KR101100653B1 - 강제순환식 태양열 축산분뇨 발효조 - Google Patents

Abstract

태양열을 이용하여 축산분뇨 발효 탱크를 일정 이상의 온도로 유지할 수 있도록 하는 축산분뇨 발효조가 제공된다. 본 발명은 태양열에 의해 가열된 열매체의 열을 발효조에 전달할 수 있도록 하면서, 넓은 면적과 오랜 시간에 걸쳐서 열매체와 발효조 내부의 축산분뇨 사이에서 열 교환이 이루어질 수 있도록 이중 탱크 사이에 나선형으로 열매체가 이동할 수 있는 관로를 이중으로 형성하면서, 열매체가 하부로 이동하면서 열을 전달하고, 다시 상부로 이동하면서 남은 열을 전달할 수 있도록 하면서, 관로 사이에서 열매체가 새지 않도록 하여 축산분뇨 발효조의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 축산분뇨 발효조에 관한 것이다.

태양열, 분뇨, 발효조, 가열기, 축열조, 강제 순환식

Description

강제순환식 태양열 축산분뇨 발효조 {FORCED CIRCULATED LIVESTOCK MANURE FERMENTER USING SOLAR HEAT AND PRODUCTION PROCESS THEREOF}

본 발명은 태양열을 이용하여 축산분뇨를 발효시킬 수 있도록 하는 강제 순환식 축산분뇨 발효조에 관한 것이다.

축산분뇨의 해상 투기가 금지되면서 축산분뇨를 처리하기 위한 방안이 연구되고 있다. 이 중 가장 효과적인 해결 방안은 축산분뇨를 적절히 처리함으로써, 축산분뇨를 자원화 할 수 있도록 하는 것이다. 이를 위하여 축산분뇨를 발효시킬 수 있는 축산분뇨 발효조가 요구된다.

축산분뇨 발효조는 일정 온도 이상이 유지되어야 발효균 활동이 가능하기 때문에, 동절기에는 온도가 낮아 발효 기능을 상실하게 되고, 정상적인 발효 활동이 이루어지도록 하기 위해서는 별도의 가열원을 이용하여 일정 온도 이상을 유지해야 한다. 따라서 동절기에 화석연료 등을 사용하여 발효조의 온도를 유지할 수 있도록 하는 방법이 사용되었는데, 이는 연료비가 적지 않게 소요되며 환경오염까지 유발하는 문제점이 있었다.

한편, 친환경적인 에너지이면서, 비용이 소요되지 않아 매우 경제적이고 이 용 가능성이 높은 에너지로 태양 에너지가 최근 많이 사용되고 있다. 태양 에너지를 이용하는 방법으로는 다이오드를 이용하여 태양광으로부터 에너지를 얻는 방법과, 집열판을 이용하여 태양열로부터 에너지를 얻는 방법이 사용된다. 이 중, 온수를 가열하여 생활용수 등으로 사용할 수 있도록 하기 위하여 태양열 시스템이 사용되고 있다. 태양열 시스템은 강제 순환식과 자연 순환식이 있는데, 시스템의 안정성 등의 이유로 인하여 펌프를 이용하여 열매체를 순환시키는 강제 순환식이 널리 사용된다. 이와 같은 태양열 시스템을 축산분뇨 발효조에 적용하게 되면 친환경적이고 저렴한 에너지를 이용하여 동절기에도 효과적으로 축산분뇨의 발효가 이루어지도록 할 수 있다.

도 1은 열교환기를 이용하는 종래의 강제 순환식 태양열 시스템의 일례를 도시한 것이다. 도면에서와 같이 종래의 태양열 시스템은 태양열 집열기(101), 축열조(온수탱크, 102), 열교환기(103) 및 순환펌프(104)로 구성되며 그 밖에도 상기 시스템을 제어하기 위한 제어기 등의 구성이 적용될 수 있다. 상기 태양열 집열기(101)에서는 태양열을 받아 그 열을 이용하여 열매체를 가열시키고, 가열된 열매체는 순환펌프(104)에 의하여 열교환기(103)로 전달된다. 또한, 축열조(온수탱크, 102)에는 온수가 저장되어 있는데, 순환펌프(104)에 의하여 상기 저장된 온수 또한 열교환기(103)로 전달된다. 따라서 열교환기(103) 내부에서 상기 열매체 및 온수 사이의 열 교환이 이루어지고, 열매체의 열이 온수로 전달되어 온수가 가열되게 된다. 가열된 온수는 다시 축열조(102)로 돌아가고 축열조에 저장되어 있는 온수가 전반적으로 가열되게 된다.

이와 같이 열교환기를 이용하는 종래의 강제 순환식 태양열 시스템에서는 열교환기(103)를 사이에 두고 2개로 각각 순환되는 배관계통을 가지고 있어야 하기 때문에 그 구조가 복잡하고, 순환펌프(104)도 열매체를 이동시키기 위한 것과 온수를 이동시키기 위한 것 2개가 필요하기 때문에 고장의 가능성도 높다. 또한, 축산분뇨 발효조에 이를 적용하고자 하는 경우에는 온수 대신 축산분뇨를 이동시켜야 하는 문제점이 있다.

