(19) 대한민국특허청(KR) (12) 등록특허공보(B1)

등록특허 10-0821935(51) Int. Cl.(19) 대한민국특허청(KR)(12) 등록특허공보(B1)F24H 1/41 (2006.01) F24H 1/00 (2006.01)(21) 출원번호 10-2007-0087053(22) 출원일자 2007년08월29일심사청구일자(30) 우선권주장2007년08월29일1020060126292 2006년12월12일 대한민국(KR)(56) 선행기술조사문헌KR200379085 Y1KR1019990086806 AKR200405730 Y1KR1019920018423 A(45) 공고일자 2008년04월16일(11) 등록번호 10-0821935(24) 등록일자 2008년04월10일(73) 특허권자무스타파 라파엘러시아연방 트베리시, 포세록 사하로보, 바시레프스꼬고 가,3동 16번장학정서울 양천구 신정1동 311 목동아파트 1015동1301호(72) 발명자무스타파 라파엘러시아연방 트베리시, 포세록 사하로보, 바시레프스꼬고 가,3동 16번(74) 대리인이영화전체 청구항 수 : 총 4 항 심사관 : 손병철(54) 와류 가열장치(57) 요 약본 발명은 주거지 및 산업시설의 독립적인 가열, 양어장, 농업 및 수송산업에서의 물의 가열에 사용할 수 있는유체의 가열장치에 관한 것으로, 특히 별도의 화석연료를 사용하지 않고 분기구조(ramified system)를 통한 유체흐름의 다중 체널 구조의 원리를 이용하여 유체를 가열시키고, 이때 발생되는 진동 및 소음을 제거할 수 있는 유체가열장치에 관한 것이다.대표도 - 도1- 1 -

등록특허 10-0821935특허청구의 범위청구항 1펌핑장치(4)의 동작에 의하여 유체를 상부로 이동시키는 생성관(5)과,상기 생성관(5)의 상부에 형성되며 유입된 유체를 원통상 해드부재(7)를 통하여 각각의 와류실(2)로 분기하는댐퍼(6)와;상기 댐퍼(6)와 와류관(3) 사이에 형성되며 댐퍼(6)에서 유입되는 유체를 회전시키는 와류실(2)이 형성된 유체흐름 가속부재(1)와;상기 유체흐름 가속부재(1)와 연통되게 결합되며 유입되는 유체를 배출관(8) 측으로 이송하는 하나 이상의 와류관(3);과상기 와류관(3)을 통한 유체를 외부로 배출하는 배출관(8);을 포함하며,여기서, 상기 펌핑장치(4)에 의하여 상부로 이동하는 유체는 생성관(5)을 통하여 댐퍼(6) 내부로 유입되고 댐퍼(6)의 외측에 형성된 여러 개의 유체흐름가속부재(1) 측으로 분기되며 분기된 유체는 유체흐름가속부재(1)내부의 와류실(2)을 지나 와류관(3)과 배출관(8)을 통하여 외부로 배출됨을 특징으로 하는 와류 가열장치.청구항 2제 1항에 있어서,상기 댐퍼(6)의 내측 외주면에 형성된 원통상의 해드부재(7)의 횡단면적은 상기 와류관(3)의 횡단면적의 0.5배인 것을 특징으로 하는 와류 가열장치.청구항 3제 1항 또는 2항에 있어서,상기 와류실(2)의 면적은 원통상의 해드부재(7)의 단면적의 0.8 내지 0.85배인것을 특징으로 하는 와류 가열장치.청구항 4제 1항에 있어서,상기 댐퍼(6)의 횡단면적은 상기 와류관(3)의 총 단면적과 동일함을 특징으로 하는 유체 가열장치.명 세 서발명의 상세한 설명기 술 분 야본 발명은 주거지 및 산업시설의 독립적인 가열, 양어장, 농업 및 수송산업에서의 물의 가열에 사용할 수 있는유체의 가열장치에 관한 것으로, 특히 별도의 화석연료를 사용하지 않고 분기구조(ramified system)를 통한 유체 흐름의 다중 체널 구조의 원리를 이용하여 유체를 가열시키고, 이때 발생되는 진동 및 소음을 제거할 수 있는 유체가열장치에 관한 것이다.배 경 기 술일반적으로 물을 가열하여 사용하는 일 예로써 가장 다양한 용도로 사용되는 보일러를 들 수 있다.보일러는 알려진 바와 같이 석유, 석탄 등의 화석연료를 연소시켜 그 연소열을 물에 전하여 증기를 발생시키는장치이다.그러나, 보일러는 다음과 같은 문제점을 갖는다.첫째, 화석연료는 알려진 바와 같이 지구상에서 매장 지역, 즉 자원의 편중이 심하기 때문에 가격과 공급 면에- 2 -

