KR20110020670A - 마찰열을 이용한 열 교환 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 마찰열을 이용한 열 교환 시스템은 열교환에 사용되는 액체를 저장하고 급수하는 액체탱크;와, 피스톤의 왕복운동을 통해 마찰열을 일으켜서 상기 액체를 가열시키는 열교환부;와, 상기 열교환부에 동력을 전달시키는 액추에이터;와, 상기 액체를 액체탱크에서 열교환부로 순환시키는 순환펌프;와, 상기 열교환부에 의해 가열된 액체가 이동하면서 열교환에 의해 열을 발산하는 열발산부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 의해, 피스톤의 왕복운동을 통해 발생하는 마찰열을 손쉽게 방출하고 수용할 수 있는 액체를 열 교환 수단으로 삼아서 화석 연료에너지를 사용하지 않는 친환경적인 녹색기술을 구현할 수 있다.

마찰열, 보일러, 열 교환

Description

마찰열을 이용한 열 교환 시스템{Heat exchange system using of friction heat}

본 발명은 마찰열을 이용한 열 교환 시스템에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 액추에이터의 회전력을 전달받은 마찰 피스톤 왕복운동을 통한 마찰열을 이용한 열 교환 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 보일러는 가정이나 건물 및 각종 시설물에 설치되어 겨울철이나 봄, 가을철에 액체를 제공하기 위해 설치된다. 이러한 보일러는 가정에 사용되는 소형에서부터 대형 시설물에 설치되는 대형 보일러에 이르기까지 다양한 종류로 이루어진다.

그러나 이러한 보일러는 일반적으로 가스나 석유 또는 경유 등과 같은 연료에너지를 연소시켜 액체를 공급하는 것이 일반적이다.

연료에너지는 보일러의 열교환기 내에서 분사하게 되고, 이를 연소시켜 물과 같은 액체를 가열하며, 가열된 액체는 펌프를 통해 다시 난방을 이루고자하는 위치까지 이송된다.

즉, 열교환기는 가스나, 석유와 같은 연료를 직접적으로 연소시키고 여기서 발생되는 열에너지를 이용하여 액체를 가열시키게 되는데, 이러한 기존의 열교환기는 외부로 연통을 설치하여 매연을 배출시킨다.

따라서 종래의 열교환기는 매연을 발생시키고, 연료를 사용하기 때문에 안전에 매우 주의해야 하는 문제점과, 최근 이슈화되고 있는 천연자원의 고갈로 인해 에너지 절약의 문제가 국가적으로 해결과제에 있지만, 특히 겨울철 반드시 필요한 열교환기에는 연료 에너지가 반드시 필요하기 때문에 마땅한 대책이 없는 실정이다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 친환경적이고 경제적인 열교환 시스템 개발이 시급하다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 피스톤의 왕복운동을 통해 발생하는 마찰열을 손쉽게 방출하고 수용할 수 있는 액체를 열 교환 수단으로 삼아서 연료에너지를 사용하지 않는 친환경적인 녹색기술을 구현하고자 하는 목적이 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 열교환에 사용되는 액체를 저장하고 급수하는 액체탱크와, 피스톤의 왕복운동을 통해 마찰열을 일으켜서 상기 액체를 가열시키는 열교환부와, 상기 열교환부에 동력을 전달시키는 액추에이터와, 상기 액체를 액체탱크에서 열교환부로 순환시키는 순환펌프와, 상기 열교환부에 의해 가열된 액체가 이동하면서 열교환에 의해 열을 발산하는 열발산부를 포함하는 마찰열을 이용한 열 교환 시스템에 의해 달성된다.

여기서, 상기 열교환부는, 외부에 액체 유입구와 액체 배출구가 형성되며, 내부에 액체가 흐르는 유로가 형성된 하우징과, 상기 하우징 내부에 하나 이상 마련되며, 중공이 형성된 마찰 실린더와, 상기 마찰 실린더의 내면과 밀착하면서 길이방향을 따라 왕복운동을 하는 마찰 피스톤과, 상기 액추에이터의 동력을 전달받아 회전하여 상기 마찰 피스톤을 왕복운동 시키도록 마련된 샤프트와, 상기 액추에이터의 동력을 상기 샤프트로 전달하는 기어를 포함한다.

또한, 상기 액추에이터는 전기 구동모터와 공압모터와 유압펌프 중 어느 하나로 마련될 수 있다.

바람직하게는, 상기 액추에이터는 태양열 또는 풍력 또는 조력 중 어느 하나의 에너지 수단으로 구동되도록 구성될 수 있다.

