KR100515894B1 - 이규화몰리브덴 발열체를 사용한 고효율 전기보일러 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기보일러에 관한 것으로 보다 상세하게는 고온용 발열체를 이용하는 고효율 전기보일러에 관한 것이다. 본 발명에 의한 전기보일러는 단열재와 외부 부재로 형성되는 보일러 본체; 상기보일러 본체 내부에 설치되는 MoSi₂계 발열체; 상기 보일러 본체 내부에 설치되는 와류형식의 열교환기; 상기 보일러 본체에 설치되는 온도센서; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

이규화몰리브덴 발열체를 사용한 고효율 전기보일러 시스템{electrical boiler using molybdenum silicide heating element}

본 발명은 에너지 절감형 전기보일러에 관한 것으로 더욱 상세하게는 전기보일러에서 사용되는 발열체를 고온용 발열체로 대체하여 전기보일러를 제조하는 방법 및 그 전기보일러에 관한 것이다.

종래의 전기 보일러는 전기료의 부담이 매우 큰 문제점이 있다. 따라서 대부분의 전기보일러는 비교적 저렴한 심야전기를 이용한다. 즉 야간에 심야전기로 물을 가열하여 온수를 생산한 후 이를 보관하여 주간에 사용하는 것이다.

따라서 온수를 보관할 수 있는 큰 설비가 필요하고, 상기 설비는 온수의 열을 유지하기 위하여 철저한 단열이 요구되는 등 보일러의 설비가 매우 거대해지고, 가격이 상승되는 문제점이 있다.

상기 문제점으로 인하여 대부분의 가정에서는 전기보일러를 사용하지 못하고 가스 보일러를 사용하고 있는 실정이다.

따라서 가정에서 간편하게 사용할 수 있는 전기보일러의 개발이 시급히 요구되고 있으며, 특히 고온으로 순간 발열이 가능하고, 그 단가가 높지 않으며, 발열체가 견고하여 장기간 사용할 수 있는 전기보일러의 개발이 요구된다.

본 발명의 목적은 설비가 간단하며, MoSi₂ 발열체를 이용하여 순간 발열온도가 1600℃까지 발열이 가능한 발열체를 이용하여 제조되는 전기 보일러의 제공에 있다.

본 발명은 전기보일러 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MoSi₂를 사용한 고효율 전기보일러 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의한 전기보일러는 단열재와 외부 부재로 형성되는 보일러 본체(100); 상기보일러 본체 내부에 설치되는 MoSi₂계 발열체(200); 상기 보일러 본체 내부에 설치되고, 관내부로 소정의 유체가 순환되도록 하는 열교환기(300); 상기 보일러 본체에 설치되는 온도센서(400); 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 도면을 참고하여 본 발명에 의한 전기보일러의 각 구성요소를 상세히 설명한다.

1. 전기보일러 본체

먼저 도 1에서 확인할 수 있듯이 전기보일러 본체는 외부 부재(110)와 단열재(120)로 형성된다. 단열재는(120) 보일러 내부의 열이 손실되지 않도록 보일러 내부와 외부를 단열하는 기능을 한다.

상기 보일러 본체(100)에는 원통형 또는 직육면체형 등의 형상으로 된 외부부재(110)가 형성되며 상기 외부부재(110)는 이중으로 형성된다. 이때 이중으로 형성된 외부부재(110) 사이에 단열재(120)가 설치된다.

2. 발열체

발열체(200)는 상기 보일러 본체(100)의 각 면 중 일면 또는 여러 면에 설치되고, 발열체(200)의 발열부(220)가 상기 보일러 본체의 내부에 위치되도록 설치된다. 이때 상기 발열체(200)는 상기 보일러 본체(100)에 1개 또는 복수개가 설치된다.

또한 상기 발열체(200)는 MoSi₂계 발열체이며, 도 3a 또는 도 4에서 확인할 수 있듯이 상기 발열체(200)는 대직경의 비발열부(210) 사이에 소직경의 발열부(220)가 선형으로 개재되어 구성되고, 상기 발열부(220)의 형상이 면상 또는 봉상인 구조를 가진다. 상기 발열부는 도 5a에서 확인할 수 있듯이 수직형으로도 제조되고, 도 3b에서 확인할 수 있듯이 와류 형상으로도 제조된다. 이때 상기 수직형상의 발열체(200)는 도 5b에서 확인할 수 있듯이 상기 보일러 본체(100)에 설치된다.

