KR20130015732A - 스팀 발생장치 및 그 작동제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물을 공급받아 가열하여 고압의 스팀을 발생시키는 장치와, 이를 운용하는 작동제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 실시예로, 하우징, 상기 하우징의 내부에 구비되는 열을 공급하는 히터와, 상기 히터의 외측에 감겨 내부에는 유로가 형성되는 가열관을 포함하는 가열유닛. 상기 가열관에 물을 공급하는 공급유닛, 상기 가열관에서 발생된 스팀을 사출하는 사출유닛 그리고 상기 히터의 작동온도와 상기 공급유닛에 의한 물의 공급량을 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 히터는 복수가 구비되어 상기 제어부에 의하여 서로 다른 온도로 제어 가능한 스팀 발생장치를 제시한다.

Description

스팀 발생장치 및 그 작동제어방법{Steam generator and operation method therefor}

본 발명은 물을 공급받아 가열하여 고압의 스팀을 발생시키는 장치와, 이를 운용하는 작동제어방법에 관한 것이다.

스팀 발생장치는 고온의 수증기를 생성하여 공급하는 장치이다. 중소형의 스팀 발생장치는 다리미, 청소기, 세척기, 해빙기 등에 널리 사용된다.

이러한 중소형 스팀 발생장치는 물이 저장 보관되며 가열되는 압력 탱크, 압력 탱크를 가열하는 히터, 물 공급하거나 압력 탱크에서 생성된 증기를 배출하는데 사용되는 밸브부재들 및 온도계, 수위계, 압력계 등 각종 게이지 류를 포함한다.

이러한 종래의 기술은 압력 탱크의 담긴 물 전체를 가열하여 스팀을 발생시키므로, 초기 가열에 소요되는 시간이 긴 단점이 있게 된다. 또한, 고압 스팀을 얻기 위해서는 압력 탱크의 용적의 증대와 함께 고압에서 견디도록 압력 탱크를 설계하여야 되기에 비용이 크게 상승된다.

다른 종래의 기술로 물이 통과하는 유로 자체를 가열하여 스팀을 발생시키는 구성이 있다. 금속관을 직접 가열하여 그 내부를 통과하는 물을 기화시키는 방식이므로 신속한 스팀을 얻게 되는 장점이 있지만, 사출되는 스팀의 압력을 크도록 제어하는 것은 쉽지 아니다. 즉, 공급되는 물의 유량과 히터의 온도 조절이 원활하게 제어되지 아니한다면, 스팀에 미처 기화하지 못한 물방울이 함유되거나 히터가 과열되는 문제가 있게 된다.

본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 온도와 압력 제어가 용이한 스팀 발생장치의 구조를 제시한다. 또한, 최종 사출되는 스팀의 양을 쉽게 조절할 수 있으며, 물의 공급량과 히터의 작동온도를 안전하게 제어하는 방안을 제시하는 목적을 갖는다.

상기 과제를 위하여 본 발명은 실시예로, 하우징, 상기 하우징의 내부에 구비되는 열을 공급하는 히터와, 상기 히터의 외측에 감겨 내부에는 유로가 형성되는 가열관을 포함하는 가열유닛. 상기 가열관에 물을 공급하는 공급유닛, 상기 가열관에서 발생된 스팀을 사출하는 사출유닛 그리고 상기 히터의 작동온도와 상기 공급유닛에 의한 물의 공급량을 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 히터는 복수가 구비되어 상기 제어부에 의하여 서로 다른 온도로 제어 가능한 스팀 발생장치를 제시한다.

여기서, 상기 가열유닛에서 생성된 스팀을 상기 사출유닛으로 전달하는 이송관에는 배출관이 연결되어 있고, 상기 배출관에는 제어부에 의하여 작동되어 상기 가열관에 머무는 스팀을 외기로 배출시킬 수 있는 밸브가 장착될 수 있다.

또한, 상기 가열유닛에서 생성된 스팀을 상기 사출유닛으로 전달하는 이송관에는 스팀의 압력을 계측하는 압력센서가 장착되고, 적어도 하나의 상기 히터에는 온도센서가 장착되어 있으며, 상기 제어부는 상기 압력센서의 압력값과 상기 온도센서의 온도값에 근거하여 상기 히터의 작동을 제어할 수 있다.

더하여, 상기 사출유닛은 사용자의 조작에 의하여 개폐되는 밸브를 포함하여 단속적인 스팀의 배출이 가능한 사출건일 수 있다.

한편, 스팀 발생장치에 구비되는 것으로, 개별적인 온도 제어가 가능한 복수의 히터와, 상기 히터에 순차적으로 결합되어 있으며, 내부를 통과하는 물이 상기 히터에 의하여 가열되는 가열관을 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀 발생용 가열유닛을 제시한다.

여기서, 상기 가열관은 각 상기 히터의 외주면에 순차적으로 감겨져 있으며, 상기 히터와 가열관 사이의 틈에는 열전도체가 충진될 수 있다.

또한, 복수의 상기 히터는 상하 방향으로 적층되고, 상기 가열관으로 공급된 물은 하부에 위치한 히터부터 차례로 거치도록 할 수 있다.

본 발명은 스팀 발생기의 작동을 제어하는 방안으로, 복수의 히터에 순차적으로 감겨 있으며 유로가 형성되어 있는 가열관을 포함하는 가열유닛. 상기 가열관에 물을 공급하는 공급유닛, 상기 가열관에서 발생된 스팀을 사출하는 사출유닛 그리고 상기 히터의 작동온도와 상기 공급유닛에 의한 물의 공급량을 조절하는 제어부를 포함하는 스팀 발생장치에서, 상기 제어부는 공급된 물이 상기 가열관을 통과하는 순서에 따라 각 상기 히터에 의한 가열 온도가 점차 상승하도록 상기 히터의 작동온도를 개별 제어하는 스팀 발생장치의 작동제어방법을 제시한다.

