KR101348112B1

KR101348112B1 - 코안다 효과를 이용하는 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조

Info

Publication number: KR101348112B1
Application number: KR1020130123633A
Authority: KR
Inventors: 홍섭; 최종수; 김형우; 여태경; 이민욱
Original assignee: 한국해양과학기술원
Priority date: 2013-10-16
Filing date: 2013-10-16
Publication date: 2014-01-09

Abstract

본 발명은 망간단괴 집광로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 심해저를 주행하면서 망간단괴를 채집하는 코안다 효과를 이용하는 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 채집 장치부의 상단에 구비되어 물유량을 공급하는 물펌프, 채집 장치부의 하단에 구비되어 물펌프로부터 물유량을 공급받고 토출하는 물제트 분사노즐, 물펌프에 연동되고, 분기되어 물제트 분사노즐로 물유량을 공급하는 물제트 배관, 물제트 분사노즐로부터 물제트를 공급받아, 해수의 유동을 형성하고, 확산을 발생시키기 위해 곡률반경을 갖는 유동판을 포함한다.

Description

코안다 효과를 이용하는 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조{GATHERING PART STRUCTURE OF COLLECTING ROBOT FOR COLLECTING DEEP-SEABED MANGANESE NODULES USING COANDA EFFECT}

본 발명은 망간단괴 집광로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 심해저를 주행하면서 망간단괴를 채집하기 위한 코안다 효과를 이용하는 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조에 관한 것이다.

심해저 광물 자원은 크게 해저열수광상, 망간단괴, 망간각 등이 있으며, 전 세계적으로 본격 생산을 위한 시장진입 단계에 있다.

특히, 망간단괴는 구리, 코발트, 니켈, 망간 등을 함유하고 있는 다금속단괴인데, 이 중 망간의 함유량이 가장 많으며, 감자 같은 덩어리 모양을 하고 있어서 '망간단괴'라 칭한다. 크기는 평균 40~60㎜의 직경을 가지고 있으며, 보통 상어의 이빨이나 망간단괴의 파편, 돌멩이와 같은 핵을 중심으로 동심원상의 구조로 형성된다.

이와 같은 망간단괴는 산업적으로 가치가 커서 1970년대 말에 OMI(Ocean Management Incorporated) 등에서 심해저에서 채광하는 연구가 진행되고 있다. 채광시스템에 관해서는 여러 가지 방법들이 제시되어 있다.

하기의 선행기술문헌에 기재된 특허문헌은 대한민국 공개특허 제10-2011-0045135호(2011년 05월 04일 공개)는 채광모선으로부터 제어부로 원격 제어되며 무한궤도의 주행장치에 의하여 이동되는 본체와, 상기 본체의 전면측에 설치되며 실린더 아암에 의하여 전, 후진 이동되면서 광물을 채광 및 1차 파쇄하게 되는 채광 로울러와, 상기 채광 로울러에 의하여 채광된 광물의 수집과 함께 광물의 2차 파쇄가 이루어지도록 상기 본체의 전면 하단으로 돌출 설치되는 광물수거부와, 상기 광물수거부로부터 수집된 광물을 이송하도록 상기 본체에 형성되는 이송로와, 상기 이송로의 단부측에 설치되어 광물의 수집이 흡입 작용으로 이루어지도록 돕는 수력흡입펌프를 포함하는 심해저 광물의 채광장치를 개시하고 있다.

그러나 심해저면에 분포되어있는 망간단괴를 용이하게 채집하기 위해 코안다 효과를 이용하여 망간단괴를 부양 이송시키는 기술에 대해서는 개시하고 있지 않다.

특허번호: 대한민국 공개특허 제10-2011-0045135호(2011년 05월 04일 공개) 특허명칭: 심해저 광물의 채광장치

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 특히 심해저면에 분포된 망간단괴를 용이하게 채집하기 위하여, 채집 장치부의 하면에 곡률을 주고 물제트를 분사시킴으로써 코안다 효과를 유발하여, 망간단괴를 덕트로 용이하게 부양 이송시키기 위한 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조를 제공하는 것이다.

