KR20210016193A - 유해 배기가스가 없고 안전한 탄산가스 발생장치 - Google Patents

유해 배기가스가 없고 안전한 탄산가스 발생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시동성이 우수하고, 초 희박 중온 완전 연소가 가능하며, 안전한 탄산가스 발생장치에 관한 것이다. 상기 탄산가스 발생장치는: 연소챔버(10); 상기 연소챔버(10)에 공기를 공급하는 공기공급부; 상기 연소챔버(10)에 연료를 공급하는 연료공급부; 및 공급된 상기 공기와 연료의 혼합기를 연소시키는 연소챔버(10);를 구비한다. 상기 연소챔버(10)는: 기체 유동 방향을 따라 일측에 흡기공(111)이 구비되고 타측에 배기공(112)이 구비된 챔버부재(11); 상기 챔버부재(11) 내에 마련되고, 상기 공기공급부와 연료공급부가 흡기공(111)을 통해 챔버부재(11) 내부로 공급한 공기와 가스를 혼합하는 혼합공간(113); 상기 챔버부재(11) 내에서, 상기 혼합공간(113)보다 기체 유동 방향의 하류에 배치되는 제1촉매(12); 상기 챔버부재(11) 내에서, 상기 제1촉매(12)보다 기체 유동 방향의 하류에 배치되는 연소공간(114); 상기 연소공간(114)에 배치되는 점화장치(13); 상기 챔버부재(11) 내에서, 상기 연소공간(114)보다 기체 유동 방향의 하류에 배치되는 제2촉매(14); 및 상기 챔버부재(11) 내에서, 상기 제2촉매(14)보다 기체 유동 방향의 하류에 배치되는 배기공간(115);을 구비한다.

Description

유해 배기가스가 없고 안전한 탄산가스 발생장치{Carbon-dioxide Supplier Safe and Without Hazardous Exhaust Gas}
본 발명은 탄산가스 발생장치에 관한 것으로, 시동성이 우수하고, 초 희박 중온 완전 연소가 가능하며, 안전한 탄산가스 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로, 고품질과 고수익을 위한 작물의 재배 시 생육에 필요한 광합성 속도는 광도, 온도, 이산화탄소(CO2)의 농도 등에 크게 영향을 받는다. 이중 이산화탄소 농도는 대기 중에 약 380ppm이 존재하며, 원예작물은 대기중의 이산화탄소를 흡수하여 광합성 함으로써, 작물 생육에 필요한 동화산물을 생산하고, 광합성 산물이 증감됨에 따라 작물의 수량과 품질이 향상된다. 즉, 적절한 이산화탄소의 공급은 원예작물 재배 시 가장 중요한 요인 중 하나이다.
그런데, 겨울철 하우스 시설 내에서 작물을 재배할 때에는 환기가 매우 제한적이므로, 밀폐된 재배환경에서 광합성에 의한 이산화탄소의 일방적인 소모로 하우스시설 내의 이산화탄소 농도가 감소하게 된다. 이에 따라, 이산화탄소의 농도는 작물의 탄산가스 보상점보다 낮아질 수 있으며, 작물의 생육에 제한요인이 되는 문제점이 있었다.
상술한 문제점을 감안하여, 종래에는, 원예작물의 재배 시 액화 탄산을 공급하는 장치나 연소기를 이용하는 장치를 사용하여 이산화탄소를 공급하는 방식이 사용되어 왔다.
이들 중 액화 탄산을 공급하는 장치는 액화 탄산(liquefied carbon dioxide)을 직접 작물을 재배하는 하우스 내부에 공급하는 장치인데, 액화 탄산은 가격이 비싸므로 경제적인 측면에서 효율성이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 연소기를 이용하는 종래의 장치는, 보일러나 내연기관 등의 연소기기에서 나오는 배기가스를 작물에 공급하는 장치인데, 상술한 보일러나 내연기관과 같은 연소기기를 가동하게 되면, 화석 연료가 고온 연소함으로 인해 작물의 광합성과 생장에 장애가 되는 NOx, HC(탄화수소), CO(일산화탄소) 등의 유해 배기가스가 발생하게 되는 문제점이 있다.
이에 출원인은, 특허문헌 1과 특허문헌 2에서 제공하는 탄산가스 발생장치를 발명한 바 있다. 이는 촉매를 이용하여 탄소 연료를 희박 조건에서 중온 연소함으로써, NOx, HC, CO 등의 유해 배기가스를 획기적으로 줄인 것이었다. 그러나, 상기 탄산가스 발생장치는, 초기 점화 작동으로부터 안정적인 운전 상태에 이르는 시간(소위 워밍업)이 빠르지 않고, 과열 방지 구조가 상대적으로 복잡하며, 점화된 혼합기의 열이 연료 공급 라인으로 전달되는 현상(소위 백파이어)을 물리적으로 차단하는 구조는 아니었다.
