KR101119584B1 - 살균 건조용 열교환 발열체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 단자(11)를 통한 전원 공급시 빛으로 순간 발열하는 진공히터관(10);

진공히터관(10)과 동 축으로 진공히터관(10)보다 큰 직경으로 설치되는 내열유리관(20);

내열유리관(20)과 진공히터관(10)이 동 축으로 유지하도록 지지하며, 관통단자공(31)을 가지는 내열 동축 고정캡(30);

내열 동축 고정캡(30)에 단부가 지지되며 내열유리관(20) 외면에 일정 피치로 배열되어 열교환 하는 방열핀(40)을 포함하고;

상기, 내열 동축 고정캡(30)은 내열유리관(20)을 끼움 고정하는 내열유리관공(32)과, 진공히터관(10)의 단자누름부(12)가 끼움 고정되는 단자누름공(34)을 포함하여 구성하며;

상기, 내열 동축 고정캡(30)의 직경은 내열유리관(20)의 외경보다 큰 높이를 이루되 방열핀(40)의 단부가 지지되도록 구성한 살균 건조용 열교환 발열체이다.

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Description

살균 건조용 열교환 발열체{Heat exchange heater}

본 발명은 살균 건조용 열교환 발열체에 관한 것으로, 빛을 순간 가열하는 진공히터관에 진공히터관을 보호하는 내열유리관을 동 축으로 지지시키고 내열유리관 외면에 스프링 상으로 이루어진 방열핀을 끼워, 진공히터관의 발열시 순간적으로 빛에 의한 열로 열교환이 시작되고 이어 방열핀을 통하여 2차 열교환함으로써, 고효율의 열교환이 발열과 동시에 이루어지도록 하는 살균건조용 열교환 발열체에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 열을 발생하거나 전달하는 관체와, 관체 외면을 일정 간격으로 유지하면서 열교환 기능을 하는 방열핀을 포함하여 이루어진다. 관체는 끓는 물이나 기름을 이동시키는 관체나, 자체발열 기능을 하는 시즈히터로 구성할 수 있다.

이 경우 끓는 기름이나 물을 제공하는 방식은 물이나 기름을 끓이는 보일러나 별도의 히팅수단을 구비하여야하므로 소형의 설비보다는 대형 설비에 적합하다.

또한, 시즈히터의 표면에 열교환 방열핀을 설치하는 방식은 열교환의 특성상 발열과 냉각을 주기적으로 할 수밖에 없고, 그로 인하여 습기가 핀에 발생되는 것이 자연적인 현상이고, 이로 인한 습기는 방열핀과 시즈히터의 표면을 부식시키는 요인이 되어 장기간 사용할 수 없는 문제점이 있다.

방열핀은 설치하는 방식은 튜브 관체의 표면에 일정 간격으로 방열핀을 용접하여 고정시키는 방식(국내공개특허 1998-065028호), 관체형의 본체 표면에 방열핀을 편심축 형태로 지향성을 가지도록 일체로 형성한 구조(국내등록실용신안 제20 - 0148477호)등이 알려져 있으나 이들은 방열핀을 역시 용접하여 고정시키는 방식이어서 원가 상승의 요인이 되고, 관체가 용접이 어려운 소재에는 사용이 어려운 실정이다.

이를 위하여 최근에는 봉의 표면을 일정 두께 및 폭으로 나선형으로 연속 절단하여 스프링 형태로 연속 배열시킨 애로우핀(Arrow fin) 형태의 방열핀이 사용되기도 하며, 이는 설치 및 분리가 용이하게 많은 사용자의 사랑을 받고 있다. 이러한 방열핀은 시즈히터(Sheath Heater) 의 표면을 감아서 설치하는 구조로 도 1 과 같이 사용되는바, 시즈히터는 금속관의 중심에 니크롬선을 권선하여 넣고 절연분말인 산화마그네시아를 충진하여 열선과 보호관을 진공절연시킨 구조를 이루며, 열효율이 우수하고 다양한 형태로 가공이 가능하며 진동, 외부의 충격 등에 대응하는 기계적 강도가 강하므로 다양하게 사용된다. 그런데 시즈히터는 열을 발생하는 수단으로 사용되고, 발생하는 열은 내장 니크롬선이 발열될 때까지는 일정 시간이 소요되어 발열하는데 지연시간이 소요되고, 전기를 끈 경우에도 일정 시간 잠열로 인하여 발열을 지속하여 소위 아날로그 형태로 작동함으로써 디지탈 방식으로 순간적으로 온오프를 필요로하는 장비에는 사용이 어려운 실정이다.

