KR20110078457A - 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치 - Google Patents

방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 일정크기의 내부공간이 형성된 반응챔버; 상기 반응챔버의 내부공간에 위치하되, 상기 반응챔버와 전기적으로 이격되도록 장착되며, 고전압이 인가되면 상기 반응챔버와의 사이에 플라즈마 아크를 생성시키는 방전부; 상기 방전부의 중앙을 관통하는 형태로 형성된 통로로서, 일단은 상기 방전부 내부에 위치하며, 타단은 연료공급부와 연결되어 상기 연료공급부로부터 공급되는 혼합연료를 상기 방전부 내부로 이송시키는 연료이송관; 및 일단은 상기 연료이송관의 일단과 연통되며, 타단은 상기 방전부의 벽면을 관통하여 상기 반응챔버의 내부공간과 연통되도록 형성되어 상기 연료이송관에 의해 이송된 혼합연료를 상기 내부공간으로 분사하는 방사형 연료관;을 포함하는 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치가 개시된다.
플라즈마, 방사형, 연료관

Description

방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치{Plasma Buner Including Radial Shape Fuel Pipe}
본 발명은 플라즈마 버너장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 방전을 발생시키는 방전부의 고전압 전극과 혼합연료가 분사되는 연료공급 라인을 일체형으로 형성함으로써 구조를 단순화시킴과 동시에, 플라즈마 아크가 생성되는 부분인 방전부(고전압 전극)와 반응챔버(그라운드 전극)가 가장 근접한 위치에 혼합연료를 분사함으로써, 초기 점화율을 포함한 연소효율을 극대화한 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치에 관한 것이다.
일반적으로, DPF 시스템에 장착되는 플라즈마 버너장치는 엔진기관에서 배출되는 배기가스 배출라인 상에 장착되며, 공급되는 연료 또는 연료와 공기가 미립화되어 혼합된 상태인 혼합연료를 공급받아 이를 일정 공간 내에서 플라즈마 아크를 이용하여 점화 및 연소시켜 화염을 생성하는 장치로서, 상기 화염에 의한 발열에 의해 상기 배기가스를 일정온도로 상승시키는 목적으로 이용된다.
여기서, 도 1에는 종래의 플라즈마 버너장치(10)의 구성이 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 엔진기관으로부터 배출되는 배기가스가 유동하는 배출 라인의 일 측에 장착되어 상기 배기가스에 포함된 입자상 물질(DePM)이 배출 라인의 후단에 설치되는 촉매에 의해 필터링될 수 있도록 일정온도 임계치까지 배기가스를 가열시킨다.
또한, 종래의 버너장치(10)는, 외부로부터 고전압을 인가받는 고전압전극(11)과, 내부에는 화염이 연소되기 위한 공간인 화구부(13)가 형성되며 그라운드 전위를 갖는 반응챔버(12)과, 상기 반응챔버(12)의 상부에 장착되어 상기 화구부(13) 방향으로 혼합연료를 분사하는 연료공급부(14)로 구성되며, 이러한 기술 구성을 통해 종래의 플라즈마 버너장치(10)는, 연료공급부(14)로부터 연료와 공기가 혼합된 상태의 혼합연료가 유입되며, 상기 고전압전극(11)에 고전압이 인가되어 상기 고전압전극(11)과 반응챔버(12)가 갖는 전위차에 의해 상기 고전압전극(11)과 반응챔버(12) 사이에는 플라즈마 아크가 생성된다. 상기 플라즈마 아크는 상기 혼합연료와 접촉하여 불꽃을 발생시키면서 상기 혼합연료를 화구부(13)에서 연소되도록 발화시킨다.
그러나, 상기와 같은 종래의 플라즈마 버너장치(10)는, 도면에는 도시되지 않았으나, 장치(10)의 외부에 고전압 케이블, 공기공급관, 연료공급용 노즐 및 상기 고전압전극(11)과 반응챔버(12)를 전기적으로 이격시키는 절연체 등의 부품이 다수 장착되며 구조가 복잡하였다.
또한, 혼합연료가 공급되는 위치와 혼합연료를 점화시키는 플라즈마 아크가 생성되는 위치가 이격됨으로써 초기 발화 및 혼합연료의 연소효율이 저하되는 문제점이 있었다.
