회오리 수류를 이용한 전극보일러의 히터 장치

회오리 수류를 이용한 전극보일러의 히터 장치{DEVICE FOR ELECTRODE HEATER OF ELECTRODE BOILER USING VORTEX WATER FLOW}

본 발명은 전극보일러에 관한 것으로, 더 상세하게는 전극을 이용하여 전극간에 이온을 발생시켜 물을 가온시킬 수 있도록 함에 있어서, 전극 간 단면적을 증극대화 시켜 빠른 시간 안에 물을 가온시킬 수 있도록 한 회오리수류를 이용한 전극보일러의 전극 히터 장치에 관한 것이다.

일반적으로 보일러(Boiler)는 물을 가열시키고, 가열된 물을 수관을 통하여 순환시켜 난방을 수행하는 장치라 할 수 있다. 물을 가열하는 가열원에 따라서 다양한 타입의 보일러로 구분될 수 있다.

여기서 전기를 이용한 보일러에 있어서 일반적인 전기보일러 타입은 니크롬선과 피복선을 이용하여 물을 가열시키는 방식이다. 이와 같은 전기보일러는 전기에너지에서 열에너지로 전환될 때의 에너지손실이 발생될 수 있어서 에너지 효율이 낮으며, 장시간 사용될 경우에 저항체의 고열에 의한 산화과정 즉, 니크롬선,피복선과 같은 가열체에 이물질이 흡착되면서 에너지효율이 저하되는 문제가 있다.

근래에는 이와 같은 전기보일러의 단점을 해소하기 위하여 가열원을 가열시켜 물을 데우는 간접적인 방식이 아닌 전극봉과 전극봉 사이로 물에 전류를 흘려 물을 직접적으로 데우는 전극보일러가 상용화되고 있다.

전극보일러는 전기보일러에 대비하여 동일한 전기사용으로 높은 열효율을 제공하는 보일러장치로서, 상기에서 설명한 바와 같이, 전기보일러에서의 가열매체를 가열시켜 물을 데우는 것이 아닌 전극봉으로 물속의 화학적 성분을 물리적 반응으로 환원시켜 열량을 발생시키는 물을 가열매체로 이용하는 보일러장치이다.

이와 같은 전극 보일러는 탱크에 전극봉을 둘 이상 다수 개 배열하고, 전극봉에 전압을 공급하여 전극봉과 전극봉 사이에 전류를 흘려 탱크 내부의 매체를 직접적으로 가열하게 되는 방식으로, 상기 탱크 내부의 매체는 고농도의 전해질 용액으로 이루어지는 방식과, 물(물론 약간의 전해질을 포함할 수 있다)로 이루어지는 방식이 있다.

본 출원의 발명자는 대한민국 등록특허공보 제10-1249468호, "전극보일러의 전극봉 구조"에서 상기한 바와 같은 전극보일러의 전극봉 구조를 개선한 바 있다.

이와 같은 종래의 전극봉 구조는 물탱크 내의 물이 가온되어 온도가 증가하게 될때의 내부압력에 의한 문제를 해소하면서 히트파이프를 이용하여 열효율을 향상시키고자 하였다.

그러나 이와 같은 종래 전기보일러의 전극히터장치는 전극을 물탱크내에 그대로 담가 구성하게 됨으로써, 전기보일러에 대비하여 높은 열효율을 제공하지만 열효율을 향상 시키는 데에는 한계가 있다.

본 발명에서는 전극 간에서 발생하는 이온의 양을 증대시킬 수 있도록 물과 접촉하는 전극 간의 단면적을 증대시킬 수 있는 구조를 제안하고자 한 것으로, 원통관 형태의 전극을 통하여 물의 유통경로를 구성하여 물이 원통관을 따라 회전하면서 전극에 의해 형성된 유통경로를 따라가도록 함으로써, 전극 간 단면적(회전단면적)을 극대화시킬 수 있도록 하는 회오리 수류를 이용한 전극보일러의 히터 장치를 제공하고자 한 것이다.

