KR200374263Y1 - 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치 - Google Patents

히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 열원이 흐르는 통수관과 열매체유의 접면적으로 확장함과 더불어 주 히트파이프에 보조 히트파이프를 연통·설치하여 폐회로를 구성함으로써, 열전달율을 향상시키고 그로 인해 난방효율을 향상시킬 수 있는 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위해 본 고안에 따른 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치(100)(200)는, 열원이 흐르는 통수관(110)(210)과, 통수관의 외주면에 설치되고 통수관과의 사이에 공간을 형성하는 주 히트파이프(120)(220)와, 주 히트파이프 내로 주입되는 열매체유(140), 및 양단부가 주 히트파이프의 외주면에 연통되게 설치되어 주 히트파이프와 함께 폐회로를 구성하는 보조 히트파이프(130)(230)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치{Loop type heating coil of heat pipe for hypocaust}
본 고안은 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치에 관한 것으로서, 특히 온돌용 난방장치의 주 히트파이프에 보조 히트파이프를 연통·설치하여 폐회로를 구성함으로써 난방 효율을 보다 향상시킬 수 있도록 한 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치에 관한 것이다.
일반적으로 히트파이프라 함은 1960년 영국 원자력 연구소에서 최초로 개발한 것으로서, 파이프 내부에 열매체유를 극소량 체적에 따라 주입하고, 고진공과 동시에 완전 밀봉한 것이다. 히트파이프를 수직으로 세우거나 경사를 유지하면 주입된 액체는 파이프 하부로 분포되고, 액체가 분포된 부위에 열원을 가하면 가해진 열온에 따라 히트파이프 전체로 신속히 확산된다.
이와 같은 방열파이프의 적용 이론을 간략히 설명하면, 진공 내에서는 열의 이동이 초속으로 같은 진공권으로 만들고, 무중력 상태에서는 비점을 가지고 있는 모든 물체는 비점이 달라지며(예를 들면, 대기권에서는 물이 100℃에서 끓으나 진공 내에서는 60℃이상이면 끓는다), 주입된 열매체유는 상승비점에 도달하면 체적이 증폭된다는 등의 화학적 이론을 토대로 개발된 파이프이다.
한편, 전술한 바와 같은 히트파이프의 적용범위는 주택이나 온실 등의 방바닥이나 지상면에 설치되며, 히트파이프를 통해 방열시켜 주택이나 온실을 난방하게 된다. 종래의 난방용 히트파이프 및 시공에 따른 시공상태를 설명하면 다음과 같다.
첨부된 도면의 도 1은 종래 히트파이프식 난방용 방열기의 한 예를 보인 사시도이고, 도 2는 도 1의 평면도이며, 도 3은 도 2의 A-A선 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 종래 히트파이프식 난방용 방열기(10)의 구성은 열원인 증기나 온수가 흐르는 통수관(20)과, 내부에는 소정량의 열매체유가 주입되어 일단이 통수관(20)의 길이 방향 일단에 설치되는 히트파이프(30)로 이루어진다.
전술한 구성에서 통수관(20)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 히트파이프(30)의 일단이 연결되는 다수의 주관(22)과 각각의 주관(22)을 연결하기 위한 연결관(24)으로 이루어진다. 이때, 다수의 주관(22)은 등간격으로 나란하게 배열되며, 연결관(24)은 나란하게 배열된 주관(22)과 주관(22)를 상·하를 반복하여 연결한다. 즉, 첫번째 주관(22)과 주관(22)의 상부를 연결했으면 다음의 주관(22)과 주관(22) 사이는 하부를 연결하는 방식으로 연결한다.
한편, 전술한 구성의 히트파이프(30)는 일단의 통수관(20) 중심에 연결되고, 히트파이프(30)의 내부는 진공 상태로 유지된다.
전술한 바와 같이 구성된 종래 히트파이프식 난방용 방열기(10)는 통수관(20)의 내부를 흐르는 증기나 온수에 노출되는 히트파이프(30)의 일단에 열원이 전달됨으로써 히트파이프(30) 내부의 열매체유가 기화되어 주택이나 사무실의 바닥을 난방하게 된다.
