KR20190018332A - 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤 - Google Patents

역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤 Download PDF

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Abstract

본 발명은 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤은 중앙 블록을 관통하는 피스톤 로드에 의해 서로 연결된 2개의 피스톤이 중앙블록에 의해 서로 분리되는 2개의 실린더 내면을 왕복 활주하면서 탈염모듈을 나오는 고압의 농축액이 가진 에너지를 회수하여 탈염처리될 염수에 전달하는 기능을 가지며, 분리 가능한 3개의 조각으로 이루어지고, 중앙 조각부의 원주면에 씰링재, 좌우 조각부의 원주면에 웨어링재가 각각 장착될 홈을 포함한다.
본 발명에 따른 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤은 스테인레스강(SUS316) 재질 실린더의 열팽창 여부에 관계없이 지속적인 활주 능력과 우수한 누수방지 성능을 가진다.

Description

역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤{Piston for Energy Recovery Device of Reverse Osmosis Desalination Systems}
본 발명은 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤에 관한 것으로서 보다 상세하게는 에너지 회수장치 본체 내부의 피스톤 형상 및 재질 개선에 관한 것이다.
도 1 및 도 2는 에너지 회수장치가 설치된 역삼투법 탈염시스템의 유체 흐름도를 설명하는 도면으로서, 에너지 회수장치가 설치된 역삼투법 탈염시스템는 중앙블록 (209)에 의해 서로 분리되는 2개의 실린더(206, 207)에 왕복활주 가능하게 수용되고 상기 중앙 블록(209)을 관통하는 피스톤 로드(205)에 의해 서로 연결된 2개의 피스톤(203, 204)을 가지는 에너지 회수장치(208)와, 탈염모듈(215)과, 탈염모듈(215)을 에너지 회수장치의 2개의 실린더(206, 207)에 교대로 연결시켜 주는 컨트롤 밸브(214)와, 탈염모듈(215)에 역삼투압을 제공하기 위한 고압펌프(225)와, 탈염처리될 염수(201)의 전처리부(202)를 포함하여 이루어진다.
역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 2개의 작업조건을 가진다.
즉, 도 1에 나타낸 작동상태 1에서는 전처리부(202)에서 전처리된 염수(Q100)가 체크밸브(213)를 통해 실린더(207)의 피스톤 로드 있는 쪽(218')에 유입되고, 탈염모듈(215)로부터 고압의 농축액(P300,Q300)이 컨트롤 밸브(214)를 통해 실린더(206)의 피스톤 로드 없는 쪽(217)에 유입되어 피스톤(203, 204)을 오른쪽으로 가압·이동시키면, 농축액의 에너지를 회수한 염수(Q100)가 같은 실린더(206)의 피스톤 로드 있는 쪽(217')에서 체크밸브(210)을 통해 고압라인(220) 쪽으로 압입되어 고압펌프(225)를 나오는 고압의 탈염처리될 염수(QW)에 합류되어 탈염모듈(215)로 보내어진다.
동시에 에너지 회수에 이용된 농축액은 실린더(207)의 피스톤 로드 없는 쪽(218)에서 나와 농축액 수집기(226)로 배출된다.
한편, 탈염모듈(215)에 압입된 염수(QW+Q100)는 역삼투막(216)을 투과하여 탈염처리된 생산물(Q200)로서 얻어지고, 역삼투막(216)을 투과하지 못하고 탈염모듈(215)을 나오는 탈염농축액(P300,Q300)은 탈염모듈(215)에 들어가는 염수(QW+Q100)의 압력과 거의 대등한 압력을 보유한 채로 컨트롤 밸브(214)를 통해 실린더(206)의 피스톤 로드 없는 쪽(217)에 유입되어 피스톤(203, 204)을 더욱 오른쪽으로 이동시켜 같은 실린더(206)의 피스톤 로드 있는 쪽(217')으로부터 염수를 고압라인(220)에 압입시키는 에너지원으로서 활용된다(즉, 탈염농축액의 에너지가 염수에 회수된다).
작동상태 1에서 피스톤(203, 204)이 그 이동거리의 마지막 지점에 도달하여 피스톤(203)이 중앙 블록(209)에 인접하면 컨트롤 밸브(214)의 작동상태가 스위칭되어 도 2의 작동상태 2로 변경된다.
