KR101068043B1 - 연도가 거꾸로 배치된 일체형 연소실과 자연대류용 플랫튜브를 구비한 나무보일러 - Google Patents

Abstract

동판(copper plate)과 구리로 만들어지는 플랫튜브(copper flat tube)를 연소실 내부와 연소실 외벽에 유기적으로 배치한 나무보일러의 구조가 개시된다. 본 발명은 연료용 나무가 투입되는 철제 연소실(10)과, 상기 연소실을 둘러싸는 물탱크(20)와 상기 연소실 상단에 배치되는 배기관(23)을 포함하여 구성되는 나무 보일러(100)에 있어서, 연소실을 둘러싸고 있는 물(난방수 or 온수)이 실질적으로 화염 한복판을 통과하면서 강하게 데워지고, 좌 우 비대칭적으로 가열되도록 하여, 주변보다 뜨거워진 난방용수가 압력이 낮은 곳으로 저절로 상승하면서 결과적으로 자연적으로 대류가 되도록 설계한 것이다.
연소실 내부에는 물탱크의 물이 유통 가능하도록 구멍이 뚫린 납작하고 평평한 관 모양의 구리 재질의 열전달 플랫튜브(13)가 가로로 배치되고, 연소실 좌우 측면에 구리 재질의 열전달 판(12)이 배치되어 연소실 내 타면보다 더 높은 온도를 갖는 가열면이 선택적으로 확보된다.
플랫튜브(13)는 연소실(10) 내부를 구획하도록 배치됨으로써 연소가스의 연소실 내 유동경로가 연장되고 이때 연소실 내 연소가스의 유동단면적은, 상기 연소실의 입구에서부터 연소가스 배기관(26)에 이르는 경로를 걸쳐 점점 작아지도록 설계하여 배기가스의 속도를 빠르게 하고 배기효율을 높인다. 또한 플랫튜브의 내부 단면적은 유입구에서 유출구에 이르기까지 점점 작아지도록 설계되어 대류속도를 빠르게 하고 결과적으로 상승자연대류를 촉진시킨다.
열전달 판(12)은 연소실(10)의 좌우 측면 중 플랫튜브 유출구 쪽에만 배치되거나 유출구 쪽이 유입구 쪽보다 크게 배치되어 역시 튜브 유출구 쪽의 온도를 더 높게 유지하는 데 기여한다.
그 외에도 열전달의 효율성과 대류성능 향상을 위한 다양한 특징적인 구성이 본 명세서 및 도면에 기재되어 있으며 본 발명에 따르면 직선 평면형의 열전달 구조를 이용하여 간단하고 신뢰성이 높으면서도 연소가스의 배기특성 및 연소화염의 온도분포에 따른 열전달 효과를 최대로 증가시켰다. 또한 유기적으로 배치된 열 전달면에 의해 정교한 대류현상을 일으킬 수 있으며 별도의 동력 없이도 난방용수가 고르게 데워질 수 있어 매우 뛰어난 열효율을 발휘한다.
본 발명의 넓은 연소실 입구는 목재 연료의 투입과 배출이 쉬워 사용자의 만족감을 높여줄 뿐 아니라 가장 많은 찌꺼기가 부착되는 연소실 출구 배기구의 청소도 용이하게 하는 추가적인 장점이 있다.

Description

연도가 거꾸로 배치된 일체형 연소실과 자연대류용 플랫튜브를 구비한 나무보일러{Firewood boiler that has a duct integrated firebox and a convective flat tube}

본 발명은 열전달율이 뛰어난 구리판과 구리재질의 플랫튜브를 연소실벽 및 연소실내부에 배치하여 연소가스의 흐름을 개선함과 동시에, 연도를 거꾸로 배치함으로써 연소실 입구를 넓혀 사용편의성을 높이고, 난방용수의 자연대류를 유도함으로써 열효율을 극대화시킨 나무(장작)연소식 보일러에 관한 것이다.

나무 또는 그에 준하는 천연 땔감은 부피가 크고 단위 중량당 발생열량이 작아서, 석유나 가스와 비교하여 열효율이 떨어지며, 소량의 연속적인 연료공급과 연소된 잔류물의 회수가 어렵다는 연료특성을 가지고 있다.

아래에 제시한 나무보일러에 관한 다수의 선행기술을 검토하여 보면, 이같은 단점을 극복하기 위하여 방열핀과 열교환판, 또는 다수의 열교환관 등 추가 열전달 구성을 채용하거나, 보일러 내에서 가능한 오래 배기열을 체류시키기 위해 연소가스의 유동경로를 늘리는 등 저 열량의 목재연료로부터 최대한 많은 열을 뽑아내기 위한 추가 열교환 설계를 공개하고 있다.

