KR101334110B1 - 유전가열식 가열장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전달 유체를 가열하는 면적을 극대화하면서 유전가열을 위해 방사하는 마이크로파를 유전체에 집중 조사하고 유전체 전체에 고르게 침투시켜 열교환 효율을 높이며, 아울러, 열전달 유체의 흐름을 원활하게 하면서 유량 변화에도 온도를 일정하게 유지하고 충분히 가열된 상태로 공급하는 유전가열식 가열장치에 관한 것이며, 이를 위해서, 금속재로 이루어지고 상호 이격되어 평행하게 한 두개의 플레이트(211)의 테두리(215)를 봉합하여 밀폐된 내부공간(214)을 갖는 열교환유닛(210)이 복수 개로 마련되어 간격을 두고 서로 평행하게 배치되어 층을 이루고, 각각의 열교환유닛(210)의 일측에서 유입관(102)에 연통되고 각각의 열교환유닛(210)의 타측에서 상기 유출관(101)에 연통되어서, 유입관(102)으로 공급받는 열전달 유체를 각 열교환유닛(210)에 분배하여 각 열교환유닛(210)의 내부공간을 통과시킨 후에 유출관(101)을 통해 배출시키며, 열교환유닛(210)들 사이의 공간에는, 마이크로파에 의해 유전가열되는 유전체(300)를 충진하여서, 유전체(300)의 열을 열교환유닛(210)의 내부공간을 통과하는 열전달 유체에 전달한다.

Description

유전가열식 가열장치{DIELECTRIC HEATING APPARATUS}
본 발명은 유전가열로 열전달 유체를 가열하는 유전가열식 가열장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 열전달 유체를 가열하는 면적을 극대화하면서 유전가열을 위해 방사하는 마이크로파를 유전체에 집중 조사하고 유전체 전체에 고르게 침투시켜 열교환 효율을 높이며, 아울러, 열전달 유체의 흐름을 원활하게 하면서 유량 변화에도 온도를 일정하게 유지하고 충분히 가열된 상태로 공급하는 유전가열식 가열장치에 관한 것이다.
액상이나 기상의 열전달 유체를 저온 상태로 공급받아 가열하여 고온 상태로 공급하는 가열장치는, 열전달 유체를 내부공간에 통과시키면서 가열수단으로 가열하게 구성되며, 일반적으로 화석연료를 연소하여 발열하는 방식 또는 전기히터로 발열하는 방식의 가열수단을 채택하고, 이러한 가열수단에서 발생되는 열을 열전달 유체와 열교환한다.
최근에는, 가열수단인 연소장치 또는 전기히터의 에너지 효율 저하 및 설치 유지보수의 어려움 등을 해결하기 위해서, 공개특허 제10-2009-0069485호, 공개실용신안 제20-1989-0019609호 및 등록특허 제10-1059984호에서 유전체에 마이크로파를 조사하여 유전가열하는 가열수단이 개시되었다. 상기한 종래기술들에서 사용한 유전가열(dielectric heating) 방식은 유전체에 마이크로파를 조사하여 유전손실에 의한 발열을 일으키는 가열 방식으로서, 마그네트론(Magnetron)으로 마이크로파를 방사하여 유전체인 열전달 유체(물)를 직접 가열하거나 아니면 유전체로 이루어진 발열부를 열전달 유체(물)가 통과하는 배관에 접촉시켜 간접 가열하였다.
하지만, 상기한 종래기술들 중에 직접 열전달 유체(물)에 마이크로파를 조사하는 방식을 채택한 종래기술은 유해한 마이크로파가 배관을 통해 유출될 우려가 있으므로, 열전달 유체(물)가 통과하는 배관에 유전체를 접촉시켜 열교환하는 방식을 채택하는 것이 안전하지만, 이러한 열교환 방식을 채택한 종래기술은 열전달 유체(물)를 통과시키는 배관과 유전체간의 접촉면적이 작아서, 열교환 효율이 낮아지고, 마이크로파를 유전체 전체에 고르게 흡수시키지 못하게 구성되어서 유전체의 충진량에 비해 충분히 발열시키지 못하였다.
따라서, 같은 양의 유전체를 사용하더라도 열전달 유체가 통과하는 배관과의 접촉면적을 극대화하고, 아울러, 유전체 전체를 고르게 발열시키는 것이 요구된다.
그러면서도, 열전달 유체의 흐름을 원활하게 하는 한편, 마이크로파에 의한 유전체의 온도변화 특성이 유전체의 조성물에 따라 다르게 되므로 순간 가열을 위한 가열장치, 충분한 축열도 가능하여 한번 가동한 후에 오랜 시간 사용할 수 있는 가열장치 등으로도 쉽게 바꿔 사용할 수 있도록 유전체를 용이하게 충진 및 교체하게 하는 것도 요구된다.
한편, 일반적인 가열장치 내에서 열전달 유체가 통과하는 구성요소는 한번 장착하면 분해할 필요가 거의 없고, 더욱이, 실제 사용하여 유지관리하는 경우에 분해하여 수리하는 것에 비해 그 구성요소를 교체하는 것이 유리하고, 내구성이 요구된다면 부식에 강한 스테인레스로 제작하면 되므로, 분해 가능하게 할 필요 없이 단순하고 견고하여 설치하기 용이하며, 상술한 바와 같이 유전체와 접촉면적을 극대화하게 형성하고, 마이크로파의 진행에 지장을 주지 않도록 하는 것이 바람직하다.
