KR101017827B1 - 발열봉 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기에 의한 가열이 가능한 발열유체를 이용한 발열봉에 관한 것으로, 그 주요 구성은, 발열유체(5)를 수용하는 케이싱(3)과, 케이싱(3) 내부에 설치되며 전기가 가해지는 전선(1)과 연결되는 발열선(2)과, 상기한 전선(1)이 케이싱(3)에서 도출되는 부위에 케이싱(3)의 밀봉을 위해 구성하는 밀봉재(6)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기한 케이싱(3)의 외주에는 제2케이싱(8)이 형성되고, 제2케이싱(8)과 케이싱(3) 사이에는 공간층(9)이 형성되게 밀봉하는 것을 특징으로 하며, 상기한 제2케이싱(8) 외주에는 제3케이싱(10)이 형성되게 밀봉하되, 제2케이싱(8)과 제3케이싱(10) 사이에는 공간층(11)이 형성되게 구성하며, 이 공간층(11)에는 공기층 또는 열매체유가 내장되게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기한 발열봉은 가열이 가능한 유체를 수용하는 탱크 내에 수용되게 구성하여, 유체를 가열가능토록 한 것을 특징으로 하며, 상기한 발열봉 후단부에는 헤드(43)가 구성되고, 헤드(43)의 전방의 외주에는 나사부(41)를 형성하여, 발열봉을 탱크에 설치시 체결너트(42)의 사용으로 탱크의 벽(36)에 고정 가능하게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기한 발열유체는 주성분이 에탄올인 열매체유를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기한 제2,3케이싱(8, 10)의 선단부는 케이싱(3)의 선단부가 노출되게 터져 있는 형상인 것을 특징으로 하며, 상기한 발열유체는 에탄올과 부동액 으로 이루어지거나 또는 에탄올, 부동액 및 메탄으로 이루어지며, 상기 에탄올과 부동액의 부피 비율은 8~9:1~2 으로 이루어지며, 에탄올과 부동액과 메탄의 부피비율은 8:1:1 로 이루어지는 혼합액인 것을 특징으로 하며, 상기한 부동액은 순도 99.5% 의 모노에틸렌글리콜(Mono Ethylene Glycol)을 포함하는 것을 특징으로 한다

발열유체, 열매체유, 발열봉

Description

발열봉{exothermic member}

본 발명은 내부에 발열유체가 내장되어 그 발열유체에 전기가 가해지면 발열이 될 수 있게 구성한 발열봉에 관한 것이다

본 발명은 순환매체 등으로 이용되는 발열유체의 특성을 이용하여 전기가 가해지면 발열되게 구성한 발열봉에 관한 것으로, 이러한 발열봉에 관한 종래의 기술은 없다.

종래의 발열 유체, 예를 들어 열매체유를 이용한 기술은, 이미 열매체유 관련 산업 분야에서는 특정 용도로 사용되고 있다.

본 발명은 이러한 공지의 발열 유체, 즉 예를 들어 시판되는 열매체유를 이용하여 전기에 의한 그 발열유체를 가열할 수 있게 발열봉을 만들어, 이를 여러 가열 기술 분야에서 활용할 수 있게 구성하였다

