KR20130072405A - An air-fuel ratio controller including photodiode sensor and control method - Google Patents

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김세원
신명철
이창엽
이진기
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한국생산기술연구원
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N3/00—Regulating air supply or draught
    • F23N3/08—Regulating air supply or draught by power-assisted systems
    • F23N3/087—Regulating air supply or draught by power-assisted systems using mechanical means

Abstract

PURPOSE: An air fuel ratio control device with a photo diode sensor and a control method thereof are provided to observe and measure the state of direct flame in real time, and to continuously control the air fuel ratio over the whole load area. CONSTITUTION: An air fuel ratio control device with a photo diode sensor includes a component ratio control unit (110), an observing window (113), an ignition plug (114), a photo diode sensor, a supply fan, and a control unit. The component ratio control module includes a hollow burner, used for a domestic boiler, and a photo diode sensor (170) positioned on the one side of combustion chamber. The observing window is positioned on the one side of the combustion chamber. The ignition plug is positioned in the place where the burner and the combustion chamber contact with each other. The photo diode sensor is arranged outside the observing window of the combustion chamber so as to face the observing window. The supply fan is arranged on a first pipe which is communicated with the burner. The control unit controls the rotation speed of supply fan by being applied with the flame optical signal of flame light, which is generated by the operation of the ignition plug, through the photo diode. The photo diode sensor changes the size of photo diode signal according to being changed the air fuel ratio of flame and the strength of optical wavelength spectrum within the photo sensitivity range. The control unit controls the air fuel ratio by controlling the rotation speed of the supply fan applied according to the size of changed the photo diode signal.

Description

포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치 및 제어방법{An air-fuel ratio controller including photodiode sensor and control method}Air-fuel ratio controller including photodiode sensor and control method

본 발명은 공연비 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실시간으로 직접 화염의 상태를 관찰 및 계측함에 따라 전 부하 영역에 걸친 연속적인 공연비 비례제어가 가능한 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an air-fuel ratio control device and method, and more particularly, to an air-fuel ratio control device including a photodiode sensor capable of continuously controlling the air-fuel ratio in proportion to the entire load area by observing and measuring the state of a flame in real time. It is about a method.

현재 국내 가정용 보일러에서 사용되는 연소제어 기술은 기존의 온오프 방식의 제어에서 벗어나 시스템부하에 따른 비례제어방식을 도입하고 있지만 낮은 턴다운비(Turn down ratio)를 가지며 실질적인 효율향상에 미치는 영향은 미비한 수준이다.Currently, the combustion control technology used in domestic domestic boilers introduces a proportional control method according to the system load from the conventional on / off type control, but has a low turn down ratio and the effect on actual efficiency improvement is insignificant. to be.

최근 연소제어 기술의 목표는 배출가스로 버려지는 손실을 극소화시키는 방향으로 나아가고 있으며, 이는 에너지 절감의 측면뿐만 아니라 환경보존이라는 문제를 함께 해결할 수 있는 최선의 해결책으로 제시되고 있다.Recently, the goal of combustion control technology is to minimize the loss of emissions, which is suggested as the best solution to solve the problem of energy conservation as well as environmental conservation.

이처럼 에너지 절감과 환경문제가 최대의 과제로 대두되는 상황에서 연소상태를 효과적으로 감시, 제어할 수 있는 시스템의 개발이 요구되고 있다. 이러한 연소제어기술은 O2 및 NOX 배출 농도와 밀접한 관계가 있으며 최적의 연소제어기술을 도입함으로써 동적 부하 특성에 따른 적절한 고연비의 선택이 가능해진다.As such, energy saving and environmental problems are the biggest challenges, and a system for effectively monitoring and controlling combustion conditions is required. This combustion control technology is closely related to the O 2 and NO X emission concentrations, and by adopting the optimum combustion control technology, it is possible to select an appropriate fuel economy according to the dynamic load characteristics.

최적연소제어기술은 향후 보일러 효율향상, 보일러의 안정적인 운전은 물론 환경규제에 따른 질소산화물 저감을 위한 핵심기술이다. 또한 연소제어기술은 국제적인 신기술 분야로 확대 적용되고 있지만 전체 시장을 고려해 볼 때 아직 시작에 불과하며 차별화된 시스템으로 통합제어 시스템에 접목시켜야 할 것이다.Optimal combustion control technology is a key technology for improving boiler efficiency in the future, stable operation of boiler, and reducing nitrogen oxide according to environmental regulations. In addition, combustion control technology is being expanded to new international technology fields, but considering the entire market, it is still just the beginning and should be integrated into the integrated control system as a differentiated system.

이처럼 연소제어에 있어 연소에 사용된 연료에 대한 공기의 비율인 공연비를 얼마만큼 작게 하여 완전연소를 시키느냐에 따라 시스템 효율이 결정되므로 연소기의 성능에 따라 적절한 공연비의 제어가 요구된다. 하지만 연소기의 최저 공연비 한계보다 낮은 공연비의 경우 화염상태의 불안정을 가져오고 일산화탄소 가스의 배출이 급격히 증가(법적 규제치 이상)하기 때문에 연소기 성능에 따른 최적의 공연비 계측 및 제어가 필요하다.As such, the system efficiency is determined by how small the air-fuel ratio, which is the ratio of air to fuel used for combustion, to complete combustion in combustion control, and therefore, appropriate air-fuel ratio control is required according to the performance of the combustor. However, if the air-fuel ratio lower than the minimum air-fuel ratio limit of the combustor causes flame instability and carbon monoxide gas emissions increase rapidly (above the legal limit), optimal air-fuel ratio measurement and control according to the combustor performance is required.

