KR20230009055A - 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치 - Google Patents

친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 일측에서 오일을 포함하는 혼합유체가 유입되도록 구비되는 이송부; 및 상기 이송부 내부에 구비되고, 회전축에 결합하는 중심체와, 상기 중심체로부터 방사형으로 연장 형성되면서 외측면에 친수성을 갖는 톱니부를 형성하며, 회전에 따라 상기 오일을 포함하는 혼합유체를 상기 이송부의 타측으로 이송시키는 날개부를 구비하는 임펠러;를 포함하고, 상기 임펠러는, 상기 이송부 내부에 상기 날개부의 일부분이 상기 혼합유체의 표면 위로 노출되도록 구비되어, 상기 혼합유체의 표면 위로 노출된 상기 날개부가 회전에 따라 상기 혼합유체 상으로 이동할 때, 모세관 유동에 의해 상기 혼합유체가 인접하는 상기 톱니부의 사이공간에 유입되면서 상기 톱니부에 점착된 오일이 분리되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치{HYDROPHILIC TOOTHED IMPELLER TYPE OIL TRANSPORTATION DEVICE}
본 발명은 오일을 이송하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 날개부에 친수성을 가진 톱니부가 형성된 임펠러에 의해 오일의 점착 및 고착을 방지하며 이송부 내부에서 오일을 이송하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치에 관한 것이다.
최근 다양한 원인으로 인해, 해양이나 강에서 오일 유출 사고가 빈번하게 일어나고 있으며, 해양이나 강에서 오일 유출사고가 발생하는 경우, 해수나 강물의 표면에 오일이나 위험유해물질(HNS; Hazardous & Noxious Substance)이 주변으로 빠르게 전파되어 심각한 환경오염을 발생시킨다.
따라서, 이러한 수질오염을 방지하기 위해서는, 해양이나 강에서 운행되는 선박 등의 다양한 이동수단의 사고를 미연에 방지하는 것이 무엇보다 중요하며, 오일이나 HNS의 유출사고가 발생하였을 때에는 유출된 오일이나 HNS를 신속히 제거하는 것이 중요하다.
그러나, 회수된 오일이나 HNS의 이송과정에서 회전하는 임펠러을 사용할 경우, 오일이 임펠러에 쉽게 달라붙으며, 이렇게 달라붙은 오일이 고형물로 집적되고 막혀 배관의 유동단면적을 축소시켜 차압을 증가시키거나 배관이 막히는 문제점이 발생 된다.
도 1은 이러한 예를 보여주는 예시도이며, 오일(O)이 이송되는 이송배관(10) 내부에 오일(O)을 이송하기 위한 프로펠러형 임펠러(20)가 구비되어 있는 모습이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 오일(O)은 임펠러(20)에 쉽게 달라붙으며, 수중(W)과 열교환되어 냉각되고, 이에 따라 석출된 고형물(S)이 임펠러(20)에 집적되어 오일(O)을 지속적으로 이송시키지 못하는 문제점이 발생한다.
이에, 임펠러를 사용하여 오일을 이송할 경우, 이송배관 내의 유동단면적이 축소되어 이송 효율이 저하되고 그로 인한 압력 상승으로 인해 배관 이음새 부분에서 오일이 새거나, 배관이 터져 오일이 해양이나 강으로 재유출 될 수 있는 문제점이 있었다.
또한, 생성된 고형물을 제거하기 위해 유출된 오일 회수 작업을 중단하고 유지보수 작업 시, 회수 작업을 진행하지 못하여 오염물질전파가 다시 진행되어 큰 피해가 발생할 수 있다.
또한, 2020년 1월 1일 이후 시행된 IMO2020 환경 규제정책에 따르면, 선박용 연료유의 황산화물 함유율을 0.5% 미만으로 낮춘 저유황유(LSFO)를 사용해야만 하는데, 저유황유는 점착성이 매우 높은 특징을 가지고 있어 전술한 문제점이 더욱 심해지는 실정이다.
한편, 석유 생산 산업 방면에서는 고형물 집적 문제를 해결하기 위해 석유 배관의 내부에 코팅층을 형성하여 왁스(wax)등의 고형물 집적량을 감소시키는 기술이 개발된 바 있다.
그러나, 석유 배관의 내부에 코팅층을 형성하는 기술은 배관 외벽의 고형물의 집적량을 감소시킬 수는 있으나, 회전하는 임펠러에 형성되는 고형물의 집적 또는 오일이 임펠러에 흡착되는 문제점은 해결할 수 없는 실정이다.
