KR102149212B1

KR102149212B1 - 관체형의 열교환기

Info

Publication number: KR102149212B1
Application number: KR1020170127204A
Authority: KR
Inventors: 박준규; 안성준; 임현묵
Original assignee: 주식회사 경동나비엔
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2020-08-31
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: RU2752121C1; CN111164356B; US20200292238A1; WO2019066388A1; KR20190037649A; CN111164356A; US11156404B2

Abstract

본 발명에 따른 관체형의 열교환기는, 양단에 개구가 형성되고, 내부에 상기 양단의 개구와 연통되는 중공이 마련되며, 일단 측에는 난방수가 상기 중공으로 유입되기 위한 입구가 구비되고, 타단 측에는 상기 난방수가 상기 중공에서 배출되기 위한 출구가 구비되는 원통형의 외통; 상기 외통의 일단 측의 개구를 덮는 하관판; 상기 외통의 타단 측의 개구를 덮되, 상기 난방수를 가열하는 열원을 위치시키기 위한 내부 공간을 제공하는 원통형의 상관판; 상기 열원에서 발생된 연소가스를 상기 상관판으로부터 상기 하관판의 외측으로 안내하기 위한 복수 개의 연관들; 및 상기 하관판과 상기 상관판의 사이에서, 상기 외통의 일단 측에서 타단 측을 향하는 방향인 기준방향을 가로지르게 배치되고, 상기 연관들이 관통하는 복수 개의 관통홀들이 형성되는 원판형의 메인 격막을 포함하고, 상기 관통홀들 중 적어도 일부는, 상기 연관들 중 2개 이상의 연관들이 함께 관통하는 단일의 홀인 광폭 관통홀이다.

Description

관체형의 열교환기 {SHELL AND TUBE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 관체형의 열교환기에 관한 것이다.

열교환기의 일종으로 관체형(Shell and tube type)의 열교환기가 사용된다. 관체형의 열교환기는, 관과 같은 형태로 일 방향을 따라 길게 연장되어, 내부에서 난방수와 고온의 가스간의 열교환이 이루어지도록 형성된다. 열원에 의해 가열된 가스와 난방수가 서로 열 교환이 가능한 경계를 두고 흐르면, 난방수가 가스로부터 열을 전달받아 가열되는 방식이다. 이러한 난방수가 열교환기 내부를 지나갈 때, 난방수가 열교환기 내부에서 천천히 흐르며 오랜 시간 동안 열교환을 하도록 열교환기를 설계하는 것이 열효율 측면에서 바람직하다. 다만, 난방수가 유동하지 않고 정체되는 유동 정체 영역이 발생하는 것은 바람직하지 않다.

본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 유동 정체 영역이 감소한 관체형의 열교환기를 제공하는 것이다.

일 예에서, 관체형의 열교환기는, 양단에 개구가 형성되고, 내부에 상기 양단의 개구와 연통되는 중공이 마련되며, 일단 측에는 난방수가 상기 중공으로 유입되기 위한 입구가 구비되고, 타단 측에는 상기 난방수가 상기 중공에서 배출되기 위한 출구가 구비되는 원통형의 외통; 상기 외통의 일단 측의 개구를 덮는 하관판; 상기 외통의 타단 측의 개구를 덮되, 상기 난방수를 가열하는 열원을 위치시키기 위한 내부 공간을 제공하는 원통형의 상관판; 상기 열원에서 발생된 연소가스를 상기 상관판으로부터 상기 하관판의 외측으로 안내하기 위한 복수 개의 연관들; 상기 하관판과 상기 상관판의 사이에서, 상기 외통의 일단 측에서 타단 측을 향하는 방향인 기준방향을 가로지르게 배치되고, 상기 연관들이 관통하는 복수 개의 관통홀들이 형성되는 원판형의 메인 격막; 상기 하관판과 상기 메인 격막의 사이에서 상기 기준방향을 가로지르게 배치되고, 상기 연관들이 개별적으로 관통하는 복수 개의 관통홀들이 형성되며 중심에는 상기 난방수가 통과하는 유로를 제공하기 위해 중심 홀이 형성되는 제1 격막; 및 상기 메인 격막과 상기 상관판의 사이에서 상기 기준방향을 가로지르게 배치되고, 상기 연관들이 개별적으로 관통하는 복수 개의 관통홀들이 형성되며 중심에는 상기 난방수가 통과하는 유로를 제공하기 위해 중심 홀이 형성되는 제2 격막을 포함하고, 상기 관통홀들 중 적어도 일부는, 상기 연관들 중 2개 이상의 연관들이 함께 관통하는 단일의 홀인 광폭 관통홀이고, 상기 메인 격막, 상기 제1 격막 및 상기 제2 격막은, 상기 제1 격막의 중심 홀, 상기 광폭 관통홀 및 상기 제2 격막의 중심 홀을 상기 난방수가 순서대로 지나가는 유로를 형성해 상기 광폭 관통홀을 관통하는 연관들의 주변으로 난방수가 유동하도록, 상기 외통의 내주면에 기밀하게 결합되어, 상기 메인 격막, 상기 제1 격막 및 상기 제2 격막의 외주면과 상기 외통의 내주면 사이에서 상기 난방수의 통과를 허용하지 않는다.

이에 따라, 관체형의 열교환기의 유동 정체 영역이 감소하여 높은 열전달 효율을 가질 수 있다.

