KR20230159306A - 유체 가열 장치 - Google Patents

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KR20230159306A
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강무성
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 명세서는, 유체 가열 장치 및 그 용도를 기술한다. 상기 유체 가열 장치는, 종래의 유체 가열 장치의 문제점을 해결할 수 있다. 예를 들면, 상기 유체 가열 장치는, 탄소 중립에 효율적으로 대응할 수 있다. 상기 유체 가열 장치는, 예를 들면, 대량의 유체를 가열하는 경우에도 단 시간 내에 정밀하게 제어된 열을 상기 유체에 전달할 수 있다. 본 명세서는 또한 상기 유체 가열 장치를 사용한 유체 가열 방법을 기술한다.

Description

유체 가열 장치{Fluid heating device}
본 출원은 2022년 5월 12일자 대한민국 특허 출원 제 10-2022-0058134호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 출원은 유체 가열 장치와 그의 응용에 관한 것이다.
유체를 가열하는 장치는 다양한 용도로 사용될 수 있다.
예를 들어서, 상기 장치는, 석유 화학의 기초 원료(예를 들면, 에틸렌, 프로필렌 및 부타디엔 등과 같은 올레핀)를 생산하는 공정에서 상기 장치는 사용될 수 있다.
상기 올레핀 등을 생성하기 위해서는 원유를 정제하여 얻은 납사(naphtha), 에탄, 프로판, 폐플라스틱 및 바이오디젤 등과 같은 원료를 고온의 분해로(furnace)에서 열 분해시키는 소위 크래킹(cracking) 공정이 수행되는데, 이 과정에서 유체 가열 장치가 사용될 수 있다.
상기 열분해를 수행하는 분해로는, 일반적으로 복사부, 대류부 및 스팀 발생 장치 등을 포함한다. 열 분해의 대상 원료인 유체는, 배관과 같은 흐름 라인을 통해 이송되면서 고온의 열에 의해 열 분해될 수 있다. 통상 상기 복사부에서 이송되는 유체에 큰 열 에너지가 전달됨으로써 열 분해가 수행된다.
이러한 분해로(furnace)와 같은 종래의 유체 가열 장치는, 통상 대형 장치이고, 장치의 특성상 많은 양의 유체를 처리하기 위해 유체가 흐르는 라인인 배관 전체를 기준으로 열을 전달하였다. 또한, 상기 열 전달은 화석 연료를 태워 발생하는 화력을 통해서 이루어졌다.
그렇지만, 이러한 종래의 방식에 의해서는 유체가 흐르는 라인 전체에 열을 균일하게 전달하거나, 상기 라인의 부위별로 인가되는 열의 양상을 제어하거나, 라인의 가열을 빠르게 수행하는 것이 불가능하였다.
또한, 화석 연료를 태우는 방식은 대류를 이용한 가열이 필요하기 때문에, 장치의 구성이 제한되는 문제가 있다.
또한, 상기 종래의 방식에서는, 화석 연료의 사용으로 인해서 장치의 운전 과정에서 이산화탄소 등의 온실 가스가 다량 배출된다. 이러한 점은, 기후변화에 대응하기 위한 탄소중립(carbon neutral) 달성을 어렵게 한다.
또한, 종래 유체 가열 장치의 경우, 가열 영역을 평형 상태(steady state)에 이르도록 하기 위해서 긴 시간이 소요되기 때문에, 화력의 사용이 비효율적이 되며, 그 과정에서 온실 가스 등 유해 가스가 추가적으로 배출되게 된다.
대한민국 특허공개번호 10-2021-0042969호
본 출원은, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소할 수 있는 유체 가열 장치 및 그 용도를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서는 유체 가열 장치를 기술한다.
상기 유체 가열 장치는, 유체가 흐를 수 있도록 형성된 내부 통로와 상기 내부 통로를 둘러싸고 있는 전도성 표면부를 포함하는 유체 흐름 라인; 및 유도 가열을 통해서 상기 표면부에 발열을 유도할 수 있는 전자기장을 발생시킬 수 있도록 형성된 코일부를 포함할 수 있다.
상기 유체 가열 장치는, 유체가 흐를 수 있도록 형성된 내부 통로와 상기 내부 통로를 둘러싸고 있는 전도성 표면부를 포함하는 유체 흐름 라인; 상기 유체 흐름 라인의 주위에 존재하는 전도성 구조체; 및 유도 가열을 통해서 상기 전도성 구조체에 발열을 유도할 수 있는 전자기장을 발생시킬 수 있도록 형성된 코일부를 포함할 수 있고, 상기 유체 흐름 라인과 전도성 구조체는, 상기 전도성 구조체에서의 발열에 의해 상기 유체 흐름 라인의 유체가 가열될 수 있도록 형성되어 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치에서 유체 흐름 라인은 나선형 구조를 가질 수 있다.
상기 유체 가열 장치에서 상기 나선형 구조의 회전축과 유체 흐름 라인간의 거리 중 가장 긴 거리와 가장 짧은 거리의 비율이 0.8 내지 1.2의 범위 내에 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치에서 나선형 구조의 1회 권취 부분의 높이 H의 상기 1회 권취 부분에서 상기 1회 권취 부분의 회전축과 유체 흐름 라인간의 최단 거리 R에 대한 비율 H/R이 2 이상일 수 있다.
상기 유체 가열 장치에 있어서, 나선형 구조는 하기 식 1을 만족할 수 있다.
[식 1]
L = (H2+(2πR)2)1/2
식 1에서 L은, 상기 나선형 구조의 1회 권취 부분의 길이이고, H는 상기 나선형 구조의 1회 권취 부분의 높이 H이며, R은, 상기 1회 권취 부분에서 상기 1회 권취 부분의 회전축과 유체 흐름 라인간의 최단 거리이다.
상기 유체 가열 장치에 있어서, 전도성 구조체는, 유체 흐름 라인과 코일부의 사이에 존재할 수 있다.
상기 유체 가열 장치는, 코일부에 직류 또는 교류 전류를 인가할 수 있도록 설치된 전원부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 유체 가열 장치에 있어서, 코일부는 나선형 구조를 가지고, 상기 코일의 나선형 구조의 회전축과 상기 코일과의 거리 중 가장 긴 거리와 가장 짧은 거리의 비율이 0.8 내지 1.2의 범위 내에 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치에 있어서, 코일부는 나선형 구조를 가지고, 상기 코일부의 나선형 구조의 회전축과 유체 흐름 라인의 나선형 구조의 회전축이 서로 일치할 수 있다.
상기 유체 가열 장치에 있어서, 코일부는 나선형 구조를 가지고, 상기 코일의 나선형 구조의 권취 횟수 N2와 유체 흐름 라인의 나선형 구조의 권취 횟수 N1의 비율 N1/N2는 0.75 내지 1.5의 범위 내에 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치에 있어서, 코일부는 나선형 구조를 가지고, 상기 코일부의 나선형 구조의 권취 횟수 N2와 유체 흐름 라인의 나선형 구조의 권취 횟수 N1의 비율 N1/N2는 0.75 내지 1.5의 범위 내에 있으며, 상기 코일부의 나선형 구조의 회전축 또는 상기 유체 흐름 라인의 나선형 구조의 회전축에 수직하는 가상의 선상에 상기 코일부 및 상기 유체 흐름 라인의 나선형 구조가 존재할 수 있다.
상기 유체 가열 장치에 있어서, 유체 흐름 라인은, U자 형태의 라인이 반복되어 연결된 형태를 가지며, 전도성 구조체는 원통형이고, 상기 유체 흐름 라인은, 상기 원통형의 전도성 구조체의 내벽을 둘러싸면서 형성되어 있을 수 있다.
상기 유체 가열 장치에 있어서, 코일부는 나선형 구조를 가지는 제 1 코일부와 나선형 구조를 가지는 제 2 코일부를 포함하고, 상기 제 1 코일부는, 나선형 구조를 가지는 유체 흐름 라인의 상기 내부에 존재하고, 상기 제 2 코일부는 나선형 구조를 가지는 유체 흐름 라인의 외부에 존재할 수 있다.
상기 유체 가열 장치에 있어서, 코일부는 나선형 구조를 가지는 제 1 코일부와 나선형 구조를 가지는 제 2 코일부를 포함하고, 상기 제 1 코일부는, 유체 흐름 라인의 상기 내부에 존재하고, 상기 제 2 코일부는 유체 흐름 라인의 외부에 존재하며, 전도성 구조체로서 제 1 및 제 2 전도성 구조체를 포함하고, 상기 제 1 전도성 구조체는, 상기 제 1 코일부와 상기 유체 흐름 라인의 사이에 존재하며, 상기 제 2 전도성 구조체는 상기 제 2 코일부와 상기 유체 흐름 라인의 사이에 존재할 수 있다.
본 출원은, 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소할 수 있는 유체 가열 장치 및 그 용도를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1, 10, 12, 14 및 15는 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 비제한적인 예시이다.
도 2, 3, 4 및 13은 유체 흐름 라인의 형태의 비제한적인 예시이다.
도 5는 코일부의 형태의 비제한적인 예시이다.
도 6은 나선형 구조를 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 7 내지 9 및 11은 유체 가열 장치를 수직 단면의 비제한적인 예시이다.
본 명세서에서 기술하는 물성 중 측정 온도가 측정치에 영향을 주는 물성은, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 상온에서 측정한 물성이다.
본 명세서에서 사용하는 용어 상온은, 인위적으로 가열 및 냉각되지 않은 자연 그대로의 온도이고, 예를 들면, 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도일 수 있다. 다른 예시에서 상온은, 약 15℃ 이상, 약 18℃ 이상, 약 20℃ 이상 또는 약 23℃ 이상이면서 약 27℃ 이하의 범위 내의 온도 또는 대략 25℃ 수준의 온도를 의미할 수 있다.
특별히 달리 규정하지 않는 한, 본 명세서에서 기술하는 온도의 단위는 섭씨(℃)이다.
본 명세서에서 기술하는 물성 중 측정 압력이 측정치에 영향을 주는 물성은, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 상압에서 측정한 물성이다.
