KR20160134793A - 액체 연료를 사용하여 작동되는 가동형 가열 디바이스를 위한 증발기 버너 - Google Patents

액체 연료를 사용하여 작동되는 가동형 가열 디바이스를 위한 증발기 버너 Download PDF

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Abstract

액체 연료를 사용하여 작동되는 가동형 가열 유닛을 위한 증발기 버너(100)가 제공되며, 상기 증발기 버너는 연료를 연소 공기와 혼합하여 연료-공기 혼합물을 형성하는 혼합물 준비 영역(2); 혼합물 준비 영역(2)에 액체 연료를 공급하는 연료 공급부(1); 혼합물 준비 영역(2)에 연소 공기를 공급하는 연소 공기 공급부(B); 액체 연료의 증발을 위해 액체 연료가 공급되는 적어도 하나의 증발면(8); 흐름 면에서 혼합물 준비 영역(2)의 하류에 배치되고, 열이 방출되는, 연소 배기 가스를 형성하는 연료-공기 혼합물의 반응을 일으키는 반응 영역(3); 및 혼합물 준비 영역(2)으로의 연소 배기 가스의 재순환을 위한 배기 가스 재순환 구성부(10; 20)를 포함한다.

Description

액체 연료를 사용하여 작동되는 가동형 가열 디바이스를 위한 증발기 버너{EVAPORATOR BURNER FOR A MOBILE HEATING UNIT OPERATED USING LIQUID FUEL}
본 발명은 액체 연료로 작동되는 가동형 가열 디바이스를 위한 증발기 버너 그리고 상기 타입의 증발기 버너를 갖는 차량용 가열 디바이스에 관한 것이다.
액체 연료로 작동되는 가동형 가열 디바이스에서는, 통상, 내부에서 액체 연료가 증발되고, 증발된 연료가 공급된 연소 공기와 혼합되어 연료-공기 혼합물을 형성한 후, 반응하여, 열을 방출하는 증발기 버너를 사용한다.
본 명세서에서, “가동형 가열 디바이스”는 가동 용례에서 사용하도록 설계되고 이에 대응하게 적응된 가열 디바이스를 의미하는 것으로 이해된다. 이것은 특히, 상기 가열 디바이스가 운송 가능하고(가능하게는 차량에 고정식으로 설치되거나 단순히 운송을 위해 내부에 수용됨), 예컨대 건물의 가열 시스템의 경우에서와 같이 단지 영구적인 고정식 사용을 위해서만 구성되는 것은 아니라는 것을 의미한다. 여기에서, 가동형 가열 디바이스는 또한 차량(육상 차량, 선박 등)에, 특히 육상 차량에 고정식으로 설치될 수도 있다. 상기 가동형 가열 디바이스는 특히, 예컨대 육상 차량, 배, 항공기의 차량 내부 객실의 가열을 위해 그리고 예컨대 선박에서, 특히 요트에서 확인할 수 있는 부분 개방 공간의 가열을 위해 구성될 수 있다. 가동형 가열 디바이스는 또한, 예컨대 대형 텐트, 컨테이너(예컨대 건물 컨테이너) 등에서 고정식으로 일시적으로 사용될 수도 있다. 특히, 가동형 가열 디바이스는 육상 차량, 예컨대 카라반, 캠핑카, 승합차 등을 위한 엔진 독립형 히터 또는 보조 히터로서 구성될 수 있다.
환경 측면에서 그리고 이에 관한 여러 나라의 입법 면에서, 가동형 가열 디바이스의 배기 가스 배출물을 최소화하는 것이 훨씬 더 중요해지고 있다. 특히 가동형 가열 디바이스의 증발기 버너의 경우, 여기에서는 각 경우에 가능한 가장 효율적인 방식으로 그리고 배기 가스 배출물이 적도록 다양한 외부 경계 조건 하에서 그리고 상이한 가열 출력 레벨로 작동을 구현해야만 한다는 어려움이 있다.
본 발명의 목적은 액체 연료로 작동되는 가동형 가열 디바이스를 위한 개선된 증발기 버너를 제공하고, 상기한 타입의 증발기 버너를 구비하며, 특히 다양한 외부 경계 조건 하에서 배출물이 매우 적도록 하는 작동을 허용하는 개선된 차량용 가열 디바이스를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1에 따른, 액체 연료로 작동되는 가동형 가열 디바이스를 위한 증발기 버너에 의해 달성된다. 유익한 개선은 종속항에 특정된다.
증발기 버너는 다음을 구비한다: 연료를 연소 공기와 혼합하여 연료-공기 혼합물을 형성하는 혼합물 준비 영역; 혼합물 준비 영역에 액체 연료를 공급하는 연료 공급부; 혼합물 준비 영역에 연소 공기를 공급하는 연소 공기 공급부; 액체 연료를 증발시기키 위해 액체 연료가 공급되는 적어도 하나의 증발면; 흐름 면에서 혼합물 준비 영역의 하류에 배치되고, 열이 방출되는, 연소 배기 가스를 형성하는 연료-공기 혼합물의 반응을 일으키는 반응 영역; 및 혼합물 준비 영역으로의 연소 배기 가스의 재순환을 위한 배기 가스 재순환 구성부.
여기에서, 혼합물 준비 영역은, 증발기 버너의 상시 가열 작동 중에 증발된 연료와 연소 공기의 혼합은 일어나지만, 화염이 형성되지 않는 증발기 버너의 영역을 의미하는 것으로 이해된다. 반응 영역에서의 상기 연료-공기 혼합물의 반응 이전에 혼합물 준비 영역에서 연료-공기 혼합물의 유익한 준비가 이루어질 수 있다. 반응 영역에서, 반응은 특히 화염을 수반하는 연소에 의해 일어날 수 있지만, 예컨대 부분적인 또는 완전한 촉매 반응에 의한 반응도 또한 가능하다. 혼합물 준비 영역으로의 연소 배기 가스 재순환을 위한 배기 가스 재순환 구성에 의해, 질소 산화물(NOx) 배출이 매우 신뢰성 있는 방식으로 감소될 수 있다. 여기에서, 연소 배기 가스의 열은 증발 프로세스 지원 및 공기-연료 혼합물 가열 양자 모두를 위해 활용된다. 공급 연소 공기의 연료 흡수 능력은 연료의 포화 증기압, 다시 말해서 연료에 의한 가스상의 포화가 도달되는 연료의 분압의 증가에 의해 증가되며, 이것은 특히 외부 온도가 낮고, 이에 따라 공급 연소 공기가 저온 레벨인 경우에 유익한 효과를 갖는다. 이러한 방식으로, 증발기 버너의 증가된 전체 효율이 실현된다. 혼합물 준비 영역으로 재순환되는 연소 배기 가스는 연료 증발 프로세스와 연료-공기 혼합물의 연소 프로세스를 위한 불활성 밸러스트(ballast)로서 작용한다. 상기 불활성 밸러스트는 잠열을 증가시키는 것에 의해 연료 증발 프로세스를 가속시키도록 작용하며, 점화 지연 시간의 증가를 야기하여, 개선된 연료-공기 혼합물의 혼합이 달성된다.