메인 격막을 통과할 때 연관 주변으로 난방수의 유동이 발생하도록 유도하여, 난방수와 연관의 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있다.

도 1은 관체형의 열교환기의 예시적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 관체형의 열교환기에 사용되는 격막의 평면도이다.
도 3은 도 1의 관체형의 열교환기 내에서의 난방수의 유동 상황을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 관체형의 열교환기의 사시도이다.
도 5는 도 4의 관체형의 열교환기의 분해사시도이다.
도 6은 도 4의 관체형의 열교환기에 사용되는 메인 격막의 평면도이다.
도 7은 도 6의 메인 격막에 대한 제1 변형예를 도시하고 있는 평면도이다.
도 8은 도 6의 메인 격막에 대한 제2 변형예를 도시하고 있는 평면도이다.
도 9는 도 4의 관체형의 열교환기에 사용되는 제1 격막의 평면도이다.
도 10은 도 4의 관체형의 열교환기 내에서의 난방수의 유동 상황을 나타낸 도면이다.
도 11은 도 1의 관체형의 열교환기 내에서의 난방수의 온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 12는 도 4의 관체형의 열교환기 내에서의 난방수의 온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 관체형의 열교환기의 메인 격막의 평면도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 관체형의 열교환기의 예시적인 사시도이다.

난방수가 관체형 열교환기(100)의 내부를 천천히 지나가면서 오랜 시간 열교환을 하도록, 도 1에 도시된 바와 같이, 한정된 공간 내에 격막(200)을 배치함으로써, 난방수의 유로를 최대한 길게 형성하는 방법이 고안되었다. 관체형의 열교환기(100)가 일 방향으로 연장되어 형성되고, 그 내부에 상기 일 방향과 나란하지 않은 방향으로 형성된 격막(200)이 배치된다. 격막(200)이, 관체형의 열교환기(100)의 내부에서 난방수가 일 방향으로 이동하려는 것을 가로막아, 난방수가 멀리 돌아서 최종 목적지에 도달하도록 하는 방식으로 난방수의 유로를 길게 형성한다.

도 2는 도 1의 관체형의 열교환기에 사용되는 격막의 평면도이다. 도 2를 참조하면, 관체형의 열교환기(100)의 내부 공간에서 유로를 형성하기 위해 사용될 수 있는 격막(200)과, 격막에 관통홀(202)과 중심 관통홀(203)이 어떻게 형성되어 있는지를 확인할 수 있다. 격막(200)의 판체(201)의 중심에 중심 관통홀(203)이 형성되고, 중심 관통홀(203)을 둘러싸고 관통홀(202)이 형성된다. 또한 판체(201)의 직경이 관체형의 열교환기(100)의 내주면의 직경보다 작게 구성된다.

판체(201)와 관체형의 열교환기(100) 내주면 사이에 형성된 간극을 통해서 난방수가 격막(200)을 통과한다.

도 1의 관체형의 열교환기(100)는 다른 형상의 개구를 가지는 격막을 더 포함할 수 있는데, 이러한 격막들의 배치에 따라, 난방수가 반경 방향 내측과 외측으로 번갈아가면서 이동하는 유로가 형성된다.

도 3은 도 1의 관체형의 열교환기 내에서의 난방수의 유동 상황을 나타낸 도면이다. 도면에, 해당 영역의 난방수의 유속에 따라 색깔을 달리하여 표시하였다.

그러나 도 3을 살펴보면, 일 관체형의 열교환기(100)에서는, 격막(200)의 상부에, 난방수가 흐르지 못하고 계류하는 유동 정체 영역(C)이 발생함을 알 수 있다. 난방수가 관체형의 열교환기(100) 내를 천천히 흘러서 오랜 시간 열교환을 하는 것이 바람직함은 이미 상술한 내용이다. 그러나 아예 난방수가 흐르지 못하고 도 3과 같이 정체되어 있다면, 후행하는 저온의 난방수가 적절히 열교환을 받지 못한다. 또한 이미 데워진 난방수는 사용자에게 전달되지 못하여 관체형의 열교환기(100)의 효율을 저해하게 된다. 이러한 유동 정체 영역(C)을 제거하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 관체형의 열교환기(1)가 이하 설명과 같이 제시된다.

제1 실시예

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 관체형의 열교환기의 사시도이다. 도 5는 도 4의 관체형의 열교환기의 분해사시도이다.

도 4 및 도 5을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 관체형의 열교환기(1)는 외통(20)과, 하관판(24)와, 상관판(10)과, 복수 개의 연관(30)과, 메인 격막(50)을 포함한다.

외통(20)

외통(20)은 원통형으로 형성된, 본 관체형의 열교환기(1)의 본체로, 관체형의 열교환기(1)를 구성하는 구성요소들을 원통형의 내부 공간에 수용한다.

외통(20)의 양단에는 개구가 형성되고, 내부에 상기 양단의 개구와 연통되는 중공(26)이 마련되며, 일단 측에는 난방수가 상기 중공(26)으로 유입되기 위한 입구(21)가 구비되고, 타단 측에는 상기 난방수가 상기 중공(26)에서 배출되기 위한 출구(22)가 구비된다.

외통(20)은 양단에 개구를 가지고 있으며, 상기 양단의 개구는 내부 공간을 형성하는 중공(26)에 의해 연결된다.

