KR102143793B1 - 나선형 날개를 갖는 열교환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환장치에 관한 것으로, 봉상의 발열부재에 일정거리 이격되고, 유체관에 내접하는 나선형 날개를 구비함으로써, 전열매체 유동공간이나 발열 봉의 길이가 충분히 길지 않더라도 열교환효율을 극대화하며 짧은 시간에 온수를 공급할 수 있고, 발열 봉의 교체도 용이하게 한 효과가 있다.

Description

나선형 날개를 갖는 열교환장치{HEAT EXCHANGER HAVING SPIRAL BLADE}

본 발명은 순간 온수기나 보일러 등에 사용되는 열교환장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체관에 내접하는 나선형 날개를 갖는 열교환장치에 관한 것이다.

보일러 등에 사용되는 열교환장치는 한국공개특허 제10-2017-0031566호와 같이 피전열매체 유동공간을 외부에 두고 전열매체 유동공간을 감싸는 외적 가열용 열교환장치가 일반적이나, 상기 외적 가열용 열교환장치는 손실되는 열이 많아 열교환 효율을 높이는데 한계가 있다.

상기 문제점을 해결하고자 본 발명자는 한국등록특허 제10-0680556호와 같이 전열매체 유동공간을 피전열매체 유동공간 속에 두는 내적 가열용 열교환장치를 개발하여 특허를 받은 바 있다.

상기 한국등록특허 제10-0680556호에 의한 내적 가열용 열교환장치는 실외형 이동식 급탕장치에 이용되어 한국등록특허 제10-0857553호로 특허를 받고 산업화된 바 있다.

그런데 상기 한국등록특허 제10-0680556호에 의한 내적 가열용 열교환장치의 문제점은 유동관이 전열매체 유동공간을 가로지르며 그 길이방향으로 소정의 각도로 배치되어, 전열매체 유동공간의 길이가 충분하지 않으면 원하는 열교환을 얻기 어려운 문제가 있고, 한국등록특허 제10-0857553호와 같이, 물 저장 탱크의 길이 방향으로 길게 설치해야 하므로 공간상 제약을 받는 문제점이 있다.

또한, 짧은 시간에 온수를 공급해야 하는 순간 온수기에 상기 한국등록특허 제10-0680556호 등의 종래기술을 적용하기에는 일정한 한계가 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 전열매체 유동공간이나 발열 봉의 길이가 충분히 길지 않더라도 열교환효율을 극대화하며 피전열매체가 유체관에서 나선형 흐름을 형성하도록 하여 짧은 시간에 온수를 공급할 수 있는 나선형 날개를 갖는 열교환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 열교환장치는 피전열매체가 흐르는 유체관; 상기 유체관에 내접하는 나선형 날개; 및 상기 나선형 날개의 내측 가장자리와 일정 거리 떨어지며 상기 나선형 날개의 중심을 지나는 봉상의 발열부재를 포함하는 것을 특징으로 특징으로 한다.

상기 유체관은 좌, 우측에 각각 상기 봉상의 발열부재를 삽입 고정하고 유입관과 유출관에 연결되는 입구측 마개와 출구측 마개가 수밀하게 체결된 것을 본 발명에 의한 열교환장치의 다른 특징으로 한다.

상기 나선형 날개는 상기 봉상의 발열부재의 외주면에 상기 나선형 날개의 폭에 1/10 내지 1/5 크기로 갭을 두고 떨어진 것을 본 발명에 의한 열교환장치의 다른 특징으로 한다.

상기 봉상의 발열부재는 카트리지히터 봉인 것을 본 발명에 의한 열교환장치의 다른 특징으로 한다.

상기 봉상의 발열부재는 열원 주입구와 열원 배출구 사이에 연결되어 전열매체가 흐르는 길이방향으로 일정거리 떨어지며 상기 피전열매체가 흐르도록 폭 방향으로 관통하여 설치된 복수 개의 다지 방사형 유동관이 구비된 열순환관인 것을 본 발명에 의한 열교환장치의 다른 특징으로 한다.

상기 복수 개의 다지 방사형 유동관은 상기 열순환관의 길이방향을 따라가며 나선형으로 체결된 것을 본 발명에 의한 열교환장치의 다른 특징으로 한다.

본 발명은 봉상의 발열부재에 일정거리 이격되고, 유체관에 내접하는 나선형 날개를 구비함으로써, 전열매체 유동공간이나 발열 봉의 길이가 충분히 길지 않더라도 열교환효율을 극대화하며 짧은 시간에 온수를 공급할 수 있고, 발열 봉의 교체도 용이하게 한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 열교환장치의 전개 사시도이다.
도 2는 도 1의 조립도로 요부 단면 사시도(a), AA'선 단면도(b) 및 요부 확대도(c)이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 의한 열교환장치의 봉상의 발열부재 사시도(a) 및 요부 단면 사시도(b)이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 의한 열교환장치의 전열매체 유동공간의 사시도(a), 봉상의 발열부재 사시도(b) 및 요부 단면 사시도(c)이다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 하기와 같다.

