KR101935281B1 - 수직배수관용 열교환기 및 이를 이용한 세면기 - Google Patents

Abstract

수직배수관용 열교환기 및 이를 이용한 세면기가 개시된다. 발명의 수직배수관용 열교환기는 관 형상으로서, 저면으로는 외부로 경사지는 확산부를 구비하는 상부커버; 상기 상부커버와 결합하며, 반원통형의 형상으로서, 서로 간에 결합되어 중앙이 통공된 실린더형의 외관을 형성하며, 외측 단부로는 각각 결합대가 형성되어 있는 앞커버 및 뒤커버; 상기 앞커버와 뒤커버가 결합된 실린더의 하부에 결합되는 관 형상의 하부커버; 및 상기 상부커버, 앞커버, 뒤커버, 및 하부커버가 결합되어 형성된 하우징 내에 수용되는 코일관을 포함하며, 상기 하우징 내에 수용되는 코일관의 양 끝단은 앞커버 또는 뒤커버의 상하부에 각각의 외주면에 수평방향으로 형성된 원통형 관통구로 끼워져 외부로 돌출되며, 상기 상부커버의 확산부를 따라서 고온유체가 넓게 흘러 내리고, 상기 코일관 표면을 따라 흘러 내려가면서 열교환이 이루어진다.

Description

수직배수관용 열교환기 및 이를 이용한 세면기{HEAT EXCHANGER FOR VERTICAL DRAIN PIPE AND WASH BASIN FOR USING THE SAME}

본 발명은 수직배수관용 열교환기 및 이를 이용한 세면기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 겨울철 일상생활에서 발생되는 생활하수에서 열을 용이하게 회수하여 활용 가능하게 하는 것으로 온수를 만드는데 소요되는 에너지 비용을 절감하는 수직배수관용 열교환기 및 이를 이용한 세면기에 관한 것이다.

하수로부터의 열의 활용은 매우 오래되고 보편적인 기술분야이다. 그러나, 실제 실용화 사례를 찾아보면 발생되는 하수의 온도가 높은 공장이나 다량의 하수가 발생하는 대중 사우나 등 대형 상업시설에서의 활용이 대부분이며, 각 가정이나 소형 상업빌딩에서는 거의 활용되지 못하고 있다.

현재까지 국내외에서 알려진 생활하수용 열교환기를 살펴보면 건축물 외부에 설치하는 것과 건축물 내부에 설치하는 것으로 크게 구분된다.

(종래기술 1)

건축물 외부에 열교환기를 설치하는 것으로는 건축물에서 외부로 배출되는 하수관인 횡주관을 이용하는 방안으로, 횡주관 내부에 건축물로 공급되는 급수관이 같이 매립되는 구조이다. 관의 재질이나 급수관의 배치 및 형상 등에 따라 여러 종류가 사용되고 있다.

국제공개번호 WO 2011/132156에서는 횡주관 내에서 흐르는 폐수로부터 열을 추출하는 방법이 개시되어 있다.

도 1은 종래기술에 따른 건축물 외부에 설치되는 횡주관 내에서 흐르는 폐수로부터 열을 추출하는 생활하수용 열교환기를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 횡주관(2)에서 흐르는 폐수(1)로부터 열을 추출하기 위해, 폐수(1) 내에 침지되는 열교환기(E)가 횡주관 바닥에 설치된다. 폐수의 추정된 최대 레벨(1a)은 점선으로 나타나 있다.

상기 열교환기(E)는 튜브(3)들로 구성되며, 튜브들 둘레에 충분한 열전도성 재료(4)로 코팅되어 있다. 열전도성 재료(4)의 상단면(5)은 횡주관 내에서 흐르는 폐수(1)와 직접 접촉하게 된다.

(종래기술 2)

건축물 내부의 개별 급수기구에 인접한 배수경로에 열교환기를 설치하는 방법으로는 가장 대표적인 것이 샤워부스용이다.

유럽에서 널리 알려진 방법은 바닥판 아래에 공간을 형성하여 중앙으로 모아 배수되는 하수를 바닥 아래에 열전도가 좋은 넓은 판 위로 균일하게 퍼져서 배수되도록 하고, 그 판 아래에는 급수용 구리관이 코일형으로 배치되어 접합되어 있다.

영국 공개특허번호 제2376517호에서는 샤워트레이로부터 열에너지를 회수하는 시스템이 개시되어 있다.

도 2는 종래기술에 따른 샤워 트레이로부터 열을 회수하는 장치를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 히터(6)로부터 가열되어서 샤워헤드(7)로부터 공급되는 온수는 샤워트레이(8)로 직접 떨어지게 되며, 샤워트레이(8) 내에는 급수용 관(9)이 코일형으로 배치되어서 열을 회수하여 다시 히터(6)로 공급된다.

국내에서도 실제 사용 여부는 알 수 없으나 대한민국 등록특허 제10-1418072호에서는 욕실에서 사용되어 배출되는 폐수의 열을 이용하여 욕실로 공급되는 냉수를 가열하는 욕실 폐열 회수시스템이 개시되어 있다.

도 3은 종래기술에 따른 욕실 폐열 회수시스템의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 욕실 폐열 시스템(10)은 혼합부(11), 냉수공급관(12), 온수공급관(13), 제1 열교환부(15a), 제2 열교환부(15b), 및 제3 열교환부(15c)를 구비한다.

상기 제1 열교환부(15a)는 냉수와 욕실 바닥배수구(16)를 통해 배출되는 폐수를 열교환시키기 위해 마련된 것으로, 제1 순환관(17)과 제1 열교환기(18)를 구비한다. 제1 열교환기(18)는 욕실 바닥배수구(16) 상에 설치되며, 내부에 제1 순환관(17)으로부터 공급된 냉수가 유동하는 유로가 마련되어 냉수와 욕실 바닥배수구(16)를 통해 배출되는 폐수를 열교환시킨다.

상기 제2 열교환기(15b)는 욕조(19)에 저장된 온수를 열교환시키기 위해 마련된 것으로, 상기 제3 열교환기(15c)는 냉수와 욕조배수구로 배출되는 폐수를 열교환시키기 위해 마련된 것이다.

(종래기술 3)

샤워부스를 이용한 열교환기의 또 다른 방법으로는 샤워부스 바닥을 일정높이로 높이고 한쪽 끝으로 하수를 모아 직사각형의 공간으로 보낸다. 이 공간의 내부는 구불구불한 배수경로가 형성되어 있고 급수관 역시 구불구불하게 형성되어 있는 구조를 갖는다.

대한민국 등록특허 제10-1406437호에서는 각 세대별 욕실이나 주방 등의 배수구 직 하부로 구성되어 생활 폐온수로부터 열을 회수하여 냉수 공급관으로 미온수가 공급될 수 있도록 한 폐열회수기가 개시되어 있다.

도 4는 종래기술에 따른 폐열회수기의 이용상태도를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 페열회수기를 이용한 미온수 공급장치는 냉,온수를 단독 내지 혼합 공급하는 혼합수전(a)과 상기 혼합수전(a)에 연결되면서 보일러와 연결된 메인 온수관(33)을 통해 온수를 공급받는 온수관(a1)과 상기 혼합수전(a)에 연결되고 메인냉수관(35)으로부터 냉수를 공급받는 냉수관(a2)과 상기 혼합수전(a)에서 토출되는 폐수를 배수시키는 각 세대의 배수트랩(a3)으로 이루어지는 바, 상기 배수트랩(a3) 직하부로 폐열회수기(30)를 구비하여 배수트랩(a3)의 폐수가 집수 후 배수되도록 하고, 상기 냉수관(a2)을 분절하여 분절된 냉수관(a2)을 상기 폐열회수기(30) 내부에 설치되는 열교환관(37)으로 연결되어 있다.

따라서, 욕실 내지는 주방에서 샤워, 설거지 등의 용도로 사용하고 버려지는 폐온수가 배수트랩(a3)으로 배수가 되면, 폐열회수기(30)가 배수트랩 직하부에서 폐온수를 바로 접수하여 그 내에 설치된 열교환관(37)으로 냉수가 일정온도의 미온수로 변환 공급되도록 한다.

(종래기술 4)

또 다른 사례로는 실제 시장에서 활용 여부를 확인되지 않지만, 주방 싱크대에도 인접하게 열교환기를 구성한 예가 있다.

예컨대, 주방 싱크대의 볼(bowl)은 얇은 금속인데 이를 이중으로 만들어 내부에 급수가 흐르도록 한 구조이다. 즉, 볼에 담기거나 흘러나가는 하수의 열이 내부의 급수로 전달되도록 하는 구조이다.

