JP2022549745A - 二つ以上のジェネレータを含むボルテックスチューブ - Google Patents

Abstract

本発明は、冷熱分離チャンバと、前記冷熱分離チャンバの一方の端に形成された冷気排出口と、前記冷気排出口と前記冷熱分離チャンバとの間に形成されたジェネレータと、前記冷熱分離チャンバのもう一方の端に形成された暖気調節弁を内包した暖気排出口と、圧縮空気流入口を備えて、流入した圧縮空気が前記ジェネレータに供給されるように前記冷熱分離チャンバを一定間隔を置いて外部と遮断しながら包み込むチューブ外部カバーと、を含み、前記圧縮空気流入口を介して流入した圧縮空気がジェネレータを介して急速旋回風を形成して冷熱分離チャンバに移動して冷気と暖気を分離させるボルテックスチューブを提供する。

Description

本発明は、ボルテックスチューブに係り、より具体的には、従来のボルテックスチューブの性能を向上させるために二つまたはそれ以上のジェネレータを装着しているボルテックスチューブに関する。

ボルテックスチューブ（ｖｏｒｔｅｘ ｔｕｂｅ）、別名Ｒａｎｑｕｅ－Ｈｉｌｓｃｈボルテックスチューブは、圧縮された気体を熱い流れと冷たい流れに分離させる。圧縮された空気が渦流室（ｓｗｉｒｌ ｃｈａｍｂｅｒ）に向かって噴出されると、速い速度で加速されて回転する。チューブの端にある円錐型ノズルのため、チューブの外側で回転していた気体のみが外側に抜け出す。抜け出さなかった残りの気体は、外渦（ｖｏｒｔｅｘ）の内側で、反対方向に戻る力を受けて渦を巻きながら戻っていく。

言い換えれば、ボルテックスチューブは、通常の圧縮空気（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ａｉｒ：３～１０ｋｇ／ｃｍ^２）が供給されると、電気やいずれの薬品も必要とせず、自ら冷気、暖気の二種の空気気流に分離する画期的な冷却装置である。圧縮空気が配管を介してボルテックスチューブに供給されると、一次的にボルテックス（渦流）回転室に投入され、約１，０００，０００ｒｐｍで超高速回転を行う。この回転空気（１次ボルテックス）は、暖気出口側に向かってから、一部は調節弁によって暖気出口に排出（３０℃～９０℃）され、残りの空気は調節弁から回送されて２次ボルテックスチューブを形成しながら冷気出口側に出ていくが、このとき、２次ボルテックスの流れは、１次ボルテックス流れの内側にあるより低い圧力の領域を通過しながら熱量を失って冷気出口側に向かう。

ボルテックスチューブは、ほとんど冷気出口側に出てくる冷たい空気を産業に様々に利用している。例えば、機械運転冷却、ＣＮＣミーリング切削冷却、研磨、切断、ドリル冷却、造船所の溶接作業ライン、電子製品の組立及び半導体工場の局部冷却など、さまざまなところに適用されている。

ボルテックスチューブは、冷媒が必要ないということ以外に、様々な利点がある。例えば作業能率の向上、保守不要、清潔冷却、工具寿命の延長、保全容易、瞬間冷却などがある。

最近、ボルテックスチューブの冷気を用いて急速冷却機能を精密機械又は電子装置と結合して利用する場合が大幅に増えている。この場合、排出される冷気の温度が性能を左右する重要な要素となる。

しかし、ボルテックスチューブは、開発されてから１５０余年が経過し、その様々な用途にも拘らず、製品の構造を変更してそれ自体の性能を改善しようとする試みはあまり多く行われてはいない。それは、ボルテックスチューブが持つ構成要素がそれほど多くなく、その原理がまだ整然と明らかにされていないことにその原因があるようだ。

本発明は、ボルテックスチューブの機能の中で、特に排出される冷気の温度をさらに下げて急速冷却が必要な精密機械又は電子部門で急速冷却の効率を向上させ、環境汚染なしに精密な作業が可能なボルテックスチューブを提供することを目的とする。

