KR100931554B1 - 디퓨저/유화기 - Google Patents

Abstract

디퓨저(10)는 하나 이상의 주입 물질을 피처리 물질로 확산시키는 능력을 제공한다. 회전자(12) 및 고정자(30)는 서로 상대적으로 회전한다. 주입 물질은 회전자와 고정자에 있는 개구(22)를 통해 끌어 들여진다. 이들 구멍(22)은 또 회전자(12)와 고정자(30) 사이의 영역을 통해 흐르고 있는 피처리 물질 내에 교란을 일으킨다. 정렬된 개구들(22)은 서로 통과하며, 진탕을 일으키고, 이것은 주입 물질을 피처리 물질에 극도로 높은 정도로 확산시킬 수 있는 에너지를 제공한다. 회전자 및 고정자의 개구 패턴은 단일 주파수 또는 복수 주파수에서 작동되도록 설계될 수 있다. 작동 주파수는 주입 물질과 피처리 물질 사이의 결합에 영향을 미칠 수 있으며, 또 복잡한 분자 구조의 파괴에 영향을 미칠 수 있다.

디퓨저, 유화기, 확산

Description

디퓨저/유화기{DIFFUSER/EMULSIFIER}

본 발명은 일반적으로 디퓨저에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 기체 또는 액체를 물질에 확산 또는 유화시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

많은 이용분야에서, 한 물질, 즉 기체나 액체를 제 2물질내에 확산 또는 유화시키는 것이 필요하다. 유화는 한 액체의 작은 구들을 제1의 액체가 섞이지 않는 제2의 액체에 현탁시키는, 예를 들어서 오일을 식초에 현탁시키는 것과 같은 확산 공정의 부분집합이다. 확산 공정의 한가지 중요한 이용분야는 폐수처리분야이다. 많은 자치제 당국들이 유기 물질의 생물학적 분해를 자극하기 위해 처리 공정의 일부로서 폐수를 폭기시킨다. 유기물질의 생물학적 분해의 속도는 유기물질을 소모시키는 미생물의 생명을 유지하는데 산소가 필요하기 때문에 폐수내의 산소의 양에 매우 의존적이다. 게다가, 산소는 철, 마그네슘 및 이산화탄소와 같은 일부 화합물을 제거할 수 있다.

물에 산소를 첨가시키는 몇가지 방법이 있다. 첫째로, 터빈 폭기 시스템은 공기 또는 산소를 물과 혼합시키는 임펠러의 회전날 근처에 공기를 방출한다. 둘째로, 물을 공기에 분무시켜 그 산소함량을 증가시킬 수 있다. 세째로, AQUATEX 사가 제조한 시스템은 공기 또는 산소를 물에 주입하고 물/기체를 대규모 소용돌이 를 시킨다. AQUATEX 장치에 대한 시험은 이상적인 조건하에 200% 용존산소(대략 20ppm)로 개선을 보였다. 수중 산소의 자연발생수준은 대략 최대 10ppm인데, 이것은 100% 용존산소인 것으로 생각된다. 따라서, AQUATEX 장치는 물의 산소함량을 두배가 되게 한다. 증가된 산소 첨가 수준은 1분간 지속된 후 100% 용존산소 수준으로 되돌아가게 된다.

더 큰 산소첨가 수준과 증가된 산소 수준의 더 긴 지속성은 폐수를 처리하는데 상당한 이점을 제공한다. 중요하게는, 유기 분해의 효율은 증가될 것이며 생물학적 치유에 필요한 시간의 길이는 줄어들게 되고, 폐수처리 설비의 용량을 증가시킬 것이다.

따라서, 한가지 이상의 물질을 또 다른 물질에 높은 수준으로 확산시킬 수 있는 확산 메카니즘을 일으킬 필요가 있게 되었다.

(발명의 개요)

본 발명에서는, 디퓨저는 표면 교란부가 있는 표면을 갖는 제1 부재와 제1 물질과 제2 물질이 통해서 흐를 수 있는 채널을 형성하도록 제1 확산 부재에 상대적으로 위치된 제2 부재를 포함한다. 제1 물질은 표면 교란부에 상대적으로 내보내져 제1 물질내에 공동형성을 조장하여 제1 물질에 제2 물질을 확산시키게 된다.

본 발명은 종래 기술에 비해 상당한 이점을 제공한다. 먼저는, 장치에 의해 발생된 미세 공동형성은 확산이 분자 수준으로 일어나게 하여 피처리 물질에 의해 잡혀 있게 되는 주입 물질의 양을 증가시키고 확산의 지속성을 증가시킨다. 둘째, 간단한 기계 장치에 의해 미세 공동형성 및 충격파들이 일으켜질 수 있다. 세째, 본 장치에 의해 생성된 충격파의 주파수 또는 주파수들은 복잡한 구조들을 붕괴시키기 위해서, 아니면 구조들을 조합하는데 도움을 주기 위해 많은 이용분야에서 사용될 수 있다. 네째, 공동형성 및 충격파는 일관된 확산을 위해 물질을 통해 균일하게 생성될 수 있다.

본 발명과 그 이점의 보다 완전한 이해를 위해, 첨부도면과 관련한 다음의 설명을 참고할 수 있다.

