KR20220157248A - 샤프트 회전 지지 장치 및 이를 구비한 수직 연속형 고속 원심분리기 - Google Patents

Abstract

수직 방향의 회전축선을 따라 연장된 샤프트가 회전축선을 중심으로 고속 회전하도록 지지하는 샤프트 회전 지지 장치와, 이를 구비한 수직 연속형 고속 원심분리기가 개시된다. 개시된 샤프트 회전 지지 장치는, 샤프트가 끼워지는 샤프트 끼움 홈 형성된 베이스, 베이스에 설치되고, 샤프트가 샤프트 끼움 홈 내부에서 방사 방향으로 편향되지 않도록 샤프트를 자력으로 부양하는 래디얼 마그네틱 베어링, 수직 방향으로 래디얼 마그네틱 베어링과 이격되게 베이스에 설치되고, 샤프트가 샤프트 끼움 홈 내부에서 회전축선 방향으로 편향되지 않도록 샤프트를 자력으로 부양하는 액셜 마그네틱 베어링, 샤프트의 하단에 고정 설치된 제1 영구자석, 및 제1 영구자석의 아래에서 제1 영구자석을 마주보도록 베이스에 고정 설치되며, 제1 영구자석과 사이에 척력이 작용하도록 자극이 배열된 제2 영구자석을 구비한다.

Description

샤프트 회전 지지 장치 및 이를 구비한 수직 연속형 고속 원심분리기{Apparatus for supporting rotation of shaft and vertical continuous centrifugal separator with the same}

본 발명은 수직 연속형 고속 원심분리기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직 방향으로 연장된 샤프트를 회전 가능하게 지지하는 샤프트 회전 지지 장치 및 이를 구비한 수직 연속형 고속 원심분리기에 관한 것이다.

일반적으로 산업현장과 하수처리 과정에서 평균 함수율이 75%에 달하는 슬러지가 발생하는데, 이와 같이 다량의 물을 포함한 슬러지를 그대로 매립하거나 해양에 투기하면 심각한 환경오염 문제를 야기한다. 근래에 환경오염을 방지하기 위한 노력의 일환으로 슬러지의 해양 투기가 금지되었기 때문에 산업 슬러지는 매립하거나 소각하여야 한다. 다량의 물의 포함한 슬러지는 매립지나 소각로까지 이동하기 위한 운송 비용을 크게 증대시키고 소각 처리를 곤란하게 한다.

이러한 슬러지의 함수율을 낮추기 위한 장치로서, 등록특허공보 제10-1862625호에 개시된 바와 같이 수직 방향의 회전축을 중심으로 고속 회전하는 회전드럼을 구비한 수직형 원심분리기가 사용될 수 있다. 통상적으로, 상기 수직 방향 회전축의 회전을 지지하는 장치는 볼 베어링(ball bearing)을 마찰 저감 수단으로 사용한다. 그러나, 볼 베어링은 회전 속도가 빠르고 하중이 클수록 틸팅(tilting)과 편심으로 인한 진동이 커져서 고속 회전에 적합하지 않고, 윤활유를 지속적으로 보충해야 한다.

등록특허공보 제10-1862625호

본 발명은, 샤프트의 회전축선 방향으로 무거운 하중을 지지하면서도 샤프트의 고속 회전을 안정적으로 지지하는 샤프트 회전 지지 장치 및 이를 구비한 수직 연속형 고속 원심분리기를 제공한다.

본 발명은, 수직 방향의 회전축선을 따라 연장된 샤프트가 상기 회전축선을 중심으로 고속 회전하도록 지지하는 장치로서, 상기 샤프트가 끼워지는 샤프트 끼움 홈(groove)이 형성된 베이스(base), 상기 베이스에 설치되고, 상기 샤프트가 상기 샤프트 끼움 홈 내부에서 방사 방향으로 편향되지 않도록 상기 샤프트를 자력(磁力)으로 부양하는 래디얼 마그네틱 베어링(radial magnetic bearing), 수직 방향으로 상기 래디얼 마그네틱 베어링과 이격되게 상기 베이스에 설치되고, 상기 샤프트가 상기 샤프트 끼움 홈 내부에서 회전축선 방향으로 편향되지 않도록 상기 샤프트를 자력으로 부양하는 액셜 마그네틱 베어링(axial magnetic bearing), 상기 샤프트의 하단에 고정 설치된 제1 영구자석, 및 상기 제1 영구자석의 아래에서 상기 제1 영구자석을 마주보도록 상기 베이스에 고정 설치되며, 상기 제1 영구자석과 사이에 척력(斥力)이 작용하도록 자극(磁極)이 배열된 제2 영구자석을 구비하는 샤프트 회전 지지 장치를 제공한다.

상기 래디얼 마그네틱 베어링은, 상기 회전축선을 향한 방사 방향 내측으로 돌출된 복수의 돌기부를 구비한 래디얼 코어(radial core), 및 상기 돌기부 각각에 권선된 전자석 코일(coil)을 구비할 수 있다.

상기 샤프트는 직경(diameter)이 커지도록 방사 방향으로 확장된 베어링 디스크(bearing disk)를 구비하고, 상기 액셜 마그네틱 베어링은, 상기 베어링 디스크와 위아래로 겹쳐지도록 배치되며, 상기 회전축선을 중심으로 하는 원궤도를 따라 연장된 환형의 코일 탑재 홈(groove)이 형성된 액셜 코어(axial core), 및 상기 액셜 코어의 코일 탑재 홈을 따라 권선된 전자석 코일을 구비할 수 있다.

상기 샤프트의 하단에는 상기 회전축선을 따라 상측으로 단차지게 파인 축 방향 홈(groove)이 형성되고, 상기 제1 영구자석은 상기 축 방향 홈의 바닥면에 고정 설치되고, 상기 베이스는 상기 샤프트 끼움 홈의 바닥면에서 상기 축 방향 홈에 끼워지도록 단차지게 상향 돌출된 축 방향 돌기를 구비하고, 상기 제2 영구자석은 상기 축 방향 돌기의 상단면에 고정 설치될 수 있다.

