KR100497635B1 - 연료기화장치, 촉매연소장치 - Google Patents

연료기화장치, 촉매연소장치 Download PDF

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KR100497635B1 KR10-2002-7004012A KR20027004012A KR100497635B1 KR 100497635 B1 KR100497635 B1 KR 100497635B1 KR 20027004012 A KR20027004012 A KR 20027004012A KR 100497635 B1 KR100497635 B1 KR 100497635B1
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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 기화기 가열히터의 소비전력을 대폭 절감하여, 연료소비량을 저감하는 촉매연소장치를 제공한다.
본 발명의 촉매연소장치는 연료를 공급하는 연료탱크(1)와, 공기를 공급하는 공기공급팬(5)과, 상기 연료를 기화시키기 위한 기화기(8)와, 상기 기화한 연료와 상기 공기가 수납되는 혼합기체공간(15)과, 상기 혼합기체공간에 인접한 촉매연소부(17)와, 혼합기체공간(15) 내에 설치된 촉매발열체(10)를 구비하며, 촉매발열체(10)는 혼합기체의 흐름의 상류측으로부터 하류측까지 설치된 제 1 발열체 경계부(11), 제 2 발열체 경계부(12)를 갖고, 그 전부 또는 일부에는 촉매가 함유되고, 상기 혼합기체가 유통하기 위한 제 1 혼합기체 유통구(13) 및 제 2 혼합기체 유통구(14)가 설치되어 있다.

Description

연료기화장치, 촉매연소장치{FUEL VAPORIZER AND CATALYST COMBUSTION EQUIPMENT}
본 발명은 액체연료를 사용하는 촉매연소장치 등에 관한 것으로, 특히 액체연료의 기화방법, 특히 기화에 필요한 소비전력의 절감기술에 관한 것이다.
액체연료를 기화시키는 방법으로서, 종래부터 액체연료를 기화부에 떨어뜨려 기화시키는 방법이나 기화부 내에 설치된 기화소자를 경유하여 기화시킨 후에 분출시키는 방법 등이 가정용 석유연소기기에 이용되어 잘 알려져 있다.
어떤 방법에서도, 형성되는 화염의 화염구부에 설치된 기화열 회수링이나 화염 중에 일부를 돌출하여 배치된 기화열 회수 수열체 등으로부터 열전도에 의해 기화부로의 열회수가 행해지고 있다.
상기 종래의 기화장치에 있어서는, 형성되는 화염 및 그 근방의 분위기온도가 1100∼1300℃로 고온이기 때문에 화염구부에 설치된 기화열 회수링이나 화염 중에 일부를 돌출하여 배치된 기화열 회수 수열체 등으로부터 열전도에 의해 기화부로 열회수함으로써 자열(自熱 : self heat) 연소가 가능해지는 경우도 있었다.
그러나, 촉매연소장치에 있어서는, 촉매연소부의 온도가 내열한계인 900℃ 이하로 제한되고, 보다 저온의 열회수원이 되기 때문에, 종래와 같은 기화부 구성에 의해 자열연소를 실현하는 것은 곤란하므로, 기화부를 계속 가열하기 위한 히터가 별도로 필요하였다.
그런데, 이 기화부를 가열하기 위한 히터는 막대한 소비전력을 필요로 한다는 문제점이 있었다. 또한, 액체연료를 균일가열하여 기화시키는 것은 곤란하고, 연료의 일부는 재응축(타르화)하여 기화부에 퇴적한다는 결함이 있었다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에서의 연소장치의 부분단면 구성도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에서의 연소장치의 요부단면 구성도.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에서의 제 1, 제 2 발열체 경계부의 상면도.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에서의 연소장치의 요부단면 구성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 연료탱크 2 : 연료공급펌프
3 : 연료공급경로 4 : 연료분출구
5 : 공기공급팬 6 : 공기공급경로
7 : 공기분출구 8 : 기화기
9 : 기화기 가열히터 10 : 촉매발열체
11 : 제 1 발열체 경계부 12 : 제 2 발열체 경계부
13 : 제 1 혼합기체 유통구 14 : 제 2 혼합기체 유통구
15 : 혼합기체공간 16 : 연소실
17 : 촉매연소부 18 : 촉매예열히터
19 : 연소가스 배출구 20 : 제 1 공기분류구
21 : 제 2 공기분류구 22 : 정류판
30 : 측벽 31 : 제 2 혼합기체공간
본 발명은 이러한 종래의 촉매연소장치 및 연료기화장치의 과제를 해결하고, 기화열을 계속 공급하기 위한 히터를 별도로 이용하지 않고 기화열을 충분히 얻을 수 있는 연료기화장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 제 1 발명(청구항 1에 대응)은, 연료를 공급하는 연료공급수단과,
공기를 공급하는 공기공급수단과,
상기 연료를 기화시키기 위한 기화기와,
상기 기화기에 접촉 또는 근접하여 설치된 보조촉매 연소부와,
상기 기화기와 상기 보조촉매 연소부 사이에 형성되어 상기 기화한 연료와 상기 공기가 수납되는 혼합기체공간을 구비하며,
상기 보조촉매 연소부는 혼합기체의 흐름의 상류측에서 하류측까지 설치된 복수의 경계부를 갖고,
상기 경계부의 전부 또는 일부에는 촉매가 함유되고, 상기 혼합기체가 유통하기 위한 혼합기체 유통구가 설치되어 있는 연료기화장치이다.