한국등록특허 제10-1670261호 (2016.10.24 등록)
이에 본 발명은 전술한 배경에서 안출된 것으로, 날개부에 점착된 오일을 모세관 유동 현상에 의해 톱니부에서 분리시킴으로써, 날개부의 표면에 오일 찌꺼기가 남아있지 않게 되어, 오일을 이송하는 작업을 지속적으로 수행할 수 있는 오일 이송 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 날개부에 점착된 오일을 모세관 유동 현상에 의해 톱니부에서 분리시킴으로써, 임펠러의 날개부에서 분리되지 못하여 날개부 상에 잔류된 오일이 다시 냉각되어 석출되는 고형물 생성을 방지할 수 있는 오일 이송 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예는, 일측에서 오일을 포함하는 혼합유체가 유입되도록 구비되는 이송부; 및 상기 이송부 내부에 구비되고, 회전축에 결합하는 중심체와, 상기 중심체로부터 방사형으로 연장 형성되면서 외측면에 친수성을 갖는 톱니부를 형성하며, 회전에 따라 상기 오일을 포함하는 혼합유체를 상기 이송부의 타측으로 이송시키는 날개부를 구비하는 임펠러;를 포함하고, 상기 임펠러는, 상기 이송부 내부에 상기 날개부의 일부분이 상기 혼합유체의 표면 위로 노출되도록 구비되어, 상기 혼합유체의 표면 위로 노출된 상기 날개부가 회전에 따라 상기 혼합유체 상으로 이동할 때, 모세관 유동에 의해 상기 혼합유체가 인접하는 상기 톱니부의 사이공간에 유입되면서 상기 톱니부에 점착된 오일이 분리되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치를 제공한다.
또한, 상기 톱니부는 상기 날개부의 길이 방향을 따라 방사형으로 형성되면서, 상기 날개부의 시위(chord) 방향을 따라 다수개가 형성되는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치를 제공한다.
또한, 상기 혼합유체는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치를 제공한다.
또한, 상기 톱니부는 나노 헤어, 나노 필라로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 형태를 갖는 나노 구조가 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치를 제공한다.
또한, 상기 톱니부는 내부에 수분을 흡수하는 다공성 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치를 제공한다.
또한, 상기 톱니부는 톱니전면부의 전면경사각과 톱니후면부의 후면경사각이 각각 45°이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치를 제공한다.
또한, 상기 톱니부는 톱니전면부의 전면경사각과 톱니후면부의 후면경사각이 서로 상이하게 형성되는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치를 제공한다.
또한, 상기 톱니부의 높이는 1mm ~ 6mm로 형성되고, 폭은 1mm ~ 6mm로 형성되는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 날개부에 점착된 오일을 모세관 유동 현상에 의해 톱니부에서 분리시킴으로써, 날개부의 표면에 오일 찌꺼기가 남아있지 않게 되어, 오일을 이송하는 작업을 지속적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 날개부에 점착된 오일을 모세관 유동 현상에 의해 톱니부에서 분리시킴으로써, 임펠러의 날개부에서 분리되지 못하여 날개부 상에 잔류된 오일이 다시 냉각되어 석출되는 고형물 생성을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 오일 이송 장치의 내부 모습을 나타내는 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 오일 이송 장치의 전체 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 오일 이송 장치의 임펠러의 전체 구성을 나타내는 정면도 및 임펠러 날개부의 X-X'단면을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 오일 이송 장치의 내부 모습을 나타내는 정면도 및 임펠러 날개부를 Y방향에서 바라본 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 오일 이송 장치의 내부 모습을 도 4의 Z방향에서 바라본 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 오일 이송 장치의 임펠러 날개부가 회전에 따라 혼합유체 상으로 이동하면서 모세관 유동 현상에 의해 날개부에 점착된 오일이 분리되는 모습을 도 4의 Z방향에서 바라본 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 오일 이송 장치에 구비된 임펠러 날개부에 점착된 오일이 날개부의 회전에 따라 날개부에서 분리되는 모습을 나타내는 사진이다.
도 8은 종래 오일 이송 장치에 구비된 임펠러 날개부에 오일이 점착되어 분리되지 못하는 모습을 나타내는 사진이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 톱니부에서 오일이 분리되는 과정을 측면에서 바라본 모습을 나타내는 사진이다.
도 10은 PIV 실험에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 톱니부에 모세관 유동 현상에 의해 혼합유체가 유입되는 유동을 벡터장으로 표현한 사진이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 오일 이송 장치의 임펠러 날개부에 형성된 톱니부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 12는 PIV 실험에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 톱니부가 혼합유체 속으로 이동할 때 톱니부 주변에 형성되는 유동의 최대 속도값을 나타낸 그래프이다.
