WO2018221968A1 - 히트파이프 원리를 이용한 냉온수 매트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히트파이프 원리를 이용하여 난방수 또는 냉방수를 생성하고 이를 매트로 순환 구동시켜 냉난방 동작이 수행되도록 하여주되, 열발산부재가 포함된 나선형 열교환 파이프를 이용하여 냉난방 효율을 크게 향상시킨 히트파이프 원리를 이용한 냉온수 매트에 관한 것으로, 열원부(100)와 매트부(200)를 포함하고; 상기 열원부(100)는 서로 연결되는 적어도 하나 이상의 열교환부(120)와, 상기 열교환부(120)의 하방에 설치되어 열교환부(120) 내부로 스팀을 분사하는 발열부(130)와, 상기 열교환부(120)에 근접 설치되어 상기 열교환부(120)를 냉각시키는 냉각부(140)와, 상기 열교환부(120)로 냉난방수를 순환 공급하는 순환펌프(150)와, 상기 열교환부(120) 내부의 진공압을 조절하는 압력조절밸브(160)를 포함하는 것을 측징으로 한다.

Description

히트파이프 원리를 이용한 냉온수 매트
본 발명은 난방 및 냉방 겸용 냉온수 매트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 히트파이프 원리를 이용하여 난방수 또는 냉방수를 생성하고 이를 매트로 순환 구동시켜 냉난방 동작이 수행되도록 하여주되, 열발산부재가 포함된 나선형 열교환 파이프를 이용하여 냉난방 효율을 크게 향상시킨 히트파이프 원리를 이용한 냉온수 매트에 관한 것이다.
주지한 바와 같은 히트파이프(heat pipe)는 감압한 파이프 내부에 물 또는 알코올 등의 액체를 넣고 한쪽을 가열하면 가열된 액체가 기화되어 다른 쪽으로 흐르게 되고, 그곳에서 방열하여 다시 액체가 되면 모세관 현상에 의해 액체가 가열부로 되돌아온다.
이러한 작용의 반복으로 열을 가열부에서 방열부로 전달하는 원리를 응용한 열전도를 히트 파이프라 한다.
한국특허공보 10-1419680에는 진공스팀을 이용한 난방시스템에 개시된다.
상기 기술은 본 발명 출원인의 선행기술로, 중공형 열원발생 파이프에 이중 나선형 열교환 파이프를 내장 설치하고, 진공스팀을 발생시켜 열원기능을 수행토록 하되, 진공스팀의 생성 및 분사 시에 열원발생 파이프의 내부 온도가 고속으로 상승되고 또 유지되도록 하여 난방효율을 크게 향상시킨 기술이다.
그러나 상기 기술은 난방 기능에만 국한된 기술이다.
본 출원인은 냉방 기능을 동시에 수행할 수 있으며, 배관시스템이 아닌 이동 가능한 매트에 적용할 수 있고, 특히 난방 및 냉방 효율이 크게 향상되도록 구조를 개량한 본 발명을 하기에 이른 것이다.