KR 10-2009-0069485 A 2009.07.01. KR 20-1989-0019609 U 1089.10.05. KR 10-1059984 B1 2011.08.26.
따라서 본 발명의 목적은 열전달 유체가 통과하는 구성요소와 유전체 간의 접촉면적을 극대화하면서 마이크로파를 유전체에 집중하여 조사하고, 아울러, 유전체 전체를 고르게 발열시켜서 마이크로파의 조사량에 대한 유전체의 발열 효율 및 열전달 유체와의 열교환 효율을 높인 유전가열식 가열장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열전달 유체로의 열교환 면적을 크게 하면서 열전달 유체의 흐름을 원활하게 하고, 아울러, 가열장치의 용도에 맞도록 유전체를 쉽게 교체 가능하며, 열전달 유체가 통과하는 구성요소를 단순하면서도 견고하게 구성한 유전가열식 가열장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 유전가열식 가열장치에 있어서, 밀폐되어 있되, 열전달 유체를 공급받는 유입관(102) 및 가열된 열전달 유체를 외부로 공급하는 유출관(101)이 관통되는 열교환챔버(100); 상기 열교환챔버(100)의 내부에 수용되어서 상기 유입관(102)으로 공급받는 열전달 유체를 가열하여 상기 유출관(101)으로 배출하는 열교환기(200); 상기 열교환챔버(100)의 내부에 수용되어 마이크로파를 방사하는 마그네트론(400);을 포함하여 구성되고,
상기 열교환기(200)는, 금속재로 이루어지고 상호 이격되어 평행하게 한 두개의 플레이트(211)의 테두리(215)를 봉합하여 밀폐된 내부공간(214)을 갖는 열교환유닛(210)이 복수 개로 마련되어 간격을 두고 서로 평행하게 배치되어 층을 이루고, 각각의 열교환유닛(210)의 일측에서 상기 유입관(102)에 연통되고 각각의 열교환유닛(210)의 타측에서 상기 유출관(101)에 연통되어서, 상기 유입관(102)으로 공급받는 열전달 유체를 각 열교환유닛(210)에 분배하여 각 열교환유닛(210)의 내부공간을 통과시킨 후에 상기 유출관(101)을 통해 배출시키고,
상기 마그네트론(400)은, 열교환유닛(210)들 사이를 통과하는 방향으로 방사되도록 열교환챔버(100)의 내측면에 설치되며,
열교환유닛(210)들 사이의 공간에는, 상기 마그네트론(400)에서 방사되는 마이크로파에 의해 유전가열되는 유전체(300)를 충진하여서, 유전체(300)의 열을 열교환유닛(210)의 내부공간을 통과하는 열전달 유체에 전달함을 특징으로 한다.
상기 각각의 열교환유닛(210)들은, 하부측에서 상기 유입관(102)에 연통되고, 상부측에서 상기 유출관(101)에 연통되며, 상기 유전체(300)는, 열교환유닛(210)들 사이의 공간에서 상부 공간에 공기층이 형성되도록 하부 공간에 충진됨을 특징으로 한다.
상기 유전체(300)는, 분말상으로 형성되고, 상기 열교환챔버(100)는, 상판(110)을 개폐가능한 덮개로 형성되어 분말상의 상기 유전체(300)를 덮개를 열고 충진하며, 저면에는 밸브(104')로 개폐가능한 배출구(104)를 형성하여 열교환챔버(100)의 내부에 충진한 유전체(300)를 배출할 수 있게 함을 특징으로 한다.
상기 열교환챔버(100)는, 상기 마그네트론(400)에서 방사되는 마이크로파에 의해 유전가열하는 유전체로 내부 표면이 도포되고, 전후 벽면, 좌우 벽면, 상면 및 저면이 서로 접하는 모서리를 내부측에 중심점을 두는 곡면으로 형성됨을 특징으로 한다.
상기 유입관(102)은, 층을 이루게 배치된 열교환유닛(210)들에서 바깥쪽의 양측 열교환유닛(210) 중에 어느 하나의 열교환유닛의 외측 플레이트에서 시작하여 반대측의 바깥쪽 열교환유닛의 내측 플레이트까지 열교환유닛(210)들의 플레이트들에 순차적으로 관통구를 형성하고, 인접하는 열교환유닛(210) 간의 마주하는 관통구를 중공관(220)으로 연결하고, 바깥쪽 열교환유닛의 외측 플레이트에 형성된 관통구에 상기 유입관(102)의 단부를 연결하여서, 각각의 열교환유닛(210)의 내부공간과 연통되고, 상기 유출관(101)도 상기 유입관(102)과 동일한 방식으로 열교환유닛(210)들의 내부공간과 연통되는 것임을 특징으로 한다.
상기 유입관(102)을 열교환유닛(210)들의 내부공간과 연통하기 위해 형성되는 관통구들은, 열교환유닛(210)들의 배치방향을 향한 일직선 상에 형성되고, 상기 유출관(101)을 열교환유닛(210)들의 내부공간과 연통하기 위해 형성되는 관통구들도, 열교환유닛(210)들의 배치방향을 향한 일직선 상에 형성됨을 특징으로 한다.
