KR20130030995A - 이산화탄소 공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 식물재배시설에 이산화탄소를 공급하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 실시예로, 공급된 연료를 연소하여 이산화탄소를 포함하는 연소가스를 배출하는 연소부, 상기 연소부와 상기 식물재배시설을 연결하며, 상기 연소가스가 통과하는 공급배관, 상기 공급배관에 연통되어 있는 배기배관, 상기 공급배관과 상기 배기배관의 연통부위에 장착되는 댐퍼 및 상기 댐퍼의 작동을 제어하여, 상기 연소가스의 흐름 방향이 상기 배기배관 또는 상기 식물재배시설을 향하도록 하는 제어부를 포함하는 이산화탄소 공급장치를 제시한다.

Description

이산화탄소 공급장치{Apparatus for supplying carbon dioxide}

본 발명은 식물재배시설에 이산화탄소를 공급하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 온실, 비닐하우스 등의 밀폐된 시설물을 이용하여 식물을 재배할 때, 시설물 내부의 공간을 식물이 자라는 최적의 환경으로 만들어주는 것이 가장 중요하다.

식물의 성장은 광합성 작용(탄소 동화 작용)을 기초로 이루어지는데, 광합성 작용에는 빛, 물, 이산화탄소가 필수요소로 사용된다. 그러므로 시설물 내의 밀폐된 공간에서는 온도, 광도, 이산화탄소의 농도를 조절하여 식물의 생육을 조절하고 극대화시킬 수 있다.

통상적으로 대기 중에는 이산화탄소의 농도가 450 내지 500 PPM(parts per million) 정도인데, 식물성장에 있어 최적의 이산화탄소 요구량은 대기중의 이산화탄소 함유량보다 2배 내지 3배 높은 1000 내지 1500 PPM 정도임이 연구 보고되고 있다.

이처럼 광합성을 통해 식물은 성장, 발육하게 되지만, 이산화탄소의 결핍은 광합성을 저해하므로 식물의 생육 부실을 초래할 수 있다. 특히 밀폐된 온실이나 비닐하우스 내에서 재배되는 식물은 밀집, 격리되어 있기 때문에 대기중의 이산화탄소 농도에 비하여 현저하게 적은 이산화탄소로 성장하게 되며, 더욱이 일출 후 식물의 광합성 작용으로 온실 내에 이산화탄소 농도는 단시간 내에 소진되고 그 결과 식물의 생육부진과 품질저하, 수확량 감소가 필연적이다. 즉 광합성의 근본요소 중 하나인 이산화탄소 관리를 배제한 상태에서는 우수한 식물 재배와 수확이 불가능한 것이다.

종래에는 이와 같이 시설물 내의 이산화탄소의 농도를 조절하기 위하여 이산화탄소 공급장치가 개발되어 사용되고 있으며, 이산화탄소 공급장치로는 액화 탄산가스 공급장치, 연소식 이산화탄소 공급장치 등이 있다.

하지만, 상술한 바와 같은 종래의 이산화탄소 공급장치는, 액화 이산화탄소 공급장치의 경우 열풍 공급 기능이 없기 때문에 동절기에 이산화탄소 공급 및 열풍 공급을 동시에 수행하기 어려운 문제점이 있었다. 즉 하절기, 동절기의 사용환경에 따라 시설물로 이산화탄소 및 열풍을 동시에 공급하거나, 이산화탄소 또는 열풍만을 공급하는 기능이 필요한 것이다.

또한, 연소식 이산화탄소 공급장치의 경우 연소과정에서 불완전 연소될 수 있는데, 이를 정화하거나 외부로 배출하지 못한 상태에서는 불완전 연소된 가스의 일부가 온실, 비닐하우스 등의 시설물로 그대로 공급될 수 있는 문제점이 있다. 불완전 연소된 가스가 시설물 내로 공급되면 시설물 내에서 재배되는 식물과 시설물 관리자에게 유해한 환경이 조성된다. 즉 이산화탄소를 온실, 비닐하우스 등의 시설물 내에 용이하게 공급하면서도 가능한 완전 연소된 가스를 공급할 수 있는 이산화탄소 공급장치의 개발이 필요한 것이다.

