KR20180133689A

KR20180133689A - 온수 공급 장치

Info

Publication number: KR20180133689A
Application number: KR1020170070856A
Authority: KR
Inventors: 강환국
Original assignee: 강환국
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2018-12-17
Anticipated expiration: 2037-06-07
Also published as: KR101953152B1

Abstract

열전발전을 통하여 별도의 전기를 필요로 하지 않고 독립적으로 구동시켜 사용할 수 있는 온수 공급 장치가 제공된다. 온수 공급 장치는, 냉수를 공급받아 가열원으로부터 제공되는 열로 온수를 만들어 배출하는 열교환기, 상기 열교환기로부터 온수를 공급받는 온수 수용 유닛, 상기 열교환기와 상기 온수 수용 유닛을 연결하며, 상기 열교환기로부터 온수를 상기 온수 수용 유닛으로 공급하는 공급관, 상기 온수 수용 유닛과 상기 열교환기를 연결하여 상기 온수 수용 유닛으로부터 냉수를 상기 열교환기로 공급하거나, 외부 급수원으로부터 공급되는 냉수를 상기 열교환기로 공급하는 회수관, 일측면인 고온부와 타측면인 저온부 사이의 온도차에 의해 전기가 발생하며, 상기 고온부가 상기 가열원으로부터 열을 제공받아 전기를 생산하는 열전모듈, 상기 열전모듈로부터 전기를 공급받아 구동되며, 상기 공급관 또는 상기 회수관에 설치되어 상기 열교환기와 상기 온수 수용 유닛 사이에 온수와 냉수를 순환시키는 펌프를 포함한다.

Description

온수 공급 장치{Hot water supplying apparatus}

본 발명은 온수 공급 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 열전발전을 통하여 별도의 전기를 필요로 하지 않고 독립적으로 구동시켜 사용할 수 있는 온수 공급 장치에 관한 것이다.

일반적으로 건물의 실내 또는 주거공간의 실내 온도를 유지시키기 위해 난방장치가 사용된다. 난방장치는 보일러로 물을 가열하여 주거 공간에 열을 공급하는 장치가 주로 사용된다. 이러한 난방장치는 일종의 온수공급장치로 실내의 바닥면에 직접 온수를 공급하거나, 라디에이터에 온수를 공급하기도 하며 온수 저장탱크에 온수를 공급하기도 한다.

특히, 최근에는 전자파 문제로 사용이 기피되는 전기매트 등을 대신하여 소형 보일러를 이용하는 온수 온열매트도 많이 사용되고 있다. 이러한 난방장치는 온수를 공급하기 위한 온수공급장치가 필수적이며, 물을 가열하기 위해서 전기식 히터나 가스 또는 오일 버너가 사용된다. 전기식 히터를 사용하는 온수공급장치뿐만 아니라 가스 또는 오일 버너가 사용되는 경우에도 물을 순환하기 위해서는 전기가 반드시 필요하다.

특히, 온수공급장치가 야외에서 사용될 경우, 별도의 전원이 필요하여 사용에 제약이 많은 문제가 있었다. 최근에는 캠핑이 유행하면서 전기 공급이 되지 않는 산간 오지에서도 난방 또는 온수 사용을 위하여 온수공급장치가 필요하게 되었다. 이에 따라, 전기가 공급되지 않은 야외에서도 안정적으로 온수를 공급할 수 있는 온수공급장치가 필요하게 되었다.

대한민국 등록실용신안 제20-0228259호, (2001.04.11)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 열전발전을 통하여 별도의 전기를 필요로 하지 않고 독립적으로 구동시켜 사용할 수 있는 온수 공급 장치를 제공하려는 것이다.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 기술적 과제에 의한 온수 공급 장치는, 냉수를 공급받아 가열원으로부터 제공되는 열로 온수를 만들어 배출하는 열교환기와, 상기 열교환기로부터 온수를 공급받는 온수 수용 유닛과, 상기 열교환기와 상기 온수 수용 유닛을 연결하며, 상기 열교환기로부터 온수를 상기 온수 수용 유닛으로 공급하는 공급관과, 상기 온수 수용 유닛과 상기 열교환기를 연결하여 상기 온수 수용 유닛으로부터 냉수를 상기 열교환기로 공급하거나, 외부 급수원으로부터 공급되는 냉수를 상기 열교환기로 공급하는 회수관과, 일측면인 고온부와 타측면인 저온부 사이의 온도차에 의해 전기가 발생하며, 상기 고온부가 상기 가열원으로부터 열을 제공받아 전기를 생산하는 열전모듈과, 상기 열전모듈로부터 전기를 공급받아 구동되며, 상기 공급관 또는 상기 회수관에 설치되어 상기 열교환기와 상기 온수 수용 유닛 사이에 온수와 냉수를 순환시키는 펌프를 포함한다.

상기 열전모듈은 상기 저온부가 상기 회수관과 접하여 상기 회수관 내부를 흐르는 냉수와 열교환할 수 있다.

일측 단부가 상기 가열원과 상기 열교환기 사이로 삽입 배치되고 타측 단부는 상기 열전모듈의 상기 고온부와 접하는 적어도 하나의 열전달유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 열전달유닛은 내부가 부압으로 형성되어 밀폐되고, 내부에 열전달유체가 포함된 히트파이프일 수 있다.

상기 열전모듈은 상기 가열원의 외측에 배치되고 상기 열전달유닛이 상기 가열원으로부터 열을 상기 고온부로 전달할 수 있다.

