KR102628873B1 - 전기 가열 장치 - Google Patents

Abstract

유체용 전기 가열 장치(1)는 대략 원통형의 벽(6)으로 둘러싸여 있으면서 유체가 공급 커넥터(7)를 통해 들어오고 배출 커넥터(8)를 통해 나가는 가열 챔버(5)를 포함한다. 가열 챔버에는 가열체(10)가 있고 이 가열체는 두 단부가 전기 가열 에너지원에 연결될 수 있는 가열선 권선(12)이 그 내부에 뻗어 있는 재킷 튜브(11)를 포함하며, 이때 그 종축(19)이 가열 챔버의 원통형 벽의 중심 축과 일치하도록 배치된 나선형 권선부(20)를 가진다. 가열 챔버의 모든 체적 부분 영역의 양호한 흐름을 보장하고 가열체에서 유체로의 최적의 열 전달을 얻기 위해 가열 챔버의 원통형 벽에는 축방향으로 뻗어 있으면서 가열 챔버의 내부 공간 쪽으로 오목한 나선형 홈이 형성되어 있고 이 홈은 재킷 튜브의 바로 인접한 권선부와 동일한 피치 및 동일한 권취 방향을 가진다.

Description

전기 가열 장치

본 발명은 청구항 제1항의 상위 개념에 따른 전기 가열 장치에 관한 것이다.

이러한 가열 장치는 선행 기술, 예컨대 DE 10 2017 100 019 A1 또는 US 2012 315 024 A에서 알려져 있다.

이러한 가열 장치의 기본적인 문제는 한편으로는 가능한 가장 작은 구조를 가져야 하며 다른 한편으로는 가열 시 가열 챔버에서 일반적으로 물로 이루어진 유체가 공급 커넥터에서 배출 커넥터까지의 일반적인 유동에 적게 관여하거나 지나치게 높은 유속으로 인해 다른 부분 체적보다 짧은 시간 동안 가열체와 접촉하여 덜 가열되는 체적 영역이 생기는 것을 피하기 위해 전체 가열 챔버의 가능한 한 완전하고 균일한 유동을 달성해야 한다는 데 있다. 가열체의 전체 재킷 튜브와 전체 유체 사이에 가능한 한 양호하고 균일한 열 접촉을 달성하여야 하며 과열되거나 불충분하게 가열된 유체 부분 체적의 형성을 방지하여야 한다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 청구항 제1항에 요약된 특징을 제공한다.

가열 챔버의 원통형 벽 내부에서 이 벽에 걸쳐 헬리컬 및 헬릭스 형태로 뻗어 있고 가열 챔버의 내부 쪽으로 오목하며 가열체의 바로 인접한 권선부와 동일한 피치와 동일한 권취 방향을 가진 홈 및 오목부를 형성하도록 함으로써 권선부의 외부측과 가열 챔버의 내벽 사이에는 공급 커넥터에서 배출 커넥터 방향으로 뻗어 있는 헬리컬 형태의 유동 공간이 생기고 이 공간을 통해 이 공간을 흐르는 유체가 가열 챔버의 세로축을 중심으로 회전하는 균일한 회전 운동을 하게 된다. 이로써 적어도 이 영역에서는 공급 커넥터에서 배출 커넥터로 유체의 감소된 전진 운동만 이루어지는 부분 체적이 발생하지 않게 보장된다.

바람직하게는, 가열 챔버의 벽에 형성된 오목한 홈 및 그에 인접한 권선부는 대략적으로 동일한 축방향 길이를 가지며, 특히 바람직하게는 이 홈 및 권선부가 가열 챔버의 거의 전체 축방향 길이에 걸쳐 뻗어 있어, 일반적인 유동에 균일하지 않게 관여하는 부분 체적이 발생하지 못하도록 한다.

바람직하게는 홈은 나선형으로 뻗어 있는 종방향에 수직으로 가열 챔버의 내부를 향해 열려 있는 피치원 형태의 단면을 갖는다.

특히 바람직한 실시예에 따르면, 가열체는 그 권선부의 직경이 서로 다르고 하나의 권선부가 다른 권선부로 싸여 있는 공간이 동축 방향으로 배치되어 있는 이중 권선 형태를 이룬다. 이러한 형태 덕분에 주어진 가열 챔버 직경에서 훨씬 더 긴 재킷 튜브를 수용할 수 있어 상당히 개선된 열 전달 및 훨씬 더 높은 가열 출력을 달성할 수 있게 된다.