함수율이 높은 슬러지를 원심력에 의해 탈수하고, 상기 탈수된 슬러지와 여액(濾液)을 분리하여 배출하는 것으로, 수직 방향의 회전축선을 중심으로 회전하는 것으로, 하단부에 탈수 슬러지 배출구가 형성되고, 상단부에 여액 배출구가 형성된 외부 드럼; 상기 외부 드럼의 내부에서 상기 회전축선을 중심으로 회전하는 것으로, 측벽에 슬러지 통공이 형성된 내부 드럼, 상기 내부 드럼의 외주에 고정 지지되어 상기 내부 드럼과 함께 회전하는 것으로, 상기 외부 드럼으로 유입된 슬러지를 상기 탈수 슬러지 배출구 측으로 이동시키는 스크류(screw), 상기 함수율이 높이 슬러지를 상기 내부 드럼의 내부로 공급하는 슬러지 공급관, 상기 외부 드럼을 회전시키는 회전력을 전달하는 것으로, 상기 회전축선을 따라 연장된 샤프트(shaft), 및 상기 샤프트가 상기 회전축선을 중심으로 고속 회전하도록 지지하는 샤프트 회전 지지 장치를 구비하는 수직 연속형 고속 원심분리기를 제공한다.

상기 수직 연속형 고속 원심분리기는, 상기 내부 드럼의 아래에서 상기 회전축선을 중심으로 회전하는 것으로, 상기 슬러지 통공을 통해 상기 내부 드럼의 내부에서 상기 외부 드럼으로 토출되어 낙하하는 함수율이 높은 슬러지를 위로 올려주는 슬러지 산란기(bouncer)를 더 구비하고, 상기 슬러지 산란기에 의해 위로 올려진 함수율이 높은 슬러지가 상기 스크류에 의해 가로막히지 않도록, 상기 스크류에는 상기 스크류를 두께 방향으로 관통하는 스크류 관통공이 형성될 수 있다.

상기 수직 연속형 고속 원심분리기는, 상기 샤프트를 회전시키는 회전력을 제공하는 원동기(driving motor)를 더 구비하고, 정상 운전 상태(steady state operation)에서 상기 샤프트의 회전속도는 5000 내지 7000 rpm 이고, 상기 원동기에서 상기 샤프트까지 회전력은 치합된 기어(gear)에 의해 전달될 수 있다.

본 발명의 샤프트 회전 지지 장치는, 샤프트가 베이스에 접촉하지 않고 부양된 상태로 회전하도록 하는 래디얼 마그네틱 베어링 및 액셜 마그네틱 베어링을 구비한다. 그러므로, 수직형 원심분리기의 외부 드럼과 스크류의 안정적인 고속 회전이 가능하여 수직형 원심분리기의 탈수 효율이 향상되고, 부품의 피로와 고장, 파손이 억제되어 유지 보수 비용이 절감된다.

또한, 상기 샤프트 회전 지지 장치는 상호간에 척력이 작용하는 제1 및 제2 영구 자석을 구비하여 전자석에 기초하는 액셜 마그네틱 베어링을 보조하므로, 샤프트 회전 지지 장치에 소요되는 전력이 절감되므로, 수직형 원심분리기의 운용 비용이 절감된다.

도 1은 본 발명의 수직 연속형 고속 원심분리기에 구비된 슬러지 탈수부의 일 실시예의 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 수직 연속형 고속 원심분리기에 구비된 동력 전달부의 일 실시예의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 수직 연속형 고속 원심분리기에 구비된 샤프트 회전 지지 장치의 일 실시예의 종단면도이다.
도 4는 도 3을 IV-IV에 따라 절개 도시한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 샤프트 회전 지지 장치 및 이를 구비한 수직 연속형 고속 원심분리기를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 수직 연속형 고속 원심분리기에 구비된 슬러지 탈수부의 일 실시예의 종단면도이고, 도 2는 본 발명의 수직 연속형 고속 원심분리기에 구비된 동력 전달부의 일 실시예의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 수직 연속형 고속 원심분리기에 구비된 샤프트 회전 지지 장치의 일 실시예의 종단면도이며, 도 4는 도 3을 IV-IV에 따라 절개 도시한 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수직 연속형 고속 원심분리기는 함수율이 높은 슬러지(sludge)를 강한 원심력에 의해 탈수하고, 이렇게 탈수된 슬러지와 여액(濾液)을 연속적으로 분리하여 배출하는 장치이다. 수직 연속형 고속 원심분리기는 슬러지 탈수부(10)와, 상기 슬러지 탈수부(10)를 회전시키는 동력을 전달하는 동력 전달부(50)를 구비한다.

수직 연속형 고속 원심분리기의 슬러지 탈수부(10)는 외부 드럼(outer drum)(11), 내부 드럼(inner drum)(20), 슬러지 공급관(46), 스크류(screw)(30), 슬러지 산란기(bouncer)(25), 복수의 회전 디스크(disk)(40), 샤프트(shaft)(34), 및 차속 기어 박스(differential velocity gear box)(49)를 구비한다.

외부 드럼(11)은 수직 방향의 회전축선(CX)을 중심으로 대칭되는 형상의 부재로서, 상기 회전축선(CX)을 중심으로 고속 회전 가능하고, 내부 공간이 마련된다. 외부 드럼(11)의 하단부에는 탈수된 슬러지가 외부 드럼(11)의 바깥으로 배출되는 복수의 탈수 슬러지 배출구(14)가 형성되고, 외부 드럼(11)의 상단부에는 상기 탈수된 슬러지와 분리된 여액이 외부 드럼(11)의 바깥으로 배출되는 여액 배출구(15)가 형성된다. 외부 드럼(11)은 높이가 높아질수록 회전축선(CX)으로부터의 수평 거리가 가까워지게 경사진 상부 경사벽을 구비하고, 상기 상부 경사벽의 상단부에 상기 여액 배출구(15)가 마련된다.

