KR101183443B1 - 유속 및 농도 조절이 가능한 양광관과 집광기간의 연결관 장치 - Google Patents

유속 및 농도 조절이 가능한 양광관과 집광기간의 연결관 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유속 및 농도 조절이 가능한 양광관과 집광기간의 연결관 장치에 관한 것으로, 그 목적은 양광관과 집광기의 관경 불일치에 따른 유속의 상이함을 해결하여 집광기에 주는 악영향을 최소화한 양광관과 집광기간의 연결장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 구성은 서로 다른 직경을 가지는 하부 유입구와 상부 유출구가 형성된 연결관과; 상기 연결관의 일측면을 관통하여 해수를 유입시키는 해수 유입관과; 상기 연결관에 설치되어 유입되는 슬러리의 유입량을 개폐 조절하는 슬러리 유입량 조절밸브와; 상기 해수 유입관에 설치되어 해수의 유입량을 개폐 조절하는 해수 유입량 조절밸브와; 상기 상부 유출구로 배출되는 슬러리의 농도를 측정토록 설치된 센서 1과; 상기 상부 유출구로 배출되는 슬러리의 유속을 측정토록 설치된 센서 2와; 상기 하부 유입구로 유입되는 슬러리의 유속을 측정토록 설치된 센서 3과; 상기 센서 1, 센서 2 및 센서 3과 회로연결되어 측정된 유속 및 농도 정보에 따라 슬러리 유입량 조절밸브 및 해수 유입량 조절밸브의 개폐량을 조절하는 컨트롤패널;을 포함하여 구성된 유속 및 농도 조절이 가능한 양광관과 집광기간의 연결관 장치를 특징으로 한다.

Description

유속 및 농도 조절이 가능한 양광관과 집광기간의 연결관 장치{velocity and concentration adjustable coupling pipe apparatus equipped between lifting pipe and collector}
본 발명은 유속 및 농도 조절이 가능한 양광관과 집광기간의 연결관 장치에 관한 것으로, 자세하게는 심해저면으로부터 망간단괴를 해상으로 채광시 집광기를 통해 유입되는 망간단괴를 포함하는 슬러리가 관경의 차이로 양광관 또는 양광펌프에 피해를 주지 않도록 슬러리의 유속 및 농도를 일정하게 조절한 후 양광관으로 공급되도록 한 구조를 가진 연결관장치에 관한 것이다.
세계 광물자원의 수요 증가로 인하여 해양광물자원은 새로운 대안으로 각광을 받게 되었다. 이중 심해저의 망간 단괴(manganese nodule)는 편평한 모양이거나 구상(球狀)을 이루며, 흑갈색을 띠는 비결정질(非結晶質)로서 채집시는 연하고, 마르면 굳어서 부서지기 쉽다.
이와 같은 망간 단괴는 망간, 철, 규산 및 수분을 주로 하여, 미량성분량(微量成分量)에는 지역적으로 차이가 있고, 콜로이드 상태인 수산화물로부터의 침전설과 산화철의 촉매작용에 의한 침전설이 있으며, 심해 4000 ~ 5000 m 에 부존되어 있고, 그 성장속도는 1000년에 0.01～1㎜정도로 알려져 있다.
상기와 같은 심해저 망간 단괴를 채광하는 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 심해저면의 망간단괴를 수집하는 집광기와, 집광기와 연결되어 망간단괴를 해상까지 연속적으로 이송하도록 유연관으로 이루어진 양광관(lifting pipes)과, 양광관에 이송력을 제공하는 양광펌프 및 양광펌프와 연결된 상부 양광관과 연결되어 채집된 망간 단괴를 처리 또는 저장하는 해상의 선상처리장치로 구성된다.
