KR101320467B1

KR101320467B1 - 고정형 카오스 유동 유도체를 구비하는 여과장치

Info

Publication number: KR101320467B1
Application number: KR1020110109868A
Authority: KR
Inventors: 박기택; 김상욱
Original assignee: 주식회사 부강테크
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2013-10-22
Also published as: US20130105381A1; CN103889541A; EP2586520A1; KR20130045580A; WO2013062199A1

Abstract

본 발명의 목적은 고정된 형태의 구조를 이용하여 효과적으로 와류를 발생시킴으로써 고농도 환경에서도 분리막의 충분한 세정이 이루어질 수 있도록 해 줌과 동시에 에너지를 절약해 주는, 고정형 카오스 유동 유도체를 구비하는 여과 장치를 제공함에 있다. 본 발명의 여과 장치는, 원수가 유입되어 유통되는 적어도 하나 이상의 유통부(110); 상기 유통부(110)의 벽면에 지지되도록 구비되어, 상기 유통부(110)로 유입된 원수를 통과시켜 여과하는 분리막(120); 상기 유통부(110)를 그 내부에 수용하며, 원수가 상기 분리막(120)에 의해 여과되어 만들어진 여과수가 유통되어 배출되는 수용부(130); 를 포함하여 이루어지는 여과 장치(100)에 있어서, 상기 유통부(110) 내부에 고정 배치되어 카오스 유동(chaos flow)을 발생시키는 카오스 유동 유도부(140); 를 포함하여 이루어지며, 상기 카오스 유동 발생부(140)는 서로 분리 가능한 다수 개의 카오스 유동 유도 단위체(145)가 주 흐름 방향을 따라 직렬 배치되어 적어도 1열을 이루며 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

고정형 카오스 유동 유도체를 구비하는 여과장치 {Filtering Apparatus having Fixed-Type Chaos-Flow Inducer}

본 발명은 고정형 카오스 유동 유도체를 구비하는 여과 장치에 관한 것이다.

식수의 제조 분야로부터 오폐수의 처리 분야까지 광범위한 영역에서 여과 기술이 사용되고 있는데, 특히 1993년 미국, 1996년 일본에서 연이어 발생한 크립토 기생충에 의한 먹는 물 감염 사고 발생은 상수 처리 분야에 있어서 분리막 공정 도입의 큰 계기가 되어, 현재 분리막을 이용한 여과 기술의 적용이 확대되고 있다.

분리막이란 수 μm 이하의 미세한 기공이 형성되어 있는 막으로서, 기공의 크기 순으로 정밀여과막 〉한외여과막 〉나노여과막 〉역삼투여과막 등으로 구분할 수 있다. 분리막은 체분리(Sieve) 효과, 즉 분리막 표면의 기공보다 작은 물질은 통과시키고 이보다 큰 물질은 통과시키지 않는 효과를 이용하여 오염물질을 제거하게 되는데, 수중에 포함된 유해한 유ㆍ무기 오염물질, 크립토 기생충, 박테리아 등을 거의 완벽하게 제거할 수 있어 안전한 물의 생산이 가능하고, 또한 종래 수처리 공정에 비하여 화학약품 사용량이 적기 때문에 친환경적인 처리공정이라 할 수 있다. 현재 일반적으로 정밀여과막 및 한외여과막은 상수처리에 의한 먹는 물의 제조나 생활하수 및 공장폐수의 처리에 사용되며, 나노여과막 및 역삼투여과막은 오염물질이 거의 포함되어 있지 않은 순수한 물을 필요로 하는 분야에 적용되고 있다.

분리막을 사용하는 이유는 무엇보다도 일정한 처리 수질 확보가 용이하다는 점이다. 특히 국내의 경우 봄, 가을의 조류 발생, 여름의 고탁도, 겨울의 수온 저하 등 4계절의 원수 수질의 편차가 매우 크기 때문에 기존의 모래 여과 방식으로는 일정한 처리수질 확보가 거의 불가능하다. 기타 UV, 오존 등 고도 처리 공정의 경우도 나름대로의 문제점을 가지고 있으며, 특히 수질의 경우 최근 들어 지아디아, 크립토스로리디움 등 원생 동물의 문제가 이슈화되고 있는데 이 경우도 기존 방식으로는 안정성 확보가 어렵다. 그러나 분리막을 사용할 경우 이러한 문제가 거의 해소되어 원수 수질의 편차나 원생 동물의 존재 여부에 크게 영향받지 않고 일정한 처리 수질을 확보할 수 있다. 더불어, 분리막을 사용하여 수처리를 함에 있어서 관리의 용이성 또한 높다는 장점이 있다. 막여과공정은 전공정의 자동화가 가능한 바, 상수의 생산 및 자체 세정 공정까지 모든 공정이 상당 부분 자동 운전되기 때문에 전문 관리 인력의 확보가 불충분한 상황에서도 적용이 가능한 것이다.

다만 분리막을 이용한 여과 공정에 있어서, 여과가 진행됨에 따라 분리막에 오염 물질이 쌓이게 되면서 여과 효율이 떨어지게 되는 문제가 있어, 분리막을 적절한 시점에서 효과적으로 세척해 주어야 한다는 제한이 있다. 이에 따라 분리막의 효과적인 세척을 위한 다양한 연구 및 노력이 이루어져 왔다.

막의 오염을 방지하는 기술에는 유속에 의한 막의 막힘 방지 기술(이하 유속 이용 기술이라 함), 진동 및 난류에 의한 막의 막힘을 방지하는 기술(이하 진동 이용 기술이라 함), 와류를 통한 막의 막힘 방지 기술(이하 와류 이용 기술이라 함) 등이 있다. 유속 이용 기술 또는 진동 이용 기술의 기술의 경우, 통상의 기술이 막의 오염을 방지하기 위하여 막내의 유체 선속도를 빨리 유지하거나 압축 공기를 이용하여 막의 오염을 방지하도록 되어 있다. 이러한 기술들은 저농도 환경에서는 어느 정도의 효과를 얻을 수 있으나, 고농도 환경에서는 적절한 세척 효율을 얻을 수 없다는 문제점이 있었다. 이에 따라 분리막이 제대로 세척되지 못함으로 인하여 분리막의 막히게 되고, 이에 따라 막을 교체하거나, 세척 약품을 사용하여 세척해야 하는 등의 작업을 수행하여야만 했고, 이에 따라 비정상적인 운전 상황이 발생하게 되는 문제가 있었다.

와류 이용 기술에서는, 분리막 주변을 흐르는 유체 상에 와류가 발생되도록 함으로써 효과적으로 분리막을 오염시키는 오염물이 분리막으로부터 떨어져 나올 수 있도록 하는 기술이다. 와류를 이용한 막힘 방지 기술은 앞서의 기술들이 제공하는 막 표면의 오염방지 능력보다 높은 표면 흐름을 제공하기 때문에, 고농도에서도 막의 오염을 방지하고 안정된 처리 능력을 유지한다는 장점이 있다.

와류를 이용한 막힘 방지 기술을 적용한 여러 장치들이 개시되어 있다. 도 1은 종래의 와류를 이용한 막힘 방지 기술을 적용하여 현재 양산되고 있는 종래의 장치들을 도시한 것이다. 그런데, 이러한 종래의 장치들에 있어서도 해결해야 할 여러 문제점들이 지적되고 있다. 도 1(A)에 도시된 장치는 독일의 DTRO사에서 개발된 장치로, 돌출 내부 구조물을 이용하여 난류 형성을 촉진하여 막의 오염을 방지하도록 되어 있으며, 고압 구조로 해수 담수화에 주로 사용된다. 그러나 도 1(A)의 장치는 난류 형성 능력 부족으로 고농도 환경에서의 사용이 부적합하다는 문제가 있다. 도 1(B)의 장치는 미국 VSEP사에서 개발된 장치로, 기계적 진동을 이용 전단파를 직접 일으켜 진동을 이용한 막의 오염을 방지하도록 되어 있다. 도 1(B)의 장치는 오염 방지 능력은 뛰어나나, 진동을 이용하기 때문에 구조물 자체에서 피로충격이 발생하게 되어 내구성 저하로 인한 잦은 기계적 고장이 발생한다는 문제점이 있으며, 또한 별도의 동력을 사용하기 때문에 에너지의 손실이 발생한다는 문제점 또한 지적된다. 도 1(C)의 장치는 한국에서 개발된 장치로, 막과 접촉하지 않는 회전자를 이용하여 회전 와류를 발생시킴으로써, 적은 에너지로 막표면의 강한 운동에너지 효과를 일으키도록 하고 있다. 도 1(C)의 장치는 강한 와류를 발생시킬 수 있어 막의 오염 방지 능력이 높다는 장점이 있으나, 문제는 복잡한 구조로 인한 제조 비용이 높다는 것이다. 이에 따라 제조 단가를 낮추지 못한다면 이를 실제 현장에 널리 적용하기에는 어려움이 있다.