[특허문헌 1] 실용신안등록 제20-0447866호 (2010.02.18.) [특허문헌 2] 특허등록 제10-0121354호 (1997.08.27.)

본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록, 온실이나 비닐하우스 등과 같은 시설물에서의 식물재배 촉진을 위하여 이산화탄소를 공급할 때 불안전 연소가스는 배제하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실시예로, 식물재배시설에 이산화탄소를 공급하기 위한 것으로, 공급된 연료를 연소하여 이산화탄소를 포함하는 연소가스를 배출하는 연소부, 상기 연소부와 상기 식물재배시설을 연결하며, 상기 연소가스가 통과하는 공급배관, 상기 공급배관에 연통되어 있는 배기배관, 상기 공급배관과 상기 배기배관의 연통부위에 장착되는 댐퍼 및 상기 댐퍼의 작동을 제어하여, 상기 연소가스의 흐름 방향이 상기 배기배관 또는 상기 식물재배시설을 향하도록 하는 제어부를 포함하는 이산화탄소 공급장치를 제시한다.

여기서, 상기 연소부의 둘레를 감싸는 쿨링자켓, 상기 쿨링자켓에 외기를 공급하는 송풍팬 및 일단은 상기 쿨링자켓에 연통되고, 타단은 상기 식물재배시설에 연통되어 상기 쿨링자켓에서 배출된 공기가 흐르는 공급덕트를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 공급덕트의 내부 공간에 상기 공급배관이 구비될 수 있다.

한편, 상기 공급덕트의 타단에는 개방된 끝단부를 향하여 상기 공급덕트의 단면적보다 단면적이 좁아졌다가 확장되는 형상의 디퓨저가 장착되어 있고, 상기 디퓨저의 중심에는 상기 공급배관의 토출구가 놓이며, 상기 토출구는 상기 디퓨저의 최소 단면적이 형성된 부분보다 상기 디퓨저의 끝단부를 향하여 더 돌출될 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 연소가스의 온도를 측정하여, 상기 연소가스의 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 판단하면 상기 연소가스가 상기 식물재배시설로 유입되도록 상기 댐퍼의 작동을 제어할 수 있다.

다른 예로, 상기 제어부는 상기 연소부의 작동이 개시 시점부터 작동시간을 측정하고, 상기 작동시간이 미리 설정된 기준시간 이상이면 상기 연소가스가 상기 식물재배시설로 유입되도록 상기 댐퍼의 작동을 제어할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명의 이산화탄소 공급장치에 따르면, 온실이나 비닐하우스 등의 시설물 내로 불안전 연소에 따른 유해물질이 밀폐된 식물재배시설에 공급되는 것을 방지할 수 있기에 식물재배시설 내부의 공기 오염을 방지할 수 있다. 또한, 이산화탄소의 공급을 통하여 식물의 생육을 촉진하고, 산출물의 품질이 크게 높아짐은 물론, 수확량이 증대된다. 특히, 하절기, 동절기에서 작물의 동사를 방지할 수 있으며 이산화탄소의 공급과 더불어 난방을 해결할 수 있게 하는 것이다.

구체적으로 배기가스의 원활한 배출을 도와 완전 연소를 유도할 수 있어, 에너지효율이 높게 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 공급장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 실시예에 채용된 디퓨저의 사용 상태를 나타낸 단면도.

이하, 첨부된 도면의 실시예를 참조하여 본 발명의 이산화탄소 공급장치의 구성, 기능 및 작용을 설명한다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 이산화탄소 공급장치(10)는 식물재배시설(100)에 이산화탄소를 공급하기 위한 것이다. 식물재배시설(100)은 비닐하우스 등 내부에 다양한 식물을 재배할 수 있는 시설이다. 비닐하우스 외에 다양한 건물, 시설이 될 수 있다.

