KR20110048303A - 볼텍스를 이용한 에어 냉각 건조 장치 및 이를 이용하는 시스템 - Google Patents

볼텍스를 이용한 에어 냉각 건조 장치 및 이를 이용하는 시스템 Download PDF

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Abstract

볼텍스를 이용하는 에어 냉각 건조 장치가 제공된다. 상기 에어 냉각 건조 장치는 외부로부터 유입되는 고온 다습한 에어를 선회시켜 가속하여 상기 에어로부터 수분을 제거하여 건조시키는 하부 챔버 및 상기 에어가 배출되는 상부 챔버를 포함한다. 상기 상, 하부 챔버를 연통시키며, 냉각관에 의해 둘러싸인 관을 구비하며, 상기 건조된 에어가 상기 상부 챔버로 흘러가는 동안에 상기 건조된 에어를 냉각시키는 에바 튜브가 제공된다. 상기 하부 챔버 내의 상기 에바 튜브의 둘레에 배치되어 상기 상부 챔버까지 연장되며, 상기 에어와 열교환하여 상기 에어를 냉각시키는 다수의 히트 파이프가 구비된다. 상기 에바 튜브를 통과하여 상기 상부 챔버로 유입된 상기 냉각 에어는 상기 히트 파이프를 냉각시키고 배출된다.

Description

볼텍스를 이용한 에어 냉각 건조 장치 및 이를 이용하는 시스템 {APPARATUS OF COOLING AND DRYING AN AIR USING VORTEX AND SYSTEM UTILIZING THE SAME}
본 발명은 에어 냉각 건조 장치 및 이를 이용하는 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 볼텍스를 이용한 에어 냉각 건조 장치 및 이를 이용하는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 에어 조화 시스템은 각종 에어 조화를 수행하는 구동기기를 유기적으로 조합하여 작동하도록 구성하게 되며, 압력원, 냉각기, 건조기, 청정화 장치, 제어밸브 및 기타 부속기기 등으로 구성된다. 여기서 구동기기는 압축된 에어 에너지를 기계적인 직선 운동 에너지 또는 회전 에너지 등으로 변환하는 기기를 말한다.
에어 조화 시스템의 응용 분야로는 의료, 계측/제어기기, 파우더 코팅분야, 일반 공압용, 샌드 브라스팅 분야 등을 들 수 있다. 이에 따라, 본 발명이 응용될 수 있는 일반 공압용 분야의 기술은 앞으로 애플리케이션의 다양한 응용을 가져올 전망이다. 더욱이, 이러한 에어 조화 시스템에 적용되는 에어 냉각기 및 건조기의 활용 분야는 광범위하여 공작기계, 공압 및 에어실린더, 일반자동화공정, 일반도장, 정밀도장, 계측설비, 섬유산업, 원료이송, 분체도장, 정밀부품건조라인, 반도체전자부품, 의약품 공업, 초정밀공업, 화학공업, 의료 목적부터 광학용, 식품 유가공산업 등등 우리 주변 생활에 적용하기 위해 많은 연구가 진행되고 있으므로, 본 발명의 다양하게 활용될 것으로 기대할 수 있다.
상기 에어 조화 시스템은 일반적으로 다음과 같은 과정을 거친다. 에어 압력원인 압축기에서 발생된 압축 에어는 단열압축에 의해 온도가 150~250℃까지 상승하고 탱크로 공급된다. 여기서 에어는 공기일 수 있다. 탱크로 유입된 공기는 냉각기에서 냉각되고, 이후 건조기를 통과하여 수분이 제거된 상태로 배출된다. 이어서, 수분이 제거된 공기는 청정화장치인 필터를 거치면서, 이물질과 잔류 수분이 분리 및 제거된다. 이물질 등이 제거된 공기는 압력 제어 밸브에서 감압된 후에 이러한 공기를 필요로 하는 구동기기에 제공된다.
앞서 언급한 냉각기는 냉매가 흐르는 냉매관에 둘러싸이는 관을 구비하며, 고온의 공기는 상기 관을 통과하여 상기 냉매관과 열교환하여 냉각된다. 이러한 냉각기로는 에프터 쿨러를 들 수 있으나, 이 장치는 고가이면서 복잡한 구성을 가짐과 아울러서 냉매를 냉각하는 냉각 수단을 별도로 설치할 수 없는 관계로, 협소한 장소에 설치하기에 적합하지 않은 측면이 있다.
