KR101321751B1

KR101321751B1 - 히트 파이프 열교환기를 이용한 전기 보일러

Info

Publication number: KR101321751B1
Application number: KR1020110082484A
Authority: KR
Inventors: 신희섭; 윤득남
Original assignee: 주식회사이앤에스테크
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2011-08-17
Publication date: 2013-10-28
Also published as: KR20130020088A

Abstract

본 발명은 히트 파이프 기능을 갖는 열교환기 구조에, 열원으로서 전기나 전극을 이용할수 있게하고, 히트 파이프의 기능과 열교환기의 구조에 의해 열효율을 향상 시킬수 있는 히트 파이프 열교환기를 이용한 전기 보일러에 대한 것이다.
이를 구현하기 위한 본 발명은, 중간에 배치되고 히트파이프로 형성되는 열교환용 챔버; 상기 열교환용 챔버의 상단에 연이어 설치되는 상단측 하부챔버와 상단측 상부챔버; 상기 열교환용 챔버의 하단에 연이어 설치되는 하단측 상부챔버와 하단측 하부챔버; 상기 상단측 상부챔버에 설치되는 입수구에서 상단측 상부챔버와 상단측 하부챔버, 열교환용 챔버, 하단측 상부챔버를 차례로 관통하여 하단측 하부챔버와 연통되며, 그 내부에 주열원이 설치되는 주열원공급용 파이프; 상기 하단측 하부챔버에서 하단측 상부챔버와 열교환용 챔버 및 상단측 하부챔버를 차례로 관통하여 상단측 상부챔버에 연통되며, 그 내부에 부열원이 설치되는 하나 이상의 부열원공급용 파이프; 상기 상단측 상부챔버에서 상단측 하부챔버와 열교환용 챔버를 관통하여 하단측 상부챔버에 연통되는 유로를 형성하는 하나 이상의 제1 열교환용 파이프; 상기 하단측 상부챔버에서 열교환용 챔버를 관통하여 상기 상단측 하부챔버에 연통되는 유로를 형성하는 하나 이상의 제2 열교환용 파이프; 상기 상단측 하부챔버에 연통되게 설치되어 열교환된 온수를 외부로 공급하는 출수구;및 상기 하단측 하부챔버의 하부에 설치되어 상기 주열원과 부열원이 고정되는 전기실을 포함하여 이루어져 있다.

Description

히트 파이프 열교환기를 이용한 전기 보일러{Electric boiler using heat pipe heat exchanger}

본 발명은 열원으로서 전기 히터나 전극을 이용하는 전기 보일러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열교환부를 히트 파이프로 구성하여 열원에서 발생한 열과 공급수 간에 효율적으로 열교환할 수 있도록 하는 히트 파이프 열교환기를 이용한 전기 보일러에 관한 것이다.

일반적으로 보일러는 탱크 내부로 공급되는 공급수를 가열하여 온수 및 난방 등에 사용하는 장치이다. 이와 같은 보일러는 공급수를 가열하는 열원으로서 가스, 기름, 연탄, 전기, 태양열, 지열 등이 있으며, 최근에는 친환경, 청정, 고효율 에너지 장치의 개발 및 사용이 증가하고 있는 실정이다. 특히 각종 열원이 가지고 있는 고유 열량만을 이용하는 보일러에 있어서, 열효율의 향상과 에너지 절감을 위한 많은 종류의 보일러 등이 출시되고 있으나, 열교환에 따른 열손실에 의해 고유 열량을 초과 하거나, 100％ 활용 할 수 있는 기술적인 한계를 극복하지 못하고 있는 실정이다.

이를 해결하기 위하여는 각종 열원을 이용하는 고효율의 열교환기 구조의 개발과, 고유 열량을 이용하여 열효율을 향상시킬수 있는 기술등의 개발이 시급히 요청되고 있다.