본 명세서에서 사용하는 용어 상압은, 인위적으로 가압 및 감압되지 않은 자연 그대로의 압력이고, 통상 약 730 mmHg 내지 790 mmHg의 범위 내의 온도를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 용어 유체(fluid)는, 흐를 수 있는 물질을 의미한다. 통상 기체(gas), 액체(liquid) 및 플라즈마(plasma)는, 유체로 취급된다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 가열 대상이 되는 유체의 비제한적인 예로는, 물, 스팀, 공기 및 탄화수소 화합물 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체는 가열되는 대상으로서 열 에너지를 전달 받아서 크래킹(cracking)되는 물질일 수 있고, 이러한 유체의 비제한적인 예에는 탄화수소 화합물이 있다. 상기 탄화수소 화합물의 비제한적인 예에는 납사(naphtha), 에탄, 프로판, 메탄, 폐플라스틱 및 바이오 디젤 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 포함될 수 있으며, 이 외에도 당업계의 일반 상식에 따라 적용 가능한 물질이 포함될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체는 가열되는 대상으로서, 상기 크래킹을 수행하기 위해서 사용되는 물질일 수 있고, 이러한 유체의 비제한적인 예에는 물, 스팀 및 촉매로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 명세서에서 용어 가열은 어떤 대상(예를 들면, 유체)에 열을 전달하는 것을 의미한다. 열을 전달받은 대상의 온도는 일반적으로 상승하게 되지만, 등온 반응 등을 경험하거나, 상전이를 경험하는 경우에 온도의 상승이 없이도 열이 전달될 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 유체 흐름 라인이 후술하는 반응기인 경우에 상기 유체는 반응 전의 물질 및 반응 후의 물질 중 어느 하나를 의미하거나, 양자를 모두 의미할 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치는 다른 설비의 일부일 수 있다. 상기 다른 설비의 비제한적인 예에는 스팀 크래커, 개질기 및 알칸 탈수소화기 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치는 상기 다른 설비에서 적어도 하나의 공정을 수행하도록 구성될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체 가열 장치는 스팀 크래커의 일부일 수 있다. 상기 스팀 크래커는, 스팀 크래킹을 수행하는 장치이고, 긴 탄소 사슬의 탄화수소 화합물에 열 에너지를 인가하여 짧은 탄소 사슬의 탄화수소 화합물로 전환하는 설비일 수 있다. 상기에서 긴 탄소 사슬의 탄화수소 화합물의 비제한적인 예에는 납사, 프로판, 부탄 및 에탄 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 포함될 수 있다. 상기 스팀 크래킹을 통해서, 수소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로필렌 및 부타디엔 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 생산될 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체 가열 장치는 개질기의 일부일 수 있다. 상기 개질기는, 천연 가스, 경질 가솔린, 메탄올, 바이오 가스 및 바이오매스 등으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질로부터 스팀 및 탄소 산화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 생산하는 설비를 의미할 수 있다. 이러한 개질기는 또한 메탄 및 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상으로부터 수소를 생산하는 설비일 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체 가열 장치는 알칸 탈수소화기의 일부일 수 있다. 상기 알칸 탈수소화기는 탈수소화 공정을 통하여 알칸으로부터 알켄을 생산하는 설비일 수 있다.
이하, 실시예에 따른 도면 등을 참조하여 상기 유체 가열 장치를 더 자세하게 설명하지만, 이는 용이한 이해를 위한 것으로 상기 유체 가열 장치의 범주가 이에 의해 제한정되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서의 도면 등에 도시된 실시예들은 특정 구성에 대한 구체적인 설명을 위한 것일 수 있고, 이러한 도면에서 설명되는 구성들은 실제 비율과 다르게 도시되어 있을 수 있다.
도 1은 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치(10)의 비제한적인 예시이다.
상기 유체 가열 장치(10)는, 가열부(100)를 포함할 수 있다. 하나의 예시에서 상기 가열부(100)는, 가열되는 대상인 유체가 가열되는 영역일 수 있다.
상기 가열부(100)는, 유체 흐름 라인(110)을 포함할 수 있다. 상기 유체 흐름 라인(100)은, 내부 통로와 상기 내부 통로를 둘러싸고 있는 표면부를 포함할 수 있다. 상기 표면부에 의해서 상기 내부 통로가 형성될 수 있다. 상기 내부 통로는, 그를 통해서 유체가 흐를 수 있도록 형성되어 있을 수 있다.
유체 가열 장치(10)의 상기 가열부(100)는, 상기 유체 흐름 라인(110)을 하나 이상 포함할 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)은, 내부 통로와 표면부를 적어도 포함할 수 있다. 도 4는 이러한 표면부(112)와 내부 통로(111)를 가지는 유체 흐름 라인의 단면 형상의 예시이다. 상기 표면부는 상기 내부 통로를 둘러싸는 형태로 존재할 수 있으며, 표면부에 의해서 상기 내부 통로가 형성되어 있을 수 있다.
상기 내부 통로는, 유체가 흐를 수 있도록 형성되어 있을 수 있다. 상기 유체는, 상기 유체 가열 장치에 의해서 가열되는 대상일 수 있다.
상기 표면부는 전도성일 수 있다. 즉, 표면부는 전도성인 소재로 형성될 수 있다. 용어 전도성은, 열 및/또는 전기가 흐를 수 있는 성질을 의미한다. 하나의 예시에서 상기 유체 흐름 라인의 표면부는, 전도성을 가지고, 전자기장이 인가되면 소위 유도 가열 현상에 의해서 발열하는 소재일 수 있다. 유도 가열은 전자기장이 인가되면 특정 소재에서 열이 발생하는 현상이다. 예를 들어, 적절한 전도성을 가지는 소재에 전자기장을 인가하면, 소재 내에서 소위 와전류(eddy currents)가 발생하고, 상기 와전류 및 소재의 저항에 의해 줄열(Joule heating)이 발생한다. 이러한 유체 흐름 라인의 표면부는 다른 예시에서 유도 가열성 표면부로 불릴 수 있다. 상기 유체 흐름 라인은 상기 표면부가 유도 가열에 의해 발열하는 표면부이고, 이러한 표면부의 발열에 의해서 상기 내부 통로를 흐르는 유체가 가열되도록 구성되어 있을 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체가 상기 가열에 의해서 화학 반응을 경험하는 경우에 상기 유체 흐름 라인은, 반응기로 불릴 수 있고, 상기 가열부는 반응부로 불릴 수 있다. 상기에서 유체 흐름 라인이 반응기로 불리는 경우에, 유체 흐름 라인은, 화학 반응이 수행되는 기구, 기계 또는 설비일 수 있다. 상기 화학 반응은, 분자와 분자간 또는 원소와 원소간의 결합이 끊어지거나, 혹은 분자와 분자간 또는 원소와 원소간에 새로운 결합이 형성되는 경우를 의미할 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)은, 가열의 목적을 고려하여, 가열의 대상인 유체에 포함되는 성분의 물리화학적 성질과 혼합 비율, 유체에 요구되는 유속 내지 시간, 장치의 운전 주기 및/또는 장치를 포함하거나, 장치에 포함되는 설비의 종류나 크기 등을 종합적으로 고려하여 가장 적절한 형태로 구성될 수 있다.
상기 표면부를 구성하는 소재의 종류에는 특별한 제한은 없으며, 상기 유도 가열 현상에 의해서 발열할 수 있는 것으로 알려진 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 효과를 나타낼 수 있는 적정 수준의 전도도를 가지고, 열에 대한 내구성이 우수한 소재가 사용될 수 있다. 이러한 소재의 비제한적인 예에는, 니켈; 크롬; 및 니켈과 크롬을 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상이 포함되지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 유체 흐름 라인은, 하나의 예시에서 상기 소재로 제작된 배관일 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 유체 흐름 라인(110)은 상기 표면부(112) 및 상기 내부 통로(111)를 포함할 수 있다. 상기 내부 통로(111)는 유체가 흐를 수 있도록 형성된 빈 공간일 수 있다. 상기 내부 통로(111)는, 상기 유체의 흐름이 연속적으로 이루어지거나, 유체의 흐름이 유지되되, 상기 라인의 적어도 일부의 영역에서 일정 시간 정체가 발생하도록 구성될 수 있다. 유체의 흐름의 속도도 일정하게 유지되도록 구성되거나, 흐름의 따라서 변화되도록 구성될 수 있다. 이러한 유체의 흐름의 형태는, 유체의 가열 목적을 고려하여 가장 적합한 결과가 나타나도록 제어될 수 있다. 예를 들어서, 상기 유체 흐름 라인이 전술한 반응기인 경우에 상기 유체는, 상기 내부 통로를 통해 흐르면서 화학 반응을 경험할 수도 있고, 및/또는 내부 통로로 도입된 후에 일정 영역에서 정체된 상기 화학 반응을 경험한 후에 배출될 수도 있다. 유체는 연속적인 흐름으로 흐를 수 있고, 경우에 따라서는 화학 반응을 위해 유입되었다가 정체되어 화학 반응을 경험한 후에 유출되는 흐름으로 흐를 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)의 단면 형태는 제한되는 것은 아니다. 이러한 형태는, 가열의 목적과 가열되는 유체에 포함된 성분의 종류 내지 혼합 비율 등을 고려하여 적절하게 설계될 수 있다. 도 4는 상기 유체 흐름 라인(110)의 비제한적 단면 형태에 대한 예시이다. 물론 유체 흐름 라인(110)은 도 4에 도시되지 않은 단면 형태, 예를 들면, 삼각형, 마름모형, 평행사변형 및 타원형 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상과 같은 다양한 형태를 가질 수 있다.
상기 유체 가열 장치(10)의 가열부(100)의 유체 흐름 라인(110)의 형태 및 배열은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 형태 및 배열은 가열의 목적 및 가열되는 유체의 성분 및/또는 혼합 비율 등을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들면, 상기 유체 흐름 라인(110)은 파이프 형태 또는 배치(batch) 형태일 수 있다.
하나의 예시에서 상기 유체 흐름 라인(110)는, 후술하는 전도성 구조체(120) 및/또는 코일부(200)에서 인가되는 전자기장에 의한 발열 효율을 위한 위치와 형태를 고려하여 나선형 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 유체 흐름 라인(110)은 나선형으로 권취되어 있는 구조를 가질 수 있다. 상기 유체 흐름 라인(110)에 흐르는 유체와 관련하여, 상기 유체의 체류 시간을 고려하여 상기 유체 흐름 라인(110)의 전체 길이가 결정되는데, 나선형 구조를 채택하는 경우 동일한 길이에서도 공간적 효율성을 확보할 수도 있다. 이러한 나선형 구조의 유체 흐름 라인(110)의 비제한적인 예는 도 1에 나타나 있다. 적절한 효과를 고려하여 상기 유체 흐름 라인(110)의 나선형 구조는, 상기 나선형 구조의 회전축에서 상기 유체 흐름 라인(110)까지의 거리가 실질적으로 일정하게 유지되는 구조일 수 있다.
