KR101501555B1

KR101501555B1 - 영구자석을 이용한 증기 발생기

Info

Publication number: KR101501555B1
Application number: KR20130132362A
Authority: KR
Inventors: 김민구
Original assignee: 김민구
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2015-03-12

Abstract

본 발명은 영구자석을 이용한 증기 발생기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 와전류 현상을 이용하여 열을 발생시키고 이를 통하여 증기를 생성하는 증기 발생기에 있어서, 영구자석의 개별적 교체가 용이하면서도 고속 회전에 대한 내구성이 증가되며 스태틱 믹서를 이용하여 증기 발생량을 증가시킨 증기 발생기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 증기 발생기는 영구자석을 금속의 베이스와 결합시켜 회전체에 삽입하며, 열 전달율을 높이는 타공된 금속판, 스태틱 믹서를 구비하여 증기 발생량을 높일 수 있으며 회전축에 웨이트를 구비하여 관성 모멘트를 증가시켜 와전류 브레이크에 의한 부하에 따른 영향을 줄일 수 있다.

Description

영구자석을 이용한 증기 발생기{A STEAM GENERATOR WITH PERMANENT MAGNETICS}

본 발명은 영구자석을 이용한 증기 발생기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 와전류 현상을 이용하여 열을 발생시키고 이를 통하여 증기를 생성하는 증기 발생기에 있어서, 영구자석의 개별적 교체가 용이하면서도 고속 회전에 대한 내구성이 증가되며 스태틱 믹서를 이용하여 증기 발생량을 증가시킨 증기 발생기에 관한 것이다.

보일러란, 화기, 연소가스, 기타 고온가스 또는 전기에 의해 물 또는 열매(熱媒)를 가열해서 대기압을 넘는 증기(steam) 또는 온수를 발생시키는 장치를 말한다. 크게 보일러는 증기를 발생시키는 증기 보일러, 온수를 발생시키는 온수 보일러로 나뉘며 난방 및 발전, 동력원으로써 폭넓게 사용되고 있다. 주로 화석 연료로 열을 발생시키며, 그 외에도 원자력이나, 최근에는 특히 각종 신재생 에너지를 이용한 보일러가 사용되고 있다.

이 중에서도 최근에는 와전류 현상을 이용한 보일러에 대한 연구가 활발하다. 와전류는 도체 주변의 자기장이 급격하게 바뀔때 전자기 유도에 의해 발생하는 소용돌이 형태의 전류인데, 이 전류가 저항이 있는 도체에 흐르게 되면 와전류 손실에 의하여 열이 발생하게 된다. 이렇게 발생하는 열에너지를 이용하여 물을 가열하여 증기를 발생시킬 수 있는 것이다.

와전류를 이용한 유도 가열에 의한 가열 방식은 기존의 열저항 등을 이용한 방법보다 효율이 뛰어나다는 것이 여러 연구를 통해 입증되었고, 특히 영구자석을 이용하여 와전류를 발생시켜 금속을 가열시키는 장치에 대한 연구 및 장치는 여러 연구자에 의해 제안되어 왔다. 즉 영구 자석으로 이루어진 회전체를 회전시켜 와전류를 유도하고, 이로써 발생하는 열로 원통형으로 이루어진 발열체를 가열시켜 물을 데워 증기를 발생시키는데 이러한 구성은 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0000270호 등에서 개시되고 있다.

