KR20170113501A

KR20170113501A - 관체형 열교환기

Info

Publication number: KR20170113501A
Application number: KR1020170114926A
Authority: KR
Inventors: 박준규; 이수현; 안성준
Original assignee: 주식회사 경동나비엔
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2017-10-12

Abstract

본 발명은 열교환 효율을 향상시킴과 아울러 수압이 높은 환경에서도 변형 및 파손을 방지할 수 있는 관체형 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.
이를 구현하기 위한 본 발명은, 열매체가 유입 및 배출되는 외부 자켓(110); 상기 외부 자켓(110)과의 사이에 열매체의 유로가 형성되도록 상기 외부 자켓(110)의 내측에 결합되고, 버너의 연소가 이루어지는 연소실(120); 상기 연소실(120)에서 발생된 연소가스가 내부를 따라 유동하며 상기 열매체와 열교환되도록 하는 복수의 튜브(140); 및 상기 튜브(140)의 내측에 결합되어 상기 연소가스의 유동에 난류의 발생을 유도하는 터뷸레이터(150);를 포함하되, 상기 터뷸레이터(150)는, 연소가스의 유입측에 구비되는 상부 터뷸레이터(150a)와, 연소가스의 배출측에 구비되는 하부 터뷸레이터(150b)로 이루어지고, 상기 하부 터뷸레이터(150b)는 상기 상부 터뷸레이터(150a)에 비해 상기 튜브(140)의 내측에서 열매체와 접촉하는 면적이 더 크게 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

관체형 열교환기{Tube frame type heat exchanger}

본 발명은 관체형 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열교환 효율을 향상시킴과 아울러 수압이 높은 환경에서도 변형 및 파손을 방지할 수 있는 관체형 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 난방장치는 연료의 연소에 의한 연소가스와 열매체 간에 열교환이 이루어지는 열교환기를 구비함으로써 가열된 열매체를 이용하여 난방을 수행하거나 온수를 공급하게 된다.

열교환기 중 관체형 열교환기는, 버너의 연소에 의해 발생된 연소가스가 내부를 유동하는 복수의 튜브를 구비하고, 튜브의 외측에는 열매체를 유동시켜 연소가스와 열매체 간에 열교환이 이루어지는 구조로 이루어져 있다.

이와 같은 관체형 열교환기와 관련된 선행기술로서, 도 1과 도 2는 유럽 공개특허공보 EP 2508834에 개시된 열교환기, 도 3과 도 4는 유럽 공개특허공보 EP2437022에 개시된 열교환기를 나타낸 것이다.

도 1과 도 2에 도시된 열교환기의 경우, 외부 자켓의 형태가 상부 덮개(10)를 기준으로 아래 방향으로 원추 형상을 가지며, 외부 자켓의 내부에 연소실(4), 상판(2), 상판 하부에 다수의 연관, 그 아래 하판(3)으로 구성된다. 상판(2)과 하판(3) 사이에는 3종류의 격막(5,6,7)이 설치되어 있으며, 상부 격막(5)은 원뿔 형상으로(각도 90˚<β<180˚)되어 있으며 중앙부에 개구부를 가진다. 중간 격막(6)은 외통의 직경보다 작거나 비슷한 평판이며, 하부 격막(7)은 외통과 비슷한 직경을 가지며 중앙에 개구부를 가진 구조로 되어 있다. 상기의 격막에는 규칙적인 분배 구멍이 추가되어 있으며, 이는 단일 원 또는 동심 원의 수로 배열된 구조이다.

상부 덮개(10)에 체결되는 버너의 연소를 통해 발생되는 연소가스가 연소실 (4)에서 1차 열교환 되며, 연소가스의 현열 및 잠열은 다수의 연관을 통해 열교환기 내부의 유체로 전달된다. 열교환기 내부의 유체는 유체 입구(11)를 통해 유입되어 하부 격막(7)의 중앙 개구부를 거쳐 중간 격막(6)의 직경 외부로 흘러들어 가고, 상부 격막(5)의 중앙 개구부로 흐르게 되며 유체 출구(12)로 배출된다.

도 3과 도 4에 도시된 열교환기의 경우, 상기 도 1과 도 2에 도시된 구조와 유사하나, 상판(2)과 하판(3)이 원추의 형상으로 이루어진 구조이다.

