KR20240014934A - 수도 계량기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체가 통과하는 통로를 형성하는 외부 하우징과, 외부 하우징 내부에 결합되는 임펠러 케이스와, 임펠러 케이스 내부에 수용되고, 외부 하우징을 통과하는 유체에 의해 회전하는 임펠러와, 외부 하우징 상측에 결합되고, 임펠러의 회전을 측정하여 유량을 산출 후 표시하는 계측부와, 외부 하우징 입구부에 결합되어 외부 하우징으로 유체가 유입되는 유로 단면적을 줄이는 스트레이너를 포함하고, 스트레이너는 반경방향 일측에 형성되는 개방부와, 반경방향 타측에 형성되는 폐쇄부를 포함하는, 수도 계량기에 관한 것이다.

Description

수도 계량기{Water meter}

본 발명은 수도 계량기의 외부 하우징/워터소켓/임펠러/스트레이너 구조를 개선하여 계량 정확도를 극대화한 수도 계량기에 관한 것이다.

유체의 유동량을 측정하는 계량기(計量器)는, 유체가 통과하는 유로를 형성하는 외부 하우징과, 외부 하우징 내부에 결합되는 임펠러 케이스와, 임펠러 케이스 내부에 수용되고, 외부 하우징을 통과하는 유체에 의해 회전하는 임펠러와, 임펠러 회전을 측정하여 유량을 산출 후 표시하는 계측부와, 외부 하우징 입구부에 결합되어 외부 하우징으로 유체가 유입되는 유로 단면적을 줄이는 스트레이너를 포함한다.

종래 수도 계량기에 사용되는 스트레이너(20)는 도 1에 도시된 바와 같이 측면 전체에 홀이 형성되는 구조로, 유입되는 이물질을 걸러내기 위해 설치되었다.

그러나, 계량기를 통과하는 유체의 유속이 충분하지 못할 시, 임펠러와 임펠러 케이스 사이의 마찰에 의해 임펠러가 원활하게 회전하지 못하는 상황이 발생하는 것이 확인되어 새로운 스트레이너 개발 필요성이 대두되었다.

이후, 도 2에 도시된 바와 같이 스트레이너(20)의 내부에 유수면적 가변부재(10)를 체결하여, 유체가 유입되는 통로의 유로 단면적을 좁혀줌으로써, 유입되는 유체의 유속을 증가시키는 기술이 개발되었으나, 스트레이너(20)와 유수면적 가변부재(10)를 별도 제작해야 하기 때문에 제작단가가 올라가고, 스트레이너(20)에 체결된 유수면적 가변부재(10)가 유입되는 유체에 의해 움직이는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 수도 계량기 외부 하우징은 유체가 내부로 유입되는 외부 하우징 유입부 상에 형성되는 가이드립이, 상측 1/2를 폐쇄하는 구조였기 때문에 워터소켓으로의 유체 공급이 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 있었다.

상세히 설명하면, 워터소켓 내부로 유입된 유체가 방향성을 가질 경우 임펠러를 보다 원활하게 회전시킬 수 있으므로, 워터소켓의 경우 유입되는 유체가 방향성을 가질 수 있게 노즐이 경사진 형태로 형성된다. 이러한 노즐을 통한 유체의 이동이 원활하게 이루어지기 위해선 유체의 이동방향이 노즐의 경사와 동일한 방향으로 이루어져야 하지만, 종래의 수도 계량기 외부 하우징은 가이드 립이 하측 1/2를 개방하는 단순한 구조였기 때문에, 외부 하우징의 유입부를 통과하는 유체가 방향성을 가질 수 없어, 워터소켓으로의 유체 공급이 원활하게 이루어지지 않았던 것이다.

또한, 종래의 수도 계량기는 워터소켓 내부로 유체가 유입되는 하부 노즐의 개수가 6개, 임펠러를 회전시킨 후 배출되는 상부 노즐의 개수가 9개로, 유체가 유입되는 하부 노즐의 개수가 유체가 배출되는 상부 노즐의 개수보다 많아 유체의 이동이 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 있었다.

상세히 설명하면, 유체의 유입 및 배출이 원활하게 이루어지기 위해서는 유체가 유입되는 유입부보다 유체가 배출되는 출구부 압력이 높아야 하지만, 종래의 워터소켓은 유체가 유입되는 하부 노즐의 개수가 유체가 배출되는 상부 노즐의 개수보다 적었기 때문에, 상부 노즐과 하부 노즐의 압력차가 역전되어 유체의 이동이 원활하게 이루어지지 못하였던 것이다.

그리고, 워터소켓으로의 유체 유입이 원활하게 이루어지지 못할 경우, 워터소켓 내부 압력이 낮아지고, 유체의 유속이 저하되므로 임펠러 회전 또한 원활하게 이루어지지 못하였던 것이다.

따라서, 위의 문제점을 해결한 새로운 수도 계량기 개발 필요성이 대두되고 있는 실정이다.

특허문헌 1) 국내등록특허공보 제10-1841136호(명칭: 유로 유도를 통해 유량 계측의 정확도를 향상시킨 수도계량기, 등록일: 2018.03.16) 특허문헌 2) 국내등록특허공보 제10-1381700호(명칭: 유량계측의 정확도가 향상되고 동파방지 기능이 수행되는 수도계량기, 등록일: 2014.03.31)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 스트레이너가 유입되는 유체의 유속을 상승시킴과 더불어 유체가 워터소켓에 보다 안정적으로 공급될 수 있도록 가이드 가능하므로, 수도 계량이 보다 정확하게 이루어질 수 있도록 하는 수도 계량기를 제공하고자 한다.

