KR20220064225A - 저녹스 버너 - Google Patents

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KR20220064225A
KR20220064225A KR1020200150502A KR20200150502A KR20220064225A KR 20220064225 A KR20220064225 A KR 20220064225A KR 1020200150502 A KR1020200150502 A KR 1020200150502A KR 20200150502 A KR20200150502 A KR 20200150502A KR 20220064225 A KR20220064225 A KR 20220064225A
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air
venturi tube
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tube
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KR1020200150502A
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박장희
하도용
정용기
이진우
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엘지전자 주식회사
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Abstract

저녹스 버너가 개시된다. 개시된 저녹스 버너는 벤츄리관을 버너의 내부에 설치함으로써 공기 및 연료의 유량을 측정하며, 결론적으로 녹스를 저감하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는 블라스터 튜브의 내부에 공기를 유동시키는 제1 벤츄리관를 설치하고, 이를 통해 공기의 유량을 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는 메인 연료관의 내부에 연료를 유동시키는 제2 벤츄리관를 설치하고, 이를 통해 연료의 유량을 측정할 수 있다.

Description

저녹스 버너{Burner}
본 발명은 녹스(NOX)의 발생을 감소시키는 버너에 관한 것이다.
질소 산화물은 일반적으로 NO와 NO2　를 의미하며, 통상 녹스(NOX)로 호칭된다. NO는 무색 및 무취의 유독성 기체이다. NO2　는 가시광선의 흡수체로 보라색 내지 청색 같은 단파를 흡수하기 때문에 갈색을 띠며 부식성이 있고 강한 질식성 악취를 가지는 유독성 기체이다.
녹스는 화석 연료가 연소할 때 다량으로 발생된다. 녹스는, 연소용 공기 중의 질소가 고온에서 유리되어 연소용 공기 중의 질소 분자를 산화시켜 생성되는 Thermal NOX　와, 연료에 존재하는 질소 성분이 연소 과정에서 산화되어 생성되는 Fuel NOX와, 연소 시 연료에서 발생되는 탄화 수소기가 연소용 공기 중의 질소와 반응하여 생성되는 Prompt NOX 등으로 구별된다.
녹스의 가장 큰 피해는 광화학적 스모그 생성에 관여하는 것으로, 햇빛의 존재 하에 탄화수소와 반응하여 광화학적 산화물과 오존을 생성한다. 또한, 오존 이외에 PAN(Peroxyacetylnitrate) 등과 같은 스모그 공해 물질은 기침, 눈의 자극, 두통과 목에 심한 자극 등을 일으킨다.
이에 따라, 녹스를 저감시키기 위한 저감 기술들이 연구 및 개발되어 왔다.
한편, 종래의 대화력 흡수식 냉온수기는 칠러(chiller)로 호칭되며, 물을 일정 온도로 제어하고, 온도 제어된 물을 순환시켜 발열원을 냉각하거나 온도를 조절하는 장치를 의미한다. 특히, 물의 온도를 제어하기 위해 버너(burner)가 사용된다. 버너 역시 화석 연료를 연소하므로, 녹스를 저감시켜야 한다.
종래의 대화력 흡수식 냉온수기에 사용되는 버너는 난류 확산 화염 형태의 버너이다. 대기 환경 규제로 인해 410RT 이상의 버너를 사용하는 시대화력 흡수식 냉온수기는 "40ppm@O2 4%"의 규제를 만족하여야 한다.
버너 중 저녹스　버너는 연료와 산소가 결합하는 연소기 형태를 녹스의 생성을 억제할 수 있도록 개량한 버너이다. 저녹스 버너와 관련된 배경 기술로서, 대한민국 등록특허 제10-1697123호(발명 명칭: 저녹스 버너)가 있다.
한편, 종래의 저녹스 버너는 화염을 발생하기 위한 연료 및 공기의 양을 조절하여 화염의 온도를 낮춰서 녹스를 저감한다. 이 때, 연료의 양을 조절하기 위해 버터 플라이 밸브, 연료 조절 댐퍼 등과 같은 연료 조절부가 사용되고, 공기를 조절하기 위해 송풍 팬, 공기 조절 댐퍼 등과 같은 공기 조절부가 사용된다.
그런데, 연소 챔버의 부하가 변동 등이 발생되는 경우, 부하 변동되기 전에 설정된 연료의 양보다 적은 연료가 연소 챔버로 공급될 수 있고, 이 경우 공기가 과잉으로 공급될 수 있다. 따라서, 녹스가 다량으로 발생하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해, 종래 기술은 배기 벤트에 O2 센서를 장착하여 부하 변동에 따른 과잉 산소율을 피드백(feedback)하고, 피드백된 과잉 산소율에 기초하여 연료 조절부 및 공기 조절부의 동작을 제어한다. 하지만, 피드백 기법은 응답 속도가 낮아서 녹스가 다소 발생하는 문제점이 있다.
또한, 다른 종래 기술은 압력 센서를 이용하여 연소 챔버의 부하 변동을 측정한다. 하지만, 연료 및 공기의 유량이 동시에 변동되므로 정확한 과잉 공기량을 측정할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 녹스의 발생량을 현저하게 저감할 수 있는 저녹스 버너를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 공기의 유량 및 연료의 유량을 간단하고 정확하게 측정할 수 있는 저녹스 버너를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 피드 포워드(feed forward) 방식을 이용하여 공기의 유량 및 연료의 유량을 측정할 수 있는 저녹스 버너를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는 벤츄리관을 버너의 내부에 설치함으로써 공기 및 연료의 유량을 측정하는 것을 기술적 특징으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는 블라스터 튜브의 내부에 공기를 유동시키는 제1 벤츄리관를 설치하고, 이를 통해 공기의 유량을 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는 메인 연료관의 내부에 연료를 유동시키는 제2 벤츄리관를 설치하고, 이를 통해 연료의 유량을 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는 측정된 공기 및 연료의 유량에 기초하여 공기 유입량 및 연료 유입량을 조절함으로써 화염의 온도를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는, 일단이 연소실에 노출되고, 공기를 안내하는 튜브, 상기 튜브의 내부에 배치되어 상기 공기를 유동시키는 제1 벤츄리관, 상기 제1 벤츄리관 내부에 설치되고, 상기 공기의 유량을 센싱하기 위한 복수 개의 제1 센서, 상기 튜브의 내부에 배치되고, 화염을 발생하는 연료 포트가 형성된 제1 연료관 및 상기 복수 개의 제1 센서에서 센싱된 정보를 이용하여 상기 제1 벤츄리관 내부의 공기의 유량을 측정하는 프로세서부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는, 일단이 연소실에 노출되고, 공기를 안내하는 튜브, 상기 튜브의 내부에 배치되고, 화염을 발생하는 연료 포트가 형성된 제1 연료관, 상기 제1 연료관으로 연료를 공급하는 제2 연료관, 상기 제2 연료관 내부에 배치되어 상기 연료를 유동시키는 제2 벤츄리관, 상기 제2 벤츄리관 내부에 설치되고, 상기 연료의 유량을 센싱하기 위한 복수 개의 제2 센서 및 상기 복수 개의 제2 센서에서 센싱된 정보를 이용하여 상기 제2 벤츄리관 내부의 연료의 유량을 측정하는 프로세서부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 벤츄리관을 버너의 내부에 설치하여 공기 및 연료의 유량을 측정함으로써 적절한 혼합비를 가지는 공기 및 연료의 혼합 가스를 발생할 수 있고, 결론적으로 녹스의 발생량을 저감시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 벤츄리관 내부에 센서를 설치함으로써 피드 포워드 방식으로 공기 및 연료의 유량을 간단하고 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 측정된 공기 및 연료의 유량에 기초하여 공기 및 연료의 유입량을 조절함으로써 녹스의 발생량을 저감시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너의 사시도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너의 일부의 단면도를 도시한 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 버너 헤드의 일부의 사시도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 버너 헤드의 분해 사시도를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 버너 헤드의 단면 사시도를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드부의 사시도를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 화염 분할의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 촉진의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 재순환의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 벤츄리관 및 제2 벤츄리관의 사시도를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 벤츄리관 및 제2 벤츄리관의 단면 사시도를 도시한 도면이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
명세서 전체에서, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 각 구성요소는 단수일 수도 있고 복수일 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서는 첨부되는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 저녹스 버너를 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너의 사시도를 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너의 일부의 단면도를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는 버너 하우징(110) 및 버너 헤드(120)를 포함한다.