삭제

공개특허공보 10-2004-0029699

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 전기 히터나 전극 등을 열원으로 하고, 상기 열원에서 발생된 열을 히트 파이프가 구비되는 열교환기를 통해 공급수에 열교환시킬 수 있도록 된 히트 파이프 열교환기를 이용한 전기 보일러를 제공하고자 함에 해결하고자 하는 과제가 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명에 따른 히트 파이프 열교환기를 이용한 전기 보일러는, 중간에 배치되고 히트파이프로 형성되는 열교환용 챔버; 상기 열교환용 챔버의 상단에 연이어 설치되는 상단측 하부챔버와 상단측 상부챔버; 상기 열교환용 챔버의 하단에 연이어 설치되는 하단측 상부챔버와 하단측 하부챔버; 상기 상단측 상부챔버에 설치되는 입수구에서 상단측 상부챔버와 상단측 하부챔버, 열교환용 챔버, 하단측 상부챔버를 차례로 관통하여 하단측 하부챔버와 연통되며, 그 내부에 주열원이 설치되는 주열원공급용 파이프; 상기 하단측 하부챔버에서 하단측 상부챔버와 열교환용 챔버 및 상단측 하부챔버를 차례로 관통하여 상단측 상부챔버에 연통되며, 그 내부에 부열원이 설치되는 하나 이상의 부열원공급용 파이프; 상기 상단측 상부챔버에서 상단측 하부챔버와 열교환용 챔버를 관통하여 하단측 상부챔버에 연통되는 유로를 형성하는 하나 이상의 제1 열교환용 파이프; 상기 하단측 상부챔버에서 열교환용 챔버를 관통하여 상기 상단측 하부챔버에 연통되는 유로를 형성하는 하나 이상의 제2 열교환용 파이프; 상기 상단측 하부챔버에 연통되게 설치되어 열교환된 온수를 외부로 공급하는 출수구;및 상기 하단측 하부챔버의 하부에 설치되어 상기 주열원과 부열원이 고정되는 전기실을 포함하여 이루어져 있다.
상기 주열원공급용 파이프에 설치되는 주열원과 부열원공급용 파이프에 설치되는 부열원은 전기히터 또는 전극인 것을 특징으로 한다.
상기 전극은 봉 타입 또는 원추형 타입이 단독 또는 혼합되어 사용되는 것을 특징으로 한다.
상기 상단측 상부챔버에는 저수위센서가 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 상단측 하부챔버에는 온도센서가 설치된 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 전극에는 전류 제어 방식을 사용하여 공급되는 전류를 제어하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 히트파이프로 형성되는 열교환용 챔버는 진공 상태의 금속 챔버 내에 비점이 낮고 증발 잠열이 큰 불활성 가스로 이루어지는 작동 유체를 주입하여 이루어져서, 저압의 조건에서 작동 유체가 쉽게 액체에서 증기로 상변화 할 때의 잠열로써 열을 전달하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기한 본 발명은 히트파이프가 조합된 일체형의 고효율 열교환기 구조와 가열 열원(전기히터 또는 전극)의 효율적 조합을 통해 가열 효율의 향상과 효과적 에너지 사용이 가능하게 하였다.

특히 히트 파이프의 높은 열전도도를 최대한 이용할 수 있는 열교환기 구조와 조합하여, 열원으로서의 전극을 단독, 또는 혼합 사용시, 공급수의 온도에 따라 변화되는 임피던스 값을 외부 전극과 내부 전극간의 유효 상대 단면적의 변화에 의해 공급수의 전류값을 조절하므로, 보다 큰 전류를 공급 할수 있고, 히트 파이프의 열전도 성능과 조합되는 시너지 효과에 의해, 가열 효율이 향상되게 하였으며, 효율적 에너지 이용이 가능하게 하였다. 이와 같은 가열 효율 향상과 효율적 에너지 이용을 통해, 온수와 난방을 필요로 하는 모든 분야에 적용하여 경제성 및 신뢰성을 극대화 하게 되는 것이다.

도 1은 본 발명의 조립외관도,
도 2는 도 1의 A-A선 단면도,,
도 3은 도 1의 B-B선 단면도,
도 4는 본 발명의 외통을 제거한 내부구성 사시도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 조립외관도, 도 2는 도 1의 A-A선 단면도, 도 3은 도 1의 B-B선 단면도, 그리고 도 4는 본 발명의 외통을 제거한 내부구성 사시도를 각각 나타낸다.