유체가 이중 권선의 가능한 한 큰 표면 주위를 흐르도록 하기 위해, 바람직한 실시예에 따라 두 권선부 각각은 축방향으로 인접한 권선이 서로 접촉하지 않도록 보장하는 피치를 갖는다.

바람직하게는 외부 권선부의 내경이 내부 권선부의 외경보다 훨씬 커서 권선이 반경 방향에서 서로 닿지 않도록 한다.

이렇게 해서 하나의 동일한 권선부의 권선 사이에서뿐만 아니라 서로 다른 권선부에 속하는 권선 사이에서도 가열체와 가열되는 유체 사이의 가능한 한 넓고 균일한 열 접촉이 보장되는 충분히 큰 공간이 생기게 된다.

또한 바람직하게는 가열선 권선의 전원 연결을 위해 바깥쪽으로 이어진 두 연결부가 이중 권선의 동일한 축방향 단부에 배치되고 서로 평행하게 방사 방향으로 안쪽에서 바깥쪽으로 이어지도록 설계된다. 더 바람직하게는 가열되는 유체가 외부에서 새로 유입되기 때문에 가장 낮은 온도를 갖는 가열 챔버 영역에 이중 권선의 이 축방향 단부가 배치된다.

이때 가열 장치의 가열 챔버 외부에 있는 부품, 특히 거기에 있는 전자장치의 과도한 가열을 피하기 위해 가열선 권선을 전기 가열 에너지원에 연결하는 데 사용되는, 가열 챔버에서 바깥쪽으로 이어지는 연결부를 통해 가능한 한 적은 열을 발산하는 것이 중요하다.

바람직하게는 가열선 권선이 가열체의 연결부가 아니라 가열체의 권선부에만 뻗어 있다. 오히려 연결부에서는 가열선 단부를 가열체의 전기 연결부에 연결하는 저저항 연결선만 지나간다. 이로 인해 연결부에서 적극적인 가열이 발생하지 않는다.

이 영역에서 "냉각 구간"이 생성되며, 이를 통해 연결부와 가열 챔버에서 돌출된 연결부 단부가 가능한 한 낮은 온도로 유지되어 소량의 열만 이를 통해 배출되고 따라서 가열 장치의 가열 챔버 외부에 배치된 부품이 가능한 한 적게 가열되게 된다.

바람직하게는 가열체의 두 권선부는 각 권선부의 서로 인접한 권선이 두 권선부의 인접한 권선으로도 서로 접촉하지 않고 전체 가열 챔버에서 가열되는 유체의 양호한 순환과 가열체와 유체의 광범위한 열접촉을 보장하는 충분히 큰 공간이 그 사이에 남아 있도록 권취된다.

연결부를 방사 방향으로 빼내어 연결부의 길이가 가열 장치의 축 방향 길이에 추가되지 않게 된다.

본 발명에 따른 가열 장치의 이러한 실시예와 다른 바람직한 실시예 및 개발은 종속항에 기재되어 있다.

다음에서는 도면에 기초하여 예시적인 실시예를 근거로 본 발명을 설명한다. 그림은 다음을 도시한다.

도 1은 본 발명에 따른 가열 장치의 기본 구성요소의 투시 분해도이다.
도 2는 선 II-II에 의해 정의된 면에서 도 1에 나온 가열 장치의 수직 단면도이다.
도 3은 도 1의 본 발명에 따른 가열 장치의 가열체를 이루는 이중 권선의 방사 방향 평면도이다.

다음에서 “좌측”, “우측”, “상단”, “하단” 등과 같은 표현이 사용될 경우 이는 전적으로 그림의 도시에 관한 것이며 그 어떤 경우에도 가열 장치의 조립과 작동 시 이루어지는 배치 및 사용되는 구성요소의 설치 위치로 제한되지는 아니한다.

도 1 및 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 가열 장치 1은 하우징 하단부 3과 하우징 상단부 4를 포함하는 하우징을 가지며, 이 상하단부는 함께 기본적으로 대략 원형 단면을 갖는 길게 뻗은 원통형 형태를 보이며 가열되는 유체, 예컨대 물이 흐르는 가열 챔버 5를 둘러싸도록 기밀하게 조립될 수 있다. 가열 장치 1의 하우징의 이러한 더블 쉘 구조 덕분에 가열 장치에 필요한 개별 부품의 간단한 조립 및 최소화가 가능하다.

