KR101726160B1 - 무동력 자동세척 필터링장치용 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무동력 자동세척 필터링장치에 적용되는 임펠러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로 버블의 생성량을 증가시켜 필터의 세척력을 크게 향상시킬 수 있는 무동력 자동세척 필터링장치용 임펠러에 관한 것이다. 이에 따른 본 발명의 무동력 자동세척 필터링장치용 임펠러 유입되는 원수의 유동으로 회전 구동되며 필터부 내부에 마이크로 버블(micro bubble)과 사이클론 유동(cyclone flow)을 발생시키는 무동력 자동세척 필터링장치용 임펠러에 있어서, 상기 임펠러의 축선과 블레이드면이 이루는 각(받음각;β)이 60°∼70°범위 내, 블레이드 개수는 5∼7개 범위 내, 상기 임펠러 블레이드의 최대 직경(D1)과 코어의 최대 직경(D2) 간의 비율(D2/D1)이 0.678±15% 범위 내에 존재하고, 블레이드의 최대 직경(D1)과 코어의 높이(H) 간의 비율(H/D1)이 0.305±15% 범위 내에 존재하며, 축선과 코어의 측면이 이루는 경사각(α)이 18.4°±15% 범위 내에 존재하는 것을 특징으로 한다.

Description

무동력 자동세척 필터링장치용 임펠러{Impeller for non-motorized auto-cleaning filter device}

본 발명은 무동력 자동세척 필터링장치에 적용되는 임펠러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사이클론 유동 및 마이크로 버블의 생성량을 증가시켜 필터의 세척력을 크게 향상시킬 수 있는 무동력 자동세척 필터링장치용 임펠러 구조에 관한 것이다.

일반적으로 대부분의 정유 산업 및 화학 산업, 화력 및 원자력 발전 산업, 수처리 산업 등의 생산 공정이나 각종 시설에서는 액체 상태인 유체의 전달을 필요로 한다.

이때 사용되는 유체에 이물질의 포함 여부가 해당 생산 공정의 수율 및 성능에 미치는 영향이 클 뿐만 아니라, 배관 및 기계요소들의 내부 오염 여부도 결정하므로 시스템의 성능에 많은 영향을 미치게 된다. 이 때문에 이물질을 포함하고 있는 유체는 충분히 필터링된 고순도의 유체로 공급되어져야 한다.

그러나 이러한 필터는 장기간에 걸쳐 사용하는 경우 원수로부터 걸러진 이물질에 의해 필터의 스크린(screen)이 막히는 현상이 발생하게 된다. 이렇게 필터의 스크린이 막히게 되면 필터가 장착된 시스템을 정지시키고, 그 필터를 세척하거나 교체한 후 다시 장착하여 가동을 해야 하기 때문에 처리 효율이 급격히 떨어지게 된다. 또한 필터 교체 작업이 필요한 경우 필터를 교환한다는 것은 그만큼 비용을 증가시키는 것이 되어 유지비용의 부담이 커지는 문제가 있다. 또한, 필터를 장착한 시스템의 경우 시스템 특성상 필터 교체 시점에 정지가 불가한 상황이 발생할 수 있다.

현재에는 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 자동세척 필터링 시스템이 개발되어 판매되고 있다. 이러한 자동세척 필터링 시스템은 크게 형태별로 가압 역세척 방식과, 기계적 세척 방식, 베르누이 방식을 이용한 압력차 방식 등으로 구분된다.

먼저 가압 역세척 방식은 펌프 및 실린더 등을 통해 여과액의 일부를 필터에 역으로 유동시켜 줌으로써 필터에 걸러진 이물질들을 세척하는 방식이다. 그러나, 이러한 가압 역세척 방식은 가압 역세척 구동력을 확보하기 위하여 펌프 및 실린더 등의 구동 요소가 필수적으로 구비되어야 하기 때문에 에너지 소비를 증가시키는 문제가 있다. 또한, 역세척 방식의 경우 이물질의 일부만이 세척이 되어 세척 성능이 떨어지는 단점이 있고, 세척하는 동안 시스템의 운전을 정지해야만 하는 단점도 있다.

기계적 세척 방식은 필터를 회전시켜 필터 내측 또는 외측에 설치된 스크래퍼(scraper) 또는 브러시(brush)를 통해 필터에 걸러진 이물질을 긁어 탈착시키는 방식으로, 이 경우에는 필터를 회전시켜야 하는 별도의 구동 장치가 필요하기 때문에 에너지 소비가 증가되고 구동장치에 의한 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 베르누이 원리를 이용한 압력차 방식은 필터 내측으로 일정 간극을 갖는 원판의 디스크(disk)를 위아래로 움직여 줌으로써 여과될 유체가 상기 간극 사이로 빠른 속도로 흐를 시, 압력이 낮아지는 베르누이 원리를 이용한 방식이다. 이러한 방식은 필터 내측이 일시적으로 압력이 낮아지면 필터 외측에서 내측으로 세정수가 역으로 유입되면서 필터에 걸러진 이물질을 탈착시키는 자동세척 방식이다.

