KR20000057075A - 열교환기 - Google Patents

Abstract

(과제) 부기체(K)내에 복수의 핀(F)을 소정 간격으로 병설하고, 이들 핀군(F,F…)을 관통하는 복수의 흡열관(H)을 연소배기의 흐름에 대하여 대략 직각방향으로 병설한 열교환기에 있어서, 연소배기에 의한 흡열관(H)의 후측(배기류의 하류측)에서의 열교환을 더욱 촉진시켜 열교환 효율의 향상과 드레인의 생성을 방지한 열교환기를 제공한다.

(해결수단) 핀(F)에 있어서의 흡열관(H)의 배기류의 하류영역에서 상기 배기류에 대하여 직각방향이고 또한 상기 흡열관(H)에서 어긋난 위치까지 연장되는 오프셋 핀(12)을 형성하고, 이 오프셋 핀(12)은 상기 핀(F)에서 랜싱하여 형성된 판형상부로서 인접하는 핀(F,F)간의 중간정도에 위치함과 아울러 상기 흡열관(H)의 배기류의 하류영역에서 상기 핀(F)에 연결되어 일체화되어 있다.

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열교환기, 특히 복수의 핀을 소정 간격으로 병설하여 부기체(缶器體)내에 수용하고, 이것에 복수의 흡열관을 관통시킨 형식의 열교환기에 관한 것이다.

이러한 종류의 열교환기는 급탕기등의 열교환기에 다수 채용되고 있으며, 예를 들면 일본국 공개특허 평7-127911호에 개시된 것에서는, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이 장방형 통형상의 부기체(K)의 상반부에 복수의 핀(F)을 소정 간격으로 병설되도록 내장하고, 이들 복수의 핀(F){이하, 핀군(F,F…)이라 한다}을 관통하도록 복수의 흡열관(H)을 설치한 후 이것들을 직렬로 연이어 통하도록 접속하고, 상기 부기체(K)의 하부에, 즉 상기 핀군(F,F…)의 하측에 가스버너(B)등의 연소장치를 내장하도록 한 구성이다.

상기한 열교환기에서는 상기 연소장치의 연소배기에 의해서 상기 핀(F)이 가열되고, 그 열기가 상기 흡열관(H)내를 흐르는 피가열수와 열교환된다. 따라서, 피가열수는 직렬로 접속된 흡열관(H)의 직렬경로의 일단부에서 타단부측으로 흐르는 동안에 소정의 적정 온도로 상승한다.

상기 연소배기의 흐름은 부기체(K)내로 집중되기 때문에 연소배기가 핀군(F, F…)에서 확산되는 효율저하의 문제는 없으나, 상기 핀군(F,F…)을 따라서 흐르는 배기류가 편향(偏向)됨으로써 열교환 손실이 발생한다. 예를 들면, 부기체(K)의 내벽을 따라서 흐르는 배기류는 흡열관(H)에 흡열되기 어렵다. 또, 흡열관(H)의 상측은 배기류의 하류측이 되기 때문에, 사각지대가 되어 이 흡열관(H)의 상측으로는 배기가 흘러들어가기 어려워지므로 이 부분에서의 핀의 흡열작용이 불충분하게 된다.

그래서, 상기 선행기술의 열교환기에서는, 상기 부기체(K)의 대향 벽면의 상부측에 있어서의 핀군(F,F…)의 상단과 일치하는 부분에 배기류를 부기체(K)의 내측으로 안내하는 안내판(1)을 설치하여 부기체(K)를 따라서 상승하는 연소배기에 의한 열교환 손실을 해소하고 있다.

또, 수평방향으로 병설되는 흡열관(H,H)의 중간에는 원판형상의 돌기 또는 버링(burring)구멍 등의 안내 볼록부(11)를 핀(F)에 형성하여, 인접하는 핀(F,F) 사이에 상기 안내 볼록부(11)가 개재되는 구성으로 하고 있다. 이것에 의해서, 수평방향으로 인접하는 흡열관(H,H)의 중간을 흐르는 연소배기가 흡열관(H)의 후측으로 안내되게 되므로, 상기 중간을 통과하는 연소배기가 부기체(K)의 배기측으로 그대로 통과하는 일 없이 핀(F)에 있어서의 상기 흡열관(H)의 상측부분을 가열한다. 이것에 의해서 열교환 효율이 향상된다.

