KR102096435B1 - 충돌형 온도균일화 장치 - Google Patents

충돌형 온도균일화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충돌형 온도균일화 장치를 개시한다. 본 발명은, 외관을 형성하는 외피부와, 상기 외피부의 내면으로부터 이격되도록 배치되며, 상기 외피부와 연결되도록 형성되는 온도균일화부를 포함하고, 상기 온도균일화부는, 상기 외피부의 내부에 설치되는 헤드부와, 상기 헤드부와 일체로 형성되며, 상기 외피부의 내면과 외면이 이격되도록 배치되며, 외면에는 통과홀이 적어도 1개 이상 형성된 바디부를 포함한다.

Description

충돌형 온도균일화 장치{Impinging type temperature uniformity device}
본 발명은 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 충돌형 온도균일화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 기체를 사용하는 압축기, 연소기, 냉각장치 등과 같은 외부 장치는 상온과 상이한 온도를 갖는 기체를 공급받거나 토출할 수 있다. 이러한 외부 장치로 공급되거나 외부 장치에서 토출되는 기체의 온도는 외부 장치의 성능에 영향을 받거나 외부 장치와 연결되는 다른 외부 장치의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 뿐만 아니라 이러한 기체의 온도가 균일하지 못한 경우 이러한 기체를 공급받는 외부 장치 등의 내부 온도가 상이해짐으로써 외부 장치의 수명을 단축시킬 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 연소기 등에서는 연소된 후 발생되는 기체의 경로를 절곡시키는 기술 등이 개발되고 있다. 이러한 기술은 일본공개특허 제2011-063028호(발명의 명칭: 열매체 통류 롤러 장치, 출원인: TOKUDEN CO LTD)에 구체적으로 개시되어 있다.
일본공개특허 제2011-063028호
본 발명의 실시예들은 충돌형 온도균일화 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은, 외관을 형성하는 외피부와, 상기 외피부의 내면으로부터 이격되도록 배치되며, 상기 외피부와 연결되도록 형성되는 온도균일화부를 포함하고, 상기 온도균일화부는, 상기 외피부의 내부에 설치되는 헤드부와, 상기 헤드부와 일체로 형성되며, 상기 외피부의 내면과 외면이 이격되도록 배치되며, 외면에는 통과홀이 적어도 1개 이상 형성된 바디부를 포함하는 충돌형 온도균일화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 헤드부는 곡면으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 통과홀은 복수개 형성되며, 상기 복수개의 통과홀은 상기 바디부의 중심을 기준으로 서로 대칭되도록 배열될 수 있다.
또한, 상기 온도균일화부는, 상기 바디부와 상기 외피부를 연결하는 연결부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 헤드부는, 상기 외피부 내부를 통과하는 기체의 흐름 방향에 대해서 상류측에 배치될 수 있다.
또한, 상기 통과홀의 총면적은 상기 외피부의 길이 방향에 수직한 단면적의 30%이하 내지 10% 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예들은 기체나 기체 등의 온도를 균일화하여 공급하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌형 온도균일화 장치를 보여주는 사시도이다.
도 2는 일반적인 배관의 유동해석결과를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 충돌형 온도균일화 장치를 설치한 배관의 유동해석결과를 보여주는 도면이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌형 온도균일화 장치를 보여주는 사시도이다. 도 2는 일반적인 배관의 유동해석결과를 보여주는 도면이다. 도 3은 도 1에 도시된 충돌형 온도균일화 장치를 설치한 배관의 유동해석결과를 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 충돌형 온도균일화 장치(100)는 외피부(110) 및 온도균일화부(120)를 포함할 수 있다. 이때, 외피부(110)와 온도균일화부(120)는 배관 형태로 형성될 수 있다. 특히 외피부(110)와 온도균일화부(120) 중 적어도 하나는 길이 방향과 수직한 단면적이 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 외피부(110)와 온도균일화부(120) 중 적어도 하나의 길이 방향과 수직한 단면적은 원형, 타원형, 다각형 등의 형태로 형성될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 외피부(110)와 온도균일화부(120)의 길이 방향과 수직한 단면적이 원형인 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
외피부(110)는 제1 외피부(111)와 제2 외피부(112)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 외피부(111)와 제2 외피부(112)는 서로 결합 가능하도록 연결될 수 있다. 특히 제1 외피부(111)와 제2 외피부(112)를 분리함으로써 온도균일화부(120)가 파손되거나 변형이 발생하는 경우 온도균일화부(120)를 용이하게 교체할 수 있다. 또한, 제1 외피부(111)와 제2 외피부(112)는 분리 가능함으로써 온도균일화부(120)의 설치가 용이할 수 있다.
제1 외피부(111)는 외측으로 돌출되도록 형성되는 제1 플렌지(111a)를 포함하고, 제2 외피부(112)는 외측으로 돌출되도록 형성되는 제2 플렌지(112a)를 포함할 수 있다.
