WO2011062355A1 - 인공 구조물 상하에 발생하는 기압차를 유도하거나 이용하기 위한 인공 구조물 상향 설치 배관 - Google Patents

인공 구조물 상하에 발생하는 기압차를 유도하거나 이용하기 위한 인공 구조물 상향 설치 배관 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a structure of a pipe that is installed so that the air flow in the vertical direction flows in order to use the pressure difference generated or formed in the upper and lower parts of the artificial structure inside or outside the artificial structure.
  • wind power generation is currently the hot spot.
  • Commercial large-scale wind power generation is advantageous in the place where the wind is a lot of wind, and also maintain a constant direction and strength, there is a limit that the location is limited by these conditions.
  • the city is filled with large and high-rise buildings, and these artificial structures play a role in blocking natural blowing ground winds.
  • the wind is generated and blown in various forms due to various causes, and the existence of the artificial structure itself generates winds different from the normal ground winds, or focuses the existing weak winds, and is suitable for power generation. It can also be achieved.
  • the Mont World Trade Center will install a structure that connects the two buildings between the two buildings, and install three wind turbines with a large wind vane shape of 30m in diameter on the structure to direct the wind that hits the building using the curved shape of the building. By concentrating, they have generated about 15 percent of the building's electricity demand.
  • the Pearl River Tower in Guangzhou, China created a concave section in the middle of the building itself, allowing the air flow to collect in this area, and installing a wind turbine in this area to generate wind power.
  • Max Barfield an architectural design firm in London, UK, placed three buildings at 120-degree intervals around a pretzel-shaped windmill that was formed vertically through the skyhouse project. Turn to allow wind power generation.
  • the ventilation pipe for discharging the toxic air due to the internal muddy air or work, etc. is provided, the ventilation fan or the like is used to increase the efficiency of the ventilation.
  • the present invention is a tool that can artificially create or efficiently use the airflow around the artificial structure caused by the pressure of the upper and lower layers of the artificial structure, or the difference in temperature and density, and connects the upper and lower parts of the artificial structure. It is an object of the present invention to provide an upwardly installed artificial pipe and an appropriate structure to be provided in the pipe.
  • Another object of the present invention is to provide a power generator using such a pipe structure.
  • the artificial structure upward installation pipe connecting the top of the artificial structure and the ground, at least one venturi tube (pipe having a neck that the passage is gradually narrowed and expanded in the pipe) is provided on at least the pipe It is characterized by.
  • Air inlet on the ground in the pipe of the present invention is characterized in that the plurality of tapered pipes narrowed upwards are installed side by side up and down in a state spaced apart from each other.
  • outside air is introduced into the pipe through the gap between the taper pipe and the taper pipe arranged up and down side by side, and the air approaching the pipe in the horizontal direction by the inclination of the taper is directed through the inclined surface of the taper pipe. It is induced to switch and move upwards. (It is hard to flow out into the gap of the opposite pipe wall, and the air inflow efficiency of the inlet is improved.)
  • a streamlined ventilator having a high exhaust efficiency may be installed at an upper end of the artificial structure to prevent backflow and to use a high speed air stream in the upper layer to further speed up the flow of air discharged in the pipe.
  • the narrow neck forming the venturi tube structure is installed with a pinwheel or wind turbine, the wind vane or wind turbine is rotated by the air flow passing through this portion, it can be made to generate power using this.
  • a fin for forming the vortex airflow may be installed in the pipe.
  • the present invention by artificially creating the air flow around the artificial structure caused by the pressure of the upper and lower layers of the artificial structure, or the temperature and density difference through the artificial structure upward installation pipe connecting the upper and lower layers of the artificial structure It can be efficiently used for applications such as power generation and exhaust of building air conditioning equipment.
  • FIG. 1 is a conceptual perspective view showing an embodiment of the artificial structure upward installation piping of the present invention and the airflow flow to the periphery and the interior thereof;
  • Figure 2 is a perspective view showing the air intake configuration of the artificial structure upstream installation pipe forming an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a perspective view showing a vortex pin for inducing airflow rotation installed in the air intake portion in one embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a perspective view schematically showing a state in which the vortex pin is installed in a part forming the venturi tube structure in a horizontal direction in one embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a perspective view showing a form in which a vane (fan) is installed inside the neck forming a venturi tube structure in one embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a perspective view illustrating a streamlined ventilator installed at an air outlet, and a flow of air flowing upward from an external inlet air and an air outlet in the ventilator according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the artificial structure is a broad concept including a normal building and a work piece, such as a bridge, a chimney, a tunnel, and the like, which form a space where a person lives and works such as a house, an office building, a factory, a warehouse, and the like.
