KR101886944B1 - 나노 버블 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 미세하고 지름이 균일한 고농도 나노 버블을 얻을 수 있는 나노 버블 제조 장치를 제공하기 위한 것이며, 본 발명에 관한 나노 버블 제조 장치는, 상부에 버블 함유액 도입구를 배치함과 아울러 저부에 버블 함유액 도출구를 배치하여 이루어지는 액조와, 이 액조의 상기 버블 함유액 도입구에 마이크로 버블을 함유하는 마이크로 버블 함유액을 공급하는 마이크로 버블 함유액 공급부와, 상기 버블 함유액 도입구를 통하여 상기 액조 내에 공급된 상기 마이크로 버블 함유액이 하부로 향하여 흐르는 개소에 초음파에 의한 마이크로 버블의 압괴가 집중하여 일어나 나노 버블이 생성되는 초음파 압괴장을 형성하기 위해서 상기 액조 내로 초음파를 조사하는 초음파 압괴부와, 이 초음파 압괴부에 의해 생성된 나노 버블을 함유하는 나노 버블 함유액을, 상기 버블 함유액 도출구를 통하여 상기 액조 밖으로 취출하는 나노 버블 함유액 도출부를 구비한다.

Description

나노 버블 제조 장치{NANOBUBBLE PRODUCING DEVICE}
본 발명은, 나노 버블 함유액을 제조하는 나노 버블 제조 장치에 관한 것이다.
최근, 마이크로·나노 버블이 가지는 여러가지 효과가 에코(echo) 환경 활용 기술로서 세정·살균 효과의 활용, 유기 합성으로의 활용 등 여러가지 분야에 활용되는 것이 검토되기 시작하고 있다. 이 때문에, 그 발생 장치에 있어서도 여러가지 방식이 고안되어 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1에 기재되어 있는 선회류(旋回流) 방식을 적용하고 있는 것이나, 특허 문헌 2, 특허 문헌 3 및 특허 문헌 4에 기재되어 있는, 가압 전단(剪斷) 방식을 적용하고 있는 것 등, 여러가지 수법이 고안되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본특허공개 제2006－116365호 공보 특허 문헌 2 : 일본특허공개 제2006－272232호 공보 특허 문헌 3 : 일본특허 제3762206호 공보 특허 문헌 4 : 일본특허 제4094633호 공보
그렇지만, 모든 방식으로도 나노 버블의 미세 균일화를 가능하게 하는 것이 아니라, 여러가지 버블 입경(粒徑)이 혼재하기 때문에, 버블의 보유 전하량이나 제타(zeta) 전위의 차이에 의해 버블 상호간에 응집(凝集) 작용이 생겨 버블 농도를 비약적으로 향상시키는 것이 곤란했다. 또, 기(旣)발명 고안에 의한 나노 버블 제조 장치에서는, 대부분의 장치가 가압 전단(剪斷) 방식이기 때문에, 그 압력 구조에 견딜 수 있도록 접액부(接液部)에 스테인리스 등의 금속을 사용하지 않을 수 없다. 일부의 발명 고안(선회류(旋回流) 방식)에서는 PVC 등의 수지(樹脂)를 사용하고 있는 예도 있지만, 그 장치는 마이크로·나노 버블을 혼재하는 발생 장치로서, 미세 균일 고농도 나노 버블 제조 장치로는 되지 않은 것이 실정이다. 특히, 나노 버블 레벨에서의 버블 입경(粒徑)을 호모지니어스(homogeneous)(미세 균일)화하는 기술은, 기존 기술에서는 불가능했었다. 따라서, 종래 기술에서는, 미세 균일 고농도 나노 버블을 발생시키려고 하면 필연적으로 고압수(高壓水) 환경하에서 전단(剪斷) 압괴(壓壞)할 필요가 있고, 이 때문에, 산화·환원 반응이 매우 높은 오존이나 수소 등의 나노 버블이 스테인리스의 오존 부식이나 수소 취성(脆性)의 발생 등에 의해 안전상이나 품질상에서도 큰 제약이 있었다.
또, 미세한 버블은 하기의 Young－Laplace의 식으로부터도 도출되는 바와 같이 버블 내압(內壓)이 높고, 나노 버블에서는 모두 버블의 내측을 향하는 힘=내압이기 때문에, 보다 작아지는 경향이 되는 것이 판명되고 있다.
ΔP=4σ／D
(ΔP：압력 상승 변화, σ:표면 장력,
D：버블 직경　100nm：30Atom, 10nm：300Atom)
그리고 버블 입경이 미세 균일하지 않은 경우, 버블 고유의 보유 전하량, 제타 전위가 다르기 때문에 큰 버블에 미세한 버블이 흡착하여, 버블이 보다 커지는 경향이 있고, 입경이 다른 버블은, 응집 작용이 작용하여, 보다 큰 버블이 되어 부상(浮上) 붕괴하는 결과, 버블 수명도 단명이고, 산화 환원 반응이나 바이러스 등의 살멸균(殺滅菌) 작용 등의 재현성도 매우 낮아지는 결점이 있었다.
본 발명은, 종래 기술이 포함하고 있는 상기 문제점에 주목한 것이며, 미세하고 지름이 균일한 고농도 나노 버블을 얻을 수 있는 나노 버블 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은, 이러한 목적을 달성하기 위해서, 다음과 같은 수단을 강구한 것이다.