그러나, 전술한 바와 같은 종래의 히트파이프식 난방용 방열기는 도 3에 도시된 바와 같이 통수관(20)의 주관(22) 일단에 히트파이프(30)의 일부만이 연결되어 증기나 온수에 히트파이프(30)의 일부만이 접하고 있기 때문에 열매체유에 전달되는 열원은 히트파이프(30)의 일부에만 국한될 수 밖에 없다.
따라서, 증기나 온수의 열원에 의해 기화되는 열매체유는 높은 온도에서 기화될 수 밖에 없어 난방용 히트파이프의 열효율이 저하되는 문제가 있다. 또한, 열전달율이 그만큼 저하되는 문제가 있다.
본 고안은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 열원이 흐르는 통수관과 열매체유의 접면적으로 확장함과 더불어 주 히트파이프에 보조 히트파이프를 연통·설치하여 폐회로를 구성함으로써, 열전달율을 향상시키고 그로 인해 난방효율을 향상시킬 수 있는 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 종래 히트파이프식 난방용 방열기의 한 예를 보인 사시도.
도 2 는 도 1 의 평면도.
도 3 은 도 2 의 A-A선 단면도.
도 4 는 본 고안의 일 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치를 보인 평면도.
도 5 는 본 고안의 일 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치의 단면 상세도.
도 6 은 도 4 의 B-B선의 바닥 설치 상태를 보인 단면도.
도 7 은 도 6 의 다른예를 보인 단면도.
도 8 은 본 고안의 다른 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치의 평면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 200 : 난방장치 110, 210 : 통수관
120, 220 : 주 히트파이프 130, 230 : 보조 히트파이프
140 : 열매체유
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 고안에 따른 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치는, 열원인 증기나 온수가 흐르는 일정길이의 통수관과, 통수관의 외경보다 큰 내경으로 형성되어 통수관의 외주면에 설치되고 통수관과의 사이에 공간을 형성하며 양단부가 폐쇄되고 소정위치에 노즐이 형성된 주 히트파이프와, 주 히트파이프의 노즐을 통해 주 히트파이프 내로 주입되어 통수관을 흐르는 열원에 의해 가열되어 기화되면서 주 히트파이프를 가열하는 열매체유, 및‘∪’의 형상으로 형성되고 그 양단부가 주 히트파이프의 외주면에 길이방향으로 동일선상에 설치되되 주 히트파이프와 상호 연통되게 설치되어 주 히트파이프와 더불어 진공상태의 폐회로를 구성하며 중심측에서 양단부로 가면서 하향 경사지게 설치되는 보조 히트파이프를 포함하여 이루어진 것을 기술적 특징으로 한다.
전술한 구성에 있어서, 열매체유의 양은 폐회로가 차지하는 전체 체적의 8~10%인 것이 바람직하다.
전술한 구성에 있어서, 폐회로 내의 진공도는 2~3torr 이상인 것이 바람직하다.
전술한 구성에 있어서, 열매체유는 메탄올 또는 아세톤인 것이 바람직하다.
이하, 본 고안에 따른 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치의 바람직한 실시예들을 통하여 전술한 바와 같은 구성의 특징과 그 작용을 보다 상세히 설명하기로 한다.
첨부된 도면의 도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치를 보인 평면도이고, 도 5는 본 고안의 일 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치의 단면 상세도이며, 도 6은 도 4의 B-B선의 바닥 설치 상태를 보인 단면도이고, 도 7은 도 6의 다른예를 보인 단면도이다.
도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이 본 고안의 일 실시예에 따른 히트 파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치(100)는, 열원인 증기나 온수가 흐르는 통수관(110)과, 일정길이의 파이프 형태로 이루어지며 통수관(110)의 외측에 끼워지는 주 히트파이프(120)와, 주 히트파이프(120)의 외주면에 설치되어 주 히트파이프(120)와 함께 폐회로를 형성하는 적어도 하나 이상의 보조 히트파이프(130), 및 주 히트파이프(120) 내에 삽입되는 열매체유(140)를 포함하여 이루어진다.
전술한 통수관(110)은 내부에 열원인 증기나 온수가 흐르는 직선관으로서 주 히트파이프(120)를 관통하되 도 6에서와 같이 주 히트파이프(120)의 중심에 위치되게 설치될 수도 있고, 도 7에 도시된 바와 같이 주 히트파이프(120)의 중심에서 하부로 편심되게 설치될 수도 있다.
