KR100802475B1 - 캐비테이션을 이용한 고온발생 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캐비테이션을 이용한 고온발생 방법 및 그 장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 유체 속을 고속으로 움직이는 물체의 표면의 유압(液壓)이 저하되기 때문에 서로 반대방향으로 회전하는 회전부재의 내측으로 유입된 유체와의 사이에 캐비테이션을 발생시켜 고온의 유체를 얻을 수 있도록 하여 열효율이 높고 환경 문제와 열기관의 유지 관리의 편리성을 증대시킬 수 있으며, 사용의 편의성, 위험 요소의 제거, 비용의 절감 등의 효과가 있는 것에 특징이 있다.

Description

캐비테이션을 이용한 고온발생 방법 및 그 장치{Method for generating high temperature using cavitation and apparatus thereof}

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 고온발생장치의 구조를 보여주는 사시도.

도 2는 본 발명의 기술이 적용된 고온발생장치의 구조를 보여주는 전단면도.

도 3은 본 발명의 요부인 회전부재를 결합 후 절단한 단면도.

도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 요부인 회전부재를 구성하는 회전통 표면의 형태를 보여주는 개략도.

도 5는 본 발명의 요부인 회전부재의 작동시 회전통 주위에 발생되는 공동현상의 부위를 보여주는 예시도.

도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 요부인 회전통에 형성된 홀의 형상을 보여주는 예시도.

도 7은 본 발명의 다른 실시예를 보여주는 개략도.

도 8은 공동현상계수와 유속과의 관계를 보여주는 그래프.

도 9는 유체가 회전통의 통공을 관통하였을 때의 과정을 보여주는 단면도.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※

10 : 제1회전부재 20 : 제2회전부재

11,21 : 유입구 10a,10b,20a,20b : 회전통

10a-1,10b-1,20a-1,20b-1 : 통공

12,22 : 원판 30 : 본체

31 : 유출구

본 발명은 캐비테이션을 이용한 고온발생 방법 및 그 장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 유체 속을 고속으로 움직이는 물체 표면의 유압(液壓)이 저하되기 때문에 서로 반대방향으로 회전하는 회전부재의 내측으로 유입된 유체와의 사이에 캐비테이션을 발생시켜 고온의 유체를 얻을 수 있도록 한 공동현상을 이용한 고온발생 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 난방 및 온수 공급 장치로서 대표적으로 사용되는 보일러는 물을 일정 온도로 가열시켜 공급관을 통하여 공급하고 그 열의 복사열로 난방을 한 후 순환 펌프로 복귀시키는 구조이다. 이러한 보일러는 가정에서는 난방 및 온수 공급장치로서, 산업 현장에서는 산업 활동에 필요한 동력발생장치로서 우리 생활과 밀접히 관련되어 있다.

최근 보일러는 기술 발전으로 인하여 성능이 향상되면서 취급이 간편해진 반면, 구조가 복잡해서 시공, 정비, 보수에 있어서 고도의 기술을 필요로 하고 있다. 동시에 보일러의 취급에 수반되는 부대시설 및 연료에 대한 효과적인 열관리도 중요하게 대두 되고 있다.

그러나 지금까지의 보일러는 연료(기름, 전기 또는 가스)를 사용하여 열원을 제공하고, 순환 펌프를 가동시켜 난방 및 온수를 공급하는 기본 개념은 바뀌지 않고, 다만 연료손실절감 차원과 순환 펌프의 성능 개선에 관해서만 연구 개발이 이루어져 왔다.

따라서 지금까지의 보일러는 일반적으로 가스나 기름보일러의 경우 연소실을 구비하거나 전기보일러의 경우 발열체를 이용하여 온도를 상승시킨 후 이를 순환 펌프를 이용하여 순환시키는 시스템으로 이루어져 있다.