상기 도 1 내지 도 4에 도시된 종래 열교환기에 적용된 납작한 형태 및 엠보가 적용된 연관의 경우, 저압용 보일러에는 적용이 가능하지만, 온수기 및 상업용 제품, 대용량 보일러와 같이 사용환경의 압력이 높은 기기에는 연관의 변형 및 파손 발생 가능성이 높아 적용이 불가능한 단점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 적용 소재의 두께를 키워야 하며, 이로 인하여 재료비가 크게 상승하게 된다.

또한, 단위 질량당 체적이 큰 고온의 연소가스가 흐르는 통로인 연관 상부와 열교환 후 저온이 된 연소가스가 흐르는 연관 하부의 연관 구조가 동일하기 때문에 열교환 효율을 높이기 위해 엠보의 적용 수량을 늘릴 경우, 연관 상부에 유동 저항이 크게 발생하게 되며, 이를 해결하기 위해 엠보의 적용 수량을 줄일 경우, 콘덴싱 효과가 발생되는 잠열부의 열교환 효율이 크게 떨어지는 단점이 있다.

잠열부에 엠보 수량을 늘리는 방안은 엠보의 형상 및 사이즈로 인해 일정한 수량 이상으로는 제작이 불가능하며, 설령 적용하더라도 제작 공정이 복잡해져서 제작 비용이 상승하게 된다.

내부의 격막의 경우, 원추형의 외통으로 인해 3종류의 형태가 상이하여 부품 수가 증가하는 단점이 있으며, 특히 상부 격막의 경우 원뿔 형상으로 이루어져 있어 가공 비용이 상승하고, 열교환기의 조립 공정이 난해한 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열교환 효율을 향상시킴과 아울러 수압이 높은 환경에서도 변형 및 파손을 방지할 수 있는 관체형 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 관체형 열교환기(100)는, 열매체가 유입 및 배출되는 외부 자켓(110); 상기 외부 자켓(110)과의 사이에 열매체의 유로가 형성되도록 상기 외부 자켓(110)의 내측에 결합되고, 버너의 연소가 이루어지는 연소실(120); 상기 연소실(120)에서 발생된 연소가스가 내부를 따라 유동하며 상기 열매체와 열교환되도록 하는 복수의 튜브(140); 및 상기 튜브(140)의 내측에 결합되어 상기 연소가스의 유동에 난류의 발생을 유도하는 터뷸레이터(150);를 포함하되, 상기 터뷸레이터(150)는, 연소가스의 유입측에 구비되는 상부 터뷸레이터(150a)와, 연소가스의 배출측에 구비되는 하부 터뷸레이터(150b)로 이루어지고, 상기 하부 터뷸레이터(150b)는 상기 상부 터뷸레이터(150a)에 비해 상기 튜브(140)의 내측에서 열매체와 접촉하는 면적이 더 크게 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 튜브(140)는 상기 연소실(120)에서 발생된 연소가스가 하방향으로 유동하도록 수직 방향으로 설치되되, 원주방향으로 이격되며 방사상으로 배치될 수 있다.

상기 방사상으로 배치된 복수의 튜브(140) 사이의 중앙부에는 복수의 튜브(140)가 추가로 배치될 수 있다.

상기 외부 자켓(110)의 내부에는 열매체의 유동 방향이 반경방향 내측과 외측으로 교대로 전환되도록 열매체의 유동을 안내하기 위한 다단의 격막(160,170,180)이 상하로 이격되어 구비될 수 있다.

상기 복수의 튜브(140)는 상기 다단의 격막(160,170,180)에 삽입되어 지지될 수 있다.

상기 다단의 격막(160,170,180)은, 플레이트 형상의 상부 격막(160)과 중간부 격막(170) 및 하부 격막(180)으로 이루어지되, 상기 상부 격막(160)과 하부 격막(180)은 중앙부에 열매체의 유동을 위한 개구부가 형성되고, 가장자리부는 상기 외부 자켓(110)의 내측면에 접하도록 구비되며, 상기 중간부 격막(170)은 중앙부가 막힌 형상으로 이루어지고, 가장자리부는 상기 외부 자켓(110)의 내측면과 이격되어 그 사이로 열매체가 유동하도록 구비될 수 있다.

상기 연소실(120)의 하단에는 상기 복수의 튜브(140)의 상단부가 삽입되는 상부 튜브시트(130)가 결합되고, 상기 외부 자켓(110)의 하단에는 상기 복수의 튜브(140)의 하단부가 삽입되는 하부 튜브시트(190)가 결합될 수 있다.

