KR101379239B1 - 나노 버블 발생 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노미터 크기의 미세한 공기 기포를 대용량으로 만들어 수중정화, 산소 공급 등 다양한 산업 분야에 응용할 수 있고, 발생되는 기포의 양이 대량이면서도 기포의 안정성과 균일도를 높일 수 있으며, 유체를 강하게 선회시킴과 동시에 유로 변경을 주어 나노 버블의 분포를 확산 및 균일화를 도모할 수 있도록 한 나노 버블 발생 시스템에 관한 것으로, 전측에는 배출구가, 후측에는 유입구가 구비되는 중공 원통형의 외부 케이스, 상기 외부 케이스 내부 중공부 후측에 위치하고, 중심부에 위치하는 원통형 샤프트 및 상기 샤프트 외주면에 나선형으로 감아 형성되는 나선형 블레이드로 이루어지는 고정 스크류 및 상기 외부 케이스 내부의 상기 고정 스크류 전측에 고정 스크류와 결합되어 설치되고, 원통형으로 설치되며, 외주면에 나선형으로 형성되는 복수 개의 나선형 그루브를 구비하며, 전측에 첨단부가 구비되는 고정 원통부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

나노 버블 발생 시스템{Nano bubble generating system}
본 발명은 나노 버블 발생 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 저부하로 균일하고 대량의 나노 버블을 함유하는 유체를 만들 수 있도록 한 나노 버블 발생 시스템에 관한 것이다.
근래에 오염물질의 처리 등에 마이크로(Micro) 또는 나노(Nano) 버블을 활용한 기술이 널리 보급되고 있다.
그 일례로서, 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2012-0104918호(2012.9.24.공개)는 버블이 폐수의 오염물질을 흡착하면서 상부로 부상하고 부상된 버블들을 이용하여 버블 필터층을 형성함으로써 효율적으로 폐수를 처리하는 수처리 장치이다.
또한, 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2012-0093367호(2012.8.30.공개)는 다수의 분출공을 설치하여 나노 버블을 발생시키는 장치이다.
그런데, 이와 같은 종래의 나노 버블 발생장치는 발생되는 나노 버블의 양이 충분하지 않고, 그 지속 효과도 짧아 충분히 나노 버블의 효과를 볼 수 없으며, 충분한 버블 효과를 발생시키기 위해서는 장치가 대형화 되는 등의 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 본 발명은 나노미터 크기의 미세한 공기 기포를 대용량으로 만들어 수중정화, 산소 공급 등 다양한 산업 분야에 응용할 수 있도록 한 나노 버블 발생 시스템을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 발생되는 기포의 양이 대량이면서도 기포의 안정성과 균일도를 높일 수 있도록 하여 나노 버블의 효과를 높일 수 있도록 한 나노 버블 발생 시스템을 제공하고자 하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 유체를 강하게 선회시킴과 동시에 유로 변경을 주어 공급되는 나노 버블의 분포를 확산 및 균일화를 도모할 수 있도록 한 나노 버블 발생 시스템을 제공하고자 하는 데 목적이 있다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 수단으로, 본 발명인 나노 버블 발생 시스템은,
전측에는 배출구가, 후측에는 유입구가 구비되는 중공 원통형의 외부 케이스,
상기 외부 케이스 내부 중공부 후측에 위치하고, 중심부에 위치하는 원통형 샤프트 및 상기 샤프트 외주면에 나선형으로 감아 형성되는 나선형 블레이드로 이루어지는 고정 스크류 및
상기 외부 케이스 내부의 상기 고정 스크류 전측에 고정 스크류와 결합되어 설치되고, 원통형으로 설치되며, 외주면에 나선형으로 형성되는 복수 개의 나선형 그루브를 구비하며, 전측에 첨단부가 구비되는 고정 원통부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 외부 케이스는,
상기 유입구와 상기 나선형 블레이드 사이에 유입구와 연결되어 설치되되, 전측을 향해 내경이 확대되는 내경 확장부,
상기 배출구의 후측에 상기 배출구와 연결되어 설치되되, 전측을 향해 내경이 축소되는 내경 축소부 및
상기 내경 확장부와 내경 축소부 사이에 위치하여 일정한 내경을 가지는 균일 내경부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 나선형 그루브는,
상기 나선형 블레이드의 나선 방향과 동일 방향으로 형성되는 제 1 방향 나선형 그루브 및
상기 나선형 블레이드의 나선 방향과 반대 방향으로 형성되는 제 2 방향 나선형 그루브로 이루어지며,
서로 등간격으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 내경 축소부 상에 설치되어 다수의 관통홀이 구비되는 인서트 플레이트를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 인서트 플레이트의 중심에 위치하여 상기 고정 원통부의 첨단부를 지지하는 지지홀을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 나선형 블레이드의 외측 단부 및 고정 원통부의 외주면은 상기 외부 케이스 균일 내경부의 내주면과 이격되어 위치하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 유입구에 연결되는 유체 공급 배관,
상기 유체 공급 배관으로 유체를 공급하기 위한 유체 이송 펌프 및
상기 유체 공급 배관에 설치되어 공급되는 유체에 공기 또는 산소를 공급하는 유체 공급 노즐을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 과제해결수단을 통해, 본 발명인 나노 버블 발생 시스템은, 나노미터 크기의 미세한 공기 기포를 대용량으로 만들어 수중정화, 산소 공급 등 다양한 산업 분야에 응용할 수 있고, 발생되는 기포의 양이 대량이면서도 기포의 안정성과 균일도를 높일 수 있도록 하여 나노 버블의 효과를 높일 수 있으며, 유체를 강하게 선회시킴과 동시에 유로 변경을 주어 나노 버블의 분포를 확산 및 균일화를 도모할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템을 도시한 투명사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템의 유동 특성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템의 와도(Vorticity)를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템의 인서트 플레이트 설치 여부에 따른 와도, 유속 등의 변화를 도시한 비교도이다.