외통(20)의 일단 측에서 타단 측을 향하는 방향은 본 명세서에서 기준방향(D)으로 칭한다. 따라서 기준방향(D)을 이용해 설명하면, 외통(20)은 기준방향(D)을 따라 연장된 외통 연장부(25)를 포함하고, 외통 연장부(25)의, 기준방향(D)과 이의 반대방향의 말단이 각각 개방된 원통형으로 형성된다.

외통(20)의 일단 측의 개구는 하관판(24)에 의해 덮인다. 여기서 하관판(24)이 개구를 덮는다는 말은, 도면에 도시된 바와 같이 외통(20)의 일단에 위치한 개구의 테두리를 외부로부터 완전히 덮는다는 말일 수 있다. 그러나 개구의 테두리는 외부를 향해 돌출된 채로, 하관판(24이가 외통(20)의 개구 내부로 삽입되어 외통(20)의 중공(26)의 내주면에 결합됨으로써, 중공(26)을 외부와 차단하는 방식으로 결합되어도, 개구를 덮는다고 표현할 수 있다.

따라서 하관판(24)이 외통(20)의 내부에 배치되는 중공(26)과 외부를 구분할 수 있다. 하관판(24)에는 후술할 복수의 연관(30)이 각각 통과할 수 있는 하관판 관통홀(241)이 형성될 수 있다.

하관판(24)은 본 발명의 제1 실시예에서는 외통(20)과 별도로 구성되는 것으로 도시하였으나, 외통(20)의 일단에 배치되는 하관판(24)은 외통(20)과 일체로 형성될 수도 있다. 또한, 하관판(24)이 외통(20)의 일단의 개구를 전부 덮지 않고, 단지 외통(20)의 일단에 위치할 수도 있다.

외통(20)의 타단 측의 개구는 상관판(10)에 의해서 덮인다. 외통(20)의 양단에 형성된 개구가 각각 하관판(24)과 상관판(10)에 의해서 덮임으로써, 외통(20)의 내부 공간에는 중공(26)이 형성된다. 중공(26)에는 외통(20)의 일단 측에 구비된 입구(21)에 의해 난방수가 유입되어 수용될 수 있다. 입구(21)를 통해 중공(26)에 유입된 난방수는 외통(20)의 타단 측에 구비된 출구(22)를 통해 배출될 수 있다.

상관판(10)

상관판(10)은 외통(20)의 타단 측의 개구를 덮는 또 다른 원통형의 구성요소로, 난방수를 가열하기 위한 열원이 상관판의 내부 공간(12)에 배치되는 구성요소이다. 상관판(10)은, 난방수를 가열하기 위한 열원을 외통(20)의 중공(26) 내에 위치시키기 위한 내부 공간으로서, 외통(20)의 타단 측에서 일단 측을 향해 연장되는 내부 공간(12)을 제공한다. 원통형으로 형성된 상관판(10)은 외통(20)의 타단 측에서 외통(20)의 일단 측을 향해 연장되나, 외통(20)의 일단 측에 도달하지는 않는다. 상관판의 내부 공간(12)에는 열원이 배치되어, 상관판(10)을 가열해 난방수에 열을 전달할 수 있다. 또한 열원이 상관판(10)에 수용된 기체를 가열함으로써 연소가스를 생성할 수 있다. 열원의 가열로 인해 발생한 연소가스가 상관판(10)으로부터 연관(30)을 통해 외통(20)의 중공(26)을 거쳐 외부로 배출될 수 있다. 이 과정에서 연관(30)을 통과하는 연소가스가 중공(26)을 통과하는 난방수를 데울 수 있다.

상관판(10)의 일단은 상관판 덮개(13)에 의해 덮인다. 상관판 덮개(13)에는 후술할 연관(30)이 통과할 수 있는 상관판 관통홀(131)이 형성될 수 있다. 본 발명의 제1 실시예에서는 상관판 덮개(13)가 분리 가능한 것으로 도시하였으나, 상관판(10)은 상관판 덮개(13)와 일체로 형성될 수 있다.

상관판의 타단(111)은 외통(20)의 타단에 상응하는 직경으로 형성되어, 외통(20)의 타단과 결합하여 외통(20)의 타단을 닫아 밀폐된 외통(20)의 중공(26)을 형성할 수 있다. 그러나 외통(20)의 타단 측에서 외통(20)의 일단 측으로 연장되는 상관판 연장부(11)의 직경은 외통(20)의 직경보다 작도록 형성될 수 있다. 따라서 상관판(10)은 상관판 연장부(11)에서 상관판의 타단(111)으로 이어지면서 테이퍼진 형상을 가질 수 있다.

상관판 연장부(11)의 직경이 외통(20)의 직경보다 작게 형성되어, 외통(20)의 내주면과 상관판(10)의 외주면 간에 유동 공간(23)이 형성될 수 있다. 유동 공간(23)을 통해서 중공(26)으로부터 난방수가 유동할 수 있다. 외통(20)의 타단에 형성되는 외통(20)의 출구(22)는, 유동 공간(23)에 연통될 수 있다. 따라서 유동 공간(23)에서 유동하는 난방수는 외통(20)의 출구(22)를 통해서 배출될 수 있다. 유동 공간(23)에서 유동하는 난방수가 열원에 의해 가열된 상관판(10)으로부터 최종적으로 열을 전달받고, 외통(20)에 형성된 출구(22)를 통해 배출되는 것이다.

