KR101342654B1 - 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프에 관한 것으로, 본 발명에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프는, 가열하고자 하는 열매(熱媒)가 유입되는 흡입구, 및 상기 가열된 열매가 배출되는 토출구를 포함하는 하우징; 상기 열매가 유입되도록 천공형성된 열매유입구와, 상기 하우징의 길이방향으로 길게 천공된 가변오리피스, 및 상기 열매유입구와 상기 가변오리피스 사이에 위치하며 상기 열매유입구로부터 상기 하우징의 길이방향으로 이격되도록 천공형성된 고정오리피스를 포함하고, 상기 풍력에 의해 회전구동하는 구동축과 연동되는 중공축; 상기 중공축의 외주면에 체결되는 고정링과, 상기 하우징의 내주면과 미소 간격이 이격된 회전링, 및 상기 회전링과 상기 고정링 사이에 연결형성된 프로펠러를 포함하는 가압날개구; 및 탄성체에 체결되어 복원력이 발생하는 것으로 상기 중공축 내부로 유입된 열매의 압력에 의해 슬라이딩 구동하여 상기 가변오리피스의 개방 정도를 조절하는 개방조절구를 포함하며, 상기 중공축의 양단부 중 일단부 측에 형성된 주발열밸브;를 포함하고, 본 발명에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프를 사용함으로써, 공동현상이 발생하는 것을 방지하여 내구성이 향상되는 등, 다양한 풍속에도 적용이 가능하고, 가변하는 열매의 압력에 의해 분사량을 조절할 수 있기 때문에 구조가 간단해지면서 열에너지 공급효율이 높아진다.

Description

풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프{Fluid friction type heat pump for hot water generation system using wind energy}

본 발명은 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍차를 통해 얻어진 풍력에너지를 이용하여 열을 생산하고 생산된 열에너지를 물에 저장하여 온수를 생산할 수 있는 유압 및 유체교반식을 혼합한 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프에 관한 것이다.

일반적인 종래의 온수장치로는 보일러 등이 있는데 이는 기름이나 가스의 연소에 의한 연소열을 이용하여 가열탱크 내의 물을 가열하는 연소가열 방식이 주종을 이루고 있다. 또한, 가열관이나 가열 열탱크에 코일을 내장시켜 이 코일에 상용 교류전압을 인가하여 코일자체를 발열시킴으로써, 가열탱크 내의 물을 가열시키는 등의 방식으로 온수를 공급하였다. 이러한 연소가열 방식 및 전기발열식 온수공급장치의 경우, 일정시간마다 연료를 주입시키거나 전기를 공급해야하기 때문에 연소 및 전기공급에 따른 대기오염 및 연료 폐기물 처리 등에 비용이 소모되는 등의 문제점이 있었다. 또한 전기방식의 경우 가열시간이 오래 걸리기 때문에 전력이 다량 소요된다.

종래에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 풍력에너지를 이용하여 열에너지를 물에 저장하여 온수를 생산하는 방식을 채택하였다.

풍력을 열로 교환하는 방법에 있어, 유압펌프와 오리피스를 조합한 방식인 유압식 열변환의 경우 유압펌프가 필요하고 기타 유량을 제어하는 밸브나, 체크밸브, 배관 등 그 구조가 복잡하게 형성되고 비용이 많이 들며, 장애물판이 붙은 축을 액체중에 회전시키는 방식인 유체교반식 열변환 방식은 저속에서는 큰 토크를 흡수할 수 없기 때문에 증속이 필요하고 고속에서는 유체가 고체에서 박리되며, 캐비테이션(공동현상)에 의한 침식의 우려 때문에 회전수 범위를 넓게 취할 수 없는 단점이 있다.

따라서, 풍속이 일정하지 않은 국내 실정에 맞춰 넓은 범위의 풍속에도 적용할 수 있으며, 그 구조가 간단하고 저렴한 열변환 장치를 개발하여 풍력열변환의 상용화의 필요성이 대두 되고 있다.

KR 10-2010-0128187 A

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 유체마찰식 발열장치를 통해 풍속이 일정하지 않은 국내 실정에 맞춰 넓은 범위의 풍속에도 적용할 수 있도록 그 구조와 발열 방법이 간단하고, 안정된 풍력열변환용 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 가열하고자 하는 열매(熱媒)가 유입되는 흡입구, 및 상기 가열된 열매가 배출되는 토출구를 포함하는 하우징;

상기 열매가 유입되도록 천공형성된 열매유입구와, 상기 하우징의 길이방향으로 길게 천공된 가변오리피스, 및 상기 열매유입구와 상기 가변오리피스 사이에 위치하며 상기 열매유입구로부터 상기 하우징의 길이방향으로 이격되도록 천공형성된 고정오리피스를 포함하고, 풍력에 의해 회전구동하는 구동축과 연동되는 중공축;

상기 중공축의 외주면에 체결되는 고정링과, 상기 하우징의 내주면과 미소 간격이 이격된 회전링, 및 상기 회전링과 상기 고정링 사이에 연결형성된 프로펠러를 포함하는 가압날개구; 및

