KR101324750B1

KR101324750B1 - 유체의 마찰열을 이용한 저탄소 저비용의 보일러 및 이를 갖는 난방 유지장치

Info

Publication number: KR101324750B1
Application number: KR1020120016708A
Authority: KR
Inventors: 김현호; 이재창
Original assignee: 김현호
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2013-11-05
Also published as: KR20130095362A

Abstract

본 발명은 유체의 마찰열을 이용한 저탄소 저비용의 보일러 및 난방 유지장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 보일러는, 유체가 유입되는 유입구와 가열된 유체가 배출되는 배출구가 형성된 보일러하우징(110)과; 상기 보일러하우징(110) 내부의 일측에 제1회전축(120)을 중심으로 회전 가능하게 설치되며, 유체가 통과하는 복수개의 오리피스홀이 형성되어 있으며 서로 다른 직경을 갖는 복수개의 블레이드(142, 152)를 구비한 제1회전팬(140)과; 상기 보일러하우징(110) 내부의 다른 일측에 중공의 제2회전축(130)을 중심으로 회전 가능하게 설치되며, 유체가 통과하는 복수개의 오리피스홀이 형성되어 있으며 상기 제1회전팬(140)의 블레이드(142, 152) 사이사이에 배치되는 블레이드(142, 152)를 구비하는 제2회전팬(150)과; 상기 제1회전팬(140)을 일방향으로 회전시키는 제1구동유닛과; 상기 제2회전팬(150)을 제1회전팬(140)의 회전방향과 반대 방향으로 회전시키는 제2구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유체의 마찰열을 이용한 저탄소 저비용의 보일러 및 이를 갖는 난방 유지장치{Boiler Using Fluid Friction and Heating Equipment Having the Same}

본 발명은 유체의 마찰열을 이용하여 온수 또는 스팀을 발생하는 보일러 및 이를 갖는 난방 유지장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특수 가공된 2개의 회전팬이 서로 반대 방향으로 동시에 회전하여 원심력에 의해 물 또는 열매체유 등의 유체가 반경방향 외측으로 이동하면서 유체가 컷팅되는 현상이 발생하고, 이 때 발생하는 유체의 원심력과 마찰력 등 물리적인 에너지를 이용하여 유체를 가열하여 난방을 하며, 설정 온도 이하의 폐열은 리사이클링하여 재사용할 수 있도록 한 유체의 마찰열을 이용한 저탄소 저비용의 보일러 및 이를 갖는 난방 유지장치에 관한 것이다.

종래기술의 온수 발생 장치로는 여러 종류의 보일러가 널리 보급되어 있다. 보일러에는 전기에너지를 열에너지로 전환하여 사용하는 전기 보일러와 석유 등 천연자원을 활용하여 이를 태움으로서 열에너지를 얻는 기름 보일러가 있다. 이외에도 가스를 이용하는 가스 보일러, 석탄을 이용하는 석탄 보일러 등이 널리 보급되어 있다.

그러나 이러한 종래의 보일러 장치들은 전기, 석유, 가스 등의 에너지원이 다량 소모됨으로 에너지 비용이 많이 들고, 공장 등 산업용이나 농업용으로 활용코자 하는 경우에는 장치의 대형화가 불가피하여 공간을 많이 차지할 뿐만 아니라 장비의 가격 또한 대단히 고가이어서 경제적인 부담이 되어 왔다. 또한 스팀 발생이 필요한 경우에는 별도의 스팀 발생기를 구입하여야만 했다. 더우기 이러한 대형에너지 설비를 안전하게 운용하기 위하여는 부가 설비로서 안전을 위한 설비, 유지 보수를 위한 설비, 경비 설비 및 경비요원을 두는 것이 보통이다.

한편 상기와 같은 석유나 가스 등을 이용하는 보일러의 경우는 그 연소 과정에서 많은 공해 물질이 배출되므로서 환경을 악화시키는 요인으로 작용하기도 한다. 그러나 무엇보다도 중요한 것은 상기한 종래의 보일러들은 전기, 석유, 가스 등 에너지를 다량으로 소비하여 에너지 손실은 큰 반면 열 효율은 크게 떨어지는 문제점이 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 대한민국 등록특허공보 제0802475호(2008.02.01.)에 양방향으로 회전하는 유출구가 형성되어 있는 본체에 복수개의 회전통을 구비한 2개의 회전부재를 설치하고, 상기 회전부재를 서로 반대 방향으로 회전시키면서 회전통들에 형성된 통공을 통해 유체를 통과시킴으로써 고온의 유체를 발생시키는 '캐비테이션을 이용한 고온발생 방법 및 장치'가 개시되었다.

