KR20120116391A - 연소 플레이트 - Google Patents

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KR20120116391A
KR20120116391A KR1020127011007A KR20127011007A KR20120116391A KR 20120116391 A KR20120116391 A KR 20120116391A KR 1020127011007 A KR1020127011007 A KR 1020127011007A KR 20127011007 A KR20127011007 A KR 20127011007A KR 20120116391 A KR20120116391 A KR 20120116391A
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린나이가부시기가이샤
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Abstract

연소공명음 또는 고부하 연소시의 불안정성을 해소할 수 있고, 화염공의 개구율을 크게 확보할 수 있도록 한 연소 플레이트를 제공한다. 동일 직경의 화염공(12)을 인접한 3개의 화염공이 정삼각형을 이루는 위치 관계로 플레이트 본체의 연소영역의 전체면에 걸쳐 균등하게 형성한다. 정육각형(13)을 이루는 위치 관계로 배치된 6개의 화염공(12)과 이 정육각형 중심의 화염공(12)으로 구성되는 화염공 군(群)에 있어서, 정육각형(13)을 둘러싸는 큰 정육각형(14)을 끼고 상호 인접하는 것을 단위 화염공 군으로 하고, 플레이트 본체의 표면에 각 단위 화염공 군 중심의 화염공(12)과 동심의 요홈공(15)을 형성한다. 또한, 정육각형(13)의 소정의 대각 방향 또는 소정의 대변의 대향 방향을 열 방향으로 하여 열 방향에 나란히 단위 화염공 군의 열 중에서 열 방향과 직교 방향으로 소정 간격을 두고 선택된 선택열에 속하는 각 단위 화염공 군을 둘러싸는 큰 정육각형(14) 상에 위치하는 12개의 화염공의 적어도 일부를 폐색한다.

Description

연소 플레이트{COMBUSTION PLATE}
본 발명은, 주로 급탕용 또는 난방용 열원기에 설치되는 전(全) 1차 연소식 버너에 사용되는 연소 플레이트이며, 세라믹제의 플레이트 본체에 예비 혼합 가스를 분출하는 다수의 화염공을 형성한 것에 관한 것이다.
종래, 이러한 종류의 연소 플레이트로서 특허문헌 1에 의하여 플레이트 본체의 연소영역의 전체면에 걸쳐 대중소 3종의 화염공을 각종 화염공이 각각 격자 형상으로 분산되도록 하고, 대 화염공이 서로 이웃하는 4개의 소 화염공 중심에 위치함과 동시에 서로 이웃하는 4개의 중 화염공의 중심에 위치하며, 각 소 화염공이 서로 이웃하는 2개의 중 화염공 중심에 위치하도록 형성하고, 플레이트 본체의 표면에 각 대 화염공과 동심으로 그 주위의 각 소 화염공 일부를 포함하는 크기의 요홈공을 형성한 것이 알려져 있다. 이것에 의하면, 화염공을 전부 같은 직경으로 한 것에 있어서 발생하기 쉬운 연소 공명음 또는 고부하 연소시의 불안정성을 해소할 수 있는 것이다.
그리고, 특허문헌 1에는 실시예로서 대 화염공의 직경을 1.9mm, 중 화염공의 직경을 1.3mm, 소 화염공의 직경을 1.0mm로 하며, 대 화염공과 동심인 직경 2.4mm의 원주상에 등간격으로 4개의 소 화염공을 배치함과 아울러, 대 화염공과 동심인 직경 3.4mm의 원주상에 소 화염공과는 45°위상으로 어긋나게 등간격으로 4개의 중 화염공을 배치하여 이루어진 연소 플레이트가 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 것은 다른 직경의 화염공을 격자 형상으로 배치한 관계에서 화염공의 개구율(플레이트 본체의 연소영역 전체 면적에 대한 화염공 전체의 합계 면적의 비)이 작아지며, 실시예에 기재된 것에서는 화염공의 개구율이 26%정도가 된다. 이 때문에 연소 플레이트의 통과 저항이 커지게 되고, 버너에 1차 공기를 공급하는 팬 부하가 커지며, 팬 소음이 커지는 문제점이 있었다.