도 2의 열교환코일 내장형 태양열 시스템은 도면에서와 같이 축열조(온수탱크, 102)의 내부에 열교환을 위한 열교환코일(105)이 형성되어 있어, 태양열 집열기(101)로부터 열을 받은 열매체가 상기 축열조(102)에 저장되어 있는 온수를 직접 가열할 수 있도록 한다. 이와 같은 열교환코일 내장형 태양열 시스템은 열교환코일이 온수를 저장하는 축열조(102) 내부에 위치하게 되어, 이에 스케일(scale, 물때)이 발생할 가능성이 높아지고, 이로 인한 성능 저하가 발생될 수 있다. 또한, 열교환코일이 축열조(102) 내에서 온수와 접촉할 수 있는 면적에 한계가 있기 때문에, 작은 규모에서만 적용이 가능하다는 문제점이 있다. 특히, 축산분뇨 발효조에 이를 적용하는 경우에는, 축산분뇨 사이에 열교환코일이 위치하게 되어 관리하기가 어렵고, 열 대류가 잘 이루어지지 않는 축산분뇨의 특성상 전반적으로 고르게 가열하기가 어려워 발효가 잘 이루어지기 어렵다.

또한 도 3의 맨틀형 축열조를 이용한 태양열 시스템은 도면에서와 같이 축열조(온수탱크, 102)의 외측벽에 열교환을 위하여 열매체가 이동할 수 있는 공간(106)이 형성되어 있고, 태양열 집열기(101)로부터 열을 받은 열매체가 상기 축열조(102)의 외벽에 형성된 공간(106)으로 이동하면서 축열조(102) 내부의 온수를 가열할 수 있도록 한다. 이와 같이 개선된 태양열 시스템은 그 시스템이 단순화된다는 장점이 있으나, 높은 열전달계수를 확보하기 위하여 순환유량이 증대됨으로써 집열기 입출구의 온도차가 작아지고 열효율이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 간단한 구조로 축산분뇨 발효조에 태양열 시스템을 적용하면서도, 축산분뇨 전체가 고르게 열을 받아 일정한 온도를 유지할 수 있도록 하는 축산분뇨 발효조가 요구된다.

본 발명은 동절기에도 축산분뇨의 발효가 이루어질 수 있도록 하는 축산분뇨 발효조를 제공할 수 있다.

본 발명은 축산분뇨 발효조를 전반적으로 가열함으로써, 대류가 이루어지지 않는 축산분뇨를 일정한 온도로 유지할 수 있도록 하는 축산분뇨 발효조를 제공할 수 있다.

본 발명은 태양열 시스템을 이용하여 별도의 가열 비용 없이도 축산분뇨의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 축산분뇨 발효조를 제공할 수 있다.

본 발명은 열매체와 축산분뇨 사이에서 열을 전달할 수 있는 열 전달 면적을 최대화함으로써, 보다 효율적으로 축산분뇨를 가열할 수 있도록 하는 축산분뇨 발효조를 제공할 수 있다.

본 발명은 열매체가 발효조의 측면을 따라 나선형으로 이동하도록 하면서도, 열매체가 상기 나선형의 관로를 이탈하지 않도록 함으로써, 보다 효율적으로 축산분뇨를 가열할 수 있는 축산분뇨 발효조를 제공할 수 있다.

본 발명은 나선형으로 하측으로 이동한 열매체가 다시 나선형 관로를 따라 상측으로 이동하도록 함으로써, 더욱 효과적인 가열이 이루어질 수 있도록 하는 축산분뇨 발효조를 제공할 수 있다.

본 발명은 이중나선 구조의 관로를 하부에 형성함으로써, 측면뿐 아니라, 하부도 가열되도록 하여, 전체적으로 일정한 온도를 유지하여 발효가 효과적으로 이 루어지도록 하는 축산분뇨 발효조를 제공할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 축산분뇨 발효조는 축산분뇨를 저장하는 원통형 발효 탱크, 상기 발효 탱크와 이격되어 상기 발효 탱크의 외측면을 둘러싸는 원통형 외부 탱크, 상기 발효 탱크의 외측면 및 상기 외부 탱크의 내측면에 나선형으로 밀착되어 나선형 관로를 형성하는 제1 열매체 차단부, 상기 발효 탱크의 외측면 및 상기 외부 탱크의 내측면에 나선형으로 밀착되어 상기 나선형 관로의 내부를 제1 관로 및 제2 관로로 구분하는 제2 열매체 차단부 및 상기 제1 관로를 따라 하측으로 이동하고, 다시 제2 관로를 따라 상측으로 이동하며, 태양열 집열기로부터의 열을 상기 발효 탱크에 저장되는 상기 축산분뇨에 전달하는 열매체를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 축산분뇨 발효조는 상기 발효 탱크 및 외부 탱크의 하부에 위치하며 이중나선 구조의 관로를 가지는 원통형 하부 열전달부를 더 포함하고, 상기 이중나선 구조의 관로의 일측 끝단은 상기 제1 관로에 연결되고, 타측 끝단은 상기 제2 관로에 연결되도록 구성될 수 있다.

이 때, 상기 제1 열매체 차단부 및 제2 열매체 차단부는 탄성을 가지며, 임계치 이상의 힘 또는 열이 가해지면 일시적으로 소성을 가지게 되는 기둥 형태의 열매체 차단용 자재에 상기 임계치 이상의 힘 또는 열을 가함으로써 생성될 수 있다.

