KR20180044126A - 관체형 열교환기용 튜브 조립체 - Google Patents

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KR20180044126A
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안성준
김영배
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주식회사 경동나비엔
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Abstract

본 발명은 연소가스와 열매체 간의 열교환 효율을 향상시킴과 아울러 높은 압력 조건에서 발생할 수 있는 튜브의 변형 및 파손을 방지할 수 있는 관체형 열교환기용 튜브 조립체를 제공함에 그 목적이 있다.
이를 구현하기 위한 본 발명의 관체형 열교환기용 튜브 조립체(100-1,100-2 ;100)는, 연소가스가 내부를 따라 유동하며 외부를 유동하는 열매체와 열교환되도록 하는 납작한 형상으로 이루어진 튜브(110)와, 상기 튜브(110)의 내측에 결합되어 상기 연소가스의 유동에 난류의 발생을 유도하는 터뷸레이터(120), 및 상기 튜브(110)의 내측에 형성되어, 상기 튜브(110)의 대향하는 양측면에 작용하는 외부 압력을 지지하기 위한 압력지지부를 포함하여 구성된다.

Description

관체형 열교환기용 튜브 조립체{Tube assembly for tube frame type heat exchanger}
본 발명은 관체형 열교환기용 튜브 조립체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 압력 조건 하에서 발생할 수 있는 튜브의 변형 및 파손을 방지함과 아울러 열교환 효율을 향상시킨 관체형 열교환기용 튜브 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 난방장치는 연료의 연소에 의한 연소가스와 열매체 간에 열교환이 이루어지는 열교환기를 구비함으로써 가열된 열매체를 이용하여 난방을 수행하거나 온수를 공급하게 된다.
열교환기 중 관체형 열교환기는, 버너의 연소에 의해 발생된 연소가스가 내부를 유동하는 복수의 튜브를 구비하고, 튜브의 외측에는 열매체를 유동시켜 연소가스와 열매체 간에 열교환이 이루어지는 구조로 이루어져 있다.
이와 같은 관체형 열교환기와 관련된 선행기술의 일례로서, 도 1과 도 2는 유럽 공개특허공보 EP 2508834에 개시된 열교환기를 나타낸 것이다.
도 1과 도 2에 도시된 열교환기의 경우, 상부 덮개(10), 외부 자켓(9), 외부 자켓(9)의 내부에 연소실(4), 상판(2), 상판 하부에 다수의 튜브(1), 그 아래 하판(3)으로 구성된다. 상판(2)과 하판(3) 사이에는 3종류의 격막(5,6,7)이 설치되어 있으며, 상부 격막(5)은 원뿔 형상으로 되어 있으며 중앙부에 개구부를 가진다. 중간 격막(6)은 외통의 직경보다 작거나 비슷한 평판이며, 하부 격막(7)은 외통과 비슷한 직경을 가지며 중앙에 개구부를 가진 구조로 되어 있다.
상부 덮개(10)에 체결되는 버너의 연소를 통해 발생되는 연소가스가 연소실 (4)에서 1차 열교환 되며, 연소가스의 현열 및 잠열은 다수의 튜브(1)를 통해 열교환기 내부의 열매체로 전달된다. 열교환기 내부의 열매체는 유체 입구(11)를 통해 유입되어 하부 격막(7)의 중앙 개구부를 거쳐 중간 격막(6)의 직경 외부로 흘러들어 가고, 상부 격막(5)의 중앙 개구부로 흐르게 되며 유체 출구(12)로 배출된다.
종래 열교환기에 적용된 납작한 형태가 적용된 직관 또는 엠보가 적용된 연관의 경우, 저압용 보일러(사용압력 : 6 kg/㎠ 이하)에는 적용이 가능하지만, 온수기 및 상업용 제품, 대용량 보일러와 같이 사용환경의 압력이 높은 기기에는 튜브의 변형 및 파손 발생 가능성이 높아 적용이 불가능한 단점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 적용 소재의 두께를 키워야 하며, 이로 인하여 열교환 능력이 저하되고, 가공 난이도의 상승에 따라 제조성이 저하되며, 원가 상승의 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 연소가스와 열매체 간의 열교환 효율을 향상시킴과 아울러 높은 압력 조건에서 발생할 수 있는 튜브의 변형 및 파손을 방지할 수 있는 관체형 열교환기용 튜브 조립체를 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 관체형 열교환기용 튜브 조립체(100-1,100-2 ;100)는, 연소가스가 내부를 따라 유동하며 외부를 유동하는 열매체와 열교환되도록 하는 납작한 형상으로 이루어진 튜브(110)와, 상기 튜브(110)의 내측에 결합되어 상기 연소가스의 유동에 난류의 발생을 유도하는 터뷸레이터(120), 및 상기 튜브(110)의 내측에 형성되어, 상기 튜브(110)의 대향하는 양측면에 작용하는 외부 압력을 지지하기 위한 압력지지부를 포함하여 구성된다.
