KR200277345Y1 - 축열식 전기보일러의 히터용량을 소형화하는전환축열장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 자동으로 난방 및 축열작용이 제어 또는 전환되게 하여 히터용량을 소형화 하는 축열식 심야전기보일러 및 심야전기온수기에 관한 전환축열장치로, 통상의 축열재탱크에 내장되는 히터의 주연부에 함체상 축열재 가열장치를 장착하고, 그 축열재 가열장치에는 내부 충전수 또는 잠열재의 과열 발생시 자동으로 개폐되는 승강덮개를 형성하며, 순환관과 축열재탱크 및 축열재가열장치의 연결구조를 개선함으로서, 급속한 난방 및 온수의 사용이 가능할 뿐만 아니라, 심야전원의 단속상태 및 난방의 사용여부에 따라 자동으로 난방 및 축열작용을 전환 및 제어함으로서 소용량의 히터만으로도 충분한 축열효과가 있으며 심야 최대 수요 경감으로 전력 공급시설투자비 절감효과와 보다 경제적이면서도 간편한 사용이 가능한 것이다.

Description

축열식 전기보일러의 히터용량을 소형화하는 전환축열장치 {Thermal energy storage system miniaturizing capacity of heater of heat-saving electic boiler}

본 고안은 자동으로 난방 및 축열작용으로 전환되게 하여 히터용량을 소형화하는 축열식 심야전기보일러 및 심야전기온수기의 전환축열장치에 관한 것으로, 특히 심야전기보일러 및 심야전기온수기에 적용되는 히터의 주연에 별도의 축열재 가열장치를 구비하되, 그 축열재 가열장치는 축열탱크를 가열하면서 가열장치 내부의 축열재를 급속하게 가열함은 물론 가열된 축열재가 과열되면 자동으로 이를 축열재탱크로 방출함으로서, 안전하게 난방 및 온수사용에 필요한 고온의 온수를 급속하게 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 심야전원의 인가상태 및 난방의 사용여부에 따른 난방 및 축열작용이 자동으로 제어 및 전환되게 함으로서 유체흐름을 효율적으로 제어하여 소형의 히터로 필요한 축열을 할 수 있어 전력사용의 효율을 극대화 한 축열재 가열장치를 갖는 축열식 심야전기보일러이다.

축열식 심야전기보일러 및 심야전기온수기는 심야전력을 주로 사용하는 것으로, 전력사용량이 적은 심야시간인 밤 10시 이후부터 다음날 8시까지 또는 밤 11시 이후부터 다음날 9시까지만 사용하는 전기로서, 생산된 잉여전력을 심야시간에 공급하므로서 심야에 사용한 전기요금을 대폭 저렴하게 공급하여 낮에 편중된 전력소비량을 분산시키고 난방용 원유수입을 감소시키면서도 전력을 생산하는 발전설비의 효율을 극대화하는 전력 수요 관리 기술이다.

따라서, 통상의 축열식 심야전기보일러는 도 8의 도시와 같이 비교적 대형의 온수탱크(100)를 구비하고 그 내부에는 온수를 가열할 수 있는 전기히터(101)(101')가 다수 내장되어 있으며, 그 전기히터(101)(10')를 심야전력 시간대에 집중적으로 작동하여 축열조 내부의 물 또는 잠열재를 가열시켜 축열된 열을 낮시간대에 배출관(102) 및 유입관(103)을 이용하여 난방은 물론 온수를 사용하여 저렴한 가격으로 에너지를 사용할 수 있게 한 것이다.

그러나, 전기한 축열식 심야전기보일러 및 심야전기온수기를 낮에 사용하여 축열탱크가 냉각된 상태에서 심야에 난방 및 온수를 사용하고자 할 때, 그 축열탱크의 물 또는 잠열재가 사용가능한 일정온도가 될때까지는 난방이 되지 않거나 온수가 공급되지 않는 문제점이 있는 것이다.

즉, 하나 또는 두개 이상의 히터가 심야시간이 시작되는 밤10시 또는 밤11시에 전원이 들어와 작동을 하여 빠른 시간내에 난방 및 온수를 사용할 수 있도록 축열탱크 전체를 가열해야 하므로, 대용량의 전력을 필요로 할 뿐만 아니라 이로 인하여 전력을 공급하는 전력회사의 배전선로의 투자비가 과다 소요될 뿐만 아니라 발전소 전력의 효율적 사용에도 문제점이 있는 것이다.

