스팀 발생장치

스팀 발생장치{A STEAM GENERATOR}

본 발명은 스팀 발생장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 세라믹히터를 이용하여 가열 효율이 좋아서, 공급되거나 순환되기 위해 유동하는 유체를 즉시 가열하여 연속적으로 스팀을 발생시킬 수 있도록 한 스팀 발생장치의 제공에 관한 것이다.

일반적인 스팀 발생장치는 시즈히터(Sheath heater)가 사용되며 물에 닿는 부분이 접지가 되지 않으므로 통상 표면에 테프론 코팅을 하거나 세라믹코팅을 통하여 절연시켜 안전성을 유지하고 있다.

그러나 히터의 표면에 형성된 테프론 코팅이나 세라믹 코팅 등의 절연코팅은 사용과정에서 충격이나 마찰에 의해 절연층이 파괴될 우려가 있으므로 사용자의 안전상에 문제가 될 수 있다.

따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이중절연이 요구되고 있는데 이러한 이중절연은 히터 발생 열을 감소시키게 되므로 히터의 발열성능이 저하되는 문제점이 있고, 발열용량에 따라 발열체의 크기가 커져야 하므로 이에 따른 접촉되는 물의 양도 많아져 연속적이고 신속한 스팀발생장치를 만드는 것은 불가능하다.

최근에는 이러한 금속히터의 단점을 보완하기 위하여 세라믹히터를 사용한 스팀 발생장치가 개발되어 사용되고 있으며, 그 한 예로서는 특허 제 981798 호(인용발명 1)가 있으며 이를 도 1을 통하여 살펴보면 다음과 같다.

PTC 소자와 도전판으로 형성되는 발열체가 이를 수용하는 튜브 내부에 수용되고 수용된 발열체와 상기 튜브 내부공간 사이에 산화마그네슘 파우더 또는 슬러리상 절연체를 주입하여 절연층을 형성하고, 그 외부에 절연시트를 감아서 제 2 절연층을 형상하여 스팀 히터를 제조하고, 상기 히터는 가열부에 장착되어 저수조로부터 흘러들어온 소정의 양만큼의 물을 가열하여 스팀을 발생시키는 스팀 발생장치이다.

또 다른 예로서는 공개특허 10 - 2010 - 0043494 호(인용발명 2)가 있으며 이를 도 2를 통하여 살펴보면 다음과 같다.

인용발명 2는 평판형 세라믹 히터를 적용한 저수식 스팀발생장치에 해당 되며, 저수식 스팀 발생장치는 크게 외관을 이루는 물통과 세라믹 히팅장치로 구성하여 있다.

물통은 가열본체와 가열덮개로 구성하고 가열본체와 가열덮개는 각 테두리에 형성된 체결공과 체결홈을 스크루로 나사 결합하고, 가열본체에는 스팀배출관과 세라믹 히팅장치가 장착되는 히터장착공이 형성되어 있고 가열덮개에는 물주입구가 형성되어 있다.

세라믹히팅장치는 크게 케이스관과 세라믹 히터로 구성되어 있으며 케이스관 도 2에서 도시한 바와 같이 베이스관과 이 베이스관의 가장자리를 둘러싼 측관으로 구성한 박스형태를 취하고 있으며, 또한 측관의 상측에는 플랜지가 형성되어 있다.

상기 인용발명 1인 특허 제 981798 호가 적용되는 스팀발생장치는 PTC 세라믹히터를 사용하여 이중절연이 필요하므로 히터의 발열성능이 저하되고 용량증가에 따라 히터의 크기가 커져야 하므로 스팀 발생량을 증가시키기에는 한계가 있다는 단점이 있다.

인용발명 2의 경우에는, 세라믹히터가 금속관에 장착되고 금속관이 물과 접촉하여 저장된 물을 데워 스팀을 발생시키는 구조로 되어 있다.

