KR20160035904A - 히터봉과 상변화물질을 이용하는 축열식 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부에 상변화물질(PCM)이 채워지는 축열조와; 상기 축열조 내부에 수직으로 설치되며, 축열조 내부에 채워진 상변화물질(PCM)을 가열하여 축열조 내부에 유입되는 용수를 가열하되 용수의 가열면적을 증대시킬 수 있도록 복수개로 설치되는 히터봉과; 상기 히터봉과 히터봉 사이에 일정간격을 두고 설치되며, 양측 단부는 각각 용수의 입구 및 출구로 구성되고, 내부에 투입되는 용수가 상변화물질(PCM)로부터 방출되는 열과 접촉되어 가열되도록 하는 용수 순환관;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히터봉과 상변화물질을 이용하는 축열식 보일러를 개시한다.

Description

히터봉과 상변화물질을 이용하는 축열식 보일러{ACCUMULATED TYPE BOILER}

본 발명은 축열식 보일러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 축열식 보일러에 있어서, 내부에 상변화물질(PCM)이 채워지는 축열조와; 상기 축열조 내부에 수직으로 설치되며, 축열조 내부에 채워진 상변화물질(PCM)을 가열하여 축열조 내부에 유입되는 용수를 가열하되 용수의 가열면적을 증대시킬 수 있도록 복수개로 설치되는 히터봉과; 상기 히터봉과 히터봉 사이에 일정간격을 두고 설치되며, 양측 단부는 각각 용수의 입구 및 출구로 구성되고, 내부에 투입되는 용수가 상변화물질(PCM)로부터 방출되는 열과 접촉되어 가열되도록 하는 용수 순환관;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히터봉과 상변화물질을 이용하는 축열식 보일러에 관한 것이다.

일반적으로 잠열(latent heat)이란 어떤 물질이 상전이 될 때, 즉 고체에서 액체(또는 액체에서 고체), 액체 에서 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 온도를 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 심야 전기보일러가 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 팽창되는 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.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 잠열 및 축열 효과를 갖는 상변화물질(PCM)을 충전하되, 축열조 내부로 유입되는 용수와의 전열면적을 최대로 하는 복수의 히터봉을 구비하여 상기 상변화물질의 부피 변화에 제약을 받지 않고, 상기 축열조의 부피를 축소하여 설치 및 교체가 용이하면서 축열되는 잠열의 효율성을 높여 저렴한 비용으로 고효율의 온수와 난방을 이루도록 하는 축열식 보일러를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 축열식 보일러에 있어서, 내부에 상변화물질(PCM)이 채워지는 축열조와; 상기 축열조 내부에 수직으로 설치되며, 축열조 내부에 채워진 상변화물질(PCM)을 가열하여 축열조 내부에 유입되는 용수를 가열하되 용수의 가열면적을 증대시킬 수 있도록 복수개로 설치되는 히터봉과; 상기 히터봉과 히터봉 사이에 일정간격을 두고 설치되며, 양측 단부는 각각 용수의 입구 및 출구로 구성되고, 내부에 투입되는 용수가 상변화물질(PCM)로부터 방출되는 열과 접촉되어 가열되도록 하는 용수 순환관;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 용수 순환관은 열전도율이 높고 내식성이 우수하며 신축성이 뛰어난 스텐레스 주름관인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 용수 순환관은 용수가 상기 축열조 내부에서 장시간 체류하면서 가열된 후 배출될 수 있도록 상기 축열조의 외주연으로부터 내주연 방향으로 상하 지그재그 형상으로 스파이럴 형태로 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 히터봉 및 용수 순환관이 삽입되는 형태로 이루어져 히터봉과 상변화물질 및 상변화물질과 용수 순환관 간의 전열면적과 전열속도를 증대시킬 수 있도록 동 재질의 열전달망이 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 열전달망은 상하 다단으로 일정간격을 두고 복수개로 배열설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 히터봉은 열전도율이 높고 내식성이 우수한 스테인레스 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 축열조 내부에 수직으로 복수의 히터봉을 설치하여 상변화물질(PCM)과의 전열면적을 극대화함으로써, 흡열 및 축열효과가 우수한 상변화물질의 잠열을 통해 지속적인 용수 가열이 가능하고, 저비용으로 열 교환 능력을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있으며, 종래의 수축열식 보일러에 비해 부피를 1/3으로 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 축열조의 부피가 축소되어 좁은 공간에서도 설치가 가능하고, 상변화물질의 부피 변화와 팽창 압력에 제약을 받지 않으며, 개별적으로 구비되는 히터봉의 설치 및 교체가 용이하여 간편한 구조의 보일러를 구성할 수 있는 장점이 있다.