이를 위해 본 발명에 따르는 코안다 효과를 이용하는 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조는, 채집 장치부의 상단에 구비되어, 물유량을 공급하는 물펌프, 채집 장치부의 하단에 구비되어, 물펌프로부터 물유량을 공급받아 토출하는 물제트 분사노즐, 물펌프에 연동되고, 분기되어 물제트 분사노즐로 물유량을 공급하는 물제트 배관, 물제트 분사노즐로부터 물제트를 공급받아, 해수의 유동을 형성하고, 확산을 발생시키기 위해 곡률반경을 갖는 유동판을 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 물제트 분사노즐은 분사노즐이 확산의 1/6 내지 1/3 범위 중 어느 하나의 토출구 상하 폭을 가지며, 물제트 분사노즐은 사각형 형상, 원형 형상, 타원형 형상 중 어느 하나의 형상의 토출구 형상이고, 곡률반경은 제1 곡률반경과 제2 곡률반경이다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 제1 곡률반경은 제2 곡률반경보다 작으며, 미부양된 망간단괴를 집광로봇의 내부로 유입시키기 위해 유동판의 아래에 보조수단을 더 구비하고, 보조수단은 전단부가 해저면과 밀착되어 후단부로 갈수록 높이가 점차 상승하는 갈퀴 형상을 가지며, 집광로봇의 진행방향에 있는 망간단괴의 하부를 들어올려 집광로봇의 내부로 유입시킨다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 채집 장치부는 자세를 제어하는 자세제어 장치를 더 포함하고, 유동판은 망간단괴 지름의 2배 내지 3배 중 어느 하나의 높이로 지면과의 거리를 갖는다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 윈칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 채집 장치부의 부양장치에 구비되는 유동판에 일정한 곡률을 갖도록 함으로써, 분사노즐로부터 유동판 방향으로 분사되는 해수에 의해 코안다 효과의 발생을 유발하여, 심해저면의 망간단괴를 용이하게 채집하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따르는 심해저 망간단괴 집광로봇의 구성을 보여주는 사시도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따르는 채집 장치부의 구조를 보여주는 평면도.
도 3은 도 2의 A-A 단면도.
도 4는 도 2의 사시도이고.
도 5는 도 2를 아래에서 본 사시도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따르는 채집 장치부의 하단을 자세하게 보여주는 확대 단면도.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따르는 채집 장치부의 아래를 자세하게 보여주는 평면도.
도 8은 도 7의 A-A 단면도.
도 9 및 도 10은 도 8의 사시도.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따르는 물제트 분사노즐을 확대하여 보여주는 확대도.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따르는 유동판의 구조를 보여주는 예시도.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따르는 분사노즐과 유동판의 설계를 위한 실험예시 그래프.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따르는 레이크를 보여주는 사진.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, “제1”, “제2”, 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

도 1 내지 도 14의 동일 부재에 대해서는 동일한 도면 번호를 기재하였다.

본 발명의 기본 원리는 심해저 집광로봇채집 장치부의 곡률을 가진 유동판에 물제트를 분사하여 코안다 효과를 유발시킴으로써, 심해저면의 망간단괴를 용이하게 채집하는 것이다.

아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

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

도 1은 본 발명의 실시 예에 따르는 심해저 망간단괴 집광로봇의 구성을 보여주는 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따르는 코안다 효과를 이용하여 망간단괴를 채집하는 심해저 망간단괴 집광로봇(100)은 다수의 주행 장치부(110), 채집 장치부(120), 송출 장치부(130), 동력제어 계측부(140) 구조 프레임(150), 및 부력부(160)를 포함한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따르는 코안다 효과를 이용하여 망간단괴를 채집하는 심해저 망간단괴 집광로봇(100)을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

우선, 주행 장치부(110)는 서로 병렬로 탈착 가능하도록 배치된다.

그리고 채집 장치부(120)는 다수의 주행 장치부(110) 전단에 설치되며, 물제트 유동을 형성시키고, 확산시킨다. 이에 따라 코안다 효과가 유발되어 심해저의 망간단괴를 용이하게 부양시켜 집광로봇(100)의 내부로 유입시킨다.

송출 장치부(130)는 다수의 주행 장치부(110) 상부에 설치되며, 채집되는 망간단괴를 일정 크기 이하로 파쇄하여 외부로 송출한다.

동력제어 계측부(140)는 다수의 주행 장치부(110) 상부에 설치되며, 주행 장치부(110)로 동력을 제공하고, 채집 장치부(120) 및 송출 장치부(130)의 구동을 제어한다.

구조 프레임(150)은 각 주행 장치부(110)를 연결하고, 채집 장치부(120)와 송출 장치부(130) 및 동력제어 계측부(140)를 지지한다.

그리고 구조 프레임(150)의 상단에는 부력부(160)가 설치된다.

여기서 채집 장치부(120)는 심해저에 분포된 망간단괴를 효과적으로 부양시켜 집광로봇(100)의 내부로 유입시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따르는 채집 장치부(120)의 구조를 보여주는 평면도이고, 도 3은 도 2의 A-A 단면도이며, 도 4는 도 2의 사시도이고, 도 5는 도 2를 하부에서 본 사시도이다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따르는 채집 장치부(120)는 물펌프(121), 물제트 배관(122), 이송덕트(123), 물제트 분사노즐(124), 유동판(125), 자세제어 실런더(126), 레이크(127), 및 안착 프레임(128)을 포함한다.

도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따르는 채집 장치부(120)를 상세하면 다음과 같다.