그러나, 이러한 베르누이 원리를 이용한 압력차 방식의 경우에는 원판 디스크가 하부로 움직이면서 원수의 유동 면적을 일시적으로 감소시키기 때문에 펌프의 부하를 증가시켜 펌프에 무리를 줄 뿐만 아니라, 일시적으로 불규칙적인 여과액 공급을 가져오게 되어, 에너지 소비 증가 및 신뢰성 저하의 원인이 되고, 세척력 또한 미흡하다는 단점이 있다.

이러한 종래의 자동세척 필터링 시스템이 가지는 제반의 문제점들을 개선하고자, 본 출원에 의해 선출원된 특허등록 제10-0553146호(2015.09.08)의 '무동력 자동세척 필터링장치'에서는 필터링장치의 유입구로 유입되는 원수의 유동력에 의해 회전되는 임펠러(impeller)가 장착되어 필터 내로 유입된 원수의 사이클론(cyclon) 회전을 유발시키고, 임펠러를 통과한 원수가 압력이 감소되면서 원수 중에 용존되어 있던 공기 기포를 마이크로 버블(micro bubble) 형태로 발생시켜 이를 통해 필터를 세척하도록 구성되어 있다.

즉, 필터링장치가 정상 운전될 경우 세척수단의 수용체를 폐쇄하고 있던 임펠러가 차압감지부에 의하여 감지된 필터 전·후단의 차압이 일정 수준의 차압에 이르게 되는 경우 필터하우징의 유입구까지 하강하여 수용체가 개방되면, 수용체에 내장되어 있던 세척볼들이 하강하여 필터부 내부로 인입되고, 필터부 내부로 유입되는 원수에 의한 유동으로 임펠러가 회전하면서 필터부 내부에 사이클론 유동이 유도되어, 이 사이클론 유동에 의해 필터부 내부로 인입된 세척볼들에 선회력을 발생시키고, 세척볼들과 필터부 간의 마찰을 통해 필터부의 이물질을 제거함으로써 무동력에 의한 세척력을 확보하고, 이에 따른 에너지 절감효과도 도모할 수 있도록 하였다.

그러나, 이러한 무동력 자동세척 필터링장치 내에는 유입되는 원수의 유동력에 의해 회전되어 필터부 내부에서 사이클론 유동을 발생시키는 임펠러가 장착되는데, 임펠러가 가지고 있는 형상에 따라 필터 내부에서의 사이클론 유동 및 마이크로 버블 생성량이 달라지게 때문에 필터부의 세척력 또한 달라질 수 있다.

즉, 종래의 무동력 자동세척 필터링장치 내에 장착되는 임펠러 형상은 세척력 향상에 최적화된 형상으로 이루어져 있지 않았기 때문에 사이클론 유동 및 마이크로 버블 발생량을 일정수준 이상으로 크게 증가시키지 못하게 되어 세척력 향상에 크게 기여하지 못하게 되는 한계가 있었다. 이에 따라, 필터 내부에서 사이클론 유동속도 및 마이크로 버블 생성량을 증가시켜 세척력을 극대화시킬 수 있는 최적화된 형상을 갖는 임펠러가 절실히 요구되고 있다.

특허등록 제10-0553146호(2015.09.08)

본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는, 기존의 무동력 자동세척 필터링장치에 사용되던 2가지 타입의 임펠러 구조로부터 몸체의 직경 비율, 블레이드의 받음각, 블레이드의 개수 등의 다수의 파라미터별로 실험 및 검증을 통해 세척효과를 극대화할 수 있는 최적화된 임펠러의 형상을 도출해냄으로써, 원수의 유동력에 의한 임펠러의 회전시 사이클론 유동속도 및 마이크로 버블 생성량을 증가시켜 필터의 세척력 향상에 크게 기여할 수 있도록 하는 무동력 자동세척 필터링장치용 임펠러를 제공하는 데에 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 무동력 자동세척 필터링장치용 최적화된 형상의 임펠러는, 유입되는 원수의 유동으로 회전 구동되며 필터부 내부에 마이크로 버블(micro bubble)과 사이클론 유동(cyclone flow)을 발생시키는 무동력 자동세척 필터링장치용 임펠러에 있어서, 상기 임펠러의 축선과 블레이드면이 이루는 각(받음각;β)이 60°∼70°범위 내의 형상으로 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 임펠러의 블레이드의 개수는 5∼7개 범위 내의 개수를 갖도록 구성하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 임펠러 블레이드의 최대 직경(D1)과 코어의 최대 직경(D2) 간의 비율(D2/D1)이 0.678±15% 범위 내에 존재하고, 블레이드의 최대 직경(D1)과 코어의 높이(H) 간의 비율(H/D1)이 0.305±15% 범위 내에 존재하며, 축선과 코어의 측면이 이루는 경사각(α)이 18.4°±15% 범위 내에 존재하도록 형성될 수 있다.

