KR101367354B1 - 가스 종류별 최적 연소장치 및 연소방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자식 압력 센서를 부착하여 공기량을 디지털로 계측하고 마이크로 프로세서에 미리 입력 저장된 최적 가스량을 찾아서 전류비례 가스밸브의 개폐량을 조절하여 공기량과 가스량이 최적 비례 제어되도록 구성한 가스 종류별 최적 연소장치 및 연소방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 전류비례변에서 공급되는 가스와 송풍기에서 공급되는 공기를 혼합 연소시키는 버너, 공기량에 따라 상기 전류비례변을 제어하는 가스밸브 제어기로 구성되고; 상기 가스밸브 제어기는 착화운전 및 정상운전시 상기 전류비례변을 개폐하는 출력전류가 가스 종류별로 기준 공기압에 맞게 기록된 가스종류별 비례전류 저장부; 착화운전 또는 정상운전시 상기 송풍기와 연결된 압력센서로부터 입력된 현재 공기압과 상기 가스종류별 비례전류 저장부에 기록된 기준 공기압을 비교하여, 공급 중인 가스 종류에 맞게 출력전류 값을 찾는 비례전류 비교판단부; 그리고 상기 비례전류 비교판단부의 신호에 따라 전류비례변으로 출력전류를 발생시키는 비례전류 출력부로 구성된 특징이 있다.

Description

가스 종류별 최적 연소장치 및 연소방법{The gas combustion unit and combustion method}

본 발명은 가스종류별 최적 연소장치 및 연소방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스 종류별로 착화 및 정상연소에 필요한 최적의 공기량을 산출하여 전류 비례형 가스밸브의 개폐에 필요한 전류량으로 환산하여 저장하고, 연소 버너로 공급되는 공기의 압력 변화를 감지하여 저장된 전류량과 비교하여 전류 비례형 가스밸브가 개폐되도록 제어함으로써, 착화 및 정상연소에 필요한 공기와 가스의 혼합비율이 가스 종류별로 최적비례가 되도록 하였으며, 또한 이상연소시 가스를 차단하는 안전기능이 부가된 가스 종류별 최적 연소장치 및 연소방법에 관한 것이다.

일반적으로 프리믹싱(예혼합) 방식의 연소 버너는 질소화합물(Nox) 발생을 억제하고 일산화탄소(Co) 배출량이 적어 환경 친화적이고 높은 효율을 가진 연소 시스템을 구성할 수 있다. 종래의 프리믹싱 버너는 급기부의 풍압을 균압관 호스를 통해 다이아 프램 구조의 압력 비례 가스 밸브에 전달하여 공기량과 가스 공급량이 기계적인 방식으로 연동 되도록 구성되어 있다. 이러한 기계식 비례연동에는 정교한 구조의 공기압력 비례가스밸브를 사용하여야 하고, 송풍팬은 밸브의 특성과 일치되는 성능이 요구되므로 팬과 가스밸브의 선택이 제한되어 비용이 높아지고, 공기량과 가스량이 무조건적으로 연동되는 문제로 인해 가스 종류에 따른 설정을 할 수 없고 착화시 보상이 곤란하여 지연 착화에 의한 소음이 발생하고 버너의 설계 및 제품 개발에 높은 수준의 기술이 요구된다.

종래 특허등록 제406472호는 상기 프리믹싱 방식의 연소버너에서 정상 작동중에 공기량이 부족할 경우 가스량에 비례되게 공기량 부족분을 송풍기의 강제 작동으로 보상하여 미연소가 발생되지 않도록 한 것이다.

그러나 종래의 특허는 연도의 막힘이나 역풍의 발생으로 공기량이 부족해질 경우에도 송풍기가 강제 작동되는 모순이 있으므로 화재의 위험이 있으며, 또한 연소장치에 무리가 발생되는 등의 문제점이 있었다.

종래 특허등록 제1043876호는 초기 점화시 가스공급이 늦고 정확하지 않은 상태에서 착화될 경우 공연비의 부정확으로 인해 화염이 날리거나, 역화되거나 또는 소음이 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 최초점화시는 더 많은 가스를 공급하여 진한연료의 공연비를 공급하여 화염이 안정화 되도록 한 기술이 제안되 바 있다.

