KR20230135288A - 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템 및 이를 이용한 유체 처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템 및 이를 이용한 유체 처리방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템의 구성은, 구동축 회전부, 캐비테이션 발생수단 및 유체 유입부로 이루어진 캐비테이션 발생시스템에 있어서, 상기 캐비테이션 발생수단은 회전자, 고정자, 하우징, 배출부재 및 UV-C LED를 포함하여 이루어진다. 한편, 본 발명에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 이용한 유체 처리방법은, a) 각 공급탱크에 유체, 과산화수소 및 투입제를 개별 공급하는 단계; b) 각 공급탱크와 배관 연결된 노즐을 통해 각 공급탱크로부터 공급받은 유체, 과산화수소 및 투입제를 혼합하여 1차 유체혼합물을 형성하는 단계; c) 노즐과 배관 연결된 스태틱믹서를 통해 노즐로부터 공급받은 1차 유체혼합물을 혼합하여 2차 유체혼합물을 형성하는 단계; d) 스태틱믹서와 배관 연결된 캐비테이션 발생기를 통해 스태틱믹서로부터 공급받은 2차 유체혼합물을 다중 캐비테이션 발생 작용으로 혼합처리하여 유체처리물을 형성하는 단계; 및 e) 캐비테이션 발생기의 설치 위치보다 낮은 위치에 설치되며, 그와 동시에 상기 캐비테이션 발생기와 배관 연결된 저장탱크에 캐비테이션 발생기로부터 공급받은 유체처리물을 저장하는 단계;를 포함하여 구성된다.
Description
본 발명은 캐비테이션의 다중 발생 작용과 고도산화공정 적용을 통해 유체에 대한 처리효율을 향상시킨 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템 및 이를 이용한 유체 처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 캐비테이션(Cavitation)이라 함은, 유체가 빠른 속도로 운동할 때 유체의 압력이 증기압 이하로 낮아져서 유체 내에 증기 기포가 발생하는 현상을 일컫는다.
캐비테이션에 의해 유체 내에 생성된 기포는 유동하다가 유체의 압력이 증기압보다 높아지는 지점에서 급격히 내파되는데, 기포가 급격히 내파될 때 상당한 양의 에너지가 방출되므로, 내파되는 부분에서의 온도와 압력은 급격히 상승하게 되고, 마이크로제트가 발생하는 특성을 나타낸다.
또한, 캐비테이션은 유체의 압력이 낮은 부분에서 주로 발생하는데, 베르누이(Bernoulli) 정리에 따르면 유체의 유속이 빠를수록 유체의 압력은 낮아지므로, 유속이 빠른 지점에서 캐비테이션이 용이하게 발생한다.
한편, 캐비테이션과 관련된 선행기술로서, 한국 등록특허공보 제10-1809528호에 '바이오 디젤 제조용 반응기'가 개시되어 있다.
위 선행기술은 강력한 회전이 이루어지는 회전체 및 이 회전체에서 일정간격 이격된 고정체 사이에 형성된 틈새로 바이오디젤 원료와 촉매가 혼입된 후, 혼입된 물질에 회전체가 회전함에 따른 캐비테이션화 등이 일어나면서 미세한 부서짐과 함께 표면적 증대로 신속한 반응을 유도하는 것이다.
그러나, 위와 같은 기술은 신속한 캐비테이션 반응을 유도하여 공정시간을 단축시킬 수는 있었으나, 다량의 원료와 촉매 등을 혼입할 경우나 처리 가능한 허용 용량범위의 상한 임계치를 초과할 경우에는 캐비테이션이 어떤 특정한 부분에서만 국소적으로 일어나는 문제가 발생되었고, 이는 곧 내구성과 처리성능 저하로 이어지는 문제점을 야기하였다.
본 발명은 상기한 종래기술이 갖는 제반 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 회전자의 회전속도, 반경방향의 캐비테이션 배출구 및 회전자 단면에 형성된 캐비테이션 배출구에 의한 소위 캐비테이션 다중 발생 작용과 더불어 UV-C LED에 의한 고도산화공정(A.O.P: Advanced Oxidation Process) 처리를 통해 유체에 대한 처리효율을 향상시킨 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 캐비테이션 다중 발생 과정에서 압력 부하를 대폭 저감시킴으로써 상당량의 전력을 절감할 수 있도록 하는 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 노즐에 의한 유체 혼합, 스태틱믹서에 의한 유체 혼합 및 캐비테이션 발생기에 의한 유체 혼합이 유기적으로 이루어지는 공정을 통해 유체에 대한 혼합효율을 대폭 향상시킬 수 있는 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 이용한 유체 처리방법을 제공함에 있다.
