KR100937787B1

KR100937787B1 - 다중 플레이트 연소기

Info

Publication number: KR100937787B1
Application number: KR1020057005772A
Authority: KR
Inventors: 메르자드 모바상히
Original assignee: 파마 홀딩스 엘티디.
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2010-01-20
Also published as: CN100532934C; US20070042300A1; JP2006501429A; WO2004031651B1; CA2500769A1; CA2500769C; AU2003273663A1; EP1546608B1; WO2004031651A2; WO2004031651A3; AU2003273663A8; KR20050071541A; ITTO20020850A1; CN1720414A; US7473094B2; EP1546608A2; JP4413141B2

Abstract

본 발명은 펄스연소기에 관한 것으로 두 개의 분리된 외부플레이트를 포함하되 상기 외부플레이트는 평평한 외부영역, 평평한 영역 내측의 원뿔영역 및 중앙허브를 구비한다. 본 발명에 의한 펄스연소기은 외부플레이트 사이에 구비된 다수의 중간플레이트를 포함하고 상기 허브 중의 하나와 결합된 버너와; 를 포함하되 상기 다수의 중간플레이트는 플레이트들 사이와 외부플레이트와 중간플레이트 중의 인접한 하나 사이와의 테일파이프 영역을 형성하도록 분리되고 상기 버너는 상기 연소기 쳄버 네의 연료/혼합공기를 연소한다. 상기 상기 외부와 중간플레이트는 상기 테일파이프 영역을 통해 플레이트 사이의 팽창한 가스를 냉각하는 컨덕팅 냉각 흐름을 위한 나선형 냉각경로를 갖는다. 본 발명은 연소쳄버 내에서 사용하기 위한 버너조립체를 부가하여 포함한다.

펄스연소기, 원뿔, 허브, 테일파이프, 쳄버, 연료/혼합공기, 연소

Description

다중 플레이트 연소기{MULTIPLE PLATE COMBUSTOR}

본 발명은 증가된 파워 출력을 위한 다중 플레이트를 이용하는 펄스연소기(pulse combustor)에 관한 것이다.

펄스연소기는 공기와 연료의 혼합기가 예를 들면 점화로드에 의해 초기에 점화되는 장치이다. 점화 가스는 압력과 온도의 신속한 증가로 빠르게 팽창한다. 생성 압력 파동은 연소가스를 배기영역 밖으로 배출하는 장치 아래로 이동한다. 열 교환은 압력 파동의 통과 후 발생하는 압력 강하를 향상시키고 가스를 냉각하는 장치의 벽에서 일어난다. 벽에서 열교환에 의해 야기된 냉각과 조합한 가스의 팽창에 기인하는 이러한 압력강하는 연소실 안쪽 압력을 새로운 가스가 연소실 내로 유입되게 하는 주위 압력(즉, 음압력) 아래로 떨어지게 한다. 배기 흐름은 플레이트를 빠져나가는 일부 가스와 연소실로 되돌아오는 일부 가스로 정지에 이르게 된다. 배기 영역에서의 흐름은 역으로 되고 새로운 공기와 가스 혼합기를 압축하고 여전히 높은 연소실의 온도로 다시 한번 점화가 된다. 펄스연소기는 주로 열수 보일러, 물 가열기, 또는 저압 및 고압 스팀 보일러 등으로 사용된다.

미국특허 4,968,244호에는 방사상 배기실과 소정 분배 연료 혼합기를 연소실로 주입하기 위한 연소실과 결합된 카부레터(carburetor)가 구비된 펄스연소기가 개시되어 있다. 배기실 케이싱의 디자인은 연소실의 각 측면에 위치한 내측 플레이트와 외측 플레이트를 포함한다. 배기실은 냉각제통로를 형성하기 위해 외측 플레이트에 의해 덮인 내측 플레이트에 기계가공된 나선형 냉각제 그루브를 갖는다. 나선형 그루브를 기계가공하고 서로 결합된 두 플레이트의 사용은 건조를 어렵게 하고 비싸게 한다. 또한, 빠른 가열과 냉각은 냉각제가 누출되기 쉬운 장치를 만드는 디스크와 플레이트 사이의 결합에 스트레스를 가한다. 끝으로, 카부레터의 복합 디자인은 장치의 비용을 추가한다. 또한, 이 디자인의 오퍼레이션은 주거지 등의 특정 영역에 대해 이용할 수 없게 하는 조절된 수준 이상으로 될 수 있는 높은 가스 압력으로 제한된다.

