KR20170076238A - 다공성 발열체막을 포함하는 히팅 시스템 및 히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 수소를 열원으로 하는 히팅시스템 및 이를 이용한 히터에 관한 것이다.
이는 특히, 물을 원료로하는 수소발생기에서 수소를 발생시키고, 상기 수소밸생기에서 공급되는 수소를 복수의 노즐을 통하여 수소의 분사방향과 동일한 공기흐름을 형성하는 소정의 면적에서 동시에 분사시키도록 하며, 수소의 분사부에 수소의 산화반응이 가능한 다공상의 발열체막을 설치하여 수소가 통과시 산화 발열토록 하고, 발열시 발생되는 열량을 통하여 소정챔버내의 열매를 가열하도록 하는 구성으로 이루어 진다.
이에 따라서, 공해를 최소화 하면서도 충분한 열량이 구현토록 하는 수소를 이용한 히터의 제작이 가능토록 되는 것이다.

Description

다공성 발열체막을 포함하는 히팅 시스템 및 히터{HEATING SYSTEM AND HEATER COMPRISING POROUS HEATING MEMBRANE}

본 발명은 수소를 열원으로 하는 히팅시스템 및 이를 이용한 히터에 관한 것으로서 보다 상세하게로는, 물의 전기분해에 의해 발생되는 수소를 열원으로 사용할때 촉매에 의해 산화반응시 발생하는 열량을 사용하도록 하고, 상기 열량에 의해 히터를 구동하도록 하는 구성으로 자연중에 무궁하게 존재하는 물을 이용함으로써 화석자원의 대체효과를 가져옴은 물론 연소에 의한 공해발생을 억제하도록 하는 수소를 열원으로 하는 히팅시스템 및 이를 이용한 히터에 관한 것이다.

일반적으로 촉매 히터는 사용하는 연료가 탄화수소 계열인 가스 즉, 프로판 혹은 부탄가스를 사용하여 연료와 촉매가 혼합하여 분사되는 방법으로서 복잡한 구성이 구비되어야 하며, 작동시 끓는점 보다 훨씬 높은 온도가 요구된다.

그러나, 액체연료인 메탄올은 보관이나 운반이 가스보다 용이하여 안전하고,연료 공급 펌프나 공기주입 장치가 없어도 촉매 화학반응에 의하여 산화 반응을 하여서 불꽃 없이 연소시킴으로서 열을 발생시킬 수 있으며, 온도 조절은 연료 공급 밸브나 촉매 접촉 면적 혹은 거리 및 내부 디자인에 따라 조절 할 수 있다.

또한, 이때 발생되는 열은 불꽃이 없고 냄새가 없으며 특별한 전기 공급 없이 작동된다는 장점이 있고 또한 무게가 가볍고 기존의 가열기에 비해 부피가 작고 휴대가 간편하여 여러 용도로 응용이 가능하나, 부산물로서 발생하는 물이 연료인 메탄올에 희석됨으로서 효율이 저하되는 문제가 있다.

한편, 이와같은 기술과 관련하여 미국특허공보 제6,062,210호에는 촉매 코어에 미세다공성 폴리테트라플루로르에틸렌(PTFE) 수지 내에 촉매를 구비함으로서 기화된 연료가 촉매에 도달하게 해주며 생성된 물이 촉매와 접촉하는 것을 방지하도록 하는 구성으로 이루어진 휴대용 열발생장치가 공지되어 있다.

그러나, 상기와 같은 휴대용 열발생장치는, 미세다공성 폴리테트라플루로르에틸렌 수지가 충분한 선택성을 갖고 있지 않아 열효율이 저하되는 단점이 있고, 가열된 촉매로 인하여 미세 다공성 수지가 변형되는 문제가 있었다.

