KR101591917B1

KR101591917B1 - 하이브리드 전기보일러 장치 및 그에 적합한 가열부 장치

Info

Publication number: KR101591917B1
Application number: KR1020140096407A
Authority: KR
Inventors: 김기성
Original assignee: 김기성
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2016-02-04

Abstract

본 발명은, 급속 가열이 가능한 보일러를 제공하는 것이며, 더욱이, 전기로 물을 빠른 시간 내에 가열하는 보일러이면서도, 물속에 다수의 전극봉을 넣어 전기 저항으로 발열시킴과 동시에 유도 코일의 자기유도 가열방식을 이용한 발열을 행하는 회로의 직렬연결로서, 고주파 유도 방식과 전극봉 방식을 겸한 고 효율의 순간 가열이 가능한 하이브리드 방식이다. 이를 위한 본 발명의 하이브리드 전기보일러 가열부 장치는, 상기 전기보일러 가열부 장치 내에서 순환되는 물 속에 전기를 통전시켜 주는 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6); 순환되는 물 속에 고주파 자기 유도를 발생시키는 코일(4); 상기 순환되는 물이 내부로 통수되면서 상기 코일(4)에 의해 자기 유도된 고주파 전류가 물 속에 직접 들어올 수 있게 해주는 튜브(8); 상기 제1 전극봉과 제2 전극봉에 전기를 인가하여 주는 인입선(9); 상기 제1 전극봉(5), 코일(4) 및 제2 전극봉(6)에 전압을 공급해 주는 변압기(10); 및 상기 변압기(10)에 고주파 전압을 인가하여 주는 고주파인가부(11); 를 포함하며, 상기 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6)에 의한 전기 저항 가열 방식의 제1 발열회로과 상기 코일(4)에 의한 자기유도 가열 방식의 제2 발열회로를 직렬로 연결한 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 전기보일러 장치 및 그에 적합한 가열부 장치{Hybrid electric boiler apparatus and the boiling apparatus adapted to the boiler apparatus}

본 발명은 전기 보일러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고주파 유도 방식과 전극봉 방식을 겸한 고 효율의 순간 가열이 가능한 하이브리드 전기보일러 장치 및 그에 적합한 가열부 장치에 관한 것이다.

오래 전부터 인간은, 보일러에 대하여 안전하고 편리하며, 에너지의 효율적 사용 및 급속 발열을 원하였으며, 많은 고심과 더불어 꾸준한 연구가 수행되고 있는 실정이다.

이러한 필요를 충족시켜 줄 수 있는 것으로서의 전기보일러는, 크게 다음의 3가지로 분류된다.

먼저, 히터봉 전기보일러로서, 물속에 절연체로 피복된 필라멘트 히터를 넣어서 전기에 의해 히터가 가열되면 가열된 히터가 대류나 전도에 의해 물이 데워지도록 한 보일러 방식이다.

이 방식은 가장 일반적인 방식이나, 일단 히터가 데워지고 나서 대류나 전도에 의해 물이 2차로 데워지는 방식이므로, 가열되는데 시간이 소요된다는 단점이 있다.

더욱이, 상기 히터봉 방식은, 물속에 석회석 같은 이물질이 히터봉에 붙어 열의 전도를 방해하여 히터봉에 열이 축적되며, 그로 인해 히터봉이 축적된 과열로 인하여 히터봉의 파손이 일어난다는 추가적인 단점이 있다.

다음, 전극봉 보일러는 물속에 두 개의 전극을 직접 넣고 전원에 연결하여, 도체로서의 물의 전기 저항을 이용하여 물을 직접 가열하는 방식이나, 단점으로는 양 전극과 도전체로서의 물이 전기분해 기작과 동일하므로, 전극봉의 산화가 빨라지며, 시간이 지남에 따라 전극봉이 닳아 없어지게 된다. 따라서, 이 방식에서는 비교적 단단한 백금봉을 사용하기도 하나, 그 보다는 필히 가성소다(NaOH)나 CaOH, KOH 등의 이온화 물질을 넣어서 전극봉을 보호하게 되며, 따라서 이온 가열 보일러 방식이라고도 한다.

한편, 이 경우에는, 이온수를 보일러 관으로 순환시킬 수 없는 관계로, 일차로 이온수를 가열하고, 열 교환기를 사용하여 순환수를 가열하는 2차 가열 방식을 사용하게 되므로, 역시 급속 가열이 불가능하며, 이온수의 농도가 진해져 이상 과열현상도 일어난다는 2가지 단점이 있다.

마지막으로, 고주파 유도 보일러는, 유도 변압기를 사용하여 고주파를 발생시키고, 이 고주파로 물 분자들을 여기시켜서 열을 발생시키는 방식이다.

즉, 고주파 유도 보일러의 일 예로서, 대한민국 특허공개 제2010-0008088호 (고주파유도가열을 이용한 순간 온수공급장치) 의 경우를 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.

