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KR101329945B1 - 액체의 급속 가열 장치 및 방법 - Google Patents

액체의 급속 가열 장치 및 방법 Download PDF

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KR101329945B1
KR101329945B1 KR1020117004930A KR20117004930A KR101329945B1 KR 101329945 B1 KR101329945 B1 KR 101329945B1 KR 1020117004930 A KR1020117004930 A KR 1020117004930A KR 20117004930 A KR20117004930 A KR 20117004930A KR 101329945 B1 KR101329945 B1 KR 101329945B1
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마이클 콜번
스티븐 보그너
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우드 스톤 아이디어즈, 엘엘시
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Abstract

본 발명에 따른 액체가열장치는 탱크, 전극 및 도전 액체를 포함한다. 탱크에 도전 액체와 전극이 들어있고, 전극은 도전 액체에 전류가 흐르드록 연결된다. 이 장치는 또한 전해질을 담아두는 전해질 공급용기를 포함한다. 전해질 공급용기는 탱크에 전해질을 공급하도록 스위칭 가능하게 연결된다. 이장치는 또한 도전 액체에서 소비되는 전기에너지의 변수를 결정하기 위한 전기변수 감지스위치와, 전기변수 감지스위치가 설정값과는 다른 전기변수를 감지할 때 도전 액체에 전해질을 자동으로 첨가하도록 연결된 컨트롤러를 포함한다.

Description

액체의 급속 가열 장치 및 방법{RAPID LIQUID HEATING}
본 발명은 액체의 가열에 관한 것으로, 구체적으로는 액체에 전류를 흘려 액체를 가열하는 시스템에 관한 것이다.
전기저항을 이용해 액체를 가열할 경우, 저항요소에 전류가 흐르면서 전기에너지가 열로 바뀐다. 뜨거운 전기저항요소에서 액체로 열이 전달되면서 액체가 가열된다. 이런 방식은 가정용-상업용 온수장치(예; 식기세척기)는 물론 공업용 처리과정에도 널리 적용된다. 물을 가열할 때는, 전기저항요소의 표면온도가 가열될 액체보다 훨씬 높아서 문제가 생긴다. 이렇게 표면온도가 높을수록 액체내의 화학물질과 불순물이 침전반응하여 전기저항요소의 표면에 들러붙어 석회층을 형성한다. 시간이 갈수록 이런 석회층이 두꺼워지면서 단열층으로 작용한다. 이렇게 단열된 전기저항요소는 점점더 뜨거워지면서 에너지를 낭비하게 된다. 표면온도가 더 높아지면 전기저항요소가 타버릴 수도 있다. 또, 전기저항요소로 액체를 가열할 경우, 전기에너지가 먼저 전기저항요소를 가열한 다음 표면의 석회층을 가열하고 나서야, 액체를 가열하게 되므로, 액체를 가열하는데 시간이 걸리게 된다.
이런 문제를 해결하려면, 전기저항요소의 석회층을 주기적으로 제거해야만 전기저항요소가 타버리는 것을 방지하고 빈번한 교체도 방지된다. 석회층을 제거하는데는 시간과 비용이 추가됨은 물론, 환경을 해치는 유독성 화학물질도 사용할 수밖에 없다.
본 발명은 종래의 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것이다.
본 발명에 따른 액체가열장치는 탱크, 전극 및 도전 액체를 포함한다. 탱크에 도전 액체와 전극이 들어있고, 전극은 도전 액체에 전류가 흐르드록 연결된다. 이 장치는 또한 전해질을 담아두는 전해질 공급용기를 포함한다. 전해질 공급용기는 탱크에 전해질을 공급하도록 스위칭 가능하게 연결된다. 이장치는 또한 도전 액체에서 소비되는 전기에너지의 변수를 결정하기 위한 전기변수 감지스위치와, 전기변수 감지스위치가 설정값과는 다른 전기변수를 감지할 때 도전 액체에 전해질을 자동으로 첨가하도록 연결된 컨트롤러를 포함한다.
본 발명은 액체가열방법도 제공하는데, 이 방법은 전극이 들어있는 탱크를 제공하는 단계; 전극들 사이에 도전 액체를 유동시키는 단계; 도전 액체의 도전율을 조절하는 시스템을 제공하는 단계; 전극들 사이의 도전 액체에 전류를 흐르게하는 단계; 전류를 검출하는 단계; 및 도전 액체의 도전율을 자동으로 조절하여 원하는 전류를 얻는 단계;를 포함한다.
본 발명은 또한, 다수의 탱크 구간들, 입구, 출구, 전극들 및 격벽을 갖는 액체가열장치도 제공하는데, 액체와 전극들이 탱크 구간들에 들어있으며, 액체는 전극들 사이에서 전류를 통과시키는 도전율을 갖고 있고, 격벽은 탱크 구간들 사이에 있다.