등록특허공보 제1652876호 등록특허공보 제1875526호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 워밍업이 빠른 탄산가스 발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 과열 방지 구조가 간단하고, 과열 방지 구조가 완전 연소에도 기여하는 탄산가스 발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 사용자의 화상 위험 및 연료의 폭발 위험으로부터 안전한 탄산가스 발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 연료를 연소시켜 탄산가스를 발생시키되 다음과 같은 특징을 가지는 탄산가스 발생장치(4)를 제공한다.
상기 탄산가스 발생장치는: 연소챔버(10); 상기 연소챔버(10)에 공기를 공급하는 공기공급부; 상기 연소챔버(10)에 연료를 공급하는 연료공급부; 및 공급된 상기 공기와 연료의 혼합기를 연소시키는 연소챔버(10);를 구비할 수 있다.
상기 연소챔버(10):는 기체 유동 방향을 따라 일측에 흡기공(111)이 구비되고 타측에 배기공(112)이 구비된 챔버부재(11); 상기 챔버부재(11) 내에 마련되고, 상기 공기공급부와 연료공급부가 흡기공(111)을 통해 챔버부재(11) 내부로 공급한 공기와 가스를 혼합하는 혼합공간(113); 상기 챔버부재(11) 내에서, 상기 혼합공간(113)보다 기체 유동 방향의 하류에 배치되는 제1촉매(12); 상기 챔버부재(11) 내에서, 상기 제1촉매(12)보다 기체 유동 방향의 하류에 배치되는 연소공간(114); 상기 연소공간(114)에 배치되는 점화장치(13); 상기 챔버부재(11) 내에서, 상기 연소공간(114)보다 기체 유동 방향의 하류에 배치되는 제2촉매(14); 및 상기 챔버부재(11) 내에서, 상기 제2촉매(14)보다 기체 유동 방향의 하류에 배치되는 배기공간(115);을 구비할 수 있다.
상기 연료공급부는 상기 챔버부재(11)의 흡기공(111) 쪽에 배치되는 연료공급관(41)을 포함할 수 있다. 상기 연료는 기체 연료일 수 있다.
상기 챔버부재(11)에 의해 규정되는 기체 유동 방향은 직선 형태일 수 있다.
상기 기체 유동 방향은 수평 방향일 수 있다.
상기 제1촉매(12)는 금속 촉매일 수 있다. 상기 금속 촉매는, 페크랄로이(Fecralloy)일 수 있다. 상기 금속 촉매는, 철(Fe), 크롬(Cr), 알루미늄(Al)을 포함하는 합금일 수 있다.
상기 제1촉매(12)는 상기 챔버부재(11)의 유동 단면과 대응하는 단면을 가지고 상기 챔버부재(11)의 내주면에 접하도록 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1촉매(12)의 열은 챔버부재(11)로 빠르게 전도될 수 있다.
상기 제1촉매(12)는, 화염은 관통 전달되지 않고 기체가 유동할 수 있으며 기체와의 접촉 면적을 확장시킨 다공성 구조일 수 있다. 상기 제1촉매(12)는 폼(foam) 형태를 포함할 수 있다. 상기 제1촉매(12)는 허니컴 또는 메쉬 형태를 포함할 수 있다. 상기 제1촉매(12)의 공극은 일종의 단열 층(porous)을 형성할 수 있다.
상기 점화장치(13)는 상기 제1촉매(12)와 상기 제2촉매(14) 중 상기 제1촉매(12)에 더 인접하여 배치될 수 있다.
상기 제1촉매(12)는 공연비(λ) 2.8 내지 3.5의 초희박 연소가 가능하도록 연소 반응을 촉진해준다. 이에 따라, 연소 온도가 과도하게 상승하지 않도록 할 수 있고, 초기 시동성이 향상되며, 워밍업 시간이 단축된다. 상기 혼합기가 제1촉매(12)의 일측에서 연소되는 온도는 섭씨 800 도 내지 950 도 일 수 있다. 바람직하게는, 상기 공연비는 약 3.0 정도이고, 연소 온도는 섭씨 950 도 일 수 있다. 연소 온도가 950도에 가까울수록 HC와 CO의 발생이 더 억제될 수 있다.
상기 연소공간(114)은 제1촉매(12)보다 기체 유동의 하류에 배치되고, 상기 제1촉매(12)는 화염이 기체 유동의 상류로 번지는 현상을 물리적으로 차단하므로, 화염의 역류(소위 백파이어) 현상을 원천 차단할 수 있다.
상기 제2촉매(14)는 세라믹 촉매를 포함할 수 있다.