또, 제 2 발명(청구항 2에 대응)은, 상기 공기공급수단은 상기 기화기에 공기를 공급하는 제 1 발명의 연료기화장치이다.
또, 제 3 발명(청구항 3에 대응)은, 상기 공기공급수단은 상기 혼합기체공간 내에 공기를 공급하는 제 1 발명의 연료기화장치이다.
또, 제 4 발명(청구항 4에 대응)은, 상기 혼합기체공간 내에 개구된 공기공급구를 구비하며,
상기 공기는 상기 기화기를 관통하여 상기 공기공급구로부터 상기 혼합기체공간 내로 공급되는 제 3 발명의 연료기화장치이다.
또, 제 5 발명(청구항 5에 대응)은, 상기 경계부의 적어도 하나는 상기 공기공급구보다 하류측에 배치된 공기분류구를 갖고,
상기 공기공급구로부터 공급되는 공기의 일부는 상기 공기분류구를 통과함으로써 분류되는 제 4 발명의 연료기화장치이다.
또, 제 6 발명(청구항 6에 대응)은, 상기 촉매는 상기 경계부의 전부에 함유되어 있고,
상기 경계부의 상기 공기분류구의 구경은 상기 혼합기체의 흐름에 따라 하류에 있는 것일수록 작은 제 5 발명의 연료기화장치이다.
또, 제 7 발명(청구항 7에 대응)은, 상기 경계부는 그 단부가 상기 기화기와 접촉하고 있고,상기 경계부 중 상기 혼합기체의 흐름의 상류측에 위치하는 것은 상기 혼합기체의 흐름의 하류측에 위치하는 것에 소정의 간격을 두고 덮혀 있고,상기 혼합기체는 상기 혼합기체의 흐름의 상류측에 위치하는 상기 경계부의 주위에 유통하는 제 1 발명의 연료기화장치이다.
또, 제 8 발명(청구항 8에 대응)은, 상기 혼합기체의 흐름의 상류측의 상기 경계부의 혼합기체 유통구와, 상기 혼합기체의 흐름의 하류측의 상기 경계부의 혼합기체 유통구는 상기 혼합기체 유통구의 중심축이 동일축 상에서 겹치지 않도록 설치되어 있는 제 1 발명의 연료기화장치이다.
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또, 제 9 발명(청구항 9에 대응)은, 상기 경계부 중 최하류의 것은 적어도 상기 촉매연소부와 대향하는 면이 고방사율 기재로 구성되어 있는 제 1 발명의 연료기화장치이다.
또, 제 10 발명(청구항 10에 대응)은, 상기 경계부 중 최하류의 것은 적어도 상기 촉매연소부와 대향하는 면이 고방사율 기재로 피복되어 있는 제 1 발명의 연료기화장치이다.
또, 제 11 발명(청구항 11에 대응)은, 상기 촉매는 상기 경계부 중 최상류의 것인 상기 기화기에 대향하는 면 및 최하류의 것인 상기 촉매연소부에 대향하는 면 이외의 부분에 함유되어 있는 제 1 발명의 연료기화장치이다.
또, 제 12 발명(청구항 12에 대응)은, 상기 경계부는 서로 소염거리 이하의 간격으로 배치되어 있는 제 1 발명의 연료기화장치이다.
또, 제 13 발명(청구항 13에 대응)은, 제 1 내지 제 12 발명 중 어느 하나의 발명의 연료기화장치와,
상기 보조촉매연소부의 하류측에 설치된 촉매연소부와,
상기 보조촉매연소부와 상기 촉매연소부 사이에 상기 기화한 연료와 상기 공기가 수납되는 제 2 혼합기체공간을 구비한 촉매연소장치이다.
또, 제 14 발명(청구항 14에 대응)은, 상기 제 2 혼합기체공간 내에 상기 공기분류구에 대향하도록 설치된 정류판을 구비한 제 13 발명의 촉매연소장치이다.
이상과 같은 본 발명은 그 일례로서, 액체연료를 공급하는 연료공급경로와, 공기를 공급하는 공기공급경로와, 가열히터를 구비한 기화기와, 상기 기화기에 접촉 또는 근접 배치한 촉매발열체와, 상기 기화기와 상기 촉매발열체 사이에 구비한 혼합기체공간과, 상기 촉매발열체의 하류에 설치한 복수의 연통로를 갖는 촉매연소부를 구비하는 것으로, 상기 촉매발열체가 산화촉매성분을 함유하고, 또한 혼합기체 유통구를 갖는 복수의 발열체 경계부로 구성되어, 상기 복수의 발열체 경계부가 혼합기체의 흐름방향으로 배치되고, 그것에 의해 상류의 발열체 경계부를 통과한 혼합기체가 하류의 발열체 경계부를 차례로 통과하는 것을 특징으로 한 촉매연소장치이다.