도 1 및 도 1a는 디퓨저의 제1 구체예의 부분 단면, 부분 블록 다이어그램을 예시한다.

도 2a, 2b 및 2c 는 디퓨저 내부의 확산 공정을 예시한다.

도 3은 디퓨저의 회전자와 고정자의 분해도를 예시한다.

도 4는 고정자의 구체예를 예시한다.

도 5a는 본 발명의 제2 구체예의 회전자-고정자 조립체의 단면도를 예시한다.

도 5b는 본 발명의 제2 구체예의 회전자의 평면도를 예시한다.

도 6은 본 발명의 제3 구체예의 파단도를 예시한다.

도7a 내지 7h 는 확산을 발생시키기 위한 또 다른 구체예를 예시한다.

도 8a 및 8b 는 본 발명의 또 다른 대안의 구체예를 예시한다.

본 발명은 도면의 도 1 내지 도 8과 관련하여 가장 잘 이해되며, 여러 가지 도면의 유사 요소들에 대해 유사한 숫자를 사용하였다.

도 1 및 도 1a는 한 가지 또는 두가지 기체상 또는 액체 물질(이후 "주입 물질"이라 함)을 또다른 기체상 또는 액체 물질(이후 "피처리(host) 물질"이라 함)에로 확산 또는 유화시킬 수 있는 장치(10)의 제1 구체예의 부분 블록 다이어그램의 부분 단면도를 예시한다. 피처리 물질은 확산/유화 공정중에 가열되거나 달리 가공처리되어 액체 또는 기체 상태로 되는 보통의 고체 물질일 수도 있다.

회전자(12)는 일반적으로 양단이 폐쇄된 중공의 원통을 포함한다. 샤프트(14)와 입구(16)는 회전자(12)의 단부에 결합되어 있다. 제1의 주입 물질은 입구(16)을 통하여 회전자(12)의 내부로 통과할 수 있다. 샤프트(14)는 원하는 속도로 회전자를 회전시키는 모터(18)에 결합되어 있다. 회전자(12)는 그것을 통해서 형성된 복수의 개구(22)를 가지며, 도 1a에서 더욱 상세히 나타내었다. 바람직한 구체예에서, 개구(22)는 각각 좁은 구멍(24)과 더 큰 천공(26)을 갖는다. 천공(26)의 측벽(28)은 곧거나(도 4에 나타냄), 각을 이루거나(도 1에 나타냄) 굽어진 것을 포함하여 여러가지 형태를 취할 수 있다.

고정자(30)는 회전자(12)를 둘러싸고 회전자와 고정자 사이에 채널을 두어 이것을 통해 피처리 물질이 흐를 수 있다. 고정자(30)는 또한 그 주변에 대해 형성된 개구(22)를 가진다. 하우징(34)은 고정자(30)를 둘러싸고 입구(36)는 제2 주입 물질을 고정자(30)와 하우징(34)사이의 영역(35)으로 통과시킨다. 피처리 물질은 입구(37)를 통해 채널(32)로 통과한다. 시일(38)이 샤프트(14 및 16)와 하우징(34)사이에 형성되어 있다. 출구(40)는 피처리 물질을 채널(32)로부터 펌프(42)로 통과시키고 이곳에서 펌프를 통해 출구(44)로 배출한다. 펌프는 또한 모터(18)에 의해 또는 보조 공급원을 통해 구동될 수도 있다.

작동시, 디퓨저 장치는 입구(37)를 통해 피처리 물질을 수용한다. 바람직한 구체예에서, 펌프(42)는 펌프의 흡인측의 피처리 물질을 끌어 들여 피처리 물질이 낮은 압력에서 채널을 통과하게 한다. 제1 및 제2 주입 물질은 개구(22)를 통해 피처리 물질에 도입된다. 주입 물질은 피처리 물질이 개구(22)를 통과하는 것을 방지하기 위해 그 공급원에서 가압될 수도 있다.

도 1에 나타낸 구체예는 확산 물질들에 대해 별도의 입구들(16 및 36)을 갖는다. 이 배치는 두가지 다른 주입 물질들이 피처리 물질에 도입되도록 허용한다. 대안으로는, 단일 주입 물질이 양쪽 입구에서 도입될 수도 있다.

시험에서, 도 1에 나타낸 구체예는 주입 물질의 피처리 물질로의 높은 수준의 확산이 증명되었다. 주입 물질로서 산소를 사용하고 피처리 물질로서 물을 사용하는 시험은 물에 400% 용존산소의 수준을 가져왔고 증가된 산소 수준이 수일 동안 지속되었다.

확산의 높은 효율 및 지속성의 이유는 도 2a 내지 2c와 연관하여 기술된 미세 공동형성의 결과인 것으로 생각된다.

