KR102292893B1 - 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치로써, 보다 상세하게 공기를 방출하는 제1유동관과 상기 제1유동관의 외주면의 적어도 일부를 감싸는 형태로 구비되는 수소를 방출하는 기능의 제2유동관과 상기 제1유동관 및 제2유동관의 단부에 구비되어, 상기 제1유동관을 통해 유입된 공기와 상기 제2유동관을 통해 유입된 수소가 혼합되어 혼합기가 될 수 있도록 공간을 형성하는 챔버와 상기 챔버 내에 상기 혼합기를 점화시키는 점화장치와 상기 제1유동관 및 제2유동관의 단부와 상기 챔버 사이에 구비되어, 상기 제1유동관을 통해 분출된 공기와 상기 제2유동관을 통해 분출된 수소가 예혼합될 수 있도록 공간을 형성하는 예혼합부를 포함하고, 상기 공기 및 수소는, 상기 예혼합부를 통과하면서 예혼합되고 상기 챔버로 유동되어 상기 혼합기가 된 후, 상기 혼합기가 상기 점화장치에 의해 점화되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치{Hydrogen gas burner for blending rate improved}

본 발명은 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치로써 더욱 자세하게는, 청정 연료인 수소가스의 연소 시 발생할 수 있는 역화현상을 방지하고, 안전하게 수소가스를 연소처리할 수 있도록 하는 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치에 관한 것이다.

화력발전이란 화석연료의 연소에 의해 발생하는 고온 고압의 연소가스가 회전체인 터빈을 돌리고 그 동력이 교류발전기에 전달되어 전기를 얻는 방식을 말한다. 그리고, 엔진이란 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 장치를 말한다. 이와 같이 연료를 연소시켜 전기를 얻거나 동력을 얻는 방식은 다양한 분야에 적용되어 사용되고 있다. 일례로, 대한민국 등록특허공보 제10-1080928호(2011.11.01.)에는 외부로부터 연소공기를 공급받아 연료공급부에 의해 공급된 연료를 연소시키는 연소통을 구비하는 연소장치에 대해 개시하고 있다.

그러나, 화석연료를 연소시킬 때 다량 배출되는 질소산화물은 가장 심각한 대기오염물질로 분류되며, 대기로 배출된 후 광화학 반응에 의해 응축되어 미세먼지가 발생하게 되는 등 사회적 문제가 지속되고 있으며, 화력발전 및 엔진의 주 연료로 사용되고 있는 화석연료가 고갈되어 감에 따라 이를 대체할 수 있는 연료 및 대체연료를 안전하게 연소시킬 수 있는 연소장치가 필요한 실정이다. 이를 해결하기 위해 대체연료로 수소를 이용하고자 하나 폭발 등과 같은 안전사고의 위험성이 높다는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1080928호(2011.11.01.)

본 발명은 상술한 바와 같은 선행 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 청정 연료인 수소가스의 연소 시 발생할 수 있는 역화현상을 방지하고, 안전하게 수소가스를 연소처리할 수 있도록 하는 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치에 있어서, 연소용 공기를 방출하는 기능의 제1유동관과 상기 제1유동관의 외주면의 적어도 일부를 감싸는 형태로 구비되는 제2유동관과 상기 제1유동관 및 제2유동관의 단부에 구비되어, 상기 제1유동관을 통해 유입된 공기와 상기 제2유동관을 통해 유입된 수소가 혼합되어 혼합기가 될 수 있도록 공간을 형성하는 챔버와 상기 챔버 내에 상기 혼합기를 점화시키는 점화장치와 상기 제1유동관 및 제2유동관의 단부와 상기 챔버 사이에 구비되어, 상기 제1유동관을 통해 분출된 공기와 상기 제2유동관을 통해 분출된 수소가 예혼합될 수 있도록 공간을 형성하는 예혼합부를 포함하고, 상기 공기 및 수소는, 상기 예혼합부를 통과하면서 예혼합되고 상기 챔버로 유동되어 상기 혼합기가 된 후, 상기 혼합기가 상기 점화장치에 의해 점화되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 예혼합부는, 상기 제1유동관 및 제2유동관과 각각 연통되어 형성되는 복수개의 예혼합홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 예혼합홀의 길이는, 상기 제2유동관의 길이보다 더 길게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 제2유동관은, 상기 제1유동관의 외주면으로부터 기설정된 간격만큼 이격되어 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 상기 제2유동관은, 복수개로 상기 제1유동관의 중심을 기준으로 방사형으로 배열되는 것을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명의 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치는 제1유동관을 통해 분출된 공기와 제2유동관을 통해 분출된 수소는 예혼합홀에서 1차 혼합되고, 챔버로 유동되어 2차 혼합됨으로써 공기와 수소의 혼합율을 향상시킬 수 있는 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치를 제공하는데 그 효과가 있다.

또한, 본 발명의 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치는 제1유동관을 통해 분출된 공기를 중심으로 제2유동관을 통해 분출된 수소가 방사형으로 배열되어 혼합기가 형성되도록 함으로써, 연료와 산화제가 화염 직전에서 혼합되는 확산형 연소장치의 특성을 가져감과 동시에 연료와 산화제가 예혼합되는 임의의 혼합 거리(Mixing length)를 두는 구조로 인해서 혼합율을 향상시켜 수소의 연소율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치는 예혼합홀 내에서 제2유동관을 통과한 수소와 제1유동관 내부를 유동하는 공기가 혼합되는 확산형 연소장치의 구조를 통해서, 역화 현상이 발생한다고 해도 연료와 공기가 혼합되는 예혼합부 구역까지로 역화 현상을 억제할 수 있으며, 폭발 등의 안전사고를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명의 효과는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1의 (a)는 본 발명의 제1실시예에 따른 연소장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 1의 (b)는 본 발명의 제1실시예와 다른 실시예에 따른 연소장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연소장치의 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 연소장치의 구성을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 연소장치의 구성을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 연소장치의 구성을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 제5실시예에 따른 연소장치의 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 6의 (b)는 본 발명의 제5실시예에 따른 연소장치의 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 7의 (a)는 본 발명의 제6실시예에 따른 연소장치의 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 7의 (b)는 본 발명의 제6실시예에 따른 연소장치의 제1유동관 및 제2유동관 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 7의 (c)는 본 발명의 제6실시예와 다른 실시예에 따른 연소장치의 제1유동관 및 제2유동관 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 7의 (d)는 본 발명의 제6실시예와 또 다른 실시예에 따른 연소장치의 제1유동관 및 제2유동관 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제6실시예에 따른 연소장치의 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제7실시예에 따른 연소장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 10의 (a)는 종래의 관 내부 유체의 유동속도를 나타낸 도면이다.
도 10의 (b)는 본 발명의 제7실시예에 따른 연소장치의 제1유동관 내의 유체의 속도구배를 나타낸 도면이다.
도 10의 (c)는 본 발명의 제7실시예와 다른 실시예에 따른 연소장치의 제1유동관 내의 유체의 속도구배를 나타낸 도면이다.
도 11의 (a)는 본 발명의 제7실시예에 따른 연소장치의 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 11의 (b)는 본 발명의 제7실시예에 따른 연소장치의 제1유동관 및 제2유동관 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 11의 (c)는 본 발명의 제7실시예와 다른 실시예에 따른 연소장치의 제1유동관 및 제2유동관 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 11의 (d)는 본 발명의 제7실시예와 또 다른 실시예에 따른 연소장치의 제1유동관 및 제2유동관 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 11의 (e)는 본 발명의 제7실시예와 또 다른 실시예에 따른 연소장치의 제1유동관 및 제2유동관 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제8실시예에 따른 연소장치의 제1유동관의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 13의 (a)는 본 발명의 제8실시예에 따른 연소장치의 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 13의 (b)는 본 발명의 제8실시예에 따른 연소장치의 제1유동관 및 제2유동관 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 13의 (c)는 본 발명의 제8실시예와 다른 실시예에 따른 연소장치의 제1유동관 및 제2유동관 구성을 확대하여 나타낸 단면도이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치에 있어서, 연소용 공기가 유동하는 제1유동관(10)과 상기 제1유동관(10)의 외주면의 적어도 일부를 감싸는 형태로 구비되는 수소 공급관인 제2유동관(20)과 상기 제1유동관(10) 및 제2유동관(20)의 단부에 구비되어, 상기 제1유동관(10)을 통해 유입된 연소용 공기와 상기 제2유동관(20)을 통해 유입된 연료인 수소가 분출되면서 혼합되어 혼합기가 형성되고, 연소될 수 있도록 하는 공간을 형성하는 챔버(30)와 상기 챔버(30) 내에 상기 혼합기를 점화시키는 점화장치(40)를 포함하고, 상기 제2유동관(20)을 통해 분출된 수소가 상기 제1유동관(10)을 통해 분출된 공기를 감싸는 형태로 혼합되어 연소되는 확산 연소형 노즐 구조를 가진다. 이때, 상기 제2유동관(20)을 통해 유동하는 것은 연소에 활용되는 연료로써, 본 발명에서 수소를 예로 들고 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

