KR20040013927A - 보텍스 튜브를 이용한 냉난방 방법 및 그 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보텍스 튜브를 이용한 가정용 냉난방 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 보텍스 튜브를 이용한 가정용 냉난방 시스템을 구성함에 있어서, 압축된 공기를 보텍스 튜브로 공급하고, 이를 통과하는 과정에서 열분리현상에 의해 냉기와 온기로 분리시키는 분리과정과; 상기 분리된 냉,온기를 조절변을 통하여 공급하되, 상기 조절변에서 냉기 또는 온기를 선택하고, 선택된 공기를 팽창변과 증발기를 경유시키면서 열교환이 이루어지도록 하는 열교환 과정과; 상기 조절변에서 미선택된 냉기 또는 온기와 열교환을 거친 공기가 소음기를 통해 외부로 배출되는 배출과정과, 열교환이 이루어진 증발기 주위의 냉기 또는 온기를 팬모터를 이용하여 냉난방 공간내로 공급시켜 냉난방이 이루어지도록 하는 냉난방과정과; 상기 분리과정과 열교환과정 및 배출과정과 냉방과정이 한 싸이클로 반복되어 냉난방이 되도록 함으로써, 별도의 실내외기의 구분없이 하나의 장치를 이용하여 냉난방을 겸할 수 있도록 하고, 보텍스 튜브를 통해 배출되는 공기의 소음을 최소화하여 정숙한 운전이 되도록 하고, 구성을 소형화시켜 효율성을 높일 수 있도록 한 것이다.

Description

보텍스 튜브를 이용한 냉난방 방법 및 그 시스템{Air conditioning method which uses the votex tube and that system}

본 발명은 보텍스 튜브를 이용한 가정용 냉난방 방법 및 그 시스템에 관한 것으로서, 특히 보텍스 튜브를 통해 고온과 저온 상태로 분리된 공기는 조절변을통해 고온과 저온의 공기 중 어느 하나의 공기만이 소음기를 경유하여 대기중으로 배출되도록 하고, 나머지 공기가 열교환기를 경유하도록 함으로써, 별도의 실내외기의 구분없이 하나의 열교환기를 이용하여 냉난방을 겸할 수 있도록 하고, 아울러 보텍스 튜브를 통해 배출되는 공기의 소음을 최소화하여 정숙한 운전이 되도록 하고, 그 부품수를 줄여 소형화시켜 효율성을 높일 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 보텍스 튜브는 1928년 프랑스의 죠지 랭크가 유체 역학적 원리를 이용하여 발명한 제품을 산업 전반에 응용한 제품으로써, 이는 냉매나 전기 또는 화학 약품을 일체 사용하지 않고, 단지 압축공기(2∼6KG/Cm²) 공급되면 매우 짧은 시간에 초저온 공기(-65℃까지)를 발생시키게 된다.

이러한 보텍스 튜브의 원리는 먼저, 압축공기가 배관을 통하여 원통체 형상의 보텍스 튜브로 공급되면 1차로 보텍스 회전실이 투입되어 고속으로 회전을 하게 된다.

이 회전공기는 원통체의 접선방향을 따라 일측방향으로 향하다가 일부의 공기는 스핀들에서 회송되어 타측방향으로 향하여 나가게 되는데, 이때 공기의 흐름은 외측에 있는 공기의 흐름에 안쪽에 위치하게 되어 있음으로써, 낮은 압력의 지역을 통과하는 과정에서 열량을 잃어버린 냉기가 발생하게 된다.

즉, 회전하는 두개의 공기흐름(동일 방향, 동일 각속도 회전)에 있어서, 내부 흐름의 공기 입자는 바깥 흐름의 공기 입자와 1회전하는 시간이 동일하므로 실제 운동속도는 바깥 흐름보다 낮게 된다.

또한, 운동 속도의 차이는 그 만큼 운동 에너지가 줄었음을 의미하며, 이 상실된 운동에너지는 열로 변환되어 바깥 흐름의 공기 온도를 상승시키고 내부의 온도는 더욱 더 내려가게 된다.

이러한 원리를 이용하여 초저온 공기를 발생시키는 보텍스 튜브는 용접 및 부품 가공시에 발생되는 칩등을 날려보내거나 열등의 냉각작업에 사용됨으로써, 부품의 수명연장과 아울러 작업의 정밀도를 향상시키는데 기여하고 있다.