버너 하우징(110)은 저녹스 버너의 몸체를 구성한다. 버너 하우징(110)은 제1 버너 하우징(111) 및 제2 버너 하우징(112)를 포함한다. 제1 버너 하우징(111)과 제2 버너 하우징(112)은 내부가 서로 연결될 수 있다.
제1 버너 하우징(111)의 내부에는 공기 조절부(114)가 설치된다. 공기 조절부(114)는 버너 헤드(120)로 공급되는 외부의 공기의 유입량을 조절하는 구성 요소이다. 일례로, 도 2에 도시된 바와 같이, 공기 조절부(114)는 공기 조절 댐퍼일 수 있다. 공기 조절 댐퍼는 댐퍼 모터에 의해 구동되며, 공기 조절 댐퍼의 열림 각도에 따라 외부의 공기의 유입량이 결정된다.
제2 버너 하우징(112)의 내부에는 송풍팬(113)이 설치되고, 버너 헤드(120)의 일부분이 안착된다. 송풍팬(113)은 공기 조절부(114)에 의해 유입된 외부의 공기를 버너 헤드(120)로 공급하는 기능을 수행한다. 또한, 제2 버너 하우징(112)의 내부에는 연료를 공급하기 위한 구성 요소들이 배치될 수 있다.
버너 헤드(120)는 버너 하우징(110)와 결합되며, 화염을 발생한다. 버너 헤드(120)의 일단은 연소실(미도시)에 배치되어 연소실 내부로 화염을 발생한다.
버너 헤드(120)는 튜브 또는 블라스터 튜브(201)를 포함한다. 블라스터 튜브(201)는 일단이 연소실에 노출되고, 송풍팬(113)에서 공급된 공기를 연소실로 안내한다. 블라스터 튜브(201) 내에는 화염을 발생하기 위한 구성 요소들이 배치되며, 블라스터 튜브(201)의 형상에 기초하여 화염의 최종 형상이 결정된다.
블라스터 튜브(201) 내에는 하기에서 설명하는 메인 연료관(210)이 설치되고, 저녹스 버너는 메인 연료관(210)으로 연료를 공급하는 연료 조절부(115) 및 연료 밸브(116)를 포함할 수 있다. 특히, 연료 조절부(115)는 메인 연료관(210)로 공급되는 연료의 유입량을 조절하는 구성 요소이다. 일례로, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 조절부(115)는 연료 조절 댐퍼일 수 있다. 연료 조절 댐퍼는 댐퍼 모터에 의해 구동되며, 연료 조절 댐퍼의 열림 각도에 따라 연료의 유입량이 결정된다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 버너 헤드(120)의 일부의 사시도를 도시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 버너 헤드(120)의 일부의 분해 사시도를 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 버너 헤드(120)의 단면 사시도를 도시한 도면이다. 설명의 편의를 위해, 도 3에서는 블라스터 튜브(201) 및 제1 벤츄리관(310)를 도시하고 않았고, 도 4에서는 블라스터 튜브(201)를 도시하고 않았다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 버너 헤드(120)는 메인 연료관(210), 연료 챔버(220), 내부 연료관(230), 외부 연료관(240), 가이드부(250), 외부 디퓨저(260), 스월러(270), 위치 이동부(280), 이그나이터(291), 염검지봉(292), 제1 벤츄리관(310) 및 제2 벤츄리관(320)을 포함한다. 이 때, 도 3 내지 도 5에 도시된 상기 구성 요소들은 도 1 및 도 2에 도시된 블라스터 튜브(201)의 내부 공간에 배치된다.
메인 연료관(210)(즉, 제2 연료관)은 버너 헤드(120)로 연료를 공급한다. 메인 연료관(210)의 내부는 비어있고, 비어있는 내부 공간으로 연료가 유동할 수 있다. 연료는 기체 상태의 연료일 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 메인 연료관(210)은 L자 형상일 수 있다. 메인 연료관(210)의 적어도 일부는 블라스터 튜브(201) 내부에 배치될 수 있다. 메인 연료관(210)의 일단은 연료 챔버(220)의 타단과 연결될 수 있고, 메인 연료관(210)의 타단으로 연료가 공급될 수 있다.
한편, 메인 연료관(210)의 일단과 타단 사이에는 관통 홀(211)이 형성될 수 있다. 관통 홀(211)의 내부로 위치 이동부(280)가 삽입될 수 있다. 이는 아래에서 보다 상세하게 설명한다.
연료 챔버(220)는 메인 연료관(210)에서 공급된 연료를 내부 연료관(230) 및 외부 연료관(240)으로 전달 내지 공급한다. 연료 챔버(220)의 일단에서 내부 연료관(230) 및 외부 연료관(240)이 분기될 수 있고, 연료 챔버(220)의 타단은 메인 연료관(210)의 일단과 서로 결합된다. 일례로, 연료 챔버(220)의 타단은 메인 연료관(210)의 일단의 내부에 삽입될 수 있다.
연료 챔버(220)는 제1 연료 챔버(221) 및 제2 연료 챔버(222)를 포함한다. 제1 연료 챔버(221) 및 제2 연료 챔버(222)는 서로 결합될 수 있다. 제1 연료 챔버(221)는 연료 챔버(220)의 타단과 대응되고, 제2 연료 챔버(222)는 연료 챔버(220)의 일단과 대응될 수 있다.
제1 연료 챔버(221)는 제1 바디부(221a) 및 제1 연결부(221b)를 포함한다. 제1 연결부(221b)는 제1 바디부(221a)의 일단과 연결된다. 제1 바디부(221a)는 메인 연료관(210)의 일단의 내부에 삽입될 수 있다. 일례로, 메인 연료관(210)의 일단 및 제1 바디부(221a) 각각은 내부가 비어있는 원기둥 형상일 수 있다. 이 경우, 메인 연료관(210)의 일단과 대응되는 원기둥의 직경이 제1 바디부(221a)와 대응되는 원기둥의 직경보다 크며, 결론적으로 제1 바디부(221a)가 메인 연료관(210)의 내부로 삽입될 수 있다. 제1 연결부(221b)는 링 형상일 수 있으며, 아래에서 설명하는 제2 연결부(222b)와 결합된다.
한편, 제1 바디부(221a)의 측면에는 적어도 하나의 연결 홀(221c)이 형성될 수 있다. 연결 홀(221c)은 아래에서 설명하는 위치 이동부(280)과 제1 바디부(221a)를 연결하기 위해 사용될 수 있다. 이에 대해서는 아래에서 보다 상세하게 설명한다.
