KR100655594B1 - 가변수류가 가능한 비데기의 세정노즐 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가변수류가 가능한 비데기의 세정노즐에 관한 것으로, 비데기의 사용에 있어서 사용자가 세정노즐의 출구(OUTLET)에서 분출되는 물줄기의 물퍼짐각도를 조절할 수 있게 하고 분출되는 물줄기가 회전력을 가지면서도 편심현상없이 원형(圓形)으로 분출되도록 하여 세정력을 증대시키며 세정에 사용되는 수량을 절약하게 하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 와이드 유로(流路)와 직선유로(流路)로 구분되는 2개의 개별내부유로가 구비된 세정노즐 유로부와, 상기 와이드 유로(流路)를 거친 수류와 직선유로(流路)를 거쳐 수직상승하는 수류가 서로 만나 분출되도록 하고 세정노즐 유로부의 말단(末端)에 연결되는 세정노즐팁과, 상기 세정노즐팁 내부의 상측에는 와이드 유로를 거친 수류가 직선유로를 거쳐 수직상승하는 수류에 토크(torque)를 가하여 회전력이 발생되도록 하는 유체혼합구조부가 구성되는 것을 특징으로 하는 세정노즐을 구성한다.
상기 구성에 의해, 세정노즐팁 상부의 출구를 통하여 분출되는 물줄기의 회전력이 변화되는 가변수류를 발생케 하면서도 물줄기의 편심(偏心)현상을 방지하고 물줄기의 물퍼짐각도를 일정하게 조절할 수 있게 함으로써, 이용자가 몸을 움직이지 않아도 물줄기와 충돌하는 신체부분을 변경할 수 있음과 동시에, 세정력을 증대시킬 수 있다.
세정노즐유로부, 와이드유로,직선유로, 세정노즐팁,유체혼합구조부,가변수류

Description

가변수류가 가능한 비데기의 세정노즐{A NOZZLE STRUCTURE OF BIDET SWIRLING A WATER CURRENT AT A OUTLET}
도 1은 와이드 유로(流路)와 직선유로(流路)로 구분되는 2개의 개별내부유로를 구비하는 세정노즐유로부및 세정노즐팁을 구비하는 비데기의 세정노즐의 사시도
도 2는 세정노즐 유로부에 연결되는 세정노즐팁의 사시도
도 3은 도 2의 A부 평단면도
도 4는 도 2의 B부 평단면도
도 5는 세정노즐팁의 유체혼합구조부의 사시도
도 6은 유체혼합구조부의 등각도(isometric view)
도 7은 데이타 해석실험이 행하여진 유체혼합구조부 최종구조의 사시도
도 8은 유체혼합구조부 유로내의 데이타 해석실험 최종케이스별 압력분포도
도 9는 세정노즐팁 출구에서의 데이타 해석실험최종케이스별 수류벡터분포도
도 10은 세정노즐팁 출구에서의 데이타 해석실험 최종케이스별 유속분포도
도 11은 와이드 유로 및 직선 유로에 유입된 수류가 유체혼합부에 혼입되면서 발생하는 회전력에 대한 유체 해석 데이타에 근거하여 구성한 3차원 유체흐름도
도 12는 세정노즐팁 출구에서의 속도성분해석도
도 13은 세정노즐팁 출구에서의 데이타해석실험 최종케이스별 와류수 분포도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 ; 와이드 유로 11 ; 와이드 유로를 거친 수류
20 ; 직선유로 21 ; 직선 유로를 거친 수류
30 ; 세정노즐유로부 40 ; 세정노즐팁
50 ; 세정노즐팁 상부의 출구(OUTLET)
51 ; 세정노즐팁 하부 덮개
60 ; 유체혼합구조부(60)
61 ; 와이드 유로에 연결되는 유체혼합구조부의 분류지점 1
62 ; 와이드 유로에 연결되는 유체혼합구조부의 분류지점 2
63 ; 유체혼합구조부의 혼입부
본 발명은 비데기의 세정노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가변수류가 가능한 비데기의 세정노즐에 관한 것이다.
일반적으로 비데기는 변기본체의 상부에 안착되어 수도관으로부터 공급되는 세정수를 여과한 후 비데몸체 내부의 물통에 저장한 상태에서 사용자의 용변 후 항문세정용 항문세정노즐 버튼이나 국부세정용 비데세정노즐 버튼을 선택하여 가압하면 물통에 저장된 세정수의 수압에 의해 선택된 항문세정노즐 또는 비데세정노즐을 통해 물줄기가 분출되어 항문 또는 국부를 세정하게 된다.