수직 연속형 고속 원심분리기(10)는 상기 여액 배출구(15)를 통해 여액이 외부 드럼(11)의 바깥으로 원활히 배출되도록 안내하는 여액 유로(17)를 더 구비한다. 상기 여액 유로(17)는 슬러지 공급관(46)의 외주면에 고정 지지되고, 상기 여액 유로(17)의 하단은 상기 여액 배출구(15)를 통해 외부 드럼(11)의 내부까지 연장되고 상단은 상기 외부 드럼(11)의 바깥으로 노출된다.

내부 드럼(20)은 외부 드럼(11)의 내부에서 회전 축선(CX)을 중심으로 회전하는 관형(管形)의 부재이다. 함수율 높은 슬러지가 원심력에 의해 상기 내부 드럼(20)의 내부 공간서 외부 드럼(11)의 내부 공간으로 토출되도록 내부 드럼(20)의 측벽에는 슬러지 통공(21)이 형성된다.

스크류(30)는 상기 슬러지 통공(21)을 통해 외부 드럼(11)의 내부 공간으로 유입된 슬러지를 상기 탈수 슬러지 배출구(14)를 향한 방향, 즉 아래로 이동시키기 위해 회전하는 부재이다. 수직 연속형 고속 원심분리기(10)는 내부 드럼(20) 아래에 차속 기어 박스(49)와 회전 동력 전달 가능하게 연결된 회전력 전달 부재(27)를 더 구비한다. 상기 내부 드럼(20)과 회전력 전달 부재(27) 사이에 슬러지 산란기(25)가 위치하며, 상기 내부 드럼(20), 슬러지 산란기(25), 및 회전력 전달 부재(27)는 함께 움직이도록 고정 연결되어 있다.

상기 스크류(30)는 사이 내부 드럼(20)의 외주, 슬러지 산란기(25)의 외주, 및 회전력 전달 부재(27)의 외주에 고정 지지된다. 따라서, 상기 차속 기어 박스(49)에 동력 전달 가능하게 연결된 회전력 전달 부재(27)가 회전하면, 슬러지 산란기(25), 내부 드럼(20), 및 스크류(30)도 상기 회전력 전달 부재(27)와 같은 회전속도로 함께 회전한다. 상기 스크류(30)의 외주 말단은 외부 드럼(11)의 내측면에 접촉되지는 않으나 매우 가까울 정도로 연장된다.

슬러지 공급관(46)은 함수율이 높은 슬러지를 내부 드럼(20)의 내부로 강한 압력으로 공급한다. 슬러지 공급관(46)은 회전축선(CX)을 따라 연장되고 하단부가 상기 내부 드럼(20)의 내부로 삽입된다. 상기 슬러지 공급관(46)의 하단부 측벽에는 함수율이 높은 슬러지가 슬러지 공급관(46)에서 내부 드럼(20)의 내부로 방출되도록 개방된 슬러지 공급 통공(47)이 형성된다. 상술한 바와 같이 상기 여액 유로(17)는 상기 슬러지 공급관(46)의 외주면에 고정 지지될 수 있다.

내부 드럼(20), 슬러지 산란기(25), 및 회전력 전달 부재(27)는 일체로 결합되어 있어 회전축선(CX)을 중심으로 같은 회전속도로 회전한다. 슬러지 산란기(25)는 상기 내부 드럼(20)의 아래에 위치한다. 슬러지 산란기(25)는 높이가 높아질수록 상기 회전축선(CX)으로부터의 수평 거리가 멀어지게 경사진 경사벽을 구비한다.

내부 드럼(20)의 슬러지 통공(21)을 통해 내부 드럼(20)의 회전 원심력에 의해 상기 슬러지 통공(21)을 통해 내부 드럼(20)의 내부에서 외부 드럼(11)의 내부 공간으로 토출되는 함수율 높은 슬러지 중에는 고체 성분과 액체 성분이 긴밀하게 엉켜 있어 함수율이 높으면서도 비중(比重)이 큰 슬러지 덩어리들이 있다. 상기 함수율이 높고 비중이 큰 슬러지 덩어리들은 상기 슬러지 통공(21)을 통해 외부 드럼(11)의 내부 공간으로 유입된 이후 중력의 영향을 크게 받기 때문에 회전축선(CX)으로부터 먼 거리까지 부유 이동하지 못하고 상기 회전축선(CX)에 가까운 거리 이내에서 급하게 낙하한다. 이에 따라 상기 함수율이 높고 비중이 큰 슬러지 덩어리들이 외부 드럼(11)의 내부 공간에서 충분한 시간동안 원심력을 받아서 고체 성분과 액체 성분으로 분리되지 못하고, 고체 성분과 액체 성분이 엉켜 있어 여전히 함수율이 높은 상태로 상기 복수의 탈수 슬러지 배출구(14)를 통해 외부 드럼(11)의 밖으로 배출된다.

상기 수직 연속형 고속 원심분리기(10)의 경우에는 상기 함수율 높고 비중이 큰 슬러지 덩어리들이 회전축선(CX)에 가까운 거리 이내에서 급하게 낙하하더라도 상기 슬러지 산란기(25)의 경사벽에 접촉되고, 상기 슬러지 산란기(25)의 회전 원심력에 의한 강한 상승 흐름에 의해 올려진다. 그러므로, 상기 함수율 높고 비중이 큰 슬러지 덩어리들이 외부 드럼(11)의 내부 공간에서 좀더 긴 시간동안 충분히 원심력을 받아 고체 성분과 액체 성분으로 분리될 수 있다.