독일 공개특허번호 제3045116호에서는 주방에서 적어도 하나 이상의 싱크를 갖는 싱크대에 관하여 개시하고 있다.

도 5는 종래기술에 따른 주방용 이중 재킷을 갖는 싱크대를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 싱크대(40)는 내부 재킷(42)과 외부 재킷(43)으로 구성되는 이중 재킷으로 구성된 볼(41)을 가지며, 내부 재킷(42)은 싱크대의 벽을 구성한다. 내부 재킷(42)과 외부 재킷(43) 사이에는 동공이 형성되며, 열교환 유체가 흐른다.

(종래기술 5)

세면대 열교환기의 사례로는 세면대 배수구 바로 아래에 P형 트랩 형상의 배수관을 형성하고 내부에 가는 급수관을 코일형으로 감고 입출구를 배수관 밖으로 빼낸 구조도 있다.

상술한 종래기술 2에서 인용한 영국 공개특허번호 제2376517호에서는 폐온수로부터 열에너지를 회수하는 시스템이 개시되어 있다.

도 6은 종래기술에 따른 세면대의 출구에 결합되는 열교환기를 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 세면대(54)의 하부에 통상적인 너트(50)에 의하여 실린더형 용기(58)가 장착되며, 용기 내부에는 열교환기를 구비한다. 실린더형 용기(58)의 하부는 단부 벽(52)에 의하여 막혀지며, 벽(52)의 중심으로는 구멍이 있어서 이를 통하여 출구관(55)이 연결된다. 출구관(55)은 커브(56)를 형성하여 P-형 트랩을 형성하여 통상적인 배수를 이루게 된다.

용기 내부로는 벽(52)을 통과하여 용기 내부에서 코일된 열교환튜브(51)를 형성하고 용기 상부의 출구(57)를 통과하는 열교환기를 구비하며, 차거운 물이 열교환 튜브(51)의 입구(53)로 들어와서 출구(57)로 나가서 히터(보일러)로 연결된다. 출구관(55)의 연장은 용기(58)의 상부와 동일 수준이 되도록 벤딩(59)이 되어서, 트랩 형상을 가짐으로 용기(56) 내에는 세면대로부터의 폐온수가 유지되게 된다.

(종래기술 6)

미국 시장에서 실제로 상용화된 열교환기인 기술인 "파워파이프(Power-Pipe)"라는 브랜드의 제품이 있다. 이 제품은 건물 내부 각층의 하수를 모아 아래로 내려보내는 수직관을 이용하는 방법으로 열전도가 좋은 큰 지름의 구리관을 수직관으로 쓰고, 그 외부에 작은 지름의 급수용 구리관을 감아 둔 구조이다.

도 7은 종래기술에 따른 파워파이프 형식의 열교환기를 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 배수관(61)으로 폐온수가 배출되며, 배수관(61)의 외부에 코일관 형식의 파워-파이프(60)를 설치하여 열교환기 이루어지게 된다. 급수(62)는 파워파이프(60)를 통하여 열교환이 이루어진 후에 미온수로 예열되어 히터입구(63)를 통하여 히터(65) 내로 인입되고, 추가로 가열된 온수는 히터출구(67)로 배출되어서 가정에 온수를 공급하게 된다.

(종래기술 7)

또한, 비교적 최근에는 영국의 다이슨사(Dyson Technology Limited)가 손 씻는 전용 세면대 열교환 기술을 특허로 출원하였는데, 세면대의 볼(bowl)을 얇은 소재로 이중의 구조로 볼록하게 만들고 중심부의 위쪽에 수도꼭지의 토수구를 위치시킨다. 이중구조의 볼 내부로는 급수가 흐르게 되어 있다. 수도꼭지에서 온수가 떨어져 손을 씻고 흘러내린 물은 볼의 중심부에 떨어져 방사형으로 퍼지면서 볼 외곽으로 흘러내리게 되며 이때 이중구조의 내부에서 급수가 흐르면서 열을 교환하는 구조이다.

영국 공개특허번호 제2497530호에서는 세면대가 개시되어 있다.

도 8은 종래기술에 따른 열교환되는 세면대를 나타내는 도면이다.

도 8을 참조하면, 세면대(70)의 형태로서 볼(72) 및 토수구(74)를 포함한다. 볼(72)은 원형의 경계를 가지며 바닥면(73)과 측벽(75)으로 구분되며, 사용된 물을 배출하는 드레인(76)을 포함한다. 보울(72)은 중앙돌출부(79)를 가지며, 수도꼭지(71)로부터의 물은 중앙돌출부(79)를 따라서 흐르게 된다. 볼(72)은 열교환부를 구비하는데, 열교환부는 바닥면(73)과 측벽(74)을 형성하며, 복수의 층으로 형성되며, 복수의 층 내부로는 급수가 흐른다.

상술한 종래기술 1 내지 7에서처럼 다양한 형태의 열교환기 제품들과 기술이 있지만 여전히 우리 생활주변의 가정이나 소형 상업빌딩 등에서는 거의 활용되지 못하고 있다. 그 이유는 가정이나 소형 상업빌딩 등에서 발생되는 하수의 온도는 20~35℃ 정도로 높지 않고 그 양이 적고 불규칙하기 때문에 기존의 열교환기로는 경제성이 떨어지며, 생물막(biofilm)과 같은 오염물질 제거 등의 유지관리에도 어려움이 많기 때문이다.

따라서 가정이나 소형 사업빌딩 등에서 생활하수의 열 활용을 용이하게 실현하기 위해서는 각 급수기기의 특성에 맞게 형태나 크기를 최적화하고 오염물질 제거를 용이하게 할 수 있는 경제적인 구조가 제시되어야만 한다.

국제공개번호 WO 2011/132156 대한민국 등록특허 제10-1418072호 대한민국 등록특허 제10-1406437호 대한민국 등록특허 제10-0971774호 독일 공개특허번호 DE 3045116 영국 공개특허번호 GB 2376517 영국 공개특허번호 GB 2497530

본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 안출한 것으로 그 목적은 겨울철 일상생활에서 가정이나 소형 상업빌딩 등에서 발생되는 생활하수에서 열을 용이하게 회수하여 활용 가능하게 하는 것으로 온수를 만드는데 소요되는 에너지 비용을 절감하는 수직배수관용 열교환기 및 이를 이용한 세면기용 열교환기를 제공하는 것이다.

상기한 과제해결을 위한 본 발명의 수직배수관용 열교환기는 관 형상으로서, 저면으로는 외부로 경사지는 확산부를 구비하는 상부커버; 상기 상부커버와 결합하며, 반원통형의 형상으로서, 서로 간에 결합되어 중앙이 통공된 실린더형의 외관을 형성하며, 외측 단부로는 각각 결합대가 형성되어 있는 앞커버 및 뒤커버; 상기 앞커버와 뒤커버가 결합된 실린더의 하부에 결합되는 관 형상의 하부커버; 및 상기 상부커버, 앞커버, 뒤커버, 및 하부커버가 결합되어 형성된 하우징 내에 수용되는 코일관을 포함하며, 상기 하우징 내에 수용되는 코일관의 양 끝단은 앞커버 또는 뒤커버의 상하부에 각각의 외주면에 수평방향으로 형성된 원통형 관통구로 끼워져 외부로 돌출되며, 상기 상부커버의 확산부를 따라서 고온유체가 넓게 흘러 내리고, 상기 코일관 표면을 따라 흘러 내려가면서 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 상부커버의 외주면으로는 외측 받침턱이 돌출 형성되어 있으며, 상기 하부커버의 외주면으로는 외측 받침턱이 돌출 형성되어 있으며, 상기 상부커버와 하부커버의 외주면의 외측 받침턱이 상기 앞커버와 뒤커버의 상부와 하부 단부의 내측의 고정홈에 각각 끼워져 위치가 구속되어서 하우징을 형성할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 상부커버는, 상기 상부커버의 외부 중앙부위에 형성된 홈 형상의 세척수 관로; 상기 세척수 관로와 연통하는 상기 앞커버 또는 뒤커버에 형성된 세척수 입구; 및 상기 세척수 관로 하부에서 상기 확산부로 관통하는 다수개의 노즐을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 결합대는 각각 좌우 판패킹을 개재한 상태로 결합하며, 상기 상부커버와 하부커버의 상하단의 외부면 홈부에 끼워지는 오링형 패킹을 구비하여 하수의 누출을 방지할 수 있다. 또한, 상기 좌우 판패킹에는 외부로 돌출 형성된 외측받침턱과 대응되게 오목부가 형성되어 있으며, 동시에 상기 오링형 패킹 방향으로는 돌출되는 돌출부가 형성될 수 있다.

