KR20100126071A - 상변화물질이 충전된 이중 파형통을 이용한 축열식 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축열조의 부피를 1/2로 축소하여 설치 및 교체가 용이하면서 축열되는 잠열의 효율성을 높여 저렴한 비용으로 고효율의 온수와 난방을 이루도록 하는 축열식 보일러에 관한 것으로, 잠열 및 축열 효과를 갖는 상변화물질(PCM)을 이용한 축열식 보일러에 있어서, 상기 보일러 동체 내부는 용수를 유입, 유출시키는 난방수유입구와 난방수출구가 구비된 축열조로 구성하되, 상기 축열조 저면부에 위치하여 유입된 용수를 가열하는 전기히터와; 상기 상변화물질이 충전되되, 내부 중앙은 용수의 이동 통로를 제공하기 위해 길이 방향으로 관통되는 통수로가 형성되어 내주연과 외주연이 각각 파형의 형태로 구비되는 다수 개의 이중 파형통과; 상기 이중 파형통을 축열조 내부 공간으로 위치시키기 위해 상기 축열조를 소정 위치에서 구획하여 상기 이중 파형통의 저면부를 지탱하되, 용수의 이동이 제한되지 않도록 격자 구조로 구비되는 지지스태이와; 상기 이중 파형통이 삽입되는 형태를 이루어 상기 지지스태이에 위치한 이중 파형통의 상부가 고정되면서 용수의 이동이 제한되지 않도록 격자 구조로 구비되는 상부고정스태이를; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상변화물질, PCM, 축열, 잠열, 보일러, 이중 파형통

Description

상변화물질이 충전된 이중 파형통을 이용한 축열식 보일러{A HEAT-KEEPING BOILER USING PCM}

본 발명은 보일러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상변화물질(PCM)의 특성을 이용한 잠열을 통해 축열되는 열용량을 크게 하여 설비 및 유지 관리비를 줄이고, 저렴한 비용으로 고효율의 난방과 온수를 사용할 수 있도록 상기 상변화물질이 충전된 이중 파형통을 이용한 축열식 보일러에 관한 것이다.

일반적으로 잠열(latent heat)이란 어떤 물질이 상전이 될 때, 즉 고체에서 액체(또는 액체에서 고체), 액체에서 기체(또는 기체에서 액체)가 될 때 흡수하거나 방출하는 열을 의미하며, 상전이가 일어나지 않은 상태에서 온도 변화에 따라 흡수 또는 방출하는 열인 현열(sensible heat)보다 축열용량이 매우 크다는 특징이 있다.

예를 들어, 물의 경우 섭씨 0도 얼음(고체)에서 물(액체)로 바뀔 때 1g당 80cal(335J)의 열을 흡수하고, 이러한 열은 같은 양의 섭씨 0도의 물을 80도까지 올릴 때 필요한 열량과 같다.

이처럼, 잠열의 큰 열흡수/방출 효과를 이용하여 에너지를 저장하거나 온도 를 일정하게 유지시키는 목적으로 사용되는 물질을 잠열 저장물질, 상전이 물질 또는 상변화물질(Phase Change Material, PCM)이라 한다.

상전이 온도 및 잠열량 등은 그 물질의 고유한 특성이어서, 물질마다 다르며 사용 목적에 따라 적당한 물질을 선택할 경우 일상 생활에 유용하게 쓰일 수 있다.

현재 국내 가정에서 가장 널리 사용되는 난방시스템은 보일러에 의한 가열 방식으로, 실내의 바닥에 파이프를 깔고 보일러에 의해 가열된 물이 배열된 파이프를 순환하며 열이 공급되어 실내의 온도를 높이게 되는 원리이다.

상기 보일러는 사용되는 에너지원이나 작동 방식에 따라 기름보일러, 가스보일러, 전기보일러 등으로 그 종류가 구분되고, 심각한 에너지난과 고유가 문제를 해결하기 위해 열효율을 최대한 높일 수 있는 에너지 절약형 보일러들이 꾸준히 개발되고 있다.