스크류(30)에는 상기 스크류(30)를 두께 방향으로 관통하는 스크류 관통공(32)이 형성된다. 상기 슬러지 산란기(25)에 의해 위로 올려진 함수율 높고 비중이 큰 슬러지 덩어리들이 상기 스크류 관통공(32)을 통해 상기 스크류(30)를 가로질러 상승 이동하므로, 상기 슬러지 산란기(25) 바로 위에 위치한 스크류(30)에 의해 가로막히지 않고 외부 드럼(11) 내부 공간에서 좀더 높은 위치까지 올려질 수 있다. 따라서, 상기 함수율 높고 비중이 큰 슬러지 덩어리들이 외부 드럼(11)의 내부 공간에서 보다 더 긴 시간동안 충분히 원심력을 받아 고체 성분과 액체 성분으로 분리될 수 있다. 이처럼 액체 성분이 분리되어 탈수된 슬러지는 회전하는 스크류(30)에 가압되어 아래로 이동하고, 상기 탈수 슬러지 배출구(14)를 통해 외부 드럼(11)의 밖으로 배출된다.

샤프트(34)는 회전축선(CX)을 따라 연장된 것으로, 외부 드럼(11)을 회전시키는 회전력을 전달하기 위해 상기 회전축선(CX)을 중심으로 회전한다. 샤프트(34)의 상단부는 상기 외부 드럼(11)의 아래로부터 상기 외부 드럼(11)의 내부로 삽입된다. 상기 샤프트(34)는 회전력 전달 가능하게 외부 드럼(11)과 연결된다. 상기 샤프트(34)의 회전속도와 외부 드럼(11)의 회전속도는 같을 수 있다.

수직 연속형 고속 원심분리기의 동력 전달부(50)는 원동기(미도시)와, 상기 원동기의 모터 샤프트의 회전력을 샤프트(34)에 전달하는 치합된 기어(gear)를 구비한다. 상기 원동기는 상기 샤프트(34)를 회전시키는 회전력을 제공한다. 상기 원동기는 예컨대, 전동 모터, 내연기관, 증기 터빈일 수 있다.

수직 연속형 고속 원심분리기(10)가 정상 운전 상태(steady state operation)일 때, 다시 말해서 탈수 슬러지 배출구(14)를 통해 균일한 유량으로 연속적으로 탈수 슬러지가 배출되는 상태에서 샤프트(34) 및 외부 드럼(11)의 회전속도는 5000 내지 7000 rpm 이다. 수평 원심분리 탈수기의 보올의 회전속도는 대략 3000 rpm 내외로서 상기 샤프트(34) 및 외부 드럼(11)의 회전속도보다 매우 느려서 원동기의 회전력을 보올에 전달하기 위해 벨트(belt)를 사용할 수 있다.

그러나, 상술한 바와 같이 샤프트(34)의 회전속도는 상기 수평 원심분리 탈수기의 보올의 회전속도보다 훨씬 빠르기 때문에 회전력 전달을 위해 벨트를 사용하면 마모로 인해 벨트가 쉽게 끊어지고 진동과 소음도 심해진다. 따라서, 상기 수직 연속형 고속 원심분리기에서는 상기 원동기에서 샤프트(34)까지 회전력이 치합된 기어(gear)에 의해 전달되도록 구성되는 것이다. 구체적인 예로, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 원동기의 회전력에 의해 고속 회전하는 구동 샤프트(53)의 말단에 구동 스파이럴 기어(spiral gear)(55)가 고정 결합되고, 샤프트(34)의 하단에 형성된 웜기어(worm gear)(56)가 상기 구동 스파이럴 기어(55)에 치합될 수 있다. 이에 따라, 상기 구동 샤프트(53)가 고속 회전하면 치합된 구동 스파이럴 기어(55)와 웜기어(56)에 의해 상기 샤프트(34)가 고속 회전한다.

복수의 회전 디스크(disk)(40)는 외부 드럼(11)의 내부 공간에서 여액 배출구(15)와 스크류(30)의 최상단 사이에 위치한다. 회전 디스크(40)는 샤프트(34)의 회전속도와 같은 회전속도로 회전한다. 구체적으로, 내부 드럼(20)의 내측에서 회전 축선(CX)과 평행하게 연장된 디스크 지지 부재(37)의 상단에 회전 디스크(40)의 내주측 고정 지지된다. 상기 디스크 지지 부재(37)의 하단은 체결 볼트(bolt)(45)에 의해 샤프트(34)의 상단부에 고정 결합된 샤프트 캡(cap) 부재(36)에 고정 연결된다. 상기 샤프트 캡 부재(36)는 상기 회전력 전달 부재(27)와 분리되게 상기 회전력 전달 부재(27)의 내측에 배치된다.

상기 디스크 지지 부재(37)의 상단부 내주면과 슬러지 공급관(46)의 외주면 사이에 베어링(42)이 개재되어 디스크 지지 부재(37)와 회전 디스크(40)의 고속 회전을 안정적으로 지지한다. 디스크 지지 부재(37)의 측벽에는 슬러지 공급관(46)의 슬러지 공급 통공(47)을 통해 내부 드럼(20)의 내부 공간으로 유입된 함수율 높은 슬러지의 방출이 가로막히지 않도록 슬러지 통공(38)이 형성된다. 상기 여액 배출구(15) 측으로 흐르는 여액의 흐름은 상기 복수의 회전 디스크(40)에 의해 길어지고 상기 여액이 상기 여액 배출구(15)를 통해 배출되기까지 시간이 지연된다. 이로 인해 상기 여액에 포함된 미세한 크기의 이물질이 상기 복수의 회전 디스크(40)에 걸러진다.

차속 기어 박스(49)는 외부 드럼(11)의 아래에 배치된다. 차속 기어 박스(49)는 하나의 출력축을 구비하고 상기 하나의 출력축은 상기 회전력 전달 부재(27)에 회전력 전달 가능하게 연결된다. 상기 차속 기어 박스(49)는 두 개의 입력축을 구비하고, 하나의 입력축은 상기 원동기의 회전력에 의해 회전하는 회전축에 회전력 전달 가능하게 연결된다. 상기 차속 기어 박스(49)의 나머지 하나의 입력축은 상기 원동기 이외의 다른 원동기(이하, 차속 원동기)의 회전력에 의해 회전하는 회전축에 회전력 전달 가능하게 연결된다.

