KR20230010193A - 냉각 요소 - Google Patents

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KR20230010193A
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시바발란 카일라삼
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에드워즈 리미티드
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Abstract

베이스 요소를 포함하는 진공 펌프용 냉각 요소로서, 베이스 요소에 의해 내부 보이드가 규정된다. 또한, 입구가 베이스 요소에 연결되고 보이드와 유동 연결 상태에 있다. 또한, 출구가 베이스 요소에 연결되고 보이드와 유동 연결 상태에 있어, 냉각제가 열을 소산시키기 위해 입구로부터 보이드를 통해 출구로 흐를 수 있다. 베이스 요소는 진공 펌프의 하우징에 연결된다.

Description

냉각 요소
본 발명은 진공 펌프용 냉각 요소 및 이러한 냉각 요소를 진공 펌핑하는 것에 관한 것이다.
진공 펌프의 일반적인 냉각 요소는 알루미늄 블록 내의 스테인리스강 파이프에 압입 또는 주조하여 제작된다. 그러나 냉각 블록에서 알루미늄과 스테인리스 강 파이프 사이의 정합 면 접촉은 알루미늄 블록에 압입되는 경우나 주조되는 경우 모두 완벽하지 않다. 따라서 진공 펌프의 하우징으로부터, 파이프를 통해 흐르는 냉각제로의 열 전달이 충분하지 않다. 추가로, 일반적으로 진공 펌프로부터 냉각제로의 열 전도도를 감소시키는 층류가 파이프 내부에 있기 때문에 열 전달이 더욱 감소한다.
또한 알루미늄 블록은 상온에서 합금강 볼트로 진공 펌프의 하우징에 조립된다. 작동 중 냉각 블록 온도는 일반적으로 20~160℃ 사이에서 순환한다. 합금강 볼트는 알루미늄보다 열팽창이 낮기 때문에 볼트에 응력이 유발되어 볼트에 피로파괴가 발생한다. 따라서 냉각 효과가 줄어들 수 있으며 진공 펌프의 서비스가 필요해질 수도 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 냉각제로의 효율적인 열 전달을 제공하고 그 기능을 보다 신뢰성 있게 수행하는 냉각 요소를 제공하는 것이다.
주어진 문제에 대한 해결책은 청구항 1에 따른 냉각 요소 및 청구항 13에 따른 진공 펌프에 의해 제공된다.
본 발명에 따르면, 진공 펌프용 냉각 요소는 베이스 요소를 포함하고, 베이스 요소에 의해 내부 보이드가 형성된다. 또한, 입구가 베이스 요소에 연결되고 보이드와 유체 연결 상태에 있다. 출구가 베이스 요소에 연결되며 보이드와 유체 연결 상태에 있으므로, 진공 펌프의 하우징으로부터 냉각제로 전달된 열을 소산시키기 위해 냉각제가 입구로부터 보이드를 통해 출구로 흐를 수 있다. 따라서 베이스 요소는 진공 펌프의 하우징에 연결가능하다. 베이스 요소의 내부 보이드를 통해 흐르는 냉각제로 인해, 진공 펌프에서 생성된 열이 소산되고 진공 펌프로부터 멀리 안정적으로 전달된다.
바람직하게는, 보이드는 관형이다. 특히 베이스 요소는 시공의 용이성을 위해 파이프에 의해 제공된다. 여기서, 파이프는 진공 펌프로부터 냉각제로 열을 전달하기에 충분한 길이를 제공하기 위해 다양한 형태로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 보이드는 평평한 형상을 갖는다. 이 의미에서 평평하다는 것은 보이드의 높이가 보이드의 폭보다 작다는 것을 뜻한다. 특히, 폭은 높이의 2배 초과, 바람직하게는 높이의 4배 초과, 더욱 바람직하게는 높이의 10배 초과이다. 특히, 보이드의 높이는 3mm 미만, 바람직하게는 2mm 미만, 더욱 바람직하게는 1mm 미만이다. 이에 비해 보이드의 폭은 수십 mm일 수 있고, 바람직하게는 25mm 초과, 더욱 바람직하게는 40mm 초과일 수 있다. 따라서 평평한 보이드에 의해, 냉각제가 보이드를 통해 흐를 때 냉각제와 접촉하는 넓은 표면이 생성된다. 따라서, 진공 펌프로부터 냉각제로의 열전달 효율이 개선될 수 있다.
