KR102467664B1 - 열교환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예에 따른 열교환 장치는, 연소가스를 이용하여 파이프를 통해 유동하는 유체를 가열하도록 구비되는 열교환 장치에 있어서, 상하부가 개방되고 내부에 상기 연소가스가 통과하도록 공간이 형성되는 몸체; 상기 공간의 상부에 형성되어 상기 연소가스의 연소가 발생하는 연소부; 상기 연소부의 하부에 형성되고 상기 연소가스를 이용하여 내부의 유체를 가열하는 열교환관이 구비되는 열교환부; 및 상기 공간의 외부에 상기 몸체의 외측면과 접촉되도록 구비되는 열회수관을 포함하고, 상기 연소부가 형성되는 상기 몸체는 상기 열회수관의 외주면 형상과 대응되도록 내측으로 오목하게 돌출되는 오목부가 형성될 수 있다.

Description

열교환 장치{HEAT EXCHANGER}
본 발명은, 열교환 장치에 관한 것으로 상세하게는, 현열 교환부 및 잠열 교환부가 일체로 형성되는 열교환 장치에 관한 것이다.
열교환 장치는 온도가 서로 다른 가열 유체와 피가열 유체를 교차시켜 열전달이 이루어지게 하는 것으로, 보일러나 온수기에서 순환중인 저온수를 가열하여 온수나 난방수 등을 공급하는데 사용된다.
콘덴싱 보일러의 경우, 열교환 장치는 현열을 이용하는 현열 교환부와 잠열을 이용하는 잠열 교환부가 별도로 구비된다. 그러나 현열 교환부와 잠열 교환부를 별도로 구비하게되면 이들 사이에는 기계적 결합과 함께 기밀을 유지해야 하기 때문에 제조공정, 제조비용 상의 어려운 점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 현열 교환부 및 잠열 교환부가 일체로 형성되는 열교환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 열교환 장치는, 연소가스를 이용하여 파이프를 통해 유동하는 유체를 가열하도록 구비되는 열교환 장치에 있어서, 상하부가 개방되고 내부에 상기 연소가스가 통과하도록 공간이 형성되는 몸체; 상기 공간의 상부에 형성되어 상기 연소가스의 연소가 발생하는 연소부; 상기 연소부의 하부에 형성되고 상기 연소가스를 이용하여 내부의 유체를 가열하는 열교환관이 구비되는 열교환부; 및 상기 공간의 외부에 상기 몸체의 외측면과 접촉되도록 구비되는 열회수관을 포함하고, 상기 연소부가 형성되는 상기 몸체는 상기 열회수관의 외주면 형상과 대응되도록 내측으로 오목하게 돌출되는 오목부가 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 연소가스의 현열을 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 상기 연소부와 인접하도록 상기 열교환부의 상부 영역에 배치되는 제1 열교환관; 상기 연소가스의 응축잠열을 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 상기 연소부의 하부 영역에 배치되는 제3 열교환관; 및 상기 제1 열교환관과 상기 제3 열교환관의 사이에 배치되는 제2 열교환관을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 열교환관은 상기 연소가스의 현열 또는 응축잠열을 중 적어도 하나를 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 열교환관 및 상기 열회수관의 횡단면은 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 열교환관의 내부에 배치되어 상기 유체의 유동에 난류 발생을 유도하는 터뷸레이터를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 열교환관의 외주면에는 열전달율을 높이기 위한 복수개의 열교환핀이 소정간격으로 이격되게 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 열회수관의 외주면 둘레의 절반이 상기 오목부의 외측면과 면접촉되도록 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 몸체는 상기 오목부가 형성되는 전면판 및 후면판, 상기 전면판 및 후면판의 양측단에 결합되어 상기 공간을 형성하는 좌측 유로캡 및 우측 유로캡을 포함하고, 상기 좌측 유로캡에는 상기 열교환관 및 상기 열회수관을 연통시키는 연결관이 결합될 수 있다.
바람직하게는, 상기 전면판 및 상기 후면판은, 상기 연소부의 외관을 형성하는 상부 전면판과 상부 후면판 및 상기 열교환부의 외관을 형성하는 하부 전면판과 하부 후면판을 포함하고, 상기 상부 전면판과 상기 하부 전면판 및 상기 상부 후면판과 상기 하부 후면판은 각각 일체로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 전면판 및 상기 후면판은, 상기 열회수관과 접촉되도록 상기 연소부와 대응되는 높이에 배치되는 상부 전면판과 상부 후면판 및 상기 상부 전면판 및 상기 상부 후면판의 하측에서 상기 열교환부와 대응되는 높이에 배치되는 하부 전면판과 하부 후면판을 포함하고, 상기 상부 전면판과 상기 하부 전면판 및 상기 상부 후면판과 상기 하부 후면판은 각각 일체로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 열교환관은 상기 전면판과 상기 후면판 사이에서 수평 방향으로 각각 이격되도록 제1 개수로 구비되는 상부 제1 열교환관 및 상기 상부 제1 열교환관과 동일한 배열을 갖고 상기 상부 제1 열교환관의 하측으로 일정 간격 이격되는 하부 제1 열교환관을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 열교환관은 상기 제1 개수보다 적은 제2 개수로 구비되고, 상기 전면판과 상기 후면판 사이에서 수평방향으로 각각 이격 배치될 수 있다.
