KR101477074B1 - 증기압을 이용한 무동력 온수 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온수 보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전기히터에 의해 가열된 물에서 발생하는 증기의 압력을 이용하여 펌프 없이 무동력으로 온수를 순환시킬 수 있는 건물 난방용 무동력 온수 보일러에 관한 것이다. 본 발명에 따른 무동력 온수 보일러는, 일측 상부에 체크밸브가 구비된 냉수공급관이 연결되고, 타측 상부로부터 하방으로 삽입되어 연장 형성되며 말단은 가열챔버의 바닥면으로부터 일정 간격 이격 된 온수토출관이 구비되며, 내부에 온수 및 증기가 일시 저장되는 공간부가 형성된 가열챔버와; 상기 가열챔버의 내부 냉수공급관 하측에 설치되어 냉수공급관을 통해 공급되는 냉수를 가열하는 전기히터와; 상기 가열챔버의 내부 중앙에 설치되어, 가열챔버 내부를 전기히터로 냉수를 가열하는 가열실과 냉수 가열시 발생한 증기의 압력으로 온수를 가압하여 토출시키는 가압실로 좌우 분할하되, 상단부에는 가열실에서 냉수를 가열할 때 발생되는 증기가 가압실로 이동되도록 증기유통공이 형성되고, 하단부에는 가열실에서 냉수의 가열에 의해 발생된 온수가 가압실로 이동되도록 온수유통공이 형성된 열전도성 격벽을 포함하여; 상기 가열챔버의 가압실 상부에 저장되는 증기의 압력에 의해 가압실 하부에 저장되는 온수가 가압되어 온수토출관을 통해 외부로 토출되는 것을 특징으로 한다.

Description

증기압을 이용한 무동력 온수 보일러{HOT WATER BOILER WITHOUT POWER USING VAPOR PRESSURE}

본 발명은 온수 보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전기히터에 의해 가열된 물에서 발생하는 증기의 압력을 이용하여 펌프 없이 무동력으로 온수를 순환시킬 수 있는 무동력 온수 보일러에 관한 것이다.

일반적으로 주택이나 산업 및 농업용 건물에는 겨울철 난방을 위한 난방장치가 구비된다. 이러한 난방장치들로는 보일러, 온풍기, 전기히터, 난로 등 다양한 종류가 사용되는데, 그 중에서도 특히, 온수 순환을 통하여 바닥이나 벽체를 가열하고 대류 현상을 통하여 실내 공기까지 데워줄 수 있는 보일러형 난방장치가 가장 선호되며, 주택의 경우 거의 대부분이 이러한 보일러 온수 순환 방식의 난방장치를 채택하고 있다.

보일러 온수 순환 방식 난방장치는 통상적으로 기름이나 가스 등의 열원에 의해 버너를 점화시키고, 점화된 버너의 화염을 이용하여 온수를 생성한 후 펌프를 구동하여 건물의 바닥에 매설된 온수순환배관을 통하여 온수를 순환시켜 난방을 수행하도록 구성된다. 그런데, 버너의 점화 및 온수 가열에 소요되는 기름이나 가스 가격이 매우 비싸고 열효율 또한 좋지 못하며, 온수 순환에 펌프를 구동해야 하므로 추가적인 전기 사용으로 겨울철 난방비가 많이 소요되는 단점이 존재한다.

이에, 겨울철 난방비를 줄일 수 있는 다양한 난방장치들이 제시되고 있는데, 특히, 대한민국 등록특허 제10-1110551호에는 전기히터에 의해 가열된 물에서 발생되는 증기압을 이용하여 펌프 없이 온수를 생성 및 순환시키는 무동력 온수 펌핑장치가 제시된다.

