KR102245139B1 - 공기 축열식 보일러 - Google Patents

Abstract

열을 발생시키는 발열부로부터 열을 전달받아 축적하고, 흑연으로 코팅된 면을 포함하는 축열부; 그 내측에 축열부를 수용하고 축열부로부터 대류 및 복사를 통해 열을 전달받는 열전달부; 열전달부의 외측에 권취되어 열전달부의 표면으로부터 열이 전도되고, 내부에 유체가 이동되는 열교환관; 열교환관 및 열전달부의 외측에 배치되어 외부로부터 단열시키는 단열부; 및 열교환관을 통해 이동한 유체가 저장되는 저장부;를 포함하는, 공기 축열식 보일러가 제공된다.

Description

공기 축열식 보일러{HEAT STORAGING BOILER}

본 발명은 공기를 이용한 축열식 보일러에 관한 것이다.

일반적인 보일러는 가스나 등유 등의 연료를 연소시켜서 발생되는 연소열과 또는 전기의 공급에 의해 소정의 온도로 가열된 물을 난방관을 통해 공급하여 줌으로써 실내의 온도를 따뜻하게 유지시키거나 따뜻한 물을 공급받을 수 있게 하는 장치이다. 그러나 상기와 같은 종래의 보일러는 열에너지원인 기름, 가스, 전기 등으로 직접 난방관을 가열하여 필요로 하는 실내 온도나 온수의 온도를 유지하도록 하는 방식으로서 실내의 온도가 일정온도로 되어 가동을 중단시키게 되면 난방관 내의 수온이 점차 떨어지게 되어 더 이상의 실내 난방이나 온수의 공급을 기대할 수 없었다.

따라서 가동에 이은 재가동이 반복됨에 따라 연료와 전기의 소모량이 많아지게 되고, 또한 반복적인 모터의 구동에 의해 기계의 노후화가 촉진되었으며, 아울러 기름이나 가스를 연료로 하는 보일러에 있어서는 연소시 발생되는 가스로 인해 환경오염이 가중되고, 전력을 통해 구동하는 경우 지속적인 전기의 소비에 의해 전력소비량이 비교적 많다는 문제점이 있다.

대한민국 등록실용신안공보 제 20-0284929 호 (2002. 07. 27)

본 발명의 일 실시예는 앞서 기술한 종래의 축열식 보일러가 가지는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 목적은 가열된 열의 지속시간을 최대한 오랫동안 지속시키고자 한다.

본 발명의 일 실시예가 이루고자 하는 다른 목적은 열전달 매질로써 액체보다 빠르게 가열되어 보일러의 효율을 증대시키고자 한다.

본 발명의 일 실시예가 이루고자 하는 또 다른 목적은 온도증가에 발열체 외의 온도증가 요인을 개입시켜 가열효율을 증대시키고자 한다.

열을 발생시키는 발열부로부터 열을 전달받아 축적하고, 흑연으로 코팅된 면을 포함하는 축열부; 그 내측에 축열부를 수용하고 축열부로부터 대류 및 복사를 통해 열을 전달받는 열전달부; 열전달부의 외측에 권취되어 열전달부의 표면으로부터 열이 전도되고, 내부에 유체가 이동되는 열교환관; 열교환관 및 열전달부의 외측에 배치되어 외부로부터 단열시키는 단열부; 및 열교환관을 통해 이동한 유체가 저장되는 저장부;를 포함하는, 공기 축열식 보일러가 제공된다.

그리고, 발열부는 할로겐 전구일 수 있다.

또한, 축열부 내 공간인 축열공간 및 열전달부와 축열부 사이의 공간인 열전달공간은, 축열부에 마련된 제1기공을 통해 연통될 수 있다.

또한, 열전달부 내의 공기가 팽창하면 열전달부 내의 공기를 열전달부 외측으로 배출되도록 하는 제2기공을 더 포함할 수 있다.

또한, 제2기공의 개폐여부는 열전달부 내의 기 결정된 압력에 따라 개폐를 수행하는 압력밸브에 의해 결정되는, 공기 축열식 보일러.

또한, 저장부는 열전달부의 상측에 접하도록 배치될 수 있다.