  • the artificial structure upward installation pipe 10 of FIG. 1 is fixedly installed on an external wall of a building.
  • the air inlet 15 is installed at the lower end of the building upward installation pipe located at the ground portion of the lower part of the building, and the streamlined ventilator 20 is coupled to the air outlet at the upper end of the building located at the top of the roof.
  • the necks 11 and 13 having the venturi tube structure are located at two positions near the bottom and near the top.
  • Neck portion (11, 13) is a portion that is reduced to the pipe diameter is expanded to recover the original diameter. In this part, the diameter is reduced, so the flow of air is faster than in other parts.
  • the necks 11 and 13 are placed in the pipe 10.
  • the necks 11 and 13 may be provided in plural through the entire artificial structure upward installation pipe 10.
  • the number and location of the neck may vary depending on the length of the entire pipe, the ratio of the diameter in the neck and other parts, and the temperature of the air making up the airflow.However, the temperature of the air may vary depending on the season or time of day. Will be decided accordingly. If the location of the neck is too close, or if the number of necks is too large, the neck acts as a resistance to the airflow flowing along the upstream pipe of the artificial structure, thus preventing the flow. It is desirable to leave enough distance to pass.
  • air is compressible unlike water, which is the same fluid, and can be moved as if it is elastic like a spring due to this compressibility. It can be prevented from acting as a large resistance to the air flow along it.
  • the artificial structure upward installation pipe 10 may be installed inside most of the building except for the air outlet, which is an outlet, but may be installed outside the building from the inlet to the outlet using a building wall.
  • the entrance can be installed inside the building, and most pipes and outlets can be installed outside the building, such as on the roof.
  • FIG. 2 shows an air inlet 15 of the embodiment of the present invention
  • the air inlet 15 is a plurality of tapered pipe 151 narrowed upwards are formed side by side up and down in a state with a gap therebetween.
  • the angle which the wall of each taper pipe 151 makes perpendicular to an acute angle especially 45 degrees or less.
  • outside air is introduced into the pipe through the gap between the taper pipe 151 and the taper pipe 151 disposed up and down side by side, and the air approaching the pipe in the horizontal direction by the inclination of the taper pipe wall is tapered. It is guided through the inclined surface of the tube to move upwards.
  • the inclined surface of the tapered pipe makes it difficult for air introduced into the gap to flow out into the gap between the pipe walls on the opposite side.
  • the bottom of the taper pipe at the bottom has a maximum diameter so that air can be easily introduced into the pipe from the bottom. Therefore, the air inlet 15 of this type as a whole can increase the air inlet efficiency into the pipe.
  • FIG. 3 it can be seen that a plurality of vortex fins 153 protruding from an inner wall exist in the air inlet 15 as shown in FIG. 2.
  • These vortex pins 153 function as a connecting portion for maintaining a plurality of tapered pipes 151 constituting the air inlet 15 to be spaced apart from each other, while maintaining a state in which some of them are coupled to each other.
  • these vortex pins 153 extend upward when viewed from below the pipe, and have a curved shape that naturally curves so that air flowing in the pipe has a vortex component.
  • the vortex pin then extends when it is bent so that air flows in a clockwise direction when the pipe is viewed from the bottom upwards (in the direction of the flow of airflow) and also relative to the northern hemisphere.
  • This clockwise direction is a direction in which air flow can be taken under the influence of Coriolis' force even in the absence of a vortex fin, and the presence of the vortex fin 153 forms this flow more naturally and resists the flow of airflow. It can play a role of reducing speed.
  • the vortex fin 153 may be formed throughout the pipe 10, or may be formed to be limited to element elements such as the air inlet 15 and the necks 11 and 13.
  • 4 shows a vortex pin 113 formed in the neck portion 11 of the artificial structure upward installation pipe 10.
  • the vortex pin 113 is formed over a portion where the diameter of the tube is narrowed, a portion where the diameter of the tube is minimized, and a portion where the diameter of the tube is wide.
  • the shape of the vortex pin 113 is perpendicular to the inner wall surface. It slightly protrudes to the left and extends upwardly, and the surface is slightly twisted while extending upward of the pipe, and slightly to the left, extending like a spiral so that the air proceeds while rotating clockwise.
  • the neck 11 is also provided with a fan 30, as shown in FIG.
  • Pinwheel 30 is composed of a rotation axis 31 of the central portion and the wings 33 formed around the rotation axis, the wings 33 has a vortex component along the pipe so that the flow of air rising close to the frontal collision with the wing The face is slanted or twisted to strike it.