상기 종래기술의 순간 온수공급장치(100)는, 고주파전류를 인가하기 위해 구성된 고주파전류발생 유닛(10)과, 중공형으로 가장자리 내부에 물가열공간부(21)가 형성되고, 상부에 물배출구(22)가 형성되며, 하부측에 원수가 공급하기 위한 물유입구(23)가 마련된 가열통(20)과, 상기 고주파전류발생 유닛(10)으로부터 인출되며, 가열통(20)의 내부 직경에서 코일형으로 밀착되게 구비되어 가열통(20)을 가열하기 위한 고주파유도코일(30)과, 상기 가열통(20)의 물배출구(22)측으로부터 연결 설치되는 한편, 가열통의 중심부를 지나 온수를 이차적으로 가열하여 가열통(20)의 하부 외측에서 온수를 배출하는 온수배출라인(40)과, 상기 가열통(23)의 물유입구(23)측에 연결 설치되어 원수를 공급하기 위한 원수공급라인(50)과, 상기 가열통(20)의 상,하부로부터 상기 고주파유도코일(30), 온수배출 라인(40)의 인입부분을 제외한 나머지 부분을 밀폐시켜 가열통 내부로부터 열 방출을 방치하는 밀폐판(60)을 포함하여 구성된다.

상기 종래기술의 순간 온수기의 작용을 상세히 설명하면, 먼저, 초기에 물공급라인(50)을 통해 가열통(20)의 물유입구(23)로 공급된 물(원수)은 가열통(20)의 물가열공간부(21)에 채워진 상태에서 상기 가열통(20)의 내경 둘레에 코일형으로 설치된 고주파유도코일(30)에 고주파 전류의 발생으로서 가열통(20)을 가열할 수 있게 된다.

상기 고주파유도코일(30)은 고주파전류발생 유닛(10)으로부터 전달되며, 이를 토대로 발생하는 열은 가열통(20)의 내부에서 가열통의 외부방향으로 열을 전달하여 물가열공간부(21)에 채워진 물을 순간적으로 가열한다.

상기와 같이 가열된 온수는 가열통(20)의 물배출구(22)로부터 연결 설치된 물배출라인(40)을 따라 사용수로 외부로 배출시켜 사용할 수 있게 된다.

상기 물배출라인(40)은 상기 가열통(20)의 상부에 위치하여 다시 역으로 가열통의 상부에 설치된 밀폐판(60)을 관통하여 가열통(20) 내부를 지나는 형태로서 다시한번, 고주파유도코일(30)에서 발생된 열을 전달받아 최종적으로 배출되는 온수를 고온으로 배출시켜 준다.

상기 가열통(20)은 상,하부측에 설치된 밀폐판(60)의 역할로서 내부에서도 상당한 열을 발생하는 것으로, 물배출라인(40)을 통해 배출되는 온수를 이차적으로 가열하는 효과를 갖게 하여 상술한 바와 같이 최종 배출되는 온수의 온도는 쉽게 떨어지지 않는 적합한 사용수로서 배출할 수 있게 된다.

상기와 같은 온수의 공급 및 배출은 물가열공간부(21)의 공간이 비교적 작은 체적으로 형성되어 있기 때문에 공급, 가열, 배출작용이 연속성을 가지면서도 온도가 떨어지지 않는 상태로 공급할 수 있게 된다.

그러나, 상기 고주파유도가열 방식은, 상용전원으로부터 고주파 교류로 변환하는 변압기가 사용되어야 하므로, 자기 유도 과정에서 누설 전류가 발생하고, 실제로 고주파로 변환되지 않는 무효전력(저주파전력)이 발생한다는 단점이 있다.

더욱이, 물 자체는 강자성체가 아니기에 직접 유도가 어렵기 때문에, 강자성체인 철 배관을 가열하고, 그 열을 간접적으로 받아 물을 가열받는 식이며, 따라서 고주파 유도 보일러는 철 파이프가 먼저 따뜻해지고, 그 다음 물이 따뜻해지므로, 철에 이물질이 붙으면 열전도가 느려져 빨리 물을 끓이기가 어려워진다는 단점을 아울러 갖는다.