또한, 상기 열매체 차단용 자재는 단면의 지름이 5mm 내지 10mm 이내인 원통 형의 형상을 가질 수 있다.

본 발명에 따르면 동절기에도 축산분뇨의 발효가 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면 축산분뇨 발효조를 전반적으로 가열함으로써, 대류가 이루어지지 않는 축산분뇨를 일정한 온도로 유지할 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면 태양열 시스템을 이용하여 별도의 가열 비용 없이도 축산분뇨의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면 열매체와 축산분뇨 사이에서 열을 전달할 수 있는 열 전달 면적을 최대화함으로써, 보다 효율적으로 축산분뇨를 가열할 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면 열매체가 발효조의 측면을 따라 나선형으로 이동하도록 하면서도, 열매체가 상기 나선형의 관로를 이탈하지 않도록 함으로써, 보다 효율적으로 축산분뇨를 가열할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따르면 나선형으로 하측으로 이동한 열매체가 다시 나선형 관로를 따라 상측으로 이동하도록 함으로써, 더욱 효과적인 가열이 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명에 따르면 이중나선 구조의 관로를 하부에 형성함으로써, 측면뿐 아니라, 하부도 가열되도록 하여, 전체적으로 일정한 온도를 유지하여 발효가 효과적으로 이루어지도록 하는 효과가 있다.

이하에서, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

본 발명에 따른 축산분뇨 발효조는 태양열 시스템과 같이 가열된 열매체를 이용하여 발효조의 온도를 일정 온도 이상으로 유지함으로써, 동절기에도 발효균이 유효한 활동을 할 수 있도록 하여 축산분뇨의 발효가 원활하게 이루어지도록 하는 장치이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양열 가열 시스템을 적용한 축산분뇨 발효조의 일례를 도시하는 도면이다.

도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 축산분뇨 발효조(401)는 태양열 집열기(101)에서 태양열을 이용하여 가열된 열매체가 열매체 순환용 펌프(104)에 의하여 순환하면서 발효조의 온도를 일정 온도 이상으로 유지할 수 있도록 하는 태양열 시스템에 포함되어 축산분뇨를 저장하고, 열매체의 열이 축산분뇨로 전달되어 축산분뇨 내의 발효균이 원활하게 활동할 수 있는 온도를 유지할 수 있도록 한다.

이 때, 일반적으로 태양열 시스템을 적용하여 사용하는 온수 가열기의 경우, 열효율 등의 이유로 온수의 상부가 하부보다 높은 온도를 유지하도록 하는 성층화를 이루어야 하는데 비해 축산분뇨 발효조에서는 축산분뇨의 대류가 거의 없고, 전체적으로 고르게 발효가 이루어져야 한다. 따라서, 상기 태양열 집열기(101)로부 터 열을 전달하는 열매체는 상기 축산분뇨 발효조(401)의 상부로 유입되어 상부부터 하부까지 축산분뇨를 가열한 후, 다시 하부에서 상부로 이동하면서 축산분뇨를 재차 가열하고, 상부의 열매체 배출구로 빠져나가도록 구성될 수 있다.

또한, 측면에서의 가열만으로는 축산분뇨 내부까지 고르게 가열되지 못하는 경우가 발생될 수 있으므로, 축산분뇨 발효조(401)의 하부에 열매체가 이동하면서 축산분뇨로 원활한 열전달이 이루어질 수 있도록 하는 관로가 형성되도록 구성될 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 축산분뇨 발효조(401)를 이용하면 저장되어 있는 축산분뇨를 측면에서 2차례, 하부에서 1차례 각각 가열할 수 있도록 함으로써, 축산분뇨가 전체적으로 필요한 온도를 유지할 수 있고, 발효균의 원활한 활동으로 인하여 동절기에도 적절히 발효가 이루어지도록 할 수 있는 효과가 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 축산분뇨 발효조(401)의 구성을 도시하는 도면이다.

도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 축산분뇨 발효조(401)는 발효 탱크(510), 제1 열매체 차단부(520), 제2 열매체 차단부(530), 외부 탱크(540) 및 열매체를 포함하여 구성될 수 있다. 이하 구성요소 별로 구체적으로 기술하도록 한다.

발효 탱크(510)는 축산분뇨를 저장하고 발효시키기 위하여 사용되는 원통형 탱크이다. 태양열 시스템을 이용하는 축산분뇨 발효조(401)에서는 발효 탱크(510)에 축산분뇨를 저장해 두고, 저장된 축산분뇨를 태양열을 이용하여 가열함으로써, 동절기에도 축산분뇨의 온도를 일정 온도 이상으로 유지하도록 하고, 이로써 발효균이 지속적으로 활동할 수 있도록 하여, 계절과 무관하게 축산분뇨를 발효시켜 자원화 할 수 있도록 한다. 본 발명에 따른 축산분뇨 발효조(401)에서 내부탱크(510)는 종래에 축산분뇨를 발효시키기 위하여 사용하던 원통형의 탱크를 그대로 적용하여 사용할 수 있으며, 이로 인하여 축산분뇨 발효조(401)를 구성하기 위한 비용화 노력을 최소화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 종래에 사용하던 탱크를 사용하지 않는 경우에는 금속판을 원통형으로 구부리고 양 끝단을 맞닿게 하여 용접함으로써 간단하게 구현할 수 있다.

