KR101930077B1 - 플라즈마 이용 연료 분무 연소기 및 이를 이용한 가스 가열 장치 - Google Patents

플라즈마 이용 연료 분무 연소기 및 이를 이용한 가스 가열 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마를 증발원 및 착화원으로 하는 연소기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료 분사기로부터 분사되는 연료를 플라즈마를 이용하여 증발 및 분해시켜 연소 효율이 향상된 분무 연소기에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 플라즈마가 생성되는 플라즈마 영역을 연료 분무 중심축의 수직한 방향의 분무액주 상에 형성시켜 플라즈마를 이용하여 연료를 효율적으로 증발시킨 플라즈마 이용 연료 분무 연소기를 제공한다.

Description

플라즈마 이용 연료 분무 연소기 및 이를 이용한 가스 가열 장치{A device of plasma assisted spray combustion and Gas burning Apparatus using the Same}
본 발명은 플라즈마를 증발원 및 착화원으로 하는 연소기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료 분사기로부터 분사되는 연료를 플라즈마를 이용하여 증발 및 분해시켜 연소 효율이 향상된 분무 연소기에 관한 것이다.
연료의 분무 연소 방법은 액체 연료를 고압으로 분사하여 작은 크기의 액적으로 미립화시킨 후 연소하는 방법으로 산업용 버너 및 가정용 버너, 디젤 엔진 등으로 다양하게 사용되고 있다.
최근의 화석에너지 고갈 문제를 해결하기 위해 바이오 디젤 등 저급 연료를 사용하는 추세이다. 하지만 이와 같은 저급연료는 착화 및 연소 특성이 나쁘기 때문에 착화성 및 연소효율이 우수한 새로운 분무 연소 방법이 요구되고 있다.
또한, 디젤엔진의 경우 최근 몇 십 년 동안 연소효율을 높이고, 배출가스를 줄이기 위해 연료 분사압력이 높아지는 추세이다. 하지만 연료를 고압분사하기 위해서는 고가의 고압연료펌프가 필요하며, 고압 생성을 위해 엔진 출력의 일부를 사용하기 때문에 연비가 저하되는 단점이 있다. 또한, 최근의 디젤엔진에서와 같이 질소산화물의 생성 억제를 위하여 상당량의 배출가스를 연소실로 재순환하여 산소농도가 낮은 조건에서 연료를 분무하여 연소시키는 경우 착화성 및 연소효율이 나쁜 단점이 있다.
도 1에는 종래의 연료 분무 연소기(10)의 개략 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 종래의 연소기(10)는 연소 챔버(11) 내부로 연료를 분무하는, 연소분사노즐(12)과, 연소분사노즐(12)에서 분사된 분무 액주(21)가 분무 액적(22)으로 바뀌는 공간에 위치하여 분무 액적(22)을 점화시키는 점화원(13)을 포함하여 이루어진다.
위와 같은 종래의 연소기(10)는, 점화원(40)이 도시된 바와 같이 연소분사노즐(12)에 의한 연료미립화(분무 액적(22))가 완료된 후 주변 공기와 잘 혼합되는 곳에 위치하여왔다. 이 경우 점화원(13)으로는 전기점화플러그나 글로우플러그를 사용하고 있으나, 저급연료를 사용하는 경우나 다량의 공기를 공급할 수 없어 산소농도가 매우 낮은 경우에는 착화 및 연소 특성이 나쁘기 때문에 착화성 및 연소효율이 우수한 새로운 분무 연소 방법이 요구되고 있다.
한국등록특허공보 제10-0828157호 한국등록특허공보 제10-0929611호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 연료 분사기로부터 분사되는 연료를 플라즈마를 이용하여 효과적으로 증발 및 분해함으로써 착화성 및 연소효율이 향상된 플라즈마 이용 연료 분무 연소기를 제공함에 있다.
