KR101846253B1 - 유체처리장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기장 내에서 많은 캐비테이션을 반복적으로 발생시키는 유체처리장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 유체처리장치는 유체 반응부(2)가 유체 연결부(2-12)를 통해 다단 원심펌프인 유체 유입부(1)와 연결되며, 유체 유입부(1)의 모터(3)에 의해 구동되는 회전 샤프트(2-23)에 다단 원심펌프인 유체 유입부(1)의 임펠러(1-9)와, 유체 반응부(2)의 로터(2-14)가 각각 끼워지고, 회전 샤프트(2-23)에 의해 유체 반응부(2)의 로터(2-14)가 회전하게 되며, 유체 반응부(2)가 제 1 챔버 케이스(2-13)와, 로터(2-14)와, 제 2 챔버 케이스(2-15)를 포함하고, 제 1 챔버 케이스(2-13)의 제 1 영구자석(2-22)과 제 2 챔버 케이스(2-15)의 제 2 영구자석(2-21)이 서로 마주보게 배치되며, 제 1 영구자석(2-22)과 제 2 영구자석(2-21) 사이에 로터(2-14)가 배치되고, 제 1 챔버 케이스(2-13)와 제 2 챔버 케이스(2-15)에 다수개의 작은 홈(T2)이 각각 형성되고, 로터(2-14)의 양 측면에 방사상으로 다수개의 곡선홈(T1)이 형성됨으로써, 유체가 유체 유입부(1)를 통과하는 과정에서 고압으로 가압되고, 고압으로 가압된 유체가 유체 반응부(2)를 통과하는 과정에서, 제 1 영구자석(2-22)과 제 2 영구자석(2-21)에 의해 자화되고, 제 1 챔버 케이스(2-13)와 제 2 챔버 케이스(2-15)에 형성된 다수개의 작은 홈(T2)과 로터(2-14)의 곡선홈(T1)에 의해 캐비테이션이 발생하게 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유체처리장치는 유체 반응부(2)가 유체 연결부(2-12)를 통해 다단 원심펌프인 유체 유입부(1)와 연결되며, 유체 유입부(1)의 모터(3)에 의해 구동되는 회전 샤프트(2-23)에 다단 원심펌프인 유체 유입부(1)의 임펠러(1-9)와, 유체 반응부(2)의 로터(2-14)가 각각 끼워지고, 회전 샤프트(2-23)에 의해 유체 반응부(2)의 로터(2-14)가 회전하게 되며, 유체 반응부(2)가 제 1 챔버 케이스(2-13)와, 로터(2-14)와, 제 2 챔버 케이스(2-15)를 포함하고, 제 1 챔버 케이스(2-13)의 제 1 영구자석(2-22)과 제 2 챔버 케이스(2-15)의 제 2 영구자석(2-21)이 서로 마주보게 배치되며, 제 1 영구자석(2-22)과 제 2 영구자석(2-21) 사이에 로터(2-14)가 배치되고, 제 1 챔버 케이스(2-13)와 제 2 챔버 케이스(2-15)에 다수개의 작은 홈(T2)이 각각 형성되고, 로터(2-14)의 양 측면에 방사상으로 다수개의 곡선홈(T1)이 형성됨으로써, 유체가 유체 유입부(1)를 통과하는 과정에서 고압으로 가압되고, 고압으로 가압된 유체가 유체 반응부(2)를 통과하는 과정에서, 제 1 영구자석(2-22)과 제 2 영구자석(2-21)에 의해 자화되고, 제 1 챔버 케이스(2-13)와 제 2 챔버 케이스(2-15)에 형성된 다수개의 작은 홈(T2)과 로터(2-14)의 곡선홈(T1)에 의해 캐비테이션이 발생하게 되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 자기장 내에서 많은 캐비테이션을 반복적으로 발생시키는 유체처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유체 반응부가 유체 연결부를 통해 다단 원심펌프인 유체 유입부와 연결되며, 유체 유입부의 모터에 의해 구동되는 회전 샤프트에 유체 반응부의 로터가 끼워짐으로써, 하나의 모터 동력으로 다단 원심펌프의 임펠러와 유체 반응부의 로터를 구동할 수 있는 유체처리장치에 관한 것이다.
미국 특허 제7,762,715호(2010.7.27, 등록)는 다단의 스테이지 구조의 흐름 관로에 복수-제트-노즐, 나선 유로 가이드, 와류 발생장치를 혼용하여 하이드로다이나믹 캐비테이션을 발생시키고 있다.
미국 특허출원 제2013/016262호(2013.6.27. 출원)는 기계적인 하이드로캐비테이션 장치와 전자석 장치를 사용하여 하수처리공정에서 유체 중의 미세입자를 응집 시키고 미생물을 살균하여 처리효율을 높이고 있다.
미국 특허출원 제2006/0126428호(2006.6.15. 출원)는 챔버 내에서 회전하는 디스크 외주면에 원주형 홈을 다수 배치한 후 디스크를 고속으로 회전시킨 상태에서 챔버와 디스크 외주면 사이의 공간에 유체를 흐르게 하면 디스크 외주면 상의 홈과 챔버 내면이 상응하여 캐비테이션이 발생되어, 미세 기포의 생성, 유체의 혼합, 유체의 산화 작용으로 BOD 및 COD의 저감, 에멀젼 유체의 분리 등에 적용하고 있다.
중국 특허 제CN103896387호(2014.2.7, 등록)은 벤추리 형상의 장치로 캐비테이션을 발생시켜, 산화 하이드록실기(.OH)와 수소 환원기(.H)를 형성시키는데, 압력이 재 상승하는 벤추리 구조 후단 부에 영구자석 또는 전자석을 배치하여 기포 파공을 강화시키고, 기포 파공 시간을 단축 시키고 있다.