본 발명에 따른 축산분뇨 발효조(401) 에서는 축산분뇨를 저장하는 발효 탱크(510)의 측면 그리고 경우에 따라서는 하면에서 열매체가 축산분뇨를 가열하도록 하고 있으므로, 축산분뇨를 저장하는 발효 탱크(510) 및 상기 발효 탱크(510)를 둘러싸면서 온수에 열을 전달하기 위한 열매체가 이동할 수 있는 경로를 형성하기 위한 외부 탱크(540)로 이중 탱크를 구성하도록 하고 있다. 발효 탱크(510)는 이중 축산분뇨를 저장하는 탱크로, 상술한 바와 같이 측면 또는 하면에서 열매체로부터 열을 전달받아 내부에 저장된 축산분뇨로 전달해야 하므로, 열전도도가 높은 물질을 사용하여 구성하는 것이 바람직하다. 따라서 상술한 바와 같이 금속판을 구부려 원통형으로 구성하고 이를 용접하여 발효 탱크(510)를 구성하는 것이 바람직하다.

발효 탱크(510)를 구성하는 금속판은 철, 구리, 알루미늄, 금, 은, 주석 등 다양한 소재로 구성될 수 있으며, 둘 이상의 금속의 합금 성분을 이용하여 구성할 수도 있다. 단, 축산분뇨를 저장하기 위한 것이므로, 축산분뇨로 인하여 쉽게 부식되거나 상할 수 있는 소재의 금속판이 사용되지 못할 수 있으며, 부식 등에 대한 내구성이 강한 금속판이 사용될 수 있다. 상기 금속판으로는 열전도도가 높아 열을 쉽게 전달할 수 있는 물질이라면 어떤 것도 적용이 가능하다.

외부 탱크(530)는 상기 열매체 차단부(520)의 외측에 밀착되어 원통형으로 형성된다. 외부 탱크(530)는 상기 발효 탱크(510)의 외벽을 둘러싸면서 발효 탱크(510)와 일정 간격 이격되어 공간을 형성하여 열매체가 이동할 수 있도록 한다. 이 때 상기 발효 탱크(510) 및 외부 탱크(530)의 이격으로 인하여 발생되는 공간은 상술한 바와 같이 열매체 차단부(520)에 의하여 나선형의 공간으로 구분되기 때문에, 열매체가 발효 탱크(510)에 저장된 축산분뇨를 측면에서 상당히 균일하게 가열할 수 있다.

외부 탱크(540)는 상기 발효 탱크(510)와 이격되어 상기 발효 탱크(510)의 외측면을 둘러싸는 원통형의 탱크로, 발효 탱크(510)와 마찬가지로 금속판을 둥글게 말아 양 끝단을 용접하여 생성할 수 있다. 외부 탱크(540)는 발효 탱크(510)를 둘러싸면서, 발효 탱크(510)의 외측면에 열매체가 밀착하여 이동할 수 있도록 해야 하기 때문에, 열매체가 이동할 수 있는 공간을 확보하기 위하여 발효 탱크(510)와 이격되어 구성된다. 이 때 이격되는 거리는 5mm 이상 10mm 이하의 범위를 가지는 것이 바람직하다. 상기 이격 거리가 커지게 되면 발효 탱크(510) 및 외부 탱크(540) 사이의 간격이 벌어지게 되어 열매체가 통과하는 유로의 면적이 넓어져, 즉 유속이 떨어져 열을 전달하는 효율이 떨어지게 되고, 만일, 상기 이격 거리가 너무 좁아지면 작은 변형으로 인하여 열매체가 이동하는 관로가 막히는 문제점이 발생할 수도 있다.

외부 탱크(540)를 구성할 때에는 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)가 상기 발효 탱크(510)의 외부에 구성된 이후에, 금속판을 상기 발효 탱크(510)의 측면을 감싸는 형태로 둥글게 말고, 상기 금속판이 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)와 강하게 밀착되도록 압력을 가한 후에 양 끝단을 용접함으로써, 발효 탱크(510), 제1 열매체 차단부(520), 제2 열매체 차단부(530) 및 외부 탱크(530)로 인하여 나선형의 제1 관로 및 제2 관로가 형성될 수 있도록 할 수 있다. 이 때, 금속판 등을 용접하여 발효 탱크(510) 및 외부 탱크(540) 사이의 이격 공간을 구분하여 제1 관로 및 제2 관로를 형성하는 것보다, 원통형의 열매체 차단용 자재를 이용하여 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)를 구성하게 되면, 더욱 강한 힘을 지탱할 수 있으므로 더욱 강한 압력을 가하면서 용접을 할 수 있다. 따라서, 제1 열매체 차단부(520) 또는 제2 열매체 차단부(530)와 외부 탱크(540)의 밀착도를 높일 수 있고, 틈새가 벌어지지 않도록 구성하여, 열매체의 순환이 잘 이루어지도록 하고, 열교환 효율을 높이면서 발효 탱크(510)의 안에 저장되어 있는 축산분뇨가 전반적으로 고르게 가열될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

외부 탱크(540)는 발효 탱크(510)에 비하여 열전도도가 낮은 물질을 이용하여 구성될 수 있는데, 이는 열매체가 발효 탱크(510) 및 외부 탱크(540) 사이의 이격 공간을 통하여 이동하면서 발효 탱크(510)에 저장된 축산분뇨로 대부분의 열을 전달하고, 축산분뇨 발효조(401)의 외부로는 열이 손실되지 않도록 하기 위해서이다.

