KR20130127363A - 압축공기를 이용한 공기 냉각기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축공기를 순환시켜 냉기를 획득할 수 있도록 된 공기 냉각기(100)에 관한 것으로서, 와류실(111)과 압축공기 주입구(112)가 형성됨과 아울러 일측에는 수용구(113)가 형성되고 타측에는 열기 배출구(114)가 형성되는 바디(110)와; 일측에는 냉기 배출구(121)가 형성되고, 상기 바디(110)의 수용구(113)에 수용된 상태로 상기 바디(110)에 결합되어, 상기 바디(110)의 압축공기 주입구(112)로부터 공급되는 압축공기로부터 냉기와 열기를 발생시키는 볼텍스 제너레이터(120)와; 상기 바디(110)의 수용구(113)에 수용된 상태로 상기 바디(110)와 볼텍스 제너레이터(120)의 사이에 개재되는 오리피스 슬리브(130)와; 상기 바디(110)의 열기 배출구(114)에 결합되는 스로틀 밸브(140)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 부품의 단순화를 통해 일부 부품들을 통합하여 부품수를 줄임으로써 가공 및 금형비 절감을 통해 제조 단가를 절감할 수가 있다.

Description

압축공기를 이용한 공기 냉각기{Air cooler using compressed air}

본 발명은 공기 냉각기에 관한 것으로서, 특히 압축공기를 순환시켜 냉기를 획득하는데 사용되는 공기 냉각기에 관한 것이다.

일반적으로, 선박에서의 용접 공정은 전체 선박 건조 공정의 약 60%를 점유하는 중요한 공정 중의 하나로서, 선박 생산은 여러 형상의 선체블록들을 독립적으로 제작한 다음 이들 블록들을 도크(Dock)에서 서로 결합하는 방식으로 이루어진다. 즉, 중,대형 선박 1척을 건조하는데 250～400개의 선체블록들이 만들어지며, 선체블록 내부에는 용접셀이 약 200개(셀마다 수직 용접부 2개 존재) 정도가 존재하므로 1척의 선박을 건조하기 위해서는 무수히 많은 수직교차부들을 용접해야 한다.

그러나, 용접 작업장은 위치와 장소에 따라 다르지만 더운 열온 환경(특히, 하절기) 하에서 작업함으로써 작업자의 체온이 상승하여 작업 능률이 저하되는데, 이를 해결하기 위해 작업자가 압축공기를 이용한 냉풍 조끼를 착용하여 체온을 조절하고 있다.

상기 냉풍 조끼는 보통 두 가지 타입으로 제조된다. 첫 번째 타입은 압축공기와 냉풍 조끼만을 이용한 압축공기 다량소비형 냉풍 조끼(7bar 기준 소비유량:약 1050 LPM)로서, 특히 압축공기만을 사용하는 냉풍 조끼의 경우 외기의 영향을 받아 하절기에는 에어의 온도가 상승하여 착용시 쾌적감을 유지하기 어려운 문제점이 있다. 두 번째 타입은 압축공기와 볼텍스 튜브를 이용한 냉풍 조끼(7bar 기준 소비유량:약 540 LPM)로서 유량조절이 가능함으로써 쾌적감이 유지되나 유량 소비가 상대적으로 많고 단가가 고가인 문제점이 있다.

여기서, 상기 냉풍 조끼에 이용되는 볼텍스 튜브에 대하여 좀 더 구체적으로 설명하자면, 비용이 저렴하며 신뢰성이 높고 유지보수의 필요성이 전혀 없는 냉각장치로써 산업현장 곳곳의 국부적 냉각문제에 대한 해결책으로 사용되고 있으며, 산업현장에서 사용되는 일반적인 압축공기(콤프레셔)를 구동 에너지원으로 사용한다. 또한, 볼텍스 튜브는 기계적 구동부가 전혀 없이 차가운 공기와 뜨거운 공기의 흐름을 동시에 만들어 내며, 온도 조절범위는 -46℃ 에서 +127℃이며, 냉기 유량 조절범위는 28 SLPM 에서 4248 SLPM이고, 최대 냉각능력은 2571 Kcal/hr수준이다.

이러한 볼텍스 튜브는 전자 제어 및 통신장비의 냉방, 기계 가공 공정의 국부적 냉각(절삭유 대체), 고온환경에 설치된 CCTV 카메라의 냉각, 용탕의 응고, 납땜 또는 용접부위의 냉각, 대용량 스위칭 소자의 냉각, 고온 메카니칼 실링 부위의 냉각 및 가혹한 저온환경 조성용 성능시험장비 제작 등에 사용되고 있다.

도 1은 종래 볼텍스 튜브의 사시도, 도 2는 종래 볼텍스 튜브의 분해 사시도로서, 종래 볼텍스 튜브(10)의 경우, 바디(11), 도면에 도시한 바와 같이, 노즐과 챔버를 포함한 볼텍스 제너레이터(12), 스로틀 밸브(13), 스로틀 밸브 조절 스크류(14), 열기 배출 슬리브(15) 및 오리피스 슬리브(16) 및 홀더(17) 등의 7가지 구성요소로 이루어진다. 그리고, 바디(11)는 스테인레스 스틸(STS)이나, 알루미늄, 스틸 등의 소재로 제작된다.

