KR20090047906A - 평면형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 버너에 의해 가열되어 층류상태로 유동하는 연소가스를 이용하는 열교환기에 사용되는 열교환배관의 구조를 종래 나선형으로 가공된 원통형에서 장방형의 평면형 구조로 대체함으로써 구조를 간소화하고 그 제작을 용이하게 할 수 있도록 하는 평면형 열교환기에 관한 것이다.

이를 실현하기 위한 본 발명은, 난방수가 내부를 통과하고 층류상태의 연소가스와 접촉되어 열전달이 이루어지는 열교환배관을 구비한 열교환기에 있어서, 상기 연소가스와 접촉되는 변의 폭이 높이에 비해 큰 장방형의 단면을 가지고, 서로 평행하도록 일정 간격으로 다수개가 설치되는 열교환배관; 상기 열교환배관의 양측 끝단이 삽입 결합되어, 상기 열교환배관을 일정 간격으로 고정시키는 내측판;및 상기 내측판을 매개로 상기 열교환배관에 연통되고, 상기 내측판의 외측을 감싸는 공간을 형성하는 외측판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

열교환기, 열교환배관, 층류, 평면형, 내측판, 외측판.

Description

평면형 열교환기{Plane type heat exchanger}

본 발명은 평면형 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 버너에 의해 가열되어 층류상태로 유동하는 연소가스를 이용하는 열교환기에 사용되는 열교환배관의 구조를 종래 나선형으로 가공된 원통형에서 장방형의 평면형 구조로 대체함으로써 구조를 간소화하고 그 제작을 용이하게 할 수 있도록 하는 평면형 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 화석 연료를 사용하는 난방용, 온수용 보일러에 사용되는 열교환기는 열교환배관의 표면 둘레에 전열핀이 형성되어 연소가스의 연소열을 열교환배관 내부를 흐르는 유체에 전달하는 핀 앤드 튜브 형식(Pin & Tube Type)이 주로 사용되고 있다.

상기 핀 앤드 튜브 형식의 열교환기는 열교환 성능을 높이기 위하여 난류 유동(turbulent flow)을 일으킬 수 있는 장치들을 고안하여 사용하고 있으며, 전열핀을 구비함으로써 열전달 효율이 높은 장점은 있으나, 다수의 전열핀을 구비함에 따라 장비의 단가가 높은 단점이 있다.

이러한 비용문제를 고려하여, 열교환배관의 표면에 전열핀을 구비하지 않은 튜브 형식(Tube Type)의 열교환기로서 연소가스의 층류 유동(laminar flow)을 이용하는 층류형 열교환기가 고안되었다.

일반적으로 층류형 열교환기는 난류형 열교환기에 비하여 열전달 효율이 낮은 것으로 알려져 있으나, 층류형 열교환기의 경우에도 연소가스의 유동상태가 층류상태에서 난류상태로 변하는 경계층이 형성되기 전까지는 열교환배관의 표면에 전열핀을 구비하지 않더라도 높은 열전달 효율을 얻을 수 있다.

도 1은 종래 층류를 이용하는 열교환기에 사용되는 원통형 열교환배관의 사시도이고, 도 2는 도 1의 원통형 열교환배관의 측면도이다.

원통형 열교환배관(10)은 단면을 납작하게 가공한 배관을 나선형으로 가공한 것이다.

원통형 열교환배관(10)의 일측 끝단에 형성된 난방수유입구(11)에는 저온의 난방수가 유입되고 나선형으로 권취된 열교환배관(10)의 내부로 난방수가 통과하는 과정에서 버너(미도시됨)에 의해 가열된 연소가스의 연소열이 전달되어 타측 끝단에 형성된 난방수유출구(12)로 고온의 난방수가 배출되어 난방용 또는 온수용으로 사용된다.

버너에 의해 가열된 연소가스는 상기 나선형의 원통형 열교환배관(10) 사이에 형성된 공간을 통과하여 방사형으로 유동하게 된다.

