KR100906096B1 - 초소형 연소기용 점화장치와 이를 이용한 초소형 연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초소형 연소기용 점화장치와 이를 이용한 초소형 연소장치에 관한 것으로, 그 목적은 초소형 연소실용으로 가장 적합한 저 에너지 소모형, 초경량화가 가능한 비교적 단순한 구조를 갖는 초소형 점화장치와 이를 이용한 초소형 연소장치를 개발하는 것이다.

본 발명은 연소실내에 위치하도록 연소실의 양측단에 각각 설치되고, 국부 가열을 위한 발열선 및 상기 발열선에 전류와 전압을 공급하는 리드선으로 구성된 발열부와, 상기 발열부를 지지하고 연소실에 연결되어 설치되는 지지틀을 포함하는 점화장치와, 상기 점화장치가 연소실의 양측단 설치된 초소형 연소장치로 구성되어 있다.

초소형 연소기, 초소형 점화장치, 백금, 산화막 니켈-크롬합금

Description

초소형 연소기용 점화장치와 이를 이용한 초소형 연소장치{Ignition unit for micro combustion system and micro combustor using thereof}

본 발명은 내연기관의 연소실용 점화장치와 같이 압축, 팽창, 착화, 배기 공정을 수행하는 연소실내에서 연료와 공기의 혼합가스 점화를 위해 사용되는 초소형 연소기용 점화장치와 이를 이용한 초소형 연소장치에 관한 것으로, 기존의 접촉식 또는 spark 방식의 점화장치와는 달리 비접촉식, 비 spark 방식으로 국부 가열이 가능한 발열체를 통해 연소실 내의 압축, 착화 공정을 완수할 수 있는 초소형 연소기용 점화장치와 이를 이용한 초소형 연소장치에 관한 것이다.

본 발명과 관련된 기존의 기술은 대부분이 스파크(spark) 플러그 방식의 점화장치를 이용하고 있다. 이 방식은 대부분의 내연기관에서 사용되고 있으며, 자동차용으로 응용되고 있는 점화장치의 대부분이 이 방식에 의한다. 이 방식은 두 개의 전극 사이에서 전류를 흘렸을 때 spark가 발생하게 되며, 이때 발생된 스파크(spark)에 의해 압축 공정을 겪고 있는 연소실 내의 혼합가스가 착화되면서 폭발하여, 피스톤에 압력을 가해 운동에너지를 얻고, 이 운동에너지를 발전기를 통해 전기로 변화시켜 시스템을 구동시키는 원리를 갖는다.

대표적인 인용 특허로는 “내연엔진의 점화장치 J P 2 0 0 4 - 6 8 7 2 2 A 2 0 0 4 . 3 . 4”과 “내연기관용 점화장치 유닛 J P 2 0 0 4 - 7 9 9 3 8 A 2 0 0 4 . 3 . 1 1” 이 있다.

또 다른 인용특허 “ignitor apparatus US 6,578,490 B1”은 비접촉식, 비spark 방식의 점화장치로서 하나의 프로브에 고분자 관과 exclosive 분말을 장착하여 이를 통해 점화원을 얻는 방식으로 본 발명과 유사하긴 하지만, 발열 방식 및 연소장치에 조립되는 근본적인 원리가 상이하다.

상기에서 설명한 것과 같이 본 발명의 기술은 기존에 범용으로 사용되고 있는 내연기관용 점화장치 기술에 관한 것이다. 그러나 기존 기술의 경우 매우 소형화된 연소실에 사용하기에는 그 구조가 복잡하고, 그 점화장치를 작동하기 위해서는 많은 부대부품이 결합되어야 하기 때문에 소형화된 시스템을 구성하는데 한계성을 나타낸다. 또한 스파크 점화방식의 경우 고 정격전압이 요구됨으로 아주 작은 초소형 파워팩 시스템과 같이 고 전압의 구동이 어려운 소형 시스템에 적용이 쉽지 않다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 그 목적은 크기가 매우 작은 초소형 연소장치(예를 들면 초소형 파워팩, 초소형 마이크로 가스터빈 등) 에 사용 가능한 초소형 점화장치와 이를 이용한 연소장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 초소형 연소실용으로 가장 적합한 저 에너지 소모 형, 초경량화가 가능한 비교적 단순한 구조를 갖는 초소형 점화장치를 개발하는 것이다.

