KR101129530B1

KR101129530B1 - 전기아크 반응장치에 사용되는 전극봉 어셈블리

Info

Publication number: KR101129530B1
Application number: KR1020090086554A
Authority: KR
Inventors: 황보기철; 황보대화
Original assignee: 황보기철
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2012-03-29
Also published as: KR20100057487A; KR101129531B1; KR20100057481A; KR20100057494A; KR20100057480A; KR20100057486A; KR101193135B1

Abstract

본 발명은 증기 또는 온수를 생산하기 위해 사용되는 전기아크 반응장치를 개시한다. 본 발명의 전기아크 반응장치는, 내부공간을 갖는 반응탱크; 상기 반응탱크에 저장되는 용액; 상기 용액의 내부에 전기 아크(electric arc)를 발생시키기 위하여 상기 반응탱크를 관통하여 설치되고 상기 용액에 서로 이격되어 침지되는 다수의 전극봉을 포함하며, 상기 용액은, 나트륨계 이온수용액, 황토지장수, 산성이온수용액, 카본수용액, MEG(Mono Ethylene Glycol) 용액 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 다수의 전극봉은, 스프링용 경강선(SWRH), 저합금 고장력강(Low alloy high tension steel), 부식저항 저합금 고장력강, 고장력계 탄소강, 탄화규소(SiC), 칸탈(kanthal), 하스텔로이(Hastelloy), 인코넬(inconel), 모넬, 텅스텐 중에서 선택된 적어도 하나의 재질을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 이온수용액의 내부에 전기 아크가 발생하는 시점부터 소비전력이 급격히 낮아지기 때문에 아주 적은 전력비용으로 대용량의 온수나 증기를 생산할 수 있다. 따라서 본 발명의 전기아크 반응장치에서 생산된 온수를 직접 보일러를 통해 순환시키거나, 열교환을 통해 저수탱크에 저장된 물을 가열시키면 종래의 난방기기에 비해 크게 개선된 에너지효율을 달성할 수 있다.

Description

전기아크 반응장치에 사용되는 전극봉 어셈블리{Electrode bar assembly for electric arc reactor device}

본 발명은 이온수용액 등의 내부에 전기 아크를 발생시킴으로써 온수 또는 증기를 대량으로 생산할 수 있는 전기아크 반응장치와 이에 사용되는 전극봉 어셈블리에 관한 것이다.

일반적으로 난방기기는 열원의 종류에 따라 전기식, 가스식, 석유식 등으로 구분되고, 난방방식에 따라 히터펌프식 또는 히터가열식으로 구분된다.

히터펌프식은 냉동사이클의 발열부(응축기)와의 열교환을 통해 열매체를 가열하는 방식이고, 히터가열식은 발열체가 열매체를 직접적으로 가열하는 방식이다.

히터가열식의 발열체에는 시이즈히터(sheath heater), 반도체소자의 일종인 PTC, 램프히터 등이 있다. 이 중에서 시이즈히터는 스텐레스 등의 파이프 속에 절연체와 함께 열선을 봉입하여 만든 것으로서 고열을 얻을 수 있고 수명이 길어서 전기보일러 등에서 물을 직접 가열하는 용도로 많이 사용되고 있다.

그러나 시이즈히터는 구조상 순간 발열이 늦고 온/오프 반복 작동에 의한 열손실이 많고, 특히, 대규모의 난방시설에 시이즈히터를 사용하면 엄청난 전력비용을 부담해야 하고, 특히 스팀난방을 위하여 증기를 생산하는 경우에는 전력비용이 더욱 커지는 문제점이 있다.

최근에는 전해질 이온수용액에 전극봉을 직접 침지시켜 전류를 흐르게 함으로써 이온수용액을 가열시키는 방식이 소개된 바 있다. 그러나 이 방식은 통상의 전기 분해방식과 유사한 것으로서 반응 중에 전극봉이 부식 또는 용해되는 문제점이 있고, 대용량 설비에 사용할 경우 전력비용이 과다하게 발생하는 문제점이 있어서 상용화되지 못하고 있는 실정이다.

한편 가스나 석유를 이용하는 난방기기는 발화과정에서 발생하는 오염물질과 대량의 이산화탄소로 인해 환경문제에서 자유롭지 못하다는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 최소한의 전력비용으로 대용량의 온수나 증기를 생산할 수 있고, 오염물질이나 이산화탄소도 발생시키지 않는 고효율 청정 에너지원을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 증기 또는 온수를 생산하기 위해 사용되는 전기아크 반응장치에 있어서, 내부공간을 갖는 반응탱크; 상기 반응탱크에 저장되는 용액; 상기 용액의 내부에 전기 아크(electric arc)를 발생시키기 위하여 상기 반응탱크를 관통하여 설치되고 상기 용액에 서로 이격되어 침지되는 다수의 전극봉을 포함하며, 상기 용액은, 나트륨계 이온수용액, 황토지장수, 산성이온수용액, 카본수용액, MEG(Mono Ethylene Glycol) 용액 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 다수의 전극봉은, 스프링용 경강선(SWRH), 저합금 고장력강(Low alloy high tension steel), 부식저항 저합금 고장력강, 고장력계 탄소강, 탄화규소(SiC), 칸탈(kanthal), 하스텔로이(Hastelloy), 인코넬(inconel), 모넬(monel), 텅스텐 중에서 선택된 적어도 하나의 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기아크 반응장치를 제공한다.

