KR20100130267A - 마이크로웨이브을 이용한 고출력 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로웨이브을 이용한 고출력 보일러에 관한 것이다. 특히, 직접적인 화력이 아닌 마이크로웨이브을 이용하여 고출력의 화력을 발하며, 이를 수용할 수 있는 별도의 SiC나 ZrO₂를 이용하여 단열통을 형성하여 그 내구성이 향상된 고출력 가열버너를 채용하여 구성된 보일러에 관한 것이다.

제1단하우징, 제2단하우징, 단열재층, 단열통, 매그네트론

Description

마이크로웨이브을 이용한 고출력 보일러{HIGH EFFICIENCY BOILER BASED ON MICROWAVE HEATING}

본 발명은 마이크로웨이브을 이용한 고출력 보일러에 관한 것이다. 특히, 직접적인 화력이 아닌 마이크로웨이브을 이용하여 고출력의 화력을 발하며, 이를 수용할 수 있는 별도의 SiC나 ZrO₂를 이용하여 단열통을 형성하여 그 내구성이 향상된 고출력 가열버너를 채용하여 구성된 보일러에 관한 것이다.

일반적으로 버너란 다양한 형태로 사용되고 있다. 음식을 요리하기 위한 요리기구이거나 화력을 이용하여 불을 지필 수 있는 수단 등 그 활용의 방안은 무궁무진하며, 가정용 및 산업용의 보일러에도 채용된다.

그런데 이러한 각종의 버너들은 다 많은 문제점이 있었다. 적은 부피를 가지고서는 큰 화력을 낼 수 없다는 점, 고출력과 고화력이 필요하면 할 수록 그 화력을 향상시켜야만 하기에 부피가 기하급수적으로 상승하며 그에 투입되어야만 하 는 전력과 연료의 낭비가 기하급수적으로 늘어난다는 것이다. 따라서 종래 버너나 화력구에 대한 문제점을 상세히 살펴본다.

먼저 건축현장에서 활용되는 화력기구의 경우를 살펴본다. 일례를 들어보자면 큰 공간에 콘크리트몰탈을 타설하고 나서는 그 작업현장에 따라 급속으로 경화시켜야만 하는 경우가 있다. 이때에 종래 사용하는 방식은 열풍기를 통해서 경화시키고 있다.

내부에 고열을 발생시키는 전열선을 두고, 그 후방부에서 고속으로 회전하는 팬을 이용하여 바람을 불어 넣으며, 별도로 비치될 수 있는 열교환수단을 통해 외부의 공기가 전열선의 열기를 받아 고온으로 된 상태에서 고온의 열풍을 불어 넣는 방식이다. 그런데 이러한 열풍기의 경우 그 부피가 상당히 크고, 그 상당히 큰 부피의 열풍기도 일정한 공간밖에는 화력을 전달하기 힘들어 다수 대를 설치하고 큰 공간의 몰탈을 경화시키는 방식을 취해왔다.

또한 사람의 시신을 불에 태워 화장을 하는 화장터의 경우, 시신에 별도의 연료를 부어 기름이나 가스의 연료로 태워 화장하는 방식이 주로 사용되는 방식인데, 이도 역시 그 매연이나 가스가 유독하여 작업자에게 피해를 줄 소지가 다분히 있으며, 화력이 강하지 못해 불에 완전히 화장이 된 것인지 재차 확인을 해야만 하는 문제점도 있다.

또한 주방기기나 다수의 음식을 조리하기 위한 장치 중, 구이기를 예로 들자면, 내부에 큰 공간을 비치하고, 다수의 전열선을 깔아 고기를 굽는 형태의 구이기가 존재를 하며, 도자기를 굽는 가마의 형태처럼 밑에서는 화목을 이용하여 불을 지피고 그에 따라 발생되는 화력과 복사열을 이용하여 고기를 굽는 형태가 대부분이다. 가스나 그 밖의 숯, 연탄 등의 열원을 이용하는 것도 일반적이다.

그런데 이들은 모두 그에 따른 나름대로의 문제점을 동반한다.