이 밖에도 본 발명은 상기한 명확한 목적 이외에 본 명세서의 전반적인 기술로부터 이 분야의 통상인에 의해 용이하게 도출될 수 있는 다른 목적을 달성함을 그 목적으로 할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템은, 고정프레임의 일측에 고정 설치되고 미리 설정된 제어명령을 따라 일정한 속도로 회전하는 회전 축에 연결되어 상기 회전 축과 함께 회전하는 구동축 회전부;와, 상기 구동축 회전부의 끝단에 결합되고 그 내부로 유입된 유체들을 빠른 회전력으로 혼합시킨 다음 외부로 배출시키는 캐비테이션 발생수단(M);과, 상기 캐비테이션 발생수단(M)의 후단에 연결 설치되고 상기 유체들이 유입되는 1개 이상의 유입구가 상기 캐비테이션 발생수단(M)에 연결되는 유체 유입부;로 이루어진 캐비테이션 발생시스템에 있어서, 상기 캐비테이션 발생수단(M)은, 중심부와 일정 간격 이격된 동심원 상에 원호방향으로 단면상 일정 기울기를 갖는 다수개의 유체 통과 홀(112)이 형성되고 상기 구동축 회전부의 끝단에 중심 축이 고정 결합되어 상기 구동축 회전부와 함께 회전하는 회전자(110);와, 상기 회전자(110)에 대해 일정 거리 이격되게 수평 설치되는 고정자(130);와, 상기 회전자(110) 및 고정자(130)를 내부에 수용하고 회전자(110) 방향으로 관통홀이 형성되는 하우징(150);과, 상기 회전자(110)와 고정자(130) 사이의 간극(T)으로 유입된 유체들이 상기 하우징(150)의 테두리 일측 방향으로 배출되도록 형성되는 제1배출구(172) 및 잔여 유체들을 하우징(150)의 타측면 방향으로 배출되도록 형성되는 제2배출구(174)로 구성된 배출부재(170);와, 상기 하우징(150)의 일측면 가장자리에 그 원호방향으로 일정 간격을 두고 설치되는 다수개의 UV-C LED(190);를 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 제1배출구(172)는 하우징(150)의 중심부를 기점으로 그 양측으로 분할 이송되어 배출될 수 있도록 상기 하우징(150)의 테두리 양측으로 적어도 한 쌍 이상이 대칭되게 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 회전자(110)는 유체 통과 홀(112)의 외측 동심원 상에 등간격으로 점차 높이가 낮아지는 다수개의 제1마찰요홈(114)이 형성될 수 있으며, 상기 고정자(130)는 상기 회전자(110)의 제1마찰요홈(114)에 마주보는 표면상으로 상기 제1마찰요홈(114)과 대칭되는 형상의 제2마찰요홈(132)이 형성될 수 있다.
이때, 더욱 상승된 처리효율 향상을 위해서는 상기 유체 통과 홀(112)의 단면형상을 유체들의 이동방향으로 점차 넓어지는 구조로 형성시키거나, 또는 점차 좁아지는 구조로 형성시킬 수 있다.
한편, 상기 유체에 대한 캐비테이션 생성 반응은, 상기 회전자(110)와 고정자(130) 사이의 간극(T)으로 유입된 유체들이 회전자(110)의 강력한 회전속도에 의해 캐비테이션이 생성되는 1차 캐비테이션 반응부(RS-1); 상기 유체들이 고정자(130)의 타측에 위치한 또 다른 고정자(130-1)에 대해 상대 회전하며 발생시키는 상대속도에 의해 캐비테이션이 생성되는 2차 캐비테이션 반응부(RS-2); 및 강제 이송되는 상기 유체들이 고정자(130)에 대해 상대 회전하는 회전자(110)의 회전속도에 의해 캐비테이션이 생성되는 3차 캐비테이션 반응부(RS-3);에서 이루어진다.
반대로, 상기 유체에 대한 캐비테이션 소멸 반응은, 상기 회전자(110)와 고정자(130) 사이의 간극(T)이 내향으로 수직 절곡되는 영역과, 상기 구동축 회전부의 인접 영역에서 이루어진다.
이때, 캐비테이션 소멸 반응이 이루어지는 상기 영역들에서는 유체의 상대속도가 현저하게 감소하여 캐비테이션 내폭이 발생한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 상기 구동축 회전부는 캐비테이션 발생수단(M)의 외주면 일측에 설치되는 온도측정센서;와, 상기 온도측정센서 및 구동축 회전부의 구동모터에 연결될 수 있도록 전기적으로 연결된 연동제어부;를 더 포함할 수 있고, 상기 연동제어부는 온도측정센서에 의해 측정된 온도 값이 미리 설정된 온도 값 보다 높을 경우, 상기 구동모터의 분당회전수를 미리 설정된 분당회전수 보다 낮은 속도가 유지되도록 제어하고, 상기 온도측정센서에 의해 측정된 온도 값이 미리 설정된 온도 값 보다 낮을 경우, 상기 구동모터의 분당회전수를 미리 설정된 분당회전수 보다 높은 속도가 유지되도록 제어할 수 있다.
