KR20160100515A - 다챔버 순환방식을 이용한 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환배관이 각각 설치된 다수의 챔버에 냉매가스와 물을 교차 순환시켜 열교환한 냉,온수를 냉,난방에 사용할 수 있게 한 다챔버 순환방식을 이용한 열교환기에 관한 것으로 열교환기(H)의 몸체(B) 중앙에 제1챔버(10)를 설치하고 그 외주연에 순차적으로 제2챔버(10')와 제3챔버(10")를 설치하되 각 챔버(10)(10')(10")의 내부에 나선형으로 제1열교환배관(20),제2열교환배관(20') 및 제3열교환배관(20")을 설치하고 상기 제1챔버(10)의 하단 중앙에는 물입수공(11)이 천공되며 상단 주연부에 다수개의 제1순환공(12)을 천공하여 제2챔버(10')로 순환되게 하고 제2챔버(10')의 하단 주연부에 다수개의 제2순환공(13)을 천공하여 제3챔버(10")로 순환되게 하며 제3챔버(10")의 상단으로 냉,온수출구공(14)을 통하여 냉,온수를 출수시키고 상기 열교환배관(20)(20')(20")의 상부로 고온가스분배기(21)와 저온가스분배기(22)를 분배시키며 하부의 가스배기분배기(23)를 통하여 가스를 배출시키고 상기 고온가스분배기(21)와 저온가스분배기(22)는 상부 프레임 캡(C)의 가스인입관(30)으로 연결되고 가스배기분배기(23)는 하부 프레임 캡(C')의 가스인출관(30')으로 연결되며 상기 물입수공(11)은 하부 프레임 캡(C')의 물입수구(40)로 연결되고 냉,온수출구공(14)은 상부 프레임 캡(C)의 냉,온수출수구(40')로 연결되게 한 것을 특징으로 한다.

Description

다챔버 순환방식을 이용한 열교환기{Heat exchanger with a pluralty of circular manner}

본 발명은 열교환배관이 각각 설치된 다수의 챔버에 냉매가스(고온,저온)와 물을 교차 순환시켜 열교환한 냉,온수를 냉,난방에 사용할 수 있게 한 다챔버 순환방식을 이용한 열교환기에 관한 것으로 더욱 상세하게는 열교환기의 중앙에서부터 외주연으로 순차로 챔버를 형성하고 각 챔버의 내부에 열교환배관을 나선형으로 배치하며 물의 순환은 제1챔버의 하부에서 상부,제2챔버의 상부에서 하부 제3챔버의 하부에서 상부로 순환 및 열교환시켜 냉,온수를 배출하고 각 챔버의 열교환배관은 상부에서 냉매가스를 분배시켜 상부에서 하부로 순환시켜서 물을 열교환시켜 온수와 냉수를 공급할 수 있게 한 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기의 종류로는 이중관식 열교환기,브레이징 판형 열교환기,쉘 앤 튜브 열교환기,핀붙이 다관식 열교환기,투관식 열교환기 등이 있고 상기한 열교환기에서 열교환 성능의 향상을 위해서는 열교환용 이중관체를 구성하는 내관과 외관의 형상이 매우 중요함은 물론 외관과 내관 사이에 제2유체를 공급하여 주는 역할과 제2유체가 외부로 유출되지 않게 하는 연결구의 역할 등을 포함하는 기술구성이 매우 중요한 실정이다.

또한 이중관식 열교환기는 안정성은 확보되나 설계구조와 제조방법에서 배관의 길이와 과다한 부피로 인하여 기존제품에 적용하기가 곤란하고 제조상에서 냉매관의 길이에 제한을 받게 되며 고온수를 생산하는데 적용할 수 없는 구조로 구성되었다.

또한 쉘 튜브식 열교환기는 비교적 압력이 낮은 증발기와 입수온도가 낮은 응축기용으로 사용은 가능하나 몸체와 연결부의 재질이 주물계통이고 패킹을 사용하여 볼트로 조립되어있고 수직으로 다수의 냉매관을 삽입하여 고온의 가스와 중온수의 물과 열교환시킬 때 냉매관의 짧은 거리와 압력상승으로 인하여 연결부의 폭발위험성이 있으며 고온의 냉매를 사용하여 고온수를 사용할 수 없는 구조로 되어 있다.