일실시예로서, 상기 압력지지부는, 상기 튜브(110)의 양측면에서 각각 상기 튜브(110)의 내측 공간으로 돌출되어 대면하는 한 쌍의 딤플(111a,111b ;111)이 상하로 이격되어 복수로 형성된 것으로 구성될 수 있다.
상기 딤플(111a,111b ;111)은, 상기 튜브(110)의 내측에 상기 터뷸레이터(120)가 삽입된 후에, 상기 튜브(110)의 외측면을 상기 튜브(110)의 내측을 향해 가압하여 형성될 수 있다.
상기 터뷸레이터(120)에는 상기 한 쌍의 딤플(111a,111b ;111)이 관통되어 맞닿을 수 있도록 하는 복수의 홀(128)이 형성될 수 있다.
다른 실시예로서, 상기 압력지지부는, 상기 터뷸레이터(120)의 양측면에서 각각 외측 방향으로 돌출되어 상기 튜브(110)의 대향하는 내측면에 맞닿는 지지대(129a,129b ;129)로 구성될 수 있다.
상기 지지대(129a,129b ;129)는 상기 터뷸레이터(120)의 면의 일부가 절개되어 각각 양측으로 절곡됨으로써 형성될 수 있다.
상기 터뷸레이터(120)는, 상기 튜브(110)의 내부공간을 양측으로 분할하며 상기 튜브(110)의 길이방향으로 배치된 평면부(121)와, 상기 평면부(121)의 양측면에 길이방향을 따라 이격되어 교대로 경사지게 돌출 형성된 복수의 제1가이드편(122)과 제2가이드편(123)을 포함할 수 있다.
상기 제1가이드편(122)은 상기 평면부(121)의 일측면에 일측으로 경사지게 배치되고, 상기 제2가이드편(123)은 상기 평면부(121)의 타측면에 타측으로 경사지게 배치되며, 상기 제1가이드편(122)과 제2가이드편(123)으로 유입된 열매체는, 각각 상기 평면부(121)의 반대측면에 인접하게 배치된 제2가이드편(123)과 제1가이드편(122)에 순차로 인계되어 상기 평면부(121)의 양측 공간을 교대로 유동하도록 구성될 수 있다.
상기 제1가이드편(122)의 열매체 유입단은 제1연결편(122a)에 의해 상기 평면부(121)의 일측단에 연결되는 동시에 상기 평면부(121)의 일측단과 제1연결편(122a) 및 제1가이드편(122) 사이에 상기 평면부(121)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지는 제1소통구(122b)가 마련되고, 상기 제2가이드편(123)의 열매체 유입단은 제2연결편(123a)에 의해 상기 평면부(121)의 타측단에 연결되는 동시에 상기 평면부(121)의 타측단과 제2연결편(123a) 및 제2가이드편(123) 사이에 상기 평면부(121)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지는 제2소통구(123b)가 마련될 수 있다.
상기 제1가이드편(122)과 제2가이드편(123)은 상기 평면부(121)의 일부가 절개되어 각각 상기 평면부(121)의 양측으로 절곡되고, 상기 제1가이드편(122)과 제2가이드편(123)의 절개된 부분을 통해 상기 평면부(121)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지도록 구성될 수 있다.
상기 터뷸레이터(120)의 상단부와 하단부에는 상기 튜브(110)의 양측면에 맞닿도록 상하로 이격되어 전방과 후방으로 돌출되며 상하로 이격되어 위치하는 지지부(124,125)가 각각 형성될 수 있다.
