KR101725396B1 - 비닐하우스 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비닐하우스 보일러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로파가 순수 세라믹의 순환관을 투과하여 순환관 내부의 유체에 직접 분사, 발열하는 직접 가열 방식의 비닐하우스 보일러에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 비닐하우스 보일러는, 소정의 밀폐된 수용공간을 갖는 통 형상의 챔버; 상기 챔버의 외측에 장착되고 트랜스포머와 마그네트론을 포함하여 구성되며 마이크로파를 발생하여 분사하는 하나 이상의 마이크로파 발생기; 상기 챔버의 내측에 설치되어 마이크로파를 챔버 내부에 전달할 수 있도록 유도하는 하나 이상의 도파관; 상기 챔버 내부에 챔버와 이격되게 구비되고 양측이 개방되는 내통; 및 상기 마이크로파 통과 재질의 관이 상기 내통의 외주면에 길이방향으로 다수 배치되어 내부의 물이 순환할 수 있도록 연결된 순환관; 을 포함하여 구성된다.

Description

비닐하우스 보일러 {Vinyl house boiler}

본 발명은 비닐하우스 보일러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로파가 순수 세라믹의 순환관을 투과하여 순환관 내부의 유체에 직접 분사, 발열하는 직접 가열 방식의 비닐하우스 보일러에 관한 것이다.

일반적으로 난방설비 즉, 보일러(boiler)는 물과 같은 유체를 가열하여 이를 순환시킴으로써 난방하는 가스 또는 기름보일러 방식과 전열선을 가열하여 그 주변의 패널을 가열함에 의해 난방하는 전기보일러 방식으로 크게 나뉜다.

전기보일러는 전력 소모량이 과다하고 설치 비용이 고가이며 공해 저감 및 친환경 산업과는 맞지 않는다.

기름 또는 가스보일러 등은 연소로(furnace)에서 연료를 태워 여기서 발생하는 열로 유체를 가열시키고 이를 순환시켜 난방하는 방식으로서, 기름이나 가스와 같은 연료의 소비량이 크고 열 효율이 낮으므로 비닐하우스와 같은 산업용으로 사용함에 있어서 연료비가 큰 부담이 된다.

한편, 밭작물이나 화훼식물, 기타 과실수 등의 농작물이 해당 계절에 관계없이 비닐하우스에 의해 재배되어 생산된다.

이와 같은 농작물을 경작하는데 적당한 온도를 유지시킬 수 있다면 당해 농작물은 원활하게 성장 발육되어 그 결실을 보기 때문에, 이러한 온도 유지를 위해 비닐하우스를 사용하여 농작물을 재배한다.

비닐하우스에서 재배되는 농작물이 원활하게 생장되도록 하기 위해서는 비닐하우스의 내부온도를 적절하게 유지하는 것이 중요하고, 특히, 야간이나 겨울철과 같이 기온이 낮은 경우에는 비닐하우스의 내부 온도가 영하로 떨어져 농작물에 피해가 될 수 있으므로 비닐하우스의 열을 외부로 빼앗기지 않도록 해야한다.

이러한 경우 비닐하우스의 보온방법으로 비닐하우스를 단열재로 마감처리 하거나, 비닐하우스의 외부를 이루는 비닐막을 이중으로 형성시켜 비닐막 사이에 공기층이 형성되도록 하고 내측 비닐막에 수막을 형성시켜 상기 공기층과 수막에 의해 비닐하우스 내부 열이 외부로 쉽게 전달되지 않게 하는 방식이 있으나, 이러한 방식은 비닐하우스의 내부온도를 일정온도 이상으로 유지하는데에 한계가 있다.

따라서 농작물 생장에 적합한 온도로 비닐하우스 내부의 온도를 유지하고 조절할 필요가 있으므로 적절한 난방장치를 이용하여 비닐하우스의 내부 온도가 작물생육에 적합하도록 가온할 필요가 있다.

비닐하우스에 설치되는 난방장치로는 열풍기나 상술한 보일러가 이용되었는데, 보일러를 이용한 난방장치는 비닐하우스 내부에 히트파이프를 설치하여 상기 히트파이프에 보일러에서 가열되어 발생하는 온수나 열기를 순환적으로 공급시키는 방식이다.