상기의 이유로 최근에는 히트펌프제품에 브레이징 판형 열교환기를 많이 적용하고 있는 추세이나 구조상 냉매가스와 물의 열교환 간격이 좁아 미세한 이물질과 각종의 슬러지에 막힘현상이 자주 발생하고 세척 또한 용이하지 않아 일정기간 가동 후 현저하게 효율이 저하되며 이물질 막힘현상으로 가스압력과 물의 압력이 동시에 상승하면서 열교환기가 파손되는 경우가 발생되고 특히 냉방 운전시 저온 팽창으로 인하여 미세한 막힘현상에도 쉽게 동파되면서 장비 내의 부품에 물이 혼입되어 설비전체를 교체하여야 하는 경제적인 손실 등의 문제점이 있었다.

종래의 이중관식 열교환기의 선행기술로는 등록특허 제10-1287605호(이중관식 열교환기)와 등록실용신안 제20-0318032호(이중관식 열교환기)가 제시되었다.

상기 첫 번째 등록특허는 대경부,소경부들,복수의 리브들을 갖는 외측관과 외측관에 삽입되는 내측관과 제1,2플러그를 포함하고 한 쌍의 소경부들의 내주면과 내측관의 외주면이 브레이징에 의하여 결합된 구조이다.

상기 두 번째 등록실용신안은 연결관 어셈블리는 하나의 이중관에서 다기관을 거쳐 외부로 돌출한 상부 연결관,하나의 이중관 바로 아래에 위치한 이중관에서 다기관을 거쳐 외부로 돌출하여 상부 연결관의 하부에 위치하는 하부연결관,상하부 연결관을 연통하도록 연결시키고 연장선상의 단부에는 나사산이 형성된 연결소켓 및 연결소켓의 나사산에 나사결합되는 플러그를 포함하는 구조이다.

상기한 첫 번째 등록특허는 유체를 지그재그 유동에 의하여 유동길이를 증가시켜 열교환 효율을 향상시키는 구조의 열교환기이나 통로가 형성된 내측관의 외주연에 양단을 축관시켜 브레이징시킨 외측관 사이의 공간에 다수의 리브와 구멍이 천공된 플러그에 의해 유체의 지그재그 유동으로 열교환시키는 구조로 내측관에 외측관을 형성하는 구조와 외측관에 리브의 형성 및 플러그를 결합시키는 제조방법이 복잡하고 이로 인한 기밀 유지가 불량하며 유체의 유동길이가 제한적으로 사용하여 대용량의 열교환이 불가능한 문제가 있는 것이다.

상기 두번째 등록실용신안은 이중관의 양단부를 개방시킬 수 있게 하여 이중관의 스케일을 용이하게 제거하고 이중관의 내외면에 스파이럴을 형성하여 와류현상에 의해 열전도효과를 향상시키는 것이나 이중관의 구조에 있어 단순하게 내부에 스파이럴이 형성되고 상하부 "U"자형의 연결관으로 연결된 구조의 이중관식 열교환기로 기술구성이 간단하고 그에 따른 열교환이 작용이 원할하지 않는 등의 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 목적으로 창출된 것으로 열교환기의 중앙에 제1챔버를 형성하고 그 외주연에 순차적으로 제2챔버 및 제3챔버를 형성하며 각 챔버의 내부에 열교환배관을 나선형으로 배치하여 물의 순환은 제1챔버의 하부에서 상부,제2챔버의 상부에서 하부 제3챔버의 하부에서 상부로 순환 및 열교환시켜 냉,온수를 배출하고 각 챔버의 열교환배관은 상부에서 냉매가스를 분배시켜 상부에서 하부로 순환시켜서 물을 열교환시켜 온수와 냉수를 공급하여 사용할 수 있게 하며 열교환배관의 견고한 결합으로 밀폐력이 우수하며 누수가 발생되지 않고 미세한 이물질에도 성능이 저하되는 것을 방지하며 기체와 액체의 분리 경로로 인한 동파 및 설비의 파손을 방지할 수 있는 안전하고 고품질 고효율의 열교환기를 제공할 수 있게 하였다.