그러나 종래 특허 제1043876호는 착화시 최적의 공연비를 선택하지 않고 더 많은 가스를 공급하여 문제를 해소하는 쪽으로 개발된 것이므로, 미연소가스가 많이 발생되어 질소화합물 등의 유해물질이 다량 방출되는 등의 기술적인 문제점이 있으며, 또한 연도의 막힘이나 역화 등의 이유로 공기량이 부족해질 경우 가스를 차단하는 수단이 마련되지 않았으므로 화재의 위험이 있었다.

본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 전자식 압력 센서를 부착하여 공기량을 디지털로 계측하고 마이크로 프로세서에 미리 입력 저장된 최적 가스량을 찾아서 전류비례 가스밸브의 개폐량을 조절하여 공기량과 가스량이 최적 비례 제어되도록 구성한 가스 종류별 최적 연소장치 및 연소방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 종래의 기계식 연동 방식의 문제점인 지연 착화를 해결하기 위해 가스 차단밸브의 동작신호에 의해 착화운전으로 전환하고, 착화후 공기 압력 변화 감지에 의해 정상운전으로 전환하는 방법으로 착화 문제를 개선하여 착화 소음을 감소시킬 수 있으며, 연도의 길이 연장이나 역압 발생 등의 예외 상황에 대해 압력 센서를 이용하여 판단하고, 연소실의 압력 변화에 정확히 비례하여 최적 연소에 필요한 가스 공급량을 제어함으로써 효율 향상에 따른 에너지 절감과 질소화합물(NOx) 발생을 억제해 친환경성이 향상 되도록 한 가스 종류별 최적 연소장치 및 연소방법을 제공함에 있다.

이를 위하여 본 발명은 연소실에 최적 비율로 혼합된 프리믹싱 가스를 공급 하기 위해 급기부에 전자식 압력 센서를 부착하여 마이크로 프로세서로 대기압과의 차압을 측정하고, 사전 입력하여 저장된 가스 종류별 최적 가스 공급량을 참조하여 가스밸브를 직접 제어함으로써, 착화 및 정상운전중 역압 발생 조건에 대한 별도 처리를 하여 빠른 응답성과 안전성을 모두 해결하였다.

연소실 급기부에 공기량을 측정하는 전자식 압력 센서를 설치하여 가스밸브 제어기에 입력하고, 제어기는 압력값을 디지털 수치로 변환하여, 미리 시험에 의해 저장된 조건별 최적 가스 공급량을 메모리 테이블에서 찾아 가스밸브에 출력하는 방식으로 공기와 가스량이 디지털 수치로 연동 비례하도록 하였다. 또한 가스 차단밸브와 연결하여 최초 전원 인가 시점에서 착화운전으로 전환하여 공기량에 비해 가스 공급량이 증대된 착화 가스량을 공급하고 착화 모드에서 일정값 이상의 풍압 변화가 검출되거나 착화 시간이 경과되면 착화운전을 해제하여 정상운전 모드로 전환한다.

프리믹싱(예혼합) 버너에서 연소 효율을 높이기 위해 공기(산소)와 가스(연료)가 최적 비율로 혼합 공급되어야 하며, 본 발명은 압력 센서와 마이크로 프로세서를 이용한 가스밸브 제어기를 사용하여 운전 조건별 최적의 프리믹싱이 가능하고 착화 보상 기능을 가지는 디지털 연동 공기 비례 가스밸브 제어 방식을 개발하였다. 디지털 연동 방식으로 공기량에 비례하도록 가스공급량을 제어하게 되면 제품 출고후 가스종류의 변경이나, 연소실의 형상 또는 송풍팬 모터의 풍량 특성 및 가스 밸브의 특성에 따른 운전 조건별 최적의 혼합비를 모두 저장부에 미리 입력 기억할 수 있으므로, 저렴한 팬 모터와 전류 비례 가스밸브를 이용한 고효율 프리믹싱 버너를 구성할 수 있다. 온도 센서를 추가하면 공기 온도에 대한 비체적 보상까지 감안하여 가스 공급량을 제어할 수 있으므로 연소 효율을 더욱 개선 시킬 수 있다.

