KR101562496B1 - 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원적외선 석유난방기, 개방식 석유스토브, 석유연소기기 등의 열
원기로 사용되는 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너에 관한 것으로 측벽부와 폐쇄벽을 가진 사발(椀狀) 구조의 버너포트(1)와, 상기 버너포트(1)의 측벽부는 연소용 공기(1a) 유입구멍과 더불어 폐쇄벽에는 연료분무 유입구멍(1b)이 형성된 포트식 석유버너로서 그 내부에 압력분무노즐(4)로 무화한 액체연료를 분사하는 건 포트식 석유버너에 있어서,
공기와 함께 무화 연료를 공급하는 버너포트의 연료분무 유입구멍을 덮는 컵형상으로 전열과 후열로 분할한 예혼합가스 출구구멍을 갖는 기화통(2);과, 버너포트의 연료분무 유입구멍과 동일중심선상으로 버너포트와 밀착 배치하고, 상기 전열의 제2예혼합가스 출구구멍은 예혼합연소의 염구로서 작용하여 예혼합화염을 형성시킴과 동시에 후열의 제1예혼합출구구멍은 유출하는 예혼합가스를 버너포트의 연소용 공기 유입구멍까지 유도하여 확산연소하는 것으로, 혼재된 2종류의 화염을 사용하여 주 연소부인 버너포트의 확산연소량을 감축시켜 연소율 감소로 버너의 외경의 크기를 축소시키는 것을 특징으로 하는 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너에 관한 것이다.

Description

압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너{PRESSURE ATOMIZING TYPE OF HYBRID FLAME OIL BURNER}

본 발명은 석유버너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원적외선 석유난방기, 소형 석유 보일러 등의 열원기에 열출력 5,000~8,000 ㎉/hr의 소출력을 필요로 하는 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너에 관한 발명이다.

석유난방기, 소형 석유 보일러 등과 같은 석유연소기기 등에는 건-타입 버너(gun type burner)가 많이 사용되고 있다. 상기 건-타입 버너(gun type burner)는 최소 열출력이 12,000 ㎉/hr 정도가 하한이기 때문에 대용량의 연소기에 주로 사용되는데, 5,000~8,000 ㎉/hr의 소출력을 얻기에는 힘들기 때문에 건-타입버너(gun type burner)를 사용하여 상기와 같이 소출력을 얻는 것은, 점화와 소화를 빈번하게 반복운전하게 됨으로 인하여 비경제적인 운전이 되었고, 소비자가 원하는 실용 연소기기는 소규모의 점포와 같은 비교적 난방면적이 적은 규모 등에 사용하기 위한 것이 많았고, 게다가 실내 배기형으로서 연소시 소음이 매우 크게 발생하고 악취와 발연 등의 문제점에 의하여 이를 적용하기에는 어려움이 많았다. 또한 석유보일러에서는 버너의 비연소시 자연환기력에 의해 유동하는 공기가 열교환기를 통과하기 위해서는 방열에 의해서 온수가 냉각되는 점에서도 비경제적임을 알 수 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 소출력인 5,000~8,000 ㎉/hr의 석유버너에 대한 사용 욕구가 사용자들은 강해지고 있는 실정이다.

또한, 이와 관련하여 석유연소기기용 버너로서 초음파 진동자로 석유를 무화(霧化)시키는 초음파버너로 개시(開示)된 특허문헌 1에 의하면(공개특허공보 제10-2005-0117100호 2005.12.14 공개), 초음파노즐을 이용한 액체연료 연소장치에 관한 발명이다. 상기 버너는 건 포트식 석유버너에 압력분무노즐을 초음파노즐(1)로 대체한 버너로써, 상기 노즐분사로 무화된 연료를 기화통(5) 내에서 공기와 예혼합하여 예혼합가스가 형성된 다음 기화통(5)의 기화가스 분출구(5a)를 거쳐 확산연소통(6)으로 예혼합가스가 방출되면, 확산연소통(6)의 상부와 하부에 설치된 확산연소공기공급구(6a)로 부터 방출되는 연소공기와 함께 확산연소가 이루어진다. 즉 이 발명은 버너포트에서 확산연소가 이루어지는 것에 관한 발명이다. 상기와 같은 종래의 초음파노즐을 가진 버너나 기타 기화식 버너의 경우에도 확산연소로 이루어진 것이다.