상기한 다른 과제해결을 위한 본 발명의 수직배수관용 열교환기를 이용한 세면기는 세면기; 상기 세면기 하부의 배수구; 상기 배수구에 설치되는 세면기 배수구 밸브; 상기 세면기 배수구 밸브 하부에 설치되는 수직배관용 열교환기; 상기 열교환기 하부에 연결된 트랩을 포함하며, 상기 열교환기는, 관 형상으로서, 저면으로는 외부로 경사지는 확산부를 구비하는 상부커버; 상기 상부커버와 결합하며, 반원통형의 형상으로서, 서로 간에 결합되어 중앙이 통공된 실린더형의 외관을 형성하며, 외측 단부로는 각각 결합대가 형성되어 있는 앞커버 및 뒤커버; 상기 앞커버와 뒤커버가 결합된 실린더의 하부에 결합되는 관 형상의 하부커버; 및 상기 상부커버, 앞커버, 뒤커버, 및 하부커버가 결합되어 형성된 하우징 내에 수용되는 코일관을 포함하며, 상기 하우징 내에 수용되는 코일관의 양 끝단은 앞커버 또는 뒤커버의 상하부에 각각의 외주면에 수평방향으로 형성된 원통형 관통구로 끼워져 외부로 돌출되며, 상기 상부커버의 확산부를 따라서 고온유체가 넓게 흘러 내리고, 상기 코일관 표면을 따라 흘러 내려가면서 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 세면기 배수구 밸브는 마개 및 상기 마개와 결합되는 배수관으로 구성되며, 상기 마개는, 내부에 스프링을 구비하여 개폐동작이 번갈아되는 마개 본체부; 및 상기 본체부 내로 스프링을 개재한 상태로 결합되는 지지대로 구성되며, 상기 지지대는 상부로는 본체부 내로 스프링을 개재한 상태로 삽입 또는 배출되는 걸림대; 상기 걸림대 아래로 중심부에서 외측으로 경사지게 내려오는 복수개의 지지다리와 연결되는 원형의 고정대; 상기 고정대 외주면에는 형성된 홈부; 및 상기 홈부에 결합되는 오링을 포함하며, 상기 마개를 세면기 윗쪽으로 쉽게 빼낼 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 상부커버는, 상기 상부커버의 외부 중앙부위에 형성된 홈 형상의 세척수 관로; 상기 세척수 관로와 연통하는 상기 앞커버 또는 뒤커버에 형성된 세척수 입구; 및 상기 세척수 관로 하부에서 상기 확산부로 관통하는 다수개의 노즐을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 상부커버의 외주면으로는 외측 받침턱이 돌출 형성되어 있으며, 상기 하부커버의 외주면으로는 외측 받침턱이 돌출 형성되어 있으며, 상기 상부커버와 하부커버의 외주면의 외측 받침턱이 상기 앞커버와 뒤커버의 상부와 하부 단부의 내측의 고정홈에 각각 끼워져 위치가 구속되어서 하우징을 형성할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 트랩은, 트랩본체; 및 상기 트랩본체 하부와 연결되는 봉수컵으로 구성되며, 상기 트랩본체는, 상기 하부커버의 봉수관과 연결되는 오링형 패킹으로 밀결되는 원형의 인입구; 및 상기 인입구로 인입되는 폐수가 상기 봉수컵을 거쳐서 외부로 유출되도록 하는 배출구를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 결합대는 각각 좌우 판패킹을 개재한 상태로 결합하며, 상기 상부커버와 하부커버의 상하단의 외부면 홈부에 끼워지는 오링형 패킹을 구비하여 하수의 누출을 방지할 수 있다. 또한, 상기 좌우 판패킹에는 외부로 돌출 형성된 외측받침턱과 대응되게 오목부가 형성되어 있으며, 동시에 상기 오링형 패킹 방향으로는 돌출되는 돌출부가 형성될 수 있다.

전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 겨울철 일상생활에서 가정이나 소형 상업빌딩 등에서 발생되는 생활하수에서 열을 용이하게 회수하여 활용 가능하게 하는 것으로 온수를 만드는데 소요되는 에너지 비용을 절감할 수 있다.

또한, 소재나 형상에 특별한 제약이 없이 일반적인 세면기에 장착 가능하며, 생산에 용이한 구조로 경제적이며, 고온부 청소 등 유지 관리가 매우 간단한 실용성이 우수한 수직배수관용 열교환기를 제공할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 건축물 외부에 설치되는 횡주관 내에서 흐르는 폐수로부터 열을 추출하는 생활하수용 열교환기를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래기술에 따른 샤워 트레이로부터 열을 회수하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 종래기술에 따른 욕실 폐열 회수시스템의 구성도이다.
도 4는 종래기술에 따른 폐열회수기의 이용상태도를 나타내는 도면이다.
도 5는 종래기술에 따른 주방용 이중 재킷을 갖는 싱크대를 나타내는 도면이다.
도 6은 종래기술에 따른 세면대의 출구에 결합되는 열교환기를 나타내는 도면이다.
도 7은 종래기술에 따른 파워파이프 형식의 열교환기를 나타내는 도면이다.
도 8은 종래기술에 따른 열교환되는 세면대를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 열교환기를 실시하기 전의 일반적인 세면기의 설치상태를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일시예에 따른 수직배수관용 열교환기를 세면기에 설치한 것을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 세면기용 수직배수관용 열교환기의 분해 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 세면기용 수직배수관용 열교환기의 상부커버를 나타내는 확대도이다.
도 13은 도 10의 A-A'를 취한 단면도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기 하우징의 밀결구조를 나타내는 사시도이다.
도 15는 통상의 기술을 사용하여 수평방향과 수직방향의 밀결구조를 나타내는 단면도이다.
도 16은 도 14의 [A]부분으로서 열교환기 하우징의 밀결구조 나사체결 전후를 나타내는 단면도이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환 작용을 설명하는 단면도이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 고온부 오염물질 세척방법에 대한 단면도이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 고온부를 고속의 유체를 분사하여 세척하는 방법을 나타낸 단면도이다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 상부커버의 저면도이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직배수관용 열교환기를 나타내는 단면도이다.
도 22는 도 21의 분해 사시도이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수직배수관용 열교환기를 나타내는 단면도이다.
도 24는 도 23의 분해 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직배수관용 열교환기 및 이를 이용한 세면기용 열교환기를 상세히 설명하기로 한다.

구체적으로 본 발명을 서술하기 전에 상술한 종래기술들을 수직배수관용 열교환기 및 세면대에 한정하여 크게 상용화되지 못한 이유에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다.

본 발명에서는 고온 유체인 하수가 흐르는 부분을 '고온부' 라고 하며, 저온 유체인 급수가 흐르는 부위를 '저온부' 라고 하며, 이 사이의 경계를 이루는 관(Pipe)를 '벽(Wall)' 이라고 한다. 열은 고온유체와 벽 표면에서 대류에 의해 전달되고 벽 내부에서는 전도에 의해 전달되며, 벽 표면과 저온유체 사이에서 다시 대류에 의해 전달된다. 유체와 고체 표면 사이의 단위 표면적당, 단위 온도차에 대한 열전달률을 '열전달계수' 라고 한다. 따라서 열교환기에서는 고온측 열전달계수와 저온측 열전달계수가 매우 중요한 인자이다.

벽의 표면에 부착되는 오염물질의 축적에 의한 열전달률 감소 효과를 '오염계수' 라고 한다. 고온부는 사람과 비누 등의 세제로 오염된 물이 흐르기 때문에 생물막과 같은 오염물질이 잘 축적된다.

종래기술 1 내지 3의 열교환기는 본 발명의 수직배수관용 열교환기 및 세면기와는 별개의 기술이므로 여기서는 설명을 생략한다.

종래기술 4는 볼의 소재가 열전도도가 우수한 금속 종류여야 실용성이 있는데, 대부분의 세면기는 도자기 소재이므로 널리 활용되기 어렵다.

