KR102010986B1 - 무전력 정수 장치 및 이의 작동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무전력 정수 장치 및 이의 작동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무전력 상태에서도 높은 구동압력으로 정수 속도를 제어할 수 있고, 필터 내 오염물질을 용이하게 제거할 수 있는 무전력 정수 장치 및 이의 작동방법에 관한 것이다. 본 발명은 원기둥 형태로 마련된 필터부; 상기 필터부의 내부에 삽입되어 양방향으로 회전 가능하도록 마련된 회전부; 상기 필터부가 내부에 삽입되도록 마련되며, 상기 필터부를 통과한 물이 외부로 배출되도록 마련된 케이스부; 및 상기 필터부 내부에 원수를 주입하고, 상기 회전부와 결합되어 상기 회전부를 회전시키도록 마련된 주입부를 포함하며, 상기 회전부는 일방향으로 회전하여 원수의 오염물질을 필터링하고, 타방향으로 회전하여 상기 필터부의 내측면에 부착된 오염물질을 제거하도록 마련된 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치를 제공한다.

Description

무전력 정수 장치 및 이의 작동방법{NON-ELECTRONIC WATER PURIFICATION DEVICE AND ITS OPERATING METHOD}

본 발명은 무전력 정수 장치 및 이의 작동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무전력 상태에서도 높은 구동압력으로 정수 속도를 제어할 수 있고, 필터 내 오염물질을 용이하게 제거할 수 있는 무전력 정수 장치 및 이의 작동방법에 관한 것이다.

전 세계적으로 대부분의 개발도상국에 거주하는 사람들은 오염된 원수를 정수할 수 있는 기술이 미비하기 때문에 안전한 식수 자원을 확보하지 못하고 있다. 따라서, 이를 해결하기 위해 복잡한 기술 없이도 식수를 얻을 수 있는 정수 기술에 대한 관심이 크며 관련 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다.

일 예로, 평판 형태의 멤브레인 막을 이용하여 원수를 펌핑한 다음, 중력을 이용하여 정수하는 기술이 개발된 바 있다.

그러나, 이러한 형태의 기술은 가할 수 있는 구동 압력이 낮아 최대 정수 속도가 느린 단점이 있고, 정수 속도를 조절하는 것도 용이하지 않다는 문제가 있다.

또한, 종래의 휴대용 정수 장치의 경우, 멤브레인 필터에 부착된 오염물질을 제거하기 위해 정수 장치를 분해해야 했다.

따라서, 종래에는 휴대용 정수 장치를 사용할 때마다 멤브레인 필터의 청소를 위해 분해 및 조립을 해야만 하는 불편함이 있었다.

따라서, 무전력 상태에서도 높은 구동압력으로 정수 속도를 제어할 수 있고, 필터 내 오염물질을 용이하게 제거할 수 있는 무전력 정수 장치 및 이의 작동방법이 필요하다.

