KR20230132972A

KR20230132972A - 버너

Info

Publication number: KR20230132972A
Application number: KR1020220029923A
Authority: KR
Inventors: 최일호; 현성준; 오정석; 김윤찬
Original assignee: 주식회사 케이씨씨
Priority date: 2022-03-10
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2023-09-19
Also published as: KR102653355B1

Abstract

본 발명에 따른 버너는 제1 내부 공간을 갖고, 상기 제1 내부 공간으로 연료가 투입되기 위한 연료 투입구 및 상기 제1 내부 공간으로부터 연료가 토출되면서 화염이 분출되기 위한 화염 분출구가 형성되는 하우징 및 상기 연료 투입구와 상기 화염 분출구 사이에 배치되어 상기 제1 내부 공간을 이분하되, 상기 연료 투입구 측과 상기 화염 분출구 측을 연통하는 홀이 형성되는 디플렉터를 포함하고, 상기 화염 분출구는 폭 방향으로 연장되어 하나의 슬릿 형태로 형성될 수 있다.

Description

버너 {BURNER}

본 발명은 고순도의 무기 재료를 용융시키기 위한 버너에 관한 것이다.

버너는 금속, 무기 재료를 용해 또는 용융시키기 위한 용광로, 스팀 또는 전력을 생산하기 위한 산업 보일러 등과 같은 다양한 산업 분야의 적용을 위한 열을 생산하기 위한 장치이다. 일반적으로 버너에서는 액체, 고체 또는 기체 연료 및 산소가 적절한 장치들에 의해 연소 제어가 가능하도록 공급됨으로써 연소를 통해 불꽃, 화염이 발생된다.

그러나, 일반적인 산업용 버너는 연료로 LPG(Liquefied Petroleum Gas)나 LNG(Liquefied Natural Gas)를 사용하기 때문에 고온의 녹는점을 가지는 고순도의 무기 재료를 용융시키기에는 열량이 낮다. 뿐만 아니라 도 6과 같이 토출구를 통해 분출되는 화염으로 인하여 화염이 방사되는 홀 중앙에는 높은 온도가 형성되나, 토출구와 인접한 토출구 사이에는 화염이 방사되지 않거나, 온도가 낮아져 버너에서 분출하는 화염의 온도 분포의 편차가 발생되어 무기 재료를 균일하게 용융시키기 어려운 문제가 있다.

특히, 1,600℃ 이상의 녹는점을 가지는 고순도의 무기 재료의 잉곳을 용융하여 마이크로 단위인 미세 직경의 무기 섬유를 제조하기 위해서는 연소 온도가 높은 수소와 산소의 혼합 가스를 연료로 한 버너를 사용해야 한다. 그러나, 이러한 수소-산소 버너는 연소 온도가 높은 반면, 토출구로 배출되는 화염의 온도 분포가 불균일하게 형성되어 국부의 고온 부분 및 저온 부분이 형성되기 쉽다. 이로 인해 무기 재료의 잉곳을 균일하게 용융시키지 못하여, 미세 직경을 가진 무기 섬유를 일정한 직경으로 제조하기 어려운 문제가 있다.

본 발명은 일정한 구간 전체에 걸쳐 화염을 균일하게 생성할 수 있는 버너를 제공하고자 한다.

또한, 상기 연료 투입구는 상기 하우징의 하면에 형성되고, 상기 화염 분출구는 상기 하우징의 전면에 형성되며, 상기 디플렉터는 상기 하우징의 전면 하단과 후면 상단 사이에 걸쳐 배치되고, 상기 홀은 상기 하우징의 후면 상단 측에 형성될 수 있다.

또한, 상기 연료 투입구는 상기 하우징의 상면에 형성되고, 상기 화염 분출구는 상기 하우징의 전면에 형성되며, 상기 디플렉터는 상기 하우징의 전면 상단과 후면 하단 사이에 걸쳐 배치되고, 상기 홀은 상기 하우징의 후면 하단 측에 형성될 수 있다.

또한, 상기 화염 분출구는 0.1-0.4 mm의 높이로 형성될 수 있다.

또한, 상기 복수의 홀의 면적의 총합은 상기 화염 분출구의 면적과 같을 수 있다.

또한, 상기 홀은 0.5-2 mm의 직경으로 형성되고, 복수로 형성되어 폭 방향을 따라 3-5 mm의 간격으로 배열될 수 있다.