본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템을 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템을 도시한 투명사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템을 도시한 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템의 유동 특성을 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템의 와도(Vorticity)를 도시한 도면이며, 도 6은 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템의 인서트 플레이트 설치 여부에 따른 와도, 유속 등의 변화를 도시한 비교도이다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템은 유체 공급 배관(40)을 흐르는 유체에 형성되는 부압을 통해 공기나 산소를 주입하고 고속 회전, 유체의 급격한 방향 전환, 유체간의 충돌, 코안다(Coanda) 효과 등을 통해 유체에 강한 난류성 흐름과 캐비테이션(Cavitation) 및 충격파의 발생을 유도하여 균일하고 안정성 있는 나노 버블을 발생시키고 용존률을 높일 수 있으며 분출되는 강한 난류성 흐름을 통해 주변의 유체를 교반 및 확산시킬 수 있도록 한 시스템으로서, 크게 외부 케이스(10), 고정 스크류(20), 고정 원통부(30), 유체 공급 배관(40), 유체 이송 펌프(50), 유체 공급 노즐(60) 등을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 외부 케이스(10)는 중공 원통형으로 형성되어 내부의 중공부에는 고정 스크류(20), 고정 원통부(30)가 설치되고, 전측(전단)에는 배출구(11)가, 후측(후단)에는 유입구(12)가 구비되며, 상기 유입구(12)는 상기 유체 공급 배관(40)과 연결되며, 그 내부에서 실질적으로 나노 버블 및 강한 난류성 흐름이 생성되는 부분이다.
상기 외부 케이스(10)의 내부 중공부는 유입구(12)측으로부터 내경 확장부(13), 균일 내경부(14), 내경 축소부(15)의 순으로 배치되며, 상기 내경 확장부(13)는 상기 유입구(12)와 나선형 블레이드(22) 사이에 유입구(12)와 연결되어 설치되되, 전측을 향해 점차 내경이 확대되는 부분이며, 상기 내경 축소부(15)는 상기 배출구(11)의 후측에 상기 배출구(11)와 연결되어 설치되되, 전측을 향해 내경이 점차 축소되는 부분이며, 상기 균일 내경부(14)는 상기 내경 확장부(13)와 내경 축소부(15) 사이에 위치하여 일정한 내경을 가지는 부분이다.
상기 균일 내경부(14)에는 후측으로부터 고정 스크류(20)와 고정 원통부(30)가 설치되게 된다.
상기 고정 스크류(20)는 전체적으로 보아 상기 외부 케이스(10) 내부 중공부 후측에 위치하고, 중심부에 위치하는 원통형 샤프트(21) 및 상기 원통형 샤프트(21) 외주면에 나선형으로 감아 형성되는 나선형 블레이드(22)로 이루어진다.
상기 나선형 블레이드(22)의 외측 단부는 상기 케이스 중앙부의 내주면과 이격되어 위치하게 되므로 상기 고정 스크류(20)는 상기 외부 케이스(10)의 내부에 위치하되 이격되어 배치되게 된다.
상기 고정 스크류(20)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 그 후단부가 상기 내경 확장부(13)에 의해 위치하고 가압되어 고정되어 이동이 제한되게 된다.
