KR20130061780A

KR20130061780A - 원심발열펌프

Info

Publication number: KR20130061780A
Application number: KR1020110128021A
Authority: KR
Inventors: 강기선; 류운형
Original assignee: 강기선; 류운형
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-06-12

Abstract

본 발명은 원심발열펌프에 있어서, 유체가 유입되고 배출되도록 양측에 각각 유입구 및 배출구가 형성된 원통형의 하우징; 상기 하우징의 중심축을 관통하며 회전가능하게 설치되고, 일단에 구동수단이 구비되어 회전운동하는 샤프트; 및 상기 샤프트에 삽입고정되어 일체로 회전가능하도록 다수 구비되며, 회전에 의해 유체의 분자를 마찰시켜 유체를 가열시키는 관통부 및 관통홈이 다수 형성된 원형의 디스크;를 포함하는 원심발열펌프이다.
본 발명에 따르면, 하우징의 내부에 설치된 샤프트와 일체로 회전가능한 다수의 관통공과 관통홈이 형성된 디스크가 다수 구비되어, 구동수단에 의한 디스크의 회전구동만으로 유체에 열을 발생시켜 최대의 효율을 낼 수 있는 원심발열펌프를 제공할 수 있다.

Description

원심발열펌프{Centrifugal generating heat pump}

본 발명은 원심발열펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펌프 내에 샤프트에 결합되어 샤프트이 회전되면서 캐비테이션(Cavitation) 현상을 일으키는 디스크에 의하여 물분자를 잘게 부숴 발열체 없이 열을 발생시킬 수 있는 원심발열펌프에 관한 것이다.

일반적으로 난방이나 온수의 공급장치로 널리 사용되고 있는 것이 보일러이다. 이러한 보일러는 물을 일정시간 동안을 가열하고 배관을 통해 급수시설이나 난방시설로 공급한다. 여기서 물을 가열하기 위한 수단으로써 별도의 연소실을 구비하여 물을 가열하는 것이 보통이다.

근래의 보일러는 기술의 발전으로 인하여 성능이 향상되면서 취급이 간편해진 반면에, 구조가 복잡해져 시공정비, 보수에 있어서 고도의 기술을 요하게 되는 단점이 있었다. 또한 보일러 취급에 수반되는 부대시설비용 및 고유가에 따른 연료수급에 대한 부담도 증대되고 있는 실정이다.

특히, 최근에는 전기보일러가 개발되어 심야전기를 통해 저렴한 전기요금으로 고유가에 대한 연료절감을 할 수 있었으나, 강추위에 따른 전력소모량이 증가하면서 저렴하던 전기요금조차 고가로 변동되어 전기보일러의 사용에 어려움이 있었다.

이러한 문제점을 해소하고자 연료손실절감을 위한 다양한 형태의 에너지절감 보일러들이 제시되고 있다.

에너지절감보일러의 예로, 연소물(화석연료 또는 전기)에 의한 발열 없이 디스크가 회전하는 운동에너지를 이용하여 저온의 유체를 고온으로 만들 수 있도록 하는 원심발열펌프가 다양하게 개발되고 있다.

또한, 원심발열펌프는 일정한 밀폐공간을 갖는 하우징 내에서 샤프트을 통해 디스크를 고속으로 회전시킴에 따라 최대의 효율을 얻을 수 있는 개발이 절실하게 요구되고 있는 실정이다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 하우징의 내부에 설치된 샤프트와 일체로 회전가능한 다수의 관통공과 관통홈이 형성된 디스크가 다수 구비되어, 구동수단에 의한 디스크의 회전구동만으로 유체에 열을 발생시켜 최대의 효율을 낼 수 있는 원심발열펌프를 제공하기 위함이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 원심발열펌프에 있어서, 유체가 유입되고 배출되도록 양측에 각각 유입구 및 배출구가 형성된 원통형의 하우징; 상기 하우징의 중심축을 관통하며 회전가능하게 설치되고, 일단에 구동수단이 구비되어 회전운동하는 샤프트; 및 상기 샤프트에 삽입고정되어 일체로 회전가능하도록 다수 구비되며, 회전에 의해 유체의 분자를 마찰시켜 유체를 가열시키는 관통부 및 관통홈이 다수 형성된 원형의 디스크;를 포함한다.