이를 위해 본 발명은 플라즈마가 생성되는 플라즈마 영역을 연료 분무 중심축의 수직한 방향의 분무액주 상에 형성시켜 플라즈마를 이용하여 연료를 효율적으로 증발시킨 플라즈마 이용 연료 분무 연소기를 제공함에 있다.
또한 본 발명은 연료분사노즐과, 플라즈마 발생을 위한 양전극, 음전극이 연소기 몸체(110) 길이 방향 후단면에서 길이방향을 따라 연소기 몸체를 관통하여 설치함으로써 연소기의 조립이 용이한 플라즈마 이용 연료 분무 연소기를 제공함에 있다.
아울러 본 발명은 플라즈마 발생영역에 착화 가능한 공기연료비 조성하여 착화를 용이하게 한 플라즈마 이용 연료 분무 연소기를 제공함에 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 플라즈마 이용 연료 분무 연소기는, 내부에 연소 챔버가 형성되며, 상기 연소 챔버로 연료를 분사하고 점화원을 이용하여 상기 연료를 점화시키는 연료 분무 연소기에 있어서, 상기 점화원은, 플라즈마인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라즈마 이용 연료 분무 연소기는, 내부가 중공되어 연소 챔버가 형성된 몸체와, 상기 몸체에 구비되어 연료를 상기 연소 챔버로 공급하는 노즐과, 상기 몸체에 설치되어 상기 연소 챔버에 공급된 연료에 플라즈마를 발생시키기 위한 양전극 및 음전극과, 상기 양전극과 음전극에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하여 이루어지는, 플라즈마 이용 연료 분무 연소기에 있어서, 상기 연소 챔버에 노출된 양전극의 끝단과 음전극의 끝단 사이에는 플라즈마가 발생되는 플라즈마 영역이 형성되되, 상기 플라즈마 영역은, 연료가 분사되는 상기 노즐의 끝단과, 상기 노즐에서 분사된 연료가 미립화되기 전 영역 사이에 형성된다.
이때, 상기 플라즈마 영역은, 상기 노즐의 연료 분무 중심축에 수직한 방향으로 상기 노즐에서 분사된 연료의 분무액주 영역에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양전극의 끝단과 상기 음전극의 끝단 사이의 최단 거리는 상기 양전극 또는 음전극의 끝단과 상기 노즐 사이의 거리보다 짧게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양전극과 음전극의 끝단은, 그 거리가 가장 짧은 최단 거리(x1)와 최장거리(x2)가 존재하며, 상기 최단 거리(x1)가 상기 몸체의 전단에 형성되고, 상기 최장 거리(x2)가 상기 몸체의 후단에 형성된다.
이때, 상기 양전극과 음전극의 끝단 사이의 거리는, 상기 몸체의 전단측이 상기 몸체의 후단 측 보다 짧게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 노즐, 양전극 및 음전극은 상기 몸체의 길이방향 일측에 구비되며, 타측이 상기 몸체를 관통하여 상기 연소 챔버에 노출되도록 형성된다.
또한, 상기 연소기는, 상기 몸체의 외면을 감싸도록 원통형으로 이루어진 가열챔버덮개; 를 더 포함하며, 상기 몸체와 상기 가열챔버덮개 사이에는 산화제 가열챔버가 형성되고, 상기 몸체 상에는 상기 가열챔버와 상기 연소 챔버를 연통하는 다수의 산화제 유출공이 형성된다.
또한, 상기 산화제 유출공은, 상기 플라즈마 영역의 후단부와 수직한 몸체 상에 형성된다.
본 발명의 일실시 예에 따른 플라즈마 이용 연료 분무 연소기를 이용한 가스 가열 장치는, 상기 플라즈마 이용 연료 분무 연소기; 및 상기 연소기가 수용되며, 양단에 가스 유입구 및 유출구가 형성되고, 내부에 상기 연소기를 통해 가열되는 가스가 유동하는 외통; 을 포함한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 플라즈마 이용 연료 분무 연소기는, 연료 분사 시 연료가 미립화 되기 전의 분무 액주에 플라즈마를 발생시켜 연료를 증발시키고, 분자구조가 작은 탄화수소로 분해하기 때문에 저급연료를 사용하는 경우나 다량의 공기를 공급할 수 없어 산소농도가 매우 낮은 경우에도 연료의 착화 및 연소 효율이 향상된 장점이 있다.