그러나, 상기한 종래의 캐비테이션을 이용한 고온발생 장치를 구현하기 위해서는 유체공급라인을 회전부재의 축에 바로 연결하여 공급해야 하는데, 이 경우 회전하고 있는 회전부재와 유체공급라인의 연결이 어려워 실제로 구현하는데 많은 어려움이 따르며, 본체의 용적이 작아 성능 또한 낮은 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 석유나 가스 등을 사용하지 않고 전기에너지로 2개의 회전팬을 고속 회전시킴에 의해 발생하는 물 또는 열매체유 등의 유체의 원심력과 마찰력 등을 이용하여 온열 유체 또는 스팀을 생성함으로써 오염물질을 배출하지 않고 친환경적이며, 저렴한 비용으로 높은 에너지를 얻을 수 있고, 실제 구현이 용이하며, 큰 용적을 가지고 우수한 성능을 발휘할 수 있는 저탄소 저비용의 보일러 및 이를 갖는 난방 유지장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따르면, 물 또는 열매체유로 된 유체가 유입되는 유입구와 가열된 유체가 배출되는 배출구가 형성된 보일러하우징과; 상기 보일러하우징 내부의 일측에 제1회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치되며, 유체가 통과하는 복수개의 오리피스홀이 형성되어 있으며 서로 다른 직경을 갖는 복수개의 블레이드를 구비한 제1회전팬과; 상기 보일러하우징 내부의 다른 일측에 중공의 제2회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치되며, 유체가 통과하는 복수개의 오리피스홀이 형성되어 있으며 상기 제1회전팬의 블레이드 사이사이에 배치되는 블레이드를 구비하는 제2회전팬과; 상기 제1회전팬을 일방향으로 회전시키는 제1구동유닛과; 상기 제2회전팬을 제1회전팬의 회전방향과 반대 방향으로 회전시키는 제2구동유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 마찰열을 이용한 저탄소 저비용의 보일러가 제공된다.

본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 상술한 구성으로 이루어진 보일러와; 상기 보일러에서 가열된 유체가 채워지는 유체탱크와; 상기 유체탱크의 유체를 상기 보일러로 공급하는 공급펌프와; 난방용 유체가 저장되는 난방용 유체탱크와; 상기 유체탱크 내부에 설치되며, 양단이 상기 난방용 유체탱크와 연결되어, 상기 난방용 유체탱크로부터 공급된 난방용 유체가 유동하면서 유체와의 열교환이 이루어지는 열교환기와; 상기 난방용 유체탱크와 열교환기 및 난방처를 연결하는 순환유로에 설치되어 난방용 유체를 순환시키는 난방용 순환펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 난방 유지장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 한 형태에 따르면, 상술한 구성으로 이루어진 보일러와; 상기 보일러에서 가열된 유체가 채워지는 유체탱크와; 상기 유체탱크의 유체를 상기 보일러로 공급하는 공급펌프와; 난방용 유체가 저장된 난방용 유체탱크와; 상기 난방용 유체탱크 내부에 설치되며, 상기 유체탱크와 연결되어, 상기 유체탱크로부터 공급된 유체가 유동하면서 난방용 유체와 열교환이 이루어지는 열교환기와; 상기 유체탱크와 열교환기를 연결하는 유로 상에 설치되어 유체를 순환시키는 유체 순환펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 난방 유지장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 한 형태에 따르면, 상술한 구성으로 이루어진 보일러와; 난방용 유체가 저장된 난방용 유체탱크와; 상기 난방용 유체탱크 내부에 설치되며, 상기 보일러의 배출구와 연결되어, 상기 보일러로부터 공급된 유체가 유동하면서 난방용 유체와 열교환이 이루어지는 열교환기와; 상기 열교환기와 보일러를 연결하는 유로 상에 설치되어 유체를 순환시키는 공급펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 난방 유지장치가 제공된다.

이러한 본 발명에 따르면, 석유나 가스 등의 화석연료를 사용하지 않고 2개의 회전팬의 반대 방향 회전에 의한 원심력에 의해 유체가 반경방향 외측으로 이동하면서 컷팅되는 현상이 발생하게 되는데, 이 때 발생하는 유체의 원심력과 마찰력 등 물리적인 에너지를 이용하여 유체를 온열 유체 또는 스팀으로 전환시켜 난방을 하며, 설정 온도 이하의 폐열은 리사이클링하여 재사용할 수 있으므로 오염물질의 배출이 거의 없으며, 저렴한 비용으로 높은 에너지를 얻을 수 있는 저탄소 저비용의 난방 유지장치를 구현할 수 있다.

특히, 본 발명에 따르면 2개의 회전팬의 회전시 임펠러에 의해 회전팬의 유입구 내측으로 강제로 유체가 유입되고, 회전팬의 중심부에서의 압력이 급격히 높아지게 되므로, 유체의 가열이 더욱 빠르고 원활하게 이루어질 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 난방 유지장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 난방 유지장치의 전체 구성을 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 3은 도 2의 보일러에 구성된 임펠러 및 가이드부재를 나타내는 요부 단면도이다.
도 4는 도 2의 보일러에 구성된 제1,2회전팬의 단면도이다.
도 5는 도 4의 제1,2회전팬의 요부 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 난방 유지장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 난방 유지장치의 보일러를 나타내는 요부 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 보일러 및 난방 유지장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 난방 유지장치는, 서로 반대방향으로 회전하는 2개의 회전팬(120, 130)에 의해 유체(열매체유 또는 물)를 가열하는 보일러(100)와, 상기 보일러(100)에서 가열된 유체가 채워지는 유체탱크(200)와, 상기 유체탱크(200)의 유체를 상기 보일러(100)로 공급하는 공급펌프(400)와, 난방용 유체(물 또는 열매체유)가 저장되는 난방용 축열탱크(500)와, 상기 유체탱크(200) 내부에 설치되며 양단이 상기 난방용 축열탱크(500)와 연결되어 상기 난방용 축열탱크(500)로부터 공급된 난방용 유체가 유동하면서 유체와의 열교환이 이루어지는 열교환기(300)와, 상기 난방용 축열탱크(500)와 열교환기(300) 및 난방처(난방이 필요한 장소)를 연결하는 순환유로(520) 상에 설치되어 난방용 유체를 순환시키는 난방용 순환펌프(510)와, 상기 보일러(100) 및 유체탱크(200)에 각각 설치되어 보일러(100) 및 유체탱크(200) 내의 압력이 설정 압력 이상에 도달하면 가스 및 유체를 배출시키는 제1,2압력변(710, 720)과, 상기 제1,2압력변(710, 720)과 연결되어 제1,2압력변(710, 720)으로부터 배출되는 유체를 공급받아 저장하고 있다가 상기 유체탱크(200) 내부로 유체를 공급하는 보조 유체탱크(600) 등을 포함한 구성으로 이루어진다.

