JP6773793B2 - 熱交換器 - Google Patents

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Description

本発明は熱交換器に関するものであって、さらに詳細には、複数のプレート間に多層で形成される熱媒体流路を通過する熱媒体の流量が均一に分配され得るようにして熱交換効率を向上させた熱交換器に関するものである。
暖房用または温水用に用いられるボイラーは、暖房水または直結水(以下、「熱媒体」と通称する)を熱源によって加熱させて所望する区域を暖房したり温水を供給する装置であって、ガスと空気の混合器を燃焼させるバーナーと、燃焼ガスの燃焼熱を熱媒体に伝達する熱交換器を含んで構成される。
従来の熱交換器と関連した先行技術の一例として、韓国登録特許第10−0813807号には、中央にバーナーが位置し、バーナーの周りにコイルの形態で巻かれた熱交換パイプで構成された熱交換器が開示されている。
前記先行技術文献に開示された熱交換器は、チューブを平たい形態に成形したため熱伝達媒体部に圧力が加えられる場合、丸い形態に変形される問題を有しており、またチューブを巻き上げて製作するため厚さが厚くなる問題がある。
また、従来の熱交換器は熱交換管が燃焼室の周りにコイルの形態で巻かれた構造で形成されており、燃焼ガスと熱媒体との間の熱交換がコイルの形態で形成される熱交換器周辺の局部的な空間でのみ行われるため伝熱面積を広く確保できない短所がある。
このような問題を解決するための方案として、最近は多数個のプレートを積層させてその内部に熱媒体流路と燃焼ガス流路を形成し、熱媒体と燃焼ガスと間に熱交換が行われるように構成されたプレート式熱交換器が開発されている。
前記プレート式熱交換器と関連した先行技術は、日本公開特許公報特開2006−214628号に開示されている。前記先行技術文献に開示されたプレート式熱交換器の場合、熱媒体が複数の層で形成された熱媒体流路に分配されて流動する過程で、熱媒体は流動方向が水平方向から垂直方向に転換され、各層に分配される熱媒体の流量は熱媒体の慣性と圧力によって不均一に分配され得る。
このように各層の熱媒体流路に熱媒体の流量が不均一に分配される場合には熱媒体と燃焼ガス間の熱交換性能が低下し、熱媒体の流量が少ない領域では局部的な過熱によって熱媒体の沸騰による騒音および異物が発生する問題点がある。
本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであって、複数のプレート間に多層で形成される熱媒体流路を通過する熱媒体の流量が均一に分配され得るようにして、熱交換効率を向上させることができる熱交換器を提供することにその目的がある。
前述のような目的を実現するための本発明の熱交換器は、複数のプレート間の空間に熱媒体が流動する熱媒体流路P1と、バーナーで燃焼した燃焼ガスが流動する燃焼ガス流路P2が隣接して交互に形成された熱交換部を具備し、前記熱交換部は複数個が積層構造で備えられ、前記隣接して位置する熱媒体流路P1で熱媒体の流動方向が転換される部分に流路が狭く形成される熱媒体分配部124、154が備えられたことを特徴とする。
本発明に係る熱交換器によると、隣接して位置する熱媒体流路で熱媒体の流動方向が転換される部分に流路が狭く形成される熱媒体分配部を具備することによって、複数のプレート間に多層で形成される熱媒体流路を通過する熱媒体の流量が均一に分配され得るため、熱交換効率を向上させることができる。
また、燃焼室の周りに沿って循環する熱媒体の流動方向を一方向に形成することによって熱媒体の循環が円滑に行われて熱媒体の圧力降下を最小化し、局部的な過熱を防止することによって熱交換効率を向上させることができる。
また、突出部と陥没部の表面に段差を形成し、熱媒体流路および燃焼ガス流路の内部には対応する位置に突起が相接するように構成することによって、熱媒体と燃焼ガスの乱流の発生を誘導して熱交換効率を向上させると共に、流体の圧力によるプレートの変形を防止し、耐圧性能を向上させることができる。
本発明の一実施例に係る熱交換器の斜視図。 本発明の一実施例に係る熱交換器の正面図。 本発明の一実施例に係る熱交換器の分解斜視図。 図3に図示された単位プレートの一部を拡大して図示した斜視図。 熱媒体の流動経路を示した斜視図。 図2のA−A線に沿った断面図。 熱交換器の下部に燃焼ガス通過部が形成された姿を示した部分分解斜視図。 図2のB−B線に沿った断面斜視図。 熱媒体分配部の作用を説明するための図2のC−C線に沿った断面図。 熱媒体分散部の作用を説明するための部分斜視図。 図2のD−D線に沿った断面斜視図。 図2のE−E線に沿った断面斜視図。
