KR20190052479A - 고압 관로의 감압형 수력 에너지 회수장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관로를 타고 흐르는 고압 에너지를 감압 할 때 발생하는 손실에너지를 회수하는 고압 관로의 감압형 수력 에너지 회수장치에 관한 것으로, 고압관로에 설치되는 감압밸브를 대신하여 설치함으로써 감압에 따른 손실에너지를 수력 에너지로 회수하는 것이다.
본 발명은 현재의 급수 시스템에서 고압의 물을 저압으로 감압하는 과정에서 발생하게 되는 손실 에너지를 수력 에너지로 변환시켜 활용할 수 있도록 하는 것으로, 관로 사이에 달팽이관 모양의 관류 스파이럴 케이스를 설치하고, 상기 관류 스파이럴 케이스의 내측으로 프란시스 수차를 설치하고, 관류 스파이럴 케이스의 유입구로 유입된 고압의 물이 프란시스 수차의 런너를 회전시키면서 배출구로 배출되고, 상기 프란시스 수차의 런너에는 영구자석링을 설치하는 한편 프란시스 수차가 설치되는 케이스에는 환형의 발전코일을 설치함으로써 이루어진다.

Description

고압 관로의 감압형 수력 에너지 회수장치{Decompression type hydraulic energy recovery device of high pressure pipeline}

본 발명은 관로를 타고 흐르는 고압 에너지를 감압 할 때 발생하는 손실에너지를 회수하는 고압 관로의 감압형 수력 에너지 회수장치에 관한 것으로, 고압관로에 설치되는 감압밸브를 대신하여 설치함으로써 감압에 따른 손실에너지를 수력 에너지로 회수하는 것이다.

화석에너지를 사용하는 화력발전이나 원자력 에너지를 이용하는 원자력 발전은 발전에 따른 이차적인 환경피해로 인하여, 비교적 피해가 덜한 물의 위치에너지를 이용하는 수력발전이나, 바람의 운동에너지를 이용하는 풍력발전, 태양열 에너지를 이용하는 태양열 발전 등을 이용하고 있으나, 이 또한 발전에 따른 피해가 나타날 수밖에 없다.

따라서, 환경 피해를 줄이고, 생산비용을 낮출 수 있도록 계곡물 등 저낙차 저수, 수로변경 등의 방식으로 5kW 이하의 낮은 전력을 생산하는 피코하이드로(picohydro), 마이크로하이드로(microhydro) 발전시스템이 개발되고 있으나, 고압관로를 통하여 고압의 에너지로 공급되는 물은 감압밸브에서 저압으로 낮추게 될 때 필연적으로 손실에너지가 발생하게 되는 것을 효과적으로 이용하지 못하고 있다.

즉, 고압관로를 통하여 고압의 에너지로 공급되게 하여 효과적인 물 공급이 이루어지는 반면 고압의 물은 그대로 활용하지 못하기 때문에 감압밸브 등을 통하여 저압으로 압력을 낮춘 후 활용토록 하기 때문에 고압의 에너지를 저압으로 낮출 때 손실에너지가 발생할 수밖에 없고, 기존에도 이러한 손실에너지를 활용하기 위한 방법이 제시되어 있으나, 고압 에너지를 저압으로 변환시킬 때 발생되는 손실에너지는 효과적으로 수력 에너지로 검출하기 어려운 점이 있었다.

대한민국 특허 공개 10-2011-0033465호(2011.03.31. 등록) 대한민국 특허 등록 10-1208667호(2012.11.29. 등록) 대한민국 특허 등록 10-1381022호(2014.03.27. 등록) 대한민국 특허 등록 10-1769080호(2017.08.10. 등록)

본 발명은 고압관로를 통하여 고압으로 공급되는 물은 저압으로 감압하여 배수가 이루어지는 급수 시스템에 있어서, 고압으로 공급된 물을 저압으로 감압시킴에 따라 필연적으로 손실에너지가 발생하게 되나, 이러한 손실에너지를 효과적으로 활용하지 못하였던 문제를 해결하기 위한 것으로, 고압의 물을 저압으로 감압할 때 프란시스 수차의 런너를 회전시킴으로써 감압이 이루어지게 하는 한편 프란시스 수차의 런너 회전으로 자연스럽게 손실 에너지를 수력 에너지로 변환시키도록 하는 것이다.