탄성체에 체결되어 복원력이 발생하는 것으로 상기 중공축 내부로 유입된 열매의 압력에 의해 슬라이딩 구동하여 상기 가변오리피스의 개방 정도를 조절하는 개방조절구를 포함하며, 상기 중공축의 양단부 중 일단부 측에 형성된 주발열밸브;를 포함하는 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 중공축에는 상기 가압날개구가 복수 개 구비되고,

상기 각각의 가압날개구의 역 송풍방향측에 위치한 상기 중공축에는 상기 고정오리피스가 천공되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 중공축은 상기 열매유입구로부터 이격된 거리가 멀수록 상기 고정오리피스의 크기가 작게 천공되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정오리피스는, 상기 중공축의 내주면에 형성된 일단과 상기 중공축의 외주면에 형성된 상기 고정오리피스의 타단을 포함하고,

상기 고정오리피스는, 상기 일단으로부터 상기 타단이 상기 중공축의 회전방향의 반대방향으로 경사지게 천공형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 구동축과 상기 중공축은 상기 구동축과 상기 중공축 사이에 결합된 기어부에 의해 연동되고,

상기 기어부는 상기 구동축에 결합되는 구동기어와 상기 중공축에 결합되며, 상기 구동기어와 맞물려 구동되는 종동기어를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 구동기어 및 상기 종동기어는 상기 구동축의 회전속도가 증폭되어 상기 중공축에 전달되도록 상기 구동기어 및 상기 종동기어의 기어비가 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 기어부는, 상기 구동기어 및 상기 종동기어가 내부에 구비되는 기어하우징과, 상기 기어하우징에 천공되어 상기 기어하우징 내로 열매(熱媒)를 유입시키는 기어하우징 유입구, 상기 구동기어 및 상기 종동기어에 의해 가압된 상기 열매를 배출시키는 기어하우징 배출구를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프는,

상기 기어하우징 배출구에서 배출된 상기 열매가 유입되는 가압관과,

내부와 외부를 관통하는 보조가변오리피스가 천공되며 상기 가압관에 연결형성된 밸브몸체와,

상기 밸브몸체와 상기 가압관의 경계에 안착되어 상기 가압관을 통과한 상기 열매의 압력에 따라 상기 보조가변오리피스의 개방 정도를 조절하는 볼과,

상기 열매의 역 가압방향으로 상기 볼에 복원력을 가하는 보조탄성체, 및,

상기 보조탄성체의 일단을 가압하는 가압판의 위치를 조절하여 상기 보조탄성체의 복원력을 설정하는 핸들을 포함하는 보조 발열밸브부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 중공축에는 상기 가압날개구가 복수개 구비된 가압날개군 한 쌍이 상기 열매유입구를 중심으로 상기 중공축의 양측에 각각 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하우징 상단에는 유입구가 천공되고 상기 유입구와 유체연통되며, 상기 열매를 저장 및 공급하는 완충본체 및 상기 완충본체의 상부를 개폐하는 덮개를 포함하는 완충기가 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 유압식과 유체교반식 발열방식을 결합하여 구조가 간단하고 가압날개구가 단계적으로 압력을 가하면서 일방향으로 추력을 가하면서 교반하기 때문에 유체와 고체가 박리되는 것을 방지하고, 각각의 가압날개구 뒷부분에 일정정도 압력이 작용하고 완충기를 통해 진통을 흡수할 수 있어 캐비테이션이 억제되는 장점이 있으며, 풍차에서 출력이 된 넓은 범위의 구동 토크를 흡수하여 온수를 생산할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예처럼 증속기어펌프가 하우징 내부에 장착되므로 증속과정에서 에너지 유실이 없이 증속하여 풍차와 직결할 수 있고, 보조발열밸브부를 통하여 전체적인 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프의 용량을 풍차의 용량과 풍황 조건에 맞게 조절할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프의 정단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프의 작동 상태를 나타낸 정단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가압날개구 및 중공축이 결합상태를 나타낸 평단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프의 정단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프의 기어부 및 보조발열밸브부의 평단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 보조발열밸브부의 작동상태를 나타낸 정단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프의 정단면도이다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

본 발명에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프는 풍력열변환에 적용되는 것으로, 풍력에너지가 풍차를 회전구동시키면, 풍차와 연동되는 구동축(z)을 통하여 풍력에너지가 본 발명에 따른 장치로 전달되어 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프에서 열에너지를 생산하게 된다. 이러한 방식으로 생산된 열에너지를 물에 저장함으로써, 온수를 생산할 수 있는 것이다. 풍력은 입력의 변동이 크기 때문에 저탕조에 온수를 저장하는 방식을 사용할 경우, 열에너지를 싼 가격으로 저장할 수 있으며, 실제 에너지 수요가 필요한 난방, 급탕 등의 비교적 저온의 열에너지가 필요한 생활 전반에 사용될 수 있다. 뿐만 아니라 풍력에너지를 이용하여 열교환할 경우, 풍력에너지를 열에너지로 변환되는 과정에서 손실 에너지 역시 모두 열에너지로 바뀌기 때문에, 실질적으로 에너지 손실이 없게 된다.

