KR20110036197A - 온수매트 - Google Patents
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Abstract
온수매트가 개시된다. 본 발명의 온수매트는, 매트리스; 매트리스의 내부에 일정 간격을 두고 배치되는 배관라인; 및 배관라인과 연결되어 배관라인으로 온수를 공급하는 온수매트용 보일러를 포함하며, 온수매트용 보일러는, 외관을 형성하며 내부에 부품수용공간이 형성되는 장치본체; 및 부품수용공간의 일측에 착탈 가능하게 마련되어 배관라인으로 순환되는 물을 가열하기 위한 열원을 제공하는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 발열저항체를 구비하는 발열저항유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 발열저항체를 사용함으로써 빠른 열의 응답속도로 전력 절감 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 탁월한 온도 균일로 열효율 및 내구성이 향상되어 장치 전반에 걸쳐 열효율이 향상될 수 있다.
온수매트, 탄소나노튜브 발열체, 기포제거
Description
본 발명은, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 발열저항체를 사용함으로써 빠른 열의 응답속도로 전력 절감 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 탁월한 온도 균일로 열효율 및 내구성이 향상되어 장치 전반에 걸쳐 열효율이 향상될 수 있는 온수매트에 관한 것이다.
전열매트, 온수매트 등을 통칭하는 온열매트는 난방용 발열(發熱) 매트의 일종이다. 순수하게 난방 목적의 온열매트 외에도, 여러 주지된 온열매트들은 찜질, 사우나 등과 같은 목적을 달성하기 위하여 기능성이 부가되고 있다.
종래의 온열매트는 통상 열원으로써 전기 에너지를 이용하는데, 이러한 전열매트는 온열매트 내부의 저항라인을 배치하고 전류를 통전시켜 저항라인의 발열을 이용한 것이다.
이러한 종래의 전열매트는 열원으로써 전기를 이용하는데, 이와 같은 전열매트는 사용 중 전자기선을 방출하여 사용자의 건강에 매우 유해하다. 또한, 전열매트와 신체가 접촉할 경우 감전의 위험이 발생할 수 있다. 이러한 문제점으로 인하여 전열매트를 대신하는 온수매트가 각광받고 있다. 이러한 온수매트는 소정의 열 원에 의해 온수를 생산하는 보일러 본체와, 보일러 본체에서 형성된 온수를 받아 온수 열로 매트를 순환하여 난방하는 배관라인의 구성을 갖는다. 배관라인을 통해 온수는 연속적으로 순환될 수 있도록 되어있다.
이와 같은 온수매트는 보일러 본체를 통과하면서 고온의 열원에 의해 노출되고 순간적으로 수온이 상승되어야 한다. 종래 열원으로 이용되는 히터는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터 또는 세라믹(Ceramic) 히터 등이 이용되어 왔다.
그런데, 이러한 종래기술의 경우에는 종래 열원은 순간적으로 온수의 온도를 고온으로 상승시키기 위하여 필요 이상의 고용량의 열원이 요구됨에도 불구하고 열원 자체의 열 응답속도가 상대적으로 낮고 이로 인해 전력소모도 높은 문제가 있어 효율이 현저히 떨어지는 문제가 있다. 또한, PTC 히터 또는 세라믹 히터 등의 종래 열원은 히터가 깨지는 등의 고장이 잦고 열원 자체의 내구성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 발열저항체를 사용함으로써 빠른 열의 응답속도로 전력 절감 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 탁월한 온도 균일로 열효율 및 내구성이 향상되어 장치 전반에 걸쳐 열효율이 향상될 수 있는 온수매트에 관한 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 매트리스; 상기 매트리스의 내부에 일정 간격을 두고 배치되는 배관라인; 및 상기 배관라인과 연결되어 상기 배관라인으로 온수를 공급하는 온수매트용 보일러를 포함하며, 상기 온수매트용 보일러는, 외관을 형성하며 내부에 부품수용공간이 형성되는 장치본체; 및 상기 부품수용공간의 일측에 착탈 가능하게 마련되어 상기 배관라인으로 순환되는 물을 가열하기 위한 열원을 제공하는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 발열저항체를 구비하는 발열저항유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 온수매트에 의해 달성된다.
상기 발열저항유닛은, 상기 배관라인과 연결되어 물이 순환되는 중공이 형성되는 발열몸체; 및 상기 발열 몸체의 일측에 결합되어 상기 발열 몸체를 가열하는 탄소나노튜브 발열저항체를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 발열저항체는, 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube) 코팅층; 전원 인가 시 상기 탄소나노튜브 코팅층의 발열을 유도하는 전극라인; 및 상기 전극라인과 전기적으로 연결되는 구리 리드선을 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 발열저항체는 상기 발열몸체와 상기 장치본체 사이의 상기 발열몸체 하부에 접착될 수 있다.
상기 발열저항유닛은, 상기 발열몸체의 외면에 마련되는 제1 브래킷; 및 상기 제1 브래킷에 착탈 가능하게 결합되어 상기 탄소나노튜브 발열저항체에 의해 가열되는 상기 물의 온도를 감지하는 온도감지센서를 더 포함할 수 있다.
