KR0181016B1 - 가스보일러의 예혼합 연료 공급장치 및 연료 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스보일러의 연료 공급 장치와 연료 공급 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 공기 공급시 발생되는 압력차를 측정하고, 이것에 기초하여 공급되는 연료의 혼합비를 조절할 수 있도록 수정된 연료 공급장치와 연료 공급 방법에 관한 것이다.

본 발명의 연료 공급 장치는 : 가스를 비례제어하여 공급하기 위한 가스 공급 수단; 주입되는 공기의 유속차를 감지하기 위한 풍압 감지 수단; 가스와 공기를 혼합하기 위한 가스 혼합 수단; 상기 가스 혼합 수단을 제어하기 위한 가스 혼합 제어 수단; 혼합된 가스를 연소시키기 위한 가스 연소 수단으로 구성되며, 본 발명의 방법은 : 사용자에 의하여 설정된 온도에 따라서 송풍기 출력을 결정하는 제1단계; 상기 제1단계에서 결정된 출력에 따라서 송풍기의 회전수를 제어하는 제2단계; 압력 센서를 사용하여 공급되는 풍압을 검출하는 제3단계; 상기 제3단계에서 검출된 풍압에 의하여 풍량을 계산하는 제4단계; 및 적정 가스를 공급하도록 가스 밸브를 제어하여 가스량을 조정하는 제5단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

가스보일러의 예혼합 연료 공급장치 및 연료 제어방법

제1도는 종래 사용되는 분젠식 버너를 포함한 가스보일러의 개략적인 구조를 나타내는 단면도.

제2도는 종래의 가스보일러의 부분적인 블록회로도.

제3도는 본 발명에 따른 가스보일러의 예혼합 연료 공급장치의 구조를 나타내는 단면도.

제4도는 측정된 차압과 공급되는 풍량 사이의 관계를 나타내는 그래프.

제5도는 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위한 플로우차트.

제6도는 본 발명에 따라서 표면에 다수의 구멍이 일정 간격으로 형성된 평판형 버너의 사시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 주제어부 2 : 물탱크

3 : 난방수 유출관 4 : 삼방변

5 : 순환 펌프 6 : 난방 환수관

7 : 열교환기 8 : 난방 공급관

9 : 스트레이너 10 : 난방수 유입관

11 : 가스 공급관 12 : 가스 버너

13 : 직수관 14 : 온수관

15: 배기팬 16 : 배기 후드

17 : 연소실 케이스 18 : 가스밸브

20 : 버너 21 : 댐퍼

22 : 혼합챔버 23 : 송풍팬

24 : 팬구동모터 25 : 팬제어부

26 : 주제어부 27 : 압력센서

28 : 가스 29 : 가스밸프

30 : 노즐 271, 272 : 압력감지관

본 발명은 가스보일러의 연료 공급 장치와 연료 공급 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 공기 공급시 발생되는 압력차를 측정하고, 이것에 기초하여 공급되는 연료의 혼합비를 조절할 수 있도륵 구성된 연료 공급 장치와 연료 공급 방법에 관한 것이다.

가스보일러는 청정 연료인 가스를 사용하는 매우 편리한 난방기기이다. 가스보일러의 연료로 사용된는 가스는 폭발성이 있으므로 매우 안전에 주의 하여야 한다. 이러한 이유로 인하여 종래에는 가스와 공기의 혼합비인 공연비가 넓은 범위에 걸쳐 존재하여도 안전하게 연소가 되는 분젠식 버너를 사용하여 연료를 연소시켰다.

그러나, 상기와 같은 분젠식 버너에서는 공연비가 넓기 때문에 불완전 연소 또는 과산소 연소가 자주 발생되므로 연소된 배기 가스중에 유해 배출물이 다량 존재하게 된다. CO, CO₂, NOx 등과 같은 유해 배출물은 대기를 오염시킬 뿐만 아니라 빗물에 녹아서 산성으로 변환되므로 토양을 황폐화시키는 주요한 요인이 된다. 이러한 문제점을 해결하는 방법은, 연료를 완전 연소시키는 것이지만 현재의 기술로는 매우 어려운 과제이다.

먼저, 제1도 및 제2도를 참고하여 종래 기술의 문제점을 살펴 본다. 제1도는 종래의 분젠식 버너를 사용한 가스보일러의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이다.

도면을 참고하여 종래 가스보일러의 작동 상태를 설명한다. 사용자가 주제어부(1)의 스위치를 조작하여 보일러를 운전시키면, 난방 상태에서는, 가스 공급관(11)을 통하여 가스가 공급된다. 공급된 가스는 가스 버너(12)에서 연소되고, 고온의 가열 공기는 상승한다. 가스 버너(12)의 상부측에는 열교환기(7)가 설치되어 있다.

