KR20110138318A - 보일러 온수통 - Google Patents

Abstract

컨테이너 내측면과 결합되어 컨테이너 내부를 상부와 하부 영역으로 분할하는 유동 제어 칸막이를 포함하는 보일러용 온수통을 제안한다. 이 칸막이는 복수의 통과공이 형성되어 있고, 필요에 따라 중앙에 수직 연장관이 더 형성될 수 있다. 유동 제어 칸막이는 온수통의 물을 가열할 때 컨테이너 내부에서 급격한 와류가 발생되어 컨테이너 상부의 온수가 하부의 냉수로 인하여 온도가 떨어지는 것을 방지한다. 본 발명에 따른 온수통은 보일러 또는 난방 시스템의 효율을 크게 향상시킬 수 있고, 에너지 절감에 기여할 수 있다.

Description

보일러 온수통{CONTAINER FOR BOILED WATER}

본 발명은 보일러 온수통에 관한 것으로, 상세하게는 온수통 내부 구조를 개선하여 온수통 내부의 물을 가열하거나 온수통 내부로 고온의 온수를 공급할 경우 발생되는 와류를 제어하는 새로운 온수통을 제안한다.

보일러나 냉난방 시스템에는 가열에 의하거나 열교환을 통하여 저온의 물을 고온으로 승온시킨 다량의 물을 저장하는 온수통이 요구된다. 온수통은 통상 단열성이 있고, 다량의 물을 안정적으로 보유할 수 있도록 물리적인 강성을 가진 용기로 형성한다.

온수통은 저온의 물을 고온으로 급속하게 승온시키는 한편, 저장된 물로부터 외부로 온수를 신속히 공급하는 능력에 따라 보일러나 냉난방 시스템의 열효율에 큰 영향을 미치고 있다. 한편, 보일러나 냉난방 시스템의 가동이 멈추어져 있을 때 온수통의 물은 냉수와 온수가 대류에 의하여 온수통 내부에서 위 아래로 구분되어 저장된다. 그런데 온수통의 물을 가열하는 경우 대류에 의하여 위 아래로 구분되어 있던 냉수 및 온수가 서로 급속히 혼합되면서 외부로 배출되는 온수의 온도가 가동 초기에 떨어지거나, 가동 중에 신속히 온도가 상승되지 못하는 문제점이 있다.

도 1은 냉난방 시스템 또는 보일러에 사용되는 기존의 온수통의 단면을 도시한 것이다. 온수통(10)은 내부 또는 표면에 가열용 히터(30)를 보유하고 있으며, 온수통 하단에 연결된 유입구(14)로 들어오는 냉수를 가열하여 위쪽의 배출구(12)로 배출한다. 히터에 의하여 온수통 아래쪽(I 영역)의 냉수를 가열하게 되면 냉수가 위쪽으로 상승하면서 기존의 물과 급격하게 와류를 발생시킨다. 가열에 의하여 발생되는 와류는 온수통 내부 전체적으로 큰 물의 유동(화살표 참조)을 일으키며, 그 결과 온수통 위쪽(II 영역)의 물의 온도를 실질적으로 떨어뜨리게 된다.

이로 인하여, 배출구를 통해 외부로 전달되는 물의 온도는 가동 초기에 온수통 상부의 물의 온도 보다도 낮은 온도가 되며, 최종 온도에 도달하기까지는 상당한 시간이 소요된다.

가동 초기에 온수통 내부에서 발생되는 냉수와 온수의 급격한 혼합에 따른 와류는 결국 보일러나 냉난방 시스템의 효율을 떨어뜨려 에너지 손실을 유발할 뿐만 아니라, 사용자에게도 온수를 원할 때 신속하게 온수를 공급받지 못하는 문제를 야기하여 생활의 불편은 물론 제품에 대한 부정적인 시각을 만연케 한다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 보일러 온수통에서 외부로부터 온수를 공급하거나 내부의 물을 가열할 때 발생하는 와류를 국부적으로 제한시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 보일러 또는 난방 시스템의 효율을 개선시키는 새로운 온수통을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 가동 초기에 외부로 고온의 온수를 신속하게 공급하여 난방 에너지를 절감할 수 있는 온수통을 제공하는 것이다.