여기서, 상기 제어부는 미리 설정된 단계별로 상기 히터들의 작동온도 또는 상기 공급유닛에 의한 물 공급량을 조절할 수 있다.

이때, 하위 단계에서 상기 히터들의 작동온도보다 상위 단계에서 상기 히터들의 작동온도가 더 높은 것이고, 하위 단계에서 상위 단계로 세팅됨에 따라, 상기 가열관이 첫 번째 통과하는 히터의 작동온도 상승 폭이 나머지 히터의 작동온도 상승 폭보다 크도록 할 수 있다.

또한, 상기 가열유닛에서 생성된 스팀을 상기 사출유닛으로 전달하는 이송관에는 스팀의 압력을 계측하는 압력센서가 장착되고, 상기 제어부는 상기 압력센서에서 전달받은 압력값이 미리 설정되어 있는 정상작동압력을 초과하는 것으로 판단되면, 상기 이송관과 연통된 배출관에 장착된 밸브를 개방하여 상기 가열관의 스팀을 배출시키도록 할 수 있다. 이러한 정상작동압력은 전술한 최대허용압력보다 낮은 것이며, 적적압력값보다는 높은 압력으로 설정될 수 있다.

나아가, 상기 제어부는 상기 압력센서에서 전달받은 압력값이 미리 설정되어 있는 정상작동압력을 초과하는 것으로 판단하면, 상기 히터와 상기 공급유닛의 작동을 정지시킬 수 있다.

또한, 상기 히터와 상기 공급유닛의 작동 정지는 페이드아웃(fade out) 방식으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 사출유닛을 통한 스팀의 사출이 정지된 상태이고, 상기 가열관에 장착된 온도센서에서 측정된 온도값이 미리 설정되어 있는 정상작동온도를 초과하는 것으로 판단하면, 상기 가열유닛에서 생성된 스팀이 상기 사출유닛으로 이동하는 유로에서 분기된 배출관에 장착된 밸브를 개방하고, 상기 공급유닛을 작동하여 물을 상기 가열관에 공급할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 다단으로 구성되며 개별 온도 제어가 이루어지는 히터들로 인하여 안정된 스팀의 온도 및 압력 제어가 세밀하게 이루어지는 효과를 갖는다. 공급유닛과 가열유닛의 제시된 작동제어를 통하여 최종 사출되는 스팀의 양과 온도를 다양하게 가변시킬 수 있어서, 다양한 사용처에 대한 범용성을 갖는다. 또한, 히터의 과열이나 내부 압력의 상승에 대하여 제어부가 적절히 대응함으로써 스팀 발생기 사용에 안정성이 증대되는 효과도 갖는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스팀발생장치를 개략적으로 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스팀발생장치의 개략적인 평면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가열유닛의 개략적인 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 작동제어방법에 따른 온도와 압력 관계를 나타낸 그래프.
도 5는 어느 한 단계에 따른 온도와 압력의 관계를 나타낸 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른, 스팀 발생장치의 구성, 기능 및 작용을 설명한다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 스팀 발생장치를 분해한 사시도이다. 본 발명의 실시예에 따른 스팀 발생장치(100)는 하우징(1), 가열유닛(2), 공급유닛(3), 사출유닛(4) 및 제어부를 포함한다.

하우징(1)은 스팀 발생장치의 외형을 이루는 케이스 부재이다. 하우징(1)은 유닛들과 제어부가 내부에 장착될 수 있는 것이면 족한 것이고, 형상은 다양하게 변경 가능한 것이다. 도면에서는 상부로 개방되는 덮개(11)와, 유닛들과 제어부가 장착되는 플레이트(12)를 포함한다.

플레이트(12)의 일 측면에는 사용자가 제어부에 작동 명령을 입력하고, 작동 상황을 모니터 할 수 있게 하는 조작면(51)이 형성되어 있다. 작동 명령의 입력은 조작면에 구비된 버튼이나 다이얼에 의하여 이루어질 수 있으며, 조작면(51)에는 모니터링을 위하여 공지된 구성의 화면표출장치나 램프로 이루어진 인디케이터 등이 장착될 수 있다.

또한, 플레이트(12)에는 각종 라인이 관통된다. 이러한 라인은 물공급라인(Lw), 스팀배출라인(Ls), 과증기배출라인(Lf)이다. 물론 제어부 등에 외부의 전원을 공급할 수 있도록 전원라인(도시 생략)이 더 구비된다.

도 2에는 구성요소들이 개략적으로 도시되어 있다. 도 2는 주요 구성요소들을 간략히 표시한 것이며, 전기선이나 기타 센서들은 생략한 것이다.

조작면이 형성된 플레이트(12)의 일측면 내측에는 제어부(5)가 구비된다. 제어부(5)는 마이컴 등 널리 알려진 제어 수단들에 의하여 미리 프로그램된 알고리즘을 순차적으로 수행할 수 있는 것이다. 제어부(5)에는 이를 위한 메모리, 연산 장치 등을 포함한다. 더하여 제어부에는 후에 설명되는 온도센서나 압력센서를 더 포함한다.

공급유닛(3)은 물공급라인(Lw)에서 유입된 물을 펌핑하여 가열유닛(2)에 공급하는 것이다. 일례로 공급유닛(3)은 유체펌프(31)로 이루어질 수 있다. 이때, 반드시 그러한 것은 아니지만 유체펌프(31)는 복수가 직렬로 구비된다. 도면에서는 한 쌍의 유체펌프(31)가 구비된 것으로 도시하였다. 직렬로 연결된 유체펌프(31)의 용량은 동일하거나, 서로 다를 수 있다. 복수로 구비된 유체펌프(31)는 요구되는 물의 공급량에 따라 어느 하나만 작동하거나 둘 모두가 작동할 수 있는 것이다.

특히, 물공급라인과 연결된 첫 번째 유체펌프에서 가압된 물을 나머지 유체펌프가 추가 가압함으로써 고압의 물을 가열유닛에 원활하게 공급할 수 있는 장점이 있게 된다. 더하여 낮은 압력의 물 공급시에는 하나의 유체펌프만 작동케 하여 전력 소모를 줄일 수 있다.

