KR102290787B1 - 잠열재를 이용한 온수 난방기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구성이 간단하면서도 잠열재로 파라핀 납을 이용하여 난방수를 일정 온도로 가열하여 제공토록 함으로써 난방 효율성 개선과 더불어 난방비를 절감할 수 있는 기능성을 제공하는 잠열재를 이용한 온수 난방기를 제공코자 하는 것이다.
즉, 본 발명은 상부에 온수팽창조가 구비되며, 난방부를 경유한 온수를 회수하는 난방수회수관 및 난방부로 온수를 공급하도록 중도에 난방수 순환펌프가 설치된 난방수공급관이 상하측으로 배관된 온수탱크와; 온수탱크의 내부 상측에 지지체로 지지되도록 설치되며, 온수탱크의 상측에 위치하는 잠열재팽창조가 구비되며 잠열재로 파라핀 납이 채워진 잠열재탱크와; 상기 잠열재탱크에 수직으로 설치되는 전기히터봉 및 온도센서봉과; 상기 전기히터봉의 외측에 나선형으로 배치되는 가열관과; 상기 가열관의 상단과 연결되어 온수탱크의 상부로 가열된 온수를 공급하는 토출관 및 가열관의 하단과 연결되고 타단이 온수탱크의 하부와 연결되며 중도에 온수 순환펌프가 설치된 온수공급관과; 상기 난방수 순환펌프와 전기히터봉과 온도센서봉과 온수 순환펌프와 전기적으로 연결되는 제어기를 포함하는 것이다.

Description

잠열재를 이용한 온수 난방기{Hot water boiler using latent heat material}

본 발명은 가정용은 물론이고, 산업용, 농사용으로도 사용할 수 있는 잠열재를 이용한 온수 난방기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 구성이 간단하면서도 잠열재로 파라핀 납을 이용하여 난방수를 일정 온도로 가열 제공토록 함으로써 난방 효율성 개선과 더불어 난방비를 절감할 수 있는 기능성을 제공하는 잠열재를 이용한 온수 난방기를 제공코자 하는 것이다.

산업용, 농사용, 주택용 등으로 사용되고 있는 보일러의 경우 유류를 연료로 하는 기름보일러와 전기를 이용하는 전기보일러로 대분된다.

전기보일러는 단순히 심야시간대(오후 10시부터 다음날 오전 8시까지)의 전기를 이용하여 저장탱크 내에 저수되어 있는 많은 양의 용수를 가열하였다가 주간 시간대에 저장된 열로 난방 등을 행할 수 있도록 구성되어있는바, 그 규모가 대형화될 수밖에 없고, 설치비 및 운전비도 증가할 수밖에 없으며, 특히 에너지원으로 사용되는 유류나 가스 등 부존자원이 없는 우리나라에서는 에너지 절약형 보일러의 개발이 절실하였다.

에너지를 획기적으로 절약할 수 있는 전기보일러를 제공하기 위해서는 많은 열을 효과적으로 저장할 수 있고, 저장된 열을 사용 시에 필요한 만큼의 열량을 발생하면서도 비축된 열의 소모가 될 수 있으면 적은 축열물질의 개발이 선행되어야 한다.

축열물질로는 열매체유, 파라피 납 등이 제공되고 있으며, 잠열재를 이용하는 보일러들이 종래 기술로 다수 제안되고 있다.

대표적인 예로는 대한민국 공개특허공보(A)10-2001-0026860호(2001.04.06.)의 잠열물질을 이용한 보일러장치가 제안되고 있으며, 그 구성은 상·하단으로 나누어져 열매체유(油)가 내장되는 상부탱크와 하부탱크; 상기 하부탱크의 내부 적소에 구비되며, 내부에 잠열재가 수납되는 적어도 하나 이상의 수납실; 상기 하부탱크의 일측 적소에 구비되며, 열매체유를 가열하는 적어도 하나 이상의 전기히터; 상기 상·하부탱크의 사이 적소에 요홈과 구멍이 적어도 하나 이상 형성되며, 이 요홈에 삽입 설치되는 적어도 하나 이상의 열감지개폐수단; 상기 상부탱크의 내부 적소에 구비되며, 물이 순환되도록 한 온수파이프; 상기 상부탱크의 상부 적소에는 적어도 하나 이상의 급배기관이 이루어지며, 잠열재는 왁스/파라핀로 사용하는 구성이다.

