KR101496542B1 - 온수 믹싱 구조를 갖는 순간식 온수 보일러 - Google Patents

온수 믹싱 구조를 갖는 순간식 온수 보일러 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온수 믹싱 구조를 갖는 순간식 온수 보일러에 관한 것으로, 특히 버너를 이용한 순간식 온수 보일러에 온수 믹싱 구조를 탑재함으로써 온수 온도가 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있는 온수 믹싱 구조를 갖는 순간식 온수 보일러에 관한 것이다.

Description

온수 믹싱 구조를 갖는 순간식 온수 보일러{Instantaneous hot water boiler having hot water mixing structure}
본 발명은 온수 믹싱 구조를 갖는 순간식 온수 보일러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 버너를 이용한 순간식 온수 보일러에 온수 믹싱 구조를 탑재함으로써 온수 온도가 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있는 온수 믹싱 구조를 갖는 순간식 온수 보일러에 관한 것이다.
일반적으로 순간식 온수 보일러는 순간식 온수 공급기라고도 불리며 온수를 급속히 필요로 하는 곳에 사용되고 있다.
이러한 순간식 온수 보일러는 버너에서 연료를 연소시키거나 전열기를 이용하여 직수를 급속히 가열하고, 그 가열된 온수를 사용자에게 공급하며, 보통은 온수 저장탱크가 사용된다.
한편, 한국등록특허 제10-721459호 및 제10-993832호 등에서는 난방과 동시에 순간식 온수기로 사용하거나, 순간식 온수기 단독으로 사용하는 장치를 제안하고 있다.
그러나, 이상과 종래기술은 온수 사용시 급격한 유량 변화가 발생함에 따라 온수 온도가 급격히 저하(under)되거나 혹은 온수 온도가 급격히 상승(overshoot)하는 문제점이 있다.
예컨대, 온수를 트는 초기에는 온수 온도가 너무 낮아 이용자가 차가움을 느끼고, 소정 시간 이후에는 온수 온도가 너무 높아 뜨거움을 느끼거나 심하면 화상을 입기도 하는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 버너를 이용한 순간식 온수 보일러에 온수 믹싱 구조를 탑재함으로써 온수 온도가 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있는 온수 믹싱 구조를 갖는 순간식 온수 보일러를 제공하고자 한다.
이를 위해 본 발명에 따른 온수 믹싱 구조를 갖는 순간식 온수 보일러는 연료를 공급받아 점화시키는 버너와; 상기 버너에서 연료가 점화되면서 발생한 열원과 공급된 물 사이에 열교환이 이루어지는 열교환기와; 상기 열교환기에서 열교환을 마친 물이 유입되는 측의 폭이 넓고 물이 배출되는 측으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상의 제1 온수 믹싱 챔버; 및 저온의 물이 상기 열교환기에서 열교환을 마친 후, 상기 제1 온수 믹싱 챔버로 공급되도록 연결 설치된 물 순환관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1 온수 믹싱 챔버의 물 배출측에는 물이 유입되는 측의 폭이 좁고 물이 배출되는 측으로 갈수록 폭이 넓어지는 형상의 제2 온수 믹싱 챔버가 연결되어, 상기 제1 온수 믹싱 챔버와 제2 온수 믹싱 챔버가 모래 시계 형상을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열교환기는 현열 열교환기 및 잠열 열교환기로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 물 순환관은 상기 잠열 열교환기에 직수를 공급하는 직수 공급관과;
상기 잠열 열교환기에서 출수된 미온수를 상기 현열 열교환기로 공급하는 제1 연결관과; 상기 현열 열교환기에서 출수된 온수를 상기 제1 온수 믹싱 챔버로 공급하는 제2 연결관; 및 상기 제2 온수 믹싱 챔버에서 출수된 온수를 배출하는 온수 공급관;을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 연결관에서 분기되어 상기 제1 온수 믹싱 챔버로 상기 미온수를 공급하도록 연결된 바이패스관을 더 포함하며, 상기 바이패스관에는 개폐 밸브가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또환, 상기 개폐 밸브는 삼방변 밸브(3-way valve)이고, 상기 삼방변 밸브의 조절에 의해 상기 잠열 열교환기를 통과한 물이 상기 제1 온수 믹싱 챔버로 공급되거나, 상기 현열 열교환기로 공급되거나, 혹은 상기 제1 온수 믹싱 챔버와 현열 열교환기로 모두 공급되는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명은 온수를 제공하기 전에 모래 시계 형상의 온수 믹싱 챔버 내에 일시 채워져 혼합된다. 따라서, 1차적으로 온수 온도가 급격히 변화하는 것을 방지한다.
