생되는 열이 버너(10)를 고정하는 플레이트(11)측으로 전달되어 과열되고, 이를 방지하기 위해서는 단열재 또는 플레이트(11)측 외부에 방열핀을 별도로 추가해야 하므로 구조가 복잡해지고 열이 손실되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 한정된 공간에 열매체의 유동 경로를 길게 형성하여 열매체와 연소가스 간의 전열 면적을 넓게 확보하는 한편 열매체와 연소가스의 유동에 난류 발생을 촉진시킴으로써 열효율을 극대화할 수 있는 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 열매체 유로와 연소가스 유로 및 그 외측면을 밀폐하는 외벽 구조를 일체형으로 구성함으로써, 열교환기를 구성하는 부품의 개수를 줄이고 결합구조를 간소화 한 열교환기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 연소가스의 배출통로를 통해 배출되는 연소가스의 연소열이 열매체에 최대한 회수되도록 하여 열효율을 더욱 향상시킬 수 있는 열교환기를 제공하는데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 열교환기는, 공기와 연료가 혼합된 혼합기가 유입되는 혼합기 유입부(100); 상기 혼합기 유입부(100)를 통해 유입되는 혼합기를 연소시키는 버너(200); 상기 버너(200)의 둘레에 구비되어, 상기 버너(200)의 연소에 의해 발생하는 연소가스와, 열매체 간에 열교환이 이루어지고, 다수개의 단위플레이트가 상하로 적층되어 구성되는 열교환부(300,400); 및 상기 열교환부(300,400)를 통과한 연소가스가 배출되는 연소가스 배출부(500);를 포함하되, 상기 열교환부(300,400)를 구성하는 다수개의 적층된 단위플레이트의 내부에는, 열매체 유로(P1)와 연소가스 유로(P2)가 서로 분리되어 상하로 인접하게 교대로 형성됨과 아울러, 상기 연소가스 유로(P2)와 상기 연소가스 배출부(500)를 연결하는 연소가스 배출통로(P3)가 형성된 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 단위플레이트는 상하로 적층된 제1플레이트와 제2플레이트로 구성되고, 상기 제1플레이트에는, 제1관통구(B1)가 중앙부에 형성된 제1평면부(A1)와, 상기 제1평면부(A1)의 테두리부에서 상측으로 연장되어 외측으로 절곡된 제1플랜지부(C1)와, 상기 제1평면부(A1)의 테두리부와 상기 제1관통구(B1) 사이의 영역에서 상측으로 볼록하게 형성된 유로형성 돌출부(D1)가 형성되고, 상기 제2플레이트에는, 상기 제1관통구(B1)와 대응되는 형상의 제2관통구(B2)가 중앙부에 형성되고 상기 제1평면부(A1)의 저면에 상면이 밀착되는 제2평면부(A2)와, 상기 제2평면부(A2)의 테두리부에서 하측으로 연장되어 외측으로 절곡되며 하측에 위치하는 단위플레이트의 제1플랜지부(C1)와 결합되는 제2플랜지부(C2)와, 상기 제2평면부(A2)의 테두리부와 상기 제2관통구(B2) 사이의 영역에서 하측으로 오목하게 형성되어 상기 유로형성 돌출부(D1)와 사이에 상기 열매체 유로(P1)를 형성하는 유로형성 홈부(D2)가 형성된 것으로 구성될 수 있다.
상기 제1플랜지부(C1)는 상기 유로형성 돌출부(D1)의 돌출된 높이보다 더 높게 형성되고, 상기 제2플랜지부(C2)는 상기 유로형성 홈부(D2)의 함몰된 깊이보다 더 깊게 형성되어, 상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트의 유로형성 홈부(D2)의 하단과, 하부에 위치하는 단위플레이트의 유로형성 돌출부(D1)의 상단 사이에는, 상기 연소가스 유로(P2)를 형성하며 상하로 이격된 공간이 마련되도록 구성될 수 있다.
상기 유로형성 돌출부(D1)에는 상기 제1플랜지부(C1)와 동일한 높이로 돌출된 복수의 간격유지 돌출부(E1)가 둘레방향으로 이격되어 형성되고, 상기 유로형성 홈부(D2)에는 상기 제2플랜지부(C2)와 동일한 깊이로 함몰된 복수의 간격유지 홈부(E2)가 둘레방향으로 이격되어 형성되어, 상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트에 형성된 간격유지 홈부(E2)의 하단과, 하부에 위치하는 단위플레이트에 형성된 간격유지 돌출부(E1)의 상단이 서로 접촉되는 것으로 구성될 수 있다.
상기 제1평면부(A1)의 가장자리부에는 상기 연소가스 배출통로(P3)를 제공하는 연소가스 배출구(F1)가 형성되고, 상기 제2평면부(A2)의 가장자리부에는 상기 연소가스 배출구(F1)와 상하로 대응되는 위치에 연소가스 배출구(F2)가 형성되어, 상기 연소가스 유로(P2)를 통과한 연소가스는 상하로 배치되는 다수의 단위플레이트에 각각 형성된 연소가스 배출구(F1,F2)를 순차로 통과하여 상기 연소가스 배출부(500)를 향하여 유동하는 것으로 구성될 수 있다.
상기 유로형성 돌출부(D1) 또는 상기 유로형성 홈부(D2)에는 요철 형상의 난류형성부(G)가 형성될 수 있다.
이 경우 상기 열매체 유로(P1)의 내부와 연소가스 유로(P2)의 내부에서 상기 난류형성부(G)의 돌출된 상단과 함몰된 하단이 서로 맞닿도록 형성될 수 있다.
일실시예로, 상기 유로형성 돌출부(D1)는 상기 제1평면부(A1)의 테두리부와 상기 제1관통구(B1) 사이의 영역에서 둘레방향을 따라 전체 구간이 연통되도록 형성되고, 상기 유로형성 홈부(D2)는 상기 제2평면부(A2)의 테두리부와 상기 제2관통구(B2) 사이의 영역에서 둘레방향을 따라 전체 구간이 연통되도록 형성되며, 상기 간격유지 돌출부(E1)와 간격유지 홈부(E2)에는, 하부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)와 상부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)를 연결하기 위한 관통공이 각각 형성되되, 상기 각각의 관통공은 하부에 위치하는 단위플레이트에서의 열매체 유로(P1) 방향과 상부에 위치하는 단위플레이트에서의 열매체 유로(P1) 방향이 서로 반대방향이 되도록 위치하는 것으로 구성될 수 있다.
상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 하부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제2플레이트의 일측에 형성된 관통공을 통하여 유입된 열매체는, 상기 열매체 유로(P1)를 따라 양방향으로 분기되어 유동한 후에, 타측에 위치하는 제1플레이트에 형성된 관통공과, 상부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제2플레이트에 형성된 관통공을 통과하여, 상기 상부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)로 유입되는 것으로 구성될 수 있다.