본 발명은 이를 해결하고자 하는 것으로, 본 발명의 목적은 빛을 순간 가열하는 진공히터관에 진공히터관을 보호하는 내열유리관을 동 축으로 지지시키고 내열유리관 외면에 스프링상으로 이루어진 방열핀을 끼워, 진공히터관의 발열시 순간적으로 빛에 의한 열로 열교환이 시작되고 이어 방열핀을 통하여 2차 열교환함으로써, 열교환효율이 발열과 동시에 이루어지도록 하는 살균건조용 열교환 발열체를 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 진공히터관을 통하여 순간 가열하는 방식의 열원을 사용하므로, 가열은 순간적으로 이루어지고, 전원을 끈 순간에는 빛이 사라지는 것처럼 열이 사라져서, 빛과 열이 동시에 원하는 시간에 제어되는 장소에 사용 가능하므로 정확한 열교환을 가능토록 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 진공히터관이 빛으로 열을 발생하므로 태양열과 같이 작용하여 사용자로 하여금 태양빛이 비추는 것과 같은 인식을 할 수 있도록 작용하여 자연친화형의 살균건조용 열교환 발열체를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 방열핀이 열교환을 가능토록 작용함과 동시에 진공히터관의 빛이 발산되는 것을 일부 차단하여 눈부심이 줄어든 열교환을 가능토록 하는 살균건조용 열교환 발열체를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 발열체로 태양열 같은 빛을 발생하는 진공히터관을 사용하므로 태양열이 비출 때 발생하는 자외선도 같이 발생하여 이 진공히터관을 통과하는 공기는 자연 살균되어 살균된 온열기를 제공하는 살균 건조용 열교환 발열체를 제공하려는 것이다.

이를 위하여 본원발명은 외부 단자를 통한 전원 공급시 빛으로 순간 발열하는 진공히터관;

진공히터관과 동축으로 진공히터관 보다 큰 직경으로 설치되는 내열유리관;

내열유리관과 진공히터관이 동축으로 유지하도록 지지하며, 관통단자공을 가지는 내열 동축 고정캡;

내열 동축 고정캡에 단부가 지지되며 내열유리관 외면에 일정 피치로 배열되어 열교환 하는 방열핀을 포함하는 살균 건조용 열교환 발열체를 제공한다.

본 발명은 빛을 순간 가열하는 진공히터관에 진공히터관을 보호하는 내열유리관을 동축으로 지지시키고 내열유리관 외면에 스프링상으로 이루어진 방열핀을 끼워, 진공히터관의 발열시 순간적으로 빛에 의한 열로 열교환이 시작되고 이어 방열핀을 통하여 2차 열교환함으로써, 열교환효율이 발열과 동시에 이루어지도록 하는 살균건조용 열교환 발열체를 제공한다.

본 발명은 진공히터관을 통하여 순간 가열하는 방식의 열원을 사용하므로, 가열은 순간적으로 이루어지고, 전원을 끈 순간에는 빛이 사라지는 것처럼 열이 사라져서, 빛과 열이 동시에 원하는 시간에 제어되는 장소에 사용 가능하므로 정확한 열교환을 가능토록 한다.

본 발명은 진공히터관이 빛으로 열을 발생하므로 태양열과 같이 작용하여 사용자로 하여금 태양빛이 비추는 것과 같은 인식을 할 수 있도록 작용하여 자연친화형의 살균건조용 열교환 발열체를 제공한다.

본 발명은 방열핀이 열교환을 가능토록 작용함과 동시에 진공히터관의 빛이 발산되는 것을 일부 차단하여 눈부심이 줄어든 열교환을 가능토록 하는 살균건조용 열교환 발열체를 제공한다.

본 발명은 발열체로 태양열 같은 빛을 발생하는 진공히터관을 사용하므로 태양열이 비출 때 발생하는 자외선도 같이 발생하여 이 진공히터관을 통과하는 공기는 자연 살균되어 살균된 온열기를 제공하는 살균 건조용 열교환 발열체를 제공한다.

본 발명은 진공히터관의 외면을 동축으로 내열유리관을 씌운 구조이어서 진공히터관이 직접 외기와 접촉하지 않아 진공히터관의 내구성을 향상시킨다.