연관(30)

연관(30)은 하관판(24)과 상관판(10) 사이에 복수 개가 배치되고, 상기 상관판의 내부 공간(12) 및 하관판(24)의 외측과 연통되는 관형의 구성요소이다. 복수 개의 연관(30)들은 따라서 열원에서 발생된 연소가스를 상관판의 내부 공간(12)으로부터 외통(20)의 중공(26)을 거쳐 하관판(24)의 외측으로 안내한다. 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 연관(30)은 기준방향(D)을 따라 연장된다. 따라서 가열된 연소가스가 연관(30)을 통해서 기준방향(D)의 반대방향으로 이동한다. 연소가스의 이동 과정에서 외통(20)의 중공(26)을 통해 기준방향(D)으로 이동하는 난방수와 연소가스의 열교환이 연관(30)을 통하여 이루어진다.

연관(30)은 복수로 구성되되, 외통(20)과 상관판(10)의 원형의 횡단면의 중심으로부터 방사상으로 배치될 수 있다. 상기 원형의 횡단면의 중심은 후술할 원판형의 메인 격막(50)의 중심과 동일할 수 있다. 따라서 본 발명의 제1 실시예와 같이 연관(30)이 하나의 원주를 따라서 일정 간격을 두고 배치될 수 있다. 그러나 연관(30)은 2개의 서로 직경이 다른 원주를 따라서 일정 간격을 두고 배치되어, 2단으로 배치될 수도 있으며 그 배치는 이에 제한되지 않는다.

메인 격막(50)

외통(20)의 내부에 형성되는 외통(20)의 중공(26)에는 메인 격막(50)이 배치된다. 메인 격막(50)은 원판형으로 형성되는 구성요소로, 외통(20)의 하관판(24)과 상관판(10)의 사이에서 기준방향(D)을 가로지르게 배치된다. 본 발명의 제1 실시예에서는 메인 격막(50)이 기준방향(D)과 직교하도록 배치되었으나, 그 배치되는 방향이 이에 제한되는 것은 아니다.

도 6은 도 4의 관체형의 열교환기에 사용되는 메인 격막의 평면도이다.

메인 격막의 판부(51)에는 복수 개의 관통홀(52)이 형성된다. 메인 격막(50)의 관통홀(52)은, 메인 격막(50)과 연관(30)이 만나는 지점에, 상기 연관(30)이 통과할 수 있는 형상으로 개방되어 형성된다. 따라서 복수의 연관(30)이 관통홀(52)을 통과하여 기준방향(D)을 따라 연장됨으로써 상관판 덮개(13)와 하관판(24)을 연결할 수 있다.

메인 격막(50)의 관통홀(52) 중 적어도 일부는, 광폭 관통홀이다. 광폭 관통홀은, 관통홀(52) 중 2개 이상의 연관(30)이 함께 관통하는 단일의 홀을 의미한다. 광폭 관통홀을 관통하는 연관(30)들 중 인접한 2개의 연관(30)들 사이의 빈 공간(521) 역시 개방된 형태로 구성된다. 따라서 이 빈 공간(521)을 통해 중공(26) 내의 난방수가 기준방향(D)을 따라 출입할 수 있다. 빈 공간(521)을 통해 난방수가 메인 격막(50)을 기준방향(D)을 따라 통과한다.

메인 격막(50)의 광폭 관통홀은, 광폭 관통홀을 관통하는 연관(30)들 중 원주방향을 기준으로 가장 외측에 위치하는 2개의 연관(30)들과, 상기 2개의 연관(30)들에 의해 그 사이에서 정의되는 공간을 함께 에워싸는 단일의 홀일 수 있다. 광폭 관통홀을 통과하는 연관(30)들은 단지 2개가 아니라 그 이상일 수 있으므로, 원주방향을 따라 가장 외곽에 위치하는 2개의 연관(30)들이 광폭 관통홀의 원주방향 경계가 되고, 그 사이 공간을 전부 단일의 홀이 에워싸도록 광폭 관통홀이 형성될 수 있다.

원주방향을 기준으로 가장 외측에 위치하는 2개의 연관(30)에 의해 정의되는 그 사이 공간의 반경방향 경계를 확정하기 위해, 광폭 관통홀을 관통하는 연관(30)들의 반경방향 내측 말단들을 원주방향으로 연결하는 선 및 상기 연관(30)들의 반경방향 외측 말단들을 원주방향으로 연결하는 선을 더 생각할 수 있다. 따라서 상기 두 선과, 원주방향을 기준으로 가장 외측에 위치하는 2개의 연관(30)에 의해 정의되는 공간을 에워싸도록 단일의 광폭 관통홀이 형성될 수 있다.

광폭 관통홀은 모두 동일 개수의 인접한 연관(30)들이 함께 관통하도록 형성될 수 있으며, 서로 다른 개수의 인접한 연관(30)들이 함께 관통하는 복수 종류로 형성될 수도 있다.

도 6에 도시된 제1 실시예에 따른 메인 격막(50)의 관통홀(52)의 각각은 모두, 인접한 2개의 연관(30)들이 함께 관통하는 광폭 관통홀이다. 이를 위해 제1 실시예에 따른 연관(30)은 메인 격막(50)의 중심을 기준으로 방사상으로 배치되되, 2의 배수 개로 마련될 수 있다.

