KR20170126656A - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전면과 후면이 통하는 육면체를 이루는 프레임과, 상기 프레임 내부에 일정한 간격을 두고 상,하의 방향을 따라 수평배치되어, 내부를 통해 열 매체를 유동시키는 다수의 코어와, 상기 프레임 내부에 일정한 간격을 두고 좌,우의 방향을 따라 상기 다수의 코어와 직교하게 수직배치되어, 상기 다수의 코어에서 전도된 열 매체의 열을 공기와 열교환시켜 열을 주거나 잃는 다수의 전열핀과, 상기 프레임을 기준으로 좌측에 배치되고, 상기 다수의 코어 좌측단들이 연결되어, 상기 다수의 코어 좌측단들과 연통하는 관 상의 좌측헤더와, 상기 프레임을 기준으로 우측에 배치되고, 상기 다수의 코어 우측단들이 연결되게 배치되어, 상기 다수의 코어 우측단들과 연통하는 관 상의 우측헤더와, 상기 좌측, 우측헤더에 각각 구비되고, 선택적으로 열교환기 내에 체류하는 열 매체를 외부로 방출하는 파손방지밸브가 포함되어, 헤더 내의 열 매체 온도 또는 압력에 따라 열교환기 내부를 유동하는 열 매체의 배수가 자동으로 이루어지게 하여 코어 및 리턴밴드들의 파손을 방지하고, 갑작스런 압력상승을 해소하고, 종래와 같이 동파방지를 위한 전기적 수단(열선 및 솔레노이드밸브) 및 전기에너지가 필요치 않으며, 온도 또는 압력에 따라 밸브의 자동 개방(Open)과 폐쇄(Close)가 이루어지므로, 추가적인 관리를 필요치 않아 장치의 수명 및 내구성이 향상되는 열교환기를 제공한다.

Description

열교환기{Heat exchange}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부를 통해 열 매체를 유동시키는 코어들의 단부를 연결한 리턴밴드(U-bend)에 관 상의 헤더가 연결되고, 상기 헤더에는 파손방지밸브가 구비되어, 헤더 내의 열 매체 온도 및 압력에 따라 열교환기의 내부를 유동하는 열 매체의 배수가 자동으로 이루어지게 하여 코어 및 리턴밴드의 파손을 방지하는 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 각 산업현장이나 전산실, 또는 업무용 사무실 등에는 냉방 및 난방을 목적으로 공기조화기(Air Handling Unit; AHU, 공조기)가 설치된다.

상기와 같은 공기조화기는 공기를 정화, 냉각 및 가열하는 장치로, 최근에 사용되고 있는 공조기들은 냉난방 겸용으로 사용하는바, 여름철 냉방 시에는 냉각코일에 냉수를 순환시키고, 겨울철 난방 시에는 난방코일에 증기나 온수를 순환시켜 유입되는 공기와의 열교환에 의해 공기를 승온 또는 강온 시킨 후, 송풍기에 의해 실내로 조화된 공기를 송출하여 냉방 또는 난방을 하는 구조로 되어 있다.

상기와 같은 공기조화기에 이용되는 냉, 난방코일은 코일 내부에 순환하는 열매체가 상기 냉, 난방코일을 지나는 공기와 열교환하여 공기의 온도나 습도를 변화하는 것인데, 이러한 코일은 대개 바닥과 수평으로 설치됨으로 동파방지를 위해 코일 내의 열 매체를 배출 시 코일 내부에 잔류하는 열 매체의 배출이 완전히 이루어지지 못해 겨울철에는 코일 내의 열 매체가 얼게 되어 열교환매체가 유동하는 코일이 손상되는 문제점이 있었다.

상기한 문제로 공개특허 제10-2010-0000453호(2010.01.06)에서는 일측과 타측에 각각 헤더탱크가 형성되고 상기 양측의 헤더탱크를 연결하는 코일이 구비되어 내부에 열교환매체가 유동하는 열교환기의 동파방지구조에 있어서, 상기 열교환기는 타측 하부가 축고정되고, 일측에 높이조절수단이 형성되어 일측과 타측의 높이 차에 의하여 내부의 열교환매체를 배수시키는 열교환기의 동파방지구조를 제공하였다.

하지만 종래의 기술은 사용자가 배수작업을 직접 실시하여야 했기에, 관리가 제대로 이루어지질 않아 코일의 동파사고가 빈번하게 발생하였고, 전기전자식 밸브 및 열선 등으로 동파방지조치를 할 경우, 전기에너지가 겨울철 내내 항시 제공되어야 했는데, 전기에너지를 절약하기 위해 동파방지시스템을 꺼두는 경우도 있어, 동파방지를 위한 노력이 효율적이지 못한 문제점이 있었다.

