WO2017135730A1 - 열교환기 - Google Patents

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WO2017135730A1
WO2017135730A1 PCT/KR2017/001186 KR2017001186W WO2017135730A1 WO 2017135730 A1 WO2017135730 A1 WO 2017135730A1 KR 2017001186 W KR2017001186 W KR 2017001186W WO 2017135730 A1 WO2017135730 A1 WO 2017135730A1
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heat
heat medium
flow path
plate
combustion gas
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PCT/KR2017/001186
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정인철
박준길
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주식회사 경동나비엔
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    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Abstract

본 발명은 플레이트 사이에 형성된 열매체유로를 따라 유동하는 열매체의 순환이 원활하게 이루어지도록 하여 열매체의 압력강하를 최소화하고 국부적인 과열을 방지하여 열교환효율을 향상시킴과 아울러 제작이 용이한 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다. 본 발명은, 복수의 플레이트 사이의 공간에 열매체가 유동하는 열매체유로와, 버너에서 연소된 연소가스가 유동하는 연소가스유로가 인접하게 교대로 형성된 열교환부를 구비하고; 상기 열교환부는 중앙의 연소실 공간의 외측을 둘러싸되 복수 개가 적층 구조로 구비되며; 상기 각 층에 구비된 열매체유로 중 일부 열매체유로는 열매체의 유동방향이 일방향으로만 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기
본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플레이트 사이에 형성된 열매체유로를 따라 유동하는 열매체의 순환이 원활하게 이루어지도록 하여 열매체의 압력강하를 최소화하고 국부적인 과열을 방지하여 열교환효율을 향상시킴과 아울러 제작이 용이한 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.
그러나 종래의 판형 열교환기는 열매체가 복수의 플레이트 사이를 유동하는 과정에서 압력 강하 및 유속이 감속되는 현상이 발생하고, 이로 인해 열매체가 국부적으로 과열되어 소음 및 이물질의 발생을 초래하는 문제점이 있다.
특히, 복수의 플레이트를 직립구조로 구성할 경우에는, 중력의 영향에 의해 열매체가 열매체유로의 일부 영역으로만 유동하고 나머지 영역에는 공기가 잔류하게 되어 열교환효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 플레이트 사이에 형성된 열매체유로를 따라 유동하는 열매체의 순환이 원활하게 이루어지도록 하여 열매체의 압력강하를 최소화하고 국부적인 과열을 방지하여 열교환효율을 향상시킴과 아울러 제작이 용이한 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 열교환기는, 복수의 플레이트 사이의 공간에 열매체가 유동하는 열매체유로(P1)와, 버너에서 연소된 연소가스가 유동하는 연소가스유로(P2)가 인접하게 교대로 형성된 열교환부를 구비하고; 상기 열교환부는 중앙의 연소실(C) 공간의 외측을 둘러싸되 복수 개가 적층 구조로 구비되며; 상기 각 층에 구비된 열매체유로(P1) 중 일부 열매체유로는 열매체의 유동방향이 일방향으로만 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열교환기에 의하면, 연소실의 둘레를 따라 순환하는 열매체의 유동방향을 일방향으로 형성함으로써 열매체의 순환이 원활하게 이루어져 열매체의 압력강하를 최소화하고 국부적인 과열을 방지함으로써 열교환효율을 향상시킬 수 있다.
또한 연소실 외측 공간을 둘러싸며 적층되는 복수의 열교환부를 구비하고, 복수의 열교환부 간에는 열매체유로를 직렬로 형성하고, 각각의 열교환부의 내부에는 열매체유로를 병렬로 형성함으로써, 열교환기의 용량 증대 시 병렬 유로의 수를 조절하여 열매체의 압력강하 없이 용량을 증대시킬 수 있다.
또한 복수의 플레이트를 적층시켜 현열부와 잠열부를 일체형으로 제작하므로, 열교환기의 부품수를 줄일 수 있고, 생산 공정이 간소화되어 생산 자동화가 가능하다.
또한 제1돌출부와 제1함몰부의 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,
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기의 사시도,
도 14는 도 13의 F-F 선을 따르는 단면 사시도,
도 15는 도 13의 G-G 선을 따르는 단면 사시도,
도 16은 열매체의 유동 경로를 나타낸 사시도.