도 1 에는 상기 등록특허에 따른 종래 온수 펌핑장치의 구성이 도시된다. 도 1 (a)는 상기 온수 펌핑장치의 사시도이고, 도 1의 (b)는 상기 온수 펌핑장치의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 온수 펌핑장치는 역류방지용 체크밸브(4)가 설치된 공급관(3)을 통해 냉수를 공급받음과 함께 온수를 생성하여 배출관(5)을 통해 생성된 온수를 무동력으로 배출시키는 무동력 온수 펌핑 장치(1)로서, 전원의 인가에 의해 발열 작동하는 전기히터(40); 상기 전기히터(40)가 내부에 수용 장착되고, 상기 공급관(3)이 상단부 일측에 연결되며, 내주면과 상기 전기히터(40)와의 사이에 소정 크기의 증기생성공간부(12)를 가지는 상부실린더(10); 및 상기 상부실린더(10)의 하측에서 연결통로(30)에 의해 상단부가 상기 상부실린더(10)의 하단부에 연통되며, 상기 배출관(5)이 하단부 일측에 연결되는 하부실린더(20);를 포함하여, 상기 전기히터(40)의 발열 작동에 따라 상기 상부실린더(10)의 증기생성공간부(12)에서 생성되는 증기압에 의해 상기 하부실린더(20)에서 생성되는 온수가 자동으로 배출되는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 따르면, 가열된 물의 증기압을 이용하여 무동력으로 온수를 순환시킬 수 있다는 장점은 있으나, 공급관(3)을 통해 유입되는 냉수가 전기히터(40) 주변에 체류하는 시간이 극히 짧아 증기의 생성량이 적다는 단점이 존재한다. 또한, 온수는 하부실린더(20)에 저장되어 전기히터(40)에 의해 간접가열됨에 따라 형성되는 것으로 되어 있는데, 전기히터(40)가 상부실린더(10) 몸체와 하부실린더(20) 몸체에 의해 가려져 있고 중앙의 좁은 연결통로(30)에 의해서만 연통되므로 열전달이 효과적이 못하여 온수 생성이 더디고, 설령 상부실린더(10)와 하부실린더(20)를 금속재질로 구성하여 전기히터(40)로부터의 열전도 방식으로 물을 가열한다고 하더라도 상부실린더(10) 및 하부실린더(20)에서의 열손실이 크고 외부에 열이 그대로 전달되므로 사용자가 화상 위험이 존재한다. 그리고, 온수 생성시 발생되는 버블 및 증기가 온수순환배관으로 유입되어 기포를 발생시킴으로써 가동시 소음이 발생하고 온수의 순환장애 현상이 발생하는 단점이 존재한다. 또한, 상기 등록특허는 주로 온수매트에의 적용을 위한 구성으로서 증기압이 작기 때문에 온수순환배관이 길어 큰 순환압력이 필요한 일반 가정이나 산업 및 농업용 건물에서 난방 수단으로서는 부적합하다는 문제점이 존재한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 온수 순환 보일러의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 열효율이 낮고 연료비가 높은 기름 또는 가스의 사용을 배제하고 전기히터를 사용함으로써 난방비를 줄이고, 증기압을 이용하여 무동력으로 온수를 순환시키되, 증기 생성량이 많고 온수 생성 시간이 짧으며, 버블 및 증기의 배관내 유입으로 인한 소음 및 순환장애 현상을 해소할 수 있고, 온수매트용 뿐만 아니라 대용량 건물 난방 수단으로도 사용가능한 온수 보일러를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무동력 온수 보일러는, 일측 상부에 체크밸브가 구비된 냉수공급관이 연결되고, 타측 상부로부터 하방으로 삽입되어 연장 형성되며 말단은 가열챔버의 바닥면으로부터 일정 간격 이격 된 온수토출관이 구비되며, 내부에 온수 및 증기가 일시 저장되는 공간부가 형성된 가열챔버와; 상기 가열챔버의 내부 냉수공급관 하측에 설치되어 냉수공급관을 통해 공급되는 냉수를 가열하는 전기히터와; 상기 가열챔버의 내부 중앙에 설치되어, 가열챔버 내부를 전기히터로 냉수를 가열하는 가열실과 냉수 가열시 발생한 증기의 압력으로 온수를 가압하여 토출시키는 가압실로 좌우 분할하되, 상단부에는 가열실에서 냉수를 가열할 때 발생되는 증기가 가압실로 이동되도록 증기유통공이 형성되고, 하단부에는 가열실에서 냉수의 가열에 의해 발생된 온수가 가압실로 이동되도록 온수유통공이 형성된 열전도성 격벽을 포함하여; 상기 가열챔버의 가압실 상부에 저장되는 증기의 압력에 의해 가압실 하부에 저장되는 온수가 가압되어 온수토출관을 통해 외부로 토출되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 증기유통공은 대체로 사각형으로 구성되고 격벽의 상단부에 다수개가 소정 간격 이격되어 나란히 배치되고, 상기 온수유통공은 격벽의 하단부에 대체로 반원형으로 형성되고 다수개가 소정 간격 이격되어 나란히 배치되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 격벽은 가열챔버의 중앙 천정부 및 바닥부에 각각 설치된 격벽설치레일에 슬라이드 방식으로 삽입 장착되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 전기히터는 전원공급에 따라 발열되는 히터로서, 냉수공급관이 구비된 가열챔버의 가열실에 설치되되, 전방위로 열을 발산할 수 있도록 원통형으로 구성되어 수평 배치되며, 가열챔버의 일측에는 관통공이 형성되어 전기히터의 몸체를 관통공을 통하여 가열챔버 외측으로부터 내측으로 삽입하고, 단자부는 상기 관통공에 걸려 결합되도록 단차지게 구성되어, 단자부가 가열챔버의 외측에 노출되도록 결합되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전기히터는 가열챔버의 가열실 내부에 수평 배치되되, 말단부가 상기 격벽에 맞닿도록 배치될 수도 있고, 말단부가 상기 격벽을 관통하여 가압실 내부에까지 연장되도록 배치될 수도 있다.