바람직하게는, 각각의 상기 제2 열교환관은 각각의 상기 제1 열교환관의 사이에 위치하도록 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제3 열교환관은 상기 제2 개수보다 적은 제3 개수로 구비되고, 각각의 상기 제3 열교환관은 각각의 상기 제2 열교환관의 사이에 위치하도록 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 전면판 및 상기 후면판은, 상기 제1 열교환관의 하단 위치에서 상기 제2 열교환관의 위치까지 내려오면서 서로 가까워지는 방향으로 경사지게 형성되는 제1 경사부 및 상기 제2 열교환관의 위치에서 상기 제3 열교환관의 위치까지 내려오면서 서로 가까워지는 방향으로 경사지게 형성되는 제2 경사부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 좌측 유로캡 및 상기 우측 유로캡은, 상기 열회수관의 적어도 일부와 연통되는 열 회수관용 유체홈이 형성되어 상기 연소부의 외관을 형성하는 상부 좌측 유로캡과 상부 우측 유로캡 및 상기 열교환관의 적어도 일부와 연통되는 열 교환관용 유체홈이 형성되는 하부 좌측 유로캡과 하부 우측 유로캡을 포함하고, 상기 상부 좌측 유로캡과 상기 하부 좌측 유로캡 및 상기 상부 우측 유로캡과 상기 하부 우측 유로캡은 각각 일체로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 좌측 유로캡과 상기 우측 유로캡의 모서리부는 상기 전면판과 상기 후면판의 상기 제1 경사부와 상기 제2 경사부에 대응되는 구간에서 상하 방향으로 직선 형태로 연장될 수 있다.
바람직하게는, 각각의 상기 제3 열교환관 중에서 적어도 2이상의 제3 열교환관을 통해 물이 유입되도록 배치되는 유입구를 포함하고, 상기 적어도 2이상의 제3 열교환관 중에서 상기 유입구와 인접하도록 배치되는 어느 하나의 제3 열교환관에는 저항 터뷸레이터가 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 좌측 유로캡(116)에 형성되는 열 회수관용 유체홈(156)은 병렬 구조의 유로를 형성하고, 상기 병렬 구조의 유로 사이에는 홈부가 형성될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 열교환 장치는, 하나의 몸체 내부에 현열 교환부 및 잠열 교환부를 일체로 형성함으로써, 별도의 기밀부재 없이 현열 교환부 및 잠열 교환부 사이의 기밀을 유지할 수 있다.
또한 현열 교환부 및 잠열 교환부를 일체로 형성함으로써 제조공정, 제조비용 및 부품수를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열교환 장치를 사용한 가스 보일러의 연소 과정을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열교환 장치의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 장치의 일측 단면도.
도 4는 도 3의 열교환 장치에서 유체의 흐름을 도시한 사시도.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열교환 장치의 일측 단면도.
이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 일부 실시 예를 예시적인 도면을 통해 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 기재함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, 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' 또는 '결합'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 결합될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결' 또는 '결합'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열교환 장치(100)를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열교환 장치(100)를 사용한 가스 보일러의 연소 과정을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열교환 장치(100)의 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 장치(100)의 일측 단면도이고, 도 4는 도 3의 열교환 장치(100)에서 유체의 흐름을 도시한 사시도이고, 도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 열교환 장치(100)의 일측 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열교환 장치(100)의 상부에는 가스 버너(20)가 설치되어 송풍 유로(10)를 통해 유입되는 공기와 가스의 혼합기가 연소부(130)에서 점화, 연소되도록 구성될 수 있다. 연소부(130)에서 혼합기가 연소되어 발생되는 연소가스를 이용하여 연소부(130)의 아래쪽에 배치되는 열교환관(160) 내부의 유체를 가열하게 된다. 열교환 장치(100)의 연소부(130)에서 아래쪽으로 내려올수록 연소열이 적어지고, 하단부에 배치된 열교환관(160)으로 차가운 유체가 유입되므로 복수개의 열교환관(160) 중 특정 높이에서 연소가스의 응축이 발생되도록 설계할 수 있다. 열교환 장치(100)의 최하단으로는 응축수(30)를 배출하는 응축수(30) 배출구(90)가 형성되고 및 배기가스가 배출되는 배기 유로(80)가 형성될 수 있다. 본 발명에서는 연소부(130)의 외벽에 열회수관(140)이 배치되는 습식 방식의 열교환기에 있어서, 몸체(110)를 구성하는 연소부(130) 및 열교환부(150)가 일체로 형성되는 것을 특징을 한다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열교환 장치(100)는, 몸체(110), 연소부(130), 열교환부(150) 열회수관(140)을 포함할 수 있다.
