KR101709805B1 - 유체 가열 방법 - Google Patents

Abstract

저전압으로 비절연된 가열 요소에 의해 유체를 가열하는 개선된 방법이 개시되어 있다.

Description

유체 가열 방법{IMPROVED METHODS OF HEATING FLUIDS}

본 발명은 물 또는 공기 등의 유체를 가열하는 개선된 방법에 관한 것이다.

소비자들은 우리의 환경을 보호하는 것을 항상 알고 있다. 정부와 민간 산업은 소비자 요구와 관심사를 충족시키는 보다 우수한 제품을 제공하려고 하고 있다. 이 환경 논쟁에서 에너지 소비는 현저한 초점들 중 하나이고, 그러한 에너지 소비를 절감하는 다양한 계획과 제품이 제안되었다. 에너지 소비를 절감하는 방법들 중 하나는 특히 가정용, 산업용, 농업용 및 공업용 용례에 사용하기 위한 유체를 가열하는 보다 효율적인 방법을 제공하는 것이다.

유체 가열 방법은 통상적으로 절연된 장치 내에 매립되고 복사, 대류 또는 전도를 비롯한 다양한 방법에 의해 열을 출력면에 전달하는 가열 요소를 포함한다. 그러한 장치 내의 가열 요소는 통상적으로 니켈 및/또는 크롬을 함유하는 합금으로부터 제조된 밴드 또는 와이어 중 어느 하나로서 제조된다. 그러나, 그러한 작동 요소는 사용자에 대한 감전사의 위험 때문에 안전 문제가 생긴다. 이 위험을 극복하기 위하여, 가열 요소는 통상적으로 가열 요소 와이어 둘레의 절연층과 이 절연층 둘레의 보호 덮개를 갖는다. 이들 여분의 층은 가열하는 데에 일정 시간이 들어 효율을 감소시킨다.

따라서, 더 안전하고 보다 효율적인 유체 가열 방법을 제공하는 것이 유리하다. 본 발명의 한가지 실시예는 저전압에서 작동할 수 있는, 비절연(insulated)되었지만 안전한 가열 요소를 제공한다. 전기 충격 위험을 피하기 위하여, 본 발명의 목적을 위한 "저전압"은 (용례에 따라) 1V 내지 42V이고, 이상적으로는 약 24V이다.

본 발명은, a) 적어도 100V의 고전압 전원을 공급하는 것;

b) 상기 고전압을 저전압으로 변압하는 것; 및

c) 상기 저전압으로 요소를 가열함으로써 유체를 가열하는 것

을 포함하는 유체 가열 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 요소는 비절연된다.

바람직하게는, 상기 요소는 절연되거나 부분적으로 절연된다.

바람직하게는, 상기 요소는 니켈과 크롬 합금, 또는 다른 합금들로 형성된다.

바람직하게는, 상기 요소는 실질적으로 80% 니켈과 20% 크롬, 또는 다른 합금들을 포함한다.

바람직하게는, 상기 유체는 액체 또는 가스이다.

바람직하게는, 상기 액체는 물이다.

바람직하게는, 상기 액체는 프로필렌 글리콜이다.

바람직하게는, 상기 가스는 공기이다.

바람직하게는, 상기 요소의 온도는 적어도 400℃로 상승된다.

바람직하게는, 상기 요소의 온도는 400℃ 내지 1700℃로 상승된다.

바람직하게는, 상기 요소의 온도는 700℃ 내지 1700℃로 상승된다.

바람직하게는, 상기 요소의 온도는 1200℃ 내지 1700℃로 상승된다.

바람직하게는, 상기 요소는 와이어의 형태이다.

바람직하게는, 상기 와이어의 직경은 0.2 내지 4 mm이다.

다른 양태에서, 본 발명은 여분의 저전압으로 작동될 수 있는 비절연된 와이어 요소로 이루어지는 온수 시스템을 가열하는 가열 조립체로서, 상기 요소의 온도는 800℃를 초과하는 것인 가열 조립체를 제공한다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 가열 조립체 또는 방법은 해양 선박에 사용된다.

바람직하게는, 상기 가열 조립체는 AC 및 DC를 사용하기 위한 스위치의 선택을 포함한다.

다른 양태에서, 본 발명은, a) 적어도 100V의 고전압 전원을 공급하는 것;

b) 상기 고전압을 저전압으로 변압하는 것; 및

c) 상기 저전압으로 비절연된 요소를 가열함으로써 물을 가열하는 것

을 포함하는 물 가열 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 저전압은 약 22V 내지 28V이다.

