KR100843970B1 - 마이크로 버블 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 버블 발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낮은 탱크 압력에서 공기, 오존, 순 산소 등의 기체를 수 마이크로미터 이하의 크기로 수중에 버블화 함으로써, 적은 동력으로 대량의 고농도 기포수(마이크로 버블을 함유한 물)를 발생시켜 하·폐수처리, 정수처리, 하천 및 호소의 수질정화, 수체의 살균소독, 산소공급, 식품 위생 산업 등에 활용가능한 마이크로 버블 발생장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 상단 및 하단에 유입구와 배출구가 형성되고, 내부에 일정한 체적공간을 갖는 가압탱크; 상기 가압탱크에 정화대상용 유체를 공급하는 유체공급용 펌프; 상기 가압탱크에 기체를 공급하는 기체공급수단; 상기 가압탱크의 상단에 연통되게 설치되어, 상기 유체공급용 펌프로부터 공급받은 정화대상용 유체를 분사시켜 정화대상용 유체의 낙차와 와류(선회류)를 형성함으로 기체를 정화대상용 유체에 용존시킨 후 정화대상용 유체의 구심성 나선운동을 유도하는 분사수단; 및 상기 가압탱크의 배출구를 통해 배출되어 구심성 나선운동으로 활성화된 정화대상용 유체를 고농도의 마이크로 버블을 함유하는 기포수로 변환하여 배출시키는 기포수 토출수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블 발생장치를 제공한다.

마이크로 버블, 가압탱크, 펌프, 구심성 나선운동, 와류, 기포수

Description

마이크로 버블 발생장치{Apparatus of generating Microbubble}

본 발명은 마이크로 버블 발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 낮은 탱크 압력에서 공기, 오존, 순 산소 등의 기체를 수 마이크로미터 이하의 크기로 수중에 버블화 함으로써, 적은 동력으로 대량의 고농도 기포수(마이크로 버블을 함유한 물)를 발생시켜 하·폐수처리, 정수처리, 하천 및 호소의 수질정화, 수체의 살균소독, 산소공급, 식품 위생 산업 등에 활용가능한 마이크로 버블 발생장치에 관한 것이다.

미세한 공기 방울 입자인 버블은 다양한 용도로 이용되고 있다. 예컨대, 세탁기의 경우, 세탁력을 향상시키기 위해 세탁조에서 버블을 이용하고 있다. 또한, 반도체 또는 액정표시장치의 제조공정에서 세정, 식각 및 스트립 등의 공정에 버블이 이용되고 있다.

특히, 세정 공정에서 버블은 광범위하게 사용되고 있다. 예컨대, 초음파를 이용하여 버블을 발생시키고, 발생된 버블을 통해 반도체 웨이퍼의 표면을 세정하 거나, 금속에 대한 코팅 공정 이후에 잔류하는 부유물들을 제거하는데 버블이 사용되고 있다.

버블의 발생 방법은 크게 2가지로 나누어진다.

첫째는, 초음파 등을 이용하여 액체에 기계적 진동을 가하여 버블을 발생시킨다. 이러한 경우, 발생되는 버블의 양을 제어하기는 용이하나, 버블의 크기를 제어할 수 없는 단점이 있다. 이때, 초음파를 이용하여 버블을 발생시키는 것은 반도체 웨이퍼나 액정표시장치의 세정 공정에서 사용된다.

둘째는, 유체의 흐름을 조절하여 버블을 발생시키는 것이다. 유체가 흐르는 경로에 홈을 구성하는 방법을 사용하는 경우, 홈을 중심으로 버블이 발생된다. 상기 방법은 버블의 양 및 크기를 동시에 제어할 수 있는 장점이 있다.

한편, 하·폐수처리, 정수처리 및 하천, 호소의 수질정화를 위해 오염물질에 기포를 부착시켜 수(水) 표면으로 부상시키는 방법을 많이 사용하고 있다. 이러한 목적을 위해 다양한 기포발생장치가 사용되어지고 있다.

그런데, 종래의 기포발생장치는 가동압력이 4~7kg/㎠ 범위에서 가동되어짐으로 인해 많은 동력이 필요하며, 발생되는 기포의 직경이 50~100㎛ 정도이므로, 기포의 오염물질 제거능력이 떨어지고 운영비가 많이 들어가는 단점이 있다.

특히, 정수처리, 하천 및 호소 수질정화에 있어서는 종래의 방법으로는 효율성, 경제성 측면에서 적용하기에 어려움이 많다고 할 수 있다.

일반적으로 수체의 살균 소독을 위해서는 자외선, 염소, 오존 등의 방법을 많이 사용하고 있다.

오존을 이용할 경우 오존발생장치에서 발생된 오존을 수조의 바닥에 설치된 여러 가지 형태의 산기관을 통해 오존을 배출시켜 수체와의 혼합을 유도한다. 이때 오존 기포 입자가 매우 크기 때문에 기포의 수중체류시간이 짧고, 기액 접촉면적이 작아 공급된 총 오존의 60~70% 이상은 반응하지 못하고 대기 중으로 방출됨으로써, 오존 발생장치가 대형화됨에 따라 시설비 및 운영비가 많이 들어가는 단점이 있다.

그리고, 미생물 반응조 또는 양식장에서 고농도의 미생물 배양, 고밀도의 어류양식을 위해서는 효율적인 산소공급이 필요하다.

