KR100417187B1 - 전기 온풍기용 축열 벽돌 - Google Patents

Abstract

전기 온풍기용 축열 벽돌에 관한 것으로, 다수의 축열 벽돌이 적층되어 어셈블리로 구성되는데, 상기 축열 벽돌은 심야 전기를 이용하는 전기장치와 연결된 열선이 수납될 수 있도록 적어도 일면에 열선 수납홈을 구비하고, 상기 열선에 의하여 축열된 열을 외부로 일정하게 방출할 수 있도록 두께 방향으로 관통되어 공기가 인입 및 배출되어 열교환이 일어날 수 있도록 인입 및 배출 구멍부를 제공한다.

따라서 전열을 방해하는 공기층을 최소화시켜 축열성능을 향상시킴은 물론 인입 및 배출되는 공기의 흐름을 원활하게 하는 구조를 제공함으로서 열교환을 증대시킴은 물론 유효 방열 효율을 증대시켜 에너지를 절약할 수 있고, 실내 난방비를 줄일 수 있으며, 전기 온풍기의 신뢰도를 증대시키는 효과가 있다.

Description

전기 온풍기용 축열 벽돌{Heat accumulating bricks for hot blast heater}

본 발명은 전기 온풍기용 축열 벽돌에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 심야 전기를 이용하여 난방을 하는 전기 온풍기에 관계되며, 이러한 전기 온풍기에 사용되는 축열 벽돌의 축열 성능을 향상시키고 방출효율을 증대시켜 에너지를 효율적으로 사용함은 물론 난방 중 일정한 온도를 유지하여 쾌적한 실내온도를 유지할 수 있는 전기 온풍기용 축열 벽돌에 관한 것이다.

일반적으로 전기 온풍기는 값이 싼 심야 전기를 이용하여 야간 시간대(22:00∼08:00)에 벽돌에 축열하고, 주간 시간대(08:00∼22:00)에 송풍기로 공기를 방열시켜 난방을 하는 청정 난방장치로, 외관을 이루는 케이스와, 송풍기, 상기 케이스 내부에 축열을 할 수 있는 벽돌 어셈블리 그리고 상기 벽돌 어셈블리 전기의 열을 공급할 수 있는 전기장치 및 이 전기 장치와 연결되는 열선을 구비하고 있다. 특히, 상기 벽돌 어셈블리는, 도 7에 도시하고 있는 바와 같이, 다수의 벽돌(101, 103, 105, 107, 109, 111,...)을 적층하고, 벽돌(101)과 벽돌(103) 사이에 열선(도시생략)이 배치될 수 있는 구조를 제공하고 있다. 이러한 종래의 축열 벽돌은, 도 7 및 도 8에 도시하고 있는 바와 같이, 외측면에 공기의 흐름을 유도하여 찬공기를 데워 송풍기를 통하여 방열시킬 수 있는 공기 유도홈(101a, 101b, 101c, 101d, 103a, 103b,...,111a, 111b,...)이 제공되어 있다.

이와 같이 이루어지는 전기 온풍기는 전기 장치를 통하여 인입된 심야 전력을 이용하여 다수의 벽돌(101, 103, 105, 107, 109, 111,...)을 가열시키고, 주간 시간대에 송풍기를 가동함으로서 난방을 행하게 된다. 이때 송풍기를 가동하면 케이스 외부의 찬공기는 블록(111)의 저면 측으로 인입되어 공기 유도홈(111a, 111b,...)을 따라 이동하면서 가열된 벽돌과 열교환이 이루어지면서 데워져 반대측의 공기 유도홈(101c, 101d,...)을 따라 계속 이동하여 케이스에 제공되는 공기 배출부를 통하여 실내로 배출되어 난방이 이루어진다.