작동상태 2에서는 전처리부(202)에서 전처리된 염수(Q100)가 체크밸브(212)를 통해 실린더(206)의 피스톤 로드 있는 쪽(217')에 유입되고, 탈염모듈(215)로부터 고압의 농축액(P300,Q300)이 컨트롤 밸브(214)를 통해 실린더(207)의 피스톤 로드 없는 쪽(218)에 유입되어 피스톤(203,204)을 왼쪽으로 가압·이동시키면, 농축액의 에너지를 회수한 염수(Q100)가 같은 실린더(207)의 피스톤 로드 있는 쪽(218')에서 체크밸브 (211)을 통해 고압라인(220) 쪽으로 압입되어 고압펌프(225)를 나오는 고압의 탈염처리될 염수(QW)에 합류되어 탈염모듈(215)로 보내어진다.
동시에 에너지 회수에 이용된 농축액은 실린더(206)의 피스톤 로드 없는 쪽(217)에서 나와 농축액 수집기(226)로 배출된다.
작동상태 1과 마찬가지로 탈염모듈(215)에 압입된 염수(QW+Q100)는 역삼투막 (216)을 투과하여 탈염처리된 생산물(Q200)로서 얻어지고, 역삼투막(216)을 투과하지 못하고 탈염모듈(215)를 나오는 탈염농축액(P300,Q300)은 탈염모듈(215)에 들어가는 염수(QW+Q100)의 압력과 거의 대등한 압력을 보유한 채로 컨트롤 밸브(214)를 통해 실린더(207)의 피스톤 로드 없는 쪽(218)에 유입되어 피스톤(203, 204)를 더욱 왼쪽으로 이동시켜 같은 실린더(207)의 피스톤 로드 있는 쪽(218')로부터 염수를 고압라인 (220)에 압입시키는 에너지원으로서 활용된다.
작동상태 2에서 피스톤(203, 204)이 그 이동거리의 마지막 지점에 도달하여 피스톤(204)이 중앙 블록(209)에 인접하면 컨트롤 밸브(214)의 작동상태가 스위칭되어 다시 도 1의 작동상태 1로 변경되면서 작업 사이클이 반복된다.
이와 같이 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치는 중앙 블록을 관통하는 피스톤 로드에 의해 서로 연결된 2개의 피스톤이 중앙블록에 의해 서로 분리되는 2개의 실린더 내면을 왕복활주하면서 탈염모듈을 나오는 고압의 농축액이 가진 에너지를 회수하여 탈염처리될 염수에 전달하는 역할을 한다.
종래기술에 의한 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치는 해수의 부식성을 감안하여 실린더는 스테인레스강(SUS316)을 사용하고, 피스톤은 도 3과 같이 아세탈 수지로 이루어지는 일체형 몸체의 주면 중간부에 고무오링을 삽입하여 사용하고 있는데, 일정시간 운전 후 피스톤의 활주가 중지되는 현상이 발생하는 문제점을 안고 있다.
이 현상은 실린더의 재질로서 스테인레스강(SUS316)을 사용함에 기인한 것으로, 스테인레스강(SUS316)은 일정한 열팽창계수를 가지고 있어 운전이 진행됨에 따라 내부 마찰에 의해 수온이 상승하고 그에 따라 실린더가 팽창하게 됨으로써 실린더 내부의 피스톤을 압박하게 되고, 피스톤과 실린더 간의 마찰이 더욱 커지면서 수온은 계속 증가하게 되며 이에 따라 실린더 또한 팽창하게 되어 종국에는 피스톤이 실린더 내부에 완전히 고착되어 활주를 중지하게 되는 것이다.
또한, 종래기술에 의한 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤은 고무오링이 삽입되는 홈의 간극이 고무오링에 비해 넓어 피스톤의 왕복운동시 고무오링이 고정되지 못하여 실린더 내벽과 협착되는 팽출현상(Extrusion)이 발생함으로써 고무오링이 파손 및 마모되면서(도 3의 원으로 둘러싸인 부분)실린더 내벽을 더럽히고 고무오링의 수명도 단축되어 자주 교체해야 하는 문제점을 안고 있다.
