KR100556988B1 - 기포펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기포펌프에 관한 것으로서 보다 상세하게는 압축부를 이용하여 공기를 압축하고 압축된 공기를 수중에 분출시켜 생성된 기포를 이용하여 물을 양수하는 기포펌프에 있어서,

부양된 기액 혼합체가 기체와 액체로 분리될 수 있도록 하고 분리된 기체가 외부로 방출되지 상기 압축부에 이용될 수 있도록 하는 하우징이 형성된 것을 특징으로 하는 기포펌프 시스템에 관한 것이다.

아울러 본 발명에 따른 기포펌프 시스템은 상기 압축부가 압축행정과 토출행정을 상호 교호되게 실시하는 복수개의 실린더를 포함하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

기포펌프, 실린더, 피스톤, 양수

Description

기포펌프 시스템 {Air Lift Pump System}

도 1은 본 발명에 따른 해상에서 해상으로 물을 양수하는 실시예를 나타낸 개략 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 해상에서 육상으로 물을 양수하는 실시예를 나타낸 개략 구성도,

도 3은 본 발명의 배출기를 나타낸 평면도,

도 4는 본 발명의 배출기를 나타낸 측면도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

100: 압축부 110: 구동원

111: 변속기 120: 샤프트

121: 결합공 122: 핀

130: 피스톤 131: 피스톤로드

140: 실린더 141: 흡입밸브

142: 토출밸브 200: 하우징

210: 흡입관 220: 배수관

230: 양수관 231: 분리공

240 : 취수관 241 : 스트레이너
242 : 제어밸브 250 : 저수조
300: 제 1 송기관 310: 제 2 송기관

320: 배출기 321: 배출구

322: 노즐 330: 차단밸브

1000: 기포펌프 시스템

본 발명은 기포펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부양된 기액 혼합체가 기체와 액체로 분리될 수 있도록 하고 분리된 기체가 외부로 방출되지 않고 상기 압축부에 이용될 수 있도록 하는 하우징이 형성되며, 상기 압축부가 압축행정과 토출행정을 상호 교번되게 실시하는 복수개의 실린더를 포함하도록 구성되도록 하여 에너지를 절감할 수 있는 기포펌프 시스템에 관한 것이다.

최근 인구증가와 환경오염에 따른 물 부족현상이 심화되고 있으며, 이를 해소하기 위한 신규수원 개발을 위해 펌프를 비롯하여 다양한 장치가 개발되어 이용되어 왔다.

그러나 기존의 펌프 및 장치들은 환경, 양수 범위 및 능력, 동력의 효율성에서 많은 문제점들을 드러냈다.

따라서, 상기의 문제점들을 해결, 보완할 수 있는 펌프 및 장치의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

일반적으로 펌프는 형식에 따라 크게 임펠러를 케이싱내에서 회전시켜 액체에 에너지를 부여하는 터보형 펌프, 피스톤과 플렌지 또는 모터등의 압력 작용에 의해 액체를 압송하는 용적형 펌프, 그리고 상기 펌프외의 특수 펌프로 분류된다.

또한, 특수 펌프는 다시 와류펌프, 진공펌프, 수격펌프 및 기포펌프등으로 세분된다.

이 중 상기 기포펌프는 양수조작이 어려운 곳이나 물밑의 탐사, 특히 수중의 부서지기 쉬운 침전물을 손상시키지 않고 제거하거나 회전 임펠러를 손상시킬 수 있는 혼합물의 이송에 이용되며, 최근에는 심해저의 광물자원으로 각광받는 망간 단괴의 수력펌핑에 의한 채광 기술로의 적용이 연구되고 있다.

또한, 상기 기포펌프의 원리를 설명하면 다음과 같다.

공기를 압축하고 이 압축된 공기를 공기관을 통해 일정수위 만큼 침수되어 있는 양수관의 내측으로 불어넣게 되면 상기 양수관에서는 기포가 발생하여 주위의 물보다 가벼운 기액 혼합체가 생성된다.