PCT 출원 WO97/20171호는 배기실에 의해 둘러싸인 중앙 연소실을 가지는 펄스연소기를 개시하고 있고, 여기서 연소실과 배기실 부분은 나선형으로 감긴 냉각제 튜빙의 이격된 두 벽 사이에 형성된다. 벽을 형성하는 냉각제 튜빙은 훨씬 더 큰 열전달 영역을 제공하지만 동시에 연소기의 구조를 상당히 간소화한다. 연료 노즐은 연소실 입구에 위치되고 스파크 발생기는 연소실에 설치되고 연소기에 들어가는 연료를 점화하기 위해 노즐 가까이에 있다.

연소실의 반경과 테일파이프(tailpipe)의 반경에 대한 제한은 펄스연소기에 의해 달성된 파워의 총량(열발생의 BTU)에 대한 한계가 된다. 그러므로, 연소기는파워출력을 증가시킬 수 있는 것이 요구된다.

본 발명의 목적은 파워출력을 증가시킬 수 있는 펄스연소기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 파워출력을 증가시킬 수 있는 펄스연소기를 위한 변형된 버너를 제공하는 것이다.

[개요]

본 발명은 이격된 두 외부플레이트를 포함하는 펄스연소기로 이루어져 있고, 외부플레이트는 평탄한 외부영역, 평탄한 외부영역 안쪽의 원뿔영역 및 중앙 허브를 갖고, 여기서 플레이트의 원뿔영역 사이의 용적이 연소실을 규정한다. 펄스연소기는 또한 외부플레이트들 사이에 위치된 다수의 중간플레이트를 포함하고, 상기 다수의 중간플레이트들은 그들 사이에 그리고 외부플레이트와 인접한 어느 한 중간플레이트 사이에 테일파이프(tailpipe) 영역을 형성하기 위해 이격되고, 그리고 허브 중 하나에 결합된 버너를 포함하고, 상기 버너는 연소실에서 연료와 공기 혼합기를 점화하기 위해 작동된다. 외부 및 중간플레이트는 테일파이프 영역을 지나는 플레이트 사이를 이동하는 팽창 가스를 냉각하기 위해 냉각유체를 안내하는 나선형 냉각제통로를 가진다.

바람직하게는, 중간플레이트는 각 인접 플레이트 세트들 사이에 균일한 가스 흐름을 야기하는 가변저항을 제공하기 위해 이격된다.

펄스연소기는 연소실에 설치된 버너 조립체를 포함한다. 버너 조립체는 상기 중간플레이트의 인접한 것과 외부플레이트 사이의 테일파이프 영역에 가스 흐름을 동등하게 하기 위해 원통형 표면 둘레에 이격된 노즐개구단이 있는 긴 중공 튜브를 갖는다.

본 발명은 또한 원통형 표면을 따라 다수의 노즐개구단을 갖는 긴 중공 튜브를 포함하는 연소실에서 사용하는 버너 조립체로 이루어져 있다. 버너의 일단은 중공 튜브에서 연료 혼합기의 점화로 점화된 가스가 중공튜브를 따라 그 둘레에 균일하게 배출되도록 버너 노즐에 결합될 수 있다.

긴 중공 튜브는 원통형 표면의 길이를 따라 연장되고 그 길이를 따라 이격된 노즐개구단을 가지는 다수의 긴 노즐조립체를 포함하는 방사상으로 이격된 다수의 긴 슬롯이 구비된 원통형이 될 수 있다.

노즐조립체는 노즐개구단을 액세스하는 플리넘(plenum)과 결합 슬롯 위의 실린더의 외부표면에 부착된 각 노즐조립체를 구비하고 있다.

본 발명은 또다른 목적과 장점뿐만 아니라 작동법과 구성에 대하여 첨부도면과 관련하여 읽을 때 후술하는 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.

도 1A는 버너 조립체가 없는 다중 플레이트 연소기 조립체의 단면도이다.

도 1B는 버너 조립체가 있는 다중 플레이트 연소기 조립체의 단면도이다.

도 2A는 중앙 허브가 있는 외부플레이트의 정면도이다.

도 2B는 중앙 허브가 있는 외부플레이트의 측면도이다.

도 3A는 중간플레이트의 정면도이다.

도 3B는 도 3A의 중간플레이트의 좌측면도이다.

도 4A는 총 5개의 플레이트로 구성된 조립된 펄스연소기의 측면도이다.

도 4B는 플레이트 갭을 설명하기 위한 상세도이다.

도 5A는 버너 노즐의 단면도(end view)이다.