상기 전기아크 반응장치에서, 상기 나트륨계 이온수용액은, 물과 나트륨화합물을 혼합한 것으로서 본 발명의 일 실시예에서는 물과 나트륨화합물을 중량비 100 : 0.6~0.8 의 범위로 혼합한 것으로서 수소이온농도(PH)가 11.00 ~ 12.70 의 범위인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 스프링용 경강선(SWRH), 저합금 고장력강(Low alloy high tension steel), 부식저항 저합금 고장력강 또는 고장력계 탄소강은 니켈, 백금 또는 소정의 합금이 도금된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 본 발명은, (a) 반응탱크에 용액을 충진하고, 상기 용액에 다수의 전극봉을 서로 이격하여 침지하는 단계; (b) 상기 전극봉에 전원을 연결하여 상기 용액의 내부에 전기 아크를 발생시키는 단계; (c) 상기 아크가 발생된 이후에 가열된 상기 용액을 열원(heat source)로 사용하거나, 상기 용액에서 발생한 증기 또는 가열된 상기 용액을 상기 반응탱크의 외부로 배출시키는 단계를 포함하는 전기아크를 이용한 온수 또는 증기 생산방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 수용액의 내부에 전기 아크가 발생하는 시점부터 소비전력이 급격히 낮아지기 때문에 아주 적은 전력비용으로 대용량의 온수나 증기를 생산할 수 있다. 따라서 본 발명의 전기아크 반응장치에서 생산된 온수를 직접 보일러를 통해 순환시키거나, 열교환을 통해 저수탱크에 저장된 물을 가열시키면 종래의 난방기기에 비해 크게 개선된 에너지효율을 달성할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 전기아크 반응장치(10)는 도 1의 개념도에 도시된 바와 같이, 내부공간을 가지는 반응탱크(11), 상기 반응탱크(11)의 내부에 저장된 소정 성분의 용액(14), 상기 수용액(14)에 적어도 일부가 침지되는 다수의 전극봉(12)을 포함한다.

반응탱크(11)는 그 용도에 따라 합성수지 또는 금속재질이 선택적으로 사용될 수 있다. 예를 들어 온수 생산용으로 사용하는 경우에는 저렴한 합성수지 재질이 사용될 수 있고, 증기 생산용으로 사용하는 경우에는 고압에 대비하여 스테인레스 등의 금속재질이 사용될 수 있다. 또한 반응탱크(11)의 용량이나 크기는 용도에 따라 적절히 선택될 수 있다.

특히 본 발명의 실시예에 따른 전기아크 반응장치(10)는 수용액(14)의 내부에 전기 아크(arc)를 발생, 유지시킴으로써 종래의 저온전기분해 방식에 비해서 전력효율을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 이는 수용액(14)의 내부에 전기 아크가 발생한 이후부터 소비되는 전류량이 급격히 줄어들기 때문이다.

한편 반응탱크(11)의 내부에 전기 아크가 발생하면 전극봉(12)에 전기적 충격이 가해지기 때문에 전극봉(12)의 재질을 적절히 선택하는 것이 매우 중요하다. 예를 들어 저온 전기분해장치에서 사용되는 전극봉은 구리, 백금 등의 재질이 주로 사용되는데, 이러한 재질의 전극봉에 상용전원을 인가하여 전기 아크를 발생시키면 전기적 충격으로 인하여 전극봉이 순식간에 파손되어 사용이 불가능한 것으로 확인되었다.

또한 동일한 전극봉(12)이라 하더라도 수용액(14)의 종류에 따라 소손되는 정도가 크게 다르기 때문에 수용액(14)과 전극봉(12)을 적절히 선택하여 조합하는 것이 매우 중요하다.

다음의 표 1은 본 발명의 전기아크 반응장치(10)에 사용되는 수용액(14)의 종류를 나타낸 것이다. MEG 용액은 수용액인지 여부에 상관없이 편의상 함께 표시하였다.

