KR100455712B1 - 초저온 압축공기 분사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 토출되는 공기는 -40 ~ -60℃의 온도범위를 가지는 초저온 압축공기를 분사하는 장치에 관한 것이다.

본 발명의 장치는, 공기를 소정의 압축비로 압축하여 공급하는 압축기와; 압축되어 공급되는 공기에서 이물질을 여과하는 필터부(10)와; 상기 압축된 공기를 1차적으로 저온화시키는 1차냉각부(20)와; 1차냉각된 공기중에 포함된 습기를 제거하는 제습기(30)와; 상기 제습기를 통과한 공기를 2차적으로 저온화시키기 위하여, 냉동싸이클의 열교환기로 구성되는 2차냉각부(40); 그리고 상기 2차냉각부를 나온공기를 상대적으로 더욱 저온화시킨 공기로 토출하는 보텍스튜브(70)를 포함하여 구성되고 있다.

Description

초저온 압축공기 분사장치{The jet device for using compressed air of ultra low temperature}

본 발명은 초저온 압축공기 분사장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수분을 완전히 제거한 후, 초저온의 고압공기를 공급할 수 있도록 구성되는 초저온 압축공기 분사장치에 관한 것이다.

저온 또는 초저온의 공기는, 여러가지 산업분야에서 필요로 하고 있다. 그러나 종래의 압축공기 냉각장치는, 냉동기를 이용하여 냉각시키는 에어드라이어가 대표적이나, 이러한 장치는 공기중의 수분의 영향으로 공기의 온도를 일정온도(예를 들면 -15℃ 이하) 이하로 냉각하지 못하는 실정이다. 수분의 존재로 인하여, 영하 이하의 온도로 계속 냉각시키게 되면 쿨러 내부에서 공기중의 수분이 얼어붙어서 쿨러의 출구가 막히는 현상이 발생하기 때문에, 실질적으로 냉각온도에 한계가 있으며, 지속적인 동작에도 한계가 있다.

그리고 냉동싸이클을 이용하여 공기를 저온화시키는 장치를 고려할 수 있으나, 이는 냉동싸이클에서 구현 가능한 온도까지만 공기를 저온화시킬 수 있을 뿐이고, 그 이하의 초저온으로 공기를 냉각시키지 못하는 단점이 있다.

이와 같은 초저온의 온도는, 예를 들면 공작기계의 절삭가공에서도 필요로 한다. 일반적으로 공작기계에서 고속으로 절삭가공을 수행하는 경우, 절삭물의 냉각 및 윤활을 위하여 일정한 유제를, 절삭면에 공급하면서 절삭가공을 수행하는 것이 일반적이다. 그러나 현재 사용되는 대부분의 유제는, 환경적인 측면에서 바람직하지 못한 단점이 있다.

그리고 이러한 유제의 기능중에서 고속절삭가공에서 필요로 하는 냉각의 기능을 대체하기 위하여, 초저온의 압축공기를 절삭부분에 분사함으로써 절삭물의 온도과승을 충분히 방지할 수 있게 될 것이다.

이와 같은 고속절삭가공의 분야 이외에도, 국부적으로 저온의 공기를 필요로 하는 분야는 수없이 많은 것은 자명한 사실이다.

본 발명의 목적은 초저온의 압축공기를 공급할 수 있는 분사장치를 제공하는 것에 있다.

도 1은 본 발명에 의한 압축공기 분사장치의 개략도.

도 2는 본 발명에 의한 압축공기 분사장치의 내부 구성 예시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 ..... 필터부 12 ..... 제1필터

14 ..... 제2필터 20 ..... 1차냉각부

22 ..... 제1냉각장치 24 ..... 제2냉각장치

30 ..... 제습기 32 ..... 제1제습기

34 ..... 제2제습기 36 ..... 밸브

40 ..... 2차냉각부 42 ..... 열교환기

60 ..... 냉동싸이클 70 ..... 보텍스튜브

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 초저온 압축공기 분사장치는, 공기를 소정의 압축비로 압축하여 공급하는 압축기와; 상기 압축된 공기를 1차적으로 저온화시키는 1차냉각부와; 1차냉각된 공기중에 포함된 습기를 제거하는 제습기와; 상기 제습기를 통과한 공기를 2차적으로 저온화시키기 위하여, 냉동싸이클의 열교환기로 구성되는 2차냉각부; 그리고 상기 2차냉각부를 나온 공기를 상대적으로 더욱 저온화시킨 공기로 토출하는 보텍스튜브를 포함하여 구성된다.

그리고 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 1차냉각부 이전에 설치되어, 압축된 공기중에 포함된 이물질을 제거하기 위한 필터부를 더 포함하여 구성되고 있다.