한편, 본 발명은 캐비테이션 발생수단(M) 및 UV-C LED(190)의 유기적 작동에 의한 처리 결과로서, 고도산화공정(A.O.P: Advanced Oxidation Process)에 따른 강력한 살균력이 도모되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 이용한 유체 처리방법은, a) 병렬배열로 설치된 다수개의 공급탱크(200A,200B,200C)에 유체, 과산화수소 및 투입제를 개별 공급하는 단계; b) 상기 a)단계의 각 공급탱크(200A,200B,200C)와 배관 연결된 노즐(300)을 통해 각 공급탱크(200A,200B,200C)로부터 공급받은 유체, 과산화수소 및 투입제를 혼합하여 1차 유체혼합물을 형성하는 단계; c) 상기 b)단계의 노즐(300)과 배관 연결된 스태틱믹서(400)를 통해 노즐(300)로부터 공급받은 1차 유체혼합물을 혼합하여 2차 유체혼합물을 형성하는 단계; d) 상기 c)단계의 스태틱믹서(400)와 배관 연결된 캐비테이션 발생기(100)를 통해 스태틱믹서(400)로부터 공급받은 2차 유체혼합물을 다중 캐비테이션 발생 작용으로 혼합처리하여 유체처리물을 형성하는 단계; 및 e) 상기 d)단계의 캐비테이션 발생기(100)의 설치 위치보다 낮은 위치에 설치되며, 그와 동시에 상기 캐비테이션 발생기(100)와 배관 연결되는 저장탱크(500)에 캐비테이션 발생기(100)로부터 공급받은 유체처리물을 저장하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 d)단계의 캐비테이션 발생기(100)는 자체 원심력의 발생에 의하여 유입측과 토출측의 압력이 각각 음압 및 양압 상태가 되고, 이들 압력 차이에 의해 자체 흡입력이 생성될 수 있다.
이때, 노즐(300) 및 스태틱믹서(400)의 작동에 의해 펌프(P1,P2,P3)의 부하가 증가할 때, 상기 캐비테이션 발생기(100)의 유입측에서 발생하는 음압이 상기 펌프(P1,P2,P3)의 부하를 상쇄시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 d)단계와 e)단계 사이에는 상기 d)단계의 유체처리물에 UV-C 자외선을 조사하는 단계가 더 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템에 의하면, 회전자의 회전속도, 반경반향의 캐비테이션 배출구 및 회전자 단면에 형성된 캐비테이션 배출구에 의한 소위 캐비테이션 다중 발생 작용과 더불어 UV-C LED에 의한 고도산화공정(A.O.P: Advanced Oxidation Process) 처리를 통해 유체에 대한 처리효율을 극대화시킬 수 있고, 또한 캐비테이션 다중 발생 과정에서 유체에 의한 압력 부하를 대폭 저감시킬 수 있으므로 전력 소모 및 전력 소모에 따른 운영비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 이용한 유체 처리방법에 의하면, 노즐과 스태틱믹서에 의한 유체 혼합 및 캐비테이션 발생기에 의한 유체 혼합이 유기적으로 이루어지는 공정을 통해 유체에 대한 혼합효율을 대폭 향상시킬 수 있는 효과도 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템이 설치된 상태를 예시적으로 나타낸 도면,
도 2는 도 1에 나타낸 캐비테이션 발생수단의 수직절단 분해사시도,
도 3은 도 1에 나타낸 캐비테이션 발생수단의 수직절단 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템의 구성요소 중 회전자의 평면 형상을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템에서 유체의 이동을 예시적으로 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템에서 캐비테이션의 생성 위치를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템에서 캐비테이션의 소멸 위치를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 이용한 유체 처리방법의 공정도,
도 9 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템의 전체적인 외관을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 나타낸 캐비테이션 발생수단의 수직절단 분해사시도,
도 3은 도 1에 나타낸 캐비테이션 발생수단의 수직절단 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템의 구성요소 중 회전자의 평면 형상을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템에서 유체의 이동을 예시적으로 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템에서 캐비테이션의 생성 위치를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템에서 캐비테이션의 소멸 위치를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 이용한 유체 처리방법의 공정도,
도 9 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템의 전체적인 외관을 나타낸 도면.
본 발명은 캐비테이션의 다중 발생 작용과 고도산화공정(A.O.P: Advanced Oxidation Process) 적용을 통해 유체에 대한 처리효율을 향상시킨 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템 및 이를 이용한 유체 처리방법에 관한 것으로, 그 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하면 아래와 같다.
참고로, 아래에서 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 해석되어서는 안 될 것이다.
- 아 래 -
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템이 설치된 상태를 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 나타낸 캐비테이션 발생수단의 수직절단 분해사시도이며, 도 3은 도 1에 나타낸 캐비테이션 발생수단의 수직절단 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템의 구성요소 중 회전자의 평면 형상을 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템에서 유체의 이동을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템에서 캐비테이션의 생성 위치를 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템에서 캐비테이션의 소멸 위치를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 이용한 유체 처리방법의 공정도이며, 도 9 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템의 전체적인 외관을 나타낸 도면이다.