또한 도 1(D) 및 도 1(E)에는, 각각 한국등록특허 제0916940호("나선형 지지구가 구비된 여과 장치", 2009.09.04) 및 미국등록특허 제5628909호("Membrane filters with corkscrew vortex generating means", 1997.05.13)이 도시되어 있는데, 이들은 모두 원형 관 내부에 평철을 나선형으로 꼬아 놓은 형상의 구조물 또는 나선형 요홈이 형성된 기둥부를 삽입하여 와류를 발생시키고자 하는 기술들이다. 이러한 종래의 장치들은 원형 관 내부에 고정된 형상의 구조물을 넣어 이 구조물에 의해 와류가 발생되게 하는 것으로, 제조 단가가 저렴한 장점 등은 실제 현장에 적용하기에 유리한 측면이 있으나, 와류 발생이 충분히 많이 일어나지 못한다는 한계도 있고, 또한 고정된 형상을 이용하기 때문에 한 번 설치한 후 세척, 교체 등을 위해 분해해야 되거나 하는 경우에 어려움이 많은 등 운용상의 불편함이 있다는 문제도 있다.

이와 같이 종래의 와류를 이용한 분리막의 막힘 방지 기술에 있어서 실제 적용상의 여러 문제점이 있었으며, 이를 해소하기 위한 많은 연구 및 개발이 현재에도 이루어지고 있다.

1. 한국등록특허 제0916940호("나선형 지지구가 구비된 여과 장치", 2009.09.04) 2. 미국등록특허 제5628909호("Membrane filters with corkscrew vortex generating means", 1997.05.13)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고정된 형태의 구조를 이용하여 효과적으로 카오스 유동을 발생시킴으로써 고농도 환경에서도 분리막의 충분한 세정이 이루어질 수 있도록 해 줌과 동시에 에너지를 절약해 주는, 여과 장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 여과 장치는, 원수가 유입되어 유통되는 적어도 하나 이상의 유통부(110); 상기 유통부(110)의 벽면에 지지되도록 구비되어, 상기 유통부(110)로 유입된 원수를 통과시켜 여과하는 분리막(120); 상기 유통부(110)를 그 내부에 수용하며, 원수가 상기 분리막(120)에 의해 여과되어 만들어진 여과수가 유통되어 배출되는 수용부(130); 를 포함하여 이루어지는 여과 장치(100)에 있어서, 상기 유통부(110) 내부에 고정 배치되어 카오스 유동(chaos flow)을 발생시키는 카오스 유동 유도부(140); 를 포함하여 이루어지며, 상기 카오스 유동 발생부(140)는 서로 분리 가능한 다수 개의 카오스 유동 유도 단위체(145)가 주 흐름 방향을 따라 직렬 배치되어 적어도 1열을 이루며 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 카오스 유동 유도부(140)는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들의 직렬 배열 방향을 연장 방향이라 할 때, 연장 방향에서 볼 때의 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들의 배치 각도가 적어도 하나 이상의 값을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 카오스 유동 유도부(140)는 임의의 하나의 카오스 유동 유도 단위체(145)의 배치 각도를 기준으로 할 때, 상기 하나의 카오스 유동 유도 단위체(145)와 인접한 카오스 유동 유도 단위체(145)의 배치 각도가 상기 하나의 카오스 유동 유도 단위체(145)의 배치 각도와 수직하도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 카오스 유동 유도부(140)는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)가 적어도 하나 이상의 미리 설정된 간격으로 이격 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 카오스 유동 유도부(140)는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 적어도 둘 이상씩 서로 밀접 배치되어 한 세트(set)를 이루며, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)의 각 세트들은 적어도 하나 이상의 미리 설정된 간격으로 이격 배치되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 카오스 유동 유도부(140)는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)를 이격하여 고정 지지하는 이격 지지체(144)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들의 직렬 배열 방향을 연장 방향이라 할 때, 연장 방향에 나란한 방향으로 형성되는 평면부(141)와, 상기 평면부(141)의 상면 및 하면 각각으로부터 돌출 형성되는 적어도 하나 이상의 돌출부(142)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 상기 돌출부(142)가 연장 방향에 대하여 0도 내지 90도의 경사 각도를 이루도록 배치된 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 때 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 상기 돌출부(142)가 연장 방향에 대하여 30도 내지 60도의 경사 각도를 이루도록 배치된 형태로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 상기 평면부(141)의 상면에 형성된 상기 돌출부(142)와 상기 평면부(141)의 하면에 형성된 상기 돌출부(142)가 서로 다른 경사 각도를 가지도록 배치된 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 상기 평면부(141) 및 상기 돌출부(142)가 분해 및 조립이 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 상기 평면부(141)에 구비되는 상기 돌출부(142)의 개수를 변경 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 수처리 등의 분야에서 사용되는 분리막을 이용한 여과 장치에 있어서, 와류를 발생시켜 분리막에 축적되는 오염물을 제거하도록 함으로써 고농도 환경에서도 분리막의 충분한 세정이 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있으며, 물론 이에 따라 여과 효율을 극대화시키는 큰 효과가 있다. 특히 본 발명의 여과 장치에서는, 유동 해석을 통해 최적의 카오스 유동(chaos flow) 유도 형상을 설계하고 이를 적용함으로써 효과적으로 카오스 유동을 발생시킬 수 있는 효과가 있으며, 이에 따라 고농도 환경에서도 유연하게 사용할 수 있다는 큰 장점이 있다.

특히 본 발명의 여과 장치는, 카오스 유동 유도부가 서로 분리 가능하게 형성되는 다수 개의 카오스 유동 유도 단위체들이 배열된 형태로 이루어짐으로써, 여과 장치의 형상, 크기 등에 전혀 구애받지 않고 원하는 대로 카오스 유동 유도부를 설치할 수 있게 해 주는 큰 장점이 있다. 또한, 카오스 유동 유도 단위체들의 배열 간격 등을 조절함으로써 카오스 유동의 발생 정도 등을 조절하는 등 설계자가 원하는 작동 조건을 쉽게 구현할 수 있다는 장점 또한 있다.

더불어 본 발명의 여과 장치에서 와류 발생 구조는, 종래기술들의 경우 진동을 발생시키거나 회전 등의 구동 장치가 구비됨으로써 별도의 동력원이 필요했던 것과는 달리 외부 동력을 요하지 않는 고정 구조이다. 이에 따라 구동에 드는 에너지의 소비가 전혀 없어 운용 비용이 최소화되는 큰 장점이 있으며, 뿐만 아니라 구동 시 발생되는 진동 등에 의한 손상, 마모 등의 문제가 원천적으로 제거되는 바 내구성 또한 종래보다 훨씬 높다는 장점 또한 있다. 물론 이에 따라 구동부가 갖는 마모 현상 등에 의해 소모품 교체 등의 관리 요건을 제거할 수 있고, 장비의 노후에 따른 교체 시기 또한 종래보다 훨씬 늘어나게 되어, 운용을 위해 필요한 인력, 시간, 비용 등의 자원을 더욱 최소화할 수 있는 경제적 효과가 매우 크다.

도 1은 종래의 분리막 오염 방지 기술들.
도 2는 LPD 형상.
도 3은 LPD 형상에 의한 유동에서의 단면 속도장 형상.
도 4는 LPD-RL형에서의 레이놀즈수의 변화에 따른 입자 추적 해석 결과.
도 5는 LPD-RR형에서의 레이놀즈수의 변화에 따른 입자 추적 해석 결과.
도 6은 LPD 형상에서 Re=10000인 경우 등압면.
도 7은 임펠러(impeller) 형상.
도 8은 임펠러 형상에서의 레이놀즈수의 변화에 따른 입자 추적 해석 결과.
도 9는 경사진 홈이 있는 평판 형상.
도 10은 경사진 홈이 있는 평판 형상에서 평판 표면에 새겨진 경사진 홈으로 인해 발생하는 회전 방향이 반대인 두 회전 유동(two counter-rotating flows) 형태.
도 11은 경사진 홈이 있는 평판 형상에 의한 유동에서의 단면 속도장 형상.
도 12는 경사진 홈이 있는 평판 형상에서의 레이놀즈수의 변화에 따른 입자 추적 해석 결과.
도 13은 경사진 홈이 있는 평판 형상의 설계인자 정의.
도 14 내지 도 17은 경사진 홈이 있는 평판 형상에서의 각 설계인자(L/D, t, d/D, Re)의 변화에 따른 유동장 단면 해석 결과.
도 18은 경사진 홈이 있는 평판 형상에서 입구에서의 입자의 위치와 출구에서의 입자 추적 해석 결과.
도 19는 경사진 홈이 있는 평판 형상에서 레이놀즈수가 500일 때의 각 형상변수의 변화에 따른 입자 추적 해석 결과.
도 19는 경사진 홈이 있는 평판 형상에서의 레이놀즈수의 변화에 따른 입자 추적 해석 결과.
도 21은 경사진 홈이 있는 평판 형상에서 해석 영역에서의 입구와 출구에서의 압력차.
도 22는 경사진 홈이 있는 평판 형상에서 t와 레이놀즈수에 따른 z축으로의 압력 변화.
도 23 내지 도 26은 본 발명의 여과 장치의 개념도.
도 27 내지 도 29는 경사진 홈을 가지는 평판 형상을 기본 형상으로 한 본 발명의 카오스 유동 유도부의 제1 내지 제3실시예.
도 30 내지 도 32는 단위체의 개수에 따른 플럭스, 소요 동력, 손실 수두의 실험 결과.
도 33은 본 발명의 카오스 유동 유도체의 최적 실시예.
도 34 및 도 36은 본 발명의 최적 실시예에 따른 카오스 유동 유도 단위체의 성능 평가 실험 결과.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 여과 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

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앞서 설명한 바와 같이, 원수를 유입시켜 분리막을 이용하여 여과하여 여과수로 만들어 배출시키는 장치에서, 벽면 근처에서 (분리막에 의해 걸러진) 고체 입자들이 쌓임으로써 분리막을 막아 성능을 제한하게 되는 문제를 극복하는 것이 매우 중요하다. 이를 극복하기 위하여 분리막에 누적된 입자들을 떨어낼 수 있는 다양한 기술들이 제시되고 있는데, 그 중 분리막에 직접 진동을 가해 주는 방식이나 별도의 전원 등에 의하여 동작하는 동적인 구조물을 사용하여 와류를 발생시켜 (빠른 물살에 의해) 고체 입자들이 쓸려나가도록 하는 방식 등의 경우(도 1(A), (B), (C) 참조), 별도로 에너지 소비가 일어난다는 점, 진동 등에 의하여 여과 장치 자체에 피로 충격 등이 올 수 있어 내구성 등에 문제가 있다는 점, 구조물이나 장치를 형성하는 부품이 많아 제작이 번거롭고 제작 비용이 많아져 현장 적용에 무리가 있다는 점 등의 문제점이 많이 지적되어 왔다. 또한, 고정된 구조물을 사용하여 와류를 발생시켜서 고체 입자들을 떨어내는 방식의 경우(도 1(D), (E) 참조), 제작이 용이하고 비용이 적게 드는 등의 장점은 있으나 와류가 충분히 많이 발생되지 못하여 입자 제거 성능이 낮다는 문제가 있었다.