より具体的には、スリーブに区別される２つ以上の急速旋回風を生成するジェネレータを装着することにより、排出される冷気の温度をさらに下げて急速冷却効率を大幅に改善したボルテックスチューブを提供することを目的とする。

また、本発明は、冷熱分離チャンバを取り巻く圧縮空気流入口が備えられたチューブ外部カバーをさらに備えて取り扱いを容易にし、流入する圧縮空気で冷熱分離チャンバを先に冷却させることができるようにすることを目的とする。

また、本発明は、外部の圧力が高い領域内にボルテックスチューブが存在する場合、暖気が外に抜け出すのに困難さがある場合に備えて、温度調節弁に挿入された逆流防止キャップを提供することを目的とする。

本発明の目的は、上述した目的に限定されず、上述していない他の目的は、以降の記載から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者（以下、「通常の技術者」という）に明確に理解できるだろう。

上記の目的を達成し、後述する本発明の特徴的な機能を実行するための本発明の特徴は、次の通りである。

本発明は、冷熱分離チャンバと、前記冷熱分離チャンバの一方の端に形成された冷気排出口と、前記冷気排出口と前記冷熱分離チャンバとの間に形成されたジェネレータと、前記冷熱分離チャンバのもう一方の端に形成された暖気調節弁を内包した暖気排出口と、圧縮空気流入口を備えて、流入した圧縮空気が前記ジェネレータへ供給されるように前記冷熱分離チャンバを一定間隔を置いて外部と遮断しながら包み込むチューブ外部カバーと、を含み、前記圧縮空気流入口を介して流入した圧縮空気がジェネレータを介して急速旋回風を形成して冷熱分離チャンバに移動して冷気と暖気を分離させるボルテックスチューブを提供する。

本発明は、上記の実施例において、前記暖気調節弁を内包した暖気排出口に逆流防止キャップを挿入している。

本発明の別の実施例は、冷熱分離チャンバと、前記冷熱分離チャンバの一方の端に形成された冷気排出口；前記冷気排出口と前記冷熱分離チャンバとの間に形成された第一のジェネレータ、スリーブ及び第二のジェネレータ；前記第一のジェネレータと前記第二のジェネレータに隣接して設置され、圧縮空気を前記第一のジェネレータと前記第二のジェネレータに供給する圧縮空気流入口；及び前記冷熱分離チャンバのもう一つの端に形成された暖気調節弁を内包した暖気排出口；を含み、スリーブ出口は、前記冷気排出口の入口の直径よりは大きく、ジェネレータの内部の直径よりは小さいことを特徴とする、ボルテックスチューブを提供する。

また、本発明では、前記第二のジェネレータに続いて、第三のジェネレータをさらに含むボルテックスチューブを提供する。

本発明は、ボルテックスチューブの機能の中で、特に排出される冷気の温度をさらに下げて急速冷却が必要な精密機械や電子部門で急速冷却の効率を向上させ、環境汚染なしに精密な作業を可能にする。すなわち、本発明は、スリーブに区別される２つ以上の急速旋回風を生成するジェネレータを装着して、排出される冷気の温度をさらに下げて急速冷却効率を大幅に向上させることができる。

また、本発明は、冷熱分離チャンバを取り巻く圧縮空気流入口が備えられたチューブ外部カバーをさらに備えて取り扱いを容易にし、流入する圧縮空気で冷熱分離チャンバを先に冷却することができる。

また、本発明は、温度調節弁に挿入された逆流防止キャップを提供することにより、外部の圧力が高い領域内にボルテックスチューブが存在する場合に暖気が外に抜け出すのに困難さが防止できる。