상기 차속 원동기에 의해 상기 차속 기어 박스(49)에 입력되는 회전력이 없으면, 상기 출력축의 회전속도는 원동기의 회전력에 의해 회전하는 회전축의 회전속도와 미리 정해진 비율만큼 느리거나 빠른 회전속도로 회전한다. 그러므로, 상기 내부 드럼(20), 스크류(30), 슬러지 산란기(25), 및 회전력 전달 부재(27)의 회전속도는, 상기 샤프트(34) 및 외부 드럼(11)의 회전속도와 미리 정해진 비율만큼 느리거나 빠른 회전속도, 즉 차속으로 회전한다. 한편, 상기 원동기뿐만 아니라 상기 차속 원동기에 의해서도 상기 차속 기어 박스(49)에 회전력이 입력되면, 상기 내부 드럼(20), 스크류(30), 슬러지 산란기(25), 및 회전력 전달 부재(27)의 회전속도는, 상기 차속 원동기에 의해 차속 기어 박스(49)에 입력되는 회전력에 따라 상기 샤프트(34) 및 외부 드럼(11)의 회전속도보다 크거나, 작거나, 같을 수 있다.

외부 드럼(11)의 내부 공간으로 유입된 슬러지에 포함된 고체 성분의 입자가 작고 가벼우면, 외부 드럼(11)의 회전속도가 내부 드럼(20), 슬러지 산란기(25), 회전력 전달 부재(27), 및 스크류(30)의 회전속도보다 큰 것이 탈수 슬러지 배출구(14)를 통해 배출되는 탈수 슬러지의 함수율을 낮추는데 유리하다. 반면에, 외부 드럼(11)의 내부 공간으로 유입된 슬러지에 포함된 고체 성분의 입자가 크고 무거우면, 외부 드럼(11)의 회전속도가 내부 드럼(20), 슬러지 산란기(25), 회전력 전달 부재(27), 및 스크류(30)의 회전속도보다 작은 것이 탈수 슬러지 배출구(14)를 통해 배출되는 탈수 슬러지의 함수율을 낮추는데 유리하다.

외부 드럼(11), 회전 디스크(40), 내부 드럼(20), 슬러지 산란기(25), 회전력 전달 부재(27), 및 스크류(30)가 고속 회전할 때 슬러지 공급관(46)을 통해 함수율 높은 슬러지가 내부 드럼(20)의 내부로 유입되면, 상기 함수율 높은 슬러지는 디스크 지지 부재(37)의 슬러지 통공(38)과 내부 드럼(20)의 슬러지 통공(21)을 통해 외부 드럼(11)의 내부 공간으로 토출된다.

상기 외부 드럼(11)의 내부 공간으로 유입된 함수율 높은 슬러지는 원심력에 의해 외부 드럼(11)의 내측면 측으로 이동하고 액체 성분과 고체 성분이 분리된다. 상기 슬러지의 고체 성분은 중력과 스크류(30)의 회전에 의해 아래로 내려가면서 응집되고, 이러한 과정으로 함수율이 낮아진 슬러지는 탈수 슬러지 배출구(14)를 통해 외부 드럼(11) 밖으로 배출된다. 함수율 높은 슬러지의 유입량 증가로 인한 외부 드럼(11) 내부 공간의 수위 상승과 원심력의 작용으로 인해, 상기 슬러지의 고체 성분과 분리된 액체 성분, 즉 여액은 상기 여액 배출구(15) 및 여액 유로(17)를 통해 외부 드럼(11) 밖으로 배출된다. 상술한 바와 같이 상기 여액이 상기 여액 배출구(15)를 통해 배출되기에 앞서서 회전 디스크(40)에 의해 상기 여액에 포함된 미세한 크기의 이물질이 걸러진다.

또한, 상술한 바와 같이 상기 슬러지 산란기(25)와 스크류(30)에 형성된 스크류 관통공(32)에 의해 함수율 높고 비중이 큰 슬러지 덩어리들이 강한 상승 흐름으로 올려져서 외부 드럼(11)의 내부 공간에서 오랜 시간동안 머무르면서 충분히 원심력을 받아 고체 성분과 액체 성분으로 분리된다.

상기 수직 연속형 고속 원심분리기는, 스크류와 보올이 수평 방향 회전축선을 중심으로 회전하는 수평형 원심분리 탈수기에 비해, 외부 드럼(11)과 내부 드럼(20)의 회전속도가 매우 빨라서, 함수율 높은 슬러지의 함수율을 크게 낮춰서 연속적으로 배출할 수 있다. 따라서, 슬러지 처리 비용 및 원심분리기의 유지 보수 비용이 절감된다. 또한, 슬러지에 응집제를 혼합하는 전처리를 하지 않거나 응집제를 혼합하더라도 소량만 혼합함으로써 탈수된 슬러지의 재활용이 용이하여 환경에 미치는 부담이 적다. 상기 수직 연속형 고속 원심분리기에 구비된 슬러지 산란기(25)는, 내부 드럼(20)에서 토출되어 낙하하는 슬러지를 다시 위로 올려준다. 이로 인해 함수율이 높은 슬러지가 탈수 슬러지 배출구로 배출되기 전에 원심력이 작용하는 시간이 좀더 연장된다. 따라서, 슬러지의 탈수 효율이 더욱 향상된다.

도 3 및 도 4를 함께 참조하면, 샤프트 회전 지지 장치(70)는 샤프트(34)가 수직 방향의 회전축선(CX)을 중심으로 고속 회전하도록 지지하는 샤프트 회전 지지 장치(70)를 더 구비한다. 상기 샤프트 회전 지지 장치(70)는 베이스(base)(71), 래디얼 마그네틱 베어링(radial magnetic bearing)(82), 상부 및 하부 액셜 마그네틱 베어링(axial magnetic bearing)(87, 90), 제1 및 제2 영구자석(93, 94), 및 보조 베어링(additional bearing)(95)을 구비한다.