이러한 목적으로 다양한 형태의 산기관, 수차, 에어레이터 등이 사용되어지고 있으나 기포의 입경이 매우 커서 수중산소 용해율이 매우 낮으므로 소모 전력에 비해 만족할 만한 산소공급이 이루어지지 못하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 탱크압력이 1.5~3kg/㎠의 낮은 압력에서 공기, 오존, 순산소 등의 기체를 직경 1~10㎛의 크기로 수중에 마이크로 버블화 함으로써, 낮은 동력으로 대량의 고농도 기포수(마이크로 버블을 함유한 물)를 발생시켜 하·폐수처리, 정수처리, 하천 및 호소의 수질정화, 수체의 살균소독, 산소공급, 식품 위생 산업 등의 목적으로 활용할 수 있도록 한 마이크로 버블 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 마이크로 버블 발생장치에 있어서,

상단 및 하단에 유입구와 배출구가 형성되고, 내부에 일정한 체적공간을 갖는 가압탱크;

상기 가압탱크에 정화대상용 유체를 공급하는 유체공급용 펌프;

상기 가압탱크에 기체를 공급하는 기체공급수단;

상기 가압탱크의 상단에 연통되게 설치되어, 상기 유체공급용 펌프로부터 공급받은 정화대상용 유체를 분사시켜 정화대상용 유체의 낙차와 와류(선회류)를 형성함으로 기체를 정화대상용 유체에 용존시킨 후 정화대상용 유체의 구심성 나선운동을 유도하는 분사수단; 및

상기 가압탱크의 배출구를 통해 배출되어 구심성 나선운동으로 활성화된 정 화대상용 유체를 고농도의 마이크로 버블을 함유하는 기포수로 변환하여 배출시키는 기포수 토출수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 가압탱크의 배출구와 기포수 토출수단 사이에 연통되게 연결되며, 구심성 나선운동으로 유도된 정화대상용 유체의 강력한 소용돌이현상으로 구심운동의 축선 상에서 음압이 형성됨으로 기체가 유체와 함께 배출될 수 있는데, 상기 유체(분자)들로부터 기체(분자)들을 분리 배출시키는 기체배출부 및 기체배출부의 상단에 설치된 에어벤트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 분사수단은 유체공급용 펌프를 통해 가압탱크 내부로 유입될 때 고속으로 분사되도록 끝단부의 직경이 축소되고, 수표면에 대해 일정 경사각으로 이루어진 제1분사노즐 및 수직방향으로 이루어진 제2분사노즐;

상기 제1 및 제2분사노즐에 각각 설치되어, 정화대상용 액체의 유량을 조절하여 최적의 구심성 나선운동을 유도하는 제1유량제어밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가압탱크에는 탱크 내부의 수위를 감지하기 위한 수위센서와, 상기 수위센서로부터 감지신호를 입력받아 수위를 일정하게 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블 발생장치.

또한, 상기 기포수 토출수단의 일구현예는 좌측단부로 유체가 유입되도록 형성된 유입구와, 우측단부로 유체를 가속시키기 위해 끝단부의 직경이 축소되는 유체가속부를 포함하는 제1하우징;

좌측단부의 내부에 상기 유체가속부가 수용되면서, 우측단부에 유체가속부를 통해 분사된 유체가 충돌되도록 설치된 충돌판과, 상기 충돌판에 충돌된 유체를 배출시키기 위해 원주방향으로 형성된 이송관을 포함하는 제2하우징; 및

상기 제1하우징에 설치되어 유입구를 통해 유입되는 유체의 유량을 조절하는 제2유량제어밸브를 포함하여 구성되고,

상기 유체가속부를 통해 가속되고, 충돌판에 충돌된 정화대상용 유체는 순간적으로 직경이 1~10㎛ 인 마이크로 버블을 포함하는 기포수를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기포수 토출수단의 다른 구현예는 양단부에 유입구와 배출구가 형성된 하우징;

상기 유입구와 연통되며 설치되며, 유체를 가속시키기 위해 끝단부의 직경이 축소되는 유체가속부;

상기 유체가속부를 통해 분출된 유체가 충돌되도록 중심부로 갈수록 내경이 작아지게 돌출형성된 마이크로 버블 형성부; 및

상기 하우징의 유입구 측에 설치되어 유입구를 통해 유입되는 유체의 유량을 조절하는 제3유량제어밸브를 포함하고,

상기 유체가속부를 통해 가속되고, 마이크로 버블 형성부에 충돌된 정화대상용 유체는 마이크로 버블을 포함하는 기포수를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기체공급수단은 공기를 공급하는 공기압축기, 또는 오존을 공급하는 오존발생기, 또는 산소를 공급하는 순산소 발생기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 기포수 토출수단의 배출구에 연통되게 설치되고, 좌측단부와 우측단부에 각각 유입구와 배출구가 형성된 제1하우징;

