KR100918808B1 - 보텍스 코어 토출형 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보텍스 유동의 코어부와 주변부의 압력차에 의해 유체를 토출함으로서, 단순한 구조로 제작될 수 있으며, 고압의 유체를 효율적으로 토출할 수 있는 보텍스 코어 토출형 펌프에 관한 것으로,

본 발명에 따른 보텍스 코어 토출형 펌프는, 원통형 내벽을 갖는 동체와; 상기 동체의 내부에, 상기 동체의 중심을 지나는 회전축에 회전 가능하게 설치되는 임펠러와; 상기 동체의 일측 개구부를 폐쇄하도록 설치되며, 중심부에 토출구가 형성되어 있는 토출측 커버와; 상기 동체의 타측 개구부를 폐쇄하도록 설치되되, 중심부에 유체 흡입통로가 형성되고, 상기 회전축이 외부로 노출되도록 설치되며, 상기 유체 흡입통로와 외부를 연결하는 흡입구가 형성되어 있는 흡입측 플렌지와; 상기 동체의 내벽보다 작은 지름을 갖는 원반형으로 형성되며, 상기 토출측 커버와 상기 임펄러의 단부 사이에 배치되어, 상기 동체 내부를, 상기 임펠러에 의해 유체에 회전력을 부가하는 스월가속실과, 상기 스월가속실에서 회전력을 부가 받아 회전 유동하는 유체가 유입되어 보텍스 유동을 함으로서, 유체가 상기 보텍스 유동의 코어부 위치에 대응되는 상기 토출구를 통해 토출되는 보텍스실로 구분하는 보텍스 리미터와; 상기 임펠러의 회전축을 구동하는 구동부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

펌프, 보텍스, 코어, 원판, 보텍스 리미터

Description

보텍스 코어 토출형 펌프{Vortex Core Ejection Pump}

본 발명은 펌프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전 중심부로 갈수록 속도가 증대되고 압력이 낮아지는 보텍스 유동의 특성에 따른, 보텍스 코어부와 주변부의 압력차에 의해 유체를 토출함으로서, 단순한 구조로 제작될 수 있으며, 고압의 유체를 효율적으로 토출할 수 있는 보텍스 코어 토출형 펌프에 관한 것이다.

펌프란 전동기나 내연기관 등의 원동기로부터 기계적 에너지를 받아서 유체에 운동 및 압력 에너지를 부여하는 장치로서, 구조 및 작동 원리에 따라, 왕복부 또는 회전부에 공간을 두어 이 공간 내에 유체를 넣으면서 차례로 내보내는 방식인 용적형과 임펠러의 회전에 의해 유입된 유체에 운동 에너지를 부여하는 방식인 터보형으로 구분된다.

원심펌프는 터보형 펌프의 일종으로, 임펠러를 회전시켜 유체에 회전력을 줌으로서 원심력의 작용에 의해 펌핑하는 형식의 펌프로서, 흡입구를 통해 임펠러의 중심부로 들어간 유체는 임펠러에 의해 축과 직각 방향 즉, 임펠러의 반경방향으로 회전력을 받아 압력 및 속도가 증가하고, 안내깃을 지나는 동안 속도 에너지가 압력 에너지로 변화되면서 스파이럴 케이싱에 들어간다.

스파이럴 케이싱은 임펠러 및 안내깃을 통과한 유체를 모아서 토출구에 유도하는 것으로, 통로를 점차적으로 넓게 하여 속도 수두를 압력 수두로 변화시킨다.

이와 같은 원심펌프는 맥동 없이 연속 토출이 가능하며, 진동이 적고, 취급이 용이하여 급수용은 물론 각종 설비에 가장 많이 사용되고 있다.

그러나, 본체에 안내깃(guide vane) 및 스파이럴 케이싱(sprial casing)이 설치되는 등 구조가 복잡하며, 임펠러 또한 다수의 베인이 돌출되어 있는 복잡한 형상의 주물로 제작되기 때문에 자체 중량에 의한 회전 부하가 커서, 이를 동작시키는 데 모터 등에 많은 동력 손실을 초래하였다.

