KR20140051522A - 물집 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물집 열교환기에 관한 것으로, 특히 열교환기의 구조 개선을 통해 열교환기를 통과하는 연소가스의 온도를 완만하게 하강시켜 일산화탄소 발생을 억제함은 물론, 열교환기의 과열 및 변형을 방지하고 전체 사이즈를 줄일 수 있는 물집 열교환기에 관한 것이다.

Description

물집 열교환기{Heat exchanger having water housing}

본 발명은 물집 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열교환기의 구조 개선을 통해 열교환기를 통과하는 연소가스의 온도를 완만하게 하강시켜 일산화탄소 발생을 억제함은 물론, 열교환기의 과열 및 변형을 방지하고 전체 사이즈를 줄일 수 있는 물집 열교환기에 관한 것이다.

열교환기는 서로 온도가 다른 가열 유체와 피가열 유체를 교차시켜 열전달이 이루어지게 하는 것으로, 보일러 및 공기 조화기를 포함한 그 외 다양한 냉난방 장치에서 난방, 공기조화, 동력발생, 냉각 및 폐열회수용 등으로 널리 사용된다.

특히, 콘덴싱 보일러는 도 1에 도시된 바와 같이 연료의 연소시 발생하는 화염 및 연소가스와 현열 열교환이 이루어지는 현열교환기(1) 및 연소가스와 잠열 열교환이 이루어지는 잠열교환기(2)를 사용한다.

그러나, 이상과 같은 종래의 현열교환기(1)는 상하 적층된 복수개의 현열교환 파이프들 모두에 열교환핀(3)(heat exchange fin)을 구비하고 있어서 현열교환기(1) 내부의 연소실 온도 구배가 급격히 하강한다.

즉, 버너(8)에서 발생한 화염 및 고온의 연소가스가 현열교환기(1)를 통과시 현열교환 파이프의 열교환핀(3)에 의해 열을 급속히 빼앗기기 시작하여 급속히 온도가 하강한다. 따라서, 일산화탄소(CO)의 발생량이 증가한다.

또한, 이상과 같은 종래의 현열교환기(1)는 복수개의 열교환 파이프들을 서로 연결시키기 위해 몸체의 외측에 구비된 'U'자형 연결관을 사용하기 때문에 열교환기 전체 사이즈가 커지고, 열교환기 몸체가 고온의 열원에 의해 과열되어 변형이 일어난다.

이에, 한국등록특허 제390521호에서는 열교환기 몸체의 측부에 구비된 물집으로 열교환 파이프들을 연결하여 전체 사이즈를 줄이고, 세라믹 막(판)을 삽입하여 열교환기 몸체의 과열 및 변형을 방지하였으나, 여전히 위와 같은 문제점을 충분히 해결하지는 못했다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 열교환기의 구조 개선을 통해 열교환기를 통과하는 연소가스의 온도를 완만하게 하강시켜 일산화탄소 발생을 억제함은 물론, 열교환기의 과열 및 변형을 방지하고 전체 사이즈를 줄일 수 있는 물집 열교환기를 제공하고자 한다.

이를 위해, 본 발명에 따른 물집 열교환기는 열교환기 몸체에 설치된 복수개의 제1열교환관과, 복수개의 제2열교환관 및 복수개의 물집을 따라 물이 순환하면서 고온의 열원과 열교환을 하는 물집 열교환기에 있어서, 상기 열교환기 몸체는 전/후/좌/우 측판으로 이루어지고; 상기 제1열교환관들은 양단부가 각각 상기 좌/우 측판에 끼워지고, 외주면에는 열교환핀이 조립되어 있으며, 상기 좌/우 측판의 외측면에 조립된 제1물집에 의해 이웃한 것끼리 서로 연결되며; 상기 제2열교환관들은 상기 좌/우 측판 및 상기 좌/우 측판의 외측면에 조립된 제2물집을 관통하여 지그재그 방향으로 서로 연결되고, 용접을 통해 상기 제2물집에 고정된;것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열교환핀을 구비한 제1열교환관은 상기 고온의 열원이 공급되는 방향으로부터 먼 곳에 설치되도록 상기 열교환기 몸체의 하부에 설치되고, 상기 열교환핀을 구비하지 않은 제2열교환관은 상기 열교환기 몸체 중 상기 제1열교환관이 설치되지 않는 나머지 부분의 중간부에 설치되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1물집은 서로 이웃한 상기 제1열교환관들의 개방 단부를 서로 연결하는 캡 형상으로 이루어지고, 상기 제2물집은 상기 제1열교환관과 제2열교환관을 서로 연결하며, 내부에 물이 채워지도록 체적을 갖는 워터 자켓(water jacket) 형상으로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 전/후 측판의 내측면에 접촉 설치되는 접촉관을 더 포함하되, 상기 접촉관은 상기 제2물집에 연결되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전/후 측판의 내측면에는 상기 접촉관에 접촉하는 단열판이 삽입되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2물집이 조립되어 있는 상기 좌/우 측판 일부에는 내측 방향으로 돌출된 체적 증가홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 의하면 열교환관으로서 서로 다른 종류의 제1열교환관과 제2열교환관을 채택하고 이들의 설치 구조를 개선함으로써 열교환기 내부의 온도 구배가 완만하게 하강되게 하여 일산화탄소 발생을 억제한다.

