KR102629633B1 - 탄산가스 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혼합기의 스월 유동을 형성하고, 혼합기가 촉매의 다공 격자홀을 통해 골고루 분배 유동하며 촉매 연소되도록 하여, 촉매의 전체 체적의 온도를 균일하게 유지함으로써 안정적인 연소가 유지될 수 있는 탄산가스 발생장치를 제공한다. 상기 탄산가스 발생장치는, 공기와 연료의 혼합기를 공급하는 혼합기공급부, 상기 혼합기공급부에서 공급된 혼합기를 연소하는 연소부, 및 상기 혼합기공급부와 연소부 사이에서 전후 방향으로 연장되고 상기 혼합기공급부에서 공급된 혼합기가 후방으로 유입되며 유입된 상기 혼합기를 전방에 마련된 연소부로 스월 유동시키는 스월 형성부를 포함한다.

Description

탄산가스 발생장치{Carbon-dioxide Supplier}

본 발명은 탄산가스 발생장치에 관한 것으로, 시동성이 우수하고, 초기 점화 과정에서도 유해가스가 배출되지 않으며, 초 희박 중온 완전 연소가 가능하고, 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 1 내지 3에서 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 작동이 안정적이지 않고, 작동 중 예기치 않은 실화가 발생하는 문제가 있었다.

등록특허공보 제1652876호 등록특허공보 제1875526호 공개특허공보 제2021-0016193호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 초기 점화 작동이 안정적인 탄산가스 발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 작동 중 실화가 발생하지 않는 탄산가스 발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 혼합기의 스월 유동을 형성하고, 혼합기가 촉매의 다공 격자홀을 통해 골고루 분배 유동하며 촉매 연소되도록 하여, 촉매의 전체 체적의 온도를 균일하게 유지함으로써 안정적인 연소가 유지될 수 있는 탄산가스 발생장치를 제공한다.

상기 탄산가스 발생장치는: 공기와 연료의 혼합기를 공급하는 혼합기공급부(30); 상기 혼합기공급부(30)에서 공급된 혼합기를 연소하는 연소부(50); 및 상기 혼합기공급부(30)와 연소부(50) 사이에서 전후 방향으로 연장되고, 상기 혼합기공급부(30)에서 공급된 혼합기가 후방으로 유입되며, 유입된 상기 혼합기를 전방에 마련된 연소부(50)로 스월 유동시키는 스월 형성부(40);를 포함한다.

상기 스월 형성부(40)는 상기 혼합기공급부(30)에서 상기 연소부(50)로 진행되는 방향을 따라 원형의 유동 단면을 제공한다.

상기 혼합기공급부(30)는 상기 스월 형성부(40)의 후방에서 상기 원형의 유동 단면에 내접하는 방향으로 연결되는 혼합기 유입배관(35)을 통해 상기 혼합기를 상기 스월 형성부(40)에 유입시킴으로써, 혼합기의 스월 유동을 형성한다.

상기 혼합기 유입배관(35)은 곧은 직선 형태의 배관을 포함하여서, 상기 스월 형성부(40)에 직선 층류 유동하는 혼합기를 유입시킬 수 있다.

상기 혼합기 유입배관(35)은 상기 전후 방향에 수직한 면에 대해 소정의 유입각(k)만큼 전방으로 기울어진 형태로 연결되어서, 상기 혼합기 유입배관(35)에서 소정의 속도(v)로 공급되는 혼합기가, 측방으로 향하는 속도성분(v cos k)과, 전방으로 향하는 속도성분(v sin k)을 가지고 상기 스월 형성부(40)에 유입되도록 할 수 있다.

스월 형성부(40)에서 상기 혼합기 유입배관(35)이 연결되는 부분보다 전방에는, 전방으로 갈수록 내경이 확대되는 확장관(42)이 구비되어, 상기 혼합기 유입배관(35)으로부터 유입된 혼합기의 스월 유동의 폭을 확대(w1→w2)시킬 수 있다.

상기 확장관(42)의 전방에는, 일정한 내경으로 전방으로 연장되는 대경관(43)이 연결되어, 스월 안정화구간(C)을 제공함으로써, 상기 확장관(42)을 거쳐 전방으로 이동한 혼합기의 스월 유동을 안정화시킬 수 있다.

상기 스월 형성부(40)에서 상기 혼합기 유입배관(35)이 연결되는 부분보다 후방에는, 후방으로 오목한 내면을 제공하는 돔캡(412)이 구비될 수 있다. 상기 돔캡(412)은 상기 스월 형성부(40)의 전방 단부에서 중심축을 따라 후방으로 회기하는 회기유동이 다시 전방으로 방향 전환되도록 가이드할 수 있다.

상기 연소부(50)는: 상기 스월 형성부(40)의 전방 단부에 설치되고, 전후방향으로 관통하도록 연장되는 복수 개의 격자홀(531)을 구비하는 촉매부재(53); 및 상기 촉매부재(53)의 후단으로부터 후방으로 소정 거리만큼 이격 배치되는 점화히터부(51);를 포함할 수 있다.

상기 촉매부재(53)는 활성화 온도 이상의 온도에서 혼합기의 연소를 촉진할 수 있다.

상기 소정 거리에 해당하는 공간은 상기 혼합기의 스월 유동이 체류하는 스월 체류구간(D)을 이룰 수 있다.

상기 점화히터부(51)는, 측방으로 연장되는 납작한 바 형태의 제1히터(511)와 제2히터(512)를 포함할 수 있다.

상기 제1히터(511)는 유동 단면의 상부를 측방으로 가로지르고, 상기 제2히터(512)는 유동 단면의 하부를 측방으로 가로지를 수 있다.

상기 제1히터(511)는 납작한 바 형태가 소정의 경사각(j)을 가지고 전방으로 갈수록 하향하는 형태로 설치될 수 있다.

상기 제2히터(512)는 납작한 바 형태가 수평을 이루도록 설치될 수 있다.

상기 제1히터(511)와 제2히터(512)가 연장되는 방향은 서로 평행할 수 있다.

상기 제1히터(511)와 제2히터(512)의 선단부는 상기 스월 형성부(40)의 내주면으로부터 이격될 수 있다.

상기 탄산가스 발생장치(1)는: 상기 촉매부재(53)의 온도를 감지하는 온도센서(81); 및 상기 혼합기공급부(30)와 점화히터부(51)를 제어하는 제어장치(80);를 더 포함할 수 있다.

상기 탄산가스 발생장치(1)의 시동을 위해, 상기 제어장치(80)는, 예열 단계, 오버랩 단계 및 운전 단계를 수행할 수 있다.