그리고, 상기 가열챔버의 가열실 및 가압실에는 각각 제1레벨센서와 제2레벨센서가 구비되되, 상기 제1레벨센서는 가열실 내에 저장되는 물의 최고수위를 감지하며, 상기 제2레벨센서는 가압실에 저장되는 물의 최저수위를 감지하여, 제1레벨센서에서 최고수위에 도달한 것으로 감지되면 냉수공급관을 통한 물의 공급을 중단하도록 제어하고, 제2레벨센서에서 최저수위에 도달한 것으로 감지되면 온수토출관에 설치된 자동밸브를 닫아 온수의 토출을 막도록 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 가열챔버의 가압실에는 내부의 증기압을 측정하여 미리 설정된 압력에 도달하는 경우 온수토출관의 자동밸브를 개방토록 하기 위한 제1압력센서가 구비되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 가압실로부터 온수토출관을 통해 토출되는 온수의 압력이 난방배관의 순환에 필요한 압력보다 낮은 경우, 온수의 토출 압력을 증가시키기 위한 승압수단이 추가로 구비되되, 상기 승압수단은 고압의 질소가스가 저장된 질소탱크와; 상기 질소탱크로부터 질소가 토출되는 질소토출관과; 일단이 상기 질소토출관에 연결되고 타단은 상기 가열챔버의 가압실 상부에 연결되어 질소가스를 가압실 내부로 공급함과 아울러 온수의 가압 후 질소가스를 다시 회수하기 위한 질소유출입관과; 상기 질소토출관과 질소유출입관이 교차되는 지점으로부터 분기되어 질소탱크에 연결됨으로써 회수된 질소가스를 질소탱크로 유입시키기 위한 질소회수관과; 상기 질소토출관과 질소유출입관 및 질소회수관의 교차점에 설치되는 삼방밸브와; 상기 질소회수관에 구비되는 흡입펌프를 포함하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 전기히터를 사용하여, 열효율이 낮고 연료비가 높은 기름 또는 가스의 사용을 배제함으로써 난방비를 줄이고, 증기압을 이용하여 무동력으로 온수를 순환킴으로서 추가적으로 에너지 소모를 줄일 수 있으며, 증기 생성량이 많아 온수 순환압력이 증대되고 온수 생성 시간이 짧다. 그리고, 히터와 온수토출배관을 격리시킴으로써 배관내 버블 및 증기의 유입을 막아 소음과 순환장애 현상을 해소할 수 있으며, 추가적인 승압수단을 구비하여 대용량 건물 난방 수단으로도 활용할 수 있다는 장점을 갖는다.

