KR100842365B1 - 직경 가변형 볼텍스 튜브 - Google Patents

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KR100842365B1 KR1020070085115A KR20070085115A KR100842365B1 KR 100842365 B1 KR100842365 B1 KR 100842365B1 KR 1020070085115 A KR1020070085115 A KR 1020070085115A KR 20070085115 A KR20070085115 A KR 20070085115A KR 100842365 B1 KR100842365 B1 KR 100842365B1
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최두석
박성영
임석연
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공주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 외부에서 주입된 압축공기의 압력에 따라 노즐의 크기를 조절함으로써 에너지 분리효율을 극대화할 수 있는 직경 가변형 볼텍스 튜브에 관한 것으로, 압축공기 주입구가 형성되는 케이싱, 케이싱의 내부에 마련되어 주입된 압축공기를 1차 볼텍스로 변환시키는 볼텍스 제너레이터, 1차 볼텍스의 진행방향으로 길게 연장되고 선단에 제 1 토출구가 형성되는 제 1 튜브, 제 1 튜브의 선단 내측에 마련되어 1차 볼텍스를 2차 볼텍스로 변환시키는 회송밸브 및 제 1 튜브의 반대방향으로 연장되고 선단에 제 2 토출구가 형성되는 제 2 튜브를 포함한다. 이때, 상기 볼텍스 제너레이터 중 제 1 튜브 측 선단에는 복수의 베인이 방사형으로 형성되고, 상기 베인 사이에는 압축공기가 유입되는 노즐이 형성되며, 각 베인에는 상기 노즐의 크기를 조절하기 위한 조절밸브가 마련된다.
특히, 차량에 설치되는 직경 가변형 볼텍스 튜브의 경우 터보차저에서 압축된 압축공기의 압력에 따라 노즐의 크기를 조절함으로써 항상 일정한 온도의 압축공기를 엔진으로 공급할 수 있어 엔진의 출력을 보다 향상시킬 수 있다.
볼텍스 튜브, 노즐, 확장, 축소, 에너지 분리효율

Description

직경 가변형 볼텍스 튜브{VARIABLE DIAMETER VORTEX TUBE}
본 발명은 직경 가변형 볼텍스 튜브에 관한 것으로, 구체적으로는 외부에서 주입된 압축공기의 압력에 따라 노즐의 크기를 조절함으로써 에너지 분리효율을 극대화할 수 있는 직경 가변형 볼텍스 튜브에 관한 것이다.
일반적으로 볼텍스 튜브(Vortex Tube)란, 고속으로 회전하는 공기의 자발적인 열 분리 현상을 이용하여 고온 및 저온의 공기를 생성하기 위한 장치이다. 이러한 볼텍스 튜브는 전기 캐비닛 등과 같이 열이 많이 발생되는 장치에 설치되어 그 내부 온도가 상승하는 것을 방지하는 냉각수단으로 많이 사용된다.
도 5는 일반적인 볼텍스 튜브의 내부를 도시한 단면도로, 도면을 참조하여 볼텍스 튜브를 이용한 열 분리 현상을 살펴보면 다음과 같다.
도 5에 도시된 바와 같이, 볼텍스 튜브(10)의 주입구(12)를 통해 압축공기가 주입되면, 주입된 압축공기는 볼텍스 제너레이터(14)를 통과하며 수백만 RPM의 초고속(음속)으로 회전하는 1차 볼텍스(20)로 변환된다.
상기 볼텍스 제너레이터(14)를 거쳐 변환된 1차 볼텍스(20)는 상기 볼텍스 튜브(10)를 따라 이송되다가 그 일단에 마련된 제 1 토출구(16)를 통해 일부는 외 부로 배출되고, 나머지는 회송밸브(17)에 의해 회송되어 1차 볼텍스(20) 안쪽에서 2차 볼텍스(30)로 변환된다. 그리고 상기 2차 볼텍스(30)는 상기 볼텍스 튜브(10)를 따라 이송되다가 그 타단에 마련된 제 2 토출구(18)를 통해 외부로 배출된다.