도 2 및 도 3은, 나선형 구조를 설명하기 위한 예시적인 도면이다. 도 2 및 3은, 나선형 구조의 유체 흐름 라인(110)의 비제한적인 예시이다.
도 2와 같이 상기 유체 흐름 라인(110)의 나선형 구조는 소정 회전축(AX1)을 중심으로 나선형으로 권취된 구조일 수 있다. 이 때 회전축에서 상기 유체 흐름 라인(110)까지의 거리가 실질적으로 일정하게 유지된다는 것은, 유체 흐름 라인(110)의 임의의 특정 지점에서 상기 회전축(AX1)까지의 최단 거리(d11a)와 유체 흐름 라인(110)의 다른 특정 지점에서 상기 회전축(AX1)까지의 최단 거리(d11b)의 비율(d11a/d11b)이 1이거나, 1에 근접한다는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어서, 상기 비율(d11a/d11b)의 하한은, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95 또는 1 정도일 수 있고, 그 상한은, 1.2, 1.15, 1.1, 1.05 또는 1 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다. 이러한 구조를 형성함으로써, 상기 유체 흐름 라인(110)의 상기 표면부는 코일부에서 인가되는 전자기장에 의해 효율적으로 발열할 수 있거나, 또는 후술하는 원통형 구조에서의 발열을 효율적으로 전달받을 수 있다.
다른 예시에서 상기 회전축에서 상기 유체 흐름 라인(110)까지의 거리가 실질적으로 일정하게 유지된다는 것은, 유체 흐름 라인(110)의 나선형 구조의 회전축(AX1)과 유체 흐름 라인의 거리 중에서 가장 긴 거리(L)와 짧은 거리(S)의 비율(L/S)이 1이거나, 1에 근접한다는 것을 의미할 수 있다. 상기에서 나선형 구조의 회전축(AX1)과 유체 흐름 라인의 거리는, 후술하는 나선형 구조의 회전축(AX1)과 유체 흐름 라인의 최단 거리일 수 있다. 즉, 나선형 구조에서는 회전축을 중심으로 상기 유체 흐름 라인과 상기 회전축과의 최단 거리가 여러 개 규정되는데, 이러한 여러 개로 규정되는 최단 거리 중에서 가장 긴 거리(L)와 짧은 거리(S)의 비율(L/S)이 1이거나, 1에 근접한다는 것은, 상기 회전축에서 상기 유체 흐름 라인(110)까지의 거리가 실질적으로 일정하게 유지된다는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어서, 상기 비율(L/S)의 하한은, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95 또는 1 정도일 수 있고, 그 상한은, 1.2, 1.15, 1.1, 1.05 또는 1 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다. 이러한 구조를 형성함으로써, 상기 유체 흐름 라인(110)의 상기 표면부는 코일부에서 인가되는 전자기장에 의해 효율적으로 발열할 수 있거나, 또는 후술하는 원통형 구조에서의 발열을 효율적으로 전달받을 수 있다.
도 3은, 상기 유체 흐름 라인(110)를 설계하는 방식의 비제한적인 예시이다. 상기 유체 흐름 라인(110)는 회전축(AX1)을 중심으로 나선형으로 권취되는 구조를 가지되 상기 회전축(AX1)으로부터 유체 흐름 라인(110)까지의 거리는 실질적으로 변동되지 않을 수 있다. 상기에서 회전축은, 유체 흐름 라인을 나선형 구조의 꼬임 방향과 수직한 방향으로 절단하였을 때에 확인되는 단면(즉 유체 흐름 라인(110)을 임의의 가로 평면(G)으로 절단하였을 때에 확인되는 단면)에서 확인되는 구조의 무게 중심일 수 있다. 예를 들어서, 도 3과 같이 상기 나선형 구조의 꼬임 방향과 수직한 방향으로 절단하였을 때에 확인되는 단면(G)이 원형이라면, 상기 회전축(AX1)은, 상기 원의 중심일 수 있다. 상기 회전축의 한 지점(AX1,P)과 유체 흐름 라인(110)과의 거리는, 도 3에 예시된 바와 같이, 상기 단면(G)에서 확인되는 상기 회전축의 한 지점(AX1,P)과 상기 유체 흐름 라인(110)의 임의의 한 지점(P)과의 거리이다. 유체 흐름 라인(110)은 실질적으로 소정의 두께를 가지기 때문에, 상기 회전축의 한 지점(AX1,P)과 상기 유체 흐름 라인(110)의 임의의 한 지점(P)과의 거리는, 상기 유체 흐름 라인(110)의 한 지점(P)에서 규정될 수 있는 상기 회전축의 한 지점과의 거리 중 최단 거리일 수 있다. 도 3의 예시와 같이 나선형 구조의 권취 형태가 원형인 경우에 상기 회전축(AX1)의 한 지점(AX1,P)과 상기 유체 흐름 라인(110)의 한 점(P)까지의 거리(최단 거리)는, 상기 원형의 반지름(r)일 수 있다. 이러한 경우에, 상기 유체 흐름 라인(110)의 모든 영역에서 상기와 같이 구해지는 반지름(r)을 각각 도출하고, 이들을 평균값을 취하면, 상기 평균값이 상기 유체 흐름 라인(110)의 반지름(RL)이 될 수 있다. 이러한 경우에 상기 반지름(r)은 전술한 상기 유체 흐름 라인(110)의 임의의 특정 지점에서 상기 회전축(AX1)까지의 최단 거리와 동일한 의미일 수 있다.
도 3은, 상기 유체 흐름 라인(110)의 1회 권취 부분을 정의하는 방법도 나타나 있다. 도 3과 같이, 유체 흐름 라인(110)의 1회 권취 부분은, 상기 단면(G)에서 관찰하였을 때에 유체 흐름 라인(110)이 하나의 회전을 완성하는 부분일 수 있다. 도 3에서는 상기 유체 흐름 라인(110)의 1회 권취 부분의 시작점(SP)과 끝점(EP)이 표시되어 있다. 나선형 구조는 꼬이면서 진행하는 구조이기 때문에, 상기 1회 권취 부분의 시작점(SP)과 끝점(EP)의 최단 거리는, 상기 유체 흐름 라인(110)의 1회 권취 부분의 상승 정도(H)를 나타낼 수 있다. 도 3과 같은 원형의 형태인 경우에 전술한 상기 1회 권취 부분의 반지름(r)은 상기 상승 정도(H)의 1/2 위치에서는 유체 흐름 라인(110)의 한 점(P)과 회전축(AX1)의 최단 거리일 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)에서, 상기 유체 흐름 라인(110)의 1회 권취 부분의 상승 정도(H)는, 적정한 관계를 만족하도록 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 유체 흐름 라인(110)의 1회 권취 부분에서 상기 상승 정도(즉, 상기 1회 권취 부분의 높이)(H)를 포함하는 하기 식 A의 비율 H/R은, 적정 수준으로 조정될 수 있다.
[식 A]
H/R
식 A에서 H는, 1회 권취 부분에서 상기 상승 정도(즉, 상기 1회 권취 부분의 높이)(H)이다.
식 A에서 R은, 상기 1회 권취 부분의 회전축과 상기 유체 흐름 라인간의 최단 거리이다.
상기에서 1회 권취 부분의 회전축은, 전술한 바와 같이 상기 1회 권취 부분을 나선형 구조의 진행 방향(회전축 방향)에서 관찰하였을 때에 확인되는 단면 구조의 무게 중심(도 3의 경우, 단면에서 확인되는 구조가 원형이기 때문에 상기 회전축은 상기 원형의 중심)이다.
도 3의 경우, 상기 최단 거리 R은, 원의 반지름 r이다.
상기 비율 H/R의 하한은, 2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 3 또는 4 정도일 수 있고, 그 상한은, 20, 18, 16, 14, 12 또는 10 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다. 이와 같이 1회 권취 부분의 높이를 제어하는 것에 의해서 권취된 부분이 서로 겹치지 않도록 설계할 수 있고 이를 통해 유체 흐름 라인(110)에 흐르는 유체에 효율적으로 열 전달을 수행할 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)에서 1회 권취 부분의 길이(L)는, 상기 1회 권취 부분의 상승 정도(H)와 상기 식 A의 최단 거리 R로 정해질 수 있다. 가열의 목적과 가열되는 유체의 상태 등을 고려하여 상기 유체 흐름 라인(110)의 1회 권취 부분의 길이(L)를 설계할 수 있다.
예를 들면, 상기 나선형 구조는 하기 식 1이 만족되도록 설계될 수 있다.
[식 1]
L = (H2+(2πR)2)1/2
식 1에서 L은, 상기 나선형 구조의 1회 권취 부분의 길이이고, H 및 R은 식 A에서 정의된 바와 같다.
상기 식 A의 비율 H/R이 상기 기술한 범위를 만족하면서, 상기 나선형 구조의 1회 권취 부분의 길이는 상기 식 1을 만족할 수 있다 .
이러한 경우에 상기 유체 흐름 라인(110)의 전체 길이(T)는 상기 식 1의 1회 권취 부분의 길이(L)와 회전 수(권취 횟수, N)의 곱으로 정의될 수 있다. 상기 유체 흐름 라인(110)를 설계할 때, 전체 길이(T)와 상기 1회 권취 부분에서의 최단 거리 R을 정하고, 회전수(권취 횟수, N)을 고려하면 유체 흐름 라인(110)의 1회 권취 부분의 상기 최단 거리 및/또는 상기 유체 흐름 라인(110)의 반지름(RL) 및 1회 권취 부분의 길이(L)를 그에 맞게 설계할 수 있다.
도 1에 예시된 바와 같이, 상기 유체 가열 장치(10)는, 코일부(200)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 코일부(200)는, 전자기장을 발생시키기 위해서 유체 가열 장치(10)에 구비된다. 구체적으로 상기 코일부(200)는, 상기 유체 흐름 라인(110)의 표면부 및/또는 후술하는 전도성 구조체에 전자기장을 인가할 수 있고, 이를 통해서 상기 표면부 및/또는 전도성 구조체에 발열을 유도할 수 있도록 형성되어 있을 수 있다. 이를 통해서 상기 코일부(200)는, 상기 가열부(100) 또는 유체 흐름 라인(110)을 둘러싸도록 구비될 수 있다.
