KR20180098826A - Open typed system for air cooling - Google Patents

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KR20180098826A
KR20180098826A KR1020170025441A KR20170025441A KR20180098826A KR 20180098826 A KR20180098826 A KR 20180098826A KR 1020170025441 A KR1020170025441 A KR 1020170025441A KR 20170025441 A KR20170025441 A KR 20170025441A KR 20180098826 A KR20180098826 A KR 20180098826A
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Abstract

The present invention relates to an open type air cooling system which comprises: an air blowing device; and a body having a compression unit through which outdoor air supplied from the air blowing device passes to be compressed, a nozzle through which the air compressed by passing through the compression unit passes, and an expansion unit in which the air passing through the nozzle diffuses and expands.

Description

개방형 공기 냉각시스템{Open typed system for air cooling}Open typed system for air cooling < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 공기를 냉각하는 시스템에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 단열팽창의 원리와 줄-톰슨(Joule-Thomson) 원리를 이용하여 냉매 및 냉매를 순환시키기 위한 복잡한 구성을 배제하면서 효율적으로 공기를 냉각할 수 있는 개방형 공기 냉각시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a system for cooling air, and more particularly, to a system for cooling air efficiently by eliminating a complicated structure for circulating refrigerant and refrigerant by using the principle of the single thermal expansion and the Joule-Thomson principle To an open air cooling system.

일반적으로 공기 냉각 방식은 냉매를 이용한 압축과 팽창밸브를 사용하여 1차적으로 냉매를 냉각하고, 2차적으로 냉매를 에어핀 튜브를 통과시켜 공기를 냉각 시키는 방식이 이용되고 있다. Generally, in the air cooling system, a system is used in which a refrigerant is primarily cooled using a compression and expansion valve using a refrigerant, and a refrigerant is secondarily passed through an air fin tube to cool the air.

이러한 일반적인 공기 냉각 방식을 구현한 공기조화기는, 도 1에 도시된 바와 같이 냉매를 압축시키는 압축기(10), 압축기(10)를 통해 압축된 냉매를 액화시키는 응축기(11), 응축기(11)에서 응축된 냉매를 감압시키는 팽창밸브(12)와, 팽창밸브(12)를 통해 팽창된 냉매를 이용하여 더운 실내공기를 감온 및 감습시키는 증발기(13)를 포함하는 다소 복잡한 회로를 구성하고 있다. 또한, 고압의 압축기(10)를 가동하기 위하여 많은 에너지를 소모하는 단점이 있다. 1, the air conditioner includes a compressor 10 for compressing a refrigerant, a condenser 11 for liquefying the refrigerant compressed through the compressor 10, a condenser 11 for condensing the refrigerant in the condenser 11, An expansion valve 12 for reducing the condensed refrigerant and an evaporator 13 for warming and humidifying the hot room air by using the refrigerant expanded through the expansion valve 12. In addition, there is a disadvantage in that a large amount of energy is consumed to operate the high-pressure compressor 10.

한편, 이 공기조화기에 사용되는 냉매로 프레온가스를 주로 사용하고 있고, 이 프레온 가스에서 나오는 화학 물질이 오존의 산소 결합의 고리를 끊어 성층권의 오존층을 파괴하는 현상을 유발하고 있다고 이미 알려져 있다. 이를 감안하여 친환경 냉매가 출시되어 최근 많은 장치에 사용되고 있지만, 이 또한 몬트리올 협약 또는 교토 협약에 의하여 규제 대상이거나, 일정 시점부터 사용 금지되어 있는 냉매가 대부분이거나 고가의 냉매로서 시장 경쟁력이 없는 게 현실이다. On the other hand, it is already known that the refrigerant used in this air conditioner is mainly used as the refrigerant gas, and the chemical substance emitted from the freon gas breaks the oxygen bond of the ozone and destroys the ozone layer in the stratosphere. In view of this, environment-friendly refrigerants have recently been introduced and used in many devices. However, this is also the reality that the refrigerant is prohibited from a certain point in time, or is expensive and has no market competitiveness because it is regulated by the Montreal Convention or the Kyoto Convention .

즉, 냉매를 압축, 응축, 팽창, 증발 등으로 순환시키면서 공기를 냉각하는 방식을 구현하기 위해서는 많은 에너지 및 전기가 소요되고, 복잡한 장치 및 고가의 부품을 사용해야 하며, 환경을 파괴하는 냉매를 고가로 구매하는 등의 문제점이 있다. In other words, in order to realize a method of cooling the air while circulating the refrigerant through compression, condensation, expansion, evaporation, etc., it requires a lot of energy and electricity, requires complicated devices and expensive parts, There is a problem such as purchasing.

대한민국 공개특허 제10-2004-0097582호(2004.11.18. 공개)Korean Patent Publication No. 10-2004-0097582 (published on November 18, 2004) 대한민국 공개특허 제10-2009-0113809호(2009.11.02. 공개)Korean Patent Publication No. 10-2009-0113809 (Published on November 2, 2009) 대한민국 등록특허 제10-0310819호(2001.12.17. 공고)Korean Patent No. 10-0310819 (Announcement of Dec. 17, 2001)

상기된 문제점을 해소하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 줄-톰슨의 냉동방식과 디스플레이서가 배제된 지포드-맥마온 사이클의 구조 및 단열팽창의 원리를 이용하여 주변의 상온의 공기를 공급하여 압축 및 팽창을 반복시킴으로써 냉각된 공기가 토출하도록 된 개방형 공기 냉각시스템을 제공함에 있다. It is an object of the present invention, which is devised to overcome the above-described problems, to provide an apparatus and a method for supplying air of a surrounding ambient temperature by utilizing the principle of the Ji- And to provide an open air cooling system in which cooling air is discharged by repeating compression and expansion.

상기된 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 개방형 공기 냉각시스템은, 송풍장치; 송풍장치로부터 공급된 외부 공기가 통과하면서 압축되는 압축부와, 압축부를 통과한 공기가 확산 및 팽창하는 팽창부를 구비한 본체;를 포함하여 이루어지도록 한다. To achieve the above object, an open air cooling system according to the present invention includes: a blowing device; And a main body having a compression section that is compressed while the outside air supplied from the air blowing apparatus passes and an expansion section that diffuses and expands air that has passed through the compression section.

여기서, 압축부는 공기가 지나면서 압축되도록 공기압축부재를 구비하고, 공기압축부재는 통과하는 공기를 압축시킬 수 있도록 다공질 플러그이거나 메쉬 형태의 매질 또는 다수의 구슬이 수용된 형태이거나, 이들 중 적어도 2개가 혼합된 형태인 것을 특징으로 한다. Here, the compressed portion is provided with an air compressing member for compressing air as it passes, and the air compressing member is a porous plug, a mesh type medium or a plurality of beads accommodated therein so as to compress air passing therethrough, And is in a mixed form.

구체적인 일 실시 예로, 본체는 송풍장치에 공급된 공기가 유입되는 압축공간과, 압축공간의 공기가 통과하는 제1노즐을 구비한 제1압축부; 제1노즐을 통과한 공기가 유입되어 압축되는 제1공기압축부재, 제1공기압축부재를 지나면서 압축된 공기가 통과하는 제2노즐, 제2노즐을 통과한 공기가 확산 및 팽창하는 제1팽창공간과, 제1팽창공간의 공기가 통과하는 제3노즐을 구비한 압축/팽창부; 제3노즐을 통과한 공기가 유입되어 압축되는 제2공기압축부재와, 제2공기압축부재를 지나면서 압축된 공기가 통과하는 제4노즐을 구비한 제2압축부;와, 제4노즐을 통과한 공기가 유입되어 확산 및 팽창된 후 외부로 배출되는 제2팽창공간을 구비한 팽창부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In one specific embodiment, the main body includes: a first compression portion having a compression space into which air supplied to the air blowing device flows, and a first nozzle through which air in the compression space passes; A first air compression member into which air having passed through the first nozzle flows and is compressed, a second nozzle through which compressed air passes through the first air compression member, a first nozzle through which air passing through the second nozzle diffuses and expands, A compression / expansion unit having an expansion space and a third nozzle through which air in the first expansion space passes; A second compression unit including a second air compression member into which air having passed through the third nozzle flows and is compressed and a fourth nozzle through which compressed air passes while passing through the second air compression member; And an expansion part having a second inflation space through which the air that has passed through the inflow is diffused and expanded and then is discharged to the outside.

여기서, 제1공기압축부재와 제2공기압축부재 중 적어도 하나는 다공질 플러그이거나 메시 형태의 매질 또는 다수의 구슬을 수용한 형태이거나, 이들 중 적어도 2개가 혼합된 형태인 것을 특징으로 한다. At least one of the first air compression member and the second air compression member may be a porous plug, a mesh type medium or a plurality of beads, or at least two of them may be mixed.

