KR20120068107A - 탄소나노튜브섬유 발열체와 매체의 융합에 의한 전기보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명의 보일러는 발열체, 제어장치, 순환장치, 본체로 구성되어 있다. 본발명품은 현장여건에 따라 얼마든지 크기를 다양하게 조절할 수 있는 것이 장점이다. 이는 대형보일러인 산업용이나 농업용에도 얼마든지 적용가능한 기술이다. 기존의 탄소 발열체에 비해 적은 전력으로 보다 높은 발열량를 구현할 수 있기 때문에 효율이 극대화되었다. 이를 위해 크게 세 가지의 핵심적인 사항이 있다. 첫째, 탄소나노튜브섬유를 외줄로 격자모양으로 직조한다. 원하는 발열량을 얻기 위해 최적화된 두께, 길이, 폭을 조절할 필요가 있다. 둘째, 탄소나노튜브섬유 발열체의 변화를 안정적으로 진정시키고, 열 발생을 돕고, 열을 흡수하지 않고 외부로 효과적으로 발산시킬 소재가 필요했다. 본 발명에서는 다량의 음이온을 발산시키는 세라믹봉을 맥반석, 게르마늄석, 점토, 알루미나를 혼합 만들었다. 셋째, 발생한 열을 효과적으로 전달하고 탄소의 산화를 막기 위하여 매체를 사용하였다. 이 셋이 합하여 고효율의 발열체를 이루게 되었다. 이 셋의 적절한 조화가 이루어 지지 않을 때는 발열량이 만족스럽지 못한 결과를 가져 오게 된다. 그리고 이렇게 발생한 고온의 열을 효과적으로 제어할 제어장치가 중요한 역할을 하므로 효율적인 제어 프로그램을 만들었다.
본 발명품의 보일러는 다른 보일러에 비해 그 구조가 매우 간단하여 잔고장이 발생할 여지가 상대적으로 적어서 유지 보수가 용이하다.

Description

탄소나노튜브섬유 발열체와 매체의 융합에 의한 전기보일러 {Electric boiler of fusion according to carbon nanotube fiber heating element and medium }

탄소나노튜브섬유 발열체를 이용하여 난 방수와 온수를 생산하는 전기 보일러이다.

1. 일반적으로 보일러는 화석연료를 사용하는 보일러가 주류였다. 그러나 근래에 들어 전기 보일러가 여러 가지 형태로 개발되고 있으나 시장의 부응에는 제대로 대응치 못하고 있다. 그 이유는 가정용 전기보일러의 최소한 10Kw/h에서 수십Kw 이상의 전기를 사용하기 때문에 누진세의 적용을 받으면 운영비가 올라가 경제성에서 문제가 있어서 주로 누진세의 적용을 받지 않는 상업용이나 공업용에 한정되어 사용되고 있다.

2. 최근 탄소필름난방이 주목을 받고 있으나 공기를 만나면 고온에서 산화되는 문제점과 습기에 의한 단락의 문제, 전자파발생, 온수사용 불 가능이라는 난제를 안고 있어서 일반 가정용으로는 활성화되지 못하고 있다. 탄소를 이용한 난방장치는 산화를 막기 위하여 필름을 코팅해서 바닥에 시공하고 있으나 습기로 의한 단락현상이나, 전자파, 온수사용 불가능 그리고 점차 줄어드는 효율 등이 극복하기 어려운 과제이다.

3. 탄소 발열체에서 발생한 열을 매체를 통하여 간접가열방식으로 내부의 물에 전달할 때는 소요시간이 길고 높은 효율이 나오지 않는 문제가 있으며, 일반적으로 전기 보일러의 발열체 주변에는 고온에 의한 기포와 기화현상에 의한 열효율저하가 문제이다. 탄소 발열체는 공기 중에서 산화되기 때문에 고온에서는 사용하기 어렵고, 고온발열체로 사용시에는 탄소재료를 산소로부터 차단한 가운데 사용해야 한다. 그리고 고온의 탄소 발열체를 사용하는 경우 발열체의 팽창과 수축에 따른 변화를 고려해야 한다.