도 1 은 종래 온수 순환 펌핑 장치의 사시도 및 단면도,
도 2 는 본 발명에 따른 무동력 온수 보일러의 부분 절개 사시도,
도 3 은 본 발명에 따른 무동력 온수 보일러의 전체 작동을 설명하기 위한 시스템 개략도이다.

이하, 본 발명에 따른 무동력 온수 보일러의 구성 및 작용에 대하여 첨부된 도면 및 바람직한 실시예를 참조로 상세히 설명하기로 한다.

도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무동력 온수 보일러는 가열챔버(10), 격벽(20), 전기히터(30), 순환배관(70) 및 승압수단(50)을 포함한다.

가열챔버(10)는 외부로부터 공급된 냉수를 가열하여 증기와 온수를 형성하고, 형성된 증기의 압력에 의해 온수를 다시 외부로 배출하는 부분이다. 이를 위해, 상기 가열챔버(10)의 일측 상부에는 냉수공급관(12)이 구비되고, 타측 상부에는 온수토출관(14)이 형성된다. 여기서, 상기 온수토출관(14)은 후술하는 바와 같이 생성된 온수에 항상 잠겨지도록 가열챔버(10)의 내측 상방으로부터 하방으로 길게 연장 형성되고 말단은 온수가 유입될 수 있도록 가열챔버(10)의 바닥면으로부터 소정 간격 이격 설치되는 것이 바람직하다. 상기 가열챔버(10)의 형상에는 특별한 제한이 없으나 대체로 사각 함체 형상으로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 가열챔버(10)의 내부 중앙에는, 도 2 에 도시된 바와 같이, 가열챔버(10) 내부를 좌우로 반분하는 격벽(20)이 설치된다. 상기 격벽(20)은 일측에서 후술하는 전기히터(30)에 의해 냉수가 가열될 때 전기히터(30) 주변에서 발생되는 버블이 타측의 온수토출관(14)으로 유입되지 못하도록 가로막은 벽체이다. 이하, 냉수공급관(12)과 후술하는 전기히터(30)가 설치되는 격벽(20)의 일측 가열챔버(10)내 공간은 가열실이라 칭하고, 온수토출관(14)이 설치되는 격벽(20)의 타측 가열챔버(10)내 공간은 가압실이라 칭하기로 한다.

상기 격벽(20)은 가열실에 설치된 전기히터(30)에 의해 냉수가 가열되어 온수가 생성되는 경우 온수와 그로부터 증발되는 증기가 통과될 수 있도록 증기유통공(22)과 온수유통공(24)을 구비한다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 상기 증기유통공(22)은 대체로 사각형으로 구성되고 격벽(20)의 상단부에 다수개가 소정 간격 이격되어 나란히 배치됨으로써 전체적으로 톱니 형상으로 구성되는 것이 바람직하고, 상기 온수유통공(24)은 격벽(20)의 하단부에 대체로 반원형으로 형성되고 다수개가 소정 간격 이격되어 나란히 배치됨으로써 전체적으로 물결 형상으로 구성되는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성을 통하여, 가열챔버(10)내 격벽(20)의 일측 가열실에 배치된 전기히터(30)에 의해 가열되어 생성된 온수는 온수유통공(24)을 통하여 가열챔버(10)내 격벽(20)의 타측 공간, 즉, 가압실로 유입되고, 발생된 증기는 증기유통공(22)을 통하여 역시 가열챔버(10)내 격벽(20)의 타측 가압실로 유입된다. 한편, 가열실내 전기히터(30) 주변에서 발생되는 버블은 가열실 내에 저장된 온수의 표면으로 상승하고 격벽(20)에 의해 가로막혀 가압실로 이동되지 못한다.

상기 격벽(20)은 가열챔버(10)의 내벽에 용접에 의해 결합될 수도 있으나, 도 2 의 원 안에 도시된 바와 같이, 가열챔버(10)의 중앙 천정부 및 바닥부에 각각 격벽설치레일(18a,18b)이 구비되어 슬라이드 방식으로 삽입 장착하고, 가열챔버(10)의 전면판은 용접에 의해 결합하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 격벽(20)은 동판과 같이 열전도율이 우수한 금속재로 구성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 가열실에서 전기히터(30)에 의해 온수가 가열되는 경우 열이 격벽(20)을 통하여 가압실에 저장된 물에 전달됨으로써 간접적인 가열 효과를 가져올 수 있다.