또한, 다공질 플러그 또는 메시 형태의 매질 또는 구슬은 동, 동합금, 알루미늄, 알루미늄합금, 그래핀, 숯과 활성탄 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다. Further, the porous plug or mesh-like medium or bead is at least one of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, graphene, charcoal and activated carbon.

또, 제1노즐, 제2노즐, 제3노즐과 제4노즐은 적어도 1개의 천공된 구멍인 것을 특징으로 한다. The first nozzle, the second nozzle, the third nozzle and the fourth nozzle are at least one perforated hole.

그리고 제1노즐, 제2노즐, 제3노즐과 제4노즐 중 적어도 1개는 양측부가 동일한 지름을 갖는 형태로 가공되거나, 공기가 확산하여 분사되도록 지름이 확장되는 형태로 가공되거나, 유입된 공기가 더 높은 압력으로 분사되도록 지름이 감소되는 형태로 가공된 것을 특징으로 한다. At least one of the first nozzle, the second nozzle, the third nozzle, and the fourth nozzle may be processed to have the same diameter on both sides, or may be processed to expand the diameter so that air is diffused and jetted, Is reduced in diameter so as to be injected at a higher pressure.

또한, 압축/팽창부는 제2노즐이 가공된 격벽으로 구획되고, 면적이 넓거나 측면상 길이가 긴 일측 공간에 제1공기압축부재가 배치되며, 면적이 좁거나 측면상 길이가 짧은 타측 공간을 제1팽창공간으로 하는 것을 특징으로 한다. Also, the compression / expansion part is divided into a partition wall in which the second nozzle is machined, and the first air compression member is arranged in one side space having a large area or a long side on the side, and the other side space So that the first expansion space is formed.

또, 제2팽창공간의 제4노즐측 일면은 제4노즐을 통과한 공기의 와류 발생을 방지하기 위해 측면상 수직보다 더 작은 각도로 경사진 경사면인 것을 특징으로 한다. The fourth nozzle-side surface of the second expansion space is an inclined surface that is inclined at an angle smaller than the vertical angle on the side surface in order to prevent the generation of vortex of the air that has passed through the fourth nozzle.

그리고 압축/팽창부의 단면적은 제1노즐을 통과한 공기가 확산하여 제1공기압축부재로 유입되도록 제1압축부의 단면적보다 더 넓거나, 제2압축부의 단면적은 제3노즐을 통과한 공기를 재압축시키기 위해 압축/팽창부의 단면적보다 더 좁거나, 팽창부의 단면적은 제4노즐을 통과한 공기가 확산하도록 제2압축부의 단면적보다 더 넓은 형태들 중 적어도 하나의 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다. And the cross-sectional area of the compression / expansion portion is wider than the cross-sectional area of the first compression portion so that the air having passed through the first nozzle diffuses and flows into the first air compression member, And the cross-sectional area of the expanding portion is in the form of at least one of the shapes wider than the cross-sectional area of the second compression portion so that air passing through the fourth nozzle diffuses.

상술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 상온의 주변 공기를 유동시켜 압축 및 팽창을 반복하면서 냉각시킴으로써, 종래의 에어컨과 같이 특정 가스나 냉매를 사용하지 않고도 주변 공간의 온도를 낮출 수 있는 효과가 있다. As described above, according to the present invention, by circulating ambient air at room temperature and cooling it while repeatedly compressing and expanding, it is possible to lower the temperature of the surrounding space without using a specific gas or refrigerant like a conventional air conditioner.

또한, 종래처럼 고압의 압축기 등을 포함한 다수의 정밀한 부품을 사용하는 대신 일반 송풍 팬이나 터보 팬 만을 구동하므로 전력을 현저히 절약할 수 있고, 단순한 부품 및 구조로 인해 유지 보수에 소비되는 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다. Further, since only a general blowing fan or a turbo fan is driven instead of using a number of precise parts including a high-pressure compressor as in the past, the electric power can be saved remarkably, and the cost for maintenance due to simple parts and structure can be reduced There is an effect that can be.

그리고, 환경에 저해하는 헬륨, 프레온 등의 냉매를 사용하지 않고 주변의 공기를 이용하므로, 오존층 파괴 등 환경을 해치는 폐기물의 발생이 전혀 없는 친환경적이라는 효과가 있다. Further, since ambient air is used without using refrigerant such as helium or freon which hinders the environment, there is an effect of being environmentally friendly without any generation of waste that damages the environment such as ozone layer destruction.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안 된다.
도 1은 일반적인 공기조화기의 기본 구조가 개략적으로 도시된 구성도이다.
도 2는 일반적인 등엔탈피 선도이다.
도 3은 일반적인 냉동사이클의 T-s 선도이다.
도 4는 일반적인 냉동사이클의 개략적인 구성도이다.
도 5는 일반적인 지포드-맥마온 사이클의 기본구조가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 6은 일반적인 단열팽창에 관련된 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 개방형 공기 냉각시스템의 기본 원리가 도시된 도면이다.
도 8은 도 7의 기본 원리를 근거로 구현한 개방형 공기 냉각시스템의 바람직한 실시 예가 도시된 측단면도이다.
도 9는 도 8의 공기 냉각시스템의 시뮬레이션 결과가 도시된 위치별 열분포도이다.
도 10은 도 9에서 길이별 온도 변화가 도시된 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate preferred embodiments of the invention and, together with the description, serve to further the understanding of the technical idea of the invention, Should not be interpreted.
Fig. 1 is a schematic view showing the basic structure of a general air conditioner.
Figure 2 is a general isenthalf diagram.
3 is a Ts diagram of a general refrigeration cycle.
4 is a schematic configuration diagram of a general refrigeration cycle.
5 is a diagram schematically illustrating a basic structure of a general Gipford-McMahon cycle.
6 is a graph relating to general thermal expansion.
7 is a diagram showing the basic principle of an open air cooling system according to the present invention.
Figure 8 is a cross-sectional side view of a preferred embodiment of an open air cooling system implemented on the basis of the basic principles of Figure 7;
FIG. 9 is a location-specific thermal distribution diagram showing the simulation results of the air cooling system of FIG.
FIG. 10 is a graph showing the temperature change by length in FIG.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention.

<구성><Configuration>

도 2는 일반적인 등엔탈피 선도이다. 도 3은 일반적인 냉동사이클의 T-s 선도이다. 도 4는 일반적인 냉동사이클의 개략적인 구성도이다. 도 5는 일반적인 단열팽창에 관련된 그래프이다. 도 6은 일반적인 지포드-맥마온 사이클의 기본구조가 개략적으로 도시된 도면이다. Figure 2 is a general isenthalf diagram. 3 is a T-s diagram of a general refrigeration cycle. 4 is a schematic configuration diagram of a general refrigeration cycle. 5 is a graph relating to general thermal expansion. FIG. 6 is a diagram schematically showing a basic structure of a general Gipford-Macmaon cycle.

본 발명에 따른 개방형 공기 냉각시스템은 줄-톰슨(Joule-Thomson;J-T)의 냉동방식과 디스플레이서(displacer)가 배제된 지포드-맥마온 사이클(Gifford-Mcmahon cycle)의 기본구조 및 단열팽창의 원리를 이용하고 있다. 따라서, 본 발명의 원리를 이해하기 위해 줄-톰슨의 냉동방식과 단열팽창의 원리에 대해 간략히 설명하기로 한다. The open air cooling system according to the present invention has a basic structure of the Gifford-Mcmahon cycle without Joule-Thomson (JT) refrigeration and displacer, Principle. Therefore, in order to understand the principle of the present invention, the principle of the refrigeration method and the thermal expansion of the line-Thomson will be briefly described.

먼저, 줄-톰슨(Joule-Thomson;J-T) 냉동방식은 고압의 기체를 저압으로 자유 팽창시킬 때 발생하는 줄-톰슨 효과를 이용해 낮은 온도를 얻는 방법이다. 이러한 방식을 이용한 J-T 냉동기는 그 구조가 간단하고, 기계적 진동이나 마찰을 발생시키는 부분이 없어 오랜 시간 동안 안정적으로 작동할 수 있는 장점으로 인해 소형 시스템의 냉각에 많이 사용된다. 하지만, J-T 냉동기는 J-T팽창(J-T expansion) 과정의 비가역성에 의해 내부적으로 많은 엔트로피를 생성하게 된다. 이 때문에 팽창기(expander)를 사용해서 기체를 팽창시키는 역브레이튼 사이클 냉동기(Reverse-Brayton cycle refrigerator) 또는 재생식 열교환기(Regenerative heat exchanger)를 사용하는 재생식 극저온 냉동기(Regenerative cryocooler)에 비해 효율이 낮다는 단점이 있다.First, the Joule-Thomson (J-T) freezing method is a method of obtaining a low temperature by using the line-Thomson effect generated when the high-pressure gas is freely expanded to low pressure. The J-T refrigerator using this method has a simple structure, and is free from mechanical vibration or friction, and can be stably operated for a long time. However, the J-T refrigerator internally generates a lot of entropy due to the irreversibility of the J-T expansion process. This is less efficient than a regenerative cryocooler using a reverse-brayton cycle refrigerator or a regenerative heat exchanger that expands the gas using an expander There is a disadvantage.

