KR930004521B1 - 강제송풍식 연소장치 - Google Patents

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Description

강제송풍식 연소장치

제1도는 본 발명의 강제송풍식 연소장치의 제1실시예를 적용한 순간가스온수기를 나타낸 개략도.

제2도는 본 발명의 강제송풍식 연소장치의 제1실시예를 적용한 순간가스온수기에 부착된 원심식 송풍기의 정면도.

제3도는 제2도의 측단면도.

제4도는 본 발명의 강제송풍식 연소장치의 제1실시예를 적용한 순간온수기에 부착된 차폐판의 사시도.

제5도는 본 발명의 강제송풍식 연소장치의 제2실시예를 나타낸 사시도.

제7도는 내지 제10도는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것으로,

제7도 및 제9도는 연소장치의 개략도.

제8도 및 제10도는 제7도 및 제9도를 각각 질량스프링모델과 속도변동으로 표시한 원리도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 순간가스온수기 2 : 연소부

3 : 열교환기 4 : 연소공기공급부

5 : 스크로울케이싱 6 : 통상체

7 : 차폐판 8 : 가스공급부

9 : 전자제어장치 40 : 원심식 송풍기

42 : 회전판 43 : 외주테두리

44 : 내주테두리 45 : 팬

46 : 구동모터 50 : 혼합실

61 : 벨마우스(Bell-mouth)형 흡입구

본 고안은 강제송풍식 연소장치에 관한 것으로, 특히 다수의 소공이 설치된 연소판식 가스버너를 가지는 강제송풍식 연소장치에 관한 것이다.

일반적으로 급탕기 등에서는 연료가스와 연소용 공기를 미리 혼합시킨 혼합기를 연소실에 고부하 연소하는 버너를 포함하는 연소부와, 이 연소부에 연소용 공기를 공급하는 팬을 포함하는 공급부를 구비하는 강제 송풍식 연소장치가 가열수단으로서 사용되고 있다.

그러나 고부하 연소를 행하는 강제송풍식 연소장치에서는 진동연소(공명음)가 발생하기 쉽다.

본 발명의 목적은, 공급부의 고유진동수와 연소부의 고유진동수가 대략 같도록 설정하여 진동연소를 억제한 강제송풍식 연소장치를 제공하려는 것이다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 고부하 연소를 행하는 연소부와, 이 연소부에 연소용 공기를 강제적으로 공급하는 공급부와, 이 공급부에 발생하는 고유진동수와 연소부에 발생하는 고유진동수를 대략 같게 하는 수단을 구비한 구성을 채용한다.

여기서 각부에 있어서 복수의 고유진동수가 생기는 경우에는 그를 고유진동수 중 최소의 고유진동수를 대략 같게 한다.

또 연소부는 내부에 연소실을 가지는 연소케이스 및 배기통으로 되며 공급부는 혼합실 및 스크로울케이싱으로 구성된다.

여기서 펜케이스의 벨마우스형 흡입구에는 팬내에 흡기구가 형성되도록 벨마우스부를 연장한 원통상부를, 공급부의 고유진동수와 연소부의 고유진동수를 대략 균등하게 하는 수단으로 한다.

또는 스크로울케이싱의 벨마우스형 흡입구 상류에 차폐판을 설치하며 각 고유진동수를 대략 같에 하는 수단으로 하여도 좋다.

또 원통부를 가지는 벨마우스형 흡입구의 상류에 차폐판을 설치하여도 좋다.

보통 예를 들면 공급부와 연소부가 제7도에 도시한 바와 같이 연소실(A)내에 버너(B)가 배치되고 공급부(C)에서 연소용 공기가 공급되는 단순한 형태인 때에는 제8도에 도시한 바와 같이 두개의 스프링(D)(E)에 의한 3체 문제로 귀착되는 것과 같은 질량스프링모델로 표현되며 중앙부의 질량이 버너(B)에 대응하고 있다.

따라서 버너(B)를 제외하고 각 단위체의 각 고유진동수 f₁,f₂는 헬름홀쯔의 공식에 의하여 다음 식으로 결정될 수 있다.