가열유닛(2)은 공급된 물을 가열하여 스팀을 생성하는 것이다. 가열유닛(2)에는 열을 공급하는 히터와, 히터에 결합되어 있고, 히터에서 발산되는 열에 의하여 가열되는 가열관이 구비된다.

본 발명에서 히터는 복수가 구비된다. 도 3에서는 세 개의 히터(21)가 적층된 것으로 도시하였으나, 도시된 바와 달리 히터는 둘 또는 그 이상이 구비될 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 도 3에서 최하부의 히터부터 최상부의 히터까지 순서에 따라 제1히터(21a), 제2히터(21b), 제3히터(21c)로 칭한다. 가열관(22)은 제1히터(21a)의 외주면에 코일 형상으로 감기며, 연이어 제2히터(21b)의 외주면 및 제3히터(21c)의 외주면에까지 감겨져 있다. 가열관(22)은 금속도관으로 그 내부는 물이나 스팀이 통과하는 유로를 형성하게 된다. 가열관(22)의 유로를 따라 흐르는 물은 제1히터(21a) 내지 제3히터(21c)에서 전달되는 열에 의하여 가열되고 기화된다. 가열관(22) 속 물의 기화는 제1히터(21a)에서 시작되거나 제2히터(21b)에서 시작되는 것이다.

제1히터(21a), 제2히터(21b) 및 제3히터(21c)는 각기 독립적으로 제어부를 통하여 전원을 공급받는다. 각 히터에 공급되는 전류량이 서로 달라짐에 따라 각 히터의 작동온도도 서로 달라진다. 가열관(22)에 주입된 물(보다 정확히는 물과, 물에서 기화한 스팀)이 통과하는 순서에 따라 제1히터(21a), 제2히터(21b), 제3히터(21c) 순서로 점차 고온의 작동온도로 세팅, 운영 된다.

복수의 히터들은 상하 방향으로 적층된 구성을 갖는다. 이때, 가열관(22)은 하부의 제1히터(21a)에 먼저 결합되며, 중간의 제2히터(21b)를 거쳐 상부의 제3히터(21c)를 지나가게 설치된다.

이와 같이 집약된 히터들은 플레이트의 내부에 집약적으로 배치될 수 있어 공간활용도를 개선하는 것이다. 더하여 제1히터(21a)에 의하여 가열된 물이나 일부 기화된 증기가 자연스럽게 제2히터(21b), 제3히터(21c)의 높이로 상승할 수 있게 하므로 고압의 스팀을 얻는데 유리한 구조를 갖추게 된다.

더하여, 히터(21)와 가열관(22) 사이의 틈에는 열전도체(23)가 충진된다. 일례로, 열전도체(23)는 내열 실리콘이나 금속 파우더이다. 열전도체(23)는 히터(21)와 가열관(22) 사이의 틈을 채움에 따라, 히터(21)의 열이 가열관(22)으로 보다 신속하게 전도되게 하는 것이다. 또한 열전도체(23)는 바인더의 기능을 하여 히터(21)와 가열관(22)의 결합을 견고히 하고, 히터(21)를 감싸는 것으로 히터의 열손실을 저감하여 기화 효율이 상승되는 효과도 가지게 된다.

가열관(22)이 결합된 히터들의 외주면은 보온재(도시 생략)가 감싸고, 이를 다시 케이스(24)가 감싸 외관을 마감할 수 있다.

보온재는 히터의 온도손실을 방지하여, 겨울철 등 주변 대기 온도가 낮은 환경에서 히터에 전원이 차단되더라도 가열관의 내부가 급속하게 냉각되는 것을 방지하는 것이다. 보온재는 잠시 히터를 작동하지 아니하는 경우에 가열관의 냉각을 방지하여, 단속적으로 스팀을 생성하여 사용하는 경우에도 히터를 적정 작동온도까지 재가열하는데 소요되는 에너지를 줄이는데 도움이 된다. 이러한 보온재는 고열에 견딜 수 있는 세라믹 테이프일 수 있다.

케이스는 가열유닛을 감싸며 프레이트에 가열유닛이 고정되게 하는 것이다. 이때, 플레이트가 가열되는 것을 방지하기 위하여 케이스의 하단면은 지지부재가 개재되어 플레이트의 내면과 이격되게 설치될 수 있다.

다시 도 2를 참고하면 가열관(22)은 생성된 스팀을 사출유닛(4)으로 전달하는 이송관(44)에 연결된다. 이송관(44)은 스팀배출라인(Ls)을 형성하고 있으며, 그 끝단에는 사출유닛(4)과 연결된다.

사출유닛(4)은 사용자의 조작에 의하여 개폐 조절되는 밸브(도시 생략)를 구비하고 있다. 또한 상기 밸브와 연통되어 스팀을 외기로 사출하는 노즐(42)을 구비한다. 도면에서 사출유닛(4)은 대략 총의 형상인 사출건(41)으로 도시되어 있다.

사용자는 사출건(41)의 방아쇠(43)를 잡아 당겨 밸브를 개방할 수 있다. 반대로 방아쇠(43)를 놓으면 밸브가 잠겨 스팀의 사출이 정지된다. 이와 같이 방아쇠의 작동에 의하여 사출건에서 스팀을 단속적으로 사출할 수 있다. 더하여 사출건에 장착되어 있는 밸브의 작동여부는 방아쇠에 구비된 변위센서(도시 생략), 이송관 내부의 유체 흐름을 감지하는 유량센서 또는 방아쇠 당김에 의한 전기적 접속 등을 통하여 제어부가 밸브의 개방 여부를 감지하도록 할 수 있다.

