KR20100019075A - 전자공급에 의한 연소장치의 효율 증대 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소장치의 효율증대에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자로 공기 중에 산소분자를 산소원자로 분리하여 연소장치에 공급함으로서, 산소원자가 풍부한 환경 속에서 연료의 연소를 더욱 활성화함에 그 목적이 있다. 공기 중에서 비교적 안정한 산소분자는 전자를 만나면 산소의 전자친화성에 의하여 불안정한 산소분자 음이온이 되고, 필경 이 음이온은 산소원자와 다른 산소원자 음이온으로 분해하게 된다. 연료는 산소 분자 속에서도 연소를 하지만, 산소원자 속에서는 더욱 활성화 된 연소를 하게 된다. 연소장치에 공기와 함께 충분한 전자를 공급하면 많은 산소원자가 생성되고 이로 인하여 연료가 활발히 연소하게 되며, 따라서 연료의 연소효율이 증대되고 불완전 연소 물질의 배출을 감소하게 되는 것을 그 기술적 요지로 한다.

산소의 전자친화성, 산소원자, 연소효율증대, 연소장치

Description

전자공급에 의한 연소장치의 효율 증대 {EFFICIENCY ENHANCEMENT OF COMBUSTION DEVICE BY SUPPLYING ELECTRONS}

본 발명은 연소장치의 효율증대에 관한 것으로, 특히 통상의 연소장치에 대량의 전자를 공기와 함께 공급함으로서 공기속의 산소분자들을 전자에 의하여 산소원자 등의 활성입자로 변환하여 활성화된 연소를 유도함으로서 연소장치의 효율을 증대할 뿐만 아니라 불완전 연소물질의 배출을 감소하는 활성화된 연소장치에 관한 것이다.

현재도 인류의 주된 에너지원은 고온의 불꽃을 동반하는 연소이다. 대부분의 타는 과정은 에너지를 방출하는 산화작용이다. 공기 중의 산소분자는 비교적 안정하다. 그러나 대표적인 활성입자인 산소원자는 대단히 불안하며 또한 활발한 산화 작용물질이다. 만일에 공기 중의 산소분자를 산소원자로 변환할 수만 있다면, 산화과정이 더욱 활발할 것이며 더욱 효율적이며 청정한 연소가 진행될 것이다. 예를 들어, 발명자 중 엄(UHM)이 보고한 "Properties of plasmas generated by electrical breakdown in flames [Physics of Plasmas, 6, 4366 (1999)]"라는 제목의 논문에 의하면 연료가 산소원자 속에서 산화하는 과정이 산소분자 속에서 산화 하는 과정보다 백만배 이상 빠른 것으로 보고되었다. 연료가 메탄올일 경우, 메탄올의 산소분자 속에서의 산화는 CH₃OH + O₂ → CH₂OH + HO₂의 2분자 반응이며 반응상수는 k_O2 = 3.4 × 10^-11exp(-22600/T_g)이고 여기서 T_g는 불꽃의 온도이다. 메탄올의 산소원자 속에서의 반응은 CH₃OH + O → OH + Other Products이고 반응상수는 ko = 10^-12(T_g/300)^2.5exp(-1550/T_g)이다. 불꽃 속 기체의 온도가 절대온도 1300 K 일 때, 반응상수의 비는 k_O/k_O2

10⁷이다. 산소원자 속에서의 반응이 산소분자 속에서보다 약 천만배가 빠르다는 것이다. 기체의 온도가 낮으면 이 비 (k_O/k_O2) 값은 더욱 증가한다. 여기서 자명한 것은, 충분한 산소원자 발생은 산화에 대단히 유익하며 또한 청정한 연소를 의미한다는 것이다. 매연은 타다 남은 탄소의 집합체인데, 산소원자 속에서의 연소는 이러한 매연을 제거할 수 있는 것이다.