배기 가스 재순환 구성부는 바람직하게는, 혼합물 준비 영역으로 개방되고, 연소 배기 가스를 혼합물 준비 영역으로 선별된 방식으로 재순환시킬 수 있는 적어도 하나의 배기 가스 유출 개구를 갖는다.
한가지 개선예에서, 혼합물 준비 영역은, 단면이 반응 영역의 방향으로 좁아지는 협폭 영역과, 반응 영역의 방향으로 협폭 영역에 인접한 천이 섹션을 갖는다. 협폭 영역에 의해, 공기-연료 혼합물은 반응 영역에 진입하기 전에 그 속도가, 혼합물 준비 영역 내로의 화염의 바람직하지 않은 역화가 방지되기에 충분한 정도로 신뢰성 있게 증가될 수 있다. 여기에서는, 천이 섹션에 의해 흐름 거동이 선별된 방식으로 미리 정해질 수 있다.
배기 가스 재순환 구성부는 바람직하게는, 낮은 정압이 조성되는 것으로 인해 연소 배기 가스의 신뢰성 있는 유입이 가능한 천이 섹션으로 개방되도록 구성된다.
한가지 개선예에서, 흐름 챔버의 급격한 단면 확대부가 천이 섹션으로부터 반응 영역으로의 천이부에 형성된다. 이 경우, 특히 연소 공기가 강력한 소용돌이로 혼합물 준비 영역에 공급되는 경우에, 반응 영역에서의 화염의 특별한 안정화가 가능해지고, 넓은 범위의 가열 출력의 상이한 레벨, 즉 상이한 연료 및 연소 공기의 질량 유량에 걸쳐 오염물 배출이 낮은 안정한 연소를 보장하는 것이 가능하다.
한가지 개선예에서, 천이 섹션은, 협폭 영역에 인접하고 제1 단면을 갖는 제1 서브 섹션과, 반응 영역에 인접하고 보다 큰 제2 단면을 갖는 제2 서브 섹션을 가지며, 배기 가스 유출 개구는 제1 서브 섹션과 제2 서브 섹션 사이의 링 형상 개구 형태이다. 이 경우, 구조 면에서 매우 유익하고, 연소 배기 가스의 신뢰성 있는 유입을 허용하는 동시에, 연료-공기 혼합물의 안정한 흐름 안내를 허용하는 구성이 실현된다.
한가지 개선예에서, 혼합물 준비 영역 내에서 측벽으로부터 이격되도록 증발기 버너의 종축을 따라 연장되는 축방향 본체가 마련된다. 여기에서, 축방향 본체는, 예컨대 중실 형태일 수도 있고, 그 외에도 내부 공동을 가질 수도 있다. 바람직하게는, 축방향 본체는 거의 원통 형상을 갖는 것이 가능하다. 혼합물 준비 영역에서의 매우 유익한 흐름 안내는 축방향 본체에 의해 가능해진다. 더욱이, 축방향 본체는 바람직하게는 높은 열전도율을 지닌 재료로 제조될 수 있으므로, 액체 연료의 증발을 지원하고 연료-공기 혼합물의 준비를 지원하기 위해, 프로세스로부터 나온 열에너지가 열전도에 의해 축방향 본체를 통해 혼합물 준비 영역으로 선별된 방식으로 재순환된다.
축방향 본체가 혼합물 준비 영역의 페이스측으로부터 적어도 반응 영역으로의 천이 섹션 내로 연장되는 경우, 반응 영역으로부터 나온 열이 축방향 본체를 통해 혼합물 준비 영역으로 특별히 설별된 방식으로 재순환되는 것이 가능하다.
한가지 개선예에서, 증발면은 축방향 본체의 외주면 상에 형성된다. 이 경우, 공급 연소 공기는, 증발 연료와 공급 연소 공기의 양호한 혼합이 실현되도록 하기 위해 증발면을 따라 매우 효율적인 방식으로 안내될 수 있다. 더욱이, 이 경우에는 반응 영역에서의 연소 프로세스로부터 나온 열이 축방향 본체를 통해 혼합물 준비 영역에서의 증발 프로세스로 특별히 선별된 방식으로 공급될 수 있다.
한가지 개선예에서, 증발면은 증발기 요소에 의해 마련되고, 증발기 요소의, 반응 영역을 향하는 단부 상에 커버가 마련된다. 이 경우, 증발기 요소의 페이스측 단부에서의 연료의 비제어식 탈출이 신뢰성 있는 방식으로 방지될 수 있다. 커버는 바람직하게는 증발기 요소의 외주를 넘어 반경방향으로 돌출할 수 있다.
한가지 개선예에서, 축방향 본체는 반응 영역을 향해 개방되는 내부 공동을 가지며, 이 내부 공동으로부터 배기 가스 유출 개구가 혼합물 준비 영역으로 연장되어, 연소 배기 가스가 축방향 본체를 통해 혼합물 준비 영역으로 재순환될 수 있다. 이 경우, 구조 면에서 매우 간단한 구성이 마련되며, 이 구성에서는 축방향 본체도 또한 혼합물 준비 영역 내로의 연소 배기 가스의 재순환을 위해 활용된다. 증발기 버너는 이 경우에는 매우 콤팩트한 구성으로 실현될 수 있다. 바람직하게는, 이 경우에는 배기 가스 유출 개구가 (주(主) 흐름 방향에 대하여) 혼합물 준비 영역의 제1 절반부, 특히 보다 바람직하게는 혼합물 준비 영역의 1/3 지점, 훨씬 더 바람직하게는 1/4 지점이나 1/5 지점에 배치되는 것이 가능하다.