상기 중공관(220)은, 양측 단부를 외측으로 갈수록 관경이 점차 크게 형성되고, 상기 중공관에 의해 연결되는 관통구는 외측으로 갈수록 관경을 축소시킨 외향돌출관부(213)를 구비하여서, 중공관의 단부를 외향돌출관부(221)에 외삽한 후에 접합됨을 특징으로 한다.
따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명은 열전달 유체가 통과하는 열교환유닛(210)들을 동일하게 얇은 판 형상으로 형성하고 평행하게 배치하여 열교환유닛(210)들 사이의 공간에 충진한 유전체와 열교환하는 면적을 극대화함으로써 열교환 효율이 우수하고, 마그네트론(400)에서 방사되는 마이크로파를 유전체는 투과하되 금속에 반사되는 특성을 이용하여 열교환유닛(210)들 사이에 충진한 유전체를 통과하도록 유도하여 마그네트론(400)으로부터 멀리 있는 부분의 유전체도 충분히 유전가열시키므로, 충진한 유전체에서 고르게 발열하여 열교환유닛(210)과의 접촉면 전체에서 열교환할 수 있다.
또한, 본 발명은 열교환유닛(210)의 내부공간에서 비중 차에 의한 자연적인 대류현상을 발생시켜서 열전달 유체의 흐름을 원활하게 하고, 열교환유닛(210)들 사이의 공간에서 유전체를 충진하지 아니한 공기층을 조성하여서 충분히 가열된 열전달 유체를 온도 변화를 최소화한 상태로 공급할 수 있으며, 유전체를 쉽게 교체 가능하여서 서로 다른 열적 특성을 갖는 유전체 중에 요구사양에 맞는 유전체로 교체하여 원하는 용도의 가열장치로 사용할 수도 있다.
또한, 본 발명은 열교환유닛(210)들 사이에 중공관을 연결하되, 열교환유닛(210)의 관통구에 형성된 외향돌출관부(213)와 중공관에 형성된 외향확관부(221)를 끼움결합하고 접합하므로, 열교환유닛(210)들 사이의 공간을 충분히 확보하면서 중공관을 견고하게 연결할 수 있고, 끼움결합 및 접합이라는 단순공정 및 단순구조로 열교환기(200)를 형성하므로 열교환챔버(100)의 내부에 설치하기도 용이하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유전가열식 가열장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유전가열식 가열장치에서, 외부 프레임(10)을 포함한 사시도로서 열교환챔버(100)의 내부를 보여주기 위해 투시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유전가열식 가열장치에서, 외부 프레임(10)을 포함한 측면도로서, 열교환챔버(100)의 내부를 보여주기 위해 투시한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 유전가열식 가열장치의 정면 투시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유전가열식 가열장치에서, 열교환기(200)의 제작과정을 보여주는 사시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 유전가열식 가열장치에서, 열교환기(200)의 사시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유전가열식 가열장치에서, 열교환기(200)의 상면 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 유전가열식 가열장치를 설명하기 위한 도면으로서, 구체적으로 도 1은 유전가열식 가열장치의 사시도이고, 도 2는 유전가열식 가열장치를 외부 프레임(10)에 설치한 상태에서 열교환챔버(100)의 내부를 보여주는 투시 사시도이고, 도 3은 도 2를 측면에서 투시한 도면이고, 도 4는 유전가열식 가열장치의 정면 투시도이고, 도 5는 열교환챔버(100)의 조립과정을 보여주는 사시도이고, 도 6은 열교환챔버(100)이고, 도 7은 열교환챔버(100)의 상면 단면도이다. 여기서, 도 2 및 도 3을 도시할 때에 외부 프레임(10)을 2점파선으로 표현하고, 도 4를 도시할 때에 열교환챔버(100), 열교환기(200) 및 배관(101, 102, 104)만 도시하였음에 유의해야 한다. 그리고, 도 7은 유출관(101)에 연통되는 부분을 단면처리한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 유전가열식 가열장치는, 유입관(102) 및 유출관(101)에 의해 외부기기와 배관 연결되어서 유입관(102)을 통해 공급받는 열전달 유체를 내부공간(214)에 통과시킨 후에 유출관(101)으로 흘러가게 형성된 열교환기(200)와; 상기 열교환기(200)를 내부에 수용한 상태로 밀폐하는 열교환챔버(100)와; 상기 열교환챔버(100)의 내부에 충진되는 유전체(300)와; 상기 열교환챔버(100)의 내부에 설치되어 마이크로파를 방사함으로써 유전체(300)를 유전가열하여 상기 열교환기(200)의 내부공간(214)을 통과하는 열전달 유체에 열을 전달하게 하는 마그네트론(400); 을 포함하여 구성된다.