그러나 이러한 구성들은 대부분의 액체, 기체 연소식 열교환기 구조에서 오랫동안 쓰여왔던 기술구성들로서 그 자체로 신규한 구성들은 아니며, 더구나 나무보일러 특유의 제품특성(=연소온도와 발열량에 따른 보일러의 운전특성 및 개발/제작비용, 판매시장의 크기, 보일러 요구수명 및 유지관리에 따른 운전비용측면 등)까지 감안하여 비용 대 효과 측면에서 최적으로 설계되었다고 보기는 어렵다.

1. 한국등록특허공보 10-0887880 방열핀을 구비한 나무보일러의 연소실구조 (2009.03.06. 공고) 2. 한국공개특허공보 10-2009-0091530 열교환관과 열교환판이 형성된 나무보일러의 연소실구조 (2009.08.28. 공개: 출원인의 선출원 발명) 3. 한국공개특허공보 10-2010-0000352 열교환관과 열교환판이 형성된 나무보일러의 연소실구조 (2010.01.06. 공개: 출원인의 선출원 발명) 4. 한국공개특허공보 10-2010-0019045 단열격벽을 이용하여 배기경로를 늘린 나무보일러 (2010.02.18. 공개)

없음

나무보일러는 사용자의 연료 조달환경에 따라 목표 발열량에서 큰 차이를 둘 수밖에 없는데, 그 이유로는 천연 연료인 나무의 특성상 해당 사용자가 땔감용 나무를 균일한 종류로 안정적으로 대량 확보하지 못할 경우가 많기 때문이다. 따라서 석유나 가스 보일러와 달리 나무보일러는 운전 요구조건의 편차가 크며, 이러한 이유로 대부분 다양한 설치환경에 각각 최적화된 specification을 갖는 소량 다종의 주문설계 제작품으로 만들어진다.

따라서 대량 생산이 어려우므로, 위에 소개한 선행기술과 같이 방열핀 또는 특정 연소실 크기에 최적화된 전용의 배기통로 등 대량 생산 방식에 의해서만 제작 가능한 전용 부품을 첨가하여 나무보일러를 생산하는 것은 비용 대 효과 면에서 오히려 손해인 경우가 많다.

또한 정교하고 컴팩트한 열교환기 구성은 제품의 판매가격을 석유나 가스보일러 수준으로 높이게 될 뿐 아니라 땔감용 나무의 종류와 공급주기가 크게 달라질 경우 운전특성에도 영향을 주고 제품의 유효 내구수명에도 영향을 미치게 된다.

나무보일러는 연료로 사용되는 다종 다양한 나무(마른 나무 또는 젖은 나무 그리고 송진이나 수액을 다수 함유한 나무 또는 폐지)의 연료 특성상 무겁고 투박하며 많은 연소찌꺼기가 연소실과 연도에 부착되게 되는데 이를 제거하기 위해서는 주기적으로 내부 벽면을 강한 힘으로 긁어서 떼어내야 한다. 따라서 연소실 벽면구조와 열 교환기의 구조, 그리고 연소가스 배기관이 복잡하고 내구성이 떨어지게끔 구성될수록 크고 투박한 나무연료의 대량 사용이 제한될 뿐 아니라 단지 청소 목적을 위해서도 보일러의 분해가 요구되므로 나무보일러 특유의 유지비용 절감취지가 오히려 퇴색된다.

위와 같은 문제점발생을 막기 위해서는 가능한 간단한 형태의 단위 부품을 사용하는 것만으로도 다양한 발열용량으로 나무보일러의 제작이 가능해야 하며, 이와 같은 기본 자재를 이용한 간단한 설계와 그에 따른 단순하면서도 가변적인 운용특성만으로도 다양한 나무를 사용하는 운전조건에서 최대한 높은 열효율을 발휘해야 한다. 또한 운전편의성과 유지보수를 위해 연료의 투입과 제거가 용이해야 하며, 찌꺼기 제거에 용이하도록 충분한 연소실 내부강도와 단순한 배연구조 및 넉넉한 청소도구 삽입구조를 가져야 한다.

위와 같은 목적을 해결하기 위해서는 먼저 연소가스의 배기경로가 충분히 길면서도 전체 배기구조가 단순해야 하며, 연소실입구를 포함한 연소실의 공간을 최대한 키우고 단순화시켜야 한다. 또한 간단하면서도 뛰어난 효과를 갖는 열 전달 구조를 도입할 필요가 있다.

이를 위해 본 발명에서는 동판(copper plate)과 구리로 만들어지는 플랫튜브(copper flat tube)를 연소실 내부와 연소실 외벽에 유기적으로 배치하여 연소실을 둘러싸고 있는 물(난방수 or 온수)이 실질적으로 화염 한복판을 통과하면서 강하게 데워지고, 좌 우 비대칭적으로 가열되도록 하여, 주변보다 뜨거워진 난방용수가 압력이 낮은 곳으로 저절로 상승하면서 결과적으로 자연적으로 대류가 되도록 창안하였다.

