WO2017135729A1 - 열교환기 - Google Patents

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WO2017135729A1
WO2017135729A1 PCT/KR2017/001185 KR2017001185W WO2017135729A1 WO 2017135729 A1 WO2017135729 A1 WO 2017135729A1 KR 2017001185 W KR2017001185 W KR 2017001185W WO 2017135729 A1 WO2017135729 A1 WO 2017135729A1
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WO
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heat medium
flow path
heat
heat exchanger
plate
Prior art date
Application number
PCT/KR2017/001185
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English (en)
French (fr)
Inventor
정인철
배중열
Original Assignee
주식회사 경동나비엔
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Publication date
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Priority to US16/072,370 priority patent/US10876762B2/en
Priority to JP2018536147A priority patent/JP6773792B2/ja
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    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0024—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for combustion apparatus, e.g. for boilers

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger, and more particularly, to a heat exchanger having improved heat exchange efficiency by allowing a uniform flow rate of a heat medium passing through a heat medium flow path formed in multiple layers between a plurality of plates.
  • a boiler used for heating or hot water is a device that heats heating water or direct water (hereinafter referred to as 'heat medium') by a heat source to heat a desired area or to supply hot water.
  • a burner that burns a gas and air mixer.
  • a heat exchanger for transferring the heat of combustion of the combustion gas to the heat medium.
  • Patent No. 10-0813807 discloses a heat exchanger composed of a heat exchanger pipe in which a burner is positioned at the center and wound in a coil form around the burner.
  • the heat exchanger introduced in the prior art document has a problem that the tube is deformed into a round shape when the tube is formed into a flat shape and the pressure is applied to the heat transfer medium, and the thickness is increased because the tube is rolled up and manufactured. .
  • the conventional heat exchanger has a structure in which the heat exchange tube is wound around the combustion chamber in the form of a coil, so that the heat exchange between the combustion gas and the heat medium takes place only in the local space around the heat exchanger in the form of a coil, thereby ensuring a wide heat transfer area.
  • a plate heat exchanger in which a plurality of plates are stacked to form a heat medium flow path and a combustion gas flow path therein, so that heat exchange is performed between the heat medium and the combustion gas.
  • the prior art associated with the plate heat exchanger is shown in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-214628.
  • the heat medium in the process of distributing and heating the heat medium into the heat medium flow path formed of a plurality of layers, the heat medium converts the flow direction from the horizontal direction to the vertical direction, The flow rate may be unevenly distributed by the inertia and pressure of the heat medium.
  • the present invention has been made to solve the above problems, to provide a heat exchanger that can improve the heat exchange efficiency by allowing the flow rate of the heat medium passing through the heat medium flow path formed in multiple layers between the plurality of plates to be uniformly distributed. Has its purpose.
  • the heat exchanger of the present invention for realizing the object as described above is formed in the space between the pair of plates facing each other, the heat medium flow path (P1) flows the heat medium;
  • a combustion gas flow path (P2) formed outside the heat medium flow path (P1) and flowing with combustion gas combusted by a burner;
  • Heat medium with openings 123 ', 153' and blocking portions 123 ", 153" formed at an inlet portion through which the heat medium flows into the heat medium flow path P1 or an outlet portion through which the heat medium flows out from the heat medium flow path P1.
  • Dispersion units 123 and 153 are provided.
  • a heat medium is formed in multiple layers between a plurality of plates by providing a heat medium dispersion portion having an opening portion and a blocking portion at an inlet portion in which the heat medium flows into the heat medium flow path or an outlet portion at which the heat medium flows out from the heat medium flow path. Since the flow rate of the heat medium passing through the heat medium flow path can be uniformly distributed, the heat exchange efficiency can be improved.
  • the heat medium can be smoothly circulated to minimize the pressure drop of the heat medium and prevent local overheating, thereby improving heat exchange efficiency.
  • FIG. 1 is a perspective view of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a front view of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an enlarged perspective view of a part of the unit plate shown in FIG. 3;
  • FIG. 5 is a perspective view showing the flow path of the heat medium
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG.
  • FIG. 7 is a partially exploded perspective view illustrating a combustion gas passage formed in a lower portion of a heat exchanger
  • FIG. 8 is a cross-sectional perspective view taken along the line B-B of FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line C-C of FIG. 2 for explaining the action of the heat medium distribution part;
  • FIG. 11 is a cross-sectional perspective view taken along the line D-D of FIG.
  • FIG. 12 is a cross-sectional perspective view taken along the line E-E of FIG.
  • heat exchanger 100 heat exchanger
  • first projection 122 second projection
  • blocking part 124 first heat medium distribution part
  • A1 first opening
  • A2 second opening
  • H1 ⁇ H4 Through hole H1 ', H3': First blocking portion
  • H2 ', H4' Second blockage part P1: Heat medium flow path
  • a heat exchanger 1 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of circumferences of a combustion chamber C in which combustion heat and combustion gas are generated by combustion of a burner (not shown).
  • the plate is made of a heat exchanger 100 is made of a stack.
  • the heat exchange part 100 may be configured in which a plurality of plates are vertically upright and stacked from the front to the rear, and a plurality of heat exchange parts 100 -A, 100 -B, and 100-C are stacked. . Therefore, a burner may be inserted into the combustion chamber C in a horizontal direction from the front, thereby assembling and detaching the burner and maintaining convenience of maintenance of the heat exchanger 1.