먼저, 몸체(110)는 가스버너(20)의 하단에 결합되고, 내부에는 일정한 공간이 형성된다. 일 실시예에서 몸체(110)는 서로 마주보게 배치되는 전면판(111) 및 후면판(113), 상기 전면판(111)과 후면판(113)의 양측단에 결합되어 상기 공간을 형성하는 좌측 유로캡(116) 및 우측 유로캡(117)을 포함할 수 있다.
몸체(110)의 내부 공간 중 상부에는 버너(20)에 의해 연소가스의 연소가 발생하는 연소부(130)가 형성되고, 내부 공간 중 하부에는 연소가스의 현열 또는 응축잠열을 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 열교환관(160)이 구비되는 열교환부(150)가 형성될 수 있다. 몸체(110)는 스테인레스 재질 또는 구리 재질로 형성될 수 있다.
전면판(111) 및 후면판(113)은 서로 대칭되는 형상으로 구비될 수 있다. 연소부(130) 및 열교환부(150)를 형성하는 전면판(111) 및 후면판(113)은 용접 등의 접합부 없이 각각 일체로 구비될 수 있다.
일 실시예에서 상기 전면판(111) 및 상기 후면판(113)은, 상기 연소부(130)의 외관을 형성하는 상부 전면판(111a)과 상부 후면판(113a) 및 상기 열교환부(150)의 외관을 형성하는 하부 전면판(111b)과 하부 후면판(113b)을 포함할 수 있다. 또한 상기 상부 전면판(111a)과 상기 하부 전면판(111b)은 일체로 형성될 수 있고, 상기 상부 후면판(113a)과 상기 하부 후면판(113b)은 일체로 형성될 수 있다.
일 실시예에서 상기 전면판(111) 및 상기 후면판(113)은, 상기 열회수관(140)과 접촉되도록 상기 연소부(130)와 대응되는 높이에 배치되는 상부 전면판(111a)과 상부 후면판(113a) 및 상기 상부 전면판(111a) 및 상기 상부 후면판(113a)의 하측에서 상기 열교환부(150)와 대응되는 높이에 배치되는 하부 전면판(111b)과 하부 후면판(113b)을 포함할 수 있다. 또한 상기 상부 전면판(111a)과 상기 하부 전면판(111b) 및 상기 상부 후면판(113a)과 상기 하부 후면판(113b)은 각각 일체로 형성될 수 있다.
다만, 위에서 설명한 상부 전면판(111a)과 하부 전면판(111b)은 물리적으로 분리되는 구성이 아니라, 개념적으로 구분되는 것으로 설명할 수 있다. 또한 상부 후면판(113a)과 하부 후면판(113b) 역시 물리적으로 개념적으로 구분되는 것으로 설명할 수 있을 것이다.
일 실시예에서 본 발명에서는 몸체부(110)를 구성하는 전면판(111) 및 후면판(113), 그리고 좌측 유로캡(116) 및 우측 유로캡(117)은 모두 동일한 재질로 형성될 수 있고, 예시적으로 스테인레스 재질로 형성될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 전면판(111) 및 후면판(113), 그리고 좌측 유로캡(116) 및 우측 유로캡(117)을 결합하여 몸체부(110)를 형성함에 있어 결합부위를 브레이징(brazing)과 같은 방식으로 접합시킬 수 있다.
즉, 본 발명에서는 몸체부(110)의 각 구성요소 간의 결합을 별도의 조립과정 없이 브레이징 접합할 수 있으므로, 별도의 누수 방지용 씰링 구조나 조립 구조가 불필요하게 된다.
몸체(110)의 연소부(130)에 해당하는 전면판(111) 및/또는 후면판(113)에는 열회수관(140)의 외주면의 형상과 대응되도록 내측으로 오목하게 돌출되는 오목부(119)가 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에서 도 3과 같이 열회수관(140)이 원형으로 구비되는 경우, 오목부(119) 역시 대응되는 형상으로 구비될 수 있다. 또한 도 5와 같이 열회수관(140)이 타원형으로 구비되는 경우, 오목부(119) 역시 타원형과 대응되는 형상으로 구비될 수 있다. 이에 따라 열회수관(140)의 적어도 일부는 몸체(110)의 오목부(119)의 외측면과 면접촉될 수 있다. 바람직하게는, 열회수관(140)의 외주면 둘레의 절반이 오목부(119)의 외측면과 면접촉되도록 구비될 수 있다. 이는 열회수관(140)과 몸체(110)의 접촉면적을 최대로 하여 열전달 효율을 높임으로써, 몸체(110)를 통해 방출되는 열을 최대한 회수할 수 있도록 하기 위함이다.
또한 본 발명에서는 열회수관(140)을 통해 몸체부(110)의 냉각 효과를 구현할 수 있다. 연소부(130)에 해당하는 전면판(111) 및/또는 후면판(113)의 외측면에 내부로 물이 흐르는 열회수관(140)이 배치됨으로써, 연소부(130)에서의 연소로 인해 전면판(111) 및/또는 후면판(113)이 지나치게 뜨거워지는 것을 방지할 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명에서는 연소부(140)의 내부에 별도의 내화재 또는 단열재를 배치하지 않음으로써, 연소부(140)과 열교환부(150)를 일체로 하여 몸체부(110)을 형성하면서도 연소부(140)를 간결하게 구성할 수 있다.