또한, 열교환챔버(100)의 외측에는, 마이크로파의 파장 및 파워를 조절하며 상기 마그네트론(400)에 전기를 공급하여 원하는 마이크로파가 방사되게 제어하는 마그네트론 컨트롤러(410)와; 열교환챔버(100)의 내부온도 또는 열전달 유체의 온도변화(도면에는 도시하지는 아니하였지만 온도센서를 구비함)에 따라 마그네트론 컨트롤러(410)의 동작을 제어하고, 디스플레이부(미도시)에 온도 및 가동상태를 보여주는 등의 가열장치에 필요한 제어동작을 수행하는 제어반(500);이 설치되며, 아울러, 유출관(101)의 끝단에는 분배기도 설치할 수 있고, 이와 같이 형성되는 유전가열식 가열장치는 프레임(10)의 내부에 수용되어 필요한 장소 설치될 수 있다.
여기서, 상기 유입관(102)으로 공급받는 열전달 유체는 유동성을 갖는 액상 또는 기상의 유체로서, 예를 들면 물, 공기 아니면 열매유일 수 있으며, 본 발명에 따른 유전가열식 가열장치에 배관 연결된 외부기기의 종류에 따라 결정된다.
상기 열교환챔버(100)는, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 내부 공간을 밀폐하도록 구성되되, 유입관(102) 및 유출관(101)이 관통되어서 내부 공간에 설치되는 열교환기(200)에 배관 연결하게 하고, 아울러, 마그네트론(400)이 벽면을 관통하여 내부 공간에 설치된다.
또한, 상기 열교환챔버(100)는 밸브(104')가 설치되는 충진물 배출구(104)를 저면에 구비하여서 내부 공간에 충진된 유전체(300)를 밸브(104')을 열어 배출할 수 있게 한다. 한편, 내부 공간에 유전체(300)를 넣어야 하므로 상판(110)을 개폐가능한 덮개로 구성하여서 덮개를 열고 유전체(300)를 내부 공간에 넣을 수 있게 하는 것이 바람직하다. 또한, 후술하는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 열교환챔버(100)의 내부 공간에 상기 열교환기(200) 및 마그네트론(400)을 설치한 후에 유전체(300)를 내부 공간에 넣되, 상부측에 공기층을 형성하도록 유전체(300)를 하부의 내부 공간에 넣으므로, 공기층의 압력을 조절하기 위한 에어콕(103)을 공기의 유출입을 단속 가능하게 상부측에 구비한다.
상기 열교환챔버(100)는, 내부 공간의 열이 외부로 유출되는 것을 방지하기 위해서 보온단열재로 외부 표면을 감싸는 것이 바람직하다. 또한, 두개의 판 사이에 공기층이 형성된 이중구조의 판으로 상기 열교환챔버(100)를 제작하는 것도 좋다.
또한, 상기 마그네트론(400)에서 방사되는 마이크로파가 열교환챔버(100)의 내부 표면에 직접 조사되지 아니하도록 열교환챔버(100)의 내부 표면에 유전체를 도포하는 것이 바람직하며, 이는 내부 표면에 도포한 유전체에서도 유전가열이 이루어지게 하여 열교환기(200)에 전달되는 열량을 높이기 위함이다. 또한, 상기 열교환챔버(100)의 내부 표면의 형상은 가급적 직각으로 꺾인 모서리, 돌출부 및 오목부가 형성되지 아니하고, 저면, 벽면, 상면이 서로 접하는 부위를 부드러운 곡면으로 형성되는 것이 바람직하며, 이는 마이크로파에 의해 열점(hot spot)이 발생되는 것을 방지하기 위함이다. 여기서, 부드러운 곡면이라 함은 곡면의 중심점을 열교환챔버(100)의 내부에 있게 하는 곡면을 말한다.
상기 열교환기(200)는, 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 복수 개의 열교환유닛(210)들을 서로 평행하게 배치하여 층을 이루되, 인접하는 열교환유닛(210) 간에 간격을 두고 층을 이루게 된다.
상기 열교환유닛(210)은 도 7의 단면도을 참조하면, 상호 이격되어 평행하게 배치한 두 개의 플레이트(211)에서 테두리(215)를 서로 대향하는 방향으로 절곡한 후에 봉합한 형태를 갖추며, 이에 따라 두 개의 플레이트(211) 사이에 형성되는 내부공간(214)을 테두리(215)를 봉합한 밀폐된 공간으로 갖는다.
이와 같이 형성되는 열교환유닛(210)은 복수 개로 마련되어 간격을 두고 순차적으로 적층되고, 인접하는 열교환유닛(210) 사이의 공간에는 후술하는 유전체(300)가 충진된다.
그리고, 순차적으로 배치된 열교환유닛(210)들은 각각 일측에서 상기 유입관(102)에 연통되게 연결되고, 각각 타측에서 상기 유출관(101)에 연통되게 연결되며, 이때 유입관(102)에 연통되는 부위와 유출관(101)에 연통되는 부위는 서로 이격되어 있다. 이에 따라, 상기 유입관(102)으로 공급받는 열전달 유체는 각각의 열교환유닛(210)에 분배되어 각각의 열교환유닛(210)의 내부공간을 통과한 후에 상기 유출관(101)으로 배출된다.
본 발명의 구체적인 실시예에 따르면, 열교환유닛(210)의 플레이트(211)에는 상기 유입관(102)을 열교환유닛(210)의 내부공간에 연통시키기 위한 관통구(212b)와, 상기 유출관(101)을 열교환유닛(210)의 내부공간에 연통시키기 위한 관통구(212a)로 이루어지는 관통구(212 : 212a, 212b)가 형성된다.
