1. 발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
본 내용은 수류 세척기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세척이 어려운 채소 및 과일류를 세척하기 위하여 다단격실 및 에젝터를 사용한 수류 세척기에 관한 것이다.
수작업을 통하여 농산물을 세척하는 경우, 정밀한 세척을 할 수 있고 세척 결과를 일일이 확인할 수 있는 이점이 있지만 개인 간의 능력차이에서 오는 불균일성으로 인하여 전체적인 세척 정도가 균일하지 못하므로 양적인 면에서나 질적인 면에서 큰 차이가 생기게 된다.
더불어 인삼과 같은 구근류의 경우에는 수매에서 제품처리 가공까지 2개월 이내이며 수천톤의 대량의 물량을 일시에 처리해야 하므로, 일정기간에 수많은 인력과 고임금이 필요하다. 또한 그 모양이 복잡한 수삼이나 포도의 경우, 수작업을 하더라도 세척이 어렵고 세척물이 손상될 가능성이 높다.
따라서 사람의 힘이 아닌 기계의 힘을 이용한 세척기를 사용하게 되는데 이러한 세척기는 그 용도에 따라 여러 가지 유형이 있고, 이러한 유형에 따라 그 내부구조를 달리하고 있다.
이러한 다양한 용도 및 구조의 세척기 중 본 발명이 속하는 기술 분야의 세척기는 주로 농산물을 다량으로 세척하기 위한 것이다.
액체를 사용하여 대상의 표면에 붙어 있는 미세한 먼지를 씻어내어 이를 제거하기 위하여 사용되며, 특히 다량의 농산물을 세척하기 위하여 사용한다.
이러한 세척기들은 식품가공산업에서 배추, 시금치, 사과, 배 등 잎사귀류의 농산물과 과일류의 세척공정에 적용하며, 제거해야 하는 불순물은 점착성이 낮고 약 2분 정도헹구어서 제거되는 특성이 있다. 따라서 비교적 세척이 용이한 편이다.
농산물은 수확 후의 처리작업 결과에 따라 부가가치를 높일 수 있고, 산지에 가공시설을 확대 설치하여 사용하면 과잉생산 및 가격하락에 따른 소득저하를 방지할 수 있다는 이점을 지닌다.
종래에는 무, 당근 등 근채류의 세척작업에 있어서, 이를 대부분 인력으로 수행하였으므로 많은 노력이 투입되고 이를 해결하여 보다 생산성을 높이고자 농산물을 세척할 수 있는 세척기가 개발되어 왔다.
농산물을 세척하기 위한 세척기로는, 예를 들면 브러쉬형 세척기와 텀블러(Tumbler)형 세척기가 있다.
브러쉬형 세척기는 브러쉬를 이용한 것인데, 상대적으로 불순물의 층이 깊고 점착성이 높은 당근, 무와 같은 근채류의 경우에 이용하지만 세척과정에서 세척물의 표피를 전체적으로 깍아낸 것과 같은 손상을 남기는 단점이 있다.
그러나 이러한 단점에도 불구하고 브러쉬형 세척기는 건조, 발효 등의 가공공정에서 별 문제점이 없고, 세척기의 가격이 저렴할 뿐만 아니라 운영비가 낮으므로 널리 사용되고 있다.
한편, 인삼 및 각종 생약, 구근류 농산물 세척기로 폭 넓게 사용되는 텀블러 세척기는 인삼의 흠집 사이를 깨끗이 씻어주고 특히, 인삼 세척시에 중미 등 작은 뿌리라도 몸통에서 떨어지지 않게 해주므로 상품가치를 높이는 이점이 있다.
고압 노즐을 사용하면서 텀블러 세척기로 세척시 세척 정도를 높이기 위하여 수압과 교반이 약간 잘못될 경우, 근류 식품 중 수삼은 점착성의 불순물이 성층되어 있고 잔류 회분이나 산불용성 회분이 각각 5%, 2% 이하가 되도록 세척해야 하지만 그 구조가 극히 복잡하므로, 수삼의 다리가 부러지고 표피에 손상이 생겨 수삼원료의 가격이 80% 이상 하락하게 된다.