다른 한편, 상기와 같은 촉매히터의 단점을 개선하기 위하여 미합중국 공개특허공보 제20040209206호에는 상기의 촉매히터의 단점을 극복하기 위하여 고분자 투과막(NafionMembrane) 또는 다공성 실리콘 투과막을 채용함으로서 상기 투과막을 선택적으로 투과한 메탄올이 촉매에 접촉되도록 하여 열을 발생시키는 구성을 특징으로 하는 촉매히터가 공지되어 있으나, 통상 촉매 히터의 경우 초기열이 약 230℃정도로 발생하게 되므로 장시간 운전할 때 고분자 투과막이 연료 탱크에 부착되어 있는 접촉면의 높은 열에 서서히 열화되어 메탄올 연료의 누수현상이 발생하거나 투과막의 변형으로 장시간 사용 시 일정한 온도 유지가 곤란한 단점이 있다.

더구나 상기의 문제점은 300℃~400℃의 고온으로 장시간 히터를 안정적으로 운전하는 것에 더욱더 한계를 가져올 수밖에 없다.

따라서, 고분자 투과막인 다공성 투과막은 고온에 장시간 노출될 때 상기와 같은 문제를 극복하고 안정적 운전이 가능한 촉매 히터의 출현이 요구되고 있는 실정이다.

이러한 문제점을 개선하기 위한 촉매히터가 등록특허공보 제529155호에 개시되어 있으며 그 구성은 도1에서와 같이, 다공성 세라믹필터(13)가 구비된 연료탱크(10)와 촉매(21)와 발생하는 물을 흡수하는 흡습제(22) 및 열전달 매체(23)로 구성되는 발열부(20), 상기 발열부와 다공성 세라믹 필터(13) 사이에는 산소를 공급하는 이격된 공간부(24)가 구비된다.

그리고, 연료탱크 내부(11)에는 다공성 세라믹 재질로 된 연료 카트리지(12)가 삽입되고, 상기 카트리지(12)는 개폐되는 투입구(14)를 통하여 장착되며, 그 일측에 압력조절구(15)가 구비된다.

또한, 산소 공급이 가능한 공간부(24)와 촉매(21)와 흡습제(22)로 사용되는 실리카겔 등의 움직임을 방지하고 촉매(21)가 흡습제(22)의 표면과 직접 접촉을 피하도록 하는 역할을 함과 동시에 발열되는 열을 위부로 효율적으로 전달시키기 위하여 열전달매체(23)로서 글라스울을 사용하여 발열부(20)를 구성하며, 상기 열전달매체(23)는 열의 방출과 공기의 원활한 공급을 위해 발열 부분의 외부는 방열부(31)로서 스테인리스스틸 재질인 타공망을 채용한 발열부커버(30)를 구비하는 구성으로 이루어 진다.

그러나, 상기와 같은 촉매히터는, 연료를 액상인 메탄올을 사용함으로써 별도의 카트리지등을 구비하여야 하여 사용이 불편하고, 촉매에 의한 발화시 발생되는 수분을 흡수하기 위한 별도의 장치를 필요로 하여 그 구성이 복잡하게 되며, 연료가 열전달매체(23)가 촉매와 분리되는 구성으로 열전달 효율이 저하되는 등의 단점이 있는 것이다.

상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 본 발명의 출원인에 의해 출원되어 특허등록된 제532230호의 수소발생장치 및 특허등록 제535434호의 수소발생시스템을 이용하여 발생되는 수소를 사용도록 하는 수소를 열원으로 하는 히팅시스템 및 이를 이용한 히터를 제공하는 데 있다.

또한 본 발명은, 물을 원재료로 발생되는 수소를 연료원으로 하고 연소반응 없이 촉매에 의한 산화반응시 발열토록 하여 열원의 생산원가를 최소화 함은 물론 연소에 따른 공해물질의 배출이 없도록 하는 수소를 열원으로 하는 히팅시스템 및 이를 이용한 히터를 제공하는 데 있다.