기존의 공연비 제어방식으로는 압력 및 풍압센서, 스로틀 위치 센서 등으로부터 미리 입력된 신호정보를 가지고 제어를 하는 개방 루프제어(Open Loop Control) 방식을 사용하고 있다. 그러나, 이는 미리 입력된 정보를 통해 공연비를 제어하는 특성상 구동 환경 및 외란에 따른 공연비 변화에 대한 능동적인 대체가 불가능하며 실질적으로 효율향상에 미치는 영향은 미비한 수준이다.The existing air-fuel ratio control method uses an open loop control method that controls the signal information input from the pressure, wind pressure sensor, and throttle position sensor in advance. However, due to the characteristics of controlling the air-fuel ratio through pre-input information, it is impossible to actively replace the air-fuel ratio due to the driving environment and disturbance, and the effect on the efficiency improvement is insignificant.

또한, 람다 센서 및 O2 센서 등의 사용을 통해 배출가스의 농도를 계측하는 방법도 있지만, 이는 연소 후 배기부에 위치된 센서에서 측정되기까지의 시간, 센서신호로부터 액츄에이터(actuator) 구동까지의 시간 및 측정을 위한 센서 자체의 시간 지연으로 인해 응답성이 낮아 실시간 공연비 제어가 불가능하다는 단점을 가진다. 뿐만 아니라 센서 자체가 고가이기 때문에 중소형 보일러의 경우 실제 시스템 적용에 한계를 가진다.
In addition, there is a method of measuring the concentration of the exhaust gas through the use of a lambda sensor, O 2 sensor, etc., but this is the time from the measurement to the sensor located in the exhaust after combustion, from the sensor signal to the actuator drive Due to the time delay of the sensor itself for time and measurement, the response is low, it is impossible to control the real-time air-fuel ratio. In addition, since the sensor itself is expensive, small- and medium-sized boilers have limitations in actual system applications.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 실시간으로 직접 화염의 상태를 관찰 및 계측함에 따라 전 부하 영역에 걸친 연속적인 공연비 비례제어가 가능한 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치 및 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide an air-fuel ratio control apparatus and method comprising a photodiode sensor capable of continuously controlling the air-fuel ratio proportionality over the entire load area by observing and measuring the state of the flame directly in real time It is.

또한, 본 발명의 목적은 수급이 용이하며 공연비 제어장치에 적용이 용이하도록 저가의 센서를 도입함에 따라 생산비용이 절감되는 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치 및 방법을 제공하는 것이다.
In addition, an object of the present invention is to provide an air-fuel ratio control apparatus and method comprising a photodiode sensor that is easy to supply and low production costs by introducing a low-cost sensor to be easily applied to the air-fuel ratio control device.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치는 가정용 보일러에 사용되는 중공의 버너 및 상기 연소실 일측에 위치하는 포토다이오드센서로 구성되는 구성비 제어모듈; 상기 연소실의 일측에 위치하는 관측창; 상기 버너와 상기 연소실이 접하는 곳에 위치하는 점화플러그; 상기 관측창을 향하도록 상기 연소실의 상기 관측창 외부에 배치되는 포토다이오드센서; 상기 버너와 연통하는 제 1 파이프 상에 배치되는 급기팬; 및 상기 점화플러그의 동작에 의해 발생하는 화염광의 화염 광신호가 포토다이오드를 통해 인가되어 급기팬의 회전속도를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 포토다이오드센서는 감광도 범위 내에서 화염의 공연비 및 부하의 변화에 따른 광파장 스펙트럼의 세기가 변화함에 따라 포토다이오드 신호의 크기가 변화하고, 상기 제어부는 변화하는 상기 포토다이오드 신호의 크기에 따라 인가된 상기 급기팬의 회전속도를 조절하여 공연비를 제어하는 것을 특징으로 한다.An air-fuel ratio control apparatus including a photodiode sensor according to the present invention for solving the above problems comprises a component ratio control module consisting of a hollow burner used in a domestic boiler and a photodiode sensor located on one side of the combustion chamber; An observation window located at one side of the combustion chamber; An ignition plug located at a place where the burner and the combustion chamber are in contact with each other; A photodiode sensor disposed outside the observation window of the combustion chamber to face the observation window; An air supply fan disposed on a first pipe communicating with the burner; And a control unit configured to control a rotation speed of the air supply fan by applying a flame optical signal of flame light generated by the operation of the spark plug through the photodiode, wherein the photodiode sensor is configured to control the air-fuel ratio and load of the flame within the sensitivity range. The magnitude of the photodiode signal changes as the intensity of the optical wavelength spectrum changes, and the controller controls the air-fuel ratio by adjusting the rotational speed of the air supply fan applied according to the magnitude of the photodiode signal that changes. It is done.

바람직하게는, 상기 포토다이오드센서는 상기 가정용 보일러 버너의 과잉공기비(Excess air ratio)를 상기 포토다이오드센서 출력신호에 의해 정밀제어가 가능하고, 그리고 상기 포토다이오드센서는 하나 이상의 포토다이오드를 사용하여 화염의 공연비 및 부하의 변화에 따른 포토다이오드의 출력신호 크기 변화의 선형성을 이용하여 급기팬 회전속도의 선형제어가 가능한 것을 특징으로 한다.Preferably, the photodiode sensor is capable of precisely controlling the excess air ratio of the domestic boiler burner by the photodiode sensor output signal, and the photodiode sensor uses a flame by using one or more photodiodes. The linear control of the supply fan rotation speed is possible by using the linearity of the change in the magnitude of the output signal of the photodiode according to the change in the air-fuel ratio and the load.

