KR101419680B1 - 진공 스팀을 이용한 난방시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 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 진공 스팀을 이용한 난방시스템에 관한 것으로, 열원부와, 상기 열원부로부터 연장되고 실내공간의 바닥면에 매립 설치되는 배관부를 포함하고; 상기 열원부는 진공스팀이 발생되는 적어도 하나이상의 열원발생파이프와, 상기 열원발생파이프에 내장되며 난방수가 충전되고 이중 나선형 구조로 형성된 열교환파이프와, 상기 열교환파이프의 저면에 설치되고 진공스팀 발생 시 분사력을 향상시키고 온도상승 효율을 유도하는 분사노즐부와, 상기 열원발생파이프의 저면에 설치되고 소정의 열매체를 수용하며 히팅 발열하여 진공스팀을 생성 및 분사하는 히터부와, 상기 열원발생파이프의 상단에 밀봉 설치되고 상기 열교환파이프의 난방수입수부와 출수부가 노출되도록 설치되는 상단밀폐부와, 상기 상단밀폐부에 설치되어 열원발생파이프 내부의 진공압을 조절하는 진공압조절밸브를 포함한다.

Description

진공 스팀을 이용한 난방시스템{Heating system using vacuum steam}
본 발명은 진공 스팀을 이용한 난방 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 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 진공 스팀을 이용한 난방시스템에 관한 것이다.
주지한 바와 같은 진공스팀은 히트파이프(heat pipe) 내부에서 발생되는 물리적 현상이다.
상기 히트파이프란 감압한 파이프 내부에 물 또는 알코올 등의 액체를 넣고 한쪽을 가열하면 액체가 증기로 되어 다른 쪽으로 흐르고, 그곳에서 방열하여 액체가 되면 모세관 현상에 의해 액체가 가열부로 되돌아온다. 이 작용의 반복으로 열을 가열부에서 방열부로 전달하는 원리를 응용한 열전도를 히트 파이프라고 한다.
한국공개특허공보(10-2011-0007444)에는 이와 같은 진공기술을 이용한 난방방법이 개시된다.
이의 구성을 살펴보면, 출탕구와 환수구를 구비하고 열매체가 진공상태로 수용되며 수관(순환) 코일이 진공상태의 열매체에 잠기도록 설치되며, 열원구체를 형성하여 빛과 히터의 열원을 활용하여 열교환을 이루도록 한 것이다.
그러나 이와 같은 진공스팀 방법은 수관코일이 진공상태의 열매체에 잠기는 형태의 구성으로 순환되는 코일속의 물이 열매체를 냉각하게 됨으로써, 진공 속에서의 열매체가 제 기능을 수행할 수 없는 문제점이 있다.
또한 이런 구조는, 순환되는 물의 량과 진공상태의 열매체와 난방을 하고자하는 면적을 동시에 모두 온도 상승시켜야 보일러의 역할을 제대로 수행할 수 있는 구조로, 사용열원의 용량이 대용량으로 이루어져야 하며 대용량이라 하여도 난방면적에 따라서 방출되는 열로 인하여 장시간의 가열을 이루어져야 하는 단점이 있다.
특허공개공보 10-2000-0007125, 특허공개공보 10-2011-0007444, 특허공개공보 10-2010-0007337, 특허공개공보 10-2010-0034791
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 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 진공 스팀을 이용한 난방시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 진공스팀을 열원으로 하여 이용하여 난방기능을 수행하되, 실내 공기 난방기능과 보일러 배관 난방기능을 동시에 수행할 수 있도록 한 진공 스팀을 이용한 난방시스템을 제공하는 것에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 열원부와, 상기 열원부로부터 연장되고 실내공간의 바닥면에 매립 설치되는 배관부를 포함하고; 상기 열원부는 진공스팀이 발생되는 적어도 하나이상의 열원발생파이프와, 상기 열원발생파이프에 내장되며 난방수가 충전되고 이중 나선형 구조로 형성된 열교환파이프와, 상기 열교환파이프의 저면에 설치되고 진공스팀 발생 시 분사력을 향상시키는 분사노즐부와, 상기 열원발생파이프의 저면에 설치되고 소정의 열매체를 수용하며 히팅 발열하여 진공스팀을 생성 및 분사하는 히터부와, 상기 열원발생파이프의 상단에 밀봉 설치되고 상기 열교환파이프의 난방수입수부와 출수부가 노출되도록 설치되는 상단밀폐부와, 상기 상단밀폐부에 설치되어 열원발생파이프 내부의 진공압을 조절하는 진공압조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르자면 상기 분사노즐부는 중앙에 관통공이 형성된 원뿔형태의 다단 구조체로, 각 단의 둘레에는 다수개의 분사공이 형성되고, 단과 단 사이에는 수용홈이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르자면 상기 분사노즐부는 서스 재질로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르자면, 상기 열원발생파이프의 상단에는 난방수보충부가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르자면 상기 열원발생파이프의 외부에는 외주면에 방열핀이 형성된 케이스부가 장착되고, 상기 케이스부의 하부에는 베이스부가, 상부에는 개폐 가능한 덮개부가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은 중공형 열원발생 파이프에 이중 나선형 열교환 파이프를 내장 설치하고, 진공스팀을 발생시켜 열원기능을 수행토록 하되, 진공스팀의 생성 및 분사 시에 열원발생 파이프의 내부 온도가 고속으로 상승되도록 하여 난방효율을 크게 향상시킨 장점을 제공한다.
