KR101450763B1 - 히트펌프를 이용한 콘덴싱 보일러 - Google Patents

히트펌프를 이용한 콘덴싱 보일러 Download PDF

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Abstract

본 발명은 히트펌프를 이용한 콘덴싱 보일러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 잠열 열교환기에서 배기열을 히트펌프를 사용해 시스턴 탱크의 물이 가열되도록 하며, 연소상태가 아닌 대기상태에서도 히트펌프와 연소팬의 구동으로 외부공기에서 흡열하여 시스턴 내부의 물을 가열할 수 있도록 발명한 것이다.
본 발명의 구성은, 송풍팬(12)에 의해 외부공기가 공급되며, 가스공급관(11)을 통하여 유입된 가스를 이용하여서 연소실(20) 내부에서 열을 발생하도록 하는 가스버너(10)와;
상기 가스버너(10)가 열을 받아서 현열파이프(31)로 이동하는 난방수를 데워주는 현열 열교환기(30)와;
상기 현열 열교환기(30)를 통과한 배기가스의 열을 흡수하는 잠열 열교환기(40)와;
회수된 난방수를 일시 저장하고, 현열파이프(31)를 통해 상기 현열 열교환기(30)로 난방수를 공급하는 시스턴 탱크(60)와;
상기 잠열 열교환기(40)와 시스턴 탱크(60)에 순환관(80)이 연결되어, 상기 순환관(80) 내부 냉매의 순환으로 시스턴 탱크(60) 내부에 저장된 물을 가열하는 히트펌프(90)로 구성된다.
또, 상기 히트펌프(90)는, 잠열 열교환기(40) 내부에서 순환관(80) 내부의 저온, 저압의 냉매가 배기열을 흡열해 기화하는 증발기(91)와, 상기 잠열 열교환기(40)에서 흡열하여 기화된 냉매를 고온, 고압 상태로 압축하는 압축기(92)와, 상기 압축기(92)에서 압축된 냉매가 순환관(80)을 따라 시스턴 탱크(60) 내부를 통과하면서 시스턴 탱크 내부의 물을 가열하는 응축기(93)와, 상기 응축기(93)를 통과하면서 응축된 냉매를 저온, 저압 상태로 잠열 열교환기(40)로 공급하는 팽창밸브(94)로 구성되어 달성한다.
그리고, 상기 가스버너(10)의 송풍팬(12)과 히트펌프(90)는 단독 가동되어, 공급된 외부공기와 순환관(80) 내부 냉매가 열 교환 되며, 상기 냉매의 순환으로 시스턴 탱크(60) 내부에 저장된 물과 열 교환한다.

Description

히트펌프를 이용한 콘덴싱 보일러 {Condensing boilers with a heat pump}
본 발명은 히트펌프를 이용한 콘덴싱 보일러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 잠열 열교환기에서 배기열을 히트펌프를 사용해 시스턴 탱크의 물이 가열되도록 하며, 연소상태가 아닌 대기상태에서도 히트펌프와 연소팬의 구동으로 외부공기에서 흡열하여 시스턴 내부의 물을 가열할 수 있도록 발명한 것이다.
일반적으로, 보일러는 연료를 연소시킬 때 발생하는 연소열을 이용하여 물을 가열하고, 가열되어 축열된 물을 강제적으로 순환시키는 순환펌프에 의해 실내에 설치되어 있는 난방배관으로 순환시켜 실내를 난방하게 되며, 아울러 데워진 물을 욕실과 부엌 등에 온수로 공급하는 기기이다.
이러한, 보일러는 제어방식이나 밀폐상태에 따라 여러 가지 형식으로 나눌 수 있으며, 그 밖에도 난방수를 가열하는 열원에 따라 콘덴싱과 비콘덴싱 형식으로 구분할 수 있다.
콘덴싱 방식은 가스버너에 의해 연소된 열을 이용하여 직접적으로 난방수를 가열하는 현열 열교환기와 함께 현열 열교환기를 통과한 배기가스의 응축 잠열을 재차 흡수하여 열효율을 극대화시키는 잠열 열교환기를 지니고 있는 것을 말한다.
