KR20110019010A - 나트륨을 이용하여 진공실린더 내에서 나트륨을 가열 및 기화시켜 얻어진 열원을 이용한 난방기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나트륨을 이용하여 진공실린더 내에서 나트륨을 가열 및 기화시켜 얻어진 열원을 이용한 난방기구에 관한 것으로, 케이스와, 상기 케이스의 내 벽면 중앙부와 바닥면에 설치되는 워터쟈켓과, 상기 케이스의 바닥면 중앙부에 장입되는 모래와, 내측관과 외측관으로 구성된 이중관 형태로 이루어지고 상기 모래에 안착되며 상기 케이스의 내부 중앙에 설치되어 케이스와의 사이에 공기유동 공간을 형성하는 관상체와, 상기 관상체의 내 외측관 사이에 설치되고 내부가 진공되며 전체 높이의 1/4에만 고체상태의 나트륨이 충진된 나트륨관과, 상기 나트륨관과 연결된 진공펌프와, 상기 나트륨관의 내 외측에 감겨 설치되되 상기 나트륨이 충진된 부분까지만 권취된 내 외측시즈히터와, 상기 케이스의 개방된 상부를 밀폐하는 커버를 포함하는 열원과; 적어도 하나 이상의 상기 열원이 장착되는 하우징과; 상기 하우징 내부에 설치되고, 상기 열원 중 워터쟈켓과 연결배관되어 고열을 방열하는 라디에이터와; 상기 라디에이터의 전방에 배치되고, 상기 하우징 상에 설치되는 적어도 하나 이상의 난방팬을 포함하여 구성되는 나트륨을 이용하여 진공실린더 내에서 나트륨을 가열 및 기화시켜 얻어진 열원을 이용한 난방기구를 제공한다.

본 발명에 따르면, 저소비전력 및 저전열면적을 통해서도 650℃ 이상의 고온 가열을 신속하고 안정적으로 유지할 수 있고, 고온 등온성이 뛰어나 높은 열효율 특성을 가지며, 열부하가 줄어 내구성 향상 및 장수명화가 가능하고, 최대의 효을을 갖는 난방기구를 제공할 수 있다.

나트륨, 전열소자, 고온 등온안정성, 상변화, 진공실린더, 난방기구

Description

나트륨을 이용하여 진공실린더 내에서 나트륨을 가열 및 기화시켜 얻어진 열원을 이용한 난방기구{HEATING UNIT OBTAINED RESERVOIR RESULT OF HEATING AND VAPORIZING OF SODIUM IN THE VACUUM CYLINDER USING SODIUM}

본 발명은 나트륨을 이용하여 진공실린더 내에서 나트륨을 가열 및 기화시켜 얻어진 열원을 이용한 난방기구에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 온풍기 등의 난방기구에 사용되는 전기식 가열로는 전열수단인 히터를 이용하여 방열판을 가열하고, 가열된 방열판 주변으로 물 또는 공기와 같은 가열매체를 통과시켜 열교환 시킴으로써 가열매체를 원하는 온도로 가열시키는 장치를 말한다.

그런데 이러한 전기식 가열로는 전열수단을 이용하여 방열판을 가열해야 하기 때문에 소비전력 소비가 급증하는 반면 에너지 효율은 떨어지는 단점이 있었다.

이에, 소비전력을 낮추면서 에너지 효율은 급증시킬 수 있는 많은 연구들이 거듭하였으며, 일 예로 방열기의 구조를 개선한 일명 '히트파이프'와 같은 열전달 기기가 개발된 바 있다.

이와 같은 히트파이프는 내부의 밀폐된 진공 공간에서 순환하는 작동유체가 연속적으로 액체-증기 간의 상변화(증발과 응측)시 동반되는 잠열(潛熱)을 이용하여 열을 이동시킴으로써, 단일상의 작동유체를 이용하는 통상의 열전달기기에 비해 획기적인 성능을 발휘하게 한 것이다.

하지만, 히트파이프는 등온 안정성이 떨어지고 고온 환경을 구현하는데 한계가 있었다.

최근에는 국내등록특허 제0472828호, 제0862552호를 비롯한 많은 연구를 통해 세슘, 나트륨, 칼륨 등의 액체금속을 열전달매체(작동유체)로 사용하여 650℃ 이상의 고온환경을 구축할 수 있게 되었다.