또한 본 발명은 진공스팀을 열원으로 하여 이용하여 난방기능을 수행하되, 실내 공기 난방기능과 보일러 배관 난방기능을 동시에 수행할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 진공스팀을 이용한 난방시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열원부의 분해사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열원부의 주요부분 측단면도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 분사노즐부의 확대 구성도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 히터부의 확대 구성도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 진공압조절밸브의 측단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 진공스팀을 이용한 난방시스템의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명 진공스팀을 이용한 난방시스템은,
실내공간에 설치되는 열원부(100)와, 상기 열원부(100)로부터 연장 설치되고 실내공간의 바닥면에 매립 설치되는 배관부(200)를 포함한다.
상기 열원부(100)는 베이스부(192)의 상부에 케이스부(180)가 설치되고, 상기 케이스부(180)의 상부에는 덮개부(192)가 설치되는 외관으로 구성되며, 상기 베이스부(191)의 내측으로부터 연장되는 출수관(P1)이 배관부(200)를 통해 환수관(P2)을 거쳐 다시 베이스부(192)로 연결되는 구성이다.
상기 열원부(100)는 외부로 열기를 발산하여 설치된 장소의 공간 난방을 수행하며, 상기 배관부(200)는 바닥면에 매립되어 배관을 순환하는 난방수에 의해 바닥 난방기능을 수행하게 된다.
상기 케이스부(180)의 외주면에는 다수개의 방열핀(181)이 더 형성되어 열 발산 효율을 상승시켜준다.
미설명 부호 M은 난방수 순환펌프이다.
상기 열원부(100)의 상세한 구성을 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열원부의 분해사시도, 도 3은 주요부분 측단면도이다.
상기 열원부(100)는 진공스팀이 발생되는 적어도 하나이상의 열원발생파이프(110)와, 상기 열원발생파이프(110)에 내장되며 난방수가 충전되고 이중 나선형 구조로 형성된 열교환파이프(120)와, 상기 열교환파이프(120)의 저면에 설치되고 진공스팀 발생 시 분사력을 향상시키고 온도상승 효율을 유도하는 분사노즐부(130)와, 상기 열원발생파이프(110)의 저면에 설치되고 소정의 열매체를 수용하며 히팅 발열하여 진공스팀을 생성 및 분사하는 히터부(140)와, 상기 열원발생파이프(110)의 상단에 밀봉 설치되고 상기 열교환파이프(120)의 난방수입수부(121)와 출수부(122)가 노출되도록 설치되는 상단밀폐부(150)와, 상기 상단밀폐부(150)에 설치되어 열원발생파이프(110) 내부의 진공압을 조절하는 진공압조절밸브(160)를 포함한다.
또한 상기 열원발생파이프(110)의 상단에는 난방수보충부(170)가 더 형성되어 상기 열교환파이프(120) 및 배관에 난방수를 보충하여 주게 된다.
상기 열원발생파이프(110)는 진공상태를 유지하며, 내부에서 발생된 진공스팀에 의해 발열되는 기능을 수행한다.
상기 열교환파이프(120)는 상단의 입수부(121)를 시작으로 하방으로 나선형 구조로 형성되어 최저점에서 다시 상방으로 이중 나선형 구조로 겹치게 형성되어 상부 출수부(122)에 도달하도록 구성된다.