몸체의 좌측 유로캡(116) 및 상기 우측 유로캡(117)은, 상기 열회수관(140)의 적어도 일부와 연통되는 열 회수관용 유체홈(156)이 형성되어 상기 연소부(130)의 외관을 형성하는 상부 좌측 유로캡(116a)과 상부 우측 유로캡(117a) 및 상기 열교환관(160)의 적어도 일부와 연통되는 열 교환관용 유체홈(155)이 형성되는 하부 좌측 유로캡(116b)과 하부 우측 유로캡(117b)을 포함할 수 있다. 또한 상기 상부 좌측 유로캡(116a)과 상기 하부 좌측 유로캡(116b)은 일체로 형성될 수 있다. 상기 상부 우측 유로캡(117a)과 상기 하부 우측 유로캡(117b)은 일체로 형성될 수 있다. 다만, 여기서 상부 좌/우측 유로캡 및 하부 좌/우측 유로캡은 물리적으로 분리되는 구성이 아니라, 개념적으로 구분되는 것으로 설명할 수 있다.
일 실시예에서 하부 좌측 유로캡(116a)에 형성되는 열교환관용 유체홈(155)중 하단부 일측에 유입구(181)와 연통되도록 형성되는 유체홈을 제1 유체홈(1551)으로 설명할 수 있다. 제1 유체홈(1551)은 유입구(181)로부터 유입되는 물이 복수개의 제3 열교환관 중 어느 하나로 유입될 수 있도록 할 수 있다.
또는 제1 유체홈(1551)은 유입구(181)로부터 유입되는 물이 복수개의 제3 열교환관(163) 중 2개(예컨대 도 3의 1631, 1632)로 동시에 유입될 수 있도록 할 수 있다. 제1 유체홈(1551)은 제3 열교환관 중 물이 유입 되는 2개의 열교환관(예컨대 도 3의 1631, 1632)을 커버하도록 형성될 수 있다. 유입구(181)가 복수개의 이웃하는 2개의 열교환관(예컨대 도 3의 1631, 1632)의 사이에 배치되는 경우, 유입구로부터 유입되는 물이 2개의 열교환관으로 골고루 유입되기 위해서는 유입구로부터 2개의 열교환관 사이의 거리 및/또는 2개의 열교환관 서로간의 거리가 일정거리 이상 확보되어야 하기 때문에, 열교환기의 전체적인 사이즈가 커지게 된다. 일 실시예에서 유입구(181)는 복수개의 제3 열교환관(163) 중 어느 하나(예컨대 도 3의 1631)와 동축상에 배치되도록 제1 유체홈(1551)과 연통 형성될 수 있다. 또한 예시적인 실시예에서 제1 유체홈(1551)은 유입구(181)로부터 유입되는 물이 복수개의 제3 열교환관(163) 중 2개(예컨대 도 3의 1631, 1632)로 동시에 유입되도록 형성되는 경우, 물이 유입되는 2개의 열교환관(예컨대 도 3의 1631, 1632) 중 하나의 열교환관에만 저항 터뷸레이터(예컨대 도 2의 170a)가 배치될 수 있다. 저항 터뷸레이터(170a)는 유입구(181)가 2개의 제3 열교환관(예컨대 도 3의 1631, 1632) 중 어느 하나와 상대적으로 가깝게 배치되거나 동축상에 배치되는 경우, 유입구(181)와 가깝거나 동축상에 배치되는 제3 열교환관(예컨대 도 3의 1631)으로 유입되는 물의 흐름에 저항을 발생시키는 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 저항 터뷸레이터(170a)는 물이 유입되는 2개의 열교환관(예컨대 도 3의 1631, 1632) 중 유입구(181)과 상대적으로 가까운 열교환관(예컨대 도 3의 1631)에만 배치될 수 있다. 이는 2개의 열교환관 중에서 유입구(181)와 상대적으로 가까운 열교환관으로 물이 유입이 편중될 수 있기 때문에, 물이 유입이 편중될 수 있는 열교환관에 대해 저항을 부여하여 와류를 형성하고 물의 흐름을 늦춰줌으로써, 유입구를 통해 유입되는 물이 2개의 열교환관으로 골고루 분산되어 유입될 수 있도록 하기 위함이다. 일 실시예에서 저항 터뷸레이터(170a)는 상술한 터뷸레이터(170)과 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 한편, 위와 같이 하부 좌측 유로캡(116a)에 배치되는 제1 유체홈(1551)이 제3 열교환관 중 물이 유입되는 2개의 열교환관(예컨대 도 5의 1631, 1632)을 커버하도록 형성되는 경우, 반대쪽의 하부 우측 유로캡(117a)에 배치되는 제2 유체홈(1552)은 제3 열교환관 중 물이 유입되는 2개의 열교환관(예컨대 도 5의 1631, 1632) 및 그와 인접한 또 다른 제3 열교환관(예컨대 도 5의 1633)을 포함하여 총 3개의 열교환관을 커버하도록 형성될 수 있다. 이 경우 유입구(181)를 통해 2개의 열교환관(1631, 1632)으로 유입된 물은 인접한 열교환관(1633)을 통해 다시 반대방향으로 흐르게 된다.