하지만 상기 도 1에 도시된 종래의 심해저 망간 단괴를 채광하는 시스템은 종종 양광관과 집광기의 집광관 연결 구조를 보인 단면도를 도시한 도 2에서 보듯이 망간단괴를 채취하기 위한 양광관과 집광기의 관경이 다르면 즉, 양광관의 관경이 크고 집광기의 관경이 작고 이러한 양광관과 집광기간을 연결하는 관결합(Pipe Coupling)을 단순히 확대관으로 연결할 경우 관 크기에 따른 유속의 차이가 생겨 집광기에서의 유속이 빨라지게 된다. 이는 질량보존 법칙에 의하여 집광기를 통과하는 유량과 양광시스템(양광관과 양광펌프)을 통과하는 유량과 같아야 하는데 단면적이 다름으로 인해 결국 통과하는 유속의 차이를 가져오기 때문이다.
이는 다음 식에서 보듯이 관경을 지나는 질량유량으로 환산하게 될 체적유량이 관경에 상관없이 일정해야 하는데 이는 다음 식과 같이 표현된다.
Figure 112010013405064-pat00001
여기서,
Figure 112010013405064-pat00002
는 관경이 큰 파이프를 지날 때의 체적유량,
Figure 112010013405064-pat00003
는 관경이 작은 파이프를 지날 때의 체적유량이다.
여기서, 윗식은 다음과 같이 표현된다.
Figure 112010013405064-pat00004
여기서,
Figure 112010013405064-pat00005
와
Figure 112010013405064-pat00006
는 큰 관경의 단면적과 유속이고,
Figure 112010013405064-pat00007
과
Figure 112010013405064-pat00008
은 작은 관경의 단면적과 유속이다.
윗 식은 또 다시 다음과 같이 표현된다.
Figure 112010013405064-pat00009
여기서,
Figure 112010013405064-pat00010
와
Figure 112010013405064-pat00011
은 각각 큰 관과 작은 관은 관경이다.
윗 식에서 보았을 때 체적유량이 일정하다고 할 때 관경이 클수록 유속이 작아지고, 관경이 작을수록 유속이 커지므로
Figure 112010013405064-pat00012
이다.
이에 따르는 문제는 집광기의 유속이 빨라져서 집광기의 안정적인 동작에 나쁜 영향을 준다는 것이다. 관내에서의 규정된 이상의 속도는 관벽 또는 집광기의 원활한 작동을 방해한다.
특히 입자의 속도에 의하여 집광기의 관벽의 손상, 진동 등의 악영향을 가져오며, 또한 빠른 유속으로 인하여 양광되는 망간단괴의 속도가 빨라져서 망간단괴의 손상을 가져온다.
따라서 집광기를 통해서 유입되는 망간단괴를 포함한 슬러리의 유속이 일정해야 하며 적정 유속 이하로 유지되어야 한다.
또한 양광펌프의 안정적인 작동을 위해서는 일정량의 유량이 유입되어야 하는데 집광기와 양광시스템을 구성하는 양광관의 관경이 서로 상이하여 양광시스템(양광관 + 양광펌프)으로 적정한 양의 망간 단괴와 해수 그리고 뻘의 혼합물인 슬러리의 유입이 필요한 만큼 되지 않게 된다. 그렇게 되면 양광펌프와 집광기를 연결하는 유연관인 양관관에 부압(-)이 걸리게 되는데 이는 도 3에 도시된 바와 같이 유연관인 양광관의 변형을 초래하며 이로 인해 양광관의 폐색과 유량의 감소로 이어지고 이는 또 다시 더욱 큰 부압(-)이 걸리게 되는 현상을 야기시킨다. 이를 방지하기 위해서는 사용된 양광관의 탄성계수를 높여 부압(-)에 저항할 수 있게 해야 하는데 이는 결국 유연관인 양광관의 탄성을 떨어뜨려 양광시 전체 시스템의 원활한 작동을 방해하는 결과를 가져온다.
따라서 이러한 문제에 대한 해결책은 양광시스템으로 적절한 유량이 유입되도록 하는 일이다. 이는 기존의 도 2에 도시된 바와 같은 단순 확대관으로는 불가능한 일이다.
또한 양광시스템으로 유입되는 슬러리 농도조절 필요성이다. 이는 망간단괴의 체적이 클수록 양광펌프 모터의 하중에 영향을 주어 모터의 과부하를 초래할 가능성이 있다. 이를 방지하기 위하여 집광장치에서 유입되는 슬러리의 농도를 적절히 조절할 필요성이 대두된다.