상기 예열 단계에서 상기 제어장치(80)는, 상기 촉매부재(53)가 상기 활성화 온도보다 낮은 제1설정온도에 도달할 때까지 상기 점화히터부(51)에 전원을 공급하여 발열시키고 상기 혼합기공급부(30)에서 공기가 공급되도록 제어할 수 있다.

상기 오버랩 단계에서 상기 제어장치(80)는, 상기 촉매부재(53)가 상기 제1설정온도 이상이고 상기 활성화 온도보다 높은 제2설정온도 이하일 때 상기 점화히터부(51)에 대한 전원 공급을 유지하고 상기 혼합기공급부(30)에서 혼합기가 공급되도록 제어할 수 있다.

상기 운전 단계에서 상기 제어장치(80)는, 상기 촉매부재(53)가 상기 제2설정온도 이상일 때 상기 점화히터부(51)에 대한 전원 공급을 차단하여 발열을 멈추고 상기 혼합기공급부(30)에서 혼합기가 공급되도록 제어할 수 있다.

본 발명에 따르면, 혼합기의 스월 유동을 형성하여 혼합기가 촉매부재의 모든 영역에서 골고루 연소되도록 함으로써, 촉매의 온도를 전체적으로 균일하게 유지할 수 있고, 이에 따라 안정적인 연소 상태가 유지될 수 있다.

본 발명에 따르면 수평으로 누워 있는 형태로 탄산가스 발생장치가 설치되더라도, 점화히터부의 히터를 베인으로 활용하여, 혼합기 유동이 상부에 집중되지 않도록 함으로써, 혼합기가 촉매부재에 모든 영역에서 골고루 연소되도록 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 촉매부재 직전의 스월 체류구간에서 혼합기가 지속적으로 스월 유동을 하도록 하여, 촉매부재에서 혼합기의 연소가 일어나며 발생하는 열이 스월 유동하는 혼합기에 골고루 전달되도록 하고, 혼합기가 촉매부재의 다수의 격자홀에 골고루 분배 유입되도록 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 스월 체류구간에서 스월 유동을 하는 혼합기가 촉매부재의 중심부보다 반경방향 외측의 둘레에 마련된 격자홀에 더 유입되어 연소됨으로써, 촉매부재의 둘레부의 발열양이 중심부의 발열양보다 더 크도록 하여, 촉매부재가 전체적으로 균일한 온도를 유지하도록 할 수 있다. 이로 인해, 촉매부재의 둘레부가 촉매부재의 중심부보다 반경방향 외측으로 열을 더 전달하게 되어 발생하는 촉매부재의 온도 불균일 문제를 해결할 수 있다.

본 발명에 따르면 상기 스월 체류구간으로부터 스월 형성부의 중심축을 따라 후방으로 회귀하는 회귀유동을 통해, 후방에서 유동하고 있던 혼합기에 열을 전달함으로써, 혼합기의 연소 전에 혼합기를 예열할 수 있다. 이에 따라, 안정적인 촉매 연소가 가능하여 실화 가능성을 더욱 낮출 수 있다.

본 발명에 따르면, 오버랩 단계를 포함하는 제어장치의 시동 제어 단계로 인해, 탄산가스 발생장치의 시동 절차의 신뢰성을 더욱 높일 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명에 따른 탄산가스 발생장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 탄산가스 발생장치의 하우징 일부를 제거하여 내부가 보이도록 한 사시도이다.
도 3과 도 4는 도 2 탄산가스 발생장치에서 촉매연소장치를 발췌하여 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 3의 촉매연소장치에서 혼합기공급부를 생략하여 나타낸 평면 단면도이다.
도 6과 도 7은 도 3의 촉매연소장치에서 지지브래킷을 생략하여 나타낸 사시도, 도 8은 측면도, 그리고 도 9는 평면도이다.
도 10은 도 3의 촉매연소장치에서 지지브래킷과 혼합기공급부를 생략하여 나타낸 전방사시도, 도 11은 배면도, 도 12는 평면 단면 사시도, 도 13은 평면 단면도, 도 14는 후방사시도, 도 15는 측면단면도, 그리고 도 16은 평면 단면 정면도이다.
도 17은 본 발명의 탄산가스 발생장치의 혼합기의 유동을 도식화한 도면이다.
도 18은 하우징에 마련된 제어반을 나타낸 도면이다.
도 19 내지 도 29는 제1히터와 제2히터의 납작한 면을 모두 수직으로 설치하였을 때, 모두 수평으로 설치하였을 때, 제1히터는 경사지게 설치하고 제2히터를 수평으로 설치하였을 때 유동 해석 결과를 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.

본 발명에 따른 실시예의 탄산가스 발생장치는, 전후 방향으로 길게 연장되도록 수평하게 설치된다. 상기 탄산가스 발생장치에 따르면, 혼합기는 후방에서 공급되고, 연소된 공기는 전방으로 배출된다. 이는, 뜨거운 연소가스가 원예시설의 천장을 훼손시키는 것을 방지하고, 통상 수평방향으로 긴 형태의 원예시설 내부 공간에 탄산가스를 고루 공급하기에 유리한 형태이다.

전후방향으로 길게 연장된 하우징을 구비하는 탄산가스 발생장치는, 원예시설 내에 설치하기 유리하다. 이는 전도의 위험이 없기 때문에, 별도의 넓적한 받침대가 필요 없어 지면에 설치 시 차지하는 면적이 작고, 상하 높이도 낮아 지면이 아닌 작물 위에 배치되도록 설치할 수도 있다.

실시예의 탄산가스 발생장치에서 연소가 이루어지는 혼합기는, 후방에서 전방으로, 전후 방향의 축 둘레를 감싸며 회전하는 나선형의 스월(swirl) 유동을 하게 된다. 즉 실시예의 탄산가스 발생장치 내에서 혼합기는 스월 유동하지만, 실질적으로는 후방에서 전방으로 이동하게 된다.

실시예를 설명함에 있어서, 축 방향이라 함은 전후 방향을 의미할 수 있고, 반경방향이라 함은 상기 축으로부터 멀어지거나 축에 가까워지는 방향을 의미할 수 있다. 원심방향이란 축으로부터 멀어지는 반경방향을 의미할 수 있다.

실시예를 설명함에 있어서, 상하방향은 중력방향과 나란한 방향을 의미할 수 있다.

이하 도면을 참조하여 실시예의 탄산가스 발생장치(1)에 대해 설명한다.