또한, 본 발명의 다른 일례의 촉매연소장치에서는 공기공급경로 선단부의 공기분출구를 기화기에 관통시키고, 공기가 기화기에 접촉하지 않도록 하는 동시에, 촉매발열체를 구성하는 발열체 경계부의 공기분출구 하류위치에 공기분류구를 설치하고, 일부의 공기가 여기를 통과하여 촉매발열체에 접촉하지 않도록 공기를 분류한 것을 특징으로 하고 있다.
또, 본 발명의 다른 일례의 촉매연소장치에서는 최상류의 발열체 경계부에 산화촉매성분을 함유하고, 최하류의 발열체 경계부를 고방사율 기재로 구성, 또는 적어도 촉매연소부에 대향하는 면을 고방사율 재료로 피복하고, 기화기에 접촉배치한 것을 특징으로 하고 있다.
또, 본 발명의 다른 일례의 촉매연소장치에서는 상류측의 발열체 경계부의 혼합기체 유통구를 통과한 혼합기체가 하류측의 발열체 경계부에 충돌하도록 혼합기체 유통구를 배치한 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예에 있어서, 다수의 연통구멍을 갖고 각종 연료로의 산화활성을 갖는 촉매체, 액체연료의 기화장치, 착화장치나 유량제어장치 또는 필요에 따라 온도검출장치나 구동장치등을 구비한 촉매연소장치가 필요하다.
촉매연소부로서는 금속이나 세라믹의 벌집형 담체, 세라믹섬유의 편조체 또는 다공질 소결체 등에 백금이나 팔라듐 등의 귀금속을 주성분으로 한 활성성분을 함유시킨 것을 이용할 수 있다.
공기의 유량제어에는 수동의 니들밸브나 전동의 솔레노이드밸브 등을 사용하고, 액체연료의 경우에는 전자펌프 등을 사용한다. 그 밖의 구동부분은 수동의 레버조작이나 자동제어의 모터구동 등이 가능하다.
착화장치로서는 상기 히터나 방전점화기 등을 사용할 수 있다.
또, 이들은 모두 종래부터 널리 채용되어 있는 수단이고, 다른 공지의 수단이라도 가능하다. 여기서는 그들의 상세한 내용에 대해서는 설명을 생략한다.
(제 1 실시예)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 촉매연소장치의 부분단면 구성도이다.
도 1에서 1은 연료탱크, 2는 연료공급펌프, 3은 연료공급경로, 4는 연료분출구, 5는 공기공급팬, 6은 공기공급경로, 7은 공기분출구, 8은 기화기이고, 그 내측면을 흑색내열도료로 도장하고 있다.
또한, 9는 기화기 가열히터, 10은 촉매발열체이고, 촉매발열체(10)는 금속기재에 백금족 금속을 함유한 제 1 발열체 경계부(11)와 연접하는 제 2 발열체 경계부(12)로 구성된다. 제 1 발열체 경계부(11)에는 제 1 혼합기체 유통구(13)가 설치되고, 제 2 발열체 경계부(12)에는 제 2 혼합기체 유통구(14)가 설치되어 있다. 제 1 발열체 경계부(11)는 기화기(8)와 접촉배치되고, 제 2 발열체 경계부(12)와 제 1 발열체 경계부(11) 및 제 1 발열체 경계부(11)와 기화기(8) 사이는 제 2 발열체 경계부 및 제 1 발열체 경계부(11)와 일체화한 측벽(30)으로 주위를 둘러싸서, 혼합기체공간(15)이 형성되어 있다. 또, 측벽(30)은 본 발명의 보조촉매연소부의 일부에 상당한다.
16은 연소실이고, 17은 복수의 연통구멍을 갖는 벌집형 세라믹에 백금족 금속을 함유한 촉매연소부이고, 18은 촉매예열히터이고, 19는 연소가스 배출구이다. 또한, 촉매발열체(10)와 촉매연소부(17) 사이에는 제 2 혼합기체공간(31)이 형성되어 있다.
이어서, 도 1에 나타내는 본 실시예의 촉매연소장치의 동작과 특성을 설명한다. 연료탱크(1) 내의 액체연료(등유를 사용)를 연료공급펌프(2)로 유량제어하고, 연료공급경로(3)를 경유하여 연료분출구(4)로부터 공기공급경로(6) 내로 분출한다.
한편, 공기공급팬(5)에 전압을 인가하여 동작시켜, 이보다 적정 유량의 공기를 공급한다. 공기는 공기공급경로(6)를 경유하여 액체연료와 혼합되고, 공기분출구(7)로부터 기화기(8) 내로 분출된다. 공기분출구(7)로부터 분출한 혼합기체는 기화기 가열히터(9)의 온오프제어에 의해 250℃ 이상으로 제어된 기화기(8)의 대향하는 벽에 충돌하여 액체연료는 기화한다.
