KR100289230B1 - 챔버내부에나선형가이드홈이형성된음향공진형기체용해장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음향공진을 이용한 기체용해장치에 관한 것으로서, 폐수처리의 산소공급장치에 있어서 챔버 내벽면에 나선형 가이드홈을 형성하고, 나선형 가이드홈을 따라 상방으로 나선운동할 수 있도록 챔버 내부로 산소기체를 고압 주입하여 소용돌이를 발생시키고, 챔버내부로 유입되는 폐수와 챔버외부로 방출되는 폐수의 압력차로 공진을 발생시켜 폐수내에 산소기체의 용해도를 높일 수 있는 챔버내부에 나선형 가이드홈이 형성된 음향공진형 기체용해장치를 제공함에 그 목적이 있다.

이를 이루기 위하여 본 발명은 고압의 기체를 주입할 수 있도록 그 내부에 주입구가 형성된 접속부재 및 상기 주입구에 연통되게 상기 접속부재의 측면에 일체로 형성되며, 상기 주입구로부터 주입되는 산소기체가 그 내벽면을 따라 회전 소용돌이를 형성하면서 공진주파수를 발생할 수 있도록 그 내벽면에는 나선형 가이드홈이 형성되고, 그 하측은 밀폐되며, 그 상측에는 내측으로 좁혀져 라운딩된 상태로 상기 산소기체가 빠져나가는 출구가 형성된 챔버로 이루어진다.

Description

챔버내부에 나선형 가이드홈이 형성된 음향공진형 기체용해장치

본 발명은 음향공진을 이용한 기체용해장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 폐수처리의 산소공급장치에 있어서 챔버내부로 산소기체를 고압 주입하여 발생되는 소용돌이(vortex)와 공진을 이용하여 폐수(이하, 물이라 함)의 산소 용해도를 향상시킨 챔버내부에 나선형 가이드홈이 형성된 음향공진형 기체용해장치에 관한 것이다.

도 1 은 종래의 기체용해장치를 도시한 사시도이고, 도 2 는 도 1의 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와같이, 종래의 기체용해장치는 접속구 몸체(1), 고정대(2)(2'), 및 파이프(3)로 구성되어서, 접속구 몸체(1)로 들어온 기체가 파이프(3)의 미세구멍으로 통과하면서 작은 기체방울로 형성되어 물속에 공급된다. 이때, 파이프(3)는 별도의 구멍이 있는 것이 아니라 세라믹이나 폴리 에틸렌(P.E)을 이용하여 파이프를 만들 때 미리 미세구멍이 생성되도록 제작된 것이다. 그러나 이 장치는 단순히 미세구멍을 통과시켜 기체 방울의 크기를 축소시키는 장치로서, 기체 방울의 크기를 축소시키는 데는 한계가 있으며, 또한 미세구멍 사이에는 수증식물이 번식하기 때문에 미세구멍이 막혀서 자주 청소를 해주어야 하며 또한 사용 가능한 통기량도 적다.

한편, 도 3 은 다른 종래의 기체용해장치를 도시한 단면도이고, 도 4 는 도 3의 평면도이다.

도 3 및 도 4 에 도시된 바와같이, 다른 종래 기술로서는 기체 흡입구(4)를 통하여 들어온 기체가 기체 통과구(5) 및 그물망(6)을 통과하면서 작은 물방울로 쪼개져서 덮개망(7)을 거쳐 물속에 공급되도록 한 것이. 그러나 이 장치에서는 덮개망(7)의 구멍을 작게하는 기술이 한계가 있는 바, 큰 기체방울이 물속에 방출될 경우 그 효율이 매우 낮아지는 문제점이 발생된다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 폐수처리장의 산소공급장치에 있어서 챔버 내벽면에 나선형 가이드홈을 형성하고, 나선형 가이드홈을 따라 상방으로 나선운동할 수 있도록 챔버 내부로 산소기체를 고압 주입하여 소용돌이를 발생시키고, 챔버내부로 유입되는 물과과 챔버외부로 방출되는 물의 압력차로 공진을 발생시켜 폐수내에 산소기체의 용해도를 높일 수 있도록 한 챔버내부에 나선형 가이드홈이 형성된 음향공진형 기체용해장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 목적을 이루기 위하여 본 발명은 고압의 산소기체를 주입할 수 있도록 그 내부에 주입구가 형성된 접속부재 및 상기 주입구에 연통되게 상기 접속부재의 측면에 일체로 형성되며, 상기 주입구로부터 주입되는 산소기체가 그 내벽면을 따라 회전 소용돌이를 형성하면서 공진주파수를 발생할 수 있도록 그 내벽면에는 나선형 가이드홈이 형성되고, 그 하측은 밀폐되며, 그 상측에는 내측으로 좁혀져 라운딩된 상태로 상기 산소기체가 빠져나가는 출구가 형성된 챔버로 이루어지되, 상기 챔버 내부로 주입된 산소기체가 나선형 가이드홈에 가이됨과 동시에 상기 라운딩된 출구를 따라 원활하게 상기 챔버 외측으로 방출됨에 따라 상기 챔버내로 유입되는 물과 방출되는 물의 압력차가 크게 발생되고, 상기 압력차에 의해 발생되는 공진주파수가 음향에너지를 상기 물속으로 전달하는 과정에서 상기 산소기체의 공기방울에서 상기 물로의 물질전달저항이 감소됨에 따라 산소기체의 용해도가 향상되도록 된 특징이 있다.