<하우징>

실시예의 탄산가스 발생장치(1)는, 전후방향으로 길게 연장된 직육면체 함체 형태의 하우징(10)의 내부에, 촉매연소장치(20)와 제어장치(80)가 내장된 형태를 가질 수 있다.

상기 촉매연소장치(20)는 LPG 등과 같은 기체 상의 연료를 공기와 혼합한 뒤, 이를 촉매 연소시키는 장치이다. 상기 제어장치(80)는 상기 촉매연소장치(20)의 작동을 제어하는 장치이다.

상기 하우징(10)의 전방에는 전방 토출구(11)가 마련된다. 이는 상기 촉매연소장치(20)에서 연소되어 생성된 탄산가스(CO₂)와 수증기(H₂O)를 전방으로 토출하는 통로가 된다. 도시하지는 아니하였으나, 상기 하우징(10) 내에서 상기 촉매연소장치(20)의 지지브래킷(17) 상부에는 전방으로 향하는 빠른 공기 유동을 발생시키는 송풍팬이 설치되어 탄산가스가 더욱 멀리 배출되도록 할 수 있다.

상기 전방 토출구(11)의 하부에는 그레이트(12)가 설치되어, 촉매연소장치(20)에서 토출되는 뜨거운 탄산가스가 모두 직접 외부로 배출되지 않도록 할 수 있고, 사용자가 뜨거운 촉매연소장치(20)의 배기구 부근에 손을 대지 않도록 할 수 있다.

<촉매연소장치>

촉매연소장치(20)는 지지브래킷(17)에 의해 하우징(10) 내부에 고정된다. 즉 촉매연소장치(20)는 지지브래킷(17)에 고정되고, 지지브래킷(17)이 하우징(10)에 고정됨으로써, 결과적으로 촉매연소장치(20)가 하우징(10)에 안정적으로 고정된다.

지지브래킷(17)은 전후방향으로 약간 짧은 직육면체 형태의 함체 형상일 수 있다. 지지브래킷(17)의 전면과 후면에는 각각 원형의 구멍 형성되어 있고, 이러한 구멍에 촉매연소장치(20)가 안착됨으로써, 촉매연소장치(20)가 하우징(10) 내에 지지된다. 지지브래킷(17)은 촉매연소장치(20)에서 가장 고온인 부분, 즉 연소부(50)에 해당하는 부분을 그 내부에 수용하는 형태일 수 있다. 이에 따라 연소부(50)에서 발생하는 열은 지지브래킷(17)에 의해 구획된 내부 공간에 체류할 수 있게 되고, 이에 따라 연소부(50)의 고온의 열이 하우징(10)에 전달되는 정도를 최소화할 수 있다.

상기 촉매연소장치(20)는, 혼합기공급부(30), 공급된 혼합기의 스월 유동을 유도하는 스월 형성부(40) 및 스월 유동하는 상기 혼합기를 연소하는 연소부(50)를 포함한다.

상기 혼합기공급부(30)는 촉매연소장치(20)의 후방에 배치될 수 있다. 상기 혼합기공급부(30)는 공기공급팬(31)과, 상기 공기공급팬(31)에 연결되는 공기공급배관(32)을 포함한다. 상기 공기공급팬(31)은, 속도 제어가 용이한 DC팬일 수 있다. 상기 공기공급배관(32)의 상류측 단부는 상기 공기공급팬(31)에 연결되고, 하류측 단부는 혼합배관(34)에 연결된다.

또한 상기 혼합기공급부(30)는 연료 탱크(36)와, 상기 연료 탱크(36)에 연결된 연료공급배관(33)을 포함한다. 도면 상에는 설명의 편의를 위해 연료공급배관(33)의 일부분만을 도시하였다. 상기 연료공급배관(33)은 상기 혼합배관(34)에 연결된다. 상기 연료공급배관(33)을 통해, 상기 혼합배관(34)에는 기체 상의 연료가 공급된다. 그러나 본 발명이 액체 연료 및 고체 연료의 사용을 배제하는 것은 아니다. 즉 상기 연료공급배관(33)을 통해 혼합배관(34)에 유입되는 연료의 상이 기체면 족할 뿐, 연료 탱크(36)에 저장된 연료는 액체 상이거나 고체 상일 수 있다.

상기 혼합배관(34)은, 상기 공기공급배관(32)과 연결되고, 상기 연료공급배관(33)과 연결된다. 상기 혼합배관(34)에서 상기 공기공급배관(32)과 연료공급배관(33)이 연결되는 합류구간(341)은 "T"자 배관을 포함한다. 도시된 바와 같이 공기공급배관(32)은 T 배관에서 직선으로 연결된 형태일 수 있고, 연료공급배관(33)이 T 배관의 측방으로 합류하는 형태일 수 있다.

상기 혼합배관(34)은 상기 합류구간(341) 및 상기 합류구간(341)의 하류에 연결되는 혼합구간(342)을 포함한다. 혼합구간(342)은 공기와 연료가스가 골고루 섞을 수 있도록 어느 정도 유동 길이를 확보하는 구간이다. 상기 혼합구간(342)에는 유동의 방향을 약 90도로 각각 전환하는 제1방향전환부(343) 및 제2방향전환부(344)이 구비될 수 있다. 방향전환부는 부분적으로 유동의 난류를 일으켜 연료가스와 공기가 더 골고루 혼합되도록 한다.

상기 반향전환부는, 이 외에도, 하우징(10) 내부에서 스월 형성부(40) 둘레로 배관을 컴팩트하게 배치하도록 할 수 있어, 장치가 차지하는 체적을 줄일 수 있도록 해준다. 가령 공기공급팬(31)과 후술할 혼합기 유입배관(35)은 상기 스월 형성부(40)를 사이에 두고 서로 반대쪽에 배치되고, 상기 혼합기공급부(30)는 상기 스월 형성부(40) 후방 단부의 둘레를 "ㄷ"자 형태로 둘러싸며 컴팩트하게 배치될 수 있다.

상기 혼합배관(34)의 하류측 단부는 혼합기 유입배관(35)에 연결된다. 혼합기 유입배관(35)은 곧은 직선 형태의 배관일 수 있다. 이는 앞서 혼합배관(34)에서 혼합된 혼합기의 직선 층류 유동을 유도한다. 즉 상기 혼합기 유입배관(35)의 길이는, 앞서 혼합배관(34)에서 유동하던 혼합기가 직선 층류 유동으로 전환되도록 할 수 있는 정도는 확보되는 것이 바람직하다. 가령 이러한 혼합기 유입배관(35)의 직경은 대략 1.2 내지 2 cm 일 수 있으며, 혼합기 유입배관(35)의 길이는 대략 5 cm 내외일 수 있다.