상기 터뷸레이터(120)의 상단부와 하단부에는 상기 튜브(110)의 전면과 후면에 맞닿도록 상하로 이격되어 전방과 후방으로 돌출되며 상하로 이격되어 위치하는 지지편(126,127)이 각각 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 관체형 열교환기용 튜브 조립체에 의하면, 상기 튜브의 대향하는 양측면에 작용하는 외부 압력을 지지하기 위한 압력지지부를 구비함으로써, 수압이 높은 환경에서도 튜브의 변형 및 파손을 방지할 수 있어, 보일러 외에도 온수기(사용압력 : 10 kg/㎠ 이상)와 상업용(대용량) 제품 등에 확대 적용할 수 있다.
또한 튜브의 외측면에 딤플을 형성하거나, 터뷸레이터의 양측면에 절곡된 형태의 지지대를 형성함으로써, 별도 부품의 추가 없이도 압력지지부를 구현할 수 있게 되므로, 내압 성능이 우수한 튜브 조립체의 제작 비용을 절감할 수 있다.
또한 튜브의 내측에 터뷸레이터를 구비함으로써 연소가스의 흐름에 난류를 촉진시켜 열교환 효율을 향상시킴과 아울러, 터뷸레이터의 상단부와 하단부에는 제1지지부와 제2지지부, 제1지지편과 제2지지편을 구비함으로써, 튜브의 내압 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 관체형 열교환기의 일례를 보여주는 단면 사시도,
도 2는 도 1의 단면도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 관체형 열교환기용 튜브 조립체의 외관 사시도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 관체형 열교환기용 튜브 조립체의 투시 사시도,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 관체형 열교환기용 튜브 조립체의 조립 및 가공 과정을 보여주는 분해 사시도,
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 터뷸레이터의 정면도,
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 관체형 열교환기용 튜브 조립체의 (a) 정면도와, (b) A-A 선을 따르는 단면도,
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 관체형 열교환기용 튜브 조립체의 투시 사시도,
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 관체형 열교환기용 튜브 조립체의 조립 과정을 보여주는 분해 사시도,
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 터뷸레이터의 정면도,
도 11은 도 8의 평면도.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 관체형 열교환기용 튜브 조립체(100-1,100-2 ;100)는, 연소가스가 내부를 따라 유동하며 외부를 유동하는 열매체와 열교환되도록 하는 납작한 형상으로 이루어진 튜브(110)와, 상기 튜브(110)의 내측에 결합되어 상기 연소가스의 유동에 난류의 발생을 유도하는 터뷸레이터(120), 및 상기 튜브(110)의 내측에 형성되어, 상기 튜브(110)의 대향하는 양측면에 작용하는 외부 압력을 지지하기 위한 압력지지부를 포함하여 구성된다.
이하, 도 3 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 튜브 조립체(100-1)의 구성 및 작용을 설명한다.
본 발명의 제1실시예에서, 상기 압력지지부는, 상기 튜브(110)의 양측면에서 각각 상기 튜브(110)의 내측 공간으로 돌출되어 대면하는 한 쌍의 딤플(111a,111b ;111)이 상하로 이격되어 복수로 형성된 것으로 구성된다.
도 5와 도 7을 참조하면, 상기 딤플(111a,111b ;111)은, 튜브(110)의 내측에 상기 터뷸레이터(120)가 삽입된 후에, 도 5의 화살표로 표시된 바와 같이 상기 튜브(110)의 외측면을 상기 튜브(110)의 내측을 향해 가압하는 공정에 의해 형성된다. 그리고, 상기 터뷸레이터(120)에는 외부 압력의 상승 시 상기 한 쌍의 딤플(111a,111b ;111)이 관통되어 맞닿을 수 있도록 하는 복수의 홀(128)이 형성되어 있다.
이와 같이 터뷸레이터(120)가 삽입된 튜브(110)의 외측면에 딤플(111a,111b ;111)을 형성하여 압력지지부를 구현함으로써, 별도 부품의 추가 없이도 압력지지부를 구현할 수 있게 되므로, 내압 성능이 우수한 튜브 조립체의 제작 비용을 절감할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 터뷸레이터(120-1)는, 튜브(110)의 내부공간을 양측으로 분할하며 상기 튜브(110)의 길이방향으로 배치된 평면부(121)와, 상기 평면부(121)의 양측면에 길이방향을 따라 이격되어 교대로 경사지게 돌출 형성된 제1가이드편(122)과 제2가이드편(123)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제1가이드편(122)은 상기 평면부(121)의 일측면에 일측으로 경사지게 배치되고, 상기 제2가이드편(123)은 상기 평면부(121)의 타측면에 타측으로 경사지게 배치된다. 따라서, 상기 제1가이드편(122)과 제2가이드편(123)으로 유입된 열매체는, 각각 상기 평면부(121)의 반대측면에 인접하게 배치된 제2가이드편(123)과 제1가이드편(122)에 순차로 인계되어 상기 평면부(121)의 양측 공간을 교대로 유동하게 된다.
