KR20200014096A - 면상발열체를 이용한 전기보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열매체의 흐름을 방해하지 않는 한도 내의 좁은 폭과 넓은 길이 및 높이의 수용공간을 형성하고 양측에 면상발열체부를 구비함으로써 수용공간내로 열매체 통과시 단시간내 열전달율을 높여 단위시간당 난방효율 및 급탕효율을 높이고 전력소비를 최소화하여 에너지 효율을 높일 수 있도록 이루어진 면상발열체를 이용한 전기보일러에 관한 것이다.

Description

면상발열체를 이용한 전기보일러 {Electric boiler using planar heater}

본 발명은 전기보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열매체의 흐름을 방해하지 않는 한도 내의 좁은 폭과 넓은 길이 및 높이의 수용공간을 형성하고 양측에 면상발열체부를 구비함으로써 수용공간내로의 열매체 통과시 단시간내 열전달율을 높여 단위시간당 난방효율 및 급탕효율을 높이고 전력소비를 최소화하여 에너지 효율을 높일 수 있도록 이루어진 면상발열체를 이용한 전기보일러에 관한 것이다.

일반적으로 사용하는 보일러는 기름보일러 또는 가스보일러가 주로 이용되고 있다.

이러한 기름이나 가스를 이용한 보일러는 연료를 연소하여 물 가열기를 가열하고, 가열기 내부에 충전된 열매체(물)를 가열하여 이를 난방 및 온수로 공급하는 구조를 가진다.

그러나, 최근 기름 및 가스 비용의 지속적인 상승 및 냄새 발생 또는 소음 문제 등으로 인해 기름 및 가스보일러의 사용은 점차 줄어들고 있으며, 이를 대체하기 위해 저렴하면서 내구성 및 안전도가 높은 전기보일러의 활용이 높아지고 있다.

한편, 도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 전기보일러(10)는 열매체(물)를 가열하기 위한 가열장치를 구성함에 있어, 도 1의 (a)와 같이, 수용공간을 가지는 가열통(11) 내부에 코일식 또는 직열식 가열히터(12)를 설치한 다음 가열통(11) 내부로 냉수를 공급하여 가열하는 구조를 가진다.

또는, 종래 기술에 따른 전기보일러(1)는, 도 1의 (b)와 같이, 관 형태의 가열통(11')의 외주면을 가열히터(12')를 감아 가열통(11') 내부로 열전달을 통해 열매체를 가열하는 구조를 가질 수 있다.

그러나, 도 1에서와 같은 종래의 전기보일러(10)는 단순히 중공부에 부분적으로 내입된 가열히터(12) 또는 외부 접촉하고 있는 가열히터(12')를 이용해 열매체를 가열하는 것으로, 열매체가 가열히터(12, 12')와 접촉하거나 근접하는 부분(도 1의 (a)에서 열매체의 C 흐름 부분, 또는 도 1의 (b)에서 열매체의 A와 C 흐름 부분)에서는 열매체의 열전달이 용이해 가열이 용이하나 가열히터(12, 12')로부터 떨어진 부분의 열매체(도시에서 열매체의 B 흐름 부분)는 그 열원이 전달되기 미흡하여 가열통(11, 11') 내에 충전된 열매체의 전체적인 가열시 상당한 시간이 소모되는 문제점이 있었다.

또한, 이로 인한 전체적인 전력 소모를 가져오는 문제점이 있었다.

다시 말해, 열매체의 B 흐름 부분까지 가열히터(12, 12')의 열을 전달하여 보일러용으로 사용가능한 온도까지 열매체를 가열하기까지는 상당한 시간의 소요가 필요하거나, 가열통(11')의 길이를 길게 구성하여 열매체의 B 흐름 부분까지 가열되도록 순환하는 구조로 전기보일러(10)를 구성할 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

더불어, 도 2를 참조하면, 가열통(11, 11')을 통과하는 열매체는 유체의 흐름에 따라 접촉하는 표면의 근처에 흐르는 흐름(A 흐름, C 흐름)은 접촉하는 표면의 저항을 받고 점성 및 마찰력이 작용하여 흐르는 속도가 중심의 B 흐름에 비해 속도가 줄어든다.