한편, 열유체와 관련된 산업의 무공해 열교환 장치에 적용하기 위한 국내특허출원 제 2000-13559(2000.03.17)호의 " 황금나선 유동형 보텍스 튜브"(이하, "보텍스 튜브"라 함)가 제안되었다.

제안된 보텍스 튜브는 무공해 열교환 장치에 적용시키도록 한 것으로서, 통상의 구조를 갖는 보텍스 튜브의 양단에 각각 냉기배출 소음기와 온기배출 소음기를 장착하고, 냉기배출 소음기와의 사이에 황금나선유동 발생기를 구성하여 열교환 장치로 사용하도록 하였으나, 보텍스 튜브의 내부에서 찬공기는 압력이 급강하 하고, 속도가 증가되는 가운데 상당량의 소음이 발생하고, 발생된 소음이 냉기배출 소음기를 통과하는 과정에서 감소되기는 하나, 그 소음이 매우 커서 산업용으로는 사용할 수 있으나, 가정용으로 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 보텍스 튜브를 통해 고온과 저온 상태로 분리된 공기가 조절변을 통과하는 과정에서 고온과 저온의 공기 중 어느 하나의 공기만이 선택되도록 하고, 미선택된 공기는 소음기를 경유하여 대기중으로 배출되도록 하고, 선택된 나머지의 공기는 열교환기를 경유하면서 열교환이 이루어지도록 함으로써, 별도의 실내외기의 구분이 없이 하나의 열교환기를 이용하여 냉난방을 겸할 수 있도록 하고, 아울러 보텍스 튜브를 통해 배출되는 공기의 소음을 최소화하여 정숙한 운전이 될 수 있도록 하여 가정용으로 적합하게 사용할 수 있는 보텍스 튜브를 이용한 가정용 냉난방 방법 및 그 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 보텍스 튜브를 이용한 가정용 냉난방 시스템을 구성함에 있어서, 공기압축기를 통하여 압축된 공기를 보텍스 튜브로 공급하고, 이를 통과하는 과정에서 열분리현상에 의해 냉기와 온기로 분리시키는 분리과정과; 상기 분리된 냉,온기를 조절변을 통하여 공급하되, 상기 조절변에서 냉기 또는 온기를 선택하고, 선택된 공기를 팽창변과 증발기를 경유시키면서 열교환이 이루어지도록 하는 열교환 과정과; 상기 조절변에서 미선택된 냉기 또는 온기와 열교환을 거친 공기가 소음기를 통해 외부로 배출되는 배출과정과, 열교환이 이루어진 증발기 주위의 냉기 또는 온기를 팬모터를 이용하여 냉난방 공간내로 공급시켜 냉난방이 이루어지도록 하는 냉난방과정과; 상기 분리과정과 열교환과정 및 배출과정과 냉방과정이 한 싸이클로 반복되어 냉난방이 되도록 한 보텍스 튜브를 이용한 가정용 냉난방 방법을 제공함에 그 목적이 달성된다.

또한, 보텍스 튜브를 이용하여 가정용 냉난방 시스템을 구성함에 있어서, 압축기와 소음기를 일체로 갖는 출입부와; 상기 압축기를 통해 압축된 공기가 공지의보텍스 튜브를 통해 유입됨과 동시에 저온과 고온의 열로 분리되어 양측으로 유입되도록 복수개의 유입구와 토출구를 갖는 조절변과; 상기 조절변의 토출구에 연결된 팽창변과; 상기 팽창변과 상기 출입부의 소음기에 연결된 열교환기와; 상기 조절변의 다른 토출구에 소음기가 연결되도록 구성하고, 상기 압축기와 조절변 및 열교환기에 접속된 제어부로 구성됨을 특징으로 하는 보텍스 튜브를 이용한 가정용 냉난방 시스템을 제공함에 그 목적이 달성된다.

도 1은 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 구성을 도시한 예시도.

도 2a,b는 본 발명에 따른 냉난방 시스템에 있어서, 냉방과 난방시 공기의 흐름을 도시한 예시도.