한국등록특허 제10-1433533호

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 무전력 상태에서도 높은 구동압력으로 정수 속도를 제어할 수 있고, 필터 내 오염물질을 용이하게 제거할 수 있는 무전력 정수 장치 및 이의 작동방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 원기둥 형태로 마련된 필터부; 상기 필터부의 내부에 삽입되어 양방향으로 회전 가능하도록 마련된 회전부; 상기 필터부가 내부에 삽입되도록 마련되며, 상기 필터부를 통과한 물이 외부로 배출되도록 마련된 케이스부; 및 상기 필터부 내부에 원수를 주입하고, 상기 회전부와 결합되어 상기 회전부를 회전시키도록 마련된 주입부를 포함하며, 상기 회전부는 일방향으로 회전하여 원수의 오염물질을 필터링하고, 타방향으로 회전하여 상기 필터부의 내측면에 부착된 오염물질을 제거하도록 마련된 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 필터부는, 상기 케이스부의 내부에 마련되며, 원수를 필터링 하도록 마련된 멤브레인; 상기 멤브레인의 일단부에 결합되며, 상기 회전부의 회전축을 지지하도록 마련된 베어링을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 필터부는, 상기 베어링의 일단부에 마련되어, 상기 케이스부의 일단부를 밀폐시키는 필터커버를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 회전부는, 일단부는 상기 필터부 베어링을 관통하여 지지되고, 타단은 상기 주입부와 결합되어 회전 가능하도록 마련된 회전축; 및 상기 회전축의 둘레를 따라 상호 이격되어 마련되며, 상기 회전축의 외측 방향으로 연장 형성된 복수의 날개를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 회전부는, 상기 회전축의 일단부에 결합되어, 상기 회전축 및 상기 날개가 상기 필터부 내에 삽입된 상태를 유지하도록 고정시키는 회전커버를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 회전축은 내부에 유로가 형성되고, 외주면에는 복수의 출입홀이 더 형성되며, 상기 출입홀은 상기 필터부 내부로 원수가 유입되고, 상기 필터부의 내측면에 부착된 오염물질이 외부로 배출될 수 있는 통로를 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 케이스부는, 내부에 상기 필터부가 삽입되도록 마련되는 케이스; 및 상기 케이스의 외주면에 마련되며, 오염물질이 필터링된 정화수를 배출하는 배출구를 포함하며, 상기 케이스의 내측면은 상기 필터부의 외측면과 이격되도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 주입부는, 상기 회전부의 회전축과 고정 결합되도록 마련되며, 내부에 유로가 형성된 주입구; 및 상기 회전축과 상기 주입구를 결합하도록 마련된 결합체를 포함하며, 상기 회전축과 상기 주입구는 상기 결합체에 회전 가능하도록 결합된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 주입부는, 상기 결합체부터 상기 필터부에 마련된 멤브레인의 외주면까지 연장되어 형성된 연장체를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 무전력 정수 장치의 작동방법에 있어서, 상기 필터부 내부에 원수를 유입시키는 단계; 상기 회전부를 일방향으로 회전시켜 상기 원수의 오염물질을 필터링하는 단계; 상기 오염물질이 필터링된 정화수를 배출시키는 단계; 상기 회전부를 타방향으로 회전시켜 필터부의 내측면에 부착된 오염물질을 탈착시키는 단계; 및 탈착된 상기 오염물질을 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치의 작동방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 오염물질을 필터링하는 단계에서, 상기 원수는 상기 회전부의 회전에 의해 발생하는 원심력에 의해 상기 필터부를 통과하면서 오염물질이 필터링되어 정화수를 형성하며 상기 정화수는 상기 필터부와 상기 케이스부 사이에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 정화수를 배출시키는 단계에서, 상기 정화수는 상기 케이스부에 마련된 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 오염물질 탈착하는 단계에서, 상기 필터부의 내측면에 부착된 상기 오염물질은 상기 회전부가 타방향으로 회전됨에 따라 발생하는 원수와의 전단응력에 의해 탈착되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 오염물질을 배출하는 단계에서, 상기 오염물질은 상기 주입부를 통해 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 원심력을 이용하여 필터링을 수행하기 때문에 구동압력이 높다. 그리고, 높은 구동압력에 의해 최대 정수 속도가 종래에 비해 빠르다.

또한, 본 발명은 회전부의 회전 속도를 조절하여 정수속도를 조절하기 용이하다.

또한, 본 발명은 필터부 내측면에 부착된 오염물질을 제거하기 용이하다. 구체적으로, 본 발명은 회전부를 반대방향으로 돌려 오염물질과 원수 사이에 전단응력을 발생시킴으로써, 오염물질을 용이하게 필터부로부터 탈착시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 종래와 같이, 오염물질을 제거하기 위해 정수 장치를 분해 및 재조립할 필요가 없어 편리하다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무전력 정수 장치의 케이스부 및 필터부의 내부를 투시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무전력 정수 장치의 케이스부의 내부를 투시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무전력 정수 장치의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무전력 정수 장치의 작동방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 무전력 정수 장치 내 유체 흐름을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 무전력 정수 장치 내 회전부의 회전을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 오염물질을 탈착시키는 단계에서의 회전부의 회전 방향을 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 탈착된 상기 오염물질을 배출하는 단계에서의 유체 흐름을 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 가정된 각속도 조건하에서 유입원수에 가해지는 압력에 대한 모델링 결과를 도시한 등고선 그래프이다.
도 10은 본 발명의 수투과량과 시중 제품들의 수투과량을 비교한 그래프이다.
도 11은 멤브레인 세척이 적용된 상황과 적용되지 않은 상황에서의 본 발명의 수투과도 저감속도를 비교한 그래프이다.
도 12는 멤브레인 세척이 적용된 상황과 적용되지 않은 상황에서의 본 발명의 수투과량을 비교하여 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무전력 정수 장치의 케이스부 및 필터부의 내부를 투시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무전력 정수 장치의 케이스부의 내부를 투시한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무전력 정수 장치의 분해 사시도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 무전력 정수 장치(100)는 필터부(110), 회전부(120), 케이스(131)부(130) 및 주입부(140)를 포함한다.