이러한 층류형 열교환기의 열전달 효율을 높이기 위해서는, 납작하게 가공한 열교환배관 사이의 간격을 일정하게 유지하는 것이 중요하며, 이를 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 원통형 열교환배관(10)의 납작한 표면에는 돌출된 형상의 비 드(15)를 형성함으로써 배관을 나선형으로 권취한 후에 압착 가공하는 경우 배관 사이의 간격이 상기 비드(15)의 돌출길이 만큼 일정하게 유지된다.

그러나 상기 종래의 원통형 열교환기는 부피가 크고, 열교환배관(10) 사이의 공간을 일정한 간격으로 유지되도록 하면서 나선형으로 가공하여야 하므로 그 제작이 용이하지 않으며, 원통형 버너만를 사용해야 하고 평면형 버너는 사용할 수 없는 구조적인 제약이 따르는 문제점이 있다.

또한, 원통형 열교환배관(10)은 나선형으로 가공하는 과정에서 납작한 부분에 비틀림 현상이 발생하므로 그 표면을 편평하게 가공하기가 용이하지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 층류를 이용하는 열교환기에 사용되는 열교환배관의 제작을 용이하게 하고, 열교환배관 사이 공간의 간격을 일정하게 유지할 수 있으며, 열교환배관 내부의 난방수로의 열전달 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 평면형 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 평면형 열교환기는, 난방수가 내부를 통과하고 층류상태의 연소가스와 접촉되어 열전달이 이루어지는 열교환배관을 구비한 열교환기에 있어서, 상기 연소가스와 접촉되는 변의 폭이 높이에 비해 큰 장방형의 단면을 가지고, 서로 평행하도록 일정 간격으로 다수개가 설치되는 열교환배관; 상기 열교환배관의 양측 끝단이 삽입 결합되어, 상기 열교환배관을 일정 간격으로 고정시키는 내측판;및 상기 내측판을 매개로 상기 열교환배관에 연통되고, 상기 내측판의 외측을 감싸는 공간을 형성하는 외측판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 내측판에는 상기 열교환배관의 단면적과 비슷한 크기의 삽입구멍이 상기 열교환배관에 대응하는 위치에 형성되어, 상기 열교환배관의 양측 끝단이 상기 삽입구멍으로 삽입 결합되는 것을 특징으로 한다.

상기 내측판과 상기 외측판 사이에는 보조판이 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 보조판에는 상기 열교환배관의 단면적 보다 작은 크기의 유로형성구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 열교환배관의 양측 끝단은 상기 보조판에 밀착된 것을 특징으로 한다.

상기 내측판과 상기 보조판 사이, 상기 열교환배관과 상기 내측판 사이, 상기 열교환배관과 상기 보조판 사이에는 모두 브레이징 용접 처리된 것을 특징으로 한다.

상기 열교환배관의 양측 끝단이 상기 내측판에 삽입되어 결합된 부분에는 브레이징 용접 처리된 것을 특징으로 한다.

상기 외측판은 다수개의 부분으로 구획되어 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 평면형 열교환기에 의하면, 열교환기에 사용되는 열교환배관을 평면형의 다층 구조로 형성함으로써 열교환배관과 연소가스간의 접촉면을 평면으로 가공하기에 용이하고, 열교환배관 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 하여 열전달 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면 열교환기의 구조를 간소화함으로써 열교환기의 전체 부피를 감소시킬 수 있고, 열교환기에 사용되는 버너를 평면형 버너로 사용할 수 있게 되어 열교환기의 제작 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 평면형 열교환기의 구조를 나타내는 평단면도이고, 도 4는 도 3의 분해사시도이다.

본 발명의 일실시예(이하, '제1 실시예'라 함)에 따른 열교환기(100)는 서로 평행하도록 일정 간격으로 다수개가 배치되는 열교환배관(135)과, 상기 열교환배관(135)의 양측 끝단이 삽입 결합되어 고정되는 내측판(140,141)과, 상기 내측판(140,141)의 외측을 감싸면서 내부에 공간을 형성하는 외측판(150,151)으로 구성된다.

상기 열교환배관(135)은 평면형으로서 층류 상태로 유동하는 연소가스와 접촉되는 변의 폭이 높이에 비해 큰 장방형 단면을 가지며, 연소가스와 접촉되는 면이 평면으로 되어 있어 제작이 용이한 장점이 있다.