제2 연료 챔버(222)는 제2 바디부(222a) 및 제2 연결부(222b)를 포함한다. 제2 연결부(222b)는 제2 바디부(222a)의 타단과 결합된다. 제2 연결부(222b)는 제1 연결부(221b)와 연결된다. 따라서, 연료가 제1 연료 챔버(221)에서 제2 연료 챔버(222)로 전달 내지 공급된다.
제2 연결부(222b)는 제1 연결부(221b)와 유사하게 링 형상일 수 있다. 제2 바디부(222a)는 제2 연결부(222b)와 결합되며, 내부 연료관(230) 및 외부 연료관(240)을 분기하는 구성 요소이다. 제2 바디부(222a)의 측면에서 외부 연료관(240)이 분기될 수 있고, 제2 바디부(222a)의 일단에서 내부 연료관(230)이 분기될 수 있다.
내부 연료관(230) 및 외부 연료관(240)은 제1 연료관을 구성하며, 연료 챔버(220)에서 공급된 연료를 공급하는 기능을 수행한다. 내부 연료관(230)은 블라스터 튜브(201)의 중심부에 배치될 수 있고, 외부 연료관(240)은 블라스터 튜브(201)의 가장자리부에 배치될 수 있다.
내부 연료관(230)은 내부 화염을 발생시키기 위한 복수 개의 내부 연료 포트(231)를 포함한다. 복수 개의 내부 연료 포트(231) 각각에서 연료가 분사된다. 내부 연료 포트(231)는 내부 연료관(230)의 일단의 측면에 형성될 수 있다. 내부 연료 포트(231)의 연료 분사 방향은 내부 연료관(230)의 축과 수직한 방향일 수 있다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 8개의 내부 연료 포트(231)가 내부 연료관(230)의 일단의 측면에 형성될 수 있다.
한편, 내부 연료관(230)의 측면에는 가이드부(250), 이그나이터(291) 및 염검지봉(292)을 설치하기 위한 결합부를 포함할 수 있다.
외부 연료관(240)은 복수 개일 수 있다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 4개의 외부 연료관(240)이 블라스터 튜브(201)의 가장자리부에 방사상으로 배치될 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 4개 이상의 외부 연료관(240) 또는 2~3개의 외부 연료관(240)이 블라스터 튜브(201) 내에 배치될 수 있다.
복수 개의 외부 연료관(240) 각각은 외부 화염을 발생시키기 위한 복수 개의 외부 연료 포트(241)를 포함한다. 복수 개의 외부 연료 포트(241) 각각에서 연료가 분사된다. 복수 개의 외부 연료관(240) 각각에 대해, 외부 연료 포트(241)는 외부 연료관(240)의 일단의 측면에 형성될 수 있으며, 외부 연료 포트(241)의 연료 분사 방향은 외부 연료관(240)의 축과 수직한 방향일 수 있다. 일례로, 2개의 외부 연료 포트(241)가 대향하여 복수 개의 외부 연료관(240) 각각의 일단의 측면에 형성될 수 있으며, 외부 연료관(240)의 개수가 4개인 경우 8개의 외부 연료 포트(241)가 존재할 수 있다.
가이드부(250)는 내부 연료관(230)과 외부 연료관(240) 사이에 배치된다. 즉, 가이드부(250)의 내부에 내부 연료관(230)이 배치되고, 가이드부(250)의 외부(즉, 가이드부(250)와 블라스터 튜브(201)의 사이)에 외부 연료관(240)이 배치된다.
가이드부(250)는 블라스터 튜브(201)를 통해 안내된 공기를 내부 연료관(230)으로 전달 내지 공급하는 기능을 수행한다. 또한, 가이드부(250)는 내부 연료관(230)이 배치된 공간과 외부 연료관(240)이 배치된 공간을 구분짓는 기능을 수행한다. 따라서, 가이드부(250)를 통해 내부 화염과 외부 화염이 서로 다른 공간에서 발생할 수 있다.
가이드부(250)의 내부로 안내되는 공기는 내부 연료관(230)의 일단으로 공급되고, 내부 연료 포트(231)에서 분사되는 연료와 공기가 만나서 혼합되고, 혼합된 연료/공기가 점화되어 확산 화염인 내부 화염이 발생한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드부(250)의 사시도를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 일례로 가이드부(250)는 내부가 비어있는 원기둥 형상일 수 있다.
가이드부(250)의 타단으로 공기가 유입된다. 가이드부(250)의 일단은 뚫려있고, 가이드부(250)의 타단에는 내부 디퓨저(251)(즉, 제2 디퓨저)가 배치된다. 내부 디퓨저(251)는 가이드부(250)의 내부로 공기를 확산시킨다. 내부 디퓨저(251)는 전체적으로 링 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가이드부(250)의 일단의 크기는 가이드부(250)의 타단의 크기보다 클 수 있다. 이 때, 가이드부(250)의 일단과 가이드부(250)의 타단을 연결하는 단차부(252)가 가이드부(250)에 형성될 수 있다. 단차부(252)는 스월러(270)를 가이드부(250)의 내부에서 지지하는 기능을 수행한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부 디퓨저(251)는 가이드부(250)와 일체로 형성될 수도 있고, 가이드부(250)와 별개로 형성되어 가이드부(250)의 타단에 설치될 수 있다. 내부 디퓨저(251)는 중심부가 뚫려있고, 가장자리부에 복수 개의 제2 공기 홀(251a)이 형성된다. 일례로써, 복수 개의 제2 공기 홀(251a)은 가장자리부에서 방사상으로 형성될 수 있다.
내부 디퓨저(251)의 중심부로 내부 연료관(230)이 안착 내지 삽입될 수 있다. 복수 개의 제2 공기 홀(251a)은 공기를 통과시켜 가이드부(250)의 내부로 전달한다. 즉, 복수 개의 제2 공기 홀(251a)은 가이드부(250)의 내부로 공기를 확산한다. 내부 디퓨저(251)의 중심부의 직경은 내부 연료관(230)의 직경보다 다소 클 수 있다. 복수 개의 제2 공기 홀(251a) 각각은 동일한 크기(직경)을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가이드부(250)는 교체 가능할 수 있으며, 교체 후의 가이드부(250)의 제2 공기 홀(251a)의 크기는 교제 전의 가이드부(250)의 제2 공기 홀(251a)의 크기와 서로 다를 수 있다. 가이드부(250)를 교체함으로써 가이드부(250)의 내부로 공급되는 공기의 양이 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 공기 홀(251a)의 크기에 기초하여 내부 화염이 기 설정된 농도 이상인 과농으로 연소될 수 있다. 즉, 제2 공기 홀(251a)의 크기가 기 설정된 크기 이하인 경우, 제2 공기 홀(251a)로 통과하는 공기의 양이 감소하며, 이에 따라 내부 화염이 과농으로 연소될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 개의 제2 공기 홀(251a)의 크기의 총합은 가이드부(250)의 타단의 크기의 25% 이하일 수 있고, 이 경우 내부 화염이 과농으로 연소될 수 있다.
외부 디퓨저(260)(즉, 제1 디퓨저)는 블라스터 튜브(201)의 내부에 배치되고, 가이드부(250)의 일단 및 외부 연료관(240)의 일단을 안착시키고, 블라스터 튜브(201)의 내부로 안내된 공기를 가이드부(240)의 외부에서 확산한다. 확산된 공기는 외부 연료관(240)에 형성된 외부 연료 포트(241)로 전달 내지 공급된다.