그러나, 작동 유체로 혼합 냉매를 사용하는 J-T 냉동기는 내부적으로 발생하는 비가역성을 크게 줄일 수 있기 때문에 잘 설계된 혼합 냉매 J-T 냉동기의 경우, 앞에서 언급한 다른 종류의 냉동기에 견줄 수 있을 만큼 충분한 효율을 낼 수 있다. 따라서, 이상 유체(two-phase fluid)의 팽창 과정에서 발생하는 수력학적 문제 때문에 기계적인 팽창기를 사용할 수 없는 냉동사이클의 경우 혼합 냉매 J-T 냉동기는 역-브레이튼 사이클 또는 재생식 열교환기를 대체하여 사용할 수 있다. 이외에도 간단한 구성으로 매우 낮은 온도를 얻기 위해 다른 냉동기와 다단으로 구성되어 하이브리드 형태로 사용되기도 한다. 이와 같이 J-T 냉동기는 현재에도 다양한 분야에 사용되기도 한다. However, since JT refrigerators using mixed refrigerants as working fluids can greatly reduce the irreversibility that occurs internally, a well-designed mixed-refrigerant JT chiller can achieve sufficient efficiency to compete with the other types of chillers mentioned above have. Therefore, in the case of a refrigeration cycle in which a mechanical expander can not be used due to hydraulic problems arising from the expansion of the two-phase fluid, the mixed refrigerant JT refrigerator can be used in place of a retro-Brayton cycle or regenerative heat exchanger have. In addition, it is composed of other refrigerators and multi-stages in order to obtain very low temperature with a simple structure and is used in hybrid form. As such, J-T refrigerators are also used in various fields today.

이하에서는 J-T 냉동기의 발전 과정에 대해 살펴보기로 한다. Hereinafter, the development process of the J-T refrigerator will be described.

J-T 냉동방식은 J-T 효과를 이용한 냉동 사이클인 Linde-Hamson 사이클을 기본으로 한다. 여기서, J-T 효과란 실제 기체가 모세관이나 오리피스(orifice) 등과 같은 단열된 좁은 통로를 통과하면서 자유 팽창할 때 등엔탈피 곡선(isenthalpic curve,도 2 참조)을 따라 온도가 변하는 현상을 말한다. 즉, 헬륨(He), 수소(H2)나 네온(Ne)의 경우를 제외하고, 대부분의 기체는 고압이나 상온에서 자유 팽창시키면 온도가 낮아진다는 현상이다. 따라서, 온도가 낮을수록 J-T 효과는 커지므로 팽창 전 예냉(precooling)을 통해 온도를 낮추면 J-T 효과를 더 크게 할 수 있다. The JT refrigeration system is based on the Linde-Hamson cycle, a refrigeration cycle using the JT effect. Here, the JT effect refers to a phenomenon in which the temperature changes along an isenthalpic curve (see FIG. 2) when the actual gas expands freely while passing through an insulated narrow passage such as a capillary, an orifice, or the like. That is, except for helium (He), hydrogen (H 2 ) and neon (Ne), the temperature of most gases becomes low when they are freely expanded at high pressure or room temperature. Therefore, the lower the temperature, the larger the JT effect, so the lower the temperature through precooling, the larger the JT effect can be.

이러한 J-T 효과를 이용한 냉동 사이클(Linde-Hampson) cycle)을 T-s 선도로 나타내면 도 3과 같이 도시될 수 있고, 이 사이클의 시스템의 개략도는 도 4와 같이 도시될 수 있다. 이 사이클의 순환을 살펴보면, 상온-고압의 냉매는 열교환기를 통과하면서 팽창 과정을 거친 저온-저압의 냉매와 열교환을 통해 예냉되고(①->②), 예냉된 냉매는 증발부에서 외부와 열교환하여 냉각 대상을 냉각시킨 후(③->④), 열교환기를 통과하면서 공급 냉매를 예냉하는데 사용된다(④->⑤). 이후, 열교환기를 빠져나온 냉매는 압축기를 통해 다시 압축되어 순환하거나(⑤->①), 외부로 배출되어 버려진다. A refrigerating cycle (Linde-Hampson) cycle using the J-T effect can be represented by a T-s diagram as shown in FIG. 3, and a schematic diagram of the system of this cycle can be shown in FIG. In this cycle, the refrigerant at normal temperature and high pressure is precooled by heat exchange with low-temperature and low-pressure refrigerant that has undergone the expansion process while passing through the heat exchanger, and the precooled refrigerant is heat- After cooling the object to be cooled (③-> ④), it is used to pre-cool the supply refrigerant while passing through the heat exchanger (④-> ⑤). After that, the refrigerant exiting the heat exchanger is compressed again through the compressor and circulated (⑤-> ①) or discharged to the outside and discarded.

이때, 압축기를 통해 순환하는 시스템을 폐쇄형 사이클(closed cycle)이라 하고, 고압의 저장소로부터 기체를 제공받아 냉동에 사용된 후 외부로 배출되는 시스템을 개방형 사이클(open cycle)이라고 한다. 여기서, 폐쇄형 사이클은 적당한 양으로 충전한 기체를 계속 순환해서 사용하기 때문에 기체의 소비가 없고, 일정한 압력비를 유지할 수 있어 장시간 연속적인 운전이 가능하다는 장점이 있다. 하지만, 기체의 압축과정에서 일어나는 발열이나 작동 유체가 오일에 용해되는 문제 등 고려해야할 점들이 많아 전체 시스템을 크고 복잡하게 만든다. 한편, 개방형 사이클은 압축기를 사용하지 않기 때문에 급속한 냉각을 위해 고압과 저압의 압력비가 매우 크게 설계한 경우에도 간단하고 작게 구성할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 운전하는 동안 계속해서 고압의 저장소에 있는 기체를 소비하기 때문에 장시간 운전시 일정한 압력비를 유지하기가 어려워 냉동 성능이 점점 감소되는 단점이 있다. At this time, a system circulating through a compressor is called a closed cycle, and a system in which a gas is supplied from a high-pressure reservoir and is used for refrigeration and then discharged to the outside is called an open cycle. Here, the closed cycle is advantageous in that continuous use of gas can be maintained because a constant pressure ratio can be maintained because no gas is consumed because the gas charged in an appropriate amount is continuously circulated and used. However, there are many considerations such as the heat generated during the compression of the gas and the problem of the working fluid being dissolved in the oil, thus making the whole system large and complicated. On the other hand, since the open cycle does not use a compressor, it is advantageous in that it can be configured simply and in a small size even when the pressure ratio of high and low pressure is designed to be very large for rapid cooling. However, since the gas in the high-pressure reservoir is continuously consumed during the operation, it is difficult to maintain a constant pressure ratio for a long period of operation, and the refrigeration performance is gradually reduced.

따라서, J-T 효과를 이용한 냉동 사이클이 작동 유체를 외부로 배출할 수 없거나, 고정된 위치에서 장시간 연속적인 운전을 요구하는 대형 냉동 시스템에 적용될 경우에는 폐쇄형 사이클로 구성하고, 짧은 시간 동안의 1회성 냉각이나 이동하는 장치의 냉각과 같은 소형 냉동 시스템에 적용되는 경우에는 개방형 사이클로 구성한다. 대표적인 적용 분야로, 폐쇄형 사이클은 대형 액화장치나 재응축 장치, 활성 기체를 섞어서 작동 유체로 사용하는 혼합 냉매 J-T 냉동기 등이 있고, 개방형 사이클은 미사일이나 군용 장비에 사용되는 소형 적외선 센서의 냉각, 소형 전자장치의 냉각, 극저온 수술용 프로브와 우주 항공 분야 등이 있다. Therefore, when the refrigeration cycle using the JT effect can not discharge the working fluid to the outside or is applied to a large-scale refrigeration system requiring continuous operation for a long time at a fixed position, it is configured as a closed cycle, Or in a small refrigeration system such as cooling of a moving device. Typical applications are closed circu- lar cycles such as large liquefaction plants, recondensers, and mixed refrigerant JT chillers that use active gas as a working fluid. The open cycle is used to cool small infrared sensors used in missiles and military equipment, Cooling of small electronic devices, probes for cryogenic surgery and the aerospace sector.

한편, 지포드-맥마온 사이클의 기본구조는 도 5에 도시된 바와 같이, 양측에웜피스톤(warm piston)과 콜드피스톤(cold piston)이 배치되고, 중앙부위에 다공질 열교환기(porous regenerator)가 설치되며, 열교환기 및 웜피스톤에 사이에 압축공간과, 열교환기 및 콜드피스톤 사이에 팽창공간이 마련된다. As shown in FIG. 5, the basic structure of the gefod-McMahon cycle is such that a warm piston and a cold piston are disposed on both sides and a porous regenerator And a compression space is provided between the heat exchanger and the warm piston, and an expansion space is provided between the heat exchanger and the cold piston.