상기한 구성의 경우 잠열재로 왁스/파라핀을 사용하고 있지만, 열매체유 보일러로 볼 수 있다.

다른 예로는 대한민국 공개특허공보(A)10-2011-0076351호(2011.07.06.)가 제안되고 있으며, 그 구성은 수조용 내통에 연소실과 다수개의 연관들이 형성되며 연소실의 연소가스가 연관들을 통해 외부의 배기출구로 배출되는 보일러에 있어서, 수조용 내통을 둘러싸는 잠열재실을 형성하고 상기 잠열재실을 단열재와 보일러외통으로 차례로 감싸서 보일러 본체를 구성하며, 상기 잠열재실에는 유기계 상변화물질로서 55~75℃범위의 상변화 구간을 갖는 잠열재를 액상으로 채워 밀폐되게 구성하여서 수조용 내통에 채워진 난방수의 온도가 상기 상변화 구간 아래로 떨어짐에 따라 액상 유기계 상변화물질이 고상으로 상변화 하면서 발생한 잠열로 난방수를 데워주게 구성하며, 유기계 상변화물질은 파라핀계 상변화물질로 구성한 것이다.

그러나 상기한 구성은 가열수단으로 가열되는 온수조의 외부에 상변화물질이 채워진 잠열재실을 씌워 가열되도록 한 후 이 잠열을 이용할 수 있도록 한 것으로, 구성이 복잡하고 난방 효율성이 기대치에 미치지 못하였다.

KR 1020010026860 A 2001.04.06. KR 1020110076351 A 2011.07.06.

이에 본 발명자는 잠열재를 이용하는 온수 보일러들의 복잡한 구성으로 인해 제작성이 떨어지고, 제작비용이 증가하며, 난방 효율성 개선에도 기대치에 미치지 못하는 등의 문제점을 해결코자 본 발명을 연구 개발한 것이다.

즉, 본 발명에서는 잠열재로 파라핀 납이 채워진 잠열재탱크를 온수탱크 내부에 설치하고, 온수탱크 내부의 온수를 잠열재탱크 내에 위치하는 가열관으로 강제 순환되도록 구성함을 해서 제작성 개선으로 제작비용을 획기적으로 저감함과 아울러 난방 효율성 개선에도 일조할 수 있도록 함에 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

과제 해결 수단으로 본 발명에서는, 첫째 상부에 온수팽창조가 구비되며, 난방부를 경유한 온수를 회수하는 난방수회수관 및 난방부로 온수를 공급하도록 중도에 난방수 순환펌프가 설치된 난방수공급관이 상하측으로 배관된 온수탱크와; 온수탱크의 내부 상측에 지지체로 지지되도록 설치되며, 온수탱크의 상측에 위치하는 잠열재팽창조가 구비되며 잠열재로 파라핀 납이 채워진 잠열재탱크와; 상기 잠열재탱크에 수직으로 설치되는 전기히터봉 및 온도센서봉과; 상기 전기히터봉의 외측에 나선형으로 배치되는 가열관과; 상기 가열관의 상단과 연결되어 온수탱크의 상부로 가열된 온수를 공급하는 토출관 및 가열관의 하단과 연결되고 타단이 온수탱크의 하부와 연결되며 중도에 온수 순환펌프가 설치된 온수공급관과; 상기 난방수 순환펌프와 전기히터봉과 온도센서봉과 온수 순환펌프와 전기적으로 연결되는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

둘째 상기 잠열재탱크의 내부 상단에는 저수위센서가 설치되어 잠열재의 수위를 체크하며, 저수위센서의 감지신호가 있을 때 제어기에 설치되어 있는 램프 또는 스피커를 통해 잠열재를 보충할 것을 시청각적으로 고지할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