중국 특허 제CN103214068호(2014.3.5. 등록)는 원형관 내부에 이중 구조 형상의 벤추리 형상의 구조물을 배치하여 원형관 내부와 벤추리 구조물 간의 폭 차이에 따른 유속의 변화와 이에 상응하는 압력 차이로 캐비테이션을 발생시킨다. 이때, 벤추리 형상의 좁은 부분에 영구자석을 배치하여 캐비테이션을 강화시킨다.
유럽 특허 제EP0826416호(1996.10.24) 및 미국 특허 제US6016798호 (2000.6.26)는 챔버 내에서 회전하는 디스크 외주 면에 원주형 홈을 다수 배치한 후 디스크를 고속으로 회전시킨 상태에서 챔버와 디스크 외주면 사이의 공간에 유체를 흐르게 하면 디스크 외주면 상의 홈과 챔버 내면이 상응하여 캐비테이션이 발생되고, 유체의 온도를 높이게 한다.
한국 특허출원 제10-2013-0125696호(2013.10.22) 및 한국 특허출원 제10-2013-012599호(2013.10.22)는 캐비테이션 발생장치 및 유체 자화장치를 순차로 조합하여 유체 중의 미생물을 살균하고, 미세입자를 분리하고 있다.
일반적으로, 하이드로다이나믹 캐비테이션은 개구면(orifice) 또는 어떤 다른 기계적인 수축으로 유체의 흐름 압력이 액체의 증발 압력 이하로 떨어질 때 발생한다. 그리고, 개구면을 통해 흐르는 물에서, 흐름의 단면-부분을 감소시키면 압력 수두 차이 만큼 유속이 증가하고, 흐름이 다시-확장되는 동안 유체 흐름은 개구부의 하저부에서 분리되어 와류를 생성한다.
특정 유속에서는 다시-확장되는 동안 유체 흐름 압력이 물의 증발 압력 이하로 떨어져 미세 기포 발생 원인이 된다. 만일 수중에 용존 가스가 존재 한다면, 낮은 압력에서 탈 가스화가 발생되므로, 증발 압력 이상의 압력에서 특히 캐비테이션이 관측된다.
캐비테이션에 의한 미세 기포의 급격한 융폭(impulsion)은 기포/물 경계 면에 고온을 발생시켜 액체 중의 유기물을 열 변화시키고, 물분자의 열변화에 의하여 생성된 -OH기 또한 유기물을 산화시켜 제거한다. 캐비테이션 중에 발생하는 극심한 조건은 물을 산화기(oxidation radical; .OH) 및 환원기(reducing radical; .H) 2 종으로 변화시킨다. 다른 최신 산화공정(Advanced Oxidation Processes)과 같이, 캐비테이션에 의해 유기물을 제거하는 기본 메커니즘은 하이드록실기(hydroxyl radical) 반응 (유기물 + OH- -> CO2 + H20)을 통해서 이다.
이러한 캐비테이션을 생성하는 데는 다음과 같은 다양한 메커니즘이 있다.
1) 유속이 와류(Eddy) 또는 회전류(Vortices)를 생성할 만큼 한계 범주를 벗어나도록 증가
2) 초음파 분해(sonication)를 통해 경계면(Boundary)의 급격한 진동 발생
3) 워터 해머(Water Hammer)로 인해 액체 층(liquid column)의 분리 또는 이격
4) 정압(Static pressure)의 전반적인 감소
아니루드하 판디트(Aniruddha B. Pandit) 등이 Current Science(Vol. 91 No.1, 2006.07.10)에 발표한 "Cavitation: A technology on the horizon"에 의하면 "하이드로다이나믹 캐비테이션은 지금까지 사용되어온 총 에너지 소비량의 5~10% 이하의 에너지로 미생물 셀을 파공하는데 효과적으로 사용될 수 있다. 캐비테이션 현상의 강도는 셀을 파공하는데 적합하도록 제어할 수 있으며, 셀의 벽 내부에 존재하는 내부 효소를 분리하는데도 선택적으로 이용할 수 있다." 라고 발표하였다.
한편, 자기장은 이온 주변에 위치하는 유체에 영향을 주어 수화셀의 비대칭을 만드는 것으로 알려진다. 또한, 자기장은 뒤따르는 다른 증폭 결합으로 어떤 이온 간의 결합을 약화시킨다. 이러한 변화는 이온의 결합 또는 결정의 핵을 형성하게 한다. 결과적으로 자기의 반대 흐름은 이온 운동의 방향을 변경하였으며, 이온 쌍 형성을 매우 손쉽게 하고 더 복잡하게 모아지게 하여 가까이 있는 입자를 응집 하는데 크게 기여한다. 용액 중에 단단한 표면이 있으면 결정 형성에 소요되는 에너지가 용액 중에서 핵이 형성되는 데 소요되는 것보다 상당히 적기 때문에 응집이 상당히 빨리 진행된다. 이러한 자기장 특성을 이용하여 배관 내부의 스케일 형성 억제 또는 제거, 수처리 공정의 처리 효율을 향상시키는 다양한 장치가 상용화되어 있다.
안드류 골드스워쓰(Andrew Goldsworthy)가 2007년 발표한 "The Biological Effect of Weak Electromagnetic Field"에 의하면, "전자기장이 미생물 셀에서 칼슘을 분리해내어 칼슘 결핍으로 미생물 셀의 막을 약하게 만든다. 칼슘 이온은 미생물 셀 멤브레인의 표면에 결합하여 미생물의 안정성을 유지하는데 중요하다. 칼슘 이온은 미생물 생성에 필수적 부분인 포스폴리피드 (phospholipid) 분자가 함께 붙어 있도록 돕는다. 칼슘 이온이 없으면 셀 멤브레인이 약해져서 셀의 이동에 의한 스트레스와 충격에 더 쉽게 찢어진다" 라고 발표하였다.