특허문헌 1: 일본특허 특공평07-59966호 공보
본 발명은 이상의 점을 감안하여 연소 공명음 또는 고부하 연소시의 불안정성을 해소할 수 있고, 화염공의 개구율을 크게 확보할 수 있도록 하는 연소 플레이트를 제공하는 것을 그 과제로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 전(全) 1차 연소식 버너용의 연소 플레이트에서 세라믹제의 플레이트 본체에 예비 혼합 가스를 분출하는 다수의 화염공을 형성한 것에 있어서, 동일 직경의 화염공을, 인접한 3개의 화염공이 정삼각형을 이루는 위치관계에서 플레이트 본체의 연소 영역 전체면에 걸쳐 균등하게 형성함과 동시에, 정육각형을 이루는 위치관계에 배치된 화염공 6개와 이 정육각형 중심의 화염공 1개로 구성된 화염공 군(群)에 있어서, 이 정육각형을 둘러싸고 각 각부(角部)에 1개의 화염공과 각 변의 중간에 1개의 화염공이 위치하는 큰 정육각형을 끼고 상호 인접한 것을 단위 화염공으로 하고, 플레이트 본체의 표면에 각 단위 화염공 군 중심의 화염공과 동심에서 각 단위 화염공 군의 정육각형을 이루는 위치관계의 화염공 6개에 외접하는 원의 직경보다 작게, 이들 6개의 화염공에 내접하는 원보다 큰 직경의 요홈공을 형성하며, 이들 6개의 화염공으로부터 분출하는 예비 혼합 가스가 요홈공의 중심 방향으로의 속도 성분을 가지도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 동일 직경의 화염공을 인접하는 3개의 화염공이 정삼각형을 이루는 위치관계로 배치함으로써 연소 플레이트의 제조 가능한 범위에서 화염공을 가장 치밀하게 배치할 수 있게 된다. 따라서, 화염공의 개구율을 종래 실시예의 것에 비하여 대폭 증가시켜 연소 플레이트의 통과저항을 감소할 수 있으며, 버너에 일차 공기를 공급하는 팬의 부하를 경감하여 팬 소음을 저감할 수 있다.
그리고, 각 단위 화염공 군의 정육각형을 이루는 위치관계의 화염공 6개로부터 분출하는 예비 혼합 가스가 요홈공의 중심 방향으로의 속도 성분을 가지므로, 플레이트 표면의 법선 방향으로 예비 혼합 가스의 분출 속도를 감속시키는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 단위 화염공 군의 요홈공으로부터 분출하는 예비 혼합 가스의 연소로 형성된 집합 화염의 형성이 급격히 치솟는 일이 없는 산(山) 형상이 되며, 고부하 연소시의 화염 리프트를 억제하는 보염(保炎)효과를 얻을 수 있다. 따라서, 모든 화염공을 같은 직경으로 하고 있음에도 관계없이 고부하 연소시 연소 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 각 단위 화염공 군의 요홈공으로부터 분출하는 예비 혼합 가스의 연소로 형성되는 각 집합 화염이 서로 이웃하면, 집합 화염끼리 공진하여 큰 연소 공명음을 발생한다. 이에 대하여 본 발명은 각 단위 화염공 군의 사이에 전술한 큰 정육각형 상에 화염공이 존재하므로, 이러한 화염공으로부터 분출하는 예비 혼합가스의 연소로 집합 화염으로부터 분리된 화염이 형성되어, 집합 화염끼리의 공진이 억제되고, 연소 공명음이 저감된다.
여기서, 요홈공의 저면을, 중심을 향하여 점차 깊어지는 테이퍼면으로 형성하고/하거나 요홈공을 저면을 향하여 직경이 축소되도록 형성하면, 각 단위 화염공 군의 정육각형을 이루는 위치관계의 화염공 6개로부터 분출하는 예비 혼합 가스가 요홈공의 중심 방향으로의 속도 성분을 용이하게 얻을 수 있으므로 유리하다.
또한, 요홈공 주면의 최하부 깊이가 1mm를 밑돌면, 집합 화염이 형성되기 힘들고, 연소가 불안정하게 되기 쉽다. 한편, 요홈공 주면의 최하부의 깊이가 3mm를 웃돌면, 단위 화염공 군의 정육각형을 이루는 위치관계의 화염공 6개로부터 분출하는 예비 혼합 가스가 요홈공으로부터 나올 때는 평행류가 되며, 보염 효과를 얻기 힘들다. 따라서, 요홈공 주면의 최하부 깊이는 1mm이상, 3mm이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서 단위 화염공 군의 화염공 6개가 이루는 정육각형의 소정 대각 방향 또는 소정 대변의 대향 방향을 열 방향으로 하고, 열 방향에 나란히 단위 화염공 군의 열 중으로부터 열 방향과 직교 방향에 소정 간격을 가지며 선택된 선택열에 속하는 각 단위 화염공 군을 둘러싸는 전술한 정육각형 위에 위치하는 화염공 12개 중 적어도 일부를 폐색하는 것이 바람직하다. 이것에 따르면, 단위 화염공군의 요홈공으로부터 분출하는 예비 혼합 가스 일부가 화염공 폐색부에 소용돌이를 일으키도록 하여 환류(還流)하는 환류영역이 생성되며, 보염 효과가 높아진다. 따라서, 고부하 연소시의 연소 안정성이 한층 더 향상된다.
그리고, 모든 단위 화염공 군 각각을 둘러싸는 모든 큰 정육각형에 있어서, 해당 정육각형 위의 화염공을 폐색한 것으로는 연소 플레이트의 전 영역에서 집합 화염끼리의 공진을 일으키며, 연소 공명음이 발생하기 쉬워지는 것이다. 이에 대하여 전술한 소정 간격을 열 방향이 전술한 대각 방향인 경우는 각 선택열 간에 적어도 3개의 비 선택열이 존재하며, 열 방향이 전술한 대변의 대향 방향인 경우는 각 선택열에 적어도 2개의 비 선택열이 존재하도록 설정하면, 집합 화염끼리의 공진을 일으키는 것은 연소 플레이트의 일부 영역에 한정되므로 연소 공명음을 저감할 수 있다.