물질이 매끄러운 표면 위로 흐를 때마다, 흐르는 유체와 정지 표면 사이의 표면장력 때문에 정지되어 있거나 매우 느리게 움직이는 얇은 경계 층으로 오히려 층 흐름이 확립된다. 그러나, 개구(22)는 층 흐름을 붕괴시키고 물질의 압축과 감압을 일으킬 수 있다. 만일 분해 사이클 동안의 압력이 충분히 낮으면 공극(공동 형성 버블)들이 물질내에 형성될 것이다. 공동형성 버블은 토네이도와 같은 회전 흐름 패턴(46)을 발생시키는데, 도 2a에 나타낸 바와 같이 낮은 압력을 갖는 편재된 영역이 피처리 물질과 주입 물질을 끌어 들이기 때문이다. 공동형성 버블은 내파될 때 대단히 높은 압력을 가져온다. 두개의 정렬된 개구들이 서로 통과함에 따라, 흡인(충격파)이 일어나고 상당한 에너지를 발생시킨다. 공동형성 및 진탕과 연관된 에너지는 주입 물질과 피처리 물질을 대단히 높은 정도로, 아마도 분자 수준으로 혼합시킨다.

회전자(12)의 탄젠트 속도와 회전당 서로를 통과하는 개구의 수는 장치가 작동하는 주파수를 지시한다. 초음파 주파수가 많은 이용분야에서 유리할 수 있음을 알게 되었다. 초음파 영역의 주파수에서 장치를 작동하는 것은 최대 진탕 충격 에너지를 제공하여 유체 분자의 결합각을 이동시키는데, 이것은 그것이 보통은 보유할 수 없는 추가의 주입 물질을 운반하게 할 수 있는 것으로 생각된다. 디퓨저가 작동하는 주파수는 확산 정도에 영향을 미쳐서 피처리 물질내에 주입 물질을 더 오래 지속시키는 것으로 나타난다.

어떤 이용분야에서는, 물 정제의 경우에서와 같이, 어떤 복잡한 분자들을 붕괴시키기 위해 특정 주파수 또는 주파수들이 요망될 수도 있다. 이 이용분야에서는, VOC (휘발성 유기 화합물)와 같은 복잡한 구조들을 더 작은 하부구조들로 붕괴하기 위해 복수 주파수의 진탕을 사용할 수 있다. 오존은 높은 효율로 하부구조를 산화하기 위해 주입 물질 중 한가지로서 사용될 수 있다.

다른 음향화학 이용분야들이 본 장치(10)를 가지고 수행될 수 있다. 일반적 으로, 음향화학은 화학반응을 보조하기 위해 초음파를 사용한다. 전형적으로, 초음파는 피에조전기 또는 다른 전자 음향학 장치를 사용하여 발생된다. 전자 음향학 변환기와 연관된 문제는 음파가 물질을 통해 균일한 음파를 제공하지 못하며 오히려 원하는 공동형성이 장치 자체 주위에 편재되는 것이다. 본 발명은 간단한 기계적 장치를 사용하여 초음파가 물질을 통해 생성되도록 허용한다.

도 3은 복수의 주파수들이 단일 회전속도에서 얻어질 수 있는 회전자(12)와 고정자(30)의 구체예의 분해도를 예시한다. 도 3에서, 개구(22)를 개구들(50)(개별적으로는 어레이 50a, 50b, 및 50c로 나타냄)의 세 개의 원형 어레이가 회전자(12)에 대해 둘레에 배치되어 있다. 각 고리는 그 둘레에 대해 균일하게 간격을 둔 다른 수의 개구를 갖는다. 유사한 방식으로, 고정자(30)는 개구들(52)(개별적으로는 52a, 52b, 및 52c로 나타냄)의 세 개의 원형 어레이를 가질 것이다. 대응하는 어레이들 간에 단지 한 쌍의 개구가 어느 한 시점에서 일치될 것을 보장하기 위해, 고정자(30)상의 주어진 어레이(52)에 있는 개구(22)의 수는 회전자(12)의 대응 어레이(50)에 있는 개구(22)의 수보다 하나 더 많을 수(또는 하나 더 적을 수) 있다. 따라서, 예를 들면, 어레이(50a)가 회전자(12)의 원주 둘레에 균일하게 간격을 둔 20개의 개구를 갖는다면, 어레이(52)는 고정자(30)의 원주 둘레에 균일하게 간격을 둔 21개의 개구를 가질 수 있다.

도 3의 회전자(12)가 고정자(30)에 상대적으로 회전함에 따라 각 어레이는 다른 주파수에서 진탕을 조장할 것이다. 다른 주파수를 적절히 선택함으로써, 합계 및 차이 간섭 패턴을 가져올 것이며, 넓은 범위의 주파수를 조장한다. 이 범위 의 주파수는 피처리 액체 중의 미지의 불순물이 붕괴되고 산화되는 것이 필요한 많은 이용분야에서 유리할 수 있다.

도4는 고정자(30)의 구체예의 단면측면도를 예시한다. 더 작은 직경의 고정자들에 대하여, 고정자(30)의 내부에 천공(26)을 형성하는 것이 어려울 수도 있다. 도 4의 구체예는 내부 슬리브(54)와 외부 슬리브(56)를 사용한다. 천공(26)은 내부 슬리브(54)의 외부에서 드릴로 뚫려질 수 있다. 내부 슬리브(54)의 각 천공(26)에 대해, 대응하는 정렬된 구멍(24)이 외부 슬리브(56)상에 드릴로 뚫어진다. 그 다음 내부 슬리브(54)가 외부 슬리브(56)에 놓여지고 거기에 고정되어 고정자(30)를 형성한다. 캐스팅과 같은 다른 방법들도 고정자(30)를 형성하기 위해 사용될 수 있다.