그러나 이러한 영구자석을 이용한 종래의 증기 발생기들은 몇 가지 문제점을 보유하고 있다. 먼저 회전체의 고속 회전에 따른 영구자석의 이탈이 발생할 수 있으며 따라서 영구자석을 회전체에 견고하게 고정시킬 방안이 요구된다. 이와 동시에 보일러의 유지, 보수를 위하여 영구자석의 개별적 교체가 용이해질 필요도 있다. 또한 열 효율과 관련하여, 전기 에너지 투입 대비 증기의 발생량을 현재의 수준보다 높일 필요가 있다. 마지막으로 영구자석을 이용한 증기 발생기의 열 효율을 크게 떨어뜨리는 현상인 와전류 브레이크 현상을 극복할 필요가 있다. 와전류 브레이크란 와전류와 자석의 자계로 플레밍의 왼손 법칙에 따르는 방향으로 토크가 발생하는데, 결국 이 토크는 회전체의 회전 방향과 반대의 방향으로 작용하게 되므로 이에 따라 회전체의 회전이 방해 받는 현상을 말한다. 이는 와전류를 이용한 가열법에 있어서 가장 걸림돌이 되는 문제로, 증기 발생기의 효율과 가장 관련도가 높으므로 이에 대한 방안이 필요하다.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술들이 가지고 있던 문제점에 착안하여 이루어진 것으로, 다수의 영구자석을 견고하게 고정하면서도 개별적인 교체가 손쉬운 구조의 영구자석을 이용한 증기 발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명의 목적은 열 효율을 개선하여 와전류 브레이크 현상에도 불구하고 효율적으로 증기를 생산할 수 있는, 영구자석을 이용한 증기 발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 모터와 연결되는 회전축을 구비하고 와전류 현상에 의한 발열로 물을 데워 증기를 발생시키는 증기 발생기에 있어서, 회전축과 결합하여 회전축과 함께 회전하며, 다수의 홈이 형성된 회전체; 영구자석과 베이스로 이루어지며, 상기 다수의 홈에 삽입되어 회전체와 결합하는 다수의 자석 결합체;를 포함하고, 자석 결합체의 베이스는 자력의 영향을 받는 금속으로 이루어져 영구자석과 자력에 의하여 결합하며, 상기 다수의 홈에 나사 방식으로 결합하여 영구자석을 다수의 홈 내부에 수용하는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한 본 발명의 증기 발생기는 실시예에 따라, 회전축 또는 회전체와 결합하여 함께 회전하며 회전축 또는 회전체에 관성 모멘트를 제공하는 웨이트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 증기 발생기는 실시예에 따라, 와전류 현상에 의한 발열로 데워진 물 또는 증기의 입자를 분해하기 위한 스태틱 믹서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 증기 발생기는 실시예에 따라, 회전체의 회전으로 발생하는 열을 물로 전달시키기 위한 타공된 금속판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 증기 발생기는 실시예에 따라, 내벽과 외벽을 포함하는 케이스;를 포함하며 케이스의 내벽은 회전체가 수용되는 공간을 형성하고, 내벽과 외벽 사이는 데워지는 물이 수용되는 공간을 형성하며, 타공된 금속판은 내벽을 감싸며 내벽과 외벽 사이에 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 증기 발생기는 실시예에 따라, 타공된 금속판은 구리 재질인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 증기 발생기는 실시예에 따라, 타공된 금속판은 스페이서를 사이에 두고 간격을 형성한 다층 구조인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 증기 발생기는 실시예에 따라, 스태틱 믹서는 적어도 배출관, 배출관 내의 다수의 혼합 요소 및 압력 감지 분사 노즐을 포함하며, 증기 발생기에 의해 발생한 증기는 압력 감지 분사 노즐을 거쳐 배출관을 통하여 배출되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 증기 발생기는 실시예에 따라, 스태틱 믹서의 다수의 혼합 요소는 구리 재질인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 증기 발생기 및 물탱크를 포함하는 보일러에 있어서, 상기 증기 발생기에 의하여 발생한 증기를 공급받아 물탱크 내의 물을 데워 온수를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 회전체의 고속 회전에도 영구자석이 견고하게 고정되어 내구성이 증가하며 작동에 있어 안전이 담보된다.

또한 다수의 영구자석의 개별적인 교체가 가능하므로 유지, 관리에 용이하고, 영구자석에 금속의 베이스를 부착함으로써 영구자석의 개별 자력보다 자력의 범위가 증가된다.

또한 증기가 발생되는 부분에 스태틱 믹서를 사용하여 고온의 물을 잘게 분배하는 것으로 더욱 많은 양의 스팀을 생성할 수 있다.