외부 디퓨저(260)는 전체적으로 링 형상일 수 있다. 외부 디퓨저(260)의 중심부는 뚫려있고, 외부 디퓨저(260)의 중심부에 가이드부(250)의 일단이 안착 내지 삽입될 수 있다. 외부 디퓨저(260)의 가장자리부에는 외부 연료관(240)를 안착시키는 복수 개의 안착 홀(261) 및 공기를 통과시키는 복수 개의 제1 공기 홀(262)이 형성될 수 있다.
보다 상세하게, 도 4 및 도 5를 참조하면, 복수 개의 안착 홀(261) 각각의 내부로 복수 개의 외부 연료관(240)이 안착될 수 있다. 따라서, 외부 연료 포트(241)가 형성된 외부 연료관(240)의 일단은 외부 디퓨저(260)의 외부로 돌출되어 배치될 수 있고, 외부 연료 포트(241)가 외부 디퓨저(260)의 외부에 배치될 수 있다. 여기서, 외부 디퓨저(260)의 외부는, 외부 디퓨저(260)를 기준으로, 연료 챔버(220)가 배치되는 방향과 대향하는 방향이다.
복수 개의 제1 공기 홀(262)은 블라스터 튜브(201)에서 안내된 공기를 통과시킨다. 즉, 복수 개의 제1 공기 홀(262)은 공기를 확산하여 복수 개의 외부 연료관(240)으로 제공한다. 복수 개의 제1 공기 홀(262)은 외부 디퓨저(260)의 가장자리부에서 방사상으로 형성될 수 있다. 이 때, 복수 개의 제1 공기 홀(262)은 복수 개의 안착 홀(261) 사이에서 형성될 수 있다.
복수 개의 외부 연료관(240) 각각의 외부 연료 포트(241)에서 분사된 연료와 복수 개의 제1 공기 홀(262)로 통과한 공기가 만나서 혼합되고, 공기 및 연료의 혼합 가스가 점화되어 확산 화염인 외부 화염이 발생한다. 즉, 외부 화염은 외부 연료 포트(241)에서 분사된 연료 및 제1 공기 홀(262)로 통과한 공기에 의해 가이드부(250)의 일단의 외부에서 발생한다.
이 때, 외부 연료 포트(241)는 외부 연료관(240)의 측면에 배치되고, 제1 공기 홀(262)은 외부 연료관(240)의 축 방향으로 형성된다. 따라서, 외부 연료 포트(241)에서 분사된 연료와 제1 공기 홀(262)로 통과한 공기는 수직으로 교차하여 빠르게 공기 및 연료의 혼합 가스가 생성된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 공기 홀(262)의 크기에 기초하여 외부 화염이 기 설정된 농도 이하의 희박으로 연소될 수 있다. 즉, 제1 공기 홀(262)의 크기가 기 설정된 크기 이상인 경우, 제1 공기 홀(262)로 통과하는 공기의 양이 증가하여 외부 화염이 희박으로 연소될 수 있다.
스월러(270)는 공기와 연료가 신속하고 균일하게 혼합되도록 하여 공기 및 연료의 혼합 가스의 연소 반응을 촉진시키는 기능을 수행한다. 스월러(270)는 가이드부(250)의 일단의 내부에 설치되며, 내부 화염의 형상을 결정할 수 있다.
이 때, 상기에서 언급한 바와 같이, 가이드부(250)의 일단의 내부에 삽입된 스월러(270)는 단차부(252)와 접촉하여 지지된다. 따라서, 스월러(270)가 가이드부(250)의 내부에서 안전하게 장착될 수 있다.
스월러(270)의 중심부는 뚫려있고, 스월러(270)의 중심부로 내부 연료관(230)의 일단이 안착된다. 스월러(270)의 가장자리부에는 공기를 회전시키기 위한 복수 개의 날개부(271)가 형성된다.
보다 상세하게, 내부 연료 포트(231)가 형성된 내부 연료관(230)의 일단은 스월러(270)의 외부로 돌출되어 배치된다. 이 때, 날개부(271)의 형상에 따라 스월러(270)로 유입된 공기에 각운동량이 발생하고, 이에 따라 공기는 내부 연료관(230)의 축을 기준으로 가이드부(250)의 일단에서 회전된다. 따라서, 내부 연료 포트(231)에서 분사된 연료와 회전된 공기는 수직으로 교차하고, 연료와 공기가 빠르게 혼합될 수 있다. 그리고, 내부 화염은 공기 및 연료의 혼합 가스가 점화되어 가이드부(250)의 일단의 내부에서 발생할 수 있다.
위치 이동부(280)는 블라스터 튜브(201) 내에서의 외부 디퓨저(260)의 위치를 변경시키는 기능을 수행한다. 즉, 위치 이동부(280)는 블라스터 튜브(201)의 전후단으로 외부 디퓨저(260)를 이동시킨다.
보다 상세하게, 위치 이동부(280)는 이동 축(281) 및 돌기부(282)를 포함한다. 이동 축(281)은 길이 방향으로 연장되어 형성된다. 돌기부(282)는 이동 축(281)의 일단에 형성된다. 돌기부(282)는 적어도 하나일 수 있으며, 제1 바디부(221a)의 측면에 형성된 적어도 하나의 연결 홀(221c)과 결합할 수 있다.
이동 축(281)의 일부는 메인 연료관(210)의 일단과 타단 사이에 형성된 관통 홀(211)에 삽입되어 연료 챔버(220), 즉 제1 연료 챔버(221)와 연결된다. 이 때, 사용자의 외력이 이동 축(281)에 가해지는 경우(즉 위치 이동부(280)가 동작하는 경우), 연료 챔버(220)의 위치가 변경된다. 즉, 이동 축(281)으로 가해지는 외력에 의해 제1 연료 챔버(221)가 매인 연료관의 일단의 내부에서 이동한다. 연료 챔버(220)의 위치의 변경에 따라 외부 디퓨저(260)의 위치가 변경될 수 있다.
이그나이터(igniter)(291)는 혼합 가스를 점화시키는 기능을 수행한다. 이그나이터(291)는 제1 홀더(293)와 결합되며, 이그나이터(291)와 결합된 제1 홀더(293)는 내부 연료관(230)에 형성된 결합부에 결합될 수 있다.
염검지봉(292)은 내부 화염의 세기에 따라 자체 저항값이 변하여 전류량을 변화한다. 변화된 전류에 따라 내부 화염의 상태를 파악하여 저녹스 버너를 제어할 수 있다. 염검지봉(292)는 제2 홀더(294)와 결합되며, 염검지봉(292)와 결합된 제2 홀더(294)는 내부 연료관(230)에 형성된 결합부에 결합될 수 있다.
이 때, 저녹스 버너의 제어는 프로세서부(미도시)에서 수행될 수 있다. 프로세서부(미도시)는 저녹스 버너의 내부에 포함된다. 프로세서부는 중앙처리장치, 애플리케이션 프로세서, 또는 커뮤니케이션 프로세서 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있으며, 제어의 연산이나 데이터 처리를 실행할 수 있다.
