KR101509563B1 - 순간 온수 가열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저장조를 사용하지 않고, 유체 직접 접촉하지 않으며, 유체공급부부와, 열교환 부의 유로, 발열체 전극 등 가열장치 부품이 별도의의 부품으로 조립되는 순간 온수 가열 장치에 관한 것으로서, 유체흐름방향으로 중공부를 갖는 둘 이상의 가열블록과, 상기 가열블록들 중 인접한 2개의 가열블록 사이에 배치되며, 상기 인접한 가열블록들에 접하는 하나 이상의 발열부와, 그리고 상기 가열블록의 중공부에 압입되는 둘 이상의 유체공급부를 포함하는 순간 온수 가열 장치를 제공한다.

Description

순간 온수 가열 장치{HEATING DEVICE FOR HOT WATER SUPPLY}

본 발명은 온수기 등에 사용될 수 있는 순간 온수 가열 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 세라믹 히터와 같은 발열체의 양면 발열을 이용하여 유체 저장고 없이도 유체를 급속하게 가열할 수 있는 순간 온수 가열 장치에 관한 것이다.

종래의 냉온수기, 냉온정수기 및 자동판매기는 온수 저장조를 구비하고, 온수 저장조 내부에 발열체를 두고 발열체의 발열에 의해 온수 저장조의 온수를 85-95℃의 고온으로 유지한다.

열은 고온에서 저온으로 전도되어 대기 중으로 유실된다. 종래 방식에 의하면 온수 저장조는 항상 고온 상태를 유지하여 고온의 열이 대기 중으로 유실된다. 따라서 이러한 손실을 줄이기 위하여 온수를 사용하지 않는 경우에도 전력이 소요된다.

이러한 단점을 해결하기 위해 대한민국 등록 특허 제10-1080878호 (순간온수 가열장치를 이용하여 온수를 배출하는 방법 및 상기 방법에 사용되는 순간온수 가열장치)가 제안되었다. 대한민국 등록 특허 제10-1080878호에서는 저장조의 수온을 중온 (약 50℃)로 유지하다가, 온수 사용이 요청될 때 온수 배출로에 위치한 히터를 순간적으로 가열하여 고온 (90℃ 이상)의 온수를 제공한다.

그러나 온수조의 물을 중온 (약 50℃)로 유지하는 방식에서는 온수에 세균이 증식할 수 있는 단점이 있다.

또 종래 기술에서는 발열체의 한 쪽 면만이 피가열부와 접하고 있어 열효율이 낮은 문제가 있었다.

또 다른 종래 기술에서는 발열체를 직접 물과 접하게 하여 열효율을 높이고 장치 부피를 작게 하고 있다. 그러나 이 경우 발열체의 재질을 인체에 무해한 것으로 해야 하기 때문에 발열체의 가격이 높아지고, 인체 무해성을 담보할 수 있는지는 여전히 문제가 된다.

또한, 종래의 순간 온수 가열장치에서는 발열체가 구조적으로 온수가열장치에 일체화되어 있기 때문에, 급수 유로, 발열체 등 일부 부품의 불량이나, 고장이 발생한 경우 전체 순간 온수 가열장치를 교체해야 하기 때문에 유지 관리 비용이 증가하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여, 저장조를 사용하지 않으면서도 열교환 면적을 넓혀 순간적인 가열을 할 수 있고, 발열부가 가열 대상물인 유체, 예컨대, 물과 직접 접촉하지 않는 순간 온수 가열 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 급수부와, 열교환 부의 유로, 발열체 전극 등 가열장치 부품이 별도의의 부품으로 조립되기 때문에, 순간 온수 가열 장치의 조립 및 해체가 용이하여 제조효율이 높고, 유지 보수가 용이하며, 수리 가격을 최소화 할 수 있는 순간 온수 가열 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유체흐름방향으로 중공부를 갖는 둘 이상의 가열블록과, 상기 가열블록들 중 인접한 2개의 가열블록 사이에 배치되며, 상기 인접한 가열블록들에 접하는 하나 이상의 발열부와, 그리고 상기 가열블록의 중공부에 삽입되는 둘 이상의 유체공급부를 포함하는 순간 온수 가열 장치를 제공한다.