이와 같은 기본 구조를 토대로 원리를 설명하자면, 먼저 최초의 ⓐ의 상태에서는 내부의 기체가 압축되지 않은 상태로 Ta의 온도를 유지한다. Based on this basic structure, the principle is first to maintain the temperature of Ta in the state of the first ⓐ without compressing the internal gas.

다음으로, 웜피스톤이 가압된 ⓑ의 상태에서는 내부의 기체가 압축되면서 다공질 열교환기를 통과하게 된다. Next, in the state where the warm piston is pressed, the inner gas is compressed and passes through the porous heat exchanger.

다음으로, 웜피스톤을 재차 가압하면서 콜드피스톤이 후진한 ⓒ의 상태에서는 내부의 기체가 열교환기를 통과하여 나오면서 최대로 압축된다. Next, when the cold piston is pressed back while the cold piston is backward, the gas inside is passed through the heat exchanger and compressed to the maximum.

끝으로, 콜드피스톤이 재차 후진한 ⓓ의 상태에서 기체가 최대한 팽창하면서 TL의 온도로 하강하게 된다. Finally, when the cold piston rises back again, the gas expands to the maximum temperature T L and then falls.

이러한 원리에 헬륨 가스를 이용하면 4K의 극저온에 도달할 수 있다. 다만, 이를 구현하기 위해서는 폐쇄형 사이클(Closed cycle)이어야만 한다. Using helium gas for this principle can reach a cryogenic temperature of 4K. However, in order to realize this, it must be a closed cycle.

한편, 단열팽창(斷熱膨脹,Adiabatic Expansion)은 물질이 외부와 열을 주고받음 없이 그 부피가 늘어나는 현상으로(도 6 참조), 3상의 물질(기체, 액체, 고체)을 단열 상태에서 열을 가해 온도를 올리면 체적이 증가하게 된다. 달리 표현하면, 3상의 물질을 외부와 단열시킨 상태에서 팽창시키면 온도가 내려가게 된다. 특히, 기체에서 단열팽창이 현저하게 나타난다. On the other hand, adiabatic expansion is a phenomenon in which the volume of a substance is increased without exchanging heat with the outside (see FIG. 6), and the three-phase substance (gas, liquid, solid) Increasing the temperature increases the volume. In other words, the temperature of the three-phase material is lowered when the material is expanded in the state of being insulated from the outside. Particularly, the thermal expansion is remarkable in the gas.

이를 식으로 표현하면, 열역학 제1법칙에서, Expressing this expression, in the first law of thermodynamics,

ΔQ = ΔU +ΔW ΔQ = ΔU + ΔW

ΔQ = ΔU + PΔV ΔQ = ΔU + PΔV

(ΔQ: 기체에 공급된 열 에너지, ΔU: 기체 내부에너지 증가량, ΔW: 기체가 외부에 한 일, P: 압력, ΔV : 부피변화 ) (ΔQ: heat energy supplied to the gas, ΔU: increase in gas internal energy, ΔW: gas externally, P: pressure, ΔV: volume change)

이상 기체의 에너지 U = 3/2nRT를 대입하고, 단열과정이므로 Q = 0을 대입하면, (U:내부에너지, n:몰수, R:기체상수, T:절대 온도) (U: internal energy, n: mole number, R: gas constant, T: absolute temperature) is obtained by substituting the energy of ideal gas U = 3 / 2nRT,

0 = 3/2nRΔT + PΔV 0 = 3 / 2nR? T + P? V

따라서 부피가 팽창하면(V>0), 온도는 내려가게 된다.(ΔT < 0) Thus, when the volume expands (V> 0), the temperature decreases (ΔT <0)

이러한 단열팽창의 원리를 극저온 냉동기에 적용하고 있고, 이 극저온 냉동기는 헬륨 또는 질소를 단열팽창시켜 극저온에 도달하도록 이루어진다. The principle of this thermal expansion is applied to a cryocooler, and this cryocooler is made to reach a cryogenic temperature by thermally expanding helium or nitrogen.

이하에서는 본 발명에 따른 개방형 공기 냉각시스템에 대해 자세히 설명한다. Hereinafter, the open air cooling system according to the present invention will be described in detail.

도 7은 본 발명에 따른 개방형 공기 냉각시스템의 기본 원리가 도시된 도면이다. 도 8은 도 7의 기본 원리를 근거로 구현한 개방형 공기 냉각시스템의 바람직한 실시 예가 도시된 측단면도이다. 도 9는 도 8의 공기 냉각시스템의 시뮬레이션 결과가 도시된 위치별 열분포도이다. 도 10은 도 9에서 길이별 온도 변화가 도시된 그래프이다. 7 is a diagram showing the basic principle of an open air cooling system according to the present invention. Figure 8 is a cross-sectional side view of a preferred embodiment of an open air cooling system implemented on the basis of the basic principles of Figure 7; FIG. 9 is a location-specific thermal distribution diagram showing the simulation results of the air cooling system of FIG. FIG. 10 is a graph showing the temperature change by length in FIG.

상술된 줄-톰슨 냉동방식과 지포드-맥마온 사이클(Gifford-Mcmahon cycle)의 기본 구조 및 단열팽창의 원리를 토대로 창출된 본 발명에 따른 개방형 공기 냉각시스템의 기본 원리는 도 7에서와 같이, 일측에서 주변의 상온(常溫)의 공기를 강제 주입하여 열교환기를 통과시키면서 최대한 압축시키고, 이 압축된 공기를 급격히 팽창시킴으로써 냉각 한 후, 타측으로 토출되도록 함에 있다. 특히, 본 발명의 공기 냉각시스템의 특징으로는 헬륨, 프레온 등의 특정 가스의 냉매를 이용하지 않고 주변의 일반 공기를 이용하며, 일측에서 상온의 공기가 유입되어 타측으로 냉각된 공기가 토출되는 개방형 구조라는 점에 있다. 또한, 지포드-맥마온 사이클에서 피스톤과 함께 이동하는 디스플레이서(Displacer)가 배제한 구조에서도 공기를 냉각시킬 수 있다. The basic principle of the open air cooling system according to the present invention, which is created based on the above-described basic structure of the line-Thomson refrigeration system and the Gifford-Mcmahon cycle and the principle of the monotonic expansion, Air is forcedly injected from one side to the surrounding room while being passed through the heat exchanger, and the compressed air is rapidly expanded to be cooled, and then discharged to the other side. In particular, the air cooling system of the present invention is characterized in that surrounding air is used without using a refrigerant of a specific gas such as helium or Freon, and air of normal temperature is introduced from one side and air cooled to the other side is discharged. Structure. It is also possible to cool the air in the structure excluded from the displacer that moves with the piston in the GipoD-McMahon cycle.

이러한 기본 원리 및 특징을 근거로 제작된 본 발명의 개방형 공기 냉각시스템은 도 8에서와 같이 일정 길이를 갖는 본체(200)와, 본체(200)에 장착된 송풍장치(100)를 포함하여 이루어진다. The open air cooling system of the present invention, which is manufactured on the basis of these basic principles and features, comprises a main body 200 having a predetermined length as shown in FIG. 8, and a blower 100 mounted on the main body 200.

송풍장치(100)는 주변의 상온의 공기를 본체(200)에 공급하도록 본체(200)의 일측에 장착된다. 이 송풍장치(100)는 통상의 일반 팬일 수도 있고, 더 강하게 송풍시킬 수 있는 터보 팬일 수도 있다. 이러한 송풍장치(100)는 대기압 상태의 주변 공기를 송풍하여 본체(200)에 공급한다. 이때, 주변의 공기를 송풍장치(100)로 강하게 불어 배출시키면 유입된 공기의 압력보다 더 높은 압력으로 변하게 된다. 다시 말해, 일반 송풍팬을 작동시키면 주변의 공기가 주변보다 더 높은 풍속으로 유동하면서 주변보다 더 높은 압력으로 변하게 된다. 이러한 현상을 활용하는 송풍장치(100)는 별도의 조작 없이 주변의 공기를 주변보다 조금 더 높은 압력으로 본체(200)에 공급할 수 있다. 다만, 주변의 공기를 더욱더 강하게 공급할수록 본체(200)를 통과하여 최종 배출되는 냉각 공기의 온도를 더 낮출 수 있으므로, 터보 팬을 사용하는 것이 바람직하고, 터보 팬보다 더 강력한 송풍기를 사용할 수도 있다. 이를 위해 송풍장치(100)는 본체(200)에 직접 연결함으로써, 송풍장치(100)에서 배출되는 고압의 공기를 본체(200)에 공급될 수도 있다. 이외에 송풍장치(100)와 본체(200) 사이에 연결관을 배치하여 그 길이를 조정함으로써, 송풍장치(100)에서 배출되는 공기의 압력을 원하는 범위로 조정하여 본체(200)에 공급할 수도 있다.The air blowing apparatus 100 is mounted on one side of the main body 200 so as to supply ambient air at room temperature to the main body 200. The air blowing apparatus 100 may be a normal general fan or a turbo fan capable of blowing more strongly. The air blowing apparatus 100 blows ambient air in an atmospheric pressure state and supplies the ambient air to the main body 200. At this time, when the surrounding air is strongly blown out to the blower 100, the pressure of the air changes to a higher pressure than the pressure of the introduced air. In other words, when a conventional blower fan is operated, the ambient air flows at a higher air velocity than the surrounding air, and changes to a higher pressure than the ambient air. The air blowing apparatus 100 utilizing such a phenomenon can supply the surrounding air to the main body 200 at a slightly higher pressure than the surrounding air without any additional operation. However, since the temperature of the cooling air finally discharged through the main body 200 can be further lowered as the surrounding air is supplied more strongly, it is preferable to use a turbo fan, and a blower stronger than the turbo fan may be used. To this end, the air blowing device 100 may be directly connected to the main body 200, so that the high-pressure air discharged from the air blowing device 100 may be supplied to the main body 200. It is also possible to adjust the length of the connection pipe between the air blowing device 100 and the main body 200 to adjust the pressure of air discharged from the air blowing device 100 to a desired range and supply the air to the main body 200.