상기 열전달유닛은 봉(棒) 또는 관(管) 형상으로 형성되며, 복수 개가 서로 이격되어 병렬로 배치되거나, 서펜타인(serpentine) 구조로 이루어져, 상기 가열원의 열이 상기 열전달유닛 사이를 통과하여 상기 열교환기로 전달될 수 있다.

상기 열교환기와 상기 열전달유닛을 수용하는 본체; 및 상기 본체 내부에 수용되며 상기 가열원이 되는 버너유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 열교환기는 상기 본체에 힌지결합되어, 상기 버너유닛 직상방에 위치하거나 상기 본체 외부로 노출되도록 위치가 전환될 수 있다.

상기 온수 수용 유닛은 내부에 온수가 순환하는 관이 형성된 온수매트 또는 온수를 저장하는 온수탱크를 포함할 수 있다.

상기 열전모듈로부터 전기를 공급받아 정류하여 일정한 전압으로 변환하는 전력변환모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 열전모듈로부터 공급받은 전기를 저장하고 상기 펌프에 안정적으로 전기를 제공하는 배터리를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 온수 공급 장치는, 외부에서 전기가 공급되지 않더라도 동작이 가능하여 전기가 공급되지 않는 야외에서도 사용이 가능하다. 또한, 본체 내부에 수용된 버너뿐만 아니라 외부에서 공급되는 다양한 가열원을 이용하여 온수를 공급할 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명에 따른 온수공급장치는 온수 공급 용도 이외에 전기 발전을 위한 용도로 사용이 가능하여, 야외에서 각종 전기장치를 구동하기 위한 전력을 생산할 수 있으며, 장치의 구성상 일반적인 열전발전장치에 비해 발전효율이 매우 우수하다.

또한, 구성이 간단하고 운전 시 소음이 발생하지 않으며, 보수가 용이한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 온수 공급 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 온수 공급 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3 및 도 4는 도 1의 온수 공급 장치의 작동도이다.
도 5 및 도 6은 도 1의 온수 공급 장치의 발전효율을 나타낸 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 각각 다른 실시예에 의한 온수 공급 장치의 사시도이다.
도 10은 도 1의 온수 공급 장치의 사용 예를 도시한 사시도이다.

본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 도 1 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 온수 공급 장치에 관하여 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 온수 공급 장치(1)는 외부에서 별도의 전기를 공급받지 않더라도 온수를 공급할 수 있는 장치로 온수를 생산하지 않을 때에는 전력 생산용 발전기로 사용이 가능한 장치이다. 특히, 열전모듈(70)을 사용하여 구조가 간단하고 소형화가 가능하여 휴대가 간편하다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 온수 공급 장치에 관하여 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 온수 공급 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 온수 공급 장치의 개략적인 구성도이다. 도 3은 도 1의 온수 공급 장치의 회동 가능한 열교환기의 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온수 공급 장치(1)는 가열원(10)으로부터 열을 공급받아 열교환기(30)를 통하여 온수 수용 유닛(50)으로 온수를 공급하고, 가열원(10)에서 열교환기(30)로 공급되는 열 중 일부로 열전모듈(70)을 통해 전기를 생산하여 열교환기(30)로 공급되는 물을 순환시키는 구조를 갖는다.

구체적으로 설명하면, 온수 공급 장치(1)는 냉수를 공급받아 가열원(10)으로부터 제공되는 열로 온수를 만들어 배출하는 열교환기(30)와, 열교환기(30)로부터 온수를 공급받는 온수 수용 유닛(50)과, 열교환기(30)와 온수 수용 유닛(50)을 연결하며, 열교환기(30)로부터 온수를 온수 수용 유닛(50)으로 공급하는 공급관(40)과, 온수 수용 유닛(50)과 열교환기(30)를 연결하여 온수 수용 유닛(50)으로부터 냉수를 열교환기(30)로 공급하거나, 외부 급수원으로부터 공급되는 냉수를 열교환기(30)로 공급하는 회수관(60)과, 일측면인 고온부(70a)와 타측면인 저온부(70b) 사이의 온도차에 의해 전기가 발생하며, 고온부(70a)가 가열원(10)으로부터 열을 제공받아 전기를 생산하는 열전모듈(70)과, 열전모듈(70)로부터 전기를 공급받아 구동되며, 공급관(40) 또는 회수관(60)에 설치되어 열교환기(30)와 온수 수용 유닛(50) 사이에 온수와 냉수를 순환시키는 펌프(80)를 포함한다.

본체(100)는 온수 공급 장치(1)의 구조체를 이루는 부분으로, 내부에 수용공간(101)이 형성된 박스형으로 형성될 수 있다. 본체(100)는 가열원(10)에서 공급되는 열이 외부로 방출되지 않도록 단열 구조로 이루어질 수 있다. 본체(100) 내부의 수용공간(101)에는 가열원(10), 열전달유닛(20), 열교환기(30), 열전모듈(70), 펌프(80), 전력변환모듈(90) 등이 배치될 수 있다. 본체(100)는 온수 공급 장치(1)의 용량이나 사용장소 등에 따라 도 1에 도시된 형태 이외의 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.

