KR100934244B1 - 원심발열펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소물에 의한 발열체 없이 타공 디스크의 회전구동을 통한 물 분자의 충돌로서 열을 발생시키는 원심발열펌프를 개시한다. 본 발명의 구성은 일단에 유체가 유입되는 유입구가 형성되고 타단에 유입된 유체가 토출되는 유출구가 형성된 하우징; 상기 하우징에 회전가능하게 설치되고 일단이 상기 구동수단에 연결되어 연동되는 샤프트축; 및 상기 샤프트축에 삽입고정되고 양측면의 둘레를 따라 다수의 관통공이 형성된 적어도 하나의 타공 디스크로 이루어진데 특징이 있다.

하우징, 온수, 타공 디스크

Description

원심발열펌프{CENTRIFUGAL HEAT PUMP}

본 발명은 원심발열펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소물에 의한 발열체 없이 타공 디스크의 회전구동을 통한 물 분자의 충돌로서 열을 발생시키는 원심발열펌프에 관한 것이다.

일반적으로, 난방이나 온수의 공급장치로 널리 사용되고 있는 것이 보일러이다. 이러한 보일러는 물을 일정시간 동안을 가열하고 배관을 통해 급수시설이나 난방시설로 공급한다. 여기서 물을 가열하기 위한 수단으로써 별도의 연소실을 구비하여 물을 가열하는 것이 보통이다.

근래에 보일러는 기술의 발전으로 인하여 성능이 향상되면서 취급이 간편해진 반면에, 구조가 복잡해져 시공, 정비, 보수에 있어서 고도의 기술을 요하게되는 문제점이 있다. 또한 보일러 취급에 수반되는 부대시설비용 및 고유가에 따른 연료수급에 대한 부담도 증대되고 있는 실정이다.

이러한 문제점을 해소하고자 종래에는 연료손실절감의 위한 다양한 형태의 에너지절감 보일러들이 개시되었다. 그러나 이러한 에너지절감 보일러도 종래의 보 일러와 동일하게 석유, 가스, 석탄 등의 연료를 연소시켜 물을 가열하는 방식으로 획기적으로 에너지를 절약하는데는 한계에 직면할 수 밖에 없었다.

특히, 최근에는 에너지 부존자원이 고갈되어 에너지 전량을 외국에서 수입하고 있는 실정이다. 이와 같은 장기간에 걸친 고유가로 인해 대체 에너지수단의 필요성이 더욱 증대되고 있다.

또한 기후협약의 발효로 국가별 에너지 절약을 위한 법률제정 등 에너지 자원에 대한 안보가 그 어느 때보다 중요한 상황이다. 따라서 비화석연료의 사용을 통한 난방/급탕설비의 개발이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 위와 같은 필요에 의해 창안된 것으로서, 연소물에 의한 발열체 없이 타공 디스크의 회전구동을 통한 물 분자의 충돌로서 열을 발생시키는 원심발열펌프를 제공하는데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 형태에 따르면, 구동수단의 회전에 의한 캐비테이션 발생으로 유체 분자를 마찰시켜 유체를 가열하고 토출시키는 원심발열펌프로서, 일단에 상기 유체가 유입되는 유입구가 형성되고 타단에 유입된 유체가 토출되는 유출구가 형성된 하우징; 상기 하우징에 회전가능하게 설치되고 일단이 상기 구동수단에 연결되어 연동되는 샤프트축; 및 상기 샤프트축에 삽입고정되고 양측면의 둘레를 따라 다수의 관통공이 형성된 적어도 하나의 타공 디스크를 포함힌 원심발열펌프가 제공된다.

상기 타공 디스크의 외주면에는 상기 관통공에 수직하게 각각 연통되도록 측면공이 형성된 것이 바람직하다.

상기 타공 디스크의 가장자리에 인접하도록 상기 하우징의 내부에는 적어도 하나의 단턱 부재가 삽입될 수 있다.

상기 단턱부재는 내주면을 따라 단턱이 형성된 단턱 링일 수 있다.