또한, 다수의 베인이 돌출되어 있는 임펠러의 구조적 특성상 임펠러를 5000rpm 이상 고속으로 회전시키는 경우 펌프 내부 즉, 임펠러 베인의 후류측에 공동 현상(cavitation)이 발생하여 압력손실이 커질 뿐만 아니라 진동 및 소음이 크게 발생하며, 임펠러나 본체가 손상을 입기 쉽다는 문제점이 있었다.

본 발명은, 상기와 같이 임펠러의 회전에 의해 작동되는 종래의 원심 펌프 또는 터보형 펌프의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 구조가 매우 단순하여 소형 경량으로 제작 가능하면서도, 고압의 유체를 효율적으로 토출할 수 있는 새로운 형식의 펌프를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 높은 회전속도에서도 공동 현상(cavitation)에 의한 압력 손실이나, 소음, 진동을 최소화 하면서, 고압의 유체를 안정적으로 토출할 수 있는 새로운 형식의 펌프를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 보텍스 코어 토출형 펌프는, 원통형 내벽을 갖는 동체와; 상기 동체의 내부에, 상기 동체의 중심을 지나는 회전축에 회전 가능하게 설치되는 임펠러와; 상기 동체의 일측 개구부를 폐쇄하도록 설치되며, 중심부에 토출구가 형성되어 있는 토출측 커버와; 상기 동체의 타측 개구부를 폐쇄하도록 설치되되, 중심부에 유체 흡입통로가 형성되고, 상기 회전축이 외부로 노출되도록 설치되며, 상기 유체 흡입통로와 외부를 연결하는 흡입구가 형성되어 있는 흡입측 플렌지와; 상기 동체의 내벽보다 작은 지름을 갖는 원반형으로 형성되며, 상기 토출측 커버와 상기 임펄러의 단부 사이에 배치되어, 상기 동체 내부를, 상기 임펠러에 의해 유체에 회전력을 부가하는 스월가속실과, 상기 스월가속 실에서 회전력을 부가 받아 회전 유동하는 유체가 유입되어 보텍스 유동을 함으로서, 유체가 상기 보텍스 유동의 코어부 위치에 대응되는 상기 토출구를 통해 토출되는 보텍스실로 구분하는 보텍스 리미터와; 상기 임펠러의 회전축을 구동하는 구동부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

스월가속실(Swirl Acceleration Boundary)은 임펠러에 의해 유체에 운동 에너지를 부가하는 부분으로, 스월가속실 내에서는 임펠러의 고속 회전에 의해 유체가 강력한 소용돌이 운동을 하게 되는 바, 임펠러의 선속도는 반경이 커질수록 증대되며, 따라서 임펠러에 의해 회전 운동하는 유체의 선속도 역시 외주로 갈수록 커지고 그에 따라 압력은 감소하게 된다. 따라서, 스월가속실 내에서 회전 운동하는 유체에는, 회전 운동에 따른 원심력과 함께 전술한 압력 구배의 영향에 의해, 반경 방향 외측으로 유출되는 힘이 작용하게 되어 강력한 소용돌이 운동을 하면서 동체의 내벽을 타고 보텍스실에 지속적으로 유입된다.

보텍스실(Vortex Boundary)은 보텍스 리미터에 의해 임펠러의 직접적인 영향을 받지 않는 공간으로, 중앙에는 플러그-홀(Plug-Hole)에 해당되는 토출구가 형성되어 있는 바, 스월가속실로부터 보텍스실로 유입되는 유체는 회전 중심부로 갈수록 속도가 증대되고 압력이 낮아지는 보텍스 유동을 하게 되며, 보텍스 코어부와 주변부의 압력차에 의해, 코어부에 해당되는 위치에 형성되어 있는 토출구를 통해 유체가 토출된다.

본 발명은, 회전 중심부로 갈수록 속도가 증대되고 압력이 낮아지는 보텍스(Vortex; 단순와동)의 특성에 따른 보텍스 코어부와 주변부의 압력차를 유체의 토출력으로 이용할 수 있다는 실험 결과에 착안하여 이루어 진 것으로, 본 발명에 따른 보텍스 코어 토출형 펌프는 보텍스 리미터에 의해 동체의 내부를 스월가속실과 보텍스실로 구분하는 단순한 구조로, 고압의 유체를 효율적으로 토출할 수 있게 된다.

