KR20100098513A - 내부 유동 제어 배플을 구비한 액체 저장 탱크 및 방법 - Google Patents

내부 유동 제어 배플을 구비한 액체 저장 탱크 및 방법 Download PDF

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Abstract

액체 저장 탱크 조립체는 배플 부재 및 탱크 조립체를 포함한다. 배플 부재는 대체로 나선 또는 소용돌이 형상의 부분을 포함한다. 배플 부재는 탱크 조립체의 입구 개구와 출구 개구 사이에 소용돌이형 유동 경로를 형성한다. 배플 부재가 탱크 내에 위치되고 탱크 조립체가 일정 체적의 제1 액체를 보유할 때, 입구에서 탱크 조립체로의 일정 공급량의 제2 액체의 입력은 실질적으로 제1 액체 전부가 분배되기 전에 제1 액체와 제2 액체의 실질적인 혼합 없이 제1 액체를 소용돌이형 유동 경로를 따라 탱크 조립체 출구 외부로 밀어낸다.

Description

내부 유동 제어 배플을 구비한 액체 저장 탱크 및 방법{LIQUID STORAGE TANK WITH INTERNAL FLOW CONTROL BAFFLE AND METHODS}
본 발명은 일반적으로 액체 저장 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 유동 제어 특징부를 갖는 냉수 저장조 조립체(refrigerated water reservoir assembly)에 관한 것이다.
상업용 냉장고와 소비자 냉장고에서 물 저장 및 물 여과는 더욱 일반적인 것으로 되어 왔다. 많은 소비자는 그들의 냉장고로부터 냉각되고 여과된 물을 분배하는 옵션을 갖는 것을 선호한다. 냉장고에 의해 형성된 냉장 공간이 냉장고에 저장된 일정 체적의 물을 냉각하는 데 사용된다. 저장된 일정 체적의 물은 물 필터로부터 상류 또는 하류에 위치될 수 있다. 액체 저장 탱크 내의 저장된 일정 체적의 물은 냉장 공간 내에 위치될 수 있다. 냉수의 양을 최대화하고 냉장 공간 내에서의 탱크에 의해 점유되는 체적을 최소화하는 개선된 액체 저장 탱크 형상에 대한 필요성이 존재한다. 수압 강하에 불리한 영향을 주지 않고서 이들 개선을 달성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 태양은, 고압 조건까지의 가변 공급 라인 압력 조건 하에서 작동 가능하고 저장 탱크로의 일정 공급량의 제2 액체의 유입시 액체 저장 탱크 내의 일정 체적의 제1 액체의 분배를 최대화하는 액체 저장 탱크 조립체에 관한 것이다. 예시적인 액체 저장 탱크 조립체는 배플(baffle) 부재 및 탱크 조립체를 포함한다. 배플 부재는 탱크의 입구 개구와 출구 개구 사이에 소용돌이형 유동 경로를 형성하는 대체로 나선 또는 소용돌이 형상의 부분을 갖는다. 배플 부재가 탱크 조립체 내에 위치되고 탱크 조립체가 일정 체적의 제1 액체를 보유할 때, 입구에서 탱크 조립체로의 일정 공급량의 제2 액체의 입력은 제1 액체와 제2 액체의 실질적인 혼합 없이 제1 액체를 소용돌이형 유동 경로를 따라 탱크 조립체 출구 외부로 밀어낸다.
조립, 제조, 물 분배, 및 액체 저장 탱크 내의 내부 액체 유동의 제어의 관련 방법들이 본 발명의 추가의 몇몇 태양이다.
상기 요약은 각각의 개시된 실시예 또는 본 명세서에 개시된 본 발명의 태양의 모든 구현예를 기술하고자 하는 것은 아니다. 이어지는 상세한 설명의 도면은 본 발명의 소정 태양이 실시될 수 있는 방법의 예인 특징들을 보다 상세하게 기술한다. 소정 실시예가 도시 및 설명되지만, 본 개시 내용은 그러한 실시예 또는 구성으로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다.
<도 1>
도 1은 본 발명의 원리에 따른 예시적인 액체 저장 탱크 조립체의 개략적인 사시도.
<도 2>
도 2는 도 1에 도시된 예시적인 액체 저장 탱크 조립체의 개략적인 분해 사시도.
<도 3>
도 3은 도 1에 도시된 예시적인 액체 저장 탱크 조립체의 개략적인 단면 사시도.
<도 3a>
도 3a는 배플 조립체의 나선형 부재의 피치각을 도시하는, 도 1에 도시된 예시적인 액체 저장 탱크 조립체의 개략적인 측단면도.
<도 4>
도 4는 액체 저장 탱크 조립체를 통한 예시적인 액체 유동을 도시하기 위해 탱크 조립체 본체의 일부분이 흐릿하게 도시된, 도 1에 도시된 예시적인 액체 저장 탱크 조립체의 개략적인 사시도.
<도 5>
도 5는 액체 저장 탱크 조립체의 입구 및 출구가 저장 탱크 조립체의 동일한 단부에 형성된 다른 예시적인 액체 저장 탱크 조립체의 개략적인 단면 사시도.
<도 6>
도 6은 본 발명의 원리에 따른 다른 예시적인 액체 저장 탱크 조립체의 개략적인 사시도.
<도 7>
도 7은 도 6에 도시된 예시적인 액체 저장 탱크 조립체의 개략적인 단면 사시도.
<도 8>
도 8은 액체 저장 탱크 조립체를 통한 예시적인 평행 액체 유동 경로를 도시하기 위해 탱크 조립체의 일부분이 흐릿하게 도시된, 도 6에 도시된 예시적인 액체 저장 탱크 조립체의 개략적인 사시도.
<도 9>
도 9는 액체 저장 탱크 조립체를 통한 예시적인 직렬 액체 유동 경로를 도시하기 위해 탱크 조립체의 일부분이 흐릿하게 도시된, 도 6에 도시된 예시적인 액체 저장 탱크 조립체의 개략적인 사시도.
