KR102308796B1 - 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치 - Google Patents

히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치에 관한 것으로서, 특히 입력부하를 최소화하고 발생된 열을 온수탱크의 온수에 효과적으로 전달시킬 수 있는 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치에 관한 것으로서, 온수가 저장되는 온수탱크와; 외주면에 N극과 S극을 갖는 자석이 교대로 등간격으로 배치되는 회전디스크와, 상기 회전디스크를 회전시키는 구동모터와, 일측부가 상기 회전디스크의 외주연으로부터 일정거리 이격된 상태로 감겨지고 타측부가 상기 온수탱크 내에 배치되는 히트파이프를 포함하는 유도가열부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치{Heat Generating device by centtrfugal carbon magnetic force using heat pipe}
본 발명은 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치에 관한 것으로서, 특히 입력부하를 최소화하고 발생된 열을 온수탱크의 온수에 효과적으로 전달시킬 수 있는 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 보일러는 석유, 가스 등의 연료 또는 전기를 에너지원으로 열에너지를 발생하고, 발생된 열에너지로 물을 가열하여 난방수 또는 온수를 생성하는 장치로써, 물을 가열하는 방식에 따라 저탕식 또는 급탕식의 보일러로 구분되고, 이 중 저탕식 보일러는 버너에 의해 가열되는 난방수와 온수가 구별되어 있으며, 급수관을 통해 유입된 급수가 온수탱크 내에 설치된 열교환코일에 의해 항상 적정 고온으로 가열되므로 사용자가 온수를 바로 사용할 수 있다는 장점이 있고, 온수의 단속적인 사용에도 온수가 적정 고온으로 보관되어 있으므로 바로 사용자가 온수를 사용할 수 있는 장점이 있다.
여기서, 전기보일러는 대부분 심야의 값싼 전기를 이용한 축열 방식이 주류를 이루었으나, 최근에는 환형 코일에 전류를 인가하고 이 코일에 의해 금속 재질의 코어를 유도 가열하여 난방수를 가열하는 방식의 전기보일러가 개발되고 있다.
하지만, 전술한 종래 기술에 따른 유도 가열을 이용한 전기보일러는 유도 가열 코일에 인가되는 전류에 따른 에너지 소비가 매우 높을 뿐만 아니라, 제작 및 설치 비용이 상당하여 사용자의 비용 소모로 인한 경제적 부담이 되는 문제점이 있다.
한편, 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.
와전류를 이용한 유도 가열에 의한 가열 방식은 특허문헌 0001(KR10-2013-0000270A)과 같이 "입력 부하를 최소화하는 와전류 유도 발열부를 이용한 냉난방시스템"을 통해 개시된 바 있다.
그리고, 일반적으로 보일러는 석유, 가스 등의 연료 또는 전기를 에너지원으로 열에너지를 발생하고, 발생된 열에너지로 물을 가열하여 난방수 또는 온수를 생성하는 장치로써, 물을 가열하는 방식에 따라 저탕식 또는 급탕식의 보일러로 구분되고, 이 중 저탕식 보일러는 버너에 의해 가열되는 난방수와 온수가 구별되어 있으며, 급수관을 통해 유입된 급수가 온수탱크 내에 설치된 열교환코일에 의해 항상 적정고온으로 가열되므로 사용자가 온수를 바로 사용할 수 있다는 장점이 있고, 온수의 단속적인 사용에도 온수가 적정고온으로 보관되어 있으므로 바로 사용자가 온수를 사용할 수 있는 장점이 있다.
한편, 전기보일러는 대부분 심야의 값싼 전기를 이용한 축열 방식이 주류를 이루었으나, 최근에는 환형 코일에 전류를 인가하고 이 코일에 의해 금속재질의 코어를 유도가열하여 난방수를 가열하는 방식의 전기보일러가 개발되고 있다.
상기한 바와 같은 유도가열을 이용한 전기보일러는 하부에 냉수 유입관과 상부에 온수 유출관을 구비한 보일러 탱크의 외부에 고주파 유도가열코일을 나선상으로 감은 내통을 결합시킨 다음, 외면과 상하면을 세라믹등과 같은 절연재로 밀폐되게 도포하여 형성된 것이다.