양광펌프는 뻘과 함께 일정량의 망간단괴가 함유된 슬러리를 이송하기 위해서 설계되었다. 슬러리의 농도가 높으면 양광펌프는 이송해야 할 질량이 많기 때문에 모터에 걸리는 하중도 커지게 된다. 따라서 양광펌프로 유입되는 슬러리, 즉, 해수와 망간단괴 그리고 해저면의 뻘로 이루어진 슬러리의 농도를 일정하게 유지해야 한다. 이를 위해서 다음과 같은 식을 유도하였다.
슬러리의 농도
Figure 112010013405064-pat00013
은 다음과 같다.
Figure 112010013405064-pat00014
여기서
Figure 112010013405064-pat00015
은 슬러리의 농도이고,
Figure 112010013405064-pat00016
은 토출(또는 유입)되는 망간단괴등의 체적 유량이고,
Figure 112010013405064-pat00017
은 토출(또는 유입)되는 해수의 체적유량이다.
따라서
Figure 112010013405064-pat00018
이 커질 경우
Figure 112010013405064-pat00019
을 일정하게 유지하기 위해서는
Figure 112010013405064-pat00020
을 증가시켜야 한다. 따라서 양광펌프로의 해수의 유입을 증가시켜야만 한다. 이 결과 양광펌프로 유입되는 슬러리의 농도를 일정하게 유지하므로써 양광펌프의 모터에 주는 갑작스런 하중을 일정하게 유지할 수가 있게 된다.
또한, 해수 유입량이 늘어날 필요성이 발생한다. 이는 망간단괴의 과다 유입으로 인하여 일시적인 막힘 현상 등이 일어나는데 이를 해결하기 위하여 망간단괴보다 해수의 유입을 증가시킬 필요성이 발생하며 따라서 해수의 유량만 증가시킬 수 있는 시스템의 필요성이 발생한다.
즉, 양광펌프 및 양광관으로 이루어진 양광시스템은 일정이상의 망간단괴가 유입될 때 양광 펌프의 임펠러(Impeller) 또는 토출 케이싱(Discharge Casing) 등에서 막힐 수도 있다. 이를 방지하기 위해서 망간 단괴의 농도가 일정하게 유지되어야 하는데 도 2와 같이 단순 확대관 또는 외부의 해수 유입이 고려되지 않은 양광시스템에서는 이를 회피할 수 있는 방법이 없다. 따라서 일정 이상의 망간단괴가 집광기로부터 유입될 경우에는 일정정도의 해수를 더 유입시켜 양광시스템으로 유입되는 망간단괴의 양이 농도를 조절해야 한다.
또한 일정시간 양광시스템과 집광기를 가동한 후 가동을 중지하게 되면 양광펌프의 경우에는 임펠러(Impeller)와 임펠러를 감싸는 임펠러 케이싱(Impeller Casing) 등에 망간단괴 또는 뻘의 잔존물이 임펠러(Impeller)와 케이싱(Casing) 사이 등에 끼이게 된다. 이에 따르는 문제는 기동시에 임펠러(Impeller)가 구속되어 회전하지 못하게 되며 이는 모터가 타는 심각한 문제를 초래하게 된다. 이를 해결하기 위하여 가동직후 슬러리를 포함하지 않고 해수만 유입시켜서 잔존 슬러리를 제거하여 다음 가동을 위해 양광시스템 내부에서 슬러리를 제거할 필요가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 양광관과 집광기의 관경 불일치에 따른 유속의 상이함을 해결하여 집광기에 주는 악영향을 최소화한 양광관과 집광기간의 연결장치를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 망간단괴의 체적농도 불균일에 따른 농도가 높아짐에 따라 양광펌프의 모터에 가하지는 하중을 줄여 모터에 걸리는 부하의 감소 또는 농도의 균일성 확보를 위한 양광관과 집광기간의 연결장치를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 과다한 망간단괴의 유입으로 인한 양광시스템의 일시적 막힘 현상을 해소하기 위한 양광관과 집광기간의 연결장치를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 양광시스템 가동 후 양광시스템 내에 남아있는 잔존 슬러리를 제거하기 위한 양광관과 집광기간의 연결장치를 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 심해저면의 망간단괴를 채광하도록 집광기, 양광관, 양광펌프, 선상처리장치를 포함하는 채광장치 중 집광기와 양광관간을 연결하는 연결관 장치에 있어서,