상기 코일부(200)는 전류가 흐르면, 전자기장을 발생시킬 수 있도록 설계될 수 있다. 이러한 전자기장을 상기 유체 흐름 라인 및/또는 후술하는 전도성 구조체에 인가하여 유도 전류를 통해서 저항열(줄열)의 발생을 유도할 수 있다. 코일부(200)로는 이러한 역할이 가능한 공지의 코일을 사용하여 형성할 수 있다.
전자기장의 형성을 위해서 상기 코일부(200)에 인가되는 전류는 직류 또는 교류 전류일 수 있다. 교류 전류의 경우, 보다 효과적으로 전자기장을 발생시킬 수 있다. 직류 전류는 시간에 의존하지 않고 일정한 방향으로 흐르는 전류를 의미하고, 교류 전류는 시간에 따라 크기와 위상이 주기적으로 변하는 전류를 의미할 수 있다. 상기 전류는 전원(210)을 통해서 공급할 수 있다. 따라서, 상기 코일부(200)는 상기 전원에 연결되어 있을 수 있다. 즉, 상기 유체 가열 장치는 상기 코일부에 직류 또는 교류 전류를 인가할 수 있도록 설치된 전원부를 추가로 포함할 수 있다. 도 5는 상기 코일부(200)의 비제한적 예시를 나타내는 도면이다. 도 5와 같이 코일부(200)는 전원(210)에 전기적으로 연결되어 전류를 공급받을 수 있고, 상기 전류가 직류인 경우 직류 전원에 연결되며, 상기 전류가 교류인 경우 교류 전원에 연결될 수 있다. 상기 유체 가열 장치(10)에서 전원(210)은 전류를 발생시키기 위해 전압을 형성하는 장치로서, 직류를 공급하기 위해 시간에 의존하지 않는 전압을 제공하는 직류 전원 또는 교류를 공급하기 위해 시간에 따라 크기와 위상이 주기적으로 변하는 전압을 제공하는 교류 전원일 수 있다. 공급되는 전압의 크기 내지 전류의 세기는, 가열의 목적과 가열 대상인 유체를 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
상기 코일부(200)는 유체 흐름 라인(110)의 형태와 유체의 체류 시간과 운전 주기 및 장치를 포함하는 설비의 종류와 크기 등을 종합적으로 고려하여 가장 적절한 형태로 선택할 수 있다.
하나의 예시에서 상기 코일부(200)는 상기 유체 흐름 라인(110) 및/또는 후술하는 전도성 구조체의 배치 위치와 형태를 고려하고, 상기 라인(110) 및/또는 전도성 구조체에서의 발열을 효율적으로 활용하기 위해서 나선형 구조를 가지거나, 나선형 구조를 포함할 수 있다. 즉, 상기 코일도 나선형으로 권취된 구조를 가질 수 있다.
상기 코일부(200)는, 나선형으로 권취된 구조로 형성된 권취부(220)(상기 나선형 구조)를 포함할 수 있다. 상기 유체 흐름 라인(110)과 같이 상기 코일부(200)의 나선형 구조도 회전축을 가질 수 있다. 이 때 회전축의 의미는 상기 라인(110)의 회전축과 같다. 상기 유체 흐름 라인의 경우와 같이 상기 코일부(200)의 나선형 구조의 경우에도 상기 회전축으로부터 상기 권취부(220)까지의 거리는 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 도 5를 참조하면, 코일부(200)의 권취부(220)는 회전축(AX2)을 중심으로 나선형으로 권취되는 구조를 가질 수 있다. 상기에서 회전축으로부터 상기 권취부(220)까지의 거리가 실질적으로 일정하게 유지된다는 것의 의미는, 상기 유체 흐름 라인에서 회전축에서 상기 유체 흐름 라인까지의 거리가 실질적으로 일정하게 유지된다는 것과 동일하고, 다만 상기 유체 흐름 라인이 상기 권취부(220)로 변경되어 같은 의미가 적용될 수 있다. 즉, 상기의 경우도 코일부(200)의 권취부(220)의 임의의 특정 지점에서 상기 회전축(AX2)까지의 최단 거리(d22a)와 상기 권취부(220)의 다른 특정 지점에서 상기 회전축(AX2)까지의 최단 거리(d22b)의 비율(d22a/d22b)이 1이거나, 1에 근접할 수 있다. 예를 들어서, 상기 비율(d22a/d22b)의 하한은, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95 또는 1 정도일 수 있고, 그 상한은, 1.2, 1.15, 1.1, 1.05 또는 1 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다. 이러한 구조에서 효과적으로 유도 가열 현상을 유도할 수 있다.
다른 예시에서 상기 회전축에서 상기 권취부(220)까지의 거리가 실질적으로 일정하게 유지된다는 것은, 권취부(220)의 나선형 구조의 회전축(AX2)과 권취부(220)간의 거리 중에서 가장 긴 거리(L)와 짧은 거리(S)의 비율(L/S)이 1이거나, 1에 근접한다는 것을 의미할 수 있다. 상기에서 나선형 구조의 회전축(AX2)과 권취부(220)간의 거리는, 전술한 유체 흐름 라인(110)의 경우과 같이 상기 회전축(AX2)과 권취부(220)간의 최단 거리일 수 있다. 즉, 나선형 구조에서는 회전축을 중심으로 상기 권취부(220)와 상기 회전축과의 최단 거리가 여러 개 규정되는데, 이러한 여러 개로 규정되는 최단 거리 중에서 가장 긴 거리(L)와 짧은 거리(S)의 비율(L/S)이 1이거나, 1에 근접한다는 것은, 상기 회전축에서 상기 권취부(220)까지의 거리가 실질적으로 일정하게 유지된다는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어서, 상기 비율(L/S)의 하한은, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95 또는 1 정도일 수 있고, 그 상한은, 1.2, 1.15, 1.1, 1.05 또는 1 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다. 이러한 구조를 형성함으로써, 효율적으로 전자기장을 발생시키고, 이를 통해 유도 가열 현상을 유도할 수 있다.
상기 유체 가열 장치(10)에서 상기 유체 흐름 라인 및 코일부가 모두 나선형 구조를 가지고, 상기 코일부가 상기 유체 흐름 라인의 나선형 구조의 외부 또는 내부에 존재하는 경우에 상기 유체 흐름 라인의 나선형 구조의 회전축(AX1)과 코일부(200)의 권취부(220)의 나선형 구조의 회전축(AX2)은 서로 일치할 수 있다. 상기에서 회전축이 일치한다는 것은, 해당 2개의 회전축이 완전하게 동일한 위치에서 형성되는 경우는 물론 일부 차이가 있다고 해도, 그 차이가 목적하는 효과에 영향을 미치지 않을 정도로 미미하여 실질적으로 일치하는 것으로 볼 수 있는 경우도 포함된다. 상기 회전축 AX1 및 AX2를 일치시키는 경우에, 유체 흐름 라인을 흐르는 유체가 불균일하게 가열되는 현상을 방지할 수 있다. 도 1은, 상기와 같이 유체 흐름 라인(110)와 코일부(200)의 나선형 구조의 회전축(AX1)과 코일부(200)의 권취부(220)의 회전축(AX2)이 서로 일치하는 경우의 비제한적인 예시이다. 도 10과 같이 코일부(1100)가 유체 흐름 라인(1310)의 내측에 존재하는 경우에도 상기 코일부(1100)와 유체 흐름 라인(1310)의 회전축은 서로 일치할 수 있다.
이러한 코일부(200)의 권취부(나선형 구조)(220)는, 특별히 제한되는 것은 아니지만 전술한 유체 흐름 라인(110)의 나선형 구조를 설계하는 방식과 같은 방식으로 설계할 수 있다. 예시적인 유체 가열 장치(10)에서, 유체 흐름 라인(110)과 코일부(200)가 나선형 구조를 가지면서 상기 회전축 AX1 및 AX2가 일치할 때, 상기 유체 흐름 라인(110)과 코일부(200)는 적절한 이격 거리(dB)를 가질 수 있다. 상기 이격 거리(dB)는 회전축(AX1)에서 유체 흐름 라인(110)까지의 평균 거리와 회전축(AX2)에서 코일부(200)의 권취부(220)까지의 평균 거리의 차이일 수 있다. 상기 이격 거리(dB)를 적절한 범위로 유지시키는 경우, 유체 흐름 라인 내로 흐르는 유체를 보다 균일하게 가열할 수 있다. 상기 이격 거리(dB)는 유체 흐름 라인과 코일부의 설계에 대한 문제로서, 가열의 목적과 가열되는 유체를 고려하여 적정한 이격 거리가 선택될 수 있다.
예시적인 유체 가열 장치(10)에서, 유체 흐름 라인 및 코일부가 모두 나선형 구조를 가질 때에 상기 각 나선형 구조의 권취 횟수는, 서로 대략 동일할 수 있다. 상기에서 나선형 구조의 권취 횟수는, 나선형 구조 내에서 1회의 회전이 완성되는 횟수와 대략 일치하고, 예를 들면, 전술한 나선형 구조의 1회 권취 부분의 수일 수 있다. 다른 예시에서 상기 권취 횟수는, 상기 나선형 구조를 회전축을 포함하는 수직 평면으로 절단한 단면에서 확인되는 상기 나선형 구조의 수를 2로 나눈 값일 수 있다. 이러한 단면은 예를 들면, 도 7에 예시되어 있는데, 도 7의 경우, 유체 흐름 라인의 나선형 구조(110) 및 코일의 나선형 구조(200)의 권취 횟수는, 각각 6이다. 예를 들면, 상기 유체 흐름 라인(110)의 나선형 구조의 권취 횟수(N1)와 상기 코일부(200)의 나선형 구조의 권취 횟수(N2)의 비율(N1/N2)의 하한은, 0.75, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95 또는 1 정도일 수 있고, 그 상한은, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2 또는 1.1 또는 1 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다. 이러한 설계를 통해서 효율적인 유도 가열의 유도와 유체로의 열의 전달을 수행할 수 있다.