종래기술 5는 세면대에서 발생하는 하수의 열을 활용하기 위한 기술인데, P형 트랩 형상 배수관 내부에 가는 급수관을 코일형으로 감은 구조인데, 이런 구조는 비교적 큰 단면적을 가지는 하수관 내부가 만관이 되어 흐르기 때문에, 고온측 표면 근처의 유속이 매우 느려 대류 열전달계수가 매우 작아지게 된다. 또한, 고온측의 느린 유속은 생물막과 같은 오염물의 부착이 많아져 오염계수가 빨리 높아져 열관류율이 떨어지게 된다. 나아가, 종래기술 5는 코일형 급수관을 어떻게 배수관에 넣고 밀봉할 것인지의 구체적인 방법이 없다. 실제 이러한 기본 형상은 종래기술2의 도 3의 도면부호 '15c'인 제3 열교환부처럼 다수의 특허문헌에도 등장하는데 대부분이 구체성이 결여되어 있다. 실린더형 용기인 직관의 안쪽 벽면에 밀착시켜 코일형 관을 넣고 입출구 관을 직관의 직각방향 외부로 빼내는 것은 실제 제작에 있어 매우 어려운 일이다. 통상적으로 금속인 직관을 부분적으로 잘라 분할해서 내부에 코일관을 위치시키고 다시 용접해야 한다.

이러한 이유로 종래기술 6에서와 같은 직관의 외부에 코일관을 감는 구조가 실용화되었다고 본다. 그러나, 이 경우에는 벽의 두께가 2배로 늘어나고 두 관 사이 접합부 열저항도 생긴다. 직관인 하수관을 열전도도가 우수한 동과 같은 재질을 사용해야 하므로 경제적으로도 매우 불리해진다. 또한, 표면이 매끈한 직관은 대류 열전달 계수가 작기 때문에 효용성을 위해서는 길이가 길어져야 하는 문제점도 있다.

종래기술 7은 종래기술 4의 변형된 경우인데, 손 씻는 전용 세면대로 전제하고, 물을 담는 볼(Bowl) 형상을 버리고 반구형의 역 형상을 적용하였다. 이러한 형식은 물을 담는 기능 자체가 원천적으로 불가능해 활용범위가 극히 제한된다. 그럼에도 이러한 구조를 제시하는 것은 하수의 흐름이 자유표면을 갖고 얇은 막처럼 얇고 빠르게 흐르기 때문에 고온부의 대류 열전달계수가 크며, 고온부가 외부로 완전히 노출되어 청소가 용이하게 때문에 오염계수를 고려할 필요가 없다는 장점이 있기 때문이다.

그러나, 이 구조는 얇은 벽면 사이를 흘려야하는 저온측의 대류 열전달계수가 작다. 또한, 일반적으로 세면기가 설치된 공간이 난방이 불충분하고 동파 방지만 하는 곳이 상당수이기 때문에 이러한 곳에서 사용하면, 전면적으로 노출된 고온부에서는 주위의 차가운 공기와의 열전달에 의해 벽면과 저온부 내부 급수까지 차갑게 냉각되게 되어 실질적인 열 이용량이 크지 않을 수 있다. 즉, 이용시간이 짧은 세면기 특성상 사용자가 많지 않고 주위공간이 차가운 곳에서는 하수에서 전달된 열이 열교환기 자체의 벽면의 열용량에 의해 저장되었다가 외부 공기에 의해 다시 소실되어 버려 열 이용이 매우 저조해질 수 있다. 하수의 열을 활용하고자 하는 열교환기는 가능한 단열이 되는 것이 바람직하다.

본 발명은 이와 같은 종래기술의 단점을 극복하기 위한 것으로서, 특히 종래의 세면기의 형상에 큰 변화없이 쉽게 적용하여 설치할 수 있다.

도 9는 본 발명의 열교환기를 실시하기 전의 일반적인 세면기의 설치상태를 나타내는 도면이다.

도 9를 참조하면, 세면기(80)는 상단부는 건축물 바닥에서 약 760mm 정도의 높이(h1)로 표준화되어 설치되고 있다. 세면기 외부로는 카운터(81)가 있으며, 상부로는 수전(83)이 있으며, 측면으로 마개작동봉(85)이 구비되어 있다.

세면기(80) 하부에는 배수구가 있으며, 배수구로는 세면기 트랩(90)이 연결되며, 세면기 트랩(90)은 건축물의 하수관에 바닥 배수관(98) 또는 벽면 배수관(99)으로 접속된다.

KS 규격(KS B 1534 위생도기부속 쇠붙이) 상의 용어로 세면기 트랩(90)의 구성부품을 설명하면, 세면기의 배수구에는 개폐동작이 가능한 마개(91)와 배수구 몸체(92)가 패킹과 같은 밀결부재와 결합되어 체결되며, 그 아래로 마개(91)를 조작하는 연결부품인 키박스(95), 트랩과 연결배관인 테일피스(96), 하수관 악취의 실내유입을 차단하는 트랩(97)이 건축물 하수관과 연결되는 배수관(98 또는 99)과 연결된다. 배수구 몸체(92)와 키박스(95) 사이에는 로크너트(93)와 슬립너트(94)가 구비되어 서로 연결된다.

이러한 일반적인 세면기의 설치상태를 참조하면, 세면기 하부 공간은 비교적 넓고 유지 보수를 위한 접근성도 좋다.

따라서, 세면기 온수 사용시 발생되는 하수의 열을 이용하는 열교환기의 설치장소로도 매우 적합하다. 다만, 하수관의 연결이 벽면으로 향하는 건축물에서는 배수관 시공높이(h3) 때문에 세면기 배수구 끝단부터 벽면 배수관(99)까지 '부속높이(h2)'가 통상적인 140~200 mm 정도로 매우 낮게 제한되므로 열교환기의 길이를 길게 할 수 없게 된다. 열교환기의 열전달율은 열교환 부위의 면적에 지배를 받기 때문에 길이가 짧아지면 매우 불리해진다.

본 발명은 소재나 형상에 특별한 제약이 없이 일반적인 세면기에 장착 가능하며, 생산에 용이한 구조로 경제적이며, 고온부 청소 등 유지 관리가 매우 간단한 실용성이 우수한 수직배수관용 열교환기를 제시한다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 수직배수관용 열교환기를 세면기에 설치한 것을 나타내는 도면이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 수직배수관용 열교환기를 구비한 세면기는 세면기(80) 하부에는 배수구가 있으며, 배수구에 설치되는 '세면기 배수구 밸브(100)', 세면기 배수구 밸브(100) 하부에 설치되는 수직배수관용 '열교환기(200)', 상기 열교환기(200)의 하부에 연결된 '트랩(300)'으로 구성된다.

상기 세면기 배수구 밸브(100)는 마개가 지지부재와 함께 쉽게 빠지고 마개 자체를 누름으로써 개폐동작이 번갈아되는 구조일 수 있다. 마개구조의 상세한 설명은 후술한다.

상기 열교환기(200)는 내부에는 동과 같은 열전도도가 우수한 금속관을 코일 형상으로 말아둔 코일관이 위치하고 외부는 플라스틱과 같은 소재인 커버로 감싸 단열과 누수를 막는다.

상기 트랩(300)은 열교환기의 하부에서 편심지게 밀착되어 적정 수봉 높이를 최소한의 공간으로 형성하며 벽면측으로는 배수관(98, 99)과 연결된다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 세면기용 수직배수관용 열교환기의 분해 사시도이다.

도 11을 참조하면, 세면기에 설치된 세면기용 수직배수관용 열교환기이며, 크게 세면기 배수구 밸브(100), 열교환기(200), 및 트랩(300)으로 구분되다.

상기 세면기 배수구 밸브(100)는 마개(110)와 마개(110)와 결합되는 배수관(120)으로 구성된다.

상기 마개(110)는 내부에 스프링을 구비하여 개폐동작이 번갈아되는 마개 본체부(111)와 상기 본체부(111) 내로 스프링을 개재한 상태로 결합되는 지지대(113)로 구성된다. 상기 지지대(113)는 상부로는 본체부(111) 내로 스프링을 개재한 상태로 삽입 또는 배출되는 걸림대(1131), 걸림대(1131) 아래로 지지다리(1132)와 연결되는 원형의 고정대(1133)로 구성된다. 고정대(1133)는 원형으로서 세면기 배수관(120) 내에 고정 지지되며, 외주면에는 홈부(1134)가 형성되어서 오링(1135)이 결합되어 고정작용을 한다.

상기 세면기 배수관(120)은 상하가 통공된 관 형상으로 관 내부에는 마개의 고정대(1133)가 위치할 수 있도록 하부걸림턱(123, 도 18 참조)이 형성되어 있으며, 관 외부로는 나사산(121)이 형성되어 있다.