본 발명은 코어들의 좌, 우측 단부들을 연결한 리턴밴드(U-bend)들과 연결된 좌측헤더 및 우측헤더에는 온도 또는 압력에 따라 개방되는 파손방지밸브가 각각 구비되어, 헤더 내의 열 매체 온도 또는 압력에 따라 열교환기 내부를 유동하는 열 매체의 배수가 자동으로 이루어지게 하여 코어 및 리턴밴드들의 파손을 방지하고, 갑작스런 압력상승을 해소하고, 종래와 같이 동파방지를 위한 전기적 수단(열선 및 솔레노이드밸브) 및 전기에너지가 필요치 않으며, 온도 또는 압력에 따라 밸브의 자동 개방(Open)과 폐쇄(Close)가 이루어지므로, 추가적인 관리를 필요치 않아 장치의 수명 및 내구성이 향상되는 열교환기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 열교환기는 전면과 후면이 통하는 육면체를 이루는 프레임과, 상기 프레임 내부에 일정한 간격을 두고 상,하의 방향을 따라 수평배치되어, 내부를 통해 열 매체를 유동시키는 다수의 코어와, 상기 프레임 내부에 일정한 간격을 두고 좌,우의 방향을 따라 상기 다수의 코어와 직교하게 수직배치되어, 상기 다수의 코어에서 전도된 열 매체의 열을 공기와 열교환시켜 열을 주거나 잃는 다수의 전열핀과, 상기 프레임을 기준으로 좌측에 배치되고, 상기 다수의 코어 좌측단들이 연결되어, 상기 다수의 코어 좌측단들과 연통하는 관 상의 좌측헤더와, 상기 프레임을 기준으로 우측에 배치되고, 상기 다수의 코어 우측단들이 연결되게 배치되어, 상기 다수의 코어 우측단들과 연통하는 관 상의 우측헤더와, 상기 좌측, 우측헤더에 각각 구비되고, 선택적으로 열교환기 내에 체류하는 열 매체를 외부로 방출하는 파손방지밸브가 포함된다.

이때 본 발명에 따른 상기 우측헤더의 상측에는 외부에서 열 매체를 인입하는 입수관이 형성되고, 상기 우측헤더의 하측에는 열 매체를 외부에서 배수하는 배수관이 형성된다.

그리고 본 발명에 따른 상기 입수관에는 선택적으로 개폐되어, 상기 우측헤더 및 다수의 코일 내에 체류하는 공기를 외부로 배출하거나, 상기 파손방지밸브 동작 시, 폐회로를 구성하고 있는 코일의 내부진공이 해소되게 외부 공기를 인입시키는 에어벤트가 포함된다.

또한 본 발명에 따른 상기 파손방지밸브는 헤더 내를 유동하는 열 매체의 온도 또는 압력에 따라 자동 개방되어, 열교환기 내에 체류하는 열 매체의 배수가 각각 이루어진다.

본 발명에 따른 열교환기는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 코어들의 좌, 우측 단부들을 연결한 리턴밴드(U-bend)들과 연결된 좌측헤더 및 우측헤더에는 온도 또는 압력에 따라 개방되는 파손방지밸브가 각각 구비되어, 헤더 내의 유체 온도 또는 압력에 따라 열교환기 내부를 유동하는 열 매체의 배수가 자동으로 이루어지게 하여 열 매체의 결빙 및 압력상승으로 코어 및 리턴밴드들의 파손을 방지하고, 갑작스런 압력상승을 해소하는 효과를 가진다.

둘째, 열교환기의 내부 온도 또는 압력에 따라 자동 개폐되는 파손방지밸브 및 에어벤트를 구비함에 따라 종래와 같이 동파방지를 위한 전기적 수단(열선 및 솔레노이드밸브) 및 전기에너지가 필요치 않고, 온도 또는 압력에 따라 밸브의 자동 개방(Open)과 폐쇄(Close)가 이루어지므로, 추가적인 관리를 필요치 않아 장치의 수명 및 내구성이 향상되는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파손방지밸브가 시간별 헤더 내의 열 매체 온도에 따라 자동 개폐(open/close)되는 상태를 보인 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 파손방지밸브가 시간별 헤더 내의 열 매체 압력에 따라 자동 개폐(open/close)되는 상태를 보인 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 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.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 열교환기 코어들의 리턴밴드(U-bend)에 관 상의 헤더가 연결되고, 상기 헤더에는 파손방지밸브가 구비되어, 헤더 내의 열 매체 온도 및 압력에 따라 열교환기 내부를 유동하는 열 매체의 배수가 자동으로 이루어지게 하여 열 매체의 결빙 및 압력상승으로부터 코어 및 리턴밴드의 파손을 방지하는 열교환기에 관한 것으로, 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

먼저 도 1에 도시한 바와 같이 전면과 후면이 통하는 육면체를 이루는 프레임(10)이 구비되고, 상기 프레임(10)에는 코어(20) 및 전열핀(30)이 내부에 구비된다.

