KR101243851B1 - 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화목, 펠릿, 석탄 등 고체연료를 사용하여 온수를 얻는 보일러에 관한 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러를 개시한다.
본 발명은 투입구를 갖는 고체연료 연소챔버와, 이 연소챔버 하부에 배치되는 로스틀과, 이 로스틀을 지지하는 지지관과, 상기 로스틀로부터 하향으로 이동되는 고체연료 기화가스를 연소시키는 연소실과, 난방수 유입관과 배출관을 갖는 수조 및 배기가스 배출구가 형성되고, 연소챔버 및 연소실로 외부 공기를 공급하도록 제1, 제2 송풍기를 장착하여 이루어지는 보일러에 있어서, 상기 지지관 하부와 상기 연소실 사이에 혼합실을 마련하되, 이 혼합실은 상기 지지관 하부와 이격된 상태로 상측이 배치되고 상기 연소실 하부로 관통 연결되도록 배치되는 벤츄리관과, 이 벤츄리관 상부 개구부로 유입되어 하측으로 이동하는 화염에 공기가 혼합될 수 있도록 벤츄리관 주변의 공기 수용공간으로 관통 연결되는 외부 공기유입구가 마련되어 이루어지고; 상기 연소실은 바닥을 반원형으로 형성하고, 이 바닥에 연소가스의 열기 방열용 방열핀을 다수 장착하며, 이 방열핀 상부에 얹혀 상기 혼합실로부터 전달되는 기화가스를 확산시켜 기화가스의 연소 열에너지가 주변 수조에 채워진 유입 난방수를 데우면서 이동하도록 반원형 반사판을 배치하여 이루어지며; 상기 배기가스 배출구에는 배기가스를 배출용 배기팬을 장착한 것을 특징으로 한다.

Description

열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러{Boiler for Solid fuel maximizing the heat efficiency}

본 발명은 화목, 펠릿, 석탄 등 고체연료를 사용하여 온수를 얻는 보일러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고체연료의 초기 점화의 편리성과, 연소하여 발생하는 열원을 하향 배출시키는 과정에서 완전연소가 이루어지도록 하고, 이를 통해 얻어지는 고열량 열에너지의 접촉을 극대화하여 열원의 낭비를 방지하면서 고체연료의 공급과 연소 처리과정 그리고 장비 관리의 편리성을 제공하도록 하는 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러에 관한 것이다.

일반적으로 난방 및 온수를 사용하기 위하여 사용되는 보일러는 열기를 전기, 석유, 석탄, 화목 등 다양한 연료를 사용하고 있다.

그러나 고유가 시대가 계속되면서 농촌의 비닐하우스, 개별 난방을 하는 단독 주택 등에는 저렴한 가격으로 열기 또는 온수를 얻을 수 있는 화목, 펠릿, 석탄을 주원료로 사용하는 보일러가 각광을 받고 있다.

특히 보일러 중 고체연료를 상향으로 배기하는 방식은 열기가 바로 외부로 배기되므로 열효율이 낮은 문제점이 있기에 연소실의 화염을 하향 이동시켜 열기의 접촉 시간을 길게 하면서 접촉 면적 또한 극대화를 통해 열 효율을 증대시키는 구조의 개발이 요구되었다.

예컨대 하향식 연소방식으로서, 대한민국 공개실용신안 공개번호 제20-2000-0016438호 "석유, 목재 보일러의 목재 연소장치"가 게시되었다. 이 석유, 목재 보일러의 목재 연소장치는 상부에 석유연소부를 구비하고 그 하부에 목재연소실을 구비하면서, 목재투입구의 상부에서 바람을 일으켜 하부로 송풍하는 송풍기와; 상기 목재연소실의 중앙하부에 내부가 관통된 통공이 구비되고, 일측은 끼움공이 구비된 걸림부재와; 상기 걸림부재의 하부에 화염의 정도를 측정하는 화염검출센서와; 상기 걸림부재의 일측에 배기가스를 외부로 직접 배출하도록 상부커버의 상부로 관통된 목재연소배기구로 구성된 것이다.

상기 석유, 목재 보일러의 목재 연소장치는 송풍기를 이용한 목재의 하향 연소방식으로 수실의 하부에 담수된 난방수부터 열전달이 되므로, 난방 효율을 높여 경제적인 부담을 줄이는 이점을 제공한다고 밝히고 있다.

그러나 상기 석유, 목재 보일러의 목재 연소장치는 석유 연소배기구와 목재 연소배기구를 분리형으로 구성하여 목재 연소배기구에서 발생한 그을음이 석유 연소배기구로 역류하는 현상을 방지하기 위한 것이 주목적으로서, 목재의 화염을 하향으로 우회시킨 후 곧바로 배출시키는 구조이므로 실질적으로 난방 효율을 크게 향상시키는 어렵다.

이에, 더 향상된 난방 효율을 얻을 수 있도록 개량한 대한민국 공개특허 공개번호 제10-2003-0057157호 " 화목보일러 구조"가 개시되었다. 이 화목보일러들은 본체로 둘려 쌓인 화목적재공간부와, 내화재로 이루어지면서 버너부를 갖춘 가로지지대, 이 버너부의 화염이 분사되는 연소실 및, 상기 버너부와 화목적재공간부로 외부공기를 공급하는 1, 2차 공기송풍기로 이루어진 기본 구성으로 이루어진 것으로, 상기 본체는 수실로 이루어진 열교환기로 형성되어 있으며, 상기 가로지지대는 양선단에서 테이퍼면을 이루고 이 테이퍼면을 접하면서 하향 공기유도홈들이 버너부쪽으로 평행되게 이격 형성되고 이 가로지지대의 중앙부에 설치된 버너부는 상부버너와 하부버너의 이중버너로 형성되며, 상기 연소실과 연통된 배기부가 구비되고, 이 배기부의 상부에 다수개의 배출파이프가 설치되며, 이 배출파이프를 감싸도록 열교환기가 설치되어 이루어진 구성이다.