도 4 및 도 5를 다시 참조하여 설명하면, 메인 격막(50)의 직경은 외통(20)의 내주면의 직경과 동일하게 형성될 수 있다. 따라서 메인 격막(50)의 외주면은 외통(20)의 내주면과 기밀하게 결합될 수 있다. 메인 격막의 외주면이 외통(20)의 내주면으로부터 이격되어 배치됨으로써 난방수가 상기 이격된 공간을 따라 기준방향(D)으로 이동할 수 있었던 구조와 달리, 본 발명에서는 난방수가 외통(20)의 내주면과 메인 격막(50)의 외주면 사이 공간을 통해 이동할 수 없다. 따라서 메인 격막(50)을 난방수가 기준방향(D)을 따라 통과하기 위해서는, 상기 중심 관통홀(53)이나, 연관(30)과 상기 연관(30)을 에워싼 관통홀(52) 사이의 공간을 통해서만 가능하다.

메인 격막의 변형예들

도 7은 도 6의 메인 격막에 대한 제1 변형예를 도시하고 있는 평면도이다.

도 7에 도시된 메인 격막(80)의 판부(81)에 형성된 관통홀(82)의 각각은 모두 제1 광폭 관통홀(821)과 제2 광폭 관통홀(822) 중 어느 하나이다. 제1 광폭 관통홀(821)은 인접한 2개의 연관(30)들이 함께 관통하는 광폭 관통홀이고, 제2 광폭 관통홀(822)은 인접한 3개의 연관(30)들이 함께 관통하는 광폭 관통홀이다. 따라서 본 변형예에 따른 복수 개의 연관(30)은 5의 배수 개로 마련될 수 있다.

제1 광폭 관통홀(821)과 제2 광폭 관통홀(822)은 메인 격막(80)의 원주방향을 따라 교대로 번갈아가며 배치될 수 있다. 일 영역에 단일 종류의 광폭 관통홀이 모여 배치됨에 따라 (혹시 발생할 수 있는) 난방수 유동의 불균형이 생기는 것을 막기 위함이다.

도 8은 도 6의 메인 격막에 대한 제2 변형예를 도시하고 있는 평면도이다.

도 8에 도시된 메인 격막(90)의 판부(91)에 형성된 관통홀(92)의 각각은 모두, 인접한 4개의 연관(30)들이 함께 관통하는 광폭 관통홀이다. 이를 위해 제3 실시예에 따른 연관(30)은 메인 격막(90)의 중심을 기준으로 방사상으로 배치되되, 4의 배수 개로 마련될 수 있다.

메인 격막(50, 70, 80, 90)의 중심에는 메인 격막(50, 70, 80, 90)을 관통하되 메인 격막(50, 70, 80, 90)의 어느 반경방향으로 연장되도록 중심 관통홀(53, 73, 83, 93)이 형성될 수 있다. 복수의 연관(30)들 중 적어도 일부의 연관(30)들이 중심 관통홀(53, 73, 83, 93)을 관통한다. 중심 관통홀(53, 73, 83, 93)은 복수 개로 형성되어, 상기 통과홀(53, 73, 83, 93)의 연장방향인 일 반경방향과 수직한 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 중심 관통홀(53, 73, 83, 93)이 총 3개 형성되는 것으로 표현하였으나, 그 개수 및 배치 방향은 이에 제한되지 않는다. 또한 중심 관통홀(53, 73, 83, 93) 중의 일부도, 관통홀(52, 72, 82, 92)과 같이 광폭의 관통홀을 형성할 수 있다.

제1 격막(40) 및 제2 격막(60)

본 발명의 실시예 1에 따른 관체형의 열교환기(1)는, 제1 격막(40) 또는 제2 격막(60)을 더 포함할 수 있다. 도 4, 도 5 및 도 9를 참조하며 제1 격막(40) 및 제2 격막(60)에 대해 설명한다. 도 9는 도 4의 관체형의 열교환기에 사용되는 제1 격막의 평면도이다.

도 9에 도시된 격막은 제1 격막(40)이다. 제1 격막(40)은 메인 격막(50)과 하관판(24)의 사이에서 기준방향(D)을 가로지르게 배치되고, 제2 격막(60)은 메인 격막(50)과 상관판(10)의 사이에서 기준방향(D)을 가로지르게 배치된다. 제1 격막(40)과 제2 격막(60)은 본 발명의 제1 실시예와 같이 동일한 형태로 형성될 수도 있으나, 상이한 형태로 형성될 수도 있다. 본 발명의 실시예에서는 제1 격막(40)과 제2 격막(60)이 동일한 형태를 가지므로, 제1 격막(40)에 대해서 설명하여 제2 격막(60)에 대한 설명에 갈음한다.

제1 격막(40)은 메인 격막(50)과 같이 원판형으로 형성된다. 또한 제1 격막의 판부(41)에는 연관(30)이 통과할 수 있도록 복수의 관통홀(42)이 형성된다. 다만 제1 격막(40)에 형성되는 관통홀(42)은 복수 개의 연관(30)이 함께 통과할 수 있도록 일정 영역을 개방한 형태로 형성되지 않고, 각각의 연관(30)이 개별적으로 관통할 수 있도록 연관(30)의 개수와 동일한 개수의 관통홀(42)이 각각의 연관(30)이 관통하는 위치에 형성된다.