상기 둘 이상의 가열블록은 일체로 성형되며, 상기 인접한 가열블록들 사이에는 상기 발열체가 끼워질 수 있는 오목한 형상의 발열체안착부가 형성되는 것이 바람직하다.

상기 유체공급부들 중 인접한 유체공급부들은 U자형 튜브로 연결되어, 상기 유체공급부들이 모두 연결되는 하나의 유로를 형성할 수 있으며, 상기 튜브는 유연한 재질의 합성수지로 이루어지거나, 상기 유체공급부와의 이음매 부분에서의 누수가 방지되도록 설계된 파이프로 이루어질 수 있다.

상기 발열체는 양면 발열이 가능한 면상 발열체이고 재질은 세라믹인 것이 바람직하나 그에 한정되지는 않는다.

상기 각 유체공급부는 상기 각 가열블록의 중공부에 압입되는 것이 열전달면적을 넓힐 수 있기 때문에 바람직하다. 이를 위해, 상기 가열블록의 일측 외면에서 상기 중공부까지 유체의 흐름방향으로 개방된 압입슬릿을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 둘 이상의 가열블록들을 고정하는 고정수단을 더 포함하는 것이 바람직하며, 이러한 상기 고정수단은 상기 둘 이상의 가열블록들을 횡방향 양단에서 가압하는 클립, 클램프, 상기 둘 이상의 가열블록들을 감싸는 하우징 및 탄성체로 이루어진 밴드 중 선택된 어느 하나일 수 있다.

상기 가열블록은 상기 발열부와 접하는 면에 확장부를 갖는 것이 바람직하며, 상기 확장부는 상기 발열부의 높이 방향으로 연장된 확장편일 수 있다. 즉, 유체파이프의 높이를 중심으로 상측 또는 하측으로 연장된 확장편일 수 있다. 상기 인접한 가열블록의 확장편을 서로 연결하는 보강부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.

전술한 본 발명에 따르면, 하나의 발열체가 인접한 유체파이프를 동시에 가열할 수 있기 때문에, 열에너지의 누설이 적고 효과적으로 열전달을 수행할 수 있다.

또한, 저장조 없이, 발열체가 유체에 접하지 않으면서도, 흐르는 유체를 순간적으로 가열할 수 있기 때문에 가열과정에서 유체의 오염이나 열화 등을 방지할 수 있다.

또한, 개개의 부품이 분리 조립 가능하기 때문에, 제조 및 조립이 가능하고, 특정 부품의 결함이 발생하는 경우, 해당 부품만을 교환함으로써 용이하게 수리가 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 순간 온수 가열 장치의 일 실시예 구성을 나타낸 사시도,
도 2는 도 1의 순간 온수 가열 장치 구성을 나타낸 평면도,
도 3은 도 1의 순간 온수 가열 장치 구성을 나타낸 측면도,
도 4는 도 1의 순간 온수 가열 장치의 열효율을 향상시키고 각 구성물을 견고히 고정하기 위한 클립 구성을 나타낸 정면도,
도 5는 본 발명에 따른 순간 온수 가열 장치의 다른 실시예 구성을 나타낸 정면도, 그리고
도 6은 본 발명에 따른 순간 온수 가열 장치의 또 다른 실시예 구성을 나타낸 정면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 순간 온수 가열 장치(100)는, 유체흐름방향의 중공부(130)를 갖는 열전달율이 높은 재질(예컨대, 알루미늄과 같은 금속)로 이루어진 다수가 평행하게 배치된 가열블록(110)과, 각 가열블록(110) 사이마다 안착되는 발열체(300)와, 가열블록(110)의 중공부(130)에 끼워져 압입되는 열전도율이 높은 재질로 이루어진 유체파이프(200)를 포함한다. 발열체(300)는 전류가 인가되는 경우 발열하는 열원으로서 내구성, 높은 승온능력, 원적외선 방출을 통한 균일한 발열분포 등을 고려할 때, 세라믹히터를 사용하는 것이 바람직하다. 발열체(300)는 인접한 가열블록(110) 사이마다 홈으로 형성된 발열체안착부(120)가 형성되고, 이 발열체안착부(120)에 발열체(300)가 끼워져 양측의 가열블록(110)들에 열을 전달한다. 이때 효율적인 열전달을 위해 써멀 그리스를 도포하여도 좋다.