본 발명은 전기에 의한 가열이 가능한 발열유체를 이용한 발열봉에 관한 것으로, 그 주요 구성은, 발열유체(5)를 수용하는 케이싱(3)과, 케이싱(3) 내부에 설치되며 전기가 가해지는 전선(1)과 연결되는 발열선(2)과, 상기한 전선(1)이 케이싱(3)에서 도출되는 부위에 케이싱(3)의 밀봉을 위해 구성하는 밀봉재(6)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기한 케이싱(3)의 외주에는 제2케이싱(8)이 형성되고, 제2케이싱(8)과 케이싱(3) 사이에는 공간층(9)이 형성되게 밀봉하는 것을 특징으로 하며, 상기한 제2케이싱(8) 외주에는 제3케이싱(10)이 형성되게 밀봉하되, 제2케이싱(8)과 제3케이싱(10) 사이에는 공간층(11)이 형성되게 구성하며, 이 공간층(11)에는 공기층 또는 열매체유가 내장되게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기한 발열봉은 가열이 가능한 유체를 수용하는 탱크 내에 수용되게 구성하여, 유체를 가열가능토록 한 것을 특징으로 하며, 상기한 발열봉 후단부에는 헤드(43)가 구성되고, 헤드(43)의 전방의 외주에는 나사부(41)를 형성하여, 발열봉을 탱크에 설치시 체결너트(42)의 사용으로 탱크의 벽(36)에 고정 가능하게 구성한 것을 특징으로 하며, 상기한 발열유체는 주성분이 에탄올인 열매체유를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기한 제2,3케이싱(8, 10)의 선단부는 케이싱(3)의 선단부가 노출되게 터져 있는 형상인 것을 특징으로 하며, 상기한 발열유체는 에탄올과 부동액 으로 이루어지거나 또는 에탄올, 부동액 및 메탄으로 이루어지며, 상기 에탄올과 부동액의 부피 비율은 8~9:1~2 으로 이루어지며, 에탄올과 부동액과 메탄의 부피비율은 8:1:1 로 이루어지는 혼합액인 것을 특징으로 하며, 상기한 부동액은 순도 99.5% 의 모노에틸렌글리콜(Mono Ethylene Glycol)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 가열이 필요한 장치나 시설에 구성하면, 적은 전기 소모로도 가열 효율을 높일 수 있다. 따라서 가열이 필요한 여러 기술 분야에서 활용가치가 매우 높다

또한 본 발명의 실시 예에 의하면 발열유체를 여러 겹으로 안전하게 보호하도록 구성하여 발열유체의 과열 등으로 인한 파손이나 손상을 막을 수 있어 안전하게 사용 가능하다

또한 본 발명의 실시 예에 의하면 필요에 따라 여러 시설물에 장착하기 용이하게 이루어져 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 한 실시예인 발열봉을 도시한다

도시한 바와 같이, 본 발명은 전선(1) 단부에 발열선(2)을 형성한다. 발열선은 니크롬선이다. 그리하여 전선(1)을 통하여 전기가 가해지면 니크롬선이 발열하여 열이 발생한다. 가해지는 전기는 예를 들어, 220볼트 또는 12볼트를 사용한다

발열선(2) 주위는 케이싱(3)을 형성한다. 케이싱(3)의 재질은 예를 들어 유리 재질을 사용한다. 케이싱(3) 내부에는 발열유체(5)가 내장된다. 발열유체(5)의 한 예를 들면, 열매체유(heat transfer oils)가 내장된다.

열매체유의 한 예를 들면, 94 내지 99.5 % 정도의 순도 높은 에탄올 재질을 사용한다. 그렇치 않고 순도가 떨어지는 일반 공업용 에탄올을 사용하면 폭팔이 일어나므로 위험하다. 시판되는 열매체유의 제품 예를 들면, 써미놀55(THERMINOL 55) 제품이 있다

상기 써미놀55 열매체유 제품은 미국 텍사스주에 소재하는 솔루티아 케미컬(SOLUTIA CHEMICAL) 회사의 제품이다. 상기 써미놀55 제품은 합성 열매체유는 주성분이 에탄올이며, 최대사용범위는 -25℃~315℃ 이며, 응고점이 -54℃이며, 최소 펌핑가능 온도는 -25℃에서 최대 315℃까지의 온도범위에서 안정적으로 사용할 수 있으며, 점도, 열전도도 특성이 매우 우수하다. 상기 제품은 비가압식 간접가열 장치에 사용할 수 있도록 디자인되어 있으므로 별도의 가압 없이도 효율적이고 정확하게 균일한 열을 피가열체에 전달한다. 또한 높은 비등점을 가지고 있으므로 증발 및 누출로 인한 문제가 상대적으로 적다