또한, 스트레이너에 유수면적 가변부재가 결합되어야 했던 종래의 수도 계량기와 다르게, 스트레이너만으로도 유체의 유속 및 이동방향을 조절 가능하므로, 장치의 생산공정을 단순화 가능할 뿐만 아니라, 제조단가 또한 낮출 수 있는 수도 계량기를 제공하고자 한다.

그리고, 실험을 통해 스트레이너의 용적률과 삽입 각도를 최적화하였으므로, 종래의 계량기와 비교하여 측정오차를 낮출 수 있는 수도 계량기를 제공하고자 한다.

또한, 외부 하우징의 입구부에 제1 가이드 립을 형성하여 유입되는 유체가 워터소켓으로 원활하게 공급되므로, 유체 공급이 원활하게 이루어지지 않아 계량이 정확하게 이루어지지 않는 문제를 해결할 수 있는 수도 계량기를 제공하고자 한다.

또한, 임펠러가 워터소켓으로 유입되는 유체로부터 힘을 전달받기 최적화된 형상을 가지므로, 유량이 적을 때에도 정확한 계량이 가능한 수도 계량기를 제공하고자 한다.

또한, 유체 배출이 이루어지는 워터소켓 상부 노즐 개수가 유체 유입이 이루어지는 워터소켓 하부 노즐 개수보다 많이 형성되므로, 워터소켓 내부 압력이 높아지고 유체의 유속이 상승하여 임펠러의 회전이 보다 원활하게 이루어지고, 이러한 임펠러의 회전은 임펠러의 회전 수 측정을 이용하는 계량부의 유량 계측 정확도를 한층 향상시킬 수 있는 수도 계량기를 제공하고자 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 수도 계량기는, 유유체가 통과하는 통로를 형성하는 외부 하우징(100); 상기 외부 하우징(100) 내부에 결합되는 임펠러 케이스(200); 상기 임펠러 케이스(200) 내부에 수용되고, 외부 하우징(100)을 통과하는 유체에 의해 회전하는 임펠러(300); 상기 외부 하우징(100) 상측에 결합되고, 상기 임펠러(300)의 회전을 측정하여 유량을 산출 후 표시하는 계측부(400); 및 상기 외부 하우징(100) 입구부(110)에 결합되어 외부 하우징(100)으로 유체가 유입되는 유로 단면적을 줄이는 스트레이너(500);를 포함하고, 상기 스트레이너(500)는 반경방향 일측에 형성되는 개방부(510)와, 반경방향 타측에 형성되는 폐쇄부(520);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 임펠러 케이스(200)는 하측에 위치되고 물이 통과하는 노즐이 형성되는 워터소켓(210); 상기 워터소켓(210) 상측에 위치되고 상기 임펠러(300)의 회전축이 끼워지는 회전축 끼움홈이 형성되는 상부 케이스(220);를 포함하고, 상기 노즐은 워터소켓(210)의 하측에 형성되는 하부 노즐(211); 워터소켓(210) 상측에 형성되는 상부 노즐(212);을 포함하되, 상기 하부 노즐(211)의 개수가 상기 상부 노즐(212)의 개수보다 많게 형성되고, 상기 외부 하우징(100)은 외부 하우징(100)의 입구부(110)에 형성되어 유입되는 유체를 상기 하부 노즐(211)로 가이드 하는 제1 가이드 립(111); 외부 하우징(100)의 출구부(120)에 형성되어 상부 노즐(212)을 통해 배출된 유체가 출구부(120)를 통해 배출되는 통로를 형성하는 제2 가이드 립(121);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스트레이너(500)는, 직경의 표면적 100% 대비 상기 폐쇄부(520)의 표면적이 35%이고, 상기 입구부(110)에 270도 각도로 체결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 임펠러(300)는 임펠러 몸체(310); 상기 임펠러 몸체(310) 가장자리에 결합되는 블레이드(320); 상기 임펠러 몸체(310) 상측에 결합되는 회전축(330);을 포함하고, 상기 블레이드(320)는 상기 임펠러 케이스(200)를 통해 유입된 유체와 마주보는 정방향 일면(321)이 반지름을 65mm로 하는 원의 굴곡도와 동일한 굴곡도로 굴곡지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명인 수도 계량기는, 스트레이너가 유입되는 유체의 유속을 상승시킴과 더불어 유체가 워터소켓에 보다 안정적으로 공급될 수 있도록 가이드 가능하므로, 수도 계량이 보다 정확하게 이루어질 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 스트레이너에 유수면적 가변부재가 결합되어야 했던 종래의 수도 계량기와 다르게, 스트레이너만으로도 유체의 유속 및 이동방향을 조절 가능하므로, 장치의 생산공정을 단순화 가능할 뿐만 아니라, 제조단가 또한 낮출 수 있는 효과가 있다.

