KR20140056757A - 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발라스트수 처리장치에 관한 것으로서, 내부가 비어 있는 중공형 하우징과, 상기 하우징 내부에 일정 간격으로 이격되어 다수개를 고정 설치하되, 외주면이 상기 하우징 내주면과 이격되어 유로가 형성되도록 구비되는 중공형 고정판과, 상기 고정판과 인접되어 마주보도록 상기 하우징에 내설되며 회전 가능하게 축 결합되는 다수개의 중공형 회전자, 및 상기 회전자를 회전시키는 구동수단으로 구성됨으로써, 해수에 포함되어 있는 생물체에 전단력(Shear stress)을 인가하여 생물체를 효과적으로 사멸시킬 수 있는 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치에 관한 것이다.

Description

발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치{Radial flow device for the generation of shear stress for ballast water treatment}

본 발명은 발라스트수 처리장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 발라스트수에 포함되어 있는 생물체에 전단력(shear stress)을 인가하여 압력 손실을 최소화함과 동시에 생물체를 효과적으로 사멸시킬 수 있는 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치에 관한 것이다.

일반적으로 선박은 항해 과정에서 파도 등에 의해 좌,우 또는 전,후 방향으로 많은 롤링(rolling)이 발생하기 때문에 이러한 롤링의 영향을 최소화하고, 선박의 복원력을 유지하기 위하여 발라스트수를 보관하는 발라스트수 탱크를 구비하고 있다.

그런데, 2004년 국제해사기구에서 발라스트수의 이동에 의한 외래생물의 이동으로부터 해양환경을 보호하기 위해서 발라스트수의 처리(규정 D-2에 준하도록)를 요구하고 있다.

그러므로, 외국을 항해하는 선박은 발라스트수 처리를 위해서 발라스트수 처리장치를 구비하도록 강제화되고 있다.

종래의 발라스트수 처리는 상기 규정(IMO 규정 D-2)을 만족하기 위해 설계된 필터, 자외선 조사장치, 전기분해 장치 등을 사용하여 발라스트수의 유입, 배출 또는 보관시 처리하는 장치를 구비하여 처리하고 있다.

발라스트수의 처리대상 생물은 크게 미생물과 부유생물로 구분할 수 있으며, 부유생물 중 크기가 큰 생물은 주로 필터[수십 마이크로미터(㎛)의 pore를 갖는]를 이용하여 분리 배출하거나, 자외선, 차아염소산, 오존 등의 살균제(활성물질)를 주입하여 처리하였다.

그러나 통상적인 필터 처리방법은 50um 이상의 크기를 가지는 생물체에는 효과적으로 사용될 수 있으나, 주기적인 역세척이 필요하고, 또한 Solid loading 량이 많은 경우에는 막힘 현상 때문에 발라스팅 운전에 많은 지장을 초래하는 문제점이 있었다.

또한 50um 크기 이상의 생물체는 활성물질에 대한 내성이 크기 때문에 이를 제거하기 위해서는 생물의 크기에 비례하여 더 많은 양의 활성물질을 사용해야 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 서로 마주보도록 고정판과 회전자를 교대로 대향 설치한 후, 회전자를 고속 회전시킴으로써, 발라스트수에 포함된 생물체에 전단력(shear stress)을 인가하여 생물체를 효과적으로 사멸시킬 수 있게 하고, 또한 발라스팅과 디발라스팅시 운전에 영향이 미세하도록 압력손실을 최소화할 수 있는 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 내부가 비어 있는 중공형 하우징과, 상기 하우징 내부에 일정 간격으로 이격되도록 다수개를 고정 설치하되, 외주면이 상기 하우징 내주면과 이격되어 유로가 형성되도록 구비되는 중공형 고정판과, 상기 고정판과 인접되어 마주보도록 상기 하우징에 내설되며 회전 가능하게 축 결합되는 다수개의 중공형 회전자, 및 상기 회전자에 결합된 축을 구동시키는 구동수단을 포함하여 구성된다.

여기서 상기 고정판은 외주면에 일정 간격으로 복수의 지지대를 설치하여 상기 지지대가 상기 하우징 내주면에 결합되도록 할 수 있다.

또한 상기 회전자는 상기 하우징의 내주면에 대응되게 형성되는 환형의 전단력인가판과 상기 축에 결합되어 상기 전단력인가판을 지지하는 축결합부재로 구성된다.