본체(200)는 송풍장치(100)에서 공급된 공기를 압축하는 압축부, 압축부를 지나 압축된 공기가 통과하는 노즐과, 노즐을 통과한 공기를 팽창시키는 팽창부로 이루어진다. 이 본체(200)는 냉각 효율을 더 향상시키기 위해 내부와 외부의 열전달을 차단하기 위해 단열 재질로 제작되는 것이 바람직하다. 여기서, 압축부에는 다공질 플러그가 배치되거나 메시(mesh) 형태의 매질 또는 다수의 구슬이 수용된 형태로 배치되어 유입된 공기를 압축시키도록 구성된다. 이때, 다공질 플러그 또는 메시 형태의 매질 또는 구슬은 동, 동합금, 알루미늄, 알루미늄합금, 그래핀, 숯과 활성탄 중 적어도 어느 하나를 이용하여 제작할 수 있다. 또한, 다공질 플러그 또는 메시 형태의 매질 또는 구슬들을 단독 또는 혼합하여 배치할 수도 있고, 이들은 후술된 제1공기압축부재(221) 또는 제2공기압축부재(231)일 수 있다.The main body 200 comprises a compression unit for compressing the air supplied from the air blowing apparatus 100, a nozzle through which compressed air passes through the compression unit, and an expanding unit for expanding air that has passed through the nozzle. In order to further improve the cooling efficiency, the main body 200 is preferably made of an insulating material in order to block heat transfer inside and outside. Here, a porous plug is disposed in the compression unit, or a mesh-type medium or a plurality of beads are accommodated in the compression unit to compress the introduced air. At this time, the porous plug or mesh-like medium or bead can be manufactured using at least one of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, graphene, charcoal and activated carbon. In addition, the porous plug or mesh type medium or beads may be disposed singly or in combination, and these may be the first air compression member 221 or the second air compression member 231 described later.

또한, 노즐은 다공질 플러그와 팽창부 사이에 배치되고, 다공질 플러그를 지나 압축된 공기를 팽창부로 토출하도록 구성된다. Further, the nozzle is arranged between the porous plug and the expanding portion, and configured to discharge the compressed air through the porous plug to the expanding portion.

그리고 팽창부는 노즐에서 토출된 공기를 급격히 확산시키면서 팽창될 수 있도록 넓은 팽창공간을 구비한다. 이들 각각의 압축부, 노즐과 팽창부는 순차적으로 배치되어 구성될 수도 있고, 다수의 압축부와 노즐 및 팽창부가 상호 연계되어 배치될 수도 있다. The expanding portion has a large expansion space so that it can expand while rapidly diffusing the air discharged from the nozzle. Each of the compression unit, the nozzle and the expansion unit may be arranged in sequence, or a plurality of compression units, a nozzle, and an expansion unit may be arranged in connection with each other.

이하에서는 본체(200)에 대해 도 8에 도시된 실시 예를 토대로 자세히 설명하기로 한다. Hereinafter, the main body 200 will be described in detail based on the embodiment shown in FIG.

본체(200)는 제1압축부(210), 압축/팽창부(220), 제2압축부(230)와 팽창부(240)를 포함하여 이루어진다. 이 본체(200)는 공기의 흐름이 최대한 발생하지 않도록 단면이 원형의 관(管)으로 제작되는 것이 바람직하다. The main body 200 includes a first compression unit 210, a compression / expansion unit 220, a second compression unit 230, and an expansion unit 240. It is preferable that the main body 200 is made of a circular tube having a circular cross section so that the flow of air does not occur as much as possible.

여기서, 제1압축부(210)는 상기된 송풍장치(100)에서 공급된 공기가 유입되어 제1노즐(212)로 공급하기 위한 압축공간(211)과, 압축공간(211)에서 압축/팽창부(220)로 공기를 배출하는 제1노즐(212)을 구비한다. The first compression unit 210 includes a compression space 211 for supplying the air supplied from the blowing apparatus 100 to the first nozzle 212 and a compression / And a first nozzle 212 for discharging air to the nozzle 220.

먼저, 압축공간(211)에서는 송풍장치(100)에서 유입된 대량의 공기 중 소량의 공기가 제1노즐(212)을 통과하기 때문에 공기가 일시 머무르면서 일정 비율만큼 압축된다. 이 제1압축부(210) 또는 압축공간(211)의 단면적은 대략 송풍장치(100)의 토출구의 단면적과 동일하거나 유사한 정도이다. 일례로, 제1압축공간(211)의 단면적은 제1공기압축부재(221) 및 제1팽창공간(224)의 단면적보다 더 작을 수 있고, 제2공기압축부재(231)의 단면적과 동일하거나 유사하거나 더 클 수 있다. First, in the compression space 211, since a small amount of air flowing from the air blowing device 100 passes through the first nozzle 212, the air is compressed at a constant rate while staying temporarily. The sectional area of the first compression portion 210 or the compression space 211 is approximately the same as or similar to the sectional area of the discharge port of the fan apparatus 100. The cross sectional area of the first compression space 211 may be smaller than the cross sectional area of the first air compression member 221 and the first expansion space 224 and may be equal to or smaller than the cross sectional area of the second air compression member 231 May be similar or larger.

또한, 제1노즐(212)은 압축공간(211)과 후술된 압축/팽창부(220)의 제1공기압축부재(221) 사이에 1개 또는 다수로 천공한 구멍형태로 가공한다. 이 제1노즐(212)은 시간당 제1공기압축부재(221)로 통과시키는 공기의 양을 계산하여 그 지름과 개수를 결정할 수 있다. 즉, 제1노즐(212)의 각각의 지름과 개수는 송풍장치(100)에서 공급되는 공기의 양, 제1공기압축부재(221)로 공급되는 공기의 양과, 압축공간(211)에 머무르면서 압축되는 공기의 압력 등을 감안하여 결정할 수 있다. 또한, 제1노즐(212)은 압축공간(211)의 공기가 제1공기압축부재(221)로 확산하여 통과할 수 있도록 제1공기압축부재(221)측 부위의 지름이 압축공간(211)측 일부위의 지름보다 크도록 경사를 이루어 가공될 수 있다. 물론, 양측부의 지름이 동일한 형태로 가공될 수도 있다. Further, the first nozzle 212 is formed as one or more perforated holes between the compression space 211 and the first air compression member 221 of the compression / expansion unit 220 described later. The first nozzle 212 can calculate the amount of air passing through the first air compression member 221 per hour and determine the diameter and the number of the air. That is, the diameters and the number of the first nozzles 212 are determined by the amount of air supplied from the air blowing apparatus 100, the amount of air supplied to the first air compression member 221, The pressure of the air to be taken into account. The first nozzle 212 is formed so that the diameter of the first air compression member 221 side portion is smaller than the diameter of the compression space 211 so that air in the compression space 211 can be diffused and passed through the first air compression member 221. [ Side than a diameter of a part on the side of the side wall. Of course, the diameters of both side portions may be processed into the same shape.