아울러, 건조기는 건조 방식에 따라 흡착식 및 흡수식으로 구분된다. 흡착식은 공기를 압축하는 과정에 외기에 포화된 수증기가 압축기를 통하여 흡입되어 압 축된 후 이 압축공기를 냉각기로 냉각하여 응축되는 수분을 1차로 제거하고, 응축되지 않은 포화수증기를 함유한 습공기의 습기를 흡착제(실리카젤, 알루미나젤, 합성 제오라이트 등)의 흡착에 의해 제거하는 방식이다. 이 방식은 건조제를 계속 제공하기 위하여 건조제의 소모시기를 파악하여야 하는 등의 문제점이 따르는 문제가 있었다. 흡수식은 흡습액(염회리튬 수용액, 토리에칠렌 그리콜등)을 이용하여 수분을 흡수하는 방식이다. 흡수식 역시 흡습액의 잦은 교체를 수반하는 등의 불편함이 존재하였다.
이에 따라, 냉각기 및 건조기에 있어서, 상술한 문제점들을 해결하기 위한 다양한 시도가 있을 뿐만 아니라, 이들 기능을 하나의 장치에 구현하기 위한 연구들이 진행되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 냉각 및 건조 기능을 동시에 수행함과 아울러서 우수한 냉각 및 건조 효율을 갖는데 기여하는 에어 냉각 건조 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 냉각 및 건조 기능을 동시에 수행함과 아울러서 우수한 냉각 및 건조 효율을 갖는데 기여하는 에어 냉각 건조 장치를 구비하는 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않 은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 에어 냉각 건조 장치는 외부로부터 유입되는 고온 다습한 에어를 선회시켜 가속하여 상기 에어로부터 수분을 제거하여 건조시키는 하부 챔버 및 상기 에어가 배출되는 상부 챔버를 포함한다. 상기 상, 하부 챔버를 연통시키며, 냉각관에 의해 둘러싸인 관을 구비하며, 상기 건조된 에어가 상기 상부 챔버로 흘러가는 동안에 상기 건조된 에어를 냉각시키는 에바 튜브가 제공된다. 상기 하부 챔버 내의 상기 에바 튜브의 둘레에 배치되어 상기 상부 챔버까지 연장되며, 상기 에어와 열교환하여 상기 에어를 냉각시키는 다수의 히트 파이프가 구비된다. 상기 에바 튜브를 통과하여 상기 상부 챔버로 유입된 상기 냉각 에어는 상기 히트 파이프를 냉각시키고 배출된다.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 히트 파이프들 사이에 배치되어 상기 히트 파이프들을 구획하며, 상기 히트 파이프의 각각에서 상기 에어가 볼텍스 흐름을 발생시키는 다수의 볼텍스 발생부가 제공될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 히트 파이프는 외측 히트 파이프이되,상기 하부 챔버 내의 상기 에바 튜브와 상기 외측 히트 파이프 사이에 상기 상부 챔버까지 연장되는 다수의 내측 히트 파이프가 위치될 수 있다. 상기 하부 챔버 내에서 위치되어 상기 외측 히트 파이프와 상기 내측 히트 파이프 사이에 배치되며, 상기 에어가 상기 외측 히트 파이프의 하부에서 상부로 흐르고, 상기 상부로 흐른 에어가 상기 내측 히트 파이프의 상부에서 하부로 향하도록 상기 에어의 흐름 경로를 형성하는 외 측 격벽이 제공될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 냉각관은 CFC 냉매를 포함하고, 상기 CFC 냉매를 냉각시키는 냉매 냉각기 및 상기 상, 하부 챔버를 수용하는 케이스가 제공될 수 있다. 