또한 상기 플랫튜브로 인해 실질적으로 연소실 하부에서 상부로 ⊃ 자 모양으로 굽어진 연도를 생성함으로써 연소가스의 체류시간을 늘림과 동시에 연소가스가 연소실 내에서 수평방향으로 약간의 소용돌이(와류)를 일으키면서 연소실 출구로 흘러나가는 구조를 도입하여 연소실 내부에서 자체적으로 한 구간 이상의 배기경로(연소가스 체류경로)를 확보하고, 나무의 배치에 따른 불완전 연소를 막는 효과를 갖도록 하였다.

추가로, 대형화된 연소실에 큰 부피의 나무연료를 쉽게 채우고 나무 재와 벽에 붙은 찌꺼기를 쉽게 제거할 수 있도록 연소실입구를 확대하고 연소실 입구를 여닫는 연소실 해치에는 연소실입구 배기유도판을 설치하며, 연소가스가 배기되는 연소실 출구는 상기 연소실입구 배기유도판의 연직 상방에 배치하였다. 이에 따라 종래의 나무 보일러에서 적용하기 어려웠던 대형의 연소실 해치를 열고 닫을 때에도 연소화염이 효과적으로 연직상방의 연소실 출구로 배기되면서 비스듬히 열어진 입구 배기유도판에 의해 사용자에게 최소한으로 노출되도록 하여 사용 중 화상 등 사고를 입지 않도록 설계하였다.

본 발명의 나무보일러는 내구성과 성형성이 뛰어난 직선 평면형의 열전달 구조를 이용하여 간단하고 신뢰성이 높으면서도 연소가스의 배기특성 및 연소화염의 온도분포에 따른 열전달 효과를 절묘하게 살려냈다. 따라서, 고비용의 복잡한 제작구조에 의하지 않고도 나무의 제한된 열량을 최대로 활용하는 효과가 있다.

또한 유기적으로 배치된 열 전달면에 의해 정교한 대류현상을 일으킬 수 있으므로 별도의 동력 없이도 난방용수가 고르게 데워질 수 있고 결과적으로 난방용수의 많은 순환이 필요한 가혹한 운전환경에서도 높은 성능을 발휘할 수 있으며 매우 뛰어난 열효율을 발휘하는 효과가 있다.

추가로, 본 발명의 넓은 연소실 입구는 목재 연료의 투입과 배출을 아주 쉽게 하여 사용자의 사용상 만족감을 높여줄 뿐 아니라 가장 많은 찌꺼기가 부착되는 연소실 출구 배기구가 연소실 입구 쪽에 위치하여 해치를 열고 로 청소가 가능하도록 하였고, 화실 내벽이 평면형태의 단순 육면체로 되어 있어 청소도구 또는 수리도구 삽입 시 사각지대가 발생하지 않으므로 제작비용이 절감되는 것은 물론, 보일러의 분해청소 및 분해수리가 필요 없어 유지관리비용이 절감된다.

도 1은 본 발명 실시예의 전체 외형을 도시한 외형사시도.
도 2는 본 발명 실시예의 내부구조를 도시한 단면사시도.
도 3은 본 발명 실시예의 내부구조를 도시한 내부투시도.
도 4는 본 발명 실시예 중 연소실과 배기관 내부 모둘을 도시한 투시도.
도 5는 본 발명 실시예에서 열전달 부재 및 연소가스 배기유도부재의 결합위치를 설명한 3면도.
도 6은 본 발명 실시예에서 열전달 부재의 배치에 의한 각 부분 온도 분포 및 그에 따른 대류 흐름도.
도 7은 본 발명 실시예에서 외부 물유입 및 물유출량에 따른 내부 물 대류흐름 변화도.
도 8은 본 발명 실시예에서 연소실 해치의 개폐에 따른 연소가스와 연소화염 흐름도.
도 9는 본 발명 실시예에서 연소실 내부의 공기유동 단면적 및 공기와류 패턴을 나타낸 흐름도.

상기 본 발명의 주된 기술적 특징을 보다 구체적으로 표현하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 일 예를 참조하여 아래에 보다 상세히 설명한다.

다만 아래의 실시예(specific example)에서 특정 용어를 포함한 구성요소들과 그것들이 결합된 구조가 본 발명에 포괄적으로 내재된 사상을 제한하는 것은 아니다.

