KR101020600B1 - 디스크형 유체 가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체에 강한 와류 충돌(Vortex Colliding)을 발생시킴으로서 다량의 유체를 단시간에 효과적으로 가열할 수 있는 디스크형 유체 가열장치에 관한 것으로,
원통형 몸체; 상기 몸체의 중심을 가로질러 회전 가능하게 배치되는 회전축; 원판형으로 형성되어 상기 몸체의 일측에 결합되며, 중심부에는 상기 회전축이 통과하는 축 통과공이 형성되어 있으며, 상기 축 통과공의 외측으로 유체유입구가 형성되어 있는 제1 커버; 원판형으로 형성되어 상기 몸체의 타측에 결합되며, 중심부에는 유체 토출구가 형성되어 있는 제2 커버; 원판형으로 형성되어, 중심부에는 상기 회전축의 외주보다 큰 직경의 유체 통과공이 형성되어 있고, 일측 벽에는 반경 방향으로 길게 형성된 다수의 와류 형성홈이 형성되어 있으며, 상기 와류 형성홈이 상기 몸체의 중간부을 향하게 배치되도록 상기 양측 커버 내측의 몸체 내부에 고정되는 한 쌍의 고정 디스크; 원판형으로 형성되어, 중심부에는 상기 회전축에 결합되는 결합공이 형성되어 있으며, 양측벽에 다수의 와류 형성홈이 반경 방향으로 길게 형성되어 있고, 상기 양측 고정 디스크의 중간 부분에 상기 고정 디스크와 일정 간격을 두고 배치되는 상태로 상기 회전축에 결합되는 회전 디스크;를 구비하는 가열 유닛과, 상기 회전축을 구동하는 구동모터와, 상기 가열 유닛의 유체 유입구을 통해 상기 가열 유닛의 본체 내부로 고압 유체를 공급하는 펌프를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

디스크형 유체 가열장치{Disc Type Fluid Heating Device}

본 발명은 물이나 공기 등의 유체를 디스크의 회전력을 이용하여 가열하는 디스크형 유체 가열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 유체에 강한 와류 충돌(Vortex Colliding)을 발생시킴으로서 다량의 유체를 단시간에 효과적으로 가열할 수 있는 디스크형 유체 가열장치에 관한 것이다.

디스크형 유체 가열장치는 디스크의 기계적 회전력을 이용하여 유체를 가열하는 장치로서, 연소 가열장치나 배기 장치를 설치하기 곤란한 장소 등에 적용되어 왔으나, 연소 생성물인 배기 가스에 의한 환경 오염을 방지할 수 있으며, 화염에 의해 국부적으로 고온 가열되는 부분이 없어서 가연성 또는 폭발성 유체를 안전하게 가열할 수 있고, 연소 장치, 배기 장치 및 열교환기 등이 필요 없어 장치를 컴팩트하게 저렴한 비용으로 구성할 수 있다는 등의 장점이 있어서 최근 들어 그 적용 범위가 점차 넓어지고 있다.

디스크형 유체 가열장치는 유체의 점성 마찰(viscous friction)에 의한 발열을 이용하는 방식과 유체를 상호 충돌시켜 유체의 운동에너지(kinetic energy)를 유체 내부에너지(internal energy)로 변환시킴으로서 발열을 유발하는 방식으로 크게 대별된다.

도 1은 점성 마찰을 이용한 디스크형 유체 가열장치의 일례를 나타내는 도면으로, 대한민국 등록특허 제10-0914261호에 개시되어 있는 열 발생 장치를 나타내는 바, 회전축(102)에 형성되어 있는 유체공급공(102a)와 요홈(102b)을 통해 공급된 유체는 회전축(102)에 교호로 설치된 회전디스크(103)와 고정디스크(104) 사이로 분배 공급되어, 회전디스크(103)와 고정디스크(104) 사이의 미세 간극를 통과하면서 상호 압축 및 마찰에 의해 열을 발생하게 되며, 원심력에 의해 하우징(101)의 중앙쪽으로 이동하면서 다수의 디스크 사이를 통과함으로서 반복적인 압축, 마찰에 의해 열을 발생하게 된다.