그러나 이러한 스팀발생장치는 장치가 매우 복잡하여 스팀발생량의 증가시키기에는 매우 불리하고 스크루 이음부가 열팽창 수축을 반복하면서 기밀성이 떨어질 우려가 크고, 초기에 물을 데우는데 시간이 많이 지체되고 연속적인 스팀발생이 불가능 하다는 단점이 있다.

상기와 같은 종래 기술에서는 금속히터를 사용한 스팀 발생장치는 크기의 소형화가 어렵고 이중절연으로 인한 발열성능의 저하로 즉각적이고 연속적인 스팀발생이 어렵다.

또한 세라믹히터를 사용한 종래 기술의 스팀 발생장치에서도 크기를 소형화하기가 어렵고, 즉시 사용할 수 있는 용량이 제한되어 있으며, 연속적인 스팀발생의 문제점을 가지고 있다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 발열체와 유체 간의 열교환 표면을 작은 체적에 최대화할 수 있도록 구성하여 순간적인 가열에 의해 유체를 빠른 응답속도로 일정한 온도에 도달하게 하여 가열효율을 증진시킬 수 있는 방법을 제시하고자 한다.

본 발명에서는 일정한 저항을 가진 발열전극이 세라믹 절연물에 내재 되어 있는 단일 또는 복수의 세라믹 히터를 구비하고, 이러한 히터들 상,하부에는 유체 또는 스팀의 유로가 형성된 금속의 유체가열부와 스팀발생부가 접촉되어 유체가 공급관이 연결된 유체가열부로 유입되면 형성된 유체유로를 따라 수평이동을 하고 다시 다음 층으로 수직이동을 반복하면서 유체가 가열되고 가열된 유체는 이송관을 통하여 스팀발생부로 이동하고 다시 수평이동과 수직이동을 반복하면서 가열된 유체가 스팀으로 변화하여 스팀발생부와 연결된 배출관을 통하여 배출되는 특징을 가지는 스팀 발생장치를 제공하는 데 있다.

이러한 본 발명은 고출력의 신속한 응답성을 지니면서 소형화가 가능하여 장시간 연속적인 사용이 가능하고, 발열면적을 유지하면서 연속적인 스팀발생이 가능하고 용량에 따라 세라믹히터부와 유체가열부, 스팀발생부를 자유롭게 확장 또는 반복할 수 있는 특징이 있다.

또한 세라믹 히터는 열전달이 우수한 금속부에 접촉되어 있고 증기 또는 유체의 기포와의 직접적인 접촉을 피하여 세라믹히터가 열충격에 노출되는 것을 방지하여 세라믹 히터의 표면과 유체 또는 스팀이 효율적으로 열교환이 될 수 있도록 최적화시켜 장치의 안정성 및 내구성을 부여하는 것이 궁극적인 목적이다.

본 발명은 유체 또는 스팀의 단위 부피당 가열면의 면적비율을 높여서 작은 열용량을 가지면서도 효율적인 열교환 구조의 스팀 발생장치에 관한 것으로 짧은 시간에 신속하게 유체를 가열하여 스팀화 시키고 연속적인 스팀발생이 가능하며 고용량의 스팀발생장치에도 손쉽게 적용할 수 있어 매우 유용하다.

또한 고효율, 고출력 세라믹 히터를 사용하면서도, 잠재적 열충격 성능을 향상시킬 수 있는 열교환 구조이기 때문에 높은 신뢰성으로 지속 사용 가능한 장점이 있다.

따라서, 연속적인 스팀 발생이 가능하므로 유체 저장소가 필요 없을 뿐 아니라 고출력의 세라믹히터를 사용하여 소형화가 가능하며, 이로 인한 불필요한 전력손실을 방지할 수 있기 때문에 소비전력의 절감을 가져올 수 있는등 많은 이점이 있다.

상기의 장점들을 이용하여 스팀다리미, 스팀세탁기, 스팀청소기, 스팀살균기, 스팀조리기, 스팀 보일러, 미용용 스팀발생기 등에 폭 넓은 응용효과가 기대된다.