本発明の効果は、上述したものに限定されず、上述していない他の効果は、以降の記載から通常の技術者に明確に認識できるだろう。

本発明と対比される従来技術としてのボルテックスチューブを示す。 本発明の一実施例による２つのジェネレータを含むボルテックスチューブを示す。 本発明の別の一実施例による２つのジェネレータを含むボルテックスチューブを示す。 本発明の別の一実施例による２つのジェネレータを含むボルテックスチューブを示す。 図４に示された実施例の分解斜視図である。 本発明の別の一実施例による３つのジェネレータを含むボルテックスチューブを示す。 上記の実施例で暖気の排出をスムーズにするための逆流防止キャップを挿入した暖気調節部を示す。

本明細書において、「冷比」は、供給される圧縮空気の量に対する、冷気側に出る空気の量の割合をいう。冷比が４０％であれば、圧縮空気の消費量と冷気側の排出空気量が１００：４０であるときをいう。

本明細書において、「急速旋回風」とは、ボルテックスチューブに圧縮空気が配管を介して供給されると、一次的にボルテックス（渦流）回転室に投入されて約１，０００，０００ＲＰＭで超高速回転を行うが、この回転空気を意味するものであって、必要に応じて「ボルテックスチューブ」とも、「サイクロン」とも呼ぶ。同じ意味である。

実施例で提示される特定の構造ないし機能説明は、単に本発明の概念による実施例を説明するための目的で例示されたものであり、本発明の概念による実施例は、様々な形態で実施できる。

また、本明細書に説明された実施例に限定されるものと解釈されてはならず、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更物、均等物ないし代替物を含むものと理解されるべきである。

一方、本発明において、第１及び／又は第２などの用語は、様々な構成要素を説明するために使用できるが、これらの構成要素は、これらの用語に限定されない。これらの用語は、一つの構成要素を他の構成要素と区別する目的のみで、例えば、本発明の概念による権利範囲から逸脱することなく、第１構成要素は第２構成要素と命名されてもよく、同様に、第２構成要素は第１構成要素と命名されてもよい。

ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いる或いは「接続されて」いるとしたときは、その他の構成要素に直接連結されている或いは接続されている場合もあるが、それらの間に別の構成要素が介在する場合もあると理解されるべきである。

一方、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いる或いは「直接接続されて」いるとしたときは、それらの間に別の構成要素が介在しないと理解されるべきである。

構成要素間の関係を説明するための他の表現、すなわち「～の間に」と「すぐ～の間に」又は「～に隣接する」と「～に直接隣接する」などの表現も同様に解釈されるべきである。

明細書全体にわたって、同一の参照番号は同一の構成要素を示す。一方、本明細書で使用される用語は、実施例を説明するためのものであり、本発明を限定するものではない。

本明細書において、単数形は、特に言及されない限り、複数形も含まれる。明細書で使用される「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、言及された構成要素、ステップ、動作及び／又は素子が一つ以上の他の構成要素、ステップ、動作及び／又は素子の存在又は追加を排除しない。

以下では、添付図面に基づいて、本明細書に記載された発明について詳細に説明する。

図１は、図示の如く、本発明と対比される従来技術の一つである。また、本出願で開示した図２、図３、図４に列挙された発明と対比される比較例でもある。

図面に示された数値は、実際出願人が製作して実験した装置の設計図面にそのまま現れたもので、一つのジェネレータ３０００と、ジェネレータとして機能するために備えられた６つのジェネレータ翼３０１０がある。空気流入溝３０２０は、高さ０．３、幅０．５ｍｍのサイズで６つ形成されている。冷気排出口入口３０５０は、直径が２．２ｍｍである。

図２及び図３は、図１とはジェネレータ３００、４００が２つである点と、２つのジェネレータの間にスリーブ５００、５１０が設けられているという点で違いがある。また、ジェネレータとしての役割をするために備えられたジェネレータ翼３０１、４０１が第一のジェネレータ３００に３つ、第二のジェネレータにも３つある。