본 발명의 일 실시 예에 의한 열교환장치는, 도 1 및 도 2와 같이, 피전열매체(예컨대, 물)가 흐르는 유체관(10); 상기 유체관에 내접하는 나선형 날개(20); 및 상기 나선형 날개의 내측 가장자리와 일정 거리(갭, G) 떨어지며 상기 나선형 날개(20)의 중심을 지나는 봉상의 발열부재(40)를 포함하는 구성된다.

여기서, 상기 봉상의 발열부재(40)는 발열 봉이나 전열매체 유동공간을 구비한 것일 수 있다. 전자의 예는 도 2와 같이 보빈에 열선이 권선된 카트리지히터 봉(40)이거나, 도 3과 같이 유리관 등 투명관(50)에 리드선(58) 주위로 코일(56)이 배치된 히터 봉일 수 있다. 후자의 예는 도 4와 같이 열원 주입구와 열원 배출구 사이에 연결되어 전열매체(예컨대, 열기)가 흐르는 길이방향으로 일정거리 떨어지며 상기 피전열매체(예컨대, 물)가 흐르도록 폭 방향으로 관통하여 설치된 복수 개의 다지 방사형 유동관(68; 66, 67)이 구비된 열순환관(60)일 수 있다.

상기 복수 개의 다지 방사형 유동관(68; 66, 67)은, 도 4와 같이, 상기 열순환관(60)의 길이방향을 따라가며 나선형으로 형성된 관통공(65)에 마치 DNA 구조로 비틀어지며 체결될 수 있다.

상기 유체관(10)은 좌, 우측에 각각 상기 봉상의 발열부재(40, 50, 60)를 삽입 고정하고 유입관(1)과 유출관(2)에 연결되는 피전열매체의 입구측 마개(30a)와 출구측 마개(30b)가 수밀하게 체결될 수 있다.

구체적으로, 도 1과 도 2의 실시 예에서, 입구측 마개(30a)는 유체관(10)의 좌측에 삽입되는 플랜지(31)에 유입관(1)이 체결되는 관통공(33)이, 봉상의 발열부재(40)의 좌측을 삽입 지지하는 삽입공(35)을 갖는 부싱(35)이 각각 형성되고, 출구측 마개(30b)는 유체관(10)의 우측에 삽입되는 플랜지(32)에 유출관(2)이 체결되는 관통공(34)이, 봉상의 발열부재(40)의 우측 체결부(42)를 삽입 지지하는 관통공(38)과 부싱(36)이 각각 형성될 수 있다.

도 3의 실시 예는 도 2의 실시 예에서 카트리지히터 봉(40) 대신 코일 히터 봉(50)을 입구측 마개(30a)와 출구측 마개(30b)에 끼워 사용할 수 있음을 보여준다. 도 2 및 도 3에서 도면부호 44와 54는 단자 연결부이다.

도 2 및 도 3의 실시 예에서, 입구측 마개(30a)는 카트리지히터 봉(40)이나 코일 히터 봉(50)의 끝단을 삽입 지지하게 하고, 출구측 마개(30b)는 카트리지히터 봉(40)이나 코일 히터 봉(50)의 우측 체결부(42, 52)가 관통되어 지지하며, 나선형 날개(20)는 입구측 마개(30a)로부터 출구측 마개(30b)를 향하여 나선이 진행되는 방향으로 유체관(10)에 내접하게 함으로써, 도 2(a) 및 도 3(b)와 같이, 유입관(1)으로 들어온 피전열매체(물, 3)는 유체관(10) 속에서 나선형 날개(20)를 따라 회오리치면서 낮은 온도에서 높은 온도로 효과적으로 빠르게 가온 되어 유출관(2)을 통해 나가게 된다.

여기서, 상기 나선형 날개(20)는, 도 2(b) 및 도 2(c)와 같이, 봉상의 발열부재(40)의 외주면에 나선형 날개의 폭(W)에 1/10 내지 1/5 크기로 갭(G)을 두고 떨어지도록 함이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 도 2(c)와 같이, 나선형 날개(20)로 회오리치는 피전열매체(물, 3)의 10~20%는 봉상의 발열부재(40)의 외주면과 나선형 날개(20) 사이 갭(G)을 통과하며(도면부호 4 참조), 봉상의 발열부재(40)의 열을 최대한 흡수하고, 이를 통해 더욱 회오리치는 동력을 얻어 효과적으로 빠르게 가온하게 된다. 또한, 봉상의 발열부재(40)로 사용되는 카트리지히터 봉(40)이나 코일 히터 봉(50) 등의 교체도 용이하게 된다.