상기 고정 원통부(30)는 상기 외부 케이스(10) 내부의 상기 고정 스크류(20) 전측에 고정 스크류(20)와 결합되어 설치되고, 원통형으로 설치되는 부재로서, 그 외주면에 나선형으로 형성되는 복수 개의 나선형 그루브(31)를 구비하게 되는데, 상기 나선형 그루브(31)는 상기 나선형 블레이드(22)의 나선 방향과 동일 방향으로 형성되는 제 1 방향 나선형 그루브(32)와 상기 나선형 블레이드(22)의 나선 방향과 반대 방향으로 형성되는 제 2 방향 나선형 그루브(33)로 나누어진다.
복수 개로 이루어지는 나선형 그루브(31)는 서로 등간격으로 배치되는 것이 바람직하다.
상기 제 1 방향 나선형 그루브(32)의 나선 각도는 상기 나선형 블레이드(22)의 나선 각도에 비해 크게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고정 원통부(30)는 전측(전단)에 원뿔형의 첨단부(34)가 구비되는데, 상기 첨단부(34)의 일부는 상기 외부 케이스(10)의 내경 축소부(15)에 위치하되, 그 외주면의 경사각은 상기 내경 축소부(15)의 경사각도 동일하도록 구성함이 바람직하다.
또한, 상기 고정 원통부(30)의 외주면은 상기 케이스 균일 내경부(14)의 내주면과 이격되어 위치함으로써 상기 고정 원통부(30)는 상기 케이스 내부에 위치하되 그 내주면과 이격되어 배치되게 된다.
그리고 상기 내경 축소부(15) 상에는 다수의 관통홀(71)이 구비되는 인서트 플레이트(70)가 설치되며, 상기 인서트 플레이트(70)의 중심에는 상기 고정 원통부(30)의 첨단부(34)가 삽입되어 지지되는 지지홀(72)이 설치된다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 외부 케이스(10)의 유입구(12)에는 유체 공급 배관(40)이 연결되어 설치되고, 상기 유체 공급 배관(40) 상에는 유체를 흡입하여 고압 및 고속으로 상기 외부 케이스(10) 내부로 유입시키기 위한 유체 이송 펌프(50)가 설치되며, 상기 유체 공급 배관의 유체 이송 펌프(50) 상류측에는 유체에 공기 또는 산소를 공급하기 위한 유체 공급 노즐(60)이 구비되게 되며{반드시 이에 한정하는 것을 아니며, 유체 공급 노즐(60)은 유체 이송 펌프(50)의 하류측에 위치할 수 있다}, 상기 유체 공급 노즐(60)은 유체 이송 펌프(50)의 작동에 의해 고속으로 흡입되는 유체에 별도의 동력 없이 유로 단면적의 변화를 통해 공기 또는 산소를 흡입시킬 수 있는 벤튜리 노즐이 사용됨이 바람직하다.
상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템의 작동과정에 대해 구체적으로 설명한다.
먼저, 유체 공급 배관(40) 상에 설치되는 유체 이송 펌프(50)가 작동하면, 유체는 유체 공급 배관(40)을 통해 공급되게 되며, 이때 유체 공급 노즐(60)을 통해 공기나 산소가 공급되는 유체로 공급되게 된다.
공기나 산소를 함유한 유체는 상기 유입구(12)를 통해 유입되고, 단면이 점차 확대되는 내경 확장부(13)를 통과하면서 속도가 저하되면서 유체 속에 함유된 공기나 산소의 고른 1차적 확산이 이루어지게 된다.
이와 같이 공기나 산소의 확산이 이루어진 유체는 나선형 블레이드(22)가 형성되는 고정 스크류(20)를 통과하면서 강한 회전력을 부여받게 되며, 고정 스크류(20)의 축방향에 대한 수직방향으로의 유속도 가지게 된다.
상기 고정 스크류(20)를 통과한 유체는 상기 고정 스크류(20)의 전측에 설치되는 고정 원통부(30)의 다수의 나선형 그루브(31)를 통과하게 되는데, 여기서 나선형 그루브(31)는 상기 나선형 블레이드(22)의 나선 방향과 동일 방향으로 형성되는 제 1 방향 나선형 그루브(32)와 반대 방향으로 형성되는 제 2 방향 나선형 그루브(33)로 이루어져 있으므로 제 1 방향 나선형 그루브(32)와 제 2 방향 나선형 그루브(33)와 중첩되는 부분에서 양자를 통과하는 유체간의 강한 충돌 및 난류가 발생되게 되며, 이때 캐비테이션 효과, 충격파의 발생, 코안다 효과 등을 통해 유체 분자 클러스터의 구조, 크기 등의 변화가 이루어지며 함유하고 있는 공기 또는 산소와의 반응성을 높일 뿐만 아니라 공기 또는 산소의 분산 효과도 증대되게 된다. 특히, 다른 부분에 비해 상대적으로 유로가 협소한 나선형 그루브(31)를 통과하는 유체는 유체역학적으로 유속이 증가 되므로 상기한 효과를 더욱 증대시키는 결과를 가져 오게 된다.