제1 격막(40)의 중심에는 중심 홀(43)이 형성된다. 중심 홀(43)은 난방수가 통과하는 유로를 제공하기 위해 형성되는 개구로, 난방수는 제1 격막(40)을 상기 중심 홀(43)을 통해 기준방향(D)을 따라 통과할 수 있다. 중심 홀(43)은 도시된 바와 같이 원형으로 형성될 수 있으나, 그 형태는 이에 제한되지 않는다.

메인 격막(50)의 광폭 관통홀의 작용

이하, 도 10을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 메인 격막(50)을 관체형의 열교환기(1)에 도입한 경우를 설명한다.

도 10은 도 4의 관체형의 열교환기 내에서의 난방수의 유동 상황을 나타낸 도면이다. 도 10에 도시된 관체형의 열교환기(1)에서는, 메인 격막(50) 이외에 메인 격막(50)과 하관판(24) 사이에 배치되는 제1 격막(40) 및 메인 격막(50)과 상관판(10) 사이에 배치되는 제2 격막(60)을 더 포함한다.

도 1 및 도 2의 구조의 경우, 격막(200)의 관통홀(202) 형상으로 인해, 관체형의 열교환기(100) 내부에서 기준방향으로 난방수가 이동하면서, 구불구불한 경로를 따라 이동하였다. 격막 아래에 형성된 다른 격막을 통과하기 위해, 격막의 반경방향 내측에서 기준방향으로 난방수가 이동했다. 상기 다른 격막의 중심에 형성된 개구를 통과한 난방수는 격막의 반경방향 외측으로 이동해서 기준방향을 따라 격막(200)과 관체형의 열교환기(100)의 내주면 사이 공간을 통과했다. 격막(200)을 통과한 상기 난방수는 다시 격막(200)의 반경방향 내측으로 이동해서 격막(200) 위에 배치된 또 다른 격막의 중심에 형성된 개구를을 기준방향을 따라 통과했다. 도 3을 참조하면, 이로 인해 격막(200)의 기준방향 측면에 유동 정체 영역(C)이 형성되었다.

그러나 도 10을 참조하면, 난방수는 도 2와 차이가 있는 경로를 따라 중공(26) 내에서 기준방향(D)으로 이동한다. 난방수는 입구(21)를 통해 중공(26)에 유입되어 제1 격막(40)을 만난다. 제1 격막(40)을 통과하기 위해 난방수는 제1 격막(40)의 반경방향 내측으로 이동한다. 제1 격막의 중심 홀(43)을 통과한 난방수는 메인 격막(50)의 광폭 관통홀을 통해 기준방향(D)을 따라 메인 격막(50)을 통과하게 된다. 이 때, 복수의 인접한 연관(30)들이 광폭 관통홀을 관통하고 있으므로, 난방수가 광폭 관통홀을 통해 제1 격막(40)을 통과할 수 있는 공간은, 연관(30)의 외주면과 광폭 관통홀의 내주면 사이의 빈 공간(521)이 된다. 광폭 관통홀은 원주방향을 따라 일정 간격을 두고 배치되되, 메인 격막(50)의 반경방향 최외측에 위치하지 않는다. 또한 메인 격막(50)의 외측면은 외통(20)의 내주면에 기밀하게 결합된 상태이다. 따라서 난방수는 메인 격막(50)을 통과하기 위해 메인 격막(50)의 반경방향 최외측으로 이동하지 않고, 광폭 관통홀이 위치한 영역까지만 이동하면 된다.

이후 메인 격막(50)을 통과한 난방수는 제2 격막의 중심 홀(63)을 통해 제2 격막(60)을 통과하고, 유동 공간(23)으로 진입하여 상관판(10)과의 열교환을 한다. 유동 공간(23)을 난방수가 통과하여 외통(20)의 타측에 위치한 출구(22)를 통해 배출된다.

메인 격막(50)의 관통홀(52) 의 형상 및 배치가 이와 같이 메인 격막(50) 전체에 걸쳐 고르게 이루어짐으로써, 도 10에서 확인할 수 있듯이 도 3의 유동 정체 영역(C)이 사라지고, 전체적으로 원활하게 유동이 이루어진다. 다만 메인 격막(50)의 관통홀(52)이 매우 넓은 영역에 걸쳐서 아무런 제약 없이 개방된 것이 아니므로, 난방수가 중공(26)을 매우 빠르게 지나가 열효율이 떨어지는 상황을 발생시키지는 않는다.

또한 메인 격막(50)의 광폭 관통홀이 연관(30)을 에워싸도록 형성됨과 동시에 연관(30) 사이의 빈 공간(521)이 난방수의 유동을 허용하고 있으므로, 난방수가 메인 격막(50)을 통과할 때 연관(30)의 주변에서 흐르도록 한다. 이를 통해 난방수와 연관(30) 사이의 열교환이 보다 잘 이루어져 높은 압력강하를 발생시키지 않고도 연관(30)의 열전달 면적을 전부 사용할 수 있게 된다.