도 7에서와 같이 통수관(110)을 주 히트파이프(120)의 중심에서 하부로 편심되게 설치한 것은 난방효율을 극대화시키기 위함이다. 즉, 통수관(110)을 주 히트파이프(120)의 중심에서 하부로 편심되게 설치함으로써, 주 히트파이프(120)에 주입되는 열매체유(140)와 통수관(110)과의 접촉면적이 증대되며, 그에 따라 적은 열원으로도 열매체유(140)의 기화(氣化)를 촉진시킬 수 있다.
전술한 주 히트파이프(120)는 통수관(110) 내를 흐르는 열원으로 가열되어 바닥을 난방하기 위한 것으로, 통수관(110)의 외경보다 큰 내경으로 형성되어 통수관(110)의 외주면에 설치되고 통수관(110)과의 사이에 열매체유(140)가 주입되는 공간을 형성한다.
여기서, 주 히트파이프(120)의 양단부는 직경이 점점 축소되는 형태로 형성되어 통수관(110)의 외주면에 접면되고 접면되는 부분이 통수관(110)의 외주면에 용접됨으로써, 주 히트파이프(120)의 양단부는 폐쇄된다.
그리고, 주 히트파이프(120)의 소정위치에는 열매체유(140)를 주입하고 공기를 외부로 배출하기 위한 노즐이 형성되며, 이 노즐에는 수동으로 작동하여 주 히트파이프 및 보조 히트파이프(130) 내의 공기를 외부로 배출하기 위한 밸브가 설치되는데, 이 밸브는 열매체유(140) 주입후 연결된다.
이 때, 밸브를 노즐에 연결하기 위한 방법으로는, 고무호스를 이용하여 연결과 분리가 용이하도록 하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고 노즐의 내측에 나사산을 형성하고 밸브의 연결부 외측에 나사산을 형성함으로써 밸브를 노즐에 착탈 가능하게 나사 결합하는 방식, 또는 밸브의 연결부를 노즐의 바깥쪽에 용접하는 방식 등도 이용될 수 있다.
한편, 밸브 대신 진공펌프를 노즐에 연결하여 주 히트파이프(120) 및 보조 히트파이프(130) 내의 공기를 외부로 배출할 수도 있다. 이 경우 폐회로 내의 공기를 외부로 배출한 후에는 노즐의 입구를 용접함으로써, 진공이 유지되도록 한다.
이처럼 진공펌프를 이용해 폐회로의 내부를 진공화시킬 경우에는 진공도를 2~3torr 이상으로 유지시켜야 한다. 만일, 진공도가 2torr 미만일 경우에는 폐회로 내에 잔류해 있는 공기에 의해 열매체유(140)의 기화가 더디게 진행된다.
전술한 보조 히트파이프(130)는 주 히트파이프(120)와 더불어 통수관(110) 내를 흐르는 증기나 온수 등의 열원으로 가열되어 바닥을 난방하기 위한 것으로, ‘∪’의 형상으로 형성되고, 그 양단부가 주 히트파이프(120)의 외주면에 길이방향으로 동일선상에 설치되되 주 히트파이프(120)와 상호 연통되게 설치되어 주 히트파이프(120)와 더불어 폐회로를 구성한다.
이 때, 보조 히트파이프(130)는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 중심측에서 양단부로 가면서 즉, 주 히트파이프(120)쪽으로 가면서 하향 경사지게 설치된다. 그 이유는 통수관(110) 내를 흐르는 열원에 의해 기화되는 열매체유(140)가 시간이 경과하면서 열을 방출하여 액화되는바 액화된 열매체유(140)가 자중에 의해 자연스럽게 주 히트파이프(120) 내로 흘러가도록 하기 위함이다.
한편, 보조 히트파이프(130)는 난방하고자 하는 바닥의 면적에 따라 그 길이를 다양하게 할 수 있으며, 주 히트파이프(120)에 하나면 연결할 수도 있으나 바람직하게는 복수 개를 연결하는 것이 열효율면에서 큰 효과를 얻을 수 있다.