상기한 보일러 중에는 심야 시간대에 남아도는 전기를 이용하여 낮은 요금으로 보일러를 사용할 수 있도록 함으로써, 주간 시간대에 편중되어 있는 전력생산 설비의 효율성을 높이고 전력수요의 평준화를 목적으로 하는 심야전기보일러가 있다.

상기 심야전기보일러는 심야 시간대에 히터를 작동시켜 저장 탱크 내에 저수되어 있는 많은 양의 물을 가열하였다가 저장된 열을 주간 시간대에 사용하도록 구성되어, 고유가 시대의 기름보일러에 비해 난방비를 크게 줄이고 전기에너지 효율성을 높일 수 있다는 장점이 있다.

하지만 기존의 심야전기보일러는 물의 현열을 이용하는 수축열식 난방으로, 저장되는 물의 양에 따라 탱크의 규모가 대형화되고 그에 따른 설치비와 운전비가 증가하는 단점이 있어, 이를 보완하고자 상변화물질(PCM)을 매개체로 하여 부피가 축소되고 더욱 높은 열효율을 얻을 수 있는 잠열 축열식 보일러가 개발되고 있다.

본 발명에 앞서 등록실용신안 제20-0316469호에서는 난방용 수조에 난방 지역을 경유하는 난방관이 배관 되는 순환수 유출구와 순환수 유입구 및 용수를 보충하는 보충수관이 배관된 전기보일러에 있어서, 난방용 수조의 내측 중앙에는 축열물질이 충진된 축열조를 상, 하단이 난방용 수조의 바닥과 천장에 맞닿게 고정 설치하되, 축열조의 상, 하부에는 공기유로에 의해 연결되는 공기실이 형성되며, 공기유로와 직각 방향으로는 난방용 수조의 용수가 유동할 수 있는 용수이동구멍을 공기유로와 엇갈리게 형성하되, 난방용 수조의 하측과 축열조의 하측 공기실에는 각각 적어도 한 개소 이상의 전기히터를 설치하며, 난방용 수조와 축열조에는 각각 온도감지센서를 설치하되, 이들은 난방용 수조 외부에 부착되며 상기 전기히터를 제어하는 컨트롤박스와 전기적으로 연결하여 난방용 수조내의 용수나 축열조 내의 축열물질이 일정온도 이상에서 전기히터를 OFF시키고 일정온도 이하에서는 전기히터를 ON시키도록 한 것을 특징으로 하는 축열물질을 이용한 전기보일러를 제시하였다.

또한, 등록실용신안 제20-0428527호에서는 지지대의 상측으로 외부가 보온재로 감싸지며 내부에 열매체유가 충진된 매체조와, 매체조에 설치한 소켓과, 소켓에 결합되어 열매체유에 침지되는 전기히터 및 온도센서와, 전기히터 및 온도센서와 전기적으로 연결되는 제어부와, 매체조의 상부에 설치되며 열매체유가 가온 팽창되 는 것을 수용하는 팽창조와, 매체조의 내측에 설치되는 축열물질이 충진되어 있는 축열조와, 축열조의 좌우측에 배치되며 난방지역을 경유하는 난방관이 배관되도록 유입구 및 유출구가 각각 구비되고 순환관으로 연결 구성되는 온수조와, 팽창조와 축열조 및 온수조에 각각 설치된 감압밸브를 포함하는 것으로서, 축열조에 충진되어 있는 흡열 및 축열 효과가 우수한 축열물질이 열매체유를 통해서 가열되고, 열매체유에 잠열을 지속적으로 제공하여 온수조 내의 용수를 가열 난방하는 전기보일러를 제시하였다.