더하여, 이송관(44)에는 배출관(53)이 연결되어 있다. 배출관(53)은 가열관(22) 내부의 스팀이 제어부의 작동에 의하여 외기로 긴급 배출되는 유로로, 전술한 과증기배출라인(Lf)이 된다. 배출관(53)에는 제어부에 의하여 개폐 작동되는 밸브(52)가 연결된다. 이때, 밸브(52)는 솔레노이드밸브일 수 있다. 상기 밸브(52)가 개방되면 스팀은 배출관(53)을 통하여 외기로 배출되고, 이로써 가열관(22) 내의 스팀 압력은 내려가게 된다.

또는 상기 밸브를 대체하여 이송관에는 방향전환밸브(도시 생략)가 장착되고, 방향전환밸브의 채널 중 하나는 배출관에 연결되고, 다른 하나는 사출유닛에 연결될 수 있다. 제어부는 방향전환밸브를 작동하여 가열유닛안의 스팀을 배출관 또는 스팀유닛 중 어느 하나에 흐르도록 제어할 수도 있다.

나아가 플레이트(12)의 내부에는 변압기(13), 배기팬(14) 등이 더 장착되어 있다. 이때, 변압기(13)나 배기팬(14)의 구성이나 작동은 공지된 일반 가전제품과 동일한 것일 수 있다.

도시하지 아니하였으나 이송관(44)에는 스팀의 압력을 계측하는 압력센서가 더 구비된다. 보다 구체적으로 압력센서는 배출관(53)과 이송관(44)의 연결 부분과 가열유닛(2) 사이의 이송관(44)에 장착된다. 압력센서는 가열유닛에서 배출된 스팀의 압력을 측정하는 것으로, 압력센서에서 측정된 압력값은 제어부(5)에 전달된다.

더하여 히터에 감긴 가열관(22)에는 적어도 하나의 온도센서가 장착된다. 본 발명의 실시예에서 온도센서는 제1히터(21a)와 제2히터(21b)에 각기 하나씩 장착된다. 그러나 각 히터마다 온도센서가 개별 부착될 수 있다. 온도센서는 가열관(22)의 온도를 측정함으로써 가열관(22) 내부의 물이나 스팀의 온도를 측정하는 것이다. 온도센서에서 측정된 온도값은 제어부(5)에 전달된다.

제어부(5)는 온도센서에서 측정된 온도값과 압력센서에서 측정된 압력값에 근거하여 히터(21)나 공급유닛(3)의 작동의 작동을 제어하는 것이다. 제어부는 가열관에 전달되는 열량과, 가열관에 공급되는 물의 유량을 제어함으로써, 결국 최종 사출되는 스팀의 압력과 온도를 제어하게 된다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 스팀 발생장치의 작동제어방법을 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 작동제어방법에 따른 온도와 압력 관계를 나타낸 그래프이고, 도 5는 어느 한 단계에 따른 온도와 압력의 관계를 나타낸 그래프이다.

조작면(51)을 통해 주전원 스위치가 활성되면 제어부(5)를 통하여 히터(21)에 전원이 공급된다. 히터(21)의 온도가 공급된 상온의 물을 기화하기 위한 작동온도까지 상승하는데 시간이 소요된다.

제어부(5)는 히터에 전류를 공급되게 하면서, 온도센서를 통하여 측정되는 온도값이 미리 설정된 작동온도 이상으로 상승되었는지를 확인하고, 공급유닛(3)을 작동하여 물을 가열관(22)으로 주입시킨다. 이로써 히터에 의하여 가열된 가열관(22)을 통과하는 물이 바로 가열 및 기화되어 사출유닛(4)을 통하여 물방울이 거의 포함되지 아니한 초기 스팀을 방출할 수 있게 된다.

한편, 제어부(5)는 공급유닛(3)의 작동 시점을 시간데이터에 근거하여 판단할 수 있다. 이를 위하여 제어부(5)에는 타이머가 장착되어 있으며, 상온에서 작동온도까지 히터가 가열되는데 소요되는 초기가열시간 데이터를 저장하고 있다. 이러한 초기가열시간은 계절의 변화를 고려하여 결정되는 임의의 상온에서 설정된 작동온도까지 히터가 가열되는데 소요되는 시간으로, 일례로 상온을 섭씨 4도로 하고 작동온도를 섭씨 200도로 할 때에, 히터의 스펙과 공급되는 전류량에 따라 반복 실험에 의하여 산출되는, 상기 상온에서 작동온도까지 히터가 가열되는데 소요되는 시간이다. 이 경우, 제어부는 온도센서와 상관 없이 작동개시 시점에서 공급유닛의 작동시점을 시간에 의하여 결정할 수 있게 된다.

한편, 스팀 발생장치의 운용 중에 제어부(5)는 히터의 온도를 일정한 범위에 머물도록 각 히터(21)에 공급되는 전류를 개별적으로 제어한다. 선택된 운전 조건에 따라 각 히터(21)의 상한작동온도(Th)와 하한작동온도(Tw)가 설정되어 있다. 제어부(5)는 히터(21)의 전류를 공급하거나 차단함으로써, 히터의 온도가 상한작동온도(Th)부터 하한작동온도(Tw) 사이에 머물도록 한다.

이때, 제어부(5)에 의한 히터(21)의 전류 차단은 페이드아웃(fade out) 방식으로 이루어질 수 있다. 여기서, 페이드아웃은 일정 시간 동안 히터(21)에 전달되는 전류를 점차 줄이다가, 최종 히터에 공급되는 전류를 차단하는 방식을 말한다. 여기서 일정 시간은 사용자가 미리 설정하는 시간으로 수 초 내지 수 십초의 시간이다. 이러한 페이드아웃 방식에 의한 히터의 전류 차단은, 히터의 온도의 급작스런 변화를 방지하여 가열관 등 내부 순환 계통의 압력 변화에 따른 내충격을 최소화시키는 것이다.

제어부(5)가 공급유닛(3)을 작동시키면 물공급라인(Lw)을 통하여 물이 가열유닛(2)의 가열관(22)에 주입된다. 제1히터(21a) 내지 제2히터(21b)에 감긴 가열관(22)을 통과하면서 물은 순간적으로 가열되고 기화되기 시작한다. 이후 나머지 히터(도면에서는 제3히터)에 감긴 가열관(22)의 후반부를 통과하면서 스팀의 온도는 더욱 상승되며 스팀의 압력이 상승하게 된다.