수스리크(Suslick, 1989)외 여러 연구자들은 캐비테이션 현상은 유체 중에 형성된 미세 기포가 한계 공명 크기에 도달한 후 증발 압력에 도달하면 격렬히 융폭하여 국소적으로 고온(5000°C) 및 고압(1000 atm)을 발생하는 것으로 발표하였다. 캐비테이션에 의해 형성되는 주요 현상은 다음과 같다.
- 유체의 점도, 표면장력 및 증발 압력 등이 감소
- 유체 온도 상승
- 용존 가스의 실체화
- 집약된 에너지가 유체에 신속하게 전달됨.
- 격렬한 와류는 에너지 이전을 가속시킴.
미세 기포의 급격한 폭발로 발생한 고온은 액체 중의 유기물을 열변화시키고 물분자의 열변화에 의하여 생성된 OH-기 또한 유기물을 산화시켜 제거한다. 캐비테이션 중에 발생하는 극심한 조건은 물을 부분적으로 산화기(oxidation radical; OH-) 및 환원기(reducing radical; H+) 2 종으로 변화시킨다. 또한, 캐비테이션에 의해 발생한 국소적인 고압의 융폭은 주변의 미생물의 셀 막을 파공하여 미생물 셀 내부의 효소, 리피드스 및 생체 구성물을 셀 밖으로 흩어버리므로 미생물을 사멸하는 효과를 가져온다.
자기장은 이온 주변에 위치하는 유체 분자에 영향을 주므로 수화셀의 비대칭을 만드는 것으로 알려진다. 또한, 자기장은 뒤따르는 다른 증폭 결합으로 어떤 이온 간의 결합을 약화시킨다. 이러한 변화는 이온의 결합 또는 결정의 핵을 형성하게 한다. 결과적으로 자기의 반대 흐름은 이온 운동의 방향을 변경하였으며, 이온 쌍 형성을 매우 손쉽게 하고 더 복잡하게 모아지게 하여 가까이 있는 입자를 응집하는데 크게 기여한다. 용액 중에 단단한 표면이 있으면 결정 형성에 소요되는 에너지가 용액 중에서 핵이 형성되는 데 소요되는 것보다 상당히 적기 때문에 응집이 상당히 빨리 진행된다.
상용화된 유체 자화반응기는 구성에 따라 매우 다양하다. 대부분의 산업용 유체 자화반응기에서는, 고정된 자기장을 통해 분산된 유체를 흐르게 한다. 일부 경우, 자기장이 변형되거나 맥동되게 하고 주요 흐름에서 난류를 이루게 한다. 대부분의 유체 자화반응기 실험에서, 작동 채널의 유속(v), 자기장이 적용되는 직각 방향의 자기 밀도(B), 작동 채널 중의 유체 체류시간(τ)으로 정하면, Bτv 값은 유체 자화반응 장치의 효율에 매우 중요한 항목임을 보여준다.
정지된 자기장 내에서 도선을 이동하거나, 정지된 도선을 감싸면서 자기장이 이동하면 도선 내의 전자의 흐름에 기인한 기전력(Electromotive Force)이 발생한다. 기전력의 크기 및 방향은 자기장(B)의 방향, 도선 내부의 입자의 진행 속도 및 입자의 전하량에 따라 결정되며 파라데이법칙에 따라 다음과 같이 계량된다.
(수학식 1)
* 주: FL= 기전력, q= 입자 전하량, V= 입자 이동속도, B= 자기장 강도, α= 이온 흐름에 대한 자기장 방향의 각도
자기장은 미생물 셀의 외피 막을 구성하고 있는 칼슘이온을 셀에서 분리해내어 미생물 셀의 막을 약하게 만든다. 칼슘 이온은 미생물 셀 멤브레인의 표면에 결합하여 미생물의 안정성을 유지하는데 중요하다. 칼슘 이온은 미생물 생성에 필수적 부분인 포스폴리피드(phospholipid) 분자가 함께 붙어 있도록 돕는다. 칼슘 이온이 없으면 셀 멤브레인이 약해져서 셀의 이동에 의한 스트레스와 충격에 더 쉽게 찢어진다.
미생물의 신진대사 과정의 에너지 생성 메커니즘의 하나인 산화-환원 과정 중 원자 또는 분자에서 전자의 제거와 전자의 흡수 과정은 미생물의 생존과 증식에 매우 중요하다. 유체 중에 포함된 미생물이 강력한 자기장에 노출되면 신진대사에 소요되는 전자가 박리되어 전위가 낮은 지점으로 흘러버리므로 미생물이 사멸되는 효과를 가져온다.
따라서, 본 발명의 목적은 유체 반응부가 유체 연결부를 통해 다단 원심펌프인 유체 유입부와 연결되며, 유체 유입부의 모터에 의해 구동되는 회전축에 유체 반응부의 로터가 끼워짐으로써, 하나의 모터 동력으로 다단 원심펌프의 임펠러와 유체 반응부의 로터를 구동할 수 있어, 효율적이고, 유체가 다단 원심펌프인 유체 유입부에 의해 고압으로 가압되고, 고압으로 가압된 유체가 유체 반응부를 통과하는 과정에서 캐비테이션과 유체 자화가 동시에 효율적으로 발생하는 유체처리장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 본 발명에 따른 유체처리장치를 무화염 가온 시스템, 미생물 살균 이외의 용도(유체 중의 미세입자 분리, 산업용 냉각 계통수 처리, 폐수의 BOD 및 COD 저감, 콘크리트 산업용수 처리, 농업용수 처리, 양어용수 처리, 남조류에서 바이오디젤용 원유 추출, 호소 수질정화 등)에 이용될 수 있도록 적용하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유체처리장치는 유체 반응부가 유체 연결부를 통해 다단 원심펌프인 유체 유입부와 연결되며, 유체 유입부의 모터에 의해 구동되는 회전 샤프트에 다단 원심펌프인 유체 유입부의 임펠러와, 유체 반응부의 로터가 각각 끼워지고, 회전 샤프트에 의해 유체 반응부의 로터가 회전하게 되며, 유체 반응부가 제 1 챔버 케이스와, 로터와, 제 2 챔버 케이스를 포함하고, 제 1 챔버 케이스의 제 1 영구자석과 제 2 챔버 케이스의 제 2 영구자석이 서로 마주보게 배치되며, 제 1 영구자석과 제 2 영구자석 사이에 로터가 배치되고, 제 1 챔버 케이스와 제 2 챔버 케이스에 다수개의 작은 홈이 각각 형성되고, 로터의 양 측면에 방사상으로 다수개의 곡선홈이 형성됨으로써, 유체가 유체 유입부를 통과하는 과정에서 고압으로 가압되고, 고압으로 가압된 유체가 유체 반응부를 통과하는 과정에서, 제 1 영구자석과 제 2 영구자석에 의해 자화되고, 제 1 챔버 케이스와 제 2 챔버 케이스에 형성된 다수개의 작은 홈과 로터의 곡선홈에 의해 캐비테이션이 발생하게 되는 것을 특징으로 한다.