먼저, 상기 유입관(102)을 열교환유닛(210)의 내부공간에 연통시키기 위한 관통구(212b)는, 층을 이루게 배치된 열교환유닛(210)들에서 바깥쪽에 배치된 양측 열교환유닛 중에 어느 하나를 선택하여 선택한 열교환유닛의 외측 플레이트에서 시작하여서 반대측의 바깥쪽 열교환유닛(양측 열교환유닛에서 선택되지 아니한 다른 하나의 열교환유닛)의 내측 플레이트에 이르기까지 순차적으로 열교환유닛(210)의 플레이트들에 형성된다. 그리고, 인접하는 열교환유닛(210)에서 서로 마주하는 플레이트에 형성된 관통구를 상호 연결하는 중공관(220)이 설치되고, 바깥쪽에 배치된 양측 열교환유닛 중에 상술한 바와 같이 선택된 열교환유닛의 외측 플레이트에 형성되는 관통구에는 상기 유입관(102)의 단부가 연결되어서, 상기 유입관(102)은 각각의 열교환유닛의 내부공간과 연통될 수 있다. 이때, 반대측의 바깥쪽 열교환유닛에는 상기 유입관(102)을 열교환유닛에 연통시키기 위한 관통구를 형성할 필요는 없으나, 제작상 열교환유닛(210)들을 동일한 방식으로 제작하기 위해서 열교환유닛(210)마다 각각의 플레이트에 관통구를 형성한다면 반대측의 바깥쪽 열교환유닛에 형성된 관통구를 마개로 막는다.
여기서, 각각의 열교환유닛(210)에 공급되는 열전달 유체의 압력을 가능하면 균일하게 하는 것이 바람직하므로, 상기 유입관(102)을 열교환유닛(210)의 내부공간에 연통시키기 위한 관통구(212a)들은 층을 이루게 배치된 열교환유닛들의 배치방향을 향해 일직선을 이루게 형성된다.
다음으로, 상기 유출관(101)을 열교환유닛(210)들의 내부공간에 연통시키기 위한 관통구(212a)도, 상술한 유입관(102)을 열교환유닛(210)들의 내부공간에 연통시키기 위한 관통구(212a)와 동일한 방식으로 형성되고, 인접하는 열교환유닛(210)에서 서로 마주하는 플레이트에 형성된 관통구가 중공관(220)에 의해 연결되며, 바깥쪽 열교환유닛의 외측 플레이트에 형성되는 관통구가 상기 유출관(101)의 단부에 연결된다. 여기서도, 열교환유닛(210)들의 내부 공간을 통과하는 열전달 유체를 가능하면 균일한 압력으로 상기 유출관(101)을 통해 배출되게 하려면, 상기 유출관(101)을 열교환유닛(210)들의 내부공간에 연통시키기 위한 관통구(212b)들도 열교환유닛(210)들의 배치방향을 향해 일직선을 이루게 형성되는 것이 좋다.
상기 열교환유닛(210)들에서, 상기 유입관(102)에 연결되는 관통구와 상기 유입관(102)에 연통하기 위한 관통구들는 열교환유닛(210)의 하부측에 치우친 위치에 형성되고, 상기 유출관(101)에 연결되는 관통구와 상기 유출관(101)에 연통하기 위한 관통구들은 열교환유닛(210)의 상부측에 치우친 위치에 형성된다. 이에 따라, 각각 열교환유닛(210)의 내부공간을 통과하는 열전달 유체는 하부의 관통구(212b)를 통해 유입되어 상부측으로 관통구(212a)를 통해 유출관(101)으로 배출될 때에 자연 대류현상에 의해 원활하게 통과할 수 있다. 즉, 일반적으로 열전달 유체는 저온에 비해 고온의 밀도가 낮으므로 고온으로 데워지면서 비중의 차이에 의한 대류현상으로 상승하려는 힘을 받게 되며, 열교환유닛(210)에 형성되는 내부공간이 양측폭은 좁고 전후폭은 넓게 형성되더라도 상승력에 의해서 전 부위에서의 흐름이 원활하게 되는 것이며, 아울러, 고온으로 데워진 열전달 유체만 상측에 형성된 관통구(212a)를 통해서 유출관(101)으로 배출되게 한다.
한편, 첨부한 도면을 참조하면, 바깥쪽의 열교환유닛 중에 어느 한쪽의 열교환유닛에 상기 유입관(102)의 단부를 연결하고, 다른 한쪽 열교환유닛에 상기 유출관(101)의 단부를 연결하였지만, 바깥쪽의 열교환유닛 중에 어느 하나를 선택하여 선택한 하나의 열교환유닛에 상기 유입관(102)의 단부 및 상기 유출관(101)의 단부를 연결하는 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 중공관(220)은 양측 개구된 단부를 각각 외측으로 갈수록 관경을 점차 크게 한 외향확관부(213)로 형성된 중공의 관으로 이루어진다. 또한, 상기 중공관(220)이 연결되는 관통구(212)에는 외측으로 갈수록 관경을 축소시킨 외향돌출관부(221)가 외측으로 돌출되게 조성되어서, 상기 중공관(220)의 단부를 관통구에 연결할 시에 외향확관부(213)를 외향돌출관부(221)에 외삽되게 한다. 그리고, 상기 외향확관부(213)와 외향돌출관부(221)는 접합되어서 기밀을 유지한다. 이때 접합은 예를 들면 용접방식으로 이루어질 수 있다.
