KR20020010330A - 냉열소자를 이용한 보일러장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉열소자를 이용한 보일러장치에 관한 것으로서, 전기적으로 연결한 모듈형태로 사용되어지는 열전반도체로 부터의 열전효과를 이용하여 온수 또는 냉수를 선택적으로 공급할 수 있도록 함으로서, 보일러의 작동이 무소음, 무진동으로 이루어짐과 동시에 제품의 소형, 경량화가 가능하게 된다.

이를 실현하기 위한 본 발명의 보일러장치는, 용수가 공급되는 유로상에 열교환체(10)가 설치되어 통과하는 용수와의 상호간 열교환을 이루는 냉난방 보일러에 있어서: 상기 열교환체(10)는, 단면이 다각형태의 외형을 이룬 상태에서 입구부(14)를 통해 유입되는 용수를 출구부(15)로 안내하도록 내부에는 용수 통과유로(12)가 형성되고; 상기 다각형상의 각 벽면에는 흡열 및 발열을 통하여 용수와의 열교환을 수행하기 위한 다수의 냉열소자(11)가 설치되며; 상기 냉열소자(11)의 기외측에는 열교환 효율을 향상시키기 위한 방열핀(13)이 부착되어진 것을 특징으로 하게된다.

Description

냉열소자를 이용한 보일러장치{A BOILER DEVICE USING THERMOELEMENT}

본 발명은 냉열소자를 이용한 보일러장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는전기적으로 연결한 모듈형태로 사용되어지는 열전반도체(Thermoelectric semiconductor)로 부터의 열전효과를 이용하여 온수 또는 냉수를 선택적으로 공급할 수 있는 냉온 겸용 보일러장치에 관한 것이다.

일반적으로, 냉열소자(Thermoelectric module)는 n,p type 열전반도체를 전기적으로는 직렬로, 열적으로는 병렬로 되도록 π형으로 연결한 모듈의 형태로 사용된다. 그리고 DC전류를 흘렸을 때는 열전효과에 의해서 모듈의 양면에 온도차가 발생하고 또, 동시에 발전현상이 일어나게 된다. 일반적으로 냉열소자란 펠티어(Peltier) 현상에 의해 나타나는 냉각효과를 이용하는 고체식 히트펌프(solid state heat pump)를 말한다.

상기 펠티어 현상에서 흡열을 이용한 전자냉각 응용분야는 반도체 제조분야, 의료분야, 일반 민수용 분야, 통신, 전자분야에 이르기 까지 다양하다.

한편, 도 1에는 냉열소자의 구조도를 나타낸 것으로서, 도시된 바와같이 소정간격을 이루고 있는 금속판(1) (2)및 이에 부착된 열소자(3)와 냉소자(4)를 열전도성이 우수한 반도체 브릿지(5)로 연결한 것이다.

이같은 냉열소자는 도 2에 도시된 바와같이 일정면적의 판형으로 이루어진 상태에서 열소자(3)에 전류가 흐르는 동안에 냉소자(4)의 열을 회수하여 대기중으로 방출하므로서 열소자(3)의 온도를 상승시키게 된다. 이와 동시에, 냉소자(4)의 온도가 하강하고, 냉소자(4)에서의 열교환작용에 따라 냉소자 부근의 공기나 물의 온도가 대기온도 이하로 낮아지게 되는 것으로서, 전류의 흐름을 반대로 할 경우에는 열소자와 냉소자부위에서의 온도변화상태가 바뀌게 된다.

이와같은 전자 냉각/방열 방식의 장점을 살펴보면 다음과 같다.

첫째, 냉각/방열속도가 신속하게 이루어지고 전류의 방향에 따라 흡.발열을 바꿀수 있게됨으로 정확한 온도조절이 가능하게 된다는 점이다.

둘째, 기계적인 작동부분이 없기 때문에 무소음, 무진동으로 작동이 가능하다.