바람직하게는, 상기 공연비 제어장치는, 상기 제 1 파이프와 연통하는 제 2 파이프 상에 배치되는 전자가스밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the air-fuel ratio control device, characterized in that it further comprises an electromagnetic gas valve disposed on the second pipe communicating with the first pipe.

바람직하게는, 상기 공연비 제어장치는, 연소시 상기 관측창을 통해 전달되는 화염의 복사열에 의한 상기 포토다이오드센서의 온도상승을 방지하고 상기 포토다이오드의 작동온도 범위 내의 온도를 유지시키기 위한 냉각장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the air-fuel ratio control device, a cooling device for preventing the temperature rise of the photodiode sensor due to the radiant heat of the flame transmitted through the observation window during combustion and to maintain a temperature within the operating temperature range of the photodiode; It characterized in that it further comprises.

한편, 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치를 제어하는 제어방법은 (a) 전자가스밸브를 통하여 가스가 연소실로 공급되는 단계; (b) 급기팬을 통해 상기 연소실에 공기가 공급되는 단계; (c) 점화플러그에서 발생하는 불꽃에 의해 착화가 이루어지고 상기 연소실의 상에 위치한 버너에서 연소가 진행되어 화염이 생성되는 단계; (d) 부하 및 사용량에 따라 순환펌프에서 물을 상기 연소실 하부의 열교환기로 공급하는 단계; 및 (e) 상기 연소실에서 발생하는 연소열이 상기 열교환기를 지나 물의 대류에 의해 열전달되어 온수가 공급되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the control method for controlling the air-fuel ratio control device including a photodiode sensor includes the steps of: (a) gas is supplied to the combustion chamber through the electromagnetic gas valve; (b) supplying air to the combustion chamber through an air supply fan; (c) ignition by the spark generated from the spark plug, and combustion occurs in a burner located above the combustion chamber to generate flame; (d) supplying water from a circulation pump to a heat exchanger under the combustion chamber according to load and usage; And (e) heat transfer of the combustion heat generated in the combustion chamber by the convection of water through the heat exchanger to supply hot water.

바람직하게는, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 연소실의 일측에 위치하는 관측창을 통해 화염광을 관측하는 단계; (c2) 상기 화염광의 화염 광신호를 제어부에 전달하는 단계; 및 (c3) 전달된 상기 화염 광신호 정보를 기반으로 상기 제어부가 상기 급기팬의 회전속도를 조절하여 공연비를 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the step (c), (c1) observing the flame light through the observation window located on one side of the combustion chamber; (c2) transmitting a flame optical signal of the flame light to a controller; And (c3) controlling the air-fuel ratio by adjusting the rotational speed of the air supply fan by the control unit based on the transmitted flame light signal information.

전술한 바에 따른 공연비 제어방법은 가스용 보일러에 적용되는 것을 특징으로 한다.
The air-fuel ratio control method according to the above is characterized in that it is applied to a gas boiler.

상기한 바와 같은 본 발명은 포토다이오드센서를 적용함에 따라 실시간으로 직접 화염의 상태를 관찰 및 계측이 가능하고 전 부하 영역에 걸친 연속적인 공연비 비례제어가 가능해지는 효과가 발생한다.According to the present invention as described above, by applying the photodiode sensor, the state of the flame can be directly observed and measured in real time, and the effect of the continuous air-fuel ratio proportionality over the entire load range is achieved.

또한, 본 발명은 센서의 수급이 용이하며 저가인 포토다이오드를 공연비 제어센서로 사용함에 따라 화염감지센서로서의 역할을 동시에 수행할 수 있게 되어 생산비용 및 원가절감의 효과가 발생하게 된다.In addition, the present invention can easily perform the role of a flame detection sensor by using a low-cost photodiode as an air-fuel ratio control sensor, so that the production cost and cost reduction effect occurs.

아울러, 본 발명은 실시간 공연비 제어에 따른 보일러 운전효율의 증가 및 연료소비 최적화로 인해 연료절감에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 연료조성 다변화 및 가스압력 등 현장 조건변화에 능동적으로 대처 가능한 효과가 발생한다.
In addition, the present invention not only contributes to fuel savings due to an increase in boiler operation efficiency and fuel consumption optimization according to real-time air-fuel ratio control, but also an effect capable of actively coping with field conditions such as fuel composition diversification and gas pressure.

도 1은 본 발명에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치의 개략적인 구성도,
도 2는 포토다이오드 센서의 설치 상태를 나타낸 단면도,
도 3은 포토다이오드 및 제어부의 구성을 나타낸 회로도,
도 4는 공연비에 따른 포토다이오드 신호의 변화를 나타낸 그래프,
도 5는 공연비에 따른 포토다이오드 신호의 선형성을 나타낸 그래프,
도 6은 일정 공연비에서의 부하에 따른 포토다이오드 신호의 선형성을 나타낸 그래프, 및
도 7은 포토다이오드 감광도 하에서의 화염 광 스펙트럼 세기의 변화를 나타낸 그래프이다.1 is a schematic configuration diagram of an air-fuel ratio control apparatus including a photodiode sensor according to the present invention;
2 is a cross-sectional view showing an installation state of a photodiode sensor;
3 is a circuit diagram showing the configuration of a photodiode and a control unit;
4 is a graph showing a change in the photodiode signal according to the air-fuel ratio;
5 is a graph showing the linearity of the photodiode signal according to the air-fuel ratio,
6 is a graph showing the linearity of the photodiode signal according to the load at a constant air-fuel ratio, and
7 is a graph showing the change in flame light spectral intensity under photodiode photosensitivity.

본 발명의 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치를 이루는 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용 가능하다.Components constituting the air-fuel ratio control apparatus including the photodiode sensor of the present invention may be used integrally or separately separated as needed. In addition, some components may be omitted depending on the usage form.