여기서, 폐색된 화염공은 전술한 큰 정육각형의 각 각부(角部)에 위치하는 화염공인 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 큰 정육각형 위에 위치하는 모든 화염공을 폐색한 것과 같은 정도의 보염 효과를 얻을 수 있다. 그리고, 큰 정육각형 위에 위치하는 모든 화염공을 폐색하는 것에 비하여 화염공의 개구율을 크게 할 수 있으므로 유리하다.
도 1은 전(全) 1차 연소식 버너를 구비한 열원기의 모식적 단면도
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태의 연소 플레이트의 평면도
도 3은 도 2의 연소 플레이트의 일부 확대 평면도
도 4는 도 3의 IV-IV선으로 절단한 단면도
도 5는 단위 화염공 군의 화염으로부터 분출하는 예비 혼합 가스의 요홈공 중심 방향으로의 속도 성분을 나타낸 그래프
도 6은 요홈공의 형상 변형예를 나타낸 단면도
도 7은 제2 실시 형태의 연소 플레이트의 평면도
도 8은 제3 실시 형태의 연소 플레이트의 평면도
도 9는 제4 실시 형태의 연소 플레이트의 평면도
도 10은 제5 실시 형태의 연소 플레이트의 평면도
도 11은 제6 실시 형태의 연소 플레이트의 평면도
도 12는 제2 내지 제6 실시 형태의 연소 플레이트로부터 분출하는 예비 혼합 가스의 속도 벡터를 나타낸 도면
도 13은 제1 내지 제6 실시 형태의 연소 플레이트를 이용하여 행한 연소시험 결과를 나타낸 그래프
도 14는 제5 실시 형태의 연소 플레이트와 종래 연소 플레이트를 이용하여 행한 연소시험 결과를 나타낸 그래프
도 15는 제5 실시 형태의 연소 플레이트와 요홈공의 깊이, 직경을 변경한 변형예의 연소 플레이트를 이용하여 행한 연소시험 결과를 나타낸 그래프
도 16은 제7 실시 형태의 연소 플레이트의 평면도
도 1은 연소 플레이트(1)를 사용한 전(全) 1차 연소식 버너(2)를 구비한 급탕 또는 난방용의 열원기를 나타낸다. 버너(2)에는 통풍로(3a)를 통하여 팬(3)이 접속되어 있다. 또한, 통풍로(3a)에 연료가스를 분사하는 가스 노즐(4)이 설치되어 있다. 그리고, 팬(3)으로부터 공급되는 1차 공기와 가스 노즐(4)로부터 분사되는 연료 가스와의 예비 혼합 가스를 연소 플레이트(1)를 통하여 분출하여 연소시키고, 연소 가스에 의하여 급탕 또는 난방용의 열교환기(5)를 가열하도록 되어 있다.
여기서, 팬(3)은 1차 공기량이 연료 가스를 완전 연소시키는데 필요한 화학량론적 공기량보다도 많도록 제어된다. 따라서, 공기 과잉률(1차 공기량/화학량론적 공기량)이 1보다 큰 예비 혼합 가스는 연소 플레이트(1)를 통해 분출하여 전(全) 1차 연소한다.
도 2를 참조하면, 연소 플레이트(1)는 세라믹제이며 평면에서 보았을 때 사각형인 플레이트 본체(11)에 예비 혼합 가스를 분출하는 다수의 화염공(12)을 형성하여 이루어지는 것이다. 본 실시 형태에서는 동일 직경의 화염공(12)을 인접하는 3개의 화염공(12)이 정삼각형을 이루는 위치관계에서 플레이트 본체(11)의 연소 영역 전체면에 걸쳐 균등하게 형성한다. 그리고, 본 실시 형태에서 연소 영역의 짧은쪽 방향의 길이(W)와 긴 쪽 방향의 길이(L)는 W=50mm, L=140mm로 설정된다. 또한, 플레이트 본체(11)의 두께는 13mm이다.
여기서, 화염공(12)의 직경이 1.5mm 이상이며, 역화가 발생하기 쉬워지며, 0.8mm 이하이면, 연소 플레이트(1)의 제조가 곤란하게 되므로, 화염공(12)의 직경은 0.8mm~1.5mm로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 화염공(12)의 중심간 거리(피치)는 강도 확보에 필요한 최소한의 값인 화염공(12)의 직경의 1.5배 정도로 설정한다. 따라서, 제조 가능한 범위에서 화염공(12)을 가장 치밀하게 배치할 수 있다. 그리고, 본 실시 형태에서는 화염공(12)의 직경을 1.25mm, 피치를 1.9mm로 설정한다. 이 경우, 화염공(12)의 개구율은 36%이며, 전술한 특허문헌 1에 실시예로 기재된 것에 비하여 개구율이 대폭 증가한다. 따라서, 연소 플레이트(1)의 통과 저항이 감소하고, 팬(3)의 부하가 경감되며, 고부하 연소시에 팬 소음이 효과적으로 저감된다.