미설명 부호 1b, 1c는 회전축 및 베어링 냉각용 냉각수를 공급하기 위한 냉각수 공급공을 나타낸다.

상기한 바와 같이, 점성 마찰을 이용한 디스크형 유체 가열장치는 회전디스크(103)와 고정디스크(104) 사이의 미세 간극을 통과하는 유체 사이의 점성 마찰이 주요 열 발생원이 되는 것으로서, 공급 유체와 토출 유체의 온도차를 크게 할 수 있다는 장점이 있으나, 유체에 점성 마찰을 유발하기 위해 디스크 사이의 간격을 극히 좁게 설치해야 하므로 토출 유량을 일정 한도 이상 크게 하기 어려우며, 따라서 다량의 유체를 가열하는 경우 전체적인 가열 효율(overall efficiency)이 낮다는 단점이 있었다.

한편, 유체의 충돌에 의해 운동 에너지를 내부에너지로 전환시키는 방식의 예로는, 디스크에 형성된 라발 노즐(de Laval Nozzle), 즉 축소-확대 노즐을 통해 유체의 압력 에너지를 운동에너지로 전환시킨 후, 유체의 충돌에 의해 이 운동 에너지를 내부 에너지로 전환하는 방식이 러시아 특허 RU 2269727 C1에 제안된 바 있다.

이와 같이 노즐을 이용한 가열장치는 전술한 점성 마찰 방식의 가열 장치에 비해서는 단위 시간당 통과 유량을 증가시킬 수는 있으나, 유체가 좁은 단면적의 노즐을 통과함으로서 운동에너지를 얻게 되므로 유량 증대 효과에 한계가 있어서 전체적인 가열 효율을 크게 증대시킬 수 없다는 한계가 있을 뿐만 아니라, 장치가 복잡하다는 문제점이 있어서 널리 활용되고 있지 못하고 있으며, 현재까지는 점성 마찰 방식의 가열 장치가 주류를 이루고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 디스크형 유체 가열장치의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다량의 유체를 단시간에 효과적으로 가열할 수 있는 디스크형 유체 가열장치을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은, 유체에 고압의 강력한 와류를 발생시켜 이들을 상호 충돌시킴으로서 유체간의 충돌을 극대화하는 경우, 다량의 유체를 단시간에 효과적으로 가열할 수 있다는 점에 착안하여 이루어진 것으로서, 본 발명에 따른 디스크형 유체 가열장치는, 원통형 몸체; 상기 몸체의 중심을 가로질러 회전 가능하게 배치되는 회전축; 원판형으로 형성되어 상기 몸체의 일측에 결합되며, 중심부에는 상기 회전축이 통과하는 축 통과공이 형성되어 있으며, 상기 축 통과공의 외측으로 유체유입구가 형성되어 있는 제1 커버; 원판형으로 형성되어 상기 몸체의 타측에 결합되며, 중심부에는 유체 토출구가 형성되어 있는 제2 커버; 원판형으로 형성되어, 중심부에는 상기 회전축의 외주보다 큰 직경의 유체 통과공이 형성되어 있고, 일측 벽에는 반경 방향으로 길게 형성된 다수의 와류 형성홈이 형성되어 있으며, 상기 와류 형성홈이 상기 몸체의 중간부을 향하게 배치되도록 상기 양측 커버 내측의 몸체 내부에 고정되는 한 쌍의 고정 디스크; 원판형으로 형성되어, 중심부에는 상기 회전축에 결합되는 결합공이 형성되어 있으며, 양측벽에 다수의 와류 형성홈이 반경 방향으로 길게 형성되어 있고, 상기 양측 고정 디스크의 중간 부분에 상기 고정 디스크와 일정 간격을 두고 배치되는 상태로 상기 회전축에 결합되는 회전 디스크;를 구비하는 가열 유닛과, 상기 회전축을 구동하는 구동모터와, 상기 가열 유닛의 유체 유입구을 통해 상기 가열 유닛의 본체 내부로 고압 유체를 공급하는 펌프를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이러한 특징에 따르면, 가열 대상 유체의 통로가 디스크 사이의 좁은 틈새로 형성되는 것이 아니라, 회전 디스크의 전체 둘레를 따라 회전 디스크와 몸체 사이에 충분한 단면적을 가지고 형성되며, 다수의 디스크를 밀접하게 설치할 필요 없이 와류 발생용의 최소한의 디스크만을 필요로 하므로, 간단한 구성으로 다량의 유체를 단시간에 효과적으로 가열할 수 있게 된다.