셋째, 소형, 경량화가 가능하여 국부 냉각/방열이 가능하게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 장점을 갖고 있는 냉열소자를 보일러장치의 용수가열수단에 적용함으로서 용수와의 열교환에 따른 냉난방용수를 무진동, 무소음의 환경 하에서 선택적으로 공급할 수 있도록 하는데 목적이 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은, 상기 보일러의 겨울철 난방기능 뿐만 아니라 여름철 실내 냉방 등의 기능으로 사용하거나 동시에 겸용으로 사용이 가능하도록 하여 제품의 이용효율을 향상시킬 수 있도록 하기위한 것이다.

상기 목적은, 용수가 공급되는 유로상에 열교환체가 설치되어 통과하는 용수와의 상호간 열교환에 의해 온수 또는 냉수를 공급하는 보일러에 있어서:

상기 열교환체는,

단면이 다각형태의 외형을 이룬 상태에서 입구부를 통해 유입되는 용수를 출구부로 안내하도록 내부에는 용수 통과유로가 형성되고;

상기 다각형상의 각 벽면에는 흡열 및 발열을 통하여 용수와의 열교환을 수행하기 위한 다수의 냉열소자가 설치되며;

상기 냉열소자의 기외측에는 열교환 효율을 향상시키기 위한 방열핀이 부착되어진 것을 특징으로 하는 보일러장치를 통해 이룰 수 있게된다.

도 1은 일반적인 냉열소자의 구조도.

도 2는 상기 냉열소자를 일부 절개시켜 도시한 사시도.

도 3은 본 발명 열교환체의 단면 구조도.

도 4는 도 3의 A-A'부 단면도.

도 5는 본 발명 보일러의 효율측정을 위한 실험 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 열교환체 11 : 냉열소자

12 : 통공 13 : 방열핀

14 : 유입구 15 : 배출구

20 : 가이더 21 : 물통

22 : 순환펌프 23 : 송풍팬

24 : 온도계

이하, 본 발명을 일 실시예로 도시한 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 살펴보기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 열교환체에 방열핀이 설치된 보일러 단면도이고, 도 4는 상기 도 3의 A-A'부 단면도이며, 도 5는 보일러의 열교환효율 실험을 위한 장치 구성도를 각각 나타낸다.

먼저, 본 실시예의 구성을 살펴보면 다음과 같다.

상기 제시되어지는 도면에서는 본 발명의 보일러시설을 이루게될 열교환체(10)가 도 4에 도시된 바와같이 단면이 4각형태를 이루고 있으나, 이는 가열되어질 용수의 용량에 따라 4각 내지 8각 등의 형태로 다양하게 제작될 수 있게된다.

그리고, 열교환체(10)의 각 면에는 통상의 열전반도체 냉열소자(11)가 다수개 설치되되, 발열부인 열소자(11a)는 기내측을 향하고 흡열부인 냉소자(11b)는 기외측을 향하도록 배치하게 된다. 상기 다수의 각 냉열소자(11)는 상호간에 전기적으로 직렬연결됨이 바람직하다.

그리고, 상기 열소자(11a)가 대향되어지는 열교환체(10)의 내부는 열전도성 재질을 이룬 상태에서 용수의 유로를 이루는 통공(12)이 형성됨으로서, 통공(12)을 통해 유입되는 용수와의 열교환을 통해 용수를 가온시킬 수 있게된다.

또한, 열교환체(10)의 외측으로 노출되어진 냉열소자(11) 부위 즉, 냉소자(11b)에는 각각 방열핀(13)을 부착함으로서 냉소자(11b)의 온도저하에 따른 과냉각(얼음발생)을 방지하게 되며, 이와 동시에 외부공기를 방열핀(13)측으로 강제 송풍시키기 위한 강제 이송수단으로 송풍팬(23)이 설치되고 강제 송풍되어지는 공기를 안내하기 위한 가이더(20)가 유로를 이루며 설치되게 된다.

방열핀(13)과의 열교환을 위해 상기 가이더(20)를 통해 이송되는 유체는 필요에 따라서 공기가 아닌 물이 사용될 수도 있으며, 이경우 강제 이송수단으로는 물펌프 등이 설치되어진다.

도면중 미설명 부호 14, 15는 각각 용수의 유입구 및 유출구를 나타낸다.