열교환기(7)는 도시된 바와 같이, 표면에는 다수의 전열핀(71)이 부착되어 있으며, 내부에는 난방에 사용되는 난방수를 순환시키는 난방 공급관(8)과 난방 환수관(6)이 연결되어 있다. 상기 전열핀(71)은 열전달 효율을 높이기 위하여 부착되는 것으로, 통상적으로 브레이징 용접에 의하여 결합된다.

열교환기(7)가 외부에서 가열되면 이에 따라서 열교환기(7) 내부에 저장된 난방수가 가열되고 소정의 욘도에 도달하면 주제어부(1)에서는 이것을 감지하여 고온의 난방수를 순환시키기 위하여 순환 펌프(5)를 작동시킨다. 그러면 난방수는 난방 공급관(8)을 통하여 순환되어 실내의 난방을 수행한다. 이 때 삼방변(4)은 난방수가 순환되는 방향의 유로를 형성하도록 난방모드로 전환된다.

연소된 배기 가스는 배기팬(15)의 회전에 의하여 배기 후드(16)를 통하여 외부로 배출된다. 순환되는 난방수는 다시 난방 유입관(10)을 통하여 물탱크(2)에 유입된다. 도중에 난방수에 포함된 스케일 등의 이물질은 스트레이너(9)에 의하여 여과(濾過)된다.

온수를 사용하기 위한 온수 모드에서는, 삼방변(4)의 유로가 변환되어서, 난방수는 난방 공급관(8), 삼방변(4), 순환 펌프(5), 및 난방 환수관(6)을 순환하고, 직수관(13)을 통하여 유입된 냉수는 열교환기(7)를 통과하면서 난방수와의 사이에 열교환이 발생되어 승온된 후에 온수관(14)을 통하여 배출된다.

상기와 같은 열교환기(7)의 구조를 다시 살펴 보면, 열교환기(7)는 일단부에는 난방수가 유출되는 난방 공급관(8)과 난방수가 유입된는 난방 환수관(6)이 연결되어 있으며, 내부에는 직수관(13)과 온수관(14)이 설치되어 있다. 또한 표면에는 전열핀(71)이 다수 부착되어 있다. 전열핀(71)은 열교환 능력을 향상시키기 위한 것으로서, 가스 버너(12)에서 발생된 열을 더욱 잘 흡수하기 위한 것이다.

이러한 전열핀(71)을 설치하는 이유는 열효율을 더욱 높이기 위한 것으로서, 이것은 분젠식 버너의 공연비의 범위가 넓기 때문에 연소 상태가 불완전하므로 열을 효율적으로 사용하기 위한 것이다. 부차적으로 이러한 열교환기 구조는 연소실 케이스(17)의 크기를 증가시키는 요인이 될 뿐만 아니라 전열핀(71)을 제조하기 위하여 전체적으로 원가를 상승시킨다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 송풍팬 입구에서 공기와 연료를 혼합하는 구조를 가진 예혼합 보일러의 연료 공급 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 예혼합 보일러의 정확한 공연비를 제공하여 발생되는 유해 배출물을 감소시킬 수 있는 보일러의 연료 공급 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 공급 장치는: 가스를 비례제어하여 공급하기 위한 가스 공급 수단; 주입되는 공기의 유속차를 감지하기 위한 풍압 감지 수단; 가스와 공기를 혼합하기 위한 가스 혼합 수단; 상기 가스 혼합 수단을 제어하기 위한 가스 혼합 제어 수단; 혼합된 가스를 연소시키기 위한 가스 연소 수단으로 구성되며, 본 발명의 방법은 : 사용자에 의하여 설정된 온도에 따라서 송풍기 출력을 결정하는 제1단계; 상기 제1단계에서 결정된 출력에 따라서 송풍기의 회전수를 제어하는 제2단계; 압력 센서를 사용하여 공급되는 공기압 또는 풍압을 검출하는 제3단계; 상기 제3단계에서 검출된 풍압에 의하여 풍량을 계산하는 제4단계; 및 적정 가스를 공급하도록 가스 밸브를 제어하여 가스량을 조정하는 제5단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 제3도∼제6도를 참고하여 본 발명의 연료 공급 장치 및 방법을 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 연료 공급 장치는, 그것의 개략적인 측단면도인 제3도를 참고하면, 가스를 비례제어하여 공급하기 위한 가스 공급 수단은 가스통과 연결된 가스관(28)과, 상기 가스관(28)을 통하여 이동되는 가스량을 조절하기 위한 가스 밸브(29)와, 가스를 투출하는 노즐(30)로 구성되어 있다.