상기 발열저항유닛은, 상기 온도감지센서 브래킷과 이격된 위치에서 상기 발열몸체의 외면에 마련되는 제2 브래킷; 및 상기 제2 브래킷에 착탈 가능하게 결합 되어 상기 탄소나노튜브 발열저항체에 의해 가열온도를 제한하는 바이메탈을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 브래킷은 상기 발열몸체의 외주면 상에서 방사상으로 배열되며, 상기 제1 및 제2 브래킷 모두는 일측이 개방된 고리 형상을 가질 수 있다.
적어도 일부분이 상기 장치본체의 외측으로 노출되도록 상기 장치본체 내에 마련되며, 상기 장치본체의 외측으로 연결되는 배관라인과 연결되어 상기 배관라인을 순환하는 물을 공급하는 물 공급부; 상기 입수관과 상기 발열저항유닛을 연결하는 내부관; 상기 발열저항유닛과 상기 배관라인을 연결하는 출수관; 및 상기 발열몸체의 양단부를 각각 상기 내부관 및 상기 출수관과 연결하는 제1 및 제2 연결부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 연결부재는 각각, 상기 장치본체와 연결되는 장치본체 연결용 플랜지부; 및 상기 장치본체 연결용 플랜지부와는 교차되게 마련되어 상기 발열몸체에 연결되는 발열몸체 연결용 플랜지부를 구비하며, 상기 발열몸체에는 상기 발열몸체 연결용 플랜지부를 통해 상기 발열몸체 측에 고정되는 스크루의 체결을 위한 스크루 체결 보스부가 더 형성될 수 있다.
상기 스크루 체결 보스부는 상기 발열몸체의 길이 방향에 대하여 상기 발열몸체의 외주면에 상호 대칭되게 한 쌍 마련될 수 있다.
상기 물 공급부는, 물 공급 탱크; 및 상기 물 공급 탱크 내에 배치되어 상기 배관라인을 통해 상기 물이 순환할 때 상기 배관라인에서 발생된 공기 기포를 배출시키는 적어도 하나의 기포배출로를 포함하며, 상기 물 공급 탱크에는, 상기 배관 라인과 연결되며 상기 물 공급 탱크 중심에 길이방향으로 관통 형성되는 물 공급로가 형성될 수 있다.
상기 적어도 하나의 기포배출로는 한 쌍의 기포배출로이며, 상기 한 쌍의 기포배출로는 상기 물 공급 탱크의 중심을 기준으로 상호 대칭되게 배치되며, 상기 한 쌍의 기포배출로의 일측은 상기 배관라인과 직접 연결될 수 있다.
상기 물 공급 탱크의 측부에는, 상기 물 공급 탱크에 수용되는 물의 높이를 감지하는 수위센서가 더 마련될 수 있다.
탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 발열저항체를 사용함으로써 빠른 열의 응답속도로 전력 절감 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 탁월한 온도 균일로 열효율 및 내구성이 향상되어 장치 전반에 걸쳐 열효율이 향상될 수 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 온수매트의 사시도이고, 도 2는 도 1의 장치본체에 대한 사시도이고, 도 3은 도 2의 장치본체의 부분절개 내부 사시도이 고, 도 4는 도 3의 IV-IV라인을 기준으로 절개한 물 공급부의 단면도이고, 도 5는 발열저항유닛의 사시도이고, 도 6은 도 5의 VI-VI라인의 단면도이고, 도 7은 탄소나노튜브 발열저항체의 정면도이며, 도 8은 미리 설정된 루틴에 의한 시간 경과에 따른 온도 변화를 도시한 도표이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 온수매트는, 매트리스(10)와, 매트리스(10)의 내부에 일정 간격을 두고 배치되는 배관라인(11)과, 배관라인(11)과 연결되어 배관라인(11)으로 온수를 공급하는 온수매트용 보일러(100)를 포함하며, 온수매트용 보일러(100)는, 외관을 형성하며 내부에 부품수용공간이 형성되는 장치본체(101)와, 배관라인(11)과 연결되어 배관라인(11)을 순환하는 물을 공급하는 물 공급부(200)와, 물 공급부(200)의 일측에 배치되어 순환되는 물을 가열하는 발열저항유닛(400)과, 발열저항유닛(400)에 의해 가열되는 물의 온도를 감지하는 감지부(430)와, 물 공급 탱크(210)의 일측에 배치되어 물을 순환시키는 순환 유닛(300)과, 장치본체(101)의 외부에 마련되며, 물의 가열 온도 또는 가열 시간을 입력하는 입력부(150)와, 설정한 가열 온도과 가열 시간에 기초하여 미리 설정된 루틴에 따라 발열량을 제어하는 제어부(600)를 포함한다.
본 실시예에 따른 온수매트는 크게 배관라인(11)이 분산배치된 매트리스(10)와, 배관라인(11)과 Y자형 연결부재(13)를 통해 연결되어 배관라인(11)으로 온수를 공급하는 온수매트용 보일러(100)로 나뉘는데, 매트리스(10)는 일반적으로 실제 온수가 흐르는 배관라인(11)과, 배관라인(11)을 감싸는 내열성 소재(미도시) 및 방수 소재(미도시)와, 실제 사용자의 피부와 접촉하는 외피(12)로 구성된다. 본 실시예 에서의 배관라인(11)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 2개의 순환 경로를 형성한다.
이와 달리, 다른 실시예에서는, 도 9에 도시된 바와 같이, 온수매트용 보일러(100)의 배관라인(11)이 1개의 경로를 형성하도록 매트리스(10)를 마련하여도 무방할 것이다.