도 1 은 종래의 기체용해장치를 도시한 사시도,

도 2 는 도 1의 단면도,

도 3 은 다른 종래의 기체용해장치를 도시한 단면도,

도 4 는 도 3의 평면도,

도 5 는 본 발명에 따른 기체용해장치를 도시한 사시도,

도 6 은 도 5의 A-A선 단면도,

도 7 는 도 5의 B-B선 단면도,

도 8 은 본 발명에 따른 기체용해장치의 작동을 나타내는 개략 종단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100 : 기체용해장치 110 : 접속부재

112 : 주입구 114 : 나사부

120 : 챔버(chamber) 122 : 나선형 가이드홈

124 : 출구 d₁: 챔버(내부공간부)의 하부직경

d₂: 챔버(내부공간부)의 상부직경

d₃: 주입구의 직경

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 챔버내부에 나선형 가이드홈이 형성된 음향공진형 기체용해장치의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.

도 5 는 본 발명에 따른 기체용해장치를 도시한 사시도이고, 도 6 은 도 5의 A-A선 단면도이며, 도 7 는 도 5의 B-B선 단면도이고, 도 8 은 본 발명에 따른 기체용해장치의 작동을 나타내는 개략 종단면도이다.

도 5내지 도 7에 도시된 바와같이, 본 발명의 기체용해장치(100)는 고압의 산소 기체를 주입할 수 있도록 그 내부에 주입구(112)가 형성된 접속부재(110)와, 상기 주입구(112)에 연통되게 상기 접속부재(110)의 측면에 일체로 형성되며 상기 주입구(112)로부터 주입되는 산소기체가 그 내벽면을 따라 회전 소용돌이를 형성하면서 공진주파수를 발생할 수 있도록 그 내벽면에는 나선형 가이드홈(122)이 형성되고 그 상측에는 산소기체가 빠져나가는 출구(124)가 형성된 챔버(120)로 이루어진다.

다시 말하면, 접속부재(110)의 일측에는 산소기체를 공급하는 에어공급수단(도시하지 않음)이 연결될 수 있도록 나사부(114)가 형성되어 있고, 접속부재(110)의 타측은 챔버(120)의 측면에 일체로 형성되어 있다.

접속부재(110)를 관통하여 형성된 주입구(112)는 챔버(120) 내벽면에 접선방향으로 향하도록 형성되어 있으므로, 주입구(112)내로 유입된 고압의 산소기체는 챔버(120) 내벽면을 따라 회전되도록 구성된다.

챔버(120)는 그 상측이 안쪽으로 좁혀져 라운딩된 형상으로, 상방이 개방된 통형상으로 이루어져 있으며, 그 내벽면에는 주입구(112)로부터 고압 주입되는 산소기체를 상방으로 안내하는 나선형 가이드홈(122)이 형성되어 있다. 즉, 주입구(112)로부터 고압 주입된 산소기체가 나선형 가이드홈(122)을 따라 회전 소용돌이를 형성하면서 챔버(120) 상측에 개방된 출구(124) 외측으로 빠져나갈수 있도록 구성되어 있다.

전술한 챔버(120)의 내부 공간부의 높이(h)/하부직경(d₁)의 비는 0.5∼2이고, 상기 챔버(120)의 내부 공간부의 하부직경(d₁)/주입구의 직경(d₃)의 비는 5∼8로 구성되는 것이 바람직하다.