[표 1] 수용액의 종류

종류	성 분	PH
나트륨계 이온수용액	물+수산화나트륨(NaOH) (중량비 100: 0.6 ~ 0.8)	11.00 ~ 12.70
	물+염화나트륨(NaCl)+글루탐산나트륨 (중량비 100: 1: 1.2)	11.00 ~ 12.70
	물+글루탐산나트륨 (중량비 100: 0.6 ~ 0.8)	11.00 ~ 12.70
	물+질산나트륨(NaNO₃) (중량비 100: 0.6 ~ 0.8)	11.00 ~ 12.70
	물+황화나트륨(Na₂S) (중량비 100: 0.6 ~ 0.8)	11.00 ~ 12.70
	물+황산나트륨(Na₂SO₄) (중량비 100: 0.6 ~ 0.8)	11.00 ~ 12.70
	물+탄산나트륨(Na₂CO₃) (중량비 100: 0.6 ~ 0.8)	11.00 ~ 12.70
	물+탄산수소나트륨(NaHCO₃) (중량비 100: 0.6 ~ 0.8)	11.00 ~ 12.70
	황토지장수+수산화나트륨	11.00 ~ 12.70
황토지장수	물+황토분말(중량비 70:30)	11.00 ~ 11.60
산성 이온수용액		2.0 ~ 2.5
카본수용액	물+카본(흑연,참숯)분말 (중량비 100: 10~20)
MEG용액	MEG(Mono Ethylene Glycol)+카본(흑연,참숯)분말 (중량비 100 : 10~20)
MEG용액	MEG+나트륨계이온수용액	11.00 ~ 12.70

즉, 본 발명의 실시예에서는 나트륨계 이온수용액, 황토지장수, 산성이온수용액, 카본수용액, MEG(Mono Ethylene Glycol)용액 등을 반응탱크(11)에 넣고 전극봉(12)간에 아크를 발생시킨다.

나트륨계 이온수용액은 물과 나트륨화합물을 혼합한 것으로서 본 발명의 일 실시예에서는 물과 나트륨화합물을 중량비 100 : 0.6~0.8 의 범위로 혼합하여, 수소이온농도(PH)가 11.00 ~ 12.70 의 범위인 것을 사용한다.

나트륨화합물은 수산화나트륨(NaOH), 글루탐산나트륨, 질산나트륨(NaNO3), 황화나트륨(Na2S), 황산나트륨(Na2SO4), 탄산나트륨(NaCO3), 탄산수소나트륨(NaHCO3) 중에서 적어도 하나를 선택할 수 있다. 이밖에도 염화나트륨, 차아황산나트륨, EDTA2나트륨, EDTA2칼슘나트륨, 아황산나트륨, 주석산나트륨, 푸마르산나트륨, L-글루탐산나트륨, 5'이노신산이나트륨, 5'리보뉴크레오티드이나트륨, DL-주석산나트륨, 아질산나트륨, 사카린나트륨, 다하이드로초산나트륨, 안식향산나트륨 등이 사용될 수 있다.

다른 실시예로서, 물에 염화나트륨(NaCl)과 글루탐산나트륨을 각각 100: 1: 1.2 의 중량비로 혼합하여 PH 11.00 ~ 12.70 의 범위로 제조한 이온수용액을 사용할 수도 있다.

또 다른 실시예로서, 황토지장수에 수산화나트륨을 첨가하여 PH 11.00 ~ 12.70 의 범위로 제조한 이온수용액을 사용할 수도 있다. 이때 황토지장수는 물에 황토분말을 100 : 20의 중량비로 첨가한 후, 예를 들어 600RPM의 교반기로 약 30분간 교반한 다음 24시간 동안 황토를 침전시키는 방법으로 제조된다.

황토지장수만을 사용하는 경우에는 물과 황토를 7:3 내지 10:3의 중량비로 혼합하여 PH 11.00 ~ 11.60의 범위로 제조하는 것이 바람직하다.

산성이온수용액은 공지된 산성화합물을 이용하여 PH 2.2 ~ 2.5 의 범위로 제조하는 것이 바람직하다. 예를 들어 초산, 빙초산, 글루코산, 구연산, 인산, 주석산, 젖산, 아디피산, 푸마르산, 글리산, 글리산, 솔빈산, 디하이드로초산(DHA), 안식향산, 프로피온산, 발효식초, 오렌지액, 레몬액, 사과액, 콜라, 맥주 등이 사용될 수 있다.

카본수용액은 물에 흑연, 참숯 등의 카본분말을 100: 10 ~ 20의 중량비로 혼합하여 제조하는 것이 바람직하다.

MEG 용액은 MEG에 흑연, 참숯 등의 카본분말을 100: 10 ~ 20의 중량비로 혼합한 것일 수도 있고, MEG에 전술한 나트륨계 이온수용액을 혼합하여 PH 11.00 ~ 12.70 의 범위로 제조된 것일 수도 있다.

전술한 이온수용액 등에 후술하는 재질의 전극봉(120)을 사용하면, 전기 아크가 발생한 이후에도 반응이 안정적으로 이루어질 뿐만 아니라 전극봉(12)의 손상도 발생하지 않는다. 그러나 PH범위가 전술한 기준보다 작은 경우에는 전기저항반응이 약해서 전기 아크가 발생하지 않고, 이보다 큰 경우에는 상용전원(220V, 380V)에서 폭발적인 전기저항반응이 일어나 전극봉(12)의 용융이나 소손이 발생하게 된다.