등록특허 10-0821935서 항상 불안정한 요소를 지니고 있으며,석유 비생산국은 `석유파동'이라는 극심한 문제에 시달린다. 또한 재생이 불가능하고 매장량이 한정되어 있으며 환경오염의 원인물질이며, 특히 환경오염 문제는 심각하다. 공장과자동차에서 배출되는 배기가스에 의한 대도심의 오염은 물론, 유류 저장탱크에서 자연증발되는 가스와 가공연료 생산공정에서 배출되는 기체로 인한 대기오염도 갈수록 심해지는 문제점이 있다.둘째, 화석연료는 그 열효율이 많이 떨어지는 문제점으로 인하여 불연소로 인한 대기오염물질이 더욱 많이 발생되는 것으로 알려져 있다.셋째, 또한, 화석연료의 고갈로 인하여 이를 대체하기 위한 대체연료가 시급한 실정이다.넷째, 사용되는 장소 및 설치되는 건물 등의 듀모에 적합한 열효율을 갖는 다양한 크기의 가열장치가 필요하나획일적으로 제작된 가열장치로 인하여 열효율이 낭비되는 문제점이 있다.발명의 내용해결 하고자하는 과제본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 화석연료를 대신하거나 또는 화석연료의 효율을 높일 수 있는 장치를 제공함으로써 대기오염을 줄이며, 화석연료의 의존도를 점차 줄이고자함에있다.또한, 상기 가열장치는 분기구조(ramified system)를 통한 유체 흐름의 다중 채널 구조의 원리를 이용하여 장치의 효율을 극대화하고 물리적 진공의 변동량 증대 및 진동 및 소음이 없이 물의 순환만으로 유체를 가열할수 있는 장치를 제공하는데 있다.또한, 설치공간의 제약이 없으며, 다양한 크기 및 열효율을 낼 수 있는 유체가열장치를 제공함에 있다.과제 해결수단이를 위하여 본 발명의 와류 가열장치는 펌핑장치의 동작에 의하여 유체를 상부로 이동시키는 생성관과, 상기생성관의 상부에 형성되며 유입된 유체를 원통상 해드부재를 통하여 각각의 와류실로 분기하는 댐퍼와, 상기댐퍼와 와류관 사이에 형성되며 댐퍼에서 유입되는 유체를 회전시키는 와류실이 형성된 유체흐름 가속부재와,상기 유체흐름 가속부재와 연통되게 결합되며 유입되는 유체를 외부로 배출하는 하나 이상의 와류관를 포함하여 이루어짐에 특징이 있다.또한, 상기 댐퍼의 내측 외주면에 형성된 원통상의 해드부재의 횡단면적은 상기 와류관의 횡단면적의 0.5배인것에 특징이 있다.또한, 와류실의 면적은 원통상의 해드부재의 단면적의 0.8 내지 0.85 배인 것에 특징이 있다.또한, 댐퍼의 횡단면적은 상기 와류관의 총 단면적과 동일한 것에 특징이 있다.효 과상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 와류 가열장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.첫째, 대형건물이나 가정에서의 화석연료에 의한 유체 가열 장치(보일러)의 열효율을 극대화시키거나 보일러를대체하여 개별식 유체 가열로 사용함으로써 대기오염이나 화석연료의 의존도를 크게 줄일 수 있는 효과가있다.둘째, 소규모로 제작할 수 있어 가열된 유체를 필요로 하는 위치에서 근접하게 장치하여 사용함으로써 열 효과를 극대화할 수 있으며, 가열된 유체의 수송으로 인한 열의 증발을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.셋째, 저효율을 요구하는 공간에서는 화석연료의 종래 보일러를 완전 대체하여 사용함으로써 대기오염 등의 환경 오염을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.넷째, 상기 와류 가열장치는 구성이 단순하고 크기의 변화를 다양하게 할 수 있어 열차 및 개인침실 등 다양한설치공간에 맞춤 제작할 수 있는 효과가 있다.다섯째 ,상기의 보일러 등과 같은 장치 이외에 물을 가열하여 사용되는 다양한 장치에 응용이 쉬워 다양하게변형하여 사용할 수 있는 효과가 있다.- 3 -