상기 화목보일러 구조는 종래의 화목보일러에 비해 성능 및 편리성이 추가되면서 제작원가를 절감할 수 있어 저가에 많은 수요자들이 사용할 수 있으며, 무엇보다도 개량된 버너 구조의 막힘 방지가 가능하여 화목을 많이 투입할 수 있어 1일 1~2회 나무 투입으로 번거로움을 해결하여 편리성을 추구할 수 있는 이점이 있음을 밝히고 있다.

그러나 상기 화목보일러 구조는, 버너부에 공급되는 공기는 1차공기송풍기를 통하여 연소용 공기로 사용되고, 단지 2차공기송풍기를 매개로 1쌍의 공기 노즐만을 통하여 공기가 공급되기 때문에 화목연소시 완전 연소를 유도하기에는 문제점이 있었다. 즉, 화목적재공간부에 적재된 화목에는 1차공기송풍기를 통하여 유입되는 공기의 유로가 많이 유입되는 부분에서 화목이 편축으로 연소되기 때문에 불안전 연소가 발생할 수 있으며, 화목연소시 완전연소를 위해 화목의 하부쪽인 버너부에서 연소되어져야 하나, 주 연소용 공기가 상부에서 공급됨으로써 공기의 흐름에 따라 화목의 상부로 화염이 전달되거나 한쪽으로 치우쳐 편축으로 연소되는 단점이 있다.

또한, 상기 화목보일러 구조의 문제점을 해소하기 위하여 동일 출원인이 출원한 대한민국 등록특허 제10-0426046호 "화목보일러의 버너부 구조"가 개시되었다. 상기 화목보일러의 버너부 구조는 화목적재 공간부와, 버너부, 이 버너부를 보유지지하는 지지대, 상기 버너부의 화염이 분사되는 연소실, 이 연소실에 연하여 물을 데우는 열 교환기 등을 갖춘 화목보일러에 있어서, 상기 버너부에는 2차공기송풍기를 통하여 공급되는 공기가 내화재 양쪽 측면부에 형성된 상부공기노즐들과 하부 양쪽에 형성된 하부공기노즐들들로 각각 공급 되도록 이루어지면서, 상기 상부공기노즐들과 하부공기노즐들은 버너부의 화염 통로를 기준으로 양쪽으로 서로 대칭적으로 형성되고, 이들 상하부 공기노즐들은 동일한 등간격으로 다수개 형성되어 이루어진 것이다.

상기 화목보일러의 버너부 구조는 연소되는 화목 연료에 적합한 공기를 지속적으로 공급하여 완전연소를 유도시킴에 따라 연소효율의 향상과 화목 연소시 편축 연소 없이 단계적인 완전연소가 이루어지는 이점을 제공한다고 밝히고 있다.

그러나 상기 화목보일러의 버너부 구조는 초기 연소를 위한 공기 공급을 상부측 노즐에서 공급하고 그 화염이 이동하는 차기 단계인 하부측 노즐에서 2차 연소를 위한 공기의 공급을 화염 통로 양측에서 주입하는 버너의 구조이므로 단순히 연소를 위한 공기(산소)를 추가 공급하는 것에 불가하여 완전 연소를 위한 변화를 기대할 수 없다.

또한, 대한민국 공개특허 공개번호 제10-2010-0081703호 "펠릿보일러"가 제안되었다. 상기 펠릿보일러는 펠릿보일러와 펠릿호퍼를 예열관과 펠릿공급관으로 연결하여 펠릿보일러를 구성함에 있어서, 상기 펠릿호퍼는 이송스크류가 구비되는 이송관을 펠릿호퍼에 경사지게 설치하고, 상기 펠릿호퍼 상부의 출구에는 상기 출구의 구경보다 경이 적은 상기 이송관의 출구를 위치시키고, 상기 출구의 선단에는 개폐문을 설치하고, 후방에는 송풍기를 구비하여 구성하고, 상기 펠릿보일러는 펠릿호퍼의 출구와 연결되는 예열관과 펠릿공급관을 연소통에서 연결되도록 하여 연소실 상부에 위치되도록 하고, 상기 연소실의 외곽으로는 수조를, 상기 연소실의 배기관은 수조를 거쳐 배기실에 연결하고, 배기실과 연소실 하방에는 재받이를 설치하여서 구성된 것이다.

상기 펠릿보일러는 펠릿이 연소실의 연소통에서 연소되면서 발생되는 화력이 통공을 통하여 원주면으로 확산되어 수조를 가열하게 되므로 효율이 증대되고, 연소과정에서 발생되는 재는 통공을 통하여 연소통 외부로 배출되어 낙하되므로 연소장애가 없고, 또 펠릿호퍼의 송풍기가 송풍을 중단하면 펠릿호퍼의 출구에 구비된 개폐문이 펠릿 출구를 차단하여 펠릿의 공급을 중단하게 되므로 펠릿보일러가 안전하고 편리하게 사용할 수 있는 특징이 있음을 밝히고 있다.

그러나, 상기 펠릿보일러는 일반적으로 널리 사용되는 펠릿 자동공급장치를 사용하고 펠릿의 공급을 중단하면 자중에 의해 개폐문이 닫히는 구조는 열 효율을 증대하는 효과가 없으며, 하나의 송풍기를 이용하여 연소실에 공기를 공급하는 구조이므로 역시 완전연소를 기대할 수 없는 것이다.

따라서, 상기 종래 기술들은 하나 또는 두 개의 송풍기를 이용하여 연소실로 공기를 공급하거나 연소실의 버너 하부로 이동하는 화염에 공기를 추가 공급하는 것은 연소를 위한 공기(산소) 공급에 한정되고, 연소 후 열교환하면서 배출되는 배기 가스가 원활하게 배출되지 않게 되며, 이 배기 가스의 원활한 배기를 위하여 송풍기의 공기 공급을 증대시키면 반대로 원료의 과소비로 이어져 원료 소비가 증가하는 문제점이 있었다.