서로 다른 직경을 가지는 하부 유입구와 상부 유출구가 형성된 연결관과;
상기 연결관의 일측면을 관통하여 해수를 유입시키는 해수 유입관과;
상기 연결관에 설치되어 유입되는 슬러리의 유입량을 개폐 조절하는 슬러리 유입량 조절밸브와;
상기 해수 유입관에 설치되어 해수의 유입량을 개폐 조절하는 해수 유입량 조절밸브와;
상기 상부 유출구로 배출되는 슬러리의 농도를 측정토록 설치된 센서 1과;
상기 상부 유출구로 배출되는 슬러리의 유속을 측정토록 설치된 센서 2와;
상기 하부 유입구로 유입되는 슬러리의 유속을 측정토록 설치된 센서 3과;
상기 센서 1, 센서 2 및 센서 3과 회로연결되어 측정된 유속 및 농도 정보에 따라 슬러리 유입량 조절밸브 및 해수 유입량 조절밸브의 개폐량을 조절하는 컨트롤패널;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유속 및 농도 조절이 가능한 양광관과 집광기간의 연결관 장치를 제공함으로써 달성된다.
또한 본 발명은 상기 집광기와 연결되는 하부 유입구의 직경은 상기 양광관과 연결되는 상부 유출구의 직경보다 작게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 컨트롤패널이, 센서 2 및 센서 3으로부터 유속을 측정하여 센서 3에서 측정한 유속이 컨트롤패널에 저장된 설정값보다 크면 해수 유입량 조절밸브를 단계적으로 열어 센서 2에서 측정된 값과 센서 3에서 측정된 유속이 일정하게 유지되도록 조절하는 단계와;
이후 센서 1로부터 농도를 측정한 값이 설정된 값보다 큰지 여부를 판단하여 설정값보다 크면 해수 유입량 조절밸브를 단계적으로 열어 농도를 낮추도록 하는 단계와;
이후 선상으로부터 양광시스템의 동작을 정지시키는 양광시스템의 작동 정지 신호가 없으면 최초 센서 1 내지 3으로부터 농도 및 유속 정보를 받아 판단하는 초기 단계로 가고, 정지 신호가 있으면 유연관과 양광펌프 그리고 양광관에 남아있는 망간단괴, 뻘을 해수로 씻어내 제거하기 위해 해수 유입량 조절밸브(4)를 최대로 열고, 이후 슬러리 유입량 조절밸브(3)를 닫는 단계;를 수행하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 연결관에 설치된 슬러리 유입량 조절밸브 및 해수유입관에 설치된 해수 유입량 조절밸브는 내경에 설치되어 회전하는 원판형 밸브부재와, 이 원판형 밸브부재를 회전시키는 모터가 외부에서 축 결합되어, 컨트롤패널의 제어에 따라 모터가 작동하여 원판형 밸브부재를 회전토록 구성한 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 본 발명은 심해저면의 망간단괴를 수집하는 집광기와, 집광기와 연결되어 망간단괴를 해상까지 연속적으로 이송하도록 유연관으로 이루어진 양광관(lifting pipes)과, 양광관에 이송력을 제공하는 양광펌프 및 양광펌프와 연결된 상부 양광관과 연결되어 채집된 망간 단괴를 해상의 선상처리장치로 구성된 심해저 망간 단괴를 채광하는 시스템에 있어서 본 발명의 구조에 따른 양광관과 집광기간의 연결장치를 구비함으로써 양광관과 집광기의 관경 불일치에 따른 유속의 상이함을 해결하여 집광기에 주는 악영향을 최소화하였다는 장점과,
망간단괴의 체적농도 불균일에 따른 농도가 높아짐에 따라 양광펌프의 모터에 가하지는 하중을 줄여 모터에 걸리는 부하의 감소 또는 농도의 균일성을 확보하였다는 장점과,
과다한 망간단괴의 유입으로 인한 양광시스템의 일시적 막힘 현상을 해소하였다는 장점과,
양광시스템 가동 후 양광시스템 내에 남아있는 잔존 슬러리를 제거할 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.