상기한 본 발명의 무동력 자동세척 필터링장치용 임펠러 형상에 따르면, 기존 무동력 자동세척 필터링장치에 적용되던 2가지 타입의 임펠러의 기본 형상에 기초하여 사이클론 유동에 영향을 미치는 주요 파라미터들(몸체 직경 비율, 블레이드의 받음각, 블레이드의 개수)의 수준 수를 변경하면서 유동해석을 실시하여 세척력 향상에 기여할 수 있는 최적의 임펠러 파라미터 값을 도출해내는 한편, 이를 실험을 통해 검증함으로써, 무동력 자동세척 필터링장치를 이용한 필터의 자동세척시 필터의 세척효과를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 무동력 자동세척 필러팅장치를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 무동력 자동세척 필터링장치에 적용되는 A, B 타입 임펠러 구조를 보여주는 사시도.
도 3은 A, B 타입 임펠러의 공통된 주요 형상 파라미터를 보여주는 단면도.
도 4는 A 타입 임펠러의 형상 파라미터별 임펠러 전·후단 압력강하 해석결과를 보여주는 표와 그래프.
도 5는 A 타입 임펠러의 형상 파라미터별 임펠러 회전수에 대한 해석결과를 보여주는 표와 그래프.
도 6은 A 타입 임펠러의 형상 파라미터별 스크린 필터 면에서 유체의 사이클론 유동속도의 해석결과를 보여주는 표와 그래프.
도 7은 B 타입 임펠러의 형상 파라미터별 임펠러 전·후단 압력강하 해석결과를 보여주는 표와 그래프.
도 8은 B 타입 임펠러의 형상 파라미터별 임펠러의 회전수에 대한 해석결과를 보여주는 표와 그래프.
도 9는 B 타입 임펠러의 형상 파라미터별 스크린 필터 면에서 유체의 사이클론 유동속도의 해석결과를 보여주는 표와 그래프.
도 10은 원수의 유량에 따른 각 임펠러 타입별 사이클론 유동속도에 대한 실험결과를 종합적으로 보여주는 그래프
도 11은 원수의 유량에 따른 각 임펠러 타입별 마이크로 버블 형성량에 대한 실험결과를 보여주는 그래프.

이하, 본 발명에 따른 무동력 자동세척 필터링장치와, 이 필터링장치에 설치되는 세척력 향상을 위한 최적화된 임펠러 형상에 대한 실험 및 검증 과정을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 무동력 자동세척 필러링 장치를 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 무동력 자동세척 필터링장치는, 필터하우징(10)과, 필터하우징(10)에 수납되는 필터부(20)와, 유입부(11)와 필터부(20) 상호간의 차압을 감지하는 차압감지부(30)와, 세척볼(41)이 구비된 세척수단(40)을 포함하여 구성된다.

필터하우징(10)은 하단에 원수가 유입되는 유입부(11)가 형성되고, 측면에는 필터부(20)에 의하여 여과된 여과수가 토출되는 배출부(13)가 형성되며, 필터하우징(10)의 유입부(11)에는 원수의 유입을 위한 공급관이 연결된다.

필터부(20)는 필터하우징(10)의 내부에 내장되어, 그 내부로 유입된 원수가 측방향으로 토출되어 필터하우징(10)의 배출부(13)로 토출될 수 있도록 구성된다. 이때, 필터부(20)의 외측면과 필터하우징(10)의 내측면 사이에는 필터부(20)를 거쳐 여과된 여과수가 배출되는 배출유로(F)가 형성된다.

따라서 필터하우징(10)의 유입부(11)를 통하여 필터부(20)로 유입되는 원수는 필터부(20) 내부와 배출유로(F) 간의 압력 차이로 인하여 필터부(20)의 외측으로 여과되어 토출되고, 이렇게 토출된 여과수는 배출유로(F)를 통하여 배출부(13)로 토출된다.

차압감지부(30)는 필터하우징(10)의 유입부(11)와 필터부(20) 간의 차압을 감지하고, 이 차압에 따라 세척수단(40)을 가동시켜 자동세척이 가능하도록 구성된다.