그러나 종래의 전기 온풍기에 사용되는 축열 벽돌은, 블록과 블록 사이에 열을 전달효율을 감소시키는 공기층이 폭넓게 형성되어 있어 축열 성능이 떨어지며, 열교환이 이루어지는 과정에서 공기의 흐름이 원활하지 않아 열교환 효율이 낮아 에너지 효율이 떨어지며, 난방시간 동안 실내의 온도가 일정하게 유지되지 못하여 난방기로서의 성능을 최대한 발휘하지 못하는 문제점을 가지고 있다. 또한 공기의 유속 및 열교환 효율에 따라 유효 방열 효율이 증가하게 되는데, 이러한 유효 방열 효율이 낮아 실내 난방을 하는데 충분하지 못한 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 열 전도를 방해하는 공기층을 최소화시켜 축열 성능을 향상시키고, 공기의 흐름이 원활하도록 유로를 구성하여 열교환 효율을 증대시킴은 물론 유효 방열 효율을 향상시켜 실내 난방에 적합하게 하고, 에너지 효율을 증대시켜 실내 난방에 필요한 비용을 줄이는 전기 온풍기용 축열 벽돌을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 다수가 상, 하 및 좌우로 적층되어 어셈블리를 이루며, 전기에 의하여 발생하는 열을 축열하고 일정한 시간동안 방열하여 실내의 난방을 하기 위하여 전기 온풍기에 배치되는 축열 벽돌에서, 상기 축열 벽돌은 전기장치와 연결되어 전기에 의한 열을 발생시키는 열선이 길이 방향으로 반복적으로 배치되도록 제공되는 복수의 열선 수납홈을 구비하고, 상기 열선 수납홈 사이에 위치하며, 두께 방향으로 관통되고 외부의 공기가 하측에서 상측으로 인입되면서 열교환이 이루어지는 복수의 인입 구멍부 및 상기 인입 구멍부를 통과한 공기가 상측에서 하측으로 인입되면서 재차 열교환이 이루어지며, 상기 인입 구멍부와 일정한 간격이 띄워져 상기 열선 수납홈 사이에 위치하고 두께 방향으로 관통되어 있는 복수의 배출 구멍부를 포함하는 전기 온풍기용 축열 벽돌을 제공한다.

이와 같이 이루어지는 전기 온풍기용 축열 벽돌은, 심야 전기를 사용하는 전기장치와 연결되는 열선에 의하여 축열 벽돌에 열이 축열된다. 그리고 축열된 열을 방출할 때는 송풍기에 의하여 인입되는 공기가 인입 구멍부의 아래측에서 상측으로 인입되면서 열교환이 이루어지고 계속해서 상기 인입 구멍부를 통과한 공기가 배출 구멍부 상측에서 하측으로 통과하면서 재차 열교환이 이루어져 배출 구멍부의 하측으로 배출된다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 전기 온풍기의 개략적인 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 전기 온풍기에 사용되는 벽돌을 서로 조립한 형태를 보여주는 사시도,

도 3은 도 2의 A부를 상세하게 도시하고 있는 사시도,

도 4는 도 2의 B부를 상세하게 도시하고 있는 사시도,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공기의 흐름을 나타내고 있는 도면,

도 6은 본 발명과 종래의 축열식 벽돌의 효율을 비교 설명하기 위한 그래프,

도 7은 종래의 축열식 벽돌의 공기 흐름을 설명하고 있는 사시도,

도 8은 도 7에 도시한 벽돌 중 임의의 것을 도시한 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 전기 온풍기를 도시하고 있는 개략적인 사시도로서, 외관을 이루는 케이스(1)와, 상기 케이스(1)의 내부에 배치되는 축열 벽돌 어셈블리(3)를 도시하고 있다. 상기 케이스(1)는 프론트 측 저면에 난방을 위하여 더운 공기를 배출하는 배출부(5)가 마련되어 있으며, 리어측 저면에는 외부의 찬 공기가 인입될 수 있도록 공기 흡입구(도시생략)가 마련되어 있다. 그리고 상기 케이스(1)는 내부에 심야 전기를 이용하여 상기 블록 어셈블리(3)를 가열하여 축열하기 위한 전기 장치(도시생략)가 마련되어 있다. 상기 전기 장치는 통상의 누전 차단기 등을 포함하고 있다. 그리고 상기 케이스(1)는 내부에 난방을 위하여 공기의 인입 및 배출을 원활하게 하는 송풍기(7)가 제공된다.