이때, 제어부는 공급된 물이 상기 가열관을 통과하는 순서에 따라 각 히터에 의한 가열 온도가 점차 상승하도록 상기 히터(21)의 작동온도를 개별 제어한다. 즉, 본 발명의 실시예에서 제어부(5)는 제1히터(21a), 제2히터(21b), 제3히터(21c)의 작동온도를 점차 상승하게 설정한다. 일례로 제1히터(21a)의 작동온도는 섭씨 150도 내지 170도, 제2히터(21b)의 작동온도는 섭씨 200도 내지 220도, 제3히터(21c)의 작동온도는 섭씨 250도 내지 270도의 범위로 유지시킬 수 있다.

분할된 히터의 작동온도가 물/스팀의 이동 순성에 따라 점차 증가하도록 함에 따라, 가열유닛에서 공급된 물을 대부분 기화시켜 배출되는 스팀에 물방울의 함유율을 크게 낮추고 고압의 안정된 스팀을 생성할 수 있게 된다.

만일, 가열유닛이 단일 히터와 그 외주면에 감긴 가열관을 구비하는 경우라면, 물/스팀의 압력 구배와 히터의 가열 용량의 한계에 의하여 고압, 고온의 스팀을 얻기가 쉽지 않다. 더하여 단일 히터는 구간별 온도제어가 불가능한 관계로 다양한 압력과 온도의 스팀을 생성하지 못하고, 한정된 압력 범위, 한정된 온도 범위의 스팀만을 생성할 수 밖에 없다. 그러나 본원은 점차 높은 작동온도로 제어되는 다단의 히터를 구비함으로써 최종 배출되는 스팀의 압력 범위와 온도 범위를 다양하게 변화시키기 용이하며, 특히 고압과 고온의 스팀을 얻을 수 있는 장점이 있다.

또한, 제어부는 공급유닛의 작동을 제어하여 가열관 내부의 스팀 압력을 일정한 범위 이내로 유지시킬 수 있다. 구체적으로 물 공급량을 제어함으로써 가열관 내부의 스팀 압력이 하한작동압력(Pw)과 상한작동압력(Ph) 사이에 머물도록 한다. 즉, 제어부는 압력센서에서 측정된 압력값이 하한작동압력의 이하인 경우에 공급유닛의 작동을 개시하고, 상한작동압력(Ph)을 초과하면 공급유닛의 자동을 정지시키는 것이다. 이때, 공급유닛의 작동 정지는 페이드아웃 방식에 의하여 이루어질 수 있다.

한편, 제어부(5)는 미리 설정된 단계별로 상기 히터(21)의 작동온도 또는 상기 공급유닛(3)에 의한 물 공급량을 조절할 수 있다. 이때, 단계의 수는 적어도 둘 이상이면 그 수에 한정이 없다. 일례로, 상기 단계는 1단계부터 9단계에까지 세분화 된다. 나뉘어진 단계별로 히터의 작동온도 또는 상,하한작동압력의 설정값이 달라짐으로서 최종 사출되는 스팀의 온도와 압력을 다변화시킬 수 있게 된다.

이러한 단계들의 선택은 조작면(51)을 통하여 이루어진다. 더하여, 어느 하나의 단계를 선택한 다음 조작면을 통하여 히터(21)나 공급유닛(3)의 작동조건을 개별적으로 추가 변경 가능한 것이다.

구체적으로 히터(21)의 작동조건 변경은 어느 한 단계에서 설정되는 하한작동온도(Tw)와 상한작동온도(Th)의 작동온도 제어 범위 내에서 하한작동온도(Tw)를 상승 또는 하강시키는 것이다. 특히, 히터의 하한작동온도(Tw)의 변경은 제1히터(21a)에 한정되어 이루어질 수 있다. 또한, 공급유닛(3)의 작동조건 변경은 시간당 가열관으로 주입되는 유량을 증가 또는 감소시키는 것이다.

이러한 히터의 작동조건 변경은 스팀의 사용처 요구에 따라 다양한 온도와 압력의 스팀을 생성하게 하는 것이다. 이러한 수동 조작에 따른 작동조건의 변경을 통하여 고온 저압의 스팀이나 저온 고압의 스팀 등 다양한 압력과 온도의 스팀을 얻을 수 있게 된다.

도 4에서 각 블록은 어느 한 단계를 나타낸 것이다. 블록 안의 숫자는 단계를 순차적으로 표시한 것으로, 우측으로 갈수록 상위 단계를 나타낸 것이다. 어느 한 블록에서 이격된 양 세로선은 해당 단계에서 하한작동온도(Tw)와 상한작동온도(Th)를 나타낸다. 즉 제어부(5)는 히터(21)의 작동온도를 하한작동온도(Tw)와 상한작동온도(Th) 사이의 온도로 유지되도록 히터에 공급되는 전류를 제어한다. 또한, 공급유닛의 제어를 통하여 가열관의 스팀 압력이 상한작동압력(Ph)과 하한작동압력(Pw) 사이에 유지되도록 한다.

이때, 상한작동온도(Th)와 하한작동온도(Tw)는 복수로 구비된 히터(21)마다 개별적으로 다르다. 구체적으로 어느 한 단계에서 제1히터(21a)에 적용되는 상,하한작동온도와 제2히터(21b), 제3히터(21c)에 각기 적용되는 상,하한작동온도는 서로 다르게 설정되는 것이다. 이 경우에도 각 히터들에 대한 상,하한작동온도는 제1히터에서 이후로 히터로 갈수록 점차 상승되게 설정되는 것이다.