상기 터뷸레이터(150)는, 상기 튜브(140)의 내부공간을 양측으로 분할하며 상기 튜브(140)의 길이방향으로 배치된 평면부(151)와, 상기 평면부(151)의 양측면에 길이방향을 따라 이격되어 교대로 경사지게 돌출 형성된 복수의 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 하부 터뷸레이터(150b)에 형성된 복수의 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)이 상하로 이격된 간격(L2)은, 상부 터뷸레이터(150a)에 형성된 복수의 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)이 상하로 이격된 간격(L1)에 비해 보다 조밀한 간격으로 배치될 수 있다.

상기 제1가이드편(152)은 상기 평면부(151)의 일측면에 일측으로 경사지게 배치되고, 상기 제2가이드편(153)은 상기 평면부(151)의 타측면에 타측으로 경사지게 배치되며, 상기 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)으로 유입된 열매체는, 각각 상기 평면부(151)의 반대측면에 인접하게 배치된 제2가이드편(153)과 제1가이드편(152)에 순차로 인계되어 상기 평면부(151)의 양측 공간을 교대로 유동하도록 구성될 수 있다.

상기 제1가이드편(152)의 열매체 유입단은 제1연결편(152a)에 의해 상기 평면부(151)의 일측단에 연결되는 동시에 상기 평면부(151)의 일측단과 제1연결편(152a) 및 제1가이드편(152) 사이에 평면부(151)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지는 제1소통구(152b)가 마련되고, 상기 제2가이드편(153)의 열매체 유입단은 제2연결편(153a)에 의해 상기 평면부(151)의 타측단에 연결되는 동시에 상기 평면부(151)의 타측단과 제2연결편(153a) 및 제2가이드편(153) 사이에 평면부(151)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지는 제2소통구(153b)가 마련될 수 있다.

상기 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)은 상기 평면부(151)의 일부가 절개되어 각각 상기 평면부(151)의 양측으로 절곡되고, 상기 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)의 절개된 부분을 통해 상기 평면부(151)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지도록 구성될 수 있다.

상기 상부 터뷸레이터(150a)와 상기 하부 터뷸레이터(150b)는 일체형으로 이루어질 수 있다.

상기 연소가스의 배출측에 위치하는 튜브(140)의 내측면에는 복수의 돌출부(141)가 형성될 수 있다.

상기 튜브(140)의 내측에는 수압을 지지하기 위한 지지부(142)가 추가로 구비될 수 있다.

상기 지지부(142)는 상기 튜브(140)의 내측면에 양단이 고정되는 지지대로 이루어질 수 있다.

상기 지지부(142)는 상기 튜브(140)의 대응되는 양측면에서 튜브(140)의 내측을 향하여 돌출 형성된 엠보로 이루어질 수 있다.

상기 외부 자켓(110)은 원통 형상으로 구성될 수 있다.

상기 튜브(140)는 납작한 형상으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 관체형 열교환기에 의하면, 잠열 열교환부에 구비되는 하부 터뷸레이터가 튜브의 내측에서 열매체와 접촉하는 면적을, 현열 열교환부에 구비되는 상부 터뷸레이터가 튜브의 내측에서 열매체와 접촉하는 면적에 비해 더 크게 형성함으로써, 연소가스가 유입되는 현열 열교환부에서는 연소가스의 유동저항을 줄이고, 잠열 열교환부에서는 잠열의 회수 효율을 높임으로써 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

또한 튜브의 내측에 터뷸레이터와 지지부를 구비함으로써 열교환 효율을 향상시킴과 아울러 수압이 높은 환경에서도 튜브의 변형 및 파손을 방지할 수 있어, 보일러나 온수기 외에도 다양한 용도의 연소기기에 적용이 가능하다.

또한 현열 열교환부와 잠열 열교환부를 일체형 구조로 형성함으로써, 열교환기의 구조를 단순화 할 수 있고, 부품 간의 용접부위를 줄일 수 있으며, 튜브를 납작한 형태로 구성함으로써 소형화 된 고효율의 열교환기를 구현할 수 있다.