즉 본 발명에 관한 나노 버블 제조 장치는, 버블 함유액 도입구 및 버블 함유액 도출구를 배치하여 이루어지는 액조(液槽)와, 이 액조의 상기 버블 함유액 도입구에 마이크로 버블을 함유하는 마이크로 버블 함유액을 공급하는 마이크로 버블 함유액 공급부와, 상기 버블 함유액 도입구를 통하여 상기 액조 내에 공급된 상기 마이크로 버블 함유액이 흐르는 개소에 초음파에 의한 마이크로 버블의 압괴(壓壞)가 집중하여 일어나 나노 버블이 생성되는 초음파 압괴장(壓壞場)을 형성하기 위해서 상기 액조 내로 초음파를 조사하는 초음파 압괴부와, 이 초음파 압괴부에 의해 생성된 나노 버블을 함유하는 나노 버블 함유액을, 상기 버블 함유액 도출구를 통하여 상기 액조 밖으로 취출하는 나노 버블 함유액 도출부를 구비하며, 상기 초음파 압괴부가 초음파를 발진할 수 있는 초음파 발진자(發振子)를 가지고, 상기 액조가, 상기 초음파 발진자를 고정한 외주 탱크와, 이 외주 탱크보다도 내측에 형성되고 상기 버블 함유액 유입구 및 버블 함유액 도출구를 배치하는 내주(內周) 탱크를 가지며, 이들 외주 탱크 및 내주 탱크의 사이에 초음파를 상기 내주 탱크로 전반(傳搬)하기 위한 전반액(傳搬液)을 저류(貯留)하는 전반액 저류 영역을 형성하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 본원 발명자가, 초음파에 의한 마이크로 버블의 압괴가 집중하여 일어나 나노 버블이 생성되는 초음파 압괴장을 형성하는 점에 처음으로 생각한 것에 의해 실현할 수 있었던 것이다.
이러한 것이면, 미세하고 지름이 균일한 고농도 나노 버블을 얻을 수 있는 나노 버블 제조 장치를 실현하는 것이 가능해진다.
상기 액조는, 상부에 상기 버블 함유액 도입구를 배치함과 아울러 저부에 상기 버블 함유액 도출구를 배치하여 이루어지는 것이다. 이 경우, 상기 초음파 압괴부는, 상기 버블 함유액 도입구를 통과하여 상기 액조 내에 공급된 상기 마이크로 버블 함유액이 하부로 향하여 흐르는 개소에 상기 초음파 압괴장을 형성하기 위해서 상기 액조 내로 초음파를 조사한다.
또, 보다 바람직한 초음파 압괴장을 형성하기 위한 구체적인 구성으로서, 버블 함유액 도입구가 액조의 평면시(平面視) 중앙에 배치된 것이며, 초음파 압괴부가 액조의 평면시 중앙에 상기 버블 함유액 도입구와 상기 버블 함유액 도출구와의 사이에서 상기 마이크로 버블 함유액의 흐름을 따라서 초음파 압괴장을 형성하는 형태를 들 수 있다.
나노 버블을 보다 바람직하게 생성할 수 있기 위해서는, 초음파의 발진(發振) 주파수를 20KHz~1.5MHz로 하는 것이 바람직하다.
삭제
한편, 본 발명에 관한 액조는 물론, 상기 외주 탱크 및 내주 탱크를 구비하는 구성에 한정되지 않고, 외주 탱크만인 1중(重) 구조의 것으로 하고, 전반액을 사용하지 않는 것으로 해도 괜찮다.
더 효율 좋게 초음파 압괴장을 형성하기 위해서는 초음파 압괴부가 초음파 발진자를 복수 가지고 있는 것인 것이 바람직하다.
또, 액조 및 초음파 압괴부의 구체적인 구성으로서, 내주 탱크가 평면시 원형 모양을 이루는 것이며, 복수의 초음파 발진자가 내주 탱크의 중앙으로 향하여 초음파를 발진할 수 있도록 평면시 방사상으로 배치되어 있는 것을 들 수 있다.
그리고 균일한 지름을 가지는 나노 버블 함유액을 보다 효율 좋게 얻기 위해서는, 복수의 초음파 발진자가, 하부로 경사진 방향으로 초음파를 발진하도록 배치되어 있도록 하는 것이 바람직하다.
그리고, 나노 버블 함유액을 구성하는 기체 및 액체의 종류에 의존하지 않고 효율 좋게 나노 버블 함유액을 얻기 위해서는, 내주 탱크를, 대기와는 차단된 밀폐 구조로 해두는 것이 바람직하다.
그리고, 효율 좋게 나노 버블 함유액을 얻을 수 있도록, 나노 버블을 생성하기 쉬운 마이크로 버블 함유액을 액조에 효율 좋게 공급하기 위해서는, 마이크로 버블 함유액 공급부가, 액체 및 기체를 혼합시키는 기액(氣液) 혼합기와, 기액 혼합기에 의해 기체가 혼합된 기포 함유액을 마이크로 버블 함유액으로 하는 마이크로 버블 생성기와, 마이크로 버블 함유액이 버블 함유액 도입구로 토출되도록 작동하는 펌프를 가지고 있는 것인 것이 바람직하다.
또, 위에서 설명한 기액 혼합기는, 펌프 보다도 액체의 흐름에서의 상류측에 마련되어 있는 형태라도, 펌프와 마이크로 버블 생성기와의 사이에 마련되어 있는 형태라도, 효율 좋게 나노 버블 함유액을 얻을 수 있다.
그리고 마이크로 버블 생성기의 구체적인 구성으로서, 기액 혼합기를 거친 기포 함유액을 나선 모양으로 선회(旋回) 동작시키는 선회 부재와, 이 선회 부재를 거친 기포 함유액을 돌기에 충돌시키면서 통과시키는 돌기 압괴 부재와, 이 돌기 압괴 부재를 거친 기포 함유액을 일정 시간 대류(對流)시키는 축양(畜養) 부재와, 축양 부재를 거친 기포 함유액을 발포시켜 마이크로 버블 함유액으로 하는 발포 부재를 가지고 있는 것을 들 수 있다.
더 효율 좋게 마이크로 버블 함유액을 얻기 위해서는, 마이크로 버블 함유액 공급부가, 축양 부재 내의 액체를 가압하는 축양 가압기를 가지고 있는 것인 것이 바람직하다.
또, 소요량의 나노 버블 함유액을 확실히 얻기 위한 구성으로서, 마이크로 버블 생성기가, 교환 가능하게 모듈화된 것인 것이 바람직하다.
특히 사용자에 의한 나노 버블의 소요량의 변경에도 신속하게 대응할 수 있도록 하기 위해서는, 마이크로 버블 생성기가, 시간당 통과시키는 액량이 다른 복수의 모듈로부터 임의의 하나의 모듈을 선택하여 장착할 수 있도록 구성하고 있는 것인 것이 바람직하다.