상기 열교환기(200)는 외부로는 상부커버(210), 앞커버(220), 뒤커버(230), 및 하부커버(240)를 포함하여, 서로 결합되어서 하우징을 형성하여 외부와는 밀폐된다.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 세면기용 수직배수관용 열교환기의 상부커버를 나타내는 확대도이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 상기 상부커버(210)는 관 형상으로서, 내부에는 나사산(211)이 형성되어 있어서, 상술한 배수관(120)의 하부 외주면의 나사부(121)와 나사결합을 한다. 상부커버(210)의 외부로는 중앙부위에 홈 형상으로 세척수 관로(213)가 형성되어 있으며, 세척수 관로(213) 하부로는 확산부(216, 도 17 및 도 19 참조)로 관통하는 관통수로인 노즐(215)이 형성되어 있다. 세척수 관로(213) 상하로는 오링홈(212, 214)이 각각 형성되어서, 오링홈(212, 214)에는 오링형 패킹(217, 219)이 끼워져서, 세척수 관로(213)가 수밀된다. 또한, 상부커버(210)의 외측 상부에는 외측으로 돌출된 외측 받침턱(218a)이 형성되어 있다.

다시 도 11을 참조하면, 상기 앞커버(220)와 상기 뒤커버(230)는 반원통형 형상으로서, 서로 간에 결합되어 중앙이 통공된 실린더형의 외관을 형성하며, 상부와 하부에는 각각 상부커버(210)와 하부커버(240)가 결합되어서 하우징을 형성하며, 하우징 내부에는 전도성이 우수한 동과 같은 금속관을 코일형으로 감은 코일관(250)이 위치한다. 코일관(250)의 양 끝단에는 오링형 패킹(251, 252)이 끼워져 있다.

상기 앞커버(220)와 뒤커버(230)의 반원통형의 외측으로는 결합대(221, 231)가 각각 형성되어서 상기 결합대(221, 231)에 형성된 나사구멍(222, 232)을 통하여 나사(261)가 체결되며, 이때 앞커버(220)와 뒤커버(230)는 각각의 좌우 판패킹(263, 265)을 개재한 상태에서 서로 결합되어서, 외부로 하수가 누출되는 것을 방지한다.

상기 하부커버(240)는 상부는 관 형상의 상부관(241)과 상기 상부관(241) 하부로는 편심되게 연장되는 봉수관(243)으로 구성된다. 상기 하부커버(240)의 상부관(241) 외주면과 봉수관(243)에는 각각 오링홈(242, 244)이 각각 형성되어서, 각각의 오링홈(242, 244)에는 오링형 패킹(246, 248)이 위치하여 하수의 누출을 막는다. 또한, 하부커버(240)의 상부관(241)에는 외측으로 돌출된 외측 받침턱(245a)이 형성되어 있다.

상기 상부커버(210)와 하부커버(240)의 외주면의 외측 받침턱(218a, 245a)이 상기 앞커버(220)와 뒤커버(230)의 상부와 하부 단부의 내측의 고정홈(223, 225)에 각각 끼워져 위치가 구속되고, 상부커버(210)와 하부커버(240)의 외주면 홈부인 오링홈(212, 214, 242)에 끼워진 오링형 패킹(217, 219, 246)이 앞, 뒤커버(220, 230)의 내주면과 밀착되어 하수의 누출을 방지한다.

하우징 내에 수용되는 코일관(250)의 양 끝단은 앞커버(220) 또는 뒤커버(230)의 상하부에 각각의 외주면에 수평방향으로 형성된 원통형 관통구(227, 229)로 끼워져 외부로 돌출되며 이 사이에 오링형 패킹(251, 252)이 위치하여 하수의 누출을 막는다.

본 발명의 상부커버(210). 하부커버(240), 앞커버(220), 뒤커버(230)는 열전달에 관여하지 않기 때문에 플라스틱 재질이 가능하므로, 도면에서와 같은 '오링형 패킹'을 사용하지 않고 각 부품이 맞닿게 하고 용착(열판, 초음파, 진동, 레이저 등)하여 결합할 수도 있다.

상기 트랩(300)은 트랩본체(310) 및 봉수컵(330)으로 구성된다.

상기 트랩본체(310)는 두 개의 원형관이 존재하며, 내부 원형관이 외부 원형관 내의 일측면에 편심된 구조로서, 내부의 원형관인 인입구(311)로 인입되는 폐수는 봉수컵(330)을 거쳐서 인입구의 측면으로 외부 원형관을 통과하여 인입구(311)와 유사한 높이의 배출구(315)를 구비한다. 인입구(311)의 외주면으로는 나사산(312)이 형성되어 나사산(312)에 의하여 봉수컵(330)의 상단 내부의 나사부(331)와 결합되고, 오링형 패킹(314)에 의해 밀결된다.

상기 트랩본체(310)의 인입구(311)에는 상기 하부커버(240)의 봉수관(243)이 끼워지며, 오링형 패킹(248)으로 하수의 누출을 막는다. 배출구(315)의 외부 상부에는 상단 고정고리(316)를 구비하는데, 상기 뒤커버(230) 하부에 형성된 고정구멍(236)에 맞닿고 나사(317)로 체결된다.

상기 트랩본체(310)의 배출구(315)는 하부커버(240)의 봉수관(243)보다 일정하게 높은 위치에 건축물의 벽면 방향으로 형성되어 있어서, 상기 봉수관(243) 끝단과 배출구(315)의 내주면 아래 지점까지 봉수컵(330)에 의하여 하수를 일정하게 고이게 하여 하수계통의 냄새 역류를 방지하는 봉수(또는 '수봉'이라고도 함; 도 17 참조) 높이를 형성하는데, 통상적으로 30~50 mm이다. 이러한 구조는 건축물의 배수관이 벽면에 있는 경우, 일반적인 트랩을 사용하는 것보다 부속높이(h2, 도 10 참조)를 줄일 수 있어 시공 가능성을 높여준다.

도 13은 도 10의 A-A'를 취한 단면도이다.

도 13을 참조하면, 열교환기(200)의 저온측 출구(255) 부분에서 수평방향의 단면도로서, 하수의 외부 누출을 막는 밀결구조를 보다 상세히 나타낸다.

상기 코일관(250)은 반원통형의 앞커버(220)와 뒤커버(230)에 밀착되는데, 그 양 끝단인 저온측 입구(253)와 저온측 출구(255)는 앞커버(220) [또는 설계변경에 따라서는 뒤커버(230)]의 원통형 관통구(227, 229)를 통해 하우징의 외부로 나오게 되며, 그 사이 틈새는 오링형 패킹(251, 252)이 밀결한다.

상기 저온측 입구(253) 및 저온측 출구(255)가 하우징의 외부로 나온 상태에서 반원통형의 앞커버(220)와 뒤커버(230)가 결합되는데, 앞커버(220)와 뒤커버(230)가 맞닿는 면의 외측으로는 일정한 폭을 갖는 좌우 결합대(221, 231)가 각각 형성되어 있다. 상기 결합대(221, 231)에 형성된 나사구멍(222, 232)을 통하여 나사(261)가 체결되며, 이때 앞커버(220)와 뒤커버(230)는 각각의 좌우 판패킹(263, 265)을 개재한 상태에서 서로 결합되어서, 외부로 하수가 누출되는 것을 방지한다.

본 발명의 앞커버(220) 및 뒤커버(230)는 열전달에 관여하지 않기 때문에 플라스틱 재질이 가능하므로 ' 판 패킹'을 사용하지 않고 결합대를 맞닿게하여 용착(열판, 초음파, 진동, 레이저 등)하여 결합할 수도 있다.

도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기 하우징의 밀결구조를 나타내는 사시도이다.

도 14를 참조하면, 하우징은 앞커버(220), 뒤커버(230), 상부커버(210) 및 하부커버(240)로 이루어지면, 이들 사이의 하수의 밀결구조가 필요하다.

특히, 상부커버(210)와 하부커버(240)의 외부 오링홈(212, 214, 242)에 끼워진 오링형 패킹(217, 219, 246)과 앞커버(220)와 뒤커버(230)가 맞닿는 면 사이의 판패킹(263, 265)이 수평과 수직으로 교차되어 만나는 부위의 밀결구조가 중요하다.

일반적으로는, 밀결부는 딱딱한 부재와 물렁한 패킹이 접하면서 변형된 패킹이 갖는 탄성에 의한 복원력으로 밀결을 이뤄내는 구조이다. 그런데, 본 발명의 수평방향과 수직방향의 패킹이 교차하는 부위는 물렁한 패킹이 서로 접하게 되므로 두 부품 패킹의 변형량을 적절히 관리하지 못하면 갑자기 대유량의 하수가 배출되거나, 하수관이 막혔을 때 발생하는 내부 압력에 의해 하수가 누출될 수 있다. 통상적으로 배수 계통도 0.1 Mpa 압력에 이상이 없을 성능을 가져야 한다.