상기 보일러(100)에서 사용되는 유체로는 물이 사용될 수 있지만, 이 실시예에서는 축열성 및 열전도성이 우수하며, 물보다 비열이 작아 적은 에너지로 빠른 온도 상승을 기대할 수 있는 공지의 열매체유가 사용되는 것으로 설명한다.

상기 보일러(100)는 원통형의 보일러하우징(110)과, 상기 보일러하우징(110) 내부의 일측에 중공의 제1회전축(120)을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 제1회전팬(140)과, 상기 보일러하우징(110) 내부의 다른 일측에 중공의 제2회전축(130)을 중심으로 제1회전팬(140)과는 반대 방향으로 회전하도록 설치되는 제2회전팬(150)과, 상기 제1회전팬(140)을 일방향으로 회전시키는 제1구동유닛과, 상기 제2회전팬(150)을 제1회전팬(140)의 회전방향과 반대 방향으로 회전시키는 제2구동유닛을 포함한다.

상기 보일러하우징(110) 내부에는 상기 제1,2회전축(120, 130)이 설치된 양측 공간과 상기 제1,2회전팬(140, 150)이 설치된 가운데 공간을 서로 분리시키는 제1,2구획판(115, 116)이 설치된다. 그리고, 상기 보일러하우징(110)의 양측편에는 상기 제1,2구획판(115, 116)에 의해 구획된 공간 내부와 연통하는 제1유입구(111) 및 제2유입구(112)가 형성된다. 보일러하우징(110)의 중간 부분에는 상기 제1,2회전팬(140, 150)에 의해 가열된 열매체유가 배출되는 제1,2배출구(113)가 형성되어 있다. 이해를 돕기 위해 상기 제1,2회전축(120, 130) 및 제1,2유입구(111, 112)가 배치된 보일러하우징(110)의 양측 공간을 유입챔버(C1)라 명하며, 중앙의 제1,2회전팬(140, 150)이 배치된 공간을 히팅챔버(C2)라 명하여 설명한다.

상기 제1회전축(120) 및 제2회전축(130)은 보일러하우징(110)의 양측면부를 관통하게 설치된다. 상기 제1,2회전축(120, 130)의 외주면과 상기 보일러하우징(110)의 측면부 사이와 상기 제1,2회전축(120, 130)의 외주면과 제1,2구획판(115, 116) 사이에는 제1,2회전축(120, 130)을 회전 가능하게 지지함과 동시에 수밀 기능을 하는 베어링부재(170)들이 설치된다. 상기 베어링부재(170)는 상기 제1,2회전축(120, 130)의 외주면과 결합되는 베어링의 외주면에 수밀 기능을 하는 씨일재(Seal)가 결합된 매카니컬씨일(mechanical seal)을 이용하여 구성할 수 있다.

상기 제1,2회전축(120, 130)은 열매체유가 통과할 수 있도록 내측 단부가 개방된 중공관 구조로 이루어지며, 상기 유입챔버(C1) 내에 위치한 측면부에는 중공부 내부로 열매체유가 유입될 수 있도록 복수개의 유체 유입공(121, 131)이 관통되게 형성되어 있다.

상기 제1,2회전축(120, 130) 내부로 열매체유가 원활히 유입될 수 있도록 하기 위하여, 도 3에 도시된 것과 같이 상기 제1,2회전축(120, 130) 내부에 임펠러(180) 및 상기 임펠러(180)에 의해 공급되는 열매체유에 방향성을 부여하는 가이드부재(190)가 설치되는 것이 바람직하다. 상기 임펠러(180)는 제1,2회전축(120, 130)의 중공부 내주면에 고정되어 제1,2회전축(120, 130)과 함께 회전하면서 상기 유체 유입공(121, 131)을 통해 제1,2회전축(120, 130) 내부로 유입되는 열매체유를 제1,2회전팬(140, 150)의 중심부 쪽으로 압송하는 기능을 하여 제1,2회전팬(140, 150)의 중심부에서의 압력을 증가시키고, 이로써 열매체유를 가열하는 능력을 배가시키는 작용을 한다. 상기 임펠러(180)는 통상의 축류팬과 유사한 형태를 갖거나, 하나 또는 복수의 날개가 축방향을 따라 나선형으로 감겨진 스크류 형태를 가질 수 있다.

그리고, 상기 가이드부재(190)는 임펠러(180)에 의해 제1,2회전팬(140, 150)의 중심부로 유입되는 열매체유에 직진성을 부여함으로써 제1,2회전팬(140, 150)의 중심부에서의 압력(P1)을 더욱 증가시키는 작용을 하게 된다.

여기서, 상기 가이드부재(190)는 원형의 링 형태로 이루어져 제1,2회전축(120, 130)의 내주면에 고정되는 림(191)(rim)과, 상기 림(191)의 내측에 방사상으로 형성되어 열매체유의 유동을 안내하는 복수개의 가이드날개(192)로 구성될 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 상기 제1회전팬(140)은 중심부가 상기 제1회전축(120)과 고정되는 원반형의 베이스(141)와, 상기 베이스(141)에 반경 방향을 따라 일정 간격으로 이격되게 배치되며 열매체유가 통과하는 복수개의 오리피스홀(143)이 관통되게 형성된 복수개의 원통형 블레이드(142)로 구성된다.