하지만, 전술한 종래기술에 따른 유도가열을 이용한 전기보일러는 유도가열코일에 인가되는 전류에 따른 에너지 소비가 매우 높을 뿐만 아니라, 제작 및 설치 비용이 상당하여 사용자의 비용소모로 인한 경제적 부담이 되는 문제점이 있다.
KR10-2013-0000270A (2013.01.02)
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 입력부하를 최소화하고 발생된 열을 온수탱크의 온수에 효과적으로 전달시킬 수 있는 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
온수가 저장되는 온수탱크와;
외주면에 N극과 S극을 갖는 자석이 교대로 등간격으로 배치되는 회전디스크와, 상기 회전디스크를 회전시키는 구동모터와, 일측부가 상기 회전디스크의 외주연으로부터 일정거리 이격된 상태로 감겨지고 타측부가 상기 온수탱크 내에 배치되는 히트파이프를 포함하는 유도가열부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치를 제공한다.
그리고 상기 히트파이프는 일측부가 상기 회전디스크의 외주연에 시계방향으로 감겨진 제1히트파이프와, 일단부가 상기 제1히트파이프의 일단부에 대향된 상태에서 일측부가 상기 회전디스크의 외주연에 반시계방향으로 감겨진 제2히트파이프로 이루어지는 것이 좋다.
특히, 상기 히트파이프는 알루미늄 또는 스테인리스 재질로 이루어지고, 외주면에 구리코팅층이 형성되는 것이 바람직하다. 상기 구리코팅층은 5~10㎛의 두께로 형성되는 것이 좋다.
상기 회전디스크는 탄소재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치에는 유도가열된 작동매체를 이용하여 온수탱크의 온수를 가열하는 히트파이프가 포함된 유도가열부가 구비됨으로서, 입력부하를 최소화하고 발생된 열을 온수탱크의 온수에 효과적으로 전달시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치를 개략적으로 나타내는 일부절개측면도이고,
도 2는 히트파이프를 통해 온수탱크의 온수로 열이 전달되는 과정을 개략적으로 나타내는 일부절개측면도이고,
도 3은 히트파이프의 단면상태를 개략적으로 나타내는 일부확대단면도이고,
도 4는 히트파이프의 외주면에 구리코팅층이 형성된 상태를 개략적으로 나타내는 일부확대단면도이고,
도 5 및 도 6은 제 1히트파이프와 제 2히트파이프로 이루어지는 히트파이프를 개략적으로 나타내는 일부절개측면도이고,
도 7은 제 1히트파이프와 제 2히트파이프로 이루어지는 히트파이프를 개략적으로 나타내는 사시도이고,
도 8은 제 1, 2히트파이프를 통해 온수탱크의 온수로 열이 전달되는 과정을 개략적으로 나타내는 일부절개측면도이고,
도 9는 복수의 회전디스크에 각각 히트파이프가 감겨진 상태를 개략적으로 나타내는 일부절개평면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 물론 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진자에 의하여 다양하게 변형 실시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치를 개략적으로 나타내는 일부절개측면도이다.
본 발명의 일실시예인 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치는 도 1에서 보는 바와 같이 크게, 온수탱크(10)와 유도가열부(도 9의 20)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 상기 온수탱크(10)의 내부에는 온수(5)가 일정높이로 저장된다.
다음으로, 상기 유도가열부(20)는 크게, 회전디스크(도 9의 210), 구동모터(도 9의 220) 및 히트파이프(도 1 및 도 9의 230)로 구성될 수 있다.
상기 회전디스크(210)의 외주면에는 N극과 S극을 갖는 자석(211)이 교대로 등간격으로 배치된다.
상기 구동모터(220)의 구동축(221)에 상기 회전디스크(210)가 결합된다.
상기 구동모터(220)는 상기 회전디스크(210)를 회전시킨다.
상기 히트파이프(230)의 일측부는 상기 회전디스크(210)의 외주연으로부터 일정거리 이격된 상태로 시계방향으로 감겨질 수 있다.
상기 히트파이프(230)의 타측부는 상기 온수탱크(10)의 일측부를 수밀하게 관통하여 상기 온수탱크(10)의 내부로 일정깊이로 인입된 상태로 상기 온수탱크(10)의 내부에 배치된다.
도 2는 히트파이프를 통해 온수탱크의 온수로 열이 전달되는 과정을 개략적으로 나타내는 일부절개측면도이다.