도 13은 PIV 실험에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 톱니전면부의 전면경사각과 톱니후면부의 후면경사각의 각도 차이 유무에 따라 각기 다르게 나타나는 모세관 유동 현상을 벡터장으로 표현한 사진이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 오일 이송 장치의 임펠러 날개부에 형성된 톱니부의 다양한 실시예를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치는, 일측에서 오일(O)을 포함하는 혼합유체(L)가 유입되도록 구비되는 이송부(100); 및 이송부(100) 내부에 구비되고, 회전축(310)에 결합하는 중심체(210)와, 중심체(210)로부터 방사형으로 연장 형성되면서 외측면에 친수성을 갖는 톱니부(250)를 형성하며, 회전에 따라 오일(O)을 포함하는 혼합유체(L)를 이송부(100)의 타측으로 이송시키는 날개부(230)를 구비하는 임펠러(200);를 포함하고, 임펠러(200)는, 이송부(100) 내부에 날개부(230)의 일부분이 혼합유체(L)의 표면 위로 노출되도록 구비되어, 혼합유체(L)의 표면 위로 노출된 날개부(230)가 회전에 따라 혼합유체(L) 상으로 이동할 때, 모세관 유동에 의해 혼합유체(L)가 인접하는 톱니부(250)의 사이공간에 유입되면서 톱니부(250)에 점착된 오일(O)이 분리되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 1 내지 도 14를 참조하여, 본 발명의 각 구성에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 이송부(100)는 일측에서 오일(O)을 포함하는 혼합유체(L)가 유입되도록 구비된다.
본 발명의 일실시예에 따른 이송부(100)는 일예로 오일(O)을 포함하는 혼합유체(L)를 이송할 수 있도록 구비된 다수개의 파이프 부재들로 이루어지는 파이프라인(pipeline) 형태로 구비될 수 있다.
이송부(100)의 일측은 해양 등에 유출된 오일(O)을 회수하는 유회수 장치에 연결될 수 있으며, 이에 따라 이송부(100)의 일측에는 유회수 장치가 회수하는 오일(O)을 포함하는 혼합유체(L)가 유입될 수 있다.
혼합유체(L)에는 유회수 장치에 의해 회수된 오일(O) 이외에 물이 포함될 ㅅ수 있으며, 또한 물 이외에도 해양 등에 유실된 다양한 위험유해물질(HNS; Hazardous & Noxious Substance)이 포함되어 있을 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 이송부(100) 내부에는 구동수단(300)에 의해 회전하도록 구비되는 임펠러(200)가 구비되며, 이송부(100) 일측으로 유입된 오일(O)을 포함하는 혼합유체(L)는 임펠러(200)에 의해 이송부(100)의 타측으로 이송될 수 있다.
이때, 이송부(100)의 타측은 회수된 오일(O) 등을 저장하는 오일 저장 장치 등에 연결될 수 있으며, 이에 따라 이송부(100)를 통해 이송된 오일(O)이 최종적으로 오일 저장 장치에 회수되도록 구비될 수 있다.
이어서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 임펠러(200)는 이송부(100) 내부에 구비되고, 회전축(310) 결합하는 중심체(210)와, 중심체(210)로부터 방사형으로 연장 형성되면서 외측면에 친수성을 갖는 톱니부(250)를 형성하며, 회전에 따라 혼합유체(L)를 이송부(100)의 타측으로 이송시키는 날개부(230)를 구비한다.
본 발명의 일실시예에 따른 임펠러(200)는 프로펠러형으로 구비될 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 임펠러(200)는 이송부(100) 내부에 구비되어 회전에 의해 이송부(100)의 일측에서 유입되는 오일(O)을 포함하는 혼합유체(L)를 이송부(100) 타측으로 이송시킨다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러(200)는 중심체(210) 및 날개부(230)를 포함할 수 있다.
먼저, 중심체(210)는 임펠러(200)의 중심 부분을 이루며, 내부에 축결합홀(211)을 형성하고, 축결합홀(211)에 구동수단(300)의 회전축(310)을 결합시킨다.
여기서 구동수단(300)은 임펠러(200)를 회전시키기 위한 동력원으로써, 일예로 구동수단(300)은 전동모터 내지 엔진 등으로 구비될 수 있다.