  • the plurality of plates, the first to 12th unit plate (100-1,100-2,100-3,100-4,100-5,100-6,100-7,100-8,100-9,100-10,100-11,100-12), Each unit plate is located in front of the first plate (100a-1,100a-2,100a-3,100a-4,100a-5,100a-6,100a-7,100a-8,100a-9,100a-10,100a-11,100a-12)
  • second plates (100b-1,100b-2,100b-3,100b-4,100b-5,100b-6,100b-7,100b-8,100b-9,100b-10,100b-11,100b-12) respectively stacked on the rear side thereof.
  • a heat medium flow path (P1) through which the heat medium flows, and the second plate constituting the unit plate located on one side of the unit plates stacked adjacently;
  • the combustion gas flow path P2 through which the combustion gas flows is formed between the first plates of the unit plates located on the other side.
  • the heat medium flow path P1 and the combustion gas flow path P2 are alternately formed adjacent to each other between the plurality of plates, and heat exchange is performed between the heat medium and the combustion gas.
  • the first plate may include a first section 110 having a first opening A1 formed at the center thereof, and a partial section in the circumferential direction from the first planar section 110.
  • the protrusion 120 is formed to communicate with each other and is formed to be convex forward, and the first flange portion 130 extending rearward from the edge of the first flat portion 110.
  • the second plate may include a second opening portion A2 corresponding to the first opening portion A1 in the front-rear direction and formed in the center thereof and in contact with the first flat portion 110. And a recess 150 in which some sections communicate in the circumferential direction from the second flat portion 140 and are formed convex rearward to form the heat medium flow path P1 between the protrusions 120 and the first portion. It consists of a second flange portion 160 that is coupled to the first flange portion 130 of the unit plate adjacent to extend in the rear from the edge of the two flat portion 140.
  • FIGS. 3 and 5 show the flow direction of the heat medium.
  • the heat exchange part 100 is formed of a plurality of stacked structures, and in one embodiment, the first heat exchange part 100 -A, the second heat exchange part 100 -B, and the third heat exchange part. It may consist of (100-C).
  • the heat medium flow path P1 in the plurality of heat exchange parts 100 -A, 100 -B, and 100-C is configured such that the flow direction of the heat medium is formed in only one direction. That is, between the heat exchange parts stacked adjacent to each other among the plurality of heat exchange parts 100 -A, 100 -B, and 100-C, the flow direction of the heat medium is formed in one direction, but in opposite directions (clockwise and counterclockwise). It is formed in series.
  • the heat medium flow paths P2 are formed in parallel in the plurality of unit plates constituting the heat exchange parts 100 -A, 100 -B, and 100 -C.
  • a first through hole H1 and a second through hole H2 are formed adjacent to an upper side of the first plate, and the first side of the second plate is adjacent to the first plate.
  • a third through hole H3 corresponding to the first through hole H1 and a fourth through hole H4 corresponding to the second through hole H2 are formed.
  • the first block portion H1 ′ is formed at a position corresponding to the first through hole H1 at the upper one side of the first plate 100a-1 located at the forefront, and the second through hole H2 is formed.
  • the heat medium outlet 101 is formed at the position corresponding to
  • a heat medium inlet 101 is formed at a position corresponding to the third through hole H3, and the fourth through hole H4.
  • the fourth blocking portion H4 ' is formed at the corresponding position.
  • a fourth blocking portion H4 ′ is formed at a position corresponding to the fourth through hole H4 in the second plate 100b-4 of the fourth unit plate 100-4, and the fifth unit plate (
  • the second block portion H2 ′ is formed at a position corresponding to the second through hole H2 in the first plate 100a-5 of 100-5, and the second portion of the eighth unit plate 100-8 is formed.
  • the third block portion H3 ′ is formed at a position corresponding to the third through hole H3 in the plate 100b-8, and is formed on the first plate 100a-9 of the ninth plate 100-9.
  • the first blocking portion H1 ' is formed at a position corresponding to the first through hole H1.
  • the heat medium flow path P1 of the 12th unit plate 100-12 is provided.
  • the introduced heat medium flows forward through the first through fourth through holes H1, H2, H3, and H4 formed in the twelfth through ninth unit plates 100-12, 100-11, 100-10, and 100-9.
  • the first blocking portion H1 ' is formed on the first plate 100a-9 of the ninth unit plate 100-9, so that the twelfth to ninth unit plates 100-12,100-11,100-10,100-9 are formed.
  • the heat medium flows clockwise.
  • the second through hole H2 formed in the first plate 100a-9 of the ninth unit plate 100-9 and the second plate 100b-8 of the eighth unit plate 100-8 are formed.
  • the heat medium flowing into the heat medium flow path P1 of the eighth unit plate 100-8 through the fourth through hole H4 is formed in the eighth to fifth unit plates 100-8,100-7,100-6,100-5.
  • the first through fourth through holes (H1, H2, H3, H4) to flow forward, and at the same time the second block portion (1) in the first plate (100a-5) of the fifth unit plate (100-5) H2 ') is formed so that the heat medium flows counterclockwise in the heat medium flow path P1 inside the eighth to fifth unit plates 100-8,100-7,100-6,100-5.
  • the first through hole H1 formed in the first plate 100a-5 of the fifth unit plate 100-5 and the second plate 100b-4 of the fourth unit plate 100-4 are formed.
  • the heat medium flowing into the heat medium flow path P1 of the fourth unit plate 100-4 through the third through hole H3 is formed in the fourth to first unit plates 100-4, 100-3, 100-2, and 100-1.
  • the heat medium consists of the heat medium flow path P1 and the first to fourth through holes H1, H2, H3, and H4 so that the heat medium flows in one direction.
  • the circulation of the heat medium flowing along the circumference of the combustion chamber C is smoothly performed, thereby minimizing the pressure drop of the heat medium and preventing local overheating, thereby improving thermal efficiency.
