KR102328167B1 - 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템에 관한 것으로, 보일러 용기를 구성하는 좌우측면 2면 또는 좌우측과 하부면 3면을 자성가열면으로 구성하여 열매체와의 접촉면적을 확대하여 열교환이 빠르고 신속하게 이루어질 수 있도록 하고, 보일러 용기를 구성하는 좌우측, 좌우측 및 하부를 구성하는 자성가열면 외측으로 인덕션 유닛의 분해조립이 용이하도록 세라믹 절연판, 유도코일, 페라이트방열판 순으로 결합하여 유지보수가 간편하도록 함은 물론, 인덕션 유닛을 통해 자성가열면으로부터 일부 와전류가 역기전력되어 온도가 상승하는 유도코일을 페라이트 방열판을 통해 빠르게 냉각하여 유도코일의 온도상승으로 인한 유도가열 효율성 저하를 방지하고, 자성가열면에 구성되는 인덕션 유닛을 직렬코어 형식으로 결합하여 하나의 인버터로 각각의 자성가열면에 결합되는 인덕션유닛의 주파수 대역을 동시제어가 가능하여 불필요한 부품수에 따른 제작단가 절감과 페라이트 방열판의 유도코일 냉각과 더불어 유도가열 주파수 파장의 노이즈를 감소시켜 유도가열 효율을 증대시키며, 공진수단을 통한 2차 가열을 위한 자성가열면의 공진 임피던스 대역을 매칭시켜 인덕션유닛의 저주파 파장의 증폭을 통한 신속한 가열효과를 얻을 수 있도록 함으로써, 유도코일에 의한 유도가열 효율이 저전력으로도 높은 온도를 올릴 수 있어 에너지 절감과 신속한 가열 및 열효율을 증대할 수 있는 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템에 관한 것이다.

Description

직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템{SERIES CORE INDUCTION BOILER HEATING SYSTEM}

본 발명은 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보일러용기 좌우측 2면 또는 좌우측 및 하부 3면을 자성을 갖는 자성가열면으로 구성하여 보일러용기 내부의 열교환면적을 확대함으로써, 열교환 면적과 열효율증대가 가능하고, 면상으로 권취되는 유도코일을 직렬코어방식으로 구성한 인덕션유닛에 의해 2면 또는 3면이 동시에 유도가열되어 보일러 열매체의 신속한 가열이 가능함은 물론, 공진수단을 통한 2면 또는 3면의 자기가열면의 공진 임피던스 대역을 매칭시킴으로서, 유도가열 주파수의 증폭을 통한 저전력으로 높은 열효율을 가짐에 따라 에너지절감이 가능함며, 대용량의 열매체 가열이 빠르게 이루어질 수 있고, 인덕션유닛의 분해조립이 용이하여 인덕션유닛의 불량이나 고장으로 인한 유지보수 및 교체가 간편하게 이루어질 수 있어 사용수명증대를 가져올 수 있는 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 보일러는 연탄, 가스 또는 경유를 연료로 하여, 가정 내에 따뜻한 온기를 공급하게 되는데, 이러한 화석 연료들을 연소시켜 물을 보일링하는 경우에는 화석연료의 연소에 따른 배기가스에 의한 대기환경오염의 문제와 에너지 효율이 떨어지는 문제가 있다.

또한, 화석 연료의 사용은 지구온난화라는 지구환경에 막대한 영향을 끼치는 요소로 작용되고 있고, 이에 따른 온실가스를 줄이기 위한 노력은 지구온난화 규제와 방지를 위한 국제협약을 통해 많은 선진국에서 감축을 위한 다양한 방법을 찾고 있는 실정이다.

이러한 화석 연료의 사용을 줄이기 위해, 가정 내 사용되는 보일러 에너지 공급원을 화석 연료에서 태양열, 태양광 등 천연 에너지 등의 탈석유 에너지로 옮겨가는 기술이 개발되어 왔으며, 이에 따라 보일러의 물을 보일링하는 기술도 기존의 화석 연료를 연소시키는 기술 외에 전기에너지를 그대로 열 에너지로 변환시키는 다양한 기술들이 개발되어 왔다.

이에 전자기 유도 가열(electromagnetic induction heating)이 그 대표적인 기술인데, 대표적으로는 '고주파 유도가열을 이용한 보일러의 가열장치(등록번호: 20-0405016)'를 들 수 있다. 그러나, 가열장치부 내부로 유도코일, 절연관 및 가열관이 삽입되어 가열관을 가열하여 물을 보일링하는바, 가열면적은 확대할 수 있으나 물의 가열장치와의 접촉시간과 체류시간이 적어 열효율을 최적화하기 힘들고, 이미 데워진 물과 입수관으로 유입되는 물과 혼입양이 평행을 이루게 되어 에너지 소비 효율이 매우 낮은 문제점이 있었다. 또한, 물을 가열하기 위한 전자기 유도가열에 높은 전력이 요구되고, 높은 전력에 비해 열효율이 뛰어나지 못해 에너지 낭비를 초래하는 문제가 있었다. 나아가, 유도가열을 위한 가열장치가 물속에 잠김되도록 구성됨에 따라 조립과정에서 물의 유입이 초래되어 전력공급시 누전 등의 위험이 따르고, 수밀상태의 유지가 어려울 뿐만 아니라 보일러 구동과정에서 유지보수를 위한 교체가 불가능하며, 수밀의 어려움에 따른 분해조립이 용이하지 못하여 유지보수 내지는 교체가 어렵다는 문제점이 있었다.