상기 냉매 냉각기는 상기 케이스 내에 포함되거나 상기 케이스와 이격되어 설치될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 에바 튜브를 통과한 상기 냉각 에어를 냉기와 열기로 분류하여 배출시키며, 상기 냉기를 상기 냉각관에 공급하는 볼텍스 튜브가 배치될 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 시스템은 압축기, 상기 압축기로부터 압축되는 에어를 저장하는 탱크 및 상기 탱크로부터 유입되는 에어를 냉각 및 건조시키는 에어 냉각 건조 장치를 포함한다. 상기 에어 냉각 건조 장치는 외부로부터 유입되는 고온 다습한 에어를 선회시켜 가속하여 상기 에어로부터 수분을 제거하여 건조시키는 하부 챔버 및 상기 에어가 배출되는 상부 챔버를 포함한다. 상기 상, 하부 챔버를 연통시키며, 냉각관에 의해 둘러싸인 관을 구비하며, 상기 건조된 에어가 상기 상부 챔버로 흘러가는 동안에 상기 건조된 에어를 냉각시키는 에바 튜브가 제공된다. 상기 하부 챔버 내의 상기 에바 튜브의 둘레에 배치되어 상기 상부 챔버까지 연장되며, 상기 에어와 열교환하여 상기 에어를 냉각시키는 다수의 히트 파이프가 구비된다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 에어 냉각 건조 장치는 에어를 선회시켜 가속시키는 챔버 및 하부 챔버 내부에 설치되는 다수의 히트 파이프들을 구비한다. 고온 다습한 에어가 다수의 히트 파이프들과 접촉하여 열교환함으로써 냉각됨과 동시에 코안다(Coanda effect) 현상을 이용하여 상기 에어가 챔버 내에서 회전하면서 가속됨에 따라 에어 내의 수분을 제거된다. 아울러, 다수의 히트 파이프들 주위에서 에어의 흐름을 볼텍스로 형성시켜, 히트 파이프들과 유효 접촉을 증가시킬 수 있으므로 냉각 효율이 증대될 수 있다. 또한, 상기 에어가 냉각됨에 따라 에어가 건조됨으로써 건조 효율 역시 향상될 수 있다.
이에 더하여, 에어 냉각 건조 장치는 다수의 히트 파이프들에 의해 둘러싸이며, 외측에 냉각관이 나선형으로 형성된 에바 튜브를 구비할 수 있다. 여기서 냉각관은 볼렉스 튜브와 연결될 수 있으며, 볼렉스 튜브는 에바 튜브로부터 제공되는 냉각 건조 공기를 냉기와 열기로 분류하여 배출하여, 냉기를 냉각관에 공급시킬 수 있다. 이에 따라, 냉각관의 냉매로서 CFC가 사용되지 않을 수 있으므로, 환경 오염의 문제를 해결할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 냉각 건조 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 냉각 건조 장치에 관한 개략도이고, 도 2는 도 1의 A-B선을 따라 절단된 개략 단면도이다.
도 1을 참조하면, 에어 냉각 건조 장치(100)는 외부의 압축기 또는 에어를 저장하는 탱크로부터 챔버 유입구(106)를 통해 유입되는 고압, 고온, 다습한 에어를 건조함과 아울러서 냉각시켜 배출구(124)를 통해 외부 장치로 배출한다. 여기서 에어는 외부 장치에 사용되는 다양한 기체일 수 있으며, 본 설명에서는 설명의 편의상 공기를 예로 들어 설명한다. 공기의 경우에, 압축기로부터 단열 압축되어 약 150~250℃의 온도일 수 있다.
에어 냉각 건조 장치(100)는 외부로부터 유입되는 고온 다습한 에어로부터 수분 등을 제거하여 건조시키는 하부 챔버(102), 에어가 배출되는 상부 챔버(104) 및 상, 하부 챔버(102, 104)를 수용하는 케이스(미도시)를 포함한다. 이 경우에, 하부 챔버(102)의 상부는 원통형으로 형성되고, 하부 챔버(102)의 하부는 공기의 선회속도가 증가하도록 원추형으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 고온 다습의 공기는 하부 챔버(102)의 내부 측벽을 따라 회전함과 아울러서 가속되므로, 원심력과 코안다 현상(Coanda effect)에 의해 상기 공기 내의 수분 및 불순물이 상기 공기로부터 분리되어 드레인(120)을 통해 배출된다.