이때, 상기 세정노즐에서 분출되는 물줄기는 일직선으로 일정한 물퍼짐각도를 갖고 분출된다.
그러나 상기와 같이 동작되는 비데에 있어서, 종래의 세정노즐 내부에는 1개의 직선유로만이 구비되어 물줄기의 편심(偏心)현상이 발생하고 또 물줄기의 중심축으로부터의 물퍼짐각도의 조절이 어렵기 때문에 노즐에서 분출되는 물줄기가 항문 또는 국부와 충돌하는 부분이 협소하므로, 비데 이용자의 취향에 따라서는 비데 이용자가 몸을 움직여야만 물줄기와 충돌하는 신체부분을 변경할 수 있다는 불편함과, 완벽한 세정을 위해서는 다량의 물이 필요하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 제반 결함을 감안하여 이루어진 것으로서, 비데기의 사용에 있어서 사용자가 세정노즐의 출구(OUTLET)에서 분출되는 물줄기의 물퍼짐각도를 조절할 수 있게 하고 물줄기가 회전력을 가지면서도 편심현상없이 원형(圓形)으로 분출되도록 하여 세정력을 증대시키며 세정에 사용되는 수량을 절약할 수 있도록 한 가변수류가 가능한 세정노즐 구조를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 비데기의 세정노즐에 있 어서, 와이드 유로(流路)와 직선유로(流路)로 구분되는 2개의 개별내부유로가 구비된 세정노즐 유로부(30)와, 상기 와이드 유로(流路)를 거친 수류와 직선유로(流路)를 거쳐 수직상승하는 수류가 서로 만나 분출되도록 하고 상기 세정노즐 유로부의 말단(末端)에 연결되는 세정노즐팁과, 상기 세정노즐팁 내부의 상측에는 와이드 유로를 거친 수류가 직선유로를 거쳐 수직상승하는 수류에 토크(torque)를 가하여 회전력이 발생되도록 하는 유체혼합구조부(60)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 따른 세정노즐의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 와이드 유로(流路)와 직선유로(流路)로 구분되는 2개의 개별내부유로를 구비하는 세정노즐유로부 및 세정노즐팁을 구비하는 세정노즐의 사시도이고, 도 2는 세정노즐유로부에 연결되는 세정노즐팁의 사시도이고, 도 5는 세정노즐팁의 유체혼합구조부의 사시도이다.
상기 세정노즐팁(40) 내부의 상측에는 상기 와이드 유로(10)의 말단과 연결되어 상기 유체혼합구조부(60)가 형성되어 있고, 상기 세정노즐팁(40) 내부의 하측에는 상기 직선유로(20)의 말단과 연결되면서 세정노즐팁(40)의 출구(50)와 연결되는 유로가 형성되어 있으며, 상기 세정노즐팁(40) 내부의 상측과 하측은 상기 유체혼합구조부의 혼입부(63)를 통해서만 연결되는 구조를 갖는다.
상기 유체혼합구조부(60)는, 상기 와이드 유로(10)의 말단(末端)이 분류지점 1(61)과 분류지점 2(62)로 나뉘어진 후 다시 연결되고, 그 연결부분에서는 분류지점 1(61)과 분류지점 2(62)를 거친 두개의 수류가 태극형상의 대칭구조를 이루며 혼입되는 유체혼합구조부의 혼입부(63)가 형성되며, 상기 유체혼합구조부(60)의 혼입부(63)는 직선유로(20)의 말단에 연결된 세정노즐팁(40) 상부의 출구(50)와 직각을 이루며 연결된다.
본 발명에서 사용하는 세정노즐은 항문세정용 세정노즐 및 국부세정용 비데노즐을 포함하며 항문세정용 세정노즐이 바람직하다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.
상기 세정노즐 유로부(30)의 후미에 장착되어 와이드 유로(10)와 직선유로(20)로 유입되는 수량(水量)의 혼합비를 자유롭게 제어할 수 있는 수량조절밸브에 의해 먼저 직선유로(20)로만 물을 공급한 후 상기 수량조절밸브에 의해 직선유로(20)로 흘러가는 수량(水量)을 감소시킴과 동시에 와이드 유로(10)로 흘러가는 수량(水量)을 증가시킨다.
상기 직선유로(20)로 유입되는 수류(水流)는 세정노즐팁(40) 내부의 하측으로 유도되는 유로(21)를 통하여 하강하게 되고 다시 수직상승하면서 상기 유체혼합구조부(60)와 교차하게 된다.