또한 열매체의 유로 상에 다단 구조의 격막을 배치하여 열매체의 유동방향을 전환시킴으써, 열매체의 유동 경로가 길어져 열교환 효율을 향상시킴과 아울러 열매체의 유속을 증가시켜 열매체의 정체시 초래될 수 있는 국부적인 과열 및 이로 인해 열매체 내에 포함된 이물질이 고형화 및 침적됨으로써 유발되는 비등 소음 발생 및 열효율 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 종래 관체형 열교환기의 일실시예를 나타낸 단면 사시도,
도 2는 도 1의 단면도,
도 3은 종래 관체형 열교환기의 다른 실시예를 나타낸 단면 사시도,
도 4는 도 3의 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 관체형 열교환기의 외관 사시도,
도 6과 도 7은 본 발명에 따른 관체형 열교환기의 분해 사시도,
도 8은 도 5의 평면도,
도 9는 도 8의 A-A선을 따르는 단면 사시도,
도 10은 도 8의 A-A선을 따르는 단면도,
도 11은 터뷸레이터의 (a) 정면도와 (b) 연소가스의 흐름을 나타낸 사시도,
도 12는 연소가스의 배출구 측의 튜브 형상을 나타낸 단면도,
도 13은 튜브의 지지구조의 다양한 실시예들을 나타낸 단면도.

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

도 5 내지 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 관체형 열교환기(100)는, 열매체가 유입 및 배출되는 외부 자켓(110), 상기 외부 자켓(110)과의 사이에 열매체의 유로가 형성되도록 상기 외부 자켓(110)의 내측에 결합되고, 버너의 연소가 이루어지는 연소실(120), 상기 연소실(120)에서 발생된 연소가스가 내부를 따라 유동하며 상기 열매체와 열교환되도록 하는 납작한 형상으로 이루어진 복수의 튜브(140), 및 상기 튜브(140)의 내측에 결합되어 상기 연소가스의 유동에 난류의 발생을 유도하는 터뷸레이터(150)를 포함하여 구성된다.

상기 터뷸레이터(150)는, 연소가스의 유입측에 구비되는 상부 터뷸레이터(150a)와, 연소가스의 배출측에 구비되는 하부 터뷸레이터(150b)로 이루어지고, 상기 하부 터뷸레이터(150b)는 상기 상부 터뷸레이터(150a)에 비해 상기 튜브(140)의 내측에서 열매체와 접촉하는 면적이 더 크게 형성된다.

그리고, 상기 연소실(120)의 하단에는 상기 복수의 튜브(140)의 상단부가 삽입되는 상부 튜브시트(130)가 결합되고, 상기 튜브(140)의 외측면에는 열매체의 유동 방향이 반경방향 내측과 외측으로 교대로 전환되도록 열매체의 유동을 안내하기 위한 다단의 격막(160,170,180)이 상하로 이격되어 구비되며, 상기 외부 자켓(110)의 하단에는 상기 복수의 튜브(140)의 하단부가 삽입되는 하부 튜브시트(190)가 결합된다.

상기 복수의 튜브(140)는 상기 연소실(120)에서 발생된 연소가스가 하방향으로 유동하도록 수직 방향으로 설치되되, 원주방향으로 이격되며 방사상으로 배치되고, 상기 방사상으로 배치된 복수의 튜브(140) 사이의 중앙부에는 복수의 튜브(140)가 추가로 배치될 수 있다.

상기 외부 자켓(110)은 상부와 하부가 개방된 원통형으로 이루어지고, 하부 일측에는 열매체 유입구(111)가 연결되고, 상부 일측에는 열매체 배출구(112)가 연결된다. 외부 자켓(110)이 원통형으로 구성됨에 따라 내압 성능을 높일 수 있다.

상기 연소실(120)은 상부와 하부가 개방된 원통형의 연소실 몸체(121)와, 상기 연소실 몸체(121)의 상단에 형성되어 외부 자켓(110)의 상단에 안착되는 플랜지부(122)로 구성된다. 상기 연소실 몸체(121)는 외부 자켓(110)의 내측면에서 내측으로 이격되도록 배치되어, 연소실 몸체(121)와 외부 자켓(110) 사이에는 열매체가 유동하는 물집 구조의 공간(S4)이 마련된다.

도 7을 참조하면, 상기 상부 튜브시트(130)는 연소실(120)의 하부를 밀폐하고, 튜브(140)의 상단부가 삽입되어 결합되는 복수의 튜브 삽입구(131,132)가 형성되어 있다.