먼저, 본 발명에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템에 대해 설명하면, 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 고정프레임의 일측에 고정 설치되고 미리 설정된 제어명령을 따라 일정한 속도로 회전하는 회전 축에 연결되어 상기 회전 축과 함께 회전하는 구동축 회전부;와, 상기 구동축 회전부의 끝단에 결합되고 그 내부로 유입된 유체들을 빠른 회전력으로 혼합시킨 다음 외부로 배출시키는 캐비테이션 발생수단(M);과, 상기 캐비테이션 발생수단(M)의 후단에 연결 설치되고 상기 유체들이 유입되는 1개 이상의 유입구가 상기 캐비테이션 발생수단(M)에 연결되는 유체 유입부;로 이루어진 캐비테이션 발생시스템에 있어서, 상기 캐비테이션 발생수단(M)은, 중심부와 일정 간격 이격된 동심원 상에 원호방향으로 단면상 일정 기울기를 갖는 다수개의 유체 통과 홀(112)이 형성되고 상기 구동축 회전부의 끝단에 중심 축이 고정 결합되어 상기 구동축 회전부와 함께 회전하는 회전자(110);와, 상기 회전자(110)에 대해 일정 거리 이격되게 수평 설치되는 고정자(130);와, 상기 회전자(110) 및 고정자(130)를 내부에 수용하고 회전자(110) 방향으로 관통홀이 형성되는 하우징(150);과, 상기 회전자(110)와 고정자(130) 사이의 간극(T)으로 유입된 유체들이 상기 하우징(150)의 테두리 일측 방향으로 배출되도록 형성되는 제1배출구(172) 및 잔여 유체들을 하우징(150)의 타측면 방향으로 배출되도록 형성되는 제2배출구(174)로 구성된 배출부재(170);와, 상기 하우징(150)의 일측면 가장자리에 그 원호방향으로 일정 간격을 두고 설치되는 다수개의 UV-C LED(190);를 포함하여 구성된다.
상기한 구성 중에서 회전자(110)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 중심부와 일정 간격 이격된 동심원 상에 원호방향으로 단면상 일정 기울기를 갖는 다수개의 유체 통과 홀(112)이 형성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기한 회전자(110)는 도 3 또는 도 4에 나타낸 바와 같이, 유체 통과 홀(112)의 외측 동심원 상에 점차 높이가 낮아지는 다수개의 제1마찰요홈(114)이 형성될 수 있다.
상기 고정자(130)는 회전자(110)에 대해 일정거리 이격되게 수평 설치되는 구성으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 도 3 또는 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 고정자(130)는 회전자(110)의 제1마찰요홈(114)에 마주보는 표면상으로 상기 제1마찰요홈(114)과 대칭되는 형상의 제2마찰요홈(132)이 형성될 수 있다.
상기한 제1마찰요홈(114) 및 제2마찰요홈(132)에 따르면, 회전자(110)가 고정자(130)에 대해 상대 회전할 때, 회전자(110)와 고정자(130) 사이의 간극(T)으로 유입된 유체들의 접촉 면적 증대 및 회전자(110)와 고정자(130)의 내면과의 충돌을 더욱 증폭시켜 유체의 미분화 가속 및 표면적 증대를 통한 신속한 반응을 유도할 수 있다.
한편, 본 발명의 캐비테이션 발생시스템을 이루는 주요 구성요소들은 구동축 회전부, 상기 구동축 회전부의 끝단에 결합되는 캐비테이션 발생수단(M) 및 상기 캐비테이션 발생수단(M)의 후단에 연결 설치되는 유체 유입부로 크게 구분할 수 있다.
상기와 같은 구성요소를 포함하여 이루어지는 본 발명의 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템은 구동축 회전부의 구동모터에 의해서 강력한 회전 작동을 하는 회전자(110) 및 상기 회전자(110)에 마주보게 구비되고 이 회전자로부터 일정 간격 이격된 고정자(130) 사이에 형성된 간극(T)으로 유체들이 유입된 후, 상기 회전자(110)의 강력한 회전력에 의한 전단 및 캐비테이션화 등이 일어나면서, 앞에서 기술하였다시피 단시간에 유체가 미세하게 분쇄됨은 물론 표면적 증가로 신속한 반응이 일어나도록 한다. 이때, 도면에는 도시되지 않았지만 상기 캐비테이션 발생수단(M)으로 유체들의 유입을 유도하기 위해서는 별도의 펌프가 구비됨이 바람직하며, 이는 공지된 기술에 해당하므로 자세한 설명은 생략한다.
한편, 상기한 캐비테이션 발생수단(M) 및 UV-C LED(190)의 유기적인 작동에 의한 처리 결과로서, 고도산화공정(A.O.P: Advanced Oxidation Process)에 따른 강력한 살균력이 도모될 수 있다.
그러므로, 본 발명에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션의 발생 메커니즘은 강한 회전력에 따른 원심력의 작용 등으로 라디칼을 효과적으로 생성할 수 있으며, 또한 살균효과를 증대시킬 수 있는 이점을 내재한다.
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 본 발명의 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 구성하는 요소로서, 냉각부를 더 구비할 수도 있다.