발열유체의 다른 구성 예는, 에탄올과 부동액을 9:1 내지 8:2 부피 비율로 혼합하여 제조한다

혼합 사용하는 부동액은 예를 들어, 순도 99.5% 의 모노에틸렌글리콜(Mono Ethylene Glycol)이 주성분인 것을 사용하여 혼합한다. 상기 모노에틸렌글리콜 부동액은 첨가제로 부식 방지제, 소포제, 산화방지제 등도 포함된다. 이 부동액은 차량용부동액, 빙축열 브라인(brine)용액, 수냉식 공조기기등 여러 설비의 부동액 으로 취급되고 있다. 상기 부동액은 세계적으로 환경규제 물질인 유해물질 6대원소 (ROHS:납, 수은, 카드뮴, 크롬6가,PBBs, PBDEs)가 없는 친환경적인 부동액이다

첨가되는 부식방지제는 배관 등의 접촉되는 물체의 부식을 방지하고, 적절한 소포제 사용으로 발생하는 기포를 막아 주어 열전달 효율을 높여 주며, 스케일, 물때, 금속 부식물등의 발생을 막아 열전달 효과 상승과 유체흐름 저항손실을 막아줌으로 효율을 상승시켜 에너지 절감효과가 있다.

상기 부동액에 첨가되는 산화 방지제는 모노에틸렌글리콜(M.E.G)의 산화분해를 막아 줌으로 동결방지 효과 및 부식억제 효과를 발휘한다. 상기 부동액은 PH 7.8, 비중 1.1210, 끓는점 섭씨 166도이며, 금속성분으로 주철 0.07 중량%, 강 0.05 중량%, 황 동 0.03 중량%, 땜납 0.08 중량%, 구리 0.03 중량%를 포함한다

부동액의 사용은 급격한 온도 상승을 잡아 주고 폭팔을 방지하여 주는 안정제 역할을 한다

발열유체의 구성을 상기 부동액 외에 추가로 메탄도 혼합할 수 있다

즉, 예를 들어, 에탄올:부동액:메탄 혼합 비율을 부피비율로 8:1:1 비율로 혼합한다. 에탄올만 단독으로 사용할 수도 있으나 바람직하기로는 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 에탄올 단독으로 사용하면 급격한 온도 상승으로 인해 이를 둘러싸는 주변의 케이싱 등에 손상을 주거나 폭팔 등의 염려가 있기 때문이다. 부동액은 온도를 잡아 주는 역할을 하고 메탄은 끓는 반응을 촉진하는 역할을 한다. 에탄올과 부동액만으로 사용하여도 가능하나 가열 반응 속도가 떨어진다. 그러나 메탄을 함께 소량 사용하면 에탄올의 폭팔성을 잡아 주면서도 신속한 온도 상승을 유도 할 수 있다. 다시말해 부동액은 급격한 온도 상승을 막고 일정 온도 이상으로 과열되는 것을 막는 안정제 역할을 하고 메탄은 발열 촉진제 역할을 한다

열매체유의 다른 종류를 살펴 보면, 한국특허등록 489935호(발명의 명칭이 "열매체유")가 있다

상기 열매체유는 밀폐용기에 주입하여 전기히터 등으로 가열하는 간접 가열장치(각종 난방기기)에 사용하는 열 매체유에 관한 것으로서, 폭발위험이 없으면서도 낮은 온도에서 기화(氣化)하여 빠른 열 전이가 이루어질 수 있도록 한 저가의 열 매체유로, 중량비로 증류수 75~77%와 알콜 23~24%와 염화나트륨0.5~1%를 혼합 희석하여 제조함으로써, 폭발 위험이 없으면서도 열 효율을 극대화 할 수 있도록 한 것이다. 이와 같이 본 발명에서 사용되는 열매체유는 시중의 제품이나 이미 공개된 기술의 열매체유를 사용할 수 있으므로 이 열매체유에 대하여는 특정 제품으로 한정하여 설명하지 않는다.