또한, 상기 관통부는 상기 디스크의 중심축을 기준으로 직경15㎜인 다수의 관통공이 2열로 원형배열되도록 형성되는 제1관통부과 제2관통부를 포함하고, 상기 제1관통부는 디스크의 내측에 일정간격 이격되는 12개의 관통공이 원형배열되며, 상기 제2관통부는 일정간격 이격되는 24개의 관통공이 제1관통부를 둘러싸며 원형배열되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 관통홈은 상기 디스크의 외주면에 일정간격 이격되어 24개로 원형배열되되, 중심축으로 반원형상이 내입되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 샤프트와 일체로 회전가능하게 하우징의 내부에 삽입되어 설치되며 소정의 직경으로 이루어져 유체가 통과하지 못하도록 밀폐된 원통형의 체적관을 더 포함한다.

또한, 상기 체적관은 상기 하우징의 내부공간 체적을 60% 차지하도록 형성되며, 샤프트와 일체로 회전하여 구동수단에 전력부하가 일정하게 가해지도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 디스크는 중심축을 기준으로 지그재그로 일정간격 이격되며 원형배열되는 다수의 관통공; 및 외주면에 일정간격 이격되어 원형배열되되, 중심축으로 반원형상이 내입되어 형성되는 관통홈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 하우징의 내부에 설치된 샤프트와 일체로 회전가능한 다수의 관통공과 관통홈이 형성된 디스크가 다수 구비되어, 구동수단에 의한 디스크의 회전구동만으로 유체에 열을 발생시켜 최대의 효율을 낼 수 있는 원심발열펌프를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 원심발열펌프를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 원심발열펌프의 디스크를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 원심발열펌프 내의 유체 흐름을 나타낸 흐름도,
도 4는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 원심발열펌프의 디스크를 나타낸 평면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 원심발열펌프의 실험결과데이터를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 원심발열펌프를 나타낸 단면도,
도 7은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 원심발열펌프의 실험결과데이터를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 원심발열펌프를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 원심발열펌프를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 원심발열펌프의 디스크를 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 원심발열펌프 내의 유체 흐름을 나타낸 흐름도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 원심발열펌프의 디스크를 나타낸 평면도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 원심발열펌프의 실험결과데이터를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 원심발열펌프는 하우징(110), 샤프트(130) 및 디스크(120)를 포함한다.

하우징(110)은 원통형으로 형성되며, 양측 끝단에 각각 형성된 유입구(112)와 배출구(114)를 포함한다.

그리고, 유입구(112)는 유체가 유입되는 입구이고, 배출구(114)는 유입구에 유입된 유체가 배출되는 출구이다.

여기서, 유체는 상수를 나타낸다.

또한, 샤프트(130)는 하우징(110)의 중심축을 관통하며 회전가능하게 설치되고, 일단에 구동수단(140)이 구비된다.

이때, 구동수단(140)은 회전운동하며 샤프트(130)를 회전시킬 수 있도록 하되, 약 3600rpm 정도로 고속 축 회전을 할 수 있는 모터를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니다.

디스크(120)는 샤프트(130)에 삽입고정되어 일체로 회전가능하도록 다수 구비되며, 회전에 의해 유체의 분자를 잘게 부수며 마찰시켜 가열시키는 관통부(126) 및 관통홈(128)이 다수 형성된다.

또한, 관통부(126)는 디스크(120)의 중심축을 기준으로 직경 15㎜인 다수의 관통공(121)이 2열로 원형배열되도록 형성되는 제1관통부(122)과 제2관통부(124)를 포함한다.

그리고, 제1관통부(122)는 디스크(120)의 내측에 일정간격 이격되는 12개의 관통공(121)이 원형배열된다.

제2관통부(124)는 일정간격 이격되는 24개의 관통공(121)이 제1관통부(122)를 둘러싸며 원형배열된다.

또한, 관통홈(128)은 디스크(120)의 외주면에 일정간격 이격되어 24개로 원형배열되되, 중심축으로 반원형상이 내입되어 형성된다.

한편, 하우징(110)의 내주면과 디스크(120)의 외주면 사이 간격은 유체가 역류되는 것을 방지하고 원활하게 유입구(112)에서 배출구(114)로 이동될 수 있도록 약 3㎜ 정도로 이격되는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니다.