도 5a, 도 5b 및 도 6은 디퓨저(10)의 또다른 구체예를 예시한다. 적당하다면, 도 1의 부재번호들을 이들의 도면들에서 반복하였다.

도 5a는 회전자(12)와 고정자(30)가 디스크 형태인 구체예의 단면 측면도를 예시한다. 도 5b는 디스크 형태로 된 회전자(12)의 평면도를 예시한다. 고정자(30)는 회전자(12)의 위 아래에 형성되어 있다. 회전자(12)와 고정자(30)는 둘다 도 1과 연관하여 기술된 형태의 다수의 개구를 갖는데 이것들은 회전자(12)가 모터에 의해 구동됨에 따라 서로를 통과한다. 전과 같이, 각 어레이(52)에 대해, 고정자(30)는 어레이내의 두개의 개구에서 동시적인 진탕을 방지하기 위해 회전자(12)에 있는 대응 어레이(52)보다 하나 더 많거나 하나 더 적은 개구를 가질 수도 있다. 개구(22)는 도 1에서 나타낸 것과 같은 형태의 개구일 수 있다. 중공의 샤프 트는 제1 주입 물질에 대한 디스크 형태로 된 회전자의 내부에 입구(16)로서의 역할을 한다. 마찬가지로, 고정자(30)와 하우징(34) 사이의 영역(35)은 제2의 주입 물질을 수용한다. 피처리 물질이 회전자(12)와 고정자(30) 사이의 채널(32)에서 흐르기 때문에, 개구(22)에서 소용돌이를 발생시키게 되고, 이로써 제1 및 제2 물질을 피처리 물질에로 확산을 일으키게 한다. 주입된 피처리 물질은 출구(40)를 통과한다.

도 5b는 회전자(12)의 상면도를 예시한다. 보이는 바와 같이, 다수의 개구들이 회전자(12)상에 동심의 어레이를 형성한다. 각 어레이는 원한다면, 다른 주파수에서의 진탕을 발생시킬 수 있다. 바람직한 구체예에서, 개구(22)는 회전자(12)의 상부 및 저부에 형성될 것이다. 대응하는 개구들은 고정자(30)의 이들 개구들의 위 아래에 형성될 것이다.

도 6은 회전자(12)가 원추형을 갖는 본 발명의 구체예의 파단도를 예시한다. 회전자(12) 및 고정자(30)는 둘다 도 1과 연관하여 기술된 형태의 다수의 개구를 갖는데, 이것들은 회전자(12)가 모터에 의해 구동됨에 따라 서로를 통과한다. 회전자(12)의 원주 둘레의 개구들에 더하여, 원추 형태의 저부에서 또한 개구들이 있을 수 있고 저부에서 고정자(30)의 부분에서 대응하는 개구들을 함께 가질 수 있다. 전과 같이, 각 어레이에 대해, 고정자(30)는 같은 어레이의 두개의 개구(22)에서 동시적인 진탕을 방지하기 위해 회전자(12)보다 하나 더 많거나 하나 더 적은 개구를 가질 수도 있다. 중공의 샤프트는 제1 주입 물질에 대한 디스크 형태로 된 회전자의 내부에 입구(16)로서의 역할을 한다. 마찬가지로, 고정자(30)와 하우징 (34) 사이의 영역(35)은 제2의 주입 물질을 수용한다. 피처리 물질이 회전자(12)와 고정자(30) 사이의 채널(32)에서 흐르기 때문에, 개구(22)에서 소용돌이를 발생시키게 되고, 이로써 제1 및 제2 물질을 피처리 물질에로 확산을 일으키게 한다. 주입된 피처리 물질은 출구(40)를 통과한다.

도 5a 및 도 5b 및 도6의 구체예에서, 개구(22)의 어레이는 증가하는 직경들로 형성될 수 있기 때문에, 복수의 주파수의 발생이 용이할 수도 있다. 회전자(12)및 고정자(30)를 실현하기 위해 반구 및 구 형태를 포함하는 어떤 수의 형태들도 사용될 수 있음을 주목해야 한다.

여기 기술된 디퓨저는 많은 이용분야에 사용될 수 있다. 최적의 개구 크기(구멍(24) 및 천공(26) 둘다에 대한 것), 채널(32)의 폭, 회전 속도 및 회전자/고정자 직경들은 장치의 이용분야에 따르게 될 것이다.

상기한 바와 같이, 디퓨저(10)는 물 폭기에 사용될 수도 있다. 이 구체예에서 공기 또는 산소는 제1 및 제2 주입 물질 둘다로서 사용된다. 공기/산소는 도 1과 연관하여 기술한 바와 같이 폐수(또는 폭기가 필요한 다른 물)에 확산된다. 디퓨저는 대략 400% 용존산소로 산소 첨가를 증가시킬 수 있고, 파라미터들을 이 이용분야에 대해 최적화시킴에 따라 더 큰 농도도 예상됨이 발견되었다. 주위온도에서 대략 25갤론의 도시 폐수(초기에는 84.4% 용존산소 도수를 가짐)을 390%의 용존 산소 함량을 달성하기 위해 5분간 장치를 통해 주위 온도에서 순환시키는 시험에서, 산소 수준의 높아진 농도는 4시간의 기간동안 300% 보다 높은 용존산소를 유지하였고 19시간에 걸쳐 200% 보다 높은 용존산소를 유지하였다. 3일후, 용존산소 함량은 134%이상으로 남아 있었다. 이들 시험에서, 169 kHz의 주파수가 사용되었다. 개구의 크기는 구멍(24)에 대해 0.030 인치이었고 천공에 대해 0.25 인치이었다(회전자의 천공(26)은 경사진 측면을 갖는다). 더 차거운 온도는 산소첨가 수준 및 지속성을 상당히 증가시킬 수 있다.