발열체(300)로부터 발생한 열은 유체파이프(200)에 효율적으로 전달되어야 한다. 따라서, 가열블록(110)의 중공부(130) 표면에 유체파이프(200) 외면이 접하는 것이 바람직하다. 이상적으로 이를 위해서는 중공부(130)의 내주 직경과 유체파이프(200)의 직경이 동일하여야 하지만, 제조 공차가 있기 때문에 통상적으로 중공부(130)의 내주 직경이 유체파이프(200)의 외주직경보다 크게 된다. 그러나, 본 실시예에서는 중공부(130) 내면과 유체파이프(200) 외면이 밀착될 수 있도록 중공부(130)의 내주 직경과 같거나 다소 큰 직경을 갖는 유체파이프(200)가 중공부(130)에 압입될 수 있도록, 가열블록(110)의 일측 외면에서 중공부(130)까지 유체의 흐름방향으로 개방된 압입슬릿(111)이 형성된다. 압입슬릿(111)에 의해 유체파이프(200)가 중공부(130) 삽입시에는 벌어져서 유체파이프(200)가 효과적으로 중공부(130)에 삽입될 수 있고, 삽입 후에는 가열블록(200)의 탄성에 의해 원위치 되므로 유체파이프(200)가 중공부(130)에 꼭 끼워 맞추어질 수 있다.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 가열블록(110)들의 중공부(130)에 유체파이프(200)이 삽입되면, 다수의 평행한 유로(210)가 형성된다. 인접한 두 유체파이프(200)의 단부를 U자 형태의 튜브(220)로 연결하면, 유체파이프(200)의 유로(210)와 튜브(220)의 유로(221)에 의해 구불구불한 유체 이동 경로가 도 2의 화살표와 방향으로 형성된다. 이러한 튜브(220)는 유체파이프(200)와의 이음새에서 누수를 방지할 수 있으면서도 쉽게 끼울 수 있는 유연한 합성수지 재질의 호스일 수도 있고, 유체파이프와의 이음매에서 누수방지 설계된 U자형 파이프(예컨대, 유체파이브의 단부와 U자형 파이프 단부에 누수 방지를 위한 너트를 더 구비한 형태)일 수도 있다.

가열블록(110)은 유체 이동 경로 전체를 감싸며, 발열체(300)는 이동 경로 구간에서 양측으로 가열블록(110)으로 열을 전달하고, 가열블록(110)은 유체파이프(200)로 열을 전달 하면서 물이 유체 이동 경로를 통과하는 동안 중첩적으로 가열한다. 특히 세라믹히터로 이루어진 양면 발열체(300)는 인접한 가열블록(110)에 균일하게 열을 전달하기 때문에, 물이 신속히 가열될 수 있다.

가열블록(110)의 수와 발열체의 수는 유체파이프(200)의 반경 및 급수 속도를 고려해서 조절될 수 있다. 유량이 많은 경우 가열블록(110), 발열체(300) 및 유체파이프(200)의 수를 늘려 노즐(230)에서의 물의 최종 온도나 수량을 목적하는 값으로 일정하게 할 수 있어, 필요한 타겟 출수부 (231, 232, 233)로 일정 온도의 물을 안정적으로 공급할 수 있다.

도 4에서는 순간 온수 가열 장치(100)의 횡방향 단부를 가압하는 클립(400)가 구비된 것을 나타낸다.