4. 일반적인 전기보일러의 열원 중에 니크롬선을 사용하는 경우는 지속적으로 사용할 경우 급격한 열효율저하, 많은 전력소모량, 표면부식이 잘된다는 것이 문제다.

5. 본 발명은 위에 제시된 여러 문제를 일시에 해결하며, 99㎡를 기준으로 소비전력 3kw/h미만을 사용하여 온수와 난방을 동시에 충족시키는 것을 목표로 개발된 보일러이다.

1. 기존의 탄소 발열체는 150도의 고온 이상으로 올릴 수 없었다. 그 이유는 150도 이상 도달하면 발열체가 급속히 산화하여 기능을 상실하기 때문이다.

2. 탄소나노튜브섬유 발열체가 고온을 낼 때 지지체는 변형과 뒤틀림, 열팽창과 수축에 강하고, 안정적이며, 발열체에서 발생한 열을 흡수하지 않고 반사하여 매체를 통하여 신속히 외부로 열을 전달하고, 방출되는 다량의 음이온은 탄소나노튜브섬유의 산화방지와 발열을 도와주고, 높은 순발력과 효율 달성이 가능한 소재로 개발하고자 한다.

3. 탄소나노튜브섬유 발열체에서 발생한 열이 고온이기 때문에 발생하는 기포와 기화에 의한 효율저하를 방지하고자 한다. 발열체 주변에는 필연적으로 많으나 적으나 차이가 있을 뿐 고온의 기포 발생이 필수적이다. 이것이 열손실로 이어져서 보일러의 효율을 떨어뜨리는 요인이 되는데, 이 손실을 최소화하고자 한다.

4. 전기보일러라고 하면 일반적으로 많은 전력을 소모하는 구조이기에 누진세의 적용을 받는 가정용에는 적합하지 않았으나 난방면적 99㎡를 기준으로 3kw/h미만을 사용하여 온수와 난방을 동시에 충족시키는 효율을 달성하고자 한다.

1. 일반적인 탄소나노튜브섬유는 발열을 내는 소재이기는 하지만 다량의 발열을 내는 것은 용이하지 않다. 그러나 이를 특수한 방법으로 직조하여 띠를 만들면 단시간에 대량의 발열을 낼 수 있다. 본 발명은 탄소나노튜브섬유 한 가닥을 사용하여 격자형 모양으로 반복해서 직조한다. 직조의 폭은 최소한 2㎠- 10㎠, 길이는 40㎠-100㎠, 폭은 0.1㎠-2㎠의 범위 내에서 직조되어야 효율적인 발열을 할 수 있다. 단 섬유 자체가 끊어진 것을 연결하거나, 매듭을 지어서 묶어서는 안 된다. 이렇게 제작된 탄소나노튜브섬유 발열체는 최고 600도까지 발열이 가능하며, 이때 산화방지를 차단할 수 있는 방법이 강구되어야 하는데, 본 발명은 매체를 사용하였다.

2. 탄소나노튜브섬유 발열체의 기능을 완벽하게 지원할 소재로 세라믹 봉을 사용하였다. 금속성의 소재는 열을 흡수하는 등 여러 가지 문제가 발생한다. 세라믹은 열을 흡수하지 않고 반사하는 훌륭한 단열재이며, 열에 강하여 변형이 거의 없다. 이러한 특징은 탄소나노튜브섬유 발열체를 안정적으로 지지해 주는 최적의 소재이다. 세라믹봉은 맥반석 15%, 게르마늄석 20%, 점토 45%, 알루미나 20%를 혼합하여 1800도에서 12시간 소성 한다. 이렇게 제조된 세라믹 봉은 다량의 음이온을 방출하여 탄소나노튜브섬유가 고온을 발생시키는데 시너지 효과를 준다.