また、空気流入溝３０２、４０２は、第一のジェネレータ３００、３０００に３つ、第二のジェトレータ４００に３つずつ形成されている。個別の空気流入溝３０２、４０２の大きさは、図１に記載されたボルテックスチューブと同様に、高さ０．３、幅０．５ｍｍとなっている。

このように数値限定をしたのは、図１に示された従来技術と同一の状態で実験して効果を正確に対比するためのものであり、実際に産業上に適用する場合には、当業者がその作動原理を考慮していくらでもその数と大きさなどを変更して使用することができる。

図１の空気流入溝が６つであり、図２と図３におけるそれぞれ空気流入溝の合計が６つであり、その大きさを同一にしたのは、実際投入される圧縮空気の量を同一に合わせて同じ条件で作動させて測定することにより、実質的に図２と図３の新しい発明品の効果を客観的に測定するためのものである。図１乃至図３における冷気排出口入口は、直径を２．２ｍｍとした。

図２において、スリーブ５１０の厚さはそれほど繊細な部分ではない。しかし、スリーブ入口５０５とスリーブ出口５０７の直径が同じなので、第一のジェネレータ３００の急速旋回風の直径３０７は、スリーブ入口５０５の直径と同一に一致させることが好ましい。図２では、スリーブ入口５０５の直径を４．５ｍｍとした。

図３において、スリーブ５００の厚さは、傾いた領域の傾斜度を左右するので、効果に影響があるといえる。したがって、当業者が作動原理を理解しながら、必要に応じて変更して使用することができる。図３の実施例では、厚さ２ｍｍのスリーブを使用した。

ここで、注意して決定すべきことは、冷気排出口入口３０５の直径と冷熱分離チャンバ２１００の内径との関係、スリーブ入口５０５とスリーブ出口５０７の直径間の関係である。第一のジェネレータ３００の急速旋回風の直径３０７は、スリーブ入口５０５の直径とは若干の違いはあり得るが、一致させられていくことが好ましい。

スリーブ入口５０５の直径は、必要に応じて異なり得るが、原則としてスリーブ出口５０７の直径と同じかそれより大きい。また、スリーブ出口５０７の直径は、冷気排出口入口３０５の直径よりは大きく、冷熱分離チャンバ２１００の内径よりは小さいのが原則である。

スリーブ出口５０７の直径は、冷気排出口入口３０５の直径と冷熱分離チャンバ２１００の内径とを合わせて２で割った値を中心に第一のジェネレータ３００、３０００と第二のジェネレータ４００が急速旋回風を生成して冷熱分離チャンバ２１００の方向に進むことができるようにすることを前提に、必要に応じて数値を変更して使用することができる。

第一のジェネレータ３００、３０００と第二のジェネレータ４００が急速旋回風を生成して冷熱分離チャンバの方向に進むことを円滑にすることができるか否かは、空気流入溝３０２、４０２と（冷熱分離チャンバ２１００の内径－冷気排出口入口３０５の直径）の値に対する影響が大きい。

空気流入溝３０２、４０２の大きさが小さいほど、（冷熱分離チャンバ２１００の内径－冷気排出口入口３０５の直径）の値が大きいほど、スリーブ出口５０７の直径は、冷気排出口入口３０５の直径と冷熱分離チャンバ２１００内径とを合わせて２で割った値からより大きく外れることができる。

これは、当業者であれば、このような原理を認識しながら繰り返し実験によって適正のスリーブ出口５０７の直径値を定めることができる。

一般的に、スリーブ出口５０７の直径は、［冷気排出口入口の直径＋｛（冷熱分離チャンバの内径－冷気排出口入口の直径）／２±（冷熱分離チャンバの内径－冷気排出口入口の直径）／４｝］を満足することが望ましい。

図４は図３に示されたボルテックスチューブの冷熱分離チャンバ２１０を取り巻くチューブ外部カバー１００を形成して、圧縮空気流入口１１０を介して流入した圧縮空気が熱い冷熱分離チャンバ２１０を多少冷却させる効果を得るうえ、異なる形態の暖気調節弁２３０を示している。