주입되는 공기의 유속차를 감지하기 위한 풍압 감지 수단은 상기 노즐(30)의 단부에 인접하며 설치된 두 개의 압력 감지관(271,272)과, 상기 압력 감지관(271,272)과 각각 연결된 압력 센서(27)와, 이동하년 공기에서 압력차를 발생시키기 위한 댐퍼(21)로 구성되어 있다.

상기 댐퍼(21)는 동일한 목적을 위하여 항상 일정한 위치로 고정된 트로틀 밸브 또는 입구와 출구의 구멍의 크기가 서로 상이하여 압력차를 발생시키는 벤츄리관 등을 사용할 수 있다.

가스와 공기를 혼합하기 위한 가스 혼합 수단은 고속으로 회전하는 팬(23)과 상기 팬을 회전시키는 팬구동 모터(24)와 상기 팬구동 모터(24)의 회전수를 가변 조정하기 위한 팬제어부(25)로 구성된다.

상기 가스 혼합 수단을 제어하기 위한 가스 혼합 제어 수단은 주제어부(26)로서, 통상적으로 가스보일러의 전체 행정을 제어하는 주제어부가 사용된다.

또한 혼합된 가스를 연소시키기 위한 가스 연소 수단은 가스 버너(20)가 사용되며, 상기 가스 버너(20)는 종래의 분젠식 버너가 아닌 다릍 형태를 갖고 있으며, 이것이 제6도에 도시되어 있다. 즉, 종래의 분젠식 버너와 같이 노즐을 통하여 유입되는 가스가 1차 혼합, 2차 혼합 과정을 거쳐서 혼합되는 것이 아니라, 미리 예혼합된 상태이다. 따라서 단순히 혼합된 가스만을 공급하기 위한 다수의 구멍(201)만이 형성된 상태이다.

또한 본 발명에 의한 방법은, 사용자에 의하여 설정된 온도에 따라서 송풍기 출력을 결정하는 제1단계는 사용자가 난방 또는 온수 사용시 설정하는 온도에 의하여 변화하는 출력에 따라서 송풍팬의 회전수를 결정하기 위하여 출력 전압을 결정하는 단계이다. 상기 제1단계에서는 정상적인 작동 상태에서 실험에 의하여 측정되고 미리 주제어부에 저장된 표에 의하여 출력이 결정된다.

하기의 표1은 이러한 실험에 의하여 측정, 저장된 화력과 송풍팬 출력 전압의 일례이다.

물론 상기의 표는 절대적인 것이 아니며 사용되는 가스보일러에 따라서 변화할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 명백하게 알 수 있을 것이다.

제2단계에서는 상기 제1단계에서 결정된 출력에 따라서 송풍팬의 회전수를 제어한다. 즉, 제1단계에서 결정된 출력 전압을 출력하여 송풍팬을 회전시킨다.

또한 제3단계에서 압력 센서를 사용하여 공급되는 풍압을 검출하게 된다. 상기 풍압은 종래의 것과는 달리 본 발명의 장치의 송풍팬으로부터 주입되는 공기가 댐퍼에 의하여 변화된 유속 차이를 검출하게 된다.

상기 제3단계에서 공기 차압이 검출되면 이것에 의하여 풍량(Q)을 계산하는 것이 제4단계이다. 풍량(Q)은 다음의 식에 의하여 구해진다.

따라서, 공기의 압력차(△P)를 알면 이에 따른 풍량(Q)을 용이하게 알 수 있다. 상기 비례 상수(K)는 실험에 의하여 구해지는 것으로서, 제4도의 그래프를 참고하여 알 수 있다. 비례상수(K)가 구해지면 이 값은 특정 보일러에서는 불변값이 되며, 보일러의 종류에 따라서 변경될 수 있다.

상기와 같이 풍량(Q)이 결정되면 주제어부에서는 적정한 양의 가스를 공급하도록 가스 밸브를 제어하여 가스량을 조정하게 된다. 표 2에는 풍량(Q)에 따른 가스공급량을 제어하기 위하여 가스 밸브(G/V) 출력 전압의 일례가 도시되어 있다.

물론 이것은 풍량(Q)과 가스 밸브 출력 전압의 일례를 나타낸 것으로서, 설명의 편의를 위한 것 이상의 의미는 없다. 상기 표 2는 정상적인 가스 보일러의 작동 상태에서 측정된 것으로서, 다른 종류의 가스보일러에서는 다른 값을 갖는다는 것을 알 수 있을 것이다.