이러한 상기 열교환파이프(120)의 이중 나선형구조에 의해 열원발생파이프(110) 내부에서 발생되는 진공스팀과 접촉되는 표면적이 최대화되어, 내부에 흐르는 난방수와의 열교환이 신속하고도 효율적으로 이루어지게 되는 것이다.
상기 분사노즐부(130)는 매우 중요한 구성요소로, 그 구성은 도 4에서와 같이 중앙에 관통공(131)이 형성된 원뿔형태의 다단 구조체로, 각 단의 둘레에는 다수개의 분사공(132)이 형성되고, 단과 단 사이에는 매체가 수용되는 수용홈(133)이 형성되도록 되도록 구성된다.
상기 분사노즐부(130)는 하부의 히터부(140)에서 발생되어 분사되는 진공스팀을 입력받아 관통공(131)을 통해서는 주로 열교환파이프(120)의 내측으로 분사시키고, 다수개의 분사공(132)을 통해서는 진공스팀을 더욱 더 미립 화하여 열교환파이프(120)의 외측둘레 전반에 걸쳐 초고속 분사시켜주게 된다.
이러한 진공스팀 미립화를 통한 분사동작은 상기 열교환파이프(120)의 표면 전반에 걸쳐 골고루 고온스팀이 접촉되는 효과를 부여하여 온도상승 시간이 크게 단축된다.
또한 상기 분사노즐부(130)는 열전도도가 높은 서스(SUS) 재질로 구성된다.
상기 분사노늘부(130)를 서스재질로 구성한 이유는 열전도도가 높아, 진공스팀에 의해 쉽게 온도상승하고, 또 상승된 온도를 유지하기 때문에 열원발생파이프(110) 내부의 온도상승에 기여하도록 하기 위함이다.
또한 이와 같은 분사노즐부(130)를 통한 분사 동작이 수행되면, 초기 고온의 고압 스팀이 열교환파이프(120)의 표면에 접촉하면서 상대적으로 온도가 낮은 열교환파이프(120)의 표면에는 이슬이 맺히게 되고, 이때 생성된 물방울(이슬)은 열교환파이프(120)의 표면을 통해 하부로 낙하하게 된다.
그런데 이때 낙하되는 물방울들은 히터부(140) 측으로 바로 유입되지 않고 상기 분사노즐부(130)의 수용홈(133)에 채워지게 된다.
상기 열교환파이프(120)의 표면에 맺히는 물방울들은 상대적으로 온도가 낮은 물로, 이 물이 후술하는 히터부(140)로 바로 유입되면 히팅 효율이 급격히 떨어지게 된다.
그러나 본 발명에서는 상기 열교환파이프(120)의 표면에 맺히는 물방울들이 고온의 상기 분사노즐부(130)의 수용홈(133)에 채워지면서 온도가 자체 상승하게 된 후, 이후 수용홈(133)으로부터 넘쳐 흘러내려 히터부(140)로 유입되더라도 저온상태가 아니기 때문에 히팅효율이 크게 상승하게 되는 효과를 주게 된다.
상기 히터부(140)는 도 3 및 도 5에서와 같이, 열원발생파이프(110)의 저면, 분사노즐부(130)가 위치한 부위에 밀봉 설치되는 것으로, 하방으로 다수개의 히터(143)가 장착되는 히터장착홈(142)이 형성되고, 상기 히터장착홈(143)의 둘레에는 상기 열원발생파이프(110)의 내부와 연통되고 열매체가 일정량 수용되는 열매체수용홈(142)이 형성된다.
상기 열매체수용홈(142)에 충전되는 열매체는 물을 사용하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 상기 히터부(140)는 히터(143)의 발열로 열매체수용홈(142)에 충전된 물을 가열시켜주며, 이러한 가열에 의해 열매체수용홈(142)에 충전된 물은 진공상태의 열원발생파이프(110)의 내부에서 고압 스팀으로 물리적 변환되어 분사되기 시작한다.
상기 히터부(140)의 동작에 의해 발생된 진공스팀은 열원발생파이프(110)의 내부로 분사되고, 상대적으로 온도가 낮은 열교환파이프(120)와 열교환을 수행한 후, 물방울 상태로 다시 열매체수용홈(142)으로 유입되는 동작을 반복하면서 열원구동의 에너지원으로서의 역할을 수행하게 된다.