상기 제2촉매(14)는 상기 제1촉매(12)에서 미쳐 완전 연소되지 못하여 발생한 HC와 CO를 후처리하여 H2O와 CO2로 만든다. 상기 제2촉매(14)는 약 섭씨 600도 정도를 유지할 수 있다.
상기 제2촉매(14)는 상기 챔버부재(11)의 유동 단면과 대응하는 단면을 가지고 상기 챔버부재(11)의 내주면에 접하도록 설치될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2촉매(14)의 열은 챔버부재(11)로 빠르게 전도될 수 있다.
상기 탄산가스 발생장치는, 상기 연소챔버(10)를 둘러싸는 하우징(20)을 더 포함할 수 있다.
상기 하우징(20)은: 상기 챔버부재(11)와 이격된 상태로 상기 챔버부재(11)를 덮는 챔버커버 부재(21); 상기 챔버커버 부재(21)의 일측에 연결되고, 상기 챔버부재(11)의 흡기공(111)과 이격된 상태로 상기 흡기공(111)을 덮는 흡기단부 부재(22); 상기 챔버커버 부재(21)의 타측과 상기 챔버부재(11)의 타측에 연결되어, 상기 챔버부재(11)와 상기 챔버커버 부재(21) 사이의 이격된 공간을 마감하여 막고 상기 챔버부재(11)의 배기공(112)은 노출시키는 배기단부 부재(23); 및 상기 하우징(20) 외부와 상기 챔버부재(11)와 상기 챔버커버 부재(21) 사이의 이격된 공간을 통하도록 연결하는 공기유입구(24);를 포함할 수 있다.
상기 공기유입구(24)는 상기 배기단부 부재(23) 또는 상기 배기단부 부재(23)와 인접한 챔버커버 부재(21)에 배치되고, 상기 챔버부재(11)와 챔버커버 부재(21) 사이의 이격된 공간은 상기 공기유입구(24)를 통해 유입된 공기가 유동하는 공기유동공간(32)을 구성하며, 상기 공기유입구(24)를 통해 유입된 공기는 상기 공기유동공간(32)을 지나 상기 연소챔버(10)의 흡기공(111)으로 유입될 수 있다.
상기 공기유동공간(32)은 상기 제1촉매(12)와 제2촉매(14)와 대응하는 챔버부재(11)의 외부 공간을 포함할 수 있다. 상기 공기유동공간(32)의 공기는 제2촉매(14)와 대응하는 챔버부재(11) 부위로부터 열을 전달받아 가열되고, 이어서 연소공간(114)과 대응하는 챔버부재(11) 부위로부터 열을 전달받아 가열되며, 이어서 제1촉매(12)와 대응하는 챔버부재(11) 부위로부터 열을 전달받아 가열될 수 있다.
상기 공기유동공간(32)을 유동하는 공기는, 챔버부재(11)로부터 열을 흡수하여 섭씨 60도 내지 80도 정도로 승온된다. 승온된 공기는 초희박 혼합기의 연소 반응을 촉진하므로, 완전 연소를 촉진한다. 또한 상기 공기유동공간(32)에는 지속적으로 공기가 흐르므로, 챔버부재(11)의 열이 하우징(20)으로 전달되는 정도를 더 감소시킬 수 있다. 즉 상기 공기유동공간(32)과, 이를 흐르는 공기는 열을 차단하는 기능을 한다.
상기 챔버부재(11)와 챔버커버 부재(21) 사이의 이격된 공간에는, 상기 연소챔버(10)와 상기 하우징(20)을 연결하고 고정하는 지지프레임(25)이 구비될 수 있다. 상기 지지프레임(25)은 상기 챔버부재(11)와 챔버커버 부재(21) 사이의 이격된 공간 내에서 타측으로부터 일측으로 공기의 유동을 허용할 수 있다.
상기 연료공급부는, 상기 흡기단부 부재(22)에 마련된 연료공급공(211)을 관통하고 상기 흡기단부 부재(22)에 고정되는 연료공급관(41)을 포함할 수 있다.
상기 연료공급관(41)은 연료 탱크(2)와 연결될 수 있다. 상기 연료 탱크(2)는 상기 탄산가스 발생장치(4)와 호스(3)로 연결되어, 상호 이격된 위치에 마련될 수 있다. 상기 탄산가스 발생장치가 설치되어 탄산가스가 공급되는 공간, 가령 온실(1)과 구획된 별도의 공간에 마련될 수 있다.
상기 공기공급부는 공기의 유동을 일으키는 팬(31)을 포함할 수 있다.
상기 팬(31)은 공기유입구(24)에 마련될 수 있다.
상기 팬(31)은 상기 공기유동공간(32)에 마련될 수 있다.