기타, 본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 제시될 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내부에 빈 공간이 마련되어 있고 하면, 상면 및 측면으로 구성되며, 측면에는 외부의 파이프와 연결되는 배출구(outlet) 및 유입구(inlet)가 형성되어 있는 입체 구조의 컨테이너와, 상기 컨테이너 내부에 설치되어 컨테이너 내측면과 결합되어 컨테이너 내부를 상부와 하부 영역으로 분할하는 유동 제어 칸막이로서, 이 칸막이는 복수의 통과공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 보일러 온수통을 제공한다.

상기 통과공의 상면에 개방형 파이프가 연결될 수 있으며, 상기 통과공의 수직 단면은 반유선형(反流線型)으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 유동 제어 칸막이는 중앙이 높고 가장자리가 낮은 원뿔형 구조로 형성될 수 있으며, 이 경우 상기 유동 제어 칸막이의 중앙에는 통과공이 있고, 이 통과공의 상면에는 양단이 개방되어 있는 수직 연장관이 형성될 수 있다.

상기 컨테이너 내부에 유동 제어 칸막이 아래쪽으로 온수 발생용 히터가 배치되거나 온수 공급용 열교환 파이프가 배치될 수 있다.

상기 컨테이너 측면에 형성된 배출구(outlet)는 유동 제어 칸막이 위쪽에, 유입구(inlet)는 유동 제어 칸막이 아래쪽에 배치되는 것이 바람직하며, 상기 컨테이너 측면으로부터 내부로 연장되며 유동 제어 칸막이 위쪽으로 배치되는 열교환용 파이프가 더 포함될 수 있다.

본 발명에 따르면, 보일러 온수통 내부에서 온수통의 물을 가열할 때 컨테이너 내부에서 급격한 와류가 발생되어 컨테이너 상부의 온수가 하부의 냉수로 인하여 온도가 떨어지는 것을 방지한다. 그 결과, 보일러나 난방 시스템 가동시 초기에 신속히 온수를 공급할 수 있다. 본 발명에 따른 온수통은 보일러 또는 난방 시스템의 효율을 크게 향상시킬 수 있고, 에너지 절감에 기여할 수 있다.

도 1은 기존의 온수통을 도시한 단면 모식도.
도 2는 본 발명에 따른 온수통을 도시한 단면 모식도.
도 3은 유동 제어 칸막이의 일실시예를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 온수통의 온수 배출구에서의 온도 변화를 시간에 대하여 도시한 그래프.
도 5는 유동 제어 칸막이의 다른 실시예를 도시한 사시도.
도 6은 유동 제어 칸막이의 또 다른 실시예를 도시한 사시도.
도 7은 유동 제어 칸막이의 또 다른 실시예를 도시한 사시도.
도 8은 도 7의 유동 제어 칸막이의 평면도.
도 9는 도 7의 유동 제어 칸막이를 사용한 온수통의 단면 모식도.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
100:컨테이너 110:배출구
112:유입구 120, 130:유동 제어 칸막이
122, 132:통과공 124, 134: 수직 연장관

본 발명은 온수통 내부의 물을 가열하거나 온수통 내부로 고온의 온수를 공급할 경우 발생되는 와류를 제어하여 온수통 상부의 온수 온도가 급격히 저하되는 것을 방지하는 새로운 온수통에 관한 것이며, 이를 위하여 본 발명은 컨테이너 내측면과 결합되어 컨테이너 내부를 상부와 하부 영역으로 분할하는 유동 제어 칸막이를 포함하는 보일러용 온수통을 제안한다. 이 칸막이는 복수의 통과공이 형성되어 있고, 필요에 따라 중앙에 수직 연장관이 더 형성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 온수통을 보인 것으로, 내부에 빈 공간이 마련되어 있는 밀폐형 컨테이너(100)가 도시되어 있다. 컨테이너는 내부에 다량의 물을 보유할 수 있도록 물리적 강성이 있는 재질로 형성되며, 상면(102)과 하면(104) 및 측면으로 구성되는 입체 구조물이다. 컨테이너는 예를 들어, 금속이나 강화 플라스틱 등으로 제조될 수 있으며, 형태는 원통형, 육면체 등의 구조가 될 수 있으나, 재질 및 구조에 있어서 특별히 한정될 필요는 없다. 또한, 컨테이너의 상면과 하면 및 측면은 하나의 일체화된 구조물로 형성할 수도 있지만, 예를 들어 측면과 하면으로 형성된 구조물의 상부가 개방되어 있고 별도의 덮개로 컨테이너의 상면을 대체할 수 있을 것이다.