도 2는 본 발명에 따른 축열 벽돌 어셈블리(3)를 나타내고 있는 사시도로서, 다수의 축열 벽돌(11, 13, 15)이 적층되어 있는 상태를 도시하고 있다. 상기 축열 벽돌(11)은, 도 3에 도시하고 있는 바와 같이, 일면에 열선이 수납되는 다수의 열선 수납홈(11a, 11b, 11c, 11d)이 제공되어 있다. 상기 열선 수납홈(11a, 11b, 11c, 11d)은 그 단면이 반원형 모양으로 이루어져 있다.

그리고 상기 축열 벽돌(11)은 상기 열선 수납홈(11a, 11b) 및 또 다른 열선 수납홈(11c, 11d) 사이에는 두께 방향으로 관통하는 배출 구멍부(11e, 11f) 및 인입 구멍부(11g, 11h)가 제공된다. 상기 인입 구멍부(11g, 11h)는 외부의 공기가 하측에서 상측으로 인입되어 축열된 축열 벽돌(11)에서 열교환이 이루어질 수 있도록 공기가 유통하며, 상기 배출 구멍부(11e, 11f)는 상기 열교환이 이루어진 공기가 상측에서 하측으로 인입되어 재차 열교환이 일어나면서 실내 난방을 하기 위하여 배출되기 위한 것이다.

도 4는 상기 축열 벽돌(11)의 양측에 배치되는 또 다른 축열 벽돌(13) 중의 하나를 도시하여 그 구조를 나타내고 있는 사시도로서, 두께를 관통하는 인입 구멍부(13a, 13b, 13c, 13d)가 등간격으로 배치되어 있고, 일정한 거리를 띄워 배출 구멍부(13e, 13f, 13g, 13h)를 도시하고 있다. 상기 인입 구멍부(13a, 13b, 13c, 13d) 및 배출 구멍부(13e, 13f, 13g, 13h)는 축열 벽돌(13)의 길이에 따라 그 수가 달라질 수 있다. 그리고 열선 수납홈(13i, 13j)은 열선이 연장되는 형태로 이어질수 있도록 끝단부가 라운드 형태로 연결되는 구조를 가지고 있다.

한편 상기 축열 벽돌(11, 13, 15)은 역적 성능을 증대시키기 위하여 마그네시아계의 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

이와 같은 축열 벽돌(11, 13, 15)은 상술한 인입 구멍부 및 배출 구멍부가 각각 일치하도록 상, 하 및 좌우로 적층하여 상술한 도 2의 형태로 만들고, 이때 상기 열선을 열선 수납홈에 삽입하여 조립을 하게 된다. 이렇게 조립된 축열 벽돌 어셈블리는 케이스(1)의 내측에 배치하여 열선은 심야전기를 이용하기 위한 전기장치와 연결한다. 이때 상기 케이스(1)는 축열 벽돌 어셈블리가 배치되는 측에 인입 구멍부(11g, 11h, 13a, 13b,...) 및 배출 구멍부(11e, 11f, 13e, 13d,...)가 서로 나뉘어질 수 있는 격벽(10) 등이 제공된다.

따라서 심야시간대에 전기를 이용하여 열선을 가열시키면 열선 수납홈(11a, 11b, 11c, 11d, 13i, 13j)에 제공된 열선이 가열되어 벽돌에 축열된다.

그리고 주간시간대에 송풍기(7)를 구동시키면 외부의 찬공기가 인입 구멍부(11g, 11h, 13a, 13b,...)의 아래쪽에서 위쪽으로 이동하여 열교환이 이루어지고, 다시 배출 구멍부(11e, 11f, 13e, 13d,...)의 위쪽으로 인입되어 상기에서 열교환이 이루어진 공기가 아래쪽으로 이동하면서 재차 열교환이 이루어진다. 따라서 상기 열교환이 이루어져 데워진 공기는 케이스(1)의 배출부(5)로 배출되어 실내 난방이 이루어진다.

그러면 종래의 축열벽돌과 본 발명 따른 축열벽돌의 축열 성능, 방열 효율에 관계하는 실험값에 의하여 종래와 비교한 데이터를 상세하게 설명한다.