상기 목적은 또한 전술한 바와 같은 증발기 버너를 갖는 차량용 가열 디바이스에 의해 달성된다.
다른 장점 및 개선점은 첨부도면을 참고로 하는 예시적인 실시예에 관한 아래의 설명으로부터 알려질 것이다.
도 1은 제1 실시예에 따른 증발기 버너의 개략도이다.
도 2는 제2 실시예에 따른 증발기 버너의 개략도이다.
도 3은 제2 실시예의 경우의 축방향 본체의 확대 개략도이다.
도 4는 제3 실시예에 따른 증발기 버너의 개략도이다.
도 5는 제3 실시예에서의 천이 섹션의 개략적인 상세도이다.
도 6은 제2 실시예의 제1 변형예의 개략도이다.
도 7은 제2 실시예의 제2 변형예의 개략도이다.
도 8은 도 3에 도시한 축방향 본체의 다른 변형예의 개략도이다.
도 9의 a) 내지 i)는 도 8에 도시한 다른 변형예의 개선점에 관한 개략도이다.
제1 실시예
아래에서는, 도 1을 참고하여 증발기 버너의 제1 실시예를 설명하겠다.
제1 실시예에 따른 증발기 버너(100)는 액체 연료로 작동되는 가동형 가열 디바이스를 위해 구성된다. 여기에서, 증발기 버너(100)는 특히 차량용 가열 유닛을 위해, 특히 자동차의 엔진 독립형 히터 또는 보조 히터를 위해 구성된다.
증발기 버너(100)는 종축(L)을 따라 연장된다. 증발기 버너(100)는 혼합물 준비 영역(2)을 가지며, 이 혼합물 준비 영역은 주 챔버(21), 주 챔버(21)에 인접한 협폭 영역(22) 및 협폭 영역에 인접한 천이 섹션(23)을 갖는다. 협폭 영역(22)에서는, 혼합물 준비 영역(2)의 단면이, 종축(L)에 거의 평행하게 연장되는 주 흐름 방향(H)으로 좁아진다. 개략적으로 설명되는 예시적인 실시예에서, 협폭 영역(22)의 원추형 형태는 예로써 설명되는 것일뿐, 다른 구성도 또한 가능하다. 천이 섹션(23)은, 혼합물 준비 영역(2)에 인접한, 반응 영역(3)으로의 천이부를 형성한다. 실시예에서, 천이 섹션(23)은 일정한 단면을 지닌 원통형 형상을 갖는다.
혼합물 준비 영역(2)의 천이 섹션(23)으로부터 반응 영역(3)으로의 천이부에는 급격한 단면 확대부가 형성된다. 이에 따라, 증발기 버너(100)로 흐르는 가스에 대해서 이용 가능한 흐름 단면이 혼합물 준비 영역(2)으로부터 반응 구역(3)으로의 천이부에서 급격히 확대된다.
특정 예시적인 실시예에서, 증발기 버너(100)의 작동 시에는 반응 영역(3)에서, 화염을 수반하는 연소 프로세스로 열을 방출하는 연료-공기 혼합물의 반응이 일어난다. 상기 반응 중에 생성되는 연소 배기 가스(A)는 반응 영역(3)에 인접한 연소 파이프(4)를 통해, 방출된 열의 적어도 일부가 가열되는 매체(M)로 전달되는 열교환기(5)로 흐른다. 개략적으로 설명한 실시예에서, 열교환기(5)는 포트(pot)형 형태이며, 고온 연소 배기 가스(A)는 열교환기(5)의 베이스 상의 연소 파이프(4) 단부에서 전환된다. 전환 후, 연소 배기 가스(A)는 연소 파이프(4)의 외측부와 열교환기(5)의 내측 쉘 사이에 형성된 흐름 챔버에서 배기 가스 유출구(6)로 흐른다.
가열되는 매체(M)는 도 1에서 화살표로 개략적으로 예시한 바와 같이, 열교환기(5)의 내측 쉘과 열교환기(5)의 외측 쉘 사이에 형성된 흐름 챔버에서 흐른다. 여기에서, 실시예에서는 최상의 가능한 열전달을 실현하기 위해, 가열되는 매체(M)는 열교환기(5)에서의 연소 배기 가스의 흐름 방향(A)과 반대로 흐른다. 가열되는 매체(M)는 특히, 예컨대 가열되는 공기나 가열되는 액체, 특히 차량의 냉각 액체 회로의 냉각 액체에 의해 형성될 수 있다. 고온 연소 배기 가스(A)로부터 가열되는 매체(M)로의 양호한 열전달을 보장하기 위해, 열교환기(5)의 내측 쉘은 높은 열전도율을 지닌 재료로 제작된다.
아래에서는, 제1 예시적인 실시예에서의 혼합물 준비 영역(2)의 구성을 보다 상세히 설명하겠다.
증발기 버너(100)는 액체 연료를 공급하는 연료 공급부(1)를 갖는다. 액체 연료는 이 경우에 특히, 차량의 내연기관의 작동에도 또한 사용되는 연료에 의해, 특히 가솔린, 디젤, 에탄올 등에 의해 형성될 수 있다. 연료 공급부(1)는 도 1에서 연료 공급 라인 및 화살표로 단지 개략적으로만 예시된다. 그러나, 연료 공급부(1)는 그 자체로 공지된 방식으로, 특히, 예컨대 연료 투입 펌프에 의해 형성될 수 있는 연료 이송 디바이스도 또한 가질 수 있다. 연료 공급부(1)는 알기 쉬운 방식으로 연료를 이송 및 투입하도록 구성된다.