디스크가 회전함에 따라, 유체는 와류 형성홈에 의해 원주 방향으로 회전력을 받으면서 와류를 형성함과 동시에, 원심력에 의해 디스크의 외주 방향으로의 힘을 받으면서 와류 형성홈을 따라 유도되어 와류를 형성하는 바, 와류 형성홈의 단면은 대략 타원 아크(arc of ellipse)의 형상으로 형성하는 것이 바람직하며, 외주 방향으로 갈수록 곡률이 커지도록 형성하는 것이 바람직하다.

본체 내부 유체의 압력을 조절하고, 고압으로 공급된 고압 유체가 정상 압력으로 배출될 수 있도록 유체토출구에 연결되는 관로에는 감압 밸브를 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 가열 대상 유체의 통로가 디스크 사이의 좁은 틈새로 형성되는 것이 아니라 회전 디스크의 전체 둘레를 따라 회전 디스크와 몸체 사이에 충분한 단면적을 가지고 형성되며, 다수의 디스크를 밀접하게 설치할 필요 없이 와류 발생용의 최소한의 디스크만을 필요로 하므로, 간단한 구성으로 다량의 유체를 단시간에 효과적으로 가열할 수 있게 된다.

따라서, 소용량 가열 장치에 한정되지 않고, 주택, 산업시설, 수영장, 온실 등의 난방 또는 대용량 온수 탱크나 공정용 오일 또는 공기 등을 가열하는 데 종래의 연소 가열장치를 대치하여 기계적으로 작동되는 디스크형 유체 가열장치를 적용할 수 있도록 함으로서, 환경 오염을 방지하는 데 크게 기여할 수 있게 된다.

도 1은 종래 점성 마찰 방식 디스크형 유체 가열장치의 일례를 나타내는 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크형 유체 가열장치의 전체적인 구성을 나타내는 도면.
도 3는 고정 디스크의 정면도 및 그 단면도.
도 4은 회전 디스크의 정면도 및 그 단면도.
도 5는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 개념도로, 도 5a는 반경 방향의 와류 형성 작용을 설명하기 위한 개념도, 도 5b는 원주 방향의 와류 형성 작용을 설명하기 위한 개념도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 실시예에 따른 디스크형 유체 가열장치는, 가열 유닛(10), 가열 유닛의 유체 유입구을 통해 고압 유체를 공급하는 고압 펌프(20), 가열 유닛의 회전축을 구동하기 위한 구동모터(30)가 프레임(50)상에 설치되어 하나의 유닛으로 제조된다.

가열 유닛(10)은, 양단이 개구되어 있는 원통형의 몸체(11)와, 몸체의 양단 개구부에 각각 결합되는 커버(12A, 12B)와, 몸체의 중심을 가로질러 회전 가능하게 배치되는 회전축(17)과, 본체의 내부에 고정되는 고정 디스크(13)와, 회전축에 결합되어 구동 모터(30)가 구동됨에 따라 본체 내부에서 회전 운동하는 회전 디스크(14)로 구성된다.

몸체(11)의 일측에 결합되는 제1 커버(12A)의 중심부에는 회전축(17)이 통과하는 축 통과공(12A-2)이 형성되어 있으며, 축 통과공의 외측으로 유체 유입구(12A-1)가 형성되어 있다.

몸체(12)의 타측에 결합되는 제2 커버(12B)의 중심부에는 유체 토출구(12B-1)가 형성되어 있다.

따라서, 펌프(20)에 의해 공급되는 고압의 유체는 제1 커버(12A)의 유체 유입구(12A-1)로 유입되어, 고정 디스크(13)-회전 디스크(14)-고정디스크를 거쳐 제2 커버(12B) 유체 토출구(12B-1)로 토출된다.