또한, 열전달부는, 열전달부 내의 열이 저장부로 전달되도록, 저장부와 상측에서 면접촉을 통해 접하는 전열부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 가열된 열의 지속시간을 최대한 오랫동안 지속시키기 위해 흑연코팅이 된 표면으로 열을 축열하는 축열식 보일러를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예가 이루고자 하는 다른 목적은 열전달 매질로써 액체보다 빠르게 가열되는 기체를 통해 효율이 증대된 축열식 보일러를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예가 이루고자 하는 또 다른 목적은 공기가 가열됨에 따라 팽창되는 공기에 의해 압력에 의한 공기가열이 이루어지는 축열식 보일러를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 축열식 보일러를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 축열식 보일러에 물이 이동하는 경로를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시에에 따른 공기 축열식 보일러의 압력밸브에 의한 고압영역이 형성되는 것을 나타낸 도면.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 축열식 보일러를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 공기 축열식 보일러는 축열부(100), 열전달부(200), 단열부(300), 열교환관(400) 및 저장부(500)를 포함할 수 있다. 여기서, 축열부(100)는 열을 축적하여 열전달부(200)로 열을 전달하는 기능을 수행한다. 축열부(100)로 전달되는 열은 발열부(10)에 의해 발생될 수 있다. 예를 들면, 축열부(100)가 형성하는 내측 공간에 발열부(10)가 위치되어 열을 발생시키면 상기 열을 축열부(100)가 축적하는 방식일 수 있다. 여기서 발열부(10)는 빛과 열을 발생시키는 구성으로써, 할로겐 전구일 수 있다.

발열부(10)로부터 전달된 열을 축적한 축열부(100)는 적어도 일면이 흑연으로 코팅된 상태일 수 있다. 상기 적어도 일면은 발열부(10)의 열이 직접 전달되는 표면일 수 있다. 예를 들어, 축열부(100)는 파이프 형태로 형성되고, 축열부(100)의 내측에 발열부(10)가 위치되는 경우 축열부(100)의 내주면에 흑연이 코팅될 수 있다. 물론 외주면에도 흑연이 코팅될 수 있다.

한편, 발열부(10)로부터 열이 전달되는 방식은 복사 및 대류일 수 있다. 상기 축열부(100) 내의 공기가 발열부(10)에 의해 가열되고, 가열된 공기를 통해 축열부(100)에 열이 전달될 수 있다. 또한, 복사에 의해 발열부(10)로부터 빛과 열이 전달되면서 축열부(100)에 코팅된 흑연의 온도가 증가될 수 있다.

상기 축열부(100)는 열전달부(200)의 내측에 위치될 수 있다. 열전달부(200)는 파이프 형태로 형성되어 내부 공간에 축열부(100)가 위치되도록 할 수 있다. 단, 열전달부(200)는 축열부(100)와의 접촉이 되지 않고 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 이러한 배치에 의해 축열부(100) 및 열전달부(200) 사이에는 공기가 위치될 수 있다.

전술한 바와 같이 축열부(100)는 발열부(10)로부터 전달되는 열을 받아 온도가 증가될 수 있다. 온도가 증가된 축열부(100)는 열전달부(200) 사이에 위치한 공기의 온도 및 열전달부 표면의 온도를 증가시킬 수 있고, 증가된 공기의 온도는 열전달부(200)의 표면으로 전달된다. 즉, 열이 전달되는 방식은 복사 및 대류를 포함할 수 있다.

상기 발열부(10) 및 축열부(100) 사이의 공간을 축열공간(101), 축열부(100) 및 열전달부(200) 사이의 공간을 열전달공간(201)이라고 할 때, 열의 전달방향은 발열부(10), 축열공간(101), 축열부(100), 열전달공간(201) 및 열전달부(200)로 순차적으로 형성될 수 있다.

한편, 열교환관(400)은 열전달부(200)의 외측 표면에 권취된 상태로 배치될 수 있다. 예를 들면, 열전달부(200)의 외주면에 나선형으로 권취될 수 있고, 열전달부(200)의 일단으로는 열전달부(200) 내측에 흐르는 유체가 공급되고, 타단은 저장부(500)와 연결되어 상기 유체를 저장부(500) 내로 전달되도록 할 수 있다. 상기 일단으로부터 타단으로 전달되는 동안에 상기 유체는 열교환되어 온도가 증가될 수 있다. 일 예로서, 축열공간(101)의 온도가 300도이고, 열전달공간(201)의 온도가 250도일 수 있다. 따라서, 상기 온도에 의하면, 열교환관(400)은 약 250도의 온도로 유체와 열교환을 수행할 수 있다. 또한, 열교환관(400)은 높이 1m의 열전달부(200) 외주에 나선형으로 권취되되, 15mm 지름으로 형성되고, 일단으로부터 타단까지의 길이는 15m가 될 수 있다. 물론, 각 수치는 이에 한정되는 것은 아니며 열교환 용량이나 열전달부(200)의 외주에 따라 달라질 수가 있다.

