KR100531511B1 - 자동변속 제동장치가 부착된 데칸터형 원심분리기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐수처리 공정에서 발생되는 슬러지를 물과 고형물로 분리하는 원심 탈수기 및 농축기(이하 원심분리기"라고 함)에 있어서, 차동풀리의 제동동력을 자동변속 제동장치의 와전류 커플링을 통하여 보올 회전동력으로 변환시켜 구동모터의 소비동력을 줄여주고 처리물의 성상, 농도부하에 따라 자동으로 차속을 제어 하여 다양한 농축, 탈수 대상의 처리물을 한 공정에서 동시에 처리함과 동시에 일정한 분리액과 배출고형물로 안전하게 처리할수 있도록 하는 자동변속 제동장치가 부착된 데칸터형 원심분리기에 관한 것이다.

Description

자동변속 제동장치가 부착된 데칸터형 원심분리기{ The eddy current coupling variable speed brake of a centrifuge screw decanter }

본 발명은 폐수처리 공정에서 발생되는 슬러지를 물과 고형물로 분리하는 원심 탈수기 및 농축기(이하 원심분리기"라고 함)에 있어서, 차동풀리의 제동동력을 자동변속 제동장치의 와전류 커플링을 통하여 보올 회전동력으로 변환시켜 구동모터의 소비동력을 줄여주고 처리물의 성상, 농도부하에 따라 자동으로 차속을 제어하여 다양한 농축, 탈수 대상의 처리물을 한 공정에서 동시에 처리함과 동시에 일정한 분리액과 배출고형물로 안전하게 처리할수 있도록 하는 자동변속 제동장치가 부착된 데칸터형 원심분리기에 관한 것이다.

일반적으로 종래에 사용되어진 원심 분리기의 자동차속 제어장치는 한개의 유성차 감속기나 싸이크론 감속기를 사용하여 고정된 회전차를 얻는 방식과 감속기 일측의 태양기어에 풀리를 고정한후 AC모터와 벨트로 연결하여 내동스크류의 회전수를 외동보올 회전수보다 작게 회전하도록 하여 투입물의 성상 및 농도변수에 따른 AC모터의 이송부하 전류치를 인버터로 전달하여 모터 회전수를 변화시키는 차속제어 방식과 분리된 고형물의 농도치를 감지하여 AC모터를 제어하는 것과 임의로 AC모터의 회전수를 제어하는 구조로 이루어져 있었다.

따라서, 이와같은 종래의 방식은 물과 고형물의 연속적인 분리, 농축, 탈수에 있어 일정한 슬러지 농도와 분리 고형물의 함수율을 얻을수 없을 뿐만 아니라 안전 운전을 할수 없었으며 또한 많은 동력비가 소모되는 문제가 있었고,

또한, 회전차를 고정하고 있어 한 공정에서 농축 및 탈수의 공정을 동시에 이루지 못하고 농축 및 탈수의 공정을 별도로 진행하여야 함은 물론 이들 공정을 진행함에 있어 회전차를 다시 조절해 주어야 하는 문제점이 있었다.

한편, 기어박스 일측 태양기어에 와전류 제동장치(Eddy Current Brake)를 부착하여 와전류에 의하여 제동을 하는 방식이 있으나,상기의 경우는 제동동력을 유도자와 드럼 사이에서 슬립으로 인한 열로 방출함으로서 방열로 인한 동력소모가 많은 문제가 있었다.

그리고 기어박스 대신 저속 고 토르크의 유압모터를 회전체에 장착하고 유압펌프에서 고압의 유압유를 공급하여 스크류 콘베어를 회전시키는 방식도 있으나 이의 경우는 고압의 유압모터및 유압펌프의 제작비용이 많이 소요되었고, 또한 고속회전체에 고압의 유압을 공급하는 로타리 조인트 부위의 오일누유로 인한 정기적인 교체작업으로 비용이 과다하게 소요되는 비경제적인 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 물과 배출고형물의 농축 및 탈수를 한 공정에서 적은 동력으로 외동보올과 내동스크류의 회전수를 제어하여 농축 및 탈수를 동시에 이루도록 함과 동시에 처리물의 성상, 농도부하에 따라 차동풀리의 제동동력을 자동변속 제동장치의 와전류 커플링을 통하여 외동보올의 회전동력으로 변환시켜 가변속을 이루도록 함으로써, 다양한 농축, 탈수대상의 처리물을 일정한 분리액과 배출고형물로 안전하게 처리할수 있도록 하는 자동변속 제동장치가 부착된 데칸터형 원심 분리기를 제공하는데 있다.