본 발명은 연소실내에 위치하도록 연소실의 양측단에 각각 설치되고, 국부 가열을 위한 발열선 및 상기 발열선에 전류와 전압을 공급하는 리드선으로 구성된 발열부와, 상기 발열부를 지지하고 연소실에 연결되어 설치되는 지지틀을 포함하는 점화장치와, 상기 점화장치가 연소실의 양측단 설치된 초소형 연소장치로 구성되어 있다.

본 발명의 점화장치는 상기에서 언급된 초소형 연소장치의 피스톤의 직선왕복 운동시 혼합가스의 압축이 최대로 이루어지는 위치에 위치하도록 초소형 연소장치의 연소실 내부에 장착되어 국부적으로 발열하므로, 최소한의 발열부로 최대한의 착화 효율을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 국부적 발열하므로 에너지 소모가 매우 적고, 발열부와 지지틀로 이루어진 간단한 구조를 구비하므로, 저 에너지를 사용하면서도 소형화를 요구하는 초소형 연소 시스템에 적합하다.

또한, 본 발명은 발열선을 백금, 니켈-크롬 합금 등의 재질로 구성하여, 폭발, 압축, 착화, 배기 등 지속되는 연소실 내의 극한 상황에서도 오랜 시간 장기 성능을 유지할 수 있다.

또한, 본 발명은 단순한 구조를 구비하고, 에너지 소모가 적으며, 낮은 전압 조건에서도 운전이 가능하기 때문에 저 전압 고 효율의 에너지원을 필요로 하는 소형 시스템 (예를 들어, 휴대용 배터리 및 휴대폰 등의 초소형 파워팩, 비상용 에너지 발생장치용 연소장치, 소형화되면서 고 밀도의 에너지원이 필요한 로봇 산업용 에너지 발생장치 등)에 응용할 수 있는 등 산업적으로 많은 파급효과가 있다.

연료와 공기의 혼합가스(6)를 연소시켜 에너지를 발생시킬 수 있는 초소형 파워팩과 같은 초소형 연소장치(2)는 피스톤(4)의 직선 왕복운동으로 연소실(5)을 압축, 팽창시키며, 이때 발생되는 운동에너지는 발전장치(3)에 의해 전기에너지로 전환되게 된다. 이러한 과정에서 피스톤(4)의 직선 왕복운동에 필요한 에너지는 연소실(5)에 공급되는 혼합가스(6)의 착화와 폭발에 의해 얻어질 수 있다.

상기 혼합가스(6)의 착화과정을 가능하게 하는 것이 점화장치(1)로, 본 발명의 초소형 점화장치(1)는 점화방식을 비접촉식, 비spark식, 국부 발열 방식을 구비하고, 발열부의 크기를 최소화하여 에너지 소모량을 최소화하였으며, 연소실 내의 압축이 최대로 작동하는 위치에 발열부가 위치하도록 연소실에 점화장치를 설치하여 최소한의 발열부로 최고의 점화성능을 발휘하도록 되어 있다.

본 발명에 따른 초소형 연소장치는 연소실(5)과, 상기 연소실의 양측단에 위치하도록 또한 연소실내에 위치하도록 설치되어 연소실로 공급되는 혼합가스(6)의 착화/폭발을 유도하는 점화장치(1)와, 상기 연소실내 위치하도록 설치되어 직선 왕복운동으로 연소실(5)을 압축/팽창시키는 피스톤(4)과, 상기 피스톤에 연결되어 피스톤의 직선왕복운동에 의해 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 전환시키는 발전장치(3)를 포함하도록 되어 있다.

상기 점화장치(1)는, 초소형 연소장치의 연소실(5)내에 위치하도록 연소실의 양측단에 각각 설치되고, 국부 가열을 위한 발열선(11) 및 상기 발열선(11)에 전류와 전압을 공급하는 리드선(12)으로 구성된 발열부(17)와, 상기 발열부(17)를 지지하고 연소실에 연결되어 설치되는 지지틀(16)을 포함한다.

상기 발열선은 백금, 니켈-크롬 합금 등의 재질로 이루어져 있으며, 피스톤(4)의 압축 운동시 피스톤(4)이 피스톤 압축구(13)에 삽입, 배출 운동될 시, 방해되지 않는 위치에 장착된다.

상기 지지틀(16)은 퀄츠, 세라믹, SUS 등을 활용 가능하도록 구성하였으며. 지지틀(16)의 형상은 원통형과 사각 형태를 구비한다.

