KR102159589B1 - 프로펠러형 돌기를 이용한 에어스톰을 발생시키는 토네이도형 산기장치 - Google Patents

프로펠러형 돌기를 이용한 에어스톰을 발생시키는 토네이도형 산기장치 Download PDF

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송범석
고우성
정규영
방기훈
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(주)이앤씨
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Abstract

산소 용해 성능이 극대화된 토네이도형 산기장치가 개시된다. 본 발명은 공기가 주입되도록 내부에 주입구가 형성된 접속부재; 상기 주입구를 통해 하부로 유입되어 회전 소용돌이(vortex)를 형성하는 공기가 음향에너지를 발생시키면서 수중으로 공급되도록 하는 출구가 형성되고, 내측 상부가 상방으로 좁아지도록 테이퍼진 형상의 챔버;를 포함하는 토네이도형 산기장치에 있어서, 상기 챔버는 내부 중앙에 수직 방향으로 배치된 기둥축의 상부 둘레를 따라서 수직 방향에 대해 경사진 복수의 프로펠러형 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치를 제공한다.

Description

프로펠러형 돌기를 이용한 에어스톰을 발생시키는 토네이도형 산기장치{A tornado type air diffuser generating air storm by using propeller type protrusion}
본 발명은 토네이도형 산기장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산소 용해 성능이 향상된 토네이도형 산기장치에 관한 것이다.
종래 폐수 처리 시 산소 공급을 위한 산기장치로서, 예컨대, 도 1을 참조하면 디스크형(a), 멤브레인형(b), 봉형(c), 볼형(d) 등 다양한 형태의 산기장치가 개시되고 있다.
이들 산기장치는 각 형태에 따라 특화된 면이 있으나, 산기장치에서 가장 중요한 성능인 산소 용해 성능 측면에서는 토네이도형 산기장치가 각광받고 있다.
이러한 토네이도형 산기장치로서, 한국 등록특허 제0206746호는 공기의 회전 소용돌이와　음향공진에 의해 발생된 에너지를 이용하여 기체방울을 작게 쪼개주고, 기체, 특히 산소의 용해도를 증가시켜 산소전달 효율을 증가시키는 음향공진을 이용한 산기장치를 개시한 바 있고, 한국 등록특허 제0289230호는 챔버 내벽면에 나선형 가이드홈을 형성하고, 나선형 가이드홈을 따라 상방으로 나선운동할 수 있도록 챔버 내부로 산소기체를 고압 주입하여 소용돌이를 발생시키고, 챔버내부로 유입되는 폐수와 챔버외부로 방출되는 폐수의 압력차로 공진을 발생시켜 폐수내에 산소기체의 용해도를 높일 수 있는 챔버내부에 나선형 가이드홈이 형성된 음향공진형 기체용해장치를 개시한 바 있다.
그러나, 선행특허에서 폐수 처리 시 산소 공급에 있어 산소의 용해도를 증가시켜 산소전달 효율이 증가된 산기장치를 제시하였으나, 여전히 산소 용해 성능이 더욱 향상된 산기장치가 요구되고 있다.
따라서 본 발명은 산소 용해 성능이 극대화된 토네이도형 산기장치를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 공기가 주입되도록 내부에 주입구가 형성된 접속부재; 상기 주입구를 통해 하부로 유입되어 회전 소용돌이(vortex)를 형성하는 공기가 음향에너지를 발생시키면서 수중으로 공급되도록 하는 출구가 형성되고, 내측 상부가 상방으로 좁아지도록 테이퍼진 형상의 챔버;를 포함하는 토네이도형 산기장치에 있어서, 상기 챔버는 내부 중앙에 수직 방향으로 배치된 기둥축의 상부 둘레를 따라서 수직 방향에 대해 경사진 복수의 프로펠러형 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치를 제공한다.
또한 상기 주입구는 상기 챔버 방향 상방으로 경사진 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치를 제공한다.
또한 상기 주입구의 경사각은 1 내지 15°인 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치를 제공한다.