그리고, 표면에 부딪히고 뒤이은 열매체의 흐름에 영향을 받아 정확하게는 직선의 형태가 아닌 어느 정도의 와류 형태의 흐름을 가진다.

이에 따라, A와 C 흐름의 열매체는 가열히터(12, 12')에서 전달하는 열에 의해 좀 더 가열되기 용이하지만, B 흐름의 열매체는 가열히터(12, 12')의 영향력에서 벗어나 통과하는 양이 많아 결국 상술한 바와 같이 전체적인 열매체의 가열이 이루어지기 위해서는 상당한 시간이 소모되는 문제점이 있으며 이로 인한 전력의 소모를 가져오는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 전기보일러는 가열통(11, 11')내에 가열히터(12, 12')에 의해 열매체가 선 접촉되어 가열됨으로 전체적인 열효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

한국등록특허공보 제10-1591917호 (2016. 01. 29. 등록) 한국공개특허번호 제10-2013-0085663호(2013.07.30. 공개)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 열매체의 흐름을 방해하지 않는 한도 내의 좁은 폭과 넓은 길이 및 높이의 수용공간을 형성하고 양측에 면상발열체부를 구비하여, 열매체 통과시 단시간내 열전달율을 높여 에너지 효율을 높일 수 있도록 이루어진 면상발열체를 이용한 전기보일러를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 전기보일러는, 유입관을 통해 유입된 열매체를 가열하여 배출관을 통해 배출하기 위해, 프레임부와 면상발열체를 포함하여 구성한다.

이때, 프레임부는, 설정에 따른 폭과 최초 유입측의 열매체 유속 대비 중심측 유속이 줄어들도록 체적을 형성하기 위한 설정에 따른 길이 및 높이로 내부 수용공간을 형성하고, 폭을 이루는 일측에 유입관과 타측에 배출관을 형성하며, 양측면이 개구된 판상의 형상을 가진다.

면상발열체부는, 프레임부의 개구된 양측면을 덮는 크기를 가지며, 프레임부의 양측에 밀폐되게 일체형으로 구비되어 수용공간내 열매체와 면접촉한다.

바람직하게, 면상발열체부는, 내열의 강화유리판과, 강화유리판의 표면에 전류가 흐를 수 있도록 형성한 도전발열막층을 포함하여 구성한다.

그리고, 바람직하게 프레임부의 폭은, 양측 면상발열체부에서 수용공간 내로 전달하는 열이 통과하는 열매체의 중심까지 전달가능한 길이인 것을 특징으로 한다.

그리고, 프레임부의 유입관과 배출관은 서로 대각의 위치에 형성한 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시예로, 면상발열체를 이용한 전기보일러는 다수개로 직렬배열 위치하되, 이웃하는 면상발열체부와 면상발열체부가 간극을 가지며 서로 마주하고, 프레임부의 유입관과 이웃하는 프레임부의 배출관은 연결관으로 연결한다.

그리고, 필요에 따라, 마주하는 면상발열체부와 면상발열체부 사이에는 간극을 유지하도록 간극프레임부를 일체로 포함하여 구성한다.

이와 같이 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 전기보일러는, 열매체의 흐름을 방해하지 않는 한도 내의 좁은 폭과 넓은 길이 및 높이의 수용공간을 가지는 프레임부에 의해 유입관을 통해 수용공간내로 유입되는 열매체가 유속 대비 체적이 확대되는 수용공간내에서 단시간내 충분히 열전달을 받아 가열됨으로 단시간내 열매체를 가열할 수 있는 효과를 가진다.