그리고, 차량이 언덕을 오르거나 급출발 등과 같이 디젤기관에 고출력이 발생될 경우에는, 상기 배기가스 배출관을 통해 순간적으로 토출되는 고압의 배기가스에 의해 상기 버너장치(10)의 내부에 발화된 화염이 소등되어 버리는 문제점이 있었다.
더불어, 초기 발화가 되지 않거나 화염이 소등된 경우에는 혼합연료가 반응챔버(12)의 내부 벽면으로 분사되면서 액화됨으로써, 고전압전극(11) 및 상기 내부 벽면을 따라 흐르게 되어, 반응챔버(12)의 하부에 액상 연료가 고이는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로,
플라즈마 방전을 발생시키는 방전부의 고전압 전극과 혼합연료가 분사되는 연료공급 라인을 일체형으로 형성함으로써 구조를 단순화시킴과 동시에, 플라즈마 아크가 생성되는 부분인 방전부(고전압 전극)와 반응챔버(그라운드 전극)가 가장 근접한 위치에 혼합연료를 분사함으로써, 초기 점화율을 포함한 연소효율을 극대화한 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치는, 일정크기의 내부공간이 형성된 반응챔버; 상기 반응챔버의 내부공간에 위치하되, 상기 반응챔버와 전기적으로 이격되도록 장착되며, 고전압이 인가되면 상기 반응챔버와의 사이에 플라즈마 아크를 생성시키는 방전부; 상기 방전부의 중앙을 관통하는 형태로 형성된 통로로서, 일단은 상기 방전부 내부에 위치하며, 타단은 연료공급부와 연결되어 상기 연료공급부로부터 공급되는 혼합연료를 상기 방전부 내부로 이송시키는 연료이송관; 및 일단은 상기 연료이송관의 일단과 연통되며, 타단은 상기 방전부의 벽면을 관통하여 상기 반응챔버의 내부공간과 연통되도록 형성되어 상기 연료이송관에 의해 이송된 혼합연료를 상기 내부공간으로 분사하는 방사형 연료관;을 포함한다.
여기서, 상기 방사형 연료관은, 상기 방전부 내부에서 복수 개가 형성되어 방사형의 형상으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 방전부 내부에 위치하되, 상기 일단에서 타단에 이르는 중앙부는 직선형태일 수 있다.
또한, 상기 방사형 연료관은, 상기 방전부 내부에 위치하되, 상기 일단에서 타단에 이르는 중앙부는 곡선 형태일 수 있다.
또한, 상기 방사형 연료관의 타단은, 상기 방전부와 상기 반응챔버가 가장 근접한 위치(A)에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치에 의하면,
플라즈마 방전을 발생시키는 방전부의 고전압 전극과 혼합연료가 분사되는 연료공급 라인을 일체형으로 형성함으로써 구조를 단순화시킴과 플라즈마 아크가 생성되는 부분인 방전부(고전압 전극)와 반응챔버(그라운드 전극)가 가장 근접한 위치에 혼합연료를 분사함으로써, 초기 점화율을 포함한 연소효율을 극대화할 수 있다.
또한, 연료공급부로부터 공급되는 혼합연료는, 곡선 형태로 형성된 복수 개의 방사형 연료관에 의해 일정 방향으로 선회유동하며 분사되므로, 혼합연료와 화염이 접촉되는 시간이 길어질 뿐만 아니라 화염의 균일도를 향상시킬 수 있다.
더불어, 상기 고전압 전극의 하부에 장착된 공기주입구로부터 분사되어 선회유동하며 상승하는 압축공기에 의해, 화염의 연소를 활성화하는 산소(O2)가 제공된 다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치의 구성을 나타낸 단면도, 도 3은 도 2의 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치의 방전부의 구성을 나타낸 단면도, 도 4는 도 2의 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치의 반응챔버의 구성을 나타낸 단면도, 도 5a는 도 2의 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치의 방사형 연료관으로부터 분사되는 혼합연료의 흐름을 나타낸 단면도, 도 5b는 도 2의 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치의 방사형 연료관의 다른 실시예에 따라 분사되는 혼합연료의 흐름을 나타낸 단면도, 도 5c는 도 2의 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치의 방사형 연료관의 또 다른 실시예에 따라 분사되는 혼합연료의 흐름을 나타낸 단면도이며,
도 6은 도 2의 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치의 동작원리를 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치는, 반응챔버(301), 방전부(201), 연료이송관(110) 및 방사형 연료관(120)을 포함하여 구비된다.