좌측단부에 제1하우징의 배출구가 수용되면서 외부유체 흡입구가 별개로 구비되도록 좌측단부의 직경이 상대적으로 크게 형성되며, 상기 제1하우징의 배출구를 통해 유입된 유체와, 외부유체 흡입구를 통해 유입된 외부유체가 혼합되도록 내부에 혼합공간이 형성되고, 혼합공간의 끝단에 혼합된 유체가 더욱 증가된 유량으로 배출되도록 배출구가 형성된 제2하우징으로 구성된 기포수 증폭수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 버블 발생장치에 의하면, 펌프를 통해 유입된 유체의 강한 낙차와 와류(소용돌이)에 의해 기체가 최대량으로 유체 속으로 녹아들어가며, 유체의 흐름에 의해 가압탱크에서 유도 형성된 유체가 조화로운 구심성 나선운동을 함으로써, 가압탱크의 배출부분에서 유체의 유속이 극대화되어 물 분자가 질서 있게 정렬 및 압밀되고, 구심성 운동의 축선(중심선) 상에서는 음압(상대적으로 낮은 압력)이 형성되어 녹아 있는 기체분자들은 물 분자로부터 분리되기 시작하며, 마지막 기포수 토출수단에서 캐비테이션 및 빠른 유속에 의한 충돌 및 교란으로 순간적으로 높은 농도의 마이크로버블을 형성하여 우유빛을 띤 기포수를 발생시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 마이크로 버블 발생장치는 1.5~3kg/㎠의 낮은 압력에 서 각종 기체를 직경 1~10㎛ 크기로 수중에 마이크로 버블화 함으로써 적은 동력으로 대량의 고농도 기포수를 발생시켜 하·폐수처리, 정수처리, 하천 및 호소의 수질정화, 수체의 살균소독, 산소공급, 식품 위생 산업 등의 다양한 산업분야에 효과적으로 활용이 가능한 장치이다.

특히, 오염된 대용량의 저수지, 댐 등에 있어서는 경제적, 기술적인 한계로 인해 최근까지도 효과적인 수질정화를 실현시키지 못하고 있는 실정이나, 본 발명에서 이루어진 장치 및 기술을 활용하여 기포수의 산화력으로 수중의 악취원인 물질을 산화 분해하여 악취를 없애고, 수중의 오염물질과 퇴적층의 오염물질과 퇴적층의 오염물질을 효과적으로 응집, 부상 및 제거하여 깨끗한 수질을 유지하고, 수 환경을 호기성화로 유도하고 자정능력을 활성화하여 건강한 호소생태계를 복원하는데 기여할 수 있으므로, 저렴한 비용으로 대규모의 저수지, 댐의 수질정화를 달성하여 각종 용수공급 및 수자원의 보존, 아름다운 경관의 창출 등의 효과를 거둘 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 버블장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 도 1에서 제1 및 제2분사노즐의 구조를 나타내는 일부확대도이고, 도 3은 도 1에서 기포수 토출수단의 일실시예를 나타내는 정면도 및 측면도이고, 도 4는 도 1에서 기포수 토출수단의 다른 실시예를 나타내는 구성도이고, 도 5 는 도 1에서 기포수 증폭수단을 나타내는 구성도이고, 도 6은 도 1에서 기체배출부를 나타내는 구성도이다.

본 발명은 탱크압력이 1.5~3kg/㎠의 낮은 압력에서 공기, 오존, 순산소 등의 기체를 직경 1~10㎛의 크기로 수중에 마이크로 버블화 함으로써, 낮은 동력으로 대량의 고농도 기포수(마이크로 버블을 함유한 물)를 발생시켜 하·폐수처리, 정수처리, 하천 및 호소의 수질정화, 수체의 살균소독, 산소공급, 식품 위생 산업 등의 목적으로 활용할 수 있으나, 여기서는 호소 수질 정화에 대해 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 마이크로 버블 발생장치는 크게 기체를 용해시키고 활성화된 기체를 형성시키기 위한 가압탱크(10)와, 마이크로 버블을 대량으로 발생시켜 기포수를 생성하기 위한 기포수 토출수단(28,38)과, 기포수 토출수단(28,38)에서 토출된 기포수를 외부의 유체와 효과적으로 혼합시키기 위한 증폭수단(29)과, 상기 수단들이 자동으로 작동될 수 있도록 설치된 컨트롤 패널부(30)로 구성되어 있다.

상기 가압탱크(10)는 내부에 원통형태의 일정한 체적공간을 가지며, 상부에는 호소수가 유입되는 유입구가 형성되어 있다. 분사노즐(12,13)는 가압탱크(10)에 연통되게 설치되고, 기체의 용해성을 높이고 조화로운 구심성 나선운동을 유도하기 위해 사선방향으로 비스듬하게 형성된 제1분사노즐(12)와, 기체의 용해성을 높이기 위해 수직방향으로 형성된 제2분사노즐(13)로 구성되어 있다.

상기 제1분사노즐(12)를 통해 유입되는 호소수는 일정한 압력으로 가압탱크(10)의 내부로 수표면에 일정한 각도로 경사지게 분사되므로, 물이 일정한 방향으로 회전하게 한다.

이때, 물이 선회류를 일으키며 회전하면서 정지상태일 때의 수평면이 콘(cone) 형태와 같이 중심부가 오목하게 들어가고 바깥으로 갈수록 수위가 점점 높아짐으로써(낙차 발생), 가압탱크(10) 내부의 기체와 수표면의 접촉면적이 증가하게 되고, 이로 인해 기체가 물에 더욱 잘 용해될 수 있도록 도와준다.

상기 제2분사노즐(13)를 통해 유입되는 호소수는 일정한 방향으로 회전하는 물에 수직방향으로 분사되므로, 기체가 물에 더욱 잘 용해되기 쉽게 물을 활성화 시키게 된다.

또한, 상기 제1 및 제2분사노즐(12,13)에서 분사되는 물줄기는 가압 탱크 내부에 있는 물과 충돌하면서 수중에서 버블을 형성하며, 이에 따라 탱크 내 기체가 수중으로 잘 용해되도록 해준다.