그리고, 실험을 통해 스트레이너의 용적률과 삽입 각도를 최적화하였으므로, 종래의 계량기와 비교하여 측정오차를 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한, 외부 하우징의 입구부에 제1 가이드 립을 형성하여 유입되는 유체가 워터소켓으로 원활하게 공급되므로, 유체 공급이 원활하게 이루어지지 않아 계량이 정확하게 이루어지지 않는 문제를 해결 가능한 효과가 있다.

또한, 임펠러가 워터소켓으로 유입되는 유체로부터 힘을 전달받기 최적화된 형상을 가지므로, 유량이 적을 때에도 정확한 계량이 가능한 효과가 있다.

또한, 유체 배출이 이루어지는 워터소켓 상부 노즐 개수가 유체 유입이 이루어지는 워터소켓 하부 노즐 개수보다 많이 형성되므로, 워터소켓 내부 압력이 높아지고 유체의 유속이 상승하여 임펠러의 회전이 보다 원활하게 이루어지고, 이러한 임펠러의 회전은 임펠러의 회전 수 측정을 이용하는 계량부의 유량 계측 정확도를 한층 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 수도 계량기를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명인 수도 계량기를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명인 수도 계량기를 나타낸 분해사시도.
도 4는 본 발명인 수도 계량기의 워터소켓 및 임펠러를 나타낸 평면도 및 측면도.
도 5는 본 발명인 수도 계량기를 통한 유체 이동을 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명인 수도 계량기의 외부 하우징 유입부를 나타낸 측면도.
도 7 내지 도 8은 본 발명인 수도 계량기의 스트레이너의 측면, 평면, 정면, 후면도.
도 9는 본 발명인 수도 계량기의 임펠러를 나타낸 평면도.
도 10은 본 발명인 수도 계량기의 외부 하우징과 임펠러 케이스 결합을 설명하기 위한 사시도.
도 11은 본 발명인 수도 계량기에 배터리가 결합된 것을 나타낸 사시도.
도 12 내지 도 30은 본 발명인 수도 계량기를 설명하기 위한 표, 그래프, 실험데이터.

본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수도 계량기(1000)에 관하여 설명하도록 한다.

도 1은 종래의 수도 계량기를 나타낸 단면도이고, 도 2은 본 발명인 수도 계량기를 나타낸 사시도이고, 도 3는 본 발명인 수도 계량기를 나타낸 분해사시도이고, 도 4는 본 발명인 수도 계량기의 워터소켓 및 임펠러를 나타낸 평면도 및 측면도 이고, 도 5은 본 발명인 수도 계량기를 통한 유체 이동을 나타낸 단면도이고, 도 6은 본 발명인 수도 계량기의 외부 하우징 유입부를 나타낸 측면도이고, 도 7 내지 도 8는 본 발명인 수도 계량기의 스트레이너의 측면, 평면, 정면, 후면도이고, 도 9은 본 발명인 수도 계량기의 임펠러를 나타낸 평면도이고, 도 10은 본 발명인 수도 계량기의 외부 하우징과 임펠러 케이스 결합을 설명하기 위한 사시도이고, 도 11는 본 발명인 수도 계량기에 배터리가 결합된 것을 나타낸 사시도이고, 도 12 내지 도 21은 본 발명인 수도 계량기를 설명하기 위한 표, 그래프, 실험데이터이다.

도 1 내지 도 11를 참조하면, 본 발명인 수도 계량기는 유체가 통과하는 통로를 형성하는 외부 하우징(100)과, 상기 외부 하우징(100) 내부에 결합되는 임펠러 케이스(200)와, 상기 임펠러 케이스(200) 내부에 수용되고, 외부 하우징(100)을 통과하는 유체에 의해 회전하는 임펠러(300)와, 상기 외부 하우징(100) 상측에 결합되고, 상기 임펠러(300)의 회전을 측정하여 유량을 산출 후 표시하는 계측부(400)와, 상기 외부 하우징(100) 입구부(110)에 결합되어 외부 하우징(100)으로 유체가 유입되는 유로 단면적을 줄이는 스트레이너(500)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 임펠러 케이스(200)는 하측에 위치되고 물이 통과하는 노즐과, 상기 임펠러(300)가 끼워지는 임펠러 끼움 바(B)가 형성되는 워터소켓(210)과, 상기 워터소켓(210) 상측에 위치되고 상기 임펠러(300)의 회전축이 끼워지는 회전축 끼움홈이 형성되는 상부 케이스(220)를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 계측부(400)는 유량을 산출 후 표시하는 계측수단(410)과, 상기 계측수단(410)을 상기 외부 하우징(100)에 결합하는 고정 케이스(420)를 포함할 수 있다.

상세히 설명하면, 사용되는 유체의 계량은 계측부(400)에서 외부 하우징(100)을 통과하는 유체에 의한 임펠러(300)의 회전수 또는 회전속도를 측정한 후, 측정된 회전수 또는 회전속도를 이용하여 유량을 산출하는 형태로 이루어진다.

이때, 워터소켓(210)의 임펠러 끼움 바(B)에 임펠러(300)가 공회전 가능하게 결합되어 워터소켓(210)을 통해 이동하는 유체에 의해 회전하면, 상기 상부 케이스(220)가 이러한 임펠러(300)의 회전축을 잡아 임펠러가 흔들리지 않고 공회전 가능하도록 하고, 상기 계측수단(410)이 임펠러(300)의 회전을 측정 후 저장된 함수값에 측정된 회전수 또는 회전속도를 적용하여 유량을 산출하는 것이다.