먼저, 버너케이싱(90)이 마련된다. 상기 버너케이싱(90)은 내부에 빈 공간이 형성되고, 원기둥 형상의 몸체를 가지되, 상기 버너케이싱(90)의 단부를 향할수록 단면적이 점점 더 작아지는 형태로 형성된다. 이때, 상기 버너케이싱(90)은 상기 버너케이싱(90)의 기저부에 구비되고, 상기 제2유동관(20)과 연통되어 상기 제2유동관(20)에 수소를 공급하는 복수개의 수소공급부(60)를 포함하며, 상기 복수개의 수소공급부(60)는 상기 버너케이싱(90) 기저부에 연료인 수소를 외부에서 공급해주는 연료배관(62)과 연통되어 있다. 또한, 상기 버너케이싱(90)의 기저부의 중심에는 상기 챔버(30)와 연통되어 상기 제1유동관(10)과 제2유동관(20)에서 분출된 혼합기를 점화시키는 역할을 수행하는 상기 점화장치(40)가 구비된다.

다음으로, 연소실 공간인 상기 챔버(30)가 마련된다. 상기 챔버(30)는 상기 버너케이싱(90)과 대응되는 형상으로 상기 버너케이싱(90)의 내부에 구비되고, 상기 챔버(30)의 기저부에는 후술할 노즐케이스부(80)가 구비된다. 상기 챔버(30)의 내부에는 상기 제1유동관(10)을 통해 유입된 연소용 공기와 상기 제2유동관(20)을 통해 유입된 수소연료가 혼합될 수 있는 공간이 형성된다. 또한, 상기 챔버(30)와 버너케이싱(90) 사이에는 외부의 공기가 상기 제1유동관(10)으로 유동될 수 있도록 하는 공기공급부(50)가 마련된다. 즉, 상기 공기공급부(50)는 상기 외부의 공기가 상기 제1유동관(10)으로 유동되도록 하는 통로역할을 수행하는 것이다. 이때, 상기 공기공급부(50)에는 상기 외부의 공기를 유동시킬 수 있도록 하는 팬(도면 미도시) 또는 압축기(도면 미도시)가 마련될 수 있다.

다음으로, 노즐케이스부(80)가 마련된다. 상기 노즐케이스부(80)는 상기 버너케이싱(90)의 내부에 구비되고, 원기둥 형상으로 형성되며, 상기 제1유동관(10) 및 제2유동관(20)을 고정시키는 역할을 수행한다. 여기서, 상기 챔버(30)는 상기 노즐케이스부(80)의 테두리로부터 연장되어 형성되며, 상기 노즐케이스부(80)는 상기 버너케이싱(90)과 기설정된 간격만큼 이격되어 구비된다.

또한, 상기 노즐케이스부(80)는 상기 공기공급부(50)를 통과하여 상기 버너케이싱(90)의 내부로 유동된 상기 외부의 공기가 상기 제1유동관(10)으로 유동될 수 있도록 일단부가 개방되고, 내부에 빈 공간이 형성되는 노즐하부케이스(81)와 상기 노즐하부케이스(81)의 상부에 상기 노즐하부케이스(81)와 기설정된 간격만큼 이격되어 구비되는 노즐상부케이스(82)를 포함한다. 이때, 상기 노즐하부케이스(81)의 단부에는 상기 노즐상부케이스(82)를 향하는 방향으로 단차가 형성된다. 즉, 상기 노즐하부케이스(81)의 상부면에는 상기 노즐하부케이스(81)의 상부면 가장자리를 따라 상기 노즐하부케이스(81)의 상부방향으로 돌출되어 상기 단차가 형성되는 것이다. 또한, 상기 단차는 상기 노즐상부케이스(82)의 하부면에 고정됨으로써, 상기 노즐하부케이스(81)와 노즐상부케이스(82) 사이에는 빈 공간이 마련된다.

여기서, 상기 수소공급부(60)는 수소가 유동될 수 있도록 마련되는 복수개의 수소공급관(61)을 포함하며, 상기 복수개의 수소공급관(61)은 상기 노즐하부케이스(81)와 노즐상부케이스(82) 사이의 공간과 연통되어 상기 노즐하부케이스(81)와 노즐상부케이스(82) 사이의 공간으로 수소가 유동되도록 한다. 또한, 상기 제2유동관(20)은 상기 노즐상부케이스(82)를 관통하여 형성되며, 상기 노즐하부케이스(81)와 노즐상부케이스(82) 사이의 공간과 연통된다. 즉, 상기 수소공급부(60)로부터 공급된 수소는 상기 수소공급관(61)을 지나 상기 노즐하부케이스(81)와 노즐상부케이스(82) 사이의 공간으로 유동된 후, 상기 제2유동관(20)을 통과하여 상기 챔버(30)로 공급되는 것이다. 이때, 상기 복수개의 수소공급관(61)은 상기 수소공급부(60)의 중심을 기준으로 방사형으로 배열되어, 상기 수소공급부(60)로부터 공급된 수소가 균일하게 분산되어 상기 노즐하부케이스(81)와 노즐상부케이스(82) 사이의 공간으로 유동되도록 한다.