이하, 본 발명인 데칸터형 원심분리기의 와전류 커플링 변속 제동장치에 대한 일시실시예를 첨부된 도면과 관련하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 자동변속 제동장치가 부착된 원심분리기의 전체적인 구성을 도시한 단면구성도이고, 도 2는 본 발명에 의한 자동변속 제동장치의 부분 절개 단면 구성도이며,

도 3은 본 발명 자동변속 제동장치가 부착된 데칸터형 원심분리기의 자동차속 제어 계통 도면이고, 도 4는 본 발명에 의한 자동변속 제동장치의 제동 동력 소모량 및 회수 동력을 그래프로 나타낸 도면으로서 점선은 본 발명인 자동변속 제동장치가 부착된 원심분리기의 제동동력 소모량이고, 실선은 기존 기술의 제동동력 소모량을 나타낸 것이다.

도 1 내지 도 2에 있어서, 방진부(1)(1a)에 의해 지면에 고정 설치되는 기초 프레임(2)(2a)의 상부 양측에서 각각 베어링에 외동보올(3)이 회전 가능하게 지지되고, 구동모터(4)와 벨트로 연결되는 구동풀리(5)는 주 회전축에 조립되며, 보올회생풀리(6)와 구동풀리(5)는 같은속도로 일정하게 회전토록 연결되어진다.

또한, 상기 원통의 외동보올(3) 내주에는 고형물을 이송하기 위한 스크류 콘베어(8)가 공급액 파이프(7)와 연통되게 장착되고, 상기 스크류 콘베어(8)의 일정 부위에는 원주를 따라 공급물을 분출하기 위한 공급액 배출구(9)가 내부와 통공되게 형성되어 있다.

또, 외동보올(3)의 원추 경사각에는 고형물 배출부싱(10)이 형성되고, 외동보울(3)은 외곽케이싱(11)에 의해 보호되면서 기초프레임(2)(2a)에 의해 지지 되며, 케이싱(11)의 저부 양측에는 분리액 배출구(12)와 고형물 배출구(13)가 형성되어 있다.

한편, 상기 외동보올(3) 일측에는 분리액이 배출되는 댐플랜지(14)가 형성되며,스크류콘베어(8)는 기어박스 출력축(15)과 연결되며, 출력축은 다시 기어박스(16)를 관통하여 차동풀리(17)와 연결되고 기어박스(16) 하방에는 자동변속 제동장치(18)가 설치되어 그 양측 제동입력풀리(19)와 제동출력풀리(20)에 연결된 제동입력벨트(21)와 제동출력벨트(22)를 통해 각각 차동풀리(17)와 보올회생풀리(6)에 연결된다.

여기서 자동변속 제동장치(18)의 양측 외부로는 제동입력축(28)과 제동출력축(29)이 설치되어 각각 상기의 제동입력풀리(19)와 제동출력풀리(20)에 연결되고 내부에는 제동속도 검출기(23), 여자코일(24), 유도자(25), 드럼(26)이 차례로 설치되며 이같은 제동장치는 제동장치 프레임(27)에 의해 지지되어지는 구성으로,

도면중 미설명 부호

(30)은 보올 회전속도 입력

(31)는 차속제어 콘트롤러

(32)은 제동회전 속도 입력

(33)은 여자전류 출력을 지칭하고 있다.

이상과 같이 본 발명에 의한 데칸터형 원심분리기의 작동예를 설명하면 다음과 같다.

먼저 구동모터(4)에 전원을 인가하면 외동보울(3)이 구동풀리(5)의 설정된 회전비의 속도로 일정하게 회전을 하여 원심력을 발생시킴과 동시에 스크류 콘베어(8)는 외동보울(3)의 내부에 베어링으로 지지되어 기어박스 출력축(15)과 기어박스(16)를 관통하여 차동풀리(17)와 연결되어 있어 차동풀리(17)는 외동보울(3)의 회전속도로 회전하려고 한다. 이 때 자동변속 제동장치(18)와 차속제어 콘트롤러(31)에 입력된 차속제어 설정값으로 여자전류출력(33) 신호를 여자코일(24)에 전달하여 외동보울(3)과 스크류 콘베어(8)와의 회전차 (이하 차속 이라고함)를 얻고 차동풀리(17)는 외동보울(3)의 회전속도보다 늦게 회전하도록 하여 정회전부하가 발생하는 것이 아니라 역회전부하 (이하 제동부하 라고함)가 발생토록 하며, 차속은 외동보울(3)을 기준으로 하여 스크류 콘베어(8)의 고형물 이송 회전수를 나타내는바, 계산식은 다음과 같다.