한편, 압축/팽창부(220)는 제1공기압축부재(221), 격벽(222), 제2노즐(223), 제1팽창공간(224)과 제3노즐(225)을 포함하여 이루어진다. 이 압축/팽창부(220)는 내부에 설치된 격벽(222)에 의해 나뉜 내부 공간의 대부분이 제1공기압축부재(221)로 채워지고, 나머지 부분을 제1팽창공간(224)으로 한다. 이 제1공기압축부재(221) 또는 제1팽창공간(224)의 단면적은 압축공간(211)과 제2공기압축부재(231)의 단면적보다 크고, 제2팽창공간(241)의 단면적과 동일하거나 유사할 수 있다. 또한, 압축/팽창부(220)의 측면 길이는 제1압축부(210)의 측면 길이보다 길 수 있고, 제2압축부(230)의 측면 길이보다 더 짧을 수 있으며, 팽창부(240)의 측면 길이와 동일 또는 유사할 수 있다. The compression / expansion unit 220 includes a first air compression member 221, a partition 222, a second nozzle 223, a first expansion space 224, and a third nozzle 225. In the compression / expansion part 220, most of the internal space divided by the partition wall 222 provided therein is filled with the first air compression member 221, and the remaining part is made into the first expansion space 224. The sectional area of the first air compression member 221 or the first expansion space 224 is larger than the sectional area of the compression space 211 and the second air compression member 231 and is equal to the sectional area of the second expansion space 241 Or similar. The side length of the compression / expansion part 220 may be longer than the side length of the first compression part 210 and may be shorter than the side length of the second compression part 230, May be the same or similar to the side length.

여기서, 제1공기압축부재(221)는 제1노즐(212)을 통해 유입된 공기를 1차 압축시키는 매질로, 압축/팽창부(220)에서 격벽(222)으로 나뉜 대부분의 공간에 배치된다. 이 제1공기압축부재(221)는 일례로 다공성 플러그이거나 메시 형태의 매질이거나 다수의 구슬이 수용된 형태로 제작될 수 있고, 이외에 공기가 통과하면서 압축될 수 있는 통상의 장치 및 부재를 이용할 수 있다. 여기서, 메시의 지름이나 구슬의 지름은 제1공기압축부재(221)를 통과하는 공기의 유동 량 및/또는 압축 정도에 따라 수 마이크로미터보다 더 작은 크기에서 수십 밀리미터 정도의 크기까지 다양하게 가공할 수 있다. The first air compression member 221 is a medium for primarily compressing the air introduced through the first nozzle 212 and is disposed in the most space partitioned by the partition 222 in the compression / expansion unit 220 . The first air compression member 221 may be a porous plug, a mesh-like medium, or a plurality of beads may be accommodated. In addition, conventional devices and members capable of compressing air while passing through them may be used . Here, the diameter of the mesh or the diameter of the beads may be variously varied from a size smaller than a few micrometers to a size of a few tens of millimeters depending on the amount of air flowing through the first air compression member 221 and / .

그리고 제1공기압축부재(221)가 압축/팽창부(220)의 전체 공간에서 차지하는 크기는 제1팽창공간(224)에서 팽창되는 공기압과 제2공기압축부재(231)에서 2차 압축하는 공기압을 감안하여 계산된 공기압을 갖는 정도이다. 즉, 제2팽창공간(241)에서 최종 냉각된 공기의 온도를 감안하여 제1팽창공간(224), 제2공기압축부재(231)의 크기와 비례하여 설정할 수 있다. 상기된 크기는 면적이 될 수도 있고, 측면상 길이가 될 수도 있다. The size of the first air compression member 221 occupying the entire space of the compression / expansion unit 220 is determined by the air pressure expanded in the first expansion space 224 and the air pressure expanded in the second air compression member 231 Of the air pressure. In other words, the size of the first inflation space 224 and the second air compression member 231 can be set in consideration of the temperature of the finally cooled air in the second inflation space 241. The above-mentioned size may be an area or a side length.

또한, 격벽(222)은 압축/팽창부(220)를 제1공기압축부재(221)가 채워지는 대부분의 공간과, 제1팽창공간(224)으로 이용되는 일부분의 공간으로 구획하여 설치된다. The partition 222 is provided by dividing the compression / expansion part 220 into a most space filled with the first air compression member 221 and a part of the space used as the first expansion space 224.

또, 제2노즐(223)은 제1공기압축부재(221)를 통과한 1차 압축된 공기가 통과하여 제1팽창공간(224)으로 유동할 수 있도록 격벽(222)에 적어도 1개를 천공한 구멍형태로 가공한다. 이 제2노즐(223)은 양측단의 지름이 동일한 형태로 가공될 수 있고, 제1노즐(212)과 동일하게 지름이 확대되도록 경사져 가공될 수도 있다. 또한, 제2노즐(223)의 지름과 개수는 제1공기압축부재(221)를 통과한 공기의 압력, 제1팽창공간(224)에 머물러 팽창된 공기의 압력과, 제3노즐(225)을 통과하는 공기의 양 및 압력 등을 감안하여 결정할 수 있다. At least one of the second nozzles 223 is formed in the partition 222 so as to allow the first compressed air passing through the first air compression member 221 to flow into the first expansion space 224, Process in the form of a hole. The second nozzles 223 may be machined to have the same diameter at both ends and be inclined so as to have the same diameter as the first nozzles 212. The diameter and the number of the second nozzles 223 are set so that the pressure of the air passing through the first air compression member 221, the pressure of the air staying in the first expansion space 224, The amount and pressure of the air passing through the air-fuel ratio sensor, and the like.

그리고, 제1팽창공간(224)은 제1공기압축부재(221)에서 압축되어 제2노즐(223)을 통과한 공기가 급격히 확산되도록 하여 팽창시키는 공간이다. 즉, 제1공기압축부재(221)를 통과한 공기가 제1팽창공간(224)에서 급격히 확산 및 팽창되면서 1차 냉각될 수 있고, 이때의 냉각 온도는 상온과 큰 차이가 없을 수도 있다. 이에 대해 제1공기압축부재(221)를 통과한 공기가 제1팽창공간(224)에서 냉각되지만, 충분히 냉각될 공간 및 시간이 제공되지 않은 상태에서 곧바로 제2공기압축부재(231)로 유입되므로, 도 10에서와 같이 냉각이 진행되다가 이전 온도로 복귀하는 현상을 볼 수 있다. 이러한 제1팽창공간(224)의 크기는 제2팽창공간(241)에서 냉각된 공기의 온도를 감안하여 제2공기압축부재(231)와 제2팽창공간(241)의 크기와 비례하여 설정할 수 있다. 일례로, 압축/팽창부(200)에서 제1공기압축부재(221)이 배치된 대부분의 공간을 제외한 일부분의 공간에 제1팽창공간(224)이 마련되도록 할 수 있다. 이는 공기의 냉각보다는 예비 팽창의 기능이 더 우선하기 때문이다. 이때, 크기는 면적이 될 수도 있고, 측면상 길이가 될 수도 있다. The first expansion space 224 is a space compressed by the first air compression member 221 and expanding by allowing the air that has passed through the second nozzle 223 to be rapidly diffused. That is, the air having passed through the first air compression member 221 may be firstly cooled while rapidly diffusing and expanding in the first expansion space 224, and the cooling temperature at this time may not be greatly different from the room temperature. The air that has passed through the first air compression member 221 is cooled in the first expansion space 224 but is immediately introduced into the second air compression member 231 in a state in which space and time for sufficiently cooling are not provided , It is possible to see a phenomenon that the cooling returns to the previous temperature after progressing as shown in FIG. The size of the first expansion space 224 can be set in proportion to the size of the second air compression member 231 and the second expansion space 241 in consideration of the temperature of the air cooled in the second expansion space 241 have. For example, in the compression / expansion part 200, the first expansion space 224 may be provided in a part of the space except the most space where the first air compression member 221 is disposed. This is because the function of the preliminary expansion is given priority over the cooling of the air. At this time, the size may be an area or a side length.

또한, 제3노즐(225)은 제1팽창공간(224)의 공기가 통과하여 후술된 제2압축부(230)의 제2공기압축부재(231)로 유동할 수 있도록 1개 또는 2개 이상 천공한 구멍형태로 가공한다. 이 제3노즐(225)은 제2노즐(223)과 같이 양측단의 지름이 동일한 형태로 가공될 수도 있고, 제1노즐(212)과 동일하게 지름이 확대되도록 경사져 가공될 수도 있다. 또한, 제3노즐(225)의 지름과 개수는 제2공기압축부재(231)의 단면적, 제1팽창공간(224)에서의 공기의 압력과, 제2공기압축부재(231)로 유입되는 공기의 압력 등을 감안하여 결정할 수 있다. 여기서, 제2노즐(223)과 제3노즐(225)의 지름은 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다. The third nozzle 225 may have one or more than two nozzles 225 so that the air in the first expansion space 224 can pass through the second air compression member 231 of the second compression unit 230, It is processed into perforated holes. The third nozzle 225 may be formed in the same shape as the second nozzle 223 at both ends thereof or may be inclined so as to have the same diameter as the first nozzle 212. The diameter and the number of the third nozzles 225 are determined by the cross sectional area of the second air compression member 231, the pressure of the air in the first expansion space 224 and the air flowing into the second air compression member 231 And the like. Here, the diameters of the second nozzle 223 and the third nozzle 225 may be the same or different.

