KR101125851B1 - 나노버블 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 관형부 내에 상기 관형부의 내주면에서 방사상 안쪽으로 이격되어 직선유로를 형성하여 회전가능하게 배치된 원통체; 상기 원통체의 외주면에 둘레방향으로 일정 간격을 두고서 복수개의 줄로 형성되어 상기 직선유로와 유통하는 나선홈 유로로서, 상류단과 하류단 사이의 중간 부분의 단면적이 작아져 있는 나선홈 유로; 상기 원통체를 회전시키는 모터; 상기 나선홈 유로의 상류단에 유통가능하게 하류단이 접속되어 있고 상류단이 공압원에 접속된 압축공기공급파이프를 포함함으로써 버블이 3단계로 쪼개지게 하여, 마이크로의 크기보다 더 작은 나노크기로 버블을 생성하는 것이 가능하며, 아울러 버블의 크기가 고르게 되어 종래보다 기체의 액체 용해도를 증가시킬 수 있다.

Description

나노버블 발생장치{nano-bubble generating apparatus}

본 발명은 나노버블 발생장치에 관한 것이다.

버블은 액체에 존재하는 기체의 주머니, 즉 기포를 뜻한다. 나노버블은 이들 중에서 일반 기포보다 훨씬 작고, 심지어 수 마이크로미터에 달하는 미세버블 보다도 더 작으며, 그 크기를 나노미터로 표기해야 할 정도로 아주 작은 크기의 기포를 의미한다. 나노버블은 다음의 세 가지 측면에서 통상의 기포와는 다른 특성을 가지고 있다.

첫째, 액체 속에 있는 크기 또는 직경이 수 밀리미터 이상인 일반적인 기포는 생성과 동시에 위로 떠 올라 액체의 표면에서 터지게 된다. 기포가 위로 떠 오르는 이유는 기포의 부력이 액체의 저항력보다 더 크기 때문이다. 반면, 나노버블은 액체 속에 장시간 머무른다. 그 이유는 나노버블의 부력이 매우 작아서 액체의 저항력을 이기지 못하기 때문이다.

둘째, 나노버블이 장시간 액체에 머무를 경우 나노버블 내부의 기체가 그 표면을 통해 액체 속으로 서서히 용해되면서 점차 그 크기가 더욱 작아진다. 더욱이 나노버블 내부에 있는 기체의 액체에 대한 용해도가 클 경우 버블 자체가 완전히 용해되어 소멸되기도 한다.

셋째, 버블의 크기가 작으면 작을수록 부피에 대한 표면적의 비율이 커지므로 나노버블 내부의 기체가 액체에 용해되는 속도와 효율이 더 높아진다.

나노버블의 이러한 세 가지 특징은 나노버블의 다양한 활용을 가능하게 한다. 상수처리의 경우 물속에 공기를 효과적으로 주입함으로써 수질을 높이는 처리시간을 단축하는 것이 가능하게 하며, 하수처리의 경우 예를 들어 오존 등 산화성이 강한 기체를 하수에 효과적으로 주입함으로써 하수에 녹아 있는 다양한 악취물질을 효과적으로 분해 내지 제거할 수 있는 길을 열고 있다.

미세버블을 발생시키는 종래의 장치에는 흡입구와 배출구가 일직선으로 연결되어 있는 관형부를 구비하고 있으며, 상기 관형부는 흡입구가 넓고 서서히 좁아져 중간이 가장 좁으며 다시 서서히 넓어져 배출구의 직경이 흡입구의 직경과 동일한 구조로 되어 있다. 또한, 상기 관형부의 흡입구 중간 부분에는 압축공기를 공급하는 소경 파이프가 유통가능하게 접속되어 있다. 또한, 상기 종래의 미세버블발생장치는 압축공기를 제공하기 위한 공기 컴프레서와 물을 압축하여 공급하기 위한 펌프를 구비하고 있다.