본 발명에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프는 유체를 교반시키는 과정에서 유체와 고체를 마찰시켜 열을 생산하는 유체교반식 방법과, 오일과 같은 유체를 가압하여 오리피스를 통해 분사하는 과정에서 유체의 압력에너지가 열에너지로 전환되는 유압식 방법에 의해 풍력에너지를 열에너지로 전환한다.

유체교반식 방법으로 프로펠러(36)가 형성된 가압날개구(3)를 회전시키는 과정에서 유체가 교반되면서 동시에 가압이 이루어지며 가압이 된 유체는 가압날개구(3) 끝에 형성된 회전링과 하우징(1) 내벽의 틈을 통해 압력이 유실되면서 유체와 고체의 마찰에 의해 열을 발생한다.

또한 유압식 방법으로는 상기 가압된 유체는 중공축(2)을 관통하여 중공축(2)에 형성된 고정오리피스(24a,b,c)와 가변오리피스가 형성된 주발열밸브(4)를 통해 압력이 소멸되는 과정에서 열이 생성된다.

상기 유체교반식 방법에 의해 유체와 고체가 마찰될 때 고속으로 마찰이 진행되더라도, 다수개의 가압날개부(3)의 프로펠러(36)가 유체를 교반하고 가압을 하기 때문에 유체가 격리되는 것을 방지하고 공동현상도 막을 수 있다.

또한, 프로펠러(36)가 형성된 가압날개구(3)를 회전시키는 과정에서 유체가 가압되기 때문에 별도의 가압장치가 필요치 않으며 중공축(2)에 고정오리피스와 주발열밸브(4)가 형성되어 유량제어밸브 등 오리피스의 역할을 할 밸브 또한 필요치 않으며 저압의 많은 양의 유체의 압력손실로 인한 발열과정이므로 공동현상도 일어나지 않는 장점이 있다.

따라서 본 발명은 유체교반식과 유압식을 동시에 진행할 수 있는 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프를 제조함으로써, 유체의 박리현상과 공동현상도 방지하면서도 장치를 간단한 구조로 제작할 수 있어 제어가 용이하며, 국내의 풍황에 맞는 풍력열변환 장치를 제공할 수 있다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프의 정단면도가 도시되어 있다.

본 발명에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프, 도 1에 도시된 바와 같이, 가열하고자 하는 열매(熱媒)가 유입되는 흡입구(12), 및 상기 가열된 열매가 배출되는 토출구(14)를 포함하는 하우징(1);

상기 열매를 내부에 유입되도록 천공형성된 열매유입구(22)와, 상기 하우징(1)의 길이방향으로 길게 천공된 가변오리피스(26), 및 상기 열매유입구(22)와 상기 가변오리피스(26) 사이에 위치하며 상기 열매유입구(22)로부터 상기 하우징(1)의 길이방향으로 일정간격 이격형성되도록 천공형성된 고정오리피스(24)를 포함하고, 상기 풍력에 의해 회전구동하는 구동축(z)과 연동되는 중공축(2);

상기 중공축(2)의 외주면에 체결되는 고정링(32)과, 상기 하우징(1)의 내주면과 미소 간격이 이격된 회전링(34), 및 상기 회전링(34)과 상기 고정링(32) 사이에 연결형성된 프로펠러(36)를 포함하는 가압날개구(3); 및

상기 중공축(2) 내부로 유입된 열매의 압력에 의해 중공축(2)의 길이방향으로 슬라이딩 구동하여 상기 가변오리피스(26)의 개방 정도를 조절하는 개방조절구(46) 및 상기 개방조절구(46)에 체결되어 상기 개방조절구에 복원력을 가하는 탄성체(44)를 포함하며, 상기 중공축(2)의 양단부 중 일단부 측에 형성된 주발열밸브(4);를 포함한다.

본 발명에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프 내에서 유동하는 열매(熱媒)는 열에너지를 생산하고 전달하는 매개체로써, 고체와의 마찰 및 유체끼리의 마찰에 의해 다량의 열에너지를 발생할 수 있으면서, 열에너지를 발생하는 과정 중에 액상(液相)인 상태를 안정적으로 유지할 수 있는 것이다. 흡입구(12)를 통하여 하우징(1) 내에서 순환하다가 토출구(14)를 통하여 배출되는 열매는 저온의 상태로 흡입구(12)에 유입되고, 고온의 상태로 토출구(14)로 배출된다.

가압날개구(3)의 프로펠러(36)는 중공축(2)의 축방향으로 열매에 압력을 가하면서 동시에 열매와 마찰을 일으켜 열에너지를 발생시킨다. 여기서 회전링(34)은 하우징(1) 내주면으로부터 이격된 상태로 구비함으로써, 가압날개구(3)와 하우징(1)사이의 열매가 압력손실이 되면서 동시에 마찰 의해 열에너지가 발생한다.