에어 냉각 건조 장치(100)는 상, 하부 챔버(102)를 연통시키며, 나선형의 냉각관(122)에 둘러싸인 에바 튜브(118)를 포함한다. 냉각관(122)은 냉매를 포함할 수 있으며, 예컨대 CFC 가스 또는 FCFC 가스일 수 있다. 이러한 냉각관(122)은 냉매 냉각기(128)와 연결되며, 냉매 냉각기(128)는 후술하는 에바 튜브(118) 내에서 수행되는 공기의 냉각 과정에서 발생하는 열교환으로 인해 온도가 상승된 CFC를 냉각시켜 냉각관(122)으로 순환시킬 수 있다. 이러한 냉매 냉각기(128)는 케이스 내에 일체로 포함되거나 케이스와 분리되어 설치될 수 있다. 이에 따라, 설치 장소가 협소한 경우, 예를 들어 각종 선박의 기관실 및 산업 설비의 기계실 등에 설치되는 경우에 냉매 냉각기(128)만 따로 설치가능하다. 아울러, 분리설치된 냉매 냉각기(128)에서 나오는 고온의 공기는 필요한 공간에 난방으로 사용가능하다.
한편, 에어 냉각 건조 장치(100)는 하부 챔버(102) 내의 에바 튜브(118)의 둘레에 배치되는 다수의 외측 히트 파이프(110)를 포함한다. 외측 히트 파이프(110)는 에바 튜브(118)의 외주연을 따라 균등 간격으로 배치되며, 하부 챔 버(102)에서부터 상부 챔버(104)로 연장된다. 외측 히트 파이프(110)는 열전달율이 우수한 액체 등으로 채워질 수 있다. 외측 히트 파이프(110)는 하부 챔버(102)내의 공기와 접촉하면서 열교환한다. 이 경우에, 공기가 하부 챔버(102)의 내벽을 따라 큰 볼텍스의 형태로 흐름으로써 외측 히트 파이프(110)를 통한 열교환은 효율적으로 이루어질 수 있다. 이에 의해, 상술한 하부 챔버(102)에서 발생하는 공기의 선회 뿐만 아니라, 외측 히트 파이프(110)를 통해서도 공기가 냉각되어 공기 내의 수분 등이 분리될 수 있다.
아울러, 하부 챔버(102) 내에 외측 히트 파이프들(110) 사이에 배치되어 외측 히트 파이프들(110)을 구획하는 볼텍스 유도 날개들(108)이 배치될 수 있다. 볼텍스 유도 날개(108)는 하부 챔버(102)의 내벽과 이격되고, 내벽을 향하는 벽들로 구성될 수 있다. 이에 의해, 공기는 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 챔버(102)의 내측벽을 따라 회전하면서도 볼텍스 유도 날개들(108) 사이의 영역에서는 국지적인 볼텍스 흐름을 가짐으로써, 공기와 외측 히트 파이프(110) 사이의 유효 접촉을 증가시키는데 기여한다.
이에 더하여, 에어 냉각 건조 장치(100)는 하부 챔버(102) 내에서 에바 튜브(118)와 외측 히트 파이프(110) 사이에 위치되며, 상부 챔버(104)까지 연장되는 다수의 내측 히트 파이프(114), 하부 챔버(102) 내에서 위치되어 외측 히트 파이프(110)와 내측 히트 파이프(114) 사이에 배치되는 외측 격벽(112)을 구비할 수 있다. 내측 히트 파이프(114)는 상술한 외측 히트 파이프(110)와 구조 및 기능 측면에서 실질적으로 동일하다. 외측 격벽(112)은 도 1에 도시된 바와 같이, 공기의 흐 름 경로를 외측 히트 파이프(110)의 하부에서 그 상부로 이동시킨 다음에, 내측 히트 파이프(114)의 상부에서 하부로 흐르도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 공기가 외측 히트 파이프(110)와 내측 히트 파이프(114)와 충분히 접촉하도록 하여 효율적인 열교환이 이루어진다.