비콘덴싱 방식은 현열 열교환기만 구비하고 있는 것을 말한다.
현열 열교환기와 잠열 열교환기를 각각 갖추고 있는 콘덴싱 가스보일러는 가스가 하측으로 이동하여서 열을 공급하도록 하는 하향 연소방식과, 열을 상측으로 이동하면서 열을 공급하도록 하는 상향 연소방식의 가스보일러로 구분할 수 있다.
여기에서, 종래 일반적인 상향 연소식 콘덴싱 가스보일러의 내부구조를 살펴보면 대한민국 특허 등록번호 10-1115775호의 도 1에서와 같이 가스를 연료로 사용하는 가스 보일러는 가스공급관(11')을 통하여 유입된 가스를 이용하여서 연소실(20') 내부에서 열을 발생하도록 하는 가스버너(10')와, 상기 가스버너(10')이 열을 받아서 현열파이프(31')로 이동하는 난방수를 데워주는 현열 열교환기(30')와, 상기 현열 열교환기(30')에서 사용된 열을 이용하여서 잠열파이프(41')를 통하여 이동하는 난방수에 잠열을 제공하도록 하는 잠열 열교환기(40')를 갖추고 있다.
즉, 상기 가스버너(10')의 상부로는 현열 열교환기(30')가 배치되고, 상기 현열 열교환기(30')에 이어져 그 상부로 잠열 열교환기(40')가 배치된다.
그리고, 상기 현열 열교한기(30')와 상기 잠열 열교환기(40') 사이에 상기 잠열 열교환기(40')에서 맺혀진 응축수를 받아주는 중화기(50')와, 가스 보일러 내부 일측에서 난방수가 팽창되는 체적을 보전하기 위하여 일정 내부공간을 갖는 시스턴 탱크(60')가 구비되게 한다.
상기 시스턴 탱크(60')는 속이 빈 탱크 형상으로 성형되며, 내부에는 항상 일정량의 난방수가 저장되게 된다.
이와 같은 구성을 갖는 콘덴싱 가스 보일러를 작동하게 되면, 송풍팬(미도시)에 의해 외부공기가 공급됨과 아울러 가스공급관(11')을 통해 가스가 공급되면서 연소실(20') 하부에 설치된 가스버너(10')가 점화되어 화염이 발생하게 된다.
이에 따라, 상기 가스버너(10')의 연소열이 직접적으로 현열 열교환기(30')에 전달되어, 그 내부 관로를 흐르는 난방수를 가열하게 되며, 배기덕트의 유로 상에 설치된 잠열 열교환기(40')는 배기가스 중의 잠열을 회수하여 난방수를 가열시키게 된다.
한편, 상기 현열 열교한기(30')에서 열을 받아 가열된 난방수는 난방배관(70')을 통과하면서 실내의 난방을 마치게 되고, 이렇게 난방을 마친 난방수는 난방수 환수관(71')을 통해 상시 시스턴 탱크(60')로 유입되어 체적의 변화를 발생시켜 압력이 완화된 다음 순환펌프(미도시)의 작동에 의해 물공급관(72')을 통해 잠열 열교환기(40')로 공급된 다음 현열 열교환기(30')를 지나면서 재차 가열되어 난방수 이송관(73')을 통해 다시 난방배관(70')으로 이동하게 된다.
이러한 과정을 반복적으로 수행하여 난방수가 순환되면서 난방 운전을 하는 것이 일반적으로 콘덴싱 가스 보일러의 구성이다.
그러나, 상기의 콘덴싱 가스 보일러는 잠열 열교환기에 시스턴 탱크의 물이 유입되어 배기열과 열교환되게 한 것으로, 보일러 초기 가동시 시스턴 탱크 내부의 물 온도가 낮은 상태에서는 배기열과 열교환되는데 시간이 지연되는 문제점이 있었다.
또, 상기 콘덴싱 가스 보일러가 작동되어 가스가 연소되어야만, 상기 현열 및 잠열 열교환기를 통해 난방수 및 온수가 공급될 수 밖에 없어 자원의 낭비가 증대되는 폐단이 발생되었다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 10-1115775호 - 콘덴싱 보일러의 중화기 일체형 시스턴(등록일자 2012년 02월 06일).