또한, 상기 하우징은 상기 제1 내부 공간을 감싸되 상기 제1 내부 공간으로부터 격리되는 제2 내부 공간을 갖고, 상기 제2 내부 공간으로 냉각수가 투입되기 위한 냉각수 투입구 및 상기 제2 내부 공간으로부터 냉각수가 배출되기 위한 냉각수 배출구가 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 버너는 화염 분출구가 하나의 슬릿 형태로 형성되되, 디플렉터를 이용해 연료의 유동을 제한하여 연료가 하우징의 제1 내부 공간의 전체 체적에 걸쳐 균일하게 분포되게 함으로써, 화염 분출구의 폭 전체에 걸쳐 화염을 균일하게 생성할 수 있다.

또한, 냉각수를 이용해 화염 분출구 주변을 냉각함으로써, 화염 분출구가 고온에 의해 변형되는 것을 방지하여, 화염의 균일한 생성을 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 버너의 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ 선에 대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 버너의 디플렉터의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 버너를 이용해 생성한 화염을 아래에서 바라본 모습으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 버너를 이용해 제조한 무기 섬유를 SEM으로 확대하여 나타낸 것이다.
도 6은 종래 버너를 이용해 생성한 화염을 나타낸 것이다.

도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 버너(100)에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 버너(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ 선에 대한 단면도이다. 또한, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 버너(100)의 디플렉터(150)의 사시도이다. 참고로, 도면에서는 도시의 편의를 위해 구성요소들의 크기, 비율, 모양, 개수 등이 다소 과장되고 왜곡되게 표현되어 있을 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 버너(100)는 하우징(110), 연료 공급관(120), 냉각수 공급관(130), 냉각수 배출관(140) 및 디플렉터(150)를 포함한다.

하우징(110)은 폭 방향으로 연장되고, 제1 내부 공간(111) 및 제1 내부 공간(111)을 감싸되 제1 내부 공간(111)으로부터 격리된 제2 내부 공간(112)을 갖는다(도 2 참조). 제1 내부 공간(111)은 연료를 수용하기 위한 부분이고, 제2 내부 공간(112)은 냉각수를 수용하기 위한 부분이다.

도면에서는 하우징(110)이 전체적으로 가로로 길쭉한 직육면체형으로 형성되는 것으로 예시되어 있으나, 하우징(110)가 반드시 그러한 형상으로 제한되어야 하는 것은 아니고, 하우징(110)은 그 외 다른 형상, 예컨대 전체적으로 가로로 길쭉한 다각막대형, 원통형 등으로 형성되는 것도 가능하다. 다만, 이하에서는 이해의 편의를 위해 하우징(110)이 도면에 나타난 바와 같이 직육면체형으로 형성되는 것으로 하여 설명하기로 한다.

하우징(110)은 연료 투입구(113), 화염 분출구(114), 냉각수 투입구(115) 및 냉각수 배출구(116)가 형성된다.

연료 투입구(113)는 연료 공급관(120)이 연결되어, 하우징(110)의 제1 내부 공간(111)으로 연료, 예컨대 수소 기체 및 산소 기체가 투입되기 위한 부분이다.

화염 분출구(114)는 하우징(110)의 제1 내부 공간(111)으로부터 연료가 토출되면서, 화염이 분출되기 위한 부분이다.

화염 분출구(114)는 폭 방향으로 연장된다. 이를테면, 화염 분출구(114)는 전체적으로 가로로 길고 세로로 좁은 하나의 슬릿 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 화염 분출구(114)는 400 - 600 mm의 폭(w)과 0.1 - 0.4 mm의 높이(h)로 형성될 수 있다(도 1 참조). 화염 분출구(114)의 폭(w)은 제조 설비의 규격을 고려한 것으로, 필요에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 화염 분출구(114)의 높이(h)는 화염 분출구(114)의 폭(w) 전체에 걸쳐 일정하다. 또한, 화염 분출구(114)의 높이(h)는 무기 섬유를 미세하게 제조할 수 있다는 측면에서, 작으면 작을수록 유리하다. 다만, 화염 분출구(114)를 용이하게 가공할 수 있다는 측면에서, 0.1 mm 이상인 것이 바람직하다. 또한, 화염 분출구(114)의 높이가 0.4 mm 미만인 경우, 단위 폭당 화염 분출구(114)의 압력을 적정 수준 이상으로 확보함으로써, 역화 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

일 예로, 버너(100)의 화염분출구(114)를 통해 분출된 화염은 상기 화염과 수직방향으로 무기재료 잉곳이 맞닿아 상기 무기재료를 균일하게 용융시킬 수 있으며, 이를 통해 일정한 직경의 미세 무기 섬유를 제조할 수 있다.