상기 다단의 격막(160,170,180)은, 튜브(140)의 외측면에 상하로 이격되어 결합됨으로써, 열매체의 유로를 전환시킴과 아울러 튜브(140)를 지지하게 된다.

상기 다단의 격막(160,170,180)은, 플레이트 형상의 상부 격막(160)과 중간부 격막(170) 및 하부 격막(180)으로 구성될 수 있다.

상기 상부 격막(160)에는 튜브 삽입구(161)가 방사상으로 형성되고, 상부 격막(160)의 중앙부에는 튜브(140)가 관통됨과 아울러 열매체의 유동을 위한 개구부(162)가 형성되며, 상부 격막(160)의 가장자리부는 상기 외부 자켓(110)의 내측면에 접하도록 구비된다.

상기 중간부 격막(170)에는 복수의 튜브 삽입구(171,172)가 형성되고, 상기 튜브 삽입구(171,172)가 형성되지 않은 영역은 막힌 형상으로 이루어지며, 중간부 격막(170)의 가장자리부는 상기 외부 자켓(110)의 내측면과 이격되어 그 사이 공간(G)에 열매체의 유동 통로가 마련된다.

상기 하부 격막(180)은 상기 상부 격막(160)과 동일한 구조로 이루어져, 튜브 삽입구(181)가 방사상으로 형성되고, 하부 격막(180)의 중앙부에는 튜브(140)가 관통됨과 아울러 열매체의 유동을 위한 개구부(182)가 형성되며, 하부 격막(180)의 가장자리부는 상기 외부 자켓(110)의 내측면에 접하도록 구비된다.

상기 하부 튜브시트(190)는 외부 자켓(110)의 하부를 밀폐하며, 튜브(140)의 하단부가 삽입되는 복수의 튜브 삽입구(191,192)가 형성되어 있다.

도 9와 도 10을 참조하면, 본 발명의 관체형 열교환기(100)는, 연소실(120)에서 발생하는 연소 현열과 열매체 간에 열교환이 이루어지는 현열 열교환부(100a)와, 상기 현열 열교환부(100a)를 통과한 연소가스의 잠열과 열매체 간에 열교환이 이루어지는 잠열 열교환부(100b)가 일체형으로 구성되어 있다.

상기 연소실(120)에서 발생된 연소가스는 튜브(140)의 내부 공간을 따라 하방향으로 유동하게 되다.

도 10에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 열매체 유입구(111)를 통해 외부 자켓(110)의 내부의 제1공간(S1)으로 유입된 열매체는, 복수의 튜브(140) 사이를 경유한 후, 하부 격막(180)에 형성된 개구부(182)를 통과하여 그 상측에 마련된 제2공간(S2)의 중앙부로 유동한다. 제2공간(S2)에서 외측방향으로 유동한 열매체는 중간부 격막(170)과 외부 자켓(110) 사이의 이격된 공간(G)을 통과하여 그 상측에 마련된 제3공간(S3)으로 유동한다. 제3공간(S3)에서 내측방향으로 유동한 열매체는 상부 격막(160)의 중앙에 형성된 개구부(162)를 통과하여 연소실 몸체(121)와 외부 자켓(110) 사이에 마련된 제4공간(S4)을 경유한 후에 열매체 배출구(112)를 통해 배출된다.

이와 같이 열매체의 유동방향이 반경방향 내측과 외측으로 교대로 전환됨에 따라 열매체의 유동 경로가 길어져 열교환 효율이 향상되고, 열매체의 유속을 증가시켜 열매체의 정체시 초래될 수 있는 국부적인 과열로 인한 비등 현상을 방지할 수 있다.

이하, 도 11을 참조하여, 상기 터뷸레이터(150)의 구성 및 작용을 설명한다.

상기 터뷸레이터(150)는, 튜브(140)의 내부공간을 양측으로 분할하며 상기 튜브(140)의 길이방향으로 배치된 평면부(151)와, 상기 평면부(151)의 양측면에 길이방향을 따라 이격되어 교대로 경사지게 돌출 형성된 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 제1가이드편(152)은 상기 평면부(151)의 일측면에 일측으로 경사지게 배치되고, 상기 제2가이드편(153)은 상기 평면부(151)의 타측면에 타측으로 경사지게 배치된다. 따라서, 상기 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)으로 유입된 열매체는, 각각 상기 평면부(151)의 반대측면에 인접하게 배치된 제2가이드편(153)과 제1가이드편(152)에 순차로 인계되어 상기 평면부(151)의 양측 공간을 교대로 유동하게 된다.