본 발명은 상기와 같은 배경 하에서 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 히트파이프 원리를 이용하여 난방수 또는 냉방수를 생성하고 이를 매트로 순환 구동시켜 냉난방 동작이 수행되도록 하여주되, 열발산부재가 포함된 나선형 열교환 파이프를 이용하여 냉난방 효율을 크게 향상시킨 히트파이프 원리를 이용한 냉온수 매트를 제공하는 것에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 온수 또는 냉수를 생성하고 이를 매트부로 순환 공급하는 열원부와, 상기 열원부로부터 공급되는 냉수 또는 온수를 내장된 냉난방수 순환통로를 통해 순환시켜 난방 또는 냉방 기능을 수행하는 매트부를 포함하고; 상기 열원부는 적어도 하나 이상의 열교환부와, 상기 열교환부의 하방에 설치되어 열교환부 내부로 스팀을 분사하는 발열부와, 상기 열교환부에 근접 설치되어 상기 열교환부를 냉각시키는 냉각부와, 상기 열교환부로 냉난방수를 순환 공급하는 순환펌프와, 상기 열교환부 내부의 진공압을 조절하는 압력조절밸브를 포함하고, 상기 열교환부는 원통형의 케이스부와, 상기 케이스부의 내부에 장착되는 다중의 나선형파이프부와, 상기 나선형파이프부의 내측에 감싸도록 설치되는 열발산부재와, 상기 케이스부의 상단에 밀봉 설치되는 상부덮개부를 포함하고; 상기 나선형파이프부는 일단인 유입관을 시작으로 하방으로 나선형 구조로 밴딩 형성하고 최저점에서 다시 상방으로 최고점에서 다시 하방으로 다중 나선형 구조로 겹치게 형성하여 타단인 유출관이 상방으로 향하도록 구성하되, 다중 나선형태 성형 시 상기 열발산부재를 외측에 형성되는 나선형파이프인 1열과 내측에 형성되는 나선형파이프인 2열 사이에 수직으로 삽입하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르자면 상기 열발산부재는 메시 형태의 일정한 두께를 가지는 천으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르자면 상기 열발산부재의 하단부는 일정길이 늘어지게 구성하여 케이스부 내부에서 열매체에 접촉되도록 구성한 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은 히트파이프 원리를 이용하여 난방수 또는 냉방수를 생성하고 이를 매트로 순환 구동시켜 냉난방 동작이 수행되도록 하여주되, 열발산부재가 포함된 나선형 열교환 파이프를 이용하여 냉난방 효율을 크게 향상시킨 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 히트파이프 원리를 이용한 냉온수 매트의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 열원부의 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 열원부의 계통 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 열교환부 및 발열부의 분해 사시도,
도 5의 (a)(b)는 본 발명에 따른 압력조절밸브의 측단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 히트파이프 원리를 이용한 냉온수 매트의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명 냉온수 매트는,
온수 또는 냉수를 생성하고 이를 매트부(200)로 순환 공급하는 열원부(100)와, 상기 열원부(100)로부터 공급되는 냉수 또는 온수를 내장된 냉난방수 순환통로를 통해 순환시켜 난방 또는 냉방 기능을 수행하는 매트부(200)를 포함한다.
상기 열원부(100)는 도 2에서와 같이 본체(110)에 설치되는 복수개의 열교환부(120)가 상부로 노출되도록 구성되며, 착탈 가능한 뚜껑(111)에 의해 커버되도록 구성된다.
또한 상기 본체부(110)의 일측에는 조작 및 표시부(112)가 구성되어 운전 조작 등을 할 수 있도록 구성되며, 타측에는 냉난방수(이하 '난방수' 라고도 함)를 주입할 수 있는 난방수통 마개(171)가 노출되도록 구성된다.
또한 상기 본체부(110)에서 연장되는 난방수 공급관(L1)과 난방수 회수관(L2)은 매트부(200)에 착탈 가능하게 연결되도록 구성된다.
상기 열원부(100)의 상세한 구성을 도 3의 계통 구성도를 참조하여 설명한다.
상기 열원부(100)는 적어도 하나 이상의 열교환부(120)와, 상기 열교환부(120)의 하방에 설치되어 열교환부(120) 내부로 스팀을 분사하는 발열부(130)와, 상기 열교환부(120)에 근접 설치되어 상기 열교환부(120)의 표면을 냉각시키는 냉각부(140)와, 상기 열교환부(120)로 냉난방수를 순환 공급하는 순환펌프(150)와, 상기 열교환부(120) 내부의 진공압을 조절하는 압력조절밸브(160)를 포함한다.
상기 열교환부(120)는 도 4에서와 같이 원통형의 케이스부(121)와, 상기 케이스부(121)의 내부에 장착되는 다중의 나선형파이프부(122)와, 상기 나선형파이프부(120)의 내측에 감싸도록 설치되는 열발산부재(125)와, 상기 케이스부(121)의 상단에 밀봉 설치되는 상부덮개부(126)를 포함한다.
상기 나선형파이프부(122)는 일단인 유입관(123)을 시작으로 하방으로 나선형 구조로 밴딩 형성하여 최저점에서 다시 상방으로 최고점에서 다시 하방으로 다중 나선형 구조로 겹치게 형성하고 타측 유출관(124)이 상방으로 향하도록 제작하되, 나선형태 성형 시 열발산부재(125)를 외측에 형성되는 나선형파이프인 1열과 내측에 형성되는 나선형파이프인 2열 사이에 수직으로 끼운 다음 나선형태의 제작을 수행하게 된다.