컨테이너 측면에는 예를 들어 외부의 보일러 파이프(310, 320)와 연결되는 배출구(outlet)(110) 및 유입구(inlet)(112)가 형성되어 있다. 배출구는 통상 온수가 외부로 공급되는 통로로서 컨테이너 상부에 배치되며, 유입구는 냉수가 컨테이너로 공급되는 통로로서 컨테이너 하부에 배치된다.

상기 컨테이너 내부에는 컨테이너 내측면과 결합되어 컨테이너 내부를 상부와 하부 영역으로 분할하는 유동 제어 칸막이(120)가 설치된다. 이 유동 제어 칸막이는 컨테이너와 동일 재질 또는 유사한 강성을 지닌 재질로 형성된 디스크형 내지 원반형 구조물로서 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 칸막이를 관통하는 복수의 통과공(122)이 형성되어 있다. 칸막이의 두께 또는 통과공의 직경은 컨테이너의 사이즈 (특히 수평크기) 또는 컨테이너에 담겨지는 물의 용량 등에 따라 달라질 수 있다. 상기 유동 제어 칸막이는 컨테이너 내부 측면에 용접이나 접합 등의 방법으로 일체화되거나 별도의 걸림 구조와 결합되어 컨테이너 내부의 물의 유동에도 위치가 변화되지 않도록 견고하게 체결되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 보일러 온수통에서 유동 제어 칸막이를 통한 온수와 냉수의 급격한 혼합을 방지하는 메카니즘을 도 2를 통해 설명한다.

온수통을 가동하지 않는 경우 즉, 외부와의 물 공급이나 유입이 없고 컨테이너 내부에서 냉수를 가열하거나 컨테이너 내부로 고온의 열이 공급되지 않는 경우에 컨테이너 내부에는 고온의 물과 저온의 물이 자연 대류에 의하여 상부와 하부로 각각 나누어지게 된다. 유동 제어 칸막이(120)는 컨테이너 내부에, 바람직하게는 컨테이너 내부 수직의 중앙 또는 중앙 아래쪽으로 배치되어 결합되며, 컨테이너 내부를 상부와 하부로 분할함으로써 칸막이 위쪽(B 영역)의 고온의 물과 칸막이 아래쪽(A 영역)의 저온의 물이 상호 자유롭게 유동하는 것을 가로 막는다.

온수통을 가동하는 경우, 예를 들어 컨테이너 하부에 배치된 히터(200)에 전기를 가하여 컨테이너 내부 아래쪽(A 영역)에 고온의 열을 공급하는 경우 유동 제어 칸막이(120)의 아래쪽에서는 저온의 물이 열을 공급받아 급격하게 온도가 증가하는 한편, 기존의 냉수와 혼합되어 와류(칸막이 아래쪽의 화살표 참조)가 국부적으로 발생한다.

발생된 와류는 유동 제어 칸막이에 의해 가로 막혀 컨테이너 내부의 위쪽으로 상승하지 못하는 반면, 컨테이너 아래쪽(유동 제어 칸막이 아래쪽 A 영역)의 온도가 상승한 물은 유동 제어 칸막이의 통과공(122)을 통해 컨테이너 내부 위쪽(B 영역)으로 상승한다. 통과공을 지나 위쪽으로 이동되는 물은 급격한 와류를 발생시키지 않은 채 B 영역의 기존의 고온의 물과 혼합된다. 그 결과, 컨테이너 위쪽의 고온의 물, 특히 배출구(110) 근처의 물은 냉수와의 혼합이 방지되어 온도가 떨어지지 않으며, 점차 최종 온도로 상승되어 단시간 내에 정상 상태의 원하는 온도로 변하게 된다.

이 과정에서 배출구(110)를 통해 배출되는 고온의 물은 온도의 하강 없이 신속하게 온도가 올라가므로 배출구를 통해 고온의 물을 이용하는 이용자 입장에서는 보일러 가동 초기에 순간적으로 냉수가 공급되거나 온수가 공급되는데 시간이 지연되는 것을 경험하지 않게 된다. 또한, 컨테이너 내부로 연장되어 배치되는 열교환 파이프(400)를 통해 난방을 이용하는 이용자의 경우에는 원하는 최종 난방 온도에 도달하기 까지 오랫동안 보일러를 가동해야 하는 불편이 없게 되며, 짧은 시간만 난방 시스템을 가동함으로써 난방 에너지를 아낄 수 있는 이점을 갖게 된다.