본 발명의 제1 실시예에서는 메인 격막(50)의 외주면이 기밀하게 외통(20)의 내주면에 결합된 경우의 유로에 대해서 도시하고 설명하였다. 그러나, 다른 변형예에서는 메인 격막(50)의 외주면이 외통(20)의 내주면에 결합되지 않을 수 있다. 변형예에 따르더라도 광폭 관통홀을 통한 유로 형성에 의해 연관(30)의 열전달 면적을 온전히 사용해 관체형의 열교환기의 열효율을 상승시킬 수 있다.

도 11은 도 1의 관체형의 열교환기(100) 내에서의 난방수의 온도 분포를 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, 도 1의 관체형의 열교환기(100)에서는 유동 정체 영역(C)이 발생함을 확인할 수 있다. 격막(200) 상측에서 유동이 정체됨에 따라, 격막(200)의 상측에 위치한 연관(30)의 주변에서 난방수가 과하게 가열되어 높은 온도를 나타냄을 확인할 수 있다.

반면 도 4의 관체형의 열교환기(1) 내에서의 난방수의 온도 분포를 나타낸 도면인 도 12를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 관체형의 열교환기(1)에서는 도 11과 같은 동일한 유동 정체 영역(C)이 발생하지 않음을 알 수 있다. 연관(30)과 인접한 영역에서 메인 격막(50)을 통해 유동이 발생해, 난방수가 머무른 채로 과하게 가열되지 않고 흐르고 있음을 도면에서 확인할 수 있다.

또한, 일 실험예에 따르면, 도 11의 난방수는 최종적으로 출수될 때 79.4℃의 온도를 가지고, 도 12의 난방수는 최종적으로 출수될 때 80.3℃의 온도를 가진다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 관체형의 열교환기(1)를 이용함으로써, 유동 정체 영역(C)을 저감시키고 관체형의 열교환기(1) 내부에서 난방수의 유동이 원활하게 이루어지도록 한다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 관체형의 열교환기(1)는, 변형된 메인 격막(50)의 형태로부터 비롯된 원활한 난방수의 유동으로 인해, 최종적으로 출수되는 난방수의 온도가 증가하는 효과를 얻는다.

제2 실시예

도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 관체형의 열교환기의 메인 격막의 평면도이다.

메인 격막(70)의 광폭 관통홀은, 광폭 관통홀을 통과하는 연관(30)들 중 적어도 어느 하나의 반경방향 내측 또는 외측 말단을 지지하기 위해, 상기 내측 또는 외측 말단의 테두리를 다른 연관(30)들과 구별되게 에워싸는 형식으로 형성될 수 있다. 도 13에서는 연관(30)의 외측 말단의 테두리를 둘러싸는 걸림부(722)가 형성되도록 도시하였으나, 이러한 걸림부는 내측 말단에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.

도 6 내지 8의 광폭 관통홀의 형상은, 메인 격막(50, 80, 90)이 각 연관(30)을 지지할 수 있도록 걸림부나 홈이 존재하도록 형성되지 않았다. 그러나 본 실시예와 같이 광폭 관통홀을 통과하는 연관(30)들 중 일부의 반경방향 일측 말단을 에워싸는 형태로 광폭 관통홀이 상기 도 6 내지 도 8에 도시된 제1 실시예의 변형예들에서 설명된 관통홀(52, 82, 92)들에 대해 형성되면, 일측 말단을 에워싼 광폭 관통홀의 걸림부에 의해 연관(30)이 지지될 수 있으며, 메인 격막(50, 80, 90) 역시 연관(30)에 의해 회전 등이 일어나지 않도록 지지될 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1, 100 : 관체형의 열교환기 10 : 상관판
11 : 상관판 연장부 12 : 상관판의 내부 공간
13 : 상관판 덮개 20 : 외통
21 : 입구 22 : 출구
23 : 유동 공간 24 : 하관판
25 : 외통 연장부 26 : 중공
30 : 연관 40 : 제1 격막
41 : 제1 격막의 판부 42 : 제1 격막의 관통홀
43 : 제1 격막의 중심 홀 50, 70, 80, 90 : 메인 격막
51, 71, 81, 91 : 메인 격막의 판부
52, 72, 82, 92 : 메인 격막의 관통홀
53, 73, 83, 93 : 메인 격막의 중심 관통홀
60 : 제2 격막 61 : 제2 격막의 판부
62 : 제2 격막의 관통홀 63 : 제2 격막의 중심 홀
111 : 상관판의 타단 131 : 상관판 관통홀
200 : 격막 201 : 격막의 판부
202 : 격막의 관통홀 203 : 격막의 중심 관통홀
241 : 하관판 관통홀 521, 721 : 빈 공간
821 : 제1 광폭 관통홀 822 : 제2 광폭 관통홀
722 : 걸림부 C : 유동 정체 영역
D : 기준방향