또한, 프레임부의 양측면을 덮도록 면상발열체부를 구비함으로 열매체가 선 접촉이 아닌 면 접촉을 통해 가열되어 전력소모를 줄이면서 열효율을 극대화할 수 있는 효과를 가진다.

더불어, 유입관을 통해 유입되는 열매체의 유속 대비 수용공간내의 체적이 확대됨으로 수용공간내에 열매체는 보다 오래 머물 수 있어 최대한 가열효과를 받을 수 있는 효과를 가진다.

그리고, 사용자의 필요에 따른 열매체 용량에 따라 전기보일러를 직렬 또는 병렬로의 연결 및 설치가 용이해 사용환경에 따른 대응이 용이한 효과를 가진다.

도 1과 도 2는 종래기술에 따른 전기보일러를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 전기보일러를 보여주는 개략적인 도면이다.
도 4(a)(b)는 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 전기보일러에 적용한 열매체의 흐름 및 열전달을 보여주는 개략적인 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 전기보일러의 일 실시예를 보여주는 도면이다.

이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 전기보일러의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 도 3에 도시한 전기보일러를 기본으로 상부 또는 상방은 설치한 바닥면에 대하여 높이를 가지는 부분 또는 그 방향을 가리키는 것으로 하며, 하부 또는 하방은 이와 반대되는 부분 또는 그 방향을 가리키는 것으로 하여 설명하기로 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공기기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도시한 바와 같이, 도 3과 도 4(a)(b)를 참조하면, 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 전기보일러(100)는, 크게 프레임부(110)와 면상발열체부(120)를 포함하여 구성하는데, 프레임부(110)를 통과하는 열매체가 면접촉하는 면상발열체부(120)에 의해 가열되도록 이루어진다.

이때, 프레임부(110)는 유입된 열매체의 유속을 조절하여 저속구간이 생기도록 수용공간(S)을 구성함으로 열매체가 충분히 열전달을 받아 가열될 수 있게 한다.

그리고, 프레임부(110)와 면상발열체부(120)는 열매체의 누출을 방지하기 위해 실러(130)를 이용하여 밀폐되게 일체형을 이룬다.

구체적으로, 재차 도 3 내지 도 4(a)(b)를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체를 이용한 전기보일러(100)에 적용한 프레임부(110)를 살펴보면 하기와 같다.

프레임부(110)는 유입관(111)을 통해 유입되는 열매체가 배출관(112)을 통해 배출될 때까지 충분히 열전달을 받을 수 있도록 구성한다.

이를 위해 프레임부(110)는 설정에 따른 폭(d)을 가지며, 최초 유입측의 열매체 유속 대비 중심측의 유속이 줄어들어 저속의 구간을 형성할 수 있도록 설정에 따른 길이(L1) 및 높이(L2)로 내부 수용공간(S)을 형성한다.

그리고, 프레임부(110)는 양측이 개구되며 전체적으로 설정의 폭(d)에 따른 두께를 가지는 판상의 형상을 가진다.

한편, 프레임부(110)는 폭(d)을 이루는 일측 테두리에 유입관(111)을 형성하며, 대응되는 타측 테두리에 배출관(112)을 형성하는데, 바람직하게 유입관(111)과 배출관(112)은 수용공간(S) 내의 열매체가 최대한 수용공간(S)내에 머무를 수 있도록 서로 대각의 위치에 형성한다.

이와 같은 프레임부(110)의 구성에 따라, 도 4의 (a)를 참조하면, 유입관(111)을 통해 수용공간(S)내로 유입된 열매체는 a 지점에서의 유속이 급속한 수용공간(S) 내의 체적 확대로 인해 수용공간 내로 확산되는 지점, 예를 들어 b 지점에서 유속이 줄어든다.

그리고, 열매체는 수용공간(S) 내의 중심측 지점, 예를 들어 C 지점에서 가정 저속의 구간을 가지게 되며 재차 b'지점의 정체구간을 지나 배출관(112)을 통과하는 a'지점에서는 다시 유속이 빨라진다.

