KR200160734Y1 - 열교환기의 연결구조 - Google Patents

Abstract

본 고안은 가스보일러 시스템의 열교환기를 연결하는 개선된 구조를 개시한다.

종래에는 열교환기에 복수의 니플을 결합하여 이 니플에 관료배관을 각각 연결하도록 하였으므로 열교환기의 제조와 배관의 연결일 번잡하였다.

본 고안에서는 관로를 고정하는 관로 고정체를 열교환기에 밀착 결합하여 열교환기의 연결구멍과 관로간이 동시에 연결될 수 있도록 함으로써 용이하고 안정된 연결기의 가능하게 하였다.

Description

열교환기의 연결구조

제1도는 판형 열교환기를 사용하는 싱글방식 가스보일러의 시스템도,

제2도는 판형 열교환기중 직렬형 열교환기의 순환을 보이는 개략단면도,

제3도는 병렬형 열교환기의 순환을 보이는 개략단면도,

제4도는 열교환기의 일반적인 연결구조를 보이는 분해사시도,

제5도는 본 고안에 의한 병렬형 열교환기의 구성을 보이는 사시도,

제6도는 그 연결구조의 일례를 보이는 분해단면도,

제7도는 제5도의 열교환기의 다른 연결구조를 보이는 분해사시도,

제8도는 본 고안의 다른 구성을 보이는 분해사시도,

제9도는 본 고안 열교환기의 또다른 연결구조를 보이는 평단면도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 열교환기 2 : 연결구멍

5 : 보스(boss)부 10, 10', 10" : 관로 고정체

10, 10" : 고정블록 10' : 고정판

12 : 인입홈 16 : 순환통로

50 : 배관 80 : 테이프(tape)

본 고안은 싱글(single)방식 가스보일러 시스템에서 온수 열교환기로 사용되는 판형(板形) 열교환기에 관한 것으로, 특히 병렬형(parallel type) 열교환기에 사용되기에 적합한 연결구조에 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. 가스 보일러는 순간 가열식 보일러에 해당하는 바, 도시가스의 보급과 사용이 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.

제1도에는 상술한 싱글방식을 채택한 가스보일러 시스템을 개략적으로 도시하였다. 제1도에서, 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, 제2도에 도시된 판형 열교환기가 주로 사용되고 있다.

제2도에서 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 직수관으로부터의 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 제3도에 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 축소시킬수 있게 된다.

그런데 직렬형이던 병렬형이던이 열교환기에는 가열수-귀환수 및 직수-온수의 네 관로가 연결되어야 하는 바, 관로의 연결에는 일반적으로 제4도에 도시된 바와 같이 니플(nipple) 구조가 사용되고 있다.

제4도에서, 열교환기(100)에는 상술한 네 관로에 연결될 네 니플(101)이 설치되고 각 니플(101)에는 배관(102)이 연결되어 열교환기(100)를 해당관로에 연결하게 된다.

여기서 니플(101)은 일반적으로 용접식과 압착식과 나사식이 사용되고 있는 바, 압착식은 니플(101)의 외주에 고리형의 돌기를 형성하고 배관(102)의 단부를 니플(101)의 외주에 끼운후 이를 밴드로 묶거나 가압하여 압착시키는 것이며, 용접식은 니플(101)에 배관(102)를 씌워 용접하는 방식이다.

이들 방식은 모두 공정이 복잡하고 열교환기(100)의 보수나 교체가 곤란하므로 나사식이 가능 널리 사용되고 있는데, 이는 니플(101)의 외주에 나사부를 형성하고 배관(102)의 외주에 이 니플(101)에 나사결합될 커플러(coupler;103)를 결합하여 구성된다.

그런데 이러한 구성은 배관(102)의 외주에 나사부를 가지는 커플러(103)를 회전가능하게 결합하고 니플(101)에 나사부를 형성해야 하는등 원가가 상당히 높은 문제가 있을 뿐아니라, 보일러 시스템은 패(fan)의 작동이나 국부적 비등등에 의해 진동하고 있는 환경이므로 나사결합에 의한 열교환기(100)의 연결은 풀림의 우려등 그 신뢰성이 낮은 문제가 있다.

