KR102095835B1 - 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저 - Google Patents

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Abstract

파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저에 관한 것으로,
입구측 단면적이 작고 출구측 단면적이 큰 밀폐관 형태이고, 입구측 하단의 유동박리 발생지점에 실린더챔버가 마련된 디퓨저 본체; 외주에 다수의 파형이 방사상으로 마련되고, 디퓨저 본체의 실린더챔버 내부에 시계방향 또는 시계반대방향으로 회전 가능하게 설치되는 파형 회전실린더;를 포함하는 기술 구성을 통하여
산업용 디퓨저의 단면적비를 크게 증가시키더라도 유동박리가 발생하지 않게 되므로 산업용 디퓨저의 효율을 크게 증가시킬 수 있게 된다.

Description

파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저 {INDUSTRIAL DIFFUSER WITH A WAVY ROTATING CYLINDER}
본 발명은 산업용 디퓨저에 관한 것으로, 더 자세하게는 파형 회전실린더를 유동박리가 발생하는 확대부에 설치하여 파형 회전실린더의 회전속도, 회전방향, 실린더의 길이, 파형의 진폭, 파형의 개수를 변화시킴으로써 다양한 유동에 적용할 수 있는 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저에 관한 것이다.
일반적으로 디퓨저(Diffuser)는 유동의 운동에너지를 압력으로 변환시키기 위한 매우 단순한 유체장치로, 유로의 단면적을 증가시켜 유동의 감속을 얻는다.
도 1은 종래 기술에 따른 산업용 디퓨저의 예시도이다.
도 1에서 (a)는 직사각형 단면 형태의 산업용 디퓨저이고, (b)는 원형 단면 형태의 산업용 디퓨저이고, (c)는 곡형 직사각형 단면 형태의 산업용 디퓨저이고, (d)는 곡형 원형 단면 형태의 산업용 디퓨저이다.
도 1에 도시된 바와 같은 산업용 디퓨저의 성능은 유로 단면적이 증가할수록 높아지게 되지만 유로 단면적이 어느 정도 증가하면 산업용 디퓨저 내부에서 대규모의 유동박리(Flow Separation)가 발생하여 오히려 산업용 디퓨저의 성능을 크게 악화시키는 원인이 된다.
도 2는 종래 기술에 따른 산업용 디퓨저에서 발생하는 대규모 유동박리현상을 나타낸 개념도이고, 도 3은 종래 기술에 따른 산업용 디퓨저의 면적비와 성능의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2 및 도 3과 같이 산업용 디퓨저의 유로 단면적이 일정 수준이상으로 커지거나, 단면 형상이 급격하게 확대되는 경우, 도 4에 개시된 바와 같이 180°이상으로 급격하게 곡률이 커지는 경우에는 유동박리의 발생으로 유체장치의 전체 효율이 저하되므로 산업용 디퓨저에서 발생하는 대규모 유동박리 현상을 제어하는 기술이 필요하다.
이와 같이 디퓨저에서 발생하는 박리유동의 제어를 위한 상당히 많은 기술이 보고되어 있다.
예를 들면 와류발생기(vortex generator), 유동의 흡입(suction)과 흡출(blowing), 음향 주입(acoustic tunning), MEMS(micro-electro mechanical system), 진동자(oscillator), 헬름홀쯔의 공진기(resonator) 등의 다양한 기술이 제안되었다.
이러한 기술들은 국소적으로는 효과가 있는 것으로 알려져 있으나 대규모 유동박리가 발생하는 경우에는 제어효과가 경미한 것으로 보고되어 있다.
또한, 제어장치를 구동하기 위한 부가적인 에너지를 고려하는 경우에는 디퓨저의 성능을 대폭적으로 개선하기 위한 효과적인 기술이 필요하다.
더욱이 산업용 배관 등에 적용되는 디퓨저의 경우 유동의 압력을 효과적으로 회복시키기 위해서는 큰 면적비의 디퓨저가 필요하게 되지만 유동박리현상으로 인하여 효율이 크게 저하되는 문제가 있기 때문에 이를 제어하기 위한 안정적이고 신뢰성이 있는 기술이 매우 중요하다.
하기의 특허문헌 1에는 베인을 갖는 반경류 또는 혼류 압축기 디퓨저가 개시되어 있다.
특허문헌 1의 엔진의 반경류 또는 혼류 압축기용 디퓨저는 흐름의 안정성을 여전히 유지하면서 압축기의 휠에 의해 전달되는 흐름을 정류할 수 있도록 하기 위한 것으로, 베인은 가스 흐름쪽을 향해 위치하는 전연, 전연의 반대쪽에 있는 후연, 전연과 후연을 연결하는 상부 측벽과 하부 측벽, 및 전연과 후연 사이에서 적어도 2개의 변곡점을 갖는 곡선을 포함하는 프로파일을 가진다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0138291호 (2015년 12월 09일 공개)
전술한 바와 같이 종래 기술에 따른 산업용 디퓨저는 유로 단면적이 일정 수준이상으로 커지면 유동박리의 발생으로 유체장치의 전체 효율이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 종래 기술의 따른 디퓨저의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 파형 회전실린더를 유동박리가 발생하는 위치에 설치하여 파형 회전실린더의 회전속도(rpm), 회전방향(ωc 또는 ωcc), 실린더의 길이(L), 파형의 진폭(Rp/Rm), 파형의 개수(n)를 변화시킴으로써 다양한 유동에 적용할 수 있는 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저를 제공하는 데에 있는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저는 입구측 단면적이 작고 출구측 단면적이 큰 밀폐관 형태이고, 