본 발명에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치(100)의 바람직한 실시 예를 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
A preferred embodiment of the air-fuel ratio control device 100 including the photodiode sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. In this process, the thicknesses of the lines and the sizes of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or convention of a user or an operator. Therefore, the definitions of these terms should be described based on the contents throughout this specification.

이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치(100)를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an air-fuel ratio control apparatus 100 including a photodiode sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7.

본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치(100)는 중공의 버너(111) 및 버너(111)의 하부에 위치하는 중공의 연소실(112)로 구성되는 구성비 제어모듈(110), 유체에 열을 전달하기 위한 열교환기(120), 버너(111)와 연통하는 제 1 파이프(181)와 연통하는 급기팬(130), 연소실(112)로 가스를 공급을 조절하는 전자가스밸브(140), 물을 열교환기로 공급하는 순환펌프(150), 점화플러그의 동작에 의해 발생하는 화염광의 화염 광신호가 인가되는 제어부(160), 연소실(112)의 외부에 인접하여 관측창(113)을 향하도록 배치되는 포토다이오드센서(170) 및 다수의 파이프(180)를 포함한다.Air-fuel ratio control device 100 including a photodiode sensor according to an embodiment of the present invention is a ratio of the control module consisting of a hollow burner 111 and a hollow combustion chamber 112 located below the burner 111 ( 110, the heat exchanger 120 for transferring heat to the fluid, the air supply fan 130 communicating with the first pipe 181 communicating with the burner 111, and the electrons controlling the supply of gas to the combustion chamber 112. Gas valve 140, the circulation pump 150 for supplying water to the heat exchanger, the control unit 160 is applied to the flame light signal of the flame light generated by the operation of the spark plug, the observation window adjacent to the outside of the combustion chamber 112 ( A photodiode sensor 170 and a plurality of pipes 180 disposed to face 113 are included.

구성비 제어모듈(110)은 중공의 버너 및 상기 버너의 하부에 위치하는 중공의 연소실로 구성되며, 이러한 구성비 제어모듈(110)은 중공의 버너(111), 버너(111)의 하부에 위치하는 중공의 연소실(112), 연소실(112)의 외부에 인접하여 위치하는 관측창(113) 및 버너(111)와 연소실(112)이 접하는 곳에 위치하는 점화플러그(114)를 포함한다.The component ratio control module 110 is composed of a hollow burner and a hollow combustion chamber located at the bottom of the burner, and the component ratio control module 110 is a hollow burner 111 and a hollow positioned at the bottom of the burner 111. The combustion chamber 112, the observation window 113 located adjacent to the outside of the combustion chamber 112 and the burner 111 and the spark plug 114 is located in the contact with the combustion chamber 112.

버너(111)는 기체 또는 액체 연료를 공기와 혼합하여 연소시키는 기구로서 가스버너, 석유 버너, 알코올버너 등이 있으며, 가열 작업에 주로 쓰인다. 이러한 버너(111)는 공지 기술에 해당하므로 이에 대한 구제적인 설명은 생략하기로 한다.The burner 111 is a mechanism that burns gas or liquid fuel by mixing with air, and includes a gas burner, a petroleum burner, an alcohol burner, and is mainly used for a heating operation. Since the burner 111 corresponds to a known technique, a detailed description thereof will be omitted.

연소실(112)은 버너(111)의 하부에 위치하며, 버너(111)의 일면과 접한다. 이러한 연소실(112)은 공기 및 가스의 혼합이 이루어지는 공간이므로 기계적 강도가 높은 것이 바람직하다.The combustion chamber 112 is located under the burner 111 and is in contact with one surface of the burner 111. Since the combustion chamber 112 is a space where air and gas are mixed, it is preferable that the mechanical strength is high.

관측창(113)은 연소실(112)의 일측에 위치하며, 관측창(113)의 일면은 연소실(112) 내부와 접하므로 연소실 내의 압력에 견딜 수 있도록 강도가 높고, 외부에서 연소실(112) 내부를 관측할 수 있도록 투명한 것이 바람직하다.Observation window 113 is located on one side of the combustion chamber 112, one surface of the observation window 113 is in contact with the combustion chamber 112 inside the high strength to withstand the pressure in the combustion chamber, the outside of the combustion chamber 112 from the outside It is desirable to be transparent so that can be observed.

점화플러그(114)는 버너(111)와 연소실(112)이 접하는 곳에 위치하며, 이러한 점화플러그(114)는 가스레인지 등에 사용되는 것과 같이 불꽃 내지 스파크를 발생시켜 연소실(112) 내에 혼합된 공기 및 가스가 착화되도록 한다.
The spark plug 114 is located where the burner 111 and the combustion chamber 112 are in contact with each other, and the spark plug 114 generates air from sparks and sparks as used in a gas range and the like, and mixes air mixed in the combustion chamber 112. Allow gas to ignite.

열교환기(120)는 연소실(112)의 하부에 위치하며, 본 발명의 도 2에는 2개의 열교환기(120)가 도시되어 있으나, 사용자의 필요에 따라 열교환기(120)를 다수 개로 적용할 수 있으며, 그 수에는 제한됨이 없다.
The heat exchanger 120 is located at the bottom of the combustion chamber 112, but two heat exchangers 120 are shown in FIG. 2 of the present invention, but a plurality of heat exchangers 120 may be applied according to a user's needs. There is no limit to the number.