하우징 하단부 3에는 가열 챔버 5의 좌측 축방향 단부 영역에서 가열 히터로 통하는 유체 공급 커넥터 7이 있고 하우징 상단부 4에는 가열 챔버 5의 반대쪽 축방향 단부 영역에 유체 배출 커넥터 8이 배치되어 있다. 이러한 배치 덕분에 가열되는 유체가 가열 챔버 5를 통해 좌측 하단에서 우측 상단으로, 즉 축방향뿐만 아니라 반경 방향과 대각선 방향으로도 최대한 균일하게 흐르고 이때 가열체 10과 긴밀하게 열 접촉하도록 보장된다.

하우징 상단부 3에는 전적으로 가열체 10의 전원 공급에 사용되며 조립된 상태에서 기밀하게 닫혀 있는 두 개구부를 가지고 있거나 그렇지 않으면 상부 측에서 가열 챔버 5를 기밀하게 폐쇄하는 아래쪽으로 오목한 격벽 13이 있다. 이 격벽 13은 또한 가열 챔버 5 위에 위치한 격실 14의 바닥을 이루며, 이 격실은 가열 장치 1의 전력 공급 및 제어에 필요한 도체 트랙과 전기 및 전자 부품(둘 다 도시되지 않음)이 있는 인쇄 회로 기판 15을 수용하는 데 사용된다. 언급된 도체 트랙은 도 1에 도시된 연결 커넥터 17를 통해 외부에서 접근할 수 있으며, 이를 통해 무엇보다도 가열 에너지를 공급하는 전류원(도시되지 않음)에 대한 연결이 이루어진다.

인쇄 회로 기판 15 및 그 위에 위치하는 구성요소를 보호하기 위해 격실 14는 격벽 13에 마주하는 측에서 뚜껑 18로 폐쇄할 수 있다.

실제 가열체 10은 다음에서 구체적으로 설명하는 바와 같이 그 내부에서 원래 알려진 방식으로 가열선으로 권취되어 있으면서 전기 가열 에너지원과 연결될 수 있는 가열선 권선 12가 뻗어 있는 일정한 원형 단면을 갖는 재킷 튜브 11을 포함한다. 재킷 튜브 11의 내벽과 가열선 권선 12 사이에 있는 빈 공간은 열을 잘 전도하지만 전기적으로 절연되는 재료로 채워질 수 있다.

재킷 튜브 11은 본 발명에 따라 하나의 이중 권선을 이룬다. 다시 말해 종축 19를 기준으로 대략 일정한 피치로 원통 나선형으로 권취되고 그 권선이 모두 대략적으로 동일한 내경 및 외경을 가지는 제1 외부 권선부 20과 동일한 종축 19를 기준으로 원통 나선형으로 권취되고 마찬가지로 그 권선이 모두 대략적으로 단일한 내경과 외경을 가지는 제2 내부 권선부 22을 포함한다. 이때 이 두 번째 권선부의 권선 내경이 첫 번째 권선부 20의 권선 내경보다 더 작다.

제2 권선부 22의 권선 내경은 재킷 튜브 11 외경의 3배 내지 6배 범위일 수 있다.

권선 직경의 크기는 제2 권선부 22가 제1 권선부 20에 의해 둘러싸인 체적 내에서 동축으로 뻗어 두 권선부 20, 22의 권선이 접촉하지 않을 뿐만 아니라 제2 권선부 22의 권선의 외부 원통형 엔벨로프 단부와 제1 권선부 20 권선의 내부 원통형 엔벨로프 단부 사이에 반경 방향으로 재킷 튜브 11 직경의 1배부터 2배까지의 내측폭이 있을 수 있도록 선택되었다.

두 권선부 20, 22의 피치는 거의 동일하고 크기는 동일한 권선부 20 및 22의 직접 서로 연속되는 권선 사이에 각각 재킷 튜브 11 직경의 1배 내지 2배의 축방향 거리가 있는 정도이다.

이러한 치수는 가열되는 유체의 막힘없는 흐름과 순환이 가능하고 재킷 튜브 11의 외벽과 유체 사이에 가능한 크고 긴밀한 접촉이 가능한 충분히 큰 공간을 가열체 10의 서로 다른 부분 사이에 형성하는 데 도움이 된다.

이중 권선의 두 축방향 단부 중 하나에서 제1 권선부 20은 회전 또는 권취 방향이 유지되면서 제2 권선부 22로 연속해서 넘어간다. 그러나 제2 권선부 22는 제1 권선부 20과 반대되는 회전 및 권취 방향을 가지는 방법도 생각할 수 있다.