상기 유체 가열 장치(10)에서 상기 유체 흐름 라인과 코일부가 모두 나선형 구조를 가지고, 상기 2개 중 어느 하나의 나선형 구조가 다른 하나의 나선형 구조의 내부 또는 외부에 존재하는 경우에 각 나선형 구조의 패턴이 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기의 경우 나선형 구조의 수직 단면에서 확인되는 유체 흐름 라인(110)의 단면(도 7의 S1)과 코일부(200)의 단면(도 7의 S2)은 일정한 패턴(P)을 형성하고 있을 수 있다. 상기 패턴(P)에서 유체 흐름 라인(110)의 수직 단면의 개수(Np)와 코일부(200)의 수직 단면의 개수(Nq)의 비율(Np/Nq)이 조정될 수 있다. 상기에서 수직 단면은, 전술한 나선형 구조의 회전축을 포함하는 수직 평면으로 나선형 구조를 절단하는 경우에 확인되는 단면이다. 예를 들면, 상기 기술한 바와 같이 유체 흐름 라인(110)의 나선형 구조와 코일부(200)의 나선형 구조의 회전축 AX1 및 AX2가 일치한다면, 상기 회전축 중 어느 하나의 회전축을 포함하는 평면으로 상기 나선형 구조를 절단하였을 때의 단면이 상기 수직 단면일 수 있다. 상기 비율(Np/Nq)의 하한은, 0.75, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95 또는 1 정도일 수 있고, 그 상한은, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2 또는 1.1 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다. 이를 통해서 유체 흐름 라인의 표면부 또는 후술하는 전도성 구조체에서 발생되는 열을 상기 유체 흐름 라인(110) 내의 유체에 균일하고, 효율적으로 전달할 수 있다. 상기 비율(Np/Nq)이 지나치게 커지면, 유체 흐름 라인(110)에 열이 균일하지 않게 전달되면서 가열 효율이 떨어질 수 있고, 상기 비율(Np/Nq)이 지나치게 낮으면, 가열 효율은 상승하지만 열이 균일하게 전달되지 않을 수 있다.
도 7은, 상기 수직 단면의 비제한적인 예시이다. 도 7은, 도 14에 나타낸 유체 가열 장치(10)에서 회전축(AX1, AX2)을 따라서 잘라낸 단면인 AA' 단면에 따라 수직으로 자른 모습을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 유체 흐름 라인(110)의 수직 단면(S1)과 코일부(200)의 수직 단면(S2)은 일정한 패턴(P)을 형성하고 있다. 유체 가열 장치(10)의 수직 단면은 상기 패턴(P)을 하나 이상 포함하고 있다. 상기 패턴(P)에서 유체 흐름 라인(110)의 수직 단면의 개수(Np)와 코일부의 수직 단면의 개수(Nq)의 비율(Np/Nq)이 1을 만족하고 있다. 상기 유체 흐름 라인(110)의 적어도 하나의 수직 단면(S1)과 코일부(200)의 적어도 하나의 수직 단면(S2)은 서로 나란하게 배치되어 있다. 상기 유체 가열 장치(10)는 수직 단면으로 보았을 때 패턴(P)을 형성하면서도 유체 흐름 라인(110)의 수직 단면의 개수(Np)와 코일부의 수직 단면의 개수(Nq)의 비율(Np/Nq)을 1로 만족시켜 저항열을 상기 유체 흐름 라인(110) 내의 유체에 효율적으로 전달할 수 있고, 더 나아가 상기 패턴(P)을 형성하는 유체 흐름 라인(110)의 수직 단면(S1)과 코일부(200)의 수직 단면(S2) 중 각각 적어도 하나는 서로 나란하게 배치시킴으로써 원통형 구조(120)에서 발생되는 저항열을 상기 유체 흐름 라인(110) 내의 유체에 효율적으로 전달할 수 있다. 이러한 효과는 특히 후술하는 전도성 구조체(120)가 존재하는 경우에 더 부각될 수 있다. 도 7의 가장 우축에 도시된 형태는, 유체 흐름 라인(110)의 단면 중 하나에 대해서 확인되는 가열 패턴이고, 이 가열 패턴에서는 효과적인 열의 전달이 이루어지고 있다.
도 8은, 도 7과 같은 상태에서 상기 비율(Np/Nq)이 지나치게 큰 경우를 표시한다. 도 8의 경우 상기 비율(Np/Nq)은 2 정도이다. 도 8의 가장 우축의 패턴은, 상기 비율(Np/Nq)이 2인 경우의 유체 흐름 라인의 단면의 가열 패턴이다. 이 가열 패턴에서는 열이 내부 통로의 일부분에만 전달되고, 이는 비효율적인 전달에 해당한다.
도 9는, 도 7과 같은 상태에서 상기 비율(Np/Nq)이 지나치게 낮은 경우이다. 도 9의 경우 상기 비율(Np/Nq)은 약 0.5이다. 도 9의 가장 우측에 도시된 가열 패턴을 보면, 비연속적인 열의 전달이 확인된다.
도 7과 같은 효율적인 열의 전달이 가능한 구조는, 상기 코일부 및 유체 흐름 라인이 모두 나선형 구조를 가지고, 상기 코일부의 나선형 구조의 권취 횟수 N2와 유체 흐름 라인의 나선형 구조의 권취 횟수 N1의 비율 N1/N2이 전술한 범위를 만족하면서, 상기 코일부의 나선형 구조의 회전축 및/또는 상기 유체 흐름 라인의 나선형 구조의 회전축에 수직하는 가상의 선상에 상기 코일부 및 상기 유체 흐름 라인의 나선형 구조가 동시에 존재하는 경우에 보다 효과적으로 달성될 수 있다.
상기 유체 가열 장치는, 상기 가열부에 전도성 구조체를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 전도성 구조체는, 예를 들면, 상기 가열부 내에서 상기 유체 흐름 라인의 주위에 존재할 수 있다. 예를 들면, 상기 전도성 구조체는, 도 15의 비제한적 예시에 나타난 원통형 구조(120)를 가질 수 있다. 그렇지만, 상기 전도성 구조체의 형태가 상기에 제한되는 것은 아니다. 상기 전도성 구조체는, 상기 코일부(200)에서 발생하는 전자기장의 인가로 인해서 유도 전류가 흐름으로써 저항열을 발생시킬 수 있는 소재, 즉 유도 가열될 수 있는 소재로 형성될 수 있다. 이를 통해서 상기 전도성 구조체는, 상기 코일부(200)에서 발생된 전자기장으로 인하여 발열하고, 상기 유체 흐름 라인과 전도성 구조체는, 상기 전도성 구조체에서의 발열에 의해 상기 유체 흐름 라인의 유체가 가열될 수 있도록 형성되어 있을 수 있다. 전도성 구조체가 존재하는 태양에서 상기 유체 흐름 라인의 표면부는, 일반적인 표면부일 수도 있고, 전술한 유도 가열성 표면부일 수 있다. 또한, 상기 전도성 구조체가 존재하는 태양에서는 상기 유체 흐름 라인은, 상기 나선형 구조를 가지거나, 혹은 다른 구조를 가질 수도 있다.
상기 전도성 구조체는, 예를 들면, 상기 유도 가열성 표면부와 동일 소재로 제작될 수 있고, 예를 들면, 니켈; 크롬; 및 니켈과 크롬을 포함하는 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 전도성 구조체에서 발생되는 열(저항열, 줄열)은 유체 흐름 라인(110) 내로 흐르는 유체를 가열 시킬 수 있다. 또한, 상기 원통형 구조(120)와 같이 상기 전도성 구조체가 상기 유체 흐름 라인(110)을 둘러싸는 경우에 상기 유체 흐름 라인(110)에 흐르는 유체에 균일한 열 에너지를 공급할 수 있다. 이를 통해서 유체 흐름 라인(110)이 불균일하게 가열되는 경우를 방지할 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(110)과 전도성 구조체는 서로 접촉하고 있지 않을 수 있다. 이를 통해서 접촉 부분이 다른 부분에 비해 온도가 높아 균일하지 않게 유체가 가열되는 문제를 방지할 수 있다.
상기 유체 가열 장치(10)에서, 유체 흐름 라인(110)과 전도성 구조체는 적절한 범위 내의 이격 거리(dA)를 가질 수 있다. 상기 이격 거리(dA)는 평균 이격 거리를 의미할 수 있고, 상기 유체 흐름 라인(110)이 나선형으로 권취된 구조를 가지는 경우에는 회전축(AX1)에서 유체 흐름 라인(110)까지의 평균 거리와 상기 회전축(AX1)에서 전도성 구조체까지의 평균 거리의 차이를 의미할 수도 있다. 상기 이격 거리(dA)를 적절한 범위로 유지시킴으로써 유체의 불균일 가열 문제를 방지할 수 있다. 상기 이격 거리(dA)는 유체 흐름 라인(110)과 전도성 구조체의 설계에 대한 문제로서, 가열의 목적 및 가열되는 유체의 종류를 고려하여 적정하게 선택될 수 있다.
도 15와 같이, 코일부(200)가 유체 흐름 라인(110)와 전도성 구조체(원통형 구조(120))를 포함하는 가열부(100)를 둘러싸도록 구비되고, 나선형으로 권취된 구조를 가지며, 상기 유체 가열 장치(10)의 유체 흐름 라인(110)이 나선형 구조를 가지는 경우, 전도성 구조체(원통형 구조(120))에서 발생되는 저항열을 상기 유체 흐름 라인(110) 내의 유체에 효율적으로 전달할 수 있다. 구체적으로, 유체 흐름 라인(110)는 유체의 체류 시간을 고려하여 나선형으로 권취된 구조를 채택하는 것이 유리한데, 상기 나선형으로 권취된 구조를 가진 유체 흐름 라인(110)에 흐르는 유체에 효율적인 열 전달을 수행하기 위해서는 코일부(200) 역시 나선형으로 권취된 구조를 포함하고 있는 것이 유리하다.
상기 유체 가열 장치(10)는 단열부를 추가로 포함할 수 있다. 단열부는 상기 가열부 및 코일부의 사이에 위치할 수 있다. 전도성 구조체가 존재하는 경우에 상기 단열부는 전도성 구조체와 코일부(200) 사이에 위치할 수 있다. 이러한 단열부는 유체 흐름 라인 또는 전도성 구조체에서 발생한 유도 가열에 의한 열의 코일부(200)로의 영향을 방지할 수 있다. 상기 단열부로는 유도 가열의 효율을 고려하여 전자기장 차폐 성능은 없는 소재로 적용하는 것이 적절하다. 상기 단열부는, 업계에 공지된 적정한 단열재(예를 들면, 지르코늄)로 형성할 수 있고, 그 소재가 특별히 제한되는 것은 아니다.