한편 본 발명의 전기아크 반응장치(10)에 사용되는 전극봉(12)의 재질은 스프링용 경강선(SWRH), 저합금 고장력강(Low alloy high tension steel), 부식저항 저합금 고장력강 또는 고장력계 탄소강인 것이 바람직하다. 또한 전술한 재질에 니 켈, 백금 또는 소정의 합금을 도금한 것을 사용할 수도 있다.

경강선은 탄소성분이 0.4% ~ 0.96% 함량을 가진 경강선재를 열처리 과정을 거친 후 신선한 선재로서 고인장력을 가지는 특성이 있다.

저합금 고장력강은 일반 구조용 탄소강(構造用炭素鋼)에 소량의 합금원소를 첨가한 것으로서, 통상 HT(High-Ten)으로 표시되고 인장강도가 50kg/mm2 이상, 항복점이 30kg/mm2 이상이며 내식성, 가공성이 우수한 특성을 가진다.

고장력계 탄소강은 0.2%정도의 탄소를 함유한 탄소강에 규소, 망간, 니켈, 크롬, 구리 등을 첨가한 것으로서 50kg/mm2 이상의 인장강도를 가진다.

다른 실시예로서, 탄화규소(SiC)나 칸탈(kanthal)을 사용할 수도 있고, 하스텔로이(Hastelloy), 인코넬(inconel), 모넬, 텅스텐 등의 특수강봉을 사용할 수 있다. 탄화규소는 열전도도가 크면서도 내용해성, 내용융성, 내산화성이 뛰어난 특성이 있고, 칸탈은 철-크롬-알루미늄의 합금으로서 전열저항 합금중에서 가장 높은 온도에 견디는 특성이 있다. 또한 하스텔로이는 니켈을 주요성분으로 하는 내산합금이며, 인코넬은 니켈-크롬-철-탄소 등의 합금으로서 내열성이 뛰어난 특성이 있다.

이러한 전극봉(12)은 단상전원에 연결할 경우에는 2개를 사용하고, 3상 전원에 연결할 경우에는 3개를 사용할 수 있다. 도 1은 기준전압이 380V인 3상 전원(R,S,T)에 연결하기 위하여 3개의 전극봉(12)이 설치된 모습을 나타낸 것이다. 반응탱크(11)의 용량이 큰 경우에는 2쌍 이상의 전극봉(12)을 설치할 수도 있다. 즉, 단상전원인 경우에는 2n(n은 1 이상의 정수)개의 전극봉(12)이 설치되고, 3상전원인 경우에는 3n(n은 1 이상의 정수)개의 전극봉(12)이 설치된다.

또한 전극봉(12)이 반드시 도시된 바와 같이 반응탱크(11)의 상면부를 관통하여 설치되어야 하는 것은 아니므로 반응탱크(11)의 측면부를 관통하여 설치될 수도 있다. 전극봉(12)과 반응탱크(11)와의 경계부에는 고무패킹 등의 절연성 고정부재가 설치되어야 한다. 특히 금속재질의 반응탱크(11)를 사용하는 경우에는 전극봉(12)이 반응탱크(11)와 접촉하지 않도록 설치되어야 함은 물론이다.

반응탱크(10)의 외부로 노출된 전극봉(12)의 단부에는 전원연결을 위한 연결단자(13)가 형성된다. 연결단자(13)에는 AC전원이 인가될 수도 있고, DC전원이 인가될 수도 있다.

본 발명에 따른 반응장치(10)는 가열된 수용액(14)은 열교환용 열원으로 사용될 수도 있고, 난방용 온수로 직접 사용될 수도 있다. 수용액(14)을 난방용 온수로 직접 사용하는 경우에는 도 1에 예시된 바와 같이 반응탱크(11)에 출수관(16)과 회수관(17)을 연결하면 된다.

또한 반응장치(10)의 수용액(14)으로부터 증기를 생산하여 난방용 스팀으로 직접 사용할 수도 있으므로, 이 경우에는 반응탱크(11)에 증기 배출관(18)을 연결하면 된다.

반응탱크(11)의 저부 또는 측면 하단부에는 수용액(14)을 배출하기 위한 드레인밸브(19)를 연결할 수 있고, 또한 반응탱크(11)에는 수용액(14)을 보충할 수 있 는 수용액 보충관(미도시)을 연결하는 것이 바람직하다.

이하에서는 도 2의 순서도와 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전기아크 반응장치(10)의 작동을 설명한다.

먼저 전술한 수용액(14)을 반응탱크(11)에 충진하고, 예를 들어 3상전원의 R, S, T단자를 각 전극봉(12)의 연결단자(13)에 연결한다.