특히 농수산물 중에서 채소 및 과일류 등을 세척하기 위하여 사용하는 브러쉬 세척기 및 텀블러 세척기 등은 세척물의 표피에 손상을 줄 뿐만 아니라 전체적으로 균일하게 세척을 할 수 없다.
또한 선진국의 수류식 세척기는 단일 세척조에 세척 수류와 이송 수류를 동시에 운용하므로, 대부분 세척조 내에서 세척물의 체류 한계시간은 2분 이내이며, 적용은 과일류나 배추 등 제거하기 쉬운 불순물의 세척에만 사용되는 한계가 있다.
또한 전술한 브러쉬형 세척기와 텀블러 세척기뿐만 아니라 고압 노즐 세척기도 인삼, 당귀, 천궁, 작약 등과 같은 근류 약용 작물과 과일류에서 불순물과 잔류 농약을 제거시, 근류의 표피 손상을 없애며 외관을 유지해야 할 경우 점착성이 강한 불순물의 제거에는 한계가 있고, 더욱 높은 수압을 사용하게 되면 세척물의 손상이 심하게 나타나는 문제점이 있다.
본 발명에서는 기존의 상용화된 종류의 세척기가 지닌 문제점을 해결하고자 한다. 즉 본 발명의 세척기를 통하여 난세척성의 농산물에 대한 효과적인 세척도를 확보하여 향상시키고, 작업 수준을 균일화하며 세척물을 손상시키지 않으면서도 작업량을 늘릴 수 있도록 한다.
2. 기술적 과제
별도의 압축공기를 사용하지 않고, 압력수를 이용하는 특수제조 에젝터를 이용하여 공기를 흡입함으로써 균일한 이류체인 와류를 형성하여 세척이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 한다.
또한 모양이 복잡하며 점착성 불순물이 끼여 있는 농산물을 세척하기 위하여 세척 정도에 따라 세척조 체류시간을 자유롭게 조절할 수 있도록 세척기를 다단 격실형으로 제조한다.
3. 구성 및 작용
특수제조한 에젝터를 이용하여, 물과 공기가 혼합된 이류체를 만들어서 세척조 내에 분출함으로써 대칭적 난류와 공기 방울에 의해서 세척물의 전체에 걸쳐 세척이 이루진다. 그리고 각 단별로 세척시간을 조절함으로써 수요자의 요구수준에 부합하는 세척이 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.
다단격실을 이용하여 세척 대상물을 순차적으로 세척하기 위한 세척기로서, 다단격실 세척조 중 세척 대상물의 예비 세척을 위한 제1 세척조 및 제1 세척조 후단에 설치하고 세척 대상물에 대하여 이송방향으로 제1 세척조와 마주하는 부분에 설치된 다수의 이송용 노즐 및 이송방향의 좌우에 설치되며 압력수 유입구 및 이와 다른 방향으로 형성된 공기 유입구를 지닌 다수의 세척용 에젝터(Ejecter)를 각각 내부에 설치한 제2 세척조를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 제2 세척조에 이어서 일체로 형성되고, 다수의 세척용 에젝터가 이송방향의 좌우 내부에 설치된, 적어도 하나 이상의 제3 세척조를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서는 제2 세척조 및 제3 세척조 사이 또는 하나 이상의 제3 세척조 간에 설치되어 세척조 사이를 상호 격리할 수 있도록 상하로 작동하며, 제3 세척조용의 이송용 노즐을 구비한 격실 도어 장치를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 제3 세척조의 후단에 이어서 살균용 노즐과 세척 대상물을 운반하기 위한 컨베이어 벨트를 추가로 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제1 세척조는 세척수 공급 노즐 및 내부 여과 케이싱(Casing)이 형성된 세척대, 이 세척대를 지지하는 받침대 및 세척대를 180°로 회전 작동시킬 수 있는 덤프(Dump) 구동 모터를 포함하며, 덤프 구동 모터를 이용하여 내부의 세척 대상물을 제2 세척조 내로 이동시키는 것이 바람직하다.