또한, 상기 노즐하부케이스(81)의 내부에는 외부로부터 공급된 상기 외부의 공기 중의 이물질을 제거하는 필터(도면 미도시)가 구비될 수 있다. 또한, 상기 노즐하부케이스(81)의 내부에는 상기 챔버(30)로 공급되는 공기의 양을 일정하게 하는 타공판(70)이 구비될 수 있다. 즉, 상기 타공판(70)은 일정한 양의 공기가 균일하게 지속적으로 상기 챔버(30)로 공급되도록 정류효과(Rectification Effect)를 유도하는 역할을 수행하며, 압력강하(Pressure Drop)를 고려하여 최적화를 거칠 수 있으며, 허니컴과 다양한 형상의 타공판 형태 등으로 대체될 수 있다.

또한, 도 1의 (b)를 참조하면, 상기 노즐케이스부(80)는 상기 노즐케이스부(80)를 관통하여 형성되는 복수개의 관통홀(83)을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 챔버(30)로 연소용 공기가 보다 더 균일하게 공급되도록 할 수 있으며, 동일한 시간 동안 상기 챔버(30)로 공급되는 연소용 공기의 양을 증가시킬 수 있는 이점이 있다. 즉, 연소에 필요한 공기의 양에 따라 상기 복수개의 관통홀(83)을 선택적으로 구비하여, 상기 챔버(30)로 공급되는 연소용 공기의 양을 조절할 수도 있는 것이다.

다음으로, 상기 제1유동관(10)은 상기 노즐하부케이스(81) 및 노즐상부케이스(82)를 관통하도록 구비되며, 상기 외부의 공기가 상기 챔버(30)로 공급되도록 한다. 또한, 상기 제2유동관(20)은 상기 노즐상부케이스(82)를 관통하도록 구비되며, 상기 노즐하부케이스(81)와 노즐상부케이스(82) 사이로 공급된 수소가 상기 제2유동관(20)을 통해 상기 챔버(30)로 공급되도록 한다. 또한, 상기 제1유동관(10) 및 제2유동관(20)은 원기둥 형상으로 형성된다. 즉, 상기 제1유동관(10) 및 제2유동관(20)은 동일한 중심을 가지는 동심원형의 단면을 가지도록 형성되는 것이다. 보다 상세하게, 상기 제1유동관(10)은 복수개로, 중앙에 구비되는 제1유동관(10)의 중심을 기준으로 형성되는 복수개의 가상의 원의 원주를 따라 배열되며, 상기 제2유동관(20)은 복수개로, 상기 복수개의 제1유동관(10) 각각의 중심을 기준으로 기설정된 간격만큼 이격되어 형성되는 가상의 단일원의 원주를 따라 배열된다.
여기서, 상기 제2유동관(20)은 상기 제1유동관(10) 보다 더 큰 직경을 가지도록 형성되어, 상기 제1유동관(10)의 외주면을 감싸는 형태로 구비된다. 따라서, 상기 제1유동관(10)을 통해 고속으로 분출된 연소용 공기의 높은 운동량으로 인해 상기 제2유동관(20)을 통해 분출된 수소연료는 상기 제1유동관(10)의 연소용 공기제트를 전체적으로 감싸는 형태로 유입되면서 연소용 공기와 빠르게 혼합됨으로써 일반적인 확산연소와는 다르게 예혼합 성능을 유도할 수 있는 방식으로 연소되는 것이다. 결과적으로, 중앙에 구비되는 상기 제1유동관(10)을 통해 분출된 연소용 공기를 중심으로 상기 제2유동관(20)을 통해 분출된 수소가 방사형으로 배열되어 분출된 수소연료가 연소용 공기쪽으로 빠르게 유입되어 혼합되는 부분 예혼합기(Partial Premixture)가 형성되도록 함으로써, 상기 점화장치(40)에 의해 상기 혼합기가 점화되면 확산연소 구조이나 예혼합 성능을 유도함으로써, 연료인 수소의 연소율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 다시 말하면, 확산연소형 제트(Jet) 구조이나 부분 예혼합기 형성에 의한 예혼합 성능이 향상되어 상기 제2유동관(20)을 통해 분출된 연료인 수소의 완전 연소를 유도함으로써, 상기 챔버(30) 내에 남아있는 잔여 수소로 인하여 폭발 등의 안전사고가 발생하는 것을 방지할 수 있는 것이다. 또한, 상기 제1유동관(10) 및 제2유동관(20)의 제작에 소요되는 시간 및 비용을 최소화할 수 있는 이점이 있다.

이하에서는, 본 발명의 제2실시예에 따른 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 실시예는 상기 제1실시예와 비교하여, 연소용 수소를 방출시키는 제2유동관(220)이 다각형의 단면을 가지도록 형성된다는 점에서 차이가 있다. 본 실시예에서 상기 제1실시예와 중첩되는 구성에 대해서는 상기 제1실시예의 설명을 원용한다.

도 3을 참조하면, 상기 제2유동관(220)은 다각형의 단면을 가지도록 형성된다. 또한, 제1유동관(210)은 원형의 단면을 가지도록 형성되며, 상기 제1유동관(210)의 외주면의 적어도 일부는, 상기 제2유동관(220)의 내주면에 접하게 구비된다. 일례로, 상기 제2유동관(220)은 삼각형의 단면을 가지도록 형성되고, 상기 제1유동관(210)은 상기 제2유동관(220)에 삽입된다. 즉, 단면을 기준으로 상기 제1유동관(210)은 상기 제2유동관(220)에 내접되게 구비되는 것이다. 따라서, 상기 노즐하부케이스(81)와 노즐상부케이스(82) 사이의 공간에 있는 수소는 상기 제2유동관(220)을 통해 상기 챔버(30)로 공급된다. 다시 말하면, 상기 제2유동관(220)의 유로는 삼각형의 단면으로 상기 제1유동관(210)에 의해 3분할되는 것이다. 결과적으로, 상기 제2유동관(220)을 통해 분출된 수소연료가 상기 제1유동관(210)을 통해 분출된 연소용 공기를 전체적으로 감싸는 형태로 혼합되되, 상기 제2유동관(220)을 통해 분출되는 수소는 3분할되어 상기 챔버(30)에 공급되는 공기와 수소의 비율을 일정하게 유지할 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 제2유동관(220)의 내부에 상기 제1유동관(210)이 고정되어 보다 더 견고하게 지지될 수 있는 이점이 있다. 즉, 상기 제1유동관(210)의 외주면이 상기 제2유동관(220)에 고정 또는 지지되는 구조로 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 것이다.

이하에서는, 본 발명의 제3실시예에 따른 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 실시예는 상기 제2실시예와 비교하여, 연소용 수소를 방출시키는 제2유동관(320)이 사각형의 단면을 가지도록 형성된다는 점에서 차이가 있다. 본 실시예에서 상기 제2실시예와 중첩되는 구성에 대해서는 상기 제2실시예의 설명을 원용한다.