본 발명 회오리 수류를 이용한 전극보일러의 전극 히터 장치의 구성은,
외통을 몸체로 하고, 외통으로 부터 그 내부로 하나 이상의 내통을 구성하며, 상기 외통을 덮어 밀폐시키며 고정되는 각 내통과 전기적으로 연결된 몸체덮개부, 상기 외통 및 상기 내통을 고정시키며 순환되는 난방수를 주입 공급시키는 수단을 포함하는 고정부를 구성하되,
상기 외통과 1차 전극 간 단면적을 구성하는 내통으로 부터 상기 고정부와 몸체덮개부에 순차적으로 고정 및 밀폐되고, 고정 및 밀폐된 그 반대단으로 개방부를 구성하며 마지막 중앙에 구성된 내통은 몸체덮개부에 고정되어 외부로 난방수가 배수되도록 구성하여 상기 고정부로터 유입된 물이 내통의 개방부를 따라 회전하면서 물의 유통경로를 구성하며,
상기 몸체덮개부와 고정부는 서로 다른 전극(양전극 또는 음전극)이 연결되는 전극단자가 구성되어 상기 외통으로 부터 그 내부 내통이 서로 다른 전극이 교번하여 구성되고,
상기 고정부는 외통과 내통 및 내통에 연결된 전극과 전기적으로 절연되도록 구성되며,

상기 외통과 내통으로 구성된 난방수의 유통경로에 따라 구성된 전극 간 단면적에서 발생된 이온 클러스터에 의해 난방수를 승온 시키도록 한 것을 특징으로 한다.

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그리고 상기 고정부의 난방수 유입단에 주입되는 난방수가 외통과 1차 전극 간 단면적을 제공하는 내통을 따라 회전하는 회전력을 더 증가시키기 위한 회오리 발생수단과, 상기 고정부로 공급되는 난방수에 버블을 발생시키는 버블발생수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따르면 전극 간 단면적이 넓어짐에 따라서 보다 많은 이온의 양에 발생으로 작은 에너지로 보다 빠르게 물을 승온 시킬 수 있으며, 회오리를 발생시켜 원통형의 전극을 따라 이동하도록 함으로써, 동일한 전극 길이로 구성된 장치에서 전극 간 단면적을 극대화시킬 수 있도록 한다.

또한 버블을 공급함으로써, 보다 빨리 물을 승온 시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명 전극보일러의 전극히터장치의 외관을 보인 사시도.
도 2는 본 발명 전극히터장치의 분리사시도.
도 3은 본 발명 전극히터장치의 단면도.
도 4는 본 발명에 있어서, 물의 회전방향을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명 전극히터장치의 설치예를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 있어서, 고정부의 예를 보인 사시도.
도 7은 본 발명에 있어서, 물의 회전방향을 개략적으로 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 있어서, 회전단면적을 설명하기 위한 개략도.
도 9는 본 발명에 있어서, 이온 발생 상태를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 있어서, 버블 진행상태를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명 전극히터장치의 제어 시스템 실시예를 나타낸 도면.
도 12는 본 발명에 있어서, 버블발생수단의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 13은 본 발명에 있어서, 버블발생수단의 다른 실시예를 나타낸 단면도.
도 14는 본 발명에 있어서, 버블발생수단의 다른실시예가 적용된 설치예를 나타낸 도면.

본 발명 전극보일러의 전극히터장치를 첨부된 도면 도 1 내지 도 11에 도시된 실시예를 참조하여 그 구성 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