본 발명의 실시 예를 설명한다

전선(1)을 통하여 전기가 가해지면 발열선(2)이 가열되어 열매체유(5)를 가열하게 된다. 열매체유(5)의 가열에 의한 상승 온도는 측정 결과 섭씨 335도 이상까지도 나왔다. 열매체유(5)가 가열되면 케이싱(3)이 열을 받는다. 따라서 케이싱(3)은 열에 대한 내성이 양호하거나 즉, 내열성이 좋은 재질을 사용하거나 열에 대한 완충성 또는 신축성이 양호한 것을 사용한다. 만약 그러한 조건을 만족하지 못하면 케이싱(3)의 파손이 오기 때문이다

케이싱(3)은 한가지 예를 들어 파손에 강한 강화 유리 재질을 사용한다. 그 러나 이에 한정되는 것이 아니라 다른 재질을 사용할 수 있음은 물론이다

발열선(2)이 내장되는 전선(1) 부위와 케이싱(3) 사이에는 밀봉이 이루어져야 하는데 그 부위에는 밀봉재(6)를 이용하여 밀봉한다. 밀봉재(6)는 내열성이 있고 파손이 잘 되지 않는 재질을 사용한다. 예를 들어, 석고 보드 재질을 사용하여 밀봉하면 열에 의한 영향으로 손상되거나 터지는 등의 문제를 막을 수 있다

선택적으로 케이싱(3) 주위에는 제2 케이싱(8)을 형성하고 제2밀봉재(7)로 밀봉한다. 제2케이싱(8)의 재질은 단지 예를 들어, 스테인레스 재질을 사용한다

제2케이싱(8)을 형성하는 이유는, 열매체유(5)의 가열로 인해 케이싱(3)이 신축되는 것을 여유있게 수용하여 케이싱(3)이 터지는 것을 방지하고, 또한 케이싱(3)과 제2케이싱(8) 사이에 공간층(9)을 줌으로 인해 열매체유(5)의 보온성을 더욱 향상시킬 수 있다. 제2케이싱은 필수적인 것이 아니라, 비록 제2케이싱(8)이 없는 상태의 발열봉(30)을 구성할 수도 있다

또한 제2케이싱(8) 외부에는 선택적으로 제3케이싱(10)이 둘러 싸여진다

제2케이싱(8)과 제3케이싱(10) 사이에는 공간층(11)이 형성되게 하여 제3밀봉재(13)로 밀봉한다. 이 공간층(11)에는 공기층이 형성되게 하거나 또는 발열유체를 내장시킨다. 제2,3케이싱(8,10)의 선단에도 밀봉재를 사용하여 밀봉한다.

제3케이싱(10)의 재질은 예를 들어 알루미늄재질로 형성한다. 제3케이싱(10)을 형성시키는 이유는, 내부의 발열유체(5) 및 케이싱(3), 제2케이싱(8)이 파손되거나 손상 되는 것을 방지 및 보호하고 방열을 양호하게 하기 위한 것이다

제3케이싱(10)은 외부 충격에 대하여 파손이 잘 되지 않고 열전도성이나 방 열성이 양호한 재질의 것을 사용한다. 즉, 본 발명의 발열봉 주위에는, 발열봉에서 발열되는 열을 흡수하는 물 등의 열전달매체들이 둘러싸여지기 때문에 이들 열전달매체들에게 열을 잘 전달하여 주기 위한 것이다

발열봉의 선단부는 트여져 있다

즉, 제2,3케이싱(8,10)이 둘러싸여져 있지 않고 케이싱(3)의 선단부가 노출되게 구성된다. 이와 같이 구성하는 이유의 주목적은 폭팔의 안정성을 위한 것이다. 내부에 이상 과열이 발생할 경우 이 선단부에서 터져나갈 수 있도록 하기 위한 안전 장치이다. 두번째 목적은 제2,3케이싱(8,10)의 열팽창에 대하여 신축성을 주기 위한 것이다. 선단부가 봉합된 형태로 제작하여 실험한 결과 열팽창을 충분히 수용하지 못하여 장기 사용이 어렵고 파손이 종종 발생하였다

그러나 케이싱들 재질의 적절한 선택 사용으로 그러한 열팽창의 문제도 해결할 수 있음은 물론이다. 또는 선택적으로 폭팔에 대한 안전장치로 선단부를 터짐이 용이하도록 취약한 재질로 이루어지는 엷은 막으로 둘러 싸는 구조로 만들어 낼 수도 있다.