도 3은 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 순서도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10 : 제어부 20 : 출입부 22 : 소음기

23 : 압축기 30 : 조절변 41,42 : 유입구

43,44 : 토출구 45 : 조절변 50 : 팽창변

60 : 열교환기

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예인 보텍스 튜브를 이용한 가정용 냉난방 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 제어부(10)에 접속된 것으로 공기의 흡입과 토출이 되도록 구비된 출입부(20)와, 상기 출입부(20)에 연결된 공지의 보텍스 튜브 (30)와, 보텍스 튜브(30)의 양측으로 부터 토출되는 저온과 고온의 공기흐름을 선택적으로 전환시킬 수 있도록 구비된 조절변(40)과, 상기 조절변(40)의 토출구측에 연결된 팽창변(50)과, 상기 팽창변(50)과 출입부(20)의 후술하는 소음기(22)에 연결된 열교환기(60)와, 상기 조절변(40)의 다른 출구측에 소음기(22)가 연결되도록 구성되어 있다.

여기에서, 상기 출입부(20)는 하나의 케이싱(21)의 내부에 압축기(23)와 소음기(22)가 일체로 구비되어 그 부피를 줄이는 가운데 열교환기(60)를 거치거나 조절변(40)을 경유한 공기가 외부로 배출되도록 구비되어 있고, 또한 외부의 공기가소정의 압력을 갖도록 압축된 상태로 공지의 보텍스 튜브(30)로 원활하게 공급되도록 구비되어 있다.

상기 조절변(40)은 압축공기가 보텍스 튜브(30)를 통과하면서 고온과 저온의 공기로 분리된 후 배출되는 공기를 한 곳으로 모아 사용자가 필요에 따라 선택적으로 저온이나 고온의 공기 중 어느 하나를 사용할 수 있도록 한 것으로서, 고온과 저온의 공기가 유입되도록 구비된 복수개의 유입구(41,42)와, 유입구(41,42)를 통해 조절변(40)의 내부로 유입된 공기는 개폐변(45)의 개폐 작용에 의해 선택된 공기는 토출구(43)를 통해 팽창변(50)으로 공급되도록 하고, 미선택된 공기는 다른 토출구(44)를 통해 소음기(22)를 거쳐 외부로 배출되도록 구비되어 있다.

상기 개폐변(45)는 사용자가 수작업으로 조작할 수 있도록 구비되어 있으나, 제어부에 전기적으로 연결된 솔레노이드 밸브를 사용하도록 하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 조절변(40)의 출구에 연결된 팽창변(50)은 상기와 같이 복수개의 유입구(41,42)와 토출구(43,44)를 하나의 몸체로 형성된 것으로 4방 밸브로 구성되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 팽창변(50)은 내부에 미도시한 모세관이 형성되어 있음으로써, 그 내부를 통과하는 공기의 압력이 급격이 낮아지도록 구비되어 있다.

상기 열교환기(60)는 소정의 내부공간을 갖는 중공의 파이프재가 지그재그 형태로 구비되어 있고, 그 사이에 미도시한 다수개의 방열핀이 일체로 형성되어 있어 열교환율을 극대화시키도록 구비되어 있다.

또한, 열교환기(60)의 일측에는 상기 제어부(10)에 접속된 팬모터(61)가 구비되어 있어 열교환이 이루어진 열교환기 주위의 공기를 실내로 배출시키도록 되어 있다.

이와 같은 보텍스 튜브를 갖는 가정용 냉난방 시스템을 이용하여 실내를 냉난방하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 2a는 실내를 냉방할 경우, 시스템 내부의 고온과 저온인 공기의 흐름을 도시한 것으로 제어부(10)의 신호에 따라 출입부(20)를 구성하는 압축기(23)가 구동함에 따라 외기가 그 내부로 유입됨과 동시에 압축된 상태에서 파이프 라인을 통해 보텍스 튜브(30)로 유입되며, 유입된 압축공기는 공기 흐름의 속도차이에 의한 분리과정(S10)을 통해 각각 고온의 공기와 저온의 공기로 분리된다.

다음, 보텍스 튜브(30)를 통해 분리된 공기는 조절변(40)의 양측으로 유입되며, 이때 조별변(40)의 개폐변(45)이 좌측으로 이동한 상태가 됨에 따라 유입된 공기중의 저온의 공기는 토출구(43)을 경유하고, 팽창변(50)을 통과하면서 더욱더 온도가 낮아지게 된다. 그리고 열교환기(60)를 통과하면서 발생되는 흡열작용에 의한 열교환 과정(S20)을 통해 열교환기의 주위 공기를 냉각시키게 된다.