<도 10>
도 10은 배플 조립체의 나선형 부재가 가변 피치를 포함하는, 도 6의 저장 탱크 조립체와 함께 사용하기 위한 다른 예시적인 배플 조립체의 개략적인 사시도.
<도 11>
도 11은 나선형 부재의 최대 피치각을 도시하는, 도 10에 도시된 배플 조립체의 개략적인 측면도.
<도 12>
도 12는 도 10에 도시된 배플 조립체의 개략적인 평면도.
여러 도면에 걸쳐 유사한 도면 부호가 조립체 내의 유사한 부분을 나타내는 도면을 참조하여 다양한 실시예가 상세하게 설명될 것이다. 다양한 실시예의 언급은 본 명세서에 첨부된 특허청구범위의 범주를 제한하지 않는다. 추가로, 본 명세서에 기술된 임의의 예는 제한적인 것으로 의도되지 않으며, 첨부된 특허청구범위에 대한 가능한 다수의 실시예 중 일부를 단순히 기술하는 것이다.
하기의 논의는 본 발명이 구현될 수 있는 적합한 환경의 간단한 일반적인 설명을 제공하고자 한다. 요구되지는 않지만, 본 발명은 예를 들어 소비자 냉장고에 사용되는 물 저장 탱크와 같은 물 저장 탱크 조립체의 일반적인 상황에서 설명될 것이다. 몇몇 예시적인 액체 저장 탱크 조립체의 구조, 제조 및 사용과 방법이 이하에 설명된다.
본 명세서에 개시된 예시적인 실시예는 본 명세서에서 강조되는 냉장고 응용을 넘어서 다수의 액체 저장 응용에 넓게 적용된다. 액체 저장 탱크 내의 내부 유동 제어 특징부는 냉장고 환경 이외에 다양한 환경에서의 다수의 응용을 갖는다. 그러한 대안적인 응용 및 환경이 가능하지만, 소비자 냉장고로부터 물 저장 및 물 분배의 응용이 강조되며, 이는 그 특정 응용이 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에서 설명되는 실시예로부터 특히 이득을 얻기 때문이다.
소비자 냉장고에서, 물 저장 탱크에 의해 사용되는 냉장고에 의해 형성된 냉장 공간의 임의의 부분은 소비자의 식품을 위해 사용되는 달리 이용될 수 있는 냉장 공간을 감소시킨다. 물 저장 탱크의 한 가지 목적은 소비자가 마시고자 할 때 쉽게 이용가능할 수 있는 일정 체적의 냉수를 보유하는 것이다. 요구되는 냉수의 예시적인 체적은 임의의 주어진 식사에서 가족이 마시는 데 필요한 충분한 양이다. 그 양을 초과하는 냉장 공간 내의 일정 체적의 냉수는 냉장고의 냉장 공간 내의 식품 저장 체적을 불필요하게 감소시킬 수 있다. 따라서, 탱크 내에 보유된 물의 체적에 대한 탱크에 의해 형성된 공간의 총 체적의 비는 냉장 공간의 체적 효율을 나타내는 기준이다.
냉장고 내의 냉수의 저장과 관련된 다른 고려사항은 냉수가 분배될 수 있는 속도이다. 분배 속도는 이용가능한 수압을 비롯한 다수의 변수에 의해 영향을 받는다. 냉장고 내로의 물 공급 라인과 냉수의 분배 지점 사이의 수압의 최소 감소를 제공하는 물 저장 탱크가 유리할 수 있다. 몇몇 경우에, 물 저장 탱크로 공급하는 물 공급 라인은 비교적 높은 압력에서 물을 제공한다. 물 공급 라인 내의 수압은 위치(예를 들어, 집, 빌딩 또는 공동시설)마다 변할 수 있다. 따라서, 물 제어 밸브(예를 들어, 압력 제한 밸브)가 비교적 일정한 압력 범위 내의 수압을 제공하기 위해 냉장 공간 내의 물 저장 탱크 및 필터의 상류의 공급 라인 내에 선택적으로 위치된다. 미국 특허 제3,834,178호(핑크(Pink))는 예시적인 물 제어 밸브 및 물 저장 탱크를 개시한다. 물 제어 밸브를 제거하는 것은 물 저장 탱크를 공급 라인의 수압 조건에 노출시킨다.
냉장고 내의 냉수의 저장과 관련된 다른 고려사항은 분배되는 주어진 체적의 물을 위한 미리설정된 최소 수온을 유지하는 것이다.
후술되는 예시적인 물 저장 탱크 조립체 내의 소용돌이 또는 나선 형상의 배플의 사용은 소비자 냉장고 내의 물의 저장과 관련된 전술한 그러한 고려사항들 중 적어도 일부를 해결한다. 예를 들어, 개시된 물 저장 탱크 조립체는 저압 조건으로부터 상대적으로 높은 수압 조건까지의 범위에 걸친 다양한 물 공급 압력 조건 하에서 작동하도록 구성된다. 또한, 물 저장 탱크 조립체의 크기는 저장 탱크의 체적에 대한 냉수의 비를 최적화하고, 그럼으로써 냉장고의 냉장 공간의 식품 저장 공간에 대한 영향을 최소화한다. 또한, 예시적인 물 저장 조립체의 소용돌이 형상의 배플은 저장 탱크로부터의 냉수의 "선입, 선출(first in, first out)" 유동을 형성하며, 이 경우 실질적으로 모든 냉수가 분배되는 물을 위한 원하는 최소 수온을 유지하면서 물 저장 탱크로부터 분배될 수 있다.