전열선을 이용하는 경우는 그 온도의 정확한 제어가 불가능하면서도 전기 사용량이 높다. 또한 부수적으로 전기를 사용함에 따라 누전되는 사고의 발생도 높으며, 안정성 면에서 뒤떨어진다. 그리고 가마의 형태로 굽는 구이기의 경우, 고가의 목재를 사용해야만 하고 목재의 구입이 용이하지 않다. 또한 목재에서 발생되는 화력이란 미미하여 높은 화력을 구하기 위해서는 투입되어야만 하는 목재의 양은 기하급수적으로 확대된다. 언급된 가스나 숯, 연탄 등의 열원도 동일 내지 유사한 문제점이 존재하며 특히 고효율이며, 고출력의 열원을 발생시키기에는 부족한 점이 많다.

이와 같은 버너의 문제점으로 인하여 보일러 장치에도 동일한 문제점이 발생하며, 이를 개선할 필요성이 있어왔다.

본 발명은 마이크로웨이브을 이용한 고출력 보일러에 관한 것이다. 특히, 직접적인 화력이 아닌 마이크로웨이브을 이용하여 고출력의 화력을 발하며, 이를 수용할 수 있는 별도의 SiC나 ZrO₂를 이용하여 단열통을 형성하여 그 내구성이 향상된 고출력 가열버너를 채용하여 구성된 보일러를 제공하고자 한다.

본 발명의 마이크로웨이브을 이용한 고출력 보일러는, 원통형의 하우징(10)을 SUS로 제작하되 일측단의 지름은 넓고 타측단의 지름은 다소 작은 원통이 붙은 형상으로 제작된 제1단하우징(11)과 제2단하우징(12)으로 이루어진 하우징(10)과, 하우징(10)의 지름이 넓은 제1단하우징(11)의 측단면에 체결되는 팬(20)과, 지름이 넓은 제1단하우징(11) 내부에 지름이 작은 제2단하우징(12)의 내경에 맞도록 채워넣은 단열재층(30)과, 단열재층(30)의 내주면으로 내부가 빈 통의 형태로 끼우되 제2단하우징(12)의 내경에서 일정한 간격을 두고 형성시키는 단열통(40)과, 제1단하우징(11)의 외주면을 둘레로 다수 개로 결합되는 매그네트론(50)을 구비하고, 팬(20)에서 제2단하우징(12)의 끝단까지 관통된 통공(60)을 형성시키며, 내주면의 마찰을 줄이도록 매끈한 내주면을 갖도록 구성한 가열버너(100); 및 가열버너에 의하여 히팅되는 열 매체를 유도하는 파이프를 포함하여 구성된다.

또한 본 발명의 마이크로웨이브을 이용한 고출력 보일러에서 사용하는 가열버너에서, 단열통(40)은 SiC 재질 또는 ZrO₂ 재질로 제작되며; 단열통(40)과 단열재층(30)이 형성시키는 통공(60)은 팬(20) 부위의 지름이 더 넓고 제2단하우징(12) 부위의 지름이 작되 제2단하우징(12) 부위의 통공(60)은 제2단하우징(12)의 내경과 매끈하게 연결되게 형성되는 것을 포함하여 구성된다.

또한 본 발명의 마이크로웨이브을 이용한 고출력 보일러에서 사용하는 가열버너에서, 제2단하우징(12)의 내부에는 열기 조절을 위한 스로틀밸브(70)를 체결한 것을 포함하여서 구성되고; 제1단하우징(11)의 측단과 팬(20)의 결합은 플랜지(21) 결합을 통해 달성하는 것을 포함하여서 구성된다.

본 발명에 따라 마이크로웨이브을 이용하여 간편하게 조작될 수 있는 고효율의 보일러를 창출했으며, 이는 활용가능성인 높아 다양한 산업현장에서 활용될 수 있다는 장점이 있다.

본 발명에 따라 보일러 내부의 가열버너를 구성하는 단열통을 SiC나 ZrO₂로 제작하여 그 내구성이 향상되었으며, 열에 대한 복사와 전달을 보다 효율적으로 할 수 있게 한 장점이 있다.

