KR100978220B1

KR100978220B1 - 와류공동현상을 이용한 액체 가열 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100978220B1
Application number: KR1020090106107A
Authority: KR
Inventors: 보리스 안드레비치 아다모비치
Original assignee: 김시중; 손봉진
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2010-08-26

Abstract

본 발명은 와류공동현상을 이용한 액체 가열 방법 및 상기 방법을 이용한 액체가열장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 액체가 순환할 수 있는 구조를 형성한 상태에서 일측에 순환하는 액체가 공동현상(Cavitation)에 의하여 미세기포를 발생시킴과 공시에 소놀루미네센스 현상을 더하여 기포의 수를 극대화함으로써 액체 내부에 용입되는 공기를 최대화 하고 이를 분해시키는 과정에서 액체를 고온으로 변화시킬 수 있는 액체 가열방법 및 그 장치에 관한 것이다.

와류 공동현상(Vortical Cavitation), 음파발광(sonoluminescence), 팽창, 압축, 프로펠러, 카본

Description

와류공동현상을 이용한 액체 가열 방법 및 그 장치{The fluidal heating method which uses a swirl cavitation and system}

일반적으로 공동현상(Cavitation)이란, 유체가 넓은 유로에서 좁은곳으로 고속으로 유입할 때, 또는 벽면을 따라 흐를 때 벽면에 요철이 있거나 만곡부가 있으면 흐름은 직선적이 못되며 A부는 B부보다 저압이되어 여기에 공동이 발생하며, 또 수중에는 압력에 비례하여 공기가 용입되어 있는데, 이공기가 물과 분리되어 기포로 나타나는 현상을 공동현상 이라 한다.

이러한 공동현상에 의하여 생긴 기포는 고압의 영역에 이르렀을 때 갑자기 파괴되어 다시 수중으로 말려들어 소멸하고 만다.

한편, 상기와 같이 형성된 기포는 거의 진공에 가까우므로 다음순간 급속히 붕괴하여 1미크론 이하로 줄어들고, 그 과정에서 순간적으로 빛과 열이 발생되며 이러한 현상을 소놀루미네센스 현상(sonoluminescence: SL)이라고 한다.

상기와 같은 자연현상에 의하여 얻어지는 에너지원은 종래의 화석연료의 사용에서 발생되는 이산화탄소 및 일산화탄소와 같은 유해가스의 배출을 방지하며 화석연료 대비 높은 효율을 갖는 것으로 이러한 자연현상을 산업 및 가정의 보일러 등에 적용함으로써 친환경에너지원으로 이용하려는 기술들이 개발되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 상기에서 설명한 자연현상들을 산업분야에 이용함으로써 유해가스의 배출이 없는 친환경적인 에너지원을 이용하여 산업 및 보일러와 같은 장치를 구현하는데 본 발명의 목적이 있다.

또한, 전기에너지를 열에너지로 변화하는 장치에서 열효율을 극대화 하고 종래 화석연료의 사용에서 문제시된 이산화탄소와 같은 유해가스가 발생하지 않는 우수한 액체가열장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적으로는 상기와 같이 액체가 순환할 수 있는 구조를 갖는 액체 가열장치를 이용하여 연속하여 액체를 고온시킬 수 있는 친환경적인 액체 가열방법을 제공함에 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 베이스와, 상기 베이스의 일측에 고정되는 모터와, 상기 베이스의 타측에 고정되고 내부가 여러 개의 관에 의하여 제1브레이크부와 제2브레이크부로 분할되며 일측에 관통공과 타측에 개방부를 갖는 브레이크부와, 상기 모터와 브레이크부 사이에 형성되며 일측에 찬물이 유입되는 유입플랜지를 갖으며 점점 지름이 작아지는 콘형의 상태로 브레이크부의 관통공이 끼움되는 이젝터와, 상기 이젝터의 내부에 수용되어 유입플랜지에서 유입되는 찬물에 기포를 형성시키며 모터와 연결되는 프로펠러 및 상기 브레이크부의 개방된 부분에 조립되며 중앙에 배출플랜지가 형성된 브레이크부 덮개를 포함하여 이루어진 와류공동현상을 이용한 액체 가열장치를 제공함에 있다.

한편, 상기에서 상기 모터와 이젝터사이에 형성되어 프로펠러의 진동이 모터에 전달되는 것을 방지할 수 있는 연결클러치를 더 포함함으로써 더욱 안정적인 프로펠러의 회전을 유도할 수 있도록 한다.

또한, 상기에서 이젝터와 관모양의 브레이크부의 재질은 카본이 첨가된 금속으로 형성함을 특징으로 한다.