본 발명은 다른 액체가열방법은, 전극이 들어있는 탱크와 액체를 제공하는 단계; 전극들 사이에 액체를 유동시키는 단계; 전극들 사이에 전압을 공급하고, 전극들 사이의 액체에 전류를 흐르게하는 단계; 및 전압 변화 없이 전류만 조절하여 설정 전류를 제공하는 단계;를 포함한다.
도 1a는 본 발명에 따른 액체가열장치의 일례의 단면도;
도 1b는 도 1a의 액체가열장치의 탱크 안의 액체가 대기압 상태에 있을 때의 탱크의 사시도;
도 2a는 도 1a의 액체가열장치의 전개도;
도 2b는 도 1a의 액체가열장치의 조립상태의 사시도;
도 2c는 도 1a의 액체가열장치 중의 격벽과 전극과 저선을 보여주는 사시도;
도 3은 도 1a의 액체가열장치의 전기회로도.
도 1a~b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 액체가열장치(18,18')의 탱크(20,20')의 첫번째와 두번째 구간(20a,20b)에 각각 3상전극(22,23)이 배치된다. 일례로, 3상전극(22)은 전극판(22a-22a',22b-22b',22c-22c')으로 구성되고, 3상전극(23)은 전극판(23a-23a',23b-23b',23c-23c')으로 구성된다(도 2a~b 참조). 탱크(20,20')에 들어있는 도전 액체(24)는 탱크의 외면과는 전기적으로 절연된다. 이런 액체가열장치(18,18')는 차가운 유입 액체(24)를 가열하거나, 예열된 액체의 온도를 높이거나, 액체의 온도를 유지하는데 사용된다.
탱크(20,20')는 스틸(steel)과 같은 금속으로 제작되고, 안쪽면은 불소중합체, 유리, 포세린(porcelain)과 같은 유전체(25)로 코팅된다. 탱크는 절연되거나 박스나 컨테이너(도시 안됨) 안에 포장될 수도 있고, 또는 절연된채 컨테이너 안에 포장될 수도 있다. 탱크가 저압용일 경우 플라스틱과 같은 유전체로 만들 수도 있다.
액체가열장치(18,18')는 탱크(20)로 들어가는 물과 같은 유입 액체(19)의 온도를 높이는데 사용된다. 유입 액체(19)는 공급원으로부터 직접 공급되거나 다른 액체가열장치에서 예열되거나 전처리된 다음 공급될 수 있다. 예를 들어, 온도 150F의 유입 액체(19)가 액체가열장치(18,18')에서 200F로 가열될 수 있다.
유입 액체(19)는 물, 바닷물, 폐수, 우유, 혈액, 체액, 전처리된 음식물 슬러리, 유기 폐처리 혼합액, 세정액, 맥주, 와인 등은 물론, 에탄올이나 글리콜과 같은 알코올이나 열전달액과 같은 파라핀계 물질을 포함할 수 있다. 유입 액체(19)가 물이라면, 전해질(26)은 물에 어울리는 도전 용질을 함유한다. 전극(22,23) 사이에는 유입 액체(19)가 흐르는 것이 아니라, 유입액체에 전해질(26)이 혼합된 도전 액체(24)가 흐르고, 이 도전액체에 전류가 흐른다. 전류가 흐르는 도전 액체(24)는 탱크(20,20') 안에 잔류하는 동안 열을 발생시킨다.
유입 액체(19)에 전해질(26)을 첨가한 도전 액체(25)는 도전율이 상승한다. 전해질(26)은 고체나 액체일 수 있다. 일례로, 전해질(26) 자체가 전해질 물질을 함유한 용액, 구체적으로 염화나트륨, 염화칼륨, 탄산나트륨, 탄산수소나트륨, 시트르산삼나트륨(trisodium citrate), 수산화나트륨, 염산, 질산암모늄, 질산, 아세트산과 같은 전해질을 함유한 수용액일 수 있다. 세정제, 린스, 금속보호제 또는 이들의 혼합물도 전해질(26)과 함께 첨가될 수 있다.
액체가열장치(18,18')의 전해질 공급용기(28)는 공급파이프(30a)를 통해 탱크 구간(20a)에 연결된다. 전해질 공급은 펌프에 의하거나 중력에 의한다. 인입파이프(30b)에서 전해질(26)이 첨가된 유입 액체(19)는 탱크 구간(20a)에 들어간다(도 1a 참조). 한편, 도 1b에 도시된 바와 같이, 유입 액체(19)는 인입파이프(30d)를 통해 탱크로 들어가고, 전해질(26)은 인입파이프(30d)와는 떨어진 별도의 자체 인입파이프(30c)를 통해 탱크 구간(20a)에 들어갈 수도 있다.