또, 액조에 효율 좋게 마이크로 버블 함유액을 공급하기 위해서는, 마이크로 버블 함유액 공급부가, 액조의 상측으로부터 펌프에 의해 마이크로 버블 생성기로 액체를 추출하는 액체 추출로를 가지고 있는 것인 것이 바람직하다.
그리고, 계속적인 사용에서도 나노 버블 함유액의 제조 효율을 높게 유지해 두기 위해서는, 액조 내의 액체의 온도를 소정의 온도 범위 내로 제어하는 액체의 온도 제어부를 가지고 있는 것인 것이 바람직하다.
위에서 설명한 본 발명은, 중심 나노 버블 입경 100nm 전후 이하(이하 '호모지니어스(homogeneous) 나노 버블'이라고 칭함) 기계적으로 생성한 0.2~2μm 정도의 마이크로 버블을 초음파 동시 압괴법에 의해서,
동시에 또한 연속적으로 나노 버블화하는 것을 특징으로 하고 있기 때문에, 버블 입경이 일치하고 있으므로 버블 보유 전하량, 제타(zeta) 전위 등 버블의 물리적 특성이 거의 동일하게 된다. 이 때문에, 버블 상호간에 분산 작용이 작용하기 때문에, 한층 더 고농도화를 달성할 수 있고, 버블이 가지는 세정 효과, 살균 효과 등의 재현성이 매우 높게 되어, 고스루풋(高throughput)을 얻는 것이 가능해진다. 게다가, 접액부에 염화 비닐 수지나 PVDF, PTFE 등의 불소계 수지를 사용할 수 있고, 수지 용접이나 접착 구조 등의 채용에 의해 대기와의 기체 접촉이 없는 완전 밀폐 구조 버블 발생 시스템을 구축할 수 있기 때문에, 가스종(gas種)을 선택하지 않고, 또한 원액(原液)의 종류도 선택하지 않는 안전한 나노 버블 발생 시스템을 구축할 수 있다. 게다가, 마이크로 버블의 입경폭을 0.2~2μm 정도로 억제하면서 고농도화를 도모하고, 게다가 초음파 압괴장에 의해서 이 버블을 동시 압괴시켜, 버블 입경 100nm 전후 이하 또한 나노 버블 농도 3억개/ml 이상을 달성할 수 있다. 이 때문에, 수산기(水酸基)나 수소기(水素基) 등의 라디칼(radical) 반응이나 나노 버블과 파티클(Particle)(미세한 티끌)이나 바이러스 등과의 미립자간 상호 작용에 의한 선택적 흡착 산화 이탈 세정·살균 효과를 활용하고, 하이포염소산 등의 약품을 사용하지 않은 식품 세정 장치, 유기 합성 장치, 반도체 세정 장치, 의료·치료 기구등의 살균·세정 장치 등으로의 활용을 가능하게 하는 고스루풋을 달성한다. 이 달성에 의해 환경이나 인체 등에 뛰어난 에코 상온 살·멸균 세정 장치의 실현이 가능해진다. 아울러, 오존 나노 버블에 의한 유기물 분해, 스케일 분해나 소취(消臭, 악취를 없앰) 효과를 활용한 배관·보일러 탱크 등의 세정이나 세정후의 수소 나노 버블을 활용한 환원 효과에 의한 붉은 녹을 검은 녹으로 전환하여, 피막에 의해서 관의 수명을 연명하는 등의 효과도 가능해진다.
본 발명에 의하면 미세하고 지름이 균일한 고농도 나노 버블을 얻을 수 있는 나노 버블 제조 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 정면도.
도 2는 일 실시 형태에 관한 기능 블록도.
도 3은 일 실시 형태에 관한 정면측으로부터 본 구성 설명도.
도 4는 일 실시 형태에 관한 평면측으로부터 본 구성 설명도.
도 5는 일 실시 형태에 관한 우측면측으로부터 본 구성 설명도.
도 6은 일 실시 형태에 관한 마이크로 버블 발생부의 구성도.
도 7은 도 6에 관한 요부 확대도.
도 8은 일 실시 형태에 관한 초음파 압괴부의 평면도.
도 9는 도 8의 B－B선 단면도에 근거하는 요부의 구성 설명도.
도 10은 일 실시 형태의 변형예 1에 관한 도 2에 대응한 설명도.
도 11은 일 실시 형태의 변형예 2에 관한 구성 설명도.
도 12는 일 실시 형태의 변형예 3에 관한 요부의 모식적인 평면도.
도 13은 일 실시 형태의 변형예 4에 관한 도 2에 대응한 설명도.
도 14는 일 실시 형태의 변형예 4에 관한 도 9에 대응한 설명도.
이하, 본 발명의 일 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시 형태에 관한 나노 버블 제조 장치는, 예를 들면 순수한 물을 원액(原液)으로서 이용하고, 버블화 대상 기체를 오존으로 한 것이다. 즉, 순수한 물에 오존에 의한 나노 버블을 함유시킨 나노 버블 함유액을 제조하기 위한 것이다. 도 1은, 상기 나노 버블 제조 장치의 외관을 나타내고 있다. 상기 나노 버블 제조 장치는 상부(1a)에 상기 장치의 거의 모든 구성 요소를 배치함과 아울러, 하부(1b)에는 버블화 대상 기체인 오존을 발생시키는 오존 발생부(6)나, 구동원(E)인 전원 장치를 배치하고 있다. 또 케이스(1)의 상부에는, 상기 나노 버블 케이스(1)의 외부로 제어부(0)의 조작 패널(00)을 전면(前面)에 노출시키고, 상기 조작 패널(00)을 매개로 하여 유저가 이 나노 버블 제조 장치를 임의로 조작할 수 있도록 하고 있다.
