KR20060064522A - 탈공기기기 및 탈공기시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 탈공기기기는, 서로 대향하는 제1 및 제2벽과, 그 사이에서 외주벽을 지니는 고정식 분리쳄버을 포함하며, 회전하는 베인이 축상에 설치된다. 대형입구가 제1벽에서 고정식 쳄버에 안내되고, 쳄버의 중심축을 따라 배치된다. 또, 공기 거부 포트는 입구내측에 위치하여 설치되고, 쳄버의 중심축을 따라 배치된다. 베인은 틈새를 형성하도록 쳄버의 벽들로부터 간격을 두고 설치되며, 출구쳄버는 베인들과 제2벽사이 제2단부에 설치된다. 진공원이 공기거부포트에 연결되며, 가변오리피스밸브 및 압력센거가 입구와 출구에 각각 설치된다. 그 밸브들은 쳄버내의 유량, 내부 높이 및 압력을 조절하도록 제어된다.

탈공기기기, 분리쳄버, 베인, 공기거부포트, 출구쳄버, 진공원, 가변오리피스밸브.

Description

탈공기기기 및 탈공기시스템{a deaerator and deaeration system}

도 1은 본 발명의 탈공기시스템의 개략 구성도이다.

도 2a는 본 발명의 탈공기기기의 측면 횡단면도이며, 도 2b는 프리쉬어링(pre-shearing) 쳄버를 지니는 본 발명의 탈공기기기의 측면 횡단면도이다.

도 3a는 베인이 디스크에 설치된 탈공기기기의 측면 횡단면도이며, 도 3b는 도 3a에서 베인의 설치를 위한 조립체를 분해사시도이고, 도 3c는 디스크에 2개의 베인이 설치된 탈공기기기의 측면 횡단면도이다.

도 4a는 출구쳄버에서 환형 흐름(토로이달 유동)을 방지하기 위한 2차로 경사진 베인들을 개략적으로 도시한 측면 횡단면도이며, 도 4b는 도 4a의 경사진 베인들의 전면도이다

도 5는 출구쳄버에서 환형 흐름을 방지하기 위한 링을 개략적으로 도시한 측면 횡단면도이다.

도 6은 공기가 제거된 유체가 코팅 도포에 사용되고 나머지 유체가 탱크로 귀환되는 본 발명의 탈공기시스템의 개략구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10: 탈공기시스템 12: 탱크

14: 탈공기기기 16: 입구

18: 공기거부포트 46: 출구

50: 밸브 55: 압력센서

57: 출구밸브 60: 수집쳄버

70: 가스제거기 75: 진공원

80: 진공센서

본 발명은, 일반적으로 액체와 공기의 분리기술분야, 특히, 코팅과 같은 다양한 유동체로부터 에어버블을 제거하기 위한 탈공기기기 및 탈공기시스템에 관한 것이다.

원심력에 의해 에어버블들을 제거하는 방법에는 여러 가지 기본적인 방법들이 있다. 각 방법은 제각기 나름대로의 결점들을 가지고 있어 이들중 아무것도 완전히 공기가 없는 코팅액을 만들지는 못하고 있다.

하이드로싸이클론(hydrocyclone)법은 입구속도에 기초하여 튜브내에서 유체를 회전시키는 것이다. 이를 위한 하이드로싸이클론장치들은 취급할 수 있는 점도에 있어서 제한적이고, 통상의 대기압하에서 공기가 거품으로 나오게 하는 압력으로 분리쳄버를 유체가 방출하는 때에 모든 공기가 제거될 수는 없다.

회전탱크방식도 유사한 문제들을 지니며, 또한, 그 회전탱크는 고가일 뿐만 아니라, 안전하게 실현시킬 수 있는 회전수에 있어서도 제한적이라는 문제가 있다.

또다른 방식은 내부에 회전하는 다수의 베인들을 지니는 고정 탱크방식이지만, 이 방식 역시 열의 축적 내지 온도의 상승이 문제로 된다.

완전히 공기가 없는 코팅액(도료)을 제조할 수 있는 방법이 있다. 그 방법은 매우 얇은 층을 만들기 위해 진공실내에서 디스크들을 회전시키는 방법을 사용하는 것이다. 그 층은 버블이 표면으로 올라와서 파괴되도록 충분히 얇은 것이다. 불행히도, 이들 기계장치들은 진공실이 파열 내지 파괴에 견디도록 두꺼운 벽구조를 지녀야 하기 때문에 매우 고가로 된다는 문제가 있으며, 또한, 제어하는 것와 청결을 유지하는 것이 매우 어렵다는 문제도 있다.

에어버블을 제거하기 위한 특정의 장치 내지 시스템들에 관하여 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

걸릭센(Gullichsen)씨 등에게 허여된 미합중국 특허 제4,435,193호에는, 하우징과, 그 하우징의 일단에 흡입챤넬과, 그 하우징의 외주에 유체출구, 축방향을 연장되는 다수의 블레이드를 지니는 로터와, 칸막이벽에 의한 분리실아래 분리된 가스 출구실, 그 가스 출구실내의 가스방출부와, 그리고, 그 실들사이에서 연통을 위한 칸막이벽내의 통로들을 포함하는 펌프가 개시되어 있다. 그 펌프내에서는 그 중앙부분에서 가스버블이 만들어지도록 서스펜션이 회전되고, 가스방출압력으로 가스버블로부터 가스가 방출된다. 그 가스의 방출은 진공펌프로 안내된다.

유체의 방출유량은 유체출구의 밸브와 유량계에 의해 조절된다. dP 측정기가 유체가 입구로 안내되는 액체용기와 유체의 출구사이에 연결되고, dP콘트롤러는 서스펜션 입구와 가스방출구사이에서 압력차를 측정하기 위해 그 유체의 입구와 가스 방출구에 연결된다.