그러면 어떻게 대량의 산소원자를 만들 수 있는가. 산소원자는 산소분자를 분리하면 만들어 진다. 전자는 여러 가지 방법으로 공기 중의 산소분자를 분리하여 원자화할 수 있다. 공기 플라즈마 속에 들어있는 산소분자 양이온이 전자를 만나 제 결합을 하면서 산소원자를 만든다. 즉, O ₂ ⁺+е ^-→O+O. 또는 전자가 산소분자를 충돌하여 분해하기도 한다. 즉, O ₂+е ^-→O+O+е ^- . 그러나 가장 대표적인 방법은 산 소의 전자친화성을 이용하여 분해하는 방법, 즉 O ₂+е ^-→O ₂ ^- →O ^- +O 이다. 이러한 산소의 전자친화 분해법이 다른 두 방법에 비하여 적어도 백배이상 더 효율적이다. 그래서 충분한 전자를 공급하면 산소분자를 산소원자로 분해할 수 있는 것이다.

얼마나 많은 산소분자를 산소원자로 분해하여야 가시적인 효과가 나타나는가 하는 것은 위의 메탄올의 연소반응의 예에서도 본 것처럼, 산소원자 속에서의 연소반응 상수는 산소분자 속에서의 반응상수에 비하여 월등히 높다. 대부분의 산소분자 속에 미량의 산소원자만 섞여 있어도 이 산소원자가 연료분자와 폭발적으로 연소반응을 시작함으로서 연소의 기폭제가 되는 것이다. 만일 산소원자들이 산소분자 속에 고르게 분포되어 있다면 연소가 균일하게 전개될 수 있는 것이다. 따라서 산소분자 밀도에 비하여 산소원자 밀도가 극히 적어도 상당히 가시적인 결과가 나오게 된다.

전자는 여러 가지 방법에 의하여 제공될 수 있다. 고전압의 파워 모듈을 이용하여 음극에서 전자를 대량 방출할 수도 있고, 또는 방전에 의하여 플라즈마를 발생시키고 이 플라즈마 속의 전자를 이용할 수도 있다. 정전 집진기는 높은 전장 속으로 먼지 등이 지나가면서 전자를 받아 음전기를 띄게 되고 이 음전기를 띈 입자들을 양전극에 부착시킴으로서 먼지를 제거하는 방법이다. 많은 미세 물방울을 높은 전장 속으로 통과시키면 이 물방울들은 전자가 부착된 상태로 나오는데 물방울이 증발한다면 전자들을 공기 중에 발산하게 된다. 산소분자들은 이 발산된 전자들을 부착하면서 원자로 분해하게 된다. 이와 같이 여러 가지 방법으로 전자를 생 산하여 공기에 공급할 수 있다.

본 발명은 기존의 연소장치에서 연료가 산소분자 속에서 연소하면서 불균일한 연소를 하거나 불완전한 연소를 하는 한계점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 공기 중의 산소분자 일부를 산소원자로 변환하여 연료가 더욱 균일하면서 완전연소를 할 수 있는 장치와 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 다량의 전자를 발생하고 산소의 전자친화성을 이용하여 공기 중의 산소분자들의 일부를 산소원자로 분해하는 장치를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 전자를 대량으로 생산할 수 있는 전자 공급 장치, 공기가 생산된 전자와 섞일 수 있는 혼합공간을 통하여 연소장치 내부로 유입되는 공기 유입부, 그리고 연소공간으로 구성된 것을 특징으로 한다.

전자공급에 의한 연소장치의 효율증대의 방법에 있어서, 전자 공급 장치를 통하여 대량의 전자를 공급하는 방법, 전자 혼합공간에서 공기가 생성된 전자와 섞이는 과정, 연소장치 내부로 전자가 섞인 공기를 유입부를 통하여 유입하는 과정, 등을 포함하는 연소 효율증대 방법을 특징으로 한다.

