KR100897939B1 - 소용돌이 분리기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소용돌이 분리기에 관한 것으로, 긴 수직 원통형상의 하우징과; 상기 하우징 하단에 마련된 제 1 배출관과; 상기 하우징의 상단 외부에서 상기 상단을 관통하여 상기 제 1 배출관의 상부까지 길게 마련되고 제 1 배출관보다 큰 직경을 가진 제 2 배출관과; 상기 하우징의 상단부에 경사지게 마련된 공기주입관과; 상기 공기주입관에 마련된 유동증폭기;를 포함하여 구성되어지되, 상기 유동증폭기에 의하여 공기주입관을 통해 하우징 내부로 이물질을 포함하는 혼합기체가 투입되면, 상기 혼합기체 중 이물질은 하우징의 내부에서 외측으로 회전되며 하방으로 이동되다가, 하우징의 내벽과의 충돌 및 마찰로 인하여 회전속도가 감속되어 제 1 배출관으로 배출되고, 기체성분은 하우징의 내부에서 내측으로 회전되며 하방으로 이동되다가 하우징의 하단에 충돌하며 기체의 진행방향이 반전되어 제 2 배출관으로 이동되어 배출되는 것을 특징으로 하는 소용돌이 분리기를 제공한다.

하우징, 배출관, 공기주입관, 유동증폭기, 이물질

Description

소용돌이 분리기{Vortex Separator}

도 1은 종래 소용돌이 분리기의 작동 상태도.

도 2는 본 발명인 소용돌이 분리기의 작동 상태도.

도 3은 도 2의 유동증폭기 분해도.

도 4는 도 3의 유동증폭기 결합단면도.

<도면의 주요부분을 나타내는 부호의 설명>

100: 하우징 200: 제 1 배출관

300: 제 2 배출관 400: 공기주입관

500: 유동증폭기

본 발명은 유동증폭기를 이용한 소용돌이 분리기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 유동증폭기가 공기주입관에 마련되어 공기주입관에 유입되는 공기가 고압이 아닌 경우에도 유동증폭기가 이를 고압의 공기로 만들어 분리기에 분사할 수 있는 유동증폭기를 이용한 소용돌이 분리기에 관한 것이다.

도 1은 종래 소용돌이 분리기의 작동 상태도이다.

종래의 소용돌이 분리기는 긴 수직 원통형상의 하우징(10)과, 상기 하우징(10) 하단에 마련된 제 1 배출관(20)과, 상기 하우징(10)의 상단 외부에서 상기 상단을 관통하여 상기 제 1 배출관(20)의 상부까지 길게 마련되고 제 1 배출관(20)보다 큰 직경을 가진 제 2 배출관(30)과, 상기 하우징(10)의 상단부에 경사지게 마련된 공기주입관(40)을 포함하여 구성된다.

그리고 상기 제 2 배출관(30)은 상기 제 1 배출관(20)과 소정거리 이격되어 위치된다.

상기 공기주입관(40)은 하우징(10)의 내주면의 접선방향으로 연결되고, 따라서 공기주입관(40)에서 분사된 공기는 하우징(10)의 내주면을 따라서 흐르도록 된다.

상기와 같은 구조를 갖는 종래의 소용돌이 분리기의 작용을 설명하면 다음과 같다.

외부에서 이동된 고압기체는 상기 공기주입관(40)을 통해 하우징(10) 내부로 소용돌이를 일으키며 강하게 하강 이동된다. 이때, 상기 고압기체에는 이물질이 포함되어 있으며, 상기 고압기체에서 비중이 큰 이물질은 하우징(10)의 내부에서 외측으로 회전되며 하방으로 이동되다가, 하우징(10)내벽과의 충돌 및 마찰로 인해 감속되며 제 2 배출관(20)으로 배출되고, 작은 이물질은 하우징(10)의 내부에서 내측으로 회전되며 하방으로 이동되다가 회전기류에 비해 직경이 작은 제 2 배출관이 형성된 하우징(10) 바닥과 접촉하며 진행방향이 반전되어 저항이 적은 상기 제 1 배출관(30)으로 이동되어 배출된다.