한편, 전해질 공급용기(28)가 액체가열장치(18,18')에서 떨어질 수도 있는바, 예를 들면 전해질 염을 함유한 수용액을 공급하는 연수기를 전해질 공급용기로 사용할 수도 있다.
프로토타입에서는 전해질(26)이 염화나트륨 농도 30,000ppm의 수용액이었다. 이 전해질(26)은 물 7갤런에 소금 1/4 티스푼을 섞은 것이다. 미국 버몬트주 위누스키(Winooski)시의 생활용수를 사용할 경우, 원래의 생활용수 중의 염화나트륨의 농도는 90ppm이었지만, 여기에 전해질(26)을 첨가해 염화나트륨의 농도를 수백 ppm으로 하였다.
액체가열장치(18,18')는 전극(22,23)에 흐르는 전류를 감지하는 전류감지스위치(36)와, 탱크 구간(20a)에 들어가는 전해질(26)의 양을 자동으로 조절하기 위해 전류감지스위치(36)의 정보를 이용하는 컨트롤러(38)를 포함하기도 한다.
유입 액체(19)가 생활용수였고 전해질(26)은 30,000ppm의 염화나트륨 수용액인 위의 프로토타입에서, 전류감지스위치는 전류를 감지하고 전해액을 조절하는데 사용된다. 본 발명에서는 32암페어의 전류가 흐르는 전극(22,23)의 전극판 쌍 사이에 208V가 걸리도록 하는 도전율을 갖는 생활용수를 공급하기에 충분한 양의 전해질(26)을 제공하는데 전류감지스위치를 이용했다. 32암페어는 전력공급용 벽면콘센트에서 얻을 수 있는 최대 50암페어의 60%보다 큰 값이다. 전류 설정값을 벽면콘센트의 정격전류의 70%나 80%까지 높일 수도 있다. 전극(22,23)의 전극판 사이의 도전 액체(24)에 전류가 흐르면 도전 액체의 온도가 탱크 입구(39)의 150F에서 탱크 출구(40)의 200F로 상승한다. 이렇게 가열된 온수는 식기세척기에 사용된다. 시간당 293갤런의 세척수를 공급하려면, 탱크(20,20')에 생활용수가 들어갈 때, 소형 펌프를 사용해 30,000ppm의 염화나트륨 용액을 섞은 다음, 도전 액체(24)가 전극 사이에 있는 동안 전류를 흘려 온도를 50F 올린다. 탱크(20,20')에서 흘러나가는 도전 액체(24)의 염화나트륨 농도를 측정했더니 450ppm이었다.
액체가열장치(18,18')는 가정용 난방에도 사용될 수 있다. 이 목적으로 사용되는 유입 액체(19)는 방열기와 액체가열장치(18,18') 사이를 순환하는 물이다. 한편, 온수를 받는 장치가 수도꼭지, 샤워헤드, 온수공급탱크, 세차기, 풀히터(pool heater), 기타 온수를 사용하는 공업용 처리기일 수 있다. 이 경우, 탱크(20,20')의 입구(39)의 생활용수의 온도는 실온 이하이다. 출구(40)에서 온수를 공급하는 액체가열장치(18,18')는 미리 온수 온도로 설정되어 있다. 입구(39)에 도착하는 물은 연수기로부터 전해질을 받아 도전성을 갖기도 하지만, 이 물이 본래 전해질을 함유한 순환수일 경우에도 도전성을 갖는다.
탱크(20,20')에 흐르는 도전 액체(24)의 전해질 농도를 높이거나 낮춰 원하는 전류가 흐르게 할 수 있다. 전해질 농도를 높이려면 전해질(26)을 더 주입한다. 일례로, 생활용수가 탱크(20,20')에 들어가는 동안 전해질을 조금 더 오래 펌핑하면 된다. 전해질 농도를 낮추려면, 생활용수가 탱크에 들어가는 동안 전해질을 좀더 짧은 시간만 펌핑하면 된다. 즉, 액체(24)내의 전해질의 농도를 어느 방향으로도 바꿀 수 있다.
전해질의 농도를 높이면 도전 액체(24)의 도전율이 높아져 주어진 전압에서 더 많은 전류가 흐른다. 전류의 증가에 비례하여 발열량도 증가하는데, 이는 발열량이 전류와 전압의 곱이기 때문이다. 마찬가지로, 전해질의 농도가 감소하면 발열량도 줄어든다.
전해질 공급용기(28)에서 인입파이프(30)를 통해 탱크(20,20')에 전해질(26)을 공급하기 위해 펌프(41)를 연결하는데, 이런 펌프의 일례로는 미국 플로리다주 케이프코랄시 소재의 Greylor Company에서 판매하는 모델넘버 PQM-1/230의 기어펌프가 적당하지만, Pulsafeeder사의 모델넘버 VSP20 시리즈의 펌프와 Index사의 펌프도 사용할 수 있다.