상기 하우징의 내주면은 유체 분자의 충돌을 활성화 하도록 다수의 돌기가 일정면적만큼 형성된 것이 바람직하다.

상기 타공 디스크의 관통공 또는 측면공의 적어도 어느하나의 내주면에는 다수의 돌기가 형성된 것이 바람직하다.

상기 타공 디스크의 외주면과 상기 하우징의 내부면의 간격은 0.1 mm ~ 0.5 mm인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 첫째, 연소물에 의한 발열체 없이 타공 디스크의 회전구동을 통한 물 분자의 충돌로서 열을 발생함으로써 타공 디스크를 회전시키는 최소한의 에너지로 고열량의 에너지를 발생하므로 효율적인 효과가 있다.

둘째, 하우징 내부에서 물분자들의 충돌로서 열이 발생되므로 외부로 빼앗기는 열손실을 현저하게 줄일 수 있는 효과가 있다.

셋째, 다양한 구동수단에 연결하여 사용할 수 있으므로 범용으로 적용될 수는 효과가 있다.

넷째, 구조가 간단하여 설치 및 보수가 용이하고 종래의 보일러실의 점유면적을 획기적으로 줄일 수 있어 건물의 공간효율을 향상시킬 수 있다.

다섯째, 화석연료를 연소매체로 사용치 않고 물분자의 마찰운동을 통해 유체를 가열할 수 있어 친환경적인 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 원심발열펌프의 단면을 나타내는 측단면도이고, 도 1b는 도 1a의 A부분 확대도이며, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 원심발열펌프의 타동 디스크를 나타내는 사시도이다.

도 1a 내지 도 2와 같이, 본 발명의 원심발열펌프는 하우징(10), 샤프트축(20), 및 타공 디스크(30)로 크게 구성된다.

상기한 구성에 있어서, 하우징(10)은 내부의 타공 디스크(30)가 원활히 회전할 수 있도록 원통형으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 일측면에는 외부에서 공급되는 유체(물)이 유입되기 위한 유입구(12)가 형성된다. 한편, 하우징(10)의 타측면에는 가열된 물이 토출되도록 유출구(14)가 형성된다. 여기서 유입되는 물은 통상 가열되지 않은 냉수이므로 유입구(12)는 하우징(10)의 하부에 형성되고, 반면 토출되는 유출수는 가열된 온수이므로 상승작용을 함에 따라 유출구(14)는 하우징(10)의 상부에 형성되는 것이 바람직하다.

상기한 구성에 있어서, 샤프트축(20)은 하우징(10) 내에 관통형성된다. 이때 샤프트축(20)에는 베어링들(22,24)이 각각 삽입될 수 있어, 하우징(10)에 회전가능하게 고정된다. 또한 사프트축(20)의 말단에는 구동수단(미도시)에 결합되어 연동되도록 키홈(26)이 일단에 형성될 수 있다.

상기한 구성에 있어서, 타공 디스크(30)는 샤프트축(20)에 삽입되어 고정되도록 결합공(H)이 형성된다. 즉, 상기 샤프트축(20)의 회전력은 타공 디스크(30)로 전달됨으로써 서로 연동된다. 이러한 타공 디스크(30)는 경우에 따라 하나 또는 다수개가 설치될 수 있으며, 다수개가 설치되는 경우에는 도면과 같이 간격조절을 위한 베어링(40)이 장착될 수 있다. 즉, 타공 디스크(30)가 증가하면 할 수록 물분자의 충돌(캐비테이션 현상)이 증가되어 토출되는 온수의 온도는 고온을 유지할 수 있다.

또한 타공 디스크(30)의 양측면의 가장자리면에는 원주방향으로 다수의 관통공(32)이 형성된다.