** 부호의 설명 **
1,1' : 열교환기 100 : 열교환부
100-A,100-A' : 제1열교환부 100-B,100-B' : 제2열교환부
100-C,100-C' : 제3열교환부 100A : 현열부
100B : 잠열부 100-1~100-12 : 단위플레이트
100a-1~100a-12 : 제1플레이트 100b-1~100b-12 : 제2플레이트
101,101' : 열매체 입구 102 : 열매체 출구
110 : 제1평면부 120 : 제1돌출부
120a : 제1돌출편 120b : 제2돌출편
121 : 제1돌기 122 : 제2돌기
123 : 제1열매체 분산부 123' : 제1개방부
123" : 제1차단부 124 : 제1열매체 분배부
130 : 제1플랜지부 131 : 제1절개부
140 : 제2평면부 150 : 제1함몰부
150a : 제1함몰편 150b : 제2함몰편
151 : 제3돌기 152 : 제4돌기
153 : 제2열매체 분산부 153' : 제2개방부
153" : 제2차단부 154 : 제2열매체 분배부
160 : 제2플랜지부 161 : 제2절개부
170 : 제2돌출부 180 : 제2함몰부
A1 : 제1개방구 A2 : 제2개방구
C : 연소실 H1~H8 : 관통구
H1',H2',H3',H4' : 막힘부 P1 : 열매체유로
P2 : 연소가스유로 P3 : 잠열부 열매체유로
P4 : 잠열부 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 제1돌출부(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 제1돌출부(120)와의 사이에 상기 열매체유로(P1)를 형성하는 제1함몰부(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 5를 참조하면, 상기 복수 개의 열교환부(100-A,100-B,100-C)의 일측부에는, 각각 열매체 유입구와 열매체 유출구가 인접한 간격을 두고 형성되되, 상기 각각의 열교환부(100-A,100-B,100-C)에서 인접하게 위치하는 열매체 유입구와 열매체 유출구 사이는 막힌 형상으로 이루어지고, 이웃하게 적층되는 열교환부(100-A,100-B,100-C) 중, 어느 하나의 열교환부에 형성된 열매체 유입구 및 열매체 유출구는, 나머지 하나의 열교환부에 형성된 열매체 유입구 및 열매체 유출구와 상반된 위치에 형성되어 있다.
여기서, 상기 ‘열매체 유입구’와 ‘열매체 유출구’를 정의하면, 제3열교환부(100-C)의 열매체 유입구는 제12단위플레이트(100-12)의 제2플레이트(100b-12)에 형성된 열매체 입구(101)이고, 제3열교환부(100-C)의 열매체 유출구는 제9단위플레이트(100-9)의 제1플레이트(100a-9)에 형성된 제2관통구(H2)이며, 제2열교환부(100-B)의 열매체 유입구는 제8단위플레이트(100-8)의 제2플레이트(100b-8)에 형성된 제4관통구(H4)이고, 제2열교환부(100-B)의 열매체 유출구는 제5단위플레이트(100-5)의 제1플레이트(100a-5)에 형성된 제1관통구(H1)이며, 제1열교환부(100-A)의 열매체 유입구는 제4단위플레이트(100-4)의 제2플레이트(100b-4)에 형성된 제3관통구(H3)이고, 제1열교환부(100-A)의 열매체 유출구는 제1단위플레이트(100-1)의 제1플레이트(100a-1)에 형성된 열매체 출구(102)를 의미한다.
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(102)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 제1돌출부(120)는 전후방향으로 높이를 달리하는 제1돌출편(120a)과 제2돌출편(120b)이 둘레방향을 따라 교대로 배치된 것으로 구성되고, 상기 제2플레이트에 형성된 제1함몰부(150)는 전후방향으로 높이를 달리하는 제1함몰편(150a)와 제2함몰편(150b)이 둘레방향을 따라 교대로 배치된 것으로 구성된다. 이와 같이 제1돌출부(120)와 제1함몰부(150)에 각각 단차를 형성함에 따라 열매체와 연소가스의 유동에 난류 발생이 활발하게 이루어지도록 유도하여 열교환효율을 향상시킬 수 있다.
도 11을 참조하면, 상기 제1돌출부(120)에는 상기 열매체유로(P1)를 향하여 돌출된 복수의 제1돌기(121)가 형성되고, 상기 제1함몰부(150)에는 상기 열매체유로(P1)를 향하여 돌출되며 상기 제1돌기(121)에 맞닿는 제3돌기(151)가 형성된다. 그리고, 도 12를 참조하면, 상기 제1돌출부(120)에는 상기 연소가스유로(P2)를 향하여 돌출된 복수의 제2돌기(122)가 형성되고, 상기 제1함몰부(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.
이하, 도 13 내지 도 16을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기(1')의 구성 및 작용을 설명한다.