도 3과 같이, 프로토타입에서 본 발명자들은 평상시 개방된 전류감지스위치(36)와 평상시 닫힌 전류감지스위치(42)로 컨트롤러(38)를 구현했다. 이런 전류감지스위치로는 미국 오하이오주 클리블랜드시의 Eaton사의 ECSNOASP와 ECSNCASP를 사용할 수 있다. 전류가 32암페어 밑으로 떨어지면, 전류감지스위치(36)가 닫히면서 펌프(41)가 작동되고 밸브(110)가 열린다. 전류가 38암페어에 이르면 전류감지스위치(42)가 열린다. 전류감지스위치(42)는 과전류 안전장치처럼 동작하여 전류감지스위치(36)와 직렬연결되어, 과전류에 대한 안전조치를 한다. 전류가 38암페어를 넘으면 전류감지스위치(42)가 열려 펌프(41)가 멈추면서 탱크(20,20')로의 전해질(26) 유입도 멈춘다. 전류가 38암페어 밑으로 떨어지면, 전류감지스위치(42)가 닫히고, 32암페어 밑으로 떨어지면 스위치(42,36)가 둘다 닫혀, 펌프(41)가 펌핑을 재개하면서 전해질(26)이 탱크로 유입되어 전류를 재차 32암페어 범위로 높이게 된다.
본 실시예에서 펌프(41)와 밸브(110)가 동시에 작동되면 펌프(41)가 정지했을 때의 전해질 공급용기(28)로의 배관압력 역류가 방지된다.
경우에 따라서는 전해질(26)이 중력의 작용으로 공급되기도 한다. 전류감지스위치(36)가 전류가 32암페어보다 낮은 것을 감지하면 스위치(36)가 닫히면서 솔레노이드 밸브(110)가 열린다. 솔레노이드 밸브(110)가 열리면 전해질(26)이 중력에 의해 탱크(20,20')로 들어간다. 어떤 경우에도, 전해질(26)이 탱크(20,20')에 자동으로 첨가되면 전류가 원하는 값으로 흐르면서 원하는 열량을 낼 수 있다.
반대로, 전해질(26)의 첨가 없이 탱크에 액체(19)만 들어가면 탱크 내부의 도전 액체(24) 중의 전해질의 농도가 낮아져, 액체에 흐르는 전류가 약해진다. 따라서, 가열된 도전 액체(24)가 탱크(20,20')에서 나가면서, 새로운 유입 액체(19)가 탱크에 들어가고 도전 액체(24)의 도전율을 조정하면서 전류를 원하는대로 흐르게 할 수 있다.
입구(39)와 출구(40)를 각각 유전체 스페이서(51,53)를 이용해 금속 파이프(30,54)에서 절연하면 누설전류가 금속 파이프(30,54)에 흐르는 것을 방지할 수 있다. 유전체 스페이서(51,53)를 접지케이블에 연결해 도전 액체(24)를 누전차단기에 연결할 수 있다. 누전차단기 때문에, 접지 전류가 임계값을 넘을 경우 탱크(20,20')에 흐르는 모든 전류가 차단된다. 탱크(20,20')가 자체적으로 접지될 수도 있다.
탱크의 출구(40)는 식기세척용 온수(56)를 사용하는 가정용이나 업소용 식기세척기와 같은 장치(도시 안됨)에 연결된다.
도 1b의 탱크(20,20')는 고압이 아닌 대기압 상태에 있고, 탱크 내부의 수위감지 부유스위치(도시 안됨)가 탱크의 입구에 연결된 솔레노이드 충전밸브의 동작을 제어한다. 부유스위치로는 Madison사의 M8700을 사용할 수 있다.
탱크(20,20')는 격벽으로 구분된 3개의 구간(20a~c)으로 나누어지는데, 예열된 생활용수는 첫번째 구간(20a)의 바닥(62)에 있는 입구(39)로 들어간다(도 1a~b 참조). 전해질(26)은 첫번째 구간(20a)에 첨가되어 도전 액체(24)를 제공한다.
도전 액체(24)는 첫번째 구간(20a)에서 제1 전극(22)의 전극판(22a-22a',22b-22b',22c-22c') 사이에서 전기로 가열된다. 가열된 액체(24)는 첫번째 구간(20a)의 상단(68)까지 상승한 다음 첫번째 격벽(78)의 상단(76)의 구멍(74)을 통과하여 중간 구간(20b)으로 들어가고, 이어서 두번째 격벽(90)의 바닥(88)의 구멍(86)을 통해 세번째 구간(20c)으로 들어간 다음, 이곳에서 제2 전극(23)의 전극판(23a-23a',23b-23b',23c-23c') 사이에서 전기로 가열된다. 이렇게 가열된 도전 액체는 세번째 구간(20c)의 상단(102)까지 상승한 다음 출구(40)를 통해 배출된다.