도 1은 종래 기술이 적용된 스팀 발생장치의 1 실시예를 도시한 구성도.
도 2는 종래 기술이 적용된 스팀 발생장치의 2 실시예를 도시한 구성도.
도 3은 본 발명의 기술이 적용된 스팀 발생장치의 1 실시예를 도시한 사사도.
도 4는 본 발명의 기술이 적용된 스팀 발생장치의 A - A선을 따라서 취한 단면도.
도 5는 본 발명의 기술이 적용된 스팀 발생장치의 B - B선을 따라서 취한 단면도.
도 6은 본 발명의 기술이 적용된 스팀 발생장치의 유체 및 스팀 이송경로를 도시한 예시도.
도 7은 본 발명의 기술이 적용된 스팀 발생장치의 2 실시예를 도시한 구성도.
도 8은 본 발명의 기술이 적용된 스팀 발생장치의 3 실시예를 도시한 구성도.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 구성에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 기술이 적용된 스팀 발생장치의 1 실시예를 도시한 사사도, 도 4는 본 발명의 기술이 적용된 스팀 발생장치의 A - A선을 따라서 취한 단면도, 도 5는 본 발명의 기술이 적용된 스팀 발생장치의 B - B선을 따라서 취한 단면도, 도 6은 본 발명의 기술이 적용된 스팀 발생장치의 유체 및 스팀 이송경로를 도시한 예시도, 도 7은 본 발명의 기술이 적용된 스팀 발생장치의 2 실시예를 도시한 구성도, 도 8은 본 발명의 기술이 적용된 스팀 발생장치의 3 실시예를 도시한 구성도로서 함께 설명한다.

본 발명의 기술이 적용되는 스팀 발생장치(100)는 중앙에 전원 인가를 위한 리드선(101)이 외부로 노출된 평판형 세라믹히터(102)를 배치하고, 상기 세라믹히터(102)의 상,하측에는 가열하고자 하는 유체를 수평과 수직방향으로 이동시키면서 세라믹히터(102)가 발생하는 열을 전달받아 가열하는 유체가열부(103)와, 상기 유체가열부(103)에서 가열된 유체를 전달받아 스팀으로 변환시키는 스팀발생부(104)를 결합하여 구성한다.

상기 세라믹히터(102)와 결합 되는 유체가열부(103)와 스팀발생부(104)는 세라믹히터의 열충격을 방지하기 위하여 열전달이 좋은 스테인레스, 알루미늄, 또는 스레인레스, 알루미늄과 동등의 금속판으로 구성하고, 상기 유체가열부(103)와 스팀발생부(104)는 열팽창수축에도 이동하는 유체 또는 스팀이 새어나가지 않도록 브레이징 또는 용접으로 접합하도록 한다.

상기 유체가열부(103)와 스팀발생부(104)의 내부에는 유체 및 스팀이 다층을 이루면서 상,하 방향으로 지그재그 형태로 이동하면서 많은 열교환을 가능하게 할 수 있는 하나 또는 하나 이상의 수평유로판(105,106)을 가지도록 한다.

상기 유체가열부(103)와 스팀발생부(104)에 구비되는 각각의 수평유로판(105,106)에는 유체 또는 스팀이 하나의 수평유로판(105,106) 일측에서 다른 측으로 수평방향으로 이동할 수 있도록 유도하기 위한 수직유로판(107,108)을 지그재그로 배열하여 지그재그 형태의 유체유로(109)와 스팀유로(110)를 형성하도록 한다.

상기 유체가열부(103)와 스팀발생부(104)의 어느 일측에는 가열할 유체를 공급하기 위한 공급관(111) 유체가 가열되어 발생한 스팀을 배출하기 위한 배출관(112)을 연결한다.

상기 유체가열부(103)와 스팀발생부(104)의 내부에 수평유로판(105,106)으로 형성되는 각각의 유체이동공간(113)과 스팀이동공간(114)은 수평유로판(105,106)에 형성되는 통공(115)을 통하여, 상측에서 하측으로 또는 하측에서 상측으로의 이동을 가능하도록 하고, 상기 유체가열부(103)에서 가열된 유체는 스팀발생부(104)로 이동할 수 있도록 이송관(116)으로 연결하도록 한다.