또한 타공된 금속 판으로 열 발생 부분을 감싸는 것으로 열전달 효율을 높여 열 효율이 크게 개선된다.

또한 회전축에 웨이트를 구비하는 것으로 관성 모멘트를 크게 하여 와전류 브레이크에 의한 영향을 줄일 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 발생기의 단면도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전체(200)의 사시도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자석 결합체(400)의 사시도,
도4는 도1의 증기 발생기 단면도의 부분 확대도,
도5a는 단층으로된 타공된 금속판(600)의 사시도,
도5b는 다층으로된 타공된 금속판(600)의 사시도,
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 발생기를 이용하여 증기를 발생시키는 모습을 나타내는 단면도,
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스태틱 믹서(500)의 단면도,
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨이트(700)의 사시도이다.

이하, 본 발명에 따른 실시예 및 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 명세서에서, 도면의 가독성을 위하여 도면상 대응되는 구조이거나 동일한 구성임이 용이하게 확인될 수 있는 경우에는 일부 도면상의 부호를 생략하였다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 발생기의 단면도이다. 증기 발생기는 모터(미도시)와 기계적으로 연결되어 회전하는 회전축(100) 및 회전축(100)과 함께 회전하는 원통형의 회전체(200)를 포함한다. 회전체(200)에는 다수의 홈(210)이 구성되어 있으며 상기 홈(210)에 다수의 자석 결합체(400)가 삽입된다. 회전체(200)는 회전체(200) 전부 및 회전축(100)의 일부를 감싸 밀폐하는 이중 벽 구조의 케이스(300)에 수용된다. 케이스(300)의 일측에는 상단을 향하여 증기를 배출하도록 구성된 스태틱 믹서(500)가 구비되며 케이스(300) 내부에는 열 전달을 높이기 위한 구조체인 타공된 금속판(600)이 구비될 수 있다. 또한 실시예에 따라 회전축(100)에는 회전축(100) 및 회전체(200)의 회전 관성을 높이기 위한 웨이트(700)가 구비될 수 있다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전체(200)에 대한 사시도이다. 회전체(200)는 금속이며, 표면에 다수의 홈(210)이 구비되어 있는데 이 홈(210)에는 자석 결합체(400)가 삽입되어 회전체와 같이 회전하게 된다. 이러한 회전으로 와전류가 발생하게 되고 이러한 와전류가 도체(회전체)에 흐르면서 열이 발생하게 된다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자석 결합체(400)에 대한 사시도이다. 자석 결합체(400)는 금속재질의 베이스(410)에 영구자석(420)이 결합된 것으로 둘은 영구자석(420)이 가진 자력에 의해 별다른 결합 구조 없이 결합할 수 있다. 따라서 베이스(410)는 철이나 니켈 등의 자력에 영향을 받는 금속인 것이 바람직하다. 자석 결합체(400)는 전술한 대로 회전체(200)의 홈(210)에 삽입되는데 도3에서 도시한 바와 같이 베이스(410)에 나사선을 형성하면 렌치나 드라이버 등의 도구로 영구자석이 내측으로 위치하도록 홈(210)에 삽입하며 견고하게 결합시킬 수 있다. 이러한 결합구조로 추후 유지관리에 있어서 개별적인 영구자석(420)의 교체가 용이해지며 동시에 회전체(200)의 고속 회전에도 영구자석(420)이 이탈하지 않고 견고하게 고정될 수 있다. 또한 영구자석(420)에 자력의 영향을 받는 금속으로 이루어지는 베이스(410)를 당접시키는 것으로 자력의 범위를 더욱 늘리는 효과도 있다.

