KR101168098B1

KR101168098B1 - 유체 순환 시스템

Info

Publication number: KR101168098B1
Application number: KR20067008826A
Authority: KR
Inventors: 제이든 데이빗 하먼
Original assignee: 팍스 싸이언티픽 인코퍼레이션
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2004-10-12
Publication date: 2012-07-24
Anticipated expiration: 2024-10-12
Also published as: AU2004287890A1; KR20070011233A; IL175217A; CN1875193A; EP1682780A4; US20110129340A1; EP1682780A1; IL175217A0; EA200600876A1; CA2544516C; JP2007509735A; US7862302B2; CA2544516A1; US20060263201A1; EA008030B1; WO2005045258A1

Abstract

본 발명은 황금 분할(Golden Section) 또는 파이 기하학(Phi geometry)에 따라 설계된 임펠러(34)에 의해 유체(31) 내에서 와류환(36)(ring vortex)을 일으키거나 유지함으로써 유체(31) 내에서 순환이 일어나도록 하는 유체 순환 시스템에 관한 것이다.

유체, 순환, 와류환, 임펠러, 황금분할, 파이 기하학

Description

유체 순환 시스템{Fluid Circulation System}

본 발명은 유체 역학 분야에 관한 것으로서, 상세하게는 유체 내의 순환에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 유체의 덩어리 내의 향상된 순환 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

많은 응용분야에서 유체 내에 순환을 일으키는 것이 바람직하다. 순환을 제공하는 공통된 이유는 층 형성을 방지하고 유체에 공기를 통하도록 혼합하기 위해서이다. 이러한 예들은 본 명세서를 통해 후술한다.

바람직한 순환을 일으키도록 다수의 방법이 고안되어왔다. 일례로, 액체의 경우에 수직 방향으로 향한 중심축을 가진 원통형 탱크 내에 액체를 담고 모터로 구동되는 임펠러의 작동에 의해 탱크 내의 액체가 이동하도록 하는 것이 일반적이다. 액체가 순환하도록 하는 많은 다른 방법들이 고안되었음에도 불구하고, 이러한 방법들은 상당한 에너지의 소비를 필요로 하고, 종종 이와 연관된 문제들을 발생시킨다. 이러한 시스템들은 자연현상에서 발견되는 자연적인 유동성(flow tendency)에 따라 액체가 순환하도록 고안되지 못했기 때문에 이러한 비효율과 문제들이 많이 발생한다.

자연현상에서, 유체 흐름은 본질적으로 휘몰아치거나 선회한다. 와류 환(ring vortex)은 횡단면적으로 미끄러져 움직이기보다는 바퀴처럼 회전한다. 유명한 유체역학자인 Raynolds는 와류환과 관련하여 "자연현상은 미끄러져 움직이기보다는 회전하는 것을 선호한다."라고 언급한 적이 있다.

이러한 특징이 와류환 효율에 중요한 원인이 된다.

