KR200159065Y1 - 병렬형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 개선된 구성의 병렬형 열교환기를 개시한다.

종래에는 직수관의 배압이나 서어지 압력이 열교환기의 최하단 구성판에 집중되어 이를 변형시킴으로써 소음진동파 누설의 원인이 되었던 바, 본 고안에서는 최하단 구성판의 하면에 바람직하기로 이와 동일한 구성의 구성판을 반대방향으로 배열하여 구성되는 보강판을 접합하여 종래의 문제를 해결하였으며 열효율을 향상 시켰다.

Description

병렬형 열교환기

본 고안은 싱글(single) 방식 가스보일러 시스템에 관한 것으로, 특히 그 온수 열교환기로 사용되는 판형(板形) 열교환기중에서 병렬형(parallel type) 열교환기에 관한 것이다.

보일러는 물을 가열하여 발생시킨 가열수 또는 스팀을 이용하여 난방 또는 온수를 제공하는 장치이다. 이러한 보일러는 다양한 연료를 사용하고 있는데, 연료의 가열특성에 따라 순간가열식과 저탕식(貯湯式)으로 구분될 수 있다.

저탕식 보일러는 연탄이나 기름등을 연료로 하여 물을 가열한뒤 이를 온수저장 탱크에 저장하여 두고 필요에 따라 난방이나 온수공급을 행하게 된다. 이에 비하여 순간 가열식 보일러는 보일러 몸체내에 주(主) 열교환기 및/또는 온수용 열교환기를 구비하여 필요경우 즉시 난방 또는 온수를 공급할 수 있다. 가스보일러는 순간 가열식 보일러에 해당하는 바, 도시가스의 보급과 사용의 편의성에 의해 최근 가정용 난방 보일러로서 그 보급이 매우 활발하다.

가스보일러는 또한 난방수와 온수의 공급방식에 따라 즉 주열교환기의 구성에 따라 싱글(single) 방식과 듀얼(dual)방식으로 구분되고 있다. 싱글방식의 시스템은 주열교환기로는 난방수의 열교환만을 수행하고 온수는 별도의 2차 열교환기 또는 온수용 열교환기로 주열교환기에서 가열된 난방수를 이용하여 가열시키게 된다. 한편 듀얼방식의 시스템은 주열교환기에서 난방수와 온수의 가열을 동시에 수행하게 된다.

도 1에는 상술한 싱글방식을 채택한 가스보일러 시스템을 개략적으로 도시하였다. 도 1에서, 버너(B)의 상측에는 열교환기(X)가 설치되어 난방수를 가열하도록 되어 있다. 보충탱크(도시안됨)가 구비된 개방형 시스템의 경우, 보충탱크로부터 공급되는 순환수는 열교환기(X) 외주에 설치된 예열관(P)을 순환하여 예열된 후 열교환기(X) 내부의 가열관(H)을 통해 가열된 후, 삼방변(three-way valve; V)를 거쳐 난방공급된다.

한편 이 삼방변(V)의 후류측에는 온수가열관(W)을 통해 2차 열교환기(X2)가 연결되는데, 2차 열교환기(X2)는 난방수 관로와 직수관로가 서로 샌드위치(sandwitch)형으로 교차하고 있다. 사용자가 온수변을 개방하는 경우 삼방변(V)은 난방관로의 공급을 차단하고 열교환기(X)에서 가열된 난방수를 온수가열관(W)으로 전환시키게 되고 직수를 온수로 가열한 난방수는 다시 보충탱크를 거쳐 열교환기(X)로 복귀된다.

이와 같은 싱글방식 가스보일러 시스템에 있어서 2차 열교환기(X2), 즉 온수 열교환기로는 종래 원통형 열교환기가 주로 사용되고 있었으나, 최근에는 제작과 조립이 용이하고 소형화가 가능한, 도 2에 도시된 판형 열교환기가 주로 사용되고 있다.

도 2에서 판형 열교환기의 한 구성판(U)은 90。 간격으로 두 관통구멍(H1, H2)이 형성되는데, 한 관통구멍(H2)은 원형리브(R3)내에 형성되어 다른 관통구멍(H1)과 이 리브(R1~R3) 높이 만큼의 단차(段差)가 형성된다.