상기 필터부(110)는 원기둥 형태로 마련될 수 있으며, 멤브레인(111), 베어링(112) 및 필터커버(113)를 포함한다.

상기 멤브레인(111)은 상기 케이스(131)부(130)의 내부에 마련되며, 원수를 필터링 하도록 마련된다. 여기서, 상기 원수는 자연 상태의 물일 수도 있고, 자갈 등의 굵은 입자를 1차적으로 제거한 상태의 물일 수도 있다.

그리고, 상기 멤브레인(111)은 원기둥 형태로 마련될 수 있으며, 옆면은 물 입자는 통과하되 오염물질(10)은 통과할 수 없는 멤브레인(111) 필터 형태로 마련될 수 있다. 즉, 상기 원수가 멤브레인(111)을 통과할 때, 오염물질(10)은 상기 멤브레인(111)을 통과하지 못하고, 상기 멤브레인(111)의 내측면에 부착될 수 있다.

상기 베어링(112)은 상기 멤브레인(111)의 일단부에 결합되며, 상기 회전부(120)의 회전축(121)을 지지하도록 마련될 수 있다.

상기 필터커버(113)는 상기 베어링(112)의 일단부에 마련되어, 상기 케이스(131)부(130)의 일단부를 밀폐시키도록 마련될 수 있다.

상기 회전부(120)는 상기 필터부(110)의 내부에 삽입되어 양방향으로 회전 가능하도록 마련될 수 있으며, 회전축(121), 날개(122) 및 회전커버(123)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 회전부(120)는 일방향으로 회전하여 원수의 오염물질(10)을 필터링하고, 타방향으로 회전하여 상기 필터부(110)의 내측면에 부착된 오염물질(10)을 제거하도록 마련될 수 있다.

구체적으로, 상기 회전축(121)은 일단부가 상기 필터부(110) 베어링(112)을 관통하여 지지되고, 타단이 상기 주입부(140)와 결합되어 회전 가능하도록 마련될 수 있다. 즉, 상기 베어링(112)은 상기 회전축(121)이 정해진 위치에서 일방향 또는 타방향으로 회전할 수 있도록 상기 회전축(121)을 지지할 수 있다.

또한, 상기 회전축(121)은 내부에 유로(미도시)가 형성될 수 있다. 상기 회전축(121)의 내부 유로에는 상기 주입부(140)로부터 주입된 원수가 이동하는 통로를 형성할 수 있다.

그리고, 상기 회전축(121)의 외주면에는 복수의 출입홀(미도시)이 더 형성될 수 있다.

상기 출입홀은 상기 회전축(121)의 내부 유로를 따라 주입된 원수가 상기 필터부(110) 내부로 주입될 수 있도록 통로를 형성할 수 있고, 상기 필터부(110) 내부의 오염물질(10)을 상기 주입부(140)를 통해 배출할 때, 상기 필터부(110)의 내측면에 부착된 오염물질(10)이 외부로 배출될 수 있는 통로를 형성할 수도 있다.

상기 날개(122)는 상기 회전축(121)의 외측 방향으로 연장되어 형성될 수 있으며 복수개가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 날개(122)는 상기 회전축(121)의 둘레를 따라 상호 이격되어 마련될 수 잇다.

또한, 상기 날개(122)는 상기 회전축(121)의 외측면의 가상의 접선에서 수직 방향으로 연장되어 형성될 수도 있고, 일방향 또는 타방향으로 기울어진 상태로 마련될 수 있다.

그리고 도시하지는 않았으나, 상기 날개(122)가 상기 필터부(110)의 내측면에 부착된 오염물질(10)을 제거하기 위해 타방향으로 회전할 때, 이의 효율을 향상시키기 위해 상기 날개(122)의 타방향측 면에는 원수와 필터부(110) 내측면 사이의 전단응력을 향상시키기 위해 난류를 발생시킬 수 있는 돌출패턴부가 더 형성될 수도 있다.

상기 회전커버(123)는 상기 회전축(121)의 일단부에 결합되어, 상기 회전축(121) 및 상기 날개(122)가 상기 필터부(110) 내에 삽입된 상태를 유지하도록 고정시킬 수 있다.

상기 케이스(131)부(130)는 상기 필터부(110)가 내부에 삽입될 수 있도록 마련되며, 상기 필터부(110)를 통과한 물이 외부로 배출되도록 할 수 있다. 상기 케이스(131)부(130)는 케이스(131) 및 배출구(132)를 포함한다.