한편, 제2압축부(230)는 제2공기압축부재(231)와 제4노즐(232)을 포함하여 이루어진다. 이 제2압축부(230)의 단면적은 제1압축부(210)의 단면적보다 더 좁고, 측면상 길이는 압축/팽창부(220)의 길이보다 더 길 수 있다. Meanwhile, the second compression unit 230 includes a second air compression member 231 and a fourth nozzle 232. The cross-sectional area of the second compression portion 230 is narrower than the cross-sectional area of the first compression portion 210, and the length on the side surface thereof may be longer than the length of the compression / expansion portion 220.

여기서, 제2공기압축부재(231)는 제3노즐(225)을 통해 유입된 공기를 최종적으로 압축시키기 위한 매질이다. 이 제2공기압축부재(231)는 제2압축부(230)의 내부 공간을 차지하도록 배치되고, 일례로 다공성 플러그가 배치되거나 메시 형태의 매질이거나 다수의 구슬이 수용된 형태로 제작될 수 있고, 이외에 공기가 통과하면서 압축될 수 있는 통상의 동력장치 및 부재를 이용할 수 있다. 그리고 제2공기압축부재(231)의 지름, 길이 및 면적 등의 크기는 제2팽창공간(241)에서 팽창되어 냉각되는 공기의 온도를 감안하여 결정된다. 일례로, 제2공기압축부재(231)의 단면적은 제1공기압축부재(221)의 단면적 보다 더 좁을 수 있고, 측면상 길이는 제2공기압축부재(231)의 측면상 길이보다 더 길 수 있다. 이는 유동하는 공기를 제1공기압축부재(221)보다 더 압축시키는 등 공기의 최대 압축을 지향하기 위함이다. Here, the second air compression member 231 is a medium for finally compressing the air introduced through the third nozzle 225. The second air compression member 231 may be disposed to occupy the internal space of the second compression unit 230. For example, the second air compression member 231 may be disposed in the form of a porous plug, a mesh medium, In addition, conventional power devices and members that can be compressed while passing air can be used. The size, the length, and the area of the second air compression member 231 are determined in consideration of the temperature of air that is expanded and cooled in the second expansion space 241. The cross sectional area of the second air compression member 231 may be narrower than the cross sectional area of the first air compression member 221 and the length on the lateral side may be longer than the lateral length of the second air compression member 231 have. This is for the purpose of directing the maximum compression of the air, such as compressing the flowing air more than the first air compression member 221.

또한, 제4노즐(232)은 제2공기압축부재(231)의 공기가 통과하여 제2팽창공간(241)으로 유동할 수 있도록 1개 또는 2개 이상 천공하여 구멍형태로 가공한다. 제4노즐(232)은 제1노즐(212)과 동일하게 지름이 확대되도록 경사져 가공될 수도 있고, 제2,3노즐(223,225)과 같이 양측단의 지름이 동일한 형태로 가공될 수도 있다. 또한, 제4노즐(232)은 도 8에서와 같이 제2공기압축부재(231)측 부위보다 제2팽창공간(241)측 부위의 지름이 감소하도록 경사져 가공될 수도 있다. 이는 제2공기압축부재(231)를 지나면서 압축된 공기가 제2팽창공간(241)으로 공급되면서 더욱 높은 압력으로 분사되어 확산 및 팽창시 더 낮은 온도로 냉각되도록 하기 위함이다. In addition, the fourth nozzle 232 is punched into one or two or more holes so that the air of the second air compression member 231 can pass through the second expansion space 241. The fourth nozzle 232 may be machined to have the same diameter as the first nozzle 212 or may be machined to have the same diameter at both ends as the second and third nozzles 223 and 225. 8, the fourth nozzle 232 may be inclined such that the diameter of the second expansion chamber 241 side portion is smaller than that of the second air compression member 231 side portion. This is because compressed air passing through the second air compression member 231 is supplied to the second expansion space 241 and injected at a higher pressure to cool down to a lower temperature upon diffusion and expansion.

한편, 팽창부(240)는 제4노즐(232)을 통과한 공기가 확산되면서 팽창할 수 있도록 제2팽창공간(241)을 구비한다. 이 팽창부(240) 또는 제2팽창공간(241)의 단면적과 측면상 길이는 압축/팽창부(220) 또는 제1팽창공간(224)과 동일하거나 유사할 수 있고, 제1압축부(210) 또는 압축공간(211)이나 제2압축부(230) 또는 제2공기압축부재(231)보다 더 크거나 길 수 있다. 이 제2팽창공간(241)에서는 제1팽창공간(224)에서 1차 팽창된 공기가 제2공기압축부재(231)에서 재차 압축되어 유입되면서 다시 급격히 확산 및 팽창되면서 냉각된다. 이러한 제2팽창공간(241)에서 냉각된 공기가 외부로 배출된다. 여기서, 제4노즐(232)측 제2팽창공간(241)의 일면은 제4노즐(232)에서 토출된 공기가 확산하면서 와류가 발생하지 않도록 경사면(242)을 구비한다. 이 경사면(242)의 각도는 측면상 90°보다 작고, 60°보다 더 클 수 있다. 90°이상이면 와류가 발생하기 쉽고, 60°이하이면 확산 및 팽창 정도가 낮아져 냉각 효율이 낮아질 수 있다. Meanwhile, the expansion unit 240 includes a second expansion space 241 so that air passing through the fourth nozzle 232 can be expanded while being diffused. Sectional area and lateral length of the expansion portion 240 or the second expansion space 241 may be the same as or similar to the compression / expansion portion 220 or the first expansion space 224, and the first compression portion 210 Or the compression space 211, the second compression unit 230, or the second air compression member 231, respectively. In the second expansion space 241, the air that is firstly expanded in the first expansion space 224 is compressed again by the second air compression member 231, and then is rapidly diffused and expanded while being cooled. The cooled air in the second expansion space (241) is discharged to the outside. Here, one surface of the second expansion space 241 on the side of the fourth nozzle 232 has an inclined surface 242 so that air discharged from the fourth nozzle 232 is diffused and vortex is not generated. The angle of this slope 242 is less than 90 degrees on the side, and may be greater than 60 degrees. If the angle is greater than 90 °, vortexes tend to occur. If the angle is less than 60 °, the diffusion and expansion degree may be lowered, resulting in lower cooling efficiency.

한편, 냉각된 공기의 온도를 더 낮추기 위해서는 압축/팽창부(220)와 제2압축부(230) 중 적어도 하나를 다수 설치할 수도 있다. 또는, 제1공기압축부재(221) 또는 제2공기압축부재(231)에서의 공기 압축력을 더 상승시키도록 크기, 면적 또는 다공의 정도를 조정할 수도 있다. 또는, 제1공기압축부재(221) 또는 제2공기압축부재(231)에서 배출된 공기의 확산 및 팽창 정도를 더 크게 하기 위해 제2노즐(223) 또는 제4노즐(232)의 지름을 조정할 수도 있다. In order to further lower the temperature of the cooled air, at least one of the compression / expansion unit 220 and the second compression unit 230 may be installed. Alternatively, the size, the area, or the degree of porosity may be adjusted to further increase the air compressive force in the first air compression member 221 or the second air compression member 231. Alternatively, the diameter of the second nozzle 223 or the fourth nozzle 232 may be adjusted to further increase the degree of diffusion and expansion of the air discharged from the first air compression member 221 or the second air compression member 231 It is possible.

이렇게 구성된 본 발명에 따른 개방형 공기 냉각시스템을 시뮬레이션으로 시험해본 결과 도 9에서와 같이 최종 배출되는 공기의 온도가 유입된 공기의 온도보다 현저히 낮은 온도 분포가 이루어졌다. 즉, 송풍장치(100)에서 공급된 상온의 주변 공기가 최종적으로 제2팽창공간(241)으로 배출되면서 확연히 낮아진 온도를 확인할 수 있다. 이에 대해, 도 10에서와 같이 제2공기압축부재(231)를 통과한 공기가 급격히 낮아진 후 제2팽창공간(241)에서 외부 공기와 접촉하면서 다소 상승하여 배출됨을 알 수 있다. 물론, 제2팽창공간(241)에서 최종적으로 배출되는 냉각 공기의 온도는 외부의 온도보다는 훨씬 낮은 온도로 배출됨을 당연하다. As a result of the simulation of the open air cooling system according to the present invention constructed as described above, the temperature distribution of the finally discharged air is significantly lower than the temperature of the introduced air as shown in FIG. That is, the ambient temperature at room temperature supplied from the air blowing apparatus 100 is finally discharged into the second expansion space 241, and the temperature can be clearly lowered. In contrast, as shown in FIG. 10, the air passing through the second air compression member 231 is suddenly lowered, and then the second expansion space 241 is slightly raised while being in contact with the outside air. Of course, it is natural that the temperature of the cooling air finally discharged in the second expansion space 241 is discharged to a much lower temperature than the external temperature.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시 예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허등록청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허등록청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As described above, those skilled in the art will appreciate that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims, rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalents of the claims are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

100:송풍장치
200:본체
210:제1압축부
211:압축공간
212:제1노즐
220:압축/팽창부
221:제1공기압축부재
222:격벽
223:제2노즐
224:제1팽창공간
225:제3노즐
230:제2압축부
231:제2공기압축부재
232:제4노즐
240:팽창부
241:제2팽창공간
242:경사면.
100: blower
200:
210: first compression section
211: compression space
212: first nozzle
220: compression / expansion part
221: first air compression member
222:
223: Second nozzle
224: first expansion space
225: third nozzle
230: second compression section
231: second air compression member
232: fourth nozzle
240: Expansion part
241: second inflation space
242: sloping surface.