가열원(10)은 물을 가열하여 온수를 생산하기 위한 장치로, 연료를 연소시켜 열을 발생시킨다. 가열원(10)은 반드시 연소용 버너에 한정할 것은 아니며, 열을 발산할 수 있는 다양한 열원이 가능할 것이다. 또한, 가열원(10)은 도 1에 도시된 바와 같이 본체(100) 내부에 설치될 수 있으나, 반드시 이에 한정될 것은 아니며 도 6에 도시된 바와 같이 본체(100) 외부에 설치된 구조일 수 있다. 가열원이 본체 외부에 설치된 구조는 구체적으로 후술한다. 가열원(10)은 본체(100) 수용공간(101)의 하부에 배치되며, 연료를 연소시켜 열을 발생시킬 수 있다. 가열원(10)으로부터 발생한 열은 가열원(10)의 상부에 배치된 열전달유닛(20)과, 열교환기(30)로 전달되어 물을 가열하고 전력을 생산할 수 있다. 본체(100) 수용공간(101)은 가열원(10)에 의해 내부 온도가 상승할 수 있다. 열교환기(30)와 열전달유닛(20)은 가열원(10)으로부터 직접 가열될 수도 있으며, 본체(100) 내부의 온도에 의해 간접적으로 가열될 수도 있다. 가열원(10)은 열을 발생시킬 수 있는 다양한 가열장치가 사용될 수 있으며, 본 명세서 상에서는 도 1에 도시된 소형으로 형성된 버너유닛(11)을 예로 들어 설명하도록 한다.

열교환기(30)는 내부를 통과하는 물에 열을 전달하여 온수로 변환하는 장치로, 온수 수용 유닛(50)으로부터 공급받은 냉수를 가열하여 다시 온수 수용 유닛(50)으로 공급하거나, 외부 급수원으로부터 공급받은 냉수를 가열한다. 열교환기(30)는 가열원(10)의 상부에 배치되며, 일측에는 공급관(40)이 연결되고 타측에는 회수관(60)이 연결되어 물을 순환시킨다. 열교환기(30)는 가열원(10)으로부터 열을 흡수하여 냉수를 온수로 변환하는 흡열기로서 역할을 하지만, 위치를 변환하면 도 7에 도시된 바와 같이 열을 방출하는 방열기로서 역할을 할 수 있다. 열교환기(30)가 방열기로 동작하는 방식에 대해서는 구체적으로 후술하도록 한다.

한편, 온수 수용 유닛(50)은 온수를 공급받아 사용하는 장치를 말하며, 도 1에 도시된 바와 같이 온수를 이용하여 난방에 사용되는 온수매트뿐만 아니라, 단순히 온수를 저장하는 온수 저장탱크, 또는 온수를 순환하는 구조가 아닌 샤워기 등이 될 수도 있다. 온수 수용 유닛(50)은 본체(100)의 외부에 배치되며, 열교환기(30)와 공급관(40)으로 연결되어 온수를 공급받는다. 온수 수용 유닛(50)은 열교환기(30)로부터 온수를 공급받아 온수가 내부를 순환하면서 열을 방출하며 열을 방출한 냉수는 회수관(60)으로 회수된다. 회수관(60)으로 회수된 냉수는 다시 열교환기(30)로 공급되어 온수로 변환되며 다시 온수 수용 유닛(50)으로 전달된다. 즉, 물은 열교환기(30), 공급관(40), 온수 수용 유닛(50), 회수관(60)을 따라 순환하며, 온수를 생산하여 공급하게 된다.한편, 회수관(60)은 도 1과 도2에 도시된 바와 같이, 온수 수용 유닛(50)과 열교환기(30)을 연결하는 관으로, 온수 수용 유닛(50)에서 회수되는 물을 열교환기(30)로 다시 순환시키는 관을 예로 설명하였으나, 반드시 이에 한정될 것은 아니며 외부 급수원으로부터 열교환기(30)로 냉수를 공급하는 관을 의미할 수 있다. 즉, 회수관(60)은 열교환기(30)로 물을 공급하는 관을 모두 포함하는 개념이다.

본 명세서 상에서 온수 수용 유닛(50)은 도 1에 도시된 바와 같이 온수매트 인 것을 예로 설명한다.

열전달유닛(20)은 가열원(10)으로부터 열교환기(30)로 전달되는 열 중 일부를 열전모듈(70)로 전달하는 역할을 하며, 열교환기(30)로 전달되는 열을 차단하지 않으며 열전모듈(70)에서 전력 생산에 필요한 양만큼만 열을 전달한다. 열전달유닛(20)은 열교환기(30)로 전달되는 열을 차단하지 않기 위하여 봉(棒) 또는 관(管) 형상의 열전달부재가 병렬로 배치된 구조나 서펜타인(serpentine) 구조로 이루어질 수 있다. 열전달유닛(20)은 일측 단부가 가열원(10)에 인접하며 타측 단부가 후술할 열전모듈(70)의 고온부(70a)와 접하도록 배치될 수 있다. 열전달유닛(20)은 전도 등의 방식으로 가열원(10)의 열을 열전모듈(70)로 전달할 수 있는 다양한 구성으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 낮은 압력으로 설정된 내부에 열전달유체가 포함된 히트파이프(21)일 수 있으며, 열전도도가 매우 높은 재질로 이루어진 구조체일 수 있다. 다만, 본 명세서 상에서는 가는 관을 통해 많은 열을 빠르게 전달할 수 있는 히트파이프(21) 구조를 예로 설명한다. 히트파이프(21)는 열전달 속도가 매우 빨라 가열원(10)에 접하여 직접 가열되더라도 과열되어 장치가 파손되거나 화재의 위험을 줄일 수 있는 장점이 있다. 즉, 후술할 펌프(80)에 전원이 공급되는 한 냉수에 의해 열전모듈(70)이 냉각되면서 열전달유닛(20)의 과열도 방지할 수 있는 효과가 있다.