본 발명의 목적은, 상술한 종래기술의 공통된 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 급속 가열이 가능한 보일러를 제공하는 것이며, 더욱이, 전기로 물을 빠른 시간 내에 가열하는 보일러이면서도, 물속에 다수의 전극봉을 넣어 전기 저항으로 발열시킴과 동시에 유도 코일의 자기유도 가열방식을 이용한 발열을 행하는 회로의 직렬연결로서, 고주파 유도 방식과 전극봉 방식을 겸한 고 효율의 순간 가열이 가능한 하이브리드 방식이고, 이중으로 동시에 발열이 일어나며 전원 차단시에는 동시에 꺼지게 하는 만든 하이브리드 전기보일러를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 하이브리드 전기보일러 가열부 장치는, 전기보일러 가열부 장치에 있어서, 상기 전기보일러 가열부 장치 내에서 순환되는 물 속에 전기를 통전시켜 주는 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6); 순환되는 물 속에 고주파 자기 유도를 발생시키는 코일(4); 상기 순환되는 물이 내부로 통수되면서 상기 코일(4)에 의해 자기 유도된 고주파 전류가 물 속에 직접 들어올 수 있게 해주는 튜브(8); 상기 제1 전극봉과 제2 전극봉에 전기를 인가하여 주는 인입선(9); 상기 제1 전극봉(5), 코일(4) 및 제2 전극봉(6)에 전압을 공급해 주는 변압기(10); 및 상기 변압기(10)에 고주파 전압을 인가하여 주는 고주파인가부(11); 를 포함하며, 상기 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6)에 의한 전기 저항 가열 방식의 제1 발열회로와 상기 코일(4)에 의한 자기유도 가열 방식의 제2 발열회로를 직렬로 연결하며, 상기 튜브(8)와 통수되는 입수관(16)의 말단에 입수관 밸브소켓(16a)이 형성되어, 상기 입수관 밸브소켓에서 상기 입수관과 상기 튜브(8)의 일단이 연결되며, 상기 튜브(8)의 타단은 궁극적으로는 출수관 밸브소켓(17a)을 통해 출수관(17)에 통수가능하도록 연결되고, 상기 입수관 연결측인 상기 튜브의 일단에 제2 전극봉(6)이 내재하도록 이루어지며, 상기 출수관 연결측인 상기 튜브의 타단에 제1 전극봉(5)이 내재하도록 이루어지며, 상기 변압기(10)의 출력단의 일측이 상기 코일(4)의 제1 접속단에 연결되며, 상기 변압기(10)의 출력단의 타측은 상기 코일(4)의 제2 접속단이 아닌 상기 제2 전극봉(6)에 접속되며, 상기 코일(4)의 제2 접속단은 상기 제1 전극봉(5)에 접속되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6) 중의 어느 하나의 전극봉에 전기를 공급해주지만 관 속이 막혀 있는 전선 통로관(13); 및 상기 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6) 중의 어느 하나의 전극봉과 상기 전선 통로관(13) 내부를 통해 전기 공급로가 확보되면서 상기 전기보일러 가열부 장치 외부로 연결되어 있는 인입선(9); 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 전선 통로관(13)의 외부는 투자율이 높은 금속성의 실린더이고, 그 내부에 상기 실린더와 절연이 유지되는 전극 통로인 전선을 통과하도록 하며, 상기 코일(4)의 내부를 통과하는 튜브(8)의 내부에 튜브를 따라 적당한 두께의 철봉(14)을 삽입하여 두도록 하며, 상기 철봉(14)의 양 단부는 각각 출수관(17) 및 입수관(16) 가까이 위치하도록 하나, 상기 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6)과 전기적으로 접촉하지는 않도록 하며, 상기 철봉(14), 상기 전선 통로관(13), 및 상기 튜브(8)에 물을 공급하거나 상기 튜브로부터의 물을 외부로 배출하는 출수관과 입수관 또는 그들의 연장관의 금속 파이프가 폐루프를 형성하여, 상기 코일(4)에서 발생한 자속이 상기 폐루프의 자속 경로를 따라가므로, 누설 자속을 최소화할 수 있게 되는 것을 특징으로 한다.

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가장 바람직하게는, 상기 출수관(17)에 보일러 외부으로 연장되는 연장관(15)을 더 포함하며, 상기 출수관(17)에 제1 전극봉(5)을 세라믹 절연체(5a)로 지지하도록 하며, 상기 입수관(16)에는 제2 전극봉(6)이 세라믹 절연체(6a)로 지지되도록 하며, 상기 입수관(16)으로부터 입수되어진 물은 튜브(8)를 통해 출수되도록 하여, 상기 입수관, 상기 튜브, 상기 출수관 및 상기 연장관이 'ㅁ'자에 가까운 관로를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따른 하이브리드 전기보일러 장치는, 상기 하이브리드 전기보일러 가열부 장치(100); 하이브리드 전기보일러 가열부 장치(100)에 연결되면서 난방을 해야 할 곳에서 물을 모아오거나 그 곳으로 물을 내 보내는 분배기(1); 및 상기 분배기(1)에서 유입되거나 상기 분배기(1)로 유출되는 물의 순환 동력을 주는 순환 펌프(3); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 입수관(16)의 임의의 지점에 또다른 제1 부싱(16c)을 형성하고, 출수관(15)의 임의의 지점에도 또다른 제2 부싱(15c)을 형성한 후, 상기 제1 부싱(16c)과 상기 제2 부싱(15c) 사이를 전선 통로관(13)으로 연결하여, 상기 제2 전극봉(6)이 상기 전선 통로관(13) 내부를 통하고 다시 팽창 탱크(7)를 통해 외부의 인입선(9)에 연결되고 결국 변압기(10) 출력측의 일단에 접속되어 지도록 하며, 상기 변압기의 출력측의 타단은 상기 코일(4)의 제1 접속단(4a)으로 접속되며, 상기 제1 전극봉(5) 역시, 출수관 밸브소켓(17a)을 통하고 상기 팽창 탱크(7)를 통해 외부의 인입선(9)에 연결되고 결국 코일(4)의 제2 접속단(4b)으로 접속되어 지도록 하는 것을 특징으로 한다.

상술한 과제의 해결 수단을 갖는 본 발명에 의하면, 고주파 유도 방식과 전극봉 방식을 겸하여 이중으로 동시에 발열이 일어나므로 고 효율의 순간 가열이 가능하고, 더욱이, 전극봉을 사용하면서도 전극봉이 고주파 유도 때문에 덜 닳게 되어 별도의 이온수를 사용하지 않아도 된다는 장점이 있다.

즉, 별도의 열교환기가 필요하지 않고, 절연변압기를 사용하므로 감전 위험도 없으며, 누설전압이 최소화될 수 있다는 추가적인 장점이 있다.

도 1은 종래기술의 고주파유도가열을 이용한 순간 온수공급장치의 가열통을 도시한 사시도.
도 2는 종래기술의 고주파유도가열을 이용한 순간 온수공급장치의 전체 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전기보일러 장치의 전체 계통도이다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 전기보일러 장치의 일부 분해도이다.
도 5은 본 발명에 따른 하이브리드 전기보일러 가열부 장치의 상세도이다.
도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 전기보일러 장치의 회로도이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면 도 3 내지 도 6을 참조하여 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 전기보일러 장치의 전체 계통도이고, 도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 전기보일러 장치의 일부 분해도이고, 도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 전기보일러 가열부 장치의 상세도이며, 도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 전기보일러 장치의 회로도이다.