베이스(71)는 샤프트(34)의 하단부를 회전 가능하게 지지하는 부재로서, 상기 샤프트(34)의 하단부가 끼워지는 샤프트 끼움 홈(groove)이 형성된다. 상기 샤프트 끼움 홈은 샤프트 끼움 홈 바닥면(72)과, 샤프트 끼움 홈 내주면(73)에 의해 한정된다. 샤프트(34)의 하단(342)에는 상기 회전축선(CX)을 따라 상측으로 단차지게 파인 축 방향 홈이 형성된다. 상기 샤프트 하단(342)의 축 방향 홈은 축 방향 홈 바닥면(344)과, 축 방향 홈 내주면(345)에 의해 한정된다. 베이스(71)는 상기 샤프트 끼움 홈에 샤프트(34)의 하단부가 끼워질 때 상기 샤프트 하단(342)의 축 방향 홈에 끼워지도록 상기 샤프트 끼움 홈 바닥면(72)에서 회전축선(CX)을 따라 단차지게 상향 돌출된 축 방향 돌기를 구비한다. 상기 베이스(71)의 축 방향 돌기는 상단면(75)과 외주면(76)에 의해 한정된다.

상기 축 방향 돌기의 상단면(75)은 샤프트 하단(342)의 축 방향 홈의 축 방향 홈 바닥면(344)과 마주보고, 상기 축 방향 돌기의 외주면(76)은 상기 축 방향 홈의 축 방향 홈 내주면(345)과 마주본다. 또한, 상기 샤프트(34)의 하단부의 외주면(341)은 베이스(71)의 샤프트 끼움 홈 내주면(73)과 마주보고, 상기 샤프트(34)의 하단(342)은 베이스(71)의 샤프트 끼움 홈 바닥면(72)과 마주본다.

래디얼 마그네틱 베어링(82)은 베이스(71)의 샤프트 끼움 홈 내주면(73)에 형성된 환형의 래디얼 마그네틱 베어링 설치 홈(78)에 끼워지도록 베이스(71)에 설치된다. 래디얼 마그네틱 베어링(82)은 샤프트(34)의 하단부가 샤프트 끼움 홈의 내부에서 회전축선(CX)을 중심으로 하는 방사 방향(radial direction)으로 편향되지 않도록 샤프트(34)의 하단부를 자력(磁力)으로 부양한다.

래디얼 마그네틱 베어링(82)은 상기 래디얼 마그네틱 베어링 설치 홈(78)의 내측면에 밀착 고정되는 래디얼 코어(radial core)(83)와, 권선된 복수의 전자석 코일(coil)(86)를 구비한다. 상기 래디얼 코어(83)는 환형의 고리부(ring portion)(84)와, 상기 고리부(84)에서 회전축선(CX)을 향한 방사 방향 내측으로 돌출된 복수의 돌기부(85)를 구비한다. 상기 복수의 돌기부(85)는 상기 회전축선(CX)을 중심으로 대칭되게 배치된다. 상기 복수의 전자석 코일(86)은 상기 복수의 돌기부(85)에 각각 권선된다. 각각의 돌기부(85)와 상기 돌기부(85)에 권선된 전자석 코일(86)은 전자석을 구성한다.

샤프트(34)는 예컨대, 자성체인 스테인레스스틸 소재로 형성되므로, 복수의 전자석 코일(86)에 전류가 흐르면, 복수의 권선된 전자석 코일(86)에 흐르는 전류에 의해 샤프트(34)를 회전축선(CX)에 직교하는 방사 방향으로 당기는 인력(引力)이 발생한다. 상기 복수의 전자석 코일(86)에 흐르는 전류에 의해 유도되는 자력(磁力)의 크기는 동일하게 설계되므로 샤프트(34)는 회전축선(CX)에 직교하는 평면 방향으로 편심되지 않으며, 샤프트(34)의 외주면(341)이 샤프트 끼움 홈 내주면(73)에 접촉되지 않고 부양된 상태로 고속 회전할 수 있다.

도시되진 않았으나, 래디얼 마그네틱 베어링(82)은 샤프트(34)의 편심 방향 및 편심량을 실시간 측정하는 편심 측정 센서와, 상기 편심 측정 센서에 의한 측정값에 기초하여 상기 샤프트(34)의 편심 방향 및 편심량이 축소되도록 복수의 전자석 코일(86)에 흐르는 전류 크기를 조정하는 베어링 제어부(미도시)를 더 구비할 수 있다.

샤프트(34)는 직경(diameter)이 커지도록 방사 방향으로 확장된 베어링 디스크(bearing disk)(346)을 구비한다. 상부 및 하부 액셜 마그네틱 베어링(87, 90)은 베이스(71)의 샤프트 끼움 홈 내주면(73)에 형성된 환형의 액셜 마그네틱 베어링 설치 홈(80)에 끼워지도록 베이스(71)에 설치된다. 상부 및 하부 액셜 마그네틱 베어링(87, 90)은 샤프트(34)의 하단부가 상기 샤프트 끼움 홈의 내부에서 회전축선(CX) 방향으로 편향되지 않도록 샤프트(34)를 자력(磁力)으로 부양한다.

상부 액셜 마그네틱 베어링(87)은 베어링 디스크(346)와 위아래로 겹쳐지도록 상기 베어링 디스크(346)의 상측에 배치되고, 하부 액셜 마그네틱 베어링(90)은 상기 베어링 디스크(346)와 위아래로 겹쳐지도록 상기 베어링 디스크(346)의 하측에 배치된다. 상부 및 하부 액셜 마그네틱 베어링(87, 90)은 회전축선(CX)을 중심으로 하는 원궤도를 따라 연장된 환형의 코일 탑재 홈이 형성된 환형의 상부 및 하부 액셜 코어(axial core)(88, 91)와, 상기 상부 및 하부 액셜 코어(88, 91)의 코일 탑재 홈을 따라 권선된 전자석 코일(89, 92)을 구비한다. 상기 상부 및 하부 액셜 코어(88, ,91)는 상기 액셜 마그네틱 베어링 설치 홈(80)의 내측면에 밀착 고정된다.