이러한 장점들을 도 4의 그래프를 통해 좀더 구체적으로 설명한다. 도 4는 보일러 온수통의 컨테이너 배출구(110) 근처의 온도(Temp.) 변화를 보일러 가동 시간(time)에 대해 도시한 것으로, a 선은 본 발명에 따른 유동 제어 칸막이가 구비된 온수통을 이용하는 경우의 결과를 보이고 있고, b 선은 유동 제어 칸막이가 없는 온수통에서의 결과를 보이고 있다.

보일러 가동 시, 즉 컨테이너 내부 또는 외부의 히터를 통해 컨테이너 내부에 열을 공급하거나 컨테이너 내부로 유입되어 배치된 열교환 파이프를 통해 열이 공급되는 경우에, 냉수와 온수의 혼합에 의하여 발생된 급격한 와류로 인하여 외부로 배출되는 온수의 온도가 최초 온도 Ti 로부터 To 로 하강되다가 시간이 지나면서 점차적으로 온도가 상승하여 최종 온도인 Tf 에 도달하는 일반적인 결과를 b 선으로부터 알 수 있다. 이 경우에 최종 온도에 도달하여 정상 상태(steady state)로 온수가 공급되기까지는 t2의 시간이 소요된다.

반면, 유동 제어 칸막이로 냉수와 온수의 혼합에 따른 와류 발생을 컨테이너 내부 아래쪽으로 제한하는 경우에는 a 선에서와 같이 컨테이너 배출구의 최초 온도 Ti 가 저하되지 않은 채 신속히 최종 온도 Tf 로 상승되어 상대적으로 짧은 시간인 t1 에 정상 상태에 도달하게 된다.

이와 같이 유동 제어 칸막이의 존재 유무에 따라 최종 온도에 도달하는 시간의 차이(t1 < t2)는 보일러에 공급하는 에너지의 양과 직접적으로 연관되며, 보일러나 난방 시스템의 효율에 큰 영향을 미친다. 본 발명에 따른 보일러 온수통은 컨테이너 내부의 물이 균일하게 혼합되어 전체적으로 온도가 균일한 상태로 상승되기 전에도 배출구를 통해 외부로 공급되는 온수가 적정한 온도를 유지할 수 있도록 제어함으로써 각종 냉난방 시스템 및 보일러의 에너지 효율을 높이는 한편 필요 가동 시간을 최소화함으로써 장치의 수명을 연장시킬 수 있고, 보일러나 냉난방 시스템에 대한 신뢰성을 크게 향상시킨다. 사용자 입장에서도 온수 공급을 원할 때 초기에 갑자기 냉수가 공급되거나 난방을 위하여 장시간이 요구되는 단점이 개선되어 삶의 질이 높아지는 효과를 기대할 수 있을 것이다.

특히, 본 발명의 온수통은 컨테이너 크기가 큰 경우, 즉 내부 저장 용량이 클 경우에 더욱 효과를 발휘할 수 있으며, 가정용 냉난방 시스템 뿐만 아니라 공장이나 농축산 작업장의 대규모 시스템에도 매우 적합하다.

본 발명에 따른 보일러 온수통의 유동 제어 칸막이는 기능을 배가시키기 위하여 다양한 형태로 변형될 수 있다.

도 5는 유동 제어 칸막이의 통과공(122)의 상면에 개방형 파이프 형태의 수직 연장관(124)이 연결된 실시예를 도시하고 있다. 상기 연장관은 칸막이 상면에서 상방 수직으로 연장되어 통과공을 통해 컨테이너 상부로 유동하는 고온의 물을 안내하는 가이드 역할을 한다. 이러한 가이드 기능의 연장관으로 인하여 컨테이너 내부 위쪽(도 2의 B 영역)에서 발생할 수 있는 와류를 보다 적극적으로 억제할 수 있는 장점이 있다.