도 1 내지 도 5의 예시적인 액체 저장 탱크 조립체
예시적인 액체 저장 탱크 조립체(10)가 도 1 내지 도 5에 도시되어 있으며, 이와 관련하여 설명된다. 액체 저장 탱크 조립체(10)는 탱크 조립체(12) 및 배플 조립체(14)를 포함한다. 탱크 조립체(12)는 본체(16)와, 제1 및 제2 단부 캡(18, 20)을 포함한다. 단부 캡(18, 20)은 탱크 조립체(12)의 제1 및 제2 단부 부분(18, 20)으로 또한 지칭될 수 있다. 본체(16)는 제1 및 제2 개방 단부(22, 24), 본체(16) 내에 형성된 내부 체적(26), 외주연부 표면(28), 및 내부 표면(30)을 포함한다. 본체(16)는 그 길이를 따라 원통형 형상을 갖는다. 본체(16)는 대체로 원형 단면을 갖는 것으로 도시되어 있다. 본체(16)의 단면은 그 길이를 따라 일정하게 유지된다. 다른 구성에서, 본체(16)는, 예를 들어 타원형 또는 임의의 원하는 다각형 형상(예컨대, 6각형, 5각형, 8각형)과 같은 상이한 단면 형상을 가질 수 있다. 또한, 외주연부 표면(28)은 본체(16)의 내부 표면과 상이한 단면 형상을 가질 수 있다. (도시 안된) 일례에서, 외주연부 표면(28)은 다각형 형상(예컨대, 8각형 형상)을 갖는 반면에, 내부 표면(30)은 원형 형상을 유지한다.
제1 단부 캡(18)은 제1 액체 개구(32) 및 제1 통과 개구(34)를 포함한다. 제2 단부 캡(20)은 제2 액체 개구(36) 및 제2 통과 개구(38)를 포함한다. 도 1 내지 도 4에 예시된 제1 및 제2 단부 캡(18, 20)은 대체로 원통형 구조와 유사하게 구성된다. 단부 캡(18, 20)의 내부 표면(37)(도 2 참조)은 본체(16)의 외주연부 표면(28)과 정합하는 크기로 설정된다. 각각의 캡(18, 20)은 단부 벽(33)(도 2 참조)을 포함한다. 단부 벽(33)은 캡(18, 20)의 내부 면과 외부 면 상에서 대체로 평면인 표면을 갖는 것으로 도시되어 있다. 다른 예에서, 단부 벽(33)은, 예를 들어 중공 반구 형상과 같은 윤곽화된 형상과 같이 비-평면인 형상을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 단부 캡(18, 20)은, 예를 들어 배플 조립체(14)를 본체(16)의 내부 체적(26) 내에 위치시킨 후에 본체(16)에 고정되는 별개의 부분으로 구성될 수 있다. 몇몇 예에서, 단부 캡(18, 20)들 중 적어도 하나는, 예를 들어 주조, 사출 성형 또는 공동-성형(co-molding)을 사용하여 본체(16)와 일체로 형성된다.
내부 체적(26)의 체적은 탱크 조립체(12)의 총 길이(L) 및 외부 치수(D)(도 4 참조)에 부분적으로 좌우된다. 탱크 조립체의 측벽 두께는 비교적 얇으므로 내부 체적 계산에 대한 영향은 적을 것으로 예상된다. 일례에서, 배플 조립체(14)에 의해 점유되는 내부 체적을 고려할 때 약 0.98 내지 1.31 L (약 60 내지 80 세제곱인치)의 내부 체적을 형성하도록, 길이(L)는 약 36 내지 41 ㎝ (약 14 내지 16 인치)이고 외부 치수(D)는 약 5.1 내지 7.6 ㎝ (약 2 내지 3 인치)이다. 길이(L) 및 치수(D)는 탱크 조립체(12)에 넓은 범위의 체적을 제공하도록 상당하게 변동될 수 있다. 또한, 도 1 내지 도 4와 관련하여 도시된 대체로 원통형 형상 이외의 추가의 형상이 가능하다. 예를 들어, 구형, 반구형, 원추형, 및 다른 형상 모두가 탱크 조립체(12)에 대해 가능하다. 이들 예시적인 구조들 중 임의의 것이 액체 저장 탱크 조립체 내의 원하는 액체 유동을 제공하는 실질적으로 원형 단면을 갖는 소용돌이 형상의 배플을 수용하도록 구성될 수 있다. 하나의 추가의 예시적인 구조는 탱크의 하나 이상의 선형 구역 내에 삽입된 소용돌이형 배플을 포함하는 하이브리드 사행형(hybrid serpentine) 탱크이다.
배플 조립체(14)는 샤프트(40) 및 나선형 부재(42)를 포함한다. 샤프트(40)는 제1 및 제2 개방 단부(44, 46), 내부 체적(48), 및 외주연부 표면(50)을 포함한다. 샤프트(40)는 내부 체적(48)을 통한 제1 개방 단부와 제2 개방 단부(44, 46) 사이의 액체 유동을 가능하게 하도록 구성된다. 제1 및 제2 개방 단부(44, 46)는 각각 제1 및 제2 단부 캡(18, 20)의 제1 및 제2 통과 개구(34, 38)와 정렬된다. 도 3과 관련하여 도시된 바와 같이, 샤프트(40)의 내부 체적(48)은 액체가 나선형 부재(42)와의 접촉 없이 액체 저장 탱크 조립체(10)를 통과하는 통과 채널을 제공할 수 있다. 단부 캡(18, 20)은 샤프트(40)의 내부 체적(48)의 대안적인 용도를 제공하도록 변형될 수 있다(예를 들어, 도 5 참조).
나선형 부재(42)는 대향하는 제1 및 제2 유동 표면(52, 54) 및 외부 본체 결합 표면(56)을 포함한다. 나선형 부재(42)는 샤프트(40)의 외주연부 표면(50) 상에 위치된다. 도 1 내지 도 4와 관련하여 도시된 구성에서, 나선형 부재(42)는 샤프트(40)와 일체로 형성된다. 그러나, 다른 구성이 별도의 조립 단계에서 함께 고정되는 별개로 형성된 샤프트(40)와 나선형 부재(42)를 제공할 수 있다. 일례에서, 별개로 형성된 나선형 부재(42)가, 예를 들어 접착제, 음파 용접, 열 용접, 또는 다른 부착 방법을 사용하여 샤프트(40)에 고정될 수 있다.