제1 플렌지(111a)와 제2 플렌지(112a)에는 나사, 볼트 등과 같은 별도의 연결부재(미도시)가 삽입되도록 홀이 형성될 수 있다. 이때, 제1 플렌지(111a)와 제2 플렌지(112a)는 용접을 통하여 결합되는 것도 가능하다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 제1 플렌지(111a)와 제2 플렌지(112a)는 상기 연결부재를 통하여 서로 고정되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
온도균일화부(120)는 헤드부(121), 바디부(122) 및 연결부(123)를 포함할 수 있다. 헤드부(121)는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들면, 헤드부(121)는 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 다른 실시예로써 헤드부(121)는 곡면 형태로 형성될 수 있다. 특히 헤드부(121)는 반구 형상, 타원 형태 또는 익형(air-foil)의 형상 등으로 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 헤드부(121)가 곡면 형태로 형성되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
헤드부(121)는 기체의 흐름 방향을 기준으로 상류측에 배치될 수 있다. 이때, 헤드부(121)는 유체가 충돌하여 유체를 바디부(122)와 외피부(110) 사이로 안내할 수 있다.
바디부(122)는 헤드부(121)와 연결되어 일체로 형성될 수 있다. 이때, 바디부(122)는 관 형태로 형성되어 외피부(110) 내부에 배치될 수 있다.
바디부(122)는 외피부(110)의 길이 방향과 동일한 방향으로 형성되는 제1 바디부(122a)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 바디부(122a)와 외피부(110) 사이의 거리는 제1 바디부(122a)의 길이 방향을 따라 일정할 수 있다.
제1 바디부(122a)는 외피부(110)와 유사한 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 제1 바디부(122a)의 길이 방향과 수직한 단면적의 크기는 외피부(110)의 길이 방향과 수직한 단면적의 크기보다 작게 형성될 수 있다. 특히 제1 바디부(122a)의 길이 방향과 수직한 단면적의 크기는 외피부(110)의 길이 방향과 수직한 단면적의 크기의 30%이하 내지 10%이상일 수 있다. 이때, 제1 바디부(122a)의 길이 방향과 수직한 단면적의 크기가 외피부(110)의 길이 방향과 수직한 단면적의 크기의 30%를 초과하는 경우 기체의 유동이 방해됨으로써 외피부(110) 내부의 압력이 증가할 수 있다. 이러한 경우 외피부(110) 및 온도균일화부(120) 중 적어도 하나에서 변형이 발생될 수 있다. 뿐만 아니라 제1 바디부(122a)의 길이 방향과 수직한 단면적의 크기가 외피부(110)의 길이 방향과 수직한 단면적의 크기의 30%를 초과하는 경우 제1 바디부(122a)의 크기가 너무 커져 기체의 흐름을 방해함으로써 기체가 균일하게 흐르는 것을 방지할 수 있다. 특히 이러한 경우 기체가 다양한 방향에서 서로 섞이는 것이 불가능하여 기체의 온도 균일화 효과가 발생하지 않을 수 있다. 또한, 제1 바디부(122a)의 길이 방향과 수직한 단면적의 크기가 외피부(110)의 길이 방향과 수직한 단면적의 크기의 10%를 미만인 경우 충돌형 온도균일화 장치(100)의 상류와 하류 사이의 차압이 발생함으로써 외피부(110) 및 온도균일화부(120)에 과도한 압력이 가해질 수 있으며, 외부로 공급되는 기체의 압력손실이 커질 수 있다. 따라서 제1 바디부(122a)의 길이 방향과 수직한 단면적의 크기는 외피부(110)의 길이 방향과 수직한 단면적의 크기의 30%이하 내지 10%이상 이어야 한다.
제1 바디부(122a)에는 통과홀(122a-1)이 적어도 한 개 이상 형성될 수 있다. 이때, 통과홀(122a-1)은 제1 바디부(122a)의 길이 방향과 수직한 단면의 중심 방향을 향하도록 형성될 수 있다.
이러한 통과홀(122a-1)은 복수개 구비될 수 있으며, 제1 바디부(122a)의 표면에 서로 일정 간격 이격되도록 배치될 수 있다. 특히 통과홀(122a-1)은 인접한 통과홀(122a-1) 사이의 거리가 일정할 수 있다. 이때, 통과홀(122a-1)과 인접한 통과홀(122a-1)은 제1 바디부(122a)의 길이 방향과 수직한 단면의 중심을 기준으로 서로 일정한 각도를 형성할 수 있다. 특히 이러한 각도는 6도 이상일 수 있다. 이때, 통과홀(122a-1)과 인접한 통과홀(122a-1)이 형성하는 각도가 6도 미만인 경우 너무 많은 통과홀(122a-1)이 형성되어 온도균일화부(120)의 강성을 저하시킬 수 있다.