또한 지금까지, 이런 종류의 초음파노즐을 가진 버너의 무화수단은, 실시례를 살펴보면 기화식 버너가 대부분이며, 연소용 공기류의 벤츄리(venturi)효과를 이용하여 무화한 연료를 공기와 함께 기화기로 보내고, 예혼합가스화 하여 버너에 공급하여 예혼합하는 기화식 버너에 관한 것이었다. 또한 상기 초음파노즐을 이용하는 경우에는 압력밸브가 아닌 압력변동에 관계없이 일정한 유량을 공급하는 정유량 밸브를 사용하고, 예열시간이 길고, 화염 역화시 복귀성이 없으며, 초음파를 발생하는 진동자 구입시 일반구매는 어렵고 특수제작으로 이루어지기 때문에 제작비가 고가인 점등을 고려하면 실용화하는데 문제점으로 지적된바 있었다. 또한 특허문헌 2(공개특허공보 제10-2001-0010047호 2001.2.5 공개)의하여 공개된 것에 의하면, "초음파 분무발생장치를 장착한 보일러의 연료분사장치"에 관한 것으로 초음파노즐을 버너에 적절한 형상으로 설치한 발명이다. 상기 초음파노즐은 팁(17)으로부터 프런트 혼(horn 15)까지의 거리가 길고 오버행(over hang) 형상이고, 해당부위에 초음파 진동이 가해지면, 프런트 혼(15)이 반복 응력에 의하여 파손되는 사례가 있었다. 또한 버너의 발열부에 가까운 근접부위에 팁(17)이 설치되어 있기 때문에, 소화 후 예열로 노즐팁(17)에 잔류하는 잔사가 고무 형상의 "껌"과 같은 상태에서 증발하기 때문에 잔탄형(殘炭形)의 슈트가 퇴적 상태로 남아 있어 연속 사용시 성능이 저하되는 점이 단점으로 지적되었다. 현재 상기와 같은 연유(緣由)로 인하여 제품이 현재까지 출시되지 못하였다. 상기에서 설명한 버너 이외에 종래 기술로서 기화식 석유 버너가 있다. 상기 기화식 석유 버너는 지금까지 몇 번에 걸쳐 출시되었지만, 기화기의 온도가 연료의 분별증류온도의 상한에 가깝기 때문에, 타르가 생성되기 쉬운 점이 단점으로 지적되었다. 따라서, 산화·열화한 연료를 사용하게 되면 기화기가 폐색(閉塞)하는 문제가 있어, 상기의 원적외선 석유난방기와 소형 석유보일러 등의 기술 분야에서 활용하는 연소기기에는 실용화 단계에 진입하지 못하고 있다.

또한, 현재 많이 사용되고 있는 버너는 건-타입의 석유 버너이지만, 시장에서 요구하는 열출력에는 만족스럽지 못한 것이 현 실정이다.

또한, 특허문헌 3인 공개실용신안공보 제20-1991-0006037호(1991.4.24 공개)의 경우에는 "가정용 기름보일러에 있어서의 점화 연소장치로서 압력분무식 석유 버너"가 개시되어 있다. 이 버너는 공기와 함께 압력분무노즐(2)로 무화한 연료를 세공(細孔)(3a)을 가진 기화컵(3) 내에 분사하여 공기공급실(4)의 안쪽 세공으로부터 유입하는 공기에 의하여 1차 연소시켜 기화컵(3)을 가열함과 동시에, 남은 예혼합가스를 공기 공급실(4)의 내면, 앞쪽에 다수의 세공(4a)으로부터 유입하는 공기로 확산연소가 이루어진다. 이 형태의 버너는, 주 연소영역의 세공(4a)부분과 기화컵(3)이 떨어져 있기 때문에 주 연소의 연소열이 기화컵(3)으로 피드백되기 어렵다. 그러므로, 점화 후의 예열 운전이 길어진다. 이와 관련하여 예열 부족으로 포스트이그니션(post ignition)을 정지하면 화염이 크게 맥동(脈動)하여 백연(白煙)현상이 발생한다. 따라서 상기의 기술분야에서 실내 배기의 원적외선 석유난방기에 사용하는 것이 부적합함을 알 수 있다.

: KR 공개특허공보 제10-2005-0117100호 A1(2005.12.14 공개) : KR 공개특허공보 제10-2001-0010047호 A1(2001.2.5 공개) : KR 공개실용신안공보 제20-1991-0006037호 U1(1991.4.24 공개)

본 발명은 종래에 사용하던 버너들이 가지고 있는 여러 단점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 버너 연소시 확산연소 및 예혼합연소가 동시에 이루어져 소규모 열출력을 안정적으로 확보할 수 있고, 점화시 예열운전 시간이 짧고, 버너의 외경이 작고, 점화와 소화시 뛰어난 제어성과 유지보수성이 있으며, 타르생성 및 내산화ㆍ열화 연료에 의해 내성을 갖고, 역화 방지와 내구성이 있어 사용하기 편리하고 경제성이 뛰어난 친환경적인 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 측벽부와 폐쇄벽을 가진 사발(椀狀) 구조의 버너포트(1)와, 상기 버너포트(1)의 측벽부는 연소용 공기 유입구멍과 더불어 폐쇄벽에는 연료분무 유입구멍(1b)이 형성된 포트식 석유버너의 내부에 압력분무노즐(4)로 무화한 액체연료를 분사하는 건 포트식 석유버너에 있어서,

공기와 함께 무화 연료를 공급하는 버너포트의 연료분무 유입구멍을 덮는 컵형상으로 전열과 후열로 분할한 예혼합가스 출구구멍을 갖는 기화통(2);과, 버너포트의 연료분무 유입구멍과 동일중심선상으로 버너포트와 밀착 배치하고, 상기 기화통 전열의 제2예혼합가스 출구구멍은 예혼합연소의 염구로서 작용하여 예혼합화염을 형성시킴과 동시에 후열의 제1예혼합출구구멍은 유출하는 예혼합가스를 버너포트의 연소용 공기 유입구멍까지 유도하여 확산연소화염이 형성되어 연소하는 것으로, 이는 혼재된 2종류의 화염을 사용하여 주 연소부인 버너포트의 확산연소량을 감축시켜 연소율 감소로 버너의 외경의 크기를 축소시키는 것이다.