이러한 수도 계량이 보다 정확하게 이루어지기 위해서는, 유입되는 유체에 의한 임펠러(300)의 회전이 원활하게 이루어질 수 있어야 하고, 이러한 임펠러(300)의 회전은 외부 하우징(100) 입구부(110)와 출구부(120) 사이의 압력차, 입구부(110)와 워터소켓(210) 내부 압력차, 인가되는 유체에 대응하여 나타나는 임펠러(300)의 회전능력에 의해 결정되므로, 본 발명에서는 스트레이너(500), 외부 하우징(100), 워터소켓(210), 임펠러(300)의 형상을 최적화하여 보다 정확한 계량이 가능하도록 하였다.

도 7을 참조하면, 본 발명인 스트레이너(500)는 반경방향 일측에 형성되는 개방부(510)와, 반경방향 타측에 형성되는 폐쇄부(520)를 포함할 수 있다.

상세히 설명하면, 종래의 스트레이너(500)는 도 1에 도시된 바와 같이 측면 전체가 개방된 형상으로, 유속 및 유체의 방향을 조절할 수 없는 구조를 가지고 있어, 워터소켓(210)으로의 물 유입이 원활하게 이루어지지 않았고, 이러한 문제는 계량 오차를 야기하므로, 본 발명에서는 스트레이너(500)에 개방부(510)와 폐쇄부(520)를 형성하여, 통과하는 유체의 유속 및 이동 방향을 조절 가능하도록 한 것이다.

이러한 스트레이너(500)가 장착된 수도 계량기(1000)는 도 1에 도시된 측면이 모두 개방된 스트레이너 및 도 2에 도시된 유수면적 가변부재가 결합된 스트레이너를 사용하는 종래의 수도 계량기와 비교하여 월등한 계량 정확도를 가질 수 있다.

도 12의 표 1은 도 1에 도시된 측면이 모두 개방된 스트레이너를 사용한 수도 계량기의 지시오차를 측정한 데이터이고, 표 2는 도2에 도시된 유수면적 가변부재가 결합된 스트레이너를 사용하는 수도 계량기의 지시오차를 측정한 데이터이고, 도 13의 표 3은 측면이 모두 개방된 스트레이너를 사용한 수도 계량기와, 본 발명의 개방부와 폐쇄부가 형성된 스트레이너(500)를 사용한 수도 계량기의 비교 데이터이고, 표 4는 표 3을 기반으로 지시오차를 비교한 데이터이다.

이때, 표에 나타난 Q1 ~ Q3는 실험이 이루어지는 유속으로, 본 발명에서는 보다 정확한 데이터를 얻기 위하여 유속을 점직적으로 증가시키며 다양한 상황에서 실험을 진행하였고, 지시오차의 경우 아래 수학식 1)에 나타난 바와 같이 계량된 유체의 양과 실량 차이를 다시 실량으로 나눈 후 100을 곱하여 나온 수치이다.

수학식 1)

도 12의 표 1 내지 표2를 참조하면, 종래의 측면이 모두 개방된 스트레이너를 사용할 경우와, 유수면적 가변부재가 결합된 스트레이너를 사용할 경우 지시오차가 높게 나타나 불합격 비율이 높은 것을 확인할 수 있다.

상세히 설명하면, 측면이 모두 개방된 스트레이너의 경우 Q1 상황에서 지시오차 2.0이 초과되어 불합격 판정이 나오는 회수가 10회 시험에서 5회 발생하였고, Q2 상황에서 지시오차가 2.0이 초과되어 불합격 판정이 나오는 회수가 10회 시험 중 6회 발생하였고, Q3 상황에서 지시오차가 2.0이 초과되어 불합격 판정이 나오는 회수가 10회 시험중 2회 발생한 반면, 유수면적 가변부재가 결합된 스트레이너의 경우, 지시오차가 2.0이 초과되어 불합격 판정이 나오는 경우가 Q1 상황에서 1회, Q2 상황에서 3회, Q3 상황에서는 발생하지 않는 것임을 통해 유수면적 가변부재가 결합된 스트레이너가 월등한 효과를 가짐을 확인할 수 있는 것이다.

그리고, 도 13의 표 3과 표 4를 참조하면, 개방부와 폐쇄부가 형성된 본 발명의 스트레이너 사용 시 지시오차가 현저히 줄어들었음을 확인할 수 있다.

상세히 설명하면, 측면이 모두 개방된 종래의 스트레이너와, 본 발명인 개방부와 폐쇄부가 형성된 스트레이너를 장착한 수도 계량기의 성능을 비교할 경우, 물을 100L를 흘려보낼 시 지시오차가 1.54 대 1.22로 본 발명의 스트레이너가 0.32 적음을 확인할 수 있다.

그리고, 소류영역에서 물 10L를 흘려보낼 시 종래의 스트레이너가 장착된 수도 계량기의 지시오차가 ??0.2이고, 본 발명의 스트레이너를 장착한 수도 계량기의 지시오차가 ??0.17로 지시오차가 0.03 적음을 확인할 수 있다.