먼저, 상기 반응챔버(301)는, 일정크기의 내부공간이 형성된 공간부로서, 일측면은 엔진기관으로부터 배출된 배기가스가 유동되는 배관에 장착될 수 있다.
그리고, 상기 반응챔버(301)는, 0V(볼트)의 전위점으로서 그라운드 전극의 기능을 수행하되, 분사되는 혼합연료가 누출되지 않도록 밀폐된 구조를 가지며, 상기 내부공간에서 연소되는 화염의 발열을 견딜 수 있도록 내열성 및 내구성이 높은 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 반응챔버(301)는, 중앙부에 통공이 형성된 원통형의 형상을 갖으며 일단부에는 구경의 크기가 점차적으로 커지는 형상으로 형성된 확산부(250)가 구비되되 타단부의 내주면에는 나사선이 형성되며, 상기 통공에 상기 방전부(201)의 나사선이 형성된 일측부가 삽입되어, 상기 두 개의 나사선의 회전 결합에 의해 상기 방전부(201)와 체결된다.
여기서, 상기 반응챔버(301)는 상술한 바와 같이 외부 공기가 유입되는 하부의 구경은 좁고 혼합연료가 연소되는 공간인 확산부(350)의 구경은 넓은 형태로 형성되어, 상기 공기는 강한 압력으로 선회유동하며 상승되되 상기 혼합연료가 완전 연소될 수 있는 충분한 공간이 제공되는 효과를 구현할 수 있다.
또한, 상기 반응챔버(301)의 외주면에는, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 반응챔버(301)의 외주면 일측을 둘러싸는 형태로 공기챔버(320)가 설치되며, 상기 공기챔버(320)의 내부에는 반응챔버(301)의 외주면을 따라 공기가 소통하는 통로(321)가 형성된다.
또한, 상기 공기챔버(320)의 일측에는, 공기챔버(320)의 내부로 외부공기를 공급하는 공기주입구(330)가 고정 결합되며, 상기 공기챔버(320)와 대응되는 반응챔버(301)의 벽면에는 상기 공기챔버(320)의 내부와 상기 반응챔버(301)의 내부를 서로 연통시키는 적어도 하나 이상의 공기홀(322)이 형성되어, 상기 공기챔버(320)로 유입된 공기가 반응챔버(301)의 내부로 유입되도록 구비된다.
이때, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 공기홀(322)은 반응챔버(301)의 벽면 내에서 사선으로 형성되어, 상기 공기챔버(320)로부터 유입된 공기가 선회 유동하며 상기 반응챔버(301)의 내부로 유입되도록 구비되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 반응챔버(301) 내부로 유입된 공기는 사선으로 형성된 공기홀(322)에 의해 회전력을 갖게 되며, 반응챔버(301) 내부의 기류에 의해 상승되어 상기 전극(210)에 의해 점화된 화염에 산소를 제공함으로써, 연소율을 더욱 극대화한다.
더불어, 상기 혼합연료는 연료와 공기가 미립화된 상태로 혼합된 형태의 연료를 의미하며, 상기 연료이송관(110)으로 전달되기 이전에 혼합되어 공급되는 것이 바람직하다.
상기 방전부(201)는, 반응챔버(301)의 내부공간 내에 위치하되, 상기 반응챔버(301)와 전기적으로 이격되도록 장착되며, 고전압이 인가되면, 상기 반응챔버(301)와의 사이에 플라즈마 아크를 생성시킨다.
또한, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 방전부(201)는, 전극(210), 전원공급부(220), 절연부재(230) 및 몸통부(240)를 포함하여 구비되는데, 상기 전극(210)은, 전원공급부(220)를 통해 고전압이 인가되면 상기 반응챔버(301)와 상기 전극(210)간의 전위차이로 인하여 플라즈마 방전현상을 형성시키는 부재이다.
