KR20240058006A - 교반용 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내축에 패들 날개와 앵커 날개가 설치되고 외축에 헬리컨 날개가 설치되는 구조로 이루어짐으로써, 교반 시간과 소비 전력이 감소되고 교반 성능이 향상될 수 있는 교반용 임펠러에 관한 것이다.

Description

교반용 임펠러{IMPELLER FOR STIRRING}

본 발명은 교반용 임펠러에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 내축에 패들 날개와 앵커 날개가 설치되고 외축에 헬리컨 날개가 설치되는 구조로 이루어짐으로써, 교반 시간과 소비 전력이 감소되고 교반 성능이 향상될 수 있는 교반용 임펠러에 관한 것이다.

교반 기술은 화학분야뿐만 아니라 화장품, 제약, 전자재료, 식품, 제지, 원유채굴, 수처리 등 다양한 산업에서 핵심공정기술로 여겨지며 산업에서 사용되는 유체로는 고점도 유체나 특히 항복응력을 가지는 점소성유체가 사용되는 경우가 자주 있다.

특히, 이차전지 활물질의 슬러리는 점도가 높아 교반이 어려운 바, 이를 교반하기 위해 현재 PD믹서(Planetary Disper Mixer)가 사용되는데, 이에 적용되는 헬리컬 형상의 임펠러는 시스템 전체에 높은 에너지 소산율을 요하고, 비교반영역의 크기가 크기 때문에 교반시간이 길고, 효율적인 교반을 수행하지 못하는 문제가 있다.

한국 등록특허 제10-1915413호(2018.10.30. 등록)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 내축에 패들 날개와 앵커 날개가 설치되고 외축에 헬리컨 날개가 설치되는 구조로 이루어짐으로써, 교반 시간과 소비 전력이 감소되고 교반 성능이 향상될 수 있는 교반용 임펠러를 제공하기 위한 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 예에 따른 교반용 임펠러는, 용기 내의 유체를 교반하기 위한 임펠러로서, 상기 용기의 내부에 상하방향으로 배치되는 내축; 및 상기 내축을 둘러싸도록 배치되는 외축;을 포함하고, 상기 내축에는, 상기 내축의 길이방향을 따라 수평방향으로 배치되는 패들 날개와, 상기 내축의 하단에 수평방향으로 배치되어 상기 용기의 바닥면과 근접하게 배치되는 앵커 날개가 설치되며, 상기 외축에는, 상기 패들 날개와 앵커 날개를 둘러싸도록 배치되어 상기 용기의 내벽면과 근접하게 배치되는 헬리컬 날개가 설치될 수 있다.

상기 내축과 외축이 반대 방향으로 회전하여, 상기 내축에 설치된 상기 패들 날개와 앵커 날개는 제1 방향으로 회전하고, 상기 외축에 설치된 상기 헬리컬 날개는 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 회전하도록 구성될 수 있다.

상기 헬리컬 날개는 본체부와 상기 본체부의 하부에 위치하는 바닥부를 포함하고, 상기 헬리컬 날개의 바닥부는 적어도 일부가 상기 앵커 날개와 수평방향으로 동일선상에 위치할 수 있다.

상기 헬리컬 날개의 바닥부와 상기 앵커 날개 사이에서 상기 유체 내 고형물이 분쇄될 수 있다.

상기 헬리컬 날개의 바닥부와 상기 앵커 날개 사이의 최소 간격은, 상기 유체 내 고형물의 유효 직경 이내로 형성될 수 있다.

상기 앵커 날개의 수평방향 외측 단부면은 수직하게 형성되고, 상기 헬리컬 날개의 바닥부 중 상기 앵커 날개의 수평방향 외측 단부면에 대향하는 외측 단부면은, 적어도 일부분이 수직하게 형성될 수 있다.

상기 용기의 바닥면과 상기 앵커 날개 사이에서 상기 유체 내 고형물이 분쇄될 수 있다.

상기 앵커 날개는, 중심부로부터 수평방향 외측으로부터 갈수록 상기 용기의 바닥면으로부터 상기 앵커 날개의 하단면까지의 거리가 커지도록, 상기 앵커 날개의 하단면이 상승하는 구조로 이루어질 수 있다.

상기 앵커 날개의 하단면 중, 수평방향 외측 단부와 중심부의 높이 차이는, 상기 유체 내 고형물의 유효 직경 이내로 형성될 수 있다.

상기 헬리컬 날개의 바닥부는, 상기 유체가 상기 헬리컬 날개를 따라 상승할 수 있도록, 회전방향에 대해 소정 각도 기울어지게 형성될 수 있다.

상기 헬리컬 날개는, 상기 헬리컬 날개의 외측면과 상기 용기의 내벽면 사이의 간격이 상기 유체 내 고형물의 유효 직경 이내가 되도록 상기 용기의 내벽면으로부터 소정 이격 배치될 수 있다.

상기 패들 날개 중 상기 내축으로부터 일방향으로 연장된 부분을 일측 날개라 하면, 상기 일측 날개는 판상으로 형성되며, 상기 유체를 하강시키도록 회전방향에 대해 소정 각도 기울어지게 형성될 수 있다.

상기 헬리컬 날개는 상기 용기 내에 유체의 상승 흐름을 형성하고, 상기 패들 날개는 상기 용기 내에 유체의 하강 흐름을 형성할 수 있다.