도 1~도5에 도시된 본 실시예의 보일러 구조에서 통상의 보일러 구성과 차별화되는 연소실(10) 및 그에 연결된 결합구성을 살펴본다. 연소실(10)의 좌우측벽을 가로로 관통하도록 결합되는 열전달 플랫튜브(13)와 연소실 좌우측벽을 일정 크기로 뚫어낸 면적에 결합되는 열전달판(12)을 볼 수 있다. 상기 열전달 플랫튜브(13)(heat transferring flat tube = 열전도도가 높은 금속(구리)으로 만들어지는 평평하고 납작한 관 모양의 튜브이며 이하 편의상 간단히 플랫튜브(13)라고 한다)와 열전달판(12)(heat transferring plate)은 순수한 구리 또는 미량의 이종금속이 첨가된 구리 주성분의 합금으로 만들어질 수 있다. 구리튜브나 구리판은 통상의 보일러 재질인 스테인레스제 강판 보다도 열전도도가 7배 가량 높다. 이는 비교적 저온 연소를 하는 나무 보일러에서 열효율 향상을 위한 중요한 도구가 될 수 있다. 구리주성분의 열전달 소재, 특히 순동(real copper)의 관 또는 순동 판은 연화점이 350℃~600℃정도로 낮아 철판과 비교할 때 동일한 연소온도에서 강도가 크게 떨어지는 약점이 있는데 본 나무보일러에서는 일단 구리판 또는 구리튜브의 한쪽 면은 항상 물에 접촉해 있는 방식이므로 물탱크의 물이 채워지지 않는 오조작 운전상태를 제외하면 상기 연화점 온도에 근접하지는 않는다. 또한 목재연료는 열량이 낮고 본 실시예의 보일러는 밀폐형 고압연소형태가 아니므로 다른 보일러와 비교하여 연소실 온도가 비교적 낮다는 점을 감안하면 구리의 내열성 측면은 큰 문제가 되지 않으며, 과포화 수증기압이 발생하는 온도인 110℃~170℃ 사이의 온도범위에서 구리부재의 구조적 강성이 중요하다.

구조적 강성 측면에서 본 실시예의 구리 열전도 구성이 장착된 도면을 살펴보면, 구리제 열전달판(12)이 연소실 측벽 전체를 이루고 있지 않으며 단지 연소실의 하부 좌우 측면 내부에서 크기가 서로 다른 비대칭 형태로 배치되어 있는 것을 볼 수 있다. 또한 구리제 플랫튜브(13) 역시 연소실(10) 좌우의 물탱크(20)에 담긴 물이 서로 통하도록 결합 형성되어 있을 뿐이다. 즉 열전달판과 열전달 플랫튜브가 결합되는 연소실 측면 가운데 부분은 특별히 큰 하중이나 강한 수압이 가해지는 부분이 아니며 따라서 본 실시예의 구리 판과 튜브는 보일러, 특히 연소실의 전체 내구성에 영향을 주지 않는다.

본 발명에서는 두께 5mm 내외의 구리 판재를 튜브형태로 만들거나 판재로 절단해서 강재 연소실의 측벽에 결합시켰다. 이때 결합방법은 외부 물탱크와의 수밀상태 유지를 위하여 용접접합이 바람직하며, 구리와 강재 사이의 저항차이를 이용한 전기용접이 유력하다. 또한 도면에 도시된 바와 같이 보일러의 열팽창과 수축에도 연소실의 기밀상태를 유지하기 위하여 보강용 용접이음매가 추가될 수 있다. 이 경우 전체 보일러 제작 시 사용되는 산소용접을 그대로 사용해도 무방하므로 제작비용이 절감된다.

한편 연소실 내부를 비스듬히 가로지르는 플랫튜브(13)의 양단은 연소실 측벽을 관통하여 물탱크 쪽으로 돌출되는 것이 바람직하다. 이는 용접의 용이성과 기밀성 향상에도 도움이 되며, 플랫튜브(13)를 통해 자연대류되는 물의 유입유출을 유도하는 유도판 역할을 하기도 한다.

도면에서 연소실(10) 좌측면에 높게 결합된 쪽의 플랫튜브는 내부통로 단면적이 우측면에 낮게 결합된 쪽 플랫튜브의 내부통로 단면적보다 작다. 단면적이 큰 쪽에서 단면적이 작은 쪽으로 물이 흐르게 되며 큰 단면적의 유입구는 상대적으로 높은 수압과 낮은 유속이, 작은 단면적의 유출구는 상대적으로 낮은 수압과 높은 유속이 유도된다. 이러한 수압의 차이는 기본적으로 연소실 좌우 측면에 위치한 탱크 내 물의 불균등한 온도분포(본 실시예에서는 좌측의 물온도가 더 높다)에 따른 것이며, 플랫튜브의 비스듬한 배치형상으로 인해 화염이 좌측으로 편중되어 흐르는 현상과, 더 넓은 면적의 구리 열전달판(12)이 좌측면에 배치된 데에 따른 현상이 겹쳐지면서 발생된다.