또한 연소기의 조립이 용이하도록 구성하여 연소기의 생산성 향상 및 제작 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
아울러, 연소 챔버 내에 가열된 공기 공급을 통해 착화에 필요한 플라즈마 에너지가 줄어들게 되어 고 에너지 플라즈마 발생을 위한 고가의 장비 또는 에너지 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 기존 분무 연소기의 착화 개념도.
도 2는 본 발명의 플라즈마 이용 분무 연소기 단면도
도 3은 본 발명의 양전극과 음전극의 확대단면도
도 4는 도 3의 부분 확대단면도
도 5는 도 2의 A1-A2 단면도
도 6은 도 2의 B1-B2 단면도
도 7은 본 발명의 플라즈마 이용 분무 연소기를 이용한 가스 가열 장치 단면도
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 연소기(100)의 단면사시도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 양전극(130a)과 음전극(130b)의 확대 단면사시도이고, 도 5는 도 2의 A1A2 단면도이고, 도 6은 도 2의 B1B2 단면도이다.
본 발명의 일실시 예에 따른 연소기(100)는 제조가 용이하고 연소효율이 향상된 것에 그 특징이 있는바 이하 연소기(100)의 세부 구성에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 연소기(100)는 내부에 화염이 형성되는 연소 챔버를 형성하는 몸체(110), 연소 챔버로 연료를 공급하도록 몸체(110)의 일측에 구비되는 노즐(120), 일측이 몸체(110)의 외부에 형성되고, 타측이 몸체(110)의 내부에 구비되는 양전극(130a)과 음전극(130b), 양전극(130a)과 음전극(130b)이 몸체(110)를 관통하여 고정되도록 양전극(130a) 및 음전극(130b)과 몸체(110) 사이에 구비되는 절연체(140), 연소 챔버로 가열된 공기를 공급하도록 몸체(110)의 외면을 감싸도록 두께가 있는 원통형으로 이루어진 가열챔버덮개(161)와, 가열챔버덮개(161)와 몸체(110) 사이에 형성된 가열챔버(162)와, 연소챔버와 가열챔버를 연통시키는 유출공(163)을 포함하는 산화제 유입부(160)를 포함하여 이루어진다.
몸체(110)는 내부가 중공되어 노즐(120)을 통해 분사되는 연료가 양전극(130a)과 음전극(130b)의 플라즈마 발생으로 인해 착화되는 연소 챔버를 포함한다. 연소 챔버 상에는 양전극(130a)의 끝단과 음전극(130b)의 끝단 사이에 형성된 플라즈마 영역(200)을 포함한다.
노즐(120)은 몸체(110) 내 연소 챔버로 연료를 분사하기 위한 통상의 인젝터의 구성이 적용될 수 있다. 노즐(120)은 몸체(110)의 길이방향 일측에 구비되며, 타측이 몸체(110)를 관통하여 연소 챔버에 노출되도록 구성된다.
양전극(130a)과 음전극(130b)은 이하 전극(130)으로 정의하여 설명한다. 전극(130)은 몸체(110)내부에 몸체의 길이 방향을 따라 형성된다. 양전극(120)은 스틸(Steel)재질이 사용될 수 있으나, 전기적 전도율이 우수하고 내열성이 강한 재질이면 어떠한 재질도 사용이 가능하다. 전극(130)의 일측은 절연체(140)에 고정되며 전원부(150)와 전기적으로 연결되어 전원부(150)로부터 전원을 공급받는다.