도 4를 참조하면, 상기 제2유동관(320)은 사각형의 단면을 가지도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 제2유동관(320)은 사각형의 단면을 가지도록 형성되고, 제1유동관(310)은 상기 제2유동관(320)에 삽입된다. 즉, 단면을 기준으로 상기 제1유동관(310)은 상기 제2유동관(320)에 내접되게 구비되는 것이다. 따라서, 상기 노즐하부케이스(81)와 노즐상부케이스(82) 사이의 공간에 있는 수소는 상기 제2유동관(320)을 통해 상기 챔버(30)로 공급된다. 다시 말하면, 상기 제2유동관(320)의 유로는 사각형의 단면으로 상기 제1유동관(310)에 의해 4분할되는 것이다. 결과적으로, 상기 제2유동관(320)을 통해 분출된 수소연료가 상기 제1유동관(310)을 통해 분출된 연소용 공기를 전체적으로 감싸는 형태로 혼합되되, 상기 제2유동관(320)을 통해 분출되는 수소는 4분할되어 상기 챔버(30)에 공급되는 공기와 수소의 비율을 일정하게 유지할 수 있는 이점이 있다. 즉, 제2실시예와 비교하여 상기 제2유동관(320)이 사각형의 단면을 가지도록 형성되어, 연소용 공기의 주위로 보다 더 얇은 수소층이 형성되도록 하여 연료인 수소와 연소용 공기가 더욱 빠르게 서로 혼합되어 연소됨으로써, 수소의 연소율을 향상시킬 수 있는 것이다. 또한, 삼각형의 단면에 비하여 상기 제2유동관(320)으로부터 분출되는 수소가 더 균일하게 분사될 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 제2유동관(220)의 내부에 상기 제1유동관(210)이 고정되어 보다 더 견고하게 지지될 수 있는 이점이 있다. 또한, 제2실시예와 비교하여 상기 제2유동관(320)이 사각형의 단면을 가지도록 형성되고, 상기 제1유동관(310)의 내부에 삽입되는 형식으로 지지됨으로써, 상기 제2유동관(320)을 통해 상기 챔버(30)로 분출되는 수소의 유량이 분할되어 많은 양의 수소가 한번에 연소되면서 발생할 수 있는 폭발의 위험성을 감소시킬 수 있는 이점이 있다. 다시 말하면, 상기 제2유동관(320)의 단면의 각 수가 증가함에 따라 상기 제2유동관(320)으로부터 분출되는 수소의 양을 분산시켜 저감시킬 수 있는 것이다. 즉, 수소의 유동 속도가 동일한 경우, 상기 제2유동관(320)의 단면의 각 수를 조절함에 따라 분출되는 수소의 양을 조절할 수 있는 것이다.

이하에서는, 본 발명의 제4실시예에 따른 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 실시예는 상기 제1실시예와 비교하여, 연소용 수소를 방출시키는 제2유동관(420)이 연소용 공기를 방출시키는 제1유동관(410)의 외주면으로부터 이격되는 부분에 구비된다는 점에서 차이가 있다. 본 실시예에서 상기 제1실시예와 중첩되는 구성에 대해서는 상기 제1실시예의 설명을 원용한다.

도 5를 참조하면, 상기 제2유동관(420)은 상기 제1유동관(410)의 외주면으로부터 기설정된 간격만큼 이격되어 구비된다. 일례로, 상기 제1유동관(410) 및 제2유동관(420)은 원형의 단면을 가지도록 형성되며, 상기 제2유동관(420)은 복수개로 상기 제1유동관(410)의 중심을 기준으로 방사형으로 배열될 수 있다. 따라서, 상기 노즐하부케이스(81)와 노즐상부케이스(82) 사이로 유동된 수소가 상기 복수개의 제2유동관(420)을 통해 균일하게 분배되어 상기 챔버(30)로 유동하게 된다. 따라서, 상기 제1유동관(410)을 통해 분출된 공기를 중심으로 상기 제2유동관(420)을 통해 분출된 수소가 방사형으로 배열되어 상기 혼합기가 형성되도록 함으로써, 상기 점화장치(40)에 의해 상기 혼합기가 점화되면 방사형으로 배열된 상기 제2유동관(420)에서 분출된 수소연료 제트들이 상기 제1유동관(410)에서 고속으로 분출된 연소용 공기 쪽으로 빠르게 유입과 혼합이 되면서 연소되어 연료인 수소의 연소율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

이때, 상기 제2유동관(420)은 인접한 제2유동관(420)과 상기 제1유동관(410)의 중심을 기준으로 45도 각도로 이격되어 구비된다. 여기서, 상기 제2유동관(420)이 인접한 제2유동관(420)과 상기 제1유동관(410)의 중심을 기준으로 45도 각도 미만으로 이격되어 구비되면, 상기 제2유동관(420)의 개수가 증가하여 제작에 소요되는 시간 및 비용이 급격히 증가하게 되는 문제점과, 상기 제2유동관(420)과 인접한 제2유동관(420) 사이의 거리가 좁아지게 되고 상기 제2유동관(420)과 연결되는 노즐상부케이스(82) 등 의 강도가 낮아져 피로골절 등에 취약해질 수 있는 문제점이 있다. 그리고, 복수개의 제2유동관(420)과 제1유동관(410)으로 이루어지는 노즐(5)에서 복수개의 상기 노즐(5) 간의 거리가 짧아지면, 복수개의 상기 노즐(5) 각각에 화염이 형성되지 않고, 하나로 합쳐져 큰 화염이 생성됨에 따라, 화염의 체류시간이 길어져 질소산화물의 배출량이 증가하게 되는 문제점이 있다. 또한, 상기 제2유동관(420)이 인접한 제2유동관(420)과 상기 제1유동관(410)의 중심을 기준으로 45도 각도를 초과하도록 이격되어 구비되면, 상기 제2유동관(420)을 통해 분출된 수소연료가 상기 제1유동관(410)을 통해 분출된 연소용 공기의 표면을 완전히 감싸지 못하게 되어 연료인 수소와 연소용 공기와의 혼합이 불량하게 되어 수소의 연소율이 감소하게 되는 문제점과, 상기 챔버(30) 내의 화염이 안정화되지 못하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 제2유동관(420)은 인접한 제2유동관(420)과 상기 제1유동관(410)의 중심을 기준으로 45도 각도로 이격되어 구비되는 것이다. 이때, 상기 제2유동관(420)으로부터 분출되는 수소가 보다 더 균일하게 분사될 수 있는 이점도 있다.