다수의 가열블록(110)들 사이에 유체흐름방향의 긴 홈으로 형성된 발열체안착부(120)와 가열블록(110)의 중공부(130)를 향해 유체흐름방향으로 개방된 압입슬릿(111)이 형성되기 때문에, 해당 블록은 개방 방향 또는 개구 방향에 대해 구조적으로 취약하다. 따라서, 홈이나 개구가 벌어지는 방향으로 변형이 일어나면 열전달 효율이 떨어질 수 있으므로, 급수 가열 성능이 낮아진다. 이러한 변형을 방지하기 위하여 다수의 가열블록(110)들 및 발열체(300)를 고정하는 고정수단이 있는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 이러한 고정수단의 예로서, 탄성체 스프링 형태의 클립(400)이 적용되었다. 이러한 클립(400)은 상기 홈이나 개구가 벌어지지 못하도록 횡방향의 힘을 제공한다.

전술한 고정수단은 클립에 한정되지는 않는다. 도시하지는 않았지만, 다수 가열블록(110) 전체가 안착되는 하우징이 될 수도 있고, 다수 가열블록(110) 전체를 감싸는 탄성체로 이루어진 밴드가 될 수도 있으며, 집게 형태의 클램프가 될 수도 있다. 전술한 본 발명에 따르면, 순간 온수 가열 장치(100)의 부품들을 조립 가능하게 구성하였기 때문에 제조가 용이하고, 가열블록(110), 발열체(300), 유체파이프(200), 튜브(220) 중 특정 부품에 결함이 발생한 경우 결함이 발생한 부품만을 교체함으로써 쉽게 수리가 가능하다.

또한, 발열체(300)가 인접한 가열블록(110) 사이에 배치되어 양방향으로 열을 제공하기 때문에, 다수의 가열블록(110) 중 양단부의 가열블록(110)을 제외한 중앙부의 가열블록들(110)은 인접한 발열체(300)의 사이에 배치된다. 따라서, 두 개의 발열체(300)로부터 열을 제공받기 때문에 유체파이프(200)의 유로(210) 내부를 흐르는 물에 중첩적으로 열을 제공할 수 있기 때문에, 빠른 가열이 가능하다.

또한, 유체파이프(200) 내부의 유로(210)를 흘러야 하는 물의 양에 따라 가열블록(110)의 수를 변화시켜 저장조 없이도 가열된 물의 최종 온도를 일정하게 할 수 있다.

전술한 실시예들에서 다수의 가열블록(110)들은 홈 형상의 발열체안착부(120) 하부에서 연결되어 일체형으로 성형되어 있어서, 이는 특정 제품의 양산시 가열블록(110) 신속히 성형하고 조립을 빠르게 하여 대량생산에 유리하다. 다만, 도 5에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에서는 각 가열블록(110')을 독립적으로 구성할 수 있어서, 발열체(300)를 각 가열블록(110')의 사이에 배치한 후 클립(400)와 같은 체결구로 체결할 수 있다. 즉, 발열체안착부(120)는 별도의 구조물이 아닌 발열체가 끼워지는 공간이 된다. 이 경우, 가열블록(110')과 발열체(300)의 수를 용이하게 조절할 수 있기 때문에, 특정 용도에 사용되는 순간 온수 가열 장치(예컨대, 커스튬 형태의 보일러 또는 정수기, 양산 전 프로토타입 실험용 등)를 구성하는 경우 열량을 쉽게 조절할 수 있다.

도 6은 발열체의 크기를 극대화 하기 위하여 가열 블록의 형상을 변경한 또다른 실시예를 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 가열블록(110”)은 발열체(300)과 접촉하는 부분을 최대화 하기 위하여 연장된 확장편(112, 113)를 갖는다. 이들 확장편들(112, 113)은 유체파이프에 의한 유로를 중심으로 발열체의 높이 방향 (도 6에서 볼 때 수직 방향; 이하, 명세서 및 청구범위에서 "높이 방향”은 도 6의 수직방향을 의미한다.) 상측으로 연장된 확장편(112)을 갖거나 하측으로 연장된 확장편(113)을 갖거나, 이들 모두를 가질 수 있다. 확장편(112, 113)에 의해 발열체안착부(120)의 높이는 깊어진다. 따라서 가열블록(110”)과 접하는 면적이 더 넓은 발열체(300)를 발열체안착부(120)에 삽입할 수 있다.