이러한 지시오차 차이는 대류영역에서 20%계측 정확도 상승, 소류 영역에서 15% 계측 정확도 향상을 나타내므로, 개방부와 폐쇄부가 형성된 본 발명의 스트레이너를 사용 시 종래의 측면이 모두 개방된 스트레이너를 사용할 경우와 비교하여 월등한 계측 정확도를 가짐을 확인할 수 있다.

이때, 상기 스트레이너(500)는 용적률이 35%로 형성되고, 외부 하우징(100)의 입구부(110)에 270도로 체결되고, 개방부에 형성된 배출홀(511)이 마름모 형상을 가질 시 보다 높은 계량 정확도를 얻을 수 있다.

용적률은 폐쇄부가 형성되며 줄어드는 개방부의 부피 또는 표면적을 나타내고 이러한 용적률 형성을 위해 폐쇄부(520)는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 하면이 좌우방향으로 연장 형성된 임의의 선과 약 35도의 각도를 가지는 것을 권장하고, 체결각도 및 배출홀 단면형상은 외부 하우징(100) 및 워터소켓(210)의 노즐과 연관되어 있으므로, 체결각도 및 배출홀 단면형상에 관해서는 이하에서 외부 하우징 및 워터소켓과 함께 설명하도록 한다.

도 4 내지 도 5을 참조하면, 상기 워터소켓(210)은 상기 임펠러 케이스(200)의 하측에 형성되는 하부 노즐(211)과, 임펠러 케이스(200)의 상측에 형성되는 상부 노즐(212)을 포함할 수 있다.

상세히 설명하면 도 5에 도시된 바와 같이 유입부(110)를 통해 유입된 유체가 하부 노즐(211)로 유입되어, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 워터소켓(210) 내부에 수용된 임펠러(300)를 회전시킨 후 상부 노즐(212)을 통해 배출될 수 있도록 한 것이다.

이때, 상기 노즐(212)은 하부 노즐(211)의 개수를 상부 노즐(212)보다 많게 형성하는 것을 권장하고, 보다 정확하게는 하부 노즐(211)을 8개로, 상부 노즐(212)을 4개로 서로 2배 차이나게 형성할 경우, 유입된 유체가 가속되도록 할 수 있으며, 이러한 실험 데이터는 도 14의 유동해석 결과를 통해 확인할 수 있다.

즉, 도 14의 유동해석 결과는 하부노즐이 12개 형성되고 상부 노즐이 6개 형성되었던 기존의 워터소켓을, 8개의 하부노즐과 4개의 상부 노즐이 형성된 형태로 개량한 워터소켓의 유동해석으로, 하부 노즐의 개수가 상부 노즐의 개수보다 2배로 형성되어 유체가 내부로 들어왔을 때 순간속력이 가속되도록 한 것이다.

다시한번 설명하면, 워터소켓을 통한 유체의 이동은 물의 배출이 이루어지는 워터소켓의 상부 노즐(212)과 하부 노즐(211)의 압력차이가 커질수록 원활하게 이루어질 수 있다.

따라서, 상부 노즐(212)의 개수를 하부 노즐(211)의 개수보다 많게하여, 상부 노즐(212)의 압력을 하부 노즐(211)의 압력보다 낮춰줌으로써, 워터소켓을 통한 유체의 이동이 원활하게 이루어질 수 있도록 한 것이다.

이때, 하부 노즐(211)과 상부 노즐(212)의 압력차는 하부 노즐(211)의 개수가 줄어들고 상부 노즐(212)의 개수가 늘어날수록 커지고, 압력차가 커질수록 워터소켓의 내부압력이 높아지고 상부 노즐(212)을 통해 배출되는 유체의 유속이 증가하게되며, 본 발명에서는 실험을 통해 이러한 효과가 하부 노즐(211)과 상부 노즐(212)의 개수가 2배 차이를 가질 시 극대화됨을 확인하였고, 이에따라 워터소켓에 하부 노즐(211)을 4개 그리고 상부 노즐(212)을 8개로 형성하는 것을 권장한다.

그리고, 상기 노즐(212)의 표면적이 길어질수록 유체의 저항값이 줄어 보다 원활한 유체 유입과 배출이 이루어질 수 있고, 이러한 표면적은 종래의 기존 워터소켓 표면적이 가로 5mm, 세로 5mm일 때와 비교하여, 가로가 13mm 세로가 8mm일 때 보다 효과적인 유체 이동이 이루어짐을 확인할 수 있었으며, 이는 하부 노즐 개수를 점진적으로 늘리고, 노즐의 표면적을 점진적으로 늘리는 실험을 통해 도출한 도 15 내지 17의 1~ 10차의 워터소켓 성능 테스트 결과를 나타낸 표와, 도 18에 도시된 1~10차 테스트 총괄표를 통해 확인할 수 있다.

아울러, 상기 워터소켓(210)의 하부 노즐(211)은 유입되는 유체가 일정한 방향성을 가지고 흐를 수 있게 경사지게 형성되는 것이 권장되고, 일 실시예로 유입되는 유체가 역방향(시계 반대방향)으로 흐르거나, 유입되는 유체가 정방향(시계방향)으로 흐르도록 경사지게 형성될 수 있으며, 이러한 유체의 흐름을 만들기 위해 동 평면상에 위치된 노즐의 경사는 일정하게 이루어지는 것이 권장된다.