또한, 상기 연료분무 유입공과 인접되고 윈드찬넬의 진입개구부 내에 압력분무노즐과 점화전극을 형성한 것이며, 상기 기화통의 예혼합가스 출구구멍들은 복수의 제1예혼합가스 출구구멍과 복수의 제2예혼합가스 출구구멍으로 분할 설치하고, 상기의 제1예혼합가스 출구구멍은 버너포트의 연소용 공기 유입구멍 보다 내측으로 이격하여 배치하고, 제2예혼합가스 출구구멍은 측방향에서 연소용 공기 유입구멍들의 영역과 동일 내지 유사하게 배치한 것이다.

또한 상기 버너포트를 감싸는 윈드찬넬은, 원드박스의 공기유로와 연결되어 공기진입을 유도하는 공기 정류통과, 공기 정류통 내에 점화전극과 압력분무노즐이 부설되고, 송풍팬으로부터 유입되는 공기를 버너포트의 측벽부에 공급하는 연소용 공기와 버너포트의 폐쇄벽의 연료분무구멍으로부터 연료분무와 함께 기화통 내에 공급하여 압력분무노즐 근방으로 집중시켜 역화(backfire)를 사전에 방지하는 것이다.

송풍기에서 버너포트에 공급되는 연소용 공기를 버너포트의 연료분무유입구멍부분에 집중시킴과 동시에 그 전류(前流)측에 공기 정류통(整流筒)을 배치하여 기화통 내로 유입하는 공기류의 동압(속도에너지)를 높여 주머니모양의 기화통 내에서 정압(압력에너지)으로 변환하여 기화통 내의 가스의 정압을 버너포트의 연소용 공기 유입구멍부분 보다 높게 형성하여 화염이 기화통 내에 역화하는 것을 방지한다.

또한 상기 기화통의 폐쇄벽(33)은 구면으로 형성함 동시에 기화통의 폐쇄벽은 버너포트의 맨 앞줄의 연소용 공기 유입구멍보다 돌출되게 배치하여 버너점화시 기화통의 온도가 신속하게 상승하여 예열운전 시간을 단축하는 것이다.

이러한 구성에 의해, 압력분무노즐을 통해 분사되는 연료분무와 공기가 혼합하여 기화됨으로써 예혼합가스를 생성하고, 그 예혼합가스의 대부분(80~90%)을 기화통(2)후열의 제1예혼합가스 출구구멍(2a)들을 통해 유도 방출하고 상기 방출된 예혼합가스는 다량의 가스가 일시에 방출하기 때문에 연소온도에 이르지 못하고 희박 공기에 의하여 화염이 형성되지 못한 가스상태에서 버너포트의 빈 연소공간까지 유도되고, 이에 버너포트의 연소용 공기유입구멍(1a)으로 공급하는 공기와 버너포트의 빈 연소공간에서 접속하게 됨으로써 확산연소가 이루어지고, 이와 동시에 예혼합가스의 나머지가스는 방출되는 량이 적고 농후한 가스상태이고 연소온도에 이르러 기화통(3)의 제2예혼합가스 출구구멍(2b)으로 유인되어 염구(炎口) 작용으로 예혼합화염을 형성시켜 버너포트의 연소용 공기유입구멍(1a)으로 공급하는 일부 공기와 대기층에 형성된 2차 공기와 접속하여 연소하는 버너로 2종류의 화염이 혼재된 하이브리드 플레임(hybrid flame)이 형성된 석유 버너이다. 상기 하이브리드 플레임(hybrid flame)을 가진 석유버너는 주 연소부인 확산연소영역의 연소율 저감으로 버너의 소형화를 이룰 수 있는 하이브리드 플레임 석유 버너에 관한 것이다.

또한, 상기 버너포트(1)의 폐쇄벽과 풍상의 측벽 사이에는 스페이서(15)가 설치되어 풍로의 간격을 일정하게 유지하여 공기량이 균일하게 유입될 수 있도록 한 것이다.

본 발명에 의하면, 버너 연소시 확산연소 및 예혼합연소가 동시에 이루어져 소규모 열출력을 안정적으로 확보할 수 있고, 점화시 예열운전 시간이 짧고, 버너의 외경이 작고, 점화와 소화시 뛰어난 제어성과 유지보수성이 있으며, 타르생성 및 내산화ㆍ열화 연료에 의해 내성을 갖고, 역화 방지와 내구성이 있어 사용하기 편리하고 경제성이 뛰어난 친환경적인 난방용 석유버너를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너의 플레임로드 설치상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너의 하이브리드 플레임 상태도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너의 콘트롤러 작동 시퀀스를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다.