상기 발열체에 있어서, 상기 발열부(220)와 비발열부(210)는 동일한 물질로 제조된다. 따라서 상기 발열부(220)와 비발열부(210)의 비저항은 같으나, 저항이 면적에 반비례하기 때문에 발열정도가 달라지는 것이다. 그러므로 비발열부(210)의 발열 정도가 발열부(220)에 비해 적도록 비발열부(210)의 직경이 발열부(220)의 직경에 비해 크게 설계되는 것이다.

본 발명에서 사용하는 상기 발열체(200)는 면상 또는 봉상으로 구성된다. 먼저 봉상인 상기 발열체(200)는 발열부(220)와 비발열부(210)로 구성되고, 상기 발열부와 비발열부는 접합되어 연결된다. 반면에 면상인 상기 발열체(200)의 상기 발열부(220)와 비발열부(210)는 접합면 없이 일체로 구성되는 차이점이 있다.

또한 면상으로 구성된 상기 발열체(200)의 발열부(220)는 종래의 'U'자형 발열부에 비해 굴곡부가 없어 전체적인 균일도가 높으며, 봉형에 비하여 동일 중량으로 더 넓은 표면적을 소유하기 때문에 전도, 복사효율 등의 발열효율이 봉형에 비하여 우수하다.

또한 면상 발열체를 사용할 경우에는 봉형에 비해 적은 중량으로 동일한 표면적을 가진 발열체의 제조가 가능하여 원료 절감효과가 있어 가정용인 소용량 전기보일러 시스템에 사용하는 것이 바람직하다.

다만, 봉상인 경우에는 와류 형상으로 제조가 가능하므로 한번에 대용량의 액체나 기체를 가열 할 수 있다. 따라서 대용량인 공장용 전기 보일러 시스템에 사용하는 것이 바람직하다.

상기 발열체(200)는 규소(Si) 또는 이산화규소(SiO₂)를 함유하거나 또는 SiC계, ZrO₂계의 세라막 소재로 이루어지는 고온 발열체를 포함하며, 특히 이규화 몰리브덴(MoSi₂)인 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 상기 발열체(200) 중 면상 발열체는,

(1) 세라믹 발열체 소재 분말을 압출 성형(extrusion molding)하여 소정 형상으로 제조하는 단계;

(2) 상기 소정 형상의 압출물을 원하는 길이에 따라 절단한 후, 발열부 부분(1)을 절삭하는 단계;

(3) 절삭된 세라믹 발열체를 소결하는 단계를 포함하는 제조방법에 의하여 제조된다.

상기 단계 (1)에서, 제조하고자 하는 발열체 소재의 분말을 진공장치가 구비된 압출기(extruder)의 스크루(screw)로 압착시키면서 소정 형상의 다이(die)를 통하여 압출하며, 이때 다이의 모양에 따라 제품의 형상이 결정된다.

상기 단계 (2)에서, 발열부 부분(1)은 양단의 비발열부(2)에 개재되고, 발열부(1)의 단면 형상이 직방형이 되도록 요입 가공된다.

상기 단계 (3)에서, 소결(sintering)은 구조를 치밀하게 함으로써 기계적 강도를 증가시키는 공정으로, 본 발명의 발열체가 고온에서 안정성 있게 효율적으로 발열되도록 1350∼1800℃에서 30분∼2시간 동안 수행한다.

봉상 발열체는 발열부와 비발열부의 용접부에서 미세한 극간이 필수적으로 형성되는데, 이러한 극간은 열전도를 저해하게 되어 국소적으로는 열응력이 가해지고, 이러한 열응력은 용접부에서의 균열을 진전시켜 발열체 결함의 원인이 된다.

그러나 본 발명에서 사용하는 면상 발열체는 용접에 의한 극간이 형성되지 않으므로 열전도도가 향상되며 안전하다.

특히 면상인 상기 발열체(200)는 발열부(220)와 비발열부(210)를 용접하지 않고 일체로 구성된다. 즉 종래의 접합방법인 용접공정을 이용한 상기 발열부와 비발열부를 접합하는 공정을 수행하지 않고, 제조되므로 용접으로 인한 접합 부분이 존재하지 않아서, 접합부분(230)의 탈락 현상이 전혀 발생하지 않는 장점이 있다.

따라서 본 발명에 의한 전기보일러 시스템에는 봉상 발열체도 사용가능하지만, 면상 발열체를 사용하는 것이 더 바람직하다.

본 발명에서 사용하는 상기 발열체는 고온으로 짧은 시간에 가열이 가능하므로 그 열효율이 매우 우수하여 전기보일러의 경제성 측면에서 많은 기여를 한다.

3. 열교환기

열교환기(300)는 상기 보일러 본체(100)의 일면 또는 2개의 면에 설치된다. 상기 열교환기의 한 쪽 개구부는 소정 유체의 유입구(310)와 연결되고, 다른 쪽 개구부는 소정 유체의 배출구(320)와 연결된다. 이때 상기 유입구와 상기 배출구는 상기 보일러 본체(100)의 동일한 면에 설치될 수도 있고, 다른 면에 설치될 수 도 있다.