도 5 내지 도 6을 참조하면, 상기 외부 하우징(100)은 입구부(110)에 형성되어 유입되는 유체를 상기 하부 노즐(211)로 가이드하는 제1 가이드 립(111)과, 외부 하우징(100)의 출구부(120)에 형성되어 상부 노즐(212)을 통해 배출된 유체가 출구부(120)를 통해 배출되는 통로를 형성하는 제2 가이드 립(121)을 포함할 수 있다.

상세히 설명하면, 워터소켓(210)으로의 유체 유입 및 배출이 원활하게 이루어지기 위해서는, 유입되는 유체와 배출되는 유체의 경로를 경확하게 가이드할 필요가 있으므로, 입구부와 출구부에 제1 가이드 립(111)과 제2 가이드 립(121)을 형성하여, 유체가 설계된 방향으로 정확하게 이동할 수 있도록 한 것이다.

이때, 워터소켓(210)에 형성되는 하부 노즐(211)로 유체의 유입이 보다 원활하게 이루어질 수 있도록, 상기 제1 가이드 립(111)은 유입부(110) 내부에 형성된 유로의 1/4만 개방하는 것을 권장하고, 개방되는 위치는 워터소켓(210)에 형성된 노즐이 유입되는 유체가 반시계 방향으로 회전하도록 형성될 경우, 유입부(110)의 우측 하단일 수 있다.

우측 하단은 도 6에 도시된 바와 같이 유입부(110) 유로를 좌측 상단에 위치된 제1 영역(S1), 우측 상단에 위치된 제2 영역(S2), 좌측 하단에 위치된 제3 영역(S3), 우측 하단에 위치된 제4 영역(S4)으로 구분하였을 시 제4 영역(S4)을 나타낸다.

상기 제4 영역(S4)으로 유체 유입이 원활하게 이루어질 수 있도록 상기 스트레이너(500)의 삽입 각도가 270도로 이루어지는 것을 권장하고, 삽입각도에 따른 효과는 도 19에 도시된 그래프 1과, 도 20에 도시된 표 11 및 도 21에 도시된 표 12를 통해 확인할 수 있다.

상세히 설명하면, 워터소켓(210)으로의 유체 유입이 원활하게 이루어질수록 원터소켓(210) 내부 압력이 높아지므로, 스트레이너(500)의 삽입 각도를 바꿔가며 실험을 진행하여, 워터소켓(210) 내부 압력이 높아지는 각도를 찾아낸 것이다.

이때, 특정 구간에서의 임계치는 90도로 삽입할 경우가 높을 수 있으나, 스트레이너(500)를 90도로 삽입할 경우 워터소켓(210)으로의 유체 유입이 안정적으로 이루어지지 않는 것이 확인되었으므로, 압력이 높아짐과 동시에 압력이 안정적으로 측정되는 270도 삽입을 가장 권장한다.

다시한번 설명하면, 최대 유량(Q3)에서 스트레이너의 용적량을 15%, 25%, 35%, 45%로, 스트레이너 삽입 각도를 0도, 90도, 135도, 180도, 270도로 바꿔가며 실험을 진행하면, Center 압력(MPa)이 스트레이너 삽입각도 90도 및 용적량 35%에서 0.623MPa로 최고치를 가짐을 확인할 수 있다.

그러나, 추가실험 결과 스트레이너를 90도로 삽입 시 최소 유량에서는 전체적으로 합격 범위 내의 기차값을 나타내지만, 최대 유량에서는 스트레이너를 270도로 삽입할 경우 월등하게 안정적인 값을 나타남이 확인되었으므로, 스트레이너의 삽입각도는 270도로, 그리고 스트레이너의 용적량은 35%인 것이 가장 권장하는 것이다.

용적량이 35%로 결정된 이유는, 안정성 검증을 위해서 시료의 합격 유량 측정 오차가 최소 유량에서 5% 이내로, 최대 유량에서 2% 이내로 이루어져야 하며, 실험을 통해 용적량이 25%일 경우와 용적량이 35%일 경우 기차 평균값이 안정적으로 나타남이 확인되고, 기차 평균값이 용적량이 25%일 경우기차값이 Q1에서 0.3%, Q2에서 0.1%, Q3에서 0.18%고, 용적량이 35%일 경우 Q1에서 1%, Q2에서 0.3%, Q3에서 0.67%로, 용적량이 25%일 경우 기차 평균값이 더 낮게 나타났지만, 스트레이너의 경우 연질의 소재로 동파 시 물의 부피팽창을 흡수해야하므로 용적량이 35%로 형성되는 것을 보다 권장하는 것이다.

아울러, 각도에 따른 압력 분포 변화는 도 22 및 도 23에 도시된 최소 유량에서의 압력측정 데이터와, 최고 유량에서의 압력측정 데이터를 통해서도 확인할 수 있다.

위에서 설명한, 표에서 나타난 입구 압력은 입구부(110)을 나타내고, 출구 압력은 출구부(120)의 압력을, 그리고 Center 압력은 워터소켓(210) 내부 압력을 나타낸다.

그리고, 위의 각도는 도 6과 같이 배치된 입구부(110)에 도 9의 (a)와 같이 스트레이너(500)를 삽입하였을 시를 0도, 도 8의 (b)와 같이 삽입하였을 시를 90도, 도 8의 (c )와 같이 삽입하였을 시를 180도, 도 8의 (d)와 같이 삽입하였을 시를 270도로 나타낸 값이다.