나아가, 열전달부의 높이방향 상면은 저장부(500)와 면접촉에 의해 접하는 전열부(210)가 마련될 수 있다. 상기 전열부(210)는 열전달공간(201)의 온도에 의해 온도가 증가될 수 있다. 상기 예에 따르면, 전열부(210)는 열전달공간(201)의 온도인 약 250도 정도로 온도가 형성될 수 있다. 가열된 전열부(210)는 저장부(500)와 열교환하여 저장부(500)에 수용된 유체의 온도를 증가시키거나 유지시킬 수 있다. 저장부(500)에 저장된 유체는 열교환관(400) 내에서 열교환되어 온도가 증가된 상태의 유체이므로, 유체의 증가된 온도를 보온하는 목적으로 열교환을 수행할 수도 있다. 나아가, 열교환을 위해 전열부는 내열성을 지니고 있되 열교환에 용이한 소재가 채용될 수 있다. 예를 들어, 금속재, 석재, 세라믹과 같은 소재가 될 수 있다.

한편, 열교환관(400) 및 열전달부(200)를 수용하는 단열부(300)는, 열교환을 통해 증가된 온도가 상대적으로 낮은 온도의 외부온도와 열교환이 일어나는 것을 방지할 수 있도록 단열시킬 수 있다. 구체적으로, 단열부(300)의 내부공간에 축열부(100), 열전달부(200), 축열공간(101), 열전달공간(201), 열교환관(400)을 수용하고 상부에 저장부(500)가 위치된다. 단열부(300)는 열전달부(200)와 이격되어 사이에 공기가 수용되는 공간인 단열공간(301)이 형성될 수 있다. 상기 단열공간(301)의 온도는 열전달공간(201)의 온도가 250도인 경우 약 200도 정도로 유지될 수 있다. 단열공간(301)의 온도를 유지하기 위해 단열부(300)는 단열재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 부식의 방지를 위해 스테인리스의 소재로 골조가 형성되고 단열재가 상기 골조의 내측표면에 부착이나 고정되는 방식으로 위치되어 골조 내부와 외부 간 열을 단열할 수 있다.

또한, 축열부(100)에는 개방된 공기구멍인 제1기공(102)이 형성될 수 있고, 열전달부(200)에는 개방된 공기구멍인 제2기공(202)이 형성될 수 있다. 제1기공(102) 및 제2기공(202)은 발열부(10)로부터 열이 발생하면 축열공간(101) 및 열전달공간(201)의 온도가 증가되면서 팽창하는 공기를 배출시킬 수 있도록 한다. 상기 공기가 팽창하면 팽창에 의한 축열부(100) 및 열전달부(200)의 찌그러짐 및 찢어짐을 포함한 변형을 방지하기 위해 팽창한 공기를 외부로 배출될 수 있도록 한다. 상기 외부는 단열공간(301) 또는 단열재의 외부를 의미한다. 단, 제1기공(102)은 축열공간(101) 및 열전달공간(201)을 연통시키고, 제2기공(202)이 열전달공간(201)과 단열공간(301) 또는 열전달공간(201)과 단열부(300)의 외측 간을 연통시킬 수 있다.

나아가, 공기 축열식 보일러는 열교환관(400)에 펌프가 위치되어 유체를 열교환관(400) 내측으로 유입 또는 배출시킬 수 있다. 이하에서는 유체가 이동되는 과정을 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 축열식 보일러에 유체가 이동하는 경로를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 열교환 대상인 유체는 유입방향(I)으로 공급될 수 있다. 열전달부(200)의 외주에 나선형으로 권취된 열교환관(400) 내를 따라 이동되는 유체는 열전달부(200)를 중심으로 복수회 회전되며 상방으로 이동될 수 있다. 발열부(10)의 열을 전달받아 축열된 축열부(100)는 지속적으로 열을 발산할 수 있다. 축열부(100)의 열은 열전달공간(201)에 있는 공기를 지속적으로 가열시키고, 가열된 공기는 대류를 통해 열전달부(200)의 온도를 증가시킬 수 있다. 물론, 축열부(100)의 표면으로부터 복사되는 복사열을 통해 열전달부(200)의 표면을 지속적으로 가열할 수 있다. 따라서, 온도는 열전달부(200) 측으로 지속적으로 전달될 수 있다.