또한, 본 발명은 제2열교환관으로 열교환기 몸체와 물집을 고정하고, 접촉관과 단열판에 의해 열교환기 몸체가 과열되는 것을 방지함으로써 열교환기 몸체의 변형을 방지한다.

또한, 본 발명은 열교환기 몸체에 형성된 체적 증가홈에도 물이 수용되므로 그만큼 제2물집의 크기를 줄이고 열교환기 몸체의 전체 사이즈를 줄일 수 있게 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 열교환기를 채택한 콘덴싱 보일러를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 물집 열교환기의 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 물집 열교환기의 물 순환 상태를 표시한 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 물집 열교환기의 정면도 및 A-A 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 물집 열교환기의 저면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 물집 열교환기의 측면도 및 B-B 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 물집 열교환기에 대해 설명한다.

다만, 이하에서는 버너가 설치된 방향을 상측으로 정하고 그 반대측을 하측으로 정하나, 버너의 설치 위치에 따라 상하 방향이 바뀔 수 있음은 자명하다.

또한, 이하에서는 열교환기 몸체를 전/후/좌/우 측판(F, B, L, R)으로 구분하여 설명하나 전/후/좌/우 방향은 보는 각도에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.

또한, 이하에서는 입수구와 출수구를 특정하나 설계 변경에 의해 물의 흐름을 바꾸면 입수구가 출수구로 되고 출수구가 입수구로 될 수 있음은 자명하다.

먼저, 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)와 같이 본 발명에 따른 물집 열교환기는 크게 열교환기 몸체(110)와, 제1열교환관(120)과, 제2열교환관(130)과, 제1물집(121-R/L)과, 제2물집(131-R/L) 및 단열판(140)을 포함한다.

이때, 제1열교환관(120)과, 제2열교환관(130)과, 제1물집(121-R/L) 및 제2물집(131-R/L)은 이들을 따라 물이 순차적으로 유동하도록 서로 연결되어 있다.

도 3에 이러한 제1열교환관(120)과, 제2열교환관(130)과, 제1물집(121-R/L) 및 제2물집(131-R/L)을 따라 물이 유동하는 순서가 도시되어 있다. 입수구(IN)로 공급된 물은 표시된 번호와 같은 순서로 유동한 후 출수구(OUT)로 출수된다.

또한, 열교환기 몸체(110)는 상하부가 각각 개방되어 있어서 상측에 설치된 버너(미도시)에서 제공되는 화염 및 고온의 연소가스(즉, 열원)가 열교환기 몸체(110)를 상측에서 하측으로 관통하여 유동한다.

따라서, 제1열교환관(120)과, 제2열교환관(130)과, 제1물집(121-R/L) 및 제2물집(131-R/L)을 통해 유동중인 물(예: 직수)과 고온의 열원 사이에 열교환이 이루어져 물이 가열된다.

여기서, 열교환기 몸체(110)는 전/후/좌/우 측판(F, B, L, R)으로 이루어진다. 상기 전/후/좌/우 측판(F, B, L, R)에 의해 둘러싸여 측부는 막히고 상하부는 개방된다.

따라서, 만약 버너가 열교환기 몸체(110)의 상부에 설치되어 있으면 상기 버너에서 발생한 화염 및 고온의 연소가스는 개방된 열교환기 몸체(110)의 상부에서 하부로 통과한다.