본 발명은 유체의 안전하고 효율적인 가열을 위해 42V 미만 및 이상적으로는 대략 24V로 작동될 수 있는 비절연된 가열 요소를 이용한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 회로도를 도시한다.
도 2는 액체 내에 침지되도록 설계된 본 발명에 따른 비절연된 가열 요소를 도시한다.

본 발명의 목적을 위해, 다양한 용어들에 대해 이하의 정의가 적용된다.

"저전압"은 1V 내지 42V, 이상적으로는 약 22V 내지 28V의 범위 내의 전압을 의미하고, 바람직한 전압은 약 24V이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예는 120V 또는 240V 중 어느 하나의 AC 입력부(10)를 허용한다. 이들 AC 전압은 (국가에 따라) 표준적인 전기 콘센트에서는 통상적인 것이다. 별법으로서, 본 발명의 바람직한 실시예는 24V DC 입력부(12), 예컨대 솔라 패널 또는 배터리를 허용한다. 한가지 바람직한 실시예에서, 다수의 전원이 사용될 수 있다. 다수의 전원이 이용 가능하다면, 원격 선택기 스위치(14)는 제어판(16)과 전환(change over) 릴레이(18)를 이용하는 전원 입력 소스들 사이에서 전후로 토글하도록 사용될 수 있다. 본 발명의 범위 내에 있는 기타 입력 소스들은 DC/광발전, 교류 발전기, 풍력 발전기, 열교환 및 기타 전기 전원을 포함한다.

42V보다 높은 AC 전압이 사용되면, 변압기(20)는 전압을 42V보다 작게, 이상적으로는 약 22V 내지 28V의 범위 내에, 바람직한 실시예에서는 대략 24V로 강압시키도록 사용된다. 바람직한 실시예는 도넛형 변압기를 사용하지만, 강압 변압기 및 스위치 모드 전원 등의 대안이 당업자에게 명백할 것이다. 사용된 전기 입력부와 상관없이, 저저압(도 1의 바람직한 실시예에서, 대략 24V)이 비절연된 가열 요소(24)에 공급된다.

본 발명은 가열 요소(24)에 대해 저전압을 사용하기 때문에, 가열 요소는 종래의 보다 높은 전원으로부터 작동하는 것보다 훨씬 안전하다. 더욱이, 전압이 아니라 가열 요소에 도입되는 전류가 비절연된 요소(24)로부터 방출/발생되는 열의 양을 주로 결정하기 때문에, 저전압의 사용이 보다 효율적이다. 시스템에 입력되는 와트수(일정하게 유지됨)를 전압으로 나눈 것이 전류(암페어 단위)를 결정하기 때문에, 예컨대 표준 전기 콘센트로부터의 고전압 입력원을 변압기(20)를 이용하여 강압시키는 것은 전기 효율을 증대시킨다. 이 효율은 저전압 전원의 안전 때문에 비절연된 가열 요소(24)를 사용하는 능력을 증가시키는데, 이는 본 발명의 사용이 또한 전력 소비를 감소시키면서 사용자가 유체를 보다 안전하게 가열할 수 있음을 의미한다.

도 1의 한가지 바람직한 실시예에서, 가열 요소(24)는 니켈 및 크롬 합금 또는 기타 합금을 포함한다. 한가지 실시예에서, 가열 요소는 실질적으로 80% 니켈과 20% 크롬, 또는 기타 합금을 포함한다. 가열 요소는 Incoloy®로서 일반적으로 공지된 약 40% 니켈과 21% 크롬을 포함하는 합금 조성을 비롯하여 당업계에 공지된 기타 금속 조성을 포함할 수 있다. 가열 요소(24)를 위한 여러 조성은 당업자에게 명백하며 본 발명의 범위 내에 있다.

한가지 바람직한 실시예에서, 가열 요소(24)는 비절연된 코일, 와이어 또는 리본의 형태이지만, 재료가 높은 온도를 견딜 수 있는 한, 가열 요소(24)에 대해 많은 다른 형태가 가능하고 본 발명의 범위 내에 있다.

도 1의 한가지 바람직한 실시예에서, 가열 요소(24)의 온도는 적어도 400℃로 상승된다. 용례(및 가열된 유체)에 따라, 가열 요소의 온도는 700℃ 내지 1700℃일 수 있다.