원통형의 물탱크관으로 음전극이 연결되는 몸체(10)와, 몸체(10)의 내부에 구성되어 외주면이 주입되는 물의 1차 접촉면으로 구성되고 그 상부가 개방되어 주입되는 물의 유통경로를 제공하고 양전극이 연결되는 양전극관(20)과, 양전극관(20)의 중앙에 구성되어 외주면이 양전극관(20)의 내주면과 물의 접촉면으로 작용하는 물의 유통경로를 제공하고 상기 양전극관(20)의 개방부와 그 반대로 하부가 개방되어 물이 유입되도록 하고 외부로 가열된 물을 배출하도록 하며 음전극이 연결되는 출수관(30)과, 상기 몸체(10), 양전극관(20)을 고정하여 외부로 부터 밀폐된 물통을 구성하며 외부로 부터 물을 주입하기 위한 수단을 구비하는 고정부(40)와, 상기 고정부(40)에 고정된 몸체(10)의 상부를 덮어 밀폐시키며 그 중앙으로는 상기 출수관(30)을 고정시키고 일 측으로는 음전극이 연결되며 몸체(10) 및 출수관(30)과는 전기적인 연결을 갖는 음전극단자(60), 접지단자(70)가 구성되는 몸체덮개부(50)와, 상기 출수관(30)의 선단에 구성되며 난방수를 난방배관으로 공급하기 위한 난방수공급관(90)과 연결되고 난방수공급관(90)을 정,역 회전시켜 출수되는 난방수를 좌우 회전시켜 빠르게 물을 난방배관 측으로 공급하기 위한 회전수단(80)과, 펌프(110)에 의해 순환되는 난방수에 버블을 발생시키는 버블발생수단(100)과, 난방배관과 연결되며 고정부(40)를 통해 난방수를 순환시키는 펌프(110)를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 고정부(40)는 중앙으로 양전극관(20)과 전기적 연결을 갖으며 양전극이 연결되는 양전극단자(120)와, 양전극단자(120)를 덮어 보호할 수 있도록 덮개(130)가 구성되고, 일 측으로는 펌프(110)로 부터 순환되는 난방수가 공급되는 물주입부(41)와, 물주입부(41)를 향하여 유입단을 구성하여 주입되는 물이 양전극관(20)을 따라 회전하면서 상승하는 상승 회전력을 증가시키도록 한 물의 경로를 정해주는 회오리발생수단(42)과, 몸체(10)가 결합되는 몸체결합부(43)가 구성된다.

이와 같은 본 발명 전극보일러의 전극히터장치는,

(a). 전극 간 단면적(회전단면적)을 극대화시켜 많은 양의 이온 발생으로 빠르게 물을 승온 시킬 수 있도록 하는 구조,

(b). 히터에 순환되는 물을 주입 시 버블을 함께 공급함으로써, 열효율을 높일 수 있도록 함을 기술적 특징으로 한다.

상기 몸체(10)는 원통형의 관으로 구성되며 고정부(40)에 의해 밀폐되는 물탱크관으로 구성되며, 상부로는 몸체덮개부(50)에 의해 밀폐 구성된다.

상기 몸체덮개부(50)와 몸체(10)는 전기적인 연결을 갖도록 구성되어 상기 몸체덮개부(50)에 구성된 음전극단자(60)를 통해 음전극이 연결된다.

상기 고정부(40)는 상기 몸체(10)를 밀폐 고정시키며 몸체(10)의 중앙으로 양전극관(20)을 고정시키는 수단으로, 절연재질로 구성되어 몸체(10)와 양전극관(20)을 전기적으로 절연시키기 위한 구조로 이루어진다.

상기 고정부(40)는 양전극관(20)과 결합되어 양전극관(20)의 고정 및 양전극관(20)과 전기적인 연결을 갖는 양전극단자(120)를 하단으로 노출시켜 양전극이 연결되도록 구성된다.

상기 양전극단자(120)를 외부와 차단시키기 위하여 덮개(130)를 포함한다.

상기 고정부(40)는 도 6에 도시된 바와 같이, 일 측으로 난방배관으로 부터 순환되는 물을 주입하기 위한 물주입부(41)가 구성되며, 물주입부(41)와 대향하여 점차 경사도를 갖는 회오리발생수단(42)이 구성된다.

상기 물주입부(41)는 고정부(40)의 일 측부에 구성됨으로써, 주입되는 물이 내부 양전극관(20)에 부딪히면서 유입되는 물의 압력에 의해 회전하면서 양전극관(20)을 따라 회전하면서 상승하도록 구성된다.

상기 회오리발생수단(42)은 물주입부(41)로 부터 점차 경사도가 높아지면서 양전극관(20)의 외주면을 따라 형성되어 물주입부(41)로 부터 물이 공급되면 양전극관(20)의 외주면을 따라 회전하는 힘을 더 증기시키도록 한 것이다.