급기팬(130)은 버너(111)와 연통하는 제 1 파이프(181)와 연통하며, 이러한 급기팬(130)이 회전함에 따라 제 2 파이프(182)를 통하여 공급되는 의 내부를 통과하는 가스를 제 1 파이프(181)로 공급한다.
The air supply fan 130 communicates with the first pipe 181 communicating with the burner 111, and the gas passing through the inside of the supplied through the second pipe 182 as the air supply fan 130 rotates. Supply to the first pipe (181).

전자가스밸브(140)는 제 1 파이프(181)와 연통하는 제 2 파이프(182)와 연통하며, 이러한 전자가스밸브(140)는 제 2 파이프(182) 내부로 유동하고 연소실(112)로 공급되는 가스량을 조절하는 역할을 한다.
The electromagnetic gas valve 140 communicates with the second pipe 182 communicating with the first pipe 181, and the electromagnetic gas valve 140 flows into the second pipe 182 and is supplied to the combustion chamber 112. It controls the amount of gas that is made.

순환펌프(150)는 제 3 파이프(183)와 연통하여 물을 열교환기로 공급하는 역할을 수행한다.
The circulation pump 150 communicates with the third pipe 183 to supply water to the heat exchanger.

제어부(160)는 점화플러그(114)의 동작에 의해 발생하는 화염광의 화염 광신호가 인가되며, 이러한 제어부(160)는 변화하는 포토다이오드 신호의 크기에 따라 인가된 화염 광신호를 기반으로 급기팬(130)의 회전속도를 조절하여 공연비를 제어한다.
The control unit 160 is applied to the flame light signal of the flame light generated by the operation of the spark plug 114, the control unit 160 is based on the flame light signal applied according to the magnitude of the change in the photodiode signal supply fan ( The air-fuel ratio is controlled by adjusting the rotation speed of 130).

포토다이오드센서(170)는 연소실(112)의 외부에 인접하여 관측창(113)을 향하도록 배치되며, 이러한 포토다이오드센서(170)는 감광도 범위 내에서 광파장 스펙트럼의 세기가 변화함에 따라 포토다이오드 신호의 크기가 변화한다.The photodiode sensor 170 is disposed to face the observation window 113 adjacent to the outside of the combustion chamber 112, and the photodiode sensor 170 is a photodiode signal as the intensity of the light wavelength spectrum changes within a light sensitivity range. The size of changes.

또한, 포토다이오드센서(170)는, 하나의 포토다이오드 또는 둘 이상의 포토다이오드를 사용하여 공연비 및 부하에 따른 선형제어가 가능하다.In addition, the photodiode sensor 170 may be linearly controlled according to the air-fuel ratio and the load by using one photodiode or two or more photodiodes.

아울러, 포토다이오드센서(170)는 과잉공기비(Excess air ratio) 기준 1.4 이하에서 0.02의 범위로 정밀제어 또한 가능하다.
In addition, the photodiode sensor 170 may also be precisely controlled in a range of 0.02 to 1.4 or less based on the excess air ratio.

파이프(180)는 버너(111)와 연통하는 제 1 파이프(181), 급기팬(130)과 연통하는 제 2 파이프(182), 연소실(112)의 일측과 연통하는 제 3 파이프(183) 및 제 3 파이프(183)에 인접하여 연소실(183)의 일측과 연통하는 제 4 파이프(184)를 포함한다.The pipe 180 may include a first pipe 181 communicating with the burner 111, a second pipe 182 communicating with the air supply fan 130, a third pipe 183 communicating with one side of the combustion chamber 112, and And a fourth pipe 184 adjacent to the third pipe 183 and in communication with one side of the combustion chamber 183.

제 1 파이프(181)는 버너(111)와 연통하며, 이러한 제 1 파이프(181)는 연료가 공급되는 통로의 역할을 한다.The first pipe 181 communicates with the burner 111, and the first pipe 181 serves as a passage through which fuel is supplied.

제 2 파이프(182)는 급기팬(130)의 일측과 연통하며, 이러한 제 2 파이프(182)의 내부에는 가스가 유동할 수 있다.The second pipe 182 communicates with one side of the air supply fan 130, and gas may flow in the second pipe 182.

제 3 파이프(183)는 연소실(112)의 일측과 연통하며, 이러한 제 3 파이프(183)는 그 내부로 물이 연소실로 공급된다.The third pipe 183 communicates with one side of the combustion chamber 112, and the third pipe 183 is supplied with water to the combustion chamber.

제 4 파이프(184)는 제 3 파이프(183)에 인접하여 연소실(112)의 일측과 연통하며, 이러한 제 4 파이프(184)는 열교환에 의해 온도가 상승한 물이 배출된다.
The fourth pipe 184 communicates with one side of the combustion chamber 112 adjacent to the third pipe 183, and the fourth pipe 184 discharges water whose temperature is increased by heat exchange.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 제어장치(100)는 필요에 따라 연소시 발생되는 복사열에 의한 포토다이오드의 온도상승을 방지하고 포토다이오드의 작동온도 범위 내의 온도를 유지시키기 위한 냉각장치(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
On the other hand, the control device 100 including a photodiode sensor according to an embodiment of the present invention prevents the temperature rise of the photodiode due to the radiant heat generated during combustion as necessary and maintains the temperature within the operating temperature range of the photodiode It may further include a cooling device (not shown) to make.

전술한 바에 따른 본 발명은 연소실(112) 내에 화염이 생성되면 포토다이오드센서(170)는 화염상태에 다른 광신호를 받게 되고, 이때 발생하는 포토다이오드 출력신호의 크기에 따라 급기팬(130)의 회전속도를 조절하여 공연비를 제어한다.
According to the present invention as described above, when the flame is generated in the combustion chamber 112, the photodiode sensor 170 receives another optical signal in the flame state, and the air supply fan 130 according to the magnitude of the photodiode output signal generated at this time. Control the air-fuel ratio by adjusting the rotation speed.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치(100)에 따른 공연비 제어방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the air-fuel ratio control method according to the air-fuel ratio control device 100 including a photodiode sensor according to an embodiment of the present invention.