이하, 온수매트용 보일러(100)에 대해 상세 설명하기로 한다.
장치본체(101)는, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 장치본체(101)의 전면 하단에 배치되는 입력부(150)와, 장치본체(101)의 전면 중앙 영역 상에 마련되는 물 공급부(200)를 구비한다.
입력부(150)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 물의 온도를 설정하는 수온 설정 타이머(151)와, 수면 시간 내에 사용자에게 안락하고 쾌적한 수면 활동을 제공하기 위하여 시간을 설정하는 인공지능 타이머(152)를 구비한다. 입력부(150)에 대한 자세한 설명은 제어부(600)에 대한 설명에서 상세히 하기로 한다.
입수관(102)은 배관라인(11)을 경유하는 과정에서 온도가 내려간 온수가 장치본체(101)로 진입하는 경로를 형성하고, 배관라인 출수관(104)은 발열저항유닛(400)에 의해 상대적으로 온도가 올라간 온수가 배관라인(11)으로 흘러 나가는 경로를 형성한다.
물 공급부(200)는, 도 4에 자세히 도시된 바와 같이, 물 공급 탱크(210)와, 물 공급 탱크(210) 내에 배치되어 입수관(102)을 통해 물이 흐를 때 배관라인(11)을 순환하는 과정에서 발생된 공기 기포를 배출시키는 복수 개의 기포배출로(220)를 포함한다.
물 공급 탱크(210)는, 상부 탱크(211)와, 이와 결합되는 하부 탱크(213)와, 상부 탱크(211)의 하면에 형성되어 하부 탱크(213)를 관통하여 입수관(102)과 연통되는 물 공급로(214)를 포함한다.
상부 탱크(211)의 상면의 중앙 영역에는, 증발 등으로 물이 부족한 경우 사용자가 물 보충을 원활하게 하기 위한 상부홀(212)이 마련된다.
상부 탱크(211) 및 하부 탱크(213)는 함께 일정량의 물이 수용 가능한 공간을 형성한다. 또한, 하부 탱크(213)는 상부 탱크(211)를 지지하는 역할 및 입수관(102)을 지지하는 역할도 수행한다.
그리고 상부 탱크(211)와 하부 탱크(213)는 상호 착탈 가능하도록 결합된다. 이는 상부 탱크(211) 및 하부 탱크(213) 간 나사결합을 통해 상부 탱크(211)와 하부 탱크(213)가 쉽게 분리 가능하고, 분리한 후 각 부품들의 교체, 유지 관리를 손쉽게 할 수 있는 장점이 있다.
하부 탱크(213)는 상부 탱크(211)와 더불어 물을 수용하는 공간을 제공하고 있으나, 경우에 따라서는 상부 탱크(211) 만으로 수용 공간을 형성하고 하부 탱크(213)는 오직 상부 탱크(211) 및 입수관(102) 등을 지지하는 역할만을 수행하도록 하부 탱크(213)의 구조를 변경해도 무방하다.
하부 탱크(213)의 하단 중앙 영역에는 물 공급로(214)가 마련되어 있는데 이는 상부 탱크(211) 및 하부 탱크(213)에 저장된 물이 입수관(102)으로 흘러가는 이동 경로를 형성한다.
한편, 온수가 배관라인(11)을 타고 흐르는 과정에서 온수에는 공기 기포가 형성되게 마련이다. 이는 열효율 측면에서 상당한 문제가 된다. 온수의 수온을 저하시킬 뿐만 아니라 순환 펌프(310)로 온수를 순환시키는 과정에서도 손실이 유발된다. 따라서 공기 기포를 제거할 필요가 있게 되는데, 본 실시예에서의 공기 기포 제거 방식은 입수관(102)과 물 공급 탱크(210)는 격리시킨 채, 입수관(102)에서 직접적으로 공기 배출을 하도록 한다.
이를 위해 물 공급 탱크(210)의 중심을 기준으로 상호 대칭되는 위치에는 기포배출로(220)가 마련되는데, 본 실시예에서는 기포배출로(220)가 2개가 마련된다. 이러한 기포배출로(220)의 일단은 물 공급 탱크(210)의 하단에 배치되는 입수관(102)과 직접 연결되고 기포배출로(220)의 타단은 물 공급 탱크(210) 내에 대기압 하의 외부환경에 노출되게 마련된다.
종래 온수매트용 보일러의 물 공급부의 구조는 입수관을 타고 흐르는 온수가 반드시 물 공급부(200)의 물과 자연스레 합쳐지는 구조로 되어 있었는데 반해, 본 실시예에 따른 물 공급부(200)의 구조는 배관라인(11)을 통해 흐르는 온수가 직접 물 공급 탱크(210) 내의 물과 뒤섞임을 방지할 수 있게 되어 배관라인(11)을 통해 온수의 주(main) 흐름은 장치본체(101) 내에서도 그대로 유지하여 열손실을 방지하며, 발생된 공기 기포는 외부로 용이하게 배출 될 수 있게 된다. 결국 온수매트용 보일러(100) 장치 전반에 걸쳐 열효율이 좋아지는 장점이 있다.
