가스연소기의 안전장치

[남이섬]

가스연소기의 안전장치

안전장치는 사용자가 잘못 조작하거나 실수를 하면 작동하여 사고를 방지하고 동시에 연소기를 보호하기 위하여 부착된 장치이다.

소화안전장치-열전대
연소기 사용중 불이 갑자기 꺼졌을 경우 가스 흐름을 차단시켜 연소되지 않은 생가스의 누출을 방지하는 장치로서 가스렌지, 오븐렌지, 가스난로, 가스보일러 등에 부착되어 있다.
그 원리는 불꽃이 열전대를 할 때 생긴 열전력에 의해 가스밸브를 열게 하여 가스를 버너에 보내 연소시키게 하고, 불이 꺼지면 열전대가 식어 열기 전력이 없어져서 가스밸브가 닫히게 된다.

산소결핍 안전장치
가스난로와 같이 가스 소비량이 큰 연소기 등을 밀폐된 실내에서 장시간 사용하면 실내공기중 산소농도가 낮아지고, 불완전연소로 인해 일산화탄소가 발생하게 되어, 질식사고가 일어나게 된다. 이러한 사고를 방지하기 위하여 산소농도 18％ 이하가 되면 자동으로 가스밸브를 닫히게 하는 장치이다.

전도안전장치
가스난로와 같은 연소기는 사용 중에 넘어지는 경우가 적지 않다. 불이 붙은 채로 난로가 넘어지면 화재를 일으킬 우려가 있으므로 이러한 사고를 방지하기 위하여 난로가 넘어지면 자동으로 가스밸브를 닫히게 하는 장치이다.

과열 방지장치
가스보일러나 온수기를 사용중 고장 또는 화재의 발생 등으로 연소기 본체의 온도가 상승하게되면 자동으로 가스밸브를 닫히게 하는 장치이다.

불완전연소 방지장치
가스연소기 사용중 환기 상태가 좋지 않거나 기타 원인으로 불완전연소 될 경우 이를 감지하여 가스밸브를 닫히게 하는 장치이다.

헛불 안전장치(공연소 안전장치)

가스보일러와 같이 물을 사용하는 연소기에 물이 없는 상태에서 버너를 점화시키면 보일러를 손상시키거나 화재를 일으킬 수 있다. 이러나 공연소(空然燒)에 의한 사고가 발생하기 전에 버너의 가스통로를 차단하는 안전장치를 말한다.

자동온도 조절장치
가스보일러 물의 온도 및 온풍기의 온도를 일정하게 유지하도록 가스량을 자동적으로 조절하거나 가스밸브를 개폐하는 역할을 하는 장치이다.

정전 안전장치
전기를 사용하여 가스밸브를 개폐하는 연소기는 가스사용 중 정전이 되면 가스밸브가 닫혀 불이 꺼지게 되는데, 이 때 사용자가 정전 이전의 열린상태(전원을 ON 상태)를 그대로 두어 다시 전기가 들어왔을 때 가스밸브가 자동으로 다시 열려 사고의 원인이 될 수 있다. 따라서 정정 후 다시 전기가 들어왔을 때에는 가스밸브가 자동으로 열리지 않고 복귀스위치를 작동시키든지 또는 자동점화가 이루어지도록 설계된 안전장치이다.

동파 방지장치
보일러를 장시간 사용하지 않거나 실외에 설치하였을 때, 겨울철에 물이 얼어 보일러가 파손될 우려가 있으므로 이를 방지하기 위한 장치이다.

가스연소기의 안전장치 가스연소기에는 기기의 고장, 잘못된 사용, 사용조건의 불량 등에 의하여 발생할 수 있는 사고를 방지하기 위하여 각종 안전장치가 부착되어 있다.

이번 호부터는 가스연소기에 사용되고 있는 주요한 안전장치와 그 원리를 알아보고자 한다

■ 안전장치의 분류

  가스연소기의 안전장치는 기기가 불완전한 조건에 있을 때 안전장치가 작동하여 불완전한 조건을 인위적으로 제거하지 않으면 절대 재동작하지 않는 장치를 이상적인 것으로 한다.

  일반적으로 불안전한 조건으로서는 기기 안전부품의 고장과 열화, 안전부품 이외의 구성부품의 고장과 열화, 이상사용(異狀使用)과 오사용(誤使用), 기상이변 등이다.