즉 양전극관(20) 및 출수관(30)에 의해 생성된 물의 유통경로를 따라 물이 이동하면서 회전력이 떨어질 수 있음으로써, 회전력을 더욱 상승시켜 몸체(10)와 양전극간(20), 그리고 양전극관(20)과 출수관(30)의 단면적을 증가시키도록 한 것이다.

본 발명에서는 상기에서와 같이 물이 회전하면서 발생되는 양전극관(20)과 몸체(10)의 단면적을 회전단면적이라고 정의한다.

상기 출수관(30)은 최종 승온된 물을 배수하기 위한 수단으로, 상기 몸체덮개부(50)의 중앙에 설치 고정되어 음전극으로 작용한다.

따라서 최외단의 몸체(10)와 최중앙의 출수관(30)이 음전극이고, 출수관(30)과 몸체(10)의 사이에 구성된 양전극관(20)이 양전극으로써 물의 유통경로를 구성함으로써, 단면적을 증가시킨 구조이며, 상기에서와 같이 물을 회전시켜 그 단면적을 극대화시키도록 한 구조를 이룬다.

상기 출수관(30)의 선단에는 난방수공급관(90)이 연결되며, 상기 난방수공급관(90)은 회전수단(80)에 의해 연결된다.

상기 회전수단(80)은 난방수공급관(90)을 정역 회전 시켜 출수되는 난방수를 빠른 시간으로 이송시킬 수 있도록 한다.

상기 펌프(110)는 난방배관의 물을 순환시켜 상기 고정부(40)의 물주입부(41)로 공급하는 수단이다.

상기 버블발생수단(100)은 펌프(110) 내에 버블을 발생시켜 고정부(40)내로 버블을 공급하기 위한 수단이다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명 전극보일러의 전극히터장치의 동작 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

펌프(110)를 통해 난방수가 순환되며 펌프(110)에는 버블발생수단(100)이 연결되어 버블발생수단(100)에 의해 발생된 버블이 고정부(40)로 공급된다.

상기 고정부(40)의 물주입부(41)는 고정부(40)의 일 측부에 구성되어 있어서, 주입되는 물은 내부 양전극관(20)의 가장자리부에 부딪히면서 양전극관(20)을 따라 회전하면서 주입되는 물의 압력에 의해 상승하게 된다.

이때 물주입부(41)에는 회오리발생수단(42)이 구성되어 있어서, 물주입부(41)를 통해 주입되는 물은 회오리발생수단(42)에 의해 더 강한 회전력을 얻게 되어 양전극관(20)을 따라 회전하게 된다.

상기에서와 같이 물은 도 4 및 도 7에서와 같이 양전극관(20)을 따라 회전하면서 상승하게 되고, 상부로 도달하게 되면 양전극관(20)의 내부로 유입되면서 출수관(30)을 따라 회전하면서 상기와 역방향으로 진행하고, 하단에서 출수관(30)으로 유입되어 출수된다.

이때 몸체(10)와 출수관(30)은 음전극이고 양전극관(20)은 양전극임으로써, 도 9에 도시된 바와 같이 이온클러스터가 발생하여 +, -이온이 교번으로 발생하게 된다.

따라서 양전극관(20)을 따라 회전하면서 몸체(10)와의 흐르는 전류에 의해 물이 승온되고, 양전극관(20)의 내부로 유입되어 출수관(30)을 따라 회전하게 될 때에는 양전극관(20)과 출수관(30)의 사이로 흐르는 전류에 의해 물이 승온된다.

여기서 물을 회전시키면서 이온 클러스터를 발생시키기기 위한 물의 유통을 유도하게 되는 바, 이는 전극 간 회전단면적을 극대화시키기 위한 것이다.
회전단면적은 결국 전극 간 접촉되는 길이가 길어 질수록 회전단면적은 넓어지는 것임으로써, 회오리 수류를 이용하여 물의 경유하는 길이에 의해 전극 간 접촉되는 길이를 길도록 하여 본 발명 히터장치를 설계한 것이다.