도 5B는 도 5A의 버너 노즐의 측단면도이다.

도 6A는 버너를 만들기 위한 실린더의 사시도이다.

도 6B는 도 6A의 버너의 측단면도이다.

도 7A는 버너를 만들기 위한 노즐 피스의 사시도이다.

도 7B는 도 7A의 노즐 피스의 측면도이다.

도 7C는 도 7A의 노즐 피스의 저면도이다.

도 8A는 버너 조립체의 단면도이다.

도 8B는 A-A선 단면도이다.

도 8C는 B-B선 단면도이다.

도 9는 버너 조립체에 사용하기 위한 원추형의 부분 측단면도이다.
[도면부호의 설명]
10 ... 연소기 11,16 ... 중앙허브, 환상허브
12 ... 버너노즐 13 ... 개구단
14, 74 ...원뿔영역 15 ... 폐구단
17 ... 슬롯 19 ... 리세스
18 ... 원통 20 ... 노즐조립체
21 ... 개구단 22 ... 원뿔
23,30 ... 외부플레이트 24,26,28 ... 중간플레이트
25 ... 냉각수 인렛(외부플레이트) 31 ... 냉각수 인렛(중간플레이트)
32 ... 커플러 34 ... 오리피스
36 ...버너 39 ... 스페이서
40,41,42,43 ... 테일파이프 영역
44 ... 볼트 45 .... 온수 아웃렛(외부플레이트)
46, 58 ... 내화성재료 d1, d2, d3, d4 ... 갭
48 ... 전면판넬 52 ... 온수 아웃렛(중간플레이트)
54 ... 점화기 55 ... 플레임센서
56 ... 파일롯트 라인 64 ... 버너조립체
70 ... 쳄버 72 ... 스파크플러그
76... 화염 스프레더

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 작동상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.

도 1A를 참조하여 설명하면, 다중 플레이트 펄스연소기 조립체는 5개의 디스크 형상 플레이트 또는 코일(23, 24, 26, 28 및 30)을 구비하고, 이는 너트와 볼트(미도시)에 의해 평행한 방향으로 유지된다. 그리고 버너노즐(12)이 외부플레이트(23)의 중앙 개구단을 통과한다. 화염 스프레더(76)는 마지막 외부플레이트의 (30)의 중앙에 설치된다. 상기 5개의 디스크 형상 플레이트 또는 코일(23, 24, 26, 28 및 30)은 이하에서 도면부호 23,30은 외부플레이트로, 도면부호 24,26,28은 중간플레이트로 정의한다.
외부플레이트(23)와 중간플레이트(24), 중간플레이트(24)와 중간플레이트(26), 중간플레이트(26)와 중간플레이트(28), 중간플레이트(28)와 중간플레이트(30) 사이에 각각의 갭(d1, d2, d3, d4)을 갖는 각각의 테일파이프 영역(40, 41, 42, 43)이 있다. 각각의 외부플레이트(23 및 30)는 각각 연합 중앙 원뿔영역(74 및 14)을 갖는다.

작동시에 공기와 가스 혼합기는 버너(36)로 들어가고 상기 혼합기의 일부는 오리피스(34)를 통과한다. 점화로드 또는 스파크 플러그(72)는 화염 스프레더(76)를 향해 빠르게 퍼지는 화염을 생성하는 혼합기를 점화한다. 연소는 순환 방식으로 연소기 쳄버(70) 안쪽에서 일어난다. 공기와 가스 혼합기의 연소는 연소기 쳄버(70)의 압력의 갑작스런 증가를 일으키고, 교대로 압력 파동을 일으킨다. 압력파동은 빠르게 바깥쪽으로 이동하고 외부플레이트(23,30)와 중간플레이트(24, 26, 28)의 주변을 향해 테일파이프 영역(40, 41, 42 및 43)을 통해 배기 생성물을 옮긴다. 외부플레이트(23,30)와 중간플레이트(24, 26, 28)의 벽에서 열교환을 통한 냉각과 함께 가스상 배기 생성물의 갑작스런 팽창은 연소기 쳄버(70) 안쪽을 낮은 압력이 되게 한다. 이러한 낮은 압력은 순간적인 정지에 이르기 위해 외부플레이트(23,30)와 중간플레이트(24, 26, 28)의 주위에 도달하는 압력 파동을 일으킨다. 일부 가스는 연소기(10) 둘레의 주위 영역으로 배기되고, 일부는 희박 파동의 형태로 연소실로 되돌아온다. 동시에, 연소실에서 낮은 압력에 기인하여, 새로운 부피의 공기와 가스 혼합기가 연소기 쳄버(70)에 도입된다. 복귀 파동은 이러한 새로운 부피의 공기와 가스 혼합기를 예비압축한다. 연소실에서 온도가 상승함에 따라, 새로운 공기와 가스 혼합기가 스파크가 필요없이 점화되고 연소 사이클이 반복된다.