도 15는 오목부와 돌출부를 구비하지 않은 상태에서 수평방향과 수직방향의 밀결구조를 나타내는 단면도이다.

도 15를 참조하면, 일반적인 판패킹(86)과 오링형 패킹(87)을 사용하여 앞커버(220)와 뒤커버(230)를 나사로 결합한 경우에는, 판패킹(86)이 나사(261)의 조임으로 압축되어서 두께방향으로 늘어나면서 오링형 패킹(87)을 밀어 넣으면 틈새(88)가 발생하여 하수가 누수될 수 있다.

이러한 이유로 본 발명에서는 다시 도 14를 참조하면, 상부커버(210)와 하부커버(240)의 외주면 오링홈(212, 214, 242)에 맞닿는 부위의 외부로 외측받침턱(218a, 245a)과 내부로 내측받침턱(218b, 245b)을 외주면으로 더 돌출되게 형성한다. 이와 대응되게, 좌우 판패킹(263, 265)은 외측받침턱(218a, 245a)과 내측받침턱(218b, 245b)과 대응되게 오목부(2631, 2632, 2633, 2634)가 형성되며, 동시에 오링형 패킹(217, 219, 246) 방향으로 외측받침턱(218a, 245a)과 내측받침턱(218b, 245b) 사이 간격보다 작은 크기의 폭으로 돌출되는 돌출부(2635, 2636, 2637)가 형성되며, 돌출부(2637)는 오링형 패킹(217, 219, 246)과 접하게 된다.

도 16은 도 14의 [A]부분으로서 열교환기 하우징의 밀결구조 나사체결 전후를 나타내는 단면도이다.

도 16을 참조하면, 앞커버(220)와 뒤커버(230)가 하부커버(240)와 판패킹(263)을 개재한 상태로 나사구멍(222)으로 나사(261)가 결합되기 전후를 나타낸다. 앞커버(220)와 뒤커버(230)가 나사(261)로 조여 조립되면, 판패킹(263)이 일정량 압축력을 받아 두께가 줄어들면서 두께방향의 면적이 늘어나게 된다. 이때 오링형 패킹(246)과 접하는 판패킹(263)의 돌출부(2637)는 주변부와의 틈새 공간을 꽉 채우는 형상으로 변형이 일어나 단단히 구속되게 된다. 이렇게 되면, 하우징의 내외부에서 압력이 작용할 때 판패킹(263)의 돌출부(2637)가 안팎으로 밀려나지 않고 밀결상태를 유지할 수 있다. 내부압력만을 고려한다면, 내측 받침턱(245b)은 없어도 무방한다.

이러한 구조를 갖게 된 이유는, 도 13에서 설명한 바와 같이, 나사체결시 판패킹(86)이 두께방향으로 과도하게 늘어나면, 오링형 패킹(87)을 밀어 넣는 변형이 발생하고, 오링형 패킹(87)과 앞뒤커버(220, 230)의 내주면이 접하는 밀결부위에서 미세한 틈새(88)를 유발시킬 수 있기 때문이다.

본 발명의 밀결구조는, 도 15에서 설명한 바와 같이, 판패킹(263)의 돌출부(2637) 주변 적절한 틈새 부여와 판패킹(263)과 오링형 패킹(246)의 적절한 경도 차이를 부여하여 안전한 밀결구조를 이루어낼 수 있다.

이하, 상술한 본 발명의 열교환기를 이용한 열교환 작용을 설명한다.

도 17는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환 작용을 설명하는 단면도이다.

도 17을 참조하면, 수도꼭지에서 토수된 고온유체(400)는 사용자의 손 세척 등에 사용되고 마개(110) 또는 세면기(80) 바닥면에 떨어지고 세면기 배수구(82)에 설치된 배수관(120)의 내주면을 타고 흘러내려, 상부커버(210)의 확산부(216)를 따라 점진적으로 더 넓게 퍼지면서 흘러내리고, 이어서 코일관(250) 표면을 따라 흘러 내려간다. 이때 코일관(250) 내부에 흐르는 저온급수와의 온도차에 의해 열을 빼앗기게 되어서 열교환이 이루어진다. 코일관(250)을 따라서 하부커버(240)까지 흘러내린 고온유체는 축소부(245)를 따라서 다시 좁게 모이고 봉수관(243)으로 흘러 들어간다. 봉수관(243)에는 트랩(300)의 배출구(315)와의 높이 차이로 인해 수봉 깊이만큼 하수가 고여있다. 따라서, 트랩(300) 내부는 만관 상태로 느린 유속으로 고온유체가 배출구(315)로 빠져나간다.

상기 마개(110)의 하단 지지다리(1132)는 중심부에서 외측으로 경사지게 내려오면서 고정대(1133)에 연결된다. 지지다리(1132)의 경사는 마개(110)의 구조부를 따라 흘러내리는 일부 고온유체를 다시 배수관(120) 내주면 쪽의 정상적인 흐름 경로로 유도한다. 이러한 불규칙한 흐름은 수도꼭지에서 토수되는 각도와 속도, 손을 씻을 때 접촉되는 방향에 따라 발생량의 차이가 크다.

만일 일반적으로 제품화된 제품들처럼 경사가 없는 지지다리 구조를 적용하면, 이러한 불규칙한 흐름은 상당부분 낙수로 되어 열교환에 이용되지 않고 바로 트랩으로 떨어지게 되어 열전달률을 10% 정도 떨어뜨릴 수 있는 것으로 실험에서 나타났다.

열교환 메카니즘에 대하여, 열교환 상세도[B]를 참조하여 상세히 살펴보면, 고온유체는 코일관(250) 표면에만 접하고 반대쪽 표면은 공기와 접하는 자유 표면을 갖는 얇은 막의 형태로 흐르는데, 굴곡진 코일관(250)의 층을 지날 때마다 흐름층 내부는 난류가 발생하여 열교환이 촉진된다.

고온유체와 저온유체는 미시적으로 90도 교차하여 흐르는 형태이지만, 거시적으로는 저온유체가 아래에서 위로 나선형으로 올라오는 흐름이기 때문에 본 발명은 고온유체와 저온유체의 흐름이 서로 반대가 되는 대향류 열교환기의 특성을 갖는다. 본 발명 열교환기의 저온부는 일반화된 열전달학의 관내난류유동에서의 열전달계수 수식으로 용이하게 추정할 수 있다. 그러나 고온부는 마땅히 적용할 수 있는 수식이 없다.

고온유체 흐름층의 두께는 코일관(250)의 코일지름에 의해 결정되는데, 코일지름이 클수록 표면적이 넓어 얇은 흐름 두께를 가지며, 코일지름이 작을수록 표면적이 좁아 흐름두께는 두꺼워진다.

고온유체의 흐름 속도면에서 살펴보면, 흐름층의 두께가 두꺼울수록 흘러내리는 유속이 빨라지고 얇을수록 느려진다. 벽면을 따라 얇은막 형태로 중력에 의해 벽면을 따라 흘러내리는 유체의 속도가 흐름층의 두께와 어떤 관계를 가지는지에 대해 연구된 자료는 발견되지 않았다. 다만, 길고 수직으로 세운 코일관 표면에 물을 흐리면서 주기적으로 염료를 흘려 사진을 촬영하는 방법으로 추정해보면 대략적으로 본 발명의 고온부 유체는 0.2~0.4 m/s 정도 범위의 유속을 갖는 것으로 추정된다. 열전달계수는 원형관의 외부 강제유동에 대한 열전달계수 수식으로 적용해 볼 수 있는데 실제 시험값과 비교하면 차이가 크다.

본 발명의 모형을 고온유체와 저온유체를 동일유량으로 2~5 LPM, 코일관 지름은 30~65 mm, 코일관 감김높이는 140-250mm, 고온유체 25℃, 저온유체 5℃ 정도의 범위를 조합하여 실험해보면, 열관류율은 1,900~2,500 W/m²K, 열전달률은 1,000~2,000 W, 열전달 유용도는 0.36~0.56 정도로 나타나, 한정된 공간에서 가능한 단순한 구조로 구성한 열교환기이지만 실용성이 충분한 정도의 성능으로 확인되었다.

동일한 코일관 감김 높이에서 열전달율을 높이기 위해서는 코일관의 감김 지름이 통상적으로 세면기 배수계통에 사용되는 배관보다는 클 필요가 있다. 이것이 상부커버(210)에 확산부(216)가 존재하는 이유이다.