본 발명에 적용되는 임펠러는, 다수의 베인이 돌출되게 형성되어 원심력에 의한 반경 방향 외측으로의 운동에너지를 부가하는 것이 목적인 일반적인 원심펌프의 임펠러와는 달리, 유체에 스월 즉 소용돌이와 같은 회전 운동을 부여하는 것이 주요 목적이므로, 원판에 다수의 통공이나 반경방향으로 연장되는 홈을 형성하여 구성하는 것이 하는 것이 바람직한 바, 본 발명에 따르면, 후류측에 부압을 형성하는 돌출형 베인이 임펠러에 필요 없을 뿐만 아니라, 유체가 항상 채워진 상태로 작동되므로, 공동 현상의 발생을 최소화하면서 임펠러를 10000rpm 이상의 고속으로 회전시키는 것이 가능하며, 따라서, 공동 현상에 의한 압력 손실이나, 소음, 진동을 최소화 하면서, 고압의 유체를 안정적으로 토출할 수 있게 된다.

전술하였듯이, 보텍스 리미터(Vortex Limiter)는 임펠러의 직접적인 영향을 차단하는 역할을 함과 동시에, 유체의 소용돌이 운동이 유지됨으로서 보텍스가 효과적으로 형성될 수 있도록 보텍스 형성 공간을 한정하는 역할을 하는 것으로, 보텍스 리미터와 상기 토출측 커버의 간격은 동체 및 임펠러의 직경이나 임펠러의 회전속도에 따라 적절하게 설계되는 바, 실험결과에 따르면, 상기 간격이 너무 작거나 너무 크면 저항이나 압력저하에 의해 소용돌이 운동이 일부 와해됨으로서 보텍스 유동이 적절하게 형성되지 않아, 유체의 토출 작용 자체가 원할하게 이루어지지 못함을 알 수 있었다.

실험결과에 따르면, 동체 및 임펠러의 직경을 각각 100mm, 90mm로 구성하고, 임펠러를 5000rpm 내지 10000rpm으로 구동시킨 경우, 상기 간격은 5mm 내지 10mm의 범위가 적절하였으며, 이와 같은 적정 구동 간격의 범주 내에서는, 간격이 좁을수록 유체의 토출 압력이 높고, 간격이 클수록 토출 압력이 낮음을 확인할 수 있었다.

따라서, 보텍스 리미터는 토출측 커버와의 간격을 외부에서 조절할 수 있도록 구성함으로서, 임펠러의 회전 속도 및 보텍스 리미터 간격의 조절에 의해, 토출 유체의 유량 및 압력을 적절하게 조절할 수 있게 된다.

본 발명의 보텍스 코어 토출형 펌프에 따르면, 구조가 매우 단순하여 소형 경량으로 제작 가능하면서도, 고압의 유체를 효율적으로 토출할 수 있게 되며, 동체나 커버 임펠러 등의 전체적인 부품의 제작에 주물용 금형을 사용하지 않고 절삭 가공에 의해 제작할 수 있으므로, 용도에 최적 사양의 펌프를 금형의 제조 없이 저렴하게 생산하는 것이 가능하다.

또한, 10000rpm 이상 고속의 회전속도에서도 공동 현상에 의한 압력 손실이나, 소음, 진동을 최소화 하면서, 고압의 유체를 안정적으로 토출할 수 있게 된다.

또한, 구조가 간단하여 고장이 작고, 기계적 마모가 적으며, 토출구에 작용하는 보텍스 코어의 토출 효과를 활용하여 토출작용이 수행되어 케이싱 내부에의 정압이 그다지 크지 않아 로터리 실이나, 오링, 가스켓 등에 일반적인 것을 사용할 수 있으므로, 제조 비용 및 유지 보수비를 크게 낮출 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 보텍스 코어 토출형 펌프의 일 실시예를 나타내는 도면으로, 도 1은 본 발명에 따른 보텍스 코어 토출형 펌프의 전체적인 구성을 나타내는 단면도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러의 사시도, 도 3은 보텍스실의 유체 토출 작용을 설명하기 위한 유체 유동 개념도를 각각 나타낸다.