일 실시예에서 좌측 유로캡(116)과 상기 우측 유로캡(117)의 모서리부는 상기 전면판(111)과 상기 후면판(113)의 상기 제1 경사부(1101)와 상기 제2 경사부(1102)에 대응되는 구간에서 상하 방향으로 직선 형태로 연장될 수 있다.
열교환부(150)는 도 3 또는 도 5에 도시된 바와 같이, 일측면에서 보았을 때 아래쪽으로 갈수록 협소하게 형성될 수 있는데, 이러한 구조를 통해 응축수(30)가 쉽게 배출될 수 있다.
열교환부(150)의 내부에는 복수개의 열교환관(160)이 전면판(111)과 후면판(113) 사이에서 전면판(111)과 후면판(113)에 평행하게 소정의 간격을 갖고 배치될 수 있다. 본 발명에서 열교환관(160)은 횡단면이 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있다. 일 실시예에서 상기 열교환관 및 열회수관은 단면이 타원형(oval)인 오발 파이프를 포함할 수 있다. 재질은 스테인레스 또는 구리 재질을 포함하여 내식성 및 열전도율이 높은 다양한 재질로 구비될 수 있다. 단면이 타원형인 오발 파이프는 공지의 전체 누셀 수(total nusselt number)을 통해 알 수 있는 바와 같이 단면이 원형인 관 등에 비해 열전도율이 높으므로 더욱 고효율이다. 또한, 열교환관 및 열회수관의 단면이 타원형으로 형성되는 경우 단면이 원형으로 형성되는 관에 비해 약 40% 정도의 마찰계수를 가지므로, 관에 의한 마찰 압력 손실을 줄이고, 열원의 원활한 유동이 가능할 수 있다.
예시적인 실시예에서 열교환관(160)은 연소부(130)에서 연소된 고온의 연소가스의 현열을 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 상기 연소부(130)와 인접하도록 상기 열교환부(150)의 상부 영역에 배치되는 제1 열교환관(161)을 포함할 수 있다. 열교환관(160)은 열교환부(150)의 아래쪽에는 상기 연소가스의 응축잠열을 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 상기 연소부(130)의 하부 영역에 배치되는 제3 열교환관(163)을 포함할 수 있다. 또한 열교환관(160)은 상기 제1 열교환관(161)과 상기 제3 열교환관(163)의 사이에 배치되는 제2 열교환관(162)을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서 제2 열교환관(162)은 상기 연소가스의 응축잠열을 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 구비될 수 있다. 제2 열교환관(162)은 상기 연소가스의 현열을 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 구비될 수 있다. 또한 제2 열교환관(162)은 상기 연소가스의 현열 및 응축잠열을 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 구비될 수도 있다.
예시적인 실시예에서 상기 제1 열교환관(161)은 상기 전면판(111)과 상기 후면판(113) 사이에서 수평 방향으로 각각 이격되도록 제1 개수로 구비되는 상부 제1 열교환관(161a) 및 상기 상부 제1 열교환관(161a)과 동일한 배열을 갖고 상기 상부 제1 열교환관(161a)의 하측으로 일정 간격 이격되는 하부 제1 열교환관(161b)을 포함할 수 있다. 여기서 제1 개수는 도 3 또는 도 5에 도시된 바와 같이 6개일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적인 실시예에서 제2 열교환관(162)은 상기 제1 개수보다 적은 제2 개수로 구비되고, 상기 전면판(111)과 상기 후면판(113) 사이에서 수평방향으로 각각 이격 배치될 수 있다. 여기서 제2 개수는 5개 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 각각의 상기 제2 열교환관(162)은 각각의 상기 제1 열교환관(161)의 사이에 위치하도록 배치될 수 있다.
예시적인 실시예에서 상기 제3 열교환관(163)은 상기 제2 개수보다 적은 제3 개수로 구비되고, 각각의 상기 제3 열교환관(163)은 각각의 상기 제2 열교환관(162)의 사이에 위치하도록 배치될 수 있다. 여기서 제3 개수는 4개일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 상술한 열교환관(160) 중 최하측에 배치되는 제3 열교환관(163)과 연결되는 유입구(181)를 통해 차가운 유체가 유입되면, 유체는 제2 열교환관(162) 및 제1 열교환관(161)을 거쳐 연결관(145)을 통해 열회수관(140)으로 유동하는 과정에서 가열되어, 유출구(182)를 통해 난방수가 실내로 공급될 수 있다.