하위 단계에서 상위 단계로 설정이 변경되면서 상한작동온도(Th)와 하한작동온도(Tw), 즉 히터의 작동온도는 점차 상승하도록 설정된다. 즉, 상위 단계로 갈수록 상한작동온도(Th) 또는 하한작동온도(Tw)는 상승됨으로써 상위 단계에서 생성된 스팀의 온도는 하위 단계의 스팀의 온도보다 높게 된다. 또한 스팀 온도의 상승에 따라 스팀의 압력도 상승하게 된다.

더하여, 하위 단계에서 상위 단계로 갈수록 히터의 온도가 증가되면서 동시에 상,하한작동압력(Ph,Pw)의 설정치를 증대시켜 공급유닛을 통한 물의 공급량도 증가시킬 수 있다. 물의 공급량이 증가되면 기화에 소모되는 열 에너지로 인하여 최종 스팀의 온도 상승은 크게 증가되지 아니하면서 스팀의 압력이 더욱 상승하게 된다.

이때, 상,하한작동압력(Ph,Pw)의 설정치 증감은 매 단계가 변경될 때마다 이루어질 수 있다. 또는, 이웃한 몇 단계를 하나의 군으로 하여, 같은 군 내에서의 단계 이동시에는 상기 설정치의 변화가 없고, 해당 군을 벗어나는 단계 이동시에 상기 상한작동압력 또는 하한작동압력의 설정치를 가감하도록 공급유닛을 제어할 수 있다. 이러한 군에 따른 상,하한작동압력(Ph,Pw) 설정치의 증감은 해당 군에서 단계 변동 시 온도 증가에 따른 압력 증가를 그대로 반영할 수 있으므로, 단계별로 보다 세밀한 최종 스팀의 압력을 변경을 할 수 있게 한다. 즉, 세밀한 압력 조절이 가능케 되는 것이다.

한편, 하위 단계에서 상위 단계로 변경됨에 따라, 상기 가열관(22)이 첫 번째 통과하는 히터(도면에서 제1히터(21a))의 작동온도 상승 폭이 나머지 히터(도면에서 제2히터(21b) 및 제3히터(21c))의 작동온도 상승 폭보다 크도록 제어된다. 일례로, 상위 단계로 이전됨에 따라 상승되는 제1히터(21a)의 작동온도(정확히는 하한작동온도)의 상승폭이 섭씨 30도라면, 다른 나머지 제2,3히터의 각 작동온도의 상승폭은 섭씨 30도보다 낮은 온도로 상승되는 것이다.

이와 같이, 제1히터(21a)의 작동온도 상승폭이 다른 나머지 히터들의 상승폭보다 크게 설정됨으로써, 상위 단계에서 물의 기화를 보다 빨리 이루어지게 된다. 하위 단계보다 상위 단계에서 물의 기화가 먼저 이루어짐에 따라 가열관을 통과하는 스팀에 전달되는 열량이 많아지고, 결국 가열관을 통과하여 빠져나가는 스팀의 압력 및 온도가 상승하게 된다.

단계별 스팀의 온도 및 압력의 증가는 단계가 상승할 때마다 모든 히터들의 작동온도를 일정한 비율로 상승시킴으로써 이루어질 수 있다.

특히, 단계별 스팀의 온도 및 압력을 효과적으로 증기시키는 방안 중 하나는 제1히터(21a)의 작동온도 상승 폭을 다른 히터들의 작동온도 상승폭보다 증가시키는 것이다. 즉, 히터들을 순차적으로 통과하는 물이 더 높은 온도의 제1히터에서 신속되게 가열, 기화되게 함으로써 최종 배출되는 스팀의 온도와 압력을 증대시킬 수 있다. 이는 제2,3히터의 온도 상승폭을 낮출 수 있으므로 소모되는 전력을 크게 증대시키지 아니하면서도 최종 배출되는 스팀의 압력과 온도를 상승시킬 수 있게 되는 것이다.

만일 하위 단계에서 제1히터(21a)와 이후의 다른 히터들과의 작동온도 차이가 큰 경우라면, 상위 단계에서는 제1히터(21a) 작동온도만을 상승시키도록 하여도 최종 배출되는 스팀의 온도 및 압력의 증대를 가져올 수 있다.

가열유닛(2)에서 생성된 스팀은 사출유닛(4) 밸브의 개방으로 외기로 사출된다. 스팀이 사출됨에 따라 공급유닛(3)에서 지속적으로 공급된 물이 가열유닛(2)에서 연달아 기화되면서 사출유닛(4)에서 연속된 스팀의 사출이 있게 된다.

사출유닛(4) 밸브의 폐쇄로 스팀의 배출이 중단되면 스팀 발생장치 내부의 스팀은 이송관(44)과 가열관(22)에 이후 사출유닛(4)이 개방되기 전까지 정체하게 된다. 가열유닛(2) 내에 정체하는 스팀은 가열관(22)에서 계속 가열되며 공급유닛(3)에 의해 주입되는 물에 의하여 압축되어 점차 압력이 상승하게 된다.

이때, 제어부(5)는 압력센서에서 측정된 스팀의 압력값이 미리 설정된 적정압력값(Pi)을 초과하는 것으로 판단하면, 공급유닛(3)의 작동을 중지시킨다. 이 적정압력값(Pi)은 가열관(22)이나 이송관(44)이 허용하는 최대허용압력보다 낮은 압력으로 설정되는 것이고, 설정된 단계와 무관한 특정한 압력값일 수 있다. 또는 적정압력값은 설정된 단계별로 또는 군별로 달리 설정될 수도 있다.

더하여, 공급유닛(3)의 작동 정지는 페이드아웃(fade out) 방식으로 이루어진다. 즉, 공급유닛(3)의 정지는 급작스럽게 이루어지는 것이 아니라 일정 시간 동안 천천히 줄어들다가 결국 완전히 정지하게 된다. 이와 같이 공급유닛(3)이 페이드아웃 방식으로 정지함으로써, 가열관(22)이나 이송관(44)의 내부에 급격한 압력 변화에 따른 내충격의 발생을 저감할 수 있게 된다.