우선 축열 벽돌의 축열 성능에 관계하는 실험 데이터를 종래와 비교하여 설명한다.

본 발명의 축열 벽돌은 가로(a, 18.0cm), 세로(b, 20.0cm), 높이(c, 65cm) 그리고 인입 및 배출 구멍부의 직경(d) 등으로 인한 손실체적의 합계(Vd)를 77.3 ㎤로 가정하고, 이에 대응하는 종래의 축열 벽돌은 가로(a', 18.0cm), 세로(b', 20cm), 높이(c',70cm) 그리고 공기가 통과하는 공간 등을 고려한 손실체적의 합계(Vd')를 674.6㎤로 가정하여 비교 설명한다.

본 발명의 축열벽돌)

단면적(A) 계산

총단면적(At) = 가로(18.0) X 세로(20.0) = 360 ㎠

손실 단면적(Al) = π(1.5)2 /4 X 4= 7.1 cm²

유효 축열단면적 (A) = At - Al = 360 - 7.1 = 352.9 cm²

공극률 = Al / At = 7.1 / 360 = 0.02

체적 (V) 계산

총체적(Vt) = 가로(18.0) X 세로 (20.0) X 높이 (6.5) = 2340 cm³

손실체적(Vl1) = ( π ( 1.0 )²/ ( 4 X 2 ) X 20 ) X 4 = 31.4 cm³

손실체적(Vl2) = ( π ( 1.5 )²/ 4 ) X 6.5 X 4 = 45.9 cm³

유효체적(V) = Vt - Vl1 - Vl2 = 2340 - 31.4 - 45.9 = 2262.7 cm³

종래의 축열벽돌)

단면적(A) 계산

보정 총단면적(At) = 가로(18.0) X 세로(20.0) = 360 cm²

손실단면적(Al) = (4.5 X 1.5) X 4 = 27 cm²

보정 유효 축열단면적(A) = At - Al = 360 - 27 = 333 cm²

공극률 = Al / At = 27 / 360 = 0.075

체적(V) 계산

보정 총체적(Vt) = 18.0 X 20.0 X 7 = 2,520 cm³

총손실체적(Vl) = ( 4.5 X 1.5 ) X 7 X 4 = 674.6㎤

보정 유효체적(V) = Vt - Vl = 1,955.4 cm³

한편, 축열량 Q = M Cp ( T2 - T1 )으로 계산할 수 있다.

여기서,

Q : 열량 ( Kcal )

M : 중량 ( Kg )

Cp : 비열 ( Kcal/kg ℃ ) = 0.263 ( 마그네시아 벽돌 )

T2 : 가열온도 ( 700 ℃ )

T1 : 실내온도 ( 20 ℃ )

M = V ( 유효체적, cm³) X Sg ( 밀도, g/cm³)

Sg = 3.315 g/cm³이다.

따라서, 본 발명의 축열벽돌 1개당 축열량은

Q = ( 2,263 X 3.315 / 1,000 ) X 0.263 X ( 700 - 20 )

= 1,341.6 Kcal ( ≒ 116 % )이다.

그리고 종래의 축열벽돌 1개당 축열량은

Q = ( 1,955.4 X 3.315 / 1,000 ) X 0.263 X ( 700 - 20 )

= 1,159.3 Kcal

이러한 계산 결과에 의하여 표1과 같은 데이터를 얻을 수 있다.

항 목	단 위	종래의 축열벽돌	본 발명의 축열벽돌
공극률	%	7.5	2
축열가능체적	㎤	1,955.4	2,262.7
벽돌1개당 축열량	㎉	1,159.3	1,341.6

따라서, 공극률은 본 발명의 축열 벽돌이 작음을 알 수 있다. 이것은 축열효율을 저하시키는 공기의 체류 공간을 줄임으로서 열전달 효과가 개선되어 축열이 신속히 이루어진다.

또한, 축열가능체적은 본 발명의 축열벽돌이 큰 것을 알 수 있으므로 공기 유로를 벽돌 내부에 위치하도록 하여 축열 가능한 체적을 극대화하여 동일 또는 유사조건에서 축열량이 크게 증대됨을 알 수 있다.