따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.

도 1은 본 발명에 의한 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너를 도시한 실시례의 종단면도에 관한 것이다.

본 발명에 의한 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너의 구성을 살펴보면, 버너포트(1), 버너포트(1)의 내측에 배치된 기화통(2), 윈드박스(3), 상기 버너포트(1)의 후방측에 배치된 압력분무노즐(4), 상기 압력분무노즐(4)에 인접 배치된 점화전극(5), 송풍도입구멍(7), 송풍모터(8), 송풍팬(9), 점화변압기(10), 전자펌프(11), 송유관(12), 노즐어댑터(13), 윈드찬넬(14), 버너포트(1)의 내측에 배치된 기화통(2) 등을 포함한 것이다.

상기 버너포트(1)는 측벽부를 가지고 있고, 이 측벽부의 일단부에 외부를 향해 개방된 개구부, 측벽부의 타단부에 형성된 폐쇄벽을 가진 사발(椀狀)형상의 구조를 갖는다. 측벽부에는 복수의 연소용공기유입구멍(1a)이 복수열로 다수개 형성되어 있으며, 폐쇄벽(일명 '저부'로도 호칭한다.)에는 연료분무 유입구멍(1b)이 형성된다.

연료분무 유입구멍(1b)은 폐쇄벽의 중심부에 형성된다. 특히, 폐쇄벽의 중심부에는 경사진 측벽 및 평탄부를 가진 돌출부가 형성된다.

압력분무노즐(4)은 노즐어댑터(13)에 설치되고, 압력분무노즐(4)에는 송유관(12)을 통해 전자펌프(11)가 접속되어 있다.

점화전극(5)은 압력분무노즐(4)에 인접하여 배치되고, 압력분무노즐(4)에서 연료가 분사되면 점화전극(5)의 방전불꽃에 의해 분사되는 연료분무를 착화시켜 보염시킨다. 상기 점화전극(5)에는 고압코드를 통해 점화변압기(10)가 접속되어 있다.

윈드박스(3)은 버너포트(1)를 감싸는(포위하는) 구조로, 버너포트(1)의 외측에 배치되어 소통하도록 구성된 것이다. 윈드박스(3)의 저부에는 공기도입구멍(7)이 있고, 그 전류(前流)에는 공기 정류통(16)이 배치되어 있다. 상기 공기정류통(16) 내에 점화전극(5)과 압력분무노즐(4)이 부설되어 있다. 송풍팬(9)에 의해 송풍되는 공기가 윈드찬넬(14) 통해 상기 공기정류통(16)으로 유입되어 버너포트(1)의 연소용공기도입공(1a) 및 연료분무 유입구멍(1b)으로 균일하게 배분되어 공급될 수 있고, 이에 공기량의 배분 편차를 방지하여 화염 형상의 치우침과 역화방지에 효과적으로 대응할 수 있다.

윈드박스(3)중에 버너포트(1)를 배치하여 버너포트의 연료분무유입구멍(1b)을 가지면서 제1예혼합가스출구구멍(2a)와 제2예혼합가스출구구멍(2b)을 가진 기화통(2)이 형성되고, 상기의 연료분무유입구멍(1b)과 동일 중심선상에 버너포트(1)가 밀착되어 배치한 것이다. 기화통(2)은 버너포트(1)의 내부에 동심원 구조로 배치된다. 즉, 기화통(2)의 축심과 버너포트(1)의 축심이 서로 동일하게 배치된다. 기화통(2)은 측벽부를 가지며, 이 측벽부의 일단부 외부에 대해 폐쇄되게 형성된 폐쇄벽(33)과, 측벽부의 타단부에 형성된 개구부를 가진다. 상기 측벽부은 원통형 구조이고, 측벽부에는 원주방향을 따라 형성된 복수의 제1예혼합가스 출구구멍(2a)과, 이러한 제1예혼합가스 출구구멍(2a) 보다 전방측으로 이격되어 배치된 복수의 제2예혼합가스 출구구멍(2b)이 마련된다.

즉, 복수의 제1예혼합가스 출구구멍(2a)과 복수의 제2예혼합가스 출구구멍(2b)은 측벽부에서 길이방향으로 이격 배치된다. 상기 제1예혼합가스 출구구멍(2a)과 제2예혼합가스 출구구멍은 그 크기가 상이하고 개수 또한 상이하다. 윈드박스(3)의 저부에는 공기도입구멍(7)이 있고, 그 전류(前流)에는 공기 정류통(16)이 배치되어 있다. 상기 공기 정류통(16) 내에는 버너포트(1)의 연료분무유입구멍(1b)의 외측에는 압력분무노즐(4)과 점화전극이 배치되어 있다. 또한 상기 버너포트(1)의 폐쇄벽과 풍상의 측벽 사이에는 스페이서(15)가 설치되어 풍로의 간격을 일정하게 유지하여 공기량이 균일하게 유입될 수 있도록 한 것이다.