전술한 열매체유(140)는 통수관(110) 내를 흐르는 열원에 의해 기화되어 주 히트파이프(120) 및 보조 히트파이프(130)를 가열하기 위한 것으로, 고순도의 매탄올 또는 아세톤 등이 사용된다.
주 히트파이프(120)에 주입되는 열매체유(140)의 양은 주 히트파이프(120) 및 보조 히트파이프(130)가 이루는 폐회로의 내부 총체적의 8~10% 범위 이내일 때가 가장 바람직하다.
만일, 열매체유(140)의 양이 폐회로의 총체적보다 10%를 초과할 경우에는 열매체유(140)를 충분히 가열하여 기화시키기 위해서는 통수관(110)을 통해 많은 양의 증기나 온수를 흘러보내야 하고 가열하는데 많은 시간이 소요되며, 8% 미만일 경우에는 열매체유(140)의 가열속도가 빨라지기는 하나 열매체유(140)의 양이 적기 때문에 주 히트파이프(120) 및 보조 히트파이프(130)로의 열전달량이 줄어들게 된다.
이하에서는, 전술한 바와 같이 구성된 본 고안의 일 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치의 조립과정을 상세히 설명한다.
본 고안의 일 실시예에 따른 폐회로 난방장치(100)를 조립하는 방법에는 폐회로를 진공시키기 위한 방법에 따라 두 가지로 나뉠 수 있다. 즉, 주 히트파이프(120)의 노즐에 수동식 밸브를 연결하여 진공시키는 방법과 진공펌프를 노즐에 연결하여 진공시키는 방법에 따라 나뉜다.
수동식 밸브를 연결하여 진공시키는 방법에 따라 폐회로 난방장치(100)를 조립하는 과정을 살펴보면, 먼저 주 히트파이프(120)의 외주면에 보조 히트파이프(130)의 양단부를 용접을 통해 서로 연통되도록 설치한다. 이 때, 보조 히트파이프(130)는 양단부가 주 히트파이프(120)의 외주면에 길이방향으로 동일선상에 위치되도록 설치되며, 중심에서 양단부로 가면서 하향 경사지도록 설치된다.
주 히트파이프(120)와 보조 히트파이프(130)의 연결이 완료되면, 통수관(110)의 외주면에 주 히트파이프(120)를 끼운 후 용접을 통해 주 히트파이프(120)의 양단부를 폐쇄한다.
그리고 나서, 폐회로가 차지하는 전체 체적의 8~10%에 달하는 열매체유(140)를 주 히트파이프(120)의 소정위치에 형성된 노즐을 통해 주 히트파이프(120) 내로 주입하고, 노즐에 수동식 밸브를 설치한다.
이처럼 밸브를 설치한 후에는 통수관(110)으로 열원을 공급하여 열매체유(140)를 가열한 후, 밸브를 열어 공기를 배출시키고 다시 밸브를 잠근다. 이와 같은 작업을 3회 반복하고 통수관(110)을 흐르는 열원의 온도와 주 히트파이프(120)의 온도차가 2℃ 이내가 되었는지를 확인하고 2℃를 초과할 경우에는 열매체유(140)를 가열하고 밸브를 통해 공기를 배출하는 작업을 1회 내지 2회를 추가로 실시한다.
이와 같은 과정을 통해 주 히트파이프(120)와 보조 히트파이프(130)가 형성하는 폐회로의 내부가 진공화되면, 노즐로부터 밸브를 분리하고 용접을 통해 노즐을 폐쇄시킴으로써, 조립과정이 모두 완료된다.
한편, 진공펌프를 연결하여 진공시키는 방법에 따라 폐회로 난방장치(100)를 조립하는 과정을 살펴보면, 주 히트파이프(120) 및 보조 히트파이프(130)의 연결, 그리고 통수관(110)과 주 히트파이프(120)의 연결과정은 수동식 밸브를 연결하여 진공시키고자 할 때의 조립과정과 동일하게 진행된다.
이후에, 폐회로가 차지하는 전체 체적의 8~10%에 달하는 열매체유(140)를 주 히트파이프(120)의 소정위치에 형성된 노즐을 통해 주 히트파이프(120) 내로 주입하고, 노즐에 진공펌프를 연결하여 주 히트파이프(120)와 보조 히트파이프(130)가 형성하는 폐회로 내의 진공도를 2~3torr 이상으로 유지시킨 후 진공펌프를 분리하고, 노즐의 입구를 용접을 통해 폐쇄함으로써, 조립과정이 모두 완료된다.