풍량(Q)에 따른 가스 밸브의 출력 전압값이 결정되면 주제어부에서는 소정의 전압값을 출력하여 가스량을 조절하게 된다.

상기와 같은 본 발명의 장치와 방법을 서로 연계하여 작동 상태와 효과를 상세히 설명한다.

사용자가 보일러를 난방 모드로 작동시키고 난방 수온을 설정하면, 주제어부(26)에서는 먼저 현재의 수온을 검출한다. 이것은 종래 사용되는 온도 감지 센서(미도시됨)를 이용하여 측정한다. 현재 수온이 측정되면 사용자가 설정한 수온과 비교하여 필요한 화력을 계산하게 된다. 이 계산식(예를 들어 PDI 제어 연산 알고리즘)은 미리 주제어부(26)에 내장되어 있다.

화력이 결정되면 주제어부(26)는 송풍팬(23)의 회전수를 결정하기 위한 출력을 결정한다. 이 때에는 표 1에 도시된 것과 같이 미리 실험에 의하여 측정, 저장된 값에 의하여 결정된다. 예를 들어, 필요한 화력이 11,000Kcal/h이면 송풍팬(23)의 출력 전압은 11V가 된다. 이 때에는 종래와는 달리 가스 밸브의 출력 전압은 선택되지 않는다.

선택된 출력 전압은 주제어부(26)로부터 송풍팬(23)을 회전시키도록 출력 된다. 팬제어부(25)는 상기 출력 전압이 인가되면 미리 정해진 회전수로 송풍팬(23)을 출력시키도록 팬구동 모터(24)에 출력한다. 따라서 송풍팬(23)은 소정의 회전수를 가지며 회전한다.

송풍팬(23)이 회전함에 따라서 혼합 챔버(22) 내부로 공기가 유입된다. 이 때에는 아직 가스가 공급되지 않은 상태이므로, 공기만이 이동한다. 화살표(제3도의 a)로 표시된 이동 경로를 따라서 이동하는 공기는 혼합 챔버(22)의 입구측에 형성된 차단 부재인 댐퍼(21)에 의하여 유속이 변경된다. 즉 댐펴(21)가 장애물로 작용하므로 댐펴(21)의 전후 위치에서의 유속이 변화한다. 이 때의 압력차(△P)는 각각 댐퍼(21)의 전후에 설치된 압력 감지관(271,272)에 의하여 측정된 후에 압력 센서(27)에 의하여 계산된다. 정상적인 상태에서 송풍팬(23)에 의하여 발생되는 압력차(△P)는 일정하지만 가스보일러의 외부요인, 즉, 배기연도의 길이가 변화하거나 또는 역풍의 유입에 의하여 풍량이 변화하게 되므로 상기 압력차도 변화하게 되는 것이다. 본 발명은 상기와 같이 변화하는 압력차를 항상 측정하고, 그에 알맞도록 가스량을 조정하여 본 발명의 일목적을 달성하게 된다.

압력차(△P)가 감지되면 그후에는 풍량(Q)을 계산한다. 즉, 압력차(△P)의 값을 알기 때문에 식(1)에 의하여 풍량(Q)을 구할 수 있다. 이 때 비례 상수(K)는 실험에 의하여 구해지는 것으로서, 제4도의 그래프와 같이 변화한다. 이 비례 상수도 역시 측정되고 저장된다.

풍량(Q)이 결정된 후에는 이에 따른 가스 공급량이 결정된다. 가스 공급량은 상기와 같이 가스 밸브(18)의 개폐 정도에 따라서 조정되는 것으로서, 종래에는 가스 밸브(18)에 인가되는 전압을 변화시켜 조정하였다. 본 발명에서도 역시 동일한 방법으로 수행되며, 이러한 조정 출력 전압값은 실험에 의하여 측정되고 저장된다.

이러한 가스 밸브(G/V) 출력 전압의 일례가 표 2에 도시되어 있다. 예를 들어, 압력 센서(27)에 측정된 압력차에 의하여 결정된 풍량(Q)이 13㎥이면 이에 해당하는 출력 전압은 5V로 결정된다. 이렇게 결정된 출력 전압은 주제어부(1)로부터 출력되어 가스 밸브(18)를 개폐시키게 된다. 물론 상기 표 2에 표시된 값은 일례를 든 것으로서, 보일러의 종류 등에 따라서 변경이 가능한 것이다.