그러나 본 실시 형태에 관한 나노 버블 제조 장치는, 상부에 버블 함유액 도입구인 도입구(21a)를 배치함과 아울러 저부에 버블 함유액 도출구인 도출구(21b)를 배치하여 이루어지는 액조(液槽)(2)와, 이 액조(2)의 도입구(21a)에 마이크로 버블을 함유하는 마이크로 버블 함유액(MB)을 공급하는 마이크로 버블 함유액 공급부(3)와, 도입구(21a)를 통하여 액조(2) 내에 공급된 마이크로 버블 함유액(MB)이 하부로 향하여 흐르는 개소에 초음파(ss)에 의한 마이크로 버블의 압괴(壓壞)가 집중하여 일어나 나노 버블이 생성되는 초음파 압괴장(壓壞場)(X)을 형성하기 위해서 액조(2) 내로 초음파(ss)를 조사하는 초음파 압괴부(4)와, 이 초음파 압괴부(4)에 의해 생성된 나노 버블을 함유하는 나노 버블 함유액(NB)을, 도출구(21b)를 통하여 액조(2) 밖으로 취출하는 나노 버블 함유액 도출부(5)를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
＜구성 설명＞
이하, 상기 나노 버블 제조 장치의 구성에 대해 설명한다. 도 2~도 9에 나타내어 설명한다. 도 3~도 5는 주로, 케이스(1) 내에서의 액조(2), 마이크로 버블 함유액 공급부(3) 및 초음파 압괴부(4)의 배치를 도시하고 있다. 나노 버블 제조 장치는, 케이스(1) 내에서는 도 2에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 순수한 물과 같은 원액을 도입하는 원액 도입부(7)와, 이 원액 도입부(7)로부터의 원액을 저류(貯留)하는 액조(2)와, 액체 순환 기구(9)를 매개로 하여 액조(2)에 접속하고 있는 마이크로 버블 함유액 공급부(3)와, 이 마이크로 버블 함유액 공급부(3)에 접속하고 있는 오존 발생부(6)와, 액조(2)에 마련된 초음파 압괴부(4)와, 액조(2) 내에서 생성된 나노 버블 함유액(NB)을 취출하기 위한 나노 버블 함유액 도출부(5)와, 원액과는 다르게 액조(2)로 도입 혹은 액조(2)로부터 도출되는 전반액(傳搬液)을 안내하기 위한 전반액 유로(8)를 구비하고 있다. 그리고 상기 나노 버블 제조 장치 내에는 각 개소에 밸브(V1~V4, V6, V7) 및 스위치(V5)가 배치됨과 아울러, 이들 밸브(V1~V4, V6, V7) 및 스위치(V5)는 제어부(0)에 의해 컨트롤된다. 또 본 실시 형태에서는, 마이크로 버블 함유액 공급부(3)가 액조(2)의 상측으로부터 펌프(39)에 의해 마이크로 버블 생성기(32)로 액체를 추출하는 액체 추출로(91)가 마련되어 있다. 그리고 상기 액체 추출로(91)와, 마이크로 버블 함유액 공급부(3)와 액조(2)와의 사이에 개재하는 공급 유로(92)와 함께 액체를 순환시킬 수 있는 액체 순환 기구(9)를 구성하고 있다.
원액 도입부(7)는, 장치 밖에서 생성된 원액의 일례로서의 순수한 물을 액조(2) 내에 도입하기 위한 것이다. 이 원액 도입부(7)에는 제어부(0)에 의해 개폐 제어되는 밸브(V1)가 마련되어 있다.
나노 버블 함유액 도출부(5)는, 초음파 압괴부(4)에 의해 생성된 나노 버블 함유액(NB)을, 도출구(21b)를 통하여 액조(2) 밖으로, 나아가서는 장치 외부으로 취출하기 위한 것이다. 이 나노 버블 함유액 도출부(5)에는 제어부(0)에 의해 개폐 제어되는 밸브(V4)가 마련되어 있다.
오존 발생부(6)는, 오존을 발생시키는 오존 발생기(61)와, 이 오존 발생기(61)로부터 마이크로 버블 함유액 공급부(3)에 이르는 유로 상에 마련된 압력계(62)와 유량계(63)와 역지(逆止, 역류 방지) 밸브(64)를 가지고 있다. 오존 발생기(61)는, 버블화 대상인 오존을 발생시키기 위한 기존 장치를 적용하고 있다. 또 상기 나노 버블 제조 장치는 물론, 이 오존 발생기(61)를 대신하여 기존의 다른 기재를 탑재함으로써, 산소, 질소, 암모니아, 수소, 혹은 이산화탄소와 같은 다른 기체를 함유하는 나노 버블 함유액(NB)을 제조하는 것도 가능하다. 그리고 이 오존 발생부(6)에는 제어부(0)에 의해 개폐 제어되는 밸브(V7)가 마련되어 있다.
액조(2)는, 도 2, 도 8 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 외주 탱크(22) 및 내주 탱크(21)를 주체(主體)로 한 2층 구조를 이룬다. 내주 탱크(21)는 평면시(平面視) 원형 모양을 이루며, 대기와는 차단된 밀폐 구조로 하고 있다. 이 내주 탱크(21)의 상부에 버블 함유액 도입구인 도입구(21a), 원액 공급부로부터 원액이 공급되는 원액 공급구(21c) 및 내주 탱크(21)의 상층(탱크의 깊이 방향에 대해서 저면으로부터 3/4 이상의 상측부)에 있는 액체를 빼내기 위한 액체 빼냄구(口)(21d)가 마련되어 있다. 내주 탱크(21)의 하부 즉 저면에는 나노 버블 함유액 도출부(5)에 의해 장치 외부로 나노 버블 함유액(NB)을 도출하는 도출구(21b)가 마련되어 있다. 외주 탱크(22)는, 예를 들면 스테인리스와 같은 초음파(ss)를 반사할 수 있는 재질로 구성된 평면시 육각 형상을 이룬다. 외주 탱크(22)는, 상부에 전반액을 공급하기 위한 전반액 공급구(22a)를 가짐과 아울러 하부로 전반액을 배출하기 위한 전반액 배출구(22b)를 가지고 있다. 그리고 외주 탱크(22) 및 내주 탱크(21)의 사이에 초음파(ss)를 내주 탱크(21)로 전반하기 위한 전반액을 저류(貯留)하는 전반액 저류 영역(22c)이 형성된다.