  • the rotary shaft 31 of the pinwheel 30 is rotatably mounted on a support (not shown), and a larger amount of power generation occurs as the pinwheel rotates strongly by a power generation device (not shown) connected to the shaft.
  • the air flowing through the pipe is discharged to the outside air through the air outlet at the top of the pipe.
  • the ventilator 20 as shown in FIG. 6 is installed at the air outlet to more easily discharge the air that has risen along the pipe 10.
  • the ventilator has a relatively small width inlet port 23 and an exhaust port 25 having a relatively larger width than the inlet port 23, and a connection portion 27 of the smallest width is formed between the inlet port 23 and the exhaust port 25. A part of this connection part 27 is communicated with the air discharge port of the artificial structure upward installation piping 10 which comprises an Example of this invention. If the wind blows in the open air, the ventilator 20 has a wider and wider side of the exhaust port 25, so that the intake port 23 is placed to face the wind blowing direction while rotating on a plane to receive the smallest wind.
  • the ventilator 20 when the wind blows around, the flow of air having a higher wind speed than that of the ground wind (55 in FIG. 1), that is, the wind 51 flows into the ventilator 20 through the intake port 23. Entering and lowering the pressure of the connection portion 27 due to the high speed of air while passing through the connection portion 27, and exits the ventilator 20 through the air outlet again.
  • the low pressure of the connection part 27 is such that the internal air 60 around the air outlet of the upstream installation pipe of the artificial structure connected with the connection part 27 is easily connected to the external air through the connection part 27 of the ventilator 20. Mix and let out together with the exhaust port 25 of the ventilator in the form of a mixer (70).
  • air of a higher temperature than the surroundings raised along the pipe 10 is applied to the negative pressure given by the force to rise in the surrounding cold air by the buoyancy, and acts on the connecting portion 27 of the ventilator 20. It is strongly discharged from the exhaust port 25 by the negative pressure, and this discharged force increases the discharge force by directing the air in the lower part of the pipe upward.
  • the inlet is not formed as a single inlet but is formed as a plurality of inlets in the artificial structure upward installation pipe 10. It is also conceivable that it is made to rise along the main vertical pipe.
  • a plurality of air intakes may be installed on the lower floor of the building to be evenly distributed, and may be combined with the lower end of the vertical pipe part through horizontal pipes.
  • a horizontal pipe communicating with the neck is installed wherever the neck is formed in the artificial structure upward installation pipe, and the horizontal pipe may be installed such that a plurality of air inlets are distributed on the floor with branched ends. have. Then, in the neck, by forming a low pressure using the venturi tube structure, it may be responsible for exhausting each floor by sucking contaminated air of the floor through the horizontal pipe of the floor.
  • the air inlet is installed in the part where the air is hardest to flow out of the building according to the external air flow, the air pressure in this part will be reduced.
  • the air flow is increased in the periphery of the building, including the upper part of the building, and the lower end of the pipe generates a pressure difference with the upper end.
  • the air pressure in the air outlet is lower than the surroundings due to the action of the ventilator, so that the air flow in the vertical direction is formed in the vertical pipe by this pressure difference.
  • the flow of this air flow is faster in the neck of the artificial structure up-installation pipe or vertical pipe, and when the fan is installed in the neck, the fan can be rotated while the air flow flows to generate electricity.
  • the present invention can be effectively used in the field of power generation, building air conditioning, and the like using artificial structures, in particular, artificial structures having a high height.

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Abstract

본원 발명은 인공 구조물 인근에 설치되며, 인공 구조물의 상단과 지상을 연결하는 인공 구조물 상향 설치 배관에 있어서, 적어도 배관상에 하나 이상의 벤튜리관(관 내에 통로가 서서히 좁아지다가 확장되는 목부를 가지는 관) 구조가 구비되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 인공 구조물의 상층과 하층 부분을 연결하는 인공 구조물 상향 설치 배관을 통해 인공 구조물의 상층과 하층의 기압이나, 온도 및 밀도 차이에 의해 발생하는 인공 구조물 주변부의 기류를 인위적으로 조성하거나 이용하여 발전이나 건물 공조장치의 배기 등의 용도에 효율적으로 이용할 수 있게 된다.

Description

인공 구조물 상하에 발생하는 기압차를 유도하거나 이용하기 위한 인공 구조물 상향 설치 배관
본 발명은 인공 구조물의 내부 혹은 외부에서 인공 구조물 상하부에 발생하는 혹은 조성된 압력 차이를 이용하기 위해 상하 방향의 기류가 흐르도록 설치되는 배관의 구조에 관한 것이다.