이와 같은 본 발명의 원심발열펌프는 하우징(110)의 내부에 설치된 샤프트(130)와 일체로 회전가능한 관통부(126)과 관통홈(128)이 형성된 디스크(120)가 다수 구비되어, 구동수단(140)에 의한 디스크(120)의 회전구동만으로 유체에 열을 발생시킬 수 있는 것이다.

다음으로, 본 발명의 제1실시예에 따른 원심발열펌프에 사용되는 디스크(120)가 최적의 효율을 낼 수 있도록 다음과 같은 조건으로 실험을 하였다.

먼저, 같은 공간에 같은 전력을 소모하는 구동수단(140)으로 디스크(120)를 회전시키되, 관통공(121)의 개수가 다르게 형성된 4종류의 디스크(120)를 사용하였다.

실험에 사용된 디스크(120)의 종류는 4종류로써, 도 4를 참조하면, a디스크(120a)의 관통부(126a)는 중심축을 기준으로 직경 15㎜인 12개의 관통공(121a)이 일정간격 이격되어 원형배열된 것이고, b디스크(120b)의 관통부(126b)는 중심축을 기준으로 직경 15㎜인 관통공(121b)이 일정간격 이격되어 12개씩 2열로 원형배열된 것이다. 또한, c디스크(120c)의 관통부(126c)는 중심축을 기준으로 직경 15㎜인 관통공(121c)이 일정간격 이격되어 24개씩 2열로 원형배열된 것이며, d디스크(120)의 관통부(126)는 중심축을 기준으로 직경 15㎜인 관통공(121)이 2열로 원형배열되도록 제1관통부(122)과 제2관통부(124)가 형성되되, 제1관통부(122)는 디스크(120)의 내측에 일정간격 이격되는 12개의 관통공(121)이 원형배열되며, 제2관통부(124)는 일정간격 이격되는 24개의 관통공(121)이 제1관통부(122)를 둘러싸며 원형배열된 것이다.

또한, a 내지 d디스크(120a, 120b, 120c, 120)의 외주면에는 관통홈(128)이 형성되며, 이 관통홈(128)은 a 내지 d디스크(120a, 120b, 120c, 120)의 외주면에 일정간격 이격되어 24개로 원형배열되되, 중심축으로 반원형상이 내입되어 형성된다.

그리고, 하우징(110)에 유입되는 유체의 온도는 13℃이었고, 그 외의 조건은 동일하게 하였다.

이와 같은 조건으로 실험을 하였으며, 도 5를 참조하면, a 내지 d디스크(120a, 120b, 120c, 120)를 회전시킴으로써, 유체가 시간에 따라 변화하는 온도를 것을 알 수 있었다. 참고로, 도 5에 나타낸 A는 a디스크(120a), B는 b디스크(120b), C는 c디스크(120c) 및 D는 d디스크(120)를 사용한 원심발열펌프의 유체온도를 나타낸다.

구동수단(140)을 작동시켜 a 내지 d디스크(120a, 120b, 120c, 120)를 3600rpm으로 고속회전시킨 결과, 3분이 경과했을 때 d디스크(120)를 사용한 원심발열펌프의 유체온도 D는 다른 디스크(120a, 120b, 120c)를 사용한 원심발열펌프의 유체온도 A, B 및 C보다 높았음을 알 수 있다.

그 후, 구동수단(140)이 작동된 지 15분이 경과했을 때는, d디스크(120)를 사용한 원심발열펌프의 유체온도 D가 다른 디스크(120a, 120b, 120c)를 사용한 원심발열펌프의 유체온도 A, B 및 C보다 높았다.

한편, 구동수단(140)을 3시간 동안 작동시켰을 때와 15분 동안 작동시켰을 때의 유체온도 A 내지 D는 동일하였다.

실험 결과, a 내지 d디스크(120a, 120b, 120c, 120)는 구동수단(140)에 의해 3600rpm으로 고속회전하여 작동시간이 15분 이상이 되었을 때는, d디스크(120)를 사용한 원심발열펌프의 유체온도 D가 60℃로 다른 디스크(120a, 120b, 120c)를 사용한 원심발열펌프의 유체온도 A, B 및 C보다 높은 것을 알 수 있었다.

