KR20130016207A - 응축형 열교환기를 구비한 고온 유체 생성 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 가스를 이송하거나 생성하기 위한 수단(4) 및 응축형 열교환기(1)를 구비한 장치에 관한 것이다. 이 응축형 열교환기(1)는 일차 열교환기의 역할을 하고 가스 불침투성 하우징 내부에 장착되며 가스 배출 트렁크(122)를 구비하는 나선형 튜브 다발(2a), 상기 일차 열교환기 내부에서 일차 유체를 순환시키기 위한 수단(9), 및 상기 일차 열교환기의 코일을 통해 고온 가스를 순환시키기 위해 배치되는 두 개의 편향판(61,62) 및 한 개의 편향링(63)을 구비한다. 상기 장치는 이차 열교환기의 역할을 하는 제2 튜브 다발(2b)과, 상기 일차 유체로부터 분리된 이차 유체를 상기 제2 튜브 다발의 내부에서 순환시키기 위한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하고, 상기 제2 편향판은 상기 일차 열교환기(2a)와 상기 이차 열교환기(2b) 사이에 삽입 배치되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 가열수 및 위생 온수의 생성에 사용될 수 있다.

Description

응축형 열교환기를 구비한 고온 유체 생성 장치{HOT FLUID PRODUCTION DEVICE INCLUDING A CONDENSING HEAT EXCHANGER}

본 발명은 여러 유체를 가열하기 위한 응축형 열교환기, 및 버너 특히, 가스 또는 연료 오일 버너와 같이 고온 가스를 생성하기 위한 수단 혹은 외부 소스에 의해 미리 고온 가스(hot gas)를 생성시키기 위한 고온 가스를 포함하는 고온 유체 생성 장치(device for producing hot fluids)에 관한 것이다.

이러한 장치는 예컨대, 중앙 가열회로의 이송 및/또는 위생수의 제공을 위한 가정용 또는 공업용의 가스 보일러를 설치하기 위해 의도된 것이다.

상기 장치의 열교환기는 예컨대, EP-B-0 678 186에 개시된 바와 같이 적어도 한 다발의 튜브가 내장된 인클로저(enclosure)의 경계를 정하는 하우징을 포함한 유형으로 구성되고, 필요시 참고할 수도 있다.

EP-B-0 678 186에는, 열전도성이 양호한 재질로 이루어진 튜브로 구성되는 열교환기 요소가 개시되어 있고, 이 열교환기에서는 예컨대 가열될 물과 같은 열전달 유체가 순환되도록 의도된다.

이러한 튜브는 나선형으로 감겨있고 평평하고 타원형인 횡단면을 가지며, 그 주축은 나선축에 거의 직각을 이루고 있고 매 권취되는 튜브는 일정한 폭을 갖는 틈새에 의해 인접 권취 튜브의 면으로부터 분리되는 평평한 면을 가지되, 상기 폭은 상기 타원형 횡단면보다 실질적으로 작고, 두 개의 인접 권취 튜브 간의 간격은 튜브벽에 형성된 보스(bosses)에 의해 형성되는 공간에 의해 더욱 교정된다.

또한, 상기 문헌은 다양하게 논의되는 실시예에서 상이한 방식으로 배치되는 전술한 여러 요소들을 구비한 열교환기를 개시하고 있다.

이에 따라 정의된 열교환기 부재는 인클로저 내부에 장착된 버너에 의해 직접 발생하거나 관형 부재(tubular element)와 "접촉하는" 외부 소스로부터 발생될 수도 있는 매우 뜨거운 고온 가스(hot gases)와, 관형 부재 내부에서 순환하는 물과 같은 가열될 유체 간의 매우 효율적인 열교환을 보장해줄 수 있다.

사실상, 유체가 대략 방사상 방향을 따라 튜브의 권취부들(turns) 사이의 틈새(interstice)를 통과할 때, 고온 가스의 흐름은 상대적으로 넓은 열교환기 부재의 벽면과 접촉하게 된다.

문헌 EP-B-0 678 186의 도 20은 일차 열교환기의 역할을 하는, 나선형으로 권취된 튜브 다발(bundle of helically wound tubes), 내부에서 단일의 일차 유체를 순환시키기 위한 수단, 고온 가스를 발생시킬 수 있는 버너, 상기 버너의 단부와 상기 튜브 다발의 내부에 부착되어 상기 튜브 다발의 내부를 2개의 격벽부로 분할하기 위한 세라믹 디스크, 및 상기 튜브 다발의 외측에 배치되는 링형상의 밀폐장치(obturator)를 포함하는 열교환기를 도시하고 있다.

이러한 열교환기를 통해, 상기 디스크와 상기 밀폐장치에 의해 형성되는 두 개의 배플에 의해, 고온 가스를 일차 튜브 다발의 내부로부터 외향하여 성공적으로 순환시킨 다음, 상기 디스크로부터 하류쪽으로 그리고 밀폐장치로부터 상류쪽으로 외부로부터 내향하여 순환시키고, 마지막으로 이들 고온 가스를 냉각 가스용의 배출 트렁크(discharge trunk)를 통해 외부로 빠져나가도록 할 수 있다.

그러나, 전술한 문헌에서는, 단일 열원에 의해 단일 유체를 가열시키기 위한 수단이 제공된다. 현재, 소정의 응용분야에서는, 적어도 두 가지 유체, 예컨대 위생수 및 건물의 가열회로를 위한 물을 가열하는 것이 유용할 수 있다.

문헌 FR 2 854 229에 개시된 응축형 열교환기(condensing heat exchanger)는 실제로 일차 유체 및 이차 유체의 가열을 허용한다.

그러나, 이 응축형 열교환기는 제2 열원, 예컨대 엔진의 배기가스로부터 추가의 고온 가스의 열을 회수하도록 설계되어 있다. 이들 배기가스에 존재하는 칼로리를 회수함으로써, 열교환기의 전체 효율성을 향상시킬 수 있다.

이를 위해, 상기 열교환기는 가스 또는 연료 오일 버너가 내장되는 가스 불침투성 하우징(gas-impermeable housing), 및 열전도성이 양호한 재료로 이루어진 두 개의 동축 튜브 다발(two bundles of coaxial tubes)을 포함하되, 한쪽 튜브 다발은 일차 열교환기의 역할을 하고, 나머지 다른 쪽 튜브 다발은 이차 열교환기의 역할을 하며, 이들 튜브 다발 각각은 하나의 튜브로 구성되거나, 단부-대-단부(end-to-end)로 배치되고 나선형으로 권취되는 튜브 그룹으로 구성된다. 또한, 두 가지 구별되는 유체들, 즉 "일차(primary)" 유체 및 "이차(secondary)" 유체, 특히 냉수를 가열하고 상기 일차 튜브 다발과 상기 이차 튜브 다발의 상기 튜브(들) 내부에서 각각 순환시키기 위한 수단이 제공된다.

이러한 열교환기의 특정 구조에 따르면, 두 개의 편향판이 일차 튜브 다발과 이차 튜브 다발 사이에 삽입 배치되되, 소정 간격으로 병렬로 나란히 위치함으로써, 한쪽 편향판은 일차 튜브 다발의 일단부를 밀폐시키고 다른 쪽 편향판은 이차 튜브 다발의 인접 단부를 밀폐시키게 된다. 따라서, 이들 편향판은 공간을 한정하는데, 이 공간 내부에서는 하우징에 연결된 외측 도관으로부터 공급된 추가 고온 가스가 순환된다.

따라서, 이러한 추가 고온 가스는 이차 열교환기의 튜브 다발의 권취부들을 가로질러 유동하면서 이차 유체를 가열하는 역할을 한다.

그러나, 제2 편향판(하류쪽 편향판)의 존재는 추가 고온 가스를 수용하기 위한 공간의 경계를 제1 편향판으로 정한다는 사실에 의해서만 정당화된다. 버너로부터 유동하는 고온 가스와 관련하여, 한 쌍의 편향판은 단일의 편향판과 동일하며 이러한 고온 가스의 흐름은 버너에 있는 일차 튜브 다발의 내부로부터 외부를 향해 방사상으로 순환한 다음, 두 편향판에 의해 형성된 어셈블리를 우회함으로써 권취부의 외부로 축방향으로 순환하고, 외부로부터 이차 유체가 순환하는 이차 튜브 다발의 내부를 향해 방사상으로 순환한다.