인구의 급속한 증가와 산업화로 인하여 에너지에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있지만, 현재 사용되는 에너지의 주류를 이루는 화석연료는 존재량이 한정되어 있고, 채취를 위한 개발조건이 나빠지고 있으며, 계속적인 채굴로 양이 줄어들고 있다.
더욱이, 이런 화석연료의 사용은 대기중의 이산화탄소 비율을 증가시켜 온실효과로 인한 지구 온난화 현상을 심화시키고, 지구 환경의 대재앙을 초래할 염려를 높이고 있다.
따라서 이러한 에너지 관련 위기 의식이 높아지면서 화석연료 사용을 대체할 다양한 종류의 신 에너지 및 재생 에너지에 대한 관심이 높아지고, 개발 활동이 점증되고 있다.
이런 신재생 에너지 가운데 현재 가장 각광을 받고 있는 분야가 풍력 발전이다. 상업적인 대규모의 풍력발전은 바람이 많이 불고, 또한 일정한 방향과 세기를 유지하는 곳에서 이루어지는 것이 유리하며, 이런 조건에 따라 입지가 제한되는 한계가 있다. 한편, 도시는 대형, 고층의 건물들이 많이 들어서고, 이런 인공 구조물들은 자연적으로 부는 지상풍을 방해하는 역할을 하기 때문에 도심은 풍력 발전에 적합하지 않은 지역으로 인식되고 있다.
그러나, 바람은 다양한 원인에 의해 다양한 형태로 발생하고, 불게 되며, 인공 구조물이 존재 자체가 통상의 지상풍과는 다른 형태의 바람을 발생시키거나, 기존의 미약한 바람을 집속시켜 발전에 적당한 형태를 이루도록 하기도 한다.
바레인 세계무역센터에는 두 건물 사이에 두 건물을 연결하는 구조물을 설치하고, 이 구조물에 지름 30m의 대형 바람개비 형태의 풍력발전기 3대를 설치하여 건물의 곡선 형태를 이용하여 건물에 부딪히는 바람을 바람개비 쪽으로 집중시킴으로써 건물 전기 수요의 15% 정도에 해당하는 발전 전력을 얻도록 하였다.
중국 광저우의 '펄 리버 타워'는 건물 자체에 높이 중간 두 곳에 오목한 부분을 만들어 공기의 흐름이 이 부분에 모이게 하고, 이 부분에 풍력 터어빈을 설치하여 풍력 발전을 하도록 하였다.
영국 런던의 건축설계사무소 막스 바필드는 스카이하우스(skyhouse) 프로젝트를 통해 수직으로 길게 형성된 꽈배기 형태의 풍차 주위에 3개의 건물을 120도 간격으로 배치하여 주변 바람이 중심으로 모아져 상승기류를 일으키면서 풍차를 돌려 풍력 발전을 할 수 있도록 하였다.
한편, 고층의 대규모 건물에서는 건물 내의 온도와 외부의 온도 차이에 의해 건물 내부에 수직 기류가 강하게 형성되는 연돌효과(steak effect)가 나타나는 문제가 있었다. 이러한 수직 기류는 건물 내외의 온도차이가 심한 겨울철에 뚜렷하게 발생하며, 건물 하층 및 건물 상층에서는 이러한 기류로 인하여 건물의 문을 제대로 여닫지 못하거나, 열의 손실, 화재시의 문제 등을 야기시킬 수 있다.
또한, 건물에서는 공조장치의 일부로서, 내부의 탁한 공기나 작업 등으로 인한 유독성 공기를 배출하기 환기 배관이 갖추어져 있으며, 환기의 효율을 높이기 위해 환기용 팬 등이 사용되고 있다.
본 발명은 인공 구조물의 상층과 하층의 기압이나, 온도 및 밀도 차이에 의해 발생하는 인공 구조물 주변부의 기류를 인위적으로 조성하거나, 효율적으로 이용할 수 있는 도구로서, 인공 구조물의 상층과 하층 부분을 연결하는 인공 구조물 상향 설치 배관과 그 배관에 구비되어야 할 적절한 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 이러한 배관 구조를 이용하는 발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인공 구조물 주변의 인공 구조물 상향 설치 배관은,
인공 구조물 인근에 설치되며, 인공 구조물의 상단과 지상을 연결하는 인공 구조물 상향 설치 배관에 있어서, 적어도 배관상에 하나 이상의 벤튜리관(관 내에 통로가 서서히 좁아지다가 확장되는 목부를 가지는 관) 구조가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배관에서 지상에 있는 공기 흡입구는 위를 향해 좁아지는 테이퍼관 복수개가 서로 이격된 상태로 상하로 나란히 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이런 형태에서는 서로 나란히 상하로 배치된 테이퍼관과 테이퍼관 사이의 틈새를 통해 외부의 공기가 배관 내로 인입되며, 테이퍼의 경사에 의해 수평방향으로 배관으로 접근되는 공기가 테이퍼관의 경사면을 통해 방향을 전환하여 상부로 움직이도록 유도된다. (반대편 배관 벽면 틈새로 유출되기 어렵고, 유입구의 공기 유입 효율이 좋아진다.)