이러한 물 공급 탱크(210)의 측부의 소정 영역에는 물 공급 탱크(210)에 수용되는 물의 높이를 감지하는 수위센서(230)가 더 마련된다. 이를 통해, 물 공급 탱크(210)에 수용되는 물 용량을 감지하여 물 공급량을 조절할 수 있다. 수위센 서(230)는 제어부(600)의 PCB 보드(601)에 연결되어 LED 등의 외부 표시부(미도시)를 추가할 수도 있을 것이다.
순환 유닛(300)은, 도 4에 자세히 도시된 바와 같이, 물 공급 탱크(210)의 일측에 배치되어 배관라인(11) 및 물 공급로(214)를 따라 흐르는 온수를 순환시키게 된다. 순환 유닛(300)은, 순환 펌프(310)와, 순환 펌프(310)를 구동시키는 구동모터(320)를 포함한다. 순환 펌프(310)는, 도 3에 도시된 물 공급부(200)의 일측에 직접 연결되고 순환 펌프(310)에 인접 배치되는 구동모터(320)를 통해 구동된다.
발열저항유닛(400)는, 발열몸체(410)와, 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube) 발열저항체(420)와, 발열몸체의 일측에 구비되는 감지부(430)로 구성된다.
발열몸체(410)는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 감지부(430)가 삽입 가능하도록 형성되며, 저면에 발열 구성의 부착이 용이하게 하고 열전도율을 증가시키기 위하여 저면으로 갈수록 발열몸체(410)의 폭이 증가되고 저면이 평탄하게 형성된다. 발열몸체(410)에는 길이방향을 따라 중공(411)이 형성되며, 이 중공(411)을 통해 내부관(103)으로 흐르는 온수가 흘러 나갈 수 있다.
발열몸체(410)의 외면에는 발열몸체(410)의 외주면 상에서 방사상으로 배열되는 제1 및 제2 브래킷(441, 442)이 마련된다. 제1 브래킷(441)에는 제1 브래킷(441)에 착탈 가능하게 결합되어 탄소나노튜브 발열저항체(420)에 의해 가열되는 물의 온도를 감지하는 온도감지센서(431)가 결합된다. 그리고, 제1 브래킷(441)과 이격된 위치에는 제2 브래킷(442)이 마련된다. 제2 브래킷(442)에는 탄소나노튜브 발열저항체(420)에 의해 가열온도를 제한하는 바이메탈(432)이 결합된다. 온도감지 센서(431) 및 바이메탈(432)에 대한 설명은 감지부(430)에서 상세히 설명하기로 한다.
발열몸체(410)의 양단부에는 각각 내부관(103) 및 출수관(104)과 연결되는 제1 및 제2 연결부재(451, 456)가 마련된다. 제1 및 제2 연결부재(451, 456)는 각각 장치본체(101)와 연결되는 장치본체 연결용 플랜지부(452)와, 장치본체 연결용 플랜지부(452)와는 교차되게 마련되어 발열몸체(410)에 연결되는 발열몸체 연결용 플랜지부(453)를 구비한다. 발열몸체(410)에는 발열몸체 연결용 플랜지부(453)를 통해 발열몸체(410) 측에 고정되는 스크루(461)의 체결을 위한 스크루 체결 보스부(460)가 형성되어 있다. 이들 스크루 체결 보스부(460)는 발열몸체(410)의 길이 방향에 대하여 발열몸체(410)의 외주면에 상호 대칭되게 한 쌍 마련되어 발열몸체(410)를 장치본체에 결합시킨다.
그리고, 탄소나노튜브 발열저항체(420)에 대해 부연하면 다음과 같다.
탄소나노튜브는 수 내지 수 백 마이크로미터(㎛)의 직경과 수 내지 수백 마이크로미터(㎛)의 길이를 가진 비등방성의 소재이다. 탄소나노튜브에서 하나의 탄소원자는 3개의 다른 탄소원자와 결합되어 있고 육각형의 벌집무늬를 이루고 있다. 평평한 종이 위에 이러한 벌집무늬를 그린 다음 종이를 둥글게 말면 나노튜브 구조가 된다. 즉 나노튜브 하나는 속이 빈 튜브 혹은 실린더와 같은 모양을 갖고 있다. 이것을 나노튜브라고 부르는 이유는 그 튜브의 직경이 보통 1나노미터(10억분의 1미터) 정도로 작기 때문이다. 종이에 벌집무늬를 그리고 둥글게 말면 나노튜브가 되는데 이때 종이를 어느 각도로 말 것인가에 따라서 탄소나노튜브는 금속과 같은 전기적 도체(Armchair)가 되기도 하고 반도체(ZigZag 구조)가 되기도 한다.
탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장 매체적 특성 등을 지니고 있어 꿈의 신소재로 각광을 받고 있다. 탄소나노튜브 합성 및 처리기술과 나노 세라믹(Nano Ceramic) 및 유기화합물 합성 처리 기술이 발전함에 따라, 발열 분야에서는 탄소나노튜브 히터(heater), 탄소나노튜브 히트 필름(heat film), 탄소나노튜브 판상 히터(plate heater), 탄소나노튜브 히팅 글라스(Heating Glass)와 방열 분야 등으로 이용될 수 있다.