이와 같이, 유입관(111) 대비 수용공간(S)의 급속한 체적 확대로 열매체는 수용공간(S) 상에 좀 더 머무르게 되며, 후술의 면상발열체부(120)에 의해 보다 용이하면서도 최대한의 가열효과를 받게 된다.

한편, 프레임부(110)의 폭(d)은 열매체의 흐름을 방해하지 않는 한도 내의 크기를 가지는데, 바람직하게 도 4의 (b)를 참조하면, 프레임부(110)의 양측에 구비된 후술의 면상발열체부(120)에서 수용공간(S) 내로 전달하는 열이 통과하는 열매체의 중심(e)까지 전달가능한 크기를 가진다.

이에 따라 유입관(111)을 통해 유입된 열매체는 수용공간(S)을 통과하여 배출관(112)을 통해 배출되는 한번의 흐름만으로 양측의 면상발열체부(120)에 의해 단시간내 충분히 가열되며 전력소모를 줄이면서 열효율을 극대화할 수 있다.

이러한 프레임부(110)의 폭(d)은 유입관을 통해 유입되는 열매체의 유속 및 전기보일러의 용량에 따라 설정되며 수치 한정되는 것은 아니다.

한편, 프레임부(110)에 형성한 유입관(111)과 배출관(112)은 프레임부(110)와 일체형으로 성형제작할 수 있으며, 필요에 따라 내열실리콘과 같은 실러(130)를 이용해 별도의 부재로 결합형성할 수 있음은 물론이다.

이어서, 재차 도 3 내지 도 4(a)(b)를 참조하여, 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 전기보일러(100)에 적용한 면상발열체부(120)를 설명하면 하기와 같다.

면상발열체부(120)는 도시에서와 같이, 개구된 프레임부(110)의 수용공간(S)을 덮을 수 있는 크기를 가진다.

도시에서 면상발열체부(120)는 프레임부(110)와 동일 선상의 테두리 라인을 가지며 프레임부(110)의 양측에 내열실리콘과 같은 실러(130)를 이용해 일체형으로 형성됨을 도시하였으나, 필요에 따라 프레임부(110)의 수용공간(S)을 덮으며 측방에서 끼워지는 형태로 구성될 수 있음은 물론이다.

한편, 면상발열체부(120)는 (+) 전극과 (-) 전극이 연결되어 전류가 흐르며 열을 발생하는데, 이를 위해 내열의 강화유리판(121)과, 강화유리판(121)의 표면에 전류가 흐를 수 있도록 형성한 도전발열막층(122)을 포함하여 구성한다.

강화유리판(121)은 도전발열막층(122)이 고르게 분포되어 적층될 수 있게 하며, 도전발열막층(122)은 열매체를 충분히 가열할 수 있는 열을 발생한다.

이러한 도전발열막층(122)은 통상의 증착 또는 분사 등의 방식으로 형성한다.

도전발열막층(122)은 고투과성을 갖는 투명도전성 전극재료가 사용되는데, 투명도전성 재료로서 안티몬을 함유하는 산화주석(Antimony Tin Oxide; ATO)이나, 인듐을 함유하는 산화주석(Indium Tin Oxide; 이하 'ITO'라 함) 등을 이용한다.

이 중에서도 특히 비저항의 낮음 등의 이유로 ITO가 폭넓게 사용되고 있다.

한편, 필요에 따라 내열성, 내화학성 및 내마모성이 높으며, 고온, 고전압에 대한 안전성이 높고 저항 및 고투과율을 갖는 불소를 함유하는 산화주석(Fluorine doped Tin Oxide; FTO)을 이용할 수 있다.

도전발열막층(122)은 전기를 이용해 열을 발생하는 층으로 상술에 한정하는 것은 아니며, 이러한 도전발열막층(122)의 형성은 통상 종래의 알려진 공지기술이 적용될 수 있는 바, 관련된 공기기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략하기로 한다.

