KR20140115830A - 플라즈마 버너 - Google Patents

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KR20140115830A
KR20140115830A KR1020130031020A KR20130031020A KR20140115830A KR 20140115830 A KR20140115830 A KR 20140115830A KR 1020130031020 A KR1020130031020 A KR 1020130031020A KR 20130031020 A KR20130031020 A KR 20130031020A KR 20140115830 A KR20140115830 A KR 20140115830A
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23D11/36Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
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Abstract

본 발명의 목적은 수십 내지 수백kW 범위의 전력을 공급하여 신장 아크를 형성하여 발생하는 플라즈마로 1~3cm급 직경의 아크를 형성하고, 노즐목 근방에서 큰 부피를 가지는 아크 제트를 형성하여 대유량의 액상 연료를 처리하는 플라즈마 버너를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 버너는, 방전 공기를 공급하고, 제1 공간을 가지는 수용부, 상기 제1 공간의 단부에 최소 직경을 형성하고 점진적으로 확장되는 제2 공간을 가지는 노즐목, 및 상기 노즐목에서 연장되어 점진적으로 확장되는 제3 공간을 가지는 확장부를 포함하는 하우징, 상기 수용부의 단부에 결합되어 상기 제1 공간의 일측을 밀폐하는 장착부, 상기 장착부에 설치되어 상기 제1 공간에 위치하여, 상기 노즐목에 이르는 신장 아크를 형성하는 전극, 및 상기 노즐목에 설치되어 연료와 공기 중 적어도 한 가지를 분사하는 노즐을 포함한다.

Description

플라즈마 버너 {PLASMA BURNER}
본 발명은 대유량의 액상 연료를 처리하는 플라즈마 버너에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마 버너는 액상의 연료를 분무하고, 분무된 연료를 조속히 미립화, 증발, 착화하고 화염을 안정시키는데 있다. 플라즈마 발생을 위하여 공급되는 전력이 높을수록 분무된 액상 연료의 미립화 및 증발이 더 효과적이다. 즉 발생하는 플라즈마는 공급되는 전력이 높을수록 효과적으로 발생한다.
예를 들면, 기존의 차량에 적용되는 플라즈마 버너는 차량에서 사용 가능한 전력 범위가 수십 내지 200W 범위 정도이기 때문에 전력 상승을 이용하여 액상 연료의 추가적인 미립화, 증발 및 착화에 한계를 가진다.
그러나 건설기계나 선박 엔진처럼 전력 사용량에 큰 제한을 받지 않는 경우, 발생하는 플라즈마 자체를 고온 아크에 가깝게 형성시킴으로써 대유량의 액상 연료를 빠른 시간에 미립화, 증발 및 착화하는 것이 가능하게 된다.
또한, 회전 아크를 기반으로 하는 플라즈마 버너에서 발생되는 회전 아크의 아크 칼럼이 직경 1mm 내외의 얇고 가는 형태이며, 아크 칼럼 주위의 온도가 급속히 냉각된다. 즉 아크 칼럼의 직경 및 아크 칼럼 주위의 온도에 따라 액상 연료의 처리에 한계를 가진다.
본 발명의 목적은 수백W 내지 수십kW 범위의 전력을 공급하여 신장 아크를 형성하여, 발생하는 플라즈마로 1~2cm급 직경의 아크를 형성하므로 노즐목에서 큰 부피를 가지는 아크 제트를 형성하는 플라즈마 버너를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 노즐목에 대유량의 액상 연료를 공급하더라도 연료의 미립화, 증발 및 착화를 구현하여, 화염을 안정시키는 플라즈마 버너를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 버너는, 방전 공기를 공급하고, 제1 공간을 가지는 수용부, 상기 제1 공간의 단부에 최소 직경을 형성하고 점진적으로 확장되는 제2 공간을 가지는 노즐목, 및 상기 노즐목에서 연장되어 점진적으로 확장되는 제3 공간을 가지는 확장부를 포함하는 하우징, 상기 수용부의 단부에 결합되어 상기 제1 공간의 일측을 밀폐하는 장착부, 상기 장착부에 설치되어 상기 제1 공간에 위치하여, 상기 노즐목에 이르는 신장 아크를 형성하는 전극, 및 상기 노즐목에 설치되어 연료와 공기 중 적어도 한 가지를 분사하는 노즐을 포함한다.