종래 열원으로 이용되는 히터는 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터 또는 세라믹(Ceramic) 히터 등은 효율이 떨어지는 한편 히터가 깨지는 등의 신뢰성의 문제가 있다. 이에 반해, 탄소나노튜브를 이용한 발열체의 이용가치는 크다. 탄소나노튜브는 알루미늄보다 낮은 밀도, 구리보다 높은 전기 전도도, 다이아몬드보다 높은 열전도율 등의 전기적 특성이 매우 우수하기 때문에 빠른 응답성능과 높은 효율을 낼 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라 기존의 발열체보다 제품의 크기와 무게를 줄일 수 있어 디자인의 한계를 극복할 수 있다.
이러한 장점을 가지는 탄소나노튜브 발열저항체(420)는, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브 발열저항체(420)는 발열몸체(410)와 장치본체(101) 사이의 발열몸체(410) 하부에 접착된다.
탄소나노튜브 발열저항체(420)는, 발열몸체(410)의 적어도 어느 일면에 형성되는 탄소나노튜브(탄소나노튜브, Carbon Nano Tube) 코팅층(421)과, 전원에 인가 시 탄소나노튜브 코팅층(421)의 발열을 유도하는 전극라인(422)과, 전극라인(422) 과 전기적으로 연결되는 구리 리드선(423)을 포함한다.
탄소나노튜브 코팅층(421)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 발열몸체(410)의 저면부에 도포된다. 전극라인(422)으로 통전된 전원이 탄소나노튜브 코팅층(421) 전체에 통전됨으로써 발열몸체(410)의 중공(411) 내부를 흐르는 온수에 열을 가하여 온수의 온도를 상승시킨다.
전극라인(422)은 탄소나노튜브 코팅층(421)의 전면적에 전기적으로 연결될 수 있도록 형성된다. 전극라인(422)은, 은(Ag)을 이용하여 제작될 수 있으며, 그 형태는 도시된 바와 같이 지그재그 형상으로 형성된다. 하지만 전극라인(422)의 재질 및 형상은 필요에 따라 적절하게 변형될 수 있다. 이러한 전극라인(422)을 통해 탄소나노튜브 코팅층(421)에 전원이 인가됨으로써 탄소나노튜브 코팅층(421)이 발열하게 된다.
구리 리드선(423)은 한 쌍으로 마련되어 각 전극라인(422)의 단부에 접촉 배치된다. 구리 리드선(423)은 탄소나노튜브 코팅층(421) 또는 전극라인(422)을 전원과 연결시키는 접속단자의 역할을 한다. 이러한 구리 리드선(423)은 발열몸체(410)보다 좀 더 노출된 상태로 형성되어 전원 라인과 상호 연결이 용이하게 된다. 도면을 보면, 구리 리드선(423)이 탄소나노튜브 코팅층(421)에 연결되어 있으나, 필요에 따라 구리 리드선(423)이 생략되고 전극라인(422)이 돌출되어 전원라인에 직접 연결될 수도 있다.
또한, 전극라인(422) 및 구리 리드선(423)의 상면에 절연코팅층(미도시)이 형성될 수도 있다. 절연코팅층에 의해 전극라인(422), 탄소나노튜브 코팅층(421) 및 구리 리드선(423)이 전기적으로 절연되고, 또한 탄소나노튜브 코팅층(421)이 산소와 접촉할 수 없게 되므로 산화가 방지될 수 있기 때문이다. 이러한 절연코팅층(미도시)의 재질로는 내열성 기재의 내열성과 동등하거나 그 이상의 내열성을 갖는 유기 또는 무기물질이 이용될 수 있는데, 바람직하게는 세라믹 접착제가 사용될 수 있다.
본 발명에 의하면, 기재에 탄소나노튜브를 코팅하는 간단한 제조 공정으로 제조할 수 있고 전체 제조시간을 종래 보다 줄일 수 있을 뿐만 아니라 형상과 치수 변경이 용이한 장점이 있다. 이는 슬림형 제품으로 컴팩트한 설계가 가능해져 설치공간이 부족한 곳이나 좁은 면적에 적합할 수 있다.
또한, 무엇보다도 탄소나노튜브 발열저항체(420)는 PTC 히터나 세라믹 히터 등 다른 종류의 발열체보다 발열 효율이 높다. 빠른 열의 응답속도로 전력 절감효과와, 탁월한 온도 균일로 열효율이 높은 장점을 가진다. 이는 고온가열(500ㅀC)시 응답시간이 단축될 수 있는 등 열효율 측면에서 상당한 이점이 있다.
한편, 감지부(430)는, 온도감지센서(431)와 바이메탈(432)을 포함하는데, 온도감지센서(431)는 발열저항유닛(400)의 일측 단부 영역 상에 마련되어 발열몸체(410)의 중공(411) 내부에 흐르는 온수의 온도를 감지하는 역할을 수행한다. 온도감지센서(431)를 통해 감지된 수온을 센싱(sensing)하여 이를 제어부(600)에 전송하게 된다.
그리고 바이메탈(432)은, 온도감지센서(431)가 배치되는 위치에서 소정 위치 이격 배치된다. 바이메탈(432)은 일종의 온/오프 스위치(On/Off switch)로 볼 수 있다. 미리 설정된 온도(본 실시예에서는 90ㅀC) 이상일 경우에는 탄소나노튜브 발열저항체(420)에 공급되는 전원을 차단시킨다.