물러씨에게 허여된 미합중국 특허 제3,546,854호에는, 실린더형 케이싱, 그 케이싱의 일단의 입구파이프, 그 케이싱의 타단의 출구파이프와 드레인 파이프 및 디스크형상으로 마운팅 림상에 설치된 베인들을 지니는 배플(baffle) 조립체를 포함하는 비회전 원심식 분리기가 개시된다. 원심력에 의해 가스상태의 유체가 중심에서 가스상태의 흐름과 환형으로 둘러싸는 액체입자들로 분리된다. 그 가스상태의 흐름은 출구를 통해 방출되고, 유체는 드레인라인을 방출된다.

재콥슨씨 등에게 허여된 미합중국 특허 제3,597,904호에는, 펌프 하우징, 그 하우징으로 안내되는 입구, 그 하우징의 중심축을 따라 입구내에 수용된 가스방출파이프, 가스방출파이프에 연결된 진공원, 그리고 벽들을 따르는 유체가 하우징의 외주에서 출구를 통과하도록 회전하는 쇼블(shovel)의 축에 의해 구동되는 펌프로터를 포함하여 구성되는 액체가스분리장치가 개시된다.

클라크씨 등에게 허여된 미합중국 제4,136,018호에는, 실린더실, 경량의 리젝츠(rejects: 거부물 내지 불합격품) 파이프와 동축이면서 그 주위를 둘러싸는, 제1단부에서의 입구, 대향하는 제2단부에서 임펠러에 회전운동을 전달하는 축, 그 제2단부에서의 구멍난 벽, 억셉츠(accepts: 수락물 내지 합격품) 파이프로 안내되는 엇셉츠 실, 그리고, 제1벽에 인접하여 측벽에서의 중량의 리젝츠 출구를 포함하는 소용돌이 분리기가 개시된다. 임펠러가 환형통로를 형성한다.

멜러씨에게 허여된 미합중국 특허 제4,382,804호에 개시된 유체 입자 분리기는, 실린더형 하우징을 포함하며, 그 실린더형 하우징은, 작은 반경방향 틈새를 두 고 하우징의 내부 벽과 거의 같은 직경의 디스크를 포함하는 분리기를 수용한다. 그 디스크는 다수의 베인들로 형성되고, 배플판이 그 분리기 뒤에 제공된다. 유체 입구가 하우징의 일단에 제공되고, 유체 출구는 대향단부에 제공된다.

언더우드씨에게 허여된 미합중국 특허 제4,416,672호에 개시된, 진흙에서 가스를 제거하는 장치는, 일단부에 입구를 지니며, 대향단부에 가스 출구를 지니는 챔버를 포함한다. 축은 그 챔버의 축상을 따라 중앙에 배치되며, 베인들과 2개의 간격진 디스크가 부착된다. 축, 디스크 및 베인들이 회전하면, 원심력이 진흙에 전달되어 그 진흙으로부터 가스를 분리시킨다. 그 진흙은 원주 또는 외주의 출구를 통해 방출되지만, 가스는 다수의 가스 출구를 통해 방출된다.

굳데일씨 등에게 허여된 미합중국 특허 제4,955,992호에는, 액체가 유입되는 입구를 지니는 액체 저장조, 그 탈가스화된 액체를 추출하는 출구, 그리고, 액체로부터 가스를 빼내기 위해 밸브를 통해 제어가능하게 연결된 진공원을 포함하는 탈가스시스템이 개시된다. 배플이 에어버블들의 출구통과를 차단하는 한편, 유체의 출구 통과는 허용한다. 액체 입구에서의 밸브는 진공이 인가되는 동안 저장조에의 흐름을 차단할 수 있다. 출구 도관에서의 제2밸브가 진공이 가하여지는 때에 저장조로부터의 흐름을 차단할 수도 있다.

엘로넨씨 등에게 허여된 미합중국 특허 제5,324,166호에는, 액체유입구를 지니는 하우징, 펌핑 베인들과 중앙의 가스 통로를 지니는 임펠러, 그리고, 외부 진공펌프에 연결된 가스출구를 포함하는 원심펌프가 개시된다. 가스는 임펠러와 펌핑베인들에 의해 분리되고 하우징의 중심으로 수집되며, 그 곳에서 임펠러의 가스출 구로의 중심 가스 통로를 통해 가스가 제거된다.

리히터씨 등에게 허여된 미합중국 특허 제4,976,586호에는, 입구와 출구를 지니는 하우징, 허브와 블레이드를 지니는 임펠러, 그리고, 회전하여 펄프를 임펠러측으로 몰아내는 축상에 설치된 베인들을 지니는 중공 관형상의 몸체를 구비하는 펌프시스템이 개시된다. 그 임펠러에 수집된 가스는 관형상 몸체의 축에 있는 통로를 통해 외부의 진공펌프를 개재하여 제거된다.

크레이머씨에게 허여된 미합중국 특허 제5,622,621호에는, 실린더형 회전 보울(bowl), 드럼의 일단에서의 입구, 가스 분기관으로 안내되는 입구에 대해 원주방향으로 간격진 출구부들와 입구 사이에 원주방향으로 간격진 다수의 베인들을 구비한 유체분리기가 개시된다. 보단 경량 밀도의 가스가 출구부들로 추출되는 동안 보울의 외주로 물이 축적된다. 그 물은 보울의 벽들 주위에 형성된 축방향 통로들을 통해 디스크 펌프 실로 이동한다.

반사상으로 배치된 블레이들를 지니는 허브를 구비하는 원심 에어 압축기가 슐츠씨에게 허여된 미합중국 특허 제2,611,241호에 의해 공지되어 있다.

이튼씨 등에게 허여된 미합중국 특허 제5,190,515호로 공지된 밸브들의 압력감시 제어장치는, 입구의 제어기 및 밸브에 연결된 보울의 출구에서의 압력센서를 구비하는 원심분리기의 보울내의 액체높이를 감지하여 조절하는 시스템을 개시한다.

피블즈씨에게 허여된 미합중국 특허 제1,993,944호에 개시된 원심펌프에서는 펌프내측의 압력이 출구에서의 밸브를 제어하도록 감시된다.