또한, 서로 마주보는 좌측 측판(L)과 우측 측판(R)에는 각각 제1열교환관(120)과 제2열교환관(130)이 설치되는 복수개의 관통공들이 설치되어 있다. 이 관통공들에 제1열교환관(120)과 제2열교환관(130)의 양단부가 끼워져 조립된다.

또한, 전방 측판(F)과 후방 측판(B)의 내측면에는 각각 측판(F, B)의 길이 방향을 따라 접촉관(111)이 접촉 설치된다. 접촉관(111)은 제2물집(131-R/L)에 연결되어 있어서 접촉관(111)을 통해서도 물이 유동한다.

접촉관(111)은 전방 측판(F)과 후방 측판(B)에 각각 일체로 성형되거나 별도의 관을 성형한 후 전방 측판(F)과 후방 측판(B)에 부착될 수도 있다.

이러한 접촉관(111)을 더 포함하면 그 내부를 흐르는 물이 열을 흡열하므로 열교환율을 높이고, 열교환기 몸체(110)가 과열되는 것을 방지하며, 과열에 의한 열교환기 몸체(110)의 변형을 방지한다.

또한, 전방 측판(F)과 후방 측판(B)의 내측면에는 접촉관(111)에 접촉하는 단열판(140)이 삽입되어 있다. 단열판(140)을 더 구비하면 열교환기 몸체(110)에 직접 열이 전달되는 것을 방지하므로 더욱더 과열에 의한 열교환기 몸체(110)의 변형을 방지한다.

또한, 제2물집(131-R/L)이 조립되어 있는 좌/우 측판(L, R) 일부에는 내측 방향으로 돌출된 체적 증가홈(112)이 형성되어 있다. 체적 증가홈(112)의 형상에 특별한 제한은 없으나 일 예로 물의 유동을 돕도록 길이가 긴 홈으로 형성한다.

이러한 체적 증가홈(112)이 있으면 당해 체적 증가홈(112)에도 물이 채워진다. 따라서, 체적 증가홈(112)에 채워지는 물의 부피만큼 그 체적 증가홈(112)을 덮는 제2물집(131-R/L)의 크기를 줄여도 된다.

이를 통해 체적 증가홈(112)이 없고 제2물집(131-R/L)만 있는 경우에 비해 물 유동량을 동일하게 유지하면서도 본 발명에 따른 열교환기 전체의 크기는 월등히 줄인다.

제1열교환관(120)은 복수개로 이루어진다. 일 실시예로서 각각의 제1열교환관(120)은 도 4의 (b)와 같이 단면이 타원형 혹은 계란형인 오발 파이프(oval pipe)가 사용된다.

이러한 제1열교환관(120)들은 양단부가 각각 좌/우 측판(L, R)에 끼워지고, 저면도인 도 5와 같이 외주면에는 열교환핀(120a)(heat exchange fin)이 조립되어 있다. 열교환핀(120a)은 보통 제1열교환관(120)의 길이 방향 전체에 걸쳐 조립된다.

또한, 제1열교환관(120)은 좌/우 측판(L, R)의 외측면에 조립된 제1물집(121-R/L)에 의해 이웃한 것끼리 서로 연결되어 있어서 복수개의 제1열교환관(120)들을 통해 물이 순차로 유동한다. 즉, 2개의 제1열교환관(120)의 단부는 1개의 제1물집(121-R/L)에 의해 연결된다.

제1열교환관(120)의 측부에는 일 예로 물이 유입되는 입수구(IN)가 설치되어 있어서 외부에서 직수나 예열수 등을 공급받아 본 발명에 따른 열교환기에 공급한다.

제2열교환관(130)도 복수개로 이루어진다. 일 실시예로서 각각의 제2열교환관(130)은 도 4의 (b)와 같이 단면이 원형인 보통의 관이 사용된다. 제1열교환관(120)과 다르게 제2열교환관(130)에는 열교환핀(120a)이 없다.

이러한 제2열교환관(130)들은 좌/우 측판(L, R) 및 상기 좌/우 측판(L, R)의 외측면에 조립된 제2물집(131-R/L)을 관통하여 지그재그 방향으로 서로 연결된다.

도 6과 같이 제2열교환관(130)은 열교환기 몸체(110) 내부에 배치된 직선관과 이웃한 직선관들을 서로 연결하도록 열교환기 몸체(110)의 외부에 배치된 'U'자형관으로 이루어진다.