상기 유체 연결부는 원통 관 형상으로서 내부가 벤추리관 형상으로 이루어지며, 중앙 목부의 내경은 유효 단면적이 흡입구의 단면적의 90%에 상응하도록 정해지고, 좌측 플랜지가 유체 배출구에 볼트에 의해 결합되고, 우측 플랜지가 제 1 챔버 케이스에 볼트에 의해 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 유체 반응부는 제 1 챔버 케이스의 둘레에 형성된 제 1 플랜지와 제 2 챔버 케이스의 둘레에 형성된 제 2 플랜지가 볼트에 의해 결합되고, 제 1 챔버 케이스의 외측면에 링 형태의 제 1 장착홈이 형성되고, 제 1 장착홈에 제 1 영구자석이 장착되며, 제 2 챔버 케이스의 외측면에 링 형태의 제 2 장착홈이 형성되고, 제 2 장착홈에 제 2 영구자석이 장착되며, 링 형태의 제 1 영구자석과 링 형태의 제 2 영구자석이 서로 마주보게 배치되고, 제 1 챔버 케이스의 내측면과 제 2 챔버 케이스의 내측면 사이에 로터가 배치되며, 제 1 챔버 케이스의 내측면과 로터 사이 그리고 제 2 챔버 케이스의 내측면과 로터 사이에 유체통과간극이 각각 형성되고, 회전 샤프트가 제 1 챔버 케이스의 중공부와 로터와 제 2 챔버 케이스의 중공부에 끼워져, 회전 샤프트에 의해 로터가 제 1 챔버 케이스와 제 2 챔버 케이스에 대해 상대적으로 회전하게 되며, 로터의 양 측면에 방사상으로 형성된 다수개의 곡선홈이 형성되고, 로터와 마주보는 제 1 및 제 2 챔버 케이스의 내측면에 다수개의 작은 홈이 각각 형성되며, 다수개의 작은 홈이 방사상으로 커브 라인을 형성하고, 다수개의 커브 라인이 제 1 및 제 2 챔버 케이스의 내측면에 각각 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 및 제 2 챔버 케이스의 커브라인은 인벌류트 곡선(involute curve), 사이클로이드 곡선(cycloid curve), 스파이럴 곡선(spiral curve), 또는 헬릭스 곡선(helix curve) 중 어느 한 곡선인 것을 특징으로 한다.
상기 로터의 곡선홈은 인벌류트 곡선(involute curve), 사이클로이드 곡선(cycloid curve), 스파이럴 곡선(spiral curve), 또는 헬릭스 곡선(helix curve) 중 어느 한 곡선인 것을 특징으로 한다.
상기 작은 홈의 깊이는 로터의 곡선홈의 깊이의 1~1.5배이고, 간극은 곡선홈의 깊이의 0.1~0.2배인 것을 특징으로 한다.
이것에 의해, 본 발명에 따른 유체처리장치는 하나의 모터 동력으로 다단 원심펌프의 임펠러와 유체 반응부의 로터를 구동할 수 있어, 효율적이고, 캐비테이션과 유체 자화가 동시에 효율적으로 발생하며, 무화염 가온 시스템, 미생물 살균 이외의 용도(유체 중의 미세입자 분리, 산업용 냉각 계통수 처리, 폐수의 BOD 및 COD 저감, 콘크리트 산업용수 처리, 농업용수 처리, 양어용수 처리, 남조류에서 바이오디젤용 원유 추출, 호소 수질정화 등)에 이용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유체처리장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유체처리장치를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 유체 반응부를 확대 도시한 상세도이다.
도 4 및 도 5는 유체 반응부의 내부에서 유체의 흐름을 도시한 개략도로, 도 4는 챔버 케이스의 작은 홈과 로터의 곡선홈이 불일치된 상태이고, 도 5는 챔버 케이스의 작은 홈과 로터의 곡선홈이 일치된 상태이다.
도 6은 유체 반응부의 제 1 챔버 케이스를 도시한 사시도이다.
도 7은 유체 반응부의 제 2 챔버 케이스를 도시한 사시도이다.
도 8은 로터의 정면을 도시한 사시도이다.
도 9는 로터의 배면을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 유체처리장치를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 유체 반응부를 확대 도시한 상세도이다.
도 4 및 도 5는 유체 반응부의 내부에서 유체의 흐름을 도시한 개략도로, 도 4는 챔버 케이스의 작은 홈과 로터의 곡선홈이 불일치된 상태이고, 도 5는 챔버 케이스의 작은 홈과 로터의 곡선홈이 일치된 상태이다.
도 6은 유체 반응부의 제 1 챔버 케이스를 도시한 사시도이다.
도 7은 유체 반응부의 제 2 챔버 케이스를 도시한 사시도이다.
도 8은 로터의 정면을 도시한 사시도이다.