또한, 도 3, 도 4에 명시한 바와 같이, 정육각형(13)을 이루는 위치 관계에 배치된 화염공(12) 6개와 이 정육각형(13) 중심의 화염공(12) 1개로 구성되는 화염공 군(群)에 있어서, 이 정육각형(13)을 둘러싸는 각 각부(角部)에 1개의 화염공(12)과 각 변의 중심에 1개의 화염공(12)이 위치하는 큰 정육각형(14)을 끼고 상호 인접하는 것을 단위 화염공 군으로 한다. 그리고, 플레이트 본체(11)의 표면에 각 단위 화염공 군 중심의 화염공(12)과 동심으로 각 단위 화염공 군의 정육각형(13)을 이루는 위치관계의 화염공(12) 6개에 외접하는 원의 직경보다도 작게 이들 화염공(12) 6개에 내접하는 원보다도 큰 직경의 요홈공(15)을 형성한다. 본 실시 형태에서는 요홈공(15)의 직경을 4mm로 설정하고 정육각형(13)을 이루는 위치관계의 각 화염공(12)의 내측 절반 부분이 요홈공(15)에 들어 가도록 되어 있다.
이것에 의하면, 단위 화염공 군의 정육각형(13)을 이루는 위치관계의 각 화염공(12)으로부터 분출하는 예비 혼합 가스가 요홈공(15)의 중심 방향으로의 속도 성분을 가지게 되는 것이다. 따라서, 플레이트 표면의 법선 방향으로의 예비 혼합 가스의 분출 속도의 감속 효과를 얻을 수 있다. 그 결과, 단위 화염공 군의 요홈공(15)으로부터 분출되는 예비 혼합 가스의 연소로 형성되는 집합 화염(F)의 형상이 급격하게 치솟는 일이 없는 산(山) 형상이 되며, 고부하 연소시의 화염 리프트를 억제하는 보염(保炎)효과를 얻을 수 있다. 따라서, 모든 화염공(12)을 동일 직경으로 하는 것에 관계없이 고부하 연소시의 연소 안정성을 확보할 수 있다.
그리고, 각 단위 화염공 군의 요홈공(15)으로부터 분출되는 예비 혼합 가스의 연소로 형성되는 집합 화염(F)이 서로 이웃하면, 집합 화염(F)끼리 공진하여 큰 연소 공명음이 발생한다. 이것에 비하여, 본 실시 형태에서는 각 단위 화염공 군의 사이에 전술한 큰 정육각형(14) 위의 화염공(12)이 존재하므로, 이 화염공(12)으로부터 분출하는 예비 혼합 가스의 연소로 집합 화염(F)으로부터 분리된 화염이 형성되어 집합 화염(F)끼리의 공진이 억제되고 연소 공명음이 저감된다.
또한, 본 실시 형태에서는 요홈공(15)의 저면을, 중심을 향해 점차 깊어지는 테이퍼면(15a)으로 형성하고 있다. 이것에 의하면, 단위 화염공 군의 정육각형(13)을 이루는 위치 관계의 각 화염공(12)으로부터 분출되는 예비 혼합 가스에 요홈공(15)의 중심 방향으로의 속도 성분을 더욱 효과적으로 부여할 수 있다.
또한, ANSYS사의 범용 3차원 열유체 해석 프로그램 「FLUENT ver.6」을 이용하여 시뮬레이션을 행하고 요홈공(15)의 주면 최하부의 깊이 h가 1mm, 2mm, 4mm인 것에 관하여 각 화염공(12)에 2.94×10-6㎥/sec의 유량으로 예비 혼합 가스를 흘렸을 때의 깊이 1mm의 높이에 있어서 요홈공(15)의 중심방향으로의 속도 성분을 조사하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다. 여기서, 도 5의 가로축은 도 4의 x0으로부터 x1까지의 위치를 나타내며, 세로축의 속도는 도 4에서 우측을 향하는 중심방향으로의 성분을 플러스, 좌측을 향하는 중심방향으로의 성분을 마이너스로 나타낸다. 그리고, 전술한 유량의 값은 연소 플레이트(1)에 연료 가스가 메탄으로 공기 과잉률이 1.6인 예비 혼합 가스를 입력 12kW로 공급한 경우와 같은 값이다.
중심방향으로의 속도 성분은 도 5로부터 확실히 알 수 있듯이 깊이 h=2mm인 경우에 가장 크고, h=1mm인 경우는 약간 작아지며, h=4mm인 경우는 더욱 작아졌다. 그리고, 깊이 h가 1mm 미만이면, 집합 화염이 형성되기 힘들고, 연소가 불안정해지기 쉽다. 따라서, 깊이 h는 1mm이상, 3mm이하인 것이 바람직하며, 본 실시 형태에서는 h=2mm로 설정하고 있다.