한편, 종래 관련분야 특허기술로서 메인 하우징과 볼텍스 하우징을 이격시키는 시트 및 시트와 접촉되는 볼텍스 하우징의 만곡면에 의해 코안다 효과(coanda effect)가 발생하여 압축공기 주입구를 통한 공기가 방열바디로 배출될 수 있도록 형성시켜 방열바디에 대한 강제냉각효과(공랭)를 통해 볼텍스 튜브의 냉각효율을 높이고, 다수의 방사형홈이 형성된 원판에 의해 회전기류를 발생시켜주는 구조로 제작되어, 가공단가의 절감을 통해 생산비용이 저렴해지는 볼텍스 튜브가 제안되어 있다(특허문헌1 참조).

국내등록특허 10-0880276

본 발명은 종래보다 부품의 단순화를 통해 일부 부품들을 통합하여 부품수를 줄임으로써 제조 단가를 절감하고 소재 변경을 통해 경량화를 달성할 수 있도록 된 압축공기를 이용한 공기 냉각기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 압축공기를 이용한 공기 냉각기는, 압축공기를 순환시켜 냉기를 획득할 수 있도록 된 공기 냉각기로서, 와류실과 압축공기 주입구가 형성됨과 아울러 일측에는 수용구가 형성되고 타측에는 열기 배출구가 형성되는 바디와; 일측에는 냉기 배출구가 형성되고, 상기 바디의 수용구에 수용된 상태로 상기 바디에 결합되어, 상기 바디의 압축공기 주입구로부터 공급되는 압축공기로부터 냉기와 열기를 발생시키는 볼텍스 제너레이터와; 상기 바디의 수용구에 수용된 상태로 상기 바디와 볼텍스 제너레이터의 사이에 개재되는 오리피스 슬리브와; 상기 바디의 열기 배출구에 결합되는 스로틀 밸브를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 압축공기를 이용한 공기 냉각기는 최소한의 압축공기만 소비될 수 있도록 상기 볼텍스 제너레이터의 입구와 출구의 직경비를 가질 수 있는데, 상기 볼텍스 제너레이터의 입구와 출구의 직경비가 6.4 : 8.6 또는 3.42 : 5.74일 수 있다.

또한, 상기 압축공기를 이용한 공기 냉각기는 냉풍 조끼에 냉기를 공급하는데 사용될 수 있다.

또한, 상기 공기 냉각기는, 상기 압축공기 주입구와 외부의 공기 공급 호스를 연결하며, 자동 또는 수동에 의해 개폐되는 밸브를 내장하여 상기 압축공기 주입구로 주입되는 공기의 유량을 조절하는 연결구를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 연결구는 외부의 공기 공급 호스가 구부러짐 없이 직선 연결될 수 있도록 전체적으로 'ㄱ'자 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 바디의 열기 배출구에 스로틀 밸브가 결합된 상태에서 소음을 저감할 수 있도록 열기 배출구에 결합되는 소음기를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 볼텍스 제너레이터에서 발생되는 냉기를 외부로 공급하기 위해 볼텍스 제너레이터에 결합되는 커플러를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 볼텍스 제너레이터와 커플러의 사이에 설치되는 연결 고리를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 공기 냉각기는, 대유량의 구조를 가지도록 크기를 변경할 수 있으며, 이 경우 와류의 형성을 최대화할 수 있도록 상기 볼텍스 제너레이터, 상기 오리피스 슬리브 및 상기 와류실의 구조가 변경될 수 있다.

상술한 바와 같이 유량에 따라 상기 공기 냉각기가 가변되는 경우 상기 볼텍스 제너레이터는, 볼텍스 제너레이터 입구측에 요입된 챔버가 형성되며, 상기 챔버면의 외주연 측에 위치하는 면 상에는 와류 형성을 위한 곡면형 노즐(126)들이 형성되고, 최대 와류의 형성을 위해 상기 노즐들의 챔버 내측에 위치하는 단부를 연결하는 노즐내경과 챔버깊이의 비는 2.5:1 내지 1.8: 1 사이의 값을 가지도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 볼텍스 제너레이터는, 볼텍스 제너레이터 입구측에 요입된 챔버가 형성되며, 상기 챔버면의 외주연 측에 위치하는 면 상에는 와류 형성을 위한 곡면형 노즐들이 형성되고, 최대 와류의 형성을 위해 상기 노즐들의 챔버 외측에 위치하는 단부를 연결하는 노즐외경과 챔버깊이의 비는 3:2 내지 2:1 사이의 값을 가지도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 오리피스 슬리브는, 오리피스 슬리브입구의 내경과 오리피스 슬리브출구의 내경의 비가 1: 1.5 내지 1: 3.5 사이의 비를 가지도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 오리피스 슬리브출구의 내경과 오리피스 슬리브의 길이는 1: 2.5 내지 1: 3.5 사이의 비를 가지도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 와류실은, 내부에 스로틀 밸브의 단부가 밀착되는 탭부가 형성되고, 상기 탭부 사이의 탭부사잇각은 45°~ 70 °범위 사이의 각도 중 어느 하나의 각도를 가지도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 탭부의 최소 내경이 형성하는 와류실내출구의 내경은 200L/min의 냉기 유량의 증가 또는 감소에 따라 0.5mm 내지 1.5mm의 범위 내의 값 중 어느 하나의 값으로 증가 또는 감소될 수 다.