다른 실시예로, 상기 유로형성 돌출부(D1)는 상기 제1평면부(A1)의 테두리부와 상기 제1관통구(B1) 사이의 영역에서 둘레방향을 따라 일부 구간이 연통되도록 형성되고, 상기 유로형성 홈부(D2)는 상기 제2평면부(A2)의 테두리부와 상기 제2관통구(B2) 사이의 영역에서 둘레방향을 따라 일부 구간이 연통되도록 형성되며, 상기 간격유지 돌출부(E1)와 간격유지 홈부(E2)에는, 하부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)와 상부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)를 연결하기 위한 관통공이 각각 형성되되, 상기 각각의 관통공은 하부에 위치하는 단위플레이트에서의 열매체 유로(P1) 방향과 상부에 위치하는 단위플레이트에서의 열매체 유로(P1) 방향이 서로 반대방향이 되도록 위치하는 것으로 구성될 수 있다.
상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 하부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제2플레이트의 일측에 형성된 관통공을 통하여 유입된 열매체는, 상기 열매체 유로(P1)를 따라 일방향으로 유동한 후에 타측에 위치하는 제1플레이트에 형성된 관통공과, 상부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제2플레이트에 형성된 관통공을 통과하여, 상기 상부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)로 유입되는 것으로 구성될 수 있다.
상기 실시예들에서, 상기 단위플레이트를 적층하여 상기 열매체 유로(P1)를 다중 병렬로 구성할 수 있다.
상기 열교환부(300,400)는, 상기 버너(200)의 연소에 의해 발생한 연소가스의 현열을 흡수하는 현열 열교환부(300)와, 상기 현열 열교환부(300)에서 열교환을 마친 연소가스에 포함된 수증기의 잠열을 흡수하는 잠열 열교환부(400)로 구성되고, 상기 현열 열교환부(300)와 잠열 열교환부(400) 사이에는, 상기 현열 열교환부(300)와 잠열 열교환부(400)를 공간적으로 분리하는 단열부(390)가 구비되어, 상기 버너(200)의 연소에 의해 발생한 연소가스는 상기 현열 열교환부(300)의 연소가스 유로(P2)를 통과하며 방사상의 외측방향으로 유동하고, 상기 연소가스 배출통로(P3)를 통과한 후에, 상기 잠열 열교환부(400)의 연소가스 유로(P2)를 통과하며 방사상의 내측방향으로 유동하여 상기 연소가스 배출부(500)로 배출되는 것으로 구성될 수 있다.
상기 단열부(390)는, 상하로 적층된 상부 가림판(390a)과 하부 가림판(390b) 사이에 열매체가 충전되고, 상기 상부 가림판(390a) 상에는 단열재(390c)가 적층된 것으로 구성될 수 있다.
상기 단위플레이트는, 상기 버너(200)의 둘레에 다각 형상 또는 원 형상 또는 타원 형상으로 배치될 수 있다.
상기 버너(200)의 상부 측면 둘레에는 상부에 위치하는 열매체 유로(P1)에 연결되어 열매체가 경유하는 열매체 연결유로(P)가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 열교환기에 의하면, 유사한 패턴으로 제작된 다수의 단위플레이트를 적층시켜 그 내부 공간에 서로 분리되어 인접하게 교대로 배치된 열매체 유로와 연소가스 유로를 형성하고, 한정된 공간 내에 열매체의 유동 경로를 최대한 길게 형성함과 아울러 단위플레이트의 표면에는 열매체와 연소가스의 유동에 난류 발생을 촉진시키는 난류발생부를 넓은 영역에 형성할 수 있도록 구성함으로써 열효율을 극대화할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 다수개가 단위플레이트가 적층되어 구성되는 열교환부의 내부에는 열매체 유로와 연소가스 유로가 형성됨과 아울러 연소가스가 통과하는 외측면을 밀폐하는 외벽 구조가 일체형으로 형성되므로, 열교환기를 구성하는 부품의 수를 줄일 수 있어 설치구조가 간소화됨과 아울러 일체형 구조의 외벽에 전달된 연소가스의 열이 열매체에 전도 방식에 의해 다시 전달되므로 열효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한 다수개의 단위플레이트를 다중으로 적층시켜 열매체 유로를 다중 병렬로 구성함으로써 압력 손실을 최소화하고 별도의 연결부품이 필요하지 않으며 연결되는 열매체 유로 사이를 연결하는 부분도 열교환되는 면적으로 활용할 수 있다.
또한 열매체 유로 및 연소가스 유로의 내부에 난류형성을 위한 형상이 맞닿아 용접되게 함으로써 열매체의 압력에 의한 단위플레이트의 변형을 방지하고 내압 성능을 향상시킬 수 있다.
또한 열매체 유로와 연소가스 유로가 단위플레이트에 서로 이어진 형태로 구성되므로 단위플레이트 전체를 통하여 열교환되어 열효율을 더욱 향상 시킬수 있다.
또한 버너의 상부 측면부에도 열매체가 경유하는 유로를 형성함으로써 버너 지지플레이트의 과열을 방지하고 열효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한 현열 열교환부와 잠열 열교환부 사이에 위치하는 단열부를 구성하는 플레이트 사이 공간에 열매체가 경유하도록 구성함으로써, 현열 열교환부와 잠열 열교환부 간의 단열 효율을 높일 수 있다.
도 1은 종래 버너의 둘레에 열교환파이프가 나선형으로 설치된 열교환기를 보여주는 단면도,
도 2와 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기를 상측과 하측에서 바라본 사시도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 우측면도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 분해 사시도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 평면도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 저면도,
도 8은 도 6의 A-A 선을 따라 절개한 사시도,
도 9는 도 8에 도시된 단위플레이트의 일부를 확대하여 나타낸 사시도,
도 10은 도 6의 A-A 선을 따라 절개한 단면도,
도 11은 도 6의 B-B 선을 따라 절개한 단면도,
도 12는 도 7의 C-C 선을 따라 절개한 단면도,
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 잠열 열교환부에서 열매체의 유동 경로를 설명하기 위한 도면,
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 현열 열교환부에서 열매체의 유동 경로를 설명하기 위한 도면,
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단위플레이트의 적층구조를 나타낸 사시도,
도 16은 도 15의 분해 사시도,
도 17은 도 15에 도시된 단위플레이트에서 열매체의 유동 경로를 설명하기 위한 도면,
도 18은 현열 열교환부와 잠열 열교환부의 경계에 구비되는 단열부의 일실시예를 나타낸 (a) 분해 사시도, (b) 결합 사시도,
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단위플레이트의 적층구조를 나타낸 사시도,
도 20은 버너의 상부에 열매체 유로가 추가로 형성된 실시예를 나타낸 (a) 사시도와, (b) 일부 절개 사시도.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 열교환기(1)는, 공기와 연료가 혼합된 혼합기가 유입되는 혼합기 유입부(100); 상기 혼합기 유입부(100)를 통해 유입되는 혼합기를 연소시키는 버너(200); 상기 버너(200)의 둘레에 구비되어 버너(200)의 연소에 의해 발생하는 연소가스와 열매체 간에 열교환이 이루어지고, 다수개의 단위플레이트(310,320,330,340,350,360,370,380,390,410,420,430,440)가 상하로 적층되어 구성되는 열교환부(300,400); 및 상기 열교환부(300,400)를 통과한 연소가스가 배출되는 연소가스 배출부(500)를 포함하여 구성된다.