상기 패들 날개 중 상기 내축으로부터 일방향으로 연장되는 부분을 일측 날개라하면, 상기 일측 날개는, 상기 내축으로부터 연장방향을 따라 일 지점까지 형성되는 판상의 중심부와, 상기 중심부의 외측에 형성되는 판상의 외곽부를 포함하고, 상기 중심부는 상기 유체를 하강시키도록 회전방향에 대해 소정 각도 기울어지게 형성되고, 상기 외곽부는 상기 유체를 상승시키도록 상기 중심부와 반대 방향으로 기울어지게 형성될 수 있다.

상기 헬리컬 날개와 상기 패들 날개의 상기 외곽부는 상기 용기 내에 유체의 상승 흐름을 형성하고, 상기 패들 날개의 상기 중심부는 상기 용기 내에 유체의 하강 흐름을 형성할 수 있다.

상기 중심부의 기울기와 상기 외곽부의 기울기는, 서로 동일하거나, 서로 상이하게 구성될 수 있다.

상기 중심부의 수평방향 길이는, 상기 일측 날개의 전체 수평방향 길이의 0.80 내지 0.85 배이고, 상기 외곽부의 수평방향 길이는, 상기 일측 날개의 전체 수평방향 길이의 0.15 내지 0.20 배며, 상기 중심부의 수평방향 길이는, 상기 용기의 반경의 0.55 내지 0.60 배일 수 있다.

상기 패들 날개에는 상기 패들 날개를 관통하는 관통홀이 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.

상기 관통홀은 수평방향으로 연장된 라인 형태로 형성되며, 상기 관통홀의 상하방향 폭은, 상기 유체 내 고형물의 유효 직경의 2배 이내로 형성될 수 있다.

상기 교반용 임펠러는 상기 유체를 해중합하기 위한 것일 수 있다.

상기 앵커 날개의 양단에는 상기 헬리컬 날개 바닥부의 내측면을 따라 일정 갭을 형성하도록 돌출되는 돌출 플레이트가 형성될 수 있다.

상기 돌출 플레이트는 상기 헬리컬 날개 바닥부와 평행 또는 교차형태로 부착되며, 상기 돌출 플레이트의 설치 각도 또는 헬리컬 날개 바닥부와 마주보는 길이 변화를 통해 상기 헬리컬 날개 바닥부와의 교차면적을 조정할 수 있다.

본 발명에 의하면 교반 시간과 소비 전력이 감소되고 교반 성능이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명은 해중합에 최적화된 임펠러 구조를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 임펠러를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 내축에 설치된 패들 날개와 앵커 날개를 분리하여 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에서 외축에 설치된 헬리컬 날개를 나타낸 분리하여 나타낸 도면이다.
도 4는 앵커 날개를 분리하여 나타낸 도면이다.
도 5는 헬리컬 날개를 다시 나타낸 도면이다.
도 6은 임펠러의 일부를 다시 나타낸 도면이다.
도 7은 헬리컬 날개 바닥부와 앵커 날개를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 8은 헬리컬 날개 바닥부의 다양한 실시 형태를 나타낸 도면이다.
도 9는 헬리컬 날개 바닥부를 분리하여 나타낸 도면이다.
도 10은 용기의 바닥 부분에서의 유체의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 용기 내 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따른 용기 내 유체의 플로우 패턴을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 용기 내 유체의 속도장을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 임펠러를 나타낸 도면이다.
도 15는 도 14에서 내축에 설치된 패들 날개와 앵커 날개를 분리하여 나타낸 도면이다.
도 16, 17은 도 15에서 패들 날개를 분리하여 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 용기 내 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 용기 내 유체의 플로우 패턴을 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 용기 내 유체의 속도장을 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명의 제3 실시예에 따른 임펠러를 나타낸 도면이다.
도 22는 도 21에서 내축에 설치된 패들 날개와 앵커 날개를 분리하여 나타낸 도면이다.
도 23, 24는 도 22에서 패들 날개를 분리하여 나타낸 도면이다.
도 25는 본 발명의 제3 실시예에 따른 용기 내 유체의 플로우 패턴을 나타낸 도면이다.
도 26은 본 발명의 제3 실시예에 따른 용기 내 유체의 속도장을 나타낸 도면이다.
도 27은 타겟 균일도에 도달할때까지 소요되는 교반 시간을 나타낸 것이다.
도 28은 모터의 소비전력을 나타낸 것이다.
도 29는 패들 날개의 각도 변화에 따른 교반 성능과 모터 소비전력을 나타낸 것이다.
도 30은 본 발명의 제4 실시예에 따는 헬리컬 날개와 앵커 날개를 나타낸 도면이다.
도 31은 도 30의 A부분의 확대도이다.
도 32는 본 발명의 제4 실시예에 따는 헬리컬 날개의 돌출 플레이트의 설치 각도를 예시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

본 발명은 용기의 내부에 설치되어 용기 내부의 유체(즉, 교반 대상물)를 교반하는 교반용 임펠러에 관한 것이다. 유체는 폴리머(예를 들어, PET, PA, PU 등)일 수 있고, 본 발명의 임펠러는 해당 폴리머를 해중합(Depolymerization) 하기 위한 해중합 교반용 임펠러일 수 있다. 그리고, 본 발명은 이러한 해중합에 최적화된 임펠러 구조를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 임펠러를 나타낸 도면으로서, 본 발명의 임펠러(10)는 크게 내축(11)과 외축(12)을 포함하고, 내축(11)에는 패들 날개(100)와 앵커 날개(200)가 설치되고, 외축(12)에는 헬리컬 날개(300)가 설치되는 구조로 이루어진다. 용기(20)는 내부에 유체를 수용하여 교반시키는 장소로서, 도시된 바와 같이 대략 원통 형태로 형성될 수 있다.