이러한 구성의 복수의 구성판(U)을 90。씩 엇갈려 가며 적층하여 접합하면 구성판(U)의 원형리브(R3)내의 관통구멍(H2)이 위의 구성판(U)의 관통구멍(H1)에 접합되어 구성판(U)들은 하나 걸러 서로 연통되는 판형 열교환기를 구성한다. 이때 각 경로상의 입구와 출구는 180。의 간격을 가져 입구가 되는 관통구멍(H1)으로 유입된 순환수는 리브들로 형성된 공간내를 복잡한 경로로 유동한 후 위 구성판(U)의 원형리브(R3)내의 관통구멍(H2)을 출구로 상층 또는 하층의 후류측으로 유출된다.

이에 따라 판형 열교환기로 유입된 열교환기(X)로부터 가열수와 직수관으로 부터의 직수는 서로 섞이지 않고 열교환하여 보충탱크로의 귀환수와 온수관으로의 온수로 배출된다.

이러한 열교환기에 있어서 가열수로부터 귀환수까지의 경로와 직수로부터 온수까지의 경로는 서로 복잡하게 교차하지만 각각 단일한 경로를 가진다. 따라서 이와 같은 방식의 열교환기를 직렬형(direct type)으로 호칭하고 있다.

그런데 직렬형 열교환기는 상술한 바와 같이 복잡한 경로를 가지게 되므로 관로저항이 상당히 커서 압력손실도 크며, 이에 따라 직수압력이 낮은 저수압대에서는 사용이 곤란한 문제가 있으며 열교환효율도 낮은 문제가 있었다.

이러한 압력손실의 문제는 특히 직수가압설비가 없는 저층아파트의 상부층에서 충분한 온수공급이 이루어지지 못하게 하고 있으며, 사용자는 이러한 문제를 보일러 시스템에 기인하는 것으로 판단하기 쉬워 보일러 시스템의 신뢰성을 크게 손상시키고 있다.

이에 따라 주로 대용량의 산업용 보일러에 사용되고 있던 병렬형 열교환기를 소형화하여 가정용 가스보일러 시스템의 온수 열교환기로 사용하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.

이러한 병렬형 열교환기는 도 3에 도시된 바와 같이, 각 구성판(U')에는 관통구멍(H1)과 차폐리브(R3)내의 관통구멍(H2)이 각각 2개씩 형성되어 있어서, 가열수 입구로 진입한 가열수가 복수의 경로를 통해 귀환수 출구로 배출되고, 직수입구로 진입한 직수가 역시 복수의 경로를 통해 온수 출구로 배출된다.

이에 따라 관로저항이 직렬식에 비해 크게 감소되고 열교환효율이 향상되어 열교환기의 크기를 축소시킬 수 있게 된다.

도 4에는 이와 같은 병렬형 열교환기의 실제 구성의 일례가 도시되어 있는 바, 이것은 본원에 의한 실용신안등록출원 제 95-39048호(병렬형 열교환기), 제 96-21854호(열교환기의 니플결합구조), 의장등록출원 제 97-6797호(열교환기의 전열핀)등에 의해 개선된 구성이다.

이러한 열교환기는 복수의 구성판(U1~U3)의 적층으로 구성되는 바, 각 구성판(U1~U3)은 기본적으로 그 외주가 절곡된 플랜지(flange; F)로 둘러싸인 장방형 그릇 형태로 구성되어 그 네 모서리에 각각 관통구멍(H; 배열에 따라 H1 또는 H2를 형성함)이 형성되고, 네 관통구멍(H)중 두 관통구멍(H)을 차폐리브(R3)가 둘러싸게 된다.

한편 구성판(U1~U3)의 몸체에는 피시본(fish bone)형, 즉 V자형의 경로리브(R4)가 배열되어 구성판(U1~U3)간의 적층시 그 사이에 직수와 온수간의 분리된 경로(V)를 형성하게 된다.

한편 최상단의 구성판(U3)에는 외부배관과의 연결을 위해 니플(nipple; N)이 결합되는 것이 바람직한 바, 이를 위해 최상단 구성판(U3)의 관통구멍(H) 주위에는 니플(N)의 내주에 접촉될 슬리이브(sleeve; S)가 형성된다.

한편 최하단의 구성판(U2)에는 경로의 차폐를 위해 관통구멍(H)이 형성되지 않는다.

여기서 차폐리브(R3)가 구비되지 않는 것과 구비된 것을 모두 동일한 구성판(U1)으로 지시하고 있는 바, 이것은 네 관통구멍(H)중 일측 또는 대각선의 2개에 차폐리브(R3)를 형성하며, 구성판(U1)을 서로 반대방향으로 엇갈리게 적층하면 이러한 구성을 얻을 수 있게 되는 것이다.