상기 혼합기 유입부(100)는, 일측에 열매체 배출관(112)이 관통되는 관통공(111)이 형성된 상부덮개 플레이트(110)와, 상기 상부덮개 플레이트(110)의 중앙을 관통하여 혼합기가 유입되는 혼합기 유입관(120)을 포함하여 구성된다.
상기 버너(200)는 혼합기 유입부(100)를 통하여 유입되는 공기와 연료의 혼합기를 연소시켜 고온의 연소가스를 발생시킨다. 상기 버너(200)는 버너 지지플레이트(210)에 고정되고, 하방향으로 화염을 발생시키도록 구성되어 있다. 상기 버너 지지플레이트(210)는, 버너(200)가 관통되는 관통구(B)가 중앙에 형성된 평면부(A)와, 상기 평면부(A)의 테두리부에서 하측으로 연장되어 외측으로 절곡된 플랜지부(C)와, 상기 평면부(A)의 테두리부와 상기 관통구(B) 사이의 영역에서 하측으로 오목한 형상의 홈부(D)로 구성된다.
상기 열교환부(300,400)는, 버너(200)의 연소에 의해 발생한 연소가스의 현열을 흡수하는 현열 열교환부(300)와, 상기 현열 열교환부(300)에서 열교환을 마친 연소가스에 포함된 수증기가 응축되면서 발생하는 잠열을 흡수하는 잠열 열교환부(400)로 구성될 수 있다.
상기 연소가스 배출부(500)는, 잠열 열교환부(400)의 하부를 덮는 하부덮개 플레이트(510)와, 상기 하부덮개 플레이트(510)의 중앙에 형성된 관통구(B)에 하측으로 연통되며 하단에는 응축수 배출관(513)이 연결된 연소가스 배출관(520)과, 상기 연소가스 배출관(520)의 일측으로 연결되어 상측으로 연장되는 연도(530)로 구성된다.
상기 하부덮개 플레이트(510)는, 관통구(B)가 중앙에 형성된 평면부(A)와, 상기 평면부(A)의 테두리부에서 상측으로 연장되어 외측으로 절곡된 플랜지부(C)와, 상기 평면부(A)의 테두리부와 상기 관통구(B) 사이의 영역에서 상측으로 볼록한 형상의 유로형성 돌출부(D1) 및 상기 유로형성 돌출부(D1)의 모서리부에서 상기 플랜지부(C)와 동일한 높이로 돌출된 복수의 간격유지 돌출부(E1)를 포함하고, 일측에 위치하는 간격유지 돌출부(E1)에는 열매체 유입관(512)이 관통되는 관통공(511)이 형성되어 있다.
이하, 본 발명의 특징적 구성인 열교환부(300,400)를 구성하는 현열 열교환부(300)와 잠열 열교환부(400)의 구성 및 작용을 설명한다.
본 발명에서는 상기 열교환부(300,400)를 구성하며 상하로 적층되는 다수개의 단위플레이트(310,320,330,340,350,360,370,380,390,410,420,430,440)의 내부에 열매체 유로(P1)와 연소가스 유로(P2) 및 연소가스 배출통로(P3)가 함께 형성된 것을 특징으로 한다.
도 5, 도 8, 도 9, 도 13 및 도 14를 참조하면, 상기 현열 열교환부(300)는, 다수개의 단위플레이트(310,320,330,340,350,360,370,380)가 상하로 적층되어 구성되고, 상기 잠열 열교환부(400)는, 다수개의 단위플레이트(410,420,430,440)가 상하로 적층되어 구성된다. 그리고, 상기 현열 열교환부(300)와 잠열 열교환부(400) 사이에는, 현열 열교환부(300)와 잠열 열교환부(400)를 공간적으로 분리하며, 현열 열교환부(300)에서 발생된 현열이 잠열 열교환부(400)로 직접 전달되는 것을 차단하기 위한 단열부(390)가 구비된다.
상기 현열 열교환부(300)를 구성하는 단위플레이트(310,320,330,340,350,360,370,380)는, 상부에 위치하는 제1플레이트(310a,320a,330a,340a,350a,360a,370a,380a)와, 그 하부에 각각 결합되는 제2플레이트(310b,320b,330b,340b,350b,360b,370b,380b)로 구성된다.
상기 잠열 열교환부(400)를 구성하는 단위플레이트(410,420,430,440)는, 상부에 위치하는 제1플레이트(410a,420a,430a,440a)와, 그 하부에 각각 결합되는 제2플레이트(410b,420b,430b,440b)로 구성되어, 상기 현열 열교환부(300)와 유사한 형태의 적층 구조를 갖는다.
상기 현열 열교환부(300)를 구성하는 제1플레이트(310a,320a,330a,340a,350a,360a,370a,380a)와, 잠열 열교환부(400)를 구성하는 제1플레이트(410a,420a,430a,440a)는 유사한 형태의 패턴으로 구성되므로, 이하, ‘제1플레이트’라 통칭하고, 상기 현열 열교환부(300)를 구성하는 제2플레이트(310b,320b,330b,340b,350b,360b,370b,380b)와, 잠열 열교환부(400)를 구성하는 제2플레이트(410b,420b,430b,440b)는 유사한 형태의 패턴으로 구성되므로, 이하, ‘제2플레이트’라 통칭하여 그 구성을 설명하기로 한다.
상기 제1플레이트는, 제1관통구(B1)가 중앙부에 형성된 제1평면부(A1)와, 상기 제1평면부(A1)의 테두리부에서 상측으로 연장되어 외측으로 절곡된 제1플랜지부(C1)와, 상기 제1평면부(A1)의 테두리부와 상기 제1관통구(B1) 사이의 영역에서 상측으로 볼록하게 형성된 유로형성 돌출부(D1)와, 상기 제1평면부(A1)의 가장자리부에 상하로 관통되어 연소가스 배출통로(P3)를 제공하는 연소가스 배출구(F1)가 형성되어 있다.
상기 제2플레이트는, 상기 제1관통구(B1)와 대응되는 형상의 제2관통구(B2)가 중앙부에 형성되고 상기 제1평면부(A1)의 저면에 상면이 밀착되는 제2평면부(A2)와, 상기 제2평면부(A2)의 테두리부에서 하측으로 연장되어 외측으로 절곡되며 하측에 위치하는 단위플레이트의 제1플랜지부(C1)에 결합되는 제2플랜지부(C2)와, 상기 제2평면부(A2)의 테두리부와 상기 제2관통구(B2) 사이의 영역에서 하측으로 오목하게 형성되어 상기 유로형성 돌출부(D1)와 사이에 열매체 유로(P1)를 형성하는 유로형성 홈부(D2)와, 상기 제2평면부(A2)의 가장자리부에 상하로 관통되어 연소가스 배출통로(P3)를 제공하는 연소가스 배출구(F2)가 형성되어 있다.