이 차압감지부(30)는 필터하우징(10)에 구비된 컨트롤유닛(C)에 장착되고, 이 컨트롤유닛(C)은 이물질 토출밸브(50)와 세척수단(40)의 구동부(47)에 연결된다.

따라서, 필터하우징(10)의 유입부(11)와 필터부(20) 간의 차압이 일정 차압에 이르면, 즉 필터부(20)의 압력이 이물질 등에 의하여 상승하는 경우, 차압은 점점 커지게 되고, 이때 세척시점을 자동으로 파악하여 컨트롤유닛(C)이 토출밸브(50)와 세척수단(40)의 구동부(47)를 동시에 작동시키게 된다.

세척수단(40)은 차압감지부(30)에 의한 차압이 일정 차압에 이르면 작동되어 세척볼들(41)이 필터부(20) 내부로 인입되고, 이때 세척볼들(41)과 필터부(20)와 마찰에 의하여 이물질이 제거된다.

이러한 세척수단(40)은 세척볼들(41)이 수납되는 수용체(43)와, 수용체(43)의 입구를 열고 닫는 임펠러(45)를 포함하여 이루어진다.

세척수단(40)의 수용체(43)의 개폐수단 역할을 하는 임펠러(45)는 차압감지부(30)에 의하여 감지된 차압이 기준 차압 이상인 경우 컨트롤유닛(C)으로부터 신호를 전달받아 하강하고, 이때 수용체(43)의 입구가 개방되며, 컨트롤유닛(C)의 제어 알고리즘에 따라 일정 시간 세척 후 필터부(20)의 이물질이 제거되면 임펠러(45)가 상승하면서 세척볼(41)을 회수한 후 수용체(43)의 입구를 폐쇄하게 된다.

이때, 임펠러(45)는 정상작동 시에는 수용체(43)의 밑판 수단으로 사용되어 세척볼들(41)이 수용체(43)로부터 빠져나오는 것을 방지하고, 자동세척 과정에는 필터하우징(10)의 유입부(11)까지 구동부의 구동로드(47b)에 의해 하강하게 된다.

이 경우 임펠러(45)는 유입구(11)을 통하여 유입되는 원수의 유동으로 회전하여 필터부(20) 내부로 유입되는 원수의 사이클론 유동(Cyclone Flow; CF)을 유도하게 된다.

즉, 임펠러(45)가 수용체(43)를 개방하는 경우 세척볼들(41)이 임펠러(45)를 따라 수직 하강하여 필터부(20) 내부로 인입되고, 인입된 후에는 임펠러(45)에 의하여 유도되는 원수의 사이클론 유동(CF)으로 세척볼들(41)이 회전하게 된다.

따라서 회전하는 세척볼들(41)과 필터부(20) 내부와의 접촉이나 마찰을 통하여 필터부(20)에 부착된 이물질, 스케일 및 파울링(fouling) 등이 제거된다.

그리고 필터부(20)의 이물질 등이 제거되면 필터부(20) 내부의 압력이 하강하게 되고, 이때 차압감지부(30)에 의하여 감지된 차압이 기준 차압에 도달하면 임펠러(45)가 상승하면서 세척볼들(41)이 다시 수거되어 수용체(43)에 수납되고, 임펠러(45)는 수용체(43)의 입구를 폐쇄함으로써 세척작업을 종료하게 된다.

그리고, 임펠러(45)의 승하강 동작을 위하여 컨트롤유닛(C)에 연결되는 구동부(47)가 구비되는데, 이 구동부(47)는 필터하우징(10)의 외측 상단에 구동실린더(47a)가 구비되고, 구동실린더(47a)에 구비되는 실린더로드에 연결된 구동로드(47b)를 포함하여 구성되며, 구동로드(47b)의 하단에 임펠러(45)가 공회전 가능하도록 장착된다.

따라서 차압감지부(30)의 신호에 따라 구동부(47)의 구동실린더(47a)가 작동하면 구동로드(47b)가 상승 또는 하강하게 되고, 이때 임펠러(45) 역시 상승 또는 하강하여 세척볼들(41)을 수용체(43)로부터 배출되도록 하거나, 또는 수거할 수 있게 된다.

한편 세척수단(40)의 임펠러(45)는 원수가 통과하면서 압력 감소로 인해 원수에 용존되어 있는 공기를 마이크로 버블(MB) 형태로 발생시키게 된다.

즉, 필터하우징(10)의 유입부(11)로 유입되는 원수는 임펠러(45)를 통과하면서 압력이 감소하게 되며, 이에 따라 원수에 용존 되어 있는 공기는 임펠러(45)에 의하여 수십 μm 직경의 마이크로 버블(micro bubble) 형태로 용출된다.