최초, 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어방법은 (a) 전자가스밸브를 통하여 가스가 연소실로 공급되는 단계, (b) 급기팬을 통해 상기 연소실에 공기가 공급되는 단계, (c) 점화플러그에서 발생하는 불꽃에 의해 착화가 이루어지고 상기 버너에서 연소가 진행되어 화염이 생성되는 단계, (d) 부하 및 사용량에 따라 순환펌프에서 물을 열교환기로 공급하는 단계, 및 (e) 연소시 발생하는 연소열이 열교환기를 지나 물의 대류에 의해 열전달되어 온수가 공급되는 단계;를 포함한다.
First, the air-fuel ratio control method including a photodiode sensor includes (a) supplying gas to the combustion chamber through an electromagnetic gas valve, (b) supplying air to the combustion chamber through an air supply fan, and (c) in the spark plug. Ignition is generated by the generated flame and combustion proceeds in the burner to generate flame, (d) supplying water from the circulation pump to the heat exchanger according to the load and usage, and (e) combustion heat generated during combustion. And heat-transfer by the convection of water passing through the heat exchanger to supply hot water.

또한, 전술한 (c) 단계는, (c1) 관측창을 통해 화염광을 관측하는 단계, (c2) 화염 광신호가 공연비 정보를 상기 제어부에 전달하는 단계, 및 (c3) 전달된 상기 공연비 정보를 기반으로 제어부가 급기팬의 회전속도를 조절하여 공연비를 제어하는 단계를 더 포함한다.In addition, the step (c) described above, (c1) observing the flame light through the observation window, (c2) transmitting the air-fuel ratio information of the flame light signal to the controller, and (c3) the air-fuel ratio information transmitted The control unit further comprises the step of controlling the air-fuel ratio by adjusting the rotational speed of the air supply fan.

위와 같은 제어 단계를 통하여 전술한 기본 작동원리를 가지는 가스보일러에 도 3에 나타난 바와 같이 포토다이오드센서(170)을 부착하여 관측창(113)을 통해 화염광을 관측하게 되고, 관측된 화염 광신호는 보일러 제어부에 공연비 정보를 전달한다.As shown in FIG. 3, the photodiode sensor 170 is attached to the gas boiler having the above-described basic operating principle through the above-described control step to observe the flame light through the observation window 113, and observe the flame light signal. Passes the air-fuel ratio information to the boiler control unit.

이렇게 전달받은 공연비 정보를 기반으로 보일러 제어부에서는 급기팬(6)의 회전속도를 조절하여 원하는 공연비로의 제어가 이루어지는 것이다. Based on the air-fuel ratio information received in this way, the boiler control unit controls the rotational speed of the air supply fan 6 to the desired air-fuel ratio.

이때, 연소시 발생되는 복사열에 의한 포토다이오드센서(170)의 온도상승이 나타나게 되는데 포토다이오드센서(170)의 작동온도 범위 내의 온도를 유지시켜주기 위하여 별도의 냉각장치를 구성하거나 급기를 이용하여 포토다이오드센서(170)를 냉각시켜줄 수 있다. At this time, the temperature rise of the photodiode sensor 170 due to the radiant heat generated during combustion appears. In order to maintain a temperature within the operating temperature range of the photodiode sensor 170, a separate cooling device or a supply air is used to supply the photo. The diode sensor 170 may be cooled.

아울러, 포토다이오드센서(170)를 사용하게 되면 공연비 제어뿐만 아니라 화염감지센서(115)의 역할을 수행할 수 있어 화염감지센서(115)의 설치가 필요치 않게 된다.
In addition, when the photodiode sensor 170 is used, not only the air-fuel ratio control but also the role of the flame detection sensor 115 may not be required to install the flame detection sensor 115.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이 일반적이 가정용 보일러에 사용되는 예비혼합물 버너 평판화염의 경우, 하나 혹은 서로 다른 파장특성을 가진 둘 이상의 포토다이오드를 사용하여 화염 광계측을 하게 되면 공연비에 따라 포토다이오드 신호의 변화를 관찰할 수 있다. 이처럼, 공연비의 변화에 따라 포토다이오드 출력신호 또한 실시간 변화하게 되며 높은 재현성을 가진다.Meanwhile, as shown in FIG. 4, in the case of a flat mixture burner flat flame generally used in a domestic boiler, flame photometry using two or more photodiodes having one or different wavelength characteristics results in photodiode according to an air-fuel ratio. You can observe the change in the signal. As such, as the air-fuel ratio changes, the photodiode output signal also changes in real time and has high reproducibility.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이 포토다이오드의 사용을 통해 특정 공연비에서의 부하에 따른 신호 선형성을 가짐은 물론이며, 도 6에서처럼 서로 다른 파장특성을 가지는 둘 이상의 포토다이오드 사용을 통해 공연비와의 선형성을 가짐을 확인할 수 있다. 이러한 신호 선형성으로 인해 부하 및 공연비에 대한 선형제어가 가능하게 된다.
In addition, as shown in FIG. 5, the signal linearity according to the load at a specific air-fuel ratio through the use of the photodiode, as well as the linearity with the air-fuel ratio through the use of two or more photodiodes having different wavelength characteristics as shown in FIG. 6. It can be confirmed that has. This signal linearity allows linear control of the load and air-fuel ratio.