제1 열매체 차단부(520)는 상기 발효 탱크(510)의 외측면 및 상기 외부 탱크(540)의 내측면에 나선형으로 밀착되어 나선형 관로를 형성한다. 제1 열매체 차단부(520)가 발효 탱크(510)의 외측면 및 외부 탱크(540)의 내측면에 밀착되어 구성되면, 상기 발효 탱크(510) 및 외부 탱크(540) 사이의 이격 공간을 나선형으로 구분하게 됨으로써, 나선형의 관로를 형성하게 된다. 만일 이와 같이 제1 열매체 차단부(520)가 구성되지 않는다면, 유입된 열매체는 측면을 따라 빠른 속도로 빠져나가게 되며, 열을 전달할 수 있는 시간이 짧아지게 되므로, 열전달의 효율이 떨어지게 된다. 따라서, 이와 같이 나선형으로 이격 공간을 구분하여 줌으로써, 열매체가 나선형으로 이동하면서 오랜 시간 동안 열을 발효 탱크(510)에 저장된 축산분뇨에 전달할 수 있도록 한다.

또한 제2 열매체 차단부(530)는 상기 발효 탱크(510)의 외측면 및 상기 외부 탱크(540)의 내측면에 나선형으로 밀착되어 상기 제1 열매체 차단부(520)로 인하여 형성된 상기 나선형 관로의 내부를 제1 관로 및 제2 관로로 구분한다. 본 발명에 따른 축산분뇨 발효조는 열매체가 투입되어 상부에서 하부로 이동하면서 1차적으로 축산분뇨를 가열하고, 다시 하부에서 상부로 이동하면서 2차적으로 축산분뇨를 가열함으로써, 전체적으로 고르게 열을 전달할 수 있도록 한다. 따라서, 하나의 나선형 관로로는 열매체가 한 방향으로밖에 이동할 수 없으므로, 제2 열매체 차단부를 이용하여 관로를 2개로 나누어 이중나선 형태로 구성되도록 한다.

제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)는 탄성을 가지며 임계치 이상의 힘 또는 열이 가해지면 일시적으로 소성을 가지게 되는 기둥 형태의 열매체 차단용 자재를 상기 임계치 이상의 힘 또는 열을 가하여 상기 발효 탱크(510)의 외측면에 나선형으로 밀착시킴으로써 형성될 수 있다. 이와 같은 구성을 위하여, 상술한 바와 같이 발효 탱크(510)의 외측면에 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)를 구성한 이후에 외부 탱크(540)를 구성하도록 할 수 있다. 종래의 태양열 시스템에서는 이중 탱크를 구성할 때에, 내부 외부 탱크를 각각 원통형으로 구성하고 외부 탱크 안에 발효 탱크를 끼워 넣는 방법을 많이 이용하였으나, 본 발명에서와 같이 열매체 차단용 자재가 나선형으로 형성된 경우에 그와 같은 방법을 적용한다면, 열매체 차단용 자재와 외부 탱크가 밀착되도록 제조하는 것이 매우 어려워 시간이 오래 걸리고, 나선형 관로에서 틈새가 발생할 확률이 높아지기 때문에, 열이 전달되는 효율도 떨어지게 된다. 따라서, 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)를 구성한 이후에 금속판으로 외부를 둘러싸고 압력을 가한 후 이를 용접하여 외부 탱크(540)를 제조하는 것이 바람직하다.

이와 같은 이유로, 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)를 구성하는 열매체 차단용 자재는 힘 또는 열을 가하여 형태를 변형 시킬 수 있는 기둥 형태의 자재가 이용되며, 상기 열매체 차단용 자재의 형태를 변형시켜서 발효 탱크(510)의 외벽에 나선형의 형태로 밀착되도록 형성할 수 있다. 열매체 차단용 자재가 금속판과 같은 형태가 아니라 기둥 형태로 구성되게 되면, 발효 탱크(510)의 외벽에 단단하게 고정시킬 수 있고, 외부 탱크(540)를 상기 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)에 밀착시켜 고정시킬 때에도 압력을 가하여 틈이 생기지 않도록 밀착시킬 수 있다. 따라서, 금속판의 형태로 나선형 관로를 형성하는 것과 비교할 때, 보다 손쉽게 축산분뇨 발효조를 제조할 수 있으면서도 틈이 새지 않아 높은 효율로 열교환이 이루어질 수 있다.

제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)를 구성하는 열매체 차단용 자재는 상술한 바와 같이 탄성을 가지고 있으나, 임계치 이상의 힘 또는 열을 가하게 되면 일시적으로 소성을 가지는 재료를 이용하여 구성될 수 있다. 상기 열매체 차단용 자재는 금속 또는 플라스틱 등의 재료로 구성될 수 있는데, 금속의 경우 임계치 이상의 힘이 주어지면 일시적으로 소성을 가지게 되어 형태가 변형되지만, 고정된 후에는 소성을 가지므로 상기 발효 탱크(510)의 외벽에 밀착시키기 용이하다. 이 때 금속은 철, 구리, 알루미늄, 금, 은, 주석 등 다양한 소재로 구성될 수 있으며, 둘 이상의 금속의 합금 성분을 이용하여 구성할 수도 있다.

