KR101036662B1 - 유체 가열기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 유체 가열기는, 내부에 공간이 형성되며, 액체가 유입되기 위한 유입구와 유체가 유출되기 위한 유출구가 형성된 하우징; 상기 유입구로 유입된 액체를 가열하는 원심가속유닛; 및 상기 원심가속유닛을 회전시키기 위한 모터;를 포함하며,상기 원심가속유닛은, 상기 하우징의 내부공간에 회전 가능하게 배치되며, 상기 유입구를 향하여 개구부가 형성된 측벽부를 구비하여 통 형상으로 이루어지며, 상기 개구부로 유입된 액체가 그 유입방향에 교차되는 방향으로 빠져나갈 수 있도록, 상기 측벽부에는 복수의 방출공이 관통되게 형성된 회전통; 및 상기 회전통의 외주에 위치하고, 상기 회전통에 일체로 형성되어, 상기 회전통과 함께 회전될 경우, 상기 방출공을 통해 회전통을 빠져나온 액체가 원심력을 받도록 상기 회전통이 회전되는 방향으로 그 액체를 밀어 강제 회전시킴으로써, 상기 방출공을 빠져나오는 액체의 속도를 증가시켜 캐비테이션이 발생되도록, 상기 회전통의 회전 중심축 방향으로 나란하게 서로 이격되어 배치된 복수 개의 판 형상의 블레이드 판을 구비하며, 상기 방출공은 상기 측벽부의 내주면으로부터 상기 블레이드 판을 일체로 관통하도록 형성되며, 상기 하우징과 상기 모터는 그 모터의 모터축을 매개로 공간적으로 서로 이격되도록 배치되며, 상기 유입구와 마주하는 상기 측벽부의 단부는 상기 하우징에 베어링 지지부재에 의해 회전가능하게 지지 되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

유체 가열기{fluid heater}

본 발명은 유체를 가열하는 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 유체 내부에 캐비테이션을 발생시킴으로써, 그 유체를 가열시키는 유체가열기에 관한 것이다.

일반적으로 예컨대, 물과 같은 액체를 가열하기 위한 장치로는 연료를 태워 그 열로 액체를 가열하는 장치와, 전기 에너지를 사용하여 액체를 가열하는 장치 등이 있다.

전기 에너지를 사용하여 액체를 가열하는 장치의 경우는, 전기가 공급되는 곳이면 용이하게 사용할 수 있고, 연료를 태우는 과정이 없어서 그 사용 장소에서 공해물질이 배출되지 않는 장점이 있다.

전기 에너지를 이용하여 액체를 가열하는 장치에는 전열기구를 이용하는 장치와, 액체의 유동에 의해 발생하는 열을 이용하는 장치가 있다.

전열기구를 이용하는 장치의 경우, 일반적으로 전열기구가 액체와 맞닿게 되는데, 전열기구의 부근에서만 가열되므로, 액체가 전체적으로 가열되지 않는다. 또한, 전열기구의 온도가 액체에 비해서 훨씬 고온이므로, 고온에 노출되면 변성되는 액체에는 사용하기 어렵다. 뿐만 아니라, 전열기구가 켜진 상태에서 액체가 제대로 공급되지 않을 경우 장치가 과열되는 위험이 있다.

상기와 같이 전열기구를 이용하는 장치의 문제점을 해결하기 위하여, 액체의 유동에 의한 열을 이용하는 장치가 알려져 있다.

액체의 유동에 의해 발생하는 열을 이용하여 그 액체를 가열하는 장치는, 액체가 유동 되며 다른 물체와 마찰되어 발생하는 마찰열을 이용하거나, 액체 간의 마찰을 이용하기도 한다. 근래에는 액체의 온도상승속도를 높이고자, 캐비테이션(cavitation-공동현상)에 의해 생성된 기포가 내파(implosion)되면서 발생되는 열을 이용하기도 한다.

캐비테이션은 액체의 압력이 액체의 증기압 이하로 떨어질 경우, 그 액체가 증기가 되어 기포가 생성되는 현상을 말한다. 캐비테이션에 의해 액체 내에 생성된 기포는 유동하다가, 액체의 압력이 증기압보다 높아지는 곳에서 급격히 내파된다. 기포가 급격히 내파될 때, 많은 에너지가 방출되므로, 그 부분에서의 온도가 급격히 상승하게 된다. 따라서, 액체 내에서 캐비테이션이 많이 발생할수록, 액체 전체적인 온도가 빨리 상승하게 된다.

캐비테이션은 액체의 압력이 낮은 부분에서 발생하는데, 베르누이 정리에 따르면 액체의 유속이 빠를수록 액체의 압력은 낮아지므로, 유속이 빠른 곳에서 캐비테이션이 잘 발생된다.