본 발명은 유체 내에서 와동(渦動: vortices), 특히 단일 또는 다중 와류환(vortex rings)의 형태로 유체의 순환을 일으키도록 특별히 설계된 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유체 내에 위치하여 임펠러의 회전에 의해 와류환(ring vortex)으로서 유체 전체의 순환을 실질적으로 일으키거나 유지시키도록 형성된 상기 임펠러를 포함하는 것을 특징으로 하는 담겨있는 유체를 움직이도록 적용되는 유체 순환 시스템을 제공하는 것이다.
바람직하게, 유체 내에 위치한 임펠러의 회전에 의하여 상기 순환이 일어나는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 임펠러는 황금분할(Golden Section) 또는 파이 기하학(Phi geometry)에 따라 실질적으로 설계되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 임펠러는 소용돌이(volute) 또는 그 밖의 바다고동(seashell)의 황금분할에 가까운(Golden-Section-like) 중심이나 일부에 따라 실질적으로 설계되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 임펠러의 형태는 와류환의 깔대기(funnel), 중심부 또는 다른 부분 내에서 흐름 라인(flow lines), 유선(流線: streamlines) 또는 와동선(渦動線: lines of vorticity)에 상응하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 임펠러는 황금분할의 적어도 하나의 대수적 곡선에 실질적으로 적합한 구성을 가진 활성 표면(active surface)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 활성 표면은 X축, Y축 또는 Z축을 따라 황금분할에 실질적으로 적합한 것을 특징으로 하고, 상기 활성 표면은 XY축, YZ축 또는 ZX축을 따라 황금분할에 실질적으로 적합한 것을 특징으로 하며, 상기 활성 표면은 XYZ축을 따라 황금분할에 실질적으로 적합한 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 유체는 상향으로 배치된 중심축을 향한 실질적인 원통형의 탱크 내의 유체를 포함하며, 상기 임펠러는 실질적으로 상기 탱크의 중심축에 동축으로 배열된 회전축 주위를 회전하는 액체 내에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 와류환의 형태로 액체의 순환을 일으키도록 상기 액체 내에 위치하고 상술한 바와 같은 형태의 임펠러를 포함하는 것을 특징으로 하는 탱크 내에 담겨있는 액체의 혼합 시스템을 제공한다. 바람직하게, 상기 탱크는 원통형 탱크이고 상향으로 배치된 중심축을 향하며, 상기 임펠러는 실질적으로 상기 탱크의 중심축에 동축으로 배열된 회전축 주위로 회전하도록 향해 있는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 임펠러는 실질적으로 수평하게 실장될 수 있다.
바람직하게, 상기 원통형 탱크의 기저부는 곡선 모양인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 원통형 탱크의 기저부는 구형의 부분인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 탱크는 원통형보다 다른 형태일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 물 내에서 회전하도록 위치하여 와류환의 형태로 물의 순환을 일으키거나 유지시키도록 적용되고 전술한 바와 같은 형태의 임펠러를 포함하는 것을 특징으로 하는 물 저장소에 적용된 수질 개선 시스템(water remediation system)을 제공한다.

삭제

바람직하게, 상기 임펠러의 회전축은 상향으로 배치된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 회전축은 실질적으로 수직방향인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 물 저장소는 망상의 공급(reticulated supply)과 관련된 워터 타워(water tower)이며, 상기 물의 순환은 상기 액체 내에서 층리(stratification)의 형성을 붕괴시키거나 방지하도록 적용되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 물 저장소는 연못이며, 상기 물의 순환은 전체 액체에 공기 공급(aeration)을 촉진하도록 적용된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 유체는 가스인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 와류환(ring vortex)을 나타낸 도이다.

도 2a는 본 실시예들에서 사용되는 임펠러 중에 대표적인 임펠러의 등척도이다.

도 2b는 본 실시예들에서 사용되는 임펠러 중 도 2a에 도시된 대표적인 임펠러와 다른 임펠러의 측면도이다.

도 3은 본 실시예들에 따른 회전 시 유체의 덩어리와 도 2a의 임펠러의 상호작용을 나타내는 도이다.

도 4는 제 1 실시예에 따른 도 2a의 임펠러에 의해 순환되는 액체 탱크의 도이다.

도 5는 제 2 실시예에 따른 도 2a의 임펠러에 의해 순환되는 워터 타워(water tower)의 도이다.

도 6은 제 3 실시예에 따른 도 2a의 임펠러에 의해 순환되는 액체가 포함된 연못의 도이다.

본 발명은 후술되는 여러 특정 실시예들의 설명에 근거하여 보다 상세하게 이해할 수 있을 것이다.

본 출원인은 이전에 자연현상의 법칙에 따라 설계된 회전자(rotor)를 미국특허 US 5,934,877로 발전시킨 국제 출원 PCT/AU96/00427 (WO 97/03291)과 그 외 PCT/AU00/01438 (WO 01/38697) 및 PCT/AU03/00002 (WO 03/056139)에 개시하였다. 일반적으로 이들 명세서에 기술된 각 실시예의 회전자는 모든 점에서 실질적으로 황금분할(Golden Section)이나 소용돌이(volute) 또는 바다고동의 황금분할에 가까운(Golden-Section-like) 중심이나 일부에 따라 설계되었다. 그러므로, 상기 회전자는 나선상으로 움직이는 구조 또는 적어도 황금분할의 특징에 대체로 적합한 유 체 경로를 제공한다. 이들 명세서에 개시된 회전자는 펌프, 터빈, 환풍기, 프로펠러 등의 사용에 적합할 것이라고 간주 되었지만, 적어도 일부 실시예들에서 유체 내에 일정 위치에서 회전을 가능케 하는 곳에서 상기 유체는 순환을 일으키고 짧은 시간 후에 상기 순환이 와류환(ring vortex)의 형태를 띠게 된다는 것을 발견하였다.