구동수단(300)은 임펠러(200)와 함께 이송부(100)의 내부에 구비될 수도 있고, 또는 이송부(100)의 외부에 구비될 수도 있으며, 도 5에는 구동수단(300)이 임펠러(200)와 함께 이송부(100)의 내부에 구비된 모습이 도시되어 있다.
이어서, 날개부(230)는 중심체(210)로부터 방사형으로 연장 형성되고, 회전에 따라 오일(O)을 포함하는 혼합유체(L)를 이송부(100)의 타측으로 이송시킨다.
날개부(230)는 중심체(210)의 외측면으로부터 방사형으로 연장 형성되되, 중심체(210)의 원주 방향을 따라 다수개가 서로 일정 간격 이격되어 구비될 수 있다.
날개부(230)는 회전에 따라 오일(O)을 포함하는 혼합유체(L)를 이송시킬 수 있도록, 프로펠러 형태와 같이 외측면이 회전면에 대하여 일정을 기울기를 갖도록 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 날개부(230)는 외측면에 친수성을 갖는 톱니부(250)를 형성하는 것을 특징으로 한다.
좀 더 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 톱니부(250)는 대향하는 톱니전면부(251)와 톱니후면부(253)를 포함하면서 일정한 높이(h)와 폭(w)을 갖는 톱니 형상으로 형성되며, 특히 본 발명의 일실시예에 따른 톱니부(250)는 친수성 내지 초친수성 소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 도 6에 도시된 바와 같이, 톱니부(250)의 톱니전면부(251)는 톱니부(250)의 대향하는 두 면 중, 날개부(230)의 회전에 따라 톱니부(250)가 혼합유체(L) 상으로 이동할 때 모세관 유동에 의해 혼합유체(L)가 인접하는 톱니부(250)들 사이로 유입이 시작되는 면을 의미하며, 톱니부(250)의 톱니후면부(253)는 톱니전면부(251)와 대향하는 나머지 면을 의미한다.
본 발명의 일실시예에 따른 임펠러(200)의 날개부(230)에 친수성을 갖는 톱니부(250)가 형성됨으로써 날개부(230)의 외측면에 오일(O)이 계속적으로 점착되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 임펠러(200)에 의한 오일(O)을 포함하는 혼합유체(L)의 이송 작업을 지속적으로 수행할 수 있게 되는데, 이에 대하여는 아래에서 상세하게 설명한다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 톱니부(250)는 날개부(230)의 길이 방향을 따라 방사형으로 형성되면서, 날개부(230)의 시위(chord) 방향을 따라 다수개가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 톱니부(250)는 날개부(230)의 일측면 및 타측면 중 어느 하나에 형성되거나, 일측면 및 타측면 모두에 형성될 수 있으며, 각 도면들에는 톱니부(250)가 날개부(230)의 일측면 및 타측면 모두에 형성된 모습이 도시되어 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러(200)는 이송부(100) 내부에 날개부(200)의 일부분이 혼합유체(L)의 표면 위로 노출되도록 구비되어, 혼합유체(L)의 표면 위로 노출된 날개부(200)가 회전에 따라 혼합유체(L) 상으로 이동할 때, 모세관 유동에 의해 혼합유체(L)가 인접하는 톱니부(250)의 사이공간에 유입되면서 톱니부(250)에 점착된 오일(O)이 분리되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 임펠러형 오일 이송 장치의 경우, 이송되는 오일(O)이 임펠러(20)에 쉽게 점착되며, 임펠러(20)에 점착된 오일(O)은 수중(W)과 열교환되어 냉각되고, 이에 따라 석출된 고형물(S)이 임펠러(20)에 집적되어 오일(O)을 지속적으로 이송시키지 못하는 문제점이 발생한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 임펠러(200)의 경우에도, 오일(O)을 포함하는 혼합유체(L)를 이송시키는 과정에서 임펠러(200)의 날개부(230)에 오일(O)이 점착되게 된다.
여기서 본 발명에 따른 임펠러(200)의 경우, 날개부(230)에 친수성을 갖는 톱니부(250)가 형성되고, 날개부(200)의 일부분이 혼합유체(L)의 표면 위로 노출되도록 이송부(100) 내에 구비되어, 혼합유체(L)의 표면 위로 노출된 날개부(200)가 회전에 따라 혼합유체(L) 상으로 이동할 때, 모세관 유동에 의해 혼합유체(L)가 인접하는 톱니부(250)의 사이공간에 유입되면서 톱니부(250)에 점착된 오일(O)이 분리될 수 있도록 구비된다.