또한, 상기 제2회전팬(150)은 중심부가 상기 제2회전축(130)과 고정되는 원반형의 베이스(151)와, 상기 베이스(151)에 반경 방향을 따라 일정 간격으로 이격되게 배치되며 열매체유가 통과하는 복수개의 오리피스홀(153)이 관통되게 형성되고 상기 제1회전팬(140)의 블레이드(142)들의 사이사이에 배치되는 복수개의 원통형 블레이드(152)로 구성된다.

이와 같이 상기 제1회전팬(140)과 제2회전팬(150)은 복수개의 오리피스홀(143, 153)들이 형성된 블레이드(142, 152)들이 반경 방향을 따라 서로 교대로 배치된 구조를 갖는다.

상기 제1,2구동유닛은 제1,2구동모터(161, 163)와, 상기 제1,2구동모터(161, 163)의 축과 제1,2회전축(120, 130)에 감겨져 제1,2구동모터(161, 163)의 동력을 제1,2회전축(120, 130)에 전달하는 제1,2동력전달벨트(162, 164)로 구성된다. 상기 제1,2구동유닛은 제1,2회전축(120, 130)을 서로 반대 방향으로 동시에 회전시킨다.

한편, 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 제1회전팬(140)의 블레이드(142)에 형성된 오리피스홀(143)들은 제1회전팬(140)의 회전방향과는 반대방향으로 경사지게 형성되며, 내측부에서 외측부로 갈수록 단면적이 증가하는 콘(cone) 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 오리피스홀(143)의 중심축들은 제1회전팬(140)의 회전 중심에서 일정 거리 편심되게 위치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2회전팬(150)의 블레이드(152)에 형성된 복수개의 오리피스홀(153)들도 제2회전팬(150)의 회전방향과 반대방향으로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제1회전팬(140)의 오리피스홀(143)들과 제2회전팬(150)의 오리피스홀(153)들은 서로 반대방향으로 경사지게 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 제1회전팬(140)의 오리피스홀(143)들과 제2회전팬(150)의 오리피스홀(153)들이 서로 반대 방향으로 경사지게 형성됨으로써 각 오리피스홀(143, 153)들을 통과하는 열매체유가 오리피스홀(143, 153)을 통과할 때 컷팅되는 현상이 원활하게 이루어질 수 있게 된다. 상기 오리피스홀(143, 153)들은 내측에서 외측으로 갈수록 단면적이 증가하는 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

다시 도 2를 참조하면, 상기 난방 유지장치의 유체탱크(200)의 하부에는 열교환되어 저온 상태가 된 열매체유가 배출되는 배출포트(201)가 설치되고, 상기 유체탱크(200)의 상부에는 보일러(100)로부터 공급되는 고온의 열매체유가 유입되는 유입포트(202)가 설치된다. 상기 배출포트(201)는 상기 공급펌프(400)와 연결된다. 그리고, 상기 유입포트(202)는 유체 배출관(910)을 통해 상기 보일러(100)의 배출구(113)와 연결된다.

상기 유체탱크(200)에는 유체탱크(200) 내의 압력을 측정하는 압력계(210)와, 유체탱크(200) 내부의 온도를 측정하는 온도센서(220)가 설치된다.

상기 제1압력변(710)과 제2압력변(720)은 각각 상기 보일러(100)의 히팅챔버(C2) 일측부와 상기 유입포트(202)에 각각 설치되며, 일방향으로만 유체의 유동을 허용하는 일방향 밸브이다.

상기 보조 유체탱크(600)는 일측이 상기 제1,2압력변(710, 720)과 연결되고, 다른 일측이 상기 유체탱크(200)와 연결되어, 보일러(100) 또는 유체탱크(200) 내의 압력이 설정 압력 이상에 도달하여 제1,2압력변(710, 720)을 통해 가스 및 열매체유가 배출될 경우 배출된 가스 및 열매체유를 공급받으며, 공급된 열매체유를 다시 상기 유체탱크(200) 내부로 공급함으로써 열매체유가 부족해지는 현상을 방지한다.

상기 열교환기(300)는 상기 난방용 순환펌프(510)에 의해 순환하는 난방용 유체가 유동하는 관이 유체탱크(200) 내에서 나선형으로 감겨진 코일 형태로 이루어질 수 있다.

상기 난방용 축열탱크(500)는 대량의 난방용 유체(이 실시예에서 물)를 저장할 수 있는 대용량 탱크로 이루어져, 많은 난방용 유체를 난방이 필요로 하는 곳에 보낼 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 보일러(100) 및 난방 유지장치는 다음과 같이 작동한다.

공급펌프(400)에 의해 유체탱크(200)로부터 보일러(100)로 열매체유가 공급되고, 공급된 열매체유는 보일러하우징(110)의 제1,2유입구(111, 112)를 통해 양측의 유입챔버(C1) 내로 유입된다.

이 상태에서 제1,2구동유닛을 제어하는 컨트롤러(미도시)로부터 제1,2구동모터(161, 163)에 전원이 인가되어 제1,2구동모터(161, 163)가 작동하면, 제1,2회전축(120, 130)이 서로 반대 방향으로 고속 회전한다. 이 때, 제1,2회전축(120, 130) 내부의 임펠러(180)도 함께 회전하게 되고, 유입챔버(C1) 내에 채워진 열매체유가 제1,2회전축(120, 130)의 유체 유입공(121, 131)을 통해 제1,2회전축(120, 130)의 중공부 내부로 유입된 다음, 임펠러(180)에 의해 강제로 압송되어 제1,2회전축(120, 130)의 내측 단부를 통해서 제1,2회전팬(140, 150)의 중심부로 토출된다. 이 과정에서 임펠러(180)에 의해 제1,2회전팬(140, 150) 내측으로 유동하는 열매체유는 가이드부재(190)의 가이드날개(192)에 의해 안내되어 직진성이 부여되면서 유동하게 된다. 이러한 임펠러(180) 및 가이드부재(190)의 작용에 의해 제1,2회전팬(140, 150) 중심부에서의 압력은 더욱 상승하게 된다.