3.본 발명은 수 백도로 상승하는 열원이기 때문에 기포 발생과 기화현상으로 에너지 효율이 저하되는 것이 당연하지만 열원 주위에 물을 빠른 속도로 흐르게 하여 기포 발생을 최소화 함으로서 이를 극복하였다. 그래도 발생한 고온의 기포는 보충 수 탱크로 연결하여 외부로 빠져나가는 열을 회수함으로 손실되는 열을 최소화한다.

4. 탄소나노튜브섬유 발열체는 일반적인 전기 발열체에 비해 고효율을 달성하였기 때문에 적은 소비전력으로도 충분한 열량을 얻을 수 있다. 난방면적 99㎡를 기준으로 3kw/h미만을 소비하는 것은 충분한 경제성이 있다.

일반적인 탄소 발열체는 약 150도를 넘으면 공기 중에 산화하거나 기능을 상실하게 되기 때문에 고온으로 발열시키기가 불가능하였다. 이러한 문제점은 여러 가지 장점을 가진 탄소 발열체의 열효율을 극대화하지 못하는 약점이 있었다. 그러나 본 발명은 저전력으로 고온의 열을 안정적으로 얻을 수 있어서 열 효율을 획기적으로 증대시키는 결과를 가져왔다. 이렇게 제작된 탄소나노튜브섬유 발열 봉은 가정용 보일러에 적용하여 기존의 가스 보일러나, 기름 보일러를 대체할 수 있으며 지구 온난화의 주범인 탄소배출을 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 기술로 제작된 보일러의 효과를 열거하면 다음과 같다.

1) 가스, 기름 같은 연료를 사용하지 않아 폭발위험이 전혀 없다.

2) 화석연료를 사용하지 않아 지구온난화의 주범인 Co2 발생이 획기적으로 적다.

3) 가스가 발생하지 않아 가스 중독사고의 위험성이 전혀 없다.

4) 설치면적이 비교적 적다.

5) 소음이 적어서 보일러실이 아니라도 어디든지 설치가 가능하다.

6) 연료배관이나 연료탱크가 필요 없어 부대비용이나 기기값이 비교적 저렴하다.

7) 에너지원인 전기가 가스, 기름보다 비교적 저렴하다.

8) 복잡한 연소시스템이 없고 제어가 비교적 용이하여 잔고장 발생 요인이 적고 유지보수가 비교적 용이하다.

도면1. 특수 직조 된 탄소나노튜브섬유와 지지체인 세라믹을 결합하고, 매체가 들어있는 봉에 결합시킨 발열봉의 도면.
A. 전기단자 - 전원을 공급하는 전선이다.
B. 세라믹 봉 - 탄소나노튜브섬유를 지지해주고 열을 외부로 반사해준다.
C. 매체 - 탄소나노튜브섬유의 산화를 방지하고 발생한 열을 외부로 전달해 준다.
D. 탄소나노튜브섬유 - 열을 발생시킨다.
E. 동 봉 - 매체의 열을 물에 전달한다.
F. 순환펌프 - 물을 강제 순환시킨다.
G. 물 - 열을 흡수하여 난방과 온수에 사용된다.
H. 발열봉 통 - 발열장치를 감싸고 보호하며, 수로역할을 한다.
도면2. 탄소나노튜브섬유의 직조방법에 관한 도면.
A. 한가닥으로 격자모양의 섬유를 직조하여 양쪽 끝에 나온 시작 끈과 마침 끈에 전원을 공급할 수 있도록 제작한다.
도면3. 탄소나노튜브섬유 발열 봉을 사용한 전기보일러 개념도 도면
A. 접속단자 - 전원을 공급한다.
B. 컨트롤박스 - 보일러 각 부위의 온도와 동작을 조절한다.
C. 발열봉 - 열원으로서 보일러에 열을 공급한다.
D. 가열 수로 - 발열통 주위에 물이 흐르면서 기포 생성을 억제하며, 가열하는 장치이다.
E. 수통 - 순환펌프의 물이 발열봉에 접촉하게 하는 장치이다.
F. 본체 - 보일러의 본체로 단열 된 상태를 유지한다.
G. 순환펌프 - 보일러 내의 순환과 온수공급을 위한 장치이다.
H. 파이프 - 온수를 공급하는 파이프이다.
I. 리턴 파이프 - 사용된 용수가 회수되는 파이프이다.
J. 보충수 탱크 - 용수를 공급하는 장치이다.
K. 바이패스 배관 - 보일러에서 발생한 고온의 공기를 보충 수 탱크로 배출한다.