도 9는 로터의 배면을 도시한 사시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 유체처리장치는 유체 반응부(2)가 유체 연결부(2-12)를 통해 다단 원심펌프인 유체 유입부(1)와 연결되며, 유체 유입부(1)의 모터(3)에 의해 구동되는 회전 샤프트(2-23)에 다단 원심펌프인 유체 유입부(1)의 임펠러(1-9)와, 유체 반응부(2)의 로터(2-14)가 각각 끼워지고, 회전 샤프트(2-23)에 의해 유체 반응부(2)의 로터(2-14)가 회전하게 되며, 유체 반응부(2)가 제 1 챔버 케이스(2-13)와, 로터(2-14)와, 제 2 챔버 케이스(2-15)를 포함하고, 제 1 챔버 케이스(2-13)의 내측면과 로터(2-14) 사이 그리고 제 2 챔버 케이스(2-15)의 내측면과 로터(2-14) 사이에 유체통과간극(T3)이 각각 형성되고, 제 1 챔버 케이스(2-13)의 제 1 영구자석(2-22)과 제 2 챔버 케이스(2-15)의 제 2 영구자석(2-21)이 서로 마주보게 배치되며, 제 1 영구자석(2-22)과 제 2 영구자석(2-21) 사이에 로터(2-14)가 배치되고, 제 1 챔버 케이스(2-13)와 제 2 챔버 케이스(2-15)에 다수개의 작은 홈(T2)이 각각 형성되고, 로터(2-14)의 양 측면에 방사상으로 다수개의 곡선홈(T1)이 형성됨으로써, 유체가 유체 유입부(1)를 통과하는 과정에서 고압으로 가압되고, 고압으로 가압된 유체가 유체 반응부(2)를 통과하는 과정에서, 제 1 영구자석(2-22)과 제 2 영구자석(2-21)에 의해 자화되고, 제 1 챔버 케이스(2-13)와 제 2 챔버 케이스(2-15)에 형성된 다수개의 작은 홈(T2)과 로터(2-14)의 곡선홈(T1)에 의해 캐비테이션이 발생하게 된다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 유체처리장치는 하나의 모터 동력으로 다단 원심펌프의 임펠러(1-9)와, 유체 반응부(2)의 로터(2-14)를 구동할 수 있어, 효율적이고, 유체가 다단 원심펌프인 유체 유입부(1)에 의해 고압으로 가압되고, 고압으로 가압된 유체가 유체 반응부(2)를 통과하는 과정에서 캐비테이션과 유체 자화가 동시에 효율적으로 발생하는 장점이 있다.
도 2를 다시 참조하면, 상기 유체 유입부(1)는 다단 원심펌프이며, 이미 잘 알려진 것처럼, 모터(3)의 구동축에 회전 샤프트(2-23)가 연결되고, 임펠러(1-9)와 디퓨져(1-10)를 포함하는 스테이지(1-11)가 다단으로 배열되고, 스테이지의 임펠러(1-9)가 회전 샤프트(2-23)에 의해 구동됨으로써, 흡입구(1-4)로 흡입되는 유체가 다단으로 배열된 스테이지(1-11)를를 통과하는 과정에서 고압으로 가압된다.
상기 유체 연결부(2-12)는 원통 관 형상으로서 내부가 벤추리관 형상으로 이루어지며, 중앙 목부의 내경은 유효 단면적이 흡입구(1-4)의 단면적의 90%에 상응하도록 정해지고, 좌측 플랜지(2-12-1)가 유체 배출구(1-12)에 볼트에 의해 결합되고, 우측 플랜지(2-12-2)가 제 1 챔버 케이스(2-13)에 볼트에 의해 결합된다.
이와같이, 중앙 목부의 내경을 흡입구(1-4)의 내경보다 작게함으로써, 토출압력 및 속도를 높이 펌프의 효율을 높일 수 있다.
도 3 내지 도 9를 참조하면, 상기 유체 반응부(2)는 제 1 챔버 케이스(2-13)의 둘레에 형성된 제 1 플랜지(2-13-1)와 제 2 챔버 케이스(2-15)의 둘레에 형성된 제 2 플랜지(2-15-1)가 볼트에 의해 결합되고, 제 1 챔버 케이스(2-13)의 외측면에 링 형태의 제 1 장착홈(2-13-2)이 형성되고, 제 1 장착홈(2-13-2)에 제 1 영구자석(2-22)이 장착되며, 제 2 챔버 케이스(2-15)의 외측면에 링 형태의 제 2 장착홈(2-15-2)이 형성되고, 제 2 장착홈(2-15-2)에 제 2 영구자석(2-21)이 장착되며, 링 형태의 제 1 영구자석(2-22)과 링 형태의 제 2 영구자석(2-21)이 서로 마주보게 배치되고, 제 1 챔버 케이스(2-13)의 내측면과 제 2 챔버 케이스의 내측면 사이에 로터(2-14)가 배치되며, 제 1 챔버 케이스(2-13)의 내측면과 로터(2-14) 사이 그리고 제 2 챔버 케이스(2-15)의 내측면과 로터(2-14) 사이에 유체통과간극(T3)이 각각 형성되고, 회전 샤프트(2-23)가 제 1 챔버 케이스(2-13)의 중공부와 로터(2-14)와 제 2 챔버 케이스(2-15)의 중공부에 끼워져, 회전 샤프트(2-23)에 의해 로터(2-14)가 제 1 챔버 케이스(2-13)와 제 2 챔버 케이스(2-15)에 대해 상대적으로 회전하게 되며, 로터(2-14)의 양 측면에 방사상으로 형성된 다수개의 곡선홈(T1)이 형성되고, 로터(2-14)와 마주보는 제 1 및 제 2 챔버 케이스(2-13. 2-15)의 내측면에 다수개의 작은 홈(T2)이 각각 형성되며, 다수개의 작은 홈(T2)이 방사상으로 커브 라인(CL ; 도 6 및 도 7 참조)을 형성하고, 다수개의 커브 라인(CL)이 제 1 및 제 2 챔버 케이스(2-13, 2-15)의 내측면에 각각 형성된다.