따라서, 해당 기술에 숙련된 자라면 상기 문헌 FR 2 854 229에서 기술적 문제점을 해결하기 위한 개시내용, 즉 제2 유체, 예컨대 위생수(sanitation water)를 가열하거나 예비가열하기 위한 제1 열원(특히 버너)에서 발생된 가스에 존재하는 잔여열(residual heat)로부터의 최상의 이익을 추구하기 위한 이유를 갖지 않게 된다.

청구항 1의 전제부에 언급된 것과 같은 기술적 특징을 갖는 열교환기가 문헌 US 2008/209606에 공지되어 있다.

그러나, 이러한 열교환기는 일차 유체와 구별되는 이차 유체를 절대로 가열시키지 못한다. 따라서, 상기 열교환기는 이차 유체를 순환시키기 위한 이차 열교환기나 어떤 수단, 또는 일차 열교환기와 이차 열교환기 사이에 삽입 배치되는 편향판을 포함하고 있지 않다.

마지막으로, 두 종류의 뜨거운 일차 유체 및 이차 유체를 생성하기 위한 장치 역시 문헌 DE-8 530 184에 공지되어 있다.

그러나, 이 장치는 청구항 1의 열교환기와 부합하는 응축형 열교환기를 포함하고 있지 않고, 특히 일차 튜브 다발과 이차 튜브 다발 사이에 배치되는 편향판을 포함하고 있지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 응축형 열교환기를 포함하고, 전체 효율성이 향상된 고온 유체 생성 장치(device for producing hot fluids)를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 열교환기의 가격에 별로 영향을 미치지 않고 너무 중요한 방식으로 부피의 크기(bulkiness)를 증가시키기 않는 수단을 적용하면서 전체적인 효율성을 증가시키는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 직렬로 크게 만들기가 용이하고 쉽게 조절가능하여 가열될 상이한 유체들의 열전달 용량 및 양과 관련하여 그리고 부피의 크기(bulkiness)와 관련하여 고객의 서로 다른 상이한 요구들에 대응할 수 있도록 하는 장치를 제공하는 데 있다.

이러한 목적들을 달성하기 위해, 본 발명은 고온 가스를 이송하거나 생성하기 위한 수단 및 응축형 열교환기를 포함하는 고온 유체 생성 장치에 관한 것이다. 상기 고온 유체 생성 장치의 응축형 열교환기는,

- 일차 열교환기의 역할을 수행하고, 단일 튜브로 구성되거나 단부-대-단부로 배치되는 튜브 그룹으로 구성되어 나선형 권선부를 형성하고, 열전도성이 양호한 재료로 이루어진 벽을 가지며, 기밀한 하우징 내부에 고정 장착되고 가스 방출 트렁크를 구비하는 일차 튜브 다발;

- 예컨대, 세라믹에 기초한 단열 및 내열 재료로 이루어지고, 상기 일차 튜브 다발의 두 개의 연속 권취부 사이에 삽입 배치되며, 중심이 나선축 상에 위치하고 상기 일차 튜브 다발의 내부 공간의 일부분을 폐쇄하는 제1 편향판;

- 일차 열교환기의 역할을 수행하는 상기 일차 튜브 다발의 주위에 배치되고, 상기 고온 가스의 순환 방향에 대해 상기 제1 편향판으로부터 하류쪽에 위치하며, 외주부가 상기 하우징에 부착되고 내주부는 일차 열교환기의 권취부들 중 하나에 배치되는 원형 편향링; 및

- 상기 나선축 상에 중심이 위치하는 제2 편향판을 포함하고,

상기 두 개의 편향판 및 상기 원형 편향링은, 고온 가스가 제일 먼저 상기 일차 열교환기의 튜브 권취부들을 내부로부터 외향하여 분리시키는 틈새들을 가로질러 상기 제1 편향판으로부터 상류쪽에 위치하는 상기 일차 열교환기의 제1 부분을 방사상으로 또는 대략 방사상으로 가로질러 유동하고 나서, 상기 일차 열교환기의 튜브 권취부들을 외부로부터 내향하여 분리시키는 틈새들을 가로질러 상기 제1 편향판과 상기 편향링 사이에서 연장하는 상기 일차 열교환기의 제2 부분을 방사상으로 또는 대략 방사상으로 가로질러 유동한 다음, 상기 일차 열교환기의 튜브 권취부들을 내부로부터 외향하여 분리시키는 틈새들을 가로질러 상기 편향링과 상기 제2 편향판 사이에서 연장하는 상기 일차 열교환기의 마지막 부분을 방사상으로 또는 대략 방사상으로 가로질러 유동하도록 배치되고,

상기 고온 유체 생성장치는 가열될 유체, 소위 "일차" 유체, 특히 냉수를 일차 열교환기의 역할을 하는 일차 튜브 다발의 튜브(들)의 내부에서 순환시키기 위한 수단을 추가로 포함하되, 상기 일차 유체의 순환은 상기 고온 가스의 순환방향에 반대인 방향으로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 상기 응축형 열교환기는 이차 열교환기의 역할을 하고 상기 일차 튜브 다발과 동축으로 상기 하우징 내부에 고정 장착되며 단일 튜브로 구성되거나 단부-대-단부로 배치되는 튜브 그룹으로 구성되어 나선형 권선부를 형성하고, 열전도성이 양호한 재료로 이루어진 벽을 가진 이차 튜브 다발을 포함하고, 상기 제2 편향판은 상기 일차 튜브 다발과 상기 이차 튜브 다발 사이에 삽입 배치되고 상기 이차 튜브 다발의 내부 공간을 밀폐시켜 상기 고온 가스가 상기 가스 배출 트렁크를 통해 저온에서 외부로 최종 배출되기 전에, 상기 이차 열교환기의 튜브 권취부들을 외부로부터 내향하여 분리시키는 틈새들을 가로질러 상기 이차 열교환기를 가로질러 유동하며, 상기 고온 유체 생성장치는 가열될 적어도 한 가지 유체, 소위 상기 일차 유체와 구별되는 "이차" 유체를 상기 이차 튜브 다발의 튜브(들)의 내부에서 별개로 순환시키기 위한 수단을 포함하되, 상기 이차 유체의 순환은 상기 고온 가스의 순환방향과 반대인 방향으로 이루어진다.

본 발명의 다른 장점 및 비제한적인 특징에 따르면, 하기 특징들이 단독 또는 조합으로 달성된다.

- 상기 고온 가스 생성수단은 가스 또는 연료 오일 버너임.

- 상기 편향링은 상기 일차 튜브 다발의 튜브 권취부와 상기 하우징의 내측벽 사이에 부착됨으로써, 상기 튜브 다발의 외측면과 상기 하우징 사이에 형성된 링형상의 공간을 두 개의 영역으로 기밀(氣密)한 방식으로 분리시킴.

- 상기 편향판은 상기 일차 튜브 다발 및 상기 이차 튜브 다발의 튜브 권취부에 부착되어 상기 튜브 다발의 내부 공간을 기밀한 방식으로 밀폐시키는 디스크임.

- 상기 일차 열교환기의 상기 제1 부분의 내부 공간, 소위 "연소 챔버"는 그 일단부가 상기 제1 편향판에 의해 밀폐되고, 그 타단부가 고온 가스를 이송 또는 생성하기 위한 상기 수단에 의해 교차되는 게이트를 구비한 정면 요소에 의해 밀폐됨.

- 이차 열교환기의 역할을 하는 상기 이차 튜브 다발의 내부 공간, 소위 "배출 챔버"는 그 일단부가 상기 제2 편향판에 의해 밀폐되고, 그 타단부가 냉각 가스를 배출하기 위한 상기 트렁크에 연결됨.

- 상기 편향판 및 상기 원형 편향링은 한편으로는 상호 평행하게 배치되고, 다른 한편으로는 상기 튜브 다발의 나선 권취부의 축에 수직으로 배열됨.

- 일차 열교환기 및 이차 열교환기의 역할을 하는 상기 튜브 다발의 두 개의 인접 권취부를 분리시키는 틈새의 폭은 일정하고, 특히 이들 튜브 다발을 구성하는 튜브의 횡단면의 두께보다 작음.