따라서, 지그재그 방향으로 배치된 제2열교환관(130)들을 통해 물이 지그재그 방향으로 유동한다.

특히, 제2물집(131-R/L)을 관통한 제2열교환관(130)은 용접을 통해 제2물집(131-R/L)에 고정된다. 더욱 상세하게는 제2열교환관(130) 중 상기 'U'자형관 부분이 제2물집(131-R/L)에 용접된다.

이와 같이 제2열교환관(130)이 제2물집(131-R/L)에 용접되면 제2열교환관(130)이 제2물집(131-R/L)을 견고하게 잡아주게 된다. 물론 더욱 견고히 잡아주기 위해 제2열교환관(130)을 좌/우 측판(L, R)에도 용접할 수 있다.

따라서, 제2물집(131-R/L) 내부를 순환하는 물이 가열되거나 식어 제2물집(131-R/L)의 팽창 및 수축이 반복되더라도 제2물집(131-R/L)의 변형이나 이탈을 방지한다. 특히, 제2물집(131-R/L) 내부에 고온의 물이 통과시 물의 부피 팽창으로 제2물집(131-R/L)이 이탈되는 것을 방지한다.

제2열교환관(130)의 측부에는 일 예로 물이 유출되는 출수구(OUT)가 설치되어 있어서 제1열교환관(120)과, 제1물집(121-R/L)과, 제2열교환관(130) 및 제1물집(121-R/L)을 통과한 고온의 물이 유출된다.

한편, 본 발명은 종래기술과 다르게 복수개의 열교환관이 모두 동일한 것이 아니라 열교환핀(120a)이 있는 제1열교환관(120)과 열교환핀(120a)이 없는 제2열교환관(130)으로 구분된다.

또한, 열교환핀(120a)을 구비한 제1열교환관(120)은 고온의 열원이 공급되는 방향으로부터 먼 곳에 설치되도록 열교환기 몸체(110)의 하부에 설치되고, 열교환핀(120a)을 구비하지 않은 제2열교환관(130)은 열교환기 몸체(110) 중 제1열교환관(120)이 설치되지 않는 나머지 부분에 설치된다.

좀더 바람직하게 제2열교환관(130)은 제1열교환관(120)이 설치되지 않는 나머지 부분 중 중간부에 설치된다.

이와 같이 구성된 이유는 고온의 연소가스가 본 발명의 열교환기를 통과하는 과정에서 온도가 급속히 하강함에 따라 일산화탄소(CO)가 발생하는 것을 방지하기 위함이다.

버너에 가까운 제2열교환관(130)에는 열교환율을 월등히 높이기 위한 열교환핀(120a)이 없어서 열교환핀(120a)이 있는 경우보다 흡열량이 상대적으로 작다. 따라서, 버너에서 발생한 연소가스 온도 구배가 급격히 하강하는 것을 방지한다.

아울러 제1열교환관(120)에는 열교환핀(120a)을 구비하고 있어서 어느 정도 온도가 낮아진 연소가스로부터 충분히 열을 흡열할 수 있게 함으로써 열효율이 낮아지는 것은 방지한다.

즉, 본 발명은 높은 열효율을 가지면서도 연소가스의 온도가 급격히 하강함에 따른 일산화탄소 발생은 억제한다.

제1물집(121-R/L)은 열교환기 몸체(110)의 하부에 외측면에 설치되어 서로 이웃한 제1열교환관(120)들의 개방 단부를 연결한다. 즉, 이웃한 2개의 제1열교환관(120)들은 각각 제1물집(121-R/L)에 의해 연결되어 모든 제1열교환관(120)들을 통해 물이 유동한다.

다만, 제1물집(121-R/L)도 그 내부에 물이 채워져 유동할 수 있는 공간을 갖는 보통의 물집이 사용될 수 있지만, 도시된 바와 같이 캡 형상으로 이루어진 것이 바람직하다.

캡 형상의 제1물집(121-R/L)은 오직 2개의 제1열교환관(120)들을 연결하는 역할을 하는 것으로 후술할 제2물집(131-R/L)이나 그 외 보통의 물집처럼 내부에 물이 채워져 유동하는 공간을 갖는 것과는 차이가 있다. 이점에서 캡 형상이라고 정의하였다.