상기 제1플랜지부(C1)는 유로형성 돌출부(D1)의 돌출된 높이보다 더 높게 형성되고, 상기 제2플랜지부(C2)는 유로형성 홈부(D2)의 함몰된 깊이보다 더 깊게 형성되어 있다. 따라서, 상하로 인접하게 적층되는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트의 유로형성 홈부(D2)의 하단과, 하부에 위치하는 단위플레이트의 유로형성 돌출부(D1)의 상단 사이에는, 상하로 이격된 공간이 마련되어 연소가스 유로(P2)를 형성하게 된다.
그리고, 상기 유로형성 돌출부(D1)에는 제1플랜지부(C1)와 동일한 높이로 돌출된 복수의 간격유지 돌출부(E1)가 둘레방향으로 이격되어 형성되고, 상기 유로형성 홈부(D2)에는 제2플랜지부(C2)와 동일한 깊이로 함몰된 복수의 간격유지 홈부(E2)가 형성된다. 따라서, 상하로 인접하게 적층되는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트에 형성된 제2플랜지부(C2)는 하부에 위치하는 단위플레이트에 형성된 제1플랜지부(C1)에 결합되고, 상부에 위치하는 단위플레이트에 형성된 간격유지 홈부(E2)의 하단과, 하부에 위치하는 단위플레이트에 형성된 간격유지 돌출부(E1)의 상단이 서로 접촉되어 지지된다.
이와 같이 상부의 제2플랜지부(C2)와 하부의 제1플랜지부(C1)가 결합되고, 상부의 간격유지 홈부(E2)와 하부의 간격유지 돌출부(E1)가 접촉 지지되고, 제1플레이트와 제2플레이트의 가장자리부에는 상하로 연통되는 연소가스 배출구(F1,F2)를 형성함으로써, 단위플레이트의 적층 시, 상하로 인접하게 적층되는 단위플레이트의 내부에는 열매체 유로(P1)와 연소가스 유로(P2) 및 연소가스 배출통로(P3)가 일체형으로 형성됨과 아울러 단위플레이트들 간의 결합강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 유로형성 돌출부(D1)와 유로형성 홈부(D2) 중 어느 하나 또는 양자 모두에는 요철 형상의 난류형성부(G)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 난류형성부(G)는 유로형성 돌출부(D1)와 유로형성 홈부(D2)의 표면에서 외측으로 돌출되거나 내측으로 함몰된 형태로 구성될 수 있으며, 그 형태는 엠보싱 형태, 타원 형태, 또는 일측으로 경사진 리브 형태 등 다양한 형태로 구성될 수 있다.
상기 난류형성부(G)의 구성에 의하면, 열매체 유로(P1)를 통과하는 열매체의 유동 및 연소가스 유로(P2)를 통과하는 연소가스의 유동에 난류 발생을 촉진시킴으로써 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 난류형성부(G)를 구성함에 있어서, 제1플레이트의 유로형성 돌출부(D1)에는 하측으로 함몰된 형태로 구성하고, 제2플레이트의 유로형성 홈부(D2)에는 상측으로 돌출된 형태로 구성하여, 상기 하측으로 함몰된 난류형성부의 하단과, 상기 상측으로 돌출된 난류형성부의 상단이 서로 접촉되도록 구성할 경우에는, 유로형성 돌출부(D1)와 유로형성 홈부(D2) 간의 결합 강도를 증대시킬 수 있어, 열매체 유로(P1)를 통과하는 열매체의 압력에 의한 유로형성 돌출부(D1)와 유로형성 홈부(D2)가 변형 및 파손되는 것을 방지할 수 있게 된다.
종래기술에 따른 나선형 열교환파이프 구조에서는 파이프의 굽힘 가공에 따르는 파이프의 변형 및 파손의 문제가 있어 열교환파이프의 표면에 난류 유동을 촉진하는 요철 형태를 가공하기 위한 면적을 충분히 확보할 수 없는 구조적인 한계가 있었으나, 본 발명에서는 단위플레이트를 적층시켜 열교환기를 구성하게 되므로, 난류형성부(G)의 형성을 위한 공간을 넓게 확보할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명에 따른 열교환기에서의 연소가스의 유동 경로와 열매체의 유동 경로를 설명한다.
먼저, 연소가스의 유동 경로를 설명한다.
도 6과 도 8 내지 도 11을 참조하면, 버너(200)의 연소에 의해 발생된 연소가스는, 상부덮개 플레이트(110)와 단열부(390)에 의해 상하방향으로의 유동은 차단되고, 버너(200)를 중심으로 방사상의 외측방향으로 유동하여 현열 열교환부(300)를 구성하는 단위플레이트(310,320,330,340,350,360,370,380)에 형성되는 연소가스 유로(P2)를 통과하게 되며, 이 과정에서 현열 열교환부(300)의 열매체 유로(P1)를 통과하는 열매체에 열을 전달하게 된다.
상기 연소가스 유로(P2)를 통과하는 과정에서 유로형성 돌출부(D1)와 유로형성 홈부(D2)에 형성된 난류형성부(G)에 의해 연소가스와 열매체의 유동에 난류 발생이 동시에 촉진되므로, 연소가스와 열매체 간의 열전달 효율을 높일 수 있다.
상기 연소가스 유로(P2)를 통과한 연소가스는 상하로 적층된 단위플레이트(310,320,330,340,350,360,370,380,390,410,420,430,440)에 각각 형성된 연소가스 배출구(F1,F2)에 의해 상하로 연통되는 연소가스 배출통로(P3)를 순차로 통과하여 하향 이동하게 된다. 이때, 상기 연소가스가 연소가스 배출통로(P3)를 통과하는 과정에서 연소가스 배출통로(P3)의 외벽에 전달된 열은 전도방식에 의해 평면부(A1,A2)와 유로형성 돌출부(D1) 및 유로형성 홈부(D2)를 거쳐 열매체 유로(P1)를 통과하는 열매체에 다시 전달되므로 열손실이 최소화되어 열효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
그 후, 잠열 열교환부(400)의 연소가스 배출통로(P3)로 진입한 연소가스는 하부덮개 플레이트(510)에 의해 하향 이동이 차단되고, 잠열 열교환부(400)를 구성하는 단위플레이트(410,420,430,440)에 형성된 연소가스 유로(P2)를 통과하여 잠열 열교환부(400)의 내측으로 유동하게 되며, 이 과정에서 연소가스의 수증기에 포함된 응축수의 잠열은 잠열 열교환부(400)의 열매체 유로(P1)를 통과하는 열매체에 전달되어 열매체를 예열하게 된다. 연소가스가 잠열 열교환부(400)의 연소가스 유로(P2)를 통과하는 과정에서도 유로형성 돌출부(D1)와 유로형성 홈부(D2)에 형성된 난류형성부(G)에 의해 연소가스와 열매체의 유동에 난류 발생이 촉진되어 잠열의 회수율을 높일 수 있다.
