KR20130090483A - 연소기기용 가스 공기 혼합장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연소기기용 가스 공기 혼합장치에 관한 것으로, 구체적으로는 보일러 또는 온수기와 같은 연소기기에 구비되는 버너에 가스 및 공기를 공급하는 양 을 효과적으로 제어하여 턴다운비(Turn-Down Ratio)를 향상시키고, 그로 인하여 온수 및 난방 사용의 편리성 및 버너의 내구성을 증대시키는 연소기기용 가스 공기 혼합장치에 관한 것이다.
본 발명은 일측이 터보팬과 결합되며, 내측에 가스 및 공기가 흐를 수 있도록 소정공간이 형성되는 하우징; 상기 하우징의 일측에 형성되며, 상기 터보팬과 접하는 배출부; 상기 배출부의 타측에 구비되어 외측으로부터 공기를 흡기하되, 제1 격벽에 의해 구획되는 제1 공기공급부 및 제2 공기공급부; 상기 제1 공기공급부 및 제2 공기공급부에서 유입되는 공기와 혼합되어 상기 배출부로 배출되되, 제2 격벽에 의해 구획되는 제1 가스공급부와, 상부에 소정길이 돌출되는 돌출부가 형성되며, 상기 돌출부와 동일한 높이로 형성되는 제2 가스공급부 및 저출력모드 시 상기 제2 공기공급부 및 제2 가스공급부를 폐쇄하여 가스 및 공기의 흐름을 차단하는 한편, 고출력 모드시 제2 공기공급부 및 제2 가스공급부에 가스 및 공기가 흐를 수 있도록 개방하는 개폐수단을 포함한다.

Description

연소기기용 가스 공기 혼합장치{Gas-air mixer for burner}
본 발명은 연소기기용 가스 공기 혼합장치에 관한 것으로, 구체적으로는 보일러 또는 온수기와 같은 연소기기에 구비되는 버너에 가스 및 공기를 공급하는 양 을 효과적으로 제어하여 턴다운비(Turn-Down Ratio)를 향상시키고, 그로 인하여 온수 및 난방 사용의 편리성 및 버너의 내구성을 증대시키는 연소기기용 가스 공기 혼합장치에 관한 것이다.
일반적으로, 난방 및 온수사용을 목적으로 사용되는 보일러 및 온수기와 같은 연소기기는 공급받는 연료에 따라 기름보일러, 가스보일러, 전기보일러 및 온수기로 구분되며, 설치용도에 맞게 다양하게 개발되어 사용하고 있다.
이러한 연소기기들 중 특히, 가스보일러 및 온수기에서는 일반적으로 가스연료를 연소시키기 위해 분젠 버너(Bunsen Burner) 또는 예혼합 버너(Premixed Burner)를 사용하고 있으며, 이중 예혼합 버너(Premixed Burner)의 연소방식은 가스와 공기를 연소 최적 상태의 혼합비로 혼합 시킨 후 그 혼합기(공기+가스)를 염공부에 공급하여 연소시키게 된다.
또한, 연소기기의 성능은 턴다운비(Turn-Down Ratio;TDR)로 평가되어지는데, 턴다운비란, 가스의 양이 가변 조절되는 가스연소장치에 있어서 '최대가스소비량 대 최소 가스소비량의 비'를 말한다. 예를 들면 최대가스소비량이 24,OOOkcal/h이고 최소 가스소비량이 8,OOOkcal/h인 경우 턴다운비(TDR)는 3:1이 된다. 턴다운비(TDR)는 최소 가스 소비량 조건에서 얼마나 안정된 화염을 유지할 수 있는지 여부에 따라 제한된다.
가스보일러 및 온수기의 경우 턴다운비(TDR)가 클수록 난방 및 온수 사용시의 편리성이 증대된다. 즉, 턴다운비(TDR)가 작고(즉, 최소가스소비량이 높은 경 우) 난방 및 온수의 부하가 작은 영역에서 버너가 작동되는 경우에 연소기기는 잦은 온/오프(On/Off)가 발생하게 되므로 온도제어시의 편차가 커지고, 기기의 내구성이 저하된다. 따라서 이러한 문제를 개선하기 위하여 연소기기에 적용되는 버너의 턴다운비(TDR)를 향상시키기 위한 다양한 방법들이 개발되어 왔다.