한편, 상술한 것과 같이 제1,2회전팬(140, 150)이 고속으로 서로 반대 방향으로 회전하게 되면, 가장 내측의 블레이드(142, 152)와 가장 외측의 블레이드(142, 152) 간의 회전속도의 차이에 의해 급격한 압력차가 발생하게 된다. 즉, 제1회전팬(140) 외측의 압력이 급격하게 작아지게 되어 진공을 형성하게 되고, 이에 따라 중심부에 있던 열매체유가 제1회전팬(140)의 오리피스홀(143, 153) 및 제2회전팬(150)의 오리피스홀(143, 153)을 통해서 외측 방향으로 유동하면서 팽창압력을 받아 온도가 상승하게 된다.

이를 도 4 및 도 5를 참조하여 좀 더 구체적으로 설명하면, 제1,2회전팬(140, 150)들이 서로 반대방향으로 고속으로 회전하게 되면 아래의 수학식 1과 같이 제1,2회전팬(140, 150)의 내측 블레이드(142, 152)와 제1,2회전팬(140, 150)의 외측 블레이드(142, 152) 간의 회전각속도에 차이가 발생하게 된다.

여기서, ω = 2π×n 이다.

그리고 열매체유가 빠져 나오는 속도(V₁, V₂)는 아래의 수학식 2와 같이,

가 된다.

예를 들어, 제2회전팬(150)의 회전속도가 3500rpm 이고, 가장 내측의 블레이드(142, 152) 반경(r₁)이 150㎜, 그 외측의 블레이드(142, 152)의 반경(r₂)이 300㎜ 이면,

V₁ = V_k1 × cosθ₁ = 2 × π × 0.15 × 3500

V₂ = V_k2 × cosθ₂ = 2 × π × 0.30 × 3500

V₂ = 2 × V₁

따라서, 내측 블레이드(142, 152)를 통해 열매체유가 빠져 나오는 속도(V₁)와 외측 블레이드(142, 152)를 통해 열매체유가 빠져 나오는 속도(V₂)는 2배의 차이가 나며, 내측 블레이드(142, 152) 부분에서의 압력(P1)보다 외측 블레이드(142, 152)에서의 압력(P2)이 현저하게 낮아지게 된다.

그리고, 도 5에 도시된 것과 같이, 상기 제1,2회전팬(140, 150)의 오리피스홀(143, 153)들이 회전 방향에 대해 서로 반대 방향으로 비스듬하게 형성되어 있으므로, 외측으로 향하는 열매체유가 오리피스홀(143, 153)들을 연속적으로 통과하면서 고속으로 회전하는 제1,2회전팬(140, 150)들에 의해 컷팅되고 마찰되는 작용을 하게 되고, 이에 따라 기계적 에너지가 열에너지로 변환되면서 열매체유의 온도가 더욱 빠르게 상승하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 오리피스홀(143, 153)들은 외측부가 내측부보다 넓기 때문에 오리피스홀(143, 153)들을 통해서 배출되는 열매체유의 팽창압력을 증가시켜 온도 상승을 더욱 빠르게 할 수 있다. 이러한 작용은 제1회전팬(140)과 제2회전팬(150)이 서로 반대 방향으로 회전 운동함으로써 더욱 배가된다.

이와 같이, 본 발명의 보일러(100)는 제1,2회전팬(140, 150)이 서로 반대 방향으로 고속 회전하여 내측부와 외측부 간에 급격한 압력차이가 발생하게 되며, 각각의 오리피스홀(143, 153)들을 통해 외측으로 향하는 열매체유가 고속으로 회전하는 제1,2회전팬(140, 150)에 의해 컷팅 및 마찰되면서 기계적 에너지가 열에너지로 변환되고, 이에 따라 외측으로 유동하는 열매체유의 온도가 급격히 상승하는 효과를 얻게 된다.

또한, 보일러하우징(110)의 내부 공간이 제1,2구획판(115, 116)에 의해 양측의 유입챔버(C1)와 중앙의 히팅챔버(C2)로 분리되므로 보일러하우징(110)의 용적을 증대시킬 수 있고, 이에 따라 보일러(100)에서 가열할 수 있는 열매체유의 양을 기존보다 대폭 증대시킬 수 있으므로 우수한 성능을 제공할 수 있다.

상기 보일러(100)에 의해 가열되는 열매체유는 열매체유의 종류에 따라 300~400℃까지도 가능하나, 200℃ 정도로 가열하여 사용하는 것이 바람직하다.

상기 보일러(100)의 히팅챔버(C2) 내부에서 제1,2회전팬(140, 150)의 상호 반대 방향 회전에 의해 고온으로 가열된 열매체유는 배출구(113)를 통해 배출된 다음, 유체 배출관(910)을 따라 유동하여 유체탱크(200)의 유입포트(202)를 통해서 유체탱크(200) 내부로 공급된다.

이러한 보일러(100)의 작용에 의해 유체탱크(200) 내부는 고온의 열매체유로 채워져 온도 및 압력이 상승하게 된다.