이를 위하여 회전링(34)은 하우징(1) 내주면으로부터 0.5mm 내지 1.0mm의 미소간격으로 이격되는 것이 바람직하다. 회전링(34)은 하우징(1) 내주면으로부터 이격된 거리가 0.5mm 미만일 경우, 열매의 점성에 의해 열매가 그 사이를 관통하기 어려울 뿐만 아니라 가압날개구(3)가 회전하는 과정에서 발생하는 진동에 의해 회전링(34)과 하우징(1)이 서로에 충격을 가할 수 있기 때문에 장치의 내구성이 저하될 수 있다. 또한, 회전링(34)은 하우징(1) 내주면으로부터 이격된 거리가 1.0mm 를 초과할 경우, 압력손실이 커서 열매가 압력이 낮아지며 그 사이를 통과하는 열매에 작용하는 마찰력이 저하되어 열매에서 발열작용이 저하된다. 따라서, 회전링(34)은 하우징(1) 내주면으로부터 0.5mm 내지 1.0mm의 미소간격으로 이격되는 것이 바람직하다.

흡입구(12)를 통하여 유입된 열매는 가압날개구(3)의 프로펠러(36)와 마찰을 일으키면서 열에너지가 발생됨과 동시에 열매에 압력이 증가되고 이렇게 가압된 열매는 열매유입구(22)를 통해 중공축(2)에 흡입된다. 이렇게 중공축(2)에 흡입된 유체는 중공축(2)에 형성된 복수개의 고정오리피스(24) 및 가변오리피스(26)로 열매가 배출되는 과정에서 압력에너지가 열에너지로 변환된다. 즉, 가압날개구(3)에서는 유체교반식으로 열에너지가 생성되고, 고정오리피스(24) 및 가변오리피스(26)에서는 유압식으로 열에너지가 생성된다. 여기서 고정오리피스(24)는 오리피스의 크기가 일정하게 고정된 상태인 것을 말하고, 가변오리피스(26)는 오리피스의 크기가 열매의 압력에 의해 달라지는 것을 말한다. 가변오리피스(26)는 열매의 압력의 크기에 따라 주발열밸브(4)에 의해 열매의 분사량이 조절된다.

주발열밸브(4)는 중공축(2)의 내부 일단부 측에 설치되어 있다. 중공축(2)의 일단부 측에 가변오리피스(26)가 하우징(1)의 길이방향과 동일한 중공축(2)의 길이방향으로 길게 천공되어있다. 이와 같이 슬롯 형상으로 천공된 가변오리피스(26)는 중공축(2)의 길이방향으로 슬라이딩 구동되는 개방조절구(46)에 의해 개방되는 정도가 조절된다. 여기서 개방조절구(46)는 중공축(2)의 일단과 결합된 탄성체(44)에 의해 원위치로 복원된다. 즉, 중공축(2) 내에 유입된 열매에 의해 개방조절구(46)가 압력을 받게 되면 스프링과 같은 탄성체(44)가 압축되면서 개방조절구(46)가 이동하게 된다. 도 1에 도시된 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프의 일 실시예는, 중공축(2)의 일단인 주발열밸브(4)가 중공축(2)의 상부에 위치하고 열매유입구(22)가 중공축(2)의 하부에 위치한다. 이 경우, 개방조절구(46)는 가변오리피스(26)의 하단부에 위치하여 열매가 주입된 상태의 중공축(2) 내부와 가변오리피스(26)가 연통되지 않도록 한다. 여기서 탄성체(44)는 개방조절구(46)를 하부방향으로 밀어주기 때문에 일정 크기 이하의 힘이 개방조절구(46)에 가해질 때에는 가변오리피스(26)로 중공축(2) 내부의 열매가 연통되지 않도록 개방조절구(46)를 폐쇄한 상태를 유지한다. 따라서 개방조절구(46)를 가압하던 힘이 일정 크기 이하가 되면 탄성체(44)에 의해 원위치로 복원되는 것이다.

본 발명에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프에는 복수개의 가압날개구(3)가 구비되고 가압날개구(3)가 많을수록 열매유입구(22)에 흡입된 열매의 압력도 증가된다.

여기서 가압날개구(3)의 설치 개수에 따라 고정오리피스(24)의 설치되는 개수도 많아진다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 중공축(2)에 가압날개구(3)가 세 개 설치될 경우, 고정오리피스(24) 역시 세 군데에 천공된다. 여기서 고정오리피스(24)는각 설치위치에서 복수개 천공되고 가압날개구(3)의 열매를 흡입하는 쪽에 가깝게 형성됨이 바람직하다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프와 같이, 가압날개구(3)가 하부방향을 향해 열매를 가압할 경우 상부방향에 고정오리피스가 형성되고, 중공축(2)에 결합된 세 개의 가압날개구(3) 중, 가장 아래쪽에 위치한 가압날개구(3)와 중간쪽에 위치한 가압날개구(3) 사이에 제1고정오리피스(24a)가 위치한다. 즉, 아래쪽 가압날개구(3)의 상부에 제1고정오리피스(24a)가 위치하는 것이다. 이와 마찬가지로, 중간 위치에 형성된 가압날개구(3)의 상부에 제2고정오리피스(24b)가 구비되고, 최상부에 위치한 가압날개구(3)의 상부에 제3고정오리피스(24c)가 구비되는 것이다. 고정오리피스(24)에 해당하는 제1고정오리피스(24a), 제2고정오리피스(24b), 제3고정오리피스(24c)는 각 위치에서 복수개가 원주방향으로 형성된다.