상기와 같은 종래 구조를 개선하고자 대한민국 실용신안등록 제393281호 및 대한민국 공개특허 제2006-115302호가 제안된바 있다. 상기한 선등록된 대한민국 실용신안등록 제393281호 및 대한민국 공개특허 제2006-115302호는 고정자와 회전자의 원통형 돌출부 사이 또는 그의 내부에 체적 팽창을 이룰 수 있는 다수의 관통 홀을 형성하고, 회전자에 고속회전력을 제공함으로써, 홀 내에서 유체 분자의 마찰로 인해 발생하는 열을 이용하여 외부의 가열원이 없이도 기체 또는 유체를 일정 온도까지 가열시킬 수 있는 구조이다.

그러나 상기한 대한민국 실용신안등록 제393281호 및 대한민국 공개특허 제2006-115302호는 단열 압축과 등온 팽창의 과정을 통해서 유체를 가열하는 것을 알 수 있으며 대한민국 공개특허 제2006-115302호의 공개공보에 기재된 도 3의 2단계의 경우 틈 사이에서 와류가 발생하는 것을 알 수 있으며 이는 볼텍스 이론을 설명하는 것으로 1단계에서 4단계의 과정을 반복하면서 열을 발생하는 방식으로 이는 열효율이 낮은 단점이 있다.

한편 러시아 특허출원 제2002119773/06호(출원일 2002. 07. 22. 명칭 : cavitation-vortex heat generator), 러시아 특허출원 제2004120521/06호(2004.07.05. 명칭 : cavitation-turbulent heat generator)가 있으며 상기 러시아 특허의 경우에는 다수의 홀을 회전 디스크의 바깥쪽에 위치하게 함으로써 공동현상을 발생시키는 방법을 택하였으나, 그 회전 디스크가 세로 방향으로 되므로 안쪽 홀과 바깥쪽 홀의 회전 속도의 차이가 심하고 또한 공동현상을 일으킬 수 있는 면적을 보다 넓힐 수 있는 방법이 따로 존재한다.

본 발명은 상기한 종래 구조를 감안하여 안출한 것으로서 이의 목적은 열효율이 높고 환경 문제와 열기관의 유지 관리의 편리성을 증대시킬 수 있으며, 사용의 편의성, 위험 요소의 제거, 비용의 절감 등을 제공할 수 있는 캐비테이션을 이용한 고온발생 방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.

상기한 본 발명의 목적은 서로 반대방향으로 회전하면서 환형홈이 서로 끼워져 회전하는 제1회전부재 및 제2회전부재의 유입구로부터 내측으로 유입된 유체가 회전통의 경사각을 형성하면서 관통된 다수의 통공을 통과하여 표면이 거칠게 형성 된 원판에 부닥치어 기포가 형성되고 상기 형성된 기포는 다단으로 배열된 통공을 관통하면서 폭발하여 유체가 열에너지를 흡수하게 되어 고열이 되어 본체의 유출구를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 고온발생 방법에 의하여 달성되며,

상기한 본 발명의 발명은 양측으로 회전부재가 삽입 설치되도록 개방되고 일측부에는 유체가 배출되는 유출구가 형성된 본체에는 유입구가 일체로 형성된 원판의 반대쪽으로는 동심원상의 제1회전통 및 제2회전통에는 경사각을 갖는 다수의 통공을 형성하되 제1회전통 및 제2회전통 사이에는 환형홈이 구비된 제1회전부재 및 제2회전부재가 설치되어 상기 제1회전부재 및 제2회전부재가 서로 반대방향으로 회전하면서 유체가 통공을 관통하도록 한 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 고온발생 장치에 의하여 구현된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도 1은 본 발명의 기술이 적용된 고온발생장치의 구조를 보여주는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 기술이 적용된 고온발생장치의 구조를 보여주는 전단면도로써, 이에 따르면 본 발명은 환형홈(40)에 서로 끼워져 회전하는 제1회전부재(10) 및 제2회전부재(20)의 유입구(11)(21)로부터 내측으로 유입된 유체가 회전통(10a)(10b)(20a)(20b)의 경사각을 형성하면서 관통된 다수의 통공(10a-1)(10b- 1)(20a-1)(20b-1)을 통과하여 표면이 거칠게 형성된 원판(12)(22)에 부닥치어 기포가 형성되고 상기 형성된 기포는 다단으로 배열된 통공(10a-1)(10b-1)(20a-1)(20b-1)을 관통하면서 폭발하여 유체가 열에너지를 흡수하게 되어 고열이 되어 본체(30)의 유출구(31)를 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 고온발생 방법에 의하여 달성된다.