더하여 본 발명은, 촉매와 열전달매체가 일체화 시켜 열손실을 최소화 하도록 하며, 수소발생기에서 발생되는 수소와 산소를 동시에 사용할 수 있도록 하는 수소를 열원으로 하는 히팅시스템 및 이를 이용한 히터를 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 물을 원료로하는 수소발생기에서 수소를 발생시키고, 상기 수소발생기에서 공급되는 수소를 복수의 노즐을 통하여 수소의 분사방향과 동일한 공기흐름을 형성하는 소정의 면적에서 동시에 분사시키도록 하며, 수소의 분사부에 수소의 산화반응이 가능한 다공상의 발열체막을 설치하여 수소가 통과시 산화 발열토록 하고, 발열시 발생되는 카로리를 통하여 소정챔버내의 열매를 가열하도록 하는 히팅시스템에 있어서,

상기 분사부는, 동시에 분사되는 수소가 발열체막에 형성되는 다수 다공을 동시에 통과하도록 다수의 노즐단부와 발열체막의 각 구멍사이가 동일한 거리를 갖도록 설치되는 것을 특징으로 하는 수소를 열원으로 하는 히팅시스템을 제공한다.

또한 본 발명은, 내측에 소정의 장착공간이 형성되면서 전면부 일측에 그릴이 구비되는 본체부;

상기 본체부에 장착되면서 물을 원료로 한 수소발생기에서 공급되는 수소를 복수의 노즐을 통하여 수소의 분사방향과 동일한 공기흐름을 형성하는 소정의 반응챔버에서 동시에 분사시키도록 설치되며, 동시에 분사되는 수소가 수소의 산화반응이 가능토록 하면서 다공상으로 형성되는 발열체막의 다수 다공을 동시에 통과하도록 다수의 노즐단부와 발열체막의 각 구멍사이가 동일한 거리를 갖도록 설치되고, 상기 발열체막의 다공을 수소가 통과시 산화반응하면서 발열토록 설치되며, 발열시 발생되는 열량을 통하여 반응챔버의 공기를 가열하도록 설치되는 열량형성부;

상기 반응챔버에 공기흐름을 형성하면서 가열되는 공기를 그릴로 배출하는 방향성을 형성하도록 설치되는 하나 이상의 송풍팬을 포함하는 구성으로 이루어 진 수소를 열원으로 하는 히터를 제공한다.

본 발명에 의하면, 물을 원재료로 발생되는 수소를 연료원으로 하고 연소반응 없이 촉매에 의한 산화반응시 발열토록 하여 열원의 생산원가를 최소화 함은 물론 연소에 따른 공해물질의 배출이 없어 자연친화적인 장치를 제공하는 효과를 가져온다.

더하여 본 발명은, 촉매와 열전달매체가 일체화 시켜 열손실을 최소화 하며, 수소발생기에서 발생되는 수소와 산소를 동시에 사용하여 히터의 효율을 상승시킴은 물론 순수한 산소를 실내에 공급하여 공기를 정화시키는 효과를 가져온다.

도1은 종래의 촉매히터를 도시한 단면도 이다.
도2는 본 발명의 히팅시스템을 도시한 개략도 이다.
도3은 본 발명의 히팅시스템을 이용한 히터를 도시한 정면도 이다.
도4는 본 발명의 히터를 도시한 측면도 이다.
도5는 본 발명에 따른 히터의 분사장치 및 열전도막을 도시한 요부 상태도 이다.

이하, 첨부된 도면에 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 구체적으로 살피면 다음과 같다.

도2 내지 도5에서 도시한 바와같이 본 발명은, 열량형성부(100)와 상기 열량형성부(100)가 장착되는 본체부(200)및 상기 열량형성부(100)에서 발생되는 열원에 일정한 방향성을 형성하도록 설치되는 송풍팬(300)으로서 이루어 진다.

상기 열량형성부(100)는, 수소발생기(110)에서 물의 전기분해에 의해 발생되는 수소를 공급부(120)를 통해 발열체막(130)에 공급하도록 설치할 때 송풍팬(300)에 의해 일정한 산소흐름을 형성하는 소정의 반응챔버(350)에서 산화 발열토록 하고, 발열시 발생되는 카로리를 통하여 반응챔버(350)내의 열매(공기)를 가열토록 설치된다.

