KR100353003B1 - 액체 연료의 초음파 개질 시스템 - Google Patents

액체 연료의 초음파 개질 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 점성이 높고 품질이 낮은 액체 연료에 초음파를 가하여 양질의 유화유로 개질(改質)시키는 액체 연료의 초음파 개질 시스템에 관한 것이다.본 발명은 점성이 높고 품질이 낮은 액체 연료를 저장하는 연료 탱크(10)와; 물을 저장하는 물 탱크(20)와; 연료 탱크(10)와 물 탱크(20)로부터 공급되는 액체 연료와 물을 교반하는 교반장치(30)와; 초음파 발생기(56)와 초음파 진동부(65)를 갖추고 있으며, 교반장치(30)로부터 공급되는 액체 연료와 물의 혼합물에 초음파 진동 에너지를 가하여 양질의 유화유로 개질하는 초음파 개질 장치(40)를 포함한다. 특히, 초음파 개질장치(40)는 입구(62a)를 통하여 유입된 액체 연료와 물의 혼합물이 차례로 통과하도록 통로(63)에 의해 순차적으로 연통되는 다수의 실린더(62)를 구비하며, 이 실린더(62)내에는 초음파 진동부(65)가 배치된다. 이러한 본 발명은 초음파를 이용하여 점성이 높고 질이 낮은 액체 연료를, 점성이 낮고 질이 높은 양질의 유화유로 시켜 액체 연료의 연소 효율을 향상시킨다. 또한, 액체 연료의 연소시 발생하는 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)의 발생을 최대한으로 저감시키는 효과를 갖는다. 또한, 점성과 인화점이 높은 식물성 기름을 점성과 인화점이 낮은 유화유로 개질시킴으로써, 석유를 대신할 수 있는 대체 에너지원으로도 사용이 가능하다.

Description

액체 연료의 초음파 개질 시스템{Liquid fuel's reforming system by ultrasonic wave}
본 발명은 점성이 높고 질이 낮은 액체 연료에 초음파를 가하여 양질의 유화유로 개질(改質)시키는 액체 연료의 초음파 개질 시스템에 관한 것이다.
점성이 높고 질이 낮은 액체 연료는 연소되는 과정에서 많은 량의 유해가스를 발생시킨다. 이는 연료의 미립자화를 어렵게하여 연료의 발화점을 높히기 때문이다. 발화점이 높은 연료는 연소 효율을 감소시켜 연료의 불완전 연소를 유도한다. 특히, 질이 낮은 액체 연료는 비가연성 불순 물질이 다량 포함하고 있어 연료의 연소 효율을 더욱 떨어뜨린다.
한편, 연소 효율이 떨어지면, 점성이 낮고 고품질의 액체 연료보다 상대적으로 많은 량의 연료가 소비된다. 또한, 점성이 높고 질이 낮은 액체 연료의 연소시 발생하는 유해가스는 호흡기를 통하여 인체에 유입되어 발암성분으로 작용하거나 폐에 축적되어 만성 폐질환을 일으킨다. 특히, 연소가스에 포함되는 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)는 인체의 산소 공급을 방해하고, 점막이나 눈을 자극시키는 등 인체에 치명적인 영향을 준다.
따라서, 연소 효율을 향상시켜 유해가스와 연료 소비를 저감시키도록 점성이 높고 질이 낮은 액체 연료를 양질의 유화유로 개질시키는 액체 연료 개질장치의 개발이 시급히 요구되는 것이다.
이러한 요구에 의해 본 발명자는 본 발명자에 의해 출원되어 등록된 특허 제 110354호의 액체 연료의 초음파 무화기를 이용하여 점성이 높고 품질이 낮은 액체 연료에 초음파를 가함으로써 양질의 유화유로 개질(改質)시키는 액체 연료의 초음파 개질 시스템을 개발하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 초음파를 이용하여 점성이 높고 품질이 낮은 액체 연료를 양질의 유화유로 개질시킴으로써 연료 소비율과 유해가스를 저감시킬 수 있는 액체 연료의 초음파 개질 시스템을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 액체 연료의 초음파 개질 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 구성요소인 연료 탱크의 구성을 나타내는 단면도,
도 3는 본 발명의 구성요소인 물 탱크의 구성을 나타내는 단면도,
도 4는 본 발명의 구성요소인 교반장치의 구성을 나타내는 단면도,
도 5는 본 발명의 구성요소인 초음파 개질장치의 구성을 나타내는 분해 사시도,
도 6은 도 5의 결합상태를 나타내는 단면도이다.