예컨대, 상기 냉각부는 회전 작동하는 구동축 회전부를 감싸면서 고정프레임에 견고하게 지지되고, 중공형의 냉각수 소통로가 내부에 형성되어 외부 일측으로 냉각수 유입구를 통해 유입된 후에 타측에 구비된 냉각수 배출구를 통해 배출되면서 상기 구동축 회전부 및 캐비테이션 발생수단(M) 등에서 발생되는 열을 냉각시켜주도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 캐비테이션 발생수단(M)은 중심부와 일정 간격 이격된 동심원 상에 원호방향으로 단면상 일정 기울기를 갖는 다수개의 유체 통과 홀(112)이 형성되고 상기 구동축 회전부의 끝단에 중심 축이 고정 결합되어 상기 구동축 회전부와 함께 회전되는 회전자(110), 상기 회전자(110)에 대해 일정 거리 이격되게 수평 설치되는 고정자(130), 상기 회전자(110) 및 고정자(130)를 내부에 수용하고 회전자(110) 방향으로 관통홀이 형성되는 하우징(150), 상기 회전자(110)와 고정자(130) 사이의 간극(T)으로 유입된 유체들이 상기 하우징(150)의 테두리 일측 방향으로 배출되도록 형성되는 제1배출구(172)와 잔여 유체들을 하우징(150)의 타측면 방향으로 배출되도록 형성되는 제2배출구(174)로 구성된 배출부재(170) 및 상기 하우징(150)의 일측면 가장자리에 그 원호방향으로 일정 간격을 두고 설치되는 다수개의 UV-C LED(190)로 구성된다.
한편, 상기 유체 통과 홀(112)은 회전자(110)가 고정자(130)에 대해 상대 회전할 때, 원심력에 의해 회전자(110)의 일측면에 소정의 이격간격을 두고 구비된 고정자(130)의 테두리 측으로 분산된 유체의 일부가 상기 회전자(110)의 유체 통과 홀(112)로 자연스럽게 유입되면서 회전자(110)의 타측면에 소정의 이격간격을 두고 구비된 고정자(130)의 테두리 측으로 분산 및 배출됨으로써 캐비테이션 효율을 극대화시키도록 구성된다. 즉, 상기 유체 통과 홀(112)로 유체가 유출되는 과정에서 효율이 극대화된 캐비테이션이 발생하는 것이다.
상기 유체 통과 홀(112)의 경사각은 30 내지 60° 인 것이 바람직하다. 이는 원심력에 대해 외측방향으로 이동되는 일부 유체들이 회전자(110)의 유체 통과 홀(112)을 통해 일측면에서 타측면으로의 이동이 용이하게끔 하기 위함이며, 가령 유체 통과 홀이 지면에 대해 평행한 상태로 형성된다면 원심력에 의해 이동되는 유체들이 유체 통과 홀을 통과함에 있어 일종의 병목(bottleneck) 현상의 영향을 받게 될 가능성은 높아지게 된다.
상기 유체 통과 홀(112)에 대한 변형 실시예로서, 상기 유체 통과 홀(112)은 그 단면 형상이 유체들이 이동되는 방향으로 점차 넓어지거나, 또는 점차 좁아지는 구조로 이루어질 수 있으며, 상기와 같은 구조에 의해서 유체들의 토출압력 등을 적절히 제어하도록 구성된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 회전자(110)와 고정자(130) 사이의 간극(T)으로 유입된 유체들이 상기 하우징(150)의 테두리 일측 방향으로 배출되도록 형성되는 제1배출구(172)와, 잔여 유체들을 하우징(150)의 타측면 방향으로 배출되도록 형성되는 제2배출구(174)로 구성된 배출부재(170)가 구비된다.
이때, 상기 제1배출구(172)는 하우징(150)의 중심부를 기점으로 그 양측으로 분할 이송되어 배출될 수 있도록 상기 하우징(150)의 테두리 양측으로 적어도 한 쌍 이상이 대칭되게 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 하우징(150)의 일측면 가장자리에는 그 원호방향으로 일정간격을 두고 다수개의 UV-C LED(190)가 설치된다.
상기 UV-C LED(190)에 의하면, 앞에서 기술한 캐비테이션 발생이 고도산화공정(A.O.P)과 효율적으로 연계될 수 있도록 한다. 이때, 도면에는 도시되지 않았지만 상기 UV-C LED(190)에서 UV-C 자외선이 조사되도록 별도의 전원공급수단(도면 미도시)과 전기적으로 연결됨은 물론이다.
한편, 도 6에 1차에서 3차에 걸친 캐비테이션의 생성 위치를 도시하였다. 보다 구체적으로 유체에 대한 캐비테이션 생성 위치를 설명하면, 상기 회전자(110)와 고정자(130) 사이의 간극(T)으로 유입된 유체들이 회전자(110)의 강력한 회전속도에 의해 캐비테이션이 생성되는 1차 캐비테이션 반응부(RS-1), 상기 유체들이 고정자(130)의 타측에 위치한 또 다른 고정자(130-1)에 대해 상대 회전하며 발생시키는 상대속도에 의해 캐비테이션이 생성되는 2차 캐비테이션 반응부(RS-2) 및 강제 이송되는 상기 유체들이 고정자(130)에 대해 상대 회전하는 회전자(110)의 회전속도에 의해 캐비테이션이 생성되는 3차 캐비테이션 반응부(RS-3)에서 이루어질 수 있다.