또한 제2 세척조 및 제3 세척조의 바닥판은 상부를 향하여 W 모양으로 굴곡지게 하는 것이 바람직하다.
다수의 에젝터는 제2 세척조 및 제3 세척조 내의 좌우 상부측 및 하부측에 일렬로 각각 배열된 다수의 상부 에젝터 및 다수의 하부 에젝터를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 다수의 상부 에젝터로부터의 압력수가 지면과 수평인 면에 대하여 0°로 분사되고, 다수의 하부 에젝터로부터의 압력수가 지면과 수평인 면에 대하여 45° 상방향으로 분사되도록 하는 것이 바람직하다.
에젝터는 압력수 유입구 및 공기 유입구를 통하여 각각 유입되어 혼합된 공기와 물의 공공 분율(Void Fraction)이 0.2 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
그리고 이송용 노즐에 이송수를 공급하기 위한 이송용 급수 매니폴더(Manifolder), 및 이송용 급수 매니폴더에 연결되고 세척용 에젝터 및 세척수 공급 노즐에 세척수를 공급하는 세척용 급수 매니폴더를 포함하는 급수장치로부터 세척수 및 이송수를 공급받을 수 있다.
급수장치는 이송용 급수 매니폴더 및 세척용 급수 매니폴더의 연결부에 설치되고, 세척 대상물의 이송시에 개방되어 이송용 급수 매니폴더에 이송수를 공급하는 마그네틱(Magnetic) 밸브를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
또한 제1 세척조, 제2 세척조 및 제3 세척조 내에서의 세척작업을 병렬 연속(Batch-Continuous) 방식으로 실시할 수 있다.
세척장치는 크게 예비 불림을 위한 제1 세척조, 세척을 위한 제2 세척조 및 제3 세척조로 나누어진다.
이러한 세척조는 주로 스테인리스강 등의 녹이 잘 슬지 않는 재료를 사용하여 제조한다. 본 발명의 제3 세척조는 하나 이상을 설치할 수 있다. 각 세척조의 내용은 다음과 같다.
제1 세척조는 가능한 한 다량의 불순물을 제거하고 점착성의 적층된 불순물층을 제거할 목적으로 세척 대상물을 예비적으로 불릴 수 있도록 예비 세척조로 사용하며, 크게 세척대와 이를 지지하는 받침대로 이루어진다.
제1 세척조의 세척대에는 다공판이 형성된 내부 여과 케이싱(Casing) 및 세척수 공급노즐이 설치되어 있다. 세척대에서는 급수장치로부터 공급되며 세척에 필요한 일정량의 세척수를 2개의 세척수 공급용 매니폴더(Manifolder)로부터 세척수 공급 노즐을 통하여 공급받음으로써 세척대상물을 예비적으로 불린다.
세척수 공급 노즐을 통해서 세척수를 공급하여 세척 대상물을 예비로 불림으로써, 나중에 세척을 용이하게 한다.
세척 대상물을 제1 세척조에 투입한 후, 다공판으로 이루어진 내부 여과 케이싱 위에 놓여져 필요한 시간 동안 세척이 용이하도록 예비 불림이 이루어진다. 이러한 미리 입력된 시간 동안의 불림 과정을 거친 후 제1 세척조의 세척대 내에서 예비적으로 불려진 세척 대상물을 제2 세척대로 이동시킨다.
<도면 1>은 이러한 세척 대상물의 이동방법을 나타낸 도면이다. <도면 1>에 나타낸 바와 같이 세척 대상물의 이동시에는 덤프구동 모터를 사용하여 세척대를 180°로 회전시킬 수 있으므로, 회전 이동을 통하여 세척 대상물을 이동시킨다.
즉 세척 대상물이 세척이 용이할 만큼 충분히 불었다고 작업자가 판단한 경우, 제어판을 조작하여 제1 세척조에 구비한 덤프 구동 모터를 작동시킴으로써 제1 세척조에 있던 세척 대상물을 제2 세척조로 이동시킨다.