상기 상부 액셜 코어(88)의 코일 탑재 홈은 상기 베어링 디스크(346)를 향해 아래로 개방되고, 상기 하부 액셜 코어(91)의 코일 탑재 홈은 상기 베어링 디스크(346)를 향해 위로 개방될 수 있다. 상기 액셜 코어(88, 91)와 권선된 전자석 코일(89, 92)은 전자석을 구성한다. 상부 액셜 마그네틱 베어링(87)의 전자석 코일(89)과, 하부 액셜 마그네틱 베어링(90)의 전자석 코일(92)에 전류가 흐르면, 상기 상부 액셜 마그네틱 베어링(87)은 자력에 의해 베어링 디스크(346)을 위로 당기고, 상기 하부 액셜 마그네틱 베어링(90)은 자력에 의해 베어링 디스크(346)를 아래로 당긴다.

샤프트(34)를 포함한 슬러지 탈수부(10)(도 1 참조)의 하중과, 상부 액셜 마그네틱 베어링(87)의 인력과, 하부 액셜 마그네틱 베어링(90)의 인력과, 후술할 제1 영구자석(93)과 제2 영구자석(94) 사이의 척력(斥力)이 균형을 이루도록, 상기 베어링 제어부에 의해 상기 전자석 코일(89, 92)에 흐르는 전류의 크기가 적절히 조정되면 상기 베어링 디스크(346)가 상부 액셜 마그네틱 베어링(87) 및 하부 액셜 마그네틱 베어링(90)에 접촉되지 않고 부양된 상태로 고속 회전할 수 있다.

도시되진 않았으나, 상부 및 하부 액셜 마그네틱 베어링(87, 90)은 베어링 디스크(346)와 이격된 간격을 실시간 측정하는 축 방향 간격 측정 센서를 더 구비할 수 있다. 상기 베어링 제어부는 상기 축 방향 간격 측정 센서에 의한 측정값에 기초하여 상기 베어링 디스크(346)의 높이가 상기 상부 액셜 마그네틱 베어링(87)과 하부 액셜 마그네틱 베어링(90) 사이에서 등간격으로 이격되게 위치하도록 전자석 코일(89, 92)에 흐르는 전류의 크기를 조정할 수 있다.

상기 상부 및 하부 액셜 마그네틱 베어링(87, 90)은 수직 방향, 즉 회전축선(CX) 방향으로 래디얼 마그네틱 베어링(82)과 이격되게 베이스(71)에 설치된다. 도 3에서는 상부 및 하부 액셜 마그네틱 베어링(87, 90)보다 래디얼 마그네틱 베어링(82)이 상측에 설치되어 있으나, 이와 반대로 상부 및 하부 액셜 마그네틱 베어링보다 래디얼 마그네틱 베어링이 하측에 설치될 수도 있다.

제1 영구자석(93)은 샤프트(34)의 하단, 구체적으로는 샤프트(34)의 축 방향 홈 바닥면(344)에 고정 설치되고, 제2 영구자석(94)은 제1 영구자석(93)의 아래에서 제1 영구자석(93)을 마주보도록 베이스(71)에, 구체적으로는 샤프트 끼움 홈의 바닥면(72)에서 상향 돌출된 축 방향 돌기의 상단면(75)에 고정 설치된다. 제2 영구자석(94)는 제1 영구자석(93)과의 사이에 척력(斥力)이 작용하도록 자극(磁極)이 배열된다. 다시 말해서, 제1 영구자석(93)의 하측면이 N극이면 이를 마주보는 제2 영구자석(94)의 상측면도 N극이고, 제1 영구자석(93)의 하측면이 S극이면 이를 마주보는 제2 영구자석(94)의 상측면도 S극이 된다.

제1 영구자석(93)과 제2 영구자석(94)의 자력이 상기 래디얼 마그네틱 베어링(82)에서 발생하는 자력, 및 상기 상부 및 하부 액셜 마그네틱 베어링(87, 90)에서 발생하는 자력에 간섭을 일으키지 않도록, 제1 영구자석(93) 및 제2 영구자석(94)은 회전축선(CX) 방향으로 상기 래디얼 마그네틱 베어링(82)과 상부 및 하부 마그네틱 베어링(87, 90)과 다른 높이에 배치된다.

보조 베어링(95)은 샤프트(34)가 베이스(71)에 대해 고속 회전할 때 베이스(71)의 축 방향 돌기의 외주면(76)과 샤프트(34)의 축 방향 홈의 내주면(345) 사이의 마찰과 진동이 저감되도록 개재되는 것으로, 상기 샤프트(34)의 축 방향 홈의 내주면(345)에 형성된 환형의 보조 베어링 설치 홈(348)에 끼워져 설치된다. 상기 보조 베어링(95)은 마그네틱 베어링보다 저렴한 볼 베어링 또는 롤러 베어링일 수 있다.

상기 보조 베어링(95)은 상기 축 방향 돌기의 외주면(76)에 고정 설치되며 상기 축 방향 홈의 내주면(345)과는 이격된 내륜(96)과, 상기 보조 베어링 설치 홈(348)의 바닥면에 고정 설치된 외륜(97)과, 상기 내륜(96)과 외륜(97) 사이에 개재된 베어링 부재(98)를 구비한다. 상기 베어링 부재(98)는 베어링 볼(ball) 또는 베어링 롤러(roller)일 수 있다.

상기 샤프트 회전 지지 장치(70)는, 샤프트(34)가 베이스에 접촉하지 않고 부양된 상태로 회전하도록 하는 래디얼 마그네틱 베어링(82) 및 액셜 마그네틱 베어링(87, 90)을 구비한다. 그러므로, 수직형 원심분리기의 외부 드럼(11)과 스크류(30)의 안정적인 고속 회전이 가능하여 수직형 원심분리기의 탈수 효율이 향상되고, 부품의 피로와 고장, 파손이 억제되어 유지 보수 비용이 절감된다.