고정 디스크(13)는 원판형으로 형성되어, 중심부에는 회전축(17)의 외주보다 큰 직경의 유체 통과공(13a)이 형성되어 있고, 일측 벽에는 반경 방향으로 길게 형성된 다수의 와류 형성홈(13b)이 형성되어 있으며, 와류 형성홈(13b)이 몸체의 측벽 중앙부을 향하는 상태로, 고정 볼트(13d)에 의해 커버(12) 내측벽에 일정 간격을 두고 고정된다.

회전 디스크(14) 역시 원판형으로 형성되며, 중심부에는 회전축(17)에 결합되는 결합공(14a)이 형성되어 있고, 양측벽에는 다수의 와류 형성홈(14b)이 반경 방향으로 길게 형성되어 있으며, 양측 고정 디스크의 중간 부분에 상기 고정 디스크와 일정 간격을 두고 배치되는 상태로 상기 회전축에 결합된다.

도 4의 실시예의 경우, 베어링에 걸리는 부하를 경감시키고, 디스크의 제조 원가를 저감 시키기 위해, 와류 형성홈이 형성되어 있는 회전 디스크의 본체부(14A)를 고강도 플라스틱으로 형성하고, 스터드(14D) 및 지지 플레이트(12C)를 매개로 본체부를 금속재 보스부(14B)에 결합한 예를 나타내고 있으나, 회전 디스크(14)를 일체로 형성하는 것도 물론 가능하다.

와류 형성홈의 단면은 대략 타원 아크(arc of ellipse)의 형상으로 형성되는 바, 외주 방향으로 갈수록 곡률이 커지도록 형성하는 것이 바람직하다.

고정 디스크(13)와 회전 디스크(14) 사이의 간격 및 회전 디스크(14)의 외주와 몸체(11) 내벽 사이의 간격은, 디스크의 직경 및 두께, 와류 형성홈의 형상에 따라 최적의 값을 실험적으로 선택하는 것이 바람직한 바, 실험 결과에 따르면, 고정 디스크(13)와 회전 디스크(14) 사이의 간격은 대체적으로 디스크의 두께에 해당하는 간격이 적절하였으며, 회전 디스크(14)의 외주와 몸체(11) 내벽 사이의 간격은 디스크 반경의 1/10 내지 1/15 내외가 적절함을 확인할 수 있었다.

이하, 도 5를 중심으로 본 발명에 주요 작동 원리를 설명한다.

펌프(20)에 의해 공급되는 고압의 유체는 제1 커버(12A)의 유체유입구(12A-1)로 유입된 후, 고정 디스크(13)의 유체 통과공(13a)과 회전축(17) 사이의 통로를 통과하여 고정 디스크(13)과 회전 디스크(14) 사이에 공급된다.

고정 디스크(13)과 회전 디스크(14) 사이에 공급된 유체는, 회전 디스크(14)가 회전함에 따라, 양측 디스크에 형성되어 있는 다수의 와류 형성홈(13b, 14b)에 의해, 도 5a에 도시된 바와 같은 반경 방향의 와류와 도 5b에 도시된 바와 같은 원주 방향, 다시 말해. 디스크의 상대적인 회전 운동에 따른 회전 방향의 와류를 복합적으로 형성하게 되며, 이와 같이 고정 디스크(13)과 회전 디스크(14) 양측으로부터 형성된 고압, 고속의 격심한 와류가 상호 충돌하여 운동 에너지가 내부 에너지로 변환됨으로서 유체의 온도가 상승하게 된다.

회전디스크(14)의 외주와 몸체 내벽 사이의 간극부를 통해 제2 커버측 고정 디스크와 회전 디스크 사이에 공급된 유체 역시 고정 디스크와 회전디스크의 와류 형성홈에 의해 전술한 바와 같이 원주 방향과 반경 방향이 복합된 와류를 형성하게 되며, 고정 디스크(13)과 회전 디스크(14) 양측으로부터 형성된 고압, 고속의 격심한 와류가 상호 충돌하여 2차적으로 유체의 운동 에너지가 내부에너지로 변환되어 온도가 상승된 후, 제2 커버 중심부의 유체토출구(12A-1)를 통해 배출된다.