한편, 면상발열체부(120)를 구성하는 강화유리판(121)을 프레임부(110)에 결합할 때, 상술한 바와 같이 내열실리콘과 같은 실러(130)를 이용해 일체형으로 결합하는데, 내열실리콘의 경우 도전발열막층(122)과 접촉시 발열에 따라 산화되어 떨어질 우려가 있다.

이를 방지하기 위해 바람직하게는 강화유리판(121)의 테두리를 따라 일부분, 예를 들어 10mm 정도의 간격을 따라서는 혹시나 모를 내열실리콘과 같은 실러(130)와 접촉하지 않도록 상술의 도전발열막층(122)을 형성하지 않게 한다.

상술한 바와 같이, 프레임부(110)와 면상발열체부(120)로 이루어진 본 발명에 따른 전기보일러(100)는, 유입관(111)을 통해 수용공간(S)으로 유입된 열매체를 면상발열체(120)를 이용해 면접촉하고 가열하여 배출관(112)을 통해 외부로 배출하는 구조를 가진다.

이때, 프레임부(110)의 폭(d)과 길이(L1)와 높이(L2)는 전기보일러(100)의 용량에 따라 설정할 수 있다.

한편, 도시에서 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 전기보일러는 하나의 단일 프레임부(110)를 이용하여 열매체를 가열토록 도시함으로 설명하였으나, 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 전기보일러(100)는 용량에 따라 프레임부(110)를 다수개 설치하여 효율을 극대화할 수 있도록 구성할 수 있음은 물론이다.

일 예로, 전기보일러(100)는 다수개의 프레임부(110)를 직렬 배치하는데, 이웃하는 프레임부(110)의 유입관(111)과 이웃하는 프레임부(110)의 배출관(112)을 연결관(113)을 통해 연결함으로 구성할 수 있다.

이때, 다수개의 프레임부(110)는 직선의 방향으로 나열되어 직렬배열되거나, 또는 도 5에서와 같이, 연결관(113)에 의해 면상발열체부(120)가 서로 마주하는 위치로 직렬배열 위치할 수 있으며, 이러한 형태는 전기보일러(100)를 설치할 공간과 열매체의 용량에 따라 변경가능할 것이다.

또한, 다른 실시예로, 전기보일러(100)는 다수개의 프레임부(110)를 병렬 배치하고 연결관을 통해 연결함으로 구성할 수 있다.

구체적으로 다수개의 프레임부(110)의 각각의 유입관(111)은 전체가 하나로 연결관에 의해 연결되며, 다수개의 프레임부(110)의 각각의 배출관(112) 또한 전체가 하나로 연결관에 의해 연결된 구조를 가질 수 있다.

한편, 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 전기보일러(100)는, 프레임부(110)를 연속되게 직렬배치하여 열매체가 각각의 수용공간(S)을 통과하면서 온도가 높아질 수 있도록 함이 가장 바람직하다 할 것이다.

구체적으로, 도 5의 (a)와 같이, 면상발열체를 이용한 전기보일러(100)는, 다수개로 직별배열 위치한다.

이때, 이웃하는 면상발열체부(120)와 면상발열체부(120)는 간극을 가지며 서로 마주하고, 프레임부(110)의 유입관과 이웃하는 프레임부(110)의 배출관은 연결관(113)으로 연결되어 위치한다.

물론, 최초의 프레임부(110)와 연결된 유입관(111)과 마지막 프레임부(110)의 배출관(112)은 별도 구성한다.

한편, 도 5의 (b)와 같이, 필요에 따라 마주하는 면상발열체부(120)와 면상발열체부(120) 사이에는 간극을 유지하고 전류의 흐름을 방해하지 않도록 간극프레임부(140)를 일체로 포함하여 구성할 수 있다.