그리고 상기 기액 혼합체는 부력의 원리에 따라 상승하게 되고, 이 과정에서 상기 기액 혼합체는 상기 양수관내의 물을 밀어올리게 되어 양수가 이뤄지는 것이다.

상술한 바와 같이, 상기 기포펌프는 구조가 간단하여 수리의 염려가 적고, 수중에 다른 이물질이 포함되어 있어도 상관이 없으며, 온수도 양수할 수 있는 이점이 있다.

그러나 상기 기포펌프는 상술한 이점에도 불구하고 효율이 약 15~30%로 매우 낮다는 결점이 있다.

일반적으로 펌프의 효율은 다음과 같은 식에 의해 나타내어 진다.

ŋ ＝ 수동력 / 축동력 ＝ (γ×Ｈ×Ｑ)/Ｌ

(여기서 ŋ는 펌프의 효율, γ는 액체의 비중량, Ｈ는 양정, Ｑ는 양수량, Ｌ는 축동력을 나타낸다.)

상기 식에서 알 수 있듯이, 상기 효율은 상기 수동력과는 비례관계이고 상기 축동력과는 반비례관계이다. 따라서, 효율이 작으면 일정 수동력을 얻기 위해 효율이 클때 보다 큰 동력이 필요함을 알 수 있다.

또한, 효율이 작은 상기 기포펌프는 주로 높은 양정과 많은 양수량을 필요로 하는 해양취수에 이용되어 왔기 때문에 양수를 위해 큰 동력을 발생시켜야만 했고, 많은 양의 동력손실을 감수해야만 했다.

따라서, 동력의 손실을 줄일 수 있는 높은 효율을 갖는 기포펌프의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 동력의 손실을 줄여 효율을 높인 기포펌프 시스템을 제공하는데 있다.

이러한 본 발명의 목적은 부양된 기액 혼합체가 기체와 액체로 분리될 수 있도록 하고 분리된 기체가 외부로 방출되지 않고 상기 압축부에 이용될 수 있도록 하는 하우징이 형성되고, 상기 하우징에 흡입행정과 토출행정을 상호 교번되게 실시하도록 구성된 복수개의 실린더가 연결된 것을 특징으로 하는 기포펌프 시스템에 의해 달성된다.

본 발명은 공기를 압축하는 압축부와, 부양된 기액 혼합체가 기체와 액체로 분리될 수 있도록 하고 분리된 기체가 외부로 방출되지 않고 압축부에 이용될 수 있도록 하는 하우징이 형성되고, 상기 하우징에 흡입행정과 토출행정을 상호 교번되게 실시하도록 구성된 복수개의 실린더가 연결되도록 하여 펌프의 효율을 높일 수 있는 특징이 있다.

이하, 본 발명의 구성과 구조를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 해상에서 해상으로 물을 양수하는 실시예를 나타낸 개략 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 해상에서 육상으로 물을 양수하는 실시예를 나타낸 개략 구성도이고, 도 3은 본 발명의 배출기를 나타낸 평면도이며,도 4는 본 발명의 배출기를 나타낸 측면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 기포펌프 시스템(1000)은 공기를 압축하기 위한 동력을 발생시키는 구동원(110)이 샤프트(120)와 연결되며 상기 구동원(110)과 샤프트(120) 사이에는 변속기(111)가 설치된다. 그리고 상기 샤프트(120)에는 일정각도를 이루며 서로 다른 방향으로 돌출되는 복수개의 결합공(121)이 형성되도록 핀(122)이 결합되어 있다. 여기서 상기 각도는 180도 인것이 바람직하다.