전술한 바와 같은 본 발명은 실제 가정용 보일러에 적용하여 테스트한 결과 포토다이오드 신호는 ±3% 이내의 오차에 높은 재현성을 보였으며 오차 및 재현성을 고려할 때 과잉공기비(excess air ratio) 기준 0.02의 범위로 정밀제어가 가능함으로 확인하였다.As described above, the present invention has been tested in an actual domestic boiler, and the photodiode signal showed high reproducibility with an error within ± 3%, and considering the error and reproducibility, it was in the range of 0.02 based on the excess air ratio. It was confirmed that precise control is possible.

실제 시스템에서 요하는 공연비 제어는 0.05 ~ 0.1 정도로서 이에 비해 PD를 이용한 공연비 제어는 매우 높은 제어 정밀성을 가진다.The air-fuel ratio control required in the actual system is about 0.05 to 0.1, whereas the air-fuel ratio control using the PD has a very high control precision.

다만, 실제로 0.02 만큼의 정밀제어가 가능한 급기팬(130)을 적용하기 어렵기 때문에 급기팬(130)의 성능에 의존하여 제어 정밀도가 정해질 것으로 판단된다.However, since it is difficult to apply the air supply fan 130 capable of precise control by 0.02, it is determined that the control precision is determined depending on the performance of the air supply fan 130.

이러한 포토다이오드 신호의 변화는 도 7에 도시된 바와 같이 스펙트럼 파장분석을 통해 그 원인을 파악할 수 있다. 분광기(spectrometer) 사용하여 고연비에 따른 화염광의 파장을 분석한 결과 공연비에 따라 파장대별 화염광의 세기가 변하는 것을 확인하였다.The change of the photodiode signal may be identified through spectral wavelength analysis as shown in FIG. 7. As a result of analyzing the wavelength of the flame light according to the high fuel consumption by using a spectrometer (spectrometer), it was confirmed that the intensity of the flame light for each wavelength band according to the air-fuel ratio.

이처럼 포토다이오드가 받아들일 수 있는 감광도 범위 내에서 광파장 스펙트럼의 세기가 변화함에 따라 포토다이오드 신호의 크기가 변하게 됨으로써 이를 공연비 제어에 이용할 수 있는 것이다.
As the intensity of the optical wavelength spectrum changes within the photosensitive range acceptable to the photodiode, the size of the photodiode signal is changed, which can be used to control the air-fuel ratio.

전술한 바에 따라 기술된 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 제어장치(100)는 공연비 제어센서로 포토다이오드를 사용하는 방법으로서, 포토다이오드센서(170)는 빛에너지를 전기적 에너지로 변환시켜주는 광센서로써 빛의 세기에 따라 전압의 크기가 비례적으로 증가하게 되는 광기전력 효과를 이용한 센서이다.As described above, the control device 100 including the photodiode sensor according to the exemplary embodiment of the present invention is a method of using a photodiode as an air-fuel ratio control sensor, and the photodiode sensor 170 converts light energy into electrical energy. It is an optical sensor that converts to a photovoltaic sensor that uses the photovoltaic effect of increasing the voltage proportionally with light intensity.

일반적으로 응답속도가 빠르고, 광전류의 직진성이 양호하며, 감도 파장이 넓은 포토다이오드는 CD 플레이어, 화재경보기, 리모컨 수신부와 같은 곳에 주로 사용되어 왔다.In general, a fast response speed, good photocurrent linearity, and a wide sensitivity wavelength photodiode has been mainly used in places such as CD player, fire alarm, remote control receiver.

이러한 포토다이오드센서(170)는 수급이 용이하며 저가이기 때문에 실제 시스템 적용이 매우 용이하다는 장점을 가진다.Since the photodiode sensor 170 is easily supplied and inexpensive, the photodiode sensor 170 has an advantage of easy application to an actual system.

또한, 포토다이오드센서(170)는 실시간으로 직접 화염의 상태를 관찰, 계측함으로써 전 부하(minimum~full load) 영역에 걸친 연속적인 공연비 비례제어가 가능하며 빠른 응답성을 가진 실시간 공연비 계측이 가능하게 된다.
In addition, the photodiode sensor 170 enables continuous air-fuel proportional control over the entire load (minimum ~ full load) area by observing and measuring the state of flame directly in real time, and enables real-time air-fuel ratio measurement with fast response. do.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention as defined in the appended claims. It will be understood that the present invention can be changed.

100 : 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치
110 : 구성비 제어모듈
111 : 버너
112 : 연소실
113 : 관측창
114 : 점화플러그
120 : 열교환기
130 : 급기팬
140 : 전자가스밸브
150 : 순환펌프
160 : 제어부
170 : 포토다이오드센서
180 : 파이프
181 : 제 1 파이프
182 : 제 2 파이프
183 : 제 3 파이프
184 : 제 4 파이프100: air-fuel ratio control device including a photodiode sensor
110: composition ratio control module
111: burner
112: combustion chamber
113: observation window
114: spark plug
120: heat exchanger
130: air supply fan
140: electromagnetic gas valve
150: circulation pump
160:
170: photodiode sensor
180: pipe
181: first pipe
182: second pipe
183: third pipe
184: fourth pipe

Claims (7)