다른 기술로는 '고주파 유도 코일을 이용한 열 발생 장치 및 그 제조 방법(공개 번호: 10-2011-0089945)'를 들수 있으나, 이 기술은 인덕션 히팅 코일에 유도 전류가 흘러 금속 파이프를 히팅하여 금속 파이프를 가열하여 금속 파이프 외주연에 접촉되는 물 등의 열매체를 가열하여 보일링하는 기술로써, 금속 파이프의 히팅된 열이 외주연에 접촉되는 물과의 시간이나 체류시간과 금속파이프의 구간에 따라 열교환이 서로 달리 형성되어 용이하게 열교환이 이루어지 못하고, 이로 인한 에너지 손실이 매우 높으며, 금속파이프의 전도된 열이 내주연의 중공부로 전달되면 인덕션 히팅 코일을 간접가열하게 되어 코일의 손상이나 짧은 수명으로 인한 교체가 필요하게 되며, 이로 인한 코일의 교체가 사실상 불가능하고, 전체 금속 파이프 라인의 교체를 통해 유지보수가 가능하여 유지보수 비용의 증대와 열교환이 용이하게 이루어지지 못하여 에너지 손실이 매우 높으며, 이로 인한 열효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

역시, 유도 가열을 이용한 기술로는 '고주파유도가열방식의 전기보일러(등록 번호: 10-0827468)'가 있다. 이 기술은 유도 코일을 보빈에 고정시켜, 가열체를 유도 전류로 가열하는 기술적 사상을 담고 있으나, 가열통 내에 담겨 있는 가열체로 온수 및 냉수가 상호 혼합되어 방향성 없이 흐를 수 있는 공간으로 인해, 상술한 '고주파 유도가열을 이용한 보일러의 가열장치(등록번호: 20-0405016)'와 마찬가지로 에너지 효율이 낮고, 배수구로 배출되는 물의 온도가 균일하지 못한 문제점이 발생하였다. 또한, 이 역시도 앞서 상술한 '고주파 유도가열을 이용한 보일러의 가열장치와 마찬가지로 유도코일의 손상이나 오염으로 인한 유지보수가 사실상 어렵고, 유도코일 만의 일부 교체가 불가능하며 전체교체만이 가능하여 경제적 부담이 가중될 수 있는 문제가 있다.

또 다른 기술로는 '유도 가열을 이용한 전기 보일러(공개 번호: 10-2004-0041130)'는 유도코일 외측으로 코어가 형성되어 유도가열을 통해 저수조의 내벽면에 형성된 나선형의 난방수유입경로에 충진된 열매체를 가열하도록 구성되어 있다.

상기와 같은 구성은 열매체가 수용되기 전에 코어와 유도코일 구성을 결합해야 하고, 유지보수를 위해 분해시에는 열매체를 먼저 저수조에서 모두 제거해야 하는 번거로움이 있어 유지보수의 어려움이 따르고, 또 다른 실시예로 유도코일의 외측의 코어와 내측의 내부 코어를 구성할 경우에는 코일에 전원이 인가될 경우 와전류에 의해 유도 가열되는 방법을 이용하지만, 코일에서 형성되는 전자기장이 내부코어에도 작용하지만 외부로도 손실되어 에너지 효율이 낮은 문제점이 있다.

또한, 저수조의 내외부측의 열매체를 순환하기 위해 난방수배관이 저수조의 외부로 노출된 상태에서 순환함에 따라 가열된 열매체가 난방수배관을 따라 순환이동하는 과정에서 열손실이 발생되는 문제와 더불어 난방수배관의 분해조립이 어려워 유도코일의 손상이나 오염으로 인한 유지보수 및 이물질 제거, 세척 등이 어렵다는 문제가 있다.

이에 따라, 전자기장을 발생시키는 코일의 전자기장을 상호 유도 전류를 발생시키려고 하는 가열체에만 집중되도록 하고, 저전력으로 열에너지 효율을 높임으로써, 에너지절감이 가능함은 물론, 유도코일의 손상이나 불량 등에 따른 교체가 보일러의 운전 중에도 가능할 수 있도록 용이하게 실시할 수 있는 기술이 요구되고 있는 실정이다.

1. 대한민국 등록실용 제20-0405016호 (2005년12월27일) 2. 대한민국 등록특허 제10-0827468호 (2008년04월28일) 3. 대한민국 등록특허 제10-1133589호 (2012년03월29일) 4. 대한민국 공개특허 제10-2004-0041130호(2004년05월14일)

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출한 것으로, 페라이트방열판을 통한 가열되는 유도코일을 빠르게 냉각하여 온도상승으로 인한 유도가열 효율성 저하를 방지하고, 직렬코어 형식으로 보일러 용기의 좌우 또는 좌우 및 하부 면에서 동시에 발생되는 유도가열 주파수 파장의 노이즈를 감소시켜 유도가열 효율을 증대시키며, 공진수단을 통한 2차 가열을 위한 자성가열면의 공진 임피던스 대역을 매칭시켜 인덕션유닛의 저주파 파장의 증폭을 통한 신속한 가열효과를 얻을 수 있도록 함으로써, 유도코일에 의한 유도가열 효율이 저전력으로도 높은 온도를 올릴 수 있어 에너지 절감과 신속한 가열 및 열효율을 증대할 수 있고, 추가 인버터 구성없이 하나의 인버터만으로 부품수를 줄여 제작단가 절감이 가능한 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 보일러를 구성하는 좌우측 면 2면 또는 좌우측과 하부면 3면 외측으로 인덕션 유닛의 분해조립이 용이하도록 구성함에 따라 보일러 내부의 열매체의 제거 없이도 인덕션 유닛의 분해조립이 가능하고, 운전 중에도 오작동이나 고장, 파손에 따른 인덕션 유닛의 교체 및 유지보수가 가능하여 보일러의 사용수명 증대를 가져올 수 있는 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템을 제공하는 데 또 다른 목적이 있다.