본 발명은 현재의 급수 시스템에서 고압의 물을 저압으로 감압하는 과정에서 발생하게 되는 손실 에너지를 수력 에너지로 변환시켜 활용할 수 있도록 하는 것으로, 관로 사이에 달팽이관 모양의 관류 스파이럴 케이스를 설치하고, 상기 관류 스파이럴 케이스의 내측으로 프란시스 수차를 설치하고, 관류 스파이럴 케이스의 유입구로 유입된 고압의 물이 프란시스 수차의 런너를 회전시키면서 배출구로 배출되고, 상기 프란시스 수차의 런너에는 영구자석링을 설치하는 한편 프란시스 수차가 설치되는 케이스에는 환형의 발전코일을 설치함으로써 이루어지는 것으로, 고압으로 가압된 물이 런너를 회전시키면서 저압으로 감압이 이루어지는 동시에 프란시스 수차의 런너 회전에 의해 발전이 이루어지도록 하는 것이다.

본 발명에서 관류 스파이럴 케이스에 설치된 프란시스 수차의 배출구 쪽으로는 흡출관을 설치하여 수차의 출력을 높이도록 하는 한편 관류 스파이럴 케이스의 유입구와 배출구는 같은 높이를 갖도록 배치된다.

본 발명은 관류 스파이럴 케이스에 고압의 물을 프란시스 수차로 유도하는 스테이 베인을 설치한다.

또한, 본 발명은 관류 스파이럴 케이스에 감암용 프란시스 수차를 설치하여 런너를 회전시키되 상기 런너의 회전축을 스파이럴 케이스의 외측으로 인출시킨 후 관류 스파이럴 케이스의 외부로 인출된 프란시스 수차의 회전축을 이용하여 발전기를 구동시키도록 한다.

본 발명은 전기 에너지를 얻기 위하여 별도의 외부 에너지를 제공하지 않고도 급수 시스템에서 고압관로를 통하여 공급되는 고압의 물을 저압으로 변환시킬 때 관로 사이에 관류 스파이럴 케이스를 설치하되 내부에는 고압의 물에 의해 런너가 회전되게 프란시스 수차를 설치함으로써, 고압의 물은 런너를 회전시키면서 감압이 이루어지는 한편 프란시스 수차와 이를 결합하는 케이스 사이에서 영구자석링의 회전에 의해 환형의 발전코일에서 발전이 이루어지는 것이어서, 발전 에너지로의 활용이 가능하고, 별도의 감압밸브를 사용하지 않으면서도 발전을 할 수 있기 때문에 비용적으로나 기능적으로 효과적이다.

본 발명은 고압의 광역 상수도 관로에서도 활용가능하고, 아파트 또는 집단시설의 급수라인에도 설치하여 활용할 수 있으며, 고압의 세기에 따라 발전 용량이 결정된다.

본 발명은 관류 스파이럴 케이스의 내부에는 프란시스 수차의 런너가 회전되면서 감압이 이루어지게 하고, 상기 런너의 회전력은 외부로 인출한 후 발전기를 구동시키도록 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예 정단면도
도 2는 본 발명의 실시에 평단면도
도 3은 본 발명의 다른 실시예 단면도

본 발명은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이나, 본 발명은 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있으며, 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 고안의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 발명은 고압의 물을 감압시켜 저압으로 공급할 때 필연적으로 발생하는 손실에너지를 이용하여 발전이 이루어지도록 하는 것으로, 고압의 물이 달팽이관 형태의 관류 스파이럴 케이스를 통하여 흐르게 하되 상기 관류 스파이럴 케이스의 나선 계단 형태를 갖는 위치에 설치된 프란시스 수차의 런너를 회전시키면서 감압이 이루어진 후 흐르게 하는 한편 프란시스 수차를 이용한 발전장치에서 발전이 이루어지는 것이다.

본 발명은 고압의 물이 나선 계단 형태의 관류 스파이럴 케이스의 내부에 설치된 프란시스 수차의 런너를 회전시키면서 감압이 이루어진 후 배출되게 하고, 상기 프란시스 수차의 런너에는 영구자석링을 고정시켜 회전이 이루어지게 하는 한편 그 외측의 케이스에는 환형의 발전코일을 설치함으로써 고압의 물은 프란시스 수차의 런너를 회전시키면서 감압이 이루어지는 한편 프란시스 수차의 런너 회전에 따라 발전이 이루어지기 때문에 고압의 물을 감압시켜 저압의 물로 변환시키는 급수 시스템에서 감압에 따른 손실 에너지로 전기를 생산하여 재활용할 수 있는 것이다.