또한, 상기 압축공기를 이용한 공기 냉각기의 소재가 MC 나일론 일 수 있다.

본 발명에 따르면, 부품의 단순화를 통해 일부 부품들을 통합하여 부품수를 줄임으로써 가공 및 금형비 절감을 통해 제조 단가를 절감할 수가 있다. 또한, 열전도도가 낮은 MC 나일론을 적용함으로써 경량화 및 효율성을 향상시킬 수가 있다. 또한, 볼텍스 제너레이터의 입구와 출구의 최적비를 통해 소비 유량 절감을 달성할 수 있다.

또한, 본 발명은 냉기 유량의 가변을 위하여 공기 냉각기의 크기를 가변시키는 경우, 도 6 내지 도 10의 설명에서와 같이, 볼텍스 제너레이터의 탭부와 노즐외경 및 노즐내경, 오리피스 슬리브의 오리피스 슬리브입구의 내경과 오리피스 슬리브출구의 내경 및 오리피스 슬리브의 길이, 와류실 내부의 탭부의 탭부사잇각 및 와류실내출구가 일정 조건을 만족하도록 가변되는 것에 의해, 유량에 따른 공기 냉각기의 제작을 용이함은 물론, 유량에 따른 공기 냉각기의 크기의 가변 시에도 최적의 냉각 효과를 얻을 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명은 연결구가 전체적으로 'ㄱ'자 형상으로 형성됨으로써 외부의 공기 공급 호스가 꺾임이나 구부러짐 없이 연결구에 직선으로 연결되어 냉풍 조끼 적용 시 사용상의 편의성 및 착용감을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 바디의 열기 배출구에 스로틀 밸브가 결합된 상태에서 소음기가 결합됨으로써 소음을 저감시킬 수 있다.

도 1은 종래 볼텍스 튜브의 사시도.
도 2는 종래 볼텍스 튜브의 분해 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 압축공기를 이용한 공기 냉각기의 분해 사시도.
도 4는 도 3의 볼텍스 제너레이터의 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 압축공기를 이용한 공기 냉각기의 사용 상태도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예의 유량조절, 기밀유지,대유량 냉각공기 및 소음저감을 제공할 수 있도록 개선된 구조를 가지는 압축공기를 이용한 공기 냉각기의 분해 사시도.
도 7은 도 6의 압축공기를 이용한 공기 냉각기의 결합상태의 단면도.
도 8은 도 6의 구성 중 냉각 공기의 유량에 따라 축소 또는 확대되는 볼텍스 제너레이터(120)의 단면도.
도 9는 도 6의 구성 중 냉각 공기의 유량에 따라 축소 또는 확대되는 오리피스 슬리브(130)의 사시도.
도 10은 도 6의 구성 중 냉각 공기의 유량에 따라 축소 또는 확대되는 와류실(111)의 스로틀 밸브(140)와 결합부를 포함하는 내부 구성을 나타내는 와류실(111)의 부분 단면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 3은 본 발명에 따른 압축공기를 이용한 공기 냉각기의 분해 사시도, 도 4는 도 3의 볼텍스 제너레이터의 개념도, 도 5는 본 발명에 따른 압축공기를 이용한 공기 냉각기의 사용 상태도이다.

본 발명에 따른 압축공기를 이용한 공기 냉각기는, 부품의 단순화를 통해 일부 부품들을 통합하여 부품수를 줄임으로써 제조 단가를 절감할 수가 있고, 또한 열전도도가 낮은 소재를 적용하여 효율성 향상 및 경량화를 달성할 수 있도록 된 것을 그 기술적 요지로 한다.

도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 압축공기를 이용한 공기 냉각기(100)는 압축공기를 순환시켜 냉기를 획득하여 냉풍 조끼에 냉기를 공급하는데 사용할 수 있는 냉각기로서, 크게 바디(110:Body), 볼텍스 제너레이터(120:Vortex Generator), 오리피스 슬리브(130:Orifice Sleeve) 및 스로틀 밸브(140:Throttle Valve)를 포함한 4가지 구성요소로 이루어진다.

상기 바디(110)는 와류실(111)과 압축공기 주입구(112)가 형성되고, 이와 아울러 일측에는 수용구(113)가 형성되고 타측에는 열기 배출구(114)가 형성된다.

이때, 상기 바디(110)는 경량화 및 효율성 향상을 위해 열전도도가 낮은 MC 나일론(Monomer Cast Nylon)을 적용하여 제조할 수 있다. 즉, 종래의 알루미늄이나 스테인레스 스틸보다 무게가 가볍고 냉각력이 우수한 MC 나일론(Monomer Cast Nylon)을 적용하여 제조하는 것이다.

참고적으로, 상기 MC 나일론은 엔지니어링 플라스틱(ENGINEERING PLASTICS)의 일종으로서 일반 NYLON-6에 비하여 중합법과 성형법이 상이하나, 카프로락탐에 화학적 성분을 촉매로 하여 제조된 결정체의 고분자로서 기계적 강도와 자기윤활성이 뛰어나고 내열성 및 금속대체용으로 사용되고 있는데, 고속회전 및 고온에서 연속사용이 가능한 소재이다.