연료 공급부(1)는 혼합물 준비 영역(2)으로 개방된다. 개략적으로 설명한 실시예에서, 연료 공급부(1)는 이 경우에 혼합물 준비 영역(2)의 페이스측에서 개방되며, 이 페이스측은 후방측에서 혼합물 준비 영역(2)을 폐쇄한다. 혼합물 준비 영역(2)은 주 챔버(21), 협폭 영역(22) 및 천이 섹션(23)의 프로파일을 형성하는 측벽에 의해 측방으로 한정된다.
도 1에 화살표로 단지 개략적으로 예시된 연소 공기 공급부(B)도 또한 제공된다. 연소 공기 공급부(B)는 연소 공기를 혼합물 준비 영역(2)으로 이송하기 위한 연소 공기 송출기(예시하지 않음)를 갖는다. 혼합물 준비 영역(2)은 다수의 연소 공기 유입구(24)를 가지며, 이 연소 공기 유입구를 통해 연소 공기가 혼합물 준비 영역(2)에 진입할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 연소 공기는 강한 소용돌이로, 즉 큰 접선방향 흐름 성분으로 혼합물 준비 영역(2)에 유입된다. 여기에서, 연소 공기의 소용돌이는, 예컨대 대응하게 배향된 안내 베인 등에 의해 부여될 수 있다. 도 1은, 연소 공기 유입구(24)가 혼합물 준비 영역(2)의 페이스측 상에서 외측부에 반경방향으로 배치되는 구성을 개략적으로 예시하고 있지만, 다른 구성도 또한 가능하다. 예컨대, 연소 공기 유입구는 또한 혼합물 준비 영역(2)의 측벽 상에 측방향으로 배치될 수도 있다.
제1 실시예에서는, 혼합물 준비 영역(2)에 축방향 본체(7)가 배치되는데, 축방향 본체는 혼합물 준비 영역(2)의 페이스측으로부터 시작하여 종축(L)을 따라 그리고 혼합물 준비 영역(2)의 측벽으로부터 이격되도록 연장된다. 제1 실시예에서, 축방향 본체(7)는 로드 형상 또는 타워형 형상이다. 축방향 본체(7)는 거의 원통 형태를 갖고, 제1 실시예에서는 주 챔버(21), 협폭 영역(22) 및 천이 섹션(23)을 통과하여 연장된다. 축방향 본체(7)는 혼합물 준비 영역(2)에서 그 반경방향 배향에 대하여 거의 중심에 배치된다. 축방향 본체(7)는, 상부에 공급 액체 연료의 증발을 위한 증발면(8)이 형성되는 외주면을 갖는다. 제1 실시예에서, 증발면(8)은, 축방향 본체(7)의 외주면 상에 배치되는 다공질의 흡수성 증발기 요소(9)에 의해 마련된다. 증발기 요소(9)는 이 경우에 특히 금속 부직물, 금속 직물, 금속 또는 세라믹 소결체 등을 가질 수 있다. 여기에서는 바람직하게는, 증발기 요소(9)가 축방향 본체의 전체 외주면에 걸쳐 축방향 본체(7) 주위에서 연장되는 것이 가능하다.
도 1은 증발기 요소(9)가 거의 축방향 본체(7)의 전체 축방향 길이에 걸쳐 연장되는 실시예를 개략적으로 예시하고 있지만, 예컨대 증발기 본체(9)가 단지 축방향 요소(7)의 소영역(subregion)에 걸쳐서만 연장되는 것도 또한 가능하다. 증발면(8)이 상기 타입의 증발기 요소(9)에 의해 마련되는 실시예만이 도 1을 참고하여 설명되었지만, 축방향 본체(7)의 외주면 자체가 증발면(8)으로서 형성되는 구성도 또한 가능하다.
공급되는 액체 연료는 혼합물 준비 영역(2)의 페이스측에서 증발기 요소(9)로 전달되고, 증발기 요소(9)에서 액체 연료의 분배가 일어난다. 증발기 요소(9)의 다공질 흡수성 구성으로 인해, 액체 연료는 여기에서는 축방향 본체(7)의 원주방향과 축방향 본체(7)의 축방향 모두로 분배된다. 공급된 액체 연료는 증발면(8)에서부터 증발하기 시작하여 혼합물 준비 영역(2)에서 증발면(8)을 따라 이동되는 공급 연소 공기와 혼합된다. 연소 공기가 강렬한 소용돌이로 공급된다는 사실로 인해, 연료-공기 혼합물을 형성하는 증발된 연료와 연소 공기의 양호한 혼합이 여기에서는 이미 발생한다.
혼합물 준비 영역(2)의 협폭 영역(22)에서는, 단면 감소로 인해 연료-공기 혼합물의 축방향 흐름 속도 성분이 증가하고, 베르누이의 법칙에 따라 천이 섹션(23)에서의 정압의 결과적인 감소가 발생한다. 혼합물 준비 영역(2)으로부터 반응 영역(3)으로의 천이부에서는, 급격한 단면 확대로 인해 연료-공기 혼합물의 소용돌이 흐름의 확대가 일어나고, 이에 의해 축방향 흐름 속도 성분이 감소하며, 종축(L)에 근접한 반응 영역(3)의 중앙에서는 가스 흐름이 주 흐름 방향(H)에 반대되는 축방향 역류 영역이 형성되어, 증발기 버너(100)의 작동 중에 반응 영역(3)에서의 화염의 양호한 앵커링(anchoring)이 실현된다.
협폭 영역(22), 천이 영역(23), 및 반응 영역(3)으로의 천이부의 치수는, 반응 영역(3)으로부터 혼합물 준비 영역(2)으로의 화염의 역화(逆火)가 신뢰성 있게 방지되도록 연료-공기 혼합물의 소용돌이 흐름과 조화된다. 특히, 연소 공기는, 상기 조건이 만족되기에 충분히 강력하고 충분히 높은 속도의 소용돌이로 혼합물 준비 영역(2)에 공급된다.
증발면(8) 상에서의 액체 연료의 유익한 증발 프로세스를 실현하기 위해, 증발기 버너(100)의 작동 중에 반응 영역(3)에서 일어나는 연소 프로세스로부터의 열이 다시 혼합물 준비 영역(2)으로 전도되도록 하기 위해, 축방향 본체(7)는 높은 열전도율을 나타낸다.