와류환(ring vortex)은 흥미로운 특성을 가진 메카니즘이고, 도 1에 일례가 도시되어 있다. 자유로운 환경에서, 상기 와류환(11)은 중심에 깔대기(funnel) 형태의 영역(12)을 가진 도넛 형상을 가진다. 와선(13)(渦線: vortex line)은 2차원적 도해에서 식별이 불가능함에도 불구하고 와류환 내에 유체 흐름의 느낌을 주려는 시도이다. 연기 고리(smoke ring)는 와류환의 하나의 예이다. 일단 와류환이 이루어지면, 이를 무한정 유지하기 위한 에너지 입력이 매우 적다. 또한, 와류환은 유체 흐름이 바깥 주변에서 가장 느린 흐름의 구조를 가진다. 세 번째로, 와류환의 독특하고 여러 방향으로의 흐름 때문에, 유체를 혼합하는데 매우 효율적이고 능률적이다. 이하, 본 실시예들에서 이들 특성을 설명한다.
와류환은 또한 공진점(resonance point)에 도달할 수 있고, 시간이 지남에 따라 상기 와류환을 유지하는데 필요한 에너지 입력을 줄일 수 있는 에너지를 축적할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들의 각각은 유체 내에서 와류환의 경로를 따르는 순환을 유도하기 위한 시스템으로 구성된다. 자연현상에서 와류환은 바람직하고 가장 일반적이며 가장 효율적인 방법의 유체 순환 흐름이다. 이는 다른 흐름의 패턴들과 비교하여 매우 효율적이며, 상기에서 살펴본 바와 같이 여러 가지 효과적인 특성을 지닌 메커니즘이다.
일단 와류환이 존재하면, 이의 관성은 액체 흐름 분야와 본질적으로 방사상 층 형태(radial laminar)의 흐름 경로인 움직임의 기하학(geometry of movement)이 모두 적용되는 임펠러 구성된 "흐름 장치(flow device)"에 없어서는 안 될 부분이 된다.

와류환으로서 유체가 순환하도록 유도하는 것이 가능한 방법에는 여러 가지가 있지만, 위에서 상술한 바와 같이 본 출원인의 이전 출원에서 개시된 법칙에 따라 설계된, 황금 분할에 따라 설계된 면들을 가진 임펠러에 의해 순환을 일으키는 것이 본 실시예들에서의 공통적인 특징이다. 상기 임펠러를 형성하는 면들의 곡률이 "황금분할"의 특징에 실질적으로 적합한 2차원 또는 3차원적 형태를 취하며, 어느 횡단면 영역의 변화 역시 "황금분할"의 특징에 실질적으로 적합한 것이 이러한 임펠러의 특징이다. 임펠러를 형성하는 면들이 황금분할을 따른다는 의미는, 임펠러를 형성하는 면들이 대수 나선에 대응되며, 상기 대수 나선의 반경은 동일한 각도 반경으로 측정한 경우에 일정한 비율로 증가한다는 것을 의미한다. 다시 말하면, 본 발명의 임펠러를 형성하는 면들은 동일한 각도 만큼씩 증가한 상태에서 측정한 반경이 일정한 비율인 황금분할에 해당하는 비율로 증가한다는 의미입니다.

삭제

이에, 특히 적합하다고 알려진 임펠러의 예들이 도 2a와 도 2b에 도시되어 있다. 이들 도에서, 상기 임펠러는 나선 형태로 설계되어 있고, "황금분할"의 구성에 실질적으로 적합한 활성 표면(23, 24)을 지닌 나선형의 구성을 포함하는 한 쌍의 날개(22)를 가지고 모터로 구동되는 중심 샤프트(25) 상에 지지되도록 이루어진 임펠러(21)로 구성된다. 이들 임펠러의 날개의 구성은 와류환의 중심 또는 "깔대기(funnel)" 부분의 와선(lines of vorticity)에 일치하며, 이는 이러한 임펠러가 효과적으로 와류환을 생성하도록 한다. 황금분할에 따라 실질적으로 구성된 활 성 표면들을 지닌 단일 또는 다중 날개를 갖는 임펠러와 같이 임펠러의 다른 구성들도 이용될 수 있음은 물론이다. 이러한 활성 표면들은 실질적으로 X축, Y축, Z축, XY축, YZ축, ZX축 또는 XYZ축에 따른 황금분할에 적합할 수 있다.