빌링슬리씨 등에게 허여된 미합중국 특허 제5,800,579호에 개시된 싸이클론 분리기용 압력제어장치는, 싸이클론 분리기의 쳄버내의 압력을 측정하기 위한 압력차변환기를 구비한다. 압력센서는 분리쳄버내에 위치하며, 마이크로프로세서 제어기가 기 설정값과 분리쳄버내의 압력사이의 압력차이들을 확정한다. 가변 유량제어밸브가 쳄버의 방출개구에 관련되고, 제어기에 의해 감지된 분리쳄버내의 증가된 압력에 반응하여 공기유량을 증가시킨다.

낮은 열량의 축적하에 공기가 전무한 코팅액을 제조할 수 있는 탈공기기기의 필요성이 크게 대두되고 있으며, 나아가, 그러한 장치들은 그 청소를 위해 해체의 용이성이 요구된다. 결국, 현재의 기술로는 고가의 진공시스템을 이용하여 공기가 전부한 코팅액을 얻고 있으므로, 공기가 전무한 코팅액을 제조할 수 있는 값싼 해결책이 요구되고 있는 실정이다. 특히, 대형 진공쳄버의 고비용, 결과적으로 진공을 창조하는 고비용을 극복할 수 있는 탈공기시스템이 요망되고 있다. 또한, 유입공기의 과다 또는 진공의 일시적 손실 등과 같은 공정의 중단 원인들에 관계없이 공기없는 유체의 공급을 보장하는 공정제어와 유체의 유출입에 영향을 가하기 위해 압력차의 감시가 필요하게 되었다.

따라서, 본 발명은 낮은 열량의 축적하에 공기(가스 또는 기체를 포함하는 개념)가 전무한 코팅액을 제조할 수 있는 탈공기기기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은, 청소를 위해 쉽게 해체될 수 있는 탈공기기기를 제공하는 것을 다른 한 목적으로 한다.

또, 본 발명은, 대형의 진공쳄버의 고비용 및 그 결과 진공형성의 고비용을 극복함과 동시에 공기가 전무한 코팅액을 얻을 수 있는 탈공기시스템을 제공하는 것을 또다른 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 압력차의 감시가 유출입하는 유체를 제어하는 데에 이용될 수 있는 탈공기시스템을 제공하는 것을 또다른 목적으로 한다.

또, 본 발명은, 과도한 유입공기나 일시적인 진공의 상실과 같은 공정중단원인에 관계없이 공기없는 유체의 공급을 보장하는 공정제어수단들을 제공하는 것을 또다른 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 따른 탈공기기기는, 서로 대향하는 제1 및 제2벽과 그 제1 및 제2 벽사이에서 외주벽을 지니는 고정식 분리쳄버을 포함하며, 회전하는 베인이 축상에 설치된다. 환상체형상의 흐름으로 혼합되는 것을 방지하기 위해 디스크, 2차로 경사진 베인들 또는 실린더형 멤버가 적당한 위치들에서 회전하는 베인에 설치될 수 있다. 디스크를 지니는 회전하는 베인의 조립은 허브와 그 허브를 축에 고정시키는 너트를 개재하여 이루어진다. 베인의 중심부분은, 해체의 용이성 면에서 허부로부터 너트를 제거하기 위해 접근하기 용이하도록 절단되거나, 그 중심부분에 노치가 형성된다.

대형입구가 제1벽에서 고정식 쳄버에 안내되고, 쳄버의 중심축을 따라 배치된다. 공기 거부 포트는 입구내측에 위치하고, 쳄버의 중심축을 따라 배치된다. 틈 새가 회전하는 베인에 의해 차지되는 면적과 그 외주벽사이에 형성되며, 제2벽과 회전하는 베인들사이에 배치된 출구쳄버로 안내된다. 제2벽은 틈새로 통하는 출구를 지닌다. 회전하는 베인이 디스크에 설치되면, 환형고리가 디스크와 외주벽사이에 제공된다. 그 환형고리는 쳄버의 나머지들을 따라 베인에 의해 형성된 틈새와 같거나 다른 직경을 지닐 수 있다. 진공이 공기거부포트를 통해 연결된다. 가변오리피스밸브가 입구와 유체출구에 배치되고, 압력센서들도 입구와 출구에 제공된다. 그 밸브들은 쳄버내의 유체의 유량, 내부 높이 및 압력을 조절하도록 제어된다.

본 발명의 다양하고 신규한 특징들이 본 명세서의 일부로 첨부된 청구범위에 특히 교시되며, 나아가 본 발명과, 그 이용에 의해 달성된 작용효과 및 특정의 목적들의 보다 양호한 이해를 위해 본 발명의 양호한 실시예가 첨부된 도면과 그 설명을 참조로 상세히 설명된다.

동일유사한 구성요소들에 대해서는 전 도면을 통해 동일한 도면부호가 사용된다. 도 1은 탈공기시스템(10)을 도시한다. 그 탈공기시스템(10)은 공기가 제거될 유체를 수용하는 탱크(12)를 구비하며, 그 탱크(12)로부터 하류에 탈공기기기(14)가 설치된다. 그 탈공기기기(14)는 일단부에 입구(16)와 공기거부포트(18)를 지니며, 대향 단부에 출구(46)를 지닌다. 그 탈공기기기(14)는 입구(16)를 통해 유체를 받아들이고, 대향 단부의 출구(46)를 통해 공기가 제거된 유체를 방출한다. 밸브(50)가 탱크(12)와 탈공기기기(14)사이에 탈공기기기(14)로의 유체의 유량을 조절하도록 설치되며, 압력센서(55)와 출구밸브(57)가 탈공기기기(14)의 출구(46) 가까이 설치된다. 그 탈공기기기(14)의 하류에는 고기가 제거된 유체의 콜렉터로서 수 집쳄버(60)가 설치되어 공기가 제거된 유체를 받아들인다. 상기 공기거부포트(18)는 가스제거기(70) 및 진공원(75)에 연결된다. 진공센서(80)는 진공원(75)에 연결된다. 진공원(75)은 -12PSI로 운전할 수 있는 것이면 어떤 진공 형성 진공원이라도 된다.