도 1 내지 2는 본 발명에 따른 히터봉과 상변화물질을 이용하는 축열식 보일러의 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 용수 순환관이 축열조 내부에 설치된 상태를 나타내는 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 축열조 내부에 구비되는 히터봉과 용수 순환관 및 열전달망의 예시도.
도 5는 본 발명의 실시예를 나타내는 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 히터봉과 상변화물질을 이용하는 축열식 보일러에 대하여 설명하도록 한다.

도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명은 기존의 보일러들과 비교하여 동체 내부에 밀폐되는 별도의 공간을 형성하지 않고, 상기 보일러 동체 내부 전체가 축열조(100)가 되도록 구성하되, 상기 축열조(100)에는 난방 지역을 경유하는 배관(101)과 연통되는 용수 순환관(130)이 구비된다. 상기 용수 순환관(130)은 양측 단부는 각각 용수의 입구(131) 및 출구(132)로 이루어지며, 입구(131) 및 출구(132)가 각각 상기 배관(101)과 연통되도록 연결되어 용수가 배관(101) 및 용수 순환관(130)을 순차적으로 순환하게 구성된다.

또한, 상기 축열조(100) 내부에는 상변화물질(PCM,110)이 채워지며, 상변화물질(110)을 가열하기 위한 복수의 히터봉(120)이 설치된다.

상기 히터봉(120)은 상기 축열조(100) 내부에 수직으로 설치되며, 내부에 유입되는 용수의 가열면적을 극대화할 수 있도록 복수개로 설치된다.

상기 축열조(100) 내부에 채워지는 상변화물질(110)은 물과 비교하였을 때 4배의 열을 저장할 수 있는 것으로, 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 히터봉(120)은 열전도율이 높고 부식과 침식에 강한 내식성을 확보할 수 있는 스테인리스로 제작됨이 바람직하다.

일반적으로 상변화물질(110)을 이용하는 보일러에 있어서 그 에너지 효율을 높이기 위해서는 상기 상변화물질(110)과 축열조 내부에 투입된 용수와의 접촉 전열면적을 최대로 하여 상호 열전도율이 높아질 수 있도록 구성됨이 중요하다.

본 발명은 상기 용수 순환관(130)을 상기 축열조의 외주연으로부터 내주연 방향으로 상하 지그재그 형상으로 스파이럴 형태로 설치하여 용수가 상기 축열조(100) 내부에서 장시간 체류하면서 가열된 후 배출될 수 있도록 하여 상호 열전도율을 극대화한다. 또한, 상기 용수 순환관(130)은 히터봉(120)과 히터봉(120) 사이에 설치되도록 하여 상기 히터봉(120)을 통해 상변화물질(110)을 가열하고, 상기 입구(131)로 투입된 용수를 축열조(100) 내부에서 스파이럴 형태로 순환시킨 후 출구(132)로 배출되도록 하여 상변화물질(110)으로부터 방출되는 열과 지속적으로 접촉되도록 한 것으로 체류시간을 증대시키고 전열면적을 증대시켜 열효율을 극대화한 것이다.

여기에서, 상기 용수 순환관(130)은 상기 축열조 내에서 상하 지그재그 형태로서 히터봉과 히터봉 사이를 따라 스파이럴 형태로 설치될 수 있도록 열전도율이 높고 내식성이 우수하며 신축성이 뛰어난 스텐레스 주름관을 사용한다.

또한, 본 발명은 상기 히터봉(120) 및 용수 순환관(130)이 삽입되는 형태로 이루어져 히터봉(120)과, 상변화물질(110) 및 용수 순환관(130)간의 전열면적과 전열속도를 증대시키기 위한 열전달망(140)이 설치된다. 상기 열전달망(140)은 상기 축열조(100) 내부에 상하 다단으로 일정간격을 두고 복수개로 배열설치된다.

도 4를 참조하면, 상기 열 전달망(140)은 열 전도율이 우수한 동 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 상변화물질(110) 및 히터봉(120)으로부터 방출되는 열을 열전달망이 흡수하고, 흡수된 열을 다시 상변화물질(110)과 용수순환관(130)에 신속하게 전달함으로써 상변화물질(110)의 축열속도를 촉진시키고 용수 순환관(130) 내부를 순환하는 용수의 가열효율을 증대시킬 수 있다.

또한, 상기 열전달망(140)을 상하 다단으로 설치함으로써 히터봉(120)으로부터 방출되는 열을 상변화물질(110)의 상부로부터 하부에 걸쳐 고르게 전달할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 축열조의 외부 일측에 컨트롤박스(150)가 구비되고, 상기 컨트롤박스(150)는 축열조 내부 온도를 감지하는 온도센서(미도시)와 연결되어 히터봉(120)의 가동으로 상변화물질이 설정된 온도에 도달하게 되면 상기 히터봉(120)의 전원이 차단되도록 한다.