가스 공급 수단중의 일부인 노즐(30)을 통하여 공급된 가스는 혼합 챔버(22)의 전면부에 설치된 댐퍼(21)를 통과하면서 주위의 공기와 같이 송풍팬(23)을 통과한다. 통과하면서 공기와 가스가 혼합되며 풍량(Q)에 의하여 공급되는 가스량이 변화하므로 항상 적정한 비율로 혼합된다.

혼합된 공기와 가스는 상부에 설치된 가스 버너(20)에 주입된다. 상기 가스 버너(20)는 미리 적정한 비율로 공기와 가스가 혼합된 기체가 연소되므로, 제6도에 도시된 바와 같이, 별도로 공기와 가스를 혼합시킬 필요가 없다. 따라서 매우 간단한 구조를 갖는 이점이 있다. 또한 혼합된 기체가 연소되므로 버너(20)에서 발생되는 불꽃도 매우 균일한 형태를 갖는다.

더욱이 배기 연도의 길이가 변화하거나 또는 연도가 막히거나 역풍이 유입되어서 풍량(Q)이 불규칙하게 변화하는 경우에 있어서, 풍량(Q)의 변화에 따라서 적정량의 가스를 공급하므로 항상 완전 연소에 가까운 연소를 실현할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 연소실 이외에는 거의 구조를 변경할 필요가 없이, 종래 강제 급기 방식에서 사용되는 송풍팬에 간단한 댐펴 구조를 설치하여 달성할 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 의하면 송풍팬 입구에서 공기와 연료를 혼합하는 구조를 가지므로, 정확한 공연비를 제공하여 발생되는 유해 배출물을 감소시킬 수 있는 이점이 있는 것이다. 또한 종래 사용되던 복잡한 형태의 분젠식 버너를 대체할 수 있는 가스 버너를 제공할 수 있다.

본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 사상과 범위내에서 변형이나 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부한 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

Claims (8)

1. 가스보일러의 연료를 공급하기 위한 장치에 있어서, 가스를 비례제어하여 공급하기 위한 가스 공급 수단; 주입되는 공기의 유속차를 감지하기 위한 풍압 감지 수단; 가스와 공기를 혼합하기 위한 가스 혼합 수단; 상기 가스 혼합 수단을 제어하기 위한 가스 혼합 제어 수단; 및 혼합된 가스를 연소시키기 위한 가스 연소 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스보일러의 예혼합 연료 공급장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 가스 공급 수단이 가스통과 연결된 가스관(28)과, 상기 가스관(28)을 통하여 이동되는 가스량을 조절하기 위한 가스 밸브(29)와, 가스를 투출하는 노즐(30)로 구성된 것을 특징으로 하는 가스보일러의 예혼합 연료 공급장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 가스압 감지 수단이 상기 노즐(30)의 단부에 인접하여 설치된 두 개의 압력 감지관(271,272)과, 상기 압력 감지관(271,272)과 각각 연결된 압력 센서(27)와, 이동하는 공기에서 압력차를 발생시키기 위한 수단(21)으로 구성된 것을 특징으로 하는 가스보일러의 예혼합 연료 공급장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 가스 혼합 수단은 고속으로 회전하는 팬(23)과 상기 팬을 회전시키는 팬구동 모터(24)와 상기 팬구동 모터(24)의 회전수를 가변 조정하기 위한 팬제어부(25)로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스보일러의 예혼합 연료 공급장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 가스 혼합 제어 수단이 가스보일러의 전체 행정을 제어하는 주제어부(10)인 것을 특징으로 하는 가스보일러의 예혼합 연료 공급장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 가스 연소 수단이 표면에 일정한 간격으로 다수의 구멍(201)이 형성된 가스 버너(20)인 것을 특징으로 하는 가스보일러의 예혼합 연료 공급장치.
7. 제3항에 있어서, 상기 이동하는 공기에서 압력차를 발생시키기 위한 수단(21)이 댐퍼, 항상 일정한 위치로 고정된 트로틀 밸브, 또는 입구와 출구의 구멍의 크기가 서로 상이하여 압력차를 발생시키는 벤츄리관인 것을 특징으로 하는 가스보일러의 예혼합 연료 공급장치.
8. 가스보일러에 연료를 공급하는 방법에 있어서, 사용자에 의하여 설정된 온도에 따라서 송풍기 출력을 결정하는 제1단계; 상기 제1단계에서 결정된 출력에 따라서 송풍기의 회전수를 제어하는 제2단계; 압력 센서를 사용하여 공급되는 가스압을 검출하는 제3단계; 상기 제3단계에서 검출된 가스차압에 의하여 풍량을 계산하는 제4단계; 및 적정 가스를 공급하도록 가스 밸브를 제어하여 가스량을 조정하는 제5단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스보일러의 예혼합 연료 제어방법.