포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치 및 제어방법{An air-fuel ratio controller including photodiode sensor and control method}

본 발명은 공연비 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실시간으로 직접 화염의 상태를 관찰 및 계측함에 따라 전 부하 영역에 걸친 연속적인 공연비 비례제어가 가능한 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

현재 국내 가정용 보일러에서 사용되는 연소제어 기술은 기존의 온오프 방식의 제어에서 벗어나 시스템부하에 따른 비례제어방식을 도입하고 있지만 낮은 턴다운비(Turn down ratio)를 가지며 실질적인 효율향상에 미치는 영향은 미비한 수준이다.

최근 연소제어 기술의 목표는 배출가스로 버려지는 손실을 극소화시키는 방향으로 나아가고 있으며, 이는 에너지 절감의 측면뿐만 아니라 환경보존이라는 문제를 함께 해결할 수 있는 최선의 해결책으로 제시되고 있다.

이처럼 에너지 절감과 환경문제가 최대의 과제로 대두되는 상황에서 연소상태를 효과적으로 감시, 제어할 수 있는 시스템의 개발이 요구되고 있다. 이러한 연소제어기술은 O ₂ 및 NO _X 배출 농도와 밀접한 관계가 있으며 최적의 연소제어기술을 도입함으로써 동적 부하 특성에 따른 적절한 고연비의 선택이 가능해진다.

최적연소제어기술은 향후 보일러 효율향상, 보일러의 안정적인 운전은 물론 환경규제에 따른 질소산화물 저감을 위한 핵심기술이다. 또한 연소제어기술은 국제적인 신기술 분야로 확대 적용되고 있지만 전체 시장을 고려해 볼 때 아직 시작에 불과하며 차별화된 시스템으로 통합제어 시스템에 접목시켜야 할 것이다.

이처럼 연소제어에 있어 연소에 사용된 연료에 대한 공기의 비율인 공연비를 얼마만큼 작게 하여 완전연소를 시키느냐에 따라 시스템 효율이 결정되므로 연소기의 성능에 따라 적절한 공연비의 제어가 요구된다. 하지만 연소기의 최저 공연비 한계보다 낮은 공연비의 경우 화염상태의 불안정을 가져오고 일산화탄소 가스의 배출이 급격히 증가(법적 규제치 이상)하기 때문에 연소기 성능에 따른 최적의 공연비 계측 및 제어가 필요하다.

기존의 공연비 제어방식으로는 압력 및 풍압센서, 스로틀 위치 센서 등으로부터 미리 입력된 신호정보를 가지고 제어를 하는 개방 루프제어(Open Loop Control) 방식을 사용하고 있다. 그러나, 이는 미리 입력된 정보를 통해 공연비를 제어하는 특성상 구동 환경 및 외란에 따른 공연비 변화에 대한 능동적인 대체가 불가능하며 실질적으로 효율향상에 미치는 영향은 미비한 수준이다.

