KR101319256B1 - 연소기기용 가스 공기 혼합장치 - Google Patents

연소기기용 가스 공기 혼합장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연소기기용 가스 공기 혼합장치에 관한 것으로, 구체적으로는 보일러 또는 온수기와 같은 연소기기에 구비되는 버너에 가스 및 공기를 공급하는 양 을 효과적으로 제어하여 턴-다운 비(Turn-Down Ratio)를 향상시키고, 그로 인하여 온수 및 난방 사용의 편리성 및 버너의 내구성을 증대시키는 연소기기용 가스 공기 혼합장치에 관한 것이다.
본 발명은 일측이 터보팬과 결합되며, 내측에 가스 및 공기가 흐를 수 있도록 소정공간이 형성되는 하우징; 상기 하우징의 타측에 구비되어 외측으로부터 공기를 흡기하되 서로 다른 경로를 통하여 공기가 공급되도록 제1 공기공급부 및 제2 공기공급부로 구성되는 공기공급부; 상기 공기공급부에서 유입되는 공기와 혼합되어 상기 터보팬로 공급되되 서로 다른 경로를 통하여 가스가 공급되도록 제1 가스 공급부 및 제2 가스 공급부로 구성되는 가스공급부 및 저열량이 필요할 시 상기 제2 공기공급부 제2 가스 공급부를 폐쇄하여 공기 및 가스의 흐름을 차단하는 한편 고열량이 필요할 경우 제2 공기공급부 및 제2 가스 공급부를 개방하는 개폐수단을 포함한다.

Description

연소기기용 가스 공기 혼합장치{Gas-air mixer for burner}
본 발명은 연소기기용 가스 공기 혼합장치에 관한 것으로, 구체적으로는 보일러 또는 온수기와 같은 연소기기에 구비되는 버너에 가스 및 공기를 공급하는 양 을 효과적으로 제어하여 턴-다운 비(Turn-Down Ratio)를 향상시키고, 그로 인하여 온수 및 난방 사용의 편리성 및 버너의 내구성을 증대시키는 연소기기용 가스 공기 혼합장치에 관한 것이다.
일반적으로, 난방 및 온수사용을 목적으로 사용되는 보일러 및 온수기와 같은 연소기기는 공급받는 연료에 따라 기름보일러, 가스보일러, 전기보일러 및 온수기로 구분되며, 설치용도에 맞게 다양하게 개발되어 사용하고 있다.
이러한 연소기기들 중 특히, 가스보일러 및 온수기에서는 일반적으로 가스연료를 연소시키기 위해 분젠 버너(Bunsen Burner) 또는 예혼합 버너(Premixed Burner)를 사용하고 있으며, 이중 예혼합 버너(Premixed Burner)의 연소방식은 가스와 공기를 연소 최적 상태의 혼합비로 혼합 시킨 후 그 혼합기(공기+가스)를 염공부에 공급하여 연소시키게 된다.
또한, 연소기기의 성능은 턴다운비(Turn-Down Ratio;TDR)로 평가되어지는데, 턴다운비란, 가스의 양이 가변 조절되는 가스연소장치에 있어서 '최대가스소비량 대 최소 가스소비량의 비'를 말한다. 예를 들면 최대가스소비량이 24,OOOkcal/h이고 최소 가스소비량이 8,OOOkcal/h인 경우 턴다운비(TDR)는 3:1이 된다. 턴다운비(TDR)는 최소 가스 소비량 조건에서 얼마나 안정된 화염을 유지할 수 있는지 여부에 따라 제한된다.
가스보일러 및 온수기의 경우 턴다운비(TDR)가 클수록 난방 및 온수 사용시의 편리성이 증대된다. 즉, 턴다운비(TDR)가 작고(즉, 최소가스소비량이 높은 경 우) 난방 및 온수의 부하가 작은 영역에서 버너가 작동되는 경우에 연소기기는 잦은 온/오프(On/Off)가 발생하게 되므로 온도제어시의 편차가 커지고, 기기의 내구성이 저하된다. 따라서 이러한 문제를 개선하기 위하여 연소기기에 적용되는 버너의 턴다운비(TDR)를 향상시키기 위한 다양한 방법들이 개발되어 왔다.