한편 이와 같은 구성판(U1~U3)들은 판재를 일련의 프로그레시브(progressive) 금형들에 의해 순차적으로 블랭킹(blanking)하여 성형(forming) 및 천공(piercing)함으로써 구성된다. 이에 따라 U2 구성판은 U1 구성판의 제조과정에서 관통구멍(H)을 천공하기전에 취출하고, U3 구성판은 관통구멍(H)의 확개(擴開) 과정에서 취출하면 모든 구성판(U1~U3)들은 한 프로그레시브 금형에서 얻을 수 있게 된다.

이와 같은 각 구성판(U1~U3) 및 니플(N)들은 그 접촉부에 페이스트(paste)등 적절한 접합재를 도포 또는 위치시켜 도 4(A)와 같이 적층한 뒤, 이를 접합로(brazing furnace)에 투입하여 가열하면 도 4(B)와 같이 각 구성판(U1~U3) 및 니플(N)이 일체로 접합되어 병렬방식의 판형 열교환기를 구성하게 된다. 도시된 구성은 이 판형 열교환기의 직수 입구 또는 온수출구측을 나타낸다.

열교환기를 구성하는 각 구성판(U1~U3)들은 전열효율이 우수한 동 또는 동계합금으로 구성하거나, 부식의 방지를 위해 스테인리스강등의 판재로 구성되는 것이 일반적이다.

이들은 전열촉진과 중량경감을 위해 얇은 박판(薄板)으로 구성되기는 하나 리브(R3, R4)와 플랜지(F)의 구비로 단면강성이 크고, 특히 경로(V)의 형성을 위해 이들 구성판(U1~U3)이 벌집형태로 적층 및 접합되므로 그 전체적 강도는 상당히 크다고 할 수 있다.

그런데 온수로 가열될 직수는 일반적으로 직수관, 즉 수도관에 직결(直結)되고 온수밸브의 개폐에 따라 공급 및 차단되는 것이 일반적이다. 수도관에는 상당한 배압(背壓)이 인가되어 있으므로 열교환기내에는 상시 상당한 수압이 걸려 있을 뿐 아니라, 온수밸브의 급속한 차단시에는 수력도약(hydraulic jump)현상에 의해 직수 배관에 매우 큰 서어지(surge) 압력이 걸리게 된다.

특히 최근에는 종래의 로타리(rotary)식 밸브가 거의 원터치(one touch) 밸브로 대체되고 있어, 밸브차단시 매우 큰 수압이 충격적으로 인가된다.

수도배관에 연결된 열교환기에 있어서, 수도배관의 배압은 주로 직수입구측에, 밸브차단시의 서어지 압력은 주로 온수출구측에 걸리게 되는 바, 특히 서어지 압력은 도 5에 도시된 바와 같이 니플(N)을 통해 전달되어 열교환기의 하부를 차폐하는 구성판(U2)에 관통구멍(H) 대응부위에 충격을 가하게 된다.

유연한 동계합금이나 스테인리스강이라 하더라도 박판인 구성판(U)의 차폐리브(R3) 부위는 이러한 충격에 의해 점선과 같이 변형되기 쉬운 바, 이러한 변형은 열교환기에 국부적 비등이나 이에 따른 소음과 진동을 발생시킬 뿐 아니라, 심할 경우 최하부 구성판(U2)과 열교환기 몸체간에 틈새가 발생되어 누설을 발생시킴으로써 열교환기를 손상시키는 문제를 유발하게 된다.

이와 같은 종래의 문제점을 감안하여 본 고안의 목적은 직수관의 배압이나 서어지압력에 손상이 없는 열교환기를 제공하는 것이다.

제1도는 편형 열교환기를 사용하는 싱글방식 가스보일러의 시스템도.

제2도는 판형 열교환기중 직렬형 열교환기의 순환을 보이는 개략단면도.

제3도는 병렬형 열교환기의 순환을 보이는 개략단면도.

제4도는 병렬형 열교환기의 실제 구성의 일례를 도시한 도면들로, (A)는 분해 상태, (B)는 조립상태 단면도.

제5도는 종래 병렬형 열교환기의 문제점을 보이는 단면도.

제6도는 본 고안 병렬형 열교환기의 구성을 보이는 분해단면도.