또한 소형화를 선호하는 가스보일러 시스템에서 열교환기(100)와 배관(102)등은 한정된 크기의 케이싱(casing)내에서 매우 좁은 공간에 사용될 수 밖에 없는 바, 이와 같이 좁은 공간내에서 열교환기(100)에 배관(102)을 하나씩 독립적으로 연결하는 것은 그 제조공정상 어려움이 크고 유지보수에도 많은 문제가 있다.

이와 같은 종래의 여러가지 문제점을 감안하여 본 고안의 목적은 복수의 관로를 용이하고 신뢰성높게 동시에 연결할 수 있으며 제조원가도 낮고 유지보수도 용이하며 공간효율의 개선도 가능한 열교환기의 연결구조를 제공하는 것이다.

상술한 목적의 달성을 위해 본 고안에 의한 열교환기의 연결구조는 열교환기가 네 관로에 연결된 네 연결구멍을 구비하고, 네 관로의 상대위치를 각 연결구멍에 대응하도록 고정시킨 관로 고정체를 구성하여, 이 관로 고정체를 열교환기에 밀착 결합함으로써 열교환기의 네 연결구멍이 각각 관로 고정체에 고정된 네 관로에 대응 연결되는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면 열교환기에 네 관로가 동싱 결합되므로 열교환기의 연결과 해체가 용이해지며, 연결구멍과 관로가 압착상태로 결합되므로 별도의 니플이 필요없어 열교환기의 제조원가가 낮아질 뿐아니라, 한정된 가스보일러 시스템의 내부공간을 더욱 효율적으로 사용할 수 있게 되는 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 몇가지 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

제5도에서, 본 고안에 의한 한 열교환기(1)는 네 관로, 즉 가열수-귀환수, 직수-냉수의 관로에 연결될 부위에 니플(제4도의 N)없이 연결구멍(2)만이 형성되어 있다.

연결구멍(2)은 관로에 대해 밀착연결될 것이므로 밀봉링(40; 후술함)등의 결합에 의한 밀봉이 용이하도록 그 주위에 플랜지(flange; 3)가 돌출 성형되고, 다시 이보다 큰 내경으로 돌출랜드(land)(5)가 형성되는 것이 바람직하다.

이 실시예에서, 열교환기(1) 양측의 각 연결구멍(2) 사이에는 후술하는 관로고정체와의 결합을 위해 각각 나사구멍(5a)을 가지는 보스부(5)가 돌출성형되어 있는데, 관로고정체와의 조립시의 편의를 위해 두 보스부(5)는 서로 비대칭으로 배열된다(제6도의 실선 및 점선표시 참조). 즉 열교환기(1)의 각 연결구멍(2)에 대해 관로고정체의 대응관로가 연결되어야 하는 바, 두 보스부(5)를 비대칭으로 배열하면 관로고정체가 반대방향으로 진입하는 경우에는 열교환기(1)와 결합될 수 없게 되어, 열교환기(1)의 각 연결구멍(2)과 해당관로의 대응 연결이 보장되는 것이다.

제6도에는 관로고정체의 첫번째 실시예로서 고정블록(10)이 도시되어 있다.

바람직하기로 합성수지의 사출물로 구성되는 고정블록(10)에는 각 관로를 형성할 배관(50)의 단부가 일체로 고정되어 있으며, 보스부(5)가 관통하는 관통구멍(11)이 형성되어 있다. 각 배관(50)의 하부에는 바람직하기로 플랜지(51)가 형성되어 있으며, O-링 형태의 밀봉링(40)이 이 플랜지(51)와 연결구멍(2)의 돌출랜드(4) 내측간에 위치하여 연결구멍(2)과 배관(50)의 연결상태를 밀봉하게 된가.

즉 밀봉링(40)을 삽입한 상태로 고정블록(10)의 관통구멍(11)에 열교환기(1)의 보스부(5)를 관통시켜 고정나사(60)를 보스부(5)의 나사구멍(5a)에 결합시키면(부호 70은 부싱(bushing)임), 열교환기(1)의 각 연결구멍(2)은 해당 관로의 배관(50)에 동시에 각각 연결될 수 있게 되는 것이다.

여기서 관로고정체는 여러가지 다른 방식으로 구성될 수 있다.