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여기서, 도 7 및 도 8을 참조하면, 전극 간 접촉은 양전극관(20)의 외부공간(Bout)과 몸체(10)의 내부공간, 그리고 출수관(30)의 외부 공간과 양전극관(20)의 내부공간(Bins)에 이루어지는 물의 경로 공간임으로써, 이들 공간에서 전극 간 노출 길이는 물의 압력과 양전극관(20), 출수관(30)을 따라 회전하는 회전수에 따라서 그 길이가 달라 지게 됨을 고려하여 전극을 구성하는 몸체(10), 양전극관(20), 출수관(30)의 구경 및 길이를 설계할 수 있다.
즉, 물이 회전하면서 진행될 경우 전극 간 노출 길이가 길어지게 되는 것으로, 결론적으로 회전단면적을 증가시킬 수 있게 되는 것을 의미하는 것이다.

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또한 버블발생수단(100)에서 발생된 버블은 물이 유통경로를 따라 회전하면서 진행하게 되는 바, 도 10에 도시된 바와 같이, 출수관(30)에 이르게 되면서 점차 작아지며, 작은 많은 양의 버블로 변화된다.

일반적으로 물이 회전하면서 유통경로를 따라 진행하게 될 경우 유통경로 상에서 버블이 발생되며, 보다 많은 버블을 발생시켜 열효율을 증가시키고자 한 것으로, 초기 유입되는 버블이 유통경로를 따라 회전하면서 진행하게 되면서 온도의 증가 및 충격에 의해 터지면서 보다 많은 수의 버블로 변화되는 것이다.

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공기는 물보다 빨리 데워 지며 열손실이 보다 적음으로써, 버블에 포함된 공기만큼 빨리 승온시킬 수 있는 것으로, 동일한 크기의 공간에서 버블에 포함된 공기량 만큼 승온 해야 할 물의 양이 적어지고 물보다 빨리 데워지는 공기량이 존재하게 됨으로써, 동일한 전력으로 빠른 시간 내에 물을 승온 시킬 수 있게 된다.

이와 같이 출수관(30)을 통하여 출수되는 물은 난방수공급관(90)으로 공급되며 이때 난방수공급관(90)은 회전수단(80)에 의해 정역 회전됨으로써, 난방수공급관(90)내에서 출수가 신속이 이루어지도록 한다.

도 11은 본 발명 전극보일러의 전극히터장치의 실시예를 나타낸다.

제어기의 제어에 따라서 고주파발생수단으로 부터 고주파가 발생되고 이와 같은 고주파는 양전극관(20)에 공급되며 상기에서 설명한 바와 같은 작용으로 물을 승온 시켜 난방배관을 통해 순환시킨다.

각 입수온도센서, 출수온도센서로 부터 온도정보를 제공받아 고주파제어를 수행하여 물의 온도를 제어한다.

공지된 바와 같이 다양한 전극보일러의 제어시스템구성이 가능하며 필요에 따라서는 펌프 및 버블발생수단의 제어를 통해 물의 압력, 버블량 등을 조절하여 물의 온도제어 가능한 제어시스템을 다양하게 실시할 수 있다.

한편 도 12 내지 도 14는 본 발명에 있어서, 버블발생수단을 구성하는 다른 실시예를 나타낸다.

상기 고정부(40)의 물주입부(41)의 어느 일 측으로 버블을 만들기 위한 서브 물주입부(44)를 구성하고, 펌프(110)로 부터 상기 물주입부(41), 서브 물주입부(44)로 물을 공급하도록 구성하여 버블발생수단을 구성한다.

이는 물주입부(41)로 주입되는 물과 직교하도록 물을 공급하여 물주입부(41)로 주입되는 물에 서브 물주입부(44)의 물이 부딪히면서 버블이 발생되도록 한 것이다.

상기 서브 물주입부(44)의 내경은 상기 물주입부(41)의 내경 대비 1/3 작게 구성하여 보다 고압의 물이 공급될 수 있도록 할 수 있다.

이는 별도의 버블발생수단을 구성하지 않는 장점이 있다.