셋째 상기 온도센서봉의 고점 감지값이 발생할 때 제어기는 전기히터봉의 전원을 차단하고, 온도센서봉의 저점 감지값이 발생할 때 제어기는 전기히터봉의 전원을 인가하여 잠열재를 가열할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

넷째 상기 잠열재탱크의 외부에는 온수가열관을 나선형으로 설치하고, 온수가열관의 양단에는 직수관과 수전을 연결하여 일상에서 사용하는 온수를 가열 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

다섯째 상기 온수탱크에는 온수 온도를 확인할 수 있는 온도계를 설치한 것을 특징으로 한다.

여섯째 상기 난방부는 난방수회수관과 난방수공급관이 연결되는 라디에이터에 송풍팬을 설치한 난방용 온풍기 구성으로 제공한 것을 특징으로 한다.

일곱째 상기 온수탱크와 잠열재탱크는 체적비 3:1로 제공한 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제공하는 잠열재를 이용한 온수 난방기을 사용하는 경우 하기와 같은 효과가 있다.

-구성이 간단하여 제작이 쉽고 제작비용을 최소화할 수 있으며, 고장 염려가 없다.

-잠열재로 파라핀 납을 사용하므로 폭발 등의 위험성이 없다.

-잠열재를 보충하거나, 전기히터봉을 교체하기만 하면 되므로 유지 보수의 편리성이 있다.

-잠열재가 가열된 상태에서 식을 때 잠열로 온수를 가열하는 과정에서 전기히터봉의 전원이 off 되므로 소비전력을 최소화하면서 난방 효율성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에서 제공하는 잠열재를 이용한 온수 난방기의 바람직한 일 실시례를 보인 외형 사시도
도 2는 본 발명의 정단면도
도 3은 본 발명의 평단면도
도 4는 본 발명에 적용되는 난방부의 다른 예를 보인 단면도

이하 본 발명에서 제공하는 잠열재를 이용한 온수 난방기의 바람직한 실시례를 첨부 도면에 의거하여 설명한다.

도 1은 본 발명에서 제공하는 잠열재를 이용한 온수 난방기의 바람직한 일 실시례를 보인 외형 사시도를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 정단면도, 도 3은 본 발명의 평단면도를 각각 도시한 것이다.

본 발명에서 제공하는 잠열재를 이용한 온수 난방기(1)은 도시된 바와 같이 원통형 또는 사각통형 구성의 밀페된 온수탱크(2)를 갖는다.

상기 온수탱크(2)에는 상측으로 온수팽창조(3)를 설치한다. 온수팽창조(3)는 온수탱크(2)에서 가열된 온수가 열 팽창하거나, 기포가 발생하는 것을 수용하며, 온수를 보충하는 등의 용도로 사용한다.

온수탱크(2)에는 난방부(100)로 온수를 공급하여 난방하도록 난방수회수관(4)과 난방수공급관(5)을 배관한다.

상기 난방수회수관(4)은 온수탱크(2)의 상단에 배관하고, 난방수공급관(5)은 온수탱크(2)의 하단에 배관하며, 난방수공급관(5)의 중도에는 난방수 순환펌프(6)를 설치하여 온수탱크(2) 내의 온수를 난방부(100)로 강제 공급할 수 있게 한다.

또한 온수탱크(2)에는 외부에서 관측할 수 있는 온도계(7)를 설치하며, 온도계(7)는 전자식 또는 아날로그식일 수 있다.

상기 온수탱크(2)의 내부에는 잠열재탱크(8)를 설치한다.

상기 잠열재탱크(8)는 온수탱크(2)의 바닥에 세워지는 지지체(2a)에 의해 지지되도록 온수탱크(2)의 내부 위쪽에 배치되도록 하며, 온수탱크(2)의 상측에 위치하도록 잠열재팽창조(8a)를 설치한다.

상기 잠열재팽창조(8a)는 잠열재(9)의 열팽창을 수용하며, 잠열재(9)의 기화 등이 있을 때 보충하는 용도 등으로 사용한다.