기화한 액체연료를 포함하는 혼합기체는 혼합기체공간(15)을 유통하여 제 1 발열체 경계부(11)에 접촉반응한다. 이어서, 혼합기체는 제 1 혼합기체 유통구(13)로부터 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12) 사이에 유입되어 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12)에 각각 함유되어 있는 촉매 표면에 접촉반응한 후, 제 2 혼합기체 유통구(14)로부터 배출되어, 제 2 혼합기체공간(31)을 통해 촉매연소부(17)에 공급된다.
이 때, 촉매발열체(10)에 있어서는, 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12) 사이를 유통하는 혼합기체의 촉매 표면으로의 접촉빈도가 높아지고, 더욱이 대향하는 면 사이에서의 방사열의 교환에 의해 축열효과가 얻어져, 벌집형 촉매와 동등한 높은 반응효율을 실현할 수 있고, 또한 과다하게 연소하지 않고 적절한 열량이 얻어진다.
또한, 연료공급펌프(2)에서의 연소량의 조절에 의해, 촉매연소부(17)의 상류온도는 양호한 연소배기가스특성을 갖고, 계속 연소 가능한 500℃ 이상, 또한 내열한계인 900℃ 이하로 제어된다. 이 때, 촉매연소부(17)의 상류에 연소량의 50∼60%에 상당하는 열방사가 행해진다. 또한, 촉매발열체(10)의 온도는 촉매발열체(10)에서의 반응열과 촉매연소부(17)로부터 환류되는 방사열에 의해 600∼800℃로 유지되고, 기화열을 제공하는 데 알맞은 범위로 유지된다.
또, 제 1 발열체 경계부(11)에서 발생하는 반응열은 기화기(8)와의 접촉부분으로부터의 열전도와 기화기(8)에 대향하는 면으로부터의 열방사에 의해, 한편, 제 2 발열체 경계부(12)에서 발생하는 반응열은 제 1 발열체 경계부(11)를 통해 열전도에 의해 기화기(8)에 전해진다. 또한, 촉매발열체(10)로부터의 전도열과 방사열은 액체연료의 기화열에 덧붙여서 혼합기체의 예열에도 이용되기 때문에, 다시 촉매발열체(10)를 경유하여 촉매연소부(17)에 환류된다.
이와 같이, 촉매발열체(10) 및 촉매연소부(17)에서의 반응열을 기화기(8)로 환류시킴으로써 기화기(8)를 250℃ 이상으로 제어하기 위해 필요한 기화기 가열히터(9)의 소비전력을 대폭 절감할 수 있는 동시에, 혼합기체를 적절한 온도로 예열함으로써 연료소비량을 저감(즉, 높은 열이용 효율을 실현)할 수 있어, 에너지를 절감하면서 경제성이 우수한 촉매연소장치를 제공할 수 있다.
또, 본 발명은 촉매발열체(10)로부터 기화기(8)로의 기화열회수의 대부분을 행하고 있으므로, 하류에 촉매연소부(17)를 설치하지 않는 경우(즉, 화염연소장치)에도 적용할 수 있어 응용범위가 넓은 기화장치를 제공할 수 있다.
또, 본 실시예에서는 산화촉매성분은 제 1 발열체 경계부(11) 및 제 2 발열체 경계부(12)의 양면에 함유되어 있지만, 제 1 발열체 경계부(11) 또는 제 2 발열체 경계부(12) 중 어느 하나의 양면 또는 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12)의 대향하는 면에만 산화촉매성분을 함유해도 된다. 이 경우, 상기와 같은 효과가 얻어지는 동시에, 값비싼 귀금속의 사용량을 저감할 수 있어, 보다 낮은 비용의 촉매연소장치를 실현할 수 있다.
(제 2 실시예)
본 발명의 제 2 실시예에 대하여 설명한다. 도 2는 본 실시예의 요부단면도이다. 도 2에서, 공기분출구(7)의 하류에 설치된 20, 21은 제 1 공기분류구, 제 2 공기분류구이고, 분류된 공기가 통과한다. 또한, 촉매예열히터(18)에 접촉배치된 22는 정류판이다.
본 실시예의 기본구성은 제 1 실시예와 같다. 다른 점은 (1) 공기분출구(7)를 기화기(8)에 관통시켜, 공기가 기화기(8)에 접촉하지 않도록 하여, 발열체 경계부에서 공기분출구(7)의 하류위치에 공기분류구를 설치하고, 일부의 공기가 공기분류구를 통과하여 촉매연소부(17)에 접촉하지 않도록 공기를 분류하고 있는 점, (2) 모든 발열체 경계부(제 1 발열체 경계부(11) 및 제 2 발열체 경계부(12))를 통형상의 구성으로 하여 어느 발열체 경계부도 그 통형상의 테두리부로 기화기(8)에 접촉하도록 배치하는 동시에, 상류측의 제 1 발열체 경계부(11)의 전체 주위에 혼합기체를 유통시키도록 상류측의 제 1 발열체 경계부(11)를 소정의 간격을 두고 덮도록 하류측의 제 2 발열체 경계부(12)를 배치하고 있는 점, (3) 상류측의 제 1 발열체 경계부(11)에 설치된 제 1 혼합기체 유통구(20)는 그것을 통과한 혼합기체가 하류측의 제 2 발열체 경계부(12)에 충돌하도록 배치되어 있는 점의 세가지 점이다.