본 발명의 배관에서 인공 구조물의 상단에는 배기 효율이 높은 유선형 벤츄레이터를 설치하여 역류를 방지하고 상층의 빠른 공기 흐름을 이용하여 배관 내의 배출되는 공기의 흐름을 더욱 빨리할 수 있다.
본 발명에서 벤튜리관 구조를 이루는 좁은 목부에는 바람개비나 풍력 터어빈이 설치되어 이 부분을 지나는 공기 흐름에 의해 바람개비나 풍력 터어빈이 회전하고, 이를 이용하여 발전을 하도록 이루어질 수 있다.
본 발명에서 벤튜리관 구조를 포함하여 배관 내에는 볼텍스 기류 형성을 위한 핀(fin)이 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 인공 구조물의 상층과 하층 부분을 연결하는 인공 구조물 상향 설치 배관을 통해 인공 구조물의 상층과 하층의 기압이나, 온도 및 밀도 차이에 의해 발생하는 인공 구조물 주변부의 기류를 인위적으로 조성하여 발전이나 건물 공조장치의 배기 등의 용도에 효율적으로 이용할 수 있게 된다.
도1은 본 발명의 인공 구조물 상향 설치 배관의 일 실시예 및 그 주변과 내부로의 기류 흐름을 나타내는 개념적 사시도,
도2는 본 발명의 일 실시예를 이루는 인공 구조물 상향 설치 배관의 공기 흡입구 구성을 나타내는 사시도,
도3은 본 발명의 일 실시예에서 공기 흡입구 부분에 설치된 기류 회전 유도용 볼텍스 핀을 나타내는 사시도,
도4는 본 발명의 일 실시예에서 벤튜리관 구조를 이루는 부분에 볼텍스 핀이 설치된 형태를 수평방향에서 본 모습을 개략적으로 나타내는 투시도,
도5는 본 발명의 일 실시예에서 벤튜리관 구조를 이루는 목부의 내부에 바람개비(fan)가 설치된 형태를 나타내는 투시도,
도6은 본 발명의 일 실시예에서 공기 배출구에 설치된 유선형의 벤츄레이터와 이 벤츄레이터에서의 외부유입공기와 공기 배출구로부터 위로 배출되는 기류의 흐름을 나타내는 사시도이다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 또한, 이하에서 인공 구조물은 주택, 사무용 빌딩, 공장, 창고 등 사람이 주거, 작업하는 공간을 형성하는 통상의 건물과 교량, 굴뚝, 터널 등의 공작물을 포함하는 넓은 개념이다.
도1의 인공 구조물 상향 설치 배관(10)은 건물 외부 벽체에 고정 설치된다. 건물 하부인 지상부에 위치하는 건물 상향 설치 배관의 하단에는 공기 흡입구(15)가 설치되며, 건물 상부인 옥상층에 위치하는 상단에는 공기 배출구에 유선형 벤츄레이터(20)가 결합되어 있다.
하단 부근과 상단 부근인 두 곳에 벤튜리관 구조를 가지는 목부(11, 13)가 위치한다. 목부(11, 13)는 배관경이 줄어들다가 확장되어 원래의 관경으로 회복되는 부분이다. 이 부분에서는 관경이 줄어들기 때문에 기류의 흐름이 다른 부분에 비해 빨라진다. 이러한 빠른 흐름을 이용하거나, 다른 곳과 차별화된 압력을 이용하기 위해 배관10)에 목부(11, 13)를 두게 된다.
