KR101432189B1 - 파인세라믹 발열체 전기 보일러 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기로 물을 가열하여 온수 매트 또는 온수 패널의 수관에 온수를 공급하는 온수 매트 또는 온수 패널용 전기 보일러에 관한 것으로, 온수매트 또는 온수패널을 순환하는 온수용 수관에 연속하여 순환수 가열유로를 형성하고, 상기 순환수 가열유로 내부에 순환수 가열유로 내부를 지나는 순환수를 직접 가열하는 히터를 장치하며, 상기 순환수 가열유로에 물을 보충하는 보충수 통을 상기 순환수 가열유로와 공간적으로 분리하여 형성하되, 상기 순환수를 직접 가열하는 히터의 발열체를, 탄화규소분말 60 ~ 95 중량%, 토르말린분말 5 ~ 40 중량%를 포함하여 소성한 파인세라믹 발열체로 구성한 데 특징이 있다.
Description
본 발명은 전기 보일러에 관한 것으로, 더 상세하게는 전기로 물을 가열하여 온수 매트 또는 온수 패널의 수관에 온수를 공급하는 온수 매트 또는 온수 패널용 전기 보일러에 관한 것이다.
근래, 가스 보일러나 석유 보일러를 대체하여, 전기 보일러의 사용이 확산 되고 있다. 대부분의 전기 보일러는 온수 매트에 온수를 공급하여 난방하는 등의 국부적 난방 용도로 주로 사용되고 있지만, 방실의 바닥에 수관을 매설할 수 있는 패널을 설치하는 방법으로, 방실 전체의 난방 용도로도 사용할 수 있다.
기존에 소개된 전기 보일러에 의한 난방 방식은 크게 2가지로 분류할 수 있다. 일반적으로는 온수 매트 또는 온수 패널에 배치되는 수관에 물을 공급하거나 수관으로부터 물을 회수하는 물탱크를 마련하고, 물탱크 내에 코일형 히터 등을 함입하여 물탱크 내의 물의 온도를 일정 범위 내에서 가열하여 펌프 등으로 순환시키는 방법이 사용된다. 이러한 방식은 수관에 즉시 공급되지 않는 물탱크 내의 물까지 모두 일정 온도로 가열하게 되므로 열량의 낭비가 크고, 그에 따른 전력 소비가 많은 단점이 있다. 그럼에도 이러한 방식이 주로 사용되는 이유는 물탱크 내의 물을 적절한 출수 온도 또는 난방 온도에 맞게 미리 가열해서 저장해 놓을 수 있기 때문이다.
물탱크 내의 물 전체를 가열하는 방식의 단점을 보완하는 방법으로, 보충수 탱크와 별도로 수관에 연결된 가열 탱크를 마련하고, 가열 탱크 내에만 히터를 설치하여 물을 가열하는 방법이 사용되기도 한다. 그러나, 일정한 속도로 흐르면서 가열 탱크 내로 유입하는 물을 가열 탱크 내에서 배출되기 전에 난방에 필요한 온도로 가열하기 위해서는, 순간 발열량 또는 발열체 표면 온도가 매우 큰 발열체(표면온도 1500℃ 내외)를 필요로 한다.
따라서, 일반적으로 알려져 있는 금속발열체(니크롬선, 철 크롬선, 칸탈선(Fe-Cr-Al)), 탄화규소발열체, 규화몰리브덴 발열체는 발열체의 표면적을 넓게 하는 경우에도 이러한 용도로 사용하기 부적합하다. 이들 발열체들은 고온 산화 및 열화를 막기 위해 스테인레스 관에 삽입하고, 산화마그네슘 등의 절연성 분말로 그 주위를 충진하여 사용하는 것이 일반적인데, 내열온도도 스텐레스 파이프에 따라 결정되어 최고 표면 온도는 800℃정도에 불과하기 때문이다.