상기 열교환기(200)는 열전도율이 양호한 금속(예를 들면 스테인레스,철)으로 형성되어서 유전체(300)의 발열을 열전달 유체에 전달하는 열전달 효율을 높이고, 마이크로파가 열교환유닛(210)의 내부로 침투하는 것을 방지하고, 마이크로파의 조사량에 대한 발열효율도 높인다. 부연 설명하면, 금속은 마이크로파를 반사하고, 후술하는 바와 같이 열교환유닛(210)들 간의 사이에 충진되는 유전체(300)를 바라보는 방향으로 마이크로파를 조사하도록 마그네트론(400)을 설치하므로, 마그네트론(400)의 마이크로파는 열교환유닛(210)들의 사이를 통과하는 방향으로 유전체(300)에 조사되는 과정에서, 열교환유닛(210)에 반사되더라도 통과하는 방향을 향해 나아가기 때문이다. 결국, 마그네트론(400)이 설치된 방향에 대해 반대측에 있는 유전체(300)에서도 마이크로파가 충분히 흡수되어서 발열하게 된다.
더욱이, 마그네트론(400)은 열교환유닛(210)들 사이의 공간을 통과하는 방향으로 마이크로파를 방사하게 설치한다 해도, 마그네트론(400)의 특성상 방사되는 마이크로파가 열교환유닛(210)들 사이의 공간을 통과하는 방향과 일치하는 방향으로만 정확하게 조사되는 것이 아니지만, 본 발명은 열교환유닛(210)들 사이의 공간에서 열교환유닛(210)에 반사되게 하면서 마이크로파를 모아 한쪽 방향을 향해 진행하게 하므로, 열교환유닛(210)들 사이의 공간에 충진된 유전체(300)를 충분히 유전가열할 수 있다.
한편, 금속재로 이루어지는 열교환기(200)는 마이크로파에 의해 스파크(spark)가 발생할 수 있으므로 전선으로 대지에 접지되는 것이 좋다.
상기 유전체(300)는, 마이크로파를 흡수함에 따라 유전가열할 수 있는 조성물로 이루어지며, 열교환기(200)에서 열교환유닛(210)들 간에 형성된 공간에 충진된다.
유전가열(dielectric heating)이란 유전체(誘電體)에 마이크로파를 조사하여 유전체의 유전손실에 의한 열을 발생시키는 가열방식으로서, 유전가열의 발열 원리는 공지된 기술이고, 상기 마그네트론(400)은 마이크로파를 방사하는 구성요소로서 일반적으로 공지된 기술로 구성될 수 있으므로, 유전가열의 원리 및 상기 마그네트론(400)에 대한 상세 설명을 생략한다.
이와 같이, 본 발명은 마이크로파를 이용한 유전가열 방식을 채용하여 가열장치를 구성함에 있어서, 충진된 유전체 전체에서 고르게 발열하고 발열한 열을 넓은 접촉면을 통해 열교환하기 위해서, 열전달 유체가 통과하는 내부공간(104)을 구비한 열교환유닛(210)을 판상으로 하여 복수개로 마련하고 서로 평행하게 병렬로 배치한 후에 열교환유닛(210)들 간에 형성된 공간에 상기 유전체(300)를 충진하여 유전체(300)와의 접촉면을 크게 하고, 열교환유닛(210)들 간에 형성된 공간을 측면에 바라보는 방향으로 마이크로파를 조사한다. 이에 따라, 마이크로파는 유전체(300)를 통과하면서 유전가열을 일으키되, 열교환유닛(210)을 향해 조사되어 반사되더라도 유전체(300)를 통과하는 방향으로 진행하므로 마이크로파가 방사되는 마그네트론(400)으로부터 멀리 떨어져 있는 유전체에도 도달하여 유전가열을 일으킨다. 결국, 본 발명에 따른 열교환기(200)의 구성형태에 의해서 유전체(300) 전체에서 고르게 발열하는 것이다. 아울러, 유전체(300)를 일정한 두께로 충진하고 열교환유닛(210)에 접촉되는 면적도 크게 하므로, 열교환유닛(210)으로의 열전달 효율을 높일 수 있다. 이는, 열교환챔버(100)를 최대한 단열한다 해도 열이 외부로 누설될 수 있고, 단열 성능을 높이기 위한 제작비용의 어려움도 있으므로, 열전달 효율을 높이는 것이 가열장치의 가동 효율을 높이는 방법이기 때문이다.