생활용수에 용해된 고체는 물에 침전되지 않고 전극판에 들러붙는 석회층을 형성하지 않음이 밝혀졌는데, 이는 일반적인 전기저항식 히터와는 정반대의 현상이다. 액체 안에 있는 전극(22,23)이 액체와 같은 온도에 있을 때 석회침전물이 생기지만, 본 발명의 액체가열장치는 일반적으로 이보다 훨씬 높은 온도에서 동작한다. 따라서, 본 발명의 장치는 일반 전기저항 히터와 같은 고장수리와 침전물제거 작업이 경감되거나 불필요하다.
탱크 중간의 두번째 구간(20b)은 전극이 없으며 온도에 따른 물의 성층화(stratification)를 방지해, 장치의 작동을 개선하는 역할을 한다. 또, 탱크의 구간마다 물이 머무는 시간을 최대화할 수 있다. 즉, 탱크(20,20')가 처음에 비어있다면, 첫번째 구간(20a)에 물이 완전히 찬 다음에야 격벽(78) 상단의 구멍(76)을 통해 두번째 구간(20b)으로 물이 들어가도록 하여, 첫번째 구간(20a)에 물이 머무는 시간을 최대로 할 수 있다. 이렇게 가열된 물은 두번째 격벽(90) 바닥의 구멍(86)을 통해 세번째 구간(20c)의 바닥부터 차올라서 구간을 채운 다음에야, 세번째 구간 상단의 출구(40)를 통해 나가게 되므로, 세번째 구간(20c)에 물이 머무는 시간도 최대화된다.
대기압 상태에서, 도전 액체(24)가 식기세척기에 의해 탱크의 세번째 구간(20c)에서 나오면 부유스위치(55)에 의해 솔레노이드 밸브(110)가 작동되고 150F로 예열된 생활용수가 탱크의 첫번째 구간(20a)으로 들어간다. 첫번째 구간(20a)으로 들어간 생활용수는 이 구간의 도전 액체(24)의 전해질 농도와 도전율을 낮추어, 결국 제1 전극판(22a,22b,22c) 사이를 흐르는 전류를 낮춘다. 설정점보다 낮아진 전류를 감지한 전류감지스위치(36)는 펌프(41)를 작동시켜 첫번째 구간(20a)에 전해질(26)을 더 공급한다. 이렇게 되면 도전 액체(24)의 도전율이 상승해, 전극(22,23)의 전극판 사이에 흐르는 전류량을 높이고, 결국 탱크 구간(20a,20c)의 열량을 높인다. 펌프(41)가 계속 작동하여 전류량이 32암페어의 설정점에 이르면, 전류감지스위치(36)에 의해 펌프(41)가 정지하고 탱크 구간(20a)에 대한 전해질(26)의 공급이 중단된다. 펌프(41)가 동작과 정지를 반복해 전류량을 32암페어로 유지하면서 출구(40)에 이르는 물의 온도를 설정온도에 이르도록 할 수 있다.
도 1a의 고압 상태에서는 부유스위치(55)가 불필요하고 탱크의 3구간(20a~c)은 배관압력에 의해 계속 충전상태를 유지한다.
도 1a~b와 도 3에 도시된 바와 같이, 탱크의 첫번째 구간(20a)과 세번째 구간(20c)에서 액체(24)의 온도를 측정하는데 사용된 온도센서(112,113)는 K형 서모커플이다. 온도센서(112,113)에 연결된 온도조절기(114)는 온도가 설정점(프로토타입에서는 200F)에 이르렀을 때 전극(22,23)에 흐르는 전류를 차단하는 종류를 사용한다. 이렇게 되면 도전 액체(24)의 과열이 방지되고, 최소의 전기를 사용해 원하는 온도를 얻을 수 있다. 서미스터(thermister)와 같은 다른 종류의 온도센서도 사용할 수 있다. 프로토타입에서는 하나의 전원에서 양쪽 전극에 전기를 공급했으며, 온도조절기(114)로는 Athena Control사의 ECM-40 모델을 사용했다.