- 상기 튜브 다발의 튜브의 벽은 평평하고 타원형의 횡단면을 가지며, 그 주축은 나선축에 직각이거나 대략 직각임.

- 상기 하우징은 내열성 플라스틱 재료로 이루어지고, 상기 열교환기는 나선축에 평행한 상기 튜브 다발의 외부에 배치되는 한 벌의 타이로드(a set of tie-rods)와 같이 동축 튜브 다발의 축방향 이동을 제한하기 위한 기계적 수단을 포함하되, 상기 기계적 수단의 단부들은 단부-대-단부로 배치되는 상기 튜브 다발의 대향 양단부에 대해 적용되는 지지부재에 견고하게 부착되며, 상기 제한 수단은 상기 튜브들의 내부에서 순환하는 유체들의 내부압력으로 인해 발생하는 추력을 흡수할 수 있고, 상기 내부압력은 그 벽을 변형시키는 경향이 있어 상기 하우징에 상기 추력이 전달되는 것이 방지됨.

- 상기 하우징은 내열성 플라스틱 재료로 이루어지고, 상기 열교환기는 상기 하우징의 내부와 일차 열교환기의 역할을 하는 상기 튜브 다발의 외측부에 상기 일차 열교환기의 상기 제1 부분과 마주하면서 적어도 연장하는 길이로 배치되고, 상기 고온 가스에 의해 방출된 열로부터 상기 하우징을 절연시킬 수 있는 열 스크린 기능(thermal screen function)을 보장하는 페룰(ferrule)을 포함함.

- 상기 장치는 상기 응축형 열교환기와 직렬로 장착되는 제2 열교환기를 포함함으로써, 한편으로는 상기 응축 열교환기의 일차 유체 배출구가 제2 열교환기의 일차 회로의 유입구에 연결되고, 상기 제2 열교환기의 일차 유체 배출구는 상기 응축형 열교환기의 일차 유체 유입구에 연결되며, 다른 한편으로는 상기 응축형 열교환기의 이차 유체 배출구는 상기 제2 열교환기의 이차 회로의 유입구에 연결되고 상기 제2 열교환기의 이차 유체 배출구는 상기 이차 유체, 즉 상기 응축형 열교환기에서 예비 가열된 이차 유체에 대한 역류로서 상기 이차 열교환기 내부에서 순환하는 일차 고온 유체를 취수하기 위한 지점에 연결됨.

- 상기 제2 열교환기는 플레이트를 구비한 열교환기임.

- 상기 장치는 3 방향 밸브를 포함하되, 상기 3 방향 밸브의 제1 방향은 상기 제2 열교환기의 일차 유체 배출구에 연결되고 상기 3 방향 밸브의 제2 방향은 상기 응축형 열교환기의 일차 회로의 유입구에 연결된 순환 수단에 연결되고, 상기 장치는 T 형상의 끼움결합부를 추가로 포함하고, 이 끼움 결합부의 두 개의 분기부는 각각 상기 응축형 열교환기의 일차 유체 배출구와 상기 제2 열교환기의 일차 회로의 유입구에 각각 연결되며, 상기 밸브의 제 3 방향 및 상기 끼움 결합부의 제 3 분기부는 예컨대, 중앙 가열부의 가열수 순환 네트워크(heating water circulation network)의 양단부에 연결될 수 있음.

본 발명의 다른 특징 및 장점들은 여러 가지 가능한 실시예들을 한정하지 않고 도시한 첨부도면을 참조하여 이하에 설명될 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 장치 대상의 응축형 열교환기 및 가스버너의 제1 실시예로서 도 3에서 Ⅰ-Ⅰ선으로서 참고된 중앙 수직면을 따라 절개를 도시한 개략적인 정면도이다.
도 2는 도 1의 열교환기의 정면도를 포함하는 본 발명의 대상인, 여러 유체를 가열하기 위한 장치로서, 도 3에서 Ⅱ-Ⅱ선으로서 참고된 파쇄면을 따라 절개를 도시한 개략도이다.
도 3은 도 2에서 Ⅲ-Ⅲ선으로서 참고된 파쇄면을 따라 절취한 열교환기의 측면도이다.
도 4 및 도 5는 응축형 열교환기의 제2 및 제 3 실시예를 도시한 도 2의 유사도면이다.

도면에서 도시된 열교환기(1)는 단부-대-단부로 배치되는 두 다발의 동축 튜브들로 구성되는 이중 관형 다발(double tubular bundle)(2)이 내부에 고정 장착되는 인클로저(enclosure)의 경계를 정하는 쉘(shell) 또는 하우징(10)을 구비한다. 여기서, 두 다발의 동축 튜브 중 하나의 동축 튜브(2a)는 일차 열교환기(primary exchanger)의 역할을 하고 나머지 다른 하나의 동축 튜브(2b)는 이차 열교환기(secondary exchanger)의 역할을 한다.

이 인클로저는 대략 수평축 X-X'를 갖는 일반적인 원통형 형상을 지닌다.

도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서, 한쪽 동축 튜브 다발(2a)은 수평축 X-X'의 나선형 권취부(helical winding)를 형성하는 5개의 인접 튜브 그룹으로 구성되는 한편, 다른 쪽 동축 튜브 다발(2b)는 수평축 X-X'을 가지며 나선형으로 감겨져있는 2개의 인접 튜브로 구성된다.

동축 튜브 다발(2a)을 형성하는 5개의 튜브와 동축 튜브 다발(2b)을 형성하는 2개의 튜브는 상호 동일하며 동일한 길이와 동일한 직경을 갖는다. 따라서, 동축 튜브 다발(2a)은 동축 튜브 다발(2b)보다 2.5배 큰 축방향 크기(axial dimension)를 갖는다.

이들 튜브는 평평한 횡단면을 갖는 튜브이고 이들 중 넓은 쪽은 수평축 X-X'에 직각을 이룬다.

이들 튜브의 넓은 면에 제공되는 보스들(도시 생략됨)은 각각의 권취 튜브 사이에 교정된 실질적인 상수값을 갖는 틈새의 경계를 정할 수 있는 가능성을 부여하는 스페이서(spacers)를 역할을 수행한다.

일차 열교환기(2a) 및 이차 열교환기(2b) 각각은 적어도 하나의 가열될 유체, 예컨데 물에 의해 내부적으로 교차되도록 의도된다.

도 2에 도시된 실시예에서, 이차 열교환기(2b)의 두 개의 나선 튜브(참조부호 260 및 270으로 표시됨)는 직렬로 연결되고, 가열될 유체는 단일 유체, 예컨대 도 1 및 도 2에서 좌측에서 우측으로 유동하는 위생수(sanitary water)이다. 이 유체는 이하에서 이 유체가 순환하는 동축 튜브 다발을 참조하여 "이차 유체(secondary fluid)"라 칭한다.

더욱이, 메인 동축 튜브 다발(2a)의 5개의 나선튜브(참조부호 210, 220, 230, 240 및 250으로 표시됨)는 각각 두 개 그룹과 세 개 그룹으로서 병렬 연결되고, 이들 중 두 개 그룹은 직렬로 연결되며, 가열될 유체는 단일 유체, 예컨대 가열하기 위한 물이다. 또한, 이 유체는 도 1 및 도 2에서 좌측에서 우측으로 순환된다. 이 유체는 이하에서 "일차 유체(primary fluid)"라 칭한다.

하우징(10)에 부착되는 측면 컬렉터(side collectors)(5, 5')는 통상적으로 가열될 일차 및 이차 냉유체(cold primary and secondary fluids)를 이송하기 위한 두 개의 도관(conduits) 및 동일한 가열 유체를 배출하기 위한 두 개의 도관에 장치를 연결하도록 해준다.

또한, 이들 컬렉터는 한쪽 튜브에서 다른 쪽 튜브로 상기 유체를 전달하도록 해준다. 이들 컬렉터는 도 2 내지 도 5에서만 가시적으로 볼 수 있다.

각각의 튜브 또는 관형 요소들은 직선축과 점차 가변하는 단면을 갖는 우측단부를 가지는데, 그 개방 단부는 원형의 형상을 갖는다.

이들 개방 단부는 각각 일차 동축 튜브 다발(2a)의 튜브인 경우 참조부호 21a 내지 25a 및 21'a 내지 25'a로 표시되고, 이차 동축 튜브 다발(2b)의 튜브인 경우 참조부호 26b, 27b, 26'b 및 27'b로 표시된다.