1. 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-1309870(2013. 9. 9. 등록) 2. 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2017-0004630(2017. 1. 11. 공개)
본 발명은 종래기술에 의한 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치를 구성하는 실린더의 재질에 의해 발생하는 상기 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 실린더의 열팽창 여부에 관계없이 왕복활주 운동을 지속할 수 있는 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 중앙 블록을 관통하는 피스톤 로드에 의해 서로 연결된 2개의 피스톤이 중앙블록에 의해 서로 분리되는 2개의 실린더 내면을 왕복활주하면서 탈염모듈을 나오는 고압의 농축액이 가진 에너지를 회수하여 탈염처리될 염수에 전달하는 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤에 있어서, 상기 피스톤은 분리 가능한 3개의 조각으로 이루어지고, 중앙 조각부의 원주면에 씰링재, 좌우 조각부의 원주면에 웨어링재가 각각 장착될 홈을 포함하는 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤을 제공한다.
여기서 상기 씰링재로는 고무오링이, 상기 웨어링재로는 테프론-구리 함침 씰이 각각 장착된다.
여기서 상기 좌우 조각부의 웨어링재가 장착될 홈에는 상기 웨어링재와 원주면 사이에 고무오링이 추가로 장착된다.
여기서 상기 웨어링재는 테프론-브론즈 씰로서 씰의 전체 중량에 대하여 테프론에 함침된 브론즈의 중량 조성비가 40~50%이다.
여기서 상기 중앙 조각부는, 상기 중앙 조각부와 상기 좌우 조각부와의 접촉계면을 통해 해수가 침입하는 것을 방지하기 위한 오링홈을 추가로 포함한다.
또한, 여기서 상기 중앙 조각부는, 피스톤과 피스톤 로드와의 접촉계면을 통해 해수가 침입하는 것을 방지하기 위한 오링홈을 추가로 포함한다.
본 발명은 실린더의 열팽창 여부에 관계없이 지속적인 활주 능력과 우수한 누수방지 성능을 가지는 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤을 제공하는 효과를 가진다.
도 1은 역삼투법 탈염시스템의 유체 흐름도로서 에너지 회수장치의 작동상태 1을 나타내는 도면이다.
도 2는 역삼투법 탈염시스템의 유체 흐름도로서 에너지 회수장치의 작동상태 2를 나타내는 도면이다.
도 3은 종래기술에 의한 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤에 대한 실물사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 웨어링과 씰의 역할을 분리한 형태의 피스톤에 대한 실물사진이다.
도 5, 도 6은 도 4의 피스톤에 대한 현장적용결과를 나타내는 실물사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 피스톤 원주면의 대부분의 면적에 테프론-구리 함침 씰을 적용한 피스톤에 대한 실물사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 3에 따라 3개의 조각부로 분리하여 제작된 피스톤의 실물사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에 따른 피스톤의 중앙 조각부와 좌우 조각부와의 접촉계면을 통해 해수가 침입하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 10은 피스톤과 피스톤 로드와의 접촉계면을 통해 해수가 침입하는 모습을 화살표로 나타낸 도면이다.
도 11, 도 12는 각각 본 발명의 실시예 3에 따른 피스톤의 분리 및 결합 사시도이다.
도 13은 본 발명의 실시예 3에 따른 피스톤의 좌우 조각부의 원주면에 웨어링재로서 테프론-구리 함침 씰이 장착되고, 중앙 조각부의 원주면에 씰링재로서 고무오링이 장착된 모습을 나타내는 실물사진이다.
도 14는 본 발명의 실시예 3에 따른 피스톤이 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치에 장착되어 있는 모습을 나타내는 발췌 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어 종래기술과 구조가 동일한 구성요소에 대해서는 종래 구성요소의 도면부호를 병용한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
[ 실시예 1]
본 발명자는 종래기술에 의한 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤이 안고있는 상기 문제점을 해결하기 위하여 일반 유압실린더의 구조를 연구분석한 결과, 도 4와 같이 실린더 내벽과의 접촉을 방지하는 웨어링(Wear ring)과 누수를 막는 씰(Seal)의 역할을 분리하도록 피스톤의 구조를 변경해 보았다.