도 3의 회로도에 의하면, 단자(130)를 통해 공급된 3상 교류전력이 릴레이 세트(138,140)를 통해 전극(22,23)에 공급된다. 릴레이 세트(138)는 3개의 고체상태 릴레이(138a~c)를 구비하고, 릴레이 세트(140)는 3개의 고체상태 릴레이(140a~c)를 구비하여, 고체상태 릴레이가 각각의 위상을 담당한다. 릴레이 세트(138)의 부하측은 전극(22)의 각개 전극판(22a~c)에 연결되고, 릴레이 세트(140)의 부하측은 전극(23)의 각개 전극판(23a~c)에 연결된다. 릴레이 세트(138)의 부하측은 전극(22)의 각개 전극판(22a'~c')에 연결되고, 릴레이 세트(140)의 부하측은 전극(23)의 각개 전극판(23a'~c')에 연결된다. 이들 릴레이 세트(138,140)로는 샌디에고의 Crydom사의 CWD2450 모델을 사용할 수 있다.
메인 전력스위치(132), 고온 안전스위치(134) 및 208V-18V 변압기(136)를 통해 온도조절기(114)에 전력이 공급된다. 온도조절기(114)는 2개의 온도센서(112,113)의 온도값을 이용해 탱크 구간(20a)이나 탱크 구간(20c)의 온도를 더 높일 필요가 있는지 결정한다. 한쪽이나 양쪽 구간을 더 가열할 필요가 있으면, 온도조절기(114)가 릴레이세트(138 또는 140)의 코일에 전압 출력신호를 보내 각 구간의 전극 사이에 전류가 흐르도록 릴레이를 닫는다. 한편, 탱크 구간(20a,20c) 각각에 온도조절기가 있을 수도 있다. 온도조절기(114)로는 Antunes Control사의 DCH 컨트롤러를 사용할 수 있다.
고온 안전스위치(134)는 과열을 방지하여 오퍼레이터나 액체가열장치(18,18')가 다치거나 손상되는 것을 방지하기 위한 것이다. 안전스위치(134)는 바이메탈형 스위치로서, 탱크(20,20') 외부에 설치되어 표면온도를 감시한다. 표면온도가 안전스위치(134)의 설정온도 이상으로 상승하면, 안전스위치가 열리고, 전극에 전류가 흐르지 않으며 도전 액체(24)의 가열도 중단된다. 온도가 하한치 밑으로 떨어지만 안전스위치(134)는 자동으로 닫힌상태로 리셋된다. 물을 200F까지 가열하는 시스템의 경우, 안전스위치(134)는 상한온도 250F와 하한온도 220F로 설정될 수 있다.
전극(22a~c, 22a'~c')은 흑연판으로 제작되었다(도 2~3 참조). 흑연판들은 4"x9"의 크기를 갖고 1.688인치의 간격을 두고 설치된다. 도 2a~b에 도시된 바와 같이, 각각의 흑연판은 직경 0.125"의 티타늄봉으로 이루어진 전선(120)에 연결된 티타늄 판에 설치되고, 티타늄봉은 탱크 커버(122)의 절연 부싱을 관통한다. 흑연 전극은 전기저항 액체가열장치보다 수명이 길다는 것이 밝혀졌다.
한편, 탱크(20,20')가 한개의 구간만 가질 수도 있다. 하나의 탱크 구간에 한개, 두개 또는 그 이상의 전극을 사용할 수 있다. 물론 2개 구간을 사용할 수도 있다. 2개 구간의 경우, 격벽 상단에 구멍이 배치된다. 탱크(20)의 구간이 3개 이상일 수도 있다. 높은 유량으로 흐르는 도전 액체(24)를 가열하기 위해, 더 많은 전극을 추가 탱크에 설치할 수 있다.
지금까지는 3상 교류전압원을 예로들어 설명했지만, 단상 시스템도 이용할 수 있다. 예시된 실시예에서는 208V 시스템을 사용했지만, 480V, 240V, 120V 등의 어떤 전압도 사용할 수 있다. 정전압원을 갖춘 제어시스템에 대해 설명했지만, 정전류원을 갖추거나 액체의 도전율에 따라 변하는 전압원을 갖춘 제어시스템을 이용할 수도 있다.
일례로, 도 3과 같이, 하나의 전원을 양쪽 탱크 구간(20a,20c)의 전극(22,23)에 병렬로 연결한다. 어떤 탱크 구간(20a,20c)에 도전 액체(24)가 있어도, 순간 도전율이 가장 높은 곳에 가장 많은 전류가 흐르고 가장 많은 열량이 난다. 도전 액체(24)가 흐르면 구간(20c)의 전류와 구간(20a)의 전류가 같게될 것이지만, 도전 액체(24)가 구간(20a)에서 구간(20c)으로 흐르는 동안 약간의 시간이 걸린다. 한편, 전극마다 자체 전원이 있을 수도 있는데, 이 경우 2개의 전원이 위상과 전압을 동일하게 공급하거나, 위상이나 전압을 달리하여 공급할 수 있다.
표준 3상 208V 전압원과 같은 교류전원(46)에서 전극(22)에 전류가 공급될 수도 있지만, 한쌍의 전극을 갖춘 단상 전원을 이용할 수도 있다.