상술의 구성에 따라, 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 전기보일러(100)는, 열매체의 흐름을 방해하지 않는 한도 내의 좁은 폭(d)과 넓은 길이(L1) 및 높이(L2)로 수용공간(S)을 가지는 프레임부(110)에 의해 유입되는 열매체가 유속 대비 체적이 확대되는 수용공간(S)내에서 단시간내 충분히 열전달을 받아 가열되고, 프레임부(110)의 양측을 덮도록 면상발열체부(120)를 구비함으로 열매체가 선 접촉이 아닌 면 접촉을 통해 가열되어 전력소모를 줄이면서 열효율을 극대화할 수 있는 효과를 가진다.

이에 따라 종래의 코일 등의 가열히터를 이용한 전기보일러의 열효율이 78~82%의 열효율을 가지는데 비해, 본 발명에 따른 면상발열체를 이용한 전기보일러는 92% 이상의 열효율을 가진다.

더불어, 유입되는 열매체의 유속 대비 수용공간(S)내의 체적이 확대됨으로 열매체는 보다 오래 머물 수 있어 최대한의 가열효과를 받게 된다.

그리고, 필요에 따른 열매체 용량에 따라 프레임부(110)를 직렬 또는 병렬로의 연결 및 설치가 용이해 사용환경에 따른 대응이 용이한 효과를 가진다.

이상에서 설명한 본 발명은 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

100 : 면상발열체를 이용한 전기보일러
110 : 프레임부
111 : 유입관
112 : 배출관
120 : 면상발열체부
121 : 강화유리판
122 : 도전발열막층
130 : 실러
140 : 간극프레임부
S : 수용공간

Claims (6)

1. 유입관(111)을 통해 유입된 열매체를 가열하여 배출관(112)을 통해 배출하는 전기보일러에 있어서,
   설정에 따른 폭(d)과 최초 유입측의 열매체 유속 대비 중심측 유속이 줄어들도록 체적을 형성하기 위한 설정에 따른 길이(L1) 및 높이(L2)로 내부 수용공간(S)을 형성하고, 상기 폭(d)을 이루는 일측에 유입관(111)과 타측에 배출관(112)을 형성하며, 양측면이 개구된 판상의 프레임부(110)와;
   상기 프레임부(110)의 개구된 양측면을 덮는 크기를 가지며, 상기 프레임부(110)의 양측에 밀폐되게 일체형으로 구비되어 상기 수용공간(S)내 열매체와 면접촉하는 면상발열체부(120)를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 면상발열체를 이용한 전기보일러.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 면상발열체부(120)는,
   내열의 강화유리판(121)과,
   상기 강화유리판(121)의 표면에 전류가 흐를 수 있도록 형성한 도전발열막층(122)을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 면상발열체를 이용한 전기보일러.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 프레임부(110)의 폭(d)은,
   양측 면상발열체부(120)에서 수용공간(S) 내로 전달하는 열이 통과하는 열매체의 중심(e)까지 전달가능한 길이인 것을 특징으로 하는 면상발열체를 이용한 전기보일러.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 프레임부(110)에 형성한 유입관(111)과 배출관(112)은 서로 대각의 위치에 형성한 것을 특징으로 하는 면상발열체를 이용한 전기보일러.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 면상발열체를 이용한 전기보일러는 다수개로 직렬배열 위치하되,
   이웃하는 면상발열체부(120)와 면상발열체부(120)가 간극을 가지며 서로 마주하고,
   프레임부(110)의 유입관과 이웃하는 프레임부(110)의 배출관은 연결관(113)으로 연결한 것을 특징으로 하는 면상발열체를 이용한 전기보일러.
   
6. 제 5항에 있어서,
   마주하는 면상발열체부(120)와 면상발열체부(120) 사이에는 간극을 유지하도록 간극프레임부(140)를 일체로 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 면상발열체를 이용한 전기보일러.
   
   

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