본 발명에서의 하이브리드 전기보일러 장치는, 먼저 각 난방을 해야 할 곳에서 물을 모아오는 분배기(1); 분배기(1)로부터 유입되는 물의 이물질을 걸러내는 여과기(2); 물의 순환 동력을 주는 순환 펌프(3); 물 속에 전기를 통전시켜 주는 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6); 고주파 자기 유도를 발생시키는 코일(4); 자기 유도된 고주파 전류가 물 속에 직접 들어올 수 있게 해주는 절연 고온 고압 튜브(8); 제1 전극봉과 제2 전극봉에 전기를 인가하여 주는 인입선(9); 인입선(9)과 물이 갑자기 팽창하거나 수증기를 필요로 할 경우에 급수를 받는 팽창탱크(7); 상기 제1 전극봉(5), 코일(4) 및 제2 전극봉(6)에 직렬 전압을 공급해 주는 절연변압기(10); 제2 전극봉에 전기를 공급해주지만 관 속이 막혀 있는 전선 통로관(13); 전압 컨트롤과 주파수 컨트롤을 해주는 슬라이닥, 인버터, 고주파 발생기, SMPS 등의 고주파인가부(11); 대체로는 상용전원인 교류 전원(12); 으로 이루어진다.

상기 전원은 대치로 상용전원이 사용되며 별도의 인버터나 SMPS 등에 의해 고주파로 발진되도록 하는 것이 일반적일 것이나, 경우에 따라서는 별도의 고주파 전원이 직접 인가되도록 하는 것도 가능할 것이며, 이때는 물의 온도에 의해서 높으면 차단, 낮으면 전원투입 의 방법으로 전원을 단속 해주어도 될 것이다.이때는 전압만을 가변하여 주어도 될 것이다.

상기 분배기(1), 여과기(2), 순환 펌프(3) 및 팽창탱크(7)는 일반적인 보일러에서의 그것들과 동일하게 구성하여도 된다.

또한, 상기 코일(4), 절연 변압기(10), 고주파인가부(11) 및 전원(12)은, 종래의 고주파유도가열 방식의 보일러와 동일하게 구성할 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.

반면, 본 발명에서는 종래의 고주파유도가열 방식의 보일러에 비해, 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6), 인입선(9)과 전선 통로관(13), 절연고온고압 튜브(8)가 추가로 구성되어진다.

즉, 본 발명에서는, 상기 순환펌프(3)를 비롯한 보일러 물 순환장치에 연결되어 있는 고주파유도가열부(100: 도 3의 함체 내부)가 주요부이며, 고주파유도가열부(100) 내의 절연 고온 고압 튜브(8)와 통수되는 입수관(16)의 말단에 밸브소켓(16a)이 형성되어, 상기 밸브소켓에서 상기 입수관과 상기 튜브(8)의 일단이 연결되며, 상기 튜브(8)의 타단은 궁극적으로는 출수관 밸브소켓(17a)을 통해 출수관(17)에 통수가능하도록 연결되고, 상기 출수관 및 상기 입수관은 상기 상기 연장관(15) 및 상기 순환펌프(3)에 연결된다. 그리고, 상기 입수관 연결측인 상기 튜브의 일단에 제2 전극봉(6)이 내재하도록 이루어지며, 상기 출수관 연결측인 상기 튜브의 타단에 제1 전극봉(5)이 내재하도록 이루어진다.

그리하여, 고주파 인가부(11)에 접속된 변압기(10)의 출력단이 유도코일(4)에 바로 연결되는 종래기술과 달리, 본 발명에서는, 상기 고주파 인가부(11)에 접속된 상기 변압기(10)의 출력단의 일측이 상기 유도코일(4)의 제1 접속단에 연결되는 점은 동일하나, 상기 변압기(10)의 출력단의 타측은 상기 유도코일(4)의 제2 접속단이 아닌 상기 제2 전극봉(6)에 접속되며, 대신 상기 유도코일(4)의 제2 접속단은 상기 제1 전극봉(5)에 접속되어 진다.

그리하여, "변압기(10)의 출력단의 일측 -> 유도코일(4)의 제1 접속단 -> 유도코일(4)의 제2 접속단 -> 제1 전극봉(5) -> 절연고온고압 튜브(8)의 순환수 -> 제2 전극봉(6) -> 변압기(10)의 출력단의 일측" 의 방향으로, 혹은 그 역방향으로 전류가 통전되어 진다.

따라서, 고주파의 고압 전류가 상기 코일(4)에 흐르면서 발생하는 고주파 유도 기전력에 의해 상기 튜브(8) 내를 흐르는 도체로서의 물이 순식간에 데워지고, 상기 튜브(8)에서 데워진 물은 출수관(17) -> 연장관(15) -> 보일러 열교환부(미 도시됨) -> 분배기(1) -> 여과기(2) -> 순환펌프(3) -> 입수관(16) 을 따라 순환하여 다시 상기 튜브(8)로 들어오게 된다.