상기 유체의 유입되는 관이 수직방향을 기준으로 유체가 배출되는 위치보다 아래에 위치한 본 예시는 발열부(10)와 인접한 위치를 개시하기 위한 예가 될 수 있다. 이러한 예는 외부에서 유입되는 측에 가까울수록 열교환관(400) 내에서 온도가 낮을 수 있기 때문에 온도가 비교적 높은 발열부(10)와 가까운 측에 유입방향(I)이 위치되는 구성을 나타낸 것이다. 물론, 이에 한정되지는 않고 유체의 유입방향(I)은 선택적으로 결정될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 축열식 보일러의 압력밸브(202a)에 의한 고압영역(P)이 형성되는 것을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 도 1 및 도 2를 통해 전술한 공기 축열식 보일러에 압력밸브(202a)가 더 포함된 실시예로서, 압력밸브(202a)는 제2기공(202)에 위치될 수 있다. 발열부(10)가 발열되면 열이 발생하고 축열공간(101)의 공기는 팽창하게 된다. 팽창된 공기는 축열공간(101)에 수용되기 어려우므로 제1기공(102)을 통해 열전달공간(201)으로 이동될 수 있다. 열전달공간(201)까지 가열되어 열전달공간(201)의 공기까지 가열되면 공기는 제2기공(202)을 통해 외측으로 배출될 수 있다. 다만, 본 예시에서는 제2기공(202)에 압력밸브(202a)가 마련되어 있고 압력밸브(202a)의 개방시에만 제2기공(202)을 통해 공기는 배출될 수 있다.

여기서 압력밸브(202a)는 기 결정된 압력을 초과하면 개방될 수 있도록 설계된다. 즉, 축열공간(101) 및 열전달공간(201) 내의 공기압이 상기 기 결정된 압력 이하일 때는 배출되지 못하고 고압영역(P)이 형성되게 된다. 상기 고압영역(P)이 형성되면, 가열에 따른 온도증가는 압력에 따른 온도증가의 요인을 더하여 고효율의 온도증가를 기대할 수 있다. 물론, 이러한 경우에도 축열부(100) 및 열전달부(200)가 압력으로부터 파손되지 않는 범위 내에 압력밸브(202a)의 개방압력이 결정될 수 있다.

본 예시의 공기 축열식 보일러를 가동하는 과정에서 온도변화를 결정하는 요인은 발열부(10), 흑연코팅이 된 축열부(100) 및 압력밸브(202a)가 될 수 있다. 발열부(10)는 초기의 열을 발생시킬 수 있고, 흑연코팅이 된 축열부(100)는 발열부(10)가 발생시킨 열을 축열하여 지속적인 열전달을 유지할 수 있으며, 압력밸브(202a)는 온도증가 요인에 압력을 더하여 보다 효율적인 가열이 이루어지도록 할 수 있다.

이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10 : 발열부
100 : 축열부
101 : 축열공간
102 : 제1기공
200 : 열전달부
201 : 열전달공간
202 : 제2기공
202a : 압력밸브
210 : 전열부
300 : 단열부
301 : 단열공간
400 : 열교환관
500 : 저장부
I : 유입방향
O : 배출방향
P : 고압영역

Claims (7)

1. 열을 발생시키는 발열부로부터 열을 전달받아 축적하고, 흑연으로 코팅된 면을 포함하는 축열부;
   그 내측에 상기 축열부를 수용하고 상기 축열부로부터 대류 및 복사를 통해 열을 전달받는 열전달부;
   상기 열전달부의 외측에 권취되어 상기 열전달부의 표면으로부터 열이 전도되고, 내부에 유체가 이동되는 열교환관;
   상기 열교환관 및 상기 열전달부의 외측에 배치되어 외부로부터 단열시키는 단열부; 및
   상기 열교환관을 통해 이동한 유체가 저장되는 저장부;를 포함하고,
   상기 저장부는 상기 열전달부의 상측에 접하도록 배치되고,
   상기 열전달부는,
   상기 열전달부 내의 열이 상기 저장부로 전달되도록, 상기 저장부와 상기 상측에서 면접촉을 통해 접하는 전열부를 포함하는, 공기 축열식 보일러.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 발열부는 할로겐 전구인, 공기 축열식 보일러.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 축열부 내 공간인 축열공간 및 상기 열전달부와 상기 축열부 사이의 공간인 열전달공간은, 상기 축열부에 마련된 제1기공을 통해 연통되는, 공기 축열식 보일러.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 열전달부 내의 공기가 팽창하면 상기 열전달부 내의 공기를 상기 열전달부 외측으로 배출되도록 하는 제2기공을 더 포함하는, 공기 축열식 보일러.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제2기공의 개폐여부는 상기 열전달부 내의 기 결정된 압력에 따라 개폐를 수행하는 압력밸브에 의해 결정되는, 공기 축열식 보일러.
   
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