이렇게 용출된 마이크로 버블들은 필터 면에서 파열되고, 이때 프리라디칼(free radical) 발생 및 압력차에 의해 세척력 및 살균, 유기물 분해 성능 향상을 가져옴으로써 용존 공기량을 저감시킴은 물론이고, 세척력 향상 및 스케일과 파울링 발생률을 저감시킬 수 있게 된다.

또한 용출된 공기는 필터부(20) 상부에 위치하는 용출 공기 포집부에 의하여 포집된 후, 용출 공기배출 유로관(60)를 통하여 외부로 방출된다.

한편, 도 2는 본 발명의 무동력 자동세척 필터링장치에 적용되는 2가지 타입(A, B 타입)의 임펠러 구조를 각각 보여주는 사시도이다.

원수의 사이클론 유동(CF)을 유도하는 무동력 자동세척 필터링장치의 임펠러(45)는 도 2의 (a), (b)에 나타낸 형태와 같이, 주로 2가지 타입(A, B 타입)의 임펠러(45)가 사용되고 있다.

여기서, A 타입과 B 타입 임펠러는 각각 기준 블레이드 형상이 각각 다른 임펠러이며, A 타입 임펠러는 블레이드 수가 3개, 4개, 5개인 임펠러를 지칭하고, B 타입은 이보다 많은 블레이드 수(블레이드 수가 6개, 7개, 8개 등)를 갖는 임펠러를 지칭한다.

그러나, 이러한 2가지 타입의 임펠러(45) 구조는 필터부(20)의 세척력 증대를 위한 최적화된 형상으로 고려되지 않았기 때문에 사이클론 유동 및 마이크로 버블 형성량을 증가시키는 데에 한계가 있어 결국 필터부의 세척력을 크게 끌어올리지 못하는 물리적 한계점을 제공할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 기존에 상용화하고 있는 2가지 타입(A, B 타입)의 임펠러 형상을 기준으로 사이클론 유동에 영향을 미치는 임펠러의 주요 형상적 파라미터들 값을 변경하면서 유동해석을 실시하여 필터부(20)의 세척력을 극대화시킬 수 있는 최적의 파라미터 값을 도출하였고 이를 실험을 통해 검증하였다.

도 3은 A, B 타입 임펠러의 공통된 주요 형상 파라미터를 보여주는 단면도이다.

도 3을 참조하면, 무동력 자동세척 필터링장치에 적용하고 있는 A, B 타입 임펠러의 공통된 주요 형상 파라미터들로서, 몸체 직경 비율(D2/D2), 코어의 경사각(α), 블레이드의 받음각(β), 블레이드의 개수 등이 있다.

여기서, 임펠러(45)의 몸체 직경 비율(body ratio)은 임펠러의 블레이드의 최대 직경(D1)과 코어(45a)의 최대 직경(D2) 간의 비율이고, 코어(45a)의 경사각(α)은 임펠러(45)의 축선(CL)과 코어(45a)의 측면이 이루는 경사각이며, 블레이드(45b)의 받음각(angle of attack;β)은 임펠러(45)의 축선(CL)과 블레이드면이 이루는 각으로 정의된다.

필터의 세척력 극대화를 위한 임펠러(45)의 최적 형상을 구하는 실험에서는 임펠러(45)의 몸체 직경 비율(D2/D1)이 0.678인 경우에 코어(45a)의 최대 직경(D1) 값이 고정(fix)되고, 코어(45a)의 경사각(α°)도 18.4°로 고정되며, 블레이드(45b)의 최대 직경(D1)과 코어(45a)의 높이(H) 간의 비율(H/D1)이 0.305로 고정된 조건에서 코어(45a)의 최대 직경(D2) 값만을 0%(기준값, Ref), -20%, -40% 조정하여 해석결과를 도출하였다.

상기 임펠러(45)의 몸체 직경 비율(D2/D1)과, 코어(45a)의 경사각(α°), 및 블레이드의 최대 직경(D1)과 코어의 높이(H) 간의 비율(H/D1)의 각 수치 값은 실험에 따른 오차(error)를 고려하여 각 수치 값을 기준으로 ±15% 범위 내에 들어오는 수치 값은 허용될 수 있다.