상기 가압탱크(10)까지 호소수를 압송하기 위해 가압탱크(10)의 유입구와 연통되도록 유체공급용 펌프(11)가 설치되고, 유체공급용 펌프(11)의 유입부에는 펌프흡입력에 의해 약품을 가압탱크(10)로 공급하기 위한 약품주입구(18)가 설치되어 있다.

이때, 약품은 응집제로서, 이 응집제를 기포수와 완전 혼합하여 호소수에 투입하게 되면 녹조류나 부유물 등이 응집되고, 응집 플락에 미세기포가 흡착, 부착되어 응집 플락(flock)을 수면위로 부상시켜 외부로 제거하는데 사용된다.

또한, 상기 유체공급용 펌프(11)의 흡입부 끝단에는 유체의 역류를 방지하고, 이물질의 유입을 방지하기 위한 풋밸브 스트레이너(17)가 설치되어 있다. 그리고, 상기 풋밸브 스트레이너(17)와 유체공급용 펌프(11)를 연통되게 연결하는 제1 연결파이프가 설치되고, 가압탱크(10)의 유입구와 유체공급용 펌프(11)를 연통되게 연결하는 제2연결파이프가 설치되어 있다. 이때, 상기 제2연결파이프의 상단에는 제1 및 제2분사노즐(12,13)로 호소수를 분배하기 위한 분배헤드(16)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 분배헤드(16)와 제1 및 제2분사노즐(12,13)를 연결하는 제3연결파이프에는 유량을 조절하는 제1유량제어밸브(14,15)가 각각 설치되어 있다.

또한, 상기 가압탱크(10)의 상단에는 내부에 기체를 공급하기 위한 기체 유입구가 형성되어 있고, 기체 유입구에는 기체를 공급하는 공기압축기 또는 오존발생기 또는 순산소 발생기 등과 같은 기체공급수단(19)이 연결되게 된다.

상기 기체 유입구와 기체공급수단(19)를 연통되게 연결하기 위한 기체공급라인(24)이 설치되고, 기체공급라인(24)에는 기체의 역류를 방지하기 위한 체크밸브(20)와, 기체공급량을 자동으로 조절하기 위한 마그네틱밸브(21)가 설치되어 있다.

상기 가압탱크(10)의 측면에는 가압탱크(10)와 연통되게 설치되는 수위조절관(22)과, 수위조절관(22)의 상단에 설치되어 가압탱크(10)의 수위를 자동으로 조절하기 위한 수위센서(23)와, 다른 측면에 수직방향으로 형성되어 내부의 수위를 확인할 수 있는 수위확인부를 포함한다.

여기서, 상기 수위센서(23)를 통해 가압탱크의 수위를 자동으로 조절하는 방법으로, 수위조절관(22)의 수위가 높아져 이를 수위센서(23)가 감지하면(high 신호) 감지신호를 입력받은 제어부가 마그네틱밸브(21)를 열어주어 가압탱크(10) 내 부로 기체공급수단(19)로부터 압축된 기체가 공급되어 유체의 수위가 낮아짐과 동시에 기체를 공급하게된다.

이렇게 수위조절관(22)의 수위가 점점 낮아져 이를 수위센서(23)가 감지하면(low 신호) 마그네틱밸브(21)를 닫아주어 가압탱크 내부로 기체공급은 중단되며 수위는 점점 올라가게된다.

이러한 과정이 반복적으로 이루어져 수위를 자동으로 조절하며 기체공급이 이루어지게 된다.

수위확인부는 가압탱크(10)의 수위가 자동으로 잘 조절되고 있는지를 확인하기 위한 부분이며, 그 구조는 내부를 들여다 볼 수 있는 투명창, 투명호스 등 어떤형태이든 가능하다.

가압탱크(10)의 하부에 설치된 유량제어밸브는 밸브조작을 통해 가압탱크내부의 압력을 원하는 압력에 맞추고나면 고정되며, 다만 수위센서(23)가 높은지점을 감지하면 압축된 기체의 공급에 의해 가압탱크(10) 내부의 압력이 약간 상승하게 되어 탱크내의 유체를 더욱 강하게 밀어내므로 유량제어밸브로 배출되는 유체의 량이 약간 늘어나게 되므로 수위는 점점 내려가게 된다.

또한 수위센서(23)가 낮은 지점을 감지하면 압축된 기체의 공급이 중단되고 기체가 유체에 용존되어 배출되므로 탱크내부의 기체량이 점점 줄어들어 수위는 점점 상승하게 된다.

그리고, 상기 가압탱크(10)의 상단에는 가압탱크(10)의 압력을 확인하기 위해 가압탱크(10)와 연통되게 설치된 압력계(33)와, 가압탱크(10)의 이상압력이 발 생할 경우 위험을 방지하기 위한 릴리프밸브(34)를 포함한다.

한편, 상기 가압탱크(10)의 하단에는 호소수가 강력한 구심성 나선운동을 하며 배출되도록 호소수 배출구가 형성되어 있고, 호소수 배출구와 기포수 토출수단(28,38)을 연결하는 호소수 배출라인(25)이 설치되어 있다.

상기 호소수 배출라인(25)에는 호소수의 강력한 나선운동의 영향으로 딸려 나오는 기체를 배출시키기 위한 기체배출부(26)가 설치되고, 기체배출부(26)의 상단에는 에어벤트(27)가 설치되어 있다.

또한, 상기 기포수 토출수단(28,38)은 가압탱크(10)에서 활성화된 유체를 최종적으로 토출하여 마이크로 버블을 대량으로 발생시켜 우유 빛의 기포수를 생성한다.