  • the capacity of the heat exchanger by increasing the capacity of the heat exchanger, by adjusting the number of parallel flow paths in each of the heat exchange parts 100 -A, 100 -B, and 100-C, the capacity can be increased without the pressure drop of the heat medium.
  • the combustion gas generated by the combustion of the burner in the combustion chamber C is discharged downward through the lower portion of the heat exchange unit 100.
  • the combustion gas is configured to uniformly discharge the gas through the plurality of combustion gas flow path (P2), when the first plate and the second plate, the first flange portion 130 and the second plate of the first plate A portion of the second flange portion 160 of the combustion gas passage part D through which the combustion gas flowing through the combustion gas flow path P2 is discharged to a part of the edges of the first plate and the second plate. ) Is formed.
  • a plurality of first cutouts 131 are formed at the combustion gas discharge side of the first flange 130, and a plurality of second cutouts 161 are formed at the combustion gas discharge side of the second flange 160.
  • the combustion gas passing part D is formed in a partial region of the first cutout 131 and the second cutout 161.
  • the combustion gas passing part (D) is formed in a plurality of spaced apart at regular intervals in the transverse direction and the longitudinal direction below the heat exchange unit 100, whereby the combustion gas passing through the heat exchange unit 100 is lower than the heat exchange unit (100) It can be dispensed by a uniform flow rate over the entire area of the, thereby reducing the flow resistance of the discharged combustion gas and serves to prevent noise and vibration.
  • a section in which the flow direction of the heat medium is switched in the plurality of heat exchange parts 100 -A, 100 -B, and 100 -C that is, the second heat exchange part 100 -B in the third heat exchange part 100 -C
  • the heat medium flow path formed in each heat exchange section (100-A, 100-B, 100-C) The flow rate of the heat medium flowing in (P1) tends to be unevenly distributed by inertia and pressure.
  • the heat medium from the inlet or the heat medium flow path (P1) in which the heat medium flows into the heat medium flow path (P1) The outflowing portion that flows out is provided with heat dispersing portions 123 and 153 having open portions 123 'and 153' and blocking portions 123 "and 153".
  • the heating medium dispersion parts 123 and 153 are provided in plurality in spaced apart directions in the flow direction of the heating medium, and the opening parts 123 'and 153' and the blocking parts 123 "and 153" are disposed between adjacent heating medium dispersion parts 123 and 153. ) Are provided to cross each other along the flow direction of the heat medium.
  • the heat medium dispersion parts 123 and 153 are alternately formed with the opening parts 123 'and 153' and the blocking parts 123 "and 153" along the circumferential direction.
  • the heat medium passing through the first open part 123 ′ formed in the first heat medium dispersion part 123 is located at the second side of the second heat medium dispersion part 153 located behind the heat medium.
  • the heat medium hit by the blocking part 153 ′′ and passed through the second opening part 153 ′′ formed in the second heat medium dispersing part 153 is located at the first of the first heat medium dispersing part 123 located behind it.
  • the impingement is impinged upon the blocking portion 123 ′′, and by this dispersing action, the inertia of the heat medium can be alleviated to uniformly control the flow rate of the heat medium flowing into the heat medium flow path P1 of each layer.
  • the heat medium so that the flow path is narrowly formed in the portion in which the flow direction of the heat medium is switched in the heat medium flow path P1.
  • Distributors 124 and 154 are provided.
  • the heat medium distributing parts 124 and 154 may be formed in an embossed shape protruding toward the heat medium flow path P1 at the portion where the heat medium flows into the heat medium flow path P1 and the heat medium flows out from the heat medium flow path P1.
  • the cross-sectional area of the flow path formed between the first heat medium distribution part 124 formed on the first plate and the second heat medium distribution part 154 formed on the second plate is a heat medium flow path formed between the first plate and the second plate. It is formed narrower than the cross-sectional area of (P1), it is possible to prevent the phenomenon that the heat medium is concentrated in the heat medium flow path (P1) of some of the heat medium flow path (P1) of each layer through the heat medium flow path (P1) of each layer The flow rate of the flowing heating medium can be adjusted uniformly.
  • the protrusions 120 formed on the first plate are alternately arranged along the circumferential direction of the first protrusion piece 120a and the second protrusion piece 120b having different heights in the front-rear direction.
  • the recess 150 formed in the second plate is configured such that the first recessed piece 150a and the second recessed piece 150b having different heights in the front-rear direction are alternately arranged along the circumferential direction. .
  • the heat exchange efficiency can be improved by inducing the active turbulence in the flow of the heat medium and the combustion gas.
  • a plurality of first protrusions 121 protruding toward the heat medium flow path P1 are formed in the protrusion 120, and protruding toward the heat medium flow path P1 in the depression 150. And a third protrusion 151 contacting the first protrusion 121 is formed.
  • a plurality of second protrusions 122 protruding toward the combustion gas flow path P2 are formed in the protrusion 120, and the combustion gas flow path P2 is formed in the depression 150.
  • a fourth protrusion 152 is formed to protrude toward the second protrusion 122 and to abut the second protrusion 122.
  • the first protrusion 121 and the third protrusion 151 protrude to the inner side of the heat medium passage P1 to be in contact with each other, and the second protrusion 122 and the fourth protrusion 152 are the combustion gas passage P2.
  • the inner side of the contact it is possible to induce turbulence in the flow of the heat medium and the combustion gas to improve heat exchange efficiency, and to prevent deformation of the plate due to the pressure of the fluid and to improve the pressure resistance performance.