이어서, 도 2, 도 3에 있어서, 본 실시예의 동작과 특성을 설명한다. 공기는 공기공급경로(6)를 경유하여, 기화기(8)에 관통한 선단부의 공기분출구(7)로부터 혼합기체공간(15) 내로 분출된다. 제 1 발열체 경계부(11)에서 분류된 공기의 일부는 기화한 연료와 혼합되지 않고, 제 1 공기분류구(20), 제 2 공기분류구(21)로부터 직접 연소실(16) 내로 공급된다.
한편, 나머지 공기는 혼합기체공간(15) 내를 유통하고, 기화기(8)에서 기화한 연료와 혼합하여, 제 1 발열체 경계부(11)와 접촉반응한다(적정한 공기유량에 대하여 공기부족의 상태). 또, 혼합기체는 제 1 혼합기체 유통구(13)로부터 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12) 사이에 유입하여, 일단 제 2 발열체 경계부(12)에 충돌하여 확산, 혼합된 후, 제 1 발열체 경계부(11)의 외측 및 제 2 발열체 경계부(12)의 내측에 각각 함유된 촉매 표면에 접촉반응한다. 이어서, 혼합기체는 제 2 혼합기체 유통구(14)로부터 배출되어 연소실(16) 내로 공급된다.
이와 같이, 제 1 발열체 경계부(11)의 전체 주위에 혼합기체를 유통시키도록 제 2 발열체 경계부(12) 및 측벽(30a)을 배치함으로써, 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12) 사이의 반응면적을 크게 하고, 유통하는 혼합기체의 촉매 표면으로의 접촉빈도를 높이고, 또 대향하는 면 사이에서의 방사열의 교환에 의해 축열효과를 얻을 수 있었다. 따라서, 벌집형 촉매와 동등한 높은 반응효율을 실현할 수 있고, 또한 과다하게 연소하지 않고 적절한 열량이 얻어졌다.
상기한 바와 같이 분류된 공기는 정류판(22)에 충돌하여 연소실(16)의 주위에 형성되는 혼합기류측으로의 흐름을 형성하고, 여기서 혼합기체와 혼합되어 촉매연소부(17)에 공급된다. 이 때, 촉매발열체(10)를 통과한 혼합기체는 상술한 바와 같이, 연소용 공기로의 방열량을 억제할 수 있기 때문에 적정유량에 대하여 공기부족의 상태로 되어 있지만, 촉매발열체(10)에서 발생하는 반응열과 촉매연소부(17)로부터 환류되는 방사열에 의해 촉매발열체(10)의 온도는 제 1 실시예와 동등한 600∼800℃로 유지된다.
또, 촉매발열체(10)에서 발생하는 반응열은 기화기(8)와의 접촉부분으로부터의 열전도와, 제 1 발열체 경계부(11)의 기화기(8)에 대향하는 면으로부터의 열방사에 의해 기화기(8)에 전해진다. 제 2 발열체 경계부(12)는 제 1 발열체 경계부(11)의 전체 주위에 혼합기체를 유통시키도록 배치되어 있기 때문에, 반응면적이 크고 각부의 반응열량도 많다.
또한, 촉매발열체(10)로부터의 전도열 및 방사열은 액체연료의 기화열로서만 이용되고, 기화기(8)로의 별도 공급열량을 혼합기체로서 기화시킨 경우의 1/8∼1/6로 저감할 수 있다. 동시에, 촉매발열체(10)와 접촉하는 혼합기체의 유량을 저감함으로써 촉매발열체(10)로부터 혼합기체로의 열회수량을 저감하고 있기 때문에, 전체 연소량 영역에 걸쳐 기화기(8)를 250℃ 이상으로 제어하기 위해 필요한 기화기 가열히터(9)의 소비전력을 제로로 절감할 수 있어 자열연소를 실현할 수 있다.
또한, 본원 발명의 촉매연소장치에 있어서, 도 3(발열체 경계부의 상면도)에 나타내는 바와 같이, 제 1 혼합기체 유통구(13)를 통과한 혼합기체가 하류측의 제 2 발열체 경계부에 효과적으로 충돌하도록 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12)의 각각의 혼합기체 유통구를 어긋나게 배치하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 이 구성에 의해 혼합기체 중의 연료와 공기의 혼합상태를 좋게 하고, 또한 촉매와의 반응을 좋게 할 수 있으며, 공기를 분류하는 경우나 유량이 적은 저연소량 영역에서도 균일한 혼합기체를 촉매연소부(17)에 공급할 수 있기 때문이다. 이 때, 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12)의 각각의 혼합기체 유통구의 그 중심축이 서로 동일축 상에서 서로 겹치지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 양호한 연소배기가스의 특성을 갖고, 연소량 가변폭이 큰 쾌적성이 우수한 촉매연소장치를 실현할 수 있다.