상기 나선형파이프부(122)는 다중 나선형 구조와, 밴딩 시 관의 단면적이 타원형태로 되는 구조에 의해 열교환부(120) 내부에서 발생되는 진공스팀과 접촉되는 표면적이 최대화되어, 내부에 흐르는 난방수와의 열교환이 신속하고도 효율적으로 이루어지게 되는 것이다.
상기 열발산부재(125)는 메시(mesh) 형태의 일정한 두께를 가지는 천으로, 상기 나선형파이프부(122)의 내측을 감싸도록 구성되며 하단부는 일정길이 늘어지게 구성되어 늘어진 부분이 후술하는 열매체에 접촉되도록 구성된다.
상기 상부덮개부(126)는 상기 케이스부(121)의 상단에 밀봉 설치되며, 구멍(127)(128)을 통해 상기 나선형파이프부(122)의 유입관(123)과 유출관(124)이 외부로 노출 및 고정되도록 하여준다.
상기 발열부(130)는 상기 케이스부(121)의 저면에 밀봉 설치되는 것으로, 하방으로 다수개의 히터(131)가 장착되는 히터장착부(132)가 형성되고, 상기 히터장착부(132)의 둘레에는 상기 케이스부(121)의 내부와 연통되고 열매체가 수용되는 열매체수용홈(133)이 형성된다.
상기 열매체는 물 또는 알코올 등 다양한 물질이 사용될 수 있다.
상기 냉각부(140)는 상기 열교환부(120)에 근접 설치되어 상기 열교환부(120)의 표면을 냉각시키는 기능을 수행하며, 펠티어소자 또는 냉각기 등이 될 수 있다.
상기 순환펌프(150)는 상기 열교환부(120) 및 매트부(200)로 냉난방수를 순환 공급하는 역할을 수행한다.
상기 압력조절밸브(160)는 상기 열교환부(120) 내부의 진공압을 조절하는 밸브로, 도 5의 (a)에서와 같이 열교환부(120)의 상부덮개부(126)에 장착 설치되는 통공(161a)이 형성된 결합몸체(161)와, 상기 결합몸체(161)에 체결되고 내부에 피스톤(163)이 유동 가능하게 설치되는 고정캡(162)과, 상기 고정캡(162) 내부에 스프링(164)을 통해 탄성 지지되며 중앙에 개구공(163a) 형성되는 피스톤(163)과, 상기 고정캡(162)의 상단 외부로 노출된 상기 피스톤(163)의 단부에 체결되는 고정부재(165)를 포함한다.
또한 오링(166)는 고정캡(162)과 피스톤(163) 사이의 기밀을 유지하고, 오링(167)은 결합몸체(161)와 고정캡(162) 사이에 기밀을 유지하는 기능을 수행한다.
따라서 이와 같이 구성되는 압력조절밸브(160)는, 압력조절 시에는 도 5의 (b)와 같이 고정부재(165)를 풀고 진공펌프(미도시)의 선단부로 피스톤(163)을 가압한 후, 케이스부(121) 내부의 공기를 흡입하여 케이스부(121) 내부를 진공상태의 압력으로 감압하여 주는 것이다.
본 발명에 따르자면, 상기 열교환부(120)의 케이스부(121) 내부에는 열매체가 충전되며, 그 양은 케이스부(121) 저면에 장착된 발열부(130)의 열매체수용홈(132)을 채우고 열발산부재(125)의 하부가 일부 잠기도록 채워준다.
또한 난방수통(170) 및 순환펌프(150)을 통해서는 난방수(물)가 열교환부(120)의 나선형파이프부(122) 및 매트부(200)의 배관에 공급되도록 구성된다.