상기 챔버커버 부재(21)는 상기 챔버부재(11)에 의해 규정되는 직선의 기체 유동 방향과 나란한 방향으로 연장될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1촉매에 의해 초 희박 연소가 가능하므로, 혼합기의 연소 온도를 낮출 수 있어 NOx의 발생을 억제할 수 있고, HC와 CO의 발생을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1촉매의 하류측에서 제1촉매를 거친 혼합기를 점화하므로, 초기 시동성이 좋고, 워밍업이 빠르다.
본 발명에 따르면, 점화장치에 의해 제1촉매의 하류에서 발생한 화염이 제1촉매보다 상류로 역류하는 것을 물리적으로 차단할 수 있다.
본 발명에 따르면, 혼합기를 연소 챔버에 공급하기 위한 공기 유동 경로가 챔버부재를 둘러싸므로, 챔버부재의 열이 하우징으로 전달되는 현상을 최소화할 수 있고, 혼합기 이전에 공기를 충분히 승온하여 연소 반응을 촉진할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1촉매를 거친 혼합기가 연소 공간에서 미처 완전 연소되지 못하여 발생한 HC와 CO를 제2촉매에서 완전히 후처리함으로써, 유해가스 배출을 방지하고 탄산가스 발생율을 최대화할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 실시예의 탄산가스 발생장치를 연소챔버의 배기 쪽에서 바라본 사시도이다.
도 2는 도 1의 탄산가스 발생장치를 연소챔버의 흡기 쪽에서 바라본 사시도이다.
도 3과 도 4는 각각 도 1과 도 2의 분해사시도이다.
도 5와 도 6은 각각 도 1의 탄산가스 발생장치의 평면도와 평면단면도이다.
도 7은 본 발명의 탄산가스 발생장치를 온실에 설치한 상태를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 다양한 변경을 가할 수 있고 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 어느 하나의 실시예의 구성과 다른 실시예의 구성을 서로 치환하거나 부가하는 것은 물론 본 발명의 기술적 사상과 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께가 과장되게 크거나 작게 표현될 수 있으나, 이로 인해 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 될 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예나 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 그리고 단수의 표현은, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이다. 즉 명세서에서 ~포함하다, ~이루어진다 등의 용어는. 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들이 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에 있다"거나 "하부에 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 바로 위에 배치되어 있는 것뿐만 아니라 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 도 1 내지 도 6을 참조하여, 실시예의 탄산가스 발생장치(4)에 대해 설명한다. 탄산가스 발생장치(4)는 연료를 연소시키는 연소챔버(10)와, 상기 연소챔버를 보호하는 하우징(20)과, 상기 연소챔버(10)에 공기와 연료를 각각 공급하는 공기공급부 및 연료공급부를 포함한다.
상기 연소챔버(10)에서 연소되는 연료는 LPG, LNG와 같은 기체 연료일 수 있다. 그러나 본 발명이 액체 연료 및 고체 연료의 사용을 배제하는 것은 아니다.
하우징(20)은 수평으로 곧게 연장되는 원통형의 형상을 가진다. 상기 하우징(20)은 챔버커버 부재(21), 상기 챔버커버 부재(21)의 일측 단부에 마련되는 흡기단부 부재(22) 및 상기 챔버커버 부재(21)의 타측 단부에 마련되는 배기단부 부재(23)를 포함한다.
상기 챔버커버 부재(21)는 원통형의 실린더 형상이며, 일측에 점화장치(13)가 관통하는 홀이 마련된다.
상기 흡기단부 부재(22)는 원형의 평판이며, 중앙부에 연료공급공(211)이 마련된다. 상기 연료공급공(211)에는 연료공급부를 구성하는 연료공급관(41)이 관통 설치된다.
상기 배기단부 부재(23)는 둥근 링 형상의 평판이며, 그 중앙부를 통해 연소챔버(10)의 배기공(112)이 노출된다.
연소챔버(10)는 수평으로 곧게 연장되는 챔버부재(11)를 포함한다. 챔버부재(11)는 일측 단부와 타측 단부가 모두 개방된 원통형의 형상일 수 있다. 챔버부재(11)의 일측 단부는 흡기공(111)을 구성하고, 타측 단부는 배기공(112)을 구성한다. 즉 연료와 공기는, 상기 챔버부재(11)의 일측 단부로 유입되고, 내부에서 연소된 후, 타측 단부로 배출될 수 있다. 상기 챔버부재(11)의 연장 방향은, 상기 챔버부재(11)의 흡기공(111)으로 유입된 공기와 연료의 혼합기가 배기공(112)으로 배출되기까지 유동하는 경로, 즉 기체 유동 경로를 규정한다.
챔버부재(11)가 반드시 수평으로 뻗는 직선 형태로 연장될 필요는 없다. 가령, 본 발명은, 챔버부재(11)가 수직하게 뻗는 직선 형태이거나, "ㄱ"자, "ㄷ"자 형태와 같이 굽은 형태인 것을 배제하지 않는다.