본 발명은 열교환기의 몸체 중앙에 제1챔버를 설치하고 그 외주연에 순차적으로 제2챔버와 제3챔버를 설치하되 각 챔버의 내부에 나선형으로 제1열교환배관,제2열교환배관 및 제3열교환배관을 설치하고 상기 제1챔버의 하단 중앙에는 물입수공이 천공되며 상단 주연부에 다수개의 제1순환공을 천공하여 제2챔버로 순환되게 하고 제2챔버의 하단 주연부에 다수개의 제2순환공을 천공하여 제3챔버로 순환되게 하며 제3챔버의 상단으로 냉,온수출구공을 통하여 냉,온수를 출수시키고 상기 열교환배관의 상부로 고온가스분배기와 저온가스분배기를 분배시키며 하부의 가스배기분배기를 통하여 가스를 배출시키고 상기 고온가스분배기와 저온가스분배기는 상부 프레임 캡의 가스인입관으로 연결되고 가스배기분배기는 하부 프레임 캡의 가스인출관으로 연결되며 상기 물입수공은 하부 프레임 캡의 물입수구로 연결되고 냉,온수출구공은 상부 프레임 캡의 냉,온수출수구로 연결되게 한 것을 특징으로 한다.

또한,열교환기의 챔버 내부에 설치되는 제1열교환배관,제2열교환배관 및 제3열교환배관은 동일한 관경으로 제작되고 나선형으로 설치시 높이와 길이 역시 동일하게 설치한 것을 특징으로 한다.

그러므로 본 발명은 하나 이상의 챔버에 각각 열교환배관을 나선형으로 설치하여 전체 챔버를 순환시키는 방식으로 물을 열교환시켜 열교환효율을 향상시킬 뿐만아니라 대량의 냉,온수를 활용할 수 있게 하고 열교환배관의 연결부위를 전기용접으로 접합시켜 용이하고 견고한 결합과 밀폐력이 우수하여 누수를 방지하며 물과 냉매가스의 순환경로를 분리시켜 동파를 방지할 수 있는 고효율 고성능의 열교환기를 제공할 수 있게 한 효과가 있는 것이다.

도 1 은 본 발명의 구조형상과 작동상태를 설명하기 위한 개념도
도 2 는 본 발명의 전체구조를 도시한 구조개념도

이하 발명의 요지를 첨부된 도면에 연계시켜 그 구성과 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명의 구조형상과 작동상태를 설명하기 위한 개념도로 열교환기의 중앙에 제1챔버가 설치되고 그 외주연에 순차적으로 제2챔버와 제3챔버과 설치된 구조,각 챔버에 제1열교환배관,제2열교환배관 및 제3열교환배관이 설치되며 각 챔버에는 물을 순환 및 열교환시키기 위하여 물입수공과 순환공이 천공되고 각 열교환배관에는 물의 열교환을 위하여 냉매가스를 순환시킬 수 있게 분배기가 설치된 구조 개념을 도시하였고, 도 2 는 본 발명의 전체구조를 도시한 구조개념도로 열교환기의 상,하부 프레임 캡에 의해 전체조립구조를 도시하였다.