또한, 상기 지지틀(16)에는 2 개, 또는 4 개의 발열선(11)이 장착될 수 있도록 리드선(12)을 정렬하는 리드선 가이드 갭(15)이 형성되어 있다.

상기 리드선은 리드선 가이드 갭을 통해 지지틀에 정렬되며, 점화장치(1)의 조립시, 세라믹 또는 광학 접착제 등에 의해 기밀이 유지되도록 되어 있다.

또한, 본 발명에 따른 발열선(11)은 피스톤 압축구(13)에 매우 근접한 외곽 표면에 리드선 가이드 갭(15a)을 원형으로 음각하여 형성하고, 상기 리드선 가이드 갭(15a)에 발열선(11)이 위치하도록 정렬하여 구성할 수 있다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 사각형태의 지지틀에 의한 사각 점화장치를 도시한 것으로, 본 발명에 따른 초소형 점화장치(1)는 연소실(5)의 좌,우 끝 부분에 설치되며, 사각형태를 구비한다.

상기 지지틀(16)에는 각 모서리에 초소형 연소장치에 고정하고, 기밀이 유지되도록 하기 위해 작은 조인트 구멍(14)이 천공되어 있다.

또한, 상기 지지틀(16)의 재질은 내열성이 우수하고 열충격에 강한 세라믹이나 퀄츠 또는 고온용 SUS 재질으로 되어 있으며, 점화장치(1)의 지지틀(16) 표면에는 도 1 에서와 같이 2 개, 또는 4 개의 발열선(11)이 장착될 수 있도록 리드선(12)용 리드선 가이드 갭(15)을 구성하되, 점화장치(1)의 조립시에는 세라믹 또는 광학 접착제 등으로 기밀한다.

상기 발열선(11)은 상기의 리드선 가이드 갭(15)을 통해 지지틀(16)에 정렬되고, 피스톤(4)의 압축 운동시 피스톤(4)이 피스톤 압축구(13)에 삽입, 배출 운동에 방해되지 않도록 연소실의 양측단에 각각 장착된다.

또한 점화장치(1)는 도 1 의 하단 맨우측에 도시된 바와 같이 피스톤 압축구(13)에 매우 근접한 외곽 표면에 리드선 가이드 갭(15)을 원형으로 음각하여 구성하고, 이에 발열선(11)을 원형으로 설치할 수 있다.

도 2 는 원통형상의 점화장치를 도시한 것으로, 도 1 에서와 같이 초소형 연 소장치(2)와의 전반적인 구성은 유사하지만, 지지틀(16)을 서로 다른 직경을 구비하는 원통형으로 가공하고, 그 내부에 혼합가스(6) 유입구와 발열선(11), 리드선(12) 등을 모두 장착한 후 공차를 이용하여 초소형 연소실(2) 내부에 맞춤 조립하도록 되어 있다.

상기 지지틀(16)은 원형의 2단 원통 모양으로 가공하며, 지지틀(16)과 연소장치(2)와의 가공상 - 공차를 두어 맞춤 조립을 수행하도록 되어 있다.

즉, 상기 원통형 점화장치의 지지틀(16)은 연소실의 양단내로 끼움결합되는 제 1 지지틀(18)과, 상기 연소실의 외부에 위치하도록 제 1 지지틀(18)과 일체형으로 형성되고 제 1 지지틀(18)보다 큰 직경을 구비하는 제 2 지지틀(19)을 포함하도록 되어 있다.

이와 같은 본 발명의 원통형 점화장치는 지지틀의 제 1 지지틀이 연소실에 끼움결합되므로, 기밀을 위한 조인트 구멍(14)이 필요하지 않으며, 가공상-공차에 의해 초소형 연소장치(2)와 조립되어 기밀을 유지하도록 되어 있다. 이때, 상기 지지틀(16) 표면에는 약간의 접착제를 도포하여 조립하는 것이 바람직하다.

상기 지지틀(16)의 재질은 내열성이 우수하고 열충격에 강한 세라믹이나 퀄츠 또는 고온용 SUS 재질을 사용할 수 있다.

또한, 상기 지지틀(16)에는 도 1 에서와 같이 2 개, 또는 4 개의 발열선(11)이 장착될 수 있도록 리드선(12)용 리드선 가이드 갭(15)을 지지틀(16)의 축방향으로 각각 2 쌍씩 가공하여 천공하되, 점화장치(1)의 조립시에는 세라믹 또는 광학 접착제 등으로 기밀한다.