이와 같은 오일(O)이 분리 과정을 도 6을 참조하여 설명하면, 임펠러(200)의 회전에 따라 혼합유체(L)의 표면위에 노출되었던 날개부(230)의 일측면(도 6 상에서 날개부(230)의 오른쪽 외측면)이 혼합유체(L) 상으로 이동하면(도 6(a)), 모세관 유동 현상으로 인해 혼합유체(L)가 인접하는 톱니부(250)의 사이공간으로 급격히 유입되면서, 톱니부(250) 사이공간에 존재하는 오일(O)을 밀어내고(도 6(b)), 톱니부(250)의 사이공간에 혼합유체(L)가 계속적으로 유입됨에 따라 오일(O)은 톱니부(250)에서 완전히 분리되게 된다(도 6(c)).
도 6에는 날개부(230)의 타측면(도 6 상에서 날개부(230)의 왼쪽 외측면)에도 톱니부(250)가 형성된 것으로 도시되어 있고, 날개부(230)의 타측면도 위 설명한 날개부(230)의 일측면과 동일한 방식으로 오일(O)이 날개부(230)에서 분리되게 된다.
한편, 전술한 바와 같이 톱니부(250)가 친수성 내지 초친수성을 갖도록 이루어짐으로써 톱니부(250)의 톱니전면부(251) 및 톱니후면부(253) 사이에 수막(M)이 형성될 수 있고, 이에 따라 오일(O)은 톱니부(250)의 표면에 전체적으로 부착되지 않고 톱니부(250)의 끝단부(첨단 부분)에만 부착되는데, 오일(O)이 틉니부(250)의 끝단부에만 부착되는 것에 따라 모세관 유동에 의해 톱니부(250)에서 오일(O)이 분리되는 과정이 더욱 용이하게 일어날 수 있게 된다.
한편, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 오일 이송 장치에 구비된 임펠러 날개부에 점착된 오일이 날개부의 회전에 따라 날개부에서 분리되는 모습을 나타내는 사진이며, 도 7은 종래 오일 이송 장치에 구비된 임펠러 날개부에 오일이 점착되어 분리되지 못하는 모습을 나타내는 사진이다.
도 7에 나타난 본 발명의 일실시예에 따른 오일 이송 장치와 같이 날개부(230)에 톱니부(250)가 형성되어 있는 경우에는 임펠러(200)의 회전에 따라 날개부(230)에 접착된 오일(O)이 모두 분리되나, 도 8에 나타난 종래 오일 이송 장치와 같이 날개부에 톱니부가 형성되어 있지 않은 경우에는 임펠러의 회전에 따라 날개부에 접착된 오일(O)이 분리되지 않는 것을 알 수 있다.
한편, 도 9에는 실제로 임펠러(200)의 날개부(230)가 혼합유체(L) 내부로 이동함에 따라, 모세관 유동 현상에 의해 오일(O)이 톱니부(250)로부터 분리되는 모습이 나타나 있다.
한편, 도 10에는 톱니부(250)가 혼합유체(L) 속으로 이동할 때, 톱니부(250)로부터 오일(O)이 분리되는 현상에 대한 PIV(Particle Image Velocimetry) 실험결과에 따른 상대 속도 벡터장이 나타나 있다.
도 10을 살펴보면, 톱니부(250)가 혼합유체(L) 속으로 이동할 때 모세관 유동 현상에 의해 톱니부(250) 사이공간에 주변에 강한 유동이 형성되며, 이러한 유동에 의해 혼합유체(L)가 인접하는 톱니부(250) 사이공간에 유입되면서 톱니부(250)로부터 오일(O)을 분리시키는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 임펠러형 오일 이송 장치는 임펠러(200) 날개부(230)의 외측면에 친수성을 갖는 톱니부(250)를 형성하여 날개부(230)에 점착된 오일(O)을 분리시키도록 구성한 것을 특징으로 한다.
이때, 날개부(230)에 형성되는 톱니부(250)의 소재, 형상 및 크기 등을 다양하게 구성하여, 날개부(230)에서 오일(O)이 더욱 효과적으로 분리되도록 할 수 있다.
먼저, 톱니부(250)는 전술한 바와 같이 친수성 내지 초친수성을 갖도록 친수성 내지 초친수성 소재로 이루어질 수 있다.
톱니부(250)가 친수성 소재로 이루어짐으로써, 물을 포함하는 혼합유체(L)의 모세관 유동 현상이 극대화될 수 있으며, 이에 따라 톱니부(250)로부터의 오일(O)의 분리가 더욱 용이해질 수 있다.