그리고 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 1차냉각부는, 파이프 내부를 흐르는 공기를 냉각시키기 위하여 소정의 에어플로를 발생하는 팬으로 구성되고 있다.

그리고 다른 실시예에 의하면, 상기 1차냉각부는; 파이프 내부를 흐르는 공기를 냉각시키기 위하여 소정의 에어플로를 발생하는 팬으로 구성되는 제1냉각장치와; 냉매가 순환하는 냉동싸이클의 일부를 형성하는 열교환기로 구성되는 제2냉각장치로 구성된다.

그리고 또 다른 실시예에 의하면, 상기 제습기는 서로 병렬로 연결된 제1제습기와 제2제습기로 구성되고, 상기 제1제습기 또는 제2제습기로의 공기의 제어는 그 전단부에 설치되는 밸브에 의하여 수행되도록 구성하고 있다.

그리고 상기 제습기의 내부에는 제습기내부를 건조시킬 수 있는 히터가 설치되는 것이 바람직하다.

이상과 같은 구성의 본 발명에 의하면 1차 및 2차에 걸친 공기의 저온화, 그리고 보텍스튜브에 의한 공기의 초저온화과정을 거쳐서, 토출되는 공기는 대략적으로 -40 ~ -60℃의 온도범위를 가지는 초저온공기가 된다.

다음에는 도면에 도시한 실시예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 초저온압축공기 분사장치의 개략적 구성을 보인 것이고, 도 2는 본 발명의 초저온 압축공기 분사장치의 구현예를 예시적으로 도시한 것이다. 도 1 및 도 2를 참조하면서, 공기의 유입 및 토출과정을 통하여 본 발명에 의한 장치를 설명하기로 한다.

먼저 상온의 외기가 입구(In)를 통하여 들어오게 되는데, 이러한 공기는 압축기(도시 생략)에 의하여 원하는 정도로 압축되어 유입된다. 따라서 압축기에 의하여 압축되어 유입되는 공기는 고온상태의 것임은 당연하다. 이렇게 압축되어 유입되는 공기는, 필터부(10)에서 이물질이 필터링된다. 상기 필터부(10)에 적용되는 필터는 이물질을 제거할 수 있는 기능을 가진 것이면 어떠한 종류의 필터를 사용하는 것도 가능함은 물론이다.

그리고 도시한 실시예에서와 같이 상기 필터부(10)는, 여러가지 이물질을 보다 확실하게 여과할 수 있도록 하기 위하여, 제1필터(12)와 제2필터(14)로 구성할 수 있다. 이와 같이 공급되는 압축공기를 두개의 필터장치(12,14)를 통과시키는 것에 의하여, 유입되는 공기에 포함되어 있는 여러가지 이물질을 보다 완벽하게 필터링하게 되는 것이다.

상기 필터부(10)를 거친 공기는, 1차냉각부(20)를 거치게 된다. 상기 1차냉각부(20)는, 압축되어 공급되는 고온의 공기를 1차적으로 온도를 낮출 수 있도록 구성되는 것이다. 그리고 고온의 공기온도를 낮출 수 있는 것이라면, 상기 1차냉각부(20)의 구성은 어떠한 구성이라도 가능하다.

예를 들면 도시한 실시예에 있어서는, 1차냉각부(20)를 제1냉각장치(22)와 제2냉각장치(24)로 구성할 수 있는데, 여기서 제1냉각장치(22)는, 단순히 팬을 이용하여 형성되는 에어플로에 의하여 압축된 고온의 공기를 방열시킴으로써 상온으로 온도를 떨어뜨릴 수 있도록 구성할 수 있다. 즉 상기 팬(도시 생략)을 이용하여 에어플로를 형성하고, 고온의 공기가 내부를 통과하는 파이프를 상기 에어플로에 노출시키는 것에 의하여, 파이프 내부의 공기를 저온화시킬 수 있도록 구성할 수 있다.

그리고 제2차냉각장치(24)는, 냉동싸이클의 열교환기(evaporator)를 이용할 수 있다. 즉 압축된 고온의 공기를 냉동싸이클의 열교환기와 접촉시키는 것에 의하여 상대적으로 저온화시킬 수 있게 되는 것이다. 그리고 상기 1차냉각부(20)는, 에어플로에 의하여 고온의 압축공기가 흐르는 통로를 냉각시키는 제1냉각장치(22) 만으로 구성하는 것도 가능함은 물론이다.