도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 고온부 오염물질 세척방법에 대한 단면도이다.

도 18을 참조하면, 마개(110)의 하부 원형의 고정대(1133)는 외주면에 홈부(1134)를 형성하고 있으며, 여기에 오링형 패킹(1135)이 끼워진다. 세면기 배수관(120)의 내주면 하단에는 이 오링형 패킹(1135)이 탄성변형으로 끼워지며, 일정한 고정력을 갖도록 세면기 배수관(120)은 하단부에 홈부(126)와 하단걸림턱(123)을 갖는다. 이러한 구성의 세면기 배수구 밸브(110)는 마개(110)를 세면기 배수관(12)에서 쉽게 당겨 빼낼 수 있고, 마개(110)가 분리된 세면기 배수관(120) 내부는 안지름 약 30 mm 정도의 단면적에 특별한 구조물이 없이 상하로 통공된 상태가 된다. 따라서, 세면기 배수관(120)에서 마개(110)를 뺀 상태에서 세척용 솔(500)과 같은 도구를 사용하면 고온부인 코일관(250)의 표면을 쉽게 청소할 수 있다.

본 발명의 모형 실험에서 겨울철 1개월 정도의 사용에서 열교환기의 오염에 의한 성능저하는 열전달율이 3~5% 정도 감소하는 정도였으며, 나아가 상술한 방법으로 세척시 본래의 성능으로 회복됨을 확인할 수 있었다.

열교환기(200)의 오염은 유체의 온도와 종류 및 유속에 따라 많은 차이가 있는데, 세면기의 경우 고온유체의 온도 자체가 40℃ 이하로 낮고, 비누나 샴푸 등을 사용하여 손을 씻고 머리를 감는 것이 주용도이기 때문에 오염의 발생이 우려와는 달리 크지 않는 것으로 나타냈다. 그래도, 이러한 청소는 그 주기를 늘여 관리의 불편함을 줄일 수 있다면 열교환기의 실사용 보급에 휠씬 유리할 것이다.

도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 고온부를 고속의 유체를 분사하여 세척하는 방법을 나타낸 단면도이며, 도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 상부커버의 저면도이다.

도 19를 참조하면, 상부커버(210)의 외주면에 일정 폭과 깊이의 홈부를 두어 세척수 관로(213)를 형성한다. 상부커버(210)의 세척수 관로(213)의 상하부에는 오링(217, 219)이 위치하며 외부로는 앞커버(220) 및 뒤커버(230)에 의하여 세척수 관로(213)로 인입되는 세척수를 밀결하며, 앞커버(220) 또는 뒤커버(230)에 형성된 세척수 입구(233)로 하우징 외부와 연통된다.

또한, 세척수 관로(213)는 상부커버(210)의 하부의 확산부(216) 표면으로 세척수를 분사하는 세척수 노즐(215)이 소정 간격을 두고 다수개 배치되어 있다. (도 20 참조). 세척수 노즐(215)은 확산부(216) 표면을 돌아가면서 분사되도록 원주면을 따라서 경사지게 형성하는 것이 바람직하다.

세척시에는 고압의 세척수를 세척수 입구(233)에 가하면 빠른 유속의 세척수가 상부커버(210)의 세척수 관로(213)로 유입되어서 세척수 노즐(215)에서 확산부(216)로 분사되어 코일관(250) 표면의 오염물질을 떨어뜨려 제거하게 된다.

이에 더하여, 세척수는 전자밸브와 간단한 전자회로에 의해 세척작동 주기를 설정하여 자동으로 세척을 실시할 수 있다.

(실시예1: 순간 온수기)

현재까지는 세면기에 사용하는 순간온수기는 전력이 너무 커서 전용선 전기공사를 별도로 해야만 해서 보급에 어려움 많았다. 본 발명의 열교환기를 적용하여 직수 전기식 순간온수기의 급수구에 열교환기의 저온측 출구를 접속하고, 순간온수기의 출구를 수도꼭지 온수측에 접속하면, 사용전력(W)을 40~50% 줄일 수 있어, 기존 건물의 벽면 콘센트를 사용할 수 있다. 따라서, 전력량을 절감하고 시공비용도 절감할 수 있다.

(실시예2: 저장식 온수기)

이미 설치되어 있는 저장식 전기온수기를 사용하는 세면기에서는 수도꼭지의 냉수측을 열교환기의 저온측 출구를 접속하고 급수를 저온측 입구에 접속하여 사용하면 사용전력량(Wh)을 30~40% 줄일 수 있다. 이때는 온수기의 온도가 60℃ 정도로 충분히 높아 사용자가 냉온수 혼합 상태로 사용하게 되는데, 냉수의 온도가 열교환기의 작용으로 올라가서 동일한 토수온도일 때 온수의 유량이 줄고 냉수의 유량이 증가됨으로, 온수 사용 유량이 줄어들어 전력량이 절감되게 된다. 물론 실시예1과 같은 순간온수기와 같이 적용하여도 무방하다.

상술한 수직배수관용 열교환기는 이해의 편의를 위하여, 세면대에 한정하여 설명하였다. 그런데, 본 발명의 사상과 영역은 모든 수직배수관용 열교환기에 적용될 수 있다.

이하, 가열된 폐수를 아래로 내려보내는 통상의 수직관에 적용되는 수직 배수관용 열교환기에 대하여 살펴본다.

도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직배수관용 열교환기를 나타내는 단면도이며, 도 22는 도 21의 분해 사시도이다. 동일 도면부호는 동일 구성요소를 나타내며 상세한 설명은 생략한다.

도 21 및 도 22를 참조하면, 통상의 수직배수관에 적용되는 수직배수관용 열교환기는 상부커버(610), 앞커버(210), 뒤커버(230), 및 하부커버(640)를 포함하며, 서로 결합되어서 하우징을 형성하여 외부와는 밀폐된다. 이들의 결합관계는 상술한 세면기에 적용되는 수직배수관용 열교환기와 동일하다.

수직배수관(600)은 통상적으로 PVC와 같은 플라스틱 재질이 많이 사용되는데, 이러한 수직배수관(600)은 억지끼움에 의한 결합이나 패킹 밀결을 통한 결합방법이 주로 사용된다. 따라서, 수직배수관과 연결되는 부위의 상부커버(610)와 하부커버(640)의 말단은 각각 연장관(611, 641)의 형상을 갖는다.

도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수직배수관용 열교환기를 나타내는 단면도이며, 도 24는 도 23의 분해 사시도이다. 동일 도면부호는 동일 구성요소를 나타내며 상세한 설명은 생략한다.

도 23 및 도 24를 참조하면, 통상의 수직배수관에 적용되는 수직배수관용 열교환기는 상부커버(710), 앞커버(210), 뒤커버(230), 및 하부커버(740)를 포함하며, 서로 결합되어서 하우징을 형성하여 외부와는 밀폐된다. 이들의 결합관계는 상술한 세면기에 적용되는 수직배수관용 열교환기와 동일하다.

수직배수관(700)은 금속관으로 사용되는 경우도 있는데, 이러한 수직배수관(700)은 나사 결합방법이 주로 사용된다. 따라서, 수직배수관과 연결되는 부위의 상부커버(710)와 하부커버(740)에는 각각 나사부(711, 741)를 구비하며, 수직배수관(700)에도 이와 대응되는 나사부(701, 702)를 각각 구비한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 도면 및 상세한 설명에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.