도 2는 도 1에서 내축에 설치된 패들 날개와 앵커 날개를 분리하여 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1에서 외축에 설치된 헬리컬 날개를 나타낸 분리하여 나타낸 도면이다.

내축(11)은 용기의 내부에 상하방향(또는 수직방향)으로 배치된다. 내축(11)은 모터와 같은 구동부로부터 동력을 전달받아 회전하는 회전축에 해당한다. 내축(11)은 예를 들어, 도 2와 같이 일종의 일자 샤프트로 구성되어, 용기의 내부 중앙에 설치될 수 있다.

외축(12)은 내축(11)과 동심으로 배치된다. 외축(12) 또한 구동부로부터 동력을 전달받아 회전하는 회전축에 해당한다. 외축(12)은 예를 들어, 도 3과 같이 상부에 링이 형성되고 하부에 대략 사각 형태의 구조물이 연결된 구조로 이루어질 수 있으며, 내축(11)과 동심을 이루도록 내축(11)을 기준으로 대칭 구조로 이루어질 수 있다. 외축(12)은 내부에 내축(11)을 수용하면서, 상술한 사각 형태의 구조물이 용기(20)의 내벽면에 근접하게 형성될 수 있다.

본 실시예에서, 내축(11)과 외축(12)은 서로 반대 방향으로 회전되도록 구성될 수 있다. 이와 같이 내축(11)과 외축(12)이 반대 방향으로 회전됨에 따라, 내축(11)에 설치된 패들 날개(100)와 앵커 날개(200)는 제1 방향으로 회전되고, 외축(12)에 설치된 헬리컬 날개(300)는 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 회전된다. 이는 후술하는 임펠러 날개들, 즉 패들 날개(100), 앵커 날개(200), 헬리컬 날개(300)의 구조적 특징과 결합되어, 용기 내 유체의 순환 및 고형물 생성 방지 등에 유리한 이점을 제공할 수 있다.

내축(11)과 외축(12)의 회전 속도는 서로 동일하거나 상이하게 설정될 수 있다. 내축(11)과 외축(12)은 각각 상술한 바와 같이 구동부로부터 동력을 전달받아 회전하는데, 이때 내축(11)과 외축(12)은 각각 별개의 모터로부터 별개로 동력을 전달받도록 구성되거나, 또는 기어박스 등을 통해 하나의 모터로부터 생성되는 동력을 각각이 분배받도록 구성될 수 있다.

도 2를 다시 참조하면, 내축(11)에는 패들 날개(100)와 앵커 날개(200)가 설치된다.

우선, 패들 날개(100)에 대해 살펴보면 다음과 같다.

패들 날개(100)는 피치 패들(Pitched Paddle) 임펠러에 해당한다. 패들 날개(100)는 내축(11)의 길이방향을 따라 내축(11)에 수평방향(또는 반경방향)으로 설치된다. 패들 날개(100)는 내축(11)으로부터 반경방향 일측과 타측으로 각각 연장된 구조로 이루어지며, 전체적으로 판상의 구조로 이루어진다.

패들 날개(100)는 용기 내 유체의 하강 흐름을 형성한다. 즉, 용기 내 유체의 하강 흐름은 주로 패들 날개(100)에 의해 형성된다. 이를 위해, 패들 날개(100)는 유체를 하강시키도록 회전방향에 대해 소정 각도 기울어지게 형성된다.

보다 구체적으로, 패들 날개(100) 중 내축(11)으로부터 일방향으로 연장된 부분을 일측 날개(100A)라 하면, 일측 날개(100A)는 판상으로 형성되어, 회전방향에 대해 기울기를 가지도록 설치된다. 그리고, 패들 날개(100) 중 내축(11)으로부터 타방향으로 연장된 부분을 타측 날개(100B)라 하면, 타측 날개(100B) 또한 판상으로 형성되어 회전방향에 대해 기울기를 가지도록 설치된다. 일측 날개(100A)와 타측 날개(100B)는 내축(11)을 기준으로 대칭구조를 가져, 서로 동일한 크기와 형태로 형성될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 일측 날개(100A)만을 기준으로 설명하도록 한다.

패들 날개(100), 즉 일측 날개(100A)가 기울어진 정도는 수평면을 기준으로 45°로 형성되는 것이 바람직하며, 다만 이에 한정되지 않고 15 내지 75° 내에서 적절히 설계변경될 수 있다.

패들 날개(100)는 다수개로 구성될 수 있으며, 각각의 패들 날개(100)는 내축(11)의 길이방향을 따라 서로 이격배치될 수 있다. 이때, 각각의 패들 날개(100)는 서로 연장되는 방향이 상이하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2와 같이, 제1 패들 날개(100-1)는 제1 방향으로 배치되고, 제2 패들 날개(100-2)는 제1 방향과 상이한 제2 방향, 즉 제1 패들 날개(100-1)와 수직한 방향으로 배치될 수 있다. 나아가, 제3 패들 날개(100-3)는 제2 패들 날개(100-2)와 수직한 방향으로 배치될 수 있으며, 도시하지는 않았으나 이외에도 이러한 배열 구조가 반복되도록 패들 날개(100)가 추가로 설치될 수 있다. 패들 날개(100)의 수를 조절하여 용기 내 유체의 하강 흐름의 세기나 정도를 조절할 수 있다.