또한, 열교환부는 상기 액체의 온도를 감지할 수 있는 온도감지수단 및 상기 온도감지수단을 통해 측정된 온도에 따라 상기 액체의 온도를 조절할 수 있는 제어부를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 사용자의 조작 또는 상기 온도감지수단을 통해 측정된 온도에 따라 상기 순환펌프의 순환속도를 제어할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제어부는 사용자의 조작 또는 상기 온도감지수단을 통해 측정된 온도에 따라 상기 액추에이터의 회전속도를 제어할 수 있다.

또한, 상기 샤프트는 외주면에 길이방향을 따라 나선홈이 형성되며, 상기 나선홈은 상기 마찰 피스톤이 상측으로 움직일 수 있는 상측 나선홈과 하측으로 움직일 수 있는 하측 나선홈이 일정하게 교차 형성되며, 상기 상측 나선홈과 하측 나선홈의 말단부는 상호 연결되어 있어서, 상기 마찰 피스톤이 상기 나선홈을 따라 상하 왕복운동을 할 수 있다.

또한, 상기 마찰 피스톤은 내부에 상기 나선홈과 대응되는 형상의 돌기가 형성되어서 상기 돌기에 의해 마찰 피스톤이 상기 나선홈을 따라 운동하도록 마련될 수 있다.

여기서, 상기 돌기는 일측에 상기 나선홈과 대응되는 형상의 돌출부재와, 돌출부재를 상기 마찰피스톤에 고정시키는 가이드핀과, 상기 돌출부재와 가이드핀과의 고정을 용이하게 하는 워셔가 포함될 수 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 과제해결 수단을 통해 피스톤의 왕복운동을 통해 발생하는 마찰열을 손쉽게 방출하고 수용할 수 있는 액체를 열 교환 수단으로 삼아서 연료에너지를 사용하지 않는 친환경적인 녹색기술을 구현할 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 마찰열을 이용한 열 교환 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 마찰열을 이용한 열 교환 시스템의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰열을 이용한 열 교환 시스템의 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 열 교환 시스템은 열교환에 사용되는 액체를 저장하고 급수하는 액체탱크(10)와, 피스톤의 왕복운동을 통해 마찰열을 일으켜서 상기 액체를 가열시키는 열교환부(30)와, 상기 열교환부의 왕복운동에 대한 동력을 전달시키는 액추에이터(50)와, 상기 액체를 액체탱크(10)에서 열교환부(30)로 순환시키는 순환펌프(20);와, 상기 열교환부(30)에 의해 가열된 액체가 이동하면서 열교환에 의해 열을 발산하는 열발산부(40)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 액추에이터란, 전기, 유압, 압축공기 등을 이용하는 구동장치의 총칭으로, 보통 유체 에너지를 이용해서 기계적인 작업을 하는 기기로 본 발명에서는 상기 액추에이터의 구동력을 이용하여 상기 열교환부 내부에 마찰력을 일으킬 수 있도록 구성하였다.

따라서 상기 액추에이터는 상기 열교환부 구동력을 전달할 수 있는 구동수단인 전기 구동모터와 공압모터와 유압펌프 중 어느 하나로 마련될 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 목적에 부합하는 열 교환기 구현을 위해 상기 액추에이터는 태양열 또는 풍력 또는 조력 등의 화석연료를 사용하지 않는 친환경 에너지 수단을 이용하여 구동되도록 구성될 수 있다.

여기서, 상기 열교환부(30)는 친환경적인 열교환기 구현을 위해, 연료에너지를 사용하지 않는 마찰열을 이용한 열 교환 장치로 마련된다.

도 3은 도 2에 도시된 마찰열을 이용한 열 교환 시스템의 단면도이다.

도 3을 참조하면, 상기 열교환부(30)는 외형을 형성하는 하우징(110)과, 상기 하우징(110) 내부에 하나 이상 마련되며, 중공이 형성된 마찰 실린더(100)와, 상기 마찰 실린더(100)의 내면과 밀착하면서 길이방향을 따라 왕복운동을 하는 마찰 피스톤(200)과, 상기 액추에이터의 동력을 전달받아 회전하여 상기 마찰 피스톤을 왕복운동 시키도록 마련된 샤프트(300)와, 상기 액추에이터(50)의 동력을 상기 샤프트(300)로 전달하는 기어(450)를 포함하여 구성된다.

하우징(110)은 열교환부(30)의 외형을 형성하는 부분으로 외부에 액체 유입구(111)와 액체 배출구(112)가 형성되며, 내부에 액체가 흐르는 유로(113)가 형성된다.