이어서 각 전극봉(12)에 전력을 인가하면, 전도성을 띄는 수용액(14)이 저항성 발열을 하면서 온도가 점차 상승한다. 이 과정에서 인가되는 전류량도 점차 증가한다. (ST11, ST12)

그런데 전술한 농도의 수용액(14)이 약 80℃ 까지 가열되면 각 전극봉(12)의 사이에 전기 아크(arc)가 발생하며, 이로 인해 도 3의 사진과 같이 수용액(14)의 내부에 화염구(火焰球)가 발생한다.

특히 아크가 발생한 이후부터는 소비전력이 오히려 감소하기 시작한다.

즉, 수용액(14)이 상온에서 약 80℃까지 상승하는 과정에서는 소비전류가 예를 들어 최초 약 10A에서 약 50A까지 상승하였다면, 아크가 발생한 이후에는 소비전류가 점차 감소하고, 수용액(14)이 100℃ 부근에서 끓기 시작할 때는 약 10A의 수준으로 다시 낮아져서 유지되는 것으로 확인되었다. 소비전류의 크기는 이온수용액의 농도에 따라 조금씩 다르긴 하지만 대부분 이와 비슷한 패턴을 보인다.

따라서 본 발명의 전기아크 반응장치(10)를 80℃이상의 열원으로 사용하거나 증기 공급원으로 사용하는 경우에는 아크를 지속적으로 유지시켜 줌으로써 매우 적 은 소비전력으로 고온의 열원이나 증기 공급원으로 사용할 수 있다.

수용액(14) 속에서 아크가 발생하는 이유는 분명하지 않으나, 일반 전기분해의 경우 물이 가열되기만 하고 아크가 발생하지 않는 점, 전원을 인가하자마자 아크가 발생하는 것이 아니라 수 내지 수십 분의 시간이 경과해야 아크가 발생하는 점 등을 고려하면 수용액(14)의 온도, 농도 등과 상관관계가 있는 것은 분명해 보인다.

일단 아크가 발생되면 아크를 통해 흐르는 강한 전류에 의해 주변의 분자가 양이온과 전자로 해리되고, 양이온은 음극으로 전자는 양극으로 끌려가 전극봉(12)에 충돌하면서 미세한 스파크를 발생시키고 이것이 집적되어 화염구 형태의 아크가 발생 및 유지되는 것으로 추측할 수 있다.

한편 아크가 발생한 이후부터 소비전력이 급격히 감소하는 이유도 분명하지는 않으나, 금속도체의 경우에 온도가 증가할수록 전기저항이 급격히 높아지는 것을 감안하면 고온의 아크로 인하여 이온수용액(20)의 전기저항이 증가하기 때문으로 짐작된다. (ST13, ST14)

본 발명의 전기아크 반응장치(10)는 다양한 시스템에 이용될 수 있다.

도 4는 전기아크 반응장치(10)를 이용한 스팀공급시스템(100)을 나타낸 구성도이고, 도 5는 스팀공급시스템의 제품 일부를 나타낸 사시도이다.

상기 스팀공급시스템(100)은 전기아크 반응장치(10), 전원공급부(20), 제어 부(30), 수용액저장탱크(40), 수위조절탱크(50) 등을 포함한다. 또한 반응탱크(11)에 연결된 증기배출관(18), 증기배출관(18)에서 배출된 증기를 스팀이용장치(72)로 공급하는 증기공급관(180)을 포함한다.

전원공급부(20)는 전원선을 통해 전극봉의 각 연결단자(13)에 연결되며, AC전원을 공급할 수도 있고, AD컨버터(미도시)를 통해 변환된 DC전원을 공급할 수도 있다.

제어부(30)는 반응탱크(11)에 설치된 온도센서(32), 비상용 온도센서(34) 등의 감지결과를 피드백하여 전원공급부(20)의 전원공급을 선택적으로 제어하는 역할을 한다.

즉, 온도센서(32)의 감지결과를 피드백하여 각 전극봉(30)으로의 전원공급을 선택적으로 차단함으로써 수용액(14)의 온도를 목표온도로 유지시키며, 이를 위해 제어부(30)에는 사용자가 수용액(14)의 목표온도를 설정할 수 있는 입력수단(도시하지는 않았음)이 설치되는 것이 바람직하다.

그 밖에도 제어부(30)에는 비상용 온도센서(34)에서 과열온도를 감지하면 전원공급을 차단시키는 비상용 전원차단수단(미도시)을 설치할 수 있다. 제어부(30)의 제어동작에 이용되는 센서는 전술한 것에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 압력센서, 실내온도센서, 등도 포함될 수 있다.

그밖에도 도시하지는 않았지만 제어부(30)에는 작업자가 시스템의 각종 변수(예, 수용액 목표온도, 실내목표온도, 허용압력 등)을 입력할 수 있는 입력수단(스위치, 버튼, 터치스크린 등)과 비상시에 소정의 경고음을 발생시키는 스피커 또는 발광수단 등이 연결될 수 있다.