본 발명의 목적은, 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 잠열 열교환기와 시스턴 탱크를 히트펌프로 전용 연결함으로써, 상기 히트펌프의 냉매를 이용해 시스턴 탱크 내부 물을 가열해 열효율을 향상시키도록 한 히트펌프를 이용한 콘덴싱 보일러를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 가스 보일러의 연소상태가 아닌 대기상태에서도 송풍팬과 히트펌프의 작동으로 시스턴 탱크의 물을 가열해 일정온도 이상으로 유지되도록 함으로써, 온수 공급시간을 단축시킬 수 있도록 한 히트펌프를 이용한 콘덴싱 보일러를 제공하는데 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여,
송풍팬(12)에 의해 외부공기가 공급되며, 가스공급관(11)을 통하여 유입된 가스를 이용하여서 연소실(20) 내부에서 열을 발생하도록 하는 가스버너(10)와;
상기 가스버너(10)가 열을 받아서 현열파이프(31)로 이동하는 난방수를 데워주는 현열 열교환기(30)와;
상기 현열 열교환기(30)를 통과한 배기가스의 열을 흡수하는 잠열 열교환기(40)와;
회수된 난방수를 일시 저장하고, 현열파이프(31)를 통해 상기 현열 열교환기(30)로 난방수를 공급하는 시스턴 탱크(60)와;
상기 잠열 열교환기(40)와 시스턴 탱크(60)에 순환관(80)이 연결되어, 상기 순환관(80) 내부 냉매의 순환으로 시스턴 탱크(60) 내부에 저장된 물을 가열하는 히트펌프(90)로 구성된다.
또, 상기 히트펌프(90)는, 잠열 열교환기(40) 내부에서 순환관(80) 내부의 저온, 저압의 냉매가 배기열을 흡열해 기화하는 증발기(91)와, 상기 잠열 열교환기(40)에서 흡열하여 기화된 냉매를 고온, 고압 상태로 압축하는 압축기(92)와, 상기 압축기(92)에서 압축된 냉매가 순환관(80)을 따라 시스턴 탱크(60) 내부를 통과하면서 시스턴 탱크 내부의 물을 가열하는 응축기(93)와, 상기 응축기(93)를 통과하면서 응축된 냉매를 저온, 저압 상태로 잠열 열교환기(40)로 공급하는 팽창밸브(94)로 구성되어 달성한다.
그리고, 상기 가스버너(10)의 송풍팬(12)과 히트펌프(90)는 단독 가동되어, 공급된 외부공기와 순환관(80) 내부 냉매가 열 교환 되며, 상기 냉매의 순환으로 시스턴 탱크(60) 내부에 저장된 물과 열 교환한다.
이러한 구조로 이루어진 본 발명에 의하면, 히트펌프를 이용해 잠열 열교환기의 흡열량을 향상시켜 열교환 효율이 극대화됨으로써, 보일러의 난방성능을 증대시킬 수 있다.
또, 연소상태가 아닌 난방 대기상태에서 송풍팬과 히트펌프의 단독 가동으로 외부공기에서 흡열하여 시스턴 탱크 내부의 물을 가열된 상태로 유지시켜 난방수 및 온수를 빠르게 가열할 수 있어 소비자의 만족도를 증대시키는 매우 유용한 발명인 것이다.
도 1은 종래 콘덴싱 보일러의 구성을 개략적으로 도시한 정면도.
도 2는 본 발명인 콘덴싱 보일러의 구성을 도시한 정면도.
이하, 첨부된 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성과 작동 례를 살펴보면 다음과 같다.
본 발명인 히트펌프를 이용한 콘덴싱 보일러는, 잠열 열교환기에서 배기열을 히트펌프를 사용해 시스턴 탱크의 물이 가열되도록 하며, 연소상태가 아닌 대기상태에서도 히트펌프와 연소팬의 구동으로 외부공기에서 흡열하여 시스턴 내부의 물을 가열할 수 있도록 발명한 것이다.