이를 통해, 감지부(430)의 바이메탈(432)은 소정의 수온 이상이 감지되는 경우 자동적으로 탄소나노튜브 발열저항체(420)에 가해지는 전원을 차단시켜 더 이상의 수온 상승을 저지시킨다. 만에 하나 발생할 수 있는 제어부(600) 또는 발열저항유닛(400)의 비정상적인 작동으로 인해 배관라인(11)에 흐르는 온수가 설정 온도 이상으로 상승하는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다. 이에 의하여 온수매트를 이용하는 사용자의 안전을 보장할 수 있다.
제어부(600)는, 도 3에 도시된 PCB 보드(610)를 포함한다. 입력부(150) 및 감지부(430)는 각각 PCB 보드(610)에 전기적으로 연결되어 있다.
제어부(600)의 역할은 크게 설정 수온과 실제 수온 차이를 보정하여 온도를 추종하는 기능을 수행한다. 입력부(150)의 설정 수온(T)을 체크하고 감지부(430)를 통해 실제 수온과의 차이를 체크하여 이를 보정하게 된다. 만약, 설정 수온보다 실제 수온이 낮다면 탄소나노튜브 발열저항체(420)에 전원을 인가하여 발열저항유닛(400)를 통해 온수의 온도를 상승시키고 설정 수온보다 실제 수온이 높다면 탄소나노튜브 발열저항체(420)의 전원을 오프(Off)시켜 발열저항유닛(400)를 통한 온수의 수온 상승을 차단한다.
한편, 여기서 설정 온도(T)는 아날로그 방식으로 선택될 수 있으며, 사용자는 설정 온도 타이머(151, 도 2 참조)를 조절함으로써, 설정 온도를 취향에 따라 선택할 수도 있다.
한편, 제어부(600)는, 인공지능 타이머(152)가 온(On)되면, 설정 온도(T)를 추종하는 제어는 그 작동을 멈추고 미리 설정된 루틴에 의해 작동하게 된다. 인공지능 타이머(152)가 동작하는 순간부터 미리 설정된 시간까지의 제1 시간 동안은 미리 설정된 제1 온도를 유지하게 된다. 이후, 미리 설정된 제1 시간이 경과(tc)하면 제1 온도보다 상대적으로 낮은 제2 온도로 수온을 저감시킬 수 있게 하여 제2 시간 동안 유지되도록 한다. 수면 시와 같이 장시간 이용해야 하는 침구 용품으로서, 사용자가 인체 체온보다 높은 고온에 장시간 노출되게 되면 유쾌하지 못한 느낌과, 불편함을 야기시킬 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 미리 설정된 시간(tc)이 경과하면 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 유지되다가 잠이 깨기 전인 제3 시간 동안은 제2 온도보다 상대적으로 높은 제3 온도로 유지하게 된다.
즉, 미리 설정된 루틴은, 도 8에 도시된 바와 같이, 미리 설정된 제1 온도(약 50ㅀC)를 유지하는 제1 구간과, 미리 결정된 제1 시간(tc)이 경과하면 제1 구간의 제1 온도보다 상대적으로 낮은 제2 온도를 유지하는 제2 구간과, 미리 결정된 제3 시간(tu)이 경과하면 본 실시예의 경우 제1 구간의 미리 설정된 제3 온도(50ㅀC)로 회복하는 제3 구간을 포함한다.
잠들기 직전인 제1 구간과 잠을 깨기 직전인 제3 구간에서는 미리 결정된 제1 온도 및 제3 온도(50ㅀC)로 유지되도록 하고, 그 사이 구간인 제2 구간에서는 인체 체온보다는 약간 높은 수준의 제2 온도(38ㅀC) 내외를 유지하여 사용자가 불쾌감없이 사용하게 한다.
이러한 각 구간은 급격한 온도 변화없이 연속적으로 온도 변화가 진행되게 된다.
제2 구간의 온도가 상술한 온도 범위를 유지하는 것은 체온 범위보다 미세하게 높게 설정됨으로써 사용자가 장시간 이용하더라도 쾌적한 상태를 유지할 수 있을 뿐만 아니라 체온이 저하되는 것을 방지하는 효과도 있는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 온수매트에 의하면, 사용자가 설정한 설정 수온을 기초하여 발열저항유닛의 탄소나노튜브 발열저항체의 전원을 온/오프 동작을 제어하는 결과, 사용자의 취향에 맞는 한층 편안하고 쾌적한 상태를 유지할 수 있다.
나아가 사용자가 인공지능 타이머(152)를 동작시키는 경우 제어부(600)의 미리 설정된 루틴에 의해 미리 설정된 시간(tc)이 경과하면 온수가 체온보다 약간 높은 온도 분포를 유지함으로써, 장시간의 수면 시간 내에 사용자에게 불쾌하거나 불편한 온도에 노출되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 사용자가 설정한 설정 시간(tu)이 경과하면 미리 설정된 루틴에 의해 미리 결정된 제1 온도로 다시 회복되도록 함으로써, 사용자가 수면에서 깨어날 때쯤에 사용자의 기호에 맞출 수 있게 된다.
이러한 구성에 의하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 온수매트(1)의 동작에 대하여 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 사용자가 아날로그 타입의 인공지능 타이머(152)에서 8시간의 설정 시간을 맞춘 경우에 한정하여 설명한다.