또한, 하부 챔버(102) 내에서 에바 튜브(118)와 내측 히트 파이프(114) 사이에 배치되는 내측 격벽(116)이 위치될 수 있다. 내측 격벽(116)은 도 2에 도시된 바와 같이, 에바 튜브(118)의 주위에서 볼텍스를 유도시키도록 상단에 다수의 유입구(117)를 가지며, 유입구(117)는 에바 튜브(118)를 둘러싸는 원주의 방향을 따라 균등한 간격으로 배치되고, 원주의 소정 부분과 실질적으로 수평되게 공기가 흐르도록 형성될 수 있다. 참고로 도 2에서는 외측 격벽과 내측 히트 파이프가 생략되어 도시되어 있다. 이에 따라, 내측 히트 파이프(114)의 상부와 접촉한 공기는 에바 튜브(118)를 중심으로 회전 흐름을 형성하여 코안다 현상 및 원심력에 의해 냉각됨과 아울러서 건조될 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 냉각 건조 장치의 동작 과정을 설명하기로 한다.
압축기 등에서 유입되는 고온 다습의 공기가 하부 챔버(102)의 챔버 유입구(106)를 통해 유입되어 하부 챔버(102) 내에서 큰 회전 흐름을 형성한다. 이에 따라, 공기는 코안다 현상 및 원심력에 의해 1차적으로 냉각 및 건조됨과 아울러서, 공기 내의 수분 및 폐윤활유 등과 같은 불순물이 분리되어 드레인(120)을 통해 배출된다.
이어서, 1차적으로 냉각 및 건조된 공기는 외측 히트 파이프(110)와 접촉을 통해 열교환되면서 2차적으로 냉각된다. 이 경우에, 외측 히트 파이프들(110)을 구획하는 볼텍스 유도 날개들(108)에 의해 공기는 도 2에 도시된 바와 같이, 외측 히트 파이프(110)의 부근에서 국지적으로 볼텍스를 형성하여 외측 히트 파이프(110)와 접촉된다. 외측 히트 파이프(110)와 열교환된 공기는 외측 격벽(112)을 따라 내측 히트 파이프(114)의 상부로 유도되어 열교환됨으로써 3차적으로 냉각된다. 상술한 2차 및 3차 냉각을 통해서도 공기 내의 수분은 분리될 수 있다.
내측 히트 파이프(114)와 열교환된 공기는 내측 격벽(116)의 유입구(117)를 따라 에바 튜브(118)의 상단으로 유도된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 유입구(117)를 통해 들어온 공기는 에바 튜브(118)를 중심으로 회전 흐름을 형성하여 코안다 현상 및 원심력에 의해 4차적으로 냉각되면서 잔류 수분이 더 제거될 수 있다.
내측 격벽(116)에 의해 에바 튜브(118)의 하단으로 안내되는 공기는 에바 튜브(118) 내로 유입되어 상부 챔버(104)로 이동된다. 공기가 상부 챔버(104)로 이동되면서 냉각관(122)을 통해 노점(dew point) 환경이 만들어진다. 이를 통해, 공기 내의 습기는 이슬점에서 물방울로 변화되어 중력에 의해 에바 튜브(118)를 따라 흘러 내려간다. 한편, 에바 튜브(118)를 통과하여 냉각, 건조된 공기는 상부 챔버(104) 내에서 다시 볼텍스가 형성되어 상부 챔버(104)로 연장된 내측 히트 파이프(114) 및 외측 히트 파이프(110)의 액체를 냉각시킬 수 있다. 즉, 냉각된 액체는 내측 히트 파이프(114) 및 외측 히트 파이프(110)의 하부에서 열교환에 의해 고온 이 된 유체와 순환할 수 있다. 아울러, 상부 챔버(104)로 유입된 공기는 내측 히트 파이프(114)와 외측 히트 파이프(110)와 열교환에 의해 온도가 약간 상승한 건조 공기를 외부 장치에 제공할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어 냉각 건조 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어 냉각 건조 장치에 관한 개략도이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어 냉각 건조 장치에 적용되는 볼텍스 튜브의 개략 단면도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어 냉각 건조 장치에 적용되는 벤츄리 노즐의 개략 단면도이다.