그러나 상기와 같은 종래의 소용돌이 분리기는 공기주입관(40)으로 고압의 공기나 유체가 유입되지 않은 경우에는 하우징(10) 내부에 소용돌이가 발생되지 않아 분리기로서의 기능을 수행할 수 없는 문제가 있어 제강공정에서 사용되는 코크스에서 발생하는 부생가스등과 같이 고압의 가스에서 이물질을 분리하여 재활용하는 용도 등으로만 사용되므로 그 효과에 비해 사용용도가 한정되며, 일반적인 혼합기체의 분리기로 사용하고자 할 경우 고압의 펌프를 별도로 사용해야하므로 경제성이 떨어지는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 고압의 유체발생장치를 장착하여 외부에서 고압의 유체가 유입되지 않는 경우에도 분리기 역할을 수행할 수 있는 구조를 가진 소용돌이 분리기를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 본 발명은 소용돌이 분리기에 관한 것으로, 긴 수직 원통형상의 하우징과; 상기 하우징 하단에 마련된 제 1 배출관과; 상기 하우징의 상단 외부에서 상기 상단을 관통하여 상기 제 1 배출관의 상부까지 길게 마련되고 제 1 배출관보다 큰 직경을 가진 제 2 배출관과; 상기 하우징의 상단부에 경사지게 마련된 공기주입관과; 상기 공기주입관에 마련된 유동증폭기;를 포함하여 구성되어지되, 상기 유동증폭기에 의하여 공기주입관을 통해 하우징 내부로 이물질을 포함하는 혼합기체가 투입되면, 상기 혼합기체 중 이물질은 하 우징의 내부에서 외측으로 회전되며 하방으로 이동되다가, 하우징의 내벽과의 충돌 및 마찰로 인하여 회전속도가 감속되어 제 1 배출관으로 배출되고, 기체성분은 하우징의 내부에서 내측으로 회전되며 하방으로 이동되다가 하우징의 하단에 충돌하며 기체의 진행방향이 반전되어 제 2 배출관으로 이동되어 배출되는 것을 특징으로 하는 소용돌이 분리기를 제공한다.

그리고 상기 공기주입관은 상기 하우징의 둘레를 따라 관통되고, 하우징의 내부에 관통된 부분은 하방으로 경사질 수 있다.

또한, 상기 유동증폭기는 외주면에 형성되는 공기주입구와, 일측으로 형성되는 공기흡입구와, 상기 공기흡입구와 연통되도록 타측으로 형성되는 수용부로 구성되는 외부몸체와, 상기 수용부에 인입되며, 외주면을 따라 상기 공기주입구와 연통되는 공기순환부가 형성되고, 내측으로 공기배출부가 관통되어 형성되는 내부몸체 및 상기 수용부와 내부몸체 사이에 위치되는 시트를 포함할 수 있다.

상기 시트는 링형상으로 형성되며, 상기 공기순환부와 상기 공기흡입구가 연통되도록 공기통로가 형성될 수 있고, 상기 공기흡입구는 상기 수용부 방향으로 내경이 좁아지도록 형성될 수 있다.

그리고 상기 공기배출부는, 상기 공기흡입구측 내경에 만곡면이 형성되고, 만곡면의 반대방향으로 내경이 넓어지도록 형성될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도 록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명인 소용돌이 분리기의 작동 상태도이고, 도 3은 도 2의 유동증폭기 분해도이며, 도 4는 도 3의 유동증폭기 결합단면도이다.

본 발명인 소용돌이 분리기는 긴 수직 원통형상의 하우징(100)과, 상기 하우징(100) 하단에 마련된 제 1 배출관(200)과, 상기 하우징(100)의 상단 외부에서 상기 상단을 관통하여 상기 제 1 배출관(200)의 상부까지 길게 마련되고 제 1 배출관(200)보다 큰 직경을 가진 제 2 배출관(300)과, 상기 하우징(100)의 상단부에 경사지게 마련된 공기주입관(400)과, 상기 공기주입관(400)에 마련된 유동증폭기(500)를 포함하여 구성된다.

그리고 상기 공기주입관(400)은 상기 하우징(100)의 둘레를 따라 접선방향으로 관통되고, 하우징(100)의 내부에 관통된 부분은 하방으로 경사진다.

따라서, 상기 공기주입관(400)의 형상에 의하여 공기주입관(400)을 통과한 이물질이 포함된 혼합기체는 하우징(100)의 내벽을 따라서 하방으로 회전되면서 소용돌이를 일으키며 이동된다.

또한, 도 2 (a)와 같이 상기 유동증폭기(500)에는 유체공급장치(600)가 연결되며, 필요한 경우에는 도 2 (b)와 같이 상기 유동증폭기(500)의 외측에 급수관(700)가 연결된다.