본 발명에 따른 히트파이프 열교환기(10)는 외형을 이루는 외통(11) 내부에 열교환용 챔버 상판(21)과 열교환용 챔버 하판(22)에 의해 구획되어 소정 밀폐공간을 갖는 열교환용 챔버(20), 상기 열교환용 챔버(20)의 상단에서 상단측 하부챔버 구획판(25)에 의해 구획되어 소정 공간을 갖는 상단측 하부챔버(30), 상기 상단측 하부챔버(30)의 상단에서 상단측 상부챔버 구획판(35)에 의해 구획되어 소정 공간을 갖는 상단측 상부챔버(40), 상기 열교환용 챔버(20)의 하단에서 하단측 상부챔버 구획판(55)에 의해 구획되어 소정 공간을 갖는 하단측 상부챔버(50), 상기 하단측 상부챔버(50)의 하단에서 하단측 하부챔버 구획판(65)에 의해 구획되어 소정 공간을 갖는 하단측 하부챔버(60), 그리고 상기 하단측 하부챔버(60)의 하단에 소정 공간을 갖도록 설치되는 전기실(70)을 포함하여 이루어진다.

상기 상단측 상부챔버(40)의 일측에는 입수구(80)가 설치되어 있다. 상기 입수구(80)에는 상단측 상부챔버(40)와 상단측 하부챔버(30), 열교환용 챔버(20), 하단측 상부챔버(50)를 차례로 관통하여 하단측 하부챔버(60)와 연통되는 주열원공급용 파이프(110)가 연결되어 있으며, 상기 주열원공급용 파이프(110)의 내부에는 주열원(112)이 설치되어 있다.
또한, 상기 하단측 하부챔버(60)에서 하단측 상부챔버(50)와 열교환용 챔버(20) 및 상단측 하부챔버(30)를 차례로 관통하여 상단측 상부챔버(40)에 연통되는 부열원공급용 파이프(120)가 설치되어 있으며, 상기 부열원공급용 파이프(120)의 내부에는 부열원(122)이 설치되어 있다.

아울러, 상기 상단측 상부챔버(40)에서 상단측 하부챔버(30)와 열교환용 챔버(20)를 관통하여 하단측 상부챔버(50)에 연통되는 유로를 형성하는 제1 열교환용 파이프(130)가 설치되어 있고, 상기 하단측 상부챔버(50)에서 열교환용 챔버(20)를 관통하여 상기 상단측 하부챔버(30)에 연통되는 유로를 형성하는 제2 열교환용 파이프(140)가 설치되어 있다.
상기 상단측 하부챔버(30)에는 출수구(90)가 외통(10)의 외측으로 연통되게 설치되어 열교환된 온수를 외부로 공급하도록 이루어져 있다.

한편, 상기 하단측 하부챔버(60)의 하부에는 상기 주열원(112)과 부열원(122)이 고정되는 전기실(70)이 설치되어 있다.
상기 주열원(112)과 부열원(122)은 전기히터 또는 전극으로 이루어진다. 특히 상기 주열원(112)과 부열원(122)은 각기 다른 용량과 구조로 이루어질 수 있으며, 주열원공급용 파이프(110)와 부열원공급용 파이프(120) 내에서 길이방향을 따라 연장설치되어 있는데, 봉 타입이나 원추형 타입이 단독 또는 혼합 사용될 수 있도록 하여 전체 구조나 크기의 변화없이 용량의 다변화가 가능하게 되어 있다.
그리고 원추형 타입에 있어서는 내부 전극과 외부 전극의 2중 구조로 하여 전극간 유효 상대 단면적의 변화에 따른 전류치 제어를 함으로써 보다 큰 전류를 공급할 수 있고, 공급수의 온도 변화에 따른 효율적 전류 제어가 가능하게 되며, 히트파이프로 구성된 열교환챔버(20)의 높은 열전도도(구리의 약 1300배)와 합쳐진 시너지 효과가 발생되게 함으로서 고효율의 열교환구조를 갖도록 되어 있다. 이에 따라 온수와 난방을 필요로 하는 무든 분야에 적용하면 경제성 및 신뢰성을 극대화할 수 있게 되는 것이다.