또한, 본 발명인 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너를 구현하기 위한 열출력은 소규모의 출력에 적용하기 위한 것이다. 이 발명을 적용하여 실시하고자 하는 사례의 규모는 약 5,000~8,000kcal/h가 안정적으로 보장하는 규모가 바람직하고, 주변환경의 변화와 기술진보성에 의하여 그 규모는 가변하여 적용할 수 있는 것이다. 압력분무노즐의 분사량은 공급유압의 평방근에 비례하는 것을 이용하여 적당하게 공급유압을 선정하는 것에 의해서 필요분사량을 얻을 수 있다. 예컨대, 열출력 6,000kcal/h를 얻기 위하여 정격분사량 0.3G/H, 정격공급압력 10bar의 노즐로서 등유를 사용하고, 공급유압을 3.5bar로 선정하여 실시하게 되면,

분사량 Qn = 0.3×3.785×√3/7 ≒ 0.74ℓ/h 이고,

발열량(열출력) LHV = 0.74 x 8,240 = 6,097 kcal/h(등유)을 얻을 수 있는 것이다.

이와 같이 저압이 되면, 노즐을 사용하여 분사된 연료분무 입경(粒俓)은 증대된다. 그렇지만, 이 발명에 있어서는 연료를 기화통 내면에 접촉시켜서 기화하여 예혼합하고 있으므로 문제점은 없다. 한편 건-타입 석유버너는 압력분무를 공기 중에서 비산(飛散)하면서 기화(氣化)하기 때문에 증발(蒸發)이 늦게 발연한다. 또한 경우에 따라서는 보염(保炎)기능에 지장이 생겨 단화(斷火)에 이르기도 한다.

본 발명의 버너는, 점화시 예열운전을 짧게하기 위하여 기화통의 정부를 구면으로 형성함과 동시에, 기화통의 정부가 버너 포트의 연소용 공기 유출구멍의 맨 앞줄 구멍보다 돌출하도록 배치하여 버너 점화시 기화통의 온도가 연소열 증가로 신속하고 효율적으로 가열하도록 하여 점화시 예열운전을 짧게 약 5초 동안 실시한다.

또한, 본 발명은 역화와 화염 형상의 치우침은 기화통 내의 예혼합가스의 공연비의 편차로 일어날 수도 있으므로 이에 대응한 수단으로는, 기화통의 폐쇄벽을 구면(球面)으로 형성하여 기화가스와 공기의 균일적인 혼합에 의하여 이를 수행할 수 있도록 한 것이다. 한편, 종래 기술인 특허문헌 1의 초음파 버너도 연료 분무의 입경이 압력분무식의 60~80㎛ 보다 훨씬 적은 약 20㎛으로 작기 때문에 기화통 내에서 대부분이 공중에서 기화하는 것이므로 예열 운전시간은 짧으나, 화염 안정을 위한 포스트이그니션이 진행되는 과정에서는 통상 5~10초 동안 실시하는 것이다. 따라서 본 발명에 의한 버너와 초음파 버너도 동등하고, 건-타입 석유 버너의 경우와 본원발명의 버너를 비교하여도 손색이 없는 발명으로 인식할 수 있다. 예열 운전은 본 발명의 버너도, 종래 기술인 초음파 버너도 정상 운전 시에는 존재하지 않는 화염이 기화통 내에 존재하는 것이므로, 너무 양호한 연소 상태라고는 말할 수 없고 과도적으로 소량의 발연이나 악취를 동반함과 동시에 연소 소음도 커지므로 가능한 한, 단시간 내에 이루어지는 것이 바람직한 것으로 본다.

건-포트 석유 버너의 버너 지름크기(외경)는, 버너 포트의 연소용 공기 유출구멍 부분의 단위면적 당의 연소량, 즉 면적 연소율에 의하여 결정하는 것이다. 본 발명에 의하면, 기화통의 예혼합가스 출구구멍을 분할하여, 제2 예혼합가스 출구구멍을 예혼합연소의 염구로서 작용시켜 예혼합화염을 형성함으로써 주 연소부인 확산연소영역의 연소율을 감축시켜 버너의 지름을 작게 할 수 있다. 일례를 들어 살펴보면, 열출력 8,000 KCal/h의 버너로 비교하여 본 발명의 버너 지름은 100 mm이고, 그에 반해 종래기술인 초음파 버너의 버너지름은 120 mm이므로 20%의 크기를 감축시킬 수 있다. 상기에서 설명한 기술 분야에서 나타낸 소(小) 열출력의 연소기기는 소형이고, 버너를 연소실에 삽입하는 삽입구는 작아, 버너 지름이 크면 설치가 곤란하게 되어, 가능한 한 소경(小徑))의 크기를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 버너 지름의 크기는 실용상으로 보아 이를 이용하는데 아무런 지장이 없는 크기의 버너 지름을 실현할 수 있어 이를 반증할 수 있다. 또한, 본 발명은 확산연소 화염이 버너포트의 연소용공기 유입구멍으로 유입되는 고속 공기류에 의한 와류 작용으로 가스와 공기가 부분적으로 예혼합된 상태가 되므로, 화염은 청염(淸焰)화 되어 버너포트에 그을음이 발생하지 않으며, 개방형 연소기기에 적용하더라도 배기구에 그을음이 비산되지 않는다.