연료 투입구(113)와 화염 분출구(114)는 서로 다른 방향으로 형성될 수 있다. 가령 화염 분출구(114)가 하우징(110)의 전면에서 화염이 전방으로 분출되도록 형성되어 있다고 한다면, 연료 투입구(113)는 하우징(110)의 하면에서 연료가 상방으로 투입되도록 형성되거나 하우징(110)의 상면에서 연료가 하방으로 투입되도록 형성될 수 있다. 도면에서는 전자로 예시되어 있다.

냉각수 투입구(115)는 냉각수 공급관(130)이 연결되어, 하우징(110)의 제2 내부 공간(112)으로 냉각수가 투입되기 위한 부분이고, 냉각수 배출구(116)는 냉각수 배출관(140)이 연결되어, 하우징(110)의 제2 내부 공간(112)으로부터 냉각수가 배출되기 위한 부분이다.

화염 분출구(114)로부터 분출되는 화염은 약 1,700℃ 이상, 일 예로 약 2,000 - 2,200℃의 최고 온도를 갖도록 설계될 수 있다. 이에, 화염이 분출되는 동안 상온의 냉각수를 이용해 화염 분출구(114) 주변을 냉각함으로써, 화염 분출구(114)가 고온에 의해 변형되는 것을 방지하고, 균일한 온도 분포를 가진 화염을 방출할 수 있다.

이러한 하우징(110)는 내열 소재, 금속 소재, 예컨대 스테인리스강(SUS420) 등으로 제작될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 통상적으로 연소장치에 사용되는 것이면 사용될 수 있다.

디플렉터(150)는 연료 혼합 및 연료를 공급하는 압력이 대기압으로 낮아지는 것을 방지하기 위한 것으로, 판형으로 형성되며, 연료 투입구(113)와 화염 분출구(114) 사이에 배치되어 하우징(110)의 제1 내부 공간(111)을 이분한다. 단, 디플렉터(150)는 두 공간을 연통하는 홀(151)이 형성된다. 다시 말해, 연료 투입구(113)를 통해 하우징(110)의 제1 내부 공간(111)으로 투입된 연료는 디플렉터(150)에 의해 가로막혀 곧바로 화염 분출구(114)를 향해 이동하지 못하고, 홀(151)을 거쳐 제한된 유동으로 이동하게 된다. 이러한 과정에서, 연료가 보다 균질하게 혼합될 수 있으며, 하우징(110)의 제1 내부 공간(111)의 전체 체적에 걸쳐 더욱 균일하게 분포될 수 있다.

디플렉터(150) 미설치 시, 화염이 화염 분출구(114)의 가장자리에만 형성되고 그 중앙부에는 형성되지 않을 수 있다. 또한, 가스를 공급하는 맥동에 의해 화염이 비연속적으로(즉, 울컥울컥하는 형태로 또는 길어졌다 짧아졌다 하는 형태로) 형성될 수 있다. 다시 말해, 화염이 화염 분출구(114)의 전체 폭(w)에 걸쳐 균일하게 생성되지 못하는 문제가 있다. 또한, 디플렉터(150) 없이, 화염 분출구(114)의 폭(w)이 400 - 600 mm로 커지면 역화 연상이 발생하여 화염이 형성되지 않을 수 있다. 하지만, 디플렉터(150)를 이용하면, 연료의 유동을 제한하여 연료가 디플렉터(150)의 홀(151)를 통과하기 전에 일차적으로 혼합될 수 있으며, 디플렉터(150)의 홀(151)을 통과하고 이차적으로 혼합되면서 화염 분출구(114)의 전체 폭(w)에 걸쳐 화염을 균일하게 형성할 수 있는 이점이 있다.

하우징(110)가 전술한 바와 같이 직육면체형으로 형성된다면, 디플렉터(150)는 그에 대응되는 직사각형으로 형성될 수 있다.

또한, 디플렉터(150)는 연료가 연료 투입구(113)를 통해 하우징(110)의 제1 내부 공간(111)으로 투입되는 방향에 대해 경사지게 배치되되, 화염 분출구(114)에 반대되는 방향으로 연료를 안내하도록 배치될 수 있다. 이를테면, 연료 투입구(113)가 하우징(110)의 하면에 형성되고 화염 분출구(114)가 하우징(110)의 전면에 형성되어 있을 때, 디플렉터(150)는 하우징(110)의 전면 하단과 후면 상단 사이에 걸쳐 배치될 수 있다(도 2 참조). 만약 연료 투입구(113)가 하우징(110)의 상면에 형성되어 있었다면, 디플렉터(150)는 하우징(110)의 전면 상단과 후면 하단 사이에 걸쳐 배치될 수 있을 것이다.