이러한 비례 제어 방식의 버너에서 가스를 공급해 주는 밸브는 크게 전류값으로 제어 되는 전류 비례 제어 방식 밸브(electrical modulating gas valve)와, 공기 공급시 발생되는 차압으로 제어되는 공기 비례 제어 방식 밸브(pneumatic modulating gas valve)로 구분되어진다.
상기 공기 비례 제어 밸브는 송풍기를 이용하여 버너에 연소시 필요한 공기 공급에 따라 발생되는 차압에 의하여 버너로 공급되는 가스량이 제어 되고, 이때 연소에 필요한 공기와 가스는 가스 공기 혼합 장치(Gas-air mixer)에서 혼합되어 혼합기(공기+가스)형태로 버너에 공급되어진다.
이와 같은 공기 비례 제어 밸브를 사용하는 가스버너의 가스-공기혼합장치에서 턴다운 비(TDR)를 제한하는 기본적인 요소는 가스소비량(Q)과 차압(ΔP)과의 관계이며, 일반적인 유체의 차압과 유량과의 관계는 다음과 같다.
Figure 112012017623365-pat00001
즉, 유체의 유량을 2배 증가시키기 위해서는 차압을 4배 상승시켜야 한다.
따라서 턴다운비(TDR)를 3:1로 하기 위해서는 차압의 비를 9:1로 해야 하며, 턴다운비(TDR)를 10:1로 하기 위해서는 차압의 비를 100:1로 해야 하는데, 이 때 가스의 공급 압력을 무한히 증가시키는 것은 불가능하다는 데 문제가 있다.
이와 같은 가스공급압력을 무한히 증가시킬 수 없는 문제점을 해결하기 위하 여, 도 1에 나타난 바와 같이 공기 및 가스가 공급되는 경로를 둘 이상의 영역으로 구획하고, 각 버너로 분사되는 가스의 통로를 개폐함으로써 가스버너의 턴다운비 (TDR)를 높이는 방법이 제시되고 있다.
출원번호 10-2011-84417호
상기 특허문헌은 본 출원인에 의해 선출원된 발명으로, 도 1을 참조하면 공기공급관(113)의 일측에 2개로 분지되는 가스공급관(112)이 결합되며, 상기 공기공급관(113)의 내측에 별도의 분지기구(170)를 구비하여 로드(163)에 결합된 밸브체(161, 162)가 전자석(165)과 결합된 로드(163)의 상하운동을 통하여 가스유로(116) 및 공기유로(118)를 개폐하므로 보일러를 저출력모드 및 고출력모드로 제어할 수 있어 턴다운비를 향상시킬 수 있는 유로 분리형 가스-공기 혼합장치에 관한 것이다.
그러나 상기한 공기유로(118)의 경우 원통형으로 형성되는 하나의 유로를 상기 분지기구(170)에 의해 구획하여 공기의 유입량을 2단계로 조절함으로서, 공기의 유입량이 더 많이 필요할 경우 공기유로(118)의 확장이 불가능하고, 이로 인해 높은 턴다운비를 실현할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 로드(163)의 상하운동 범위가 길고, 그로 인하여 행정거리 길어지므로 구동시간 및 구동거리가 길어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 보일러 또는 온수기와 같은 연소기기로 유입되는 공기 및 가스의 양을 제어할 수 있도록 별도의 개폐수단을 구비하고, 이를 통하여 공기 및 가스의 양을 제어하여 턴다운비를 높이고, 구동기로 내구성이 뛰어나고 구동시간이 매우 짧은 솔레노이드 밸브의 적용이 가능토록, 솔레노이드 밸브의 단점인 짧은 행정거리(Stroke)를 지렛대 및 힌지의 원리를 이용하여 극복함으로써, 성능이 우수하고 제조비용이 저렴한 연소기기용 가스 공기 혼합장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 일측이 터보팬과 결합되며, 내측에 가스 및 공기가 흐를 수 있도록 소정공간이 형성되되, 제1 유로 및 제2 유로로 분지되어 형성되는 하우징; 상기 제1 유로에 서로 다른 경로로 유입되는 제1 공기공급부 및 제1 가스공급부; 상기 제2 유로에 서로 다른 경로로 유입되는 제2 공기공급부 및 제2 가스공급부 및 저출력 모드에서 상기 제2 공기공급부 및 제2 가스공급부로 공급되는 공기 및 가스의 흐름을 차단하는 한편, 고출력 모드에서 제2 공기공급부 및 제2 가스공급부를 