급수장치를 통하여 세척수를 공급받아 세척 대상물을 세척한다. 급수장치는 크게 제1 이송용 급수 매니폴더 및 제2 이송용 급수 매니폴더와, 2개의 세척용 급수 매니폴더로 이루어져 있으며, 이를 통하여 세척수를 공급하고, 특히 마그네틱 밸브를 통하여 제1 이송용 급수 매니폴더 및 제2 이송용 급수 매니폴더의 사용을 제어한다.
급수장치에서는 압력수 공급펌프를 이용하여 압력수를 순환시킨다. 도면에는 나타나 있지 않으나, 세척장치의 하부에 배수관 및 여과장치가 부착되어 세척에 사용된 물을 순환시켜 재사용한다.
제1 이송용 급수 매니폴더 및 제2 이송용 급수 매니폴더의 경우, 각각 제2 세척조 및 제3 세척조의 전단에 부착되어 있는 이송용 노즐에 연결되어 있으며, 이러한 이송용 노즐에 제1 이송용 급수 매니폴드 및 제2 이송용 급수 매니폴드로부터 세척수를 각각 공급하여 세척 대상물을 다음 단계로 이동시킬 수 있도록 한다.
또한 2개의 세척용 급수 매니폴더의 경우, 각각 제2 세척조 및 제3 세척조의 좌우에 위치하고 특수설계된 에젝터에 연결되어 여기에 세척수를 공급함으로써 세척조에서 세척 대상물을 세척할 수 있도록 한다.
세척장치의 주요 부분을 나타낸 사시도의 경우, 제2 세척조 및 제3 세척조의 전단 및 좌우단에 각각 이송용 노즐 및 세척용 에젝터가 설치되어 있다.
제2 세척조 및 제3 세척조의 전단에 각각 설치된 이송용 노즐의 경우, 제1 이송용 급수 매니폴더 및 제2 이송용 급수 매니폴더에 각각 연결되어 이송수를 공급하는 역할을 담당한다.
그리고 에젝터들는 좌우 양단에 상하로 각각 형성되어 있다. 이들은 2개의 세척용 급수 매니폴더와 연결되어, 이로부터 세척수를 공급받아 세척 대상물을 세척하는 역할을 담당한다.
이하에서는 제2 세척조의 구조에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에 있어서의 제2 세척조 및 제3 세척조는 그 바닥판이 W 모양으로 되어 있으며, 하부가 다공판으로 이루어져 있다. 제2 세척조 및 제3 세척조의 좌우 및 상하로 에젝터를 설치하고, 이를 통해 세척수를 공급하여 세척을 실시한다.
<도면 2>는 이러한 제2 세척조 및 제3 세척조의 개략적인 바닥모양을 나타낸다. <도면 2>에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 있어서는 에젝터를 각각 좌우 및 상하로 설치하여 세척 대상물을 세척한다.
특히 제2 세척조 및 제3 세척조의 상부에 설치한 상부 에젝터의 경우, 상부 에젝터로부터의 압력수가 지면과 수평인 면에 대하여 수평으로 분사되도록, 즉 θ1=0°가 되도록 하며, 제2 세척조 및 제3 세척조의 하부에 설치한 하부 에젝터의 경우, 하부 에젝터로부터의 압력수가 지면과 수평인 면에 대하여 상방향으로 45°로 분사되도록, 즉 θ2=45°가 되도록 설치함으로써 세척을 보다 효율적으로 실시할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상부 에젝터 및 하부 에젝터의 배치에 있어서는 각각 서로 다른 각도로 에젝터를 배치하여, 즉 엇갈림각 배열(Staggered Array)을 이용하여 상부 에젝터로부터 분사되는 압력수가 직선류를 형성하게끔 θ1=0°가 되도록 배열하였다.