이후 다시 사출유닛(4)의 개방으로 스팀이 배출되기 시작하면 압력센서에서 계측된 압력값이 낮아지는 것을 제어부가 인지하고 다시 공급유닛(3)을 작동시키게 된다. 이와 함께, 전술된 바와 같이 하한작동온도와 상한작동온도의 범위 내에서 히터의 작동온도 제어도 함께 이루어질 수 있는 것이다.

한편, 스팀 발생장치의 사용 중에 가열관(22) 내의 압력이 급격하게 증가하거나 히터(21)가 과열되는 경우에는, 제어부(5)가 스팀의 압력을 정상 범위로 낮추거나 히터(21)의 과열을 방지하기 위하여 공급유닛(3)이나 히터(21)의 작동에 관여하게 된다.

이러한 과증기이나 히터의 과열은, 사용자가 임의로 히터의 작동온도를 세팅하면서 사출유닛을 짧은 시간 내에 반복 개방하여 공급유닛이 과하게 작동하는 경우나, 사용자가 사출유닛으로 스팀을 배기하지 아니한 상태에서 공급유닛의 작동을 강제한 경우 등 사용자의 직접적인 개입에 의하여 발생될 수 있다.

먼저, 스팀의 압력이 과하게 상승된 경우의 제어부(5)의 관여를 설명하고, 후에 히터의 과열에 따른 제어부(5)의 관여를 설명한다.

제어부(5)는 압력센서에 의하여 측정된 압력값이 미리 설정된 정상작동압력(Po)을 초과하는 것으로 판단되면, 이송관(44)과 연통된 배출관(53)에 장착된 밸브(52)를 개방하여 가열관(22)의 스팀을 외기로 배출시킨다.

배출관(53)에 연결된 밸브(52)는 스팀의 압력이 정상작동압력(Po) 미만인 경우에는 닫혀있기에 배출관(53)을 통하여 스팀이 외기로 배출되지 아니한다. 그러나 압력센서에서 측정된 압력값이 장상작동압력(Po) 이상인 경우에는 제어부(5)가 배출관(53)에 연결된 밸브(52)를 개방시킴으로써, 가열관(22)의 과증기는 배출관(53)을 통하여 외기로 바로 배출되는 것이다.

더하여, 제어부(5)는 압력센서에서 전달받은 압력값이 미리 설정되어 있는 정상작동압력(Po)을 초과하는 것으로 판단하면, 전술된 배출관(53)에 의한 과증기의 배출과 함께, 히터(21)와 공급유닛(3)의 작동을 정지시킬 수 있다. 이 경우, 히터(21)의 작동 정지는 가열관(22)에 추가로 전달되는 열을 저감하고, 공급유닛(3)의 작동 정지는 가열관(22)에 새로운 물의 주입을 저지하기 때문에, 배출관(53)에 의한 스팀 방출과 더불어, 가열관 내의 스팀 압력을 신속하게 저감시킬 수 있는 것이다.

한편, 가열관(22)에 연결된 온도센서를 통하여 측정된 온도값과, 미리 설정되어 있는 정상작동온도(To)를 대비 판단하여 히터의 과열 여부를 판단할 수 있다. 히터가 과열된 것으로 판단되면, 제어부(5)는 히터의 전류 공급을 차단하여 히터(21)의 작동을 정지시킨다. 이때 히터(21)의 작동 정지는 전술된 바와 같이 페이드아웃 방식으로 이루어질 수 있다.

나아가, 전류를 차단하더라도 히터는 보온재, 가열관 등에 남은 잠열에 의하여 추가 상승될 여지가 있다. 이로 인한 히터(21)의 추가 가열을 방지하기 위하여 제어부(5)는 공급유닛을 작동시켜 물을 가열관(22)에 공급하여 과열된 히터를 추가로 냉각시킬 수 있다.

만일 사출유닛(4)의 밸브가 개방된 상태라면 이미 공급유닛(3)이 작동하고 있기 때문에 히터(21)의 작동을 정지시키는 것만으로도 공급된 물에 의한 히터(21)의 냉각이 진행된다.

그러나 사출유닛(4)의 밸브가 폐쇄된 상태이고, 히터(21)가 과열된 것으로 판단된 경우에는 가열유닛(2)에서 생성된 스팀이 사출유닛(4)으로 이동하는 유로에서 분리된 배출관(53)에 장착된 밸브(52)를 개방하고 공급유닛(3)을 작동시켜 가열관(22)에 물을 공급하며 스팀을 배출관으로 배출시킬 수 있게 된다. 이 과정 중에 가열관(22)은 물에 의하여 신속하게 냉각되기에 가열관(22)과 연결된 히터(21)를 간접적으로 냉각시킬 수 있게 되는 것이다. 이로써 과열된 히터의 온도를 신속하게 내려 히터의 파손을 방지할 수 있게 되는 것이다.

사용자가 조작면을 통하여 사용 종료 명령을 입력한 경우, 제어부(5)는 히터(21)의 전원 공급을 차단시키며, 공급유닛(3)의 작동을 정지시킨다. 이때, 히터(21)나 공급유닛(3)의 작동 정지는 전술된 바와 같이 페이드아웃 방식에 의하여 서서히 정지시키게 된다.

더하여, 공급유닛(3)의 정지가 페이드아웃 방식에 의하여 일정 시간에 걸쳐 이루어짐에 따라, 작동 종료 명령이 있는 후로부터 일정량의 물이 가열유닛로 추가 공급되고, 배출관(53)에 장착된 밸브(52)가 개방되어 가열관(22) 내의 고압 스팀이 외기로 배출되게 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 스팀 발생장치는 공급된 물을 바로 기화시켜 스팀을 생성하면서 설정된 온도범위와 압력범위에서 연속된 스팀을 안정되게 생성할 수 있는 것이다. 특히, 사출유닛에 의한 스팀의 배출이 단속적으로 이루어지는 환경에서 가열유닛의 과열과 물/스팀이 통과하는 유로의 과압력에 제어부가 자동 대처하여 스팀 발생장치의 오작동이나 파손을 방지할 수 있는 것이다.