나선형 부재(42)는 나선형 부재(42)의 외부 본체 결합 표면(56)을 따라 본체(16)의 내부 표면(30)에 고정될 수 있다. 일례에서, 외부 본체 결합 표면(56)은 접착제를 사용하여 내부 표면(30)에 고정된다. 다른 예에서, 표면(56, 30)은 스핀 용접 또는 열 접합에 의해 함께 고정된다. 몇몇 예에서, 표면(56, 30)은 표면(56)의 적어도 일부분을 따라 서로 이격된다. 다른 방법 및 구조가 탱크 조립체(12)에 대해 나선형 부재(42)를 유지하기 위해 사용될 수 있다.
나선형 부재(42)는 샤프트(40) 둘레로 360°로 연장하는 복수의 완전 회전 부분(60)으로 구성된다(도 2 참조). 다수의 회전 부분(60)은 연속적인 나선형 부분을 형성하도록 단부에서 단부까지(end-to-end) 위치될 수 있다. 도 1 내지 도 4와 관련하여 도시된 나선형 부재(42)는 약 12개의 완전 회전 부분(60)을 포함한다. 나선형 부재(42)는 샤프트(40)에 수직하게 연장하는 축(D)에 대해 피치각(pitch angle)(α)을 갖는다(도 3a 참조). 도 2 내지 도 5의 예에 도시된 피치각(α)은 나선형 부재(42)의 각각의 소용돌이부에 대해 샤프트(40)를 따라 일정하다. 피치각(α)은 전형적으로 약 10° 내지 약 60°, 더 바람직하게 약 15° 내지 약 40°의 범위이다. 도 1 내지 도 5의 도시된 예에서, 각도(α1)는 약 20°이다. 전형적으로, 탱크 길이가 감소함에 따라, 체적 효율을 유지하는 데 필요한 소용돌이부의 개수는 증가하고 피치각(α)은 감소한다.
제1 및 제2 유동 표면(52, 54)은 각각 축(D)에 대해 각도(각각, β1, β2)로 배열될 수 있다(도 3a 참조). 각도(β1, β2)는 전형적으로 샤프트(40)의 원주 둘레의 각각의 반경방향 위치에서 일정하다.
액체 저장 탱크 조립체(10)는 도 4에 도시된 바와 같이 소용돌이형 액체 유동 경로(A)를 형성한다. 도 4는 유동 경로(A)를 나타내기 위해 본체(16)의 일부분을 투명하게 도시한다. 유동 경로(A)는 본체(16)의 내부 표면(30), 제1 및 제2 단부 캡(18, 20), 나선형 부재(42)의 대향하는 제1 및 제2 유동 표면(52, 54), 및 샤프트(40)의 외주연부 표면(50)에 의해 형성된다. 제1 및 제2 단부 캡(각각, 18, 20)의 제1 및 제2 액체 개구(32, 36) 중 하나를 통해 본체(16)의 내부 체적(26)으로 진입하는 액체는 유동 경로(A)를 따라 본체(16)의 대향하는 단부까지 이동하는 "선단 경계(front)"를 생성한다. 내부 체적(26)이 일정 체적의 제1 액체(예를 들어, 이어서 냉장에 의해 냉각되는 일정 체적의 물)로 채워질 때, 제1 액체 개구(32) 내로의 제2 액체(예를 들어, 일정 체적의 비냉수(un-chilled water))의 유입은 기존의 일정 체적의 제1 액체를 액체 유동 경로(A)를 따라 제2 액체 개구(36) 외부로 밀어내는 경향을 갖는 선단 경계를 생성한다. 이러한 유형의 액체 유동은 제2 액체(예를 들어, 비냉수)가 제2 액체 개구(36)로부터 배출되기 전에 기존의 제1 액체(예를 들어, 냉수)의 실질적으로 전부가 제2 액체 개구(36)로부터 배출되는 "선입, 선출" 현상으로 설명될 수 있다.
유동 경로(A)를 따른 제2 액체의 "선단 경계"가 제1 액체와 제2 액체의 혼합을 최소화하는 데에 얼마나 효과적인지에 대해 영향을 줄 수 있는 몇몇 변수가 있다. 냉장고 물 저장 탱크의 응용에서, 저장 탱크로부터 냉수의 분배 동안 제1 액체와 제2 액체를 분리된 상태로 유지하는 것은 제1 액체(냉수)의 전부가 연속적인 분배 사이클 - 여기서, 제2 액체(비냉수)가 저장 탱크 내로 도입되는 중임 - 동안 분배될 때까지 분배되는 물의 원하는 냉각 온도를 유지하는 것에 도움을 줄 수 있다.
제2 유체의 "선단 경계"에서의 제1 액체와 제2 액체의 혼합에 영향을 주는 몇몇 예시적인 변수는 액체의 온도, 점도, 밀도 및 속도, "선단 경계"의 단면 형상과 크기, 및 탱크 조립체의 입구와 출구의 압력 조건을 포함한다. 이들 변수 중 적어도 일부는 액체의 레이놀즈 수(Reynolds number)에 영향을 줄 수 있다. 레이놀즈 수는 유동 경로(A)를 따르는 유동의 유형(예를 들어, 층류 또는 난류)을 나타낸다. 유동 경로(A)를 따르는 유동이 층류 구배를 형성하는지의 여부는 "선단 경계"에서 제1 액체와 제2 액체 사이에 얼마나 많은 혼합이 일어나는지에 대해 영향을 줄 수 있다. 전술한 원하는 "선입, 선출" 현상을 최적화하기 위해 변수들 중 적어도 일부의 변경이 이루어질 수 있다.
액체 저장 탱크 조립체(10) 내에 보유된 액체와 관련될 때 "냉각된(chilled)"이라는 용어는 조립체(10) 내에 보유된 "비냉각된(unchilled)" 액체의 온도 미만의 온도를 갖는 것으로서 정의될 수 있다. 일례에서, 냉각된 액체는 액체 저장 탱크 조립체(10)가 위치하고 있는 냉장 환경의 온도와 실질적으로 동일한 온도를 갖는다. 통상의 냉장 환경의 경우에 몇몇 예시적인 온도는 15℃ 미만, 예컨대 약 5℃ 내지 15℃, 더 바람직하게 약 5℃ 내지 10℃의 범위이다. 일례에서, 비냉각된 액체는 통상의 수돗물(예를 들어, 약 15℃ 내지 20℃) 내지 실온(예를 들어, 약 20℃ 내지 23℃) 범위의 온도를 갖는다.