본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 고출력 보일러에 관한 것으로, 도면을 참조하여 동작과 작용을 설명하며, 특히 고출력 보일러를 구성하는 핵심 요소인 가열버너를 중심으로 상세하게 설명한다.

[도 1] 내지 [도 4]에서처럼, 원통형의 하우징(10)을 SUS로 제작하되, 일측단의 지름은 넓고, 타측단의 지름은 다소 작은 원통이 붙은 형상으로 제작된 제1단하우징(11)과 제2단하우징(12)으로 이루어진 하우징(10)이 있고, 하우징(10)의 지름이 넓은 제1단하우징(11)의 측단면에 체결되는 팬(20)이 있으며, 지름이 넓은 제1단하우징(11) 내부에 지름이 작은 제2단하우징(12)의 내경에 맞도록 채워넣은 단열재층(30)이 있다.

단열재층(30)의 내주면으로 내부가 빈 통의 형태로 끼우되, 제2단하우징(12)의 내경에서 일정한 간격을 두고 형성시키는 단열통(40)이 있고, 제1단하우징(11)의 외주면을 둘레로 다수 개로 결합되는 매그네트론(50)이 형성된다. 이들이 결합하되, 팬(20)에서 제2단하우징(12)의 끝단까지 관통된 통공(60)을 형성하고, 내주면의 마찰을 줄이도록 매끈한 내주면을 갖도록 하는 것이다.

본 발명은 도시된 바와 같이, 지름이 서로 상이한 원통형이 2개 부착된 형태의 하우징(10)이 있다. 이들의 결합형태는 플렌지(21)를 통한 결합일 수도 있지만, 그 표면의 매끈함을 위해서 용접 결합이 바람직하며, 모두 SUS를 통해서 제작이 된다.

작은 지름의 하우징은 제2단하우징(12)이고, 큰 지름의 하우징이 제1단하우 징(11)이다. 큰 지름의 하우징 측단면에는 팬(20)이 고정된 상태인데, 팬(20)에서 고속으로 회전을 하여 바람을 불어 넣어 주면 제1단하우징(11) 내부의 통공(60)을 지나고 제2단하우징(12)의 통공(60)을 지나면서 바람이 배출되는 방식으로 작동한다.

제1단하우징(11)의 외주면에는 매그네트론(50)이 8 개 부착되었으나, 매그네트론(50)의 특정 개수에 한정된 것은 아니다. 버너(100)의 출력량에 따라 매그네트론(50)의 수를 줄일 수도 늘일 수도 있는 것이다. 저출력의 버너(100)를 사용해야만 하는 사용처에서는 매그네트론(50)을 2개 내지 4개만 장착하여 사용하고, 고출력의 버너(100)를 사용하고자 하는 곳에서는 8개 이상의 매그네트론(50)을 장착하여 사용할 수 있다.

매그네트론(50)은 파(wave)를 통해서 강한 고열을 발산시키는 장치이다. 본 발명에서 사용하는 열원은 매그네트론(50)으로서 전자렌지의 원리와 유사한 면도 있다. 그러나 사실상 가정용 전자레인지 30∼40대가 동시에 동작할 때 발생하는 마이크로파를 한꺼번에 출력할 수 있는 고출력·고효율인 것이 특징이다. 특히 요즘에 이 매그네트론 발진기는 개발이 한창 진행 중이고 이번에 개발된 마그네트론 발진기는 전자레인지, 조명기기를 비롯해 대형식품 조리·해동, 자외선광원, 입자가속기, 레이더 등에 널리 사용되고 있다.

본 발명에서 사용되는 매그네트론(50)은 고출력·고효율의 마이크로파 발생 장치로 가정용 전자레인지 30∼40대가 동시에 동작할 때 발생하는 마이크로파의 출력을 방출하는 것이 특징이다. 현재 가전제품에 사용되는 1kW급 마그네트론 발진 기는 국내 가전회사가 세계적으로 높은 시장점유율을 보이고 있다. 그러나 5kW급 이상의 산업용 고출력 마그네트론 발진기나 구동전원의 경우 몇몇 선진국에서만 확보하고 있는 기술로 에너지·환경, 화학, 제약, 재료, 식품, 고무 등 다양한 산업에서 활용되고 있었던 것이 현실이었다.