또한 폐수의 처리를 위해서, 또는 다른 독성물질의 생물학적 치유를 위해서, 산소는 주입 물질의 한가지로서 사용될 수 있고 오존은 다른 주입물질로서 사용될 수 있다. 이 경우에, 오존은 VOC 및 위험한 미생물과 같은 피처리 물질내의 해로운 구조물들을 산화시키기 위해 사용될 것이다. 더욱이, 상기한 바와 같이, 한 세트의 주파수(회전자(12)와 고정자(30)에서 개구의 어레이에 의해 결정된 것)가 많은 복잡한 구조들을 더 작은 하부구조들로 붕괴하게 되는 파괴적 간섭 패턴을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 대안으로는, 만일 처리가 단일의 기지의 해로운 물질의 산화에 대한 것이면, 구조를 성공적으로 붕괴시키는 것으로 알려진 단일 주파수를 사용하는 것이 가능할 것이다. 역으로, 건설적 간섭 패턴을 가져오는 주파수 세트를 사용하여 두가지 이상의 화합물을 더 복잡하고 고도로 구조형성된 물질로 조합시킬 수 있다.

휴대용 물을 생산하기 위해, 오존은 오염물질을 붕괴 및 산화시키기 위한 제1 및 제2 주입 물질로서 사용될 수 있다.

디퓨저(10)의 작동을 도시 폐수 치유와 같은 대형 이용분야와 연관하여 논의한 반면, 음용수 정수기, 수영장 및 수족관과 같은 가정의 이용분야에서 또한 사용될 수 있을 것이다.

디퓨저는 또한 기체 또는 액체의 또다른 액체로의 확산이 피처리 물질의 특성을 변화시키는 다른 이용분야에 사용될 수도 있다. 이러한 이용분야의 예들은 밀크의 균질화 또는 오일의 수소첨가를 포함할 것이다. 다른 이용분야는 높은 에너지 절약을 가져오는 연료 및 기체/액체를 혼합하는데 있어서의 더 높은 효율을 포함할 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 회전자(12)와 고정자(30)에 대한 또다른 구체예를 예시한다. 도 7a에서는, "고정자(stator)"(30)은 또한 회전하며, 이 경우에, 진탕의 주파수는 회전자(12)와 고정자(30)사이의 상대 회전 속도에 의존한다. 도 7b에서, 회전자(12)와 고정자(30) 중 어느 하나는 구성요소를 통해 주입 물질을 통과시키지 않으며(도 7b에서는 단지 회전자가 주입 물질을 통과시킨다); 주입 물질을 통과시키지 않는 구성요소는 소용돌이를 일으키기 위해 개구(22)가 공동(58)으로 대치되어 있다. 공동(58)은 구멍(24)을 동반하지 않고 천공(26)에 유사하게 형태화될 수 있다.

도 7c에서는, 주입 물질을 회전자(12) 또는 고정자(30)를 통해 통과시키는 구멍(24)은, 앞의 구체예에서와 같이 천공(26)에 위치되는 것이 아니라, 천공(26)의 옆에 위치된다. 천공(26)의 1차 목적은 회전자(12)와 고정자(30)의 표면을 따르는 피처리 물질의 층 흐름을 붕괴시키기 위한 것임을 주목해야 한다. 피처리 물질의 압축 및 희박화(감압)는 장치가 높은 확산도를 생성하도록 제공하는 미세 공동형성을 일으킨다. 감압의 동안에, 공극(공동형성 버블)이 피처리 물질에서 생성된다. 공동형성 버블은, 진탕의 주파수에 의해 유발된 스트레스에 좌우되어 성장 하고 수축(또는 파열)된다. 공동형성 버블의 파열은 피처리 물질이 채널(32)을 통과함에 따라 그리로 주입 물질의 고도의 확산에 기여하는 에너지를 생성한다. 따라서, 주입 물질과 피처리 물질이, 공동형성 및 결과된 충격파가 일어나는 지점에서 혼합되는 한, 상기한 확산을 가져올 것이다.

도 7d는 피처리 물질과 한가지 이상의 주입 물질의 초기 혼합이 채널(32)의 외부에서 수행되는 구체예를 예시한다. 이 구체예에서는, Mazzie 디퓨저(60) (또는 다른 장치)가 주입 물질(들)과 피처리 물질의 혼합을 수행하기 위해 사용된다. 혼합물은 회전자(12)와 고정자(30)의 사이에 투입되고 거기서 상기한 압축/희박화 사이클을 당하여, 이것이 혼합물내에 공동형성을 일으키고 충격파의 주파수를 받게 된다.