개방하는 개폐수단을 포함한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 개폐수단은, 상기 제2 유로의 내측에 구비되는 힌지; 상기 힌지와 결합되며, 상기 제2 유로에 구비되는 제2 공기공급부 및 제2 가스공급부를 개폐하도록 양 끝단에 각각 제1 밸브체 및 제2 밸브체가 결합되는 회동체; 상기 회동체에서 제1 밸브체나 제2 밸브체와 힌지 사이에 결합되는 플런저 및 상기 플런저와 결합되어 플런저의 상하운동을 전기적인 신호에 의해 제어되는 솔레노이드 밸브를 포함하며 이루어져, 상기 회동체가 힌지를 중심으로 지렛대의 원리에 의해 회동되도록 구동되어 플런저가 짧은 행정거리로 제2 공기 및 가스공급부를 개폐할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 개폐수단은, 제2 공기공급부 및 제2 가스공급부를 차단 또는 개방이 동시에 이루어지는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 및 제2 유로는, 그 직경이 서로 상이한 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 및 제2 유로는, 그 직경이 제2 유로가 제1 유로에 비해 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연소기기용 가스 공기 혼합장치에 의하면, 첫째, 하나의 솔레노이드 밸브를 통하여 가스 및 공기의 유입을 개방 또는 차단함으로 제조비용이 절감되는 효과가 있다.
둘째, 통상 일정 양의 연료를 연소하기 위해서는 약 10배의 공기량이 필요하게 된다. 따라서 고출력모드에서 원할한 공기공급을 위해서는 제2 공기공급부 작동시 충분한 개방 단면적이 요구된다. 이를 위해 지렛대 및 힌지의 원리를 이용하여 솔레노이드 밸브의 단점인 짧은 행정거리(Stroke)를 극복함으로써, 내구성이 우수하고 구동시간이 매우 짧은 솔레노이드 밸브의 사용을 가능하게 한 효과가 있다.
셋째, 1차 가스 및 공기가 유입되는 유로 및 2차 가스 및 공기가 유입되는 유로가 분지되어 가스 및 공기의 유입을 효과적으로 제어하므로, 연소기기에 필요한 화력을 적절히 조절할 수 있는 효과가 있다.
넷째, 유로를 2개로 분지하되, 서로의 직경을 연소기기의 용량에 따라 달리 형성할 수 있어 턴-다운 비를 높일 수 있는 효과가 있다.
다섯째, 2차 측으로 유입되는 가스 및 공기를 동시에 차단 또는 개방하여 행정 거리(stroke)를 줄이므로 불필요한 동력의 낭비를 막을 수 있다.
도 1은 종래기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 연소기기용 가스 공기 혼합장치의 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 도 2의 작동상태를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명의 연소기기용 가스 공기 혼합장치를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 연소기기용 가스 공기 혼합장치의 개략적으로 나타낸 모식도이고, 도 3은 도 2의 작동상태를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 연소기기용 가스 공기 혼합장치는, 터보팬(500)을 통하여 버너(미도시)로 유입되기 위한 공기와 가스가 혼합되어 혼합 가스가 생성되는 소정의 공간이 형성되는 하우징(300)이 구비된다. 상기 하우징(300) 은 제1 유로(310) 및 제2 유로(320)로 분지되어 형성되며, 가스 및 공기가 혼합되어 배출되는 출구측은 터보팬(500)과 결합된다.
상기 제l 유로(310)는 서로 다른 경로에서 유입되는 제1 공기공급부(210) 및 제1 가스공급부(230)가 형성된다. 상기 제1 공기공급부(210) 및 제1 가스공급부 (230)는 저출력 모드로 연소기기가 구동될 때 가스 및 공기가 유입되는 경로로써 항시 개방된 상태로 유지된다.