  또, 기기 측면에서 보면 기계부품에 기인하는 것, 전기회로 고장에 의한 것으로 나뉘어 진다. 가스기기의 안전장치는 인명사고를 일으키지 않도록 가스누설이 없도록 할 것, CO를 발생시키지 않도록 할 것이며 다음으로는 화재와 물질손해를 일으키지 않도록 과열되지 않도록 할 것, 기기를 손상시키지 않도록 할 것 등으로 나눌 수 있다. 안전장치의 안전제어 시스템에는 일반적으로 다음 3개부로 구성되어 있다.

 <검지부>
  검지부는 어떤 물리현상과 화학변화를 검지하여 정상상태인가 이상상태인가를 판단하여 이상이 있는 경우에는 특정신호를 발생하는 부분을 말한다. 검지부는 검지하는 현상에 따라 각종 검지소자가 사용되고 있다.

검출대상	이용되는 물리현상		대표적인 소자	이용 예
온도	열팽창	고체	바이메탈	공연소 안전장치
		액체	액체(알콜류)	서모스탯
		기체	후레온등	서모스탯
	전기저항의 변화		서미스터	서모스탯, 과열방지장치
	열기전력		열전대	소화안전장치, 불완전연소방지장치
	투자율의 변화		휠 라이트	자동소화장치
	융점		온도 휴즈	과열방지장치
불꽃	전기저항의 변화		cds	소화안전장치
	광 기전력		핫트랜지스터, 핫다이오드	소화안전장치
	불꽃의 전도성?정류성		프레임로드	소화안전장치, 불완전연소방지장치
압력	압력의 변화		다이어프램	공연소방지장치, 풍압스위치
수위	부력		float	공연소방지장치
변위	중심의 이동 위치의 변화율		추?수은 스위치	전도 가스차단장치

 <제어부>

  제어부는 검지부로부터의 신호를 받아 작동부에 적절한 동작을 시키게끔 신호를 보내는 부분이다. 최근의 안전장치·안전제어 시스템에 있어서는 이 부분에 IC와 마이콤을 사용한 제어회로가 많이 이용되고 있다.
  가스연소기에 있어서 제어부는 점화, 운전, 소화에 이르는 운전제어를 담당하는 부분으로서 그 중 안전장치·안전제어 시스템의 제어부도 포함되어 있는 것이 일반적이다.

   안전장치, 안전제어 시스템의 제어부는 거의 ON/OFF 제어방식이 채용되고 있다. 왜냐하면 가스연소기에 있어서 안전장치 제어부는 검지부로부터의 이상신호를 받은 경우에 작동부에 대하여 「가스통로를 차단하라」라는 신호를 보내어 가스통로를 차단하고 수동으로 복귀하지 않으면 동작되지 않게 설계되어져 있기 때문이다.

[가스연소기의 주요 안전장치]
 

안전장치	방  식	작 동 원 리	사용제품
소  화 안  전 장  치	열전대	열전대(써머커풀)의 앞부분을 화염으로 가열하여 열기전력을 그대로 또는 증폭하여 가스용 전자밸브를 유지시킨다	연소기 전  반
	플레임 로  드	화염 중에 내열성 금속로드를 삽입하여 버너사이에 교류전압을 가하여, 불꽃의 전도성과 정류성을 이용하여 불꽃의 유무를 검지하는 것과 동시에 신호를 증폭해서 가스용 전자밸브를 유지시킨다.	연소기 전  반
과  열 방  지 장  치	바이메탈	열팽창율이 다른 2종의 금속판을 붙혀 온도변화에 의한 기계적 변형량을 전기적으로 검출하여 가스회로를 차단한다.	온수기, 보일러, 난  로
	온도휴즈	용융온도가 낮은 합금이 이상과열되면 전기회로를 끊어 가스를 차단한다.	온수기, 보일러, 난  로
공연소 방  지 장  치	수  위 스위치	물탱크내의 수위를 다이어프램에 의해 압력변화로서 검출하여 가스회로를 차단한다.	보일러
	바이메탈	(과열방지장치와 같다)	보일러
과  압 방  지 장  치	스프링	스프링으로 눌러지고 있는 밸브가 내부의 이상압력 상승에 의해 밸브시트가 열려 자동적으로 이상압력을 방출한다.	보일러
동  결 방  지 장  치	전기히터	바이메탈 스위치에 의해 외기온도를 검출하여 설정온도 이하이면 바이메탈 s/w가 작동하여 히터에 전류를 통하여 난방라인을 히팅하던가 자동연소?펌프운전 등으로 동결을 방지한다.	보일러, 온수기
불완전 연  소 방  지 장  치	열전대	열전대를 파일럿 불꽃의 중심에 놓고 산소 결핍시의 화염의 형상변화를 열전대의 온도변화로 취하여 가스회로를 차단한다.	온수기, 난방기
	플레임 로  드	버너의 연소상태를 플레임로드로서 검지하여 이상연소시의 화염의 형상변화를 불꽃전류변화로 취하여 가스회로를 차단한다.	난방기