열교환배관이 설치된 하나 이상의 챔버를 순환방식으로 열교환시키는 열교환기에 있어서,

상기 열교환기(H)의 몸체(B) 중앙에 제1챔버(10)를 설치하고 그 외주연에 순차적으로 제2챔버(10')와 제3챔버(10")를 설치하되 각 챔버(10)(10')(10")의 내부에 나선형으로 제1열교환배관(20),제2열교환배관(20') 및 제3열교환배관(20")을 설치하고 상기 제1챔버(10)의 하단 중앙에는 물입수공(11)이 천공되며 상단 주연부에 다수개의 제1순환공(12)을 천공하여 제2챔버(10')로 순환되게 하고 제2챔버(10')의 하단 주연부에 다수개의 제2순환공(13)을 천공하여 제3챔버(10")로 순환되게 하며 제3챔버(10")의 상단으로 냉,온수출구공(14)을 통하여 냉,온수를 출수시키고 상기 열교환배관(20)(20')(20")의 상부로 고온가스분배기(21)와 저온가스분배기(22)를 분배시키며 하부의 가스배기분배기(23)를 통하여 가스를 배출시키고 상기 고온가스분배기(21)와 저온가스분배기(22)는 상부 프레임 캡(C)의 가스인입관(30)으로 연결되고 가스배기분배기(23)는 하부 프레임 캡(C')의 가스인출관(30')으로 연결되며 상기 물입수공(11)은 하부 프레임 캡(C')의 물입수구(40)로 연결되고 냉,온수출구공(14)은 상부 프레임 캡(C)의 냉,온수출수구(40')로 연결되게 한 구조이다.

상기 열교환기(H)의 챔버(10)(10')(10") 내부에 설치되는 제1열교환배관(20),제2열교환배관(20') 및 제3열교환배관(20")은 동일한 관경으로 제작되고 나선형으로 설치시 높이와 길이 역시 동일하게 설치한다.

이와 같이 된 본 발명은 하나 이상의 챔버를 구비하고 각 챔버에 열교환배관을 나선형으로 설치하여 냉매가스는 각 챔버의 상부에서 하부로 순환되게 하고 물은 중앙의 제1챔버 하단에서 상단,제2챔버 상단에서 하단,제3챔버 하단에서 상단으로 순환시키면서 열교환시켜 다량의 냉,온수를 용이하게 사용할 수 있게 하고 또한 열교환배관의 관경과 길이를 모두 동일하게 하여 정확한 분배와 배출을 통하여 충분한 열교환으로 열교환 성능을 향상시킨 열교환기를 제공하기 위한 것이다.

도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이 본 발명은 열교환기(H)의 몸체(B) 중앙에 설치된 제1챔버(10)와 그 외주연에 순차적으로 설치된 제2챔버(10')와 제3챔버(10")와 상기 챔버(10)(10')(10")에 각각 제1열교환배관(20),제2열교환배관(20') 및 제3열교환배관(20")이 설치되고 챔버(10)(10')(10")에 물입수공(11),물순환공(12)(13) 및 냉,온수출수공(14)이 설치되며 상기 열교환배관(20)(20')(20")의 상부로 고온가스분배기(21)와 저온가스분배기(22)기 분배되고 하부는 가스배기분배기(23)를 설치되어 구성된다.

상기 본 발명의 챔버(10)(10')(10")는 열교환기(H)의 몸체(B) 중앙에 원기둥의 형태로 제1챔버(10)를 설치하고 그 외주연에 순차적으로 제2챔버(10')와 제3챔버(10")를 설치한다.

상기 챔버(10)(10')(10")에 내부에는 제1열교환배관(20),제2열교환배관(20') 및 제3열교환배관(20")이 나선형으로 상부에서 하부로 삽입설치된다.

상기 제1챔버(10)의 하단 중앙에는 하부 프레임 캡(C')의 물입수구(40)로부터 공급받은 물을 천공된 물입수공(11)으로 인입시키고 상단 주연부에는 하나 이상의 제1순환공(12)을 천공하여 열교환된 물을 제2챔버(10')로 순환되게 하며 제2챔버(10')의 하단 주연부에 하나 이상의 제2순환공(13)을 천공하여 열교환된 물을 제3챔버(10")로 순환시키고 제3챔버(10")의 열교환된 물은 상단에 천공된 냉,온수출구공(14)을 통하여 상부 프레임 캡(C)의 냉,온수출수구(40')로 배출하여 공급한다.

상기 상부 프레임 캡(C)의 가스인입관(30)으로 공급받은 고온가스 또는 저온가스를 고온가스분배기(21) 또는 저온가스분배기(22)로 통하여 열교환배관(20)(20')(20")의 상부로 분배받아 하부로 순환시키면서 각 챔버(10)(10')(10")로 흘러서 순환[제1챔버(10)의 하부에서 상부로 제2챔버(10')의 상부에서 하부로 제3챔버(10")의 하부에서 상부로 순환]시켜 열교환하고 하부의 가스배기 분배기(23)로 가스를 배출시킨다.