도 10은, 유체 가열 장치(1000)의 다른 비제한적인 예를 도시한 것이다. 도 10은, 도 1에 도시된 비제한적인 예와 유사한 형태이지만, 유체 흐름 라인(1310)의 내부에도 코일부(1100)가 존재하는 경우이다. 이러한 경우에 상기 유체 흐름 라인(1310)과 내부의 코일부(1100)의 사이에는 전술한 전도성 구조체(도 10에서 원통형 구조체(1200))가 존재할 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 또한, 유체 흐름 라인(1310)과 외부의 코일부(1400)의 사이에도 전술한 전도성 구조체(도 10에서 원통형 구조체(1320))가 존재할 수도 있다. 다만, 상기 전도성 구조체는 반드시 존재하여야 하는 것은 아니다. 도 10의 예시에서 상기 코일부(1400, 1100)와 유체 흐름 라인(1310)은 전술한 나선형 구조를 가진다. 상기 나선형 구조에 대해서는 전술한 설명이 동일하게 적용될 수 있다.
즉, 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 태양에는, 상기 코일부가 나선형 구조를 가지는 제 1 코일부와 나선형 구조를 가지는 제 2 코일부를 포함하고, 상기 제 1 코일부는, 상기 나선형 구조를 가지는 유체 흐름 라인의 상기 내부에 존재하고, 상기 제 2 코일부는 상기 나선형 구조를 가지는 유체 흐름 라인의 외부에 존재하는 경우가 포함될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 유체 가열 장치의 태양에는, 코일부는 나선형 구조를 가지는 제 1 코일부와 나선형 구조를 가지는 제 2 코일부를 포함하고, 상기 제 1 코일부는, 유체 흐름 라인의 상기 내부에 존재하고, 상기 제 2 코일부는 유체 흐름 라인의 외부에 존재하며, 전도성 구조체로서 제 1 및 제 2 전도성 구조체를 포함하고, 상기 제 1 전도성 구조체는, 상기 제 1 코일부와 상기 유체 흐름 라인의 사이에 존재하며, 상기 제 2 전도성 구조체는 상기 제 2 코일부와 상기 유체 흐름 라인의 사이에 존재하는 경우도 포함된다. 이 경우 유체 흐름 라인은 전술한 나선형 구조를 가질 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 또한, 상기 유체 흐름 라인의 표면부는 전술한 유도 가열성 표면부일 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다.
도 10의 유체 가열 장치(1000)는, 상기 기술한 태양의 하나의 비제한적인 예시로서, 상기 전자기장을 발생시키는 제 1 코일부(1100), 상기 제 1 코일부(1100)를 둘러싸도록 구비되는 제 1 전도성 구조체(원통형 구조(1200)), 유체가 흐를 수 있는 내부 통로를 가지는 유체 흐름 라인(1310) 및 상기 유체 흐름 라인(1310)를 둘러싸는 제 2 전도성 구조체(원통형 구조(1320))를 포함하고, 상기 제 1 원통형 구조(1200)를 둘러싸도록 구비되는 가열부(1300); 및 상기 가열부(1300)를 둘러싸도록 구비되고 전자기장을 발생시키는 제 2 코일부(1400)을 포함하는 예시이다.
상기 유체 흐름 라인(1310) 및 제 2 원통형 구조(1320)를 포함하는 가열부(1300)는 전술한 도 15의 유체 가열 장치(10)의 유체 흐름 라인(110) 및 원통형 구조(120)를 포함하는 가열부(100)와 대응하는 것이고, 상기 제 2 코일부(1400)는 전술한 도 1 및 15의 예시에 따른 유체 가열 장치(10)의 코일부(200)와 대응하는 것일 수 있다. 따라서, 상기 코일부(특히 제 2 코일부), 전도성 구조체(특히 제 2 전도성 구조체) 및 유체 흐름 라인에 대해서는 전술한 바와 같은 설명이 동일하게 적용될 수 있다.
상기 태양의 유체 가열 장치에서는, 상기 제 1 코일부 및 제 2 코일부로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상에서 발생된 전자기장으로 인하여, 상기 유체 흐름 라인의 표면부, 상기 제 1 전도성 구조체 및 제 2 전도성 구조체로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상에 유도 전류에 의한 열이 발생할 수 있다. 상기 발생된 열은 유체 흐름 라인에 흐르는 유체를 가열시킬 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 코일부는 상기 유도 가열이 가능한 전자기장을 발생시킬 수 있는 전술한 코일부와 같은 방식으로 형성할 수 있다.
상기 제 1 및/또는 제 2 코일부는 직류 또는 교류 전류가 흐를 수 있도록 형성될 수 있으며, 예를 들면, 교류 전류가 흐르도록 형성될 수 있다. 상기 전류는 전원(미도시)에서 공급할 수 있고, 상기 제 1 및/또는 제 2 코일부는 상기 전원에 연결되어 전류가 흘려지도록 할 수 있다. 제 1 및/또는 제 2 코일부에 공급되는 전압의 크기 내지 전류의 세기는 가열의 목적과 가열 대상인 유체에 따라서 조절될 수 있다.
상기 제 1 및/또는 제 2 코일부는 유체 흐름 라인의 형태와 유체의 체류 시간과 운전 주기 및 장치를 포함하는 설비의 종류와 크기 등을 종합적으로 고려하여 가장 적절한 형태로 설계될 수 있다.
상기 제 1 및/또는 제 2 코일부도 전술한 나선형 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 나선형 구조의 구체적인 형태, 예를 들면, 권취 횟수나 회전축의 형태에 대해서는 전술한 내용이 필요한 경우에 적절한 변형을 가해서 적용될 수 있다.
예를 들어서, 상기 제 1 및 제 2 코일부도, 상기 기술한 바와 같이 나선형으로 권취된 구조로 형성되고, 회전축을 가지는 권취부를 포함할 수 있고, 상기 회전축과 권취부까지의 거리는 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 상기 회전축도 유체 흐름 라인이 나선형 구조인 경우에 그 회전축과 일치할 수 있다. 이를 통해서 유도 가열에 의해서 발생되는 저항열을 상기 유체 흐름 라인 내의 유체에 효율적으로 전달할 수 있다.
상기 유체 가열 장치의 제 1 전도성 구조체는 제 1 및/또는 제 2 코일부에서 발생된 전자기장으로 인하여 유도 전류가 흐름으로써 저항열을 발생시킬 수 있다. 상기 전도성 구조체는 전술한 전도성 구조체와 같은 방식으로 형성할 수 있다.
상기 제 1 전도성 구조체에서 발생되는 저항열은 유체 흐름 라인에 흐르는 유체를 가열시킬 수 있다. 또한, 상기 제 1 전도성 구조체가 상기 나선형 구조의 유체 흐름 라인으로 둘러싸이는 경우에 상기 유체 흐름 라인에 흐르는 유체에 균일한 열 에너지를 공급함으로써 효율적이고, 균일한 열 전달이 가능하다. 상기의 경우에 나선형 구조의 유체 흐름 라인의 내부와 외부가 전도성 구조체로 둘러싸이는 구조가 형성되어서 전도성 구조체에서 발생되는 저항열이 전방위적으로 유체에 전달되므로, 불균일한 가열이 이루어지는 것을 방지하면서도 유체에 효율적으로 열 에너지를 전달할 수 있다.
상기와 같은 구조에서는 유체 가열 장치는 제 1 및 제 2 코일부 사이에 전자기장 간섭을 차폐하는 차폐부를 추가로 포함할 수 있다. 상기 차폐부를 통해 제 1 및 제 2 코일부에서 발생되는 전자기장들이 서로 간섭되어 상쇄되거나 보강되는 현상을 방지하여 유체 흐름 라인에 특정 위치에만 열 에너지가 집중적으로 전달되어 불균일한 가열이 이루어지는 것을 방지할 수 있다. 상기 차폐부는 전자기장을 차폐할 수 있는 재료면 제한없이 적용할 수 있다. 또한, 차폐부는 별도의 구성으로서 원통형으로 구비될 수도 있고, 상기 제 1 및 제 2 전도성 구조체인 제 1 원통형 구조1200) 및 제 2 원통형 구조(1320)로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 상기 제 1 원통형 구조(1200) 및 제 2 원통형 구조(1320)로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상은 전자기장을 차폐하는 차폐부 역할을 수행할 수 있고, 이 경우에는 전자기장을 차폐하면서도 전자기장으로 인해 유도 전류가 발생되면서, 상기 유도 전류로 인해 저항열이 발생되는 소재를 선택하여 적용할 수 있다.
상기 유체 가열 장치는 단열부를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 단열부는, 예를 들면, 제 1 전도성 구조체와 제 1 코일부(1100) 사이 및 제 2 전도성 구조체와 제 2 코일부(1400)사이로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상에 포함될 수 있다. 상기 단열부는 제 1 전도성 구조체에 유도 전류가 흘러 발생되는 저항열이 제 1 코일부에 영향이 미치지 못하게 하거나 및/또는 제 2 전도성 구조체에 유도 전류가 흘러 발생되는 저항열이 제 2 코일부에 영향이 미치지 못하게 할 수 있다. 상기 단열부는 상기 제 1 및 제 2 코일부에서 발생하는 전자기장이 제 1 및/또는 제 2 전도성 구조체에 유도 전류가 흐르지 못하게 하지 않도록 전자기장 차폐 성능은 없는 것이 적절하다. 상기 단열부는 단열재로 형성할 수 있고, 당업계에서 사용하는 단열재라면 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니며, 상기 단열재는 지르코늄을 포함할 수 있다.