한편, 상기 전극봉(5, 6)은 상기 튜브(8)의 단부나 혹은 상기 입수관/출수관 밸브소켓(16a,17a)에 형성된 임의의 홀을 통해 외부로부터 튜브(8) 내부로 들어가도록 하여도 되나, 고온 고압의 튜브 내부의 특성상, 완전 밀봉에 한계가 있을 수 있으므로, 바람직하게는, 도 5에서 보는 바와 같이, 입수관(16)의 임의의 지점에 제1 부싱(16c)을 형성하고, 출수관(17)의 임의의 지점에도 또다른 제2 부싱(15c)을 형성한 후, 상기 제1 부싱(16c)과 상기 제2 부싱(15c) 사이를 전선 통로관(13)으로 연결하여, 상기 제2 전극봉(6)(혹은 제2 전극봉과 접속되는 전선)이 상기 전선 통로관(13) 내부를 통하고 다시 상기 팽창 탱크(7)(도 3 참조)를 통해 외부의 인입선(9)에 연결되고 결국 변압기(10) 출력측의 일단에 접속되어 지도록 하는 것이 바람직하다. 상기 변압기의 타단은 전술한 바와 같이, 상기 코일(4)(도 6 참조)의 제1 접속단(4a)으로 접속되어진다. 물론, 상기 제1 전극봉(5) 역시, 출수관 밸브소켓(15a)을 통하고 상기 팽창 탱크(7)(도 3 참조)를 통해 외부의 인입선(9)에 연결되고 결국 코일(4)(도 6 참조)의 제2 접속단(4b)으로 접속되어 지도록 하는 것이 바람직하다. 이렇게 각 전극봉의 전기적 경로를 구성하면, 튜브나 입/출수관에 어떠한 홀도 형성하지 않을 수 있으므로, 제조상 유리하다.

만약 팽창탱크(7)를 밀폐팽창탱크 식으로 바뀔 경우 압력 때문에 전선 통로관(13)에 가운데에 홀(구멍)을 내어 인입선(9)으로 해서 사용해야한다. 즉, 상기 제2 전극봉(6)과 접속되는 전선이 제1 부싱(16c) 및 상기 전선 통로관(13) 하단의 내부를 통과하도록 하고, 상기 제1 전극봉(5)과 접속되는 전선이 제2 부싱(15c) 및 상기 전선 통로관(13) 상단의 내부를 통과하도록 하면서, 상기 양 전선이 상기 전선 통로관(13)의 중간 지점에서 외부로 연결되고 결국 변압기(10) 출력측의 일단 및 유도코일의 일단에 각각 접속되어 지도록 하는 것도 가능하다. 이렇게 구성하면, 상기 전선 통로관(13)의 중간 지점에 홀을 형성하는 공정은 추가되지만, 압력이 가해지는 입/출수관이나 밀폐 팽창탱크에 수밀을 위한 추가 공정을 요하지 않는다는 장점이 있다.

더 바람직하기로는, 상기 제1 부싱(16c)과 상기 제2 부싱(15c)을 연결하는 전선 통로관(13)의 외부는 투자율이 높은 금속성의 실린더, 일례로 강관으로 하고, 그 내부에 강관과 절연이 유지되는 제2 전극 통로인 전선을 통과하도록 하며, 상기 전선과 상기 강관 사이에는 부도체의 폼(form)을 충진하여 사용하는 것이 좋다 (도 5의 부분 확대도 참조). 즉, 상기 전선 통로관(13)으로 물은 순환되지 않는다.

아울러, 상기 연장관 밸브소켓(15a)에 연장관(15)을 연결하며, 상기 출수관의 타단에 출수관 밸브소켓(17a)를 형성하고, 상기 출수관 밸브소켓(17a)에 비로소 제1 전극봉(5)을 세라믹 절연체(5a)로 지지하도록 한다. 물론, 상기 입수관 밸브소켓(16a)에는 제2 전극봉(6)이 세라믹 절연체(6a)로 지지되어진다. 미설명 부호 17c은 출수관을 팽창탱크에 연결하기 위한 부싱과 장닛불이다.

이 경우에는, 상기 제1 전극봉(5)의 피복 전선이 상기 출수관(17) 및 상기 팽창 탱크(7)를 통해 외부로 향하며, 결국 상기 코일(4)의 제2 접속단(4b)에 전기적으로 접속되어 진다. 아울러, 입수관(16)으로부터 입수된 물은 튜브(8)를 통해 출수관(17)으로 출수된다.

이와 같이 구성함으로써, 'ㄴ'자형 혹은 'ㄷ'자형, 더 나아가 'ㅁ'자에 가까운 관로가 형성될 수 있으며, 튜브(8)의 굴곡을 최소화할 수 있어 바람직하며, 더욱이 출수관이나 출수관의 연장관이 상부에 위치하는 경우에는, 분배기로부터 입수되는 상대적으로 찬 물이 가열되어 하부에서 상부로 상승하려는 속성을 이용하여 물의 순환을 더욱 자연스럽게 할 수 있어 더욱 바람직하다.

특히, 가장 바람직하게는, 상기 코일(4)의 내부를 통과하는 튜브(8)의 내부에 튜브를 따라 적당한 두께의 철봉(14)을 삽입하여 두도록 한다. 상기 철봉(14)의 양 단부는 각각 상기 출수관(17) 및 입수관(16) 가까이 위치하도록 하나, 절대 상기 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6)과 전기적으로 접촉하지는 않도록 하여야 한다.

이와 같이, 구성하는 경우, 상기 유도 코일(4)에 의해 형성된 강력한 자속이 상기 철봉(14)을 따라 이동하다가, 상기 입수관(16)과 전선 통로관(13) 및 출수관(17)으로 연결되면서 이루어지는 쇠파이프의 폐루프의 자속 경로를 따라가므로, 누설 자속을 최소화할 수 있게 된다.