  <작동부>
  작동부는 제어부로부터 신호를 받아 일정한 물량을 조절하는 부분이다. >

■ 소화안전장치
  점화시와 재점화시의 비점화, 소화, 불어서 꺼짐 등에 의하여 생기는 생가스의 유출을 방지하는 안전장치이다.  검지부에는 열전대(써머커플), 플레임로드 등이 이용되고 있다.


< 열전대 소화안전장치(Thermocouple) >

  2개의 다른 금속 A, B를 그림과 같이 접속하여 폐회로를 만들고 2개의 접속점을 다른 온도로 하면 전류가 흐르게 된다. 이 전류를 열전류라 하고 이것을 일으키는 기전력이 열기전력이다.

  이 2종의 금속 조합을 열전대(써머커플)이라 하고 고온이 되는 접합점을 가열접점, 저온이 되는 접합점을 기준접점 또는 냉각접점이라 한다. 가열접점을 가스로 가열하는 경우 600～700℃에서 약 20㎷～35㎷의 열기전력이 생긴다. 일반적으로 가스연소기에는 다음과 같은 것이 사용되고 있다.

< 열전대의 예 > 
  열전대 소화안전장치는 가스연소기의 사용 중 만일 소화되어도 생가스의 유출을 방지하고 생가스에 의한 사고를 미연에 막기 위한 안전장치이다.

< 가스연소기에 사용되는 주요 열전대의 특징 >

재  료		사용온도(℃)	기전력	특    징
외 측	내 측
크로멜(CA)	콘스탄탄	100℃ 이하	350mV	회로저항이 클 때, 산화불꽃 분위기일 때 강하다
인코넬(CI)	콘스탄탄	400℃ 이하	30mV	크로멜과 내열강의 중간
내열강(CC)	콘사탄탄	250℃ 이하	25mV	회로 저항이 적은 것에 적용한다. 환연염 분위기에 강하고 앞부분에 탄소찌꺼기가 붙기 힘들다.

  불꽃의 검지방법은 메인 불꽃자체를 검지하는 것과 상시 점화되어 있는 파일럿불꽃을 검지하는 것이 있으며, 구성은 그림과 같이 열전대 전자밸브 유닛트로 되어 있다

  작동원리는 열전대에 불꽃이 감지되면 열전대 금속 특성에 따라 열기전력이 발생하게 되며, 발생된 기전력은 도선을 따라 MPU(Magnetic Power Units)로 전달된다. MPU 내부에 있는 코일에 의하여 기전력이 전달되면 마그네트에 전자력이 발생한다. 전자력의 힘으로 기구전의 작동에 의해 밀착된 헤드부를 흡착하게 된다.

  이때, 열전대에 발생되는 열기전력의 세기는 시간이 지남에 따라 증가하다가 일정시간이 지나면 안정되는 특성이 있다. 따라서 점화 시 열전대에 충분한 기전력이 발생할 때의 수초간은 콕크 손잡이를 점화의 위치에서 누름 상태로 있어야 하는 것이 일반적이다.

  이 경우 회로의 동작을 결정하는 주요인은 써머커플의 발생기전력 특성, 전자밸브 유닛트의 흡착전류 및 이탈전류, 안전회로 내의 저항 등이다. 결국 전자밸브의 흡착력과 흡착까지 필요한 시간은 이 3개의 상관관계에 있고 성능을 표현하는 방법으로서 점화해서 밸브 열림에 걸리는 시간과 소화 후 밸브 닫힘 시간이 이용된다.

  전자밸브에 적절한 기전력을 보내는 적절한 가열온도는 약 600℃이며 너무 고온이면 열전대의 선단부가 손상되는 등 내구성이 나빠지게 된다.