또한, 연료 투입구(113)가 하우징(110)의 하면에 형성되고 화염 분출구(114)가 하우징(110)의 전면에 형성되어 디플렉터(150)가 하우징(110)의 전면 하단과 후면 상단 사이에 걸쳐 배치되어 있을 때, 홀(151)은 하우징(110)의 후면 상단 측에 형성될 수 있다(도 2 참조). 따라서, 연료 투입구(113)를 통해 하우징(110)의 제1 내부 공간(111)으로 투입된 연료는 대체적으로 디플렉터(150)의 경사에 의해 자연스럽게 홀(151)을 향해 이동하게 되며, 홀(151)을 통과한 후 다시 디플렉터(150)의 경사에 의해 자연스럽게 화염 분출구(114)를 향해 이동하게 된다(도 2, 화살표 참조). 이로써, 연료가 연료 투입구(113)로부터 홀(151)을 거쳐 화염 분출구(114)로 자연스럽게 이동할 수 있게 함과 동시에, 연료가 하우징(110)의 제1 내부 공간(111)을 전체적으로 경유함에 따라 체류 시간을 늘릴 수 있어, 연료의 균질한 혼합 및 화염의 균일한 생성을 구현할 수 있다. 한편, 연료 투입구(113)가 하우징(110)의 상면에 형성되어 디플렉터(150)가 하우징(110)의 전면 상단과 후면 하단 사이에 걸쳐 배치되어 있었다면, 홀(151)은 하우징(110)의 후면 하단 측에 형성될 수 있을 것이다.

홀(151)은 복수로 형성되어 폭 방향을 따라 일정한 간격으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 홀(151)은 0.5-2 mm의 직경(d)으로 형성되어, 폭 방향을 따라 3-5 mm의 간격(s)으로 배열될 수 있다(도 3 참조). 특히, 역화 현상을 효과적으로 방지하기 위해, 모든 홀(151)의 면적의 총합은 화염 분출구(114)의 면적과 같은 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 버너(100)를 이용해 생성한 화염을 아래에서 바라본 모습으로 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 버너(100)를 이용해 화염을 생성했을 때, 화염 분출구(114)의 폭(w) 전체에 걸쳐 화염을 균일하게 생성할 수 있음을 확인할 수 있었다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 버너(100)를 이용해 제조한 무기 섬유를 SEM(Scanning Electron Microscope)으로 확대하여 나타낸 것이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 버너(100)를 이용해 무기 섬유를 제조했을 때, 평균 직경 9.23 μm, 표준 편차 0.4 μm로 무기 섬유를 비교적 일정하게 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.

이상으로 설명한 버너(100)는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 버너 중 하나에 불과하다. 본 발명의 기술적 사상은 위 실시예로 한정되지 않으며, 청구범위에 기재된 바에 따라, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 용이하게 변경할 수 있는 범위까지 모두 포함한다.

Claims

제1 내부 공간을 갖고, 상기 제1 내부 공간으로 연료가 투입되기 위한 연료 투입구;
상기 제1 내부 공간으로부터 연료가 토출되면서 화염이 분출되기 위한 화염 분출구를 포함한 하우징; 및
상기 연료 투입구와 상기 화염 분출구 사이에 배치되어 상기 제1 내부 공간을 이분하되, 상기 연료 투입구 측과 상기 화염 분출구 측을 연통하는 복수의 홀이 형성된 디플렉터;를 포함하고,
상기 화염 분출구는 폭 방향으로 연장되어 하나의 슬릿 형태로 형성되는 버너.
제1항에 있어서,
상기 연료 투입구는 상기 하우징의 상면 또는 하면 중 선택된 하나에 형성되고,
상기 화염 분출구는 상기 하우징의 전면에 형성되며,
상기 디플렉터는 상기 하우징의 전면 하단과 후면 상단 사이 또는 상기 하우징의 전면 상단과 후면 하단 사이에 걸쳐 배치되고,
상기 홀은 상기 하우징의 후면 상단 측에 형성되며,
상기 화염 분출구는 0.1 - 0.4 mm의 높이로 형성되는 버너.
제1항에 있어서,
상기 복수의 홀 면적의 총합은 상기 화염 분출구의 면적과 같은 버너.
제1항에 있어서,
상기 홀은 0.5-2 mm의 직경으로 형성되고, 폭 방향을 따라 3-5 mm의 간격으로 배열되는 버너.
제1항에 있어서,
상기 하우징은 상기 제1 내부 공간을 감싸되 상기 제1 내부 공간으로부터 격리되는 제2 내부 공간을 갖고, 상기 제2 내부 공간으로 냉각수가 투입되기 위한 냉각수 투입구 및 상기 제2 내부 공간으로부터 냉각수가 배출되기 위한 냉각수 배출구가 형성되는 버너.