이 때, 난방용 순환펌프(510)에 의해 난방용 유체(이 실시예에서 물)가 열교환기(300)를 통해 유동하게 된다. 상기 열교환기(300)를 통과하는 물은 유체탱크(200) 내의 열매체유와 열교환되어 온도가 상승한 다음, 난방용 축열탱크(500)에 저장된 후 난방을 필요로 하는 장소로 보내어져 난방을 수행한 다음 다시 열교환기(300)로 되돌아오게 된다.

한편, 상기와 같이 보일러(100)에서 열매체유를 가열하여 유체탱크(200)로 공급하고, 유체탱크(200) 내에서 열교환기(300)를 통해 난방용 유체를 가열하여 난방을 수행하는 과정에서 보일러(100) 및 유체탱크(200) 내부의 온도 및 압력은 점점 상승하게 된다. 보일러(100) 또는 유체탱크(200) 내부 압력이 설계 압력 이상이 되면, 보일러하우징(110) 또는 유체탱크(200)의 파손이나 손상, 오작동 등의 우려가 있다.

따라서, 보일러(100) 또는 유체탱크(200) 내부 압력이 설정 압력 이상에 도달하게 되면, 제1압력변(710) 또는 제2압력변(720)이 개방되면서 가스 및 열매체유가 배출되어 보조 유체탱크(600)로 공급된다. 상기 보조 유체탱크(600)로 공급된 열매체유는 다시 유체탱크(200) 내로 공급되어 유체탱크(200)에서 손실된 열매체유를 보충한다.

전술한 난방 유지장치의 실시예는 보일러(100)에서 가열된 열매체유를 직접 난방을 위한 장소로 보내어 난방을 수행하지 않고 유체탱크(200)에서 열교환을 통해 난방용 유체(물)를 가열하고, 이 가열된 난방용 유체를 난방을 필요로 하는 장소로 보냄으로써 대량의 난방용 유체를 사용해 대면적의 난방처를 난방할 수 있다.

하지만, 이와 다르게 작은 면적을 난방시키고자 할 경우에는 상기 보일러(100)에서 가열된 열매체유를 직접 난방처로 보내 난방을 한 후 보일러(100) 내부로 순환시킬 수도 있을 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 난방 유지장치의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 이 실시예의 난방 유지장치는 2개의 회전팬(120, 130)(도 2참조)에 의해 열매체유를 가열하는 보일러(100)와, 상기 보일러(100)에서 가열된 열매체유가 채워지는 유체탱크(200)와, 상기 유체탱크(200)의 열매체유를 상기 보일러(100)로 공급하는 공급펌프(400)와, 난방용 유체인 물이 저장된 난방용 축열탱크(500)와, 상기 난방용 축열탱크(500) 내부에 설치되며 상기 유체탱크(200)와 연결되어 상기 유체탱크(200)로부터 공급된 열매체유가 유동하면서 난방용 유체와 열교환이 이루어지는 열교환기(300)와, 상기 유체탱크(200)와 열교환기(300)를 연결하는 유로 상에 설치되어 열매체유를 순환시키는 유체 순환펌프(310)와, 상기 난방용 축열탱크(500) 내의 물을 난방을 필요로 하는 장소로 보내는 난방펌프(800)와, 상기 열교환기(300)와 유체탱크(200)를 연결하는 유로 상에 설치되어 열교환기(300)를 통해 공급된 열매체유를 저장하고 있다가 상기 유체탱크(200)로 열매체유를 공급하는 보조 유체탱크(600)와, 상기 보일러(100) 및 유체탱크(200)에 각각 설치되며 상기 보조 유체탱크(600)와 연결되어 상기 보일러(100) 및 유체탱크(200) 내의 압력이 설정 압력 이상에 도달하면 가스 및 열매체유를 배출시켜 보조 유체탱크(600)로 공급하는 제1,2압력변(710, 720)을 포함한 구성으로 이루어진다.

즉, 이 실시예의 난방 유지장치는 유체탱크(200)로부터 열매체유를 공급받는 열교환기(300)가 난방용 축열탱크(500) 내부에 설치되어, 난방용 축열탱크(500) 내부의 물을 가열하고, 상기 난방용 축열탱크(500) 내부에서 가열된 물을 난방을 필요로 하는 난방처로 보내어 난방을 수행하도록 된 것이다.

상기 보일러(100)는 전술한 첫번째 실시예와 동일하게 구성된 제1,2회전팬(140, 150)이 서로 반대 방향으로 회전하면서 열매체유를 가열하도록 구성되어 있다.

상기 열교환기(300)는 통상의 열교환기와 동일 또는 유사한 구조로 이루어질 수 있으며, 전술한 첫번째 실시예와 마찬가지로 열매체유가 유동하는 관이 나선형으로 감겨진 코일 형태로 구성될 수 있다.

그리고, 이 실시예의 난방 유지장치 역시 전술한 첫번째 실시예의 난방 유지장치와 마찬가지로 보일러(100) 또는 유체탱크(200) 내부의 압력이 설정 압력 이상에 도달하게 되면, 제1압력변(710) 또는 제2압력변(720)이 개방되면서 가스 및 열매체유가 보일러(100) 또는 유체탱크(200)로부터 배출되고, 배출된 가스 및 열매체유가 상기 보조 유체탱크(600)로 공급되어 저장된 다음 다시 유체탱크(200)로 공급되도록 되어 있다.

여기서, 상기 제2압력변(720)은 전술한 실시예와 동일하게 상기 보일러(100)로부터 유체탱크(200)내로 열매체유가 공급되는 유입포트(202)에 설치된다.