상기 발열선(11)은 리드선 가이드 갭(15)을 통해 지지틀(16)에 정렬하며, 피스톤(4)의 압축 운동시 피스톤(4)이 피스톤 압축구(13)에 삽입, 배출 운동에 방해되지 않는 위치에 장착하도록 한다.

또한 점화장치(1)는 도 2 의 하단 맨우측에 도시된 바와 같이 피스톤 압축구(13)에 매우 근접한 외곽 표면에 리드선 가이드 갭(15)을 원형으로 음각하여 구성하고, 이에 발열선(11)을 원형으로 설치할 수 있다.

도 3 은 본 발명에 따른 초소형 연소기(2)용 초소형 점화장치(1)에 사용되는 발열부에 대한 실제전경 및 제작 방식을 도시한 것으로,

(a)에서는 3 종류의 발열선(11)이 도시되어 있다. 상기 발열선(11)의 기본 형태는 코일 형태로 구성되며, 재질은 니켈-크롬 합금을 구비한다.

또한, 상기 발열선은 발열시 상호 접촉에 의해 합선되지 않고, 고온의 산소 분위기의 연소실 내에서 오래 사용 가능하도록 도시된 바와 같이 단계적으로 열처리를 수행하였으며, 상기 열처리는 각각 300℃, 500℃, 1000℃에서 각각 8시간씩 수행하였다.

첫 번째(b)와 두 번째(c)의 발열선(11)은 지지체(16)에 몰입시키는데 유리하도록 제작된 것이며, 세 번째 (d)의 발열선(16)은 돌출형이 가능하도록 제작하였다. 각각의 발열선에 대한 크기는 길이가 1∼4㎜로 하였으며, 지름은 0.5∼1㎜로 하였다.

도 4 는 본 발명에 따른 초소형 연소기용 초소형 점화장치(1)에 대한 실제 제작 전경을 나타낸다. 도 1 에서 설명된 사각 형태의 점화장치(1)를 실제로 제작한 것이며, 발열선(11)이 4 개 장착될 수 있도록 하였고, 발열선(11)은 도 3 의 두 번째 형상의 것을 사용하였으며, 발열선(16)의 크기는 길이 4㎜, 지름 0.5㎜인 것이 사용되었다.

도 5 는 본 발명에 따른 또 다른 형태의 구조를 갖는 초소형 연소기용 초소형 점화장치에 대한 실제 제작 전경을 나타낸다. 도 2 에서 설명된 원통 형태의 점화장치(1)를 실제로 제작한 것이며, 발열선(11)이 2 개 장착될 수 있도록 하였고, 발열선(11)은 도 3의 첫 번째와 세 번째 형상의 것을 사용하였으며, 발열선(16)의 크기는 길이 4㎜, 지름 1㎜인 것이 사용되었다.

상기와 같이 구성된 초소형 연소장치(2)는 일반적인 내연기관에서와 같이 압축, 착화, 폭발, 팽창, 배기 등의 행정을 거치면서 에너지를 발생시키고, 피스톤(4)의 직선 왕복 운동에 의해 이러한 행정이 반복되도록 구성되어 있다.

또한, 본 발명에 따른 점화장치(1)는 피스톤(4)의 직선왕복 운동시 혼합가스(6)의 압축이 최대로 이루어지는 위치에 국부적으로 발열하여 최소한의 발열 에너지로 최대한의 착화 효율을 얻을 수 있도록 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 혼합가스(6)가 한쪽 연소실(5)로 유입되면서 이미 혼합가스(6)가 유입되어 압축된 연소실(5)에서는 점화장치(1)에 의해 착화가 발생한다. 착화가 이루어지면 폭발, 팽창하게 되며, 배기가스는 이 팽창 과정에서 배기된다. 이 과정에서 피스톤(4)이 다른 한 쪽으로 이동하게 되면서 다른 편의 연소실(5)이 다시 압축, 착화 되고 폭발, 팽창한다. 이러한 상기의 과정이 진행되면서 초소형 연소장치(2)의 피스톤(4)에 의한 운동에너지는 발전장치(3)를 통해 전기에너지로 변환된다.