■ 플레임로드

 플레임로드 소화안전장치는 교류전원을 이용한 방식이다. 점화회로에 의하여 버너에 점화한 불꽃을 검지하여 전자밸브를 연결하여 ON시키기 위하여 전기신호를 보내는 회로로서 일반적으로 화염검지회로라고도 부른다.

  그림(a)에 표시하는 바와 같이 플레임로드(화염검출 전극봉)가 화염에 접촉하는 부분A와 버너가 화염에 접촉하는 부분 B를 전극으로 하는 전기회로에 전원의 전압을 인가하면 화염이 존재할 때는 화염의 전도성에 의하여 전류가 흐르지만 화염이 존재하지 않을 때는 흐르지 않는다.

  이 화염의 전도성을 이용한 연소를 전기적으로 감시 가능하게 하여 많이 사용되었으나 플레임로드를 지지하는 절연물의 절연저하에 따른 원인으로 불꽃이 없을 때에도 불꽃이 있는 것으로 여기어 오작동을 일으키는 등 문제점도 많았다.(그림b)

  그래서 다음에 나타난 것이 다음 그림과 같이 불꽃에 AC 100～200V의 전압을 인가하는 방식이다. 파일럿 불꽃과 접촉되도록 파일럿 버너 선단부에 부착되어 있는 플레임로드와 화염검지회로 및 전자밸브로 이루어져 있다.

점화조작에 의하여 플레임로드의 전극과 파일럿사이에 미소전류가 흘러 이것을 화염검지회로가 검지 증폭하여 메인버너의 전자밸브를 여는 신호를 보내어 가스가 흘러 메인버너가 착화한다. 설정시간 내에 파일럿에 점화되지 않거나 또 연소 중에 소화되면 전극과 파일럿 버너와의 사이에 전류가 흐르지 않기 때문에 화염검지 회로의 신호는 전자밸브를 폐쇄하는 신호로 되어 전자밸브의 잠김으로 가스통로가 닫혀 생가스의 유출을 방지한다.


■ 점화시 안전장치

  점화 시 안전장치는 연소용 팬의 풍량(풍량스위치)과 풍압(풍압스위치) 또는 회전수를 검지하여

안전회로를 동작시키기 위한 것이다. 따라서 연소실내의 팬 퍼지(Purge) 및 연소용 팬 고장에 따른 송풍정지에서의 폭발점화를 방지하는 것이 가능하다. 이 장치는 풍량을 검지하는 풍량스위치 방식과 풍압을 검지하는 풍압스위치 방식 및 팬의 정상회전을 검지하는 팬 회전수 방식이 있다.


 < 풍량스위치 방식 >

  연소용 팬에 의해 규정의 풍량이 얻어지면 바람의 흐름으로 마그네틱 부분이 기울어져 리드 스위치의 접점을 작동시켜 프리퍼지 다이어프램을 움직인다. 만일 송풍정지로서 기존의 풍량이 얻어질 수 없는 경우는 리드 스위치가 작동하지 않기 때문에 전자밸브를 닫아 가스를 폐지한다. 또한, 오작동 방지를 위한 리드스위치와 전자밸브는 역동작이 된다.

< 풍압스위치 방식 > 
  풍압스위치와 연소용 팬의 풍압을 감지하여 마이크로 스위치에 의하여 전기회로의 개폐를 행한다. 따라서 연소용 팬이 작동하지 않으면 점화회로가 구성되지 않는다.

< 여러 가지 풍압스위치의 예 >

< 팬 회전 검지방식 > 
  이 방식은 모터측 회전부에 회전검지 소자를 이용해 모터의 회전을 검지하는 방식이다.

 ■ 과열방지 장치

  가스연소기의 본체가 과열되면 이것이 원인이 되어 기기의 고장을 일으키거나 최악의 경우 화재가 발생하거나 한다. 이와 같이 연소기기 본체의 온도가 원인을 불문하고 과다하게 상승하거나, 또 화재의 위험이 생기기 전에 버너로의 가스통로를 잠그는 장치이다.

  열감지는 바이메탈이나 온도휴즈가 사용되고 있다. 소화안전장치의 회로 중에 온도휴즈나 바이메탈이 작동, 감온부가 차단하여 접점이 떨어지고 열기전력 회로가 끊겨서 전자밸브의 전류가 멈추어 가스통로가 폐쇄된다.


< 바이메탈식 >

  바이메탈스위치라고도 하며, 기기본체 또는 열교환기에 부착되어 있다. 이상온도를 감지하여 바이메탈의 반전을 이용하여 전기회로를 차단하여 가스공급을 중지한다.