이산화탄소 공급장치는 연소부(1), 공급배관(2), 배기배관(3), 댐퍼(4) 및 제어부(5)를 포함한다.

이산화탄소 공급장치(10)는 통상 식물재배시설의 외부에 구비되는 것이다. 그러나 후술되는 송풍팬과 버너팬을 제외하고는 식물재배시설의 내부에 구비되어 좋다.

연소부(1)는 공급된 연료를 연소하여 이산화탄소를 포함하는 연소가스를 생성하는 것이다. 연소부(1)는 연료를 공급하는 연료탱크(11), 버너(12) 및 버너팬(13)을 포함한다. 연료탱크(11)에 저장되는 연료는 엘피지(LPG) 등 가스이거나 등유 등의 액체일 수 있다. 이와 달리 석탄이나 기타 고체 연료를 사용하는 경우에 연료탱크는 생략 가능하다.

버너(12)는 버너팬(13)에서 공급되는 외기와 연료를 연속시키는 부재이다. 버너(12)는 연료 타입에 따라 다양하게 변경 가능한 것이다. 버너의 종류와 형상은 공지된 구성을 가질 수 있다.

버너팬(13)은 외부의 공기를 버너(12)에 공급하는 것이다. 버너팬(13)은 외부의 공기를 흡입하여 버너에 주입시키는 것으로, 공지된 구성의 브로워 등과 동일한 구성을 가질 수 있다. 이러한 버너팬의 작동은 제어부에 의하여 제어될 수 있다. 버너에서의 연소는 완전연소가 이루어지도록 하는 것이 좋다. 이를 위하여 연료의 공급량에 따라 버너팬에서 공급되는 공기량이 달라지게 할 수 있다.

한편, 공급배관(2)은 연소부에서 생성되는 연소가스가 식물재배시설의 내부로 이동하는 통로이다. 연소가스는 외기가 버너팬(13)에 의하여 버너(12)로 유입됨에 따라 형성되는 압력 구배에 의해 공급배관(2)으로 유출된다.

배기배관(3)은 공급배관(2)에 연통된다. 배기배관(3)의 배출구는 식물재배시설의 외부에 노출되어 있어, 배기배관(3)을 통과하는 연소가스는 대기 중으로 바로 배출된다.

댐퍼(4)는 공급배관(2)과 배기배관(3)의 연통 부위에 장착된다. 댐퍼(4)는 연소부(1)에서 생성된 연소가스가 배기배관(3)을 통하여 대기 중으로 빠져나가게 하거나, 배기배관(3)으로의 유동을 차단하여 식물재배시설의 내부로 유동되게 하는 것이다. 즉 댐퍼(4)는 배기배관(3) 또는 공급배관(2)을 선택적으로 개방하여 연소가스의 흐름방향을 전환시키는 것이다. 이러한 댐퍼(4)는 제어부(5)에 의하여 작동이 제어된다. 댐퍼의 구성은 공지된 삼방 밸브와 동일할 수 있다. 또한, 댐퍼의 작동은 자동화 설비에 의하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 보일러 등에는 전자 제어가 가능한 삼방 밸브가 널리 사용된다.

제어부(5)는 댐퍼(4)의 작동을 제어하여 연소가스의 흐름 방향이 배기배관(3) 또는 식물재배시설(100)을 향하게 한다. 이러한 댐퍼의 작동은 수동으로 이루어지거나, 후술되는 바와 같이 자동화되어 이루어질 수 있다.