이때, 상기 1차 및 2차 볼텍스(20, 30)는 서로 동일한 방향 및 동일한 각속도로 회전되는 바, 외측에 위치된 1차 볼텍스(20)의 공기입자가 내측에 위치된 2차 볼텍스(30)의 공기입자에 비하여 더 빠른 속도로 운동하게 되고, 그에 따라 운동 속도가 느린 2차 볼텍스(30)의 공기입자가 가진 운동에너지는 열에너지로 변환된다. 이렇게 생성된 열에너지는 2차 볼텍스(30)의 온도를 저하시키고 1차 볼텍스(20)의 온도를 상승시키는 바, 제 1 토출구(16)를 통해 배출되는 압축공기는 온도가 높고, 제 2 토출구(18)를 통해 배출되는 압축공기는 온도가 낮다.
그런데 상술한 바와 같은 볼텍스 튜브(10)는 공급되는 압축공기의 압력, 즉 유량이 일정한 경우에만 높은 에너지 분리효율(배출되는 압축공기의 온도차)을 나타낸다. 즉, 공급되는 압축공기의 압력(유량)이 변할 경우, 특정 구간에서만 에너지 분리효율이 높으며, 그 외의 구간에서는 효율이 매우 낮아 냉각수단으로의 사용이 적합하지 못하다. 다시 말해, 항상 일정한 압력의 압축공기를 공급하여야만 냉각수단으로의 사용이 가능한 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서 외부에서 주입된 압축공기의 압력에 따라 노즐의 크기를 조절함으로써 에너지 분리효율을 극대화할 수 있는 직경 가변형 볼텍스 튜브를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 직경 가변형 볼텍스 튜브는, 압축공기 주입구가 형성되는 케이싱, 케이싱의 내부에 마련되어 주입된 압축공기를 1차 볼텍스로 변환시키는 볼텍스 제너레이터, 1차 볼텍스의 진행방향으로 길게 연장되고 선단에 제 1 토출구가 형성되는 제 1 튜브, 제 1 튜브의 선단 내측에 마련되어 1차 볼텍스를 2차 볼텍스로 변환시키는 회송밸브 및 제 1 튜브의 반대방향으로 연장되고 선단에 제 2 토출구가 형성되는 제 2 튜브를 포함한다.
이때, 상기 볼텍스 제너레이터 중 제 1 튜브 측 선단에는 복수의 베인이 방사형으로 형성되고, 상기 베인 사이에는 압축공기가 유입되는 노즐이 형성되며, 각 베인에는 상기 노즐의 크기를 조절하기 위한 조절밸브가 마련된다.
본 발명에 의한 직경 가변형 볼텍스 튜브는 외부에서 주입된 압축공기의 압력에 따라 노즐의 크기를 조절함으로써 에너지 분리효율을 극대화할 수 있다. 특히, 차량에 설치되는 직경 가변형 볼텍스 튜브의 경우 터보차저에서 압축된 압축공기의 압력에 따라 노즐의 크기를 조절함으로써 항상 낮고 일정한 온도의 압축공기 를 엔진으로 공급할 수 있어 엔진의 출력을 보다 향상시키고, 매연 등의 저감효과를 기대할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 직경 가변형 볼텍스 튜브가 설치된 엔진시스템을 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명에 의한 직경 가변형 볼텍스 튜브의 내부를 도시한 단면도이며, 도 3 및 도 4는 직경이 축소 및 확장된 상태의 본 발명에 의한 볼텍스 튜브를 도시한 A-A 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 직경 가변형 볼텍스 튜브(이하, 볼텍스 튜브라 함, 100)가 설치된 엔진시스템(1)은, 엔진(200), 흡기다기관(300), 배기다기관(400) 및 터보차저(500)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 엔진(200)은 정밀 전자제어가 가능한 압축장치(압축 어큐뮬레이터, 레일)와 응답성이 뛰어난 연료 분사장치(인젝터)를 이용하여 운전상태에 맞게 연료를 분사해주는 커먼레일 디젤엔진(Common Rail Direct Injection Diesel Engine)인 것이 바람직하다.