제7도는 본 고안 병렬형 열교환기의 작용을 보이는 조립상태 단면도이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

U1~U3 : (열교환기의) 구성판(unit plate) U1 : (최상단) 구성판

U2 : (나머지) 구성판 U3 : (최하단) 구성판

U4 : 보강판 H : 관통구멍

R3 : 차폐리브(rib) R4 : 경로리브

F : 플랜지(flange)

상술한 목적의 달성을 위해 본 고안에 의한 열교환기는 열교환기의 하부를 차폐하는 최하단 구성판의 저면에 보강판을 접합 구비하는 것을 특징으로 한다.

이러한 보강판은 최하단 구성판과 동일한 구성의 구성판을 반대방향으로 엇갈리게 적층하여 구성하는 것이 바람직한 바, 그러면 직수관의 배압이나 서어지 압력에 대해 최하단 구성판을 효율적으로 보강할 수 있게 된다.

실시예

이와 같은 본 고안의 구체적 특징과 이점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 바람직한 실시예들의 설명으로 더욱 명확해질 것이다.

이하의 설명에서 도 4(A), (B)와 동일한 부재번호는 동일한 구성을 나타내므로 중복된 설명은 생략하며 본 고안의 특징적인 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

도 6에서, 도 4(A) 및 (B)와 동일하게 복수의 구성판(U1~U3)의 적층구성의 최하단에는 보강판(U4)이 추가적으로 적층되어 최하단 구성판(U2)의 하면에 접합된다.

이와 같은 보강판(U4)은 별도로 구성될 수도 있으나, 바람직하기로는 최하단 구성판(U2)을 반대방향으로 배열하여 구성할 수 있다.

즉 각 구성판(U1~U3)은 전술한 바와 같이 장방향의 몸체 네 모서리에 관통 구멍(H)을 형성하고 그중 일측 또는 대각선의 두 관통구멍(H)에 차폐리브(R3)를 형성하여 이들을 서로 반대방향으로 엇갈리게 배열하여 구성하며, 최하단 구성판(U2)은 관통구멍(H)을 형성하지 않음으로써 구성된다.

이러한 구성에 있어서 최하단 구성판(U2)이 하부에 이와 동일한 구성의 구성판을 도면의 좌우방향으로보다 반대로 배열하면 도시된 바와 같이 차폐리브(R3)가 형성되지 않은 측이 최하단 구성판( U2) 하부에 위치하여 보강판(U4)을 구성하게 되는 것이다.

이때 최하단 구성판(U2)가 보강판(U4)의 사이에도 다른 구성판(U1~U3)들과의 사이와 마찬가지로 경로가 형성되나, 이 경로는 최하단 구성판(U2)으로 차단되어 직수 또는 온수나 가열수 또는 귀환수의 경로(V)로는 사용되지 않게 되고, 열교환기의 외부 방열을 차폐하는 단열벽의 역할을 수행하게 될 것이다.

이와 같은 구성에 의하면 도 7에 도시된 바와 같이 직수관의 배압이나 온수 밸브차단에 의한 서어지 압력이 열교환기 내부로 전달될 때, 이를 직접 받게 되는 최하단 구성판(U2) 부위가 그 하면에 접합된 보강판(U4)에 의해 보강되므로 변형이나 이에 따른 소음, 누설등의 문제가 근본적으로 방지될 수 있다.

특히 보강판(U4)은 별도 제작이 필요없이 기존의 구성판(U2)을 이용하여 동일한 적층 및 접합공정이 적용될 뿐아니라, 보강판(U4)이 방열을 차단하는 단열벽을 형성하게 되므로 본 고안은 내구성과 정숙성이 우수하고 열효율이 향상된 열교환기를 제공하게 된다.

Claims (3)

1. 직수 및 온수와 가열수 및 귀환수의 경로를 형성하는 경로리브와 상기 두 경로를 분리하는 차폐리브가 구비되며 관통구멍이 형성된 복수의 구성판을 적층하여 구성되는 병렬형 열교환기에 있어서, 그 하부를 차폐하는 최하단 구성판(U2)의 하면에 이를 보강하는 보강판(U4)이 구비되는 것을 특징으로 하는 병렬형 열교환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 구성판(U1~U3)이 동일한 구성의 구성판(U1~U3)이 서로 반대방향으로 엇갈리게 교호적으로 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 병렬형 열교환기.
3. 제1항 또는 제 2 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 보강판(U4)이 상기 최하단 구성판( U2)과 동일한 구성의 구성판을 상기 최하단 구성판(U2)과 반대방향으로 엇갈리게 배열하여 구성되는 것을 특징으로 하는 병렬형 열교환기.