상기 제1가이드편(152)의 열매체 유입단은 제1연결편(152a)에 의해 상기 평면부(151)의 일측단에 연결되는 동시에 상기 평면부(151)의 일측단과 제1연결편(152a) 및 제1가이드편(152) 사이에 평면부(151)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지는 제1소통구(152b)가 마련된다.

상기 제2가이드편(153)의 열매체 유입단은 제2연결편(153a)에 의해 상기 평면부(151)의 타측단에 연결되는 동시에 상기 평면부(151)의 타측단과 제2연결편(153a) 및 제2가이드편(153) 사이에 평면부(151)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지는 제2소통구(153b)가 마련된다.

상기 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)은 상기 평면부(151)의 일부가 절개되어 각각 상기 평면부(151)의 양측으로 절곡되고, 상기 평면부(151)의 절개된 부분을 통해 상기 평면부(151)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지도록 구성될 수 있다.

또한 상기 평면부(151)에는 튜브(140)의 내측면에 맞닿도록 용접부(154,155)가 양측으로 돌출 형성되어, 상기 용접부(154,155)와 튜브(140)의 내측면 간에 용접 결합되는 것으로 구성될 수 있다. 따라서, 터뷸레이터(150)와 튜브(140) 간의 용접부위의 면적과 개소를 줄일 수 있다.

이와 같은 터뷸레이터(150)의 구성에 의하면, 도 11의 (b)에 화살표로 도시된 바와 같이 연소가스는 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)에 의해 튜브(110)의 내부 공간에서 일측과 타측으로 유동 방향이 계속 변화되어 난류 흐름이 촉진되므로 연소가스와 열매체 간의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 연소가스가 현열 열교환부(100a)와 잠열 열교환부(100b)를 순차로 통과하는 과정에서 연소가스는 열매체와의 열교환에 의해 온도가 점차 낮아지게 된다. 따라서, 연소가스가 유입되는 현열 열교환부(100a)에서는 연소가스의 온도가 높아 부피가 팽창하고, 연소가스가 배출되는 잠열 열교환부(100b)에서는 연소가스의 온도가 낮아져 부피가 줄어들게 된다.

따라서, 열교환 효율을 향상시키기 위해서는, 상기 현열 열교환부(100a)를 통과하는 연소가스의 유로 면적을 크게 구성하여 연소가스의 유동저항을 줄이고, 잠열 열교환부(100b)에서는 연소가스의 유로 면적을 상대적으로 작게 구성함이 바람직하다.

이를 위한 구성으로, 상기 터뷸레이터(150)는, 연소가스의 유입측에 구비되는 상부 터뷸레이터(150a)와, 연소가스의 배출측에 구비되는 하부 터뷸레이터(150b)가 일체형 구조로 이루어지되, 하부 터뷸레이터(150b)와 튜브(140)의 내측면 사이의 유로 면적은, 상부 터뷸레이터(150a)와 튜브(140)의 내측면 사이의 유로 면적보다 작게 형성되도록 하부 터뷸레이터(150b)는 상부 터뷸레이터(150a)에 비해 상기 튜브(140)의 내측에서 열매체와 접촉하는 면적이 더 크게 형성될 수 있다.

일실시예로, 도 11에 도시된 바와 같이 하부 터뷸레이터(150b)에 형성된 복수의 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)이 상하로 이격된 간격(L2)은, 상부 터뷸레이터(150a)에 형성된 복수의 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)이 상하로 이격된 간격(L1)에 비해 보다 조밀한 간격으로 배치되도록 구성할 수 있다.

이 경우, 상기 터뷸레이터(150)에 형성된 복수의 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)의 상하로 이격된 간격은 연소가스의 유입측에서 연소가스의 배출측으로 갈수록 이격되는 간격이 점차 좁아지도록 형성될 수 있다.

다른 실시예로, 도 12에 도시된 바와 같이 상기 연소가스의 배출측에 위치하는 튜브(140)의 내측면에는 복수의 돌출부(141)가 형성되도록 구성하여 연소가스의 배출측의 유로 면적을 줄일 수 있다.