상기 챔버커버 부재(21)는 상기 챔버부재(11)와 이격 배치될 수 있다. 또한 상기 챔버커버 부재(21)는 상기 챔버부재(11)에 대해 고정된 상태를 유지할 수 있다. 일 예로 상기 챔버커버 부재(21)와 챔버부재(11)는 지지프레임(25)을 통해 상호 이격된 상태를 유지하며 고정될 수 있다. 상기 챔버커버 부재(21)는 상기 챔버부재(11)의 적어도 일부를 둘러싸서, 상기 챔버부재(11)가 외부로 노출되지 않도록 할 수 있다. 이에 따라, 혼합기의 연소에 의해 고온으로 상승하는 상기 챔버부재(11)에 의해 발생할 수 있는 사고를 미연에 방지할 수 있다.
상기 챔버커버 부재(21)는 상기 챔버부재(11)의 연장 방향과 대응하도록 연장된다. 즉 상기 챔버커버 부재(21)는 상기 챔버부재(11)와 대응하는 형상을 하되 그보다 더 큰 형상일 수 있다. 실시예에서는 챔버커버 부재(21)가 챔버부재(11)와 같은 원통 형상이지만, 그보다 더 직경이 큰 형상인 구조를 예시한다.
상기 챔버부재(11)가 앞서 설명한 바와 같이 "ㄱ"자, "ㄷ"자 형태와 같이 굽은 형태일 경우, 상기 챔버커버 부재(21) 역시 이와 대응하되 보다 직경 또는 크기가 큰 "ㄱ"자, "ㄷ"자 형태의 통체일 수 있다.
상기 챔버부재(11)의 일측에 마련된 흡기공(111)은 상기 하우징(20) 외부의 공간으로는 노출되지 않고, 상기 하우징(20) 내부의 공간으로 노출된다. 상기 하우징(20)의 흡기단부 부재(22)는, 상기 챔버커버 부재(21)의 일측에 연결되어 하우징(20)의 내부 공간과 외부 공간을 구획하되, 상기 챔버부재(11)의 일측 단부와는 소정 간격 이격되어 배치된다. 따라서 상기 챔버부재(11)의 일측에 마련된 흡기공(111)은 하우징(20) 내부 공간과 연결되고 서로 통하게 된다.
상기 흡기단부 부재(22)를 관통하여 설치된 연료공급관(41)의 연료 분사 노즐은 상기 챔버부재(11)의 흡기공(111)을 바라보도록 배치된다.
상기 챔버부재(11)의 타측에 마련된 배기공(112)은 상기 배기단부 부재(23)를 통해 하우징(20)의 외부 공간으로 노출된다.
상기 하우징(20)에는, 상기 하우징 외부의 공기를 상기 하우징 내부로 유입시키는 통로가 되는 공기유입구(24)가 마련된다. 상기 공기유입구(24)는 상기 하우징(20)의 타측에 마련된다. 상기 공기유입구(24)는 도시된 바와 같이 상기 챔버커버 부재(21)의 타측 단부에 복수 개 마련될 수 있다. 실시예에서는 2 개의 공기유입구(24)가 하우징의 중심에 대해 서로 대향하여 배치된 구조가 예시된다.
상기 공기유입구(24)가 반드시 챔버커버 부재(21)에 배치되어야 하는 것은 아니다. 상기 공기유입구(24)는, 가령 상기 배기단부 부재(23)에 배치될 수도 있다.
상기 공기유입구(24)에는 공기공급부로서 팬(31)이 설치될 수 있다. 상기 팬(31)은 하우징(20) 외부의 공기를 하우징(20) 내부로 가압하며 유입시킨다. 하우징 내부로 유입된 공기는, 상기 챔버커버 부재(21)와 챔버부재(11) 사이의 이격된 공간인 공기유동공간(32)을 통해 탄산가스 발생장치(4)의 타측에서 일측으로 유동한다. 그리고, 상기 흡기단부 부재(22)의 내면에 부딪히며 유동 방향이 변경되어 상기 챔버부재(11)의 흡기공(111)을 통해 상기 챔버부재(11)에 유입된다.
상기 공기유동공간(32)을 통해 흐르는 공기는, 상기 챔버부재(11)의 열을 흡수하여 유동하므로, 상기 챔버부재(11)의 열이 챔버커버 부재(21)로 전달되는 것을 어느 정도 차단해준다. 또한 상기 공기유동공간(32)을 통해 흐르는 공기는 챔버부재(11)로부터 열을 전달받아 가열되어 그 온도가 상승한다.
상기 공기유동공간(32)은, 하우징(20) 내에서 상기 챔버부재(11)의 배기측으로부터 흡기측으로 챔버부재(11)의 연장 방향을 따라 챔버부재(11)의 표면을 타고 거슬러 올라가는 공기 유동 경로를 제공한다. 상기 지지프레임(25)은 상기 공기유동공간(32)에 배치되되, 상기 공기유동공간(32)의 공기 유동을 저해하지 않도록 설치될 수 있다.