본 발명에서는 이러한 종래기술들의 문제점을 모두 극복할 수 있도록, 고정된 구조물을 이용하여 원수에 와류를 발생시키되, 보다 강한 카오스 유동(chaos flow)을 발생시킴으로써 입자 제거 성능을 크게 높일 수 있도록 하는 여과 장치를 제시한다. 다양한 연구에서 카오스 이류(chaotic advection)를 도입함으로써 혼합 효과가 급격히 증진된다는 점이 잘 알려져 있으며, 이를 유체 혼합기에 적용하는 많은 사례 및 연구들이 활발하게 발표되거나 진행되고 있다. 본 발명에서는, 카오스 혼합기(chaotic mixer)의 유동 해석에 사용 수치해석 기법(참고문헌: Kang, T. G. and Kwon, T. H., 2004, "Colored particle tracking method for mixing analysis of chaotic micromixers," J. Micromech. Microeng. Vol. 14, pp.891-899)을 사용하여 카오스 유동 유도체의 최적 형상을 설계하고자 한다.

본 발명에서는 이러한 카오스 유동을 발생시키는 유도체의 형상이, 어떠한 단위 형상이 주기적으로 반복되는 형태로 되는 것을 가정한다. (예를 들어 종래의 도 1(D), (E) 등에 나타난 종래의 와류발생기의 형상 역시 단위 형상이 주기적으로 반복된 형태로 되어 있다.) 이러한 구조를 가진 유동 장치에서는 형상 자체가 가진 주기성을 이용하여 문제의 크기를 줄여서 효율적인 속도장 계산이 가능한데, 이러한 경우의 속도장을 구하기 위한 비압축성 정상상태 나비어-스토크스(Navier-Stokes) 방정식과 경계 조건은 하기의 수학식 1과 같이 표현되며, 입구와 출구에 해당하는 절점에서 속도장의 주기성을 만족하기 위한 구속 조건으로서 하기의 수학식 2와 같은 조건을 도입한다.

상기 수학식에서, 벡터 값은 볼드(bold)체로 표시되었으며, u는 유속을, ρ는 밀도를, μ는 점성계수를, p는 압력을 나타내는 등 일반적인 나비어-스토크스 방정식에 사용되는 기호를 그대로 사용하고 있다. 여기에서 Ω는 단면 전체 영역을 나타내며, Γ는 둘레를 나타내고, w, in, out은 각각 벽면, 입구, 출구를 나타낸다. 즉 수학식 1의 제1, 2행은 전체 단면 영역에서의 유속을 구하는 방정식을 나타내는 것이며, 수학식 1의 제3행은 벽면에서는 유속이 0이 된다는 조건을, 수학식 1의 제4, 5행은 입구 및 출구 간의 압력차 등의 조건을, 수학식 2는 입구 및 출구에서의 동일 유속 조건을 나타내고 있다. 잘 알려져 있는 바와 같이 일반적인 나비어-스토크스 방정식은 대표적인 비선형 방정식 중 하나로 선형해를 구할 수 없는 바, 일반적으로 수치해석 기법을 이용하여 유동을 분석한다. 본 발명에서도, 유한요소법에 기초한 해석 코드를 이용하여 속도장을 구하였다.

먼저, 유체 입자들의 확산은 고려하지 않고 유체 입자의 운동학적 관점 (kinematical viewpoint)에서 혼합 현상을 살펴본다. 입자 추적 단계에서는 유체의 종류에 따라 서로 다른 색을 가진 입자들을 마이크로 믹서의 입구부터 출구까지 계산된 속도장을 이용하여 추적하게 된다. 이 때 각각의 입자에 부여된 색은 유체의 종류를 나타내는 정보로써 입자의 위치 정보와 함께 혼합 현상에 대한 가시화에 중요한 역할을 한다. 입자의 위치를 추적하기 위해서는 하기의 수학식 3을 풀어야 한다.

수학식 3에서 x와 u는 입자의 위치와 속도 벡터를 나타낸다. 하지만 수학식 3을 직접 풀지 않고 수학식 4와 같이 변형하면 문제를 비교적 빨리 풀 수 있으며 z 방향의 역학계(dynamical systems)를 표현하는 것도 편리하다.

수학식 4를 적분하기 위해서는 입자가 위치한 점에서의 속도에 관한 정보가 필요하다. 이를 위해 입자가 위치한 위치가 속한 요소를 찾고 그 요소의 절점에서의 속도를 사용한 보간(interpolation) 과정을 통해 입자의 속도를 계산한다. 본 발명을 진행하는 과정에서, 수학식 4의 적분 시 4차 런지-쿠타(Runge-Kutta) 방법(RK4)을 이용하여 새로운 위치로 입자를 이동하였으며, 이 과정은 모든 입자가 믹서의 출구까지 도달할 때까지 반복된다.

한편, 본 발명은 입자의 카오스적인 운동(chaotic motion)을 정성적으로 가시화하기 위해서 입자의 분포를 사용하고 있으므로, 입자의 분포의 균일성을 정량화의 척도로 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 것이 가능한 정량적인 평가 지표 중 하나가 정보 엔트로피(information entropy)로서, 하기의 수학식 5는 이러한 정보 엔트로피를 이용하여 새로이 정의된 혼합 엔트로피(mixing entropy)이다.

실제 입자의 분산 정도를 평가하기 위해서 혼합 엔트로피의 증가를 사용한다. 하기의 수학식 6에 표현된 것과 같이 임의의 위치에서 엔트로피 증가를 최대 엔트로피 증가로 나눈 값을 혼합 정도(degree of mixing, κ)로 정의하였다.

수학식 6에서 S, S_max와 S₀는 임의의 단면에서의 혼합 엔트로피, 이상적인 혼합 상태에서의 최대 엔트로피, 초기 입구의 입자 분포로부터 계산된 엔트로피를 각각 의미한다. 완전한 카오스 유동(globally chaotic flow)일 경우 κ의 값이 1이고 그렇지 않은 상태에서는 κ의 값이 0이 된다.

입자의 궤적이 카오스적(chaotic)일 경우, 이론적으로는 입자는 원형 관의 단면상의 모든 위치를 이동하면서 흘러간다. 따라서 입자에 의해서 분리막이 막히는 문제를 최소화할 수 있으며 또한 분리막의 벽면 근처에 있는 입자를 관의 내부 영역으로 이동시킬 수 있어서 막힘을 방지하고 분리막의 성능을 극대화할 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 즉 종래의 와류 발생 유도체에 비하여 분리막에 쌓여 있는 입자를 제거하는 성능을 비약적으로 증대시킬 수 있는 것이다.

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본 발명에서는, 상술한 바와 같은 이론적 배경을 바탕으로 하여, 강력한 카오스 유동을 효과적으로 발생시킬 수 있는 3차원 구조의 최적 형상을 제시하고자 한다. 또한 이러한 유동 해석 결과를 바탕으로 입자 추적(particle tracking)을 병행하여 입자의 실제 거동을 가시화하며, 카오스 유동 유도체의 형상에 의하여 발생되는 유동의 카오스 정도(degree of chaos)는 입자 추적 결과를 바탕으로 계산된 혼합 엔트로피(수학식 6)로 평가한다.

실제 운전 조건에서 분리막 장치 내부 유동의 레이놀즈수(Re)는 10 ~ 10,000 정도의 범위를 가질 것으로 예상된다. 이는, 초기 점도가 낮은 상태에서 분리막을 통해 유체 성분이 빠져나가게 되면 입자의 부피비가 증가하게 되고, 이로 인해서 작동 유체의 점도가 급격하게 증가하여 분리막 장치의 후반부에서는 레이놀즈수가 급격하게 감소하여 층류 유동(laminar flow) 영역으로 변할 것으로 예상되는 바, 이러한 예상을 통해 나온 범위이다. 따라서 최종 선정된 카오스 유동 유도체 설계안은 다양한 레이놀즈수 영역에서 카오스적인 입자의 운동을 보장할 수 있도록 설계하여야 할 것이다.