본 발명자는, 상기 가장 바람직한 실시예에 따라 제품을 만들고 테스트한 결과, 물속에 전기를 직접 투입하였으나 거의 누설전류가 측정되지 않았으며, 220V/ 4.65A (1.023kw)에서 수온 60℃를 유지하며 순환하였다.

본 발명의 최적 실시예에 의하면, 1kwh 전기가 들어가서 대부분 860kcal 열로 바뀌는 것은 분명하며, 이러한 현상은 종래의 시스템으로는 어렵다. 특히, 처음에는 종래기술과 차이가 적더라도, 사용하다 보면 종래 기술에 따른 2차 가열 방법은, 경계면에 분명히 이물질이 끼기 때문에, 본 발명의 방식과 차이가 더욱 크게 벌어지게 된다. 자세히 설명하면 유체가 관속을 흐르면 벽 근처에는 벽의 영향을 받아 비교적 혼합이 적은 경계층이 생기고 더 안쪽에는 속도가 0m/s에 가깝게 되는 층이 생기게 되는데 이를 유체경막(fluid film)이라고 한다. 일반적으로 경막은 얇은 막이지만 이 부분은 큰 열 저항을 나타낸다.

또한, 본 발명의 보일러는, 물속에 누설 전압의 측정이 안 되므로, 안전상 종래기술보다 더 바람직하다고 판단된다. 뿐만 아니라 어느 순간 예기치 않은 사정으로 인하여 물이 바닥이 되었을 때는, 측정결과 전원이 자동으로 차단되었다. 그 이유는, 물이 없으면 1차 전극봉과 2차 전극봉 사이에 단선을 일으키고, 결국 전원이 차단되기 때문이며, 더 확실하게 하기 위해서는, 물속에 센서를 두어 물이 어느 일정 수위 이하면 전원차단을 행하도록 하고, 또한 파이프 접지를 행하여 안전성을 더욱 높일 수 있다.

그리고 전극봉이 물의 순환을 막는 현상도 나타나지 않았다. 왜냐하면 가열된 물은 아래쪽에서 위쪽으로 올라가기에 제2 전극봉에서 제1 전극봉으로 물을 밀어주는 대류현상이 발생하여 순환펌프가 부담을 느끼지 않는다. 실제에서도 빠르게 순환했으며 골고루 액셀 파이프에 열이 발생하였다.

따라서, 본 발명에 의하면 전기가 열로 변환율이 99% 이상을 유지할 수 있고, 급속가열도 더욱 용이한 것으로 나타났다.

부가적으로 전술하였듯이, 본 발명에서는, i) 고주파 유도코일(4)의 유도가열방식과, ii) 전극봉(5, 6) 간의 물의 전기 저항을 이용하여 물을 직접 가열하는 전기저항 발열방식이 동시에 사용되는바, 주파수를 낮게 할수록 후자의 영향이 커지고, 주파수를 높게 할수록 전자의 역할이 커지게 된다.

전자의 방식의 문제점은 자기 유도 과정에서 누설 전류가 발생하고 실제로 고주파로 변환되지 않는 무효(저주파)전력이 발생한다는 단점이 있으며, 후자의 방식의 문제점은 양 전극과 어느 정도의 전해질을 갖는 도전체로서의 물이 전기분해 기작과 동일하여 전극봉의 산화가 빨라지며 시간이 지남에 따라 전극봉이 닳아 없어지게 된다는 점과 이러한 전해질은 이상 과열 현상을 일으킨다는 점이다.

이러한 상호 상충되는 문제점을 최소화하려면, 상황에 따라 조금씩 달라지나, 최소한 60Hz에서 250kHz 사이가 유지되어야 하며, 바람직하게는 8kHz에서 15kHz 사이가 좋다. 주파수가 너무 낮으면 이온가열 보일러 방식에 가까워져서, 고주파 유도가열 방식의 장점을 살리지 못하게 되며, 반대로 주파수가 너무 높으면 고주파를 만들기 위한 가격이 너무 높아져서 경제성의 문제가 생기게 된다.

다만, 물속은 일단 전기가 통하기 시작하면 이온화가 시작되며, 그리하여 이온화가 된 물속에는 자기장이 가해지면 자기장에 의해서도 전리가 나타난다. 그리하여 물속에 자기장으로 열을 직접 가하는 방식인 바, 전기저항으로의 발열은 1A 미만으로 (바람직하게는 0.5A 정도로) 적은 전류가 흐르도록 한다면 텅스텐 전극의 경우 그다지 전극 마모는 없다. 아울러, 변압기 출력측은 4800V 정도로 출력되도록 하는 것이 좋고 (즉, 2.4kW의 소비전력), 유도 코일(4)의 경우, 일만 턴 이상 감기어 고전압이 유도되면 유도 발열이 더 쉽고, 유도 발열이 직접 물속에 투입되어, 도 1 및 도 2의 종래기술의 단순한 고주파 유도 철 파이프보다 물을 빨리 가열시킨다.