또한, 주열원공급용 파이프(110)와 부열원공급용 파이프(120)는 다수개 설치하여 열교환이 빠르고 고르게 이루어질 수 있도록 함이 바람직하다.
상기 주열원(112)과 부열원(122)에서 발생되는 열은 입수구(80)로 입수되어 이동되는 공급수와 열교환하여 고온의 온수로 가열하는 작용을 한다.
히트파이프로 구성되는 열교환챔버(20)는 진공상태의 금속관 내에 비점이 낮고 증발 잠열이 큰 불활성 가스 등의 작동유체가 주입되어 이루어져서, 저압의 조건에서 작동유체가 쉽게 액체에서 증기로 상변화하는 특징을 이용하여 상변화시의 잠열로써 열을 전달함으로써 열의 이용과 효율을 극대화할 수 있도록 된 것이다.
이러한 히트파이프로 구성되는 열교환챔버(20)는 작용 온도의 범위가 0℃에서 200℃의 범위에 속하는 것으로, 일반 공조 및 냉난방, 전자기기의 냉각, 중온 범위의 폐열회수, 태양열의 집열 등에 효율적인 열전달 요소로 사용될 수 있는 것이며, 이는 별도의 동력원 없이 구리의 최고 수천 배에 달하는 열전도 성능을 낼 수 있는 장점이 있는 것이다.
한편, 상단측 상부챔버(40)에는 입수구(80) 이외에 저수위 센서(150)가 설치되어 있고, 상단측 하부챔버(30)에는 출수구(90) 이외에 온도 센서(160)가 설치되어 있다.

그리하여, 상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 히트파이프 열교환기(10)는 입수구(80)로 유입되는 공급수가 주열원공급용 파이프(110)를 통해 하단측 하부챔버(60)로 이동되고, 하단측 하부챔버(60)로 유입된 공급수는 부열원공급용 파이프(120)를 통해 상단측 상부챔버(40)로 이동되며, 상단측 상부챔버(40)로 유입된 공급수는 제1 열교환파이프(130)를 통해 하단측 상부챔버(50)로 이동된 후, 하단측 상부챔버(50)로 유입된 공급수는 제2 열교환파이프(140)를 통해 상단측 하부챔버(30)로 이동되어 출수구(90)를 통해 외부로 공급될 수 있도록 이루어져 있다.
다음에는 상기와 같이 구성되는 본 발명의 작동 및 작용에 대해 살펴 보기로 한다.

입수구(80)를 통해 공급된 공급수는 주열원공급용 파이프(110)를 통해 하단측 하부 챔버(60)에 도달하며, 이때 전기히터나 전극으로 이루어지는 주열원(112)에 의해 가열작용이 이루어진다. 하단측 하부챔버(60)에 도착한 공급수는 또다른 부열원공급용 파이프(120)를 통해 다시 상단측 상부 챔버(40)로 이동되며, 이때에도 또다른 전기히터나 전극으로 이루어진 부열원(122)에 의해 공급수에 2차 가열이 이루어진다.
상기 상단측 상부 챔버(40)에 도달한 공급수는 다시 제1 열교환용 파이프(130)에 의해 하단측 상부 챔버(50)로 보내어지며, 이때에는 열교환챔버(20)의 히트 파이프 기능에 의해 3차 가열이 이루어진다.

또한 하단측 상부 챔버(50)에 도달한 공급수는 또다른 제2 열교환용 파이프(140)에 의해 상단측 하부 챔버(30)로 이동되며, 이때에도 열교환챔버(20)의 히트 파이프 기능에 의해 4차 가열이 이루어진다.

그리고 상단측 하부 챔버(30)에 도달한 공급수는 출수구(90)를 통해 배출되게 되며, 이 모든 과정에서 총 4번의 열교환과 가열이 이루어지게 함으로서 열의 이용을 극대화하고 열효율을 극대화 할 수 있게 되었다.