상기 잠열 열교환부(400)의 연소가스 유로(P2)를 통과한 연소가스는 연소가스 배출관(520)과 연도(530)를 통해 상측으로 배출되고, 응축수는 연소가스 배출관(520)의 하부에 연결된 응축수 배출관(513)을 통해 하측으로 배출된다.
이하, 열매체의 유동 경로를 설명한다.
열매체의 유동 경로는 잠열 열교환부(400)의 하부에 연결된 열매체 유입관(512)을 통해 잠열 열교환부(400)로 유입되고, 잠열 열교환부(400)와 현열 열교환부(300)를 순차로 경유하며 잠열과 현열을 흡수한 후에, 현열 열교환부(300)의 상부에 연결된 열매체 배출관(112)을 통해 배출되도록 구성된다.
먼저, 도 5, 도 7, 도 12, 도 13, 도 14를 참조하여, 열매체의 유동 경로의 일실시예를 설명한다.
일실시예에 따른 열매체의 유동 경로는, 상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 하부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제2플레이트의 일측에 형성된 관통공을 통하여 유입된 열매체는, 열매체 유로(P1)를 따라 양방향으로 분기되어 유동한 후에, 타측에 위치하는 제1플레이트에 형성된 관통공과, 상부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제2플레이트에 형성된 관통공을 통과하여, 상기 상부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)로 유입되도록 구성된다.
이를 위한 구성으로, 상기 유로형성 돌출부(D1)는 제1평면부(A1)의 테두리부와 제1관통구(B1) 사이의 영역에서 둘레방향을 따라 전체 구간이 연통되도록 형성되고, 상기 유로형성 홈부(D2)는 제2평면부(A2)의 테두리부와 제2관통구(B2) 사이의 영역에서 둘레방향을 따라 전체 구간이 연통되도록 형성되며, 상기 간격유지 돌출부(E1)와 간격유지 홈부(E2)에는, 하부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)와 상부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)를 연결하기 위한 관통공이 각각 형성되되, 상기 각각의 관통공은 하부에 위치하는 단위플레이트에서의 열매체 유로(P1) 방향과 상부에 위치하는 단위플레이트에서의 열매체 유로(P1) 방향이 서로 반대방향이 되도록 위치되어 있다.
이하, 도 5와 도 13 및 도 14를 참조하여 열교환부(300,400)에서 열매체의 유동 경로를 보다 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 5와 도 13을 참조하여 잠열 열교환부(400)에서의 열매체의 유동 경로를 설명한다. 도 13에서 화살표로 도시된 바와 같이, 열매체 유입관(512)을 통해 유입된 열매체는, 잠열 열교환부(400)의 최하부에 위치하는 단위플레이트(440)의 제2플레이트(440b)에 형성된 관통공(443)을 통해 단위플레이트(440) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(440) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 일부는 제1플레이트(440a)에 형성된 관통공(441)과 상부에 적층되는 단위플레이트(430)의 제2플레이트(430b)에 형성된 관통공(432)을 통하여 단위플레이트(430) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입되고, 상기 단위플레이트(440) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 나머지는, 상기 관통공(443)을 기준으로 양측으로 분기되어 타측에 형성된 관통공(442)을 향하는 방향으로 유동한 후에 상부에 적층되는 단위플레이트(430)의 제2플레이트(430b)에 형성된 관통공(433)을 통하여 단위플레이트(430) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(430)의 관통공(432)을 통하여 유입된 열매체는 양측으로 분기되어 타측에 형성된 관통공(431)을 향하는 방향으로 유동한 후에 상부에 적층되는 단위플레이트(420)의 제2플레이트(420b)에 형성된 관통공(423)을 통하여 단위플레이트(420)의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(420)의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 일부는 제1플레이트(420a)에 형성된 관통구(422)와 상부에 적층되는 단위플레이트(410)의 제2플레이트(410a)에 형성된 관통구(413)를 통하여 단위플레이트(410) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입되고, 상기 단위플레이트(420)의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 나머지는 상기 관통구(423)를 기준으로 양측으로 분기되어 타측에 형성된 관통공(421)을 향하는 방향으로 유동한 후에 상부에 적층되는 단위플레이트(410)의 제2플레이트(410b)에 형성된 관통구(412)를 통하여 단위플레이트(410) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 제2플레이트(410b)에 형성된 관통구(413)를 통하여 단위플레이트(410) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체는 양측으로 분기되어 타측에 위치하는 관통구(411)를 향하여 유동한 후에, 단열부(390)를 구성하는 하부 가림판(390b)에 형성된 관통구(392)와 상부 가림판(390a)에 형성된 관통공(391)을 통과하여 현열 열교환부(300) 측으로 유동하게 된다. 한편, 상기 상부 가림판(390a)과 하부 가림판(390b) 사이에는 열매체가 충전되어 현열 열교환부(300)의 연소열이 잠열 열교환기(400) 측으로 전달되는 것을 차단하게 된다.
이와 같이 잠열 열교환부(400)에서는 하부에 위치하는 단위플레이트(440,430)에서는 열매체의 유로가 좌상단에서 양측으로 분기되어 우하단을 향하는 방향으로 유동하고, 상부에 위치하는 단위플레이트(420,410)에서는 열매체의 유로가 우하단에서 양측으로 분기되어 좌상단을 향하는 방향으로 유동하게 되므로, 열매체의 유로 방향이 변경되면서 열매체의 유로를 길게 형성할 수 있게 된다.