나아가, 본 발명은 자성가열면이 보일러를 구성하는 몸체의 좌우측면 또는 좌우측과 하부면으로 구성함에 따라 열매체와의 접촉면적을 극대화할 수 있어 열효율증대가 가능함은 물론, 열매체와 인덕션유닛과의 접촉이 없어 별도의 수밀작업의 필요가 없고, 제작이 간편하여 생산성이 향상될 수 있으며, 다양한 산업분야에 활용도가 높은 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템을 제공하는 데 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템은 전자기 유도현상에 의해 발열을 발생시켜 공급되는 열매체를 가열하도록 마련된 인덕션 보일러 가열시스템에 있어서, 좌우폭이 좁고, 전후폭은 넓은 직사각 형상의 함체로 형성되고, 전면 하부일측으로 열매체가 유입되는 유입구가 형성되며, 상면 일측으로 가열된 열매체가 배출되는 배출구가 형성되고, 전후폭이 넓은 좌우면 또는 좌우면과 하부면이 내부에 수용되는 열매체를 가열하도록 평활도가 높고 편평하여 열교환이 높도록 마련된 자성을 가진 자성가열면이 형성된 가열수조본체; 상기 가열수조본체의 자성가열면에 대응되고, 전력공급에 따라 상기 자성가열면에 와전류가 발생되어 가열되게 유도가열되도록 마련된 인덕션유닛; 및

상기 가열수조본체의 자성가열면에 접촉되게 형성되고, 상기 자성가열면에 유도된 와전류가 상기 인덕션유닛측으로 흐르는 것을 방지하는 사각의 판상으로 형성된 세라믹 절열판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 페라이트방열판을 통한 가열되는 유도코일을 빠르게 냉각하여 온도상승으로 인한 유도가열 효율성 저하를 방지하고, 직렬코어 형식으로 보일러 용기의 좌우 또는 좌우 및 하부 면에서 동시에 발생되는 유도가열 주파수 파장의 노이즈를 감소시켜 유도가열 효율을 증대시키며, 공진수단을 통한 2차 가열을 위한 자성가열면의 공진 임피던스 대역을 매칭시켜 인덕션유닛의 저주파 파장의 증폭을 통한 신속한 가열효과를 얻을 수 있도록 함으로써, 유도코일에 의한 유도가열효율이 저전력으로도 높은 온도를 올릴 수 있어 에너지 절감과 신속한 가열 및 열효율을 증대할 수 있고, 추가 인버터 구성없이 하나의 인버터만으로 부품수를 줄여 제작단가 절감이 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명은 보일러를 구성하는 좌우측 면 2면 또는 좌우측과 하부면 3면 외측으로 인덕션 유닛의 분해조립이 용이하도록 구성함에 따라 보일러 내부의 열매체의 제거없이도 인덕션 유닛의 분해조립이 가능하고, 운전 중에도 오작동이나 고장, 파손에 따른 인덕션 유닛의 교체 및 유지보수가 가능하여 보일러의 사용수명 증대를 가져올 수 있고, 자성가열면이 보일러를 구성하는 몸체의 좌우측면 또는 좌우측과 하부면으로 구성함에 따라 열매체와의 접촉면적을 극대화할 수 있어 열효율증대가 가능함은 물론, 열매체와 인덕션유닛과의 접촉이 없어 별도의 수밀작업의 필요가 없고, 제작이 간편하여 생산성이 향상될 수 있으며, 다양한 산업분야에 활용도가 높은 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 전체 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 주요부 분해사시도 이다.
도 3은 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 페라이트 방열판요부 확대 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 요부 절개 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 사용상태 측면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 다른 실시예를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 다른 실시예의 요부 절개 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 또 다른 실시예의 정면도와 측단면도 이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가 장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 실시예에 따른 기술적 특징을 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 전체 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 주요부 분해사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 페라이트 방열판(220) 요부 확대 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 요부 절개 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 사용상태 측면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 다른 실시예를 도시한 사시도이고, 도 7은 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열 시스템의 다른 실시예의 요부 절개 사시도이며, 도 8은 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템의 또 다른 실시예의 정면도와 측단면도 이다.

본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템은 보일러 용기인 가열수조본체(100)를 구성하는 좌우측면 2면 또는 좌우측 및 하부면 3면을 자성 가열면으로 구성하여 각각의 면에 인덕션유닛(200)이 결합하고, 결합된 인덕션 유닛은 직렬방식으로 연결되어 2면 또는 3면에 결합된 인덕션 유닛이 하나의 인덕션 유닛과 같이 작용하도록 함으로써, 유도가열 시, 보다 넓은 열교환면적의 확보를 통해 가열수조본체(100) 내부의 열매체의 가열이 신속하게 이루어질 수 있도록 구성함과 더불어 유도가열 주파수 대역을 저주파로 구현함과 함께 저주파의 파장의 노이즈를 최소로 제거하여 유도가열 파장의 순도를 높임으로써, 열효율 증대를 가져오도록 하고, 이와 더불어 공진수단(400)에 의한 자성가열면의 공진 임피던스 대역을 매칭시켜 저주파 생성의 인덕션유닛(200)의 저주파 파장의 공진에 따라 유도가열 주파수의 증폭을 통해 열효율 증대를 보다 배가 될 수 있도록 하여 열매체의 급속가열과 저전력으로 구현함에 따른 에너지 절감을 가져올 수 있는 것으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템은 가열수조본체(100), 인덕션 유닛(200), 세라믹 절연판(300), 공진수단(400), 제어커트롤러(500)로 구성된다.

상기 가열수조본체(100)는 물, 오일 등이 수용되어 가열수조본체(100)의 좌우측면 2면 또는 좌우측면과 하부면을 이루는 3면에 후술되는 인덕션유닛(200)에 의한 동시 유도가열이 이루어져 내부에 수용된 열매체가 2면 또는 3면의 유도가열로 인해 열을 교환받아 가열되는 것으로, 사각의 함체로 형성되고, 전방 외연 하부일측으로 열매체가 유입되는 유입구(102)가 형성되며, 외연 상부면 일측으로 가열된 열매체가 배출되는 배출구(104)가 형성된다.