상기 케이스(131)는 내부에 상기 필터부(110)가 삽입되도록 마련될 수 있다.

구체적으로, 상기 케이스(131)는 상기 케이스(131)부(130)의 외형을 형성하며, 상기 케이스(131)의 내측면은 상기 필터부(110)의 외측면과 이격되도록 형성될 수 있다. 이처럼 마련된 상기 케이스(131)는, 상기 필터부(110)의 외측면과 상기 케이스(131)의 내측면 사이 공간에 상기 필터부(110)를 통과한 정화수가 위치하도록 할 수 있다.

상기 케이스(131)의 형상은 도시된 원기둥 형상으로 마련될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 필터부(110)를 통과하면서 오염물질(10)이 필터링된 정화수를 수용할 수 있는 형상을 모두 포함한다.

상기 배출구(132)는 상기 케이스(131)의 외주면에 마련되며, 오염물질(10)이 필터링된 정화수를 외부로 배출하도록 마련될 수 있다.

또한, 상기 케이스(131)의 내측면에는 상기 필터부(110)를 통과한 상기 정화수가 신속하게 상기 배출구(132)를 통해 배출되고, 부식되는 문제가 발생하지 않도록 소수성코팅층이 형성될 수도 있다.

상기 주입부(140)는 상기 필터부(110) 내부에 원수를 주입하고, 상기 회전부(120)와 결합되어 상기 회전부(120)를 회전시키도록 마련되며, 주입구(141), 결합체(142) 및 연장체(143)를 포함한다.

상기 주입구(141)는 상기 회전부(120)의 회전축(121)과 고정 결합되도록 마련되며, 내부에 유로가 형성될 수 있다. 그리고, 상기 주입구(141) 내부에 형성된 유로는 상기 회전축(121)의 내부에 형성된 유로와 연장될 수 있다.

상기 결합체(142)는 상기 회전축(121)과 상기 주입구(141)를 결합하도록 마련되며, 상기 회전축(121)과 상기 주입구(141)는 상기 결합체(142)에 회전 가능하도록 결합될 수 있다. 즉, 상기 결합체(142)는 상기 회전축(121)과 상기 주입구(141)가 일체화되도록 결합하되, 상기 회전축(121)과 상기 주입구(141)가 일방향 또는 타방향으로 회전될 수 있도록 할 수 있다.

상기 연장체(143)는 상기 결합체(142)부터 상기 필터부(110)에 마련된 멤브레인(111)의 외주면까지 연장되어 형성될 수 있다. 이처럼 마련된 상기 연장체(143)는 상기 멤브레인(111)의 일단이 베어링(112)에 고정된 상태에서, 상기 멤브레인(111)의 타단을 더 고정시켜줌으로써, 상기 회전부(120)가 회전하면서 원수가 상기 멤브레인(111)을 통과할 때, 상기 멤브레인(111)이 안정적으로 고정된 상태를 유지하도록 할 수 있다.

한편, 상기 무전력 정수 장치(100)는 손잡이부(150) 및 페달부(160) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 손잡이부(150) 및 상기 페달부(160)는 각각 상기 주입부(140)의 주입구(141)와 연결되어 마련될 수 있으며, 상기 손잡이부(150) 및 상기 페달부(160)를 회전시켜 상기 주입구(141)를 회전시킬 수 있다. 즉, 상기 손잡이부(150) 및 상기 페달부(160)는 상기 주입구(141)를 더욱 회전시키기 용이하도록 할 수 있다.

이하, 하기 도면들을 참조하여 전술한 바와 같이 마련된 무전력 정수 장치(100)의 작동방법을 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무전력 정수 장치의 작동방법의 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 무전력 정수 장치 내 유체 흐름을 나타낸 예시도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 무전력 정수 장치 내 회전부(120)의 회전을 나타낸 예시도이다.

도 4 내지 도 6에 도시된 것처럼, 무전력 정수 장치(100)의 작동방법은, 먼저, 상기 필터부(110) 내부에 원수를 유입시키는 단계(S210)를 수행할 수 있다.

상기 필터부(110) 내부에 원수를 유입시키는 단계(S210)에서, 상기 원수는 먼저 주입구(141)의 내부 유로에 주입되며, 상기 주입구(141)의 내부 유로에 주입된 원수는 상기 회전축(121) 내 유로를 통과하여 상기 필터부(110)의 멤브레인(111) 내부로 유입될 수 있다.