증기배출관(18)의 일단은 증기공급관(180)에 연결되는데, 증기배출관(18)이 연결되는 연결노드(N)를 중심으로 증기공급관(180)의 일 측에는 기액분리기(60)가 설치되고, 증기공급관(180)의 타 측에는 수위조절탱크(50)와 증기공급관(180)을 연결하는 압력피드백관(62)이 연결된다.

기액분리기(60)는 배출된 증기에 포함된 액체를 분리하는 역할을 하며, 분리된 액체는 액체회수관(61)을 통해 트랩(80)으로 보내지고, 트랩(80)에서 다시 수용액저장탱크(40)로 보내진다. 액체회수관(61)에는 역류방지를 위한 체크밸브가 설치되는 것이 바람직하다.

압력피드백관(62)은 수위조절탱크(50)와 반응탱크(11)의 내부압력을 동일하게 하는 역할을 하며, 따라서 수위조절탱크(50)의 수위를 통해 반응탱크(11) 내부의 수위를 간접적으로 확인할 수 있다. 수위조절탱크(50)에는 수위센서(51)가 설치되며, 제어부(30)가 수위센서(51)의 검출결과를 피드백하여 펌프(P1)를 제어함으로써 반응탱크(11)의 내부로 수용액을 보충할 수 있다.

증기공급관(180)에는 각종밸브(91,92)가 설치되며, 특히 과도압력시에 안전을 위하여 오픈되는 안전밸브(93)가 설치되어야 한다. 그밖에도 증기공급관(180)에는 압력게이지(94), 온도게이지(95), 이상압력게이지(96), 절연플랜지(97) 등이 설치될 수 있다.

수용액저장탱크(40)에 저장된 수용액은 펌프(P1)를 통해 반응탱크(11)의 내부로 공급되며, 펌프(P1)와 반응탱크(11)를 연결하는 수용액 보충관(63)에는 역류방 지를 위한 체크밸브(98)가 설치되는 것이 바람직하다. 또한 펌프(P1)와 수용액저장탱크(40)를 연결하는 파이프에는 이물질 제거를 위한 스트레이나(99)를 설치할 수 있다.

전술한 액체회수관(61), 압력피드백관(62), 수용액보충관(63) 등은 플렉시블(flexible) 호스를 사용하는 것이 바람직하지만 반드시에 이에 한정되지 않음은 물론이다.

한편 반응탱크(11)는 케이스의 베이스(2)로부터 이격되어 설치되는 것이 바람직하며, 이를 위해 베이스(2)에 다수의 지지봉(4)을 설치하고, 지지봉(4)의 상단에 반응탱크(11)를 설치하는 것이 바람직하다. 이때 반응탱크(11)를 외부 충격으로부터 보호하고 전기적 절연을 위하여 지지봉(4)의 하단부와 베이스(2)의 사이에는 방진절연고무(6)를 개재시키는 것이 바람직하다. 또한 안전을 위하여 베이스(2)는 접지시키는 것이 바람직하다. 상기 베이스(2)는 반응탱크(11)를 내부에 수용하는 케이스의 저면부일 수 있다.

이러한 스팀공급시스템(100)에는 도 6에 도시된 바와 같이 온수공급기능을 추가할 수도 있다. 즉, 반응탱크(11)에 온수이용장치(74)와 연결되는 출수관(16)과 회수관(17)을 연결할 수 있다. 이 경우 출수관(16) 또는 회수관(17)에 펌프(P2)를 설치하는 것이 바람직하다.

또한 이와 같이 반응탱크(11) 내부의 수용액을 외부로 직접 배출하지 않고, 반응탱크(11)의 내부에 외부와 연결되는 열교환배관(미도시)을 별도로 설치하여 상 기 열교환배관의 내부로 외부의 축열탱크(미도시)에 저장된 물을 유동시켜서 온수를 얻을 수도 있다.

상기 스팀이용장치(72)는 가정용 또는 사우나용 스팀 난방배관, 건조장치용 스팀배관, 토양소독용 스팀배관 등을 포함할 수 있고, 온수를 이용하는 온수이용장치(74)는 축열탱크, 난방용 또는 욕실용 온수배관 등을 포함할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 전기아크 반응장치(10)에 사용되는 핵심부품인 전극봉(12)을 실제로 반응탱크(11)에 결합하기 위해 제안된 조립구조에 대해 설명한다. 이하에서는 전극봉을 포함하는 조립체를 전극봉 어셈블리로 칭하기로 한다.

본 발명에 따른 전극봉 어셈블리(200)의 일 실시예는 도 7의 단면도에 도시된 바와 같다.

즉, 전극봉 어셈블리(200)는, 반응탱크(11)에 직접 체결되는 부분으로서 중심축을 따라 관통부를 가지는 플러그(210), 플러그(210)의 관통부에 삽입되는 절연성 세라믹 재질의 가이드관(220), 가이드관(220)의 내부에 삽입되어 고정되는 상부전극봉(12a), 상부전극봉(12a)의 하단부에 교체하능하게 결합된 하부전극봉(12b)을 포함한다.