한편, 와이드 유로(10)의 말단(末端)으로부터 상기 세정노즐팁(40) 내부의 상측으로 유입된 수류(11)는 상기 유체혼합구조부(60)의 분류지점 1(61)과 분류지점 2(62)로 나뉘어진 후 다시 두개의 수류가 유체혼합구조부의 혼입부(63)에서 태극모양의 대칭형상을 이루며 다시 합쳐지면서 직선유로(20)로부터 유입되어 세정노즐팁의 하부를 거쳐 수직상승하는 수류(水流)(21)에 토크(torque)를 가함으로써 회전력을 갖는 가변수류(可變水流)를 발생케 하고, 이 회전하며 수직상승하는 가변수 류는 출수홀(hole)이 1개인 세정노즐팁(40) 상부의 출구(OUTLET)(50)를 통하여 분출하게 된다. 이때, 와이드유로(10) 및 직선유로(20)에 유입되는 수량을 조절하여 직선유로를 거친 수류에 가해지는 토크(torque)의 크기를 변화시킴으로써 상기 가변수류의 물퍼짐 각도의 조절을 가능케 한다.
상기 유체혼합구조부(60)의 혼입부(63) 좌우의 각각의 수로(61,62)를 통하여 혼입되는 수류의 형상은 태극모양의 대칭구조로 되어 있어서 상기 수직상승하는 수류(21)에 가해지는 토크(torque)가 대칭을 이루게 함으로써 원심력에 의해 퍼져나가려는 힘이 발생하게 하면서도, 수직상승하여 분출하는 회전수류(21)의 편심(偏心)을 막아주어 회전수류의 단면형상이 원형(圓形)을 유지하도록 한다.
이하에서는, 본 발명의 동작과정에 대한 실험 데이타 결과를 설명한다.
본 실험데이타 수치해석에 사용된 유체혼합구조부의 등각도를 도 6에 보였다. 와이드유로 말단의 분류지점61과 분류지점62 사이의 유량차이를 좀 더 줄이기 위해, 도 6에 나타낸 바와 같이 유체혼합구조부의 분류지점2(62)에 곡률반경 0.7mm에 해당하는 곡률처리(R0.7의 fillet)를 하였다. 표 1에는 실험에 사용된 그리드(grid, 극소(極小)조각)의 종류 및 갯수를 정리하였다.
그리드 종류(Grid type) 갯수(Number)
4면형 그리드(Tetrahedral grid) 1,964,635
피라미드형 그리드(Pyramid grid) 2,880
6면형 그리드(Hexahedral grid) 213,120
합 계(Total) 2,180,635
본 해석에 사용된 유체는 물이며, 물성은 다음과 같다.
밀도(Density) = 997(kg/m3)
점성도(Viscosity) = 0.000855(kg/m·sec)
데이타해석실험이 행하여진 유체혼합구조부의 최종구조(design)는 도 7과 같다. 출구(outlet)에는 1 기압의 고정기압(fixed pressure)조건을 적용하였으며, 각각의 최종 케이스(final case)별 입구(inlet)조건은 표 2와 같고, 직선유로와 회전수류의 유량차이의 영향을 알아보기 위하여 각 유로의 유량비를 바꾸어가며 계산을 수행하였다.
최종케이스1(Finalcase-1) 최종케이스2(Final case-2) 최종케이스3(Final case-3)
직선유로 와이드유로 직선유로 와이드유로 직선유로 와이드유로
단면적 (m2) 3.14159E-06 3.14159E-06 3.14159E-06 3.14159E-06 3.14159E-06 3.14159E-06
1분당 유입되는수량 (ml/min) 580 400 250 700 150 800
1초당 유입되는수량 (m3/sec) 9.66667E-06 6.66667E-06 4.16667E-06 1.16667E-05 0.0000025 1.33333E-05
유속 (m/sec) 3.0770 2.1221 1.3263 3.7136 0.7958 4.2441
K (수류운동에너지(kg/m2sec2)) 0.0057 0.0027 0.0011 0.0083 0.0004 0.0108
D (Dissipation분산도 :유로내부벽면에서수류운동에너지가분산되는정도) 0.0879 0.0288 0.0070 0.1546 0.0015 0.2308
도 8에 최종케이스1,2,3 별로 유체혼합구조부에서의 유로내부 압력분포를 보였다. 유체혼합구조부에서의 유로내부압력수위(channel pressure level) 평균은 최종케이스3에서의 압력수위에 비해서 낮다. 그 이유는 와이드 유로(10) 말단에서 분류되는 지점(62)의 유로구조개선으로 인해 유동저항이 감소했기 때문이다.