또한, 톱니부(250)가 친수성 소재로 이루어지는 경우 수분에 의해 톱니부(250)에 존재하는 오일(O)이 톱니부(250)의 표면에 직접 부착되는 현상이 방지되어 톱니부(250)로부터의 오일(O)의 분리가 더욱 용이해질 수 있다.
한편, 톱니부(250)는 내부에 수분을 흡수하는 다공성 소재로 이루어질 수 있는데, 톱니부(250)가 내부에 수분을 흡수하는 다공성 소재로 이루어짐으로써, 톱니부(250)의 표면이 수분에 의해 젖어 있는 상태를 유지하도록 할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 톱니부(250)는 마이크로 포어(micro pore)를 형성하는 다공성 소재로 구비될 수 있으며, 이때 포어의 크기는 10㎛ ~ 100㎛로 형성될 수 있다.
톱니부(250)의 표면이 수분에 의해 젖어있는 경우, 수분에 의해 톱니부(250)에 존재하는 오일(O)이 톱니부(250) 표면에 직접 접촉하여 부착되는 현상이 방지될 수 있으며, 이에 따라 톱니부(250)로부터의 오일(O)의 분리가 더욱 용이해질 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 톱니부(250)는 친수성을 향상시키기 위해 표면에 나노구조를 형성할 수 있다.
여기서, 나노구조는 나노 헤어(nano-hair), 나노 섬유(nanofiber), 나노 필라(nano-pillar), 나노 로드(nano-rod) 및 나노 와이어(nano-wire)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 형태일 수 있다.
또한, 나노구조의 높이는 1㎛ 이상, 폭은 2㎛ 이하로 형성될 수 있으며, 나노구조 사이의 간격은 2㎛ 이하로 형성될 수 있다.
톱니부(250)의 표면에 나노구조가 형성되는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 톱니부(250)의 친수성이 향상(초친수성)되어 톱니부(250) 표면에 수막(M)이 형성될 수 있는데, 이에 따라 톱니부(250)와 오일(O)의 접촉면을 최소화시킬 수 있으며, 종국적으로 톱니부(250)로부터 오일(O)의 분리가 더욱 용이하게 이루어질 수 있게 된다.
이어서, 본 발명의 일실시예에 따른 톱니부(250)는 도 11에 도시된 바와 같이 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)과 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)이 서로 동일하게 대칭적으로 형성되거나, 서로 상이하게 비대칭적으로 형성될 수 있다.
먼저, 도 11(a)에 도시된 바와 같이 톱니부(250)는 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)과 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)이 서로 동일하게 대칭적으로 형성되는 경우, 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)과 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)이 각각 45°이상으로 형성될 수 있다.
도 12는 톱니부(250)가 혼합유체(L) 속으로 이동할 때의 PIV 실험결과로서,도 12의 그래프는 톱니부(250)가 혼합유체(L) 속으로 이동할 때, 모세관 유동 현상에 의해 인접하는 톱니부(250) 사이공간에 주변에 형성되는 유동의 최대 속도값을 나타내고 있다.
여기서, 도 12의 그래프에 나타난 바와 같이 임펠러(200)의 날개부(230)에 톱니부(250)가 형성되어 있지 않거나, 톱니부(250)의 전면경사각(θ1)과 후면경사각(θ2)이 각각 15°로 작게 형성되는 경우, 인접하는 톱니부(250) 사이공간에 주변에 강한 유동이 형성되지 않는 것을 확인할 수 있다.
특히, 톱니부(250)의 전면경사각(θ1)이 너무 작게 형성되는 경우, 톱니전면부(251)와 혼합유체(L) 표면이 이루는 각도가 커지게 되어 혼합유체(L)의 모세관 유동이 발생하기 어렵게 된다.
이처럼 인접하는 톱니부(250) 사이공간에 주변에 강한 유동이 형성되지 않는 경우에는 톱니부(250)에서 오일(O)이 효과적으로 분리될 수 없다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 톱니부(250)는 전면경사각(θ1)과 후면경사각(θ2)을 각각 45°이상으로 형성시킬 수 있다.
이어서, 도 11(b)에 도시된 바와 같이 톱니부(250)는 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)과 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)이 서로 상이하게 비대칭적으로 형성될 수 있는데, 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)과 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)을 서로 상이하게 형성하여 톱니전면부(251)와 톱니후면부(253)를 비대칭적으로 형성함으로써 임펠러(200)의 오일분리기능을 향상시킬 수 있다.
예컨대, 톱니부(250)는 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)이 75°로 형성되고 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)이 45°로 형성되어 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)이 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2) 보다 크게 형성될 수 있고, 반대로 톱니부(250)는 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)이 45°로 형성되고 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)이 75°로 형성되어 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)이 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2) 보다 작게 형성될 수도 있다.