제1 실시예에 따른 증발기 버너(100)의 경우, 혼합물 준비 영역(2)으로의 연소 배기 가스(A)의 재순환을 위한 배가 가스 구성부(10)도 또한 형성된다. 도 1에 개략적으로 예시한 예시적인 실시예에서, 배기 가스 재순환 구성부(10)는 다수의 배기 가스 유출 개구(11)를 가지며, 배기 가스 유출 개구는 혼합물 준비 영역(2) 내로 개방되고, 배기 가스 유출 개구를 통해 유출 연소 배기 가스(A)가 혼합물 준비 영역(2)에 진입할 수 있다. 예시한 실시예에서, 배기 가스 유출 개구는 이 경우에 흐름 면에서 열교환기(5)에 형성된 흐름 챔버에 접속되고, 흐름 챔버에서는 연소 배기 가스(A)가 흘러 나간다.
배기 가스 재순환 구성부(10)의 배기 가스 유출 개구(11)는 혼합물 준비 영역(2) 의 천이 섹션(23)에서 개방된다. 천이 섹션(23)에서의 낮은 정압으로 인해, 연소 배기 가스(A)의 일부는 이 경우에 신뢰성 있게 혼합물 준비 영역(2)으로 회수되고, 거기에서 연료-공기 혼합물과 혼합된다. 천이 섹션(23)에서 흐르는 연료-공기 혼합물의 강력한 소용돌이는 이 경우에 연소 배기 가스(A)와의 균질한 혼합을 유발한다. 상기의 연소 배기 가스(A)와 연료-공기 혼합물의 혼합은, 오염물 배출이 매우 낮은 증발기 버너(100)의 작동을 허용하며, 이 경우에는 특히 질소산화물 배출물이 낮게 유지되는 것도 또한 가능하다.
제2 실시예
아래에서는, 도 2 및 도 3를 참고하여 증발기 버너(200)의 제2 실시예를 더 상세히 설명하겠다.
제2 실시예에 따른 증발기 버너(200)는 실질적으로 단지 축방향 본체의 구성과 배기 가스 재순환 구성부의 구성에 관해서만 설명된 제1 실시예와 상이하므로, 아래에서는 반복을 피하기 위해 제1 실시예에 대한 차이점만이 설명되고, 대응한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호가 사용될 것이다.
제2 실시예에 따른 증발기 버너(200)의 경우, 로드 형상 중실 축방형 본체(7) 대신에 변형된 축방향 본체(207)가 마련된다. 제2 실시예에 따른 축방향 본체(207)는, 적어도 반응 영역(3)을 향하는 그 측부에, 반응 영역(3)을 향해 개방되도록 형성된 내부 공동(271)을 갖는다. 특히, 내부 공동(271)은, 반응 영역(3)을 향하는 축방향 본체(207)의 페이스측으로부터 축방향으로 천이 섹션(23)의 영역으로 연장된다.
증발기 버너(200)의 경우, 혼합물 준비 영역(2)으로의 연소 배기 가스의 재순환을 위한 연소 가스 구성부(210)는, 연소 배기 가스(A)가 축방향 본체(207)에 있는 내부 공동(271)을 통해 반응 영역(3)으로부터 혼합물 준비 영역(2)으로 재순환되도록 구성된다. 배기 가스 재순환 구성부(210)는, 혼합물 준비 영역(2)의 천이 섹션(23)에서 개방되고, 축방향 본체(207)의 벽에 있는 구멍으로서 형성되는 다수의 배기 가스 유출 개구(211)를 갖는다. 실시예를 참고하여 다수의 배기 가스 유출 개구를 설명하였지만, 예컨대 단지 하나의 배기 가스 유출 개구만을 마련하는 것도 또한 가능하다. 배기 가스 유출 개구(211)는, 혼합물 준비 영역(2)의 천이 섹션(23)에 대한 내부 공동(271)의 접속부를 형성하도록 구성된다.
도 2 및 도 3에 개략적으로 예시한 실시예의 경우, 증발기 요소(9)는 마찬가지로 배기 가스 유출 개구의 영역에서 단속되므로, 연소 배기 가스(A)는 천이 섹션(23)으로 자유롭게 흘러 나간다.
제1 실시예를 참고하여, 반응 구역(3) 내로의 유입구에서의 연료-공기 혼합물의 강력한 소용돌이 흐름과 함께 혼합물 준비 영역(2), 반응 영역(3)으로의 천이부의 기하학적 구성으로 인해, 축방향 재순환 영역이 종축(L)에 가깝게 반응 영역(3)에 형성되며, 재순환 영역에서 반응 영역(3)의 가스는 주 흐름 방향(H)과 반대되는 방향으로 흐른다. 축방향 본체(207)의 내부 공동(271)이 축에 가까운 영역에서 반응 영역(3)을 향해 개방되기 때문에, 재순환 영역에서 나온 연소 배기 가스(A)가 내부 공동(271)에 진입하고 내부 공동(217)과 배기 가스 유출 개구(211)를 통해 혼합물 준비 영역(2)의 천이 섹션(23)으로 흐르는 것이 가능하다. 천이 섹션(23)의 영역에서의 낮은 정압으로 인해, 연소 배기 가스(A)가 이 경우에 유입되어 천이 섹션(23)에서 흐르는 연료-공기 혼합물과 혼합된다. 여기에서는, 첫번째로, 역류하는 연소 배기 가스(A)로부터 축방향 본체(207)로의 대류성 열전달에 의해 혼합물 준비 영역(2)으로의 열전달이 발생하고, 이에 의해 연료 증발이 향상되는 것이 사실이고, 두번째로, 추가의 불활성 밸러스트가 연소에 참여하기 때문에, 배기 가스와 연료-공기 혼합물의 혼합과, 그 결과로 연소 온도의 하강이 일어나는 것이 사실이다.
도 2 및 도 3의 개략도는 각각, 축방향 본체(207) 내부에서 혼합물 준비 영역(2)의 페이스측까지 연장되는 내부 공동(271)을 보여주지만, 내부 공동(271)이 축방향으로 후방으로 연장되지 않는 다른 구성도 또한 가능하다.