또한, 상기 각 핀(122)들에는 피스톤로드(131)가 각각 연결되고 상기 각 피스톤로드(131)에는 피스톤(130)이 결합된다. 그리고 상기 피스톤(130)들을 감싸는 각 실린더(140)들에는 상기 피스톤(130)들의 상하 왕복운동에 따라 공기를 유입 또는 토출하는 흡입밸브(141)와 토출밸브(142)가 각각 형성된다. 그리고 상기 각 실린더(140)들은 상기 흡입밸브(141)가 형성된 측이 흡입관(210)을 통해 하우징(200)의 상부와 연결되고 상기 토출밸브(142)가 형성된 측은 제 1 및 제 2 송기관(300,310)의 일단과 각각 연결되는데 여기서 상기 실린더(140) 중 선택되는 어느 하나의 실린더(140)는 상기 제 1 송기관(300)과 다른 하나의 실린더(140)는 상기 제 2 송기관(310)과 연결된다. 그리고 상기 제 2 송기관(310)의 타단은 상기 제 1 송기관(300)과 연통으로 연결되며 상기 제 1 송기관(300)에는 차단밸브(330)가 형성되어 진다. 또한, 상기 하우징(200)의 하부 일지점에는 외부로부터 물이 유입되도록 유입된 물이 양수될 때 통로의 역할을 하는 양수관(230)이 연결되며, 하부의 타지점에는 적어도 하나 이상의 원통형상을 갖는 배수관(220)이 형성된다. 상기 양수관(230)은 원통으로 되어 있으며 상기 하우징(200)의 밑면을 초과하여 상기 하우징(200)의 내측으로 돌출되도록 형성된다. 또한 상기 하우징(200)의 내측에 돌출된 상기 양수관(230)의 상부에는 다수개의 분리공(231)이 형성되어 있다. 그리고 상기 양수관(230)의 하방은 배출기(320)를 통해 상기 제 1 송기관(300)의 타단과 연결된다. 상기 배출기(320)는 중공의 고리에 원통형상을 갖는 다수개의 배출구(321)가 돌출되어 있는 구조이다. 여기서 상기 배출구(321)들은 도 3 및 도 4와 같이 중앙 상향을 향하면서 상호 엇갈린 형태로 기울어져 있다. 그리고 상기 배출구(321)에는 다양한 구경을 갖는 노즐(322)이 상기 배출구(321)의 단부에 탈착될 수 있는 구조로 결합된다.

이하에서는 본 발명의 작용과 원리를 살펴보도록 한다.

먼저, 구동원(110)으로부터 공기를 압축하기 위한 동력이 발생되고 발생된 동력이 샤프트(120)에 전달되고 상기 구동원(110)과 샤프트(120) 사이에 설치된 변속기(111)에 의해 양수조건에 적합한 회전수를 가지며 상기 샤프트(120)가 회전하게 된다.

또한, 상기 샤프트(120)에 결합된 복수개의 핀(122)들은 상기 샤프트(120)와 한 몸체를 이루어 상기 샤프트(120)와 마찬가지로 회전운동을 하게 된다. 상기 샤프트(120)의 회전운동에서 상기 각핀(122)들은 상호 역변위(180도)를 갖는다. 그리고 상기 각 핀(122)들에는 피스톤로드(131)가 각각 연결되어 상기 각 피스톤로드(131)에 결합된 복수개의 피스톤(130)이 상호 교번되게 상하 왕복 직선운동을 실시하여 공기를 압축하게 된다. 그리고 상기 각 피스톤(130)들을 감싸는 실린더(140)들은 각각 흡입밸브(141)와 토출밸브(142)를 통해 상기 피스톤(130)들의 작동에 따라 각 밸브의 개폐를 실시하여 상기 실린더(140)의 내부로 공기가 유입되도록 하고 유입된 공기가 압축되면 상기 실린더(140)의 외부로 토출되도록 한다.