100 : 스팀 발생장치
1 : 하우징
11 : 덮개 12 : 플레이트 13 : 변압기 14 : 배기팬
2 : 가열유닛
21 : 히터 21a : 제1히터 21b : 제2히터 21c : 제3히터
22 : 가열관 23 : 열전도체 24 : 케이스
3 : 공급유닛 31 : 유체펌프
4 : 사출유닛
41 : 사출건 42 : 노즐 43 : 방아쇠 44 : 이송관
5 : 제어부
51 : 조작면 53 : 배출관 52 : 밸브
Lw : 물공급라인 Ls : 스팀배출라인 Lf : 과증기배출라인

Claims (14)

1. 하우징,
   상기 하우징의 내부에 구비되는 열을 공급하는 히터와, 상기 히터의 외측에 감겨 내부에는 유로가 형성되는 가열관을 포함하는 가열유닛.
   상기 가열관에 물을 공급하는 공급유닛,
   상기 가열관에서 발생된 스팀을 사출하는 사출유닛 그리고
   상기 히터의 작동온도와 상기 공급유닛에 의한 물의 공급량을 조절하는 제어부를 포함하고,
   상기 히터는 복수가 구비되어 상기 제어부에 의하여 서로 다른 온도로 제어 가능한
   스팀 발생장치.
2. 제1항에서,
   상기 가열유닛에서 생성된 스팀을 상기 사출유닛으로 전달하는 이송관에는 배출관이 연결되어 있고,
   상기 배출관에는 제어부에 의하여 작동되어 상기 가열관에 머무는 스팀을 외기로 배출시킬 수 있는 밸브가 장착되어 있는 스팀 발생장치.
3. 제1항에서,
   상기 가열유닛에서 생성된 스팀을 상기 사출유닛으로 전달하는 이송관에는 스팀의 압력을 계측하는 압력센서가 장착되고,
   적어도 하나의 상기 히터에는 온도센서가 장착되어 있으며,
   상기 제어부는 상기 압력센서의 압력값과 상기 온도센서의 온도값에 근거하여 상기 히터의 작동을 제어하는 스팀 발생장치.
4. 제1항에서,
   상기 사출유닛은
   사용자의 조작에 의하여 개폐되는 밸브를 포함하여 단속적인 스팀의 배출이 가능한 사출건인 스팀 발생장치.
5. 개별적인 온도 제어가 가능한 복수의 히터와,
   상기 히터에 순차적으로 결합되어 있으며, 내부를 통과하는 물이 상기 히터에 의하여 가열되는 가열관을 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀 발생용 가열유닛.
6. 제5항에서,
   상기 가열관은 각 상기 히터의 외주면에 순차적으로 감겨져 있으며, 상기 히터와 가열관 사이의 틈에는 열전도체가 충진되어 있는 스팀 발생용 가열유닛.
7. 제5항에서,
   복수의 상기 히터는 상하 방향으로 적층되고,
   상기 가열관으로 공급된 물은 하부에 위치한 히터부터 차례로 거치는 스팀 발생용 가열유닛.
8. 복수의 히터에 순차적으로 감겨 있으며 유로가 형성되어 있는 가열관을 포함하는 가열유닛. 상기 가열관에 물을 공급하는 공급유닛, 상기 가열관에서 발생된 스팀을 사출하는 사출유닛 그리고 상기 히터의 작동온도와 상기 공급유닛에 의한 물의 공급량을 조절하는 제어부를 포함하는 스팀 발생장치에서,
   상기 제어부는 공급된 물이 상기 가열관을 통과하는 순서에 따라 각 상기 히터에 의한 가열 온도가 점차 상승하도록 상기 히터의 작동온도를 개별 제어하는
   스팀 발생장치의 작동제어방법.
9. 제8항에서,
   상기 제어부는 미리 설정된 단계별로 상기 히터들의 작동온도 또는 상기 공급유닛에 의한 물 공급량을 조절하는 스팀 발생정치의 작동제어방법.
10. 제9항에서,
    하위 단계에서 상기 히터들의 작동온도보다 상위 단계에서 상기 히터들의 작동온도가 더 높은 것이고,
    하위 단계에서 상위 단계로 세팅됨에 따라, 상기 가열관이 첫 번째 통과하는 히터의 작동온도 상승 폭이 나머지 히터의 작동온도 상승 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 스팀 발생장치의 작동제어방법.
11. 제8항에서,
    상기 가열유닛에서 생성된 스팀을 상기 사출유닛으로 전달하는 이송관에는 스팀의 압력을 계측하는 압력센서가 장착되고,
    상기 제어부는
    상기 압력센서에서 전달받은 압력값이 미리 설정되어 있는 정상작동압력을 초과하는 것으로 판단되면, 상기 이송관과 연통된 배출관에 장착된 밸브를 개방하여 상기 가열관의 스팀을 배출시키는 스팀 발생장치의 작동제어방법.
12. 제11항에서,
    상기 제어부는
    상기 압력센서에서 전달받은 압력값이 미리 설정되어 있는 정상작동압력을 초과하는 것으로 판단하면, 상기 히터와 상기 공급유닛의 작동을 정지시키는
    스팀 발생장치의 작동제어방법.
13. 제12항에서,
    상기 히터와 상기 공급유닛의 작동 정지는 페이드아웃(fade out) 방식으로 이루어지는 스팀 발생장치의 작동제어방법.
14. 제8항에서,
    상기 제어부는
    상기 사출유닛을 통한 스팀의 사출이 정지된 상태이고, 상기 가열관에 장착된 온도센서에서 측정된 온도값이 미리 설정되어 있는 정상작동온도를 초과하는 것으로 판단하면,
    상기 가열유닛에서 생성된 스팀이 상기 사출유닛으로 이동하는 유로에서 분기된 배출관에 장착된 밸브를 개방하고, 상기 공급유닛을 작동하여 물을 상기 가열관에 공급하는 스팀 발생장치의 작동제어방법.

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