기화식 석유버너에서는 등유를 연료로 하고 있지만, 여름철을 경과(經過) 한 등유를 사용하면 기화기가 타르로 폐색(閉塞)되는 단점이 있었다.

본 발명에 의한 버너의 기화통은, 버너 포트의 연소용 공기 유출구멍 부분의 확산연소 화염에 의한 윤택한 피드백(feedback)에 의해 기화통의 온도가 약 400C°정도로 가열되는 것이므로, 연료는 기화통 내면에서 순간적으로 중합(重合) 반응을 일으키는 시간보다 신속하게 증발하므로 타르의 생성이나 잔탄형 카본이 퇴적되어 남지 않으며, 해당 내성에도 지극히 우수하다.

액체 연료를 예혼합 가스화해서 이용하는 버너는, 화염이 기화통(2)안에서 역화((backfire)에 대한 내성이 있어야 한다. 이에 따라 베르누이 방정식을 인용하여 이를 설명하도록 하면 다음과 같다.

여기서,

v : 유선 내 한 점에서의 유동 속도

g : 중력 가속도

h : 기준면에 대한 그 점의 높이

p : 그 점에서의 압력

ρ : 유체의 밀도

상기 기재와 달리 단순화된 베르누이 방정식은 다음과 같이 요약될 수 있다. 정압력 + 동압력 = 전압력이며 즉, 베르누이 방정식은 "유선상에서의 전압력은 일정하다"는 말로 해석될 수 있다. 본 발명에 의하면, 송풍기로부터 공급되는 연소용 공기를 일단, 버너 포트의 연료 분무 유입 구멍 부분에 집중시킴과 동시에, 그 전류(前流)측에 공기 정류통(16)을 배치하여 기화통 내로 진입하는 공기류의 동압(속도 에너지)을 상승시키고, 주머니 모양을 갖는 기화통 안에서 정압(압력 에너지)으로 변환하여 기화통 내의 예혼합 가스의 정압을 버너 포트의 연소용 공기 유입구멍부분의 정압보다 높게 상승시켜 화염이 기화통 내에서 역화되는 것을 사전 방지할 수 있다.

건-포트 석유 버너는 오랜 기간 동안 시장에서 판매 활용한 실적이 있는 것으로 보아 본 발명의 버너는 건-포트 석유 버너를 계승하여 제작한 것으로 보아 내구성이 있음을 알 수 있다. 상기 구성에 의하여 버너의 운전과정을 살펴보면 아래와 같은 동작에 의하여 작동이 이루어집니다.

(1) < 버너의 예열운전> 과정을 살펴보면,

버너 점화 시에 송풍모터(8)가 시동하고, 상기 송풍모터에 부착된 송풍팬(9)이 가동하여 버너포트(1)에 공기를 송풍한다. 이와 동시에 점화변압기(10)에 전기가 통전이 이루어지면, 상기 통전에 의하여 2개의 점화전극(5)이 전극 상호 간에 방전이 개시된다.(프리퍼지 t1 및 프리이그니션 t2) 그런 다음에 전자펌프(11)에 통전이 이루어져 펌프가 가동하면, 도시되지 않은 기름탱크(미도시)에서 연료를 흡입하여 전자펌프(11)의 흡입구(11a), 송유관(12), 노즐어댑터(13)를 경유하여 압력분무노즐(4)에 연료가 전달되고, 전달된 연료는 노즐의 분사구를 통하여 분사가 시작되고, 분사된 연료분무(6)는 버너포트의(1) 연료분무 유입구멍(1b)으로부터, 예혼합용 공기와 함께 기화통(2) 내부에 공급 전달되면, 점화전극(5)의 방전에 의해서 착화되어, 기화통(2) 내에서 연소되는 화염과 예혼합가스가 동시에 생성된다. 따라서 상기와 같은 공정으로 예열운전이 이루어진다.

상기 예열운전으로 기화통(2)내에서 연소가 이루어지는 화염과 연소온도에 이르지 못한 예혼합가스는 제1혼합가스출구구멍(1a)과 제2예혼합가스출구구멍(2b)으로 동시에 방출되어 발생하는 화염으로 기화통(2)이 가열된다.