상기 수용부의 상기 제1 공간은, 상기 전극을 수용하고 상기 전극의 측면과 이격되는 원통 공간에서 점진적인 곡선 상태로 좁아지는 제11 공간, 및 상기 제11 공간의 단부에 이어지는 원통 공간에서 점진적인 곡선 상태로 좁아지는 제12 공간을 포함한다.
상기 전극은, 상기 제1 공간을 관통하여 상기 신장 아크를 발생시키도록 상기 제1 공간의 중심선 상을 향하여 돌출될 수 있다.
상기 노즐목의 상기 제2 공간은, 상기 하우징의 길이 방향 단면에서 상기 제1 공간의 단부에서 점진적인 직선 상태로 확장될 수 있다.
상기 노즐은, 상기 노즐목의 직경 방향에 대하여 설정된 각도로 경사지게 설치될 수 있다.
상기 노즐은, 적어도 상기 노즐목의 직경 방향 일측에서 상기 노즐목의 내면에 원주 방향으로 연료를 분사하도록 설치될 수 있다.
상기 수용부의 상기 제1 공간은, 내면에 나선형 그루브를 형성할 수 있다.
상기 제1 공간은, 상기 전극을 수용하고 상기 전극의 측면과 이격되는 원통 공간에서 점진적인 곡선 상태로 좁아지는 제11 공간, 및 상기 제11 공간의 단부에 이어지는 원통 공간에서 점진적인 곡선 상태로 좁아지는 제12 공간을 포함하며, 상기 나선형 그루브는 상기 제11 공간의 내면에서 상기 제2 공간의 내면으로 연장 형성될 수 있다.
상기 확장부의 상기 제3 공간은, 상기 하우징의 길이 방향 단면에서 상기 제2 공간의 단부에서 절곡되어 점진적인 직선 상태로 확장될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 전극에서 신장 아크를 형성하여 노즐목에 이르게 하고, 확장 구조의 노즐목에 연료와 공기 중 적어도 한 가지를 분사함으로써, 노즐목에서 발생하는 플라즈마로 1~3cm급 직경의 아크를 형성하여 노즐목에서 넓고 큰 부피의 아크 제트를 형성하는 효과가 있다. 즉 노즐목에 대유량의 액상 연료를 공급하더라도 넓고 큰 부피의 아크 제트에 의하여 연료의 미립화, 증발 및 착화를 구현하여, 화염을 안정시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 버너의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선에 따른 단면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 버너의 단면도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 선에 따른 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 버너의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선에 따른 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 버너(100)는 하우징(10), 장착부(20), 전극(30), 및 노즐(40)을 포함한다.
하우징(10)은 길이 방향으로 연결되는 수용부(11), 노즐목(12) 및 확장부(13)를 포함한다. 수용부(11)는 제1 공간(S1)을 형성하며, 노즐목(12)은 제1 공간(S1)의 단부에 최소 직경을 형성하고 점진적으로 확장되는 제2 공간(S2)을 형성하며, 확장부(13)는 노즐목(12)에서 연장되어 점진적으로 확장되는 제3 공간(S3)을 형성한다.
수용부(11)의 제1 공간(S1)은 방전 공기를 공급하는 공급홀(111)을 구비한다. 하우징(10)의 길이 방향 단면에서, 수용부(11)의 제1 공간(S1)은 전극(30)을 수용하고 전극(30)의 측면과 이격되는 원통 공간에서 점진적인 곡선 상태로 좁아지는 제11 공간(S11), 및 제11 공간(S11)의 단부에 이어지는 원통 공간에서 점진적인 곡선 상태로 좁아지는 제12 공간(S12)를 포함한다.
