KR101151341B1 - 볼텍스 튜브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼텍스 튜브에 관한 것으로 더 상세하게는 구조가 간단하면서도 와류실로 공급되는 압축공기의 회전력이 극대화되고, 회전기류가 와류실 끝의 벽에 부딪혀 반환될 때 역류 및 냉기 취득이 효과적이며, 열기는 직결로 바로 배출되되 배출과정이 와류실의 냉각방식에 간섭없이 단독적으로 이루어짐과, 와류실의 냉각은 자체적 구조만으로도 충분한 공랭이 가능함은 물론 와류실 외주면의 열기가 외부로 효율적으로 발산될 수 있게 한 것이다.
이에 본 발명은 압축공기 주입구 일측에 냉기배출구가 마련되고, 타측에는 와류실을 거쳐 열기배출구가 구비되되, 와류실 외주면으로는 방열핀이 직교되게 일정간격으로 형성된 냉각부를 가진 볼텍스하우징과; 상기 볼텍스하우징의 냉기배출구에 결합되어 주입구와 와류실를 연통하는 회전홈이 구성됨과, 와류실의 내주면에서 외부로 연통됨과 동시에 후방이 테이퍼형으로 확장되는 냉기배출로가 형성된 냉기배출트랩과; 상기 볼텍스하우징의 열기배출구에 결합되어 와류실의 끝에 벽을 형성하면서 벽에서 좁게 돌출되는 반환편과, 상기 벽의 외주면에 형성되어 와류실에서 외부로 직결 연통되는 방사형의 열기배출공 및 열기배출로와, 상기 열기배출로 끝에 구비되는 소음기로 이루어진 열기배출트랩으로 구성된 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브를 제공한다.

Description

볼텍스 튜브{Vortex Tube}

본 발명은 압축공기를 고속으로 회전시켜 와류현상에 의해 냉기와 열기를 분리하고, 상기의 분리과정에서 냉기만 따로 획득하여 냉매로 사용할 수 있도록 한 볼텍스 튜브에 관한 것이다.

일반적으로 볼텍스 튜브(Vortex Tube)는 기계적 구동부가 전혀 없이 산업현장에서 사용되는 콤프레셔의 압축공기만으로 냉기를 획득할 수 있어 비용이 저렴하며 신뢰성이 높고 유지보수의 필요성이 전혀 없는 냉각장치로써 온도 조절범위는 -46℃에서 +127℃이며, 냉기 유량 조절범위는 28 SLPM에서 4248 SLPM이고, 최대 냉각능력은 2571 Kcal/hr수준에 이른다

따라서 주물, 유리, 제철, 도자기, 또는 전기적 장치나, 장비 및 시설 등 열로 인해 발생 될 수 있는 가혹한 환경에 국부적으로 냉기를 공급하여 쾌적한 환경으로 조성하는데 효과적으로 이용되고 있다.

최근에 제안된 볼텍스 튜브로는 특허등록 제0797653호 내지 특허등록 제0880276호의 "볼텍스 튜브"가 있었으며, 선 등록된 발명을 본 발명과 대비하여 비교설명하면 다음과 같다.

우선 와류실 내부로 압축공기를 회전시키도록 주입하는 구조가 전자와 같은 경우 회전실의 회전방향으로 투입구를 상/하에 형성시켜 주입되는 압축공기가 회전되도록 하는 방식으로써, 와류실 내로 공급되는 압축공기의 회전력이 약하여 와류현상에 의한 냉기 및 열기의 완전한 분리가 어려웠고, 후자와 같은 경우 원판에 형성된 방사형홈에 의해 회전되도록 하였지만 압축공기가 순환공간까지 도달하는데 구조적으로 복잡함은 물론 주입하는 압축공기의 일부가 소모되는 방식으로 압력 및 공급량이 약한 문제점을 안고 있었다.

또한 와류실 내부에서 회전기류에 의해 냉기와 열기가 분리될 때 전자와 후자가 동일하게 와류실 끝의 벽 전체에 부딪혀 반환되는 방식이기 때문에 역류효율 및 냉기만 효과적으로 취득하지 못하는 단점이 있었고,

그리고 상기에서 냉기만 획득하고 열기는 배출시키는 과정에서 전자와 같은 경우는 와류실 끝의 벽 전체가 개방되는 차폐구조의 방식으로써 열기를 포함한 냉기까지 배출되고 있었고, 후자와 같은 경우는 열기의 배출없이 와류실이 공랭되는 방식이기 때문에 와류실 내에 배출되지 못한 열기가 계속 잔류하면서 냉기를 잠식시키는 폐단이 있었으며,

또 와류실 외주면의 냉각방식이 전자와 같은 경우 와류실 후미로 배출되는 열기가 냉각핀으로 전달됨으로써 후방이 뜨겁게 되고, 후자와 같은 경우는 주입하는 압축공기의 일부를 이용하여 냉각판을 공랭시키는 방식으로 선단에는 압축공기의 공급으로 냉각이 이루어지지만 후미는 그 영향이 저조하여 뜨거움은 물론, 냉각을 위해 유입되는 압축공기의 일부가 좁은 통로를 통과하면서 소음이 심한 문제점이 있었다.