상기 유체는 액체상일 수도 있고, 기체상일 수도 있다.

또한 상기 열교환기(300)는 도 6에서 확인할 수 있듯이 그 형태가 구불구불한 와류형태를 취해서 보일러 내부에서 난방수가 열교환기를 통과할때 와류형태로 흐르게 한다.

또한 상기 열교환기(300)는 도 7에서 확인할 수 있듯이 관의 형상이 용수철형상으로도 제조된다.

또한 상기 열교환기(300)는 도 8에서 확인할 수 있듯이 상기 유체가 일정속도로 흐르도록 하는 소직경의 직선형 관과 상기 유체가 일정시간 동안 정지하도록 하는 대직경의 구형상 관이 반복적으로 구비되는 형상으로도 제조된다.

상기 열교환기(300)의 형상을 상기와 같이 제조하는 것은 상기 유체가 상기 열교환기(300)를 통과하는 시간을 길게 함으로써 상기 유체가 열을 많이 흡수하도록 하기 위한 것이다.

4. 온도센서

온도센서(400)는 상기 보일러 본체(400)에 설치된다. 상기 온도센서(400)는 보일러 내부의 온도를 측정하여 보일러 내부의 온도가 특정 온도이상 상승시에는 발열체에 공급되는 전기를 차단하여 보일러 내부의 온도를 조절하는 역할을 수행한다.

본 발명에 의한 전기 보일러는 MoSi₂ 발열체를 이용하여 고온으로의 순간가열이 가능하다. 즉, 1분 동안의 시간에는 900℃ 내지 1000℃까지 가열이 가능하고, 2분 동안에는 1500℃ 내지 1600℃까지 가열이 가능하다.

또한 본 발명에서 사용하는 MoSi₂ 발열체는 환원분위기에서만 사용이 가능한 종래의 다른 발열체(예 : Mo wire, W wire, 카본 발열체)와 달리 고온에서도 대기분위기에서 사용이 가능하므로 보일러 장치의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한 심야전기를 이용하는 것이 아니므로 대량의 온수를 보관하기 위한 별도의 보관장치가 필요하지 않아서 보일러의 설비가 간단하다.

같은 심야전기를 이용하는 경우 경제적인 측면을 비교한 결과가 아래의 표 1, 2와 같다.

<표 1> 일반 전기보일러의 소비전력 및 예상 전기 요금

표준난방면적(평)	소비전력(KW)	사용자용량(ℓ)	월평균요금(원)
			봄, 가을	겨울
10	8.5 ~ 9	750 ~ 810	약 20,500	약 34,500
15	13 ~ 14.5	1180 ~ 1230	약 33,000	약 55,000
20	16 ~ 17.3	1470 ~ 1550	약 39,500	약 65,700
26	21.5 ~ 23.2	1980 ~ 2120	약 41,500	약 75,700

<표 2> MoSi₂ 발열체를 이용한 전기보일러 시스템

표준난방면적(평)	소비전력(KW)	사용자용량(ℓ)	월평균요금(원)
			봄, 가을	겨울
10	6.2 ~ 6.5	580 ~ 620	약 15,500	약 25,000
15	7.8 ~ 8.4	750 ~ 820	약 21,000	약 34,000
20	12.5 ~ 12.9	1150 ~ 1250	약 33,500	약 54,700
26	16.6 ~ 18.0	1460 ~ 1520	약 38,000	약 63,500

다음으로 표 3, 4는 가스보일러와 기름보일러를 사용하는 경우의 에너지 소비량과 예상요금을 비교한 결과이다.

<표 3> 가스보일러 사용시 에너지 소비량 및 예상요금

표준난방면적(평)	정격출력(Kcal/h)	가스소비량		월평균요금(원)
		KW	kg/h	봄, 가을	겨울
20	12500 ~ 13200	18.5 ~ 19.0	약 1.35	약 45,000	약 68,000
26	15800 ~ 16300	22.0 ~ 22.6	약 1.62	약 53,000	약 95,000
32	19800 ~ 20700	27.5 ~ 28.4	약 2.0	약 59,000	약 110,000

<표 4> 기름보일러 사용시 에너지 소비량 및 예상요금

표준난방면적(평)	정격출력(Kcal/h)	가스소비량	월평균요금(원)
		ℓ/h	봄, 가을	겨울
20	12500 ~ 13200	약 1.97	약 57,100	약 171,000
26	15800 ~ 16300	약 2.15	약 62,350	약 187,000
32	19800 ~ 20700	약 2.80	약 81,200	약 243,000

다음 그림은 상기 표의 내용 중 난방면적이 20평인 경우 각 보일러별 예상요금을 비교한 그림이다. 본 그림 1 에서 확인할 수 있듯이 본 발명에 의한 전기보일러가 다른 여타 보일러보다 열효율이 우수하며 경제적이다.