고온용 발열체로서 가장 대표적인 것은 탄화규소 발열체인데, 이 발열체는 1400℃의 공기중에서도 필요한 시간동안 계속하여 사용할 수 있어서, 금속이외의 금속발열체에 대신하여 고온 전기로용 발열체로서 널리 사용되고 있다. 그러나 이 발열체의 커다란 결점은 800℃부터 1000℃에서 그 저항의 온도 특성이 큰 온도계수가 급격히 마이너스의 온도계수로 변화하는 것으로서 그 제어회로를 충분히 검토하는 것이 필요하며, 그 제어회로가 포함되므로 가격이 매우 비싸다는 점이다. 따라서, 특수한 전기로 등 고가 제품에는 사용할 수 있지만, 전기 보일러용 히터와 같은 범용의 발열체로 사용하기에는 부적합하다.
근래, 절연성 알루미나 기판 위에 텅스텐(W)선 등 금속 발열선을 배치하고 전체를 알루미나로 피복시킨 발열체가 소위 "세라믹 히터"로서 알려져 있다. 세라믹 히터는 1,000℃ 이상의 표면 온도로 발열하면, 내부 금속 발열선이 산화되어, 그 저항치가 변화되는 문제점이 있어서, 800℃ 이하의 용도로 사용되기 때문에 전기 보일러의 순환수를 유로 내에서 순간 가열하는 데 사용하기에는 부적합하다.
본 발명은 상술한 온수 매트 또는 온수 패널용 전기 보일러의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 제1과제는 온수 매트 또는 온수 패널을 순환하는 순환수만을 순환 유로의 일 지점에서 난방에 필요한 적정온도(50~70℃)로 순간 가열하여 공급할 수 있는 파인세라믹 발열체 전기 보일러를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제2과제는 전기 보일러의 초기 가동시 짧은 시간 내에 난방에 필요한 적정온도(50~70℃)로 순환수를 가열할 수 있는 파인세라믹 발열체 전기 보일러를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제3과제는 금속발열체, 탄화규소발열체 또는 세라믹 히터와 비교하여 투입전력 대비 높은 온도의 온수를 생성할 수 있는 파인세라믹 발열체 전기 보일러를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 제4과제는 수관 내부의 물이 부족하거나 공기가 차 수관 내부 압력이 저하될 경우, 자동으로 수관에 보충수를 충전할 수 있는 구조의 파인세라믹 발열체 전기 보일러를 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 제1과제 내지 제3과제는, 온수매트 또는 온수패널을 순환하는 온수용 수관에 연속하여 순환수 가열유로를 형성하고, 상기 순환수 가열유로 내부에 순환수 가열유로 내부를 지나는 순환수를 직접 가열하는 히터를 장치하며, 상기 순환수 가열유로에 물을 보충하는 보충수 통을 상기 순환수 가열유로와 공간적으로 분리하여 형성하되, 상기 순환수를 직접 가열하는 히터의 발열체는, 탄화규소(SiC)분말 60 ~ 95 중량%, 토르말린(tourmaline) 분말 5 ~ 40 중량%를 포함하여 소성한 파인세라믹 발열체으로 구성함으로써 해결할 수 있다.
상기 히터의 발열체는 산화알루미늄분말 또는 산화마그네슘분말 가운데서 선택한 적어도 1종의 열전도물질을 0. 1 ~ 10중량% 더 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 제4과제는 상기 보충수 통을 상기 순환수 가열유로와 단일 몸체 내에서 격벽을 사이에 두고 순환수 가열유로보다 상부에 형성하고, 상기 격벽에 가열유로 내의 순환수 압력이 보충수 통의 저장수 압력보다 낮아졌을 때 보충수 통의 물이 상기 가열유로 내로 유입될 수 있도록 보충수 채널을 형성함으로써 해결할 수 있다.