또한, 본 발명은 온수 믹싱 챔버의 믹싱 효과만으로 온수 온도를 적정한 상태로 유지시키지 못하는 경우에는 바이패스관을 통해 상대적으로 온도가 낮은 미온수를 혼합시킨다. 따라서, 2차적으로 온수 온도가 급격히 변화하는 것을 방지한다.
또한, 본 발명은 잠열 열교환기와 현열 열교환기를 구비하여 열효율을 높임과 동시에 잠열 열교환기에서 열교환을 마친 미온수를 상기 바이패스관을 통해 혼합시킴으로써 온수 온도가 급격히 변화하는 것을 방지한다.
도 1은 본 발명에 따른 온수 믹싱 구조를 갖는 순간식 온수 보일러의 제1 운전 상태도이다.
도 2는 본 발명에 따른 온수 믹싱 구조를 갖는 순간식 온수 보일러의 제2 운전 상태도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온수 믹싱 구조를 갖는 순간식 온수 보일러에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 연료를 연소시키는 버너(110), 열원과 물 사이에 열교환이 이루어지는 열교환기(120), 온수를 혼합하는 온수 믹싱 챔버(130) 및 상기 열교환기(120)와 온수 믹싱 챔버(130)를 따라 물을 순환시키는 물 순환관(140)을 포함한다.
또한, 물 순환관(140)으로부터 분기 설치되어 물을 온수 믹싱 챔버(130)로 바이패스(baypass)시키는 바이패스관(145) 및 물 순환관(140)의 입구측에 설치된 물 공급 조절 어셈블리(150)를 더 포함한다.
이러한 구성에 의하면 버너(110)에서 고온의 화염 및 연소가스(이하, '열원'이라 함)를 제공하고 물 순환관(140)은 열교환기(120)로 물을 순환시킨다. 열교환기(120)에서는 열원과 물 사이에 열교환이 이루어지게 하여 온수를 생성한다.
특히, 본 발명에서는 열교환기(120)를 통과하면서 가열된 물(즉, 온수)이 온수 믹싱 챔버(130)를 통과하는 과정에서 혼합된 후 사용자에게 공급된다. 따라서, 1차적으로 온수 온도가 급격히 변화하는 것을 방지한다.
또한, 도 2와 같이 온수 믹싱 챔버(130)의 믹싱 효과만으로 온수 온도를 적정한 상태로 유지시키지 못하는 경우에는 바이패스관(145)을 통해 상대적으로 온도가 낮은 미온수를 온수 믹싱 챔버(130)로 바이패스시킨다. 따라서, 2차적으로 온수 온도가 급격히 변화하는 것을 방지한다.
또한, 본 발명은 열교환기(120)를 잠열 열교환기(122)와 현열 열교환기(121)로 구성함으로써 열효율을 높임과 동시에 잠열 열교환기(122)에서 열교환을 마친 미온수를 바이패스관(145)을 통해 혼합시킴으로써 온수 온도가 급격히 변화하는 것을 방지한다.
좀더 구체적으로, 버너(110)는 기름이나 가스와 같은 연료를 공급받아 점화시킨다. 연료의 점화시 발생한 고온의 화염 및 연소가스는 열교환기(120)를 향해 분출되어 물을 가열한다.
다만, 도 2 및 도 3에서는 하측으로 화염이 분출되도록 버너(110)가 하측을 향해 설치된 하향식 버너(110)를 일 예로 도시하였지만, 열교환기(120)로 열원을 공급할 수만 있으면 상향식을 비롯한 그 외 다양한 타입의 버너(110)도 사용가능하다.
열교환기(120)는 버너(110)에서 연료를 점화시켜 발생된 열원과 공급된 물 사이에 열교환이 이루어지게 한다. 열교환기(120)에는 물 순환관(140)이 연결되어 있고 버너(110)에서 발생한 열원은 열교환기(120)를 거쳐 배출된다. 따라서, 물 순환관(140)을 따라 흐르는 물이 열원에 의해 가열된다.
이러한 열교환기(120)는 현열 열교환기(121) 및 잠열 열교환기(122)로 이루어진 콘덴싱 방식의 열교환기(120)인 것이 바람직하다. 현열 열교환기(121)는 버너(110)에 근접 설치되고, 잠열 열교환기(122)는 그 아래 설치된다.
현열 열교환기(121)는 주로 화염과 열교환을 하고, 잠열 열교환기(122)는 주로 버너(110)의 연소가스와 열교환을 하여 잠열을 추가로 회수한다. 종래에는 전열기나 단일의 열교환기만을 사용하였음에 비해 순간식 온수 보일러에 현열 열교환기(121) 및 잠열 열교환기(122)를 채택하면 열효율을 높인다.
온수 믹싱 챔버(130)는 열교환기(120)에서 열교환을 마친 물(즉, 온수)을 혼합시킨다. 이는 온수 사용시 급격한 유량 변화에 의해 온수 온도가 언더(under)되거나 오버슈트(overshoot)되어 과도하게 차갑거나 뜨겁지 않도록 하기 위함이다.