도 4의 실시 예는 열원 주입구(64)와 열원 배출구(63)를 통하여 흐르는 전열매체(예컨대, 열기)의 열 에너지를 흡수하기 위한 것이므로, 피전열매체(예컨대, 물)의 입구측 마개(30a)와 출구측 마개(30b)는 모두 가운데 관통공이 형성되어, 열순환관(60)의 좌, 우측 체결부(61, 62)는 관통된 좌, 우측 부싱(35', 36)에 삽입 지지하게 된다.

도 4의 실시 예에서도, 나선형 날개(20)는 입구측 마개(30a)로부터 출구측 마개(30b)를 향하고, 열원 주입구(64)와 열원 배출구(63)를 통하여 열순환관(60)에 흐르는 전열매체(예컨대, 열기)의 흐름과 반대로, 나선이 진행되는 방향으로 유체관(10)에 내접하게 함으로써, 도 4(c)와 같이, 유입관(1)으로 들어온 피전열매체(물, 3)는 유체관(10) 속에서 나선형 날개(20)를 따라 회오리치면서 낮은 온도에서 높은 온도로 효과적으로 빠르게 가온 되어 유출관(2)을 통해 나가게 된다.

상기 나선형 날개(20)는, 위의 도 2 및 도 3의 실시 예에서 설명한 동일한 이유로, 봉상의 발열부재인 열순환관(60)의 외주면에 나선형 날개의 폭(W)에 1/10 내지 1/5 크기로 갭(G)을 두고 떨어지도록 함이 바람직하다.

상기 열순환관(60)에는 길이방향으로 일정거리 떨어지며 복수 개의 다지 방사형 유동관(68)이 열순환관(60)의 폭 방향으로 상기 길이방향과 수직 또는 일정 각도로 관통되어 설치된다.

상기 복수 개의 다지 방사형 유동관(68)은 다지(多枝) 방사형 유동관으로, 예를 들어 3지(三枝) 이상의 지관(枝管)을 갖는 방사형 유동관으로 복수 개가 상기 열순환관(60)의 길이방향을 따라가며 일정 각도 뒤틀려 나선형으로 상기 열순환관(60)과 체결될 수 있다.

도 4(a)는 4지(四枝) 방사형 유동관(68)이 복수 개(66, 67)로 열순환관(60)의 길이방향을 따라가며 나선형으로 체결된 실시 예를 보여주나, 이에 한정되지 않고, 3지(三枝)는 물론 5개 즉 5지(五枝) 이상일 수도 있다.

상기와 같이, 복수 개의 다지 방사형 유동관(68)이 열순환관(60)에 나선형으로 체결됨으로써, 상기 열순환관(60)에 전열매체가 흘러갈 때, 전열매체가 만나는 다지 방사형 유동관(68)의 접촉면적을 최대화하면서 전열매체의 흐름에 문제가 없도록 하여 종래보다 전열매체 유동공간의 길이가 충분히 길지 않더라도 열교환효율을 극대화할 수 있게 된다.

상기 복수 개의 다지 방사형 유동관(68)은, 미도시되었으나, 각각 중심에 연결 부재를 사이에 두고 서로 연결될 수 있다. 이와 같이 구성함으로써, 일체로 연결된 복수 개의 다지 방사형 유동관을 열순환관(60) 내에 삽입하여 열순환관(60)에 형성된 복수 개의 관통공(65)에 맞도록 한 번의 작업으로 체결 가능하게 되는 장점이 있다.

상기 복수 개의 다지 방사형 유동관(68)은 각 지관(66)(67)이 상기 복수 개의 관통공 중 하나(65)에 대응되도록 위치시킨 다음, 용접 등으로 수밀하게 체결될 수 있다.

10: 유체관
20: 나선형 날개
30a: 입구측 마개
30b: 출구측 마개
40, 50, 60: 봉상의 발열부재

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 피전열매체가 흐르는 유체관;
   상기 유체관에 내접하는 나선형 날개; 및
   상기 나선형 날개의 내측 가장자리와 일정 거리 떨어지며 상기 나선형 날개의 중심을 지나는 봉상의 발열부재를 포함하되,
   상기 봉상의 발열부재는 열원 주입구와 열원 배출구 사이에 연결되어 전열매체가 흐르는 길이방향으로 일정거리 떨어지며 상기 피전열매체가 흐르도록 폭 방향으로 관통하여 상기 길이방향에 수직하게 나선 형태로 연동적으로 부착된 복수 개의 다지 방사형 유동관이 구비된 열순환관이고,
   상기 다지 방사형 유동관은 중심에 3개 이상의 지관이 서로 연통되도록 방사형으로 부착되어, 상기 피전열매체 유동공간 속에 채워진 피전열매체가 상기 3개 이상의 지관을 통해 유출입하며 상기 중심에서 섞이도록 구비된 것을 특징으로 하는 열교환장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 복수 개의 다지 방사형 유동관은 상기 열순환관의 길이방향을 따라가며 나선형으로 체결된 것을 특징으로 하는 열교환장치.

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