이와같이 구성되어지는 열교환체(10)는 별도의 다른 열교환수장치와 함께 사용되거나 단독으로 설치되어질 수 있으며, 이와같이 설치된 상태에서 냉열소자(11)에 전원이 인가됨에 따라 열소자(11a)에서 발열현상이 일어나게 되고, 이로인해 유입구(14)를 통해 열교환체(10) 내부로 유입되어지는 용수를 가온시킨 후 유출구(15)를 통해 실내측으로 온수를 공급하게 된다.

또한, 이때 외기측에 대향되어져 있는 냉열소자(11)의 냉소자(11b)에서는 흡열현상이 일어나게 되며, 송풍팬(23)을 이용해 공기를 강제 송풍시켜 접촉시킴으로서 열소자(11a)측에서의 발열효율을 더욱 향상시킬 수 있게된다.

이때, 강제 송풍되어진 공기는 냉소자(11b)에 부착되어진 방열핀(13)과의 열교환에 의해 냉각되어지게 되고, 냉각되어진진 공기는 가이더(20)를 따라 실내 또는 실외로 안내되어질 수 있게된다.

그리고 사용자의 필요에 따라서 냉열소자(11)에 인가되는 전극을 반대로 인가하게 되면 발열부위와 흡열부위가 서로 바뀌어지게 되는데, 이로인해 열교환체(10) 내측으로의 냉열소자(11) 발열이 일어나고 외측으로는 흡열작용이 일어나게 됨으로서 유입되는 용수의 냉각 또한 가능하게 된다. 따라서, 실내측으로의 냉수가 공급되어질 수 있게되는 냉온 겸용의 보일러를 이룰 수 있게된다.

한편, 상기 열교환체(10)의 효율을 측정하기 위한 실험을 다음과 같이 수행하였다.

본 실험을 위한 구성을 도 5에 개략적으로 나타내었으며, 결과치 측정을 위해서 적산전력계(미도시), 용수 저장용 물통(21), 순환펌프(22), 온도계(24)가 추가로 구비되어지게 된다.

<실험예 1>

- 열교환체 : 냉열소자 24개 설치(방열핀 부착않함)

- 인가전압 : 12V 병렬연결

- 용수량 : 800L

- 전력계 및 온도변화 : 1KWH -> 2.25KWH(△1.25KWH) , 27.5℃ -> 29.4℃(△1.9℃)

즉, 입력 KCal: 1.25KWH×860KCal/KWH = 1075 KCal

출력 KCal: 800L×1.9℃ = 1520 KCal

따라서, 실험예 1에서는 냉소자(11b)측의 방열처리 미흡으로 인해 1520/1075 =141,4%의 낮은효율이 나타남을 알 수 있었다.

<실험예 2>

- 열교환체 : 냉열소자 24개 설치(방열핀 4개소 부착, 송풍팬 가동)

- 인가전압 : 12V 병렬연결

- 용수량 : 860L

- 전력계 및 온도변화 : 2.25KWH -> 5.40KWH(△3.15KWH) , 28.2℃ -> 33.4℃(△5.2℃)

즉, 입력 KCal: 3.15KWH×860KCal/KWH = 2709 KCal

출력 KCal: 860L×5.2℃ = 4472 KCal

결국, 4472/2709 =165.1%의 효율을 나타냄으로서, 송풍팬의 가동으로 냉소자(11b)측의 일부 열교환 효율이 향상되면서, 온열효과가 상승됨을 확인할 수 있었다.

<실험예 3>

- 열교환체 : 냉열소자 24개 설치(방열핀 4개소 부착, 송풍팬 가동)

- 인가전압 : 12V 직렬연결

- 용수량 : 860L

- 전력계 및 온도변화 : 5.40KWH -> 6.012KWH(△0.612KWH) , 33.4℃ -> 35℃(△1.6℃)

즉, 입력 KCal: 0.612KWH×860KCal/KWH = 526 KCal

출력 KCal: 860L×1.6℃ = 1376 KCal

결국, 1376/526 =262%의 효율을 나타냄으로서, 송풍팬의 가동 및 직류전원인가로 인해 온열효과가 크게 상승됨을 확인할 수 있었다.