대한민국 실용신안 공개번호 제20-2000-0016438호(2000.09.25. 공개) 대한민국 특허 공개번호 제10-2003-0057157호(2003.07.04. 공개) 대한민국 등록특허 제10-0426046호(2004.04.06. 공고) 대한민국 특허 공개번호 제10-2010-0081703호(2010.07.15. 공개)

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 편리한 고체연료의 점화 및 점화 후 초기 정상 연소까지의 시간 단축이 연소챔버에서 이루어지도록 하고, 연소챔버 내의 연소 열원을 하향 배출시켜 연소실로 이동시키는 중간 과정에서 연소가스와 공기가 원활하게 혼합되면서 이동하여 연소실에서 완전연소가 이루어지도록 함으로써 고열량 열에너지를 발생할 수 있으며, 이 고열량 에너지가 단계적으로 확산 이동하면서 온수를 데울 수 있도록 접촉을 최대화시켜 열교환 효율을 높이면서 배기가스를 2차 열교환되면서 원활하게 외부로 배출할 수 있도록 한 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명은 연소용 공기의 공급과 배기가스의 배출을 구분하여 작동시키므로 연소를 위한 공기 공급량 및 배기가스의 배출량 조절이 가능하여 온수의 온도 조절이 가능하고, 연소챔버의 초기 화염을 혼합실로 이동시킨 후 연소실에서 기화가스가 완전연소된 배기가스를 배기팬으로 빨아내어 배출하는 방식이므로 연소챔버 내의 화염이 역류하는 것을 방지할 수 있도록 한 안전한 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러를 제공하는 데 있다.

또한, 정상연소까지의 시기 단축을 위하여 초기 연소 연기의 배기가스를 배출구로 직접 배출시키는 구조와, 완전연소된 배기가스의 열기를 방열하는 열기통로의 막힘을 방지할 수 있도록 그 구조를 부가한 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명은 화목의 사용뿐만 아니라 펠릿 고체연료의 자동 공급 및 연소챔버의 펠릿자동공급장치를 통해 항상 일정한 펠릿 고체연료를 일정한 양이 쌓여 연소될 수 있도록 공급 및 차단 그리고 열기 방출을 자동으로 차단하여 항상 안정하고 편리하게 작동되어 소망하는 온도의 온수를 제공할 수 있는 고체연료용 보일러를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 투입구를 갖는 고체연료 연소챔버와, 이 연소챔버 하부 중앙에 배치되는 로스틀과, 이 로스틀을 지지하는 지지관과, 상기 로스틀로부터 하향으로 이동되는 고체연료 기화가스를 연소시키는 연소실과, 난방수 유입관과 배출관을 갖는 수조 및 배기가스 배출구가 형성되고, 연소챔버 및 연소실로 외부 공기를 공급하도록 제1 송풍기 및 제2 송풍기를 장착하여 이루어지는 고체 연료용 보일러에 있어서, 상기 로스틀을 지지하는 지지관 하부와 상기 연소실 사이에 혼합실을 마련하되, 이 혼합실은 상기 지지관 하부와 이격된 상태로 상측이 배치되고 상기 연소실 하부로 관통 연결되도록 배치되는 벤츄리관(venturi tube)과, 이 벤츄리관 상부 개구부로 유입되어 하측으로 이동하는 기화가스에 공기가 혼합될 수 있도록 벤츄리관 주변의 공기 수용공간으로 관통 연결되는 외부 공기유입구가 마련되어 이루어지고; 상기 연소실은 바닥을 반원형으로 형성하고, 이 바닥에 연소가스의 열기 방열용 방열핀을 다수 장착하며, 이 방열핀 상부에 얹혀 상기 벤츄리관으로부터 전달되는 기화가스를 확산시켜 기화가스의 연소 열에너지가 주변 수조에 채워진 유입 난방수를 데우면서 이동하도록 후방이 막힌 반원형 반사판을 배치하여 이루어지며; 상기 배기가스 배출구에는 배기가스를 외부로 배출시키도록 배기팬을 장착한 것을 기술적 구성상의 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명은 초기 고체연료를 점화시키는 열원 공급관과, 고체연료 연소용 공기를 공급하는 한 쌍의 공기 공급관과, 상기 열원 공급관 및 한 쌍의 공기 공급관에 외부 공기를 각각 송풍할 수 있도록 제1 송풍기 그리고 혼합실의 공기유입구로 송풍하는 제2 송풍기가 구획 분리 배치한 송풍부를 포함하여 이루어지는 것을 기술적 구성상의 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명은 난방수가 채워지는 수조를 고체연료 연소챔버, 혼합실 및 연소실 주변 전체에 접할 수 있도록 감싸는 외통 구조체로 형성하고, 난방수를 더 효율적으로 데울 수 있도록 수조의 후방에는 수직방향으로 다수의 열기통로를 형성하면서 이 열기통로에 스크류형 스크레이퍼(scraper)를 장착하며, 상기 고체연료 연소챔버의 상측 후방에는 연기 배출구를 개폐하는 차단판이 장착되어 이루어진 것을 기술적 구성상의 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명은 로스틀을 지지하는 지지관의 내경에 원심력을 발생시키는 나선깃을 형성하여 열효율을 증대시키는 것을 기술적 구성상의 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명은 고체연료 연소챔버의 일측 벽에 펠릿투입구를 형성하고, 이 펠릿투입구로 펠릿 고체연료를 자동으로 공급할 수 있도록 펠릿자동공급장치를 더 포함하여 사용의 편리성을 향상시킨 것을 기술적 구성상의 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 보일러는, 수동으로 공급되는 화목 또는 자동으로 적정량의 펠릿이 투입되고, 이 고체연료들이 연소되면서 발생하는 기화가스는 지지관의 나선깃의 원심력작용의 도움이 이루어지고, 혼합실의 벤츄리관 입구로 통과할 때 공기가 함께 빨려들어가 혼합되고 빠른 속도로 출구로 이동하여 배출되면 압력이 낮은 연소실에서 공기와 기화가스는 더욱 골고루 접촉되어 완전연소가 이루어지며 이어서 연소가스는 반사판에 의해 확산되어 고온의 열에너지가 연소실 주변에 접하는 수조의 초기 유입 난방수를 데우므로 효율이 증대되고 이후 열기통로로 이동하면서 상승되는 난방수를 더 데우면서 배출되고, 고체연료 연소챔버, 혼합실 및 연소실 주변 전체에 접할 수 있도록 감싸는 외통 구조체로 이루어진 수조의 특성으로 고체연료의 연소 열기를 모두 전달받을 수 있어 열효율 극대화를 이룰 수 있는 특징이 있다.