플랫튜브(13)속 물은 화염에 직접 둘러싸여 있는 것이나 마찬가지 이므로 물탱크 내 물 온도중에서 가장 온도가 높은 상태이다. 이때 좌우의 온도가 동일하고 튜브가 수평으로 놓여 있다면 그대로 끓으면서 기포가 튜브 좌우로 토출될 것이나, 본 실시예와 같이 비스듬히 기울어져 있을 경우, 특히 도시된 바와 같이 유출구 쪽의 열전달판(12)의 크기가 더 커서 유출구 쪽 물탱크 내의 물온도가 유입구 쪽의 물온도 보다 더 높은 경우 물온도가 높은 쪽으로 상승 대류가 발생하며 높은 쪽 튜브공이 유출구가 된다. 이때 유출공과 유입공의 단면적 차이는 이러한 상승대류의 유속을 더욱 가속 진행시킨다. 따라서 연소실 내에서 가장 온도가 높은 부위(T-tube)인 플랫튜브 내의 물은 불필요하게 정체된 상태로 끓지 않고 급속 가열된 상태에서 신속하고 자연스럽게 물탱크 유출구쪽 측면으로부터 상부 전체로 퍼져 나가면서 자연스럽게 대류작용을 일으킬 수 있다.

한편 열전달 판(12)은 상기와 같이 좌우 면의 크기가 다르게 배치될 수도 있으나 연소실(10)의 좌우 측면 중 어느 일 측면 하부에만 배치될 수도 있음은 물론이다. 물론 이때에는 실질적으로 플랫튜브(13)의 유출구 쪽, 다시 말해서 플랫튜브가 연소실 측면에 높게 결합된 쪽의 면에만 배치되어야 상승대류를 일으키는 데 도움이 된다. 이러한 설계는 연소실의 크기가 작거나 구리사용을 억제하여 제작비 절감을 꾀할 경우에 적용될 수 있다.

도 6을 참조하면, 상기 설명한 온도분포가 구체적으로 도시되어 있는데, 본 실시예에서의 온도 분포는 T1>T2>T3>T4>T5 와 같다. 따라서 물의 온도와 물의 밀도가 반비례하며, 끓기 직전의 물은 수증기가 미량 포함되어 더욱 가벼워진다는 점을 감안한다면 본 실시예의 탱크내 물은 탱크 외부로부터의 유입 유출이 없을 경우 도 6과 같이 좌우 상승대류의 편차로 인한 순환대류를 일으키게 된다.

도 1~5에 도시된 구성요소 중, 튜브유입 안내날개(24)는 도 6에서와 같이 튜브 내에서 가열되어 밀도가 낮아진 물이 튜브공 우측 상부의 상대적으로 차가운 물 쪽으로 거꾸로 유출되면서 튜브 내 좌측 상방 쪽으로의 상승흐름을 저하시키는 것을 막기 위하여 튜브공 위쪽에 부착되며, 반면 튜브유출 안내날개(25)는 하부의 열전달판으로부터 가열된 물이 상승하면서 튜브 유입공에 거꾸로 유입되면서 역시 튜브 내 좌측 상방 쪽으로의 상승흐름을 저하시키는 것을 막아주도록 튜브공 아래쪽에 부착된다. 이러한 안내날개(24,25)들의 구성에 의하여 보일러의 운전이 연속적이지 않고 간헐적으로 이루어지더라도 물탱크 속 물은 빠른 시간 내에 의도하는 가열순환방향(연소실 입구에서 보았을 때 좌측 상방 방향)으로 자연대류 현상을 시작 또는 재개할 수 있다.

상기 플랫튜브(13)가 상기 연소실(10) 내부를 구획하는 구조에 대해 살펴본다. 도 4a를 참조하면, 연소실 입구의 해치(16)에는 연소실 입구의 배기흐름을 유도하는 배기유도판(17)이 결합되어 있으며, 연소실 해치(16)가 완전히 닫혀있을 경우 상기 배기유도판(17)은 플랫튜브의 입구쪽 상부 모서리부분을 덮으면서 플랫튜브 아래쪽과 위쪽을 완전히 단절 시킨다. 즉 실질적으로 나무가 채워지면서 연소가 되는 부분은 플랫튜브 아래쪽의 연소실 바닥이므로 해치가 닫혀있을 경우 플랫튜브 위쪽은 연소가스 배기관의 역할을 하는 것이다.

이를 연소실 측면에서 바라본 연소가스 배기구조의 측면에서 다시 설명하면 연소실(10)의 입구에는 연소실 해치(16)가 결합되고, 상기 연소실 해치에는 상기 연소실 내부 쪽으로 연소실입구 배기유도판(17)이 형성되어, 상기 연소실 해치가 닫혔을 때 상기 플랫튜브(13)의 일단과 밀접하게 결합됨으로써 상기 연소실 내부의 연소가스 유동경로를 ⊃ 자 모양으로 연장하는 것과 같다(도 8 참조). 이때 연소실입구 배기유도판(17)은, 상기 연소실 해치의 후면에 비스듬한 각도로 결합된 구조적 특성에 의해서 상기 연소실 해치(16)가 열렸을 때, 상기 연소실(10)로부터 토출되는 연소화염 또는 연소가스의 사용자 직접 노출을 막을 수 있다. 이러한 구조는 도 8 및 도 4b에서 잘 살펴볼 수 있다.