최종 카오스 유동 유도체 형상을 결정하기 위해서 몇 가지 설계안에 대한 유동해석을 먼저 수행하였다. 해석에 사용된 구조는 (i) LPD 형상, (ii) 임펠러(impeller) 형상, (iii) 경사진 홈이 있는 평판 형상이다. 먼저 각각의 구조에서 발생하는 유동 특성을 소개한다.

(i) LPD 형상

도 2는 LPD 형상, 즉 LPD(low pressure drop) 믹서의 구조를 활용한 카오스 유동 유도체의 한 설계안 형상을 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이 LPD 형상이란 원형관 내부에 두 개의 반 타원 형상의 구조물을 직각으로 겹치도록 삽입한 형상을 말하는데, 이러한 형태의 LPD 믹서는 현재 혼합기로서 많은 분야에서 실제로 널리 사용되고 있는 형상이다. 각 단면에서 나선형의 3차원 속도장을 유도하였을 때, 와류 유도체의 형상에 따라서 유동의 회전 방향이 주기적으로 변하는 RL 형상과, 회전 방향이 일정한 RR 형상으로 구분할 수 있다. 여기에서 사용된 원형 관 형상의 분리막 장치에 대한 레이놀즈수 (Re) 는 다음과 같이 정의한다.

도 3은 LPD 형상에 의한 유동에서의 단면 속도장 형상, 즉 원형관에 설치된 두 쌍의 반 타원 형상의 3차원 구조물에 의해 관의 단면에서 회전하는 속도 성분이 어떻게 생성되는지를 도시하고 있다. 도 3에서 확인할 수 있는 것처럼 두 경우 모두 유체가 회전하게 됨을 알 수 있며, 또한 유동 해석을 통해 서로 교차하는 두 반 타원형의 판이 유체를 관의 축 방향에 수직으로 회전하도록 하는 역할을 하는 것을 알 수 있었다.

도 4는 LPD-RL형에서의 레이놀즈수의 변화에 따른 입자 추적 해석 결과를, 도 5는 LPD-RR형에서의 레이놀즈수의 변화에 따른 입자 추적 해석 결과를 각각 도시하고 있다. 즉 도 4 및 5는 수치해석으로 구한 속도장을 이용하여 분리막 장치의 입구에 유체 입자를 투입하였을 때 입자의 궤적을 각 단면에서 도시화한 것으로서, 도 4 및 도 5를 참조하여 볼 때 카오스적 유동 경향은 레이놀즈수가 증가할수록 더 강해지고, 카오스 이류에 의한 복잡한 입자의 운동 궤적이 발생함을 알 수 있다. 또한, 레이놀즈수가 작은 영역에서는 RL형의 혼합 증진 성능이 우수하나 레이놀즈수가 100 이상 영역에서는 RR형이 더 강한 회전 유동 성분을 보이고 혼합 성능도 향상됨을 수치해석을 통해 확인할 수 있다.

즉 실제 이러한 형상을 사용한다면 RL형과 RR형을 함께 사용하는 분리막 장치를 사용하는 것이 바람직할 것이며, 이 경우 다양한 레이놀즈수 영역에서 균일한 혼합을 통해 분리막의 오염을 최소화하고 성능을 극대화가 가능할 것으로 기대할 수 있다. 그런데, 이러한 LPD 형상에서는 유속이 빠를 경우(Re=10000 이상) 반 타원형 구조물 주변에 국소적으로 저압인 영역이 발생하고, 이 압력이 포화증기압보다 낮을 경우 공동 현상(cavitation)이 발생할 수 있다는 것이다. 도 6은 Re=10000인 경우 등압면을 도시화하고 있으며, 와류 유도체 면에 국소적으로 저압인 영역이 존재함을 알 수 있다.

(ii) 임펠러(impeller) 형상

도 7은 임펠러 형상으로서, 이 경우 주입된 유체가 고정된 임펠러를 통과하면서 회전 운동이 발생되는 과정에서 와류가 발생되며, 관성에 의해 생성된 와류가 관의 하부까지 전달되게 된다. 도 7의 형상을 기반으로 하여, 앞서와 마찬가지 방법으로 입자 추적 해석 결과를 산출한다. 도 8은 이와 같이 산출된, 고정된 임펠러 형상의 와류 유도체의 유동에서 입자의 궤적을 도시한 것으로, 도 8에 나타난 것처럼 유체 입자의 운동은 임펠러를 통과한 뒤 복잡한 양상을 보이면서 회전을 한다. 특히 도 8의 (A) 내지 (C)를 보면, 레이놀즈수가 증가하면서 관의 축 방향으로 단위 길이 당 유체의 회전량이 증가함을 확인할 수 있다.

하지만 이러한 형상에서 속도가 빠를 경우 임펠러 면에서 압력이 국부적으로 낮아서 공기가 기화되는 공동 현상(cavitation)이 발생하는 문제점이 발생한다. 이렇게 기화된 기체는 임펠러 표면에 구조적인 문제를 야기하고 심할 경우 파손까지 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

(iii) 경사진 홈이 있는 평판 형상

도 9는 경사진 홈이 있는 평판 형상을 도시하고 있다. 이 형상을 보다 상세히 설명하면, 원형관 내부에 경사진 홈이 파여진 판을 삽입하고 서로 90도의 각도를 이루는 한 쌍이 한 주기를 구성하도록 한다. 이 때 경사진 홈은 이중 나선형 유동(double-helical flow)을 생성하는데, 한 주기는 나선형 유동으로 구성되고 이 두 나선형 유동은 동일한 평면에 투영하였을 때 서로 유선이 서로 교차하는 특징을 나타낸다. 이렇게 서로 교차하는 두 개의 유동 형태가 주기적으로 반복될 경우 유체 입자는 카오스적 혼합(chaotic mixing) 특성을 보인다고 알려져 있다.

도 10은 경사진 홈이 있는 평판 형상에서 평판 표면에 새겨진 경사진 홈으로 인해 발생하는 회전 방향이 반대인 두 회전 유동(two counter-rotating flows) 형태를 도식적으로 표현한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 평판의 표면에 새겨진 경사진 홈으로 인해 수평 방향의 속도 성분이 존재하게 되며, 평판의 좌/우 또는 상/하에서 서로 다른 방향으로 회전하는 나선형 유동이 유도된다. (관련 참고 문헌: A.D. Stroock et al., Science, 2002, 295:647-51, T.G. Kang and T.H. Kwon, J Micromech Microeng, 2004, 14:891-99, T.G. Kang et al., Microfluid Nanofluid, 2008, 4:589-99)

도 11은 경사진 홈이 있는 평판 형상에 의한 유동에서의 단면 속도장 형상을 도시한 것으로, 도 11(A) 및 (B)는 레이놀즈수가 10과 1000에서의 결과를 각각 도시하고 있다. 도 11(A)에 보이는 바와 같이 레이놀즈수가 10일 때에는 단면에서 회전하는 유동이 존재하기는 하나 홈 주변 영역에서 제한적으로 발생하는 경향을 보이는 반면, 도 11(B)에 보이는 바와 같이 레이놀즈수를 1000으로 증가시킨 경우에서는 더 큰 와류가 발생됨이 확인된다.

입구에서 수직 방향으로 정렬한 유체 입자가 와류 유도체를 통과하면서 어떤 운동 궤적을 보이는 지를 확인하기 위하여, 도 11과 같이 구한 속도장을 이용하여 유체 입자의 위치를 추적하여 도 12에 도시하였다. 속도장의 특성에서 예상할 수 있듯이, 회전이 강한 Re=1000인 경우, 두 주기 후 출구에서 입자의 분포가 더 균일한 것을 알 수 있다. 따라서 경사진 홈이 있는 평판에 의한 유도되는 회전 유동의 강도가 충분하다면 카오스 이류가 생성될 수 있다는 사실을 간접적으로 확인할 수 있다.

앞에서 살펴본 유동 특성과 입자 추적 결과를 바탕으로 할 때, 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같은 (iii) 형상, 즉 경사진 홈이 있는 평판 형상을 최적화하면 넓은 레이놀즈수 영역에서 카오스 이류가 구현되는 분리막 여과 장치를 제작할 수 있다. 이 때 유동 시스템의 혼돈 정도(degree of chaos)에 영향을 미치는 인자는 다음과 같다.

■한 주기에 홈의 수

■두 회전 유동의 방향

■원의 직경에 대한 홈의 폭의 비

■한 주기 사이의 공간의 비

본 발명에서는 경사진 홈이 있는 평판 형상에 의하여 발생되는 유동에 위의 설계 인자들이 미치는 영향에 대해서 체계적으로 분석하여 최적의 형상을 제시하고자 한다.

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카오스 유동 유도체의 형상의 변화에 따른 유동의 경향성을 살펴보기 위하여, 설계인자를 유도체의 길이(L)와 유도체 사이의 간격(d), 홈의 두께(t)로 설정하였다. 도 13은 경사진 홈이 있는 평판 형상의 설계인자를 보다 상세히 구체적으로 정의하고 있다. 또한 이하에서, D는 이러한 유도체가 수용되는 원형 관의 지름을 나타낸다.

실제 계산을 위해, 설계인자의 변화에 따른 유동의 경향성을 파악하기 위해 상용프로그램 COMSOL을 사용하여 해석을 수행하였다. 해석을 위한 모델은 관의 직경(D)은 20mm이고, 유도체의 폭은 관의 직경과 동일하게 고정시켰다. 홈의 깊이는 2.5mm이고, 홈을 포함한 유도체의 높이는 6mm이다. 홈은 z축과 45도를 이루도록 하고 홈 사이 간격은 2.5mm로 고정시켰다. 또한 하기의 표와 같이 설계인자와 레이놀즈수를 변화시켜 해석을 수행하였다. 유동 패턴이 주기성을 띠므로, 해석의 편의를 위해 2주기만을 해석하였다.