장착부(20)는 수용부(11)의 단부에 결합되어 제1 공간(S1)의 일측을 밀폐하여, 공급홀(111)로 공급되는 방전 공기의 누출을 방지한다. 즉 장착부(20)는 수용부(11)에 대응하는 홈(21)을 형성하고, 수용부(11)의 단부는 홈(21)에 결합된다. 장착부(20)는 전기 절연재로 형성되어, 장착되는 전극(30)과 하우징(10)을 전기적으로 절연한다.
전극(30)은 장착부(20)에 설치되어 수용부(11)의 제1 공간(S1)에 위치하며, 공급되는 방전 공기를 이용하여, 전극(30)의 단부에서 단계적으로 좁아지는 제11, 제12 공간(S11, S12)를 경유하여 노즐목(12)에 이르는 신장 아크(EA)를 형성할 수 있다. 즉 신장 아크(EA)는 노즐목(12)의 최소 직경부에 걸린다.
전극(30)은 제1 공간(S1), 즉 제11, 제12 공간(S11, S12)을 관통하는 신장 아크(EA)를 발생시키도록 장착부(20)의 중심에 설치되어 제1 공간(S1)의 중심선을 향하여 돌출된다. 전극(30)의 단부 중심은 제1 공간(S1)의 중심선(미도시)에 배치되어 노즐목(12)의 중심을 향한다.
노즐목(12)의 제2 공간(S2)은 하우징(10)의 길이 방향 단면에서 제1 공간(S1)의 단부에서 점진적인 직선 상태로 확장 형성된다. 확장부(13)의 제3 공간(S3)은 하우징(10)의 길이 방향 단면에서 제2 공간(S2)의 단부에서 절곡되어 점진적인 직선 상태로 확장 형성된다. 즉 제2, 제3 공간(S2, S3)은 원뿔대로 형성되어 서로 연결되는 구조를 형성한다.
노즐(40)은 노즐목(12)에 설치되어 연료를 분사하거나, 연료와 공기를 분사하도록 구성된다. 예를 들면, 노즐(40)은 도시된 바와 같이, 액상의 연료와 공기를 혼합하여 하나의 토출구로 분사할 수 있다. 도시하지 않았지만, 노즐은 2개의 토출구로 연료와 공기를 각각 분사할 수도 있다.
전극(30)에는 수백W 내지 수십kW 범위의 전력이 공급되고, 노즐목(12)은 접지된다. 전극(30)에 인가되는 전력의 범위는 전력 상승을 이용하여 연료의 미립화, 증발 및 착화의 한계를 끌어 올릴 수 있는 범위로 설정된다.
따라서 전극(30)에서 노즐목(12)에 이르는 신장 아크(EA)가 노즐(40)에서 노즐목(12)의 제2 공간(S2)으로 분사된 연료 또는 연료와 공기에 작용하여, 발생되는 플라즈마로 1~3cm급 직경의 아크를 형성한다. 노즐목(12)에서 1~3cm급 직경의 아크는 노즐목(12)의 확장되는 제2 공간(S2)에서 큰 부피의 아크 제트(AZ)를 형성한다.
아크 제트(AZ)는 노즐목(12)의 제2 공간(S2) 및 확장부(13)의 제3 공간(S3)으로 더 확장되면서, 노즐목(12)에서 분사되는 대유량의 연료를 신속히 미립화, 증발 및 착화시킬 수 있다. 따라서 대유량이 연소되면서 또한 화염이 안정될 수 있다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이다. 도 3을 참조하면, 노즐(40)은 적어도 하나로 형성되고 노즐목(12)에 설치되어 제2 공간(S2)에 연료 또는 연료와 공기를 공급할 수 있다.