일 실시예에서 도 2에 도시된 바와 같이, 열교환관(160)의 내부에는 유체의 유동에 난류 발생을 유도하는 터뷸레이터(170)가 배치될 수 있다. 유체의 유동시 터뷸레이터(170)를 통과하면서 난류가 발생하여 열교환 효율이 극대화될 수 있다. 도 2에서는 터뷸레이터(170)가 제1 열교환관(161)에만 구비되는 것으로 도시하였으나 이에 제한되는 것은 아니다. 터뷸레이터(170)는 유로상에 배치되어 유체의 흐름을 복잡하게 하여 난류를 생성하기 위한 것으로, 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 열교환관(160)의 외주면에는 열전달율을 높이기 위한 복수개의 열교환핀(157)이 배치될 수 있다. 복수개의 열교환핀(157)은 열교환관(160)의 길이방향을 따라 소정간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
열교환핀(157)은 판형으로 형성되고 복수개가 병렬로 적층 배치될 수 있다. 열교환핀(157)은 열 전도율이 높은 금속 재질로 구비되어, 고온의 연소가스에 의한 열을 열교환관(160)으로 용이하게 전달할 수 있다. 열교환핀(157)은 열교환관(160)이 삽입되도록 복수의 관통공(158)이 형성될 수 있다. 관통공(158)의 형상은 열교환관(160)의 형상과 대응되는 형상으로 구비될 수 있다. 인접하는 한 쌍의 관통공(158) 사이에는 열교환핀(17)을 관통 형성되어 연소가스의 유동성을 증대시키기 위한 유동홀(159)이 형성될 수 있다.
일 실시예에서 유동홀(159)은 도 3과 같이 좌측, 우측 중 어느 일측에서 보았을 때 이웃하는 관통공(158)의 원주에 인접하도록 아래로 갈수록 넓어지게 형성되는 제1 형태의 상부 유동홀(1591)을 포함할 수 있다. 유동홀(159)은 상기 제1 형태의 상부 유동홀(1591)과 구분되고, 관통공(158)의 원주의 하단과 대응되는 높이로 제1 형태의 상부 유동홀(1591)의 하측에 배치되는 하부 유동홀(1592)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서 하부 유동홀(1592)은 관통공(158)보다 작은 원 또는 타원 형상으로 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서 이웃하는 관통공(158)의 원주를 향해 아래로 갈수록 서로 멀어지는 방향으로 연장 형성되는 한 쌍의 제2 형태의 상부 유동홀(1593)으로 구비될 수도 있다. 이 경우, 한 쌍의 제2 형태의 상부 유동홀(1593)의 사이에 하부 유동홀(1592)이 배치될 수도 있다.
열교환관(160) 및 열회수관(140)의 길이방향 양측단부는 내부 격판(115)을 관통하여 몸체(110)의 일측에 고정될 수 있다.
내부 격판(115)의 외측으로는 각각 좌측 유로캡(116) 및 우측 유로캡(117)이 배치되어 상술한 전면판(111) 및 후면판(112)과 함께 내부에 공간이 형성될 수 있다. 좌측 유로캡(116) 및 우측 유로캡(117)에는 각각 상술한 제1 내지 제3 열교환관(160)의 유체가 순차적으로 연통될 수 있도록 복수개의 열 교환관용 유체홈(155)이 형성될 수 있다. 또한 좌측 유로캡(116) 및 우측 유로캡(117)에는 상기 열 교환관용 유체홈(155)의 상측으로 열 회수관용 유체홈(156)이 형성될 수 있다. 유체홈(155,156)은 유로캡(116,117)으로부터 좌측, 우측 방향으로 각각 볼록 하게 형성되어 내부에 물이 흐르도록 유로가 형성될 수 있다. 도 2를 참조하면, 열 회수관이 상하 2열로 배열되는 구조에서, 연결관(145)이 연결되는 좌측 유로캡(116)에 형성되는 열 회수관용 유체홈(156)은, 상하 2열의 전면판 측의 열회수관 중에서 상대적으로 아래쪽에 배치되는 전면판 측 열 회수관과 상하 2열의 후면판 측의 열회수관 중에서 상대적으로 위쪽에 배치되는 후면판 측 열 회수관이 대각선 방향으로 연결되도록 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에서 좌측 유로캡(116)에 형성되는 열 회수관용 유체홈(156)은, 상대적으로 아래쪽에 배치되는 전면판 측 열 회수관으로부터 상대적으로 위쪽에 배치되는 후면판 측 열 회수관으로 물이 유동하도록 유로를 형성하는데, 이때 유로는 두 갈래의 유로(예를 들어 도 4의 1561,1562)가 병렬로 배치되는 구조로 형성될 수 있다. 또한 두 갈래의 병렬 구조의 유로 사이에는 내측으로 오목하게 형성되는 홈부가 배치될 수 있고, 이러한 홈부의 배치를 통해 병렬 구조의 유로가 형성될 수 있다. 이러한 병렬 구조의 유로를 통해 넓은 유로에서의 와류의 형성을 최소활 수 있고, 오목부의 배치를 통해 유로의 면적을 최대화하면서도 좌측 유로캡(116)의 강성을 확보할 수 있게 된다.
또한, 우측 유로캡(117)에 형성되는 열 회수관용 유체홈(154)은 상하로 이격되고 평행하게 연장되는 형태로 형성될 수 있다.