상기한 내용을 참조하여 저녹스 버너의 화염 생성 동작을 설명하면 다음과 같다. 연료는 메인 연료관(210) 및 연료 챔버(220)를 통해 내부 연료관(230) 및 외부 연료관(240)으로 공급된다. 공기는 블라스터 튜브(201)로 안내되어 가이드부(250)의 내부 및 외부로 공급된다. 외부 연료 포트(241)에서 분사된 연료는 외부 디퓨저(260)에 형성된 제1 공기 홀(262)로 통과된 공기와 만난다. 가이드부(250)에 형성된 제2 공기 홀(251a)로 통과된 공기는 스월러(270)를 통과하여 내부 연료 포트(231)에서 분사된 연료와 만난다. 이그나이터(291)는 제1 공기 홀(262)로 유입된 공기에 기초하여 외부 연료 포트(241)에서 분사된 연료를 점화시키고, 이에 따라 외부 화염이 발생한다. 발생된 외부 화염 및 스월러(270)로 유입된 공기에 기초하여 내부 연료 포트(231)에서 내부 화염이 발생한다.
상기한 내용을 참조하여 저녹스 버너의 화염 생성 동작을 설명하면 다음과 같다. 연료는 메인 연료관(210) 및 연료 챔버(220)를 통해 내부 연료관(230) 및 외부 연료관(240)으로 공급된다. 공기는 블라스터 튜브(201)로 안내되어 가이드부(250)의 내부 및 외부로 공급된다. 외부 연료 포트(241)에서 분사된 연료는 외부 디퓨저(260)의 제1 공기 홀(262)으로 통해 공급된 공기와 만난다. 가이드부(250)의 제2 공기 홀(251a)을 통해 유입된 공기는 스월러(270)를 통과하여 내부 연료 포트(231)에서 분사된 연료와 만난다. 이그나이터(291)는 제1 공기 홀(262)로 유입된 공기에 기초하여 외부 연료 포트(241)에서 분사된 연료를 점화시키고, 이에 따라 외부 화염이 발생한다. 발생된 외부 화염 및 스월러(270)로 유입된 공기에 기초하여 내부 연료 포트(231)에서 내부 화염이 발생한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너의 일부 특징인 화염 분할, 혼합 촉진, 다단 연소 및 내부 재순환을 상세하게 설명한다.
1. 화염 분할
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 화염 분할의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 연료 챔버(220)에서 내부 연료관(230) 및 외부 연료관(240)이 분기된다. 이 때, 내부 연료관(230)은 저녹스 버너의 내부에서 내부 화염을 발생시키고, 외부 연료관(240)은 저녹스 버너의 외부에서 외부 화염을 발생시킨다. 따라서, 화염이 한 곳에서 집중적으로 발생하지 않고 분할되어 발생한다. 즉, 화염 분할은 내부 연료관(230)에 따른 내부 화염 및 외부 연료관(240)에 따른 외부 화염을 별도로 발생하는 것과 대응된다. 특히, 가이드부(250)를 통해 내부 화염과 외부 화염이 정확히 구분되어 발생할 수 있다. 이에 따라 화염의 온도가 낮아지며, 낮아진 화염의 온도에 따라 녹스의 발생량이 저감된다.
2. 혼합 촉진
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 촉진의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 내부 화염 및 외부 화염의 발생 조건에서, 연료의 분사 방향과 공기의 진행 방향은 서로 수직한다. 즉, 내부 연료 포트(231) 및 외부 연료 포트(241)는 내부 연료관(230) 및 외부 연료관(240)의 측면에 형성되고, 공기는 내부 연료관(230) 및 외부 연료관(240)의 축 방향으로 유동되므로, 분사된 연료와 공기는 수직하게 만난다. 따라서, 빠르게 연료와 공기가 혼합되는 혼합 촉진이 발생한다. 특히, 스월러(270)를 통해 공기가 내부 연료관(230)의 축을 기준으로 회전하므로 내부 화염을 발생하기 위한 연료 및 공기가 더욱 빠르게 혼합된다. 빠른 혼합을 통해 미연소 가스의 발생이 감소하며, 화염의 온도가 낮아져서 녹스의 발생량을 저감시킬 수 있다.
3. 다단 연소
내부 화염은 가이드부(250)의 내부에 설치된 내부 디퓨저(251)의 제2 공기 홀(251a)에서 공급되는 공기에 기초하여 발생하고, 외부 화염은 가이드부(250)에 외부에 설치된 외부 디퓨저(260)의 제1 공기 홀(262)에서 공급되는 공기에 기초하여 발생한다. 이 때, 제2 공기 홀(251a) 및 제1 공기 홀(262)의 크기와, 가이드부(250)의 배치를 이용하여 내부 화염은 과농하게 연소되고 외부 화염은 희박하게 연소하도록 제어될 수 있다. 따라서, 연소 반응 지연 효과가 발생할 수 있고, 이에 따라 연료를 대부분 연소시킬 수 있으며, 화염의 온도가 낮아지며, 결론적으로 녹스의 발생량을 저감시킬 수 있다.
4. 내부 재순환
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 재순환의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5, 도 7을 참조하면, 블라스터 튜브(201)의 일단을 기준으로, 내부 연료관(230)의 일단은 외부 연료관(240)의 일단보다 멀리 배치된다. 그리고, 내부 디퓨저(251)의 제2 공기 홀(251a)의 크기와 외부 디퓨저(260)의 제1 공기 홀(262)의 크기는 서로 다르다.
따라서, 도 9를 참조하면, 내부 연료관(230)으로 공급된 공기의 유속 및 외부 연료관(240)으로 공급된 공기의 유속 간의 차이와, 내부 연료관(230)의 일단 및 외부 연료관(240)의 일단의 배치 형태 중 적어도 하나에 기초하여, 스월러(270)와 인접한 외부 공간에서 제1 내부 재순환(810)이 발생한다. 특히 외부 디퓨저(260)와 스월러(270)가 인접하게 배치(즉, 외부 디퓨저(260)의 내부에 스월러(270)가 배치)됨으로써 제1 내부 재순환(810)이 더욱 현저하게 발생한다. 제1 내부 재순환(810)에 기초하여 내부 화염의 연소에서 발생하는 미연소 가스가 외부 화염의 연소에 사용되고, 화염의 온도가 낮아지며, 결론적으로 녹스의 발생량을 저감시킬 수 있다.
그리고, 도 9를 참조하면, 위치 이동부(280)를 통해 블라스터 튜브(201) 내에서 외부 디퓨저(260)의 위치가 이동될 수 있다. 이 때, 외부 디퓨저(260)의 위치 변경에 따라 제1 공기 홀(262)로 통과하는 공기의 유속이 변경되고, 변경된 유속에 기초하여 연소실(830)의 일단에서 반류가 발생하고, 반류에 따라 제2 내부 재순환(820)이 발생한다. 여기서, 연소실(830)의 일단은 연소실(830)의 타단과 반대쪽에 배치되고, 연소실(830)의 타단에서 블라스터 튜브(201)의 일단이 안착된다.
이러한 제1 내부 재순환(820) 및 제2 내부 재순환(820)에 따라 화염의 온도가 저감되며, 결론적으로 녹스의 발생량을 저감시킬 수 있다.
한편, 화염 분할, 혼합 촉진, 다단 연소 및 내부 재순환을 이용하여 화염의 온도를 낮추어서 녹스의 발생량을 저감한다 하더라도 연소 챔버(220)의 부하가 변동 등이 발생되는 경우, 부하 변동되기 전에 설정된 연료의 양보다 적은 연료가 연소 챔버(220)로 공급될 수 있고, 이 경우 공기가 과잉으로 공급될 수 있다. 따라서, 녹스가 다량으로 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 상기의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는 화염이 발생하기 전에 미리 공기의 유입량을 조절하거나 연료의 유입량 또는 분사량을 조절함으로써 적절한 온도의 화염을 발생하여 녹스를 저감할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 제1 벤츄리관(310) 및 제2 벤츄리관(320)을 포함한다. 이 때, 제1 벤츄리관(310) 및 제2 벤츄리관(320)은 저녹스 버너에 모두 포함될 수 있고, 어느 하나의 벤츄리관 만이 저녹스 버너에 포함될 수도 있다. 아래에서는 제1 벤츄리관(310) 및 제2 벤츄리관(320)은 저녹스 버너에 모두 포함된 실시예를 설명한다.