바람직하게는, 베이스 요소도 평평한 형상을 가지므로 재료 양의 절감 및 이에 따른 제조 비용의 절감이 달성될 수 있다. 베이스 요소의 형상은 보이드의 형상에 맞춰질 수 있다. 여기에서 평평하다는 용어는 동일한 의미를 갖는데, 즉, 베이스 요소가 그 요소의 폭보다 훨씬 작은 높이를 갖는다는 의미이다.
바람직하게는, 보이드는 보이드의 폭을 초과하는 길이, 바람직하게는 2배의 폭, 보다 바람직하게는 4배의 폭, 가장 바람직하게는 8배의 폭을 초과하는 길이를 갖는다. 따라서, 냉각제는 진공 펌프로부터 열을 흡수하기에 충분한 시간을 가질 수 있다(이 열은 그후 냉각제에 의해 소산됨).
바람직하게는, 베이스 요소는 진공 펌프의 하우징의 표면에 직접 부착되는 바닥 표면을 포함한다. 따라서 베이스 요소는 진공 펌프의 하우징과 직접 접촉하여, 진공 펌프의 하우징으로부터의 열을 베이스 요소의 바닥 표면으로, (베이스 요소에 의해 규정된) 내부 보이드의 냉각제까지 전달하기에 충분한 열 전도성을 제공할 수 있다. 특히, 진공 펌프의 하우징의 표면과 완전히 접촉할 수 있도록 바닥 표면이 평평하다.
특히, 베이스 요소의 바닥 표면과 보이드 사이의 재료 두께는 3mm 미만, 바람직하게는 2mm 미만, 더욱 바람직하게는 1mm 미만이다. 따라서 충분한 열전도율을 제공할 수 있다. 베이스 요소가 스테인리스강으로 만들어지더라도, 베이스 요소 바닥의 얇은 재료 두께로 인해 충분한 열전도율이 있을 수 있다.
바람직하게는, 내부 보이드는 보이드 내에 난류를 생성하기 위해 적어도 하나의 주름형 표면을 포함한다. 여기서, 주름형 표면은 적어도 진공 펌프의 하우징의 표면으로부터 멀리 바닥 표면의 대향 위치에 있는 상부 표면에 제공될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상부 표면 뿐만 아니라 하부 표면도 주름형 표면을 포함할 수 있다.
바람직하게, 주름형 표면은 보이드를 통한 유동 방향에 수직으로 배열된 홈에 의해 제공될 수도 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 주름형 표면은 유동 방향에 수직으로 배열된 리브에 의해 제공될 수도 있다. 따라서 주름형 표면이 하나만 존재하는 경우 주름형 표면을 홈이나 리브로 만들 수 있다. 두 개의 주름형 표면이 존재하는 경우 두 개의 표면을 모두 홈으로 만들거나 모두 리브로 만들 수도 있고, 또는 하나의 주름형 표면을 리브로 만들고 하나의 주름형 표면을 홈으로 만들 수도 있다.
바람직하게는, 연결 요소가 존재하지 않는 경우, 상부 표면의 주름형 표면은 홈으로서 형성되고, 바닥 표면의 주름형 표면은 리브로서 형성된다. 특히, 베이스 요소가 아래에서 설명되는 바와 같은 연결 요소에 의해 둘러싸인 경우 바닥 표면은 보이드 내에서 난류를 보장하기 위해 홈 또는 리브로 만들어질 수 있다. 보이드 내의 난류 유동에 의해 냉각제로의 열 전달이 개선될 수 있다.
바람직하게는 상부 표면의 주름형 표면의 특징부 및 바닥 표면의 주름형 표면의 특징부는 유동 방향을 따라 교대로 배열된다.
바람직하게는, 난류기 요소(turbulator element)가 보이드 내에 난류를 생성하기 위해 보이드 내에 배치된다. 바람직하게는, 난류기 요소는 별도의 요소로서 보이드에 도입된 와이어 메쉬로 구성된다. 특히, 보이드가 파이프로 구성되는 경우 난류기 요소는 파이프 내로 쉽게 도입되어, 파이프 내에서 난류 흐름을 보장함으로써, 냉각제로의 열 전달을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 베이스 요소는 하나의 피스(piece)로 제작된다. 따라서 냉각제가 누출될 가능성이 없다. 대안적으로, 베이스 요소는 함께 접착, 용접, 나사결합되거나 또는 이와 다른 방식으로 누출 방지용으로 부착된 두 개 이상의 피스로 구성된다.