예를 들면, 노즐(40)은 1쌍으로 형성되어 노즐목(12)의 직경 방향 양측에서 노즐목(12)의 내면에 원주 방향으로 연료 또는 연료와 공기를 분사하도록 설치된다. 즉 노즐(40)은 노즐목(12)의 내면에 원주 방향 또는 내면 원주의 접선에 교차하는 설정각(θ) 방향으로 연료 또는 연료와 공기를 분사한다.
따라서 노즐(40)에서 분사된 연료 또는 연료와 공기는 노즐목(12)의 제2 공간(S2)에 분사되어, 노즐목(12) 내면의 원주 방향으로 회전한다. 이때, 노즐목(12)과 전극(30) 사이에 설정되는 고전력에 의하여, 전극(30)에서 노즐목(12)에 이르는 신장 아크(EA)가 형성된다. 신장 아크(EA)가 연료 또는 연료와 공기에 작용하여 플라즈마를 발생시키고, 발생되는 플라즈마로 1~3cm급 직경의 아크를 형성하여, 노즐목(12)에서 큰 부피의 아크 제트(AZ)를 형성한다.
노즐(40)은 노즐목(12)의 제2 공간(S2)에서 원주 방향으로 스월을 발생시키므로 신장 아크(EA) 및 아크 이후에 아크 제트(AZ)를 더 넓고 크게 형성할 수 있다. 또한 스월은 연료와 공기의 균일한 혼합을 가능하게 한다. 균일하게 혼합된 공기와 연료는 신장 아크(EA)에 의하여 플라즈마를 더 효과적으로 발생시키고 플라즈마로 1~3cm급 직경의 아크를 형성하여 아크 제트(AZ)를 더욱 넓고 크게 형성하면서 연소된다. 큰 부피의 아크 제트(AZ)는 노즐(40)로 분사되는 액상 연료의 처리 가능한 유량을 크게 증대시킨다.
또한, 노즐(40)은 노즐목(12)의 직경 방향에 대하여 설정된 각도(θ1)로 경사지게 설치될 수 있다(도 2 참조). 따라서 노즐(40)에서 분사되는 연료 또는 연료와 공기는 노즐목(12) 내에서 원주 방향으로 스월을 발생시키면서 동시에 하우징(10)의 길이 방향에 대하여 경사진 방향으로 분사력을 발생시킨다. 즉 노즐목(12)에서 형성된 아크 제트(AZ)는 하우징(10)의 길이 방향으로 추진력을 받아서 확장부(13)로 고속 토출될 수 있다.
이하 본 발명의 제2 실시예에 대하여 설명한다. 제1 실시예와 비교하여 동일한 구성에 대하여 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 버너의 단면도이고, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ 선에 따른 단면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 제2 실시예에 따른 플라즈마 버너(200)는 수용부(211)의 제1 공간(S21)의 내면에 나선형 그루브(23)를 형성한다.
하우징(210)의 길이 방향 단면에서, 수용부(211)의 제1 공간(S21)은 방전 공기를 공급하고, 전극(30)을 수용하고 전극(30)의 측면과 이격되는 원통 공간에서 점진적인 곡선 상태로 좁아지는 제11 공간(S41), 및 제11 공간(S41)의 단부에 이어지는 원통 공간에서 점진적인 곡선 상태로 좁아지는 제12 공간(S42)를 포함한다.
나선형 그루브(23)는 제11 공간(S41)의 내면에서 제12 공간(S42)의 내면으로 연장되면서 나선형으로 형성된다. 나선형 그루브(23)는 아크 제트(AZ)가 형성될 때, 방전 기체를 회전시키므로 나선형 그루브(23) 이후의 제2, 제3 공간(S2, S3)에 형성되는 아크 및 아크 제트(AZ)를 더 크고 넓게 형성한다.