또한 상기 프로펠러형 돌기의 경사각은 10 내지 80°인 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치를 제공한다.
또한 상기 프로펠러형 돌기의 일 단부와 이웃한 프로펠러형 돌기의 타 단부는 수직단면 기준으로 동일선상에 형성된 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치를 제공한다.
또한 상기 기둥축은 상기 프로펠러형 돌기가 형성된 부분에만 배치된 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치를 제공한다.
또한 상기 챔버 하부의 코너는 라운드진 형상인 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치를 제공한다.
또한 상기 챔버의 하부는 바닥 중앙부가 개구된 것을 특징으로 하는 토네이도형 형 산기장치를 제공한다.
또한 상기 기둥축은 속이 빈 원통형이고, 상기 기둥축의 하부 둘레를 따라서 수직 방향에 대해 경사진 복수의 프로펠러형 돌기가 형성되되, 상기 개구된 부분은 상방으로 좁아지도록 테이퍼진 형상이고, 상기 프로펠러형 돌기는 상기 기둥축 하부와 상기 테이퍼진 면 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치를 제공한다.
또한 상기 접속부재가 반대 방향에도 형성된 듀얼 타입인 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 접속부재와, 출구가 형성된 챔버로 구성되는 토네이도형 산기장치에 있어, 챔버가 내부 중앙에 수직 방향으로 배치된 기둥축의 상부 둘레를 따라서 수직 방향에 대해 경사진 복수의 프로펠러형 돌기가 형성되도록 하여 종래 토네이도형 산기장치 대비 산소 용해 성능이 극적으로 향상된 토네이도형 산기장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 폐수 처리 시 산소 공급을 위한 산기장치를 예시적으로 나타낸 도면,
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 토네이도형 산기장치를 나타낸 외부사시도 및 단면사시도,
도 4는 토네이도형 산기장치에서 기체방울이 방출되는 양상을 모식적으로 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에서 기둥축 및 프로펠러의 길이에 따른 변형예를 나타낸 내부사시도(a 및 b), 숏프로펠러형의 모식도(c) 및 롱프로펠러형의 모식도(d),
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 토네이도형 산기장치의 종단면도,
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 토네이도형 산기장치의 챔버 형상을 모식적으로 나타낸 도면,
도 8 및 도 9는 각각 본 발명의 제2 실시예에 따른 토네이도형 산기장치를 나타낸 외부사시도 및 단면사시도,
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 토네이도형 산기장치를 나타낸 외부사시도.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였으며, 산기장치 상에 도시된 세부 구성의 방향은 도면을 기준으로 하여 설명한다. 또한, 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 2 및 도 3은 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 토네이도형 산기장치를 나타낸 외부사시도 및 단면사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 토네이도형 산기장치(100)는 기본적으로 공기(또는 산소, 이하 동일)가 주입되도록 내부에 주입구(111)가 형성된 접속부재(110)와, 상기 주입구(111)를 통해 하부로 유입되어 회전 소용돌이(vortex)를 형성하는 공기가 음향에너지를 발생시키면서 수중으로 공급되도록 하는 출구(121)가 형성되고, 내측 상부(122)가 상방으로 좁아지도록 테이퍼진 형상의 챔버(120)를 포함한다.