도 1은 종래 망간단괴 채광시스템의 개요도이고,
도 2는 종래 양광관과 집광기의 연결 구조를 보인 단면도이고,
도 3은 종래 유연관으로 이루어진 양광관의 변형을 보인 예시도이고,
도 4는 본 발명에 따른 연결관 장치의 구조도이고,
도 5는 본 발명의 연결관 장치의 제어 순서도이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 연결관 장치의 구조도이고, 도 5는 본 발명의 연결관 장치의 제어 순서도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 연결관 장치는 망간단괴를 채취하는 집광기 및 집광기로부터 채집된 망간단괴를 이송하는 양광관과 각각 연결되는 일정 직경(Di1)을 가진 하부 유입구(11)와 일정 직경(D0)을 가지는 상부 유출구(12)로 이루어진 연결관(1)으로 구성된다. 이때 하부 유입구(11)의 직경(Di1)과 상부 유출구(12)의 직경(D0)은 서로 다른 직경을 가진다. 특히 하부의 직경이 상부보다 작아 이러한 직경차이를 연결하기 위해 상부 일정 구간만큼 직경이 커지는 확산관 구조를 가진다. 본원 발명은 이러한 확산관 구조를 가짐에도 다른 본 발명의 구성요소로 인해 종래 확산관 형태의 연결관이 가지던 문제점을 해결하게 된다.
상기 연결관(1)은 집광기와 연결되는 하부 유입구(11)와 양광관과 연결되는 상부 유출구(12)는 이들간의 연결은 구체적인 체결수단이 미도시되었으나, 실링재등을 포함하여 볼트 너트등의 체결수단 또는 기타 공지의 관 연결 체결수단을 사용하여 체결하면 된다.
본 발명은 상기 연결관(1)의 일측면을 관통하여 형성된 일정 크기의 직경(Di2)을 가져 연결관으로 해수를 유입시킬 수 있는 해수 유입관(2)이 형성되어 있다.
또한 본 발명은 상부보다 작은 직경을 가지는 하부 유입구(11)에서 시작하여 직경이 커지는 확산구간이 끝난 연결관(1)의 어느 일 지점에 설치되어 연결관으로부터 유입되는 망간 단괴와 해수 그리고 뻘의 혼합물인 슬러리의 유입량을 개폐 조절할 수 있는 슬러리 유입량 조절밸브(3)가 설치된다.
또한 본 발명은 상기 해수 유입관(2)으로 유입되는 해수의 유입량을 개폐 조절하도록 해수 유입관의 일지점에 해수 유입량 조절밸브(4)가 설치된다.
상기 슬러리 유입량 조절밸브(3) 및 해수 유입량 조절밸브(4)는 각각 해당 연결관(1) 및 해수 유입관(2)의 내경을 개폐할 수 있는 밸브를 구성한다.
또한 슬러리 유입량 조절밸브(3) 및 해수 유입량 조절밸브(4)는 바람직하게는 축(31, 41)을 중심으로 회전하는 원판형 밸브부재(32, 42)를 구비하여 회전 개폐할 수 있는 버터플라이 밸브로 구성하는 것이 좋다. 또한 상기 각 밸브의 개폐 구동원은 레버방식의 일반적인 버터플라이밸브와 달리 심해저에서 정밀 회전 제어가 되도록 서보모터 또는 유압모터 등의 모터 1(33) 및 모터 2(43)가 각각 슬러리 유입량 조절밸브(3) 및 해수 유입량 조절밸브(4)에 설치되어 축회전에 의해 버터플라이밸브가 회전하도록 구성한다. 이때 모터는 수밀구조를 가지도록 구성한다.