전기히터(30)는 전원공급에 따라 발열되는 통상적인 히터로서, 냉수공급관(12)이 구비된 가열챔버(10)의 일측 공간, 즉, 가열실에 설치되되, 전방위로 열을 발산할 수 있도록 대체로 원통형으로 구성되어 수평 배치되는 것이 바람직하고, 전원공급선의 연결을 위한 일측 단자부(32)는 가열챔버(10)의 외측에 노출되는 것이 바람직하다. 즉, 가열챔버(10)의 일측에는 관통공(미도시)이 형성되어 전기히터(30)의 몸체를 관통공을 통하여 가열챔버(10) 외측으로부터 내측으로 삽입하고, 단자부(32)는 상기 관통공에 걸려 결합되도록 단차지게 구성하고, 단차진 단자부(32)는 관통공에 나사결합 방식으로 결합될 수도 있고, 억지끼움 방식으로 결합될 수도 있다. 그리고, 상기 단자부(32)와 관통공 사이에는 기밀성 유지를 위해 패킹(미도시)이 게재되는 것이 바람직하다.

한편, 도 2 에 도시된 바와 같이, 상기 전기히터(30)는 말단부가 열전도율이 우수한 금속재로 구성된 격벽(20)에 맞닿거나 격벽(20)을 관통하여 가압실까지 연장되도록 배치되어 가압실 내로 고온의 열이 효과적으로 전달될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 상기 전기히터(30)가 격벽(20)을 관통하여 연장되는 경우에는 격벽(20)과 전기히터(30) 사이에 간극이 생기지 않도록 용접 또는 납땜 등으로 밀폐시키는 것이 바람직하다.

상기 가열챔버(10)의 가열실 및 가압실에는 각각 제1레벨센서(LT1)와 제2레벨센서(LT2)가 구비되는 것이 바람직하다. 상기 가열실에 설치되는 제1레벨센서(LT1)는 가열실 내에 저장되는 물의 최고수위를 감지하며, 가압실에 설치되는 제2레벨센서(LT2)는 가압실에 저장되는 물의 최저수위를 감지하도록 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 제1레벨센서(LT1)에서 최고수위에 도달한 것으로 감지되면 냉수공급관(12)을 통한 물의 공급이 중단되도록 제어할 수 있고, 제2레벨센서(LT2)에서 최저수위에 도달한 것으로 감지되면 온수토출관(14)에 설치된 자동밸브(16)를 닫아 온수의 토출을 막도록 할 수 있다. 여기서, 최저수위는 온수토출관(14)의 하단부 보다 높은 위치로 결정되는 것이 바람직하다. 이와 같은 최고수위 감지를 통하여 가열실에 과도하게 많은 물이 유입되어 가열시간이 늘어나고 온수의 온도가 낮아지는 것을 방지할 수 있고, 최저수위 감지를 통하여 온수토출관(14)에 증기가 유입되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 가열챔버(10)의 가압실에는 내부의 증기압을 측정하여 미리 설정된 압력에 도달하는 경우 온수토출관(14)의 자동밸브(16)를 개방토록 하기 위한 제1압력센서(P1)가 구비될 수도 있다. 상기 자동밸브(16)는 상기 센서들의 신호 감지에 의해 자동으로 개폐될 수 있는 전동밸브나 솔레노이드 밸브 등으로 구성되는 것이 바람직하다. 그리고, 가열챔버(10)에는 내부 압력이 일정 압력 이상으로 상승하는 경우 폭발을 방지하기 위해 증기를 외부로 방출하는 안전밸브가 추가로 구비되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 무동력 온수 보일러는 본래 증기압만으로 온수를 토출할 수 있도록 구성된 것으로, 온수매트용으로는 무난하게 사용가능하나, 대형 주택이나 건물, 공장, 축사 등에서는 난방 면적이 넓어짐에 따라 배관도 길어지게 되어 난방수의 순환 압력이 부족한 경우가 생길 수도 있는바, 이러한 경우를 대비하여 다소간 동력소비가 요구되기는 하나 별도의 승압수단(50)이 추가되는 것이 바람직하다. 상기 승압수단(50)은 토출되는 온수의 압력을 증가시키기 위한 것으로, 도 3 에 도시된 바와 같이, 질소탱크(52)와 흡입펌프(57)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