도 13을 참조하면, 튜브(140)의 내측에는 열매체의 수압을 지지하기 위한 지지부(142;142a,142b,142c)가 추가로 구비될 수 있다.

상기 지지부(142)는 도 13의 (a)에 도시된 바와 같이 양단이 튜브(140)의 내측면에 고정되는 일자형 지지대(142a), 도 13의 (b)와 (c)에 도시된 바와 같이 양단이 절곡되어 튜브(140)의 내측면에 고정되는 지지대(142b)로 구성할 수 있다.

도 13의 (a)와 (b)에 도시된 구조의 경우, 튜브(140)의 제작시 지지대(142a,142b)의 일측단은 튜브(140)가 형성될 모재에 용접하고, 모재를 튜브(140)의 형상으로 말아 가공한 후에 모재의 양측 끝단부와 지지대(142a,142b)의 타측단을 각각 용접하고, 지지대(142a,142b)의 양측으로 터뷸레이터(150)를 각각 삽입하여 결합하게 된다.

도 13의 (c)에 도시된 구조의 경우, 튜브(140)의 제작시 지지대(142b)와 터뷸레이터(150)를 먼저 결합하고, 지지대(142b)와 터뷸레이터(150)의 결합체를 튜브(140)의 내측에 압입하여 결합할 수 있다.

다른 실시예로, 상기 지지부(142)는 도 13의 (d)에 도시된 바와 같이, 튜브(140)의 대응되는 양측면에서 튜브(140)의 내측을 향하여 돌출 형성된 엠보(142c)로 구성할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 튜브(140)의 외부에서 높은 수압이 작용하는 경우 상기 대응되는 위치에 형성된 엠보(142c)가 맞닿게 되어 튜브(140)의 변형을 방지할 수 있다.

이와 같이 튜브(140)의 내측에 지지부(142)가 결합됨에 따라 튜브(140)의 외측면에 열매체의 수압이 크게 작용하는 경우에도 튜브(140)의 변형을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 지지부(142)와 결합된 튜브(140)는 보일러나 온수기 외에도 다양한 용도의 연소기기에 적용이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구되는 본 발명의 기술적 사상에 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 자명한 변형실시가 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.

100 : 열교환기 100a : 현열 열교환부
100b : 잠열 열교환부 110 : 외부 자켓
111 : 열매체 유입구 112 : 열매체 배출구
120 : 연소실 121 : 연소실 몸체
122 : 플랜지부 130 : 상부 튜브시트
131,132 : 튜브 삽입구 140 : 튜브
141 : 돌출부 142 : 지지부
150 : 터뷸레이터 150a : 상부 터뷸레이터
150b : 하부 터뷸레이터 151 : 평면부
152 : 제1가이드편 152a : 제1연결편
152b : 제1소통구 153 : 제2가이드편
153a : 제2연결편 153b : 제2소통구
154,155 : 용접부 160 : 상부 격막
161 : 튜브 삽입구 162 : 개구부
170 : 중간부 격막 171,172 : 튜브 삽입구
180 : 하부 격막 181 : 튜브 삽입구
182 : 개구부 190 : 하부 튜브시트
191,192 : 튜브 삽입구