또한, 복수개의 통과홀(122a-1)의 총면적은 외피부(110)의 길이 방향과 수직한 단면적의 30%이하일 수 있다. 이때, 복수개의 통과홀(122a-1)의 총면적이 외피부(110)의 길이 방향과 수직한 단면적의 30%를 초과하는 경우 온도균일화부(120)의 강성이 떨어질 수 있으며, 기체의 속도를 저하시키지 못함으로써 기체가 균일하게 섞이지 못할 수 있다.
바디부(122)는 제1 바디부(122a)로부터 절곡되어 형성되어 외피부(110)와 연결되는 제2 바디부(122b)를 포함할 수 있다. 이때, 제2 바디부(122b)는 제2 외피부(112) 측에 용접 등을 통하여 고정될 수 있다.
연결부(123)는 바디부(122)와 외피부(110) 사이에 배치되어 바디부(122)와 외피부(110)를 연결할 수 있다. 이때, 연결부(123)는 기체가 외피부(110) 내부를 유동하는 경우 기체의 압력으로부터 바디부(122)가 흔들리거나 바디부(122)의 위치가 변하는 것을 방지할 수 있다.
연결부(123)는 바 형태로 형성될 수 있다. 이때, 연결부(123)는 복수개 구비될 수 있으며, 복수개의 연결부(123)는 서로 일정 간격 이격되도록 배치될 수 있다.
충돌형 온도균일화 장치(100)는 외피부(110)에 설치되는 속도균일화부(130)를 포함할 수 있다. 이때, 속도균일화부(130)는 배플 형태로 형성될 수 있으며, 다른 실시예로써 격자(Mesh) 구조로 형성될 수 있다. 속도균일화부(130)는 외피부(110)를 이동하는 기체를 충돌시킴으로써 기체의 속도를 외피부(110) 내부에서 균일화시킬 수 있다. 이때, 속도균일화부(130)는 온도균일화부(120)보다 유체의 흐름 상 하류측에 배치될 수 있다.
한편, 상기와 같은 충돌형 온도균일화 장치(100)는 다양한 곳에 배치될 수 있다. 예를 들면, 충돌형 온도균일화 장치(100)는 상온과 온도가 상이한 기체를 공급하는 연소기, 압축기, 냉각장치 등의 토출구 또는 이들에 기체를 공급하는 공급부 측에 설치될 수 있다. 이때, 충돌형 온도균일화 장치(100)는 통과하는 기체의 온도를 균일하게 할 수 있다. 구체적으로 충돌형 온도균일화 장치(100)가 연소기, 압축기, 냉각장치 등에 연결되는 경우 충돌형 온도균일화 장치(100)는 이러한 장치들로 기체를 안내하는 배관(B)에 연결될 수 있다. 이때, 외피부(110)는 배관(B)과 일체로 형성될 수 있으며, 별도로 형성되어 배관(B)과 연결되는 것도 가능하다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 외피부(110)가 배관(B)과 일체로 형성되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다. 또한, 이하에서는 충돌형 온도균일화 장치(100)는 연소기 등으로 기체가 공급되는 공급부 측에 설치되는 경우를 중심으로 상세히 설명하기로 한다.
연소기가 작동하는 경우 연소기는 외부로부터 공기와 연료를 공급받아 내부에서 화학에너지를 열 에너지로 변환할 수 있다. 이때, 연소기로 공급되는 공기의 온도에 따라서 연소기의 성능이 좌우될 수 있으며, 연소기의 온도 분포가 상이해질 수 있다. 특히 연소기로 공급되는 공기의 온도가 균일하지 못한 경우 연소기의 연소 성능이 저하될 수 있으며, 연소기 내부의 온도가 지속적으로 가변하는 경우 연소기의 수명을 단축시킬 수 있다.
그러나 본 발명의 실시예들에 따른 충돌형 온도균일화 장치(100)를 통과하는 경우 공기의 온도가 균일하게 됨으로써 상기와 같은 문제를 해결할 수 있다.
구체적으로 연소기로 공급되는 공기의 온도가 외피부(110)를 통하여 공급되는 경우 헤드부(121)는 기체의 흐름 방향에 대해서 상류측에 배치될 수 있다. 이때, 공기는 외피부(110)를 따라 이동하면서 헤드부(121)에 충돌하여 바디부(122)와 외피부(110) 사이로 공기를 분지시킬 수 있다.
상기와 같이 분지된 공기는 바디부(122)와 외피부(110) 사이로 공급될 수 있으며, 통과홀(122a-1)을 통하여 바디부(122) 내부로 진입할 수 있다. 이때, 제2 바디부(122b)는 외피부(110)와 제1 바디부(122a) 사이의 공간을 차단함으로써 헤드부(121)를 지나온 공기가 제1 바디부(122a)와 외피부(110) 사이에서 제1 바디부(122a) 내부로 전부 공급될 수 있다.