상기 제 1 및 제 2 챔버 케이스(2-13, 2-15)의 커브라인(CL)은 인벌류트 곡선(involute curve), 사이클로이드 곡선(cycloid curve), 스파이럴 곡선(spiral curve), 또는 헬릭스 곡선(helix curve) 중 어느 한 곡선을 채택한 것이다.
상기 로터(2-14)의 곡선홈(T1)은 인벌류트 곡선(involute curve), 사이클로이드 곡선(cycloid curve), 스파이럴 곡선(spiral curve), 또는 헬릭스 곡선(helix curve) 중 어느 한 곡선일 수 있다.
상기 작은 홈(T2)의 깊이는 로터(2-14)의 곡선홈(T1)의 깊이의 1~1.5배이고, 간극(T3)은 곡선홈(T1)의 깊이의 0.1~0.2배이다.
상기와 같이 구성된 유체 반응부(2)는 다음과 같이 작동한다.
유체 반응부(2)로 공급된 고압의 유체가 유체통과간극(T3)을 통해 방사상으로 분사되며, 유체가 유체통과간극(T3)을 통과하는 동안, 제 1 챔버 케이스(2-13)의 제 1 영구자석(2-22)과 제 2 챔버 케이스(2-15)의 제 2 영구자석(2-21)에 의해 유체가 자화된다. 여기서, 도 4에 도시된 것처럼, 제 1 및 제 2 챔버 케이스(2-13, 2-15)의 작은 홈(T2)과 로터(2-14)의 곡선홈(T1)이 서로 일치하지 않았을 때, 유체가 압축 상태로 유체통과간극(T3)을 압축 상태로 흐르게 되고, 도 5에 도시된 것처럼, 로터(2-14)의 회전에 의해 제 1 및 제 2 챔버 케이스((2-13, 2-15)의 작은 홈(T2)과 로터(2-14)의 곡선홈(T1)이 서로 일치하게 되면, 일치된 작은 홈(T2)과 곡선홈(T1)에서 유체의 압축이 해제되면서 난류가 발생하고, 난류에 의해 캐비테이션이 발생하며, 유체가 유체통과간극(T3)을 통과하는 과정에서 압축과 압축 해제 상태를 반복하게 됨으로써, 많은 캐비테이션이 반복적으로 발생하게 된다.
그리고, 캐비테이션에 의해 발생한 기포는 매우 짧은 시간에 붕괴되며, 붕괴시 높은 압력과 온도가 발생하고, 높은 압력과 온도는 물 분자를 열분해시켜 OH라디칼과 H라디칼로 이온화시킨다. 그리고, 물의 열분해에 의해 OH라디칼은 강력한 산화력을 가진 중간생성물로 살균, 소독, 활성화 작용, 난분해성 유기물질의 산화분해, 탈색, 탈취 탈미 작용, 발암성 물질의 생성 억제 기능이 있어 AOP(Advanced Oxydation Process)에 활용될 수 있다.
또한, 상기 기포가 터지면서 충격파가 발생하게 되어, 보다 효율적인 수처리가 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 유체 처리장치는 유체 유입부를 통해 고압의 유체가 유체 반응부로 공급되며, 유체 반응부에서 캐비테이션과 유체 자화가 동시에 효율적으로 발생하여, 무화염 가온 시스템, 미생물 살균 이외의 용도(유체 중의 미세입자 분리, 산업용 냉각 계통수 처리, 폐수의 BOD 및 COD 저감, 콘크리트 산업용수 처리, 농업용수 처리, 양어용수 처리, 남조류에서 바이오디젤용 원유 추출, 호소 수질정화 등)에도 이용될 수 있다.
1. 무화염 가온 시스템
자기장 내에서 수력 캐비테이션을 에너지원으로 하는 무화염 가온 시스템은 화석 연료의 연소나 또는 냉매의 열 교환을 이용하는 히트펌프에서 발생될 수 있는 환경 공해가 전혀 발생되지 않고 열 에너지를 이용할 수 있게 하며 에너지 비용을 절감하여 산업분야 생산성을 높일 수 있다.
동 시스템은 농업용(화훼 재배 유기농, 시설원예용 난방, 식품가공 건조용, 버섯재배 난방용), 축산용(계사 및 돈사 난방), 수산용(양식장 난방용, 수산물 건조용), 산업용(도색 저온 건조용, 업소 및 공장 난방, 다중 주택의 난방) 등에 효율적으로 접목할 수 있다.
2. 미생물 살균
미생물의 신진대사 과정의 에너지 생성 메커니즘의 하나인 산화-환원 과정 중 원자 또는 분자에서 전자의 제거와 전자의 흡수 과정은 미생물의 생존과 증식에 매우 중요하다. 유체 중에 포함된 미생물이 강력한 자기장에 노출되면 신진대사에 소요되는 전자가 박리되어 전위가 낮은 지점으로 흘러버리므로 미생물이 사멸되는 효과를 가져온다.
유체 자화장치의 자기장은 미생물 셀의 외피 막을 구성하고 있는 칼슘 이온을 셀에서 분리해 내어 미생물 셀의 막을 약하게 만든다. 칼슘 이온은 미생물 셀 멤브레인의 표면에 결합하여 미생물의 안정성을 유지하는데 중요하다. 칼슘 이온은 미생물 생성에 필수적 부분인 포스폴리피드(phospholipid) 분자가 함께 붙어 있도록 돕는다. 칼슘 이온이 없으면 셀 멤브레인이 약해져서 셀의 이동에 의한 스트레스와 충격에 더 쉽게 찢어진다. 이에 따라, 자기장 중에서 발생한 강력한 캐비테이션은 유해 미생물을 살균하게 된다.
