KR20240022982A - 열교환기 및 이를 구비한 물 가열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기는, 열을 발생시키는 소정 형상의 발열 패턴을 포함하는 발열 부재 및 입수부를 통해 유입된 물이 유로를 따라 출수부로 유동되는 동안 상기 발열 부재에 의해 발생된 열에 의해 열교환되어 온수를 생성하고 배출하는 몸체부를 포함하며, 상기 발열 패턴은, 복수 개의 구간으로 분할되되, 상기 분할된 각 구간별로 상기 발열 패턴의 폭이 다르게 형성된다.

Description

열교환기 및 이를 구비한 물 가열 장치{HEAT EXCHANGER AND WATER HEATING APPARATUS HAVING THE SAME}

본 발명은 열교환기 및 이를 구비한 물 가열 장치에 관한 것으로, 칼슘 이온이 포함된 물을 가열하기 위한 열을 제공하는 발열 부재의 발열 패턴을 조절하여 열교환기의 스케일 생성을 방지하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로, 전기 보일러 및 온수기를 사용하는 기기는 칼슘, 마그네슘 이온 등의 미네랄을 포함하고 있는 물을 직접 가열하여 사용한다.

이에, 전기 보일러 및 온수기에서 미네랄이 포함된 물을 직접 가열하여 사용할 경우, 해당 물에 포함된 칼슘 이온이 탄산칼슘으로 석출되어 유로 내부에 고착되는 스케일이 생성될 수 있다.

이와 같이, 유로 내부에 스케일이 생성되면, 유로를 따라 유동되는 물의 흐름을 방해하여 열 교환 성능을 저하시키고 발열소자를 열화시켜 기기의 수명을 단축시킬 수 있다.

종래에는 스케일 생성을 억제하기 위하여 이온화 필터 등을 이용하여 스케일 생성의 원인이 되는 칼슘 이온을 제거하여 칼슘 이온의 농도를 낮추는 방법으로 스케일 생성을 억제하였다.

하지만, 이온화 필터와 같은 추가 설비를 별도로 구비해야 하며, 또한 추가 설비를 설치하기 위한 공간 확보가 필요하기 때문에 비용이 상승하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 발열 패턴의 전력 밀도를 감소시켜 물의 표면온도가 지속적으로 상승하는 것을 억제시킴으로써 열교환기의 유로 내에 스케일이 생성되는 것을 방지할 수 있는 열교환기 및 이를 구비한 물 가열 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 발열 패턴을 세분화하여 세분화된 구간별로 발열 패턴의 폭을 점점 넓게 형성함으로써 전력 밀도가 단계적으로 감소하도록 하는 열교환기 및 이를 구비한 물 가열 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 발열 패턴의 폭을 조절하는 것으로 유로 내 물의 표면온도가 지속적으로 상승하는 것을 억제시킴으로써, 추가 설비로 인한 비용 상승을 방지할 수 있는 열교환기 및 이를 구비한 물 가열 장치를 제공함에 있다.

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

본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기는, 열을 발생시키는 소정 형상의 발열 패턴을 포함하는 발열 부재, 및 입수부를 통해 유입된 물이 유로를 따라 출수부로 유동되는 동안 상기 발열 부재에 의해 발생된 열에 의해 열교환되어 온수를 생성하고 배출하는 몸체부를 포함하며, 상기 발열 패턴은, 복수 개의 구간으로 분할되되, 상기 분할된 각 구간별로 상기 발열 패턴의 폭이 다르게 형성된다.