우선 채집 장치부(120)의 상부에는 물펌프(121)가 구비된다.

물펌프(121)는 물제트 배관(122)이 분기되어 물제트 분사노즐(124)과 연동된다.

즉 물펌프(121)는 해수를 펌핑하여 물제트 배관(122)을 통해 물제트 분사노즐(124)로 공급한다.

물제트 분사노즐(124)은 물펌프(121)로부터 제공되는 물제트를 유동판(125) 방향으로 분사시킨다. 그러면 유동판(125)에서는 해수의 유동이 형성되고, 확산이 발생한다.

이와 같이 발생되는 코안다 효과(Coanda Effect)에 의해 해저면의 망간단괴를 용이하게 부양하여 이송덕트(123)의 내부로 유입시킨다.

여기서 이송덕트(123)의 내부로 비유입되는 망간단괴는 레이크(127)에 의해 이송덕트(123)의 내부로 유입된다.

그리고 안착 프레임(128)에는 복수 개의 채집 장치부(120)가 병렬로 안착되도록 구성될 수 있다.

한편, 자세제어 장치(126)는 채집 장치부(120)의 자세를 제어하여 망간단괴의 유입을 보다 용이하게 할 수 있는 역할을 수행한다.

특히 유동판(125)은 코안다 효과를 유발시키기 위해 일정한 곡률반경을 갖는 것이 바람직하다.

따라서 효과적인 코안다 효과를 발생시키기 위해서는 유동판(125)의 설계가 중요하다. 이를 상세하기 위하여 다음의 도 6 내지 도 11을 참조한다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따르는 채집 장치부(120)의 하단을 자세하게 보여주는 확대 단면도이고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따르는 채집 장치부(120)의 하부를 자세하게 보여주는 평면도이고, 도 8은 도 7의 A-A 단면도이고, 도 9 및 도 10은 도 8의 사시도이고, 도 11은 본 발명의 실시 예에 따르는 물제트 분사노즐을 확대하여 보여주는 확대도이다.

도 6 내지 도 11을 참조하면, 물제트 분사노즐(124)에 의해 유동판(125)에서 코안다 효과를 유발시키기 위해서는 물제트 분사노즐(124)과 유동판(125)은 일정한 관계가 필요하다.

이를 상세하기 위하여 도 12 및 도 13을 참조하여 설명한다.

도 12는 본 발명의 실시 예에 따르는 유동판(125)의 구조를 보여주는 예시도이다.

도 12와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르는 유동판(125)은 초두에 물제트 분사노즐(124)이 구비된다.

우선, 물펌프(121)는 해수를 물제트(hydraulic jet) 분사노즐(124)로 펌핑하여 물제트 분사노즐(124)에서 토출되는 해수에 일정한 속도를 부가한다.

그러면, 물제트 분사노즐(124)은 해수를 유동판(125)으로 토출한다.

도 12를 참조하면, 망간단괴(B)가 지름 60mm의 구형태로 가정하면, 해저면과 유동판(125)의 거리(d)는 망간단괴(B) 높이의 두 배 내지 세 배정도인 120mm 내지 180mm가 되는 것이 바람직하다. 여기서 해저면은 해저의 지면을 의미한다.

즉, 해저면과 유동판(125)의 거리를 d라고 하고, 망간단괴의 지름을 m이라고 가정하면, d와 m 사이에는 다음의 2m ≤ d ≤ 3m과 같은 관계식이 성립한다.

다음의 도 13은 본 발명의 실시 예에 따르는 분사노즐(124)과 유동판(125)의 설계를 위한 실험예시 그래프이다.

즉, 도 13은 다음의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 실험예시를 통해 실증하여 나타낸 그래프이다.

[수학식 1]

[수학식 2]

도 13에서 b는 물제트의 제트 반폭(half jet width)을 의미한다.

이와 같이 설계되면, 물제트 분사노즐(124)에서 토출되는 해수가 유동판(125)을 따라 흐르면서 코안다 효과가 발생한다.

특히, 본 발명의 실시 예에 따르면 물제트 분사노즐(124)의 토출구(a) 상하 폭(h)은 확산폭에 의해 결정되는 것이 바람직하다.

즉, 확산폭은 각각의 물제트 분사노즐(124)의 토출구(a) 상하 폭(h)의 3 내지 6배가 되는 것이 바람직하다.

이와 같이 물제트 분사노즐(124)의 토출구 상하 폭(h)을 결정하여 상대적으로 적은 유량으로 효과적인 부양력을 얻을 수 있다.