상기 혼합기의 공연비(λ)는 약 2.8 내지 3.5 정도이며 바람직하게는 3 정도인 초 희박 상태일 수 있다. 이를 위해 제어장치(80)는 상기 공기공급팬(31)의 작동 여부 및/또는 속도와 연료공급배관(33)의 밸브(37) 개폐여부 및/또는 개방도를 조절할 수 있다. 도시하지는 아니하였으나 상기 연료공급배관(33)의 밸브(37)는 스프링이 내장된 솔레노이드 밸브일 수 있다. 상기 솔레노이드 밸브는, 전원이 공급되면 자력이 발생되어 스프링의 탄성을 이기며 밸브가 개방되고, 전원이 차단되면 스프링이 탄성 복원되어 밸브가 닫히는 구조일 수 있다. 이는 정전 등의 전원 차단이 발생하였을 때, 연료의 공급을 확실히 차단해주는 구조라 할 수 있다.

상기 혼합기 유입배관(35)은 스월 형성부(40)에 연결된다. 상기 스월 형성부(40)는, 전방으로 연결되는 순서에 따라, 소경관(41), 확장관(42) 및 대경관(43)을 포함한다.

상기 소경관(41)은 상기 혼합기 유입배관(35)과 연결된다. 상기 소경관(41)은 원형관(411) 및 그보다 후방에 배치된 돔캡(412)을 구비할 수 있다.

상기 혼합기 유입배관(35)은, 상기 스월 형성부(40)가 연장되는 전후 방향에 수직한 면에 대해, 전방으로 12도 내지 24도로 기울어진 유입각(k)으로 상기 소경관(41)에 연결된다. 바람직하게 상기 유입각(k)은 15도 내지 20도일 수 있다. 그리고, 상기 혼합기 유입배관(35)은, 도 11에 도시된 바와 같이 상기 소경관(41)에 접선 방향으로 연결된다.

상기 돔캡(412)은 반구 형태의 내면을 구비한다. 이는 후술할 혼합기의 회기유동이 다시 전방으로 방향 전환되도록 돕는다.

상기 확장관(42)은 상기 소경관(41)의 전방에 연결되고, 전방으로 갈수록 점차 직경이 커지는 원뿔대 형태이다. 상기 확장관(42)이 커지는 경사도는 약 7도 내지 12도일 수 있다. 바람직하게 상기 경사도는 약 8도 내지 10도일 수 있다. 상기 확장관(42)은 디퓨져의 기능을 한다.

상기 혼합기 유입배관(35)에서 토출되며 상기 소경관(41)으로 유입된 혼합기는, 전방으로 비스듬히, 그리고 소경관(41)의 내주면에 접하는 방향으로 유동하고, 곧 확장관(42)의 내주면을 따라 나선형으로 유동한다. 확장관(42)에서 상기 혼합기의 스월 유동은 가속된다.

상기 확장관(42)의 전방에는 대경관(43)이 연결된다. 상기 대경관(43)의 직경은 소경관(41)의 직경의 약 1.3배 내지 1.5배일 수 있으며, 바람직하게는 약 1.35배 내지 1.4배일 수 있다. 상기 대경관(43)은 전방으로 촉매부(52)까지 연장될 수 있다.

상기 대경관(43)은, 상기 확장관(42)을 통해 유도된 혼합기의 스월 유동을 안정화시키고, 촉매부(52)까지 안정화된 스월 유동을 안내한다. 상기 스월 유동을 안정화시키고 촉매부(52)까지 유동을 안내하기 적합한 대경관(43)의 길이는, 상기 확장관(42)의 길이의 약 1.5배 내지 2.5배일 수 있고, 바람직하게 약 1.8배 내지 2.1배일 수 있다.

상기 스월 형성부(40)에서 상기 혼합기는 전방으로 스월 이동한다. 스월 유동은 원심방향으로 힘을 받으므로, 상기 혼합기의 스월 유동은 상기 스월 형성부의 내주면을 따라 나선형으로 돌며 전방으로 이동하게 된다.

연소부(50)는 점화히터부(51)와 촉매부(52)를 포함할 수 있다.

점화히터부(51)는, 탄산가스 발생장치(1)의 시동 초기에 연료의 점화를 유도하기 위해 상기 촉매부(52)보다 상류에 배치된다. 상기 점화히터부(51)는 소정거리만큼 상기 촉매부(52)보다 상류에 이격 배치되고, 이에 따라 상기 점화히터부(51)와 촉매부(52) 사이의 대경관(43) 구간에 스월 체류구간(D)이 제공될 수 있다. 상기 소정거리는 가령 대략 5 cm 이상일 수 있다.

상기 점화히터부(51)는 초기에만 작동할 수 있고, 안정적으로 착화가 이루어진 후에는 작동하지 않을 수 있다.

상기 점화히터부(51)는 제1히터(511)와 제2히터(512)를 포함한다. 제1히터(511)와 제2히터(512)는 대경관(43)의 측면에서 수평 방향으로 연장되도록 설치된다. 상기 제1히터(511)는 대경관 높이의 2/3 지점에 해당하는 위치에 배치되고, 상기 제2히터(512)는 대경관 높이의 1/3 지점에 해당하는 위치에 배치된다. 상기 제1히터(511)와 제2히터(512)는 서로 평행하게 연장되도록 설치될 수 있다.

도 16을 참조하면, 상기 제1히터(511)와 제2히터(512)는 대경관(43)을 가로지르는 전체 폭의 약 80% 내지 90% 정도 연장된다. 즉 제1히터(511)와 제2히터(512)의 선단부는 대경관(43)의 내주면에 연결되지 않는다. 이로써, 점화히터부(51)는, 상기 대경관(43)에서 일어나는 혼합기의 스월 이동에 지장을 주지 않는다.

상기 제1히터(511)와 제2히터(512)는 납작하고 긴 직육면체 바(bar) 형태일 수 있다. 도 15 등을 참조하면, 제2히터(512)는 상기 납작한 바가 수평하게 눕혀져 있는 형태로 설치된다. 반면 제1히터(511)는 상기 납작한 바가 전방으로 약간 기울어진 형태로 설치된다. 상기 제1히터(511)의 경사각(j)은 약 8도 내지 15도일 수 있다. 실시예에서는 상기 경사각(j)이 약 10도를 이룸이 예시된다.