다음, 조절변(40)에서 미선택된 공기는 조절변(40)의 일측에 형성된 다른 토출구(44)와 소음기(22)를 통해 외부로 배출되는 배출과정(S30)에서 그 소음의 량이 극도로 작아지게 된다.

이와 동시에 열교환기 주위의 냉각된 공기는 제어부(10)에 접속된 팬모터 (61)의 회전에 의한 압력으로 인해 실내로 배출시키는 냉방과정(S40)을 통해 일정한 체적을 갖는 공간을 냉방을 할 수 있게 된다.

상기 배출과정(S30)에서는 조절변(40)에서 미선택 공기 이외에 상기 냉방과정(S40)중 열교환기를 거친 공기가 같이 외부로 배출된다.

한편, 도 2b는 실내를 난방할 경우, 시스템 내부의 고온과 저온인 공기의 흐름을 도시한 것으로 제어부(10)의 신호에 따라 출입부(20)를 구성하는 압축기(23)가 구동함에 따라 외기가 그 내부로 유입됨과 동시에 압축된 상태에서 파이프 라인을 통해 보텍스 튜브(30)로 유입되며, 유입된 압축공기는 공기 흐름의 속도차이에 의한 분리과정(S10)을 통해 각각 고온의 공기와 저온의 공기로 분리된다.

다음, 보텍스 튜브(30)를 통해 분리된 공기는 조절변(40)의 양측으로 유입되며, 이때 조별변(40)의 개폐변(45)이 우측으로 이동한 상태가 됨에 따라 유입된 공기중의 고온의 공기는 토출구(43)을 경유하고, 팽창변(50)을 통과하면서 더욱더 온도가 높아지게 된다. 그리고 열교환기(60)를 통과하면서 발생되는 방열작용에 의한 열교환 과정(S20)을 통해 열교환기의 주위 공기를 가열시키게 된다.

다음, 조절변(40)에서 미선택된 저온의 공기는 조절변(40)의 일측에 형성된 다른 토출구(44)와 소음기(22)를 통해 외부로 배출되는 배출과정(S30)에서 그 소음의 량이 극도로 작아지게 된다.

이와 동시에 열교환기 주위의 냉각된 공기는 제어부(10)에 접속된 팬모터 (61)의 회전에 의한 압력으로 인해 실내로 배출시키는 난방과정(S40)을 통해 일정한 체적을 갖는 공간을 난방할 수 있게 된다.

상기 배출과정(S30)에서는 조절변(40)에서 미선택 공기 이외에 상기 난방과정(S40)중 열교환기를 거친 공기가 같이 외부로 배출된다.

이와 같이 압축된 공기에서 고온과 저온의 공기를 분리시키는 분리과정과, 분리된 공기 중 저온의 공기를 열교환기를 통과시켜 열교환기 주위의 열을 냉각시키는 열교환과정 및 배출과정 그리고 냉각된 주위의 공기를 송풍시켜 공간을 냉방시키는 냉방과정을 하나의 사이클로 이루어지도록 하고, 이러한 사이클이 반복되어 연속적인 냉난방이 된다.

한편, 이와 같이 보텍스 튜브를 이용하여 냉난방을 하는 가운데 압축기로 부터 보텍스 튜브로 공급되는 공기의 압력과 냉기비율에 따른 온도강하 및 온도 상승과의 관계는 표 1과 같다.

공기압력	냉기의 비율
	20%	30%	40%	50%	60%	70%
1.4	34.4	33.3	31.1	28.3	24.4	20
	8.3	13.9	20	28.3	35.6	46.1
2	40.9	39.6	37.1	33.8	29.2	24
	9.8	16.4	24	33.3	42.6	54.6
3	50.4	48.7	45.7	41.6	38	29.5
	12	19.9	29.6	40.3	52.3	66.5
4	56.9	54.7	50.9	46.1	40	32.9
	13.2	21.9	32.4	43.9	57.1	72.5
5	61.6	59	54.8	49.4	43	35.4
	13.7	23.3	34.2	46.5	60.9	77.2
6	65.4	62.7	58.2	52.7	45.6	37.6
	14.1	24.3	35.8	48.6	63.9	61
7	68.6	65.8	61.4	55.7	48	39.6
	14.4	25.1	37.3	50.2	66.3	84.2
8	71.1	68.2	63.8	57.3	50	40.8
	14.4	25.4	38.1	51.8	67.9	86.1

여기에서, 상부에 있는 수치는 공급공기의 온도대비 강하되는 온도의 크기(℃)이고, 하부에 있는 수치는 공급공기의 온도대비 상승되는 온도의 크기(℃)이다.