다음으로, 앵커 날개(200)에 대해 살펴보면 다음과 같다. 앵커 날개(200)는 앵커 패들(Anchor Paddle) 임펠러(10)에 해당한다. 앵커 날개(200)는 내축(11)의 하단에 수평방향으로 설치되어 용기의 바닥면에 근접하게 배치된다. 앵커 날개(200)는 내축(11)으로부터 반경방향 일측과 타측으로 각각 연장된 구조로 이루어지며, 전체적으로 판상의 구조로 이루어진다.

앵커 날개(200)는 용기 내 바닥 부분에서 유체의 방사 방향 흐름을 형성하며, 동시에 고형물의 분쇄 기능을 수행한다. 보다 구체적으로, 앵커 날개(200)와 용기의 바닥면 사이에서 유체 내 고형물(Lumps, 덩어리)이 분쇄되며, 분쇄된 고형물은 앵커 날개(200)의 회전에 의해 방사 방향 외측으로 분산된다.

앵커 날개(200)는 분쇄능 향상을 위해 다음과 같은 구조로 형성될 수 있다. 도 4는 앵커 날개를 분리하여 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이, 앵커 날개(200)는 수평방향 외측으로부터 중심부로 갈수록 용기의 바닥면으로부터 앵커 날개(200)의 하단면까지의 거리가 작아지도록, 앵커 날개(200)의 하단면(200D)이 하강하는 구조로 이루어질 수 있다. 다시 말해, 앵커 날개(200)의 반경방향 중심으로부터 외측으로 갈수록 바닥면과의 간격이 크게 형성되도록, 앵커 날개(200)의 하단면(200D)이 반경방향 중심으로부터 외측으로 갈수록 상승하는 구조로 이루어질 수 있다. 이와 같이 구성됨에 따라, 다양한 크기의 고형물을 크기별로 분쇄할 수 있게 되어, 앵커 날개(200)의 분쇄능이 향상될 수 있다.

이때, 앵커 날개(200)의 하단면 중, 수평방향 외측 단부와 중심부의 높이 차이(200_H)는 유체 내 고형물의 유효 직경 이내(같거나 작음)로 형성되는 것이 구조적 측면에서 바람직하다. 고형물의 유효 직경은 기설정된 값으로서, 유체의 종류나 상태 등을 고려하여 적절히 추정될 수 있으며, 유효 직경의 추정 평균값에 해당할 수 있다.

나아가, 앵커 날개(200)의 수평방향 외측 단부면(200S)은 수직하게 형성될 수 있다. 이는 헬리컬 날개(300)와의 상호 작용을 위한 것으로, 자세한 내용은 후술하기로 한다.

도 3을 다시 참조하면, 외축(12)에는 헬리컬 날개(300)가 설치된다. 헬리컬 날개(300)는 패들 날개(100)와 앵커 날개(200)를 둘러싸도록 배치됨과 동시에 용기의 내벽면에 근접하게 배치된다.

헬리컬 날개(300)는 헬리컬 리본(Helical Ribbon) 임펠러에 해당한다. 본 발명의 헬리컬 날개(300)는 두개의 헬리컬 리본(300-1, 300-2)으로 구성된 더블 헬리컬 리본에 해당할 수 있다.

헬리컬 날개(300)는 용기 내 유체의 상승 흐름을 형성한다. 즉, 용기 내 유체의 상승 흐름은 주로 헬리컬 날개(300)에 의해 형성된다.

헬리컬 날개(300)는, 헬리컬 날개(300)의 외측면과 용기의 내벽면 사이의 간격(clearance)이 유체 내 고형물의 유효 직경 이내가 되도록, 용기의 내벽면으로부터 소정 이격 배치된다. 이에 따라, 헬리컬 날개(300)와 용기의 내벽면과의 교반(Scrapping) 시 원활한 유체의 흐름이 형성될 수 있고, 동시에 용기 내 유체 흐름의 데드 존이 억제될 수 있다.

도 5는 헬리컬 날개를 다시 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이 헬리컬 날개(300)는 본체부(310)와, 본체부(310)의 하부에 위치하는 바닥부(320)를 포함한다. 예를 들어, 본체부(310, 이하, '헬리컬 날개 본체부'라 함)는 상술한 외축(12)의 사각 형태의 구조물까지의 헬리컬 날개(300)의 부분을 의미할 수 있고, 바닥부(320, 이하, '헬리컬 날개 바닥부'라 함)는 헬리컬 날개 본체부(310)의 하부이자 상술한 외축(12)의 사각 형태의 구조물 아래에 위치하는 헬리컬 날개(300)의 하부 부분을 의미할 수 있다.

이때, 헬리컬 날개 바닥부(320)는 적어도 일부가 앵커 날개(200)와 수평방향으로 동일선상에 위치하도록 형성된다. 도 6은 임펠러의 일부를 다시 나타낸 도면이고, 도 7은 헬리컬 날개 바닥부와 앵커 날개를 확대하여 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이 헬리컬 날개 바닥부(320)는 앵커 날개(200)와 동일선상에 위치할 수 있다. 즉, 헬리컬 날개(300)는 하단면이 용기의 바닥면에 근접하도록 하부까지 연장된 구조를 가질 수 있으며, 그에 따라 헬리컬 날개 바닥부(320)의 반경방향 외측면(320S)이 앵커 날개(200)의 반경방향 외측면(200S)과 대향하도록 구성될 수 있다.