상기 볼텍스 제너레이터(120)는 노즐, 챔버 및 홀더를 포함하며, 상기 바디(110)의 수용구(113)에 수용된 상태로 상기 바디(110)에 결합되어, 상기 바디(110)의 압축공기 주입구(112)로부터 공급되는 압축공기로부터 냉기와 열기를 발생시키는 역할을 수행하며, 일측에는 냉기 배출구(121)가 형성된다.

상기 오리피스 슬리브(130)는 상기 바디(110)의 수용구(113)에 수용된 상태로 상기 바디(110)와 볼텍스 제너레이터(120)의 사이에 개재된다.

상기 스로틀 밸브(140)는 게이트 밸브의 일종으로 원판을 회전시켜 관로를 열고 닫음으로써 유체와의 마찰에 의하여 유체의 압력을 낮추는데 사용하는 밸브로서, 상기 바디(110)의 열기 배출구(114)에서 배출되는 열기를 조절할 수 있도록 상기 바디(110)의 열기 배출구(114)에 결합된다.

한편, 본 발명에 따른 압축공기를 이용한 공기 냉각기(100)는 소비 유량 절감 즉, 최소한의 압축 공기만 소비될 수 있도록, 상기 볼텍스 제너레이터(120)의 입구(a)와 출구(b)가 최적의 직경비를 가질 수 있다.

구체적으로는, 볼텍스 제너레이터(120)의 입구(a)의 직경이 φ6.4 이고, 볼텍스 제너레이터(120)의 출구(b)의 직경이 φ8.6 일 경우, 압축공기 소비 유량이 약 585L/min(6 bar 기준)로서 압축공기 소비량을 최대로 절감할 수 있다.

또는, 볼텍스 제너레이터(120)의 입구(a)의 직경이 φ3.42 이고, 볼텍스 제너레이터(120)의 출구(b)의 직경이 φ5.74 일 경우, 압축공기 소비 유량이 약 350L/min(7 bar 기준)로서 압축공기 소비량을 최대로 절감할 수 있다.

상술한 도 3 내지 도 5의 구성을 가지는 공기 냉각기는 유량조절 기능을 구비한 연결구와 기밀 유지를 위한 실링부재를 구비하여, 냉각공기의 유량을 조절하도록 하고, 공기 냉각기 내부의 기밀성을 확보할 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 상술한 구성의 공기 냉각기는 볼텍스 제너레이터, 오리피스 슬리브, 와류실의 내부구조의 구조에 일정 구속을 가하는 크기 확장에 의해 도 3 내지 도 5의 공기냉각기에 비하여 대용량의 냉각 공기를 제공하도록 구성될 수 있다.

이하, 도 3 내지 도 5의 구성 중 동일 명칭을 가지는 구성에 대하여는 동일 명칭과 도면부호를 사용하고, 대유량 냉각공기의 제공을 위한 구성, 유량 조절 구성 및 밀봉을 위한 구성에 대하여는 새로운 도면 부호와 명칭을 사용하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기 냉각기를 설명한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예의 공기 냉각기(100A)의 유량조절, 기밀유지,대유량 냉각공기 및 소음저감을 제공할 수 있도록 개선된 구조를 가지는 압축공기를 이용한 공기 냉각기의 분해 사시도이고, 도 7은 도 6의 압축공기를 이용한 공기 냉각기의 결합상태의 단면도이다.

먼저, 본 발명의 다른 실시예로서 기밀을 유지하며, 압축공기 주입구(112)를 통해 유입되는 유량을 조절할 수 있도록 하는 구성을 설명한다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 공기 냉각기(100A)는 볼텍스 제너레이터(120)의 내부 기밀을 유지를 위해 환형으로 구성되는 볼텍스 제너레이터(120)의 유입구측 실링부재(127)와 스로틀 밸브 실링부재(147)를 구비한다.

상기 볼텍스 제너레이터(120)의 유입구측 실링부재(127)는 바디(110)의 내부로 삽입되는 볼텍스 제너레이터(120)의 외측면에 형성된 제1실링홈(124, 도 8 참조)에 삽입된 후 볼텍스 제너레이터(120)의 외측면과 바디(110)의 내측면에 긴밀히 밀착됨으로써, 볼텍스 제너레이터(120)의 외측면과 바디(110)의 내측면 사이의 기밀을 유지하도록 구성된다.

상기 스로틀 밸브 실링부재(147)는 또한, 도 7과 같이, 바디(110)의 내부로 삽입되는 스로틀 밸브(140)의 외측면에 형성된 제2실링홈(144, 도 6 참조)에 삽입된 후 스로틀 밸브(140)의 외측면과 바디(110)의 내측면에 긴밀히 밀착됨으로써, 스로틀 밸브(140)의 외측면과 바디(110)의 내측면 사이의 기밀을 유지하도록 구성된다. 상기 스로틀 밸브(140)는 와류실(111)의 단부에 형성되는 스로틀 밸브고정홀(115)를 통해 삽입되는 스로틀 밸브고정구(141)에 의해 고정 와류실(111)에 고정된다.