3. 유체 중의 미세입자 처리
자기장은 이온 주변에 위치하는 유체 분자에 영향을 주므로 수화셀을 비대칭으로 만드는 것으로 알려진다. 또한, 자기장은 뒤따르는 다른 증폭 결합으로 어떤 이온 간의 결합을 약화시킨다. 이러한 변화는 이온의 결합 또는 결정의 핵을 형성하게 한다. 결과적으로 자기의 반대 흐름은 이온 운동의 방향을 변경하였으며, 이온 쌍 형성을 매우 손쉽게 하고 더 복잡하게 모아지게 하여 가까이 있는 입자를 응집하는데 크게 기여한다. 용액 중에 단단한 표면이 있으면 결정 형성에 소요되는 에너지가 용액 중에서 핵이 형성되는 데 소요되는 것보다 상당히 적기 때문에 응집이 상당히 빨리 진행되어 유체 중의 미세입자 분리를 용이하게 한다.
4. 산업용 냉각 계통수 처리
산업용 냉각 계통수 처리에는 미생물의 살균, 관내의 스케일 침적 및 관 부식 등의 문제점을 해소할 수 있어야 한다. 본 특허는 관내 유체 중의 미생물을 살균하고 증식을 억제하며, 유체의 자화반응 효과에 의해 관내의 칼슘이온 침적 방지 및 부식 방지에 효과적으로 사용될 수 있다.
5. 폐수의 BOD 및 COD 저감
캐비테이션에 의한 미세 기포의 급격한 융폭은 기포/물 경계 면에 고온을 발생시켜 액체 중의 유기물을 열 변화시키고, 또한 물 분자의 열 변화에 의하여 물을 산화기(oxidation radical; .OH) 및 환원기(reducing radical; .H) 2 종으로 변화시킨다. 이때 발생한 하이드록실기(.OH)는 유기물을 산화시켜 폐수 중의 BOD 및 COD 가 저감된다.
6. 콘크리트 산업용수 처리
사담 아메드(Saddam M. Ahmed)는 "Effect of Magnetic Water on Engineering Property of Concrete" 에서 기타 혼합제를 첨가하지 않은 상태에서 "자기장 처리수를 콘크리트 배합수로 사용할 경우, 콘크리트의 강도가 10~20% 개선되고, 콘크리트 유연성이 개선된다."고 발표하였다.
본 발명은 유체의 자화반응 효과에 의해 물의 표면장력을 낮추고, 콘크리트의 주요 성분인 칼슘이온의 특성을 변화시켜 친수성을 개선시키므로 콘크리트 강도를 높이고, 콘크리트의 유연성을 개선시킨다.
7. 농업용수 처리
안드류 골드스워쓰(Andrew Goldsworthy)등이 1999년 자료에서 "Biological Effects of Physically Conditioned Water"에서 자기장 처리수의 농사용 효과에 관해 "해바라기, 옥수수, 대두의 발아 실험에서 자기장 처리수를 사용하였을 때 발아 속도가 약 50% 개선되며", "머스크멜론 생산량이 증가되고 품질 또한 개선 되었으며", "가축의 성장이 촉진되며, 건강이 개선되었다." 고 발표하였다.
본 발명은 유체의 자화반응 효과에 의해 물의 표면장력을 낮추고 칼슘 이온의 특성을 변화시켜 작물 생육성 개선, 수확주기 단축, 병충해 감소, 작물 품질향상 등에 활용 가능하다.
8. 양어용수 처리
양어산업에서 수질관리는 매우 중요하다. 과도한 영양원과 물고기의 배설분 등은 수질을 오염시켜 남조류 발생을 촉진하고 용존 산소를 낮추어 물고기의 생육을 저해한다.
본 발명은 강화된 캐비테이션 기능을 활용하여 양어장 내의 남조류 개체 수를 적절히 유지하며, 산소의 수중 용존량을 향상시켜 물고기 건강 및 생육 개선 등에 활용할 수 있다.
9. 남조류(Algae)에서 바이오 디젤용 원유 추출
본 벌명은 강화된 캐비테이션 기능을 활용하여 남조류(Algae)의 셀 막을 파공하면 셀 내부의 리피드(Lipid)가 수중에 노출되므로, 부상 분리조 또는 3상-원심분리기를 사용하여 남조류가 유체에 혼입된 상태에서 바이오 디젤용 원유를 직접 추출할 수 있어, 기존 방법인 "건조-유성분 추출" 공정 보다 적은 비용으로 짧은 시간 내에 원유를 추출할 수 있다.
10. 호소수 정화
암나 알리 나세르(Amna Ali Nasser Saddiq) 등이 Journal of Evolutionary Biology Research(Vol.2(1), 2010,12) 에 발표한 "The effect of magnetic field on the physical, chemical and microbiological properties of the lake water"에 의하면, "고정 및 교반 등의 방법으로 자기장 강도를 높이면, 물의 청정도를 증가시킬 수 있으며, pH 값 증가에 따라 냄새와 전기전도도를 현저히 감소시키고, 또한 납 이온 및 박테리아 개체 수를 감소시킬 수 있다."고 발표하였다. 본 특허의 유체 자화반응 및 강화된 캐비테이션 기능을 활용하여 유해성 미생물 살균하고, 마이크로 단위의 미세 기포를 수중에 접촉시켜 수중의 산소 농도를 높이는 방법으로 호소수의 수질 개선 등에 활용할 수 있다.