제1식

a₁: 공급부의 통로의 음속

S₁ ^*: 공급부의 통로의 상당단면적(스크로울케이싱의 흡입구가 지배함)

l₁ ^*: 공급부의 통로의 상당길이(스크로울케이싱의 흡입구가 지배함)

V₁ ^*: 공급부의 상당용적(통로를 포함하지 않음)

제2식

a₂: 배기통의 통로의 음속

S₂ ^*: 배기통의 통로의 상당단면적

l₂ ^*: 배기통의 통로의 상당길이지배함

V₂ ^*: 배기통의 상당용적

그러나 일반적으로 연소장치는 제7도와 같이 단순한 형으로 되어 있지 않고, 예를 들면 제9도와 같이 연소용 공기를 공급하기 위한 송풍기가 송풍기케이스(F)와 혼합실(G)로 공급부(C)가 형성되어 있고, 이 경우에는 연소장치는 제10도에 도시한 바와 같이 3개의 스프링(H,I,J)에 의한 4체 문제로 귀착되는 질량스프링모델로 나타나는 음향계인 경우가 있다.

진동연소의 구조는 연소실 및 배기통으로 된 연소부 단위체의 고유진동수(복수인 경우에는 최소의 고유진동수)와 혼합실 및 팬케이싱 등으로 구성되는 공급부 단위체의 고유진동수(복수인 경우에는 최소 고유진동수가 일치하지 않고 어긋남과 함께 연소 과정이 영향받아 시간 조절을 만족한 때 진동연소가 발생한다.

여기서 연소과정이 영향받는 시간 조건은 기본적으로는 연소성(연료가스의 종류, 공기와 연료의 비, 가스 버너의 형상등)으로 결정되어 버리기 때문에 진동연소의 대책상 이것을 변경하는 것은 좀처럼 가능하지 않다.

따라서 진동연소를 없게 하기 위하여는 공급부 단위체의 고유진동수 f₁과 연소부 단위체의 고유진동수, f₂를 일치시키는 것에 의하여 진동연소의 음향조건을 성립하지 않게 된다.

이것은 제9도와 같은 복잡한 계에서도 공급부 단위체의 최소 고유진동수 f₁과 연소부 단위체의 최소 고유진동수 f₂가 일치되어 있으면 속도변동의 마디 b가 버너(B)에 있는 것으로 되며 결합계의 고유진동 모터에서 진동연소의 발생이 없는 음향조건을 만들 수가 있다.

이것은 이론적으로도 증명이 가능하며 일반적으로 공급부 및 연소부의 각 고유진동수 f₁, f₂는 FFT 애널라이저 등으로 측정함으로써 구하여 진다.

그런데 연소부의 고유진동수 f₁에 대하여서는 착화시에 정상연소시까지 배기통로부의 배기가스온도가 변화하여 가기 때문에 음속으로 변화하고, 따라서 고유진동수 f₂는 제5도의 음향 임피던스의 그래프에서 진동수의 높은 쪽으로 어긋나 간다.

이에 따라 공급부위 유체온도는 그다지 변화하지 않기 때문에 그 고유진동수 f₁은 거의 변화하지 않게 된다.

즉, 진동연소가 발생하는 것은 제5도의 그래프의 고유진동수가 어긋나서 수치가 합치하지 않은 때이다.

어떤 시간 경과 후에 진동연소가 발행하기도 하고 멈추기도 하는 현상은 이로써 설명이 가능하다.

따라서 진동연소를 없게 하기 위하여는 f₁=f₂(각 단위체의 고유진동수가 한개인 경우) 또는 f_1min=f_{2 min}(각 단위체의 고유진동수가 복수인 경우) 여기서 f_{1 min}은 공급부 단위체의 최소의 고유진동수이고 f_{2 min}은 연소시의 연소부 단위체의 최소 고유진동수이다.

단. 여기서 말하는 공급부 단위체 및 연소부 단위체의 의미는 각각 버너부 면을 밀폐한 상태에서 분리한 각각의 요소를 말한다.