이상과 같이 선행기술의 열교환기에서는 두 가지의 대책에 의해서 열교환 효율의 향상을 꾀하고 있으나, 본 발명은 연소배기에 의한 흡열관(H)의 후측(배기류의 하류측)에서의 열교환을 더욱 촉진시키는 것을 과제로 하는 것으로서, 구체적으로는 『부기체(K)내에 복수의 핀(F)을 소정 간격으로 병설하고, 이들 핀군(F,F…)을 관통하는 복수의 흡열관(H)을 연소배기의 흐름에 대하여 대략 직각방향으로 병설한 열교환기』에 있어서, 흡열관(H)의 측방을 통과하는 배기류와 핀(F)과의 열교환에 의한 흡열열량이 상기 흡열관(H)의 후측으로 효율적으로 전달되도록 하여 열교환 효율을 향상시키는 것을 그 과제로 한다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 열교환기의 예를 나타낸 단면도

도 2는 핀(F)의 요부 평면도

도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선 단면의 요부 설명도

도 4는 종래예의 설명도

도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선 단면의 요부 설명도

도면중 주요부분에 대한 부호의 설명

F : 핀 H : 흡열관

1 : 안내판 11 : 안내 볼록부

12 : 오프셋 핀 13 : 절결부

14 : 결합부 121 : 보조 오프셋 핀

상술한 과제를 해결하기 위해서 강구된 본 발명의 해결수단은 『핀(F)에 있어서의 흡열관(H)의 배기류의 하류영역에 결합되며, 상기 배기류에 대하여 직각방향이고 또한 상기 흡열관(H)에서 어긋난 위치까지 연장되는 오프셋 핀(12)을 형성하고, 상기 오프셋 핀(12)은 상기 핀(F)에서 랜싱(lancing)하여 형성된 판형상부로서 인접하는 핀(F,F)간의 중간정도에 위치함과 아울러 상기 흡열관(H)의 배기류의 하류영역에서 상기 핀(F)에 연결되어 일체화되어 있는』 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 해결수단은 다음과 같이 작용한다.

상기 오프셋 핀(12)은 핀(F)의 소정 범위를 랜싱함에 의해서 형성되며, 그 단부는 상기 핀(F)과 일체적으로 결합되어 있다. 그리고, 이 오프셋 핀(12)의 상기 결합부 이외의 판형상부는 인접하는 핀(F,F)간의 중간에 위치하고, 배기류에 대하여 직각방향으로 병설되는 2개의 흡열관(H,H) 사이에 위치한다.

따라서, 흡열관(H)과 흡열관(H) 사이로 유입되는 배기류는 이들 사이에 위치하는 핀(F)부분을 가열함과 동시에 상기 오프셋 핀(12)을 가열한다. 그리고, 이 오프셋 핀(12)에 흡수된 열량은 상기 결합부를 통해서 핀(F)에 있어서의 흡열관(H)의 후측(배기류의 흐름에 있어서의 사각지대측) 또는 그 근방부분으로 전달된다.

이와 같이 흡열관(H)의 측방으로 흐르는 배기류는 오프셋 핀(12)이 형성된 부분에서 핀(F)의 표면에 형성되는 경계층이 중단되고 오프셋 핀(12)의 상류측 단부에서 새롭게 경계층이 형성된다. 따라서, 오프셋 핀(12)의 상류측 단부에 있어서의 흡열량의 증가(전연(leading edge)효과라 한다)나, 상기 경계층이 핀(F)의 표면을 따라서 연속적으로 형성됨에 의한 열교환 효율의 저하가 상기 오프셋 핀(12)의 존재에 의해서 방지됨으로써 흡열관(H)에서의 흡열량이 종래보다도 증가하게 된다.

또, 핀(F)에 있어서의 이제까지 온도가 상승하기 어려웠던 흡열관(H)의 후측부분 또는 그 근접부분은 상기 오프셋 핀(12)에 흡수된 열이 그 결합부를 통해서 전도됨으로써 가열된다. 따라서, 흡열관(H)의 후측부분 또는 그 근접부분은 상기 선행기술에 의한 것보다도 고온으로 유지되게 된다.