전극(130)은 몸체(110)의 길이방향 일측에 구비되며, 타측이 몸체(110)를 관통하여 연소 챔버에 노출되도록 형성된다. 이때 전극(130)은 노즐(120)과의 간섭을 피하기 위해 몸체(110)의 일측 반경방향 외측에서 몸체(110)의 타측 방향으로 갈수록 몸체(110)의 반경방향 내측으로 기울어지게 배치되며, 양전극(130a)과 음전극(130b)이 서로 대칭을 이루도록 배치될 수 있다. 절연체(140)는 몸체(110)와 전극(130)과의 절연을 위해 세라믹과 같은 절연물질로 형성될 수 있다. 전극(130)의 타측은 연소 챔버에 노출되도록 형성된다. 이때 양전극(130a)과 음전극(130b) 사이에는 플라즈마가 발생되는 플라즈마 영역(200)이 형성된다.
이때, 플라즈마 영역(200)은, 연료가 분사되는 노즐(120)의 타측 끝단과, 노즐(120)에서 분사된 연료가 미립화되기 전 영역 즉 분무액적(220)이 되기 전 영역 사이에 형성된다. 보다 상세하게 플라즈마 영역(200)은, 노즐(120)의 연료 분무 중심축(230)에 수직한 방향으로 형성되되 노즐(120)에서 분사된 연료의 분무액주(210) 영역에 형성될 수 있다. 여기서 분무액주는 연료가 미립화 되기 전 상태를 말하며, 분무액적은 연료가 미립화된 상태를 말한다.
위와 같은 구성을 통해 플라즈마를 이용하여 연료를 증발시키고, 분자구조가 작은 탄화수소로 분해하여 착화 및 연소가 가능하다. 또한, 저급 연료를 사용하거나 산소농도가 낮은 배기가스 조건에서 연료를 연소시키는 경우 착화성 및 연소효율이 향상되는 효과가 있다.
양전극(130a)의 끝단과 음전극(130b)의 끝단 사이에는 그 거리가 가장 짧은 최단 거리(x1)와 그 거리가 가장 긴 최장 거리(x2)가 존재한다.
이때, 양전극(130a)의 끝단과 음전극(130b)의 끝단 사이의 최단 거리(x1)는 전극(130)과 노즐(120) 사이의 거리(y)보다 짧게 형성될 수 있다. 이는 양전극(130a)과 노즐(120) 사이에서 플라즈마가 생성되지 않고, 플라즈마가 양전극(130a)과 음전극(130b) 사이에서 생성되게 하는 효과가 있다.
또한, 양전극(130a)과 음전극(130b)의 끝단은, 몸체(110)의 전단 측에 최단 거리(x1)가 형성되고, 몸체(110)의 후단 측에 최장 거리(x2)가 형성될 수 있다. 즉 양전극(130a)과 음전극(130b)의 끝단은 전단측 간격이 후단측 간격보다 짧게 형성될 수 있다. 이는 플라즈마 방전 시 양전극(130a)과 음전극(130b)의 끝단 상의 분무 액적(220)이 몸체(110)의 전단에서 후단으로 갈수록 확산되도록 하기 위함이다. 더불어 최초 최단 거리(x1) 위치에서 생성된 플라즈마가 노즐(120)에서 분사된 분무에 의해서 발생하는 유동에 의해 최장 거리(x2) 위치로 밀려남에 따라 플라즈마의 길이가 길어져 연료 액주와 플라즈마가 접촉하는 면적이 늘어나 연료의 증발 및 분해 특성이 향상되는 효과가 있다.
전원부(150)는 전극(130)의 플라즈마 발생을 위해 양전극(130a)에 전원을 공급하기 위한 구성으로 전원부(150)의 양극(151)은 양전극(130a)에 전기적으로 연결되고, 전원부(150)의 음극(152)은 음전극(130b)에 전기적으로 연결될 수 있다.