그럼에도 불구하고, 650~900℃ 사이의 고온에서 균일하고 안정적인 등온성을 유지시키는 것이 매우 어려워 제품화에 한계가 있었고, 또한 고온 환경 및 안정적인 에너지 효율을 확보하기 위해서는 기기의 볼륨이 커지는 단점도 있었다.

뿐만 아니라, 이 경우도 기존 전열식 가열로에 비해 소비전력을 많이 낮추기는 하였으나, 작동유체 전체를 가열해야 하는 문제로 인해 여전히 소비전력이 많이 소모되는 단점이 있어 경제성, 열효율성 측면에서 더 많은 개선이 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 나트륨을 작동유체로 활용하여 나트륨의 상 변화시 발생하는 발열 현상을 통해 가열매체를 가열함으로써 고온 가열 특성을 유지하되 적은 소비전력과 소량의 전열면적을 가지고도 650℃ 이상의 고온 가열이 가능하고, 고온 등온안정성을 유지하여 열효율성을 극대화시킨 열원을 통해 최대의 열효율을 갖는 난방기구의 제공을 주된 해결 과제로 한다.

본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 케이스와, 상기 케이스의 내 벽면 중앙부와 바닥면에 설치되는 워터쟈켓과, 상기 케이스의 바닥면 중앙부에 장입되는 모래와, 내측관과 외측관으로 구성된 이중관 형태로 이루어지고 상기 모래에 안착되며 상기 케이스의 내부 중앙에 설치되어 케이스와의 사이에 공기유동 공간을 형성하는 관상체와, 상기 관상체의 내 외측관 사이에 설치되고 내부가 진공되며 전체 높이의 1/4에만 고체상태의 나트륨이 충진된 나트륨관과, 상기 나트륨관과 연결된 진공펌프와, 상기 나트륨관의 내 외측에 감겨 설치되되 상기 나트륨이 충진된 부분까지만 권취된 내 외측시즈히터와, 상기 케이스의 개방된 상부를 밀폐하는 커버를 포함하는 열원과; 적어도 하나 이상의 상기 열원이 장착되는 하우징과; 상기 하우징 내부에 설치되고, 상기 열원 중 워터쟈켓과 연결배관되어 고열을 방열하는 라디에이터와; 상기 라디에이터의 전방에 배치되고, 상기 하우징 상에 설치되는 적어도 하나 이상의 난방팬을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나트륨을 이용하여 진공실린더 내에서 나트륨을 가열 및 기화시켜 얻어진 열원 을 이용한 난방기구를 제공한다.

이때, 상기 라디에이터의 상부에는 열교환 효율을 높이도록 모세관 형태의 윅(Wick)이 더 설치된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 열원을 구성하는 케이스의 상부에는 상기 공기유동 공간과 연통되어 내부 공기를 강제 유동시키는 송풍팬이 더 설치된 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 저소비전력 및 저전열면적을 통해서도 650℃ 이상의 고온 가열을 신속하고 안정적으로 유지할 수 있고, 고온 등온성이 뛰어나 높은 열효율 특성을 가지며, 열부하가 줄어 내구성 향상 및 장수명화가 가능하고, 최대의 효을을 갖는 난방기구를 제공할 수 있다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 난방기구의 열원을 구성하는 나트륨 가열 및 기화장치의 예시적인 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 난방기구의 열원을 구성하는 나트륨 가열 및 기화장치의 요부인 전열수단 설치예를 보인 평단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 난방기구의 열원을 구성하는 나트륨 가열 및 기화장치의 요부인 전열수단 설치예를 보인 예시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 난방기구의 예시적인 사시 도이다.

본 발명에 따른 난방기구의 구체적인 설명에 앞서, 난방기구의 열원을 구성하는 진공실린더 내부에서 나트륨을 가열 및 기화시키는 방법 및 장치에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에서 활용되는 열원은 진공실린더 내부에서 작동유체의 상변화를 통해 얻어지는 것으로, 주로 고체상태의 나트륨을 가열, 기화시켜 그때 발생되는 고열의 열을 열원으로 사용하게 된다.

이러한 열원으로 사용되는 나트륨은 제조하기 용이하고, 전기가 잘 통하게 하며, 무른 편이고, 보관하기 쉬워 다른 알칼리금속에 비해 공업용으로 많이 사용되어 왔으며, 녹는점이 약 98℃, 1 atm에서 포화온도가 883℃인 물질로서 공기에 노출되면 즉시 산화하고 할로겐, 산소, 물 등과 격결하게 반응하는 특성을 가진다.