본 발명은 관류 스파이럴 케이스의 내부에서 프란시스 수차의 런너가 회전되면서 감압이 이루어지게 하되 상기 런너의 회전력은 관류 스파이럴 케이스의 외측으로 회전축을 통하여 인출한 후 발전기를 연결함으로써 발전이 이루어지게 할 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 실시예 도면에 의거 살펴본다.

본 발명의 관류 스파이럴 케이스(10)는 고압관로와 저압관로 사이에 연결되는 되는 것으로, 양쪽에는 관로를 타고 흐르는 물의 단속을 위한 밸브(11)(12)가 설치되고, 유입구(IN)로 고압의 물이 유입되어 압력이 감소된 후 저압의 물로 배출구(OUT)를 통하여 배출이 이루어지게 되며, 본 발명은 관류 스파이럴 케이스(10)의 나선계단이 형성되는 위치에 영구자석형 발전장치를 구비한 프란시스 수차(30)를 설치함으로써 압력 저감의 목적을 달성하는 한편 발전장치에서 발전이 이루어지게 함으로써, 고압의 물을 저압의 물로 감압시킬 때 발생하는 손실 에너지를 활용하는 것이다.

본 발명에는 관류 스파이럴 케이스(10)의 나선계단이 형성되는 부위에 프란시스 수차(30)를 설치하여, 유입구(IN)로 유입되는 고압의 물은 나선형으로 돌면서 압력을 몰아서 프란시스 수차(30)의 런너(31)를 회전시키게 되고, 이때, 스테이베인(40)을 설치하여 고압의 물이 프란시스 수차(30)로 유입되는 것을 도와주도록 한다.

유입구(IN)로 유입된 고압의 물은 프란시스 수차(30)의 런너(31)를 회전시킨 후 흡출관(20)을 형성하여 배출구(OUT)로 배출이 이루어지게 되고, 이과정에서 고압의 물은 런너(31)를 회전시키면서 감압이 이루어져 저압의 물로 배출되고, 흡출관(20)은 수차의 출력을 높이게 된다.

즉, 본 발명은 고압관로에서 유입구(IN)를 통하여 유입되는 고압의 물은 관류 스파이럴 케이스(10)를 지나면서 몰아지는 상태로 프란시스 수차(30)로 공급되어 프란시스 수차(30)의 런러(31)를 회전시키면서 감압이 이루어져 저압의 물로 배출이 이루어지게 되며, 프란시스 수차(30)의 런너(31)를 회전시킨 저압의 물은 흡출관(20)을 통하여 수차의 출력을 높이도록 한 후 배출관(OUT)을 통하여 배출이 이루어진다.

본 발명의 관류 스파이럴 케이스(10)에는 고압의 물이 프란시스 수차(30)로만 유입될 수 있도록 스테이 베인(40)을 설치함으로써, 유입구(IN)로 유입되는 고압의 물이 스테이 베인(40)에 의해 프란시스 수차(30)로만 유입되며, 상기 프란시스 수차(30)가 설치되는 나선계단 부위에는 외측으로 브라켓(50)을 설치하여 나선계단 부위에 대한 강도보강과 프란시스 수차(30)의 회전에 따른 진동을 견딜 수 있도록 한다.

본 발명의 관류 스파이럴 케이스(10)로 고압의 물을 유입시키는 유입구(IN)와 프란시스 수차(30)의 런너(31)를 회전시키면서 감압이 이루어진 물은 배출구(OUT)를 통하여 배출이 이루어지게 되며, 본 발명은 상기 유입구(IN)와 배출구(OUT)가 같은 높이로 형성되는 것에 특징이 있다.

본 발명의 프란시스 수차(30)의 럴너(31)는 관류 스파이럴 케이스(10)를 통하여 흐르는 고압의 물에 의해 회전이 이루어지면서 감압을 하게 되는 것으로, 관류 스파이럴 케이스(10)의 나선계단이 형성된 부위에서 수직으로 설치된 상태에서 런너(31)를 회전시키게 되고, 상기 런너(31)는 외측으로 영구자석링(32)을 고정시킴으로써 런너(31)의 회전에 따라 영구자석링(32)의 회전이 이루어지게 한다.