우선, 본 명세서 상에서 사용되는 대략적인 방향기준을 도 2를 참고해 설명하면, 본 발명인 콘덴싱 보일러는 크게 가스버너(10)에서 발생하는 열을 흡수하는 현열 열교환기(30)와, 상기 현열 열교환기를 통과한 배기가스의 열을 흡수하는 잠열 열교환기(40)와, 회수된 난방수를 일시 저장하는 시스턴 탱크(60)로 구성된다.
여기에, 상기 잠열 열교환기(40)와 시스턴 탱크(60)에 순환관(80)이 연결되어, 상기 순환관(80) 내부 냉매의 순환으로 시스턴 탱크(60) 내부에 저장된 물을 가열하는 히트펌프(90)가 더 구성된다.
상기 가스버너(10)는 송풍팬(12)에 의해 외부공기가 공급되며, 가스공급관(11)을 통하여 유입된 가스를 이용하여서 연소실(20) 내부에서 열을 발생하도록 한다.
그리고, 현열 열교환기(30)는, 상기 가스버너(10)가 열을 받아서 현열파이프(31)로 이동하는 난방수와 열 교환되면서, 상기 난방수를 데워주게 한다.
또, 상기 현열 열교환기(30)의 상부에 위치하는 잠열 열교환기(40)는 현열 열교환기를 통과한 배기가스의 열을 히트펌프(90)의 증발기(91)가 흡수하고, 상기 증발기(91)내부를 통과하는 순환관(80)과의 냉매와 열 교환하게 된다.
또한, 시스턴 탱크(60)는 내부에 회수된 난방수를 일시 저장하면서, 상기 히트펌프(90)를 구성하는 응축기(93)가 위치되게 하여, 상기 순환관(80)을 통해 순환하는 냉매와 열 교환하면서 내부에 저장된 물을 가열한다.
여기에서, 상기 히트펌프(heat pump)의 구조를 설명하면, 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 성질이 있는데, 히트펌프는 반대로 낮은 온도에서 높은 온도로 열을 끌어 올리는 역할도 한다.
상기 히트펌프는 압축된 냉매를 증발시켜 주위의 열을 빼앗는 용도로 개발되었으나, 지금은 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원(熱源)을 고온으로 전달하는 냉방장치, 고온의 열원을 저온으로 전달하는 난방장치, 냉난방 겸용장치를 포괄하는 의미로 쓰인다.
본 발명은, 여기서 상기 히트펌프(90)의 고온의 열원을 저온으로 전달하는 것을 이용한 것으로, 구조는 압축기(92), 증발기(91), 응축기(93), 팽창밸브(94) 등으로 이루어져 있다.
즉, 상기 히트펌프(90)는, 잠열 열교환기(40) 내부에서 배기열을 흡열해 순환관(80) 내부 냉매를 발열하는 증발기(91)와, 상기 잠열 열교환기(40)에서 발열된 냉매를 고온, 고압 상태로 압축하는 압축기(92)와, 상기 압축기(92)에서 압축된 냉매가 순환관(80)을 따라 시스턴 탱크(60) 내부를 통과하면서 시스턴 탱크 내부의 물을 가열하는 응축기(93)와, 상기 응축기(93)를 통과하면서 응축된 냉매를 저온, 저압 상태로 잠열 열교환기(40)로 공급하는 팽창밸브(94)로 구성된다.
따라서, 히트펌프(90)가 작동되면 증발기(91)에서 저온, 저압의 냉매가 배기열로부터 흡열하여 기화되고, 압축기(92)에서 고온ㅇ고압으로 압축된 냉매를 응축기(93)로 보내 시스턴 탱크(60)의 물을 가열하고, 응축된 냉매를 저온 , 저압 상태로 증발기(91)로 이동하는 사이클이 반복되게 구성한다.
상기와 같은 히트펌프(90)를 이용하게 되면, 상기 시스턴 탱크(60)에는 난방배관을 구성하는 난방환수관(71)을 통해 난방을 마친 난방수가 저장되면서, 히트펌프(90)의 응축기(93)로 온도가 낮아진 난방수를 가열하게 된다.
