KR101114976B1

KR101114976B1 - 초전도 방열기

Info

Publication number: KR101114976B1
Application number: KR1020090064603A
Authority: KR
Inventors: 전선욱
Original assignee: 에니웰(주)
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2012-03-07
Also published as: KR20110006955A

Abstract

전 세계적으로 에너지와 환경문제(기후변화=탄소배출권)가 대두되면서 대체 에너지 및 신재생 에너지인 태양열, 풍력, 지열, 조력 등에 개발과 연구에 박차를 가하고 있으며, 또한 고효율의 산업기기와 난방장치 설치를 의무화(독일은 1998년부터 난방장치의 열효율 91％ 이상, 유럽은 유럽 규격을 규정해 에너지효율이 좋은 제품이 아니면 수출도 어렵다고 함)하고 있다고 합니다. 이는 고갈되어 가는 에너지원의 개발도 중요하지만 에너지 절감이 더 중요하다는 것을 보여 주는 것이라고 하겠습니다. 본 발명은 난방용 방열기를 진공용기로 만들어 초전도화 함으로서 적은 체적의 열원으로 최대의 방열을 하도록 하여 고유가와 기후변화 대비함으로써 탄소배출권 확보에 도움을 주는 고효율 방열기를 제공하는데 목적이 있다. 초전도 방열기는 방열기 내부가 되는 내용적 전체를 진공화 하여 초전도 함으로서 공급되는 열원은 온수와 전기 일지라도 방열은 방열기 내용적에 유입되어 있는 작동유체가 공급되는 열원인 온수나 전기의 열을 전달 받아 1,500～1,600배로 팽창되는 포화증기가 하게 함으로서 적은 열원으로 최대의 난방효과를 내는 고효율의 방열기를 제공하게 된다.

방열기, 진공용기, 작동유체, 포화증기, 열원, 온수, 탄소나노석영관히터

Description

초전도 방열기{The Superconductive Radiator}

겨울철 난방방법에는 각종난로, 전기히터, 온풍기, 방열기 등이 있으며 우리나라는 고유난방 방법인 온돌이 있다. 선사시대부터 모닥불 및 온돌구들장이 지속되다 최근에 와서야 온수관난방 (엑셀파이프, 동파이프) 및 전기필림 및 열선, 온풍기, 히트펌프 난방 방법 등으로 발전되고 있는 실정 이다. 이에 반해 외국의 경우는 오래 전부터 에너지의 합리적인 이용과 더불어 열에너지의 효율적인 전달을 위한 다양한 방법이 모색 되었는데 그 중의 한 방법이 방열기로 방열기는 복사열과 대류현상으로 난방을 하기에 환기가 필요 없는 등 그 자체가 지닌 여러가지 장점으로 인하여 널리 보급 되고 있다.

각종난로는 연료의 연소로 인하여 열을 얻기 때문에 산소를 태우게 되어 환기를 해야 한다는 단점이 있고, 전기를 사용하는 히터의 경우도 전기를 열에너지로 전환하는 방법으로 열선을 사용하기에 전기저항으로 인하여 많은 전기가 소비되기 때문에 최근에는 선풍기형이 나와서 시각적으로 온열감을 느끼도록 하는 경우도 있지만 근본적인 에너지 절감은 되지 않는다. 방열기는 내용적에 온수를 채워 온수의 잠열을 이용하는 온수식방열기, 동일한 방법으로 스팀을 이용하는 스팀식방열기, 또 최근에는 특수 열매체 오일을 온수형과 같은 방법으로 내용적에 채우고 전기히터를 열매체 오일에 삽입시켜 열매체오일을 가열하여 가열된 열매체오일이 방열하는 전기식방열기도 있다

본 발명은 방열기 내용적 전체에 온수나 스팀을 채워 그 잠열을 이용하는 방법과 특수 열매체오일을 채워 전기히터를 삽입시켜 열매체 오일을 가열하여 난방효과를 얻는 방식 대신, 방열기 내용적을 진공용기로 만들어 외부에서 유입되는 열원인 온수나, 전기에 상관없이 진공용기속에 잔류해 있는 미량의 작동유체가 외부에서 유입되는 열을 전열 받아 1,500～1,600배로 팽창되는 포화증기로 난방효과를 얻는 고효율의 방열기를 제공하는데 있다.