이러한 구조를 가진 종래의 미세버블발생장치는 물속의 공기방울이 압축되었다가 갑자기 확산되면서 매우 작은 크기로 쪼개져 미세버블을 발생시키는 매우 단순한 구조로 되어 있다는 장점이 있다. 하지만, 이런 방법으로 만들어지는 미세버블의 크기는 아무리 작아도 나노크기보다 훨씬 큰 수 마이크미터 이상이 될 정도이며, 그 분포도 큰 것들은 수 밀리미터에 달할 정도로 균질성이 크게 떨어진다. 이러한 미세버블은 목표하는 기체를 액체에 용해시키는 효율이 나노버블에 비해 훨씬 낮아진다.

본 발명의 목적은 크기가 매우 작으며 비교적 균질한 나노버블을 효과적이고 연속적으로 발생시킬 수 있는 장치를 제공하기 위한 것이다. 이런 장치를 사용하면 목표하는 기체를 액체에 효율적으로 용해시킴으로써 상수의 용존산소의 비율을 비교적 짧은 시간에 효율적으로 높이는 것이 가능하며, 오존가스를 사용하여 하수 또는 폐수에 포함된 각종 악취물질을 효과적으로 제거하는 것이 가능해 진다.

본 발명은 관형부 내에 상기 관형부의 내주면에서 방사상 안쪽으로 이격되어 직선유로를 형성하여 회전가능하게 배치된 원통체; 상기 원통체의 외주면에 둘레방향으로 일정 간격을 두고 복수개의 줄로 형성되어 상기 직선유로와 유통하는 나선홈 유로로서, 상기 나선홈 유로의 상류단에 유통가능하게 하류단이 접속되어 있고, 유로의 단면적이 중간부분이 가장 작고 하류단이 제일 크며 상류단이 그 중간인 나선홈 유로; 상기 원통체를 회전시키는 모터; 상류단이 공압원에 접속된 압축공기공급파이프를 포함함으로써 상기 과제를 해결할 수 있다.

본 발명은 상기 과제해결수단에 의해 다음과 같은 작용을 할 수 있다.

압축공기가 나선홈 유로의 상류단과 직선유로의 상류단에 공급될 때 원통체가 고속으로 돌아가므로 압축공기가 작은 버블로 끊어진다.

이렇게 끊어진 작은 버블은 상기 원통체의 회전운동에 따른 나선홈 유로의 상류단에서의 속도 수두가 증가되어 압력 수두가 낮아져서 상기 나선홈 유로의 상류단과 상기 직선유로의 상류단에 유입되는 물과 혼합되고, 상기 물과 혼합된 작은 버블은 단면적이 작아진 상기 나선홈 유로의 부분(깊이가 얕아진 부분)에서 위로 부상하게 되어 나선홈 유로로부터 직선유로쪽으로 삐죽 나오게 된다. 상기 직선유로에서 회전하는 유체의 속도는 상기 나선홈 유로의 회전속도보다 상대적으로 늦으므로 상기 삐죽 나온 압축된 작은 버블은 상대적으로 회전속도가 늦은 유체의 흐름을 만나 갈라짐과 동순간적으로 폭발한다. 이런 폭발은 상기 작은 버블이 유동하는 과정에서 순간적이기는 하지만 여러 번 일어날 수 있다. 이런 과정을 통해 상기 작은 버블은 더욱 작은 버블로 된다.

또한, 나선홈 유로를 유동하는 상기 더욱 작은 버블은 상기 나선홈 유로의 하류단으로 이동되는 도중에 단면적이 작아진 나선홈 유로의 부분에서 최대의 압력을 받았다가 단면적이 크게 커진 나선홈 유로의 하류단에서 압력이 작아지는 과정에서 추가적인 폭발로 인해 더 잘게 쪼개져서 나노버블이 형성된다.

상기와 같이 버블이 3단계로 쪼개짐으로써 본 발명은 버블의 크기가 아주 작게 형성되어 마이크로의 크기보다 더 작은 나노크기로 버블을 생성하는 것이 가능하며, 아울러 버블의 크기가 비교적 고르게 분포되어 종래의 미세버블장치보다 훨씬 효율적으로 기체의 액체 용해도를 증가시킨다.

도 1은 본 실시예의 나노버블 발생장치를 도시한 개념도.

이하, 본 발명에 따른 실시예의 나노버블 발생장치가 도 1을 참조하여 상세히 설명될 것이다.

도 1에는 본 실시예의 나노버블 발생장치가 도시되어 있다.