즉, 각각의 물제트 분사노즐(124)의 토출구(a)의 상하 폭(h)은 확산폭의 1/3로 결정되는 것이 바람직하며, 일 예로 확산폭을 60mm로 상정하는 경우, 각각의 분사노즐(122)의 토출구 상하 폭(h)은 20mm로 결정할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 물제트 분사노즐(124)의 토출구(a)의 상하 폭(h)은 확산폭의 1/3로 결정하였으나, 1/6 내지 1/3의 범위 중 어느 하나의 범위값 중에서 하나로 결정하는 것이 바람직하다.

유동판(125)은 코안다 효과가 발생하도록 일정한 곡률(R1)을 갖는 것이 바람직하다.

그리고 망간단괴(B)를 부양하기 위한 망간단괴(B) 상부의 효과적인 위치는 제트 반폭(half jet width) 부근으로 예상할 수 있다.

한편, 미부양된 망간단괴(B)는 레이크(rake)(127)에 의해 이송덕트(123)의 내부로 유입시킨다.

도 14는 본 발명의 실시 예에 따르는 레이크(127)를 보여주는 사진이다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따르는 레이크(127)는 유동판(125)의 하부에 체결 구비되어 미부양된 망간단괴(B)를 덕트로 유입시키는 역할을 한다.

여기서 레이크(127)는 전단부가 해저면과 밀착되어 후단부로 갈수록 높이가 점차 상승하는 갈퀴 형상을 갖는다. 여기서 갈퀴 형상의 이점으로는 해저면의 진흙과 같은 불순물을 용이하게 후방으로 배출할 수 있다.

따라서, 집광로봇(100)의 진행방향에 있는 망간단괴(B)를 들어올림으로써 미유입된 망간단괴(B)를 집광로봇(100)의 내부로 유입시킬 수 있다.

채집 장치부(120)의 유동판(125)에 일정한 곡률을 갖도록 함으로써, 물제트 분사노즐(124)로부터 분사되는 해수에 의해 코안다 효과의 발생을 유발하여 심해저면의 망간단괴를 용이하게 채집할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

100: 집광로봇 110: 주행 장치부
120: 채집 장치부 130: 송출 장치부
140: 동력제어 계측부 150: 구조 프레임
160: 부력부 121: 물펌프
122: 물제트 배관 123: 이송덕트
124: 분사노즐 125: 유동판
126: 자세제어 장치 127: 레이크
128: 안착 프레임

Claims

심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조에 있어서,
상기 채집 장치부의 상단에 구비되어, 물유량을 공급하는 물펌프;
상기 채집 장치부의 하단에 구비되어, 상기 물펌프로부터 물유량을 공급받아 토출하는 물제트 분사노즐;
상기 물펌프에 연동되고, 분기되어 상기 물제트 분사노즐로 물유량을 공급하는 물제트 배관;
상기 물제트 분사노즐로부터 물제트를 공급받아, 해수의 유동을 형성하고, 확산을 발생시키기 위해 곡률반경을 갖는 유동판
을 포함하는 코안다 효과를 이용하는 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조.
청구항 1에 있어서, 상기 물제트 분사노즐은
분사노즐이 상기 확산의 1/6 내지 1/3 범위 중 어느 하나의 토출구 상하 폭을 갖는 것
을 특징으로 하는 코안다 효과를 이용하는 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조.
.
청구항 1 또는 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물제트 분사노즐은
사각형 형상, 원형 형상, 타원형 형상 중 어느 하나의 형상의 토출구 형상을 가지는 것
을 특징으로 하는 코안다 효과를 이용하는 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조.
청구항 1에 있어서, 상기 곡률반경은
제1 곡률반경과 제2 곡률반경인 것
을 특징으로 하는 코안다 효과를 이용하는 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조.
청구항 4에 있어서, 상기 제1 곡률반경은
상기 제2 곡률반경보다 작은 것
을 특징으로 코안다 효과를 이용하는 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조.
청구항 1에 있어서,
미부양된 상기 망간단괴를 상기 집광로봇의 내부로 유입시키기 위해 상기 유동판의 아래에 보조수단을 더 구비하는 것
을 특징으로 하는 코안다 효과를 이용하는 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조.
청구항 6에 있어서, 상기 보조수단은
전단부가 해저면과 밀착되어 후단부로 갈수록 높이가 점차 상승하는 갈퀴 형상을 가지며,
상기 집광로봇의 진행방향에 있는 상기 망간단괴의 하부를 들어올려 상기 집광로봇의 내부로 유입시키는 것
을 특징으로 하는 코안다 효과를 이용하는 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 채집 장치부의 자세를 제어하는 자세제어 장치를 더 포함하는 것
을 특징으로 하는 코안다 효과를 이용하는 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조.
청구항 1에 있어서, 상기 유동판은
상기 망간단괴 지름의 2배 내지 3배 중 어느 하나의 높이로 지면과의 거리를 갖는 것
을 특징으로 하는 코안다 효과를 이용하는 심해저 망간단괴 집광로봇의 채집 장치부 구조.