더욱이, 공동형성 및 충격파의 발생은 상기 구체예에 나타낸 천공(26)과 다른 구조물을 사용하여 수행될 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 천공(26)은 채널(32)의 측벽을 따르는 피처리 물질의 층 흐름을 방해하는 표면 교란부이다. 도7e에서, 범프(62)와 같은 돌기가 천공(26)의 대신에 또는 그와 관련하여 표면 교란부로서 사용될 수 있다.

둥근 형태이외의 형태도 또한 사용될 수 있다. 도 7f에 나타낸 바와 같이, 공동형성 및 충격파를 발생시키기 위해 홈(또는 릿지)(64)이 회전자(12) 및/또는 고정자(30)에 형성될 수 있다.

상기한 바와 같이. 모든 이용분야는 아니지만, 구체적인 주파수에서 충격파의 발생을 요하거나, 그것이 유리할 것이다. 그러므로, 회전자(12) 또는 고정자 (30)는 특정 주파수 보다는 백색 소음이 생성되도록 배치된 천공(26)(또는 다른 표면 교란부)을 가질 수 있다. 공동형성을 조장하기 위해 사용된 구조는 균일할 필요가 없고; 회전자(12) 또는 고정자(30)에 상당히 거친 표면이 형성되어 공동형성을 일으킬 것이다. 추가로, 도 7g에 나타낸 바와 같이, 회전자(12)의 표면과 고정자(30)의 표면을 둘다 공동형성을 조장하는 것이 필요하지 않을 수도 있으나; 대부분의 경우에 장치(10)의 작동은 두 표면이 모두 사용되면 더 효율적일 것이다.

도 7h는 공동형성을 일으키는 움직임이 회전자(12)와 고정자(30)의 상대적 이동에 의해서 보다는 피처리 물질(선택적으로 이행된 주입 물질과 함께)에 의해 제공되는 구체예를 예시한다. 도 7h의 구체예에서, 채널(32)은 서로에 대하여 정지되어 있는 두 벽(66)사이에 형성되어 있는데, 그 중 하나 또는 둘다는 채널(32)에 마주하는 표면 교란부를 갖는다. 피처리 물질은 고속 흐름을 조장하기 위한 펌프 또는 다른 장치를 사용하여 고속으로 채널을 통해 구동된다. 한가지 또는 그 이상의 주입 물질이 구멍(24)을 통해서 채널내로 투입되거나, 아니면 채널의 외부에서 피처리 물질을 주입 물질과 혼합함으로써 투입된다. 벽(66)에 대한 피처리 물질의 높은 속도는 상기한 미세 공동형성 및 진탕을 일으킨다.

예로서, 하나 이상의 벽(66)이 미세 메시일 수 있고, 그것을 통해 주입 물질이 흘러 채널(32)내 피처리 물질과 혼합되도록 할 수 있다. 메시내의 표면 교란부는 피처리 물질이 고속으로 메시위로 흐름에 따라 미세 공동형성 및 진탕을 일으킬 것이다. 진탕의 주파수는 메시의 분해능과 피처리 물질의 속도에 의존할 것이다. 다시 한번 말하면, 주입 물질은 미세 공동형성 부위에서 분자 수준에서 피처리 물 질내로 확산될 것이다.

도 8a 및 도 8b는 회전 부재(70)가 도관(72)내에 배치되고 모터(73)에 의해 회전되는 또 다른 구체예를 예시한다. 피처리 물질 및 주입 물질은 Mazzie 디퓨저(74)를 사용하여 회전 부재(70)로부터 상유의 도관(72)에서 혼합된다. 회전 부재는 예를 들면, 프로펠러 또는 오거(auger) 형태일 수 있다. 회전 부재(70)의 표면에는 하나 이상의 표면 교란부(76)을 가져서, 회전 부재(70)의 회전이 상기한 미세 공동형성을 조장하고 이로써 물질들 사이에 높은 정도의 확산을 일으키도록 한다. 프로펠러 블레이드의 형태 및 그 위에서의 표면 교란부(76)의 패턴은 상기한 목적을 위해 공동형성 및 진탕을 조장할 수 있다. 더욱이, 회전 장치의 형태는 도관을 통해 물질을 끌어 들일 수 있다.

본 발명은 종래기술보다 상당한 이점을 제공한다. 첫째, 장치에 의해 발생된 미세 공동형성은 분자수준으로 확산을 일으키도록 허용하여 피처리 물질에 의해 잡혀 있게 되는 주입 물질의 양과 확산의 지속성을 증가시킨다. 둘째, 미세 공동형성 및 충격파는 비교적 간단한 기계장치에 의해 생성될 수 있다. 세째, 충격파의 주파수 또는 주파수들은 복잡한 구조물을 붕괴하기 위해서 아니면 구조들을 조합하는데 도움을 주기 위해서 많은 이용분야에서 사용될 수 있다. 네째, 공동형성 및 충격파는 지속적인 확산을 위해 물질을 통해 균일하게 생성될 수 있다.

발명의 상세한 설명은 일정한 예가 되는 구체예에 관한 것이나, 이들 구체예와 또 다른 구체예들의 여러가지 변형들이 당업자들에게 제안될 것이다. 본 발명 은 특허청구범위내에 드는 어떤 변형 또는 대안의 구체예들도 포함한다.