여기서 고정오리피스(24)는 상기 열매유입구(22)로부터 어느 정도 먼 거리에 천공되어 있느냐에 따라 그 크기가 다르게 형성될 수 있다. 즉, 열매유입구(22)로부터 이격된 거리가 멀수록 상기 고정오리피스(24)의 크기가 작게 천공되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제2고정오리피스(24b)보다 제3고정오리피스(24c)가 열매유입구(22)와 더 많이 이격되어 있기 때문에 제3고정오리피스(24c)의 크기가 제2고정오리피스(24b)보다 작게 형성된다. 또한, 제1고정오리피스(24a)보다 제2고정오리피스(24b)가 열매유입구(22)와 더 많이 이격되어 있기 때문에 제2고정오리피스(24b)의 크기가 제1고정오리피스(24a)보다 작게 형성된다. 즉, 고정오리피스(24)가 천공되는 위치가 복수개 구비되어 있을 때 열매유입구(22)로부터 먼 위치에 천공된 고정오리피스(24)일수록 그 크기를 작게 하여 열매유입구(22)와의 이격거리와 상관없이 고정오리피스(24)로 배출되는 열매의 분사량을 일정하게 할 수 있다. 그 이유는 중공축(2) 외부의 압력이 가압날개구를 전후로 각각 다르기 때문이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프의 작동 상태를 나타낸 정단면도가 도시된 것으로, 도 2a에는 열매의 압력이 설정치 이하에서 주발열밸브(4) 내부의 탄성체(44)가 작동이 되지 않아 가변오리피스가 폐쇄된 상태의 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프가 도시되어 있고, 도 2b에는 반대로 열매의 압력이 설정치 이상에서 주발열밸브(4) 내부의 탄성체(44)의 탄성력을 극복하여 가변오리피스가 개방된 상태의 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프가 도시되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프의 경우, 구동축(z)이 중공축(2)과 결합되어 있다. 따라서, 풍력에 의해 풍차가 회전하면 구동축(z)을 통해 중공축(2)이 회전하면서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 중공축(2)에 결합되어 있는 가압날개구(3)가 동시에 회전하게 된다. 여기서 가압날개구(3)는 하부방향으로 열매를 가압하게 된다. 따라서, 하부로 갈수록 압력이 상승하면서 흡입구(12)에서 주입된 열매가 중공축(2)의 하부에 위치한 열매유입구(22)를 통하여 중공축(2) 내부로 유입된다.

중공축(2) 내부로 유입된 열매의 압력이 점점 상승하여 일정 압력 이상이 되면, 도 2b에 도시된 바와 같이, 개방조절구(46)가 상승하면서 가변오리피스(26)가 개방되고, 개방된 가변오리피스(26)를 통하여 열매가 배출되면서 압력에너지가 열에너지로 전환된다. 이 과정 중에 각각의 위치에 형성된 고정오리피스(24)를 통해서도 열매가 배출되는데, 이러한 고정오리피스(24)를 통과한 열매 역시 압력에 의해 중공축(2)에서 배출되는 것이기 때문에 배출과정에서 압력에너지가 열에너지로 전환된다.

또한, 가변오리피스(26) 및 고정오리피스(24)를 통하여 배출된 열매와, 흡입구(12)를 통해 하우징(1) 내부로 유입된 열매는 가압날개구(3)의 프로펠라와 마찰하면서 열에너지를 생성하게 되고, 회전링(34)과 하우징(1) 사이를 통과한 열매는 회전링과 하우징(1)사이를 통과하면서 압력이 손실되고 마찰되는 과정에서 열에너지를 생성하게 된다. 이렇게 가열된 열매의 일부는 토출구(14)를 통하여 하우징(1)에서 배출된다.

도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 가압날개구 및 중공축이 결합상태를 나타낸 평단면도가 도시되어 있다.

여기서 고정오리피스(24)는, 상기 중공축(2)의 내주면에 형성된 일단(24x)과 상기 중공축(2)의 외주면에 형성된 상기 고정오리피스(24)의 타단(24y)을 포함하고,

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 일단(24x)으로부터 상기 타단(24y)이 상기 중공축(2)의 회전방향의 반대방향으로 열매가 분사되도록 경사지게 천공형성된다.