그런데 이번에 이러한 고출력의 매그네트론 발진기를 국내 기술진에 의해 개발되어 실용화가 가능해진 상태이며, 특히 이 고출력의 매그네트론 발진기는 그 크기도 가로 세로 10cm 정도의 크기밖에 되지 않아, 큰 부피를 차지하지 않으며 부착이 용이하고 안정성이 있다.

즉, 본 발명은 이러한 매그네트론(50)을 제1하우징(11)의 외주면에 다수 개 부착하여 그곳에서 발생되는 고열의 파장을 바로 팬(20)을 통해 제2하우징(12)의 통공(60) 외부로 발산시키는 기술을 채용하였다. 그런데 이러한 고열의 파장에 견딜 수 있는 구성이 하우징(10)에는 설비되어야만 한다. 따라서 본 발명에서는 하우징(10)의 내부에 별도의 단열재층(30)을 삽입한 것이 바람직하다. 이는 바람직하게는 세라믹 소재로 제작되며, 그외 단열재와 전열제로 사용되는 다양한 소재가 사용이 가능하다.

이러한 단열재층(30)은 본 발명에서 제1하우징(11)의 내부에 채워 넣되, 내부로는 열풍이 통과할 수 있도록 빈 공간의 형태로 마련된다. 단열재층(30)은 제2하우징(12)의 내경에 맞아 매끈하게 연통될 수 있도록 통공(60)을 유지하는 것이 중요하다.

그리고 단열제층(30)은 잦은 열교환과 온도변화에 따라 파손되고 크렉이 갈 소지가 있다. 따라서 본 발명에서는 단열재층(30)의 내부에 별도의 단열통(40)을 삽입한다. 이 단열통(40)은 SUS를 통해서 내경을 확보하는 방식으로 제작해도 무방하지만, 이는 보다 큰 내구성을 담보하지 못한다. 따라서 본 발명에서는 아래에서 설명할 특수한 소재를 사용한다.

단열통(40)은 SiC과 ZrO₂ 재질로 제작되는 것이 바람직하다. 즉, 요즘 각광을 받고 있는 반도체 소자로서의 실리콘 카바이드는 본 발명의 단열통(40)으로서 활용되기 최적이다. 실리콘 카바이드에 대한 기본적인 설명을 한다. 실리콘 카바이드(SiC)는 Silicon Carbide의 약자로서 그 밀도가 3.22g/cm3(solid)이고 CAS No.는 409-21-2이다. 지르코늄 다이옥사이드(ZrO₂)는 Zirconium dioxide의 약자이고, 그 밀도가 5.89g/cm3(solid)며, CAS No.는 1314-23-4이다.

실리콘 카바이드(Silicon cabide)는 공유결합에 의해 생성된 인공광물로서 알루미나와 같은 기타 소재들을 웃도는 경도를 지니고 있으며, 내마모성과 경도가 우수하여 반도체 산업 및 엔지니어링 기계부품으로 사용이 가능하다. 많은 연구 개발로 차세대 반도체 제조용 소재로 각광을 받고 있다. 높은 열전도성과 내식성, 내화학성이 우수하며, 낮은 열팽창률로 장기간 사용시에도 파손의 우려가 적은 화합물 소재이다.

고순도 Si-SiC 치구류는 1,200℃이상의 고온조건에서도 안정하기 때문에 반도체 확산 공정 및 상압 CVD, LP-CVD공정에서 품질 및 효율향상 등에 크게 기여하 고, 소결방법에 있어 대표적으로 상압소결법과 반응소결법으로 나뉘며, 그 소별 방법에 따라 사용되는 응용처에 제한이 발생될 수 있다. 화학적인 성질강한 내부식성으로 인해 일반적인 산이나 염기에 부식되지 않으며, 화학적으로 매우 안전화된 화합물이다.전기/기계적 특성소결법의 변화나 불순물의 투입으로 전기적인 성질(절연성, 저항치)을 조절 할 수 있는 장점이 있다.