도 7을 참조하면, 상기 스트레이너(500)는 개방부(510)에 두께방향으로 천공되는 복수개의 유체 배출홀(511)이 형성되고, 상기 유체 배출홀(511)이 마름모 형상의 단면을 가지는 것을 권장한다.

상세히 설명하면, 상기 유체 배출홀(511)의 단면 형상은 도 24에 도시된 바와 같이 원형, 직사각형, 삼각형, 마름모 등 다양한 형상일 수 있으나, 도 25의 표 13, 도 26의 표 14, 도 27의 그래프 2에 나타난 바와 같이, 유체 배출홀(511)이 마름모 형상을 가질 경우 워터소켓(210) 내부 압력과 유속이 가장 높게 나타나므로, 임펠러(300) 회전이 원활하게 이루어져 계량이 보다 정확하게 이루어질 수 있는 것이다.

다시한번 설명하면, 스트레이너가 270도로 삽입되고 유체 배출홀(511)이 원형 형상일 경우 Center 압력이 0.51148MPa, 유속이 29.7515m/s로 나타나고, 유체 배출홀(511)이 직사각형 형상일 시 Center 압력이 0.551043MPa, 유속이 31.9632로 나타나고, 유체 배출홀(511)이 삼각형 형상일 시 Center 압력이 0.577739MPa, 유속이 26.3011m/s로 나타나고, 유체 배출홀(511)이 마름모 형상일 시 압력이 0.591965Mpa로, 유속이 25.5684m/s로 나타나기 때문에, 압력의 경우 마름모 형상일 경우가 가장 높고, 유속의 경우 사각형상일 경우 가장 크게 나타났지만, 그래프 2를 참조하면 마름모 형상일 경우가 사각형상일 경우보다 유속이 크고 안정적으로 나타나는 것이 확인되었을 뿐만 아니라, 도 23 및 24에 도시된 바와 같이 전산유체프로그램(NFX)를 통해 나타난 유동해석을 통해 살펴보면 마름모 형상일 경우가 가장 높은 압력인 것으로 확인되므로, 유체 배출홀(511)이 마름모 형상인 것을 권장한다.

이때, 표 상에서 Cneter로 표현된 워터소켓(210) 내부 압력과 유속이 가장 높아지기 위해서는, 유체 배출홀(511)이 마름모 형상을 가짐과 동시에, 위에서 설명한 바와 같이 스트레이너(500)가 외부 하우징(100)의 유입부(110)에 270도로 삽입되어야 함은 물론이다.

도 2 및 도 9를 참조하면, 상기 임펠러(300)는 임펠러 몸체(310)와, 상기 임펠러 몸체(310) 가장자리에 결합되는 블레이드(320)와, 상기 임펠러 몸체(310) 상측에 결합되는 회전축(330)을 포함하고, 상기 블레이드(320)는 상기 임펠러 케이스(200)를 통해 유입된 유체와 마주보는 정방향 일면(321)이 굴곡지게 형성되는 것을 권장한다.

상세히 설명하면, 블레이드(320)를 워터소켓(210)의 노즐을 통해 유입된 유체와 먼저 접하는 방향으로 굴곡지게 형성하여, 유체가 이동하는 힘에 의해 임펠러(300) 회전이 보다 원활하게 이루어질 수 있도록 한 것이다.

이때, 상기 블레이드(320)는 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이 측면이 곧게 형성될 경우와 비교하여, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 굴곡지게 형성될 경우 현저한 효과를 가질 수 있으며, 이러한 효과는 도 29 내지 도 31에 도시된 표 15 내지 표 17을 통해 확인할 수 있다.

상세히 설명하면, 임펠러(300)의 블레이드(320) 굴곡도를 반지름을 60mm로 하는 원의 굴곡도와 동일한 형태에서, 반지름을 65mm, 70mm, 75mm로 하는 원의 굴곡도와 동일한 형태로 점진적으로 굴곡도를 높여서 실험한 결과, 반지름을 65mm로 하는 원(C)의 굴곡도와 동일한 굴곡도를 가질 시 오차가 줄어들고 정밀도가 높아지는 것이 확인되었으므로, 임펠러(300)의 굴곡도를 반지름이 63mm 내지 68mm인 원의 굴곡도와 동일한 굴곡도를 가지도록 설계하는 것을 권장하는 것이다.

이때, 실험은 유속을 Q1 ~ Q3로 점진적으로 향상시키며 10L의 물을 흘려보내는 방식으로 이루어지고, 총 3회에 의해 이루어졌으며, 굴곡도를 반지름이 65mm인 원과 동일한 굴곡도로 형성 시 1차 실험 Q1/Q2/Q3에서의 정밀도 및 오차는 0.92, 9.2%/ 0.1, 1%/ 1.71,1.71%로 나타났고, 2차 실험 Q1/Q2/Q3에서의 정밀도 및 오차는 0.92, 9.2%/ -0.09, 0.9%/ 1.78,1.78%로 나타났고, 3차 실험 Q1/Q2/Q3에서의 정밀도 및 오차는 0.21, 2.1%/ -0.1, 1%/ 1.78,1.78%로 나타남을 확인할 수 있었다.