그러나 일반 유압실린더에서는 피스톤의 왕복운동에 윤활제가 사용되나 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치는 윤활제로써 해수를 이용해야 함으로 금속재질의 웨어링을 사용할 수 없어 해수에 견딜 수 있는 비금속재질의 웨어링을 사용하였으나 비금속재질의 웨어링은 실린더 내부의 고압을 견디지 못하였다.
즉, 도 5와 같이 웨어링은 고압에서 압착되어 기능을 발휘하지 못한 것으로 나타났고, 피스톤과 실린더 내벽이 접촉하여 도 6에 나타낸 바와 같이 실린더 내벽에 스크래치를 무수히 발생시켰다.
[ 실시예 2]
실시예 1에서 피스톤의 활주운동에 방해만 될 뿐 별로 이점이 없는 것으로 확인된 비금속 재질의 웨어링을 제외하고, 도 7과 같이 피스톤 원주면의 대부분의 면적에 테프론-구리 함침 씰을 장착하여 실린더 내벽과의 접촉면적을 넓힌 피스톤을 현장에 적용해보았다.
면적을 넓힌 테프론-구리 함침 씰을 사용했을 경우 활주 능력은 비약적으로 증가하였으나 표면적이 큰 만큼 수온증가에 따른 열팽창도 커서 실린더와 피스톤이 꽉 물리게 되어 작동을 중지하였다.
최대 정밀가공 0.05mm 단위로 테프론-구리 함침 씰의 외경을 깎아내면서 작업을 하였으나 0.05mm를 더 깎아내었을 때에는 챔버(피스톤이 왕복운동을 할 때 피스톤에 의해 나누어지는 실린더 내부 챔버) 간에 누수가 발생하여 씰링 역할을 하지 못하였다.
[ 실시예 3]
연구개발의 처음 단계로 돌아가 활주 시 피스톤과 실린더 내벽과의 접촉을 방지할 웨어링 부분과 피스톤이 왕복운동을 할 때 피스톤에 의해 나누어지는 실린더 내부 챔버 간의 누수를 방지할 씰링 부분을 다시 분리하여, 씰링 부분으로 초기의 고무오링을 선택하였고 웨어링 부분으로 실시예 2의 테프론-구리 함침 씰을 사용하였다.
테프론-구리 함침 씰은 좀 더 정확하게 테프론-브론즈 씰로서, 씰의 전체 중량에 대하여 테프론에 함침된 브론즈(청동: 구리-주석계의 합금)의 중량 조성비가 40~50%인 것을 사용하였다.
실시예 2에서 확인된 테프론-구리 함침 씰의 면적증가에 따른 문제점 및 테프론-구리 함침 씰이 강도가 높아 일체형 피스톤에 장착되기 어려운 점을 고려하여, 도 8과 같이 피스톤을 3개의 조각으로 분리하여 제작하였다.
도 8에 의하면 본 발명의 실시예 3에 따른 피스톤은 좌우 조각부의 원주면에 웨어링재로서 테프론-구리 함침 씰이 장착될 홈(310)과, 중앙 조각부의 원주면에 씰링재로서 고무오링이 장착될 홈(320)을 구비한다.
또한, 본 발명의 실시예 3에 따른 피스톤은 중앙 조각부와 좌우 조각부와의 접촉계면을 통해 해수가 침입하는 것을 방지하기 위한 오링홈(330)과, 피스톤 로드와의 접촉계면을 통해 해수가 침입하는 것을 방지하기 위한 오링홈(340)을 추가로 포함한다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에 따른 피스톤의 중앙 조각부와 좌우 조각부와의 접촉계면을 통해 해수가 침입하는 모습을, 도 10은 피스톤과 피스톤 로드와의 접촉계면을 통해 해수가 침입하는 모습을 화살표로 각각 나타낸 것이다.
도 11, 도 12는 각각 본 발명의 실시예 3에 따른 피스톤의 분리 및 결합 사시도이다.
도 13은 본 발명의 실시예 3에 따른 피스톤의 좌우 조각부의 원주면에 웨어링재로서 테프론-구리 함침 씰이 장착되고, 중앙 조각부의 원주면에 씰링재로서 고무오링이 장착된 모습을 나타내는 실물사진이다.