또한 연결관(1)에는 다수개의 농도센서 및 유속센서가 장치되어 유속 및 농도를 측정하게 구성한다. 우선 상부 유출구(12)로 슬러리가 배출되기전 어느 일 지점에는 해수와 혼합된 슬러리의 농도를 측정하는 센서 1(5)과 해수와 혼합된 슬러리의 유속을 측정하는 센서 2(6)가 구성된다. 즉, 센서 1과 센서 2는 연결관의 하부쪽에 위치한 슬러리 유입량 조절밸브(3)를 지난 연결관의 상부에 형성된다.
상기 농도센서 및 유속센서는 상용의 센서 중 어느 것을 사용해도 된다.
또한 하부 유입구(11)로 슬러리가 유입된 후 어느 일지점에는 유입되는 슬러리의 유속을 측정하는 센서 3(7)이 설치된다. 바람직하게는 이 센서 3(7)은 슬러리 유입량 조절밸브(3)와 하부 유입구(11) 사이에 설치된다.
또한 본 발명은 상기 센서 1(5), 센서 2(6) 및 센서 3(7)과 회로연결되어 측정 정보에 따라 슬러리 유입량 조절밸브(3) 및 해수 유입량 조절밸브(4)의 개폐량을 조절하는 컨트롤패널(8)이 설치된다. 이 컨트롤패널(8)은 수중에 설치할 수도 있지만, 보통은 해상의 선상처리장치 또는 채광선에 설치된다.
컨트롤패널(8)은 센서 1 내지 센서 3으로부터 슬러리의 농도 및 유속을 측정한 후 계산 또는 기 설정값과의 비교 또는 직접 제어에 의해 슬러리 유입량 조절밸브(3) 및 해수 유입량 조절밸브(4)의 모터 1(33) 및 모터 2(43)를 제어하여 슬러리의 유입량과 해수의 유입량을 정밀 제어하게 된다.
컨트롤패널(8)과 모터 1(33) 및 모터 2(43)간의 연결은 유선 연결이 바람직하지만 무선연결로 구현하여 모터를 원격 구동시킬 수도 있다. 모터를 원격구동하는 기타 구성은 일반적인 구성이므로 구체적인 설명은 생략한다.
또한 미도시되었으나 모터 1(33) 및 모터 2(43)는 선상처리장치 또는 채광선으로부터 전원을 공급받도록 전원선이 연결됨은 당연하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 연결관 장치는 집광기와 연결된 직경이 Di1인 하부 유입구(11) 부분으로부터 뻘을 모액으로 하고 망간단괴와 해수의 혼합액이 유입된다.
이렇게 유입된 슬러리는 직경이 Di2인 해수 유입관(2)으로부터 유입된 해수와 슬러리가 혼합되어 슬러리의 농도를 떨어뜨려 양광시스템(양광관 + 양광펌프)으로 유입된다.
또한,
Figure 112010013405064-pat00021
이기 때문에
Figure 112010013405064-pat00022
이 된다.
예를 들어
Figure 112010013405064-pat00023
이고,
Figure 112010013405064-pat00024
일 경우,
Figure 112010013405064-pat00025
이면
Figure 112010013405064-pat00026
가 된다. 이는 집광기에 무리를 주게 되어 집광기의 파손 또는 오작동 등의 부작용을 일으키게 된다.
따라서 직경이 200mm인 해수 유입구로부터 일정량의 해수를 유입시켜서 양광시스템으로 유입되는 유속 4.5m/s와 같게 집광기로부터 유입되는 슬러리의 유속을 4.5m/s로 유지시키고자 한다면 해수의 유입구 Di2로부터 일정량의 해수가 유입되어야 하는데 그에 필요한 유속의 계산은 다음과 같다.
양광시스템으로 유입되는 체적유량은 집광기로부터 유입되는 체적유량과 해수의 유입구로부터 들어오는 해수의 체적유량의 합과 같아야 하므로 이는 다음식과 같이 표현된다.
Figure 112010013405064-pat00027
Figure 112010013405064-pat00028
그런데,
Figure 112010013405064-pat00029
이고,
Figure 112010013405064-pat00030
이다.
Figure 112010013405064-pat00031
이고
Figure 112010013405064-pat00032
이므로 이들을 윗식에 대입하면 다음과 같다.