상기 나노버블 발생장치는 유체인 물이 저장되어 있는 탱크(10)에 침지되어 있는 관형부(20); 상기 관형부(20)의 상류측 내에 상기 관형부(20)의 내주면에서 방사상 안쪽으로 이격되어 직선유로(L1)를 형성하여 자전가능하게 배치된 원통체(30); 상기 원통체(30)의 외주면에 둘레방향으로 일정 간격을 두고서 상류단(01)에서 하류단(03)으로 뻗어 있는 복수개의 줄로 형성되어 상기 직선유로(L1)와 유통하는 나선홈 유로로서, 유로의 단면적이 중간부분(02)이 가장 작고 하류단이 제일 크며 상류단이 그 중간인 나선홈 유로(L2); 상기 원통체를 회전시키기 위해 상기 원통체에 내접되어 상기 관형부(20) 밖으로 돌출되어 있는 구동축(31)을 구동시키는 모터(M); 상기 복수 줄의 나선홈 유로(L2)의 상류단과 마주하게 상기 관형부(20)에 외접되어 있는 링형상의 헤더부로서, 상기 헤더부의 길이방향으로 일정 간격을 갖고서 상기 복수 줄의 나선홈 유로(L2) 각각에 마주하여 유통하고 있는 복수개의 토출구(41)가 형성되어 있는 상기 헤더부(40); 및 상기 헤더부(40)에 접속되어 있는 공압원(50)을 포함하고 있다.

상기 실시예에서, 상기 토출구(41)가 복수개 구비되어 있는 것으로 설명되어 있지만, 하나의 토출구가 구비될 수도 있다.

상기 나선홈 유로(L2)에 있어서, 유로의 단면적이 중간부분(02)이 가장 작고 하류단(03)이 제일 크며 상류단(01)이 그 중간인 나선홈 유로를 위해 폭 및 깊이 중 적어도 하나가 가변되어 있다.

또한, 상기 실시예에서 상기 구동축(31)이 상기 탱크(10) 밖으로 돌출되어 있고 상기 모터(M)가 상기 탱크(10)에 배치되어 있는 것으로 설명되어 있지만, 상기 구동축과 모터가 모두 탱크(10) 내에 침지될 수도 있다.

상기 나선홈 유로(L2)의 나선형상은, 상기 나선홈 유로(L2)에 존재하는 물과 상기 직선유로(L1)에 존재하는 물이 서로 접촉되어, 이들 물을 상류단에서 하류단으로 강제적으로 밀어낼 수 있는 형상으로 되어 있으며, 이와 같은 형상은 스크류형 압축기에서 통상적으로 적용되는 것이어서, 본 실시예의 상세 설명에서 더 이상의 상세 설명이 생략될 것이다.

상기와 같은 구성을 가진 나노버블발생장치는 다음과 같이 작동될 수 있다.

상기 탱크(10)에 물이 저장되어 있으면, 상기 나선홈 유로(L2)와 상기 직선유로(L1)에는 상기 물이 충전되어 있다.

이 상태에서, 원통체(30)가 모터(M)에 의해 회전하게 되면, 원통체(30) 주변 부위의 속도 수두가 높아짐에 따라 압력 수두가 낮아져서, 원통체(30) 주변으로 상기 탱크(10)에 저장된 물이 몰리게 되면서, 상기 나선홈 유로(L2)와 상기 직선유로(L1)에 점유하고 있는 물이 밀려서 상기 관형부(20)의 하류단 밖으로 배출되게 된다.

따라서, 상기 원통체(30)가 회전하게 되면, 상기 탱크(10)에 저장된 물이 상기 나선홈 유로(L2)와 상기 직선유로(L1)의 상류단에 유입되고, 상기 상류단에 유입된 나선홈 유로(L2)와 상기 직선유로(L1)의 물은 서로 접촉하여 상기 나선홈 유로(L2)의 나선형상으로 인한 밀어내는 힘에 의해 하류단으로 강제 이동되어, 상기 관형부(20)의 하류단 밖으로 배출되게 된다.

이때, 상기 공압원(50)의 압축공기가 상기 헤더부(40)를 경유하여 토출구(41) 밖으로 연속적으로 방출되게 되면, 상기 원통체(30)가 상기 모터(M)에 의해 고속으로 회전되는 관계로, 상기 압축공기는 상기 나선홈 유로(L2)와 상기 직선유로(L1)의 상류단으로 작은 버블로 끊어지면서 유입되게 된다.