여기서, 상기 순환펌프(20)는 상기 액체 유입구(111) 일측면에 위치하여 액체가 상기 액체 유입구(111)를 통해 강제 유입할 수 있도록 구성된다.

마찰 실린더(100)는 내부로 중공이 형성되어 있는 것으로, 상기 마찰 실린 더(100)에서 발생되는 열이 액체탱크(10)를 통해 공급되는 액체와 접촉하여 이를 가열시킨다.

도 4는 도 3에 도시된 마찰열을 이용한 열 교환 시스템의 마찰 실린더를 나타낸 단면이다.

도 4를 참조하면, 상기 마찰 실린더(100)는 바람직하게는 원통 형상의 관으로 주요 재질은 스테인리스(stainless steel) 재질로 구비되며, 본 발명에서는 열효율을 최대화하기 위하여 재질이 다른 관을 다수개 구비하여 감싸는 형태로 구성되는데, 본 발명에서 바람직하게는 7중 구조를 가지는 마찰 실린더(100)를 구비한다.

우선, 가장 내측에 설치되는 관은 18%의 크롬과 8%의 니켈 합금이 첨가된 18/8 스테인리스 강철(101)로 구비되고, 이 외측을 감싸도록 순수 알루미늄(Al) 재질의 관(102)이 싸여진다. 다음으로는 알루미늄 합금 재질의 관(103)이 구비되고 다시 알루미늄 재질의 관(104)이 구비된다.

상기 관(104)의 외측으로 가장 내측에 구비되는 18/8의 스테인리스 강철(105)이 구비되고, 여기에 자석 스테인리스(106)와 다시 18/8의 스테인리스 강철(107)로 총 7개의 관이 적층되는 구조로 이루어져 있다.

또한, 도면에 나타내지는 않았지만, 7중 구조로 이루어진 마찰 실린더(100)의 외측으로는 마감을 위해 다시 한 번 18/8의 스테인리스 강철(108)로 커버링 된다.

이와 같이 구성되는 상기 마찰 실린더(100)는 서로 다른 재질을 통해 열손실 을 최소화하여 최대의 열효율을 달성할 수 있다.

이러한 상기 마찰 실린더(100)는 높은 열 발생 면적을 이루기 위해 다수가 일정간격을 두고 설치된다.

마찰 피스톤(200)은 상기 마찰 실린더(100)의 중공 내부에 구비되어 그 내면과 밀착하면서 왕복운동을 하여 마찰에 의해 마찰열을 발생시킴으로써 마찰 실린더(100)에 열을 발생시키는 소정길이의 원통 형상을 구비된다.

상기 마찰 피스톤(200)은 상기 마찰 실린더(100)의 내측을 따라 왕복운동 하면서 높은 열 발생 효과를 달성하기 위해 공구강(tool steel)이 적용되는 것이 바람직하며, 탄소공구강 또는 합금공구강이 이용될 수 있다.

즉, 상기 마찰 피스톤(200)은 상기 마찰 실린더(100)의 내경에 마찰할 수 있도록 대응하는 직경을 가지며, 가장 효과적인 마찰열 발생을 고려하여 마찰 실린더(100)의 내경과 마찰 피스톤(200)의 직경이 결정되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 마찰 피스톤(200)은 상기 샤프트(300)의 회전운동 역학적으로 전환되어 상기와 같은 왕복운동을 할 수 있도록 구성된다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰열을 이용한 열 교환 시스템의 샤프트와 마찰 피스톤의 운동 상태를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰열을 이용한 열 교환 시스템의 마찰 피스톤을 도시한 도면이다.

도 5에 나타난 바와 같이, 상기 회전운동을 왕복운동으로 역학적으로 전환은 상기 샤프트(300)에 형성된 홈을 따라 상기 마찰 피스톤(200)이 움직이는 과정에 의해 이루어진다.

따라서, 상기 샤프트(300)는 외주면에 길이방향을 따라 회전운동을 왕복운동으로 전환할 수 있는 나선홈(350)이 형성되어 있으며, 상기 마찰 피스톤(200)이 상기 나선홈(350)을 따라 상하 왕복운동을 할 수 있도록 마련된다.

즉, 상기 나선홈(350)은 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 마찰 피스톤(200)이 상측으로 움직일 수 있는 상측 나선홈(350a)과 하측으로 움직일 수 있는 하측 나선홈(350b)이 일정하게 교차 형성되며, 상기 상측 나선홈(350a)과 하측 나선홈(350b)의 말단부는 상호 연결되어 무한궤도를 형성한다.