Figure 112010013405064-pat00033
Figure 112010013405064-pat00034
Figure 112010013405064-pat00035
위의 계산식과 결과에서 보듯이 집광기로부터 유입되는 유속을 위와 같이 해수를 유입시켜서 양광시스템으로 유입되는 유속과 같게 맞추어 주었다.
상기 과정을 제어하는 순서를 순서도로 나타내면 도 5와 같다.
도 5를 보면 컨트롤패널이 해수와 혼합된 슬러리의 유속을 측정하는 센서 2(6) 및 유입되는 슬러리의 유속을 측정하는 센서 3(7)으로부터 유속을 측정하여 센서 3에서 측정한 유속이 컨트롤패널에 저장된 설정값보다 크면 해수 유입량 조절밸브(4)를 단계적으로 열어 센서 2에서 측정된 값과 센서 3에서 측정된 유속이 일정하게 유지되도록 조절하는 단계가 도시되어 있다.
또한, 양광시스템으로 유입되는 슬러리의 농도를 일정하게 유지시켜 주기 위한 과정에 대한 수식은 슬러리의 농도
Figure 112010013405064-pat00036
를 구하는 앞의 식과 같다.
Figure 112010013405064-pat00037
여기서
Figure 112010013405064-pat00038
는 양광시스템으로 유입되는 망간단괴를 포함한 고체의 체적유량이고
Figure 112010013405064-pat00039
은 해수의 체적 유량이다. 그런데
Figure 112010013405064-pat00040
은 집광기로만 유입되고,
Figure 112010013405064-pat00041
는 집광기 뿐만 아니라 해수 유입구로부터 유입될 수가 있다.
따라서
Figure 112010013405064-pat00042
가 일정 농도보다 클 경우 이는 양광시스템에 유입되는 고체 물질이 많거나 또는 망간 단괴를 비롯한 이러한 고체 물질이 해수에 비해 많이 유입된다는 의미이므로 이는 양광펌프의 모터에 필요 이상의 하중을 가하는 결과가 된다.
이는 모터의 안정적인 작동에 방해된다. 왜냐하면 모터의 과부하는 정격이상의 과전류를 유발하고 이는 모터의 소손을 일으킬 수 있기 때문이다.
따라서 윗 식에서 보듯이
Figure 112010013405064-pat00043
를 떨어뜨리기 위해서는
Figure 112010013405064-pat00044
를 직접적으로 조절할 수 없으므로
Figure 112010013405064-pat00045
를 조절해야 한다.
즉,
Figure 112010013405064-pat00046
를 증가시켜야 한다. 이를 위해서 해수가 유입되는 해수유입량조절밸브(4)를 열어 해수의 양을 증가시키면
Figure 112010013405064-pat00047
가 증가하게 되므로, 즉, 윗 식에서 분모가 커지므로
Figure 112010013405064-pat00048
가 작아지게 된다.
또한, 해수가 유입되는 해수유입량밸브(4)를 열면 집광기로부터 슬러리를 빨아들이는 부압(-)이 작아지게 되므로
Figure 112010013405064-pat00049
가 떨어지게 된다. 이는 결과적으로
Figure 112010013405064-pat00050
가 떨어지는 결과를 가져온다.
위의 과정을 도 5와 같이 순서도로 나타낼 수가 있다.
도 5를 보면 컨트롤패널이 센서 2, 3으로부터 유속을 측정하여 센서 3에서 측정한 유속이 컨트롤패널에 저장된 설정값보다 크면 해수 유입량 조절밸브(4)를 단계적으로 열어 센서 2에서 측정된 값과 센서 3에서 측정된 유속이 일정하게 유지되도록 한 후, 다시 센서 1로부터 농도를 측정한 값이 설정된 값보다 큰지 여부를 판단하여 설정값보다 크면 해수 유입량 조절밸브(4)를 단계적으로 열어 농도를 낮추도록 하는 단계를 가진다.