상기의 전기보일러들은 축열물질을 이용하여 잠열을 통해 기존의 수축열식 보일러 방식보다 훨씬 높은 열효율을 갖도록 하였으나 그 구조에 있어서, 상기 보일러 내부에서 축열물질을 저장하기 위해 별도로 구비되는 축열조를 단일하게 구성하여 전열면적이 협소하고 구성이 복잡하며, 상기 축열물질의 상전이에 따른 부피 변화에 대해 유연한 대처 수단이 구비되지 못하여 상기 축열조의 파손이 잦고 교체 및 수리시 많은 노동력과 비용이 소모된다는 구성의 한계가 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 잠열 및 축열 효과를 갖는 상변화물질(PCM)을 충전하되, 축열조 내부로 유입되는 용수와의 전열면적을 최대로 하는 다수 개의 이중 파형통을 구비하여 상기 상변화물질의 부피 변화에 제약을 받지 않고, 상기 축열조의 부피를 1/2로 축소하여 설치 및 교체가 용이하면서 축열되는 잠열의 효율성을 높여 저렴한 비용으로 고효율의 온수와 난방을 이루도록 하는 축열식 보일러를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 잠열 및 축열 효과를 갖는 상변화물질(PCM)을 이용한 축열식 보일러에 있어서, 상기 보일러 동체 내부는 용수를 유입, 유출시키는 난방수유입구와 난방수출구가 구비된 축열조로 구성하되, 상기 축열조 저면부에 위치하여 유입된 용수를 가열하는 전기히터와; 상기 상변화물질이 충전되되, 내부 중앙은 용수의 이동 통로를 제공하기 위해 길이 방향으로 관통되는 통수로가 형성되어 내주연과 외주연이 각각 파형의 형태로 구비되는 다수 개의 이중 파형통과; 상기 이중 파형통을 축열조 내부 공간으로 위치시키기 위해 상기 축열조를 소정 위치에서 구획하여 상기 이중 파형통의 저면부를 지탱하되, 용수의 이동이 제한되지 않도록 격자 구조로 구비되는 지지스태이와; 상기 이중 파형통이 삽입되는 형태를 이루어 상기 지지스태이에 위치한 이중 파형통의 상부가 고정되면서 용수의 이동이 제한되지 않도록 격자 구조로 구비되는 상부고정스태이를; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에서는 축열조 내부에서 상변화물질이 충전된 이중 파형통을 내부가 관통되는 주름관 형태로 구성하여 용수와의 전열면적이 최대가 되도록 함으로써, 흡열 및 축열 효과가 우수한 상변화물질의 잠열을 통해 지속적인 용수 가열이 가능하고 저비용으로 열 교환 능력을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 보일러 동체의 부피가 축소되어 좁은 공간에서도 설치가 가능하고, 상변화물질의 부피 변화와 팽창 압력에 제약을 받지 않으며 개별적으로 구비되는 이중 파형통의 설치 및 교체가 용이하여 간편한 구조의 보일러를 구성할 수 있도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축열식 보일러의 외형을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 상기 축열식 보일러의 동체 내부로 구성되는 축열조(100)를 도시한 것이며, 도 3은 상기 축열조(100)의 정단면도를 개략적으로 도시한 것이다.

본 발명은 도시된 바와 같이 기존의 보일러들과 비교하여 동체 내부에서 밀폐되는 별도의 공간으로 형성하지 않고 상기 보일러 동체 내부 전체가 축열조(100) 가 되도록 하는 개방형으로 구성하되, 상기 축열조(100)에는 난방지역을 경유하는 난방수의 이동로인 난방관과 배관되는 난방수유입구(10)와 난방수출구(20)가 각각 구비되고, 중앙 저면부에는 공급되는 전기로 인해 고온으로 발열되는 전기히터(30)가 설치된다.

따라서 상기 난방수유입구(10)를 통해 상기 축열조(100) 내부로 유입되는 용수가 상기 전기히터(30)에 의해 가열되고, 설정된 온도까지 가열된 용수(난방수)가 상기 난방수출구(20)를 통해 배출되어 난방관을 거쳐 순환하면서 난방지역을 경유할 수 있도록 한다.

이때, 상기 난방수유입구(10)에는 상기 축열조(100) 내부로 다수 개의 분사구(11a)가 형성된 난방수유입내관(11)을 구비하여 상기 유입되는 용수가 축열조(100) 내부로 고르게 분사되도록 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 용수에 열을 전달하는 매개체로써 상변화물질(200)이 충전되는 다수 개의 밀폐 용기를 구비하되, 상기 용기의 내부 중앙은 용수의 이동 통로를 제공하기 위해 길이 방향으로 관통되는 통수로(51)가 형성되어 내주연과 외주연이 각각 파형의 형태로 구비되는 이중 파형통(50)으로 구성된다.