먼저 물이 배관라인(11)을 통해서 장치본체(101)의 입수관(102)으로 진입된다. 그러면 배관라인(11) 상에서 형성된 공기 기포는 입수관(102)을 따라 흐르면서 장치본체(101) 내부로 진입하다가 기포배출로(220)를 타고 상승하다가 외부로 배출된다.
한편, 대부분의 온수는 입수관(102)을 통해 장치본체(101) 내부로 흘러가게 된다. 그 과정에서 물 공급 탱크(210)에 수용된 물이 물 공급로(214)를 타고 입수관(102)으로 흘러 가며 물 부족분이 자연스레 보충된다.
순환 유닛(300)으로 진입한 온수는 구동 모터(320)에 의해 구동되는 순환 펌프(310)에 의해 내부관(103)의 방향으로 순환되게 된다.
내부관(103)을 타고 흘러간 온수는 발열저항유닛(400)에 이르러 발열몸체(410)의 중공(411)을 진입하게 된다. 이때, 발열몸체(410)의 측부에 마련된 온도감지센서(431)를 통해 실제 수온이 측정되고 이는 제어부(600)에 전송된다.
도 8을 주로 참조하면, 실제 측정 수온이 미리 설정된 수온(적정 수온, 50ㅀC)에 비교하여 낮은 경우, 제어부(600)는 탄소나노튜브 발열저항체(420)를 온(On) 시킨다. 이에 따라, 구리 리드선(423)을 타고 전원이 공급되고 발열몸체(410)의 저면에 전면적을 수용하는 전극라인(422)에 전류가 흐르게 되며, 전극라인(422)과 인접한 탄소나노튜브 코팅층(421)은 통전되며 발열되기 시작한다. 발생한 열이 열전도율이 탁월한 알루미늄 합금 소재의 발열몸체(410)를 가열시키고 이에 따라 중공(411)의 온수는 가열되게 된다.
실제 측정 수온이 미리 설정된 수온(적정 수온, T, 본 실시예에서는 50ㅀC)보다 높은 경우에는 제어부(600)는 탄소나노튜브 발열저항체(420)의 전원을 오프(Off)시켜 탄소나노튜브 발열저항체(420)의 발열을 중지시킨다. 시간이 흐름에 따라 이러한 온/오프(On/Off)동작이 반복 진행되며, 결국 미리 설정된 수온(T)과 실제 측정 수온이 차이가 점차 줄어들게 되어 사용자가 요구하는 설정 수온(T)으로 유지될 수 있게 된다.
한편, 인공지능 타이머(152)가 동작하게 되면, 미리 설정된 수온(T)으로 유지되는 배관라인(11)의 온수는 일정 시간 즉, 미리 결정된 제1 시간(tc)이 지나면 수온이 자체적으로 저하되게 된다. 이는 전술한 바와 같이, 사용자의 필요에 따라 온수 온도를 자율적으로 조절하는 역할을 한다. 이를 통해, 사용자가 수면을 취하는 대부분의 시간동안 사용자의 체온보다 약간 높은 수준의 온도 범위로 유지하도록 하여 사용자의 건강에 무리가 가지 않도록 고온 상태를 최소화하기 위함이다. 온수매트를 사용하는 사용자의 인체에 불편함이 없이 쾌적하고 안락한 온도 상태(38ㅀC)로 변경된다.
시간이 흘러 미리 결정된 제3 시간(tu, 본 실시예에서는 7시간 30분 내외)이 경과한 경우, 다시 제어부(600)는 적정 수온(50ㅀC)을 추종하게끔 탄소나노튜브 발열저항체(420)에 전원을 인가하여 실제 배관라인(11)에 흐르는 실제 수온을 상승시키게 된다. 8시간이 경과한 때에는 배관라인(11)의 온수 온도는 미리 결정된 제1 온도 범위로 회복된다. 이는, 사용자가 선호하는 온수매트의 수온으로, 즉, 미리 결정된 온도(50ㅀC)로 다시 온도를 회복시켜 사용자의 기호 수준에 맞게 최적 온도로 온수매트를 유지시킬 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 물 공급부(200) 내에 마련되는 기포배출로(220)가 한 쌍으로 물 공급 탱크(210)의 중심을 기준으로 상호 대칭되게 마련되고 있지 만, 매트리스(10) 내의 배관라인(50)의 길이 및 배관라인(50)의 굵기 등의 여러 다른 요인에 의해 기포가 발생하는 퍼센트가 상이하다면 기포배출로(220)의 개수를 증가 또는 감소시킬 수도 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온수매트의 용도가 침구용품으로 한정되는 것은 아니다. 방석, 발 보온 용구 등 일반 가정의 생활 용품으로서도 활용될 수 있을 것이다. 물론 이 경우 본 실시예의 제어부의 미리 설정된 루틴을 변경할 수 있을 것이다. 즉,미리 설정된 온도 자체를 변경하거나 그 쓰임에 맞게끔 온도 분포를 바꿀 수 있을 것이다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 온수매트의 사시도이다.
도 2는 도 1의 장치본체에 대한 사시도이다.
도 3은 도 2의 장치본체의 상부면을 제거한 요부 분해사시도이다.
도 4는 도 3의 IV-IV 라인을 기준으로 절개한 물 공급부의 단면도이다.
도 5는 발열저항유닛의 사시도이다.
도 6은 도 5의 VI-VI라인의 단면도이다.
도 7은 탄소나노튜브 발열저항체의 정면도이다.