즉, 원심발열펌프에서 d디스크(120)를 사용하면, 13℃의 저온 유체가 d디스크(120)에 형성된 관통부(126) 및 관통홈(128)에 의해 캐비테이션(Cavitation) 현상이 일어나 60℃의 고온 유체로 상변화시킬 수 있는 것이다.

그러므로, 실험의 결과로부터 본 발명의 제1실시예에 따른 원심발열펌프에 사용되는 디스크(120)는 중심축을 기준으로 직경15㎜인 다수의 관통공(121)이 2열로 원형배열되도록 형성되는 제1관통부(122)과 제2관통부(124)를 포함하고, 상기 제1관통부(122)는 디스크(120)의 내측에 일정간격 이격되는 12개의 관통공(121)이 원형배열되며, 상기 제2관통부(124)는 일정간격 이격되는 24개의 관통공(121)이 제1관통부(122)를 둘러싸며 원형배열되는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 원심발열펌프를 나타낸 단면도이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 원심발열펌프의 실험결과데이터를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 원심발열펌프는 하우징(110), 샤프트(130), 체적관(150) 및 디스크(120)를 포함한다.

여기서, 제2실시예의 하우징(110), 샤프트(130) 및 디스크(120)는 제1실시예와 동일하므로 체적관(150)에 대해서만 도 6을 참조하여, 상세하게 설명하기로 한다.

체적관(150)은 샤프트(130)와 일체로 회전가능하게 하우징(110)의 내부에 삽입되어 설치되며 소정의 직경으로 이루어진 원통형이다.

여기서, 체적관(150)은 하우징(110)의 내부공간 체적을 60% 차지하며, 유체가 통과하지 못하도록 밀폐되도록 형성된다.

다시 말해, 유체로 가득찬 하우징(110)의 내부 공간에서 샤프트(130)를 고속회전시키기 위해서 사용되는 구동수단(140)은 작동시간이 증가할수록 전력부하가 높아져 구동수단(140)의 수명이 단축되기 때문에 이를 방지하기 위하여 하우징(110)의 내부공간 체적을 차지하는 원통형의 체적관(150)을 설치하는 것이다.

즉, 샤프트(130)에 체적관(150)을 설치함으로써, 샤프트(130)와 일체로 회전하여 구동수단(140)에 전력부하가 일정하게 가해지도록 하여, 구동수단(140)의 수명이 단축되는 것을 방지하고 장기간 사용할 수 있는 것이다.

다음으로, 본 발명의 제2실시예에 따른 원심발열펌프에 사용된 다양한 체적관(150)에 따라 구동수단(140)에 가해지는 전력부하를 최소화할 수 있도록 다음과 같은 조건으로 실험을 하였다.

먼저, 하우징(110)의 내부 공간을 차지하는 체적이 다르도록 형성된 3종류의 체적관(150)을 사용하였다.

실험에 사용된 체적관의 종류는 3종류로써, 하우징(110)의 내부공간 체적을 70%차지하는 e체적관, 하우징(110)의 내부공간 체적을 60%차지하는 f체적관 및 하우징(110)의 내부공간 체적을 40%차지하는 g체적관이다.

또한, e 내지 g체적관에 삽입고정되어 일체로 회전하는 디스크(120)는 중심축을 기준으로 지그재그로 일정간격 이격되며 원형배열되는 다수의 관통공(121)과 외주면에 일정간격 이격되어 원형배열되되, 중심축으로 반원형상이 내입되어 형성되는 관통홈(128)이 형성되어 있다.

그리고, 구동수단(140)은 일반적으로 원심발열펌프의 샤프트(130)를 회전시키는데 사용되는 75마력의 모터로써, 샤프트, 체적관 및 디스크를 3600rpm으로 고속회전시킬 수 있으며, 120Ａ 이상의 전력부하가 가해질 경우 모터의 수명이 단축될 수 있으며 손상되어 작동이 중지될 수 있다. 그 외의 조건은 동일하게 하였다.

이와 같은 조건으로 실험을 하였으며, 도 7을 참조하면, 체적관(150)이 하우징(110)의 내부공간 체적을 차지하는 비율에 따라 구동수단(140)에 가해지는 전력부하의 변화를 알 수 있었다. 참고로, 도 4에 나타낸 E는 e체적관, F는 f체적관 및 G는 g체적관이 설치된 샤프트를 회전시킬 때 구동수단(140)에 가해지는 전력부하를 나타낸다. 또한, H는 체적관이 설치되지 않은 샤프트를 회전시킬 때 구동수단(140)에 가해지는 전력부하를 나타낸다.