잠열재탱크(8)에는 잠열재(9)로 파라핀 납이 채워지며, 잠열재(9)인 파라핀 납은 상(狀)변화물질(PㅇCㅇM: Phase Change Material)이다. 상태변화를 거치게 되면(예를 들어 고체에서 액체로 변화할 때) 이 물질이 비교적 정온을 유지하는 동안 다량의 에너지가 저장되며, 이러한 상태변화 때 발생되는 열에너지가 잠열(潛熱)이고, 물질이 응고된 때 다시 한번 방출되는 것이다.

상기 잠열재(9)인 파라핀 납은 석유로부터 분리, 정제된 결정성 파라핀 제품을 말하며, 주로 노르말파라핀으로 이루어지지만, 소량(2~3% 이하)의 이소파라핀 및 나프텐을 함하고 있으며, 탄소 원자수는 C16~C40 사이에 분포하며, 특히 C20~C30의 것이 많으며, 녹는점은 주로 37.8~64.5℃에서 변화한다. 또한 잠열 저장물질의 용융시 열량은 160에서 230kJ/Kg을 기록하는데 이것은 유기물질로서는 매우 높으며, 다른 종류의 열저장물질들과 비교해 볼 때 파라핀은 매우 높은 에너지 저장 밀도를 가지고 있다. 약 250℃에 이르는 온도까지는 안정한 상태를 유지하고, 이 물질들은 고온의 실험 온도에서조차 쉽게 끓지 않으며, 높은 증기압을 나타내지도 않으며, 화학적으로는 거의 모든 물질에 대하여 비활성이다. 따라서 보존용기 내에서 부식으로 인한 문제가 발생할 소지가 없을 뿐 아니라, 운반하는 물질들과 화학반응을 하지도 않는 안전성을 보장할 수 있다.

상기 잠열재(9)가 채워진 잠열재탱크(8)에는 온수탱크(2)의 윗면에서 분리 조립되는 구성으로 전기히터봉(10)과 온도센서봉(11)을 설치하며, 내부 상단에는 저수위센서(12)를 설치하여 잠열재(9)의 수위를 감지할 수 있도록 한다.

온도센서봉(11)은 잠열재탱크(8)의 중심에 설치하며, 고점과 저점의 감지할 수 있는 기능성을 갖는다.

전기히터봉(10)은 적어도 2개 이상 복수로 설치하여 잠열재탱크(8) 내부에 채워진 잠열재(9)를 효과적으로 용융시킬 수 있도록 한다. 전기히터봉(10)은 잠열재탱크(8)의 크기에 따라 그 개수를 가감할 수 있음은 당연하다.

상기 잠열재탱크(8)의 내부에는 전기히터봉(10)의 외부에 위치하도록 가열관(13)을 설치하며, 가열관(13)에는 온수탱크(2) 내의 온수를 순환시키도록 토출관(14)과 온수공급관(15)을 연결한다.

상기 가열관(13)은 나선형으로 형성되며, 상단에는 토출관(14)을 연결하여 가열된 온수를 온수탱크(2)의 상부로 공급하도록 하고, 하단에는 온수탱크(2)의 하부와 연결되어 있는 온수공급관(15)을 연결하며, 온수공급관(15)의 중도에는 온수 순환펌프(16)를 설치한다.

상기와 같이 구성되는 가열관(13)과 토출관(14) 및 온수공급관(15)의 구성은 잠열재탱크(8)를 통과하면서 가열된 온수가 토출관(14)을 통해서 온수탱크(2) 상측으로 공급디어 가열되고, 대류 현상으로 냉각되어 온수탱크(2) 하부로 이동한 온수를 잠열재탱크(8) 내의 가열관(13)으로 강제 공급하여 가열하는 방법을 통해서 온수탱크(2) 내의 온수를 순환 가열하는 구성을 제공하게 된다.