그리고, 프란시스 수차(30)의 케이스(34)에는 내측으로 환형의 발전코일(33)을 설치하되 상기 환형의 발전코일(33)은 내접되어 회전이 이루어지는 영구자석링(32)에 의해 발전을 하게 되는 것으로, 이러한 영구자석링(32)의 회전에 따라 환형의 발전코일(33)에서 발전이 이루어지게 하는 발전장치는 본 출원인이 등록받은 특허등록10-1695431호에 게재된 기술을 사용한다.

즉, 본 발명의 프란시스 수차(30)는 케이스(34)가 관류 스파이럴 케이스(10)의 나선계단 형성부위에 내접되어 고정되며, 상기 케이스(34)가 고정된 상태에서 내측으로 런너(31)가 물의 흐름에 따라 회전할 수 있도록 하되 이러한 프란시스 수차(30)에 대한 구조는 당 업계의 공지된 사실이며, 본 발명은 이러한 프란시스 수차(30)의 런너(31)에 영구자석링(32)을 고정시켜 케이스(34)에 고정된 환형의 발전코일(33)에서 회전되게 함으로써 발전이 이루어지게 하는 것으로, 이러한 발전장치도 본 출원인이 등록받은 특허에 공지되어 있기에 프란시스 수차(30)의 회전구조와 발전장치의 발전원리에 대한 상세 설명은 생략하도록 한다.

한편, 본 발명은 도 3과 같이 관류 스파이럴 케이스(10)의 내부에 프란시스 수차(30)를 설치하되 런너(31)의 회전에 의해 회전축(61)이 회전되게 하고, 상기 회전축(61)은 관류 스파이럴 케이스(10)의 외측으로 인출하여 발전기(70)를 연결함으로써, 관류 스파이럴 케이스(10)에서 프란시스 수차(30)의 런너(31)를 회전시키면서 감압이 이루어지게 하는 동시에 런너(31)의 회전에 따른 회전축(61)의 회전력으로 외부에서 인출하여 발전기(70)를 구동시키게 된다.

이러한 구성의 본 발명은 급수 시스템에서 고압의 물을 감압시켜 저압으로 변환시키기 위하여 관류 스파이럴 케이스(10)를 관로 사이에 연결하는 한편 달팽이관 형태의 관류 스파이럴 케이스(10)에는 나선계단 부위의 내측으로 프란시스 수차(30)를 설치하여 고압의 물이 프란시스 수차(30)의 런너(31)를 회전시키면서 배출이 이루어질 수 있도록 함으로써, 고압의 물이 런너(31)를 회전시키면서 감압이 이루어져 저압으로 변환되게 하는 한편 상기 프란시스 수차(30)에는 영구자석링(32)과 환형의 발전코일(33)을 이용하여 발전이 이루어지게 함으로써 고압의 물이 감압되어 저압의 물로 변환될 때 발생하는 손실에너지를 전력으로 활용할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명에서 프란시스 수차(30)는 관류 스파이럴 케이스(10)의 나선계단 부위에 내접되어 설치되는 것으로, 고압의 물이 프란시스 수차(30)를 통과할 때 런너(31)를 회전시키면서 감압이 이루어져 저압으로 변환되게 하고, 관류 스파이럴 케이스(10)의 하측으로 흡출관(20)을 형성하여 수차의 출력을 높이도록 한다.

그리고, 관류 스파이럴 케이스(10)로 유입되는 고압의 물은 스테이 베인(40)에 의해 프란시스 수차(30)로 유입될 수 있도록 하고, 이러한 프란시스 수차(30)의 설치와 회전에 따른 강도 보강과 진동을 감당하기 위하여 관류 스파이럴 케이스(10)의 외측으로 나선계단이 형성된 부위는 브라켓(50)을 설치한다.