이러한 비례 제어 방식의 버너에서 가스를 공급해 주는 밸브는 크게 전류값으로 제어 되는 전류 비례 제어 방식 밸브(electrical modulating gas valve)와, 공기 공급시 발생되는 차압으로 제어되는 공기 비례 제어 방식 밸브(pneumatic modulating gas valve)로 구분되어진다.
상기 공기 비례 제어 방식 밸브는 송풍기를 이용하여 버너에 연소시 필요한 공기 공급에 따라 발생되는 차압에 의하여 버너로 공급되는 가스량이 제어 되고, 이때 연소에 필요한 공기와 가스는 가스 공기 혼합 장치(Gas-air mixer)에서 혼합되어 혼합기(공기+가스)형태로 버너에 공급되어진다.
이와 같은 공기 비례 제어 밸브를 사용하는 가스버너의 가스-공기혼합장치에서 턴다운 비(TDR)를 제한하는 기본적인 요소는 가스소비량(Q)과 차압(ΔP)과의 관계이며, 일반적인 유체의 차압과 유량과의 관계는 다음과 같다.
Figure pat00001
즉, 위 관계식에서 알 수 있는 바와 같이 유체의 유량을 2배 증가시키기 위해서는 차압을 4배 상승시켜야 한다.
따라서 턴다운비(TDR)를 3:1로 하기 위해서는 차압의 비를 9:1로 해야 하며, 턴다운비(TDR)를 10:1로 하기 위해서는 차압의 비를 100:1로 해야 하는데, 이 때 가스의 공급 압력을 무한히 증가시키는 것은 불가능하다는 데 문제가 있다.
이와 같은 가스공급압력을 무한히 증가시킬 수 없는 문제점을 해결하기 위하 여, 도 1에 나타낸 바와 같이 공기 및 가스가 공급되는 경로를 각각 둘 이상의 영역으로 구획하고, 버너로 분사되는 각 가스의 통로를 개폐함으로써 가스버너의 턴다운비 (TDR)를 높이는 방법이 개시되어 있다.
출원번호 10-2011-84417호 상기 특허문헌은 본 출원인에 의해 선출원된 발명으로, 도 1을 참조하면 공기공급관(113)의 일측에 2개로 분지되는 가스공급관(112)이 결합되며, 상기 공기공급관(113)의 내측에 별도의 분지기구(170)를 구비하여 로드(163)에 결합된 밸브체(161, 162)가 전자석(165)과 결합된 로드(163)의 상하운동을 통하여 가스유로(116) 및 공기유로(118)를 개폐하므로 보일러를 저출력모드 및 고출력모드로 제어할 수 있어 턴다운비를 향상시킬 수 있는 유로 분리형 가스-공기 혼합장치가 개시되어 있다. 그러나 상기한 공기유로(118)의 로드(163)의 상하운동 범위가 길고, 그로 인하여 행정거리 길어지므로 구동시간 및 구동거리가 길어지는 문제점이 있다. 또한, 공기유로(118)에 별도의 분지기구(170)를 개재하여 사용하므로 제작의 번거로움 및 기기 고장 시 탈부착이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 보일러 또는 온수기와 같은 연소기기로 유입되는 공기 및 가스의 양을 제어할 수 있도록 별도의 개폐수단을 구비하고, 이를 통하여 공기 및 가스의 양을 제어하여 턴다운비를 높일 수 있는 연소기기용 가스 공기 혼합장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 일측이 터보팬과 결합되며, 내측에 가스 및 공기가 흐를 수 있도록 소정공간이 형성되는 하우징; 상기 하우징의 일측에 형성되며, 상기 터보팬과 접하는 배출부; 상기 배출부의 타측에 구비되어 외측으로부터 공기를 흡기하되, 제1 격벽에 의해 구획되는 제1 공기공급부 및 제2 공기공급부; 상기 제1 공기공급부 및 제2 공기공급부에서 유입되는 공기와 혼합되어 상기 배출부로 배출되되, 제2 격벽에 의해 구획되는 제1 가스공급부와, 상부에 소정길이 돌출되는 돌출부가 형성되며, 상기 돌출부와 동일한 높이로 형성되는 제2 가스공급부 및 저출력모드 시 상기 제2 공기공급부 및 제2 가스공급부를 폐쇄하여 가스 및 공기의 흐름을 차단하는 한편, 고출력 모드시 제2 공기공급부 및 제2 가스공급부에 가스 및 공기가 흐를 