KR 10-0797653호 "볼텍스 튜브" KR 10-0880276호 "볼텍스 튜브"

본 발명은 종래와 같은 볼텍스 튜브가 가지고 있는 문제점을 한꺼번에 해소하기 위해 개발된 것으로서, 특히 구조가 간단하면서도 와류실로 공급되는 압축공기의 회전력이 극대화 되도록 하고, 회전기류가 와류실 끝의 벽에 부딪혀 반환될 때 역류 및 냉기 취득이 효과적으로 되며, 열기는 직결로 바로 배출되되 배출과정이 와류실의 냉각방식에 간섭없이 단독적으로 이루어지도록 함과, 와류실의 냉각은 자체적 구조만으로도 충분한 공랭이 가능함은 물론, 와류실 외주면의 열기가 외부로 효율적으로 발산될 수 있게 함에 그 목적이 있다.

그리고, 본 발명은 에어 호스의 체결을 쉽게 함과, 주입되는 압축공기의 양의 조정이 가능토록 하여 실 사용시 취급이 용이하도록 한 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기 목적에 따른 본 발명의 구성은 압축공기 주입구 일측에 냉기배출구가 마련되고, 타측에는 와류실을 거쳐 열기배출구가 구비되되, 와류실 외주면으로는 방열핀이 직교되게 일정간격으로 형성된 냉각부를 가진 볼텍스하우징과;

상기 볼텍스하우징의 냉기배출구에 결합되어 주입구와 와류실를 연통하는 회전홈이 구성됨과, 와류실의 내주면에서 외부로 연통됨과 동시에 후방이 테이퍼형으로 확장되는 냉기배출로가 형성된 냉기배출트랩과;

상기 볼텍스하우징의 열기배출구에 결합되어 와류실의 끝에 벽을 형성하면서 벽에서 좁게 돌출되는 반환편과, 상기 벽의 외주면에 형성되어 와류실에서 외부로 직결 연통되는 방사형의 열기배출공 및 열기배출로와, 상기 열기배출로 끝에 구비되는 소음기로 이루어진 열기배출트랩으로 이루어진다.

상기에서 냉기배출트랩 일단에는 호스 연결용 체결구가 장착되고, 볼텍스하우징의 주입구에는 횡 및 종방향으로 회전가능한 호스 연결용 체결구를 가진 압력조절밸브가 장착된 것을 또 다른 특징으로 한다.

본 발명은 상기와 같이 주입구와 와류실를 연통하는 회전홈이 냉기배출트랩에 일체로 구성됨에 따라 구조가 간단하면서도 와류실로 공급되는 압축공기의 회전력이 극대화되고, 회전기류가 와류실 끝의 벽에 부딪혀 반환될 때 반환편에 의해 역류 및 냉기만 효과적인 취득이 가능하며, 와류실 끝의 열기배출공에 의해 냉기는 배제한 채 열기만 효과적으로 배출되고, 다수의 방열핀이 직교되게 일정간격으로 배치된 냉각부에 의해 자체적 구조만으로도 와류실의 충분한 공랭이 가능함은 물론, 와류실의 열기가 외부로 효율적으로 발산될 수 있는 이점이 있다.

또한 호스연결용 체결구 및 압력조절밸브의 부설로 에어 호스의 장착을 쉽게 함은 물론 주입되는 압축공기의 양의 조정이 가능토록 하여 실 사용시 취급이 용이한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 분해 사시도
도 2는 도 1을 다른 방향에서 본 분해 사시도
도 3은 본 발명의 분해 단면도
도 4는 본 발명의 결합 단면도
도 5는 본 발명의 또 다른 예시도
도 6은 본 발명의 작동 예시도 이다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 함께 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 일반적인 기술내용이나 공지된 사항은 생략 또는 간단한 명칭 등으로 대체한다.

본 발명을 첨부도면 도1 내지 도5와 대비하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

볼텍스하우징(1)은 압축공기 주입구(11) 일측에 냉기배출구(12)와 냉기배출트랩(2)을 장착할 수 있는 체결부가 마련되고, 타측에는 와류실(10)을 거쳐 열기배출구(13)와 열기배출트랩(3)을 장착할 수 있는 체결부가 마련되며, 와류실(10) 외주면으로는 다수의 방열핀(14)이 직교되게 일정간격으로 형성된 냉각부로 되고, 주입구(11)는 압력조정밸브(5)를 장착할 수 있게 체결부로 구성된다.