상기 흡기다기관(300)은 외부로부터 공기를 흡입하는 통상의 흡기다기관으로, 그 라인 상에는 에어클리너(미도시), 터보차저(500) 및 볼텍스 튜브(100) 등이 설치된다. 또한, 상기 배기다기관(400)은 엔진에서 발생된 배기가스를 외부로 배출하는 통상의 배기다기관으로, 그 라인 상에는 터보차저(500), 배기가스정화장치(DPF 또는 삼원촉매전환장치, 미도시) 및 소음기(미도시) 등이 설치된다.
그리고 상기 터보차저(500)는, 흡기라인 상에 설치되어 흡입된 공기를 압축하는 컴프레서(510)와, 배기라인 상에 설치되어 외부로 배출되는 배기가스에 의해 회전하는 터빈(520)으로 구성된다. 이때, 상기 컴프레서(510)와 터빈(520)은 샤프트와 같은 동력전달수단에 의해 연결되는 바, 배기가스에 의해 터빈(520)이 회전할 경우 컴프레서(510)도 함께 회전한다. 즉, 상기 컴프레서(510)는 터빈(520)을 회전시키는 배기가스에 의해 작동된다.
한편, 상기 볼텍스 튜브(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 도 1의 터보차저(500)에서 압축된 압축공기(600)가 주입되는 주입구(112)가 형성되는 케이싱(110)과, 상기 케이싱(110)의 내부에 마련되어 주입된 압축공기(600)를 1차 볼텍스(700)로 변환시키는 볼텍스 제너레이터(120)와, 상기 1차 볼텍스(700)의 진행방향으로 길게 연장되고 선단에 제 1 토출구(142)가 형성되는 제 1 튜브(140)와, 상기 제 1 튜브(140)의 선단 내측에 마련되어 1차 볼텍스(700)를 2차 볼텍스(800)로 변환시키는 회송밸브(150)와, 제 1 튜브(140)의 반대방향으로 연장되고 선단에 제 2 토출구(162)가 형성되는 제 2 튜브(160)를 포함하여 구성된다.
여기서 본 발명에 의한 볼텍스 튜브(100)를 구성하는 각 구성요소(110 ~ 160) 중 상기 볼텍스 제너레이터(120)를 제외한 나머지 구성요소는 종래의 볼텍스 튜브(도 5의 10)를 구성하는 해당 구성요소와 서로 동일한 구조 및 형상으로 이루어지는 바, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 특징부인 상기 볼텍스 제너레이터(120)에 대해 살펴보면 다음과 같다.
상기 볼텍스 제너레이터(120)는 회송밸브(150)에서 변환된 2차 볼텍스(800)가 관통하여 제 2 토출구(162)로 배출될 수 있도록 내부가 중공인 파이프로 형성된다(도 2 참조). 그리고 상기 볼텍스 제너레이터(120)의 양단 중 제 1 튜브(도 2의 140) 측 선단에는 주입된 압축공기를 회전시키기 위한 복수의 베인(122)이 방사형으로 형성되고, 상기 복수의 베인(122) 사이에는 압축공기가 유입되는 노즐(124)이 형성되며, 각 베인(122)에는 주입되는 압축공기의 압력에 따라 상기 노즐(124)의 크기를 조절하기 위한 조절밸브(130)가 마련된다.
상기 조절밸브(130)는, 상기 각 베인(122)에 형성된 안내홈(126)을 따라 이동하는 슬라이더(132)와, 상기 노즐(124)을 확장시키는 방향으로 슬라이더(132)를 이동시키는 복수의 링크(134)와, 상기 링크(134)에 의해 이동된 슬라이더(132)를 자동 복귀시키는 스프링(136)으로 구성된다.
이때, 상기 조절밸브(130)는 상술한 바와 같이 각 베인(122)마다 설치되고, 상기 링크(134)에 의해 연결되는 바, 링크(134)를 밀거나 당길 경우 복수의 조절밸브(130)가 동시에 개방되거나 폐쇄(완전 폐쇄가 아닌 노즐의 일부만을 폐쇄하는 부분 폐쇄된 상태)된다. 또한, 상기 링크(134)의 일단은 엔진의 흡기관(도 1의 310) 압력에 의해 작동하는 액추에이터(172)에 연결되고, 상기 액추에이터(172)는 엔진의 흡기관(310)과 소정의 파이프(174)를 통해 연결되며, 그들 사이에는 솔레노이드 밸브(176)가 마련되고, 상기 솔레노이드 밸브(176)는 그와 연결된 제어부(178)에 의해 온/오프된다.