여기서, 상기 나선홈(350)은 상측 나선홈(350a)과 하측 나선홈(350a)이 교차되는 부분의 모서리 중 상기 마찰 피스톤(200)이 진행하는 방향의 교차점은 라운드 처리가 되어 상기 마찰 피스톤(200)이 원활하게 진행할 수 있도록 형성된다.

또한, 상기 샤프트(300)는 전기력에 의해 동력을 발생시키는 액추에이터(50)에 의해 회전력을 전달받도록 구성된다.

여기서, 상기 액추에이터(50)의 동력은 상기 하우징(110) 하부에 마련된 다수의 기어(450)에 의해 상기 샤프트(300)로 전달된다.

상기 마찰 피스톤(200)은 상기 샤프트(300)에 형성된 나선홈(350)을 따라 운동하도록 구성된다.

이를 위해 상기 마찰 피스톤(200)은 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 내부에 상기 샤프트(300)에 형성된 나선홈(350)과 대응되는 돌기(250)가 형성되도록 마련된다.

여기서, 상기 마찰 피스톤(200)의 내부에 형성된 돌기(250)는 상기 마찰 피 스톤(200)의 제작시 일체로 성형하여 제작할 수도 있지만, 본 발명에서는 상기 돌기(250)의 마찰에 의한 마모를 고려하여 교체 가능하도록 상기 마찰 피스톤(200)과 분리될 수 있도록 마련된다.

즉, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 상기 마찰 피스톤(200)의 돌기(250)를 형성하기 위하여, 일측이 상기 나선홈(350)과 대응되는 형상의 돌출부재(251)와 본 돌출부재(251)를 상기 마찰피스톤에 고정시키는 가이드핀(252) 및 상기 돌출부재와 가이드핀과의 고정을 용이하게 하는 워셔(253)가 포함되어 구성된다.

또한, 상기 마찰 피스톤(200)은 일측면에 상기 돌출부재(251)가 안착 고정되는 형상의 돌기 고정홈(254)이 형성된다.

한편, 상기 열교환부(30)는 효율적인 열교환을 위하여 상기 열교환부(30) 내부에 흐르는 액체의 온도를 감지할 수 있는 온도감지수단(500)을 추가로 포함하도록 구성할 수 있다.

상기 온도감지수단(500)은 온도센서 또는 온도계 등으로 마련될 수 있으며, 상기 하우징(110) 내부에 형성된 상기 유로와 접촉하도록 구성된다.

여기서, 상기 열교환부(30)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제어부(60)를 추가로 포함하여, 본 제어부(60)는 상기 온도감지수단(500)을 통해 측정된 온도에 따라 액체의 온도를 조절할 수 있도록 마련될 수 있다.

이를 위해 상기 제어부(60)는, 사용자의 조작 또는 상기 온도감지수단(500)을 통해 측정된 온도에 따라 상기 마찰 피스톤(200)의 왕복운동에 대한 동력발생수단인 액추에이터(50)의 회전 속도를 제어하도록 마련될 수 있다.

또한, 상기 제어부(60)는 사용자의 조작 또는 상기 온도감지수단(500)을 통해 측정된 온도에 따라 상기 순환펌프(20)의 순환속도를 제어하도록 마련될 수 있다.

다음으로 본 발명에 따른 마찰열을 이용한 열교환부(30)의 전체 동작과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.

액체탱크(10)에 공급되는 액체는 순환펌프(20)를 통해 열교환기로 유입된다.

상기 열교환기로 액체가 공급되면 상기 액추에이터(50)에 전압이 인가되면서 상기 샤프트(300)를 회전시키며, 본 샤프트(300)의 회전운동을 통해 상기 마찰 피스톤(200)이 왕복운동을 하게 된다.

상기 마찰 피스톤(200)이 왕복운동을 반복하면서 마찰 실린더(100)와 마찰 피스톤(200)간의 마찰 발생으로 마찰 실린더(100)에는 열이 발생되고, 이와 접촉되어 있는 액체의 온도를 상승시키게 되고, 일정온도로 액체가 가열되면 이를 공급하게 된다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 전자석과 영구자석에 자력에 의해 왕복 운동하는 마찰 피스톤(200)이 마찰 실린더(100)와 마찰하면서 발생되는 열을 이용하여 액체를 가열함으로써 친환경적이고 고갈 에너지를 절약할 수 있는 효과가 있다.

