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이웃집과학자

휴지통 없는 깨끗한 화장실

By 이웃집과학자

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휴지통이 없는 깨끗한 화장실이 가능해질 것 같습니다. 한국생산기술연구원은 중소기업 ㈜황해전기와 손잡고 돌덩이같이 무겁고 부피가 큰 고형물까지 옮길 수 있는 '단일채널펌프(Single-Channel Pump)' 국산화에 성공했습니다.

변기에 왜 휴지만 넣어야 할까?!

최근 미국에서는 코로나19 확산에 따라 화장지 사재기 현상이 발생했고 그 여파로 하수처리 시스템이 마비됐다는 소식이 전해졌습니다. 휴지를 미처 구하지 못한 소비자들이 물티슈와 주방용 휴지 등을 변기에 버리면서 하수구가 막히고, 오수가 넘치는 문제가 발생했습니다.


변기에 휴지만 넣어주세요.

출처AdobeStock

국내에서도 고속도로 휴게소와 같은 공중 화장실에서 '휴지통 없는 깨끗한 화장실'을 표방하지만, 여전히 작은 위생용품 휴지통이 자리 잡고 있습니다. 변기에는 '휴지'만 버리라는 것이죠. 이 같은 현상의 원인은 펌프에 있습니다. 기존 오폐수용 펌프가 휴지와 같이 물에 녹고 가벼운 물체는 옮길 수 있지만 물티슈, 위생용품과 같이 부피와 무게가 나가는 고형물은 이동 중 유로(流路)를 막아 고장을 유발하기 때문입니다.

최근 하수처리장에 설치되고 있는 회전체 양 날개 대칭구조의 회전체.

출처한국생산기술연구원

최근 하수처리장에서는 양 날개 대칭구조의 회전체가 장착된 2베인펌프(2 Vane Pump)를 사용하고 있습니다. 구조가 단순해 제작이 쉽고 단가도 낮다는 장점 때문입니다. 문제는 양 날개가 맞물리는 구조로 인해 확보할 수 있는 유로의 너비가 넓지 않아 고형물이 걸려 막히는 일이 빈번하게 발생한다는 겁니다. 전체 펌프 고장의 98%를 차지할 정도입니다. 아울러 사용전력 대비 낮은 효율도 지적돼 왔습니다. 

이에 청정에너지시스템연구부문 김진혁 박사 연구팀은 고부가가치 산업으로 새로운 판로를 모색하던 ㈜황해전기와 의기투합해 '단일채널펌프' 개발에 나섰습니다.


진동 최소화한 단일채널 펌프로 문제 해결

단일채널펌프는 단일 날개구조의 회전체만으로 작동하기 때문에 유로 크기를 최대로 확보할 수 있어 크고, 단단한 고형물까지 통과시킬 수 있습니다. 여기에 효율은 기존 펌프 대비 50%정도 높아 경제적입니다. 다만 태생적 비대칭구조에서 오는 심한진동이 걸림돌이었습니다. 진동이 지속되면 파이프 연결 볼트가 풀리는 심각한 하자로 이어질 수 있기 때문입니다. 이러한 문제를 해결하고자 연구팀은 비대칭 회전체로도 중심축이 치우치지 않는 최적화 설계에 나섰고 '고효율 저유체유발진동 단일채널펌프 설계기술' 개발에 성공했습니다. 회전하는 힘이 축 방향으로 가해지도록 최적의 수치를 조정한 것이 이번 기술의 핵심입니다. 회전하는 비대칭 회전체와 정지돼 있는 벌류트(물을 모아서 내보내는 달팽이관처럼 생긴 구조물)의 상호작용에 의한 유체유발진동을 최소화한 겁니다.


중심축이 치우치지 않는 설계를 통해 개발한 단일채널 펌프용 회전체.

출처한국생산기술연구원

개발한 단일채널펌프는 현재 제주도를 테스트 베드(Test Bed) 삼아 상용화단계에 진입했습니다. 2019년 12월부터 제주도 상하수도에 실제로 펌프를 설치해 연구소가 아닌 현장에서의 성능 인증에 나섰습니다. 이미 해당 기술관련 국내 12건의 특허등록을 마쳤고, 미국 특허 2건은 등록을 위한 심사 중입니다. 이번 개발품은 외산제품과 비교 동등한 성능(수력학적 성능상 효율 50.5%)을 자랑하면서도 단가는 2~3배 낮춘 것이 특징입니다. 또한 황해전기의 인프라와 제작기술 덕분에 주문과 설치까지 약 40여일이 소요되는 외산제품과 달리 일주일이면 납품까지 가능합니다. 여기에 수중에서 작동하는 펌프의 상시 모니터링 시스템을 더한 사전 고장 예측 진단 기능까지 갖춰 사후 A/S 시장의 니즈까지 부응할 수 있을 것으로 기대됩니다.


김진혁 박사(좌)와 차미영 황해전기 상무이사(우)가 개발된 단일채널 펌프를 바라보고 있다.

출처한국생산기술연구원

김진혁 박사는 "기술적 난이도가 높은 연구였지만 많은 시행착오 끝에 최적의 설계기법을 개발했고, 황해전기의 제작기술 덕분에 제품 양산까지 가능했다"며 "앞으로는 황해전기와 같이 효율이 높으면서도, 원가를 절감할 수 있는 양 날개 대칭구조의 2베인펌프도 개발할 계획"이라고 밝혔습니다. 

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