이와 같이 고정오리피스(24)의 타단(24y)을 중공축(2) 회전방향의 반대방향으로 경사지게 천공형성하면, 중공축(2)의 회전방향과 반대방향으로 열매가 운동하므로 열매가 프로펠라(36)와 함께 회하는 현상을 방지하고 상대적으로 프로펠러(36)의 회전수를 높이는 효과가 있다. 따라서, 고정오리피스에서 유출된 열매는 압력손실로 인해 열이 발생하며 동시에 프로펠라(36)의 교반작용과 가압작용을 돕는다.

또한 열매가 가열되는 과정에서 부피가 늘어나고 가스가 발생할 수 있으므로 이를 극복하기 위해 하우징(1) 상단에 열매가 유동할 수 있도록 유입구(16a)가 천공되고 그 위에 완충기(16)이 형성된다. 즉, 상기 완충기는, 하우징 상단에 설치되는 것으로 하우징 상단에 천공된 유입구(16a)와 상기 유입구(16a)와 유체연통되며, 상기 열매를 저장 및 공급하는 완충본체(16b) 및 상기 완충본체(16b)의 상부를 개폐하는 덮개(16c)를 포함한다.

완충기(16)은 완충본체(16b)위에 개폐가 가능하도록 덮개(6c)가 구비되는데 그 목적은 열매의 교환을 위한 것이다. 여기에 가스의 배출과 열매의 진동에 따라 본체의 진동을 막기 위해 기체가 유입이 될 수 있도록 유출구를 따로 천공할 수 있다.

도 4에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프의 정단면도가 도시되어 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프는, 구동축(z)과 중공축(2)이 직접 연동되는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프와 달리 구동축(z)이 기어부(5)에 의해 중공축(2)과 간접적으로 연동될 수 있다. 다만 이 외의 하우징(1), 가압날개구(3), 중공축(2), 주발열밸브(4) 등의 형상 및 구동방법은 일 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프와 동일하므로 설명을 생략하도록 한다.

상기 구동축(z)과 상기 중공축(2)은 상기 구동축(z)과 상기 중공축(2) 사이에 결합된 기어부(5)에 의해 연동되고, 상기 기어부(5)는 상기 구동축(z)에 결합되는 구동기어(52)와 상기 중공축(2)에 결합되며, 상기 구동기어와 맞물려 구동되는 종동기어(54)를 포함한다. 여기서, 종동기어(54)는 중공축(2)에 직접 결합될 수도 있고, 중공축(2)의 일단에 연결형성된 전달축(29)과 결합하여 회전력을 중공축(2)으로 전달한다. 이와 구동축(z)과 중공축(2)이 기어부(5)에 의해 간접적으로 연동될 경우 중공축(2)의 높은 회전수를 얻을 수 있어 증속장치가 필요 없이 풍차와 직결할 수 있으며 기어부에서 발생되는 압력에너지를 보조발열밸브부(6)를 통해 열에너지로 변환하는 기능을 한다.

여기서 기어부(5)는, 상기 구동기어(52) 및 상기 종동기어(54)가 내부에 구비되는 기어하우징(56)과, 상기 기어하우징(56)에 천공되어 상기 기어하우징(56) 내로 열매(熱媒)를 유입시키는 기어하우징 유입구(56a), 상기 구동기어(52) 및 상기 종동기어(54)에 의해 가압된 상기 열매를 배출시키는 기어하우징 배출구(56b)를 더 포함하여 구동기어(52) 및 종동기어(54)의 마모를 방지하고 열에너지를 생성하는데 이는 기어펌프와 그 구조가 흡사하다. 이를 위하여 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프에는 기어부(5)와 유체연통되는 보조발열밸브부(6)를 더 구비된다.

도 5에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프의 기어부 및 보조발열밸브부의 평단면도가 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보조발열밸브부의 작동상태를 나타낸 정단면도가 도시되어 있다.

보조발열밸브부(6)는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 기어하우징 배출구(56b)에서 배출된 상기 열매가 유입되는 가압관(61)과,

내부와 외부를 관통하는 보조가변오리피스(62a)가 천공되며 상기 가압관(61)에 연결형성된 밸브몸체(62)와,

상기 밸브몸체(62) 내부에 안착되어 상기 가압관(61)을 통과한 상기 열매의 압력에 따라 상기 보조가변오리피스(62a)의 개방 정도를 조절하는 볼(66)과,

상기 열매의 역 가압방향으로 상기 볼(66)에 추력을 가하는 보조탄성체(64), 및,

상기 보조탄성체(64)의 일단을 가압하는 가압판(69)의 위치를 조절하여 상기 보조탄성체(64)의 복원력을 설정하는 핸들(67)을 포함한다.