이와 같은 특성을 가지는 나트륨을 전열소자로 활용하기 위해 1970년대부터 최근까지 연구를 거듭하였으나 고온에서의 등온안정성이 떨어져 획기적인 발전은 이룩하지 못하였다.

본 발명자들은 이와 같은 나트륨의 활용 측면에서 수년간에 걸친 각고의 연구 노력 끝에 나트륨의 상변화시 발생되는 가스의 유무에 따라 고온에서의 등온안정성이 현저히 변화되는 사실에 주목하였다.

그리하여, 이 부분에 관한 집중적인 연구 끝에 나트륨이 상변화되는 적정 시점에서 가스를 배기시킴으로써 고온 등온안정성을 지속적으로 확보할 수 있는 획기적인 기술을 확보하였고, 이에 본 발명을 연구완성하게 되었다.

이와 같은 사실을 토대로 발명된 본 발명에 따른 가열방법은 밀폐된 진공용기 내부에서 나트륨을 작동유체로 사용하는 전열소자에 적용하여 고온 등온안정성을 지속적으로 유지할 수 있도록 활용될 수 있다.

이때, 본 발명이 적용되는 전열소자는 전열수단에 의해 4단계의 온도 구배를 갖고 가열가능한 상태여야 하며, 바람직한 전열수단으로는 시즈히터(Sheath Heater)이다.

아울러, 나트륨의 상변화시 발생되는 불활성 가스를 제거하기 위한 수단으로 진공펌프, 부스타, 확장기 등이 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 가열방법은 이중관 형태의 하우징 중 나트륨관에 그 상하 길이(즉, 높이를 1000mm로 했을 때)의 1/4 정도만 고체상의 나트륨이 채워지고, 이 나트륨관의 내, 외측에는 시즈히터가 감기는 형태의 전열소자에 적당하다.

예컨대, 10^-3~10^{- 4}토르 정도로 진공된 진공실린더의 내부에 장입된 나트륨을 온도구배, 즉 고체상태에서 액체상태, 액체상태에서 기체상태로 안정적이고 순차적으로 상변화되도록 0~200℃, 200~400℃, 400~600℃, 650~840℃의 차례로 가열수단인 시즈히터로 가열하고, 상변화시 발생되는 불활성 가스를 적절히 배기시키면서 일정 진공도를 유지함으로써 본 발명에서 원하는 고온의 열원을 확보할 수 있다.

이를 실현시키기 위한 가열장치의 구성으로는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 몸체인 케이스(100)를 포함하며, 상기 케이스(100) 내부에는 이중관 형태의 관상체(110)가 내장되는데, 상기 관상체(110)는 내부가 중공된 내측관(112)과, 상 기 내측관(112)으로부터 일정거리를 두고 동축을 갖는 원통형상의 외측관(114)으로 이루어진다.

아울러, 상기 내측관(112)과 외측관(114) 사이에는 본 발명에서 작동유체로 사용되는 나트륨(Na)이 충진된 나트륨관(200)이 개재된다.

여기에서, 상기 나트륨관(200)은 내부가 진공상태를 유지하는 일종의 진공실린더이다.

이때, 상기 나트륨(Na)은 상기 나트륨관(200)의 전체 높이 대비 1/4만 채워지는데, 이는 본 발명에 따라 고온 등온안정성이 확보되므로 1/4만의 고체 나트륨(Na) 만으로도 나머지 3/4의 나트륨이 있을 때와 동등 수준 이상의 고온 발열성을 유지할 수 있기 때문이다.

따라서, 비용절감은 물론 투입되는 전기 에너지도 절감할 수 있고, 기존 대비 적은 양의 나트륨만으로도 동등 이상의 효과를 얻을 수 있으므로 에너지 효율이 매우 높다고 할 수 있다.

뿐만 아니라, 도면에 상세히 도시되지는 않았으나 상기 나트륨관(200)에는 진공펌프(미도시)가 연결되어 내부를 일정한 진공도로 유지시킬 수 있도록 구성됨이 마땅하며, 적정한 진공도는 앞서 설명한 가열방법에서와 같고, 결국 상기 나트륨관(200)은 일종의 진공실린더가 된다.

또한, 상기 나트륨관(200)의 내, 외측에는 전열수단인 시즈히터가 설치된다.

이 경우, 상기 시즈히터는 내측시즈히터(310)와, 외측시즈히터(320)로 구분되며, 특히 상기 나트륨(Na)이 충진된 부분, 즉 나트륨관(200)의 전체 길이 대비 1/4에만 시즈히터가 감겨있다.