상기와 같은 가열수조본체(100)는 좌우폭이 좁고, 전후폭은 넓은 직사각 형상의 함체로 형성되고, 앞서 상술한 바와 같이, 유입구(102) 및 배출구(104)가 형성되고, 전후폭이 넓은 좌우면 또는 좌우면과 하부면이 내부에 수용되는 열매체를 가열하도록 평활도가 높고 편평하여 열교환이 높도록 마련된 자성을 가진 자성가열면(110)이 형성된다. 여기서, 상기 자성가열면(110)은 후술되는 인덕션 유닛의 유도코일부(210)에 전원의 인가에 따라 유도되어 와전류가 발생되고, 와전류가 주울열로 변환되면서 열이 발생되는 것으로, 열매체와의 접촉을 통해 열교환이 이루어져 열매체가 가열된다.

여기서, 상기 자성가열면(110)은 인덕션 유닛의 유도코일부(210)에 1차 전류를 공급시, 주파수 형태로 통상의 2차 코일로 유도되어 주울 열이 발생되도록 하는 유도가열을 응용하여 구성한 것으로, 인덕션유닛(200)에 의한 코일과 대응되는 측의 유도가열만을 유도하는 것이 아니라 자성가열면(110)의 전체에 자기장을 형성하여 인덕션유닛(200)의 유도코일부(210)가 평면 권취된 부분의 자성가열면(110) 측의 좌우측, 좌우측과 하부면을 동시에 가열하도록 구성함으로써, 열교환 면적이 보다 확대되고, 열효율 증대를 통한 열매체 가열이 신속하고 빠르게 가능하며, 에너지 절감이 가능하게 된다.

이와 같은 상기 자성가열면(110)은 가열수조본체(100)의 좌우측을 구성하거나 좌우측 및 하부면을 구성하되, 자성을 가진 금속재질로 구성된다.

상기 자성가열면(110)은 외부에서 자기장(H)을 인가하면 자성을 띄게되는 강자성체에 해당되고, 상기 자성가열면(110)이 만드는 자기장을 M이라고 하면 전체 자기장은 H+M이 되고, M이 매우 큰 물질로는 철, 코발트 등이 있다. 상기 자성가열면(110)은 자석을 접근시키면 매우 강하게 당기며 전체 자기장이 증가한다.

또한, 유입구(102)와 배출구(104)의 열매체의 출입을 단속하여 가열 수조본체(100)의 열매체가 일정한 온도를 가진 상태에서 배출된다. 이를 위해서는 유입구(102)는 가열수조본체(100)의 전방 하부측에 형성하여 가열수조본체(100)로 유입되는 열매체를 제한하게 되고, 이후, 자성가열면(110)의 발열에 의해 열교환이 이루어져 열매체가 가열되면 대류현상에 의해 가장 상측의 가열된 열매체를 배출구(104)를 통해 배출하게 됨으로써, 항상 일정한 온도의 열매체를 배출구(104)를 통해 배출이 가능하다.

이는 가열슬롯의 발열로부터 열매체가 열교환이 이루어짐에 따라 가열수조본체(100) 내부에 수용된 열매체가 온도에 따른 층류를 형성하게 되고, 가장 상측의 열매체가 온도가 일정하게 유지된 상태의 열매체로서 상기 배출구(104)를 통해 배출되게 된다.

즉, 자성가열면(110) 주변의 열매체가 가장 높은 온도를 유지하지만 열교환이 이루어지면서 대류현상이 일어나게 되고, 이러한 대류현상에 따라 일정온도에 열매체가 도달하면 유입구(102)를 통한 열매체의 유입이 제한된 이상 층류를 이루게 되어 상부측의 배출구(104)를 통해 일정한 요구되는 온도의 열매체를 배출할 수 있게 된다.

나아가, 배출구(104)를 통해 일정온도 이상의 열매체가 배출된 후, 온도가 떨어지게 되면 유입구(102)를 통해 다시 열매체를 보충하여 자성가열면(110)을 통해 열교환이 이루어지도록 함으로써, 온도가 일정한 열매체의 연속배출이 가능하게 된다.

상기 인덕션유닛(200)은 상기 가열수조본체(100)의 자성가열면(110)에 대응되고, 전력공급에 따라 노이즈가 감소된 저주파 파장을 통해 상기 자성가열면(110)에 와전류가 발생되어 유도가열되도록 마련된 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 인덕션유닛(200)은 유도코일부(210), 페라이트 방열판(220)으로 구성된다.

상기 유도코일부(210)는 상기 가열수조본체(100)의 자성가열면(110)에 밀착결합된 후술되는 세라믹 절열판(300) 외측으로 결합되고, 상기 세라믹 절열판(300)의 편평한 면상에 일정간격으로 평면권취되며, 1차 전류가 통전되도록 마련된다.

여기서, 상기 유도코일부(210)에 1차 전류가 인가되면 가열수조본체(100)의 자성가열면(110)에서 와전류에 의한 발열이 이루어지고, 자성가열면(110)의 내측으로 수용된 열매체가 가열되게 된다. 이와 같은 상기 유도코일부(210)는 앞서 상술한 바와 같이 자성가열면(110)을 구성하는 가열수조본체(100)의 좌우측면 2면 또는 좌우측면과 하부면 3면에 각각 구성하되, 연결관계는 직렬연결을 통해 동시 가열이 이루어지도록 하여 빠른 열교환과 하나의 인버터 사용으로 2면 또는 3면의 유도가열부를 작동제어할 수있어 추가적인 인버터 구매비용 절감을 통한 경제적 이점이 있다. 또한, 상기 유도코일부(210)를 동시 제어함에 따른 관리의 용이성과 제어가 용이하다.