따라서, 소용량의 히터로 지속적인 가열에 의해 전력부하를 분산시키면서도 더 좋은 난방효과를 누릴수 있고 심야시간대에 낮시간의 난방 등에 사용할 필요한 열의 축열이 가능하지만, 기존기술은 난방시간 및 온수공급시간을 단축하기 위해 대용량의 히터를 설치하므로서 과다한 생산원가의 난방용기계와 온수기 사용 및 전력공급회사의 과다한 배전설비의 투자는 물론 발전소의 효율적 운용에도 심각한 문제점이 있는 것이다.

본 고안은 전기한 바와 같은 문제점을 제거코자 안출된 것으로서, 통상의 축열재탱크에 내장되는 히터의 주연부에 함체상 축열재 가열장치를 장착하고, 그 축열재 가열장치에는 내부 축열재의 과열 발생시 자동으로 개폐되는 승강덮개를 형성하며, 순환관과 축열재탱크 및 축열재가열장치의 연결구조를 개선함으로서, 급속한 난방 및 온수의 사용이 가능할 뿐만 아니라, 심야전원의 단속상태 및 난방의 사용여부에 따라 자동으로 난방 및 축열작용을 제어 및 전환함으로서, 소용량의 히터만으로도 주간에 사용할 열에너지의 충분한 축열효과가 있으며, 효율적인 유체흐름을 제어하여 보다 경제적인 효과가 있는 축열식 전기보일러의 히터용량을 소형화하는 전환축열장치를 제공함에 본 고안의 목적이 있는 것이다.

도 1은 본 고안 전환축열식 심야전기보일러의 내부단면도

도 2는 본 고안 전환축열식 심야전기보일러에 적용된 축열재 가열장치의 사시도

도 3은 본 고안 전환축열식 심야전기보일러의 적용된 축열재 가열장치의 단면도

도 4는 본 고안 전환축열식 심야전기보일러의 심야전기 인가 및 난방상태의 흐름도

도 5는 본 고안 전환축열식 심야전기보일러의 심야전기 인가 및 비난방상태의 흐름도

도 6은 본 고안 전환축열식 심야전기보일러의 심야전기 단락 및 주간난방 상태의 흐름도

도 7은 본 고안 전환축열식 심야전기보일러의 자동제어회로도

도 8은 종래의 축열식 심야전기보일러를 보인 내부단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 단열층 2 : 축열재탱크

3,3' : 히터 4 : 순환관

5,5' : 3방향절환밸브 6,6' : 분기관

7,7' : 연결관 8 : 순환펌프

9 : 보충수관

10 : 축열재 가열장치 11 : 관체

12,12' : 통공 13 : 덮개판

14,14' : 걸림편

이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 고안 축열식 심야전기보일러의 내부단면도이고, 도 2는 본 고안 축열식 심야전기보일러에 적용된 축열재 가열장치의 사시도이며, 도 3은 전기한 축열재 가열장치의 단면설명도이다.

단열층(1)이 형성된 축열재탱크(2)의 내부에는 히터(3)(3')가 장착되고, 축열재탱크(2)의 외부에는 별도의 순환관(4)이 형성된 통상의 축열식 보일러에 있어서, 축열재탱크의 용량은 에너지 보존의 법칙에 따라 주간에 필요한 열을 축열할 수 있는 기존 통상의 축열식 보일러 용량과 같다.

전기한 히터(3)에는 별도의 축열재 가열장치(10)를 장착하고, 전기한 순환관(4)의 일측에는 순환펌프(8)를 장착하며, 순환관(4)의 양단에는 3방향절환밸브(5)(5')를 각각 장착하여 이를 축열재탱크(2)의 내부로 유입되게 하되,

축열재 가열장치(10)는 사각함체상의 관체(11)와, 관체(11)의 일측 상부 및 양측면에 형성된 다수의 통공(12)(12')과, 상하로 승강하며 전기한 통공(12)(12')을 개폐하는 절곡형성된 덮개판(13)과, 전기한 덮개판(13)이 상부로 이탈되는 것을방지하는 좌우 걸림편(14)(14')으로 되며,

전기한 3방향절환밸브(5)(5')는, 순환관(4)의 양단에 형성되어 유입측 3방향절환밸브(5)와 배출측 3방향절환밸브(5')로 구분되고, 축열재탱크(2)의 내부와 연통된 분기관(6)(6')과 연결관(7)(7')이 각각 결합되며, 그 연결관(7)(7')은 3방향절환밸브(5)(5')와 전기한 축열재 가열장치(10)의 관체(11) 내부가 서로 연결되게 하는 것이다.

도면중 미설명 부호 9는 보충수관이다.