그리고, 상기 응축기(93)로 가열된 난방수는 순환펌프(미부호)와 물공급관(72) 및 현열 파이프(31)를 통해 현열 열교환기(30)로 공급되어 가열된 후 다시 난방수 이송관(73)을 통해 이동하게 된다.
그리고 본 발명의 실시 예로 가스버너(10)가 작동되지 않는 상태, 즉 보일러 대기상태에서 송풍팬(12)을 가동하게 되면, 외부공기만 연소실(20)을 통해 배기구로 배출된다.
이때, 히트펌프(90)도 같이 가동되어 순환관(80) 내부 냉매를 이동시키면, 상기 공급된 외부공기가 잠열 열교환기(40)에서 열 교환되면서, 상기 서술된 히트펌프(90)의 순환에 따라 시스턴 탱크(60)내부에 저장된 물을 가열해 일정온도로 유지되게 한 것이다.
즉, 일 예로서 온도가 높은 여름철에는 보일러를 가동하지 않는 상태에서 샤워 및 목욕을 하기 위해 온수를 공급받기 원하는 경우에는 상기 현열 열교환기(30)를 통해 물을 가열해 공급받게 된다.
이때, 시스턴 탱크(60) 내부의 물이 송풍팬(12)과 히트펌프(90)의 가동으로 일정온도 이상으로 가열된 상태에서 상기 현열 열교환기(30)로 공급되면, 상기 현열 열교환기(30)를 통해 가열되는 시간을 단축시켜 보다 신속하게 온수를 공급할 수 있어 사용자의 편의성을 향상시킬 수 있게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10 - 가스버너 12 - 송풍팬
20 - 연소실 30 - 현열 열교환기
40 - 잠열 열교환기 60 - 시스턴 탱크
80 - 순환관 90 - 히트펌프
91 - 증발기 92 - 압축기
93 - 응축기 93- 팽창밸브

Claims (3)

  1. 송풍팬(12)에 의해 외부공기가 공급되며, 가스공급관(11)을 통하여 유입된 가스를 이용하여서 연소실(20) 내부에서 열을 발생하도록 하는 가스버너(10)와;
    상기 가스버너(10)가 열을 받아서 현열파이프(31)로 이동하는 난방수를 데워주는 현열 열교환기(30)와;
    상기 현열 열교환기(30)를 통과한 배기가스의 열을 흡수하는 잠열 열교환기(40)와;
    회수된 난방수를 일시 저장하고, 현열파이프(31)를 통해 상기 현열 열교환기(30)로 난방수를 공급하는 시스턴 탱크(60)와;
    상기 잠열 열교환기(40)와 시스턴 탱크(60)에 순환관(80)이 연결되어, 상기 순환관(80) 내부 냉매의 순환으로 시스턴 탱크(60) 내부에 저장된 물을 가열하는 히트펌프(90)로 구성됨을 특징으로 한 히트펌프를 이용한 콘덴싱 보일러.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 히트펌프(90)는, 잠열 열교환기(40) 내부에서 순환관(80) 내부의 저온, 저압의 냉매가 배기열을 흡열해 기화하는 증발기(91)와;
    상기 잠열 열교환기(40)에서 흡열하여 기화된 냉매를 고온, 고압 상태로 압축하는 압축기(92)와;
    상기 압축기(92)에서 압축된 냉매가 순환관(80)을 따라 시스턴 탱크(60) 내부를 통과하면서 시스턴 탱크 내부의 물을 가열하는 응축기(93)와;
    상기 응축기(93)를 통과하면서 응축된 냉매를 저온, 저압 상태로 잠열 열교환기(40)로 공급하는 팽창밸브(94)로 구성됨을 특징으로 한 히트펌프를 이용한 콘덴싱 보일러.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 가스버너(10)의 송풍팬(12)과 히트펌프(90)는 단독 가동되어, 공급된 외부공기와 순환관(80) 내부 냉매가 열 교환 되며, 상기 냉매의 순환으로 시스턴 탱크(60) 내부에 저장된 물과 열 교환함을 특징으로 한 히트펌프를 이용한 콘덴싱 보일러.
KR1020130103837A 2013-08-30 2013-08-30 히트펌프를 이용한 콘덴싱 보일러 KR101450763B1 (ko)

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