도 8 은 본 발명에 따른 기체용해장치의 작동을 나타내는 개략 종단면도로서, 챔버(120)의 접선방향으로 만들어진 주입구(112)내로 고압의 산소기체가 들어오면 나선형 가이드홈(122)을 따라 회전된다. 이때, 산소기체가 회전 소용돌이를 형성하면서 출구(124)로 빠져 나간다.

다시 말하면, 주입구(112)에서 P_air의 압력으로 유입된 산소기체는 챔버(120)내에서 접선방향으로 회전을 하기 때문에 챔버(120) 중앙의 압력은 상대적으로 낮고, 출구(124) 외측으로 갈수록 압력은 낮아진다. 따라서, 압력이 상대적으로 낮은 챔버(120)의 출구(124) 중앙으로 물이 챔버(120)내로 유입되며, 상기 유입된 물은 회전하고 있는 산소기체에 휘말려 나선운동을 하게 됨과 동시에 나선운동의 원심력에 의하여 물은 챔버(120)의 외측으로 빠져 나간다. 즉, 챔버(120)내로 유입된 물은 챔버(120) 하부에서 회전하면서 올라 오는 산소기체와 함께 회전 소용돌이를 형성하면서 챔버(120) 외측의 물 내부로 방출되고, 이때 방출되는 물 내부에 산소기체가 잘게 쪼개져 용이하게 용해되는 것이다.

다시 말하면, 물이 소용돌이에 휘말려 나선운동을 하면서 최종적으로 출구(124) 외측으로 방출될 때, 챔버(120)내로 유입되는 물과 방출되는 물/산소기체 사이에는 압력차가 발생하며, 이 압력차에 의하여 주파수(F)로 공진이 발생되며, 이때 공진에 의해 발생된 음향에너지가 물속으로 전달되면서 기체방울에서 물로의 물질전달저항을 감소시켜서 산소기체의 용해속도를 빠르게 한다. 여기에서, 공진주파수는 2000∼3000 Hz로 형성하는 것이 바람직하다.

뿐만 아니라, 공진(F)에 의하여 폐수중의 기체방울은 수직상승을 하지 않고 수평운동을 하면서 상승하기 때문에 산소기체의 물에서의 체류시간을 증가시켜서 더 많은 산소기체가 물에 용해될 수 있게 한다.

상기 공진주파수(F)는 다음과 같다.

여기서, 음향공진의 크기 및 주파수는 챔버(120)내의 마찰로 인한 산소기체의 회전속도 감소와 연관된 계수(K), 챔버하부의 직경(d₁), 챔버하부의 직경에서 수직으로 뻗은 물의 압력(P_water)에 의해 좌우된다. 또한 C는 음속으로서, 본 발명에서는 기체와 물이 혼합된 상태의 매질에서의 음속이나, 실제 기체용해장치의 작동조건에서는 기체가 대부분의 매질을 차지하기 때문에 기체중의 음속(340m/s)에 가깝다. 또한 계수 K는 기체용해장치에 따라 실험에 의해 측정된다.

본 발명가들의 실험에 의하면, 챔버하부의 직경에서 수직으로 뻗은 높이(h)가 30mm이고, 챔버하부의 직경(d1)이 20mm이면 △P(P_air-P_water)는 2기압 이하이고, 챔버하부의 직경(d₁)/주입구 직경(d₃)의 비가 5내지 8일 때 기체의 회전 소용돌이와 공진에 의한 음향에너지에 의해 기체방울을 작게 쪼개주고, 산소기체의 용해도를 증가시켜 산소 전달 효율이 종래의 기체용해장치에 비하여 30%이상 향상된 결과를 얻을 수 있다.

이때, 산소 전달 효율은 다음과 같다.

도 8은 본 발명에 따른 기체용해장치의 작동을 나타내는 개략 종단면도로서, 산소기체가 챔버(120)의 접선방향으로 만들어진 주입구(112)로 들어오면 회전 소용돌이가 형성되고, 상기 형성된 소용돌이가 출구(124)로 빠져 나가는 것을 나타낸 것이다.