상기 임펠러가 유체 내에서 처음으로 회전을 일으킬 때, 유체에 대해 축류(軸流: axial flow) 및 선회(旋回: rotational flow)를 모두 유도한다. 유체가 초기에 움직임이 없을 때, 상기 임펠러는 처음에 고도의 교류(攪旒: turbulence)를 생성한다. 그러나, 상기 임펠러가 짧은 시간 동안 동작한 후에, 도 3에 도시된 바와 같이 유체가 순환을 일으킨다. 상기 임펠러는 유체의 자연적인 흐름에 적합하도록 설계되었기 때문에, 유체가 가속됨에 따라 교류(turbulence)보다는 운동에너지로서 한층 높은 비율의 에너지 입력이 지속적으로 부여되며, 따라서 유체는 와류환 형태인 자연적 방식으로 유체가 흐르도록 유도된다. 일단 와류환이 충분히 이루어지면, 상기 임펠러는 넓은 범위의 동작 속도에 걸쳐 공동화(cavitation)를 거의 일으키지 않는다. 이는 설계된 수준 이상의 속도로 동작하면 공동화가 일어나는 종래의 임펠러와는 대조적이다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 원통형 탱크(32)에 담긴 액체(31) 및 중심축의 수직 방향으로 향한 탱크(32)가 도 4에 도시되어 있다. 상기 탱크(32) 내에는 임펠러(34)를 가진 물에 잠길 수 있는 모터(33)가 실장되어 있고, 실질적으로 상기 탱크(32)와 임펠러(34)는 탱크(32)의 중심축과 동축 방향으로 배열되어 있다. 상기 모터(33)는 편리하도록 탱크(32)의 기저부에 실장될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 임펠러(34)는 그의 활성 표면(active surfaces)이 도 2a와 도 2b에 도시 된 바와 같이 황금분할에 적합하도록 설계되어 있다. 상기 임펠러(34)의 작동은 유체가 순환을 일으키도록 하며, 상술한 바와 같이 와선(36)으로 표시된다. 만일 액체가 균일하게 혼합되어야 하는 혼합물이라면, 효과적으로 혼합된다.

본 시스템의 이점은 유사한 배열의 종래 혼합 시스템과 비교함으로써 훨씬 식별하기 쉬워진다. 이러한 시스템은 임펠러를 구동하는 모터를 가진 원통형 탱크를 사용한다. 그러나, 이러한 시스템의 임펠러는 액체가 탱크의 중심축 주위를 회전하도록 설계되어 있다. 이는 많은 문제를 가져온다.

이러한 시스템에서, 액체 흐름의 속도는 유체의 주변, 즉 탱크의 벽에서 가장 크다. 그 결과, 탱크의 벽과 연관된 액체의 움직임에서 마찰 손실로 인해 상당한 에너지가 소비된다. 이와 대조적으로, 와류환에서 액체 흐름의 속도는 유체의 주변, 즉 탱크의 벽에서 가장 적으므로 마찰 손실이 최소화된다. 또한, 종래 시스템에서 회전의 결과로서 액체는 주변의 원심력으로 인해 벽을 "타고 오르는(climb up)" 경향을 보인다. 본 실시예들의 경우에 와선을 따라 액체의 흐름이 이루어질 때, 표면 수준(surface level)은 가장자리 주변에서 실질적으로 일정하다. 양자의 경우에, 수위(water level)는 중심에서 줄어들지만, 유체역학은 매우 다르게 적용된다는 것에 주의해야 한다. 비교적 작은 탱크에서, 일단 와류환이 이루어지고 과도한 동력이 입력되면, 액체 표면 주위를 순환하는 회전 파동(rating wave)을 이룰 수 있음을 주지해야 한다. 이러한 파동 움직임의 유체 역학으로 충분히 이해할 수 없으나, 회전을 일으키는 것은 액체 자체가 아니라 파동이라는 것을 인지하여야 한다. 게다가, 종래의 시스템에서 비효율적으로 혼합이 이루어진다. 이러한 시스템 에서, 일단 회전 움직임이 이루어지면, 액체 내에서 비교적 적은 움직임으로 바퀴와 같이 고정된 질량으로 회전하는 경향이 있다. 이는 고체 회전(solid body rotation)으로 알려져 있다. 이러한 혼합은 상당히 긴 시간 동안 계속되어야 한다. 이와 대조적으로, 관련된 유체의 움직임은 와류환 내에서 고유하며, 혼합 시간이 최소화된다.