첨부된 도면의 도 8은 본 고안의 다른 실시예에 따른 히트 파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치의 다른 실시예를 보인 평면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이 본 고안의 다른 실시예에 따른 히트 파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치(200)는, 하나의 통수관(210)에 짧은 길이의 주 히트파이프(220)를 복수 개 설치하고 각 주 히트파이프(220)에 보조 히트파이프(230)를 각각 하나씩 연결한 것으로, 이러한 구조의 난방장치는 바닥 시공의 편리성을 제공한다.
즉, 도 8에서와 같이 하나의 통수관(210)에 복수 개의 주 히트파이프(220)를 설치하여 주 히트파이프(220)의 길이를 짧게 한 구조의 난방장치는, 시공시 주 히트파이프(220)의 수평이 어느정도 맞지 않더라도 주 히트파이프(220) 내에 주입된 열매체유가 짧은 길이의 주 히트파이프(220) 내부에서 유동되기 때문에 열매체유가 일측으로 몰리는 일이 발생하지 않는다.
이하, 본 고안의 다른 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치의 조립과정은 본 고안의 일 실시예에 따른 조립과정과 동일하므로 그 설명을 생략하기로 한다.
이상과 같이 본 고안의 바람직한 실시예들에 따른 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치를 첨부된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 고안은 본 명세서에 상세히 설명된 실시예들과 도면에 한정되지 아니하며, 고안의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
이상에서와 같이 본 고안에 따르면 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치에 따르면, 열원이 흐르는 통수관이 열매체유가 주입된 주 히트파이프를 길이방향으로 관통하도록 이루어져 통수관과 열매체유의 접촉면적을 증가시킴으로써 열매체유의 기화가 더욱 촉진되고, 주 히트파이프에 보조 히트파이프를 연통되게 설치되어 폐회로를 형성함으로써 열매체유의 방열면적이 확장됨에 따라 난방효율이 증대된다.
또한, 보조 히트파이프를 중심측에서 양단부로 가면서 하향 경사지게 설치함으로써, 기화된 열매체유가 보조 히트파이를 통과하면서 액화된 후 자연스럽게 주 히트파이프로 흘러감에 따라 통수관을 흐르는 열원과 열매체유 사이의 열전달이 원활이 이루어질 수 있다.
뿐만 아니라, 본 고안에 따른 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치를 조립하는 과정에서 수동식 밸브 또는 진공펌프 등을 이용해 주 히트파이프와 보조 히트파이프가 형성하는 폐회로 내를 진공상태로 유지시켜줌으로써, 열매체유의 기화가 원활히 이루어지고 그만큼 난방효율이 증대된다.

Claims (4)

  1. 증기나 온수를 열원으로 하여 주택 및 사무실의 내부를 난방하기 위한 히트파이프식 온돌용 난방장치에 있어서,
    열원인 증기나 온수가 흐르는 일정길이의 통수관;
    상기 통수관의 외경보다 큰 내경으로 형성되어 상기 통수관의 외주면에 설치되고 상기 통수관과의 사이에 공간을 형성하며, 양단부가 폐쇄되고, 소정위치에 노즐이 형성된 주 히트파이프;
    상기 주 히트파이프의 노즐을 통해 상기 주 히트파이프 내로 주입되어, 상기 통수관을 흐르는 열원에 의해 가열되어 기화되면서 상기 주 히트파이프를 가열하는 열매체유;
    ‘∪’의 형상으로 형성되고, 그 양단부가 상기 주 히트파이프의 외주면에 길이방향으로 동일선상에 설치되되 상기 주 히트파이프와 상호 연통되게 설치되어 상기 주 히트파이프와 더불어 진공상태의 폐회로를 구성하며, 중심측에서 양단부로 가면서 하향 경사지게 설치되는 보조 히트파이프를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열매체유의 양은 상기 폐회로가 차지하는 전체 체적의 8~10%인 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 폐회로 내의 진공도는 2~3torr 이상인 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열매체유는 메탄올 또는 아세톤인 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 온돌용 폐회로 난방장치.
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