상기 페라이트 방열판(220)은 유도코일부(210)의 온도상승에 따른 효율저하를 방지하고, 유도코일부(210)로부터 저주파수 대역이 자성가열면(110) 전체에 고르게 발생되도록 하며, 저주파수 대역에 의한 자성가열면(110)의 공진에 따른 임피던스 대역 매칭시, 노이즈 없는 주파수 대역의 출력이 가능하도록 마련된 것으로, 상기 유도코일부(210)가 외부로 노출되지 않도록 커버하고, 상기 유도코일부(210)의 온도상승에 따른 냉각을 위해 다수의 방열공(222)이 형성된다.

또한, 상기 자성가열면(110)을 향하는 일면으로 상기 유도코일부(210)를 고정하는 다수의 고정돌기(224)가 형성되고, 후술되는 세라믹 절열판(300)의 사각의 판상에 대응되게 형성된다.

그리고, 상기 유도코일부(210)에서 발생되는 주파수 노이즈 발생을 저감되도록 페라이트로 형성하여 유도코일부(210)가 권취되도록 중앙에 돌출 형성된 유도코일권취돌기(226)가 구비된다. 여기서 저주파 대역의 페라이트는 망간-아연계 페라이트로 구성됨이 바람직하다.

이와 같이 유도코일부(210)와 페라이트 방열판(220)으로 구성된 상기 인덕션유닛(200)은 상기 가열수조본체(100)의 자성가열면(110) 외부면에 대응결합하도록 구성함에 따라 자성가열면(110)측에 밀착결합된 인덕션유닛(200)을 통해 유도가열되어 자성가열면(110)이 가열되도록 형성되고, 이렇게 가열되어 발열되는 자성가열면(110)을 갖는 가열수조본체(100)의 외부 좌우측 2면 또는 좌우측과 하부면 3면에서 동시에 열매체를 가열하게 된다.

한편 상기 주파수 노이즈와 관련하여 부가적인 설명을 하면, 통상 유도코일부(210)에서 주파수를 발생시키면 전자유도에 의한 에너지의 전달 및 변환에서 반드시 손실이 발생하게 된다.

유도가열 대상이 철 등의 금속계 자성체로 전기저항이 낮고 와전류에 의한 문제로 주파수의 2승에 비례하여 주파수 노이즈가 방사하게 된다.

상기 주파수 노이즈는 신호전류(유도코일부에서 발생되는 주파수)의 주파수 보다 훨씬 높은 주파수성분 이다. 페라이트의 형성으로 노이즈 발생을 저감하는 것은 자성체의 자기 손실에 의해 고주파 노이즈를 열로 변환하여 소멸시키는 것이다.

상기 유도코일부(210)와 같이 사용되는 페라이트 코어(211)는 사용주파수 외에 넓은 고투자율 가지고 있어 일반적으로 노이즈 필터용으로도 많이 사용되고 있다.

예를 들어, 페라이트를 이용한 노이즈억제는 일반적인 노트북 어댑터, 휴대폰, 모니터 등에서 전원선단에 페라이트 코어를 사용하여 노이즈를 제거하는 것을 비교하면 된다.

전기 도선과 페라이트가 만나게 되면 신호전류보다 높은 주파수는 억제하는 효과가 있어 서로 다른 주변기기에 주파수 간섭으로 인한 영향을 주지 않기 때문이

다.

즉, 통상의 주파수 노이즈는 신호전류(유도코일부에서 발생되는 주파수)의 주파수 보다 높은 주파수 성분을 말하는 것이며, 이와 같은 높은 주파수 대역으로 인한 주변 기기구와 주파수 간섭으로 인한 영향을 제거하기 위해 페라이트 코어를 이용하는 것으로, 페라이트 코어는 이러한 주파수 노이즈를 열로 변환하여 소멸시킴으로써, 주파수 노이즈의 저감이 가능하다.

또한, 가열수조본체(100)의 외부에 결합구성됨에 따라 상기 인덕션유닛(200)은 분해조립이 용이하고, 작업자가 용이하게 유지보수 및 교체가 가능하며, 후술되는 공진수단(400)에 의한 공진 임피던스 대역에 의한 자성가열면(110)과의 매칭을 통해 저주파수 대역이 증폭된 유도자기장을 형성시켜 가열수조본체(100)의 좌우 2면 또는 좌우, 하부면 3면의 면적에서 보다 높은 열교환 및 열효율 증대와 고르게 가열하도록 하기 위함이다.

상기 세라믹 절연판(300)은 자성가열면(110)이 유도코일부(210)로부터 와전류 발생으로 인해 열원을 발산하고 있는 과정에서 다시 자성가열면(110)에서 유도코일부(210)로 와전류가 저위되어 오히려 열효율 저하를 가져올 수 있는 문제점을 해결하도록 구성된 것으로, 상기 가열수조본체(100)의 자성가열면(110)에 밀착대응되고, 상기 자성가열면(110)에 유도된 와전류가 상기 인덕션유닛(200)측으로 역기전력에 대한 것을 방지하여 유도코일을 보호하도록 사각의 판상으로 형성된다.

참고로, 상기 와전류란 자성체 중에서 자속이 변화하면 기전력이 발생하고, 이 기전력에 의해 자성체 중에 소용돌이 모양의 전류가 흐른다. 이것을 와전류라 한다. 이 전류에 의한 전력손실은 전류손이라 하며, 열손실로 되어서 자성체의 온도를 상승시키게 되어 전기기계에서는 이것을 방지하기 위해 규소강판을 한 장씩 절연하여 겹쳐 쌓아서 철심을 만든다든지 페라이트를 사용한다.