유동의 경향성을 파악하기 위해 3번째 유도체에서 등간격으로 6개의 단면의 유동장을 살펴보기로 한다. 도 14 내지 도 17은 각 설계인자의 변화에 따른 유동장 단면 해석 결과들을 도시하고 있는데, 보다 상세히는 도 14는 L/D의 변화에 따른 유동장을, 도 15는 t의 변화에 따른 유동장을, 도 16은 d/D의 변화에 따른 유동장을, 도 17은 Re의 변화에 따른 유동장을 각각 도시하고 있다.

도 14를 참조하여 우선 L/D의 효과를 살펴보면, L/D가 클수록 카오스 유동이 잘 생성되는 경향이 있다는 것을 알 수 있다. 이는 L/D가 클수록 유동의 회전방향 역성분이 줄어들어 회전반경이 커지기 때문이다. 도 15를 참조하여 t의 변화에 따른 속도장을 비교해 보면, t=1mm인 경우가 t=2.5mm일 때보다 카오스 유동이 잘 생성되는 경향이 있다는 것을 알 수 있다. 이는 t가 얇아짐에 따라 회전 유동을 유발하는 경사진 홈의 면적이 증가하기 때문이다. 도 16을 참조하면 d의 변화에 따른 유동장의 차이가 미미한 것으로 나타나, d는 카오스 유동의 생성에 대한 효과가 적은 변수로 볼 수 있다. 도 17을 참조하면, 레이놀즈수가 클수록 속도가 크게 나타나므로 카오스 유동의 생성에 도움이 되는 것으로 판단된다.

다음은 입자추적을 통해 2주기를 거친 후의 카오스 유동 효과를 살펴보기로 한다. 도 18과 같이 입구에서의 입자의 위치를 설정하여 출구에서의 입자 궤적을 살펴보았다. 출구에서의 입자 위치는 점으로 표시되며 입자가 지나온 경로는 선으로 표현된다. 도 19는 레이놀즈수가 500일 때의 각 형상변수의 변화에 따른 결과를 나타낸 것으로, 도 14 내지 도 17에 도시된 결과 즉 유동장으로부터 유추한 결과와 비슷한 경향이 나타난다. 즉 L/D이 크면 클수록, t=1mm인 경우에서 출구 입자의 위치는 초기 위치로부터 더 멀어져있음을 확인할 수 있다. 입자의 궤도에서도 유동장에서 나타난 회전방향으로의 이동이 나타나며 전체적으로 입자의 궤도가 길다. 이는 L/D가 클수록, t=1mm일 때 유체 입자의 회전 유동이 더 용이함을 확인시켜준다. 하지만 d/D에서의 입자의 궤도를 살펴보면 각 경우의 입자의 궤도는 차이가 있으나, 전반적인 경향을 설명하기엔 그 차이가 미미하다. 또한 도 20을 참조하면, 레이놀즈수에 따른 입자추적을 살펴보면 레이놀즈수가 클수록 회전방향으로의 유체 입자의 이동이 크며, 회전반경이 보다 큼을 확인할 수 있다. 따라서 속도장을 통해 확인한 것처럼 관성력의 증가 (유속의 증가)가 경사진 홈을 통해 흐르는 속도 반지름 방향 성분이 증가하여 단면 방향의 속도 성분의 증가로 나타난다.

마지막으로 유도체 삽입으로 인한 관 내부의 압력 손실을 살펴본다. 우선 L/D와 d/D에 의한 효과를 살펴보기로 한다. 도 21은 해석 영역에서의 입구와 출구에서의 압력차를 나타내는데, 여기서 t=1mm이고, Re=500이다. L/D는 x축에 표현되어 있으며, L/D가 클수록 압력 손실이 커짐을 확인할 수 있다. L/D는 유도체의 길이와 관의 직경의 비를 나타내는 항으로, 값이 커지면 유도체의 길이가 길어진다. 유도체의 길이가 길어지므로 압력 손실은 커지게 된다. 반면 d/D는 유도체 사이의 간격과 관의 직경의 비이며, 이 값이 커지면 유도체의 간격이 커진다. 유도체의 간격이 커지면 상대적으로 관의 길이 또한 길어지므로 압력 손실이 커진다.

도 22는 경사진 홈이 있는 평판 형상에서 t와 레이놀즈수에 따른 z축으로의 압력 변화를 나타낸 것으로, 도 22에서는 L/D=3, d/D=0.5로 고정시킨 후, t와 레이놀즈수에 의한 효과를 살펴보았다. 동일한 레이놀즈수에서의 t에 의한 압력 손실은 t=1mm일 때가 더 작게 나타났다. 앞서 유동장에 의한 t의 효과에 대해 살펴보았듯이 t=1mm에서는 속도의 손실뿐만 아니라 압력 손실도 적음을 확인할 수 있다. 유동진행방향인 z축 성분의 속도의 손실은 압력 손실에도 영향을 주었음이 자명하다. 동일한 t에서의 레이놀즈수에 의한 압력 손실을 살펴보면, 동일한 유체를 사용하였을 경우 레이놀즈수는 속도에 의한 함수이므로 레이놀즈수가 클수록 높은 속도가 요구되기 때문에 압력 손실 또한 크게 된다.

상술한 바와 같은 분석 내용을 정리하면 다음과 같다.

■L/D가 커질수록 카오스 유동의 생성이 용이하나 압력 손실도 함께 증가한다.

■t=1mm인 경우, t=2.5mm인 경우에 비해 카오스 유동의 생성이 용이하며 압력 손실 또한 적다.

■d/D에 의한 카오스 유동의 생성 효과를 일반화하기 어렵고, 압력 손실은 d/D=0.5인 경우가 더 적다.

■레이놀즈수가 커질수록 카오스 유동의 생성이 용이해지며, 압력 손실이 증가한다.

■유도체의 형상 정보 중에서 회전 유동에 직접적으로 영향을 미치는 인자는 유도체 구조의 높이(H), 유도체의 유로 폭(g)이다.

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이제, 본 발명의 여과 장치(100)의 구체적인 형태에 대하여 보다 상세히 설명한다. 도 23은 본 발명의 여과 장치의 기본적인 개념도를 도시한 것으로서, 본 발명의 여과 장치(100)는 기본적으로, 원수를 유입시켜 분리막을 이용하여 여과하여 여과수로 만들어 배출시키도록, 유통부(110), 분리막(120), 수용부(130)를 포함하여 이루어지며, 여기에 본 발명에서는 (상술한 바와 같은 분석에 의하여 최적화 설계되는) 카오스 유동 유도부(140)가 구비되게 된다. 각부에 대하여 이하에서 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 여과 장치(100)는, 먼저 기본적으로 상술한 바와 같이 유통부(110), 분리막(120) 및 수용부(130)를 포함하여 이루어진다. 상기 유통부(110)에는 원수가 유입되어 유통되며, 상기 수용부(130)는 상기 유통부(110)를 그 내부에 수용하도록 되어 있다. 이 때, 상기 분리막(120)은 상기 유통부(110)의 벽면에 지지되도록 구비되어, 상기 유통부(110)로 유입된 원수를 통과시켜 여과하게 된다. 즉 원수는 상기 유통부(110)의 벽면에 구비된 상기 분리막(120)을 통과하여 상기 유통부(110)와 상기 수용부(130) 사이의 공간으로 이동하게 되는데, 이 과정에서 원수는 원수가 상기 분리막(120)에 의해 여과되어 여과수로 되는 것이다. 따라서 상기 수용부(130) 내에는 여과수가 유통되게 되며, 상기 수용부(130)에 별도로 배출구를 구비시켜 이 여과수를 배출함으로써 여과수를 얻을 수 있게 된다. 상기 카오스 유동 유도부(140)는 본 발명의 특징적인 구성으로서, 간략히 설명하자면, 상기 유통부(110) 내부에 고정 배치되어 카오스 유동(chaos flow)을 발생시킴으로써 상기 분리막(120)에 축적되는 오염물을 제거하는 역할을 한다. (상기 카오스 유동 유도부(140)의 최적화 설계에 대하여는 이후 보다 상세히 설명한다.)

본 발명의 여과 장치(100)는, 상기 유통부(110)가 원수를 유입받아 수용했다가 그 벽면에 구비된 상기 분리막(120)을 통해 통과 및 여과되도록 하는 역할을 할 수 있고, 상기 수용부(130)가 상기 유통부(110)를 그 내부에 수용하며 여과된 여과수가 수용 및 유통되어 최종적으로 배출되도록 하는 역할을 할 수 있는 구성이라면, 그 형태 등에 제한을 받지 않는다. 도 23(A) 및 (B)에서는 이러한 본 발명의 여과 장치(100)의 구현 중 가장 단순한 형태의 구현 형태를 도시하고 있는데, 이 경우 상기 여과 장치(100)는, 상기 유통부(110) 및 상기 수용부(130)가 각각 관 형태로 이루어져, 상기 여과 장치(100)는 이중관 형태로 이루어지도록 하고 있다. 이와 같이 구현되는 상기 여과 장치(100)는, 안정성 등을 고려하여 상기 유통부(110) 및 상기 수용부(130)가 서로 동축 상에 배치되도록 하는 것이 보다 바람직할 것이다. 도 23(C)는 상기 유통부(110)가 상기 수용부(130) 내에 하나 이상 구비되는 여러 경우의 예시를 도시한 것으로, 도 23(C)에 도시된 바와 같이 상기 유통부(110)는 상기 수용부(130) 내에 여러 개가 수용되어 구비되도록 할 수 있다. 상기 수용부(130) 내에 구비되는 상기 유통부(110)가 다수 개인 경우, 다수 개의 상기 유통부(110)들은 방사상으로 배치되는 것이 바람직할 것이다.