♣ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♣
10: 연료 탱크 20: 물 탱크
30: 교반장치 40: 초음파 개질장치
41: 케이스 50: 상부케이스
56: 초음파 발생기 60: 하부케이스
62: 실린더 63: 통로
65: 초음파 진동부 66: 진동자
67: 혼 68: 반사판
이러한, 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 점성이 높고 품질이 낮은 액체 연료를 저장하는 연료 탱크와; 물을 저장하는 물 탱크와; 상기 연료 탱크와 물 탱크로부터 공급되는 액체 연료와 물을 교반하는 교반장치와; 초음파 발생기와 초음파 진동부를 갖추고 있으며, 상기 교반장치로부터 공급되는 액체 연료와 물의 혼합물에 초음파 진동 에너지를 가하여 양질의 유화유로 개질하는 초음파 개질 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 초음파 개질장치는 입구를 통하여 유입된 액체 연료와 물의 혼합물이 차례로 통과하도록 통로에 의해 순차적으로 연통되는 다수의 실린더를 구비하며, 이 실린더내에는 상기 초음파 진동부가 배치되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 액체 연료의 초음파 개질 시스템에 대한 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 1을 참고로하여 본 발명에 따른 액체 연료의 초음파 개질 시스템의 구성을 개략적으로 살펴본다. 이에 따르면, 초음파 개질 시스템은 액체 연료를 저장할 수 있는 연료 탱크(10)와 물을 저장할 수 있는 물 탱크(20)를 구비한다. 그리고 초음파 개질 시스템은 교반장치(30)와 초음파 개질장치(40)를 구비한다. 교반장치(30)는 연료 탱크(10)와 물 탱크(20)로부터 공급되는 액체 연료와 물을 혼합시키는 것이며, 초음파 개질장치(40)는 교반장치(30)에 의해 어느 정도 혼합된 액체 연료와 물에 초음파를 가하여 유화시키는 것이다. 아울러 초음파 개질 시스템은 초음파 개질장치(40)로부터 배출되는 액체 연료에 소정의 압력을 부여하는 펌프(80)와, 상기 펌프(80)로부터 배출되는 액체연료를 버너(B)의 연소실로 분사시키는 노즐(90)을 구비한다.
이를 상세하게 살펴보면, 연료 탱크(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 연료를 공급하는 연료 주입구(11)와 연료가 배출되는 연료 배출구(12)를 갖는다. 연료 주입구(11)에는 연료 주입구(11)를 개방시키거나 폐쇄시키는 캡(13)이 배치되며, 캡(13)에는 연료 탱크(10)내의 부압을 해소시키는 압력조절밸브(14)가 설치된다. 그리고 연료 탱크(10)의 밑면에는 연료 탱크(10)의 바닥면에 모여진 연료 찌꺼기 등을 배출시킬 수 있는 드레인 밸브(15)가 설치되며, 연료 탱크(10)의 측벽에는 상기 교반장치(30)와 초음파 개질장치(40)에서 발생되는 연료의 증발가스를 연료 탱크(10)로 리턴시키는 리턴파이프(16)와, 연료 탱크(10)내의 잔유 연료량을 나타내는 유량계(17)가 설치된다.
한편, 연료 탱크(10)의 외면 둘레에는 액체 연료를 가열하는 열선(18)이 배치되며, 열선(18)의 둘레에는 연료 탱크(10)와 외부가 단열되도록 단열재(19)가 배치된다. 열선(18)은 일측에 설치되는 온도 조절기(18a)에 의해 작동되며, 온도 조절기(18a)는 연료 탱크(10)에 저장된 액체 연료가 항상 100。C정도로 유지하도록 제어한다. 액체 연료를 가열하는 이유는 액체 연료를 활성화 시키기 위함이다.