이러한 목부(11,13)는 전체 인공 구조물 상향 설치 배관(10)을 통해 복수 개 존재할 수 있다. 목부의 갯수 및 위치는 배관 전체의 길이 및 목부와 다른 부분에서의 관경의 비율, 기류를 이루는 공기의 온도 등에 따라 달라질 수 있으나 공기의 온도는 계절이나 시간대에 따라 달라질 수 있으므로 주로 배관 자체의 제원에 따라 정해지게 된다. 목부의 위치가 너무 접근되거나, 목부의 갯수가 너무 많으면 목부는 인공 구조물 상향 설치 배관을 따라 흐르는 기류에 대한 저항으로 작용하여 흐름을 방해하게 되므로 하나의 목부를 지나는 공기가 안정화된 상태에서 다른 목부를 통과할 수 있도록 충분한 이격거리를 두는 것이 바람직하다.
또한, 공기는 같은 유체인 물과 달리 압축성을 가지며(compressible) 이런 압축성으로 인하여 스프링(spring)과 같이 탄성을 가지는 것처럼 움직일 수 있으므로 이러한 특성에 유의하여 목부 사이의 이격거리를 정하면 전체적으로 목부가 배관을 따라 흐르는 기류에 대한 큰 저항으로 작용하지 않도록 할 수 있다.
이러한 인공 구조물 상향 설치 배관(10)은 출구인 공기 배출구를 제외한 대부분을 건물 내부에 설치할 수도 있지만, 건물 벽체를 이용하여 입구에서 출구까지 전체를 건물 외부에 설치할 수도 있다. 또한 입구는 건물 내부에 설치하고, 대부분의 배관과 출구는 건물 외부 가령 옥상 같은 곳에 설치할 수도 있다.
도2는 본 발명 실시예의 공기 흡입구(15)를 나타내며, 공기 흡입구(15)는 위를 향해 좁아지는 테이퍼관(151) 복수개가 서로 이격되어 틈을 가진 상태로 상하로 나란히 설치되어 이루어진다. 각 테이퍼관(151)의 벽체가 수직과 이루는 각도는 예각 특히 45도 이하로 하는 것이 바람직하다. 이런 형태에서는 서로 나란히 상하로 배치된 테이퍼관(151)과 테이퍼관(151) 사이의 틈새를 통해 외부의 공기가 배관 내로 인입되며, 테이퍼관벽의 경사에 의해 수평방향으로 배관으로 접근되는 공기가 테이퍼관의 경사면을 통해 방향을 전환하여 상부로 움직이도록 유도된다. 또한, 테이퍼관의 경사면은 틈새로 유입된 공기가 그대로 반대편의 배관 벽면 틈새로 유출되기 어렵도록 한다. 제일 하부의 테이퍼관의 하단은 최대 관경을 이루어 아래쪽에서 공기가 배관 내로 쉽게 유입되도록 한다. 따라서, 전체적으로 이러한 형태의 공기 흡입구(15)는 배관 내로의 공기 유입 효율을 높일 수 있다.
도3을 참조하면 도2와 같은 공기 흡입구(15) 내부에는 내벽에서 돌출된 다수의 볼텍스 핀(vortex fin:153)이 존재함을 알 수 잇다. 이들 볼텍스 핀(153)은 공기 흡입구(15)를 이루는 다수의 테이퍼관(151)을 전반적으로는 서로 이격되어 틈새를 가지면서도 일부에서 서로 결합된 상태를 유지하게 하는 연결부로서 기능을 한다.
또한, 이들 볼텍스 핀(153)은 대략 배관 아래에서 볼 때 위쪽으로 뻗어있으며, 배관 내를 흐르는 공기가 볼텍스 성분을 가지도록 자연스럽게 곡선을 이루면서 구부러지는 형태를 가진다. 이때 볼텍스 핀은 배관을 아래에서 위쪽으로 볼 때(기류의 흐름의 방향으로 볼 때), 또한 북반구를 기준으로 할 때, 시계방향으로 공기가 회전하면서 흐르도록 구부러지면서 뻗어있다. 이런 시계방향은 볼텍스 핀이 없는 경우에도 공기의 흐름이 코리올리 힘(Coriolis' force)의 영향으로 취할 수 있는 방향이며, 볼텍스 핀(153)의 존재는 이런 흐름을 보다 자연스럽게 형성하여 기류의 흐름에 저항을 줄여 빠르게 하는 역할을 할 수 있다.
이러한 볼텍스 핀(153)은 배관(10) 전반에 걸쳐 형성될 수도 있고, 공기 흡입구(15)나 목부(11, 13)와 같은 요소요소에 한정하여 형성될 수도 있다. 도4에는 인공 구조물 상향 설치 배관(10)의 목부(11)에 형성된 볼텍스 핀(113)이 개시되어 있다. 볼텍스 핀(113)은 관경이 좁아지는 부분과 관경이 최소가 되는 부분, 관경이 넓어지는 부분에 걸쳐 형성되어 있고, 여기서도 아래쪽에서 볼 때, 볼텍스 핀(113)의 형태는 내벽면에서 수직한 방향을 기준으로 약간 왼쪽으로 기울어져 돌출되어 있고, 배관의 위쪽으로 뻗으면서 면이 다소 뒤틀리고(twisted), 약간 왼쪽으로 기울어져 나선과 같이 뻗어 있어서 공기가 시계방향으로 회전하면서 진행되도록 이루어진다.