이러한 토네이도형 산기장치(100)의 산소 용해 성능 구현 과정을 살펴보면, 먼저 기체가 챔버(120)의 접선방향으로 형성된 주입구(111)로 유입되면 회전 소용돌이(vortex)가 형성되면서 출구(121)로 빠져 나간다. 이때, 주입구(111)에서 Pair의 압력으로 유입된 기체는 챔버(120) 내에서 접선 방향으로 회전하기 때문에 챔버(120) 중앙부의 압력은 상대적으로 낮고 바깥쪽으로 갈수록 압력이 낮아진다. 따라서, 압력이 상대적으로 낮은 챔버(120)의 출구(121) 중앙으로부터 물이 챔버(120) 내로 유입되며, 유입된 물은 회전하고 있는 기체에 휘말려 원운동을 하게 되고, 원운동의 원심력에 의하여 물은 챔버(120)의 바깥쪽으로 나가면서 챔버(120) 하부(123)에서 회전하면서 올라오는 기체와 함께 회전 소용돌이를 형성하면서 수중으로 기체가 잘게 쪼개지면서 방출된다. 수중으로 방출될 때, 챔버(120) 내로 유입되는 물과 방출되는 물/기체 사이에는 서로의 압력차에 의하여 주파수(F)로 공진이 발생하게 되며, 공진에 의한 음향에너지가 물속으로 전달되면서 공기방울에서 물로의 물질전달저항을 감소시켜, 기체(산소)의 용해속도를 빠르게 한다. 뿐만 아니라, 이러한 공진에 의하여 수중의 기체방울은 수직상승을 하지 않고 수평운동을 하면서 상승하기 때문에 기체의 수중에서의 체류시간을 증가시켜, 더 많은 기체가 용해될 수 있게 한다.
이때 공진주파수는 하기 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112020063518863-pat00001
여기서,　음향공진의 크기 및 주파수는 챔버(120) 내의 마찰로 인한 공기의 회전속도 감소와 연관된 계수(K), 챔버 하부(123)의 직경(d1), 챔버 하부(123)의 지름에서 수직으로 뻗은 높이(h), 유입공기의 압력(Pair), 산기장치 출구(121)에서의 물의 압력(Pwater)에 의해 좌우된다(도 6 참조). 또한 C는 음속으로서, 본 발명에서는 기체와 물이 혼합된 상태의 매질에서의 음속이나, 실제 산기장치의 작동조건에서는 기체가 대부분의 매질을 차지하기 때문에 공기중의 음속(340 m/s)에 가깝다. 또한 계수 K는 산기장치에 따라 실험에 의해 측정된다.
한편, 토네이도형 산기장치(100)에 있어 본 발명과 같이 챔버(120)의 내측 상부(122)가 상방으로 좁아지도록 테이퍼진 형상, 즉, 챔버(120)의 상부(122) 직경(d2)이 하부 직경(d1)보다 작을 경우(도 6 참조), 그렇지 않은 경우보다 산기장치(100)의 산소 용해 성능이 더욱 우수하다.
본 발명에서는 상기 챔버(120)가 내부 중앙에 수직 방향으로 배치된 기둥축(128)의 둘레를 따라서 수직 방향에 대해 경사진 복수의 프로펠러형 돌기(124)가 형성됨으로써 종래 토네이도형 산기장치 대비 산소 용해 성능이 극대화된다.
즉, 상기 출구(121) 둘레에 프로펠러형 돌기가 형성되지 않은 종래 토네이도형 산기장치에서는 기체방울이 출구(121)에서 수중으로 방출될 때 이미 형성된 회전 소용돌이와 테이퍼진 상부(122) 형상에 따른 기체 상승 속도의 증가에 의한 쪼개짐 이외에 기체방울의 쪼개짐을 더욱 가속화시킬 수 있는 구조적 수단이 부재하다.
도 4는 토네이도형 산기장치에서 기체방울이 방출되는 양상을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에서는 챔버(120) 내부에서 기체방울이 가장 가속화되는 테이퍼진 상부(122)의 끝단 부분에 프로펠러형 돌기(124)가 형성되어 기체방울이 출구(121)에서 수중으로 방출되기 직전, 프로펠러형 돌기(124)에 먼저 충돌함으로써 기체방울의 쪼개짐을 극대화시킨다. 또한, 종래 토네이도형 산기장치의 경우 기체방울이 한 줄기의 회전 소용돌이에 의해 모두 포섭되어 산발되는 효과가 더 이상 증대되기 어려우나(도 4(a) 참조), 본 발명에서는 프로펠러형 돌기(124)가 기둥축(128)의 상부의 출구(121) 둘레를 따라 경사진 방향으로 일정 간격으로 배열되어 회전 소용돌이가 형성된 프로펠러형 돌기(124) 수 만큼 분할되어, 방출되는 기체방울의 산발 효과가 폭발적으로 증대되고, 본 발명에서는 이를 '에어스톰(air storm) 효과'라 칭하기로 한다(도 4(b) 참조).