상기한 본 발명의 방법은 양측으로 회전부재(10)(20)가 삽입 설치되도록 개방되고 일측부에는 유체가 배출되는 유출구(31)가 형성된 본체(30)에는 유입구(11)(21)가 일체로 형성된 원판(12)(22)의 반대쪽으로는 첨부도면 도 3에 도시된 바와 같이 동심원상이면서 원통 형상의 제1회전통(10a) 및 제2회전통(10b)에는 경사각(기울기)을 갖는 다수의 통공(10a-1)(10b-1)을 형성하되 제1회전통(10a) 및 제2회전통(10b) 사이에는 환형홈(40)이 구비되되 상기 환형홈(40)에는 제1회전통(20a) 및 제2회전통(20b)이 삽입 설치되며 상기 제1회전부재(10) 및 제2회전부재(20)가 서로 반대방향으로 회전하면서 유체가 통공(10a-1)(10b-1)(20a-1)(20b-1)을 관통하도록 한 구조로 이루어진 캐비테이션을 이용한 고온발생장치에 의하여 구현된다.

상기 원통 형상의 제1회전통(10a)(20a) 및 제2회전통(10b)(20b)을 첨부도면 도 7에 도시된 바와 같이 원뿔형상으로 형상을 변경하여 사용할 수도 있다. 한편 상기 제1회전통 및 제2회전통에는 경사각을 갖는 다수의 통공은 서로 반대로 대향되게 형성되는 것이 바람직하다. 또한 통공의 형상을 바람직한 실시예와 같이 입구를 원형으로 형성시킬 수도 있으나 첨부도면 도 6에 도시된 바와 같이 직사각형, 타원형의 형태로 형성시켜 사용할 수도 있다.

상기 제1회전통(10a)(20a) 및 제2회전통(10b)(20b)의 표면은 첨부도면 도 4a 내지 도 4e에 도시된 바와 같이 표면으로부터 돌출 형성된 돌기가 반구형, 사각형, 모래를 평면상에 뿌려 놓은 것 같은 거친 표면, 널링(knurling) 처리된 표면, 각뿔형상으로 표면을 거칠게 형성시키거나 음각과 양각이 반복되는 엠보싱을 형성시켜 사용할 수도 있다. 상기와 같이 제1회전통(10a)(20a) 및 제2회전통(10b)(20b)의 표면을 거칠게 형성시키는 이유는 표면이 거칠면 공동현상이 50% 이상 증가하기 때문이다.

상기와 같은 구조로 이루어진 본 발명의 작동 및 효과를 설명하면 첨부도면 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 서로 반대방향으로 회전하면서 환형홈(40)에 제1회전통(10a) 및 제2회전통(10b) 사이에 반대방향에 설치되는 회전부재의 제1회전통(20a) 및 제2회전통(20b)이 환형홈(40)에 끼워져 형성된 본 발명의 고온발생 장치의 내측으로 유입구(11)(21)를 통해 유체가 유입된다.

이때 상기 통공(10a-1)(10b-1)(20a-1)(20b-1)은 경사각(기울기)을 형성하게 되는데 상기 경사각은 유체의 속도를 증가시키는 원인이 되며 직공으로 통공(10a-1)(10b-1)(20a-1)(20b-1)이 형성되어 있을 때보다 5~10%의 속도증가 효과를 얻을 수 있다.

상기 유입된 유체 속을 고속으로 움직이는 물체의 표면은 유압(液壓)이 저하하는데 그렇게 되면 압력이 유체의 포화증기압보다 낮아진 범위에서 증기가 발생하거나 유체 속에 녹아 있던 기체가 나와서 기포를 발생하게 되는데 이를 공 동(Cavitation)이라 한다.