상기 유체가열부(103)와 스팀발생부(103)에 형성되는 유체유로(109)와 스팀유로(110)의 단면적(유로 체적)은 유체의 흐름을 원활하게 하면서 스팀발생시 발생하는 압력을 최소화할 수 있도록 유체유로(109)에서 스팀유로(110)로 가면서 점차적으로 커지도록 하는 것이 바람직하다.

상기 세라믹히터(102)는 스팀용량에 따라 1개 이상이 사용될 수 있으며 열전달 효율을 높이기 위하여 세라믹의 표면에 금속화 처리를 하거나 얇은 금속판을 개재시킬 수도 있을 것이다.

본 발명의 다른 예로서는, 도 7에서와 같이 세라믹히터(102)와 유체가열부(103) 및 스팀발생부(104)를 높이 방향으로 다단으로 적층하여 구성하여도 되고, 도 8에서와 같이 세라믹히터(102)의 사방으로 유체가열부(103)와 스팀발생부(104)를 밀착시켜 폭과 길이를 키워 넓은 면적을 가지는 형태 등 다양하게 실시할 수 있을 것이다.

상기와 같은 본 발명의 기술이 적용된 스팀 발생장치(100)의 작용에 e대하여 살펴보면 다음과 같다.

세라믹히터(102)에 전원을 인가하고 공급관(111)을 통하여 유체를 공급하면, 공급되는 유체는 유체가열부(103)를 구성하는 수평유로판(105)에 의하여 형성되는 최 하측의 유체이동공간(113)에 배열되는 수직유로판(107)이 형성하는 유체유로(109)를 따라 수평방향으로 지그재그 형태로 이동한다.

그 다음 위층의 유체이동공간(113)으로 통공(115)을 통하여 이동하고 다시 유체유로(109)를 따라 지그재그 형태로 이동하는 과정을 반복하면서 세라믹히터(102)가 발생시키는 열과 충분하게 열교환을 이루어 세라믹히터(102)와 급접한 위치에서는 충분하게 가열된 상태가 된다.

그러면, 유체는 스팀발생부(104)와 연결된 이송관(116)을 통하여 스팀발생부(104)로 이동하고, 스팀발생부(104)를 구성하는 수평유로판(106)에 의하여 형성되는 최 하측의 스팀이동공간(114)에 배열되는 수직유로판(108)이 형성하는 스팀유로(109)를 따라 수평방향으로 지그재그 형태로 이동한다.

상기 최 하측의 스팀이동공간(114)은 세라믹히터(102)와 연접된 상태에 있고 유체가열부(103)를 통하여 충분하게 가열된 유체가 공급된 상태에 있으므로 바로 증기로 발생하게 되는 것이며, 발생한 증기는 그 상측의 스팀이동공간(114)에 형성되는 스팀유로(110)를 따라 지그재그로 이동하면서 배출관(112)을 통하여 최종 배출되는 것이다.

상기와 같이 유체가열부(103)에 의하여 유체가 충분하게 가열되고 스팀발생부(104)에 의하여 스팀이 발생하여 배출될 때에는 유체유로(109)에서 스팀유로(110)로 갈수록 단면적이 커지는 형태로 되어 있으므로 증기 발생으로 압력이 팽창하는 것에 용이하게 대처할 수 있게 된다.

이러한 본 발명은 유체를 공급하여 연속적으로 스팀을 발생하여 배출할 수 있는 것은 물론, 유체를 끓여서 스팀을 발생시키기 때문에 멸균된 깨끗한 상태의 스팀을 제공하여 활용성을 높일 수 있는 장점을 가진다.

100; 스팀 발생장치
102; 세라믹히터
103; 유체가열부
104; 스팀발생부
105,106; 수평유로판
107,108; 수직유로판
109; 유체유로
110; 스팀유로
113; 유체이동공간
114; 스팀이동공간
116; 이송관