10 -- 히트파이프 열교환기, 11 -- 외통,
20 -- 열교환용 챔버, 21 -- 열교환용 챔버 상판,
22 -- 열교환용 챔버 하판, 25 -- 상단측 하부챔버 구획판,
30 -- 상단측 하부챔버, 35 -- 상단측 상부챔버 구획판,
40 -- 상단측 상부챔버, 50 -- 하단측 상부챔버,
55 -- 하단측 상부챔버 구획판, 60 -- 하단측 하부챔버,
65 -- 하단측 하부챔버 구획판, 70 -- 전기실,
80 -- 입수구, 90 -- 출수구,
110 -- 주열원공급용 파이프, 112 -- 주열원,
120 -- 부열원공급용 파이프, 122 -- 부열원,
130 -- 제1 열교환용 파이프, 140 -- 제2 열교환용 파이프.

Claims

중간에 배치되고 히트파이프로 형성되는 열교환용 챔버; 상기 열교환용 챔버의 상단에 연이어 설치되는 상단측 하부챔버와 상단측 상부챔버; 상기 열교환용 챔버의 하단에 연이어 설치되는 하단측 상부챔버와 하단측 하부챔버; 상기 상단측 상부챔버에 설치되는 입수구에서 상단측 상부챔버와 상단측 하부챔버, 열교환용 챔버, 하단측 상부챔버를 차례로 관통하여 하단측 하부챔버와 연통되며, 그 내부에 주열원이 설치되는 주열원공급용 파이프; 상기 하단측 하부챔버에서 하단측 상부챔버와 열교환용 챔버 및 상단측 하부챔버를 차례로 관통하여 상단측 상부챔버에 연통되며, 그 내부에 부열원이 설치되는 하나 이상의 부열원공급용 파이프; 상기 상단측 상부챔버에서 상단측 하부챔버와 열교환용 챔버를 관통하여 하단측 상부챔버에 연통되는 유로를 형성하는 하나 이상의 제1 열교환용 파이프; 상기 하단측 상부챔버에서 열교환용 챔버를 관통하여 상기 상단측 하부챔버에 연통되는 유로를 형성하는 하나 이상의 제2 열교환용 파이프; 상기 상단측 하부챔버에 연통되게 설치되어 열교환된 온수를 외부로 공급하는 출수구;및 상기 하단측 하부챔버의 하부에 설치되어 상기 주열원과 부열원이 고정되는 전기실을 포함하여 이루어진 히트 파이프 열교환기를 이용한 전기 보일러.
제1항에 있어서, 상기 히트파이프로 형성되는 열교환용 챔버는 진공 상태의 금속 챔버 내에 비점이 낮고 증발 잠열이 큰 불활성 가스로 이루어지는 작동 유체를 주입하여 이루어져서, 저압의 조건에서 작동 유체가 쉽게 액체에서 증기로 상변화 할 때의 잠열로써 열을 전달하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 히트 파이프 열교환기를 이용한 전기 보일러.
제2항에 있어서, 상기 주열원공급용 파이프에 설치되는 주열원과 부열원공급용 파이프에 설치되는 부열원은 전기히터 또는 전극인 것을 특징으로 하는 히트 파이프 열교환기를 이용한 전기 보일러.
제3항에 있어서, 상기 전극은 봉 타입 또는 원추형 타입이 단독 또는 혼합되어 사용되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 열교환기를 이용한 전기 보일러.
제4항에 있어서, 상기 전극에는 전류 제어 방식을 사용하여 공급되는 전류를 제어하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 히트 파이프 열교환기를 이용한 전기 보일러.
제2항에 있어서, 상기 상단측 상부챔버에는 저수위센서가 설치된 것을 특징으로 하는 히트 파이프 열교환기를 이용한 전기 보일러.
제2항에 있어서, 상기 상단측 하부챔버에는 온도센서가 설치된 것을 특징으로 하는 히트 파이프 열교환기를 이용한 전기 보일러.