상술한 바와 같이 열교환기(120)로서 현열 열교환기(121)와 잠열 열교환기(122)를 모두 사용하는 경우에는 잠열 열교환기(122)에서 1차 가열된 미온수가 현열 열교환기(121)로 공급되고, 현열 열교환기(121)에서 2차 가열된 온수가 당해 온수 믹싱 챔버(130)로 공급된다.
한편, 온수 믹싱 챔버(130)는 제1 온수 믹싱 챔버(131)를 포함한다. 제1 온수 믹싱 챔버(131)는 열교환기(120)에서 열교환을 마친 물이 유입되는 측의 폭이 넓고 물이 배출되는 측으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상으로 이루어진다.
즉, 본 발명의 제1 온수 믹싱 챔버(131)는 강제로 병목 현상이 일어나게 한다. 따라서, 앞서 채워진 물과 뒤에 공급된 물이 서로 혼합되게 한다. 예컨대, 앞서 채워진 물이 온도가 낮고 뒤에 공급된 물의 온도가 높은 경우 이들이 서로 혼합하여 적정한 온도를 유지하게 한다.
이와 같이 본 발명은 제1 온수 믹싱 챔버(131)만을 단독으로 구비하더라도 온수 믹싱 효과를 갖는다. 그러나, 제1 온수 믹싱 챔버(131)의 하부(즉, 물이 유출되는 방향)에 제2 온수 믹싱 챔버(132)를 추가로 연결하는 것이 바람직하다.
제2 온수 믹싱 챔버(132)는 물이 유입되는 측의 폭이 좁고 물이 배출되는 측으로 갈수록 폭이 넓어지는 형상을 갖는다. 따라서, 제1 온수 믹싱 챔버(131)와 제2 온수 믹싱 챔버(132)를 포함한 온수 믹싱 챔버(130) 전체는 대략 모래 시계 형상을 갖는다.
제2 온수 믹싱 챔버(132)를 더 포함하면 제1 온수 믹싱 챔버(131)에서 배출된 물이 확장된 공간으로 나오면서 추가로 혼합되는 효과를 갖는다. 또한, 제1 온수 믹싱 챔버(131)에서 나타난 병목 현상에 따른 문제점을 보완하는 효과도 갖는다.
물 순환관(140)은 저온의 물이 열교환기(120)에서 열교환을 마친 후 온수 믹싱 챔버(130)로 공급되도록 설치된다. 잠열 열교환기(122), 현열 열교환기(121), 제1 온수 믹싱 챔버(131) 및 제2 온수 믹싱 챔버(132)의 순서로 물이 순환되므로 물 순환관(140)도 이들을 순차로 연결한다.
이에, 물 순환관(140)은 잠열 열교환기(122)에 직수를 공급하는 직수 공급관(141)과, 잠열 열교환기(122)에서 출수된 미온수를 현열 열교환기(121)로 공급하는 제1 연결관(142)과, 현열 열교환기(121)에서 출수된 온수를 제1 온수 믹싱 챔버(131)로 공급하는 제2 연결관(143) 및 제2 온수 믹싱 챔버(132)에서 출수된 온수를 배출하는 온수 공급관(144)으로 구성된다.
바이패스관(145)은 잠열 열교환기(122)에서 열교환을 마친 미온수를 제1 온수 믹싱 챔버(131)로 바이패스 시킴으로써 제1 온수 믹싱 챔버(131) 내에 채워져 있는 물과 혼합되게 한다. 이를 통해 물의 급격한 온도 변화를 방지한다.
물을 바이패스시킬 수 있도록, 바이패스관(145)의 일단은 잠열 열교환기(122)와 현열 열교환기(121) 사이의 제1 연결관(142)에 연결되고, 타단은 현열 열교환기(121)와 제1 온수 믹싱 챔버(131) 사이의 제2 연결관(143)에 연결된다.
다만, 바이패스관(145)의 타단은 제1 온수 믹싱 챔버(131)에 직접 연결될 수도 있지만, 이 경우 역류 발생이나 물의 원할한 공급 측면에서 문제가 발생할 수 있으므로 가급적 제2 연결관(143)에 연결되는 것이 바람직하다.
이 바이패스관(145)에는 개폐 밸브(M_V)가 설치된다. 개폐 밸브(M_V)는 제어기(미도시)에 의해 개폐가 자동제어되는 전자 제어 밸브인 것이 바람직하다. 따라서, 개폐 밸브(M_V)를 조작하여 선택적으로 잠열 열교환기(122)를 통과한 물이 제1 온수 믹싱 챔버(131)로 공급되게 한다.