본 발명에 따르면, 열교환기(200)를 복수 개의 열교환유닛(210)들로 구성하므로, 열교환유닛(210)간의 공간도 복수개로 형성된다. 따라서, 이러한 공간을 통과하는 방향으로 마이크로파를 조사하려면 마그네트론(400)을 열교환유닛(210)의 배치방향을 향해 길게 형성되는 제품을 사용하거나 아니면 열교환유닛(210)간의 공간 개수만큼 마련하는 것이 바람직하다. 하지만, 열교환유닛(210)간의 공간을 통과하는 방향에서 빗겨난 방향으로 마이크로파를 조사하더라도 열교환유닛(210)에 반사되면서 열교환유닛(210)간의 공간을 통과하므로 유전체 전체를 발열시키는 데는 무리 없으므로, 도면에 도시한 바와 같이 마그네트론(400)을 두개만 설치하거나 아니면 1개만 설치하더라도 충분하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 유전체(300)는 열교환유닛(210)들 사이의 공간에서 하부 공간에 충진되어서 상부 공간에 공기층이 형성되게 한다. 이에 따라, 열교환유닛(210)은 공기층이 형성된 상부측에서 유전체(300)에 직접 접촉되지 아니하므로 공기층이 형성된 범위에 해당되는 높이의 내부공간에 있는 열전달 유체를 일정한 범위의 온도를 갖게 한다. 비록, 하부측 유전체(300)의 발열에 의해 열교환챔버(100)의 내부 전체가 열기로 차기는 하지만 열교환챔버(100)의 내부 열기로 열교환되는 열량은 유전체(300)에 직접 접촉되어 열교환되는 열량에 비해 낮으므로 공기층이 형성된 범위에 대응되는 열전달 유체는 전체적으로 일정한 범위 내에서 균일한 온도를 유지한다.
이와 같이 공기층이 형성됨에 따라, 일정한 범위의 온도로 데워진 열전달 유체를 상기 유출관(101)을 통해 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 유출관(101)을 통해 공급해야할 유량의 변동이 심하더라도 상기 유출관(101)을 통해 공급하는 열전달 유체의 온도를 일정한 범위로 유지할 수 있다. 이는, 데워서 일정한 범위의 온도로 유지하는 열전달 유체를 상기 공기층이 형성된 범위에 대응되는 열교환유닛(210)의 내부에 충분히 보관하는 형태를 갖추기 때문이다. 다시 말해서, 열교환유닛(210)의 상부측 내부 공간은 고온으로 데워진 열전달 유체를 저장하는 탱크의 구실을 하여서, 일순간에 많은 열전달 유체가 배출되더라도 배출되는 열전달 유체의 온도 변화를 줄여준다.
그리고, 상기 유전체(300)는, 재질의 종류 및 함유되는 조성물에 따라 열적 특성이 달라진다. 따라서, 인접하는 열교환유닛(210) 간의 간격(즉, 유전체의 충진량)은 마그네트론(400)에서 방사되는 마이크로파를 받는 유전체(300)의 열적 특성에 따라 적절하게 정할 수 있다. 다시 말해서, 유전체(300)는 재질의 종류에 따라 승온특성 및 축열특성이 서로 다르고, 열교환유닛(210)의 내부공간을 통과하는 열전달 유체에 전달되는 열량의 시간적 변화(열전도율에 따른 시간적 변화)도 다르게 되므로, 본 발명에 따른 유전가열식 가열장치의 사용용도에 맞는 승온특성 및 축열특성을 갖는 재질로 선택하고, 열전달 특성에 맞게 충진량을 조절하도록 인접하는 열교환유닛(210) 간의 간격을 정하는 것이다.
한편, 상기 유전체(300)는 열교환유닛(210)들 간에 형성된 공간에 충진하기 용이하도록 분말상으로 형성되는 것이 좋다. 또한, 상기 열교환챔버(100)는 내부에 충진한 유전체(300)를 교체도 가능하게 하는 것이 바람직하며, 이를 위해서, 상기 열교환챔버(100)는 상판(110)을 개폐가능한 덮개로 형성하고 저면에는 밸브(104')에 의해 단속할 수 있는 배출구(104)를 구비한다. 유전체(300)를 교체 가능하게 하는 것에 대해 부연 설명하면, 일반적으로 가열장치의 일종인 보일러의 용도만 살펴보더라도 온수용 아니면 난방용으로 사용하고, 아니면, 온수용과 난방용을 겸하여 사용하게 가열장치를 제작한다. 따라서, 본 발명에 따른 가열장치는 재질의 종류 및 함유하는 조성물에 따라 온도의 상승특성 및 축열 특성이 달라지는 유전체 중에서 그 용도에 맞는 유전체를 충진하는 것이 바람직한 것이다.