이하에서는, 본 발명의 제5실시예에 따른 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 실시예는 상기 제4실시예와 비교하여, 연소용 공기를 방출시키는 상기 제1유동관(410) 및 연소용 수소를 방출시키는 제2유동관(420)의 단부와 상기 챔버(30) 사이에 구비되어, 상기 제1유동관(410)을 통해 분출된 공기와 상기 제2유동관(420)을 통해 분출된 연료인 수소가 상기 제1유동관(410)과 제2유동관(420)의 단부인 출구 직전이나 근처에서 예혼합될 수 있는 공간을 형성하는 예혼합부(530)를 더 포함한다는 점에서 차이가 있다. 본 실시예에서 상기 제1실시예와 중첩되는 구성에 대해서는 상기 제1실시예의 설명을 원용한다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 수소가스 연소장치는 상기 제1유동관(410) 및 제2유동관(420)의 단부와 상기 챔버(30) 사이에 구비되어, 상기 제1유동관(410)을 통해 분출된 공기와 상기 제2유동관(420)을 통해 분출된 수소연료가 연소실인 상기 챔버(30)로 분출되기 전인 상기 제1유동관(410)과 제2유동관(420)의 단부인 출구 직전이나 근처에서 연소용 공기와 연료인 수소가 미리 서로 예혼합될 수 있도록 한 공간을 형성하는 예혼합부(530)를 더 포함한다. 여기서, 상기 예혼합부(530)는 상기 노즐상부케이스(82)의 상부에 연장되어 형성될 수 있으며, 상기 예혼합부(530)는 상기 제1유동관(410) 및 제2유동관(420)과 각각 연통되어 형성되는 복수개의 예혼합홀(531)을 포함한다. 즉, 상기 제1유동관(410)을 통해 분출된 연소용 공기와 상기 제2유동관(420)을 통해 분출된 수소연료는 상기 예혼합홀(531)을 통과하면서 연소 전에 미리 예혼합되고, 상기 챔버(30)로 유동되어 상기 혼합기가 된 후, 상기 혼합기가 상기 점화장치(40)에 의해 점화되도록 하는 것이다. 결과적으로, 상기 제1유동관(410)을 통해 분출된 연소용 공기와 상기 제2유동관(420)을 통해 분출된 수소연료는 상기 예혼합홀(531)에서 1차 혼합되고, 상기 챔버(30)로 유동되어 2차 혼합됨으로써 공기와 수소의 혼합율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 상기 예혼합홀(531)의 길이는, 상기 제2유동관(420)의 길이보다 더 길게 형성되어 상기 제2유동관(420)을 통해 분출된 수소가 상기 제1유동관(410)을 통해 분출된 공기와 충분히 혼합될 수 있도록 한다. 여기서, 예혼합(Premixing)의 정도나 수소와 공기가 혼합된 혼합기의 위험도(민감도)를 고려하여 상기 예혼합홀(531)의 길이를 조절할 수 있다. 일례로, 상기 예혼합홀(531)의 길이 방향의 길이는 상기 제1유동관(410)의 직경에 5배 내지 10배로 형성될 수 있다. 이때, 상기 예혼합홀(531)의 길이 방향의 길이가 상기 제1유동관(410)의 직경에 5배 미만으로 형성되면, 연소용 공기와 연료인 수소의 혼합율이 감소하게 되는 문제점이 있고, 상기 예혼합홀(531)의 길이 방향의 길이가 상기 제1유동관(410)의 직경에 10배를 초과하게 형성되면, 공기와 수소의 혼합율을 높일 수 있으나, 과도한 양의 혼합기가 상기 예혼합홀(531)에 체류하게 되어 폭발의 위험성이 높아지게 되고, 상기 예혼합부(530)의 구조적 안정성이 감소하게 되는 문제점이 있다.

또한, 상기 예혼합홀(531)의 내주면에는 나사산 형태의 선회(Swirl) 유로가 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 예혼합홀(531)의 내주면으로 선회형 유로가 마련되어 상기 예혼합홀(531)의 내주면에 인접한 부분을 유동하는 공기와 수소가 나선형의 선회 유동을 하도록 유도함으로써, 공기와 수소의 혼합율을 보다 더 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 예혼합홀(531)은 상기 예혼합홀(531)의 하부면의 직경이 더 큰 테이퍼드(Tapered) 형상으로 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 예혼합홀(531)은 상부방향으로 향할수록 직경이 점차적으로 작아지는 테이퍼드 형태로 형성되어, 상기 예혼합홀(531)의 하부로 유동된 연소용 공기 및 수소연료가 상기 예혼합홀(531)의 상부방향을 향할수록 속도가 점차적으로 증가될 수 있는 것이다. 이에 따라, 상기 예혼합홀(531)을 통과한 공기 및 수소의 혼합기가 보다 더 빠른 속도로 상기 챔버(30)로 분출됨으로써, 화염의 역화현상을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 제2유동관(420)은 인접한 제2유동관(420)과 상기 제1유동관(410)의 중심을 기준으로 45도 각도로 이격되어 구비된다. 여기서, 상기 제2유동관(420)이 인접한 제2유동관(420)과 상기 제1유동관(410)의 중심을 기준으로 45도 각도 미만으로 이격되어 구비되면, 상기 제2유동관(420)의 개수가 증가하여 제작에 소요되는 시간 및 비용이 급격히 증가하게 되는 문제점과, 상기 제2유동관(420)과 인접한 제2유동관(420) 사이의 거리가 좁아지게 되고 상기 제2유동관(420)과 연결되는 노즐상부케이스(82) 등 의 강도가 낮아져 피로골절 등에 취약해질 수 있는 문제점이 있다. 그리고, 복수개의 제2유동관(420)과 제1유동관(410)으로 이루어지는 노즐(5)에서 복수개의 상기 노즐(5) 간의 거리가 짧아지면, 복수개의 상기 노즐(5) 각각에 화염이 형성되지 않고, 하나로 합쳐져 큰 화염이 생성됨에 따라, 화염의 체류시간이 길어져 질소산화물의 배출량이 증가하게 되는 문제점이 있다. 또한, 상기 제2유동관(420)이 인접한 제2유동관(420)과 상기 제1유동관(410)의 중심을 기준으로 45도 각도를 초과하도록 이격되어 구비되면, 상기 제2유동관(420)을 통해 분출된 수소연료가 상기 제1유동관(410)을 통해 분출된 연소용 공기의 표면을 완전히 감싸지 못하게 되어 연료인 수소와 연소용 공기와의 혼합이 불량하게 되어 수소의 연소율이 감소하게 되는 문제점과, 상기 챔버(30) 내의 화염이 안정화되지 못하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 제2유동관(420)은 인접한 제2유동관(420)과 상기 제1유동관(410)의 중심을 기준으로 45도 각도로 이격되어 구비되는 것이다. 이때, 상기 제2유동관(420)으로부터 분출되는 수소가 보다 더 균일하게 분사될 수 있는 이점도 있다.

이하에서는, 본 발명의 제6실시예에 따른 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 실시예는 상기 제1실시예와 비교하여, 연소용 수소를 방출시키는 구멍(Hole)형태의 제2유동관(620)은 연소용 공기를 방출시키는 제1유동관(610)의 내주면에 연통되어 형성된다는 점에서 차이가 있다. 본 실시예에서 상기 제1실시예와 중첩되는 구성에 대해서는 상기 제1실시예의 설명을 원용한다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 제2유동관(620)은 상기 제1유동관(610)의 내주면에 연통되어 형성되며, 수소연료는 상기 제2유동관(620)을 통과하여 상기 제1유동관(610)의 내부로 횡분류(Jet in Cross) 형태로 분출되며, 이에 따라 상기 제2유동관(620)을 통과하여 상기 제1유동관(610)의 내부로 수직 방향으로 분출된 수소가 상기 제1유동관(610)에서 빠르게 혼합(Mixing)이 촉진되게 된다. 보다 상세하게는, 상기 제2유동관(620)은 상기 제1유동관(610)의 내주면에 수직으로 연통될 수 있다. 즉, 상기 제1유동관(610)의 내부를 유동하는 공기와 수직인 방향으로 상기 제2유동관(620)을 통과한 수소가 분출되는 것이다. 이렇게 연료인 수소가 연소용 공기가 유동하는 상기 제1유동관(610)으로 상기 횡분류 형태로 분출하게 되면 수소가 분출된 지점에서부터 빠르게 상기 제1유동관(610)의 내부로 유동하는 공기에 혼합되어, 상기 제1유동관(610)의 단부까지 혼합거리(Mixing Length)가 짧아도 연료인 수소와 연소용 공기가 잘 혼합된 혼합기(Mixture)를 형성하게 된다. 이때 상기 제2유동관(620)에서 수소가 분출되는 지점과 상기 제1유동관(610)의 단부까지 거리는 목표하는 수소와 공기의 혼합도(Mixing Degree)를 고려하여 거리를 조절할 수 있다. 이 경우 상기 제2유동관(620)의 분출 지점과 상기 제1유동관(610) 단부까지 거리를 짧게 하면 역화의 위험성을 줄이기 위한 확산연소 방식을 유도할 수 있으며, 상기 거리를 길게 하여 상기 제2유동관(620)의 분출 지점에서 분출된 수소가 상기 제1유동관(610) 내에서 충분하게 혼합되게 하면 예혼합연소 방식을 유도할 수 있어 혼합율이 향상된 수소가스 연소장치로의 전환이 용이하게 된다. 따라서 상술한 제6실시예의 방법은 용도에 적합하게 확산연소 방식이나 예혼합연소 방식으로 선택적으로 전환이 용이하게 하는 이점을 갖는다.