하나의 전원이 온도조절기(114)에 연결된 경우, 각각의 전극(22,23)에 전류가 독립적으로 흘러 전파 전류를 형성할 수 있다. 온도조절기(114)는 펄스폭 변조 기능을 통해 각각의 전극(22,23)에 공급된 전류를 변조한다. 이런 방식으로 설정온도에 이를 때까지 각각의 전극(22,23)에 전파 전류나 반파 전류를 공급한다. 온도조절기(114)는 각각의 전극(22,23)에 방형파 전류를 공급하여, 2개 전극의 듀티사이클을 제어할 수도 있다. 스위치를 온오프하여 각각의 전극에 에너지의 일부분을 전달한다.
온도조절기(114)는 첫번째 주기동안 전극(23)이 아닌 전극(22)에만 전류를 공급하는 회로를 갖는다. 이 회로는 첫번째 주기가 끝나고 두번째 주기에는 전극(22)이 아닌 전극(23)에만 전류를 공급한다. 이런 사이클이 반복되면서 전류가 전극(22)과 전극(23)에 차례대로 공급된다. 일례로 주기를 1/4초로 하면, 한쪽 전극은 1/8초 간격을 두고 1/8초 동안 풀(full) 전력을 받고, 다른쪽 전극은 그 반대로 풀전력을 받는다. 이런 식으로, 2개의 탱크 구간에서, 양쪽 구간의 물이 전류를 공급받으면서 교대로 가열된다. 50%의 듀티사이클로, 각각의 구간이 벽면의 소켓으로부터 거의 최대의 전류를 받으며, 양쪽 구간에 공급된 전력은 표준 직병렬 회로에서 얻을 수 있는 것보다 높다. 병렬연결의 경우 탱크 구간들 사이에 전류를 나누어서 탱크에 상당히 낮은 전압을 요구하여, 통합전류가 전원에서 얻을 수 있는 최대전류를 넘지 않도록 한다. 직렬연결의 경우 탱크 구간들 사이에 전압을 나누어, 각 구간에 공급되는 전력을 낮춘다. 이렇게 전도 액체의 전도율을 원하는 값으로 유지하면서 전극에 교대로 전류를 공급하는 본 발명 고유의 병렬 구성에서는, 한쪽 전극을 더 오랫동안 정지시켜둔채 다른쪽 전극은 전원에서 얻을 수 있는 최대값 부근의 전류와 풀라인(full line) 전압으로 계속 사용할 수 있는데, 이런 특징은 전극의 직렬 구성에서는 얻을 수 없는 것이다.
가열되는 액체의 도전율을 가변적으로 하여, 배선 한계에 가까운 원하는 전류를 공급하면서 최대 전압을 지속적으로 공급하면, 최대 전력이 공급되어 최대의 열량을 얻을 수 있다. 듀티사이클을 조절하면 원하는 이상으로 온도가 상승하는 것을 막을 수 있다. 듀티사이클은 사인파를 펄스파로 변조하면 조절되는데, 예를 들면 액체(24)의 도전율이 너무 높을 때는 사인파를 반파로 변조한다. 전류를 조절하여 액체(24)의 도전율을 바꿀 수도 있다. 또, 액체(24)의 도전율은 유지하면서 전극(22,23)에 연결된 전원을 선택적으로 온/오프할 수도 있다.
물의 도전율을 조절하고 물에 전류를 직접 흘려보내 물을 가열하는 것이 전기저항 액체가열장치를 사용하는 것보다 훨씬 더 빨리 가열된다는 것이 밝혀졌다. 물 자체를 가열요소로 사용하면 지연 없이 전기에너지를 열에너지로 바꿀 수 있다. 석회침전이 없으면 좀더 빠르고 효율적으로 가열이 이루어진다.
이처럼 물을 직접 가열하면 전기저항 액체가열장치 특유의 열전달 지연으로 인한 과열 문제가 해결된다. 전기저항 액체가열장치에서 열전달이 지연된다는 것은 원하는 온도를 얻은 뒤에도 전기에너지가 계속 공급되어 에너지가 낭비된다는 것을 의미한다.
본 발명의 액체가열장치(18,18')는 원하는 결과를 얻기 위해 예측하지 못한 상태로도 자체조절이 가능하다. 시간당 293갤런의 유량일 경우 입구(39)에서 150F의 온도로 공급되는 물에 대해 200F의 온도가 필요한데, 공급수 온도가 90F의 온도로 강하되면, 액체가열장치(18')는 전극(22,23)에 전기가 공급되는 시간을 늘여 물의 온도가 200F가 되도록 조절된다. 즉, 공급수의 낮은 온도를 보충하는데 필요한 열을 추가로 공급한다.