도4는 도1의 점선부분(a)을 확대한 부분 확대도이며 도5a 및 도5b는 타공된 금속판(600)에 대한 사시도이다. 상기 도면에서 볼 수 있듯이, 케이스(300)는 내벽(310) 및 외벽(320)을 포함하며 각 벽 사이는 밀폐된다. 내벽(310) 및 외벽(320) 사이에는 타공된 금속판(600)이 위치하는데, 금속판(600)의 재료로는 금속 중에서도 열 전도율이 높은, 구리인 것이 바람직하다. 타공된 금속판(600)은 도5a에서 도시한 대로 단층으로 케이스(300)의 내벽(310)을 감싸도록 구비될 수 있으며 실시예에 따라 도4 및 도5b에서 도시한 대로 복수의 층(610, 620)으로 이루어질 수도 있다. 복수의 층으로 이루어질 경우에는 각 층마다 스페이서(630) 구조를 두어 간격을 유지할 수 있다.

도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 발생기를 이용하여 증기를 발생시키는 모습을 도시한 것이다. 이를 바탕으로 작동 모습에 대해 상세히 설명하면, 먼저 물 공급 파이프(801), 물탱크(802), 펌프(803) 등의 경로로 증기 발생기 케이스(300)의 내벽(310)과 외벽(320) 사이에 물이 공급된다. 회전체(200)는 회전하면서 와전류 현상으로 열을 발생시키게 되며 이 열은 케이스(300)의 내벽(310)으로 전달된다. 내벽(310)으로 전달된 열은 물로 직접적으로, 혹은 타공된 금속판(600)을 매개로 하여 물로 전달되며 이러한 열로 인하여 물은 끓는 점에 도달하여 증기로 변하게 된다. 즉 타공된 금속판은 회전체(200)에서 발생한 열을 물에 더욱 잘 전달하여 열 효율을 높이기 위한 것인데, 금속판에 타공을 함으로써 타공된 구멍 사이로 물이 흐르며 금속판과 물이 접할 수 있어 회전체(200)에서 발생한 열을 타공된 금속판(600)을 매개로 열을 더 잘 전달할 수 있다. 실시예에 따라 이 증기는 스태틱 믹서(500)을 통하여 배출될 수 있다.

이렇게 발생한 증기는 증기 배출구(804)를 통하여 배출되어 용도에 맞게 쓰일 수 있다. 특히 이렇게 발생한 증기를 이용하여 또 다른 물탱크(미도시)에 있는 물을 데워 보일러로 사용할 수 있다. 이와 같은 와전류 현상을 이용한 종래의 보일러들은 와전류 발열로 데워진 물을 직접 보일러의 온수로 사용하였으나 이러한 방식은 물 손실이 커지며 따라서 새로 유입되는 물을 데우기 위하여 회전체가 계속적으로 회전해야 한다는 단점을 가지고 있다. 그러나 본 발명의 증기 발생기를 이용하여 증기를 발생시키고 이것을 다른 물탱크에 주입하여 물을 데우는 경우, 와전류 발열로 데워진 물은 증기 발생을 위해서만 사용되므로 시간당 물의 손실량이 크게 감소하며 증기 배출량을 조절하여 온수의 온도를 조절할 수 있는 등 제어상의 이점 및 열효율 증가의 효과를 얻을 수 있다.

도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스태틱 믹서의 단면도를 나타낸 것으로, 스태틱 믹서(Static Mixer, 500)는 상단을 향하는 다수의 배출관(510), 배출관(510) 내부의 다수의 혼합 요소(Mixer Elements, 520) 및 압력 감지 분사 노즐(530)을 포함할 수 있다. 도면상 화살표로 표시한 경로대로, 케이스(300)의 내벽(310)과 외벽(320) 사이에서 물이 데워지며 수증기가 발생하여 압력이 일정 수준에 도달하게 되면, 데워진 수증기나 물 입자(김)는 상기 일정 수준의 압력에 열리는 압력 감지 분사 노즐(530)을 통하여 배출관(510) 내부로 진입하게 된다. 내부로 진입한 수증기나 물 입자(김)는 혼합 요소(520)을 거치며 잘게 분할되어 배출된다. 이러한 물 입자의 분할로 열에 노출되는 물 입자의 표면적을 넓혀 열 전달을 높여 수증기 발생량을 증가시킬 수 있다. 특히 스태틱 믹서(500)의 재질을 구리로 구성하는 경우, 스태틱 믹서(500) 자체의 열 전달력을 높일 수 있으며 이러한 열이 잘게 분해된 물에 전달되며 더욱 증기 발생량을 높일 수 있다.