또, 상기의 본 실시예에서는 산화촉매성분을 제 1 발열체 경계부(11) 및 제 2 발열체 경계부(12)의 전면에 함유시키고 있지만, 제 1 실시예와 마찬가지로 제 1 발열체 경계부(11) 또는 제 2 발열체 경계부(12) 중 어느 하나의 양면 또는 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12)의 대향하는 면에만 산화촉매성분을 함유해도 된다. 이 경우도 상기와 같은 효과가 얻어지고, 또한 값비싼 귀금속의 사용량을 저감할 수 있기 때문에 보다 저비용의 촉매연소장치가 된다.
또한, 상기의 실시예에서는 제 1 공기분류구(20)와 제 2 공기분류구(21)의 구경을 같게 하였지만, 제 2 공기분류구(21)의 구경을 제 1 공기분류구(20)보다 작게 하는 것이 바람직하다. 이로 인하여, 저연소량 영역에서는 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12) 사이에서 공기부족이 생겨, 반응열이 기화기(8)에 충분히 회수되지 않고, 전체 연소량 영역에 걸치는 기화기 가열히터(9)의 소비전력의 제로화를 실현할 수 없다는 문제점을 해결할 수 있다.
(제 3 실시예)
본 발명의 제 3 실시예에 대하여 설명한다. 도 4는 본 실시예의 요부단면도이다.
도 4에서는 제 1 공기분류구(20)가 개설된 제 1 발열체 경계부(11)와 공기분류구를 개설하지 않는 제 2 발열체 경계부(12)는 소염거리(소염거리는 연료종류에 따라 다르다) 이하의 간격으로 설치하고 있고, 본 실시예에서는 1.5mm의 간격으로 설치하고 있다. 이 간격은 연료종류에 따라 다르지만, 혼합기체가 흐를 수 있는 간격으로서, 3.0mm 이하의 간격이면 된다. 또한, 제 1 발열체 경계부(11)에는 산화촉매성분을 함유시켜 제 2 발열체 경계부(12)의 양면을 고방사율재료로 피복하고 있다.
본 실시예의 기본구성은 제 2 실시예와 같다. 다른 점은 (1) 최상류의 제 1 발열체 경계부(11)에 산화촉매성분을 함유하고, 최하류의 발열체 경계부의 촉매연소부에 대향하는 면을 고방사율재료로 피복하여, 기화기에 접촉배치하고 있는 점, 발열체 경계부를 소염거리 이하의 간격으로 배치하고 있는 점이다.
이어서, 도 4에서 본 실시예의 동작과 특성에 대하여 설명한다. 공기는 공기공급경로(6)를 경유하여 기화기(8)에 관통한 선단부의 공기분출구(7)로부터 혼합기체공간(15) 내로 분출된 후, 제 1 발열체 경계부(11)에서 분류된 공기의 일부는 기화한 연료와 혼합되지 않고, 제 1 공기분류구(20)를 통과하여 제 2 발열체 경계부(12)에 충돌한 후 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12) 사이의 공간에 유입한다.
또한, 제 1 혼합기체 유통구(13)로부터 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12) 사이에 유입한 혼합기체는 제 2 발열체 경계부(12)에 충돌, 유입한 공기와 혼합하여, 제 1 발열체 경계부(11)의 촉매 표면에 접촉반응한 후, 제 2 혼합기체 유통구(14)로부터 배출되어 연소실(16) 내로 공급된다.
이와 같이, 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12) 사이를 유통하는 혼합기체의 촉매표면으로의 접촉빈도를 높게 하고, 또 반응열에 의해 승온한 제 1 발열체 경계부(11)와 촉매연소부(17)로부터의 방사열을 흡수한 제 2 발열체 경계부(12)의 대향하는 면 사이에서의 방사열의 교환에 의해 축열효과를 얻음으로써 벌집형 촉매와 동등한 높은 반응효율을 얻을 수 있고, 또한 과다하게 연소하지 않고 적절한 열량이 얻어진다.
또한, 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12) 사이에서 충분히 확산혼합된 균일한 혼합기체를 촉매연소부(17)에 공급하는 것이 가능해져 양호한 연소배기가스의 특성을 실현할 수 있다.
또, 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12)를 소염거리 이하의 간격으로 설치하고 있기 때문에, 연료농도불균일 등의 원인으로 국소적인 고온영역이 존재하는 경우에도 이 영역을 기점으로 하는 발화를 억제할 수 있다.
이 경우, 제 1 발열체 경계부(11)에서 발생하는 반응열에 의해 제 1 발열체 경계부(11)의 온도는 600∼800℃로 유지된다. 또한, 제 1 발열체 경계부(11)와 촉매연소부(17)로부터의 방사열의 90% 이상을 흡수하는 제 2 발열체 경계부(12)의 온도는 350∼550℃로 유지된다.
또, 제 1 발열체 경계부(11)에서 발생하는 반응열은 기화기(8)와의 접촉부분으로부터의 열전도와 기화기(8)에 대향하는 면으로부터의 열방사에 의해 기화기(8)에 전해진다. 또한, 제 2 발열체 경계부(12)에서 흡수되는 제 1 발열체 경계부(11) 및 촉매연소부(17)로부터의 방사열은 접촉부분으로부터의 열전도에 의해 기화기(8)에 전해진다.