상술한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 탄화규소에 분산된 토르말린의 열전 효과로 인하여 발열체가 저항값이 큰 저항체로 작용하므로, 발열체에 전력을 투입할 매우 빠르게 1,100℃ ~ 1,3000℃ 전후까지 상승하고, 이렇게 발생된 열은 축열기능이 뛰어나고 열을 받으면 원적외선을 방출하는 토르말린에 작용하여 발열체 표면온도를 순간적으로 1,500℃ 내외에 이르게 하므로, 온수 매트 또는 온수 패널을 순환하는 순환수를 순환수 가열유로에서 난방에 필요한 적정온도(50~70℃)로 순간 가열하여 공급할 수 있고, 전기 보일러의 초기 가동시 짧은 시간 내에 난방에 필요한 적정온도(50~70℃)로 순환수를 가열할 수 있을 뿐만 아니라, 저항열 뿐만 아니라 토르말린에서 방출된 원적외선으로 인하여 금속발열체, 탄화규소발열체 또는 세라믹 히터와 비교하여 투입전력 대비 170% 내외의 전력 효율을 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 보충수 통과 순환수 가열유로를 연결하는 보충수 채널을 통해, 순환수 압력이 보충수 통의 저장수 압력보다 낮아졌을 때, 보충수 통의 물이 자연스럽게 유입되므로, 물보충을 위하여 별도의 장치를 마련할 필요가 없고, 전기 보일러를 매우 컴팩트하게 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 파인세라믹 발열체 전기 보일러의 측단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 파인세라믹 발열체 전기 보일러의 정단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 파인세라믹 발열체 전기 보일러의 정단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 파인세라믹 발열체 전기 보일러의 정단면도이다.
도 5는 도 1 내지 도 4에 도시된 히터의 사시도이다.
도 6은 도 5의 A-A'절단선에 대한 확대단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 파인세라믹 발열체 전기 보일러의 정단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 파인세라믹 발열체 전기 보일러의 정단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 파인세라믹 발열체 전기 보일러의 정단면도이다.
도 5는 도 1 내지 도 4에 도시된 히터의 사시도이다.
도 6은 도 5의 A-A'절단선에 대한 확대단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1에서, 입수관(1a) 및 출수관(1b)에는 온수매트 또는 온수패널을 순환하는 온수용 수관이 연결된다. 본 발명에 따른 순환수 가열유로(5)는 입수관(1a) 및 출수관(1b) 사이에 배치되어, 순환수 유로의 일부를 이룬다. 출수관(1b) 또는 입수관(1b)에는 온수를 순환시킬 수 있는 펌프(3)가 마련된다. 이와 같이, 본 발명의 특징 중 하나는 온수매트 또는 온수패널을 순환하는 온수용 수관에 연속하여 순환수 가열유로(5)를 형성하고, 상기 순환수 가열유로(5) 내부에 순환수 가열유로 내부를 지나는 순환수를 직접 가열하는 히터(7)를 장치하여, 난방에 필요한 열량을 이 순환수 가열유로(5)에서만 공급하는 데 있다.
순환수 가열유로(5)의 물 소통 공간 단면적은 수관(1a, 1b)의 내경 단면적과 같게 하거나 약간 크게 한다. 그러나, 순환수 가열유로(5)의 물 소통 공간 단면적이 수관(1a, 1b)의 내경 단면적보다 2배 이상인 것은 부적절하다. 본 발명의 구체적인 실시 예에서, 순환수 가열유로(5) 내벽과 히터 외면 사이의 간격은 2~3mm가 최적이었으며, 크게 하는 경우에도 3~5mm 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하였다. 이렇게 함으로써, 순환수 가열유로(5) 내에서 물의 진행 속도는 순환 내부에서의 물의 진행 속도와 같거나 약간 느려진다. 본 발명은 이와 같이, 일정한 속도로 순환하는 물을, 순환수 가열유로(5)에 입수된 후 출수되기 전까지 난방에 적절한 온도(50 ~ 70℃)로 가열하는 것이다. 사용자의 사용환경에 따라 차이가 있지만, 온수매트 또는 온수패널을 순환한 후 순환수 가열유로(5)에 입수되는 물의 온도는 30~40℃에 이르므로, 상기 히터(7)는 입수 온도와 출수 온도의 차이(ΔT) 만큼의 열량을 짧은 시간에 공급할 수 있는 능력이 있어야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의하면, 상기 순환수 가열유로(5)에 물을 보충하는 보충수 통(21a)을 상기 순환수 가열유로(5)와 공간적으로 분리하여 형성한다. 이렇게 함으로써 히터(7) 방출 열량은 순환수에만 공급된다.