상기 팬(31)은 챔버부재(11)의 열의 영향을 최대한 덜 받는 위치에 설치되도록 하여, 팬을 구동하는 모터의 내부에 설치된 자석의 자력이 줄어드는 현상을 방지함으로써, 팬의 구동 속도를 일정하게 유지할 수 있도록 한다. 이에 따라 공기의 유동량을 충분히 확보할 수 있다.
상기 연료공급관(41) 역시 상기 챔버부재(11)의 흡기공(111)을 향해 기체 상의 연료, 즉 가스를 분사한다. 따라서 흡기공(111)으로부터 유입되는 공기와 가스는, 챔버부재(11) 내에서 혼합되어 혼합기가 된다.
상기 챔버부재(11)는 일측에서 타측으로 혼합기의 유동을 안내한다. 상기 챔버부재(11) 내에는, 일측에서 타측으로, 흡기공(111), 혼합공간(113), 제1촉매(12), 연소공간(114), 제2촉매(14), 배기공간(115) 및 배기공(112)의 순으로 소정의 공간과 촉매가 배열된다.
상기 혼합공간(113)은 상기 흡기공(111)을 통해 유입된 공기와 연료 가스가 혼합되는 공간이다. 도시하지 아니하였으나, 상기 혼합공간(113)에 해당하는 챔버부재(11)의 내면에는 공기와 연료가 서로 잘 혼합되도록 스월(swirl)을 일으키는 형상이 더 마련될 수도 있다.
상기 혼합공간(113)을 거친 혼합기는, 상기 제1촉매(12)를 거쳐 유동한다. 상기 제1촉매(12)는 다공질의 금속촉매일 수 있다. 상기 금속촉매는 철(Fe)이 70 내지 74 중량부, 크롬(Cr)이 21 내지 23 중량부, 알루미늄(Al)이 4 내지 6 중량부 포함된 합금 재질일 수 있다. 상기 제1촉매(12)는 메쉬 형태이거나 허니컴 형태일 수 있다.
상기 제1촉매(12)는 상기 챔버부재(11)의 내주면과 대응하는 외주면을 가진다. 즉 상기 제1촉매(12)는 상기 챔버부재(11)의 내주면에 밀착 설치될 수 있다. 이에 따라, 혼합기는 상기 제1촉매(12)를 우회하지 못하고, 상기 제1촉매(12)의 다공질의 공간을 통과하며 상기 제1촉매와 접할 수 있다. 상기 제1촉매(12)는 상기 연료의 착화 온도 내지 연소 온도의 턱 값(threshold)을 낮출 수 있다. 또한 상기 제1촉매(12)는 섭씨 1400도 정도까지 그 온도가 상승하여도 용융되지 않을 정도로 녹는점이 높을 수 있다.
상기 제1촉매(12)의 다공질은, 혼합기는 통과시키면서도, 혼합기가 연소되면서 발생하는 화염은 통과시키지 않는 구조일 수 있다. 즉 상기 제1촉매(12)는 화염의 전파를 물리적으로 차단할 수 있다.
상기 제1촉매(12)를 거친 혼합기는 연소공간(114)에 유입된다. 연소공간(114)에는 제1촉매(12)를 거친 혼합기가 가득하다.
상기 연소공간(114)에는 혼합기의 점화를 위해 필요한 점화장치(13)가 마련된다. 상기 점화장치(13)는 고전압에 의해 스파크를 일으키는 불꽃 점화기일 수 있다. 점화장치(13)는 상기 연소공간(114) 내에서 상기 제1촉매(12)에 인접 배치될 수 있다.
제1촉매(12)를 거친 혼합기는 상기 점화장치(13)에 의해 점화되면 연소가 시작되며, 한번 점화되어 연소가 된 이후로는 약한 불꽃이 유지되기 때문에 더 이상 점화장치(13)가 작동하지 않아도 무방하다. 제1촉매(12)를 거친 혼합기는 제1촉매(12)의 타측 단부 표면, 즉 공기유동방향의 하류측 표면에서 주로 연소된다. 상기 제1촉매(12)의 타측 단부 표면에는 노란 색을 띄는 잔잔한 화염이 일어날 수 있다. 그러나 상기 화염은 제1촉매(12)를 통해 일측 방향으로 전달되지는 않는다.
상기 제1촉매(12)에 의해 발화점이 낮아진 상기 혼합기는 섭씨 약 800도 내지 950도 정도의 온도를 유지하며 연소된다. 바람직하게는 상기 연소 온도는 약 섭씨 950 도 정도를 유지하도록 할 수 있다. 초기 점화시에도, 혼합기는 상기 제1촉매(12)를 거쳤기에, 발화 온도를 낮출 수 있고, 이에, 시동성이 크게 향상된다.