연소부의 작동 초기에 댐퍼는 공급배관과 배기배관을 연통시킨 상태이다. 연소부에서 버너의 착화 직후에는 불완전 연소가 이루어진다. 그에 따라 일산화탄소 등의 유해물질이 다량 함유된 연소가스가 생산되며, 이 연소가스는 댐퍼에 의하여 배기배관으로 흐르고, 결국 대기로 방출된다.

연료의 공급량과 버너팬(13)에 의한 공기의 유입이 안정화되어 버너(12) 내의 연소가 완전 연소에 가깝게 되면, 댐퍼(4)의 작동으로 연소가스는 공급배관(2)을 통과하여 식물재배시설(100)의 내부로 유입된다.

이와 같이 댐퍼에 의하여 불완전 연소에 따른 연소가스를 대기로 방출시킬 수 있기 때문에, 불완전 연소된 가스가 식물재배시설로 유입되는 것을 저감할 수 있다.

한편, 댐퍼(4)의 작동이 제어부에 의하여 자동화되어 이루어지는 경우에, 제어부(5)에 의한 댐퍼(4) 작동은 연소가스의 온도에 근거하거나 연소부 작동개시 시점부터의 시간에 근거할 수 있다.

구체적으로 온도에 근거하여 댐퍼(4)의 작동을 제어하는 것으로는, 제어부(5)는 연소가스의 온도를 측정하여, 연소가스의 온도가 미리 설정된 온도(예를 들면, 섭씨 500도) 이상으로 판단하면 연소가스가 상기 식물재배시설(100)로 유입되도록 댐퍼(4)의 작동을 제어할 수 있다.

연소가스의 온도 측정을 위한 센서(도시 생략)는 연소부 내부에 구비되는 버너 등의 온도를 측정하도록 구비되어, 연소 화염의 온도를 측정하는 방식으로 이루어진다. 이때, 온도 측정은 버너나 불꽃의 색온도를 측정하는 광학 센서나 열전대 등을 이용할 수 있다. 또는 상기 센서는 연소부와 가까운 공급배관(2)의 내부에 설치될 수 있다. 상기 센서는 공지된 구성을 가질 수 있다.

제어부(5)는 센서에서 전달되는 온도값과 사용자가 설정해 둔 온도를 대비 판단하고, 센서에 의한 온도가 설정해 둔 온도보다 낮으면 공급배관(2)과 배기배관(3)이 연통되도록 댐퍼(4)를 작동시키고, 센서에 의한 온도가 설정해둔 온도 이상이면 공급배관(2)과 배기배관(3)이 차단되도록 댐퍼(4)를 작동시킨다.

한편, 시간에 근거하여 댐퍼의 작동을 제어하는 것으로, 제어부(5)는 상기 연소부의 작동이 개시 시점부터 작동시간을 측정하고, 작동시간이 미리 설정된 기준시간 이상이면 연소가스가 식물재배시설로 유입되도록 상기 댐퍼의 작동을 제어할 수 있다.

연소부의 작동 개시시점은 버너(12)의 이그니터(도시 생략)가 작동하는 시점으로 할 수 있다. 이와 달리 버너(12)의 내부에서 전술된 센서 등으로 불꽃이 확인되는 시점이나 사용자가 버너팬(13)의 작동시점 등을 개시시점으로 할 수 있다.

제어부(5)의 내부에는 타이머를 구비하며, 타이머에 의하여 산출되는 개시시점 이후의 작동시간과 사용자에 의하여 미리 설정된 기준시간을 대비 판단한다. 여기서 기준시간은 작동 개시시점으로부터 완전 연소가 이루어지는 것으로 볼 수 있는 시점까지 소요되는 시간으로, 버너의 제원에 따라 설정되거나 반복된 실험에 의하여 경험적으로 설정될 수 있다.

제어부(5)는 작동시간이 기준시간보다 작은 경우에는 연소가스가 대기 중으로 방출되도록 댐퍼(4)를 작동시킨다. 작동시간이 늘어나 기준시간과 동일하거나 그 이상이 되면, 배기배관(3)을 통한 연소가스의 흐름을 차단하고 공급배관(2)을 통하여 식물재배시설(100)로 연소가스가 흐르도록 댐퍼를 작동시킨다.