열전달유닛(20)은 복수 개의 히트파이프(21)가 가열원(10)의 상부에 이격 형성되고, 적어도 한번 굴절 형성되어 'ㄴ'자형으로 배치될 수 있다. 열전달유닛(20)은 소정의 간격을 두고 이격 배치되어, 가열원(10)으로부터 발생한 열이 열전달유닛(20)을 거쳐 상부의 열교환기(30)에도 전달된다. 열전달유닛(20)은 가열원(10)으로부터 열을 전달받아 내부에 충전된 열전달유체가 증발하면서 열을 저장하여 열전모듈(70)로 열을 전달한다. 즉, 열전달유닛(20) 내부에 충전된 열전달유체는 액체가 기체로 바뀌는 증발과, 기체가 액체로 응축되는 과정이 반복되면서 열을 흡수하고 방출하는 원리인 잠열을 이용하여 순간적으로 대량의 열을 이동시킬 수 있다. 이와 같은 방법으로 열전달유닛(20)은 열을 발생하고, 열전모듈(70)의 일측면은 히트파이프(21)로부터 열을 전달받을 수 있다.

열전모듈(70)은 일측면의 고온부(70a)와 타측면의 저온부(70b) 사이의 온도 차에 의해 전기를 생산하는 장치로, 별도의 외부 전원 없이 자체 전원만으로 펌프를 구동시킬 수 있다. 열전모듈(70)은 열전달유닛(20)의 접하도록 가열원(10)의 외측에 배치되어 열전달유닛(20)으로부터 열을 전달받으며, 열전달유닛(20)과 접하는 일측면은 고온부(70a)가 형성될 수 있다. 열전달유닛(20)은 가열원(10)의 직상방에 위치하지 않고 어느 한 방향으로 치우쳐서 배치되며, 가열원(10)의 직상방에 위치한 열전달유닛(20)의 굴절되어 형성된 끝단부와 접하도록 배치될 수 있다. 열전모듈(70)은 고온부(70a)와 저온부(70b)의 온도차가 클수록 발전효율이 증가하며, 고온부(70a)와 저온부(70b) 사이의 온도차를 증가시키기 위하여 히트파이프(21)를 이용한다. 즉, 히트파이프(21)는 증발부가 직접 화염에 접촉하고 응축부가 열전모듈(70)의 고온부(70a)에 접하여 화염의 열을 신속하게 고온부(70a)로 전달할 수 있다. 히트파이프(21)의 특성상 증발부와 응축부의 온도가 사실상 동일하여 화염과 접하는 증발부의 온도가 곧 열전모듈(70)의 고온부(70a)의 온도가 되어 고온부(70a)의 온도를 현저히 높일 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 방식으로 종래의 열전발전장치에서 나타내기 어려운 발전 효율을 달성할 수 있다. 발전효율과 관련하여서는 도 5를 참조하여 구체적으로 후술한다.

열전모듈(70)의 일측면은 열전달유닛(20)과 접하도록 배치되어 열전달유닛(20)으로부터 열을 전달받아 높은 온도를 유지할 수 있으며, 타측면은 회수관(60)과 접하여 배치되며 회수관(60) 내부를 흐르는 냉수와 열교환한다. 다시 말해, 열전모듈(70)의 고온부(70a)는 발열하여 온도가 상승하고 저온부(70b)는 회수관(60)으로부터 흡열하여 온도가 낮아지며, 열전모듈(70)의 고온부(70a)와 저온부(70b)의 온도차에 의해 전기가 생성될 수 있다. 이에 대해서는 구체적으로 후술하도록 한다. 열전모듈(70)의 타측면에는 열교환블록(71)이 배치될 수 있다

열교환블록(71)은 냉수가 흐르는 회수관(60)과 열전모듈(70) 사이를 연결하여 열전달을 촉진시키는 역할을 하며, 열전도도가 높은 물질로 이루어질 수 있다. 열교환블록(71)은 박스형태로 형성되고 내부에는 회수관(60)이 통과하여 냉수가 순환된다. 열교환블록(71)은 열전모듈(70)의 타측면에 배치되어 열전모듈(70)의 타측은 냉수가 흐르는 저온부(70b)가 형성된다. 열전모듈(70)의 일측과 타측은 각각 고온부(70a)와 저온부(70b)가 형성되며, 열교환블록(71)의 내부를 순환하는 냉수는 고온부(70a)로부터 열의 일부를 전달받아 온도가 상승할 수 있다. 이에 대해서는 더 구체적으로 후술하도록 한다.

전력변환모듈(90)은 열전모듈(70)의 양 측면의 온도 차에 의해 생산된 전기를 공급받아 정류하여 일정한 전류 또는 전압으로 변환하는 장치이다. 전력변환모듈(90)은 본체(100) 내측의 열전모듈(70) 하부에 배치되어 열전모듈(70)의 일측과 타측으로부터 연결된다. 전력변환모듈(90)은 열전모듈(70)로부터 발생한 전기를 전달받아 전력의 크기 등을 조절할 수 있으며, 열전모듈(70)로부터 발생한 전류와 전압을 필요에 따라 증폭할 수 있다. 전력변환모듈(90)은 전류를 일정하게 유지시키는 정전류 회로를 포함할 수 있다. 열전모듈(70)은 출력전력이 최대가 되는 최적전류가 존재하여, 출력전류를 최적전류에 맞춰 일정하게 유지시키면 발전효율을 높일 수 있다. 따라서, 열전모듈(70)의 고온부(70a)와 저온부(70b) 사이의 온도차를 크게 유지하면서 전류를 최적전류에 맞춰 일정하게 유지하면 발전효율을 높일 수 있다. 열전모듈(70)의 출력전류와 발전효율의 관계에 대해서는 도 6을 참조하여 구체적으로 후술한다.