본 발명은 상술한 바와 같이 전자공급에 의한 연소장치의 효율증대에 관한 것으로, 공기 중의 산소분자를 대량으로 생산된 전자와 혼합하고 산소의 전자 친화성을 이용하여 산소원자를 생산하여 연소효율을 개선할 수 있다.

또한 본 발명은 전자공급에 의한 연소장치의 효율증대에 관한 것으로, 산소분자를 전자로 분해하여 생성된 산소원자들이 산소분자 속에 확산되도록 하면, 반응성이 현저히 높은 산소원자가 기폭제 역할을 하여 연소가 균일하게 일어나게 하여 연소장치의 효율을 증대하게 된다.

또한 본 발명은 전자공급에 의한 연소장치의 효율증대장치로서 여러 가지 버너나 내연기관에 산소원자를 공급하여 버너나 내연기관 속에서 연소가 균일하게 잘 일어나도록 하여 버너나 내연기관의 효율을 증대하고 불완전 연소로 발생할 수 있는 오염물질을 제거할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 실시 예들을 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 잘 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 가급적 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 핵심을 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전자공급에 의한 연소장치의 효율증대의 장치에 관한 구성을 개념적으로 나타낸 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전자공급에 의한 효율증대 된 연소장치는 전자공급부(10), 공기공급부(20), 전자와 공기의 혼합공간 (30), 공기입력부(40), 연료주입부(50), 연소공간(60) 및 배출구(70)로 구성되는 것을 특징으로 한다. 필요에 따라서는 상기 전자공급부(10), 상기 공기공급부(20), 상기 혼합공간(30)이 하나의 공간에 구성될 수도 있다. 또한 응용의 필요성에 따라, 상기 전자공급부(10)와 상기 혼합공간(30)이 상기 연소공간(60)내에 존재할 수도 있음은 물론이다.

상기 전자공급부(10)는 전자발생장치로 구성되어 있으며, 여기서 전자가 대량으로 공급되어 상기 혼합공간(30)으로 들어오고, 공기공급부(20)에서 공급된 공기가 혼합공간(30)에 들어와 공기 중의 산소분자가 전자를 만나게 되면 산소의 전자친화성에 의하여 산소분자가 산소원자로 분해하게 된다. 그래서 공기 중 산소분자 일부가 산소원자가 되어 상기 공기입력부(40)를 통하여 상기 연소공간(60)으로 유입되고, 한편 연료공급부(50)으로 부터 연료가 상기 연소공간(60)으로 들어와 산소원자를 포함하는 공기와 연료가 연소공간(60)에서 서로 섞이게 되어 연소가 시작되면 균일한 완전연소가 진행하게 된다. 배기가스는 배출구(70)을 통하여 배출된다.

상기와 같이 구성된 전자공급에 의한 효율증대 된 연소장치의 작동과정에 대해 설명하면 다음과 같다. 전자공급부(10)에 있는 전자 발생장치에서 전자가 발생하여 혼합공간(30)으로 들어오면 공기공급부(20)에서 공기가 역시 혼합공간(30)으로 들어와 공기 중의 산소분자가 전자를 부착하고 이로 인하여 산소원자로 분해하게 되며 이러한 산소원자를 함유하는 공기가 공기입력부(40)를 통하여 연소공간(60)으로 들어와 연료 공급부(50)에서 제공된 연료와 만나 연소를 하게 된다. 연소 로 인한 배기가스는 배출구(70)을 통하여 배출된다.