산화제 유입부(160)는 연소 챔버 내에 가열된 공기 즉 산화제를 공급하여 연소기의 연소 효율을 향상시키기 위해 구성된다. 산화제 유입부(160)의 구성을 통해 플라즈마 에너지가 줄어들더라도 연소 성능을 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
산화제 유입부(160)는 가열챔버 덮개(161), 가열챔버(162) 및 산화제 유출공(163)을 포함하여 구성된다.
가열챔버덮개(161)는 몸체(110)의 외면을 감싸도록 원통형으로 구성되며, 일정 온도로 가열되어 연소 챔버로 공급되는 산화제를 가열하도록 구성된다. 따라서 가열챔버덮개(161)와 몸체(110) 사이에는 가열챔버(162)가 형성되어 외부로부터 공기를 유입 받고, 가열챔버(162)와 연소 챔버는 몸체(110)를 관통하는 산화제 유출공(162)을 통해 가열된 공기를 연소 챔버로 공급하도록 구성된다.
이때, 산화제 유출공(163)은 연소기의 연소 성능을 더욱 향상시키기 위해 플라즈마 영역(200)의 후단부와 수직한 몸체(110) 상에 형성될 수 있다. 즉 플라즈마 영역(200)에 착화 가능한 공기연료비 조성하여 착화를 용이하게 하며, 가열된 공기 공급으로 착화에 필요한 플라즈마 에너지를 줄이는 효과가 있다.
도 6에는 본 발명의 일실시 예에 따른 플라즈마 이용 연료 분무 연소기(100)를 이용한 가스 가열 장치(1000)의 단면도가 도시되어 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 플라즈마 이용 연료 분무 연소기(100)는, 연소기(100)가 수용되며, 내부에 연소원의 연소공간이 형성된 외통(300)을 포함하여 구성된다. 외통(300)의 일측에는 가열을 필요로 하는 가스의 유입구(310)가 형성되고, 외통(300)의 타측에는 연소기(100)의 화염을 통해 가열된 가스의 유출구(320)가 형성될 수 있다.
추가적으로 연소기(100)에는 몸체(110) 내부에서 미연소된 연료를 추가 연소시키기 위해 몸체(110)의 후단에 구비되는 보염기(170)를 포함한다. 보염기(170)는 내부에 연소실(180)이 형성되며, 일측이 개방되고, 외면에 다수의 배기홀이 형성된다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
100 : 플라즈마 이용 연료분무 연소기
110 : 연소기 몸체
120 : 노즐
130 : 전극 130a : 양전극
130b : 음전극
140 : 절연체
150 : 전원공급부
160 : 산화제 유입부 161 : 산화제 가열챔버 덮개
162 : 산화제 가열챔버 163 : 산화제 유출공
170 : 보염기 180 : 연소실
200 : 플라즈마 영역
210 : 분무 액주
220 : 분무 액적
230 : 연료분무 중심축
300 : 외통
310 : 가스의 유입구
320 : 가스의 유출구

Claims (9)

  1. 내부가 중공되어 연소 챔버가 형성된 몸체와, 상기 몸체에 구비되어 연료를 상기 연소 챔버로 공급하는 노즐과, 상기 몸체에 설치되어 상기 연소 챔버에 공급된 연료에 플라즈마를 발생시키기 위한 양전극 및 음전극과, 상기 양전극과 음전극에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하여 이루어지는, 플라즈마 이용 연료 분무 연소기에 있어서,
    상기 연소 챔버에 노출된 양전극의 끝단과 음전극의 끝단 사이에는 플라즈마가 발생되는 플라즈마 영역이 형성되되,
    상기 플라즈마 영역은,
    연료가 분사되는 상기 노즐의 끝단과, 상기 노즐에서 분사된 연료가 미립화되기 전 영역 사이에 형성되고,
    상기 양전극의 끝단과 상기 음전극의 끝단 사이의 최단 거리는 상기 양전극 또는 음전극의 끝단과 상기 노즐 사이의 거리보다 짧게 형성된 것을 특징으로 하는, 플라즈마 이용 연료 분무 연소기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마 영역은,
    상기 노즐의 연료 분무 중심축에 수직한 방향으로 상기 노즐에서 분사된 연료의 분무액주 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 이용 연료 분무 연소기.