차속 = (외동보울 회전수 - 차동풀리 회전수) ÷ 기어박스 감속비

이러한 상태에서 공급물이 공급액 파이프(7)를 통해 정회전 운전되는 스크류콘베어(8)의 공급액 배출구(9)로 유입되면서 분산되어 회전하는 외동보울(3)의 원심력에 의해 외동보울(3) 내에서 가벼운 상등수와 무거운 고형물로 연속 분리되어 질때,

가벼운 상등수는 외동보울(3) 안쪽으로 모여 스크류 콘베어(8)의 나선형 수로를 통하여 흘러 외동보울(3) 측면의 댐플랜지(14)를 월류하여 외곽케이싱(11)의 분리액 배출구(12)를 통해 외부로 분리액이 배출되고

무거운 고형물은 외동보울(3) 바깥쪽에 침강되어 회전이송되는 스크류 콘베어(8)에 의해 경사각 쪽으로 이송됨과 동시에 원심력과 스크류 콘베어(8)의 압착력에 의해 농축 탈수되어 외곽케이싱(11)의 고형물 배출구(13)을 통해 토출되어 진다.

여기서 투입되는 공급물의 고형물 농도변화에 따라 차속을 자동으로 변경시켜 주어야 농축과 탈수 공정에 있어서 원하는 배출고형물의 농도를 얻을수 있는바, 즉, 농축공정에서는 통상적으로 후단공정에 알맞는 3-8% 정도의 배출 고형물의 농도를 원하고 탈수공정에서는 배출고형물 농도를 최대한 높여(함수율을 낮추어)

최종 처분해야 할 배출고형물의 발생량을 줄여서 소각, 매립, 해양투기 등의 비용을 줄이도록 하고 있다.

한편, 공급되는 고형물의 농도가 일정하면 차속은 고정된 상태에서 연속적으로 원하는 농축 및 탈수 배출고형물의 농도를 얻을수 있으나 폐수처리 공정에서 발생되는 슬러지는 공정의 특성, 계절, 시간, 운영방법 등에 따라 슬러지 내의 고형물의 농도가 연속적으로 변한다.

이와 같이 공급물의 고형물 농도가 변해도 배출고형물을 안정적으로 얻을 수 있도록 차속을 조절하여 차속이 늦으면 침강된 고형물이 외동보울(3) 내부에서 체류시간이 많아져 배출고형물의 농도가 높아지며, 차속이 빠르면 침강된 고형물이 외동보울(3) 내부에서 체류시간이 적어 배출고형물의 농도가 낮아지는 원리를 이용하고, 투입되는 공급물의 유량이 일정한 상태에서 공급물의 농도가 높게되면 내부에 침강된 고형물이 누적되므로 차속이 빠르게 되며, 공급물의 농도가 낮으면 차속을 늦게하여 원하는 성상의 배출고형물 농도를 얻을 수 있다.

여기서 본 발명의 핵심적인 기술요지인 공급되는 고형물의 농도가 변하더라도 배출고형물의 농도를 안정적이고 일정하게 하는 차속제어와 관련된

자동변속 제동장치에 대하여 도2와 도3과 관련하여 좀더 상세하게 설명하면 구동모터(4)가 구동풀리(5)에 회전운동을 주기 위하여 동력을 인가하면 구동모터(4)에 받는 구동부하는 외동보울(3)을 회전운동시키는 힘과 침강된 고형물을 스크류 콘베어(8)가 고형물 배출부싱(10)으로 이송시키는 힘으로 나누어지는바, 고형물을 이송시키는 힘은 스크류 콘베어(8)와 연결된 외동보울(3)의 회전보다 늦게 회전하는 차동풀리(17)에 전해지면서 차동풀리(17)는 스크류 콘베어(8)에 고형물 이송 부하에 의하여 외동보울(3)의 회전속도로 회전하려는 힘이 발생하고 만약 차동풀리(17)가 외동보울(3)의 회전속도로 회전을 하면 위의 차속 공식에서 보듯이 차속이 0이 되므로 스크류 콘베어(8)는 회전차가 없어지고 고형물이 이송이 되지 않는다.