또한, 상기 공기 냉각기(100A)는 바디(110)의 압축공기 주입구(112)에 결합되어, 외부의 공기 호스를 연결하도록 하며, 작업자의 신체 조건에 따라 냉기의 유량을 조절할 수 있도록 압축공기 주입구(112)로 유입되는 공기 유량을 조절할 수 있도록 밸브를 구비한 연결구(150)를 더 포함하여 구성된다.

이때, 상기 연결구(150)는 외부의 공기 공급 호스(H)가 꺾임이나 구부러짐 없이 직선으로 연결될 수 있도록 도 6,7과 같이, 전체적으로 'ㄱ'자 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 이러한 공기 냉각기(100A)를 냉풍 조끼에 적용하는 경우, 사용상의 편의성 및 착용감을 향상시킬 수 있다.

이때, 상기 연결구(150)는 상기 바디(110)와 마찬가지로 경량화 및 효율성 향상을 위해 열전도도가 낮은 MC 나일론을 적용하여 제조할 수 있다.

또한, 상기 공기 냉각기(100A)는 상기 바디(110)의 열기 배출구(114)에 스로틀 밸브(140)가 결합된 상태에서 소음을 저감할 수 있도록 열기 배출구(114)에 결합되는 소음기(160)를 더 포함하여 구성된다. 예를 들면, 열기 배출구(114)의 끝단 내측에 암나사를 가공하고 수나사로 된 황동소결로 형성된 소음기(160)를 연결할 수 있다. 따라서, 소음을 저감할 수 있고, 용접 결함 우려도 해소할 수 있다.

참고적으로, 작업자가 공기 냉각기가 적용된 냉풍 조끼를 착용한 상태에서 용접 작업을 수행하는 경우, 바디(110)의 열기 배출구(114)에 소음기(160)가 부착되어 있지 않으면, 외부로 열기가 배출되면서 소음이 발생되어 작업 효율이 저하될 뿐만 아니라 배출구(114)가 용접 작업 근처에 위치하는 경우 용접 결함을 일으킬 우려가 있었다.

또한, 상기 공기 냉각기(100A)는 상기 볼텍스 제너레이터(120)에서 발생되는 냉기를 냉풍 조끼 등의 외부로 공급하기 위해 볼텍스 제너레이터(120)에 결합되는 커플러(170)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 공기 냉각기(100A)는 상기 볼텍스 제너레이터(120)와 커플러(170)의 사이에 설치되는 연결 고리(180)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들면, 냉풍 조끼가 커플러(170)를 통해 공기 냉각기(100A)에 연결되어 있는 경우, 냉풍 조끼의 안전벨트 등을 연결 고리(180)에 안전하게 걸 수 있다.

한편, 도 6 및 도 7에서 상기 연결구(150)를 나비밸브(153)를 구비한 밸브니플로 도시하였으나, 도 6 및 도 7과 같이, 수동으로 조절되는 밸브를 구비하거나, 냉기배출구(121)를 통해 배출되는 냉기의 온도를 감지하여 자동으로 압축공기 주입구(112)로 유입되는 유량을 조절할 수 있도록 하며 외부의 공기공급수단과 연결될 수 있도록 하는 구성될 수도 있다.

다음으로, 도 3 내지 도 5의 구조에 비하여 냉기의 배출 유량을 구조적으로 증가시키거나 감소시킬 수 있도록 하는 공기 냉각기(100A)의 구성을 설명한다.

도 8은 도 6의 구성 중 냉각 공기의 유량에 따라 축소 또는 확대되는 볼텍스 제너레이터(120)의 단면도이고, 도 9는 도 6의 구성 중 냉각 공기의 유량에 따라 축소 또는 확대되는 오리피스 슬리브(130)의 사시도이며, 도 10은 도 6의 구성 중 냉각 공기의 유량에 따라 축소 또는 확대되는 와류실(111)의 스로틀 밸브(140)와 결합부를 포함하는 내부 구성을 나타내는 와류실(111)의 부분단면도이다.

먼저, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 냉기 유량의 가변을 위해 공기 냉각기(100A)의 크기가 가변되는 경우의 볼텍스 제너레이터(120)의 가변 구조를 설명한다.

도 6 내지 도 7과 같이, 상기 볼텍스 제너레이터(120)는 압축공기 주입구(112)를 통해 유입된 공기를 회전하는 와류로 형성하기 위하여, 볼텍스 제너레이터입구(a, 도 4 참조) 측에 챔버(125)가 요입 형성되고, 챔버(125)의 챔버면의 외측에는, 일측 단부는 챔버(125)의 외경에 위치하고, 타측 단부는 챔버(125)의 내부에 위치하도록 간격이 넓은 터보 날개 형상으로 곡면 노즐(126)들이 일정 각도 간격으로 배치 형성된다.

이 경우, 유량에 따라 상기 공기 냉각기(100A)의 크기가 가변되며, 이에 따라 볼텍스 제너레이터(120)의 크기 또한 가변된다. 이 경우, 상기 노즐(126)들의 챔버(125) 내측에 위치하는 단부를 연결하는 노즐내경(125b, 도 8 참조)은 최대의 와류를 형성하도록 노즐내경(125b, 도 8 참조) 대 챔버깊이(125c, 도 8 참조)의 비가 2.5 ~ 1.8: 1의 비를 가지도록 형성된다.