그러므로 상기 시즈히터가 감기지 않은 부분인 나트륨관(200)의 상측은 내측관(112)과 외측관(114) 사이에 공간이 형성되게 되며, 이 공간에는 가열매체, 즉 온수의 통로인 워터쟈켓(400)이 배치된다.

뿐만 아니라, 상기 워터쟈켓(400)은 상기 케이스(100)의 내부, 벽측 및 바닥측에도 설치되며, 서로 연통되게 배관된다.

그리고 상기 워터쟈켓(400)이 설치된 케이스(100)의 내부 바닥면 중앙에는 단열재로서 모래(500)가 일정 높이로 깔리고, 그 위에 상술한 관상체(110), 즉 나트륨관(200) 및 내,외측시즈히터(310,320)를 포함하는 설비가 장착된다.

따라서, 케이스(100) 내부에는 상기 관상체(110)를 중심으로 그 내, 외측에 공기가 유동할 수 있는 공간이 구비된 상태로 유지되게 된다.

이때, 상기 모래(500)는 혹시 모를 나트륨관(200)으로부터의 나트륨(Na) 누출시 이를 흡수할 수 있도록 하여 장비의 안정성을 높이기 위해 구비되는 것으로, 나트륨(Na)은 진공으로 유지되는 금속재료이기 때문에 누출이 발생하지 않지만 만일의 경우 안전사고를 방지하기 위한 것이다.

아울러, 상기 케이스(100)의 상단부에는 보충수저수조(600)가 형성되고, 상기 보충수저수조(600)는 상기 워터쟈켓(400)과 연통되어 필요시 보충수를 보충할 수 있도록 구성된다.

뿐만 아니라, 상기 케이스(100)의 상단부 외주면 일부에는 상기 보충수저수조(600)로 보충수를 공급할 수 있는 공급구(610)가 형성되며, 케이스(100)의 하단 부 외주면에는 필요한 경우 워터쟈켓(400) 내부의 온수를 배수할 수 있도록 배출구(미도시)가 형성될 수 있고, 또한 도면에 도시되지는 않았으나 상기 케이스(100)의 외주면 일부에는 상기 워터쟈켓(400) 내부의 가열매체, 즉 열교환 된 온수를 활용하기 위한 온수연결구(미도시)가 더 설치될 수 있다.

또한, 상기 케이스(100)의 상단에는 커버(120)가 밀폐되며, 상기 커버(120)에는 보충수저장조(600) 내부의 에어를 배출시킬 수 있도록 에어배출구(122)가 더 구비될 수 있다.

덧붙여, 상기 케이스(100)의 상단 내부에는 상기 보충수저장조(600)와 구획되면서 상기 케이스(100) 내부의 공기유동 공간 내 공기들을 강제 송풍시켜 더욱 균일한 온도분포를 갖도록 함으로써 열교환 효율을 더욱 높일 수 있도록 송풍팬(700)이 더 설치될 수 있다.

이렇게 구성된 본 발명에 따른 가열장치는 나트륨관(200)에 장입된 나트륨(Na)이 내,외측시즈히터(310,320)에 의해 순차가열되면서 고체, 액체, 기체로의 상변화를 통해 고열을 발생시키고, 발생한 고열은 케이스(100) 내부를 순환하는 가열매체와 열교화되게 되므로 이 가열매체를 열원으로 활용할 수 있게 된다.

특히, 본 발명에 따른 가열장치에서는 내부에 송풍팬(700)이 더 구비될 수 있고, 이를 통해 보다 효율적인 열교환을 유도하고, 균일한 열교환 온도를 확보할 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 본 발명에 따른 가열장치는 나트륨(Na)의 상변화시 발생되는 불활성 가스를 적절히 배기시킴으로써 특히, 고온에서의 등온안정성이 확보된다.

이와 같은 특성을 가진 가열장치는 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명 난방기구의 열원(H)으로 사용된다.

본 발명에 따른 난방기구는 상술한 열원(H)과, 상기 열원(H)이 설치되면서 난방기구의 외관을 구성하는 하우징(800)을 포함한다.

상기 하우징(800)은 주지된 온풍기 형상이 될 수 있으며, 다른 난방기구의 형상을 가질 수도 있다.

도시된 예에서는 열원(H)이 하우징(800)의 좌·우 양측에 2개 구비되는 형태를 바람직한 예로 제시하였으나, 반드시 이에 한정될 필요는 없고 적어도 하나 이상 구비될 수 있다.