본 실시예에 따른 보텍스 코어 토출형 펌프는, 크게 보아, 동체(10), 토출측 커버(20), 흡입측 플렌지(30), 임펠러(40) 및 보텍스 리미터(50) 및 임펠러 구동부(60)로 구분된다.

동체(10)는 유체의 소용돌이 운동, 다시 말해 회전 운동이 원활하게 이루어질 수 있도록 원통형 내벽을 갖도록 형성된다.

동체(10)의 내부에는, 임펠러를 구동시키기 위한 회전축(61)이 동체의 중심을 지나도록 배치되며, 회전축(51)의 단부에는 임펠러(40)가 결합된다.

동체(10)의 일측 개구부에는, 중심부에 토출구(21)가 형성되어 있는 토출측 커버(20)가 결합되며, 다른 쪽 개구부에는 흡입측 플렌지(30)가 결합되는 바, 흡입 측 플렌지(30)의 중심부에는 유체 흡입통로(31) 및 유체 흡입통로(31)와 외부를 연결하는 흡입구(32)가 형성되어 있으며, 흡입측 플렌지를 관통하여 회전축(51)이 기밀이 유지되는 상태로 설치된다.

토출측 커버(20)와 임펠러(40)의 단부 사이에는 동체(10)의 내벽보다 작은 지름을 갖는 원반형으로 제작된 보텍스 리미터(50)가 배치되는 바, 동체(10)의 내부는, 보텍스 리미터(50)를 경계로, 임펠러(40) 쪽인 스월가속실(11)과 토츨측 커버 쪽인 보텍스실(12)로 구획된다.

본 실시예의 경우, 보텍스 리미터를 2 내지 4개의 지지바(51)에 의해 토출측 커버(20)에 고정한 실시예를 나타내고 있으나, 지지바를 보텍스 리미터의 외주에 설치하여 보텍스 리미터를 동체(10)의 내벽에 고정하는 것도 물론 가능하며, 보텍스 리미터를 별도의 원통형 몸체에 고정 설치한 후, 원통형 몸체를, 동체와 토출측 커버에 나사 결합하는 것도 가능하다.

도 5는 보텍스 리미터와 토출측 커버와의 간격을 외부에서 조절할 수 있도록 구성한 실시예를 나타내는 주요부 단면도로, 지지바(51)의 단부에 나사부(51a)을 설치함으로서 외부의 조절너트(51)와의 체결 길이를 조절함으로서, 토츨측 커버와 보텍스 리미터의 상대적인 위치를 조절할 수 있도록 한 것으로서, 간격 조절은 수 mm 이내의 미세한 범위내에서 이루어지기 때문에, 각각의 지지바에 해당되는 조절 너트를 조금씩 조절함으로서 보텍스 리미터의 위치를 조절할 수 있게 된다.

한편, 임펠러(40)는, 유체에 스월 즉 소용돌이와 같은 회전 운동을 부여할 수 있는 형태면 어느 것이나 가능하나, 부압에 의한 공동 형상의 발생을 방지하기 위해, 본 실시예와 같이 반경방향으로 연장되는 다수 홈이나 도 4의 실시예와 같이 다수의 통공이 형성되어 있는 임펠러를 적용하는 것이 바람직하다.

도 2의 임펠러는, 임펠러의 양면에 다수의 스파이럴 홈(41)이 형성된 실시예를 나타내고 있으나, 홈을 임펠러의 어느 일측면, 바림직하게는 흡입측에 대응하는 면에만 형성하는 것도 가능하며, 도 4의 임펠러의 경우 통공 대신 임펠러의 양면에 다수의 원형홈(41)을 형성하는 것도 가능하다.