결과적으로, 챔버(120) 내벽면에 나선형 가이드홈(122)을 형성하여 이 가이드홈내로 산소기체가 안내되도록 함으로써 산소기체의 저항을 보다 감소시키게 되고, 그에 따라 산소기체가 현저한 소용돌이를 일으키게 된다. 따라서, 유입되는 물과 방출되는 물의 압력차가 커지게 되고 그에 따라 공진주파수도 커지게 되어 공진에 의한 음향에너지가 물속으로 전달되는 과정에서 산소기체의 공기방울에서 물로의 물질전달저항을 감소시킴에 따라 산소기체의 용해속도를 보다 향상시킬 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 챔버(120)의 출구(124)측을 안쪽으로 좁혀진 라운딩형상으로 구성함으로써 산소기체가 원활하게 출구(124)를 빠져나가도록 하여, 즉 산소기체의 흐름을 부드럽게 안내함으로써 용해 효과를 향상시킬 수 있는 것이다.

한편, 본 발명의 기체용해장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 설명에서는 폐수처리분야에서 산소기체를 폐수에 용해하는 것을 일예로 하였으나, 기체를 액체에 용해시키는 어떠한 분야에서도 유익하게 사용될 수 있는 것이다.

이상에서와 같이, 본 발명은 기체의 회전 소용돌이와 음향공진에 의해 발생된 에너지를 이용하여 기체방울을 작게 쪼개주고, 산소의 용해도를 증가시켜 줌으로써 산소전달 효율이 증가된다. 또한 적은 양의 기체를 공급하여도 같은 정도의 용전산소를 얻을 수 있으므로 산소 공급장치의 운전비용이 절약되고, 구조가 간단하여 제작이 용이하고 수증로 인해 자주 청소해 주어야 하는 번거로움이 해결할 수 있다.

특히, 챔버 내벽면에 나선형 가이드홈을 형성하여 이 가이드홈내로 산소기체가 안내되도록 함으로써 산소기체의 저항을 보다 감소시키게 되고, 그에 따라 산소기체가 현저한 소용돌이를 일으키게 된다. 따라서, 유입되는 물과 방출되는 물의 압력차가 커지게 되고 그에 따라 공진주파수도 커지게 되어 공진에 의한 음향에너지가 물속으로 전달되는 과정에서 산소기체의 공기방울에서 물로의 물질전달저항을 감소시킴에 따라 산소기체의 용해속도를 보다 향상시킬 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 챔버의 출구측을 안쪽으로 좁혀진 라운딩형상으로 구성함으로써 산소기체가 원활하게 출구를 빠져나가도록 하여, 즉 산소기체의 흐름을 부드럽게 안내함으로써 용해 효과를 향상시킬 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 고압의 산소기체를 주입할 수 있도록 그 내부에 주입구가 형성된 접속부재; 및

   상기 주입구에 연통되게 상기 접속부재의 측면에 일체로 형성되며, 상기 주입구로부터 주입되는 산소기체가 그 내벽면을 따라 회전 소용돌이를 형성하면서 공진주파수를 발생할 수 있도록 그 내벽면에는 나선형 가이드홈이 형성되고, 그 하측은 밀폐되며, 그 상측에는 내측으로 좁혀져 라운딩된 상태로 상기 산소기체가 빠져나가는 출구가 형성된 챔버로 이루어지되,

   상기 챔버 내부로 주입된 산소기체가 나선형 가이드홈에 가이됨과 동시에 상기 라운딩된 출구를 따라 원활하게 상기 챔버 외측으로 방출됨에 따라 상기 챔버내로 유입되는 물과 방출되는 물의 압력차가 크게 발생되고, 상기 압력차에 의해 발생되는 공진주파수가 음향에너지를 상기 물속으로 전달하는 과정에서 상기 산소기체의 공기방울에서 상기 물로의 물질전달저항이 감소됨에 따라 산소기체의 용해도가 향상되도록 된 것을 특징으로 하는 챔버내부에 나선형 가이드홈이 형성된 음향공진형 기체용해장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 공진주파수는 2000∼3000 Hz인 것을 특징으로 하는 챔버내부에 나선형 가이드홈이 형성된 음향공진형 기체용해장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 챔버의 내부 공간부의 높이(h)/하부직경(d₁)의 비는 0.5∼2이고, 상기 챔버의 내부 공간부의 하부직경(d₁)/주입구의 직경(d₃)의 비는 5∼8인 것을 특징으로 하는 챔버내부에 나선형 가이드홈이 형성된 음향공진형 기체용해장치.