상기 기화통(2)의 연소과정 중에서 후열의 제1예혼합가스 출구구멍(2a)으로부터 대부분(약80~90%)의 예혼합가스가 방출되어 버너포트의 빈 연소공간에 유입되면, 상기에 유도된 예혼합가스는 버너포트(1)의 연소용 공기 유출구멍((1a)으로부터 공급하는 공기와 버너포트의 빈 연소공간에서 접속하여 확산연소가 이루어짐과 동시에 제1예혼합가스 출구구멍(2a)에 방출하고 남은 잔여 예혼합가스(약10~20%)는 제1예혼합가스 출구구멍(2a)에 대부분을 방출하는 예혼합가스 보다 더 높은 연소온도 유지와 농후가스 상태에서 염구(炎口)작용에 의하여 제2예혼합가스 출구구멍(2b)으로 방출하는 예혼합화염을 형성하여 예혼합연소가 이루어지는 것이다. 즉, 상기 버너는 확산연소화염(25)과 예혼합화염(26)이 혼재된 하이브리드 플레임(화염)에 의하여 주 기화통(2)의 정부(正剖)부근을 가열하여, 기화통(2)의 온도를 급격히 상승시켜 예열이 완료된다.

(2) <버너의 정상운전>과정을 살펴보면,

상기와 같은 버너의 예열과정을 거쳐 기화통(2)의 온도가 충분히 상승한 후에 점화변압기(10)의 통전을 단절시키면, 점화전극(5)의 방전이 정지되고, 기화통(2)내의 화염은 보염(保炎)수단을 잃어 소멸하여 정상연소가 이루어진다.

이에 따라 정상연소에 있어서는, 기화통(2)의 제2예혼합가스출구구멍(2b)으로 염구 작용에 의하여 예혼합화염을 형성하고, 제1예혼합가스출구구멍(2a)으로부터 방출되는 예혼합가스는 버너포트(1)의 연소용공기유입구멍(1a)부에서 확산연소화염을 형성하여 연소하는 것이다. 이에 덧붙여 설명하면, 상기 연소과정 중에서 제1예혼합가스출구구멍(2a)으로부터 대부분의 예혼합가스가 방출(80~90%)되는데, 상기 가스는 농도가 엷고 연소온도에 이르지 못하고 희박공연비를 가진 미연가스로서 화염을 형성하지 않은 상태에서 버너포트의 빈 연소공간에 유도되고 상기에 유도된 예혼합가스는 버너포트(1)의 빈 연소공간에서 버너포트(1)의 연소용 공기 유출구멍((1a)으로 공급되는 공기와 서로 접속하여(만나서) 확산연소화염(25)이 형성되어 확산연소가 이루어지고, 이와 동시에 제1예혼합가스 출구구멍(2a)에 대부분의 예혼합가스를 방출하고 남은 잔여 예혼합가스(10~20%)는 가스의 농도가 진(농후)하고 연소온도에 이르러 염구(炎口) 작용에 의하여 제2예혼합가스 출구구멍(2b)으로 방출하여 예혼합화염(26)을 형성한 이후에 버너포트(1)의 연소용 공기 유출구멍((1a)의 잔여공기와 대기층에 형성된 2차 공기가 서로 접촉하여 부분 예혼합연소가 이루어진다. 상기 버너는 확산연소화염과 예혼합화염인 혼재된 2종류의 화염인 하이브리드 플레임(화염) 형성으로 주 기화통(2)의 정부(正剖) 부근을 가열하여 기화통(2)의 온도를 급격히 상승시켜 난방용으로 활용하는 것이다.

또한 이러한 제1예혼합가스 출구구멍(2a)은 미연소된 예혼합가스와 버너포트(1)의 연소용 공기 유출구멍((1a)으로부터 공급되는 공기가 서로 접속한 상태에서 확산연소가 이루어져 기화통(2) 내에서 불완전연소를 완전연소로 전환된 연소가 이루어지기 때문에 열효율 향상으로 화석에너지를 절감함과 동시에 타르와 그을음, 냄새를 완전하게 소각시켜 연소시킴으로 인하여 대기부의 공해(公害)요인을 완전 제거함으로써 쾌적하고 따뜻한 경제 난방환경을 조성할 수 있다.

또한 본원 발명은 버너의 연소율이 낮고, 기화통 마련 구성에 의해, 연료분무의 형상이나 패턴의 영향을 거의 받지 않기 위하여 압력분무노즐(4)의 공급압력을 낮출 수 있으므로 소규모의 열출력을 보장하는데 기여할 수 있다.

<버너의 소화>과정을 살펴보면,

소화시에는 전자펌프(11)의 통전이 차단되면 압력분무노즐(4)로부터의 연료분무가 정지하여 소화가 이루어지고 그 이후에, 연소기의 연소실 내의 배기가스의 배출과 버너의 냉각을 위해 송풍모터(8)를 수 초 동안 운전한 후에 정지하도록 한다(포스트퍼지t3).

먼저, 도2에서는 플레임로드(17)의 설치구조에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너의 일측에는 플레임로드(17)가 설치되고, 점화시의 불착화 및 연소중의 단화는 플레임로드(17)를 사용한 플레임 센서로 이상 여부를 검출하여 안전상태를 유지하는 것이다.