또 상기 축결합부재는 상기 축에 결합되는 허브 및 상기 허브와 상기 전단력인가판을 연결하는 복수의 스포크로 구성될 수 있다.

한편 상기 축에는 상기 하우징의 최후단부에 설치된 고정판과 이격되도록 상기 하우징의 내경보다 작은 직경의 회전판이 더 구비되는 것이 바람직하다.

또한 상기 회전판의 후면에는 유체의 압력 손실을 보상해줄 수 있는 다수개의 날개가 방사상으로 일정 높이 돌출 형성될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 전단력(shear stress)의 인가를 통해 발라스트수에 포함된 생물체를 사멸시킬 수 있게 되어 사멸 효과가 우수할 뿐 아니라, 유지 보수가 용이하고, 또한 압력손실을 최소화할 수 있어 발라스트 장치의 효율성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치의 투시도,
도 2는 본 발명에 구비된 회전자와 고정판의 사시도,
도 3은 본 발명의 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치 내에서의 유체 흐름도이다.

이하 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치의 투시도를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명에 구비된 회전자와 고정판의 사시도를 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치는 하우징(10), 고정판(30), 회전자(20), 및 구동수단(50)으로 구성된다

하우징(10)은 내부가 비어 있고 전,후단이 밀폐된 중공형 파이프(pipe) 형상으로 구비되는 것으로서, 소정의 길이와 직경을 가지도록 구비된다.

이때 하우징(10)은 전,후단부의 일측에 투입구(12)와 배출구(13)가 각각 형성되고 내부에는 하기에서 설명하는 구동수단(50)의 축(52)이 관통 설치된다.

한편 고정판(30)과 회전자(20)는 서로 일정거리 이격되어 마주보도록 하우징(10) 내부에 설치되는 것으로서, 일정 간격으로 이격되어 반복적으로 하우징(10) 내부에 배치된다.

고정판(30)은 일정 두께와 직경을 가지도록 형성되는 원판 형태로 구비되며, 외주면에 유체가 통과할 수 있는 유로(37)(도3에 도시함)가 형성될 수 있도록 하우징(10)의 내경보다 작은 외경을 가지도록 구비된다.

따라서 고정판(30)의 외주면은 하우징(10) 내경과 일정 거리 이격됨으로써, 유체가 통과할 수 있는 유로(37)를 형성하게 되는 것이다.

여기서 고정판(30)의 중앙부에는 축(52)이 관통함과 동시에 유체가 통과할 수 있도록 관통공(32)이 형성되고, 외주면에는 하우징(10)의 내주면에 선단이 결합되는 다수개의 지지대(35)가 설치된다.

따라서 고정판(30)은 지지대(35)에 의해 하우징(10) 내부에 고정되고, 외주와 중앙부에는 유체가 통과할 수 있는 유로를 형성하게 되는 것이다.

한편 회전자(20)는 고정판(30)과 인접되어 마주보도록 하우징(10)에 내설되는 것으로서, 환형의 전단력인가판(22)과 축결합부재(25)로 구성된다.

회전자(20)는 구동수단(50)에 의해 하우징(10) 내부에서 회전되도록 구비되는 것으로서, 전단력인가판(22)은 원형의 고리형상으로 구비하되, 외경은 하우징(10)의 내경보다 작게 형성되어 유체가 통과할 수 있도록 형성된다.

여기서 축결합부재(25)는 허브와(26) 다수개의 스포크(27)로 구성되며, 허브(26)에는 축(52)이 관통 결합되고, 스포크(27)는 허브(26)와 전단력인가판(22)을 지지하게 되는 것이다.

따라서 회전자(20)는 축(52)과 함께 하우징(10) 내부에서 제자리 회전하게 된다.

여기서 회전자(20)와 고정판(30)의 이격 거리는 압력 손실과 전단력 인가 효과를 고려하여 적절하게 설정하면 될 것이다.

한편 하우징(10) 내부의 맨 앞쪽에는 유입판(39)이 설치될 수 있고, 최 후단부에는 회전판(29)이 더 설치될 수 있다.

유입판(39)은 외주면이 하우징(10)의 내주면에 결합되고, 중앙부에는 유입공(39)이 형성된다.

또한 회전판(29)은 축(52)에 결합되어 축(29)과 함께 회전되도록 구비되는 것으로서, 외경은 하우징(10)의 내경보다 작게 형성되도록 한다.