이와 같은 비닐하우스의 보일러로는 상술한 전기보일러가 사용되는데, 종래 비닐하우스의 전기보일러는 니켈, 크롬, 철 합금소자에 전원을 공급하여 소자의 전기저항에 의해 발생할 열을 물에 전달하는 가열방식으로, 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 히터가 물속에 잠겨있어 수분과 직접 접촉하므로 녹이 나고 부식이 생겨 일정기간이 지나면 주기적으로 교체해주어야 한다.

둘째, 히터에 높은 전류를 인가하기 위하여 220V가 아닌 고전압의 380V를 사용해야하므로 고압 수전시설이 필요하다.

셋째, 히터가 물속에 잠겨있어 식수 겸용으로 사용할 수 없고, 식수 겸용으로 사용라면 표면처리를 해야하므로 열전달효율이 감소한다.

넷째, 열이 히터의 접촉부분부터 대류현상으로 전달되므로 열의 전달속도가 느리고 전력소모가 많다.

이러한 전기보일러의 여러 문제점을 해결하기 위하여 마이크로파를 이용한 보일러가 다수 개시되어 있는 바, 예를 들어 선행특허문헌 등록번호 제10-1317331호에 개시된 마이크로파를 이용한 보일러는 도 1에 도시된 바와 같이 본체(21), 상기 본체 내에 포함되는 유체 가열부(22), 상기 유체 가열부(22)에 포함된 순환파이프(28)에 연결된 유체 유입부(23) 및 유체 유출부(24)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 유체 가열부(22)는 마이크로파 발생부(25), 상기 마이크로파 발생부(25)에서 발생하는 마이크로파를 발열부(27)에 전달하는 내실(26), 상기 내실(26)에서 전달되는 마이크로파를 전달받아 열을 발생시키는 발열부(27) 및 상기 발열부(27) 내에 위치한 순환파이프(28)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 발열부(27)는 마이크로파를 흡수하여 발열하는 성질을 가진 세라믹 재료로 이루어진다.

여기서 상기 세라믹 재료는 Fe₂O₃, Fe₃O₄ 및 FeO 중 하나 이상의 산화철 화합물을 4중량% 이상 포함하는 금속산화물 함유 조성물이고, 상기 금속산화물 함유 조성물은 가열 효율을 더 좋게 하기 위하여 흑연, 인상 흑연, 인조 흑연, 탄소섬유 및 탄화규소(SiC) 등과 같은 첨가제를 사용한다.

여기서 미설명 부호 31은 벽체, 32는 외실, 38은 에어덕트, 39는 블로우어, 42는 순환펌프이다.

이 선행특허에 개시된 보일러의 가열 방식은 발열부(27)가 세라믹 재료에 탄소계열(C, Si)의 첨가제가 첨가되어 이 발열부(27)에 마이크로파를 분사하면 상기 탄소계열의 소자에서 발열하고, 이 열이 순환파이프(28) 내부의 유체에 전달되어 예를 들어 물, 기름 또는 부동액이 가열되는 방식이다.

즉, 혼합 소자로 제작된 발열부(27)에서 마이크로파를 흡수하여 열을 발생하고, 이를 순환 파이프(28) 내부의 유체에 전달하는 2중 간접 가열방식이다.

따라서 이 선행특허에 개시된 보일러는 효율이 떨어질 수밖에 없다.

또 다른 선행특허문헌 등록번호 제10-1444288호에 전자파발열체에 의한 보일러가 개시되어 있는 바, 이 선행특허는 탄화규소(SiC)가 포함된 전자파발열체에 전자파를 분사하여 열이 발생할 수 있도록 하고, 전자파발열체의 내부에 물이 통과하는 열교환파이프를 형성하여 물을 순간적으로 데워서 공급할 수 있도록 한 것이다.