상기 유체 가열 장치(1000)에서, 제 1 코일부(1100), 유체 흐름 라인(1310) 및 제 2 코일부(1400)는 제 1 및 제 2 전도성 구조체(1200, 1320)에서 발생되는 열을 효율적으로 운용하기 위해서 모두 나선형으로 권취된 구조를 가질 수 있다. 도 10을 참조하면, 상기 예시적인 유체 가열 장치(1000)에서는 제 1 코일부(1100), 유체 흐름 라인(1310) 및 제 2 코일부(1400)가 모두 나선형으로 권취된 구조를 가지는 것을 알 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 코일부(1100, 1400)는 각각 나선형으로 권취된 구조로 형성된 권취부를 포함하고 있다. 상기 제 1 코일부(1100)의 권취부, 유체 흐름 라인(1310) 및 제 2 코일부(1400)의 권취부는 각각의 회전축에 대해 모두 상기 회전축과의 거리가 실질적으로 일정하게 유지되도록 할 수 있고, 이를 통해서 제 1 및 제 2 원통형 구조(1200, 1320)에서 발생되는 저항열을 효율적으로 운용할 수 있다. 상기 제 1 코일부(1100)의 권취부, 유체 흐름 라인(1310) 및 제 2 코일부(1400)의 권취부의 각각의 회전축은 모두 서로 일치할 수 있다. 상기 회전축들을 일치시킴으로써 제 1 및 제 2 원통형 구조(1200, 1320)에서 발생되는 저항열이 유체 흐름 라인(1310)의 특정 위치에만 집중적으로 전달되어 불균일한 가열이 이루어지는 것을 방지할 수 있다. 상기에서 회전축이 일치한다는 것의 의미는 전술한 바와 같다. 도 10을 참조하면, 제 1 코일부(1100), 유체 흐름 라인(1310) 및 제 2 코일부(1400)는 나선형으로 권취된 구조를 가지면서 각각의 회전축은 모두 서로 일치하고, 각각의 회전축과의 거리가 실질적으로 일정하게 유지되도록 하고 있다.
상기 유체 가열 장치(1000)에서, 유체 흐름 라인(1310)과 제 1 전도성 구조체는 서로 접촉하고 있지 않을 수 있고, 다른 예시에서 유체 흐름 라인(1310)과 제 1 전도성 구조체 및 제 2 전도성 구조체는 각각 서로 접촉하고 있지 않을 수 있다. 이를 통해서 유체가 불균일하게 가열되는 문제를 방지할 수 있다.
상기 유체 가열 장치(1000)에서, 유체 흐름 라인(1310)과 제 1 원통형 구조(1200)는 적절한 범위 내의 이격 거리(dC)를 가질 수 있다. 상기 이격 거리(dC)는 평균 이격 거리를 의미할 수 있고, 상기 유체 흐름 라인(1310)이 나선형 구조를 가지는 경우에는 상기 유체 흐름 라인(1310)의 회전축에서 상기 유체 흐름 라인(1310)까지의 평균 거리와 상기 유체 흐름 라인(1310)의 회전축에서 제 1 원통형 구조(1200)까지의 평균 거리의 차이를 의미할 수도 있다. 상기 이격 거리(dC)를 적절한 범위로 유지시킴으로써 균일하지 않게 유체가 가열되는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 상기 유체 가열 장치(1000)에서, 유체 흐름 라인(1310)와 제 2 원통형 구조(1320)는 적절한 범위 내의 이격 거리(dD)를 가질 수 있다. 상기 이격 거리(dD)는 평균 이격 거리를 의미할 수 있고, 상기 유체 흐름 라인(1310)가 나선형 구조를 가지는 경우에는 상기 유체 흐름 라인(1310)의 회전축에서 상기 유체 흐름 라인(1310)까지의 평균 거리와 상기 유체 흐름 라인(1310)의 회전축에서 제 2 원통형 구조(1320)까지의 평균 거리의 차이를 의미할 수도 있다. 상기 이격 거리(dD)를 적절한범위로 유지시킴으로써 균일하지 않게 유체가 가열되는 문제를 방지할 수 있다. 전술한 바와 같이 상기 이격 거리(dC) 및 이격 거리(dD)는 유체 흐름 장치의 설계에 대한 문제로서, 가열의 목적과 가열되는 유체의 종류를 고려하여 적정하게 설계될 수 있다.
상기 유체 가열 장치(1000)에서, 유체 흐름 라인(1310)과 제 1 코일부(1100)가 나선형 구조를 가지면서 상기 유체 흐름 라인(1310)의 회전축과 제 1 코일부(1100)의 권취부의 회전축이 서로 일치하고 있을 때, 상기 유체 흐름 라인(1310)와 제 1 코일부(1100)는 적절한 범위 내의 이격 거리(dX)를 가질 수 있다. 상기 이격 거리(dX)는 유체 흐름 라인(1310)의 회전축과 상기 유체 흐름 라인(1310) 사이의 평균 거리와 제 1 코일부(1100)의 권취부의 회전축과 상기 제 1 코일부(1100)의 권취부 사이의 평균 거리의 차이를 의미할 수 있다. 상기 이격 거리(dX)를 적절한 범위로 유지시킴으로써 균일하지 않게 유체가 가열되는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 본 출원의 일 예에 따른 유체 가열 장치(1000)에서, 유체 흐름 라인(1310)와 제 2 코일부(1400)가 나선형으로 권취된 구조를 가지면서 상기 유체 흐름 라인(1310)의 회전축과 제 2 코일부(1400)의 권취부의 회전축이 서로 일치하고 있을 때, 상기 유체 흐름 라인(1310)와 제 2 코일부(1400)는 적절한 범위 내의 이격 거리(dY)를 가질 수 있다. 여기서, 상기 이격 거리(dY)는 유체 흐름 라인(1310)의 회전축과 상기 유체 흐름 라인(1310) 사이의 평균 거리와 제 2 코일부(1400)의 권취부의 회전축과 상기 제 1 코일부(1100)의 권취부 사이의 평균 거리의 차이를 의미할 수 있다. 상기 이격 거리(dY)를 적절한 범위로 유지시킴으로써 균일하지 않게 유체가 가열되는 문제를 방지할 수 있다. 전술한 바와 같이 상기 이격 거리(dX) 및 이격 거리(dY)는 장치의 설계에 대한 문제이고, 가열의 목적과 가열의 대상을 고려하여 적정하게 선택될 수 있다.
상기 유체 가열 장치의 구조에서 상기 제 1 코일부, 유체 흐름 라인 및 제 2 코일부가 모두 나선형으로 권취된 구조를 가질 때, 유체 흐름 라인의 권취 횟수(N1)와 제 1 코일부의 권취 횟수(NA)의 비율(N1/NA) 및 유체 흐름 라인의 권취 횟수(N1)와 제 2 코일부의 권취 횟수(NB)의 비율(N1/NB)이 조정될 수 있다. 이러한 경우에 상기 권취 횟수의 의미는 전술한 바와 같다. 예를 들어서, 상기 비율(N1/NA)의 하한은, 0.75, 0.755, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95 또는 1 정도일 수 있고, 그 상한은, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1 또는 1 정도일 수 있다. 상기 비율(N1/NA)은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다. 예를 들어서, 상기 비율(N1/NB)의 하한은, 0.75, 0.755, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95 또는 1 정도일 수 있고, 그 상한은, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1 또는 1 정도일 수 있다. 상기 비율(N1/NB)은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다. 제 1 코일부, 유체 흐름 라인 및 제 2 코일부가 모두 나선형 구조를 가지면서 상기 비율(N1/NA) 및 비율(N1/NB)이 각각 독립적으로 상기 범위를 만족하는 경우에는 제 1 및 제 2 원통형 구조에서 발생되는 저항열을 상기 유체 흐름 라인 내의 유체에 효율적이고, 균일하게 전달할 수 있다.
상기 유체 가열 장치(1000)에서, 상기 유체 가열 장치(1000)를 수직 단면에서 보았을 때 제 1 코일부(1100)의 수직 단면(SA), 유체 흐름 라인(1310)의 수직 단면(SB) 및 제 2 코일부(1400)의 수직 단면(SC)은 일정한 패턴(P')을 형성하고 있고, 상기 패턴(P')에서 제 1 코일부(1100)의 수직 단면(SA)의 개수(NX)와 유체 흐름 라인(1310)의 수직 단면(SB)의 개수(NY)의 비율(NX/NY)은 소정 범위 내일 수 있다. 또한, 상기 패턴(P')에서 유체 흐름 라인(1310)의 수직 단면(SB)의 개수(NY)와 제 2 코일부(1400)의 수직 단면(SC)의 개수(NZ)의 비율(NYNZ)은 소정 범위 내일 수 있다. 상기 수직 단면의 의미는 도 7에서 설명한 경우와 같다. 예를 들면, 상기 비율(NX/NY)의 하한은, 0.75, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95 또는 1 정도일 수 있고, 그 상한은, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2 또는 1.1 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다. 예를 들면, 상기 비율(NY/NZ)의 하한은, 0.75, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95 또는 1 정도일 수 있고, 그 상한은, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2 또는 1.1 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이거나, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이거나, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수 있다. 상기 비율(NX/NY)과 비율(NY/NZ)이 각각 독립적으로 상기 범위 내인 경우에는 유체 흐름 라인(1310)의 구조를 고려하였을 때, 제 1 및 제 2 원통형 구조(1200, 1320)에서 발생되는 저항열을 상기 유체 흐름 라인(1310) 내의 유체에 균일한 온도 분포로 열이 효율적으로 전달될 수 있다.
도 11은 상기 유체 가열 장치(1000)의 수직 단면의 비제한적 예시이다. 도 11은 도 10의 유체 가열 장치(1000)에서 제 1 코일부(1100), 유체 흐름 라인(1310) 및 제 2 코일부(1400)의 회전축(이들 모두의 회전축은 일치함)을 따라서 잘라낸 단면인 BB' 단면에 따라 수직으로 자른 모습을 나타낸 도면이다. 도 11을 참조하면, 제 1 코일부(1100)의 수직 단면(SA), 유체 흐름 라인(1310)의 수직 단면(SB) 및 제 2 코일부(1400)의 수직 단면(SC)은 일정한 패턴(P')을 형성하고 있음을 알 수 있다. 유체 가열 장치(1000)의 수직 단면은 상기 패턴(P')을 하나 이상 포함하고 있다. 또한, 상기 패턴(P')에서 제 1 코일부(1100)의 수직 단면(SA)의 개수(NX)와 유체 흐름 라인(1310)의 수직 단면(SB)의 개수(NY)의 비율(NX/NY) 및 유체 흐름 라인(1310)의 수직 단면(SB)의 개수(NY)와 제 2 코일부(1400)의 수직 단면(SC)의 개수(NZ)의 비율(NY/NZ)은 각각 1을 만족하고 있다. 상기 적어도 하나의 제 1 코일부(1100)의 수직 단면(SA), 적어도 하나의 유체 흐름 라인(1310)의 수직 단면(SB) 및 적어도 하나의 제 2 코일부(1400)의 수직 단면(SC)은 모두 나란하게 배치되어 있다. 상기 유체 가열 장치(1000)는 수직 단면으로 보았을 때 패턴(P')을 형성하면서도 제 1 코일부(1100)의 수직 단면(SA)의 개수(NX)와 유체 흐름 라인(1310)의 수직 단면(SB)의 개수(NY)의 비율(NX/NY) 및 유체 흐름 라인(1310)의 수직 단면(SB)의 개수(NY)와 제 2 코일부(1400)의 수직 단면(SC)의 개수(NZ)의 비율(NY/NZ)을 각각 1로 만족시켜 제 1 및 제 2 원통형 구조(1200, 1320)에서 발생되는 저항열을 상기 유체 흐름 라인(1310) 내의 유체에 효율적으로 전달할 수 있고, 상기 패턴(P')을 형성하는 제 1 코일부(1100)의 수직 단면(SA), 유체 흐름 라인(1310)의 수직 단면(SB) 및 제 2 코일부(1400)의 수직 단면(SC) 중 각각 적어도 하나는 서로 나란하게 배치시킴으로써 제 1 및 제 2 원통형 구조(1200, 1320)에서 발생되는 저항열을 상기 유체 흐름 라인(1310) 내의 유체에 효율적으로 전달할 수 있다.