도 8은 미리 설정된 루틴에 의한 시간 경과에 따른 온도 변화를 도시한 도표이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 장치본체 100 : 배관라인
150 : 입력부 200 : 물 공급부
220 : 기포배출로 300 : 순환유닛
400 : 발열저항유닛 420 : 탄소나노튜브 발열저항체
421 : 탄소나노튜브 코팅층 422 : 전극라인
430 : 감지부 600 : 제어부
Claims (13)
- 매트리스;상기 매트리스의 내부에 일정 간격을 두고 배치되는 배관라인; 및상기 배관라인과 연결되어 상기 배관라인으로 온수를 공급하는 온수매트용 보일러를 포함하며,상기 온수매트용 보일러는,외관을 형성하며 내부에 부품수용공간이 형성되는 장치본체; 및상기 부품수용공간의 일측에 착탈 가능하게 마련되어 상기 배관라인으로 순환되는 물을 가열하기 위한 열원을 제공하는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 발열저항체를 구비하는 발열저항유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 온수매트.
- 제1항에 있어서,상기 발열저항유닛은,상기 배관라인과 연결되어 물이 순환되는 중공이 형성되는 발열몸체; 및상기 발열 몸체의 일측에 결합되어 상기 발열 몸체를 가열하는 탄소나노튜브 발열저항체를 포함하는 것을 특징으로 하는 온수매트.
- 제2항에 있어서,상기 탄소나노튜브 발열저항체는,탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube) 코팅층;전원 인가 시 상기 탄소나노튜브 코팅층의 발열을 유도하는 전극라인; 및상기 전극라인과 전기적으로 연결되는 구리 리드선을 포함하는 것을 특징으로 하는 온수매트.
- 제3항에 있어서,상기 탄소나노튜브 발열저항체는 상기 발열몸체와 상기 장치본체 사이의 상기 발열몸체 하부에 접착되는 것을 특징으로 하는 온수매트.
- 제2항에 있어서,상기 발열저항유닛은,상기 발열몸체의 외면에 마련되는 제1 브래킷; 및상기 제1 브래킷에 착탈 가능하게 결합되어 상기 탄소나노튜브 발열저항체에 의해 가열되는 상기 물의 온도를 감지하는 온도감지센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온수매트.
- 제5항에 있어서,상기 발열저항유닛은,상기 온도감지센서 브래킷과 이격된 위치에서 상기 발열몸체의 외면에 마련되는 제2 브래킷; 및상기 제2 브래킷에 착탈 가능하게 결합되어 상기 탄소나노튜브 발열저항체에 의해 가열온도를 제한하는 바이메탈을 포함하는 것을 특징으로 하는 온수매트.
- 제6항에 있어서,상기 제1 및 제2 브래킷은 상기 발열몸체의 외주면 상에서 방사상으로 배열되며,상기 제1 및 제2 브래킷 모두는 일측이 개방된 고리 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 온수매트.
- 제2항에 있어서,적어도 일부분이 상기 장치본체의 외측으로 노출되도록 상기 장치본체 내에 마련되며, 상기 장치본체의 외측으로 연결되는 배관라인과 연결되어 상기 배관라인을 순환하는 물을 공급하는 물 공급부;상기 입수관과 상기 발열저항유닛을 연결하는 내부관;상기 발열저항유닛과 상기 배관라인을 연결하는 출수관; 및상기 발열몸체의 양단부를 각각 상기 내부관 및 상기 출수관과 연결하는 제1 및 제2 연결부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온수매트.
- 제8항에 있어서,상기 제1 및 제2 연결부재는 각각,상기 장치본체와 연결되는 장치본체 연결용 플랜지부; 및상기 장치본체 연결용 플랜지부와는 교차되게 마련되어 상기 발열몸체에 연결되는 발열몸체 연결용 플랜지부를 구비하며,상기 발열몸체에는 상기 발열몸체 연결용 플랜지부를 통해 상기 발열몸체 측에 고정되는 스크루의 체결을 위한 스크루 체결 보스부가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 온수매트.
- 제9항에 있어서,상기 스크루 체결 보스부는 상기 발열몸체의 길이 방향에 대하여 상기 발열몸체의 외주면에 상호 대칭되게 한 쌍 마련되는 것을 특징으로 하는 온수매트.
- 제8항에 있어서,상기 물 공급부는,물 공급 탱크; 및상기 물 공급 탱크 내에 배치되어 상기 배관라인을 통해 상기 물이 순환할 때 상기 배관라인에서 발생된 공기 기포를 배출시키는 적어도 하나의 기포배출로를 포함하며,상기 물 공급 탱크에는, 상기 배관라인과 연결되며 상기 물 공급 탱크 중심에 길이방향으로 관통 형성되는 물 공급로가 형성되는 것을 특징으로 하는 온수매트.
- 제11항에 있어서,상기 적어도 하나의 기포배출로는 한 쌍의 기포배출로이며,상기 한 쌍의 기포배출로는 상기 물 공급 탱크의 중심을 기준으로 상호 대칭되게 배치되며,상기 한 쌍의 기포배출로의 일측은 상기 배관라인과 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 온수매트.
- 제11항에 있어서,상기 물 공급 탱크의 측부에는, 상기 물 공급 탱크에 수용되는 물의 높이를 감지하는 수위센서가 더 마련되는 것을 특징으로 하는 온수매트.
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