도 8은 헬리컬 날개 바닥부의 다양한 실시 형태를 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이, 헬리컬 날개 바닥부(320)는 다양한 형태로 구성될 수 있으나, 공통적으로 헬리컬 날개 바닥부(320) 중 앵커 날개(200)의 수평방향 외측 단부면에 대향하는 외측 단부면(320S)은 적어도 일부분이 앵커 날개(200)의 수평방향 외측 단부면과 평행하게 형성될 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이 앵커 날개(200)의 수평방향 외측 단부면(200S)은 수직하게 형성되며, 그에 대응하여 헬리컬 날개 바닥부(320)의 외측 단부면(320S) 중 적어도 일부는 수직하게 형성될 수 있다.

이와 같이 구성됨으로써, 헬리컬 날개 바닥부(320)와 앵커 날개(200) 사이에서 유체 내 고형물이 분해될 수 있다. 상술한 바와 같이 내축(11)과 외축(12)은 반대로 회전하고, 그에 따라 헬리컬 날개(300)와 앵커 날개(200)가 반대로 회전하게 되므로, 헬리컬 날개 바닥부(320)와 앵커 날개(200) 사이에서 와류가 발생하게 되고, 해당 작용을 통해 고형물의 분쇄 작용이 향상될 수 있다. 이때, 도 7과 같이 헬리컬 날개(300) 바닥부와 앵커 날개(200) 사이의 최소 간격(G)은, 유체 내 고형물의 유효 직경 이내로 형성될 수 있으며, 이는 유체의 흐름 형성과 고형물 생성 방지 측면에서 유리하게 작용할 수 있다.

도 9는 헬리컬 날개 바닥부를 분리하여 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이, 헬리컬 날개 바닥부(320)는 유체가 헬리컬 날개(300)를 따라 상승할 수 있도록, 회전방향에 대해 소정 각도 기울어지게 형성된다. 즉, 헬리컬 날개 바닥부(320)는 수직방향(v)을 기준으로 회전방향에 대해 앞쪽으로 소정 각도(320_θ) 기울어지게 구성되며, 그에 따라 유체가 헬리컬 날개(300) 바닥부를 지지하여 상승될 수 있다. 헬리컬 날개 바닥부(320)는 회전방향에 대해 20° 기울어지게 설계되는 것이 바람직하며, 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 0 내지 60° 사이에서 적절히 설계변경될 수 있다.

도 10은 용기의 바닥 부분에서의 유체의 흐름을 설명하기 위한 도면으로서, 도시된 바와 같이 앵커 날개(200)와 용기의 바닥면 사이에서 고형물이 분쇄되고, 앵커 날개(200)와 헬리컬 날개(300) 바닥부 사이에서 와류가 발생하게 되어, 용기의 바닥 부분에서 고형물의 생성이 방지된다.

도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 용기 내 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 본 발명의 각 구성요소들, 즉 내축(11)과 외축(12), 그리고 내축(11)에 설치되는 패들 날개(100)와 앵커 날개(200), 및 외축(12)에 설치되는 헬리컬 날개(300)가 상술한 구조로 구성됨에 따라, 용기의 바닥 부분에서는 유체의 외곽으로의 방사 흐름이 형성되고, 용기의 외곽 부분에서는 유체의 상승 흐름이 형성되고, 용기의 중앙 부분에서는 유체의 하강 흐름이 형성되어, 용기의 내부에서 유체가 순환되도록 구성된다.

즉, 용기의 바닥 부분에서는 고형물이 분쇄됨과 동시에 앵커 날개(200)의 회전에 의해 유체가 외곽으로 방사되고, 용기의 바닥에서 외곽으로 방사된 유체는 헬리컬 날개(300) 바닥부를 통해 상승하여 헬리컬 날개(300) 본체부를 통해 용기 내 상부로 상승하게 되며, 용기 내의 상부로 상승된 유체는 패들 날개(100)를 통해 다시 용기의 바닥부로 하강하게 되며, 이때 본 발명에 의하면 각 날개들의 구조와, 날개들 간의 상호작용 또는 날개와 용기와의 상호작용을 통해, 교반 성능이 향상되고, 데드 존이 억제되며, 유체 내 고형물의 생성이 방지될 수 있다.

도 12는 본 발명의 제1 실시예에 따른 용기 내 유체의 플로우 패턴을 나타낸 도면으로서, 좌측부터 순서대로 용기의 중앙부, 용기의 바닥부, 용기의 외곽부에서의 플로우 패턴을 나타낸다. 도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 용기 내 유체의 속도장을 나타낸 도면으로, 속도 벡터 및 중력 방향(k)의 속도장을 나타내며, 도 12와 유사한 플로우 패턴이 생성되는 것을 확인할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 대해 살펴본다. 도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 임펠러를 나타낸 도면으로서, 본 예는 앞의 제1 실시예와 비교하여 나머지 전체적인 구조는 동일하며, 다만 패들 날개(100)의 구조에서 차이가 있다. 이하, 제1 실시예와 동일한 구성 및 중복되는 내용에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 15는 도 14에서 내축에 설치된 패들 날개와 앵커 날개를 분리하여 나타낸 도면이고, 도 16, 17은 도 15에서 패들 날개를 분리하여 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 패들 날개(100)는 연장방향 일 지점에 역전 지점(P)을 가지며, 역전 지점(P)을 기점으로 패들 날개(100)의 기울기가 역전된다.

보다 구체적으로, 패들 날개(100) 중 내축(11)으로부터 일방향으로 연장되는 부분을 일측 날개(100A)라 하면, 일측 날개(100A)는 내축(11)으로부터 연장방향을 따라 일 지점까지 형성되는 중심부(110)와, 중심부(110)의 외측에 형성되는 외곽부(120)를 포함한다. 중심부(110)와 외곽부(120)는 각각 판상의 구조로 이루어진다. 그리고, 일측 날개의 중심부(110)는 유체를 하강시키도록 회전방향에 대해 소정 각도(110_θ) 기울어지게 형성되며, 일측 날개의 외곽부(120)는 유체를 상승시키도록 일측 날개의 중심부(110)와 반대 방향으로 소정 각도(120_θ) 기울어지게 형성된다. 한편, 타측 날개(100B)는 일측 날개와 대칭구조로 동일한 크기와 형태로 형성될 수 있음은 물론이다.