상기 필터부(110) 내부에 원수를 유입시키는 단계(S210) 이후에는, 상기 회전부(120)를 일방향으로 회전시켜 상기 원수의 오염물질(10)을 필터링하는 단계(S220)를 수행할 수 있다.

상기 회전부(120)를 일방향으로 회전시켜 상기 원수의 오염물질(10)을 필터링하는 단계(S220)에서는, 상기 주입구(141)를 일방향으로 회전시켜 상기 주입구(141)와 고정 결합된 상기 회전축(121)을 일방향으로 회전시킬 수 있다. 이때, 상기 주입구(141)는 상기 주입구(141)와 연결된 상기 손잡이부(150) 또는 페달부(160)를 이용하여 회전이 이루어질 수 있다.

한편, 상기 주입구(141)의 회전으로 인해 상기 회전축(121)이 회전하게 되면, 상기 회전축(121)에 연결된 상기 날개(122)가 일방향으로 회전되면서 원심력이 발생하게 된다. 이처럼, 상기 날개(122)의 회전에 따라 발생한 원심력은 상기 멤브레인(111) 내에 위치한 원수가 상기 멤브레인(111)의 중심에서 상기 멤브레인(111)의 외부를 향해 이동하려는 힘을 발생시켜 상기 원수가 상기 멤브레인(111)을 통과하도록 할 수 있다.

즉, 상기 날개(112)가 회전됨에 따라, 상기 회전축(121)에 유입된 원수는 모멘텀 대류 현상에 의해 상기 회전축(121)의 바깥 수직 방향으로 이동하게 되어, 상기 멤브레인(111)에 도달하게 된다. 그리고, 상기 멤브레인(111)에 도달한 상기 원수는 모멘텀 대류에 의해 일정 압력에 도달하면 질량확산을 통해 상기 멤브레인(111)을 통과하게 된다.

이때, 상기 멤브레인(111)은 물 입자는 통과할 수 있으나, 오염물질(10)은 통과할 수 없다. 따라서, 상기 멤브레인(111)을 통과하는 원수에 포함된 오염물질(10)은 상기 멤브레인(111)의 내측면에 부착되고, 상기 멤브레인(111)을 통과하면서 오염물질(10)이 필터링된 원수는 정화수를 형성하게 될 수 있다.

그리고, 상기 정화수는 상기 필터부(110)와 상기 케이스(131)부(130) 사이의 공간에 위치하게 될 수 있다.

상기 회전부(120)를 일방향으로 회전시켜 상기 원수의 오염물질(10)을 필터링하는 단계(S220) 이후에는, 상기 오염물질(10)이 필터링된 정화수를 배출시키는 단계(S230)를 수행할 수 있다.

상기 오염물질(10)이 필터링된 정화수를 배출시키는 단계(S230)에서, 상기 정화수는 상기 필터부(110)와 상기 케이스(131)부(130) 사이의 공간에 위치하게 되며, 이 공간에 위치한 정화수는 상기 케이스(131)의 형상에 의해 상기 배출구(132)로 이동된다. 그리고, 상기 배출구(132)로 이동된 정화수는 상기 배출구(132)를 통해 상기 케이스(131) 외부로 배출될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 오염물질을 탈착시키는 단계에서의 회전부의 회전 방향을 나타낸 예시도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 탈착된 상기 오염물질을 배출하는 단계에서의 유체 흐름을 나타낸 예시도이다.

도 7 및 도 8을 더 참조하면, 상기 오염물질(10)이 필터링된 정화수를 배출시키는 단계(S230) 이후에는, 상기 회전부(120)를 타방향으로 회전시켜 필터부(110)의 내측면에 부착된 오염물질(10)을 탈착시키는 단계(S240)를 수행할 수 있다.

상기 회전부(120)를 타방향으로 회전시켜 필터부(110)의 내측면에 부착된 오염물질(10)을 탈착시키는 단계(S240)에서는, 먼저, 상기 필터부(110)의 내부에 정수된 물을 채울 수 있다. 그리고 이어서, 상기 주입구(141)를 타방향으로 회전시켜 상기 주입구(141)와 고정 결합된 상기 회전축(121)을 타방향으로 회전시킬 수 있다. 이때, 상기 주입구(141)는 상기 주입구(141)와 연결된 상기 손잡이부(150) 또는 페달부(160)를 이용하여 회전이 이루어질 수 있다.