또한, 오프셋 핀(12)은 인접하는 흡열관(H,H)의 중간에 형성되는 경우와 흡열관(H)과 부기체(K)의 측벽과의 사이에 형성되는 경우가 있다. 전자의 경우에는, 오프셋 핀(12)의 양 단부, 즉 핀(F)과 결합되는 결합부가 흡열관(H)의 후측 또는 그 근방에 위치하고, 핀(F)에서 들떠 있는 판형상부는 인접하는 핀(F,F)간의 중간에 위치하게 된다. 후자의 경우에는, 상기 오프셋 핀(12)에 있어서의 부기체(K)측에 있는 단부가 핀(F)과 결합되지 않고 들뜬 상태로 되어 있어도 된다.

또, 본 발명은, 상기한 구성에 있어서 『오프셋 핀(12)에 대하여 배기류의 흐름에 있어서의 상류측에 있고, 인접하는 흡열관(H,H) 사이 또는 흡열관(H)과 부기체(K)와의 사이에 상기 오프셋 핀(12)보다 가로 폭이 좁은 보조 오프셋 핀(121)을 형성한』것을 특징으로 하는 것이다.

이와 같이 구성된 열교환기에서는, 상기 오프셋 핀(12)의 상류측에 형성된 보조 오프셋 핀(121)에 의해서도 흡열작용이 촉진되며, 이 보조 오프셋 핀(121)에 흡수된 흡열열은 흡열관(H) 근방에 있는 결합부를 통해서 흡열관(H)내의 피가열수로 전도된다. 또한, 상기 보조 오프셋 핀(121)의 가로 폭(배기류에 직교하는 방향으로의 길이)은 상기 오프셋 핀(12)의 가로 폭보다 좁게 되어 있기 때문에, 이 보조 오프셋 핀(121)이 오프셋 핀(12)에 도달하는 배기류를 크게 방해하지 않으므로 오프셋 핀(12)과 배기류가 충분히 접촉하게 된다. 따라서, 보조 오프셋 핀(121)을 부가시킨 만큼 열교환 효율이 더욱 향상된다.

또, 본 발명은, 상기한 구성에 있어서 『핀군(F,F…)에 있어서의 배기류의 상류측에 복수의 흡열관(H)을 병설한 제 1 흡열부와, 배기류의 하류측에 복수의 흡열관(H)을 병설한 제 2 흡열부를 형성하고, 상기 핀(F)의 하단에는 제 1 흡열부의 인접하는 흡열관(H,H) 사이에 각각 절결부(13)를 형성하고, 상기 제 2 흡열부의 흡열관(H)은 상기 제 1 흡열부의 인접하는 흡열관(H,H) 중간의 하류측에 위치하고, 상기 제 2 흡열부에 상기 오프셋 핀(12)만을 또는 오프셋 핀(12)과 보조 오프셋 핀(121)을 구비시킨』 것을 특징으로 하는 것이다.

이와 같이 구성된 열교환기에서는 제 1 흡열부에 있어서의 열교환 작용도 발생하므로 열효율이 향상된다. 이 효과를 확보한 상태에서, 제 2 흡열부에 있어서의 흡열관(H)의 후측부분의 온도가 높게 유지되기 때문에, 드레인의 방지도 도모되는 것이 된다.

또, 제 1 흡열부에는 흡열관(H,H) 사이에 절결부(13)가 형성되어 있기 때문에, 제 1 흡열부에서 과도하게 흡열됨으로써 제 2 흡열부측의 온도가 낮아지게 되는 현상도 발생하지 않게 되므로, 이 점에서 드레인의 방지가 일층 확실하게 된다.

(실시형태)

이하, 본 발명에 관한 실시형태를 첨부된 도면에 의거하여 설명한다.

본 실시형태는 부기체(K)의 상부에 도 1 및 도 2에 나타낸 핀(F)을 도 3에 나타낸 바와 같이 소정 간격으로 병설한 구성이고, 이 핀군(F,F…)의 하측에는 도시하지 않은 가스버너등의 연소장치가 내장된다. 또한, 상기 부기체(K)의 하류측에는 도시하지 않은 배기통이 연결된다.