또한, 람다 센서 및 O ₂ 센서 등의 사용을 통해 배출가스의 농도를 계측하는 방법도 있지만, 이는 연소 후 배기부에 위치된 센서에서 측정되기까지의 시간, 센서신호로부터 액츄에이터(actuator) 구동까지의 시간 및 측정을 위한 센서 자체의 시간 지연으로 인해 응답성이 낮아 실시간 공연비 제어가 불가능하다는 단점을 가진다. 뿐만 아니라 센서 자체가 고가이기 때문에 중소형 보일러의 경우 실제 시스템 적용에 한계를 가진다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 실시간으로 직접 화염의 상태를 관찰 및 계측함에 따라 전 부하 영역에 걸친 연속적인 공연비 비례제어가 가능한 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 수급이 용이하며 공연비 제어장치에 적용이 용이하도록 저가의 센서를 도입함에 따라 생산비용이 절감되는 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치는 가정용 보일러에 사용되는 중공의 버너 및 상기 연소실 일측에 위치하는 포토다이오드센서로 구성되는 구성비 제어모듈; 상기 연소실의 일측에 위치하는 관측창; 상기 버너와 상기 연소실이 접하는 곳에 위치하는 점화플러그; 상기 관측창을 향하도록 상기 연소실의 상기 관측창 외부에 배치되는 포토다이오드센서; 상기 버너와 연통하는 제 1 파이프 상에 배치되는 급기팬; 및 상기 점화플러그의 동작에 의해 발생하는 화염광의 화염 광신호가 포토다이오드를 통해 인가되어 급기팬의 회전속도를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 포토다이오드센서는 감광도 범위 내에서 화염의 공연비 및 부하의 변화에 따른 광파장 스펙트럼의 세기가 변화함에 따라 포토다이오드 신호의 크기가 변화하고, 상기 제어부는 변화하는 상기 포토다이오드 신호의 크기에 따라 인가된 상기 급기팬의 회전속도를 조절하여 공연비를 제어하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 포토다이오드센서는 상기 가정용 보일러 버너의 과잉공기비(Excess air ratio)를 상기 포토다이오드센서 출력신호에 의해 정밀제어가 가능하고, 그리고 상기 포토다이오드센서는 하나 이상의 포토다이오드를 사용하여 화염의 공연비 및 부하의 변화에 따른 포토다이오드의 출력신호 크기 변화의 선형성을 이용하여 급기팬 회전속도의 선형제어가 가능한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 공연비 제어장치는, 상기 제 1 파이프와 연통하는 제 2 파이프 상에 배치되는 전자가스밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 공연비 제어장치는, 연소시 상기 관측창을 통해 전달되는 화염의 복사열에 의한 상기 포토다이오드센서의 온도상승을 방지하고 상기 포토다이오드의 작동온도 범위 내의 온도를 유지시키기 위한 냉각장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치를 제어하는 제어방법은 (a) 전자가스밸브를 통하여 가스가 연소실로 공급되는 단계; (b) 급기팬을 통해 상기 연소실에 공기가 공급되는 단계; (c) 점화플러그에서 발생하는 불꽃에 의해 착화가 이루어지고 상기 연소실의 상에 위치한 버너에서 연소가 진행되어 화염이 생성되는 단계; (d) 부하 및 사용량에 따라 순환펌프에서 물을 상기 연소실 하부의 열교환기로 공급하는 단계; 및 (e) 상기 연소실에서 발생하는 연소열이 상기 열교환기를 지나 물의 대류에 의해 열전달되어 온수가 공급되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 연소실의 일측에 위치하는 관측창을 통해 화염광을 관측하는 단계; (c2) 상기 화염광의 화염 광신호를 제어부에 전달하는 단계; 및 (c3) 전달된 상기 화염 광신호 정보를 기반으로 상기 제어부가 상기 급기팬의 회전속도를 조절하여 공연비를 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

전술한 바에 따른 공연비 제어방법은 가스용 보일러에 적용되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명은 포토다이오드센서를 적용함에 따라 실시간으로 직접 화염의 상태를 관찰 및 계측이 가능하고 전 부하 영역에 걸친 연속적인 공연비 비례제어가 가능해지는 효과가 발생한다.

또한, 본 발명은 센서의 수급이 용이하며 저가인 포토다이오드를 공연비 제어센서로 사용함에 따라 화염감지센서로서의 역할을 동시에 수행할 수 있게 되어 생산비용 및 원가절감의 효과가 발생하게 된다.

아울러, 본 발명은 실시간 공연비 제어에 따른 보일러 운전효율의 증가 및 연료소비 최적화로 인해 연료절감에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 연료조성 다변화 및 가스압력 등 현장 조건변화에 능동적으로 대처 가능한 효과가 발생한다.

도 1은 본 발명에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치의 개략적인 구성도,
도 2는 포토다이오드 센서의 설치 상태를 나타낸 단면도,
도 3은 포토다이오드 및 제어부의 구성을 나타낸 회로도,
도 4는 공연비에 따른 포토다이오드 신호의 변화를 나타낸 그래프,
도 5는 공연비에 따른 포토다이오드 신호의 선형성을 나타낸 그래프,
도 6은 일정 공연비에서의 부하에 따른 포토다이오드 신호의 선형성을 나타낸 그래프, 및
도 7은 포토다이오드 감광도 하에서의 화염 광 스펙트럼 세기의 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치를 이루는 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용 가능하다.