캐비테이션을 이용하여 액체를 가열하는 종래의 액체가열기의 일례가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1은 종래의 액체가열기를 도시한 개략적 분리사시도이며, 도2는 도1의 액체가열기의 개략적 단면도이다.

도1 내지 도2를 참조하면, 종래의 액체가열기(1)는 하우징(10), 회전통(20), 고정통(40) 및 모터(30)를 구비한다.

상기 하우징(10)은 하우징 본체(11)와 덮개(12)를 구비한다. 상기 하우징 본체(11)는 그 둘레의 일측에 액체가 빠져나가는 유출구(16)가 형성된다. 상기 덮개(12)는 상기 하우징 본체(11)에 결합되어, 그 내부에 공간을 구획하며, 일측에 액체가 들어오는 유입구(14)가 형성되어 있다.

상기 회전통(20)은 상기 하우징(10)의 내부공간에 회전가능하게 배치된다. 상기 회전통(20)은 원통형으로 이루어지며, 지름이 상이한 복수 개의 회전통(20)이 상호 고정되게 마련된다. 회전통(20)에는 복수 개의 관통공(22)이 형성되어 있다.

상기 고정통(40)은 하우징(10)의 내부공간에 고정 배치되도록, 상기 덮개(12)에 고정된다. 고정통(40)은 원통형으로 이루어지며, 지름이 상이한 복수 개의 고정통(20)이 상호고정되게 마련된다. 고정통(40)은 복수의 회전통(20) 사이 사이에 교번되게 배치된다. 고정통(40)에도 복수의 관통공(42)이 형성되어 있다.

상기 모터(30)는 상기 하우징 본체(11)에 고정결합되며, 모터(30)의 모터축(32)은 하우징 본체(11)를 관통하여 회전가능하게 설치된다. 상기 모터축(32)은 회전가능하면서도, 액체가 누출되지 않도록 적절한 씰링 부재(미도시), 예컨대, 메카니컬 씰(mechanical seal) 등에 의해서 하우징 본체(11)와 결합된다.

모터(30)의 모터축(32)은 상기 회전통(20)을 회전시키기 위하여, 그 단부가 회전통(20)에 고정결합되어 있다.

이하, 종래의 액체가열기의 작동 원리에 대해서 설명한다.

모터(30)를 동작시켜 회전통(20)을 하우징(10) 내부에서 회전시키고, 그 상태에서 유입구(14)로 액체를 주입한다.

유입구(14)로 들어온 액체는 지름이 작은 회전통(20)의 내부로 들어오게 되며, 회전통(20)의 관통공(22)를 통과하여, 하우징 본체(11)의 내주면 쪽으로 이동된다.

액체가 하우징 본체(11)의 내주면 쪽으로 이동될 때, 회전통(20)에 형성된 관통공(22)과 고정통(40)에 형성된 관통공(42)을 번갈아 가면서 통과하게 되는데, 회전통(20)이 고정통(40)에 대해서 상대회전하고 있으므로, 국소적으로 와류가 형성된다. 와류가 형성되는 부분에서는 액체의 압력이 증감을 반복하게 되며, 그 과정에서 액체의 압력이 액체의 증기압보다 낮아지거나 높아지기도 한다. 따라서, 캐비테이션에 의한 기포의 발생 및 기포의 내파가 반복적으로 일어나게 되며, 그 부분의 온도가 증가된다. 따라서, 온도가 상승된 액체는 유출구(16)로 빠져나간다.

그런데, 종래의 액체가열기(1)는 액체가 회전통(20)과 고정통(40)을 교대로 통과하여 지나가게 되므로, 액체가 유입구(14)에서 하우징 본체(11)의 내주면 쪽으로 이동할 때, 저항을 많이 받게 된다. 따라서, 액체의 전체적인 이동 속도가 느리므로 캐비테이션이 넓게 발생되지 않고, 국소적으로만 발생하는 문제가 있다.

또한, 액체가 저항을 많이 받아 전체적인 이동 속도가 느리므로, 시간당 유출되는 액체의 양이 적다. 따라서, 시간당 가열되는 액체의 양도 많지 않다는 문제가 있다.

이러한 문제점을 개선하기 본 출원인이 기 출원하여 등록받은 등록특허 제0933072호가 있다.

그런데, 상기 제0933072호 특허에 개시된 액체 가열기는 액체를 가열하는 원심가속유닛과 그 원심가속유닛을 구동하는 모터가 서로 접촉되도록 결합되어 있기 때문에 상기 원심가속유닛에서 액체가 가열되는 과정에서 상기 모터가 열 손상을 입을 수 있는 문제점이 있다.

또한, 상기 제0933072호에 개시된 액체 가열기에서 상기 원심가속유닛을 구성하는 복수의 회전판이 회전통과 분리가능하도록 결합되어 있기 때문에 상기 원심 가속 유닛이 고속으로 회전할 경우에 진원도를 유지하기 어려워 불필요한 진동이 발생하며 그러한 진동에 의해 발생되는 마찰열이 메카니컬 씰링을 손상시키는 문제점이 있다.