축열벽돌이 양호하게 축열되었다 하더라도 발열성능이 불량하면 보유열량을제대로 교환하지 못함으로서 실내 난방이 불충분할 뿐만 아니라 에너지의 낭비를 초래한다. 따라서 온풍기내에서 효과적으로 열교환 하기 위하여 공기의 흐름 속도를 높여 방열효율을 극대화할 필요가 있다.

계속해서 축열 벽돌의 방열효율에 관계하는 실험 데이터를 종래와 비교하여 설명한다.

축열벽돌 유로 내의 평균유속 V = Q / Al

여기서,

V : 평균유속 ( m / sec )

Q : 송풍량 ( 1.4 m³/ min / 60 / 4 = 0.0058 m³/ sec )

Al : 유로면적 ( m²)

여기서 본 발명의 축열벽돌 유속은 다음과 같이 계산된다.

V = Q / Al = 0.0058 / (π ( 0.015 )²/ 4 X 4 ) = 8.21 m/sec

여기서 종래의 축열벽돌 유속은 다음과 같이 계산된다.

V = Q / Al = 0.0058 / ( 0.0027 ) = 2.15 m/sec

항 목	단 위	종래의 축열벽돌	본 발명의 축열벽돌
평균유속	m/sec	2.15	8.21

상기 결과에서 알 수 있듯이 온풍기 내에서 공기의 정체부를 최소화시키고 균일한 열전달을 위해서 높은 유속이 효율적이고, 본 발명의 축열벽돌은 이러한 조건을 만족한다.

다음은 축열벽돌의 공기체적비율에 대하여 비교한다.

본 발명의 축열벽돌)

Vb ( 축열체적 ) = Vt ( 총체적 ) X 6 개 + 3,600 cm³( 상부 공기층 )

= 2,340 X 6 + 3,600 = 17,640 cm³

Va ( 공기체적 ) = 3,600 + Vln X 6 ( 손실체적 )

= 3,600 + ( 31.4 + 45.9 ) X 6

= 4,063.8 cm³

Ve ( 유효 축열체적 ) = Vb - Va = 17,640 - 4,063.8 = 13,576.2 cm³

공기체적율 = Va / Vb = 4,063.8 / 17,640 = 23.1 %

종래의 축열벽돌)

Vb ( 축열체적 ) = Vt ( 총체적 ) X 6 개 + 3,600 cm³( 상부 공기층 )

= 2,520 X 6 + 3,600 = 18,720 cm³

Va ( 공기체적 ) = 3,600 + Vln X 6 ( 손실체적 )

= 3,600 + ( 189 + 13.8 + 110 + 220 + 31.8 ) X 6

= 6,987.6 cm³

Ve ( 유효 축열체적 ) = Vb - Va = 18,720 - 6,987.6 = 11,732.4 cm³

공기체적율 = Va / Vb = 6,987.6 / 18,720 = 37.3 %

항 목	단 위	종래의 축열벽돌	본 발명의 축열벽돌
공기체적율	%	37.3	23.1

상기 결과에서 알 수 있듯이 공기는 축열을 방해할 뿐만 아니라 방열시에도 실내에 불필요하게 정체하여 고른 방열을 방해하므로 공기 체적이 적을수록 방열성능이 향상되며, 본 발명의 축열벽돌 역시 종래의 축열벽돌에 비하여 향상된 점을 알 수 있다.

그리고 벽돌의 잔류 열량 및 유효 방출율을 비교하여 보면 다음과 같다.