1: 폐수 3: 튜브
4: 열전도성 재료 6: 히터
7: 샤워헤드 8: 샤워트레이
9: 급수용 관 10: 욕실 폐열시스템
11: 혼합부 12: 냉수공급관
13: 온수공급관 15a: 제1 열교환부
15b: 제2 열교환부 15c: 제3 열교환부
16: 욕실 바닥배수구 17: 제1 순환관
18: 제1 열교환기 19: 욕조
30: 폐열 회수기 33: 메인 온수관
37: 열교환관 35: 메인 냉수관
40: 싱크대 41: 볼
42: 내부 재킷 43: 외부 재킷
50: 너트 51: 열교환 튜브
52: 단부 벽 53: 입구
54: 세면대 55: 출구관
56: 커브 57: 출구
58: 실린더형 용기 59: 벤딩
60: 파워파이프 61: 배수관
62: 급수 63: 히터입구
65: 히터 67: 히터출구
70: 싱크대 72: 볼
73: 바닥면 74: 토수구
75: 측벽 76: 드레인
79: 중앙돌출부 80: 세면기
81: 카운터 82: 세면기 배수구
83: 수전 85: 마개 작동봉
86: 판패킹 87: 오링형 패킹
90: 세면기 트랩 91: 마개
92: 배수구 몸체 93: 로크너트
94: 슬립너트 95: 키박스
96: 테일피스 97: 트랩
98: 바닥 배수관 99: 벽면 배수관
100: 세면기 배수관 밸브 110: 마개
111: 마개 본체부 113: 지지대
120: 배수관 121: 나사산
123: 하부 걸림턱 126: 홈부
200: 열교환기 210: 상부커버
211: 나사산 212: 오링홈
213: 세척수 관로 214: 오링홈
215: 노즐 216: 확산부
217: 오링형 패킹 218a: 외측 받침턱
218b: 내측 받침턱 219: 오링형 패킹
220: 앞커버 221: 결합대
222: 나사구멍 223: 고정홈
225: 고정홈 227: 원통형 관통구
229: 원통형 관통구 230: 뒤커버
231: 결합대 232: 나사구멍
233: 세척수 입구 236: 고정구멍
240: 하부커버 241: 상부관
242: 오링홈 243: 봉수관
244: 오링홈 245a: 외측 받침턱
245b: 내측 받침턱 246: 오링형 패킹
248: 오링형 패킹 250: 코일관
251: 오링형 패킹 252: 오링형 패킹
253: 저온측 입구 255: 저온측 출구
261: 나사 263: 판패킹
265: 판패킹 300: 트랩
310: 트랩본체 311: 인입구
312: 나사산 315: 배출구
317: 나사 330: 봉수컵
331: 나사부 400: 고온유체
500: 세척용 솔 600: 수직배수관
610: 상부커버 640:하부커버
700: 수직배수관 710: 상부커버
740: 하부커버 1131: 걸림대
1132: 지지다리 1133: 고정대
1134: 홈부 1135: 오링
2631: 오목부 2632: 오목부
2633: 오목부 2634: 오목부
2635: 돌출부 2636: 돌출부
2637: 돌출부

Claims (12)

1. 관 형상으로서, 저면으로는 외부로 경사지는 확산부를 구비하는 상부커버;
   상기 상부커버와 결합하며, 반원통형의 형상으로서, 서로 간에 결합되어 중앙이 통공된 실린더형의 외관을 형성하며, 외측 단부로는 각각 결합대가 형성되어 있는 앞커버 및 뒤커버;
   상기 앞커버와 뒤커버가 결합된 실린더의 하부에 결합되는 관 형상의 하부커버; 및
   상기 상부커버, 앞커버, 뒤커버, 및 하부커버가 결합되어 형성된 하우징 내에 수용되는 코일관을 포함하며,
   상기 하우징 내에 수용되는 코일관의 양 끝단은 앞커버 또는 뒤커버의 상하부에 각각의 외주면에 수평방향으로 형성된 원통형 관통구로 끼워져 외부로 돌출되며,
   상기 상부커버의 확산부를 따라서 고온유체가 넓게 흘러 내리고,
   상기 확산부를 따라 흘러내린 고온유체는 상기 코일관 표면에 접하고 반대쪽 표면은 자유 표면을 갖는 막의 형태로 흘러 내려가면서 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직배수관용 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 상부커버의 외주면으로는 외측 받침턱이 돌출 형성되어 있으며,
   상기 하부커버의 외주면으로는 외측 받침턱이 돌출 형성되어 있으며,
   상기 상부커버와 하부커버의 외주면의 외측 받침턱이 상기 앞커버와 뒤커버의 상부와 하부 단부의 내측의 고정홈에 각각 끼워져 위치가 구속되어서 하우징을 형성하는 것을 특징으로 하는 수직배수관용 열교환기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 상부커버는,
   상기 상부커버의 외부 중앙부위에 형성된 홈 형상의 세척수 관로;
   상기 세척수 관로와 연통하는 상기 앞커버 또는 뒤커버에 형성된 세척수 입구; 및
   상기 세척수 관로 하부에서 상기 확산부로 관통하는 다수개의 노즐을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직배수관용 열교환기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 결합대는 각각 좌우 판패킹을 개재한 상태로 결합하며,
   상기 상부커버와 하부커버의 상하단의 외부면 홈부에 끼워지는 오링형 패킹을 구비하여 하수의 누출을 방지하는 것을 특징으로 하는 수직배수관용 열교환기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 좌우 판패킹에는 외부로 돌출 형성된 외측받침턱과 대응되게 오목부가 형성되어 있으며, 동시에 상기 오링형 패킹 방향으로는 돌출되는 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직배수관용 열교환기.
6. 세면기;
   상기 세면기 하부의 배수구;
   상기 배수구에 설치되는 세면기 배수구 밸브;
   상기 세면기 배수구 밸브 하부에 설치되는 수직배관용 열교환기;
   상기 열교환기 하부에 연결된 트랩을 포함하며,
   상기 열교환기는,
   관 형상으로서, 저면으로는 외부로 경사지는 확산부를 구비하는 상부커버;
   상기 상부커버와 결합하며, 반원통형의 형상으로서, 서로 간에 결합되어 중앙이 통공된 실린더형의 외관을 형성하며, 외측 단부로는 각각 결합대가 형성되어 있는 앞커버 및 뒤커버;
   상기 앞커버와 뒤커버가 결합된 실린더의 하부에 결합되며, 관 형상의 상부관과 상기 상부관 하부로 연장되는 봉수관으로 구성되는 하부커버; 및
   상기 상부커버, 앞커버, 뒤커버, 및 하부커버가 결합되어 형성된 하우징 내에 수용되는 코일관을 포함하며,
   상기 하우징 내에 수용되는 코일관의 양 끝단은 앞커버 또는 뒤커버의 상하부에 각각의 외주면에 수평방향으로 형성된 원통형 관통구로 끼워져 외부로 돌출되며,
   상기 상부커버의 확산부를 따라서 고온유체가 넓게 흘러 내리고,
   상기 확산부를 따라 흘러내린 고온유체는 상기 코일관 표면에 접하고 반대쪽 표면은 자유 표면을 갖는 막의 형태로 흘러 내려가면서 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직배수관용 열교환기를 이용한 세면기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 세면기 배수구 밸브는 마개 및 상기 마개와 결합되는 배수관으로 구성되며,
   상기 마개에는 중심부에서 외측으로 경사지게 내려오는 복수개의 지지다리와 연결되는 원형의 고정대를 구비하는 것을 특징으로 하는 수직배수관용 열교환기를 이용한 세면기.
8. 제6항에 있어서,
   상기 상부커버는,
   상기 상부커버의 외부 중앙부위에 형성된 홈 형상의 세척수 관로;
   상기 세척수 관로와 연통하는 상기 앞커버 또는 뒤커버에 형성된 세척수 입구; 및
   상기 세척수 관로 하부에서 상기 확산부로 관통하는 다수개의 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직배수관용 열교환기를 이용한 세면기.
9. 제6항에 있어서,
   상기 상부커버의 외주면으로는 외측 받침턱이 돌출 형성되어 있으며,
   상기 하부커버의 외주면으로는 외측 받침턱이 돌출 형성되어 있으며,
   상기 상부커버와 하부커버의 외주면의 외측 받침턱이 상기 앞커버와 뒤커버의 상부와 하부 단부의 내측의 고정홈에 각각 끼워져 위치가 구속되어서 하우징을 형성하는 것을 특징으로 하는 수직배수관용 열교환기를 이용한 세면기.
10. 제6항에 있어서,
    상기 트랩은,
    트랩본체; 및
    상기 트랩본체 하부와 연결되는 봉수컵으로 구성되며,
    상기 트랩본체는,
    상기 하부커버의 봉수관과 연결되는 오링형 패킹으로 밀결되는 원형의 인입구; 및
    상기 인입구로 인입되는 폐수가 상기 봉수컵을 거쳐서 외부로 유출되도록 하는 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직배수관용 열교환기를 이용한 세면기.
11. 제6항에 있어서,
    상기 결합대는 각각 좌우 판패킹을 개재한 상태로 결합하며,
    상기 상부커버와 하부커버의 상하단의 외부면 홈부에 끼워지는 오링형 패킹을 구비하여 하수의 누출을 방지하는 것을 특징으로 하는 수직배수관용 열교환기를 이용한 세면기.
12. 제11항에 있어서,
    상기 좌우 판패킹에는 외부로 돌출 형성된 외측받침턱과 대응되게 오목부가 형성되어 있으며, 동시에 상기 오링형 패킹 방향으로는 돌출되는 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직배수관용 열교환기를 이용한 세면기.
    

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