각각의 튜브의 직선형태의 유입구 및 배출구 단부는 권취부(도 3 참조)에 접하는 동일 수직면으로 평행하게 연장하며, 이때 이들 단부의 입구부(mouths)는, 이미 언급한 바 있는 유럽특허 0 578 186의 도 24에 도시된 실시예에 따른 구조에 따라, 소로 대향하도록 배치된다.

관형 요소들의 유입구 및 배출구는 컬렉터(5,5')의 내부를 외부로 개방하기 위해 하우징(10)에 형성된 적절한 개구부에 적절히 그리고 밀폐가능하게 주름져 있다.

유입-배출 컬렉터(5')는 3 개의 내부 격벽(51, 53, 55)에 의해 분리된 4 개의 챔버, 즉, 엔드피스(endpiece)(500)를 구비한 이차 유체 유입 챔버(50), 엔드피스(520)를 구비한 이차 유체 배출 챔버(52), 엔드피스(540)를 구비한 일차 유체 유입 챔버(54), 및 엔드피스(560)를 구비한 이차 유체 배출 챔버(56)를 포함한다.

엔드피스(500, 520)는 가열될 이차 유체를 이송하기 위한 파이프(91) 및 가열된 이차 유체를 배출하기 위한 튜브(92)에 각각 연결되도록 의도된다.

엔드피스(540, 560)는 가열될 일차 유체를 이송하기 위한 파이프(93) 및 가열된 일차 유체를 배출하기 위한 파이프(94)에 각각 연결되도록 의도된다.

챔버(50)는 튜브(270)의 유입 단부(27'b)에 연결되고, 챔버(52)는 이차 동축 튜브 다발(2b)의 튜브(260)의 배출 단부(26'b)에 연결된다.

챔버(54)는 일차 동축 튜브 다발(2a)의 2개 튜브(240, 250)의 유입 단부(24'a, 25'a)에 연결되고 그 내부로 가열될 일차 유체가 유동한다; 챔버(56)는 일차 동축 튜브 다발(2a)의 3개 튜브(210, 220, 230)의 배출 단부(21'a. 22'a, 23'a)에 연결된다.

대향 컬렉터(5)는 격벽(58)에 의해 분리된 2개의 전달 챔버(transfer chambers)(57, 59)를 갖는다.

전달 챔버(57)는 이차 동축 튜브 다발(2b)의 두 요소의 배출 및 유입 단부(27b, 26b)에 연결되고, 전달 챔버(59)는 일차 동축 튜브 다발(2a)의 튜브(240, 250)의 배출 단부(24a, 25a) 및 일차 동축 튜브 다발(2a)의 3개의 관형 요소(210, 220, 230)의 유입 단부(21a, 22a, 23a)에 연결된다.

도 2에서, 화살표는 이들 권취부에서 유동하는 유체의 경로를 나타낸 것이다.

엔드피스(540)를 통해 유입되는 일차 유체(화살표 Ea)는 각각 (튜브) 권취부(240, 250)를 관통하여 유동하는 2개의 유체로 분할되어, 챔버(59)에서 합쳐지고, 챔버(56) 속으로 (화살표 Sa) 개방하고 엔드피스(560)를 통해 외부로 유동시키기 위한 3개의 다른 튜브(210, 220, 230)로 (화살표 Ta) 전달된다.

이러한 일차 유체의 순환은 예컨대, 펌프(9)에 의해 달성된다.

유입되는 이차 유체(화살표 Eb)는 엔드피스(500)를 통해 유입되고, 튜브 권취부(tube winding)(270)를 가로지른 다음, 챔버(57)를 통해 인접 튜브 권취부(260) 속으로 (화살표 Tb) 전달되어 챔버(52) 내부로 개방시키고(화살표 Sb) 엔드피스(520)를 통해 외부로 유동시키게 된다.

하우징(10)은 튜브(210 내지 270)와 같이, 금속, 특히 스테인레스 스틸로 이루어질 수도 있다.

그러나, 하우징(10)은 문헌 FR 2 846 075 및 FR 2 850 451에서 개시된 바와 같이, 플라스틱 재료로 이루어지는 것이 유리하다.

예컨대, 하우징(10)은 회전 성형(roto-molding)이나 사출 성형에 의해 제조된다.

예컨대, 하우징은 관형 다발을 한쪽 쉘 내부에 설치한 후 서로 열 용접(heat-weld)되는 2개의 하프쉘(half shells)로 이루어진다.

하우징(10)은 도 1 및 도 2에서 좌우측에 위치하는 2개 단부가 개방된다.

하우징(10)의 전방벽(14)에 형성된 개구부는 참조부호 11로 표시되고 후방벽(15)에 형성된 개구부는 참조부호 12로 표시된다.

장치 사용중에, 연소된 가스에 포함된 스팀(수증기)의 일부는 튜브(210 내지 270)의 벽과 접촉시 응축된다.

참조부호 13은 하우징(10)의 바닥벽을 나타내는데; 이 바닥은 공지된 방식으로 경사져 있어 배출구멍(마개구멍)(130)을 향해 응축액의 배출을 허용한다.

개구부(12)는 냉각 가스를 배출하기 위한 트렁크(trunk)(122)에 연결된다.

물론, 배출구멍(130)은 응축액을 배출하기 위한 도관에 연결되는 반면, 트렁크(122)는 가스를 배출하기 위한 도관, 예컨대 굴뚝 도관(chimney conduit)에 연결된다. 이들 고관은 도면에 도시되지 않는다.

하우징(10)이 플라스틱 재질로 이루어진다고 가정하면, 전술한 문헌 FR 2 846 075 및 FR 2 850 451에 개시된 종류의 동축 튜브 다발(2a, 2b)의 축방향 이동을 제한하기 위한 기계적 수단이 제공된다.

이들 수단을 통해, 튜브 내부에서 순환하고 하우징 벽을 변형시키는 경향이 있는 유체의 내부 압력에서 야기된 축방향 추력(axial thrust force)을 흡수함으로써, 이들 추력이 하우징에 전달되는 것을 방지할 수 있다.

지금까지 하우징에 부여된 두 가지 역할, 즉, 고온 가스의 순환 및 배출을 위한 인클로저로서 사용되는 역할 뿐만 아니라 응축액을 수집 및 배출하기 위한 인클로저로서의 역할, 및 튜브 다발의 기계적 강도를 보장하기 위한 인클로저로서의 역할이 분리된다.

이들 기계적 제한 수단은 도면상에서 불필요한 복잡성을 피하기 위해 여기서는 도시되지 않았다.

또한, 튜브 다발은 열 스크린(thermal screen)을 형성하는 페룰(ferrule)(16)에 의해 에워싸여져서 FR 2 850 451에 개시된 것과 유사한 구조에 따라 하우징(10)이 고온 가스에 직접 노출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

이러한 페룰의 구조는 추후 설명될 것이다.

하우징의 전방측에 위치하는 개구부(11)는 도면의 간소화를 위해 점선으로 표시된 정면 요소(frontage element)(3)에 의해 밀폐된다.

해당기술분야에 숙련된 자에게 공지된 방식으로, 이러한 정면 요소는 기밀(氣密))하게 하우징에 부착된다.

상기 개구부는 버너(4), 예컨대 가스 (또는 연료 오일) 버너에 의해 교차되는 중앙 개구를 구비한 제거가능한 게이트에 의해 밀폐된다. 이 버너(4)는 게이트에 견고하게 부착된다.

게이트의 구조의 경우, 예컨대 전술한 문헌 FR 2 854 229에 개시된 고주를 참고할 수도 있다.

또 다른 대체 실시예에 따르면, 게이트는 프랑스 특허출원 제 09 51422호(출원일: 2009년 3월 6일)에 개시된 구조를 갖도록 제조될 수도 있고, 이 문헌을 참고할 수도 있다).

이 경우, 게이트는 주변부에 상호 견고하게 부착되는 한 쌍의 금속 시트를 포함하되, 그 중 내부 금속 시트는 버너가 위치하는 개구부를 구비하며, 외부 금속 시트는 상기 버너에 연소가스를 보내기 위한 시스템에 연결된다. 상호 이격되어 열 차폐부(heat shield)의 역할을 하는 2개의 벽을 포함하는 편향판(deflector plate)은 게이트의 2개의 금속 시트 사이에 형성된 공간속으로 삽입되어, 게이트를 통한 열 손실을 제한하고 게이트와의 접촉시, 특히 전문가에 의한 장치에 대한 유지 간섭중에 연소의 위험성을 방지할 수 있다.