즉, 배기통의 상당 길이 l₂ ^*, 연소실의 상당 용적 V₂ ^*을 작게 하고 배기통로의 상당 단면적 S₂ ^*을 크게 하여 고유진동수 f₂를 크게 한 경우에는 공급부의 고유진동수 f₁을 연소부의 고유진동수 f₂와 일치시키기 위하여 예를 들면 팬입구의 상당단면적 S₁ ^*, 공급부의 상당용적 V₁ ^*을 작게 하는 수단을 생각할 수 있다.

상기 원리구성에 의하여 본 발명의 강제송풍식 연소장치는 다음과 같이 작용한다.

본 발명의 강제송풍식 연소장치는 공급부의 고유진동수와 연소부의 고유진동수를 대략 같게 하는 수단을 설치하고 있기 때문에 진동연소를 확실하게 억제할 수 있다.

이때 공급부와 연소부의 각 고유진동수를 대략 같게 하기 위하여 혼합실의 용적, 스크로울케이싱의 통로 길이나 단면적으로 연소케이스의 용적, 배기통의 통로길이 혹은 단면적에 대응시키면 좋고, 원통상부에 의하여 흡기로를 설치하여 공급부의 통로길이를 길게 하기도 하며, 차폐판을 흡입구 상류에 설치하여 공급부의 단면적을 작게 하면 커다란 연소량에 대응하여 용이하게 각 고유진동수를 대략 균등하게 할 수 있다.

본 발명의 강제송풍식 연소장치의 실시예를 도면에 의하여 설명한다.

제1도는 본 발명의 강제송풍식 연소장치의 제1실시예를 적용한 순간가스온수기(1)를 나타내며, 제2도 및 제3도는 그 원심식 송풍기(40)를 나타낸다.

순간가스온수기(1)은 연소부(1)과 열교환기(3)와 연소공기를 연소부(2)에 공급하는 공급부(4)와 가스공급로(8)와 전자제어장치(9)를 구비한다.

연소부(2)는 연소케이스(20)와, 이 연소케이스(20)에 고정구(21)를 통하여 부착되며 세라믹재 판체에 다수개의 분출공이 뚫린 연소판식 가스버너(22)를 구비한 연소실(23)과, 이 연소실(23)의 상부에 부착되어 연소한 연소가스의 배기를 향하는 배기구(24)를 형성한 배기판(25)와 이 배기판(25)에 이어서 설치한 배기통(도시없음)으로 구성된다.

공급부(4)의 고유진동수 f₁(예를 들면 200Hz)에 대하여 연소부(20의 고유진동수 f₂를 대략 균등하게 하는 수단으로 연소부(2)의 고유진동수 f₂를 대략 균등하게 하는 수단으로 연소부(2)는 배기판(25)에 흡음재(25a)를 설치하고, 배기통은 구부려서 배기통등의 통로의 상당단면적 S₂ ^*, 배기통의 상당길이 l₂ ^*, 연소실(23)의 상당용적 V₂ ^*을 제2식에 따라 변화시켜 고유진동수 f₂를 연소시에 있어서 200Hz로 되도록 설정하였다.

열교환부(3)은 열교환율을 높게 하는 플레이트핀군(31)과 급수관(32)과 급탕관(33)으로 되고 가스버너(22)와 배기구(25)의 사이에 배치되어 급수관(32)의 상류에서 보내져 오는 물을 연소실(23)내의 배기가스와 열교환하여 온수로써 급탕관(33)으로부터 유출한다.

공급부(4)는 스크로울케이싱과 혼합실(50)과 중심에 보스부(41)이 설치된 평판상의 회전판(42)의 외주 테두리(43)에 배치되고 내주 테두리(44)가 회전판(42)에 직교된 회전방향에 오목형상으로 되도록 만곡한 팬(45)과 이 팬(45)의 구동용 모터(46)으로 된 원심식 송풍기(40)을 구비한다.

회전판(42)의 보스부(41)에는 구동용 모터(46)의 회전축(47)에 체결되어 있다.

원심식 송풍기(40)에는 팬(45)의 내주 테두리(44)에 둘러싸여진 공간(48)이 설치되어 있다.