또한, 상기 제0933072호에 개시된 액체 가열기에서 상기 원심가속유닛이 모터측 만 고정된 외팔보(cantilever) 형태로 설치되어 있기 때문에 회전시 안정성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 등록특허 제0933072호의 우수한 점을 계승하고 그 특허에서 발생되는 문제점을 개선하여 작동시 모터의 손상을 방지하고 원심가속유닛의 회전 안정성을 향상시킨 유체 가열기를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 유체 가열기는, 내부에 공간이 형성되며, 액체가 유입되기 위한 유입구와 유체가 유출되기 위한 유출구가 형성된 하우징;

상기 유입구로 유입된 액체를 가열하는 원심가속유닛; 및

상기 원심가속유닛을 회전시키기 위한 모터;를 포함하며,

상기 원심가속유닛은,

상기 하우징의 내부공간에 회전 가능하게 배치되며, 상기 유입구를 향하여 개구부가 형성된 측벽부를 구비하여 통 형상으로 이루어지며, 상기 개구부로 유입된 액체가 그 유입방향에 교차되는 방향으로 빠져나갈 수 있도록, 상기 측벽부에는 복수의 방출공이 관통되게 형성된 회전통; 및

상기 회전통의 외주에 위치하고, 상기 회전통에 일체로 형성되어, 상기 회전통과 함께 회전될 경우, 상기 방출공을 통해 회전통을 빠져나온 액체가 원심력을 받도록 상기 회전통이 회전되는 방향으로 그 액체를 밀어 강제 회전시킴으로써, 상기 방출공을 빠져나오는 액체의 속도를 증가시켜 캐비테이션이 발생되도록, 상기 회전통의 회전 중심축 방향으로 나란하게 서로 이격되어 배치된 복수 개의 판 형상의 블레이드 판을 구비하며,

상기 방출공은 상기 측벽부의 내주면으로부터 상기 블레이드 판을 일체로 관통하도록 형성되며,

상기 하우징과 상기 모터는 그 모터의 모터축을 매개로 공간적으로 서로 이격되도록 배치되며,

상기 유입구와 마주하는 상기 측벽부의 단부는 상기 하우징에 베어링 지지부재에 의해 회전가능하게 지지 되어 있는 점에 특징이 있다.

상기 회전통의 내부공간에 상기 회전통과 함께 회전되도록 배치되며, 회전시에 상기 회전통의 내부로 들어온 액체를 상기 회전통의 측벽부 쪽으로 밀어주기 위한 날개가 외주에 마련되어 있는 액체방사체를 더 구비한 것이 바람직하다.

상기 블레이드 판들 중 일부의 블레이드 판은 상기 방출공을 구비하지 않은 것이 바람직하다.

상기 각 블레이드 판의 외주면에는 원주방향으로 서로 이격되게 배치된 복수 개의 홈이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 하우징의 내주면에는 복수의 돌기가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 각 돌기는 상기 회전통의 회전 방향에 교차되는 방향으로 소정의 길이를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 하우징은:

원통 형상의 하우징 본체와,

상기 하우징 본체의 개방된 일측면을 덮도록 상기 하우징 본체에 결합하는 덮개 및 상기 하우징 본체의 개방된 타측면을 덮도록 상기 하우징 본체에 결합하는 바닥부를 구비하며,

상기 유입구는 상기 덮개에 형성되며,

상기 유출구는 상기 하우징 본체에 형성되며, 상기 하우징 본체의 바닥부쪽으로 치우치게 형성되어 있으며,

상기 바닥부에는 상기 원심가속유닛에 수용된 액체가 상기 하우징 외부로 누출되지 않도록 구비된 메카니컬 씰링 부재; 및 상기 원심가속유닛이 원활하게 회전할 수 있도록 베어링 부재가 설치된 것이 바람직하다.

상기 모터축은 커플링 결합에 의해 상기 하우징측과 상기 모터측이 분리가능하게 결합되며, 상기 커플링 결합은 상기 모터축이 그 모터축 방향으로의 유동을 흡수하기 위한 스프링이 구비된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 유체 가열기는, 종래의 유체 가열기에 비하여 액체 내에서 캐비테이션이 넓게 발생되므로, 액체의 온도가 증가되는 속도가 매우 빠르며, 짧은 시간에 많은 양의 액체를 가열시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 유체 가열기는 고속으로 회전하는 원심가속유닛의 회전 안정성이 우수하고, 그 원심가속유닛에서 발생되는 열이 직접적으로 모터에 전달되지 않아 모터의 손상이 방지되는 효과가 있다.