본 발명은 방열기 내용적을 진공용기로 만들고 진공용기 속에 미량의 작동유체가 유입되어 있도록 하여 외부에서 공급되는 열원의 종류에 관계없이 진공용기속에 유입되어 있는 미량의 작동유체가 외부에서 유입되는 열을 전열 받아 1,500～1,600배로 팽창되는 포화증기의 잠열로 난방효과를 얻게 되는 것이 특징이라 하겠다. 온수식방열기나 스팀식방열기, 전기식방열기도 방열기내용적에 내용물이 되는 온수, 스팀, 열매체오일을 각각 100％를 채워야 하나 본 발명은 내용적에 약12～15％에 해당하는 작동유체만 채워도 외부 열원에 의해 작동유체가 가열되면 기체로 평창 되면서 순식간에 방열기내용적에 포화하게 된다. 포화된 증기는 방열을 하게 되면 액체로 응축되지만 계속 공급되는 열원으로 작동유체는 비등점(Boiling Point)이상만 되면 방열기 내부는 포화증기 상태가 계속 유지되며 방열이 이루어 지면서 난방이 되기 때문에 효율이 높다. 또 열원이 되는 온수나 전기의 에너지를 효율이 좋은 기체로 변환시켜 난방을 하게함으로 매우 효율적인 난방방법이라 하겠는데 그 중요한 내용을 요약하면 다음과 같다

1. 기존의 방열기는 내용적 전체(100％) 에 열원인 온수나 스팀, 열매체오일를 채워야 하지만, 본 발명은 내용적에 약 12～15％ 정도의 미량의 작동유체를 채우고 열원인 온수나 스팀, 열매체오일은 열원관인 헤드로만 순환되기 때문에 열원의 체적이 85％ 나 감소되어 15％(1/6)에 지나지 않는다.

2. 공급열원은 온수와 전기, 열매체 오일이라도 방열은 공급열원을 전열받은 작동유체가 기체로 변화여 포화증기 상태에서 하기 때문에 열효율이 매우 좋다

예: 공급열원인 온수온도가 100℃때 초전도방열기 내부의 포화증기의 온도는

98.5℃ (온수온도 100℃는 계산 편의상이니 양지바람.)

물 100℃의 잡열은 100㎉, 스팀(기체) 100℃의 잡열은 539㎉

3. 본 발명인 초전도 방열기는 구조상 진공포화상태에서 방열을 하게 되고 방열을 하게 되면 강온(온도가 내려감)이 되는데 강온은 대기에서 1℃가 내려갈때 진공포화상태에서는 0.5℃가 내려가기 때문에 온도유지시간이 길어진다. 온도유지 시간이 길어지면 길어진 만큼 에너지 공급이 필요 없게 되는데, 난방에너지도 그만큼 절감된다고 하겠다. (진공강온원리 예: 보온병, 보온도시락통 등)

또 한 본 발명의 전기식방열기 열원 공급원으로서 제공되는 전기히터를 종전 의 열선을 사용하는 시즈히터나 카트리지히터 대신 탄소나노석영관히터를 사용함으로서 전기사용량을 줄일 수 있게 되었다.

본 발명은 방열기 내용적에 소량의 작동유체를 유입하고 진공밀폐하여 초전도함으로서 유입된 작동유체가 열원관으로 공급되는 열을 전열받아 기체로 변화고 약 1,500～1,600배로 팽창되면서 방열기 내용적에 포화되는데, 그 포화된 증기의 잠열로 난방을 하게 되기 때문에 일반 온수식방열기나 스팀식방열기의 열원이 되는 온수나 스팀량을 85％나 감소되고, 전기식 방열기에 채워야 하는 열매체오일도 필요 없게 되었다. 또 전기식 방열기가 이상 가열로 열매체오일이 폭발하면 발생될 엄청난 위험도 방지할 수 있게 되었으며, 공급열원과는 관계없이 방열은 포화증기가 하기 때문에 난방효율이 좋으며, 강온시간도 진공에서 이루어지기 때문에 일반대기에서 이루어지는 것 보다 배로 길어져 난방에너지가 그만큼 감소되어 국가경제(에너지 수입에 필요한 외화 감소)와 수요자의 경제적 이득(난방비가 절감되어) 도 제공하고 기후변화(탄소배출권)에도 일조를 하게 될 것이다

본 발명을 첨부된 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다. 도면의 컬러는 실제 구성품과 무관하며 단지 구성품의 구분을 명확하게 하고 이해를 돕기 위함이니 양지해 주시기 바람.

도 1은 본 발명의 외형도로서 (가)는 온수식이며 (나)는 전기식이다. 온수식(가) 하부에 있는 하헤드(3) 내부로 열원관(4)이 2중관으로 형성되어 있는데 이 열 원관(4)으로 열원인 온수나 스팀이 지나가게 되며 하살표(15)는 열원의 진행 방향을 표시한 것이다. 전기식(나)에는 열원관(4)이 커버내부에 형성되어 있다