본 발명에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치(100)의 바람직한 실시 예를 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.

이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치(100)를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치(100)는 중공의 버너(111) 및 버너(111)의 하부에 위치하는 중공의 연소실(112)로 구성되는 구성비 제어모듈(110), 유체에 열을 전달하기 위한 열교환기(120), 버너(111)와 연통하는 제 1 파이프(181)와 연통하는 급기팬(130), 연소실(112)로 가스를 공급을 조절하는 전자가스밸브(140), 물을 열교환기로 공급하는 순환펌프(150), 점화플러그의 동작에 의해 발생하는 화염광의 화염 광신호가 인가되는 제어부(160), 연소실(112)의 외부에 인접하여 관측창(113)을 향하도록 배치되는 포토다이오드센서(170) 및 다수의 파이프(180)를 포함한다.

구성비 제어모듈(110)은 중공의 버너 및 상기 버너의 하부에 위치하는 중공의 연소실로 구성되며, 이러한 구성비 제어모듈(110)은 중공의 버너(111), 버너(111)의 하부에 위치하는 중공의 연소실(112), 연소실(112)의 외부에 인접하여 위치하는 관측창(113) 및 버너(111)와 연소실(112)이 접하는 곳에 위치하는 점화플러그(114)를 포함한다.

버너(111)는 기체 또는 액체 연료를 공기와 혼합하여 연소시키는 기구로서 가스버너, 석유 버너, 알코올버너 등이 있으며, 가열 작업에 주로 쓰인다. 이러한 버너(111)는 공지 기술에 해당하므로 이에 대한 구제적인 설명은 생략하기로 한다.

연소실(112)은 버너(111)의 하부에 위치하며, 버너(111)의 일면과 접한다. 이러한 연소실(112)은 공기 및 가스의 혼합이 이루어지는 공간이므로 기계적 강도가 높은 것이 바람직하다.

관측창(113)은 연소실(112)의 일측에 위치하며, 관측창(113)의 일면은 연소실(112) 내부와 접하므로 연소실 내의 압력에 견딜 수 있도록 강도가 높고, 외부에서 연소실(112) 내부를 관측할 수 있도록 투명한 것이 바람직하다.

점화플러그(114)는 버너(111)와 연소실(112)이 접하는 곳에 위치하며, 이러한 점화플러그(114)는 가스레인지 등에 사용되는 것과 같이 불꽃 내지 스파크를 발생시켜 연소실(112) 내에 혼합된 공기 및 가스가 착화되도록 한다.

열교환기(120)는 연소실(112)의 하부에 위치하며, 본 발명의 도 2에는 2개의 열교환기(120)가 도시되어 있으나, 사용자의 필요에 따라 열교환기(120)를 다수 개로 적용할 수 있으며, 그 수에는 제한됨이 없다.

급기팬(130)은 버너(111)와 연통하는 제 1 파이프(181)와 연통하며, 이러한 급기팬(130)이 회전함에 따라 제 2 파이프(182)를 통하여 공급되는 의 내부를 통과하는 가스를 제 1 파이프(181)로 공급한다.

전자가스밸브(140)는 제 1 파이프(181)와 연통하는 제 2 파이프(182)와 연통하며, 이러한 전자가스밸브(140)는 제 2 파이프(182) 내부로 유동하고 연소실(112)로 공급되는 가스량을 조절하는 역할을 한다.

순환펌프(150)는 제 3 파이프(183)와 연통하여 물을 열교환기로 공급하는 역할을 수행한다.

제어부(160)는 점화플러그(114)의 동작에 의해 발생하는 화염광의 화염 광신호가 인가되며, 이러한 제어부(160)는 변화하는 포토다이오드 신호의 크기에 따라 인가된 화염 광신호를 기반으로 급기팬(130)의 회전속도를 조절하여 공연비를 제어한다.

포토다이오드센서(170)는 연소실(112)의 외부에 인접하여 관측창(113)을 향하도록 배치되며, 이러한 포토다이오드센서(170)는 감광도 범위 내에서 광파장 스펙트럼의 세기가 변화함에 따라 포토다이오드 신호의 크기가 변화한다.