Claims

양단에 개구가 형성되고, 내부에 상기 양단의 개구와 연통되는 중공이 마련되며, 일단 측에는 난방수가 상기 중공으로 유입되기 위한 입구가 구비되고, 타단 측에는 상기 난방수가 상기 중공에서 배출되기 위한 출구가 구비되는 원통형의 외통;
상기 외통의 일단 측의 개구를 덮는 하관판;
상기 외통의 타단 측의 개구를 덮되, 상기 난방수를 가열하는 열원을 위치시키기 위한 내부 공간을 제공하는 원통형의 상관판;
상기 열원에서 발생된 연소가스를 상기 상관판으로부터 상기 하관판의 외측으로 안내하기 위한 복수 개의 연관들;
상기 하관판과 상기 상관판의 사이에서, 상기 외통의 일단 측에서 타단 측을 향하는 방향인 기준방향을 가로지르게 배치되고, 상기 연관들이 관통하는 복수 개의 관통홀들이 형성되는 원판형의 메인 격막;
상기 하관판과 상기 메인 격막의 사이에서 상기 기준방향을 가로지르게 배치되고, 상기 연관들이 개별적으로 관통하는 복수 개의 관통홀들이 형성되며 중심에는 상기 난방수가 통과하는 유로를 제공하기 위해 중심 홀이 형성되는 제1 격막; 및
상기 메인 격막과 상기 상관판의 사이에서 상기 기준방향을 가로지르게 배치되고, 상기 연관들이 개별적으로 관통하는 복수 개의 관통홀들이 형성되며 중심에는 상기 난방수가 통과하는 유로를 제공하기 위해 중심 홀이 형성되는 제2 격막을 포함하고,
상기 관통홀들 중 적어도 일부는, 상기 연관들 중 2개 이상의 연관들이 함께 관통하는 단일의 홀인 광폭 관통홀이고,
상기 메인 격막, 상기 제1 격막 및 상기 제2 격막은, 상기 제1 격막의 중심 홀, 상기 광폭 관통홀 및 상기 제2 격막의 중심 홀을 상기 난방수가 순서대로 지나가는 유로를 형성해 상기 광폭 관통홀을 관통하는 연관들의 주변으로 난방수가 유동하도록, 상기 외통의 내주면에 기밀하게 결합되어, 상기 메인 격막, 상기 제1 격막 및 상기 제2 격막의 외주면과 상기 외통의 내주면 사이에서 상기 난방수의 통과를 허용하지 않는, 관체형의 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 메인 격막은, 상기 광폭 관통홀을 관통하는 연관들 중 인접한 2개의 연관들 사이의 빈 공간을 통해, 상기 외통의 중공으로 유입된 난방수가 상기 기준방향을 따라 상기 메인 격막을 통과하게 하는, 관체형의 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 광폭 관통홀은, 상기 광폭 관통홀을 관통하는 연관들 중 원주방향을 기준으로 가장 외측에 위치하는 2개의 연관들, 및 이들에 의해 이들 사이에서 정의되는 공간을 함께 에워싸는 단일의 홀로 형성되는, 관체형의 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 광폭 관통홀은, 상기 광폭 관통홀을 관통하는 연관들 중 원주방향을 기준으로 가장 외측에 위치하는 2개의 연관들과, 상기 광폭 관통홀을 관통하는 연관들의 반경방향 내측 말단들을 원주방향으로 연결하는 선과, 상기 광폭 관통홀을 관통하는 연관들의 반경방향 외측 말단들을 원주방향으로 연결하는 선에 의해 정의되는 공간을 에워싸는 단일의 홀로 형성되는, 관체형의 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 광폭 관통홀은, 상기 광폭 관통홀을 관통하는 연관들 중 적어도 어느 하나의 반경방향 내측 또는 외측 말단을 지지하기 위해, 상기 말단의 테두리를 다른 연관들과 구별되게 에워싸는, 관체형의 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 연관들은, 상기 메인 격막의 중심을 기준으로 방사상으로 배치되되, 2의 배수 개로 마련되고,
상기 관통홀들의 각각은 모두, 인접한 2개의 연관들이 함께 관통하는 광폭 관통홀인, 관체형의 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 연관들은, 상기 메인 격막의 중심을 기준으로 방사상으로 배치되되, 4의 배수 개로 마련되고,
상기 관통홀들의 각각은 모두, 인접한 4개의 연관들이 함께 관통하는 광폭 관통홀인, 관체형의 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 연관들은, 상기 메인 격막의 중심을 기준으로 방사상으로 배치되되, 5의 배수 개로 마련되고,
상기 관통홀들의 각각은 모두, 인접한 2개의 연관들이 함께 관통하는 제1 광폭 관통홀과, 인접한 3개의 연관들이 함께 관통하는 제2 광폭 관통홀 중의 어느 하나이고,
상기 제1 및 제2 광폭 관통홀은, 원주방향을 따라 교대로 배치되는, 관체형의 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 관통홀들의 각각은 모두, 동일 개수의 인접한 연관들이 함께 관통하는 광폭 관통홀인, 관체형의 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 메인 격막의 중심에는, 상기 메인 격막을 관통하되, 상기 메인 격막의 어느 반경방향으로 연장되게 복수 개의 중심 관통홀들이 형성되고,
상기 중심 관통홀들은, 상기 반경방향에 수직한 방향으로 서로 이격되게 배치되며,
상기 복수 개의 연관들은, 상기 중심 관통홀들을 각각 관통하는 일부 연관들을 포함하는, 관체형의 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 메인 격막의 외주면은, 상기 외통의 내주면에 기밀하게 결합되어, 상기 메인 격막의 외주면과 상기 외통의 내주면 사이에서 상기 난방수의 통과를 허용하지 않는, 관체형의 열교환기.
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청구항 1에 있어서,
상기 상관판은, 상기 상관판의 외주면과 상기 외통의 내주면 사이에 상기 난방수가 유동하는 유동 공간을 제공하고,
상기 외통의 출구는, 상기 유동 공간에 연통되는, 관체형의 열교환기.