이상과 같은 구성에 의한 본 고안의 작용을 첨부도면에 의해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1의 도시와 같이 단열층(1)이 형성된 통상의 축열재탱크(2)의 내부에, 축열재탱크(2)의 상부 일측에 형성된 보충수관(9)을 이용하여 축열재탱크(2)의 내부에 보충수 또는 잠열재 등의 축열재를 충전하면 되는 것이며,

기기에 전원을 공급하게 되면 잠열재가 충전된 상태의 축열재탱크(2) 내부의 히터(3)(3')가 가열되는 것이다.

따라서, 히터(3)(3')의 가열에 의해 히터(3)(3')의 주변에 위치한 충전수 또는 잠열재가 우선 가온되는 것이며, 축열재 가열장치(10) 내부의 충전수 또는 잠열재는 밀폐상태이므로 보다 고속으로 가열되는 것이다.

따라서, 심야전원이 공급되는 시간인 밤10시 또는 11시부터 히터(3)(3')에 전원인 인가되면 히터(3)(3')에서 발생하는 고온의 열은 한정된 량인 축열재 가열장치(10) 내부의 충전수 또는 잠열재를 고속 및 고온으로 가열시켜 난방 및 온수사용에 필요한 충전수 또는 잠열재를 소용량의 히터로도 신속하게 얻을 수 있는 것이다.

즉, 도 2의 축열재 가열장치를 보인 사시도와 도 3의 단면설명도와 같이, 축열재 가열장치(10)는 사각 함체상의 관체(11)로 형성되어 있는 것으로서, 그 관체(11)의 내부에는 히터(3)가 위치하게 되는 것이며, 히터(3)의 가열에 의해 밀폐된 관체(11) 내부의 충전수 또는 잠열재는 한정된 량이면서도 그 량이 비교적 적으므로 급속하게 가열되는 것이다.

따라서, 이렇게 가열된 상태의 충전수 및 잠열재를 순환펌프(8)의 작동에 의해 연결관(7)(7')을 따라 순환관(4)의 양단에 결합된 3방향절환밸브(5)(5')를 이용하여 그 순환관(4)으로 순환되게 하면, 소용량의 히터만으로도 보일러의 작동과 동시에 가열된 충전수 및 잠열재에 의해 난방은 물론 고온의 온수를 신속하게 사용할 수 있는 것이다.

또한, 전기한 관체(11)에 형성된 다수의 통공(12)(12') 및 그 상부의 덮개판(13)은 히터(3)의 과열에 의해 관체(11) 내부의 압력이 증대되는 경우 관체(11) 외측과의 압력차에 의해 자연스럽게 관체(11) 내부의 충전수 또는 잠열재가 그 통공(12)(12')을 통해 외부의 축열재탱크(2) 내부로 빠져나가게 되는 것이며, 이러한 관체(11) 내의 고압 충전수 또는 잠열재의 배출과정에서 전기한 통공(12)(12')을 덮고 있는 덮개판(13)을 상승되는 것이다.

반대로, 관체(11) 내의 압력이 덮개판(13)을 밀어 올릴정도의 압력이 형성되지 않은 경우에는 히터(3)가 과열되지 않은 상태인 것이다.

따라서, 전기한 통공(12)(12') 및 덮개판(13)은 히터(3)에 의한 과열에 의한 열손실을 축열재탱크(2)로 전달하여 열손실이 전혀 없게 하는 동시에 과열이 발생하는 즉시 이를 축열재탱크(2) 내부의 저온 충전수 및 잠열재에 의해 과열이 방지되게 하므로 히터(3)의 사용수명을 증대시키면서도 비교적 안전한 사용이 가능하도록 하는 것이다.

따라서, 전기한 축열재 가열장치(10)에 의해 사용자는 보다 신속한 난방 및 온수의 사용이 가능한 것인데, 이러한 작용은 심야전원이 공급되는 시간과 상시전원이 공급되는 시간 또는 실내 난방 및 온수의 사용여부에 따라 각기 상이한 작동을 하게 되는 것인데, 각각의 상황에 따른 유체의 흐름 및 각 밸브의 작동관계를 보다 상세히 설명한다.

도 4의 도시는 심야전원이 인가된 상태에서 난방 또는 온수를 사용하는 경우 3방향절환밸브(5)(5') 및 충전수 및 잠열재의 흐름을 보인 개략도로서,

비교적 저렴한 비용의 심야전기가 공급되어 다수의 히터(3)(3')가 가열되면 상부 히터(3')는 축열재탱크(2) 내부의 충전수 및 잠열재를 지속적으로 가열시키고, 하부의 또다른 히터(3)는 축열재 가열장치(10)의 관체(11) 내부에 충전된 충전수 및 잠열재를 가열시키는 것이다.