패들 날개(100)를 이와 같이 구성하는 이유는, 패들 날개(100)의 반경방향 외측에서 유체의 상승 흐름을 형성하여 용기 내 상승 흐름을 보강하기 위한 것으로서, 제1 실시예에서는 헬리컬 날개(300)에 의해서만 상승 흐름이 생성되는 것에 반해, 본 실시예에서는 패들 날개(100)외 외곽부(120)에서도 상승 흐름이 생성됨에 따라, 유체의 순환에 도움이 될 수 있다.

본 실시예의 패들 날개(100)에서 설계 변수는, 제1 실시예의 패들 날개(100)에 비해 다양하며, 예를 들어, 패들 날개의 기울기, 길이 등이 설계 변수로 선택될 수 있다.

도 16을 다시 참조하면, 일측 날개의 중심부(110)의 기울기와, 외곽부(120)의 기울기는 서로 동일하게 구성될 수 있다. 예를 들어, 중심부(110)는 회전방향에 대해 상부가 앞쪽으로 기울어지며 그때의 각도는 수평방향을 기준으로 45°로 형성되고, 외곽부(120)는 회전방향에 대해 상부가 뒤쪽으로 기울어지며 그때의 각도는 수평방향을 기준으로 45°로 형성될 수 있다. 중심부와 외곽부가 각각 45°로 형성되는 것이 바람직하나, 이외에도 30°, 또는 15 내지 75° 사이에서 적절히 선택될 수 있다. 또한, 일측 날개의 중심부(110)의 기울기와 외곽부(120)의 기울기는 서로 상이하게 구성될 수 있으며, 이는 용기 내 유체의 하강 및 상승 흐름을 고려하여 적절히 설계될 수 있다.

도 17을 다시 참조하면, 일측 날개의 중심부(110)의 수평방향 길이(110_L)는 일측 날개(100A)의 전체의 수평방향 길이(100A_L)의 0.80 내지 0.85배이고, 일측 날개의 외곽부(120)의 수평방향 길이(120_L)는 그에 대응하여 일측 날개(100A)의 전체의 수평방향 길이(100A_L)의 0.15 내지 0.20배로 형성될 수 있다. 또한, 일측 날개의 중심부(110)의 수평방향 길이(110_L)는, 용기의 반경(R)의 0.55 내지 0.60배로 형성될 수 있다. 이는 본 발명의 임펠러(10) 구조에서 원활한 유체 흐름을 형성하는데 적합한 설계 조건에 해당한다.

도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 용기 내 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 도 11과 비교하여 패들 날개의 외곽부에 의한 유체의 상승 흐름이 추가된 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 실시예의 경우, 헬리컬 날개 뿐 아니라 패들 날개에 의해서도 상승 흐름이 형성되어, 용기의 반경방향 외곽 부분에서 유체의 상승이 원활해짐으로써, 용기 내 유체의 순환성이 향상될 수 있다.

도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 용기 내 유체의 플로우 패턴을 나타낸 도면으로서, 좌측부터 순서대로 용기의 중앙부, 용기의 바닥부, 용기의 외곽부에서의 플로우 패턴을 나타낸다. 도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 용기 내 유체의 속도장을 나타낸 도면으로, 속도 벡터 및 중력 방향(k)의 속도장을 나타내며, 도 19와 유사한 플로우 패턴이 생성되는 것을 확인할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제3 실시예에 대해 살펴본다. 도 21은 본 발명의 제3 실시예에 따른 임펠러를 나타낸 도면으로서, 본 예는 앞의 제2 실시예와 비교하여 나머지 전체적인 구조는 동일하며, 다만 패들 날개(100)에 관통홀(100H)이 형성되는 점에서 차이가 있다.

도 22는 도 21에서 내축에 설치된 패들 날개와 앵커 날개를 분리하여 나타낸 도면이고, 도 23, 24는 도 22에서 패들 날개를 분리하여 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 패들 날개에는 관통홀이 형성된다.

보다 구체적으로, 패들 날개(100)에는 패들 날개(100)를 관통하는 관통홀(100H)이 적어도 하나 이상 형성되며, 관통홀(100H)은 수평방향으로 연장된 라인 형태로 형성된다. 이러한 구조의 관통홀(100H)은 패들 날개(100) 회전시 유체와의 저항을 감소시켜 소비 전력을 감소시키는데 도움이 되며, 동시에 유체 내 고형물 생성 방지에 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 관통홀(100H)의 상하방향 폭(100H_W)은, 유체 내 고형물의 유효 직경의 2배 이내로 형성될 수 있으며, 이는 본 임펠러 구조에서 저항 감소 및 고형물 생성 방지에 최적화된 조건에 해당할 수 있다.

관통홀(100H)은, 상술한 일측 날개의 중심부(110)와, 외곽부(120) 각각에 형성될 수 있으며, 따라서 중심부에(110)에 형성되는 관통홀(110H)과 외곽부(120)에 형성되는 관통홀(120H)을 포함할 수 있다.