상기와 같이 상기 고온가스분배기(21)와 저온가스분배기(22)는 온수의 공급 시에는 고온가스분배기(21)로 고온의 압축된 가스를 열교환배관(20)(20')(20")으로 공급하고 냉수의 공급 시에는 저온가스분배기(22)로 냉매가스를 열교환배관(20)(20')(20")으로 공급하는 것으로 선택적으로 사용되고 고온가스와 저온가스는 온수 또는 냉수로 열교환 후에는 동일한 가스배기분배기(23)로 배출시킨다.

상기 제1열교환배관(20),제2열교환배관(20') 및 제3열교환배관(20")의 설치는 각 챔버(10)(10')(10")의 상부에서 하부로 나선형 형태의 구조로 배치하고 열교환배관(20)(20')(20")의 관경과 설치길이를 동일하게 한다.

즉,제1열교환배관(20)은 상부에서 하부로 나선형으로 배치될 때 설치하는 지름이 제2열교환배관(20')과 제3열교환배관(20")에 비하여 작으므로 회전수를 많게 하여 설치길이를 동일하게 하고 제2열교환배관(20')도 제1열교환배관(20) 보다는 회전수가 작고 제3열교환배관(20") 보다는 많게 하여 설치길이를 동일하게 하며 제3열교환배관(20")은 제1열교환배관(20)과 제2열교환배관(20')과 동일한 길이가 되게 나선형의 회전수를 맞추어 설치한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

10,10'10': 제1,2,3챔버 11: 물입수공
12: 제1순환공 13: 제3순환공
14: 냉,온수출구공 20,20',20": 제1,2,3열교환배관
21: 고온가스분배기 22: 저온가스분배기
23: 가스배기분배기 30: 가스인입관
30': 가스인출관 40: 물입수구
40': 냉,온수출수구 B: 몸체
C,C': 상,하부 프레임 캡 H: 열교환기

Claims (2)

1. 열교환배관이 설치된 하나 이상의 챔버를 순환방식으로 열교환시키는 열교환기에 있어서,
   상기 열교환기(H)의 몸체(B) 중앙에 제1챔버(10)를 설치하고 그 외주연에 순차적으로 제2챔버(10')와 제3챔버(10")를 설치하되 각 챔버(10)(10')(10")의 내부에 나선형으로 제1열교환배관(20),제2열교환배관(20') 및 제3열교환배관(20")을 설치하고 상기 제1챔버(10)의 하단 중앙에는 물입수공(11)이 천공되며 상단 주연부에 다수개의 제1순환공(12)을 천공하여 제2챔버(10')로 순환되게 하고 제2챔버(10')의 하단 주연부에 다수개의 제2순환공(13)을 천공하여 제3챔버(10")로 순환되게 하며 제3챔버(10")의 상단으로 냉,온수출구공(14)을 통하여 냉,온수를 출수시키고 상기 열교환배관(20)(20')(20")의 상부로 고온가스분배기(21)와 저온가스분배기(22)를 분배시키며 하부의 가스배기분배기(23)를 통하여 가스를 배출시키고 상기 고온가스분배기(21)와 저온가스분배기(22)는 상부 프레임 캡(C)의 가스인입관(30)으로 연결되고 가스배기분배기(23)는 하부 프레임 캡(C')의 가스인출관(30')으로 연결되며 상기 물입수공(11)은 하부 프레임 캡(C')의 물입수구(40)로 연결되고 냉,온수출구공(14)은 상부 프레임 캡(C)의 냉,온수출수구(40')로 연결되게 한 것을 특징으로 하는 다챔버 순환방식을 이용한 열교환기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 열교환기(H)의 챔버(10)(10')(10") 내부에 설치되는 제1열교환배관(20),제2열교환배관(20') 및 제3열교환배관(20")은 동일한 관경으로 제작되고 나선형으로 설치시 높이와 길이 역시 동일하게 설치한 것을 특징으로 하는 다챔버 순환방식을 이용한 열교환기.
   

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