이러한 상태에서 난방을 행하여 축열조(100) 내의 용수가 난방지역을 경유함으로 인해 손실되는 열량은 상기 축열조(100) 내에 충전되어 있는 상변화물질(110)로부터 지속적으로 방열되는 열량으로 보충되며, 심야시간에 상변화로 축열된 열을 주간에 외부 열원없이 사용할 수 있다. 또한, 상변화물질(110)의 온도가 설정치 이하로 내려가면 온도센서가 이를 감지하여 상기 히터봉(120)을 재가동시키게 된다.

추가적으로, 상기 축열조(100)의 상부에는 개폐가 용이한 덮개(160)를 설치하여 개별적으로 구비되는 복수의 히터봉(120)의 설치 및 교체를 용이하게 하도록 하며, 외부로의 열손실을 최소화하기 위해 내벽에 단열재가 도포될 수 있다. 상기 단열재는 단열은 물론 상변화물질(PCM)이 내부에서 팽창할 때 내벽에 가해지는 충격을 완화할 수 있도록 발포단열재를 사용하는 것이 좋다.

도 4 내지 5를 참조하여 상기와 같이 구성되는 본 발명의 작동 과정을 살펴보면, 상기 히터봉(120)에 전원이 인가되어 축열조(100) 내에 충전된 상변화물질(110)을 가열하게 되고, 상변화물질(110)은 그 열을 통해 축열 상태를 이루게 된다.

용수는 난방 지역을 경유하는 배관(101)을 거쳐 입구(131)를 통해 투입되어 용수 순환관(130) 내부를 따라 순환하면서 상변화물질(110)로부터 방출되는 열을 통해 가열되고 출구(132)를 통해 다시 배관(101)으로 배출되어 난방지역을 경유함으로써 실내 난방 또는 온수로 활용되며, 경유된 난방수(용수)는 다시 입구(101)를 통해 축열조 내부로 유입되는 순환이 이루어진다. 상기 히터봉(120)에 전원이 인가되면 상기 열전달망(140)이 그 열을 흡수하여 상변화물질(110)과 용수 순환관(130)에 그 열을 고르게 전달함으로써 전열면적을 확보할 수 있고 열효율을 증대시키게 된다.

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.

100 : 축열조 110 : 상변화물질
120 : 히터봉 130 : 용수 순환관
131 : 입구 132 : 출구
140 : 열전달망 150 : 컨트롤박스
160 : 덮개

Claims (6)

1. 축열식 보일러에 있어서,
   내부에 상변화물질(PCM,110)이 채워지는 축열조(100)와;
   상기 축열조 내부에 수직으로 설치되며, 축열조 내부에 채워진 상변화물질(PCM)을 가열하여 축열조 내부에 유입되는 용수를 가열하되 용수의 가열면적을 증대시킬 수 있도록 복수개로 설치되는 히터봉(120)과;
   상기 히터봉과 히터봉 사이에 일정간격을 두고 설치되며, 양측 단부는 각각 용수의 입구(131) 및 출구(132)로 구성되고, 내부에 투입되는 용수가 상변화물질(PCM)로부터 방출되는 열과 접촉되어 가열되도록 하는 용수 순환관(130);
   을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히터봉과 상변화물질을 이용하는 축열식 보일러.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 용수 순환관은 열전도율이 높고 내식성이 우수하며 신축성이 뛰어난 스텐레스 주름관인 것을 특징으로 하는 히터봉과 상변화물질을 이용하는 축열식 보일러.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 용수 순환관은 용수가 상기 축열조 내부에서 장시간 체류하면서 가열된 후 배출될 수 있도록 상기 축열조의 외주연으로부터 내주연 방향으로 상하 지그재그 형상으로 스파이럴 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 히터봉과 상변화물질을 이용하는 축열식 보일러.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 히터봉 및 용수 순환관이 삽입되는 형태로 이루어져 히터봉과 상변화물질 및 상변화물질과 용수 순환관 간의 전열면적과 전열속도를 증대시킬 수 있도록 동 재질의 열전달망이 설치되는 것을 특징으로 하는 히터봉과 상변화물질을 이용하는 축열식 보일러.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 열전달망은 상하 다단으로 일정간격을 두고 복수개로 배열설치되는 것을 특징으로 하는 히터봉과 상변화물질을 이용하는 축열식 보일러.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 히터봉은 열전도율이 높고 내식성이 우수한 스테인레스 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 히터봉과 상변화물질을 이용하는 축열식 보일러.
   
   

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