상기 제1가이드편(122)의 열매체 유입단은 제1연결편(122a)에 의해 상기 평면부(121)의 일측단에 연결되는 동시에 상기 평면부(121)의 일측단과 제1연결편(122a) 및 제1가이드편(122) 사이에 평면부(121)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지는 제1소통구(122b)가 마련된다.
상기 제2가이드편(123)의 열매체 유입단은 제2연결편(123a)에 의해 상기 평면부(121)의 타측단에 연결되는 동시에 상기 평면부(121)의 타측단과 제2연결편(123a) 및 제2가이드편(123) 사이에 평면부(121)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지는 제2소통구(123b)가 마련된다.
상기 제1가이드편(122)과 제2가이드편(123)은 상기 평면부(121)의 일부가 절개되어 각각 상기 평면부(121)의 양측으로 절곡되고, 상기 평면부(121)의 절개된 부분을 통해 상기 평면부(121)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지도록 구성될 수 있다.
또한 상기 터뷸레이터(120-1)의 상단부와 하단부에는 상기 튜브(110)의 양측면에 맞닿도록 상하로 이격되어 전방과 후방으로 돌출되며 상하로 이격되어 위치하는 제1지지부(124)와 제2지지부(125)가 각각 형성되어 있다.
그리고, 상기 터뷸레이터(120)의 상단부와 하단부에는 상기 튜브(110)의 전면과 후면에 맞닿도록 상하로 이격되어 전방과 후방으로 돌출되며 상하로 이격되어 위치하는 제1지지편(126a,126b ;126)과 제2지지편(127a,127b ;127)이 각각 형성되어 있다.
상기와 같이 튜브(110)에 딤플(111a,111b ;111)을 형성하고, 터뷸레이터(120)에 상기 제1지지부(124)와 제2지지부(125), 제1지지편(126)과 제2지지편(127)을 구비함으로써, 수압이 높은 환경에서도 튜브의 변형 및 파손을 방지할 수 있어, 보일러 외에도 온수기(사용압력 : 10 kg/㎠ 이상)와 상업용(대용량) 제품 등에 확대 적용할 수 있다.
이하, 도 8 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 관체형 열교환기용 튜브 조립체(100-2)의 구성 및 작용을 설명하되, 전술한 제1실시예와 동일한 구성요소에는 동일한 도면부호를 부여하고, 그에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 제2실시예에서, 상기 압력지지부는, 터뷸레이터(120-2)의 양측면에서 각각 외측 방향으로 돌출되어 상기 튜브(110)의 대향하는 내측면에 맞닿는 지지대(129a,129b ;129)로 구성된다.
상기 지지대(129)는, 터뷸레이터(120-2)의 일측면에서 전방으로 돌출된 제1지지대(129a)와, 터뷸레이터(120-2)의 타측면에서 후방으로 돌출된 제2지지대(129b)로 구성된다. 상기 제1지지대(129a)와 제2지지대(129b)는 양측으로 이격되어 형성되고, 터뷸레이터(120-2)의 길이방향을 따라 일정 간격을 두고 다수로 형성되어 있다.
이와 같이 터뷸레이터(120)의 전방과 후방을 향하여 다수개의 제1지지대(129a)와 제2지지대(129b)를 절곡하여 형성함으로써, 별도 부품의 추가 없이도 압력지지부를 구현할 수 있게 되므로, 내압 성능이 우수한 튜브 조립체의 제작 비용을 절감할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구되는 본 발명의 기술적 사상에 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 자명한 변형실시가 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.