상기 표1에서와 같이, 공급공기가, 25℃일 경우, 냉기 비율을 20%로 맞추면 온도강하는 68.6℃이고, 온도상승은 14.4℃로서, 이때의 냉기의 온도는 25℃- 68.6℃=-43.6℃가 되고, 온기의 온도는 25℃+14.4℃=39.4℃를 얻을 수 있게 된다.

또한, 배출과정시 발생되는 소음을 10회 측정한 결과 그 평균값은 표 2와 같다.

	1회	2회	3회	4회	5회	6회	7회	8회	9회	10회	합계	평균
소음(db)	35	37	36	35	38	34	30	29	31	30	335	33.5

즉, 소음을 측정한 평균값이 33.5db정도로 조용한 실내를 유지할 수 있도록 함으로써, 소음에 따른 인체의 피해를 방지할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 별도의 실내외기의 구분없이 하나의 열교환기를 이용하여 보텍스 튜브를 통해 분리된 고온과 저온의 공기 중 어느 하나의 공기만이 흐를 수 있도록 함으로써, 냉방과 난방을 번갈아 할 수 있도록 한 효과가 있다.

또한, 외부로 직접 배출되는 공기의 소음을 줄이는 소음기를 열교환이 이루어진 다른 공기가 동일한 소음기를 통해 배출되도록 함으로써, 부품수를 줄여 효율적인 생산 및 운전이 될 수 있도록 한 것이다.

Claims (3)

1. 보텍스 튜브를 이용한 가정용 냉난방 시스템을 구성함에 있어서,

   공기압축기를 통하여 압축된 공기를 보텍스 튜브로 공급하고, 이를 통과하는 과정에서 열분리현상에 의해 냉기와 온기로 분리시키는 분리과정(S10)과;

   상기 분리된 냉,온기를 조절변을 통하여 공급하되, 상기 조절변에서 냉기 또는 온기를 선택하고, 선택된 공기를 팽창변과 증발기를 경유시키면서 열교환이 이루어지도록 하는 열교환 과정(S20)과;

   상기 조절변에서 미선택된 냉기 또는 온기와 열교환을 거친 공기가 소음기를 통해 외부로 배출되는 배출과정(S30)과,

   열교환이 이루어진 증발기 주위의 냉기 또는 온기를 팬모터를 이용하여 냉난방 공간내로 공급시켜 냉난방이 이루어지도록 하는 냉난방과정(S40)과;

   상기 분리과정과 열교환과정 및 배출과정과 냉방과정이 한 싸이클로 반복되어 냉난방이 되도록 함을 특징으로 하는 보텍스 튜브를 이용한 가정용 냉난방 방법.
2. 보텍스 튜브를 이용하여 가정용 냉난방 시스템을 구성함에 있어서,

   압축기(23)와 소음기(22)를 일체로 갖는 출입부(20)와;

   상기 압축기(23)를 통해 압축된 공기가 공지의 보텍스 튜브(30)를 통해 유입됨과 동시에 저온과 고온의 열로 분리되어 양측으로 유입되도록 복수개의 유입구 (41,42)와 토출구(43,44) 및 개폐변(45)을 갖는 조절변(40)과;

   상기 조절변(40)의 출구에 연결된 팽창변(50)과;

   상기 팽창변(50)과 상기 출입부(20)의 소음기(22)에 연결된 열교환기(60)와;

   상기 조절변(40)의 다른 토출구에 소음기(22)가 연결되도록 구성하고, 상기 압축기(23)와 조절변(40) 및 열교환기(60)에 접속된 제어부(10)로 구성됨을 특징으로 하는 보텍스 튜브를 이용한 가정용 냉난방 시스템.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 조절변(40)은 4방 밸브로 구성됨을 특징으로 하는 보텍스 튜브를 이용한 가정용 냉난방 시스템.