상기 보충수 통(21a, 21b)과 순환수 가열유로(5) 하우징은 별도로 성형하여 서로 부착할 수 있지만, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 순환수 가열유로(5)와 단일 몸체 내에서 격벽(25a)을 사이에 두고 순환수 가열유로(5) 보다 상부에 형성하고, 상기 격벽(5)에는 순환수 가열유로(5) 내의 순환수 압력이 보충수 통(21a, 21b)의 저장수 압력보다 낮아졌을 때 보충수 통(21a, 21b)의 물이 상기 가열유로 내로 유입될 수 있도록 보충수 채널(23a, 23b)을 형성하는 것이 바람직하다. 도면 1 내지 도 4에는 보충수 통(21a, 21b) 하부 또는 내부 바닥에 1개의 순환수 가열유로(5)를 형성하고, 각 순환수 가열유로(5)에 히터(7)가 설치된 구조가 도시되어 있으나, 보충수 통(21a, 21b) 하부 또는 내부 바닥에 2개 또는 3개의 순환수 가열유로(5)를 연속으로 형성하여, 1개의 보충수 통(21a, 21b)을 2개 또는 3개의 순환수 가열유로(5)가 공통으로 사용하게 할 수 있다. 물론 이때도 각 순환수 가열유로(5)마다 보충수 통(21a, 21b)에 도달하는 보충수 채널(23a, 23b)을 형성한다.
본 발명의 가장 큰 특징은 상기 순환수를 직접 가열하는 히터(7)의 구성에 있다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 히터는 내부의 발열체(11)와 발열체(11) 상하 표면에 형성된 도체 전극(13a, 13b)과 상기 발열체(11) 및 전극(13a, 13b)을 감싸는 세라믹 재질의 절연 외피(15)로 구성된다. 절연 외피(15)의 재질은 알루미나(산화알루미늄)가 바람직하다.
본 발명은 짧은 시간에 발열체가 고온에 도달하여 대용량의 열량을 방출하기 위하여, 상기 발열체(11)를 탄화규소분말 60 ~ 95 중량%, 토르말린분말 5 ~ 40 중량%를 포함하여 소성한 파인세라믹으로 성형한다. 상기 발열체(11)는 탄화규소분말은 60 ~ 85 중량%, 토르말린분말 5 ~ 39.9중량%를 포함하고, 여기에 산화알루미늄분말 또는 산화마그네슘분말 가운데서 선택한 적어도 1종의 열전도물질을 0. 1 ~ 10중량% 더 포함하여 소성할 수 있다. 더 바람직하게는 탄수규소분말 75% ~ 85%, 토르말린분말 10 ~ 20%, 산화알루미늄 1% ~ 5%, 산화마그네슘 1% ~ 5%의 혼합비로 소성한다. 일 실시 예로서, 발열체(11)의 조성은 80 중량%의 탄화규소, 10 중량%의 토르말린, 5 중량%의 산화알루미늄, 5 중량%의 산화마그네슘으로 제조할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 히터(7)의 발열체는 탄화 규소를 주성분으로 하며, 토르말린, 산화알루미늄 및 산화마그네슘을 혼합하여 성형한다. 상기 발열체(11)의 주성분인 탄화 규소는 전력을 투입하면 저항열에 의하여 발열하는 물질로서, 75 중량% 미만의 조성으로 제조된 발열체으로는 충분한 발열효과를 얻기 어렵다. 탄화 규소가 95 중량%를 초과할 경우에는 강도가 취약해질 뿐만 아니라 부온도계수(NTC) 범위에서 전류 제어가 어려워진다. 뿐만 아니라, 발열체(11)의 다른 필수 구성요소인 토르말린의 특성을 살릴 수 없게 된다.