본 실시예는 도 1 및 도 2의 실시예에서 언급된 에어 냉각 건조 장치의 냉각관과 연결되어 냉각 가스(또는 액체)를 제공하는 볼텍스 튜브와 볼텍스 튜브와 연결되는 벤츄리 노즐을 제외하고 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 부분을 위주로 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 에어 냉각 건조 장치(100a)는 도 1의 실시예에서와 같이, 외부로부터 유입되는 고온 다습한 에어를 선회시켜 가속하여 상기 에어로부터 수분을 제거하여 건조시키는 하부 챔버(102), 에어가 배출되는 상부 챔버(104), 상, 하부 챔버(102, 104)를 연통시키며, 냉각관(122)에 의해 둘러싸인 관을 구비하며, 에어가 상부 챔버(104)로 흘러가는 동안에 에어를 냉각시키는 에바 튜브(118) 및 하부 챔버(102) 내의 에바 튜브(118)의 둘레에 배치되어 상부 챔버(104)까지 연장 되는 다수의 외측 히트 파이프(110)를 포함한다. 또한, 에어 냉각 건조 장치(100a)는 외측 히트 파이프들(110) 사이에 배치되어 외측 히트 파이프(110)의 각각에서 에어가 볼텍스 흐름을 발생시키는 다수의 볼텍스 유도 날개(108)를 포함할 수 있다.
이에 더하여, 하부 챔버(102) 내의 에바 튜브(118)와 외측 히트 파이프(110) 사이에 위치되며, 상부 챔버(104)까지 연장되는 다수의 내측 히트 파이프(114) 및 외측 히트 파이프(110)와 내측 히트 파이프(114) 사이에 배치되는 외측 격벽(112)이 위치될 수 있다. 아울러, 하부 챔버(102) 에서 에바 튜브(118)와 내측 히트 파이프(114) 사이에 배치되며, 에바 튜브(118)의 주위에서 볼텍스를 유도시키도록 상단에 다수의 유입구(117)를 갖는 내측 격벽(116)이 설치될 수 있다.
한편, 냉각관(122)은 볼텍스 튜브(130)와 연결된 공급관(142)로부터 냉각 가스를 제공받을 수 있다. 볼텍스 튜브(130)는 에바 튜브(118)를 통과한 냉각 에어를 냉기와 열기로 분류시켜 냉기를 냉기 배기관(144)을 통해 냉각관(122)으로 공급시키고, 열기를 벤츄리 노즐(150)로 분사시킬 수 있다. 볼텍스 튜브(130)는 다음과 같은 과정으로 동작할 수 있다.
도 4를 참조하면, 에바 튜브(118)를 통과한 냉각 공기가 볼텍스 튜브 입구(132)로 공급되면, 이 압축공기는 튜브형의 볼텍스 회전실(134) 내로 투입되어 일차로 수백만 RPM으로 초고속 회전을 하게 된다. 이 회전하는 공기(이하, 1차 볼텍스라 칭함)는 열기 출구(136)를 통해 일부 배출되고, 나머지 공기가 조절밸브(139)에 의해 회송되어 1차 볼텍스 안쪽에서 2차 볼텍스를 형성하면서 반대쪽의 냉기 출구(138)를 통해 빠져 나가게 된다. 즉, 볼텍스 튜브(130)의 내부 공간에서는 바깥쪽과 안쪽에서 종방향을 따라 서로 반대방향으로 진행하는 별개의 볼텍스가 형성되어지는 것이다.
이때, 상기 2차 볼텍스 흐름은 1차 볼텍스 흐름 안쪽에 있는 보다 낮은 압력의 영역을 통과하면서 열량을 잃고 냉기 출구(138)쪽으로 향하게 된다. 여기서, 상기와 같이 회전하는 두 개의 공기 흐름은 동일 방향 및 동일 각속도로 회전하는데, 안쪽 흐름(2차 볼텍스)의 공기 입자가 바깥쪽 흐름(1차 볼텍스)의 공기 입자와 1회전하는 시간이 동일(동일 각속도)하므로, 실제 운동속도는 안쪽 흐름이 바깥쪽 흐름보다 낮다. 이러한 운동속도의 차이는 운동에너지가 줄었음을 의미하며, 이 상실된 운동에너지는 열로 변환되어 바깥쪽 흐름(1차 볼텍스)의 공기 온도를 상승시키고, 안쪽 흐름(2차 볼텍스)은 더욱 더 온도가 내려가게 된다.