여기서 상기 조절밸브(130)는 상기 볼텍스 튜브(100)로 주입되는 압축공기의 압력에 따라 개방 또는 폐쇄된다가 기재하였으나, 실제로는 상술한 바와 같이 상기 액추에이터(172)에 연결되어 엔진의 흡기관(310)의 압력에 따라 개방 또는 폐쇄된다. 도 1을 참조하여 이를 좀 더 상세히 설명하면, 배기관(410)의 배기가스 압력이 높으면 상기 흡기관(310)의 흡입압력은 상승하고, 그와 반대로 배기관(410)의 압력이 낮으면 흡기관의 압력도 함께 낮아진다. 그리고 배기관(410)의 압력이 높으면 터보차저(500)가 고속으로 작동하여 볼텍스 튜브(100)로 주입되는 압축공기의 압력을 증가시키고, 배기관(410)의 압력이 낮으면 저속으로 작동하여 볼텍스 튜브(100)로 주입되는 압축공기의 압력을 감소시킨다. 즉, 상기 흡기관(310)의 압력과 주입되는 압축공기의 압력은 서로 반비례하므로 상기 조절밸브(130)는 흡기관(310)의 압력 또는 주입되는 압축공기의 압력에 따라 개방 또는 폐쇄된다고 할 수 있다.
도 1, 도 3 및 도 4를 참조하여 볼텍스 튜브(100)의 조절밸브(130)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
우선, 도 3은 흡기관(310)의 압력(흡기관의 압력은 항상 부압임)이 제어부(178)에 설정된 설정압보다 같거나 높을 경우를 도시한다. 이때, 상기 흡기관(310)의 압력이 설정압보다 높다는 것은 엔진(200)의 구동시 많은 양의 압축공기가 필요치 않음을 의미하며, 이는 배기관(410)을 통해 배출되는 배기가스의 압력이 낮아 터보차저(500)에서 압축된 압축공기의 압력이 낮음을 의미한다. 그리고 이와 같이 압축공기의 압력이 낮으면 볼텍스 튜브(100)의 에너지 분리효율이 저하되고, 그에 따라 엔진(200)으로 유입되는 압축공기의 온도가 상승하여 엔진(200)의 출력 이 저하된다.
이를 방지하기 위하여, 상기 흡기관(310)의 압력이 설정압보다 높으면 상기 제어부(178)는 개방된 솔레노이드 밸브(176)를 폐쇄하여 흡기관(310)과 액추에이터(172) 사이의 연결을 차단함으로써 액추에이터(172)의 작동을 중단시킨다. 그리고 상기 액추에이터(172)의 작동이 중단됨에 따라 그와 연결된 링크(134)가 도 3의 화살표 방향으로 이동하여 안내홈(126)의 내부에 위치되었던 슬라이더(132)를 안내홈(126)의 외부로 돌출시켜 상기 노즐(124)을 축소시킨다.
즉, 상기 터보차저(500)에서 압축된 압축공기의 압력이 낮더라도 노즐(124)이 축소된 바, 그를 통해 유입되는 압축공기의 압력이 상승하여 에너지 분리효율을 상승시킨다. 따라서 저온의 압축공기가 배출되어 엔진으로 공급됨으로써 엔진의 출력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
반면, 도 4는 흡기관(310)의 압력이 제어부(178)에 설정된 설정압보다 낮을 경우를 도시한다. 이때, 상기 흡기관(310)의 압력이 설정압보다 낮다는 것은 엔진(200)의 구동시 많은 양의 압축공기가 필요함을 의미하며, 이는 배기관(410)을 통해 배출되는 배기가스의 압력이 높아 터보차저(500)에서 압축된 압축공기의 압력이 매우 높아짐을 의미한다. 그리고 이와 같이 압축공기의 압력이 매우 높으면 볼텍스 튜브(100)의 에너지 분리효율이 저하되고, 그에 따라 엔진(200)으로 유입되는 압축공기의 온도가 상승하여 엔진(200)의 출력이 저하된다.