이때, 본 발명의 일실시예에 따른 톱니부(250)는 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)과 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)을 서로 상이하게 비대칭적으로 형성하되, 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)을 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)보다 더 크게 형성하여, 톱니부(250)로부터 오일(O)이 더욱 용이하게 분리되도록 할 수 있다.
도 13은 PIV 실험에 따른 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)과 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)의 각도 차이의 유무에 따라 각기 다르게 나타나는 모세관 유동 현상을 벡터장으로 표현한 사진인데, 도 13(a)는 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)과 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)의 각도가 서로 동일한 경우이고, 도 13(b)는 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)이 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)보다 더 크게 형성된 경우이다.
도 13을 살펴보면 도 13(a)에 비해 도 13(b)에서 톱니부(250) 사이공간에 혼합유체(L)가 유입되면서, 유입된 혼합유체(L)가 톱니부(250) 사이공간의 오일(O)을 밀어내어 톱니부(250)로부터 오일(O)을 분리시키는 모세관 유동이 더 강하게 형성됨을 확인할 수 있다.
톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)이 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)보다 더 크게 형성함으로써, 날개부(230)의 회전에 따라 톱니부(250)가 혼합유체(L) 상으로 이동할 때 톱니전면부(251)와 혼합유체(L)의 표면이 이루는 각도가 감소하게 되어, 톱니전면부(251)로부터 시작되는 혼합유체(L)의 모세관 유동이 더욱 용이하게 발생할 수 있게 되기 때문이다.
이와 같이, 톱니부(250)의 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)과 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)을 서로 상이하게 비대칭적으로 형성시키되, 톱니전면부(251)의 전면경사각(θ1)이 톱니후면부(253)의 후면경사각(θ2)보다 더 크게 형성시킴으로써 임펠러(200)의 오일분리기능을 향상시킬 수 있다.
이어서, 도 14(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 톱니부(250a)는 톱니전면부(251a) 및 톱니후면부(253a) 중 어느 하나 이상이 만곡된 곡면 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 톱니부(250)는 톱니전면부(251) 및 톱니후면부(253)가 모두 평면 형상으로 형성될 수도 있지만, 도 14(a)에 도시된 바와 같이 만곡된 곡면 형상으로 형성될 수 있다.
일예로, 도 14(a)에 도시된 바와 같이, 톱니부(250a)는 톱니전면부(251a) 및 톱니후면부(253a)가 모두 톱니부(250a)의 내측으로 만곡된 곡면 형상으로 형성될 수 있으며, 다만 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 톱니부(250a)는 톱니전면부(251a) 및 톱니후면부(253a) 중 어느 하나만이 만곡된 곡면 형상으로 형성될 수 있음은 물론이다.
전술한 바와 같이 본 발명의 톱니부(250a)가 친수성 소재로 이루어지는 경우, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이 톱니부(250a)에 존재하는 오일(O)은 톱니부(250a)의 끝단부 표면에 주로 접촉되어 있고, 끝단부 이외의 부분에는 친수성에 의해 오일(O)이 직접적으로 접촉되어 있지 않다.
이에, 톱니전면부(251a) 및 톱니후면부(253a)를 만곡된 곡면 형상으로 형성하여 톱니부(250a) 끝단부에서의 오일(O)과의 접촉면을 더욱 최소화시킬 수 있으며, 이에 따라 톱니부(250a)로부터 오일(O)의 분리가 더욱 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 도 13(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 톱니부(250b)는 톱니전면부(251b) 및 톱니후면부(253b)가 모두 톱니부(250b)의 내측으로 만곡된 곡면 형상으로 형성되되, 톱니전면부(251b)의 곡률 반경과 톱니후면부(253b)의 곡률 반경이 각각 상이하게 형성될 수 있다.
좀 더 구체적으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 톱니부(250b)는 톱니전면부(251b) 및 톱니후면부(253b)가 모두 톱니부(250b)의 내측으로 만곡된 곡면 형상으로 형성되되, 톱니전면부(251b)의 곡률 반경이 톱니후면부(253b)의 곡률 반경 보다 크게 형성될 수 있다.
이와 같이 톱니전면부(251b)의 곡률 반경을 톱니후면부(253b)의 곡률 반경 보다 크게 형성하는 경우, 날개부(230)의 회전에 따라 톱니부(250b)가 혼합유체(L) 상으로 이동할 때 톱니전면부(251b)와 혼합유체(L)의 표면이 이루는 각도가 완만하게 되어, 톱니전면부(251b)로부터 시작되는 혼합유체(L)의 모세관 유동이 더욱 용이하게 발생할 수 있게 된다.