상기 혼합기의 공연비(λ)는 약 2.8 내지 3.5 정도이며 바람직하게는 3 정도인 초 희박 상태일 수 있다. 상기 제1촉매(12)에 상기 혼합기는 초 희박 상태에서도 연소가 가능하다. 이에 따라 연소 온도는 섭씨 950도를 넘지 않을 수 있다. 실시예는 이와 같은 중온 연소에 의해 상기 혼합기가 연소될 때 NOx가 발생하는 현상을 미연에 방지할 수 있다.
상기 제1촉매(12)의 타측 단부 표면에서 발생하는 미세한 화염은 제1촉매(12)를 타고 일측으로 전달되지 않는다. 즉 제1촉매(12)는 상기 화염이 흡입공 쪽으로 전달되지 않도록 물리적으로 차단하는 배리어(barrier)의 기능을 한다.
초 희박 연소에 의해, 일부 불완전 연소가 발생할 여지가 있다. 이는 HC 또는 CO와 같은 가스를 발생시킨다. 실시예에 따르면, 혼합기의 공기는 챔버부재의 외주면을 거치며 유동할 때 상기 챔버부재의 열을 흡수하여 가열된 상태로 챔버부재에 유입되어 혼합기를 구성한다. 따라서 초 희박 연소가 이루어지더라도 HC 또는 CO와 같은 가스를 발생시키는 현상을 최소화시킬 수 있다.
또한 실시예에 따르면, 제2촉매(14)를 상기 연소공간(114)의 하류에 배치하여, 상기 연소공간(114)에서 완전 연소되지 못하고 발생한 HC와 CO를 후처리한다.
상기 제2촉매(14)는 백금(Pt)에 세라믹을 담지한 다공질의 세라믹 촉매일 수 있다. 상기 제2촉매(14)의 다공질을 거치며, 연소공간(114)에서 연소된 가스에 일부 포함된 HC나 CO는 완전히 촉매 연소되어 CO2와 H2O로 변환된다. 제2촉매(14)는, 연소 가스의 우회를 허용하지 않도록, 상기 챔버부재(11)의 내주면에 밀착 설치된다.
상기 제2촉매(14)를 거치며 완전 연소되어 CO2와 H2O를 포함하는 배기가스는 배기공간을 거친다. 배기공간은 배기 가스가 외부 공기와 접하기 시작하는 공간으로서 배기가스 내의 수증기 분자가 응축하는 현상이 발생할 수 있다.
배기가스 내의 수증기가 모두 온실(1) 내부에 퍼지면, 온실(1) 내부의 공기가 지나치게 습해질 우려가 있다. 이에 실시예에서는 제2촉매(14)의 타측 단부보다 챔버부재(11)가 더 타측으로 연장되고, 챔버부재(11)의 타측 단부가 하우징(20) 외부로 노출되도록 한 구조를 제공한다. 필요에 따라 상기 챔버부재(11)의 타측 단부는, 배기 가스의 수증기를 응축시킬 수 있도록 냉각될 수 있다. 응축된 물방울은 상기 하우징 외부로 노출된 챔버부재(11)의 내주면을 타고 흘러내릴 수 있다.
상술한 탄산가스 발생장치(4)는 도 7에 도시된 바와 같이 수레 등에 설치된 상태로 온실(1)에 배치될 수 있다. 그리고 상기 탄산가스 발생장치는, 수평으로 배치될 수 있다. 상기 연료공급관(41)은 긴 호스(3)를 통해 연료 탱크(2)에 연결될 수 있다. 상기 연료 탱크(2)는 온실(1) 외부에 설치되어, 폭발 사고 등을 미연에 방지할 수 있다. 상기 탄산가스 발생장치는 구조가 간단하므로, 온실(1)의 천장에 설치되는 것 역시 가능하다.
