KR101357753B1 - 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부로 공급되는 고온기체를 냉각하여 적정온도의 기체를 외부로 공급하는 혼합기에 있어서, 혼합기로 고온기체가 유입되는 유입구와 근접하여 혼합기의 내측면에 형성된 관통공과, 관통공을 통하여 상대적으로 낮은 온도의 기체를 혼합기로 유입된 고온기체로 분사하는 인젝터와, 혼합기 내부로 유입된 고온기체의 유속과 확산 범위를 조절하기 위하여 유입구에 장착되며, 단면적이 선형적으로 작아지다가 커지도록 형성된 노즐을 포함하며, 인젝터에 의해 고온가스로 상대적으로 온도가 낮은 가스가 분사되므로, 두 기체간의 짧은 혼합거리를 통해 혼합기의 소형화가 이루어 장치설치의 편의성과 여유공간을 확보할 수 있는 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기를 제공한다.

Description

삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기{GAS-MIXER WITH INSERTING-TYPE INJECTOR}

본 발명은 혼합기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 혼합기로 유입되는 고온의 기체가 혼합기 측면에 설치된 인젝터를 통해 분사되는 기체와 혼합되어 냉각됨으로써 외부로 적정온도의 기체를 공급하는 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기에 관한 것이다.

서로 다른 온도를 갖는 두 기체를 혼합하는 종래의 기술은 도 1 좌측에 도시된 바와 같이, 고온의 기체가 유입구(1)를 통해 중심방향으로 흐르면 내부 압력이나 혼합기 벽면의 냉각을 고려하여 유입구(1)보다 더 넓은 단면적을 갖는 벽면 유입구(2)를 통해 상대적으로 차가운 기체가 유입되어 서로 접촉을 통해 혼합되어 출구(3)로 나가게 된다.

또는 중심으로 유입되는 기체의 유량이 상대적으로 매우 크거나 벽면에서의 냉각에 대한 고려가 적을 경우, 도 1 우측에 도시된 바와 같이, 보다 효율적인 혼합을 위해 유입구(4)로 주유동이 유입되고 벽면 유입구(5)를 통해 기체가 유입되어 접촉거리를 더 짧게 유지하고 출구(6)로 배출된다.

그러나, 이러한 방법은 도 2 우측에 도시된 온도분포(15b)와 같이, 출구면에서 균일한 속도분포나 온도분포를 형성하여야 함에도 불구하고 중심부의 속도나 온도분포가 도 2 좌측에 도시된 온도분포(15a)와 같이 주변보다 크거나 주변부가 중심부보다 더 큰 불균일한 분포를 가질 수 있다.

예를 들어, 아크-플라즈마 발생기와 같은 장치를 통해 초고온 기체를 생산하고 여기에 차가운 기체를 혼합하여 고온의 기체를 공급하는 장치를 고려할 경우에는 두 기체 간에 큰 온도차로 인하여 출구면에서의 분포는 더욱 큰 편차를 갖게 될 것이다. 이외에도 3000도 이상의 초고온의 기체가 유입구로 들어올 경우 혼합기의 벽면에 고비용을 야기하는 별도의 냉각 유로를 고려하여야 하며, 혼합과정에서 혼합기의 특정부분에서 초고온의 기체가 정체되어 열의 집중이 발생하지 않도록 설계하여야 하고 잘 혼합된 균질한 유동을 공급하기 위해서는 긴 혼합길이를 위해 길이가 긴 혼합기를 설치하여야 하나, 이 경우 결과적으로 벽면에서의 열손실로 인해 낮은 효율의 장치가 될 것이다.

또한, 초고온으로 유입되는 기체 유량과 압력조건이 다양하고 여기에 혼합되는 차가운 기체의 유량과 압력도 다양한 조건을 가지면서 이들이 혼합된 고온의 기체가 혼합기 출구면 근처에서 온도분포나 속도분포 등에 있어서 매우 균일한 유동조건을 가져야 하는 경우에 혼합기의 설계와 구조는 매우 복잡한 형상을 가질 수 있으며, 요구되는 혼합조건에 따라 여러 종류의 혼합기를 보유하거나 많은 교체 부분을 갖는 조립구조로 구성하여야 하는 등 제작 및 유지에 많은 비용을 필요로 한다.