이때, 상기 공급부(120)는, 수소발생기(110)에서 직접공급되거나 저장조(121)를 통과한 후 공급되는 수소를 선택적으로 공급하도록 분배기(122)가 구비된다.

또한, 상기 공급부(120)는 배관(123)을 통하여 분사장치(140)에 연결된다.

이때, 상기 분사장치(140)는, 공급되는 수소를 동일 수평면상의 소정면적에서 동일한 유속 및 유량으로 분사시키도록 동일한 직경을 갖으면서 팁의 단부가 동일 수평면상에 위치토록 배관(123)에 연결되는 복수의 노즐(145)로서 이루어 진다.

즉, 상기 분사장치(140)는, 동일 높이와 동일 직경의 분사공을 갖는 다수의 분사노즐(145)이 노즐프레임(141)이 소정간격으로 다수개 배열되면서 각각이 배관(123)에 연결되는 수소를 동시에 공급받도록 설치된다.

그리고, 상기 발열체막(130)은, 수소가 산화반응하여 발열하도록 나노상태의 촉매가 코팅되는 다공상의 세라밀볼로 이루어 진다.

더하여, 상기 발열체막(130)은, 분사되는 수소의 산화반응이 최대화시키기 위해 메시상태의 스크린으로 이루어지며, 상기 분사노즐(145)에서 분사되는 수소의 면적에 대응되는 면적을 갖도록 이루어진다.

또한 상기 발열체막(130)은, 촉매에 의한 수소의 산화반응에 의하여 열을 발생시키도록 설치되는 것으로서 나노상태의 촉매가 코팅되는 구성으로 이루어진 다공성 세라믹 볼이 메시상태인 스트인레스스틸재의 필터에 코팅되는 구성으로 이루어 지고, 다공성 세라믹 볼은 2.0~20㎛의 것이 사용된다.

계속하여, 상기 본체부(200)는, 내측에 소정의 장착공간(S)이 형성되면서 전면부 일측에 그릴(210)이 구비된다.

그리고, 상기 송풍팬(300)은, 발열체막(130)이 저면에 장착되는 반응챔버(350)에 그릴(210)을 향하여 개방부(355)를 형성한후 일체로 장착된다.

이때, 상기 송풍팬(300)은, 대류현상을 이용하도록 경사지게 설치되면 더욱 바람직 하다.

상기와 같은 구성으로 이루어 진 본 발명의 작용 및 효과를 설명한다.

도2 내지 도5에서와 같이, 발열체막(130)은, 수소의 산화시 발생하는 발열반응을 이용하는 것으로 수소의 산화에 나노상태인 백금(Pt) 또는 루테늄(Ru)등의 촉매가 코팅되는 다공성 세라믹볼이 메시상의 스테인리스 스틸재 스크린에 코팅되는 구성으로 메시를 통과하는 수소가 산소와 촉매의 동작에 의해 산화반응하면서 발열토록 한다.

이때, 상기 발열체막(130)은, 다공성 세라믹 볼은 2내지 20㎛의 것이 사용되며, 상기 세라믹 볼의 직경이 2㎛이하 이면 결합시 공극이 저하되어 산화 반응은 활발하나 물의 흡수가 원활하게 이루어 지지않게 되고, 볼의 직경이 20㎛이상이면 공극은 증가하나 산화반응은 저하되는 단점이 있어 02~20㎛가 적당하다.

그리고, 상기 발열체막(130)은, 120℃이상이 되면 변형이 오거나 녹아 버리는 기존의 나피온 또는 다공성 실콘막 등으로 이루어진 고분자 투과막과는 열에 의한 변형이 거의 없어 고온에서 장시간 운전이 가능하다.

이상과 같이 수소의 공급에 의해 발열체막(130)을 통과하는 수소가 산화되면서 발열토록 됨으로써 반응챔버(350) 내측의 공기를 가열토록 한다.