도 1의 바람직한 실시예에 도시된 바와 같이, 유체 탱크(30)는 시장에서 입수 가능한 가정용 탱크의 크기를 비롯하여 임의의 크기를 가질 수 있다. 탱크는 25리터(ℓ) 내지 2000 리터, 통상적으로 25ℓ, 50ℓ, 200ℓ, 250ℓ 및 500ℓ의 용량을 포함한다. 통상적으로, 유체 탱크(30)는 포셀린 에나멜 코팅을 갖는 연강, 플라스틱 또는 스테인레스강으로 제조된다. 그러나, 크롬/티타늄 합금 등의 기타 적절한 재료가 물 탱크를 비롯하여 탱크의 구성에 사용될 수 있다. 유체 탱크(30)의 용량 및 조성에 있어서의 많은 대안이 당업자에게 명백하며 본 발명의 범위 내에 있다.

가열 요소(24)에 의해 가열된 유체는 물을 포함하지만, 글리콜 및 그 유도체(프로필렌 글리콜을 포함함) 등의 기타 유체가 사용될 수 있다. 더욱이, 본 발명이 공기 및 기타 가스 등의 유체에 물론 사용될 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다.

도 1의 한가지 바람직한 실시예에 도시된 바와 같이, 유체 탱크(30)는 가열 요소(24)에 의해 가열된다. 도 1의 한가지 바람직한 실시예에서, 서모스탯 도선(34) 및 제어판(16)과 함께 서모스탯(32)은 탱크(30) 내의 유체의 온도를 조절한다. 서모스탯(32)은 아날로그 또는 디지털 제어부를 이용할 수 있고 프로그램 가능할 수 있다.

도 1의 바람직한 실시예에 도시된 바와 같이, 저온 유체는 개구(26)를 통해 탱크(30) 내로 유입되지만, 고온 유체는 개구(28)를 통해 탱크(30)로부터 제거된다. 유체는 대류를 비롯한 임의의 종래의 수단에 의해 탱크(30) 내외로 이동될 수 있다. 본 발명은 또한 폐쇄식 가열 방법을 포함한다.

바람직한 실시예에서, 가열 요소가 도 2에 도시되어 있다. 단자(1)는 여분의 저전압 전원에 연결되어 가열 요소(4)가 가열되게 한다. 저온 핀(3)은 단자(1)의 가열을 방지한다. 지지 아암(5)은 로드 또는 튜브이고 가열 요소(4)를 지지하는 세라믹 부시(6)를 지지한다. 나사식 보스(2)는 하우징 내에 나사 체결되거나, 플랜지와 같이 당업계에서 이용 가능한 기타 고정 수단을 포함한다.

일례로서, 엔진 냉각 시스템에 대한 열교환 연결을 위한 설비를 갖는 해양 AC/DC 50 리터 온수 시스템에 사용되는 전원을 논의한다.

AC용 원격 선택기 스위치(1) 및 DC용 원격 선택기 스위치(2)는 유효성에 따라 육전(shore power)/직류 발전기 또는 교류 발전기/배터리 시스템을 이용하는지의 여부를 사용자가 선택하게 한다. 전술한 요소는 탱크의 베이스에 설치되고 전력팩을 통해 주 전원 및 배터리 양자에 연결된다. 선택기는 이용 가능할 때에 주 전원/육전을 자동적으로 선택한다. 전원팩에는 천이 전압(정전)으로부터 본 발명을 보호하도록 인쇄 회로 기판이 포함된다. 또한, 조립체는 결함 검출을 위한 LED 지시기 및 청각 알람을 포함한다. 그러나, 이 예는 여분의 저전압 비절연된 요소의 사용 중 하나이다. 전력팩은 임의의 중배수(bilge) 또는 물 출입부로부터 꽤 떨어져 장착되어, 탱크는 안전 문제 없이 침수되더라도 작동될 수 있다. 주 전력이 인가되는 온수 시스템이 침수되면 즉시 물에 전기가 흘러 단락이 발생하여, 적절하게 보호되지 않는다면 수중에 서있는 사람을 심하게 상처입히거나 사망에 이르게 한다.

따라서, 본 발명은 가정용, 공용 및 공업용 용도를 위한 물 시스템을 가열하는 데에 적절하다. 가정용 용도는 개인용 및 공용 숙박 설비의 가정용 물 가열 시스템에서 물을 가열하는 것을 포함한다. 공용 숙박 설비는 모텔과 캠핑장 등의 소형에서 중간 크기까지의 숙박 설비를 포함한다. 공업용 용도는 해양 산업 및 광업 현장에서의 용도를 포함한다. 광업 현장에서, 본 발명에 따른 가열 시스템은 발전기에 대한 부하를 감소시킨다.