본 발명에서는 상기 나선형 블레이드(22)의 외측 단부 및 고정 원통부(30)의 외주면은 상기 외부 케이스(10)의 균일 내경부(14)의 내주면과 이격되어 위치시킴으로써, 외측, 즉 이격된 부분에서 직진하는 유체와 내측의 나선형 블레이드(22)와 나선형 그루브(31)를 통과하는 유체간의 충돌로 인해 보다 강한 난류성 흐름을 유도하게 된다.
상기 나선형 그루브(31)를 통과한 유체는 고정 원통부(30)의 첨단부(34)를 통과하면서 첨단부(34) 주위 유로의 구조적 특성과 코안다 효과를 통해 배출구(11) 중심에서의 유속 및 유압이 집중되게 되는데, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 내경 축소부(15) 상에 설치되는 인서트 플레이트(70)에 의해 유속 및 유압이 분산되어 배출구(11)에서 균일한 회전속도를 가진 유체가 배출되게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 나노 버블 발생 시스템은 외부 케이스(10) 내부에서 유속의 변화, 유로의 변경, 유체간의 충돌, 캐비테이션, 충격파 등을 통해 나노 버블과 유체간의 결합 특성을 개선하여 나노 버블의 안정도를 높이고 나노 버블의 분산 균일화를 증대시키며, 유체에 강한 난류성 흐름을 유도할 수 있도록 최적화된 구조를 가지며, 이를 통해, 근래에 적조 등 부유성 유해조류 피해가 있는 해수의 처리, 폐수의 처리 등 다양한 분야에 적용 가능한 이점이 있다.
10: 외부 케이스 11: 배출구
12: 유입구 13: 내경 확장부
14: 균일 내경부 15: 내경 축소부
20: 고정 스크류 21: 원통형 샤프트
22: 나선형 블레이드
30: 고정 원통부 31: 나선형 그루브
32: 제 1 방향 나선형 그루브 33: 제 2 방향 나선형 그루브
34: 첨단부
40: 유체 공급 배관
50: 유체 이송 펌프
60: 유체 공급 노즐
70: 인서트 플레이트 71: 관통홀
72: 지지홀

Claims (7)

  1. 전측에는 배출구가, 후측에는 유입구가 구비되는 중공 원통형의 외부 케이스,
    상기 외부 케이스 내부 중공부 후측에 위치하고, 중심부에 위치하는 원통형 샤프트 및 상기 샤프트 외주면에 나선형으로 감아 형성되는 나선형 블레이드로 이루어지는 고정 스크류 및
    상기 외부 케이스 내부의 상기 고정 스크류 전측에 고정 스크류와 결합되어 설치되고, 원통형으로 설치되며, 외주면에 나선형으로 형성되는 복수 개의 나선형 그루브를 구비하며, 전측에 첨단부가 구비되는 고정 원통부를 포함하여 구성되며,
    상기 외부 케이스는,
    상기 유입구와 상기 나선형 블레이드 사이에 유입구와 연결되어 설치되되, 전측을 향해 내경이 확대되는 내경 확장부,
    상기 배출구의 후측에 상기 배출구와 연결되어 설치되되, 전측을 향해 내경이 축소되는 내경 축소부 및
    상기 내경 확장부와 내경 축소부 사이에 위치하여 일정한 내경을 가지는 균일 내경부를 더 포함하여 구성되며,
    상기 내경 축소부 상에 설치되어 다수의 관통홀이 구비되는 인서트 플레이트를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는
    나노 버블 발생 시스템
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 나선형 그루브는,
    상기 나선형 블레이드의 나선 방향과 동일 방향으로 형성되는 제 1 방향 나선형 그루브 및
    상기 나선형 블레이드의 나선 방향과 반대 방향으로 형성되는 제 2 방향 나선형 그루브로 이루어지며,
    서로 등간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는
    나노 버블 발생 시스템
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 인서트 플레이트의 중심에 위치하여 상기 고정 원통부의 첨단부를 지지하는 지지홀을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는
    나노 버블 발생 시스템
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 나선형 블레이드의 외측 단부 및 고정 원통부의 외주면은 상기 외부 케이스 균일 내경부의 내주면과 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는
    나노 버블 발생 시스템
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 유입구에 연결되는 유체 공급 배관,
    상기 유체 공급 배관으로 유체를 공급하기 위한 유체 이송 펌프 및
    상기 유체 공급 배관에 설치되어 공급되는 유체에 공기 또는 산소를 공급하는 유체 공급 노즐을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는
    나노 버블 발생 시스템
  6. 삭제
  7. 삭제
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