KR100428495B1 - 축열식 히트펌프 온수기에 사용되는 열교환 튜브가 내장된2중 온수탱크 - Google Patents

축열식 히트펌프 온수기에 사용되는 열교환 튜브가 내장된2중 온수탱크 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2중 원통관의 환형공간내에 열교환 튜브를 설치하고 열교환매체를 충진함으로써, 열전달 면적을 증대시켜 열전달 효과를 극대화하는 축열식 히트펌프 온수기에 사용되는 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크를 제공하는 데 그 목적이 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크는, 내통(31)과 외통(32)으로 구분되는 2중 원통관으로 구성되어 있고, 내통(31)과 외통(32)의 사이에 형성되는 환형공간(35)내에는 열교환 튜브(36)가 위치하고 열교환 매체(38)가 채워져 있으며, 열교환 매체(38)는 열교환 튜브(36)가 내통(31)의 외면에 선접촉함에 따른 큰 접촉열저항을 줄이고 열교환 튜브(36)의 열을 내통(31)에 채워져 있는 물에 전달하는 열전달 면적을 증대시키는 것을 특징으로 한다.

Description

축열식 히트펌프 온수기에 사용되는 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크{Double-tube hot water tank with heat exchange tube}
본 발명은 온수기의 온수탱크에 관한 것이며, 특히, 심야전기를 이용하여 온수를 축열식 히트펌프로 가열하여 데워 놓았다가 주간에 사용하는 축열식 히트펌프 온수기에 사용되는 2중 온수탱크에 관한 것이다.
심야전기를 이용한 축열식 히트펌프 온수기는 사용인원에 맞는 용량을 선정하여(1인 평균 60L) 심야시간 10시간동안 온수를 데워 놓았다가 주간에 사용하는 온수기기로서, 단독, 연립주택, 빌라, 오피스텔, 여관, 모텔, 스포츠클럽, 학교, 기숙사, 병원, 연구실, 이ㆍ미용실, 커피숍, 중ㆍ소규모의 각종 업소 등 어디에서나 사용가능하다.
여기에서, 축열식이란 고온의 유체가 가진 열에너지를 저온유체로 보내는 열교환기의 한 형식으로서 축열기를 설치하여 열을 전달하는 방식이다.
그리고, 히트펌프(heat pump)란 열을 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동시킬 수 있는 장치로서, 이 히트펌프 사이클의 기본적인 구성요소는 저온부 열교환기인 증발기 및 압축기와, 고온부 열교환기인 응축기(일명, 응축열교환기) 및 팽창변로 구분된다. 즉, 히트펌프는 작동유체인 냉매를 증발, 압축, 응축 및 팽창시키는 것으로서, 그 과정을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 저온저압의 습증기 상태의 냉매는 증발기에서 증발되면서 주변에서 증발잠열을 흡수하며 증발된 저온저압의 건조포화증기 상태의 냉매로 배출된다. 증발기에서 배출된 저온저압의 건조포화증기 상태의 냉매는 압축기에서 단열압축되어 고온고압의 과열증기 상태로 응축기로 유입된다. 응축기로 유입된 고온고압의 과열증기 상태의 냉매는 응축잠열을 방출시키며, 고온고압의 포화액체 상태의 냉매로 팽창변으로 유입된다. 즉, 히트펌프는 이와 같은 사이클을 반복적으로 수행하게된다.
앞서 설명한 바와 같은 방식으로 작동하는 축열식 히트펌프 온수기의 온수탱크에는 고온고압의 냉매로 온수를 가열시키는 응축열교환기가 설치된다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래에는 온수탱크(10)의 외면에 내압에 강한 튜브형 열교환기(11)를 감아 간접 열교환 방식을 이용하였다. 이 때, 내압에 강한 튜브형 열교환기(11)를 사용하는 것은 압축기를 통과한 냉매가스의 높은 압력을 견딜 수 있도록 하기 위해서다.
그러나, 도 1에 도시된 형태의 간접 열교환 방식은 튜브형 열교환기(11)의 열을 온수탱크(10)의 외면에 선접촉 방식으로 전달하는 것으로서, 선접촉에 의해 열전달 면적이 작아 열전달 효과가 크게 떨어지는 단점이 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 종래에는 온수탱크(20)를 2중 원통관으로 구성하고, 외통을 열교환기(21)로 사용하도록 구성하였다. 그러나, 외통을 열교환기(21)로 사용할 경우에는, 외통이 내압에 약하고, 열매체로 사용되는 프레온류 가스의 상변화에 따른 내부압력의 증가로 수축/팽창에 취약한 특성을 나타내기 때문에 사용하기가 곤란하다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 2중 원통관의 환형공간내에 열교환 튜브를 설치하고 열교환매체를 충진함으로써, 열전달 면적을 증대시켜 열전달 효과를 극대화하는 축열식 히트펌프 온수기에 사용되는 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크를 제공하는 데 그목적이 있다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 축열식 히트펌프 온수기에 사용되는 온수탱크와 열교환기의 배치관계를 설명하기 위한 단면도이고,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 축열식 히트펌프 온수기에 사용되는 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크의 사시도이며,
도 4는 도 3에 도시된 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크의 단면도.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
30 : 온수탱크 31 : 내통
32 : 외통 33 : 유입구
34 : 배출구 35 : 환형공간
36 : 열교환 튜브 37 : 하부 밀폐공간