본 발명은 또한 기존의 가열 시스템에서 사용하기에 적절할 수 있다. 기존의 가열 시스템은 본 명세서에 설명되는 방법을 이용하여 용이하고 경제적으로 개장될 수 있다. 더욱이, 전원과 가열 요소는 공기를 가열하는 기존의 설비, 온수 시스템, 스파, 풀, 토스터, 헤어드라이어, 오븐 등의 가전 제품에 개장될 수 있다.

본 발명은 또한 공기를 가열하는 데에, 예컨대 의복 드라이어, 오븐, 그릴 및 중앙 난방에서의 공기를 가열하는 데에 사용될 수 있다. 일반적으로, 이들 제품은 공업 용례를 위한 3상 전원을 비롯한 표준 전기 콘센트로부터 높은 전압(국가에 따라 240V/AC 또는 120V/AC)을 이용한다.

다른 실시예에서, 본 발명은 저전압에서 요소를 가열하는 것을 포함하는 유체 가열 방법을 제공한다.

다른 실시예에서, 본 발명은 저전압에서 절연되거나 부분적으로 절연된 요소를 가열하는 것을 포함하는 유체 가열 방법을 제공한다.

다른 실시예에서, 본 발명은 저전압에서 요소를 가열하는 것을 포함하는 물 가열 방법을 제공한다. 가열될 물은 일반적인 온수 시스템 또는 탱크 내에 저장되거나, 즉각적으로 소비자에게 이용될 수 있다.

본 발명은 전원에 비해 낮은 전압을 이용할 수 있게 하여, 효율을 증가시키고 보다 큰 전기 안전을 제공한다.

다른 실시예에서, 본 발명은 저전압에서 절연되거나 부분적으로 절연된 요소를 가열하는 것을 포함하는 물 등의 유체 가열 방법을 제공한다. 따라서, 절연된다라 함은 요소를 완전히 둘러싸는 전기 절연재를 포함한다. 부분적으로 절연되라 함은 요소의 부분, 예컨대 일측면만이 절연되는 것을 포함한다.

본 발명의 다른 양태는 토양 재료를 포함하는 농업 생산물 또는 토양을 함유하는 재료를 가열하는 것에 관한 것이다. 가열은 전술한 본 발명에 따라 토양 내의 습기를 가열함으로써 또는 토양 재료 자체를 가열함으로써 달성될 수 있다.

따라서, 여기에 설명된 본 발명의 실시예는 단순히 본 발명의 원리의 용례를 예시하는 것이다.

Claims (23)