이때, 상기 수소는 노즐(145)를 통한 분사압력과 송풍팬(300)에 의해 일정한 흐름을 형성하게 되어 발열체막(130)의 다공을 일정한 속도로 통과하면서 수소가 산화반응토록 된다.

그리고, 도4에서와 같이 송풍팬(300)을 가동하면 반응챔버(350)내의 공기를 일정한 유량으로 흡입하면서 반응챔버에서 그릴로 향하는(즉 수소의 분사방향과 동일한) 공기흐름을 형성하게 되고, 이때 배출되는 공기는 노즐프레임의 간극을 통하여 유입되는 공기에 의해 채워지면서 공기의 연속적인 흐름이 가능토록 된다.

더하여, 상기 노즐(145)을 통하여 수소를 분사할 때 발열체막이 산화되면서 열이 발생되고, 상기 열은 대류현상(발열체막에서 덮혀진 공기가 상승하면서 그릴방향으로 이동하는 현상)에 의해 그 자체만으로도 그릴로 향하는 공기흐름이 형성되나 본원발명에서는 송풍팬(300)의 동작시 반응챔버(350) 내의 공기를 흡입함으로써 공기가 일정한 방향으로 흐르게 되는 데 이때의 공기흐름 역시 수소의 분사방향과 동일한 방향으로 공기의 흐름을 형성하게 되어 수소의 분사방향과 동일한 방향으로 공기의 흐름을 형성하게 되어 온풍을 연속적으로 공급하는 효과를 가져오게 된다.

그리고, 상기 송풍팬(300)은 노즐(145)에서 분사되어 반응챔버(350)에 잔존되는 수소도 방출하도록 한다.

더하여, 상기 본체부(200)에 설치되는 그릴(210)은 그 양단이 힌지로서 연결될 때 그 일측에 일반적인 히터의 그릴 구동과 같이 모터(미도시)가 연결되는 구성으로 상,하/좌,우로의 풍향 조절이 가능토록 된다.

한편, 상기 분배기(122)는 실내 온도를 감지하기 위한 센서(126)에 위해 동작토록 되면서 제어유니트(129)와 연동하여 온도조건에 따라 수소의 공급량을 제어토록 하며, 저장조(121)와 수소발생기(110)로 부터 공급되는 수소를 선택적으로 공급토록 한다.

그리고, 상기 수소발생기(110)는, 전원공급부(134)를 통한 외부전원으로서 동작토록 된다.

또한, 상기 반응챔버(350) 내측에 설치되는 센서(136)를 통하여 과열을 방지토록 설치된다.

더하여, 상기 송풍팬(300)의 동작은, 노즐로서 분사되는 수소에 산소 공급을 해주어서 수소의 원활한 산화반응을 도와 주며, 수소 공급이 중단 되더라도 20~30초 동안 동작하여 잔존 수소를 없애도록 한다.

그리고, 상기 수소발생기(110)는, 발생되는 산소를 사용토록 반응챔버(350) 및 그릴(210)에 분사배관(170)(173)이 각각 연결되어 실내에 산소를 공급하거나 수소의 산화반응시 필요로 하는 산소를 공급하도록 한다.

이때, 상기 수소발생기(110)에서 발생되는 산소는 불순물이 최소화 되는 산소로서 그 산화 효율을 더욱 상승시키도록 한다.

100 열량형성부 110 수소발생기
121 저장조 122 분배기
130 발열체막 140 분사장치
300 송풍팬 350 반응챔버

Claims (11)