입구측 하단의 유동박리 발생지점에 실린더챔버가 마련된 디퓨저 본체; 외주에 다수의 파형이 방사상으로 마련되고, 디퓨저 본체의 실린더챔버 내부에 시계방향 또는 시계반대방향으로 회전 가능하게 설치되는 파형 회전실린더;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저는 실린더챔버가 좌우방향으로 유동이 진행되는 디퓨저 본체의 하단에 전후방향으로 마련되고, 수직으로 절단하였을 때에 원형 단면형태를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저는 실린더챔버의 외주 상단 중앙부가 개구되어 디퓨저 본체의 내부와 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저는 디퓨저 본체 입구측의 유속과 유체의 종류에 따라 파형 회전실린더의 길이, 파형의 진폭, 파형의 개수가 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저는 실린더챔버가 디퓨저 본체의 입구측 유속이 크면 디퓨저 본체의 입구측에 가까운 위치에 설치되고, 디퓨저 본체의 입구측 유속이 낮으면 디퓨저 본체의 입구측에 멀어지는 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저는 디퓨저 본체 내를 유동하는 유체유동 속도가 기준속도 이하인 경우 파형 회전실린더를 유체유동과 동일한 시계방향(ωc)으로 회전시키도록 제어하고, 유체유동 속도가 기준속도 이상인 경우 파형 회전실린더를 유체유동과 반대방향인 시계반대방향(ωcc)으로 회전시키도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저는 디퓨저 본체의 단면이 사각 형태인 경우에 수평형태의 파형 회전실린더가 설치되고, 디퓨저 본체의 단면이 곡면형태인 원형 또는 타원형의 경우에 스크류형태의 파형 회전실린더가 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저에 의하면, 산업용 디퓨저의 단면적비를 크게 증가시키더라도 유동박리가 발생하지 않게 되므로 산업용 디퓨저의 효율을 크게 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저에 의하면, 파형 회전실린더의 설계가 복잡하지 않고, 제작비 또한 저렴할 뿐 아니라 파형 실린더를 저속으로 구동하여도 충분한 제어효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저에 의하면, 파형 회전실린더의 회전이 안정적이고 신뢰성있게 구동될 수 있기 때문에 다양한 기술적 응용을 기대할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술에 따른 산업용 디퓨저의 예시도,
도 2는 종래 기술에 따른 산업용 디퓨저에서 발생하는 대규모 유동박리현상을 나타낸 개념도,
도 3은 종래 기술에 따른 산업용 디퓨저의 면적비와 성능의 관계를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저의 구성도,
도 5a는 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저의 수평형 파형 회전실린더의 사시도,
도 5b는 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저의 스크류형 파형 회전실린더의 사시도,
도 6a는 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저의 수평형 파형 회전실린더의 설치 상태도,
도 6b는 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저의 스크류형 파형 회전실린더의 설치 상태도,
도 7은 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저의 면적비와 성능의 관계를 나타낸 그래프.
이하 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.
도 4는 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저의 구성도이고, 도 5a는 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저의 수평형 파형 회전실린더의 사시도이고, 도 5b는 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저의 스크류형 파형 회전실린더의 사시도이고, 도 6a는 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저의 수평형 파형 회전실린더의 설치 상태도, 도 6b는 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저의 스크류형 파형 회전실린더의 설치 상태도이다.
본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저(100)는 디퓨저 본체(110), 파형 회전실린더(120)를 포함한다.
디퓨저 본체(110)는 유로의 단면적을 증가시켜 유동의 감속을 얻는 부분으로, 입구측 단면적이 작고 출구측 단면적이 큰 밀폐관의 형태를 가진다.
디퓨저 본체(110)는 직사각형 단면 형태 또는 원형 단면 형태 또는 곡형 직사각형 단면 형태 또는 곡형 원형 단면 형태 또는 그밖의 예측 가능한 단면 형태로 구성될 수 있다.
디퓨저 본체(110)의 입구측 하단의 유동박리 발생지점에 실린더챔버(111)가 마련된다.
실린더챔버(111)는 좌우방향으로 유동이 진행되는 디퓨저 본체(110)의 하단에 전후방향으로 마련되고, 수직으로 절단하였을 때에 원형 단면형태를 가진다.