이후 선상으로부터 양광시스템의 동작을 정지시키는 '양광시스템의 작동 정지 신호'가 없으면 최초 센서 1 내지 3로부터 농도 및 유속 정보를 받아 판단하는 초기 단계로 가고, 정지 신호가 있으면 유연관과 양광펌프 그리고 양광관에 남아있는 망간단괴, 뻘등을 제거하기 위하여 해수로 씻어낼 필요가 있다. 이를 위하여 해수 유입량 조절밸브(4)를 최대로 열고, 이후 슬러리 유입량 조절밸브(3)를 닫는 단계를 가진다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 연결관 (2) : 해수 유입관
(3) : 슬러리 유입량 조절밸브 (4) : 해수 유입량 조절밸브
(5) : 센서 1 (6) : 센서 2
(7) : 센서 3 (8) : 컨트롤패널
(11) : 하부 유입구 (12) : 상부 유출구
(31, 41) : 축 (32, 42) : 원판형 밸브부재
(33) : 모터 1 (43) : 모터 2

Claims (4)

  1. 심해저면의 망간단괴를 채광하도록 집광기, 양광관, 양광펌프, 선상처리장치를 포함하는 채광장치 중 집광기와 양광관간을 연결하는 연결관 장치에 있어서,
    서로 다른 직경을 가지는 하부 유입구와 상부 유출구가 형성된 연결관과;
    상기 연결관의 일측면을 관통하여 해수를 유입시키는 해수 유입관과;
    상기 연결관에 설치되어 유입되는 슬러리의 유입량을 개폐 조절하는 슬러리 유입량 조절밸브와;
    상기 해수 유입관에 설치되어 해수의 유입량을 개폐 조절하는 해수 유입량 조절밸브와;
    상기 상부 유출구로 배출되는 슬러리의 농도를 측정토록 설치된 센서 1과;
    상기 상부 유출구로 배출되는 슬러리의 유속을 측정토록 설치된 센서 2와;
    상기 하부 유입구로 유입되는 슬러리의 유속을 측정토록 설치된 센서 3과;
    상기 센서 1, 센서 2 및 센서 3과 회로연결되어 측정된 유속 및 농도 정보에 따라 슬러리 유입량 조절밸브 및 해수 유입량 조절밸브의 개폐량을 조절하는 컨트롤패널;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유속 및 농도 조절이 가능한 양광관과 집광기간의 연결관 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 집광기와 연결되는 하부 유입구의 직경은 상기 양광관과 연결되는 상부 유출구의 직경보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 유속 및 농도 조절이 가능한 양광관과 집광기간의 연결관 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤패널은,
    센서 2 및 센서 3으로부터 유속을 측정하여 센서 3에서 측정한 유속이 컨트롤패널에 저장된 설정값보다 크면 해수 유입량 조절밸브를 단계적으로 열어 센서 2에서 측정된 값과 센서 3에서 측정된 유속이 일정하게 유지되도록 조절하는 단계와;
    이후 센서 1로부터 농도를 측정한 값이 설정된 값보다 큰지 여부를 판단하여 설정값보다 크면 해수 유입량 조절밸브를 단계적으로 열어 농도를 낮추도록 하는 단계와;
    이후 선상으로부터 양광시스템의 동작을 정지시키는 양광시스템의 작동 정지 신호가 없으면 최초 센서 1 내지 3으로부터 농도 및 유속 정보를 받아 판단하는 초기 단계로 가고, 정지 신호가 있으면 유연관과 양광펌프 그리고 양광관에 남아있는 망간단괴, 뻘을 해수로 씻어내 제거하기 위해 해수 유입량 조절밸브(4)를 최대로 열고, 이후 슬러리 유입량 조절밸브(3)를 닫는 단계;를 수행하도록 구성된 것을 특징으로 하는 유속 및 농도 조절이 가능한 양광관과 집광기간의 연결관 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결관에 설치된 슬러리 유입량 조절밸브 및 해수유입관에 설치된 해수 유입량 조절밸브는 내경에 설치되어 회전하는 원판형 밸브부재와, 이 원판형 밸브부재를 회전시키는 모터가 외부에서 축 결합되어, 컨트롤패널의 제어에 따라 모터가 작동하여 원판형 밸브부재를 회전토록 구성한 것을 특징으로 하는 유속 및 농도 조절이 가능한 양광관과 집광기간의 연결관 장치.












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