일례로, 도 7의 (b)를 참조하면, 상기 제2유동관(620)은 상기 제1유동관(610)의 하부에 형성될 수 있다. 즉, 상기 제2유동관(620)은 상기 제1유동관(610)의 길이방향의 길이의 1/4 지점에 위치한다. 따라서, 상기 제1유동관(610)을 유동하는 연소용 공기와 상기 제2유동관(620)을 통해 상기 제1유동관(610)의 내부로 공급된 수소연료가 상기 제1유동관(610)의 상부로 유동하면서 혼합될 수 있는 충분한 거리와 시간을 가질 수 있으며, 연료와 공기의 충분한 예혼합이 유도되어 혼합율이 향상된 수소가스 연소장치가 되는 이점이 있다.

또한, 도 7의 (c)를 참조하면, 상기 제2유동관(620)은 상기 제1유동관(610)의 중앙부에 형성될 수 있다. 즉, 상기 제2유동관(620)은 상기 제1유동관(610)의 길이방향의 길이의 2/4 지점에 위치한다. 이 경우에서는 확산 연소의 특성을 지니면서 예혼합 성능이 향상된 수소가스 연소장치가 되는 이점이 있다.

또한, 도 7의 (d)를 참조하면, 상기 제2유동관(620)은 상기 제1유동관(610)의 상부에 형성될 수 있다. 즉, 상기 제2유동관(620)은 상기 제1유동관(610)의 길이방향의 길이의 3/4 지점에 위치한다. 이렇게 되면, 확산 연소 방식의 특징처럼 화염의 역화로부터 가장 안정적인 수소가스 연소장치가 되는 이점을 갖는다. 따라서 이러한 방법으로 상술한 제6실시예는 용도에 적합하게 확산연소 방식에서 예혼합연소 방식으로 선택적으로 전환이 용이하게 하는 이점을 갖는다.

또한, 상기 제2유동관(620)은 복수개로 상기 제1유동관(610)의 중심을 기준으로 방사형으로 배열될 수 있다. 이때, 상기 제2유동관(620)은 인접한 제2유동관(620)과 상기 제1유동관(610)의 중심을 기준으로 45도 각도로 이격되어 구비된다. 여기서, 상기 제2유동관(620)이 인접한 제2유동관(620)과 상기 제1유동관(610)의 중심을 기준으로 45도 각도 미만으로 이격되어 구비되면, 상기 제2유동관(620)의 개수가 증가하여 제작에 소요되는 시간 및 비용이 급격히 증가하게 되는 문제점과, 상기 제2유동관(620)과 인접한 제2유동관(620) 사이의 거리가 좁아짐에 따라 상기 노즐상부케이스(82)의 일부 구조의 강도가 매우 낮아져 피로골절 등의 문제에 취약해질 수 있다는 문제점이 있다. 그리고, 복수개의 제2유동관(620)과 제1유동관(610)으로 이루어지는 노즐(5)에서 복수개의 상기 노즐(5) 간의 거리가 짧아지면, 상기 복수개의 노즐(5) 각각에 독립적인 화염이 형성되지 않고, 하나로 합쳐져 큰 화염이 생성됨에 따라, 화염의 체류시간이 길어져 질소산화물의 배출량이 증가하게 되는 문제점이 있다. 반대로, 상기 제2유동관(620)이 인접한 제2유동관(620)과 상기 제1유동관(610)의 중심을 기준으로 45도 각도를 초과하도록 이격되어 구비되면, 한정된 면적의 상기 노즐상부케이스(82)에 구비할 수 있는 상기 제1유동관(610)의 숫자가 적은 수로 한정될 수 있다는 문제점이 있다. 따라서, 상기 제2유동관(620)은 인접한 제2유동관(620)과 상기 제1유동관(610)의 중심을 기준으로 45도 각도로 이격되어 구비되는 것이다.

이하에서는, 본 발명의 제7실시예에 따른 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 실시예는 상기 제1실시예와 비교하여, 수소공급관(61-1)이 상기 노즐케이스부(80)와 연통되지 않고, 상기 제1유동관(610) 이전에서 상기 버너케이싱(90)에 직접 수소를 분사한다는 차이가 있다. 따라서, 다른 실시예와 달리 제7실시예에서는 상기 제1유동관(610)에 연소용 공기와 수소가 혼합된 예혼합기가 유동하게 되며, 제7실시예에서의 제2유동관(620)은 보조공기공급관(51)을 통하여 상기 예혼합기가 유동하는 상기 제1유동관(610) 내부 벽면으로 수소가 아닌 공기를 분사한다는 차이가 있다. 이외에, 본 실시예에서 상기 제1실시예와 중첩되는 구성에 대해서는 상기 제1실시예의 설명을 원용한다.

먼저, 도 9를 참조하면, 상기 수소공급관(61-1)은 상기 케이싱(90)의 내부 공간과 연통될 수 있다. 즉, 상기 수소공급관(61-1)은 상기 노즐케이스부(80)와 연통되지 않고, 상기 노즐케이스부(80)와 케이싱(90) 사이의 공간과 연통된다. 따라서, 상기 수소공급관(61-1)을 통과한 수소연료와 상기 공기공급부(50)를 통해 공급된 연소용 공기가 상기 노즐케이스부(80)와 케이싱(90) 사이의 공간에서 예혼합될 수 있는 것이다. 즉, 상기 노즐케이스부(80)와 케이싱(90) 사이의 공간에서 연료인 수소와 연소용 공기가 예혼합된 혼합기가 상기 타공판(70)을 통과하여 상기 챔버(30)로 유동하게 됨으로써, 완벽한 예혼합기를 형성하고, 예혼합 연소를 유도시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 도 9와 도 11의 (a)를 참조하면, 상기 공기공급부(50)는 상기 노즐케이스부(80)와 연통되어 상기 공기공급부(50)를 통해 공급되는 연소용 공기가 상기 노즐케이스부(80) 내부로 유동할 수 있도록 하는 상기 보조공기공급관(51)을 더 포함할 수 있다. 다시 말하면, 상기 공기공급부(50)를 통해 공급되는 연소용 공기의 적어도 일부는 상기 보조공기공급관(51)을 통해 상기 노즐케이스부(80)로 유동하게 되는 것이다. 상기 보조공기공급관(51)을 통해 상기 노즐케이스부(80)로 유동하는 일부 공기는 다시 상기 제2유동관(620)을 통하여 제1유동관(610)으로 분사되게 된다. 이때, 상기 제2유동관(620)에서 상기 제1유동관(610) 내부로 유입되는 공기는 상기 제1유동관(610) 내부의 벽경계층을 파괴하는 역할을 수행할 수 있다.