상기 내측판(140,141)에는 삽입구멍(140a,141a)이 관통 형성되어 있고, 상기 삽입구멍(140a,141a)에 열교환배관(135)의 양측 끝단이 삽입되어 결합된다.

내측판(140,141)에 형성된 삽입구멍(140a,141a)으로 열교환배관(135)을 삽입시키며, 상기 열교환배관(135)의 양측 끝단이 상기 내측판(140,141)의 삽입구멍(140a,141a)에 삽입되어 결합되는 부분에 브레이징 용접 처리하여 기밀이 유지되도록 한다.

층류의 연소가스를 이용하는 열교환기(100)의 경우에는 열전달 효율을 높이기 위하여 수평하게 다수개가 설치되는 열교환배관(135) 사이의 간격이 일정하게 유지되도록 하여야 하고, 그 간격을 0.5 ~ 2.0 mm의 범위로 형성하여 연소가스의 층류 상태를 유지시킴으로써 열전달이 효과적으로 이루어지도록 한다.

상기 내측판(140,141)의 외측으로는 외측판(150,151)이 결합되어, 상기 내측판(140,141)과 상기 외측판(150,151)으로 둘러싸인 내부에는 빈 공간이 형성된다.

일측의 외측판(150)에는 난방수유입구(131)가 형성되어 있고, 타측의 외측판(151)에는 난방수유출구(132)가 형성되어 있다.

난방수는 도 3에서 화살표로 표시된 경로를 따라 흐른다. 난방수유입구(131)로 유입된 난방수는 외측판(150)과 내측판(140)으로 둘러싸인 공간으로 유입되어, 내측판(140)에 형성된 삽입구멍(140a)을 통과하고 열교환배관(135) 내부를 순환한 후, 타측의 내측판(141)에 형성된 삽입구멍(141a)을 통과하고 내측판(141)과 외측판(151)으로 둘러싸인 공간으로 모인 후에 난방수유출구(132)로 배출된다.

즉, 도 3과 도 4에 도시된 제1 실시예에 따른 평면형 열교환기(100)의 경우에는 난방수가 일방향으로 열교환배관(135) 내부를 순환하면서 열교환이 이루어지는 경우를 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면형 열교환기의 구조를 나타내는 평단면도이고, 도 6은 도 5의 분해사시도이다.

본 발명의 다른 실시예(이하, '제2 실시예'라 함)에 따른 열교환기(200)는 난방수가 열교환배관(235)의 내부를 'S'자 모양으로 순환 경로가 교차하도록 구성한 것이다.

또한, 내측판(240,241)과 외측판(250,251) 사이에 보조판(245,246)을 설치하여 보다 브레이징이 쉽도록 한 것이다. 즉, 브레이징이 잘 안 되는 재질의 경우에 도 보다 쉽게 브레이징이 되도록 한 것이다.

상기 제2 실시예에 따른 열교환기(200)는 서로 평행하도록 일정 간격으로 다수개가 설치되는 열교환배관(235)과, 상기 열교환배관(235)의 양측 끝단이 삽입되어 고정되는 내측판(240,241)과, 상기 내측판(240,241)과 연접하여 설치되고 외측판(250,251)을 지지함과 아울러 난방수의 유로를 형성하는 보조판(245,246)과, 상기 보조판(245,246)의 외측을 감싸면서 내부에 공간을 형성하는 다수의 영역으로 구획되는 외측판(250,251)과, 상기 외측판(250,251)을 상기 보조판(245,246)에 고정시키는 고정판(260,261)으로 구성된다.

상기 내측판(240,241)에 형성되어 있는 삽입구멍(240a,241a)에는 열교환배관(235)의 양측 끝단이 삽입 고정되어 평행하게 설치되는 열교환배관(235) 사이에 일정한 간격이 유지되도록 하고, 상기 보조판(245,246)에 의하여 열교환배관(235)이 확실히 브레이징이 되도록 하며, 상기 보조판(245,246)의 유로형성구멍(245a,246a)은 열교환배관(235) 보다 작으며, 열교환배관(235)의 양측 끝단이 보조판(245,246)에 밀착된다.