또한, 본 발명은 연소챔버의 화염, 혼합실에서의 공기 혼합 그리고 연소실에서의 완전연소 과정을 팬기팬이 빨아내는 배기가스 배출에 의하여 이루어지므로 연소챔버 내부의 화염은 역류가 불가능하여 안전하고, 팬기팬 및 제1, 제2 송풍팬의 작동을 각각 분리하여 제어할 수 있으므로 고체연료의 연소 속도 조절을 통해 난방수의 온도 조절이 가능하여 외출, 외박, 사전 실내온도 유지를 편리하게 할 수 있는 효과를 갖는 특징이 있다.

또한, 본 발명은 연소챔버의 연기 배출구를 개폐하는 차단판을 작동시켜 고체연료의 초기 점화시 발생하는 연기를 직접 배출함으로써 정상연소시까지의 시기가 단축 가능한 효과를 갖는 특징이 있다.

또한, 본 발명은 스크류형 스크래퍼로 열기통로에 부착되는 이물질 제거가 가능하여 배기가스 이동의 원활함과 열전달의 효과를 증대시키는 특징이 있다.

또한, 본 발명은 고체연료 연소챔버의 일측 벽에 형성된 펠릿투입구로 펠릿 고체연료를 자동공급할 수 있도록 펠릿자동공급장치를 더 포함함으로써 주기적으로 화목을 투입시키는 번거로움을 해소시켜 사용의 편리성을 향상시키는 효과를 갖는 특징이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러를 나타낸 사시도.
도 2는 도 1의 A-A선 종단면도.
도 3은 도 1의 B-B선 종단면도.
도 4는 도 3의 C-C선 황단면도.
도 5는 본 발명에 따른 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러의 송풍부에서 공급되는 외부 공기가 고체연료 연소챔버 및 혼합실로 이동하는 과정을 나타낸 요부 확대 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러의 고체연료 연소를 위한 공기 공급관, 로스틀. 지지관, 벤츄리관, 반사판 및 연소실 구조를 분리하여 나타낸 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러의 연소챔버 상부에 형성된 연기 배출구를 개폐하는 작동 상태를 나타낸 요부 확대 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러의 열기통로에 장착된 스크래퍼의 작동 상태를 나타낸 요부 확대 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러의 연소챔버로 펠릿을 공급 및 차단하는 작동상태를 나타낸 요부 확대 단면도.
도 10는 본 발명에 따른 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러의 연소챔버에 수용된 고체연료가 연소되는 상태를 나타낸 실물사진.
도 11은 본 발명에 따른 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러의 벤츄리관 출구로 배출되어 연소실에서 기화가스가 완전연소되면서 확산되는 상태를 나타낸 실물사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예의 구성 및 작동에 대하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러를 나타낸 사시도 및 종단면도로서, 부호 1은 연소챔버, 2는 연소실, 3은 수조, 4는 송풍부, 5는 혼합실, 6은 차단판을 나타낸다.

본 발명에 따른 고체연료용 보일러는 투입구(11)를 갖는 고체연료 연소챔버(1)과, 이 연소챔버(1) 하부 중앙에 배치되는 로스틀(12)과, 이 로스틀(12)을 지지하는 지지관(13)과, 상기 로스틀(12)로부터 하향으로 이동되는 고체연료 기화가스를 연소시키는 연소실(2)과, 난방수 유입관(31)과 배출관(32)을 갖는 수조(3)와, 배기가스 배출구(14) 그리고 연소챔버(1) 및 연소실(2)로 외부 공기를 공급하도록 제1 송풍기(41) 및 제2 송풍기(42)를 장착한 다양한 형태의 기본적인 구조를 이용하게 된다.

본 발명은 연소챔버(1)의 로스틀(12)에 얹혀진 고체연료로부터 발생하는 화염에 완전연소를 위한 외부 공기를 유입시켜 혼합할 수 있도록 로스틀(12)을 지지하는 지지관(13) 하부와, 상기 연소실(2) 사이에 마련되는 혼합실(5)과, 이 혼합실(5)을 통과하여 이동된 기화가스가 완전연소되면서 확산되어 고온의 열에너지가 수조(3)에 채워져 순환되는 난방수를 효율적으로 데울 수 있도록 개량한 연소실(2)의 구조가 핵심적 기술이다.

혼합실(5)은 도 2 및 도 3에서와 같이 지지관(13) 하부와 이격된 상태로 상측이 배치되고 연소실(2) 하부로 관통 연결되도록 벤츄리관(51)을 장착하게 되고, 이 벤츄리관(51) 상부 입구로 유입되어 하측 출구로 이동하는 과정에서 화염에 공기가 유입되어 혼합될 수 있도록 벤츄리관(51) 주변을 공기 수용공간(52)으로 마련하면서 이 수용공간(52)으로 관통 연결되는 외부 공기유입구(52)가 장착되어 이루어진다.