여기서 내주 탱크(21)의 재질에 대해 상세하게 설명한다. 내주 탱크(21)는 염화 비닐 수지나 PVDF 등의 불소계 수지 등 수지 재료 또는, 석영으로 구성되는 것이 바람직하다. 수지 재료의 경우에는 상부를 수지 용접이나 접착 등에 의해 완전 밀폐 구조로 한다. 석영의 경우에는, PTFE, 바이턴(Viton) 등의 씰재(seal材)를 매개로 하여 밀폐 구조를 채용하는 것으로 한다. 그 이유는, 마이크로 버블의 초음파 압괴시에 발생하는 미량 가스를 대기와 접촉시키지 않기 위한 처치이다. 오존 나노 버블 발생시에는 오존 리크(leak)에 의한 인체 위험을 방지하기 위한 것이며, 수소 나노 버블에서는, 수소와 산소의 접촉에 의한 폭발 위험을 방지하기 위함이다. 게다가, 이 처치에 의해서 버블에 의한 유기 합성 반응 대응에서도, 기체 중 가스 성분의 혼입이 없기 때문에, 안정된 유기 합성 반응을 얻는 것이 가능해진다.
전반액 유로(8)는, 외주 탱크(22) 내에 마련된 온도 센서(TS1)와 함께 액조(2) 내의 액체의 온도를 소정의 온도 범위 내로 제어하는 액체의 온도 제어부로서 기능한다. 이 전반액 유로(8)는 장치 외부로부터 외주 탱크(22)의 전반액 공급구(22a)로 전반액을 공급하는 전반액 공급부(81)와, 외주 탱크(22)의 전반액 배출구(22b)로부터 장치 외부로 전반액을 배출하는 전반액 배출부(82)를 가지고 있다. 전반액 공급부(81)에는 밸브(V2)가, 전반액 배출부(82)에는 밸브(V3)가 마련되고, 이들 밸브(V2, V3)는 함께 제어부(0)에 의해 제어된다.
마이크로 버블 함유액 공급부(3)는, 도 2, 도 6 및 도 7에 나타내는 바와 같이, 액조(2)의 버블 함유액 도입구에 공급 유로(92)를 매개로 하여 마이크로 버블을 함유하는 마이크로 버블 함유액(MB)을 공급하기 위한 것이다. 마이크로 버블 함유액 공급부(3)는, 액체 및 기체를 혼합시키는 기액(氣液) 혼합기(31)와, 기액 혼합기(31)에 의해 기체가 혼합된 기포 함유액을 마이크로 버블 함유액(MB)으로 하는 마이크로 버블 생성기(32)와, 마이크로 버블 함유액(MB)이 도입구(21a)로 토출되도록 작동하는 펌프(39)를 가지고 있다. 펌프(39)에 대해서는 기존의 것을 사용하고 있기 때문에, 그 상세한 설명을 생략하지만, 펌프(39)로서, 예를 들면 에어 구동형 용적식(容積式) 펌프를 적용하지만, 마그네트 펌프나 축류(軸流) 펌프 등 비용적식 펌프를 적용해도 좋고, 펌프의 종류를 선택하지 않는다.
기액 혼합기(31)는, 본 실시 형태에서는 기액 혼합기(31)가, 펌프(39)보다도 액체의 흐름에서의 상류측에 마련되어 있는 펌프(39)의 액체 취입구(取入口) 근방에 기체 취입구를 마련하고, 펌프(39)의 흡인력을 이용하여 액체와 동시에 기체도 흡인시켜 펌프(39) 내에서 기액 혼합체인 기포 함유액을 발생시키도록 하고 있다. 이러한 구성을 적용하고 있는 이유는, 액체측의 흐름 방향에 따름으로써, 기액 혼합을 원활히 할 수 있도록 하는 것을 목적으로 하고 있기 때문이다. 이 위치가 액체의 흐름 방향과 거스르는 경우에는, 액체의 압력 변동을 직접 받기 때문에, 기체의 도입 유량이 일정하지 않고, 기액 혼합을 원활히 행할 수 없기 때문에, 다량의 기체가 도입되어 펌프(39)가 공운전(空運轉)하는 경우나 기체가 거의 들어가지 않아 버블 발생이 정량화되지 않는 현상이 발생한다. 이것에 대해서, 본 실시 형태에 의하면, 기체 도입 압력이 일정 압력으로 공급하는 것만으로 기체 도입량이 일정하게 되어, 안정된 기체 도입량을 유지하는 것이 가능해진다.
마이크로 버블 생성기(32)는, 기액 혼합기(31)를 거친 기포 함유액을 나선 모양으로 선회 동작시키는 선회 부재(34)와, 이 선회 부재(34)를 거친 기포 함유액을 돌기(35a)에 충돌시키면서 통과시키는 돌기 압괴 부재(35)와, 이 돌기 압괴 부재(35)를 거친 기포 함유액을 일정 시간 대류(對流)시키는 축양(畜養) 부재(36)와, 축양 부재(36)를 거친 기포 함유액을 발포시켜 마이크로 버블 함유액(MB)으로 하는 발포 부재(37)를 가지고 있다. 또 본 실시 형태에서는, 이 마이크로 버블 생성기(32)가, 교환 가능하게 모듈화된 구조를 이룬다. 상세하게 설명하면, 마이크로 버블 생성기(32)는, 시간당 통과시키는 통과액량이 다른 복수의 모듈로부터 임의의 하나의 모듈을 선택하여 장착할 수 있도록 구성하고 있지만, 통과액량이 다른 구성을 이루는 마이크로 버블 생성기(32)에 대해서는 후술하는 변형예에 대해 상세하게 설명한다.
선회 부재(34)는, 내부에 나선 모양으로 형성된 선회면(旋回面)(34a)을 따라서 액체를 흘리는 것이다. 이 선회면(34a)은, 적어도 원축(圓軸) 방향에 대해서 1.5 회전 이상의 원축 회전이 얻어지는 것이 바람직하다. 기액 혼합기(31)에 의해서 액체 중에 혼입된 기포 함유액에, 펌프(39)의 토출 압력을 이용하여 선회류(旋回流) 작용을 가함으로써, 유속을 가속할 수 있다. 원축 방향에 대한 회전수를 올리면 유속은 증대되지만, 그 만큼 압력 손실이 증대되기 때문에, 펌프(39)의 양정(揚程) 능력을 필요로 하는 버블 농도로부터 최적 회전수는 결정된다. 또, 상기 선회 부재(34)는, 특허 문헌 1에 나타내어져 있는 바와 같은 액체만을 선회시키는 선회류가 아니고, 어디까지나 기포 함유액의 유속을 가속하는 수단으로서 이용하는 것을 특징으로 하고 있다. 이 때문에, 이 부분에서 마이크로 버블을 발생시키는 것은 아니다.