그리고, 본 발명의 가장 바람직한 실시예에서는, 자기장이 다른 곳으로 달아나지 않도록 절연 고온 고압 튜브 안쪽 물속에 강자성체인 철(Fe) 봉을 넣어두었는바, 철봉은 변압기 철심과 비슷한 원리로 코일에 1차 전력을 물속에 2차 전력으로 유도하며 이때 코일의 시작을 전극봉의 시작과 순서와 방향을 맞추어야 한다. 다시 말해서 코일의 시작이 제1 전극봉 쪽에서 시작되어야 한다. 즉, 유도코일(4)에 의해 형성되는 자속(φ)이 제1 전극봉(5)에서 제2 전극봉(6) 방향으로 (도 6에서 좌측 방향으로) 향하도록 하여야 한다. 전극봉은 철, 코발트, 니켈, 망간, 등을 선택하면 된다.

경우에 따라, 특정 이온수를 원할 때는, 전극봉을 거기에 적합한 특정원소로 해도 좋다. 빠른 속도의 에너지 출력은 자기장을 가하면 전기장과 자기장의 같이 열을 내기 때문에 전기장의 출력이 한계가 있어도 자기장 출력에 한계를 추가하여 급속하게 나올 수 있다. 참고로, 에너지의 급속 출력은 에너지 보존법칙과는 별개이다. 출력(kw)과 에너지(kwh)는 단위가 틀려 빠른 시간에 출력을 내보내는 것은 에너지 보존법칙에도 위배되지 않는다.

이상에서 기술한 바와 같이, 본 발명은, 전기로 물을 빠른 시간 내에 급속 가열하는 보일러를 가능하게 하며, 물속의 다수의 전극봉을 넣어 두어 전기저항으로 발열과 유도코일의 자기유도 가열방식을 이용한 발열을 회로의 직렬연결로 동시에 일러나고 동시에 꺼지게 만든 것이 특징이다.

그리고, 물이 없을 때는 전원 공급이 자동으로 차단이 되어 전력소모가 전혀 발생하지 않은 점, 물 속에 전극봉의 전기저항 가열방식과 유도 자기장에 의한 직접가열로 물의 급속 가열이 된다는 점, 전류가 1A 미만으로 될 경우라면 전극봉의 소모량이 거의 없다는 점, 절연변압기로 구성하는 경우에는 본 발명에서와 같이 순환수에 전류를 흘려 보내도 감전의 위험이 없다는 점, 파이프를 용이하게 접지시킬 수가 있어 안전성을 강화할 수 있다는 점, 자기장이 외부로 나가지 않게 절연 고온 고압 튜브 속에 철봉을 넣어 두고 입/출수관으로 이루어지는 쇠파이프와 함께 고 투자율의 자속의 폐루프를 형성할 수 있다는 점, 순환 펌프의 순환 동력 외에도 대류현상으로 물을 빠르게 순환시킬 수 있다는 점, 및 두 종류의 전기보일러의 두 가지 장점을 동시에 이용할 수 있다는 점과 같이, 본 발명은 종래의 전기보일러보다 현저한 작용효과를 갖는다.

이상, 본 발명을 최적 실시예를 기준으로 설명하였으나, 이외에도 여러가지 변형이 가능하며, 앞에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

(본 발명)
1 ; 분배기 2 ; 여과기
3 ; 순환펌프 4 ; 코일
4a; 제1 접속단 4b; 제2 접속단
5 ; 제1 전극봉 5a: 세라믹 절연체
6 ; 제2 전극봉 6a: 세라믹 절연체
7 ; 팽창탱크 8 ; 절연 튜브
9 ; 인입선 10; 절연 변압기
11; 고주파 인가부 12; 전원
13; 전선 통로관 14 : 철봉
15: 연장관 15a: 연장관 밸브소켓
16: 입수관 16a: 입수관 밸브소켓
15c: 제2 부싱 16c: 제1 부싱
17: 출수관 17a: 출수관 밸브소켓
17c: 팽창탱크 연결부싱
100: 고주파유도가열부
(종래기술)
10: 고주파전류발생 유닛 20: 가열통
21: 물가열공간부 22: 물배출구
23: 물유입구 30: 고주파유도코일
40: 물배출라인 50: 물공급라인
60: 밀폐판