여기서, 블레이드(45b)의 받음각(β°)은 50°, 60°, 70°를 선정하고, 블레이드 수는 A 타입 블레이드 수를 3개, 4개, 5개로, B 타입 블레이드 수를 6개, 7개, 8개를 선정하였으며, A 타입 블레이드 임펠러의 기준 파리미터 값은 몸체 직경 비율(D1/D2) Ref = 0%, 받음각(β°) = 60°, 블레이드 수 = 4개를 선정하였고, B 타입 블레이드 임펠러의 기준 파리미터 값은 몸체 직경 비율(D1/D2) Ref = 0%, 받음각(β°) = 60°, 블레이드 수 = 7개를 선정하여 임펠러의 형상 파라미터 값 변화에 따른 해석을 수행하였다.

도 4는 A 타입 임펠러의 형상 파라미터별 임펠러 전·후단에서의 압력강하(Pressure drop) 해석결과를 보여주는 것이다.

도 4에 도시된 표와 그래프를 보면, 블레이드의 개수가 같을 때 블레이드의 받음각(β°)이 증가함에 따라 임펠러 전·후단에서의 압력강하(Pressure drop)는 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 그리고, 블레이드의 받음각(β°)과 마찬가지로, 블레이드 개수가 많아지게 되면 그만큼 유체가 받게 되는 유동저항이 증가하기 때문에 블레이드 개수가 많아질수록 압력강하로 인한 손실은 증가하게 된다. 또한, 임펠러의 몸체 직경 비율(D2/D1)이 작아질수록 유체가 받는 유동저항이 감소하게 되어 임펠러 전·후단에서의 압력강하는 감소하는 경향을 보였다.

이와 같은 임펠러 전·후단에서의 압력강하 해석결과를 종합해보면, 임펠러 형상이 유동저항에 미치는 영향에 의해 압력강하가 변화하는 것을 알 수 있으며, 압력강하가 낮을수록 제품성능에 유리함을 고려할 때, 블레이드 개수가 적을수록, 받음각이 낮을수록, 그리고 몸체 직경 비율이 작을수록 압력강하로 인한 손실을 줄일 수 있다는 사실을 도출할 수 있었다.

그리고, 원수의 유동력과 임펠러의 회전에 의해 형성되는 사이클론 유동 형성에 영향을 미치는 임펠러의 회전수(RPM)와 임펠러의 주요 형상 파라미터들에 대한 상관관계를 알아보기 위한 검토가 수반되었다.

도 5는 A 타입 임펠러의 형상 파라미터별 임펠러 회전수(RPM)에 대한 해석결과를 보여주는 것이다.

도 5에 도시된 표와 그래프를 보면, 임펠러의 다른 형상 파라미터 값이 일정할 때 블레이드의 받음각(β°)이 증가하면 임펠러의 블레이드가 유체로부터 회전하는 방향으로 받게 되는 힘이 감소하게 되기 때문에 임펠러의 회전수(RPM)가 감소함을 볼 수 있다. 이 경우 블레이드의 개수나 몸체 직경 비율은 임펠러의 회전수(RPM)에 뚜렷한 경향성을 보이지 않고 복잡한 경향성을 보였다.

도 6은 A 타입 임펠러의 형상 파라미터별 스크린 필터 면에서 유체의 사이클론 유동속도의 해석결과를 보여주는 것이다.

필터링장치에 의한 필터의 세척력을 판단할 사이클론 유동 속도의 결과를 검토해 보면, 도 6의 그래프에서 보는 바와 같이 임펠러의 몸체 직경 비율, 블레이드 개수 등의 변수들이 일정할 때 받음각이 증가할수록 스크린 필터면에서 유체의 사이클론 유동 속도가 증가하는 경향을 보였다. 이는 블레이드의 받음각(β°)이 증가함에 따라 스크린 필터(screen filter) 측으로 유체가 더 빠르고 균일하게 분배가 되기 때문이다.

또한, 임펠러의 블레이드의 개수가 많아질수록, 몸체 직경 비율이 작아질수록 스크린 필터 면에서 유체의 사이클론 유동 속도는 증가하는 경향을 보였다. 이 경우 유체의 속도가 증가한다는 것은 유체가 스크린 필터 면에 가하는 유체력이 증가한다는 것을 의미하고, 이러한 유체력이 증가한다는 것은 곧 세척력이 증가하는 것으로 볼 수 있다.

그리고, 위의 해석결과를 비교해보면, 임펠러 전·후단에서의 압력강하와 필터에 작용하는 사이클론 유동에 의한 유체력(세척력)은 서로 상반관계(Trade-off)를 보인다는 것을 알 수 있다. 이 경우 임펠러 전·후단 압력강하의 최대·최소편차(33%)는 유체력(세척력)의 최대·최소편차(37%)에 비해 낮으며, 해당 케이스(case)의 해석결과로부터 도출된 모든 압력강하 값은 필터링장치의 설계 허용 범위 내에 들어오게 됨을 알 수 있다.