본 실시예를 설명하는 도면은 초기 개념설계 도면으로써 연소실 해치(16)의 힌지(경첩)이 도시되어 있지 않다. 그리고 연소실 입구 배기유도판(17)의 형상 역시 연소실 내부 좌우 측벽에 꼭 맞게 디자인 되어 있다. 그러나 이러한 배기유도판 형상에 의하면 연소실 해치가 원활하게 열리고 닫히지 않을 수 있다. 따라서 실제 설계에서는 연소실 해치(16)는 약간 후퇴하면서 뽑히듯이 열려야 하며, 연소실 입구 배기유도판(17)은 우측 모서리를 약간 둥글게 깎아내주어야 한다. 물론 완전히 수평으로 배치된 것이 아니라 대각선으로 비스듬하게 배치되어 있기 때문에 배기유도판(17)이 연소실 내부로부터 원활히 열고 닫히기 위해 깎여지는 모따기 량은 매우 적고 연소실 내부의 플랫튜브와 접촉한 상태에서 큰 구멍이 생기지는 않는다.

도2, 도4b에서 열린 상태의 해치 위치가 실제 힌지를 달았을 때의 해치위치가 되며 연소실로부터 딱 붙어있지 않고 약간 떨어진 것을 볼 수 있다. 실제 양산단계에서는 상기 위치를 참조로 하여 해치와 배기유도판의 운동시 연소실 내부벽에 걸리는 부분이 없게끔 설계된다.

도 4b를 참조하면, 해치를 열었을 때, 배기유도판은 연소실 내에서 튀어나오는 화염으로부터 사용자의 얼굴을 보호하는 각도와 위치로 절묘하게 자리잡는다. 물론 해치가 완전히 열렸을 때에는 이러한 보호판 기능은 사라지지만, 해치가 완전히 열리는 시간 동안 연소실내의 화염토출 압력도 급격히 낮아지므로 이때는 굳이 사용자의 안면을 보호하지 않아도 된다. 또한 연소실해치(16)가 완전히 열렸을 때에는 연소실입구 배기유도판(17) 역시 완전히 보일러 바깥으로 빠져나오면서 연직 상방에 위치한 연소실 출구로 토출되는 화염이 쉽게 빠져나가게 한다.

대부분의 나무보일러에서 연소실 입구를 확대할 수 없었던 이유는 이와 같이 큰 연소실 입구 해치를 열고 닫을 때마다 강한 화염 또는 상당량의 연소가스가 토출되면서 실내의 공기를 더럽힌다거나 사용자에게 부상을 입히는 경우가 많았기 때문이다. (물론 열효율 저하의 이유도 있다.) 하지만 본 실시예에 따르면 비스듬한 각도로 플랫튜브에 접하도록 설계되는 상기 배기유도판은 회전돌출 될 때, 연소화염과 연소가스를 어느 정도는 효과적으로 차단하므로 입구 확대에 따른 부작용이 적은 효과가 있다.

한편 상기 연소실 입구 배기유도판(17)과 상기 플랫튜브(13)의 접합구조에 의해 ⊃ 자 모양으로 연장된 연소실 내 화염 및 배기 유동경로는 전체적으로 연소가스 배기관을 늘리는 효과가 있으면서도, 연소실 출구가 연소실 해치 바로 위쪽에 가깝게 위치할 수 있는 추가적 효과가 있다.

이는 실제 나무보일러의 유지관리 측면에서 중요한 의미를 갖는 것으로서, 넓은 해치입구에 가깝게 연소실 출구가 위치할 경우 청소도구의 삽입과 조작이 매우 편리해지는 장점이 있다. 본 발명의 선행기술로서 소개한 나무보일러들의 연소실 출구위치를 살펴보면 연소실의 가장 안쪽에서 꺾여 들어가 있어 사실상 청소도구의 삽입이 불가능하였다. 석유나 가스보일러의 경우 연소찌꺼기 문제가 크게 대두되지 않지만 나무보일러의 경우 목초액이나 기타 잔류물이 배기관 입구 쪽에 특히 강하게 퇴적된다는 점을 감안한다면 본 실시예의 거꾸로 배치된 연소가스 배기통로 구조는 뛰어난 기술적 효과를 갖는다.

연소가스의 배기통로 구조를 좀더 살펴본다. 도 8~9로 파악되는 연소실 내 배기통로를 살펴보면, 수직방향으로는 거꾸로된 <ㄹ>모양으로 꺾어지면서 경로가 늘어나는 특징이 있고, 수평방향으로는 나선형으로 꼬이면서 점점 유동 단면적이 작아지는 특징이 있다.