Claims (53)

1. 하기를 포함하는 디퓨저:

   표면 교란부가 있는 표면을 갖는 회전자;

   그 사이에 채널이 형성되도록 상기 회전자의 상기 표면에 상대적으로 위치된 한쪽 표면을 가지며, 이때 상기 채널을 통해서 제 1 입구로부터 상기 채널로 제공된 제 1 물질이 흐르고, 상기 채널 안으로 고정자의 다른 쪽 표면을 통해 제공되는 제 2 물질이 제 2 입구로부터 상기 채널에 도입되며, 작동 전체에 걸쳐 상기 제 1 입구로부터 상기 채널로 연속적인 유로가 제공되도록 구성되는 고정자; 및

   상기 제 1 물질을 상기 표면 교란부에 상대적으로 상기 채널을 통해 이동시키는 수단으로서, 상기 채널 내에 있는 상기 제 1 물질 내에 공동형성을 조장함으로써 상기 제 2 물질을 상기 제 1 물질로 확산시키기 위한 것인 수단.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정자도 또한 표면 교란부가 있는 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 교란부 중 하나 이상은 오목부를 포함하는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 오목부는 천공을 포함하는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 오목부는 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 디퓨 저.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 교란부는 돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 돌기는 범프를 포함하는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 돌기는 릿지를 포함하는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자 및 고정자 중 어느 하나 또는 모두는, 상기 제 2 물질이 상기 제 1 물질과 혼합되기 전에 상기 채널 안으로 통과하도록, 상기 회전자 및 고정자 상에 형성된 하나 이상의 구멍을 가지는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 구멍은 두 가지 다른 물질이 서로 혼합되기 전에 상기 채널로 통과하도록 상기 회전자 및 상기 고정자 모두에 형성된 것을 특징으로 하는 디퓨저.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 채널을 통해서 상기 제 1 및 제 2 물질을 끌어들이기 위한 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 채널을 통해서 상기 제 1 및 제 2 물질을 내보내기 위한 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자는 원통 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자는 원반 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자는 원뿔 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자는 구 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자는 반구 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
18. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 교란부에 대한 상기 제 1 물질의 이동이 하나 이상의 불연속적 주파수에서 충격파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 디퓨저.
19. 하기의 단계를 포함하는, 제 1 물질을 제 2 물질과 함께 확산시키는 방법:

    상기 제 1 물질을 제 1 입구로부터 회전자와 고정자의 한쪽 표면 사이에 형성된 채널에 투입하는 단계로서, 여기서 상기 확산시키는 방법 전체에 걸쳐 제 1 입구로부터 상기 채널로 연속적인 유로가 제공되는 것인 단계;

    상기 고정자의 다른 쪽 표면을 통해 상기 채널 안으로 제 2 물질을 투입하는 단계로서, 여기서 상기 회전자 및 고정자 중 적어도 하나는 상기 채널과 마주보고 있는 표면 교란부를 포함하는 것인 단계; 및

    상기 제 1 및 제 2 물질이 압축 및 감압되어 그 결과로, 상기 채널 내에서 상기 제 1 물질의 공동형성을 가져와서, 상기 제 2 물질이 상기 제 1 물질 안으로 확산되도록, 상기 표면 교란부에 대해 상대적으로 상기 제 1 물질을 이동시키는 단계.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 회전자 및 고정자는 모두 상기 채널과 마주보고 있는 표면 교란부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제 19 항에 있어서, 상기 회전자 및 고정자 중 적어도 하나는 오목부가 있는 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제 19 항에 있어서, 상기 회전자 및 고정자 중 적어도 하나는 천공이 있는 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제 19 항에 있어서, 상기 회전자 및 고정자 중 적어도 하나는 기지의 주파수에서 상기 제 1 물질을 압축 및 감압하기 위해 어레이에 위치된 표면 교란부가 있는 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제 19 항에 있어서, 상기 회전자 및 고정자 중 적어도 하나는 각각의 불연속적 주파수에서 상기 제 1 물질을 압축 및 감압하기 하기 위해 어레이들에 위치된 표면 교란부가 있는 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 하기를 포함하는 디퓨저:

    표면 교란부가 있는 표면을 갖는 회전자;

    채널을 형성하도록 상기 회전자에 상대적으로 위치된 표면 교란부가 있는 한쪽 표면을 가지는 고정자로서, 상기 채널을 통해 제 1 물질이 상기 각 회전자 및 고정자 사이에서 흐르고, 구멍을 더 가지는 고정자;

    작동 전체에 걸쳐서 제 1 입구로부터 상기 채널로 연속적인 유로가 제공되도록 구성되고, 상기 제 1 물질을 상기 채널 안으로 도입하기 위한 제 1 입구 수단;

    제 2 물질이 상기 구멍을 통해 상기 채널로 투입되어 상기 제 1 물질과 혼합되는, 상기 고정자의 다른 쪽 표면 안으로 제 2 물질을 도입하기 위한 제 2 입구 수단; 및

    상기 제 1 물질이 채널 내에 있는 동안 상기 제 2 물질이 상기 제 1 물질 안으로 확산 되도록, 상기 회전자 및 고정자 중 하나를 나머지 하나에 상대적으로 이동시켜 상기 제 1 물질 내에 공동형성을 조장하는 모터.
26. 제 19 항에 있어서, 상기 제 1 물질은 액체이고, 상기 제 2 물질은 기체인 것을 특징으로 하는 방법.
27. 하기의 단계를 포함하는, 제 1 물질을 제 2 물질과 함께 확산시키는 방법:

    회전자 및 고정자 각각의 한쪽 표면 사이에 형성된 채널을 통하여, 제 1 입구로부터 제 1 물질이 중단 없이 흐르도록 하는 단계;

    회전자 및 고정자 각각의 한쪽 표면 중 적어도 하나에 형성된 표면 교란부에 대한 제 1 물질의 흐름에 의하여, 제 1 물질 내에 소용돌이들을 발생시키는 단계;

    상기 소용돌이는 제 2 물질이 제 1 물질 내에서 확산하도록 하며, 회전자 및 고정자 중 적어도 하나에 있는 제 2 입구로부터 제 2 물질을 제 1 물질 내의 소용돌이들 안으로 도입하는 단계; 및

    회전자 및 고정자 각각의 한쪽 표면 중 적어도 하나에 미리 결정된 모양에 따라 형성된 표면 교란부를 분포시키는 단계.
28. 제 27 항에 있어서, 회전자 및 고정자 중 적어도 하나를 나머지 회전자 및 고정자에 대해 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
29. 제 28 항에 있어서, 회전자에 대해 고정자를 회전시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
30. 제 27 항에 있어서, 회전자 및 고정자 각각의 한쪽 표면에 표면 교란부를 포함시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
31. 제 27 항에 있어서, 회전자 및 고정자 각각의 한쪽 표면 및 다른 쪽 표면 각각 중에서 다른 쪽 표면으로의 통로와 함께 표면 교란부를 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
32. 제 27 항에 있어서, 표면 교란부를 어레이에 위치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
33. 하기의 단계를 포함하는, 제 1 물질을 제 2 물질과 함께 확산시키는 방법:

    회전자 및 고정자 각각의 한쪽 표면 사이에 형성된 채널을 통하여 제 1 입구로부터 제 1 물질이 중단없이 흐르도록 하는 단계;

    회전자 및 고정자 각각의 한쪽 표면 중 적어도 하나에 형성된 표면 교란부에 대한 제 1 물질의 흐름에 의하여, 제 1 물질 내에 소용돌이들을 발생시키는 단계; 및

    상기 소용돌이는 제 2 물질이 제 1 물질 내에서 확산하도록 하며, 회전자 및 고정자 중 적어도 하나에 있는 제 2 입구로부터 제 2 물질을 제 1 물질 내의 상기 소용돌이 안으로 도입하는 단계.
34. 제 33 항에 있어서, 한쪽 표면 및 다른 쪽 표면 각각의 사이의 회전자 또는 고정자 각각을 통한 천공으로서 통로를 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
35. 제 27 항에 있어서, 표면 교란의 깊이에 따라 변하는 직경을 가지는 표면 교란부를 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
36. 제 27 항에 있어서, 상기 회전자 및 고정자 중 적어도 하나는 기지의 주파수에서 상기 제 1 물질을 압축 및 감압하기 하기 위해 어레이들에 위치된 표면 교란부가 있는 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
37. 제 36 항에 있어서, 기지의 주파수는 20kHz 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
38. 제 33 항에 있어서, 보강 간섭 패턴을 형성하도록 불연속적 주파수들을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
39. 제 33 항에 있어서, 상쇄 간섭 패턴을 형성하도록 불연속적 주파수들을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
40. 제 33 항에 있어서, 하기의 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:

    a) 미리 결정된 패턴으로 회전자 및 고정자 각각의 한쪽 표면 중 적어도 하나에 형성된 표면 교란부를 분포시키는 단계; 및

    b) 불연속적 주파수들에서 제 1 물질이 압축 및 감압 되도록 어레이들에 표면 교란부를 위치시키는 단계.
41. 제 40 항에 있어서, 제 1 물질은 액체이고 제 2 물질은 기체인 것을 특징으로 하는 방법.
42. 제 40 항에 있어서, 각각의 한쪽 표면 및 다른 쪽 표면 사이의 회전자 또는 고정자 각각을 통하는 천공으로서 통로를 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
43. 하기의 단계로 이루어진, 제 1 물질을 제 2 물질과 함께 확산시키는 방법:

    회전자 및 고정자 각각의 한쪽 표면 사이에 형성된 채널을 통하여 제 1 입구로부터 제 1 물질이 중단없이 흐르도록 하는 단계로서, 여기에서 고정자는 회전자에 대하여 회전이 가능한 것인 단계;

    제 2 입구로부터 회전자 및 고정자의 다른 쪽 표면으로 제 2 물질을 도입하는 단계로서, 여기에서 회전자 및 고정자의 다른 쪽 표면은 회전자 및 고정자 각각의 한쪽 표면에 반대 측인 것인 단계; 및

    회전자 및 고정자의 한쪽 표면 각각에 형성된 표면 교란부에 대한 제 1 물질의 흐름과, 고정자가 회전하는 동안의 한쪽 표면 및 다른 쪽 표면상의 표면 교란부의 배열에 의해 생성되는 공동형성에 반응하여, 제 2 물질을 제 1 물질 내에 분산되도록 하는 단계.
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