유입 액체(19)에 첨가된 염은 식기에 잔류물로 전혀 남지 않는다. 본 발명의 장치는 온수를 식기세척기에 공급하는 순간온수기로 유용하다. 이런 순간온슈기는 식기세척기에 내장될 수도 있다. 또는, 가정용이나 업소용이나 공장용으로 냉수를 1차 가열하는 용도로 사용될 수도 있다.

Claims (22)

  1. 도전 액체와 전극이 들어있고, 상기 전극은 도전 액체에 전류를 공급하도록 연결되어 있고, 상기 전류가 교류전류인 탱크;
    상기 탱크에 전해질을 공급하도록 스위칭 가능하게 연결된 전해질 공급원;
    상기 도전 액체에서 소비되는 전기에너지의 변수를 결정하기 위한 전기변수 감지스위치; 및
    상기 전기변수 감지스위치가 설정값과는 다른 전기변수를 감지할 때 도전 액체에 전해질을 자동으로 첨가하도록 연결된 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체가열장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 변수가 전류이고, 상기 전기변수 감지스위치가 전류를 감지하며, 전기변수 감지스위치가 전류가 설정값 미만임을 감지하면 컨트롤러가 도전 액체에 전해질을 자동으로 첨가하는 것을 특징으로 하는 액체가열장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 교류전류를 공급하기 위한 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체가열장치.
  4. 제1항에 있어서, 전해질을 탱크에 공급하기 위한 기구를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 전해질을 도전 액체에 자동으로 첨가하도록 상기 기구에 연결된 것을 특징으로 하는 액체가열장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 컨트롤러가 상기 기구의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 액체가열장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 기구가 펌프 또는 밸브인 것을 특징으로 하는 액체가열장치.
  7. 제1항에 있어서, 유입액체와 가열된 액체 사용처를 더 포함하고, 상기 도전 액체는 상기 유입액체와 전해질의 혼합물을 포함하며, 상기 탱크가 입구와 출구를 포함하고, 상기 입구는 전극들 사이에 흐르는 전류에 의해 도전 액체를 가열하도록 전극들 사이로 도전 액체를 공급하도록 연결되며, 상기 출구는 가열된 액체를 가열된 액체 사용처에 공급하는 것을 특징으로 하는 액체가열장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 가열된 액체 사용처가 식기세척기를 포함하고, 상기 유입액체는 물을 포함하며, 상기 출구는 식기세척기에 연결되어 온수를 공급하는 것을 특징으로 하는 액체가열장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 탱크가 첫번째 구간과 두번째 구간을 갖고, 첫번째 구간에는 제1 전극이 있으며 두번째 구간에는 제2 전극이 있는 것을 특징으로 하는 액체가열장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 전극과 제2 전극에 교류전류를 공급하는 별도의 전원이 있는 것을 특징으로 하는 액체가열장치.
  11. 제1항에 있어서, 온도센서와 온도조절기를 더 포함하고, 상기 온도조절기는 온도가 설정값 밑에 있을 때 전극에 전기에너지를 공급하도록 연결된 것을 특징으로 하는 액체가열장치.
  12. a. 전극이 들어있는 탱크를 제공하는 단계;
    b. 상기 전극들 사이에 도전 액체를 유동시키는 단계;
    c. 상기 도전 액체의 도전율을 조절하는 시스템을 제공하는 단계;
    d. 상기 전극들 사이의 도전 액체에 교류전류를 흐르게하는 단계;
    e. 상기 전류를 검출하는 단계; 및
    f. 상기 시스템을 이용해 도전 액체의 도전율을 자동으로 조절하여 원하는 전류를 얻는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체가열방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 f 단계에서 전해질을 첨가하여 도전 액체의 도전율을 자동으로 조절하는 것을 특징으로 하는 액체가열방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 도전 액체가 물을 포함하고, 상기 전해질이 염을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체가열방법.
  15. 제14항에 있어서, 전해질을 첨가할 때 상기 염을 함유한 용액을 첨가하는 것을 특징으로 하는 액체가열방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 f 단계에서 컨트롤러를 이용해 펌프나 밸브의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 액체가열방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 교류전류를 받기위해 벽면콘센트에 연결되는 것을 특징으로 하는 액체가열장치.
  18. 제1항에 있어서, 상기 전극이 제1 전극과 제2 전극을 포함하고, 상기 액체가열장치가 전류 컨트롤러, 제3 전극 및 제4 전극을 더 포함하며, 상기 전류 컨트롤러는 첫번째 주기에 제1 전극과 제2 전극에 전류를 공급하되 제3 전극과 제4 전극에는 전류를 공급하지 않고 이어진 두번째 주기에 제3 전극과 제4 전극에 전류를 공급하되 제1 전극과 제2 전극에는 전류를 공급하지 않는 것을 특징으로 하는 액체가열장치.
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