도 4의 볼텍스 튜브(130) 내부에서 상대적으로 바깥쪽에 표시된 나선형의 화살표(우측으로 진행)는 1차 볼텍스의 흐름을 나타내고, 안쪽에 표시된 나선형의 화살표(좌측으로 진행)는 2차 볼텍스의 흐름을 나타낸다.
본 실시예에 따르면, 냉각관의 냉매로서 CFC가 사용되지 않을 수 있으므로, 환경 오염의 문제를 해결할 수 있다.
상술한 바와 같이, 벤츄리 노즐(150)은 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 노즐 유입구(152)를 통해 볼텍스 튜브(130)의 열기를 제공받을 수 있다.이 경우에, 열기는 볼텍스의 형태로 제1 노즐 유입구(152)에 유입될 수 있다. 아울러, 벤츄리 노즐(150)은 제2 노즐 유입구(154)를 통해 상부 챔버(104)의 배출구(124)로부터 공급 되는 따뜻한 건조 공기를 제공받을 수 있다. 이에 더하여, 제2 노즐 유입구(154)는 냉각관(122)의 차가운 공기를 배출구(124)의 따뜻한 건조 공기와 함께 공급받을 수 있다.
상기 열기, 따뜻한 건조 공기 및 차가운 공기는 혼합부(156) 내에서 혼합되고, 혼합된 공기는 좁은 입구를 통과하면서 고속 흐름을 갖는 공기로 변하게 된다. 고속 흐름의 공기는 외부 장치와 연결되는 유출구(158)를 통해 배출될 수 있다.
이하, 도 6를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 냉각 건조 장치가 적용되는 시스템에 대하여 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 냉각 건조 장치를 채택하는 시스템이다.
시스템(200)은 에어, 예컨대 저온의 건조한 공기를 필요한 외부 장치에 제공하는 것으로서, 공기를 단열압축하는 압축기(210), 압축된 공기를 저장하는 탱크(220), 저장된 공기를 냉각 및 건조하여 배출하는 공기 냉각 에어 장치(100) 및 냉각, 건조된 공기를 공급받는 외부 장치(230)로 구성될 수 있다. 이 경우에, 공기 냉각 에어 장치는 도 1 또는 도 3의 실시예에서 언급된 에어 냉각 건조 장치를 채택할 수 있다.
이에 더하여, 공기 냉각 건조 장치(100)와 외부 장치(230) 사이에 공기 냉각 에어 장치(100)의 상부 챔버에서 배출한 공기를 임시로 저장하는 저장 탱크(미도시) 및 저장 탱크 내의 압력에 따라 압축기를 온/오프 제어하는 제어 수단(미도시) 이 더 설치될 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 냉각 건조 장치에 관한 개략도이다.
도 2는 도 1의 A-B선을 따라 절단된 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어 냉각 건조 장치에 관한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어 냉각 건조 장치에 적용되는 볼텍스 튜브의 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 에어 냉각 건조 장치에 적용되는 벤츄리 노즐의 개략 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어 냉각 건조 장치를 채택하는 시스템이다.