도 3에 도시한 바와 같이 기포수 토출수단(28)은 소직경의 제1하우징(281)과, 대직경의 제2하우징(282)으로 구성되고, 제1하우징(281)의 좌측단에는 호소수가 유입되는 유입구(287)가 형성되고, 제1하우징(281)의 우측단에는 우측방향으로 갈수록 단면적이 작아지게 형성되는 유체가속부(283)가 형성되어 있다. 이때, 상기 제1하우징(281)의 중간에는 호소수의 유량을 조절하는 제2유량제어밸브(31)가 설치되어 있다.

상기 제2하우징(282)은 내부로 유체가속부(283)를 수용하며, 제2하우징(282)의 우측단(후방향)으로 배출구(288)가 형성되어 있고, 유체가속부(283)의 끝단과 일정한 간격으로 수직하게 충돌판(285)이 설치되어 유체가속부(283)를 통해 가속된 호소수가 충돌판(285)에 충돌하면서 사방으로 퍼져 더욱 미세한 마이크로 버블을 발생시키게 된다.

상기와 같이 충돌판(285)에 충돌된 호소수는 수 마이크로미터 직경의 마이크로 버블을 포함하는 기포수로 변하게 된다. 그리고, 충돌판을 통해 변화된 기포수는 원형의 내벽면에 의해 모아지면서 좌측으로 이동하여 원주방향을 따라 형성된 이송관을 통해 다음 증폭수단(29)로 배출되게 된다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 구현예에 따른 기포수 토출수단(38)은 "일(一)"자 형태의 하우징을 포함하고, 상기 하우징의 양단부에는 유입구(381)와 배출구(385)가 형성되어 있다.

상기 하우징의 중간에는 유체가속부(382)가 유입구(381)와 연통되며 설치되며, 유체를 가속시키기 위해 끝단부의 직경이 축소되는 노즐형태의 구조로 이루어진다.

상기 하우징의 유입구 측에는 호소수의 유량을 조절하는 제3유량제어밸브(32)가 설치되어 있고, 하우징 내부의 상부면과 하부면에는 중심부(길이방향 기준)로 갈수록 호소수가 이동하는 단면적이 작아지도록 마이크로 버블 형성부(384)가 형성되어 있고, 이 마이크로 버블 형성부(384)를 통해 음압을 형성하게 된다.

또한, 하우징의 내부공간은 유체가속부(382)를 통해 배출된 호소수가 마이크로 버블 형성부(384)에서 중심부의 좌측면과 충돌하면서 이 역시 미세한 마이크로 버블을 포함하는 기포수가 발생하게 된다.

도 5에 도시한 바와 같이, 증폭수단(29)은 좌측단에 기포수 유입구(293)가 형성된 튜브형태의 제1하우징(291)과, 상대적으로 큰 직경으로 내부에 기포수와 외 부 유체가 혼합되는 혼합부를 포함하는 제2하우징(292)으로 구성된다.

이때, 상기 제1하우징(291)의 우측단과 제2하우징(292)의 좌측단은 스크류와 같은 체결수단에 의해 결합되고, 제1하우징(291)과 제2하우징(292) 사이에는 외부의 유체가 유입될 수 있는 외부유체 흡입구(295)가 형성되어 있다.

도 6에 도시한 바와 같이, 기체배출부(26)는 호소수의 흐름에 수직한 방향으로 설치되고, 좌측단과 우측단에 각각 유입구(261)와 배출구(262)가 형성된 하우징과, 하우징의 상단으로 기체가 배출되도록 설치된 에어벤트(27)를 포함한다.

상기 하우징의 내부에는 기체를 상방향으로 유도하는 흐름방향 유도판(263)과, 흐름방향 유도판(263)에 의해 분리된 기체가 상방향으로 배출되도록 기체분리구가 형성되어 있다.

미세기포는 큰 공기방울이 함께 섞여 있으면 미세기포가 큰 공기방울에 쉽게 동화되어 없어지게 되므로, 이러한 현상을 방지하기 위해 기체배출부(26)를 두어 큰공기방울을 제거하고자 하며, 큰 공기방울은 부력이 강하므로 비교적 쉽게 유체로부터 제거할 수가 있다.

상기의 흐름방향 유도판(263)에 의해 유체가 큰 공기방울과 함께 수직상부방향의 흐름을 형성시킨 후 수직하부방향으로 흐름이 형성되면 큰 공기방울은 상부방향으로 이동하다가 자체 부력이 크기 때문에 하부방향으로 이동이 불가능하게 되어 기체분리구로 유입되어 에어벤트(27)를 통해 배출된다.

이와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 마이크로 버블 발생장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저 호소수가 유체공급용 펌프(11)의 흡입력으로 풋밸브 스트레이너(17)를 통과하고 연결파이프를 거쳐 사선방향의 제1분사노즐(12)과 수직방향의 제2분사노즐(13)을 통하여 가압탱크(10)로 유입된다.

이때, 제1유량제어밸브(14,15)를 적절하게 조절하여 공기의 용해성을 최대화하고 조화로운 구심성 나선운동이 이루어질 수 있도록 하며, 가압탱크(10) 내부의 수위는 수위센서(23)에 의해 적절하게 조절되게 하며, 탱크내의 압력은 1.5~3kg/㎠ 범위에서 적절하게 조절된다.