次は、比較例と実施例の導出に関するものである。

図１、図２及び図３に記載されたボルテックスチューブをそれぞれ同じ条件の下で実験して比較した。製作されたボルテックスチューブの規格は、図１、図２及び図３に示された通りであり、使用した金属は、ＳＵＳ３１６Ｌである。

スリーブの厚さは２ｍｍであり、図２のスリーブ入口５０５とスリーブ出口５０７との直径は４．５ｍｍである。図３のスリーブ入口５０５の直径は７ｍｍであり、スリーブ出口５０７の直径は４．５ｍｍである。投入される圧縮空気は、７ｂａｒを継続的に維持するように注意した。

そして、実験は、冷比を３０％、３２％、３４％、３６％、３８％、４０％の５段階に分けて各５回ずつ実施した。各実験の間には強制冷却をしてボルテックスチューブの温度を１５℃に下げて安定な状態で各実験が開始するようにした。

実験の結果は、冷気側の排出温度を測定したが、測定時点は、通常１分であれば定常状態に到達することを考慮して、圧縮空気の投入時点から正確に３分後、４分後に現れる冷気排出温度をそれぞれ測定して平均した。そして、本実験で、ボルテックスチューブに投入される圧縮空気は、約１，２００，０００ｒｐｍの高速旋回風（サイクロン）を形成するように管理された。

測定の結果、図２及び図３のようにジェネレータを２つ設置したものが、図１に比べて効率的であることが分かった。なぜこのような結果が現れるかは、次のように推定している。たとえば、１００という圧縮空気が一つのジェネレータを介して高速旋回風を形成する場合、当然、多くの部分が冷熱分離チャンバ２１００の内面の外郭に沿って前進する。

ところが、相当量は、冷気排出器の入口に冷熱分離チャンバ２１００の中心部に乗って入ってくる冷気ボルテックスに吸収される可能性がある。

したがって、２つのジェネレータを使用する場合、第一のジェネレータ３００、３０００に投入される圧縮空気量は、全体量の１／２である。したがって、第一のジェネレータ３００、３０００で形成される高速旋回風が冷気排出器入口３０５に戻っていく冷気ボルテックスに吸収できる対象となる量（母数となる量、実際はその母数に吸収率を掛けた値になる）が、理論的には５０％減少するとみられる。

そして、スリーブが傾いている場合、第一のジェネレータ３００、３０００で形成された高速旋回風は、損傷なしにスリーブを抜け出して冷熱分離チャンバ２１００を進行する。

このような状況の下で、圧縮空気流入口から投入された５０％の圧縮空気は、第二のジェネレータ４００を介して高速旋回風を形成するが、この高速旋回風は、第一のジェネレータ３００、３０００で形成され、傾いたスリーブを介して直径がやや縮小した高速旋回風の外郭に位置するので、冷気ボルテックスには接触することなく１００％冷熱分離チャンバに進行する。

したがって、本発明のジェネレータが２つであるボルテックスチューブは、ジェネレータが１つある従来のボルテックスチューブよりもさらに冷たい冷気を作り出すものと考えられる。もちろん、この時、スリーブ出口５０７の直径は、冷気排出口入口３０５の直径よりはさらに大きい。通常、冷熱分離チャンバ２１０の内径と冷気排出口入口３０５の直径とを合わせた値の１／２の値が最も好ましい。

よって、本発明では、冷熱分離チャンバ２１０、２１００の内径が７ｍｍであり、冷気排出口入口３０５の直径が２．２ｍｍであるので、概ね４．６ｍｍが適当であるが、４．１～５．１ｍｍであれば、充分に作動することができる。本発明では、４．５ｍｍとした。