먼저 플랫튜브 하부의 실질적으로 연소가 발생하는 쪽의 단면적은 가장 크면서도 정면에서 바라볼 때 약간 좌측으로 치우친다. 다음으로 플랫튜브의 뒤쪽 연소실 후면 쪽에서 연소가스가 일차 상승되는 쪽의 단면적은 약간 작아지면서 상면에서 바라볼 때 약간 가운데로 치우친다. 그 다음으로 플랫튜브의 상부인 연소실 내에서 연장된 연소가스 배기통로 쪽 단면적은 좀더 작아지면서 정면에서 바라볼 때 약간 우측으로 치우친다. 다시 말하면 플랫튜브(13)가 연소실(10) 내부를 구획하는 구조에 의한 연소가스의 유동단면적(ACS: Air cross section)은, 상기 연소실의 입구에서부터 연소가스 배기관(27)에 이르는 경로를 걸쳐 점점 작아지는 형태(ACS1 > ACS2 > ACS3 > ACS4 > ACS5)의 구조를 말하며 이러한 구조는 사다리꼴 형상인 플랫튜브의 비스듬한 배치구조가 만들어낸 것으로, 전체적으로는 연소가스가 나선형의 와류(swirl)형태의 흐름(AVX: Air Vortex)를 일으키면서 연소화염이 고르게 연소실 측벽으로 퍼지게 하는 역할을 함과 동시에 연소실 출구와 연소가스 배기관(27)에 이르기까지 배기통로의 단면적이 작아짐과 동시에 배기속도가 부드럽게 빨라지는 역할도 동시에 수행한다.

마지막으로 본 실시예의 열전달판(12)들과 열전달 플랫튜브(13)를 구비한 연소실(10)을 둘러싸고 있는 물탱크(20)내의 물 흐름을 살펴본다.

물탱크(20)에는 온수 발생용 물 유입구(21)와 물 유출구(22)가 구비되는데, 상기 물 유입구(21)는 상기 튜브유입 안내날개(24)가 배치된 쪽의 물탱크 측면에 상기 튜브유입 안내날개의 형성높이 보다 높게 배치되고, 상기 물 유출구(22)는 상기 튜브유출 안내날개(25)가 배치된 쪽의 물탱크 측면에 상기 튜브유출 안내날개의 형성높이 보다 낮게 배치된다. 물의 유입유출이 없는 정체된 물 상태에서는 플랫튜브 유입구로 물이 들어가서 연소실 중앙에서 급속 가열되어 플랫튜브 유출구로 물이 나오면서 연소실 상부와 배기관을 거쳐 다시 플랫튜브 유입구로 순환된다(Boiler warming). 적당량의 난방 중 또는 온수 사용중에는 약간의 물이 유출되면서 차가운 물이 새로 유입된다. 이때에도 기본적으로 상승대류는 어느정도 유지되므로 사용되는 유출수는 플랫튜브 유출구에서 바로 하강한 물이 아닌 물탱크 뒤편에서 좌측 열전달판쪽으로 유입되면서 데워진 물이 사용된다. (Normal heating) 급속운전 또는 많은 양의 온수 사용시에는 물의 흐름이 빠르므로 플랫튜브의 유출구를 통해 나오는 물이 물탱크의 유출구(22)로 일정량 이상 유입될 수 있다. (Full heating)

본 실시예에서의 위와 같은 물탱크 내 물의 흐름은 저열량의 연료로 저온수를 대량으로 담고 있는 종래의 나무보일러와는 달리 통상의 석유/가스보일러에 근접한, 비교적 원활한 온수사용을 가능하게 해 준다.

이상 본 발명이 구체화된 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예에만 국한되는 것은 아니다.

다시 말해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 명세서 및 도면이 내포하고 있는 기술적 사상을 활용하여 필요에 따라 본 발명의 명세서 및 도면에 미처 포함되지 않은 단순한 변경 및 간단한 확장 사례를 추가로 구현할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명이 고유하게 보유하는 기술적 사상의 범위에 자명하게 포함된다.

본 발명에 포함된 동판과 동제 플랫튜브를 이용한 자연대류 발생구조는 비단 나무 연료뿐 아니라 대부분의 천연 저 열량 연료를 사용하는 난방기 또는 연소실 온도가 낮은 보일러 구조에 매우 효과적으로 적용될 수 있다.

마른풀 또는 폐지, 고물 등 천연 저 열량 연료는 부피는 크고 연소실의 온도가 낮으므로 고온의 난방용수를 충분히 확보하기 위해서는 장시간의 가열이 필요하다. 이때 보일러가 실내에 있지 않다면 가열시간 동안 보일러 외부 표면을 통해 소실되는 열량도 같이 누적되므로 전체 열효율이 더욱 저하되는 결과를 낳는다. 본 발명에 따르면 난방용수의 소모가 없는 때에는 자연대류 현상을 통해 빠르게 전체 난방용수를 가열할 수 있으며, 난방용수의 급격한 소모가 있을 때에는 화염에 가까운 플랫튜브를 막 통과한 뜨거운 물 위주로 난방용수를 빼낼 수 있으므로 간단한 연소실 구조를 바탕으로 한 저열량 무동력 연소조건에서도 최적의 운전특성을 발휘할 수 있다.