또한 회전판(29)의 후측면에는 다수개의 날개(40)가 방사상으로 설치될 수 있다.

여기서 날개(40)는 회전자(20)와 고정판(30)을 통과하는 유체의 압력 손실을 보상해주기 위한 것으로서, 원호 형상으로 일정 높이 돌출되도록 구비될 수 있을 것이다.

여기서 회전자(20)와 고정판(30) 및 회전판(29)은 동일한 외경으로 형성될 수 있을 것이다.

한편 구동수단(50)은 회전자(20)를 회전시키는 역할을 하는 것으로서, 축(52)과 구동모터(55)로 구성된다.

구동모터(55)는 하우징(10)의 후단부에 설치될 수 있으며, 축(52)은 유입판(38), 회전자(20), 고정판(30), 및 회전판(29)을 관통하여 하우징(10)의 중심선 상에 설치된다.

이하 도 3을 참조하여 본 발명의 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치의 작동 과정을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치 내에서의 유체 흐름도를 나타낸 것이다.

먼저 발라스트 장치에 사용되는 해수는 하우징(10)의 투입구(12)를 통해 내부로 유입되며, 이때 유입된 해수는 유입판(38)의 유입공(39)을 통해 유입된 후, 회전자(20)의 허브(26)와 전단력인가판(22) 사이의 유로 및 외측부를 통해 진행하게 된다.

상기와 같이 회전자(20)를 통과한 해수는 고정판(30)의 외주면과 하우징(10)의 내주면 사이에 형성된 유로(37) 및 관통공(32)을 통해 이동하게 되는 것이다.

따라서 해수는 화살표와 같이, 회전자(20)와 고정판(30)을 순차적으로 반복하여 이동하게 됨으로써, 유체의 흐름은 주기적으로 하우징(10)의 중앙부와 외곽부를 따라 이동하면서 진행하게 되는 것이다.

여기서 회전자(20)와 회전판(29)은 회전하게 되고, 고정판(30)은 고정되어 있기 때문에 회전자(20)의 전단력인가판(22)과 고정판(30) 사이를 통과하는 해수는 마찰에 의해 양측면에서의 속도 분포가 불균일하게 됨으로써, 전단력을 받게 되고, 이러한 해수에 가해지는 전단력이 부유 생물체에 인가되어 생물체가 본 발명의 전단력 인가장치를 통과하는 도중에 사멸하게 되는 것이다.

일반적으로 해수에 포함된 부유 생물체는 대부분 얇은 세포막이나 연약한 외벽으로 몸을 보호하고 있기 때문에 상기와 같은 전단력에 의해 파괴되는 것이다.

이러한 현상은 유체가 오리피스(Orifice)와 밸브(valve)를 통과하는 경우와 같이 생물체가 빠른 유동 상태에 놓여지는 경우 전단력이 인가되어 세포막이 손상됨으로써 사멸하게 되는 것과 같은 것이다.

한편 유체의 압력과 온도에 따라서 유체의 유속이 증가하여 동압(dynamic pressure)이 증가하게 되면, 정압(static pressure)이 감소하고 동공(케비테이션,cavitation) 현상이 발생할 수 있으며, 이때 발생된 버블(bubble)이 파괴되면서 충격파가 발생할 수 있다.

이러한 충격파는 배관이나 펌프 등을 손상시킬 수 있으며, 생물체의 세포막을 파괴시키게 되는 것이다.

따라서 이러한 케비테이션은 배관을 손상시킬 수 있기 때문에 주의해야 할 요소이지만, 이 현상을 이용하면 유체의 유동 과정에서 생물체의 사멸을 유도하여 부유 생물체를 처리하는 데 유용하게 활용할 수 있다.

또한 전단력은 대부분 배관 내의 벽면과 인접한 부분의 유속 변화가 크기 때문에 이 영역에서 크게 발생한다.

그러나 통상의 배관에서는 내벽 근처의 유속이 작기 때문에 이러한 전단력이 생물체 사멸에 영향을 줄 가능성은 높지 않다.

다만, 배관에 설치된 밸브, 오리피스, 또는 펌프와 같은 급격한 유로 단면적 변화가 있거나, 고속 회전체가 있을 때 전단력에 의해 생물체가 사멸될 수 있는 것이다.