  3. 삭제
  4. 내부가 중공되어 연소 챔버가 형성된 몸체와, 상기 몸체에 구비되어 연료를 상기 연소 챔버로 공급하는 노즐과, 상기 몸체에 설치되어 상기 연소 챔버에 공급된 연료에 플라즈마를 발생시키기 위한 양전극 및 음전극과, 상기 양전극과 음전극에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하여 이루어지는, 플라즈마 이용 연료 분무 연소기에 있어서,
    상기 연소 챔버에 노출된 양전극의 끝단과 음전극의 끝단 사이에는 플라즈마가 발생되는 플라즈마 영역이 형성되되,
    상기 플라즈마 영역은,
    연료가 분사되는 상기 노즐의 끝단과, 상기 노즐에서 분사된 연료가 미립화되기 전 영역 사이에 형성되고,
    상기 양전극과 음전극의 끝단은, 그 거리가 가장 짧은 최단 거리(x1)와 최장거리(x2)가 존재하며,
    상기 최단 거리(x1)가 상기 몸체의 전단에 형성되고, 상기 최장 거리(x2)가 상기 몸체의 후단에 형성된, 플라즈마 이용 연료 분무 연소기.
  5. 내부가 중공되어 연소 챔버가 형성된 몸체와, 상기 몸체에 구비되어 연료를 상기 연소 챔버로 공급하는 노즐과, 상기 몸체에 설치되어 상기 연소 챔버에 공급된 연료에 플라즈마를 발생시키기 위한 양전극 및 음전극과, 상기 양전극과 음전극에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하여 이루어지는, 플라즈마 이용 연료 분무 연소기에 있어서,
    상기 연소 챔버에 노출된 양전극의 끝단과 음전극의 끝단 사이에는 플라즈마가 발생되는 플라즈마 영역이 형성되되,
    상기 플라즈마 영역은,
    연료가 분사되는 상기 노즐의 끝단과, 상기 노즐에서 분사된 연료가 미립화되기 전 영역 사이에 형성되고,
    상기 양전극과 음전극의 끝단 사이의 거리는,
    상기 몸체의 전단측이 상기 몸체의 후단 측 보다 짧게 형성된 것을 특징으로 하는, 플라즈마 이용 연료 분무 연소기.
  6. 제 1항 또는 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 노즐, 양전극 및 음전극은 상기 몸체의 길이방향 일측에 구비되며, 타측이 상기 몸체를 관통하여 상기 연소 챔버에 노출되도록 형성된, 플라즈마 이용 연료 분무 연소기.
  7. 제 1항 또는 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 연소기는,
    상기 몸체의 외면을 감싸도록 원통형으로 이루어진 가열챔버덮개; 를 더 포함하며,
    상기 몸체와 상기 가열챔버덮개 사이에는 산화제 가열챔버가 형성되고,
    상기 몸체 상에는 상기 가열챔버와 상기 연소 챔버를 연통하는 다수의 산화제 유출공이 형성되는, 플라즈마 이용 연료 분무 연소기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 산화제 유출공은,
    상기 플라즈마 영역의 후단부와 수직한 몸체 상에 형성되는, 플라즈마 이용 연료 분무 연소기.
  9. 제 1항 또는 제 4항 또는 제 5항의 플라즈마 이용 연료 분무 연소기; 및
    상기 연소기가 수용되며, 양단에 가스 유입구 및 유출구가 형성되고, 내부에 상기 연소기를 통해 가열되는 가스가 유동하는 외통;
    을 포함하는, 플라즈마 이용 연료 분무 연소기를 이용한 가스 가열 장치.
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