냉기배출트랩(2)은 일단에 호스연결용 체결구(5)와 볼텍스하우징(1)의 냉기배출구(12)에 장착될 수 있는 체결부가 마련되고, 타단에는 결합시 주입구(11)와 와류실(10)을 연통하는 순환부(200)와 회전홈(21)이 구성됨과, 와류실(10)의 내주면에서 외부로 연통되고 후방으로 테이퍼형으로 확장되는 냉기배출로(20)가 구성된다.

열기배출트랩(3)은 일단은 볼텍스하우징(1)의 열기배출구(13)에 장착될 수 있는 체결부가 마련되고, 타단에는 소음기(33)를 장착할 수 있는 체결부가 구비됨과, 볼텍스하우징(1)의 열기배출구(13)에 결합시 와류실(10)의 끝에 벽(31)을 형성하면서 벽(31)에서 좁게 돌출되는 반환편(32)과, 상기 벽(31)의 외주면에 형성되어 와류실(10)에서 외부로 직결 연통되는 방사형의 열기배출공(310) 및 열기배출로(30)가 형성되고, 상기 열기배출로(30) 끝에 장착되는 금속입자를 소결가공한 소음기(33)로 구성된다.

호스 연결용 체결구(4)(6) 및 압력조절밸브(5)는, 공압부품으로써 구조 및 작동 등의 상세한 설명은 생략한다. 단, 볼텍스 튜브에 부설되어 호스의 체결을 쉽게 함과, 주입되는 압축공기의 양의 조정이 가능토록 되되, 실 사용시 사용이 편리하도록 횡 및 종 방향으로 회전가능토록 된 것이면 만족한다.

우선 볼텍스의 원리는 압축공기를 회전시키면서 튜브 내로 공급하면 압축공기는 길이방향에 회오리바람과 같은 와류를 형성하면서 안쪽 벽면을 타고 튜브의 끝쪽으로 이동한다.

이때 튜브의 끝부분을 열어 더워진 공기가 일부 외부로 배출되고 배출되지 않은 나머지 공기는 다시 방향을 바꾸어 튜브의 중심부를 따라 작은 볼텍스를 형성한 채 역류한다. 2차로 형성된 내부의 볼텍스는 열을 잃어버려 냉각된 채 다시 튜브의 반대편 끝으로 배출되는 것이다.

상기에서 내부의 볼텍스가 열을 잃어버리는 이유는, 튜브의 내벽을 소용돌이치며 흐르는 공기는 고온 상태로 튜브의 어느 한쪽으로 흘러(up stream) 일부가 배출되고 나머지는 고온의 소용돌이 내부에서 동일한 방향으로 소용돌이치며 저온상태가 되어 튜브의 반대편으로 흘러(down stream) 배출될 때, 두 개의 소용돌이는 동일한 방향, 동일한 속도로 회전한다. 그러나 역학의 법칙 중 각운동량(회전운동량)보존의 법칙에 의하여 회전반경이 큰 외곽을 회전하던 기체가 회전반경이 좁은 내부로 유입되어 순환하게 되며 회전속도가 빨라져야 하지만, 볼텍스 튜브에서는 내부를 순환하는 공기의 회전각속도가 빨라지지 않고 외곽을 돌 때와 동일한데 이것은 내부의 공기가 각운동량을 잃어버렸기 때문이다. 각동운량을 잃어버린 내부의 공기는 곧 에너지를 잃어버린 것이며 그 결과 온도가 떨어지게 되는 것이다. 내부의 공기가 잃어버린 에너지는 외부를 회전하는 공기에 전달되어 외부를 회전하는 공기는 뜨거워지는 것이다.

따라서 압축공기는 소용돌이치는 와류현상에 의해 내측기류는 냉기로 외측기류는 열기로 분리되는 것이고, 와류실의 내주면 또는 외주면의 기류 취득에 따라 냉기 또는 열기를 얻을 수 있게 된다.

본 발명의 구성에 따른 작용을 첨부도면 도 6과 대비하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

주입구(11)를 통해 공급되는 압축공기는 순환부(200)를 통해 회전홈(21)을 따라 압축공기가 고속으로 회전하면서 와류실(10) 내로 주입된다. 여기서 주입된 압축공기는 와류현상을 일으키면서 와류실(10) 끝으로 이동하게 되고, 이동중 회전기류에 의해 분리된 외주면의 열기 일부가 열기배출공(310)을 통해 외부로 배출되고 나머지는 벽(31)에 부딪히면서 역류하게 된다. 이때 벽으로부터 좁게 돌출된 반환편(32)에 의해 역류 및 냉기의 생성이 효율적으로 이루어지게 되며 역류과정에서 생성되어지는 냉기는 다시 반대편으로 흘러 냉기배출로(20)를 통해 나가게 된다.