그리고 하부 에젝터로부터 분사되는 압력수가 반시계 방향 선회 유동을 하게끔 θ2=45°가 되도록 배열하였다. 따라서 이러한 엇갈림각 배열로 인하여 W 모양의 바닥판으로 발생되는 좌우 대칭의 반시계 방향 수류 형성시, 사각지대(Shadow Zone)가 생기지 않는다.세척시에는 이러한 좌우 에젝터로부터 공급된 이류체가 W형 바닥판에 의해서 좌우 대칭형 유선 형태를 띠고, 상부 에젝터의 압력수 분사각(θ1=0°)에 따라 하부 에젝터의 압력수 분사각(θ2=45°)에 의한 시계반대방향 선회속도가 급격히 줄어들면서 향류(Counter Flow)에 의한 세척효과가 최대로 된다.
이 경우, 복잡한 모양을 가진 세척대상물의 구석구석에 기포상승에 의하여 세척수에 급격한 난류가 형성된다. 따라서 좌우대칭인 이류체 와류에 의하여 사용자가 필요한 시간만큼의 체류시간 조절로 완벽하게 세척할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 세척장치에 사용하도록 특수 제작한 에젝터에 대하여 <도면 3>을 참조하여 상세하게 설명한다.
<도면 3>은 본 발명의 세척장치에 사용되는 에젝터를 분해하여 나타낸 단면도이다. 본 발명의 에젝터는 압축공기를 사용하지 않고도 물과 공기를 혼합한 이류체를 만들어 세척조 내로 분출할 수 있도록 제조한 데 그 특징이 있다. 특히 물과 공기의 혼합으로 생긴 공공분율(Void Fraction)이 0.2 이상으로 최적화된다.
<도면 3>에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 에젝터는 압력수 유입구, 공기흡입구, 제1 이류체 혼합실, 제2 이류체 혼합실 및 고정 너트로 이루어져 있다.
여기서 고정 너트는 에젝터를 세척조에 고정하는 역할을 담당한다.
에젝터의 동작원리는 압력수 유입구를 통하여 유입된 압력수는 제1 이류체 혼합실을 통과하여 제2 이류체 혼합실을 지나면서 속도 에너지 증가로 인한 압력 강하를 가져온다.
따라서 부압이 형성되므로 공기 흡입구를 통하여 공기가 흡입되어 바로 목부분에서 확산된 후, 제1 이류체 혼합실을 지나면서부터 압력수와 혼합된다. 이러한 이류체는 이동하면서 속도가 증가하므로 급격한 확산작용에 의하여 균일한 이류체가 형성된다.
본 발명의 에젝터에 있어서는 따로 압축공기를 사용하지 않고 일정 압력 이상의 압력수를 사용함으로써 에젝터 내에 부압을 형성하여 공기가 공기 흡입구를 통하여 자연적으로 흡입되도록 하였다. 압력 수류식 세척시에 공기를 혼합한 이류체를 적용할 경우, 공기와 물의 밀도 차이가 크므로 공기부력에 의해 세척조 내의 물은 유동하여 상승함과 동시에 와류를 발생시킨다.
이제 에젝터를 사용하여 제2 세척조에서 세척을 완료한 경우의 작업진행 과정에 대하여 설명한다.
제2 세척조에서 에젝터를 사용하여 세척을 완료한 경우, 닫혀 있던 제1 마그네틱 밸브를 개방하여 세척수를 제1 이송용 급수 매니폴더에 추가로 공급함으로써, 여기에 이어진 이송용 노즐에서 직선 이송류가 생성되어 제2 세척조 내에 있던 세척 대상물을 제3 세척조로 이송한다.
이러한 이송 동작에 있어서는 격실도어 장치의 슬라이드 도어가 위에 매달려 있어서 제2 세척조 및 제3 세척조 간에 세척대상물이 이동할 수 있어야 한다. 또한, 2개의 세척용 급수 매니폴더로부터 에젝터로, 이송에 방해를 줄 수 있을 정도의 세척수가 이송방향과 직교하는 방향으로 계속 분출되지만, 제1 마그네틱 밸브를 개방하였으므로, 세척수의 분출압력이 저하되어 이송에는 별다른 지장을 주지 않는다.