스크로울케이싱(5)로 와권형상을 이루고 측면된 3개의 나사구멍(62)과 연소케이스(20)의 도입구(27)에 연결되어 단락하는 토출구(53)과 측면(51)에 체결되는 통상체(6)와 이 통상체(6)와 체결되는 차폐판(7)로 구성된다.

통상체(6)는 외측으로 트여진 벨마우스형의 흡입구(61)를 형성한 것이며, 선단부(62)가 원심식 송풍기(40)의 풍량, 흡입구의 트여진 면적(S₁ ^*)을 고려한 소정칫수(l₁ ^*)만 팬(45)내에 감입하는 원통상부(63)와, 외측으로 구부려진 만곡부(64)와, 이 만곡부(64)로부터 외주측으로 연장설치된 고리상부(65)로 된다.

원통상부(63)은 팬(45)의 내주 테두리(44) 및 구동용 모터(46)의 회전축(47)에 평행하게 설치되어 있으며 회전판(42)에 직교하도록 설치되어 있다.

또 원통상부(63)내에는 흡기통로(66)가 형성되어 있다.

고리상부(65)는 스크로울케이싱(5)의 나사구멍(52)에 겹치도록 형성된 나사구멍(67)과 동일원주상으로 형성된 나사구멍(67a)(67b)(67c)과, 나사구멍(67b)를 형성한 제1블록부(68)와, 이 제1블록부(68) 보다 약간 높게 형성함과 아울러 나사구멍(67c)을 형성한 제2블록부(69)로 구성된다.

차폐판(7)은, 제4도에 도시한 바와 같이, 벨마우스형 흡입구(61)의 중심에 첨단부(71)이 위치한 원추상부(82)와, 이 원추상부(72)의 타단(73)에서 외측으로 연장설치된 원판부(74)와, 이 원판부(74)에서 밑으로 설치된 3개의 부착다리부(75)로 구성된다.

부착다리부(75)에는 통상체(6)의 나사구멍(67a)(67b)(67c)와 선택적으로 포개어 맞춘 나사구멍(76)이 각각 형성되어 있다.

통상체(6)와 차폐판(7)은 현장에서의 부착상태에서 의하여 여러가지 나사구멍을 선택하는 것으로서 벨마우스형 흡입구(61)의 트인구멍을 변화시켜 벨마우스형 흡입구(61)에 유입하는 연소용 공기의 유량 및 고유 진동수 f₁를 변화시킨 것이다.

또 반대로 연소부(2)의 최소 고유전동수 f₂(예를 들면 200Hz)에 대하여 공급부(4)에 최소의 고유진동수 f₁를 대략 같게하는 수단으로서 공급부(4)에서는 스크로울케이싱(5)의 벨바우스형 흡입구(61)에 팬(45)내에 흡기류통로(66)를 형성하도록 원통상부(63)을 연장하거나 차폐판(7)의 부착위치를 변경하거나, 스크로울케이싱(5) 및 혼합실(50)의 상당용적(V₁'), 통상체(6)의 원통상부(63)의 소정칫수(l₁ ^*)과, 차폐판(7)의 부착 위치로 설정된 벨마우스형 흡입구(61)의 트인면적(S₁ ^*)으로부터 공급부(4)의 최소의 고유진동수 f₁을 1식에 따라 변화시켜 고유진동수 f₂와 대략 동일한 수치로 되도록 200Hz로 설정하고 있다.

가스공급부(8)는 스크로울케이싱(5)과 함께 일체로 성형되고 연료가스의 토출을 행하는 가스분출노즐(81)과 이 가스분출노즐(81)에 연료가스의 공급을 행하는 가스공급배관(82)와 가스제어 유니트(83)으로 된다.

가스제어유니트(83)는 가스분출노즐(81)과 가스공급배관(82)와의 사아에 설치되며, 통전, 비통전에 의하여 개폐하는 전자식 개폐밸브(84)와, 이 개폐밸브(84)의 하류측에 설치되며, 가스용량의 조절을 행하는 거너버밸브(도시없음) 및 이 거버너밸브의 하류측에 설치되며 통전량에 따라 구멍의 열림비율을 가변하는 전자식 비례제어밸브(85)를 구비하고 있다.