상기 외측판(250,251)은 대략 'ㄷ'자 형태로 절곡된 형상이며, 보조판(245,246)에 형성되어 있는 유로형성구멍(245a,246a)의 외측을 둘러싸게 되고, 상기 외측판(250,251)의 양측 테두리부분은 실링으로 밀착시켜 난방수의 기밀이 유지된다.

난방수는 도 5에 도시된 화살표의 방향을 따라 순환하게 된다. 즉, 난방수는 난방수유입구(231)로 유입되어 외측판(250)으로 둘러싸인 공간 내부를 거쳐서 보조 판(245)에 형성된 유로형성구멍(245a)과 내측판(240)에 형성된 삽입구멍(240a)을 통과하여 열교환배관(235)을 따라서 순환한 후, 타측의 내측판(241)에 형성된 삽입구멍(241a)과 보조판(246)에 형성된 유로형성구멍(246a)을 통과하여 외측판(251)으로 둘러싸인 공간으로 이동하게 된다.

그 후, 난방수는 외측판(250,251)에 연통되어 설치되는 인접한 열교환배관(235)을 따라서 흐름방향을 바꾸면서 도 5에 도시된 바와 같이 순차적으로 이동하게 되며, 최종적으로는 난방수유출구(232)로 배출되어 난방용 또는 온수용으로 사용된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 평면형 열교환기(100,200)는 일정 간격을 갖는 평면형 다층 구조의 열교환배관(135,235)을 구비함으로써 가공이 용이하고 열전달 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래 층류를 이용하는 열교환기에 사용되는 원통형 열교환배관의 사시도,

도 2는 도 1의 원통형 열교환배관의 측면도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 평면형 열교환기의 구조를 나타내는 평단면도,

도 4는 도 3의 분해사시도,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 평면형 열교환기의 구조를 나타내는 평단면도,

도 6은 도 5의 분해사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 원통형 열교환배관 11,131,231 : 난방수유입구

12,132,232 : 난방수유출구 15 : 비드

100,200 : 열교환기 135,235 : 열교환배관

140,141,240,241 : 내측판 140a,141a,240a,241a : 삽입구멍

150,151,250,251 : 외측판 245,246 : 보조판

245a,246a : 유로형성구멍 260,261 : 고정판

Claims (8)

1. 난방수가 내부를 통과하고 층류상태의 연소가스와 접촉되어 열전달이 이루어지는 열교환배관을 구비한 열교환기에 있어서, 상기 연소가스와 접촉되는 변의 폭이 높이에 비해 큰 장방형의 단면을 가지고, 서로 평행하도록 일정 간격으로 다수개가 설치되는 열교환배관; 상기 열교환배관의 양측 끝단이 삽입 결합되어, 상기 열교환배관을 일정 간격으로 고정시키는 내측판;및 상기 내측판을 매개로 상기 열교환배관에 연통되고, 상기 내측판의 외측을 감싸는 공간을 형성하는 외측판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 평면형 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 내측판에는 상기 열교환배관의 단면적과 비슷한 크기의 삽입구멍이 상기 열교환배관에 대응하는 위치에 형성되어, 상기 열교환배관의 양측 끝단이 상기 삽입구멍으로 삽입 결합되는 것을 특징으로 하는 평면형 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 내측판과 상기 외측판 사이에는 보조판이 위치하는 것을 특징으로 하는 평면형 열교환기.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 보조판에는 상기 열교환배관의 단면적 보다 작은 크기의 유로형성구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평면형 열교환기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 열교환배관의 양측 끝단은 상기 보조판에 밀착된 것을 특징으로 하는 평면형 열교환기.
6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 내측판과 상기 보조판 사이, 상기 열교환배관과 상기 내측판 사이, 상기 열교환배관과 상기 보조판 사이에는 모두 브레이징 용접 처리된 것을 특징으로 하는 평면형 열교환기.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환배관의 양측 끝단이 상기 내측판에 삽입되어 결합된 부분에는 브레이징 용접 처리된 것을 특징으로 하는 평면형 열교환기.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 외측판은 다수개의 부분으로 구획되어 형성된 것을 특징으로 하는 평면형 열교환기.

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