두 플레이트 연소기의 열발생은 약 600,000 BTU로 제한된다. 하나는 파워 발생을 증가시키기 위해 연소기를 간단히 확대할 수 없다. 하나 이상의 플레이트를 두 외부플레이트(23 및 30) 사이에 놓음으로써 두 플레이트 시스템의 것 이상의 열발생을 증가시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 그러나, 열 분배를 최대화하기 위해 각 테일파이프 내로 점화가스의 흐름을 균형있게 하여야 한다. 하나는 각 테일파이프 영역 아래의 가스 흐름이 동일하게 되도록 플레이트 사이의 갭을 조정할 수 있다. 이것은 하나가 화염 스프레더에 접근함에 따라 더 좁아지는 테일파이프 영역을 초래할 것이다.

도 1A에 나타낸 r/R 비는 적절한 연소에 임계적이다. 연소기 쳄버(70)의 부피가 너무 크면, 연소는 효율이 떨어지거나 또는 전혀 일어나지 않는다. 갭이 너무 크면, 가스의 속도가 느려질 것이다. 테일파이프의 조정방법은 3개의 중간플레이트가 사용된 후 실행할 수 없게 된다. 하나의 해결책은 플레이트 갭에 의존하는 것보다는 오히려 배출가스의 흐름을 조절하기 위해 화염을 분배하는 버너를 사용하는 것이다.

도 1B를 참조하여 설명하면, 다중 플레이트 펄스연소기(10)는 도2A 및 2B에 도시된 두개의 외부플레이트(23 및 30)로 이루어져 있다. 스테인레스 스틸 캐스트 중앙 허브(11)는 외부플레이트(30)의 중앙 개구단에 설치되고 환상 허브(16)가 외부플레이트(23)의 중앙 개구단에 설치된다. 기계로 가공된(홈이 파진) 파이프가 캐스트 중앙 허브(11) 대신에 사용될 수 있다. 파이프가 사용되면, 스테인레스 스틸 플레이트는 "스프레드 허브"로 언급된 생성 조합으로 한 파이프에 용접된다. 설명을 위해 "허브"는 캐스트 허브와 기계가공 파이프라고 한다.

감겨진 허브(11,16)는 각각의 외부플레이트(23,30)를 형성하는 스테인레스 스틸 튜브이다. 상기 두개의 외부플레이트(23,30)는 도3A 및 도3B에 도시된 바와 같이 허브가 있지 않은 스테인레스 스틸로 제작된 세개의 중간플레이트(24,26,28)가 구비된다. 상기 외부플레이트(23,30)와 중간플레이트(24, 26, 28)는 평행한 위치에 네개의 스테인레스 스틸 스페이서(39) 또는 조절 너트 조립체에 의해 고정되고 소정 거리만큼 떨어져 구비된다(도4B참조).

두개의 허브(11,16) 사이에 포함된 볼륨은 외부플레이트(23,30)의 원뿔영역(14,74) 사이의 볼륨과 함께 포함되고 연소기(10)의 "연소쳄버"를 한정한다. 각플레이트의 세트 사이에 포함되는 볼륨은 볼륨을 에워싸는 두개의 플레이트를 "테일파이프 영역(40,41,42,43)"으로 정의한다. 상기 버너는 중앙 원통형으로 제작되고 스테인레스 원통(18)은 튜브의 원통 표면에 방사상으로 구비된 긴 슬롯(17)을 갖는다(도6A 및 6B). 각 슬롯은 노즐조립체(20)에 고정되고(도7A, 도7B, 도7C) 각 조립체는 다수의 노즐개구단(21)를 갖는다. 도8A의 원뿔(22)은 환상허브(16) 보다 중앙허브(11)에 근접한 원뿔의 기부(base)와 노즐 슬롯(17)이 원통 내에서(18) 마주하도록 구비된다. 내화성재료(46)는 긴 슬롯(17)의 인접한 원통(18)을 에워싼다. 허브(16)는 내화성(46) 재료로 둘러싸이고 외부플레이트(23) 주변의 나선형 홈의 짧은 부분을 갖는다. 커플러(32)의 푸러스트로-원뿔영역(a frustro-conical section)에 의한 원통(18)의 개구단이 버너노즐(12)과 결합된다. 연소기(10)는 허브(16)에 의해 수용되는 볼트(44)에 의한 하우징의 전면판넬(48)에 마운트된다.