버너(4)에 연결된 적절한 수단을 통해, 특히, 프로판과 공기와 같이 연소가스와 공기의 혼합물이 도관을 통해 장치에 전달될 수도 있다.

이들 수단은 가스 혼합물을 버너에 송풍시킬 수 있는 팬(fan)(도시 생략됨)을 포함할 수도 있다.

버너(4)는 밀폐된 단부를 구비한 원통형의 튜브이고, 그 벽은 다수의 작은 구멍으로 관통되어 연소 혼합물이 내부로부터 튜브의 외부를 향해 방사항으로 통과하도록 해준다.

이러한 벽의 외측면은 연소면(combustion surface)을 형성한다.

공지된 타입의 점화 시스템(도시 생략됨)은 예컨대, 버너에 연결되는 스파크 발생 전극을 구비한다.

이 스파크 발생 전극은 일차 열교환기의 역할을 하는 동축 튜브 다발(2a)의 권취부의 중앙에 동축상으로 배치되지만, 그 전체 길이에 걸쳐서 연장되지는 않는다. 스파크 발생 전극은 이하에서 "일차 열교환기의 제1 부분(first portion)"로 지칭되는, 튜브 다발(2a)의 일부분의 내부에 위치한다. 따라서, 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서, 상기 제1 부분(200a)은 튜브의 3개 권취부(210, 220, 230)를 포함한다.

비록 도면에는 도시되지 않지만, 버너(4)는 플랫 버너(flat burner)로 대체될 수도 있는데, 그 연소면은 수평축 X-X'에 수직이거나 약간 볼록한 형상을 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 동축 튜브 다발(2a)의 제1 부분(200a)의 내부 공간은 그 전방 단부가 전방 요소(3), 및 편향판(61)에 의해 이 전방 요소와 연결되고 그 전방 단부와 연결되는 게이트에 의해 밀폐된다.

이 편향판(61)은 예컨대, 세라믹에 기초한 단열 및 내열 재료로 이루어진 디스크에 의해 형성되고; 직경이 큰 스테인레스 스틸로 이루어진 박판(thin plate)(610)인 원형 프레임에 의해 지지받는다.

프레임(610)은 튜브의 마지막 권취부(230)와 인접 튜브의 첫 번째 권취부 사이에 부착된다.

따라서, 동축 튜브 다발(2a)의 제1 부분(200a)은 전방벽(14)과 편향판(61) 사이에 축방향으로 구속되고, 그 프레임(610)은 마지막 권취부에 고정된다.

제2 편향판(62)은 단열되지 않고 일차 열교환기(2a)의 마지막 권취부, 즉 튜브의 마지막 권취부(250)(도 1 및 도 2에서 죄측부분)와, 이차 열교환기(2b)의 첫 번째 권취부, 즉 열교환기의 전방측의 튜브의 첫 번째 권취부(260) 사이에 부착되는 것이 바람직하다.

이와 마찬가지로, 제2 편향판(62)은 직경이 더 큰 스테인레스 스틸로 이루어진 박판(620)인 원형 프레임에 의해 지지되는 디스크에 의해 형성된다.

비록 도면에 도시되지는 않지만, 제2 편향판(62) 역시 단열 및 내열 재료로 구성된다.

따라서, 제2 편향판(62)은 하우징(10)의 후방벽(15)과 편향판(62) 사이에 축방향으로 구속되고 그 프레임(620)은 그 마지막 권취부에 부착된다.

따라서, 제1 및 제2 편향판은 그 중심이 수평축 X-X' 상에 위치하고 서로 평행하게 배치된다.

편향판(61, 62)은 기밀(氣密)한 방식으로 튜브의 권취부에 부착되는 것이 바람직하다.

마지막으로, 원형 편향링(discoidal deflector ring)(63)은 일차 열교환기(2a)의 주변부, 즉 일차 열교환기의 외측부 및 하우징(10)의 내측부 상에 부착된다. 원형 편향링은 얇은 금속 시트 또는 내열성 플라스틱 재료로 형성되고, 예컨대 주름처리(crimpring)에 의해 조립되는 두 개의 하프 링(half rings)으로 구성된다.

이 원형 편향링은 편향판(61, 62)의 평면에 평행한 일반적인 평면으로 연장되고, 그 중심이 수평축 X-X' 상에 위치하고 편향판(61, 62)상이에 축방향으로 위치한다.

이러한 편향링(63)은, 예컨대 도시의 간소화를 위해 도면에 도시되지 않은 하우징(10)의 일부 성형 가이드에 의해 튜브의 권취부들 중 하나, 즉 네 번째 튜브의 마지막 권취부(도 1 및 도 2에서 좌측부분)의 작은 외측부와 하우징(10)의 내측벽 상에서 지지된다(도 3 참조).

이러한 편향링(63)의 부착은 기밀한 방식으로, 예컨대 씰 가스켓(seal gasket)을 이용하여 수행됨으로써, 동축 튜브 다발(2a, 2b)의 외측부와 하우징(10)의 내측벽 사이로 연장하는 링 형상의 공간이 직접 소통되지 않은 두 개의 부분으로 분리되는 것이 바람직하다.

편향판(61)과 편향판(63) 사이에서 축방으로 연장하는 일차 열교환기(2a)의 부분은 이하에서 "제2 부분(second portion)(200'a)이라 칭한다. 예시된 실시예에서, 제2 부분은 네 번째 튜브(240)에 해당한다.

이와 마찬가지로, 편향판(63)과 편향판(62) 사이에서 축방으로 연장하는 일차 열교환기(2a)의 부분은 이하에서 "제 3 부분(third portion)(200''a)으로 지칭되고, 이 제 3 부분은 다섯 번째 튜브(250)에 해당한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 링형상의 페룰(ring-shaped ferrule)(16)은 하우징(10)의 전방벽(14)과 편향링(63) 사이에서 축방향으로 차단된다.

물론, 이러한 페룰의 형상은 컬렉터(5, 5')와 결합하기 위해 페룰을 가로지르는 상이한 개방 단부(21a-24a, 21'a-24'a)의 통과를 허용하도록 구성된다.

따라서, 이러한 페룰(16)은 열교환기의 가장 뜨거운 영역을 형성하는 일차 열교환기(2a)의 제1 및 제2 부분(200a, 200'a)과 마주하도록 배치된다.

두 개의 편향판(61, 62) 및 편향링(63)은 연소가스의 경로 상에 일련의 3개의 배플(baffles)을 형성한다.

튜브의 권취부 내부에서는, 버너(4)가 수용된 공간을 이하에서 "연소챔버(combustion chamber)(71)"로 지칭하고, 두 개의 편향판(61, 62) 사이로 연장하는 공간을 "중간 챔버(intermediate chamber)(73)"로 지칭하며, 편향판(62)과 트렁크(122) 사이에서 연장하는 공간은 "배출 챔버(discharge chamber)(75)"라 지칭된다.

튜브 다발의 외측부 및 하우징(10)의 내측부로 연장하는 링 형상의 영역은 각각, 전방 격벽(14)과 편향링(63) 사이에 위치하는 영역의 경우에 참조부호 72로 표시되고, 편향링(63)과 후방 격벽(15) 사이에 위치하는 영역의 경우에 참조부호 74로 표시된다.

특히, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 열교환기의 동작을 설명하기로 한다.

가열될 제1 유체, 예컨대 냉수는 펌프(9)에 의해 순환된다.

화살표 I로 표시된 연소가스 혼합물은 버너(4)로 공급된다.

버너(4)가 점화되면, 고온 가스(연소물)가 연소챔버(71)에서 버너에 의해 발생된다. 이들 연소물은 일차 유체 및 이차 유체를 가열하는데 사용되는 고온 가스의 단일 소스를 형성하고, 이는 이후에 설명될 것이다.

무엇보다도, 이들 가스는 튜브의 권취부(210, 220, 230)를 내측부(화살표 i)로부터 분리시키는 틈새들 사이를 통과함으로써 일차 열교환기(2a)의 제1 부분(200a)을 방사상으로 가로지르고; 편향판(61)의 존재로 인해 축방향으로 빠져나갈 수 없게 된다.