도 1은 종래의 액체 가열기의 개략적 분리사시도이다.
도 2는 도 1의 액체 가열기의 개략적 부분 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유체 가열기의 개략적 분리사시도이다.
도 4는 도 3의 유체 가열기의 개략적 부분 측단면도이다.
도 5는 도 3의 유체 가열기의 개략적 정단면도이다.
도 6은 도 5의 VI 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 7은 도 3의 유체 가열기의 하우징의 개략적 부분 절개 사시도이다.

이하, 본 발명에 따른 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유체 가열기의 개략적 분리사시도이다.

도 4는 도 3의 유체 가열기의 개략적 부분 측단면도이다. 도 5는 도 3의 유체 가열기의 개략적 정단면도이다. 도 6은 도 5의 VI 부분을 확대하여 도시한 도면이다. 도 7은 도 3의 유체 가열기의 하우징의 개략적 부분 절개 사시도이다.

도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 실시 예의 유체 가열기(2)는 하우징(100)과, 원심가속유닛(200)과, 모터(300)와, 액체방사체(500)를 구비한다.

상기 하우징(100)은 하우징 본체(101)와 덮개(102)와, 바닥부(103)를 구비한다.

상기 하우징 본체(101)는 원통 형상으로 형성되어 있다. 하우징 본체(101)에는 액체가 유출될 수 있도록 내주면과 외주면을 관통하여 하도록 형성된 유출구(160)를 구비하고 있다. 상기 하우징 본체(101)의 내주면에는 복수의 돌기(120)가 형성되어 있다. 상기 돌기(120)들은 상기 하우징 본체(101)의 둘레 방향을 따라 서로 이격되도록 배치되어 있다. 상기 돌기(120)는 상기 하우징 본체(101)의 길이 방향을 따라 소정 길이 만큼 연장되어 있다. 본 실시 예에서는 상기 돌기(120)가 상기 하우징 본체(101)의 일단부 부근으로부터 타단부 부근까지 연장되어 있다.

상기 덮개(102)는 상기 하우징 본체(101)의 개방된 일측면을 덮도록 배치되어 있다. 상기 덮개(102)는 상기 하우징 본체에 용접 또는 볼트 등의 체결 부재에 의해 결합될 수 있다. 상기 덮개(102)는 하우징 본체(101) 및 후술하는 바닥부(130)와 협력하여 내부공간(110)을 형성한다. 상기 덮개(102)에는 액체가 하우징(100)의 내부공간(110)으로 유입되기 위한 유입구(140)가 형성되어 있다. 상기 덮개(102)에는 후술하는 회전통(202)의 측벽부(204)의 단부와 마주하는 부위에 베어링 지지부재(150)가 마련되어 있다. 상기 베어링 지지부재(150)는 상기 덮개(102)의 내면에 오목하게 형성된 홈부에 결합되어 있으며, 후술하는 회전통(202)의 측벽부(204)의 단부가 회전가능하게 결합 되어 있다. 즉, 상기 유입구(140)와 마주하는 상기 측벽부(204)의 단부는 상기 베어링 지지부재(150)의 내륜이 고정되며, 상기 베어링 지지부재(150)의 외륜은 상기 하우징(100)에 고정 되어 있는 것이다.

상기 바닥부(130)는 상기 하우징 본체(101)의 개방된 타단부를 덮도록 배치된 부재이다. 상기 바닥부(130)는 상기 덮개(102)와 마찬가지로 용접 또는 볼트 등의 체결수단에 의해 상기 하우징 본체(101)에 결합될 수 있다. 상기 바닥부(130)에는 후술하는 원심가속유닛(200)을 회전시키기 위한 모터축(320)이 삽입되기 위한 삽입공(130)이 형성되어 있다. 상기 바닥부(130)에는 메카니컬 씰링 부재(132)와 베어링 부재(134)가 설치되어 있다. 상기 메카니컬 씰링 부재(132)는 후술하는 원심가속유닛(200)에 수용된 액체가 상기 하우징(100) 외부로 누출되지 않도록 구비된 것이다. 상기 베어링 부재(134)는 후술하는 원심가속유닛(200)이 원활하게 회전할 수 있도록 설치된 것이다.

상기 유출구(160)는 상기 바닥부(103)쪽으로 치우치게 형성되어 있다.

상기 원심가속유닛(200)은 회전통(202)과, 블레이드 판(240)과, 방출공(210)을 포함하고 있다. 상기 원심가속유닛(200)은 상기 유입구(140)로 유입된 액체를 가열하는 장치이다.

상기 회전통(202)은 상기 하우징(100)의 내부공간(110)에 회전 가능하게 배치되어 있다. 상기 회전통(202)은 일측면이 개방된 원통 형상의 부재이다. 즉, 상기 회전통(202)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 측벽부(204)와 개구부(201)를 구비하고 있다.