도2A 및 도2B에 도시된 바와 같이 외부플레이트(30)는 중앙허브(11), 원뿔영역(14), 플레이트 외주면 냉각수 인렛(25) 및 온수 아웃렛(45)을 갖는다.

도3A 및 도3B에 도시된 바와 같이 중간플레이트(24,26,28)는 중공튜빙된 평면 코일로 형성되고, 모든 플레이트는 모두가 동일하고 넓은 개구단, 주변의 냉각수 인렛(31)과 중간플레이트(24)의 중심에 근접한 온수아웃렛(52)을 갖는다.

도4A 및 도4B에 도시된 바와 같이 조립된 연소기의 외부는, 너트를 갖는 볼트와 스페이서(39)가 서로 평행한 플레이트를 갖는 위치에서의 외부플레이트(23,30)와 중간플레이트(24, 26, 28)을 고정하는데 이용되는 것을 알 수 있다.

도5A 및 도5B에 도시된 바와 같이 버너 노즐(12)은 인렛(50)으로부터 연료-공기 혼합기의 통로가 되는 방사상의 다수 오리피스(34)을 갖으며 연료-공기 혼합기는 스파커에 의해 점화된다. 상기 연료-공기 혼합기의 대부분은 도8A에 도시된 버너조립체(64)의 중심을 통해 통과한다.

스테인레스 스틸 원통(18)은 도6A 및 도6B에 도시되며 방사상으로 분리되고 원통 표면의 긴 슬롯(17), 개구단(13) 및 폐구단(15)을 갖는다.

도7A, 도7B 및 도7C에서 노즐스트립 또는 조립체(20)는 원통(18) 내의 슬롯(17)의 형상과 매치하는 리세스(19)를 갖는 금속제의 긴 블록이고, 가로축으로 규칙적인 구조를 갖으며 리세스(19)의 내부로부터 리세스의 측면의 외부까지 연장한 분리된 노즐개구단(21)를 갖는다. 상기 노즐조립체(20)는 슬롯(17) 상부의 원통(18)에 결합된다.

도8A, 8B 및 8C 의 버너조립체는 원통 스테인레스 스틸 원통(18), 결합노즐조립체(20) 및 내화성재료(58)의 슬리브 상부에 맞는 허브(16)로 구성되고 연소가 일어나는 쳄버를 형성한다. 원뿔(22)은 원통(18)의 폐구단(closed end, 15)과 일렬로 평행한 원뿔(22)을 갖는 원통에 맞추어진다.

점화기(54), 플레임센서(55) 및 파일롯트 라인(56)과의 결합부는 내화성재료(58)로 만들어진다. 도9에 도시된 바와 같이 원뿔구조(62)는 원뿔 형상 보다 포물선형상이다.

동작에 있어서 물이 경계선에서 각 외부플레이트(23,30)와 중간플레이트(24, 26, 28)로 들어가고 중심 근처에서 배출되므로 카운트 플로우 열교환을 허용하는 것이다.

공기 및 가스혼합기는 버너노즐(12), 커플러(32) 및 원통(18) 내부에 있는 연소기 쳄버(70)를 통해 버너조립체(64)로 들어간다. 버너(36) 내에 구비된 점화로드 또는 스파크 플러그(72)로부터의 스파크는 혼합기를 점화한다.

연소주기가 일반적으로 신뢰할 수 있다면 펄스연소기의 적당한 기능에 대한 중요한 다수의 디자인 파라미터가 있다. 제1 파라미터는 배출가스의 속도이다. 상기 속도는 연소생성물이 주어진 플레이트 경계선에 도달할 때 연소쳄버 내에서의 낮은 압력이, 일정값에서 발생하도록 제어될 수 있다. 배출가스의 속도가 매우 느리다면 어떠한 배출가스도 연소기(10) 밖으로 배출되지 않을 것이다. 배출가스의 질량과 볼륨은 테일파이프 및 연소쳄버 내에 남겨질 것이다. 배출가스의 존재는 연소기 쳄버(70)로 들어가는 새로운 공기와 가스 혼합기의 볼륨을 감소할 것이다. 그러므로 제1 주기로부터 남겨지는 배출가스 양에 따라 제2주기는 "초킹"효과로 인해 일어나지 않거나 비정화 또는 불완전한 연소가 일어날 것이다. 비정화 연소는 테일파이프와 연소쳄버 내에 남겨진 배출가스의 양을 증가하기 때문에 초킹효과는 경우에 따라 일어날 것이다.