도 6에서, 하측으로 연장된 확장편(113)들은 보강부재(114)로 연결될 수 있다. 이러한 보강부재(114)는 열손실을 줄이면서 구조적 강도를 높이는 역할을 함은 물론이고, 여러 개의 가열블록들(110”)을 한번에 압출성형하여 제조효율을 현저히 높일 수 있다. 이 실시예에서 확창편들(112, 113)들은 플레이트 형태로 이루어져 있으나, 열전달 프로파일을 고려하여 유체파이프를 향할수록 두꺼워지도록 설계할 수 있다. 즉, 가열블록의 상부가 하측으로 오목하게 형성되거나, 가열블록의 하부가 상측으로 오목하게 형성되어 발열체와 접하는 면적을 극대화 시키면서도 열전달율을 극대화 할 수 있다.

전술한 실시예들에서 상기 다수의 가열블록은 서로 평행하게 배치된 것으로 설명되고 도시되어 있으나, 본 발명은 유체의 유동 방향 및 설계에 따라, 다소 기울어지거나 비틀릴 수도 있지만, 평행하지 않은 인접한 가열블록들 사이에서 발열체가 접하는 형태로 변경될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 얼마든지, 치환, 변경 및 변형이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100: 순간 온수 가열 장치 110: 가열블록
111: 압입슬릿 112, 113: 확장편
120: 발열체안착부 130: 중공부
200: 유체파이프 210: 유로
220: 튜브 300: 발열체
400: 클립

Claims (14)

1. 유체의 흐름방향으로 중공부를 갖는 둘 이상의 가열블록과,
   상기 가열블록들 중 인접한 2개의 가열블록 사이에 배치되며, 상기 인접한 가열블록들에 접하는 하나 이상의 세라믹 히터인 발열부와,
   상기 가열블록의 중공부에 삽입되는 둘 이상의 유체공급부를 포함하며,
   상기 각 유체공급부는 상기 각 가열블록의 중공부에 압입되며,
   상기 둘 이상의 가열블록은 일체로 성형되며, 상기 인접한 가열블록들 사이에는 상기 발열부가 끼워질 수 있는 홈 형태의 발열부안착부가 형성되며,
   상기 유체공급부들 중 인접한 유체공급부들이 서로 유연한 재질의 합성수지튜브로 연결되어, 상기 유체공급부들이 모두 연결되는 하나의 유로를 형성하며,
   상기 튜브는 상기 유체공급부와의 이음매 부분에서의 누수 방지 설계된 파이프이며,
   상기 가열블록의 일측 외면에서 상기 중공부까지 유체의 흐름방향으로 개방되어, 상기 유체공급부의 열팽창 시 이를 수용하기 위해 상기 중공부의 직경을 변화시키기 위한 압입슬릿을 포함하며,
   상기 압입슬릿은
   상기 둘 이상의 가열블록들을 고정하는 고정수단을 포함하며,
   상기 고정수단은 상기 둘 이상의 가열블록들을 횡방향 양단에서 가압하는 클립, 클램프, 상기 둘 이상의 가열블록들을 감싸는 하우징 및 탄성체로 이루어진 밴드 중 선택된 어느 하나이며,
   상기 가열블록은 상기 발열부와 접하는 면에 상기 발열부의 높이 방향으로 연장된 확장편을 포함하며,
   상기 인접한 가열블록의 확장편을 서로 연결하는 보강부재를 더 포함하며,
   상기 확장편은 유체공급부를 향하여 두꺼워지는 순간 온수 가열 장치.
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