도 8은 최대 유량이 600L인(600L/min)의 공기 냉각기(100A)의 볼텍스 제너레이터(120)의 예를 나타내는 것으로서, 노즐내경(125b)는 직경이 13mm이고, 챔버의 깊이는 7mm로 형성된다. 즉, 대략 노즐내경(125b)과 챔버깊이(125c)의 비가 1.86 대 1로서 상기 유량에 따라 크기가 가변되는 노즐내경(125b) 대 챔버는 것으로 분당 에 적용되는 볼텍스 제너레이터(120)의 노즐내경(125b)과 챔버깊이(125c)와 비의 범위 내의 구조를 가지도록 구성된다.

또한, 노즐외경(125a) 대 챔버깊이(125c)의 비는 6~7: 4~3의 범위의 비를 가지도록 형성된다. 도 8의 경우 최대 냉개 유량이 600L/min 급의 공기 냉각기(100A)로서 노즐외경(125a)은 20mm이고, 챔버깊이(125c) 7mm로, 노즐외경(125a):챔버깊이(125c)의 비가 대략 2.86: 1로서 상기 조건을 충족함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 노즐외경(125a) 또는 노즐내경(125b)과 챔버깊이(125c)가 일정 비율을 가지도록 하는 것은, 압축공기 주입구(112)를 통해 유입되는 공기가 유량에 따라 노즐(126)에 의해 회전되면서 최대 속도의 와류를 형성하도록 챔버(125) 내에서 정체하는 최적의 조건을 형성하도록 챔버(125) 내부의 체적 및 원통 구조를 설정하기 위함이다.

즉, 상기 볼텍스 제너레이터(120)의 챔버깊이(125c)와 노즐외경(125a) 및 노즐내경(125b, 도 8 참조)은 필요 냉기 유량에 따라 볼텍스 제너레이터(120)의 크기가 변하는 경우, 최대 와류를 형성하는 일정 비를 가지도록 확대 또는 축소된다.

다음으로, 냉기 유량의 가변을 위한 공기 냉각기(100A)의 크기가 가변되는 경우의 오리피스 슬리브(130)의 가변 구조를 설명한다.

상기 오리피스 슬리브(130)는 외측와류와 내측와류의 최적의 분리에 의한 에너지 분리를 위하여, 오리피스 슬리브입구(130a)의 내경과 오리피스 슬리브출구(130b)의 내경의 비가 대략 1: 1.5 내지 1: 3.5 사이의 비를 가지도록 형성된다.

그리고 상기 오리피스 슬리브출구(130b)의 내경과 오리피스 슬리브(130)의 길이는 대략 1: 2.5 내지 1: 3.5의 비를 가지도록 형성된다.

상술한 바와 같이, 오리피스 슬리브(130)가 외측와류와 내측와류의 최적의 분리에 의한 에너지 분리를 위하여, 오리피스 슬리브입구(130a)의 내경과 오리피스 슬리브출구(130b)의 내경의 비가 대략 1: 1.5 내지 1: 3.5 사이의 비를 가지도록 형성되고, 오리피스 슬리브출구(130b)의 내경과 오리피스 슬리브(130)의 길이는 대략 1: 2.5 내지 1: 3.5의 비를 가지도록 형성되는 이유는, 볼텍스 제너레이터(120)의 노즐(126)과 챔버(125)에 의해 형성된 와류가 각운동략 보존 법칙에 의해 내측와류에서 외측와류로 열에너지가 최대로 전달되도록 외측와류의 직경이 일정한 비율로 커지도록 하는 것에 의해, 냉기배출구(121)를 통해 배출되는 냉기가 최저 온도를 가질 수 있도록 하기 위함이다.

도 9는 최대 유량이 600L인(600L/min)의 공기 냉각기(100A)의 오리피스 슬리브(130)의 예를 나타내는 것으로서, 오리피스 슬리브입구(130a)의 내경은 8mm, 오리피스 슬리브출구(130b)의 내경은 10mm, 오리피스 슬리브(130)의 길이는 30.8mm를 가지도록 구성되었다.

이 경우, 상기 오리피스 슬리브입구(130a)의 내경: 오리피스 슬리브출구(130b)의 내경의 비는 내경 1:1.25이고, 상기 오리피스 슬리브출구(130b)의 내경: 오리피스 슬리브(130)의 길이의 비는 내경 1:3.08로서 상기 범위를 가지는 것을 알 수 있다.

다음으로, 냉기 유량의 가변을 위한 공기 냉각기(100A)의 크기가 가변되는 경우의 와류실(111)의 내부의 가변 구조를 설명한다.

도 10과 같이, 상기 와류실(111)의 내부에는 스로틀 밸브(140)가 삽입되어 나사 결합되는 경우, 스로틀 밸브(140)의 단부가 와류실(111) 내측면과 밀착 결합되는 결합위치에 스로틀 밸브(140)의 과 삽입을 방지함은 물론, 외측와류가 반사되어 에너지를 잃으면서 내측와류로 변환되도록 하고 외측와류의 열에너지를 스로틀 밸브(140)를 통해 배출하도록 하는 탭부(111c)가 형성된다.