질소탱크(52)는 가열챔버(10)의 가압실에 질소 가스를 공급하기 위한 것으로, 질소토출관(55)과 질소회수관(56)이 구비된다. 상기 질소토출관(55)과 질소회수관(56)은 삼방밸브(54;3-way valve)의 서로 다른 포트에 연결되고, 상기 삼방밸브(54)의 나머지 또 다른 포트는 질소유출입관(53)이 연결된다. 그리고, 상기 온수토출관(14)에는 제2압력센서(P2)가 구비되고, 상기 질소회수관(56)에는 소형 흡입펌프(57)가 설치된다. 이러한 승압수단(50)에 의해 온수 토출 작동에 관하여는 후술하기로 한다.

도 3 에는 상술한 바와 같은 무동력 온수 보일러의 개략적인 전체 시스템도가 도시된다. 이하, 도 3을 참조로 본 발명에 따른 무동력 온수 보일러의 작동관계에 대하여 설명한다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무동력 온수 보일러는 가열챔버(10)의 가열실 상부측에 연결된 냉수공급관(12)을 통해 물탱크(60)와 연결되고, 가열챔버(10)의 가압실 상부측에 연결된 온수토출관(14)은 주택이나 상업적 건물, 농업 축사 등 난방을 필요로 하는 난방부하(100)에 설치된 순환배관(70)과 연결되고, 상기 순환배관(70)은 다시 상기 물탱크(60)에 연결된다. 여기서, 상기 냉수공급관(12)에는 역류를 방지하기 위한 체크밸브가 설치되는데, 상기 체크밸브는 가열챔버(10) 내부에 증기가 발생하면 닫히고, 그 외에는 공급되는 물의 압력에 의해 개방된다.

최초, 물탱크(60)를 통하여 공급되는 냉수는 냉수공급관(12)을 통하여 가열챔버(10)의 가열실 내부로 유입된다. 공급된 냉수는 최초 전기히터(30)와 접촉하면서 일부 증기를 생성하고, 가열실 내에 저장되어 전기히터(30)에 의해 가열됨에 따라 증기와 온수가 지속적으로 생성된다. 가열실에서 생성된 온수는 격벽(20) 하단부의 온수유통공(24)을 통하여 가압실의 하부로 이동되고, 증기는 격벽(20) 상단부의 증기유통공(22)을 통하여 가압실 상부로 이동된다. 그리고, 상기 격벽(20)은 열전도성이 우수한 재질로 구성되므로 가압실 내의 온수 또한 계속 가열되어 온도가 상승하며 증기 또한 지속적으로 발생된다. 이때, 전기히터(30) 주변에서 발생되는 버블은 격벽(20)에 가로막혀 가압실로 이동되지 않게 된다.

이와 같이, 가열챔버(10)의 가압실 상부측에서는 증기가 지속적으로 채워지고 하부측에는 온수가 저장되는데, 가열챔버(10)가 밀폐된 상태이므로 증기압에 의해 가열챔버(10) 내부의 압력이 매우 높아지게 된다. 이때, 가열실 상측의 온수토출관(14)에 구비된 자동밸브(16)를 열어주면 온수의 증기압에 의해 가열실에 저장된 온수가 가압되어 온수토출관(14)을 통하여 온수가 고압으로 토출되고 난방부하(100)에 설치된 순환배관(70)을 따라 순환하여 난방을 수행하게 된다.