또한, 포토다이오드센서(170)는, 하나의 포토다이오드 또는 둘 이상의 포토다이오드를 사용하여 공연비 및 부하에 따른 선형제어가 가능하다.

아울러, 포토다이오드센서(170)는 과잉공기비(Excess air ratio) 기준 1.4 이하에서 0.02의 범위로 정밀제어 또한 가능하다.

파이프(180)는 버너(111)와 연통하는 제 1 파이프(181), 급기팬(130)과 연통하는 제 2 파이프(182), 연소실(112)의 일측과 연통하는 제 3 파이프(183) 및 제 3 파이프(183)에 인접하여 연소실(183)의 일측과 연통하는 제 4 파이프(184)를 포함한다.

제 1 파이프(181)는 버너(111)와 연통하며, 이러한 제 1 파이프(181)는 연료가 공급되는 통로의 역할을 한다.

제 2 파이프(182)는 급기팬(130)의 일측과 연통하며, 이러한 제 2 파이프(182)의 내부에는 가스가 유동할 수 있다.

제 3 파이프(183)는 연소실(112)의 일측과 연통하며, 이러한 제 3 파이프(183)는 그 내부로 물이 연소실로 공급된다.

제 4 파이프(184)는 제 3 파이프(183)에 인접하여 연소실(112)의 일측과 연통하며, 이러한 제 4 파이프(184)는 열교환에 의해 온도가 상승한 물이 배출된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 제어장치(100)는 필요에 따라 연소시 발생되는 복사열에 의한 포토다이오드의 온도상승을 방지하고 포토다이오드의 작동온도 범위 내의 온도를 유지시키기 위한 냉각장치(미도시)를 더 포함할 수도 있다.

전술한 바에 따른 본 발명은 연소실(112) 내에 화염이 생성되면 포토다이오드센서(170)는 화염상태에 다른 광신호를 받게 되고, 이때 발생하는 포토다이오드 출력신호의 크기에 따라 급기팬(130)의 회전속도를 조절하여 공연비를 제어한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치(100)에 따른 공연비 제어방법을 설명하면 다음과 같다.

최초, 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어방법은 (a) 전자가스밸브를 통하여 가스가 연소실로 공급되는 단계, (b) 급기팬을 통해 상기 연소실에 공기가 공급되는 단계, (c) 점화플러그에서 발생하는 불꽃에 의해 착화가 이루어지고 상기 버너에서 연소가 진행되어 화염이 생성되는 단계, (d) 부하 및 사용량에 따라 순환펌프에서 물을 열교환기로 공급하는 단계, 및 (e) 연소시 발생하는 연소열이 열교환기를 지나 물의 대류에 의해 열전달되어 온수가 공급되는 단계;를 포함한다.

또한, 전술한 (c) 단계는, (c1) 관측창을 통해 화염광을 관측하는 단계, (c2) 화염 광신호가 공연비 정보를 상기 제어부에 전달하는 단계, 및 (c3) 전달된 상기 공연비 정보를 기반으로 제어부가 급기팬의 회전속도를 조절하여 공연비를 제어하는 단계를 더 포함한다.

위와 같은 제어 단계를 통하여 전술한 기본 작동원리를 가지는 가스보일러에 도 3에 나타난 바와 같이 포토다이오드센서(170)을 부착하여 관측창(113)을 통해 화염광을 관측하게 되고, 관측된 화염 광신호는 보일러 제어부에 공연비 정보를 전달한다.

이렇게 전달받은 공연비 정보를 기반으로 보일러 제어부에서는 급기팬(6)의 회전속도를 조절하여 원하는 공연비로의 제어가 이루어지는 것이다.

이때, 연소시 발생되는 복사열에 의한 포토다이오드센서(170)의 온도상승이 나타나게 되는데 포토다이오드센서(170)의 작동온도 범위 내의 온도를 유지시켜주기 위하여 별도의 냉각장치를 구성하거나 급기를 이용하여 포토다이오드센서(170)를 냉각시켜줄 수 있다.