상기 벤츄리관(51)은 상광하협한 깔때기 형태로 형성하되 상측 입구는 지름이 크게 형성되고 하측 출구는 지름이 작게 형성되어 이동하는 유체의 흐름을 변화시키게 된다. 즉, 지름이 큰 벤츄리관(51)의 입구는 로스틀(12)에 얹혀진 고체연료의 연소로 발생하는 화염이 지지관(13)을 통과한 후 유입될 때 공기 수용공간(52)으로 공급되어 있던 공기가 함께 유입되어 화염의 완전연소를 위한 충분한 산소 공급이 이루어지도록 이루어진다. 또한, 지름이 작은 벤츄리관(51)의 출구는 충분한 공기의 공급으로 혼합된 화염을 압력이 낮아지는 연소실(2)로 빠른 속도로 배출하도록 안내하는 역할을 하게 된다.

그리고 상기 로스틀(12)을 지지하는 지지관(13)의 내경에는 도 5에서와 같이 다수의 나선깃(13')을 더 형성하여 화염이 벤츄리관(51)의 입구로 유입될 때 회오리치면서 이동하여 이동속도의 증가 및 유입되는 공기 혼합의 활성화를 통해 변화된 기화가스가 연소실(2)로 유입된 후 완전연소로 이어질 수 있는 조건을 제공할 수 있다.

한편, 연소실(2)은 도 3 및 도 6에서와 같이 완전연소되는 연소가스의 확산 및 원활한 이동을 위하여 바닥을 반원형으로 형성하고, 후방을 배기가스 배출구(14)와 연통하도록 이루어지며, 상기 바닥에 연소가스의 열기 방열용 방열핀(21)을 다수 장착하고, 이 방열핀(21) 상부에 얹혀 벤츄리관(51) 출구로부터 전달되는 기화가스를 확산 연소시켜 고온의 열에너지가 주변 수조에 채워진 유입 난방수를 데우면서 이동하도록 후방이 막힌 반원형 반사판(22)을 포함하여 이루어진다.

즉, 상기 벤츄리관(51) 출구로부터 전달되는 기화가스는 충분한 공기가 혼합된 상태로 빠른 속도로 이동되어 기압이 낮은 연소실(2)로 유입되면서 연소가 촉진되고 곡면을 이루고 있는 반사판(22)에 접촉되어 확산되면서 완전연소되고, 완전연소된 후의 배기가스의 고온 열기는 방열핀(21) 사이 및 반사판(22) 후방으로 이동하여 주변에 있는 수조(3)의 난방수를 데운 후 배기가스 배출구(14)로 이동한 후 외부로 배출되도록 이루어진다.

또한, 상기 연소챔버(1) 내의 화염과, 혼합실(5)의 공기 혼합 및 연소실(2)로 유입되는 기화가스의 완전연소 그리고 배기가스를 순차적으로 빨아내어 외부로 배출 이동시킬 수 있도록 배기가스 배출구(14)에 배기팬(17)을 장착하게 된다.

한편, 연소챔버(1)의 로스틀(12)에 얹혀 쌓인 고체연료를 점화시키기 위하여 상기 로스틀(12)의 중심을 향해 점화를 위한 열기를 공급할 수 있도록 발열히터(15')를 내부에 배치하고 연소챔버(1)로 관통되도록 장착한 열원 공급관(15)을 배치하게 되고, 상기 연소챔버(1)로 관통하여 로스틀(12)의 양측으로 배치되면서 고체연료 연소용 공기를 공급하는 한 쌍의 공기 공급관(16)을 배치하게 된다.

그리고 도 5에서와 같이 상기 열원 공급관(15) 및 한 쌍의 공기 공급관(16)에 외부 공기를 각각 송풍할 수 있도록 제1 송풍기(41)와, 혼합실(5)의 공기유입구(52)로 송풍하는 제2 송풍기(42)를 구획 분리형성한 송풍부(4)를 마련하게 된다. 즉, 상기 송풍부(4)의 제1 송풍기(41)와 제2 송풍기(42)에서 발생하는 송풍 공기는 연소를 위한 산소 공급용으로 사용된다.

또한, 열 효율을 극대화시키기 위해 난방수가 채워지는 수조(3)를 고체연료 연소챔버(1), 혼합실(5) 및 연소실(2) 주변 전체에 접할 수 있도록 감싸는 외통 구조체로 형성하게 되고, 순환하는 난방수의 유입관(31)은 연소실(2)의 하부 일측에 장착되며, 고온으로 데워진 난방수의 배출관(32)은 연소챔버(1)의 상부 쪽에 장착하여 이루어진다. 그리고 수조(3)의 외부는 통상적인 단열처리로 열 손실을 방지하게 되며, 미도시된 순환펌프에 의해 선정된 실내 난방온도에 적합한 온도를 유지시키기 위하여 난방수를 순환시키게 된다.

또한, 상기 수조(3)는 도 2 및 도 4에서와 같이 연소실(2)에서 완전연소돤 후 배기되는 배기가스는 배기가스 배출구(14)로 이동할 때 배기가스가 지니는 잠열로 난방수를 더 효율적으로 데울 수 있도록 수조(3)의 후방에는 수직방향으로 다수의 열기통로(33)를 형성하게 되고, 이 열기통로(33)에는 스크류형 스크레이퍼(34)를 장착하여 이물질을 제거할 수 있도록 이루어진다.

상기 스크류형 스크레이퍼(34)는 도 2 및 도 8에서와 같이 상부가 링크방식으로 연결된 다수의 레버(341)를 장착하고, 이 레버(341)는 전방 외부로 선단이 노출된 밀대(342)의 작동에 의한 연동으로 상기 스크레이퍼(34)를 상하로 이동시켜 열기통로(33)에 부착된 이물질을 분리하도록 이루어진다. 상기 열기통로(33)의 벽면으로부터 분리된 이물질 들은 대부분 배기팬(17)에 의해 외부로 배출된다.