본 발명 한 실시예에 따르면 종래 양산 제품에 사용하던 급기팬과 전류 비례형 가스밸브를 그대로 사용하면서, 역압 검출용 풍압 스위치를 대체하여 압력 센서를 설치하는 것으로서, 종래의 기술과 부품을 모두 활용하여 고효율의 프리믹싱 연소 버너를 구성할 수 있다. 따라서 고가의 압력 감지식 비례 제어 밸브와 선형적인 풍량 특성을 가진 급기팬을 사용할 필요가 없어서 제품 생산 원가가 절감된다. 또한 고/저 연소 구간 전체에 대해 최적 매핑 테이블 보상이 가능하여 높은 효율성이 유지되므로 운전 가스비를 절감 할수 있고, 착화시의 보상이 자유로워 신속한 착화에 의한 초기 가열 성능을 향상하고, 착화 소음 감소로 사용자 품질 만족도를 향상 할 수 있다.

추가된 압력 센서의 부가 기능으로 연소로 손상 검출과 역압에 의한 배기 폐쇄의 검출 및 장연도 보정이 가능하게 되어 설치시의 유연성이 향상되고 안전성도 개선된다. 공기와 가스를 이상적으로 혼합하여 연소실에 공급하게 되므로 연소 효율 증가에 의해 에너지가 절감이 된다. 착화시 별도 보정 테이블에 의해 빠른 착화가 되며 소음을 감소시킨다. 품질이 검증된 전류비례 가스밸브와 팬모터를 그대로 사용 하므로 개발 기간 단축과 AS 감소 및 생산 원가가 절감된다.

그리고 가스 종류별로 구분된 복수의 데이터 테이블을 사용하여 관리가 편리하고, 온도센서 추가에 의해 급기 온도에 따른 비체적 보상을 할 수 있으며, 압력 감지부의 디지털 필터를 이용하여 급격한 열량 변화 조건에서 유연하게 가스량을 제어할수 있다. 또한 압력 센서의 부가 기능으로 배기 폐쇄, 연소로 파손, 팬모터 고장 및 역압 검출이 가능하여 안전성이 향상된다. 가스량 데이터 테이블을 세분화하면 저연소 조건에서 희박 연소(린번)등 다양한 연소 제어가 가능해 지고, 전류비례 가스밸브의 열림과 닫힘시의 히스테리 특성과 비직선성을 가스밸브 제어기에서 보정하므로 제어 특성이 우수하며, 상/하한 값도 디지털로 설정 가능하여 가스 밸브 생산시 교정 자동화가 쉽고 시간이 단축된다. 그리고 시험에 의해 팬의 운전 조건별 최적 연소점을 데이터 테이블에 입력하여 저장하므로 설계가 용이하고, 연소 공진점 및 불안정점에서의 연소 기피 구간을 설정할 수 있으며, 제어기 배선에 극성 구분없이 입력 전원선과 전류 출력선을 포함하여 4개의 전선으로 디지털 연동 제어 기능을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명 한 실시예의 연소장치의 개념도
도 2는 본 발명 한 실시예의 연소장치의 연소방법 흐름도

도 1 내지 도 2에서 본 발명 한 실시예의 연소장치 및 연소방법은 다음과 같다. 본 발명 한 실시예의 연소장치는 가스,공기 혼합부(20)를 가진 버너(10), 상기 가스,공기 혼합부(20)로 연결된 가스관을 개폐하는 가스차단변(22)과 전류비례변(21), 상기 가스,공기 혼합부(20)에 연결되어 연소공기를 공급하는 송풍기(30) 그리고 가스밸브 제어기(40)로 구성된다.