연소챔버(71)에서, 가스의 온도는 약 950℃~1,000℃이다. 이들 가스는 상기 제1 부분(200a)을 통과한 후, 제1 냉각과정을 거쳐 약 100℃~140℃의 온도에서 유지되는 링형상의 영역(72)에 도달하게 된다.

이때, 가스는 영역(72)을 가로질러 이동하여(화살표 i1), 편향링(63)과 접촉하면서 도달하고, 편향되어 튜브의 권취부(240)(튜브 다발(2a)의 제2 부분(200'a)를 외부로부터 (화살표 i2)로부터 분리시키는 틈새들을 방사상으로 가로질러 이동하게 된다.

이들 가스는 약 85℃~90℃의 온도에서 유지되는 중간 챔버(73)에 도달한다.

편향판(61) 상의 내화 재료의 존재로 인해, 열이 버너(4)에서 중간 챔버(73)으로 전달되는 것을 방지할 수 있다.

가스들이 내부로부터 외향하여 (화살표 i3) 튜브의 권취부(250)(튜브 다발(2a)의 제 3 부분(200''a)을 방사상으로 가로질러 이동할 때 가스의 제 3 냉각과정이 수행되고, 이 가스들은 편향판(62)의 존재로 인해 축방향으로 빠져나갈 수 없게 된다.

이들 가스는 이전의 냉각과정을 고려하면 항상 85℃ 이하에서 유지되는 링형상 영역(74)에 도달한다. 이것은 중요한 사항이며 후속하여 상세히 설명될 것이다.

가스들이 이차 열교환기(2b)의 권취부를 외부로 부터 (화살표 i4) 분리시키는 틈새들을 통과할 때 제 4 냉각과정이 수행된다.

이들 가스는 약 15℃~35℃ 또는 15℃~25℃의 온도에서 유지되는 배출 챔버(75)에 도달한다. 마지막으로, 이들 가스는 트렁크(122)를 통해 배출된다.

이들 고온 가스와, 튜브 다발(2a, 2b)을 통해 유동하고 이들 가스의 경로에 상대적으로 역류(counter-current)로서 순환하는 유체들 사이에서 일어난 열 전달의 결과로서, 연소가스의 온도가 이들 경로를 따라 낮아진다.

편향판(62)은 고온 가스의 경로상에서 제 3 배플을 형성한다.

편향판(62)의 위치는 중요하다. 편향판(62)은 항상 일차 동축 튜브 다발(2a)과 이차 동축 튜브 다발(2b) 사이에 배치되어야 한다. 이 편향판(62)은 영역(74)에 도달하는 가스의 온도를 크게 낮출 수 있고, 특히 이 가스의 온도가 항상 75℃ 이하에서 유지되도록 보장할 수 있는 가능성을 부여한다.

이차 유체, 예컨대 이차 동축 튜브 다발(2b)에 존재하는 물은 정체되거나 순환될 수 있다. 이 경우, 이차 유체가 편향판(62)의 존재로 인해 정체될 때, 이차 유체는 튜브(260, 270)의 손상 또는 파손될 우려가 있는 매우 높은 온도에 도달하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 이러한 이차 유체가 위생수인 경우, 이 유체는 이차 동축 튜브 다발(2b)의 튜브 내부에서 석회석의 형성을 방지할 가능성을 제공한다.

전술한 열교환기(1)는 본 발명에 따르면 적어도 두 가지 고온 유체(hot fluids)를 생성하기 위한 장치에 사용된다.

이러한 장치는 도 2에 도시되고 전술한 응축형 열교환기(1) 이외에도 제2 열교환기(8)를 포함한다.

이러한 제2 열교환기(8)는, 예컨대 해당 기술분야에 숙련된 자에 공지된 플레이트를 구비한 열교환기이며, 따라서, 이에 대한 상세한 설명은 생략된다.

간략하게 설명하자면, 상기 제2 열교환기는 2개의 열 교환 인클로저의 경계를 정하는 중첩된 평행판(parallel plates) 어셈블리로 구성되는데, 한쪽 열 교환 인클로저는 일차 유체가 통과하고 다른 쪽 열 교환 인클로저는 이차 유체가 통과하며, 이들 유체는 궤적이 상호 중첩되게 교호 배치되는 얇은 박층들(thin layers)로서 순환한다.

일차 유체의 유입 및 유출은 각각 한 쌍의 입구(82, 84)를 통해 이루어진다. 이와 마찬가지로, 이차 유체의 유입 및 유출은 각각 한 쌍의 입구(81, 83)를 통해 이루어진다.

이들 입구는 "웰(wells)" 또는 내부 플레이트를 가로지르고 해당 인클로저를 형성하는 틈새 공간과 소통하는 유입 및 유출 굴뚝도관을 통해 적층구조로 단부 플레이트(end plate) 내부에 형성된다.

열교환기의 플레이트는 일반적으로 스테인레스 스틸로 이루어진 얇은 금속판이면서 열전도성이 우수한 도체로서, 고무 가스켓이 삽입된 볼트결합 플랜지에 의해 용접 또는 연결을 통해 스탬핑(stamped) 및 조립된다.

전체 플레이트 개수는 대체로 가정용 전원의 열교환기의 경우 10 내지 30이다.

플레이트의 레이아웃은 열교환이 일어나는 2개의 유체 유동이 미로와 같은 궤적을 따르게 되고 상호간에 상대적으로 역류로서 순환하여 이러한 열교환을 촉진하게 된다.

열교환기(1)에서 예비 가열된 이차 유체의 배출 파이프(92)는 입구(81)에 연결되는 반면, 열교환기(1)에서 예비 가열된 일차 유체의 배출 파이프(94)는 입구(82)에 연결된다.

또한, 입구(84)는 어드미션 파이프(admission pipe)(93)를 통해 펌프(9)에 연결된다.

도시되지 않은 대체 실시예에 따르면, 제2 열교환기(8)는 일차 유체를 수용하기 위해 의도되고 코일에 의해 교차되는 플라스크(flask)일 수도 있는데, 그 내부에서 이차 유체가 순환되거나 그 반대일 수도 있다.

고온 유체(hot fluids)를 생성하기 위한 장치는 3 방향 밸브(three-way valve)(99)를 추가로 포함한다.

이 장치는, 예컨대 다수의 라디에이터(96)(이중 단일 라디에이터가 도 2에 도시된다)을 포함하는 중앙 가열부(central heating installation) 또는 바닥에 통합된 코일형태의 튜브를 포함하는 가열 바닥부(heating flooring)에 연결될 수도 있다.

예시된 실시예에서, 라디에이터(96)는 덕트(95)를 통해 3 방향 밸브(99)에 연결되고 탭핑부(tapping) 또는 T-형상의 끼움결합부(T-shaped fitting)(98)에 의해 덕트(97)를 통해 파이프(94)에 연결된다.

본 발명의 장치의 동작은 이하에 설명된다.

예컨대, 인클로저를 가열하기 위해 라디에이터(96)에 유체를 공급하기 위한 "일차 유체 가열" 모드에서, 펌프(9) 및 버너(4)가 작동되고 3 방향 밸브(99)는 일차 유체가 일차 열교환기(2a) 내에서 순환하도록 배치되는데, 이 일차 열교환기 내부에서는 일차 유체가 엔드피스(560)의 배출구에서, 그리고 덕트(95)를 통해 3 방향 밸브(99) 및 펌프(9)로 다시 복귀하기 전에 라디에이터(96)에서 예컨대 60℃의 소정 온도에 도달할 때까지 가열된다.

중앙 가열회로(central heating circuit)에 있는 유체의 경로는 화살표 j로 표시된다.

"위생수 취수(sanitation water drawing)" 모드에서, 도면에는 도시되지 않은 취수용 탭(water-drawing tap)이 이차 회로에서 물이 순환하도록 해준다. 위생 냉수(cold sanitation water) EFS는 엔드피스(500)를 통해 이차 열교환기(2b)내부에 침투하고 튜브(270, 260)에서 차례로 순환하는데, 이 튜브 내부에서는 상기 위생 냉수가 챔버(74, 75)에 존재하는 가스와의 열교환을 통해 가열되어 배출 파이프(92)를 통해 예비 가열된 상태로 유출되어, 열교환기(8) 내부로 침투하여 이 열교환기(8)로부터 입구(83)를 통해 소정 온도에서 위생 온수(hot sanitation water) ECS로서 유출된다.