기어하우징 유입구(56a)를 통해 기어하우징(56) 내에 유입된 열매는 압력이 놓아져 기어하우징 배출구(56b)를 통해 보조발열밸브부(6)로 유입된다. 즉, 기어하우징 배출구(56b)와 연통되는 가압관(61)을 통해 보조가변오리피스(62a)가 형성된 밸브몸체(62)으로 유입되면, 열매가 일정 압력 이상일 때 볼(66)이 상부로 이동하면서 보조가변오리피스(62a)가 개방되어 열매의 압력에너지가 열에너지로 전환된다. 이때 볼(66)을 밸브몸체(62)의 축방향으로 이동시킬 수 있는 열매의 압력을 조절하기 위하여 핸들(67)이 사용된다. 즉, 핸들(67)이 밸브몸체(62) 내에 유입되는 열매의 압력을 조절함으로써, 핸들(67)과 연동된 가압판(69)이 보조탄성체(64)의 탄성력을 조절하게 되면, 보조탄성체(64)가 볼(66)을 가압하는 압력이 달라지게 된다. 따라서, 볼(66)의 작용하는 열매의 압력을 조절하기 위하여 핸들(67)을 조종할 수 있다.

도 7에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프의 정단면도가 도시되어 있다.

본 발명에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프는, 일 실시예 및 다른 실시예와 같이 중공축(2)의 일단부에는 주발열밸브(4)가 구비되어 있고, 타단부에는 열매유입구(22)가 설치되도록 할 수도 있고, 도 7에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예와 같이 중공축(2)의 중심부분에 열매유입구(22)가 형성되고, 열매유입구(22)를 중심으로 양쪽에 각각 복수개의 가압날개구(3)가 구비된 가압날개군을 형성할 수 있다. 여기서는 한 쌍의 가압날개군 중, 열매유입구(22)의 위쪽에 위치한 가압날개군에는, 복수개의 제1가압날개구(3a)가 구비되고, 한 쌍의 가압날개군 중, 열매유입구(22)의 아래쪽에 위치한 가압날개군에는, 복수개의 제2가압날개구(3b)가 구비되는 것을 예시로 들었다. 이때 각각의 가압날개군에 구비되는 가압날개구(3)의 개수는 3개에 한정되지 않고, 필요에 따라 그 개수를 달리할 수 있다.

상기 한 쌍의 가압날개군은 각각 열매유입구(22)로부터 어느 쪽에 위치하는지가 상이하기 때문에 정방향과 역방향이 서로 다르다. 즉, 열매의 흡입과 가압방향이 서로 상이하다. 예를 들어 한 쌍의 가압날개군 중, 열매유입구(22)의 위쪽에 위치한 가압날개군은, 제1가압날개구(3a)의 아래쪽이 열매유입구(22)를 향하는 정방향이다. 즉, 제1가압날개구(3a)의 가압 방향은 아래쪽이고, 흡입방향은 위쪽이다. 또한, 한 쌍의 가압날개군 중, 열매유입구(22)의 아래쪽에 위치한 가압날개군은, 제2가압날개구(3b)의 위쪽이 열매유입구(22)를 향하는 정방향이다. 즉, 제2가압날개구(3b)의 흡입방향은 아래쪽이고, 가압 방향은 위쪽이다. 따라서, 각각의 가압날개구(3)에 의해 열매는 정방향(중심방향)에 압력이 가해지고 분사하는 고정오리피스(24) 역시 각각의 가압날개구(3)의 흡입방향에 위치하게 되며 각각의 날개구에서 생성된 열매의 압력은 고정오리피스(24)와 한 개의 주발열밸브(4)에 의해 손실된다.

본 발명의 또 다른 실시예의 완충기(16)의 기능은 상기 본 발명의 일 실시예와 같은 기능을 하지만 열매를 완충기(16)과 하우징(1)의 하단에 천공 형성된 제 2유입구(16f)에 연결된 배관(16e)를 통해 제2가압날개구(3b)에 공급하는 기능을 한다.

도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프의 개략도가 도시되어 있다.

본 발명에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프(100)를 풍차에 결합하여 적용할 경우, 풍력에너지를 실생활에 필요한 열에너지로 용이하게 적용할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프(100)는;

상기 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프(100)의 상기 구동축(z)에 풍력을 전달하는 풍차(200);

상기 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프(100)와 유체연통되는 열교환관(400); 및

상기 열교환관(400)의 열에너지를 흡수하도록, 상기 열교환관(400)과 유체가 접촉시키는 저탕조(500)를 포함한다.

즉, 풍차(200)가 풍력에 의해 회전하게 되면 그 회전력을 구동축(z)이 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프(100)에 전달하게 된다. 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프(100)는 그 내부를 순환하는 열매에 열에너지를 공급하고, 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프(100)와 유체연통되는 열교환관(400)은 저탕조(500)에 위치한 유체와 접촉하면서 열매의 열에너지를 저탕조(500)의 유체(물)에 공급하면서 실생활에서 급탕, 난방 등에 필요한 온수를 공급할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