일 실시예에 따르면, 상기 발열 패턴은, 상기 유로를 따라 유동되는 물의 이동 방향을 따라 형성된 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 발열 패턴은, 지그재그 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 몸체부는, 입수부 및 출수부가 형성된 상부 패널, 상기 상부 패널의 하부에서 상기 상부 패널과 결합되는 하부 패널, 및 소정 형상의 상기 유로가 형성되며, 상기 상부 패널 및 하부 패널 결합 시에 상기 상부 패널 및 상기 하부 패널 사이에 밀착 형성되는 유로 패널을 포함하되, 상기 유로 패널은, 상기 유로의 끝단이 상기 입수부 및 상기 출수부와 각각 연결된 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 발열 부재는, 상기 상부 패널의 상부에 밀착되도록 형성되되, 상기 입수부 및 상기 출수부 사이에 형성된 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 발열 패턴은, 상기 유로와 연결된 상기 입수부에서 상기 출수부로 향할수록 상기 발열 패턴의 폭이 점점 넓게 형성된 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 발열 패턴은, 상기 분할된 각 구간별로 상기 발열 패턴의 폭이 점점 넓게 형성되되, 동일 구간 내에서 상기 발열 패턴의 폭이 동일하게 형성된 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 발열 패턴은, 상기 분할된 각 구간별로, 상기 열교환기의 유로와 연결된 입수부에서 출수부로 향할수록 전력 밀도가 감소하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 발열 패턴은, 복수 개의 저항을 포함하되, 상기 복수 개의 저항이 직렬 구조로 연결된 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 발열 패턴은, 복수 개의 저항을 포함하되, 상기 복수 개의 저항이 병렬 구조로 연결된 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 발열 패턴은, 복수 개의 저항을 포함하되, 상기 복수 개의 저항이 직렬 및 병렬 혼합 구조로 연결된 것을 특징으로 한다.

상기 발열 패턴은, 복수 개의 저항을 포함하되, 상기 복수 개의 저항이 병렬/병렬 혼합 구조로 연결된 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 따르면, 상기 발열 부재는, 상기 발열 패턴의 상부 및 하부에 밀착되도록 형성되는 절연 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 물 가열 장치는 상기와 같이 구성되는 열교환기를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 발열 패턴의 전력 밀도를 감소시켜 물의 표면온도가 지속적으로 상승하는 것을 억제시킴으로써 열교환기의 유로 내에 스케일이 생성되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 발열 패턴을 세분화하여 세분화된 구간별로 발열 패턴의 폭을 점점 넓게 형성함으로써 발열 패턴의 전력 밀도를 단계적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 발열 패턴의 폭을 조절하는 것으로 유로 내 물의 표면온도가 지속적으로 상승하는 것을 억제시킴으로써, 추가 설비로 인한 비용 상승을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 부재의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 부재의 발열 패턴을 각 구간별로 세분화하는 실시예를 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발열 패턴의 구조를 도시한 도면이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발열 패턴의 구조를 도시한 도면이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 발열 패턴의 구조를 도시한 도면이다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 본 발명의 제4 실시예에 따른 발열 패턴의 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 상태 변화를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 물 가열 장치의 구성을 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 세부 구조를 도시한 도면이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 열교환기(100)는 몸체부 및 발열 부재를 포함하여 구성될 수 있으며, 각 구성들이 적층 구조로 형성될 수 있다. 여기서, 몸체부는 입수부를 통해 유입된 물이 유로를 따라 출수부로 유동되는 동안 발열 부재에 의해 발생된 열에 의해 열교환되어 온수를 생성하고 배출하는 역할을 한다.

이에, 몸체부는 상부 패널(110), 하부 패널(120) 및 유로 패널(130)이 결합되어 형성될 수 있다.

상부 패널(110)은 및 하부 패널(120)은 판형 구조로 형성되며, 유로 패널(130)을 사이에 두고 상부 패널(110)의 하부와 하부 패널(120)의 상부가 서로 밀착되도록 결합될 수 있다. 이때, 상부 패널(110)은 상부 방향으로 움푹 패인 홈이 형성되고, 하부 패널(120)은 하부 방향으로 움푹 패인 홈이 형성되어, 상부 패널(110) 및 하부 패널(120)이 결합되는 경우 내부에 유로 패널(130)이 삽입 가능한 공간이 형성될 수 있다.

유로 패널(130)은 유로가 성형된 판형 구조로 형성될 수 있다. 유로 패널(130)은 상부 패널(110) 및 하부 패널(120) 결합 시에 상부 패널(110) 및 하부 패널(120) 사이에 삽입되며, 유로 패널(130)의 상부가 상부 패널(110)에 밀착되고, 하부가 하부 패널(120)에 밀착되도록 형성될 수 있다.

상부 패널(110)의 일측에는 물이 유입되는 입수부(111)가 형성되고, 타측에는 물이 유출되는 출수부(115)가 형성될 수 있다. 이때, 유로 패널(130)에 형성된 유로는 일단이 입수부(111)와 연결되고, 타단이 출수부(115)와 연결될 수 있다. 이에, 입수부(111)를 통해 열 교환기의 몸체부 내부로 물이 유입되면, 유입된 물이 유로를 따라 흐르며 출수부(115)를 통해 유출될 수 있다.