도 2 (b)와 같이 급수관(700)은 급수탱크와 연결된 상태로, 유동증폭기(500) 가 작동시 형성되는 진공효과에 의해 급수탱크로부터 물을 흡입하여 유동증폭기 내측으로 분사해주며, 분사된 수분은 유동증폭기(500)을 통과하는 고속의 기류에 의해 수분이 안개와 같은 미세입차형태로 분산되어 함께 분사되므로 수분을 포함한 혼합기체가 하우징(100)에 분사되도록 할 수 있다.

이 경우에 하우징(100)에 분사된 수분입자와 함께 분사되는 혼합기체내의 이물질은 수분입자에 의해 뭉쳐지며 비중이 큰 이물질이 되므로, 상대적으로 비중이 작은 기체에 혼합되지 않고 하우징 내부의 외측을 회전하며 아래로 떨어지게 되어, 제 1 배출관(200)을 통하여 배출되게 된다.

도 3 및 도 4와 같이, 상기 유동증폭기(500)는 외주면에 형성되는 공기주입구(111)와, 일측으로 형성되는 공기흡입구(112)와, 상기 공기흡입구(112)와 연통되도록 타측으로 형성되는 수용부(113)로 구성되는 외부몸체(110)와, 상기 수용부(113)에 인입되며, 외주면을 따라 상기 공기주입구(112)와 연통되는 공기순환부(121)가 형성되고, 내측으로 공기배출부(122)가 관통되어 형성되는 내부몸체(120) 및 상기 수용부(113)와 내부몸체(120) 사이에 위치되는 시트(130)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 시트(130)는 링형상으로 형성되며, 상기 공기순환부(121)와 상기 공기흡입구(112)가 연통되도록 공기통로(132)가 형성되어, 고압의 유체가 이동되도록 할 수 있다.

상기 공기흡입구(112)는 상기 수용부(113) 방향으로 내경이 좁아지도록 형성된다. 따라서, '면적*유속=일정'하다는 유체역학의 법칙에 의해서 공기흡입구(112) 로 인입되는 유체는 수용부(113) 방향으로 갈수록 유속이 빨라진다.

그리고 상기 공기배출부(122)는 상기 공기흡입구(112)측 내경에 만곡면(彎曲面;123)이 형성되고, 만곡면(123)의 반대방향으로 내경이 넓어지도록 형성된다.

따라서, 고압의 유체가 상기 만곡면(123)을 따라 상기 반대방향으로 흐르면 공기흡입구(112)로 유입된 유체가 상기 고압의 유체가 흐름으로 인하여 순간적으로 진공과 유사한 상태가 된 시트(130) 주위를 지나면서 더욱 가속도가 붙은 후에 공기배출부(122)로 빠져나가게 된다.

상기 외부몸체(110)를 더욱 자세히 설명하면, 외부몸체(110)는 유동증폭기(500)의 외형을 이루는 형상이며, 외주면 수직방향으로 관통된 공기주입구(111)가 형성되고, 일측으로 공기흡입구(112)가 형성되며, 타측으로 수용부(113)가 형성되고, 상기 공기흡입구(112)와 수용부(113)는 서로 연통 되며, 상기 수용부(113)의 내경은 상기 공기흡입부(112)의 타측 내경보다 크게 형성되어 상기 공기흡입부(112)와 상기 수용부(113)의 안쪽 끝단 사이에는 벽면(114)이 형성된다.

상기 공기주입구(111)는 유체공급장치(600)와 연결되어 유체공급장치(600)로부터 고압의 유체가 유입된다.

그리고 상기 내부몸체(120)를 좀더 자세히 설명하면, 내부몸체(120)는 외부몸체(110)의 수용부(113)에 대응되는 형상이며, 상기 내부몸체(120)의 외주면에는 상기 외부몸체(110)의 공기주입부(111)에 대응되는 위치에 외주면을 따라 공기순환부(121)가 형성되며, 상기 공기순환부(121)는 상기 수용부(113)에 삽입되는 외경보다 단차지게 형성되어 작은 외경을 가진다.

또한, 내부몸체(120)의 내부에는 공기배출부(122)가 관통되어 형성되는데, 상기 공기배출부(122)의 일측은 외부몸체(110)의 공기흡입부(112)의 좁아지는 타측과 동일하거나 더 작은 내경을 가지는 만곡면(123)이 형성되어 타측으로 갈수록 넓어지게 형성된다.