이와 같은 해석결과로부터 얻어진 사이클론 유동 유체력(세척력)이 가장 높은 A 타입 임펠러의 형상 구조는 몸체 직경 비율(D2/D1)이 0%(Ref), 블레이드 개수가 5개, 받음각(β)이 60°로 된 형상이 필터의 세척력을 극대화할 수 있는 최적 조건의 형상으로 도출되었다.

한편, B 타입 블레이드 임펠러의 경우도 전술된 A 타입 블레이드 임펠러의 해석 방법과 마찬가지로, 임펠러의 형상 파라미터별 영향성을 파악하기 위해 해석을 수행하였으며 해석 결과는 다음과 같다.

도 7은 B 타입 임펠러의 형상 파라미터별 임펠러 전·후단 압력강하 실험 해석결과를 보여주는 것으로서, 도 7의 해석결과를 보면, 임펠러의 다른 형상 파라미터들이 일정할 때, 블레이드의 받음각(β°)이 증가하게 되면 유체가 받는 유동저항이 증가하여 압력강하(pressure drop)가 높게 나타난다는 것을 볼 수 있다.

또한, 임펠러의 블레이드 개수가 많아질수록, 몸체 직경 비율(body ratio)이 증가할수록 유체의 유동저항 증가로 인한 압력강하 증가의 경향성 또한 전술된 A 타입의 경우와 동일하게 나타남을 볼 수 있다. 이러한 실험결과로부터 판단해보면, 임펠러의 블레이드 형상, 블레이드 개수, 몸체 직경 비율이 다소 달라지더라도 임펠러의 압력강하 측면에서의 경향성들은 동일하게 나타나는 것을 알 수 있다.

아울러, 도 7에서 살펴본 임펠러 전·후단에서의 압력강하 경향성뿐만 아니라, 도 8의 해석결과를 보면 임펠러의 회전수(RPM)에서도 앞서 살펴본 A 타입 블레이드 임펠러의 경향성과 동일한 결과를 얻게 되었다. 즉, 임펠러의 다른 형상 파라미터 값들이 모두 동일할 때, 블레이드의 받음각(β°)이 커짐에 따라 임펠러의 회전방향으로 받는 힘이 증가하게 되므로 임펠러의 회전수(RPM)가 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 또한, 블레이드 개수나 몸체의 직경 비율이 임펠러의 회전수에 뚜렷한 경향성을 보이지 못한다는 결과까지도 앞서 살펴본 A 타입 블레이드 임펠러의 결과와 동일함을 관찰할 수 있었다.

또한, 도 9에 도시된 B 타입 임펠러의 형상 파라미터별 스크린 필터 면에서 유체의 사이클론 유동속도의 해석결과를 통해 확인할 수 있듯이, 다른 형상 파라미터 값들이 동일할 때, 받음각(β°)이 증가할수록 유체가 스크린 필터로 더욱 빠르고 균일하게 분배되기 때문에 스크린 필터면에서 유체의 사이클론 유동 속도가 증가하는 경향은 전술된 A 타입의 해석결과와 동일하게 나타났다. 그러나, B 타입 블레이드 임펠러에서 몸체의 직경 비율이 유체의 사이클론 유동 속도 성분에 미치는 영향은 미비한 것으로 나타났다.

이는, 도 9의 해석결과를 통해서도 쉽게 관찰할 수 있는데, 그 원인은, 몸체의 직경 비율이 줄더라도 B 타입 블레이드 임펠러가 전술된 A 타입 블레이드 임펠러에 비하여 각 조건마다 블레이드 개수가 많기 때문에 그만큼 유동저항 측면에서 영향력이 미비하기 때문인 것으로 파악된다.

또한, 상기의 해석결과를 비교해보면, B 타입 블레이드 임펠러의 경우에도 전술된 A 타입 블레이드 임펠러와 마찬가지로, 임펠러 전·후단에서의 압력강하와 사이클론 유동에 의해 필터에 작용하는 유체력(세척력)은 서로 상반관계(Trade-off)를 보였고, 이 경우 B 타입 블레이드 임펠러의 형상 파라미터별 모든 압력강하 값이 필터링장치의 설계 허용 범위 내에 들어옴을 확인할 수 있었다.

이와 같은 해석결과로부터 얻어진 사이클론 유동 유체력(세척력) 향상이 가장 높은 B 타입 블레이드 임펠러의 최적 형상 조건은 몸체 직경 비율(D2/D1)이 0%(Ref), 블레이드 개수가 7개, 블레이드의 받음각(β)이 70°로 된 형상이 필터의 세척력을 극대화시킬 수 있는 최적 조건의 형상으로 도출되었다.