상기 본 명세서에 기재된 내용 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예 뿐만 아니라 도면에 도시된 형상 및 구성은 본 발명의 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 마찰열을 이용한 열 교환 시스템의 블록도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰열을 이용한 열 교환 시스템의 구성도,

도 3은 도 2에 도시된 마찰열을 이용한 열 교환 시스템의 단면도,

도 4는 도 3에 도시된 마찰열을 이용한 열 교환 시스템의 마찰 실린더를 나타낸 단면도,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마찰열을 이용한 열 교환 시스템의 샤프트와 마찰 피스톤의 운동 상태를 나타낸 도면,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 마찰열을 이용한 열 교환 시스템의 마찰 피스톤을 도시한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 액체탱크 20 : 순환펌프

30 : 열교환부 40 : 열발산부

50 : 액추에이터 60 : 제어부

100 : 마찰 실린더 200 : 마찰 피스톤

250 : 돌기 300 : 샤프트

350 : 나선홈 450 : 기어

500 : 온도감지수단

Claims (10)

1. 액체를 가열하고 발산시키는 열교환 시스템에 있어서,

   열교환에 사용되는 액체를 저장하고 급수하는 액체탱크; 와,

   피스톤의 왕복운동을 통해 마찰열을 일으켜서 상기 액체를 가열시키는 열교환부; 와,

   상기 열교환부에 동력을 전달시키는 액추에이터; 와,

   상기 액체를 액체탱크에서 열교환부로 순환시키는 순환펌프; 와,

   상기 열교환부에 의해 가열된 액체가 이동하면서 열교환에 의해 열을 발산하는 열발산부;를 포함하는 마찰열을 이용한 열 교환 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 열교환부는,

   외부에 액체 유입구와 액체 배출구가 형성되며, 내부에 액체가 흐르는 유로가 형성된 하우징; 과,

   상기 하우징 내부에 하나 이상 마련되며, 중공이 형성된 마찰 실린더; 와,

   상기 마찰 실린더의 내면과 밀착하면서 길이방향을 따라 왕복운동을 하는 마찰 피스톤; 과,

   상기 액추에이터의 동력을 전달받아 회전하여 상기 마찰 피스톤을 왕복운동 시키도록 마련된 샤프트; 와,

   상기 액추에이터의 동력을 상기 샤프트로 전달하는 기어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰열을 이용한 열 교환 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 액추에이터는 전기 구동모터 또는 공압모터 또는 유압펌프 중 어느 하나로 마련되는 것을 특징으로 하는 마찰열을 이용한 열 교환 시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 액추에이터는 태양열 또는 풍력 또는 조력 중 어느 하나의 에너지 수단으로 구동되도록 하는 것을 특징으로 하는 마찰열을 이용한 열 교환 시스템.
5. 제1항에 있어서,

   열교환부는 상기 액체의 온도를 감지할 수 있는 온도감지수단 및 상기 온도감지수단을 통해 측정된 온도에 따라 상기 액체의 온도를 조절할 수 있는 제어부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰열을 이용한 열 교환 시스템.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제어부는 사용자의 조작 또는 상기 온도감지수단을 통해 측정된 온도에 따라 상기 순환펌프의 순환속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 마찰열을 이용한 열 교환 시스템.
7. 제5항에 있어서,

   상기 제어부는 사용자의 조작 또는 상기 온도감지수단을 통해 측정된 온도에 따라 상기 액추에이터의 회전속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 마찰열을 이용한 열 교환 시스템.
8. 제2항에 있어서,

   상기 샤프트는 외주면에 길이방향을 따라 나선홈이 형성되며, 상기 나선홈은 상기 마찰 피스톤이 상측으로 움직일 수 있는 상측 나선홈과 하측으로 움직일 수 있는 하측 나선홈이 일정하게 교차 형성되며, 상기 상측 나선홈과 하측 나선홈의 말단부는 상호 연결되어 있어서, 상기 마찰 피스톤이 상기 나선홈을 따라 상하 왕복운동을 할 수 있도록 마련되는 것을 특징으로 하는 마찰열을 이용한 열 교환 시스템.
9. 제8항에 있어서,

   상기 마찰 피스톤은 내부에 상기 나선홈과 대응되는 형상의 돌기가 형성되어서 상기 돌기에 의해 마찰 피스톤이 상기 나선홈을 따라 운동하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 마찰열을 이용한 열 교환 시스템.
10. 제9항에 있어서,

    상기 돌기는 일측에 상기 나선홈과 대응되는 형상의 돌출부재와, 돌출부재를 상기 마찰피스톤에 고정시키는 가이드핀과, 상기 돌출부재와 가이드핀과의 고정을 용이하게 하는 워셔가 포함되는 것을 특징으로 하는 마찰열을 이용한 열 교환 시스템.

Images