상기 제2 유로(320)도 제1 유로(310)와 마찬가지로 서로 다른 경로에서 유입 되는 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)가 형성된다. 상기 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)는 고출력 모드로 연소기기가 구동될 때 가스 및 공기가 유입되는 경로로써 후술할 개폐수단(400)에 의해 개폐된다.
이하, 상기한 개폐수단(400)에 대해 살펴보기로 한다.
상기 개폐수단(400)은, 상기 제2 유로(320)의 내측에 구비되는 힌지(401)와, 상기 힌지(401)와 결합되며, 상기 제2 유로(320)에 구비되는 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)를 개폐하도록 양 끝단에 각각 제1 밸브체(411) 및 제2 밸브체(412)가 결합되는 회동체(402)가 구비된다.
상기 회동체(402)의 도중에는 플런저(404)의 일단부가 힌지(405)에 의해 결합되어 상기 플런저(404)가 상하로 운동할 때 상기 힌지(405)에 의해 용이하게 회 동된다. 상기 플런저(404)의 타단부에는 상기 플런저(404)의 상하운동을 전기적인 신호에 의해 제어하는 솔레노이드 밸브(403)가 결합된다.
따라서 상기 솔레노이드 밸브(403)에 전달되는 전기적인 신호에 따라 상기 플런저(404)가 상하운동이 되는 것이다. 좀 더 구체적으로 살펴보면, 상기 플런저 (404)가 상승할 시에는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제2 공기공급부(220)를 차단하고 있던 제1 밸브체(411)와, 제2 가스공급부(240)를 차단하고 있던 제2 밸브체(412)가 차단이 해제되어 상기 제2 유로(320)로 가스 및 공기가 유입되는 것이다.
정리하면, 상기한 개폐수단(400)의 회동체(402)가 지렛대 역할을 하게 되며, 상기 힌지(401)를 기준으로 회동체(402)의 긴 쪽은 제2 공기공급부(220)측으로, 짧은 쪽은 제2 가스공급부(240)측으로 위치하도록 하여, 연소기기에서 고출력모드로 전환될 시 더 많은 양의 공기가 공급되도록 하기 위한 것이다. 따라서 상기 개폐수단(400)은 제2 공기 및 가스공급부(220, 240)를 동시에 개폐하는 기능을 하므로 밸브의 역할을 하게 되는 것이다.
한편, 상기한 제1 유로(310)와 제2 유로(320)의 직경은 서로 상이하게 형성 된다. 바람직하게는 상기 제1 및 제2 유로(310, 320)는, 그 직경이 제2 유로(320) 가 제1 유로(310)에 비해 크도록 형성하는 것이 턴-다운 비를 높일 수 있다.
예를 들어 상기 제1 유로(310) 및 제2 유로(320) 직경의 비율을 5:5로 할 수 도 있으나, 제1 유로(310)의 직경보다 제2 유로(320)의 직경을 크게 하면 턴-다운 비를 더 높일 수 있게 된다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 연소기기용 가스 공기 혼합장치의 작 동 상태에 대하여 살펴보기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 저출력모드 시에는 상기 개폐수단(400)의 플런저 (404)가 하강한 상태가 되어 상기 제1 밸브체(411)와 제2 밸브체(412)가 상기 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)의 입구를 막아 가스 및 공기가 차단된 상태가 된다. 따라서 상기 제1 공기공급부(210) 및 제1 가스공급부(230)로만 1차 공기 및 가스가 제1 유로(310)로 유입되어 터보팬(500)으로 전달되므로 저출력모드로 연소기기가 구동되는 것이다.
이후 연소기기를 고출력모드로 전환하게 되면, 상기 솔레노이드 밸브(403)에 전기적인 신호가 인가되고, 그에 따라 상기 플런저(404)는 상부로 상승하게 된다. 그러면 상기 회동체는 힌지(401)에 의해 회동되고, 상기 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)의 입구를 각각 막고 있던 제1 밸브체(411) 및 제2 밸브체 (412)의 차단이 해제되므로, 제2 공기 및 가스가 제2 유로(320)로 유입되어 가스 및 공기가 혼합된다.