상기 제1히터(511)와 제2히터(512)의 납작한 형태가 실질적으로 수평이 되도록 설치되면, 혼합기의 스월 유동의 이동방향(전방)에 방해가 되지 않으면서 히터와 혼합기의 접촉 면적을 충분히 확보할 수 있다.

한편 상기 제1히터(511)는 약간의 경사각(j)만큼 하향하는 형태로 설치됨으로써, 도 15에 도시된 바와 같이 혼합기의 유동이 약간 하향하도록 안내한다. 혼합기가 촉매부(52)에서 연소함에 따라, 그 체적이 커지면서 상부로 떠오르는 경향이 있다. 따라서 제1히터(511)와 제2히터(512)가 모두 수평하게 설치되면, 촉매부재(53)의 상부는 과열되는 반면, 촉매부재(53)의 중앙부가 적정 온도를 유지하지 못할 우려가 있다. 특히 스월 형성부(40)에 의해 형성된 혼합기의 스월 유동은 촉매부재(53)의 가장자리를 과열시키는 반면 촉매부재(53)의 중앙부에서의 연소량은 부족하여, 혼합기가 촉매부재(53)의 모든 영역에 대해 골고루 연소되지 않는 편차가 커질 우려가 있다.

이에, 실시예의 탄산가스 발생장치에서는, 상기 히터(511, 512) 자체를 베인처럼 사용함으로써, 혼합기가 촉매부재(53)의 각 격자홀(531)에 골고루 분배되어, 촉매부재(53)가 모든 영역에서 고르게 가열될 수 있도록 할 수 있다. 이에 따라, 촉매 연소는 안정적으로 유지되고 실화를 방지할 수 있다.

상기 대경관(43)의 전방 단부에 마련된 촉매부(52)는, 상기 대경관(43)와 연결되는 연소배기관(55)과, 상기 연소배기관(55) 내에 설치되고 전후방향으로 연장되는 복수 개의 격자홀(531)을 구비하는 원통형의 촉매부재(53)와, 상기 촉매부재(53)의 외측 둘레는 감싸는 개스킷(54)을 포함한다.

연소배기관(55)은 상기 대경관(43)와 대응하는 내경을 가지며 상기 대경관(43)의 전방 단부에 연결된다.

상기 촉매부재(53)의 전후방향 길이는, 상기 격자홀(531)을 유동하는 혼합기가 완전 연소되기에 충분한 거리만큼 확보하면서, 유동 저항이 급격히 커지지 않는 정도에서 정해질 수 있다. 도 16을 참조하면, 상기 격자홀(531)은 정사각형의 유동 단면을 가질 수 있다.

상기 촉매부재(53)는 백금(Pt)에 세라믹을 담지한 다공질의 세라믹 촉매일 수 있다. 상기 촉매부재(53)는 섭씨 약 380도 이상의 온도에서 활성화되어 혼합기를 중온 연소시킬 수 있다. 또한 상기 촉매부재(53)는, 시동 초기에 점화히터부(51)에서 다소 불완전 연소가 일어나더라도, 완전 연소되지 못하고 발생한 HC와 CO를 후처리한다.

상기 개스킷(54)은 혼합기가 촉매부재(53)를 통하지 않고 우회하여 배출되지 않도록, 촉매부재(53)의 외주면과 연소배기관(55)의 내주면을 밀착시킨다.

상기 혼합기는 상기 촉매부재(53)에 의해 섭씨 약 800도 내지 950도 정도의 온도를 유지하며 연소된다. 바람직하게는 상기 연소 온도는 약 섭씨 900 도 정도를 유지하도록 할 수 있다. 실시예는 이와 같은 중온 연소에 의해 상기 혼합기가 연소될 때 NOx가 발생하는 현상을 미연에 방지할 수 있다.

<혼합기의 유동>

도 16을 참조하면, 혼합기는 도시된 바와 같이 스월 유동을 하며 스월 형성부(40)의 내주면을 타고 전방으로 유동한다.

구체적으로, 도입구간(A)에 유입된 혼합기는 측방으로 향하는 속도성분(v cos k)과, 전방으로 향하는 속도성분(v sin k)을 가지고 소정의 속도(v)로 확장관(42)의 내주면을 따라 스월 유동하기 시작한다. 그리고 확장관(42)의 디퓨저 형상으로 인해 그 유동의 폭이 확대(w1→w2)되며 증속구간(B)을 거쳐 전방으로 이동한다. 그리고 스월 유동은 스월 안정화구간(C)에서 안정화된 뒤, 제1히터(511)와 제2히터(512)를 지나 스월 체류구간(D)에서 잠시 전방으로의 이동이 저지된 채로 스월 유동을 계속한다.

스월 체류구간(D)에서 스월 유동하는 대부분의 혼합기는 촉매부재(53)의 격자홀(531)을 따라 전방으로 이동하며 연소되고, 일부의 혼합기는 스월 형성부(40)의 중심부를 따라 다시 후방으로 회기유동한다.

상기 회기유동은, 혼합기가 스월 형성부(40)의 내주면을 따라 원심력을 받으며 전방으로 스월 유동함으로 인해 발생할 수 있다. 상기 회기유동은 소경관(41)의 돔캡(412)까지 다다른 뒤 다시 도입구간(A)의 혼합기 유입 유동과 합류되어 다시 전방으로 이동하게 된다. 돔캡(412)은 이러한 회기유동의 방향 전환을 유도하는 곡면을 구비한다.

상기 회기유동은, 연소부(50)의 열의 일부를 스월 형성부(40)의 후방으로 전달한다. 이에 따라 상기 도입구간(A), 증속구간(B) 및 스월 안정화구간(C)에서, 혼합기는 예열될 수 있다. 따라서 촉매부재(53)에 직접적으로 차가운 혼합기가 도달할 일이 없고, 촉매 연소는 안정화된다.

<촉매연소장치의 조립>

상기 스월 형성부(40)는 소경관(41)과 확장관(42)과 대경관(43)을 포함한다. 소경관(41)의 외주면 일측에는 혼합기 유입배관(35)이 연결될 수 있도록 천공된다. 그리고 상기 혼합기 유입배관(35)은 상기 천공 부위 둘레에 용접 등을 통해 연결된다. 혼합기 유입배관(35)이 전방으로 기울어진 유입각(k)은 약 15도 내지 20도 일 수 있으며, 혼합기 유입배관(35)이 소경관(41)의 원주면에 접하는 형태로 연결됨은 앞서 설명한바 있다.

상기 소경관(41)의 전방 단부와, 확장관(42)의 후방 단부는, 상호 용접 등의 방식으로 연결될 수 있다. 물론 개스킷을 개재하는 플랜지 구조로 이들을 연결할 수도 있음은 물론이다.