또한, 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)를 구성하는 열매체 차단용 자재가 플라스틱을 이용하여 구성되는 경우, 열가소성 수지를 이용하여 임계치 이상의 열을 가하고 이에 따라 형태를 변형시켜 나선형으로 상기 발효 탱크(510)에 밀착시킨 후 식혀서 고정되도록 할 수 있다. 또한 열경화성 수지를 이용하는 경우에는 형틀 등을 이용하여 액체 상태의 수지를 나선형으로 배치시키고, 열을 가하여 단단하게 밀착되도록 할 수 있다. 이 밖에도 힘 또는 열을 이용하여 형태를 변형시키고, 보통의 상태에서는 탄성을 가지고 형태를 유지하는 성질을 가진 물질을 이용하여 상기 열매체 차단용 자재를 구성함으로써, 금속판 을 용접하여 관로를 형성하는 경우에 비하여 훨씬 용이하게 작업을 수행하면서도, 상기 발효 탱크(510) 및 외부 탱크(530)에 밀착되도록 형성하여 열 전달 효율을 높이도록 한다.

제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)를 구성하는 상기 열매체 차단용 자재는 상기 외부 탱크(540)의 경우와 마찬가지로, 상기 발효 탱크(510)의 재료와 비교하여 열전도도가 낮은 물질을 이용하는 것이 바람직하다. 발효 탱크(510)의 경우 열매체가 발효 탱크(510)의 외부를 따라 이동하면서 발효 탱크(510)를 통하여 열을 전달해야 하기 때문에 높은 열전도도를 가지는 물질을 이용해야 했으나, 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)는 열을 다른 곳으로 빼앗기지 않고, 발효 탱크(510)로만 열이 공급될 수 있도록 하기 위하여 상부에서의 열이 하부에 있는 온도가 낮은 열매체로 전달되지 않도록 함으로써, 열매체의 열이 대부분 발효 탱크(510)를 통하여 온수로 전달될 수 있도록 해야 한다. 따라서, 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)는 열전도도가 낮은 재료로 구성되는 것이 보다 바람직하다.

또한 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)를 구성하는 열매체 차단용 자재는 원기둥의 형태를 가질 수 있으며, 그 단면을 형성하는 원의 지름이 5mm 내지 10mm 이내의 범위를 가지도록 할 수 있다. 상기 지름은 상술한 발효 탱크(510) 및 외부 탱크(540) 사이의 이격 거리와 동일하게 발효 탱크(510) 및 외부 탱크(540)와의 사이에서 빈틈이 생기지 않도록 해야 한다. 상술한 바와 같이, 상기 지름이 커지게 되면 발효 탱크(510) 및 외부 탱크(540) 사이의 간격이 벌어지게 되어 열을 전달하는 효율이 떨어지게 되고, 만일, 상기 간격이 너무 좁아지면 작은 변형으로 인하여 열매체가 이동하는 관로가 막히는 문제점이 발생할 수도 있다. 따라서, 5mm 이상 10mm 이하의 지름을 가지는 원기둥 형태의 열매체 차단용 자재를 이용하여 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)를 형성하는 것이 바람직하다. 이 밖에도 열매체 차단용 자재는 사각 기둥, 육각 기둥, 팔각 기둥 등의 형태를 가질 수 있으며, 이와 같은 형태에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

상기 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)를 구성하는 열매체 차단용 자재를 나선형으로 형성시킬 때에는 상기 나선형을 구성하는 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)사이의 간격이 열매체 차단용 자재의 단면의 지름의 10배 내지 20배 이내의 길이의 간격을 유지하도록 형성 할 수 있다. 상기 열매체 차단용 자재의 단면의 지름 및 상기 열매체 차단용 자재 사이의 간격의 비율은 상기 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)에 의하여 형성되는 관로에서 흐르는 열매체의 유량 중 상기 발효 탱크(510)의 외벽과 맞닿아 열을 전달할 수 있는 열매체의 비율을 결정하기 때문에 매우 중요할 수 있다. 상술한 바와 같이 열매체 차단용 자재는 지름이 5mm 내지 10mm 이내의 범위에 포함되는 것이 바람직하며, 열매체 차단용 자재 사이의 거리는 100mm정도를 유지하는 것이 바람직하다.

제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)로 인하여 형성되는 상기 제1 관로 및 제2 관로는 각각 상부 및 하부에 그 관로의 끝단을 가지게 되는데, 제1 관로의 상부 끝단은 열매체 투입구(550)에 연결되고, 제2 관로의 상부 끝단은 열매체 배출구(560)에 각각 연결될 수 있다. 또한, 제1 관로 및 제2 관로의 하부 끝단은 서로 연결되어, 제1 관로에서 하부로 이동한 열매체가 제2 관로를 통하여 상부로 이동하도록 구성될 수 있는데, 하측에 하부 열전달부(570)가 구성되는 경우에는 상기 하부 열전달부(570)에 형성된 이중나선 관로의 두 끝단에 상기 제1 관로 및 제2 관로의 하부 끝단이 각각 연결되도록 함으로써, 제1 관로를 통하여 하부로 이동한 열매체가 이중나선 관로를 통하여 내부를 가열하고, 다시 제2 관로로 연결되어 상부로 이동하면서 측면을 다시 가열하도록 구성될 수 있다.