이때, 냉기 유량의 가변에 따른 공기 냉각기(100A)의 크기 변화에 무관하게 상기 원뿔대 형상을 이루는 상기 탭부(111c) 사이의 탭부사잇각(111d)은 45°~ 70°사이의 범위를 가지도록 형성된다.

그리고 상기 탭부(111c)의 최소 내경이 형성하는 상기 와류실내출구(111a)의 내경은 200L/min의 냉기 유량 당 약 0.5mm 내지 1.5mm의 범위 내의 값을 가지고 증가한다.

도 10은, 최대 600L/min의 냉기 유량을 배출하도록 구성되는 크기의 공기 냉각기(100A)에 장착되는 와류실(111) 내부의 스로틀 밸브(140)와의 결합위치를 나타내는 것으로서, 와류실내출구(111a)의 내경은 5.5mm로 형성되고, 탭부사잇각(111d)은 60°를 가지도록 구성된 것을 나타낸다.

즉, 최대 400L/min의 냉기 유량을 배출하도록 구성되는 크기의 공기 냉각기(100A)에 장착되는 와류실(111)의 경우, 와류실내부의 와류실내출구(111a)를 형성하는 탭부사잇각(111d)은 45°~ 70°사이의 범위의 각도 중 특정 각도를 가지도록 형성되나, 와류실내출구(111a)의 내경은 대략 4.5mm로 형성된다.

상술한 바와 같이 탭부사잇각(111d)과 와류실내출구(111a)의 크기를 공기 냉각기(100A)의 크기에 따라 가변시키는 것은 외측와류 중 열을 포함하는 외측와류가 스로틀 밸브로 배출되는 경우 내측와류로 열교환이 일어나지 않도록 배출되도록 하기 위함이다.

이하, 본 발명에 따른 압축공기를 이용한 공기 냉각기(100, 100A)의 작용을 설명하기로 한다.

바디(110)의 압축공기 주입구(112)를 통해 공급되는 압축공기는 볼텍스 제너레이터(120)를 통해 고속으로 회전하면서 와류실(111) 내로 주입된다. 여기서 주입된 압축공기는 회오리 바람과 같은 와류(voltex) 현상을 일으키면서 와류실(111) 끝으로 이동하게 되고, 더워진 공기가 열기 배출구(114)를 통해 소음기(160)를 거쳐 외부로 배출되고 배출되지 않은 나머지 공기는 다시 방향을 바꾸어 벽에 부딪히면서 볼텍스를 형성한 채 역류하게 된다. 그리고, 역류과정에서 생성되는 냉기는 냉기 배출구(121)를 통해 외부로 배출되게 된다.

상기에서 내부의 와류가 열을 잃어버리는 이유는, 와류실(111)의 내벽을 소용돌이치며 흐르는 공기는 고온 상태로 어느 한쪽으로 흘러서 일부가 배출되고 나머지는 고온의 소용돌이 내부에서 동일한 방향으로 소용돌이치며 저온상태가 되어 반대편으로 흘러서 배출될 때, 두 개의 소용돌이는 동일한 방향, 동일한 속도로 회전한다.

그러나, 역학의 법칙 중 각운동량(회전운동량) 보존의 법칙에 의하여 회전반경이 큰 외곽을 회전하던 기체가 회전반경이 좁은 내부로 유입되어 순환하게 되며 회전속도가 빨라져야 하지만, 압축공기를 이용한 공기 냉각기(100, 100A)(100)에서는 내부를 순환하는 공기의 회전각속도가 빨라지지 않고 외곽을 돌 때와 동일한데 이것은 내부의 공기가 각운동량을 잃어버렸기 때문이다.

각동운량을 잃어버린 내부의 공기는 곧 에너지를 잃어버린 것이며 그 결과 온도가 떨어지게 되는 것이다. 내부의 공기가 잃어버린 에너지는 외부를 회전하는 공기에 전달되어 외부를 회전하는 공기는 뜨거워지는 것이다.

결과적으로, 압축공기는 소용돌이치는 와류현상에 의해 내측기류는 냉기로 외측기류는 열기로 분리되게 된다.

또한, 냉기 유량의 가변을 위하여 공기 냉각기(100, 100A)의 크기를 가변시키는 경우, 도 6 내지 도 10의 설명에서와 같이, 볼텍스 제너레이터(120)의 탭부(111c)와 노즐외경(125a) 및 노즐내경(125b, 도 8 참조), 오리피스 슬리브(130)의 오리피스 슬리브입구(130a)의 내경과 오리피스 슬리브출구(130b)의 내경 및 오리피스 슬리브(130)의 길이, 와류실(111) 내부의 탭부(111c)의 탭부사잇각(111d) 및 와류실내출구(111a)가 일정 조건을 만족하도록 가변되는 것에 의해, 공기 냉각기(100, 100A)의 크기의 가변 시에도 최적의 냉각 효과를 얻을 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 압축공기를 이용한 공기 냉각기를 한정된 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 공기 냉각기 110: 바디
111: 와류실 111a: 와류실내출구
111c: 탭부 111d: 탭부사잇각
112: 압축공기 주입구 113: 수용구
114: 열기 배출구 120: 볼텍스 제너레이터
121: 냉기 배출구 124: 제1실링홈
125: 챔버 125a: 노즐외경
125b: 노즐내경 125c: 챔버깊이
126: 노즐 127: 볼텍스 제너레이터 실링부재
130: 오리피스 슬리브 140 : 스로틀 밸브
143: 스로틀 밸브실링부재 144: 제2실링홈
150: 연결구 153: 나비밸브
160: 소음기 170: 커플러
180: 연결 고리