도 3을 참고하여 설명한 축방향 본체(207)의, 도 8에 개략적으로 예시된 변형예에서, 축방향 본체(207)는, 액체 연료와 또한 과량의 연료 증기가 축방향 본체(207)의 페이스측에서 축방향으로 나올 수 없고 증발기 요소(9)로부터 반경방향으로 나오게 압박되도록 더욱 전개된다. 도 8에 개략적으로 예시한 바와 같이, 축방향 본체(207)의 자유 페이스측 상에는, 축방향 본체(207a)의 나머지의 외주로부터 반경방향으로 돌출하고, 증발기 요소(9)의 자유 페이스측을 덮는 커버(280)가 마련된다. 액체 연료와 연료 증기가 커버(280)를 통과할 수 없도록 하기 위해, 커버(280)는 적어도 하나의 거의 불침투성인 재료, 바람직하게는 금속, 특히 내열성 고급강으로 형성된다. 커버(280)는, 착탈식으로 또는 비착탈식으로 축방향 본체(207)의 페이스측 단부에 체결되는, 예컨대 별도의 커버링 디스크 형태일 수 있다. 다른 구성에서는, 예컨대 커버(280)를 축방향 본체(207)와 동일한 재료로 일체형으로 제조하는 것도 가능하다.
커버(280)는 연료 또는 연료 증기가, 특히 축방향 본체(207)의 자유단에서 증발기 요소(9)로부터 증가된 양으로 나오는 것을 방지하는 역할을 한다. 이러한 방식으로, 연료가 혼합물 준비 영역(2)에서 연료-공기 혼합물을 형성하기 위해 연료가 적어도 거의 전체적으로 공급되어, 혼합물 준비 영역(2)에서의 혼합물 준비가 더욱 향상되는 것이 달성된다. 더욱이, 이러한 방식으로 반응 영역(3)에 앵커링된 화염의 불리한 영향이 방지된다. 더욱이, 이것은, 불연소 연료 또는 연료 증기가 내부 공동(271)으로 유입되는 상황을 방지하여, 상기한 유입으로 인한 출력 손실 및 가능한 서비스 수명의 단축이 회피된다.
도 9의 a) 내지 i)는 커버(280)의 다양한 개선예를 개략적으로 예시한다. 상기 커버의 개선예들은 각각 도 1을 참고하여 설명한 바와 같은 거의 중실형의 축방향 본체(7)의 경우와, 제2 실시예 및 그 변형예를 참고하여 설명한 바와 같은 내부 공동을 지닌 축방향 본체(207)의 경우 모두에 마련될 수 있다.
도 9의 a) 내지 i)에 예시한 커버(280)의 개선예에서, 커버(280)는 각각 반경방향으로 증발기 본체(9)의 외주를 넘어 돌출하고, 흐름이 축방향 본체(7 또는 207)의 증발기 요소(9)의 외주를 따라 지나가도록 적어도 실질적으로 예리한 분리 에지를 제공한다. 도 9의 a)에 개략적으로 예시한 바와 같이, 반경방향으로 돌출하는 커버(280)의 영역은 종축(L)에 수직하게 연장되는 평면에 대해 각도 α 로 연장된다. 여기에서, 소망하는 흐름 안내에 따라 각도 α 는 0° 내지 90°의 값을 가질 수 있다.
도 9의 a)에 개략적으로 예시한 변형예에서, 반경방향으로 돌출하는 커버(280)의 영역은, 예컨대 35° 내지 45° 범위의 각도 α 로 연장되어, 증발기 요소(9)의 외주를 따라 흐르는 가스가 상대적으로 강력한 방식으로 반경방향 외측으로 전환된다. 더욱이, 이 변형예의 경우에 돌출 영역은, 반경방향으로 테이퍼지고 반경방향과 축방향 모두로 돌출하는 립(lip) 형태이다. 돌출 영역은 이 경우에 커버(280)의 나머지 부분에 대하여 주 흐름 방향(H)의 방향으로 약간 각진다.
도 9의 b)에 개략적으로 예시한 변형예에서, 반경방향으로 돌출하는 커버(280)의 영역은, 160°내지 170°에 이르는 상당히 큰 각도 α 로 연장되어, 증발기 요소(9)의 외주를 따라 흐르는 가스가 훨씬 덜한 반경방향 편향을 겪는다.
도 9의 c)에 개략적으로 예시한 변형예의 경우, 반경방향으로 돌출하는 커버의 영역은, 예컨대 대략 40° 내지 50°의 각도로 연장된다. 더욱이, 이 변형예의 경우에 흐름 분리에 선택된 방식으로 영향을 주기 위해 커버(280)의 돌출 영역은 또한 증발기 요소(9)로부터 멀어지는 측에서 경사지거나 모따기된다.
도 9의 d) 및 e)에 개략적으로 예시한 변형예의 경우, 커버(280)는 모두 더욱 웨지 형상 단면을 갖고, 이에 따라 커버(280)의 돌출 영역은 도 9의 a) 및 b)의 변형예와는 대조적으로 커버(280)의 나머지 부분에 대해 각진 형태가 아니다. 도 9의 a) 및 b)에 따른 변형예와 도 9의 d) , e) 및 i)에 따른 변형예의 비교로부터 자명한 바와 같이, 커버(280)의 반경방향으로 돌출하는 영역의 웨지 각도는 이러한 방법에서 선택된 방식으로 설정될 수 있다.
도 9의 f)에 개략적으로 예시된 변형예에서, 커버(280)는 축방향 본체(7/207)의 단부 상에 있는 실질적인 링 형상의 디스크 형태이므로, 커버의 돌출 영역은 대략 0°의 각도 α로 측방으로 돌출한다.
도 9의 g)에 개략적으로 예시한 변형예의 경우, 축방향 본체(7/207)에는 반응 영역(3) 방향으로 개방되도록 형성된 내부 공동이 마련되지만, 이것은 바람직하게는 다른 변형예에도 마련될 수 있다. 이 경우, 반응 영역(3)으로부터 나온 가스가 축방향 본체(7/207)로 흘러 들어가고, 축방향 본체를 통해 혼합물 준비 영역(2)으로 재순환되는 것이 가능하다.