열매체는 상기 발효 탱크(510), 제1 열매체 차단부(520), 제2 열매체 차단부(530) 및 외부 탱크(540)로 인하여 형성되는 두 개의 나선형 관로 중 제1 관로를 따라 하측으로 이동하고, 다시 제2 관로를 따라서 상측으로 이동하며, 태양열 집열기로부터의 열을 상기 발효 탱크(510)에 저장되는 축산분뇨에게 전달한다. 열매체는 액체의 형태를 가지고, 태양열 집열기(101) 및 본 발명의 일실시예에 따른 축산분뇨 발효조(401) 사이를 관로를 따라 이동할 수 있다. 상기 열매체가 이동하도록 하기 위하여 순환 펌프(104)가 사용될 수 있고, 이와 같이 펌프를 이용하여 열매체를 이동시키는 태양열 시스템을 열매체를 펌프를 통하여 강제로 순환하도록 한다는 의미에서 강제 순환식 태양열 시스템이라 한다.

열매체는 옥외에 설치되어 태양열을 받는 태양열 집열기(101)에서 열을 받아야 하므로, 옥외 및 옥내를 순환할 수 있어야 한다. 따라서 겨울철 낮은 온도의 옥외에서도 액체 상태를 유지하면서 원활하게 유동할 수 있도록 낮은 온도에서도 액체 상태를 유지할 수 있도록 하는 부동액을 이용할 수 있다.

본 발명에 따른 축산분뇨 발효조(401)에서는 측면에서의 가열만으로 축산분뇨가 전반적으로 고르게 가열되기 어려운 경우에 대비하기 위하여, 상기 발효 탱크(510)의 하부에 이중와선 구조의 관로를 가지는 원통형의 하부 열전달부(570)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상술한 바와 같이, 발효 탱크(510) 및 외부 탱크(540)는 서로 이격되면서도 제1 열매체 차단부(520) 및 제2 열매체 차단부(530)와 밀착되어 상기 이격된 공간에 열매체가 이동할 수 있는 나선형의 제1 관로 및 제2 관로를 형성한다. 이는 상술한 바와 같이 제1 관로를 따라서 하부로 이동하면서 열매체가 축산분뇨를 1차적으로 가열하고, 다시 제2 관로를 따라서 상부로 이동하면서 2차적으로 가열하도록 하기 위함이다. 이와 같이 제1 관로 및 제2 관로를 구성함으로써, 2차례에 걸쳐서 열매체의 열이 축산분뇨로 전달되도록 하여 열전달 효율을 높일 수 있다.

그러나, 이와 같은 경우에도 2차에 걸친 가열 모두 발효 탱크(510)의 측면을 가열하는 것이기 때문에, 발효 탱크(510)의 직경이 커지게 되면 발효탱크의 내부까지 열이 전달되기 어려운 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 전체적으로 발효 탱크(510)의 내부에 있는 축산분뇨를 가열하여, 일정한 온도 이상으로 유지할 수 있도록 하기 위한 방법이 요구된다.

하부 열전달부(570)는 상기 발효 탱크(510) 및 외부 탱크(540)의 하부에 위치하며 그 내부에 이중와선 구조의 관로가 형성되어 있을 수 있다. 이 때, 상기 이중와선 형태의 관로의 일측 끝단은 상기 제1 관로의 하측 끝단에 연결되고, 타측 끝단은 상기 제2 관로의 하측 끝단에 연결될 수 있다. 이에 따라서, 상기 제1 관로를 따라서 하측 방향으로 이동한 열매체가 상기 이중와선 구조의 관로를 따라 이동하면서 상기 발효 탱크(510)의 하부를 가열하고, 다시 이중와선 구조의 관로에서 빠져 나와 상기 제2 관로로 이동하여 측면 2차 가열을 하면서 상부로 이동하여 열매체 배출구(560)로 배출될 수 있다. 이와 같은 구성을 통하여, 열매체가 오랜 시간동안 발효 탱크(510)의 축산분뇨에 열을 전달할 수 있도록 하면서, 측면뿐 아니라 하면에서도 열을 전달할 수 있도록 하여, 큰 규모의 축산분뇨 발효 탱크에 적용하는 경우에도, 축산분뇨를 전반적으로 가열할 수 있도록 한다. 이에 따라서, 축산분뇨의 발효가 보다 원활하게 이루어질 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 축산분뇨 발효조(401)의 이중와선 구조의 관로를 가지는 하부 열전달부 (570)의 일례를 도시하는 도면이다.

도면에서 도면 부호 610에 해당하는 일측의 끝단은 상기 제1 관로의 하측 끝단에 연결되어 제1 관로를 따라서 이동한 열매체가 유입되도록 할 수 있고, 유입된 열매체는 화살표 방향으로 이중나선 구조의 관로를 따라 중심 방향으로 이동하면서 상기 발효 탱크(510)에 저장된 축산분뇨의 하부를 가열하고, 다시 이중와선 구조의 관로를 따라 바깥쪽 방향으로 이동하여 도면 부호 620에 해당하는 타측 끝단에서 유출된다.