상기 측벽부(204)는 상기 회전통(202)의 둘레를 형성하며, 전체적으로 유입구(140)를 향하여 개구부(201)가 형성되어 있다. 상기 측벽부(204)에는 복수의 방출공(210)이 형성되어 있다. 상기 방출공(210)은 개구부(201)로 유입된 액체가 그 유입방향에 교차 되는 방향, 즉, 하우징(100)의 내주면(112)을 향하는 방향으로 측벽부(204)를 빠져나갈 수 있도록 한다. 상기 방출공(210)은 후술하는 블레이드 판(240)을 관통하도록 형성되어 있다.

상기 블레이드 판(240)은 상기 회전통(202)의 측벽부(204)의 외주에 위치한다. 상기 블레이드 판(240)은 상기 회전통(202)과 일체로 형성되어 있다. 상기 블레이드 판(240)은 복수 구비되어 있다. 상기 블레이드 판(240)은 상기 회전통(202)과 일체로 회전한다. 상기 블레이드 판(240)들은 상기 회전통(202)의 길이 방향으로 이격되도록 배치되어 있다. 즉, 상기 블레이드 판(240)들은 회전통(202)의 회전중심축(C) 방향으로 서로 이격되게 배치되어 있다. 상기 블레이드 판(240)은 상기 측벽부(204)로 부터 상기 하우징 본체(101)의 내주면(112)을 향하여 돌출되어 있다. 상기 블레이드 판(240)은 상기 회전통(202)의 둘레를 따라 연장되어 판상의 형태를 이루고 있다. 상기 방출공(210)은 상기 방출공(210)은 상기 블레이드 판(240)을 관통하도록 형성되어 있다.

각 블레이드 판(240)의 외주면(241)에는 원주방향으로 서로 이격되게 배치된 복수 개의 홈(248)이 형성되어 있으며, 그 홈(248)은 반원형 형태로 되어 있다.

상기 방출공(210)은 상기 회전통(202)과 상기 블레이드 판(240)에 일체로 형성되어 있으므로, 상기 회전통(202)과 일체로 회전한다. 상기 방출공(210)은 상기 회전통(202)으로부터 방출된 액체를 회전통(202)이 회전하는 방향(R)으로 밀어 강제 회전시키는 역할을 한다.

따라서, 복수의 블레이드 판(240)에 마련된 방출공(210)을 구비한 원심가속유닛(200)은, 그 방출공(210)을 통과하여 회전통(202)을 빠져나온 액체가 원심력을 받도록 회전통(202)이 회전되는 방향(R)으로 그 액체를 밀어 강제회전시킨다. 회전통(202)으로부터 방출된 액체가 원심가속유닛(200)에 의해 강제 회전되면, 그 액체는 원심력을 받아 회전통(202)에서 멀어지는 방향으로 이동하게 되므로, 회전통(202)의 방출공(210)을 빠져나오는 액체의 속도를 증가시킨다. 이때, 액체가 방출공(210)을 빠져나오는 속도가 충분히 높아져, 액체의 압력이 그 액체의 증기압보다 낮아지면 캐비테이션이 발생된다. 상기 블레이드 판(240)들 중 일부에는 방출공(210)이 형성되어 있지 않다. 더 구체적으로 상기 블레이드 판(240)들 중 후술하는 액체방사체(500)가 설치되는 부위에 배치된 블레이드 판(240)들에는 방출공(210)이 구비되어 있지 않다.

상기 모터(300)는 상기 회전통(202)을 회전시키기 위한 것으로, 상기 하우징(100)과 상기 모터(300)는 그 모터(300)의 모터축(320)을 매개로 공간적으로 서로 이격되도록 배치되어 있다. 더 구체적으로 상기 모터축(320)은 하우징측 커플링(324)과 모터측 커플링(326)이 스프링(325)을 사이에 두고 서로 분리가능하게 결합되어 있다. 상기 모터축(320)은 상기 스프링(325)의 탄성 복원력에 의해 그 모터축(320) 방향의 유동을 어느 정도 흡수할 수 있다.

상기 하우징(100)과 상기 모터(300)가 공간적으로 서로 이격되도록 배치된 이유는 상기 하우징(100) 내에 설치되는 원심가속유닛(200)에서 작동 중에 발생되는 열에 의해 상기 모터(300)가 열 손상을 입지 않도록 하기 위한 것이다. 상기 하우징(100)과 상기 모터(300) 사이에는 지지부재(미도시)가 설치될 수 있다. 더 구체적으로 상기 지지부재는 상기 바닥부(103)와 상기 모터(300) 사이에서 상기 모터축(320)을 회전가능하게 지지하도록 설치될 수 있다. 즉, 상기 지지부재는 상기 하우징(100)과 상기 모터(300) 사이에서 그 모터의 모터축(320)을 회전가능하게 지지할 수 있도록 하기 위해 설치할 수 있는 부재이다. 더 구체적으로 상기 지지부재는 상기 하우징측 커플링(324)과 상기 모터측 커플링(326)을 동시에 지지하도록 설치되는 것이 바람직하다.