플러그(210)는 상단부에 측방으로 돌출된 플랜지부(212)를 구비하며, 외측에는 반응탱크(11)에 체결하기 위한 나사산이 형성된다. 플러그(210)의 관통부의 내벽에는 내측으로 돌출된 돌턱(214)이 형성된다. 플랜지부(212)는 공구사용을 위하여 각형으로 형성하는 것이 바람직하다.

가이드관(220)은 중간부분에 측방으로 돌출된 돌출부(222)를 구비하며, 돌출부(222)는 플랜지부(212)의 돌턱(214)의 하단에 위치하여 가이드관(220)이 상부로 빠지지 않도록 하는 역할을 한다. 가이드관(220)은 상단과 하단이 모두 플러그(210)의 외부로 돌출되도록 결합된다.

가이드관(220)의 내부에는 상부전극봉(12a)이 삽입되며, 상부전극봉(12a)의 상단과 하단은 모두 가이드관(220)의 외부로 돌출된다. 가이드관(220)과 플러그(210) 사이의 공간(202)에는 방수, 절연 및 내압을 위하여 절연성 세라믹 재질을 충진하는 것이 바람직하다.

가이드관(220)의 하단부에는 상부전극봉(12a)을 고정하기 위한 고정링(230)이 장착되고, 상부전극봉(12a)의 상단부에는 전원선을 연결할 수 있는 연결단자(290)가 설치된다. 가이드관(220)의 상단부에 고정너트(240)를 결합할 수도 있다.

한편 본 발명의 전극봉 어셈블리(200)는 전극봉(12)의 하단부만을 교체할 수 있도록 한 점에 특징이 있다. 즉, 상부전극봉(12a)의 하단부에 금속재질의 소켓(250)을 결합하고, 상기 소켓(250)의 하단에 하부전극봉(12b)을 결합하는 것이 바람직하다.

소켓(250)은 일측과 타측에 각각 상부전극봉(12a) 및 하부전극봉(12b)이 삽입되는 장착홀(hall)을 구비하며, 장착홀에 삽입된 상부전극봉(12a)과 하부전극봉(12b)은 나사 등의 결합수단(254)을 이용하여 소켓(250)에 고정된다. 이와 달리 도시된 바와 같이 상부전극봉(12a)은 나사 등으로 소켓(250)에 분리 가능하게 결합 하고, 하부전극봉(12b)은 소켓(250)에 용접해서 고정시킬 수도 있다.

수용액 내부에서 전압이 인가되었을 때 하부전극봉(12b)에 훨씬 큰 충격이 가해지므로 본 발명에 따르면 일정 시간 사용한 후에는 하부전극봉(12a)만을 교체함으로써 유지관리비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

도 8은 본 발명에 따른 전극봉 어셈블리(200)의 다른 실시예로서, 상부전극봉(12a)의 상단부에 2개의 연결단자를 설치한 점에서 도 7의 실시예와 차이가 있다.

즉, 가이드관(220)의 상단부로 돌출된 상부전극(12a)에 고정너트(250), 와셔(260), 제1연결단자(270), 와셔, 고정너트(250)의 순서로 결합하여 제1연결단자(270)를 장착하고, 상부전극(12a)의 상단부에 제2연결단자(290)를 형성할 수 있다.

제2연결단자(290)에는 케이블(C)의 단부에 형성된 케이블잭이 연결된다,

도 9는 본 발명에 따른 전극봉 어셈블리(200)의 또 다른 실시예로서, 가이드관을 이용하지 않고 절연패킹을 이용하는 점에서 전술한 도 7 및 도 8의 실시예와 차이가 있다.

구체적으로 살펴보면, 도 8의 전극봉 어셈블리(200)는 상부전극봉(12a)에 장착된 제1고정판(331), 상기 제1고정판(331)의 상부에 위치하는 제1절연패킹(321), 제1절연패킹(321)의 상부에 위치하는 제2고정판(332), 제2고정판(332)의 상부에 위 치하는 제2절연패킹(322), 제1절연패킹(321)과 제2절연패킹(322)을 내부에 수용하는 플러그(310), 플러그(310)의 상단부에 결합되는 압축고정캡(340)을 포함한다.

상부전극봉(12a)은 상기 제1,2 고정판(331,332), 제1,2절연패킹(321,322)의 중심을 상하로 관통하여 체결된다. 상기 제1,2 고정판(331,332)은 각각 제1,2 절연패킹(321,322)의 유동을 방지하는 역할을 하며, 제1,2 절연패킹(321,322)은 테프론, PE 등의 재질인 것이 바람직하다.

플러그(310)의 외측면에는 반응탱크(11)에 체결하기 위한 나사산이 형성되며, 상단 외측면에도 압축고정캡(340)이 나사결합되는 나사산이 형성된다. 도면에 플러그(310)의 내경이 아래쪽이 넓고 위쪽이 좁은 것으로 도시된 것은 내부에 수용되는 제1절연패킹(321)과 제2절연패킹(322)의 직경이 다르기 때문이다. 따라서 삽입되는 절연패킹의 형상에 따라 플러그(310)의 형상은 달라질 수 있다.