대한민국 공개특허공보 제10-2013-0004270호(2013.01.09.)

이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 혼합거리를 짧게 할 수 있으며, 고온기체로부터 혼합기를 보호하며, 다양한 공급조건에서도 균일한 혼합기체의 유동을 발생시킬 수 있는 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기에 따르면, 내부로 공급되는 고온기체를 냉각하여 적정온도의 기체를 외부로 공급하는 혼합기에 있어서, 혼합기로 고온기체가 유입되는 유입구와 근접하여 혼합기의 내측면에 형성된 관통공과, 관통공을 통하여 상대적으로 낮은 온도인 저온기체를 혼합기로 유입된 고온기체로 분사하는 인젝터와, 혼합기 내부로 유입된 고온기체의 유속과 확산 범위를 조절하기 위하여 유입구에 장착되며, 단면적이 선형적으로 작아지다가 커지도록 형성된 노즐을 포함하는 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기를 제공한다.

본 발명의 하나의 측면에 의하면, 혼합기는 원통 형상이며, 인젝터는 혼합기의 둘레를 따라 배열될 수 있으며, 노즐을 통해 혼합기의 내측면과 접촉되지 않도록 고온기체의 유동형상이 조절될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 인젝터에는 관통공을 통해 혼합기 내부로 삽입된 관이 구비되며, 노즐을 통해 혼합기 내부로 유입되어 흐르는 고온기체에 근접되도록 관의 길이가 조절될 수 있으며, 인젝터를 통해 고온기체로 분사된 저온기체는 고온기체 내부에서 혼합되어 고온기체를 냉각시키는 동시에, 고온기체의 유동면을 따라 이동되어 혼합기로 전달되는 열을 최소화할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 관의 내부에는 분사되는 저온기체의 유속과 확산범위를 조절하기 위한 조절부가 구비될 수 있으며, 조절부는 오리피스 또는 나사산일 수 있으며, 조절부의 크기가 변화되어 저온기체의 유속과 확산범위가 조절될 수 있으며, 관통공은 혼합기의 내측면과 70도 이하의 각도를 이룰 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기에 의하면, 인젝터에 의해 고온가스로 상대적으로 온도가 낮은 가스가 분사되므로, 두 기체간의 짧은 혼합거리를 통해 혼합기의 소형화가 이루어 장치설치의 편의성과 여유공간을 확보할 수 있다.

또한, 인젝터로부터 분사된 상대적으로 낮은 온도의 기체가 고온가스의 유동면을 따라 이동되므로, 고온기체로부터 혼합기의 내측벽면으로 이동되는 열이 최소화되어 열로부터 혼합기를 보호하게 되는 효과가 있다.

또한, 혼합기에 장착되는 노즐과, 인젝터의 길이 및 인젝터 내부에 장착된 조절부를 조절함으로써 다양한 고온기체의 공급조건에서도 균일한 혼합기체의 유동을 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술의 혼합기의 개요도,
도 2는 혼합기 내부에 흐르는 혼합기체의 온도분포도,
도 3은 본 발명의 일 실시예의 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기의 단면도,
도 4는 도 3의 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기의 요부 단면도,
도 5는 도 3의 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기에 사용되는 인젝터의 단면도이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 3은 본 발명의 일 실시예의 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기의 단면도이고, 도 4는 도 3의 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기의 요부 단면도이고, 도 5는 도 3의 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기에 사용되는 인젝터의 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 내부로 공급되는 고온기체(fH)를 냉각하여 적정온도의 기체를 외부로 공급하는 혼합기(100)에 있어서, 혼합기(100)로 고온기체(fH)가 유입되는 유입구(110)와 근접하여 혼합기(100)의 내측면(131)에 형성된 관통공(200)과, 관통공(200)에 삽입되어 상대적으로 낮은 온도의 저온기체(fL)를 혼합기(100)로 유입된 고온기체(fH)로 분사하는 인젝터와, 혼합기(100) 내부로 유입된 고온기체(fH)의 유속과 확산 범위를 조절하기 위하여 유입구(110)에 장착되며, 단면적이 선형적으로 작아지다가 커지도록 형성된 노즐(120)을 를 포함한다.