이어서, 도 14(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 톱니부(250c)는 인접하는 톱니부(250c) 사이공간에 액체수용홈(255c)이 형성될 수 있다.
톱니부(250c) 사이공간에 형성된 액체수용홈(255c)에는 혼합유체(L)가 유입될 수 있는데, 액체수용홈(255c)에 유입된 혼합유체(L)에 의해 톱니부(250c)와 오일(O)의 접촉면이 최소화될 수 있으며, 이에 따라 톱니부(250c)로부터 오일(O)의 분리가 더욱 용이하게 이루어질 수 있다.
이어서, 본 발명의 일실시예에 따른 톱니부(250)의 높이(h)는 1mm ~ 6mm로 형성되고, 폭(w)은 1mm ~ 6mm로 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 톱니부(250)의 높이(h) 및 폭(w)은 도 3에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다.
톱니부(250)의 높이(h) 및 폭(w)을 너무 크게 형성하는 경우 모세관 유동 현상이 발생하는 영역이 톱니부(250)의 크기에 비해 너무 국부적으로 형성되어, 톱니부(250)로부터 오일(O)의 분리가 원활하게 이루어지지 않을 수 있다.
반대로, 톱니부(250)의 높이(h) 및 폭(w)을 너무 작게 형성하는 경우 모세관 유동 현상과 이로 인한 오일(O) 분리가 구분되어 발생하기 어렵게 된다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 톱니부(250)는 물의 capillary length(=2.7mm)을 고려하여 높이(h) 및 폭(w)이 각각 1mm ~ 6mm로 형성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 일실시예에 따른 톱니부(250)의 두께(t)는 3mm 이상으로 형성될 수 있는데, 톱니부(250)의 두께(t)가 3mm 보다 작게 형성되는 경우, 톱니부(250)의 두께 방향으로의 또 다른 모세관 유동 현상에 의해, 전술한 톱니부(250) 끝단부에서 톱니부(250) 사이의 바닥부로의 모세관 유동 현상이 원활하게 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 날개부에 점착된 오일을 모세관 유동 현상에 의해 톱니부에서 분리시킴으로써, 날개부의 표면에 오일 찌꺼기가 남아있지 않게 되어, 오일을 이송하는 작업을 지속적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 날개부에 점착된 오일을 모세관 유동 현상에 의해 톱니부에서 분리시킴으로써, 임펠러의 날개부에서 분리되지 못하여 날개부 상에 잔류된 오일이 다시 냉각되어 석출되는 고형물 생성을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 이송부
200 : 임펠러
300 : 구동수단

Claims (8)

  1. 일측에서 오일을 포함하는 혼합유체가 유입되도록 구비되는 이송부; 및
    상기 이송부 내부에 구비되고, 회전축에 결합하는 중심체와, 상기 중심체로부터 방사형으로 연장 형성되면서 외측면에 친수성을 갖는 톱니부를 형성하며, 회전에 따라 상기 오일을 포함하는 혼합유체를 상기 이송부의 타측으로 이송시키는 날개부를 구비하는 임펠러;
    를 포함하고,
    상기 임펠러는,
    상기 이송부 내부에 상기 날개부의 일부분이 상기 혼합유체의 표면 위로 노출되도록 구비되어, 상기 혼합유체의 표면 위로 노출된 상기 날개부가 회전에 따라 상기 혼합유체 상으로 이동할 때, 모세관 유동에 의해 상기 혼합유체가 인접하는 상기 톱니부의 사이공간에 유입되면서 상기 톱니부에 점착된 오일이 분리되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 톱니부는 상기 날개부의 길이 방향을 따라 방사형으로 형성되면서, 상기 날개부의 시위(chord) 방향을 따라 다수개가 형성되는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 혼합유체는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 톱니부는 나노 헤어, 나노 필라로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 형태를 갖는 나노 구조가 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 톱니부는 내부에 수분을 흡수하는 다공성 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 톱니부는 톱니전면부의 전면경사각과 톱니후면부의 후면경사각이 각각 45°이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 톱니부는 톱니전면부의 전면경사각과 톱니후면부의 후면경사각이 서로 상이하게 형성되는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 톱니부의 높이는 1mm ~ 6mm로 형성되고, 폭은 1mm ~ 6mm로 형성되는 것을 특징으로 하는 친수 톱니 임펠러형 오일 이송 장치.
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