돌기 압괴 부재(35)는, 선회 부재(34)의 후단(後段)에 배치되는 것이다. 돌기 압괴 부재(35)는, 선회 부재(34)를 통과한 기포 함유액을 돌기(35a)에 의해 전단(剪斷) 압괴하는 것에 의해 버블 농도를 향상시키는 역할을 한다. 이 돌기 압괴 부재(35)는 원기둥 구조를 이루며, 원통 방향에 대해서 수직 방향으로 다단(多段)의 돌기(35a)를 마련하고, 돌기(35a)의 선단이 각각 대향하는 방향으로 배치된 것으로서, 중심 부분에 돌기(35a)가 존재하지 않은 공동(空洞)인 액체 유로가 되도록 하고 있다. 또 돌기(35a)는 적어도 6단 이상의 단수(段數)로 되어 있고, 길이 방향으로 36도 이상의 각도로 교호(交互)로 배치된다. 게다가 이 돌기 압괴 부재(35)는 선회 부재(34)와 연속하고 일체적으로 구성되는 것으로 하고 있다. 선회 부재(34)에 의해서 가속된 기포 함유액은 이 돌기(35a)에 맞닿으면서 분쇄되어 기체가 더 미세화된다. 본 실시 형태에서는, 수지 용접을 이용한 구성이지만, 돌기(35a)는 나사식으로 구성해도 무방하고, 돌기(35a)의 배치는 도 6의 형태 외에, 90도의 각도 위상(位相)을 가지고 4방향으로 배치하는 형태, 60도의 각도 위상을 가지고 6방향으로 배치하는 형태라도 무방하다. 또, 본 실시 형태에서 각 돌기(35a) 사이에서 36도 각도 위상을 다르게 하고 있는 이유는, 돌기(35a)가 병행 연속하면 선단의 돌기(35a)에서는 기포 함유액을 전단 압괴할 수 있지만, 후단의 돌기(35a)에서는 선단 부분의 그림자에 숨어 그 기능을 할 수 없기 때문이다. 이 때문에, 전후의 돌기(35a)의 각도 위상을 다르게 함으로써, 후단에 위치 고정된 돌기(35a)도 균등하게 전단 압괴시킬 수 있다. 이 배열 구성에 의해 돌기(35a) 후방에 공간이 얻어짐으로써, 돌기(35a) 후방에 발생하는 카르만류(Karman流)와 흐름 방향의 유체 충돌에 의한 전단 압괴 효과도 얻어진다(돌기(35a) 후방에 발생하는 카르만류에 대해서는 유체의 역학 스도 고조 외(外)저(著) 코로나사판(社版) P196에 설명되어 있음).
축양 부재(36)는, 돌기 압괴 부재(35)를 통과한 액체인 기포 함유액을 일시적으로 저류하기 위한 것이다. 이 축양 부재(36)는, 예를 들면 펌프(39)의 1분간 당 토출 유량인 1/20~1/5의 저류가 가능한 용기이다. 이 축양 부재(36)는, 돌기 압괴 부재(35)의 하류측 단부 및 발포 부재(37)의 상류측 단부가 수납되어 있다.
발포 부재(37)는, 특히 도 7에 나타내는 바와 같이, 발포 부재(37)는, 예를 들면 복수의 오프셋 구멍(37a1)을 가지는 슬릿판(37a)과, 액체를 가압하는 원통 형상을 이루는 재(再)가압부(37b)와, 테이퍼 원추(圓錐) 구조를 이루는 테이퍼부(37c)를 가지고 있다. 슬릿판(37a)은, 중심으로부터 오프셋시킨 위치에, 예를 들면 정삼각형 모양을 이루도록 3개의 오프셋 구멍(37a1)을 가지고 있다. 또 이 오프셋 구멍(37a1)은, 액체의 유로에 대해 소정 각도 경사지고, 확산하는 방향으로 연장되도록 뚫려 있다. 재가압부(37b)는 오프셋 구멍(37a1)을 통과한 액체인 기포 함유액을 내부에서 가압하기 위해서 오프셋 구멍(37a1)의 개구 면적 보다도 작은 개구 면적으로 액체를 유출시키는 유출구(37b2)와, 이 유출구(37b2)의 주위 및 슬릿판(37a)의 이면측에 위치하는 충돌벽(37b1)을 가지고 있다. 테이퍼부(37c)는, 유출구(37b2)로부터 예를 들면 15도 보다도 작은 각도로 원추 모양으로 확산되는 테이퍼면(37c1)을 가지고 있다. 이러한 구성에 의해, 오프셋 구멍(37a1)을 통과한 액체는 가압되면서 경사 방향으로 흐르고 또한 전후의 충돌벽(37b1)에 충돌하는 것에 의해 기체가 더 압괴된다. 그리고 유출구(37b2)를 거친 액체가 테이퍼부(37c)에 이르면 급속히 감압됨으로써, 기포 함유액이 마이크로 버블 함유액(MB)이 된다. 구체적으로 설명하면, 재가압부(37b) 내의 압력은 3MPa 전후로 되어 있지만 테이퍼부(37c)에서는 1MPa가 되어, 급격하게 감압되기 때문에, 발포 부재(37)를 거친 액체는 균일한 마이크로 버블을 함유하는 마이크로 버블 함유액(MB)이 된다.
특히 이 발포 부재(37)의 급속한 감압에 의해, 기존 기술에서는 불가능하게 된 스테인리스 등을 사용하지 않은 PVDF, PTFE, PVC 등의 수지라도 미세하고 또한 균일한 마이크로 버블을 얻는 것이 가능해진다. 또, 기존 벤투리(venturi) 구조관에서는 위에서 설명한 바와 같은 재가압 기능은 얻어지지 않는다.