Claims (16)

1. 압축공기를 순환시켜 냉기를 획득할 수 있도록 된 공기 냉각기(100)로서,
   와류실(111)과 압축공기 주입구(112)가 형성됨과 아울러 일측에는 수용구(113)가 형성되고 타측에는 열기 배출구(114)가 형성되는 바디(110)와;
   일측에는 냉기 배출구(121)가 형성되고, 상기 바디(110)의 수용구(113)에 수용된 상태로 상기 바디(110)에 결합되어, 상기 바디(110)의 압축공기 주입구(112)로부터 공급되는 압축공기로부터 냉기와 열기를 발생시키는 볼텍스 제너레이터(120)와;
   상기 바디(110)의 수용구(113)에 수용된 상태로 상기 바디(110)와 볼텍스 제너레이터(120)의 사이에 개재되는 오리피스 슬리브(130)와;
   상기 바디(110)의 열기 배출구(114)에 결합되는 스로틀 밸브(140)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 공기 냉각기(100)는 최소한의 압축공기만 소비될 수 있도록 상기 볼텍스 제너레이터(120)의 입구(a)와 출구(b)의 직경비를 갖는 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 볼텍스 제너레이터(120)의 입구(a)와 출구(b)의 직경비가 6.4 : 8.6 또는 3.42 : 5.74인 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 공기 냉각기(100)는 냉풍 조끼에 냉기를 공급하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 압축공기 주입구(112)와 외부의 공기 공급 호스를 연결하며, 자동 또는 수동에 의해 개폐되는 밸브를 내장하여 상기 압축공기 주입구(112)로 주입되는 공기의 유량을 조절하는 연결구(150)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 연결구(150)는 외부의 공기 공급 호스가 구부러짐 없이 직선 연결될 수 있도록 전체적으로 'ㄱ'자 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 바디(110)의 열기 배출구(114)에 스로틀 밸브(140)가 결합된 상태에서 소음을 저감할 수 있도록 열기 배출구(114)에 결합되는 소음기(160)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 볼텍스 제너레이터(120)에서 발생되는 냉기를 외부로 공급하기 위해 볼텍스 제너레이터(120)에 결합되는 커플러(170)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 볼텍스 제너레이터(120)와 커플러(170)의 사이에 설치되는 연결 고리(180)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 볼텍스 제너레이터(120)는,
    볼텍스 제너레이터 입구측(a)에 요입된 챔버(125)가 형성되며,
    상기 챔버면의 외주연 측에 위치하는 면 상에는 와류 형성을 위한 곡면형 노즐(126)들이 형성되고,
    최대 와류의 형성을 위해 상기 노즐(126)들의 챔버(125) 내측에 위치하는 단부를 연결하는 노즐내경(125b)과 챔버깊이(125c)의 비는 2.5:1 내지 1.8: 1 사이의 값을 가지도록 형성되어,
    유량이 변하도록 크기가 변경되는 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 볼텍스 제너레이터(120)는,
    볼텍스 제너레이터 입구측(a)에 요입된 챔버(125)가 형성되며,
    상기 챔버면의 외주연 측에 위치하는 면 상에는 와류 형성을 위한 곡면형 노즐(126)들이 형성되고,
    최대 와류의 형성을 위해 상기 노즐(126)들의 챔버 외측에 위치하는 단부를 연결하는 노즐외경(125a)과 챔버깊이(125c)의 비는 3:2 내지 2:1 사이의 값을 가지도록 형성되어,
    유량이 변하도록 크기가 변경되는 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 오리피스 슬리브(130)는.
    오리피스 슬리브입구(130a)의 내경과 오리피스 슬리브출구(130b)의 내경의 비가 1: 1.5 내지 1: 3.5 사이의 비를 가지도록 형성되어,
    유량이 변하도록 크기가 변경되는 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 오리피스 슬리브출구(130b)의 내경과 오리피스 슬리브의 길이는 1: 2.5 내지 1: 3.5 사이의 비를 가지도록 형성되어,
    유량이 변하도록 크기가 변경되는 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
14. 청구항 1에 있어서,
    상기 와류실(111)은,
    내부에 스로틀 밸브(140)의 단부가 밀착되는 탭부(111c)가 형성되고,
    상기 탭부(111c) 사이의 탭부사잇각(111d)은 45°~ 70 °범위 사이의 각도 중 어느 하나의 각도를 가지도록 형성되어,
    유량이 변하도록 크기가 변경되는 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 탭부(111c)의 최소 내경이 형성하는 와류실내출구(111a)의 내경은 200L/min의 냉기 유량의 증가 또는 감소에 따라 0.5mm 내지 1.5mm의 범위 내의 값 중 어느 하나의 값으로 증가 또는 감소되는 것에 의해,
    유량이 변하도록 크기가 변경되는 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.
16. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 냉각기(100)의 소재가 MC 나일론인 것을 특징으로 하는 압축공기를 이용한 공기 냉각기.

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