상기 코어(20)는 중공을 갖는 관 상으로 내부를 통해 열 매체를 유동시키고, 열전도성이 높은 재질 중 하나인 구리로 이루어지며, 상기 프레임(10) 내부에 일정한 간격을 두고 상,하의 방향을 따라 다수 개가 일정하게 수평배치된다.

이때 상기 코어들(20)의 좌,우측 양끝단은 상기 프레임의 좌,우측면을 관통하여 노출되고, 노출된 양끝단은 리턴밴드(U-bend)로 연결되어 하나의 유로로 연결되는 것이 바람직하고, 상기 코어(20)는 내부 중공을 통해 좌,우측 길이방향을 따라 열 매체를 유동시키면서 상기 코어(20)들 사이를 통과하는 공기와의 열교환을 통해 열을 주거나 잃는다.

또한 상기 전열핀(30)은 판 상으로 열전도성이 높은 재질 중 하나인 구리 또는 알루미늄으로 이루어지며, 상기 프레임(10) 내부에 일정한 간격을 두고 좌,우의 방향을 따라 상기 다수의 코어(20)와 직교하게 일정하게 수직배치된다.

이때 상기 프레임 내부에 수직으로 배치된 다수의 전열핀(30)을 수평으로 배치되는 다수의 코어(20)들이 관통하는 형태로 직교 연결되어, 상기 다수의 코어(20)에서 전도된 열 매체의 열이 전열핀(30)을 통해 공기와 열교환되어 열을 주거나 잃는다.

그리고 상기 프레임(10)을 기준으로 좌측 및 우측에는 각각 좌측헤더(40) 및 우측헤더(50)가 배치되는데, 상기 좌,우측헤더(40, 50)는 구리 재질의 중공을 갖는 관 상으로 수직으로 세워져 다수의 코어(20)들의 좌,우측단인 좌,우측 리턴밴드들이 상기 좌측헤더(40) 및 우측헤더(50)와 각각 연결되어, 상기 좌측헤더(40) 및 우측헤더(50)를 통해 연통한다.

상기 좌,우측헤더(40, 50)에는 파손방지밸브(60)가 구비되는데, 상기 파손방지밸브(60)는 선택적으로 개방되어, 열교환기 내에 체류하는 열 매체의 일부를 외부로 배수한다.

여기서 상기 파손방지밸브(60)는 기 설정 온도 또는 압력에 따라 유로를 개방하는 자동밸브(61) 및 상기 자동밸브의 유로가 개방됨에 따라 열교환기 내에 체류하는 열 매체의 배수 방향을 안내하는 배수관(62)이 포함된다.

이때 상기 파손방지밸브(60)의 구성요소인 자동밸브(61) 내부에는 열팽창계수를 이용한 왁스 및 스프링의 탄성을 이용하여 유로가 자동 개폐되도록 해, 전기적인 에너지를 요하지 않으며, 온도 또는 압력에 따라 밸브가 자동 개방(Open)과 폐쇄(Close)가 이루어지므로, 추가적인 관리를 필요치 않는다.

또한 상기 우측헤더(50)의 상측에는 입수관(51)이 형성되어, 외부에서 유체를 인입하고, 상기 우측헤더(50)의 하측에는 배수관(52)이 형성되어, 열 매체를 외부로 배수한다.

더불어 상기 입수관(51)에는 에어벤트(70)가 포함되는데, 상기 에어벤트(70)는 내부압력 또는 열 매체의 부력 또는 수위에 따라 승강하는 피스톤에 유로가 선택적으로 개폐되는 것으로, 상기 우측헤더(50) 및 입수관(51), 다수의 코일(20) 내에 체류하는 공기를 외부로 배출(일명 공기빼기)하거나, 겨울철 폐회로를 구성하고 있는 코일의 내부진공이 해소되도록 공기를 인입시킨다.

상기한 에어벤트(70)는 내부압력 또는 열 매체의 부력 및 수위에 따라 승강하는 피스톤에 유로가 선택적으로 개폐되는 것으로, 열교환기 내에 열 매체가 가득 채워져 있지 않을 경우, 피스톤은 하강하여 외부와 통하는 유로가 개방된 상태를 유지하여, 공기의 입출이 자유롭다.