그러나 이 보일러도 2중 간접 가열방식을 채용하고 있어 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

등록번호 제10-1317331호(등록일자 2013년10월04일) 등록번호 제10-1444288호(등록일자 2014년09월18일)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 세라믹관을 순수 토양 즉, 순수 세라믹으로 고온 제작하여 마이크로파가 세라믹관을 투과해서 내부의 유체에 직접 분사, 발열하는 직접 가열 방식을 적용함으로써 효율이 좋은 비닐하우스 보일러를 만드는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 비닐하우스 보일러는, 소정의 밀폐된 수용공간을 갖는 통 형상의 챔버;

상기 챔버의 외측에 장착되고 트랜스포머와 마그네트론을 포함하여 구성되며 마이크로파를 발생하여 분사하는 하나 이상의 마이크로파 발생기;

상기 챔버의 내측에 설치되어 마이크로파를 챔버 내부에 전달할 수 있도록 유도하는 하나 이상의 도파관;

상기 챔버 내부에 챔버와 이격되게 구비되고 양측이 개방되는 내통; 및

상기 마이크로파 통과 재질의 관이 상기 내통의 외주면에 길이방향으로 다수 배치되어 내부의 물이 순환할 수 있도록 연결된 순환관;

을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 챔버와 내통은 원통 형상이고, 상기 챔버의 좌우 양측 중 어느 하나 이상에는 마이크로파가 통과할 수 없도록 촘촘하게 제작한 철망(mesh)이 구비된 투명창이 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 도파관은 챔버 내부로 분사되는 마이크로파를 내통에 직통으로 분사되지 않도록 기울어지게 설치되어 챔버 내부에서 연속적으로 회전 분사하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 도파관의 기울어지는 각도는 35~45°인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 내통은 마이크로파를 통과할 수 있도록 철망(mesh) 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 순환관은 순수 세라믹을 고온으로 가열하여 파이프 형태로 제작한 것으로, 상기 내통의 외주면에 길이방향으로 배치되는 다수의 세라믹관과,

상기 세라믹관 내부의 물이 순환할 수 있도록 인접된 세라믹관의 양측을 서로 연결하는 연결관으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 마그네트론에 무접점 릴레이를 통하여 전원을 공급하고, 마그네트론이 다수인 경우 딜레이 회로를 이용하여 순차적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 한다.

상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 순환관을 순수 세라믹으로 제작하여 마이크로파가 순환관을 투과해서 내부의 유체에 직접 분사, 발열하는 직접 가열 방식을 채용함으로써 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 마이크로파를 이용한 보일러의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 난방장치의 정면도이다.
도 3은 도 2의 측면도이다.
도 4는 도 2에 나타낸 순환관을 구성하는 단위 세라믹관을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2에 나타낸 보일러의 제어 회로도이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 보일러의 정면도이고, 도 3은 도 2의 측면도이며, 도 4는 도 2에 나타낸 순환관을 구성하는 단위 세라믹관을 나타내는 도면이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 보일러(100)는 마이크로파 발생기(110), 도파관(112), 챔버(120), 내통(130), 순환관(140) 및 순환 모터(150)를 포함하여 구성된다.

소정의 밀폐된 수용공간이 형성된 챔버(120)는 밀폐된 원형의 철통으로 이루어진 것으로, 좌우 양측에는 마이크로파가 통과할 수 없는 간격으로 제작한 철망(mesh)이 구비된 투명창이 설치된다.

사용자는 이 투명창을 통해 챔버(120) 내부 상태를 관측 및 관리하여, 예를 들어 세라믹관(140a), 순환관(140) 상태 및 누수 방지, 관의 연결 부위, 도파관 등과 같은 내부 장치의 상황을 점검한다.

마이크로파 발생기(110)는 상기 챔버(120)의 외측 상부에 다수 장착되고 트랜스포머(transformer)와 마그네트론(magnetron)을 포함하여 구성된다.

상기 트랜스포머는 외부로부터 입력되는 상용교류전압을 고주파 발생에 적합한 고전압으로 변압하여 마그네트론으로 인가하며, 마그네트론은 트랜스포머로부터 인가되는 고전압에 의하여 고주파발진을 하여 마이크로파를 발생시켜 안테나(114)에서 발사하여 도파관(112)의 통로로 분사된다.

이때 마이크로파의 주파수는 물 분자와 공명하기 쉬운 주파수인 2,450MHz 대역을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않는다.

도파관(112)은 사각 또는 원형의 금속관으로, 상기 마이크로파 발생기(110)의 안테나(114)로부터 마이크로파를 분사받아 챔버(120) 내부에 전달하는 것으로, 마이크로파 발생기(110)와 일 대 일로 구비되어 상기 챔버(120)의 내측에 설치된다.

상기 도파관(112)은 측면에서 보아 일측으로 기울어지게 설치되어 마이크로파가 내통(130)에 직통으로 분사되지 않도록 마이크로파가 기울어진 내벽에 의해 반사하면서 챔버(120) 내부로 전파하여 원통형의 챔버 내부에서 연속적으로 회전 분사되도록 하는 것이 바람직하다.