수 있도록 개방하는 개폐수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 개폐수단은, 상기 개폐수단은, 상기 제2 가스공급부의 상단과 접하여 가스의 진입을 차단하는 밸브체; 상기 밸브체와 결합되는 플런저 및 상기 플런저와 결합되고, 상기 플런저를 상하운동 시켜 상기 밸브체가 개폐되도록 하는 래치 솔레노이드 밸브를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 플런저 및 밸브체는, 그 사이에 구비되어 상기 밸브체를 탄성으로 지지하는 제1 스프링을 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 공기공급부 및 제2 가스공급부는, 2차 공기 및 2차 가스의 유동방향이 서로 일치되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 밸브는, 래치 솔레노이드 밸브 또는 일반 솔레노이드 밸브 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연소기기용 가스 공기 혼합장치에 의하면, 첫째, TDR을 높여 연소기기에서 필요로 하는 가스와 공기량이 기존방식보다 좀 더 큰 폭으로 조절이 가능하며, 이로 인하여 유량 변동 시 좀 더 미세한 열량제어가 가능하여 온수 온도의 변화폭을 줄일 수 있는 효과가 있다.
둘째, 구동부의 구조가 단순하며, 내구성이 우수한 래치 솔레노이드 밸브를 적용하고, 상기 래치 솔레노이드 밸브와 결합되는 밸브체가 접하는 제2 가스공급부 및 돌출부를 형성함으로서 래치 솔레노이드 밸브의 행정거리를 줄임과 동시에 래치 솔레노이드 밸브의 고장률을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 가스 및 공기가 하나의 바디를 통하여 유입되는 구조로 형성되어 고장시 수리가 용이하고, 제작비용을 최소화 시킬 수 있는 효과가 있다.
넷째, 2차 공기 및 2차 가스의 유동방향을 일치시켜 구조를 단순화하여 제작시 시간 및 비용의 절감 및 유지보수가 용이한 효과가 있다.
도 1은 종래기술을 나타내기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 연소기기용 가스 공기 혼합장치의 모습을 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 작동상태를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 연소기기용 가스 공기 혼합장치의 변형예를 나타낸 단면도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 연소기기용 가스 공기 혼합장치를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 연소기기용 가스 공기 혼합장치의 모습을 나타낸 단면도이고, 도 3은 도 2의 작동상태를 나타낸 단면도이며, 도 4는 본 발명의 연소기기용 가스 공기 혼합장치의 변형예를 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 연연소기기용 가스 공기 혼합장치는, 일측이 터보팬과 결합되며, 내측에 가스 및 공기가 흐를 수 있도록 소정공간이 형성되는 하우징(500)이 구비되며, 상기 하우징(500)의 일측은 공기와 가스가 혼합된 혼합가스가 배출되는 배출부(300)가 형성된다. 상기 배출부(300)는 터보팬(미도시)과 접하여 상기 제1 및 제2 공기공급부(210, 220) 및 제1 및 제2 가스공급부(230, 240)로부터 공급되는 공기와 가스가 혼합된 혼합가스가 상기 터보팬에 의하여 버너로 전달된다.
상기 배출부(300)의 타측은 공기가 흡기되되, 제1 격벽(201)에 의해 구획되어 하부에 제1 공기공급부(210)가, 그 상부에 제2 공기공급부(220)가 원통형상으로 형성된다.