이렇게 끊어진 작은 버블은 나선홈 유로(L2)와 직선유로(L1)의 상류단에서 하류단으로 유동하는 물과 혼합되고, 상기 나선홈 유로(L2)의 상류단에 존재하는 상기 물과 혼합된 작은 버블은 단면적이 점점 작아지는 긴 상기 나선홈 유로(L2)의 영역(깊이가 점점 얕아진 부분, 또는 폭이 점점 작아진 부분)에서 위로 부상하게 되어, 상기 나선홈 유로(L2)로부터 상기 직선유로(L1)쪽으로 삐죽 나오게 된다.

상기 직선유로(L1)에서 유동하는 상기 물의 회전속도는 작은 버블이 혼합된 물을 운반하는 원통체(30)의 회전속도보다 상대적으로 늦어져서, 상기 삐죽 나온 작은 버블은 상대적으로 회전속도가 늦은 상기 유체의 흐름을 만나면 쪼개지는데 이때 순간적으로 폭발이 일어난다. 이런 폭발은 작은 버블이 유동하는 과정에서 순간적이기는 하지만 여러 번 일어나서, 상기 작은 버블은 더욱 작은 버블로 만들어 진다.

또한, 상기 나선홈 유로(L2)를 유동하는 상기 더욱 작은 버블은 상기 나선홈 유로(L2)의 하류단으로 이동되는 도중에 단면적이 작아진 나선홈 유로(L2)의 부분에서 최대의 압력을 받았다가 단면적이 상류단의 나선홈 유로(L2) 보다 더욱 커진 하류단에서 압력이 훨씬 더 작아지는 관계로 더욱 더 잘게 쪼개져서, 결국 종래보다 더 미세한 나노버블이 형성된다.

상기와 같이 버블이 3단계로 쪼개짐으로써, 본 실시예의 나노버블 발생장치는 크기가 아주 작게, 즉 마이크로의 크기보다 더 작은 나노크기로 버블을 생성하는 것이 가능하여, 상기 탱크(10) 내의 버블의 크기를 균등하게 할 수 있어서, 종래보다 기체의 액체 용해도를 훨씬 증가시킬 수 있다.

10; 탱크, 20; 관형부, 30; 원통체, 40; 헤더부, 50; 공압원

Claims (2)

1. 액상의 유체가 저장되어 있는 탱크(10)에 침지되어 있는 관형부(20);
   상기 관형부(20)의 내주면에서 방사상 안쪽으로 이격되어 직선유로(L1)를 형성하여 회전가능하게 배치된 원통체(30);
   상기 원통체(30)의 외주면에 둘레방향으로 일정 간격을 두고서 상류단에서 하류단으로 뻗어 있는 복수개의 줄로 형성되어 상기 직선유로(L1)와 유통하는 나선홈 유로로서, 유로의 단면적이 점차 변하되 중간부분(02)이 가장 작고 하류단이 제일 크며 상류단이 그 중간인 나선홈 유로(L2);
   상기 원통체를 회전시키기 위해 상기 원통체에 내접되어 상기 관형부(20) 밖으로 돌출되어 있는 구동축(31)을 구동시키는 모터(M);
   상기 복수 줄의 나선홈 유로(L2)의 상류단과 마주하게 상기 관형부(20)에 외접되어 있는 링형상의 헤더부로서, 상기 헤더부의 길이방향으로 일정 간격을 갖고서 상기 복수 줄의 나선홈 유로(L2) 각각에 마주하여 유통하고 있는 하나 또는 복수개의 토출구(41)가 형성되어 있는 상기 헤더부(40); 및
   상기 헤더부(40)에 접속되어 있는 공압원(50)을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 나노버블 발생장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 나선홈 유로(L2)에 있어서, 흐름방향에서 중앙의 단면적이 가장 작고 상기 중간부분에서 상류단과 하류단으로 갈수록 단면적이 커지도록 하기 위해, 폭 또는 깊이 중 적어도 하나가 가변되어 있는 것을 특징으로 하는 나노버블 발생장치.
   

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