상기 확장관(42)의 전방 단부와 상기 대경관(43)의 후방 단부는, 상호 용접 등의 방식으로 연결될 수 있다. 물론 개스킷을 개재하는 플랜지 구조로 이들을 연결할 수도 있음은 물론이다.

상기 대경관(43)은 후방에 배치되는 제1관(431)과 전방에 배치되는 제2관(432)으로 분할 제작될 수 있다. 그리고 제1관(431)과 제2관(432)은 개스킷을 개재하는 플랜지 구조로 연결될 수 있다.

실시예에 따르면, 혼합기 유입배관(35), 소경관(41), 확장관(42) 및 제1관(431)은 용접을 통해 일체화될 수 있다.

제2관(432)과 그 전방에 마련된 연소배기관(55) 역시 개스킷을 개재하는 플랜지 구조로 연결될 수 있다.

제2관(432)에는 점화히터부(51)가 설치된다. 이에 따라, 제2관(432)을 별도로 제작하여 점화히터부(51)를 설치한 뒤, 이를 상기 제1관(431) 및 연소배기관(55)과 플랜지 구조로 연결할 수 있다.

상기 연소배기관(55)에는 촉매부(52)가 설치된다. 상기 촉매부(52)는 상기 연소배기관(55)의 전방에서 상기 연소배기관에 삽입될 수 있다. 상기 연소배기관(55)의 후방 단부에는, 반경방향 내측으로 돌출되는 걸림턱이 마련될 수 있다. 상기 촉매부(52)는 상기 걸림턱에 간섭될 때까지 상기 연소배기관(55)에 삽입될 수 있다. 이에 따라, 연소배기관(55)에 대한 상기 촉매부(52)의 삽입 깊이가 정확히 규제될 수 있다.

이와 같이 스월 형성부(40)와 연소부(50)를 포함하는 촉매연소장치(20)를 조립한 뒤, 이를 지지브래킷(17)에 설치할 수 있다. 지지브래킷(17)의 전면과 후면에는 홀이 뚫려 있고, 특히 후면은 도 4에 도시된 바와 같이 상하 2분할 제작된다. 따라서 후면의 상부판을 분리한 상태에서, 지지브래킷(17)의 전면 후방에서 연소배기관(55)을 지지브래킷(17)의 전면에 끼운 뒤, 제2관(432)이 후면의 하부판에 안착되도록 한 후, 후면의 상부판을 고정하는 방식으로 조립이 이루어질 수 있다.

그리고 이와 같이 상기 촉매연소장치(20)가 지지브래킷(17)에 설치된 상태에서, 상기 지지브래킷(17)을 하우징에 설치하여, 상기 촉매연소장치(20)를 하우징(10)에 고정할 수 있다.

<제어장치>

먼저, 상기 제어장치(80)는 상기 혼합기의 공연비를 제어하기 위해 상기 공기공급팬(31)의 작동과 연료 탱크(36)의 밸브(37) 개폐를 조절한다.

그리고 상기 제어장치(80)는 탄산가스 발생장치(1)의 시동 과정을 제어한다. 이를 위해 상기 제어장치(80)는 점화히터부(51)의 온/오프를 제어한다.

그리고 상기 제어장치(80)는 여러 안전 제어를 수행할 수 있다.

이러한 제어를 위해, 상기 촉매연소장치(20)에는 여러가지 센서가 설치될 수 있다.

먼저 상기 촉매부재(53)의 전방 단부에는 온도센서(81)가 설치될 수 있다. 상기 온도센서(81)는 양 측방 중 상기 혼합기 유입배관(35)이 설치된 쪽의 측방에 설치될 수 있다. 해당 위치는, 점화히터부(51)의 배치로 인해, 촉매부재(53)에서 가장 온도가 낮을 가능성이 있는 위치이다.

다음으로, 상기 공기공급배관(32)에는 풍량 내지 유량센서(82)가 설치될 수 있다.

또한, 상기 연료 탱크(36)에는 무게센서(83)가 설치될 수 있다.

먼저 상기 제어장치(80)가 탄산가스 발생장치(1)를 시동하는 원리를 설명한다. 사용자가 시동 버튼을 누르면, 제어장치(80)는 먼저 무게센서(83)를 통해 연료 탱크(36)의 연료가 남아 있는지 확인하고, 확인 결과 잔량이 충분하면 점화히터부(51)에 전원을 공급하여 발열시키고, 공기공급팬(31)을 제1속도로 작동시킨다. 이 때에는 연료 밸브(37)를 잠근 상태로 유지한다.

그러면, 점화히터부(51)의 열이 공기공급팬(31)에 의해 스월 형성부(40)에 공급되어 스월 유동하는 공기에 전달되고, 열이 촉매부재(53)에 전달된다. 이에 따라 촉매부재(53)는 가열된다.

상기 제1속도는 점화히터부(51)가 과열되지 않으면서 열이 공기로부터 촉매부재(53)에 충분히 전달될 수 있는 정도의 속도로 설정될 수 있다.

상기 온도센서(81)는 촉매부재(53)에서 가장 낮은 온도일 것으로 예상되는 부위의 온도를 감지하게 된다. 위와 같이 점화히터부(51)로 촉매부재(53)를 예열하는 과정은 상기 온도센서(81)에 의해 측정된 촉매부재(53)의 온도가 제1설정온도(가령, 섭씨 300도)가 될 때까지 지속될 수 있다.

촉매부재(53)의 온도가 섭씨 300도를 넘어서면, 공기공급팬(31)을 제2속도로 작동시키고, 연료 밸브(37)를 개방한다. 그러면 설정된 공연비의 혼합기가 스월 형성부(40)에 공급되기 시작한다. 혼합기는 고온의 상기 점화히터부(51)와 접하며 착화 및 연소가 이루어진다. 그리고 점화히터부(51)의 열과 함께 상기 연소열이 촉매부재(53)를 지속적으로 가열하게 된다.

촉매부재(53)의 온도가 제2설정온도(가령, 섭씨 400도)를 넘어서면, 제어장치(80)는 점화히터부(51)에 공급되던 전원을 차단하여 점화히터부를 끈다. 상기 촉매부재(53)는 대략 섭씨 380도 이상에서 활성화되므로, 점화히터부를 끄더라도 지속적으로 공급되는 혼합기를 연소시키게 된다. 즉 혼합기는 촉매부재(53)의 격자홀(531)을 통해 전방으로 유동하며 촉매 연소를 하게 된다.