다음으로, 도 5와 도 14를 참조하여 현열 열교환부(300)에서의 열매체의 유동 경로를 설명한다. 도 14에서 화살표로 도시된 바와 같이, 단열부(390)의 상부 가림판(390a)에 형성된 관통공(391)을 통과한 열매체는, 현열 열교환부(300)의 최하부에 위치하는 단위플레이트(380)의 제2플레이트(380b)에 형성된 관통공(383)을 통해 단위플레이트(380) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(380) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 일부는 제1플레이트(380a)에 형성된 관통공(381)과 상부에 적층되는 단위플레이트(370)의 제2플레이트(370b)에 형성된 관통공(372)을 통하여 단위플레이트(370) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입되고, 상기 단위플레이트(380) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 나머지는, 상기 관통공(383)을 기준으로 양측으로 분기되어 타측에 형성된 관통공(382)을 향하는 방향으로 유동한 후에 상부에 적층되는 단위플레이트(370)의 제2플레이트(370b)에 형성된 관통공(373)을 통하여 단위플레이트(370) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(370)의 관통공(372)을 통하여 유입된 열매체는 양측으로 분기되어 타측에 형성된 관통공(371)을 향하는 방향으로 유동한 후에 상부에 적층되는 단위플레이트(360)의 제2플레이트(360b)에 형성된 관통공(363)을 통하여 단위플레이트(360)의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(360)의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 일부는 제1플레이트(360a)에 형성된 관통구(362)와 상부에 적층되는 단위플레이트(350)의 제2플레이트(350b)에 형성된 관통구(353)를 통하여 단위플레이트(350) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입되고, 상기 단위플레이트(360)의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 나머지는 상기 관통구(363)를 기준으로 양측으로 분기되어 타측에 형성된 관통공(361)을 향하는 방향으로 유동한 후에 상부에 적층되는 단위플레이트(350)의 제2플레이트(350b)에 형성된 관통구(352)를 통하여 단위플레이트(350) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(350)의 관통공(353)을 통하여 유입된 열매체는 양측으로 분기되어 타측에 형성된 관통공(351)을 향하는 방향으로 유동한 후에 상부에 적층되는 단위플레이트(340)의 제2플레이트(340b)에 형성된 관통공(343)을 통하여 단위플레이트(340)의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(340)의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 일부는 제1플레이트(340a)에 형성된 관통구(341)와 상부에 적층되는 단위플레이트(330)의 제2플레이트(330b)에 형성된 관통구(332)를 통하여 단위플레이트(330) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입되고, 상기 단위플레이트(340)의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 나머지는 상기 관통구(343)를 기준으로 양측으로 분기되어 타측에 형성된 관통공(342)을 향하는 방향으로 유동한 후에 상부에 적층되는 단위플레이트(330)의 제2플레이트(330b)에 형성된 관통구(333)를 통하여 단위플레이트(330) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(330)의 관통공(332)을 통하여 유입된 열매체는 양측으로 분기되어 타측에 형성된 관통공(331)을 향하는 방향으로 유동한 후에 상부에 적층되는 단위플레이트(320)의 제2플레이트(320b)에 형성된 관통공(323)을 통하여 단위플레이트(320)의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(320)의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 일부는 제1플레이트(320a)에 형성된 관통구(322)와 상부에 적층되는 단위플레이트(310)의 제2플레이트(310b)에 형성된 관통구(313)를 통하여 단위플레이트(310) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입되고, 상기 단위플레이트(320)의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 나머지는 상기 관통구(323)를 기준으로 양측으로 분기되어 타측에 형성된 관통공(321)을 향하는 방향으로 유동한 후에 상부에 적층되는 단위플레이트(310)의 제2플레이트(310b)에 형성된 관통구(312)를 통하여 단위플레이트(310) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(310)의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체는 관통구(313)를 기준으로 양측으로 분기되어 타측에 위치하는 관통구(311)를 향하여 유동한 후에 열매체 배출관(112)을 통하여 배출된다.
이와 같이 현열 열교환부(300)에서는 최하부에 위치하는 단위플레이트(380,370)에서는 열매체의 유로가 좌상단에서 양측으로 분기되어 우하단을 향하는 방향으로 유동하고, 그 상부에 위치하는 단위플레이트(360,350)에서는 열매체의 유로가 우하단에서 양측으로 분기되어 좌상단을 향하는 방향으로 유동하게 되며, 그 상부에 위치하는 단위플레이트(340,330)에서는 열매체의 유로가 좌상단에서 양측으로 분기되어 우하단을 향하는 방향으로 유동하고, 그 상부에 위치하는 단위플레이트(320,310)에서는 열매체의 유로가 우하단에서 양측으로 분기되어 좌상단을 향하는 방향으로 유동하게 되므로, 열매체의 유로 방향이 교대로 변경되면서 열매체의 유로를 길게 형성할 수 있게 된다.
이하, 도 15 내지 도 17을 참조하여, 열매체의 유동 경로의 다른 실시예를 설명한다. 본 실시예에 따른 단위플레이트(460,470,480,490)는 전술한 현열 열교환부(300)와 잠열 열교환부(400)를 구성하는 단위플레이트를 대체하여 적용될 수 있으므로, 이하에서는 하나의 세트를 구성하는 단위플레이트(460,470,480,490)의 구조와 그 내부에서의 열매체의 유동 경로를 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 열매체의 유동 경로는, 상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 하부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제2플레이트의 일측에 형성된 관통공을 통하여 유입된 열매체는, 상기 열매체 유로(P1)를 따라 일방향으로 유동한 후에 타측에 위치하는 제1플레이트에 형성된 관통공과, 상부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제2플레이트에 형성된 관통공을 통과하여, 상기 상부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)로 유입되도록 구성된다.
이를 위한 구성으로, 상기 유로형성 돌출부(D1)는 상기 제1평면부(A1)의 테두리부와 상기 제1관통구(B1) 사이의 영역에서 둘레방향을 따라 일부 구간이 연통되도록 형성되고, 상기 유로형성 홈부(D2)는 상기 제2평면부(A2)의 테두리부와 상기 제2관통구(B2) 사이의 영역에서 둘레방향을 따라 일부 구간이 연통되도록 형성되며, 상기 간격유지 돌출부(E1)와 간격유지 홈부(E2)에는, 하부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)와 상부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)를 연결하기 위한 관통공이 각각 형성되되, 상기 각각의 관통공은 하부에 위치하는 단위플레이트에서의 열매체 유로(P1) 방향과 상부에 위치하는 단위플레이트에서의 열매체 유로(P1) 방향이 서로 반대방향이 되도록 위치되어 있다.
도 16과 도 17을 참조하면, 최하부에 위치하는 단위플레이트(480)의 제2플레이트(480b)에 형성된 관통공(483)을 통해 단위플레이트(480)의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 일부는 제1플레이트(480a)에 형성된 관통구(482)와 상부에 적층되는 단위플레이트(470)의 제2플레이트(470b)에 형성된 관통구(473)를 통하여 단위플레이트(470) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입되고, 상기 단위플레이트(480)의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 나머지는 상기 관통구(483)를 기준으로 열매체 유로(P1)를 따라 일방향(평면상에서 볼 때 반시계방향)으로 유동한 후에 타측에 위치하는 제1플레이트(480a)에 형성된 관통구(481)와, 상부에 적층되는 단위플레이트(470)의 제2플레이트(470b)에 형성된 관통구(472)를 통하여 단위플레이트(470) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(470)의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체는 상기 관통구(473)를 기준으로 열매체 유로(P1)를 따라 일방향(평면상에서 볼 때 반시계방향)으로 유동한 후에 타측에 위치하는 제1플레이트(470a)에 형성된 관통구(471)와, 상부에 적층되는 단위플레이트(460)의 제2플레이트(460b)에 형성된 관통구(463)를 통하여 단위플레이트(460) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 관통구(463)를 통해 단위플레이트(460) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 일부는 제1플레이트(460a)에 형성된 관통구(461)와 상부에 적층되는 단위플레이트(450)의 제2플레이트(450b)에 형성된 관통구(452)를 통하여 단위플레이트(450) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입되고, 상기 단위플레이트(460)의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체 중 나머지는 상기 관통구(463)를 기준으로 열매체 유로(P1)를 따라 타방향(평면상에서 볼 때 시계방향)으로 유동한 후에 타측에 위치하는 제1플레이트(460a)에 형성된 관통구(462)와, 상부에 적층되는 단위플레이트(450)의 제2플레이트(450b)에 형성된 관통구(453)를 통하여 단위플레이트(450) 내부의 열매체 유로(P1)로 유입된다.