상기와 같이 구성함에 있어 본 발명에서는 난방부(100)를 경유하여 온수탱크(2) 상단부로 냉각수를 공급하는 난방수회수관(4)와 잠열재탱크(8)를 통과하여 가열된 온수를 온수탱크(2)로 배출하는 토출관(14)을 원주방향이면서 하향으로 토출될 수 있도록 구성하여 온수탱크(2) 내부의 온수가 상시 순환될 수 있도록 한다.

그리고 본 발명에서는 상기와 같이 난방을 행하면서 일상에서 사용하는 온수 공급을 동시에 제공할 수 있다.

즉, 잠열재탱크(8)의 외부에 온수가열관(17)을 나선형으로 설치하고, 온수가열관(17)의 상측단에는 직수관(18)을 연결하여 직수 공급이 이루어질 수 있도록 하고, 온수가열관(17)의 하측단에는 수전(19)과 연결하여 온수가열관(17)을 통해서 가열된 온수가 토출될 수 있도록 한다.

또한 본 발명은 온수탱크(2)의 외부에 일체로 제공하거나 별도로 제공되는 제어기(20)를 포함하는 구성이다.

상기 제어기(20)는 난방수 순환펌프(6)와 전기히터봉(10)과 온도센서봉(11)과 온수 순환펌프(16)와 전기적으로 연결하며, 제어기(20)는 후술하는 것과 같은 중요 기능성을 제공하고 있다.

즉, 상기 제어기(20)는 잠열재탱크(8)의 내부 상단에 설치된 저수위센서(12)에 잠열재(9)의 저수위가 체크되어 감지신호가 있을 때 제어기(20)에서는 제어기(20)에 설치되거나, 별도로 설치되어 있는 램프 또는 스피커를 통해 잠열재(9)를 보충할 것을 시청각적으로 사용자에게 고지할 수 있도록 한다.

또한 제어기(20)는, 온도센서봉(11)의 고점 감지값이 발생할 때 제어기(20)는 전기히터봉(10)의 전원을 차단하고, 온도센서봉(11)의 저점 감지값이 발생할 때 제어기(20)는 전기히터봉(10)의 전원을 인가하여 잠열재(9)를 가열할 수 있도록 한다.

한편 상기 온수탱크(2)와 잠열재탱크(8)는 특정 비율로 제작함으로써 열효율성을 극대화하면서 온수 공급을 원활히 할 수 있는 것으로, 본 발명에서는 온수탱크(2)와 잠열재탱크(8)는 체적비 3:1로 제공토록 한다.

도 4는 본 발명에 적용되는 난방부의 다른 예를 보인 단면도를 도시한 것이다.

이는 상기와 같이 잠열재를 이용한 온수 난방기(1)을 제공함에 있어 난방부(100)에 온풍을 제공할 수 있도록 한 것이다.

도시된 바에 의하며 난방수회수관(4)과 난방수공급관(5)에 라디에이터(21a)를 연결하여 난방수가 통과될 수 있도록 하고, 라디에이터(21a)의 후방에 송풍팬(21b)을 설치하여 데워진 공기를 불어내어 온풍이 제공되는 난방용 온풍기(21)를 제공한 것이다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 잠열재를 이용한 온수 난방기(1)는 가정용은 물론이고, 산업용, 농사용으로도 사용할 수 있는 것으로, 사용에 따른 작용을 이하에서 설명한다.

먼저 본 발명을 사용하기 위해 제어기(20)를 통해서 전원을 인가하면, 전기히터봉(10)에 전원이 인가되면서 잠열재탱크(8)에 채워져 있는 잠열재(9)를 가열하여 액상으로 녹이게 된다.

상기와 같이 잠열재(9)가 가열되는 과정에서 온수 순환펌프(16)가 구동되어 온수탱크(2) 내의 물을 잠열재탱크(8) 내에 위치하고 있는 가열관(13)으로 강제 공급하여 가열하게 되고, 이어서 난방수 순환펌프(6)가 구동되어 온수탱크(2) 내의 온수를 난방부(100)로 강제 공급하여 난방을 행하게 되는 것이다.