본 실시예에서 목부(11)에는 또한 도5에서 잘 나타나듯이 바람개비(fan: 30)가 설치된다. 바람개비(30)는 대략 중심부의 회전축(31)과 회전축 주위에 형성된 날개(33)들로 이루어지며, 날개(33)들은 배관을 따라 볼텍스 성분을 가지고 상승하는 공기의 흐름이 날개와 정면 충돌에 가깝게 부딪히도록 면이 경사져 혹은 뒤틀려져(twisted) 있다.
따라서, 이 목부(11)에서는 배관을 따라 상승하는 공기의 흐름이 관경이 넓은 다른 부분에 비해 급속히 증가하게 되면서, 빠른 속도로 바람개비 날개(33)와 충돌하여 바람개비(30)를 아래에서 볼 때 시계방향으로 회전하도록 한다.
바람개비(30)의 회전축(31)은 도시되지 않은 지지대에 회전가능하게 거치되어 있으며, 축에 연결된 발전 장치(미도시)에 의해 바람개비가 강하게 회전할수록 많은 양의 발전이 이루어진다.
하나의 목부(11)를 통과한 공기의 흐름은 관경이 넓어진 상태의 긴 구간을 지나면서 공기의 흐름이 안정화되고 다시 다른 목부(13)를 지나면서 그 목부(13)에 설치된 다른 바람개비를 돌리면서 추가적인 발전에 참여할 수 있다.
이렇게 배관을 지나는 공기의 흐름은 배관 상단의 공기 배출구를 통해 외부 공기중에 방출된다. 본 실시예에서는 배관(10)을 따라 상승한 공기의 배출을 보다 용이하게 하도록 공기 배출구에는 도6과 같은 벤츄레이터(20)가 설치된다.
벤츄레이터는 비교적 작은 폭의 흡기구(23)와 흡기구(23)에 비해 상대적으로 큰 폭을 가지는 배기구(25)를 가지며 흡기구(23)와 배기구(25) 사이에는 가장 작은 폭의 연결부(27)가 형성되어 있고, 이 연결부(27)의 일부가 본 발명 실시예를 이루는 인공 구조물 상향 설치 배관(10)의 공기 배출구와 연통되어 있다. 외기 중에 바람이 불면 벤츄레이터(20)는 배기구(25) 쪽의 폭이 넓고, 크게 형성되므로 바람을 가장 작게 받도록 평면상에서 회전을 하면서 흡기구(23)가 바람이 불어오는 방향을 향하도록 놓이게 된다.
따라서, 벤츄레이터(20)에서는 주변에 바람이 불면 지상의 바람(도1의 55)에 비해 높은 풍속을 가지는 공기의 흐름 즉, 바람(51)이 흡기구(23)를 통해 벤츄레이터(20) 내로 진입하고, 연결부(27)를 통과하면서 빠른 공기의 속도로 인하여 연결부(27)의 압력을 낮추고, 다시 공기 유출구를 통해 벤츄레이터(20)를 빠져나가게 된다. 그 과정에서 연결부(27)의 낮은 압력은 연결부(27)와 연결된 인공 구조물 상향 설치 배관의 공기 배출구 주변의 내부 공기(60)가 용이하게 벤츄레이터(20)의 연결부(27)를 통해 외부 공기와 섞여 혼합기(70) 형태로 함께 벤츄레이터의 배기구(25)로 빠져나가도록 한다.
배기구(25)에서는 배관(10)을 따라 올라온 주변보다 높은 온도의 공기가 부력에 의해 주변의 차가운 공기 속에서 상승하려는 힘에 의해 주어지는 부압과, 벤츄레이터(20)의 연결부(27)에 작용하는 부압에 의해 배기구(25)로부터 강하게 배출되고, 이 배출되는 힘은 배관 내부의 아래 부분의 공기를 위쪽으로 향하게 하여 배출력을 높이게 된다.