<도면 4>는 제2 세척조 및 제3 세척조의 사이에 놓인 격실 도어 장치를 나타낸 도면이다. 본 발명에서의 격실 도어장치는 도어 구동 모터, 이송용 급수 공급관, 격실 도어 프레임, 이송용 노즐 및 슬라이드 도어로 이루어져 있다. 
<도면 4>에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 격실 도어 장치는 평소에는 닫혀 있다가 제2 세척조에서 세척이 완료된 세척대상물을 제3 세척조로 이송하는 경우에 제어판에서의 조작으로 도어 구동 모터를 작동시켜 슬라이드 도어를 상승시킨다.
이러한 동작을 위하여 격실 도어 장치에서는 슬라이드 도어를 도어 구동 모터에 연결하여 격실 도어 프레임에서 슬라이드식으로 이동할 수 있게 제조한다.
제3 세척조에서 제2 세척조와 같은 세척작업이 완료되면, 닫힌 격실 도어 장치의 이송용 노즐을 통하여 직선의 이송용 압력수가 분사된다. 이러한 이송용 압력수는 제어판의 조작으로 제2 마그네틱 밸브를 개방함으로써 제2 이송용 급수 매니폴더로부터 이송용 급수 공급관을 따라 공급된다.
이송용 압력수의 분출 및 제3 세척조의 후단에 부착된 컨베이어 벨트의 작동에 따라 세척 대상물은 제3 세척조를 벗어나 이동하며, 항균용 살수 노즐로 헹굼 과정을 거치면서 세척 작업을 종료한다.
제3 세척조의 후단에는 운반장치가 설치되어 있는데, 이러한 운반장치는 세척이 완료된 세척 대상물을 향균 세척하기 위한 항균용 살수 노즐과 이를 운반하기 위한 컨베이어 벨트를 포함한다.
이러한 본 발명에 있어서는 사전 운전 입력 시간에 따른 병렬 연속 운전 방식을 채용하여, 이송 과정 및 세척과정이 중단되지 않고, 전 과정을 동시에 진행할 수 있도록 하고 있다.
특히 대부분의 농산물의 경우 포장단위가 있기 때문에 이러한 병렬 연속 운전 방식을 채택함으로써 운전 효율을 극대화하고 세척효과를 높일 수 있다.
전술한 바와 같이 바닥판으로 만들어지는 대칭적 난류와 공기 방울에 의해서 세척 대상물 전체에 걸쳐 세척이 이루어지고, 각 단계별 세척시간을 조절함으로써 수요자가 원하는 만큼의 세척이 이루어지도록 하고 있다.
<실시예>
본 발명의 세척장치를 통하여 다음과 같은 실험을 실시하였다.
이하 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 자세히 설명하나, 다음의 실시예는 본 발명의 바람직한 일실시예일 뿐 본 발명이 다음의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 세척장치는 세척력이 500kg/hr이며, 스테인리스강을 재료로 하여 제조하였고, 세척대상물로 수삼을 사용하였다.
급수장치의 경우 세척수 공급 펌프는 25마력, 회전수 1750rpm, 토출량 2.28m3/min인 2단 볼루트(Volute) 펌프를 사용하였다. 또한 세척수 공급 매니폴더의 경우 직경이 20mm인 것을 사용하였다.
제2 세척조 및 제3 세척조의 좌우에 부착된 에젝터의 경우, 2~3kg/cm2의 수압으로 물과 공기의 겉보기 체적이 3.7:1이며, 토출구의 직경이 12mm인 총 48개의 에젝터를 설계제작하였으며, 제1 이류체 혼합실의 너비를 4.5mm, 제2 이류체 혼합실의 너비를 6.8mm로 제작하여 속도에너지 증가에 따른 압력 강하 현상이 일어나도록 하였다.
또한 에젝터로 유입되는 공기는 부압계를 설치하여 운전조건 변화시마다 측정이 가능하도록 하였다.
이러한 본 발명의 세척기로 20분 동안 세척을 실시한 결과, 가장 세척이 난이한 형태 및 조건을 지닌 수삼 세척에 있어서도, 잔류 회분이 5% 이하이고 산불용성 회분이 2% 이하인 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