이와 동시에, "위생수 취수" 모드로의 전환을 통해 3 방향 밸브(99)가 작동되어 이 3 방향 밸브는 덕트(95)로부터 나온 일차 유체의 복귀가 불가능한 위치로 전환된다. 이때, 일차 열교환기(2a)에서 유출된 일차 유체는 열교환기(8)를 향해 유동하고, 이 열교환기로부터 펌프(9)로 복귀하지 전에 이차 유체로 열을 전달한 후 입구(84)를 통해 유출된다.

본 발명에 따른 열교환기(1) 및 이 열교환기를 구비하는 고온 유체 생성장치는 특히, 종래기술에서 알려진 장치에 비해 향상된 효율성을 갖는다.

일차 유체만을 가열하기 위한 메인 열교환기와 이차 유체를 가열하기 위한 플레이트를 구비한 열교환기를 결합한 종래 장치에서는, 상기 일체 유체와의 열교환을 통해 관찰된 온도는 다음과 같다.

- 위생 냉수의 유입 온도: 10℃,

- 위생 온수의 유출 온도: 40℃,

- 응축형 열교환기내의 일차 유체의 온도: 60℃~80℃,

- 외부에서의 가스의 유출온도: 75℃~85℃.

이 경우 효율은 약 96%~97%이다.

사실상, 이러한 타입의 장치에서, 가스의 유출온도는 고온 샹태로 유지되는 일차 유체의온도에 의해 조절되고, 후속하여 이 가스는 최대 55℃인 이슬점 이상에서 유지되는 온도를 갖는다. 따라서, 메인 열교환기에서는 응축현상이 없고 기체에 포함된 잠열(latent heat)의 회수현상도 일어나지 않는다. 따라서, 효율성이 저하된다.

이와 반대로, 본 발명의 장치에서의 관찰된 온도는 다음과 같다.

- 위생 냉수의 유입 온도: 10℃,

- 위생 온수의 유출 온도: 40℃,

- 열교환기(8)의 입구(8)에서의 예비 가열된 위생수의 유입온도: 19℃~20℃,

- 엔드피스(540)에서의 일차 유체의 유입온도: 45℃,

- 엔드피스(560)에서의 일차 유체의 유출온도: 68℃,

- 외부에서의 가스의 유출온도: 18℃~25℃.

이 경우 효율은 약 107%~109%로서, 즉 이는 종래기술의 상태에 비해 10%~12% 더 크다.

본 발명의 장치는 두 가지 장점을 달성할 수 있는 가능성을 부여한다.

한편으로는, 본 발명의 장치는 현저할 만한 응축현상에 의해 가스의 최대한의 잠열을 회수할 수 있는 가능성을 부여한다. 사실상, 튜브(260, 270)를 가로질러 유동하는 위생 냉수 EFS는 약 10℃의 매우 낮은 저온상태에 있다. 이들 튜브 사이의 틈새의 내부를 통과하는 연소물 및 연소가스는 그 자체가 일차 열교환기의 튜브들을 통과하는 제 3 통과상태에 있기 때문에 이미 챔버(74)내에서 약 60℃~70℃의 저온으로 유지되어 있다. 상기 연소물 및 연소가스가 10℃의 물을 함유하는 튜브(260, 270)를 통과하는 제 4 통과상태에 의해 연소물 및 연소가스의 온도는 낮아지고, 이는 열교환기(1)의 매우 양호한 효율성을 설명해준다.

다른 한편으로는, 이차 유체가 열교환기(1)에서 예열된다는 점으로 인해 이차 유체를 최종 온도까지 가열하는 데 필요한 에너지량이 감소된다.

응축형 열교환기의 제1 대체 실시예는 도 4에 도시된다.

제1 실시예의 구성요소와 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조부호가 부여되고, 그 특성 및 기능에 관한 설명은 생략될 것이다.

이 열교환기는 이차 열교환기(2b)가 두 개가 아닌 단일의 튜브(270)만을 포함하는 사실로 인해 전술한 열교환기와는 구별된다.

결국, 전달 챔버(57)는 배출 파이프(2)에 연결되는 엔드피스(570)를 구비하고, 챔버(52)는 존재하지 않는다.

응축형 열교환기의 제2 대체 실시예는 도 5에 도시된다.

금번 제2 대체 실시예는 일차 동축 튜브 다발(2a)의 제1 부분(200a)이 3개가 아닌 2개의 튜브만을 포함한다는 점에서 이전의 제1 대체 실시예와는 구별된다.

일차 열교환기와 이차 열교환기의 상이한 부분들의 튜브의 개수는 사용자의 필요에 따라 조절될 수 있는데, 이 경우에는 단, 복수개의 편향판 및 편향링이 유지되어 가스를 원하는 온도로 냉각시키는 것이 허용된다는 점을 쉽게 이해할 수 있다.

연소 챔버(71)에 존재하는 고온 가스는 일차 튜브 다발에 수용된 버너에 의해 반드시 발생될 필요는 없다. 고온 가스는 외부 소스로 부터 공급되어 격벽(3)에 축방향으로 연결되어 이들 가스를 위한 어드미션 수단을 형성하는 도관에 의해 일차 튜브 다발의 내부로 이송된다.

본 발명에 따른 장치는 예컨대, 오일과 같은 다른 유체들을 가열하는데 사용될 수도 있다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않고 두 가지 이상의 유체들이 가열되도록 설계되고 연결된 튜브 다발을 제공할 수 있음은 자명한 사실이다.

특히, 관형 다발의 단면, 직경 및 길이에 의해 결정됨은 물론, 필요한 경우 적용된 버너의 타입에 의해 결정된 장치의 크기는 파워 및 사용조건에 따라 조절될 것이다.

마지막으로, 본 발명의 장치는 프로브가 소정의 초과온도를 감지한 경우 고온 가스의 출입을 정지시키기에 적합한 온도 프로브(temperature probe)를 구비하는 것이 유리할 수도 있음을 유념해야 한다.

Claims (14)