본 발명의 일실시예의 혼합기(100)는 원통 형상으로, 소정 지름을 갖는 유입구(110)로부터 유입구(110)보다 큰 직경으로 연장되어 형성된 몸통부(130)와, 몸통부(130)로부터 직경이 소정비율로 줄어들며 연장 형성된 말단부(140)로 이루어진다. 이때, 몸통부(130)는 유입구(110)의 원주로부터 수직 또는 소정각도를 가지며 연장 형성된다. 또한 말단부(140)의 최외측 단부를 출구(150)라 지칭한다.

유입구(110)에는 고온기체(fH)의 유속과 확산 범위를 조절하기 위하여, 그 단면적이 선형적으로 좁아지다가 증가하도록 형성된 노즐(120)이 장착되는데, 노즐(120)은 일단이 혼합기(100) 외부로 들어나며, 타단이 유입구(110)와 결합된다.

이때, 노즐(120)의 내측 즉, 수직단면적이 선형적으로 축소되다 확대되는 부위를 노즐부오리피스(121)라 지칭한다.

노즐부오리피스(121)와 말단부(140)가 조합되어 외부로부터 유입되는 고온가스의 유속 및 노즐부오리피스(121)를 지나 확산되는 고온가스의 유동형상을 조절할 수 있다.

이때, 노즐부오리피스(121)를 지난 고온가스가 몸통부(130) 내면과 접촉하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 인젝터(300)는 혼합기(100)의 둘레를 따라 배열되는데, 몸통부(130)의 내면 중 유입구(110)와 근접된 부위에 혼합기(100)를 관통하는 관통공(200)이 형성되며, 관통공(200)에 인젝터(300)가 삽입되어 장착된다. 인젝터(300)는 마주보며 대칭을 이루도록 장착되는 것이 바람직하다.

관통공(200)은 몸통부(130)의 외면중 유입구(110)와 수직한 지점을 시작으로 몸통부(130)의 내측면(131), 즉 관통공(200)과 혼합기(100)의 내측면(131)이 이루는 각(θ)이 70도를 이루도록 형성된다. 관통공(200)과 혼합기(100)의 내측면(131)이 이루는 각(θ)은 45도 이상 70도 이하를 이루도록 형성되는 것이 바람직하다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 인젝터에는 관통공(200)을 통해 혼합기(100) 내부로 삽입되는 관(310)이 구비되며, 노즐(120)을 통해 혼합기(100) 내부로 유입되어 흐르는 고온기체(fH)에 근접되도록 관(310)의 길이가 조절된다.

관(310)의 길이는 노즐(120) 내측에 형성된 오리피스를 통해 혼합기(100) 내부에 확산하며 유동하는 고온가스의 최외측 부위인 유동면과 근접하도록 조절된다. 이때, 관(310)의 끝단이 노즐부오리피스(121)가 혼합기(100) 내측을 향해 가상으로 연장된 연장선상에 위치되도록 하는데, 바람직하게는 고온기체(fH)로부터 열적 손상을 받지 않는 범위 내에서 최대한 유동면에 근접시키는 것이 바람직하다.

관(310)의 내부에는 혼합기(100) 내부에 유동하는 고온가스를 향해 분사되는 저온기체(fL)의 유속과 확산범위를 조절하기 위한 조절부(320)가 구비되는데, 일 실시예에서의 조절부(320)는 오리피스로 형성된다. 오리피스 외에도 공지된 나사산 등이 적용될 수 있다.