가스밸브 제어기(40)는 가스 종류별로 상기 전류비례변(21)을 제어하기 위한 출력전류를 발생시키는 수단이 구비되는데, 상기 송풍기(30)에서 가스,공기 혼합부(20)로 공급되는 공기의 압력과 연동하여 비례적으로 출력전류를 발생시킨다. 이를 위하여 상기 가스밸브 제어기(40)에는 가스 종류별 비례전류 저장부(42), 비례전류 비교판단부(43), 상기 전류비례변(21)으로 출력전류를 발생시키는 비례전류 출력부(47) 및 이들을 제어하는 제어부(41)로 구성된다.

공기비례 가스 공급 테이블 구조

공기량		LPG 25K		LNG 25K		LPG 50K		LNG 50K
풍량 [Cmh]	기준 공기압 [△Pa]	착화운전 [mA]	정상운전 [mA]	착화운전 [mA]	정상운전 [mA]	착화운전 [mA]	정상운전 [mA]	착화운전 [mA]	정상운전 [mA]
80	1000	65	115	60	107	85	170	80	158
60	800	65	92	60	85	85	135	80	128
40	600	65	75	60	68	85	92	80	88
20	400	0	32	0	28	0	35	0	30
0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

상기 표 1은 가스 종류별 착화 및 정상운전에 필요한 출력전류값과 그에 따른 연소 공기량이 반복 실험에 의해 최적화된 데이터이다. 상기 가스 종류별 비례전류 저장부(42)는 상기 최적화된 데이터가 기록된 곳이다. 상기 송풍기(30)에는 공기압력을 측정하는 압력센서(31)가 구비되고, 압력센서(31)에서 측정된 현재 공기압은 가스밸브 제어기(40)의 제어부(41)로 입력된다.

상기 비례전류 비교판단부(43)는 압력센서(31)에서 입력된 현재 공기압과 상기 가스 종류별 비례전류 저장부(42)에 기록된 공기량의 기준 공기압을 비교하여 가스 종류별로 착화 및 정상운전에 필요한 최적의 출력전류를 찾아 제어부(41)로 보내면, 제어부(41)는 비례전류 출력부(47)에서 전류비례변(21)의 동작에 필요한 전류가 출력되도록 제어한다.

또한 상기 가스밸브 제어기(40)에는 압력센서(31)에서 입력된 현재 공기압과 가스 종류별 비례전류 저장부(42)에 기록된 기준 공기압을 비교하는 공기압 비교판단부(44)가 구비되고, 공기압 비교판단부(44)에서 착화 또는 정상연소 조건에서 벗어나는 공기압이 감지되었을 때 비례전류 출력부(47)의 출력전류가 차단되도록 제어부(41)로 제어신호를 발생시키는 고장신호 출력부(48)가 구비된다. 그리고 초기에 가스의 종류를 설정하기 위한 가스종류 설정부(45) 및 송풍기 용량을 설정하는 송풍기 용량 설정부(46)가 구비된다.
본 발명 한 실시예의 연소방법은 연소장치에 공급되는 현지의 가스 종류 및 송풍기(30)의 용량을 가스밸브 제어기(40)에 입력하는 설정단계(S100); 버너(10)와 연결된 가스차단변(22)으로 전원이 공급되고, 가스밸브 제어기(40)로 전원이 공급되는 전원공급단계(S101); 착화운전시 상기 송풍기(30)와 연결된 압력센서(31)로부터 입력된 현재 공기압과 가스종류별 비례전류 저장부(42)에 기록된 기준 공기압을 비교하여, 공급중인 가스 종류에 맞게 출력전류를 비례전류 비교판단부(43)에서 연산하여 상기 가스차단변(22)과 연결된 전류비례변(21)으로 공급하여 버너(10)로 가스가 공급되도록 하는 착화운전단계(S102); 착화운전중 미리 설정된 최대 착화 시간 이내에서 송풍기(30)의 현재 공기압 평균치가 기준 공기압 범위이거나 또는 착화시간이 경과된 경우 착화운전이 종료되고, 정상운전으로 전환되도록 하는 정상운전단계(S103); 그리고 착화운전중 송풍기(30)의 현재 공기압이 착화 및 정상운전의 기준 공기압 범위를 벗어난 경우 전류비례변(21)의 전원이 차단되도록 하는 운전정지단계(S104)들로 이루어진다.