상기 상변화물질(200)은 앞서 언급한 바와 같이 잠열 및 축열 효과가 우수하고 축열된 열을 서서히 방출하는 효과를 갖는 특성으로 이미 많은 분야에서 널리 상용화되어 있는 화합물이므로 본 발명에서는 그에 대한 상세한 구성 및 성분의 설명은 생략하도록 한다.

상기 이중 파형통(50)은 열전도율이 높고 부식과 침식에 강한 내식성을 확보 할 수 있는 스테인리스로 제작됨이 바람직하며, 상기 상변화물질(200)의 상변화(상전이)에 따라 발생되는 체적변화율을 고려하여 부피 팽창 및 팽창 압력에 용이하게 대처할 수 있는 밀폐 용기로 구성되어야 한다.

따라서 본 발명에서는 상기 이중 파형통(50)이 파형의 주름관 형태를 갖도록 하되, 충전되는 상변화물질(200)이 축열 효과를 갖는 상전이 상태에서 내부 압력을 진공으로 밀폐함으로써 상기 상변화물질(200)의 부피 팽창 및 압력에 대해 유연하고 신축성 있는 대처가 가능하도록 한다.

또한, 상기 이중 파형통(50)을 축열조(100) 내부 공간으로 위치시키기 위해, 상기 축열조(100)를 소정 위치에서 구획하여 상기 이중 파형통(50)의 저면부를 지탱하는 지지스태이(40)와, 상기 이중 파형통(50)이 삽입되는 형태를 이루어 상기 지지스태이(40)에 위치한 이중 파형통(50)의 상부가 고정되도록 하는 상부고정스태이(45)를 상기 축열조(100) 내부의 소정 위치로 각각 구비하도록 한다.

이때, 상기 지지스태이(40)와 상부고정스태이(45)는 수위 변동에 따라 용수의 이동이 제한받지 않는 격자 구조로 구성되어야 하며, 다수 개로 구비되는 상기 이중파형통(50)이 상기 스태이(40, 45)의 격자공에 체결되어 기립된 상태로 각각 소정 이격 거리를 유지하도록 배열됨이 바람직하다.

일반적으로 상변화물질(200)을 이용하는 보일러에 있어서 그 에너지 효율을 높이기 위해서는 상기 상변화물질(200)과 축열조(100) 내부의 용수와의 접촉 전열면적을 최대로 하여 상호 열전도율이 높아질 수 있도록 구성됨이 중요한데, 본 발명에서는 상변화물질(200)이 충전되는 상기 이중 파형통(50)의 내부로 통수로(51) 를 형성하고 그 내주연과 외주연을 파형으로 구비함에 따라 용수와의 전열면적이 최대한 확보될 수 있도록 구성되었다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 작동 과정을 살펴보면, 상기 축열조(100) 내부로 일측에 위치하는 난방수유입구(10)를 통해 용수가 유입되면 상기 난방수유입구(10)와 연결되는 난방수유입내관(11)의 분사구(11a)로 상기 용수가 고르게 분사되고, 상기 전기히터(30)에는 전원을 인가하여 상기 투입된 용수를 가열시킨다.

상기 용수가 지속적으로 투입되어 그 수위가 지지스태이(40)을 거쳐 서서히 높아짐에 따라 상변화물질(200)이 충전된 이중 파형통(50)은 하부에서부터 점차적으로 침수되고, 상기 가열되는 용수의 열이 상기 이중 파형통(50)의 상변화물질(200)까지 전달되어 상기 상변화물질(200)이 축열 상태를 이루도록 한다.

이때, 상기 다수 개로 구비되는 상기 이중 파형통(50)이 각각 소정 이격되는 상태를 이루어 배열되고 상기 지지스태이(40)를 통과하여 높아지는 용수의 수위는 상기 이중 파형통(50)의 통수로(51)와 외주연을 고르게 거치도록 구성하여 전열면적을 최대한 확보하게 된다.