상기 단위플레이트(450)의 열매체 유로(P1)로 유입된 열매체는 상기 관통구(452)를 기준으로 열매체 유로(P1)를 따라 타방향(평면상에서 볼 때 시계방향)으로 유동한 후에 타측에 위치하는 제1플레이트(450a)에 형성된 관통구(451)를 통하여 그 상부에 위치하는 단위플레이트(미도시됨)의 열매체 유로로 유입된다.
이와 같이 본 실시예에서는 하부에 위치하는 단위플레이트(480,470)에서는 열매체가 열매체 유로(P1)를 따라서 일방향(평면상에서 볼 때 반시계방향)으로 유동하도록 구성하고, 상부에 위치하는 단위플레이트(460,450)에서는 열매체가 열매체 유로(P1)를 따라서 타방향(평면상에서 볼 때 시계방향)으로 유동하도록 구성함으로써, 열매체의 유동 방향이 교대로 변경되면서 유로를 길게 형성할 수 있게 된다. 그리고, 본 실시예에서 예를 들어 설명한 단위플레이트(450,460,470,480)는 복수의 세트 단위로 적층되어 열교환부(300,400)를 구성할 수 있다.
한편, 상기 단열부(390)는, 도 18에 도시된 바와 같이 상하로 적층된 상부 가림판(390a)과 하부 가림판(390b) 사이에 열매체가 충전되고, 상기 상부 가림판(390a) 상에는 단열재(390c)가 적층되어, 현열 열교환부(300)에서 발생된 연소열이 잠열 열교환부(400)로 전달되는 것을 차단하도록 구성될 수 있다. 이 경우 상기 상부 가림판(390a)과 하부 가림판(390b) 사이에 열매체가 충전되어 단열 기능을 할 수 있으므로, 상기 단열재(390c)는 필요에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.
상기 실시예들에서는 열교환부(300,400)를 구성하는 단위플레이트가 버너(200)의 둘레에 사각 형상으로 구성된 경우를 예로 들었으나, 사각 형상 이외에 오각형 등 다각 형상, 타원 형상으로 구성될 수 있으며, 도 19와 도 20에 도시된 바와 같이 단위플레이트(610,620,630,640,650)가 원 형상으로 배치되어 구성될 수도 있다.
한편, 도 20에 도시된 바와 같이, 상기 버너(200)의 상부 측면 둘레에는 상부에 위치하는 열매체 유로(P1)에 연결되어 열매체가 경유하는 열매체 연결유로(P)가 추가로 형성되도록 구성할 수 있다.
상기 열매체 연결유로(P)의 구성에 의하면, 버너(200)의 상부를 통해 전달되는 연소열에 의한 버너 지지플레이트의 과열을 방지할 수 있고, 상기 열매체 연결유로(P)를 경유하는 열매체에 연소가스의 연소열이 흡수되므로, 단열 및 열효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 실시예들에서, 열교환부(300,400)는 현열 열교환부(300)와 잠열 열교환부(400)로 구성된 콘덴싱 방식의 열교환기를 예로들어 설명하였으나, 본 발명의 열교환기는 콘덴싱 방식 뿐만 아니라 연소 현열만을 이용하여 열교환이 이루어지는 일반 열교환기에도 적용될 수 있음은 물론이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구되는 본 발명의 기술적 사상에 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 자명한 변형실시가 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.
1 : 열교환기 100 : 혼합기 유입부
110 : 상부덮개 플레이트 112 : 열매체 배출관
200 : 버너 300 : 현열 열교환부
310,320,330,340,350,360,370,380 : 현열 열교환부의 단위플레이트
310a,320a,330a,340a,350a,360a,370a,380a : 제1플레이트
310b,320b,330b,340b,350b,360b,370b,380b : 제2플레이트
390 : 단열부 390a : 상부 가림판
390b : 하부 가림판 390c : 단열재
410,420,430,440 : 잠열 열교환부의 단위플레이트
410a,420a,430a,440a : 제1플레이트 410b,420b,430b,440b : 제2플레이트
450,460,470,480 : 단위플레이트 450a,460a,470a,480a : 제1플레이트
450b,460b,470b,480b : 제2플레이트 500 : 연소가스 배출부
510 : 하부덮개 플레이트 520 : 연소가스 배출관
530 : 연도 A,A1,A2 : 평면부
B,B1,B2 : 관통구 C,C1,C2 : 플랜지부
D,D1 : 유로형성 돌출부 D2 : 유로형성 홈부
E1 : 간격유지 돌출부 E2 : 간격유지 홈부
F1,F2 : 연소가스 배출구 G : 난류형성부
P1 : 열매체 유로 P2 : 연소가스 유로
P3 : 연소가스 배출통로 P : 열매체 연결유로

Claims (16)

  1. 공기와 연료가 혼합된 혼합기가 유입되는 혼합기 유입부(100);
    상기 혼합기 유입부(100)를 통해 유입되는 혼합기를 연소시키는 버너(200);
    상기 버너(200)의 둘레에 구비되어, 상기 버너(200)의 연소에 의해 발생하는 연소가스와, 열매체 간에 열교환이 이루어지고, 다수개의 단위플레이트가 상하로 적층되어 구성되는 열교환부(300,400); 및
    상기 열교환부(300,400)를 통과한 연소가스가 배출되는 연소가스 배출부(500);를 포함하되,
    상기 열교환부(300,400)를 구성하는 다수개의 적층된 단위플레이트에는, 서로 분리되어 상하로 인접하게 교대로 형성된 열매체 유로(P1)와 연소가스 유로(P2), 상기 연소가스 유로(P2)와 상기 연소가스 배출부(500)를 연결하는 연소가스 배출통로(P3)가 형성되고,
    상기 단위플레이트는 상하로 적층된 제1플레이트와 제2플레이트로 구성되고,
    상기 제1플레이트에는, 제1관통구(B1)가 중앙부에 형성된 제1평면부(A1)와, 상기 제1평면부(A1)의 테두리부에서 상측으로 연장되어 외측으로 절곡된 제1플랜지부(C1)와, 상기 제1평면부(A1)의 테두리부와 상기 제1관통구(B1) 사이의 영역에서 상측으로 볼록하게 형성된 유로형성 돌출부(D1)가 형성되고,
    상기 제2플레이트에는, 상기 제1관통구(B1)와 대응되는 형상의 제2관통구(B2)가 중앙부에 형성되고 상기 제1평면부(A1)의 저면에 상면이 밀착되는 제2평면부(A2)와, 상기 제2평면부(A2)의 테두리부에서 하측으로 연장되어 외측으로 절곡되며 하측에 위치하는 단위플레이트의 제1플랜지부(C1)와 결합되는 제2플랜지부(C2)와, 상기 제2평면부(A2)의 테두리부와 상기 제2관통구(B2) 사이의 영역에서 하측으로 오목하게 형성되어 상기 유로형성 돌출부(D1)와 사이에 상기 열매체 유로(P1)를 형성하는 유로형성 홈부(D2)가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1플랜지부(C1)는 상기 유로형성 돌출부(D1)의 돌출된 높이보다 더 높게 형성되고,
    상기 제2플랜지부(C2)는 상기 유로형성 홈부(D2)의 함몰된 깊이보다 더 깊게 형성되어,
    상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트의 유로형성 홈부(D2)의 하단과, 하부에 위치하는 단위플레이트의 유로형성 돌출부(D1)의 상단 사이에는, 상기 연소가스 유로(P2)를 형성하며 상하로 이격된 공간이 마련되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유로형성 돌출부(D1)에는 상기 제1플랜지부(C1)와 동일한 높이로 돌출된 복수의 간격유지 돌출부(E1)가 둘레방향으로 이격되어 형성되고,