한편, 표 3에서 와이드 유로 말단의 분기점(61,62)에서의 유량차이는 최종케이스 3에 비해 최종케이스 1,2에서 감소하는 것을 보였다.
분류지점왼쪽(62)으로 유입되는 수량(Kg/sec) 분류지점오른쪽(61)으로 유입되는 수량(Kg/sec) 왼쪽분류지점수량 vs오른쪽분류지점수량
최종케이스-1 3.31E-03 3.33E-03 1 : 1.01
최종케이스-2 5.56E-03 6.05E-03 1 : 1.09
최종케이스-3 6.32E-03 6.94E-03 1 : 1.10
그리고, 표4에서는 세정노즐팁의 동일반경선 위에서의 와류수(渦流數,swirl number){=유로내부에서의 회전수류의 균일분포정도를 나타내는 계수=(2×접선속도(TangentialVelocity))÷(3×중심축속도(AxialVelocity))}가 균일해졌으며 세정노즐팁 말단에서의 속도와 와류수(渦流數,swirl number)는 오히려 감소했음을 보였다. 최종케이스 3의 경우에 세정노즐팁의 동일반경선 위에서의 와류수(渦流數,swirl number)가 가장 균일한 분포를 보이는 것을 알 수 있다. 도 13은 표 4를 그림으로 나타낸 것이다.
와류수 평균값 (Mean) 표준이탈도 (Standard Deviation)
최종케이스-1 0.9R ;세정노즐팁중심축으로부터반경0.9배되는지점 0.15801 0.07478
0.6R ;세정노즐팁중심축으로부터반경0.6배되는지점 0.08086 0.02837
0.3R ;세정노즐팁중심축으로부터반경0.3배되는지점 0.03617 0.02613
최종케이스-2 0.9R 0.44615 0.01216
0.6R 0.33655 0.00541
0.3R 0.18579 0.00799
최종케이스-3 0.9R 0.46791 0.0067
0.6R 0.36551 0.00465
0.3R 0.20886 0.00723
상기 와류수에서, 유체의 속도 성분은 도 12에서 보이는 것처럼 중심축 속도(axial velocity)성분과 접선속도(tangential velocity)성분으로 이루어져 있다. 세정노즐팁 출구(50)를 떠난 물줄기의 중심축 속도 성분은 물 줄기를 유로 축에 평행하게 진행하게 하는 역할을 하고, 접선속도 성분은 물 줄기 내에 회전 속도 성분을 만들어 물 줄기를 방사상으로 퍼지게 하는 역할을 한다. 따라서 물 줄기는 중심축속도 성분이 커질수록 세게 멀리 분출되고, 접선속도 성분의 크기가 커질수록 방사상으로 넓어지고 강하게 회전하며 진행하게 된다.
노즐에서 분출되는 물 줄기의 형상은 브이오에프(VOF,Volume Of Fluids) 등의 수치해석 기법을 사용하여 자유표면(free surface)을 계산하여 예측할 수 있으나, 시간에 따라 변하는 순간(transient)계산을 수행해야 하므로 많은 계산시간을 요구한다. 따라서 본 과제에서는 노즐 끝 단까지만을 계산 영역으로 선정하여 흐름 유형(flow pattern)을 계산함으로써 물 줄기의 형상을 정성적으로 예측하는 것에 목적을 두었다. 계산결과에서 볼 수 있듯이 회전수류 유로의 유량이 많아질수록 세정노즐팁 출구(50)에서 접선속도방향의 속도 성분이 점점 크게 생성되고 있으며 이러한 회전 속도 성분이 노즐을 떠난 물 줄기를 회전하며 방사상으로 퍼지게 하는 역할을 할 수 있음을 예측할 수 있다. 이러한 회전성분의 정도는 와류수(swirl number)라는 무차원 변수를 도입함으로써 정량적으로 비교하였으며 와류수(swirl number)가 클수록 회전력이 센 물줄기를 얻을 수 있다.