이후 연소기기가 다시 저출력모드로 전환될 경우에는 상기 솔레노이드 밸브 (403)의 전원공급을 차단하면, 상기 플런저(404)는 상기 회동체(402) 및 밸브체(411, 412)의 자체 무게 및 솔레노이드 밸브(403)의 내측에 구성되는 스프링(406)의 탄성력에 의해 하강하게 되어 상기 제l 밸브체(411) 및 제2 밸브체(412)가 상기 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)의 입구를 막으므로 2차 공기와 가스가 차단되는 것이다.
따라서 상기와 같은 하나의 솔레노이드 밸브(403)에 의해 제2 공기 및 가스 공급부(220, 240)의 개폐를 제어할 수 있으며, 이로 인하여 연소기기에서 출력되는 화력을 용이하게 조절할 수 있다. 게다가 상기 솔레노이드 밸브(403)를 통하여 플런저(404)의 상하운동을 조절하므로, 기존의 모터를 이용하여 가스 및 공기유로를 제어하는 방법보다 구동시간이 매우 짧아 공기 및 가스의 유입 및 차단의 제어가 용이하여 연소기의 성능을 높일 수 있다.
또한, 하우징(300)의 유로를 2곳으로 분지 형성하므로 턴-다운 비를 더 높일 수 있다. 예를 들어 턴-다운 비를 높이려면 제1 유로(310)에 비해 제2 유로(320)의 직경을 크게 형성하게 되면 턴다운비는 높아진다. 그에 따라 상기 회동체(402)의 2 차공기가 유입되는 입구측의 길이를 길게 구성하면 동일한 행정(stroke)으로도 가스 및 공기 유입의 개폐를 제어할 수 있게 된다.
이상에서 설명된 본 발명의 온수기용 듀얼 벤츄리의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
210 : 제1 공기공급부 220 : 제2 공기공급부
230 : 제1 가스공급부 240 : 제2 가스공급부
300 : 하우징 400 : 개폐수단
401, 405 : 힌지 402 : 회동체
403 : 솔레노이드 밸브 404 : 플런저
411 : 제1 밸브체 412 : 제2 밸브체
500 : 터보팬

Claims (5)

  1. 일측이 터보팬(500)과 결합되며 , 내측에 가스 및 공기가 흐를 수 있도록 소 정공간이 형성되되, 제1 유로(310) 및 제2 유로(320)로 분지되어 형성되는 하우징 (300);
    상기 제1 유로(310)에 서로 다른 경로로 유입되는 제1 공기공급부(210) 및 제1 가스공급부(230);
    상기 제2 유로(320)에 서로 다른 경로로 유입되는 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240) 및
    저출력 모드에서 상기 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)로 공급되는 공기 및 가스의 흐름을 차단하는 한편, 고출력 모드에서 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)를 개방하는 개폐수단(400)을 포함하되,
    상기 개폐수단(400)은,
    상기 제2 유로(320)의 내측에 구비되는 힌지(401);
    상기 힌지(401)와 결합되며, 상기 제2 유로(320)에 구비되는 제2 공기공급부 (220) 및 제2 가스공급부(240)를 개폐하도록 양 끝단에 각각 제1 밸브체(411) 및 제2 밸브체(412)가 결합되는 회동체(402);
    상기 회동체(402)에서 제1 밸브체(411)나 제2 밸브체(412)와 힌지(401) 사이에 결합되는 플런저(404) 및
    상기 플런저(404)와 결합되어 플런저(404)의 상하운동을 전기적인 신호에 의해 제어되는 솔레노이드 밸브(403)를 포함하며 이루어져, 상기 회동체(402)가 힌지(401)를 중심으로 지렛대의 원리에 의해 회동되도록 구동되어 플런저(404)가 짧은 행정거리로 제2 공기 및 가스공급부(220, 240)를 개폐할 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는 연소기기용 가스 공기 혼합장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 개폐수단(400)은,
    제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)를 차단 또는 개방이 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 연소기기용 가스 공기 혼합장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유로(310, 320)는,
    그 직경이 서로 상이한 것을 특징으로 하는 연소기기용 가스 공기 혼합장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 유로(310, 320)는,
    그 직경이 제2 유로(320)가 제1 유로(310)에 비해 큰 것을 특징으로 하는 연소기기용 가스 공기 혼합장치.
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