역기전력이란 전기기재(電氣器材)나 전기회로에서 전원전압(電源電壓)과 반대방향으로 생기는 기전력. 변합기·직류 전동기·교류전동기 같이 인덕턴스를 가진 회로에 전원에서 전력을 공급하면 전압을 거는 순간 급격히 전류가 흐르기 시작하므로 패러데이의 전자기유도(電磁氣誘導) 법칙에 의해 전류의 변화 크기에 비례하는 기전력이 걸려진 전압과 반대방향으로 생긴다.

따라서, 역기전력의 방지는 페러데이 전자기유도 법칙에서 전류의 변화를 상쇄하기 위한 자기장이 인덕터 내부에 발생한다 자성체에 유도자기장이 발생하게 되면 자성체의 온도 상승으로 자기장의 변화를 상쇄하는 방향으로 자기장이 발생하게 되고 반대방향의 기전력이 생기는데 이것이 역기전력이라고 하며 이를 방지하기 위함이다.

즉, 자성가열면에 와전류가 발생되어 온도가 상승되면 자기장의 변화를 상쇄하는 방향으로 자기장이 발생되어 역기전력이 발생되고, 이는 곧 인덕션유닛측으로 역기전력이 발생되면서 역기전력에 의한 인덕션유닛의 온도가 상승되어 인덕션유닛의 파손이나 손상을 유발하기 때문에 이를 방지하기 위한 것이다.

상기 자성가열면(110), 유도 코일부(210), 페라이트 코어(211), 페라이트 코어 삽입 하우징(212), 및 세라믹 절연판(300)의 다른 실시형태는 도 8에 도시된 바와 같다.

상기 자성가열면(110)은 원통형으로 자체가 발열하여 유입구(102)로 유입된 열매체를 가열한다.

상기 유도 코일부(210)는 상기 자성가열면(110)의 외주면에 권선되어 전원이 인가됨에 따라 자기장을 발생시켜 상기 자성가열면(110)을 가열하게 된다.

상기 페라이트 코어(211)는 판형막대 구조로 상하 길이방향으로 상기 유도 코일부(210) 외주면에 등간격을 유지하면서 형성된다.

상기 페라이트 코어 하우징(212)은 상기 페라이트 코어(211)가 상기 유도코일부(210) 외주면에 형성된 구조와 대응되게 상기 유토코일부(210)와 접촉할 수 있게 볼록한 돌기부와 상기 페라이트 코어(211)가 수용될 수 있게 오목한 수용홈이 반복적으로 형성되어 있다.

즉, 상기 페라이트 코어 하우징(212)은 상기 자성가열면(110)과 동일하지만 내경이 더 큰 원통형 구조로 내주면에 상기 볼록한 돌기부와 오목한 수용홈이 형성되어 있다.

한편, 상기 세라믹 절열판(300)은 상기 유도 코일부(210)에 의해 상기 자성가열면(110)에 유도된 와전류가 상기 유도 코일부(210)로 역류하는 것을 방지한다.

상기 공진수단(400)은 상기 자성가열면(110)의 고유파장을 검출하고, 설정하며, 상기 인덕션유닛(200)으로 자성가열면(110)의 고유파장에 대응되는 주파수 파장을 일치시켜 공진 임피던스 대역을 매칭함으로써, 저전력의 주파수 파장이 유도 증폭된 와전류에 의해 자성가열면(110)이 가열됨에 따라 열효율이 증가되도록 마련된다. 따라서, 상기 공진수단(400)에 의해 증폭된 주파수에 의한 와전류의 발생으로 높은 열효율과 가열수조본체(100) 내부의 열매체의 신속한 가열이 가능하고, 저전력으로 에너지절감이 가능하다.

한편, 지구상의 모든 물체는 고유진동수를 가지고 있어 이러한 물체의 고유진동수를 일치시킬 경우 공명현상에 의한 진폭이 급격하게 늘어나게 된다.

이러한 공명현상은 건축물의 경우 고유진동수가 일치하게 되면 진폭이 급격하게 늘어나 건물이 붕괴되는 등의 문제가 발생되지만 유도가열과 같은 경우 고유진동수를 일치시키게 되면 진폭이 급격히 늘어나면서 이를 열에너지로 전환시키기 때문에 빠른 가열이 가능한 것이다.

이러한 고유 진동수는 어떤 물리적 양이 임의의 어떤 값을 중심으로 주기적으로 변화하는 것을 말하는데 진동의 개념속에 파장의 개념이 있는 것으로, 파장은 진동이 발생했을 때 마루에서 마루 또는 골에서 골까지의 거리를 말하며, 이러한 파장의 골이 1초간에 몇회나 반복되느냐에 따라 주파수가 결정되는 것이다.

즉, 고유파장의 검출은 상기 자성가열면(110)의 고유진동수(주파수)를 추출하기 위한 것으로, 검출된 고유파장이 1초간에 골이 얼마만큼 반복되는 횟수를 검출 설정하여 상기 자성가열면(110)의 고유진동수 즉, 고유 주파수를 검출하는 것이다.

여기서, 공진은 서로 다른 에너지/특성의 주파수가 일치되도록 하는 것이다.

또한, 임피던스는 공진의 주파수를 얻는 값으로, 이를 종합하면 서로 다른 물체 에너지 특성의 주파수를 얻어 이를 일치시키는 것으로, 자성가열면(110)의 주파수를 추출하여 그에 해당되는 주파수 대역이 서로 일치되도록 매칭하는 역할을 하는 것이 공진 임피던스 대역 매칭이다.

상술한 바와 같이 물체의 고유 진동을 일치시킴에 따라 진폭이 급속도로 증가되는 공명현상과 같이 공진 임피던스 대역 매칭을 통해 주파수가 일치됨에 따라 상기 자성가열면(110)의 주파수 증폭을 통한 열에너지의 빠른 생성을 위한 것이다.