발열체으로서의 효과를 충분히 가지려면 전기보일러에서 수초 내지 수십초 내에 표면온도가 1,500℃ 정도로 도달하여야 하는데, 이는 90% 이상의 순도를 가지는 탄화규소가 75 중량% 이상을 함유하는 것만으로는 달성할 수 없다. 따라서, 본 발명은 토르말린을 포함하여, 고온 발열이 가능하게 한다. 토르말린분말을 가열하면, 가열하면 양끝이 양 ·음으로 대전하는데, 이러한 성질을 역이용하여 토르말린분말에 전위를 가하면 축열 기능을 하게 된다. 뿐만 아니라 토르말린은 열을 가하면, 다량의 원적외선을 방사한다. 원적외선은 복사열로서 중간 열전달매체 없이 물에 도달하여 방열하므로 열효율이 높고 공명현상에 의한 분자운동의 촉진으로 복사에너지가 쉽게 물에 흡수되어 가열시간이 단축되며 열 손실이 적다. 토르말린의 이와 같은 작용으로, 탄화 규소와 토르말린의 혼합물 발열체는 탄화규소만의 발열체보다 더 빠른 시간에 더 높은 표면 온도에 도달한다.
이하에서는 상술한 발열체을 제조하는 방법을 살펴보기로 한다.
우선, 준비된 재료, 즉, 탄화규소, 토르말린, 산화알루미늄 및 산화마그네슘을 앞서 언급한 바 있는 비율로 혼합한 후 물 또는 무기 접착제와 함께 고르게 반죽을 한다. 반죽 된 재료를 성형하여 발열체을 제작하게 되는데, 이때 그 형상은 막대형상으로 형성하는 것이 바람직하다. 반죽된 재료를 성형함에 있어서는 프레스 가공으로 그 형상을 제작하게 된다. 성형된 발열체는 약 24시간 동안 30~35℃의 온도에서 숙성한 후, 13,000 ~ 14,000℃의 온도에서 소성하게 된다. 이때 이들 발열체 구성요소를 히터 발열부의 절외외피(15)로 기능하는 알루미나 성형체 내에 전극(13a, 13b) 소재와 함께 충전하여 소결할 수 있다. 일 예로, 1차의 소성 공정에서는 500℃ 이하의 온도에서 진행한 후 24시간 이내에 1350℃까지 온도를 상승시키면서 2차 소성 공정을 실시하\할 수 있다. 소성 온도가 1350℃에 이르면 2시간 가량 일정한 온도를 유지한 후, 24시간 동안 완만하게 온도를 낮추어 소성 공정을 완료하게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 이러한 공정을 통해 완성된 발열부(9)의 전극(13a, 13b)에는 인출선(19a, 19b)을 연결하고, 원형 홀더 또는 판형 홀더에 고정하여 전기 보일러에 사용한다.
탄화규소의 비저항은 0.05 ~ 0.5Ω㎝로 매우 낮지만, 탄화규소에 분산된 토르말린의 열전 효과로 인하여 발열체(11)가 저항값이 큰 저항체로 작용하므로, 발열체(11)에 전력을 투입할 매우 빠르게 1,100℃ ~ 1,3000℃ 전후까지 상승하고, 이렇게 발생된 열은 축열기능이 뛰어나고 열을 받으면 원적외선을 방출하는 토르말린에 작용하여 발열체 표면온도를 순간적으로 1,500℃ 내외에 이르게 한다. 따라서, 본 발명에 따른 발열체(11)를 이용하면, 온수 매트 또는 온수 패널을 순환하는 순환수를 순환수 가열유로(5)에서 난방에 필요한 적정온도(50~70℃)로 순간 가열하여 공급할 수 있고, 전기 보일러의 초기 가동시 짧은 시간 내에 난방에 필요한 적정온도(50~70℃)로 순환수를 가열할 수 있을 뿐만 아니라, 저항열 뿐만 아니라 토르말린에서 방출된 원적외선으로 인하여 금속발열체, 탄화규소발열체 또는 세라믹 히터와 비교하여 투입전력 대비 170% 내외의 전력 효율을 얻을 수 있다.