토출된 압축공기는 제 1 및 제 2 송기관(300,310)으로 이동하게 되고 상기 제 2 송기관(310)은 상기 제 1 송기관(300)과 연통으로 연결되어 있어 상기 제 1 및 제 2 송기관(300,310)내의 압축공기는 모두 상기 제 1 송기관(300)을 통해 상기 제 1 송기관(300)에 내설되어 있는 차단밸브(330)의 입구까지 이동하게 된다. 상기 차단밸브(330)는 상기 제 1 송기관(300)을 통해 이동하는 압축공기가 일정압 이상일 경우에만 열리도록 구성되어 있다. 따라서 상기 압축공기는 일정압이 될 때까지 이동하지 못하고 축적된다. 이과정에서 상기 압축공기는 상기 실린더(140)에서 토 출될 때보다 더 높은 압력을 갖게 되는데 상기 압력은 양정과 양수량을 포함한 양수조건에 따라 다르다. 상기 압축공기가 축적되어 일정압 이상이 되면 상기 차단밸브(330)가 열리게 되어 상기 압축공기가 제 1 송기관(300)을 통해 계속 이동하게 되며 이동된 압축공는 상기 배출기(320)의 배출구(321)들을 통해 상기 양수관(230)의 내부의 수중에서 분출된다. 상기 압축공기의 수중 분출과정을 통해 상기 양수관(230)의 내부에서는 기포가 생성된다. 여기서 상기 배출구(321)들은 상술한 바와 같이 중앙 상향을 향하면서 상호 엇갈린 형태로 기울어져 구성되어 있어 생성된 기포가 상기 양수관(230)의 벽체를 따라 올라감으로써 양수 효율이 저하되는 것을 방지하고 상기 기포가 상기 양수관(230) 내에서 선회류를 형성하며 상기 양수관(230)의 중앙부로 부상하도록 한다. 상기 기포의 부상은 부력의 원리에 의한 것이며 상기 기포가 상기 양수관(230)을 따라 부상하면서 물을 밀어 올리게 되고 이를 통해 양수가 되는 것이다. 그리고 상기 배출구(321)의 단부에는 탈착가능한 노즐(322)이 결합되어 있어 양정 및 양수량과 같은 양수조건에 따라 채택하여 기포의 크기와 수를 조절하게 된다.

한편, 상기 양수관(230)을 통해 부양된 상기 기포와 물은 기액 혼합체 형태로 상기 양수관(230) 상부의 다수개의 구멍으로 형성된 분리공(231)에 이르게 된다.

그리고 상기 기액 혼합체에서 물은 상기 분리공(231)을 통해 빠져나가 상기 하우징(200)의 하부에 일정수위로 저장되고 저장된 물은 상기 하우징(200)의 하단에 형성되며 중공의 원통형상을 갖는 배수관(220)으로 배출된다. 여기서 상기 물은 일정수위로 저장되어 생성된 자체 수압에 의해서 배출되는 바, 상기 물은 적어도 외부 대기압 이상의 수압이 형성되기 위한 수위를 갖도록 저장되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 기액 혼합체의 공기는 계속 부상하여 상기 하우징(200)의 상부에 모이게 되는데, 상술 한 바와 같이 상기 하우징(200)에는 상기 배수관(220)이 형성된 상기 하우징(200)의 하단에서 일정높이로 물 이 저장되어 있어 상기 하우징(200)에 있는 공기가 외부로 빠져나가지 않게 되고 일정기압을 갖는 공기층을 형성하게 된다. 여기서 상기 공기층의 기압은 압축부(100)의 일을 돕도록 대기압보다 높게 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하우징(200)의 공기는 각 실린더(140)들의 흡입행정시 상기 실린들로 유입되는데 상술한 바와 같이 상기 각 실린더(140)들은 흡입행정과 토출행정을 상호 교번되게 실시하여 선택되는 어느 하나의 실린더(140)가 흡입행정을 위해 공기를 흡입하면 다른 하나의 실린더(140)는 토출행정을 통해 압축공기를 토출하여 상기 흡입행정을 돕게 된다. 그리고 흡입행정을 실시하던 실린더(140)가 토출행정을 하게되면 반대로 토출행정을 실시하던 실린더(140)가 흡입행정을 통해 상기 하우징(200)의 상부에 모여 있는 공기를 빨아들여 다른 실린더(140)의 토출행정을 돕게 된다.