이상과 같이 제1물집(121-R/L)을 캡 형상으로 하면 당해 제1물집(121-R/L) 내부를 통해 물이 유동하는 시간을 최대한 단축시킨다. 즉, 오직 제1열교환관(120)들을 연결만 하므로 물의 유동 속도가 빨라서 본 발명의 열교환기를 통과하는 물의 전체적인 순환속도를 확보할 수 있게 한다.

제2물집(131-R/L)은 열교환기 몸체(110)의 상부 외측에 설치되어 제1열교환관(120)과 제2열교환관(130)을 서로 연결한다. 또한, 접촉관(111)과 제1열교환관(120)을 연결하기도 한다.

따라서, 제1열교환관(120)을 순환한 후 배출된 물이 제2물집(131-R/L)에 의해 제2열교환관(130) 및 접촉관(111)에 유입되게 한다.

이러한 제2물집(131-R/L)은 내부에 물이 채워지도록 체적을 갖는 워터 자켓(water jacket) 형상으로 이루어진다.

워터 자켓 형상의 제2물집(131-R/L)은 제1열교환관(120)과, 제2열교환관(130) 및 접촉관(111)을 연결하기에 유리하다.

또한, 내부에 물이 채워진 후 유동하는 공간이 있어서 본 발명에 따른 열교환기를 따라 순환하는 물의 양을 늘리므로 충분한 양의 온수나 난방수를 공급할 수 있게 한다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

110: 열교환기 몸체 111: 접촉관
112: 체적 증가홈 120: 제1열교환관
120a: 열교환핀 121-L/R: 제1물집
130: 제2열교환관 131-L/R: 제2물집
140: 단열판 L: 좌측 측판
R: 우측 측판 F: 전방 측판
B: 후방 측판 IN: 입수구
OUT: 출수구

Claims (6)

1. 열교환기 몸체(110)에 설치된 복수개의 제1열교환관(120)과, 복수개의 제2열교환관(130) 및 복수개의 물집을 따라 물이 순환하면서 고온의 열원과 열교환을 하는 물집 열교환기에 있어서,
   상기 열교환기 몸체(110)는 전/후/좌/우 측판(F, B, L, R)으로 이루어지고;
   상기 제1열교환관(120)들은 양단부가 각각 상기 좌/우 측판(L, R)에 끼워지고, 외주면에는 열교환핀(120a)이 조립되어 있으며, 상기 좌/우 측판(L, R)의 외측면에 조립된 제1물집(121-R/L)에 의해 이웃한 것끼리 서로 연결되며;
   상기 제2열교환관(130)들은 상기 좌/우 측판(L, R) 및 상기 좌/우 측판(L, R)의 외측면에 조립된 제2물집(131-R/L)을 관통하여 지그재그 방향으로 서로 연결되고, 용접을 통해 상기 제2물집(131-R/L)에 고정된;것을 특징으로 하는 물집 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열교환핀(120a)을 구비한 제1열교환관(120)은 상기 고온의 열원이 공급되는 방향으로부터 먼 곳에 설치되도록 상기 열교환기 몸체(110)의 하부에 설치되고,
   상기 열교환핀(120a)을 구비하지 않은 제2열교환관(130)은 상기 열교환기 몸체(110) 중 상기 제1열교환관(120)이 설치되지 않는 나머지 부분에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 물집 열교환기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1물집(121-R/L)은 서로 이웃한 상기 제1열교환관(120)들의 개방 단부를 서로 연결하는 캡 형상으로 이루어지고,
   상기 제2물집(131-R/L)은 상기 제1열교환관(120)과 제2열교환관(130)을 서로 연결하며, 내부에 물이 채워지도록 체적을 갖는 워터 자켓(water jacket) 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 물집 열교환기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전/후 측판(F, B)의 내측면에 접촉 설치되는 접촉관(111)을 더 포함하되, 상기 접촉관(111)은 상기 제2물집(131-R/L)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 물집 열교환기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 전/후 측판(F, B)의 내측면에는 상기 접촉관(111)에 접촉하는 단열판(140)이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 물집 열교환기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제2물집(131-R/L)이 조립되어 있는 상기 좌/우 측판(L, R) 일부에는 내측 방향으로 돌출된 체적 증가홈(112)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 물집 열교환기.
   

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