이때 상기 열원발생파이프(110)의 내부로부터 유입되는 물의 온도가 상대적으로 높으면 상기 히터부(140)에서 진공스팀을 생성하는 시간이 단축되기 때문에 온도효율이 상승하게 되는 것이다.
미설명부호 144은 히터(143) 지지부이다.
상기 상단밀폐부(150)는 상기 열원발생파이프(110)의 상단에 밀봉 설치되는 것으로, 상기 열교환파이프(120)의 난방수 입수부(121)와 출수부(122)가 노출되도록 구성된다.
상기 입수부(121)는 환수관(P2)을 통해 배관부(200)와 연결되도록 구성되며, 상기 출수부(122)는 난방수보충부(170)에 연결되고, 난방수보충부의 연결관이 출수관(P1)을 통해 배관부(200)와 연결되도록 구성된다.
상기 진공압조절밸브(160)는 상단밀폐부(150)에 설치되어 열원발생파이프(110) 내부의 진공압을 조절하는 밸브로, 그 구성은 도 6에서와 같이 구성된다.
즉 중앙에 통공(161a)을 형성하는 결합 몸체(161)와, 상기 결합 몸체에 나사 결합되는 고정캡(32)의 내부에 스프링(163)에 의해 피스톤(164)을 탄성 내장하여 상기 피스톤(164)이 고정캡(162)의 입구공(162a)을 기밀 차단하되, 상기 고정캡(162)은 전방에 위치하는 너트(165)와 지지볼트(165a)로 나사 결합하여 기밀을 유지함과 함께 상기 너트(165)를 풀고 진공펌프(미 도시)의 진공캡을 지지볼트(165a)에 연결하고 피스톤 가압에 의해 개방하여 열원발생파이프(110) 내부를 진공 조절하도록 구성되는 것이다.
이와 같이 구성되는 진공압조절밸브(160)는 일실시예이며, 다양한 설계 변경이 가능하다.
또한 난방수보충부(170)는 난방수가 충전되는 곳으로, 난방수를 충전할 수 있는 캡부(171)과, 하부에 형성된 복수개의 유출입공(172)와, 상기 유출입공(172)에 탈착 체결되는 연결관(173)을 포함한다.
또한 본 발명에 따르자면, 상기 열원발생파이프(110)는 복수개로 구성될 수 있다.
즉, 제1열원발생파이프(110)와, 제2열원발생파이프(110')로 구성될 수 있으며, 그 구성은 서로 동일하다.
다만, 2개의 열원발생파이프(110,110')이 사용되는 경우, 도 3에서와 같이 제1열원발생파이프(110)의 입수부(121)와 제2열원발생파이프(110')의 출수부(122')를 연결하고, 제1열원발생파이프(110)의 출수부(122)를 제1난방수보충부(170)에 연결하며, 상기 제1난방수보충부(170)의 연결관(173)을 하방으로 연장하여 배관부(200)의 환수관(P2)에 연결한다.
또한 상기 제2열원발생파이프(110')의 입수부(121')를 제2난방수보충부(170')에 연결하며, 상기 제2난방수보충부(170')의 연결관(173')을 하방으로 연장하여 배관부(200)의 출수관(P1)에 연결한다.
이러한 연결 구성은 상기 열원발생파이프(110)의 복수개 사용에 따라 유효적절하게 연결하여 준다.
한편, 상기 열원발생파이프(110)의 외부에는 외주면에 방열핀(181)이 형성된 8자 형태의 케이스부(180)가 장착되고, 상기 케이스부(180)의 하부에는 베이스부(191)가 설치된다.
또한 상기 케이스부(170)의 상부에는 개폐 가능한 덮개부(192)가 형성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작을 살펴본다.
먼저, 진공압조절밸브(160)를 통해 열원발생파이프(110)의 내부에 물(열매체)을 히터부(140)의 열매체수용홈(142)에 충전되도록 하여 준 후, 진공압조절밸브(160)를 통해 상기 열원발생파이프(110) 내부를 진공상태로 만들어 준다.
이때, 도 3을 참조하면 제2열원발생파이프(110')도 동일하게 하여준다.
그런 다음, 각 히터부(140,140')의 히터(143)에 전원을 공급하여 준다.