전술한 두번째 실시예에 따른 난방 유지장치는 보일러(100)에서 가열된 열매체유를 유체탱크(200)로 보낸 다음 열교환기(300)로 보내고 있지만, 이와 다르게 보일러(100)의 배출구(113)와 열교환기(300)를 바로 연결하여 보일러(100)에서 가열된 열매체유를 바로 열교환기(300)로 보내어 난방용 유체를 가열할 수도 있을 것이다.

전술한 실시예의 난방 유지장치는 단지 난방 기능을 하는 것으로 설명하였으나, 난방용 유체를 가열하여 난방을 수행하는 것 외에도 온수 또는 스팀을 사용하기 위한 목적으로도 사용될 수 있다.

한편, 전술한 실시예들의 보일러(100)는 제1회전축(120) 및 제2회전축(130)이 중공관 구조로 이루어지며, 제1,2회전축(120, 130)의 측면부에 중공부 내부로 열매체유가 유입될 수 있도록 복수개의 유체 유입공(121, 131)이 관통되게 형성된 구조로 되어 있다.

하지만, 도 7에 도시한 것과 같이, 제2회전축(130)이 제2회전팬(150)의 베이스(151) 중심부에 일체로 형성되며 복수개의 유체 유입공(131a)들이 축방향을 따라 관통되게 형성된 허브(130a)와, 상기 허브(130a)의 중심부에 고정되며 제2구동유닛과 각각 연결되어 회전하는 회전축부재(130b)로 구성될 수 있다. 제1회전축(120) 역시 상기 제2회전축(130)과 동일한 구조로 이루어진다.

상기 허브(130a)는 회전축부재(130b)에 비하여 큰 직경을 가지며, 제2구획판(116)에 설치된 베어링부재(170)에 의해 수밀을 유지하면서 회전 가능하게 지지되어 있다. 그리고, 상기 회전축부재(130b)는 허브(130a)와 일체로 형성될 수도 있으나, 이와 다르게 허브(130a)와는 개별체로 만들어져 허브(130a)의 중심부에 고정되게 결합될 수도 있을 것이다. 상기 회전축부재(130b)는 보일러하우징(110)에 설치되는 베어링부재(170)에 의해 수밀을 유지하면서 회전 가능하게 지지된다.

이와 같이 제1,2회전축(120, 130)이 구성되면, 전술한 중공관 구조의 경우보다 제1,2회전축(120, 130)의 강도가 더 커지기 때문에 고속 회전에도 변형되거나 손상되지 않고 안정적인 상태를 유지할 수 있는 이점이 있다.

전술한 본 발명에 따른 보일러 및 난방 유지장치에 대한 실시예들은 단지 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시 목적으로 제시된 것으로 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 특허청구범위에 기재된 기술 사상의 범주 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.

100 : 보일러 110 : 보일러하우징
111, 112 : 유입구 113 : 배출구
115, 116 : 제1,2구획판 120 : 제1회전축
121 : 유체 유입공 130 : 제2회전축
131 : 유체 유입공 140 : 제1회전팬
141 : 베이스 142 : 블레이드
143 : 오리피스홀 150 : 제2회전팬
151 : 베이스 152 : 블레이드
153 : 오리피스홀 161, 163 : 제1,2구동모터
162, 164 : 제1,2동력전달벨트 170 : 베어링부재
200 : 유체탱크 300 : 열교환기
400 : 공급펌프 500 : 난방용 축열탱크
510 : 난방용 순환펌프 600 : 보조 유체탱크
710 : 제1압력변 720 : 제2압력변