구동수단(140)을 작동시켜 일체로 회전하는 샤프트(130), 체적관(150) 및 디스크(120)를 3600rpm으로 고속회전시킨 결과, 30분이 경과했을 때 e체적관 또는 f체적관이 설치된 샤프트(130)를 회전시키는 구동수단(140)에 가해진 부하 E 또는 F는 100Ａ이었고, g체적관이 설치된 샤프트(130)를 회전시키는 구동수단(140)에 가해진 전력부하 G와 체적관이 설치되지 않은 샤프트를 회전시킬 때 구동수단(140)에 가해지는 전력부하 H는 100Ａ 이상이었다.

그 후, 구동수단(140)이 작동된 지 120분이 경과했을 때, f체적관이 설치된 샤프트(130)를 회전시키는 구동수단(140)에 가해진 전력부하 F는 구동수단(140)이 30분 작동했을 때와 변함이 없었으나, e체적관이 설치된 샤프트(130)를 회전시키는 구동수단(140)에 가해진 전력부하 E는 소폭 상승하였고, g체적관이 설치된 샤프트(130)를 회전시키는 구동수단(140)에 가해진 전력부하 G와 체적관이 설치되지 않은 샤프트를 회전시킬 때 구동수단(140)에 가해지는 전력부하 H는 110Ａ 이상이 되었다.

또한, 구동수단(140)이 380분 이상 작동했을 때와 120분 작동했을 때 가해지는 전력부하는 변화가 없었다.

실험 결과, e 또는 f체적관이 설치된 샤프트(130)를 3600rpm으로 고속회전시키는 구동수단(140)은 작동하는 동안 무리가 가지않는 정도의 전력부하가 일정하게 가해지며 안정적으로 사용할 수 있는 반면, 체적관(150)이 설치되지 않은 샤프트(130)를 회전시키는 구동수단(140)에 가장 큰 부하가 발생함에 따라 무리가 가해져 수명 단축 및 작동이 중지될 수 있음을 예측할 수 있었다.

또한, e체적관과 f체적관 중에는 하우징(110)의 내부공간 체적을 차지함에 있어서, 효율적이며 전력부하의 변화가 없는 f체적관을 샤프트(130)에 설치하는 것이 바람직하다.

그러므로, 실험의 결과로부터 본 발명의 제2실시예에 따른 원심발열펌프에 사용되는 구동수단(140)을 안전하고, 효율적으로 사용하기 위해서 하우징(110)의 내부공간 체적을 60% 차지하도록 형성된 체적관(150)을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110 하우징 112 유입구
114 배출구 120 디스크
121 관통공 122 제1관통부
124 제2관통부 126 관통부
128 관통홈 130 샤프트
140 구동수단 150 체적관

Claims

원심발열펌프에 있어서,
유체가 유입되고 배출되도록 양측에 각각 유입구 및 배출구가 형성된 원통형의 하우징;
상기 하우징의 중심축을 관통하며 회전가능하게 설치되고, 일단에 구동수단이 구비되어 회전운동하는 샤프트; 및
상기 샤프트에 삽입고정되어 일체로 회전가능하도록 다수 구비되며, 회전에 의해 유체의 분자를 마찰시켜 유체를 가열시키는 관통부 및 관통홈이 다수 형성된 원형의 디스크;를 포함하는 원심발열펌프.
제1항에 있어서, 상기 관통부는,
상기 디스크의 중심축을 기준으로 직경15㎜인 다수의 관통공이 2열로 원형배열되도록 형성되는 제1관통부과 제2관통부를 포함하고,
상기 제1관통부는 디스크의 내측에 일정간격 이격되는 12개의 관통공이 원형배열되며,
상기 제2관통부는 일정간격 이격되는 24개의 관통공이 제1관통부를 둘러싸며 원형배열되는 것을 특징으로 하는 원심발열펌프.
제1항에 있어서, 상기 관통홈은,
상기 디스크의 외주면에 일정간격 이격되어 24개로 원형배열되되, 중심축으로 반원형상이 내입되어 형성되는 것을 특징으로 하는 원심발열펌프.