그러므로 차동풀리(17)는 정상적인 운전중에는 항상 외동보울(3)의 회전수보다 늦게 회전을 하여야 하며,

자동변속 제동장치(18)는 차동풀리(17)가 늦게 회전운동을 하도록 제동을 하는 역할을 담당함과 동시에 차동풀리(17)의 회전수를 조절하여 차속을 변경시키고, 차동풀리(17)의 제동동력을 보울회생풀리(6)을 통하여 외동보울(3)의 회전동력으로 변환시켜 구동모터(4)의 소비동력을 줄여준다.즉, 자동변속 제동장치(18)의 작동 및 원리는 스크류컨베어(8)에 연결된 차동풀리(17)의 회전속도를 유도자(25)와 비접촉 드럼(26)의 커플링 상태에 따라 조절하는 것으로서, 유도자(25)와 비접촉 드럼(26)의 커플링 상태가 차동풀리(17)의 회전속도를 조절하는 제동동력을 결정한다.먼저, 외동보울(3)의 회전에 의해 스크류컨베어(8)가 회전하면, 스크류컨베어(8)의 축상에 제공된 차동풀리(17)가 회전하고, 차동풀리(17)에 소정의 풀리비로 연결된 제동입력풀리(19)가 제동입력벨트(21)에 의해 회전하면서 제동입력풀리(19)에 연결된 유도자(25)가 회전한다.그리고, 외동보울(3)의 외주면에 제공된 보울회생풀리(6)는 외동보울(3)의 회전에 의해 회전하는데, 보울회생풀리(6)는 제동출력벨트(22)를 통해 제동 출력축(29)에 결합된 제동출력풀리(20)를 소정의 풀리비에 의해 회전시키고, 제동출력풀리(20)는 비접촉 드럼(26)을 회전시킨다.이때, 보울회생풀리(6)와 제동출력풀리(20)의 풀리비는 외동보울(3)보다 비접촉 드럼(26)이 더 늦은 속도로 회전하도록 정해진다.

여기서, 유도자(25)는 차동풀리(17)와 제동입력풀리(19)의 풀리비에 의해 회전하고, 비접촉 드럼(26)은 보울회생풀리(6)와 제동출력풀리(20)의 풀리비에 의해 회전하는데, 비접촉 드럼(26)은 유도자(25)를 외주에서 감싸고 있으며, 유도자(25)와 비접촉 드럼(26)은 전자기력에 의해 커플링 되면서 차동풀리(17)의 회전속도를 제어하는 제동동력을 발생시킨다.

한편, 도4의 그래프에 예시한 회전속도와 같이 유도자(25)의 회전속도는

외동보울(3)의 회전과 차동풀리(17)와 제동입력풀리(19)의 풀리비에 의하여 최고 2200rpm으로 회전운동을 하고, 드럼은 외동보울(3)의 회전과 제동출력풀리(20)와 보울회생풀리(6)의 풀리비에 의하여 설정된 1500rpm으로 고정되어 회전하면 유도자(25)와 드럼(26)은 700rpm의 편차로 회전하도록 풀리비를 맞추고,

이때 여자코일(24)에 직류 여자 전류를 흘리면 유도자(25)와 드럼(26) 사이에 자속이 통하고 와전류가 발생하면서 유도자(25)와 드럼(26) 사이에 전자력이 발생하며, 이로 인하여 유도자(25)와 드럼(26)이 상호 작용하여 토르크가 발생하므로 유도자(25)와 드럼(26)은 같은 방향으로 회전하려는 동력이 전달되므로 와전류 커플링이 된다.

이때 여자코일(24)의 직류 전류를 많이 흘리면 동력전달이 많이 되어 유도자(25)의 회전이 드럼(26)의 회전과 동일하게 되어 유도자(25)의 회전속도는 1500rpm에 도달하고, 직류 전류를 줄이면 동력전달이 줄어지고 유도자(25)와 드럼(26) 상호간에 슬립이 많아져 유도자(25)는 최고 2200rpm으로 회전하므로 유도자(25)의 회전을 2200rpm에서 1500rpm까지 제동변속하여 차동풀리(17)의 회전속도를 조절하여 스크류 콘베어(8)의 차속을 변환시킨다.

또한 제동동력은 유도자(25)의 회전동력이 되어 드럼(26)을 1500rpm으로 회전시켜 보울회생풀리(6)를 통해 보울회전동력으로 인가되므로 인가된 동력만큼 소비동력을 줄여주며, 유도자(25)와 드럼(26)을 서로 반대 방향으로 연결하여 설치하여도 위와 같은 성능을 발휘한다.

여기서 도3과 관련하여 자동변속 제동장치(18)를 이용한 자동차속제어에 대하여 좀 더 부연 설명하면,

스크류 콘베어(8)의 침강된 고형물의 이송부하는 제동동력으로 유도자(25)에 전달되어 회전한다. 이때 차속제어 콘트롤러(31)에서는 보울회전속도입력(30)과 제동회전속도입력(32)을 비교 연산하여 차속을 검출하고, 여자전류출력(33)과 제동회전속도입력(32)을 비교 연산하여 제동 토르크를 검출한다.