본 발명의 일실시예에 따르자면, 도 3에서와 같이 상기 열교환부(120)는 3개로 구성되며, 제1열교환부(120)의 유출관(124)이 연장되어 매트부(200)로 난방수를 공급하는 공급관(L2)으로 연결되고, 상기 제1열교환부(120)의 유입관(123)이 연결관(L3)을 통해 제2열교환부(120')의 유출관(124)으로 연결되고, 상기 제2열교환부(120')의 유입관(123)이 연결관(L4)을 통해 제3열교환부(120")의 유출관(124)으로 연결되고, 상기 제3열교환부(120")의 유입관(123)이 연결관(L5)을 통해 순환펌프(150)에 연결되고, 상기 순환펌프(150)와 매트부(200)로부터 난방수가 회수되는 회수관(L2) 사이에는 난방수통(170)이 개재되도록 구성된다.
이와 같이 구성하여 된 발명의 작용효과를 설명한다.
먼저, 압력조절밸브(160)의 고정캡(162)을 결합몸체(161)로부터 해제한 후 열교환부(120) 케이스부(121)의 내부에 열매체를 일정량 충전한 후, 다시 고정캡(162)을 결합한 뒤 고정부재(165)를 풀고 진공펌프를 이용하여 상기 열교환부(120)의 케이스부(121) 내부를 진공상태로 만들어 준다.
그리고 난방수통(170)에 물을 충전하여 난방수를 전체 배관에 충전시켜준다.
이와 같은 준비가 완료되면 다음과 같은 난방 및 냉방 기능을 수행하게 된다.
<난방 동작>
발열부(130)의 히터(131)에 전원을 공급하여 준다.
상기 히터(131)가 발열되면 열매체수용홈(133)와 케이스부(121) 저면에 충전된 열매체는 가열되기 시작하고, 이때 온도 상승 중인 열매체는 열발산부재(125)를 통해 흡수되어 신속하게 나선형파이프부(122) 전체로 열전도가 일어나게 된다.
이후 열매체가 가열되어 일정한 온도로 상승되면 케이스부(121)의 진공압에 의해 스팀으로 변환되어 상부로 고온의 스팀을 분사하게 된다.
상기 발열부(130)로부터 분사된 고온의 스팀은 나선형파이프부(122)의 표면에 접촉하면서 열 교환이 이루어져 나선형파이프부(122) 내부를 흐르는 물(난방수)의 온도는 상승하게 된다.
이때 고온의 열매체를 흡인한 열발산부재(125)에 의해 난방수의 온도는 더욱 신속하게 상승하게 된다.
이와 같은 신속한 열 교환을 통해 나선형파이프부(122)의 표면에는 물방울이 형성되고 이는 케이스부(121)의 하부로 낙하하게 된다.
상기 케이스부(121)의 하부로 낙하한 열매체는 다시 발열부(130)를 통해 가열되어 스팀으로 분사되는 동작을 반복하면서 열원의 역할을 수행하게 된다.
이때 상기 나선형파이프부(122)로부터 유입되는 물의 온도가 상대적으로 높으면 상기 발열부(130)에서 진공스팀을 생성하는 시간이 단축되기 때문에 히팅효율이 상승하게 되는 데, 본 발명에서는 나선형파이프부(122)의 표면에서 생성되어 낙하되는 차가운 물방울들이 상대적으로 고온인 열발산부재(125)에 의해 일정 온도 상승된 상태로 낙하하여 발열부(130) 측으로 유입되어 히팅 효율을 좋게 한다.
이와 같은 과정을 거치면서 난방수는 제1열교환부(120)의 유출관(124) → 공급관(L1) → 매트부(200) → 회수관(L2) → 난방수통(170) → 순환펌프(160) → 연결관(L5) → 제3열교환부(120")의 유입관(123) → 제3열교환부(120")의 유출관(124) → 연결관(L4) → 제2열교환부(120')의 유입관(123) → 제2열교환부(120')의 유출관(124) → 연결관(L3) → 제1열교환부(120)의 유입관(123)을 통해 순환되면서 난방을 수행하게 된다.
<냉방 동작>
냉각부(140)에 전원을 공급하여 준다.
상기 냉각부(140)의 가동으로 제1 내지 제3열교환부(120)의 표면, 즉 케이스부(121)의 온도는 하강한다.