실린더챔버(111)의 외주 상단 중앙부는 개구되어 디퓨저 본체(110)의 내부와 연통된다.
파형 회전실린더(120)는 디퓨저 본체(110)에서 발생하는 대규모 유동박리를 방지하거나 저감할 수 있도록 하는 것으로, 디퓨저 본체(110)의 실린더챔버(111) 내부에 시계방향(ωc) 또는 시계반대방향(ωcc)으로 회전 가능하게 설치된다.
파형 회전실린더(120)는 외주에 다수의 파형(121)이 방사상으로 마련된 형태이다.
디퓨저 본체(110)의 유동 방향 유로 단면적이 입구측에 비하여 일정 수준이상으로 커지거나, 단면 형상이 급격하게 확대되는 경우, 도 4에 개시된 파형실린더 챔버(111)가 설치된 위치와 같이 180°이상으로 급격하게 꺽여져 곡률이 커지는 경우에는 유동박리의 발생으로 유체장치의 전체 효율이 저하되므로 산업용 디퓨저에서 발생하는 대규모 유동박리 현상이 억제되도록 제어하여야 한다.
파형 회전실린더(120)는 도 5a에 개시된 수평형태일 수 있고, 도 5b에 개시된 스크류형태일 수도 있다.
도 5a에 개시된 수평형태의 파형 회전실린더(120)는 디퓨저 본체(110)의 단면이 사각형태일 경우에 적합니다. 사각 형태의 단면은 단면일측에 설치되는 수평형태의 파형 회전실린더(120)와 같이 일자형태이므로, 대규모 유동박리가 일어나는 단면 전체적으로 유체 여기를 시킬 수 있다.
도 5b에 개시된 스크류형태의 파형 회전실린더(120)는 디퓨저 본체(110)의 단면이 곡면형태인 원형 또는 타원형 등의 경우에 적합하다. 원형 또는 타원형 등의 단면은 곡면을 갖기 때문에 스크류형태의 파형 회전실린더(120)를 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저(100)에 있어서 파형 회전실린더(120)의 회전속도(rpm) 및 회전방향(ωc 또는 ωcc)은 디퓨저 본체(110) 입구측의 유속과 유체의 종류에 따라 변형될 수 있다.
본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저(100)에 있어서 디퓨저 본체(110)의 유동박리 발생지점에 설치된 파형 회전실린더(120)를 시계방향(ωc) 또는 시계반대방향(ωcc)으로 회전시키면 파형 회전실린더(120)가 디퓨저 본체(110)를 통과하는 유동을 여기(excitation)하게 되며, 파형 회전실린더(120)로부터 와류(vortex)가 발생하여 주기적으로 디퓨저 본체(110)의 하류로 유동하게 된다.
디퓨저 본체(110)의 유동박리 발생지점에 설치된 파형 회전실린더(120)를 시계방향(ωc)으로 회전시키는 것은 유체의 유동방향과 동일한 방향으로 회전되는 것을 의미하고, 파형 회전실린더(120)를 시계반대방향(ωcc)으로 회전시키는 것은 유체의 유동방향과 반대 방향으로 회전되는 것을 의미한다.
디퓨저 본체(110)를 유동하는 유체의 유동방향과 동일한 방향인 시계방향(ωc)으로 회전시키게 되면 유체의 유동을 여기시키는 정도가 적고, 유체의 유동방향과 반대 방향인 시계반대방향(ωcc)으로 회전시키게 되면 유체의 유동을 여기시키는 정도가 동일한 방향으로 회전시킬 때에 비하여 크다.
따라서 유체의 유동속도가 일정수준 이하로 느린 경우에는 회전실린더(120)를 시계방향(ωc)으로 회전시키고, 유체의 유동속도가 일정수준 이상으로 빠른 경우에는 회전실린더(120)를 시계반대방향(ωcc)으로 회전시키는 것이 바람직하다.
또한 유체의 유동속도가 일정수준 이하로 느린 경우에는 회전실린더(120)를 회전속도가 낮게 제어하고, 유체의 유동속도가 일정수준 이상으로 빠른 경우에는 회전실린더(120)가 높게 제어한다.
디퓨저 본체(110)의 유동박리 현상이 크게되면 파형실린더(120)의 길이를 길게하고, 파형실린더(120) 파형의 진폭(Rp/Rm)을 크게하여 유체 여기를 크게하도록 제어시키는 것이 바람직하다.
상기 디퓨저 본체(110)의 유동박리 발생지점에서 파형 회전실린더(120)를 통해 생성되는 와류 유동(vortex flow)은 디퓨저 본체(110)에서 발생하는 대규모 박리유동에 영향을 미쳐 유동박리 영역 내의 저운동량의 유동으로 고운동량의 유동을 전달하거나 유동박리 영역 내의 저운동량의 유동을 유동박리 영역 외부로 전달하게 되는 질량 및 운동량 교환을 활발하게 하므로 유동박리 영역의 크기를 대폭적으로 줄이거나 방지할 수 있게 된다.
아래의 표 1은 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저(100)에서 박리유동 제어를 위한 파형 회전실린더(120)의 기하학적 변수와 유체역학적 변수를 나타낸 것이다.
기하학적 변수 유체역학적 변수
Rp/Rm(진폭), L(길이), n(파형의 개수) μ(유동속도), rpm(회전수), ωc or ωcc(회전방향)
도 7은 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저의 면적비와 성능의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7과 같이 본 발명에 따른 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저(100)는 디퓨저 본체(110)의 유동박리 발생지점에 설치되는 파형 회전실린더(120)의 기하학적 변수와 유체역학적 변수를 제어함으로써 대규모 유동박리의 발생을 최소화하거나 방지할 수 있게 되고, 큰 면적비에서도 높은 효율을 갖도록 제어하여 산업용 디퓨저의 효율을 크게 증가시킬 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
100 : 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저
110 : 디퓨저 본체
111 : 실린더챔버
120 : 파형 회전실린더
121 : 파형