이하 본원발명의 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2 는 본 발명의 살균건조용 열교환 발열체의 요부 단면도, 도 3은 본 발명의 요부 사시도, 도 4 는 발열시의 요부 사시도로, 외부 단자(11)를 통한 전원 공급시 빛으로 순간 발열하는 진공히터관(10);

진공히터관(10)과 동축으로 진공히터관(10)보다 큰 직경으로 설치되는 내열유리관(20);

내열유리관(20)과 진공히터관(10)이 동축으로 유지하도록 지지하며, 관통단자공(31)을 가지는 내열 동축 고정캡(30);

내열 동축 고정캡(30)에 단부가 지지되며 내열유리관(20) 외면에 일정 피치로 배열되어 열교환 하는 방열핀(40)을 포함하여 구성한다.

상기, 내열 동축 고정캡(30)은 내열유리관(20)을 끼움 고정하는 내열유리관공(32)과,

진공히터관(10)의 단자누름부(12)가 끼움 고정되는 단자누름공(34)을 포함하여 구성한다.

상기, 내열 동축 고정캡(30)의 직경은 내열유리관(20)의 외경보다 큰 높이를 이루되 방열핀(40)의 단부가 지지되도록 구성한다.

상기, 진공히터관(10)은 살균기능 및 자연광 형태의 빛을 발산하는 진공히터관으로, 진공이나 가스가 봉입된 나노카본히터나 할로겐히타 중의 일종인 것을 예시할 수 있다.

상기, 내열 유리관은 실리카그래스인 것이 좋다.

본 발명에서 사용하는 진공히터관의 하나인 나노카본히터는 나노카본을 발열체로 사용하는 것으로, 나노카본히터는 카본의 나노화란 유사다이아몬드 구조형 탄소의 입체적 골격을 지니고 있어, 탄소표면의 친전자적 특성을 이용한 음전자 방출 소스로 연구의 예가 활발하며, 수소연료 자동차의 수소 저장원 으로써 그 발전을 더해가고 있다.

표면에 증착된 나노카본 입자

나노카본 저항체를 이용한 전열체는, 전기 전도성의 증가율 및 중적외선 파장의 확대, 근적외선 영역 중 물과 플라스틱, 용매의 특성 스펙트럼인 3μm 영역의 스펙트라를 선택적으로 공급할 수 있다. 이러한 특성은 여러 가지 공정상의 건조, 가열 효율을 극대화할 수 있는 주요 원인으로 작용한다.

나노카본은 전기화학적 기상증착방법을 이용하여 제조되며, 증착되는 나노카본은

담체에 증착된 나노카본 확대사진

증착된 바늘형 나노카본 확대사진

니들(바늘)형 카본으로 순도 99.9%를 자랑한다. 제조공법의 단계적 절차를 간략히 살펴보면, 크게 담체의 2,300℃의 열처리 공정, 나노카본입자의 전기화학적 증착공정, 완성된 저항체의 열처리 공정으로 나눌 수 있으며, 각 처리 공정은 비활성기체 분위기 하에서 최소 섭씨 2,300도 ~ 3,000 도의 온도로 처리되므로, 각종의 불순물이 유입되거나, 설령 유입된다 하더라도 연소소각 되어지므로, 종국에는 카본만이 존재하게 되는 것이다.

중적외선은 지구가 만들어진 이래, 물은 인류에게 없어서는 안 될 중요한 자산이다. 물이 차지하고 있는 영역 또한 70%를 넘어가며, 인류가 살아가는 공간에도 물은 상당한 량을 차지하고 있다. (우리나라의 경우 습도 30 ~ 40% 이상)