바람직하게는, 베이스 요소는 3D 프린팅에 의해 제조된다. 특히, 베이스 요소가 3D 프린팅에 의해 하나의 피스로 제작되는 경우, 주름형 표면과 같은 복잡한 모양을 가진 내부 보이드를 생성할 가능성을 제공할 수 있다. 따라서 3D 프린팅은 냉각 요소의 제작을 용이하게 한다.
바람직하게는, 베이스 요소는 연결 요소에 의해 둘러싸인다. 특히, 베이스 요소가 진공 펌프의 하우징에 직접 연결되지 않는 경우, 연결 요소가 베이스 요소를 진공 펌프의 하우징과 연결한다. 여기서, 연결 요소는 바람직하게는 알루미늄으로 만들어지고 연결 요소는 진공 펌프의 하우징에 직접 연결된다. 여기서, 베이스 요소와 연결 요소 사이에 충분한 접촉을 제공하기 위해 베이스 요소가 연결 요소 내로 주조되거나 압입될 수 있다.
바람직하게는, 베이스 요소는 스테인리스강으로 만들어진다. 특히, 어그레시브한 냉각제(aggressive coolant)를 사용하는 경우 스테인리스강이 긴급하고 오래 지속되는 이점을 제공한다. 따라서 냉각 요소가 합금강 나사로 부착되는 경우, 냉각 요소와 나사는 동일하거나 유사한 열팽창을 갖는다. 따라서, 유발되는 열 응력이 감소될 수 있다.
또한, 본 발명은 하우징 및 전술한 바와 같은 냉각 요소를 포함하는 진공 펌프에 관한 것이다.
본 발명이 첨부된 도면에 따른 실시예를 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 냉각 요소의 사시도,
도 2는 도 1에 따른 냉각 요소의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 냉각 요소의 다른 실시예,
도 4는 예시적인 난류기 요소이다.
본 발명에 따른 냉각 요소(10)는 평평한 베이스 요소(12)로서 구축된 도 1에 따른 베이스 요소(12)를 포함한다. 추가로 베이스 요소에는 입구(14) 및 출구(16)가 연결된다. 냉각제는 화살표(18)로 도시된 바와 같이 입구(14)를 통해 흐르고, 베이스 요소(도 2)에 구축된 내부 보이드(void: 20)을 통해 흐르며, 화살표(22)로 도시된 바와 같이 출구(16)를 통해 냉각 요소(10)를 빠져 나간다. 베이스 요소(12)는 도 2에 도시된 바와 같이 진공 펌프의 하우징(28)의 표면(26)과 직접 접촉하는 바닥 표면(24)을 포함한다.
베이스 요소(12)에 있는 보이드(20)의 평평한 형태로 인해 대부분의 냉각제는 바닥 표면(24)에 가까우며, 진공 펌프의 하우징(28)으로부터 냉각 요소(10)로 전달되는 열 에너지를 흡수할 수 있다. 냉각 요소(10)는 스테인리스강으로 구성될 수 있다. 스테인리스강은 열전도율이 낮지만, 냉각 요소(10)의 바닥 표면(24)과 내부 보이드(20)의 하부 표면 사이의 재료 두께(D)가 얇기 때문에 (특히 2mm 미만일 수 있음) 진공 펌프로부터 냉각제로 충분한 열이 전달된다.
본 발명에 따르면, 내부 보이드(20)의 상부 표면(30)은 (화살표 34로 표시된 바와 같은) 유동 방향에 수직인 복수의 홈(32)에 의해 주름형 표면으로서 형성된다. 추가로, 내부 보이드(20)의 하부 표면(31)은 또한 도 2에 도시된 바와 같은 주름형 표면을 포함하며, 도 2에서 이 주름형 표면은, 유동 방향에 수직으로 배열되고 상부 표면(30)의 홈(32)에 상호 교환 가능하게 배열된 리브(33)에 의해 형성된다. 그에 의해 냉각제가 난류(turbulent flow)가 되어, 냉각제가 진공 펌프로부터 열을 흡수할 가능성을 향상시킨다.
바람직하게는, 베이스 요소(12)는 3D 프린팅에 의해 하나의 피스(one piece)로 제작된다. 이에 의해, 보이드(20)의 복잡한 형상이 쉽게 달성될 수 있고 또한 누출 방지 설계가 제공된다.