이 과정에서 점화장치의 발열부는 초기 연소실(5)의 압축, 착과 과정에서만 작동하고, 이후 반복 과정이 지속적으로 이루어지면 발열이 일시 중단되었다가, 다시 연소실의 압축, 착화가 필요할 때 작동하도록 구성되어 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

도 1 은 본 발명에 따른 초소형 연소기용 점화장치 및 조립방식에 대한 상세도

도 2 는 본 발명에 따른 또 다른 형태의 구조를 갖는 초소형 연소기용 점화장치 및 조립방식에 대한 상세도

도 3 은 본 발명에 따른 초소형 연소기용 점화장치에 사용되는 발열부에 대한 실제전경 및 제작 방식을 보인 사진예시도

도 4 는 본 발명에 따른 초소형 연소기용 점화장치에 대한 실제 제작 전경이 도시된 사진예시도

도 5 는 본 발명에 따른 또 다른 형태의 구조를 갖는 초소형 연소기용 점화장치에 대한 실제 제작 전경이 도시된 사진예시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 점화장치 (2) : 초소형 연소장치

(3) : 초소형 발전장치 (4) : 피스톤

(5) : 연소실 (6) : 연료/공기 혼합가스

(11) : 발열선 (12) : 리드선

(13) : 피스톤 압축구 (14) : 조인트 구멍

(15) : 리드선 가이드 갭 (16) : 지지틀

(17) : 발열부 (18) : 제 1 지지대

(19) : 제 2 지지대

Claims (11)

1. 연소실내에 위치하도록 연소실의 양측단에 각각 설치되고,

   국부 가열을 위한 발열선 및 상기 발열선에 전류와 전압을 공급하는 리드선으로 구성된 발열부와,

   상기 발열부를 지지하고 연소실에 연결되어 설치되는 지지틀을 포함하되,

   상기 지지틀은 모서리에 조인트용 구멍이 천공되고, 중앙에 피스톤 압착구를 구비하며, 상기 피스톤 압착구에 연결되도록 상,하,좌,우에 리드선이 장착되는 2 쌍의 리드선 가이드 갭이 가공된 사각형태의 지지틀,

   또는 연소실의 양단내로 끼움결합되는 제 1 지지틀과, 상기 연소실의 외부에 위치하도록 제 1 지지틀과 일체형으로 형성되고 제 1 지지틀 보다 큰 직경을 구비하는 제 2 지지틀을 포함하며, 중앙에 피스톤 압착구를 구비하고, 2 쌍의 리드선 가이드 갭이 원통의 축 방향으로 천공된 원통형 지지틀인 것을 특징으로 하는 초소형 연소기용 점화장치.
2. 청구항 1 에 있어서;

   상기 발열선은 백금, 또는 산화막이 형성된 니켈-크롬 합금선인 것을 특징으로 하는 초소형 연소기용 점화장치.
3. 청구항 1 에 있어서;

   상기 지지틀은 퀄츠, 세라믹, 고온용 SUS으로 이루어진 군에서 선택된 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 초소형 연소기용 점화장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 청구항 1 에 있어서;

   상기 리드선 가이드 갭은 세라믹 또는 접착제에 의해 기밀이 유지되는 것을 특징으로 하는 초소형 연소기용 점화장치.
7. 청구항 1 에 있어서;

   상기 사각형태의 지지틀에는 피스톤 압착구의 둘레를 따라 원형형태의 발열선이 장착되도록 리드선 가이드 갭이 형성된 것을 특징으로 하는 초소형 연소기용 점화장치.
8. 삭제
9. 청구항 7 에 있어서;

   상기 리드선 가이드 갭은 세라믹 또는 접착제에 의해 기밀이 유지되는 것을 특징으로 하는 초소형 연소기용 점화장치.
10. 청구항 1 에 있어서;

    상기 원통형의 지지틀에는 피스톤 압착구의 둘레를 따라 원형형태의 발열선이 장착되도록 리드선 가이드 갭이 형성된 것을 특징으로 하는 초소형 연소기용 점화장치.
11. 연소실과,

    상기 연소실의 양측단에 위치하도록 또한 연소실내에 위치하도록 설치되어 연소실로 공급되는 혼합가스의 착화/폭발을 유도하도록 청구항 1 로 이루어진 점화장치와,

    상기 연소실내 위치하도록 설치되어 직선 왕복운동으로 연소실을 압축/팽창시키는 피스톤과,

    상기 피스톤에 연결되어 피스톤의 직선왕복운동에 의해 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 전환시키는 발전장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 연소기용 점화장치를 구비하는 초소형 연소장치.

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