액체 저장 탱크 조립체(10) 내에 소용돌이 또는 나선 형상의 배플 조립체(14)를 사용하는 것은 또한 몇몇 다른 물 저장 탱크 조립체 설계에 비해 증가된 체적 효율을 제공할 수 있다. 체적 효율은 저장 탱크의 액체 체적 용량에 대한 (예를 들어, 냉장고 내의) 저장 탱크 조립체에 의해 점유된 총 체적의 비이다. 액체 저장 탱크 조립체(10) 내에 소용돌이 또는 나선 형상의 배플 조립체(14)를 사용하는 것은 또한 몇몇 다른 물 저장 탱크 조립체 설계에 비해 증가된 % 체적 효율을 제공할 수 있다. % 체적 효율은 저장 탱크의 유체 체적 용량을 (예를 들어, 냉장고 내의) 저장 탱크 조립체에 의해 점유된 총 체적으로 나누고 100을 곱한 것이다. 소용돌이 또는 나선 형상의 배플 조립체(예를 들어, 액체 저장 탱크 조립체(10) 내의 배플 조립체(14))를 사용할 때 제공되는 개선된 % 체적 효율을 예시할 목적으로, 몇몇 액체 저장 탱크 구조물의 % 체적 효율을 하기와 같이 비교한다:
비교예 C1 - 코일 탱크(미국 뉴욕주 뉴욕 소재의 하이얼 아메리칸 트레이딩 , 엘엘씨( Haier American Trading , LLC )로부터 입수가능함)
유체 체적 용량: 500 ㎖ (30.5 in3)
점유된 공간의 체적: 1612.5 ㎖ (98.4 in3)
% 체적 효율: 31.0%
비교예 C2 - 사행형 탱크(미국 미시간주 벤튼 하버 소재의 메이택 코포레이션(Maytag Corp.)으로부터 입수가능함)
유체 용량: 1270 ㎖ (77.5 in3)
점유된 공간의 체적: 5440.5 ㎖ (332 in3)
% 체적 효율 : 23.3%
예 1 - 소용돌이형 배플 탱크(도 10에 도시됨)
유체 용량: 1650 ㎖ (100.7 in3)
점유된 공간의 체적: 2009 ㎖ (122.6 in3)
% 체적 효율: 82.1%
이들 3가지 예의 비교는 소용돌이형 배플 탱크의 % 체적 효율이 코일 탱크의 % 체적 효율보다 약 2배 더 효율적이고 사행형 탱크의 % 체적 효율보다 약 3배 더 효율적임을 나타낸다.
액체 저장 탱크 조립체(10)의 구조는 또한 액체 저장 탱크 조립체(10) 내에 저장된 일정 체적의 물에 대해 입구와 출구(예를 들어, 제1 및 제2 액체 개구(32, 36)) 사이의 제한된 압력 강하를 제공할 수 있다. 압력 강하를 최소화하는 것은 사용자에 대한 액체의 향상된 분배 속도를 제공한다.
이제 도 5를 참조하면, 대안적인 단부 캡 구조물(220)이 도시되어 있다. 단부 캡(220)은 샤프트(40)의 내부 체적(48)과 나선형 부재(42)를 따른 소용돌이형 액체 유동 경로(A) 사이의 액체 유동 경로를 제공한다. 도 5는 샤프트(40)의 내부 체적(48) 내에 형성된 유동 경로(B)를 따른 액체의 유동을 도시한다. 단부 캡(220)은 소용돌이형 유동 경로(A) 내로 진입하는 유동(B)을 제공하도록 구성된다. 액체는 제1 단부 캡(18)의 제1 액체 개구(32)로부터 배출될 때까지 소용돌이형 유동 경로(A)를 따라 이동한다. 도 5에 도시된 액체 저장 탱크 조립체는 액체 저장 탱크 조립체(10)의 동일한 단부 부분(즉, 단부 캡(18))에 입구(제1 통과 개구(34)) 및 출구(제1 액체 개구(32))를 위치시키는 것을 가능하게 한다. 대안적으로, 제1 액체 개구(32)가 도 5에 도시된 액체 저장 탱크 조립체(10)의 입구로서 사용될 수 있고 제1 통과 개구(34)가 출구로서 사용될 수 있다.
도 6 내지 도 8의 예시적인 액체 저장 탱크 조립체
이제 도 6 내지 도 8을 참조하면, 다른 예시적인 액체 저장 탱크 조립체(100)가 도시되고 설명된다. 액체 저장 탱크 조립체(100)는 내부에 위치된 배플 조립체(114)를 각각 포함하는 제1 및 제2 탱크 조립체(112, 113)를 포함한다. 탱크 조립체(112, 113)는 동일한 구조를 갖는 한 쌍으로서 도시되어 있다. 다른 구성에서, (도 1 내지 도 5와 관련하여 설명된 탱크 조립체(10)와 같은) 단일 탱크 조립체 또는 적어도 3개의 탱크 조립체가 주어진 액체 저장 탱크 조립체에 포함될 수 있다. 하기의 설명을 위해, 도면에서 탱크 조립체(112)의 특징부들에 도면 부호가 표시되어 있다.
탱크 조립체(112)는 제1 개방 단부(122), 내부에 형성된 내부 체적(126), 외주연부 표면(128), 및 내부 표면(130)을 갖는 본체(116)를 포함한다(도 7 및 도 8 참조). 탱크 조립체(112)는 또한 제1 및 제2 단부 캡(118, 120)을 포함한다. 제1 단부 캡(118)은 배플 조립체(114)를 내부 체적(126) 내에 위치시킨 후에 별도의 단계에서 본체(116)에 장착되는 별개의 부분으로서 구성된다. 제1 단부 캡(118)은 제1 액체 개구(132)를 형성한다.