일반적으로 관 및 덕트(Duct) 내 유동하는 유체는 관 혹은 덕트 내주면인 벽면(Wall) 위에서는 유동속도가 없고 정지 혹은 정체되게 된다. 다시 말하면, 벽면 근처에는 벽면의 영향으로 유체의 속도에 무관하게 속도 구배가 존재하는 얇은 막(Film) 형태의 벽경계층이 형성되어 벽 근처에서 매우 느린 유동속도가 분포되게 되며, 이러한 상기 벽경계층 이후부터 관 혹은 덕트 중심까지 유동속도가 증가되는 유동구조를 갖게 된다. 즉, 도 10의 (a)를 참조하면, 관이나 덕트의 내주면 벽면에 부착된 유체의 유동속도는 ‘0’이며 관 중심부위의 유동속도는 최대가 되는 포물선 구조를 띄게 된다. 이때, 관 벽면 가까이에 벽경계층(도면 미표시)이 형성되고, 이 벽경계층 내에서는 벽면과 유체와의 점성력(Viscous Force)에 의해서 유동의 속도가 매우 작게 되어 상기 제1유동관(610)처럼 상기 제1유동관(610) 단부 이전에 관 내부로 유동하는 가연성 유체인 연료와 공기가 미리 혼합된 혼합기 상태에서 상기 챔버(30) 내로 분출될 때 혼합기 분출속도가 낮아지게 되면, 상기 관 혹은 덕트 중심부에서는 유동 속도가 빠르지만 벽경계층 쪽은 유동 속도가 낮아 화염이 벽경계층 쪽으로 타고 들어감으로써 역화현상이 발생하거나 이로 인한 폭발 등의 안전사고가 발생할 수 있는 문제점이 있다.

이 경우, 상기 제2유동관(620)에서 상기 제1유동관(610)의 내부로 공기를 상기 횡분류(Jet in Cross) 형태로 분출하는 방법을 사용하면, 도 11의 (b)처럼 상기 제1유동관(610)과 수직으로 연통된 상기 제2유동관(620)을 통과한 공기가 상기 제1유동관(610)으로 분출되면서 상기 벽경계층을 파괴해 주는 효과로 인해, 도 10의 (b)의 속도 분포도처럼 상기 제1유동관(610) 내주면 가까이에는 도 9의 (a)처럼 유동속도가 ‘0’에 가까운 값이 아닌 일정 이상의 유동속도를 갖게 되어 상기 벽경계층 쪽으로 화염이 타고 들어가는 역화현상을 억제 또는 방지할 수 있다는 이점이 있다. 이때, 상기 제2유동관(620)에서 상기 제1유동관(610)으로 수직하게 공기가 분출되는 지점과 상기 제1유동관(610)의 단부까지의 거리에 따라 이러한 상기 벽경계층을 파괴 효과는 달라질 수 있으므로 별도의 최적화를 통해 상기 제1유동관(620)의 분출구 위치를 정할 수 있게 된다.

또한, 도 10의 (a) 및 도 11의 (c)를 참조하면, 제2유동관(620-1)은 상기 제1유동관(610)의 내주면에 경사지게 연통될 수 있다. 즉, 상기 제2유동관(620-1)은 상기 제1유동관(610) 내부의 혼합기 유동방향을 향하는 방향으로 경사지게 형성됨으로써, 상기 제1유동관(620-1)을 통과한 공기가 상기 제1유동관(610)에 분출 시 상기 제1유동관(610) 내부의 혼합기에 침투되는 공기의 깊이를 조절하여 내주면 벽 근처의 경계층의 낮은 유동 속도의 구배를 집중적으로 파괴할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 상술한 상기 제2유동관(620-1)의 분출지점과 상기 제1유동관(610) 단부까지 거리를 조절하는 방법으로도 활용될 수 있다.

또한, 도 11의 (d)를 참조하면, 상기 제2유동관(620)은 상기 제2유동관(620)의 단부인 공기의 출구에 구비되어, 분출되는 공기의 유동방향을 안내하는 복수개의 립(lip)(621)을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 립(621)은 직사각형의 단면을 가지는 판 형상으로 상기 제2유동관(620)의 단부에서부터 상기 제1유동관(610)의 상부방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 립(621)은 ‘ㄴ’자 형상으로 절곡되어 형성되며, 상기 제2유동관(620)을 통과하여 유동하는 수소연료가 상기 립(621)과 간섭되면서 상기 제1유동관(610)의 상부방향으로 유동되게 된다. 결과적으로, 상기 립(621)은 상기 제2유동관(620)을 통과한 공기가 직접적으로 상기 제1유동관(610) 벽면을 따라서 상부방향으로 유동하도록 안내함으로써, 상기 제1유동관(610)의 상기 벽경계층을 효과적으로 파괴하도록 할 수 있도록 한다는 이점이 있다.

또한, 도 11의 (e)를 참조하면, 제1유동관(610-1)은 단부로 향할수록 내경이 점점 더 작아지는 형태로 형성될 수 있다. 일례로, 상기 제1유동관(610-1)은 상기 제1유동관(610-1)의 내부를 유동하는 유체의 유동방향을 따라 내경이 점점 더 작아지는 형태로 형성된다. 즉, 상기 제1유동관(610-1)은 상부를 향할수록 내경이 점점 더 작아지는 형태로 형성되는 것이다. 이에 따라, 상기 제1유동관(610-1)의 내부를 유동하는 연소용 공기 또는 수소연료 또는 혼합기의 유동속도가 점차적으로 증가하여 상기 챔버(30)로 분출됨으로써, 추가적으로 좁아진 상기 제1유동관(610-1) 안쪽으로 화염이 타고 들어오는 역화현상이 발생하기 어려운 환경을 조성시킬 수 있는 이점이 있다.

이하에서는, 본 발명의 제8실시예에 따른 혼합율을 향상시킬 수 있는 수소가스 연소장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 먼저, 도 12를 참조하면, 본 실시예는 상기 제7실시예와 비교하여, 상기 공기공급부(50)와 연결된 상기 보조공기공급관(51)이 제거되어, 상기 노즐하부케이스(81)와 상기 노즐상부케이스(82) 사이의 공간이 공기와 수소의 혼합기를 연소시키는 것에 영향을 미치지 않는다는 점에서 차이가 있다. 따라서 연료인 수소와 공기의 예혼합기를 방출시키는 상기 제7실시예의 상기 제1유동관(610)에 추가적인 유체의 유입이 존재하지 않는다. 또한, 본 실시예에서 상기 제7실시예와 중첩되는 구성에 대해서는 상기 제7실시예의 설명을 원용한다.