특히, 개폐 밸브(M_V)는 삼방변 밸브(3-way valve)이고, 삼방변 밸브의 조절에 의해 잠열 열교환기(122)를 통과한 물이 오직 제1 온수 믹싱 챔버(131)로 공급(제1 모드)되거나, 오직 현열 열교환기(121)로 공급(제2 모드)되거나, 혹은 제1 온수 믹싱 챔버(131)와 현열 열교환기(121)로 동시에 공급(제3 모드)되게 한다.
제1 모드로 조작되면 현열 열교환기(121)를 거치지 않으므로 제1 온수 믹싱 챔버(131)로 가장 낮은 온도의 물을 공급한다. 제2 모드로 조작되면 모든 물이 현열 열교환기(121)를 거치므로 가장 높은 온도의 물을 제1 온수 믹싱 챔버(131)로 공급한다. 제3 모드로 조작되면 위 제1 모드와 제2 모드가 병합되므로 중간 온도의 물을 제1 온수 믹싱 챔버(131)로 공급한다. 따라서, 현 상황에 따라 최적의 온도를 갖는 온수를 공급할 수 있게 한다.
물 공급 조절 어셈블리(150)는 물 순환관(140)의 직수 공급측 즉, 직수 공급관(141)에 연결된다. 물 공급 조절 어셈블리(150)는 유량 감지 센서(flow sensor) 및 유량 조절 밸브 등이 구비되어 있다. 따라서, 물 순환관(140)을 통해 공급되는 저온의 직수 공급량을 조절하고 온수의 온도 변화가 급격히 변화되는 것을 방지한다.
당해 물 공급 조절 어셈블리(150)의 조절 및 개폐 밸브(M_V)의 조작은 제어기에 의해 조절되며, 이때 직수 공급관(141)과, 제2 연결관(143) 및 온수 공급관(144)에 각각 설치된 제1 온도 센서(S1) 내지 제3 온도 센서(S3)를 참조하여 조절된다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
110: 버너
120: 열교환기
121: 현열 열교환기
122: 잠열 열교환기
130: 온수 믹싱 챔버
131: 제1 온수 믹싱 챔버
132: 제2 온수 믹싱 챔버
140: 물 순환관
141: 직수 공급관
142: 제1 연결관
143: 제2 연결관
144: 온수 공급관
145: 바이패스관
150: 물 공급 조절 어셈블리

Claims (6)

  1. 연료를 공급받아 점화시키는 버너(110)와;
    상기 버너(110)에서 연료가 점화되면서 발생한 열원과 공급된 물 사이에 열교환이 이루어지는 열교환기(120)와;
    상기 열교환기(120)에서 열교환을 마친 물이 유입되는 측의 폭이 넓고 물이 배출되는 측으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상의 제1 온수 믹싱 챔버(131); 및
    저온의 물이 상기 열교환기(120)에서 열교환을 마친 후, 상기 제1 온수 믹싱 챔버(131)로 공급되도록 연결 설치된 물 순환관(140);을 포함하되,
    상기 제1 온수 믹싱 챔버(131)의 물 배출측에는 물이 유입되는 측의 폭이 좁고 물이 배출되는 측으로 갈수록 폭이 넓어지는 형상의 제2 온수 믹싱 챔버(132)가 연결되어, 상기 제1 온수 믹싱 챔버(131)와 제2 온수 믹싱 챔버(132)가 모래 시계 형상을 갖고,
    상기 열교환기(120)는 현열 열교환기(121) 및 잠열 열교환기(122)로 이루어지고,
    상기 물 순환관(140)은 상기 잠열 열교환기(122)에 직수를 공급하는 직수 공급관(141)과; 상기 잠열 열교환기(122)에서 출수된 미온수를 상기 현열 열교환기(121)로 공급하는 제1 연결관(142)과; 상기 현열 열교환기(121)에서 출수된 온수를 상기 제1 온수 믹싱 챔버(131)로 공급하는 제2 연결관(143); 및 상기 제2 온수 믹싱 챔버(132)에서 출수된 온수를 배출하는 온수 공급관(144);을 포함하고,
    상기 제1 연결관(142)에서 분기되어 상기 제1 온수 믹싱 챔버(131)로 상기 미온수를 공급하도록 연결된 바이패스관(145)을 포함하며, 상기 바이패스관(145)에는 개폐 밸브(M_V)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 온수 믹싱 구조를 갖는 순간식 온수 보일러.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 개폐 밸브(M_V)는 삼방변 밸브(3-way valve)이고, 상기 삼방변 밸브의 조절에 의해 상기 잠열 열교환기(122)를 통과한 물이 상기 제1 온수 믹싱 챔버(131)로 공급되거나, 상기 현열 열교환기(121)로 공급되거나, 혹은 상기 제1 온수 믹싱 챔버(131)와 현열 열교환기(121)로 모두 공급되는 것을 특징으로 하는 온수 믹싱 구조를 갖는 순간식 온수 보일러.
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