도 2는 본 발명의 온수식방열기의 단면도로서 상헤드(1)와 지주관(2)과 하헤드(3)는 단일용기이고 재질은 순동(99.9％)으로서 순동을 사용하는 이유는 부식을 방지하고 수명을 길게 하기 위해서이다. 상헤드(1)와 하헤드(3)를 다수의 지주관(2)으로 결합 단일용기로 만드는데 결합방법은 상헤드(1)과 하헤드(3)에 지주관(2) 외경사이즈로 T뽑기를 한 다음 다수의 지주관(2)을 이 홀에 삽입한 후 브로징작업으로 마감한다. 상헤드(1)와 하헤드(3)와 지주관(2)이 단일용기로 만들어 지면 작동유체 유입 및 진공배기노줄(6)을 이용하여 미량의 작동유체를 방열기 내부로 유입시키고 진공 밀폐를 하게 된다. 하헤드(3) 내부에는 열원관(4)이 2중관으로 하헤드(3)와 나란히 형성되어 있는데, 이 열원관(4)으로 온수를 유입시키면 온수식방열기, 스팀을 유입시키면 스팀식방열기가 된다. 열원관(4) 좌.우측 끝면에는 온수나 스팀 배관을 연결 할 수 있는 소켓(7)이 형성 되어 있는데 분배기나 보일러에서 해온 배관을 이 소켓(7)을 이용하여 결합하면 된다. (작동유체의 표시는 생략함)

도 3은 본 발명의 전기식방열기의 단면도로서 본체의 구조와 형식이 도2의 온수식과 동일하나 하헤드(3) 내부에 2중관으로 하헤드(3)와 나란히 형성되어 있는 열원관(4)으로 열원이 되는 온수나 스팀대신 전기히터봉을 전기히터봉 삽입구(13)로 삽입 시켜 고정시키면 되는 것이 차이점 이라고 할 수 있겠다. 전기식방열기기 때문에 가동표시램프(10), 온도조절기(11), 전선인입홀(12)이 측면에 형성되어 있고 온도센서봉 삽입 주머니(9)가 하헤드(3) 외면에 밀착 형성되어 있는데 이 온도 센서봉 주머니에 온도센서봉을 삽입시키고 압착하면 방열기의 온도를 감지하여 온도센서봉에서 온도조절기로 연결된 감지선에 의해 온도조절기로 전달하여 온도를 컨트롤 하게 된다.(온도감지선 및 전기배선 표시는 생략함)

도 4 (가)는 본 발명의 온수식방열기 측면도로서 지주관(2) 외부에는 방열판(5)이 형성 되어 있는데, 방열판(5) 형성방법은 방열판(5) 중심에 형성되어 있는 홀에 지주관(2)을 삽입시키고 지주관(2) 내경을 확관봉을 이용하여 확관시켜 지주관(2)과 방열판(5)이 합착되도록 하면 된다. 작동유체(17)는 열원관(4)의 열을 흡열하면 바로 기체(Steam)로 변화면서 단일용기로 되어 있는 상헤드(1),지주관(2),하헤드(3) 전체에 포화 되면서 방열판(5)으로 열을 전달하게 되고, 열을 전달 받은 방열판(5)이 열을 발산하여 난방을 하게 된다. (나)는 본 발명의 전기식방열기의 우측커버덮개로서 상부에는 작동유무 표시램프(10)가 형성되어 있고 다음에는 온도조절기(11) 하부에는 전선인입선 홀(12)이 형성되어 있는데, 이 전선인입선 홀(12)에 메인전선을 인입시키고 각 부품으로 배선하면 된다.

도 5는 본 발명의 횡형식 방열기 외형도로서 (가)는 온수식이고 (나)는 전기식이다. 온수식(가) 중심부에 있는 횡형식헤드(16) 내부로 열원관(4)이 2중관으로 형성되어 있는데 이 열원관(4)으로 열원인 온수나 스팀이 지나가게 되며 하살표(15)는 열원의 진행 방향을 표시한 것이다. 전기식(나)에는 열원관(4)이 방열판(5) 중심부에 형성되어 있다.

도 6은 본 발명의 횡형식 방열기의 단면도로서 (가)는 온수식이고 (나)는 전기식이다. 횡형식방열기는 지주관과 상헤드가 없고 횡형식헤드(16) 내부에 열원관 (4)이 2중관 구조로 횡형식헤드(16)와 나란히 형성되어 있는 것이 특징이다. 횡형식방열기 온수식(가)에도 열원관(4) 좌.우측 끝면에는 온수나 스팀배관을 연결 할 수 있는 소켓(7)이 형성 되어 있는데 분배기나 보일러에서 해온 배관을 이 소켓(7)을 이용하여 결합하면 된다. 횡형식방열기 전기식(나)도 횡형식방열기 온수식(가)과 동일한 구조로 되어 있으나 횡형식방열기 헤드(16) 내부에 형성되어 있는 열원관(4)으로 열원이 되는 온수나 스팀대신 전기히터봉이 삽입되는 것이 차이점 이라고 할 수 있다. 횡형식방열기 전기식(나) 또한 전기식방열기기 때문에 가동표시램프(10), 온도조절기(11), 전선인입홀(12)이 형성되어 있고, 온도센서봉 삽입 주머니(9)가 횡형식헤드(16) 외부에 밀착 형성되어 있는데 이 온도센서봉 주머니에 온도센서봉을 삽입시키고 압착하면 방열기의 온도를 감지하여 온도센서봉에서 온도조절기로 연결된 감지선에 의해 온도조절기로 전달하여 온도를 컨트롤 하게 된다.(온도감지선 및 전기배선 표시는 생략함)