따라서 본 발명은 회전자(20)와 고정판(30) 및 회전판(29)를 서로 마주보도록 인접 설치한 후, 회전자(20)와 회전판(29)를 고속 회전시킴으로써, 회전자(20) 또는 회전판(29)이 유입판(38) 또는 고정판(30)과 서로 마주보는 면 사이에서 전단력을 증대시켜 생물체가 사멸되도록 하는 것이다.

이때 본 발명은 회전체의 도입으로 인한 에너지 소모량을 줄이기 위하여 원반형 회전체를 적용함으로써, 원반의 회전에 의해 발생할 수 있는 drag force를 최소화하여 유체 흐름에 대한 방해와 회전 에너지를 최소화할 수 있도록 하고 있다.

한편 일반적으로 회전자(20) 또는 회전판(29) 말단의 회전 선속도가 임계값(배관 내 압력과 온도의 함수로 결정되는 값) 이상이 되는 경우, 회전자(20) 또는 회전판(29)의 회전에 대응하여 유체의 선속도가 증가함으로써 케비테이션이 발생할 수 있으며, 이때 발생하는 케비테이션 버블은 유체에 고르게 분산됨으로써, 붕괴시 유체 내에 존재하는 부유 생물체의 세포막 또는 다수의 생물막을 손상시켜 생물체를 사멸시킬 수 있게 되는 것이다.

또한 회전자(20)와 회전판(29)이 임계 선속도를 초과하는 경우에는 케비테이션이 발생하고 이로 인해 생물체의 사멸이 증가하게 되지만 축 진동이 발생할 수 있기 때문에 임계 선속도를 초과하지 않는 범위 내에서 생물체 사멸효과를 극대화함과 동시에 축 동력을 최소화하기 위해서는 회전자(20)와 회전판(29)의 말단을 거칠게 가공할 수도 있다.

따라서 본 발명은 서로 마주보도록 유입판(38), 회전자(20), 고정판(30), 및 회전판(29)을 대향 설치하고, 회전자(20)와 회전판(29)을 고속 회전시킴으로써, 해수가 회전자(20) 또는 회전판(29)과 고정판(30) 사이를 통과할 때 발라스트수에 포함된 생물체에 전단력(shear stress)이 인가되도록 하여 생물체를 효과적으로 사멸시킬 수 있게 되고, 또한 유체의 유동 저항을 최소화하여 압력손실을 줄일 수 있게 되는 것이다.

이상 상기의 실시 예는 단지 설명의 편의를 위해 예시로서 설명한 것에 불과하므로 특허청구범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술 범주 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 하우징 12 : 투입구
13 : 배출구 20 : 회전자
22 : 전단력인가판
25 : 축결합부재 26 : 허브
27 : 스포크 29 : 회전판
30 : 고정판 32 : 관통공
35 : 지지대 37 : 유로
38 : 유입판 39 : 유입공
40 : 날개
50 : 구동수단 52 : 축
55 : 구동모터

Claims (6)

1. 내부가 비어 있는 중공형 하우징;
   상기 하우징 내부에 일정 간격으로 이격되도록 다수개를 고정 설치하되, 외주면이 상기 하우징 내주면과 이격되어 유로가 형성되도록 구비되는 중공형 고정판;
   상기 고정판과 인접되어 마주보도록 상기 하우징에 내설되며, 회전 가능하게 축 결합되는 다수개의 중공형 회전자; 및
   상기 회전자에 결합된 축을 구동시키는 구동수단;
   을 포함하여 구성되는 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고정판은 외주면에 일정 간격으로 복수의 지지대를 설치하여 상기 지지대가 상기 하우징 내주면에 결합되도록 하는 것을 특징으로 하는 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 회전자는 상기 하우징의 내주면에 대응되게 형성되는 환형의 전단력인가판과 상기 축에 결합되어 상기 전단력인가판을 지지하는 축결합부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 축결합부재는 상기 축에 결합되는 허브 및 상기 허브와 상기 전단력인가판을 연결하는 복수의 스포크로 구성되는 것을 특징으로 하는 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 축에는 상기 하우징의 최후단부에 설치된 고정판과 이격되도록 상기 하우징의 내경보다 작은 직경의 회전판이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 회전판의 후면에는 유체의 압력 손실을 보상해줄 수 있는 다수개의 날개가 방사상으로 일정 높이 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 발라스트수 처리용 방사 흐름형 전단력 인가장치.

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