도 9의 h)는, 예컨대 축방향 본체(7/207)의 외주의 표면 구조화를 예시한다. 그러한 표면 구조는 바람직하게는 마찬가지로 도 9의 a) 내지 g) 및 i)에 따른 예에도 또한 제공될 수 있다. 도 9의 h)의 변형예의 경우, 커버(280)는 내부에 반경방향으로 안착된 영역에 있어서 페이스측에서 증발기 요소(9)에 대해 직접 더욱 지탱되고, 대략 0°의 각도 α로 연장된다. 이와 대조적으로, 외측부에 더욱 배치된 커버(280) 영역은 비교적 큰 각도 α로 연장되어, 이에 따라 반경방향으로 돌출하는 테이퍼진 립이 형성된다. 더욱이, 외측부에 반경방향으로 배치되는 증발기 요소(9)의 영역에서 커버(280)는 이 경우에 증발기 요소(9)에 대해 직접 지탱되지 않는다. 도 9의 i)의 변형예의 이들 보조 피쳐는 다른 변형예에서도 또한 더욱 실현될 수 있다.
도 9의 i)에 개략적으로 예시한 변형예에서, 커버(280)는, 중앙 돌출 페그에 의해 축방향 본체(7/207)의 페이스측 리세스에 삽입되는 인서트 형태이다. 축방향 본체의 내부로의 배기 가스 재순환을 위한 구멍이 바람직하게는 상기 페그에도 또한 마련될 수 있다. 이들 추가의 피쳐는 또한 각각 다른 변형예에서도 실현될 수 있다.
여기에서 설명한 분리 에지를 지닌 커버(280)의 구성은, 반응 영역(3)의 유입구에서 훨씬 더 효율적으로 안정화되는 추가의 장점을 갖는다. 특히, 이러한 방식으로 맥동의 발생을 방지하는 것이 가능하다. 더욱이, 혼합물 준비 영역(2)으로의 화염의 역류가 훨씬 더 신뢰성 있게 방지될 수 있다. 대체로, 특히 연료-공기 혼합물의 흐름에 대한 전술한 분리 에지를 지닌 커버(280)의 변형예에 의해 반응 영역(3)에 재순환 영역을 형성하는 것이 추가로 더욱 안정화되는 것도 또한 가능하다.
변형예
도 6 및 도 7은 전술한 제2 실시예의 변형예를 보여주며, 상기 변형예는 배기 가스 유출 개구(211)의 위치에 관해서만 전술한 제2 실시예와 상이하다. 도 6 및 도 7에는 예시하지 않았지만, 전술한 바와 같은 다른 커버(28)가 변형예에도 또한 마련될 수 있다.
도 6에 개략적으로 예시한 제2 실시예의 제1 변형예에서, 배기 가스 유출 개구(211)는 혼합물 준비 영역(2)의 천이 섹션(23)이 아니라, 주 흐름 방향(H)에 대해 훨씬 더 먼 상류측, 특히 혼합물 준비 영역(2)의 1/3 지점에서 개방된다. 도 6에 예시한 변형예에서, 배기 가스 유출 개구(211)는, 예컨대 혼합물 준비 영역(2)의 주 챔버(21)로부터 협폭 영역(22)으로의 천이부 영역에서 개방된다. 그러나, 배기 가스 유출 개구(211)는 협폭 영역(22)에서 및/또는 주 챔버(21) 영역에서 혼합물 준비 영역(2)으로 개방되는 것이 가능하다.
도 7에 개략적으로 예시한 제2 실시예의 제2 변형예에서, 배기 가스 유출 개구(211)는 혼합물 준비 영역의 상류 페이스측 근처에서 주 흐름 방향에 대하여 훨씬 더 먼 상류측에서, 특히 혼합물 준비 영역(2)의 1/5 지점에서 개방된다.
혼합물 준비 영역(2)의 상류 페이스측에 보다 가까운 위치로의 배기 가스 유출 개구(211)의 재배치는, 재순환된 연소 배기 가스가 혼합물 준비 영역(2)에서의 연료-공기 혼합물의 전체적인 준비 프로세스에 훨씬 더 신뢰성 있게 참여한다는 장점을 갖는다.
제3 실시예
아래에서는, 도 4 및 도 5를 참고하여 증발기 버너(300)의 제3 실시예를 더 상세히 설명하겠다.
제3 실시예는 실질적으로 혼합물 준비 영역(2)의 구성에 관해서만 제1 실시예와 상이하기 때문에, 아래에서는 실질적으로 제1 실시예에 대한 차이점만이 보다 상세히 설명되고, 대응한 구성요소들에 대해서는 동일한 참조부호가 사용될 것이다.
제3 실시예에 따른 증발기 버너(300)의 경우, 혼합물 준비 영역(2)에는 증발면을 제공하는 축방향 본체가 마련되지 않고, 오히려 혼합물 준비 영역(2)의 페이스측의 영역에, 실질적으로 지역적인 증발기 요소(309)가 배치되는 거의 포트형의 증발기 리셉터클이 형성되는 것이 사실이다. 증발기 요소(309)는 이 경우에, 특히 제1 실시예의 경우에서의 증발기 요소(9)에 관하여 설명한 것과 동일한 재료로 제조될 수 있다. 제3 실시예의 경우에도 또한, 연료 공급부(1)가 혼합물 준비 영역(2)의 페이스측에서 개방되어, 액체 연료가 증발기 요소(309)로 전달될 수 있다. 따라서, 제3 실시예에서는 증발면(8)이 혼합물 준비 영역(2)의 후방 영역에 형성된다.
연소 공기 유입구(24)가 혼합물 준비 영역(2)의 페이스측 상에서 외측에 반경방향으로 배치되는 제1 실시예와는 대조적으로, 제3 실시예에서는 연소 공기 유입구(24)가 혼합물 준비 영역(2)의 측벽에 배치되어, 연소 공기가 외측으로부터 반경방향으로 혼합물 준비 영역(2)에 진입하는 것이 사실이다. 여기에서는 특히, 제3 실시예에서는 연소 공기가 바람직하게는 이 연소 공기에 부여되는 강력한 소용돌이를 갖고, 이것은 종국에는 연소 공기 공급부(B)에 있는 대응하는 공기 안내 요소에 의해 실현될 수 있는 것도 또한 사실이다.