종래의 혼합 과정은 혼합을 시작하기 위해 실질적인 동력을 필요로 한다. 이는 모터가 이에 따라 커져야 한다는 것을 요구한다. 어떤 화학 및 제약의 혼합 과정에서, 많은 양의 물질을 한 달 단위로 상당히 긴 기간에 걸쳐 혼합할 필요가 있다. 몇몇 경우에, 예를 들어 동력의 결함으로 인해 혼합이 완료되기 전에 상기 과정이 중지되면, 시동(start-up) 관성의 제한 때문에 상기 과정을 다시 시작하는 것이 불가능할 수도 있다. 모터가 재시작될 수 있도록 충분히 강하지 못하면 모든 작업분을 폐기하여야 한다. 이후, 다른 대안으로는 처음부터 더 큰 모터를 적용하는 것이다. 이는 명백히 상당한 경제적 손실을 가져온다. 이와 대조적으로, 본 발명에 따른 혼합은 시작을 위한 과도한 동력이 필요하지 않는다. 와류환은 하나의 에너지 저장소이다. 그러므로, 초기에, 시스템에서 손실이 없도록 하는 에너지가 입력되는 에너지와 비슷한 수준으로 와류환이 기능할 때까지 에너지가 점진적으로 더해진다.

실제 시스템에서는 약간의 손실이 명백히 존재하게 된다. 탱크가 원통형인 본 실시예의 간단한 예에서, 바닥과 벽 사이의 갑작스런 변화 때문에 약간의 손실이 발생한다고 간주된다. 평평한 기저부보다 구형 부분과 같은 곡선 모양의 기저 부를 가진 탱크를 제공함으로써 이러한 손실이 줄어들 수 있다고 여겨진다. 그럼에도 불구하고, 심지어 표준의 원통형 탱크에서도 효과적인 와류환이 고효율로 이루어질 수 있다. 사실, 원통형이 아닌, 심지어 불규칙한 모양의 탱크에서도 와류환 형태의 유체 흐름이 이루어질 수 있다.

단지 반대되는 와류환의 내부 흐름의 방향을 가지고도 와류환은 액체가 중심에서 올라오거나 내려가도록 할 수 있는 것이 시스템의 독특한 특성이다. 특별한 두 방향의 흐름이 서로 약간의 이점을 가진 몇몇 응용분야들이 있다고 여겨진다.

또한, 기저부와 액체 표면 사이에 임펠러를 적절하게 배치함으로써 성능이 향상되는 비교적 얕은 탱크에 특히 적용되는 응용분야들이 있다고 여겨진다.

제 2 실시예에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 도시 공급용 수돗물 망상 시스템(water reticulation system)에 사용되는 형태의 워터 타워(water tower)용 수질 개선 시스템(water remediation system)이 제공된다. 워터 타워는 성수기(peak demand) 동안 원하는 압력으로 수돗물의 적절한 공급을 제공하는 방법으로 수도 공사(water authorities)에서 널리 사용된다. 비수기(non-peak) 동안에는 수요를 만족시키는 수돗물의 부분 및 높은 워터 타워 안으로 끌어 올려지는 부분만큼 수돗물은 펌프 기지(pumping station)에 의해 끌어 올려진다. 성수기 동안 수요가 펌프 시스템의 용량을 초과할 경우에는 워터 타워로부터 별도의 공급이 이루어진다. 수돗물 저장소의 바닥이나 근처에 연결된 동일한 관을 통해 수돗물이 유입되거나 배출되도록 이러한 타워를 설계하는 것이 일반적이다. 그러나, 이는 문제를 야기한다. 여러 해에 걸쳐, 탱크에 더해지는 수돗물의 양은 증가했지만 탱크로부터 배출 되는 양은 총 용량의 일부에 지나지 않는다. 적어도 더운 기간에는 공급되는 수돗물의 온도 이상으로 탱크 내 수돗물의 온도가 올라가는 것이 보통이다. 이러한 기간에 탱크에 더해지는 수돗물은 탱크의 기저부에 유입되고 탱크에 있던 일반적인 수돗물보다 더 차갑기 때문에 탱크의 기저부에 머물게 된다. 수돗물이 탱크로부터 제거되면, 제일 먼저 제거되는 것은 탱크의 기저부에 존재하는 더 차가운 수돗물이다. 그 결과, 수돗물의 층리(stratification)가 발생하고, 탱크의 상위에 있는 수돗물은 순환하지 못하며 하부에 있는 수돗물의 경우에는 배출되거나 교체되지 못하게 된다. 이러한 오염(fouling)을 방지하기 위해서, 수도 공사는 화학물질을 추가하는 것이 필요하다고 인지하였지만, 이는 상당히 비싸고 수질을 예측하는데 바람직하지 못하다. 대안적으로, 펌프나 페달 교반기(paddle agitators)가 사용될 수 있지만, 본래의 와류환 대신에 휘몰아치는(turbulent) 흐름을 생성하기 때문에 훨씬 더 효율적이지 못하다.