본 실시형태에서는 핀군(F,F…)의 하단 근방에 4개의 흡열관(H)이 관통되게 설치되어 있으며, 이것들이 상기한 제 1 흡열부를 구성한다. 핀군(F,F…)의 상부에는 3개의 흡열관(H)이 관통되게 설치되어 있으며, 이것들이 제 2 흡열부를 구성한다. 상기 제 2 흡열부의 각 흡열관(H)은 상기 제 1 흡열부를 구성하는 각 흡열관(H)의 중간 상측에 배치되어 있다.

상기 제 1 흡열부의 각 흡열관(H) 사이에는 이들 흡열관(H)의 상측영역까지 잘라낸 절결부(13)가 형성되어 있다.

상기 제 2 흡열부의 각 흡열관(H) 사이의 중간부보다도 하류측에 위치하는 하류측 영역과, 흡열관(H)과 부기체(K)의 내벽 사이의 중간부보다도 하류측에 위치하는 하류측 영역에 있어서, 제 1 흡열부를 구성하는 각 흡열관(H)의 중심선상에 오프셋 핀(12)과 보조 오프셋 핀(121)이 각각 배치되어 있다.

이들 오프셋 핀(12)과 보조 오프셋 핀(121)는 모두 도 2에 나타낸 바와 같이 핀(F)에서 랜싱하여 형성된 것으로, 양 단부에 있어서의 핀(F)과 결합되는 결합부(14,14)는 이것들을 연결하는 판형상부의 양 단부에서 비스듬하게 경사지도록 성형되어 있다.

상기 랜싱에 의해서 형성된 하측의 보조 오프셋 핀(121)은, 그 상단부와 하단부가 핀(F)에서 떨어져 있으나, 좌단부와 우단부가 상기 결합부(14)에 의해서 핀(F)에 연결된 상하 폭이 일정한 판형상부이고, 이 보조 오프셋 핀(121)의 랜싱 높이는 인접하는 핀(F,F)간의 간격의 반 정도로 설정되어 있다. 또, 상기 보조 오프셋 핀(121)의 하단부는 제 2 흡열부를 구성하는 각 흡열관(H)의 중심선상에 일치시키고 있다. 본 실시형태에서는 상기 보조 오프셋 핀(121)의 상하 폭이 상기 제 2 흡열부를 구성하는 흡열관(H)의 직경의 약 3분의 1로 설정되어 있다.

상측의 오프셋 핀(12)은 제 2 흡열부를 구성하는 각 흡열관(H)의 하류측에 어긋나게 배치되며, 상기 보조 오프셋 핀(121)과 마찬가지로 핀(F)에서 랜싱하여 형성됨과 아울러, 상하 폭은 상기 보조 오프셋 핀(121)과 같은 폭으로 설정되어 있다.

상기 오프셋 핀(12)의 좌우 길이는 상기 보조 오프셋 핀(121)의 좌우 길이의 2배 정도로 설정되어 있으며, 양 단부에 있어서의 핀(F)과 결합되는 결합부(14,14)는 제 2 흡열부의 흡열관(H)의 단면에 있어서의 좌우 단부의 하류측에 각각 위치한다. 또, 상기 오프셋 핀(12)의 좌우 중심은 하측의 보조 오프셋 핀(121)의 좌우 중심과 일치하고 있다.

상기한 형식의 열교환기는, 통상 상기 제 1 흡열부와 제 2 흡열부를 구성하는 각각의 흡열관(H)이 직렬상태로 연이어 통하도록 접속되며, 아울러 이들 제 1 흡열부와 제 2 흡열부가 직렬로 접속된다. 그리고, 도시하지 않은 연소장치가 연소상태로 유지된 상태에서 상기 제 1 흡열부와 제 2 흡열부로 통수하면, 연소배기에 의해서 가열된 핀군(F,F…)에서 각 흡열관(H)내의 피가열수로 열교환됨으로써, 고온으로 된 피가열수는 부엌등에 설치된 수도꼭지를 통하여 배출된다.