제3 실시예에 따른 증발기 버너(300)의 경우, 배기 가스 재순환 구성부는 특히 도 5로부터 볼 수 있다시피 제1 실시예에 대해 약간 변형된 구성의 것이라는 것도 또한 사실이다. 제3 실시예의 경우, 협폭 영역(22)과 천이 섹션(23)은 도 5에 확대 비율로 예시한 바와 같이 단차형 노즐식으로 형성된다. 도 5가 종축(L)에 대하여 회전 대칭인 구성을 개략적으로 보여주지만, 이로부터 벗어나는 구성도 또한 가능하다. 천이 섹션(23)은 제1 서브 섹션(23a)과 제2 서브 섹션(23b)을 갖는다. 제1 서브 섹션(23a)은 예시된 특정 구성에서는 협폭 영역(22)에 바로 인접하도록 형성되고, 제1 단면을 갖는다. 천이 섹션(23)의 제2 서브 섹션(23b)은 상대적으로 넓은 제2 단면을 갖도록 형성되고, 축방향 길이의 일부에 걸쳐 둘레방향으로 제1 서브 섹션(23a) 주위에 맞물린다. 제1 서브 섹션(23a)과 제2 서브 섹션(23b)은 이 경우에, 링 형상 개구가 제1 서브 섹션(23a)과 제2 서브 섹션(23b) 사이에 형성되도록 치수가 정해지고, 링 형상 개구는 제3 실시예에서 배기 가스 유출 개구(311)로서의 역할을 한다.
제3 실시예에서, 배기 가스 재순환 구성부(10)는 이에 따라 링 형상 개구에 의해 형성되며, 링 형상 개구는 천이 섹션(23)의 제1 서브 섹션(23a)과 제2 서브 섹션(23b) 사이에서 배기 가스 유출 개구(311)로서의 역할을 한다.
제3 실시예의 경우에 혼합물 준비 영역(2)에 축방향 본체를 갖지 않는 증발기 버너(300)가 설명되었지만, 제3 실시예의 변형예에서는 제1 실시예 또는 제2 실시예에서와 같이 상기 타입의 축방향 본체가 마찬가지로 혼합물 준비 영역(2)에 배치되는 것도 또한 가능하다.
더욱이, 다양한 실시예에 명시된 변경들도 또한 각각 다른 실시예에서 사용될 수 있다. 특히, 예컨대 제1 실시예에 따른 구현예의 경우, 배기 가스 재순환 구성부가 제3 실시예에 관하여 설명한 바와 같이 단차형 노즐에 의해 실현되는 것도 또한 가능하다.

Claims (13)

  1. 액체 연료로 작동되는 가동형 가열 디바이스를 위한 증발기 버너(100; 200; 300)로서,
    연료를 연소 공기와 혼합하여 연료-공기 혼합물을 형성하는 혼합물 준비 영역(2),
    혼합물 준비 영역(2)에 액체 연료를 공급하는 연료 공급부(1),
    혼합물 준비 영역(2)에 연소 공기를 공급하는 연소 공기 공급부(B),
    액체 연료의 증발을 위해 액체 연료가 공급되는 적어도 하나의 증발면(8)
    흐름 면에서 혼합물 준비 영역(2)의 하류에 배치되고, 열이 방출되는, 연소 배기 가스를 형성하는 연료-공기 혼합물의 반응을 일으키는 반응 영역(3), 및
    혼합물 준비 영역(2)으로의 연소 배기 가스의 재순환을 위한 배기 가스 재순환 구성부(10; 20)를 포함하는 증발기 버너.
  2. 제1항에 있어서, 배기 가스 재순환 구성부(10; 210)는, 혼합물 준비 영역(2)으로 개방된 적어도 하나의 배기 가스 유출 개구(11; 211; 311)를 갖는 것인 증발기 버너.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 혼합물 준비 영역(2)은, 반응 영역(3)의 방향으로 좁아지는 단면을 지닌 협폭 영역(22)과, 반응 영역(3)의 방향으로 협폭 영역(22)에 인접하는 천이 섹션(23)을 갖는 것인 증발기 버너.
  4. 제3항에 있어서, 상기 배기 가스 재순환 구성부(10; 210)는 천이 섹션(23)으로 개방되는 것인 증발기 버너.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 천이 섹션(23)에서 반응 영역(3)으로의 천이부에서 흐름 챔버의 급격한 단면 확대부가 형성되는 것인 증발기 버너.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 천이 섹션(23)은, 협폭 영역(22)에 인접하고 제1 단면을 갖는 제1 서브 섹션(23a)과, 반응 영역(3)에 인접하고 보다 큰 제2 단면을 갖는 제2 서브 섹션(23b)을 갖고, 배기 가스 유출 개구(311)는 제1 서브 섹션(23a)과 제2 서브 섹션(23b) 사이에 있는 링 형상 개구 형태인 것인 증발기 버너.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 혼합물 준비 영역(2)에서 측벽으로부터 이격되도록 증발기 버너의 종축(L)을 따라 연장되는 축방향 본체(7; 207)가 마련되는 것인 증발기 버너.
  8. 제7항에 있어서, 축방향 본체(7; 207)는 혼합물 준비 영역(2)의 페이스측으로부터 적어도 반응 구역(3)으로의 천이 섹션(23) 내로 연장되는 것인 증발기 버너.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 축방향 본체(7; 207)의 외주면 상에 증발면(8)이 형성되는 것인 증발기 버너.
  10. 제9항에 있어서, 증발면(8)은 증발기 요소(9)에 의해 마련되고, 증발기 요소(9)의, 반응 영역(3)을 향하는 단부 상에 커버(280)가 마련되는 것인 증발기 버너.
  11. 제10항에 있어서, 커버(280)는 증발기 요소(9)의 외주를 넘어 반경방향으로 돌출하는 것인 증발기 버너.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 축방향 본체(207)는, 반응 영역(3)을 향해 개방되는 내부 공동(271)을 갖고, 연소 배기 가스(A)가 축방향 본체(207)를 통해 혼합물 준비 영역(2)으로 재순환될 수 있도록, 적어도 하나의 배기 가스 유출 개구가 내부 공동으로부터 연장되는 것인 증발기 버너.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 증발기 버너(100; 200; 300)를 지닌 차량용 가열 디바이스.
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