상기 1차냉각부(20)를 거치면서, 저온화된 공기는 제습기(30)로 유입된다. 상기 제습기(30)의 내부에는 제습제가 내장되어 있어서, 공기중에 포함되어 있는 습기를 완전히 제거할 수 있게 된다. 본 발명에 의한 초저온 압축공기 분사장치는, 실제로 -40℃ ~ -60℃ 정도로 초저온의 공기를 토출하는 장치이기 때문에, 공기중에 습기가 포함되어 있으면, 내부에서 얼어붙을 수 있기 때문에, 상기와 같은 제습기(30)를 통하여 습기를 완전히 제거하는 것이 요구된다.

도시한 실시예에 있어서, 상기 제습기(30)는, 제1제습기(32)와 제2제습기(34)를 병렬로 연결하여 구성하고 있다. 그리고 상기 제1제습기(32) 또는 제2제습기(34)로의 압축공기의 공급은 밸브(36)에 의하여 선택된다. 그리고 상기 제습기(30)의 내부에는 히터(도시 생략)가 내장되어 있다.

따라서 제습기(30)의 구동시에는, 상기 밸브(36)를 제어하는 것에 의하여 어느 일측의 제습기(32 또는 34)를 사용할 수 있을 것이다. 그리고 어느 일측의 제습기가 일정시간 구동되어 습기가 많아지면 다른 측의 제습기를 이용할 수 있을 것이고, 이 때 제습기(30)에 내장된 히터(도시 생략)를 이용하여 비사용중인 제습기(32 또는 34)를 건조시킬 수 있게 된다.

이와 같이 상기 제습기(30)를 통하여 제습이 완료된 공기는, 2차냉각부(40)의 내부를 거치게 된다. 상기 2차냉각부(40)의 내부에는 냉동싸이클의 열교환기(evaporator)(42)가 내장되고 있고, 상기 제습기(30)를 거친 공기는 상기 열교환기와 충분한 열교환을 통하여 냉기로 생성된다. 상기 2차냉각부(40)의 내부에 있는 열교환기(42)와의 열교환형태는 어떠한 것이라도 가능함은 물론이고, 예를 들면 상기 2차냉각부(40)로 들어가는 공기가 이동하는 파이프(44)를, 열교환기(42)와 충분한 열교환이 가능하도록 열교환핀의 내부에서 반복적으로 배열될 수 있는 지그재그형태의 배열도 가능함은 당연하다. 실질적으로 상기 2차냉각부(40)는, 소정의 냉매를 이용하는 냉동싸이클의 열교환기(42)와, 공기가 이동하는 파이프(44) 사이의 충분한 열교환을 수행하도록 구성하는 것에 의하여, 파이프(44) 내부의 공기를 저온상태로 할 수 있도록 구성되는 것이다. 그리고 실제로 상기 2차냉각부(40)를 거친 공기는 -10℃ ~ -20℃ 정도의 냉기로 생성된다.

그리고 상기 2차냉각부(40)의 열교환기(42)는, 도면부호 60으로 도시한 냉동싸이클의 일부를 구성하고 있는 것이다. 상기 냉동싸이클(60) 자체는, 현재 널리 사용되고 있는 것과 동등한 것이다. 구성을 간단하게 살펴보면, 상기 열교환기(42)에서 나온 기체상태의 냉매는 어큐뮬레이터(62)를 거쳐서 압축기(64)로 들어간다. 압축기(64)에서 압축된 냉매는 응축기(66)에서 응축된 후 드라이어(67)를 거치고, 열교환효율을 높이기 위하여 어큐뮬레이터(62)를 경유한 후 팽창밸브(69)를 통하여 다시 열교환기(42)로 들어간다. 상기 열교환기(42)로 유입되는 냉매는 저온저압상태의 액상냉매이고, 상기 파이프(44)와의 열교환을 통하여, 기화된 후 다시 상술한 싸이클의 흐름을 반복하게 된다.

그리고 상기 압축기의 전후단에는 냉매의 저압 및 고압을 측정하기 위한 압력게이지(61a,61b)가 각각 설치되어 있고, 상기 압력게이지(61a,61b)에서 측정되는 압력에 기초하여, 스위치(63)는 솔레노이드밸브(68)를 제어하게 된다. 이러한 것은, 상기 압축기(64) 전후에서 이상압력(정상범위를 벗어나는 압력값)이 발생하게 되면, 상기 솔레노이드밸브(68)를 제어함으로써 냉동싸이클의 구동을 중지할 수 있도록 하기 위한 것이다.

상기와 같은 냉동싸이클(60)의 구동에 의하여, 그 열교환기(42)에 의하여 냉각되어 저온상태로 생성된 공기는, 파이프를 통하여 보텍스튜브(70)(Vortex tube)로 들어가게 된다.