여기서, 유로는 열교환기(100)의 부피를 최소화하면서도 발열 용량 및 효율을 극대화할 수 있도록, 제한된 몸체부의 부피 내에서 열교환 면적을 최대화할 수 있는 긴 길이로 형성될 수 있다. 유로는 입수부(111)와 연결된 일단에서 출수부(115)와 연결된 타단까지의 길이를 최대화하는 패턴을 가지면서 이어질 수 있다. 일 예로, 유로는 지그재그 패턴을 가지도록 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상부 패널(110) 및 하부 패널(120)은 열 전도율이 소정치 이상으로 높은 재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 상부 패널(110) 및 하부 패널(120)은 금속 재질로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상부 패널(110)의 상부에는 발열 부재가 접촉되도록 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 발열 부재가 상부 패널(110)의 상부에 접촉되도록 배치된 것을 실시예로 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 하부 패널(120)의 하부에 접촉되도록 배치될 수도 있다.

발열 부재는 발열 패턴(150)을 포함하며, 발열 패턴(150)의 상부 및 하부에는 절연 패드(140)가 밀착되도록 형성될 수 있다. 여기서, 절연 패드(140)는 절연 물질이 도포 되거나 혹은 절연 물질로 구성된 판 형상의 패드일 수 있다.

발열 패턴(150)은 복수 개의 저항으로 구성될 수 있다. 일 예로, 발열 패턴(150)은 인쇄 방식으로 형성될 수 있다. 이때, 복수 개의 저항은 각각 직렬 구조 또는 병렬 구조로 연결될 수 있으며, 직렬 및 병렬 구조가 혼합된 구조로 연결될 수도 있다. 발열 패턴(150)은 양 단에 각각 전극이 연결되어, 전극을 통해 전원이 인가되면 열을 발생시킨다. 여기서, 발열 패턴은 면상 발열체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

발열 부재의 발열 패턴(150)을 통해 발생된 열은 발열 부재와 접촉된 상부 패널(110)을 통해 유로로 전달된다. 이에, 열교환기(100)의 몸체부 내부로 유입된 물은 유로를 따라 유동되는 동안 발열 부재에 의해 전달된 열을 이용하여 열교환이 이루어짐으로써 온도가 상승하게 되고, 이때 가열된 물이 출수부(115)를 통해 배출되게 된다.

발열 부재의 발열 패턴(150)은 전극을 통해 전원이 공급되면 표면온도가 지속적으로 상승하게 된다. 이와 같이, 발열 패턴(150)의 표면온도가 지속적으로 상승하게 되면, 유로를 따라 유동되는 물의 표면 온도 또한 지속적으로 상승하게 되는데, 물의 표면 온도가 상승할수록 물에 포함된 칼슘 이온이 탄산칼슘으로 석출됨에 따라 스케일이 생성되어 유로를 방해할 수 있다.

이에, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(100)의 발열 부재는 물의 표면 온도가 지속적으로 상승하는 것을 억제하여 스케일이 생성되는 것을 방지할 수 있도록 하는 발열 패턴(150)으로 구성된다. 이에, 발열 부재의 세부 구성에 대해서는 도 2의 실시예를 참조하여 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 부재의 구성을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 발열 부재는 입수부(111)와 출수부(115) 사이에 형성되며, 중심 위치에 발열 패턴(150)이 형성될 수 있다. 발열 패턴(150)은 양 단에 전극이 연결되어, 전극을 통해 발열 패턴(150)으로 전원이 인가될 수 있다.

발열 패턴(150)은 복수 개의 저항으로 구성될 수 있다. 여기서, 복수 개의 저항은 각각 직렬 구조 또는 병렬 구조로 연결될 수 있으며, 직렬 및 병렬 구조가 혼합된 구조로 연결될 수도 있다. 이때, 발열 패턴(150)은 지그재그 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 지그재그 형상이라 함은 입수부(111)와 출수부(115) 방향을 기준 방향으로 정했을 때, 기준 방향에 수직한 좌우 방향을 왕복 이동하는 형상을 의미한다.

열교환기(100)의 유로 내에 스케일이 생성되는 것을 방지하기 위해서는 물의 표면 온도가 지속적으로 상승하는 것을 억제시켜야 한다. 이때, 물의 표면 온도는 아래 [수학식 1]과 같이 정의할 수 있다.