제 2 실시예에 따라, 제 1 실시예에 대해 설명한 형태이며 적당한 모터로 구동되는 임펠러(42)는 워터 타워(41) 내의 중심에 위치하고, 상기 임펠러(42)의 회전 축과 모터는 수직방향으로 배열된다. 수위가 낮을 때 문제없이 동작하도록 상기 임펠러(42)는 액체 내의 비교적 낮은 높이에 위치할 수 있다. 레벨 스위치(43)는 상기 워터 타워(41)에서 수위가 너무 낮을 시 모터를 절연하는 모터 회로 내에 제공됨으로써, 상기 임펠러(42)가 액체로 덮이지 않을 때 모터가 동작하는 것을 방지한다. 상기 임펠러(42)의 동작의 결과로서, 매우 낮은 전력 소비 수준에서 워터 타워 내에 담겨진 액체의 순환을 보장하면서 와류환이 액체 내에서 이루어진다. 이러한 순환으로 인해, 물의 층리(stratification)가 방지되거나 분산된다. 와류환의 효율의 결과와 황금분할에 따라 실질적으로 설계된 임펠러에서, 20 내지 100 와트 전력의 모터는 대부분 워터 타워에 적합하다. 이러한 모터를 작동하는 비용은 오염(fouling)을 제어하기 위해 화학물질을 첨가하는 비용보다 상당히 저렴하다. 상기 전력 소비는 매우 작으므로 태양열 전력이 경제적 선택이 될 수 있다.

제 3 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 도시의 공원에서 볼 수 있는 연못용 물 개선 및/또는 유지 시스템(water remediation and/or maintenance system)을 제공한다. 이러한 연못은 물고기나 수중 식물의 사체와 불쾌한 곰팡이, 버섯, 보툴리누스(botulism), 및 모기의 서식을 일으키는 산소의 부족으로 인해 오염되고 있다. 잔잔한 연못에는 바닥에 존재하는 찬물과 상부에 존재하여 상기 문제들을 일으키는 따뜻한 물이 층을 이룬다. 공기나 다른 수단을 통해 오염을 줄이려는 시도들은 물을 완전히 순환시키는 것이 아니라 물이 괴어 있는 하층으로 압축된 공기를 확산시키기 때문에 단지 부분적으로만 효율적이다. 이러한 층리(stratification) 때문에 이러한 확산은 그리 성공적이지 못하다.

제 3 실시예에서, 연못(51)은 제 1 실시예에서 설명한 형태의 임펠러(53)에 의해 구동하는 작은 모터(52)를 구비한다. 상기 모터(52)는 축의 수직방향으로 대략 연못(51)의 중심에 위치하고, 상기 임펠러(53)는 연못물에 어느 정도 잠겨있다. 이렇게 하면, 약간의 시간이 지난 후에, 유체 흐름은 와류환의 패턴을 선택하게 된다. 그 결과, 상기 연못물은 연못(51)의 전체 물을 순환시키고 혼합한다. 상기 순환은 층리(stratification)를 제거하고 계속해서 모든 물을 혼합하여 공기가 주 입된 표면층을 이루어 전체 연못물에 공기를 제공한다. 상기 실시예에서 나타난 장점들은 비교적 작은 모터를 가지고도 구현될 수 있다. 실험에서, 대략 1 에이커(1,700,000 갤런)의 표면적을 가진 연못은 40 와트 모터의 작동에 의해 2주 내에 회복된다. 심지어 더 작은 전력으로도 연못을 건강한 상태로 유지할 수 있다고 여겨진다. 만일 주요 관(mains)을 통해 전력이 공급되면, 전력 비용은 연간 $50.00 달러 미만이며, 화학 처리보다 어느 정도 상당히 효과적이다. 이에 더하여, 와류환 내의 유체 흐름의 자연현상으로 인해 상기 순환은 전체 연못에 영향을 미치면서, 연못 주변의 흐름은 매우 느리고 실제 육안으로 거의 감지할 수 없다. 따라서, 상기 유체 순환은 연못 주변에서 부식의 문제를 일으키지 않는다.