제1 벤츄리관(310)은 블라스터 튜브(201)의 내부에 설치되고, 내부에서 공기를 유동시킨다. 이 때, 제1 벤츄리관(310)은 블라스터 튜브(201)와 나사로 체결될 수 있다. 또는, 제1 벤츄리관(310)은 블라스터 튜브(201)와 하나의 구성 요소로 형성될 수도 있다.
보다 상세하게, 제1 벤츄리관(310)은 블라스터 튜브(201)의 타단의 내부에 배치되고, 제1 벤츄리관(310)에서 출력된 공기가 내부 연료관(231) 및 외부 연료관(241)의 외부로 공급된다. 즉, 제1 벤츄리관(310)에서 출력된 공기가 내부 디퓨저(251)에 형성된 제2 공기 홀(251a) 및 외부 디퓨저(260)에 형성된 제1 공기 홀(262)로 제공된다. 제1 벤츄리관(310)의 내부 공간에는 메인 연료관(210)의 적어도 일부 및 연료 챔버(220)의 적어도 일부가 배치될 수 있다.
제2 벤츄리관(320)은 메인 연료관(210)의 내부에 배치되며, 내부에서 공기를 유동시킨다. 이 때, 제2 벤츄리관(320)은 메인 연료관(210)과 나사로 체결될 수 있다. 또는, 제2 벤츄리관(320)은 메인 연료관(210)과 하나의 구성 요소로 형성될 수도 있다.
보다 상세하게, 제2 벤츄리관(320)은 메인 연료관(210)의 중단 또는 타단에 배치될 수 있으며, 제2 벤츄리관(320)에서 출력된 연료가 연료 챔버(220)의 내부로 공급된다. 즉, 제2 벤츄리관(320)에서 출력된 연료가 내부 연료관(230) 및 외부 연료관(340)로 제공된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 벤츄리관(310) 및 제2 벤츄리관(320)의 사시도를 도시한 도면이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 벤츄리관(310) 및 제2 벤츄리관(320)의 단면 사시도를 도시한 도면이다. 이 때, 제1 벤츄리관(310) 및 제2 벤츄리관(320)은 동일한 형상일 수 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 벤츄리관(310, 320)은 벤츄리 바디(1010) 및 벤츄리 튜브(1020)를 포함한다.
벤츄리 바디(1010)는 내부가 비어있는 원기둥 형상일 수 있으며, 벤츄리 바디(1010)의 내부에 벤츄리 튜브가 배치될 수 있다. 제1 벤츄리관(310)의 벤츄리 바디(1010)의 크기는 블라스터 튜브(201)의 크기보다 작은 크기를 가질 수 있고, 제2 벤츄리관(320)의 벤츄리 바디(1010)의 크기는 메인 연료관(210)의 크기보다 작은 크기를 가질 수 있다.
벤츄리 튜브(1020)는 공기 또는 연료를 유동시킨다. 벤츄리 튜브(1020)는 입구부(1021), 목부(neck)(1022) 및 출구부(1023)를 포함할 수 있다. 입구부(1021)로 공기 또는 연료가 유입되고, 출구부(1023)로 공기 또는 연료가 출력된다. 목부(1022)의 크기는 입구부(1021)의 크기 및 출구부(1023)의 크기보다 작다.
벤츄리관(310, 320)의 내부에는 복수 개의 센서(1025)가 설치될 수 있다. 보다 상세하게, 벤츄리관(310, 320)의 목부(1022)에 복수 개의 센서(1025) 중 일부의 센서(1025)가 설치될 수 있고, 벤츄리관(310, 320)의 출구부(1023)에 복수 개의 센서(1025) 중 나머지 센서(1025)가 설치될 수 있다. 한편, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 벤츄리관(310, 320)의 출구부(1023)를 대신하여 벤츄리관(310, 320)의 입구부(1021)에 상기 나머지 센서(1025)가 설치될 수도 있고, 벤츄리관(310, 320)의 입구부(1021) 및 출구부(1023) 모두에 상기 나머지 센서(1025)가 설치될 수도 있다.
센서(1025)를 설치하기 위해, 목부(1022) 및 출구부(1023) 각각에는 설치 홀(1024)이 형성될 수 있다. 설치 홀(1024)은 목부(1022) 또는 출구부(1023) 각각의 외주면을 관통하도록 형성될 수 있다. 센서(1025)는 설치 홀(1024)의 내부에 삽입되어 설치될 수 있다. 센서(1025)는 벤츄리관(310, 320) 내부에 유동되는 공기 또는 연료와 접촉할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 센서(1025)는 압력을 센싱하기 위한 압력 센서(1025)일 수 있다. 압력 센서(1025)는 압력을 측정하는 압력계의 일종으로, 측정 결과를 전기 신호로 변환하여 출력하는 압력계를 의미한다. 압력 감지기, 압력 검출기라고도 하며, 압력 정보를 전기 신호로 변환한다는 점을 강조하여 압력 변환기(pressure transducer)라고도 호칭된다.
따라서, 제1 벤츄리관(310)의 경우, 센서(1025)는 공기의 압력을 센싱하는 제1 압력 센서(1025)일 수 있다. 또한, 제2 벤츄리관(320)의 경우, 센서(1025)는 기체 상태의 연료의 압력을 센싱하는 제2 압력 센서(1025)일 수 있다.
센서(1025)에서 센싱된 정보(즉, 압력 정보)는 프로세서부(미도시)로 전달된다. 프로세서부는 전달된 정보를 이용하여 공기 내지 연료의 유량을 측정할 수 있다. 이 때, 베르누이의 정리가 사용될 수 있다. 또한, 프로세서부는 측정된 공기 내지 연료의 유량에 기초하여 공기 내지 연료의 유입량을 조절하도록 제어할 수 있다.
보다 상세하게, 베르누이의 정리는 유체가 흐르는 속도와 압력, 높이의 관계를 수량적으로 나타낸 법칙이다. 여기서, 베르누이의 정리는 유체의 위치 에너지와 운동 에너지의 합이 항상 일정하다는 성질을 이용한 것이다. 즉, 유체가 좁은 통로를 흐를 때, 속력이 증가하고 압력이 낮아지며, 유체가 넓은 통로를 흐를 때, 속력이 감소하고 압력이 높아진다.
베르누이의 정리를 이용한 공기 내지 연료의 유량의 측정은 다음과 같다.
먼저, 공기의 유량의 측정의 경우, 프로세서부는 제1 벤츄리관(310)의 목부(1022)에서 센싱된 목부(1022) 공기 압력을 일부의 제1 센서(1025)에서 수신하고, 제1 벤츄리관(310)의 출구부(1023)에서 센싱된 출구부(1023) 공기 압력을 나머지 일부의 제2 센서(1025)에서 수신한다. 그 후, 프로세서부는 목부(1022) 공기 압력과 출구부(1023) 공기 압력을 베르누이 방정식에 적용하여 제1 벤츄리관(310)의 내부로 유동되는 공기의 유량을 측정한다. 이는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Q는 제1 벤츄리관(310)으로 유동되는 공기의 유량, p1--는 목부(1022) 공기 압력, p2--는 출구부(1023) 공기 압력, ρ는 공기의 밀도, g는 중력 상수, h1는 목부(1022)에 존재하는 공기의 높이, h2는 출구부(1023)에 존재하는 공기의 높이, γ는 공기의 밀도와 관련되는 비중량, A1는 목부(1022)의 크기(직경), A2는 출구부(1023)의 크기(직경)을 각각 의미한다.