상기 자성가열면(110)은 자성체소재에 따라 주파수별 전력을 제어하는 것으로 자성가열 면 주파수를 20khz~50khz 범위에서 최적의 유도가열을 최적으로 되는 고유파장 대역을 오랜 실험을 통해 얻은 결과이며 매칭은 공진회로를 활용하여 교류 전원의 일정한 주파수에 따라 축전기 용량 리액턴스와 유도 리액턴스의 크기가 같게 되면 공진 현상을 일으켜 회로의 임피던스가 되며, 전류나 전압의 크기가 매우 커지게 하여 가열속도를 높이는데 있다.

회로 방식은 하프브리지(Half-Bridge) 방식으로 공진 대역 LC값이 인덕션 유닛의 LC값과 일치하였을 때 대역 매칭이라고 한다.

상기 자성가열면(110)에 주파수별 가열 곡선을 제어 알고리즘(프로그램 활용)하여 유도가열 점을 고유파장(공진과 주파수)대역(정해진 범위)에서 빠르게 가열되는 것을 말하며 강자성체의 유도코일과 인덕션 유닛에 인가하는 공진주파수 값이 일치할 때 전력은 최대조건으로 효율을 높일 수 있다.

이와 같은 상기 공진수단(400)은 인덕션 유닛의 직렬연결된 유도코일부(210)에 전원이 공급되면 유도자기장이 자성가열면(110)에 형성되고, 페라이트 방열판(220)에 의해 노이즈를 줄이면서 저주파 대역에 의한 유도가열이 자성가열면(110)을 통해 이루어 질 때, 자성가열면(110)의 고유 진동에 대하여 일치시킴에 따라 증폭되는 현상을 이용하여 저전력으로 보다 높은 유도가열 효과를 통해 열효율을 극대화하도록 구성한 것이다. 여기서, 상기 공진수단(400)은 후술되는 상기 제어컨트롤러(500)에 의해 공진 주파수 대역을 일치시키도록 조정이 가능하고, 상기 공진수단(400)은 공진인버터로 구성하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 공진수단(400)은 상기 제어컨트롤러(500)를 통해 제어되는 하나의 공진인버터에 의해 직렬 연결된 상기 인덕션 유닛(200)의 상기 유도코일부(210)를 통해 자성가열면(110)의 공진 임피던스 대역을 매칭시켜 와전류되는 2차가열 파장이 증폭된 상태로 유도되도록 하는 것일 바람직하다.

물체는 고유 진동을 가지고 있고, 고유 진동에는 고유 파장과 고유 파장에 대한 1초의 시간간격을 두어 골의 반복횟수를 수치적으로 나타낸 주파수의 개념이 있다.

또한, 이러한 물체의 고유 진동의 진동수(주파수)를 알게 되어 이에 대한 주파수를 일치시키게 되면 공명 현상(물체의 고유 진동수의 진폭이 급격이 증가되는 현상)이 발생되고, 이는 물체의 진동수에 대한 진폭증가로 인해 물체가 붕괴되거나 진동수(주파수)가 열로 전환되게 된다.

따라서, 자성가열면의 공진 임피던스 대역은 유도가열을 위해 자성가열면의 주파수 대역을 일치시키면서 공진되는 주파수 대역을 얻어냄으로써, 성가열면의 주파수 대역의 증폭이 가능하게 되고, 이를 통한 열에너지로의 변환을 통해 빠른 열원의 공급이 가능하다.

즉, 공진 임피던스 대역을 통해 2차가열 파장을 증폭하는 것은 자성가열면의 고유 진동수(주파수)를 얻어 일치시킨 후, 공진시켜 자성가열면의 주파수가 증폭되도록 하여 2차가열 파장을 생성하게 되는 것이며, 이러한 주파수 증폭을 통해 열원의 빠른 획득이 가능하여 저 전력으로도 높은 열효율을 가질 수 있게 된다.

이를 보다 구체적으로 살펴보면 공진 임피던스 대역은 인덕션 유닛을 통해 자성가열면을 저항(R)이며, 유도코일로부터 공진 임피던스 대역을 매칭 시키는 것을 인덕터(L)와 커패시터(C)로 본다. RLC 공진회로로 해석하면 임피던스 대역은 임피던스(주파수를 얻는 값)가 초소와 최대 중 대역폭db(주파수응답 곡선상 크기)로 주파수 곡선상 첨두진폭(Vpeak-to-peak)을 말한다.

유도코일에 주파수가 인가되면 2차가열 파장은 전자기 유도 법칙(패러데이)에 의해 자기장이 발생하게 된다. 주파수 파동이 반복되는 길이를 파장(wavelength)의 주기가 같은 모양으로 증폭(db 대역폭에 따라 폭이 첨두치가 최대에서 최소로 연속적으로 반복됨)됨에 따라 자성체에는 소용돌이 모양의 전류가 발생(와전류)하게 되어 열 에너지를 얻게 된다.

상기 제어컨트롤러(500)는 상기 가열수조본체(100)의 유입구(102)와 배출구(104)의 단속을 제어하고, 상기 공진수단(400)의 제어 및 인덕션유닛(200)의 전력공급을 제어하도록 마련된다. 여기서, 상기 제어컨트롤러(500)는 열매체의 유입과 배출을 단속 제어함으로써, 가열된 열매체에 가열되지 않은 열매체의 투입에 따른 열효율 저하를 방지하고, 일정 온도 이상의 열매체를 배출구(104)를 통해 배출함과 동시에 유입구(102)로 가열되지 않은 열매체를 다시 공급함으로써, 온도가 유지된 상태의 열매체의 공급을 계속적으로 이루어져 열효율 저하를 방지하게 됨은 물론, 공진수단(400)의 제어를 통해 공진 임피던스 매칭으로 인덕션유닛(200)의 저주파 대역을 증폭하여 저전력으로 높은 유도가열 효과를 얻을 수 있어 에너지 절감이 가능하다.