상기 전원공급부(220)는, 상기 전극(210)의 하단부에 연결되어 외부로부터 인가된 고전압을 전극(210)으로 전달하는 기능을 담당한다.
여기서, 상기 전원공급부(220)는, 도 3에 나타낸 바와 같이 외부의 전원이 직접 인가되는 부분인 전원공급 TIP(221)이 형성된 전원인가용 전극봉(222)과, 상기 전원인가용 전극봉(222)의 상단에 체결되어 상기 전극(210)을 지지하는 전극지지봉(223)을 포함하여 구비된다.
한편, 상기 절연부재(230)는, 전원공급부(220)가 관통하여 삽입되는 관통홀이 중앙에 형성되어 상기 전원공급부(220)의 관통 삽입에 의해 상기 전원공급부(220)를 절연시키는 기능을 한다.
여기서, 상기 절연부재(230)는 전극(210)과 상기 전원인가용 전극봉(222)의 전원공급 TIP(221)을 제외한 전원공급부(220)의 전체부분을 절연시키도록 구비되는 것이 바람직하다.
상기 연료이송관(110)은, 상기 방전부(201)의 중앙을 관통하는 형태로 형성된 통로로서, 일단은 상기 방전부(201) 전극의 내부에 위치하며, 타단은 연료공급부(111)와 연결되어 상기 연료공급부(111)로부터 공급되는 혼합연료를 상기 방전부(201)의 전극 내부로 이송시킨다.
상기 방사형 연료관(120)은, 일단이 상기 연료이송관(110)의 일단과 연통되며, 타단은 방전부(201)의 전극(210)의 벽면(211)을 관통하여 상기 반응챔버(301)의 내부공간과 연통되도록 형성되어 상기 연료이송관(110)에 의해 이송된 혼합연료를 상기 내부공간으로 분사한다.
여기서, 상기 연료공급부(111)는, 콤프레셔 등과 같은 공기 압축기를 이용하여 상기 연료이송관(110)의 타단으로 혼합연료를 공급하며, 상기 연료이송관(110)를 거쳐 방사형 연료관(120)의 타단으로 고압의 혼합연료를 분사하도록 구비될 수 있다.
더불어, 상기 연료이송관(110) 및 방사형 연료관(120)을 형성하는 재질은, 화염생성부(340)에서 발화하는 화염의 발열로 인해 전달되는 고열에 견딜 수 있는 내열성 및 내구성의 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 연료이송관(110)과 방사형 연료관(120)이 이루는 소정의 각도(θ)는 90도 이상 135도 미만을 유지하도록 구비되는 것이 바람직하다.
이는 상기 소정의 각도(θ)가 90도 미만일 경우에는, 상기 방사형 연료관(120)을 통해 분사되는 혼합연료가 확산부(350) 방향이 아닌 역방향으로 분사되 므로, 상기 혼합연료의 연소효율이 절감되며, 전극(210)에 의한 점화가 원활하게 이루어지지 않을 가능성이 상승하게 된다.
또한, 상기 소정의 각도(θ)가 135도 초과일 경우에는, 상기 방사형 연료관(120)에서 혼합연료가 분사되는 지점은, 상기 전극(210)과 상기 반응챔버(301)의 내부면이 가장 근접한 부분(도 2의 A)에 분사되는 것이 가장 효율적이나, 상기 소정의 각도(θ)가 135도를 초과할 경우에는 상기 전극(210)과 반응챔버(301)의 내부면이 가장 근접한 부분(도 2의 A)을 지나치게 상승시켜 위치하여야 하는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 상기 방사형 연료관(120)은, 도 5a에 도시된 바와 같이 상기 방전부(201)의 전극(210) 내부에서 복수 개가 형성되어 방사형의 형상으로 구비되며, 일단에서 타단에 이르는 중앙부(121)는 직선형태로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 연료이송관(110)을 통해 유입된 혼합연료는 상기 전극(210)의 내부에서 방사형으로 분산된 경로를 갖는 각 방사형 연료관(120)을 따라 나뉘어지며, 상기 방사형 연료관(120)의 타단을 통해 반응챔버(301)의 내부로 분산된다.