또한, 좌측 유로캡(116) 및 우측 유로캡(117) 중 어느 하나의 유로캡에는 아래쪽에 배치되는 열교환관(160)과 위쪽에 배치되는 열회수관(140)을 연통시키는 연결관(145)이 결합될 수 있다.
예시적인 실시예에서 상기 좌측 유로캡(116) 및 상기 우측 유로캡(117)은, 상기 열회수관(140)의 적어도 일부와 연통되는 열 회수관용 유체홈(154,156)이 형성되어 상기 연소부(130)의 외관을 형성하는 상부 좌측 유로캡(116a)과 상부 우측 유로캡(117a) 및 상기 열교환관(160)의 적어도 일부와 연통되는 열 교환관용 유체홈(155)이 형성되는 하부 좌측 유로캡(116b)과 하부 우측 유로캡(117b)을 포함할 수 있다. 또한 상기 상부 좌측 유로캡(116a)과 상기 하부 좌측 유로캡(116b) 은 일체로 형성될 수 있고, 상기 상부 우측 유로캡(117a)과 상기 하부 우측 유로캡(117b)은 각각 일체로 형성될 수 있다.
열회수관(140)은 상기 공간의 외부에 몸체(110)의 외측면과 접촉되도록 구비될 수 있다. 열회수관(140)은 연소부(130)와 대응되는 위치에서 몸체(110)의 외측면과 접촉되도록 구비됨으로써 몸체(110)를 통해 연소부(130)의 외부로 방출되는 열을 회수할 수 있다. 열회수관(140)의 외주면은 적어도 일부 영역이 전면판(111) 및 후면판(112)에 형성되는 오목부(119)의 외측면과 면접촉될 수 있다. 예시적인 실시예에서 열회수관(140)의 종단면은 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있다. 열회수관(140)의 외주면 둘레의 절반이 상기 오목부(119)의 외측면과 면접촉되도록 형성됨으로써 접촉 면적이 최대가 되도록 하여 열전달 효율을 극대화할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열교환 장치(100)는, 하나의 몸체(110) 내부에 현열 교환부 및 잠열 교환부를 일체로 형성함으로써, 별도의 기밀부재 없이 현열 교환부 및 잠열 교환부 사이의 기밀을 유지할 수 있다. 또한 현열 교환부 및 잠열 교환부를 일체로 형성함으로써 제조공정, 제조비용 및 부품수를 절감할 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 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 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 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.
10: 송풍 유로
20: 가스 버너
30: 응축수
80: 배기 유로
90: 응축수 배출구
100: 열교환 장치
110: 몸체
111: 전면판
113: 후면판
115: 내부 격판
116: 좌측 유로캡
181: 유입구
182: 유출구
117: 우측 유로캡
119: 오목부
130: 연소부
140: 열회수관
145: 연결관
150: 열교환부
155: 열 교환관용 유체홈
154,156: 열 회수관용 유체홈
157: 열교환핀
160: 열교환관
161: 제1 열교환관
162: 제2 열교환관
163: 제3 열교환관
170: 터뷸레이터

Claims (19)

  1. 연소가스를 이용하여 파이프를 통해 유동하는 유체를 가열하도록 구비되는 열교환 장치에 있어서,
    상하부가 개방되고 내부에 상기 연소가스가 통과하도록 공간을 형성하며, 전면판 및 후면판, 상기 전면판 및 후면판의 양측단에 결합되는 좌측 유로캡 및 우측 유로캡을 포함하는 몸체;
    상기 공간의 상부에 형성되어 상기 연소가스의 연소가 발생하는 연소부;
    상기 연소부의 하부에 형성되고 상기 연소가스를 이용하여 내부의 유체를 가열하는 열교환관이 구비되는 열교환부; 및
    상기 공간의 외부에 상기 몸체의 외측면과 접촉되도록 상기 몸체의 높이 방향으로 이격 배치된 복수개의 열회수관을 포함하고,
    상기 몸체는,
    상기 좌측 유로캡 또는 상기 우측 유로캡 중 어느 하나에 형성되어 내부로 유체의 유입을 안내하는 유입구;
    상기 복수개의 열회수관의 외주면 형상과 대응되도록 상기 전면판 및 상기 후면판에 내측으로 오목하게 돌출되는 오목부;
    상기 유입구가 형성된 상기 좌측 유로캡 또는 상기 우측 유로캡에 형성되어, 일측은 상기 전면판의 외부에 배치된 상기 복수개의 열회수관 중 상대적으로 하부에 배치된 열회수관의 유체가 유입되고 타측은 상기 후면판의 외부에 배치된 상기 복수개의 열회수관 중 상대적으로 위쪽에 배치된 열회수관으로 유체가 이동되도록 안내하는 열 회수관용 유체홈; 및
    상기 열 회수관용 유체홈의 일측과 상기 열 회수관용 유체홈의 타측 사이에 형성되어, 상기 열 회수관용 유체홈이 두 갈래 구조의 유로를 형성하도록 하는 홈부를 더 포함하고,
    상기 열교환관은,
    상기 연소가스의 현열을 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 상기 연소부와 인접하도록 상기 열교환부의 상부 영역에 배치되는 제1 열교환관;
    상기 연소가스의 응축잠열을 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 상기 연소부의 하부 영역에 배치되는 복수개의 제3 열교환관을 포함하고,
    상기 복수개의 제3 열교환관 중 상기 유입구와 인접한 제3 열교환관 내부에 설치되어 유체에 저항을 부여하는 저항 터뷸레이터