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Abstract

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 복수의 플레이트 사이에 다층으로 형성되는 열매체유로를 통과하는 열매체의 유량이 균일하게 분배될 수 있도록 하여 열교환효율을 향상시킬 수 있는 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다. 본 발명은, 서로 대면하는 한 쌍의 플레이트 사이의 공간에 형성되어 열매체가 유동하는 열매체유로; 상기 열매체유로의 외측에 형성되어 버너에서 연소된 연소가스가 유동하는 연소가스유로; 상기 열매체유로에 열매체가 유입되는 유입부 또는 상기 열매체유로로부터 열매체가 유출되는 유출부에는 개방부와 차단부가 형성된 열매체분산부가 구비된 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기
본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수의 플레이트 사이에 다층으로 형성되는 열매체유로를 통과하는 열매체의 유량이 균일하게 분배될 수 있도록 하여 열교환효율을 향상시킨 열교환기에 관한 것이다.
난방용 또는 온수용으로 사용되는 보일러는 난방수 또는 직수(이하, ‘열매체’라 통칭함)를 열원에 의해 가열시켜 원하는 지역을 난방하거나 온수를 공급하는 장치로서, 가스와 공기의 혼합기를 연소시키는 버너와, 연소가스의 연소열을 열매체로 전달하는 열교환기를 포함하여 구성된다.
종래의 열교환기와 관련된 선행기술의 일례로서, 등록특허 제10-0813807호 에는, 중앙에 버너가 위치하고, 버너의 둘레에 코일형태로 감겨진 열교환파이프로 구성된 열교환기가 개시되어 있다.
상기 선행기술 문헌에 소개된 열교환기는, 튜브를 납작한 형태로 성형하여 열전달 매체부에 압력이 가해질 경우 둥근 형태로 변형이 되는 문제를 가지고 있고, 튜브를 말아올려 제작하기 때문에 두께가 두꺼워지는 문제가 있다.　
또한 종래의 열교환기는 열교환관이 연소실의 둘레에 코일형태로 감겨진 구조로 이루어져 있어 연소가스와 열매체 간의 열교환이 코일형태로 형성되는 열교환기 주변의　국부적인 공간에서만 이루어지므로 전열 면적을 넓게 확보할 수 없는 단점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로서 근래에는 다수 개의 플레이트를 적층시켜 그 내부에 열매체유로와 연소가스유로를 형성하여 열매체와 연소가스 간에 열교환이 이루어지도록 구성된 판형 열교환기가 개발되고 있다.
상기 판형 열교환기와 관련된 선행기술은, 일본 공개특허공보 특개2006-214628호에 나타나 있다. 상기 선행기술 문헌에 개시된 판형 열교환기의 경우, 열매체가 복수의 층으로 형성된 열매체유로로 분배되어 유동하는 과정에서, 열매체는 유동방향이 수평방향에서 수직방향으로 전환되고, 각 층으로 분배되는 열매체의 유량은 열매체의 관성과 압력에 의해 불균일하게 분배될 수 있다.
이와 같이 각 층의 열매체유로에 열매체의 유량이 불균일하게 분배될 경우에는 열매체와 연소가스 간의 열교환 성능이 저하되고, 열매체의 유량이 적은 영역에서는 국부적인 과열에 의해 열매체의 끓음에 의한 소음 및 이물질이 발생하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 복수의 플레이트 사이에 다층으로 형성되는 열매체유로를 통과하는 열매체의 유량이 균일하게 분배될 수 있도록 하여 열교환효율을 향상시킬 수 있는 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 열교환기는, 서로 대면하는 한 쌍의 플레이트 사이의 공간에 형성되어 열매체가 유동하는 열매체유로(P1); 상기 열매체유로(P1)의 외측에 형성되어 버너에서 연소된 연소가스가 유동하는 연소가스유로(P2); 상기 열매체유로(P1)에 열매체가 유입되는 유입부 또는 상기 열매체유로(P1)로부터 열매체가 유출되는 유출부에는 개방부(123',153')와 차단부(123",153")가 형성된 열매체분산부(123,153)가 구비된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열교환기에 의하면, 열매체유로에 열매체가 유입되는 유입부 또는 상기 열매체유로로부터 열매체가 유출되는 유출부에 개방부와 차단부가 형성된 열매체 분산부를 구비함으로써, 복수의 플레이트 사이에 다층으로 형성되는 열매체유로를 통과하는 열매체의 유량이 균일하게 분배될 수 있어 열교환효율을 향상시킬 수 있다.
또한 연소실의 둘레를 따라 순환하는 열매체의 유동방향을 일방향으로 형성함으로써 열매체의 순환이 원활하게 이루어져 열매체의 압력강하를 최소화하고 국부적인 과열을 방지함으로써 열교환효율을 향상시킬 수 있다.
또한 돌출부와 함몰부의 표면에 단차를 형성하고, 열매체유로 및 연소가스유로의 내부에는 대응되는 위치에 돌기들이 서로 맞닿도록 구성함으로써, 열매체와 연소가스의 난류발생을 유도하여 열교환효율을 향상시키는 동시에 유체의 압력에 의한 플레이트의 변형을 방지하고 내압 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 사시도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 정면도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 분해 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 단위플레이트의 일부를 확대하여 도시한 사시도,
도 5는 열매체의 유동 경로를 나타낸 사시도,
도 6은 도 2의 A-A 선을 따르는 단면도,
도 7은 열교환기의 하부에 연소가스 통과부가 형성된 모습을 나타낸 부분 분해 사시도,
도 8은 도 2의 B-B 선을 따르는 단면 사시도,
도 9는 열매체 분산부의 작용을 설명하기 위한 부분 사시도,
도 10은 열매체 분배부의 작용을 설명하기 위한 도 2의 C-C 선을 따르는 단면도,
도 11은 도 2의 D-D 선을 따르는 단면 사시도,
도 12는 도 2의 E-E 선을 따르는 단면 사시도.