Claims

전기보일러 가열부 장치에 있어서,
상기 전기보일러 가열부 장치 내에서 순환되는 물 속에 전기를 통전시켜 주는 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6);
순환되는 물 속에 고주파 자기 유도를 발생시키는 코일(4);
상기 순환되는 물이 내부로 통수되면서 상기 코일(4)에 의해 자기 유도된 고주파 전류가 물 속에 직접 들어올 수 있게 해주는 튜브(8);
상기 제1 전극봉과 제2 전극봉에 전기를 인가하여 주는 인입선(9);
상기 제1 전극봉(5), 코일(4) 및 제2 전극봉(6)에 전압을 공급해 주는 변압기(10); 및
상기 변압기(10)에 고주파 전압을 인가하여 주는 고주파인가부(11);
를 포함하며,
상기 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6)에 의한 전기 저항 가열 방식의 제1 발열회로와 상기 코일(4)에 의한 자기유도 가열 방식의 제2 발열회로를 직렬로 연결하며,
상기 튜브(8)와 통수되는 입수관(16)의 말단에 입수관 밸브소켓(16a)이 형성되어, 상기 입수관 밸브소켓에서 상기 입수관과 상기 튜브(8)의 일단이 연결되며, 상기 튜브(8)의 타단은 궁극적으로는 출수관 밸브소켓(17a)을 통해 출수관(17)에 통수가능하도록 연결되고, 상기 입수관 연결측인 상기 튜브의 일단에 제2 전극봉(6)이 내재하도록 이루어지며, 상기 출수관 연결측인 상기 튜브의 타단에 제1 전극봉(5)이 내재하도록 이루어지며,
상기 변압기(10)의 출력단의 일측이 상기 코일(4)의 제1 접속단에 연결되며, 상기 변압기(10)의 출력단의 타측은 상기 코일(4)의 제2 접속단이 아닌 상기 제2 전극봉(6)에 접속되며, 상기 코일(4)의 제2 접속단은 상기 제1 전극봉(5)에 접속되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기보일러 가열부 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6) 중의 어느 하나의 전극봉에 전기를 공급해주지만 관 속이 막혀 있는 전선 통로관(13); 및
상기 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6) 중의 어느 하나의 전극봉과 상기 전선 통로관(13) 내부를 통해 전기 공급로가 확보되면서 상기 전기보일러 가열부 장치 외부로 연결되어 있는 인입선(9);
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기보일러 가열부 장치.
전기보일러 가열부 장치에 있어서,
상기 전기보일러 가열부 장치 내에서 순환되는 물 속에 전기를 통전시켜 주는 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6);
순환되는 물 속에 고주파 자기 유도를 발생시키는 코일(4);
상기 순환되는 물이 내부로 통수되면서 상기 코일(4)에 의해 자기 유도된 고주파 전류가 물 속에 직접 들어올 수 있게 해주는 튜브(8);
상기 제1 전극봉과 제2 전극봉에 전기를 인가하여 주는 인입선(9);
상기 제1 전극봉(5), 코일(4) 및 제2 전극봉(6)에 전압을 공급해 주는 변압기(10); 및
상기 변압기(10)에 고주파 전압을 인가하여 주는 고주파인가부(11);
를 포함하며,
상기 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6)에 의한 전기 저항 가열 방식의 제1 발열회로와 상기 코일(4)에 의한 자기유도 가열 방식의 제2 발열회로를 직렬로 연결하며,
상기 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6) 중의 어느 하나의 전극봉에 전기를 공급해주지만 관 속이 막혀 있는 전선 통로관(13); 및
상기 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6) 중의 어느 하나의 전극봉과 상기 전선 통로관(13) 내부를 통해 전기 공급로가 확보되면서 상기 전기보일러 가열부 장치 외부로 연결되어 있는 인입선(9);
을 더 포함하며,
상기 전선 통로관(13)의 외부는 투자율이 높은 금속성의 실린더이고, 그 내부에 상기 실린더와 절연이 유지되는 전극 통로인 전선을 통과하도록 하며,
상기 코일(4)의 내부를 통과하는 튜브(8)의 내부에 튜브를 따라 적당한 두께의 철봉(14)을 삽입하여 두도록 하며,
상기 철봉(14)의 양 단부는 각각 출수관(17) 및 입수관(16) 가까이 위치하도록 하나, 상기 제1 전극봉(5) 및 제2 전극봉(6)과 전기적으로 접촉하지는 않도록 하며,
상기 철봉(14), 상기 전선 통로관(13), 및 상기 튜브(8)에 물을 공급하거나 상기 튜브로부터의 물을 외부로 배출하는 출수관과 입수관 또는 그들의 연장관의 금속 파이프가 폐루프를 형성하여, 상기 코일(4)에서 발생한 자속이 상기 폐루프의 자속 경로를 따라가므로, 누설 자속을 최소화할 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기보일러 가열부 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 출수관(17)에 보일러 외부로 연장되는 연장관(15)을 더 포함하며,
상기 출수관(17)에 제1 전극봉(5)을 세라믹 절연체(5a)로 지지하도록 하며, 상기 입수관(16)에는 제2 전극봉(6)이 세라믹 절연체(6a)로 지지되도록 하며,
상기 입수관(16)으로부터 입수되어진 물은 튜브(8)를 통해 출수되도록 하여,
상기 입수관, 상기 튜브, 상기 출수관 및 상기 연장관이 'ㅁ'자에 가까운 관로를 형성하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기보일러 가열부 장치.
제1항의 하이브리드 전기보일러 가열부 장치(100);
하이브리드 전기보일러 가열부 장치(100)에 연결되면서 난방을 해야 할 곳에서 물을 모아오거나 그 곳으로 물을 내 보내는 분배기(1); 및
상기 분배기(1)에서 유입되거나 상기 분배기(1)로 유출되는 물의 순환 동력을 주는 순환 펌프(3);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기보일러 장치.
제6항에 있어서,
상기 입수관(16)의 임의의 지점에 또다른 제1 부싱(16c)을 형성하고, 출수관(15)의 임의의 지점에도 또다른 제2 부싱(15c)을 형성한 후, 상기 제1 부싱(16c)과 상기 제2 부싱(15c) 사이를 전선 통로관(13)으로 연결하여, 상기 제2 전극봉(6)이 상기 전선 통로관(13) 내부를 통하고 다시 팽창 탱크(7)를 통해 외부의 인입선(9)에 연결되고 결국 변압기(10) 출력측의 일단에 접속되어 지도록 하며, 상기 변압기의 출력측의 타단은 상기 코일(4)의 제1 접속단(4a)으로 접속되며, 상기 제1 전극봉(5) 역시, 출수관 밸브소켓(17a)을 통하고 상기 팽창 탱크(7)를 통해 외부의 인입선(9)에 연결되고 결국 코일(4)의 제2 접속단(4b)으로 접속되어 지도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기보일러 장치.