예를들어 제7도의 실시예에서는 고정판(10')상에 각 관로의 배관(50)이 용접등의 방법으로 결합되어 있고, 열교환기(1)는 이 고정판(10')에 대해 보스부(5)를 고정나사(60)로 결합함으로써 고정될 수 있다.

여기서 고정판(10')은 가스보일러 시스템의 케이싱의 외벽이나 내부의 구획벽등의 측벽일 수 있는데, 이러한 구성은 가스보일러 시스템의 전체적인 공간효율을 크게 향상시켜 컴팩트(compact)한 시스템을 구현할 수 있게 된다.

이러한 제6도 및 제7도의 실시예에서는 배관(50)의 열교환기(1)측 단부가 각 연결구멍(2)과의 연결을 위해 복잡한 형상과 경로로 성형되지 않으면 안된다.

그런데 제6도에서와 같이 고정블록(10)을 합성수지 사출물로 구성하는 경우에는 고정블록(10) 자체에는 배관(50)의 경로차이를 보상할 수 있게 된다.

즉 제8도에 도시된 실시예에서 고정블록(10)은 상부블록(10A)과 하부블록(10B)의 2분할체로 구성되는바, 양 블록(10A, 10B)에는 열교환기(1)의 연결구멍(2)에 대응하는 관통구멍(14)과 이로부터 배관(50)의 연결단(13)으로 연장되는 인입홈(12)이 구성되어 있다. 각 배관(50)의 선단에 플랜지(51)를 형성하고 연결단(13) 내측의 인입홈(12)에 슬롯(slot; 15)을 형성하면, 각 배관(50)의 플랜지(51)를 슬롯(15)에 끼운 상태로 양 블록(10A, 10B)을 결합하면 각 관로의 배관(50)은 인입홈(12)과 관통구멍(14)을 통해 열교환기(1)의 연결구멍(2)과 연결된 수 있다.

이러한 구성은 배관(50)의 연결단(13)을 고정블록(10)의 임의의 방향으로 연장할 수 있게 되므로, 도시된 실시예에서 연결단(13)은 고정블록(10)의 일측 장변에 나란하게 배열되어 각 배관(50)은 형상이나 경로 차이 없이 나란히 배열되어 연결될 수 있게 된다.

한편 제8도의 실시예에서는 앞서 실시예에서의 보스부(5)의 나사결합 대신 열교환기(1)와 고정블록(10)의 외주에 테이프(tape; 80)를 감아 밀착 결합하게 된다. 여기서 테이프(80)는 합성수지나 섬유제로 구성될 수도 있으나 바람직하기로는 강철등 금속제 테이프로 구성되어, 열교환기(1)와 고정블록(10)을 소정의 인장상태로 감은뒤 단부를 용접하는 방법등으로 양자를 밀착결합시키게 된다.

한편 고정블록(10)을 제8도와 같이 2분할로 구성하는 경우 양 블록(10A, 10B)의 사이에는 필요에 따라 적절한 가스켓(gasket)을 삽입해 주는 것이 바람직하며, 연결단(13)과 배관(50)의 단부 사이에도 고무 부싱등 적절한 밀봉수단을 필요에 따라 구비해 주게 된다.

이와 같은 제8도의 실시예에 있어서는 관로고정체인 고정블록(10)내의 인입홈(12)이 관로의 일부를 형성해주게 된다.

제9도의 실시예에서는 이러한 특징을 더욱 적극적으로 구현하여 관로고정체가 적어도 어느 일측 관로의 대부분을 형성하도록 하고 있다.

즉 제9도에서, 가스보일러 시스템의 케이싱의 외벽(90)내에는 연소실(B)의 외측 및 상부에 주(主) 열교환기(X)가 배열되고 본 고안과 같은 온수가열용의 열교환기(1)는 이 주 열교환기(X)와 가열수 및 귀환수의 순환을 하는 동시에 시스템 외벽(90) 외측의 온수 사용경로와 직수 및 온수의 순환을 하게 된다.