또한, 도시된 바와 같이 라인 형태의 관통홀(100H)은 다수 형성되어 각각이 상하방향으로 이격 배열될 수 있으며, 이때 관통홀(100H)에 의한 패들 날개(100)의 개구 면적(Open Area)은 대략 40 내지 50% 정도로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 패들 날개(100)의 개구 면적은 43% 정도로 형성되는 것이 회전 용이성, 모터의 소비 전력 감소, 교반성 유지 측면 등에서 바람직하다.

본 실시예에 따른 용기 내 유체의 플로우 패턴은 도 11과 같이 제2 실시예의 플로우 패턴과 실질적으로 동일한 형태로 형성될 수 있다.

한편, 따로 도시하지는 않았으나, 제1 실시예의 패들 날개(100)에 본 라인 형태의 관통홀이 형성될 수 있음은 물론이다.

도 25는 본 발명의 제3 실시예에 따른 용기 내 유체의 플로우 패턴을 나타낸 도면으로서, 좌측부터 순서대로 용기의 중앙부, 용기의 바닥부, 용기의 외곽부에서의 플로우 패턴을 나타낸다. 도 26은 본 발명의 제3 실시예에 따른 용기 내 유체의 속도장을 나타낸 도면으로, 속도 벡터 및 중력 방향(k)의 속도장을 나타내며, 도 25와 유사한 플로우 패턴이 생성되는 것을 확인할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제1 내지 제3 실시예의 각종 데이터에 대해 살펴본다.

도 27은 타겟 균일도에 도달할때까지 소요되는 교반 시간을 나타낸 것으로, 제1 내지 제3 실시예에 있어서, 타겟 균일도가 0.95일 때는 대략 80초 정도이고, 타겟 균일도가 0.99일 때는 대략 144초 정도임을 확인할 수 있다.

도 28은 모터 소비전력을 나타낸 것으로, 제1, 제2 실시예에 비교하여, 패들 날개에 관통홀이 형성된 제3 실시예의 경우 내축 소비 전력이 상대적으로 감소된 것을 확인할 수 있다.

도 29는 패들 날개의 각도 변화에 따른 교반 성능과 모터 소비전력을 나타낸 것으로, 패들 날개의 중심부와 외곽부가 각각 30°/45°인 경우를 조합하여 나타낸 데이터이다.

도 30은 본 발명의 제4 실시예에 따는 헬리컬 날개(300)와 앵커 날개(200)를 나타낸 도면이고, 도 31은 도 30의 A부분을 확대한 도면으로서, 도 30 및 도 31을 참조하면, 앵커 날개(200)의 양단에 헬리컬 날개 바닥부(320)의 내측면을 따라 일정 갭을 형성하도록 돌출되는 돌출 플레이트(210)가 더 형성될 수 있다.

상기 돌출 플레이트(210)는 헬리컬 날개 바닥부(320)의 내측면과의 간극을 최소화하여 유지함으로써 임펠러의 반죽(kneading) 및 그라인딩 성능을 강화시킬 수 있다. 바람직하게는 상기 돌출 플레이트(210)와 헬리컬 날개의 바닥부(320)의 내측면과의 간극(G)은 5~10mm로 유지되는 것이 좋다. 상기 간극(G)이 5mm 이하인 경우에는 끼임이 발생할 수 있고, 간극(G)이 10mm 이상인 경우에는 반죽(kneading) 및 그라인딩 성능을 강화 효과가 크게 나타나지 않는다.

한편, 상기 돌출 플레이트(210)는 도 32의 왼쪽 그림에서와 같이 상기 헬리컬 날개 바닥부(320)와 평행한 각도를 갖도록 형성되거나, 도 32의 오른쪽 그림에서와 상기 헬리컬 날개 바닥부(320)와 교차 형태로 형성될 수 있다. 이와 같이 돌출 플레이트(210)의 설치 각도를 조절하여 상기 헬리컬 날개 바닥부(320)와 교차하는 면적을 조절할 수 있고 이를 통해 반죽(kneading) 및 그라인딩 성능을 조절할 수 있다.

또한, 돌출 플레이트(210)가 헬리컬 날개 바닥부(320)의 내측면과 마주보는 길이를 변경함으로써 상기 헬리컬 날개 바닥부(320)와 접하는 면적을 조절할 수 있고 이를 통해 반죽(kneading) 및 그라인딩 성능을 조절할 수도 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

10: 임펠러
11: 내축
12: 외축
100: 패들 날개
200: 앵커 날개
300: 헬리컬 날개
20: 용기

Claims (22)

1. 용기 내의 유체를 교반하기 위한 임펠러로서,
   상기 용기의 내부에 상하방향으로 배치되는 내축; 및
   상기 내축을 둘러싸도록 배치되는 외축;을 포함하고,
   상기 내축에는, 상기 내축의 길이방향을 따라 수평방향으로 배치되는 패들 날개와, 상기 내축의 하단에 수평방향으로 배치되어 상기 용기의 바닥면과 근접하게 배치되는 앵커 날개가 설치되며,
   상기 외축에는, 상기 패들 날개와 앵커 날개를 둘러싸도록 배치되어 상기 용기의 내벽면과 근접하게 배치되는 헬리컬 날개가 설치되는,
   교반용 임펠러.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 내축과 외축이 반대 방향으로 회전하여,
   상기 내축에 설치된 상기 패들 날개와 앵커 날개는 제1 방향으로 회전하고, 상기 외축에 설치된 상기 헬리컬 날개는 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 회전하도록 구성되는,
   교반용 임펠러.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 헬리컬 날개는 본체부와 상기 본체부의 하부에 위치하는 바닥부를 포함하고,
   상기 헬리컬 날개의 바닥부는 적어도 일부가 상기 앵커 날개와 수평방향으로 동일선상에 위치하는,
   교반용 임펠러.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 헬리컬 날개의 바닥부와 상기 앵커 날개 사이에서 상기 유체 내 고형물이 분쇄되는,
   교반용 임펠러.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 헬리컬 날개의 바닥부와 상기 앵커 날개 사이의 최소 간격은, 상기 유체 내 고형물의 유효 직경 이내로 형성되는,
   교반용 임펠러.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 앵커 날개의 수평방향 외측 단부면은 수직하게 형성되고,
   상기 헬리컬 날개의 바닥부 중 상기 앵커 날개의 수평방향 외측 단부면에 대향하는 외측 단부면은, 적어도 일부분이 수직하게 형성되는,
   교반용 임펠러.
   