[수학식 1]에서, T1은 물의 표면 온도, T₀은 물의 심부 온도, q는 전력 밀도, 그리고 h는 열 전달 계수를 의미한다. [수학식 1]에서와 같이, 물의 표면 온도는 전력 밀도에 비례하므로, 전력 밀도를 감소시키면 물의 표면 온도가 지속적으로 상승하는 것을 억제시킬 수 있다.

여기서, 전력 밀도는 아래 [수학식 2]와 같이 정의할 수 있다.

[수학식 2]에서, q는 전력 밀도, I는 전류, R₀는 총 저항, 그리고 w는 발열 패턴(150)의 폭을 의미한다. 여기서, 발열 패턴(150)의 폭은 입수부(111)와 출수부(115) 방향을 기준 방향, 기준 방향에 수직한 좌우 방향을 길이 방향으로 정했을 때, 길이 방향으로 길게 형성된 발열 패턴이 갖는 기준 방향의 폭을 의미한다. [수학식 2]에서와 같이, 전력 밀도는 발열 패턴(150)의 폭의 제곱에 반비례하므로, 발열 패턴(150)의 폭을 증가시키면 전력 밀도를 감소시킬 수 있다.

따라서, 발열 부재의 발열 패턴(150)의 폭을 각 구간별로 증가시킴으로써 전력 밀도를 단계적으로 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 물의 표면 온도가 지속적으로 상승하는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 열교환기(100)의 유로 내에 스케일이 생성되는 것을 방지하는 것이 가능하게 된다.

여기서, 발열 부재의 발열 패턴(150)은 지그재그 패턴으로 형성될 수 있으며, 지그재그 패턴의 각 라인별로 발열 패턴(150)의 폭을 변경함으로써 전력 밀도를 세밀하게 조정할 수 있다.

이를 위해, 발열 패턴(150)은 소정 구간 단위로 분할하고, 분할된 각 구간 마다 발열 패턴(150)의 폭을 조정할 수 있다. 이때, 입수부(111)에서 출수부(115) 방향으로 갈수록 발열 패턴(150)의 폭을 점차 넓게 형성함으로써 각 구간별로 전력 밀도를 단계적으로 감소시키는 것이 바람직하다. 이에 대한 실시예는 도 3을 참조하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 부재의 발열 패턴을 각 구간별로 세분화하는 실시예를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 발열 부재의 발열 패턴(150)은 지그재그로 형성되되, N 개의 구간으로 분할될 수 있다.

일 예로, 발열 부재의 발열 패턴(150)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 여섯 개의 구간(R1~R6)으로 분할될 수 있다. 물론, 이는 일 실시예일 뿐, 실시 형태에 따라 여섯 개 미만 또는 그 이상의 구간으로 분할될 수도 있다. 여기서, 제1 구간은 입수부(111)에 인접한 구간이며, 제6 구간은 출수부(115)에 인접한 구간일 수 있다.

제1 구간은 분할된 첫 번째 구간으로, 발열 패턴(150)의 폭이 w1만큼 형성될 수 있다. 제2 구간은 두 번째 구간으로, 발열 패턴(150)의 폭이 w1 보다 큰 w2만큼 형성될 수 있다. 제3 구간은 세 번째 구간으로, 발열 패턴(150)의 폭이 w2 보다 큰 w3만큼 형성될 수 있다. 제4 구간은 네 번째 구간으로, 발열 패턴(150)의 폭이 w3 보다 큰 w4만큼 형성될 수 있다. 제5 구간은 다섯 번째 구간으로, 발열 패턴(150)의 폭이 w4 보다 큰 w5만큼 형성될 수 있다. 마찬가지로, 제6 구간은 마지막 여섯 번째 구간으로, 발열 패턴(150)의 폭이 w5 보다 큰 w6만큼 형성될 수 있다.

이와 같이, 전력 패턴을 여섯 개의 구간으로 분할하고, 각 구간별로 발열 패턴(150)의 폭을 점차 증가시키게 되면, 제1 구간에서 제6 구간으로 갈수록 전력 밀도는 점차 감소하게 된다.

일 예로, 제1 구간에서의 발열 패턴(150)의 폭이 w1=7.2mm 인 경우에 전력 밀도는 527,000W/m²이 되는 반면, 제6 구간에서의 발열 패턴(150)의 폭이 w6=10.4mm 인 경우에 전력 밀도는 246,000W/m²이 된다. 따라서, 전력 밀도의 감소로 인해 열교환기(100)의 몸체부 내부에서 유로를 따라 유동되는 물의 표면 온도가 감소하게 됨에 따라 유로 내에서 스케일이 생성되는 것을 방지하는 것이 가능하게 된다.