그리고 물 탱크(20)는 점성이 높고 저질의 액체 연료를 양질의 유화유로 개질시키기 위하여 물을 공급하는 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이 물을 공급하는 물 주입구(21)와 물이 배출되는 물 배출구(22)를 갖는다. 물 주입구(21)에는 물 주입구(21)를 개방시키거나 폐쇄시키는 캡(23)이 배치되며, 캡(23)에는 물 탱크(20)내의 부압을 해소시키는 압력조절밸브(24)가 설치된다. 그리고 물 탱크(20)의 밑면에는 물 탱크(20)의 바닥면에 모여진 이물질 등을 배출시킬 수 있는 드레인 밸브(25)가 설치되며, 물 탱크(20)의 측벽에는 물 탱크(20)내의 잔유 연료량을 나타내는 유량계(26)가 설치된다.
한편, 물 탱크(20)의 외면 둘레에는 물을 가열하는 열선(27)이 배치되며, 열선(27)의 둘레에는 물 탱크(20)와 외부가 단열되도록 단열재(28)가 배치된다. 열선(27)은 일측에 설치되는 온도 조절기(27a)에 의해 작동되며, 온도 조절기(27a)는 물 탱크(20)에 저장된 물이 항상 100。C정도로 유지하도록 제어한다. 물을 가열하는 이유는 물을 포화수로 만들어 점성이 높은 저질의 액체 연료와의 혼합이 보다 용이하도록 하기 위함이다. 아울러 물 탱크(20)에는 가열된 물이 액체 연료와 체적 비율 10 - 20%로 혼합, 유지될 수 있도록 물의 유량과 압력을 조절하는 유량 조절 장치(29a)와 압력 조절 장치(29b)가 각각 설치된다.
한편, 교반장치(30)는 액체 연료와 물을 혼합시키는 것으로, 도 4에서와 같이 교반실(31)을 구비하며, 이 교반실(31)은 두 개의 유입구(32)와 하나의 배출구(33)를 갖는다. 유입구(32)는 연료 탱크(10)의 연료 배출구(12)와 물 탱크(20)의 물 배출구(22)에 각각 연결되어 액체 연료와 물을 공급 받으며, 배출구(33)는 혼합된 액체 연료와 물을 배출한다. 또한, 교반장치(30)에는 교반실(31)의 부압을 해소시키는 압력조절밸브(34)와, 교반실(31) 바닥면에 모여진 이물질을 배출시키는 드레인 밸브(35)가 설치된다. 한편, 두 개의 유입구(32)와 연료 탱크(10) 및 물 탱크(20)의 배출구(12,22)는 연결관(36)에 의해 연결되며, 연결관(36)의 외면 둘레에는 열선(36a)과 단열재(36b)가 배치된다.
또한, 교반장치(30)는 교반기(37)를 갖는다. 교반기(37)는 교반실(31)에 배치되어 액체 연료와 물을 교반시키는 교반익(37a)과, 교반익(37a)을 회전시키는 교반모터(37b)로 이루어져 있다. 이러한 교반장치는 상기 연료 탱크(10) 및 물 탱크(20)와 마찬가지로 그 외면 둘레에 교반실(31)과 외부가 단열되도록 단열재(39)가 배치된다.
한편, 초음파 개질장치(40)는 교반장치(30)에 의해 어느 정도 교반된 액체 연료와 물에 초음파를 가하여 점성이 높고 저질의 연료를 양질의 유화유로 개질시킨다. 즉, 일반적으로 점성이 높고 저질의 연료를 양질의 유화유로 개질시키기 위해서는 점성이 높고 저질의 액체 연료에 물을 섞은 다음, 비누와 같은 계면 활성제를 첨가하여 액체 연료와 물의 계면장력을 감소시킴으로써 분산매(分散媒)인 액체 연료내에 분산상(分散相)인 물을 미립상(微粒狀)으로 산재(散在:Water in oil)시키는 이른바, 에멀션화(emulsification)시키는 과정을 거친다. 그러나 본 발명에서는 비누와 같은 계면 활성제를 대신하여 본 발명자에 의해 개발되어 등록된특허 제 110354호의 초음파 발생장치 및 초음파 진동자를 이용하여액체 연료와 물에 초음파를 가함으로써, 분산상인 물을 극미립화시켜 분산매인 액체 연료내에 물을 미립상으로 산재(Water in oil)시키도록 한 것이다.