가정용 보일러에 사용되는 중공의 버너 및 상기 연소실 일측에 위치하는 포토다이오드센서로 구성되는 구성비 제어모듈;
상기 연소실의 일측에 위치하는 관측창;
상기 버너와 상기 연소실이 접하는 곳에 위치하는 점화플러그;
상기 관측창을 향하도록 상기 연소실의 상기 관측창 외부에 배치되는 포토다이오드센서;
상기 버너와 연통하는 제 1 파이프 상에 배치되는 급기팬; 및
상기 점화플러그의 동작에 의해 발생하는 화염광의 화염 광신호가 포토다이오드를 통해 인가되어 급기팬의 회전속도를 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 포토다이오드센서는 감광도 범위 내에서 화염의 공연비 및 부하의 변화에 따른 광파장 스펙트럼의 세기가 변화함에 따라 포토다이오드 신호의 크기가 변화하고,
상기 제어부는 변화하는 상기 포토다이오드 신호의 크기에 따라 인가된 상기 급기팬의 회전속도를 조절하여 공연비를 제어하는 것을 특징으로 하는,
공연비 제어장치.
A component ratio control module comprising a hollow burner used for a domestic boiler and a photodiode sensor located at one side of the combustion chamber;
An observation window located at one side of the combustion chamber;
An ignition plug located at a place where the burner and the combustion chamber are in contact with each other;
A photodiode sensor disposed outside the observation window of the combustion chamber to face the observation window;
An air supply fan disposed on a first pipe communicating with the burner; And
And a controller configured to control a rotational speed of the air supply fan by applying a flame optical signal of flame light generated by the operation of the spark plug through a photodiode.
In the photodiode sensor, the magnitude of the photodiode signal changes as the intensity of the optical wavelength spectrum changes due to the change in the air-fuel ratio and the load of the flame within the sensitivity range.
The control unit is characterized in that for controlling the air-fuel ratio by adjusting the rotational speed of the air supply fan applied according to the magnitude of the photodiode signal,
Air-fuel ratio control device.
제 1 항에 있어서,
상기 포토다이오드센서는 상기 가정용 보일러 버너의 과잉공기비(Excess air ratio)를 상기 포토다이오드센서 출력신호에 의해 정밀제어가 가능하고, 그리고
상기 포토다이오드센서는 하나 이상의 포토다이오드를 사용하여 화염의 공연비 및 부하의 변화에 따른 포토다이오드의 출력신호 크기 변화의 선형성을 이용하여 급기팬 회전속도의 선형제어가 가능한 것을 특징으로 하는,
공연비 제어장치.
The method of claim 1,
The photodiode sensor is capable of precise control of the excess air ratio (Excess air ratio) of the domestic boiler burner by the photodiode sensor output signal, and
The photodiode sensor is a linear control of the supply fan rotation speed by using the linearity of the change in the output signal size of the photodiode according to the change in the air-fuel ratio and load of the flame using one or more photodiodes,
Air-fuel ratio control device.
제 1 항에 있어서,
상기 공연비 제어장치는, 상기 제 1 파이프와 연통하는 제 2 파이프 상에 배치되는 전자가스밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
공연비 제어장치.
The method of claim 1,
The air-fuel ratio control device, characterized in that it further comprises; an electromagnetic gas valve disposed on the second pipe communicating with the first pipe,
Air-fuel ratio control device.
제 1 항에 있어서,
상기 공연비 제어장치는,
연소시 상기 관측창을 통해 전달되는 화염의 복사열에 의한 상기 포토다이오드센서의 온도상승을 방지하고 상기 포토다이오드의 작동온도 범위 내의 온도를 유지시키기 위한 냉각장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
공연비 제어장치.
The method of claim 1,
The air-fuel ratio control device,
Further comprising: a cooling device for preventing the temperature rise of the photodiode sensor due to the radiant heat of the flame transmitted through the observation window during combustion and to maintain a temperature within the operating temperature range of the photodiode;
Air-fuel ratio control device.
(a) 전자가스밸브를 통하여 가스가 연소실로 공급되는 단계;
(b) 급기팬을 통해 상기 연소실에 공기가 공급되는 단계;
(c) 점화플러그에서 발생하는 불꽃에 의해 착화가 이루어지고 상기 연소실의 상부에 위치한 버너에서 연소가 진행되어 화염이 생성되는 단계;
(d) 부하 및 사용량에 따라 순환펌프에서 물을 상기 연소실 하부의 열교환기로 공급하는 단계; 및
(e) 상기 연소실에서 발생하는 연소열이 상기 열교환기를 지나 물의 대류에 의해 열전달되어 온수가 공급되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
공연비 제어방법.
(a) supplying gas to the combustion chamber through an electromagnetic gas valve;
(b) supplying air to the combustion chamber through an air supply fan;
(c) ignition by the spark generated from the spark plug and combustion occurs in a burner located above the combustion chamber to generate flame;
(d) supplying water from a circulation pump to a heat exchanger under the combustion chamber according to load and usage; And
(e) heat transfer of the combustion heat generated in the combustion chamber by the convection of water passing through the heat exchanger to supply hot water;
Air-fuel ratio control method.
제 5 항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(c1) 상기 연소실의 일측에 위치하는 관측창을 통해 화염광을 관측하는 단계;
(c2) 상기 화염광의 화염 광신호를 제어부에 전달하는 단계; 및
(c3) 전달된 상기 화염 광신호 정보를 기반으로 상기 제어부가 상기 급기팬의 회전속도를 조절하여 공연비를 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
공연비 제어방법.
The method of claim 5, wherein
The step (c)
(c1) observing the flame light through an observation window located at one side of the combustion chamber;
(c2) transmitting a flame optical signal of the flame light to a controller; And
(c3) controlling the air-fuel ratio by adjusting the rotational speed of the air supply fan by the control unit based on the flame optical signal information transmitted;
Air-fuel ratio control method.
제 5 항 내지 제 6 항에 따른 공연비 제어방법은 가스용 보일러에 적용되는 것을 특징으로 하는,
공연비 제어방법.The air-fuel ratio control method according to claim 5, characterized in that applied to the gas boiler,
Air-fuel ratio control method.
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