한편, 본 실시 형태에서는 요홈공(15)의 저면(15a)을 테이퍼면으로 형성하고 있으나, 도 6(a)에 나타낸 것과 같이 요홈공(15)을 저면을 향하여 점차 직경이 축소되도록 형성하거나, 도 6(b)와 같이 요홈공(15)을 저면을 향하여 단계적으로 직경이 축소되도록 형성하거나, 도 6(c)와 같이 요홈공(15)을 저면을 향하여 라운드지게 직경을 축소되도록 형성하여 단위 화염공 군의 정육각형(13)을 이루는 위치관계의 각 화염공(12)으로부터 분출하는 예비 혼합 가스에 요홈공(15)의 중심 방향으로의 속도 성분을 부여하기 쉽도록 할 수 있다. 또한, 요홈공(15)을 저면을 향하여 직경이 축소되도록 형성하면서 요홈공(15)의 저면을 테이퍼면으로 형성하여도 좋다.
다음으로, 도 7 내지 도 10에 나타낸 연소 플레이트(1)의 제2 내지 제5 실시 형태에 관하여 설명한다. 제2 내지 제5 실시 형태의 전술한 제1 실시 형태와의 다른 점은 단위 화염공 군의 화염공(12) 6개가 이루는 정육각형(13)의 도면으로 좌우의 대각 방향(플레이트 본체(11)에서 짧은쪽 방향)을 열 방향으로 하고, 이 열 방향으로 늘어선 단위 화염공 군의 열(16) 중에서 열 방향과 직교 방향(플레이트 본체(11)에서 긴 쪽 방향)에 소정 간격을 가지는 복수의 열을 선택하고, 이들 선택열에 속하는 각 단위 화염공 군을 둘러싸는 큰 정육각형(14) 위에 위치하는 화염공(12) 12개 중 적어도 일부를 폐색하는 것이다. 연소 영역의 크기, 화염공(12)의 직경, 피치, 요홈공(15)의 직경, 깊이 h는 제1 실시 형태와 동일하다. 그리고, 도면에서는 폐색된 화염공(12), 즉 제1 실시 형태에서 형성된 화염공(12) 중 밝지 않은 구멍 부분을 검고 진하게 칠하여 나타낸다.
여기서, 도 7에 나타낸 제2 실시 형태에서는 단위 화염공 군의 열(16) 중 플레이트 본체(11)의 긴 쪽 방향의 일단(도 7에서 상단)으로부터 세어서 4번째의 열 164, 12번째의 열 1612, 20번째의 열 1620, 28번째의 열 1628 및 36번째의 열 1636을 선택열로 하고, 이들 각 선택열에 속하는 각 단위 화염공 군을 둘러싸는 큰 정육각형(14) 위에 위치한 화염공(12) 12개를 전부 폐색한다. 제2 실시 형태의 화염공(12)의 개구율은 32%이다.
도 8에 나타낸 제3 실시 형태에서는 선택열로 제2 실시 형태의 선택열에 더하여 16번째의 열 1616과, 24번째의 열 1624를 선택하고, 이들 각 선택열에 속하는 각 단위 화염공 군을 둘러싸는 큰 정육각형(14) 위에 위치한 화염공(12) 12개를 전부 폐색한다. 제3 실시 형태의 화염공(12)의 개구율은 30%이다.
도 9에 나타낸 제4 실시 형태에서는 각 선택열 사이에 3개의 비선택열이 존재하도록 선택열로 제3 실시 형태의 선택열에 더하여 8번째의 열 168과, 32번째의 열 1632를 선택하고, 이들 각 선택열에 속하는 각 단위 화염공 군을 둘러싸는 큰 정육각형(14) 위에 위치한 화염공(12) 12개를 전부 폐색한다. 제4 실시 형태의 화염공(12)의 개구율은 28%이다. 그리고, 제2 내지 제4 실시 형태에서는 첫번째와 39번째의 각 열 161, 1639에 속하는 각 단위 화염공 군의 중심 사이에 위치하는 화염공(12) 3개도 폐색한다.
도 10에 나타낸 제5 실시 형태에서는 선택열로 제4 실시 형태와 같은 열을 선택하였으나, 이들 각 선택열에 속하는 각 단위 화염공 군을 둘러싸는 큰 정육각형(14) 위의 화염공(12) 전부가 아니라 이 정육각형(14)의 각 각부(角部)에 위치하는 합계 화염공(12) 6개를 폐색한다. 그리고, 제5 실시 형태에서는 첫번째와 39번째의 각 열 161, 1639에 속하는 각 단위 화염공 군에 가까운 화염공(12) 2개도 폐색한다. 제5 실시 형태의 화염공(12)의 개구율은 32%이다.
또한, 도 11에 나타낸 제6 실시 형태에서는 모든 단위 화염공 군의 각각을 둘러싸는 모든 큰 정육각형(14)의 각 각부에 위치하는 화염공(12)을 폐색한다. 제6 실시 형태의 화염공(12)의 개구율은 30%이다.