여기서, 상기 프로펠러형 돌기(124)는 각 날개가 아래로 볼록한 형상(124a)과 위로 볼록한 형상(124b)이 반복 배치될 수 있으며(도 3 참조), 이 경우 방출되는 기체방울의 방향이 일정하지 않고 보다 무질서하게 방출되도록 함으로써 기체방울의 산발 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에서 기둥축 및 프로펠러의 길이에 따른 변형예를 나타낸 내부사시도(a 및 b), 숏프로펠러형의 모식도(c) 및 롱프로펠러형의 모식도(d)이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 토네이도형 산기장치(100)의 변형예로서 상기 기둥축(128)은 상기 프로펠러형 돌기(124)가 형성된 부분에만 배치되어, 프로펠러형 돌기(124)가 형성되지 않은 하부는 공간이 형성되어 보다 원활한 회전소용돌이가 발생되도록 할 수 있다. 즉, 상기 기둥축(128)의 높이는 프로펠러형 돌기(124)의 크기에 대응하여 형성될 수 있다. 이때, 프로펠러형 돌기(124)는 나선형의 회전 방향 길이(L1)와 높이(H1)가 긴 롱프로펠러형(도 5(a) 및 도 5(c))일 수 있으나, 도 3에서와 같이 나선형의 회전 방향 길이(L2)와 높이(H2)가 상대적으로 짧은 숏프로펠러형일 수도 있으며(도 5(b) 및 도 5(d)), 회전 소용돌이의 반경을 상대적으로 확장시키고자 할 경우 롱프로펠러형을 채택할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 토네이도형 산기장치의 종단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에서 상기 주입구(111)는 상기 챔버(120) 방향 상방으로 경사지도록 형성되어, 주입구(111)로 유입되는 공기가 상방으로 회전 소용돌이가 원활하게 형성될 수 있도록 할 수 있다. 이때, 주입구(111)의 경사각(θ1)은 1 내지 15°일 수 있고, 바람직하게는 2 내지 10°, 더욱 바람직하게는 3 내지 5°일 수 있다.
또한 도 6을 참조하면, 본 발명에서 상기 프로펠러형 돌기(124)의 경사각(θ2)은 챔버 하부(123)에서 형성된 회전 소용돌이의 상승각이 테이퍼진 형상의 상부(122)에서 보다 커지는 것을 고려하여 10 내지 80°일 수 있고, 바람직하게는 20 내지 70°, 더욱 바람직하게는 30 내지 60°로 형성되도록 할 수 있다.
또한 도 6을 참조하면, 상기 프로펠러형 돌기(124)의 일 단부와 이웃한 연장돌기(124)의 타 단부는 수직단면 기준으로 동일선상에 형성될 경우, 즉, 프로펠러형 돌기(124)의 상단부의 수직하방으로 이웃한 프로펠러형 돌기(124)의 하단부가 위치(점선 'L' 참조)하도록 할 경우 그렇지 않은 경우 대비 방출되는 공기방울의 압력이 보다 강해져 산소 용해 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 토네이도형 산기장치의 챔버 형상을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에서 상기 챔버 하부(123)의 코너(125)는 직각 형상(a)일 수 있으나, 바람직하게는 라운드진 형상(b)으로 형성되어 주입구(111)로 유입된 공기의 회전 소용돌이 형성이 보다 원활히 이루어질 수 있도록 한다.