제2 단부 캡(120)은 본체(116)와 일체로 구성된다. 제2 단부 캡(120)은 제2 액체 개구(136)를 형성한다. 제1 및 제2 단부 캡(118, 120) 각각은 대체로 반구 형상을 형성한다. 전체 탱크 조립체(112)는 반구형 단부를 갖는 긴 원통인 통상의 압력 용기와 유사하게 형상화된다. 탱크 조립체(112)는 사용되는 주어진 재료 및 재료의 두께에 대한 상당한 내부 압력 조건을 견디도록 구성된다.
배플 조립체(114)는 샤프트(140) 및 나선형 부재(142)를 포함한다. 샤프트(140)는 제1 및 제2 단부(144, 146) 및 나선형 부재(142)가 장착되는 외주연부 표면(150)을 포함한다. 나선형 부재(142)는 제1 및 제2 유동 표면(152, 154) 및 외부 본체 결합 표면(156)을 포함한다.
내부 체적(126) 내에서의 배플 조립체(114)의 축방향 위치는, 예를 들어 나선형 부재(142)와 본체(116)의 내부 표면(130) 사이의 간섭 끼워맞춤 또는 연결을 제공함으로써 유지될 수 있다. 일례에서, 외부 본체 결합 표면(156)은 내부 표면(130)에 스핀 용접된다. 다른 예에서, 접착제, 열 용접, 또는 다른 구조 또는 연결 방법이 탱크 조립체(112)에 대해 배플 조립체(114)의 위치 및 배향을 고정하는 데 사용된다. 배플 조립체(114)는 또한 샤프트(140)와 본체의 특징부 사이의 연결 또는 결합을 통해 본체(116)에 고정될 수 있다.
배플 조립체(114)는 본체(116)의 내부 체적(126) 내에 소용돌이형 액체 유동 경로(A)를 형성한다. 도 8은 제2 액체 개구(136)로부터 제1 액체 개구(132)로의 방향으로 제1 저장 탱크 조립체(112)를 통과하는 소용돌이형 액체 유동 경로(A)를 도시한다. 도 8은 제2 저장 탱크 조립체(113)를 통과하여 평행한 경로로 지향된 유동 경로(A)를 또한 도시한다. 대안적으로, 액체 유동 경로(A)는 도 9의 저장 탱크 조립체(112)에 도시된 바와 같이, 제1 액체 개구(132)와 제2 액체 개구(136) 사이에서 저장 탱크 조립체(112, 113) 중 어느 하나를 통과하여 반대 방향으로 지향될 수 있다. 제1 및 제2 단부 캡(118, 120)은, 각각 제1 및 제2 액체 개구(132, 136)에 그리고 배플 조립체(114)에 의해 형성된 액체 유동 경로(A)에 인접한 챔버(170, 172)(도 7 참조)를 형성한다. 이들 챔버는 상기 도 1 내지 도 5와 관련하여 설명된 액체 저장 탱크 조립체(10)에서는 실질적으로 제거되어 있다. 몇몇 구성에서, 배플 조립체(114)는 액체 유동 경로(A)를 액체 개구(132, 136)에 보다 근접하게 연장시키기 위해 챔버(170, 172) 내로 연장할 수 있다.
도 9는 직렬로의 액체 저장 탱크 조립체(112, 113)들의 배열을 도시하며, 이 경우에서 액체는 제1 저장 탱크 조립체(112)를 통과하여 제1 방향으로 유동하고 그 다음에 제2 저장 탱크 조립체(113) - 여기서, 유동이 반대 방향으로 일어남 - 내로 통과한다. 2개의 액체 저장 탱크 조립체가 도 6 내지 도 9에 도시되어 있지만, 다른 구성은 평행 유체 유동, 직렬 유체 유동, 또는 평행 및 직렬 유체 유동의 조합을 갖는 3개 이상의 액체 저장 탱크 조립체를 포함할 수 있다.
비교적 길고 작은 직경의 다수의 액체 저장 탱크 조립체의 사용은 냉장 저장 환경에서 소정의 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 길고 작은 직경의 저장 탱크 형상에 의해 제공되는 낮은 프로파일 형상은 사용자에게 최소한의 방해를 야기하면서 냉장 공동의 측벽, 바닥 벽 또는 상부 벽 내에 또는 그에 기대어 위치될 수 있다. 또한, 비교적 작은 직경의 구조는 몇몇 보다 큰 직경의 구조와 비교할 때 저장된 액체의 온도를 낮출 목적으로 저장된 액체에 대한 개선된 표면적 노출을 제공할 수 있다.
도 10 내지 도 12는 다른 예시적인 배플 조립체(214)를 도시한다. 배플 조립체(214)는 나선형 부재(242) 및 샤프트(240)를 포함한다. 나선형 부재(242)는 제1 및 제2 유동 표면(252, 254)을 포함한다. 나선형 부재(214)는 샤프트(240) 둘레로 360°로 완전하게 1회 회전하여 각각 연장하는 복수의 소용돌이형 부재(215)를 형성한다(도 12 참조). 나선형 부재(242)의 각각의 소용돌이형 부재(215)는 배플 샤프트(240) 둘레에서 변하는 피치각을 갖는다. 즉, 각각의 소용돌이형 부재(215)는 적어도 2개의 상이한 피치각을 포함한다. 도 10 내지 도 12의 예에서, 각각의 소용돌이형 부재(215)는 동일 피치각을 가진 동일한 형상을 갖는다. 다른 구성에서, 소용돌이형 부재들 중 적어도 일부는 상이한 피치각을 갖도록, 또는 샤프트(240) 둘레에서 상이한 배향으로 위치되는 유사한 피치각을 갖도록 상이하게 구성될 수 있다.