상기 히터(143)가 발열되면 열매체수용홈(142)에 충전된 물은 가열되기 시작하고 일정한 온도로 상승되면 열원발생파이프(110)의 진공압에 의해 스팀으로 변환되어 상부, 즉 분사노즐부(130)로 고온의 진공 스팀분사를 수행한다.
상기 히터부(140)의 열매체수용홈(142)으로부터 분사된 고온의 진공 스팀은 고전도성 재질인 분사노즐부(130)를 순간 가열시키고, 동시에 상기 분사노즐부(130)는 유입된 진공 분사 스팀을 관통공(131)을 통해서는 주로 열교환파이프(120)의 내측으로 분사시키고, 다수개의 분사공(132)을 통해서는 더욱 미립화시켜 열교환파이프(120)의 외측둘레 전반에 걸쳐 초고속 스팀 분사를 수행하게 된다.
따라서 고온의 고압 스팀이 열교환파이프(120)의 표면에 접촉하면서 열교환이 이루어져 열교환파이프(120) 내부의 난방수의 온도는 상승하게 되고, 동시에 열원발생파이프(110)의 내부 온도는 상승하게 된다.
이러한 스팀 분사에 따른 온도가열 중, 상대적으로 온도가 낮은 열교환파이프(120)의 표면에 맺히는 물방울(이슬)은 열교환파이프(120)의 표면을 통해 하부로 낙하하게 된다.
그런데 이때 낙하되는 물방울들은 히터부(140) 측으로 바로 유입되지 않고 상기 분사노즐부(130)의 수용홈(133)에 채워지면서 일정한 온도로 다시 상승한 다음 히터부(140)로 유입되어 히터부의 히팅효율을 좋게 하여준다.
따라서 상기 열교환파이프(120) 내부에서 온도 상승된 난방수는 제2열교환파이프(120'), 난방수보충부(170)(170'), 출수관(P2), 입수관(P1) 및 배관부(200)를 순환하면서 바닥 난방기능을 수행한다.
동시에 제1 및 제2열원발생파이프(110,110') 내부에서 발생된 열기는 외부 케이스부(180) 및 방열핀(181)을 통해 실내의 공간난방 작용을 수행하게 된다.
100: 열원부 110: 열원발생파이프
120: 열교환파이프 130: 분사노즐부
140: 히터부 150: 상단밀폐부
160: 진공압조절부 170: 난방수보충부
180: 케이스부 191: 베이스부
192: 덮개부 200: 배관부

Claims (5)

  1. 열원부(100)와, 상기 열원부(100)로부터 연장되고 실내공간의 바닥면에 매립 설치되는 배관부(200)를 포함하고;
    상기 열원부(100)는 진공스팀이 발생되는 적어도 하나이상의 열원발생파이프(110)와, 상기 열원발생파이프(110)에 내장되며 난방수가 충전되고 이중 나선형 구조로 형성된 열교환파이프(120)와, 상기 열교환파이프(120)의 저면에 설치되고 진공스팀 발생 시 분사력을 향상시키는 분사노즐부(130)와, 상기 열원발생파이프(110)의 저면에 설치되고 소정의 열매체를 수용하며 히팅 발열하여 진공스팀을 생성 및 분사하는 히터부(140)와, 상기 열원발생파이프(110)의 상단에 밀봉 설치되고 상기 열교환파이프(120)의 난방수입수부(121)와 출수부(122)가 노출되도록 설치되는 상단밀폐부(150)와, 상기 상단밀폐부(150)에 설치되어 열원발생파이프(110) 내부의 진공압을 조절하는 진공압조절밸브(160)를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 스팀을 이용한 난방시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사노즐부(130)는 중앙에 관통공(131)이 형성된 원뿔형태의 다단 구조체로, 각 단의 둘레에는 다수개의 분사공(132)이 형성되고, 단과 단 사이에는 수용홈(133)이 형성된 것을 특징으로 하는 진공 스팀을 이용한 난방시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사노즐부(130)는 서스(SUS) 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 진공 스팀을 이용한 난방시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열원발생파이프(110)의 상단에는 난방수보충부(170)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 진공 스팀을 이용한 난방시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열원발생파이프(110)의 외부에는 외주면에 방열핀(181)이 형성된 케이스부(180)가 장착되고, 상기 케이스부(180)의 하부에는 베이스부(191)가, 상부에는 개폐 가능한 덮개부(192)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 진공 스팀을 이용한 난방시스템.
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