1. 고온 가스를 이송하거나 생성하기 위한 수단(4) 및 응축형 열교환기(1)를 포함하는, 고온 유체 생성 장치로서,
   상기 응축형 열교환기(1)는,
   - 일차 열교환기의 역할을 수행하고, 단일 튜브로 구성되거나 단부-대-단부로 배치되는 튜브 그룹으로 구성되어 나선형 권선부를 형성하고, 열전도성이 양호한 재료로 이루어진 벽을 가지며, 기밀한 하우징(10) 내부에 고정 장착되고 가스 방출 트렁크(122)를 구비하는 일차 튜브 다발(2a);
   - 예컨대, 세라믹에 기초한 단열 및 내열 재료로 이루어지고, 상기 일차 튜브 다발(2a)의 두 개의 연속 권취부 사이에 삽입 배치되며, 중심이 나선축(X-X') 상에 위치하고 상기 일차 튜브 다발(2a)의 내부 공간의 일부분을 폐쇄하는 제1 편향판(61);
   - 일차 열교환기의 역할을 수행하는 상기 일차 튜브 다발(2a)의 주위에 배치되고, 상기 고온 가스의 순환 방향에 대해 상기 제1 편향판(61)으로부터 하류쪽에 위치하며, 외주부가 상기 하우징(10)에 부착되고 내주부는 일차 열교환기(2a)의 권취부들 중 하나에 배치되는 원형 편향링(63); 및
   - 상기 나선축(X-X') 상에 중심이 위치하는 제2 편향판(62)을 포함하고,
   상기 두 개의 편향판(61,62) 및 상기 원형 편향링(63)은, 고온 가스가 제일 먼저 상기 일차 열교환기의 튜브 권취부들을 내부로부터 외향하여 분리시키는 틈새들을 가로질러 상기 제1 편향판(61)으로부터 상류쪽에 위치하는 상기 일차 열교환기(2a)의 제1 부분(200a)을 방사상으로 또는 대략 방사상으로 가로질러 유동하고 나서, 상기 일차 열교환기의 튜브 권취부들을 외부로부터 내향하여 분리시키는 틈새들을 가로질러 상기 제1 편향판(61)과 상기 편향링(63) 사이에서 연장하는 상기 일차 열교환기(2a)의 제2 부분(200'a)를 방사상으로 또는 대략 방사상으로 가로질러 유동한 다음, 상기 일차 열교환기의 튜브 권취부들을 내부로부터 외향하여 분리시키는 틈새들을 가로질러 상기 편향링(63)과 상기 제2 편향판(62) 사이에서 연장하는 상기 일차 열교환기(2a)의 마지막 부분(200"a)를 방사상으로 또는 대략 방사상으로 가로질러 유동하도록 배치되고,
   상기 고온 유체 생성장치는 가열될 유체, 소위 "일차" 유체, 특히 냉수를 일차 열교환기의 역할을 하는 일차 튜브 다발(2a)의 튜브(들)(210, 220, 230, 240, 250)의 내부에서 순환시키기 위한 수단(9)을 추가로 포함하되, 상기 일차 유체의 순환은 상기 고온 가스의 순환방향에 반대인 방향으로 이루어지고,
   상기 고온 유체 생성장치는, 상기 응축형 열교환기(1)가 이차 열교환기의 역할을 하고 상기 일차 튜브 다발(2a)과 동축으로 상기 하우징(10) 내부에 고정 장착되며 단일 튜브로 구성되거나 단부-대-단부로 배치되는 튜브 그룹으로 구성되어 나선형 권선부를 형성하고, 열전도성이 양호한 재료로 이루어진 벽을 가진 이차 튜브 다발(2b)을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제2 편향판(62)이 상기 일차 튜브 다발(2a)과 상기 이차 튜브 다발(2b) 사이에 삽입 배치되고 상기 이차 튜브 다발(2b)의 내부 공간을 밀폐시켜 상기 고온 가스가 상기 가스 배출 트렁크(122)를 통해 저온에서 외부로 최종 배출되기 전에, 상기 이차 열교환기(2b)의 튜브 권취부들을 외부로부터 내향하여 분리시키는 틈새들을 가로질러 상기 이차 열교환기(2b)를 가로질러 유동하는 것을 특징으로 하며, 상기 고온 유체 생성장치가 가열될 적어도 한 가지 유체, 소위 상기 일차 유체와 구별되는 "이차" 유체를 상기 이차 튜브 다발(2b)의 튜브(들)(260, 270)의 내부에서 별개로 순환시키기 위한 수단을 포함하되, 상기 이차 유체의 순환은 상기 고온 가스의 순환방향과 반대인 방향으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고온 가스 생성수단(4)은 가스 또는 연료 오일 버너(4)인 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 편향링(63)은 상기 일차 튜브 다발(2a)의 튜브 권취부와 상기 하우징(10)의 내측벽 사이에 부착됨으로써, 상기 튜브 다발(2a, 2b)의 외측면과 상기 하우징(10) 사이에 형성된 링형상의 공간을 두 개의 영역(72, 74)으로 기밀(氣密)한 방식으로 분리시키는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 편향판(61, 62)은 상기 일차 튜브 다발(2a) 및 상기 이차 튜브 다발(2b)의 튜브 권취부에 부착되어 상기 튜브 다발(2a, 2b)의 내부 공간을 기밀한 방식으로 밀폐시키는 디스크인 것을 특징으로 하는 장치.
5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 일차 열교환기(2a)의 상기 제1 부분(200a)의 내부 공간, 소위 "연소 챔버"(71)는 그 일단부가 상기 제1 편향판(61)에 의해 밀폐되고, 그 타단부가 고온 가스를 이송 또는 생성하기 위한 상기 수단(4)에 의해 교차되는 게이트를 구비한 정면 요소(3)에 의해 밀폐되는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   이차 열교환기의 역할을 하는 상기 이차 튜브 다발(2b)의 내부 공간, 소위 "배출 챔버"(75)는 그 일단부가 상기 제2 편향판(62)에 의해 밀폐되고, 그 타단부가 냉각 가스를 배출하기 위한 상기 트렁크(122)에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 편향판(61, 62) 및 상기 원형 편향링(63)은 한편으로는 상호 평행하게 배치되고, 다른 한편으로는 상기 튜브 다발(2a,2b)의 나선 권취부의 축(X-X')에 수직으로 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   일차 열교환기 및 이차 열교환기의 역할을 하는 상기 튜브 다발(2a,2b)의 두 개의 인접 권취부를 분리시키는 틈새의 폭은 일정하고, 특히 이들 튜브 다발(2a,2b)을 구성하는 튜브(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270)의 횡단면의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 장치.
9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 튜브 다발(2a,2b)의 튜브(210, 220, 230, 240, 250, 260, 270)의 벽은 평평하고 타원형의 횡단면을 가지며, 그 주축은 나선축(X-X')에 직각이거나 대략 직각인 것을 특징으로 하는 장치.
10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징(10)은 내열성 플라스틱 재료로 이루어지고, 상기 열교환기(1)는 나선축(X-X')에 평행한 상기 튜브 다발의 외부에 배치되는 한 벌의 타이로드(a set of tie-rods)와 같이 동축 튜브 다발(2a, 2b)의 축방향 이동을 제한하기 위한 기계적 수단을 포함하되, 상기 기계적 수단의 단부들은 단부-대-단부로 배치되는 상기 튜브 다발의 대향 양단부에 대해 적용되는 지지부재에 견고하게 부착되며, 상기 제한 수단은 상기 튜브들의 내부에서 순환하는 유체들의 내부압력으로 인해 발생하는 추력을 흡수할 수 있고, 상기 내부압력은 그 벽을 변형시키는 경향이 있어 상기 하우징(10)에 상기 추력이 전달되는 것이 방지되는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징(10)은 내열성 플라스틱 재료로 이루어지고, 상기 열교환기(1)는 상기 하우징(10)의 내부와 일차 열교환기의 역할을 하는 상기 튜브 다발(2a)의 외측부에 상기 일차 열교환기의 상기 제1 부분(200a)과 마주하면서 적어도 연장하는 길이로 배치되고, 상기 고온 가스에 의해 방출된 열로부터 상기 하우징(10)을 절연시킬 수 있는 열 스크린 기능(thermal screen function)을 보장하는 페룰(ferrule)(16)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응축형 열교환기(1)와 직렬로 장착되는 제2 열교환기(8)를 포함함으로써, 한편으로는 상기 응축 열교환기(1)의 일차 유체 배출구(560)가 제2 열교환기(8)의 일차 회로의 유입구(82)에 연결되고, 상기 제2 열교환기(8)의 일차 유체 배출구(84)는 상기 응축형 열교환기(1)의 일차 유체 유입구(540)에 연결되며, 다른 한편으로는 상기 응축형 열교환기(1)의 이차 유체 배출구(520, 570)는 상기 제2 열교환기(8)의 이차 회로의 유입구(81)에 연결되고 상기 제2 열교환기(8)의 이차 유체 배출구(83)는 상기 이차 유체, 즉 상기 응축형 열교환기(1)에서 예비 가열된 이차 유체에 대한 역류로서 상기 이차 열교환기(8) 내부에서 순환하는 일차 고온 유체를 취수하기 위한 지점에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 열교환기(8)는 플레이트를 구비한 열교환기인 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제12항 또는 제13항에 따른, 위생 온수와 같은 이차 유체 및 가열수와 같은 일차 유체를 가정에서 생성하기 위한 장치로서, 3 방향 밸브(99)를 포함하되, 상기 3 방향 밸브의 제1 방향은 상기 제2 열교환기(8)의 일차 유체 배출구(84)에 연결되고 상기 3 방향 밸브의 제2 방향은 상기 응축형 열교환기(1)의 일차 회로의 유입구(540)에 연결된 순환 수단(9)에 연결되고, 상기 장치는 T 형상의 끼움결합부(98)를 추가로 포함하고, 이 끼움 결합부의 두 개의 분기부는 각각 상기 응축형 열교환기(1)의 일차 유체 배출구(560)와 상기 제2 열교환기(8)의 일차 회로의 유입구(82)에 각각 연결되며, 상기 밸브(99)의 제 3 방향 및 상기 끼움 결합부(98)의 제 3 분기부는 예컨대, 중앙 가열부의 가열수 순환 네트워크(heating water circulation network)의 양단부(95,97)에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.

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