이렇게 하여 공기가 최대로 용해된 유체는 가압탱크(10) 출구 부분에서는 유체가 구심성 나선운동으로 가속되어 물 분자가 정렬되고 압밀되면 구심운동의 축 선상에는 음압이 형성된다.

즉, 물이 배관을 통해 이동할 때 구심성 나선운동에 의해 원심력을 받아 중심부에서 바깥쪽 방향으로 힘이 가해져서 상대적으로 배관 중심부(직경면 기준)의 압력이 낮아지게 된다.

따라서, 밀도가 큰 물은 원심력에 의해 중심부 바깥쪽으로 압밀되고, 밀도가 월등이 작은 공기분자(질소, 산소)는 물 분자로부터 분리되게 되므로, 마이크로 버블의 형성이 쉬운 활성화된 유체가 된다.

이렇게 활성화된 유체는 기체 배출부에서 유체의 구심운동으로 유체와 동반하여 흐르는 미량의 공기를 에어벤트(27)를 통하여 배출시킨 후, 호소수 배출라인(25)을 거쳐 기포수 토출수단(28,38)에서 캐비테이션(cavitation)과 충돌, 교란 효과에 의해 순간적으로 직경 1~10㎛ 크기의 마이크로 버블을 발생하여 우유 빛의 기포수를 형성하게 된다.

일반적으로 캐비테이션(공동현상)은 물의 압력 강하나 온도 상승으로 액체가 기체(수증기)로 바뀌는 현상을 말하며, 예를 들어 물이 급격한 압력변화에 의해 기체로 변하며, 이 기체가 물 속에서 기포(버블)을 형성하게 된다.

캐비테이션은 통상 선박에서 엔진에 의해 회전하는 프로펠러를 통해 추진력을 얻고자 할 때, 프로펠러 주위에서 급격한 압력변화에 기인하는 물의 상변화로 발생하는 것으로 설명되나, 본 발명에서는 물의 소용돌이 현상에 기인하는 캐비테이션이다.

즉, 가압탱크(10) 내부에 물이 어느정도 채워진 상태에서 가압탱크(10)의 유입구를 통해 호소수가 분사되고 일정 수위를 유지하면서 배출될 때, 유체의 점성 때문에 유체의 각 부분에 운동량의 차이가 생겨서 소용돌이가 형성된다.

이때, 상기 사선방향의 제1분사노즐(13)를 통해 고압 및 고속으로 호소수가 분사될 때 제1분사노즐(12)를 통해 분사되는 호소수와 달리 수표면과 일정한 각도로 분사되기 때문에 물의 회전을 더욱 용이하게 만들 수 있다.

또한, 상기 수직방향의 제2분사노즐(12)를 통해 고압 및 고속으로 호소수가 분사될 때 호소수의 낙차 및 빠른 유속에 의해 물에 물체를 세게 던진것과 같은 현상이 발생하여 물이 유동하게 만들고, 순간적인 압력변화에 의한 기포를 형성하게 된다.

이와 같이, 물의 소용돌이(vortex)에 의해 가압탱크(10)의 배출구를 통해 배출되는 호소수의 경우, 유체가 흘러가는 배관의 중심부에 고체막대와 같은 가상의 회전부분이 있고, 이 회전부분을 중심으로 유체가 회전되게 되는 것이다.

이때, 회전부분에서 갑자기 압력이 낮아지므로, 그 둘레의 유체가 중심을 향해 말려들듯이 끌려가게 된다.

따라서, 본 발명에서 이와 같은 물의 회전에 기인하여 상기 캐비테이션이 발생하고, 이는 마이크로 버블이 발생하기 쉬운 조건으로 만들어 주고, 기포수 토출수단(28,38)에서 마이크로 버블의 발생을 극대화할 수 있게 된다.

본 발명에서 제안한 기포수 토출수단(28)은 노즐형태와 같이 단면적이 점점 작아지는 유체가속부(283)를 통해 활성화된 호소수가 분출되고, 이 호소수가 충돌판(285)에 충돌하면서 물줄기가 분산이 되게 된다.

즉, 압밀된 물줄기가 충돌판(285)에 의해 미세한 물줄기 또는 물입자들로 변하면서 입경이 수 마이크로미터 정도 되는 마이크로 버블을 형성하게 해준다. 이는 물줄기의 운동에너지가 충돌판(285)과의 충돌을 통해 덩어리된 물을 매우 작은 물입자로 쪼개는데 사용됨으로써 가능해진다.

상기 기포수 토출수단(38)의 다른 예는 유체가속부(382)를 통해 가속된 호소수가 분출되고, 이 호소수가 마이크로 버블 형성부(384)와 충돌하면서 물줄기가 분산되게 된다.

평판형 충돌판(285)의 경우에는 수평방향으로 분사되는 물줄기에 대해 수직면을 갖게 되나, 마이크로 버블 형성부(384)의 경우에는 그 형상의 차이로 인해 수평방향으로 분사되는 물줄기에 대해 일정한 경사면을 가지게 된다.

실질적으로 유체가속부(283,382)를 통해 분출되는 물은 수평방향의 물도 있 고, 일정한 경사각의 물도 존재하기 때문에, 두번째 실시형태의 경우 마이크로 버블 형성부(384)에 일정한 경사각으로 분출되는 물에 의해 분산시키는 힘을 더욱 증가시킬 수 있다.

이와 같이 기포수 토출수단(28,38)에서 마이크로 버블이 형성된 후에는 증폭수단(29)으로 유입되어 외부유체 흡입구(295)를 통해 유입된 외부 유체와 혼합되어 더욱 증가된 유량으로 호소에 분사된다.