이와 같이 전력변환모듈(90)은 열전모듈(70)로부터 생산된 전기를 일정한 전압으로 변환하여 전기를 펌프(80)에 공급하거나, 일부를 배터리에 저장할 수 있다.

배터리는 전력변환모듈(90)과 연결되어 전력변환모듈(90)이 열전모듈(70)로부터 공급받은 전기를 저장하여 충전하는 장치로, 펌프(80)에 안정적으로 전기를 제공한다. 배터리는 본체(100)의 내부에 배치되어 전력변환모듈과 연결될 수 있다. 배터리는 전력변환모듈(90)에서 펌프(80)에 전기를 공급하고 남은 나머지를 저장할 수 있으며, 열전모듈(70)에서 전기가 발생하지 않을 때 충전된 전기를 펌프(80)에 공급하여 구동시킬 수 있다. 배터리는 펌프(80)에 전기를 제공하거나, 열전모듈(70)로부터 공급받은 전기를 저장하였다가, 전기가 부족할 때 사용할 수 있으며 캠핑장 등과 같은 전기를 사용할 수 없는 야외에서 배터리로부터 전기를 제공받아 사용할 수 있다.

펌프(80)는 온수를 공급하기 위해 회수관(60)을 흐르는 물을 순환시키는 장치로, 전력변환모듈(90)로부터 전기를 공급받아 물을 순환시킨다. 펌프(80)는 본체(100)의 내부에 배치되고 회수관(60)의 일부와 연결되어 온수 수용 유닛(50)으로부터 회수된 냉수를 가압하여 열교환기(30)로 전달한다. 펌프(80)는 전력변환모듈(90)로부터 직접 전기를 공급받아 구동될 수 있으며, 전력변환모듈(90)로부터 공급받은 전기가 부족할 경우 배터리에 저장된 전기를 공급받을 수 있다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 온수 공급 장치의 작동과정에 관하여 구체적으로 설명하도록 한다.

도 3은 도 2의 온수 공급 장치의 작동도이고, 도 4는 도 1의 단면도이다.

먼저 도 3을 참조하면, 온수 공급 장치(1)의 가열원(10)이 작동하면서 유체의 이동 경로와 각 구간에서의 온도 변화를 나타내는 도면을 도시하고 있다. 가열원(10)에서 연료를 연소시켜 발생된 열이 수용공간(101)의 상부로 이동한다. 열은 가열원(10)의 상부에 배치된 히트파이프(21)에 전달된다. 히트파이프(21)는 열을 전달받으면서 기화와 기체가 액체로 응축되는 과정을 반복하게 된다. 히트파이프(21) 내부의 유체가 증기상태로 변하여 열을 가하지 않은 히트파이프(21)의 굴절된 방향으로 이동하면서 히트파이프(21) 전체에 열이 전달된다. 히트파이프(21)의 굴절된 일부 측면에 배치된 열전모듈(70)은 히트파이프(21)로부터 열을 전달받아 일측면의 고온부(70a)는 고온을 유지하고, 타측면의 저온부(70b)는 저온을 유지하게 된다. 열전모듈(70)의 일측은 고온, 타측은 저온을 나타내면서 고온부(70a)에서 일부의 열이 저온부(70b)로 전달될 수 있다. 가열원(10)으로부터 발생한 열은 상부에 배치된 히트파이프(21)에 전달되지만, 이격된 히트파이프(21)의 사이를 지나 상부로 이동하여 열교환기(30)에도 전달된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 히트파이프(21)는 복수 개가 이격 배치되어, 가열원(10)으로부터 발생한 열이 이격된 공간을 지나 상부로 전달될 수 있다. 즉, 가열원(10)으로부터 발생한 열은 히트파이프(21)와 열교환기(30)로 모두 전달될 수 있다. 열교환기(30)는 열을 전달받고 유입구로 유입된 냉수는 열교환기(30)를 지나면서 흡열하여 온도가 상승하고, 열교환기(30)의 유출구로 고온의 물이 배출될 수 있다.

다시 도 3를 참조하여 설명하면, 열교환기(30)로부터 배출된 물은 공급관(40)을 따라 이동하게 된다. 이때, 열교환기(30)의 유출구로 배출되어 공급관(40)을 따라 순환하는 물의 온도를 T1라 한다. 열교환기(30)로부터 배출된 물은 열교환기(30) 내부를 순환하면서 열을 전달받아 높은 온도(T1)를 나타낸다. 계속해서 열교환기(30)로부터 배출된 고온(T1)의 물은 공급관(40)을 따라 이동하여 온수 수용 유닛(50)의 내부 관으로 유입될 수 있다.