이러한 원리를 갖는 초음파 개질장치(40)는 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이 상부케이스(50)와, 하부케이스(60) 및 가열판(70)으로 이루어지는 케이스(41)를 갖는다. 상부케이스(50)에는 냉각실(52)이 형성되어 있으며, 냉각실(52)의 일측에는 외부의 공기를 유통시켜 냉각실(52)을 냉각시키는 냉각팬(53)이 설치된다. 또한, 상부케이스(50)의 상면에는 다수의 관통구멍(55)들이 형성되어 있으며, 상부케이스(50)의 측면에는 초음파 발생기(56)이 설치된다. 관통구멍(55)에는 후술하는 초음파 진동부(65)와 상기 초음파 발생기(56)를 연결하는 콘넥터가 배치된다.
그리고 하부케이스(60)에는 다수의 실린더(62)가 형성되어 있으며, 각각의 실린더(62)에는 초음파 진동부(65)가 배치된다. 실린더(62)는 그 입구(62a)를 통하여 유입된 연료와 물의 혼합물이 각각의 실린더(62)를 모두 차례로 통과하면서 최종적으로 출구(62b)를 통하여 배출되도록 통로(63)에 의해 서로 연통되어 있다. 이는 실린더(62)를 통과하는 연료로 하여금 보다 많은 초음파 에너지를 조사(照射) 받도록 하기 위한 것이다. 그리고 실린더(62)의 일측에는 연료의 개질 과정에서 발생하는 증발가스를 연료 탱크(10)로 리턴시키는 리턴구멍(64)이 형성되어 있다. 이 리턴구멍(64)은 연결관에 의해 연료 탱크(10)의 리턴파이프(16)와 연결된다.
한편, 하부케이스(60)의 실린더(62)에 배치되는 초음파 진동부(65)는 도 6에 도시된 바와 같이 실린더(62)의 상부에 배치되는 진동자(66)와, 진동자(66)의 하부에 배치되는 혼(67)과, 실린더(62)의 바닥면에 배치되는 반사판(68)으로 구성된다.
진동자(66)는 초음파 발생기(56)로부터 전달되는 초음파에 따라 특정 주파수 예를 들면, 28KHz/200W로 진동하고, 혼(67)은 초음파 진동 에너지를 액체연료에 집중시키는 역할을 한다. 반사판(68)은 진동자(66)와 혼(67)에 의해 진동되는 액체 연료와 물의 혼합물이 부딪히면서 압력파와 공동현상을 일으키도록 하는 기능을 행한다. 여기서, 진동자(66)와 혼(67) 그리고 반사판(68)에 의해 액체 연료와 물이 극미립자화되는 과정과 그 원리는 특허 제 110354호에 상세하게 나타나 있으므로 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같은 구성에 의해 입구(62a)를 통하여 실린더(62) 내부로 유입된 액체 연료와 물의 혼합물은 실린더(62)를 차례로 통과하면서 초음파에 의해 액체 연료내에 물이 미립상으로 산재되는 이른바, 유화유{emulsified oil, 油中水滴(Water in oil)}로 개질될 수 있는 것이다. 특히, 유화유에 내포된 물방울은 실린더(62)를 여러차례 반복 통과하면서 더욱 미립화되어 상기 액체 연료를 더욱 양질의 유화유로 개질시키는 것이다. 양질의 유화유는 미소 폭발 연소(microexplosion)를 촉진시켜 연료의 연소 효율을 향상시킨다. 한편, 연료 중 연질 분은 초음파 에너지를 받으면 가스로 변환되는데, 이 가스는 휘발분과 함께 리턴구멍(64)을 통하여 연료 탱크(10)로 리턴된다. 여기서, 초음파 개질장치(40)에는 실린더(62)내부의 가스를 흡입하여 연료 탱크(10)로 이송시키는 리턴펌프(도시하지 않음)가 설치된다.