한편, 본 발명의 실시예에서 상기 마그네트론(400)은 유전체(300)를 측면에서 바라보고 마이크로파를 방사하도록 열교환챔버(100)의 내벽에 설치되지만, 상판(101)의 저면에서 설치하는 것도 가능하다. 다만, 마그네트론(400)를 상판에 설치할 경우는, 상술한 바와 같이 열교환유닛(210) 간의 공간 중에 상부 공간에 공기층을 형성함에 따라 유전체(300)와의 거리가 멀어지고, 상술한 바와 같이 열교환챔버(100)의 상판(110)을 개폐 가능한 덮개로 구성함에 따라 설치도 어렵고 유전체(300)를 충진하는 작업 중에 걸리적거리므로, 측면에 설치하는 것이 더욱 바람직하다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
100 : 열교환챔버 101 : 유출관 102 : 유입관
103 : 에어콕 104 : 출진물 배출구 104' : 밸브
200 : 열교환기 210 : 열교환유닛 211 : 플레이트
212,212a,212b : 관통구 213 : 외향돌출관부
214 : 내부공간 215 : 테두리 220 : 중공관
221 : 외향확관부 230 : 밴드 300 : 유전체
400 : 마그네트론 410 : 마그네트론 컨트롤러 500 : 제어반

Claims (7)

  1. 밀폐되어 있되, 열전달 유체를 공급받는 유입관(102) 및 가열된 열전달 유체를 외부로 공급하는 유출관(101)이 관통되는 열교환챔버(100); 상기 열교환챔버(100)의 내부에 수용되어서 상기 유입관(102)으로 공급받는 열전달 유체를 가열하여 상기 유출관(101)으로 배출하는 열교환기(200); 상기 열교환챔버(100)의 내부에 수용되어 마이크로파를 방사하는 마그네트론(400);을 포함하여 구성되고,
    상기 열교환기(200)는,
    금속재로 이루어지고 상호 이격되어 평행하게 한 두개의 플레이트(211)의 테두리(215)를 봉합하여 밀폐된 내부공간(214)을 갖는 열교환유닛(210)이 복수 개로 마련되어 간격을 두고 서로 평행하게 배치되어 층을 이루고, 각각의 열교환유닛(210)의 일측에서 상기 유입관(102)에 연통되고 각각의 열교환유닛(210)의 타측에서 상기 유출관(101)에 연통되어서, 상기 유입관(102)으로 공급받는 열전달 유체를 각 열교환유닛(210)에 분배하여 각 열교환유닛(210)의 내부공간을 통과시킨 후에 상기 유출관(101)을 통해 배출시키고,
    상기 마그네트론(400)은, 열교환유닛(210)들 사이를 통과하는 방향으로 방사되도록 열교환챔버(100)의 내측면에 설치되며,
    열교환유닛(210)들 사이의 공간에는, 상기 마그네트론(400)에서 방사되는 마이크로파에 의해 유전가열되는 유전체(300)를 충진하여서, 유전체(300)의 열을 열교환유닛(210)의 내부공간을 통과하는 열전달 유체에 전달함을 특징으로 하는 유전가열식 가열장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 각각의 열교환유닛(210)들은, 하부측에서 상기 유입관(102)에 연통되고, 상부측에서 상기 유출관(101)에 연통되며,
    상기 유전체(300)는, 열교환유닛(210)들 사이의 공간에서 상부 공간에 공기층이 형성되도록 하부 공간에 충진됨을 특징으로 하는 유전가열식 가열장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유전체(300)는, 분말상으로 형성되고,
    상기 열교환챔버(100)는, 상판(110)을 개폐가능한 덮개로 형성되어 분말상의 상기 유전체(300)를 덮개를 열고 충진하며, 저면에는 밸브(104')로 개폐가능한 배출구(104)를 형성하여 열교환챔버(100)의 내부에 충진한 유전체(300)를 배출할 수 있게 함을 특징으로 하는 유전가열식 가열장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 열교환챔버(100)는, 상기 마그네트론(400)에서 방사되는 마이크로파에 의해 유전가열하는 유전체로 내부 표면이 도포되고, 전후 벽면, 좌우 벽면, 상면 및 저면이 서로 접하는 모서리를 내부측에 중심점을 두는 곡면으로 형성됨을 특징으로 하는 유전가열식 가열장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중에 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 유입관(102)은,
    층을 이루게 배치된 열교환유닛(210)들에서 바깥쪽의 양측 열교환유닛(210) 중에 어느 하나의 열교환유닛의 외측 플레이트에서 시작하여 반대측의 바깥쪽 열교환유닛의 내측 플레이트까지 열교환유닛(210)들의 플레이트들에 순차적으로 관통구를 형성하고, 인접하는 열교환유닛(210) 간의 마주하는 관통구를 중공관(220)으로 연결하고, 바깥쪽 열교환유닛의 외측 플레이트에 형성된 관통구에 상기 유입관(102)의 단부를 연결하여서, 각각의 열교환유닛(210)의 내부공간과 연통되고,
    상기 유출관(101)도 상기 유입관(102)과 동일한 방식으로 열교환유닛(210)들의 내부공간과 연통되는 것임을 특징으로 하는 유전가열식 가열장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 유입관(102)을 열교환유닛(210)들의 내부공간과 연통하기 위해 형성되는 관통구들은, 열교환유닛(210)들의 배치방향을 향한 일직선 상에 형성되고,
    상기 유출관(101)을 열교환유닛(210)들의 내부공간과 연통하기 위해 형성되는 관통구들도, 열교환유닛(210)들의 배치방향을 향한 일직선 상에 형성됨을 특징으로 하는 유전가열식 가열장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 중공관(220)은, 양측 단부를 외측으로 갈수록 관경이 점차 크게 형성되고, 상기 중공관에 의해 연결되는 관통구는 외측으로 갈수록 관경을 축소시킨 외향돌출관부(213)를 구비하여서, 중공관의 단부를 외향돌출관부(221)에 외삽한 후에 접합됨을 특징으로 하는 유전가열식 가열장치.
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