상기 구동모터(220)에 의해 상기 회전디스크(210)가 회전함에 따라 발생되는 와전류에 의해 상기 히트파이프(230)의 내부를 흐르는 작동유체가 유도가열될 수 있다.
상기 히트파이프(230)의 일측부의 내부에서 유도가열되어 증발될 작동유체는 도 2에서 보는 바와 같이 상기 히트파이프(230)의 타측부방향으로 이동(도 2의 실선화살표 참조.)되어 상기 온수탱크(10)의 온수(5)와 열교환되면서 상기 온수탱크(10)의 온수(5)를 가열할 수 있다.
상기 히트파이프(230)의 타측부로 이동된 증발된 작동유체는 상기 온수탱크(10)의 온수(5)와 열교환되면서 응축되어 상기 히트파이프(230)의 일측부로 이동(도 2의 점선화살표 참조.)될 수 있다.
도 3은 히트파이프의 단면상태를 개략적으로 나타내는 일부확대단면도이다.
도 3에서 보는 바와 같이 상기 히트파이프(230)의 내주면에는 금망, 발포제, 펠트(felt), 섬유, 소결금속 등 다양한 종류의 다공성 물질로 이루어질 수 있는 위크(wick, 231)가 구비될 수 있다.
이와 같은 위크(231)는 모세관(毛細管)작용에 의해 응축상태인 작동유체를 증발상태로 되돌리는 것으로서, 이는 공지된 사항이므로, 이하, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
도 4는 히트파이프의 외주면에 구리코팅층이 형성된 상태를 개략적으로 나타내는 일부확대단면도이다.
다음으로, 상기 히트파이프(230)는 다양한 재질로 이루어질 수 있겠으나, 상기 히트파이프(230)의 유도가열효율이 향상될 수 있도록 하기 위해, 특히, 도전율이 3.82(107s/m)이고, 저항율이 2.62(10- 8Ω·m)로 높은 알루미늄(AL) 재질로 이루어지거나 도전율이 0.14(107s/m)이고, 저항율이 71.43(10-8Ω·m)로 높은 스테인레스강(SUS)재질로 이루어지는 것이 좋다.
특히, 상기 히트파이프(230)의 유도가열효율을 더욱 향상시키면서 상기 구동모터(220)의 부하를 감소시켜 상기 구동모터(220)의 소비전력을 감소시키기 위해, 알루미늄(AL) 재질 또는 스테인레스강(SUS) 재질로 이루어질 수 있는 상기 히트파이프(230)의 외주면에는 도 4에서 보는 바와 같이 구리코팅층(232)이 형성되는 것이 좋다.
여기서, 상기 히트파이프(230)의 유도가열효율을 더더욱 향상시키면서 상기 구동모터(220)의 부하 및 소비전력을 더욱 감소시키기 위해, 상기 구리코팅층(232)의 상하두께(T)는 5㎛ ~ 10㎛인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 회전디스크(210)는 다양한 재질로 이루어질 수 있겠으나, 바람직하게는 상기 회전디스크(210)의 경량화와 상기 구동모터(220)의 부하 및 소비전력감소효율을 더욱 향상시키기 위해 상기 회전디스크(210)는 탄소재질로 이루어지는 것이 좋다.
다음으로, 상기 온수탱크(10)의 외부로 일정길이로 노출 및 상기 회전디스크(210)의 외주연에 감겨지지 않은 상기 히트파이프(230)의 타측부 내부의 작동유체가 상기 히트파이프(230)의 외부와 열교환되어 열손실현상이 발생되는 것을 방지하기 위해, 도 1에서 보는 바와 같이 상기 온수탱크(10)의 외부로 일정길이로 노출 및 상기 회전디스크(210)의 외주연에 감겨지지 않은 상기 히트파이프(230)의 타측부 외주면에 스티로폼 등 다양한 종류로 이루어질 수 있는 단열층(233)이 형성되는 것이 좋다.
상기 단열층(233)과 상기 히트파이프(230) 외주면 사이에 상기 구리코팅층(232)이 형성될 수 있음은 물론이다.