  
 ※ 참고 : 바이메탈(Bimetal)이란?
     정확하게는 열응동금속 이라고도 하며 열팽창계수가 다른 2종류의 금속 또는 합금을 적당한 방법에 의하여 밀착된 판상의 금속제품의 총칭이다. 온도가 올라가면 열팽창계수가 큰 금속은 작은 금속보다 크게 늘어나려고 하나 양판이 견고하게 붙어있으므로 한쪽은 늘어나기 어렵고 한쪽은 당겨져서 그 때문에 계수가 큰 금속 쪽에 압축응력, 작은 쪽에 인장응력이 생겨 작은 쪽으로 구부러지는 움직임을 하게 된다.

 
< 바이메탈의 원리 >
< 온도퓨즈식 >
   어떤 원인으로 온도가 이상 상승한다든지, 열교환기로부터 불꽃이 휘날리는 경우는 온도퓨즈가 끊기고 회로를 차단하여 가스공급을 중지한다. 온도 퓨즈가 끊기면 온도퓨즈를 교체하여야 하며 원인을 조사하여 대책을 강구하여야 한다.

<온도퓨즈의 예(끊어진 것) >
 

■ 전기적 안전장치

  전기적 안전장치에는 주로 AC전원을 사용하고 있는 기기에 대한 것으로 과전류와 누설전류에 대한 것과 정전 시 및 정전 후 재통전시에 대한 것이 있다.

< 과전류방지 장치 >

 기기에 허용전류를 초과하는 전류가 흐를 때 전류퓨즈가 끊기고 전기회로를 차단하여 기기의 보호 및 감전의 위험을 방지하는 것으로 가장 기본적으로 중요한 것이다. 또한 누설 전류안전장치로서는 기기본체의 접지공사와 누전차단기의 설치 등이 기본이 된다.

< 정전시 안전장치 >

 정상운전 중에 정전된 경우 또는 콘센트를 뽑았을 때 정전시 안전장치가 순식간에 작동하여 가스 회로를 차단하고 연소를 정지한다. 통전되어도 인위적으로 점화조작을 행하지 않으면 점화하지 않으며 컨트롤러 전자회로에 의하여 조절된다.


■ 헛불시 안전장치(공연소 안전장치)

  보일러와 같은 가스연소기에 물이 없는 상태에서 버너를 점화시키면 보일러를 손상시키거나 화재를 일으킬 수 있다. 이러한 공연소에 의한 사고가 발생하기 이전에 버너의 가스통로를 차단하는 안전장치를 말한다. 보일러안의 열교환기에 물이 없는 경우에 버너를 착화시키면 당연히 열교환기의 표면온도가 상승하게 된다. 여기에 안전온도를 설정하고 이 설정온도 이상이 되며 소화안전장치가 직렬로 부착되어 있는 바이메탈이 반전하여 접점이 떨어짐으로서 전기회로를 차단시켜 전자밸브의 통전을 막아 가스통로를 폐쇄하는 방식(그림 a)과 물의 압력이 다이아프램에 작동하여 스위치의 접점에 닫혀져 회로가 통하고 가스통로가 열려 버너에 점화가 가능하며, 반대로 배관 내에 물이 없는 경우는 물의 압력이 다이아프램에 작동하지 않아 스위치의 접점이 열려 회로가 통하지 않도록 하는 방식(그림 b)이 있다.

■ 저온동결방지장치

 보일러 배관의 외부노출은 외부 기온강하에 따라 배관의 동파가 우려된다. 이에 대한 안전장치로서 배관내 수온이 3～5℃이하로 떨어질 때 순환펌프가 자동으로 가동되어 보일러 배관내의 물을 순환할 뿐만 아니라 배관에 감겨진 동파방지용 히터가 열을 발생하여 배관의 동파를 방지한다.

 ■ 과압방지장치 
  대기차단식 보일러의 경우 보일러내의 물의 온도가 상승하면서 배관내의 압력이 상승된다. 따라서 적정압력을 유지하기 위해서는 상승하는 압력을 흡수할 수 있는 안전장치가 필요하다. 적정압력 이상의 압력은 1차적으로 팽창탱크에서 흡수조절하며 표시사용 최고수두압(대개 3kg/cm2) 이상이 되면 안전밸브를 통하여 압력을 외부로 빠지게 한다.

출 처 : 가스안전공사