상기에서 순환부(200)는 볼텍스하우징(1)과 냉기배출트랩(2)의 결합에 의해 생성되는 것으로 압축공기의 주입시 회전홈(21) 전반에 걸쳐 압축공기가 유입될 수 있도록 외주면으로 공간이 형성되어 있다.

회전홈(21)은 와류실(10) 입구에 위치되어 방사상 나선형으로 다수의 홈을 형성시켜 주입되는 압축공기를 와류실(10)로 고속회전되도록 하면서 공급하게 되어 있다.

열기배출공(310)은 와류실(10)의 끝단 벽(31)에 외주면으로 다수의 구멍이 방사형으로 형성되어 있어 와류실(10)의 열기를 외부로 배출하게 되어 있다.

반환편(32)은 와류실(10) 끝 벽(31)으로부터 좁게 돌출구성되어 역류 및 냉기의 생성이 효율적으로 이루어지게 되어 있다.

냉기배출로(20)는 와류실(10)의 내주면과 연통되어 진행방향으로부터 입구 후방이 넓어지는 테이퍼형으로써 냉기의 취득이 효율적으로 이루어지게 되어 있다.

열기배출로(30)는 와류실(10)의 외주면과 외부가 직결로 연통되되 끝에 소음기(33)를 구성하여 열기의 배출시 소음을 최대한 차단하게 되어 있다.

냉각부는 와류실(10) 외주면으로 다수의 방열핀(14)이 직교되게 일정간격으로 형성되어 구조적으로 와류실(10)의 자체적 공랭을 가능하게 함은 물론 와류실(10)의 열기가 회부로 효율적을 발산되되 방열핀(14)의 끝에는 온도가 낮아 접촉시 화상 등의 우려를 방지할 수 있게 되어 있다.

냉기배출트랩(2)에는 회전홈(21) 및 냉기배출로(20)를 한꺼번에 구성하여 사출성형함으로써 구조적 단순함과 제작 및 조립의 용이함을 갖게 된다.

열기배출트랩(3) 또한 와류실(10) 끝을 막는 벽(31)과 반환편(32) 그리고 열기배출홈(310)을 한꺼번에 구성하여 사출성형함으로써 구조적 단순함과 제작 및 조립의 용이함을 갖게 된다.

상기 냉기배출트랩(2) 및 열기배출트랩(3)은 합성수지로 사출성형시 각 체결부에는 금속소재로 되는 나사관을 매립한 후 성형함으로써 체결부의 강도를 향상되도록 하는 것이 바람직할 것이다.

상기에서는 본 발명의 실시 예를 설명하였지만 해당기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 실시 예에 기재된 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다.

1: 볼텍스하우징 10: 와류실
11: 주입구 12: 냉기배출구
13: 열기배출구 14: 방열핀
2: 냉기배출트랩 20: 냉기배출로
21: 회전홈 200: 순환부
3: 열기배출트랩 30: 열기배출로
31: 벽 32: 반환편
33: 소음기 310: 열기배출공
4,6: 호스 연결용 체결구 5: 압력조절밸브

Claims (2)

1. 압축공기 주입구(11) 일측에 냉기배출구(12)가 마련되고, 타측에는 와류실(10)을 거쳐 열기배출구(13)가 구비되되, 와류실(10) 외주면으로는 방열핀(14)이 직교되게 일정간격으로 형성된 냉각부를 가진 볼텍스하우징(1)과;
   상기 볼텍스하우징(1)의 냉기배출구(12)에 결합되어 주입구(11)와 와류실(10)를 연통하는 회전홈(21)이 구성됨과, 와류실(10)의 내주면에서 외부로 연통됨과 동시에 후방이 테이퍼형으로 확장되는 냉기배출로(20)가 형성된 냉기배출트랩(2)과;
   상기 볼텍스하우징(1)의 열기배출구(13)에 결합되어 와류실(10)의 끝에 벽(31)을 형성하면서 벽(31)에서 좁게 돌출되는 반환편(32)과, 상기 벽(31)의 외주면에 형성되어 와류실(10)에서 외부로 직결 연통되는 방사형의 열기배출공(310) 및 열기배출로(30)와, 상기 열기배출로(30) 끝에 구비되는 소음기(33)로 이루어진 열기배출트랩(3)을 구성된 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 냉기배출트랩(2) 일단에는 호스 연결용 체결구(4)가 장착되고, 볼텍스하우징(1)의 주입구(11)에는 횡 및 종방향으로 회전가능한 호스 연결용 체결구(6)를 가진 압력조절밸브(5)가 장착된 것을 특징으로 하는 볼텍스 튜브.

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