이에 의해 상기 도파관(112)으로 챔버(120) 내부로 마이크로파를 기울어지게 분사, 직접가속분사를 제어하여 직선집중분사를 분산회전분사로 조절한다.

이때 상기 도판관(112)의 기울어진 경사각(θ)은 35~45°인 것이 바람직하다.

내통(130)은 좌우가 개방되는 원형의 철통 형상으로 챔버(120)의 내부에 챔버(120)와 소정거리 이격되게 구비되고, 상기 마이크로파가 충돌 저항없이 통과할 수 있도록 철망(mesh)으로 제작 구비된다.

도 4에 도시된 세라믹관(140a)은 다수 개가 상기 내통(130)의 외주면에 길이방향으로 배치되고 물과 같은 유체가 연속하여 흐를 수 있도록 인접된 세라믹관(140a)의 양측이 합성수지의 U자형 연결관(140b)으로 서로 연통되어 순환관(140)이 된다.

상기 다수의 세라믹관(140a) 중 하부의 세라믹관에는 물이 공급할 수 있도록 공급 호스가 연결되고 상부의 세라믹관에는 온수를 배출할 수 있도록 온수 호스가 연결된다.

상기 세라믹관(140a)은 백토 즉, 순수 세라믹을 고온, 예를 들어 1200℃로 가열하여 파이프 형태로 제작한 것으로, 마이크로파를 그대로 통과한다.

순환 모터(150)는 상기 챔버(120) 외부에 설치되어 순환관(140)을 통해 물이 계속 순환될 수 있도록 하는 것으로, 물이 지정온도까지 상승하면 동작하도록 제어된다.

이와 같은 보일러(100) 구성에서 마이크로파 발생기(110)의 트랜스포머에 전원을 공급하고, 전자 이온을 발생시켜 마그네트론에 공급하며 동시에 트랜스포머에서 고압전력에 의하여 마그네트론의 안테나(114)로부터 2,450MHz 마이크로파가 분사되어 기울어지게 설치된 도파관(112)을 통하여 챔버(120) 내부에 경사각을 갖고 전달된다.

이에 따라 마이크로파는 챔버(120) 내부에서 연속적으로 분사되며, 이때 세라믹관(140a)을 투과하면서 그 내부의 물에 2,450MHz 마이크로파가 분사된다.

상기 세라믹관(140a) 내부의 물 분자는 분사된 2,450MHz 마이크로파(고주파)에 의하여 물 분자의 음극과 양극의 극성 간에 반전회전이 반복되므로 물 분자가 유전가열되어 물의 온도가 급상승한다.

이와 같이 물 분자에 고주파가 직접유전 가열하는 직접가열 방식으로 효율성을 높일 수 있다.

즉, 세라믹관(140a)이 고주파를 통과할 수 있는 순수 세라믹 재질로 구성되어, 세라믹관(140a) 내부의 물에 마이크로파가 직접 접촉하여 물 분자를 가열한다.

이때 상기 물이 지정온도에 도달하면 순환 모터(150)가 동작하여 물이 순환한다.

도 5는 도 2에 나타낸 보일러의 제어 회로도이다.

도 5에 도시된 바와 같이 제어회로에 무접점 릴레이(SR1,SR2,…)와, 딜레이(delay) 회로인 순차적가동타이머(T1,T2,…)를 포함하여 구성된다.

상기 무접점 릴레이(SR1,SR2,…)는 소음을 방지하고 동작 속도를 감안하여 마그네트 스위치 대신 사용되는 것으로, 예를 들어 SSR로 이루어진다.

딜레이 회로인 순차적가동타이머(T1,T2,…)는 마그네트론의 첫 가동에서 발생하는 과도현상으로 발생하는 과전압방지를 위해 마그네트론을 순차적으로 동작시키기 위해 사용된다.

미설명 부호 R0는 히터온도컨트롤러(TC1)의 보조스타트 릴레이이고, R1,R2,R3는 마그네트 접점이나 무접점 릴레이의 보조 릴레이이며, R11은 모터온도컨트롤러(TC2)의 보조릴레이이다.