더불어, 본 발명의 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치는, 분사되는 혼합연료가 일정 방향으로 선회유동하며 분사되어, 상기 혼합연료와 화염이 접촉되는 시간이 길어질 뿐만 아니라 화염의 균일도를 향상시키는 효과를 구현할 수 있는데, 이는 도 5b에 도시된 바와 같이 상기 방사형 연료관(120)의 일단에서 타단에 이르는 중앙부(121)가 곡선 형태로 형성하거나, 도 5c에 도시된 바와 같이 방사형 연료관(120)의 일단과 타단이 사선으로 형성함으로써 가능하다.
더욱이, 본 발명의 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치는, 플라즈마 아크에 의한 초기 점화율을 포함한 혼합연료의 연소효율을 극대화할 수 있는데, 이는, 플라즈마 아크가 생성되는 부분인 방전부(201)의 전극(210)과 반응챔버(301)의 내측벽면이 가장 근접한 위치(도 2의 A)에 상기 방사형 연료관(120)의 타단이 위치됨으로써, 플라즈마 아크가 생성되는 부분으로 혼합연료를 분사할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 종래의 플라즈마 버너장치의 구성을 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치의 구성을 나타낸 단면도,
도 3은 도 2의 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치의 방전부의 구성을 나타낸 단면도,
도 4는 도 2의 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치의 반응챔버의 구성을 나타낸 단면도,
도 5a는 도 2의 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치의 방사형 연료관으로부터 분사되는 혼합연료의 흐름을 나타낸 단면도,
도 5b는 도 2의 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치의 방사형 연료관의 다른 실시예에 따라 분사되는 혼합연료의 흐름을 나타낸 단면도이며,
도 5c는 도 2의 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치의 방사형 연료관의 또 다른 실시예에 따라 분사되는 혼합연료의 흐름을 나타낸 단면도이며,
도 6은 도 2의 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치의 동작원리를 나타낸 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110...연료이송관 120...방사형 연료관
121...중앙부 201...방전부
210...전극 211...벽면

Claims (6)

  1. 일정크기의 내부공간이 형성된 반응챔버(301);
    상기 반응챔버(301)의 내부공간에 위치하되, 상기 반응챔버(301)와 전기적으로 이격되도록 장착되며, 고전압이 인가되면 상기 반응챔버(301)와의 사이에 플라즈마 아크를 생성시키는 방전부(201);
    상기 방전부(201)의 중앙을 관통하는 형태로 형성된 통로로서, 일단은 상기 방전부(201) 내부에 위치하며, 타단은 연료공급부(111)와 연결되어 상기 연료공급부(111)로부터 공급되는 혼합연료를 상기 방전부(201) 내부로 이송시키는 연료이송관(110); 및
    일단은 상기 연료이송관(110)의 일단과 연통되고, 타단은 상기 방전부(201)의 벽면(211)을 관통하여 상기 반응챔버(301)의 내부공간과 연통되도록 형성되며, 상기 연료이송관(110)에 의해 이송된 혼합연료를 상기 내부공간으로 분사하는 방사형 연료관(120);
    을 포함하는 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 방사형 연료관(120)은,
    상기 방전부(201) 내부에서 복수 개가 형성되어 방사형의 형상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 방사형 연료관(120)은,
    상기 방전부(201) 내부에 위치하되, 상기 일단에서 타단에 이르는 중앙부(121)는 직선형태인 것을 특징으로 하는 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 방사형 연료관(120)은,
    상기 방전부(201) 내부에 위치하되, 상기 일단에서 타단에 이르는 중앙부(121)는 곡선 형태인 것을 특징으로 하는 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 방사형 연료관(120)은,
    상기 방전부(201) 내부에 위치하되, 상기 일단과 타단이 사선 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 버너장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중의 어느 항에 있어서,
    상기 방사형 연료관(120)의 타단은, 상기 방전부(201)와 상기 반응챔버(301)가 가장 근접한 위치(A)에 형성되는 것을 특징으로 하는 방사형 연료관이 구비된 플라즈마 버너장치.
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