상기 온실(1) 내에는 제어기(5)가 설치되어 상기 탄산가스 발생장치(4)의 작동을 제어할 수 있다. 상기 제어기(5)는 온실 내부의 온도와 습도와 이산화탄소의 농도를 측정하고, 이를 근거로 상기 탄산가스 발생장치(4)의 작동을 제어할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
1: 온실
2: 연료 탱크
3: 호스
4: 탄산가스 발생장치
5: 제어기
10: 연소챔버
11: 챔버부재
111: 흡기공
112: 배기공
113: 혼합공간
114: 연소공간
115: 배기공간
12: 제1촉매, 금속촉매(foam)
13: 점화장치(igniter)
14: 제2촉매, 세라믹촉매(다공성)
20: 하우징
21: 챔버커버 부재
22: 흡기단부 부재
211: 연료공급공
23: 배기단부 부재
24: 공기유입구
25: 지지프레임
31: 팬
32: 공기유동공간(단열, 흡기가열)
41: 연료공급관

Claims (8)

  1. 연료를 연소시켜 탄산가스를 발생시키는 탄산가스 발생장치로서, 상기 탄산가스 발생장치는:
    연소챔버(10);
    상기 연소챔버(10)에 공기를 공급하는 공기공급부;
    상기 연소챔버(10)에 연료를 공급하는 연료공급부; 및
    공급된 상기 공기와 연료의 혼합기를 연소시키는 연소챔버(10);를 구비하고,
    상기 연소챔버(10)는:
    기체 유동 방향을 따라 일측에 흡기공(111)이 구비되고 타측에 배기공(112)이 구비된 챔버부재(11);
    상기 챔버부재(11) 내에 마련되고, 상기 공기공급부와 연료공급부가 흡기공(111)을 통해 챔버부재(11) 내부로 공급한 공기와 가스를 혼합하는 혼합공간(113);
    상기 챔버부재(11) 내에서, 상기 혼합공간(113)보다 기체 유동 방향의 하류에 배치되는 제1촉매(12);
    상기 챔버부재(11) 내에서, 상기 제1촉매(12)보다 기체 유동 방향의 하류에 배치되는 연소공간(114);
    상기 연소공간(114)에 배치되는 점화장치(13);
    상기 챔버부재(11) 내에서, 상기 연소공간(114)보다 기체 유동 방향의 하류에 배치되는 제2촉매(14); 및
    상기 챔버부재(11) 내에서, 상기 제2촉매(14)보다 기체 유동 방향의 하류에 배치되는 배기공간(115);을 구비하는 것을 특징으로 하는 탄산가스 발생장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1촉매(12)는 철(Fe), 크롬(Cr), 알루미늄(Al)을 포함하는 합금 촉매를 포함하고,
    상기 제2촉매(14)는 세라믹 촉매를 포함하는, 탄산가스 발생장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1촉매(12)는, 화염은 관통 전달되지 않고 기체가 유동할 수 있으며 기체와의 접촉 면적을 확장시킨 다공성 구조를 포함하는, 탄산가스 발생장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄산가스 발생장치는, 상기 연소챔버(10)를 둘러싸는 하우징(20)을 더 포함하고,
    상기 하우징(20)은:
    상기 챔버부재(11)와 이격된 상태로 상기 챔버부재(11)를 덮는 챔버커버 부재(21);
    상기 챔버커버 부재(21)의 일측에 연결되고, 상기 챔버부재(11)의 흡기공(111)과 이격된 상태로 상기 흡기공(111)을 덮는 흡기단부 부재(22);
    상기 챔버커버 부재(21)의 타측과 상기 챔버부재(11)의 타측에 연결되어, 상기 챔버부재(11)와 상기 챔버커버 부재(21) 사이의 이격된 공간을 마감하여 막고 상기 챔버부재(11)의 배기공(112)은 노출시키는 배기단부 부재(23); 및
    상기 하우징(20) 외부와 상기 챔버부재(11)와 상기 챔버커버 부재(21) 사이의 이격된 공간을 통하도록 연결하는 공기유입구(24);를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄산가스 발생장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 공기유입구(24)는 상기 배기단부 부재(23) 또는 상기 배기단부 부재(23)와 인접한 챔버커버 부재(21)에 배치되고,
    상기 챔버부재(11)와 챔버커버 부재(21) 사이의 이격된 공간은 상기 공기유입구(24)를 통해 유입된 공기가 유동하는 공기유동공간(32)을 구성하며,
    상기 공기유입구(24)를 통해 유입된 공기는 상기 공기유동공간(32)을 지나 상기 연소챔버(10)의 흡기공(111)으로 유입되는 것을 특징으로 하는 탄산가스 발생장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 챔버부재(11)와 챔버커버 부재(21) 사이의 이격된 공간에는, 상기 연소챔버(10)와 상기 하우징(20)을 연결하고 고정하는 지지프레임(25)이 구비되고,
    상기 지지프레임(25)은 상기 챔버부재(11)와 챔버커버 부재(21) 사이의 이격된 공간 내에서 타측으로부터 일측으로 공기의 유동을 허용하는 것을 특징으로 하는 탄산가스 발생장치.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 연료공급부는, 상기 흡기단부 부재(22)에 마련된 연료공급공(211)을 관통하고 상기 흡기단부 부재(22)에 고정되는 연료공급관(41)을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄산가스 발생장치.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 챔버부재(11)에 의해 규정되는 기체 유동 방향은 직선 형태이며,
    상기 챔버커버 부재(21)는 상기 기체 유동 방향의 직선과 나란한 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 탄산가스 발생장치.
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