가스분출노즐(81)의 타단부에는 연료가스의 공급압 및 유량조절을 위한 오리피스(86)이 부착되어 있다.

전자제어장치(9)는 순간가스온수기(1)가 사용되는 때 「온」으로 되는 기동스위치(도시없음), 사용자에 의하여 조작되어 급탕관(33)에서 유출하는 탕온의 설정을 행하는 온도조절용 볼륨(도시없음) 등의 입력에 따라서 점화시에 가스버너(22)의 연소면에서 불꽃을 튀기는 스파크전극(92), 원심송풍기(40)의 모터 및 가스 제어유니트(83)등의 통전, 비통전의 제어를 행한다.

91은 가스버너(22)의 불꽃의 산소공급상태를 검출하는 서모커플을 나타낸다.

본 실시예의 순간가스온수기(1)의 동작을 도면에 의하여 설명한다.

순간가스온수기(1)는 기동스위치가 「온」으로 되면 원심식 송풍기(40)의 팬(45)이 회전하고 스크로울케이싱(5)와 통상체(6)의 벨마우스형 흡입구(61)로부터 연소공기를 가스버너(22)에 공급한다.

그리고 전자제어장치(9)는 가스제어유니트(83)의 개폐밸브(84) 및 비례제어밸브(85)에 축력하여 개폐밸브(84) 및 비례제어 밸브(85)를 개방한다.

구동용 모터(46)이 시동되면 팬(45)가 고속회전을 시작하고 팬(45)의 내주테두리(44)에 싸여진 공간(48)에 존재하는 연소공기를 원심방향으로 빨아올려 원심력에 의하여 팬(45)의 외측으로 불어날리며, 혼합실(26)로 토출한다.

또 스크로울케이싱(5)의 바깥에 존재하는 연소용 공기는 통상체(6)의 만곡부(64)에서 연소공기의 유량을 조절하면서 흡기류통로(66)을 통하여 공간(48)으로 흡입된다.

동시에 가스공급로(8)에서 소정 유량의 연료가스를 혼합실(26)로 공급한다.

여기서 소음대책상 연소소음을 적게하기 위하여 배기판(25)에 소음재(25a)를 설치하거나, 배기판(25)를 구부려서 배기계의 형상을 변화시키고 있는 바, 이러한 배기계의 형상을 변형시키기 때문에 압력손실을 일으켜 진동연소를 유도하는 경우가 있다.

그러나 본 실시예에서는 연소공기가 흡기류통로(66)를 통과할 때에 선단부(62)가 원심식 송풍기(40)의 풍량, 벨마우스형 흡입구(6)의 구멍열림면적(S₁ ^*)을 고려한 소정칫수(l₁ ^*)만 팬(45)내에 감입하는 원통상부(63)을 통과한다.

또 벨마우스형 흡입구(61)의 상부에 차폐판(7)을 흡입구의 구멍열림면적(S₁ ^*)을 변경시키는 위치에 설치하고 있다.

결국 본 실시예에서는 공급부(4)의 최소의 고유진동수 f₁를 연소부(2)의 고유진동수 f₂(예컨대 200Hz)에 대략 일치하도록 하였기 때문에 연소시의 진동연소가 발생하는 일이 없다.

즉, 본 실시예에서는 연소실(23) 및 배기통으로 된 연소부(2)의 고유진동수 f₂와 혼합실(50) 및 스크로울케이싱(5)등으로 된 공급부(4)의 고유진동수 f₁가 일치하고 있으므로 연소과정이 영향을 주는 시간조건을 만족한 경우에도 진동연소가 일어나지 않는다.

그리고 본 실시예에서는 착화시로부터 정상연소이 그리고 소화시에 이르기 까지 항상 안정된 양호한 연소를 행할 수 있다.

제6도는 본 발명의 강제송풍식 연소장치의 제2실시예를 도시하는 것이다.