** 부호의 설명 **
1 : 열교환기 100 : 열교환부
100-1~100-12 : 단위플레이트 100a-1~100a-12 : 제1플레이트
100b-1~100b-12 : 제2플레이트 100-A : 제1열교환부
100-B : 제2열교환부 100-C : 제3열교환부
101 : 열매체 입구 102 : 열매체 출구
110 : 제1평면부 120 : 돌출부
120a : 제1돌출편 120b : 제2돌출편
121 : 제1돌기 122 : 제2돌기
123 : 제1열매체 분산부 123' : 개방부
123" : 차단부 124 : 제1열매체 분배부
130 : 제1플랜지부 131 : 제1절개부
140 : 제2평면부 150 : 함몰부
150a : 제1함몰편 150b : 제2함몰편
151 : 제3돌기 152 : 제4돌기
153 : 제2열매체 분산부 153' : 개방부
153" : 차단부 154 : 제2열매체 분배부
160 : 제2플랜지부 161 : 제2절개부
A1 : 제1개방구 A2 : 제2개방구
H1~H4 : 관통구 H1',H3' : 제1막힘부
H2',H4' : 제2막힘부 P1 : 열매체유로
P2 : 연소가스유로
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기(1)는, 버너(미도시됨)의 연소에 의해 연소열과 연소가스가 발생하는 연소실(C)의 둘레에 복수 개의 플레이트가 적층되어 이루어진 열교환부(100)로 이루어진다.
상기 열교환부(100)는 복수의 플레이트가 종방향으로 직립되며 전방에서 후방으로 적층되어 구성되고, 복수의 열교환부(100-A,100-B,100-C)가 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 연소실(C)에는 버너가 정면에서부터 수평방향으로 삽입되어 조립될 수 있으며, 이로써 버너의 착탈 및 열교환기(1)의 유지보수의 편의성을 향상시킬 수 있다.
일실시예로서, 상기 복수의 플레이트는, 제1 내지 제12단위플레이트(100-1,100-2,100-3,100-4,100-5,100-6,100-7,100-8,100-9,100-10,100-11,100-12)로 구성되고, 상기 각각의 단위플레이트는 전방에 위치하는 제1플레이트(100a-1,100a-2,100a-3,100a-4,100a-5,100a-6,100a-7,100a-8,100a-9,100a-10,100a-11,100a-12)와, 그 후방에 각각 적층되는 제2플레이트(100b-1,100b-2,100b-3,100b-4,100b-5,100b-6,100b-7,100b-8,100b-9,100b-10,100b-11,100b-12)로 구성될 수 있다.
상기 각각의 단위플레이트를 구성하는 제1플레이트와 제2플레이트 사이에는 열매체가 유동하는 열매체유로(P1)가 형성되고, 인접하게 적층되는 단위플레이트 중 일측에 위치하는 단위플레이트를 구성하는 제2플레이트와, 타측에 위치하는 단위플레이트의 제1플레이트 사이에는 연소가스가 유동하는 연소가스유로(P2)가 형성된다. 상기 열매체유로(P1)와 연소가스유로(P2)는 복수의 플레이트 사이에 인접하게 교대로 형성되어, 열매체와 연소가스 간에 열교환이 이루어진다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 제1플레이트는, 제1개방구(A1)가 중앙에 형성된 제1평면부(110)와, 상기 제1평면부(110)에서 둘레방향으로 일부구간이 연통되며 전방으로 볼록하게 형성된 돌출부(120)와, 상기 제1평면부(110)의 테두리부에서 후방으로 연장된 제1플랜지부(130)로 이루어진다.
상기 제2플레이트는, 상기 제1개방구(A1)와 전후방향으로 대응되는 제2개방구(A2)가 중앙에 형성되며 상기 제1평면부(110)와 맞닿는 제2평면부(140)와, 상기 제2평면부(140)에서 둘레방향으로 일부구간이 연통되며 후방으로 볼록하게 형성되어 상기 돌출부(120)와의 사이에 상기 열매체유로(P1)를 형성하는 함몰부(150)와, 상기 제2평면부(140)의 테두리에서 후방으로 연장되어 인접하게 위치하는 단위플레이트의 제1플랜지부(130)와 결합되는 제2플랜지부(160)로 이루어진다.
도 3과 도 5에서 화살표시는 열매체의 유동방향을 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 상기 열교환부(100)는 복수 개가 적층된 구조로 이루어지며, 일실시예로 제1열교환부(100-A)와 제2열교환부(100-B) 및 제3열교환부(100-C)로 구성될 수 있다. 상기 복수 개의 열교환부(100-A,100-B,100-C)에서의 열매체유로(P1)는 열매체의 유동방향이 일방향으로만 형성되도록 구성되어 있다. 즉, 상기 복수 개의 열교환부(100-A,100-B,100-C) 중 인접하게 적층되는 열교환부 간에는 열매체의 유동방향이 일방향으로 형성되되 서로 반대방향(시계방향과 반시계방향)이 되도록 직렬로 형성된다. 그리고, 상기 각각의 열교환부(100-A,100-B,100-C)를 구성하는 복수의 단위플레이트에는 열매체유로(P2)가 병렬로 형성되어 있다.
상기와 같은 열매체의 일방향 유동을 위한 구성을 설명하면 다음과 같다.