이처럼 구성된 본 발명 한 실시예의 연소장치는 도 2에서와 같이 작동된다. 설정단계(S100)에서 현지의 가스 종류 및 송풍기(30)의 용량에 맞게 가스종류 설정부(45) 및 송풍기용량 설정부(46)를 조작하여 가스밸브 제어기(40)를 설정한다.
전원공급단계(S101)에서 동작신호가 입력되면 전원공급부(50)를 통하여 가스차단변(22)에 전원이 공급되어 개방된다. 그러나 전류비례변(21)에는 출력전류가 인가되지 않은 상태이므로 가스는 가스,공기 혼합부(20)로 공급되지 않는다. 그리고 가스밸브 제어기(40)는 전원공급부(50)의 동작 전원에 따라 리셋 동작을 거처 가스 종류 설정에 맞게 초기화를 하고 착화운전으로 동작한다. 가스 종류 및 송풍기(30) 용량은 연소장치의 초기 설치 또는 가스 종류가 변경될 때마다 설정단계(S100)에서 가스종류 설정부(45) 및 송풍기용량 설정부(46)를 통하여 가스밸브 제어기(40)에 입력된다.

착화운전단계(S102)에서 미리 설정된 최대 착화 시간(염안정화 시간 포함 3 ∼ 15초) 이내에 상기 압력센서(31)로 연속 측정한 현재 공기압의 평균치가 제어부(41)로 입력되면 비례전류 비교판단부(43)에서 이를 기준으로 하여 가스종류별 비례전류 저장부(42)에 기록된 착화운전 시의 기준 공기압과 비교하여 착화에 필요한 가스종류별 출력전류를 찾고, 이때 제어부(41)는 비례전류 출력부(47)에서 전류비례변(21)으로 출력전류가 인가되도록 제어한다. 상기 표 1에서 가스종류가 LPG 25K 이고, 기준 공기압이 600Pa 라고 가정하면, 착화시 출력전류는 65mA 이며, 정상운전시 출력전류는 75mA 이다. 이때 전류비례변(21)의 개폐량에 따라 착화에 필요한 가스가 가스,공기 혼합부(20)를 거쳐 버너(10)로 공급되는데, 송풍기(30)의 작동으로 연소에 필요한 공기도 함께 공급되어 가스,공기 혼합부(20)에서 혼합된 뒤 버너(10)로 공급된다.
착화운전단계(S102)에서 현재 공기압의 변화가 기준 공기압의 범위에 맞게 공기압 비교판단부(44)에서 감지되거나 또는 정해진 착화 시간이 지나면 착화 완료로 판단하고 제어부(41)는 정상운전에 필요한 동작신호를 출력하고 정상운전단계(S103)로 넘어간다. 정상운전단계(S103)에서 정상운전에 필요한 출력전류가 비례전류 출력부(47)를 거쳐 전류비례변(21)으로 공급되고, 가스량이 조절되어 가스,공기 혼합부(20)를 거쳐 버너(10)에서 연소된다.
정상운전단계(S103)에서 송풍기(30)와 연결된 압력센서(31)의 현재 공기압 변화에 추종하여 최적 연소가 되도록 비례전류 비교판단부(43)는 실시간 입력되는 현재 공기압과 가스종류별 출력전류를 가스종류별 비례전류 저장부(42)에서 찾아 비교한 뒤, 비례전류 출력부(47)를 통하여 전류비례변(21)으로 출력전류를 보내면 전류비례변(21)은 가스,공기 혼합부(20)내로 공급되는 가스량을 가감하면서 버너(10)에 최적화된 가스량을 지속적으로 공급한다.