여기서, 본 발명에 따른 발열 부재는 분할된 각 구간별로 발열 패턴(150)의 폭을 조절하는 것 만으로 전력 밀도를 감소시키는 것이 가능함에 따라, 전력 밀도를 감소시키기 위한 추가 전극은 필요하지 않게 된다. 따라서, 열교환기(100)에서 유로 내에 스케일이 생성되는 것을 방지하기 위한 추가 설비가 필요치 않으며, 추가 설비로 인해 비용이 증가하는 것을 방지하면서도, 유로 내에 스케일이 생성되는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.

여기서, 발열 패턴(150)은 복수 개의 저항으로 구성될 수 있으며, 복수 개의 저항은 각각 직렬 구조 또는 병렬 구조로 연결될 수 있으며, 직렬 및 병렬 구조가 혼합된 구조로 연결될 수도 있다.

이에, 발열 패턴(150)의 연결 구조는 도 4a 내지 도 6c의 실시예를 참조하도록 한다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발열 패턴의 구조를 도시한 도면이고, 도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발열 패턴의 구조를 도시한 도면이고, 도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 발열 패턴의 구조를 도시한 도면이고, 도 7a, 도 7b 및 도 7c는 본 발명의 제4 실시예에 따른 발열 패턴의 구조를 도시한 도면이다.

먼저, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제1 실시예에 따른 발열 패턴(150)은 복수 개의 저항을 직렬 구조로 연결한 형태로 구현될 수 있다. 제1 실시예에서와 같이 발열 패턴(150)을 직렬 구조로 연결한 경우, 지그재그로 형성된 발열 패턴(150)의 각 라인마다 폭을 조절할 수 있기 때문에, 발열 패턴(150)의 라인 수만큼 전력 밀도를 세분화하여 단계적으로 감소시키는 것이 가능하게 된다.

도 5a, 도 5b 및 도 5c를 참조하면, 제2 실시예에 따른 발열 패턴(150)은 복수 개의 저항을 병렬 구조로 연결한 형태로 구현될 수 있다. 제2 실시예에서와 같이 발열 패턴(150)을 병렬 구조로 연결한 경우, 지그재그로 형성된 발열 패턴(150)의 각 라인 쌍마다 폭을 조절할 수 있기 때문에, 발열 패턴(150)의 라인 쌍의 수만큼 전력 밀도를 세분화하여 단계적으로 감소시키는 것이 가능하게 된다.

이와 같이, 발열 패턴(150)을 병렬 구조로 연결하는 경우, 발열 패턴(150)에 걸리는 전류가 전체 전류의 절반으로 감소하기 때문에, 전류 스트레스를 감소시킬 수 있다.

도 6a, 도 6b 및 도 6c를 참조하면, 제3 실시예에 따른 발열 패턴(150)은 복수 개의 저항을 직렬 및 병렬 구조가 혼합된 구조로 연결한 형태로 구현될 수 있다. 제3 실시예에서와 같이 발열 패턴(150)을 직렬/병렬 혼합 구조로 연결한 경우, 지그재그로 형성된 발열 패턴(150)의 각 라인 쌍마다 폭을 조절할 수 있기 때문에, 발열 패턴(150)의 라인 쌍의 수만큼 전력 밀도를 세분화하여 단계적으로 감소시키는 것이 가능하게 된다.

이와 같이, 발열 패턴(150)을 직렬/병렬 혼합 구조로 연결하는 경우, 병렬 연결된 발열 패턴(150)의 라인 쌍 중에서 어느 하나의 라인에 파손이 발생하더라도 다른 라인을 통해 출력이 가능하게 된다.

도 7a, 도 7b 및 도 7c를 참조하면, 제4 실시예에 따른 발열 패턴(150)은 복수 개의 저항을 병렬 구조가 혼합된 구조, 즉, 병렬/병렬 혼합 구조로 연결한 형태로 구현될 수 있다. 제4 실시예에서와 같이, 발열 패턴(150)을 병렬/병렬 혼합 구조로 연결한 경우, 병렬 연결의 특성 상 히터의 길이에 의해 저항이 결정된다.