그러나 본 실시 형태에서는, 마이크로 버블 함유액 공급부(3)는, 상기의 기액 혼합기(31), 마이크로 버블 생성기(32) 및 펌프(39)에 더하여, 축양 부재(36) 내의 압력을 일정 압력(0.8MPa~2MPa) 정도로 높임으로써, 버블 농도를 향상시키는 기능을 담보하기 위한 축양 가압기(33)를 가지고 있다. 이 축양 가압기(33)는, 본 발명에 관한 마이크로 버블을 미세 균일화하기 위한 최대 중요 기능 중 하나이며, 전단 압괴한 버블핵(bubble核) 내의 보유 전하량, 제타 전위를 균일하게 하기 위해, 일정 시간 체류시키고 잉여 기체에 의한 가압 압축 효과를 활용하여, 축양 부재(36) 내의 압력을 일정 압력(0.8MPa~2MPa) 정도로 높임으로써, 버블 농도를 향상시키는 기능을 가진다. 이들 기능에 의해서, 펌프(39)가 예를 들면 저(低)양정 능력인 용적 이송형 펌프(에어 구동형 벨로우즈 펌프, 에어 구동식 다이어프램 펌프 등)에 의해서도 미세 균일화 초고농도 마이크로 버블을 발생시키는 것이 가능해지고, 또한, 비(非)용적 이송형 펌프(마그네트 펌프나 축류 펌프 등)에서는, 양정압이 높아지기 때문에, 보다 큰 농도 향상이 가능해진다. 이 때문에, 이 기능에 의해, 펌프(39)의 종류를 선택하지 않은 마이크로 버블 함유액 공급부(3)가 실현된다. 또한 상기 축양 가압기(33)에 의해 축양 부재(36) 내에서 가압된 기포 함유액은 발포 부재(37)의 재가압부(37b)에 의해 다시 가압되어 있다.
초음파 압괴부(4)는, 외주 탱크(22)에 장착된 복수의 초음파 발진자(41)를 가진다. 본 실시 형태에서는, 평면시 육각 형상을 이루는 외주 탱크(22)에 각각 방사상으로 6개의 초음파 발진자(41)를 장착하고 있다. 즉 이 초음파 발진자(41)는 내주 탱크(21)의 중앙으로 향하여 초음파(ss)를 발진할 수 있도록 배치되어 있다. 그리고 이 초음파 압괴부(4)에 의한 초음파(ss)의 발진 주파수를 20KHz~1.5MHz로 하고 있다. 구체적으로는, 28KHz~1.5MHz의 범위로 하고 있다. 그리고 이들 6개의 초음파 발진자(41)는, 예를 들면 15도 정도 하부로 경사진 방향으로 초음파(ss)를 발진하도록 배치되어 있다.
＜작용 설명＞
그러나 본 실시 형태에 관한 나노 버블 제조 장치에서는, 초음파 압괴부(4)의 작동에 의해 내주 탱크(21)의 평면시 중앙에서, 버블 함유액 도입구를 통하여 액조(2) 내에 공급된 마이크로 버블 함유액(MB)이 하부로 향하여 흐르는 개소에 초음파(ss)에 의한 마이크로 버블의 압괴가 집중하여 일어나 나노 버블이 생성되는 초음파 압괴장(X)이 형성된다. 구체적으로 설명하면, 초음파 발진자(41)로부터 전반 된 초음파 에너지는 외주 탱크(22)의 스테인리스판 등의 벽면에서 반사하고, 그 반사 에너지도 함께 내주 탱크(21) 내에서 버블 함유액 도입구(21a)와 버블 함유액 도출구(21b)와의 사이에서 마이크로 버블 함유액(MB)의 흐름을 따라서 초음파 압괴장(X)을 형성하는 구성으로 되어 있다. 환언하면, 초음파 압괴부(4)에 의해서 액조(2) 내의 초음파(ss)는, 각기둥 또는 원기둥 모양을 이루는 중심 부분 즉 초음파 압괴장(X) 내에 초음파(ss)를 집중시켜 마이크로 버블의 도피처를 없애면서 압괴한다. 이것에 의해, 나노 버블을 형성하는 것을 특징으로 한다. 이 때문에, 초음파(ss)의 에너지와 주파수를 적절히 선택함으로써, 중심 입경 100nm 전후 이하 또한 버블 농도 3억개/ml 이상이 바람직한 나노 버블 함유액(NB)을 얻는 것이 가능해진다.
한편, 종래도 초음파에 의해 새로운 나노 버블을 얻는 기술로서는 나노 버블의 발생과 기능에 관한 연구 등이 있지만, 농도가 낮고 나노 버블의 수명이 단명이며 고농도로 할 수 없는 것이었다(쓰쿠바대학 대학원 박사 과정 시스템 정보공학 연구과 석사 논문 나노 버블의 발생과 기능에 관한 연구 고토 미즈키　2004년 1월). 또, 마이크로 버블로부터 압괴법에 의해 나노 버블을 얻는 방법은 일본특허공개 제2005－246293호 공보, 일본특허공개 제2011－218308호 공보 기재의 기술이 고안되어 있다. 그렇지만, 전자에서는, 단지 초음파를 닿게 하는 것이나 오리피스(orifice) 구조 다공판을 이용하여 물리적 자극을 부여하는 것이다. 전압 인가에 의한 물리적 자극을 가할 뿐이며, 500nm 이하의 나노 버블은 그것 이상 미세화할 수 없는 것을 Young－Laplace의 식을 이용하여 설명을 하고 있다. 게다가, 일본특허공개 제2011－218308호 공보 등에서는, 수용실의 저면으로부터 상부를 향해 초음파를 인가하는 수법이 고안되어 있지만, 이 수법에서는 초음파를 인가하는 반대측방향으로 마이크로 버블이나 나노 버블이 그 진동 에너지에 의해 이동하기 때문에, 고농도 나노 버블을 생성할 수 없었다.
＜동작 설명＞
이하, 본 실시 형태에 관한 나노 버블 제조 장치의 동작 플로우에 대해 설명한다.