도8은 웨이트(700)에 대한 사시도이다. 웨이트(700)는 회전축(100) 또는 회전체(200)와 결합하여 함께 회전한다. 웨이트(700)는 회전축(100) 및 회전체(200)의 회전에 관성 모멘트, 즉 회전 관성을 제공하여 와전류 브레이크에 의하여 모터(미도시)에 발생하는 부하, 즉 제동(braking)에 의한 영향을 줄일 수 있다. 즉, 회전축(100)의 관성 모멘트를 크게 하여 처음 구동 시 필요한 에너지를 증가시키는 대신, 계속 회전을 지속하려는 성질(관성 모멘트)도 커지므로 회전을 멈추려는 힘(와전류 브레이크)의 영향력을 감소시키는 효과를 얻는 것이다. 관성 모멘트는 질량의 분포가 회전 중심에서 먼 곳에 집중될수록 커지므로 도8에서 볼 수 있듯이 웨이트(700)는 가장자리 부분에 질량을 분포시키는 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

100: 회전축 200: 회전체
300: 케이스 400: 자석 결합체
500: 스태틱 믹서 600: 타공된 금속판
700: 웨이트

Claims

모터와 연결되는 회전축을 구비하고 와전류 현상에 의한 발열로 물을 데워 증기를 발생시키는 증기 발생기에 있어서,
회전축과 결합하여 회전축과 함께 회전하며, 다수의 홈이 형성된 회전체;
영구자석과 베이스로 이루어지며, 상기 다수의 홈에 삽입되어 회전체와 결합하는 다수의 자석 결합체;를 포함하고,
자석 결합체의 베이스는 자력의 영향을 받는 금속으로 이루어져 영구자석과 자력에 의하여 결합하며, 상기 다수의 홈에 나사 방식으로 결합하여 상기 영구자석을 다수의 홈 내부에 수용하는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 증기 발생기.
삭제
제1항에 있어서,
증기 발생기는 회전축 또는 회전체와 결합하여 함께 회전하며 회전축 또는 회전체에 관성 모멘트를 제공하는 웨이트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 증기 발생기.
제1항에 있어서,
증기 발생기는 와전류 현상에 의한 발열로 데워진 물 또는 발열로 발생한 증기의 입자를 분해하기 위한 스태틱 믹서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 증기 발생기.
제1항, 제3항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
증기 발생기는 회전체의 회전으로 발생하는 열을 물로 전달시키기 위한 타공된 금속판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 증기 발생기.
제5항에 있어서,
증기 발생기는 내벽과 외벽을 포함하는 케이스;를 포함하며 케이스의 내벽은 회전체가 수용되는 공간을 형성하고, 내벽과 외벽 사이는 데워지는 물이 수용되는 공간을 형성하며, 타공된 금속판은 내벽을 감싸며 내벽과 외벽 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 증기 발생기.
제5항에 있어서,
타공된 금속판은 구리 재질인 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 증기 발생기.
제5항에 있어서,
타공된 금속판은 스페이서를 사이에 두고 간격을 형성한 다층 구조인 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 증기 발생기.
제4항에 있어서,
스태틱 믹서는 적어도 배출관, 배출관 내의 다수의 혼합 요소 및 압력 감지 분사 노즐을 포함하며, 증기 발생기에 의해 발생한 증기는 압력 감지 분사 노즐을 거쳐 배출관을 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 증기 발생기.
제9항에 있어서,
스태틱 믹서의 다수의 혼합 요소는 구리 재질인 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 증기 발생기.
제1항의 증기 발생기 및 데울 물을 저장하는 물탱크를 포함하는 보일러에 있어서,
상기 증기 발생기에 의하여 발생한 증기를 공급받아 물탱크 내의 물을 데워 온수를 발생시키는 것을 특징으로 하는 보일러.