물의 흡수 스펙트럼

위의 스펙트럼 곡선에서 살펴볼 수 있듯이 물이 흡수하는 근적외선 스펙트라 영역은 2 μm에서 미세하게 측정됨을 알 수 있고, 보다 주목할 사항은 3 μm에서 특정적인 에너지 흡수 예를 살펴볼 수 있다. 또한, 3 μm 영역의 에너지 흡수는 물의 공명에너지를 촉발시켜 일반적인 건조효율 이상의 효과를 기대할 수 있으며, 실제로도 건조효율이 증가 됨을 살펴볼 수 있다. 또한, 공기 중에 물이 수증기로 존재하고 있으며, 그 양이 무시할 수 없을 정도로 많아 열의 전달매체로써도 기능을 더 할 수 있으므로, 난방에 있어 수증기의 가열은 난방효율을 극대로 올릴 수 있는 중요 요인이 된다. 위와 같이 3 μm의 특정적 에너지 방사는 건조, 가열, 난방에 대한 효율을 높이는 데 결정적인 원인이 되며, 나노 카본히터의 경우 도 7에서 살펴볼 수 있듯이 3 μm에서의 방사가 특정적으로 나타남을 알 수 있다. 나노 카본히터의 이런 특성은 실제 물을 가열할 때에도 나타나는데, 기타 다른 전열히터의 효율이 80%에 그치는 반면, 나노 카본 히터의 경우 완벽한 100%의 효율을 자랑할 수 있다. 또한, 물의 직접적인 가열 효율이 20%의 에너지 절약을 거둘 수밖에 없는 반면, 건조, 난방, 그리고 기타전열 효율에 대한 에너지 절약은 최소 40% 이상 최대 3배까지의 효과를 얻을 수 있다. 그러나 이러한 효과는 물의 흡수스펙트럼과 잘 일치시킬 때 비로써 얻을 수 있으며, 여러 가지 조건에 따라 각자 전력밀도의 차이가 나타난다. 예를 들어 물속에서의 전력밀도는 12 w/cm2인 반면, 공기 중에서의 전력밀도는 19 w/cm2로 나타난다.

에너지 효율 측면으로, 이론적 흑체에 대한 여러 가지 전열히터에 대한 복사효과를 도 5 에 나타내었다.

도 5에서 나타난 바와 같이 일반적으로 많이 이용되고 있는 니크롬 히터에 대한 나노 카본히터의 복사 효율은 온도가 높아질수록 커지며, 최대 3.6배의 차이를 나타낸다. 아울러 최근 각광받는 일반 카본에 비하여도 최대 2배의 효율적 우위를 차지하고 있음을 알 수 있다. 즉 나노 카본히터는 에너지 전달 방식에 있어 복사를 통해 많은 량의 에너지 전달이 이루어지고 있음을 나타내는 중요 자료이다. 즉 복사를 통한 에너지 전달은 에너지의 손실을 최소로 하는 열전달 방식이고, 이런 열전달 방식을 주로 하는 나노 카본히터의 에너지 절약은 정형화된 사실이라 해도 무방할 것이다.

또한, 도 6은 나노 카본히터와 니크롬히터의 물속에서 물을 직접적으로 가열할 때 필요한 에너지를 측정하고 그 효율을 계산한 실제 실험 자료이다.

위 자료에 사용된 나노 카본히터와 니크롬히터의 전력밀도비는 1:2로써 실제 효율을 살펴보면 최소 35%의 에너지 절감효과를 나타낸다. 물의 직접적인 가열은 최소의 에너지 절약 효율을 나타내며, 그 외의 경우(공기 중의 가열 또는 건조, 난방 등)에는 그 이상의 에너지 절약 효과를 기대할 수 있다.

나노 카본의 내구성으로, 나노 카본의 제조방법은 섭씨 3,000 도의 열처리 온도를 필요로 한다. 이는 나노카본의 열적 안정 우수성을 직,간접적으로 시사하는 것이다. 또한 카본의 화학적 우수성을 그대로 간직하고 있어 내산성, 내알카리성이 우수하고, 전열체로써 가장 중요한 전기적 안정성이 우수하다. 나노카본의 전기적 안정성은 이미 여러 분야에서 인정받은 바 있으며, 그 안정성을 바탕으로 차세대 자동차인 수소 연료 자동차의 수소 저장원으로도 사용되고 있다. 튜브로 사용되는 석영관은 물리적 충격에 약한 단점은 있으나, 급속 냉각, 급속 가열 등의 열 충격에 아주 강하며, 나노 카본에서 방사되는 중 적외선 파장을 그대로 방출하므로, 건조 및 가열, 난방 효율을 극대화하는 데 적합하다. 또한 나노 카본히터의 사용 수명은 다른 여타의 전기히터에 비해 2 배가량 길다.

전력밀도에서도, 도 7은 각 전열체 표면 온도에 요구되는 전력 밀도를 나타낸 그래프로, 이 그래프에서 알 수 있듯이 같은 온도를 요구할 때에도 기타 다른 전열체의 경우, 높은 전력 밀도를 요구하는 반면, 나노 카본 히터(예를 들어 코일 스프링 타입)의 경우 최고 1/3의 전력밀도만을 요구하는 장점이 나타나는 것을 알 수 있다.