Claims

열매체가 유입 및 배출되는 외부 자켓(110);
상기 외부 자켓(110)과의 사이에 열매체의 유로가 형성되도록 상기 외부 자켓(110)의 내측에 결합되고, 버너의 연소가 이루어지는 연소실(120);
상기 연소실(120)에서 발생된 연소가스가 내부를 따라 유동하며 상기 열매체와 열교환되도록 하는 복수의 튜브(140); 및
상기 튜브(140)의 내측에 결합되어 상기 연소가스의 유동에 난류의 발생을 유도하는 터뷸레이터(150);를 포함하되,
상기 터뷸레이터(150)는, 연소가스의 유입측에 구비되는 상부 터뷸레이터(150a)와, 연소가스의 배출측에 구비되는 하부 터뷸레이터(150b)로 이루어지고,
상기 하부 터뷸레이터(150b)는 상기 상부 터뷸레이터(150a)에 비해 상기 튜브(140)의 내측에서 열매체와 접촉하는 면적이 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 튜브(140)는 상기 연소실(120)에서 발생된 연소가스가 하방향으로 유동하도록 수직 방향으로 설치되되, 원주방향으로 이격되며 방사상으로 배치된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제2항에 있어서,
상기 방사상으로 배치된 복수의 튜브(140) 사이의 중앙부에는 복수의 튜브(140)가 추가로 배치된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 외부 자켓(110)의 내부에는 열매체의 유동 방향이 반경방향 내측과 외측으로 교대로 전환되도록 열매체의 유동을 안내하기 위한 다단의 격막(160,170,180)이 상하로 이격되어 구비된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제4항에 있어서,
상기 복수의 튜브(140)는 상기 다단의 격막(160,170,180)에 삽입되어 지지되는 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제4항에 있어서,
상기 다단의 격막(160,170,180)은, 플레이트 형상의 상부 격막(160)과 중간부 격막(170) 및 하부 격막(180)으로 이루어지되,
상기 상부 격막(160)과 하부 격막(180)은 중앙부에 열매체의 유동을 위한 개구부가 형성되고, 가장자리부는 상기 외부 자켓(110)의 내측면에 접하도록 구비되며,
상기 중간부 격막(170)은 중앙부가 막힌 형상으로 이루어지고, 가장자리부는 상기 외부 자켓(110)의 내측면과 이격되어 그 사이로 열매체가 유동하도록 구비된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제4항에 있어서,
상기 연소실(120)의 하단에는 상기 복수의 튜브(140)의 상단부가 삽입되는 상부 튜브시트(130)가 결합되고,
상기 외부 자켓(110)의 하단에는 상기 복수의 튜브(140)의 하단부가 삽입되는 하부 튜브시트(190)가 결합된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 터뷸레이터(150)는, 상기 튜브(140)의 내부공간을 양측으로 분할하며 상기 튜브(140)의 길이방향으로 배치된 평면부(151)와, 상기 평면부(151)의 양측면에 길이방향을 따라 이격되어 교대로 경사지게 돌출 형성된 복수의 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제8항에 있어서,
상기 하부 터뷸레이터(150b)에 형성된 복수의 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)이 상하로 이격된 간격(L2)은, 상부 터뷸레이터(150a)에 형성된 복수의 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)이 상하로 이격된 간격(L1)에 비해 보다 조밀한 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제8항에 있어서,
상기 제1가이드편(152)은 상기 평면부(151)의 일측면에 일측으로 경사지게 배치되고,
상기 제2가이드편(153)은 상기 평면부(151)의 타측면에 타측으로 경사지게 배치되며,
상기 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)으로 유입된 열매체는, 각각 상기 평면부(151)의 반대측면에 인접하게 배치된 제2가이드편(153)과 제1가이드편(152)에 순차로 인계되어 상기 평면부(151)의 양측 공간을 교대로 유동하는 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제10항에 있어서,
상기 제1가이드편(152)의 열매체 유입단은 제1연결편(152a)에 의해 상기 평면부(151)의 일측단에 연결되는 동시에 상기 평면부(151)의 일측단과 제1연결편(152a) 및 제1가이드편(152) 사이에 평면부(151)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지는 제1소통구(152b)가 마련되고,
상기 제2가이드편(153)의 열매체 유입단은 제2연결편(153a)에 의해 상기 평면부(151)의 타측단에 연결되는 동시에 상기 평면부(151)의 타측단과 제2연결편(153a) 및 제2가이드편(153) 사이에 평면부(151)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지는 제2소통구(153b)가 마련된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제8항에 있어서,
상기 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)은 상기 평면부(151)의 일부가 절개되어 각각 상기 평면부(151)의 양측으로 절곡되고, 상기 제1가이드편(152)과 제2가이드편(153)의 절개된 부분을 통해 상기 평면부(151)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지는 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 상부 터뷸레이터(150a)와 상기 하부 터뷸레이터(150b)는 일체형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 연소가스의 배출측에 위치하는 튜브(140)의 내측면에는 복수의 돌출부(141)가 형성된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 튜브(140)의 내측에는 수압을 지지하기 위한 지지부(142)가 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제15항에 있어서,
상기 지지부(142)는 상기 튜브(140)의 내측면에 양단이 고정되는 지지대로 이루어진 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제15항에 있어서,
상기 지지부(142)는 상기 튜브(140)의 대응되는 양측면에서 튜브(140)의 내측을 향하여 돌출 형성된 엠보로 이루어진 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 외부 자켓(110)은 원통 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 튜브(140)는 납작한 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기.