본 발명의 실시예 3에 따른 피스톤은 도 14와 같이 피스톤 로드(Piston Rod) - 피스톤(3조각) - 피스톤 로드 플러그(Piston Rod Plug) 순으로 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치에 장착되며, 피스톤 로드 플러그(Piston Rod Plug)는 피스톤 로드(Piston Rod)와 결합하면서 3조각의 피스톤을 단단히 고정한다.
피스톤 로드(Piston Rod)와 피스톤 로드 플러그(Piston Rod Plug)는 나사 산이 가공되어 있어 나사결합에 의해 서로 고정된다. 또한, 피스톤 로드(Piston Rod)는 무게를 줄이기 위하여 내부가 비어 있다.
본 발명의 실시예 3에 따른 피스톤을 현장 적용한 결과, 테프론-구리 함침 씰도 수온이 변하면 수축과 팽창하는 성질이 일부 있는 것을 확인하여, 테프론-구리 함침 씰이 장착될 홈(310)의 원주면과 테프론-구리 함침 씰 사이에 수축 가능한 고무오링을 추가로 장착(고무오링 위에 테프론-구리 함침 씰이 얹어지도록 장착)함으로써, 스테인레스강(SUS316) 재질 실린더의 열팽창에 따른 피스톤의 활주 중지 및 누수를 모두 성공적으로 해결하였다.
본 발명의 보호범위가 앞에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 구성에 대한 자명한 변경이나 치환에 의해 본 발명의 보호범위가 제한될 수 없음도 첨언한다
201 : 염수
202 : 염수 전처리부
203, 204 : 피스톤
205 : 피스톤 로드
206, 207 : 실린더
208 : 에너지 회수장치
209 : 중앙 블록
210, 211, 212, 213 : 체크밸브
214 : 컨트롤 밸브
215 : 탈염모듈
216 : 역삼투막
217 : 실린더 206의 샤프트 없는 쪽(피스톤 203의 상류측 챔버)
217': 실린더 206의 샤프트 있는 쪽(피스톤 203의 하류측 챔버)
218 : 실린더 207의 샤프트 없는 쪽(피스톤 204의 상류측 챔버)
218': 실린더 207의 샤프트 있는 쪽(피스톤 204의 하류측 챔버)
219 : 탈염생산물 라인
220 : 고압라인
221, 222 : 농축액 라인
223 : 염수공급 라인
225 : 고압펌프
226 : 농축액 수집기
310 : 테프론-구리 함침 씰이 장착될 홈
320: 고무오링이 장착될 홈
330, 340 : 해수가 침입하는 것을 방지하기 위한 오링홈

Claims (6)

  1. 중앙 블록을 관통하는 피스톤 로드에 의해 서로 연결된 2개의 피스톤이 중앙블록에 의해 서로 분리되는 2개의 실린더 내면을 왕복활주하면서 탈염모듈을 나오는 고압의 농축액이 가진 에너지를 회수하여 탈염처리될 염수에 전달하는 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤에 있어서,
    상기 피스톤은 분리 가능한 3개의 조각으로 이루어지고, 중앙 조각부의 원주면에 씰링재, 좌우 조각부의 원주면에 웨어링재가 각각 장착될 홈을 포함하는 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 씰링재로서 고무오링이, 상기 웨어링재로서 테프론-구리 함침 씰이 각각 장착되는 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 좌우 조각부의 웨어링재가 장착될 홈에는 상기 웨어링재와 원주면 사이에 고무오링이 추가로 장착되는 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 웨어링재는 테프론-브론즈 씰로서, 씰의 전체 중량에 대하여 테프론에 함침된 브론즈의 중량 조성비가 40~50%인 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중앙 조각부는, 상기 중앙 조각부와 상기 좌우 조각부와의 접촉계면을 통해 해수가 침입하는 것을 방지하기 위한 오링홈을 추가로 포함하는 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중앙 조각부는, 피스톤과 피스톤 로드와의 접촉계면을 통해 해수가 침입하는 것을 방지하기 위한 오링홈을 추가로 포함하는 역삼투법 탈염시스템의 에너지 회수장치용 피스톤.
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