미설명 부호 (60)은 회전축을 구동하기 위한 구동부로, 배어링이나 풀리 등 펌프에 일반적으로 적용되는 구성이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

스월(11)실은 임펠러(40)에 의해 유체에 운동 에너지를 부가하는 부분으로, 스월가속실 내에서는 임펠러의 고속 회전에 의해 유체가 강력한 소용돌이 운동을 하게 되는 바, 임펠러의 선속도는 반경이 커질수록 증대되며, 따라서 임펠러에 의해 회전 운동하는 유체의 선속도 역시 외주로 갈수록 커지고 그에 따라 압력은 감소하게 된다. 따라서, 스월가속실 내에서 회전 운동하는 유체에는, 회전 운동에 따른 원심력과 함께 전술한 압력 구배의 영향에 의해, 반경 방향 외측으로 유출되는 힘이 작용하게 되어 강력한 소용돌이 운동을 하면서 동체 내벽을 타고 보텍스실(12)에 유입된다.

보텍스실(12)은 보텍스 리미터(50)에 의해 임펠러의 직접적인 영향을 받지 않는 공간으로, 중앙에는 플러그-홀(Plug-Hole)에 해당되는 토출구(21)가 형성되어 있는 바, 도 3에 도시된 바와 같이, 스월가속실로부터 보텍스실로 유입되는 유체는 회전 중심부로 갈수록 속도가 증대되고 압력이 낮아지는 보텍스 유동을 하게 되며, 반경 방향의 압력 구배에 따른 보텍스 코어부의 토출력에 의해, 코어부에 해당되는 위치에 형성되어 있는 토출구(21)를 통해 유체가 지속적으로 토출된다.

도 1은 본 발명에 따른 보텍스 코어 토출형 펌프의 전체적인 구성을 나타내는 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러의 사시도.

도 3은 보텍스실의 유체 토출 작용을 설명하기 위한 유체 유동 개념도.

도 4는 본 발명에 적용된 임펠러의 다른 실시예를 나타내는 사시도.

도 5는 보텍스 리미터의 다른 실시예를 나타내는 주요부 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 ; 동체 20 ; 토출측 커버

30 ; 흡입측 플렌지 40 ; 임펠러

50 ; 보텍스 리미터 11 ; 스월가속실

12 : 보텍스실

Claims (4)

1. 원통형 내벽을 갖는 동체와;

   상기 동체의 내부에, 상기 동체의 중심을 지나는 회전축에 회전 가능하게 설치되는 임펠러와;

   상기 동체의 일측 개구부를 폐쇄하도록 설치되며, 중심부에 토출구가 형성되어 있는 토출측 커버와;

   상기 동체의 타측 개구부를 폐쇄하도록 설치되되, 중심부에 유체 흡입통로가 형성되고, 상기 회전축이 외부로 노출되도록 설치되며, 상기 유체 흡입통로와 외부를 연결하는 흡입구가 형성되어 있는 흡입측 플렌지와;

   상기 동체의 내벽보다 작은 지름을 갖는 원반형으로 형성되며, 상기 토출측 커버와 상기 임펠러의 단부 사이에 배치되어, 상기 동체 내부를, 상기 임펠러에 의해 유체에 회전력을 부가하는 스월가속실과, 상기 스월가속실에서 회전력을 부가 받아 회전 유동하는 유체가 유입되어 보텍스 유동을 함으로서, 유체가 상기 보텍스 유동의 코어부 위치에 대응되는 상기 토출구를 통해 토출되는 보텍스실로 구분하는 보텍스 리미터와;

   상기 임펠러의 회전축을 구동하는 구동부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 보텍스 코어 토출형 펌프.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 임펠러는, 다수의 통공이 형성되어 있는 원반형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 보텍스 코어 토출형 펌프.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 임펠러는, 원판의 적어도 어느 하나의 측면에 다수의 반경방향 홈을 형성하여 구성되는 것을 특징으로 하는 보텍스 코어 토출형 펌프.
4. 제 1 항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 보텍스 리미터와 상기 토출측 커버와의 간격을 조절하기 위한 간격 조절수단을 더 구비 하는 것을 특징으로 하는 보텍스 코어 토출형 펌프.

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