관류 스파이럴 케이스(10)의 나선계단 부위에 설치된 프란시스 수차(30)를 통하여 고압의 물이 흐르게 되면, 런너(31)를 회전시킴에 따라 물의 압력은 감소하는 한편 프란시스 수차(30)의 런너(31)는 회전을 하게 되고, 상기 런너(31)의 외측으로는 영구자석링(32)을 결합하고, 프란시스 수차(30)의 케이스(34)에는 내측으로 환형의 발전코일(33)을 설치함으로써, 프란시스 수차(30)의 런너(31) 회전에 따라 영구자석링(32)이 회전되면서 환형의 발전코일(33)에서 발전이 이루어지게 된다.

한편, 본 발명은 도 3과 같이 관류 스파이럴 케이스(10)의 내부에 프란시스 수차(30)를 구성하여 고압의 물로 런너(31)를 회전시켜 감압이 이루어지게 하되 상기 런너(31)의 회전은 회전축(61)에 의해 관류 스파이럴 케이스(10)의 외측으로 인출하고, 상기 회전축(61)에는 발전기(70)를 연결하여 발전이 이루어지게 할 수 있는 것으로, 발전수단을 관류 스파이럴 케이스(10)의 내부에 설치하지 않고 외부에 설치하여도 감압 에너지를 이용하여 발전이 이루어지는 것이다.

본 발명은 급수 시스템에서 고압의 물을 감압시켜 저압으로 변환시키는 동시에 이때 발생하는 손실에너지로 발전이 이루어지게 하는 것이어서, 기존에 버려지게 되는 손실에너지를 전력으로 재활용할 수 있는 효과가 있는 것이다.

10 : 관류 스파이럴 케이스 20 : 흡출관
30 : 프란시스 수차 31 : 런너
32 : 영구자석링 33 : 환형의 발전코일
34 : 케이스 40 : 스테이 베인
50 : 브라켓 60 : 바디
61 : 회전축 70 : 발전기

Claims (5)

1. 관로 사이에 달팽이관 모양의 관류 스파이럴 케이스(10)를 설치하고,
   상기 관류 스파이럴 케이스(10)의 내측으로 프란시스 수차(30)를 설치하고,
   상기 관류 스파이럴 케이스(10)의 유입구로 유입된 고압의 물이 프란시스 수차(30)의 런너(31)를 회전시키면서 감압된 후 배출구로 배출되게 하고,
   상기 프란시스 수차(30)의 런너(31)에는 영구자석링(32)을 설치하여 회전되게 하는 한편 프란시스 수차(30)가 설치되는 케이스(34)의 내측으로 환형의 발전코일(33)을 설치하여 발전이 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 고압 관로의 감압형 수력 에너지 회수장치.
2. 관로 사이에 달팽이관 모양의 관류 스파이럴 케이스(10)를 설치하고,
   상기 관류 스파이럴 케이스(10)의 내측으로 프란시스 수차(30)를 설치하고,
   상기 관류 스파이럴 케이스(10)의 유입구로 유입된 고압의 물이 프란시스 수차(30)의 런너(31)를 회전시키면서 감압된 후 배출구로 배출되게 하고,
   상기 프란시스 수차(30)의 런너(31) 회전력은 회전축(61)으로 관류 스파이럴 케이스(10)의 외측으로 인출하고,
   상기 회전축(61)에는 발전기(70)를 연결하여 런너(31)의 회전으로 관류 스파이럴 케이스(10)의 외측에 설치된 발전기(70)에서 발전이 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 고압 관로의 감압형 수력 에너지 회수장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 관류 스파이럴 케이스(10)에는 유입된 유체를 프란시스 수차(30)의 런너(31)로 유도하는 스테이 베인(40)을 설치하는 한편 프란시스 수차(30)를 통과한 유체는 흡출관(20)을 통하여 배출되게 하는 것을 특징으로 하는 고압 관로의 감압형 수력 에너지 회수장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 관류 스파이럴 케이스(10)로 고압의 물이 유입되는 유입구(IN)와, 관류 스파이럴 케이스(10)의 프란시스 수차(30)를 통과하면서 감압이 이루어져 저압의 물로 배출되는 배출구(OUT)는 동일 높이를 갖게 형성하는 것을 특징으로 하는 고압 관로의 감압형 수력 에너지 회수장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 관류 스파이럴 케이스(10)의 나선계단이 형성된 부위는 외측으로 브라켓(50)을 설치하여 강도보강과 진동을 방지하는 것을 특징으로 하는 고압 관로의 감압형 수력 에너지 회수장치.

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