온수 수용 유닛(50)의 내부 관으로 유입된 물은 내부 관을 따라 순환하면서 열을 방출하게 된다. 열을 방출하면서 온수매트의 외부로 열이 방출될 수 있다. 온수 수용 유닛(50)의 내부 관을 따라 유입된 물은 열을 방출하면서 저온의 상태로 회수관(60)으로 유입하게 된다. 이때, 열을 방출하고 회수관(60)으로 유입된 물의 온도를 T2라 한다. 온수 수용 유닛(50)으로부터 열을 방출한 저온(T2)의 물은 회수관(60)을 따라 이동하며, 열전모듈(70)의 일측과 접하는 열교환블록(71)의 내부를 따라 순환하면서 온도가 상승하게 된다. 즉, 열교환블록(71)은 열전모듈(70)의 저온부(70b)와 접하도록 배치되고, 저온부(70b)는 고온부(70a)로부터 일부 열을 전달받는다. 따라서 열교환블록(71)을부터 배출된 물은, 회수관(60)으로 유입된 저온(T2)의 물보다 높은 온도를 나타낼 수 있다. 저온(T2)의 물은 열교환블록(71)의 내부를 거쳐가면서 열전모듈(70)로부터 일부의 열을 전달받아 온도가 상승하게 된다. 열교환블록(71)으로부터 배출되어 온도가 상승한 물의 온도를 T3라 한다. 열교환블록(71)으로부터 배출되어 온도(T3)가 상승한 물은 열교환기(30)로 유입된다. 열교환기(30)로 유입된 물은 위와 같은 과정을 반복하게 되면서 열교환기(30), 공급관(40), 온수 수용 유닛(50), 회수관(60), 열교환블록(71)의 내부를 순환하게 된다.

이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 열전모듈의 고온부와 저온부 사이의 온도차와 열전모듈의 출력전류에 따른 발전효율에 관하여 상세히 설명한다.

도 5 및 도 6은 도 1의 온수 공급 장치의 발전효율을 나타낸 그래프이다.

먼저, 도 5는 열전모듈(70)의 고온부(70a)와 저온부(70b) 사이의 온도차에 따른 이론적인 발전효율과 실제 실험치를 나타낸 그래프이다. 도 5의 그래프에서 실선은 이론적인 발전효율(변환효율)을 나타내며 두 개의 점은 실제 실험치를 나타낸다. 열전모듈(70)은 고온부(70a)와 저온부(70b)의 온도차가 증가할수록 발전전압과 그에 따른 출력전력이 크게 향상된다. 이는 온도차가 증가함에 따라 고온부(70a)의 흡열량이 증가하는 것에서 기인한다. 또한, 동일한 온도차일 경우 고온부(70a)의 온도의 변화에 따른 발전 성능은 거의 차이가 없어, 열전모듈(70)은 양단 온도차의 열적 조건이 발전 성능을 결정하는 중요요소라는 점을 알 수 있다. 즉, 열전모듈(70) 양 측의 온도차가 클수록 발전효율이 증가하므로, 발전효율을 증대시키기 위해서는 열전모듈(70) 양 측의 온도차를 증가시켜야 한다. 구체적으로 이론적인 발전효율은

으로 나타낼 수 있으며, 저온부(70b)의 온도를 40℃로 설정하고 전류를 0.35A로 설정할 때, 고온부(70a)와 저온부(70b) 사이의 온도차에 따른 이론효율은 도 5의 그래프로 표현될 수 있다. 즉, 열전모듈(70)의 온도차가 클수록 발전효율이 증가한다. 따라서, 발전효율을 증가시키기 위해서는 열전모듈(70)의 양측의 온도차를 증가시켜야 하며, 양측의 온도차를 증가시키기 위해서는 고온부(70a)로 전달되는 열의 양을 증가시켜야 한다.

열전모듈(70)은 저온부(70b)의 온도가 사실상 냉수의 온도로 정해진 상황에서 고온부(70a)의 온도를 높여야 발전효율이 증가할 수 있다. 히트파이프(21)는 가열원(10)의 열을 신속하게 고온부(70a)로 전달하여 열전모듈(70)의 고온부(70a)의 온도를 높일 수 있어, 열전모듈(70)의 발전효율을 높일 수 있다. 특히, 히트파이프(21)는 증발부가 가열원(10)의 화염에 직접 접하여 증발부의 온도를 높일 수 있으며, 증발부의 온도가 높아지면 응축부와 접한 열전모듈(70)의 고온부(70a)의 온도가 자연스럽게 높아진다. 이와 같이, 화염에 직접 접촉하는 구조의 히트파이프(21)가 열전모듈(70)에 결합하여 발젼효율을 극대화할 수 있다.

한편, 전류를 최적화하여 발전효율을 증대시킬 수도 있다.

도 6은 전류의 변화에 따른 열전모듈(70)의 발전효율을 나타내는 그래프이다. 열전모듈(70)의 고온부(70a)와 저온부(70b)의 온도 즉, 온도차를 일정하게 유지한 상태에서 출력전류가 변화하면 변환효율이 달라진다. 이론적인 발전효율은

으로 나타낼 수 있으며, 저온부를 30℃로 설정하고 온도차를 30℃로 설정할 때, 도 6과 같은 그래프가 나타난다. 도 6의 그래프에서 실선은 이론적인 발전효율을 나타내며, 5개의 점은 실제 실험치를 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 열전모듈(70)의 출력전류가 변화함에 따라 에너지 변환효율이 달라진다. 출력전류가 증가하면 발전효율이 일정치까지 증가하다가 다시 감소하는 모습을 나타낸다. 즉, 열전모듈(70)의 발전효율이 최대가 되기 위해서는 최적의 출력전류가 존재한다. 따라서, 정전류 회로가 포함된 전력변환모듈(90)을 이용하여 출력전류를 최적전류로 맞추어 일정하게 유지하면 전력변환효율을 높일 수 있다.

이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 온수 공급 장치에 관하여 구체적으로 설명하도록 한다.