또한 열효율면에서도 본 발명에 의한 전기보일러가 90 ~ 95% 인 반면, 기름 보일러의 경우 80 ~ 85%이고, 가스 보일러는 85 ~ 90%이어서 본 발명에 의한 전기보일러가 우수한 것을 알 수 있다.

또한 본 발명에 의한 전기보일러는 청정에너지인 전기를 이용하므로 환경오염의 문제를 해결할 수 있는 장점과 화석연료의 연소에 의한 연기나 냄새 등의 문제가 없는 장점이 있다.

그러므로 본 발명에 의하면 경제적이며 친환경적이면서도 설비가 간단한 전기보일러를 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명의 전기보일러 중 1 실시예에 대한 단면도이다.

도 2는 본 발명의 전기보일러 중 2 실시예에 대한 단면도이다.

도 3a는 본 발명에 사용되는 발열체 중 봉상 발열체에 대한 단면도이다.

도 3b는 본 발명에 사용되는 봉상 발열체 중 그 형상이 와류형상인 봉상 발열체에 대한 도면이다.

도 4는 본 발명의 전기보일러에서 사용하는 발열체 중 면상 발열체에 대한 사시도이다.

도 5a는 본 발명에 사용되는 면상 발열체 중 그 형상이 수직형인 봉상 발열체에 대한 도면이다.

도 5b는 상기 수직형 봉상 발열체를 전기보일러에 설치한 모습을 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명에 사용되는 열교환기의 일 실시예에 대한 도면이다.

도 7은 본 발명에 사용되는 열교환기의 일 실시예 중 와류형상의 열교환기에 대한 도면이다.

도 8은 본 발명에 사용되는 열교환기의 일 실시예 중 공 형상의 열교환기에 대한 도면이다.

Claims (10)

1. 단열재(120)와 외부 부재(110)로 형성되는 보일러 본체(100);

   상기 보일러 본체(100) 내부에 설치되는 MoSi₂계 발열체(200);

   상기 보일러 본체(100) 내부에 설치되고, 관내부로 소정의 유체가 순환되도록 하는 열교환기(300);

   상기 보일러 본체(100)에 설치되는 온도센서(400);

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 MoSi₂를 사용한 고효율 전기보일러 시스템.
2. 제1항에 있어서 상기 유체는,

   액체 또는 기체인 것을 특징으로 하는 MoSi₂를 사용한 고효율 전기보일러 시스템.
3. 제1항에 있어서 상기 MoSi₂계 발열체(200)는,

   그 형상이 면상인 것을 특징으로 하는 MoSi₂를 사용한 고효율 전기보일러 시스템.
4. 제1항에 있어서 상기 MoSi₂계 발열체(200)는,

   그 형상이 면상이면서, 수직형상인 것을 특징으로 하는 MoSi₂를 사용한 고효율 전기보일러 시스템.
5. 제1항에 있어서 상기 MoSi₂계 발열체(200)는,

   그 형상이 봉상인 것을 특징으로 하는 MoSi₂를 사용한 고효율 전기보일러 시스템.
6. 제1항에 있어서 상기 MoSi₂계 발열체(200)는,

   그 형상이 봉상이면서, 와류형상인 것을 특징으로 하는 MoSi₂를 사용한 고효율 전기보일러 시스템.
7. 제1항에 있어서 상기 열교환기(300)는,

   그 형상이 와류형상인 것을 특징으로 하는 MoSi₂를 사용한 고효율 전기보일러 시스템.
8. 제1항에 있어서 상기 열교환기(300)는,

   그 형상이 용수철 형상인 것을 특징으로 하는 MoSi₂를 사용한 고효율 전기보일러 시스템.
9. 제1항에 있어서 상기 열교환기(300)는,

   상기 유체가 일정속도로 흐르도록 하는 소직경의 직선형 관(340)과 상기 유체가 일정시간 동안 정지하도록 하는 대직경의 구형상 관(350)이 반복적으로 구비되는 것을 특징으로 하는 MoSi₂를 사용한 고효율 전기보일러 시스템.
10. 제1항에 있어서,

    상기 발열체(200)가 상기 보일러본체(100)에 1개 또는 복수개 설치되는 것을 특징으로 하는 MoSi₂를 사용한 고효율 전기보일러 시스템.