이와 같은 특징을 가지는 나노카본히터와 같은 빛으로 열을 발생하는 진공히터관의 외면에는 내열성 실리카글래스를 사용한 내열유리관(20)을 동축으로 내열 동축 고정캡(30)으로 지지되도록 함으로써, 진공히터관을 통한 빛과 열이 내열유리관(20)을 통하여 그대로 도 4와 같이 투과되어 나타나고, 내열유리관의 표면과 진공히터관의 표면 온도에 차이가 없어 열교환 효율은 그대로 유지한다.

아울러 본원발명은 내열유리관(20)의 강도를 바탕으로 그 표면을 연속으로 제조되는 통상의 방열핀(40)을 도 2 및 도 3 과 같이 끼움 고정하되, 방열핀(40)의 내경단부가 내열 동축 고정캡(30)의 외경보다 작도록 하여, 방열핀(40)은 정위치에서 이탈하지 않고 내열유리관(20) 표면에 머물게 된다.

따라서 내열유리관(20)을 통한 빛과 열로 설치공간의 열을 거의 외부로 전달하는 히터로서의 본연의 기능과, 그 열을 받는 방열핀을 통한 열교환의 기능을 동시에 수행하여 열교환 효율을 증진시키고, 진공히터관(10)이 빛으로 열을 전달하는 방식이어서 전원을 켜는 순간 빛과 열이 발생하고, 끄는 순간에 열과 빛이 사라지도록 작용하여 정확한 시간이 열이 발생하고, 정확한 시간이 열이 없어지는 조건이 필요한 산업 현장에 사용 가능토록 작용한다.

또한, 본원발명은 방열핀(40)이 열교환 기능을 수행함과 동시에 일부는 빛을 차단하는 커텐역할을 하여 눈부심 방지 기능을 동반하고, 강력한 태양빛이 아닌 은은한 석양의 태양빛 같은 분위기를 연출하여, 새로운 분위기의 히터와 열교환기를 제공토록 한다.

또한 본원발명의 진공히터관(10)은 태양빛이 살균을 하는 자외선을 발생하여 살균 기능을 가지는 것처럼 자체 발생하는 자외선을 통하여 이동하여 열교환하는 공기에 포함된 세균을 살균하는 기능도 수행하여 자연친화형의 발열 열교환 및 살균 기능을 수행토록 한다.

도 1은 일반적인 시즈히터에 방열핀이 결합된 열교환 발열체의 사시도,

도 2는 본 발명의 살균건조용 열교환 발열체의 요부 단면도,

도 3은 본 발명의 요부 사시도,

도 4는 본 발명의 발열시의 요부 사시도,

도 5는 히터별 복사효율 특성표,

도 6은 물속에서의 가열시의 에너지 효율 측정표,

도 7은 전열체 별 전력밀도 파형도 이다

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10;진공히터관 11;단자 12;단자누름부 20;내열유리관 30;내열 동축 고정캡 31;단자관통공 32;내열유리관공 34;단자누름공 40;방열핀

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 외부 단자(11)를 통한 전원 공급시 빛으로 순간 발열하는 진공히터관(10);

   진공히터관(10)과 동축으로 진공히터관(10)보다 큰 직경으로 설치되는 내열유리관(20);

   내열유리관(20)과 진공히터관(10)이 동축으로 유지하도록 지지하며, 관통단자공(31)을 가지는 내열 동축 고정캡(30);

   내열 동축 고정캡(30)에 단부가 지지되며 내열유리관(20) 외면에 일정 피치로 배열되어 열교환하는 방열핀(40)을 포함하고;

   상기, 내열 동축 고정캡(30)은 내열유리관(20)을 끼움 고정하는 내열유리관공(32)과, 진공히터관(10)의 단자누름부(12)가 끼움 고정되는 단자누름공(34)을 포함하여 구성하며;

   상기, 내열 동축 고정캡(30)의 직경은 내열유리관(20)의 외경보다 큰 높이를 이루되 방열핀(40)의 단부가 지지되도록 구성한 것을 특징으로 하는 살균 건조용 열교환 발열체.
4. 제 3항에 있어서, 진공히터관(10)은 나노카본히터나 할로겐히타 중의 일종인 것을 특징으로 하는 살균 건조용 열교환 발열체.
5. 삭제

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