또한, 연소부의 과열을 방지하기 위한 공랭수단(6)이 더 구비되고, 공랭수단(6)에서 배출되는 데워진 공기는 식물재배시설(100)로 유입되도록 구성할 수 있다. 이때, 공랭수단은 생략 가능하다.

구체적으로, 공랭수단(6)은 상기 연소부(1)의 둘레를 감싸는 쿨링자켓(61), 상기 쿨링자켓(61)에 외기를 공급하는 송풍팬(62) 및 일단은 상기 쿨링자켓(61)에 연통되고, 타단은 상기 식물재배시설(100)에 연통되어 상기 쿨링자켓(61)에서 배출된 공기가 흐르는 공급덕트(63)를 포함한다.

쿨링자켓(61)은 연소부(1), 보다 구체적으로는 버너(12)의 외주면 둘레를 이격되게 감싸는 것으로 외부의 공기가 버너(12)를 바이패스(by-pass)하는 유로를 형성한다. 이때, 버너(12)의 외주면에는 방열핀이 구비될 수 있다.

쿨링자켓(61)에 사용되는 공기는 송풍팬(62)에 의하여 공급된다. 송풍팬(62)은, 버너팬과 마찬가지로, 공지된 구성의 브로워 등이 사용될 수 있다. 쿨링자켓의 배출구는 공급덕트(63)에 연결되어 있으며, 이 공급덕트(63)는 식물재배시설(100)에 연통된다.

이로써, 송풍팬(62)에 의하여 쿨링자켓의 내부로 들어온 공기는 버너의 주변을 통과하면서 버너(12)의 온도를 낮추면서, 열전달에 의하여 가열된다. 이 공기는 대기 중의 이산화탄소를 포함하고 있으며, 버너(12)에 의하여 가열된 것으로, 식물재배시설(100)의 내부로 유입되어 이산화탄소를 공급하면서 난방할 수 있게 된다.

더하여, 상기 공급덕트(63)의 내부 공간에 상기 공급배관(2)이 구비될 수 있다.

공급배관(2)의 온도는 내부를 유동하는 연소가스에 의하여 공급덕트(63)의 내부를 통과하는 공기보다 뜨거운 것이다. 따라서 공급배관(2)을 통과하는 공기를 덥힐 수 있다. 이는 이산화탄소 공급장치와 식물재배시설까지의 거리가 먼 경우에 공급덕트를 통과는 공기가 지나치게 냉각되는 것을 방지하는데 주요하다.

한편, 도 2를 참고하면 식물재배시설의 내부에 구비된 디퓨저가 도시되어 있다.

식물재배시설의 내부로 연장되는 공급덕트(63)의 타단에는 대략 종 형상의 디퓨저(7)가 장착된다. 디퓨저(7)의 단면적은 개방된 끝단부(71)를 향하여 공급덕트(63)의 단면적보다 좁아졌다가 더 넓게 확장되는 형상을 갖는다.

또한, 디퓨저(7)의 중심에는 공급배관(2)의 토출구(21)가 위치된다. 특히, 토출구(21)는 상기 디퓨저(7)의 최소 단면적이 형성된 부분(72)보다 디퓨저(7)의 끝단부(71)를 향하여 더 돌출되게 위치된다.

디퓨저(7)의 단면적이 작아지는 부분에서 공급덕트(63)를 통과하는 유체의 속력이 증대되며 압력이 저하된다. 이후 디퓨저(7)의 확관 부분에서 단면적이 증대됨에 따라 유속이 낮아지면서 압력이 커지게 된다.