도 7은본 발명의 제2 실시예에 따른 온수 공급 장치의 사시도이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 온수 공급 장치(2)는 열전달유닛(20)이 서펜타인(serpentine)구조로 형성되고, 다른 형상의 열전달유닛(20)이 적용됨에 따라 열전달유닛(20)과 인접하게 배치되는 열전모듈(70)과 열교환블록(71)의 배치가 다소 차이가 있는 점을 제외하면 이미 실시한 도 1의 온수 공급 장치(1)와 사실상 동일하다. 따라서, 이미 설명한 구성요소와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이고 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 온수 공급 장치(2)의 열열전달유닛(20)은 오실레이팅 히트파이프(22)가 적용된다. 오실레이팅 히트파이프(22)는 열을 효율적으로 전달하기 위한 파이프로 서펜타인(serpentine)형상으로 형성된다. 도 7의 열전달유닛(20)은 하나의 오실레이팅 히트파이프(22)가 일정한 간격을 두고 뱀과 같은 구불구불한 형상으로 형성되어 가열원(10)의 상부에 배치된다. 서펜타인 구조의 오실레이팅 히트파이프(22)는 도 1의 히트파이프(21)의 직경보다 작게 형성되고, 하나의 오실레이팅 히트파이프(22)가 동일 평면상에 배치되며, 열 전달 효율이 뛰어난 장점이 있다. 이와 같이 형성된 오실레이팅 히트파이프(22)의 상부에는 열전모듈(70)이 배치되고, 열전모듈(70)의 상부에는 열교환블록(71)이 배치될 수 있다. 열전모듈(70)이 오실레이팅 히트파이프(22)의 상부에 배치됨에 따라 열전모듈(70)의 하부는 고온, 열전모듈(70)의 상부는 저온을 나타낸다. 열전모듈(70)의 상부에 배치되는 열교환블록(71)의 내측에는 회수관(60)의 일부가 배치될 수 있다.

이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 온수 공급 장치에 관하여 구체적으로 설명하도록 한다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 온수 공급 장치의 사시도이다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 온수 공급 장치(3)는 가열원(10)이 본체(100) 내부에 수용되지 않고 분리 형성된 점을 제외하면 이미 실시한 도 1의 온수 공급 장치(1)와 사실상 동일하다. 따라서, 이미 설명한 구성요소와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이고 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 온수 공급 장치(3)는, 가열원(10)이 본체(100)로부터 분리 형성되어 있다. 즉, 온수 공급 장치(3)의 본체(100) 내부에는 열전달유닛(20), 열교환기(30), 펌프(80), 전력변환모듈(90), 열전모듈(70), 회수관(60)이 배치되고, 가열원(10)은 본체(100)의 외부에 배치된다. 가열원(10)은 본체(100)로부터 분리 형성되어 온수 공급 장치(3)를 작동시키기 위해서는 본체(100)에 열을 가할 수 있는 가스버너(12)와 같은 가열원(10)의 상부에 배치하여 열을 전달받아야 한다. 도 9에 도시된 바와 같이 온수 공급 장치(1)를 작동시키기 위해 가스버너(12)의 상부에 본체(100)를 두고 가스버너(12)로부터 열을 발생시켜 본체(100)에 열을 전달할 수 있다. 온수 공급 장치(3)는 가스버너(12)의 상부에 배치되는 것 이외에도, 난로 또는 모닥불 등과 같은 야외에서 공급되는 다양한 가열원(10)의 상부에 배치하여 사용할 수도 있으며, 가열원(10)과 본체(100)를 분리형성 함으로써 온수공급장치의 부피와 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 본체(100)를 가열하여 전력을 생산하여 전력공급장치로 사용할 수도 있다.

이하, 도 9를 참조하여 본 발명의 제4 실시예에 따른 온수 공급 장치에 관하여 구체적으로 설명하도록 한다.

도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 온수 공급 장치의 사시도이다.

본 발명의 제4 실시예에 따른 온수 공급 장치(4)는 본체(100)의 상부가 본체(100)의 하부와 분리 형성되어 본체(100)의 상부를 개폐할 수 있는 구조와, 열교환기(30)의 일측부가 본체(100)에 힌지결합되어 회동 가능한 구조를 제외하면 이미 실시한 도 1의 온수 공급 장치(1)와 사실상 동일하다. 따라서, 이미 설명한 구성요소와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이고 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

도 9를 참조하면, 온수 공급 장치(4)는 전력 생산용 발전기로 사용하기 위해 열교환기(30)가 회동 가능한 구조를 도시하고 있다. 열교환기(30)의 일측부는 본체(100) 회동 가능하도록 힌지 결합된 구조로 형성될 수 있다. 열교환기(30)의 일측부는 본체(100)에 힌지 결합되고 회동하여 가열원(10)으로부터의 열을 흡수하지 않고, 열을 방출하는 방열기로 사용할 수 있다.

구체적으로 설명하면, 발전기로 사용하는 온수 공급 장치(1)의 본체(100)는, 상부가 개방 가능하도록 본체(100)의 일측에 힌지 결합 되도록 형성된다. 먼저, 도 9에 도시된 바와 같이 본체(100)의 상부와 하부가 분리되도록 형성하고, 본체(100)의 상부를 개폐할 수 있도록 본체(100)의 일측에 힌지 결합되도록 형성한다. 본체(100)의 상부를 개방하면 열교환기(30)를 180°회전시킬 수 있다. 이와 같이 열교환기(30)가 배치된 상태에서 가열원(10)을 구동시키면, 가열원(10)으로부터 발생한 열은 열교환기(30)로 전달되지 않는다. 가열원(10)에서 발생한 열은 히트파이프(21)로만 전달되며, 히트파이프(21)로 전달된 열은 열전모듈(70)의 고온부(70a)로 전달된다. 온수 공급 장치(1)는 열교환기(30)를 가열원(10)으로부터 분리하여 물을 가열하지는 않으며, 열전모듈(70)을 통해 전기만을 생산할 수 있다. 이때, 열교환기(30)는 열전모듈(70)의 저온부(70b)를 냉각하는 냉수를 제공하는 역할을 할 수 있다. 이와 같이, 온수 공급 장치(1)는 모드 변환에 따라 온수를 공급하거나 전기만을 생산할 수 있다.