도 5 및 도 6은 제 1히트파이프와 제 2히트파이프로 이루어지는 히트파이프를 개략적으로 나타내는 일부절개측면도이고, 도 7은 제 1히트파이프와 제 2히트파이프로 이루어지는 히트파이프를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
다음으로, 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이 상기 회전디스크(210)에 1개의 상기 히트파이프(230)의 일측부가 감겨질 수 있겠으나, 상기 온수탱크(10)의 온수(5)를 보다 짧은 시간내에 높은 효율로 가열할 수 있도록 하기 위해, 도 5 내지 도 7에서 보는 바와 같이 상기 히트파이프(230)는 2개로 이루어질 수 있다.
2개의 상기 히트파이프(230)는 도 5 내지 도 7에서 보는 바와 같이 크게, 제 1히트파이프(231)와 제 2히트파이프(232)로 이루어질 수 있다.
상기 제 1히트파이프(231)의 일측부는 상기 회전디스크(210)의 외주연으로부터 일정간격으로 이격된 상태로 상기 회전디스크(210)의 외주연에 시계방향으로 감겨질 수 있다.
상기 제 2히트파이프(232)의 일측부는 상기 회전디스크(210)의 외주연으로부터 일정간격으로 이격된 상태로 상기 회전디스크(210)의 외주연에 반시계방향으로 감겨질 수 있다.
도 5에서 보는 바와 같이 상기 제 1, 2히트파이프(231, 232)가 서로 연통되도록 상기 제 1히트파이프(231)의 일단부에 상기 제 2히트파이프(232)의 일단부가 수밀하게 연결고정될 수 있겠으나, 이 경우, 상기 제 1히트파이프(231)의 작동유체 및 상기 제 2히트파이프(232)의 작동유체가 각각 상기 제 1, 2히트파이프(231, 232) 모두를 경유한 상태로 상기 온수탱크(10)로 이동되므로, 이동거리가 길어지게 되어 상기 온수탱크(10)의 가열효율이 저하되는 문제점이 있게 된다.
도 8은 제 1, 2히트파이프를 통해 온수탱크의 온수로 열이 전달되는 과정을 개략적으로 나타내는 일부절개측면도이다.
이에, 도 8에서 보는 바와 같이 상기 제 1히트파이프(231)의 작동유체가 상기 제 1히트파이프(231)를 따라 짧은 거리로 상기 온수탱크(10)로 이동 및 상기 제 2히트파이프(232)의 작동유체가 상기 제 2히트파이프(232)를 따라 짧은 거리로 상기 온수탱크(10)로 이동되어 상기 온수탱크(10)의 가열효율이 향상될 수 있도록 하기 위해, 도 6 내지 도 8에서 보는 바와 같이 상기 제 1히트파이프(231)의 일단부와 상기 제 2히트파이프(232)의 일단부가 연결되지 않고 상기 제 2히트파이프(232)의 일단부가 상기 제 1히트파이프(231)의 일단부에 대향된 상태로 상기 제 2히트파이프(232)의 일측부가 상기 회전디스크(210)의 외주연에 반시계방향으로 감겨지는 것이 좋다.
도 9는 복수의 회전디스크에 각각 히트파이프가 감겨진 상태를 개략적으로 나타내는 일부절개평면도이다.
다음으로, 상기 온수탱크(10)의 온수(5)를 보다 더욱 짧은 시간내에 더욱 높은 효율로 가열할 수 있도록 하기 위해, 도 9에서 보는 바와 같이 복수의 상기 회전디스크(210)의 외주연에 복수의 상기 히트파이프(230)의 일측부가 각각 감겨지는 것이 좋다.
복수의 상기 회전디스크(210)는 상기 구동모터(220)의 구동축(221)에 상기 구동축(221)의 전측에서 후측방향으로 일정간격으로 결합될 수 있다.
복수의 상기 히트파이프(230)의 타측부는 각각 상기 온수탱크(10)의 전측에서 후측방향으로 일정간격을 유지한 상태로 상기 온수탱크(10)의 일측부를 수밀하게 관통하여 상기 온수탱크(10)의 내부로 일정깊이로 인입된 상태로 상기 온수탱크(10)의 내부에 배치될 수 있다.
복수의 상기 히트파이프(230)의 일측부 외부방향으로의 열손실을 방지하기 위해, 도 9에서 보는 바와 같이 복수의 상기 회전디스크(210)와 상기 히트파이프(230)의 일측부가 수용되는 스티로폼 등 다양한 종류로 이루어질 수 있는 단열케이스(30)가 구비되는 것이 더욱 좋다.