도3은 상기 화염상태 즉 예혼합염과 확산연소염의 화염이 동시에 혼재된 2개의 혼재화염인 하이브리드 플레임(화염)상태을 도시한 것으로 상기에서 설명드린 내용의 이해도 증진을 위하여 이를 상세하게 살펴볼 수 있도록 명기한 것입니다. 상기 기화통(2)의 제1예혼합가스출구구멍(2a)으로부터 대부분의 예혼합가스가 방출(80~90%)되는데, 상기 가스는 농도가 농후하지 않고 엷으며 연소온도에 이르지 못하고 희박공연비를 가진 미연가스로서 화염을 형성하지 않은 가스상태에서 버너포트(1)의 빈 연소공간으로 유도됨과 동시에 버너포트(1)의 연소용 공기 유출구멍((1a)부에 공급되는 공기가 방출됨으로써 버너포트 빈 연소공간에서 예혼합가스(20)와 공기가 서로 접속함으로써 확산연소화염(25)으로 확산연소가 이루어지는 것을 도시한 것이며, 이와 동시에 제1예혼합가스 출구구멍(2a)에 대부분의 예혼합가스를 방출하고 남은 잔여 예혼합가스(10~20%)는 가스의 농도가 진(농후)하고 연소온도에 이르러 염구(炎口) 작용에 의하여 제2예혼합가스 출구구멍(2b)으로 방출하여 예혼합화염(26)을 형성한 후에 버너포트(1)의 연소용 공기 유출구멍((1a)에서 공급되는 일부 잔여 공기와 대기층에 형성된 2차 공기가 서로 접촉하여 부분 예혼합연소가 이루어지는 것을 도시한 것이다.

제4도는 본 발명에 의한 압력분무식 버너의 작동 시퀀스를 도시한 것으로 정상운전시 점화와 소화과정, 불착화운전시 점화와 소화과정, 단화운전시 점화와 소화과정를 구분하고, 작동시 연계된 구성들의 연속성 여부를 도시한 것이다.

이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.

1: 버너포트 1a: 연소용 공기 유입구멍
1b: 연료분무유입구멍 2: 기화통
2a: 제1예혼합가스출구구멍 2b: 제2예혼합가스출구구멍
3: 윈드박스 4: 압력분무노즐
5: 점화전극 6: 연료분무
7: 공기도입구멍 8: 송풍모터
9: 송풍팬
10: 점화변압기 11: 전자펌프
11a: 흡입구 12: 송유관
13: 노즐어댑터 14: 윈드찬넬
15: 스페이서 16: 공기 정류통
17: 플레임로드 20: 예혼합가스
25: 확산연소화염 26: 예혼합연소화염

Claims (4)

1. 측벽부와 폐쇄벽을 가진 사발(椀狀) 구조의 버너포트와, 상기 버너포트(1)의 측벽부는 연소용 공기 유입구멍과 더불어 폐쇄벽에는 연료분무 유입구멍(1b)이 형성된 포트식 석유버너로서 그 내부에 압력분무노즐(4)로 무화한 액체연료를 분사하는 건 포트식 석유버너에 있어서,
   공기와 함께 무화 연료를 공급하는 버너포트(1)의 연료분무 유입구멍을 덮는 컵형상으로 전열과 후열로 분할한 예혼합가스 출구구멍을 갖는 기화통(2);과, 버너포트(1)의 연료분무 유입구멍과 동일중심선상으로 버너포트와 밀착 배치하고, 상기 기화통 전열의 제2예혼합가스 출구구멍은 예혼합연소의 염구로서 작용하여 예혼합화염을 형성시킴과 동시에 후열의 제1예혼합출구구멍은 유출하는 예혼합가스를 버너포트의 연소용 공기 유입구멍까지 유도하여 확산연소화염이 형성되어 연소하는 것으로, 이는 혼재된 2종류의 화염을 사용하여 주 연소부인 버너포트의 확산연소량을 감축시켜 연소율 감소로 버너의 외경의 크기를 축소시키는 것을 특징으로 하는 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 기화통의 폐쇄벽은 구면으로 형성함 동시에 기화통의 폐쇄벽은 버너포트의 맨 앞줄의 연소용 공기 유입구멍보다 돌출되게 배치하여 버너점화시 기화통의 온도가 신속하게 상승하여 예열운전 시간을 단축하는 것을 특징으로 하는 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너
3. 청구항 1에 있어서,
   송풍기에서 버너포트에 공급되는 연소용 공기를 버너포트의 연료분무유입구멍부분에 집중시킴과 동시에 그 전류(前流)측에 공기 정류통(整流筒)을 배치하여 기화통 내로 유입하는 공기류의 동압(속도에너지)를 높여 주머니모양의 기화통 내에서 정압(압력에너지)으로 변환하여 기화통 내의 가스의 정압을 버너포트의 연소용 공기 유입구멍부분 보다 높게 형성하여 화염이 기화통 내에 역화하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 버너포트의 폐쇄벽과 풍상의 측벽 사이에는 스페이서가 설치되어 풍로의 간격을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 압력분무식 하이브리드 플레임 석유버너.
   
   
   
   
   
   

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