반대쪽 축방향 단부에서 두 권선부 20, 22 각각은 직선 연결부 24 및 25에서 이어진다. 두 연결부 24, 25는 가열 챔버 5와 관련하여 격벽 13에 방사 방향으로 그리고 격벽을 통해 기밀한 방식으로 서로 평행하게 이어지며 각 단부에서 전기 연결부 26 또는 27를 갖는다.

특히 도 1과 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 두 연결부 24, 25는 유체 공급 커넥터 7이 이어지는 가열 챔버 5의 영역, 다시 말해 가장 낮은 온도의 유체가 순환하는 영역에서 뻗어 있다. 그 결과, 연결부 24, 25는 가열체 10의 가장 잘 냉각된 부분이 되어, 인쇄 회로 기판 15 및 그 위에 장착된 전기 및 전자 부품에 가능한 한 적은 열 전달이 이루어지게 된다.

이 효과를 강화하기 위해, 분별이 쉽도록 도 1과 도 2에서 두 단부만 도시한 가열선 권선 12가 권선부 20과 22의 내부를 완전히 지나지만 연결부 24, 25의 내부는 지나지 않고, 이 단부는 가열 챔버 5의 외부에 위치한 전기 연결부 26 및 27에 가열선 권선 12의 단부를 연결하는 데 사용되는 저저항 연결선 28, 29만을 각각 둘러싼다. 따라서, 연결부 24, 25는 가열 챔버 5에 새로 유입되는 유체가 그 주변으로 흘러 냉각되기도 하지만 그 영역에서 능동적으로 가열되지 않는다.

이에 더하여, 가열체 10을 이루는 튜브는 권선부 20, 22에서만 열전도율이 좋은 재료, 특히 금속으로 구성되고, 연결부 24, 25의 저저항 연결선 28, 29를 둘러싸는 재킷 영역은 열전도율이 낮은 재료로 구성된다. 물론, 서로 다른 재료로 구성된 재킷 튜브 11의 이러한 부분들은 유체 기밀하게 서로 연결되어 있다.

특히 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 가열 챔버 5를 둘러싸는 하우징 하단부 3의 벽 부분과 중간 벽 13이 가열 챔버 5 쪽으로 나선형으로 에워싸는 오목한 홈 및 오목부 30을 가지며 가열 챔버 5의 거의 전체 축방향 길이에 걸쳐 뻗어 있다는 것이 특히 중요하다. 이러한 홈 30의 나선형 진행은 홈 30에 바로 인접한 재킷 튜브 11의 제1 권선부 20와 동일한 피치 및 동일한 권취 방향을 갖는다.

바람직하게는 홈 및 오목부 30이 하우징 하단부 3과 중간 벽 13의 내부 쪽으로 홈으로 삽입될 뿐만 아니라 각각의 외부측에서 융기되거나 볼록하게 돌출되는 방식으로 형성된다.

홈 30은 나선형으로 뻗은 종방향의 각 지점에서 이 종방향에 수직으로 가열 챔버 5의 내부를 향해 열려 있는 피치원 형태의 단면을 갖는다.

이때 각 홈 나선의 내측폭은 가열 챔버 5의 내부로 넘어가는 지점에서, 특히 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이 가열 본체 10의 재킷 튜브 11 직경의 약 2배 내지 3배이다.

가열 챔버 5의 원통형 벽의 발명에 따른 이러한 실시예를 통해 제1 권선부 20과 가열 챔버 5의 벽 내부 사이에 대략 일정한 내측폭을 갖는 나선형 유동 공간이 형성되고 이를 통해 공급 커넥터 7을 통해 가열 챔버 5로 유입되는 유체 및 물이 배출 커넥터 8 쪽으로 회전 및 롤링 이동을 해서 가열 챔버 5의 내부 공간의 모든 체적 부분이 완전하고 균일하게 유체로 플러싱되도록 보장된다. 이를 통해 가열체 10으로부터 유체로의 특히 양호하고 균일한 열 전달이 보장된다.