［比較例］図１に記載された従来技術の製品の測定結果

［実施例１］図２に記載された本出願発明の製品の測定結果

［実施例２］図３に記載された本出願発明の製品の測定結果

図６は図３のボルテックスチューブにおいてジェネレータをもう１つ追加して合計３つのジェネレータを持った場合を製作したものである。

第一のジェネレータと第二のジェネレータは、図３のボルテックスチューブと同様の構造で設計し、第三のジェネレータも同様に３つの翼と同一サイズの３つの空気流入溝を持つように製作した。そして、その他の数値は、図６に示されている通りである。よって、空気流入溝が９個であって、投入される圧縮空気の量が図１乃至図３に比べ４１～４３％さらに投入された。

［実施例３］図６に記載された本出願発明の製品の測定結果

図７は外部からの圧力がある場合にも作動することができるように暖気調節弁部に逆流防止キャップ１５０を挿入した一つの実施例を示す。逆流防止キャップ１５０は、通常、ゴム性質を含む合成樹脂で作られるのが一般的であるが、弾性のある金属で製作できる。逆流防止キャップ１５０は、暖気が外に出るときは抵抗として作用しないが、外部の空気が流入しようとすると、広がって抵抗としての役割をする。

以上で説明した本発明は、前述した実施例及び添付図面によって限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱することなく、様々な置換、変形及び変更が可能であるのは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明らかであろう。

Claims (8)

1. 冷熱分離チャンバと、
   前記冷熱分離チャンバの一方の端に形成された冷気排出口と、
   前記冷気排出口と前記冷熱分離チャンバとの間に形成されたジェネレータと、
   前記冷熱分離チャンバのもう一方の端に形成された暖気調節弁を内包した暖気排出口と、
   圧縮空気流入口を備えて、流入した圧縮空気が前記ジェネレータに供給されるように前記冷熱分離チャンバを一定間隔を置いて外部と遮断しながら包み込むチューブ外部カバーと、を含み、
   前記圧縮空気流入口を介して流入した圧縮空気がジェネレータを介して急速旋回風を形成して冷熱分離チャンバに移動して冷気と暖気を分離させる、ボルテックスチューブ。
2. 前記暖気調節弁を内包した暖気排出口に逆流防止キャップを挿入した、請求項１に記載のボルテックスチューブ。
3. 冷熱分離チャンバ；
   前記冷熱分離チャンバの一方の端に形成された冷気排出口；
   前記冷気排出口と前記冷熱分離チャンバとの間に形成された第一のジェネレータ、スリーブ及び第二のジェネレータ；
   前記第一のジェネレータと前記第二のジェネレータに隣接して設置され、圧縮空気を前記第一のジェネレータと前記第二のジェネレータに供給する圧縮空気流入口；及び
   前記冷熱分離チャンバのもう一つの端に形成された暖気調節弁を内包した暖気排出口；を含み、
   スリーブ出口は、前記冷気排出口の入口の直径よりは大きく、ジェネレータの内部直径よりは小さいことを特徴とする、ボルテックスチューブ。
4. 前記スリーブは、スリーブ入口の直径がスリーブ出口の直径よりもさらに大きくて傾いていることを特徴とする、請求項３に記載のボルテックスチューブ。
5. スリーブ入口の直径は、第一のジェネレータの内部直径と一致させることを特徴とする、請求項３に記載のボルテックスチューブ。
6. スリーブ出口の直径が下記式を満足することを特徴とする、請求項５に記載のボルテックスチューブ。
   ［冷気排出口入口の直径＋｛（冷熱分離チャンバの内径－冷気排出口入口の直径）／２±（冷熱分離チャンバの内径－冷気排出口入口の直径）／４｝］
7. 前記第二のジェネレータに続いて第三のジェネレータをさらに含む、請求項３に記載のボルテックスチューブ。
8. 前記第三のジェネレータが形成された第二のスリーブを含み、前記第二のスリーブのスリーブ入口の直径がスリーブ出口の直径よりもさらに大きくて通路が傾いていることを特徴とする、請求項７に記載のボルテックスチューブ。

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