이때, 순환펌프(8)의 작동과 동시에 유입측 3방향절환밸브(5)는 충전수 및 잠열재의 순환방향을 순환관(4)과 연결관(7)으로 진행되게 작동하므로, 순환펌프(8)를 통해 연결관(7) 및 축열재 가열장치(10)의 관체(11) 내부로 충전수및 잠열재가 유입되게 하는 것이다.

따라서, 관체(11) 내부의 충전수 및 잠열재는 그 히터(3)에 의해 가열되는 것이며, 가열과 동시에 순환펌프(8)의 지속적인 작동에 의해 관체(11) 내부의 충전수 및 잠열재는 또다른 연결관(7') 및 배출측 3방향절환밸브(5')를 통해 순환관(4)의 타측으로 흐르게 되는 것이다.

따라서, 충전수 및 잠열재는, 심야전원이 인가되는 상태에서 난방 및 온수를 사용하는 경우, 관체(11) 내부의 한정된 충전수 및 잠열재를 히터(3)에 의해 신속하게 가열시키게 되는 것이며, 이러한 히터(3)에 의해 신속하게 가열된 상태의 충전수 및 잠열재는 순환관(4)의 내부와 연결관(7) 및 관체(11), 또다른 연결관(7')을 경유하며 지속적으로 순환하는 것이다.

그러므로, 심야시간에 난방 및 온수를 사용하고자 하는 경우에는 밀폐된 관체(11)에 의한 급속 가열효과에 의해 보다 신속하게 난방 및 온수의 사용이 가능함은 물론, 또다른 히터(3')에 의해 축열재탱크(2) 내부를 지속적으로 가열시키게 되므로 원하는 온도의 난방 및 온수를 사용하면서도 지속적으로 축열재탱크(2) 내부의 충전수 또는 잠열재를 가열시키게 되므로 소형의 히터로도 낮시간에 사용할 수 있는 충분한 열에너지를 저장하게 되는 것이다.

또한, 도 5의 도시와 같이 심야전원이 인가된 상태에서 난방 및 온수를 사용하지 않는 경우에는,

축열재탱크(2) 내부의 충전수 및 잠열재만을 가열시키면 될 것이므로, 순환펌프(8)의 작동이 멈춘 상태에서 심야전기에 의해 다수의 히터(3)(3')에 전원을 인가하면 히터(3)(3')가 발열하며 그 주변의 충전수 및 잠열재를 가열시키게 되는 것이다.

따라서, 축열재탱크(2)의 내부에 노출된 히터(3')는 지속적으로 축열재탱크(2) 내부의 충전수 또는 잠열재를 가열하게 되는 것이며, 축열재 가열장치(10)의 관체(11) 내부에 위치하는 히터(3)는 그 관체(11) 내부의 충전수 및 잠열재를 우선 가열하게 되고, 관체(11) 내부의 충전수 및 잠열재가 고온으로 가열되면서 압력이 증가하면 그 압력에 의해 관체(11)의 상부 및 측부에 형성된 통공(12)(12')을 통해 가온된 고압의 관체(11) 내부 충전수 및 잠열재가 외부로 빠져나오게 되는 것이며, 이러한 고온 및 저온의 충전수 또는 잠열재의 대류현상에 의해 전기한 통공(12)(12')을 개폐하는 덮개판(13)이 자동으로 상승하며 내부 고압의 충전수 및 잠열재가 빠져나오는 것이다.

즉, 관체(11) 내부의 압력이 증대되어 외부로 빠져나오는 경우에는 그 압력에 의해 덮개판(13)이 상승하게 되는 것이며, 관체(11) 외부의 압력과 관체(11) 내부의 압력이 비슷해지는 상태에서 다시 그 덮개판(13)의 자중에 의해 하강하며 열린 상태의 통공(12)(12')이 닫히게 되는 것이다.

또한, 전기한 덮개판(13)이 상승하며 관체(11)의 통공(12)(12')이 개방되게 하는 과정에서 전기한 덮개판(13)이 관체(11)로부터 이탈되는 것을 방지하기 위해, 덮개판(13)이 위치한 관체(11)의 상부에는 별도의 걸림편(14)(14')을 형성하여 이에 의해 덮개판(13)이 상승하여도 걸림편(14)(14')에 의해 더이상 상승하지 못하게 하는 것으로, 통공(12)(12')의 개폐는 자유롭게 이루어지면서도 그 덮개판(13)은관체(11)로부터 일탈되지 않는 것이다.