여기서 관통공(32)에 수직하도록 타공 디스크(30)의 외주면에는 각각 측면공(34; 도 1b 및 도 2 참조)이 형성될 수도 있다. 또한 타공 디스크(30)의 측면공(43)이 형성된 외주면과 하우징(10)의 내부면의 간격은 긴밀한 간격을 유지하는 것이 바람직히다. 즉 타공 디스크(30)의 와류발생시 보다 강력한 캐비테이션이 발생되도록 긴밀한 간격을 갖는 것이 좋다. 예컨데 0.1 mm 내지 0.5 mm인 것이 설계상 유효하다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 원심발열펌프의 사용상태를 나타내는 상태도이다. 도 3과 같이 본 발명의 원심발열펌프는 다음과 같은 작용을 한다. 우선 외부의 공급수가 유입구(12)를 통해 하우징(10) 내부로 공급된다.

이와 같이 입수된 공급수는 회전하는 타공 디스크(30)에 의해 와류를 형성한다. 이때 타공 디스크(30)에 형성된 관통공(32)에 의해 물분자들이 서로 충돌을 일으키게 된다.

즉, 제1타공 디스크(30a)와 하우징(10) 사이의 공간(이하, 제1공간부(S1))에 유입된 공급수는 와류작용에 의해 제1타공 디스크(30a)의 외주연 측으로 쏠리게 된다. 이어 타공 디스크(30a)의 원주방향으로 형성된 관통공(32)에 의해 유입되어 측면공(34)으로 배출된다. 이러한 과정속에서 물에 포함된 물분자들은 강력한 충돌(캐비테이션 현상)을 일으키게된다.

특히 측면공(34)에서 분출되는 물흐름이나 디스크 회전에 의해 부딛친 물흐름은 하우징(10)의 내주면으로 다시 부딪혀 지속적인 충돌현상을 일으키게 된다. 이러한 충돌현상에 따른 물분자의 마찰로 인해 물은 자연적으로 가열될수 있다. 여기서 샤프트축(20)의 회전속도는 2,000 ~ 10,000 rpm 정도의 고속으로 회동됨으로써 물분자의 충돌을 보다 가속화하는 것이 바람직히다.

한편, 도 3과 같이 제1 내지 제3 타공 디스크(30a,30b,30c)가 마련된 경우에는 유체의 흐름은 화살표 방향과 같다. 즉, 상술한 케이테이션 현상으로 물분자의 충돌을 일으켜 물의 온도를 1차로 상승시키고, 이어 제2 타공디스크(30b)가 형성된 공간으로 유체의 흐름을 유도할 수 있다.

이에 따라 전술한 유체의 케비테이션 현상은 제2공간부(S2)에서도 동일하게 일어날 수 있다. 그러나 제2공간부(S2)에서는 양측에 제1 타공디스크(30a)와 제2 타공디스크(30b)가 회전됨으로써 보다 강한 물분자의 충돌이 형성된다. 이에 따라 제1공간부(S1)에서의 가열된 물은 제2공간부(S2)에서 보다 높은 온도를 갖게 되는 것이다. 이와 같은 일련의 작용을 통해 제3공간부(S3) 및 제4공간부(S4)를 통해 배출되는 물의 온도는 더욱 높은 온도를 갖게 되는 것이다.

즉, 3장의 디스크(30a.30b,30c)가 고속으로 회전함으로써 하우징(10) 내부의 공간에 캐비테이션이 발생하고 이때 물분자들은 서로 충돌하게 됨으로써 물분자의 마찰이 발생하게 된다. 이러한 일련의 작용을 4차(제1 내지 제4공간부)에 거쳐 실시함으로써 공급수를 온수로 변화시킬 수 있는 것이다.

이때 각 공간부에서 토출되는 온수는 전 공간부의 입수온도 대비 20~50℃ 정도의 온도상승을 기대할 수 있다. 따라서 최초에 유입구(12)를 통해 입수된 물은 상기한 4개의 공간부를 거치면서 최대 250℃까지 상승되어 일부가 기체로 변환될 정도의 고온수로 토출될 수 있는 것이다.

한편, 상술한 바와 같이, 본 발명의 원심발열펌프는 얼마나 물분자의 충돌(캐비테이션)을 높일 수 있냐가 고온의 온수를 제공할 수 있는 주요 인자이다.