이와는 반대로, 도 7에는 1차에서 3차에 걸친 캐비테이션의 소멸 위치를 나타내었다. 보다 구체적으로 유체에 대한 캐비테이션 소멸 위치를 설명하면 상기 회전자(110)와 고정자(130) 사이의 간극(T)이 내향으로 수직 절곡되는 영역과 상기 구동축 회전부의 인접 영역에서 이루어질 수 있다. 이때, 캐비테이션 소멸 반응이 이루어지는 상기 영역들에서는 유체의 상대속도가 현저하게 감소하여 캐비테이션 내폭이 발생하게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 유체역학적 캐비테이션 발생시스템은 별도로 구비된 제어부에 의해 조작이 가능하도록 이루어지는 것으로, 이러한 제어부는 기 프로그래밍 된 다양한 소프트웨어를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 각 구성부품들은 모두 전자 회로적으로 컨트롤러에 연결시켜 자동화 시스템에 의한 자동제어가 가능하도록 구성할 수 있다.
상기 구성에 대한 일 실시예로서, 상기 구동축 회전부는 캐비테이션 발생수단(M)의 외주면 일측에 설치되는 온도측정센서;와, 상기 온도측정센서 및 구동축 회전부의 구동모터에 연결될 수 있도록 전기적으로 연결된 연동제어부;를 더 포함할 수 있으며, 상기 연동제어부는 온도측정센서에 의해 측정된 온도 값이 미리 설정된 온도 값 보다 높을 경우, 상기 구동모터의 분당회전수를 미리 설정된 분당회전수 보다 낮은 속도가 유지되도록 제어하고, 상기 온도측정센서에 의해 측정된 온도 값이 미리 설정된 온도 값 보다 낮을 경우, 상기 구동모터의 분당회전수를 미리 설정된 분당회전수 보다 높은 속도가 유지되도록 제어할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 이용한 유체 처리방법에 대하여 도 8을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 이용한 유체 처리방법은, a) 병렬배열로 설치된 다수개의 공급탱크(200A,200B,200C)에 유체, 과산화수소 및 투입제를 개별 공급하는 단계; b) 상기 a)단계의 각 공급탱크(200A,200B,200C)와 배관 연결된 노즐(300)을 통해 각 공급탱크(200A,200B,200C)로부터 공급받은 유체, 과산화수소 및 투입제를 혼합하여 1차 유체혼합물을 형성하는 단계; c) 상기 b)단계의 노즐(300)과 배관 연결된 스태틱믹서(400)를 통해 노즐(300)로부터 공급받은 1차 유체혼합물을 혼합하여 2차 유체혼합물을 형성하는 단계; d) 상기 c)단계의 스태틱믹서(400)와 배관 연결된 캐비테이션 발생기(100)를 통해 스태틱믹서(400)로부터 공급받은 2차 유체혼합물을 다중 캐비테이션 발생 작용으로 혼합처리하여 유체처리물을 형성하는 단계; 및 e) 상기 d)단계의 캐비테이션 발생기(100)의 설치 위치보다 낮은 위치에 설치되며, 그와 동시에 상기 캐비테이션 발생기(100)와 배관 연결되는 저장탱크(500)에 캐비테이션 발생기(100)로부터 공급받은 유체처리물을 저장하는 단계;를 포함한다.
상기한 바와 같은 단계들을 포함하여 구성된 본 발명의 유체 처리방법에 따르면, 종래의 일반적인 캐비테이션 혼합기와 비교시 자체 원심력을 발생할 수 있어서, 가령 유체가 스태틱믹서(400)를 통과할 때 저항에 의하여 압력손실이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 캐비테이션 발생기(100)는 자체 원심력의 발생에 의하여 유입측과 토출측의 압력이 각각 음압 및 양압 상태가 되며, 상기와 같은 압력 차이는 캐비테이션 발생기(100)의 내부에 흡입력을 생성시키는 작용을 도모한다. 그리하여 노즐(300) 및 스태틱믹서(400)의 작동에 의해 펌프(P1,P2,P3)의 부하가 증가할 때, 상기 캐비테이션 발생기(100)의 유입측에서 발생하는 음압이 상기 펌프(P1,P2,P3)의 부하를 상쇄시킬 수 있게 된다.
결과적으로, 노즐 및 스태틱믹서의 기능에 의한 유압손실을 상쇄할 수 있게 되므로, 노즐에 의한 유체 혼합, 스태틱믹서에 의한 유체 혼합, 유체역학적 캐비테이션 혼합기에 의한 유체 혼합이 유기적으로 원활히 이루어질 수 있다.
