상변화물질이 충전된 이중 파형통을 이용한 축열식 보일러

일반적으로 잠열(latent heat)이란 어떤 물질이 상전이 될 때, 즉 고체에서 액체(또는 액체에서 고체), 액체에서 기체(또는 기체에서 액체)가 될 때 흡수하거나 방출하는 열을 의미하며, 상전이가 일어나지 않은 상태에서 온도 변화에 따라 흡수 또는 방출하는 열인 현열(sensible heat)보다 축열용량이 매우 크다는 특징이 있다. 예를 들어, 물의 경우 섭씨 0도 얼음(고체)에서 물(액체)로 바뀔 때 1g당 80cal(335J)의 열을 흡수하고, 이러한 열은 같은 양의 섭씨 0도의 물을 80도까지 올릴 때 필요한 열량과 같다. 이처럼, 잠열의 큰 열흡수/방출 효과를 이용하여 에너지를 저장하거나 온도를 일정하게 유지시키는 목적으로 사용되는 물질을 잠열 저장물질, 상전이 물질 또는 상변화물질(Phase Change Material, PCM)이라 한다. 상전이 온도 및 잠열량 등은 그 물질의 고유한 특성이어서, 물질마다 다르며 사용 목적에 따라 적당한 물질을 선택할 경우 일상 생활에 유용하게 쓰일 수 있다. 현재 국내 가정에서 가장 널리 사용되는 난방시스템은 보일러에 의한 가열 방식으로, 실내의 바닥에 파이프를 깔고 보일러에 의해 가열된 물이 배열된 파이프를 순환하며 열이 공급되어 실내의 온도를 높이게 되는 원리이다. 상기 보일러는 사용되는 에너지원이나 작동 방식에 따라 기름보일러, 가스보일러, 전기보일러 등으로 그 종류가 구분되고, 심각한 에너지난과 고유가 문제를 해결하기 위해 열효율을 최대한 높일 수 있는 에너지 절약형 보일러들이 꾸준히 개발되고 있다. 상기한 보일러 중에는 심야 시간대에 남아도는 전기를 이용하여 낮은 요금으로 보일러를 사용할 수 있도록 함으로써, 주간 시간대에 편중되어 있는 전력생산 설비의 효율성을 높이고 전력수요의 평준화를 목적으로 하는 심야전기보일러가 있다. 상기 심야전기보일러는 심야 시간대에 히터를 작동시켜 저장 탱크 내에 저수되어 있는 많은 양의 물을 가열하였다가 저장된 열을 주간 시간대에 사용하도록 구성되어, 고유가 시대의 기름보일러에 비해 난방비를 크게 줄이고 전기에너지 효율성을 높일 수 있다는 장점이 있다. 하지만 기존의 심야전기보일러는 물의 현열을 이용하는 수축열식 난방으로, 저장되는 물의 양에 따라 탱크의 규모가 대형화되고 그에 따른 설치비와 운전비가 증가하는 단점이 있어, 이를 보완하고자 상변화물질(PCM)을 매개체로 하여 부피가 축소되고 더욱 높은 열효율을 얻을 수 있는 잠열 축열식 보일러가 개발되고 있다. 본 발명에 앞서 등록실용신안 제20-0316469호에서는 난방용 수조에 난방 지역을 경유하는 난방관이 배관 되는 순환수 유출구와 순환수 유입구 및 용수를 보충하는 보충수관이 배관된 전기보일러에 있어서, 난방용 수조의 내측 중앙에는 축열물질이 충진된 축열조를 상, 하단이 난방용 수조의 바닥과 천장에 맞닿게 고정 설치하되, 축열조의 상, 하부에는 공기유로에 의해 연결되는 공기실이 형성되며, 공기유로와 직각 방향으로는 난방용 수조의 용수가 유동할 수 있는 용수이동구멍을 공기유로와 엇갈리게 형성하되, 난방용 수조의 하측과 축열조의 하측 공기실에는 각각 적어도 한 개소 이상의 전기히터를 설치하며, 난방용 수조와 축열조에는 각각 온도감지센서를 설치하되, 이들은 난방용 수조 외부에 부착되며 상기 전기히터를 제어하는 컨트롤박스와 전기적으로 연결하여 난방용 수조내의 용수나 축열조 내의 축열물질이 일정온도 이상에서 전기히터를 OFF시키고 일정온도 이하에서는 전기히터를 ON시키도록 한 것을 특징으로 하는 축열물질을 이용한 전기보일러를 제시하였다. 또한, 등록실용신안 제20-0428527호에서는 지지대의 상측으로 외부가 보온재로 감싸지며 내부에 열매체유가 충진된 매체조와, 매체조에 설치한 소켓과, 소켓에 결합되어 열매체유에 침지되는 전기히터 및 온도센서와, 전기히터 및 온도센서와 전기적으로 연결되는 제어부와, 매체조의 상부에 설치되며 열매체유가 가온 팽창되는 것을 수용하는 팽창조와, 매체조의 내측에 설치되는 축열물질이 충진되어 있는 축열조와, 축열조의 좌우측에 배치되며 난방지역을 경유하는 난방관이 배관되도록 유입구 및 유출구가 각각 구비되고 순환관으로 연결 구성되는 온수조와, 팽창조와 축열조 및 온수조에 각각 설치된 감압밸브를 포함하는 것으로서, 축열조에 충진되어 있는 흡열 및 축열 효과가 우수한 축열물질이 열매체유를 통해서 가열되고, 열매체유에 잠열을 지속적으로 제공하여 온수조 내의 용수를 가열 난방하는 전기보일러를 제시하였다. 상기의 전기보일러들은 축열물질을 이용하여 잠열을 통해 기존의 수축열식 보일러 방식보다 훨씬 높은 열효율을 갖도록 하였으나 그 구조에 있어서, 상기 보일러 내부에서 축열물질을 저장하기 위해 별도로 구비되는 축열조를 단일하게 구성하여 전열면적이 협소하고 구성이 복잡하며, 상기 축열물질의 상전이에 따른 부피 변화에 대해 유연한 대처 수단이 구비되지 못하여 상기 축열조의 파손이 잦고 교체 및 수리시 많은 노동력과 비용이 소모된다는 구성의 한계가 있다.