또한, 상기 샤프트 회전 지지 장치(70)는 상호간에 척력이 작용하는 제1 및 제2 영구 자석(93, 94)을 구비하여 전자석에 기초하는 액셜 마그네틱 베어링(87, 90)을 보조하므로, 샤프트 회전 지지 장치(70)에 소요되는 전력이 절감되므로, 수직형 원심분리기의 운용 비용이 절감된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10: 슬러지 탈수부 11: 외부 드럼
20: 내부 드럼 25: 슬러지 산란기
30: 스크류 32: 스크류 관통공
34: 샤프트 50: 동력 전달부
70: 샤프트 회전 지지 장치 71: 베이스
82: 래디어 마그네틱 베어링 87, 90: 액셜 마그네틱 베어링

Claims (7)

1. 수직 방향의 회전축선을 따라 연장된 샤프트가 상기 회전축선을 중심으로 고속 회전하도록 지지하는 장치로서,
   상기 샤프트가 끼워지는 샤프트 끼움 홈(groove)이 형성된 베이스(base); 상기 베이스에 설치되고, 상기 샤프트가 상기 샤프트 끼움 홈 내부에서 방사 방향으로 편향되지 않도록 상기 샤프트를 자력(磁力)으로 부양하는 래디얼 마그네틱 베어링(radial magnetic bearing); 수직 방향으로 상기 래디얼 마그네틱 베어링과 이격되게 상기 베이스에 설치되고, 상기 샤프트가 상기 샤프트 끼움 홈 내부에서 회전축선 방향으로 편향되지 않도록 상기 샤프트를 자력으로 부양하는 액셜 마그네틱 베어링(axial magnetic bearing); 상기 샤프트의 하단에 고정 설치된 제1 영구자석; 및, 상기 제1 영구자석의 아래에서 상기 제1 영구자석을 마주보도록 상기 베이스에 고정 설치되며, 상기 제1 영구자석과 사이에 척력(斥力)이 작용하도록 자극(磁極)이 배열된 제2 영구자석;을 구비하는 것을 특징으로 하는 샤프트 회전 지지 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 래디얼 마그네틱 베어링은, 상기 회전축선을 향한 방사 방향 내측으로 돌출된 복수의 돌기부를 구비한 래디얼 코어(radial core), 및 상기 돌기부 각각에 권선된 전자석 코일(coil)을 구비하는 것을 특징으로 하는 샤프트 회전 지지 장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 샤프트는 직경(diameter)이 커지도록 방사 방향으로 확장된 베어링 디스크(bearing disk)를 구비하고,
   상기 액셜 마그네틱 베어링은, 상기 베어링 디스크와 위아래로 겹쳐지도록 배치되며, 상기 회전축선을 중심으로 하는 원궤도를 따라 연장된 환형의 코일 탑재 홈(groove)이 형성된 액셜 코어(axial core), 및 상기 액셜 코어의 코일 탑재 홈을 따라 권선된 전자석 코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 샤프트 회전 지지 장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 샤프트의 하단에는 상기 회전축선을 따라 상측으로 단차지게 파인 축 방향 홈(groove)이 형성되고,
   상기 제1 영구자석은 상기 축 방향 홈의 바닥면에 고정 설치되고,
   상기 베이스는 상기 샤프트 끼움 홈의 바닥면에서 상기 축 방향 홈에 끼워지도록 단차지게 상향 돌출된 축 방향 돌기를 구비하고,
   상기 제2 영구자석은 상기 축 방향 돌기의 상단면에 고정 설치되는 것을 특징으로 하는샤프트 회전 지지 장치.
5. 함수율이 높은 슬러지를 원심력에 의해 탈수하고, 상기 탈수된 슬러지와 여액(濾液)을 분리하여 배출하는 것으로,
   수직 방향의 회전축선을 중심으로 회전하는 것으로, 하단부에 탈수 슬러지 배출구가 형성되고, 상단부에 여액 배출구가 형성된 외부 드럼; 상기 외부 드럼의 내부에서 상기 회전축선을 중심으로 회전하는 것으로, 측벽에 슬러지 통공이 형성된 내부 드럼; 상기 내부 드럼의 외주에 고정 지지되어 상기 내부 드럼과 함께 회전하는 것으로, 상기 외부 드럼으로 유입된 슬러지를 상기 탈수 슬러지 배출구 측으로 이동시키는 스크류(screw); 상기 함수율이 높이 슬러지를 상기 내부 드럼의 내부로 공급하는 슬러지 공급관; 상기 외부 드럼을 회전시키는 회전력을 전달하는 것으로, 상기 회전축선을 따라 연장된 샤프트(shaft); 및, 상기 샤프트가 상기 회전축선을 중심으로 고속 회전하도록 지지하는, 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항의 샤프트 회전 지지 장치;를 구비하는 것을 특징으로 하는 수직 연속형 고속 원심분리기.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 수직 연속형 고속 원심분리기는, 상기 내부 드럼의 아래에서 상기 회전축선을 중심으로 회전하는 것으로, 상기 슬러지 통공을 통해 상기 내부 드럼의 내부에서 상기 외부 드럼으로 토출되어 낙하하는 함수율이 높은 슬러지를 위로 올려주는 슬러지 산란기(bouncer);를 더 구비하고,
   상기 슬러지 산란기에 의해 위로 올려진 함수율이 높은 슬러지가 상기 스크류에 의해 가로막히지 않도록, 상기 스크류에는 상기 스크류를 두께 방향으로 관통하는 스크류 관통공이 형성된 것을 특징으로 하는 수직 연속형 고속 원심분리기.
7. 제5 항에 있어서,
   상기 수직 연속형 고속 원심분리기는, 상기 샤프트를 회전시키는 회전력을 제공하는 원동기(driving motor);를 더 구비하고,
   정상 운전 상태(steady state operation)에서 상기 샤프트의 회전속도는 5000 내지 7000 rpm 이고,
   상기 원동기에서 상기 샤프트까지 회전력은 치합된 기어(gear)에 의해 전달되는 것을 특징으로 하는 수직 연속형 고속 원심분리기.

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