제2 내지 제6 실시 형태와 같이 화염공(12)을 폐색하면, 단위 화염공 군의 요홈공(15)으로부터 분출하는 예비 혼합 가스의 일부가 화염공 폐색부에 소용돌이치면서 돌아 흐르는 환류영역이 생성되고, 보염 효과가 높아진다. 따라서, 고부하 연소시의 연소 안정성이 더욱 향상된다. 이때를 확실히 하기 위하여 「FLUENT ver.6」을 이용하여 시뮬레이션을 행하고, 각 화염공(12)에 2.94×10-6㎥/sec의 유량으로 예비 혼합 가스를 흘렸을 때 예비 혼합 가스의 속도 벡터를 조사했다. 그 결과는 도 12와 같으며, 화염공 폐색부 위에 환류 영역이 형성됨을 알 수 있다.
또한, 제1 내지 제6 실시 형태에서 연소 플레이트(1)를 이용하여 연소시험을 행하였다. 이 연소시험은 연소 가스를 메탄, 인풋(연소량)을 12kW(화염 부하 환산으로 2400kW/㎡)로 하고, 예비 혼합 가스의 공기 과잉율을 변화시켜 이론 건조 연소 가스 중의 CO 농도인 COaf를 측정하였다. 그리고, 시험에서는 연소 플레이트(1)의 영역 전체에 균등한 공기 과잉률의 예비 혼합 가스가 공급되도록 하였으나, 실제의 버너는 연료 가스와 1차 공기와의 혼합 부족에 의하여 연소 플레이트(1)의 각부에서 예비 혼합 가스의 공기 과잉률에 차이가 발생하며, 또한 인풋의 변화에 대한 팬 회전수의 응답 지연에 의하여 연소중에 공기 과잉률이 소요 목표치로부터 어긋나 버리는 경우가 있다. 따라서, 안정 연소하는 공기 과잉률의 범위는 될 수 있는 한 넓은 편이 좋다.
도 13은 연소시험 결과를 나타낸 것으로, a선은 제1 실시 형태, b선은 제2 실시 형태, c선은 제3 실시 형태, d선은 제4 실시 형태, e선은 제5 실시 형태, f선은 제6 실시 형태이다. COaf<400ppm으로 양호한 연소를 하는 공기 과잉률 λ의 범위 하한은 제1 내지 제6 실시형태 중 어느 것도 1.12 정도가 되며, 상한은 제1 실시 형태에서 1.42, 제2 실시 형태에서 1.55, 제3 실시 형태에서 1.60, 제4 실시 형태에서 1.71, 제5, 6 실시 형태에서 1.69가 되었다.
또한, 요홈공(15) 및 화염공 폐색부를 형성하지 않은 연소 플레이트를 사용하여 연소시험을 하였으나, 이 경우는 인풋의 증가에 동반하는 화염이 집합하여 일체화하며, 보염 부분 전체가 아닌 불안정한 리프트 화염이 되고, 12kW까지 연소되지 못하고, 9kW가 한계였다. 이에 대하여 요홈공(15)을 형성한 제1 실시 형태에서는 12kW에서도 양호한 연소를 하였다. 따라서, 요홈공(15)에 의하여 전술한 고부하 연소시의 화염 리프트를 억제하는 보염 효과가 얻어짐을 알 수 있다.
또한, 전술한 선택열의 수를 제2 내지 제4 실시 형태와 같이 늘려가면, 리프트하기 어려워지며, 양호한 연소를 하는 공기 과잉률의 범위 상한이 커지게 된다. 따라서, 화염공 폐색부에 의하여 환류 영역이 생기고, 보염 효과가 높아짐을 알 수 있다. 또한, 선택열에 속하는 각 단위 화염공 군을 둘러싸는 큰 정육각형(14) 위의 화염공(12) 12개 중 해당 정육각형의 각부에 위치하는 화염공(12) 6개만을 폐색하는 제5 실시 형태에서는 선택열의 수가 제4 실시 형태와 동일함에도 관계없이 양호한 연소를 하는 공기 과잉률의 범위 상한이 제4 실시 형태와 거의 동일한 정도가 되었다. 따라서, 보염 효과를 높이고 화염공(12)의 개구율을 크게 하는 것에는 전술한 큰 정육각형의 각 각부에 위치하는 화염공(12)을 폐색하면 좋음을 알 수 있다. 또한, 제2 실시 형태와 제5 실시 형태는 같은 개구율(32%)임에도 불구하고, 양호한 연소를 하는 공기 과잉률의 범위가 제2 실시 형태(도 13의 b선)보다도 제5 실시 형태(도 13의 e선) 측이 넓으며 우수하다.
단, 제6 실시 형태와 같이 모든 단위 화염공 군의 각각을 둘러싸는 모든 큰 정육각형(14)의 각 각부에 위치하는 화염공(12)을 폐색하면, 공기 과잉률이 1.3 이하인 범위에서 고주파 연소 공명음이 발생한다. 이것은 연소 플레이트(1)의 전 영역에서 각 단위 화염공 군의 집합 화염끼리 공진을 일으키기 때문이다.