가변오리피스 밸브(50)를 지니는 입구(16)에서 진공이 이루어진다. 그 밸브 개구와 진공레벨이 시스템으로 유입되는 유량을 조절한다. 출구(46)가까이의 가변오리피스 출구밸브(57)는, 시스템으로부터 유출되는 유량을 조절한다. 전자, 공압 또는 기계식 수단과 같은 적당한 제어수단을 개재하여 시스템의 압력센서(55)와 진공센서(80)에 의해 상기 밸브들이 작동된다.

예를 들면, 압력센서와 진공센서가 가변오리피스 밸브의 위치를 제어하는 전자신호를 생성할 수 있다. 전자신호의 데이터가 디지털 데이터 및 전압 데이터의 형태로 프로그램가능한 논리 제어기(PLC)로 보내진다. 그때, 밸브를 제어하는 데에는 비례적분미분(PID: Proportional-Integral-Derivative) 제어기가 사용된다. PID제어기는 공정의 출력을 측정하여 셋포인트(setpoint)라고 하는 목표값으로 출력을 유지하는 목표와 함께 입력을 제어한다. 그 기본 개념은 제어기가 센서값을 독취하여 에러를 결정하도록 원하는 셋포인트(설정치)로부터 측정치를 감산하는 것이다. 현재를 조정하기 위해 에러가 비례상수 P에 의해 곱해진다. P는 항상 음이며, 출력을 셋포인트에 접근시킨다. 과거를 조종하기 위해서는 에러는 일정한 시간에 걸쳐 적분하여(또는 평균화되거나 합해져서) 상수 I에 의해 곱해진다. 미래를 조종하기 위해서는 에러의 1차미분값(변화율)이 시간에 대해 계산되고 또다른 상수 D에 의해 곱해진다. 상기 합이 0이 아니지만, 중요하지 않을 정도로 작으면 동일한 부호의 최저치로 한다(통상 -1 또는 1). 상기 합은 PID 루프의 최종출력에 더하여진다. 이와 같이 함으로써 제어거동에 있어서 부단한 어떤 오프셋(offset)도 제거된다. 컴퓨터에 의해 발생, 공급된 출력값이 밸브로 보내져 개방 또는 폐쇄와 같은 기능을 하게 한다. 따라서, 그 공급되는 출력값에 기초하여 밸브가 개방되거나 폐쇄된다.

동작에 있어서는 제어수단이 다음과 같이 진공레벨에 따라 작용한다. 진공발생기들의 성질에 기인하여 실제 진공레벨은 유체로부터 추출된 공기유량과 평형을 이루도록 변동된다. 공기유량이 더높으면 높을수록 진공은 더 낮아지게 되어 자연히 진공발생기의 펌핑작용을 증가시킨다. 진공이 너무 낮으면, 액체의 유동속도는 가스의 흐름을 감소시키도록 또, 양호한 버블 제거를 위해 요구되는 값이상의 진공을 유지하도록 낮아져야 한다. 입력 유량이 낮아지면 탈공기기기(14)내의 높이를 유지하기 위해 출력 유량도 낮아져야 한다. 진공능력은, 원하는 유동속도와 공기 함유량으로 유입되는 공기를 충분히 배출시킬 수 있도록 충분히 큰 규모이다. 높은 공기 함유량의 신규 1회분의 코팅액과 같은 예기치 못한 충격적 부하에 따라 유입되는 공기의 함유량이 변화할지라도 제어수단에 의해 최저 진공레벨이 유지되는 것이 중요하다. 그렇지 않으면, 다음 공정으로 버블이 전달될 것이다.

또, 유체가 진공 리시버로 넘치지 않도록 또는 공정의 운전이 불가능할 정도로 쳄버의 유체가 너무 적게 되지 않도록 탈공기기기(14)의 내부 높이가 유지되어야 한다.

결국, 공정의 흐름율과 최저 진공레벨은 공정 조건과 제조되는 등급을 맞도 록 조작자에 의해 조절되어야 한다.

상술한 제어수단을 이용하여 조작자들이 최대 흐름 목표값과 최저 진공레벨을 설정한다. 진공이 설정된 최저 진공레벨이하이면, 입구의 유량은 가스의 부하를 감소시키도록 감소된다. 일단, 최저 진공레벨이 달성되면, 입구밸브는 최저 유량을 위한 위치에 유지된다. 그 유량은 진공레벨과 밸브위치에 대응된다.

탈공기기기(14)의 내측 레벨의 조절은, 출구(46)와 입구의 압력들사이의 차이를 감지함으로써 이루어진다. 탈공기기기(14) 내측의 레벨은 낮아지도록 허용되면, 그 압력차이는, 코어로부터 원심력의 기여도가 상실됨에 따라 저하하게 된다. 그 압력차이가 떨어짐에 따라 출구(46)상의 제어밸브가 레벨을 회복하기 위해 폐쇄된다.

본 발명의 탈공기기기에 있어서, 도 2a에는 어떤 체적을 형성하며, 중심축을 지니는 고정된 분리쳄버(22)를 포함하는 탈공기기기(14)가 도시된다. 그 분리쳄버(22)는 전방벽부(24), 외주벽부(26) 및 후방벽부(28)를 지니는 쳄버벽을 포함한다.