한편, 고체연료 연소챔버(1)의 상측 후방에는 연기 배출구(18)를 개폐하는 차단판(6)이 장착되어 이루어진다. 상기 차단판(6)은 도 1, 2, 7에서와 같이 레버(61)에 링크방식으로 연결되고, 이 레버(61)는 전방 외부로 선단이 노출된 밀대(62)의 작동에 의한 연동으로 상기 차단판(6)을 작동시켜 연기 배출구(18)를 개폐하게 된다. 상기 연기 배출구(18)의 개방시기는 연소챔버(1)에 채워진 고체연료의 초기 점화시 발생하는 연기의 원활한 배출을 위한 것으로 초기 연기를 빠르게 외부로 배출시킴으로써 정상 연소까지 도달되는 시기를 단축할 수 있다.

다음은 본 발명의 다른 실시 예로서 도 1, 3, 9에서와 같이 인위적으로 투입하는 화목의 사용뿐만 아니라 자동 주입이 가능하도록 성형된 펠릿 고체연료를 병행하여 사용할 수 있도록 펠릿자동공급장치(7)를 더 포함할 수 있다.

상기 펠릿자동공급장치(7)는 고체연료 연소챔버(1)의 일측 벽에 펠릿투입구(19)을 형성하고, 이 펠릿투입구(19)와 펠릿호퍼(70) 사이를 연결하도록 장착되는 펠릿공급관(71)과, 상기 연소챔버(1)로 펠릿을 이송할 수 있도록 상기 펠릿공급관(71) 내부에 구동모터(72)에 의해 작동하도록 장착되는 이송스크류(73)와, 상기 펠릿투입구(19)를 개폐하는 차단판(74)을 작동시키도록 장착된는 캠모터(75)를 포함하여 이루어진다.

상기 펠릿자동공급장치(7)의 펠릿호퍼(70)에는 펠릿이 수용되고, 펠릿호퍼(70)의 하부에 위치한 구동모터(72)의 구동으로 이송스크류(73)를 회전시키면 나선깃을 따라 상승된 펠릿이 연소챔버(1)의 펠릿투입구(19)로 공급하도록 이루어진다. 이때 펠릿투입구(19)를 개폐하는 차단문(74)은 캠모터(75)의 구동과 이 캠모터(75)에 연결된 레버(76)의 작동으로 열리게 되고, 펠릿의 공급이 완료되면 반대로 차단문(74)이 펠릿투입구(19)를 폐쇄하여 연소챔버(1)의 열기의 방출을 차단하도록 이루어진다.

도면 중 미설명부호 8은 보일러를 작동시키는 기기들의 전원 및 난방수의 온도 등을 제어하는 자동컨트롤부이다.

다음으로 이상과 같이 구성되는 본 발명에 따른 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러에 대한 작동을 설명한다.

본 발명은 먼저 연소챔버(1)의 투입구(11)를 이용하여 로스틀(12)을 중심으로 화목을 적층하게 되고, 초기 점화를 위하여 로스틀(12)에 접하고 있는 화목에 점화온도가 낮은 종이 등을 배치시키게 된다.

다음으로 자동커트롤부(8)를 작동시켜 각 기기들에 전원을 공급하면서 난방을 위한 온도를 설정하면, 곧 화목의 점화로 이어진다. 상기 초기 점화는 열원 공급관(15)의 내부에 장착된 발열히터(15')가 약 700~900℃ 온도로 발열된 열기가 송풍부(4)의 제1 송풍기(41)로부터 공급되는 공기의 이동과 함께 전달되어 종이를 태워 불씨를 만들게 되고 이 불씨가 화목을 태우게 된다.

이때 종이 및 화목이 원활하게 탈 수 있도록 송풍부(4)의 제1 송풍기(41)로부터 전달되는 공기는 열원 공급관(15) 및 한 쌍의 공기 공급관(16)으로 공급되어 연소를 돕게 된다.

그리고 동시에 배기팬(17)이 작동하여 연소챔버(1), 혼합실(5) 및 연소실(2)로 이어지는 내부의 공기를 빨아내어 외부로 배출시키게 된다.

상기 초기 점화 과정에서 발생되는 연소 연기는 배기팬(17)의 배기과정을 통해 외부로 배출되는 것보다 그 양이 많으므로 이때 도 7에서와 같이 전방으로 노출되어 있는 밀대(62)를 밀어넣어 레버(61)를 통해 차단판(6)을 작동시키면 연기 배출구(18)를 개방시키게 되고, 개방된 연기 배출구(18)를 통해 연기가 바로 배기가스 배출구(14)로 이동하여 외부로 배출되므로 연소챔버(1)의 내부는 빠른 정상 연소상태로 이어지는 조건을 충족시키게 된다.

상기 과정에서 열원 공급관(15)의 점화용 발열히터(15')는 초기 점화의 불씨를 제공한 후에는 자동으로 전원이 차단되며, 연기 배출구(18)의 폐쇄 또한 연기의 발생이 줄고 연소챔버(1)의 온도가 300~500℃로 유지될 때 이루어진다.

상기와 같이 연소챔버(1)의 내부 온도가 도 10의 실물사진에서와 같이 고체연료가 정상적으로 연소되는 상태가 되면 배기팬(17)의 작동에 의해 고체연료의 화염은 로스틀(12) 및 이를 지지하는 지지관(13)을 거처 하측 혼합실(5)의 벤츄리관(51)의 입구로 유입되고 출구로 이동할 때 공기와 혼합되어 기화가스로 변화되면서 배출된 후 연소실(2)로 이동된다.