여기서 냉방을 위해 열교환기에 열 매체를 인입시키면, 상기 에어벤트(70)의 유로를 개폐하는 피스톤이 하강된 상태를 유지하고 있기에 열 매체가 인입되는 량만큼 열교환기 내에 잔류하는 공기는 상기 에어벤트(70)의 유로를 통해 외부로 배출되고, 열 매체가 인입이 충분해지면 상기 에어벤트(70)의 피스톤은 내부압력 또는 열 매체의 부력 또는 수위에 따라 상승하는 유로를 서서히 폐쇄하게 되어, 입수관(51) 및 배수관(52), 좌측헤더(40) 및 우측헤더(50), 다수의 코어(20)가 폐회로를 이루도록 한다.

그리고 헤더 내의 온도 또는 압력이 기 설정 온도 및 압력에 부합하여 상기 파손방지밸브(60)가 개방되어, 열 매체의 배수가 이루어지면, 내부압력 또는 열 매체의 부력 또는 수위가 낮아짐으로 상기 에어벤트(70)의 유로를 개폐하는 피스톤이 하강하여 외부공기가 유로를 통해 열교환기 내부로 인입되어, 외부의 공기가 진공의 폐회로 내부로 인입되어 배수가 원활히 이루어진다.

상기 에어벤트(70)는 필요에 따라 사용자의 조작에 의해 개방 또는 폐쇄되도록 할 수도 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 열교환기는 코어들의 좌, 우측 단부들을 연결한 리턴밴드(U-bend)들과 연결된 좌측헤더 및 우측헤더에는 온도 또는 압력에 따라 개방되는 파손방지밸브가 각각 구비되어, 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 헤더 내의 열 매체 온도 또는 압력에 따라 열교환기 내부를 유동하는 열 매체의 배수가 자동으로 이루어지게 하여 코어 및 리턴밴드들의 파손을 방지하고, 갑작스런 압력상승을 해소하고, 종래와 같이 동파방지를 위한 전기적 수단(열선 및 솔레노이드밸브) 및 전기에너지가 필요치 않으며, 온도 또는 압력에 따라 동파방지밸브의 자동 개방(Open)과 폐쇄(Close)가 이루어지므로, 추가적인 관리를 필요치 않아 장치의 수명 및 내구성이 향상되는 장점을 가진다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 프레임
20: 코어
30: 전열핀
40: 좌측헤더
50: 우측헤더
60: 파손방지밸브
70: 에어벤트

Claims (4)

1. 전면과 후면이 통하는 육면체를 이루는 프레임;
   상기 프레임 내부에 일정한 간격을 두고 상,하의 방향을 따라 수평배치되어, 내부를 통해 열 매체를 유동시키는 다수의 코어;
   상기 프레임 내부에 일정한 간격을 두고 좌,우의 방향을 따라 상기 다수의 코어와 직교하게 수직배치되어, 상기 다수의 코어에서 전도된 열 매체의 열을 공기와 열교환시켜 열을 주거나 잃는 다수의 전열핀;
   상기 프레임을 기준으로 좌측에 배치되고, 상기 다수의 코어 좌측단들이 연결되어, 상기 다수의 코어 좌측단들과 연통하는 관 상의 좌측헤더;
   상기 프레임을 기준으로 우측에 배치되고, 상기 다수의 코어 우측단들이 연결되게 배치되어, 상기 다수의 코어 우측단들과 연통하는 관 상의 우측헤더; 및
   상기 좌측, 우측헤더에 각각 구비되고, 선택적으로 열교환기 내에 체류하는 열 매체를 외부로 방출하는 파손방지밸브를 포함하는 열교환기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 우측헤더의 상측에 형성되어, 외부에서 열 매체를 인입하는 입수관과;
   상기 우측헤더의 하측에 형성되어, 열 매체를 외부에서 배수하는 배수관을 포함하는 열교환기.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 입수관에는
   선택적으로 개폐되어, 상기 우측헤더 및 다수의 코일 내에 체류하는 공기를 외부로 배출하거나, 상기 파손방지밸브 동작 시, 폐회로를 구성하고 있는 코일의 내부진공이 해소되게 외부 공기를 인입시키는 에어벤트를 포함하는 열교환기.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 파손방지밸브는
   헤더 내를 유동하는 열 매체의 온도 또는 압력에 따라 자동 개방과 폐쇄가 되고, 열교환기 내에 체류하는 열 매체가 온도 또는 압력에 따라 배수가 각각 이루어지는 열교환기.

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