따라서 관로고정체를 구성하는 고정블록(10")을 합성수지등의 사출물로 구성하는 경우 이 고정블록(10")의 내부에 각 관로에 대응하는 순환통로(16)를 형성하면 별도의 배관(50)이 필요없이 이 고정블록(10")에 주 열교환기(X)와 온수사용경로를 직결(直結)함으로써 열교환기(1)의 연결이 완료될 수 있는 것이다.

여기서 고정블록(10")의 순환통로(16)는 서로 독립된 네 경로를 가져야 하므로 제8도에서와 같은 분할체의 구성으로는 제조가 곤란하고, 동관이나 합성수지관등을 그 금형(金型)내에 투입하여 순환통로(16)의 경로를 설정한 상태로 그 외측에 몸체를 사출하는 방법등을 사용하면 용이하게 제조될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 고안에 의하면 열교환기에 니플등 접속구를 구성할 필요없이 복수의 관로가 동시에 연결될 수 있게 되어 열교환기의 제조 및 조립원가가 크게 절감되고 유지보수가 용이하게 되며, 컴팩트한 가스보일러 시스템의 구성에도 큰 효과가 있어서, 본 고안은 특히 병렬형 열교환기의 가정용 시스템 구현에 크게 기여하게 된다.

Claims (12)

1. 가스보일러 시스템의 온수가열용 열교환기를 가열수-귀환수 및 직수-온수의 네 배관의 관로에 연결하는 구조에 있어서, 상기 열교환기(1)에 상기 네 배관(50)의 관로에 연결될 네 연결구멍(2)을 형성하고, 상기 네 배관(50)에 연결되는 관로의 단부의 상대위치를 상기 열교환기(1)의 네 연결구멍(2)에 대응하도록 고정시킨 관로고정체(10, 10', 10")를구성하여, 상기 관로고정체(10, 10', 10")를 상기 열교환기(1)에 밀착고정시킴으로써 상기 열교환기(1)의 네 연결구멍(2)이 각각 상기 관로고정체(10, 10', 10")의 네 관로에 대응 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 연결구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 열교환기(1)의 연결구멍(2) 주위에 플랜지(3)가 돌출형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 연결구조.
3. 제2항에 있어서, 상기 연결구멍(2)의 플랜지(3) 외주에 돌출랜드(4)가 돌출형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 연결구조.
4. 제1항에 있어서, 상기 열교환기(1)의 양단의 연결구멍(2) 사이에 나사구멍(5a)을 가지는 두 보스부(5)가 형성되어, 상기 관로고정체(10, 10')의 관통구멍(11)을 통해 고정나사(60)가 결합됨으로써 상기 열교환기(1)와 상기 관로고정체(10, 10')가 고정되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 연결구조.
5. 제4항에 있어서, 상기 두 보스부(5)가 상기 열교환기(1)에 대해 비대칭으로 배열되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 연결구조.
6. 제1항에 있어서, 상기 열교환기(1)와 관로고정체(10)가 테이프(80)에 의해 밀착 결합되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 연결구조.
7. 제1항에 있어서, 상기 관로고정체(10, 10', 10")가 상기 관로의 배관(50)의 단부가 일체로 고정된 고정블록(10)인 것을 특징으로 하는 열교환기의 연결구조.
8. 제7항에 있어서, 상기 고정블록(10)이 상부블록(10A)과 하부블록(10B)의 2분할체로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 연결구조.
9. 제7항에 있어서, 상기 상부블록(10A)과 하부블록(10B)에 상기 열교환기(1)의 연결구멍(2)에 대응하는 관통구멍(14)과, 이 관통구멍(14)과 상기 배관(50)의 연결단(13)간을 연장하는 인입홈(12)이 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 연결구조.
10. 제1항에 있어서, 상기 관로고정체(10, 10', 10")가 상기 관로의 배관(50)의 단부가 결합된 고정판(10')인 것을 특징으로 하는 열교환기의 연결구조.
11. 제10항에 있어서, 상기 고정판(10')이 가스보일러 시스템의 케이싱의 측벽인 것을 특징으로 하는 열교환기의 연결구조.
12. 제1항에 있어서, 상기 관로고정체(10, 10', 10")가 상기 각 관로에 해당하는 순환통로(16)가 일체로 형성된 고정블록(10")인 것을 특징으로 하는 열교환기의 연결구조.