도 12는 상기 유체 가열 장치(2000)의 다른 비제한적 예시이다.
도 12의 유체 가열 장치(2000)는 유체가 흐를 수 있는 내부 통로를 가진 유체 흐름 라인(2110) 및 상기 유체 흐름 라인(2110)를 둘러싸는 전도성 구조체(2120)를 포함하는 가열부(2100); 및 상기 가열부(2100)를 둘러싸도록 구비되고 전자기장을 발생시키는 코일부(2200)를 포함할 수 있다.
상기 유체 흐름 라인(2110) 및 전도성 구조체(2120)를 포함하는 가열부(2100); 및 코일부(2200)에 대한 설명은 상기 기술한 내용이 필요한 경우에 적절하게 변형되어 적용될 수 있다.
상기 도 12의 예시에서는 유체 흐름 라인(2110)는, U자 형태의 라인이 반복되어 연결된 구조를 가진다. 또한, 전도성 구조체(2120)가 원통형이며, 상기 유체 흐름 라인(2110)은, 상기 원통형의 전도성 구조체의 내벽을 둘러싸면서 형성되어 있다.
상기에서 U자 형태의 라인이 반복되어 연결된 구조는 구체적으로 도 13의 비제한적 예시에 나타난 바와 같이 복수의 일자형 라인(2110a)이 연결부(2110b)를 통해 모두 연결되되, 상기 연결부(2110b)가 곡선 형태를 나타내어서 전체적으로 구불구불한 형태인 경우를 의미할 수 있다. 상기 유체 흐름 라인(2110)는 복수의 일자형 라인(2110a)을 포함하고, 상기 복수의 일자형 라인(2110a)은 각 말단 부분에서 관통된 상태로 상기 연결부(2110b)로 연결되어 있다. 상기 일자형 라인(2110a) 중 일부는 유체가 유입되는 유입부일 수 있고, 다른 일부는 유체가 유출되는 유출부일 수 있으며, 상기 유입부와 유출부는 연결부(2110b)가 연결되지 않을 수 있다. 본 출원의 일 예에 따른 유체 흐름 라인(2110)는 도 13과 같이 복수의 일자형 라인(2110a)이 연결부(2110b)를 통해 모두 연결되면서 구불구불한 형태로 형성될 수 있다.
상기 유체 가열 장치(2000)에서, 상기 유체 흐름 라인(2110)는 상기 원통형 구조(2120)와 소정의 거리를 유지하면서 상기 원통형 구조(2120)의 내부 벽면에 따라서 배치될 수 있다. 상기 유체 흐름 라인(2110)는 도 12에서 나타난 바와 같이, U자형이 반복되는 형태로 형성되면서도 원통형 구조(2120)의 내부 벽면에 따라 배치됨으로써 상면에서 상기 유체 가열 장치(2000)를 보았을 때 유체 흐름 라인(2110)와 원통형 구조(2120)의 모양은 동일할 수 있다. 상기에서 모양이 동일하다는 의미는 원 또는 타원 등 그의 모양이 동일하다는 의미이고 크기는 동일하거나 상이할 수 있다. 도 14는 상기 유체 가열 장치(2000)를 상면에서 바라본 모습을 대략적으로 나타낸 도면이다. 전술한 바와 같이, 상기 유체 흐름 라인(2110)는 복수의 일자형 라인(2110a)이 연결부(2110b)를 통해 모두 연결되면서 구불구불한 형태로 형성되면서도 원통형 구조(2120)의 내부 벽면에 따라 배치됨으로써 상기 유체 흐름 라인(2110)의 모양은 상기 원통형 구조(2120)의 모양과 동일한 원 모양으로 나타나고 있다.
이러한 구조에서도 유도 가열에 의해서 발생한 열을 효율적으로 유체에 전달할 수 있다.
10, 1000, 2000: 유체 가열 장치
200, 2200: 코일부
100, 1300, 2100: 반응부
1100: 제 1 코일부
110, 1310, 2110: 유체 흐름 라인
1400: 제 2 코일부

Claims (15)

  1. 유체가 흐를 수 있도록 형성된 내부 통로와 상기 내부 통로를 둘러싸고 있는 전도성 표면부를 포함하고, 나선형 구조를 가지는 유체 흐름 라인; 및
    유도 가열을 통해서 상기 전도성 표면부에 발열을 유도할 수 있는 전자기장을 발생시킬 수 있도록 형성된 코일부를 포함하는 유체 가열 장치.
  2. 유체가 흐를 수 있도록 형성된 내부 통로와 상기 내부 통로를 둘러싸고 있는 전도성 표면부를 포함하는 유체 흐름 라인;
    상기 유체 흐름 라인의 주위에 존재하는 전도성 구조체; 및
    유도 가열을 통해서 상기 전도성 구조체에 발열을 유도할 수 있는 전자기장을 발생시킬 수 있도록 형성된 코일부를 포함하고,
    상기 유체 흐름 라인과 전도성 구조체는, 상기 전도성 구조체에서의 발열에 의해 상기 유체 흐름 라인의 유체가 가열될 수 있도록 형성되어 있는 유체 가열 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 유체 흐름 라인은 나선형 구조를 가지는 유체 가열 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 나선형 구조의 회전축과 유체 흐름 라인간의 거리 중 가장 긴 거리와 가장 짧은 거리의 비율이 0.8 내지 1.2의 범위 내에 있는 유체 가열 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 나선형 구조의 1회 권취 부분의 높이 H의 상기 1회 권취 부분에서 상기 1회 권취 부분의 회전축과 유체 흐름 라인간의 최단 거리 R에 대한 비율 H/R이 2 이상인 유체 가열 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 나선형 구조는 하기 식 1을 만족하는 유체 가열 장치:
    [식 1]
    L = (H2+(2πR)2)1/2
    식 1에서 L은, 상기 나선형 구조의 1회 권취 부분의 길이이고, H는 상기 나선형 구조의 1회 권취 부분의 높이 H이며, R은, 상기 1회 권취 부분에서 상기 1회 권취 부분의 회전축과 유체 흐름 라인간의 최단 거리이다.
  7. 제 2 항에 있어서, 전도성 구조체는, 유체 흐름 라인과 코일부의 사이에 존재하는 유체 가열 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 코일부에 직류 또는 교류 전류를 인가할 수 있도록 설치된 전원부를 추가로 포함하는 유체 가열 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 코일부는 나선형 구조를 가지고, 상기 코일의 나선형 구조의 회전축과 상기 코일과의 거리 중 가장 긴 거리와 가장 짧은 거리의 비율이 0.8 내지 1.2의 범위 내에 있는 유체 가열 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 코일부는 나선형 구조를 가지고, 상기 코일부의 나선형 구조의 회전축과 유체 흐름 라인의 나선형 구조의 회전축이 서로 일치하는 유체 가열 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 코일부는 나선형 구조를 가지고, 상기 코일의 나선형 구조의 권취 횟수 N2와 유체 흐름 라인의 나선형 구조의 권취 횟수 N1의 비율 N1/N2는 0.75 내지 1.5의 범위 내에 있는 유체 가열 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 코일부는 나선형 구조를 가지고,
    상기 코일부의 나선형 구조의 권취 횟수 N2와 유체 흐름 라인의 나선형 구조의 권취 횟수 N1의 비율 N1/N2는 0.75 내지 1.5의 범위 내에 있으며,
    상기 코일부의 나선형 구조의 회전축 또는 상기 유체 흐름 라인의 나선형 구조의 회전축에 수직하는 가상의 선상에 상기 코일부 및 상기 유체 흐름 라인의 나선형 구조가 존재하는 유체 가열 장치.
  13. 제 2 항에 있어서, 유체 흐름 라인은, U자 형태의 라인이 반복되어 연결된 형태를 가지며, 전도성 구조체는 원통형이고, 상기 유체 흐름 라인은, 상기 원통형의 전도성 구조체의 내벽을 둘러싸면서 형성되어 있는 유체 가열 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 코일부는 나선형 구조를 가지는 제 1 코일부와 나선형 구조를 가지는 제 2 코일부를 포함하고, 상기 제 1 코일부는, 나선형 구조를 가지는 유체 흐름 라인의 상기 내부에 존재하고, 상기 제 2 코일부는 나선형 구조를 가지는 유체 흐름 라인의 외부에 존재하는 유체 가열 장치.
  15. 제 2 항에 있어서, 코일부는 나선형 구조를 가지는 제 1 코일부와 나선형 구조를 가지는 제 2 코일부를 포함하고, 상기 제 1 코일부는, 유체 흐름 라인의 상기 내부에 존재하고, 상기 제 2 코일부는 유체 흐름 라인의 외부에 존재하며,
    전도성 구조체로서 제 1 및 제 2 전도성 구조체를 포함하고,
    상기 제 1 전도성 구조체는, 상기 제 1 코일부와 상기 유체 흐름 라인의 사이에 존재하며, 상기 제 2 전도성 구조체는 상기 제 2 코일부와 상기 유체 흐름 라인의 사이에 존재하는 유체 가열 장치.
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