또한, 조절부(320)의 크기가 변화되어 저온기체(fL)의 유속과 확산범위가 조절될 수 있다.

고온가스의 유량, 유속, 온도, 유동의 분포, 유동의 형상 등을 고려하여 고온기체(fH)와 상대적으로 낮은 온도의 기체간 혼합이 최적화되도록 관(310)의 길이와 조절부(320)의 형상이 조정되는 것이 바람직하다.

위와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예는 관통공(200)이 몸통부(130)의 내측면(131)을 기준으로 70도로 기울어져 있으므로, 그 내부에 삽입되는 관(310) 또한 몸통부(130)의 내측면(131)을 기준으로 70도 기울게 된다. 이로 인하여 노즐(120)을 통해 혼합기(100) 내부로 유입된 고온기체(fH)와 관(310)이 접촉함으로써 발생되는 관(310)의 온도집중 현상이 방지되어, 열에 의한 급속한 관(310)의 파괴가 방지된다.

인젝터(300)에 구비된 관(310)이 노즐(120)을 통해 유입된 고온가스와 근접되어 혼합을 위한 거리가 짧아지므로, 고온가스를 적정온도로 냉각하여 외부로 배출하기 위한 혼합기(100)의 길이가 짧아지게 된다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 인젝터를 통해 고온기체(fH)로 분사된 상대적으로 낮은 온도의 저온기체(fL)는 고온기체(fH) 내부에서 혼합되어 고온기체(fH)를 냉각시키는 동시에, 고온기체(fH)의 유동면을 따라 이동되어 혼합기(100)로 전달되는 열을 최소화하게 된다.

100: 혼합기 110: 유입구
120: 노즐 121: 노즐부오리피스
130: 몸통부 131: 내측면
140: 말단부 150: 출구
200: 관통공 300: 인젝터
310: 관 320: 조절부
fH: 고온기체 fL: 저온기체

Claims (9)

1. 내부로 공급되는 고온기체를 냉각하여 적정온도의 기체를 외부로 공급하는 혼합기에 있어서,
   상기 혼합기로 고온기체가 유입되는 유입구와 근접하여 상기 혼합기의 내측면에 형성된 관통공;
   상기 관통공을 통하여 상대적으로 낮은 온도인 저온기체를 상기 혼합기로 유입된 고온기체로 분사하는 인젝터;
   상기 혼합기 내부로 유입된 고온기체의 유속과 확산 범위를 조절하기 위하여 상기 유입구에 장착되며, 단면적이 선형적으로 작아지다가 커지도록 형성된 노즐;을 포함하며,
   상기 노즐을 통해 상기 혼합기의 내측면과 접촉되지 않도록 고온기체의 유동형상이 조절된 것을 특징으로 하는 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 혼합기는 원통 형상이며, 상기 인젝터는 상기 혼합기의 둘레를 따라 배열된 것을 특징으로 하는 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 인젝터에는 상기 관통공을 통해 상기 혼합기 내부로 삽입된 관이 구비되며, 상기 노즐을 통해 상기 혼합기 내부로 유입되어 흐르는 고온기체에 근접되도록 상기 관의 길이가 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 인젝터를 통해 고온기체로 분사된 저온기체는 고온기체 내부에서 혼합되어 고온기체를 냉각시키는 동시에, 고온기체의 유동면을 따라 이동되어 상기 혼합기로 전달되는 열을 최소화하는 것을 특징으로 하는 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기.
6. 제4항에 있어서,
   상기 관의 내부에는 분사되는 저온기체의 유속과 확산범위를 조절하기 위한 조절부가 구비된 것을 특징으로 하는 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 조절부는 오리피스 또는 나사산인 것을 특징으로 하는 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기.
8. 제6항에 있어서,
   상기 조절부의 크기가 변화되어 저온기체의 유속과 확산범위가 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기.
9. 제1항에 있어서,
   상기 관통공은 상기 혼합기의 내측면과 45도 이상 70도 이하의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 삽입형 인젝터가 구비된 기체혼합기.

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