도 8 및 도 9는 각각 본 발명의 제2 실시예에 따른 토네이도형 산기장치를 나타낸 외부사시도 및 단면사시도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 토네이도형 산기장치(100)는 상기 챔버 하부(123)의 바닥 중앙부가 개구된 형태일 수 있다. 이러한 챔버 하부(123)가 개구된 형태의 산기장치에서는 하부(123)에 형성되는 회전 소용돌이에 의해 산기장치(100) 아래에 부유 또는 침전된 고상물 또한 유입되도록 하여 처리될 수 있도록 한다. 따라서 본 발명에 따르면, 에어스톰을 발생시키면서 침전물 제거 역할도 하는 새로운 개념의 산기장치로서, 침전물 제거 기능을 겸비한 에어스톰을 발생시키는 토네이도형 산기장치를 제공하게 된다.
이때, 상기 기둥축(128)은 속이 빈 원통형이고, 상기 기둥축(128)의 하부 둘레를 따라서 수직 방향에 대해 경사진 복수의 프로펠러형 돌기(127)가 형성되되, 상기 개구된 부분(126)은 상방으로 좁아지도록 테이퍼진 형상이고, 상기 프로펠러형 돌기(127)는 상기 기둥축(128) 하부와 상기 테이퍼진 면 사이에 형성 형성되도록 할 수 있으며, 이에 따라 개구부(126) 아래에서 유입되는 고상물이 회전 소용돌이에 고르게 편입되어 수처리가 보다 효율적으로 진행되도록 할 뿐 아니라, 챔버 하부(123)에서부터 회전 소용돌이의 발생을 유도하여 챔버 상부(122)에서의 회전 소용돌이의 세기 및 이로 인한 공기방울의 쪼개짐을 더욱 극대화할 수 있게 된다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 토네이도형 산기장치를 나타낸 모식도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 토네이도형 산기장치(100)는 상기 접속부재(110)가 반대 방향에도 형성된 듀얼 타입일 수 있으며, 이에 따라 챔버(120) 내부로 고압 주입되는 공기의 압력을 배가시켜 더욱 강력한 회전 소용돌이가 유발되도록 함으로써 결과적으로 산소 용해 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 토네이도형 산기장치 110 : 접속부재
111 : 주입구 120 : 챔버
121 : 출구 122 : 챔버 상부
123 : 챔버 하부 124 : 프로펠러형 돌기
125 : 챔버 하부의 코너 126 : 개구부
127 : 개구부의 프로펠러형 돌기 128 : 기둥축
d1 : 챔버 하부의 직경 d2 : 챔버 상부의 직경
θ1 : 주입구의 경사각 θ2 : 연장돌기의 경사각

Claims (10)

  1. 공기가 주입되도록 내부에 주입구가 형성된 접속부재; 상기 주입구를 통해 하부로 유입되어 회전 소용돌이(vortex)를 형성하는 공기가 음향에너지를 발생시키면서 수중으로 공급되도록 하는 출구가 형성되고, 내측 상부가 상방으로 좁아지도록 테이퍼진 형상의 챔버;를 포함하는 토네이도형 산기장치에 있어서,
    상기 챔버는 내부 중앙에 수직 방향으로 배치된 기둥축의 상부 둘레를 따라서 수직 방향에 대해 경사진 복수의 프로펠러형 돌기가 형성되고,
    상기 챔버의 하부는 바닥 중앙부가 개구되고,
    상기 기둥축은 속이 빈 원통형이고, 상기 기둥축의 하부 둘레를 따라서 수직 방향에 대해 경사진 복수의 프로펠러형 돌기가 형성되되, 상기 개구된 부분은 상방으로 좁아지도록 테이퍼진 형상이고, 상기 프로펠러형 돌기는 상기 기둥축 하부와 상기 테이퍼진 면 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주입구는 상기 챔버 방향 상방으로 경사진 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 주입구의 경사각은 1 내지 15°인 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로펠러형 돌기의 경사각은 10 내지 80°인 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프로펠러형 돌기의 일 단부와 이웃한 프로펠러형 돌기의 타 단부는 수직단면 기준으로 동일선상에 형성된 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기둥축은 상기 프로펠러형 돌기가 형성된 부분에만 배치된 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 하부의 코너는 라운드진 형상인 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 접속부재가 반대 방향에도 형성된 듀얼 타입인 것을 특징으로 하는 토네이도형 산기장치.
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