본 실시예에 따른 열교환기(1')는, 전술한 실시예에 따른 열교환부(100)가 버너의 연소에 의해 발생한 연소가스의 현열을 이용하여 열매체를 가열하는 현열부(100A)로서 기능하고, 상기 현열부(100A)의 일측에는, 복수의 플레이트 사이의 공간에 열매체가 유동하는 잠열부 열매체유로(P3)와, 상기 현열부(100A)의 연소가스유로(P2)를 통과한 연소가스가 유동하는 잠열부 연소가스유로(P4)가 인접하게 교대로 형성된 잠열부(100B)가 일체로 형성된다.
다만, 본 실시예의 현열부(100A)는 전술한 실시예의 열교환부(100)와 비교하여, 최후방의 제2플레이트(100b-12)에 형성된 열매체 유입구(101)가 막힌 형상으로 이루어지고, 상기 현열부(100A)의 일측에는 잠열부(100A)와 연결되는 열매체 연결유로가 형성된 점에서 구조적인 차이가 있을 뿐이며, 기타의 구성은 전술한 열교환부(100)와 동일하게 구성될 수 있다.
상기 잠열부(100B)가 위치하는 제1플레이트의 일측부에는, 상기 제1평면부(110)에서 전방으로 볼록하게 형성된 제2돌출부(170)가 구비되고, 상기 잠열부(100B)가 위치하는 제2플레이트의 일측부에는, 상기 제2평면부(140)에서 후방으로 볼록하게 형성되어 상기 제2돌출부(170)와의 사이에 상기 잠열부 열매체유로(P3)를 형성하는 제2함몰부(180)가 구비된다.
그리고, 일측에 위치하는 단위플레이트의 제2함몰부(180)와 타측에 위치하는 단위플레이트의 제2돌출부(170) 사이에는 제1연소가스유로(P2)에 연통되어 연소가스가 유동하는 제2연소가스유로(P4)가 형성된다.
상기 제2돌출부(170)와 제2함몰부(180)는 상반된 방향으로 절곡된 빗살 형태로 이루어져, 제2돌출부(170)와 제2함몰부(180)가 교차하면서 잠열부 열매체유로(P3)와 잠열부 연소가스유로(P4)가 인접하게 교대로 형성되며, 열매체와 연소가스의 유동에 난류발생을 촉진시켜 열교환효율을 향상시킬 수 있다.
도 14를 참조하면, 상기 잠열부(100B)의 하부 일측에는 열매체 유입구(101')와, 열매체 유입구(101')로 유입된 열매체가 각각의 단위플레이트에 형성된 잠열부 열매체유로(P3)로 연결되는 관통구(H5,H7)가 형성되고, 잠열부(100B)의 상부 타측에는 상기 잠열부 열매체유로(P3)를 통과한 열매체가 현열부(100A)의 제3열교환부(100C')로 연결되도록 관통구(H6,H8)가 형성되어 있다.
그리고, 상기 관통구(H5,H7,H6,H8))에는, 각 층에 형성된 잠열부 열매체유로(P3)로 열매체가 균일하게 분배되어 유동할 수 있도록 제1열매체 분산부(123,123)와 제2열매체 분산부(153,153), 제1열매체 분배부(124)와 제2열매체 분배부(154)가 각각 형성되어 있다.
상기 잠열부 열매체유로(P3)는 열매체가 유입되는 열매체 입구(101')와 상기 열매체의 연결유로 사이에 병렬로 연결되어 열매체의 유동저항을 감소시킬 수 있다.
도 16을 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환기(1')는 제1열교환부(100-A')와 제2열교환부(100-B') 및 제3열교환부(100-C')가 적층 구조로 이루어지고, 잠열부(100B)를 통과한 열매체는, 제3열교환부(100-C')의 현열부(100A)에서 양방향으로 유동한 후에, 제2열교환부(100-B')에서는 반시계방향으로 유동하고, 제3열교환부(100-C')에서는 시계방향으로 유동하게 된다.
이와 같이 잠열부(100B)에서는 잠열부 열매체유로(P3)가 병렬로 형성되어 열매체의 유동저항을 감소시킬 수 있고, 현열부(100A)에서는 일부 열교환부(100-A',100-B')에서의 유동이 일방향으로만 형성되도록 하여, 전술한 실시예에서와 마찬가지로 열매체의 순환이 원활하게 이루어져 열매체의 압력강하를 최소화하고 국부적인 과열을 방지함으로써 열효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 실시예에 의하면, 복수의 플레이트를 적층시켜 현열부(100A)와 잠열부(100B)를 일체형으로 구성함으로써 열교환기의 부품수를 줄일 수 있고, 생산 공정이 간소화되어 생산 자동화가 가능하다.