상기 제2 공기공급부(220)와 배출부(300)의 중간부 하부에는 가스가 공급되되, 제2 격벽(202)에 구획되어 우측은 제1 가스공급부(230)가, 그 좌측에는 제2 가스공급부(240)가 원통형상으로 형성된다. 상기 제2 가스공급부(240)는 그 끝단부가 돌출되어 제2 가스 및 제2 공기의 유동방향과 일치시키도록 형성되어, 공기와 가스가 원활하게 혼합되도록 함과 동시에 상기 개폐수단(400)의 행정거리를 최소화하기 위한 돌출부(221)가 형성된다.
상기 돌출부(221)에는 제2 가스 및 제2 공기의 유입을 차단 또는 개방하기 위하여 후술할 개폐수단(400)에 구비되는 밸브체(401)가 접하게 된다. 상기 밸브체(401)가 접하기 용이하도록 상기 제2 가스공급부(240)도 상기 돌출부(221)와 동일한 높이로 돌출되는 것이 바람직하다.
이하, 상기 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)의 공기 및 가스의 유입을 제어하는 개폐수단(400)에 대하여 살펴보기로 한다.
상기 개폐수단(400)은, 상기 제2 가스공급부(240)와 돌출부(221)의 상단과 접하여 가스의 진입을 차단하는 밸브체(401)와, 상기 밸브체(401)와 결합되는 플런저(402) 및 상기 플런저(402)와 결합되고, 상기 플런저(402)를 상하운동 시켜 상기 밸브체(401)가 개폐되도록 하는 밸브로 구성된다.
한편, 상기 밸브는 래치 솔레노이드 밸브(403) 또는 일반 솔레노이드 밸브(403a) 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
상기 래치 솔레노이드 밸브(403)는, 내측에는 코일이 구비되어 순간적으로 통전이 되면 자기력으로 플런저(402)가 작동하여 제2 스프링(407)의 힘을 이기면서 플런저(402)가 상승하고, 이 때 코일에 지속적으로 통전을 하지 않아도 영구자석(408)이 플런저(402)를 잡아준다. 동시에 밸브체(401)는 상승하여 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)가 개방되므로 제2 가스 및 공기가 하우징(500)의 내부로 유입되는 것이다.
또한, 상기 코일에 극성을 반대로 하여 통전되면 자기력이 영구자석의 힘을 상쇄시켜 플런저(402)가 제2 스프링(407)의 힘으로 하강하게 되며, 동시에 밸브체(401)가 상기 돌출부 및 제2 가스공급부(221, 240)와 접하게 되므로 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)가 폐쇄되어 제2 공기 및 가스가 차단된다.
한편, 상기 일반 솔레노이드 밸브(403a)는, 상기한 래치 솔레노이드 밸브(403)가 적용되는 실시예와 그 구성이 동일하다. 다만 밸브의 형태가 래치 솔레노이드 밸브(403) 대신에 솔레노이드 밸브(403a)가 적용되는 것이다.
구체적으로 살펴보면, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 일반 솔레노이드 밸브(403a)에 전달되는 전기적인 신호에 의해 플런저(402)가 상승하고, 전기적인 신호를 차단하게 되면 내측에 구비되는 스프링(407)의 탄성력에 의하여 상기 플런저(402)는 하강하는 형태로 작동된다.
한편, 상기 밸브체(401)는 그 하부면에 상기한 제2 가스공급부(220)와의 접촉의 기밀성을 높이기 위한 밀착부재(405)가 더 구비된다.
또한, 밸브체(401) 및 플런저(402) 사이에는 상기 밸브체(401)를 탄성으로 지지하는 제1 스프링(404)이 개재되고, 상기 플런저(401)의 양측부에는 상기 밸브체(401)의 상하운동을 안내하기 위한 로드(406)가 구비된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 연소기기용 가스 공기 혼합장치의 작동상태에 대하여 살펴보기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이 저출력모드 시에는 상기 개폐수단(400)의 밸브체(401)가 상기 제2 가스공급부(240) 및 돌출부(221)와 접한 상태가 되어 상기 제1 공기공급부(210) 및 제1 가스공급부(230)에서만 제1 가스 및 공기만이 혼합되어 터보팬으로 유입된다. 여기서 상기 제1 가스는 상기 제1 가스공급부(230)의 도중에 형성되는 통공(231)을 통하여 배출된다.