이하 보다 상세히 설명하겠으나, 본 발명에서는 상기 분리막(120)을 세정하기 위한 상기 와류 발생부(140)의 구성이 종래기술에 비해 훨씬 간소화되어 있기 때문에 특별한 형태적인 구성의 제한이 없으며, 따라서 본 발명의 여과 장치(100)는 도 23 등에 도시된 바와 같은 매우 단순한 형태로 구현하는 것이 가능한 것이다. 본 발명의 여과 장치(100)가 도 23 등에 도시된 바와 같이 구현될 경우, 수처리 장비의 유로 상에 간단히 설치할 수도 있어 설비 비용이 극소화될 수 있는 경제적 효과 등을 얻을 수 있다.

본 발명의 여과 장치(100)는 상기 분리막(120)을 이용하여 원수를 여과시켜 여과수로 만들도록 함으로써, 앞서 서술한 바와 같이 친환경적이라는 장점, 오염물 종류에 관계없이 안정적으로 일정한 처리 수질 확보가 가능한 점, 자동화 공정 구현에 따라 관리가 용이하다는 점 등과 같은 여러 장점을 얻을 수 있다. 이 때, 분리막에 여과된 오염물이 축적되지 않도록 분리막을 세척해 주기 위해서, 본 발명에서는 3세대 기술인 와류 발생 기술을 적용하되, 종래의 와류 발생 장치들과는 달리 불필요한 움직임이나 외부 동력이 요구되지 않을 뿐만 아니라, 특히 종래의 와류 발생 장치에 비하여 훨씬 효과적인 강한 카오스 유동을 발생시키는 카오스 유동 유도부(140)를 제시한다.

본 발명에서의 상기 카오스 유동 유도부(140)는 단지 그 형상에 의해서 와류를 발생시킬 뿐으로, 외부 동력을 필요로 하지 않고 또한 그 구조상 움직임이 발생하지 않는다. 상기 카오스 유동 유도부(140)가 외부 동력 및 움직임 발생이 원천적으로 배제된다는 점에서, 본 발명의 여과 장치(100)는 종래의 장치들에 비하여 운용 비용 및 에너지 절약 효과가 매우 크다. 뿐만 아니라 외부 동력을 이용하여 구동시키기 위한 여러 가지 구조들 역시 전혀 필요하지 않기 때문에, 설계 및 제작 상의 큰 용이성을 얻을 수 있어, 이러한 부분에서 발생되는 비용 역시 크게 절감할 수 있다. 또한 이러한 구조의 단순화에 따라 그 형태나 설치 위치 등에 거의 제한을 받지 않게 되어, 그 적용 범위가 비약적으로 확대될 수 있다는 장점 또한 얻을 수 있다. 더불어 본 발명의 여과 장치(100)에서는 와류 발생을 위한 구조에서 어떠한 별도의 움직임이 발생하지 않기 때문에, 부품의 움직임으로 인하여 발생될 수밖에 없는 진동 등의 발생이 완전히 배제될 수 있으며, 이에 따라 종래에 진동 등으로 인하여 발생하는 피로충격에 따른 내구성 저하 등의 문제 역시 원천적으로 제거할 수 있게 된다.

바람직한 상기 카오스 유동 유도부(140)의 형상을 상술한 바를 토대로 구체화하여 설명하자면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에서도 상기 카오스 유동 유도부(140)는, 기본적으로, 서로 분리 가능한 다수 개의 카오스 유동 유도 단위체(145)가 주 흐름 방향을 따라 직렬 배치되어 적어도 1열을 이루며 형성되도록 한다. 이 때, 원형 관 내에 동일한 형상을 가지는 단위체들을 주기적으로 직렬 배열하였을 때 와류가 효과적으로 발생된다는 것이 잘 알려져 있는 바, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들은 서로 동일한 형상으로 이루어지도록 하는 것이 바람직하겠으나, 서로 유사한 형상이되 서로 대칭되는 형상으로 되어 2종 이상의 형상을 갖는다거나, 원수 농도가 높은 구간에서의 형상과 원수 농도가 낮은 구간에서의 형상을 다르게 형성한다거나 하는 식으로, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들이 반드시 서로 동일한 형상이어야만 하는 것은 아니다.

여기에서, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)가 서로 분리 가능하게 형성되어 이들이 직렬 배치된다는 것은 특히 종래의 다른 와류 발생 장치와 구별되는 특징이다. 도 1(D), (E) 등에 나타난 바와 같은 종래의 와류 발생 장치의 경우 일체형으로 된 구조물이 관 내에 삽입되는 형태로 이루어지나, 본 발명의 경우에는 이들이 서로 분리 가능하게 이루어짐으로써 설치 시 또는 운용 시의 여러 장점을 얻을 수 있다.

예를 들어 상기 여과 장치(100)가 도시된 바와 같이 원형 관 형상으로 되어 있다고 할 때, 관의 길이는 다양하게 달라질 수 있을 것임은 당연하다. 이 때 종래의 와류 발생 장치의 경우, 와류 발생 장치가 일체형으로 이루어지기 때문에 관의 길이에 따라 와류 발생 장치의 길이도 그에 맞추어 제작되어야 하는 불편함이 있다. 그러나 본 발명의 상기 카오스 유동 유도부(140)는, 서로 분리 가능한 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들이 조립되어 이루어지는 바, 관의 길이에 따라 적절한 개수의 사이 카오스 유동 유도 단위체(145)들을 가지고 와서 조립하여 길이를 맞추면 되기 때문에, 설치 및 제작이 훨씬 편리하다.

또한, 상기 여과 장치(100)를 장기 운용하다 보면 내부 부품의 교체나 세척 등이 필요할 수 있는데, 이 경우에도 본 발명의 상기 카오스 유동 유도부(140)는 서로 분리 가능한 단위체들의 조립 구조로 되어 있기 때문에 일체형으로 되어 있는 종래의 와류 발생 장치에 비해 교체, 세척 등이 훨씬 편리하고, 또한 비용도 훨씬 적게 들게 됨이 당연하다. 매우 간단한 예로서 종래의 와류 발생 장치의 경우 일부분이 손상되었다고 할 때 (일체형으로 되어 있으므로) 전체를 교체해야 하지만, 본 발명의 경우 손상된 단위체만을 교체하면 되는 바, 이러한 예만으로서 이러한 사용자 편의성 및 경제성 측면에서 본 발명의 장치가 훨씬 우수함을 알 수 있다.

더불어, 상기 여과 장치(100)가 직선형 관 형태일 경우라면 종래의 와류 발생 장치를 적용하는데 별 문제가 없겠으나, 상기 여과 장치(100)가 구부러진 관 형태를 이루고 있다든가 하는 등과 같은 특수한 경우에는, 종래의 와류 발생 장치는 설치 자체가 불가능할 수 있는 문제가 있다. 그러나 본 발명의 상기 카오스 유동 유도부(140)는, 상술한 바와 같이 서로 분리 가능한 단위체들의 조립 구조로 되어 있는 바, 상기 여과 장치(100)의 형상에 대하여 훨씬 유연하게 적용될 수 있어, 실제 현장에서의 활용 가능성이 훨씬 광범위해질 수 있게 된다.

한편 도 23에는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)의 구체적인 형상을 도시하지 않았는데, 이는 이후의 설명에서 최적화된 형상으로 본 발명이 한정되는 것이 아님을 시사한다. 즉, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는, 상술한 바와 같은 연구를 배경으로 하여 이후 설명될 최적화 과정을 통해 설계될 수도 있겠으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 물론 아니며, 효과적으로 카오스 유동을 발생시킬 수 있다면 다른 어떤 형태로 이루어져도 무방한 것이다.

또한, 상기 카오스 유동 유도부(140)는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들의 직렬 배열 방향을 연장 방향이라 할 때, 도 24에 도시되어 있는 바와 같이, 연장 방향에서 볼 때의 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들의 배치 각도(도 24에서 θ로 표시된다)가 적어도 하나 이상의 값을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

이를 보다 풀어서 설명하자면 다음과 같다. 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)의 배치 각도가 하나의 값을 가진다는 것은, 즉 모든 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)가 연장 방향에서 볼 때 서로 모두 나란하게 배치된다는 것으로, 즉 정면에서 볼 때 도 24(B)와 같은 모습으로 보이게 된다. 도 24(C)는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)의 배치 각도가 2개의 값을 가지는 경우로, 기준선을 기준으로 하나는 0도를, 다른 하나는 90도를 이루는 형태를 보여 주고 있으며, 이를 3차원적으로 도시한 것이 도 24(A)의 형태이다. 도 24(D)는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)의 배치 각도가 3개의 값을 가지는 경우로, 기준선을 기준으로 하나는 0도, 다른 하나는 60도, 또다른 하나는 120도를 이루는 형태를 보여 주고 있다.