100,100-1,100-2 : 튜브 조립체 110 : 튜브
111,111a,111b : 딤플 120,120-1,120-2 : 터뷸레이터
121 : 평면부 122 : 제1가이드편
122a : 제1연결편 122b : 제1소통구
123 : 제2가이드편 123a : 제2연결편
123b : 제2소통구 124 : 제1지지부
125 : 제2지지부 126 : 제1지지편
127 : 제2지지편 128 : 홀
129 : 지지대 129a : 제1지지대
129b : 제2지지대

Claims (12)

  1. 연소가스가 내부를 따라 유동하며 외부를 유동하는 열매체와 열교환되도록 하는 납작한 형상으로 이루어진 튜브(110);
    상기 튜브(110)의 내측에 결합되어 상기 연소가스의 유동에 난류의 발생을 유도하는 터뷸레이터(120); 및
    상기 튜브(110)의 내측에 형성되어, 상기 튜브(110)의 대향하는 양측면에 작용하는 외부 압력을 지지하기 위한 압력지지부;
    를 포함하는 관체형 열교환기용 튜브 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압력지지부는,
    상기 튜브(110)의 양측면에서 각각 상기 튜브(110)의 내측 공간으로 돌출되어 대면하는 한 쌍의 딤플(111a,111b ;111)이 상하로 이격되어 복수로 형성된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기용 튜브 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 딤플(111a,111b ;111)은, 상기 튜브(110)의 내측에 상기 터뷸레이터(120)가 삽입된 후에, 상기 튜브(110)의 외측면을 상기 튜브(110)의 내측을 향해 가압하여 형성되는 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기용 튜브 조립체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 터뷸레이터(120)에는 상기 한 쌍의 딤플(111a,111b ;111)이 관통되어 맞닿을 수 있도록 하는 복수의 홀(128)이 형성된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기용 튜브 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압력지지부는,
    상기 터뷸레이터(120)의 양측면에서 각각 외측 방향으로 돌출되어 상기 튜브(110)의 대향하는 내측면에 맞닿는 지지대(129a,129b ;129)로 이루어진 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기용 튜브 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 지지대(129a,129b ;129)는 상기 터뷸레이터(120)의 면의 일부가 절개되어 각각 양측으로 절곡됨으로써 형성된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기용 튜브 조립체.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터뷸레이터(120)는, 상기 튜브(110)의 내부공간을 양측으로 분할하며 상기 튜브(110)의 길이방향으로 배치된 평면부(121)와, 상기 평면부(121)의 양측면에 길이방향을 따라 이격되어 교대로 경사지게 돌출 형성된 복수의 제1가이드편(122)과 제2가이드편(123)을 포함하는 관체형 열교환기용 튜브 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1가이드편(122)은 상기 평면부(121)의 일측면에 일측으로 경사지게 배치되고,
    상기 제2가이드편(123)은 상기 평면부(121)의 타측면에 타측으로 경사지게 배치되며,
    상기 제1가이드편(122)과 제2가이드편(123)으로 유입된 열매체는, 각각 상기 평면부(121)의 반대측면에 인접하게 배치된 제2가이드편(123)과 제1가이드편(122)에 순차로 인계되어 상기 평면부(121)의 양측 공간을 교대로 유동하는 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기용 튜브 조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1가이드편(122)의 열매체 유입단은 제1연결편(122a)에 의해 상기 평면부(121)의 일측단에 연결되는 동시에 상기 평면부(121)의 일측단과 제1연결편(122a) 및 제1가이드편(122) 사이에 상기 평면부(121)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지는 제1소통구(122b)가 마련되고,
    상기 제2가이드편(123)의 열매체 유입단은 제2연결편(123a)에 의해 상기 평면부(121)의 타측단에 연결되는 동시에 상기 평면부(121)의 타측단과 제2연결편(123a) 및 제2가이드편(123) 사이에 상기 평면부(121)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지는 제2소통구(123b)가 마련된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기용 튜브 조립체.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1가이드편(122)과 제2가이드편(123)은 상기 평면부(121)의 일부가 절개되어 각각 상기 평면부(121)의 양측으로 절곡되고,
    상기 제1가이드편(122)과 제2가이드편(123)의 절개된 부분을 통해 상기 평면부(121)의 양측 공간으로 유체 소통이 이루어지는 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기용 튜브 조립체.
  11. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터뷸레이터(120)의 상단부와 하단부에는 상기 튜브(110)의 양측면에 맞닿도록 상하로 이격되어 전방과 후방으로 돌출되며 상하로 이격되어 위치하는 지지부(124,125)가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기용 튜브 조립체.
  12. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터뷸레이터(120)의 상단부와 하단부에는 상기 튜브(110)의 전면과 후면에 맞닿도록 상하로 이격되어 전방과 후방으로 돌출되며 상하로 이격되어 위치하는 지지편(126,127)이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 관체형 열교환기용 튜브 조립체.
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