    를 더 포함하는 열교환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환관은,
    상기 제1 열교환관과 상기 제3 열교환관의 사이에 배치되는 제2 열교환관을 더 포함하는 열교환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 열교환관은 상기 연소가스의 현열 또는 응축잠열 중 적어도 하나를 이용하여 내부의 유체를 가열하도록 구비되는 열교환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열교환관 및 상기 열회수관의 횡단면은 원형 또는 타원형으로 형성되는 열교환 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열교환관의 외주면에는 열전달율을 높이기 위한 복수개의 열교환핀이 소정간격으로 이격되게 배치되는 열교환 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 열회수관의 외주면 둘레의 절반이 상기 오목부의 외측면과 면접촉되도록 형성되는 열교환 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 좌측 유로캡에는 상기 열교환관 및 상기 열회수관을 연통시키는 연결관이 결합되는 열교환 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전면판 및 상기 후면판은,
    상기 연소부의 외관을 형성하는 상부 전면판과 상부 후면판 및 상기 열교환부의 외관을 형성하는 하부 전면판과 하부 후면판을 포함하고,
    상기 상부 전면판과 상기 하부 전면판 및 상기 상부 후면판과 상기 하부 후면판은 각각 일체로 형성되는 열교환 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전면판 및 상기 후면판은,
    상기 열회수관과 접촉되도록 상기 연소부와 대응되는 높이에 배치되는 상부 전면판과 상부 후면판 및 상기 상부 전면판 및 상기 상부 후면판의 하측에서 상기 열교환부와 대응되는 높이에 배치되는 하부 전면판과 하부 후면판을 포함하고,
    상기 상부 전면판과 상기 하부 전면판 및 상기 상부 후면판과 상기 하부 후면판은 각각 일체로 형성되는 열교환 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 열교환관은 상기 전면판과 상기 후면판 사이에서 수평 방향으로 각각 이격되도록 제1 개수로 구비되는 상부 제1 열교환관 및 상기 상부 제1 열교환관과 동일한 배열을 갖고 상기 상부 제1 열교환관의 하측으로 일정 간격 이격되는 하부 제1 열교환관을 포함하는 열교환 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 열교환관은 상기 제1 개수보다 적은 제2 개수로 구비되고, 상기 전면판과 상기 후면판 사이에서 수평방향으로 각각 이격 배치되는 열교환 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    각각의 상기 제2 열교환관은 각각의 상기 제1 열교환관의 사이에 위치하도록 배치되는 열교환 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제3 열교환관은 상기 제2 개수보다 적은 제3 개수로 구비되고, 각각의 상기 제3 열교환관은 각각의 상기 제2 열교환관의 사이에 위치하도록 배치되는 열교환 장치.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 전면판 및 상기 후면판은, 상기 제1 열교환관의 하단 위치에서 상기 제2 열교환관의 위치까지 내려오면서 서로 가까워지는 방향으로 경사지게 형성되는 제1 경사부 및 상기 제2 열교환관의 위치에서 상기 제3 열교환관의 위치까지 내려오면서 서로 가까워지는 방향으로 경사지게 형성되는 제2 경사부를 포함하는 열교환 장치.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 좌측 유로캡은,상기 열 회수관용 유체홈이 형성되어 상기 연소부의 외관을 형성하는 상부 좌측 유로캡과 상기 열교환관의 적어도 일부와 연통되는 제1 유체홈이 형성되는 하부 좌측 유로캡을 포함하고,
    상기 우측 유로캡은, 상기 복수개의 열회수관의 적어도 일부와 연통되도록 상기 몸체의 높이 방향을 따라 복수개가 이격 배치된 평행형 열 회수관용 유체홈이 형성된 상부 우측 유로캡과 상기 열교환관의 적어도 일부와 연통되는 제2 유체홈이 형성되는 하부 우측 유로캡을 포함하고,
    상기 상부 좌측 유로캡과 상기 하부 좌측 유로캡 및 상기 상부 우측 유로캡과 상기 하부 우측 유로캡은 각각 일체로 형성되는 열교환 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 좌측 유로캡과 상기 우측 유로캡의 모서리부는 상기 전면판과 상기 후면판의 상기 제1 경사부와 상기 제2 경사부에 대응되는 구간에서 상하 방향으로 직선 형태로 연장되는 열교환 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 유입구를 통해 상기 복수개의 제3 열교환관 중에서 적어도 2 이상의 제3 열교환관으로 유체가 유입되며, 상기 저항 터뷸레이터는 상기 2 이상의 제3 열교환관 중 상기 유입구와 상대적으로 인접한 제3 열교환관 내부에 배치된 것을 특징으로 하는 열교환 장치.

  19. 삭제
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