Claims (13)

  1. 복수의 플레이트 사이의 공간에 열매체가 유동하는 열매체유로(P1)와, 버너에서 연소된 연소가스가 유동하는 연소가스유로(P2)가 인접하게 교대로 형성된 열교환부를 구비하고;
    상기 열교환부는 중앙의 연소실(C) 공간의 외측을 둘러싸되 복수 개가 적층 구조로 구비되며;
    상기 각 층에 구비된 열매체유로(P1) 중 일부 열매체유로는 열매체의 유동방향이 일방향으로만 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열매체유로(P1)는 상기 복수 개의 열교환부 중 인접하게 적층되는 열교환부 간에 열매체의 유동이 일방향으로 연결되되 서로 반대방향을 향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 열교환부의 일측부에는, 각각 열매체 유입구와 열매체 유출구가 인접한 간격을 두고 형성되되,
    상기 각각의 열교환부에서 인접하게 위치하는 열매체 유입구와 열매체 유출구 사이는 막힌 형상으로 이루어지고,
    이웃하게 적층되는 열교환부 중, 어느 하나의 열교환부에 형성된 열매체 유입구 및 열매체 유출구는, 나머지 하나의 열교환부에 형성된 열매체 유입구 및 열매체 유출구와 상반된 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 열교환부 간에는 상기 열매체유로(P1)가 직렬로 형성되고,
    상기 각각의 열교환부의 내부에는 상기 열매체유로(P1)가 병렬로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열교환부를 구성하는 복수의 플레이트는 종방향으로 직립되며 전후방향으로 적층되고,
    상기 버너의 연소에 의해 발생된 연소가스는 상기 열교환부의 하부를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제5항에 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 제1돌출부(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 제1돌출부(120)와의 사이에 상기 열매체유로(P1)를 형성하는 제1함몰부(150)와, 상기 제2평면부(140)의 테두리에서 후방으로 연장되어 인접하게 위치하는 단위플레이트의 제1플랜지부(130)와 결합되는 제2플랜지부(160)가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열교환부의 상부 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 막힘부(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 막힘부(H2',H4')가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1돌출부(120)는 둘레방향을 따라 교대로 배치되며 전후방향으로 높이를 달리하는 제1돌출편(120a)과 제2돌출편(120b)으로 이루어지고,
    상기 제1함몰부(150)는 둘레방향을 따라 교대로 배치되며 전후방향으로 높이를 달리하는 제1함몰편(150a)와 제2함몰편(150b)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1돌출부(120)에는 상기 열매체유로(P1)를 향하여 돌출된 복수의 제1돌기(121)가 형성되고,
    상기 제1함몰부(150)에는 상기 열매체유로(P1)를 향하여 돌출되며 상기 제1돌기(121)에 맞닿는 제3돌기(151)가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1돌출부(120)에는 상기 연소가스유로(P2)를 향하여 돌출된 복수의 제2돌기(122)가 형성되고,
    상기 제1함몰부(150)에는 상기 연소가스유로(P2)를 향하여 돌출되며 상기 제2돌기(122)에 맞닿는 제4돌기(152)가 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 열교환부는, 상기 버너의 연소에 의해 발생한 연소가스의 현열을 이용하여 열매체를 가열하는 현열부(100A)로서 기능하고,
    상기 현열부(100A)의 일측에는, 복수의 플레이트 사이의 공간에 열매체가 유동하는 잠열부 열매체유로(P3)와, 상기 현열부(100A)의 연소가스유로(P2)를 통과한 연소가스가 유동하는 잠열부 연소가스유로(P4)가 인접하게 교대로 형성된 잠열부(100B)가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 현열부(100A)와 잠열부(100B) 사이에는 열매체의 연결유로가 형성되며,
    상기 잠열부 열매체유로(P3)는, 열매체가 유입되는 열매체 입구(101')와 상기 열매체의 연결유로 사이에 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 잠열부(100B)가 위치하는 제1플레이트의 일측부에는, 상기 제1평면부(110)에서 전방으로 볼록하게 형성된 제2돌출부(170)가 구비되고,
    상기 잠열부(100B)가 위치하는 제2플레이트의 일측부에는, 상기 제2평면부(140)에서 후방으로 볼록하게 형성되어 상기 제2돌출부(170)와의 사이에 상기 잠열부 열매체유로(P3)를 형성하는 제2함몰부(180)가 구비되되,
    상기 제2돌출부(170)와 제2함몰부(180)는 상반된 방향으로 절곡된 빗살 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환기.
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