Claims (13)

  1. 외부로부터 유입되는 고온 다습한 에어를 선회시켜 가속하여 상기 에어로부터 수분을 제거하여 건조시키는 하부 챔버;
    상기 에어가 배출되는 상부 챔버;
    상기 상, 하부 챔버를 연통시키며, 냉각관에 의해 둘러싸인 관을 구비하며, 상기 건조된 에어가 상기 상부 챔버로 흘러가는 동안에 상기 건조된 에어를 냉각시키는 에바 튜브; 및
    상기 하부 챔버 내의 상기 에바 튜브의 둘레에 배치되어 상기 상부 챔버까지 연장되며, 상기 에어와 열교환하여 상기 에어를 냉각시키는 다수의 히트 파이프를 포함하되,
    상기 에바 튜브를 통과하여 상기 상부 챔버로 유입된 상기 냉각 에어는 상기 히트 파이프를 냉각시키고 배출되는 에어 냉각 건조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 파이프들 사이에 배치되어 상기 히트 파이프들을 구획하며, 상기 히트 파이프에 인접한 상기 에어가 볼텍스를 갖도록 유도하는 다수의 볼텍스 유도 날개를 더 포함하는 것인 에어 냉각 건조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 파이프는 외측 히트 파이프이되,
    상기 하부 챔버 내의 상기 에바 튜브와 상기 외측 히트 파이프 사이에 위치되어 상기 상부 챔버까지 연장되며, 상기 에어와 열교환하여 상기 에어를 냉각시키는 다수의 내측 히트 파이프; 및
    상기 하부 챔버 내에서 위치되어 상기 외측 히트 파이프와 상기 내측 히트 파이프 사이에 배치되며, 상기 에어가 상기 외측 히트 파이프의 하부에서 상부로 흐르고, 상기 상부로 흐른 에어가 상기 내측 히트 파이프의 상부에서 하부로 향하는 에어흐름 경로를 형성하는 외측 격벽을 더 포함하는 것인 에어 냉각 건조 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 하부 챔버 내에서 상기 에바 튜브와 상기 내측 히트 파이프 사이에 배치되며, 상기 에바 튜브의 주위에서 볼텍스를 유도시키도록 상단에 다수의 유입구를 갖는 내측 격벽을 더 포함하는 것인 에어 냉각 건조 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 유입구는 상기 에바 튜브를 둘러싸는 원주의 방향을 따라 균등한 간격 으로 배치되고, 상기 원주의 소정 부분과 수평되게 에어가 흐르도록 형성되는 에어 냉각 건조 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 챔버의 상부는 원통형으로 형성되고, 상기 하부 챔버의 하부는 상기 에어의 선회속도가 증가하도록 원추형으로 형성되는 에어 냉각 건조 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 에바 튜브를 통과한 상기 냉각 에어를 냉기와 열기로 분류하여 배출시키며, 상기 냉기를 상기 냉각관에 공급하는 볼텍스 튜브를 더 포함하는 것인 에어 냉각 건조 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 냉각관으로부터 배출된 냉매와 상기 상부 챔버로부터 상기 배출된 에어가 유입되는 벤츄리(ventury) 노즐을 더 포함하되,
    상기 벤츄리 노즐은 상기 냉매, 상기 배출된 에어과 아울러서, 상기 볼텍스 튜브로부터 제공되는 상기 열기를 혼합하여 외부 장치로 공급하는 에어 냉각 건조 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각관은 CFC 냉매를 포함하되,
    상기 CFC 냉매를 냉각시키는 냉매 냉각기; 및
    상기 상, 하부 챔버를 수용하는 케이스를 더 포함하는 것인 에어 냉각 건조 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉매 냉각기는 상기 케이스 내에 포함되거나 상기 케이스와 이격되어 설치되는 것인 에어 냉각 건조 장치.
  11. 압축기;
    상기 압축기로부터 압축되는 에어를 저장하는 탱크; 및
    상기 탱크로부터 유입되는 에어를 냉각 및 건조시키는 에어 냉각 건조 장치를 포함하되,
    상기 에어 냉각 건조 장치는 외부로부터 유입되는 고온 다습한 에어를 선회 시켜 가속하여 상기 에어로부터 수분을 제거하여 건조시키는 하부 챔버;
    상기 에어가 배출되는 상부 챔버;
    상기 상, 하부 챔버를 연통시키며, 냉각관에 의해 둘러싸인 관을 구비하며, 상기 건조된 에어가 상기 상부 챔버로 흘러가는 동안에 상기 건조된 에어를 냉각시키는 에바 튜브; 및
    상기 하부 챔버 내의 상기 에바 튜브의 둘레에 배치되어 상기 상부 챔버까지 연장되며, 상기 에어와 열교환하여 상기 에어를 냉각시키는 다수의 히트 파이프를 포함하는 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 에바 튜브를 통과하여 상기 상부 챔버로 유입된 상기 냉각 에어는 상기 히트 파이프를 냉각시키고 배출되는 것인 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 상부 챔버에서 배출한 상기 에어를 임시로 저장하는 저장 탱크; 및
    상기 저장 탱크 내의 압력에 따라 상기 압축기를 온/오프 제어하는 제어 수단을 더 포함하는 것인 시스템.
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