1. 물을 원료로하는 수소발생기에서 수소를 발생시키고, 상기 수소발생기에서 공급되는 수소를 복수의 노즐을 통하여 수소의 분사방향과 동일한 공기흐름을 형성하는 소정의 면적에서 동시에 분사시키도록 하며, 수소의 분사부에 수소의 산화반응이 가능한 다공상의 발열체막을 설치하여 수소가 통과시 산화 발열토록 하고, 발열시 발생되는 카로리를 통하여 소정챔버내의 열매를 가열하도록 하는 히팅시스템에 있어서,
   상기 분사부는, 동시에 분사되는 수소가 발열체막에 형성되는 다수 다공을 동시에 통과하도록 다수의 노즐단부와 촉매발열체막의 각 구멍사이가 동일한 거리를 갖도록 설치되는 것을 특징으로 하는 수소를 열원으로 하는 히팅시스템
2. 제 1항에 있어서, 상기 분사부는, 노즐의 분사압력및 노즐의 직경이 동일하게 형성되어 발열체막 전체에서 균일한 발열이 가능토록 되는 것을 특징으로 하는 수소를 열원으로 하는 히팅시스템
3. 제 1항에 있어서, 상기 분사부는, 노즐에 공급되는 수소가 수소발생기에서 직접공급되거나 저장조를 개재하여 공급토록 하는 것을 특징으로 하는 수소를 열원으로 하는 히팅시스템
4. 제 1항에 있어서, 상기 발열체막은, 나노상태인 백금(Pt) 또는 루테늄(Ru)중에서 선택되는 어느 하나이상의 촉매가 코팅되는 다공성 세라믹볼이 메시상의 스테인리스 스틸재 스크린에 코팅되는 조합체인 것을 특징으로 하는 수소를 열원으로 하는 히팅시스템
5. 내측에 소정의 장착공간이 형성되면서 전면부 일측에 그릴이 구비되는 본체부;
   상기 본체부에 장착되면서 물을 원료로 한 수소발생기에서 공급되는 수소를 복수의 노즐을 통하여 수소의 분사방향과 동일한 공기흐름을 형성하는 소정의 반응챔버에서 동시에 분사시키도록 설치되며, 동시에 분사되는 수소가 수소의 산화반응이 가능토록 하면서 다공상으로 형성되는 발열체막의 다수 다공을 동시에 통과하도록 다수의 노즐단부와 발열체막의 각 구멍사이가 동일한 거리를 갖도록 설치되고, 상기 발열체막의 다공을 수소가 통과시 산화반응하면서 발열토록 설치되며, 발열시 발생되는 열량을 통하여 반응챔버의 공기를 가열하도록 설치되는 열량형성부;
   상기 반응챔버에 공기흐름을 형성하면서 가열되는 공기를 그릴로 배출하는 방향성을 형성하도록 설치되는 하나 이상의 송풍팬을 포함하는 구성으로 이루어 진 수소를 열원으로 하는 히터
6. 제 5항에 있어서, 상기 분사부는, 노즐의 분사압력및 노즐의 직경이 동일하게 형성되어 발열체막 전체에서 균일한 발열이 가능토록 되는 것을 특징으로 하는 수소를 열원으로 하는 히터
7. 제 5항에 있어서, 상기 분사부는, 노즐에 공급되는 수소가 수소발생기에서 직접공급되거나 저장조를 개재하여 공급토록 하는 것을 특징으로 하는 수소를 열원으로 하는 히터
8. 제 5항에 있어서, 상기 발열체막은, 수소의 분사면적에 대응되는 면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수소를 열원으로 하는 히터
9. 제 5항에 있어서, 상기 분사장치는, 공급되는 수소를 동일 수평면상의 소정면적에서 동일한 유속 및 유량으로 분사시키도록 동일한 직경을 갖으면서 팁의 단부가 동일수평면상에 위치토록 배관에 연결되는 복수의 노즐로서 이루어 지는 것을 특징으로 하는 수소를 열원으로 하는 히터
10. 제 5항에 있어서, 상기 송풍팬은, 발열체막이 저면에 장착되는 반응챔버의 일측에 그릴을 향하여 개방부를 형성한후 일체로 장착되며, 대류현상을 이용하도록 경사지게 설치되는 것을 특징으로 하는 수소를 열원으로 하는 히터
11. 제 5항에 있어서, 상기 수소발생기는, 산소관이 연결되어 그 단부에 그릴및 반응챔버에 산소를 공급토록 분사관이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수소를 열원으로 하는 히터

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