아울러, 상기 하우징(800) 내부에는 상기 열원(H)과 연결된 라디에이터(810)가 장착된다.

상기 라디에이터(810)는 공지된 방열수단으로서, 내부에는 가열매체, 바람직하기로는 본 발명 열원(H)을 구성하는 워터쟈켓(400)과 연결배관되어 고열을 방열시킬 수 있도록 구성된다.

이때, 상기 라디에이터(810)에는 도시되지 않은 방열핀이 다수 부착되면 더욱 좋다.

그리고 상기 라디에이터(810)의 전방에는 난방팬(820)이 설치된다.

상기 난방팬(820)은 상기 라디에이터(810)로부터 방열되는 고열을 전방으로 토출시켜 난방대상 공간을 난방하게 된다.

이 경우, 상기 난방팬(820)도 용량에 따라 적어도 하나 이상, 즉 다수개 구 비될 수 있다.

또한, 상기 하우징(800)의 내부이면서 상기 라디에이터(810)의 상부에는 윅(Wick)(830)이 설치될 수 있다.

상기 윅(830)은 일종의 모세관으로서 열교환 면적을 넓혀 열교환 효율을 현저히 증대시킴으로써 난방 효과를 더욱 촉진하게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 난방기구는 나트륨(Na)을 가열하여 고체상태로부터 기체상태로 상변화시킬 때 발생되는 고열을 열원으로 활용하여 이를 방열시킨 후 난방에 활용함으로써 보다 고효율적이고 안정적이며, 저렴한 비용으로 최대의 난방 효과를 얻을 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 난방기구의 열원을 구성하는 나트륨 가열 및 기화장치의 예시적인 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 난방기구의 열원을 구성하는 나트륨 가열 및 기화장치의 요부인 전열수단 설치예를 보인 평단면도,

도 3은 본 발명에 따른 난방기구의 열원을 구성하는 나트륨 가열 및 기화장치의 요부인 전열수단 설치예를 보인 예시도,

도 4는 본 발명에 따른 난방기구의 예시적인 사시도이다.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

100: 케이스 110: 관상체

120: 커버 200: 나트륨관

310: 내측시즈히터 320: 외측시즈히터

400: 워터쟈켓 500: 모래

600: 보충수저수조 700: 송풍팬

800: 하우징 810: 라디에이터

820: 난방팬 830: 윅(Wick)

H : 열원

Claims (3)

1. 케이스와, 상기 케이스의 내 벽면 중앙부와 바닥면에 설치되는 워터쟈켓과, 상기 케이스의 바닥면 중앙부에 장입되는 모래와, 내측관과 외측관으로 구성된 이중관 형태로 이루어지고 상기 모래에 안착되며 상기 케이스의 내부 중앙에 설치되어 케이스와의 사이에 공기유동 공간을 형성하는 관상체와, 상기 관상체의 내 외측관 사이에 설치되고 내부가 진공되며 전체 높이의 1/4에만 고체상태의 나트륨이 충진된 나트륨관과, 상기 나트륨관과 연결된 진공펌프와, 상기 나트륨관의 내 외측에 감겨 설치되되 상기 나트륨이 충진된 부분까지만 권취된 내 외측시즈히터와, 상기 케이스의 개방된 상부를 밀폐하는 커버를 포함하는 열원과;

   적어도 하나 이상의 상기 열원이 장착되는 하우징과;

   상기 하우징 내부에 설치되고, 상기 열원 중 워터쟈켓과 연결배관되어 고열을 방열하는 라디에이터와;

   상기 라디에이터의 전방에 배치되고, 상기 하우징 상에 설치되는 적어도 하나 이상의 난방팬을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나트륨을 이용하여 진공실린더 내에서 나트륨을 가열 및 기화시켜 얻어진 열원을 이용한 난방기구.
2. 청구항 1에 있어서;

   상기 라디에이터의 상부에는 열교환 효율을 높이도록 모세관 형태의 윅(Wick)이 더 설치된 것을 특징으로 하는 나트륨을 이용하여 진공실린더 내에서 나트륨을 가열 및 기화시켜 얻어진 열원을 이용한 난방기구.
3. 청구항 1에 있어서;

   상기 열원을 구성하는 케이스의 상부에는 상기 공기유동 공간과 연통되어 내부 공기를 강제 유동시키는 송풍팬이 더 설치된 것을 특징으로 하는 나트륨을 이용하여 진공실린더 내에서 나트륨을 가열 및 기화시켜 얻어진 열원을 이용한 난방기구.

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