아울러, 상기 e)단계에서의 저장탱크(500)는 캐비테이션 발생기(100)의 설치 위치보다 낮은 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는데, 이는 저장탱크(500)가 캐비테이션 발생기(100) 보다 낮은 위치에 설치됨으로써 캐비테이션 발생기의 혼합성능에 따른 효율을 증대시킬 수 있기 때문이다. 이때, 상기 저장탱크(500)에는 추가적으로 펌프를 설치하여 양정이 높은 탱크로 이송시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 추가 실시예에 따르면, 상기 d)단계와 e)단계 사이에는 상기 d)단계의 유체처리물에 UV-C 자외선을 조사하는 단계가 더 포함될 수 있다.
상술한 내용을 요약하면, 본 발명은 회전자의 회전속도, 반경방향의 캐비테이션 배출구 및 회전자 단면에 형성된 캐비테이션 배출구에 의한 소위 캐비테이션 다중 발생 작용과 더불어 UV-C LED에 의한 고도산화공정(A.O.P: Advanced Oxidation Process) 처리를 통해 유체에 대한 처리효율을 극대화시킬 수 있고, 또한 캐비테이션 발생 과정에서 유체에 의한 압력 부하를 대폭 저감시킬 수 있으므로 전력 소모 및 전력 소모에 따른 운영비를 절감할 수 있다. 아울러, 노즐과 스태틱믹서에 의한 유체 혼합 및 캐비테이션 발생기에 의한 유체 혼합이 유기적으로 이루어지는 공정을 통해 유체에 대한 혼합효율을 대폭 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템 및 이를 이용한 유체 처리방법에 대한 실시예를 설명하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 자명하다.
T : 간극
M : 캐비테이션 발생수단
P1,P2,P3 : 펌프 RS-1 : 1차 캐비테이션 반응부
RS-2 : 2차 캐비테이션 반응부 RS-3 : 3차 캐비테이션 반응부
100 : 캐비테이션 발생기 110 : 회전자
112 : 유체 통과 홀 114 : 제1마찰요홈
130,130-1 : 고정자 132 : 제2마찰요홈
150 : 하우징 170 : 배출부재
172 : 제1배출구 174 : 제2배출구
190 : UV-C LED 200A,200B,200C : 공급탱크
300 : 노즐 400 : 스태틱믹서
500 : 저장탱크
P1,P2,P3 : 펌프 RS-1 : 1차 캐비테이션 반응부
RS-2 : 2차 캐비테이션 반응부 RS-3 : 3차 캐비테이션 반응부
100 : 캐비테이션 발생기 110 : 회전자
112 : 유체 통과 홀 114 : 제1마찰요홈
130,130-1 : 고정자 132 : 제2마찰요홈
150 : 하우징 170 : 배출부재
172 : 제1배출구 174 : 제2배출구
190 : UV-C LED 200A,200B,200C : 공급탱크
300 : 노즐 400 : 스태틱믹서
500 : 저장탱크
Claims (11)
- 고정프레임의 일측에 고정 설치되고 미리 설정된 제어명령을 따라 일정한 속도로 회전하는 회전 축에 연결되어 상기 회전 축과 함께 회전하는 구동축 회전부;와, 상기 구동축 회전부의 끝단에 결합되고 그 내부로 유입된 유체들을 빠른 회전력으로 혼합시킨 다음 외부로 배출시키는 캐비테이션 발생수단(M);과, 상기 캐비테이션 발생수단(M)의 후단에 연결 설치되고 상기 유체들이 유입되는 1개 이상의 유입구가 상기 캐비테이션 발생수단(M)에 연결되는 유체 유입부;로 이루어진 캐비테이션 발생시스템에 있어서,
상기 캐비테이션 발생수단(M)은, 중심부와 일정 간격 이격된 동심원 상에 원호방향으로 단면상 일정 기울기를 갖는 다수개의 유체 통과 홀(112)이 형성되고 상기 구동축 회전부의 끝단에 중심 축이 고정 결합되어 상기 구동축 회전부와 함께 회전하는 회전자(110);와,
상기 회전자(110)에 대해 일정 거리 이격되게 수평 설치되는 고정자(130);와,
상기 회전자(110) 및 고정자(130)를 내부에 수용하고 회전자(110) 방향으로 관통홀이 형성되는 하우징(150);과,
상기 회전자(110)와 고정자(130) 사이의 간극(T)으로 유입된 유체들이 상기 하우징(150)의 테두리 일측 방향으로 배출되도록 형성되는 제1배출구(172) 및 잔여 유체들을 하우징(150)의 타측면 방향으로 배출되도록 형성되는 제2배출구(174)로 구성된 배출부재(170);와,
상기 하우징(150)의 일측면 가장자리에 그 원호방향으로 일정 간격을 두고 설치되는 다수개의 UV-C LED(190);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 제1배출구(172)는 하우징(150)의 중심부를 기점으로 그 양측으로 분할 이송되어 배출될 수 있도록 상기 하우징(150)의 테두리 양측으로 적어도 한 쌍 이상이 대칭되게 구비되는 것을 특징으로 하는 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 회전자(110)는 유체 통과 홀(112)의 외측 동심원 상에 등간격으로 점차 높이가 낮아지는 다수개의 제1마찰요홈(114)이 형성되며,