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例に対する構成および作用を詳細に説明する。
図1〜図7を参照する。本発明の一実施例に係る熱交換器1は、バーナー(図示されず)の燃焼によって燃焼熱と燃焼ガスが発生する燃焼室Cの周りに複数個のプレートが積層されてなる熱交換部100で構成される。
前記熱交換部100は複数のプレートが縦方向に直立され、前方から後方に積層されて構成され、複数の熱交換部100−A、100−B、100−Cが積層された構造で形成され得る。したがって、前記燃焼室Cにはバーナーが正面から水平方向に挿入されて組み立てられ得、これにより、バーナーの着脱および熱交換器1のメンテナンスの便宜性を向上させることができる。
一実施例として、前記複数のプレートは、第1〜第12単位プレート100−1、100−2、100−3、100−4、100−5、100−6、100−7、100−8、100−9、100−10、100−11、100−12で構成され、前記それぞれの単位プレートは、前方に位置する第1プレート100a−1、100a−2、100a−3、100a−4、100a−5、100a−6、100a−7、100a−8、100a−9、100a−10、100a−11、100a−12と、その後方にそれぞれ積層される第2プレート100b−1、100b−2、100b−3、100b−4、100b−5、100b−6、100b−7、100b−8、100b−9、100b−10、100b−11、100b−12で構成され得る。
前記それぞれの単位プレートを構成する第1プレートと第2プレートとの間には熱媒体が流動する熱媒体流路P1が形成され、隣接して積層される単位プレートのうち一側に位置する単位プレートを構成する第2プレートと、他側に位置する単位プレートの第1プレートと、の間には燃焼ガスが流動する燃焼ガス流路P2が形成される。前記熱媒体流路P1と燃焼ガス流路P2は複数のプレート間に隣接して交互に形成され、熱媒体と燃焼ガス間に熱交換が行われる。
図3〜図5を参照する。前記第1プレートは、第1開放口A1が中央に形成された第1平面部110と、前記第1平面部110から周り方向に一部の区間が連通し、前方に膨らんで形成された突出部120と、前記第1平面部110の縁部から後方に延びた第1フランジ部130で構成される。
前記第2プレートは、前記第1開放口A1と前後方向に対応する第2開放口A2が中央に形成され、前記第1平面部110と当接する第2平面部140と、前記第2平面部140から周り方向に一部の区間が連通し、後方に膨らんで形成されて前記突出部120との間に前記熱媒体流路P1を形成する陥没部150と、前記第2平面部140の縁から後方に延びて隣接して位置する単位プレートの第1フランジ部130と結合される第2フランジ部160で構成される。
図3と図5において、矢印は熱媒体の流動方向を示したものである。
図5を参照する。前記熱交換部100は複数個が積層された構造からなり、一実施例として、第1熱交換部100−Aと第2熱交換部100−Bおよび第3熱交換部100−Cで構成され得る。
前記複数個の熱交換部100−A、100−B、100−Cでの熱媒体流路P1は、熱媒体の流動方向が一方向へのみ形成されるように構成されている。すなわち、前記複数個の熱交換部100−A、100−B、100−Cのうち隣接して積層される熱交換部間には、熱媒体の流動方向が一方向に形成され、互いに反対方向(時計回り方向と反時計回り方向)となるように直列に形成される。そして、前記それぞれの熱交換部100−A、100−B、100−Cを構成する複数の単位プレートには熱媒体流路P2が並列に形成されている。
前記のような熱媒体の一方向流動のための構成を説明する。
図3と図4を参照する。前記第1プレートの上部の一側部には第1貫通口H1と第2貫通口H2が隣接して形成され、前記第2プレートの上部の一側部には前記第1貫通口H1と対応する第3貫通口H3と、前記第2貫通口H2と対応する第4貫通口H4が形成されている。
最前方に位置する第1プレート100a−1の上部の一側部には、前記第1貫通口H1と対応する位置に第1閉塞部H1’が形成され、前記第2貫通口H2と対応する位置に熱媒体出口102が形成されている。
最後方に位置する第2プレート100b−12の上部の一側部には、前記第3貫通口H3と対応する位置に熱媒体入口101が形成され、前記第4貫通口H4と対応する位置に第4閉塞部H4’が形成されている。