한편, 상기와 같이 구성된 가열장치를 이용한 액체가열방법을 알아보면 상기 액체가열방법은 이젝터에 형성된 유입플랜지를 통하여 액체가 유입되는 단계와, 유입된 액체가 이젝터의 좁은 공간으로 이동하며 고압이 형성됨과 동시에 모터의 구 동에 의하여 회전축에 연결된 프로펠러가 회전하여 고압의 상태에서 기포를 형성 및 액체를 회전시키는 단계와, 기포가 포함된 액체가 브레이크부로 유입되며 기포가 분해되어 고온의 액체로 변화되는 단계 및 고온의 액체가 배출플랜지를 통하여 외부로 배출되는 단계를 포함하여 이루어짐에 특징이 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 와류공동현상을 이용한 액체 가열 방법 및 그 장치는 캐비테이션의 원리를 활용한 단일의 장치를 이용하여 미세기포를 발생시킴으로써 복잡한 배관 및 밸브 그리고 압력발생기, 혼합탱크 등의 다양한 설비를 갖추지 않도고 미세기포를 생성할 수 있으며 프로펠러의 회전을 이용하여 기포의 발생을 최대화 함으로 설비제작에 소요되는 비용을 절감할 수 있으며 단순한 구조로 인하여 유지관리가 편리한 효과가 있으며, 사용되는 전력량대비 우수한 열효율을 발생시킴으로써 전력소모가 적은 효과가 있다.

다음 본 발명의 실시 예를 도면에 의거하여 구체적으로 설명하겠다.

도 1은 본 발명에 따른 와류공동현상을 이용한 액체가열장치의 사시도이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 와류공동현상을 이용한 액체가열장치(이하, 가열장치"라 한다)(100)는 크게 베이스(90)와, 상기 베이스(90)의 상면에 형성되며 제어유닛(20)에 의하여 회전이 제어되는 모터(10)와 이 모터(10)의 회전 축(11)에 조립된 프로펠러(50)가 삽입되는 이젝터(60) 및 상기 이젝터(60)의 출구부(62)가 삽입되는 브레이크부(70)로 구성된다,

또한, 상기 이젝터(60)의 내부에 삽입된 프로펠러(50)의 원활한 회전을 위하여 상기 모터(10)와 이젝터(60) 사이에 연결클러치(30)를 형성함으로써 프로펠러(50)의 회전에 의해 발생되는 진동이 모터(10)로 전해지는 것을 방지함이 바람직하다.

도 2 내지 도 3에는 이젝터와 브레이크부의 구체적인 구성이 도시되어 있다.

도시한 바와 같이 상기 이젝터(60)는 콘형으로 형성되며 내부가 관통된 상태로 넓은 입구부(63) 부분에 찬물이 유입되는 플랜지(61)가 형성되고 좁은 형태의 출구부(62)가 브레이크부(70)의 일측에 형성된 관통공(74)에 삽입된 상태로 용접된다.

또한, 상기 입구부(63)측에는 모터(10)의 회전축(11)과 연결되는 샤프트(51)의 끝부분에 프로펠러(50)가 형성되며 중앙부분에 베어링(65)이 형성된 마개(64)에 의하여 개방된 상태가 밀폐된다.

상기 브레이크부(70)는 일측에 관통공(74)이 형성된 함체형상으로 일측에 내부가 중공된 제1브레이트부(71)와 타측에 여러 개의 관(73)으로 형성된 제2브레이크부(72)가 형성되며 제2브레이크부(72)의 타측으로는 더운물이 배출되는 배출플랜지(81)가 형성된 브레이크부 덮개(80)가 조립되어 브레이크부(70)를 밀폐한다.

즉, 도 4 내지 도 5에서 구체적으로 알 수있는 바와 같이 도 4는 도 3의 A-A선 단면도로써 브레이크부(70)의 내부가 중공된 상태인 제1브레이크부(71)의 구성 을 알 수 있으며, 도 5는 도 3의 B-B선 단면도로써 브레이크부(70)의 내부에 여러 개의 관(73)들이 형성되어 있는 제2브레이크부(72)의 구성을 확인할 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 가열장치의 동작과정을 도 6을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도시한 바와 같이 저온의 액체는 이젝터(60)의 입구부(63)에 형성된 유입플랜지(61)를 통하여 이젝터(60)의 내부로 유입되며 콘형의 이젝터(60) 몸체를 따라 출구부(62)측으로 이동하게 된다.

이때, 액체는 이동하는 과정에서 좁은 출구부(62)에 의하여 고압이 발생되고 이러한 상태는 일측의 프로펠러(50)의 회전에 의하여 극대화된다.

상기 프로펠러(50)의 회전속도는 모터(10)의 외면에 형성된 콘트롤러(12)에 의하여 결정되며 사용환경에 따라 다양하게 변형할 수 있다.

이렇게 압축된 액체는 브레이크부(70)로 이동하면서 급격히 저압으로 변화되며 기포를 발생시키고 이러한 기포는 제1브레이크부(71)의 외벽 내지 기포 서로 충돌하면서 터져버리며 1차적인 열에너지를 발생시킨다.

이때, 기포가 브레이크부(70)의 벽과 충돌함으로써 발생되는 내벽의 파손을 방지하기 위하여 브레이크부(70) 및 이젝터(60)의 재질을 금속재질로 형성하되 카본을 첨가하여 형성함으로써 고 경도의 재질을 갖도록 형성함이 바람직하다.