내마모/내열성 및 우수한 내마모성을 지니며, 고온에서도 장기간 사용이 가능하며, 그 강도가 쉽게 변하지 않는다. 따라서 본 발명에서 사용되는 버너의 내부에서 단열재층을 보호하는 단열통으로서 사용되기 최적이다.

지르코늄 다이옥사이드(Zirconium dioxide)도 역시 유사한 소재로서, 금속에 가장 가까운 세라믹스 소재로서 우수한 기계적 성질로 인해 금속류의 단점을 보완하여 대체할 수 있는 소재로 각광을 받는 소재이다.

엔지니어링용 세라믹으로 주목 받고 있으며 높은 기계적 강도와 우수한 파괴인성을 지니고 있고 열팽창율이 금속에 가까워 금속과의 접합이 가능하며, 기계적인 성질이 요구되는 부품에 적합하게 사용될 수 있다. 내약품성, 내식성,낮은 열전도율, 높은 비중이 특징이다.

결국 본 발명에서는 이러한 실리콘 카바이드(SiC)나 지르코늄 다이옥사이드(ZrO₂)를 이용하여 단열통(40)을 제작하여 그 내구성을 향상시켰으며, 버너(100)의 효율을 향상시킬 수 있도록 하였다.

단열재층(30)과 단열통(40)의 내부 즉, 관통된 통공(60)은 기술적으로 큰 의 의가 있다. 즉, 단열통(40)과 단열재층(30)이 형성시키는 통공(60)은 팬(20) 부위의 지름이 더 넓고 제2단하우징(12) 부위의 지름이 작되, 제2단하우징(12) 부위의 통공(60)은 제2단하우징(12)의 내경과 매끈하게 연결되게 형성되는 것이다. 통공(60)을 관찰했을 경우에, [도 1]과 [도 2]에서 우측의 지름은 더 크고, 좌측의 지름은 작은 테이퍼진 형상을 가진다는 것이다.

따라서 팬(20)을 통해서 강한 바람이 불어 넣어지면, 그 바람이 들어가면서 그 유동공간인 통공(60)의 지름이 줄어들면서 고압으로 배출시킬 수 있게 하는 것이다. 이러한 점은 큰 공간을 전체적으로 온도 상승시킬 수 있는 효과를 가져오며 보다 빠른 시간에 빠른 온도의 상승을 가능하게 하는 효과도 가진다.

그리고 [도 1]에서 보이듯 단열통(40)은 단열재층(30)의 내부에서 지지시키는 역할도 한다. 그런데, 도면의 좌측 끝단 부위는 그대로 단열재층(30)이 나타나는 형태를 취하고 있다. 즉, 단열재층(30)의 내주면을 전체적으로 단열통(40)이 다 지지하고 있는 것은 아니다. 이는 끝단부위의 경우 크게 내구력을 향상시킬 필요가 없어서도 그렇지만, 단열통(40)은 세라믹 재질의 단열재층(30)과 그 재질적 특성이 달라도 그러하다.

주로 SiC나 ZrO₂의 소재를 사용하여 단열통(40)을 제작하는데, 이 재질 간의 열팽장도를 조절하기 위해서 끝단 부위는 단열통(40) 소재로 마감하지 않고, 바로 단열재층(30)이 보일 수 있도록 유도한 것이다. 그러나 여기서 주의할 점은 단열재층(30)과 단열통(40)의 내주면에 형성되는 통공(60)은 아주 매끈하게 연결되어야 한다는 것이다.

즉, 그 내주면에 돌기가 형성되거나 열기의 유동에 방해를 일으킬 저항의 발생을 최소화시켜야만 한다는 것이다. 따라서 본 발명에서는 통공(60)을 제2단하우징(12)의 내주면과도 동일하게 유지하게 제작한 것이다. 이는 버너(100)를 활용함에 있어서 아주 중요한 작용으로 최고의 효율과 최고의 내구성을 향상시킬 수 있는 요건을 마련한다.