입구(16)는 엘보우(17)와 함께 L자 형상을 지니는 전방벽부(24)에 제공된 환형고리를 포함한다. 그 입구(16)는 중심축을 따라 분리쳄버(22)로 통한다. 따라서, 유체가 중심축에 수직인 입구(16)로 들어온 뒤, 중심축을 따라 평행하게 흐르도록 엘보우(17)에서 선회된다. 공기거부포트(18)는 입구(16)의 내측에 배치되고 중심축에 수직인 축을 지니는 입구 부분에서 입구의 외벽을 통과한다. 그 입구(16)는 쳄버 직경의 25 내지 50%사이의 범위에 속하는 직경을 지니며, 바람직하게는 33%에 해당하는 직경을 지니는 것이다. 입구가 큰 직경으로 구성됨으로 인하여, 유체를 쳄버로 강제시키는 데에 필요한 탱크의 수두가 극소화되고, 입구 압력이 진공으로 되는 것이 방지되며, 쳄버의 밖으로 거부된 것들을 추출하기 위한 압력이 창출된다. 또, 그 큰 직경으로 인하여 선형 흐름이 선회하는 흐름으로 전이되는 중에 난류의 발생이 극소화되고, 이에 따라 열의 발생 내지 증가도 극소화된다.

분리쳄버(22)는, 축(36)상에 설치되고 후방벽부(28)를 통해서 분리쳄버(22)로 들어가는 하나 또는 다수의 회전하는 베인(32)을 수용한다. 축(36)은 도시가 생략된 모터에 의해 회전된다. 상기 베인(32)은 작은 틈새(44)를 형성하도록 쳄버의 벽들로부터 간격을 두고 있다. 그 베인(32)의 회전으로 차지하는 체적 즉 스위핑(sweeping) 체적은 쳄버의 체적의 40-90%의 범위로서, 쳄버의 체적의 상당한 부분을 차지한다. 그러므로, 그 스위핑 체적은 베인(32)이 그 축을 따라 회전하는 때에 쓸고 지나가는 쳄버의 체적으로 정의된다.

그 틈새(44)는 후방벽부(28)와 베인(32)의 후방 사이에 위치하는 출구쳄버(68)로 연결되며, 그 후방벽부(28)에는 출구(46)가 형성된다. 그 틈새(44)의 면적은, 백압을 최소화하기 위해 출구(46)의 면적보다 상당히 크다. 그 면적은 출구(46)의 면적보다 60%까지, 바람직하게는 30% 더 크다. 따라서, 유체는 틈새(44)에서 보다 출구(46)를 통해 더 빨리 유동한다. 틈새(44)가 열의 축적을 감소시키는 데에 기여하는 것으로 알게 되었다.

도 2b에 도시된 다른 실시예에서는 전방전단(pre-shearing) 쳄버가 더 포함된다. 그 전방전단쳄버는 회전하는 베인(32)의 전방에 설치되고, 유체가 쳄버로 유입되기 위해 통과하는 전방전단 환형고리(19)에 의해 둘러싸이는 공기거부포트(18) 의 대형 공기거부파이프(18b)를 포함한다. 그 전방전단 환형고리(19)는 이동중에 버블이 정복되어야 할 유입되는 유체내의 어떠한 구조도 파괴시킨다. 또한, 그 전방전단 환형고리(19)는 유입되는 유체를 베인들의 회전속도로 가속시킨다. 유체가 다른 폴리머들과 함께 구조들을 형성하는 폴리머들을 지니며, 그 구조들을 미리 전단시킴으로써 버블이 이동중에 반대로 작용할 점도가 저하되기 때문에 상술한 전방전단과 유체의 가속은 중요하다. 나아가, 탈공기기기의 공정강도도 저하된다. 즉, 전방전단에 의해 탈공기기기에서는 더 적은 작업으로도 공기의 제거가 가능하고, 열의 축적이 더 감소된다.

또다른 실시예에서, 다양한 구조들이 출구쳄버(68)내의 토로이덜 유동을 방지하기 위해 이용될 수 있다. 도 3a에 도시된 실시예에서는 분리쳄버(22)내에 수용되는 회전하는 베인(32)이 디스크(34)를 개재하여 축(36)에 설치된다. 그 축(36)은 도시생략된 모터에 의해 회전되고, 차례로 디스크(34) 및 부착된 베인(32)들이 회전한다. 그 회전하는 베인(32)들은 도 3b에 도시된 바와 같이 허브(38)와 너트(40)에 의해 축(36)과 디스크(34)에 설치된다. 그 베인(32)들에는, 베인(32), 디스크(34) 및 허브(38)의 해체를 용이하게 하기 위해 허브(38)로부터 너트를 제거하도록 너트(40)에 접근하기 위한 노치(42)가 형성된다. 또, 디스크(34)는 출구쳄버(68)에서의 토로이덜 유동을 방지시킨다.

그 디스크(34)는 틈새(44)와 동일하거나 상이한 직경을 지닐 수 있는 환형고리(30)를 개재하여 외주벽부로부터 간격을 두고 이격된다.

도 3c에 도시된 바와 같이 디스크(34)상에는 하나 이상의 베인이 설치될 수 있다. 도 3c에서는 2개의 베인(33a,33b)이 디스크(34)에 설치된다. 또한, 환형고리(30)의 직경은 틈새(44)의 직경보다 더 작다.

또다른 실시예에서는, 2차원적으로 경사진 베인들이, 출구쳄버(68)내의 토로이달 유동을 방지하도록 균형있는 펌핑압력을 창출하는 데에 이용될 수 있다. 도 4a 및 도 4b에는, 허브와 그 허브를 축에 고정시키기 위한 너트(도시생략됨)를 개재하여 베인(32)의 후방에 설치되는 경사진 베인(45)들을 포함하는 경사진 베인조립체(41)가 개략적으로 도시된다. 경사진 베인들은 후방벽부(28)에 직면하며, 도 4b에는 그 후방벽부(28)를 직면하는 경사진 베인들의 구체적 구성이 도 4a의 우측면도로서 도시된다.

도 5에는 출구쳄버(68)에서의 토로이달 유동을 방지하도록 실린더 부재 또는 링(47)이 베인(32)의 후방에 설치된 실시예가 도시된다.

그 탈공기기기(14)의 동작은 다음과 같다.