1: 하우징 12: 흡입구
14: 토출구 16: 완충기
16a: 유입구 16b: 완충본체
16c: 덮개 16d: 배출구
16e: 배관 16f: 제2 유입구
2: 중공축 22: 열매유입구
24: 고정오리피스 24a: 제1고정오리피스
24b: 제2고정오리피스 24c: 제3고정오리피스
26: 가변오리피스 29: 전달축
3: 가압날개구 3a: 제1가압날개구
3b: 제2가압날개구 32: 고정링
34: 회전링 36: 프로펠러
4: 주발열밸브 44: 탄성체
46: 개방조절구 5: 기어부
52: 구동기어 54: 종동기어
56: 기어하우징 56a: 기어하우징 유입구
56b: 기어하우징 배출구 6: 보조발열밸브부
61: 가압관 62: 밸브몸체
62a: 보조가변오리피스 64: 보조탄성체
66: 볼 67: 핸들
69: 가압판 100: 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프
200: 풍차 400: 열교환관
500: 저탕조 Z: 구동축

Claims (10)

1. 가열하고자 하는 열매(熱媒)가 유입되는 흡입구, 및 상기 가열된 열매가 배출되는 토출구를 포함하는 하우징;
   상기 열매가 유입되도록 천공형성된 열매유입구와, 상기 하우징의 길이방향으로 길게 천공된 가변오리피스, 및 상기 열매유입구와 상기 가변오리피스 사이에 위치하며 상기 열매유입구로부터 상기 하우징의 길이방향으로 이격되도록 천공형성된 고정오리피스를 포함하고, 풍력에 의해 회전구동하는 구동축과 연동되는 중공축;
   상기 중공축의 외주면에 체결되는 고정링과, 상기 하우징의 내주면과 미소 간격이 이격된 회전링, 및 상기 회전링과 상기 고정링 사이에 연결형성된 프로펠러를 포함하는 가압날개구; 및
   탄성체에 체결되어 복원력이 발생하는 것으로 상기 중공축 내부로 유입된 열매의 압력에 의해 슬라이딩 구동하여 상기 가변오리피스의 개방 정도를 조절하는 개방조절구를 포함하며, 상기 중공축의 양단부 중 일단부 측에 형성된 주발열밸브;를 포함하는 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프
2. 제1항에 있어서,
   상기 중공축에는 상기 가압날개구가 복수 개 구비되고,
   상기 각각의 가압날개구의 역 송풍방향측에 위치한 상기 중공축에는 상기 고정오리피스가 천공되는 것을 특징으로 하는 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프
3. 제2항에 있어서,
   상기 중공축은 상기 열매유입구로부터 이격된 거리가 멀수록 상기 고정오리피스의 크기가 작게 천공되는 것을 특징으로 하는 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프
4. 제1항에 있어서,
   상기 고정오리피스는, 상기 중공축의 내주면에 형성된 일단과 상기 중공축의 외주면에 형성된 상기 고정오리피스의 타단을 포함하고,
   상기 고정오리피스는, 상기 일단으로부터 상기 타단이 상기 중공축의 회전방향의 반대방향으로 경사지게 천공형성되는 것을 특징으로 하는 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프
5. 제1항에 있어서,
   상기 구동축과 상기 중공축은 상기 구동축과 상기 중공축 사이에 결합된 기어부에 의해 연동되고,
   상기 기어부는 상기 구동축에 결합되는 구동기어와 상기 중공축에 결합되며, 상기 구동기어와 맞물려 구동되는 종동기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프.
6. 제5항에 있어서,
   상기 구동기어 및 상기 종동기어는 상기 구동축의 회전속도가 증폭되어 상기 중공축에 전달되도록 상기 구동기어 및 상기 종동기어의 기어비가 형성된 것을 특징으로 하는 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프.
7. 제5항에 있어서,
   상기 기어부는, 상기 구동기어 및 상기 종동기어가 내부에 구비되는 기어하우징과, 상기 기어하우징에 천공되어 상기 기어하우징 내로 열매(熱媒)를 유입시키는 기어하우징 유입구, 상기 구동기어 및 상기 종동기어에 의해 가압된 상기 열매를 배출시키는 기어하우징 배출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프.
8. 제7항에 있어서,
   상기 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프는,
   상기 기어하우징 배출구에서 배출된 상기 열매가 유입되는 가압관과,
   내부와 외부를 관통하는 보조가변오리피스가 천공되며 상기 가압관에 연결형성된 밸브몸체와,
   상기 밸브몸체와 상기 가압관의 경계에 안착되어 상기 가압관을 통과한 상기 열매의 압력에 따라 상기 보조가변오리피스의 개방 정도를 조절하는 볼과,
   상기 열매의 역 가압방향으로 상기 볼에 복원력을 가하는 보조탄성체, 및,
   상기 보조탄성체의 일단을 가압하는 가압판의 위치를 조절하여 상기 보조탄성체의 복원력을 설정하는 핸들을 포함하는 보조 발열밸브부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프.
9. 제1항에 있어서,
   상기 중공축에는 상기 가압날개구가 복수개 구비된 가압날개군 한 쌍이 상기 열매유입구를 중심으로 상기 중공축의 양측에 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프.
10. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 상단에는 유입구가 천공되고 상기 유입구와 유체연통되며, 상기 열매를 저장 및 공급하는 완충본체 및 상기 완충본체의 상부를 개폐하는 덮개를 포함하는 완충기가 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력열변환용 유체마찰식 발열펌프.

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