상기한 구성의 발열봉을 이용하여 사용할 경우를 예를 들면, 물을 순환시켜 가동하는 보일러 등에, 본 발명의 발열봉을 순환수 저장 탱크 내에 투입하여, 저장된 순환수를 가열시켜 순환시키면 난방 등으로 이용할 수 있다

이 경우 순환수를 가열하기 위해 매우 저렴한 전기가 소요되며 그리고 본 발명에 따른 발열봉에 내장된 발열유체(5)는 일반 물 보다 밀도가 높아 식을 때에도 물보다 늦게 식어 발열 효율이 매우 높다.

도 2 는 본 발명에 따른 발열봉(30)을 저장탱크(31)에 설치한 예를 보여 준다

저장탱크(31)에 발열봉(30)을 여러 개 설치하여, 발열봉(30)에 전기를 가하면 발열봉(30)이 가열되어 내부의 물이 가열된다. 그러면 그 가열된 물을 온수로 사용하거나 또는 난방용 등의 용도의 순환수로 이용할 수 있다.

이 경우 실험에 의하면, 일반 전기 보일러의 온수통 보다 약 30% 이상의 정도의 전기 절감 효과가 있다

이하는 실제 실험 예이다

- 종래의 예

3kw 전열구를 사용한 보일러 용의 물을 가열

가열 전 물의 온도 섭씨 18 도

가열 10 분 후 물의 온도 섭씨 44.5도

가열 20 분 후 물의 온도 섭씨 61 도

가열 30 분 후 물의 온도 섭씨 78도

사용전력양 1300W

- 본 발명의 발열봉을 이용한 물 가열 실험

1.5 kw 발열봉을 사용한 보일러 용 물을 가열

가열 전 물의 온도 섭씨 18 도

가열 10 분 후 물의 온도 섭씨 54 도

가열 20 분 후 물의 온도 섭씨 78.2 도

가열 30 분 후 물의 온도 섭씨 104 도

사용전력양 750W

상기 비교에 의하면 약 2 배의 적은 전력량의 사용으로도 더 높은 가열 효과를 나타내었다

도 3 은 다른 실시 예이다

본 실시예에서는 물(35)을 포함하는 가열탱크(33)에 발열봉(30)이 설치된 상태에서, 지그재그 형상으로 파이프(34)를 설치하였다. 파이프(34) 내에는 난방을 위한 물 등의 순환유체가 내장된다. 이러한 구성에 의하면 파이프(34) 내의 물 등의 순환유체가, 가열탱크(33)에서 가열되어 순환하므로 난방용도 등으로 이용할 수 있다

도 4 는 도 1 에서 단지 설명을 위해 개략 도시한 발열봉(30)이, 예를 들어, 도 2 및 도 3 에 구성되는 저장탱크(31) 및 가열탱크(33)의 벽(36)에 설치되는 상태를 상세히 도시한 것이다

발열봉(30)을 벽(36)에 고정되기 유리하도록 구성하기 위한 예를 들면, 도 4에 도시한 바와 같이 발열봉(30)의 후단부에 나사부(41)를 형성하고, 벽(36)의 안쪽에서 체결너트(42)로 체결할 수 있게 구성할 수 있다. 또한 벽(36)의 반대쪽에는 발열봉(30)의 후단을 구성하는 것으로, 헤드(43)를 구성하여 와셔(44) 등을 끼워 넣을 수 있게 구성한다. 체결너트(42)와 헤드(43) 사이의 수밀을 위한 구성은 일반적인 기술을 사용하므로 굳이 도시하고 설명하지 않는다.