상기 구동모터(220)의 구동축(221)은 상기 단열케이스(30)의 전측부의 반대측인 후측부를 관통하여 상기 단열케이스(30)의 내부로 일정길이로 인입되어 복수의 상기 회전디스크(210)와 결합될 수 있다.
상기 히트파이프(230)의 타측부는 상기 단열케이스(30)의 일측부의 반대측인 타측부와 상기 온수탱크(10)의 일측부를 순차적으로 관통할 수 있다.
상기 온수탱크(10)의 일측부와 상기 단열케이스(30)의 타측부 사이의 상기 히트파이프(230)의 타측부 내부의 작동유체가 상기 히트파이프(230)의 외부와 열교환되어 열손실현상이 발생되는 것을 방지하기 위해, 상기 온수탱크(10)의 일측부와 상기 단열케이스(30)의 타측부 사이의 상기 히트파이프(230)의 타측부 외주면에 상기 단열층(233)이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명에는 유도가열된 작동매체를 이용하여 상기 온수탱크(10)의 온수(5)를 가열하는 상기 히트파이프(230)가 포함된 상기 유도가열부(20)가 구비됨으로서, 입력부하를 최소화하고 발생된 열을 상기 온수탱크(10)의 온수(5)에 효과적으로 전달시킬 수 있는 이점이 있다.
10; 온수탱크, 20; 유도가열부.

Claims (5)

  1. 온수가 저장되는 온수탱크와;
    외주면에 N극과 S극을 갖는 자석이 교대로 등간격으로 배치되는 회전디스크와, 상기 회전디스크를 회전시키는 구동모터와, 일측부가 상기 회전디스크의 외주연으로부터 일정거리 이격된 상태로 감겨지고 타측부가 상기 온수탱크 내에 배치되는 히트파이프를 포함하는 유도가열부;를 포함하여 이루어지고,
    상기 히트파이프는 일측부가 상기 회전디스크의 외주연에 시계방향으로 감겨진 제1히트파이프와, 상기 제1히트파이프의 일단부와 연결되지 않고 일단부가 상기 제1히트파이프의 일단부에 대향된 상태에서 일측부가 상기 회전디스크의 외주연에 반시계방향으로 감겨진 제2히트파이프로 이루어지며,
    상기 제1히트파이프의 작동유체가 상기 제1히트파이프를 따라 짧은 거리로 상기 온수탱크로 이동 및 상기 제2히트파이프의 작동유체가 상기 제2히트파이프를 따라 짧은 거리로 상기 온수탱크로 이동되어 상기 온수탱크의 가열효율이 향상될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 히트파이프의 유도가열효율이 향상될 수 있도록 하기 위해 상기 히트파이프는 도전율이 3.82(107s/m)이고, 저항율이 2.62(10-8Ω·m)인 알루미늄 또는 도전율이 0.14(107s/m)이고, 저항율이 71.43(10-8Ω·m)인 스테인리스 재질로 이루어지고,
    상기 히트파이프의 유도가열효율을 향상 및 상기 구동모터의 부하를 감소시켜 상기 구동모터의 소비전력을 감소시키기 위해 상기 히트파이프의 외주면에 구리코팅층이 5~10㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치.

  3. 제 1항에 있어서,
    상기 회전디스크의 경량화와 상기 구동모터의 부하 및 소비전력감소효율을 향상시키기 위해 상기 회전디스크는 탄소재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 온수탱크의 외부로 일정길이로 노출 및 상기 회전디스크의 외주연에 감겨지지 않은 상기 히트파이프의 타측부 내부의 작동유체가 상기 히트파이프의 외부와 열교환되어 열손실현상이 발생되는 것을 방지하기 위해, 상기 온수탱크의 외부로 일정길이로 노출 및 상기 회전디스크의 외주연에 감겨지지 않은 상기 히트파이프의 타측부 외주면에 단열층이 형성되고,
    상기 단열층과 상기 히트파이프의 외주면 사이에 구리코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 히트파이프의 외부방향으로의 열손실을 방지하기 위해 상기 회전디스크와 상기 히트파이프의 일측부가 수용되는 단열케이스가 구비되는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 원심탄소자력 열발생장치.
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