도 13의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 제1유동관(610)은 상기 제1유동관(610)의 내주면으로부터 상기 제1유동관(610)의 중심방향으로 돌출되어 형성되는 돌기부(820)를 포함한다. 일례로, 상기 돌기부(820)는 상기 제1유동관(610)의 상부에 구비되어, 직육면체로 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1유동관(610)의 내부로 유입되는 공기와 수소의 혼합기가 상부로 유동하면서 상기 돌기부(820)와 간섭되게 된다. 이때, 상기 제1유동관(610)을 유동하는 공기와 수소 혼합기는 상기 돌기부(820)와 간섭되면서 상기 제1유동관(610)의 내주면 벽 주위로 얇게 형성되는 혼합기 유동의 상기 벽경계층을 파괴하여 벽경계층 내에 존재하는 유동의 속도가 급격하게 감소하는 영역을 제거해 줌으로써, 혼합기 연소 시 역화에 취약한 혼합기의 분출 속도가 감소하는 부분을 줄여서 역화를 방지할 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기 돌기부(820)는 복수개로 상기 제1유동관(610)의 중심을 기준으로 방사형으로 구비될 수 있다. 이때, 상기 돌기부(820)는 인접한 돌기부(820)와 상기 제1유동관(610)의 중심을 기준으로 60도 각도로 이격되어 구비될 수 있다. 여기서, 상기 돌기부(820)가 인접한 돌기부(820)와 상기 제1유동관(610)의 중심을 기준으로 60도 미만의 각도로 이격되어 구비되면, 상기 돌기부(820)의 개수가 증가하여 제작에 소요되는 시간 및 비용이 급격히 증가하게 되는 문제점이 있다. 또한, 상기 돌기부(820)가 인접한 돌기부(820)와 상기 제1유동관(610)의 중심을 기준으로 60도를 초과하는 각도로 이격되어 구비되면, 상기 제1유동관(610)을 유동하는 공기와 수소 혼합기와 상기 제1유동관(610)의 내주면 벽면 주위로 형성되는 상기 벽경계층을 충분히 교란시킬 수 없는 영역이 존재하여 이 부분으로 화염이 타고 들어가서 역화 되는 현상이 발생할 가능성이 높아지게 되는 문제점이 있다. 따라서, 상기 돌기부(820)는 인접한 돌기부(820)와 상기 제1유동관(610)의 중심을 기준으로 60도 각도로 이격되어 구비되는 것이다.

또한, 도 13의 (c)를 참조하면, 돌기부(820-1)는 삼각형의 단면을 가지는 삼각기둥 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 돌기부(820-1)의 밑면은 도 12(c)의 역 삼각형 형상처럼 상기 제1유동관(610)의 내부를 유동하는 혼합기의 유동방향에 반대방향으로 구비될 수 있다. 즉, 상기 돌기부(820-1)의 밑면은 상기 제1유동관(610)의 상부를 향하는 방향으로 형성된다. 다시 말하면, 상기 돌기부(820-1)의 단부가 연소용 공기와 먼저 접하게 되는 것이다. 따라서, 상기 돌기부(820-1)는 직육면체 형상의 돌기부에 비해서 제1유동관을 따라서 유동하는 혼합기에 대한 돌기부의 간섭을 더 줄일 수 있다. 이 돌기부가 혼합기의 유동에 미치는 간섭은 벽경계층을 교란하는 성능과 관련될 수 있으며, 상기 돌기부(820, 820-1)의 형상처럼, 돌기부의 단면 형상을 삼각형, 사각형 등 다각형부터 원형 등의 다양한 형상으로 변경함을 통하여 조절될 수 있다.

또한, 상기 돌기부(820, 820-1)의 위치는 상기 제1유동관(610)의 단부까지의 거리에 따라 이러한 상기 벽경계층을 파괴시키는 효과는 달라질 수 있으므로 별도 최적화를 통해 상기 돌기부(820, 820-1)의 위치를 정할 수 있게 된다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 기술한 실시예들은 혼용하여 적용가능하다.

5 : 노즐
10 : 제1유동관
20 : 제2유동관
30 : 챔버
40 : 점화장치
50 : 공기공급부
51 : 보조공기공급관
60 : 수소공급부
61, 61-1 : 수소공급관
62 : 연료 배관
70 : 타공판
80 : 노즐케이스부
81 : 노즐하부케이스
82 : 노즐상부케이스
83 : 관통홀
90 : 버너케이싱
210 : 제1유동관
220 : 제2유동관
310 : 제1유동관
320 : 제2유동관
410 : 제1유동관
420 : 제2유동관
530 : 예혼합부
531 : 예혼합홀
610, 610-1 : 제1유동관
620, 620-1 : 제2유동관
621 : 립
820, 820-1 : 돌기부

Claims (5)

1. 연소용 공기가 유동하는 제1유동관;
   상기 제1유동관의 외주면의 적어도 일부를 감싸는 형태로 구비되는 제2유동관;
   상기 제1유동관 및 제2유동관의 단부에 구비되어, 상기 제1유동관을 통해 유입된 공기와 상기 제2유동관을 통해 유입된 수소가 혼합되어 혼합기가 될 수 있도록 공간을 형성하는 챔버;
   상기 챔버 내에 상기 혼합기를 점화시키는 점화장치; 및
   상기 제1유동관 및 제2유동관의 단부와 상기 챔버 사이에 구비되어, 상기 제1유동관을 통해 분출된 공기와 상기 제2유동관을 통해 분출된 수소가 예혼합될 수 있도록 공간을 형성하는 예혼합부;를 포함하고,
   상기 제1유동관은, 복수개로, 중앙에 구비되는 제1유동관의 중심을 기준으로 형성되는 복수개의 가상의 원의 원주를 따라 배열되며,
   상기 제2유동관은, 복수개로, 상기 복수개의 제1유동관 각각의 중심을 기준으로 기설정된 간격만큼 이격되어 형성되는 가상의 단일원의 원주를 따라 배열되고,
   상기 예혼합부는,
   상기 제1유동관 및 제2유동관과 각각 연통되어 형성되는 복수개의 예혼합홀;을 포함하며,
   상기 예혼합홀은, 상기 제1유동관 및 제2유동관과 각각 평행하게 구비되어 상기 제2유동관으로부터 유동된 수소가 상기 제1유동관으로부터 유동된 공기를 감싸는 형태로 예혼합되도록 하고,
   상기 예혼합홀의 길이방향의 길이는, 상기 제1유동관의 직경에 5배 내지 10배로 형성되는 것을 특징으로 하는 예혼합 성능을 향상시킬 수 있는 확산 연소형 수소 연소장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2유동관과 인접한 제2유동관은, 상기 제1유동관의 중심을 기준으로 45도 각도로 이격되어 구비되어,
   상기 제2유동관을 통해 분출된 수소가 상기 제1유동관을 통해 분출된 공기를 감싸는 형태로 균일하게 혼합되도록 함으로써, 상기 챔버 내에서 상기 점화장치에 의한 점화 시 안정적인 화염이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 예혼합 성능을 향상시킬 수 있는 확산 연소형 수소 연소장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

Images