또한, 상기 기포는 프로펠러(50)의 회전에 의하여 아주 미세하게 형성되는데, 이러한 기포가 소놀루미네센스 현상(sonoluminescence: SL)에 의하여 순간적으로 빛과 열이 발생시킴으로써 2차적인 에너지를 발생시킨다.

또한, 터지지 않고 존재하는 기포는 제2브레이크부(72)의 각각의 관으로 유입되면서 터지게 되고 이로서 추가적인 열에너지를 얻음과 동시에 물의 동일한 흐름을 유도하여 원활한 배출을 가능하게 한다.

이와 같은 과정이 계속 순환되면서 액체에 발생됨으로써 액체는 계속하여 열에너지를 발생시켜 높은 효율의 열에너지를 생산할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 와류공동현상을 이용한 액체가열장치의 사시도

도 2는 본 발명에 따른 와류공동현상을 이용한 액체가열장치중 이젝터와 브레이크부의 내부를 보인 단면사시도

도 3은 본 발명에 따른 와류공동현상을 이용한 액체가열장치의 액체의 순환구조를 설명하기 위한 단면도

도 4는 도 3의 A-A선 단면도

도 5는 도 3의 B-B선 단면도

도 6은 본 발명에 따른 와류공동현상을 이용한 액체가열장치의 구동관계를 나타낸 요부단면도

*도면의주요부분에대한부호의설명*

100 ... 액체가열장치 10 ... 모터

20 ... 제어유닛 11 ... 회전축

30 ... 연결틀러치 40 ... 베어링 유닛

50 ... 프로펠러 51 ... 샤프트

60 ... 이젝터 61 ... 유입플랜지

62 ... 배출구 63 ... 유입구

70 ... 브레이크부 71 ... 제1브레이크부

72 ... 제2브레이크부 73 .... 관

80 ... 브레이크 덮개 81 ... 배출플랜지

90 ... 베이스

Claims

베이스(90);

상기 베이스(90)의 일측에 고정되는 모터(10);

상기 베이스(10)의 타측에 고정되고 내부가 여러 개의 관(73)에 의하여 제1브레이크부(71)와 제2브레이크부(72)로 분할되며 일측에 관통공(74)과 타측에 개방부(75)를 갖는 브레이크부(70);

상기 모터(10)와 브레이크부(70) 사이에 형성되며 일측에 찬물이 유입되는 유입플랜지(61)를 갖으며 점점 지름이 작아지는 콘형의 상태로 브레이크부(70)의 관통공(74)이 끼움되는 이젝터(60);

상기 이젝터(60)의 내부에 수용되어 유입플랜지(61)에서 유입되는 찬물에 기포를 형성시키며 모터(10)와 연결되는 프로펠러(50);

상기 브레이크부(70)의 개방된 부분에 조립되며 중앙에 배출플랜지(81)가 형성된 브레이크부 덮개(80);

상기 모터(10)의 회전을 제어하는 제어유닛(20);를 포함하며,

여기서, 유입플랜지로 유입된 찬물이 이젝터에 의하여 고압으로 변화함과 동시에 프로펠러의 구동에 의하여 무수히 많은 기포가 형성된 상태로 제1브레이크부로 유입되면서 차례로 분해되어 고온으로 변화되고 제2브레이크부에서 기포가 분해되면서 추가적으로 열이 발생된 상태로 배출플랜지로 배출됨을 특징으로 하는 와류공동현상을 이용한 액체 가열장치.
제 1항에 있어서,

상기 모터(10)와 이젝터(60)사이에 형성되어 프로펠러(50)의 진동이 모터에 전달되는 것을 방지할 수 있는 연결클러치(30)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 와류공동현상을 이용한 액체 가열장치.
제 1항에 있어서,

상기 이젝터(60)와 관모양의 브레이크부(70)의 재질은 카본이 첨가된 금속으로 형성함을 특징으로 하는 와류공동현상을 이용한 액체 가열장치.
이젝터에 형성된 유입플랜지를 통하여 액체가 유입되는 단계;

유입된 액체가 이젝터의 좁은 공간으로 이동하며 고압이 형성됨과 동시에 모터의 구동에 의하여 회전축에 연결된 프로펠러가 회전하여 고압의 상태에서 액체를 회전시키는 단계;

고압의 액체가 브레이크부로 유입되면서 저압으로 변화함과 동시에 소놀루미네센스 현상을 갖는 기포를 발생시켜 빛과 열에너지를 발생시키는 1차 열에너지 발생단계;

또한, 기포는 브레이크부의 내벽 및 서로간의 충돌에 의하여 열에너지를 방생시키는 2차 열에너지 발생단계;

미폭발한 기포가 제2브레이크부의 관을 통과하면서 터져 추가적인 열에너지를 발생시키고 관에 의하여 물의 흐름이 동일하게 형성되어 배출플랜지를 통하여 외부로 배출되는 단계;를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 와류공동현상을 이용한 액체 가열방법.