아울러, 포토다이오드센서(170)를 사용하게 되면 공연비 제어뿐만 아니라 화염감지센서(115)의 역할을 수행할 수 있어 화염감지센서(115)의 설치가 필요치 않게 된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이 일반적이 가정용 보일러에 사용되는 예비혼합물 버너 평판화염의 경우, 하나 혹은 서로 다른 파장특성을 가진 둘 이상의 포토다이오드를 사용하여 화염 광계측을 하게 되면 공연비에 따라 포토다이오드 신호의 변화를 관찰할 수 있다. 이처럼, 공연비의 변화에 따라 포토다이오드 출력신호 또한 실시간 변화하게 되며 높은 재현성을 가진다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이 포토다이오드의 사용을 통해 특정 공연비에서의 부하에 따른 신호 선형성을 가짐은 물론이며, 도 6에서처럼 서로 다른 파장특성을 가지는 둘 이상의 포토다이오드 사용을 통해 공연비와의 선형성을 가짐을 확인할 수 있다. 이러한 신호 선형성으로 인해 부하 및 공연비에 대한 선형제어가 가능하게 된다.

전술한 바와 같은 본 발명은 실제 가정용 보일러에 적용하여 테스트한 결과 포토다이오드 신호는 ±3% 이내의 오차에 높은 재현성을 보였으며 오차 및 재현성을 고려할 때 과잉공기비(excess air ratio) 기준 0.02의 범위로 정밀제어가 가능함으로 확인하였다.

실제 시스템에서 요하는 공연비 제어는 0.05 ~ 0.1 정도로서 이에 비해 PD를 이용한 공연비 제어는 매우 높은 제어 정밀성을 가진다.

다만, 실제로 0.02 만큼의 정밀제어가 가능한 급기팬(130)을 적용하기 어렵기 때문에 급기팬(130)의 성능에 의존하여 제어 정밀도가 정해질 것으로 판단된다.

이러한 포토다이오드 신호의 변화는 도 7에 도시된 바와 같이 스펙트럼 파장분석을 통해 그 원인을 파악할 수 있다. 분광기(spectrometer) 사용하여 고연비에 따른 화염광의 파장을 분석한 결과 공연비에 따라 파장대별 화염광의 세기가 변하는 것을 확인하였다.

이처럼 포토다이오드가 받아들일 수 있는 감광도 범위 내에서 광파장 스펙트럼의 세기가 변화함에 따라 포토다이오드 신호의 크기가 변하게 됨으로써 이를 공연비 제어에 이용할 수 있는 것이다.

전술한 바에 따라 기술된 본 발명의 일 실시예에 따른 포토다이오드센서를 포함하는 제어장치(100)는 공연비 제어센서로 포토다이오드를 사용하는 방법으로서, 포토다이오드센서(170)는 빛에너지를 전기적 에너지로 변환시켜주는 광센서로써 빛의 세기에 따라 전압의 크기가 비례적으로 증가하게 되는 광기전력 효과를 이용한 센서이다.

일반적으로 응답속도가 빠르고, 광전류의 직진성이 양호하며, 감도 파장이 넓은 포토다이오드는 CD 플레이어, 화재경보기, 리모컨 수신부와 같은 곳에 주로 사용되어 왔다.

이러한 포토다이오드센서(170)는 수급이 용이하며 저가이기 때문에 실제 시스템 적용이 매우 용이하다는 장점을 가진다.

또한, 포토다이오드센서(170)는 실시간으로 직접 화염의 상태를 관찰, 계측함으로써 전 부하(minimum~full load) 영역에 걸친 연속적인 공연비 비례제어가 가능하며 빠른 응답성을 가진 실시간 공연비 계측이 가능하게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 포토다이오드센서를 포함하는 공연비 제어장치
110 : 구성비 제어모듈
111 : 버너
112 : 연소실
113 : 관측창
114 : 점화플러그
120 : 열교환기
130 : 급기팬
140 : 전자가스밸브
150 : 순환펌프
160 : 제어부
170 : 포토다이오드센서
180 : 파이프
181 : 제 1 파이프
182 : 제 2 파이프
183 : 제 3 파이프
184 : 제 4 파이프