Claims (10)

송풍장치(100);
상기 송풍장치(100)로부터 공급된 외부 공기가 통과하면서 압축되는 압축부, 압축부를 통과한 공기가 확산 및 팽창하는 팽창부를 구비한 본체(200);를 포함하여 이루어진 개방형 공기 냉각시스템.
A blowing device 100;
And a main body (200) having a compression section that is compressed while the outside air supplied from the air blowing apparatus (100) passes, and an expansion section where the air that has passed through the compression section spreads and expands.
제1항에 있어서,
상기 압축부는 공기가 지나면서 압축되도록 공기압축부재를 구비하고,
상기 공기압축부재는 통과하는 공기를 압축시킬 수 있도록 다공질 플러그이거나 메쉬 형태의 매질 또는 다수의 구슬이 수용된 형태이거나, 이들 중 적어도 2개가 혼합된 형태인 것으로 하는 개방형 공기 냉각시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the compression section includes an air compression member for compressing air as it passes,
Wherein the air compression member is a porous plug, a mesh-type medium or a plurality of beads is accommodated in order to compress air passing therethrough, or at least two of them are mixed.
제1항에 있어서,
상기 본체(200)는 송풍장치(100)에 공급된 공기가 유입되는 압축공간(211)과, 압축공간(211)의 공기가 통과하는 제1노즐(212)을 구비한 제1압축부(210),
상기 제1노즐(212)을 통과한 공기가 유입되어 압축되는 제1공기압축부재(221), 제1공기압축부재(221)를 지나면서 압축된 공기가 통과하는 제2노즐(223), 제2노즐(223)을 통과한 공기가 확산 및 팽창하는 제1팽창공간(224)과, 제1팽창공간(224)의 공기가 통과하는 제3노즐(225)을 구비한 압축/팽창부(220),
상기 제3노즐(225)을 통과한 공기가 유입되어 압축되는 제2공기압축부재(231)와, 제2공기압축부재(231)를 지나면서 압축된 공기가 통과하는 제4노즐(232)을 구비한 제2압축부(230)와,
상기 제4노즐(232)을 통과한 공기가 유입되어 확산 및 팽창된 후 외부로 배출되는 제2팽창공간(241)을 구비한 팽창부(240)를 포함하여 이루어진 개방형 공기 냉각시스템.
The method according to claim 1,
The main body 200 includes a first compression unit 210 having a compression space 211 into which air supplied to the air blowing apparatus 100 is introduced and a first nozzle 212 through which air in the compression space 211 passes, ),
A first air compression member 221 through which the air having passed through the first nozzle 212 flows and is compressed, a second nozzle 223 through which compressed air passes through the first air compression member 221, Expanding portion 220 having a first expansion space 224 through which air that has passed through the second nozzle 223 diffuses and expands and a third nozzle 225 through which air in the first expansion space 224 passes, ),
A second air compression member 231 through which the air having passed through the third nozzle 225 flows and is compressed and a fourth nozzle 232 through which compressed air passes through the second air compression member 231, A second compression unit 230,
And an expansion unit (240) having a second expansion space (241) through which the air that has passed through the fourth nozzle (232) flows and diffuses and expands and then is discharged to the outside.
제3항에 있어서,
상기 제1공기압축부재(221)와 제2공기압축부재(231) 중 적어도 하나는 다공질 플러그이거나 메시 형태의 매질 또는 다수의 구슬을 수용한 형태이거나, 이들 중 적어도 2개가 혼합된 형태인 것으로 하는 개방형 공기 냉각시스템.
The method of claim 3,
At least one of the first air compression member 221 and the second air compression member 231 may be a porous plug, a mesh type medium or a plurality of beads may be accommodated, or at least two of them may be mixed Open air cooling system.
제2항 또는 제4항에 있어서,
상기 다공질 플러그 또는 메시 형태의 매질 또는 구슬은 동, 동합금, 알루미늄, 알루미늄합금, 그래핀, 숯과 활성탄 중 적어도 하나인 것으로 하는 개방형 공기 냉각시스템.
The method according to claim 2 or 4,
Wherein the porous plug or mesh medium or bead is at least one of copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, graphene, charcoal and activated carbon.
제3항에 있어서,
상기 제1노즐(212), 제2노즐(223), 제3노즐(225)과 제4노즐(232)은 적어도 1개의 천공된 구멍인 것으로 하는 개방형 공기 냉각시스템.
The method of claim 3,
Wherein the first nozzle (212), the second nozzle (223), the third nozzle (225) and the fourth nozzle (232) are at least one perforated hole.
제6항에 있어서,
상기 제1노즐(212), 제2노즐(223), 제3노즐(225)과 제4노즐(232) 중 적어도 1개는 양측부가 동일한 지름을 갖는 형태로 가공되거나, 공기가 확산하여 분사되도록 지름이 확장되는 형태로 가공되거나, 유입된 공기가 더 높은 압력으로 분사되도록 지름이 감소되는 형태로 가공된 개방형 공기 냉각시스템.
The method according to claim 6,
At least one of the first nozzle 212, the second nozzle 223, the third nozzle 225 and the fourth nozzle 232 may be formed so that both sides thereof have the same diameter, An open air cooling system in which the diameter is machined to an expanded form or the diameter is reduced so that the incoming air is injected at a higher pressure.
제3항에 있어서,
상기 압축/팽창부(220)는 제2노즐(223)이 가공된 격벽(222)으로 구획되고, 면적이 넓거나 측면상 길이가 긴 일측 공간에 제1공기압축부재(221)가 배치되며, 면적이 좁거나 측면상 길이가 짧은 타측 공간을 제1팽창공간(224)으로 하는 개방형 공기 냉각시스템.
The method of claim 3,
The compression / expansion unit 220 is partitioned by the partition wall 222 in which the second nozzle 223 is formed, and the first air compression member 221 is disposed in a space having a large area or a long side face, And the other side space having a narrow area or a short side length is a first expansion space (224).
제3항에 있어서,
제2팽창공간(241)의 제4노즐(232)측 일면은 제4노즐(232)을 통과한 공기의 와류 발생을 방지하기 위해 측면상 수직보다 더 작은 각도로 경사진 경사면(242)인 것으로 하는 개방형 공기 냉각시스템.
The method of claim 3,
One surface of the second expansion space 241 on the side of the fourth nozzle 232 is an inclined surface 242 inclined at an angle smaller than a vertical angle on the side surface in order to prevent generation of vortex of air passing through the fourth nozzle 232 An open air cooling system.
제3항, 제4항 또는, 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압축/팽창부(220)의 단면적은 상기 제1노즐(212)을 통과한 공기가 확산하여 제1공기압축부재(221)로 유입되도록 제1압축부(210)의 단면적보다 더 넓거나, 상기 제2압축부(230)의 단면적은 제3노즐(225)을 통과한 공기를 재압축시키기 위해 압축/팽창부(220)의 단면적보다 더 좁거나, 상기 팽창부(240)의 단면적은 제4노즐(232)을 통과한 공기가 확산하도록 제2압축부(230)의 단면적보다 더 넓은 형태들 중 적어도 하나의 형태로 이루어진 개방형 공기 냉각시스템.
10. The method according to any one of claims 3, 4, 6, 7, 8, 9,
The cross-sectional area of the compression / expansion part 220 may be larger than the cross-sectional area of the first compression part 210 so that the air having passed through the first nozzle 212 is diffused and introduced into the first air compression member 221, The cross sectional area of the second compression portion 230 is narrower than the cross sectional area of the compression / expansion portion 220 to recompress air passing through the third nozzle 225, 4 nozzles 232. The open air cooling system of claim 1, wherein the at least one of the first and second nozzles has a width that is less than the width of the second compressed portion.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100310819B1 (en) 1998-09-25 2001-12-17 윤덕용 Cryogenic Chiller with Reverse Brayton Cycle
KR20040097582A (en) 2003-05-12 2004-11-18 정규진 Aaccumulate cold type air Refrigerating machines
KR20090113809A (en) 2009-10-13 2009-11-02 정방균 Air cooler

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