증폭수단(29)은 토출되는 기포수의 유량을 더욱 크게 하여 토출 기포수에 의해 호소수의 순환을 더욱 용이하게 하여 호소의 수질개선을 가능하게 하고, 기포수와 호소수의 혼합을 쉽게 함으로써, 응집 약품의 응집효율을 크게 하여 수질개선이 효과적으로 이루어질 수 있도록 한다.

이렇게 기포수가 양호하게 토출되는 것을 확인한 후, 약품 주입구(18)를 통해 응집약품(poly aluminum chloride)을 주입하여 호소내의 오염물질을 응집 수상시켜 호소의 수질개선을 달성한다.

실시예

연못의 수량 : 150톤

처리 전 연못의 수질 :

COD 4.0 SS 35.0 T-N 1.097 T-P 0.048 Chl-a 12.37 대장균 300

본 발명에 따른 마이크로 버블 장치의 기포수 발생량 : 3㎥/hr

처리시간 : 4시간

처리 후 연못의 수질 :

COD 1.8 SS 7.0 T-N 1.071 T-P 0.008 Chl-a 1.97 대장균 100

이를 정리하면 다음 표 1과 같다.

상기와 같은 조건에 따라 본 발명의 마이크로 버블 발생장치를 이용하여 제조된 마이크로 버블을 연못에 주입 실시한 결과, 150톤의 수량을 처리하는데 4시간이 소요되었다.

따라서, 본 발명의 처리용량은 37.6톤/hr이며 단위 기포수당 처리용량은 12.5톤/㎥ 이다. 즉, 기포수 1㎥ 가 처리할 수 있는 호소 수량은 12.5톤이라고 할 수 있다.

상기 표 1의 처리효율은 실시당시 기상악화로 다소 저조하지만 정상적인 상태에서는 매우 좋은 결과를 나타낼 것으로 추정할 수 있다.

상기와 같이, 하·폐수처리, 정수처리 및 하천·호소의 수질정화를 위해 응집된 오염물질에 기포를 부착시켜 수 표면으로 부상시키는 방법에 있어서, 대량의 고농도 기포수를 1.5~3kg/㎠의 낮은 탱크압력에서 발생시킴으로써 경제성을 확보할 수 있고, 공기, 오존, 순산소 등 기체의 직경이 1~10㎛의 매우 작은 크기로 수중에 마이크로 버블화 함으로써 오염물질의 제거효율을 더욱 향상시킬 수 있고, 시설 및 운영비를 크게 절감할 수 있으며, 부영양화로 몸살을 앓고 있는 호소에서 부영양화를 해소하고 호소의 맑고 깨끗한 수질을 확보하여 양질의 각종 용수 확보 및 아름다운 경관을 창출하는데 크게 기여할 수 있다.

또한, 오존 살균 소독 시 본 발명에 따른 마이크로 버블 발생장치에 의해 오존 마이크로 버블을 투입하게 되면 긴 체류시간, 넓은 기액 접촉면적으로 85~90% 이상의 오존이 용존되어 반응이 이루어지므로 기존의 산기관 방식에 비해 절반 규모의 오존발생기만으로도 충분히 살균소독이 이루어지므로 시설비 및 운영비를 크게 절감할 수 있다.

또한, 공기 마이크로버블 또는 순 산소 마이크로 버블을 사용하여 수체에 산소를 공급하면 기포의 직경이 미세하여 넓은 기액 접촉계면과 긴 체류시간이 달성되어 산소 용존 효율이 크게 증가하므로 만족할 만한 산소공급을 달성할 수 있다.

그리고, 세탁기에 본 발명의 마이크로 버블 발생장치에서 발생되는 마이크로 버블을 투입하여 세탁효율을 크게 높이고 세제 투입량을 현격히 줄일 수 있다.

마이크로 버블은 자체 소멸되는 특성이 있으며, 소멸되는 순간 파열 충격파를 발생시키는데, 세탁과정에 마이크로 버블이 의류 섬유에 미세하게 침투하여 파열 충격파를 발생시키면 의류에 부착되어 있는 오염물질이 떨어져 나오게 되므로 세탁효율이 크게 향상된다.

또한, 욕조에 본 발명의 마이크로 버블 발생장치에서 발생되는 마이크로 버블을 투입하면 마이크로 버블의 파열 충격파가 피부를 자극하여 혈액순환을 돕고, 모공 속으로 침투한 마이크로 버블은 모공속의 노폐물을 제거함으로써 건강한 피부를 유지할 수 있도록 해 준다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 버블장치를 나타내는 구성도이다.

도 2는 도 1에서 제1 및 제2분사노즐의 구조를 나타내는 일부확대도이다.

도 3은 도 1에서 기포수 토출수단의 일실시예를 나타내는 정면도 및 측면도이다.

도 4는 도 1에서 기포수 토출수단의 다른 실시예를 나타내는 구성도이다.

도 5는 도 1에서 기포수 증폭수단을 나타내는 구성도이다.