상기 실험 데이타의 분석으로부터 다음과 같은 결론이 도출된다.
a)세정노즐내부의 유로가 1개인 경우 보다, 별개의 유로(와이드 유로(10))를 구비하여 그 말단이 대칭적으로 분기되도록 하는 경우에
i)세정노즐팁의 동일반경상에서 더 균일한 와류패턴(swirl pattern)을 얻을 수 있다. 하지만 와이드 유로(10)가 분기되는 경우 유로의 단면적의 증가로 유속이 감소하므로 세정노즐팁에서의 속도와 와류(渦流)강도는 감소한다.
ii)와이드 유로 내부의 평균압력이 감소하므로 펌핑시스템의 부하(load)를 줄일 수 있다. 또한 와이드 유로 내부의 평균압력 감소로 인해 와류가 혼입부(63)로부터 직선유로(50)로 역류하는 현상이 감소한다.
b)최종케이스2의 경우 분류지점61과 분류지점62 사이에서의 유량의 차이가 있었으나, 유로 형상변경을 통한 유동저항조절을 통해 세정노즐팁에서 균일한 와류강도분포를 갖는 구조를 형성할 수 있다.
c)유체혼합구조부(60)에서 두 개로 분기되는 분류지점61과 분류지점62 사이의 유량차이가 적을수록 세정노즐팁의 동일 반경상의 와류강도가 더 균일해진다.
d)세정노즐팁의 출구(50) 축 중심으로부터의 동일 반경상에서 균일한 와류강도분포를 갖는 노즐시스템구조(nozzle system design)를 형성할 수 있다.
e)세정노즐팁의 출구(50)축 중심으로부터의 거리에 따른 와류강도 차이가 감성 테스트에서 문제화되었으며 세정노즐팁의 길이 변화를 통해(1mm -> 3mm) 와류강도의 차이를 줄일 수 있다.
상기한 바와 같이 세정노즐에 구비된 와이드 유로 및 직선유로로 유입되는 수량을 조절하여 세정노즐팁 상부의 출구를 통하여 분출되는 물줄기의 회전력이 변화되는 가변수류를 발생케 하면서도, 유체혼합구조부의 혼입부에서 태극형상의 대칭구조로 수류혼입이 이루어지게 하여 물줄기의 편심(偏心)현상을 방지함으로써, 세정노즐팁 출구에서 분출되는 물줄기의 물퍼짐각도를 일정하게 조절할 수 있게 함으로써, 이용자가 몸을 움직이지 않아도 물줄기와 충돌하는 신체부분을 변경할 수 있음과 동시에 세정력을 증대시킬 수 있는 효과가 있다

Claims (3)

  1. 비데기의 세정노즐에 있어서,
    와이드 유로(流路)(10)와 직선유로(流路)(20)로 구분되는 2개의 개별내부유로가 구비된 세정노즐 유로부(30)와;
    상기 와이드 유로(流路)(10)를 거친 수류와 직선유로(流路)(20)를 거쳐 수직상승하는 수류가 서로 만나 분출되도록 하고 상기 세정노즐 유로부(30)의 말단(末端)에 연결되는 세정노즐팁(40)과;
    상기 세정노즐팁(40) 내부의 상측에는 와이드 유로(10)를 거친 수류(11)가 직선유로(20)를 거쳐 수직상승하는 수류(21)에 토크(torque)를 가하여 회전력이 발생되도록 하는 유체혼합구조부(60)를 포함하며,
    상기 유체혼합구조부(60)는, 상기 와이드 유로(10)의 말단(末端)이 분류지점 1(61)과 분류지점 2(62)로 나뉘어진 후 다시 연결되고, 그 연결부분에서는 분류지점 1(61)과 분류지점 2(62)를 거친 두개의 수류가 태극형상의 대칭구조를 이루며 혼입되는 유체혼합구조부의 혼입부(63)가 형성되며, 상기 유체혼합구조부의 혼입부(63)는 직선유로(20)의 말단에 연결된 세정노즐팁(40) 상부의 출구(50)와 직각을 이루며 연결되는 것을 특징으로 하는 가변수류가 가능한 비데기의 세정노즐.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 세정노즐팁(40)은, 세정노즐팁(40) 내부의 상측에 상기 와이드 유로(10)의 말단과 연결되어 상기 유체혼합구조부(60)가 형성되어 있고, 세정노즐팁(40) 내부의 하측에 상기 직선유로(20)의 말단과 연결되면서 세정노즐팁(40)의 출구(50)와 연결되는 유로가 형성되어 있으며, 상기 세정노즐팁(40) 내부의 상측과 하측은 상기 유체혼합구조부의 혼입부(63)를 통해서만 연결되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 가변수류가 가능한 비데기의 세정노즐.
  3. 삭제
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