배출가스의 속도가 매우 빠르다면 큰 비율 또는 모든 비율이 주변으로 빠져나갈 것이다. 이러한 경우에서 공기와 혼합가스의 사전-압력에 대한 허용을 위해 희박한 파형으로 되돌려지는 배출가스의 양은 충분하지 않을 것이다. 사전압력 없이 상기 새로운 공기와 가스 혼합의 점화는 일어나지 않고 연소도 일어나지 않는다.

다음 두개의 파라미터는 연소쳄버의 각각의 볼륨과 테일파이프이고 보일러/물히터의 바람직한 용량을 반영할 것이다. 연소쳄버(70)의 깊이와 반경이 쳄버의 볼륨을 한정한다. 또한 모든 플레이트(23,24,26,28,30)의 평평한 부분 사이의 갭과 갭의 반지름은 테일파이프의 볼륨을 한정한다. 그러므로 반지름과 깊이 또는 갭 면적은 연소쳄버(70)와 테일파이프의 볼륨을 조절한다.

필요한 볼륨을 구하기 위해 반경과 깊이에서의 임의의 변화를 보호하는 연소쳄버(70)의 면적에 동작면에서의 제한이 있다. 예를 들어 깊이가 반경을 작게하도록 증가된다면 최적값 이상에서 스프레더 허브는 "히트싱크"로서 동작할 것이다. 버너로부터의 플레임은 인접한 플레이트(열교환기의 원뿔영역) 이상으로 충분히 스프레드되지 않을 것이고 플레임으로부터 물까지 열전달을 감소할 것이다. 또한 높은 온도의 스프레더 허브는 높은 질소산화물 값을 가져올 것이고 사용함에 있어 비실용적인 장치가 될 것이다.

반대로 깊이가 어떠한 적당한 값 이하로 감소된다면 배출가스의 필요한 팽창이 일어나지 않고 초킹효과를 가져올 것이다. 또한 플레임 임핀지먼트(스프레더 허브 접촉)가 일어나고 비정화연소 및 배출가스에서의 높은 일산화탄소함유를 일으키며 규정 및 단속/공인기관의 가이드라인 하에서 허용되지 않는다. 이러한 두가지 효과는 연소기를 부적합하게 만드는 조합이다.

플레이트(23,24,26,28,30)를 가지면서 반지름 R 은 열전달을 위해 이용할 수 있는 표면의 충분하지 않은 양 이하의 최소값을 갖을 것이다. 이러한 결과로 두개의 인접한 플레이트 사이에서의 갭은 보다 작은 반지름에서 증가되지 않는다. 또한 갭의 공간은 갭의 상부 한계를 갖고 배출가스와 플레이트 표면 사이에서의 충분하지 않은 접촉이 될 수 있는 것 이상에서 연소열이 외부플레이트(23,30)와 중간플레이트(24, 26, 28) 내의 물에 전달되지 않을 것이다.

반대로 갭거리가 매우 작다면 속도는 플레이트 상의 진동효과를 가져오고 바람직하지 않은 낮은 허밍 노이즈를 생성하고 잠재적으로 연소기의 구성요소를 손상시킨다. 또한 더 많은 배출가스는 주변으로 빠져나갈 것이고 연속적인 연소로 희박한 파형으로 되돌려지는 배출가스의 양은 충분하지 않을 것이다.

상술한 효과의 결과로서 연소쳄버(70)의 반지름과 깊이 및 플레이트(23,24,26,28,30)의 반지름과 갭공간이 완전한 펄스연소가 가능한 확실하게 제어될 수 있다.

플레이트의 전체수가 두 개 이상으로 증가될 때 상술된 디자인 파라미터에 부가하여 세번째 주요한 특징은 연소기쳄버(70) 전체 동작에서 중요한 역할이 진행되는 것이다. 이러한 특징은 연속적인 외부플레이트(23,30)와 중간플레이트(24, 26, 28) 사이에서의 배출가스의 일정분배 및 최적분배이다. 가스의 일정분배와 함께 연소기의 성능에 영향을 주는 세가지 주요한 파라미터가 있다는 것이다.