이때, 온수의 토출 압력이 순환에 필요한 압력에 미치지 못하는 경우에는 질소탱크(52)로부터 가압실에 질소를 충진하여 가압력을 높여줌으로써 온수의 토출 압력을 증가시킬 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 최초 질소탱크(52)에는 질소가 고압으로 충진되어 있다가, 온수토출관(14)에 설치된 제2압력센서(P2)에 의해 온수 토출 압력이 낮은 것으로 감지되는 경우, 삼방밸브(54)의 질소토출관(55)측 포트 및 질소유출입관(53)측 포트가 개방되어 질소토출관(55)과 질소유출입관(53) 사이의 유로가 연통되어 가열챔버(10)의 가압실 내부로 질소가 유입된다. 이에 따라, 질소의 압력에 의해 온수를 밀어주어 온수 토출압력이 상승하게 된다. 온수가 다 토출된 후에는 삼방밸브(54)의 질소토출관(55)측 포트가 폐쇄되고 질소회수관(56)측 포트가 개방되어 질소유출입관(53)과 질소회수관(56) 사이의 유로가 연통되며, 이와 동시에 흡입펌프(57)가 가동되어 가압실 내부에 있던 질소가 다시 질소탱크(52)로 회수된다. 이러한 작동의 반복에 의해 일정 주기로 온수 토출시 승압 작용이 수행된다.

이렇게 난방부하(100)를 순환하고 돌아온 물은 냉각되어 물탱크(60)로 환수되어 저장되며, 저장된 물은 다시 냉수공급관(12)을 통해 가열챔버(10)로 유입되어 위에서 설명한 사이클을 반복하게 된다.

한편, 이러한 무동력 온수 보일러의 모든 작동은 제어부(200)에 의해 제어되는 바, 전기히터(30)를 가열하기 위한 전원 및 각종 센서와 밸브의 작동 전원, 그리고 보조적인 승압수단(50)의 흡입펌프(57) 구동 전원 등은 옥외 소형 풍력발전기(400)와 태양광발전기(500)를 통해 생성된 전기를 ESS(300, Energy Storage System; 에너지저장장치)에 저장 후 사용함으로써 화석에너지를 이용하여 생산한 전기의 소비량을 줄여 환경오염 방지에도 기여할 수 있다.

10 : 가열챔버 12 : 냉수공급관
14 : 온수토출관 16 : 자동밸브
18a,18b : 격벽설치레일 LT1 : 제1레벨센서
LT2 : 제2레벨센서 P1 : 제1압력센서
P2 : 제2압력센서 20 : 격벽
22 : 증기유통공 24 : 온수유통공
30 : 전기히터 32 : 단자부
50 : 승압수단 52 : 질소탱크
53 : 질소유출입관 54 : 삼방밸브
55 : 질소토출관 56 : 질소회수관
57 : 흡입펌프 60 : 물탱크
70 : 순환배관 100 : 난방부하
200 : 제어부 300 : ESS
400 : 풍력발전기 500 : 태양광발전기

Claims (10)