또한, 인덕션 유닛의 직렬로 연결된 유도코일부(210)에 대응되는 자성가열면(110)의 외주연에는 세라믹 절연판(300)을 통해 유도코일부(210)로 와전류되어 유도코일부(210) 온도상승을 방지하여 불필요한 에너지의 방출을 제한함에 따라 가열수조본체(100)의 자성가열면(110) 전체에 유도자기장을 형성함에 따라 자성가열면(110)의 상부측까지도 유도가열 및 공진에 따른 주파수의 증폭을 통한 열효율 극대화가 가능하여 열매체의 신속가열이 가능하다.

따라서, 본 발명에 따른 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템은 페라이트 방열판(220)에 의한 유도코일부(210)의 냉각과 유도자기장 형성에 따른 저주파수 대역의 노이즈 감소를 통해 유도가열 효과의 증대와 더불어, 공진에 따른 주파수 증폭으로 유도가열 효과를 배가시키고, 저전력으로 높은 온도의 유도가열 온도를 달성할 수 있어 에너지 절감이 가능함과 함께, 가열수조본체(100)의 좌우측면 또는 좌우측면과 하부면의 각각의 2면 내지는 3면에 직렬코어형태로 인덕션 유닛을 구성함으로써, 분해조립이 간편하게 유지보수가 간편하고, 오작동, 고장 등으로 인한 전체교체 및 부분교체가 편리하다. 또한, 제어컨트롤러를 통해 유입구(102)와 배출구(104)의 단속제어를 통한 열매체 온도 저하를 방지함으로써, 열교환에 따른 열매체의 최적화 온도로 제공이 가능하고, 가열수조본체(100)의 열매체와의 접촉면적이 확대되도록 가열수조 본체를 이루는 좌우측면 또는 좌우측면과 하부면이 자성가열면(110)으로 구성되도록 하여 신속한 열매체 가열이 가능한 것은 자명한 것이다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

100 : 가열수조본체 102 : 유입구
104 : 배출구 110 : 자성가열면
200 : 인덕션유닛 210 : 유도코일부
211 : 페라이트 코어 212 : 페라이트 코어 삽입 하우징
220 : 페라이트 방열판 222 : 방열공
224 : 고정돌기 226 : 유도코일권취돌기
300 : 세라믹 절연판 400 : 공진수단
500 : 제어컨트롤러

Claims (6)

1. 전자기 유도현상에 의해 발열을 발생시켜 공급되는 열매체를 가열하도록 마련된 인덕션 보일러 가열시스템에 있어서,
   좌우폭이 좁고, 전후폭은 넓은 직사각 형상의 함체로 형성되고, 전면 하부일측으로 열매체가 유입되는 유입구가 형성되며, 상면 일측으로 가열된 열매체가 배출되는 배출구가 형성되고, 전후폭이 넓은 좌우면 또는 좌우면과 하부면이 내부에 수용되는 열매체를 가열하도록 평활도가 높고 편평하여 열교환이 높도록 마련된 자성을 가진 자성가열면이 형성된 가열수조본체;
   상기 가열수조본체의 자성가열면에 대응되고, 전력공급에 따라 상기 자성가열면에 와전류가 발생되어 가열되게 유도가열되도록 마련된 인덕션유닛; 및
   상기 가열수조본체의 자성가열면에 접촉되게 형성되고, 상기 자성가열면에 유도된 와전류가 상기 인덕션유닛측으로 흐르는 것을 방지하는 사각의 판상으로 형성된 세라믹 절열판;을 포함하되,
   상기 인덕션유닛은
   상기 가열수조본체의 자성가열면에 밀착 결합된 세라믹 절열판 외측으로 결합되고, 상기 세라믹 절열판의 편평한 면상에 일정간격으로 평면권취되며, 1차 전류가 통전되도록 마련된 유도코일부; 및
   상기 유도코일부가 외부로 노출되지 않도록 커버하고, 상기 유도코일부의 온도상승에 따른 냉각을 위해 다수의 방열공이 형성되며, 상기 자성가열면을 향하는 일면으로 상기 유도코일부를 고정하는 다수의 고정돌기가 형성되고, 상기 세라믹 절열판의 사각의 판상에 대응되게 형성되며, 상기 유도코일부가 권취되도록 중앙에 돌출 형성된 유도코일권취돌기가 구비된 페라이트 방열판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 자성가열면의 고유파장을 검출하고, 설정하며, 상기 인덕션유닛으로 자성가열면의 고유파장에 대응되는 주파수 파장을 일치시켜 공진 임피던스 대역을 매칭함으로써, 저전력의 주파수 파장이 유도 증폭된 와전류에 의해 자성가열면이 가열됨에 따라 열효율이 증가되도록 마련된 공진수단; 및
   상기 가열수조본체의 유입구와 배출구의 단속을 제어하고, 상기 공진수단의 제어 및 인덕션유닛의 전력공급을 제어하도록 마련된 제어컨트롤러;를 더포함하는 것을 특징으로 하는 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템.
   
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 가열수조본체의 자성가열면이 형성된 좌우측 양면에 상기 인덕션유닛이 각각 결합되거나, 상기 자성가열면의 좌우측과 하부면 3면에 상기 인덕션유닛이 각각 결합되되, 상기 인덕션유닛 간에 연결은 직렬연결된 것을 특징으로 하는 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템.
   
6. 제 3항에 있어서,
   상기 공진수단은
   제어컨트롤러를 통해 제어되는 하나의 공진인버터에 의해 직렬 연결된 상기 인덕션 유닛의 유도코일을 통해 자성가열면의 공진 임피던스 대역을 매칭시켜 와전류되는 2차가열 파장이 증폭된 상태로 유도되는 것을 특징으로 하는 직렬코어 인덕션 보일러 가열시스템.

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