상기 고정자(130)는 상기 회전자(110)의 제1마찰요홈(114)에 마주보는 표면상으로 상기 제1마찰요홈(114)과 대칭되는 형상의 제2마찰요홈(132)이 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템. - 제3 항에 있어서,
상기 유체 통과 홀(112)은 그 단면형상이 유체들의 이동방향으로 점차 넓어지거나, 또는 점차 좁아지는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 유체에 대한 캐비테이션 생성 반응은,
상기 회전자(110)와 고정자(130) 사이의 간극(T)으로 유입된 유체들이 회전자(110)의 강력한 회전속도에 의해 캐비테이션이 생성되는 1차 캐비테이션 반응부(RS-1);
상기 유체들이 고정자(130)의 타측에 위치한 또 다른 고정자(130-1)에 대해 상대 회전하며 발생시키는 상대속도에 의해 캐비테이션이 생성되는 2차 캐비테이션 반응부(RS-2); 및
강제 이송되는 상기 유체들이 고정자(130)에 대해 상대 회전하는 회전자(110)의 회전속도에 의해 캐비테이션이 생성되는 3차 캐비테이션 반응부(RS-3);에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 유체에 대한 캐비테이션 소멸 반응은,
상기 회전자(110)와 고정자(130) 사이의 간극(T)이 내향으로 수직 절곡되는 영역과, 상기 구동축 회전부의 인접 영역에서 이루어지고, 캐비테이션 소멸 반응이 이루어지는 상기 영역들에서는 유체의 상대속도가 현저하게 감소하여 캐비테이션 내폭이 발생하는 것을 특징으로 하는 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 구동축 회전부는 캐비테이션 발생수단(M)의 외주면 일측에 설치되는 온도측정센서;와, 상기 온도측정센서 및 구동축 회전부의 구동모터에 연결될 수 있도록 전기적으로 연결된 연동제어부;를 더 포함하고,
상기 연동제어부는 온도측정센서에 의해 측정된 온도 값이 미리 설정된 온도 값 보다 높을 경우, 상기 구동모터의 분당회전수를 미리 설정된 분당회전수 보다 낮은 속도가 유지되도록 제어하고, 상기 온도측정센서에 의해 측정된 온도 값이 미리 설정된 온도 값 보다 낮을 경우, 상기 구동모터의 분당회전수를 미리 설정된 분당회전수 보다 높은 속도가 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템. - 제1 항에 있어서,
상기 유체는 캐비테이션 발생수단(M) 및 UV-C LED(190)의 유기적 작동에 의한 처리 결과로서, 고도산화공정(A.O.P: Advanced Oxidation Process)에 따른 강력한 살균력이 도모되는 것을 특징으로 하는 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템. - 제1 항 기재의 캐비테이션 발생시스템을 이용한 유체 처리방법으로서,
a) 병렬배열로 설치된 다수개의 공급탱크(200A,200B,200C)에 유체, 과산화수소 및 투입제를 개별 공급하는 단계;
b) 상기 a)단계의 각 공급탱크(200A,200B,200C)와 배관 연결된 노즐(300)을 통해 각 공급탱크(200A,200B,200C)로부터 공급받은 유체, 과산화수소 및 투입제를 혼합하여 1차 유체혼합물을 형성하는 단계;
c) 상기 b)단계의 노즐(300)과 배관 연결된 스태틱믹서(400)를 통해 노즐(300)로부터 공급받은 1차 유체혼합물을 혼합하여 2차 유체혼합물을 형성하는 단계;
d) 상기 c)단계의 스태틱믹서(400)와 배관 연결된 캐비테이션 발생기(100)를 통해 스태틱믹서(400)로부터 공급받은 2차 유체혼합물을 다중 캐비테이션 발생 작용으로 혼합처리하여 유체처리물을 형성하는 단계; 및
e) 상기 d)단계의 캐비테이션 발생기(100)의 설치 위치보다 낮은 위치에 설치되며, 그와 동시에 상기 캐비테이션 발생기(100)와 배관 연결되는 저장탱크(500)에 캐비테이션 발생기(100)로부터 공급받은 유체처리물을 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 이용한 유체 처리방법. - 제9 항에 있어서,
상기 d)단계의 캐비테이션 발생기(100)는 자체 원심력의 발생에 의하여 유입측과 토출측의 압력이 각각 음압 및 양압 상태가 되고,
노즐(300) 및 스태틱믹서(400)의 작동에 의해 펌프(P1,P2,P3)의 부하가 증가할 때, 상기 캐비테이션 발생기(100)의 유입측에서 발생하는 음압이 상기 펌프(P1,P2,P3)의 부하를 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 이용한 유체 처리방법. - 제9 항에 있어서,
상기 d)단계와 e)단계 사이에는 상기 d)단계의 유체처리물에 UV-C 자외선을 조사하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 다중 유체역학적 캐비테이션 발생시스템을 이용한 유체 처리방법.
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