1. 유체 가열 방법으로서,
   a) 적어도 100V의 고전압 전원을 공급하는 것;
   b) 상기 고전압을 저전압으로 변압하는 것; 및
   c) 상기 저전압으로 전기 비절연 가열 요소를 가열함으로써 유체를 가열하는 것
   을 포함하며, 상기 전기 비절연 가열 요소는 80% 니켈과 20% 크롬의 합금으로 형성되며,
   상기 전기 비절연 가열 요소는 요소 본체(4), 여분의 저전압 전원에 연결된 2개의 단자(1), 상기 단자의 가열을 방지하도록 상기 단자(1)에 연결된 2개의 저온 핀(3), 상기 요소 본체(4)를 지지하는 복수의 세라믹 부시(6), 상기 세라믹 부시(6)를 지지하도록 중앙부에 배치된 로드 또는 튜브 형상의 지지 아암(5), 및 상기 지지 아암(5)에 고정되고 상기 단자(1)을 포함한 나사식 보스(2)로 이루어지며,
   상기 저전압은 22V 내지 28V의 범위이고,
   상기 전기 비절연 가열 요소는 단일 방향으로 연장되며, 상기 전기 비절연 가열 요소에 의해 가열하는 유체를 유지하는 탱크 내에 배치된 유일한 전기 비절연 가열 요소이고,
   상기 탱크는 상기 저전압에 연결되는 단 하나의 요소를 포함하는 것인 유체 가열 방법.
2. 유체 가열 방법으로서,
   a) 적어도 100V의 고전압 전원을 공급하는 것;
   b) 상기 고전압을 저전압으로 변압하는 것; 및
   c) 상기 저전압으로 전기 비절연 가열 요소를 가열함으로써 유체를 가열하는 것
   을 포함하며, 상기 전기 비절연 가열 요소는 80% 니켈과 20% 크롬의 합금으로 형성되고, AC 및 DC를 사용하기 위한 스위치의 선택을 포함하며,
   상기 저전압은 22V 내지 28V의 범위이고,
   상기 전기 비절연 가열 요소는 단일 방향으로 연장되며, 상기 전기 비절연 가열 요소에 의해 가열하는 유체를 유지하는 탱크 내에 배치된 유일한 전기 비절연 가열 요소이고,
   상기 탱크는 상기 저전압에 연결되는 단 하나의 요소를 포함하는 것인 유체 가열 방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 요소의 온도는 적어도 400℃로 상승되는 것인 유체 가열 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 요소의 온도는 400℃ 내지 1200℃로 상승되는 것인 유체 가열 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 요소의 온도는 700℃ 내지 1200℃로 상승되는 것인 유체 가열 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 요소는 와이어의 형태인 것인 유체 가열 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 와이어의 직경은 0.2 내지 4 mm인 것인 유체 가열 방법.
11. 여분의 저전압으로 작동될 수 있는 비절연된 와이어 요소로 이루어지는 온수 시스템을 가열하는 가열 조립체로서, 상기 요소의 온도는 800℃를 초과하며, 상기 요소는 80% 니켈과 20% 크롬의 합금으로 형성되며, 상기 요소는 요소 본체(4), 여분의 저전압 전원에 연결된 2개의 단자(1), 상기 단자의 가열을 방지하도록 상기 단자에 연결된 2개의 저온 핀(3), 상기 요소 본체(4)를 지지하는 복수의 세라믹 부시(6), 상기 세라믹 부시(6)를 지지하도록 중앙부에 배치된 로드 또는 튜브 형상의 지지 아암(5), 및 상기 지지 아암(5)에 고정되고 상기 단자(1)을 포함한 나사식 보스(2)로 이루어지고,
    상기 저전압은 22V 내지 28V의 범위이고,
    상기 비절연된 와이어 요소는 단일 방향으로 연장되며, 상기 비절연된 와이어 요소에 의해 가열하는 유체를 유지하는 탱크 내에 배치된 유일한 비절연된 와이어 요소이고,
    상기 탱크는 상기 저전압에 연결되는 단 하나의 요소를 포함하는 것인 가열 조립체.
12. 여분의 저전압으로 작동될 수 있는 비절연된 와이어 요소로 이루어지는 온수 시스템을 가열하는 가열 조립체로서, 상기 요소의 온도는 800℃를 초과하며, 상기 요소는 80% 니켈과 20% 크롬의 합금으로 형성되고 AC 및 DC를 사용하기 위한 스위치의 선택을 포함하며,
    상기 저전압은 22V 내지 28V의 범위이고,
    상기 비절연된 와이어 요소는 단일 방향으로 연장되며, 상기 비절연된 와이어 요소에 의해 가열하는 유체를 유지하는 탱크 내에 배치된 유일한 비절연된 와이어 요소이고,
    상기 탱크는 상기 저전압에 연결되는 단 하나의 요소를 포함하는 것인 가열 조립체.
13. 제1항에 있어서, 상기 유체는 액체 또는 가스인 것인 유체 가열 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 액체는 물인 것인 유체 가열 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 가스는 공기인 것인 유체 가열 방법.
16. 제11항에 있어서, 해양 선박에 사용하기 위한 것인 가열 조립체.
17. 제16항에 있어서, AC 및 DC를 사용하기 위한 스위치의 선택을 포함하는 것인 가열 조립체.
18. 제13항에 있어서, 상기 액체는 프로필렌 글리콜인 것인 유체 가열 방법.
19. 물 가열 방법으로서,
    a) 적어도 100V의 고전압 전원을 공급하는 것;
    b) 상기 고전압을 저전압으로 변압하는 것; 및
    c) 상기 저전압으로 전기 비절연 가열 요소를 가열함으로써 물을 가열하는 것
    을 포함하며, 상기 전기 비절연 가열 요소는 80% 니켈과 20% 크롬의 합금으로 형성되고,
    상기 저전압은 22V 내지 28V의 범위이고,
    상기 전기 비절연 가열 요소는 단일 방향으로 연장되며, 상기 전기 비절연 가열 요소에 의해 가열하는 유체를 유지하는 탱크 내에 배치된 유일한 전기 비절연 가열 요소이고,
    상기 탱크는 상기 저전압에 연결되는 단 하나의 요소를 포함하는 것인 물 가열 방법.
20. 삭제
21. 삭제
22. 제19항에 있어서, 상기 요소의 온도는 적어도 100℃로 상승되는 것인 물 가열 방법.
23. 제1항 또는 제2항에 있어서, 해양 선박에 사용하기 위한 것인 유체 가열 방법.

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