상기 보텍스튜브(70) 자체의 구성은 이미 공지되어 시판중에 있는 것이다. 보텍스튜브(70)는, 압축공기가 공급되면 다른 동력원 없이, 공기를 고온화 및 저온화시켜서 각각 양측으로 토출할 수 있도록 구성되는 것이다. 즉, 보텍스튜브(70)의 내부로 투입되는 압축공기는, 일측으로는 고온의 공기로 토출되고, 타측으로는 (초)저온의 공기로 토출된다.

원리를 간단하게 소개하면, 압축공기가 배관을 통하여 보텍스튜브(70)의 내부로 공급되면, 일차적으로 보텍스튜브 내부의 회전실로 들어가서, 1,000,000ppm 정도의 초고속 회전을 하게 된다. 이러한 회전공기(1차보텍스)는 온기출구쪽으로 향하다가 일부는 조절밸브에서 회송되어 2차보텍스를 형성하면서 냉기출구쪽으로 나가게 되는데, 이 때 2차보텍스의 흐름은 1차보텍스 흐름의 안쪽에 있는 보다 낮은 압력 지역을 통과하면서 열량을 잃고 냉기출구쪽으로 향하게 된다.

보텍스튜브(70)의 내부에서 회전하는 두개의 공기흐름(동일방향, 동일 각속도 회전)에 있어서 내부흐름의 공기의 입자는 바깥흐름의 공기입자와 1회전하는 시간이 동일(동일 각속도)하므로 실제 운동속도는 바깥 흐름보다 낮다. 이러한 운동속도의 차이는 운동에너지가 줄었음을 의미하며, 상실된 운동에너지는 열로 변환되어 바깥흐름의 공기의 온도를 상승시키고 내부흐름은 더욱 온도가 내려가게 된다.

따라서 상기 2차냉각부(40)를 거친후 대략 -10 ~ 20℃의 압축공기는, 상기 보텍스튜브(70)의 내부로 유입되어, 상술한 원리에 의하여 고온 및 저온의 공기로 보텍스튜브(70)에서 양측으로 토출된다. 이 때 보텍스튜브(70)에서 토출되는 저온의 공기는 -40 ~ -60℃ 정도가 된다.

따라서 본 발명에 의하면, 최종적으로 상기 보텍스튜브(70)에서 나오는 공기는, 초저온 상태의 것임을 알 수 있다. 이러한 초저온상태의 공기는, 예를 들면 고속절삭가공에서 공구와 절삭물 사이에서 발생하는 열을 방열시킬 수 있을 것이고, 그 외에도 국부적으로 초저온을 필요로 하는 여러가지 산업분야에 사용될 수 있을 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 제습기 및 일련의 냉각장치와, 보텍스튜브를 효과적으로 결합하는 것에 의하여, 초저온의 압축공기를 토출할 수 있도록 구성되고 있음을 알 수 있다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명은 첨부한 특허청구의 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 최종적으로 토출되는 공기는 -40 ~ -60℃의 초저온상태의 공기임을 알 수 있다. 이와 같은 초저온상태의 공기는 고속절삭가공에서 절삭물의 냉각에 적용됨으로써, 절삭시 공급되어야 하는 고가의 유제를 사용하지 않아도 되는 효과가 있다. 그리고 이러한 절삭을 위한 부분 이외에도, 초저온을 필요로 하는 여러가지 산업분야에 적용될 수 있음은 당연하다.

Claims (6)

1. 공기를 소정의 압축비로 압축하여 공급하는 압축기와;

   상기 압축된 공기를 1차적으로 저온화시키는 1차냉각부와;

   1차냉각된 공기중에 포함된 습기를 제거하는 제습기와;

   상기 제습기를 통과한 공기를 2차적으로 저온화시키기 위하여, 냉동싸이클의 열교환기로 구성되는 2차냉각부; 그리고

   상기 2차냉각부를 나온공기를 상대적으로 더욱 저온화시킨 공기로 토출하는 보텍스튜브를 포함하여 구성되고;

   상기 1차냉각부는;

   파이프 내부를 흐르는 공기를 냉각시키기 위하여 소정의 에어플로를 발생하는 팬으로 구성되는 제1냉각장치와;

   냉매가 순환하는 냉동싸이클의 일부를 형성하는 열교환기로 구성되는 제2냉각장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 초저온 압축공기 분사장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 1차냉각부 이전에 설치되어, 압축된 공기중에 포함된 이물질을 제거하기 위한 필터부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초저온 압축공기 분사장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 제습기는 서로 병렬로 연결된 제1제습기와 제2제습기로 구성되고, 상기 제1제습기 또는 제2제습기로의 공기의 제어는 그 전단부에 설치되는 밸브에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 초저온 압축공기 분사장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 제습기의 내부에는 제습기내부를 건조시킬 수 있는 히터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 초저온 압축공기 분사장치.