상기 모터축(320)의 일부는 하우징(100)의 모터축 삽입공(130)을 통하여, 하우징(100)의 내부공간(110)에 삽입된다. 모터축(320)과 하우징(100)의 모터축 삽입공(130) 사이에는 적절한 씰링부재, 예컨대, 메카니컬 씰링 부재(132) 등이 설치되어, 모터(300)의 모터축(320)이 회전가능하면서도, 하우징(100) 내부공간(110)에 들어있는 액체가 모터축 삽입공(130)으로 새지 않도록 한다. 본 실시 예에서는 상기 바닥부(103)에 메카니컬 씰링 부재(132)와 베어링 부재(134)가 설치되어 있다.

상기 모터(300)의 모터축(320)의 일단부는 상기 회전통(202)에 결합된다.

상기 액체방사체(500)는 회전통(202)의 내부공간에 배치되며, 모터(300)에 의해 회전통(202)과 함께 회전되도록, 모터(300)의 모터축(320)의 단부에 나사(703)에 의해 고정결합된다. 액체방사체(500)는 전체적으로 원통형으로 형성되어 있고, 그 외주에는 복수 개의 날개(510)가 형성되어 있다. 상기 날개(510)는 액체방사체(500)가 회전시에 회전통(202) 내부로 들어온 액체를 회전통(202)의 측벽부(204) 쪽으로 밀어주어 강제 이동시키기 위한 것이다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(100)의 내주면(112), 즉, 하우징 본체(101)의 내주면(112)에는 회전통(202)의 회전 방향(R)에 교차하는 방향으로 소정의 길이를 가지도록 형성된 돌기(120)가 복수 개 마련되어 있다. 상기 돌기(120)들은 회전통(202)의 내주면(112)을 따라 그 회전통(202)의 길이 방향으로 길게 연장되어 있다.

이하, 본 실시 예의 유체 가열기(2)의 동작 원리 및 효과에 대해서 설명한다.

하우징(100)의 유입구(140)로 액체를 주입시키고, 모터(300)를 동작시켜, 회전통(202)과 원심가속유닛(200) 및 액체방사체(500)가 함께 회전되도록 한다. 유입구(140)로 주입된 액체는, 회전통(202)의 개구부(201)를 지나서, 회전통(202)의 내부공간에 들어가게 된다.

회전통(202)의 내부공간에 들어온 액체는 도 6에 도시된 바와 같이, 회전통(202)의 내부에서 회전하고 있는 액체방사체(500)에 의해서, 회전통(202)의 측벽부(204)로 밀려나며, 측벽부(204)에 형성된 방출공(210)을 통과하여 회전통(202) 밖으로 빠져나간다. 측벽부(204)를 빠져나간 액체는 측벽부(204)의 외주에 위치한 원심가속유닛(200)의 블레이드 판(240)에 형성된 방출공(210)을 따라 이동한다. 원심가속유닛(200)의 블레이드 판(240)은 모터(300)에 의해 회전통(202)과 함께 회전된다. 블레이드 판(240)에 마련된 방출공(210)은 회전되면서, 측벽부(204)를 빠져나온 액체를 밀어 강제적으로 회전시킨다. 방출공(210)에 의해 회전되는 액체는 원심력을 받으면서, 회전통(202)에서 멀어지는 방향으로 이동하게 된다. 액체가 회전통(202)에서 멀어지는 방향으로 이동되면, 블레이드 판(240)의 외측 단부 부근에는 압력이 떨어지며, 회전통(202)의 내외측의 압력차에 의해 액체가 블레이드 판(240)과 회전통(202)의 방출공(210)을 통해 빠져나가게 된다.

도 6은 블레이드 판(240)의 방출공(210)을 빠져나가는 액체의 속도를 표현하기 위하여, 유선(F)를 이용하여 도시한 것이다. 유선(F) 간의 폭이 좁을수록 액체의 속도는 빠르다. 도 6을 참조하면, 액체의 속도는 방출공(210)으로부터 어느 정도 떨어진 흐름목(vena contracta)(L)에서 가장 빠르다. 그리고, 흐름목(L)을 지나면, 액체가 퍼지게 되므로 액체의 속도가 다시 느려지게 된다.

모터(300)의 시간당 회전수가 많아질수록, 흐름목(L)에서의 액체의 속도가 빨라지게 되며, 흐름목(L)에서의 압력은 떨어지게 된다(베르누이 정리). 모터(300)의 시간당 회전수가 일정수에 도달하면, 흐름목(L)의 압력이 액체의 증기압 이하로 떨어지게 된다. 따라서, 흐름목(L)에서 캐비테이션이 발생하게 된다. 캐비테이션에 의해 생성된 기포는 흐름목(L)을 지나 액체의 속도가 느려지는 부분(H)에 이르게 된다. 액체의 속도가 느려지는 부분(H)에서는 액체의 압력이 흐름목(L)에 비해서 높으므로, 캐비테이션에 의한 기포가 내파된다. 기포가 내파되면서 다량의 에너지를 방출하므로, 액체의 온도가 증가하게 된다. 모터(300)의 시간당 회전수를 충분히 높여서, 액체 내에 캐비테이션을 더욱 넓게 발생시키면, 액체의 온도는 더욱 빠르게 증가하게 된다.