디퓨저(7)에 의해 압력이 낮아지는 부분에 토출구(21)가 위치됨에 따라 공급배관(2)의 토출구(21)에 낮은 압력 조건이 형성된다. 즉 토출구(21) 주변(도 2이 점선 타원 참고)의 압력은 디퓨저(7)의 다른 부분 보다 안은 압력이 걸린다. 따라서 공급배관(2)을 통과한 연소가스의 원활한 배출을 돕게 된다.

더하여, 송풍팬(62)의 작동에 의하여 공급덕트(63)의 내부를 통과하는 유량을 증대시키면 공급배관(2) 내를 흐르는 연소가스의 압력보다 토출구(21) 주변의 압력을 낮게 할 수 있다.

이 경우, 디퓨저의 작용에 의하여 연소가스를 연소부로부터 흡입하게 된다. 이러한 작용에 의하여 버너의 연소가스가 더욱 원활하게 공급배관으로 유동되며, 버너에는 버너팬에 의하여 공급되는 산소를 함유한 외기가 신속하게 유입되어 연소 효율을 크게 할 수 있다.

10 : 공급장치
1 : 연소부 11 : 연료탱크 12 : 버너 13 : 버너팬
2 : 공급배관 21 : 토출구
3 : 배기배관 4 : 댐퍼 5 : 제어부
6 : 공랭수단 61 : 쿨링자켓 62 : 송풍팬 63 : 공급덕트
7 : 디퓨저 71 : 끝단부 72 : 부분
100 : 식물재배시설

Claims (6)

1. 식물재배시설에 이산화탄소를 공급하기 위한 것으로,
   공급된 연료를 연소하여 이산화탄소를 포함하는 연소가스를 배출하는 연소부,
   상기 연소부와 상기 식물재배시설을 연결하며, 상기 연소가스가 통과하는 공급배관,
   상기 공급배관에 연통되어 있는 배기배관,
   상기 공급배관과 상기 배기배관의 연통부위에 장착되는 댐퍼 및
   상기 댐퍼의 작동을 제어하여, 상기 연소가스의 흐름 방향이 상기 배기배관 또는 상기 식물재배시설을 향하도록 하는 제어부를 포함하는 이산화탄소 공급장치.
2. 제1항에서,
   상기 연소부의 둘레를 감싸는 쿨링자켓,
   상기 쿨링자켓에 외기를 공급하는 송풍팬 및
   일단은 상기 쿨링자켓에 연통되고, 타단은 상기 식물재배시설에 연통되어 상기 쿨링자켓에서 배출된 공기가 흐르는 공급덕트를 더 포함하는 이산화탄소 공급장치.
3. 제2항에서,
   상기 공급덕트의 내부 공간에 상기 공급배관이 구비되는 이산화탄소 공급장치.
4. 제2항 또는 제2항에서,
   상기 공급덕트의 타단에는 끝단부가 개방된 디퓨저가 장착되고,
   상기 디퓨저의 단면적은 끝단부로 갈수록 상기 공급덕트의 단면적보다 작게 좁아졌다가 넓게 확장되는 형상이며,
   상기 디퓨저의 중심에는 상기 공급배관의 토출구가 놓이고,
   상기 토출구는 상기 디퓨저의 최소 단면적이 형성된 부분보다 상기 디퓨저의 끝단부를 향하여 더 돌출되어 있는 이산화탄소 공급장치.
5. 제1항에서,
   상기 제어부는 상기 연소가스의 온도를 측정하여, 상기 연소가스의 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 판단하면 상기 연소가스가 상기 식물재배시설로 유입되도록 상기 댐퍼의 작동을 제어하는 이산화탄소 공급장치.
6. 제1항에서,
   상기 제어부는 상기 연소부의 작동이 개시 시점부터 작동시간을 측정하고,
   상기 작동시간이 미리 설정된 기준시간 이상이면 상기 연소가스가 상기 식물재배시설로 유입되도록 상기 댐퍼의 작동을 제어하는 이산화탄소 공급장치.

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