이러한 점을 감안하여 다음과 같은 다양한 변형예를 가질 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 원심발열펌프의 단면을 나타내는 측단면도이고 도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 원심발열펌프의 단면을 나타내는 측단면도이며, 도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 원심발열펌프의 타공 디스크의 단면을 나타내는 부분 단면도이다.

우선, 도 4와 같이, 하우징(10)의 내주면에는 단턱 부재가 장착될 수 있다. 상기 단턱부재는 다양한 형상을 가질 수 있으나 도면에 도시한 바와 같이, 격자모양을 갖는 단턱 링(60)일 수 있다.

이러한 단턱 링(60)은 타공 디스크(30)의 가장자리에 인접하도록 하우징(10)의 내부에 삽입되어 고정될 수 있다. 보다 바람직하게 단턱 링(60)은 그 말단이 측면공(34) 및 관통공(32)의 출구 중간이 위치하도록 형성되는 것이 바람직하다. 이 에 따라 측면공(34) 및 관통공(32)에서 토출되는 유체가 단턱 링(60)의 모서리부에 충돌됨으로써 물분자의 마찰력을 보다 배가시킬 수 있다.

한편, 도 5와 같이 하우징(10)의 내주면에는 타공 디스크(30)의 회전에 의해 유체가 가장자리측으로 쏠리게 되면(와류발생), 하우징(10)의 내주면에 부딪히는 물분자의 충돌을 활성화 시킬 수 있도록 다수의 돌기부(62)가 일정면적 만큼 형성될 수 있다. 이때 타공 디스크(30)의 설치 개수에 따라 일정면적만큼 다수개가 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 도 6과 같이, 돌기부(64,66)는 타공 디스크(30)에 형성된 측면공(34) 및 관통공(32)의 내주면에 각각 형성될 수 있다. 이에 따라 측면공(34) 및 관통공(32)을 통해 유입되어 통과되는 유체를 통공 내부에서 서로 충돌되도록 유도할 수도 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.

도 1a는 본 발명의 제1실시예에 따른 원심발열펌프의 단면을 나타내는 측단면도,

도 1b는 도 1a의 A부분 확대도,

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 원심발열펌프의 타동 디스크를 나타내는 사시도,

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 원심발열펌프의 사용상태를 나타내는 상태도,

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 원심발열펌프의 단면을 나타내는 측단면도,

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 원심발열펌프의 단면을 나타내는 측단면도, 및

도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 원심발열펌프의 타공 디스크의 단면을 나타내는 부분 단면도이다.

<도면부호의 간단한 설명>

10: 하우징 20: 샤프트축

30: 타공 디스크 40: 베어링

60: 단턱 링

Claims (7)

1. 구동수단의 회전에 의한 캐비테이션 발생으로 유체 분자를 마찰시켜 유체를 가열하고 토출시키는 원심발열펌프로서,

   일단에 상기 유체가 유입되는 유입구가 형성되고 타단에 유입된 유체가 토출되는 유출구가 형성되며 내부에 다수의 돌기가 일정면적만큼 형성된 하우징;

   상기 하우징에 회전가능하게 설치되고 일단이 상기 구동수단에 연결되어 연동되는 샤프트축;

   상기 샤프트축에 삽입고정되고, 양측면에 둘레를 따라 다수의 관통공이 형성되고 상기 관통공에 수직하게 각각 연통되는 측면공이 형성되며, 상기 관통공 또는 상기 측면공 중 적어도 하나의 내주면에는 다수의 돌기가 형성되어 이루어진 타공 디스크; 및

   상기 타공 디스크의 가장자리에 인접하며 모서리가 상기 관통공과 상기 측면공에 위치하도록 상기 하우징의 내부면을 따라 설치된 적어도 하나의 단턱 링을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 원심발열펌프.
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7. 제1항에 있어서,

   상기 타공 디스크의 외주면과 상기 하우징의 내부면의 간격은 0.1 mm ~ 0.5 mm인 것을 특징으로 하는 원심발열펌프.

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