한편, 촉매발열체(10)로부터의 전도열 및 방사열은 액체연료의 기화열로서만 이용되어, 기화기(8)로의 별도 공급열량을 혼합기체로서 기화시키는 경우의 1/8∼1/6로 저감할 수 있다.
동시에, 공기를 분류하여 촉매발열체(10)와 접촉하는 혼합기체 유량을 저감함으로써 촉매발열체(10)로부터 혼합기체로의 열회수량을 저감하고 있기 때문에, 전체 연소량영역에 걸쳐 기화기(8)를 250℃ 이상으로 제어하기 위해 필요한 기화기 가열히터(9)의 소비전력을 제로로 절감할 수 있어, 자열연소를 실현할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의해 가동비용이 낮은 경제성이 뛰어난 촉매연소장치를 제공할 수 있다. 또, 제 2 발열체 경계부(12)에 산화촉매성분을 함유하지 않기 때문에, 값비싼 귀금속의 사용량을 저감할 수 있어, 보다 낮은 비용의 촉매연소장치를 실현할 수 있다.
또, 본 실시예에 있어서, 제 1 발열체 경계부(11) 및 제 2 발열체 경계부(12)는 모두 기화기(8)에 접촉배치되어 있지만, 제 1 발열체 경계부(11)를 제 2 발열체 경계부(12)에 접촉배치해도 된다. 이 경우도 상기와 같은 효과가 얻어진다. 또한, 촉매발열체(10)를 제 1 발열체 경계부(11), 제 2 발열체 경계부(12)의 2부 구성으로 하고 있지만, 3부 구성 이상으로 한 경우라도 상기와 같은 효과가 얻어진다.
이상, 본 발명을 액체연료의 연소장치에서 실시하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 이하와 같은 경우도 본 발명에 포함된다.
즉, 상기에서는 촉매체의 담체로서 벌집형 세라믹을 이용하고 있지만, 미리 혼합기체가 유통할 수 있는 다수의 연통구멍을 갖는 것이면 그 소재나 형상에 한정은 없고, 예컨대, 세라믹이나 금속의 소결체, 벌집형 금속이나 금속부직포, 세라믹섬유의 편조체 등이 이용 가능하다. 또한, 형상도 평판에 한하지 않고, 만곡형상이나 통형상 또는 골판형상 등, 소재의 가공성과 용도에 따라 임의로 설정할 수 있다.
활성성분으로서는, 백금, 팔라듐, 로듐 등의 백금속의 귀금속이 일반적이지만, 이들의 혼합체나 다른 금속이나 그 산화물 및 이들과의 혼합조성이어도 되고, 연료종류나 사용조건에 따른 활성성분의 선택이 가능하다.
또한, 본 실시예의 촉매발열체는 2개의 발열체 경계부로 구성되어 있지만, 발열체 경계부는 3개 이상의 복수이면 더욱 좋다. 특히, 도 2에서는 상류측의 발열체 경계부를 덮도록 하류측의 발열체 경계부를 배치하고, 또 공기분출구가 기화기를 관통하고 있지만, 반드시 양쪽의 구성을 취할 필요는 없다.
또, 상기의 각 실시예에서 연료탱크(1), 연료공급펌프(2), 연료공급경로(3)는 본 발명의 연료공급수단의 일례이며, 공기공급팬(5), 공기공급경로(6)는 본 발명의 공기공급수단의 일례이며, 기화기(8)는 본 발명의 기화기의 일례이며, 기화기(8) 내의 공간 및 혼합기체공간(15)은 본 발명의 혼합기체공간의 일례이며, 제 2 혼합기체공간(31)은 본 발명의 제 2 혼합기체공간의 일례이다. 촉매연소부(17)는 본 발명의 촉매연소부의 일례이고, 촉매발열체(10)는 본 발명의 보조촉매연소부의 일례이고, 제 1 발열체 경계부(11) 및 제 2 발열체 경계부(12)는 본 발명의 경계부의 일례이다. 또한, 제 1 혼합기체 유통구(13) 및 제 2 혼합기체 유통구(14)는 본 발명의 유통구의 일례이다.
또한, 제 1 공기분류구(20) 및 제 2 공기분류구(21)는 본 발명의 공기분류구의 일례이다.
또한, 상기 실시예에 있어서, 액체연료는 등유라고 하였지만, 그 외에 가솔린, 메탄올, 에탄올 등이어도 된다.
또한, 촉매는 백금족 금속이라고 하였지만, 본 발명의 촉매는 Mn, Cu, Co 등의 산화물 등이어도 된다.
또한, 측벽(30)은 기화기(8)와 제 1 발열체 경계부(11) 및 제 2 발열체 경계부(12)의 주위에 설치되어, 본 발명의 보조촉매연소부의 일부로서, 혼합기체공간을 형성하는 것으로 설명을 하였지만, 본 발명의 경계부는 촉매연소장치의 외벽에 접촉하도록 실현해도 된다.