본 발명의 축열벽돌)

잔류열량

Qr = 축열량 ( Q ) - 방열량 ( Qs )

여기서,

Qs = M Cp ( T2 - T1 ) = 7.5 X 0.263 X ( 700 - 72 )

= 1,238.7 Kcal

Q = 1,341.6 Kcal

따라서, 잔류열량 Qr = 1,341.6 - 1.238.7 = 102.9 Kcal

열량 유효방출률 = Qs / Q = 1,238.7 / 1,341.6 = 92.3 %

종래의 축열벽돌)

잔류열량

Qr = 축열량 ( Q ) - 방열량 ( Qs )

여기서,

Qs = M Cp ( T2 - T1 ) = 6.0 X 0.263 X ( 700 - 260 )

= 694.3 Kcal

Q = 1,159.3 Kcal

따라서, 잔류열량 Qr = 1,159.3 - 694.3 = 465 Kcal

열량 유효방출률 = Qs / Q = 694.3 / 1,159.3 = 59.9 %

항 목	단 위	종래의 축열벽돌	본 발명의 축열벽돌
14시간 방열 후의 벅돌의 온도	℃	260	72
14시간 후 실내온도	℃	15	20
14시간 후 잔류열량	㎉	465	102.9
유효 방출율	%	59.9	92.3

상기 결과에서 알 수 있듯이 방열효율이 종래의 축열벽돌에 비하여 현저하게 향상됨을 알 수 있고, 또한 유효 방출율이 증가함을 알 수 있다. 따라서 공기유로를 벽돌 내부에 설계한 구성은 축열재 내의 정체부를 없애 열교환 효율이 높을 뿐 아니라 축열재가 가진 열량을 지속적으로 방출하여 유효 방출효율을 증가시킨다.

이러한 실험에 의한 비교 데이터는 도 6에 나타내고 있다. 도 6에 나타난 데이터를 통하여 축열벽돌의 온도는 시간이 갈수록 충분한 열을 방출하고, 이에 따라 실내의 온도는 일정하게 유지함을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명은 다수의 축열 벽돌이 적층되어 어셈블리로 구성되는데, 상기 축열 벽돌은 적어도 일면에 심야 전기를 이용하는 전기장치와 연결된 열선이 수납될 수 있는 열선 수납홈을 구비하고, 상기 열선에 의하여 축열된 열을 외부로 일정하게 방출할 수 있도록 두께 방향으로 관통되어 공기가 인입 및 배출되어 열교환이 일어날 수 있도록 인입 및 배출 구멍부를 제공한다. 따라서 전열을 방해하는 공기층을 최소화시켜 축열성능을 향상시킴은 물론 인입 및 배출되는 공기의 흐름을 원활하게 하는 구조를 제공함으로서 열교환을 증대시킴은 물론 유효 방열 효율을 증대시켜 에너지를 절약할 수 있고, 실내 난방비를 줄일 수 있으며, 전기 온풍기의 신뢰도를 증대시키는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 다수가 상, 하 및 좌우로 적층되어 어셈블리를 이루며, 전기에 의하여 발생하는 열을 축열하고 일정한 시간동안 방열하여 실내의 난방을 하기 위하여 전기 온풍기에 배치되는 축열 벽돌에 있어서,

   상기 축열 벽돌은 전기장치와 연결되어 전기에 의한 열을 발생시키는 열선이 길이 방향으로 반복적으로 배치될 수 있도록 상기 축열 벽돌의 일면에 제공되는 복수의 열선 수납홈;

   상기 복수의 열선 수납홈들 사이에 위치하며, 두께 방향으로 관통되고 외부의 공기가 하측에서 상측으로 인입되면서 열교환이 이루어지는 복수의 인입 구멍부;

   상기 인입 구멍부를 통과한 공기가 상측에서 하측으로 인입되면서 재차 열교환이 이루어지며, 상기 인입 구멍부와 일정한 간격이 띄워져 또 다른 상기 열선 수납홈들 사이에 위치하고 두께 방향으로 관통되어 있는 복수의 배출 구멍부;

   를 포함하는 전기 온풍기용 축열 벽돌.
2. 제1항에 있어서, 상기 인입 구멍부 및 배출 구멍부는 길이 방향으로 등간격으로 배치되는 전기 온풍기용 축열 벽돌.
3. 제1항에 있어서, 상기 축열 벽돌은 마그네시아계로 이루어지는 전기 온풍기용 축열 벽돌.
4. 제1항에 있어서, 상기 열선 수납홈은 단면의 형상이 반원형으로 이루어지는 전기 온풍기용 축열 벽돌.
5. 삭제