이에, 발열 패턴(150)을 입수부에서 출수부로 갈수록 히터의 길이가 증가하도록 형성함에 따라 저항이 증가하고, 그로 인해 전력 밀도가 단계적으로 감소하게 된다.

제4 실시예에 따른 전력 밀도는 아래 [수학식 3]과 같이 정의할 수 있다.

[수학식 3]에서, q는 전력 밀도, V는 전압, R₀는 총 저항, 그리고 l은 발열 패턴(150)의 길이를 의미한다. 여기서, 발열 패턴(150)의 길이는 입수부(111)와 출수부(115) 방향을 기준 방향으로 정했을 때, 기준 방향에 수직한 방향으로 발열 패턴이 갖는 길이를 의미한다. [수학식 3]에서와 같이, 전력 밀도는 발열 패턴(150)의 길이의 제곱에 반비례하므로, 발열 패턴(150)의 길이를 증가시키면 전력 밀도를 감소시킬 수 있다.

이와 같이, 발열 패턴(150)을 병렬/병렬 혼합 구조로 연결하는 경우, 병렬 연결로 인해 발열부에 걸리는 전류가 감소함에 따라, 직렬 타입에 비해 전류 스트레스가 감소하게 된다.

제1 실시예 내지 제4 실시예에 따른 발열 패턴(150)은 입수부(111)에서 출수부(115)로 향할수록 각 구간별로 발열 패턴(150)의 라인 폭을 점차 증가시킴에 따라 전력 밀도를 단계적으로 감소시키며, 그로 인해 유로를 따라 유동되는 물의 표면 온도가 지속적으로 상승하는 것을 억제함으로써 유로 내에 스케일이 생성되는 것을 방지할 수 있게 된다. 발열 부재의 발열 패턴(150)의 폭 조절에 따른 열 교환기의 상태 변화는 도 8과 같이 나타낼 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 상태 변화를 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 도면부호 811, 813 및 815는 발열 패턴(150)의 폭을 조절하기 이전의 상태 변화를 나타낸 것으로, 도면부호 811은 물의 표면 온도, 813은 물의 심부 온도, 그리고 도면부호 815는 전력 밀도의 변화를 나타낸 것이다.

발열 패턴(150)의 폭을 조절하기 이전에는, 도면부호 815와 같이 발열 패턴(150)의 전력 밀도가 지속적으로 유지되기 때문에, 물의 표면 온도는 점차 상승하게 된다.

이로 인해, 도면부호 811과 같이, 물의 표면 온도가 지속적으로 상승함에 따라, 물의 표면에서 칼슘 이온이 탄산칼슘으로 석출되는 스케일이 생성될 수 있다.

한편, 도면부호 821, 823 및 825는 발열 패턴(150)의 폭을 조절한 이후의 상태 변화를 나타낸 것으로, 도면부호 821은 물의 표면 온도, 823은 물의 심부 온도, 그리고 도면부호 825는 전력 밀도의 변화를 나타낸 것이다.

본 발명의 실시예에서는 발열 패턴(150)을 여섯 개의 구간으로 분할하고, 각 구간별로 발열 패턴(150)의 폭이 점차 넓어 지도록 조절함으로써, 도면부호 825와 같이 각 구간별로 발열 패턴(150)의 전력 밀도가 단계적으로 점차 감소하기 때문에 물의 표면 온도는 각 구간마다 감소하게 된다.

이로 인해, 도면부호 821과 같이, 각 구간별로 물의 표면 온도가 감소하게 된다. 이 경우, 동일 구간 내에서는 전력 밀도가 동일하게 유지되기 때문에 물의 표면 온도가 점차 상승하게 되지만, 다음 구간으로 넘어가는 경우 전력 밀도가 감소하기 때문에 물의 표면 온도가 일부 감소하게 된다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(100)는 발열 패턴(150)의 각 구간별로 전력 밀도를 단계적으로 감소시킴으로써 물의 표면 온도가 지속적으로 상승하는 것을 방지함에 따라 물의 최대 표면 온도가 소정 온도를 초과하는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 유로 내의 물의 표면에서 스케일이 생성되는 것을 방지할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 열교환기(100)는 전기 보일러 또는 온수기와 같은 물 가열 장치에 포함되도록 구성될 수 있다.

이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 포함하는 물 가열 장치의 구성은 도 9의 실시예를 참조하도록 한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 물 가열 장치를 도시한 도면이다. 도 9를 참조하면, 물 가열 장치(10)는 물을 저장하고 가열하는 전기 보일러 또는 온수기 등이 해당될 수 있다.