여기서, 단위 화염공 군의 화염공(12) 6개가 이루는 정육각형(13)의 대각 방향을 열 방향으로 하고, 선택열에 속하는 각 단위 화염공 군의 각각을 둘러싸는 모든 큰 정육각형(14)의 각 각부에 위치하는 화염공(12)을 폐색하는 경우, 각 선택열 사이에 존재하는 비 선택열의 수가 2개 이하가 되면, 제6 실시 형태와 거의 동일하게 되어 버린다. 따라서, 연소 공명음 발생을 억제하기 위하여는 각 선택열 사이에 존재하는 비 선택열의 수를 제2 내지 제5 실시 형태와 같이 3개 이상으로 할 필요가 있다.
또한, 제5 실시 형태의 연소 플레이트(1)를 사용하여 인풋을 각각 12kW, 13.8kW로 하여 연소시험을 실시하고, 도 14에 나타난 결과를 얻었다. 도 14의 a선은 12kW에서의 결과, b선은 13.8kW에서의 결과를 나타낸다. 또한, 도 14의 c선은 특허문헌 1에 실시예로 기재된 연소 플레이트를 사용하여 인풋을 12kW로 하여 연소시험을 행한 결과를 나타낸다. 제5 실시 형태의 것으로는 COaf<400ppm으로 양호한 연소를 하는 공기 과잉률 λ의 범위가 13.8kW 연소시에 1.14 ~ 1.66이며, 12kW 연소시의 1.12 ~ 1.69보다 좁게 되지만, 특허문헌 1의 실시예인 12kW연소시보다는 넓다. 또한, 특허문헌 1 실시예의 화염공 개구율은 26%인 것에 비하여 제5 실시 형태의 화염공 개구율은 32%로 크며, 팬(3)의 부하가 경감되고 팬 소음이 적어진다.
그리고, 제5 실시 형태의 연소 플레이트(1)와, 요홈공(15)의 깊이 h를 제5 실시 형태의 2mm에서 1mm로 변경하고, 그 외에는 제5 실시 형태와 동일한 제1 변형예의 연소 플레이트와, 요홈공(15)의 직경을 제5 실시 형태의 4mm에서 3.2mm로 변경하면서 깊이 h를 1mm로 하고, 그 외에는 제5 실시 형태와 동일한 제2 변형예의 연소 플레이트를 사용하고, 인풋을 12kW로 하여 연소시험을 행하여 도 15에 나타난 결과를 얻었다. 도 15의 a선은 제5 실시 형태, b선은 제1 변형예, c선은 제2 변형예이다. 이 결과로부터 요홈공(15)의 깊이 h를 1mm로 하고, 요홈공(15)의 직경을 3.2mm로 하여도 같은 정도의 보염 효과가 얻어짐을 알 수 있다.
다음으로, 도 16에 나타난 제7 실시 형태에 관하여 설명한다. 제7 실시 형태에서는 단위 화염공 군의 화염공 6개가 이루는 정육각형(13)의 도면에서 상하 대변의 대향 방향(플레이트 본체(11)의 긴 쪽 방향)을 열 방향으로 하고, 열 방향과 나란히 병렬 배치된 단위 화염공 군의 열(17) 중에서 열 방향과 직교 방향(플레이트 본체(11)의 짧은 쪽 방향)에 소정 간격을 가지며 복수의 열을 선택하며, 이들 선택열에 속하는 각 단위 화염공 군을 둘러싸는 큰 정육각형(14)의 각 각부에 위치하는 화염공(12)을 폐색한다. 제 7 실시 형태의 것으로도 제5 실시 형태와 같은 정도의 보염 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 단위 화염공 군의 화염공 6개가 이루는 정육각형(13) 대변의 대향 방향을 열 방향으로 하고, 선택열에 속하는 각 단위 화염공 군의 각각을 둘러싸는 모든 큰 정육각형(14)의 각 각부에 위치하는 화염공(12)을 폐색할 경우, 각 선택열 사이에 존재하는 비선택열의 수가 1이 되면, 제6 실시 형태와 거의 동일하게 되며, 연소 공명음이 발생하고 마는 것이다. 여기서, 제7 실시 형태에서는 플레이트 본체(11)의 짧은 쪽 방향 일단(도 16에서 좌단)으로부터 세어서 첫번째의 열 171과, 4번째의 열 174와, 7번째의 열 177을 선택열로서 선택하고, 각 선택열 사이에 2개의 비 선택열이 존재하도록 한다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 관하여 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 전술한 제2 내지 제5 실시 형태에서는 단위 화염공 군의 화염공 6개가 이루는 정육각형(13)의 대각 방향의 하나인 플레이트 본체(11)의 짧은 쪽 방향을 열 방향으로 하였으나, 정육각형(13)의 다른 대각 방향인 플레이트 본체(11)의 짧은 쪽 방향에 대하여 60°경사진 방향을 열 방향으로 하고, 이 열 방향에 나란히 병렬 배치된 단위 화염공 군의 열 중에서 열 방향과 직교 방향으로 소정 간격(각 선택열 사이에 적어도 3개의 비 선택열이 존재하도록 한 간격)으로 선택열을 선택하여 선택열에 속하는 각 단위 화염공 군을 둘러싸는 큰 정육각형 위에 위치하는 화염공 12개 중 적어도 일부를 폐색하여도 좋다.