이때 전기히터봉(10)에 의해 가열되는 잠열재(9)가 110도에 도달하면 온도센서봉(11)에 의해 감지되어 제어기(20)에 의해 전기히터봉(10) 전원이 off되고 100도로 낮아지면 전기히터봉(10) 전원이 on되는 작동이 반복되면서 온수를 가열하는 구성으로 전기 사용량을 줄이면서 효율적으로 온수를 가열 공급할 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시례에 관해 설명하고 있으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 보호 범위는 설명된 실시례에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위 뿐만 아니라 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

1:잠열재를 이용한 온수 난방기 2:온수탱크
2a:지지체 3:온수팽창조
4:난방수회수관 5:난방수공급관
6:난방수 순환펌프 7:온도계
8:잠열재탱크 9:잠열재
10:전기히터봉 11:온도센서봉
12:저수위센서 13:가열관
14:토출관 15:온수공급관
16:온수 순환펌프 17:온수가열관
18:직수관 19:수전
20:제어기 21:난방용 온풍기
21a:라디에이터 21b:송풍팬
100:난방부

Claims (7)

1. 상부에 온수팽창조(3)가 구비되며, 난방부(100)를 경유한 온수를 회수하는 난방수회수관(4) 및 난방부(100)로 온수를 공급하도록 중도에 난방수 순환펌프(6)가 설치된 난방수공급관(5)이 상하측으로 배관된 온수탱크(2)와;
   온수탱크(2)의 내부 상측에 지지체(2a)로 지지되도록 설치되며, 온수탱크(2)의 상측에 위치하는 잠열재팽창조(8a)가 구비되며 잠열재(9)로 파라핀 납이 채워진 잠열재탱크(8)와;
   상기 잠열재탱크(8)에 수직으로 설치되는 전기히터봉(10) 및 온도센서봉(11)과;
   상기 전기히터봉(10)의 외측에 나선형으로 배치되는 가열관(13)과;
   상기 가열관(13)의 상단과 연결되어 온수탱크(2)의 상부로 가열된 온수를 공급하는 토출관(14) 및 가열관(13)의 하단과 연결되고 타단이 온수탱크(2)의 하부와 연결되며 중도에 온수 순환펌프(16)가 설치된 온수공급관(15)과;
   상기 난방수 순환펌프(6)와 전기히터봉(10)과 온도센서봉(11)과 온수 순환펌프(16)와 전기적으로 연결되는 제어기(20)를 포함하도록 구성하되;
   상기 잠열재탱크(8)의 내부 상단에는 저수위센서(12)가 설치되어 잠열재(9)의 수위를 체크하며, 저수위센서(12)의 감지신호가 있을 때 제어기(20)에 설치되어 있는 램프 또는 스피커를 통해 잠열재(9)를 보충할 것을 시청각적으로 고지할 수 있도록 하며;
   상기 잠열재탱크(8)의 외부에는 온수가열관(17)을 나선형으로 설치하고, 온수가열관(17)의 양단에는 직수관(18)과 수전(19)을 연결하여 일상에서 사용하는 온수를 가열 공급할 수 있도록 하며;
   상기 난방부(100)는 난방수회수관(4)과 난방수공급관(5)이 연결되는 라디에이터(21a)에 송풍팬(21b)을 설치한 난방용 온풍기(21) 구성으로 제공한 것을 특징으로 하는 잠열재를 이용한 온수 난방기.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서;
   상기 온도센서봉(11)의 고점 감지값이 발생할 때 제어기(20)는 전기히터봉(10)의 전원을 차단하고, 온도센서봉(11)의 저점 감지값이 발생할 때 제어기(20)는 전기히터봉(10)의 전원을 인가하여 잠열재(9)를 가열할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 잠열재를 이용한 온수 난방기.
   
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서;
   상기 온수탱크(2)에는 온수 온도를 확인할 수 있는 온도계(7)를 설치한 것을 특징으로 하는 잠열재를 이용한 온수 난방기.
   
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서;
   상기 온수탱크(2)와 잠열재탱크(8)는 체적비 3:1로 제공한 것을 특징으로 하는 잠열재를 이용한 온수 난방기.

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