이 때, 앞서의 설명에서, 경사진 홈을 가지는 평판 형상을 기본 형상으로 할 때, 서로 90도의 각도를 이루는 한 쌍이 한 주기를 구성하도록 할 경우, 경사진 홈은 서로 교차하는 이중 나선형 유동(double-helical flow)을 생성하며, 이렇게 서로 교차하는 두 개의 유동 형태가 주기적으로 반복될 경우 유체 입자는 카오스적 혼합(chaotic mixing) 특성을 보인다고 알려져 있음을 상기하면, 상기 카오스 유동 유도부(140)는 임의의 하나의 카오스 유동 유도 단위체(145)의 배치 각도를 기준으로 할 때, 상기 하나의 카오스 유동 유도 단위체(145)와 인접한 카오스 유동 유도 단위체(145)의 배치 각도가 상기 하나의 카오스 유동 유도 단위체(145)의 배치 각도와 수직하도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉 이는 도 24(A) 및 (C)에 도시된 배치 형태이다. 물론 이는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)가 경사진 홈을 가지는 평판 형상이 기본이 되는 형상으로 되어 있다는 전제 하에 가장 바람직한 실시예라는 것으로, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)가 다른 형상으로 될 경우 이론적 또는 실험적으로 더욱 나은 배치 각도들의 값이 있다면 그와 같이 선택하여 설계할 수 있음은 당연하다.

상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들이 서로 밀집 배치될수록 카오스 유동의 발생이 활발해질 것이므로, 유입되는 원수의 농도나 농도 변화 구간 등을 고려하여, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)의 이격 간격은 다양하게 적절히 조절 배치될 수 있다. 예를 들어 여과 장치로 여과하려는 원수 농도가 높다면 이격 간격을 좁혀 설계하고, 어느 구간에서는 원수 농도가 높고 어느 구간에서는 농도가 낮다면 농도가 높은 구간에서는 이격 간격을 좁히고 농도가 낮은 구간에서는 이격 간격을 넓히도록 설계하는 등, 다양하게 이격 간격의 설계가 가능하다.

즉, 상기 카오스 유동 유도부(140)는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)가 적어도 하나 이상의 미리 설정된 간격으로 이격 배치되도록 한다. 이를 풀어서 설명하자면 다음과 같다. 예를 들어 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 도 25(A)에서와 같이 모두가 서로 밀접하게 배치된 형태로 이루어져도 된다. 이 경우라면 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는, 0이라는 단일의 값을 갖는 간격으로 이격 배치되는 것이 된다. 또는, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들이 도 25(B)에서와 같이, 동일 간격(즉 어떤 단일의 값을 갖는 간격)으로 이격 배치되게 할 수도 있다. 또는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들은, 도 25(C)에 도시된 바와 같이 2개씩 쌍을 이루어, 어느 두 개는 a의 간격을 갖고 그 다음 두 개는 b의 간격을 가지는 식으로, 미리 결정된 두 값(a, b)의 간격으로 이격 배치되도록 할 수도 있다.

이 때, 상기 카오스 유동 유도부(140)는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 적어도 둘 이상씩 서로 밀접 배치되어 한 세트(set)를 이루며, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)의 각 세트들은 적어도 하나 이상의 미리 설정된 간격으로 이격 배치되는 것이 매우 바람직하다. 도 25(D)에는, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145) 2개가 밀접 배치되어 한 세트를 이루고, 한 세트 내의 각 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 서로 수직하는 배치 각도를 이루며, 각 세트들이 동일 간격으로 이격 배치된 형태가 도시되어 있다. 이 형태는 말하자면 도 25(C)의 실시예에서 a 값을 0으로 한 것이라고 볼 수 있으며, 이 형태가 가장 바람직한 실시예가 될 수 있다.

이는 역시 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)가 경사진 홈을 가지는 평판 형상이 기본이 되는 형상으로 되어 있다는 전제 하에 가장 바람직한 실시예라는 것으로, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)가 다른 형상으로 될 경우 이론적 또는 실험적으로 더욱 나은 이격 간격들의 값이 있다면 그와 같이 선택하여 설계할 수 있음은 당연하다.

더불어, 이와 같이 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들이 서로 이격 배치되는 경우, 상기 카오스 유동 유도부(140)는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)를 이격하여 고정 지지하는 이격 지지체(144)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 이격 지지체(144)는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들의 간격을 적절히 이격시켜 배치한 상태를 고정 지지하는 역할만 하면 되는 바, 그 형상 등에 특별한 제한은 없지만, 물론 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)와 분해 및 조립이 가능하게 이루어져야 함은 당연하다. 또한, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)가 카오스 유동을 발생시키는 등 유체의 흐름에 영향을 주기 위한 구조물이므로, 상기 이격 지지체(144)는 가능한 한 유체의 흐름에 큰 영향을 주지 않는 형태인 것이 적절할 것이다.

경사진 홈을 가지는 평판 형상을 기본 형상으로 할 때, 레이놀즈수의 넓은 범위에 대해서 충분한 카오스 유동 발생을 기대할 수 있고, 더불어 타 형상에 비해 압력 특성이 우수하여 공동 현상(cavitation) 또한 배제할 수 있어 장치 내구성 및 안정성을 향상시킬 수 있다는 것을 앞서 충분히 설명하였다. 이에 따라 본 발명에서는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)의 형상을 (도 13에 도시되어 있는 바와 같은) 경사진 홈을 가지는 평판 형상을 기본 형상으로 하는 형태를 갖는 것으로 제시한다.

이를 보다 구체적으로 설명하자면, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는, 도 26에 도시되어 있는 바와 같이 (상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들의 직렬 배열 방향을 연장 방향이라 할 때) 연장 방향에 나란한 방향으로 형성되는 평면부(141)와, 상기 평면부(141)의 상면 및 하면 각각에 대하여 수직한 방향으로 돌출 형성되는 적어도 하나 이상의 돌출부(142)를 포함하여 이루어진다. 이 때 상기 돌출부(142)들의 사이가 바로 홈(143), 즉 유로 폭(g, 도 13 참조)이 됨은 당연하다.

이 때 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는, 상기 돌출부(142)가 연장 방향에 대하여 0도 내지 90도의 경사 각도를 이루도록 배치된 형태로 형성되도록 한다. 이에 따라 상기 돌출부(142)들에 의하여 형성되는 공간인 상기 홈(143)이 경사지게 형성될 수 있게 된다. 여기에서 경사 각도는 물론 다양하게 설계될 수 있는데, 보다 바람직하게는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 상기 돌출부(142)가 연장 방향에 대하여 30도 내지 60도의 경사 각도를 이루도록 배치된 형태로 형성되도록 한다.

도 26에서는 상기 평면부(141)의 상면에 형성된 상기 돌출부(142)의 경사 각도 및 상기 평면부(141)의 하면에 형성된 상기 돌출부(142)의 경사 각도가 동일한 경우가 도시되어 있다. 물론 이와 같이 형성될 수도 있겠으나, 보다 카오스 유동의 유도가 활발해지도록 하기 위해서는, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 상기 평면부(141)의 상면에 형성된 상기 돌출부(142)와 상기 평면부(141)의 하면에 형성된 상기 돌출부(142)가 서로 다른 경사 각도를 가지도록 배치된 형태로 형성되는 것이 더욱 바람직하다.

앞서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145) 다수 개가 배치되어 상기 카오스 유동 유도부(140)를 형성하기 때문에, 필요한 경우 적절하게 각각의 단위체 간 이격 간격을 조절할 수도 있고, 각각의 단위체 형상을 다르게 형성할 수도 있는 등, 유입 원수의 농도나 흐름 등의 여러 특성에 따라 상기 카오스 유동 유도부(140)의 형상을 변경시키는 것이 매우 용이하다.

이 때 특히, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)가 상술한 바와 같이 상기 평면부(141) 및 상기 돌출부(142)로 이루어지는 경우에는, 기본 형상을 보다 단순화하여 변경이 보다 편리하도록, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 상기 평면부(141) 및 상기 돌출부(142)가 분해 및 조립이 가능하도록 형성되게 할 수 있다. 이러한 분해 및 조립 구조는 매우 간단하게 구현할 수 있는데, 예를 들어 상기 평면부(141)에 홈이 형성되게 하고 상기 돌출부(142) 일측에 끼움부가 형성되게 하여, 상기 돌출부(142)의 끼움부를 상기 평면부(141)의 홈에 끼움으로써 분해 및 조립이 가능하게 할 수 있는 등, 설계자의 편의 등에 따라 이 구조는 다양하게 변경 실시할 수 있다.

더불어, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 상기 평면부(141)에 구비되는 상기 돌출부(142)의 개수를 변경 가능하도록 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 이 역시 형상 변경을 용이하게 하기 위한 것으로서, 이러한 구조 역시 매우 간단하게 구현할 수 있다. 예를 들어 앞서 든 예시와 같이 상기 돌출부(142)의 끼움부를 상기 평면부(141)의 홈에 끼움으로써 분해 및 조립이 가능하게 하는 구조를 채용한 경우, 상기 평면부(141)에 미리 홈을 여러 개 형성시켜 두고, 상기 돌출부(142)를 모든 홈에 꽂거나 또는 적절하게 선택적으로 일부에만 꽂거나 하는 식으로, 상기 돌출부(142)의 개수를 변경 가능하게 하는 구조를 구현할 수 있다.