또한, 전술한 제7 실시 형태에서는 단위 화염공 군의 화염공 6개가 이루는 정육각형(13) 대변의 대향 방향 중 하나인 플레이트 본체(11)의 긴 쪽 방향을 열 방향으로 하고 있으나, 정육각형(13)의 다른 대변의 대향 방향인 플레이트 본체(11)의 짧은 쪽 방향에 대하여 30°경사진 방향을 열 방향으로 하고, 이 열 방향에 나란히 병렬 배치된 단위 화염공 군의 열 중에서 열 방향과 직교 방향으로 소정 간격(각 선택열 사이에 적어도 2개의 비 선택열이 존재하도록 한 간격)으로 선택열을 선택하여 선택열에 속하는 각 단위 화염공 군을 둘러싸는 큰 정육각형 위에 위치하는 화염공 12개 중 적어도 일부를 폐색하여도 좋다.
또한, 상기 실시 형태는 급탕 또는 난방용의 열원기에 설치된 전 1차 연소식 버너(2)에 사용되는 연소 플레이트(1)에 본 발명을 적용한 것이지만, 버너의 용도는 열원기에 한정되는 것이 아니며, 고부하로 연소시키는 전 1차 연소식 버너용의 연소 플레이트로써 본 발명은 널리 적용할 수 있다.
1...연소 플레이트
11...플레이트 본체
12...화염공
13...단위 화염공 군의 화염공 6개가 이루는 정육각형
14...단위 화염공 군을 둘러싸는 큰 정육각형
15...요홈공
15a...테이퍼 면
16...단위 화염공 군의 화염공 6개가 이루는 정육각형의 대각 방향에 나란한 단위 화염공 군의 열
17...단위 화염공 군의 화염공 6개가 이루는 정육각형의 대변의 대향 방향에 나란한 단위 화염공 군의 열

Claims (6)

  1. 전(全) 1차 연소식 버너용의 연소 플레이트에서 세라믹제의 플레이트 본체에 예비 혼합 가스를 분출하는 다수의 화염공을 형성한 것에 있어서,
    동일 직경의 화염공을, 인접한 3개의 화염공이 정삼각형을 이루는 위치관계에서 플레이트 본체의 연소 영역 전체면에 걸쳐 균등하게 형성함과 동시에,
    정육각형을 이루는 위치관계에 배치된 화염공 6개와 이 정육각형 중심의 화염공 1개로 구성된 화염공 군(群)에 있어서, 이 정육각형을 둘러싸고 각 각부(角部)에 1개의 화염공과 각 변의 중간에 1개의 화염공이 위치하는 큰 정육각형을 끼고 상호 인접한 것을 단위 화염공으로 하고, 플레이트 본체의 표면에 각 단위 화염공 군 중심의 화염공과 동심에서 각 단위 화염공 군의 정육각형을 이루는 위치관계의 화염공 6개에 외접하는 원의 직경보다 작게, 이들 6개의 화염공에 내접하는 원보다 큰 직경의 요홈공을 형성하며, 이들 6개의 화염공으로부터 분출하는 예비 혼합 가스가 요홈공의 중심 방향으로의 속도 성분을 가지도록 한 것을 특징으로 하는 연소 플레이트.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 요홈공의 저면은,
    중심을 향하여 점차 깊어지는 테이퍼 면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연소 플레이트.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 요홈공은,
    저면을 향하여 직경이 작아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연소 플레이트.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 요홈공 둘레면의 최하부 깊이는 1mm이상 3mm이하인 것을 특징으로 하는 연소 플레이트.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단위 화염공 군의 화염공 6개가 이루는 정육각형의 소정의 대각 방향 또는 소정의 대변 방향을 열 방향으로 하고, 열 방향으로 늘어선 단위 화염공 군의 열 중에서 열 방향과 직교 방향으로 소정 간격을 이루며 선택된 선택열에 속하는 각 단위 화염공 군을 둘러싸는 상기 큰 정육각형 상에 위치하는 12개의 화염공 중 적어도 일부를 폐색하고, 상기 소정 간격은, 열 방향이 상기 대각 방향인 경우 각 선택열 간에 적어도 3개의 비 선택열이 존재하며, 열 방향이 상기 대변의 대향 방향인 경우는 각 선택열 간에 적어도 2개의 비 선택열이 존재하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 연소 플레이트.
  6. 청구항 5에 있어서,
    폐색하는 화염공은,
    상기 큰 정육각형의 각 각부에 위치하는 화염공인 것을 특징으로 하는 연소 플레이트.
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