이때 송풍부(4)의 제1 송풍기(41)로부터 발생되는 공기는 도 5에서와 같이 열원 공급관(15) 또는 한 쌍의 공기 공급관(16)으로 통해 지속적으로 고체연료 연소를 위해 공급되고, 송풍부(4)의 제2 송풍기(42)로부터 발생하는 공기는 외부 공기유입구(53)로 유입되어 혼합실(5)의 공기 수용공간(52)으로 전달되며, 이 수용공간(52)에 채워진 공기는 벤츄리관(51)의 입구로 유입되는 화염이 출구로 이동하는 유속에 의해 빨려들어가면서 혼합된다. 상기 혼합실(5)로 이동하는 화염의 온도는 700~900℃ 열기 온도가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

즉, 벤츄리관(51)을 통과하는 과정에서 벤츄리관(51)의 구조상 특성에 의해 화염이 지름이 큰 입구로 이동할 때 완전연소를 위한 공기를 흡입하게 되고, 지름이 작은 출구로 이동하면서 혼합 압축되면서 기화가스로 변화되어 빠르게 연소실(2)로 배출됨과 동시에 압력이 낮은 연소실(2)에서 공가가 더욱 골고루 접촉되어 완전연소가 이루어지게 된다.

특히, 도 5에서와 같이 로스틀(12)을 지지하는 지지관(13)에 나선깃(13')을 형성하면 벤츄리관(51)의 입구로 유입되는 화염을 회오리치면서 이동하도록 하여 이동속도의 증가 및 유입되는 공기 혼합의 활성화를 통해 변화된 기화가스가 연소실(2)로 유입된 후 열분해를 통해 완전연소로 이어지는 향상된 환경을 제공할 수 있다.

상기 완전연소되는 기화가스는 도 11의 실물사진에서와 같이 반사판(22)에 의해 확산되고, 이어서 기화가스는 반사판(22)의 후방 및 반사판(22)의 하부 방열핀(21) 사이로 이동하면서 발생하는 고온의 열에너지가 연소실(2) 주변에 접하는 수조(3)의 초기 유입 난방수를 데운 후 연소실(2) 후방으로 이동하게 되고, 상기 연소실(2)의 후방으로 이동 할 때에는 잠열을 지니는 배기가스로 변화되면서 열기통로(33)로 이동되어 상승하는 난방수를 더 데운 후 배기가스 배출구(14)로 배출된다.

이때 연소실(2)로 유입된 기화가스는 빠른 속도록 낙하 이동됨과 동시에 확산되면서 완전연소되어 1,000~1,200℃의 연소 열기를 발생하므로 고온의 열에너지를 얻게 되고, 이 고온의 열에너지는 연소실(2)의 주소(3)에 채워진 난방수를 먼저 데우고, 1차 데워진 난방수는 혼합실(5) 및 열기통로(33) 주변을 거쳐 2차 데워진 후 상부로 이동하여 난방을 위한 배출관(32)으로 배출된다. 즉, 난방수가 대략 85℃ 이상이면 미도시된 순환펌프가 난방수를 순환시키게 되고, 그 이하의 온도일 경우 순환을 중지시키게 된다.

따라서, 고체연료 연소챔버(1), 혼합실(5) 및 연소실(2) 주변 전체에 접할 수 있도록 감싸는 외통 구조체로 이루어진 수조(3)는 혼합실(5)의 밴츄리관(51) 그리고 연소실(2)에서의 완전연소를 통해 얻어지는 연소 열기를 모두 전달받을 수 있는 구조상 특성에 의해 열효율 극대화가 이루어진다.

한편, 평상시 난방을 위한 정상적인 연소 및 난방수 공급과정을 수행하다가 외출 및 외박 또는 사전 실내온도 유지가 필요할 때에는 고체연료의 연소를 지연시키기 위하여 송풍부(8)의 작동 중지시키고 배기팬(17)만을 작동시켜 배기팬(17)의 배기력에 의해 송풍부(8)의 기본 통로로 자연 유입되는 공기로서 고체연료의 지연 연소가 가능하도록 하여 기본 화력을 유지할 수 있다.

한편, 사용 중 열기통로(33)에 이물질이 부착되면 도 9에서와 같이 밀대(342)를 밀어 넣고 빼는 반복적이 동작으로 레버(341)를 작동시키면 레버(341)는 스크레이버(34)를 상하이동시켜 내벽에 부착된 이물질을 박리할 수 있으므로 배기가스의 이동 및 열교환이 원활하게 이어져 난방 효율을 증대시키게 된다.

또한, 사용 및 관리의 편리성을 위하여 고체연료를 자동공급하는 펠릿자동공급장치(7)를 도 3 및 도 9에서와 같이 장착하여 사용할 수 있으며, 상기 펠릿자동공급장치(7)는 펠릿의 완전연소 시기에 따라 적정량 자동으로 펠릿을 공급하게 된다.

즉, 펠릿을 연소챔버(1)의 로스틀(12) 쪽으로 공급하기 위해서는 먼저 전원 자동커트롤부(8)의 제어에 의해 구동모터(72) 및 캠모터(75)가 작동하게 되다. 상기 구동모터(72)의 구동으로 이송스크류(73)가 회전하면 펠릿은 펠릿공급관(71)을 따라 이동한 후 개방된 연소챔버(1)의 펠릿투입구(19)로 낙하하여 공급된다, 상기 캠모터(75)는 펠릿의 공급 및 중단시 작동하게 되며, 펠릿을 공급할 때에는 캠모터(75)에 연결된 레버(76)를 작동시켜 차단판(74)이 펠릿투입구(19)를 개방시키게 되고, 펠릿 공급을 중하면 연소챔버(1)의 열기가 역류하지 않도록 반대로 캠모터(75)에 연결된 레버(76)를 작동시켜 차단판(74)이 펠릿투입구(19)를 폐쇄하도록 작동시켜 사용하게 된다.