そして、第4単位プレート100−4の第2プレート100b−4には第4貫通口H4と対応する位置に第4閉塞部H4’が形成され、第5単位プレート100−5の第1プレート100a−5には第2貫通口H2と対応する位置に第2閉塞部H2’が形成され、第8単位プレート100−8の第2プレート100b−8には第3貫通口H3と対応する位置に第3閉塞部H3’が形成され、第9プレート100−9の第1プレート100a−9には第1貫通口H1と対応する位置に第1閉塞部H1’が形成されている。
したがって、最後方に位置する第12単位プレート100−12の第2プレート100b−12に形成された熱媒体入口101を通じて第12単位プレート100−12の熱媒体流路P1に流入した熱媒体は、第12〜第9単位プレート100−12、100−11、100−10、100−9に形成された第1〜第4貫通口H1、H2、H3、H4を通じて前方に流動し、これと同時に第9単位プレート100−9の第1プレート100a−9には第1閉塞部H1’が形成されているため、第12〜第9単位プレート100−12、100−11、100−10、100−9の内部の熱媒体流路P1では熱媒体が時計回り方向に流動する。
そして、第9単位プレート100−9の第1プレート100a−9に形成された第2貫通口H2と第8単位プレート100−8の第2プレート100b−8に形成された第4貫通口H4を通じて第8単位プレート100−8の熱媒体流路P1に流入した熱媒体は、第8〜第5単位プレート100−8、100−7、100−6、100−5に形成された第1〜第4貫通口H1、H2、H3、H4を通じて前方に流動し、これと同時に第5単位プレート100−5の第1プレート100a−5には第2閉塞部H2’が形成されているため、第8〜第5単位プレート100−8、100−7、100−6、100−5の内部の熱媒体流路P1では熱媒体が反時計回り方向に流動する。
そして、第5単位プレート100−5の第1プレート100a−5に形成された第1貫通口H1と第4単位プレート100−4の第2プレート100b−4に形成された第3貫通口H3を通じて第4単位プレート100−4の熱媒体流路P1に流入した熱媒体は、第4〜第1単位プレート100−4、100−3、100−2、100−1に形成された第1〜第4貫通口H1、H2、H3、H4を通じて前方に流動し、これと同時に第1単位プレート100−1の第1プレート100a−1には第1閉塞部H1’が形成されているため、第4〜第1単位プレート100−4、100−3、100−2、100−1の内部の熱媒体流路P1では熱媒体が時計回り方向に流動する。
前記のように熱交換部100が縦方向に直立された構造において、熱媒体が一方向に流動するように熱媒体流路P1と、第1〜第4貫通口H1、H2、H3、H4からなる熱媒体の連結流路を形成することによって、燃焼室Cの周りに沿って流動する熱媒体の循環が円滑に行われて熱媒体の圧力降下を最小化し、局部的な過熱を防止することによって熱効率を向上させることができる。
また、熱交換器の容量増大時にそれぞれの熱交換部100−A、100−B、100−Cでの並列流路の数を調節することによって熱媒体の圧力降下なしに容量を増大させることができる。
図6と図7を参照する。燃焼室Cでバーナーの燃焼によって発生した燃焼ガスは熱交換部100の下部を通じて下方向に排出される。
前記燃焼ガスが複数の燃焼ガス流路P2を通過して均一に排出するための構成として、第1プレートと第2プレートの積層時、第1プレートの第1フランジ部130と第2プレートの第2フランジ部160は一部が重なり、前記第1プレートと第2プレートの縁のうち一部の領域には燃焼ガス流路P2を通過して流動する燃焼ガスが排出される燃焼ガス通過部Dが形成される。
前記第1フランジ部130の燃焼ガス排出側には複数の第1切開部131が形成され、前記第2フランジ部160の燃焼ガス排出側には複数の第2切開部161が形成され、前記第1プレートと第2プレートの積層時、前記第1切開部131と第2切開部161の一部の領域に前記燃焼ガス通過部Dが形成される。
前記燃焼ガス通過部Dは熱交換部100の下部に横方向と縦方向に一定の間隔離隔して多数で形成され、これによって熱交換部100を通過した燃焼ガスが熱交換部100の下部の全領域に亘って均一な流量ずつ分配されて排出され得るため、排出される燃焼ガスの流動抵抗を減少させ、騒音および振動を防止する機能をする。
一方、前記複数の熱交換部100−A、100−B、100−Cで熱媒体の流動方向が転換される区間、すなわち第3熱交換部100−Cから第2熱交換部100−Bに連結される区間、または第2熱交換部100−Bから第1熱交換部100−Aに連結される区間では、各熱交換部100−A、100−B、100−Cに形成された熱媒体流路P1に流動する熱媒体の流量は、慣性と圧力によって不均一に分配される傾向を示す。