＜실시 예 1＞

연소장치의 한 실시예로서 내연기관의 한 종류인 디젤엔진을 예로 들면, 전자 발생기로는 전장 속으로 지나가는 물방울을 이용하는 것이다. 시간당 1.8 리터 (0.5 갤런)의 물을 물 입자 크기 50 마이크로미터의 물방울로 분사하는 장치로 이때 사용되는 물 분사기 압력은 약 8기압이다. 여기서 분사된 미세한 물방울은 1.5 kV의 전압으로 된 전기장 속을 지나가며 이때 흐르는 전류는 100 마이크로암페어 이다. 사용되는 전력은 0.15와트이다. 1분당 물방울 수는 4.6 × 10⁹개이다. 1분당 흐른 전기량은 6 × 10^-3 쿨롱이다. 이는 3.75 × 10¹⁶개의 전자와 같다. 물방울 하나에 약 8천만 개의 전자가 붙어 있는 것이다. 전자하나가 2개의 산소원자를 생산하면 1분에 만들어지는 산소원자 수는 7 × 10¹⁶개이다. 3000cc 엔진으로 2000rpm의 운행을 한다면 1cc 당 산소원자의 수는 약 10¹⁰ 개로서 일반적인 불꽃의 이온수와 거의 비슷하다. 이러한 값은 엔진의 종류나 연료에 따라 증가 또는 감소할 수 있다. 이러한 정도의 산소원자는 디젤엔진 내에서 연소가 균일하게 일어날 수 있도록 하는 데에 충분하다. 전자를 부착한 물방울들은 공기 속에서 증발하고 발산된 전자들이 산소분자에 붙어 엔진 속으로 유입되면서 산소분자를 산소원자로 분리해 준다. 엔진이 접지가 되면 전자를 부착한 산소가 엔진 속으로 유입되지 못하고 엔진 벽에 붙는다. 이를 막기 위하여 엔진은 플로팅 (Floating) 되어야 한다.

지금까지 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 설명하였다. 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외 에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 전자공급에 의한 연소장치의 효율증대의 방법과 장치에 관한 구성을 나타낸 블록도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

(10) : 전자공급부 (20) : 공기공급부

(30) : 혼합공간 (40) : 공기유입부

(50) : 연료주입부 (60) : 연소공간

(70) : 배출구

Claims (8)

1. 전자를 발생하는 전자공급부;

   상기 전자공급부에서 발생된 전자들이 공기공급부로부터 제공되는 공기와 섞이는 전자와 공기의 혼합공간;

   전자를 포함한 공기가 공기입력부를 통하여 들어가는 연소공간;

   상기 연소공간으로 연료를 주입하는 연료주입부; 및

   배출가스를 배출하는 배출구;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자공급에 의하여 효율증대 된 연소장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전자공급부는 전자발생장치로 구성되어 있으며, 상기 전자발생장치는 전기방전의 음극에서 전자발생, 플라즈마방전에 의한 전자발생, 또는 정전 집진법에 의한 전자발생 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자공급에 의하여 효율증대 된 연소장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 연소공간은 버너 또는 내연기관의 내부인 것을 특징으로 하는 전자공급에 의하여 효율증대 된 연소장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 내연기관은 가솔린 엔진과 디젤엔진인 것을 특징으로 하는 전자공급에 의하여 효율증대 된 연소장치.
5. 전자공급부의 전자발생장치에서 고전압을 이용하여 전자를 발생하는 과정;

   혼합공간에서 발생된 전자들을 이용하여 공기 중의 산소분자를 산소원자로 분리하는 과정; 및

   산소원자가 포함된 공기를 연소공간에 유입하여 연료와 혼합하고 균일한 연소가 진행되도록 하는 과정; 으로

   이루어진 것을 특징으로 하는 전자공급에 의한 연소장치의 효율증대 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 전자발생장치에서 고전압을 이용한 전자발생은 전기방전의 음극에서의 전자발생, 플라즈마방전에 의한 전자발생, 또는 정전 집진법에 의한 전자발생 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자공급에 의한 연소장치의 효율증대 방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 연소공간은 버너 또는 내연기관의 내부인 것을 특징으로 하는 전자공급에 의한 연소장치의 효율증대 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 내연기관은 가솔린 엔진과 디젤엔진인 것을 특징으로 하는 전자공급에 의한 연소장치의 효율증대 방법.

Images