1. 일측 상부에 체크밸브가 구비된 냉수공급관(12)이 연결되고, 타측 상부로부터 하방으로 삽입되어 연장 형성되며 말단은 바닥면으로부터 일정 간격 이격된 온수토출관(14)이 구비되며, 내부에 온수 및 증기가 일시 저장되는 공간부가 형성된 가열챔버(10)와;
   상기 가열챔버(10)의 내부 냉수공급관(12) 하측에 설치되어 냉수공급관(12)을 통해 공급되는 냉수를 가열하는 전기히터(30)와;
   상기 가열챔버(10)의 내부 중앙에 설치되어, 가열챔버(10) 내부를 전기히터(30)로 냉수를 가열하는 가열실과 냉수 가열시 발생한 증기의 압력으로 온수를 가압하여 토출시키는 가압실로 좌우 분할하되, 상단부에는 가열실에서 냉수를 가열할 때 발생되는 증기가 가압실로 이동되도록 증기유통공(22)이 형성되고, 하단부에는 가열실에서 냉수의 가열에 의해 발생된 온수가 가압실로 이동되도록 온수유통공이 형성된 열전도성 격벽(20)을 포함하여;
   상기 가열챔버(10)의 가압실 상부에 저장되는 증기의 압력에 의해 가압실 하부에 저장되는 온수가 가압되어 온수토출관(14)을 통해 외부로 토출되는 것을 특징으로 하는 증기압을 이용한 무동력 온수 보일러.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 증기유통공(22)은 사각형으로 구성되고 격벽(20)의 상단부에 다수개가 소정 간격 이격되어 나란히 배치된 것을 특징으로 하는 무동력 온수 보일러.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 온수유통공은 격벽(20)의 하단부에 반원형으로 형성되고 다수개가 소정 간격 이격되어 나란히 배치된 것을 특징으로 하는 무동력 온수 보일러.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 격벽(20)은 가열챔버(10)의 중앙 천정부 및 바닥부에 각각 설치된 격벽설치레일(18a,18b)에 슬라이드 방식으로 삽입 장착되는 것을 특징으로 하는 무동력 온수 보일러.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기히터(30)는 전원공급에 따라 발열되는 히터로서, 냉수공급관(12)이 구비된 가열챔버(10)의 가열실에 설치되되, 전방위로 열을 발산할 수 있도록 원통형으로 구성되어 수평 배치되며, 가열챔버(10)의 일측에는 관통공이 형성되어 전기히터(30)의 몸체를 관통공을 통하여 가열챔버(10) 외측으로부터 내측으로 삽입하고, 단자부(32)는 상기 관통공에 걸려 결합되도록 단차지게 구성되어, 단자부(32)가 가열챔버(10)의 외측에 노출되도록 결합되는 것을 특징으로 하는 무동력 온수 보일러.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기히터(30)는 가열챔버(10)의 가열실 내부에 수평 배치되되, 말단부가 상기 격벽(20)에 맞닿도록 배치되는 것을 특징으로 하는 무동력 온수 보일러.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기히터(30)는 가열챔버(10)의 가열실 내부에 수평 배치되되, 말단부가 상기 격벽(20)을 관통하여 가압실 내부에까지 연장된 것을 특징으로 하는 무동력 온수 보일러.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열챔버(10)의 가열실 및 가압실에는 각각 제1레벨센서와 제2레벨센서(LT2)가 구비되되, 상기 제1레벨센서는 가열실 내에 저장되는 물의 최고수위를 감지하며, 상기 제2레벨센서(LT2)는 가압실에 저장되는 물의 최저수위를 감지하여, 제1레벨센서에서 최고수위에 도달한 것으로 감지되면 냉수공급관(12)을 통한 물의 공급을 중단하도록 제어하고, 제2레벨센서(LT2)에서 최저수위에 도달한 것으로 감지되면 온수토출관(14)에 설치된 자동밸브(16)를 닫아 온수의 토출을 막도록 제어하는 것을 특징으로 하는 무동력 온수 보일러.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열챔버(10)의 가압실에는 내부의 증기압을 측정하여 미리 설정된 압력에 도달하는 경우 온수토출관(14)의 자동밸브(16)를 개방토록 하기 위한 제1압력센서(P1)가 구비되는 것을 특징으로 하는 무동력 온수 보일러.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 가압실로부터 온수토출관(14)을 통해 토출되는 온수의 압력이 난방배관의 순환에 필요한 압력보다 낮은 경우, 온수의 토출 압력을 증가시키기 위한 승압수단(50)이 추가로 구비되되,
    상기 승압수단(50)은 고압의 질소가스가 저장된 질소탱크(52)와;
    상기 질소탱크(52)로부터 질소가 토출되는 질소토출관(55)과;
    일단이 상기 질소토출관(55)에 연결되고 타단은 상기 가열챔버(10)의 가압실 상부에 연결되어 질소가스를 가압실 내부로 공급함과 아울러 온수의 가압 후 질소가스를 다시 회수하기 위한 질소유출입관(53)과;
    상기 질소토출관(55)과 질소유출입관(53)이 교차되는 지점으로부터 분기되어 질소탱크(52)에 연결됨으로써 회수된 질소가스를 질소탱크(52)로 유입시키기 위한 질소회수관(56)과;
    상기 질소토출관(55)과 질소유출입관(53) 및 질소회수관(56)의 교차점에 설치되는 삼방밸브(54)와;
    상기 질소회수관(56)에 구비되는 흡입펌프(57)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무동력 온수 보일러.

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