결론적으로, 상술한 A, B 타입 블레이드 임펠러의 실험결과로부터 도출된 임펠러의 최적 형상 구조는 블레이드 형상에 상관없이 몸체 직경 비율(D2/D1) = Ref = 0%, 블레이드의 받음각(β)dl 60∼70°, 블레이드 개수가 5∼7개 범위 내의 형상 구조를 갖는 임펠러가 가장 우수한 세척력을 발휘할 수 있는 임펠러 구조임을 해석을 통해 확인할 수 있었다.

상술한 A, B 타입 블레이드 임펠러의 유동해석 결과를 검증하기 위하여 검증 실험을 실시하였다. 여기에서는 기존의 A 타입 블레이드 형상과 B 타입 블레이드 형상을 갖는 각각의 임펠러를 기준으로 유동해석 결과에서 최적 형상으로 도출된 A 타입 형상과 B 타입 형상을 갖는 최적 임펠러의 성능을 비교하였다.

도 10은 원수의 유량에 따른 각 임펠러 타입별 사이클론 유동속도를 실험 결과로서, 도 10의 그래프를 통해 확인되는 바와 같이, 유동해석을 통해 최적 조건으로 얻은 각 임펠러 최적 형상 조건의 검증을 위하여 실시된 실험 결과, 원수 유량 550kg/min 이하에서는 A 타입 최적 임펠러의 사이클론 유동 속도가 B 타입 최적 임펠러를 비롯한 다른 임펠러의 유동속도보다 전반적으로 크게 나타났으며, 700 kg/min 이상의 유량에서는 B 타입 최적 임펠러의 유동속도가 A 타입 임펠러를 비롯한 다른 임펠러의 유동속도보다 전반적으로 크게 나타나 세척력을 향상시키는 결과를 도출하였다.

또한, 도 11은 원수의 유량에 따른 각 임펠러 타입별 마이크로 버블 형성량에 대한 실험결과를 나타낸 것으로서, 도 11의 실험결과를 통해 확인할 수 있듯이, 실험 대상의 각 임펠러 중 개선된 형상의 최적 임펠러가 기준 임펠러보다 상대적으로 더 많은 마이크로 버블을 형성시키는 것을 볼 수 있고, 이러한 결과를 통해 개선된 형상의 최적 임펠러가 마이크로 버블에 의한 필터의 세척 효과도 더 크게 향상된 것을 검증을 통해 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 기존의 무동력 자동세척 필터링장치에 적용되던 2가지 타입의 임펠러 구조적 형상에 기초하여 사이클론 유동에 영향을 미치는 주요 파라미터들(몸체 직경 비율, 블레이드의 받음각, 블레이드의 개수)의 수준 수를 변경하면서 유동해석을 실시하여 세척력 향상에 기여할 수 있는 최적의 임펠러 파라미터 값을 도출해내는 한편 이를 실험을 통해 검증함으로써, 필터의 세척효과를 가장 극대화시킬 수 있는 무동력 자동세척 필터링장치용 임펠러 형상에 대한 최적의 파라미터 값을 얻을 수 있는 성과를 도출해낼 수 있었다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

10 : 필터하우징 11 : 유입부
13 : 배출부 20 : 필터부
30 : 차압감지부 40 : 세척수단
41 : 세척볼 43 : 수용체
45 : 임펠러 45a : 코어
45b : 블레이드 47 : 구동부
50 : 이물질 토출밸브 60 : 용출 공기배출 유로관
C : 컨트롤유닛 MB : 마이크로 버블
CF : 사이클론 유동 F : 배출유로

Claims (6)

1. 구동로드와 결합되는 코어와, 상기 코어의 측면 둘레에 배치되는 복수의 블레이드로 구성되고, 유입되는 원수의 유동으로 회전 구동되며 필터부 내부에 마이크로 버블(micro bubble)과 사이클론 유동(cyclone flow)을 발생시키는 무동력 자동세척 필터링장치용 임펠러에 있어서,
   상기 임펠러는 그의 축선과 블레이드면이 이루는 각(받음각;β)이 60°∼70°범위 내에 존재하고,
   상기 블레이드의 개수는 5∼7개 범위 내에 존재하며,
   상기 블레이드의 최대 직경(D1)과 상기 코어의 최대 직경(D2) 간의 비율(D2/D1)이 0.678±15% 범위 내에 존재하고,
   상기 블레이드의 최대 직경(D1)과 상기 코어의 높이(H) 간의 비율(H/D1)이 0.305±15% 범위 내에 존재하며,
   상기 임펠러의 축선과 상기 코어의 측면이 이루는 경사각(α)이 18.4°±15% 범위 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 무동력 자동세척 필터링장치용 임펠러.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제

Images