이에 따라, 촉매부재(53)는 지속적으로 가열되어 섭씨 900도 부근에 이르게 되고, 정상 상태(steady state)를 유지하게 된다.

실시예에 따르면, 연료의 공급은 촉매부재(53)가 그 활성화 온도(섭씨 380도)에 이르기 전인 제1설정온도에서 시작되고, 점화히터부(51)에 대한 전원 차단은 촉매부재(53)가 그 활성화 온도를 넘어선 제2설정온도에 이르러서야 이루어진다.

즉 촉매부재의 활성화 온도보다 낮은 제1설정온도와, 그보다 높은 제2설정온도 사이의 구간에서는, 점화히터부(51)도 켜진 상태이고 연료도 공급된다. 즉 제1설정온도 이하의 온도에서는 점화히터부(51)가 켜져 있지만 연료는 공급되지 않고, 제1설정온도 이상과 제2설정온도 이하에서는 점화히터부(51)가 켜져 있고 혼합기가 공급되고, 제2설정온도 이상에서는 점화히터부(51)가 꺼지고 혼합기만 공급된다.

제어장치(80)는, 시동 실패에 대한 안전 제어를 함께 실시한다. 가령, 시동 과정에서 점화히터부(51)가 작동하고 공기공급팬(31)이 작동하면, 촉매부재(53)는 제1설정온도에 무난하게 다다를 수 있다. 그러나 점화히터부(51)에 전원이 공급되지 않거나, 점화히터부(51)가 작동하지 않거나, 공기공급팬(31)이 작동하지 않거나 연소배기관(55)이 막혀 있는 등의 이유로 예정된 절차가 진행되지 못하면, 촉매부재는 제1설정온도에 이를 수 없다. 이에, 상기 제어장치(80)는 시동 제어가 시작된 뒤 소정의 시간(가령 15분)이 지났음에도, 촉매부재(53)의 온도가 제1설정온도에 다다르지 못하면, 제어장치(80)는 점화 오류 램프(85)를 점등하고 경고음을 발생시키며, 연료 밸브(37)를 잠그고 점화히터부(51)에 대한 전력 공급을 차단한다.

또한 상기 제어장치(80)는, 공기공급팬(31)의 작동에 오류가 발생하였는지 여부를 감지하여 연료 공급을 중단하고 점화히터부의 작동을 중단시킨다. 상기 공기공급팬(31)의 정상 작동 여부는, 공기공급배관(32)에 설치된 유량센서(82)를 통해 공기 유동양을 감지함으로써 직접적으로 확인할 수 있다. 이는 공기공급팬(31)에서 확인할 수 있는 전기적 신호로부터 공기공급팬(31)의 작동 여부를 확인하는 것보다 더욱 신뢰성이 높은 방법이다. 가령 제어장치(80)는, 유량센서(82)에서 측정된 공기의 공급량이 기준치 이하인 경우, 팬 오류 램프(84)를 점등하고 경고음을 발생시키며, 연료 밸브(37)를 잠그고 점화히터부(51)에 대한 전력 공급을 차단한다.

다음으로 상기 제어장치(80)는, 연료 량을 지속적으로 체크한다. 가령 무게센서(83)에서 측정된 연료 량이 기준치 이하인 경우, 제어장치(80)는 연료 부족 램프(86)를 점등하고 경고음을 발생시키며, 연료 밸브(37)를 잠그고 점화히터부(51)에 대한 전력 공급을 차단한다.

상술한 제어장치(80)의 제어와 경고는, 도 18에 도시된 제어반과 경고램프를 통해서 이루어질 뿐만 아니라, 유선, 무선, 근거리, 원거리 통신을 통해 원격 서버나 휴대용 단말에서도 이루어질 수 있음이 자명하다.

<유동의 해석>

이하 도 19 내지 도 29를 참조하여, 제1히터와 제2히터의 평평한 면이 모두 수직을 이루도록 설치되었을 때(수직형), 모두 수평을 이루도록 설치되었을 때(수평형), 그리고 제1히터는 경사지게 설치되고 제2히터는 수평으로 설치되었을 때(경사형), 스월 형성부 내부의 혼합기의 유동 해석 결과에 대해 설명한다.

혼합기 유입배관으로 유입되고 확장관에 의해 넓게 펼쳐진 공기흐름은 히터들에 도달하여 열교환한 후, 촉매부재 직전에 도달하고 전방(배출구방향)으로 진행하며, 촉매를 가열하게 된다.

도 26을 참조하면, 수직형은 10시 방향 외각에서 높은 유속을 보이고 있는 반면 경사형은 10시 방향 외각의 집중현상 없이, 비교적 고르게 분포하는 것을 알 수 있다. 경사형은 고른 유속분포로 촉매를 통과하는 유량이 전면에서 일정하여 고른 가열과 연소가 가능한 것촉매에 도달한 공기흐름은 그림 3에서 알 수 있듯이 연소기 중심을 따라 역류하는 것을 알 수 있다.

도 21을 참조하면, -값인 파란색영역은 역류하는 기류를 나타낸 것이다. 역류 시작위치는 수직형 CF00 전방 6.4mm, 경사형 CF00 전방 7.2mm인 것을 알 수 있다.

도 28을 참조하면, 역류는 히터의 설치형태에 따라 달라진다. 경사형의 경우 수직형에 비해 강한 역류를 보이고 있다. 충분히 예열된 역류는 입사되는 공기와 혼합되어 예열부에 도달할 때, 높은 에너지를 보유하게 된다.

혼합기를 생성하기 위해 혼합배관에서 공기에 LPG가 혼입되면서, 혼입된 LPG의 팽창으로 혼합기체는 많은 열을 뺏기게 된다. 도 26을 참조하면, 이렇게 차가워진 상태로 스월 형성부에 유입된 혼합기는, 역류(회기유동)된 뜨거운 혼합기로부터 열을 보충하여, 촉매연소가 가능하도록 충분히 예열된 상태로 촉매에 진입하게 된다.

계속 도 26을 참조하면, 수직형과 수평형은 유동의 확연한 차이가 있다. 경사형의 경우 수직형, 수평형의 모든 특성이 나타나고 있지만, 촉매부재 직전 부분에서의 유동형태는 촉매의 반경방향 외측 가장자리의 속도가 고르게 분포하는 고유한 특성을 보이고 있다.

회귀유동(역류) 관점에서 도 21을 참조하면, 수직형(진행방향 단면적 큼)은 역류(회귀유동)의 진로를 방해하여 운동에너지를 잃은 역류가 쉽게 진행하지 못하는 반면, 방해가 적은 수평형(진행방향 단면적 작음)의 경우 상대적으로 강한 흐름을 보임을 알 수 있다.