저장탱크로부터 유체가 입구(16)를 통해 분리쳄버(22)로 유입된다. 베인(32)은 비교적 높은 RPM(예를 들어 2500 내지 7200RPM)으로 회전하여 쳄버내에서 유체가 소용돌이(swirl)치도록 한다. 디스크가 채용되는 경우, 유체는 디스크의 각속도에 근접하게 가속된다. 특히, 쳄버내의 유체의 회전(spining) 결과, 입구(16)의 유입하는 유체도 회전하기 시작한다. 그 입구(16)에서의 유입하는 유체의 회전으로, 유체는 베인들의 전 속도가 전달되기 전에 입구에서부터 점차적으로 회전운동을 하게 되어, 축방향 유동이 선회하는 유동으로 전환되는 때에 발생되는 난류가 감소되게 된다. 본 발명에 있어서의 중요한 발견은, 난류가 감소되는 때에 열의 축적도 감소된다는 것이다. 열의 축적은 회전 베인형 탈공기기기 및 원심펌프에 관련된 문제점이었다. 또한, 베인들과 쳄버벽부사이에서의 전단응력을 감소시킴으로써 틈새(44)의 크기에 따라 90%까지 에너지가 감소될 수 있다.

유체가 입구밸브(50)를 통과하는 때에 감압된다. 버블은 순간적으로 팽창하여 부력을 2배 또는 4배로 증가시킨다. 감압된 압력에서는, 용해된 공기는 그 버블의 크기가 증가하면서 용액밖으로 비등한다. 또한, 약간의 물이 증기압력을 회복하도록 비등하며, 버블의 크기에 기여한다. 큰 버블일수록 쉽게 점성유체로부터 제거된다. 유체가 원심력의 작용하에서는 쳄버의 외부벽에 접근함에 따라 압력이 증가하며, 어떤 남아있는 버블들도 쇄약해져 용액속으로 복귀된다. 출구(46)를 통해 탈공기기기(14)를 떠나는 유체는 공기가 없는 용액이며, 주위환경으로부터 공기를 용해시키게 될 것이다. 이러한 작용은, 라인이나 필터 밖으로, 또 공기가 수집될 수 있는 어떤 포켓 밖으로 공기를 제거해야 하는 특히 코팅장치들에 유익하다. 높은 공기 함량의 거품은 원심력에 의해 쳄버(22)의 중심축을 따라 수집된다. 그 회전의 조력으로 액체가 거품밖으로 드레인되고 작은 버블들이 큰 것들로 붕괴되어 높은 공기 함량(체적)의 거품이 만들어진다. 그 뒤, 그 높은 공기함량의 거품은, 진공원(75)에 의해 공기거부포트(18)를 통해 쳄버(22)로부터 제거된다. 그 공기거부포트(18)를 통해 방출되는 공기의 함량의 비율은 대략 90-99%이며, 나아가, 가스상이 진공원(75)속으로 인입되기 전에 가스제거기(70)에서 드레인된다.

낮은 공기 함유 유체는 쳄버(22)의 외주벽부 측으로 이동한다. 그 쳄버의 외주벽부의 압력은 60PSI일 수 있는 반면, 중심 코아의 거품이 10인치(25.4cm)의 물 기둥의 압력이나 -12 PSIG의 압력일 수 있다. 그 압력 변화로 공기가 외측으로 계속 이동하며, 쳄버(22)의 충심축을 따라 그 수집이 계속 보장된다. 낮은 공기 함량의 유체가, 틈새(44)를 통해, 그리고, 디스크(34)가 채용된 때에는 환형고리(30)를 개재하여 출구(46)측으로 분리쳄버(22)를 통과한다.

본 발명의 다수의 특징이 열축적의 감소에 기여한다. 그 다수의 특징은, 쳄버벽들과 베인사이의 틈새(44)와, 방사상 디스크에 의하여 출구쳄버(68)에서 토로이달 유동을 방지하는 수단과, 디스크에 설치된 베인들 또는 경사진 베인들과, 유입되는 유체의 난류를 감소시키고 점차적으로 유입 유체의 회전을 가속시키는 입구의 구조 및 큰 면적과, 그리고, 유체의 점성을 감소시켜 버블의 제거에 요구되는 공정의 강도를 감소시키기 위한 전방전단 환형고리들을 들 수 있다.

아래의 표 1-6은 본 발명의 다양한 조합에 따른 열축적 정도를 나타낸다.

베인들을 지니며, 회전중심에서 0.5인치(1.27cm)의 입구파이프 오프셋 및 0.25인치(0.635cm)의 틈새에서의 탈공기기기의, 유체의 점도에 따른 열축적:

점도	회전수(RPM)	Q(GPM)	dP(PSI)	펌프(HP)	열축적 (BTU/gal)
중간점성유체	1034	0.22	10.5	0.001	25.5
중간점성유체	1550	1.61	25	0.023	46.7
중간점성유체	2067	2.79	41.5	0.068	48.9
중간점성유체	2584	-	52	-	40.4
고점성유체	1034	0.38	11.3	0.003	63.5
고점성유체	1550	0.81	25.5	0.012	64.9
고점성유체	2067	1.70	41.5	0.041	47.3
고점성유체	2584	-	-	-	58.6
물	1550	2.12	28	0.035	33.4

2개의 베인을 지니며, 회전중심에서 0.5인치(1.27cm) 입구 파이프 오프셋 및 0.5인치(1.27cm)의 틈새에서의 탈공기기기의, 유체의 점도에 따른 열축적:

	회전수(RPM)	Q(GPM)	dP(PSI)	펌프(HP)	열축적 (BTU/gal)
1	1550	1.89	24.5	0.027	16.9
2	1550	1.86	25	0.027	26.9
3	1550	1.86	25	0.027	31.0
4	1550	1.82	24	0.025	23.6

4개의 베인을 지니며, 회전중심에서 0.5인치(1.27cm)의 입구파이프 오프셋 및 0.25인치(0.635cm)의 틈새에서의 탈공기기기의, 유체의 점도에 따른 열축적:

	회전수(RPM)	Q(GPM)	dP(PSI)	펌프(HP)	열축적 (BTU/gal)
1	1550	1.93	28.5	0.032	29.3
2	1550	1.89	28.5	0.031	28.5