상기 공동을 형성시키는 과정은 유입구(11)(21)를 통해 유입된 유체는 제1회전부재(10)의 제1회전통(10a)의 통공(10a-1)을 통과하게 되는데 상기 제1회전부재(10)의 제1회전통(10a)의 통공(10a-1)을 통과한 유체는 인접하여 회전하는 제2회전부재(20)의 제1회전통(20a)의 통공(20a-1)과의 사이에서 위치별 상태를 살펴보면 첨부도면 도 9에 도시된 바와 같이 상기 제1회전부재(10)의 제1회전통(10a)의 통공(10a-1)과 제2회전부재(20)의 제1회전통(20a)의 통공(20a-1)의 중심이 순간적으로 일치하면 유압에 의하여 유체는 제1회전부재(10)의 제1회전통(10a)의 통공(10a-1)과 제2회전부재(20)의 제1회전통(20a)의 통공(20a-1)을 그대로 통과하게 된다.

그러나 제1회전부재(10)의 제1회전통(10a)의 통공(10a-1)과 제2회전부재(20)의 제1회전통(20a)의 통공(20a-1)의 중심이 일치하지 않으면 제1회전부재(10)의 제1회전통(10a)의 통공(10a-1)을 통과한 유체는 제2회전부재(20)의 표면에 충돌하게 되며 상기 표면이 첨부도면 도 4에 도시된 바와 같이 거칠게 형성되어 있기 때문에 비산되면서 기포를 발생시키게 된다.

따라서 제1회전부재(10)의 제1회전통(10a)의 통공(10a-1)을 통과한 유체는 제2회전부재(20)의 제1회전통(20a)과 사이에서 기포를 형성시키게 되는 것이며, 상기 발생된 기포는 압력에 의해 폭발을 일으키게 된다.

상기 기포 발생과 동시에 폭발이 반복적으로 일어나는 것을 공동이라 하는 것이며 이런 작은 공동들이 합쳐져서 그 크기가 증가하다가 한계크기 이상이 되거나 압력이 포화증기압 보다 높아지면 폭발이 일어나게 된다. 이때 공동 내부 압력 은 약 1,000기압, 온도는 5,000℃ 이상이 되므로 공동을 일으켜 유체가 고온이 된다.

공동현상은 유체의 속도 변화에 민감한 반응을 보이는데, 일정부분까지는 비례하나 그 이후에는 오히려 공동현상을 줄이는 결과를 나타낸다.

예컨대 첨부도면 도 8에 도시된 바와 같이 유속이 10,000mm/s에서부터 공동현상이 발생하며 45,000mm/s를 넘어서면 오히려 효율이 줄어들게 되며, 20,000~40,000mm/s 사이에서 최고의 효율을 보였다.

한편 위에 언급된 표면처리를 통하여 회전 원통의 속도를 동일하게 하였을 때 유속은 3%이상의 증가를 보였다.

이론적으로 공동현상이 일어나는 초기 조건에는 레이놀즈 수와 밀접한 관련이 있으며 이런 레이놀즈 수 Re는 유체의 속도 V(m/s)와 관의 직경 D(m)와 유체의 동점성계수 사이에 수학식 1과 무차원수로 표시된다.

이때 Re의 값이 4000 이상 일 때는 항상 난류가 된다. Re의 값이 클수록 공동현상이 잘 일어나게 되며, 이는 속도와 가장 밀접한 관계를 가지게 되며, 또한, 공동현상 계수를 아래와 같이 정의하고 이것을 속도와의 관계를 실험하게 되면 첨부도면 도 8에 도시된 그래프와 수학식 2에서 알 수 있듯 공동현상계수와 유속과의 관계와 같이 속도의 증가에 비례하여 공동현상이 증가함을 알 수 있다.

σ : 공동현상계수(cavitation index)

P_∞ : 유압, V_∞ : 유속, ρ : 유체의 밀도, P_V : 유체의 포화증기압

상기와 같이 첨부도면 도 5 내지 도 9에 도시된 바와 같이 반폭적으로 공동을 일으키면서 제1회전부재(10)의 제1 및 제2회전통과 제2회전부재(20)의 제1 및 제2회전통을 통과한 유체는 본체(30) 내측에 수용되었다가 유출구(31)를 통해 배출되는 것이다.