도 3과 도 4를 참조하면, 상기 제1플레이트의 상부 일측부에는 제1관통구(H1)와 제2관통구(H2)가 인접하게 형성되고, 상기 제2플레이트의 상부 일측부에는 상기 제1관통구(H1)와 대응되는 제3관통구(H3)와, 상기 제2관통구(H2)와 대응되는 제4관통구(H4)가 형성되어 있다.
최전방에 위치하는 제1플레이트(100a-1)의 상부 일측부에는, 상기 제1관통구(H1)와 대응되는 위치에 제1막힘부(H1')가 형성되고, 상기 제2관통구(H2)와 대응되는 위치에 열매체 출구(101)가 형성되어 있다.
최후방에 위치하는 제2플레이트(100b-12)의 상부 일측부에는, 상기 제3관통구(H3)와 대응되는 위치에 열매체 입구(101)가 형성되고, 상기 제4관통구(H4)와 대응되는 위치에 제4막힘부(H4')가 형성되어 있다.
그리고, 제4단위플레이트(100-4)의 제2플레이트(100b-4)에는 제4관통구(H4)와 대응되는 위치에 제4막힘부(H4')가 형성되고, 제5단위플레이트(100-5)의 제1플레이트(100a-5)에는 제2관통구(H2)와 대응되는 위치에 제2막힘부(H2')가 형성되며, 제8단위플레이트(100-8)의 제2플레이트(100b-8)에는 제3관통구(H3)와 대응되는 위치에 제3막힘부(H3')가 형성되고, 제9플레이트(100-9)의 제1플레이트(100a-9)에는 제1관통구(H1)와 대응되는 위치에 제1막힘부(H1')가 형성되어 있다.
따라서, 최후방에 위치하는 제12단위플레이트(100-12)의 제2플레이트(100b-12)에 형성된 열매체 입구(101)를 통해 제12단위플레이트(100-12)의 열매체유로(P1)로 유입된 열매체는, 제12 내지 제9단위플레이트(100-12,100-11,100-10,100-9)에 형성된 제1 내지 제4관통구(H1,H2,H3,H4)를 통해 전방으로 유동하게 되고, 이와 동시에 제9단위플레이트(100-9)의 제1플레이트(100a-9)에는 제1막힘부(H1')가 형성되어 있어 제12 내지 제9단위플레이트(100-12,100-11,100-10,100-9) 내부의 열매체유로(P1)에서는 열매체가 시계방향으로 유동하게 된다.
그리고, 제9단위플레이트(100-9)의 제1플레이트(100a-9)에 형성된 제2관통구(H2)와 제8단위플레이트(100-8)의 제2플레이트(100b-8)에 형성된 제4관통구(H4)를 통해 제8단위플레이트(100-8)의 열매체유로(P1)로 유입된 열매체는, 제8 내지 제5단위플레이트(100-8,100-7,100-6,100-5)에 형성된 제1 내지 제4관통구(H1,H2,H3,H4)를 통해 전방으로 유동하게 되고, 이와 동시에 제5단위플레이트(100-5)의 제1플레이트(100a-5)에는 제2막힘부(H2')가 형성되어 있어 제8 내지 제5단위플레이트(100-8,100-7,100-6,100-5) 내부의 열매체유로(P1)에서는 열매체가 반시계방향으로 유동하게 된다.
그리고, 제5단위플레이트(100-5)의 제1플레이트(100a-5)에 형성된 제1관통구(H1)와 제4단위플레이트(100-4)의 제2플레이트(100b-4)에 형성된 제3관통구(H3)를 통해 제4단위플레이트(100-4)의 열매체유로(P1)로 유입된 열매체는, 제4 내지 제1단위플레이트(100-4,100-3,100-2,100-1)에 형성된 제1 내지 제4관통구(H1,H2,H3,H4)를 통해 전방으로 유동하게 되고, 이와 동시에 제1단위플레이트(100-1)의 제1플레이트(100a-1)에는 제1막힘부(H1')가 형성되어 있어 제4 내지 제1단위플레이트(100-4,100-3,100-2,100-1) 내부의 열매체유로(P1)에서는 열매체가 시계방향으로 유동하게 된다.
상기와 같이 열교환부(100)가 종방향으로 직립된 구조에서, 열매체가 일방향으로 유동하도록 열매체유로(P1)와, 제1 내지 제4관통구(H1,H2,H3,H4)로 이루어진 열매체의 연결유로를 형성함으로써, 연소실(C)의 둘레를 따라 유동하는 열매체의 순환이 원활하게 이루어져 열매체의 압력강하를 최소화하고 국부적인 과열을 방지함으로써 열효율을 향상시킬 수 있다.
또한 열교환기의 용량 증대 시 각각의 열교환부(100-A,100-B,100-C)에서의 병렬 유로의 수를 조절함으로써 열매체의 압력강하 없이 용량을 증대시킬 수 있다.
도 6과 도 7을 참조하면, 연소실(C)에서 버너의 연소에 의해 발생된 연소가스는 열교환부(100)의 하부를 통해 하방향으로 배출된다.
상기 연소가스가 복수의 연소가스유로(P2)를 통과하여 균일하게 배출되도록 하기 위한 구성으로, 제1플레이트와 제2플레이트의 적층 시, 제1플레이트의 제1플랜지부(130)와 제2플레이트의 제2플랜지부(160)는 일부가 중첩되며, 상기 제1플레이트와 제2플레이트의 가장자리 중 일부 영역에는 연소가스유로(P2)를 통과하여 유동하는 연소가스가 배출되는 연소가스 통과부(D)가 형성된다.