2개의 베인과, 0.5인치(1.27cm)의 틈새와, 0.5인치의 출구 및 2인치의 환형고리형태의 입구를 지니는 탈공기기기의, 유체의 점도에 따른 열축적:

	회전수(RPM)	Q(GPM)	dP(PSI)	펌프(HP)	열축적 (BTU/gal)
1	1550	9.1	3	0.01596	30.2
2	1550	2.0	8	0.0092	18.0
3	3100	8.3	24	0.1156	41.0
4	2584	6.9	17.5	0.0706	40.1

디스크에 연결된 2개 또는 4개의 베인과, 다양한 크기의 틈새와 출구를 지니는 탈공기기기의, 유체의 점도에 따른 열축적:

	회전수(RPM)	Q(GPM)	dP(PSI)	펌프(HP)	열축적 (BTU/gal)
2 베인 0.5"틈새	1550	10.9	4	0.02548	36.2
2 베인 0.5"틈새	3100	12.5	20	0.14593	51.8
2 베인 0.5"틈새 0.25" 출구	1550	0.7	6	0.00246	6.4
2 베인 0.5"틈새 0.25" 출구	2894	1.5	24	0.02057	30.4
4 베인 0.25"틈새 0.25" 출구	2738	1.3	24	0.01851	31.7

디스크에 연결된 2개의 베인과, 0.5인치의 틈새를 지니는 탈공기기기의, 다양한 유체의 희석에 따른 열축적:

	회전수(RPM)	Q(GPM)	dP(PSI)	펌프(HP)	열축적 (BTU/gal)
희석없음	2066	0.9	14.5	0.00787	29.3
	3100	1.4	30	0.02461	72.2
1차 희석	3100	2.1	28	0.03502	44.4
2차 희석	3100	0.9	29	0.01558	29.0
	3100	3.8	-	-	-
3차 희석	3100	1.1	27.5	0.01811	67.3
	3100	2.7	26	-	44.0

본 발명의 탈공기기기는 다양한 특징들을 지니는 유입 유체에 의 다양한 특징들에 작용될 수 있다. 첫째, 본 발명은 광범위한 점도를 지니는 다양한 서로 다른 타입의 유체들에 적용된다. 예를 들어, 본 발명은 잉크, 오일(예: 모터 오일), 샴푸, 콘디셔너, 기타 유사한 제품, 코팅액, 유체, 음식물(예: 토마토 페이스트), 페인트 및 유약에 이용될 수 있다.

둘째, 본 발명의 탈공기기기는, 본 출원인의 미국 특허 출원 제10/662,666호에 기재된 소위 비뉴톤 유체의 입구효과에도 불구하고 열축적에 있어서 상당한 감소를 실현시킬 수 있다. 유체는 높은 전단 비율(shear rate)로의 유체가 전이함에 따라 에너지를 흡수하는 조건인 쉬어 에너지 흡수(Shear Energy Absorption(SEA))를 지닌다. 유체의 SEA는 수소결합, 반델발스력 및 이온관련과 같은 화학적 구조의 비결합 내지 파괴에 관계된다. 실제로 모든 상업적 유체는 비뉴톤 유체이기 때문에 SEA 내지 입구효과가 광범위하게 변할 수 있다.

결론적으로, 본 발명의 탈공기기기와 그 시스템은 특히 코팅액의 도포에 유용하다. 도 6에는 코팅액의 도포시 코팅액으로부터 공기를 제거하기 위한 탈공기시스템(100)이 도시된다. 그 시스템(100)은, 공기가 제거될 코팅액을 수용하는 탱크(112)와, 탈공기기기(114)로 유입하는 코팅액의 유량을 조절하도록 탱크(112) 및 탈공기기기(114)사이에 설치되는 입구밸브(150)을 포함한다. 또, 탈공기기기(114)는 일단부에 입구(116)와 공기거부포트(118)를 지니며, 타단부에 출구(146)를 지닌다. 압력센서(155) 및 밸브(157)가 탈공기기기(114)의 출구(146) 가까이에 설치된다. 다음으로, 코팅장치(140)가 웨브(web)에 유동하는 코팅액을 도포하고, 회수수단(190)이 탱크(112)로 남은 코팅액을 회수시킨다. 도 1과 관련하여 상술한 바와 같이, 상기 공기거부포트(118)는, 가스제거기(170) 및 진공원(175)에 연결되고, 진공센서(180)가 진공원(75)에 연결된다.

위에서 본 발명의 기술적 사상들이 특정한 실시예를 통해 도시되고 설명되지만, 당업자들은 본 발명이 그 기술적 사상의 범위내에서 다양하게 실시될 수 있다는 것을 쉽게 이해할 것이다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 탈공기기기 및 탈공기시스템의 구성과 작용에 의하면, 본 발명은, 낮은 열량의 축적하에 공기가 전무한 코팅액을 제조할 수 있는 탈공기기기를 제공할 뿐만 아니라, 청소를 위해 쉽게 해체될 수 있는 탈공기기기를 제공하는 등의 효과를 지니며, 또, 본 발명은, 대형의 진공쳄버의 고비용 및 그 결과 진공형성의 고비용을 극복함과 동시에 공기가 전무한 코팅액을 얻을 수 있는 탈공기시스템을 제공할 수 있으며, 나아가, 압력차의 감시가 유출입하는 유체를 제어하는 데에 이용될 수 있는 탈공기시스템을 제공할 수도 있고, 또한 본 발명은, 과도한 유입공기나 일시적인 진공의 상실과 같은 공정중단원인에 관계없이 공기없는 유체의 공급을 보장하는 공정제어수단들을 제공할 수도 있는 등의 효과가 있다.