이렇게 가열된 상태의 충전수 또는 잠열재는 심야전기가 제공되지 않는 낮시간대에 상시전원을 인가하지 않은 상태에서도 심야시간에 축적된 고온의 열에너지를 사용함으로서 고비용의 상시전원을 사용하지 않고도 난방은 물론 고온의 온수를 사용할 수 있게 되는 것이다.

즉, 도 6의 도시와 같이 히터(3)(3')에 전원을 공급하지 않은 상태에서 순환펌프(8)만 작동시키면, 3방향절환밸브(5)(5')는 순환관(4)과 축열재탱크(2) 내부의 분기관(6)(6')이 서로 연결되게 함으로서,

심야시간에 고온으로 가열된 축열재탱크(2) 내부의 충전수 또는 잠열재가 순환펌프(8)의 작동에 의해 분기관(6)(6')을 통해 전기한 순환관(4)을 흐르게 되는 것이다.

따라서, 심야시간대에 저장된 열에너지를 낮시간대에 사용하게 되므로 주간난방 및 온수의 사용에는 전혀 지장이 없으면서도 그 전원은 심야전원을 사용하는 전력사용의 수요관리기술로 심야 최대 전력수요를 경감시켜 공급시설 투자비절감 등 경제적인 부담이 크게 감소되는 것이다.

그러므로, 상기한 바와 같이 전원이 공급되는 시간 및 난방, 온수의 사용여부에 따라 각기 상이한 흐름을 보이는 충전수 및 잠열재와, 3방향절환밸브의 위치는 도 7의 도시와 같은 자동제어회로도에 의해 그 순환펌프(8) 및 3방향절환밸브(5)(5')가 유기적으로 작동되는 것이다.

따라서, 비교적 소용량의 히터를 사용하고도 사용자의 필요에 의해 순간적으로 난방 및 온수를 사용할 수 있으면서도 심야전력시간대에는 비교적 소용량의 히터만으로 지속적인 가열로 필요한 축열을 할 수 있으며, 그 히터를 적정 용량 즉, 소용량의 히터만 장착하여도 충분히 순간난방 및 온수사용과 축열이 가능하므로 기기 전체의 규격을 축소할 수 있음은 물론 생산원가의 감소와 단순한 구성에 의해 기기의 고장 방지 및 사용수명을 연장할 수 있는 전력 수요 관리 기술이다.

이상과 같은 본 고안 축열식 전기보일러의 히터용량을 소형화하는 전환축열장치는 전기의 인가와 동시에 난방 및 온수의 사용이 가능함은 물론 소용량의 히터로 심야전력을 사용하여 필요한 량의 축열을 할 수 있으므로 잉여전력을 보다 많은 국민이 경제적인 전기난방의 혜택을 볼 수 있고, 심야전원의 인가상태 또는 난방의 사용여부에 따라 자동으로 난방 및 축열작용을 제어 및 전환하여 보일러의 효율이 증대되는 것이며, 전력공급회사가 건설하는 전력공급시설 투자비의 약 50%정도를 절감하게 되는 효과를 기대할 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 단열층(1)이 형성된 축열재탱크(2)의 내부에는 히터(3)(3')가 장착되고, 축열재탱크(2)의 외부에는 별도의 순환관(4)이 형성된 통상의 축열식 보일러에 있어서,

   전기한 히터(3)에는 별도의 축열재 가열장치(10)를 장착하고, 전기한 순환관(4)의 일측에는 순환펌프(8)를 장착하며, 순환관(4)의 양단에는 3방향절환밸브(5)(5')를 각각 장착하여 이를 축열재탱크(2)의 내부로 유입되게 하되,

   축열재 가열장치(10)는 사각함체상의 관체(11)와, 관체(11)의 일측 상부 및 양측면에 형성된 다수의 통공(12)(12')과, 상하로 승강하며 전기한 통공(12)(12')을 개폐하는 절곡형성된 덮개판(13)과, 전기한 덮개판(13)이 상부로 이탈되는 것을 방지하는 좌우 걸림편(14)(14')으로 되며,

   전기한 3방향절환밸브(5)(5')는, 순환관(4)의 양단에 형성되어 유입측 3방향절환밸브(5)와 배출측 3방향절환밸브(5')로 구분되고, 축열재탱크(2)의 내부와 연통된 분기관(6)(6')과 연결관(7)(7')이 각각 결합되며, 그 연결관(7)(7')은 3방향절환밸브(5)(5')와 전기한 축열재 가열장치(10)의 관체(11) 내부가 서로 연결되게 함을 특징으로 하는 축열식 전기보일러의 히터용량을 소형화하는 전환축열장치.