소용돌이형 부재(215)의 피치는 샤프트(240)의 축(E)에 실질적으로 평행한 것으로부터 수직 축(D)과 실질적으로 평행한 것까지 변할 수 있다(도 11 참조). 도 10 내지 도 12에 도시된 소용돌이형 부재(215)는, 평면형이고 수직 축(D)과 평행하게 배열된 제1 부분(260), 및 수직 축(D)에 대해 소정 각도로 배열된 제2 부분(262)을 포함한다. 제1 부분(260)은 샤프트(240) 둘레로 (도 12에서 약 180°로 도시된) 반경방향 각도(X)로 연장하고, 제2 부분(262)은 샤프트(240) 둘레로 (역시 도 12에서 약 180°로 도시된) 반경방향 각도(Y)로 연장한다. 제1 부분(260)의 피치각(λ)은 0°로서 한정된다. 제2 부분(262)의 피치각(λ)은 0° 초과이다. 따라서, 소용돌이형 부재(215)는 적어도 2개의 상이한 피치각을 포함하며, 이는 또한 주어진 소용돌이형 부재에 대한 가변 피치로서 한정될 수 있다. 제1 및 제2 부분(260, 262) 각각에 대한 피치각(λ)은 변할 수 있으며, 바람직하게는 서로 동일하지 않고 반경방향 각도(X, Y) 둘레로 일정하지 않다. 또한, 각각의 소용돌이형 부재(215)는 상이한 피치각(λ)을 각각 포함하는 2개 초과의 부분을 포함할 수 있다.
제2 부분(262)은 반경방향 각도(Y) 둘레로 적어도 2개의 상이한 피치각(λ)을 포함한다. 제2 부분(262)의 피치각(λ)은 약 0° 내지 약 45°의 범위로 도시되어 있다. 다른 예에서, 제1 또는 제2 부분(260, 262) 중 어느 하나의 피치각(λ)은 0° 내지 90°, 더 바람직하게 약 0° 내지 60°의 범위로 변할 수 있다. 전형적으로, 탱크 길이가 감소함에 따라, 체적 효율을 유지하는 데 필요한 소용돌이부의 개수는 증가하고 평균 가변 피치는 감소한다.
본 명세서에 설명된 액체 저장 탱크 조립체는 특정한 원하는 유동 결과를 달성하기 위해, 배플 조립체의 길이에 걸쳐 일정 피치의 나선형 부재, 배플 조립체의 길이에 걸쳐 가변 피치의 나선형 부재, 나선형 부재의 가변 피치의 소용돌이형 부재, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
본 명세서에 설명된 예시적인 액체 저장 탱크 조립체(10, 100)는 원하는 물리적 특성 또는 원하는 성능 특징에 따라 다양한 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 본체(16, 116)는 내부 체적(26, 126) 내에 보유되는 일정 체적의 액체에 개선된 열전달을 제공하는 금속 재료(예를 들어, 철 또는 비철(황동, 청동, 알루미늄))를 포함할 수 있다. 본체(16, 116)는 제조성을 개선하는 중합체 재료를 대안적으로 포함할 수 있고 비용을 절감할 수 있다. 몇몇 예시적인 중합체 재료는 폴리프로필렌, 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌 및 폴리카르보네이트를 포함한다.
탱크 조립체(12, 112) 및 배플 조립체(14, 114)의 전부 또는 일부를 위해 중합체 재료를 사용하는 것은 액체 저장 탱크 조립체(10, 100)에 대한 다양한 제조 가능성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 액체 저장 탱크 조립체(10)는 중합체 재료로부터 별개의 반부들(예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 종축을 통과하여 연장하는 평면을 따라 취한 반부들)로서 성형될 수 있다. 그러한 2개의 반부는 이어서, 예를 들어 접착제 또는 용매를 사용하여 함께 고정되어 완성된 액체 저장 탱크 조립체(10, 100)를 제공할 수 있다. 탱크 조립체 및 배플 조립체의 임의의 개별 부분이 유사한 기술을 사용하여 구성될 수 있다.
액체 저장 탱크 조립체(10, 100)는 그들이 사용되는 응용에 통상적인 압력을 견디도록 구성된다. 일 실시예를 위한 냉수 저장 탱크의 응용에서, 액체 공급 압력은 전형적으로 약 69 내지 약 1034 ㎪ (약 10 내지 약 150 psi)의 범위이고, 다른 실시예에서는 약 103 내지 약 827 ㎪ (약 15 내지 약 120 psi)의 범위이다. 다른 응용에서, 압력 조건은 실질적으로 더 낮거나 실질적으로 더 높을 수 있다. 액체 저장 탱크 조립체는 압력으로 인한 고장 가능성을 최소화하는 안전 계수를 제공하기 위해 예상되는 압력 조건보다 몇 배 더 높은 압력(예를 들어, 적어도 2758 ㎪ (400 psi))을 견디도록 구성될 수 있다.
결론
본 발명의 일 태양은 냉장 환경에 사용하도록 구성되는 액체 저장 탱크 조립체에 관한 것이다. 조립체는 탱크 조립체 및 배플 부재를 포함한다. 탱크 조립체는 입구 및 출구를 포함하며, 밀폐된 내부 체적을 형성한다. 배플 부재는 밀폐된 내부 체적 내에 위치된다. 배플 부재는 밀폐된 내부 체적 내에 나선형 경로를 형성하는 나선형 구조를 갖는다. 입구로 진입하는 액체의 유동은 배플 부재에 의해 나선형 경로를 따라 출구를 향해 지향된다.
본 발명의 다른 태양은 물 저장 조립체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 물 저장 조립체는 냉장고와 같은 냉장 환경에서 사용하도록 구성된다. 물 저장 조립체는 탱크 조립체 및 배플 부재를 포함한다. 탱크 조립체는 입구 및 출구를 갖고, 배플 부재는 나선형 구조를 갖는다. 방법은 배플 부재를 탱크 조립체에 의해 형성되는 내부 체적 내로 삽입하는 단계, 및 배플 부재를 내부 체적 내에서 밀폐하도록 탱크 조립체를 밀봉 폐쇄하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가의 태양은 물 저장 조립체를 사용하여 냉수를 분배하는 방법에 관한 것이다. 물 저장 조립체는 탱크 조립체 및 배플 부재를 포함한다. 탱크 조립체는 출구 및 입구를 갖고, 내부 체적을 형성한다. 배플 부재는 나선 형상의 부분을 갖고, 나선형 유동 경로를 형성하도록 탱크 조립체의 내부 체적 내에 위치된다. 방법은 일정 체적의 냉수를 탱크 조립체의 내부 체적 내에 저장하는 단계, 및 일정 체적의 비냉수를 입구를 통해 내부 체적 내로 전진시키는 단계를 포함한다. 일정 체적의 비냉수는 나선형 경로를 따라 전진되고, 나선형 유동 경로를 따른 일정 체적의 비냉수의 전진은 일정 체적의 냉수를 나선형 경로를 따라 출구 외부로 밀어낸다.