도 10을 참조하면, 본 발명인 수도 계량기(1000)는 원기둥 형상의 핀(600)을 더 포함하고, 상기 외부 하우징(100)은 내면과 상기 임펠러 케이스(200)의 외면에 서로 대응되는 제1 핀 끼움홈(101)과 제2 핀 끼움홈(201)이 서로 마주보게 형성될 수 있다.

상세히 설명하면, 유체에서 전달되는 힘에 의해 임펠러 케이스(200) 및 케이스(200)에 결합된 계측부(400)가 회전하는 문제가 발생할 수 있으므로, 핀(600)을 이용해 외부 하우징(100)과 임펠러 케이스(200)를 체결하여, 임펠러 케이스(200)가 회전하는 것을 제한하여 준 것이다.

도 11을 참조하면, 본 발명인 수도 계량기(1000)는 상기 계측부(400)로 전기를 공급하는 배터리(700)를 더 포함할 수 있다.

상세히 설명하면, 상기 계측부(400)의 경우 임펠러(300)의 회전수를 측정하고, 측정된 회전수를 이용하여 유량을 산출 후, 산출된 유량을 디스플레이장치를 통해 표시하여야 하므로, 상기 배터리(700)를 통해 전기를 공급하여 계측부(400)가 장시간 작동될 수 있도록 한 것이다.

이러한, 계측부(400)는 각 수도 계량기(1000)의 계측량을 직관적으로 볼 수 있어 각 가정의 계측량을 검침할 수 있고, 도면 상에는 도시되지 않았지만, 각각의 가정에 설치된 수도 계량기(1000)의 계측부(400)는 중앙 관리실에 설치된 관제수단과 연결될 수 있고, 이러한 관제수단은 각각의 가정에서 사용되는 물의 계측량에 관한 정보를 관리자에게 제공하여, 관제수단을 통해 다양한 가정의 계측량을 수집하여 일괄점검할 수 있음에 따라 물 관리가 보다 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : 외부 하우징 101 : 제1 핀 끼움홈
110 : 입구부 111 : 제1 가이드 립
120 : 출구부 121 : 제2 가이드 립
200 : 임펠러 케이스 201 : 제2 핀 끼움홈
210 : 워터소켓 211 : 하부 노즐
212 : 상부 노즐 220 : 상부 케이스
300 : 임펠러 310 : 임펠러 몸체
320 : 블레이드 321 : 정방향 일면
330 : 회전축
400 : 계측부
500 : 스트레이너 510 : 개방부
511 : 유체 배출홀 520 : 폐쇄부
600 : 핀 700 : 배터리

Claims (4)

1. 유체가 통과하는 통로를 형성하는 외부 하우징(100);
   상기 외부 하우징(100) 내부에 결합되는 임펠러 케이스(200);
   상기 임펠러 케이스(200) 내부에 수용되고, 외부 하우징(100)을 통과하는 유체에 의해 회전하는 임펠러(300);
   상기 외부 하우징(100) 상측에 결합되고, 상기 임펠러(300)의 회전을 측정하여 유량을 산출 후 표시하는 계측부(400); 및
   상기 외부 하우징(100) 입구부(110)에 결합되어 외부 하우징(100)으로 유체가 유입되는 유로 단면적을 줄이는 스트레이너(500);를 포함하고,
   상기 스트레이너(500)는 반경방향 일측에 형성되는 개방부(510)와, 반경방향 타측에 형성되는 폐쇄부(520);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수도 계량기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 임펠러 케이스(200)는 하측에 위치되고 물이 통과하는 노즐이 형성되는 워터소켓(210);
   상기 워터소켓(210) 상측에 위치되고 상기 임펠러(300)의 회전축이 끼워지는 회전축 끼움홈이 형성되는 상부 케이스(220);를 포함하고,
   상기 노즐은 워터소켓(210)의 하측에 형성되는 하부 노즐(211);
   워터소켓(210) 상측에 형성되는 상부 노즐(212);을 포함하되,
   상기 하부 노즐(211)의 개수가 상기 상부 노즐(212)의 개수보다 많게 형성되고,
   상기 외부 하우징(100)은 외부 하우징(100)의 입구부(110)에 형성되어 유입되는 유체를 상기 하부 노즐(211)로 가이드 하는 제1 가이드 립(111);
   외부 하우징(100)의 출구부(120)에 형성되어 상부 노즐(212)을 통해 배출된 유체가 출구부(120)를 통해 배출되는 통로를 형성하는 제2 가이드 립(121);을 포함하는 것을 특징으로 하는 수도 계량기.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 스트레이너(500)는,
   직경의 표면적 100% 대비 상기 폐쇄부(520)의 표면적이 35%이고,
   상기 입구부(110)에 270도 각도로 체결되는 것을 특징으로 하는 수도 계량기.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 임펠러(300)는 임펠러 몸체(310);
   상기 임펠러 몸체(310) 가장자리에 결합되는 블레이드(320);
   상기 임펠러 몸체(310) 상측에 결합되는 회전축(330);을 포함하고,
   상기 블레이드(320)는 상기 임펠러 케이스(200)를 통해 유입된 유체와 마주보는 정방향 일면(321)이 반지름을 65mm로 하는 원의 굴곡도와 동일한 굴곡도로 굴곡지게 형성되는 것을 특징으로 하는 수도 계량기.