등록특허 10-0821935여섯째, 사용되는 장소 및 설치되는 건물 등의 규모에 맞는 적합한 열량을 생산할 수 있는 가열장치를 제공함으로써 낭비되는 열 효율을 방지할 수 있는 효과가 있다.발명의 실시를 위한 구체적인 내용이하, 본 발명에 따른 유체 가열장치의 구성은 도면을 참조하여 상세하게 설명하겠다.도 1은 본 발명에 따른 와류 가열장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 와류 가열장치가 펌핑장치에 장착된 상태의 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 와류 가열장치중 유체흐름 가속부재 부분의 분해 사시도이고,도 4는 본 발명에 따른 와류 가열장치중 댐퍼 부분의 횡단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 와류 가열장치의유체의 흐름을 나타내기 위한 단면도이다.도시한 바와 같이 본 발명에 따른 유체 가열장치는 펌핑장치(4)의 동작에 의하여 유체를 상부로 이동시키는 생성관(5)과, 상기 생성관(5)의 상부에 형성되며 유입된 유체를 원통상 해드부재(7)를 통하여 각각의 와류실(2)로 분기하는 댐퍼(6)와, 상기 댐퍼(6)와 와류관(3) 사이에 형성되며 댐퍼(6)에서 유입되는 유체를 회전시키는와류실(2)이 형성된 유체흐름 가속부재(1)와, 상기 유체흐름 가속부재(1)와 연통되게 결합되며 유입되는 유체를 배출관(8) 측으로 이송하는 하나 이상의 와류관(3)과, 상기 와류관(3)을 통한 유체를 외부로 배출하는 배출관(8);을 포함하여 이루어진다.또한, 상기에서 댐퍼(6) 내측 외주면에 형성된 원통상의 해드부재(7)의 횡단면적은 상기 와류관(3)의 횡단면적의 0.5배로 형성된다.또한, 와류실(2)의 면적은 원통상의 해드부재(7)의 단면적의 0.8 내지 0.85배로 형성된다.또한, 상기 댐퍼(6)의 횡단면적은 상기 와류관(3)의 총 단면적과 동일하게 형성된다.이하, 본원 발명에 따른 와류 가열장치의 동작과정에 따른 작용을 설명하겠다.먼저, 본원발명의 와류 가열장치의 생성관(5)의 일측을 펌핑장치(4)의 유출부 부분에 결합하고 펌핑장치(4)의유체 유입구(4a)와 와류 가열장치(100)의 배출부(8a)를 연결하여 유체가 순환되도록 설치한후 내부에 유체를채운다.상기와 같이 설치가 완료된 후 상기 펌핑조립체(4)의 전원을 온(on)시키면 상기 생성관(5)내의 유체는 가압되면서 댐퍼(6)내부로 유입된다.이때, 유체에는 펌프의 작동에 따른 블레이드의 회전에 의하여 주기적인 진동에 의해 루프형상의 파형이 형성되고, 종방향을 따라 소멸된다.한편, 생성관(5)의 타측은 댐퍼(6)의 내부로 일부 삽입된 상태로 결합되는데, 상기 생성관(5)은 댐퍼(6)의 측면에 대하여 3/5의 비율로 변위된 상태이고, 상기 댐퍼(6)의 측면으로부터의 반사된후의 파동이 역위상 파동의주 에너지를 반송하는 루프와 만나게 되므로, 상기 생성관(5) 내의 우수차 고조파 및 댐퍼(6)내부에서의 댐핑에 대한 공진 과정이 생성됨으로써 상기 파동의 댐핑이 이루어짐에 따라 열이 발생한다.상기 댐퍼(6)로부터 유출되는 유체는 복수개의 와류관(3)으로 분할된다.상기 유체의 일부는 상기 와류실(2)을 통해 와류관(3)의 주변영역으로 유입되어 선회한다.또한, 상기 와류관(3)의 축방향 영역으로부터 유출되는 유체는 와류실(2)의 중앙구멍(10)을 관류하여 상기 댐퍼(6)로 복귀하여 댐퍼내의 유체의 흐름과 혼합되어 추가로 발열한다.상기 구멍(10)은 원통상의 장착부재의 형태로 제작된다. 이 장착부재의 단면적과 상기 와류관(3)의 단면적의비율은 0.5 정도가 바람직하다.상기와 같이 제작된 와류 가열장치(100)는 열반송 매체의 유체 손실을 최대한 감소시킬 수 있고,캐비테이션(cavitation)을 제거할 수 있고, 열반송 매체의 물리적 진공부의 요동의 원인이 되는 음향 진동을개시 및 댐핑하는 양호한 조건을 생성할 수 있다. 상기 물리적 진공 상태의 요동시 분자간 결합의 파괴가 발생되고, 기본입자의 에너지로의 변환 및 물분자의 자기 모멘트의 변화가 발생된다. 따라서, 와류류가열장치뿐 아니라 가열장치 내에서도 열 에너지가 방출하고, 분자결합이 형성되고, 열반송 매체 내의 물리적인 진공부의 요동이 발생한다. 상기 가열된 열반송 매체의 일부는 와류가열장치로부터 가열장치 내로 유입되고, 상기열반송 매체의 다른 일부는 바이패스(미도시)를 통해 와류가열장치로 재유입함으로써 분자결합을 파괴하는 작- 4 -