    상기 유로형성 홈부(D2)에는 상기 제2플랜지부(C2)와 동일한 깊이로 함몰된 복수의 간격유지 홈부(E2)가 둘레방향으로 이격되어 형성되어,
    상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 상부에 위치하는 단위플레이트에 형성된 간격유지 홈부(E2)의 하단과, 하부에 위치하는 단위플레이트에 형성된 간격유지 돌출부(E1)의 상단이 서로 접촉되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1평면부(A1)의 가장자리부에는 상기 연소가스 배출통로(P3)를 제공하는 연소가스 배출구(F1)가 형성되고, 상기 제2평면부(A2)의 가장자리부에는 상기 연소가스 배출구(F1)와 상하로 대응되는 위치에 연소가스 배출구(F2)가 형성되어, 상기 연소가스 유로(P2)를 통과한 연소가스는 상하로 배치되는 다수의 단위플레이트에 각각 형성된 연소가스 배출구(F1,F2)를 순차로 통과하여 상기 연소가스 배출부(500)를 향하여 유동하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 유로형성 돌출부(D1) 또는 상기 유로형성 홈부(D2)에는 요철 형상의 난류형성부(G)가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열매체 유로(P1)의 내부와 연소가스 유로(P2)의 내부에서 상기 난류형성부(G)의 돌출된 상단과 함몰된 하단이 서로 맞닿도록 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 유로형성 돌출부(D1)는 상기 제1평면부(A1)의 테두리부와 상기 제1관통구(B1) 사이의 영역에서 둘레방향을 따라 전체 구간이 연통되도록 형성되고,
    상기 유로형성 홈부(D2)는 상기 제2평면부(A2)의 테두리부와 상기 제2관통구(B2) 사이의 영역에서 둘레방향을 따라 전체 구간이 연통되도록 형성되며,
    상기 간격유지 돌출부(E1)와 간격유지 홈부(E2)에는, 하부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)와 상부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)를 연결하기 위한 관통공이 각각 형성되되, 상기 각각의 관통공은 하부에 위치하는 단위플레이트에서의 열매체 유로(P1) 방향과 상부에 위치하는 단위플레이트에서의 열매체 유로(P1) 방향이 서로 반대방향이 되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제8항에 있어서,
    상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 하부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제2플레이트의 일측에 형성된 관통공을 통하여 유입된 열매체는, 상기 열매체 유로(P1)를 따라 양방향으로 분기되어 유동한 후에, 타측에 위치하는 제1플레이트에 형성된 관통공과, 상부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제2플레이트에 형성된 관통공을 통과하여, 상기 상부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)로 유입되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 유로형성 돌출부(D1)는 상기 제1평면부(A1)의 테두리부와 상기 제1관통구(B1) 사이의 영역에서 둘레방향을 따라 일부 구간이 연통되도록 형성되고,
    상기 유로형성 홈부(D2)는 상기 제2평면부(A2)의 테두리부와 상기 제2관통구(B2) 사이의 영역에서 둘레방향을 따라 일부 구간이 연통되도록 형성되며,
    상기 간격유지 돌출부(E1)와 간격유지 홈부(E2)에는, 하부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)와 상부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)를 연결하기 위한 관통공이 각각 형성되되, 상기 각각의 관통공은 하부에 위치하는 단위플레이트에서의 열매체 유로(P1) 방향과 상부에 위치하는 단위플레이트에서의 열매체 유로(P1) 방향이 서로 반대방향이 되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 제10항에 있어서,
    상하로 인접하게 위치하는 단위플레이트 중, 하부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제2플레이트의 일측에 형성된 관통공을 통하여 유입된 열매체는, 상기 열매체 유로(P1)를 따라 일방향으로 유동한 후에 타측에 위치하는 제1플레이트에 형성된 관통공과, 상부에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제2플레이트에 형성된 관통공을 통과하여, 상기 상부에 위치하는 단위플레이트의 열매체 유로(P1)로 유입되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  12. 제9항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 단위플레이트를 적층하여 상기 열매체 유로(P1)를 다중 병렬로 구성하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 열교환부(300,400)는, 상기 버너(200)의 연소에 의해 발생한 연소가스의 현열을 흡수하는 현열 열교환부(300)와, 상기 현열 열교환부(300)의 하측에 구비되어 상기 현열 열교환부(300)에서 열교환을 마친 연소가스에 포함된 수증기의 잠열을 흡수하는 잠열 열교환부(400)로 구성되고,
    상기 현열 열교환부(300)와 잠열 열교환부(400) 사이에는, 상기 현열 열교환부(300)와 잠열 열교환부(400)를 공간적으로 분리하는 단열부(390)가 구비되어,
    상기 버너(200)의 연소에 의해 발생한 연소가스는 상기 현열 열교환부(300)의 연소가스 유로(P2)를 통과하며 방사상의 외측방향으로 유동하고, 상기 연소가스 배출통로(P3)를 통과한 후에, 상기 잠열 열교환부(400)의 연소가스 유로(P2)를 통과하며 방사상의 내측방향으로 유동하여 상기 연소가스 배출부(500)로 배출되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단열부(390)는, 상하로 적층된 상부 가림판(390a)과 하부 가림판(390b) 사이에 열매체가 충전되고, 상기 상부 가림판(390a) 상에는 단열재(390c)가 적층된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 단위플레이트는, 상기 버너(200)의 둘레에 다각 형상 또는 원 형상 또는 타원 형상으로 배치된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 버너(200)의 상부 측면 둘레에는 상부에 위치하는 열매체 유로(P1)에 연결되어 열매체가 경유하는 열매체 연결유로(P)가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
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