한편, 상기 회전축(121)이 타방향으로 회전됨에 따라 상기 날개(122)가 타방향으로 회전이 이루어지면 상기 필터부(110)의 멤브레인(111)의 내측면에 부착된 상기 오염물질(10)과 정수 사이에는 전단응력이 발생하며 이에 따라 상기 오염물질(10)이 상기 멤브레인(111)의 내측면으로부터 탈착될 수 있다.

단, 상기 회전부(120)를 타방향으로만 회전시키는 것으로 한정하는 것은 아니며, 상기 회전부(120)를 일방향 및 타방향으로 번갈아가며 회전시켜 상기 멤브레인(111)의 내측면에 부착된 상기 오염물질(10)을 제거하도록 할 수도 있다.

더 효율적이기 위해서, 상기 회전부(120)가 일방향 또는 타방향으로 몇 회 회전되도록 한 후에, 상기 회전부(120)가 순간적으로 역방향으로 회전하도록 함으로써, 상기 정수와 상기 오염물질(10) 사이의 전단응력이 극대화되도록 할 수도 있다.

상기 회전부(120)를 타방향으로 회전시켜 필터부(110)의 내측면에 부착된 오염물질(10)을 탈착시키는 단계(S240) 이후에는, 탈착된 상기 오염물질(10)을 배출하는 단계(S250)를 수행할 수 있다.

탈착된 상기 오염물질(10)을 배출하는 단계(S250)에서, 상기 오염물질(10)은 상기 주입부(140)를 통해 배출될 수 있다. 구체적으로, 도 8에 도시된 것처럼, 주입부(140)가 지면을 향하도록 상기 무전력 정수 장치(100)를 위치시키면, 상기 멤브레인(111)으로부터 탈착된 오염물질(10)은 상기 멤브레인(111) 내에 수용된 정수와 함께 상기 회전축(121) 및 상기 주입구(141)의 내부 유로를 따라 외부로 배출될 수 있다.

이처럼 마련된 본 발명은, 원심력을 이용하여 필터링을 수행하기 때문에 적은 힘으로도 높은 압력을 발생시킬 수 있다. 그리고, 높은 압력에 의해 최대 필터링 속도가 종래에 비해 빠르다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 가정된 각속도 조건하에서 유입원수에 가해지는 압력에 대한 모델링 결과를 도시한 등고선 그래프이다.

보다 구체적으로, 도 9는 하기 수학식1 내지 수학식3을 이용하여 모델링을 수행한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 9의 X-location과 Y-location은 각각 상기 무전력 정수 장치(100)의 단면상의 수평축과 수직축의 반지름을 의미한다.

상기 수학식1에서, 상기 회전축(121)으로 유입되는 원수의 운동 변화가 없다고 가정할 때, 상기 수학식1은 원주 좌표계상에서 다음과 같이 나타내어진다.

상기 수학식2 및 수학식3에서, μ는 유입원수의 점도이며, 상기 수학식2는 원주 좌표계 상에서 전개된 Navier-Stokes식의 반지름에 관한 식이며, 상기 수학식3은 원주 좌표계상에서 전개된 중심각에 관한 식이다.

상기 도 9 및 수학식1 내지 수학식3을 참조하면, 0.2m의 반지름 범위까지는 상기 필터부(110)의 직경이 커질수록 유입 원수에 가해지는 수압이 상승함을 알 수 있다.

따라서, 0.2m의 반지름을 갖고 있는 본 발명은 막간차압의 크기가 2×10⁵Pa로써 정밀여과(Microfiltration) 수준을 넘어 한외여과(Ultrafiltration) 단계의 막까지 장치에 적용할 수 있는 수준임을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 상기 필터부(110)의 반지름이 0.2m 이하로 설계될 때, 정밀여과보다 더 높은 수준의 한외여과가 가능하도록 함으로써, 오염물질 및 균 차단을 보다 효율적으로 수행하도록 할 수 있음을 알 수 있다.

도 10은 본 발명의 수투과량과 시중 제품들의 수투과량을 비교한 그래프이다.

또한, 도 10을 보면, 본 발명은 시중에 상용화된 휴대용 정수 장치들에 비해, 높은 구동압력 덕분에 3 배 내지 18배의 높은 수투과량을 갖는 것을 알 수 있다.

즉, 본 발명은 기존에 상용화된 제품들 보다 빠른 속도로 정수를 수행할 수 있음을 알 수 있다.