이상에서는 배관의 공기 흡입구(15)가 하단에 하나만 설치된 경우에 대해 상세히 설명하고 있지만 실시예에 따라서는 공기 흡입구는 인공 구조물을 통틀어 여러 개가 형성될 수 있다. 가령, 건물의 배기를 주 목적으로 하여 본원 발명의 인공 구조물 상향 설치 배관을 형성한 경우, 인공 구조물 상향 설치 배관(10)에서 입구는 단일한 입구가 아니고 다수의 입구로 형성되고, 이들이 모여 하나의 주된 수직 배관을 따라 상승하도록 이루어지는 것도 고려할 수 있다. 특히, 공조용 배기 배관에서는 공기 흡입구를 건물 내의 저층에 다수가 고르게 분포하도록 설치하고, 수평 배관을 통해 이를 하나로 모아 수직 배관부의 하단과 결합시킬 수 있다.
또한, 공조용 배기 배관에서는 인공 구조물 상향 설치 배관에서 목부가 형성되는 곳마다 목부와 연통되는 수평형 배관을 설치하고, 이 수평형 배관은 단부가 분기되어 그 층에 공기 흡입구 다수가 분포하도록 설치할 수 있다. 그러면, 목부에서는 벤튜리관 구조를 이용하여 저압을 형성함으로써 해당층 수평형 배관을 통해 해당 층의 오염된 공기를 빨아들임으로써 각층 배기를 담당할 수도 있다.
한편, 인공 구조물 상향 설치 배관 전체가 건물의 외측에 설치되는 경우를 생각하면, 외부의 공기 흐름에 따라 건물에서 공기가 가장 흘러나가기 어려운 부분에 공기 유입구를 설치하면 이 부분에는 바람이 불 때는 기압이 높아지고, 건물 상층부를 포함하여 건물 주변부에서는 공기의 흐름이 빨라져 배관 하단부는 상단부와 기압차를 발생시킨다. 또한, 배관 상단부에서는 공기의 빠른 흐름이 있을 때, 벤츄레이터의 작용으로 공기 배출구에서는 기압이 주변보다 더욱 낮아져 이러한 기압차에 의해 수직형 배관에는 상승하는 방향의 기류가 형성된다.
따라서, 이 인공 구조물 상향 설치 배관 혹은 수직 배관 중에 목부에서는 이 기류의 흐름이 더욱 빨라져 목부에 팬을 설치할 경우, 기류가 흐르면서 팬을 돌려 발전을 할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체적 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한　것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다. 따라서, 인공 구조물 상하간의 공기 흐름의 속력차이, 온도 차이, 압력 차이와 같은 상하 방향의 기류를 발생기키는 다양한 형태에서 본 발명의 상향 설치 배관의 다양한 이용 형태가 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있음은 당연하다.
본 발명은 인공 구조물, 특히 높이가 높은 인공 구조물을 이용한 발전이나 건물 공조 등의 분야에서 효율적으로 이용될 수 있다.

Claims (5)

  1. 인공 구조물 내측 혹은 외측 인근에 설치되며, 인공 구조물의 상부와 하부를 연결하여 인공 구조물 하부의 공기를 흡기하여 인공 구조물 상부로 이동시키고 외기로 배출하는 인공 구조물 상향 설치 배관에 있어서,
    적어도 배관상에 하나 이상의 벤튜리관(관 내에 통로가 서서히 좁아지다가 확장되는 목부를 가지는 관) 구조가 구비되는 것을 특징으로 하는 인공 구조물 상향 설치 배관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인공 구조물 상향 설치 배관의 입구부인 공기 흡입구는 위를 향해 좁아지는 테이퍼관 복수개가 공기 유입을 위한 틈을 가진 채로 상하로 배열 설치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 인공 구조물 상향 설치 배관.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 인공 구조물 상향 설치 배관의 배출부인 상단 공기 배출구에는 벤츄레이터를 설치하여 상층의 빠른 수평방향 외기 흐름을 이용하여 상기 인공 구조물 상향 설치 배관에서 배출되는 공기를 더욱 빨리 배출될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 인공 구조물 상향 설치 배관.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 벤튜리관 구조에는 상기 인공 구조물 상향 설치 배관을 흐르는 기류에 의해 회전되는 바람개비나 풍력 터어빈을 포함하는 발전장치가 구비되는 것을 특징으로 하는 인공 구조물 상향 설치 배관.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 가운데 어느 한 항에 있어서,
    상기 인공 구조물 상향 설치 배관의 내측벽면의 적어도 일부에는 상기 인공 구조물 상향 설치 배관을 흐르는 기류에 볼텍스 성분을 가질 수 있도록 기류 회전 유도용 핀(fin)이 설치되는 것을 특징으로 하는 인공 구조물 상향 설치 배관.
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