1. 보일러를 제작함에 있어 사용하는 물의 양과 난방의 면적, 환경 등에 적합한 가장 효율적인 목표를 달성하기 위해서 탄소나노튜브섬유의 직조를 최적화할 필요가 있다. 적용대상에 따라 가장 효율적인 발열체를 제조하기 위해서 필요한 탄소나노튜브섬유의 폭0.2㎝-10㎝, 두께0.1㎝-2㎝, 길이20㎝-100㎝의 길이를 효과적으로 조합해야 한다. 이때 중요한 것은 한 가닥의 탄소나노튜브섬유를 격자 모양으로 직조하여 필요한 만큼의 두께, 폭, 넓이, 길이를 최적화하여 직조하는 것이다. 이때 끊어진 것을 매듭지어 연결해서 사용해서는 안되며, 처음부터 끝까지 연결된 외줄의 섬유로 직조되어야 원하는 발열을 얻을 수 있다.

2. 탄소나노튜브섬유를 안정적으로 지탱하기 위해서는 금속성의 재료는 부적합하다. 금속성의 재료는 고온의 열을 견지지 못하고, 열팽창과 수축에 의한 변형과, 열을 내부로 흡수함으로 보일러의 순발력을 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 탄소나노튜브섬유의 안정성에 부정적 영향을 미친다. 그러므로 탄소나노튜브섬유를 지탱하는 봉은 반드시 세라믹 봉이어야 한다. 세라믹은 다른 소재보다 단열성능이 우수하여 열을 발열체의 열이 신속히 외부로 전달되게 하며, 기타 전기 발열체의 단점인 순발력을 탁월하게 하는 기능을 한다. 그리고 세라믹은 열에 의한 변형과 수축 팽창이 거의 없어서 탄소나노튜브섬유를 안정적으로 지탱해준다.

3. 적용 대상에 최적화된 탄소나노튜브섬유의 재원에 따라 세라믹 봉에 홈을 내어 가공한다. 이는 탄소나노튜브섬유를 안정적으로 고정하는 역할을 하며 열 발산을 최적화하기 위함이다.

4. 본 발명은 탄소나노튜브섬유가 고온에서도 견딜 수 있게 하는 것이 핵심요소이다. 최고 600도의 고온으로 상승하더라도 산화를 막을 방법이 필수적이다. 일반적으로 탄소는 150도를 넘으면 산화되어 그 기능을 지속하지 못한다. 이것이 탄소 발열체의 한계였으나 본 발명의 매체를 이용한 발열법은 150도 이상의 고온상태로 장시간 운전하여도 안전하게 보호된다. 그 이유는 탄소나노튜브섬유와 공기의 접촉을 근본적으로 매체가 차단함으로 산화를 막는다.

5. 발열봉의 밑부분에서 순환펌프를 이용하여 물을 순환시키고, 이때 적정온도로 가열된 물은 물탱크에 저장되었다가 사용된다.

6. 고온으로 달구어진 세라믹 봉을 효과적으로 사용하기 위해서는 이를 정밀하게 제어할 수 있는 컨트롤 프로그램과 한눈에 현황을 파악할 수 있는 제어 창을 갖춘 컨트롤 박스가 필요하다.

없음

Claims (2)

1. 효율적인 열 발생을 위한 탄소나노튜브섬유의 직조 조합의 범위에 대하여
   ( 폭 0.2㎝-10㎝, 두께 0.1㎝-2㎝, 길이 200㎝-1,000㎝)
2. 세라믹 봉 제작방법 (맥반석 15%, 게르마늄석 20%, 점토 45%, 알루미나 20%)
   

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