또한, 제 1 실시예, 제 2 실시예에서는 산화촉매성분은 제 1 발열체 경계부(11) 및 제 2 발열체 경계부(12)의 양면에 함유되어 있다고 하였지만, 제 1 발열체 경계부(11) 또는 제 2 발열체 경계부(12) 중 어느 하나의 양면 또는 제 1 발열체 경계부(11)와 제 2 발열체 경계부(12)의 대향하는 면에만 산화촉매성분을 함유해도 된다. 즉, 본 발명의 경계부는 그 전부 또는 일부에 촉매를 함유하고 있으면 된다. 단 상기의 설명에 있어서, 전부란 복수의 모든 경계부 또는 하나의 경계부의 모든 부분을 의미하며, 일부란 복수의 경계부 중 일부의 하나 또는 복수의 경계부를 의미하거나 또는 하나의 경계부의 일부분을 의미한다.
또한, 상기 실시예에서는 촉매연소장치에 대하여 설명을 하였지만, 본 발명은 촉매연소장치에 한정되는 것은 아니고, 연료를 기화시키기 위한 연료기화장치로서 실현해도 된다. 예를 들면 상기의 각 실시예에서는 촉매연소부(17) 및 촉매예열히터(18)를 생략한 구성으로 하면 연료기화장치를 실현할 수 있다. 이러한 연료기화장치는 예컨대, 화염연소장치 등에 이용할 수 있다.
본 발명에 의해, 열이용효율이 높고 연소량 가변폭이 크며, 쾌적성이 뛰어난 연료기화장치 또는 촉매연소장치를 제공할 수 있었다. 또한, 본 발명에 의해, 값비싼 백금족 금속 등의 귀금속의 사용량을 저감하여, 저비용의 연료기화장치 또는 촉매연소장치를 제공할 수 있었다.

Claims (14)

  1. 연료를 공급하는 연료공급수단과,
    공기를 공급하는 공기공급수단과,
    상기 연료를 기화시키기 위한 기화기와,
    상기 기화기에 접촉 또는 근접하여 설치된 보조촉매 연소부와,
    상기 기화기와 상기 보조촉매 연소부 사이에 형성되어 상기 기화한 연료와 상기 공기가 수납되는 혼합기체공간을 구비하며,
    상기 보조촉매 연소부는 혼합기체의 흐름의 상류측으로부터 하류측까지 설치된 복수의 경계부를 갖고,
    상기 경계부의 전부 또는 일부에는 촉매가 함유되고, 상기 혼합기체가 유통하기 위한 혼합기체 유통구가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료기화장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공기공급수단은 상기 기화기에 공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 연료기화장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 공기공급수단은 상기 혼합기체공간 내에 공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 연료기화장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 혼합기체공간 내에 개구된 공기공급구를 구비하며,
    상기 공기는 상기 기화기를 관통하여 상기 공기공급구로부터 상기 혼합기체공간 내로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료기화장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 경계부의 적어도 하나는 상기 공기공급구보다 하류측에 배치된 공기분류구를 갖고,
    상기 공기공급구로부터 공급되는 공기의 일부는 상기 공기분류구를 통과함으로써 분류되는 것을 특징으로 하는 연료기화장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 경계부의 전부에 함유되어 있고,
    상기 경계부의 상기 공기분류구의 구경은 상기 혼합기체의 흐름에 따라 하류에 있는 것일수록 작은 것을 특징으로 하는 연료기화장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 경계부는 그 단부가 상기 기화기와 접촉하고 있고,
    상기 경계부 중 상기 혼합기체의 흐름의 상류측에 위치하는 것은 상기 혼합기체의 흐름의 하류측에 위치하는 것에 소정의 간격을 두고 덮혀 있고,
    상기 혼합기체는 상기 혼합기체의 흐름의 상류측에 위치하는 상기 경계부의 주위에 유통하는 것을 특징으로 하는 연료기화장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합기체의 흐름의 상류측의 상기 경계부의 혼합기체 유통구와, 상기 혼합기체의 흐름의 하류측의 상기 경계부의 혼합기체 유통구는 상기 혼합기체 유통구의 중심축이 동일축 상에서 겹치지 않도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료기화장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 경계부 중 최하류의 것은 적어도 상기 촉매연소부와 대향하는 면이 고방사율 기재로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료기화장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 경계부 중 최하류의 것은 적어도 상기 촉매연소부와 대향하는 면이 고방사율 기재로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 연료기화장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 경계부 중 최상류의 것인 상기 기화기에 대향하는 면 및 최하류의 것인 상기 촉매연소부에 대향하는 면 이외의 부분에 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 연료기화장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 경계부는 서로 소염거리 이하의 간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료기화장치.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 기재된 연료기화장치와,
    상기 보조촉매연소부의 하류측에 설치된 촉매연소부와,
    상기 보조촉매연소부와 상기 촉매연소부 사이에 상기 기화한 연료와 상기 공기가 수납되는 제 2 혼합기체공간을 구비한 것을 특징으로 하는 촉매연소장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제 2 혼합기체공간 내에 상기 공기분류구에 대향하도록 설치된 정류판을 구비한 것을 특징으로 하는 촉매연소장치.
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