도 5 는 본 발명의 또 다른 실시 예이다

도시한 바와 같이, 외면에 방열을 위한 다수의 방열핀(51)이 이루어진 히터(50) 내부에는 다수의 열매체봉(52)이 수직으로 설치된다. 열매체봉(52) 내부에는 도 1 에 도시한 발열봉 내부에 내장되는 발열유체와 유사한 성질의 열매체유(54)가 내장된다. 열매체봉(52)은 하부의 열매체관(55)과 나사결합되며 열매체관(55)에도 열매체유(54)가 내장된다. 이러한 구조의 히터(50)에, 본 발명의 발열봉(30)을 열매체관(55)에 삽입하는 구조를 만들 수도 있다.

전선(10)에 전기가 가해지면 발열봉(30)이 가열되어, 열매체관(55)의 내부의 열매체유(54)가 가열되어 이 가열된 열매체유(54)는 열매체봉(52)을 통하여 외기로 방열된다. 이러한 구조의 히터(50)는 매우 열효율이 높다. 즉, 전선(1)을 통한 발열봉(30)의 가열이 열매체유(54)로 전달되어 가열하는 방식으로 매우 효율 높고 저렴한 비용으로 난방이 가능하다

또는 상기한 구조에서, 열매체봉(52)의 내부에 또는 외부에 열선이 내장되고 그 열선을 열매체유(54)가 가열하는 구조로도 만들 수 있다.

또한 상기 구조에서 열매체봉(52)의 하단이 막힌 형상으로 이루어지고, 열매체관(55) 안으로 일부 노출되게 구성할 수도 있다. 이 경우 열매체관(55) 내의 열매체유(54)가 가열되어 열매체봉(52)을 가열하는 간접 방식이 된다

또 다른 구성으로는 상부에 수직으로 설치되는 열매체봉(52)이 전혀 없는 형상으로도 구성할 수 있다. 이 경우 열매체관(55) 내의 열매체유(54)의 가열만으로 대류식으로 방열 가능하게 구성된다

그 외 본 발명의 발열봉(30)을 이용하여 여러가지 다양한 구조의 실시가 가능함은 물론이다.

도 1 은 본 발명에 따른 발열봉의 내부 구성 예를 나타내는 도면

도 2 , 도 3 및 도 5 는 본 발명의 발열봉을 이용한 실시 예

도 4 는 본 발명의 발열봉을 벽에 고정하는 것을 예시하는 도면

Claims (9)

1. 주성분이 에탄올을 포함하는 발열유체(5)를 수용하는 케이싱(3)과, 케이싱(3) 내부에 설치되며 전기가 가해지는 전선(1)과 연결되는 발열선(2)과, 상기한 전선(1)이 케이싱(3)에서 도출되는 부위에 케이싱(3)의 밀봉을 위해 구성하는 밀봉재(6)를 포함하되,

   상기한 케이싱(3)의 외주에는 제2케이싱(8)이 형성되고, 제2케이싱(8)과 케이싱(3) 사이에는 공간층(9)이 형성되게 밀봉구성되며,

   상기한 제2케이싱(8) 외주에는 제3케이싱(10)이 형성되게 밀봉하되, 제2케이싱(8)과 제3케이싱(10) 사이에는 공간층(11)이 형성되게 구성하며, 이 공간층(11)에는 공기층 또는 열매체유가 내장되게 구성하며,

   상기한 제2,3케이싱(8, 10)의 선단부는 케이싱(3)의 선단부가 노출되게 터져 있는 형상이며,

   상기한 발열유체(5)는 에탄올과 순도 99.5%의 모노에틸렌글리콜(Mono Ethylene Glycol)을 포함하는 부동액으로 이루어지거나 또는 상기 에탄올 및 부동액과 그리고 메탄으로 이루어지며, 상기 에탄올과 부동액의 부피 비율은 8~9:1~2 으로 이루어지며, 에탄올과 부동액과 메탄의 부피비율은 8:1:1 로 이루어지는 혼합액인 것을 특징으로 하는 발열봉.
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