상기와 같이 공급되는 공기는 통과홀(122a-1)을 통과하면서 제1 바디부(122a)의 중심 부분으로 유입될 수 있다. 이때, 제1 바디부(122a)와 외피부(110) 사이에서의 공기의 압력은 제1 바디부(122a) 내부에서의 공기의 압력보다 크게 형성됨으로써 공기는 제1 바디부(122a) 내부로 유입될 수 있다.
통과홀(122a-1)을 통과한 공기는 제1 바디부(122a) 내부에서 혼합될 수 있다. 이때, 통과홀(122a-1)은 상기에서 설명한 바와 같이 서로 대향하도록 형성됨으로써 제1 바디부(122a) 내부에서 서로 대향하도록 형성된 통과홀(122a-1)에서 공급하는 공기가 서로 충돌하여 섞일 수 있다.
이러한 과정을 거치면서 제1 바디부(122a) 내부에서 섞인 공기는 다시 제2 외피부(112)를 통하여 외부 또는 다른 장치로 공급될 수 있다. 이러한 경우 공기는 상기와 같은 과정을 통하여 제2 외피부(112) 내부에서 어느 정도 균일하게 형성될 수 있다.
구체적으로 도 2와 도 3을 살펴보면, 기존의 일반적인 배관에서 공기가 공급되는 경우 공기의 비균일도는 배관을 지나면서 어느 정도 해소될 수 있다. 이때, 공기의 비균일도가 낮을수록 공기의 온도는 배관의 어느 일부분에서의 단면적 상에서 균일한 것으로 볼 수 있다.
우선 도 2를 살펴보면, 공기가 이동하면서 a 부분에서는 공기의 온도 비균일도가 8.57인 것을 확인할 수 있다. 이때, 배관을 따라 공기가 계속해서 이동하는 경우 비균일도는 배관의 b부분, c부분, d부분에서 0.79, 0.50, 0.49로 점점 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예들에 따른 충돌형 온도균일화 장치(100)가 설치된 도 3을 살펴보면, 초기의 외피부(110)의 a부분에서 7.20으로 도 2의 일반적인 배관에서의 비균일도와 비슷하지만 충돌형 온도균일화 장치(100)를 통과한 후 b부분에서는 0.27로 급격히 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라 외피부(110)와 연결된 배관(B)을 지속적으로 통과하면서 온도 비균일도가 0.06으로 현저히 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
따라서 충돌형 온도균일화 장치(100)는 외피부(110) 내부에서 온도의 비귤일도가 높은 기체의 온도를 균일화를 도모할 수 있다. 또한, 충돌형 온도균일화 장치(100)는 균일한 기체의 공기를 외부 장치에 공급함으로써 외부 장치의 효율을 증대시킬 수 있다. 충돌형 온도균일화 장치(100)는 외부 장치로부터 토출되는 기체의 온도를 일정하게 할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100: 충돌형 온도균일화 장치
110: 외피부
120: 온도균일화부
130: 속도균일화부

Claims (6)

  1. 외관을 형성하는 외피부;
    상기 외피부의 내면으로부터 이격되도록 배치되며, 상기 외피부와 연결되도록 형성되는 온도균일화부; 및
    상기 외피부 내부에 배치되며, 상기 온도균일화부보다 하류측에 배치되는 속도균일화부;를 포함하고,
    상기 온도균일화부는,
    상기 외피부의 내부에 설치되는 헤드부; 및
    상기 헤드부와 일체로 형성되며, 상기 외피부의 내면과 외면이 이격되도록 배치되며, 외면에는 통과홀이 복수개 형성된 바디부;를 포함하고,
    상기 복수개의 통과홀의 총면적은 상기 외피부의 길이 방향에 수직한 단면적의 30%이하 내지 10% 이상이며,
    서로 인접하는 상기 통과홀은 상기 외피부의 길이 방향에 수직한 단면의 중심을 기준으로 서로 일정한 각도를 형성하도록 배열되며, 서로 인접하는 상기 통과홀과 상기 외피부의 길이 방향에 수직한 단면의 중심이 형성하는 각도는 6도 이상인 충돌형 온도균일화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 헤드부는 곡면으로 형성되는 충돌형 온도균일화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 통과홀은 복수개 형성되며,
    상기 복수개의 통과홀은 상기 바디부의 중심을 기준으로 서로 대칭되도록 배열되는 충돌형 온도균일화 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도균일화부는,
    상기 바디부와 상기 외피부를 연결하는 연결부;를 더 포함하는 충돌형 온도균일화 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 헤드부는,
    상기 외피부 내부를 통과하는 기체의 흐름 방향에 대해서 상류측에 배치되는 충돌형 온도균일화 장치.
  6. 삭제
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