첫째, 전류 또는 전기의 흐름과 유사한 배출가스는 적어도 저항의 경로를 통과한다는 것이다. 둘째 플레임 온도는 플레임 길이를 따라 변화한다(연소기 쳄버의 축에 평행). 이것은 플레임의 팁이 플레임의 오리진 보다 높은 온도를 갖는다는 것이다. 결과적으로 플레임을 둘러싼 배출가스와 공기는 플레임의 길이를 따라 다른 온도를 갖고 그러므로 연소기 쳄버(70)의 깊이에 따라 다른 온도를 갖는 것이다. 결국 플레임의 방향으로 인해 자연스런 플레임의 움직임이 플레임의 칩 방향으로 되고 따라서 외부플레이트(23,30)와 중간플레이트(24, 26, 28) 사이의 마지막 갭 방향이 되는 것이다.

이러한 결과로서 배출가스의 보다 높은 속도가 인접한 테일파이프 영역(43)의 마지막 갭을 통하는 것이다. 그러므로 가장 높은 압력 감소는 상기 갭을 통해 일어난다. 이러한 압력 감소는 팁으로부터 소스까지 플레임의 길이를 따라 감소한다. 그러므로 배출가스속도는 플레임의 길이에 따라 다르고 연소기쳄버(70)의 길이에 따라 달라진다.

그러므로 상기 중간기판(24,26,28)은 연소기쳄버(70)의 축에 가로방향으로 평행하게 구비되어야만 하고 일정하고 동일한 양의 열은 배출가스에 의한 테일파이프영역(40,41,42,43)을 통해 이동된다. 또한 배출가스는 상술한 바와 같은 최적의 열전달, 진동 및 낮은 노이즈 동작을 허용하여 바람직한 속도를 갖는다.

도5A 및 도5B를 참고하면 일련의 오리피스(34)가 짧은 원통의 내측 주변에 드릴된다. 공기와 가스의 혼합기가 노즐을 통해 버너로 들어가고 플레임 로드에 의해 연소된다. 상기 버너들로부터의 플레임은 원통(18)의 축과 평행한 긴 축을 갖는 타원형구조 내에서 수직경로를 따른다.

연소생성물과 외부플레이트(23,30)와 중간플레이트(24, 26, 28)를 통한 물흐름 사이의 최대 열전달을 얻기 위해 필요한 것은 플레임의 길이를 따라 플레임 온도의 손실을 만들거나 연속적인 갭을 통해 압력감소를 변화하여야 한다. 다중 플레이트구조에서 열분배를 위한 자연스러운 것은 마지막 외부플레이트(30) 방향으로 두개의 외부플레이트(28,30) 사이의 갭을 통하는 것이다. 최대 열전달을 얻고 높은 효율에 맞추고 효과를 축적하기 위해 배출가스는 갭 또는 연속적인 플레이트 사이와 테일파이프 영역(40,41,42,43)에서 일정하게 분배된다. 이러한 목적을 달성하기 위해 열교환기에 외부구성요소를 부가함이 없이 가스의 흐름이 갭 또는 테일파이프 영역에서 흐르는 적합한 저항을 만들어 조절되어야만 한다. 매우 간단하게 흐름에 대한 저항이 팁으로부터 소스 방향으로 플레임(flame)의 길이를 따라 증가된다. 버너의 사용없이 플레이트의 원뿔영역의 경사 설계를 조정하고 연속적인 플레이트 사이의 갭을 통해 최적값을 결정해서 이루어진다. 이러한 갭의 값이 일련의 흐름의 동적기준을 이용하고 플레임의 속도의 전파, 플레임의 길이에 따른 온도 기울기 및 배출가스의 속도를 포함하는 방정식에 의해 결정된다.

2: 특별히 설계된 버너의 이용

플레이트와, 열분배의 마지막 플레이트의 원뿔영역 경사 사이의 갭의 효과를 최소화하기 위해 선택적인 버너가 사용될 수 있다. 상기 버너는 세가지 중요한 버너를 포함한다; 하나의 스테인레스 스틸 원통(도6), 하나의 스테인레스 스틸 원뿔(도9) 및 여섯개의 스테인레스 스틸 노즐 스트립(도7). 여섯개의 컷트는 원통의 교차축을 따라 제작되고 스트림의 길이와 동일하다. 각 스트립은 각 컷트의 상부에 용융 결합된다. 원뿔은 원통의 환형 말단이 원통의 다른 말단 주변의 원뿔말단을 갖는 원통의 일측 말단과 같은 동일한 평면에 있도록 원통 내측에 구비되며 공기와 가스의 혼합기가 실린더으로 들어간다(도8). 다수의 슬롯과 노츨 스트림이 조정될 수 있으나 항상 동일한 것은 아니다.