다른 실험에서, 1/2 에이커, 16 피트 깊이, 백만 갤런의 물공급 저장소(water supply reservoir)는 24 와트 모터를 가지고 20 시간 내에 완전히 혼합될 수 있다.

제 3 실시예의 적용에 있어서, 상기 모터와 임펠러의 조합은 상기 모터를 구동하기 위해 전력을 제공하는 광전자 패널(photoelectric panel)을 지지하는 스탠드에 장착될 수 있다. 이러한 배치는 계속적인 흐름을 제공하는 배터리와 결합할 수 있다. 선택적으로, 모터를 구동하기 위한 충분한 햇빛이 있는 한, 많은 환경에서 간헐적인 임펠러의 작동으로 만족스러운 수준의 수질이 유지된다. 이러한 배치에 의해서, 큰 유체의 중심에 존재하는 설비에 주요 관(mains) 전력 공급을 제공할 필요가 없어진다.

제 3 실시예의 다른 적용에 있어서, 상기 모터, 임펠러 및 광전자 패널은 부 양(浮揚: floatation) 장치에 의해 지지되며, 전체 조합은 적합한 고정 장치(anchoring device)에 의해 연못 바닥에 계류한다. 이러한 배치는 상기 조합이 연못 바닥이나 수위가 매우 요동치는 연못 안에 지지할 수 없는 비교적 깊은 연못에 적합하다.

본 실시예들의 경우에 임펠러가 연못의 중심이나 탱크 또는 워터 타워의 수직 축에 위치할 때 최대의 성능을 얻을 수 있다고 예상되지만, 와류환의 깔대기(funnel) 부분이 각각의 중심 특징으로부터 상당히 멀어지게 배치될 때에도 시스템이 효과적으로 동작함을 알 수 있다.

상기 제 3 실시예의 다양한 형태의 경우에서, 많은 연못들은 불규칙한 평면의 모양을 가지고 있다는 것을 인식할 수 있다. 사실 몇몇 경우에서는, 연못이 비교적 좁은 수로(channel)에 의해 연결된 두 개 이상의 주요 연못(main pools)들을 포함할 수 있다. 이러한 환경에서는 하나 이상의 와동을 일으키는 위치에서 하나 이상의 임펠러를 작동시키는 것이 적절하다는 것을 인식할 수 있다. 이러한 상황에서 올바른 회전을 가진 와동의 생성에 의해 각각의 와동들이 서로 협력하도록 보장하는 것이 중요하다.

제 3 실시예의 또 다른 응용분야는 양식장(fish farm)과의 관계이다. 높은 수준의 순환과 공기를 제공하면서 와류환의 깔대기(funnel) 부분의 근처를 제외하고 대부분의 연못에 걸쳐 비교적 낮은 유속은 본 실시예가 양식장의 환경을 이상적이도록 만들어 준다. 흥미롭게도, 물고기들이 어떠한 눈에 띄는 고통 없이 심지어 와류환의 깔대기 부분을 통과하는 것이 관찰되었다.

상기 임펠러는 입구에서 출구까지 대수적으로 전개되므로 다음과 같은 고유한 장점을 제공한다. 물고기나 다른 미생물에 해를 끼치지 않고, 다른 종래의 장치에서 발생했던 잡초나 플라스틱으로부터의 오염이 생기지 않는다.