그리고, 공기배출부(122)의 일측에 만곡면(123)이 형성되는 이유는, 코안다 효과(Coanda effect)에 의해 공기가 만곡면(彎曲面;123)을 흐를 때 표면에 흡착하는 경향이 있어 공기배출부(122)의 만곡면(123) 반대방향으로 공기를 안내하여 배출하기 위한 것이다.

이와 같이 유체(流體)가 만곡면(彎曲面)을 밀착하여 흐르는 코안다 효과(Coanda effect)는 유체가 흐르면서 앞으로 흐르게 될 방향이 어떻게 될 것인지를 아는 것으로, 만약 곡관을 흐른다면 유체는 곡관을 따라서 흐르게 되며, 유체는 자기의 에너지가 가장 덜 소비되는 쪽으로 흐르는데 이를 코안다 효과라고 한다.

한편, 외부몸체(110)와 내부몸체(120)의 결합은 암, 수나사에 의한 결합, 억지 끼움 및 용접에 의한 결합에 의해 가능하며, 이 외에 내부 공기의 유출을 방지하는 구조라면 다양한 결합이 가능함을 밝혀둔다.

시트(130)는 외부몸체(110)의 수용부(113)와 내부몸체(120) 사이에 개재되어, 상기 내부몸체(120)를 수용부(113)의 벽면(114)과 간격을 유지시켜 주는 구조를 갖는다. 구체적으로 링형상으로 형성되고, 내주면을 따라 다수의 돌기(131)가 반복 형성되며, 상기 돌기(131)에 의해 내부몸체(120)의 공기순환부(121)가 형성된 일측을 지지하는 것으로, 이는 상기 공기순환부(121)가 단차지게 형성되어 외경이 작아짐에 따라 상기 시트(130)의 테두리를 이루는 부분에 의해서는 간격이 유지되지 않기 때문에 상기 돌기(131)에 의해서 간격이 유지되는 것이다.

또한, 시트(130)의 다수의 돌기(131) 사이에는 공기통로(132)가 형성되는데, 이는 외부몸체(110)의 공기주입구(111)를 통한 공기가 내부몸체(120)의 공기순환부(121), 수용부(113)의 벽면(114), 공기통로(132) 및 공기배출부(122)의 만곡면(123)을 타고 공기배출부(122)의 타측으로 배출하기 위함으로, 공기의 흐름을 안내하는 구조로 형성된 것이다.

한편, 시트(130)는 본 발명인 유동증폭기(500)가 최적의 효율을 발휘할 수 있도록 하기 위해 통상 0.03mm ~ 0.15mm로 형성된다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 2와 같이, 상기 유동증폭기(500)에 의하여 공기주입관(400)을 통해 하우징(100) 내부로 이물질을 포함하는 혼합 기체가 유입되어 소용돌이가 발생되고, 상기 혼합기체에서 비중이 큰 이물질은 원심력에 의해 하우징(100)의 내부에서 외측으로 회전되며 하방으로 이동되게 되는데, 이때 하우징(100)의 내벽과의 충돌 및 마찰로 인하여 회전속도가 감속되므로 제 1 배출관(200)을 통해 용이하게 배출된다. 기체성분인 가스 또는 공기는 하우징(100)의 내부에서 내측으로 회전되며 하방으로 이동되다가 하우징(100)의 하단에 접촉하게 되는데, 이때 상기 제 1 배출관(200)의 경우 회전하는 기체의 회전반경에 비해 직경이 작게 형성되어 배출이 용이하지 않으므로 회전하던 기체는 하우징(100)의 바닥에 충돌한 후 진행방향이 반전되어 다시금 상승하게 된다. 상승하는 기체는 하우징(100)의 내부에 가득찬 혼합 기체의 저항으로 인해 투입방향으로의 상승은 어려우며, 저항이 발생하지 않는 상기 제 2 배출관(300)으로 이동되어 배출된다. 하우징(100)의 하단에 접촉하여 상승하여 제 2 배출관(300)을 통해 배출되는 여과된 기체의 경우 하우징(100) 하단과의 접촉 시 일부가 제 1 배출관(200)을 통해 배출될 수도 있으나, 장치가 작동되면 여과된 이물질이 하우징(100) 하단에 쌓이게 되므로 제 1 배출관(200)이 차단되는 효과가 발생하여 여과된 기체가 손실되는 현상이 방지되게 된다.