각 노즐 스트립은 종전의 프로파일 내에 패턴된 종전의 다수의 홀을 갖으며 일련적으로 동일하게 분리된 가장 기본적인 프로파일을 가지며 동일한 크기의 홀을 갖는다. 스트립에서의 홀 배열, 각 스트립의 길이, 노즐 프로파일 및 원뿔의 형상이 원통을 통해 플레임의 속도와 분배를 조절한다. 이러한 결과는 플레이밍 원통의 표면으로부터 노즐을 통해 열교환기의 연속적인 갭으로 분산되거나 일정하게 이젝트되는 것이다.

상기 버너는 플렌지에 의한 버너 허브 상에 구비되고(도8) 공기와 가스의 혼합기가 버너를 통해 흐르는 것을 통해 블로워에 연결된다. 공기와 가스 혼합기는 플레임 로드 또는 점화기로부터의 스파크에 의해 연소된다. 노즐 스트립을 통한 플레임은 연소기의 연속적인 갭을 통해 방사상적으로 외부로 배출된다. 원통의 길이는 연소기 쳄버에 의한 길이와 그 비율에 의해 조절된다.

참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시 가능한 예 중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.

Claims

펄스연소기에 있어서,

(a) 중앙허브(11)를 포함하는 두 개의 분리된 외부플레이트(23,30)와;

(b) 상기 외부플레이트(23,30) 사이에 평행하게 구비되고 서로 분리된 구조의 중간플레이트(24,26,28)와; 테일파이프영역(40,41,42,43)이 중간플레이트(24,26,28)의 양면에 형성되고, 상기 중간플레이트(24,26,28)는, i) 상기 중간플레이트(24,26,28)를 통해 냉각제를 흐르게 하기 위한 냉각제통로와, ii) 상기 냉각제통로로 인입되는 방향의 인렛(31) 및 iii) 상기 냉각제통로로부터 배출되는 방향의 아웃렛(52)을 포함하고,

(c) 상기 외부플레이트(23,30) 사이의 연소기쳄버(70) 및

(d) 상기 중앙허브(11)에 결합되고 상기 연소기쳄버(70) 내에서 연료와 공기의 혼합기를 점화하도록 작동하는 버너(36);를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스연소기(10).
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제1항에 있어서,

상기 외부플레이트(23,30)와 상기 중간플레이트(24,26,28)는 중공튜빙된 평면형 코일로 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 펄스연소기(10).
제1항에 있어서,

상기 외부플레이트(23,30)는 중앙원뿔영역(14,74)을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스연소기(10).
제1항에 있어서,

상기 펄스연소기(10)는 상기 외부플레이트(23,30)와 상기 중간플레이트(24,26,28)사이 또는 상기 중간플레이트(24,26,28)들 사이의 갭(d1,d2,d3,d4)을 일정하게 유지하기 위한 스페이서(39)를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스연소기(10).
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제6항에 있어서,

상기 갭(d1,d2,d3,d4)은 테일파이프 영역(40,41,42,43)을 통한 가스흐름이 동일하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 펄스연소기(10).
제1항에 있어서,

상기 중간플레이트(24,26,28)의 인렛(31)은 상기 중간플레이트(24,26,28)의 주변에 구비되는 것을 특징으로 하는 펄스연소기(10).
제1항에 있어서,

상기 중간플레이트(24,26,28)의 아웃렛(52)은 상기 중간플레이트(24,26,28)의 중앙주변에 구비되는 것을 특징으로 하는 펄스연소기(10).
제1항에 있어서,

상기 버너(36)는 개구단(13) 및 폐구단(15)을 갖는 원통(18)을 포함하며 상기 개구단(13)은 중앙허브(11)와 결합되는 것을 특징으로 하는 펄스연소기(10).
제13항에 있어서,

상기 버너(36)는 원통(18) 내에서 결합되는 원뿔(22)을 포함하고 원뿔의 기저부는 원통의 폐구단(15)에 근접한 것을 특징으로 하는 펄스연소기(10).
제13항에 있어서,

상기 버너(36)는,

a) 상기 원통(18)의 길이 방향으로 길게 방사상으로 형성된 다수의 슬롯(17); 및

b) 상기 슬롯(17)의 원통(18) 표면에 결합되는 긴 블록구조를 갖는 다수의 노즐조립체(20);를 포함하고,

상기 노즐조립체(20)는 노즐조립체(20)의 길이방향을 따라 형성된 노즐개구단(21)과 노즐개구단(21)을 수용하는 플리넘(plenum)을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스연소기(10).