또한, MGT1,MGT2는 마그네트 스위치이고, SS, S1,S2는 기능 및 수동 스위치이며, PL,ML,L1,L2는 기능 및 작동 표시등이다.

또한, TC1은 히터온도컨트롤러이고, TC2는 모터온도컨트롤러이며 PM은 모터마그네트스위치이다.

이와 같은 제어회로에서 전원은 전력사용량을 측정하는 적산전력계와 누전차단기(ELB)를 통과하여 자동, 수동 변환장치를 통하여 마그네트론에 공급된다.

이때 전술한 바와 같이 소음을 방지하고, 동작속도를 감안하여 마그네트 스위치를 사용하지 않고 무접점 릴레이(SR1,SR2,…)를 사용하며, 마그네트론이 다수인 경우 마그네트론의 첫 가동에서 발생하는 과도현상으로 발생하는 과전압 방지를 위해 딜레이 회로 즉, 순차적가동타이머(T1,T2,…)를 이용하여 마그네트론을 순차적으로 동작시킨다.

상기 무접점 릴레이(SR1,SR2,…)를 통하여 전원이 공급된 마그네트론에서 발생된 2,450MHz 마이크로파는 안테나(114)에서 발사되고 도파관(112)을 통한 전송과정에서 감쇄없이 통과하여 순수 세라믹 재질의 순환관(140) 내 물에 도달하여 가열하기 시작한다.

상기 순환관(140) 내의 물 분자는 2,450MHz 마이크로파(고주파)에 의하여 음극과 양극의 극성이 반전순환을 반복함으로써 유전가열되어 물 온도가 상승한다.

이와 같이 물 온도가 상승하여 일정온도에 도달하면 순환 모터(150)가 작동하여 난방열을 공급하게 된다.

이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 디자인으로 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

100: 보일러 110: 마이크로파 발생기
112: 도파관 114: 안테나
120: 챔버 130: 내통
140: 순환관 140a: 세라믹관
140b: 연결관 150: 순환 모터
SR1,SR2,…: 무접점 릴레이
T1,T2,…: 순차적가동타이머

Claims (7)

1. 소정의 밀폐된 수용공간을 갖는 통 형상의 챔버;
   상기 챔버의 외측에 장착되고 트랜스포머와 마그네트론을 포함하여 구성되며 마이크로파를 발생하여 분사하는 하나 이상의 마이크로파 발생기;
   상기 챔버의 내측에 설치되어 마이크로파를 챔버 내부에 전달할 수 있도록 유도하는 하나 이상의 도파관;
   상기 챔버 내부에 챔버와 이격되게 구비되어 마이크로파를 통과할 수 있도록 철망(mesh) 구조를 갖는 양측이 개방되는 내통; 및
   상기 마이크로파 통과 재질의 관이 상기 내통의 외주면에 길이방향으로 다수 배치되어 내부의 물이 순환할 수 있도록 연결된 순환관; 을 포함하되,
   상기 챔버와 내통은 원통 형상으로 상기 챔버의 좌우 양측 중 어느 하나 이상에는 챔버 내부 상태를 관측하기 위해 마이크로파가 통과할 수 없도록 촘촘하게 제작한 철망(mesh)이 구비된 투명창이 설치되고,
   상기 마그네트론에 소음 방지 및 동작속도를 감안하여 무접점 릴레이를 통하여 전원을 공급하고, 마그네트론이 다수인 경우 마그네트론의 첫 가동에서 발생하는 과도현상으로 발생하는 과전압방지를 위해 딜레이 회로를 이용하여 순차적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 비닐하우스 보일러.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 도파관은 챔버 내부로 분사되는 마이크로파를 내통에 직통으로 분사되지 않도록 기울어지게 설치되어 챔버 내부에서 연속적으로 회전 분사하는 것을 특징으로 하는 비닐하우스 보일러.
4. 제3항에 있어서,
   상기 도파관의 기울어지는 각도는 35~45°인 것을 특징으로 하는 비닐하우스 보일러.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 순환관은 순수 세라믹을 고온으로 가열하여 파이프 형태로 제작한 것으로, 상기 내통의 외주면에 길이방향으로 배치되는 다수의 세라믹관과,
   상기 세라믹관 내부의 물이 순환할 수 있도록 인접된 세라믹관의 양측을 서로 연결하는 연결관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 비닐하우스 보일러.
7. 삭제

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