제2단하우징(12)의 내부에는 열기 조절을 위한 스로틀밸브(70)를 체결한다. 즉, 열기 배출을 조절함에 있어서 팬(20)의 회전속도를 통해서 조절하는 방법도 있지만, 제2단하우징(12)의 내부에 설치된 스로틀밸브(70)를 통해서 즉, 사판의 각도를 조절함으로서 공기의 흐름을 제어하여 내뿜는 열기의 양을 조절하는 방식이다. 스로틀밸브(throttle valve)란 게이트밸브의 일종 원판을 회전시켜 관로를 열고 닫음으로서 유체와의 마찰에 의하여 유체의 압력을 낮추는데 사용하는 밸브를 말한다. 결국 이와 같은 스로틀밸브(70)를 버너(100)의 끝단인 제2단하우징(12)의 내부에 설치함으로써 그 제어의 정확성을 향상시켰으며 버너(100)의 활용성을 향상시켰다.

제1단하우징(11)의 측단과 팬(20)의 결합은 플랜지(21) 결합을 통해 달성하는 것이 바람직하다. 제1단하우징(11)의 외부는 SUS로 둘러 쌓인 상태이다. 따라서 이곳에 모터 장착된 팬(20)을 결합하되, 플랜지(21) 결합의 형태로 체결을 한다. 플랜지(21) 결합의 이점은 보다 고출력의 버너(100)를 생산하고자 하는 경우 에 교체가능성에 있다. 저출력의 버너(100)를 생산하고자 할 경우에도 보다 낮은 출력의 팬(20)을 사용할 수도 있지만, 팬(20)의 고장시에도 수리나 교체를 위해서 필수적이고, 본 발명의 버너(100)에 맞는 시중에 판매중인 팬(20)을 사용할 수도 있도록 하기 위한 배려이다.

앞에서 설명하였던 마이크로웨이브를 이용한 버너(100)의 주변으로 열 매체를 유도하는 파이프(미도시)를 배치함으로써 본 발명에 따른 고출력 보일러는 구성되는 것이다. 버너(100)에 의하여 열 매체가 히팅되고, 이처럼 히팅된 열 매체가 소망하는 곳으로 유도되어 따뜻하게 하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 버너의 전체적인 모습을 단면하여 도시한 도면,

도 2는 본 발명에서 사용되는 단열통을 도시한 사시도,

도 3은 본 발명의 버너가 사용되는 상태를 분해하여 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 버너를 체결하여 도시한 체결상태 사시도이다.

<도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명>

10; 하우징 11; 제1단하우징

12; 제2단하우징 20; 팬

30; 단열재층 40; 단열통

50; 매그네트론 60; 통공

70; 스로틀밸브

Claims (1)

1. 원통형의 하우징(10)을 SUS로 제작하되 일측단의 지름은 넓고 타측단의 지름은 다소 작은 원통이 붙은 형상으로 제작된 제1단하우징(11)과 제2단하우징(12)으로 이루어진 하우징(10)과, 상기 하우징(10)의 지름이 넓은 제1단하우징(11)의 측단면에 체결되는 팬(20)과, 상기 지름이 넓은 제1단하우징(11) 내부에 지름이 작은 제2단하우징(12)의 내경에 맞도록 채워넣은 단열재층(30)과, 상기 단열재층(30)의 내주면으로 내부가 빈 통의 형태로 끼우되 제2단하우징(12)의 내경에서 일정한 간격을 두고 형성시키는 단열통(40)과, 상기 제1단하우징(11)의 외주면을 둘레로 다수 개로 결합되는 매그네트론(50)을 구비하고, 상기 팬(20)에서 제2단하우징(12)의 끝단까지 관통된 통공(60)을 형성시키며, 내주면의 마찰을 줄이도록 매끈한 내주면을 갖도록 구성한 가열버너(100); 및

   상기 가열버너에 의하여 히팅되는 열 매체를 유도하는 파이프;

   를 포함하여 구성되는 고출력 보일러.

Images