Claims (14)

1. 원통형 벽으로 둘러싸여 있으면서 유체가 공급 커넥터(7)를 통해 들어오고 배출 커넥터(8)를 통해 나가는 가열 챔버(5)가 있으며 두 단부가 전기 가열 에너지원에 연결될 수 있는 가열선(12)가 그 내부에 뻗어 있는 재킷 튜브(11)를 포함한 가열체(10)가 있고 이때 재킷 튜브(11)가 그 종축(19)이 가열 챔버(5)의 원통형 벽의 중심 축과 일치하도록 배치된 나선형 권선부(20)를 가지는 유체용 전기 가열 장치로서
   가열 챔버(5)의 원통형 벽에는 축방향으로 뻗어 있는 헬리컬 홈(30)이 형성되어 있고,
   이 헬리컬 홈(30)은,
   - 가열 챔버(5)의 내부 공간 쪽으로 오목하고,
   - 재킷 튜브(11)의 권선부(20)와 동일한 피치 및 동일한 권취 방향을 가지고,
   상기 헬리컬 홈(30)은 가열 챔버(5)의 내부 공간 쪽을 향해 열려있고,
   재킷 튜브(11)의 권선부(20)의 외부측과 헬리컬 홈(30)의 내부측은 그의 전체 축방향 길이에 걸쳐 서로 떨어져 있어서,
   권선부(20) 외부측과 가열 챔버(5)의 원통형 벽 사이에 나선형 유동 공간이 있는 것을 특징으로 하는 유체용 전기 가열 장치(1).
2. 제1항에 있어서, 재킷 튜브(11)의 권선부(20)과 홈(30)이 동일한 축방향 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 가열 장치(1).
3. 제1항에 있어서, 가열체(10)의 재킷 튜브(11)가 제1 권선부(20)에 동축으로, 이 권선부로 에워싸인 공간 내에서 뻗어 있고 축방향 단부에서 이중 권선을 이루면서 이어지는 제2 나선형 권선부(22)를 포함하며 각 권선부(20, 22)의 다른 축방향 단부에는 가열선 권선(12)의 단부 중 하나를 가열 챔버(5)에서 빼내기 위한 연결부(24, 25)가 있는 것을 특징으로 하는 전기 가열 장치(1).
4. 제3항에 있어서, 두 권선부(20, 22) 각각이 축방향으로 서로 인접한 권선이 서로 접촉하지 않도록 피치를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 가열 장치(1).
5. 제3항에 있어서, 제1 권선부(20)의 내경이 제2 권선부(22)의 외경보다 커서 그 권선들이 방사 방향에서 서로 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 전기 가열 장치(1).
6. 제3항에 있어서, 제1 및 제2 권선부(20, 22)의 권선들이 동일한 피치를 갖는 것을 특징으로 하는 전기 가열 장치(1).
7. 제3항에 있어서, 방사 방향 투영에서 볼 때, 제1 권선부(20)의 권선과 제2 권선부(22)의 권선이 번갈아 가며 이어지는 것을 특징으로 하는 전기 가열 장치(1).
8. 제3항에 있어서, 두 연결부(24, 25)가 유체 공급 커넥터(7)가 이어지는 가열 챔버(5)의 영역에 있는 것을 특징으로 하는 전기 가열 장치(1).
9. 제3항에 있어서, 각 연결부(24 및 25) 내부에 가열선 권선(12)은 없고 해당 전기 연결부(26, 27)와 연결되는 저저항 연결선(28 및 29)만 있는 것을 특징으로 하는 전기 가열 장치(1).
10. 제3항에 있어서, 두 연결부(24, 25)가 직선으로 서로 평행하며 이중 권선의 종축(19)에 수직으로 지나는 것을 특징으로 하는 전기 가열 장치(1).
11. 제3항에 있어서, 가열체(10)의 재킷 튜브(11)는 연결부(24, 25) 영역과 권선부(20, 22) 영역에서 서로 다른 재료로 구성되며, 이때 연결부(24, 25) 영역의 재료는 권선부(20, 22) 영역의 재료보다 낮은 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 가열 장치(1).
12. 제1항에 있어서, 유체 공급 커넥터(7)는 유체가 흐르는 공동(5)의 한쪽 축방향 단부 영역에 배치되고 유체 배출 커넥터(8)은 유체가 흐르는 공동(5)의 반대쪽 축방향 단부 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 가열 장치(1).
13. 제1항에 있어서, 이중 권선 및 그의 한쪽 축방향 단부에 배치된 연결부(24, 25)를 포함하는 가열체(10)의 축방향 길이가 가열 챔버(5)의 축방향 길이보다 작아서 가열체(10)의 양쪽 축방향 단부에서 각각 유체 유동 공간이 남아 있는 것을 특징으로 하는 전기 가열 장치(1).
    
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