그리고 상기 유동증폭기(500)의 작용을 설명하면, 상기 유체공급장치(600)에서 공기주입구(111)를 통해 주입되는 고압유체인 압축공기는 공기순환부(121)를 지나 공기배출부(122)의 굴곡면(123)을 코안다 효과(Coanda Effect)에 의해 지나면서 공기배출부(122) 타측 방향으로 배출되며 진공공간이 형성된다. 이에 따라 공기흡입구(112)를 통해 공기가 진공공간으로 빨려들어 흡입되며, 흡입된 공기는 압축공기와 함께 공기주입관(400)을 통하여 하우징(100) 내부로 분사되며, 이는 투입된 압축공기의 25배가량 된다. 이때 유동증폭기(500)로 주입되는 고압 유체는 통상 일반적인 공기를 사용하게 되나, 하우징(100)에 주입되는 혼합기체가 연료로 사용이 가능한 가스와 이물질의 혼합기체일 경우 분리된 혼합기체의 순도저하를 방지하기 위해 혼합기체의 가스와 동일 또는 유사한 성분의 가스를 분사하는 것도 가능하며 상기 유체공급장치(500)로는 압축공기발생장치 외에도 스팀발생장치등과 같이 고압의 유체생성이 가능한 구조라면 동일한 형태로 적용이 가능하다.

따라서, 투입되는 혼합기체가 고압으로 유입되지 않더라도, 상기 유동증폭 기(500)로 장치작동에 필요한 소량의 고압유체만 투입해 주게 되면 공기주입관(400)에서는 고속의 혼합기체가 하우징(100) 내부로 분사된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 분리장치를 작동시켜줄 정도의 고압공기발생장치를 별도로 구비할 필요 없이 소형의 유체공급장치만으로도 작동이 가능하므로 기존의 제강공정과 같은 부생가스(COG : Coke Oven Gas)가 발생하는 구조에서뿐만 아니라, 고압의 공기가 유입되지 않는 환경에서도 혼합기체의 분리장치로서 사용이 가능하며, 기체와 이물질의 비중차이를 이용해 성분을 분리하는 구조를 이용하므로 실내용 공기정화장치의 역할로 사용하는 것도 가능한 효과가 있다.

또한 급수탱크와 연결된 급수관을 추가하게 되면, 이물질의 수집능력이 증대됨으로 인해 공기중에 미세먼지를 제거하기 위한 공기정화장치로의 기능을 극대화 할 수도 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 긴 수직 원통형상의 하우징(100)과;

   상기 하우징(100) 하단에 마련된 제 1 배출관(200)과;

   상기 하우징(100)의 상단 외부에서 상기 상단을 관통하여 상기 제 1 배출관(200)의 상부까지 길게 마련되고 제 1 배출관(200)보다 큰 직경을 가진 제 2 배출관(300)과;

   상기 하우징(100)의 상단부에 마련된 공기주입관(400)과;

   상기 공기주입관(400)에 마련된 유동증폭기(500);

   를 포함하여 구성되고,

   상기 유동증폭기(500)는,

   외주면에 형성되는 공기주입구(111)와, 일측으로 형성되는 공기흡입구(112)와, 상기 공기흡입구(112)와 연통되도록 타측으로 형성되는 수용부(113)로 구성되는 외부몸체(110)와;

   상기 수용부(113)에 인입되며, 외주면을 따라 상기 공기주입구(112)와 연통되는 공기순환부(121)가 형성되고, 내측으로 공기배출부(122)가 관통되어 형성되는 내부몸체(120)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소용돌이 분리기.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 공기주입관(400)은 상기 하우징(100)의 둘레를 따라 관통되고, 하우징(100)의 내부에 관통된 부분은 하방으로 경사진 것을 특징으로 하는 소용돌이 분 리기.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 유동증폭기(500)는 상기 수용부(113)와 내부몸체(120) 사이에 위치되는 시트(130)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 소용돌이 분리기.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 시트(130)는 링형상으로 형성되며, 상기 공기순환부(121)와 상기 공기흡입구(112)가 연통되도록 공기통로(132)가 형성되는 것을 특징으로 하는 소용돌이 분리기.
5. 청구항 3에 있어서,

   상기 공기흡입구(112)는 상기 수용부(113) 방향으로 내경이 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 소용돌이 분리기.
6. 청구항 3에 있어서,

   상기 공기배출부(122)는, 상기 공기흡입구(112)측 내경에 만곡면(彎曲面;123)이 형성되고, 만곡면(123)의 반대방향으로 내경이 넓어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 소용돌이 분리기.

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