한편, 본 발명에 의해 해상에서 육상으로 물을 양수하는 경우에는 도 2에서 보인 바와 같이 상기 양수관(230)에 별도의 취수관(240)을 연결하여 해수가 상기 양수관(230)으로 유입되도록 하며 상기 취수관(240)에 이물질을 걸러내는 스트레이너(241)와 필요시 해수를 유입 및 차단하는 제어밸브(242)가 설치된다.

그리고 양수된 물이 상기 배수관(220)을 따라 이동하여 저장될 수 있도록 상기 배수관(220)에 연결되는 저수조(250)가 설치된다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 기포펌프 시스템은 발생된 기액 혼합체가 공기와 물로 분리되고 분리된 공기가 다시 압축되어 활용될 수 있도록 하고 복수개의 실린더가 흡입행정과 토출행정을 상호 교번되게 실시하여 서로 각 행정을 도움으로서 양수의 효율을 높일 수 있는 특징이 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 첨부되는 특허 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (5)

1. 공기를 압축하는 압축부(100)와, 압축된 공기를 수중에 분출시켜 생성된 기포를 이용하여 물을 양수하고, 분리된 기체가 상기 압축부(100)에 이용될 수 있도록 하는 하우징(200)이 형성된 기포펌프에 있어서,

   상기 압축부(100)에는 동력을 전달받아 왕복직선 운동을 하는 피스톤(130)을 감싸는 복수개의 실린더(140)가 구성되고,

   상기 실린더(140)들은 일측은 각각의 흡입관(210)을 통해 상기 하우징(200)의 상부에 연결되며, 타측은 각각 제 1 및 제 2 송기관(300,310)의 일단에 연결되는데, 상기 제 2 송기관(310)의 타단은 상기 제 1 송기관(300)과 연통되도록 연결되어 상기 실린더(140)들의 흡입행정과 토출행정을 상호 보완할 수 있는 구조로 이루어지며,

   상기 하우징(200)은 하부의 일지점에는 물이 양수되도록 하는 양수관(230)이 연결되고, 하부의 타지점에는 배수관(220)이 연결되며, 상기 양수관(230)의 하방은 배출기(320)를 통해 상기 제 1 송기관(300)의 타단과 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기포펌프 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 양수관(230)은 하우징(200)의 밑면을 초과하여 상기 하우징(200)의 내측으로 돌출되도록 형성되며, 상기 양수관(230)의 상부에는 다수개의 분리공(231)이 형성되어 상기 하우징(200)의 내부에 일정 높이까지 물이 저장되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 기포펌프 시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 배출기(320)는 중공의 고리에 원통형상을 갖는 다수개의 배출구(321)가 돌출되어 있는 구조이며, 상기 제 1 송기관(300)을 통해 이동된 압축공기가 양수관(230) 내에서 선회류를 형성하도록 상기 배출구(321)들이 상향으로 엇갈리게 형성된 것을 특징으로 하는 기포펌프 시스템.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 배출구(321)는 양수조건에 따라 채택될 수 있는 직경이 다른 노즐(322)이 탈착될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 기포펌프 시스템.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 양수관(230)은 하단에 이물질을 걸러내는 스트레이너(241)와, 해수를 유입 및 차단하는 제어밸브(242)가 설치되어 해수가 양수관(230)으로 유입되도록 하는 취수관(240)을 연결하고, 배수관(220)에 연결되는 저수조(250)를 설치하여 해상에서 육상으로 물을 양수하도록 하는 것을 특징으로 하는 기포펌프 시스템.

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