이와 같이 함으로써, 원수 농도가 높을 경우 보다 활발한 카오스 유동의 유도를 위해서 상기 돌출부(142)의 개수를 늘리고, 원수 농도가 낮을 경우 보다 원활한 흐름을 위해서 상기 돌출부(142)의 개수를 줄여 설계하는 등의 다양한 최적화 설계가 가능하게 된다.

여기에서, 본 발명에서는 앞서 정리된 분석 내용을 토대로 하여 여과 장치에 사용되는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)의 최적 형상을 설계하기 위한 실험을 수행하였다. 도 27 내지 도 29는 상술한 바와 같은 경사진 홈을 가지는 평판 형상을 기본 형상으로 한 제1 내지 제3실시예이다. 도 27 내지 도 29의 각 실시예에서, 홈 즉 유로 폭(g)이 증가하게 되어 있으며, 특히 도 29의 제3실시예는 상기 평면부(141) 상에 상기 돌출부(142)가 단 하나 형성된 형태로서, 즉 유로 폭(g)이 최대화된 형상이 된다. 특히 도 29의 제3실시예에서는, 상기 평면부(141)의 상면에 형성된 상기 돌출부(142)와 상기 평면부(141)의 하면에 형성된 상기 돌출부(142)의 경사 각도가 반대로 되어 있는 형태로 되어 있다.

각 도면에서, (A)는 상면에서 본 모습을, (B)는 측면에서 본 모습을, (C)는 실제 여과 장치에 삽입되는 실시 형태를, (D)는 유동상을 각각 도시한다. 여기에서, 도 27(D), 도 28(D), 도 29(D)의 각 유동상을 살펴보면, 도 29(D)의 유동상이 가장 활발한 카오스 유동 유도가 일어났음을 보여 주고 있다.

이러한 실험 결과를 바탕으로 수류 및 난류에 의한 저항을 최소화하고 와류력을 향상시키도록 함과 동시에, 앞서 설명한 바와 같이 유로 폭(g), 즉 상기 홈(143)이 클수록 카오스 유동 발생 효과가 커짐을 고려하여, 본 발명에서는 도 33과 같은 최적 실시예를 제시한다. 도 33의 최적 실시예에서는, 도 33(A), (B)에 도시되어 있는 바와 같이 상기 돌출부(142)는 상기 평면부(141)의 상면 및 하면 각각에 1개씩만 형성되게 하고, 경사 각도는 45도가 되되 도 33(B)에 도시된 바와 같이 상면 및 하면 각각의 상기 돌출부(142)의 각도가 서로 반대를 향하도록 형성되게 하였다.

한편, 삽입되는 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)의 개수에 따라 발생되는 와류력 및 저항이 다르기 때문에 플럭스(flux) 및 소요 동력의 차이가 발생하게 된다. 저항에 의한 에너지 손실을 줄이고 최대의 와류력을 유지할 수 있는 단위체의 개수를 결정하기 위하여, 100%(단위체 33개), 50%(17개), 33%(11개), 15(5개)%로 각각 다르게 하여 실험하였다. 도 30 내지 도 32는 단위체의 개수에 따른 플럭스, 소요 동력, 손실 수두의 실험 결과를 나타낸 것으로, 이로부터 손실 수두 및 소요 동력 감소 그리고, 플럭스 감소를 고려하여 하나의 모듈 당 유효 단위체를 약 33% 채우는 것이 가장 적합한 것으로 판단되었다. 이러한 실험 결과를 고려하여, 도 33의 최적 실시예에서는 도 33(C)에 도시된 바와 같이 상기 여과 장치(100) 내에 33%의 비율로 수용되도록 이격 간격을 설정하고 있다. 실제 삽입 형태가 도 33(D)에 도시되어 있다.

본 발명에서는 이와 같은 최적 실시예를 사용하였을 경우 실제 수처리 효율을 확인하였다. 도 34는 BCS 유입수(TS 1%)를 대상으로 한 최적 실시예에 따른 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)의 성능 평가 실험 결과로서, 즉 저농도 조건에서의 비교 결과를 나타내고 있는데, 도시된 바와 같이 BCS 유입수를 약 75%까지 농축 운전한 결과 최적 실시예에 따른 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)를 사용할 경우 이를 삽입하지 않았을 때(일반)보다 평균 약 17%의 플럭스(flux)가 향상되고 운전동력이 약 10% 감소되었음을 알 수 있다. 또한, 도 35는 축산 폐수 원액(TS 4.7%)을 대상으로 한 최적 실시예에 따른 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)의 성능 평가 실험 결과로서, 즉 고농도 조건에서의 비교 결과를 나타내고 있는데, 도시된 바와 같이 TS 4.7%의 고농도 축산 폐수 원수를 약 56%까지 농축 운전한 결과 최적 실시예에 따른 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)를 사용할 경우 이를 삽입하지 않았을 때(일반)보다 평균 약 50%의 플럭스(flux)가 향상되고 운전동력이 약 5% 감소되었음을 알 수 있다.

도 36은 이러한 실험 결과를 다시 정리하여 보다 확실하게 비교한 그래프로, 최적 실시예에 따른 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)를 사용할 경우 이를 삽입하지 않았을 때(일반)보다, TS 1%인 BCS 유입수(저농도)에서는 플럭스 17% 향상 / 소모 동력은 약 10% 감소의 효과가 나타났고, TS가 4.7%인 축산 폐수 원수(고농도)에서는 플럭스 평균 50% 향상 / 소모 동력 약 6%의 효과가 나타났다. 즉, 최적 실시예에 따른 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)의 성능 평가 결과, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)에 의해 발생되는 와류력에 의하여 고농도로 유입 시료의 농도가 상승할수록 처리수의 플럭스가 증가함을 확인할 수 있었다.

* * *

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: (본 발명의) 여과 장치 110: 유통부
120: 분리막 130: 수용부
140: 카오스 유동 유도체 141: 평면부
142: 돌출부 143: 홈
144: 이격 지지체 145: 카오스 유동 유도 단위체

Claims

원수가 유입되어 유통되는 적어도 하나 이상의 유통부(110); 상기 유통부(110)의 벽면에 지지되도록 구비되어, 상기 유통부(110)로 유입된 원수를 통과시켜 여과하는 분리막(120); 상기 유통부(110)를 그 내부에 수용하며, 원수가 상기 분리막(120)에 의해 여과되어 만들어진 여과수가 유통되어 배출되는 수용부(130); 를 포함하여 이루어지는 여과 장치(100)에 있어서,
상기 여과 장치(100)의 연장 방향을 따라 흐르는 유체 흐름 방향을 주 흐름 방향이라 할 때,
상기 유통부(110) 내부에 고정 배치되며, 서로 분리 가능한 다수 개의 카오스 유동 유도 단위체(145)가 주 흐름 방향을 따라 직렬 배치되어 적어도 1열을 이루며 형성되어 이루어지는 카오스 유동 유도부(140); 를 포함하여 이루어지고,
상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는, 카오스 유동(chaos flow)을 발생시키도록, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들의 직렬 배열 방향을 연장 방향이라 할 때, 연장 방향에 나란한 방향으로 형성되는 평면부(141)와, 상기 평면부(141)의 상면 및 하면 각각으로부터 돌출 형성되는 적어도 하나 이상의 돌출부(142)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 1항에 있어서, 상기 카오스 유동 유도부(140)는
상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들의 직렬 배열 방향을 연장 방향이라 하고, 연장 방향에서 바라보는 방향을 전방이라 하고, 전방에서 볼 때 상기 평면부(141)가 회전 배치된 각도를 배치 각도(θ)라 할 때,
연장 방향에서 볼 때의 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)들의 배치 각도(θ)가 적어도 하나 이상의 값을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 2항에 있어서, 상기 카오스 유동 유도부(140)는
임의의 하나의 카오스 유동 유도 단위체(145)의 배치 각도(θ)를 기준으로 할 때, 상기 하나의 카오스 유동 유도 단위체(145)와 인접한 카오스 유동 유도 단위체(145)의 배치 각도(θ)가 상기 하나의 카오스 유동 유도 단위체(145)의 배치 각도(θ)와 수직하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 1항에 있어서, 상기 카오스 유동 유도부(140)는
상기 카오스 유동 유도 단위체(145)가 적어도 하나 이상의 미리 설정된 간격으로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 1항에 있어서, 상기 카오스 유동 유도부(140)는
상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는 적어도 둘 이상씩 서로 밀접 배치되어 한 세트(set)를 이루며, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)의 각 세트들은 적어도 하나 이상의 미리 설정된 간격으로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 카오스 유동 유도부(140)는
상기 카오스 유동 유도 단위체(145)를 이격하여 고정 지지하는 이격 지지체(144)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는
상기 돌출부(142)가 연장 방향에 대하여 0도 내지 90도의 경사 각도를 이루도록 배치된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 8항에 있어서, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는
상기 돌출부(142)가 연장 방향에 대하여 30도 내지 60도의 경사 각도를 이루도록 배치된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 8항에 있어서, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는
상기 평면부(141)의 상면에 형성된 상기 돌출부(142)와 상기 평면부(141)의 하면에 형성된 상기 돌출부(142)가 서로 다른 경사 각도를 가지도록 배치된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 1항에 있어서, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는
상기 평면부(141) 및 상기 돌출부(142)가 분해 및 조립이 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
제 11항에 있어서, 상기 카오스 유동 유도 단위체(145)는
상기 평면부(141)에 구비되는 상기 돌출부(142)의 개수를 변경 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.