도면부호 620에 해당하는 부분은 상기 제2 관로의 하측 끝단과 연결되어 열매체가 다시 제2 관로를 따라서 발효 탱크(510)의 측면을 따라 상부로 올라가도록 구성된다. 도면부호 610 및 620에 해당하는 이중와선 관로의 끝단은 상기 제1 관 로 및 제2 관로의 하부 끝단과 각각 연결되도록 하기 위하여, 상기 발효 탱크(510) 및 외부 탱크(540) 사이에 이격된 공간에 위치되도록 할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 축산분뇨 발효조의 정면도이다.

도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 축산분뇨 발효조(401)는 발효 탱크(510)의 외측면에 제1 열매체 차단부(520)및 제2 열매체 차단부(530)이 형성되어 각각 하측 방향 및 상측 방향으로 열매체가 이동할 수 있도록 하는 제1 관로 및 제2 관로가 나선형으로 형성되고, 형성된 제1 관로 및 제2 관로를 따라 열매체가 2차에 걸쳐서 열을 발효 탱크(510)의 내부에 저장되어 있는 축산분뇨에 전달함으로써, 태양열을 이용하여 획득한 열을 최대한 높은 효율로 발효 탱크(510)에 전달하여 동절기에도 발효균이 원활하게 활동할 수 있는 온도 상태를 유지하도록 함으로써, 계절에 관계 없이 축산분뇨를 자원화하는 것이 용이하게 되도록 할 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 상기 제1 관로 및 제2 관로의 상측 끝단은 각각 열매체 투입구 및 열매체 배출구에 연결될 수 있으며, 제1 관로 및 제2 관로의 하측 끝단은 서로 연결되어 제1 관로를 통하여 이동한 열매체가 제2 관로를 통하여 상부로 다시 이동할 수 있도록 할 수도 있으며, 경우에 따라서는 하부에 이중와선 구조의 관로를 가지는 하부 열전달부를 포함하는 경우, 상기 이중와선 구조의 관로의 일측 끝단에 상기 제1 관로의 하측 끝단이 연결되고, 타측 끝단에 제2 관로의 하측 끝단이 연결됨으로써, 제1 관로를 따라서 하부로 이동한 열매체가 발효 탱크(510)의 하부를 가열하고 다시 제2 관로를 통하여 상부로 이동할 수 있도록 구성할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 열교환기가 있는 강제 순환식 태양열 시스템의 일례를 도시하는 도면이다.

도 2는 종래 기술에 따른 열교환 코일이 축열조에 내장되어 있는 태양열 시스템의 일례를 도시하는 도면이다.

도 3은 종래 기술에 따른 맨틀형 축열조를 이용한 태양열 시스템의 일례를 도시하는 도면이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 축산분뇨 발효조를 이용한 태양열 축산분뇨 발효 시스템의 일례를 도시하는 도면이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 축산분뇨 발효조의 구성을 도시하는 도면이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 축산분뇨 발효조의 이중와선 구조의 관로를 가지는 하부 열전달부의 일례를 도시하는 도면이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 축산분뇨 발효조의 정면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

510: 발효 탱크

520: 제1 열매체 차단부

530: 제2 열매체 차단부

540: 외부 탱크

550: 열매체 투입구

560: 열매체 배출구

570: 하부 열전달부

Claims (4)

1. 축산분뇨를 저장하는 원통형 발효 탱크;

   상기 발효 탱크와 이격되어 상기 발효 탱크의 외측면을 둘러싸는 원통형 외부 탱크;

   상기 발효 탱크의 외측면 및 상기 외부 탱크의 내측면에 나선형으로 밀착되어 나선형 관로를 형성하는 제1 열매체 차단부;

   상기 발효 탱크의 외측면 및 상기 외부 탱크의 내측면에 나선형으로 밀착되어 상기 나선형 관로의 내부를 제1 관로 및 제2 관로로 구분하는 제2 열매체 차단부; 및

   상기 제1 관로를 따라 하측으로 이동하고, 다시 제2 관로를 따라 상측으로 이동하며, 태양열 집열기로부터의 열을 상기 발효 탱크에 저장되는 상기 축산분뇨에 전달하는 열매체

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 축산분뇨 발효조.
2. 제1항에 있어서,

   상기 발효 탱크 및 외부 탱크의 하부에 위치하며 이중와선 구조의 관로를 가지는 원통형 하부 열전달부

   를 더 포함하고,

   상기 이중와선 구조의 관로의 일측 끝단은 상기 제1 관로에 연결되고, 타 측 끝단은 상기 제2 관로에 연결되는 것

   을 특징으로 하는 축산분뇨 발효조.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 열매체 차단부 및 제2 열매체 차단부는

   탄성을 가지며, 임계치 이상의 힘 또는 열이 가해지면 일시적으로 소성을 가지게 되는 기둥 형태의 열매체 차단용 자재에 상기 임계치 이상의 힘 또는 열을 가함으로써 생성되는 것

   을 특징으로 하는 축산분뇨 발효조.
4. 제3항에 있어서,

   상기 열매체 차단용 자재는 단면의 지름이 5mm 내지 10mm 이내인 원통형의 형상을 가지는 것

   을 특징으로 하는 분뇨 발효조.

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