7. 제3항에 있어서,
   상기 용기의 바닥면과 상기 앵커 날개 사이에서 상기 유체 내 고형물이 분쇄되는,
   교반용 임펠러.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 앵커 날개는, 중심부로부터 수평방향 외측으로부터 갈수록 상기 용기의 바닥면으로부터 상기 앵커 날개의 하단면까지의 거리가 커지도록, 상기 앵커 날개의 하단면이 상승하는 구조로 이루어지는,
   교반용 임펠러.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 앵커 날개의 하단면 중, 수평방향 외측 단부와 중심부의 높이 차이는, 상기 유체 내 고형물의 유효 직경 이내로 형성되는,
   교반용 임펠러.
   
10. 제3항에 있어서,
    상기 헬리컬 날개의 바닥부는, 상기 유체가 상기 헬리컬 날개를 따라 상승할 수 있도록, 회전방향에 대해 소정 각도 기울어지게 형성되는,
    교반용 임펠러.
    
11. 제3항에 있어서,
    상기 헬리컬 날개는, 상기 헬리컬 날개의 외측면과 상기 용기의 내벽면 사이의 간격이 상기 유체 내 고형물의 유효 직경 이내가 되도록 상기 용기의 내벽면으로부터 소정 이격 배치되는,
    교반용 임펠러.
    
12. 제3항에 있어서,
    상기 패들 날개 중 상기 내축으로부터 일방향으로 연장된 부분을 일측 날개라 하면,
    상기 일측 날개는 판상으로 형성되며, 상기 유체를 하강시키도록 회전방향에 대해 소정 각도 기울어지게 형성되는,
    교반용 임펠러.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 헬리컬 날개는 상기 용기 내에 유체의 상승 흐름을 형성하고,
    상기 패들 날개는 상기 용기 내에 유체의 하강 흐름을 형성하는,
    교반용 임펠러.
    
14. 제3항에 있어서,
    상기 패들 날개 중 상기 내축으로부터 일방향으로 연장되는 부분을 일측 날개라하면,
    상기 일측 날개는, 상기 내축으로부터 연장방향을 따라 일 지점까지 형성되는 판상의 중심부와, 상기 중심부의 외측에 형성되는 판상의 외곽부를 포함하고,
    상기 중심부는 상기 유체를 하강시키도록 회전방향에 대해 소정 각도 기울어지게 형성되고, 상기 외곽부는 상기 유체를 상승시키도록 상기 중심부와 반대 방향으로 기울어지게 형성되는,
    교반용 임펠러.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 헬리컬 날개와 상기 패들 날개의 상기 외곽부는 상기 용기 내에 유체의 상승 흐름을 형성하고,
    상기 패들 날개의 상기 중심부는 상기 용기 내에 유체의 하강 흐름을 형성하는,
    교반용 임펠러.
    
16. 제14항에 있어서,
    상기 중심부의 기울기와 상기 외곽부의 기울기는, 서로 동일하거나, 서로 상이하게 구성되는,
    교반용 임펠러.
    
17. 제14항에 있어서,
    상기 중심부의 수평방향 길이는, 상기 일측 날개의 전체 수평방향 길이의 0.80 내지 0.85 배이고,
    상기 외곽부의 수평방향 길이는, 상기 일측 날개의 전체 수평방향 길이의 0.15 내지 0.20 배며,
    상기 중심부의 수평방향 길이는, 상기 용기의 반경의 0.55 내지 0.60 배인,
    교반용 임펠러.
    
18. 제3항에 있어서,
    상기 패들 날개에는 상기 패들 날개를 관통하는 관통홀이 적어도 하나 이상 형성되는,
    교반용 임펠러.
    
19. 제18항에 있어서,
    상기 관통홀은 수평방향으로 연장된 라인 형태로 형성되며,
    상기 관통홀의 상하방향 폭은, 상기 유체 내 고형물의 유효 직경의 2배 이내로 형성되는,
    교반용 임펠러.
    
20. 제1항에 있어서,
    상기 교반용 임펠러는 상기 유체를 해중합하기 위한 것인,
    교반용 임펠러.
    
21. 제4항에 있어서,
    상기 앵커 날개의 양단에는 상기 헬리컬 날개 바닥부의 내측면을 따라 일정 갭을 형성하도록 돌출되는 돌출 플레이트가 형성되는,
    교반용 임펠러.
    
22. 제21항에 있어서,
    상기 돌출 플레이트는 상기 헬리컬 날개 바닥부와 평행 또는 교차형태로 부착되며,
    상기 돌출 플레이트의 설치 각도 또는 헬리컬 날개 바닥부와 마주보는 길이 변화를 통해 상기 헬리컬 날개 바닥부와의 교차면적을 조정하는,
    교반용 임펠러.