1a, 1b : 수관 3 : 펌프
5 : 순환수 가열유로 7 : 히터
9 : 발열부 11 : 발열체
13a, 13b : 전극 15 : 절연외피
17 : 지지부 19a, 19b :인출선
21a, 21b : 보충수 통 23a, 23b : 보충수 채널
25 : 격벽 27 : 물투입구
5 : 순환수 가열유로 7 : 히터
9 : 발열부 11 : 발열체
13a, 13b : 전극 15 : 절연외피
17 : 지지부 19a, 19b :인출선
21a, 21b : 보충수 통 23a, 23b : 보충수 채널
25 : 격벽 27 : 물투입구
Claims (3)
- 온수매트 또는 온수패널을 순환하는 온수용 수관에 연속하여 순환수 가열유로를 형성하고, 상기 순환수 가열유로 내부에 순환수 가열유로 내부를 지나는 순환수를 직접 가열하는 히터를 장치하며, 상기 순환수 가열유로에 물을 보충하는 보충수 통을 상기 순환수 가열유로와 공간적으로 분리하여 형성하되,
상기 순환수를 직접 가열하는 히터의 발열체는, 탄화규소분말 60 ~ 95 중량%, 토르말린분말 5 ~ 40 중량%를 포함하여 소성한 파인세라믹 발열체인 것을 특징으로 하는 파인세라믹 발열체 전기 보일러.
- 제 1 항에 있어서,
상기 히터의 발열체는, 탄화규소분말 60 ~ 85 중량%, 토르말린분말 5 ~ 39.9중량%를 포함하고, 산화알루미늄분말 또는 산화마그네슘분말 가운데서 선택한 적어도 1종의 열전도물질을 0. 1 ~ 10중량% 더 포함하여 소성한 것을 특징으로 하는 파인세라믹 발열체 전기 보일러.
- 제 1 항에 있어서,
상기 보충수 통은 상기 순환수 가열유로와 단일 몸체 내에서 격벽을 사이에 두고 순환수 가열유로보다 상부에 형성하고, 상기 격벽에는 순환수 가열유로 내의 순환수 압력이 보충수 통의 저장수 압력보다 낮아졌을 때 보충수 통의 물이 상기 순환수 가열유로 내로 유입될 수 있도록 보충수 채널을 형성한 것을 특징으로 하는 파인세라믹 발열체 전기 보일러.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130022861A KR101432189B1 (ko) | 2013-03-04 | 2013-03-04 | 파인세라믹 발열체 전기 보일러 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101729278B1 (ko) | 2016-05-03 | 2017-04-21 | 하양호 | 에너지 절감 히터 |
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|---|---|---|---|---|
| KR200421793Y1 (ko) | 2006-03-17 | 2006-07-19 | 장경식 | 매트용 온수순환보일러 |
| KR100880773B1 (ko) | 2008-01-23 | 2009-02-02 | (주) 씨엠테크 | 유체 가열장치 |
| KR20120005900A (ko) * | 2010-07-09 | 2012-01-17 | 웅진코웨이주식회사 | 세라믹 히터 및 이를 구비하는 가열장치 |
| KR20120099906A (ko) * | 2011-03-02 | 2012-09-12 | 강성철 | 유체용 연속 히터장치 |
-
2013
- 2013-03-04 KR KR1020130022861A patent/KR101432189B1/ko active IP Right Grant
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