본 명세서에서 논의된 예는 액체 저장 탱크와 액체의 저장 및 분배에 초점을 맞추고 있다. 유체(예를 들어, 기체, 액체 또는 액체/기체 혼합물) 또는 유체와 고체의 혼합물과 함께 이들 예를 사용하는 것은 유사한 이점 및 기능을 제공할 것으로 기대된다.
상기 상세한 설명에서, 다양한 특징부들이 본 개시 내용을 능률화할 목적으로 때로는 단일 실시예에 함께 그룹화된다. 이러한 개시 내용의 방법은 청구 대상의 청구된 실시예가 각각의 청구항에 명확히 기술된 것보다 더 많은 특징부를 요구할 의도를 반영하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 오히려, 하기의 특허청구범위가 반영하는 바와 같이, 본 발명의 청구 대상은 개시된 단일 실시예의 모든 특징부보다 더 적은 것에 있다. 따라서, 하기의 특허청구범위는 이에 의하여 상세한 설명에 포함되며, 각각의 청구항은 독립된 바람직한 실시예로서 자립한다. 따라서, 첨부된 특허청구범위의 분야 및 범주는 본 명세서에 포함된 바람직한 형태의 기재로 제한되어서는 안 된다.

Claims (20)

  1. 냉장 환경에서 사용하도록 구성되는 액체 저장 탱크 조립체로서,
    밀폐된 내부 체적을 형성하며, 입구 및 출구를 갖는 탱크 조립체; 및
    밀폐된 내부 체적 내에 위치되며, 밀폐된 내부 체적 내에 나선형 경로를 형성하는 나선형 구조를 갖는 배플(baffle) 부재를 포함하며,
    입구로 진입하는 액체의 유동은 배플 부재에 의해 나선형 경로를 따라 출구를 향해 지향되는 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 배플 부재는 샤프트 및 샤프트 상에 위치되는 나선형 부재를 포함하며, 나선형 부재는 샤프트 둘레로 적어도 1회 회전하여 연장하는 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 나선형 부재는 일정 피치각(pitch angle)을 포함하는 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 나선형 부재는 가변 피치각을 포함하는 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 탱크 조립체는 대향하는 제1 단부 부분과 제2 단부 부분을 포함하며, 폐쇄된 제1 단부 부분과 폐쇄된 제2 단부 부분 중 적어도 하나는 둥근 형상을 포함하는 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 제1 단부 부분은 입구 및 출구를 형성하는 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 제1 단부 부분은 입구를 형성하며, 제2 단부 부분은 출구를 형성하는 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 제1 단부 부분과 제2 단부 부분 중 하나는 탱크와 일체로 형성되며, 제1 단부 부분과 제2 단부 부분 중 다른 하나는 탱크 조립체에 별도로 고정되는 별개의 부분으로서 제공되는 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 탱크 조립체는 중합체 재료를 포함하는 조립체.
  10. 제1항에 있어서, 탱크 조립체는 약 0.19 L (0.05 갤런) 내지 약 3.79 L (1 갤런) 범위의 액체 용량을 갖는 조립체.
  11. 제2항에 있어서, 나선형 부재는 샤프트 둘레로 적어도 5회 회전하여 연장하는 조립체.
  12. 제1항에 있어서, 탱크 조립체는 원통형 구조를 갖는 조립체.
  13. 제2항에 있어서, 샤프트는 나선형 경로와 유체 연통하는 중공 코어(hollow core)를 포함하는 조립체.
  14. 물 저장 조립체를 제조하는 방법으로서,
    물 저장 조립체는 냉장고 내에서 사용하도록 구성되며, 물 저장 조립체는 탱크 조립체 및 배플 부재를 포함하고, 탱크 조립체는 입구 및 출구를 가지며, 배플 부재는 나선형 구조를 갖고,
    상기 방법은,
    배플 부재를 탱크에 의해 형성되는 내부 체적 내로 삽입하는 단계; 및
    배플 부재를 내부 체적 내에서 밀폐하도록 탱크를 밀봉 폐쇄하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 탱크를 밀봉 폐쇄하는 단계는 탱크 상에 단부 캡을 위치시키는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 물 용기를 밀봉 폐쇄하기 전에 배플 부재를 물 용기에 고정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  17. 물 저장 조립체를 사용하여 냉수를 분배하는 방법으로서,
    물 저장 조립체는 탱크 조립체 및 배플 부재를 포함하며, 탱크 조립체는 출구 및 입구를 갖고 내부 체적을 형성하며, 배플 부재는 나선 형상의 부분을 포함하고, 배플 부재는 나선형 유동 경로를 형성하도록 탱크의 내부 체적 내에 위치되며,
    상기 방법은,
    일정 체적의 냉수를 탱크의 내부 체적 내에 저장하는 단계; 및
    일정 체적의 비냉수를 입구를 통해 내부 체적 내로 전진시키는 단계를 포함하며,
    일정 체적의 비냉수는 나선형 경로를 따라 전진되고, 나선형 유동 경로를 따른 일정 체적의 비냉수의 전진은 일정 체적의 냉수를 나선형 경로를 따라 출구 외부로 밀어내는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 일정 체적의 비냉수를 전진시키는 단계는 냉수와 비냉수의 혼합을 최소화하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 일정 체적의 비냉수를 전진시키는 단계는 약 69 ㎪ (10 psi) 내지 약 1034 ㎪ (150 psi)의 압력 조건에서 일정 체적의 비냉수를 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제17항에 있어서, 일정 체적의 냉수를 저장하는 단계는 약 0.19 L (0.05 갤런) 내지 약 3.79 L (1.0 갤런)의 체적의 물을 저장하는 단계를 포함하는 방법.
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