도 6은 유동 제어 칸막이의 통과공(122)의 형태를 변화시킨 실시예의 단면을 도시한 것으로, 상기 통과공의 수직 단면은 반유선형(反流線型)으로 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 통과공의 상단 및 하단의 직경을 통과공 중앙 보다 크게 하고 통과공 내면을 곡선으로 처리하여 반유선형 구조로 형성함으로써, 통과공을 통해 컨테이너 내부 위쪽으로 상승하는 고온의 물이나, 컨테이너 내부 아래쪽으로 하강하는 저온의 물이 저항 없이 보다 원만하게 유동할 수 있게 된다. 그 결과, 유동 제어 칸막이의 통과공으로 인하여 발생될 수 있는 작은 유동 저항이라도 최소화할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 유동 제어 칸막이의 또 다른 실시예로서, 칸막이의 형태가 앞서의 실시예에서 보인 디스크 형태가 아닌 완만한 원뿔형의 경사 구조물이 도시되어 있다. 본 실시예에서 유동 제어 칸막이(130)는 경사진 원뿔형의 구조물에 다수의 통과공(132)이 형성되어 있고, 칸막이 중앙의 통공과 연결되는 수직 연장관(134)을 포함하고 있다. 수직 연장관은 칸막이 상면에 일체적으로 연결되며 컨테이너 아래쪽에서 온도가 상승한 물이 위쪽으로 이동하는 통로 역할을 한다. 반면, 칸막이 중앙부 주위로 배치된 다수의 통과공은 컨테이너 위쪽의 물이 칸막이 아래쪽으로 이동하는 통로 역할을 한다.

도 9를 참조하면, 유동 제어 칸막이(130)는 중앙이 높고 가장자리가 낮은 원뿔형 구조로 형성되어 컨테이너의 위쪽(B 영역)과 아래쪽(A 영역)의 물이 상호 혼합되는 것을 방지하는 한편, 컨테이너 내부에서 아래쪽에서 위쪽으로 이동하는 온수의 유동(실선 화살표)과 위쪽에서 아래쪽으로 이동하는 냉수의 유동(점선 화살표)을 원활히 하여 컨테이너 내부의 급격한 와류를 억제한다.

상기 유동 제어 칸막이의 중앙의 통과공에 연결되는 수직 연장관(134)은 양단이 개방되고 칸막이 중앙 주변으로 형성된 통과공(132)들 보다 직경이 크게 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 수직 연장관의 높이는 컨테이너 상단 근처까지 길게 연장되어 배출구(110) 근처로 직접 고온의 온수의 이동을 가이드하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 컨테이너 측면에 형성된 배출구(outlet)는 유동 제어 칸막이 위쪽에 배치되는 반면, 유입구(inlet)는 유동 제어 칸막이 아래쪽에 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 전술한 본 발명의 실시예에 있어서, 컨테이너 내부에 유동 제어 칸막이 아래쪽으로 온수 발생용 히터가 설치되었으나, 히터 대신 온수 공급용 열교환 파이프(미도시)가 배치될 수도 있다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.

Claims (9)

1. 내부에 빈 공간이 마련되어 있고 하면, 상면 및 측면으로 구성되며, 측면에는 외부의 파이프와 연결되는 배출구(outlet) 및 유입구(inlet)가 형성되어 있는 입체 구조의 컨테이너와,
   상기 컨테이너 내부에 설치되어 컨테이너 내측면과 결합되어 컨테이너 내부를 상부와 하부 영역으로 분할하는 유동 제어 칸막이로서, 이 칸막이는 복수의 통과공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는
   보일러 온수통.
2. 제1항에 있어서, 상기 통과공의 상면에 개방형 파이프가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 보일러 온수통.
3. 제1항에서 있어서, 상기 통과공의 수직 단면은 반유선형(反流線型)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 보일러 온수통.
4. 제1항에 있어서, 상기 유동 제어 칸막이는 중앙이 높고 가장자리가 낮은 원뿔형 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 보일러 온수통.
5. 제4항에 있어서, 상기 유동 제어 칸막이의 중앙에는 통과공이 있고, 이 통과공의 상면에는 양단이 개방되어 있는 수직 연장관이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 보일러 온수통.
6. 제1항에 있어서, 상기 컨테이너 내부에 유동 제어 칸막이 아래쪽으로 온수 발생용 히터가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 보일러 온수통.
7. 제1항에 있어서, 상기 컨테이너 측면으로부터 내부로 연장되며 유동 제어 칸막이 위쪽으로 배치되는 열교환용 파이프를 포함하는 보일러 온수통.
8. 제1항에 있어서, 상기 컨테이너 측면에 형성된 배출구(outlet)는 유동 제어 칸막이 위쪽에, 유입구(inlet)는 유동 제어 칸막이 아래쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 보일러 온수통.
9. 제1항에 있어서, 상기 컨테이너 내부에 유동 제어 칸막이 아래쪽으로 온수 공급용 열교환 파이프가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 보일러 온수통.

Images