이를 방지하기 위하여, 상기 흡기관(310)의 압력이 설정압보다 낮으면 상기 제어부(178)는 개방된 솔레노이드 밸브(176)를 개방하여 흡기관(310)과 액추에이 터(172) 사이의 연결하여 액추에이터(172)의 작동시킨다. 그리고 상기 액추에이터(172)의 작동됨에 따라 그와 연결된 링크(134)가 도 4의 화살표 방향으로 이동하여 노즐(124)의 외부로 돌출된 슬라이더(132)를 안내홈(126)의 내부로 위치시켜 상기 노즐(124)을 확장시킨다.
즉, 상기 터보차저(500)에서 압축된 압축공기의 압력이 매우 높더라도 노즐(124)이 확장된 바, 그를 통해 유입되는 압축공기의 압력이 다소 낮아지며 에너지 분리효율을 상승시킨다. 따라서 저온의 압축공기가 배출되어 엔진으로 공급됨으로써 엔진의 출력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직경 가변형 볼텍스 튜브의 구성 및 동작을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 직경 가변형 볼텍스 튜브가 설치된 엔진시스템을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 의한 직경 가변형 볼텍스 튜브의 내부를 도시한 단면도.
도 3은 직경이 축소된 상태의 본 발명에 의한 볼텍스 튜브를 도시한 A-A 단면도.
도 4는 직경이 확장된 상태의 본 발명에 의한 볼텍스 튜브를 도시한 A-A 단면도.
도 5는 일반적인 볼텍스 튜브의 내부를 도시한 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 직경 가변형 볼텍스 튜브 110 : 케이싱
120 : 볼텍스 제너레이터 122 : 베인
124 : 노즐 130 : 조절밸브
140 : 제 1 튜브 150 : 회송밸브
160 : 제 2 튜브

Claims (6)

  1. 압축공기 주입구가 형성되는 케이싱, 케이싱의 내부에 마련되어 주입된 압축공기를 1차 볼텍스로 변환시키는 볼텍스 제너레이터, 1차 볼텍스의 진행방향으로 길게 연장되고 선단에 제 1 토출구가 형성되는 제 1 튜브, 제 1 튜브의 선단 내측에 마련되어 1차 볼텍스를 2차 볼텍스로 변환시키는 회송밸브 및 제 1 튜브의 반대방향으로 연장되고 선단에 제 2 토출구가 형성되는 제 2 튜브를 포함하되,
    상기 볼텍스 제너레이터 중 제 1 튜브 측 선단에는 복수의 베인이 방사형으로 형성되고, 상기 베인 사이에는 압축공기가 유입되는 노즐이 형성되며, 각 베인에는 상기 노즐의 크기를 조절하기 위한 조절밸브가 마련되는 것을 특징으로 하는 직경 가변형 볼텍스 튜브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조절밸브는 상기 각 베인에 형성된 안내홈을 따라 이동하는 슬라이더와, 상기 노즐을 확장시키는 방향으로 슬라이더를 이동시키는 복수의 링크와, 상기 링크에 의해 이동된 슬라이더를 자동 복귀시키는 스프링을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 직경 가변형 볼텍스 튜브.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 링크의 일단과 연결되고, 엔진의 흡기관 압력에 의해 작동하는 액추에 이터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 직경 가변형 볼텍스 튜브.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 엔진의 흡기관과 액추에이터 사이에 솔레노이드 밸브가 마련되는 것을 특징으로 하는 직경 가변형 볼텍스 튜브.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 솔레노이드 밸브는 엔진의 흡기관 압력에 따라 자동으로 개폐되는 것을 특징으로 하는 직경 가변형 볼텍스 튜브.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 솔레노이드 밸브는 엔진의 흡기관 압력에 따라 제어부에 의해 개폐되는 것을 특징으로 하는 직경 가변형 볼텍스 튜브.
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