또한, 모터(300)의 시간당 회전수가 증가할수록, 회전통(202) 내부의 액체방사체(500)의 시간당 회전수도 증가되는데, 액체방사체(500)의 시간당 회전수가 증가될수록, 액체방사체(500)는 회전통(202)의 내부의 액체를 회전통(202)의 측벽부(204) 쪽으로 더욱 세게 밀어주게 된다. 따라서, 회전통(202) 내부의 액체는 방출공(210)을 더욱 빠르게 빠져나가게 되므로, 블레이드 판(240)의 외부에서 캐비테이션이 더욱 잘 발생하게 된다.

특히, 종래의 액체가열기(1)는 액체가 회전통(20)과 고정통(40)을 교대로 통과하여 지나가므로, 전체적인 액체의 속도가 느려, 캐비테이션이 국소적으로 발생 되는데 반하여, 본 실시 예의 유체 가열기(2)는 액체의 속도가 전체적으로 빠르기 때문에 캐비테이션이 광범위하게 발생된다. 또한, 액체가 하우징(100) 내부를 빠르게 통과하므로, 시간당 유출되는 액체의 양 및 캐비테이션에 의해 시간당 발생되는 기포의 양도 종래의 액체가열기(1)에 비하여 월등히 많다. 따라서, 본 실시 예의 유체 가열기(2)는 많은 양의 액체의 온도를 빠르게 증가시키는데 매우 우수한 효과가 있다.

캐비테이션 및 기포의 내파에 의해서 가열된 액체는 회전통(202)의 회전(R)방향으로 회전되며 원심가속유닛(200)을 빠져나온다. 원심가속유닛(200)을 빠져나온 액체는 하우징(100)의 내주면(112)에 접촉하며 회전되며, 하우징(100)의 유출구(160) 방향으로 이동된다.

액체가 원심가속유닛(200)과 하우징(100)의 내주면(112)의 사이에서 회전되며 유출구(160) 쪽으로 이동될 때, 블레이드 판(240)의 외주면(241)에 형성된 복수 개의 홈(248)에 의해 와류가 국부적으로 유발된다. 따라서, 블레이드 판(240)과 액체와의 마찰 및 액체와 액체와의 마찰이 증가하고, 그 마찰열에 의해서 액체의 온도가 더욱 증가된다.

또한, 액체가 원심가속유닛(200)과 하우징(100)의 내주면(112)의 사이에서 회전되며 유출구(160) 쪽으로 이동될 때, 액체는 하우징(100)의 내주면(112)의 돌기(120)에 부딪히면서 이동하게 되는데, 이로 인해서, 액체와 돌기(120)간의 마찰이 생기며, 와류가 형성되어 액체와 액체간의 마찰도 증가하게 된다. 따라서, 액체의 온도가 더욱 증가되는 효과가 있다. 특히, 본 실시 예에와 같이, 유출구(160)가 하우징 본체(101)의 바닥부(103)에 치우친 위치에 형성되어 있는 경우, 원심가속유닛(200)을 빠져나온 액체는 유출구(160)에 도달하는 과정에서, 그 이동거리가 길어지게 된다. 따라서, 액체가 돌기(120)와 마찰되는 빈도가 증가하게 되어, 액체의 온도가 더욱 효과적으로 증가하게 된다.

상술한 바와 같은 구성을 포함하는 본 발명에 따른 유체 가열기(2)는 등록특허 제0933072호에서 발생할 수 있는 문제점을 해결하였다. 즉, 제0933072호 특허에 개시된 원심가속유닛은 회전통과 일체로 형성되지 않기 때문에 그 원심가속유닛이 3000rpm 이상의 고속으로 회전하는 경우에 회전통과 원심가속유닛 간의 회전이 불일치하여 발생되는 진동으로 인하여 소음이 발생하고 유체 가열기의 내구성을 떨어뜨리는 문제점이 있으나, 본 발명에서는 그와 같은 문제점을 해소하였다.