도 11은 멤브레인 세척이 적용된 상황과 적용되지 않은 상황에서의 본 발명의 수투과도 저감속도를 비교한 그래프이고, 도 12는 멤브레인 세척이 적용된 상황과 적용되지 않은 상황에서의 본 발명의 수투과량을 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 11 및 도 12는 하기 수학식4 및 수학식 5를 적용하여 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타낸 그래프로서, 유입 원수에 따라 수투과도가 지속적으로 일정하게 저감된다고 가정하고, 멤브레인 세척은 장치의 구동 후 40시간마다 1회 진행된다고 가정한 상태의 결과를 나타낸 것이다. 그리고, 유입 원수의 수질은 10시간마다 막간차압을 기존 막간차압보다 10% 증가시킬 정도로 가정하였으며, 멤브레인 세척으로 인한 수투과량의 최대 회복율은 80%로 가정하였다.

수학식 4 및 수학식 5에서 J_p는 생산되는 정수의 수투과량, m은 막의 수투과도, TMP는 막간차압, α는 수투과도 저감속도를 지칭한다.

도 11 및 도 12에서 볼 수 있듯이, 정기적인 막 오염물질(10) 제거는 수투과도 저감속도의 변화량과 수투과량의 하락속도를 모두 완화할 수 있다. 특히 주기적인 멤브레인 세척을 반복할시 가동 후 200시간 때에는 주기적인 멤브레인 세척을 적용한 경우가 적용하지 그렇지 않은 경우보다 약 8배 정도 수투과량이 더 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 지속적인 가역적 오염물질(10) 제거로 인해 일부 세척된 막 표면으로 지속해서 정수가 이루어질 수 있었기 때문이다.

이처럼 마련된 본 발명은 막 표면 오염물질(10) 제거를 수행하도록 함으로써, 수투과량 감소량이 낮아짐에 따른 장치 관리 및 유지비용을 감소시킬 수 있다.

특히, 제 3지대 국가들과 같이 경제상황이 열악한 곳에서 정수 장치에 주기적인 화학 세정을 적용한다는 것은 실효성이 떨어진다. 하지만 종래의 중력식 여과장치들은 제품의 구조상 막이 오염되었을 시 새 제품을 구매하거나 화학 세정을 통해 멤브레인 세척을 진행하는 수밖에 방법이 없으므로 제 3지대 국가 거주민들에게 경제적 부담을 증폭시킬 수 있었다.

그러나, 본 발명은 가역적 막 오염물질(10)들에 대하여 간편하게 주기적 멤브레인 세척이 가능하므로, 화학적 세정 없이도 장치의 유지관리가 매우 수월하다.

또한, 본 발명은 원수를 정화한 정수의 수질을 일정하게 유지시킬 수 있다. 구체적으로, 멤브레인(111)의 오염은 단순히 멤브레인(111)의 수투과량을 감소시키는 것뿐 아니라 생산되는 정수의 수질 또한 하락시킨다는 단점이 있다. 따라서, 본 발명은 간편하게 멤브레인(111)을 세척할 수 있도록 함으로써, 원수의 수질이 열악한 아프리카 및 일부 아시아 등지의 거주민들에게 안정적인 식수 공급이 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 본 발명은 회전부(120)의 회전 속도를 조절하여 정수속도를 조절하기 용이하다.

또한, 본 발명은 필터부(110) 내측면에 부착된 오염물질(10)을 제거하기 용이하다. 구체적으로, 본 발명은 회전부(120)를 반대방향으로 돌려 오염물질(10)과 정수 사이에 전단응력을 발생시킴으로써, 오염물질(10)을 용이하게 필터부(110)로부터 탈착시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 종래와 같이, 오염물질(10)을 제거하기 위해 정수 장치를 분해 및 재조립할 필요가 없어 편리하다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 오염물질
100: 무전력 정수 장치 110: 필터부
111: 멤브레인 112: 베어링
113: 필터커버 120: 회전부
121: 회전축 122: 날개
123: 회전커버 130: 케이스부
131: 케이스 132: 배출구
140: 주입부 141: 주입구
142: 결합체 143: 연장체
150: 손잡이부 160: 페달부

Claims (14)