10: 연소실 11_첨자: 연소실 각부 면
12_첨자: 열전달 판_장착위치와 크기
13: 열전달 플랫튜브
14: 플랫튜브 유입구
15: 플랫튜브 유출구
16: 연소실 해치(hatch)
17: 연소실입구 배기유도판
18: 연소용 공기 흡입구
19: 연소실 입구 20: 물탱크
21: 물 유입구 22: 물 유출구
24: 튜브유입 안내날개
25: 튜브유출 안내날개
27: 연소가스 배기관
28: 배기관 청소용 해치
29: 수온계
T_첨자: 해당 지점의 온도(Temperature)
ACS_첨자: 해당 지점의 공기유동 단면적 (Air Cross Section)
AVX_첨자: 해당 방향으로의 공기유동 꼬임(와류) 상태(Air Vortex)
100: 나무 보일러

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 연료용 나무가 투입되는 철제 연소실(10)과, 상기 연소실을 둘러싸는 물탱크(20)와 상기 연소실 상단에 배치되는 연소가스배기관(27)을 포함하여 구성되는 나무 보일러(100)에 있어서,
   상기 연소실 내부에는 연소실(10)의 좌우측벽을 가로로 관통하여 상기 물탱크의 물이 연소실 좌우로 유통 가능하도록 납작하고 평평한 관 모양의 구리 재질의 열전달 플랫튜브(13)가 가로로 배치되고, 적어도 하나의 연소실 면에 구리 재질의 열전달 판(12)이 배치되며,
   상기 플랫튜브(13)가 상기 연소실(10) 내부를 구획하는 구조에 의해 연소가스의 연소실 내 유동경로가 연장되고,
   상기 플랫튜브(13)가 상기 연소실(10) 내부를 구획하는 구조에 의한 연소가스의 유동단면적은, 상기 연소실의 입구에서부터 연소가스 배기관(27)에 이르는 경로를 걸쳐 점점 작아지며,
   상기 열전달 판(12)은 상기 연소실(10)의 좌우 측면 중 어느 일 측면 하부에만 배치되거나 좌우 면의 크기가 다르게 배치되고, 상기 플랫튜브(13)는 상기 열전달 판이 배치된 쪽 또는 상기 열전달 판들 중 크기가 큰 판이 배치된 쪽의 연소실 측면에는 높게 결합되며, 상기 열전달 판이 배치되지 않은 쪽 또는 상기 열전달 판들 중 크기가 작은 판이 배치된 쪽의 연소실 측면에는 낮게 결합되는 것을 특징으로 하는 나무 보일러.
5. 제4항에 있어서,
   상기 플랫튜브(13)에서 상기 연소실(10) 측면에 높게 결합된 쪽의 튜브의 내부통로 단면적은, 상기 연소실 측면에 낮게 결합된 쪽의 튜브의 내부통로 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 나무 보일러.
6. 제5항에 있어서,
   상기 플랫튜브(13)에서 양단 중 단면적이 큰 쪽의 플랫튜브 유입구 상단에는 튜브유입 안내날개(24)가 추가 형성되며, 단면적이 작은 쪽의 플랫튜브 유출구 하단에는 튜브유출 안내날개(25)가 추가 형성되는 것을 특징으로 하는 나무 보일러.
7. 제6항에 있어서,
   상기 물탱크(20)에는 온수 발생용 물 유입구(21)와 물 유출구(22)가 구비되되, 상기 물 유입구(21)는 상기 튜브유입 안내날개(24)가 배치된 쪽의 물탱크 측면에 상기 튜브유입 안내날개의 형성높이 보다 높게 배치되며, 상기 물 유출구(22)는 상기 튜브유출 안내날개(25)가 배치된 쪽의 물탱크 측면에 상기 튜브유출 안내날개의 형성높이 보다 낮게 배치되는 것을 특징으로 하는 나무 보일러.
8. 제7항에 있어서,
   상기 연소실(10)의 입구에는 연소실 해치(16)가 결합되고, 상기 연소실 해치에는 상기 연소실 내부 쪽으로 연소실입구 배기유도판(17)이 형성되어, 상기 연소실 해치가 닫혔을 때 상기 플랫튜브(13)의 일단과 밀접하게 결합됨으로써 상기 연소실 내부의 연소가스 유동경로를 ⊃ 자 모양으로 연장시키는 것을 특징으로 하는 나무 보일러.
9. 제8항에 있어서,
   상기 연소실입구 배기유도판(17)은, 상기 연소실 해치(16)가 열렸을 때, 상기 연소실(10)로부터 토출되는 연소화염 또는 연소가스의 사용자 직접 노출을 막을 수 있도록 상기 연소실 해치의 후면에 비스듬한 각도로 결합되는 것을 특징으로 하는 나무 보일러.
   

Images