このように複数の熱媒体流路P1に分配される流量が不均一になる場合には熱交換性能が低下し、流量が少ない領域では局部的な過熱によって熱媒体の沸騰による騒音および異物が発生する問題がある。
このような熱媒体流量の不均衡な分配の問題を解決するための手段として、図8と図9に図示された通り、熱媒体流路P1のうち熱媒体の流動方向が転換される部分には流路が狭く形成される熱媒体分配部124、154が備えられる。
前記熱媒体分配部124、154は、前記熱媒体流路P1に熱媒体が流入する部分と熱媒体流路P1から熱媒体が流出する部分で熱媒体流路P1に向かって突出したエンボス形態に形成され得る。
したがって、第1プレートに形成された第1熱媒体分配部124と第2プレートに形成された第2熱媒体分配部154との間に形成される流路の断面積は、第1プレートと第2プレートとの間に形成される熱媒体流路P1の断面積に比べて狭く形成され、これに伴い、熱媒体が各層の熱媒体流路P1のうち一部の熱媒体流路P1に集中的に流入する現象を防止することができるため、各層の熱媒体流路P1を通じて流動する熱媒体の流量を均一に調節できるようになる。
前記熱媒体流量の不均衡な分配の問題を解決するための他の手段として、図8と図10に図示された通り、前記熱媒体流路P1に熱媒体が流入する流入部または前記熱媒体流路P1から熱媒体が流出する流出部には、開放部123’、153’と遮断部123”、153”が形成された熱媒体分散部123、153が備えられる。
前記熱媒体分散部123、153は、熱媒体の流動方向に離隔して複数で備えられ、隣接して位置する熱媒体分散部123、153間には前記開放部123’、153’と遮断部123”、153”が熱媒体の流動方向に沿って互いに交差するように備えられる。
前記熱媒体分散部123、153は前記開放部123’、153’と遮断部123”、153”が円周方向に沿って交互に形成される。
したがって、図10で矢印で図示された通り、第1熱媒体分散部123に形成された第1開放部123’を通過した熱媒体はその後方に位置する第2熱媒体分散部153の第2遮断部153”に衝突して分散し、第2熱媒体分散部153に形成された第2開放部153’を通過した熱媒体はその後方に位置する第1熱媒体分散部123の第1遮断部123”に衝突して分散し、このような分散作用によって熱媒体の慣性を緩和させて各層の熱媒体流路P1に流動する熱媒体の流量を均一に調節できるようになる。
図4を参照する。一方、前記第1プレートに形成された突出部120は前後方向に高さの異なる第1突出片120aと第2突出片120bが周り方向に沿って交互に配置されたもので構成され、前記第2プレートに形成された陥没部150は前後方向に高さの異なる第1陥没片150aと第2陥没片150bが周り方向に沿って交互に配置されたもので構成される。
このように突出部120と陥没部150にそれぞれ段差を形成することによって熱媒体と燃焼ガスの流動に乱流の発生が活発に行われるように誘導して熱交換効率を向上させることができる。
図11を参照する。前記突出部120には前記熱媒体流路P1に向かって突出した複数の第1突起121が形成され、前記陥没部150には前記熱媒体流路P1に向かって突出して前記第1突起121に当接する第3突起151が形成される。
図12を参照する。前記突出部120には前記燃焼ガス流路P2に向かって突出した複数の第2突起122が形成され、前記陥没部150には前記燃焼ガス流路P2に向かって突出して前記第2突起122に当接する第4突起152が形成される。このように第1突起121と第3突起151が熱媒体流路P1の内側に突出して当接し、第2突起122と第4突起152が燃焼ガス流路P2の内側に突出して当接するように構成することによって、熱媒体と燃焼ガスの流動に乱流の発生を誘導して熱交換効率を向上させると共に、流体の圧力によるプレートの変形を防止し、耐圧性能を向上させることができる。
1 熱交換器
100 熱交換部
100−1〜100−12 単位プレート
100a−1〜100a−12 第1プレート
100b−1〜100b−12 第2プレート
100−A 第1熱交換部
100−B 第2熱交換部
100−C 第3熱交換部
101 熱媒体入口
102 熱媒体出口
110 第1平面部
120 突出部
120a 第1突出片
120b 第2突出片
121 第1突起
122 第2突起
123 第1熱媒体分散部
123’ 開放部
123” 遮断部
124 第1熱媒体分配部
130 第1フランジ部
131 第1切開部
140 第2平面部
150 陥没部
150a 第1陥没片
150b 第2陥没片
151 第3突起
152 第4突起
153 第2熱媒体分散部
153’ 開放部
153” 遮断部
154 第2熱媒体分配部
160 第2フランジ部
161 第2切開部