그 후, 프로세서부는 측정(예측)된 공기의 유량에 기초하여 공기 유입량을 조절하도록 공기 조절부(114)의 동작을 제어할 수 있다.
일례로서, 분사되는 연료와 대비할 때 측정된 공기의 유입량이 너무 많은 경우, 프로세서부는 공기의 유입량을 감소시키도록 공기 조절부(114)(즉, 공기 조절 댐퍼)를 제어할 수 있다. 즉, 프로세서부는 공기 조절 댐퍼의 각도를 증가시킬 수 있다.
다른 일례로서, 분사되는 연료와 대비할 때 측정된 공기의 유입량이 너무 적은 경우, 프로세서부는 공기의 유입량을 증가시키도록 공기 조절부(114)(즉, 공기 조절 댐퍼)를 제어할 수 있다. 즉, 프로세서부는 공기 조절 댐퍼의 각도를 감소시킬 수 있다.
다음으로, 연료의 유량의 측정의 경우, 프로세서부는 제2 벤츄리관(320)의 목부(1022)에서 센싱된 목부(1022) 연료 압력을 일부의 제2 센서(1025)에서 수신하고, 제2 벤츄리관(320)의 출구부(1023)에서 센싱된 출구부(1023) 연료 압력을 나머지 일부의 제2 센서(1025)에서 수신한다. 그 후, 프로세서부는 목부(1022) 연료 압력과 출구부(1023) 연료 압력을 베르누이 방정식에 적용하여 제2 벤츄리관(320)의 내부로 유동되는 공기의 유량을 측정한다. 이는 상기한 수학식 1과 동일한 수학식이 적용될 수 있다.
이 때, 상기한 수학식 1에서, Q는 제2 벤츄리관(320)으로 유동되는 공기의 유량, p1--는 목부(1022) 연료 압력, p2--는 출구부(1023) 연료 압력, ρ는 연료의 밀도, g는 중력 상수, h1는 목부(1022)에 존재하는 연료의 높이, h2는 출구부(1023)에 존재하는 연료의 높이, γ는 연료의 밀도와 관련되는 비중량, A1는 목부(1022)의 크기(직경), A2는 출구부(1023)의 크기(직경)을 각각 의미한다.
그 후, 프로세서부는 측정(예측)된 연료의 유량에 기초하여 연료 유입량을 조절하도록 연료 조절부(115)의 동작을 제어할 수 있다.
일례로서, 공급되는 공기와 대비할 때 측정된 연료의 유입량이 너무 많은 경우, 프로세서부는 연료의 유입량을 감소시키도록 연료 조절부(115)(즉, 연료 조절 댐퍼)를 제어할 수 있다. 즉, 프로세서부는 연료 조절 댐퍼의 각도를 증가시킬 수 있다.
다른 일례로서, 분사되는 연료와 대비할 때 측정된 연료의 유입량이 너무 적은 경우, 프로세서부는 연료의 유입량을 증가시키도록 연료 조절부(115)(즉, 연료 조절 댐퍼)를 제어할 수 있다. 즉, 프로세서부는 연료 조절 댐퍼의 각도를 감소시킬 수 있다.
한편, 제1 벤츄리관(310)과 제2 벤츄리관(320)이 모두 저녹스 버너에 설치되는 경우, 제1 벤츄리관(310)에 기초하여 측정된 공기의 유량 및 제2 벤츄리관(320)에 기초하여 측정된 연료의 유량에 기초하여 공기 조절부(114)의 공기의 유입량의 조절 및 연료 조절부(115)의 연료 유입량의 조절을 조합하여 제어할 수 있다.
요컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는 벤츄리관(310, 320)을 버너의 내부에 설치한다. 즉, 벤츄리관(310, 320)은 유량 측정 장치와 대응될 수 있다. 벤츄리관(310, 320)은 입구부(1021), 목부(1022), 출구부(1023)로 구성되며, 공기 또는 연료가 유동될 때, 목부(1022)에서의 압력과 출구부(1023)에서의 압력이 측정됨으로써 베르누이 방정식에서 따라 공기 또는 연료의 유량이 측정될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는 공기 및 연료의 유량을 연료의 점화 전에 직접적으로 측정할 수 있다(피드 포워드 방식).
다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는 블라스터 튜브의 내부에 공기를 유동시키는 제1 벤츄리관(310)를 설치하고, 이를 통해 공기의 유량을 측정할 수 있다. 따라서, 제1 벤츄리관(310)에 기초하여 과잉 공기량이 체크될 수 있으며, 이에 기초하여 저녹스 버너가 운전될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 저녹스 버너는 메인 연료관의 내부에 연료를 유동시키는 제2 벤츄리관(320)를 설치하고, 이를 통해 연료의 유량을 측정할 수 있다. 따라서, 제2 벤츄리관(320)에 기초하여 현재의 연소 부하가 체크될 수 있으며, 이에 기초하여 저녹스 버너가 운전될 수 있다.