등록특허 10-0821935용을 한다. 상기 유체는 가열장치를 통과한 후에 펌프로 복귀한 다음, 다시 상기 와류가열장치로 유입된다.상기 유체 가열장치는 사전설정된 최소 온도에 도달하면 펌핑장치의 전원을 자동으로 온시키고, 최대 온도에도달하면 전원을 자동으로 오프시키는 자동 모드로 동작한다.상기 본 발명에 따라 제작된 와류 가열장치의 일실시예의 성능 시험결과먼저, 상기 시험에 따른 와류 가열장치는 도 6에 도시한 바와 같이 구성된 상태에서 시험되었다.1)효율의 정의η = Q/W * 100%Q : 출력열에너지(주울)W : 입력(공급)전력(주울)2) VHG로부터 출력되는 열에너지Q = Q1 + Q2 + Q3Q1 : 온수난방Q1 = C1 * m1 * ΔTC1 = 4.2 * 10 3 (주울/kg℃)m1 : 물의 질량(kg)본 실험에서, 난방시스템의 물 총량, m1 = 35kg실제의 온수난방 에너지를 얻기 위해 보조 물탱크에 연결된 파이프라인에 3개의 온도센서를 설치하였다.그리고 측정기간동안 보조 물탱크의 수위를 기록하였다. 파이프라인의 온도는 주 흐름부의 온도와 다르며 보조물탱크의 수위는 주 흐름부의 온도에 따라서 증가하였다.보조 파이프라인의 물의 량과 온도의 변화를 이 추정으로 보상하였다.Q2 = C2 * m2 * ΔTC2 = 480 (주울주울/kg℃)m2 : 스틸 구조물의 질량량(kg) = 121.5kgm2에 있어서는, VHC, 펌프 및 모든 파이프라인의 중량을 합하였다.VHG : 57kg, 펌프 : 49kg, 모터 : 109kg, 파이프라인 : 15.5kg펌프의 질량은 전도성 표면이 그다지 크지않기 때문에 고려하지 않았다.Q3 : 대기로 방출된 열에너지VHG와 파이프라인을 글라스울로 절연처리하여 열방사를 줄일 수 있게 하였다.3)공급 전력W = P * τ여기서P : 모터에 공급되는 유효전력(kW)τ : 모터의 동작시간유효전력은 모터와 전력변환기 사이의 3상전력계로 측정하였다. 공급전력을 시간의 경과에 따라서 30초마다 합계를 내어 효율을 계산할 수 있게 하였다.- 5 -

등록특허 10-08219354)오차추정(비고)공기로의 방출열손실은 절연재의 효과 및 파이프라인의 표면적을 대략적으로 고려하여 추정하였다. 17미터의추가의 파이프라인(외경: 38mm)에 대한 절연효과는 절연상태와 비절연상태 사이의 열효율이 약 5%의 차이가 나는 것으로 추정되었다.결 과1)측정 데이터의 도해* 유효전력과 압력은 물의 온도 75℃이상에서 급격히 감소하였다.* 효율은 물의 온도에 따라서 그다지 많이 감소하지 않았다.- 6 -

등록특허 10-08219352)결과동 서 남 북VHG 방향* VHG의 4방향에서 측정을 실시하였다.* 평균효율은 88% ~ 92% 였다.* 방향의 영향은 이 실험에서 관찰되지 않았다.도면의 간단한 설명도 1은 본 발명에 따른 와류 가열장치의 사시도도 2는 본 발명에 따른 와류 가열장치가 펌핑장치에 장착된 상태의 사시도도 3은 본 발명에 따른 와류 가열장치중 유체흐름 가속부재 부분의 분해 사시도도 4는 본 발명에 따른 와류 가열장치중 댐퍼 부분의 횡단면도도 5는 본 발명에 따른 와류 가열장치의 유체의 흐름을 나타내기 위한 단면도도 6은 본 발명에 따른 와류 가열장치의 시험을 위한 장치도*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*1 ... 유체흐름가속부재 2 ... 와류실3 ... 와류관 4 ... 펌핑장치5 ... 생성관 6 ... 댐퍼7 ... 원통상 해드부재 10... 중앙구멍9 ... 배출관- 7 -

등록특허 10-0821935도면도면1- 8 -

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등록특허 10-0821935도면3도면4- 10 -

등록특허 10-0821935도면5도면6- 11 -