A1 第1開放口
A2 第2開放口
H1〜H4 貫通口
H1’、H3’ 第1閉塞部
H2’、H4’ 第2閉塞部
P1 熱媒体流路
P2 燃焼ガス流路

Claims (10)

  1. 複数のプレート間の空間に熱媒体が流動する熱媒体流路(P1)と、バーナーで燃焼した燃焼ガスが流動する燃焼ガス流路(P2)が隣接して交互に形成された熱交換部を具備し、
    前記熱交換部は複数個が積層構造で備えられ、前記隣接して位置する熱媒体流路(P1)で熱媒体の流動方向が転換される部分に流路が狭く形成される熱媒体分配部(124、154)が備えられ
    前記熱媒体分配部(124、154)は、前記複数のプレートで前記熱媒体流路(P1)に熱媒体が流入する部分に熱媒体流路(P1)に向かって突出したエンボスの形態に形成されたことを特徴とする、
    熱交換器。
  2. 前記熱媒体分配部(124、154)は、前記複数のプレートで前記熱媒体流路(P1)から熱媒体が流出する部分に熱媒体流路(P1)に向かって突出したエンボスの形態に形成されたことを特徴とする、請求項に記載の熱交換器。
  3. 前記熱媒体流路(P1)は、前記複数個の熱交換部のうち隣接して積層される熱交換部間に熱媒体の流動が一方向に連結され、互いに反対方向に向かうように直列に形成されたことを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器。
  4. 前記それぞれの熱交換部の内部には前記熱媒体流路(P1)が並列に形成されたことを特徴とする、請求項に記載の熱交換器。
  5. 前記複数のプレートは、第1プレートと第2プレートが積層された複数個の単位プレートが積層されてなり、前記第1プレートには、第1開放口(A1)が中央に形成された第1平面部(110)と、前記第1平面部(110)から周り方向に一部の区間が連通し、前方に膨らんで形成された突出部(120)と、前記第1平面部(110)の縁部から後方に延びた第1フランジ部(130)が形成され、前記第2プレートには、前記第1開放口(A1)と前後方向に対応する第2開放口(A2)が中央に形成され、前記第1平面部(110)と当接する第2平面部(140)と、前記第2平面部(140)から周り方向に一部の区間が連通し、後方に膨らんで形成されて前記突出部(120)との間に前記熱媒体流路(P1)を形成する陥没部(150)と、前記第2平面部(140)の縁から後方に延びて隣接して位置する単位プレートの第1フランジ部(130)と結合される第2フランジ(160)が形成されたことを特徴とする、請求項1に記載の熱交換器。
  6. 前記熱交換部の一側部には、隣接して積層される熱交換部間に熱媒体が一方向に流動するように熱媒体の連結流路を提供するための一側の貫通口(H1、H3)と他側の貫通口(H2、H4)、前記一側の貫通口(H1、H3)を通じて熱媒体流路(P1)に流入した熱媒体が前記燃焼室(C)の周りを一方向に経由して前記他側の貫通口(H2、H4)に向かって流動するように誘導するための第1閉塞部(H1’、H3’)、および、前記他側の貫通口(H2、H4)を通じて熱媒体流路(P1)に流入した熱媒体が前記前記燃焼室(C)の周りを反対方向に経由して前記一側の貫通口(H1、H3)に向かって流動するように誘導するための第2閉塞部(H2’、H4’)が形成されたことを特徴とする、請求項に記載の熱交換器。
  7. 前記熱媒体分配部(124、154)は前記一側の貫通口(H1、H3)と他側の貫通口(H2、H4)にそれぞれ備えられたことを特徴とする、請求項に記載の熱交換器。
  8. 前記突出部(120)は周り方向に交互に配置されて前後方向に高さの異なる第1突出片(120a)と第2突出片(120b)からなり、前記陥没部(150)は周り方向に交互に配置されて前後方向に高さの異なる第1陥没片(150a)と第2陥没片(150b)からなることを特徴とする、請求項に記載の熱交換器。
  9. 前記突出部(120)には前記熱媒体流路(P1)に向かって突出した複数の第1突起(121)が形成され、前記陥没部(150)には前記熱媒体流路(P1)に向かって突出して前記第1突起(121)に当接する第3突起(151)が形成されたことを特徴とする、請求項に記載の熱交換器。
  10. 前記突出部(120)には前記燃焼ガス流路(P2)に向かって突出した複数の第2突起(122)が形成され、前記陥没部(150)には前記燃焼ガス流路(P2)に向かって突出して前記第2突起(122)に当接する第4突起(152)が形成されたことを特徴とする、請求項に記載の熱交換器。
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