그리고 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이 하부케이스(60)의 하부에는 가열판(70)이 배치되는데, 이 가열판(70)에는 열선(72)이 설치되어 상기 하부 케이스(60)를 항상 일정한 온도로 가열시킨다.
다시, 도 1을 살펴보면, 펌프(80)는 초음파 개질장치(40)로부터 배출되는 액체연료에 소정의 압력을 부여하는 것이며, 노즐(90)은 상기 펌프(80)로부터 소정압으로 배출되는 양질의 유화유를 버너(B)의 연소실로 분사하는 것이다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 작동을 살펴보면 다음과 같다. 우선, 연료 탱크(10) 및 물 탱크(20)에서 적절히 가열된 액체 연료와 물이 교반장치(30)로 유입되면, 교반장치(30)에서는 액체 연료와 물을 적당히 교반시킨다. 그런 다음, 교반장치(30)에서 교반된 액체 연료와 물은 초음파 개질장치(40)로 유입되며, 초음파 개질장치(40)로 유입된 액체 연료와 물은 케이스(41)의 실린더(62)를 차례로 통과하면서 양질 유화유로 개질되는 것이다. 그리고 양질 유화유로 개질된 액체 연료는 펌프(80)에 의해 소정의 압력을 가지면서 노즐(90)을 통하여 외부로 배출되는 것이다.
이와 같은 본 발명은 초음파를 이용하여 점성이 높고 질이 낮은 액체 연료를, 점성이 낮고 질이 높은 양질의 유화유로 시킴으로써, 액체 연료의 연소 효율을 향상시킴은 물론 액체 연료의 연소시 발생하는 유해가스, 특히 인체에 치명적인 영향을 끼치는 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)의 발생을 최대한으로 저감시키는 장점을 갖는다.
뿐만 아니라 본 발명의 초음파 개질 시스템을 이용하여 점성과 인화점이 높은 식물성 기름을 점성과 인화점이 낮은 유화유로 개질시킴으로써, 석유를 대신할 수 있는 대체 에너지로도 사용할 수도 있는 것이다.
상기한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 적용 범위는 이와 같은 것에 한정되는 것은 아니며 동일 사상의 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다. 예를 들어 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 액체 연료 초음파 개질 시스템은 초음파를 이용하여 점성이 높고 질이 낮은 액체 연료를, 점성이 낮고 질이 높은 양질의 유화유로 시킴으로써, 액체 연료의 연소 효율을 향상시킨다.
또한, 액체 연료의 연소시 발생하는 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)의 발생을 최대한으로 저감시키는 효과를 갖는다.
또한, 점성과 인화점이 높은 식물성 기름을 점성과 인화점이 낮은 유화유로 개질시킴으로써, 석유를 대신할 수 있는 대체 에너지로도 사용이 가능하다.

Claims (3)

  1. 점성이 높고 질이 낮은 액체 연료를 저장하는 연료 탱크(10)와;
    물을 저장하는 물 탱크(20)와;
    상기 연료 탱크(10)와 물 탱크(20)로부터 공급되는 액체 연료와 물을 교반하는 교반장치(30)와;
    초음파 발생기(56)와 초음파 진동부(65)를 갖추고 있으며, 상기 교반장치(30)로부터 공급되는 액체 연료와 물의 혼합물에 초음파 진동 에너지를 가하여 양질의 유화유로 개질하는 초음파 개질 장치(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 연료의 초음파 개질 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 초음파 개질장치(40)는 입구(62a)를 통하여 유입된 액체 연료와 물의 혼합물이 차례로 통과하도록 통로(63)에 의해 순차적으로 연통되는 다수의 실린더(62)를 구비하며, 이 실린더(62)내에는 상기 초음파 진동부(65)가 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 연료 초음파 개질 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 초음파 진동부(65)는 상기 초음파 발생기(56)로부터 전달되는 초음파에 따라 미리 정해진 주파수로 진동하는 진동자(66)와, 이 진동자(66)의 진동에너지를 액체 연료와 물의 혼합물로 조사하는 혼(67)과, 액체 연료와 물의 혼합물이 진동하면서 부딪쳐서 압력파와 공동현상을 일으키도록 하는 반사판(68)으로 된 것을 특징으로 하는 액체 연료 초음파 개질 시스템.
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