이하, 도 10을 참조하여 본 발명의 온수 공급 장치의 사용예에 관하여 설명하도록 한다.

도 10은 도 1의 온수 공급 장치의 사용 예를 도시한 사시도이다.

도 10을 참조하면, 야외 캠핑장에서 텐트 내부에 배치하여 사용하고 있는 온수 공급 장치(1)의 사용 예를 도시하고 있다. 온수 공급 장치(1)는 실내에서도 사용이 가능하지만, 소형화 제작되고 휴대가 용이하여 야외에서도 사용이 편리하다. 도 8에 도시된 바와 같이 전기가 공급되지 않는 야외에서 온수매트로 사용할 수 있다. 온수 공급 장치(1)는 별도의 장치를 필요로 하지 않고 구동시킬 수 있으며, 사용하고자 하는 장소에서 설치할 필요도 없이 손쉽게 배치하여 사용할 수 있다. 온수 공급 장치(1)는 온수매트 이외에도 전기 발전을 위한 용도로 사용이 가능하여, 전기를 사용할 수 없는 야외에서 전기장치를 구동하기 위한 전력을 생산하여 충전장치로 사용할 수 있는 장점이 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 온수 공급 장치 10: 가열원
11: 버너유닛 12: 가스버너
20: 열전달유닛 21: 히트파이프
22: 오실레이팅 히트파이프 30: 열교환기
40: 공급관 50: 온수 수용 유닛
60: 회수관 70: 열전모듈
70a: 고온부 70b: 저온부
80: 펌프 90: 전력변환모듈
100: 본체 101: 수용공간

Claims

냉수를 공급받아 가열원으로부터 제공되는 열로 온수를 만들어 배출하는 열교환기;
상기 열교환기로부터 온수를 공급받는 온수 수용 유닛;
상기 열교환기와 상기 온수 수용 유닛을 연결하며, 상기 열교환기로부터 온수를 상기 온수 수용 유닛으로 공급하는 공급관;
상기 온수 수용 유닛과 상기 열교환기를 연결하여 상기 온수 수용 유닛으로부터 냉수를 상기 열교환기로 공급하거나, 외부 급수원으로부터 공급되는 냉수를 상기 열교환기로 공급하는 회수관;
일측면인 고온부와 타측면인 저온부 사이의 온도차에 의해 전기가 발생하며, 상기 고온부가 상기 가열원으로부터 열을 제공받아 전기를 생산하는 열전모듈;
상기 열전모듈로부터 전기를 공급받아 구동되며, 상기 공급관 또는 상기 회수관에 설치되어 상기 열교환기와 상기 온수 수용 유닛 사이에 온수와 냉수를 순환시키는 펌프를 포함하는 온수 공급 장치.
제1항에 있어서,
상기 열전모듈은 상기 저온부가 상기 회수관과 접하여 상기 회수관 내부를 흐르는 냉수와 열교환하는 온수 공급 장치.
제1항에 있어서,
일측 단부가 상기 가열원과 상기 열교환기 사이로 삽입 배치되고 타측 단부는 상기 열전모듈의 상기 고온부와 접하는 적어도 하나의 열전달유닛을 더 포함하는 온수 공급 장치.
제3항에 있어서,
상기 열전달유닛은 내부가 부압으로 형성되어 밀폐되고, 내부에 열전달유체가 포함된 히트파이프인 온수 공급 장치.
제3항에 있어서,
상기 열전모듈은 상기 가열원의 외측에 배치되고 상기 열전달유닛이 상기 가열원으로부터 열을 상기 고온부로 전달하는 온수 공급 장치.
제3항에 있어서,
상기 열전달유닛은 봉(棒) 또는 관(管) 형상으로 형성되며, 복수 개가 서로 이격되어 병렬로 배치되거나, 서펜타인(serpentine) 구조로 이루어져, 상기 가열원의 열이 상기 열전달유닛 사이를 통과하여 상기 열교환기로 전달되는 온수 공급 장치.
제3항에 있어서,
상기 열교환기와 상기 열전달유닛을 수용하는 본체; 및
상기 본체 내부에 수용되며 상기 가열원이 되는 버너유닛을 더 포함하는 온수 공급 장치.
제7항에 있어서,
상기 열교환기는 상기 본체에 힌지결합되어, 상기 버너유닛 직상방에 위치하거나 상기 본체 외부로 노출되도록 위치가 전환되는 온수 공급 장치.
제1항에 있어서,
상기 온수 수용 유닛은 내부에 온수가 순환하는 관이 형성된 온수매트 또는 온수를 저장하는 온수탱크를 포함하는 온수 공급 장치.
제1항에 있어서,
상기 열전모듈로부터 전기를 공급받아 정류하여 일정한 전압으로 변환하는 전력변환모듈을 더 포함하는 온수 공급 장치.
제1항에 있어서,
상기 열전모듈로부터 공급받은 전기를 저장하고 상기 펌프에 안정적으로 전기를 제공하는 배터리를 더 포함하는 온수 공급 장치.