도 26을 참조하면, 촉매부재 직전 부분에서, 수평형의 경우 수직형과 유사하게 10시, 1시 방향 외각에서 높은 유속을 보이고 있는 반면, 경사형의 경우 유속이 비교적 고르게 분포하는 것을 알 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: 탄산가스 발생장치
10: 하우징
11: 전방 토출구
12: 그레이트
17: 지지브래킷
20: 촉매연소장치
30: 혼합기공급부
31: 공기공급팬(DC팬)
32: 공기공급배관
33: 연료공급배관(가스관)
34: 혼합배관
341: 합류구간
342: 혼합구간
343: 제1방향전환부
344: 제2방향전환부
35: 혼합기 유입배관
k: 유입각
36: 연료 탱크
37: 밸브
40: 스월 형성부
41: 소경관
411: 원형관
412: 돔캡
42: 확장관(디퓨져)
43: 대경관
431: 제1관
432: 제2관
A: 도입구간
B: 증속구간
C: 스월 안정화구간
D: 스월 체류구간
50: 연소부
51: 점화히터부
511: 제1히터(상부경사)
j: 경사각
512: 제2히터(하부수평)
52: 촉매부
53: 촉매부재
531: 격자홀
54: 개스킷
55: 연소배기관
80: 제어장치
81: 온도센서
82: 유량센서
83: 무게센서
84: 팬 오류 램프
85: 점화 오류 램프
86: 연료 부족 램프

Claims (10)

1. 연료를 연소시켜 탄산가스를 발생시키는 탄산가스 발생장치로서,
   상기 탄산가스 발생장치는:
   공기와 연료의 혼합기를 공급하는 혼합기공급부(30);
   원형의 유동 단면을 제공하며 전방으로 연장되고, 후방에서 상기 혼합기공급부(30)로부터 혼합기를 공급받아 전방으로 유동시키는 스월 형성부(40); 및
   상기 스월 형성부(40)의 전방에 마련되고, 상기 스월 형성부(40)를 통해 전방으로 유동한 혼합기를 촉매 연소하는 연소부(50);를 포함하고,
   상기 스월 형성부(40)는:
   전방으로 갈수록 내경이 확대되는 내주면을 구비하여서, 상기 혼합기공급부(30)로부터 공급되어 중심축으로부터 편심된 위치에서 상기 중심축의 둘레방향으로 그리고 상기 중심축에 대해 비스듬하게 전방으로 유입된 혼합기가 상기 내주면을 따라 전방으로 스월 유동하도록 하는 확장관(42); 및
   상기 확장관(42)의 전방에 연결되고, 일정한 내경으로 전방으로 연장되어서, 상기 확장관(42)을 거쳐 전방으로 스월 유동하는 혼합기를 상기 연소부(50)에 제공하는 대경관(43);을 포함하는, 탄산가스 발생장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 혼합기공급부(30)는 혼합기 유입배관(35)을 통해 상기 스월 형성부(40)의 후방에 연결되고,
   상기 혼합기 유입배관(35)은 곧은 직선 형태의 배관을 포함하여서, 상기 스월 형성부(40)에 직선 층류 유동하는 혼합기를 유입시키는, 탄산가스 발생장치.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 혼합기 유입배관(35)은 전후 방향에 수직한 면에 대해 소정의 유입각(k)만큼 전방으로 기울어진 형태로 연결되어서, 상기 혼합기 유입배관(35)에서 소정의 속도(v)로 공급되는 혼합기가, 측방으로 향하는 속도성분(v cos k)과, 전방으로 향하는 속도성분(v sin k)을 가지고 상기 스월 형성부(40)에 유입되는, 탄산가스 발생장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 연소부(50)는:
   상기 스월 형성부(40)의 전방 단부에 설치되고, 전후방향으로 관통하도록 연장되는 복수 개의 격자홀(531)을 구비하는 촉매부재(53);를 구비하는, 탄산가스 발생장치.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 연소부(50)는:
   상기 촉매부재(53)의 후단으로부터 후방으로 소정 거리만큼 이격 배치되는 점화히터부(51);를 더 포함하고,
   상기 소정 거리에 해당하는 공간은 상기 혼합기의 스월 유동이 체류하는 스월 체류구간(D)을 이루는, 탄산가스 발생장치.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 점화히터부(51)는, 축방향을 가로지르도록 측방으로 연장되는 납작한 바 형태의 히터를 포함하는, 탄산가스 발생장치.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 히터는 납작한 바 형태가 축방향에 대해 소정의 경사각(j)을 가지도록 비스듬히 설치되는, 탄산가스 발생장치.
   
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 히터의 선단부는 상기 스월 형성부(40)의 내주면으로부터 이격된, 탄산가스 발생장치.
   
9. 청구항 6에 있어서,
   상기 히터는 서로 평행하게 연장되는 제1히터(511)와 제2히터(512)를 포함하는, 탄산가스 발생장치.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소부(50)는:
    상기 스월 형성부(40)의 전방 단부에 설치되고, 활성화 온도 이상의 온도에서 혼합기의 연소를 촉진하는 촉매부재(53); 및
    상기 촉매부재(53)보다 후방에 배치되는 점화히터부(51);를 포함하고,
    상기 탄산가스 발생장치(1)는:
    상기 촉매부재(53)의 온도를 감지하는 온도센서(81); 및
    상기 혼합기공급부(30)와 점화히터부(51)를 제어하는 제어장치(80);를 더 포함하고,
    상기 탄산가스 발생장치(1)의 시동을 위해, 상기 제어장치(80)는,
    상기 촉매부재(53)가 상기 활성화 온도보다 낮은 제1설정온도에 도달할 때까지 상기 점화히터부(51)에 전원을 공급하여 발열시키고 상기 혼합기공급부(30)에서 공기가 공급되도록 제어하는 예열 단계;
    상기 촉매부재(53)가 상기 제1설정온도 이상이고 상기 활성화 온도보다 높은 제2설정온도 이하일 때 상기 점화히터부(51)에 대한 전원 공급을 유지하고 상기 혼합기공급부(30)에서 혼합기가 공급되도록 제어하는 오버랩 단계; 및
    상기 촉매부재(53)가 상기 제2설정온도 이상일 때 상기 점화히터부(51)에 대한 전원 공급을 차단하여 발열을 멈추고 상기 혼합기공급부(30)에서 혼합기가 공급되도록 제어하는 운전 단계;의 제어를 수행하는, 탄산가스 발생장치.