삭제

운전정지단계(S104)에서는 착화운전중 공기압 비교판단부(44)가 가스종류별 비례전류 저장부(42)에 기록된 착화에 필요한 기준 공기압과 압력센서(31)에서 입력되는 현재 공기압을 연속하여 비교판단하고, 착화 및 정상운전에 필요한 기준 공기압 범위를 초과하는 비정상 공기압을 감지하면 팬 모터 이상 또는 연소실 손상, 배기구 폐쇄, 역압 이나 압력센서(31) 이상으로 판단한다. 이때 제어부(41)는 고장신호 출력부(48)를 통하여 고장신호를 출력하고 재가동시까지 전원공급부(50)의 전원이 차단되도록 제어한다.

삭제

10 : 버너 20 : 가스,공기 혼합부
21 : 전류비례변 22 : 가스차단변
30 : 송풍기 31 : 압력센서
40 : 가스밸브 제어기 41 : 제어부
42 : 가스종류별 비례전류 저장부 43 : 비례전류 비교판단부
44 : 공기압 비교판단부 45 : 가스종류 설정부
46 : 송풍기용량 설정부 47 : 비례전류 출력부
48 : 고장신호 출력부 50 : 전원공급부
S100 : 설정단계 S101 : 전원공급단계
S102 : 착화운전단계 S103 : 정상운전단계
S104 : 운전정지단계

Claims (4)

1. 전류비례변에서 공급되는 가스와 송풍기에서 공급되는 공기를 혼합 연소시키는 버너, 공기량에 따라 상기 전류비례변을 제어하는 가스밸브 제어기로 구성되고;
   상기 가스밸브 제어기는 착화운전 및 정상운전시 상기 전류비례변을 개폐하는 출력전류가 가스 종류별로 기준 공기압에 맞게 기록된 가스종류별 비례전류 저장부;
   착화운전 또는 정상운전시 상기 송풍기와 연결된 압력센서로부터 입력된 현재 공기압과 상기 가스종류별 비례전류 저장부에 기록된 기준 공기압을 비교하여, 공급 중인 가스 종류에 맞게 출력전류 값을 찾는 비례전류 비교판단부; 그리고
   상기 비례전류 비교판단부의 신호에 따라 전류비례변으로 출력전류를 발생시키는 비례전류 출력부로 구성됨을 특징으로 하는 가스 종류별 최적 연소장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가스밸브 제어기는 착화운전시 상기 가스종류별 비례전류 저장부에 기록된 착화 및 정상운전에 필요한 기준 공기압과 상기 압력센서에서 입력되는 현재 공기압을 연속하여 비교하고, 착화 및 정상운전의 범위를 초과하는 이상 압력 감지시 전원공급부의 전원이 차단되도록 제어하는 공기압 비교판단부가 구비됨을 특징으로 하는 가스 종류별 최적 연소장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 공기압 비교판단부는 착화운전시 상기 압력센서에서 입력되는 현재 공기압이 기준 공기압의 범위일 때 착화운전이 완료되도록 한 것을 특징으로 하는 가스 종류별 최적 연소장치.
4. 연소장치에 공급되는 현지의 가스 종류 및 송풍기의 용량을 가스밸브 제어기에 입력하는 설정단계;
   버너와 연결된 가스차단변으로 전원이 공급되고, 가스밸브 제어기로 전원이 공급되는 전원공급단계;
   착화운전시 상기 송풍기와 연결된 압력센서로부터 입력된 현재 공기압과 가스종류별 비례전류 저장부에 기록된 기준 공기압을 비교하여, 공급중인 가스 종류에 맞게 출력전류를 비례전류 비교판단부에서 연산하고 상기 가스차단변과 연결된 전류비례변으로 공급하여 버너로 가스가 공급되도록 하는 착화운전단계;
   착화운전중 미리 설정된 최대 착화 시간 이내에서 송풍기의 현재 공기압 평균치가 기준 공기압 범위이거나 또는 착화시간이 경과된 경우 착화운전이 종료되고, 정상운전으로 전환되도록 하는 정상운전단계; 그리고
   착화운전중 송풍기의 현재 공기압이 착화 및 정상운전의 기준 공기압 범위를 벗어난 경우 전류비례변의 전원이 차단되도록 하는 운전정지단계들로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스 종류별 최적 연소방법.

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