Claims

유체가 유입되는 유입구(111, 112)와 가열된 유체가 배출되는 배출구(113)가 형성된 보일러하우징(110)과;
상기 보일러하우징(110) 내부의 일측에 제1회전축(120)을 중심으로 회전 가능하게 설치되며, 유체가 통과하는 복수개의 오리피스홀(143)이 형성되어 있으며 서로 다른 직경을 갖는 복수개의 블레이드(142)를 구비한 제1회전팬(140)과;
상기 보일러하우징(110) 내부의 다른 일측에 중공의 제2회전축(130)을 중심으로 회전 가능하게 설치되며, 유체가 통과하는 복수개의 오리피스홀(153)이 형성되어 있으며 상기 제1회전팬(140)의 블레이드(142) 사이사이에 배치되는 블레이드(152)를 구비하는 제2회전팬(150)과;
상기 제1회전팬(140)을 일방향으로 회전시키는 제1구동유닛과;
상기 제2회전팬(150)을 제1회전팬(140)의 회전방향과 반대 방향으로 회전시키는 제2구동유닛과;
상기 보일러하우징(110) 내부에 설치되어 상기 제1,2회전축(120, 130) 및 유입구(111, 112)가 배치된 공간과 상기 제1,2회전팬(140, 150) 및 배출구(113)가 배치된 공간을 분리되게 구획하는 제1,2구획판(115, 116)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 마찰열을 이용한 저탄소 저비용의 보일러.
제1항에 있어서, 상기 제1회전축(120) 및 제2회전축(130)은 상기 보일러하우징(110)의 내부에 위치하는 부분의 측면부에 유체 유입공(121, 131)이 형성된 중공관으로 이루어지며, 상기 유체 유입공(121, 131)을 통해 유입된 유체가 제1회전축(120) 및 제2회전축(130)의 개방된 내측 단부를 통해서 제1회전팬(140) 및 제2회전팬(150)의 중심부로 공급되는 것을 특징으로 하는 유체의 마찰열을 이용한 저탄소 저비용의 보일러.
제2항에 있어서, 상기 제1,2회전축(120, 130)의 내측에 설치되어 유체의 유입을 유도하여 제1,2회전팬(140, 150)의 중심부로 송출하는 임펠러(180)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 마찰열을 이용한 저탄소 저비용의 보일러.
제3항에 있어서, 상기 제1,2회전축(120, 130)의 내측에 설치되어 상기 임펠러(180)에 의해 유입되는 유체를 제1,2회전팬(140, 150)의 중심부로 안내하는 가이드부재(190)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 마찰열을 이용한 저탄소 저비용의 보일러.
제1항에 있어서, 상기 제1회전축(120) 및 제2회전축(130)은 각각 제1회전팬(140) 및 제2회전팬(150)의 중심부에 일체로 형성되며 복수개의 유체 유입공들이 축방향을 따라 관통되게 형성된 허브와, 상기 허브의 중심부에 고정되며 제1구동유닛 및 제2구동유닛과 각각 연결되어 회전하는 회전축부재로 구성된 것을 특징으로 하는 유체의 마찰열을 이용한 저탄소 저비용의 보일러.
제1항에 있어서, 상기 제1,2회전축(120, 130)과 상기 보일러하우징(110) 사이에는 제1,2회전축(120, 130)을 회전 가능하게 지지함과 동시에 수밀 기능을 하는 베어링부재(170)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 마찰열을 이용한 저탄소 저비용의 보일러.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 보일러(100)와;
상기 보일러(100)에서 가열된 유체가 채워지는 유체탱크(200)와;
상기 유체탱크(200)의 유체를 상기 보일러(100)로 공급하는 공급펌프(400)와;
난방용 유체가 저장되는 난방용 축열탱크(500)와;
상기 유체탱크(200) 내부에 설치되며, 양단이 상기 난방용 축열탱크(500)와 연결되어, 상기 난방용 축열탱크(500)로부터 공급된 난방용 유체가 유동하면서 유체와의 열교환이 이루어지는 열교환기(300)와;
상기 난방용 축열탱크(500)와 열교환기(300) 및 난방처를 연결하는 순환유로(520) 상에 설치되어 난방용 유체를 순환시키는 난방용 순환펌프(510)를 포함하는 것을 특징으로 하는 난방 유지장치.
제7항에 있어서, 상기 열교환기(300)는 상기 난방용 유체가 유동하는 관이 유체탱크(200) 내에서 나선형으로 감겨진 코일 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 난방 유지장치.
제7항에 있어서, 상기 보일러(100) 및 유체탱크(200)에 각각 설치되어 보일러(100) 및 유체탱크(200) 내의 압력이 설정 압력 이상에 도달하면 가스 및 유체를 배출시키는 제1,2압력변(710, 720)과;
상기 제1,2압력변(710, 720)과 연결되어, 제1,2압력변(710, 720)으로부터 배출되는 유체를 공급받아 저장하고 있다가 상기 유체탱크(200) 내부로 유체를 공급하는 보조 유체탱크(600)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 난방 유지장치.
제9항에 있어서, 상기 제2압력변(720)은 상기 보일러(100)로부터 유체탱크(200)내로 열매유체가 공급되는 유입포트(202)에 설치된 것을 특징으로 하는 난방 유지장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 보일러(100)와;
상기 보일러(100)에서 가열된 유체가 채워지는 유체탱크(200)와;
상기 유체탱크(200)의 유체를 상기 보일러(100)로 공급하는 공급펌프(400)와;
난방용 유체가 저장된 난방용 축열탱크(500)와;
상기 난방용 축열탱크(500) 내부에 설치되며, 상기 유체탱크(200)와 연결되어, 상기 유체탱크(200)로부터 공급된 유체가 유동하면서 난방용 유체와 열교환이 이루어지는 열교환기(300)와;
상기 유체탱크(200)와 열교환기(300) 및 난방처를 연결하는 순환유로(520) 상에 설치되어 유체를 순환시키는 유체 순환펌프(310)를 포함하는 것을 특징으로 하는 난방 유지장치.
제11항에 있어서, 상기 열교환기(300)는 상기 유체가 유동하는 관이 난방용 축열탱크(500) 내에서 나선형으로 감겨진 코일 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 난방 유지장치.
제11항에 있어서, 상기 열교환기(300)와 유체탱크(200)를 연결하는 유로 상에 설치되어, 열교환기(300)를 통해 공급된 유체를 저장하고 있다가 상기 유체탱크(200)로 유체를 공급하는 보조 유체탱크(600)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 난방 유지장치.
제13항에 있어서, 상기 보일러(100) 및 유체탱크(200)에 각각 설치되며 상기 보조 유체탱크(600)와 연결되어, 상기 보일러(100) 및 유체탱크(200) 내의 압력이 설정 압력 이상에 도달하면 가스 및 유체를 배출시켜 보조 유체탱크(600)로 공급하는 제1,2압력변(710, 720)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 난방 유지장치.
제14항에 있어서, 상기 제2압력변(720)은 상기 보일러(100)로부터 유체탱크(200)내로 열매유체가 공급되는 유입포트(202)에 설치된 것을 특징으로 하는 난방 유지장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 보일러(100)와;
난방용 유체가 저장된 난방용 축열탱크(500)와;
상기 난방용 축열탱크(500) 내부에 설치되며, 상기 보일러(100)의 배출구(113)와 연결되어, 상기 보일러(100)로부터 공급된 유체가 유동하면서 난방용 유체와 열교환이 이루어지는 열교환기와;
상기 열교환기(300)와 보일러(100)를 연결하는 유로 상에 설치되어 유체를 순환시키는 공급펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 난방 유지장치.