1. 원기둥 형태로 마련된 필터부;
   상기 필터부의 내부에 삽입되어 양방향으로 회전 가능하도록 마련된 회전부;
   상기 필터부가 내부에 삽입되도록 마련되며, 상기 필터부를 통과한 물이 외부로 배출되도록 마련된 케이스부; 및
   상기 필터부 내부에 원수를 주입하고, 상기 회전부와 결합되어 상기 회전부를 회전시키도록 마련된 주입부를 포함하며,
   상기 회전부는 일방향으로 회전하여 원수의 오염물질을 필터링하고, 타방향으로 회전하여 상기 필터부의 내측면에 부착된 오염물질을 제거하도록 마련되고,
   상기 회전부는,
   일단부는 상기 필터부의 베어링을 관통하여 지지되고, 타단은 상기 주입부와 결합되어 회전 가능하도록 마련된 회전축; 및
   상기 회전축의 둘레를 따라 상호 이격되어 마련되며, 상기 회전축의 외측 방향으로 연장 형성된 복수의 날개를 포함하며,
   상기 날개의 타방향측 면에는 원수와 상기 필터부 내측면 사이에 난류를 발생시키도록 마련된 돌출패턴부가 형성되고,
   상기 돌출패턴부는 상기 날개가 타방향으로 회전시, 난류를 발생시켜 원수와 상기 필터부의 내측면 사이의 전단응력을 향상시킴으로써, 상기 필터부의 내측면에 부착된 오염물질의 제거 효율을 향상시키도록 마련되며,
   상기 필터부에 유입되는 유입원수의 운동 변화가 없을 때의 유입원수의 점도에 따라, 상기 유입원수에 가해지는 수압이 최대로 상승하는 상기 필터부의 직경이 결정되되, 상기 필터부는 한외여과가 이루어질 수 있는 막간차압을 갖도록 반지름이 0.2m 이하로 설계된 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 필터부는,
   상기 케이스부의 내부에 마련되며, 원수를 필터링 하도록 마련된 멤브레인;
   상기 멤브레인의 일단부에 결합되며, 상기 회전부의 회전축을 지지하도록 마련된 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 필터부는,
   상기 베어링의 일단부에 마련되어, 상기 케이스부의 일단부를 밀폐시키는 필터커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전부는,
   상기 회전축의 일단부에 결합되어, 상기 회전축 및 상기 날개가 상기 필터부 내에 삽입된 상태를 유지하도록 고정시키는 회전커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전축은 내부에 유로가 형성되고, 외주면에는 복수의 출입홀이 더 형성되며,
   상기 출입홀은 상기 필터부 내부로 원수가 유입되고, 상기 필터부의 내측면에 부착된 오염물질이 외부로 배출될 수 있는 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 케이스부는,
   내부에 상기 필터부가 삽입되도록 마련되는 케이스; 및
   상기 케이스의 외주면에 마련되며, 오염물질이 필터링된 정화수를 배출하는 배출구를 포함하며,
   상기 케이스의 내측면은 상기 필터부의 외측면과 이격되도록 형성된 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 주입부는,
   상기 회전부의 회전축과 고정 결합되도록 마련되며, 내부에 유로가 형성된 주입구; 및
   상기 회전축과 상기 주입구를 결합하도록 마련된 결합체를 포함하며,
   상기 회전축과 상기 주입구는 상기 결합체에 회전 가능하도록 결합된 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 주입부는,
   상기 결합체부터 상기 필터부에 마련된 멤브레인의 외주면까지 연장되어 형성된 연장체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치.
10. 제 1 항에 따른 무전력 정수 장치의 작동방법에 있어서,
    상기 필터부 내부에 원수를 유입시키는 단계;
    상기 회전부를 일방향으로 회전시켜 상기 원수의 오염물질을 필터링하는 단계;
    상기 오염물질이 필터링된 정화수를 배출시키는 단계;
    상기 회전부를 타방향으로 회전시켜 필터부의 내측면에 부착된 오염물질을 탈착시키는 단계; 및
    탈착된 상기 오염물질을 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치의 작동방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 오염물질을 필터링하는 단계에서,
    상기 원수는 상기 회전부의 회전에 의해 발생하는 원심력에 의해 상기 필터부를 통과하면서 오염물질이 필터링되어 정화수를 형성하며
    상기 정화수는 상기 필터부와 상기 케이스부 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치의 작동방법.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 정화수를 배출시키는 단계에서,
    상기 정화수는 상기 케이스부에 마련된 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치의 작동방법.
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 오염물질 탈착하는 단계에서,
    상기 필터부의 내측면에 부착된 상기 오염물질은 상기 회전부가 타방향으로 회전됨에 따라 발생하는 원수와의 전단응력에 의해 탈착되는 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치의 작동방법.
14. 제 10 항에 있어서,
    상기 오염물질을 배출하는 단계에서,
    상기 오염물질은 상기 주입부를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 무전력 정수 장치의 작동방법.

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