이때 제동 토르크는 여자전류출력(33)과 제동회전속도입력(32)과의 편차인 슬립량과 비례하고, 차속제어 콘트롤러(31)에 운전하고자 하는 제동 토르크를 설정하여 운전하면 제동 토르크가 커지면서 여자코일(24)에 여자전류출력(33)을 높여 차속을 빠르게 하여 제동 토르크를 낮추고, 제동 토르크가 작아지면 여자전류출력(33)을 낮추어 차속을 늦게하여 제동 토르크를 높이는 방향으로 연속적으로 PID제어를 하여 자동차속제어를 실행한다.

도 4와 관련하여 부연 설명하면,

으로 볼때

와전류 커플링 토르크 4㎏- m 사용, 제동장치 출력축 회전수 1500 RPM일때의 출력축에서 외동보올에 투입되는 동력은

가 외동보올의 회전동력으로 회수되는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 폐수처리 공정에서 발생되는 다양한 슬러지의 농도변화에 대응하여 농축, 탈수가 안정적이고 원활하게 이루어지며 또한 자동운전에 의해 연속적인 처리공정이 이루어져 처리효율이 향상되는 효과가 있음은 물론 구동모터의 소비동력을 현저히 줄여주면서도 차속제어를 원활하게 할수 있도록 하는 매우 유용한 발명이다.

도 1은 자동변속 제동장치가 부착된 데칸터형 원심분리기(원심 탈수기 및 농축기)의 단면 구성도.

도 2는 자동변속 제동장치의 일부 단면 구성도

도 3은 자동변속 제동장치가 부착된 데칸터형 원심분리기의 자동 차속 제어 계통도.

도 4는 자동변속 제동장치가 부착된 데카터형 원심분리기의 제동 동력 소모량 및 회수 동력 그래프도.

* 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명

4 : 구동모터 5 : 구동풀리

6 : 보올 회생풀리 8 : 스크류 콘베어

11 : 외곽케이싱 15 : 기어박스 출력축

16 : 기어박스 17 : 차동풀리

18 : 자동변속 제동장치 23 : 제동속도 검출기

24 : 여자코일 25 : 유도자 26 : 드럼

Claims (2)

1. 방진부(1)(1a)에 의해 지면에 고정설치되는 기초프레임(2)(2a)의 상부 양측에서 각각 베어링에 외동보올(3)이 회전가능하게 지지되면서 구동모터(4)와 벨트로 연결되는 구동풀리(5)는 주회전축에 조립되며,

   보올회생풀리(6)와 구동풀리(5)는 같은속도로 일정토록 회전되게 연결되고, 상기 구동풀리(5)의 일측으로는 외동보올(3)의 내부로 공급물이 유입되도록 공급액 파이프(7)가 장착되며, 상기 원통의 외동보올(3) 내주에는 고형물을 이송하기 위한 스크류 콘베어(8)가 공급액 파이프(7)와 연통되게 장착되고,

   상기, 스크류 콘베어(8)의 일정부위에는 공급액 배출구(9)가 내부와 통공되게 형성되며, 상기, 외동보올(3)의 원추 경사각에는 고형물 배출부싱(10)이 형성되고, 상기 외동보올(3)은 외곽케이싱(11)에 의해 보호되면서 기초프레임(2)(2a)에 의해 지지되며, 상기 케이싱(11)의 저부 양측에는 분리액 배출구(12)와 고형물 배출구(13)가 형성되고, 상기 외동보올(3)일측에는 분리액이 배출되는 댐플랜지(14)가 형성되며, 스크류 콘베어(8)는 기어박스 출력축(15)과 연결되고, 출력축은 다시 기어박스(16)를 관통하여 차동풀리(17)와 연결되는 원심분리기에 있어서, 기어박스(16) 아래에 자동변속 제동장치(18)가 부착되어 차동풀리(17)의 회전수를 제어하여 처리물의 성상,농도변화에 대응하여 차속을 자동으로 변경시키고 차동풀리(17)에서 발생되는 제동동력을 외동보올(3)의 회전동력으로 변환하여 소비동력을 줄여주는 것을 특징으로 하는 자동변속제동장치가 부착된 데칸터 형 원심분리기.
2. 제1항에 있어서, 자동변속 제동장치(18) 내부에는 제동속도 검출기(23)와 여자코일(24) 그리고 유도자(25)와 드럼(26)등이 설치되어 차속제어 콘트롤러(31)가 자동차속 제어를 실행하는 것을 특징으로 하는 자동변속 제동장치가 부착된 데칸터형 원심분리기.