도 6은 도 1에서 기체배출부를 나타내는 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 가압탱크 11 : 유체공급용 펌프

12 : 제1분사노즐 13 : 제2분사노즐

14,15 : 제1유량제어밸브 31 : 제2유량제어밸브

16 : 분배헤드 17 : 풋밸브 스트레이너

18 : 약품주입구 19 : 기체공급수단

20 : 체크밸브 21 : 마그네틱밸브

22 : 수위조절관 23 : 수위센서

24 : 기체공급라인 25 : 호소수 배출라인

26 : 기체배출부 27 : 에어벤트

28,38 : 기포수 토출수단 29 : 기포수 증폭수단

30 : 컨트롤 패널부 281,291 : 제1하우징

282,292 : 제2하우징 283,382 : 유체가속부

284,383 : 제3유량제어밸브

285 : 충돌판 286 : 이송관

287,381,293 : 유입구 288,296 : 배출구

295 : 외부기체 흡입구 384 : 마이크로 버블 형성부

32 : 제3유량제어밸브 33 : 압력계

34 : 릴리프밸브

Claims (8)

1. 삭제
2. 마이크로 버블 발생장치에 있어서,

   상단 및 하단에 유입구와 배출구가 형성되고, 내부에 일정한 체적공간을 갖는 가압탱크;

   상기 가압탱크에 정화대상용 유체를 공급하는 유체공급용 펌프;

   상기 가압탱크에 기체를 공급하는 기체공급수단;

   상기 가압탱크의 상단에 연통되게 설치되어, 상기 유체공급용 펌프로부터 공급받은 정화대상용 유체를 분사시켜 정화대상용 유체의 낙차와 와류를 형성함으로 기체를 정화대상용 유체에 용존시킨 후 정화대상용 유체의 구심성 나선운동을 유도하는 분사수단;

   상기 가압탱크의 배출구를 통해 배출되어 구심성 나선운동으로 활성화된 정화대상용 유체를 고농도의 마이크로 버블을 함유하는 기포수로 변환하여 배출시키는 기포수 토출수단; 및

   상기 가압탱크의 배출구와 기포수 토출수단 사이에 연통되게 연결되며, 구심성 나선운동으로 유도된 정화대상용 유체 분자들이 정렬 및 압밀되고 구심운동의 축선 상에서 음압이 형성됨으로, 상기 유체 분자들로부터 기체분자들을 분리 배출시키는 기체배출부 및 기체배출부의 상단에 설치된 에어벤트를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블 발생장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 분사수단은 유체공급용 펌프를 통해 가압탱크 내부로 유입될 때 고속으로 분사되도록 끝단부의 직경이 축소되고, 수표면에 대해 일정 경사각으로 이루어진 제1분사노즐 및 수직방향으로 이루어진 제2분사노즐;

   상기 제1 및 제2분사노즐에 각각 설치되어, 정화대상용 액체의 유량을 조절하여 최적의 구심성 나선운동을 유도하는 제1유량제어밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블 발생장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 가압탱크에는 탱크 내부의 수위를 감지하기 위한 수위센서와, 상기 수위센서로부터 감지신호를 입력받아 수위를 일정하게 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블 발생장치.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 기포수 토출수단은 좌측단부로 유체가 유입되도록 형성된 유입구와, 우측단부로 유체를 가속시키기 위해 끝단부의 직경이 축소되는 유체가속부를 포함하는 제1하우징;

   좌측단부의 내부에 상기 유체가속부가 수용되면서, 우측단부에 유체가속부를 통해 분사된 유체가 충돌되도록 설치된 충돌판과, 상기 충돌판에 충돌된 유체를 배출시키기 위해 원주방향으로 형성된 이송관을 포함하는 제2하우징; 및

   상기 제1하우징에 설치되어 유입구를 통해 유입되는 유체의 유량을 조절하는 제2유량제어밸브를 포함하여 구성되고,

   상기 유체가속부를 통해 가속되고, 충돌판에 충돌된 정화대상용 유체는 순간적으로 직경이 1~10㎛ 인 마이크로 버블을 포함하는 기포수를 발생시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블 발생장치.
6. 청구항 4에 있어서,

   상기 기포수 토출수단은 양단부에 유입구와 배출구가 형성된 하우징;

   상기 유입구와 연통되며 설치되며, 유체를 가속시키기 위해 끝단부의 직경이 축소되는 유체가속부;

   상기 유체가속부를 통해 분출된 유체가 충돌되도록 중심부로 갈수록 내경이 작아지게 돌출형성된 마이크로 버블 형성부; 및

   상기 하우징의 유입구 측에 설치되어 유입구를 통해 유입되는 유체의 유량을 조절하는 제3유량제어밸브를 포함하고,

   상기 유체가속부를 통해 가속되고, 마이크로 버블 형성부에 충돌된 정화대상용 유체는 마이크로 버블을 포함하는 기포수를 발생시키는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블 발생장치.
7. 청구항 2 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 기체공급수단은 공기를 공급하는 공기압축기, 또는 오존을 공급하는 오존발생기, 또는 산소를 공급하는 순산소 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블 발생장치.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 기포수 토출수단의 배출구에 연통되게 설치되고, 좌측단부와 우측단부에 각각 유입구와 배출구가 형성된 제1하우징;

   좌측단부에 제1하우징의 배출구가 수용되면서 외부유체 흡입구가 별개로 구비되도록 좌측단부의 직경이 상대적으로 크게 형성되며, 상기 제1하우징의 배출구를 통해 유입된 유체와, 외부유체 흡입구를 통해 유입된 외부유체가 혼합되도록 내부에 혼합공간이 형성되고, 혼합공간의 끝단에 혼합된 유체가 더욱 증가된 유량으 로 배출되도록 배출구가 형성된 제2하우징으로 구성된 기포수 증폭수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 버블 발생장치.

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