이 때, 상기한 바와 같이 오프셋 핀(12)과 보조 오프셋 핀(121)에 의한 흡열작용에 의해서 열효율이 충분히 확보된다. 또, 제 1 흡열부의 각 흡열관(H) 사이에는 절결부(13)가 형성되어 있기 때문에, 연소배기의 상류측 부분과 접촉하는 상기 제 1 흡열부에 있어서의 흡열면적이 작아지게 됨으로써 이 부분에서의 열교환 작용이 억제된다. 따라서, 제 2 흡열부측에 도달한 연소배기가 과도하게 낮아지는 일이 없기 때문에, 이 제 2 흡열부의 흡열관(H) 후측의 온도가 과도하게 저하되지 않는다. 또, 상기 오프셋 핀(12)에 의해서 흡수된 열은 결합부(14)를 통해서 제 2 흡열부의 흡열관(H)의 후측으로 전도되기 때문에, 이 부분의 온도가 상기 오프셋 핀(12)의 작용에 의해서도 고온으로 유지되는 경향이 된다. 이러한 이유에 의해서, 종래에 제 2 흡열부의 흡열관(H) 후측에서 자주 생성되는 드레인의 발생을 방지할 수 있다.

상기 오프셋 핀(12)은 그 자체에 의해서도 흡열관(H) 후측의 온도를 높이는 작용이 있기 때문에, 조건에 따라서 이 오프셋 핀(12)의 구성만을 부가하는 실시형태로 하여도 상기 열효율의 향상 및 드레인의 방지효과를 꾀할 수 있게 된다.

상기 실시형태에서는, 배기류가 하측에서 상측을 향하여 흐르는 경우를 예시하고 있으나, 연소배기가 어느 방향으로 흐르는 것이라도 상관없다.

흡열관(H)과 부기체(K)의 측벽과의 사이에 형성되는 오프셋 핀(12)에 대해서는 부기체(K)측의 단부를 핀(F)과 결합되지 않게 하면, 오프셋 핀(12)이 흡수한 열이 부기체(K)로 전도되기 어렵게 되므로 부기체(K)가 가열되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명은 상기한 구성으로 되어 있어 다음과 같은 특유한 효과를 가진다.

오프셋 핀에 의한 상기 전열효과 및 핀 전체에 있어서 표면에 생기는 경계층을 얇게 하는 효과에 의해서 상기한 선행기술에 비해 열교환 효율이 향상된다.

또, 핀에 있어서의 이제까지 온도가 상승하기 어려웠던 흡열관의 후측부분 또는 그 근방부분의 표면온도가 오프셋 핀으로부터의 전도열에 의해서 상기 선행기술에 의한 것보다도 고온으로 유지되기 때문에, 흡열관의 후측부분에 있어서의 결로를 방지할 수 있어 드레인이 생성되기 어렵게 된다.

Claims (3)

1. 부기체(K)내에 복수의 핀(F)을 소정 간격으로 병설하고, 이들 핀군(F,F…)을 관통하는 복수의 흡열관(H)을 연소배기의 흐름에 대하여 대략 직각방향으로 병설한 열교환기에 있어서,

   상기 핀(F)에 있어서의 흡열관(H)의 배기류의 하류영역에 결합되며, 상기 배기류에 대하여 직각방향이고 또한 상기 흡열관(H)에서 어긋난 위치까지 연장되는 오프셋 핀(12)을 형성하고, 상기 오프셋 핀(12)은 상기 핀(F)에서 랜싱하여 형성된 판형상부로서, 인접하는 핀(F,F)간의 중간정도에 위치함과 아울러 상기 흡열관(H)의 배기류의 하류영역에서 상기 핀(F)에 연결되어 일체화되어 있는 열교환기.
2. 청구항 1에 있어서,

   오프셋 핀(12)에 대하여 배기류의 흐름에 있어서의 상류측에 있고, 인접하는 흡열관(H,H) 사이 또는 흡열관(H)과 부기체(K)와의 사이에 상기 오프셋 핀(12)보다 가로 폭이 좁은 보조 오프셋 핀(121)을 형성한 열교환기.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   핀군(F,F…)에 있어서의 배기류의 상류측에 복수의 흡열관(H)을 병설한 제 1 흡열부와, 배기류의 하류측에 복수의 흡열관(H)을 병설한 제 2 흡열부를 형성하고,

   상기 핀(F)의 하단에는 제 1 흡열부의 인접하는 흡열관(H,H) 사이에 각각 절결부(13)를 형성하고,

   상기 제 2 흡열부의 흡열관(H)은 상기 제 1 흡열부의 인접하는 흡열관(H,H) 중간의 하류측에 위치하고, 상기 제 2 흡열부에 상기 오프셋 핀(12)만을 또는 오프셋 핀(12)과 보조 오프셋 핀(121)을 구비시킨 열교환기.