Claims (7)

  1. 입구측 단면적이 작고 출구측 단면적이 큰 밀폐관 형태이고, 입구측 하단의 유동박리 발생지점에 실린더챔버(111)가 마련된 디퓨저 본체(110);
    외주에 다수의 파형(121)이 방사상으로 마련되고, 디퓨저 본체(110)의 실린더챔버(111) 내부에 시계방향(ωc) 또는 시계반대방향(ωcc)으로 회전 가능하게 설치되는 파형 회전실린더(120);를 포함하고,
    디퓨저 본체(110) 내부를 유동하는 유체유동 속도가 기준속도 이하인 경우 파형 회전실린더(120)를 유체유동과 동일한 시계방향(ωc)으로 회전시키도록 제어하고, 디퓨저 본체(110) 내부를 유동하는 유체유동 속도가 기준속도 이상인 경우 파형 회전실린더(120)를 유체유동과 반대방향인 시계반대방향(ωcc)으로 회전시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저.
  2. 제1항에 있어서,
    실린더챔버(111)는 좌우방향으로 유동이 진행되는 디퓨저 본체(110)의 하단에 전후방향으로 마련되고, 수직으로 절단하였을 때에 원형 단면형태를 가지는 것을 특징으로 하는 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저.
  3. 제2항에 있어서,
    실린더챔버(111)의 외주 상단 중앙부는 개구되어 디퓨저 본체(110)의 내부와 연결되는 것을 특징으로 하는 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저.
  4. 제1항에 있어서,
    디퓨저 본체(110) 입구측의 유속과 유체의 종류에 따라 파형 회전실린더(120)의 길이(L), 파형(121)의 진폭(Rp/Rm), 파형(121)의 개수(n)가 설정되는 것을 특징으로 하는 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저.
  5. 제2항에 있어서,
    실린더챔버(111)의 설치위치는 디퓨저 본체(110)의 입구측 유속이 크면 디퓨저 본체(110)의 입구측에 가까운 위치에 설치되고, 디퓨저 본체(110)의 입구측 유속이 낮으면 디퓨저 본체(110)의 입구측에 멀어지는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저.
  6. 삭제
  7. 입구측 단면적이 작고 출구측 단면적이 큰 밀폐관 형태이고, 입구측 하단의 유동박리 발생지점에 실린더챔버(111)가 마련된 디퓨저 본체(110);
    외주에 다수의 파형(121)이 방사상으로 마련되고, 디퓨저 본체(110)의 실린더챔버(111) 내부에 시계방향(ωc) 또는 시계반대방향(ωcc)으로 회전 가능하게 설치되는 파형 회전실린더(120);를 포함하고,
    디퓨저 본체(110)의 단면이 사각 형태인 경우에 수평형태의 파형 회전실린더(120)가 설치되고, 디퓨저 본체(110)의 단면이 곡면형태인 원형 또는 타원형의 경우에 스크류형태의 파형 회전실린더(120)가 설치되는 것을 특징으로 하는 파형 회전실린더를 가지는 산업용 디퓨저.
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KR20150138291A (ko) 2013-03-28 2015-12-09 터보메카 베인을 갖는 반경류 또는 혼류 압축기 디퓨저

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