Claims (25)

1. 원심작용으로 유체로부터 공기를 분리시키기 위한 탈공기기기에 있어서:

   체적을 형성하고 중심축을 지니며, 일측에는 전방벽부, 외주벽부 및 그 전방벽부의 대향측에는 후방벽부를 지니는, 고정식 분리쳄버;

   상기 중심축을 따라 고정식 쳄버의 전방벽부에 배치되는 입구;

   그 중심축을 따라 전방벽부에 배치되는 공기거부포트;

   모터에 의해 구동되는 축에 설치되고 상기 쳄버에서 외주벽부와의 사이에 틈새를 두고 스위핑(sweeping) 체적을 차지하는, 회전하는 베인; 그리고

   유체를 수용하기 위한 출구면적을 지니는 틈새로 통하는 후방벽부의 출구를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탈공기기기.
2. 제 1 항에 있어서, 디스크와 외주벽부사이의 면적이 출구면적보다 상당히 크도록 외주벽부와 간격을 지니는, 축상에 설치되는 디스크에 상기 회전하는 베인이 연결되는 것을 특징으로 하는 탈공기기기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 회전하는 베인은 허브와, 그 허브를 축에 고정시키는 너트를 개재하여 축과 디스크에 설치되는 것을 특징으로 하는 탈공기기기.
4. 제 3 항에 있어서, 축, 허브, 디스크 및 베인의 해체시 허브로부터 너트를 제거하기 위해 너트로의 접근이 가능하도록 중앙에 노치가 상기 베인에 형성된 것을 특징으로 하는 탈공기기기.
5. 제 2 항에 있어서, 다수의 베인이 축과 디스크에 설치된 것을 특징으로 하는 탈공기기기.
6. 제 1 항에 있어서, 다수의 베인이 축상에 설치된 것을 특징으로 하는 탈공기기기.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 공기거부포트가, 입구내에 수용되고 외측에서 전방전단 환형고리를 형성하는 공기거부파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈공기기기.
8. 제 1 항에 있어서, 후방벽부와 회전하는 베인사이에 배치되는 출구쳄버를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탈공기기기.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 입구가 쳄버의 직경의 25 내지 50%의 범위의 직경, 가장 바람직하게는 33%의 직경을 지니는 것을 특징으로 하는 탈공기기기.
10. 제 1 항에 있어서, 스위핑 체적은 쳄버 체적의 40-97%를 차지하는 것을 특징 으로 하는 탈공기기기.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 틈새의 면적이, 출구면적보다 60%까지 더 큰 것, 바람직하게는 30% 더 큰 것을 특징으로 하는 탈공기기기.
12. 원심작용으로 유체로부터 공기를 분리시키기 위한 탈공기시스템에 있어서:

    체적을 형성하고 중심축을 지니며, 일측에는 전방벽부, 외주벽부 및 그 전방벽부의 대향측에는 후방벽부를 지니는, 고정식 분리쳄버;

    상기 중심축을 따라 고정식 쳄버의 전방벽부에 배치되는 입구;

    그 중심축을 따라 전방벽부에 배치되는 공기거부포트;

    모터에 의해 구동되는 축에 설치되고 상기 쳄버에서 외주벽부와의 사이에 틈새를 두고 스위핑(sweeping) 체적을 차지하는, 회전하는 베인;

    유체를 수용하기 위한 출구면적을 지니는 틈새로 통하는 후방벽부의 출구;

    상기 공기거부포트에 연결된 진공원(75);

    입구(16)와 출구(46)에 연결되는 가변오리피스밸브;

    진공원(75)에 연결된 진공센서;

    입구(16) 또는 출구(46)에 연결되는 압력센서; 그리고,

    상기 쳄버내의 유체의 유량, 내부 높이 및 압력을 조절하도록 밸브를 조절하기 위한 제어수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탈공기시스템.
13. 제 12 항에 있어서, 진공원(75)과 공기거부포트(18)사이에 공기제거기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탈공기시스템.
14. 제 12 항에 있어서, 입구(16)로 가스를 함유한 유체를 공급하기 위한 저장 탱크와, 출구(46)로부터 공기가 제거된 유체를 받아들이기 위한 콜렉터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탈공기시스템.
15. 제 12 항에 있어서, 공기가 제거된 유체를 받아들이기 위해 출구(46)에 코팅장치가 추가로 연결된 것을 특징으로 하는 탈공기시스템.
16. 제 12 항에 있어서, 환형고리를 형성하기 위해 외주벽부와 간격을 지니는, 축상에 설치되는 디스크에 상기 회전하는 베인이 연결되는 것을 특징으로 하는 탈공기시스템.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 회전하는 베인은 허브와 그 허브를 축에 고정시키는 너트를 개재하여 축과 디스크에 설치되는 것을 특징으로 하는 탈공기시스템.
18. 제 15 항에 있어서, 축, 허브, 디스크 및 베인의 해체시 허브로부터 너트를 제거하기 위해 너트로의 접근이 가능하도록 중앙에 노치가 상기 베인에 형성된 것을 특징으로 하는 탈공기시스템.
19. 제 16 항에 있어서, 다수의 베인이 축과 디스크에 설치된 것을 특징으로 하는 탈공기시스템.
20. 제 12 항에 있어서, 다수의 베인이 축상에 설치된 것을 특징으로 하는 탈공기시스템.
21. 제 12 항에 있어서, 상기 공기거부포트가, 입구내에 수용되고 외측에서 전방전단 환형고리를 형성하는 공기거부파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈공기시스템.
22. 제 12 항에 있어서, 후방벽부와 회전하는 베인사이에 배치되는 출구쳄버를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탈공기시스템.
23. 제 12 항에 있어서, 상기 입구가 쳄버의 직경의 25 내지 50%의 범위의 직경, 가장 바람직하게는 33%의 직경을 지니는 것을 특징으로 하는 탈공기시스템.
24. 제 12 항에 있어서, 스위핑 체적은 쳄버 체적의 40-97%를 차지하는 것을 특징으로 하는 탈공기시스템.
25. 제 12 항에 있어서, 상기 틈새의 면적이, 출구면적보다 60%까지 더 큰 것, 바람직하게는 30% 더 큰 것을 특징으로 하는 탈공기시스템.

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