또한, 본 발명에 따른 유체 가열기(2)는 회전통의 양단부가 견고하게 지지되기 때문에 원심가속유닛(200)의 고속회전시 진동 발생을 현저하게 감소시키는 효과가 있다. 즉, 제0933072호 특허에서는 회전통의 일단부가 외팔보 형태로 지지되나 본 발명에 따른 유체 가열기(2)는 상기 회전통(202)의 일단부가 베어링 지지부재(150)에 의해 상기 하우징(100)에 지지되고 타단부는 상기 모터축(320)에 회전가능하게 지지됨으로써 상기 원심가속유닛(2000)의 양단부가 견고하게 지지되어 있다. 따라서, 본 발명에 따른 유체 가열기(2)는 회전 안정성이 우수하여 내구성이 현저하게 향상되는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 유체 가열기(2)는 상기 하우징(100)과 상기 모터(300)가 공간적으로 이격되도록 배치함으로써 상기 하우징(100)에서 발생된 열에 의해 모터(300)가 손상을 입는 문제를 해소하였다.

이상, 본 발명의 일부 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 그 기술적 사상의 범위 내에서, 다양한 형태로 구체화될 수 있다.

2 : 유체 가열기 100 : 하우징
150 : 베어링 지지부재 200 : 원심가속유닛
202 : 회전통 210 : 방출공
240 : 블레이드 판 300 : 모터
320 : 모터축 324 : 하우징측 커플링
325 : 스프링 326 : 모터측 커플링
500 : 액체방사체 325 : 스프링

Claims (8)

1. 내부에 공간이 형성되며, 액체가 유입되기 위한 유입구와 유체가 유출되기 위한 유출구가 형성된 하우징;
   상기 유입구로 유입된 액체를 가열하는 원심가속유닛; 및
   상기 원심가속유닛을 회전시키기 위한 모터;를 포함하며,
   상기 원심가속유닛은,
   상기 하우징의 내부공간에 회전 가능하게 배치되며, 상기 유입구를 향하여 개구부가 형성된 측벽부를 구비하여 통 형상으로 이루어지며, 상기 개구부로 유입된 액체가 그 유입방향에 교차되는 방향으로 빠져나갈 수 있도록, 상기 측벽부에는 복수의 방출공이 관통되게 형성된 회전통; 및
   상기 회전통의 외주에 위치하고, 상기 회전통에 일체로 형성되어, 상기 회전통과 함께 회전될 경우, 상기 방출공을 통해 회전통을 빠져나온 액체가 원심력을 받도록 상기 회전통이 회전되는 방향으로 그 액체를 밀어 강제 회전시킴으로써, 상기 방출공을 빠져나오는 액체의 속도를 증가시켜 캐비테이션이 발생되도록, 상기 회전통의 회전 중심축 방향으로 나란하게 서로 이격되어 배치된 복수 개의 판 형상의 블레이드 판을 구비하며,
   상기 방출공은 상기 측벽부의 내주면으로부터 상기 블레이드 판을 일체로 관통하도록 형성되며,
   상기 하우징과 상기 모터는 그 모터의 모터축을 매개로 공간적으로 서로 이격되도록 배치되며,
   상기 유입구와 마주하는 상기 측벽부의 단부는 상기 하우징에 베어링 지지부재에 의해 회전가능하게 지지 되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 가열기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 회전통의 내부공간에 상기 회전통과 함께 회전되도록 배치되며, 회전시에 상기 회전통의 내부로 들어온 액체를 상기 회전통의 측벽부 쪽으로 밀어주기 위한 날개가 외주에 마련되어 있는 액체방사체를 더 구비한 것을 특징으로 하는 유체가열기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드 판들 중 일부의 블레이드 판은 상기 방출공을 구비하지 않은 것을 특징으로 하는 유체 가열기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 각 블레이드 판의 외주면에는 원주방향으로 서로 이격되게 배치된 복수 개의 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 가열기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 하우징의 내주면에는 복수의 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체 가열기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 각 돌기는 상기 회전통의 회전 방향에 교차되는 방향으로 소정의 길이를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 가열기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 하우징은:
   원통 형상의 하우징 본체와,
   상기 하우징 본체의 개방된 일측면을 덮도록 상기 하우징 본체에 결합하는 덮개 및 상기 하우징 본체의 개방된 타측면을 덮도록 상기 하우징 본체에 결합하는 바닥부를 구비하며,
   상기 유입구는 상기 덮개에 형성되며,
   상기 유출구는 상기 하우징 본체에 형성되며, 상기 하우징 본체의 바닥부쪽으로 치우치게 형성되어 있으며,
   상기 바닥부에는 상기 원심가속유닛에 수용된 액체가 상기 하우징 외부로 누출되지 않도록 구비된 메카니컬 씰링 부재; 및 상기 원심가속유닛이 원활하게 회전할 수 있도록 베어링 부재가 설치된 것을 특징으로 하는 유체 가열기.
8. 제1항에 있어서,
   상기 모터축은 커플링 결합에 의해 상기 하우징측과 상기 모터측이 분리가능하게 결합되며, 상기 커플링 결합은 상기 모터축이 그 모터축 방향으로의 유동을 흡수하기 위한 스프링이 구비된 것을 특징으로 하는 유체 가열기.

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