본 발명에 따르면, 가열장치를 통과하기 전후의 온도차는 점성 마찰형의 가열장치에 비해 다소 낮으나, 다수의 디스크를 밀접하게 설치할 필요 없이 와류 발생용의 최소한의 디스크만을 필요로 하므로, 다량의 유체를 단시간에 순환시킬 수 있게 되며, 결과적으로 전체적인 가열 효율(overall heating efficiency)을 높일 수 있게 된다.

또한, 일반적으로 유체는 온도가 높아질수록 점성이 저하되므로, 점성 마찰형의 경우 유체의 온도가 높아질수록 가열 효율 자체가 급속히 저하되지만, 본 발명의 경우는 점성의 영향을 거의 받지 않으므로 높은 온도에서도 효과적으로 가열작용을 수행할 수 있다.

본 실시예의 경우, 본체 내부 유체의 압력을 조절하고, 고압으로 공급된 고압 유체가 정상 압력으로 배출될 수 있도록 유체토출구에 연결되는 관로에 감압 밸브(40)가 설치되어 있는 것을 나타내고 있는 바, 토출 관로에는 필요에 따라 압력조절밸브가 설치될 수 있다.

미설명 부호 15, 15a는 회전축을 지지하기 위한 베어링 하우징 및 베어링, 16은 메카니컬실, 21은 펌프를 구동하기 위한 모터, 31은 가열유닛 구동모터의 구동축과 가열유닛의 회전축을 연결하는 커플링을 나타낸다.

10 : 가열유닛 10: 고압 펌프
30 : 구동모터 40 : 감압 밸브
11 : 본체 12A, 12B : 커버
13 : 고정 디스크 14 : 회전 디스크
13a : 유체 통과공 13b, 14b : 와류 형성홈
15 : 베어링 하우징 16 : 메카니컬실

Claims (3)

1. 원통형 몸체;
   상기 몸체의 중심을 가로질러 회전 가능하게 배치되는 회전축;
   원판형으로 형성되어 상기 몸체의 일측에 결합되며, 중심부에는 상기 회전축이 통과하는 축 통과공이 형성되어 있으며, 상기 축 통과공의 외측으로 유체유입구가 형성되어 있는 제1 커버;
   원판형으로 형성되어 상기 몸체의 타측에 결합되며, 중심부에는 유체 토출구가 형성되어 있는 제2 커버;
   원판형으로 형성되어, 중심부에는 상기 회전축의 외주보다 큰 직경의 유체 통과공이 형성되어 있고, 일측 벽에는 반경 방향으로 길게 형성된 다수의 와류 형성홈이 형성되어 있으며, 상기 와류 형성홈이 상기 몸체의 중간부을 향하게 배치되도록 상기 양측 커버 내측의 몸체 내부에 고정되는 한 쌍의 고정 디스크;
   원판형으로 형성되어, 중심부에는 상기 회전축에 결합되는 결합공이 형성되어 있으며, 양측벽에 다수의 와류 형성홈이 반경 방향으로 길게 형성되어 있고, 상기 양측 고정 디스크의 중간 부분에 상기 고정 디스크와 일정 간격을 두고 배치되는 상태로 상기 회전축에 결합되는 회전 디스크;를 구비하는 가열 유닛과,
   상기 회전축을 구동하는 구동모터와,
   상기 가열 유닛의 유체 유입구을 통해 상기 가열 유닛의 본체 내부로 고압 유체를 공급하는 펌프를 구비하는 디스크형 유체 가열장치에 있어서,
   상기 와류 형성홈의 단면은, 상기 고정 디스크와 상기 회전 디스크의 와류 형성홈에 의해 형성된 와류가 상호 충돌하여 운동 에너지가 내부 에너지로 변환될 수 있도록, 타원 아크의 형상으로 형성되되, 외주 방향으로 갈수록 곡률이 커지도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 디스크형 유체 가열장치.
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