38 : 열교환 매체 39 : 상부 밀폐공간
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크는, 내통과 외통으로 구분되는 2중 원통관으로 구성되어 있고, 상기 내통과 외통의 사이에 형성되는 환형공간내에는 열교환 튜브가 위치하고 열교환 매체가 채워져 있으며, 상기 열교환 매체는 상기 열교환 튜브가 내통의 외면에 선접촉함에 따른 큰 접촉열저항을 줄이고 상기 열교환 튜브의 열을 내통에 채워져 있는 물에 전달하는 열전달 면적을 증대시키는 것을 특징으로 한다.
아래에서, 본 발명에 따른 축열식 히트펌프 온수기에 사용되는 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크에 대한 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도면에서, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 축열식 히트펌프 온수기에 사용되는 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크의 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크의 단면도이다.
도 3 및 도 4에 보이듯이, 본 발명의 2중 온수탱크는 2중 원통관으로서 내통(31)과 외통(32)으로 구분되고, 내통(31)과 외통(32)의 상부 및 하부는 밀봉되어 있다. 이런 내통(31)에는 가열될 물이 채워져 있는 데, 내통(31)의 상부 및 하부에는 물이 유입되고 배출되는 유입구(33)와 배출구(34)가 각각 형성되어 있다.
그리고, 내통(31)과 외통(32)의 사이에는 환형공간(35)이 형성되는 데, 이 환형공간(35)내에는 나선관 형태로 열교환 튜브(36)가 위치하게 된다. 즉, 열교환튜브(36)는 내통(31)의 외면을 따라 일정한 간격을 두고 감겨 있다. 이 때, 열교환 튜브(36)는 내통(31)의 하부로부터 길이방향 약 2/3지점까지 감겨 있다. 이렇게 위치하는 열교환 튜브(36)는 압축기를 통과한 냉매가스의 높은 압력(약 20㎏/㎠)을 견딜 수 있도록 내압에 강한 튜브로 형성된다. 이렇게 환형공간(35)내에 열교환 튜브(36)를 설치함으로써, 즉 외통(32)에 의해 열교환 튜브(36)의 열이 직접 외부로 방출되는 것을 차단할 수 있어 내통(31)에 가해되는 열을 효과적으로 관리할 수 있다.
이렇게 열교환 튜브(36)가 위치하는 부위의 바로 위부분은 밀폐되어 있다. 즉, 환형공간(35)내에는 2개의 밀폐공간이 형성된다. 이런 밀폐공간 중 열교환 튜브(36)가 위치하는 하부 밀폐공간(37)에는 열교환 매체(38)가 채워져 있고, 상부 밀폐공간(39)에는 아무것도 채워져 있지 않다. 이 때, 열교환 매체(38)로는 물이나 기타 열매체가 사용된다. 이렇게 열교환 튜브(36)와 열교환 매체(38)가 채워져 있는 하부 밀폐공간(37)은 일종의 간접 온수 축열조로도 활용된다.
이렇게 열교환 매체(38)를 충진하는 것은 열교환 튜브(36)가 내통(31)의 외면에 선접촉함에 따른 큰 접촉열 저항을 줄일뿐만 아니라, 열교환 튜브(36)의 열을 내통(31)에 채워져 있는 물에 전달하는 열전달 면적을 증대시키기 위해서다.
아래에서는, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크의 작동관계에 대해 상세히 설명하겠다.
도 3 및 도 4에 보이듯이, 압축기에서 단열압축되어 고온고압의 과열증기 상태로 열교환 튜브(36)로 유입된 냉매는 응축잠열을 방출한다. 그러면, 열교환 튜브(36)와 내통(31) 외면의 온도차에 의해 열교환 튜브(36)와 열교환 매체(38)의 사이에서 자연대류에 의한 열전달이 일어난다. 즉, 열교환 튜브(36)로부터 열을 전달받은 열교환 매체(38)가 내통(31)의 외면에 열을 전달하여 내통(31)에 저장된 물을 가열하게 된다. 그러면, 내통(31)에 채워져 있는 물은 자연대류에 의해 열전달이 이루어진다. 이런 과정을 통해 내통(31)에 저장된 물이 데워진다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 축열식 히트펌프 온수기에 사용되는 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크는 2중 원통관의 환형공간내에 열교환 튜브를 설치하고 열교환 매체를 충진함으로써, 열전달 면적을 증대시켜 열절달 효과를 극대화하는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 축열식 히트펌프 온수기에 사용되는 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 고안의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (3)

  1. 심야전기를 이용하여 온수를 축열식 히트펌프로 가열하여 데워 놓았다가 주간에 사용하는 축열식 히트펌프 온수기에 사용되는 온수탱크에 있어서,
    내통과 외통으로 구분되는 2중 원통관으로 구성되어 있고, 상기 내통과 외통의 사이에 형성되는 환형공간내에는 열교환 튜브가 위치하고 열교환 매체가 채워져 있으며,
    상기 열교환 매체는 상기 열교환 튜브가 내통의 외면에 선접촉함에 따른 큰 접촉열 저항을 줄이고 상기 열교환 튜브의 열을 내통에 채워져 있는 물에 전달하는 열전달 면적을 증대시키는 것을 특징으로 하는 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열교환 튜브는 상기 내통의 외면 주위에 나선관 형태로 감겨 있는 것을 특징으로 하는 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열교환 매체는 물인 것을 특징으로 하는 열교환 튜브가 내장된 2중 온수탱크.
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