냉각 요소의 제조 방법은:
a) 스테인리스강으로부터, 3D 프린팅에 의해, 내부 보이드를 포함하는 베이스 요소를 프린팅하는 단계와;
b) 3D 프린팅이나, 또는 용접, 브레이징 등과 같은 임의의 다른 방법에 의해, 내부 보이드에 유체 연통되는 입구 및 출구를 베이스 요소에 부착하는 단계를 포함한다.
냉각 요소는 위나 아래에서 설명된 바와 같은 특징부를 가질 수도 있다.
도 3은 베이스 요소(12)가 도 1 및 2의 실시예와 같은 제1 주름형 표면(32)을 포함하고 또한 제1 주름형 표면(32)에 대향하는 제2 주름형 표면(36)을 갖는 다른 실시예를 도시하며, 양 주름형 표면은 홈에 의해 동일하게 제작된다. 따라서 그 사이에 보이드를 규정하는 대향 표면, 즉 하부 표면은 주름형 표면으로 제작된다. 베이스 요소(12)는 연결 요소(38) 안에 배치되고, 연결 요소는 진공 펌프의 하우징(28)의 표면(26)에 연결된다. 베이스 요소(12)는 바람직하게는 알루미늄으로 만들어진 연결 요소(38) 내로 주조될 수 있다. 따라서 양 표면이 주름형 표면으로 제작되어, 냉각제가 열을 흡수할 가능성을 높일 수 있다. 추가로, 도 3에 있어서 이전 도면의 특징부와 동일 또는 유사한 특징부는 동일한 참조 번호로 표시한다.
도 3에서, 평평한 베이스 요소는 진공 펌프의 하우징의 표면(26)에 평행하게 연결 요소(38) 내에 배열된다. 여기서, 평행은 베이스 요소(12)의 바닥 표면(24) 및/또는 상부 표면(30)이 진공 펌프의 하우징의 표면에 평행하다는 것을 의미한다. 대안적으로, 베이스 요소(12)는 진공 펌프의 하우징의 표면에 대해 수직으로 연결 요소(38) 내에 배열될 수 있다.
도 4는 특히 보이드가 파이프로 구축된 경우, 보이드, 즉 파이프 내에 난류 흐름을 보장하기 위해, 보이드에 도입될 수 있는 난류기 요소(40)로서의 와이어 메쉬 난류기(wire mesh turbulator)를 도시한다.

Claims (13)

  1. 진공 펌프용 냉각 요소로서,
    베이스 요소―상기 베이스 요소에 의해 내부 보이드가 규정됨―와,
    상기 베이스 요소에 연결되고 상기 보이드와 유체 연결 상태에 있는 입구와,
    상기 베이스 요소에 연결되고 상기 보이드와 유체 연결 상태에 있는 출구―냉각제가 열을 소산시키기 위해 상기 입구로부터 상기 보이드를 통해 상기 출구로 흐를 수 있음―를 포함하고,
    상기 베이스 요소는 상기 진공 펌프의 하우징에 연결될 수 있는
    냉각 요소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보이드는 관형인
    냉각 요소.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보이드는 평평한 형상을 갖는
    냉각 요소.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 요소는 평평한 형상을 갖는
    냉각 요소.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 요소는 진공 펌프의 하우징의 표면에 직접 부착되는 바닥 표면을 포함하는
    냉각 요소.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 바닥 표면과 상기 보이드 사이의 재료 두께가 3mm 미만, 바람직하게는 2mm 미만, 더욱 바람직하게는 1mm 미만인
    냉각 요소.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 보이드는 상기 보이드 내에 난류를 생성하기 위해 적어도 하나의 주름형 표면을 포함하는
    냉각 요소.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보이드 내에 난류를 생성하도록 상기 보이드 내에 배치된 난류기 요소(turbulator element)를 포함하는
    냉각 요소.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 요소가 하나의 피스(one piece)인
    냉각 요소.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 요소는 3D 프린팅에 의해 제작되는
    냉각 요소.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 요소는 바람직하게는 알루미늄으로 만들어진 연결 요소에 의해 둘러싸여 있고, 상기 연결 요소는 진공 펌프의 하우징에 직접 연결되는
    냉각 요소.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 요소는 스테인리스강으로 제조되는
    냉각 요소.
  13. 하우징 및 상기 하우징에 연결된 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 냉각 요소를 포함하는
    진공 펌프.
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