압축고정캡(340)은 플러그(310)의 상부로 돌출된 제2절연패킹(322)을 고정시키는 역할을 한다. 다만, 상부전극봉(12a)과 압축고정캡(340)이 접촉하는 것은 바람직하지 않으므로 압축고정캡(340)의 중앙부에는 절연을 위하여 상부전극봉(12a)의 직경보다 훨씬 큰 직경의 개방부가 형성되는 것이 바람직하다.

도면에는 2개의 절연패킹(321,322)이 도시되었으나. 플러그(310)의 내부에는 절연패킹이 1개만 설치될 수도 있다. 이 경우에도 제1고정판(331)과 압축고정캡(340)이 필요함은 물론이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 전술한 실 시예에 한정되는 것은 아니므로 다양한 형태로 변형 또는 수정될 수 있다. 그런데 이와 같이 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기아크 반응장치의 구성도

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기아크 반응장치의 작동과정을 나타낸 흐름도

도 3은 반응탱크의 내에 전기 아크가 발생한 모습을 나타낸 사진

도 4 및 도 5는 각각 전기아크 반응장치를 이용한 스팀공급시스템의 구성도 및 제품 사시도

도 6은 스팀공급시스템에 온수공급기능을 추가한 시스템 구성도

도 7 내지 도 9는 각각 전기아크 반응장치에 사용될 전극봉 어셈블리의 여러 유형을 나타낸 단면도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 전기아크 반응장치 11: 반응탱크

12: 전극봉 13: 연결단자

14: 수용액 16: 출수관

17: 회수관 20: 전원공급부

30: 제어부 40: 수용액 저장탱크

50: 수위조절탱크 60: 기액분리기

72: 스팀이용장치 74: 온수이용장치

80: 트랩 91,92: 밸브

93: 안전밸브 94: 압력게이지

100: 스팀공급시스템 200: 전극봉 어셈블리

210, 310: 플러그 220: 가이드관

230: 고정수단 240: 고정너트

270, 290: 연결단자 321, 322: 절연패킹

331, 332: 고정판 340: 압축고정캡

Claims

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내부공간을 갖는 반응탱크; 상기 반응탱크에 저장되는 용액; 상기 용액의 내부에 전기 아크(electric arc)를 발생시키기 위하여 상기 반응탱크를 관통하여 설치되고 상기 용액에 서로 이격되어 침지되는 다수의 전극봉을 포함하는 전기아크 반응장치에 사용되는 전극봉 어셈블리에 있어서,

외측에 상기 반응탱크와의 결합을 위한 나사부를 구비하고, 내부에 상단과 하단까지 이어지는 관통부가 형성되고 외측에 플랜지가 형성되며 상기 관통부의 내부에는 내측으로 돌턱이 구비된 플러그;

양 단부가 각각 상기 플러그의 외부로 돌출되도록 상기 플러그의 상기 관통부에 삽입되며, 측면에 상기 돌턱의 하부에 위치하는 돌출부가 형성된 절연재질의 가이드관;

상기 가이드관에 삽입되며, 양 단부가 각각 상기 가이드관의 외부로 돌출되는 제1 전극봉;

연결수단에 의해 상기 제1전극봉에 분리가능하게 결합된 제2 전극봉;

상기 가이드관의 상기 돌출부의 하부와 상기 플러그의 사이에 형성된 공간에 충진되는 절연물질;

상기 가이드관의 상단 및 하단에 각각 결합되어 상기 제1 전극봉을 상기 가이드관에 대해 고정시키는 제1 고정수단과 제2 고정링;

을 포함하는 전극봉 어셈블리
내부공간을 갖는 반응탱크; 상기 반응탱크에 저장되는 용액; 상기 용액의 내부에 전기 아크(electric arc)를 발생시키기 위하여 상기 반응탱크를 관통하여 설치되고 상기 용액에 서로 이격되어 침지되는 다수의 전극봉을 포함하는 전기아크 반응장치에 사용되는 전극봉 어셈블리에 있어서,

외부에 상기 반응탱크와의 결합을 위한 나사부를 구비하고, 내부에 상단과 하단까지 이어지는 관통부가 형성된 플러그;

상단부가 상기 플러그의 상부로 돌출되도록 상기 플러그의 상기 관통부에 삽입되는 절연패킹;

상기 절연패킹을 관통하여 설치되는 제1 전극봉;

연결수단에 의해 상기 제1 전극봉에 분리가능하게 결합된 제2 전극봉;

상기 절연패킹을 상기 제1 전극봉에 대해 고정시키기 위하여, 상기 절연패킹의 하단에서 상기 제1 전극봉에 장착된 고정판;

상기 절연패킹을 압축 고정하기 위하여 상기 플러그의 상단에 결합되는 압축고정캡;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극봉 어셈블리
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