상기와 같은 과정으로 상변화물질(200)은 전기히터(30)로 인해 가열된 용수로부터 열을 전달받아 축열 상태를 이루게 되고, 상기 용수는 일정한 온도를 유지하는 상태에서 난방수출구(20)를 통해 난방관으로 배출되어 난방지역을 경유함으로써 실내 난방 또는 온수로 활용되며, 경유된 난방수는 다시 난방관의 타측으로 배관된 난방수유입구(10)를 통해 축열조(100) 내부로 유입된다.

또한, 상기 축열식 보일러의 외부 일측에는 컨트롤박스(60)가 구비되고, 상 기 컨트롤박스(60)는 축열조(100) 내부 온도를 감지하는 온도센서(미도시)와 연결되어 전기히터(30)의 가동으로 난방수가 설정된 일정 온도에 도달하게 되면 상기 전기히터(30)의 전원이 차단되도록 한다.

상기한 상태에서 난방을 행하여 축열조(100) 내의 용수가 난방지역을 경유함으로 인해 손실되는 열량은 상기 이중 파형통(50)에 충전되어 있는 상변화물질(200)로부터 지속적으로 방열되는 열량으로 보충되며, 상변화물질(200)의 온도가 설정치 이하로 내려가면 온도센서가 이를 감지하여 상기 전기히터(30)를 재가동시키게 된다.

추가적으로, 상기 전기히터(30)는 보일러의 용량에 따라 복수 개의 구성도 가능하고, 상기 축열조(100)의 상부에는 개폐가 용이한 덮개(70)를 설치하여 개별적으로 구비되는 다수 개의 이중 파형통(50)의 설치 및 교체를 용이하게 하도록 하며, 외부로의 열손실을 최소화하기 위해 상기 축열조(100)에는 외측을 감싸는 보온재를 포함하여 보일러의 동체를 구성할 수도 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구 범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 축열식 보일러의 사시도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 축열조의 내부 구성도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 축열조의 정단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10. 난방수유입구

11. 난방수유입내관 11a. 분사구

20. 난방수출구

30. 전기히터

40. 지지스태이

45. 상부고정스태이

50. 이중 파형통

51. 통수로

60. 컨트롤박스

70. 덮개

80. 배수구

100. 축열조

200. 상변화물질

Claims (4)

1. 잠열 및 축열 효과를 갖는 상변화물질(PCM)을 이용한 축열식 보일러에 있어서,

   상기 보일러 동체 내부는 용수를 유입, 유출시키는 난방수유입구(10)와 난방수출구(20)가 구비된 축열조(100)로 구성하되,

   상기 축열조(100) 저면부에 위치하여 유입된 용수를 가열하는 전기히터(30)와;

   상기 상변화물질(200)이 충전되되, 내부 중앙은 용수의 이동 통로를 제공하기 위해 길이 방향으로 관통되는 통수로(51)가 형성되어 내주연과 외주연이 각각 파형의 형태로 구비되는 다수 개의 이중 파형통(50)과;

   상기 이중 파형통(50)을 축열조(100) 내부 공간으로 위치시키기 위해 상기 축열조(100)를 소정 위치에서 구획하여 상기 이중 파형통(50)의 저면부를 지탱하되, 용수의 이동이 제한되지 않도록 격자 구조로 구비되는 지지스태이(40)와;

   상기 이중 파형통(50)이 삽입되는 형태를 이루어 상기 지지스태이(40)에 위치한 이중 파형통(50)의 상부가 고정되면서 용수의 이동이 제한되지 않도록 격자 구조로 구비되는 상부고정스태이(45)를; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 축열식 보일러.
2. 제1항에 있어서, 상기 난방수유입구(10)에는 상기 축열조(100) 내부로 다수 개의 분사구(11a)가 형성된 소정 길이의 난방수유입내관(11)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 축열식 보일러.
3. 제1항에 있어서, 상기 이중 파형통(50)은 내부에 충전된 상변화물질(200)이 축열 효과를 갖는 상전이 상태에서 내부 압력을 진공으로 하여 밀폐되도록 제작되는 것을 특징으로 하는 축열식 보일러.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이중 파형통(50)은 스테인리스로 제작되는 것을 특징으로 하는 축열식 보일러.

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