상기 각 실험예의 결과를 살펴보면, 냉열소자(11)에 방열핀(13)을 소정개소에 부착한 후 송풍팬(23)을 가동했을 경우, 그리고 각 냉열소자(11)를 상호간에 직렬로 연결했을 경우 용수의 가열에 따른 보일러의 에너지 효율이 더욱 향상되어짐을 확인할 수 있었다.

한편 비교예로서, 즉 종래 보일러장치의 경우 용수 가열을 위한 버너 등이 장치 내부에 설치되어야 함으로 인해 소음발생 및 필요공간의 증가 등의 문제가 있었으나, 본 발명에 의하면 냉열소자를 이용한 온수공급이 이루어짐으로 소음이 발생하지 않으며 장치의 외형 또한 슬림화가 가능하여 제품의 소비자 만족도를 크게 향상시킬 수 있게됨을 알 수 있다.

또한, 온수의 공급과 동시에 기외측에서의 공기접촉을 통해 냉기를 공급하여 겨울철 뿐만 아니라, 냉열소자의 인가전극을 반대로 함으로서 냉수 또는 온수를 선택적으로 공급받게 되어 여름철에도 다용도로 사용이 가능하게 되는 이점을 나타낸다.

그리고, 상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명되었지만 본 발명의 냉열소자를 이용한 보일러장치가 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는것은 자명한 사실이다.

예를들면, 상기 실시예에서는 냉열소자를 이용하여 열교환체 내부에서 용수를 가열하고 기외측에서는 공기를 접촉시켜 실내 공조를 이룰 수 있도록 하였지만, 이외에도 외부가이더(20)의 유로를 따라 공기가 아닌 용수를 공급하여 열교환체의내/외면에서 동시에 냉수와 온수를 얻는 등의 용도변경이 가능하게 됨을 알 수 있다.

따라서, 이와 같은 여러가지 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

이상에서 살펴본 바와같은 본 발명의 보일러는, 냉열소자에 의해 온수 또는 냉수의 공급이 이루어짐에 있어 인가되어지는 전류의 방향에 따라 보일러 내부에서의 흡,발열이 선택적으로 이루어지게 됨으로 유체의 정확한 온도조절이 가능하며, 난방용수의 가열뿐만 아니라 냉각을 위한 흡열원이 전기소자로 부터 얻어지게 됨으로서 무소음, 무진동으로 동작이 이루어지게 되는 효과를 나타내게 된다.

또한, 보일러본체의 소형, 경량화가 가능함으로서 제품의 설치 및 제작효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 냉각열의 이용을 위한 냉매가스를 사용할 필요가 없게되어 환경친화적인 특성을 갖게 되는 등의 이점을 나타내게 된다.

Claims (3)

1. 용수가 공급되는 유로상에 열교환수단이 설치되어 용수와의 상호간 열교환을 이루어 실내측으로 냉수 또는 온수를 공급하는 보일러에 있어서:

   상기 열교환수단에는,

   단면이 다각형태의 외형을 이룬 상태에서 입구부(14)를 통해 유입되는 용수를 출구부(15)로 안내하도록 내부에는 용수 통과유로(12)가 형성되고;

   상기 다각형상의 각 벽면에는 흡열 및 발열을 통하여 용수와의 열교환을 수행하기 위한 다수의 냉열소자(11)가 설치되며;

   상기 냉열소자(11)의 기외측에는 열교환 효율을 향상시키기 위한 방열핀(13)이 부착되어진 열교환체(10)가 포함되어짐;을 특징으로 하는 냉열소자를 이용한 보일러장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 열교환체(10)의 외측에는, 냉열소자(11)의 기외측으로 유체를 접촉시켜 상호간의 열교환을 이룰 수 있도록 유체를 강제유동시키는 유동수단(23); 및

   상기 유체의 유로를 안내하기 위한 가이더(20)가 설치된 것을 특징으로 하는 냉열소자를 이용한 보일러장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 냉열소자(11)는, 발열부인 열소자(11a)가 기내측을 향하고 흡열부인 냉소자(11b)는 기외측을 향하도록 배치되어진 것을 특징으로 하는 냉열소자를 이용한 보일러장치.