제 3 실시예에서 증명된 바와 같이 유체의 완전한 순환과 우수한 공기 공급은 또한 상기 과정이 하수 처리 시설(sewerage treatment facilities)에 가장 적합하도록 만들어 준다. 상술한 각 실시예들에서 임펠러가 더 높은 속도로 회전하면, 액체 이동의 중심에 와동 대피 튜브(vortex evacuation tube)를 생성한다. 상기 튜브가 임펠러 바로 아래의 공기를 끌어내어 효율적이고 균일하게 액체 전체에 공기를 분산시킨다. 이는 액체에 공기를 주입하는 매우 값싼 방법이며, 하수 처리 시설, 양식장 및 많은 산업 응용분야에 특히 적절하다.

상기 전술한 다양한 실시예들에서 임펠러의 선회 각(stagger angle)을 조절함으로써 와류환의 높이와 폭을 제어할 수 있다.

어떤 응용분야에서는 실질적으로 수평 축 주위를 회전하도록 임펠러를 배치함으로써 와류환을 생성하는 것이 바람직다는 것은 알 수 있다. 실제로, 와류환은 다른 각, 수직 및 수평의 중간으로 향한 임펠러의 축으로 제공될 수 있다. 상기 응용분야에서 최적의 각을 결정할 수 있다.

상술한 실시예들은 본 발명에 적용될 수 있는 몇 가지 가능한 응용분야에 불과하다. 와류환을 사용함으로써 상기 응용분야들은 자연적인 흐름 패턴으로부터 이끌어 낼 수 있는 장점을 얻을 수 있다. 본 발명의 범위는 상술한 실시예들의 특정 범위에 한정될 필요는 없다.

본 명세서를 통해서 특별히 언급되지 않는 한, "포함하다" 또는 "포함하는"과 같은 용어는 상술한 구성요소 또는 구성요소들의 그룹을 포함하는 것을 의미하며 부가적인 구성요소 또는 구성요소들의 그룹을 배제하지 않는다는 것을 이해해야 할 것이다.

황금 분할 또는 파이 기하학에 따라 설계된 임펠러(34)에 의해 유체(31) 내에서 와류환(36)을 일으키거나 유지함으로써 유체(31) 내에서 순환이 일어나도록 하는 유체 순환 시스템에 관한 것으로, 유체의 덩어리 내의 향상된 순환 시스템을 제공할 수 있다.

Claims

임펠러의 회전에 의해 유체의 일부에 와류환(ring vortex) 순환을 발생시키고 또한 유지시키는 임펠러; 및

상기 유체 내부에 위치하고 상기 임펠러에 결합된 모터;를 포함하고,

상기 임펠러는 나선형 형상의 한쌍의 날개를 가지고, 회전 중에 상기 와류환을 유도하며,

상기 임펠러 표면은 황금분할을 따르며, 상기 모터는 수직방향 축을 기준으로 상기 임펠러를 회전시키는 것을 특징으로 하는 유체 순환 시스템.
제1항에 있어서,

상기 유체는 원통형의 탱크에 수용되는 것을 특징으로 하는 유체 순환 시스템.
제2항에 있어서,

상기 원통형 탱크는 곡선 모양의 기저부를 갖는 것을 특징으로 하는 유체 순환 시스템.
제2항에 있어서,

상기 모터는 상기 원통형 탱크의 기저부에 장착되는 것을 특징으로 하는 유체 순환 시스템.
제1항에 있어서,

상기 유체는 원통형이 아닌 불규칙한 모양의 탱크에 수용되는 것을 특징으로 하는 유체 순환 시스템.
제1항에 있어서,

상기 유체는 워터 타워(water tower)에 수용되는 것을 특징으로 하는 유체 순환 시스템.
제1항에 있어서,

상기 모터는, 상기 유체의 양이 일정량 이하로 내려가면 상기 모터의 작동을 정지시키는 레벨스위치를 구비하고,

상기 유체의 일정량이란, 상기 임펠러가 유체 내부에 잠길 수 있는 유체의 양을 의미하는 것을 특징으로 하는 유체 순환 시스템.
제1항에 있어서,

상기 와류환 순환은 공기가 주입된 유체의 표면층과 유체의 하부층을 순환시키는 것을 특징으로 하는 유체 순환 시스템.
제8항에 있어서,

상기 공기가 주입된 유체의 표면층의 온도는 상기 유체의 하부층의 온도보다 높은 것을 것을 특징으로 하는 유체 순환 시스템.
제1항에 있어서,

상기 와류환은 다방향 흐름구조를 갖고, 상기 흐름구조는 상기 와류환의 최외곽에서 가장 속도가 느린 것을 특징으로 하는 유체 순환 시스템.
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