상기 제1플랜지부(130)의 연소가스 배출측에는 복수의 제1절개부(131)가 형성되고, 상기 제2플랜지부(160)의 연소가스 배출측에는 복수의 제2절개부(161)가 형성되며, 상기 제1플레이트와 제2플레이트의 적층시, 상기 제1절개부(131)와 제2절개부(161)의 일부영역에 상기 연소가스 통과부(D)가 형성된다.
상기 연소가스 통과부(D)는 열교환부(100)의 하부에 횡방향과 종방향으로 일정 간격 이격되어 다수로 형성되며, 이로써 열교환부(100)를 통과한 연소가스가 열교환부(100) 하부의 전체 영역에 걸쳐 균일한 유량씩 분배되어 배출될 수 있어, 배출되는 연소가스의 유동 저항을 감소시키고 소음 및 진동을 방지하는 기능을 한다.
한편, 상기 복수의 열교환부(100-A,100-B,100-C)에서 열매체의 유동방향이 전환되는 구간, 즉 제3열교환부(100-C)에서 제2열교환부(100-B)로 연결되는 구간, 또는 제2열교환부(100-B)에서 제1열교환부(100-A)로 연결되는 구간에서는 각 열교환부(100-A,100-B,100-C)에 형성된 열매체유로(P1)로 유동하는 열매체의 유량은 관성과 압력에 의해 불균일하게 분배되는 경향이 있게 된다.
이와 같이 복수의 열매체유로(P1)로 분배되는 유량이 불균일하게 되는 경우에는 열교환 성능이 저하되고, 유량이 적은 영역에서는 국부적인 과열에 의해 열매체의 끓음에 의한 소음 및 이물질이 발생하게 되는 문제가 있다.
이러한 열매체 유량의 불균형한 분배의 문제를 해결하기 위한 수단으로, 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 열매체유로(P1)에 열매체가 유입되는 유입부 또는 상기 열매체유로(P1)로부터 열매체가 유출되는 유출부에는 개방부(123',153')와 차단부(123",153")가 형성된 열매체분산부(123,153)가 구비된다.
상기 열매체분산부(123,153)는 열매체의 유동방향으로 이격되어 복수로 구비되고, 인접하게 위치하는 열매체분산부(123,153) 간에는 상기 개방부(123',153')와 차단부(123",153")가 열매체의 유동방향을 따라 서로 교차하도록 구비된다.
상기 열매체분산부(123,153)는 상기 개방부(123',153')와 차단부(123",153")가 원주방향을 따라 교대로 형성된다.
따라서, 도 9에서 화살표로 도시된 바와 같이 제1열매체분산부(123)에 형성된 제1개방부(123')를 통과한 열매체는 그 후방에 위치하는 제2열매체분산부(153)의 제2차단부(153")에 부딪혀 분산되고, 제2열매체분산부(153)에 형성된 제2개방부(153")를 통과한 열매체는 그 후방에 위치하는 제1열매체분산부(123)의 제1차단부(123")에 부딪혀 분산되며, 이러한 분산 작용에 의해 열매체의 관성을 완화시켜 각층의 열매체유로(P1)로 유동하는 열매체의 유량을 균일하게 조절할 수 있게 된다.
상기 열매체 유량의 불균형한 분배의 문제를 해결하기 위한 다른 수단으로, 도 8과 도 10에 도시된 바와 같이, 열매체유로(P1) 중 열매체의 유동방향이 전환되는 부분에는 유로가 좁게 형성되도록 하는 열매체분배부(124,154)가 구비된다.
상기 열매체분배부(124,154)는 상기 열매체유로(P1)로 열매체가 유입되는 부분과 열매체유로(P1)로부터 열매체가 유출되는 부분에서 열매체유로(P1)를 향하여 돌출된 엠보 형태로 형성될 수 있다.
따라서, 제1플레이트에 형성된 제1열매체분배부(124)와 제2플레이트에 형성된 제2열매체분배부(154) 사이에 형성되는 유로의 단면적은 제1플레이트와 제2플레이트 사이에 형성되는 열매체유로(P1)의 단면적에 비해 좁게 형성되며, 이에 따라 열매체가 각층의 열매체유로(P1) 중 일부의 열매체유로(P1)에 집중적으로 유입되는 현상을 방지할 수 있어 각층의 열매체유로(P1)를 통해 유동하는 열매체의 유량을 균일하게 조절할 수 있게 된다.