이에, 물 가열 장치(10)는 컨트롤 유니트(12)와, 외부전원으로부터 전류를 공급받아 물을 가열하는 가열수단으로 공급하고, 컨트롤 유니트(12)에 의해 전류 공급의 온/오프를 제어하도록 구성된 사이리스터(13)를 포함할 수 있다. 또한, 물 가열 장치는 열교환기(100)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

열교환기(100)는 직수공급라인을 통해 공급되는 상온의 직수를 열교환시켜 직수를 온수로 생성하고, 이와 같이 생성된 온수를 온수배출라인으로 배출할 수 있다. 여기서, 열교환기(100)에 대한 세부 구성은 앞서 설명한 도 1a 내지 도 8의 실시예를 참조하도록 한다.

이때, 직수공급라인에는 공급되는 직수의 온도를 측정하기 위한 온도센서(15)와 공급되는 직수의 양을 측정하기 위한 유속센서(14)가 구비될 수 있으며, 온수배출라인에는 배출되는 온수의 온도를 측정하기 위한 온도센서(16)가 더 구비될 수 있다.

도 9에 도시된 물 가열 장치의 구성은 일 실시예로서, 열교환기를 제외한 나머지 구성들은 실시 형태에 따라 변형될 수도 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 물 가열 장치 100: 열교환기
110: 상부 패널 111: 입수부
115: 출수부 120: 하부 패널
130: 유로 패널 140: 절연 패드
150: 발열 패턴

Claims (14)

1. 열을 발생시키는 소정 형상의 발열 패턴을 포함하는 발열 부재; 및
   입수부를 통해 유입된 물이 유로를 따라 출수부로 유동되는 동안 상기 발열 부재에 의해 발생된 열에 의해 열교환되어 온수를 생성하고 배출하는 몸체부를 포함하며,
   상기 발열 패턴은,
   복수 개의 구간으로 분할되되, 상기 분할된 각 구간별로 상기 발열 패턴의 폭이 다르게 형성되는 열교환기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 발열 패턴은,
   상기 유로를 따라 유동되는 물의 이동 방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 발열 패턴은,
   지그재그 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 몸체부는,
   입수부 및 출수부가 형성된 상부 패널;
   상기 상부 패널의 하부에서 상기 상부 패널과 결합되는 하부 패널; 및
   소정 형상의 상기 유로가 형성되며, 상기 상부 패널 및 하부 패널 결합 시에 상기 상부 패널 및 상기 하부 패널 사이에 밀착 형성되는 유로 패널을 포함하되,
   상기 유로 패널은,
   상기 유로의 끝단이 상기 입수부 및 상기 출수부와 각각 연결된 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 발열 부재는,
   상기 상부 패널의 상부에 밀착되도록 형성되되, 상기 입수부 및 상기 출수부 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 발열 패턴은,
   상기 유로와 연결된 상기 입수부에서 상기 출수부로 향할수록 상기 발열 패턴의 폭이 점점 넓게 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 발열 패턴은,
   상기 분할된 각 구간별로 상기 발열 패턴의 폭이 점점 넓게 형성되되, 동일 구간 내에서 상기 발열 패턴의 폭이 동일하게 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 발열 패턴은,
   상기 분할된 각 구간별로, 상기 열교환기의 유로와 연결된 입수부에서 출수부로 향할수록 전력 밀도가 감소하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 발열 패턴은,
   복수 개의 저항을 포함하되, 상기 복수 개의 저항이 직렬 구조로 연결된 것을 특징으로 하는 열교환기.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열 패턴은,
    복수 개의 저항을 포함하되, 상기 복수 개의 저항이 병렬 구조로 연결된 것을 특징으로 하는 열교환기.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열 패턴은,
    복수 개의 저항을 포함하되, 상기 복수 개의 저항이 직렬 및 병렬 혼합 구조로 연결된 것을 특징으로 하는 열교환기.
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열 패턴은,
    복수 개의 저항을 포함하되, 상기 복수 개의 저항이 병렬/병렬 혼합 구조로 연결된 것을 특징으로 하는 열교환기.
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열 부재는,
    상기 발열 패턴의 상부 및 하부에 밀착되도록 형성되는 절연 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 따른 열교환기를 포함하는 물 가열 장치.

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