도 7의 (가)는 횡형식방열기 온수식(가)의 측면도로서 상판 방열판(5)이 지붕식으로 되어 있어서 먼지 등이 방열기 본체를 오염시키는 것을 차단하고 청소도 용이한 구조로 되어 있다. 또 지붕식 으로 되어 있는 방열판(5)은 온도 상승원리로 천정으로만 상승하려는 온기를 좌.우 측면으로 확산시켜 난방효과를 높이는 기능도 있겠다. (나)는 본 발명의 전기식방열기의 우측커버덮개로서 상부에는 작동유무 표시램프(10)가 형성되어 있고 다음에는 온도조절기(11) 하부에는 전선인입선 홀(12)이 형성되어 있는데, 이 전선인입선 홀(12)에 메인전선을 인입시키고 각 부품으로 배선하면 된다.

도 8은 본 발명의 전기식방열기에서 사용할 열원인 탄소나노석영관 히터 단면도로서 석영관 중심부에는 탄소나노섬유히터선(19) 형성 지지봉(18)이 형성되어 있는데 이 지지봉(18) 외경으로 나사식으로 탄소나노섬유히터선(19) 형성되어 있다. 탄소나노섬유히터선(19)이 형성된 지지봉(18)과 약간의 간격의 두고 탄소나노섬유히터선(19)을 보호하는 외부선영관(20)이 지지봉(18)관 나란히 2중관으로 형성되어 있는데 이 외부선영관(20) 내부는 진공밀폐용기로 되어 있고 우측 일단에는 전기인입전선(21)이 형성 되어 있는 구조로 되어 있는데, 탄소나노석영관히터는 다음과 같은 장점 및 특징이 있다

1. 종전 열선을 이용하는 시즈 및 카트리지 히터보다 전기소모량이 약30％ 감소됨

예: 종전 1kw/hr → 0.7kw/hr

2. 시즈 및 카트리지 히터는 전열효율을 높이기 위해서 열원관(4) 내면에 압착되도록 하는데 열로 인한 히터의 팽창으로 히터 고장시 히터 교체가 불가능하여 제품의 수명이 짧지만, 본 탄소나노석영관히터는 복사방열방식이라 열원관(4)에 압착할 필요가 없으며 히터 교체시에도 외경의 재질이 석영관(유리)으로 되어 있어서 용이하다

도 1은 본 발명의 외형도로서 (가)는 온수식

" " (나)는 전기식

도 2는 본 발명의 온수식 단면도

도 3은 본 발명의 전기식 단면도

도 4 (가)는 본 발명의 측면도이고

(나)는 전기식 우측 커버 및 부착물 구성도

도 5 는 본 발명의 횡형식방열기의 외형도로서 (가)는 온수식

" " " (나)는 전기식

도 6은 본 발명의 횡형식방열기 단면도로서 (가)는 온수식

" " " (나)는 전기식

도 7 (가)는 본 발명의 횡형식방열기 온수식 측면도이고

(나)는 전기식 우측 커버 및 부착물 구성도

도 8은 본 발명의 전기식방열기 열원으로 사용될 탄소나노석영관히터의 단면도

Claims

방열기의 내용적이 되는 상헤드와 하헤드, 다수의 지주관이 단일용기로 구성되어 있고 단일용기 내부에 미량의 작동유체를 유입시키고 진공 밀폐한 초전도 방열기로서 하헤드 내부에는 열원관이 2중관 구조로 헤드와 나란히 형성되어 있으며 이 열원관으로 공급되는 온수나 스팀, 열매체오일 등 열원의 종류와 상관없이 진공용기내부에서 열원의 열을 전달 받은 작동유체가 기체로 변하면서 방열기 내부에 포화되는데 그 포화증기의 잠열을 이용하는 방열기
상기 제 1항에 있어서

중심부에 형성되어 있는 헤드의 내부에 열원관이 2중관 구조로 헤드와 나란히 형성되어 있는 횡형식 방열기로서 상부 방열판이 지붕식 구조를 가지는 횡형식 방열기
상기 제 1항, 2항 방열기에 있어서

열원관으로 유입되는 열원인 온수나 스팀, 열매체오일 대신 탄소나노석영관히터인 것이 특징인 전기식 방열기.