한편 첨부도면 도 7에 도시된 바와 같이 제1 및 제2회전통을 원통형과 원뿔형으로 형성시킬 수도 있으며 이 경우 그 표면적(원판, 원통 및 원뿔의 표면적 비교)은

원판형의 표면적 = πr² (π: 원주율, r:반지름)

원통형의 표면적 = 2πrd (d: 원통의 폭)

원뿔의 표면적 = (1/2)R²θ - (1/2)r²θ

(R : 원뿔을 전개했을때 반지름, θ : 원뿔을 전개했을때 각, r : 원뿔의 윗면(원)의 반지름)

위 식중 r < 2d 이면 즉, d가 r/2보다 크다면 보다 효율적으로 표면적을 증가 시킬 수 있으며, 원통을 중첩시키면 보다 효율적으로 공간을 활용할 수 있게 되며, 이보다 원뿔형으로 하게 되면 더욱 넓은 면적을 확보할 수 있으나, 공간 활용 면에서는 원통형이 원뿔형에 비해 좋으므로 조건에 따라서 원통형과 원뿔형을 사용 가능하다.

이와 같은 구조로 이루어져 작동하는 본 발명은 유체 속을 고속으로 움직이는 물체의 표면의 유압(液壓)이 저하되기 때문에 서로 반대방향으로 회전하는 회전부재의 내측으로 유입된 유체와의 사이에 캐비테이션을 발생시켜 고온의 유체를 얻을 수 있도록 하여 열효율이 높고 환경 문제와 열기관의 유지 관리의 편리성을 증대시킬 수 있으며, 사용의 편의성, 위험 요소의 제거, 비용의 절감 등의 효과가 있다.

Claims (9)

1. 서로 반대방향으로 회전하면서 환형홈에 제1회전통 및 제2회전통이 서로 끼워져 회전하는 제1 및 제2회전부재의 유입구로부터 내측으로 유입된 유체가 회전통의 경사각을 형성하면서 관통된 다수의 통공을 경유하여 표면이 거칠게 형성된 원판에 부닥치어 기포가 형성되고 상기 형성된 기포는 폭발하여 다단으로 배열된 통공을 관통하면서 기포형성과 폭발을 반복하면서 유체가 열에너지를 흡수하여 본체의 유출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 고온발생 방법.
2. 양측으로 회전부재가 삽입 설치되도록 개방되고 일측부에는 유체가 배출되는 유출구가 형성된 본체에는 유입구가 일체로 형성된 원판의 반대쪽으로는 동심원상의 제1 및 제2회전통에는 경사각을 갖는 다수의 통공을 형성하되 제1회전통 및 제2회전통 사이에는 환형홈이 구비된 제1회전부재 및 제2회전부재가 설치되어 상기 제1회전부재 및 제2회전부재가 서로 반대방향으로 회전하면서 유체가 통공을 관통하도록 한 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 고온발생 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 회전통에 형성된 통공이 인접하는 회전통의 통공과 반대로 형성된 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 고온발생 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 제1회전통 및 제2회전통의 표면이 돌출 형성된 돌기가 반구형, 사각형 및 사각뿔형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 고온발생 장치.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 제1회전통 및 제2회전통의 표면이 모래를 평면상에 뿌려 놓은 것 같은 거친 표면, 널링(knurling) 처리된 표면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 고온발생 장치.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 제1회전통 및 제2회전통의 표면에는 엠보싱이 형성된 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 고온발생 장치.
7. 제 2 항에 있어서, 상기 제1회전부재 및 제2회전통가 원뿔형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 고온발생 장치.
8. 제 2 항에 있어서, 상기 통공이 직사각형으로 형성된 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 고온발생 장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 통공을 관통하는 유체의 유속이 10,000mm/s ~ 45,000mm/s 이내인 것을 특징으로 하는 캐비테이션을 이용한 고온발생 방법.

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