본 실시예는, 상기 제1실시예의 배기판(25)의 배기구(24)에 다수개의 소공(

2.2×60개)(127)을 천공한 플레이트(126)을 부착한 것으로, 배기판(25)가 형성하는 배기통로(128)의 상당길이(l₂ ^*)를 2식에 따라서 변화시켰기 때문에 제1실시예 보다 진동연소의 발생을 방지할 수 있다.

플레이트(126)의 소공(127)을 다수개 천공한 본 실시예의 배기구(24)의 구멍열림면적의 쪽이 플레이트(126)이 없는 상기 제1실시예의 배기구의 구멍열림면적 보다 작게 되므로 연소소음의 통과량을 저하시키는 것이 가능하게 되므로 진동연소의 발생을 방지하면서 연소소음도 저하시키는 것이 가능하게 된다.

본 실시예에 의하여 공급부(4)의 벨마우스형 흡입구(61)의 구멍이 1개이고, 배기구(24)의 구멍은 다수개로서 트여져 있는 강제송풍식 연소장치는 진동연소의 저감효과가 현저하게 좋은 것을 확인할 수 있다.

본 실시예에서는 플레이트(126)의 구멍 형상을 소공으로 하였으나 타원형으로 하여도 좋다.

또 1개의 구멍의 크기는 원형구멍인 경우는

=2.0mm-2.5mm, 사각구멍인 경우에는 일변이 0.8mm-1.4mm가 바람직하나 1개의 구멍의 크기는 한정되지 않는다.

본 실시예에서는 원심식 송풍기의 회전판에 평판형상의 것을 사용하였으나 원추형상의 것을 사용하여도 좋다.

본 실시예에서는 스크로울케이싱의 벨마우스형 흡입구에 연결설치한 통상부를 원통으로 형성하였으나, 원통부의 중앙부가 만곡된 형성으로 하여도 좋다.

본 실시예에서는 스크로울케이싱의 밸마우스형 흡입구에 원통상부(63) 및 차폐판(7)을 설치하였으나 원통상부(63) 또는 차폐판(7)의 한쪽을 사용하지 않는 것이어도 좋다.

본 발명의 원심송풍기의 벨마우스형 흡입구의 상류에 흡기연장관을 설치하여도 좋다.

본 실시예의 다른 스크로울케이싱의 토출구의 내주직경을 적절하게 변경하여 공급부의 고유진동수와 전기연소부의 고유진동수가 일치하도록 하여도 좋다.

본 발명의 강제송풍식 연소장치를 난방장치 또는 다른 강제 송풍식 연소장치에 적용하여도 좋다.

Claims (5)

1. 버너에 의하여 고부하연소를 행하는 연소케이스와 배기통으로 되는 연소부와 ; 이 연소부에 연소용 공기를 원심식 송풍기에 의하여 강제적으로 공급하는 혼합실 및 스크로울케이싱으로 되는 공급부와 ; 이들 연소부와 공급부를 버너에 구획분할하여 공급부에서 발생하는 고유진동수와 상기 연소부에서 발생하는 고유진동수를 대략 균등하게 하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 강제송풍식 연소장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 공급부에서 발생하는 고유진동수와 상기 연소부에서 발생하는 고유진동수를 대략 균등하게 하는수단은, 상기 공급부 및 상기 연소부에서 각각 발생하는 고유진동수 중 최소의 고유진동수를 각각 대략 균등하게 하는 것 임을 특징으로 하는 강제송풍식 연소장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공급부의 고유진동수와 상기 연소부의 고유진동수를 대략 균등하게 하는 수단은, 상기 스크로울케이싱의 벨마우스형 흡입구에 상기 팬내에 흡기로를 형성하도록 상기 벨마우스부를 연장한 원통상부인 것을 특징으로 하는 강제송풍식 연소장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 공급부의 고유진동부와 상기 연소부의 고유진동수를 대략 균등하게 하는 수단은, 상기 스크로울케이싱의 벨마우스형 흡입구의 상류에 설치한 차폐판인 것을 특징으로 하는 강제송풍식 연소장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 흡입구의 상류에는 차폐판을 설치한 것을 특징으로 하는 강제송풍식 연소장치.

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