상기 열교환부(120)의 표면온도 하강으로 이에 근접 설치된 나선형파이프부(122)를 순환하는 상대적으로 고온인 물과 온도차가 발생하게 되고, 특히 사용자가 매트부(200)에 접촉한 경우에는 인체온도가 반영되어 상기 나선형파이프부(122)를 순환하는 물의 온도는 더욱 상승하게 되어 그 온도차는 더욱 커지게 된다.
즉 상기 나선형파이프부(122)를 순환하는 물의 온도와 열교환부(120)의 케이스부(121)와의 온도차에 의해 상기 나선형파이프부(122)를 사이에 두고 열교환이 이루어지며, 이때 상기 나선형파이프부(122)를 감싸며 설치된 열발산부재(125)에 흡수되어 있는 열매체는 기화된다.
상기 열발산부재(125)의 열매체 기화로 상기 나선형파이프부(122) 내부의 물 온도는 하강하여 냉방수로 변환되고 상기 나선형파이프부(122)의 표면에는 물방을이 형성되고, 이 물방울은 열발산부재(125)에 흡수된다.
상기 나선형파이프부(122)의 표면에 발생하는 물방울은 상대적으로 고온으로, 기화를 통해 이미 냉각된 열발산부재(125)에 의해 신속하게 온도가 떨어지게 되고 다시 상기 나선형파이프부(122)에 흐르는 물과 열교환 동작을 수행하게 된다.
이러한 동작을 통해 냉방효율은 상승하게 되는 것이다.
이와 같은 과정을 거치면서 냉방수는 제1열교환부(120)의 유출관(124) → 공급관(L1) → 매트부(200) → 회수관(L2) → 난방수통(170) → 순환펌프(160) → 연결관(L5) → 제3열교환부(120")의 유입관(123) → 제3열교환부(120")의 유출관(124) → 연결관(L4) → 제2열교환부(120')의 유입관(123) → 제2열교환부(120')의 유출관(124) → 연결관(L3) → 제1열교환부(120)의 유입관(123)을 통해 순환되면서 냉방을 수행하게 된다.

Claims (3)

  1. 온수 또는 냉수를 생성하고 이를 매트부(200)로 순환 공급하는 열원부(100)와, 상기 열원부(100)로부터 공급되는 냉수 또는 온수를 내장된 냉난방수 순환통로를 통해 순환시켜 난방 또는 냉방 기능을 수행하는 매트부(200)를 포함하고;
    상기 열원부(100)는 적어도 하나 이상의 열교환부(120)와, 상기 열교환부(120)의 하방에 설치되어 열교환부(120) 내부로 스팀을 분사하는 발열부(130)와, 상기 열교환부(120)에 근접 설치되어 상기 열교환부(120)를 냉각시키는 냉각부(140)와, 상기 열교환부(120)로 냉난방수를 순환 공급하는 순환펌프(150)와, 상기 열교환부(120) 내부의 진공압을 조절하는 압력조절밸브(160)를 포함하고;
    상기 열교환부(120)는 원통형의 케이스부(121)와, 상기 케이스부(121)의 내부에 장착되는 다중의 나선형파이프부(122)와, 상기 나선형파이프부(120)의 내측에 감싸도록 설치되는 열발산부재(125)와, 상기 케이스부(121)의 상단에 밀봉 설치되는 상부덮개부(126)를 포함하고;
    상기 나선형파이프부(122)는 일단인 유입관(123)을 시작으로 하방으로 나선형 구조로 밴딩 형성하고 최저점에서 다시 상방으로 최고점에서 다시 하방으로 다중 나선형 구조로 겹치게 형성하여 타단인 유출관(124)이 상방으로 향하도록 구성하되, 다중 나선형태 성형 시 상기 열발산부재(125)를 외측에 형성되는 나선형파이프인 1열과 내측에 형성되는 나선형파이프인 2열 사이에 수직으로 삽입하여 구성하는 것을 특징으로 하는 히트파이프 원리를 이용한 냉온수 매트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열발산부재(125)는 메시 형태의 일정한 두께를 가지는 천 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 히트파이프 원리를 이용한 냉온수 매트.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열발산부재(125)의 하단부는 일정길이 늘어지게 구성하여 케이스부(121) 내부에 충전된 열매체에 접촉되도록 구성한 것을 특징으로 하는 히트파이프 원리를 이용한 냉온수 매트.
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