한편, 도 4를 참조하면, 상기 제1플레이트에 형성된 돌출부(120)는 전후방향으로 높이를 달리하는 제1돌출편(120a)과 제2돌출편(120b)이 둘레방향을 따라 교대로 배치된 것으로 구성되고, 상기 제2플레이트에 형성된 함몰부(150)는 전후방향으로 높이를 달리하는 제1함몰편(150a)와 제2함몰편(150b)이 둘레방향을 따라 교대로 배치된 것으로 구성된다. 이와 같이 돌출부(120)와 함몰부(150)에 각각 단차를 형성함에 따라 열매체와 연소가스의 유동에 난류 발생이 활발하게 이루어지도록 유도하여 열교환효율을 향상시킬 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 돌출부(120)에는 상기 열매체유로(P1)를 향하여 돌출된 복수의 제1돌기(121)가 형성되고, 상기 함몰부(150)에는 상기 열매체유로(P1)를 향하여 돌출되며 상기 제1돌기(121)에 맞닿는 제3돌기(151)가 형성된다. 그리고, 도 12를 참조하면, 상기 돌출부(120)에는 상기 연소가스유로(P2)를 향하여 돌출된 복수의 제2돌기(122)가 형성되고, 상기 함몰부(150)에는 상기 연소가스유로(P2)를 향하여 돌출되며 상기 제2돌기(122)에 맞닿는 제4돌기(152)가 형성된다. 이와 같이 제1돌기(121)와 제3돌기(151)가 열매체유로(P1)의 내측으로 돌출되어 맞닿도록 하고, 제2돌기(122)와 제4돌기(152)가 연소가스유로(P2)의 내측으로 돌출되어 맞닿도록 구성함으로써, 열매체와 연소가스의 유동에 난류발생을 유도하여 열교환효율을 향상시키는 동시에 유체의 압력에 의한 플레이트의 변형을 방지하고 내압 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (12)

  1. 서로 대면하는 한 쌍의 플레이트 사이의 공간에 형성되어 열매체가 유동하는 열매체유로(P1);
    상기 열매체유로(P1)의 외측에 형성되어 버너에서 연소된 연소가스가 유동하는 연소가스유로(P2);
    상기 열매체유로(P1)에 열매체가 유입되는 유입부 또는 상기 열매체유로(P1)로부터 열매체가 유출되는 유출부에는 개방부(123',153')와 차단부(123",153")가 형성된 열매체분산부(123,153)가 구비된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열매체분산부(123,153)는 상기 열매체의 유동방향을 따라 이격되어 복수로 구비되되,
    인접하게 위치하는 열매체분산부(123,153) 간에는 상기 개방부(123',153')와 차단부(123",153")가 열매체의 유동방향을 따라 서로 교차하도록 구비된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열매체분산부(123,153)는 상기 개방부(123',153')와 차단부(123",153")가 원주방향을 따라 교대로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    복수의 플레이트 사이의 공간에 상기 열매체유로(P1)와 상기 연소가스유로(P2)가 인접하게 교대로 형성된 열교환부를 구비하고;
    상기 열교환부는 중앙의 연소실(C) 공간의 외측을 둘러싸되 복수 개가 적층 구조로 구비되며;
    상기 열매체분산부(123,153)는 상기 복수의 열교환부에서 열매체의 유동방향이 전환되는 유로에 구비된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열매체유로(P1)는 상기 복수 개의 열교환부 중 인접하게 적층되는 열교환부 간에 열매체의 유동이 일방향으로 연결되되 서로 반대방향을 향하도록 직렬로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 각각의 열교환부의 내부에는 상기 열매체유로(P1)가 병렬로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 플레이트는, 제1플레이트와 제2플레이트가 적층된 복수 개의 단위플레이트가 적층되어 이루어지고,
    상기 제1플레이트에는, 제1개방구(A1)가 중앙에 형성된 제1평면부(110)와, 상기 제1평면부(110)에서 둘레방향으로 일부구간이 연통되며 전방으로 볼록하게 형성된 돌출부(120)와, 상기 제1평면부(110)의 테두리부에서 후방으로 연장된 제1플랜지부(130)가 형성되며,
    상기 제2플레이트에는, 상기 제1개방구(A1)와 전후방향으로 대응되는 제2개방구(A2)가 중앙에 형성되며 상기 제1평면부(110)와 맞닿는 제2평면부(140)와, 상기 제2평면부(140)에서 둘레방향으로 일부구간이 연통되며 후방으로 볼록하게 형성되어 상기 돌출부(120)와의 사이에 상기 열매체유로(P1)를 형성하는 함몰부(150)와, 상기 제2평면부(140)의 테두리에서 후방으로 연장되어 인접하게 위치하는 단위플레이트의 제1플랜지부(130)와 결합되는 제2플랜지(160)가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열교환부의 일측부에는,
    인접하게 적층되는 열교환부 간에 열매체가 일방향으로 유동하도록 열매체의 연결유로를 제공하기 위한 일측의 관통구(H1,H3)와 타측의 관통구(H2,H4),
    상기 일측의 관통구(H1,H3)를 통해 열매체유로(P1)로 유입된 열매체가 상기 연소실(C)의 둘레를 일방향으로 경유하여 상기 타측의 관통구(H2,H4)를 향하여 유동하도록 유도하기 위한 제1막힘부(H1',H3'), 및
    상기 타측의 관통구(H2,H4)를 통해 열매체유로(P1)로 유입된 열매체가 상기 연소실(C)의 둘레를 반대방향으로 경유하여 상기 일측의 관통구(H1,H3)를 향하여 유동하도록 유도하기 위한 제2막힘부(H2',H4')가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열매체분산부(123,153)는 상기 일측의 관통구(H1,H3)와 타측의 관통구(H2,H4)에 각각 구비된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 돌출부(120)는 둘레방향으로 교대로 배치되며 전후방향으로 높이를 달리하는 제1돌출편(120a)과 제2돌출편(120b)으로 이루어지고,
    상기 함몰부(150)는 둘레방향으로 교대로 배치되며 전후방향으로 높이를 달리하는 제1함몰편(150a)와 제2함몰편(150b)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 돌출부(120)에는 상기 열매체유로(P1)를 향하여 돌출된 복수의 제1돌기(121)가 형성되고,
    상기 함몰부(150)에는 상기 열매체유로(P1)를 향하여 돌출되며 상기 제1돌기(121)에 맞닿는 제3돌기(151)가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 돌출부(120)에는 상기 연소가스유로(P2)를 향하여 돌출된 복수의 제2돌기(122)가 형성되고,
    상기 함몰부(150)에는 상기 연소가스유로(P2)를 향하여 돌출되며 상기 제2돌기(122)에 맞닿는 제4돌기(152)가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
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