따라서, 상기 펠릿자동공급장치(7)는 안전하면서도 항상 적정량의 펠릿을 자동으로 공급할 수 있으므로 주기적으로 화목을 투입시키는 번거로움을 해소시켜 사용의 편리성을 향상시키는 효과를 제공하게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 상기 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에 한정하는 것은 아니다. 따라서 상기 실시 예를 적절히 변형 및 수정 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있으므로 적절한 변경 및 수정과 균등물들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주하여야 할 것이다.

1: 연소챔버 11: 투입구
12: 로스틀 13: 지지관
14: 배기가스 배출구 15: 열원 공급관
15': 발열히터 16: 공기 공급관
17: 배기팬 18: 연기 배출구\
19: 펠릿투입구 13': 나선깃
2: 연소실 21: 방열핀
22: 반사판 3: 수조
31: 유입관 32: 배출관
33: 열기통로 34: 스크래퍼
341: 레버 342: 밀대
4: 송풍부 41: 제1 송풍기
42: 제2 송풍기 5: 혼합실
51: 벤츄리관 52: 수용공간
53: 외부 공기유입구 6: 차단판
61: 레버 62: 밀대
7: 펠릿자동공급장치 70: 펠릿호퍼
71: 펠릿공급관 72: 구동모터
73: 이송스크류 74: 차단판
75: 캠모터 76: 레버

Claims (5)

1. 투입구(11)를 갖는 고체연료 연소챔버(1)와, 이 연소챔버(1) 하부 중앙에 배치되는 로스틀(12)과, 이 로스틀(12)을 지지하는 지지관(13)과, 상기 로스틀(12)로부터 하향으로 이동되는 고체연료 기화가스를 연소시키는 연소실(2)과, 난방수 유입관(31)과 배출관(32)을 갖는 수조(3) 및 배기가스 배출구(14)가 형성되고, 연소챔버(1) 및 연소실(2)로 외부 공기를 공급하도록 제1 송풍기(41) 및 제2 송풍기(42)를 장착하여 이루어지는 고체 연료용 보일러에 있어서,
   상기 로스틀(12)을 지지하는 지지관(13) 하부와 상기 연소실(2) 사이에 혼합실(5)을 마련하되, 이 혼합실(5)은 상기 지지관(13) 하부와 이격된 상태로 상측이 배치되고 상기 연소실(2) 하부로 관통 연결되도록 배치되는 벤츄리관(51)과, 이 벤츄리관(51) 상부 입구로 유입되어 하측 출구로 이동하는 기화가스에 공기가 혼합될 수 있도록 벤츄리관(51) 주변의 공기 수용공간(52)으로 관통 연결되는 외부 공기유입구(53)가 마련되어 이루어지고;
   상기 연소실(2)은 바닥을 반원형으로 형성하고, 이 바닥에 기화가스의 열기 방열용 방열핀(21)을 다수 장착하며, 이 방열핀(21) 상부에 얹혀 상기 벤츄리관(51)으로부터 전달되는 기화가스를 확산시켜 기화가스의 연소 열에너지가 주변 수조에 채워진 유입 난방수를 데우면서 이동하도록 후방이 막힌 반원형 반사판(22)을 배치하여 이루어지며;
   상기 배기가스 배출구(14)에는 배기가스를 외부로 배출시키도록 배기팬(17)을 장착한 것을 특징으로 하는 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 로스틀(12)의 중심을 향해 점화를 위한 열기를 공급할 수 있도록 발열히터(15')를 내부에 배치하고 연소챔버(1)로 관통되는 열원 공급관(15)을 배치하고, 상기 연소챔버(1)로 관통하여 로스틀(12)의 양측으로 배치되면서 연소용 공기를 공급하는 한 쌍의 공기 공급관(16)을 배치하며, 상기 열원 공급관(15) 및 한 쌍의 공기 공급관(16)에 외부 공기를 각각 송풍할 수 있도록 제1 송풍기(41) 그리고 혼합실(5)의 공기유입구(52)로 송풍하는 제2 송풍기(42)가 구획 분리 배치한 송풍부(4)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 난방수가 채워지는 수조(3)를 고체연료 연소챔버(1), 혼합실(5) 및 연소실(2) 주변 전체에 접할 수 있도록 감싸는 외통 구조체로 형성하고, 연소실(2)로부터 배출되는 연소가스가 배기가스 배출구(14)로 이동할 때 난방수를 더 효율적으로 데울 수 있도록 수조(3)의 후방에는 수직방향으로 다수의 열기통로(33)를 형성하면서 이 열기통로(33)에 스크류형 스크레이퍼(34)를 장착하며, 상기 열기통로(33) 상부 배기가스 배출구(14)에는 배기가스를 외부로 배출시키도록 배기팬(17)을 장착하고, 상기 고체연료 연소챔버(1)의 상측 후방에는 연기 배출구(18)를 개폐하는 차단판(6)이 장착되어 이루어진 것을 특징으로 하는 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 로스틀(12)을 지지하는 지지관(13)의 내경에 나선깃(13')을 형성한 것을 특징으로 하는 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 고체연료 연소챔버(1)의 일측 벽에 펠릿투입구(19)을 형성하고, 이 펠릿투입구(19)와 펠릿호퍼(70) 사이를 연결하도록 장착되는 펠릿공급관(71)과, 상기 연소챔버(1)로 펠릿을 이송할 수 있도록 상기 펠릿공급관(71) 내부에 구동모터(72)에 의해 작동하도록 장착되는 이송스크류(73)와, 상기 펠릿투입구(19)를 개폐하는 차단판(74)을 작동시키는 캠모터(75)를 장착하여 이루어지는 펠릿자동공급장치(7)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열 효율을 극대화시킨 고체연료용 보일러.

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