또한 하우징(210)의 제1 공간(S21)에서 나선형 그루브(23)는 나선형 그루브를 구비하지 않는 경우보다 신장 아크(EA)를 더 안정적으로 노즐목(12)에 이르게 한다. 또한 나선형 그루브(23)는 신장 아크(EA)에 의하여 발생되는 아크 및 아크 제트(AZ)를 회전시켜 연료와 공기의 연소 효율을 더 향상시킨다.
따라서 제2, 제3 공간(S2, S3)에서 연료 및 공기가 더욱 효과적으로 회전하면서 혼합되고, 플라즈마 및 아크 제트(AZ)가 더욱 효과적으로 유동된다. 아크 제트(AZ)는 고온으로 반응성이 우수하므로 아크 제트(AZ)의 영역이 넓을수록 연료의 미립화, 증발 및 착화가 유리해진다. 따라서 나선형 그루브(23)는 액상 연료의 처리 유량을 더욱 증대시킬 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10, 210: 하우징 11, 211: 수용부
12: 노즐목 13: 확장부
20: 장착부 21: 홈
30: 전극 40: 노즐
23: 나선형 그루브 111: 공급홀
AZ: 아크 제트 EA: 신장 아크
S1: 제1 공간 S11, S41: 제11 공간
S12, S42: 제12 공간 S2, S3: 제2, 제3 공간
θ: 설정각 θ1: 각도

Claims (9)

  1. 방전 공기를 공급하고, 제1 공간을 가지는 수용부, 상기 제1 공간의 단부에 최소 직경을 형성하고 점진적으로 확장되는 제2 공간을 가지는 노즐목, 및 상기 노즐목에서 연장되어 점진적으로 확장되는 제3 공간을 가지는 확장부를 포함하는 하우징;
    상기 수용부의 단부에 결합되어 상기 제1 공간의 일측을 밀폐하는 장착부;
    상기 장착부에 설치되어 상기 제1 공간에 위치하여, 상기 노즐목에 이르는 신장 아크를 형성하는 전극; 및
    상기 노즐목에 설치되어 연료와 공기 중 적어도 한 가지를 분사하는 노즐
    을 포함하는 플라즈마 버너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수용부의 상기 제1 공간은,
    상기 전극을 수용하고 상기 전극의 측면과 이격되는 원통 공간에서 점진적인 곡선 상태로 좁아지는 제11 공간, 및
    상기 제11 공간의 단부에 이어지는 원통 공간에서 점진적인 곡선 상태로 좁아지는 제12 공간
    을 포함하는 플라즈마 버너.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극은,
    상기 제1 공간을 관통하여 상기 신장 아크를 발생시키도록 상기 제1 공간의 중심선 상을 향하여 돌출되는 플라즈마 버너.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노즐목의 상기 제2 공간은,
    상기 하우징의 길이 방향 단면에서 상기 제1 공간의 단부에서 점진적인 직선 상태로 확장되는 플라즈마 버너.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 노즐은,
    상기 노즐목의 직경 방향에 대하여 설정된 각도로 경사지게 설치되는 플라즈마 버너.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 노즐은,
    적어도 상기 노즐목의 직경 방향 일측에서 상기 노즐목의 내면에 원주 방향으로 연료를 분사하도록 설치되는 플라즈마 버너.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수용부의 상기 제1 공간은,
    내면에 나선형 그루브를 형성하는 플라즈마 버너.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 공간은,
    상기 전극을 수용하고 상기 전극의 측면과 이격되는 원통 공간에서 점진적인 곡선 상태로 좁아지는 제11 공간, 및
    상기 제11 공간의 단부에 이어지는 원통 공간에서 점진적인 곡선 상태로 좁아지는 제12 공간
    을 포함하며,
    상기 나선형 그루브는,
    상기 제11 공간의 내면에서 상기 제12 공간의 내면으로 연장 형성되는 플라즈마 버너.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 확장부의 상기 제3 공간은,
    상기 하우징의 길이 방향 단면에서 상기 제2 공간의 단부에서 절곡되어 점진적인 직선 상태로 확장되는 플라즈마 버너.
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