1 : 유체 유입구 2 : 유체 반응부
2-12 : 유체 연결부 2-13 : 제 1 챔버 케이스
2-14 : 로터 2-15 : 제 2 챔버 케이스
2-21 : 제 2 영구자석 2-22 : 제 1 영구자석
2-23 : 회전 샤프트 3 : 모터
2-12 : 유체 연결부 2-13 : 제 1 챔버 케이스
2-14 : 로터 2-15 : 제 2 챔버 케이스
2-21 : 제 2 영구자석 2-22 : 제 1 영구자석
2-23 : 회전 샤프트 3 : 모터
Claims (6)
- 유체 반응부(2)가 유체 연결부(2-12)를 통해 다단 원심펌프인 유체 유입부(1)와 연결되며, 유체 유입부(1)의 모터(3)에 의해 구동되는 회전 샤프트(2-23)에 다단 원심펌프인 유체 유입부(1)의 임펠러(1-9)와, 유체 반응부(2)의 로터(2-14)가 각각 끼워지고, 회전 샤프트(2-23)에 의해 유체 반응부(2)의 로터(2-14)가 회전하게 되며, 유체 반응부(2)가 제 1 챔버 케이스(2-13)와, 로터(2-14)와, 제 2 챔버 케이스(2-15)를 포함하고, 제 1 챔버 케이스(2-13)의 내측면과 로터(2-14) 사이 그리고 제 2 챔버 케이스(2-15)의 내측면과 로터(2-14) 사이에 유체통과간극(T3)이 각각 형성되고, 제 1 챔버 케이스(2-13)의 제 1 영구자석(2-22)과 제 2 챔버 케이스(2-15)의 제 2 영구자석(2-21)이 서로 마주보게 배치되며, 제 1 영구자석(2-22)과 제 2 영구자석(2-21) 사이에 로터(2-14)가 배치되고, 제 1 챔버 케이스(2-13)와 제 2 챔버 케이스(2-15)에 다수개의 작은 홈(T2)이 각각 형성되고, 로터(2-14)의 양 측면에 방사상으로 다수개의 곡선홈(T1)이 형성됨으로써, 유체가 유체 유입부(1)를 통과하는 과정에서 고압으로 가압되고, 고압으로 가압된 유체가 유체 반응부(2)를 통과하는 과정에서, 제 1 영구자석(2-22)과 제 2 영구자석(2-21)에 의해 자화되고, 제 1 챔버 케이스(2-13)와 제 2 챔버 케이스(2-15)에 형성된 다수개의 작은 홈(T2)과 로터(2-14)의 곡선홈(T1)에 의해 캐비테이션이 발생하게 되는 것을 특징으로 하는 유체처리장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유체 연결부(2-12)는 원통 관 형상으로서 내부가 벤추리관 형상으로 이루어지며, 중앙 목부의 내경은 유효 단면적이 흡입구(1-4)의 단면적의 90%가 되도록 정해지고, 좌측 플랜지(2-12-1)가 상기 유체 유입부(1)의 유체 배출구(1-12)에 볼트에 의해 결합되고, 우측 플랜지(2-12-2)가 제 1 챔버 케이스(2-13)에 볼트에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 유체처리장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 유체 반응부(2)는 제 1 챔버 케이스(2-13)의 둘레에 형성된 제 1 플랜지(2-13-1)와 제 2 챔버 케이스(2-15)의 둘레에 형성된 제 2 플랜지(2-15-1)가 볼트에 의해 결합되고, 제 1 챔버 케이스(2-13)의 외측면에 링 형태의 제 1 장착홈(2-13-2)이 형성되고, 제 1 장착홈(2-13-2)에 제 1 영구자석(2-22)이 장착되며, 제 2 챔버 케이스(2-15)의 외측면에 링 형태의 제 2 장착홈(2-15-2)이 형성되고, 제 2 장착홈(2-15-2)에 제 2 영구자석(2-21)이 장착되며, 링 형태의 제 1 영구자석(2-22)과 링 형태의 제 2 영구자석(2-21)이 서로 마주보게 배치되고, 제 1 챔버 케이스(2-13)의 내측면과 제 2 챔버 케이스의 내측면 사이에 로터(2-14)가 배치되며, 제 1 챔버 케이스(2-13)의 내측면과 로터(2-14) 사이 그리고 제 2 챔버 케이스(2-15)의 내측면과 로터(2-14) 사이에 유체통과간극(T3)이 각각 형성되고, 회전 샤프트(2-23)가 제 1 챔버 케이스(2-13)의 중공부와 로터(2-14)와 제 2 챔버 케이스(2-15)의 중공부에 끼워져, 회전 샤프트(2-23)에 의해 로터(2-14)가 제 1 챔버 케이스(2-13)와 제 2 챔버 케이스(2-15)에 대해 상대적으로 회전하게 되며, 로터(2-14)의 양 측면에 방사상으로 형성된 다수개의 곡선홈(T1)이 형성되고, 로터(2-14)와 마주보는 제 1 및 제 2 챔버 케이스(2-13. 2-15)의 내측면에 다수개의 작은 홈(T2)이 각각 형성되며, 다수개의 작은 홈(T2)이 방사상으로 커브 라인(CL)을 형성하고, 다수개의 커브 라인(CL)이 제 1 및 제 2 챔버 케이스(2-13, 2-15)의 내측면에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 유체처리장치.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 챔버 케이스(2-13, 2-15)의 커브라인(CL)은 인벌류트 곡선(involute curve), 사이클로이드 곡선(cycloid curve), 스파이럴 곡선(spiral curve), 또는 헬릭스 곡선(helix curve) 중 어느 한 곡선인 것을 특징으로 하는 유체처리장치.
- 제 3 항에 있어서,
상기 로터(2-14)의 곡선홈(T1)은 인벌류트 곡선(involute curve), 사이클로이드 곡선(cycloid curve), 스파이럴 곡선(spiral curve), 또는 헬릭스 곡선(helix curve) 중 어느 한 곡선인 것을 특징으로 하는 유체처리장치.
- 제 3 항에 있어서,
상기 작은 홈(T2)의 깊이는 로터(2-14)의 곡선홈(T1)의 깊이의 1~1.5배이고, 간극(T3)은 곡선홈(T1)의 깊이의 0.1~0.2배인 것을 특징으로 하는 유체처리장치.
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