이후 고출력모드 시에는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 래치 솔레노이드 밸브(403)에 통전되면 자기력에 의해 상기 플런저(402)가 작동되어 제2 스프링(407)의 힘을 이기면서 상부로 상승하게 된다. 그로 인해 상기 밸브체(401)는 상부로 상승되어 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)가 개방되므로 제2 공기 및 가스가 하우징(500)의 내부로 유입되는 것이다.
다시 저출력모드로 전환하고자 할 경우 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 래치 솔레노이드 밸브(403)의 극성을 반대로 하여 전압을 인가하게 되면 자기력이 영구자석(408)의 힘을 상쇄시켜 플런저(402)가 제2 스프링(407)의 힘으로 인해 하강하게 된다. 따라서 상기 밸브체(401)가 하부로 하강하여 돌출부(221)와 접하게 되고, 그로 인하여 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)가 폐쇄되므로 제2 공기 및 가스가 차단된다.
이상에서 설명된 본 발명의 온수기용 공기 및 가스 혼합밸브의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
201 : 제1 격벽 202 : 제2 격벽
210 : 제1 공기공급부 220 : 제2 공기공급부
221 : 돌출부 230 : 제1 가스공급부
240 : 제2 가스공급부 300 : 배출부
400 : 개폐수단 401 : 밸브체
402 : 플런저 403 : 래치 솔레노이드 밸브
404 : 제1 스프링 405 : 밀착부재
406 : 로드 407 : 제2 스프링
408 : 영구자석

Claims (5)

  1. 일측이 터보팬과 결합되며, 내측에 가스 및 공기가 흐를 수 있도록 소정공간이 형성되는 하우징(500);
    상기 하우징(500)의 일측에 형성되며, 상기 터보팬과 접하는 배출부(300);
    상기 배출부(300)의 타측에 구비되어 외측으로부터 공기를 흡기하되, 제1 격벽(201)에 의해 구획되는 제1 공기공급부(210) 및 제2 공기공급부(220);
    상기 제1 공기공급부(210) 및 제2 공기공급부(220)에서 유입되는 공기와 혼합되어 상기 배출부(300)로 배출되되, 제2 격벽(202)에 의해 구획되는 제1 가스공급부(230)와, 상부에 소정길이 돌출되는 돌출부(221)가 형성되며, 상기 돌출부(221)와 동일한 높이로 형성되는 제2 가스공급부(240) 및
    저출력모드 시 상기 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)를 폐쇄하여 가스 및 공기의 흐름을 차단하는 한편, 고출력 모드시 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)에 가스 및 공기가 흐를 수 있도록 개방하는 개폐수단(400)을 포함하는 것을 특징으로 하는 온수기용 공기 및 가스 혼합밸브.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 개폐수단(400)은,
    상기 제2 가스공급부(240) 및 돌출부(221)의 상단과 접하여 가스의 진입을 차단하는 밸브체(401);
    상기 밸브체(401)와 결합되는 플런저(402) 및
    상기 플런저(402)와 결합되고, 상기 플런저(402)를 상하운동 시켜 상기 밸브체(401)가 개폐되도록 하는 밸브(403, 403a)를 포함하는 것을 특징으로 하는 온수기용 공기 및 가스 혼합밸브.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 플런저(402) 및 밸브체(401)는,
    그 사이에 구비되어 상기 밸브체(401)를 탄성으로 지지하는 제1 스프링(404)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 온수기용 공기 및 가스 혼합밸브.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제2 공기공급부(220) 및 제2 가스공급부(240)는,
    2차 공기 및 2차 가스의 유동방향이 서로 일치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 온수기용 공기 및 가스 혼합밸브.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 밸브는,
    래치 솔레노이드 밸브(403) 또는 일반 솔레노이드 밸브(403a) 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 온수기용 공기 및 가스 혼합밸브.
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