결론적으로 벤츄리관(310, 320)을 저녹스 버너의 내부에 설치하여 공기 및 연료의 유량을 측정함으로써 적절한 혼합비를 가지는 공기 및 연료의 혼합 가스를 발생할 수 있고, 결론적으로 녹스의 발생량을 저감시킬 수 있다. 즉, 측정된 공기 및 연료의 유량에 기초하여 공기 및 연료의 유입량을 조절함으로써 녹스의 발생량을 저감시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 저녹스 버너 110: 버너 하우징
111: 제1 버너 하우징 112: 제2 버너 하우징
113: 송풍팬 114: 공기 조절부
115: 연료 조절부 116: 연료 밸브
120: 버너 헤드 201: 블라스터 튜브
210: 메인 연료관 211: 관통 홀
220: 연료 챔버 221: 제1 연료 챔버
221a: 제1 바디부 221b: 제1 연결부
221c: 연결 홀 222: 제2 연료 챔버
222a: 제2 바디부 222b: 제2 연결부
230: 내부 연료관 231: 내부 연료 포트
240: 외부 연료관 241: 외부 연료 포트
250: 가이드부 251: 내부 디퓨저
252: 단차부 251a: 제2 공기 홀
260: 외부 디퓨저 261: 안착 홀
262: 제1 공기 홀 270: 스월러
271: 날개부 280: 위치 이동부
291: 이그나이터 292: 염검지봉
293: 제1 홀더 294: 제2 홀더
810: 제1 내부 재순환 820: 제2 내부 재순환
830: 연소실 310: 제1 벤츄리관
320: 제2 벤츄리관 1010: 벤츄리 바디
1020: 벤츄리 튜브 1021: 입구부
1022: 목부 1023: 출구부
1024: 설치 홀 1025: 센서

Claims (18)

  1. 일단이 연소실에 노출되고, 공기를 안내하는 튜브;
    상기 튜브의 내부에 배치되어 상기 공기를 유동시키는 제1 벤츄리관;
    상기 제1 벤츄리관 내부에 설치되고, 상기 공기의 유량을 센싱하기 위한 복수 개의 제1 센서;
    상기 튜브의 내부에 배치되고, 화염을 발생하는 연료 포트가 형성된 제1 연료관; 및
    상기 복수 개의 제1 센서에서 센싱된 정보를 이용하여 상기 제1 벤츄리관 내부의 공기의 유량을 측정하는 프로세서부;를 포함하는, 저녹스 버너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 벤츄리관은 상기 튜브의 타단의 내부에 배치되고, 상기 제1 벤츄리관에서 출력된 공기가 상기 제1 연료관의 외부로 공급되는, 저녹스 버너.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 벤츄리관은 입구부, 목부 및 출구부를 포함하되,
    상기 제1 벤츄리관의 입구부에서 상기 공기가 유입되고, 상기 제1 벤츄리관의 출구부에서 상기 공기가 출력되고, 상기 제1 벤츄리관의 목부의 크기는 상기 제1 벤츄리관의 입구부 및 출구부 각각의 크기보다 작은, 저녹스 버너.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 센서 중 일부의 제1 센서는 상기 제1 벤츄리관의 목부에 설치되고,
    상기 복수 개의 제1 센서 중 나머지 일부의 제1 센서는 상기 제1 벤츄리관의 입구부 또는 출구부에 설치되는, 저녹스 버너.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 센서는 상기 공기의 압력을 센싱하는 압력 센서고,
    상기 프로세서는 상기 제1 벤츄리관의 목부에 설치된 제1 센서에서 센싱된 압력 정보, 상기 제1 벤츄리관의 출구부에 설치된 제1 센서에서 센싱된 압력 정보를 베르누이 정리에 대입하여 상기 제1 벤츄리관 내부의 공기의 유량을 측정하는, 저녹스 버너.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 튜브 내부로의 공기 유입량을 조절하는 공기 조절부;를 포함하되,
    상기 프로세서부는 상기 측정된 공기의 유량에 기초하여 상기 공기 유입량을 조절하도록 상기 공기 조절부의 동작을 제어하는, 저녹스 버너.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료를 공급하는 제2 연료관; 및
    일단이 상기 제1 연료관와 연결되고, 타단이 상기 제2 연료관과 연결되는 연료 챔버;를 더 포함하되,
    상기 제2 연료관의 적어도 일부 및 상기 연료 챔버의 적어도 일부는 상기 제1 벤츄리관 내부에 배치되는, 저녹스 버너.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 연료관 내부에 배치되어 상기 연료를 유동시키는 제2 벤츄리관; 및
    상기 제2 벤츄리관 내부에 설치되고, 상기 연료의 유량을 센싱하기 위한 복수 개의 제2 센서;를 더 포함하되,
    상기 프로세서부는 상기 복수 개의 제2 센서에서 센싱된 정보를 이용하여 상기 제2 벤츄리관 내부의 연료의 유량을 측정하는, 저녹스 버너.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 벤츄리관은 입구부, 목부 및 출구부를 포함하되,
    상기 제2 벤츄리관의 입구부에서 상기 연료가 유입되고, 상기 제2 벤츄리관의 출구부에서 상기 연료가 출력되고, 상기 제2 벤츄리관의 목부의 크기는 상기 제2 벤츄리관의 입구부 및 출구부 각각의 크기보다 작은, 저녹스 버너.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수 개의 제2 센서 중 일부의 제2 센서는 상기 제2 벤츄리관의 목부에 설치되고,
    상기 복수 개의 제2 센서 중 나머지 일부의 제2 센서는 상기 제2 벤츄리관의 입구부 또는 출구부에 설치되는, 저녹스 버너.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 센서는 상기 연료의 압력을 센싱하는 압력 센서고,
    상기 프로세서는 상기 제2 벤츄리관의 목부에 설치된 제2 센서에서 센싱된 압력 정보, 상기 제2 벤츄리관의 출구부에 설치된 제2 센서에서 센싱된 압력 정보를 베르누이 정리에 대입하여 상기 제2 벤츄리관 내부의 연료의 유량을 측정하는, 저녹스 버너.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제2 연료관 내부로의 연료 유입량을 조절하는 연료 조절부;를 포함하되,
    상기 프로세서부는 상기 측정된 연료의 유량에 기초하여 상기 연료 유입량을 조절하도록 상기 연료 조절부의 동작을 제어하는, 저녹스 버너.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 연료 챔버는 제1 연료 챔버 및 제2 연료 챔버를 포함하고,
    상기 제1 연료 챔버는 상기 연료 챔버의 타단과 대응되고, 상기 제2 연료 챔버는 상기 연료 챔버의 일단과 대응되고,
    상기 제1 연료 챔버는 제1 바디부 및 상기 제1 바디부의 일단과 연결되는 제1 연결부를 포함하고, 상기 제2 연료 챔버는 제2 바디부 및 상기 제2 바디부의 타단과 연결되는 제2 연결부를 포함하고,
    상기 제1 바디부가 상기 메인 연소관의 일단의 내부에 삽입되고, 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부는 서로 연결되고, 상기 제2 바디부의 측면에서 상기 외부 연료관이 분기되고, 상기 제2 바디부의 일단에서 상기 내부 연료관이 분기되는, 저녹스 버너.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 연료관은,
    내부 화염을 발생하는 내부 연료 포트가 일단에 형성되고, 상기 제2 연료 챔버의 일단에서 분기되는 내부 연료관; 및
    외부 화염을 발생하는 외부 연료 포트가 일단에 형성되고, 사익 제2 연료 챔버의 측면에서 분기되는 외부 연료관;를 포함하는, 저녹스 버너.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 내부 연료관과 상기 외부 연료관 사이에 배치되고, 상기 내부 연료 포트로 상기 공기를 공급하는 가이드부;
    상기 가이드부의 일단 및 상기 외부 연료관의 일단을 안착시키고, 상기 외부 연료 포트로 상기 공기를 공급하는 제1 디퓨저; 및
    상기 가이드부의 일단의 내부에 설치되고, 중심부에 상기 내부 연료관의 일단이 안착되는 스월러;를 더 포함하는, 저녹스 버너.
  16. 일단이 연소실에 노출되고, 공기를 안내하는 튜브;
    상기 튜브의 내부에 배치되고, 화염을 발생하는 연료 포트가 형성된 제1 연료관;
    상기 제1 연료관으로 연료를 공급하는 제2 연료관;
    상기 제2 연료관 내부에 배치되어 상기 연료를 유동시키는 제2 벤츄리관;
    상기 제2 벤츄리관 내부에 설치되고, 상기 연료의 유량을 센싱하기 위한 복수 개의 제2 센서; 및
    상기 복수 개의 제2 센서에서 센싱된 정보를 이용하여 상기 제2 벤츄리관 내부의 연료의 유량을 측정하는 프로세서부;를 포함하는, 저녹스 버너.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 튜브의 내부에 배치되어 상기 공기를 유동시키는 제1 벤츄리관; 및
    상기 제1 벤츄리관 내부에 설치되고, 상기 공기의 유량을 센싱하기 위한 복수 개의 제1 센서;를 더 포함하되,
    상기 프로세서부는 상기 복수 개의 제1 센서에서 센싱된 정보를 이용하여 상기 제1 벤츄리관 내부의 공기의 유량을 측정하는, 저녹스 버너.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 벤츄리관 및 상기 제2 벤츄리관 각각은, 입구부, 목부 및 출구부를 포함하되,
    상기 목부의 크기는 상기 입구부 및 상기 출구부 각각의 크기보다 작고,
    상기 제1 및 제2 센서는 상기 목부 및 상기 출구부에 설치되는, 저녹스 버너.
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