먼저, 케이스(1)에 노출되어 있는 조작 패널(00)에 의해 유저가 동작 개시 지령을 입력하면, 밸브(V2)가 열려, 외주 탱크(22)에 전반액이 공급된다. 그리고 도시하지 않은 수위(水位) 센서가 외주 탱크(22)에서의 전반액 저류 영역(22c) 내에서 전반액이 일정량에 이르는 것을 검지할 때까지 외주 탱크(22)에 전반액이 계속 공급된다. 이어서 전반액이 일정량에 이른다고 검지되면, 제어부(0)로부터 밸브(V2) 폐쇄 지령을 내보내고, 밸브(V2)가 닫힘으로 되어 전반액의 공급을 정지한다. 그리고 내주 탱크(21) 내의 도시하지 않은 수위 센서에 의해 내주 탱크(21) 내의 액체가 충분량에 이르지 않은 것을 제어부(0)가 확인하면, 밸브(V1)를 열림으로 하여, 원액 도입부(7)로부터의 원액 공급을 개시한다. 내주 탱크(21) 내의 액량이 상한(上限)이면 수위 센서가 센싱 할 때까지, 이 동작은 계속된다. 즉 수위 센서가 내주 탱크(21)에 충분히 원액이 저류된 취지를 검지하면 제어부(0)가 밸브(V1)에 대해 폐쇄 지령을 내보내어, 원액 공급은 정지하게 된다.
그러한 후, 제어부(0)로부터 스위치(V5)로 개방 지령을 내보내어, 펌프(39)가 동작을 개시한다. 또한 본 실시 형태에서는 펌프(39)로서, 예를 들면 에어 구동식 펌프를 적용하지만, 축류식, 마그네트 펌프를 적용하는 경우에는, 릴레이 등에 의해 전원을 ON으로 하여 전기 펌프로의 전원 공급이 개시되도록 하면 좋다. 이 때, 밸브(V6)는, 닫힌 채 일정 시간 유지된다. 이 때 버블화 대상 기체인 오존은 기액 혼합기(31)로는 공급되지 않아 아이들링 운전이 실행된다. 아이들링 시간의 설정은, 제어부(0)에 미리 적절한 시간으로 설정되어 있다. 그리고 설정된 아이들링 시간 종료후, 제어부(0)로부터 밸브(V6)로 개방 지령을 내보내고, 이것에 의해 오존이 기액 혼합기(31)로 공급된다. 공급된 오존은 기액 혼합기(31)를 거쳐 펌프(39)로 공급되고, 마이크로 버블 생성기(32)를 거쳐, 마이크로 버블 함유액(MB)을 생성하며, 액조(2) 내에서 초음파 압괴부(4)에 의해 나노 버블 함유액(NB)으로 변환된다.
액조(2) 내에서는, 내주 탱크(21)의 상부는 마이크로 버블 함유액(MB), 중층부는 마이크로 버블·나노 버블 혼재액(MN), 하층 부분은 나노 버블 함유액(NB)의 지배역(支配域)이 된다. 이 동작의 반복에 의해, 나노 버블을 하층역으로부터 고농도화하여 가는 것이 가능해진다. 즉 운전중, 액체 순환 기구(9)에 의해 액체가 내주 탱크(21)와 마이크로 버블 함유액 공급부(3)와의 사이를 순환하여 가는 것에 의해, 내주 탱크(21) 내하층(內下層) 부분에 생성되는 나노 버블 함유액(NB)의 나노 버블 농도는 체증(遞增, 점차 늘어남)하여 간다.
그리고 내주 탱크(21) 하층 부분에 생성된 나노 버블 함유액(NB)은 유저가 조작 패널(00)을 조작하는 것에 의해 밸브(V4)를 개방으로 하면, 나노 버블 함유액 도출부(5)로부터 소요량의 나노 버블 함유액(NB)을 얻을 수 있다.
여기서, 계속 운전중, 전반액 저류 영역(22c)에서는, 전반액에 대해 연속적으로 초음파(ss)가 계속 인가되면, 서서히 전반액 온도가 상승한다. 이 액체 온도를 온도 센서(TS1)가 센싱하도록 하고 있다. 즉, 온도 센서(TS1)에 의해 전반액 온도가 그 설정 온도에 도달한 경우, 제어부(0)가 밸브(V3)를 열림으로 하여, 일부의 전반액을 배출시킴과 아울러 밸브(V2)를 열림으로 하여, 전반액의 일부를 바꾸어, 전반액 온도의 온도 상승을 억제한다. 여기서 공급되는 전반액은 사용에 적절한 온도 범위 내에 있는 것은 말할 필요도 없다.
이상과 같은 것으로 하는 것에 의해, 본 실시 형태에 관한 나노 버블 제조 장치는, 미세하고 지름이 균일하며 또한 고농도의 나노 버블 함유액(NB)을 얻을 수 있다. 구체적으로는 마이크로 버블 함유액 공급부(3)에 의해 200nm~2㎛ 전후의 마이크로 버블 함유액(MB)을 생성함과 아울러, 이 마이크로 버블 함유액(MB)에 대해도 9에 나타낸 초음파 압괴장(X)을 형성하고 또한 압괴함으로써, 중심 입경 100nm전후 이하 또한 버블 농도 3억개/ml 이상의 달성이 가능한 호모지니어스 나노 버블 제조 장치를 실현하는 것이다.
또, 보다 바람직한 초음파 압괴장(X)을 형성하기 위한 구체적인 구성으로서 본 실시 형태에서는, 도입구(21a)가 액조(2)의 평면시 중앙에 배치하고, 초음파 압괴부(4)가 액조(2)의 평면시 중앙에 초음파 압괴장(X)을 형성하는 구성을 적용하고 있다.
그리고 나노 버블을 보다 바람직하게 생성할 수 있기 위해서 본 실시 형태에서는, 초음파의 발진 주파수를 20KHz~1.5MHz로 하고 있다.
또, 초음파 압괴부(4)로부터 나노 버블 함유액(NB)을 보다 바람직하게 얻기 위한 구성으로서 본 실시 형태에서는, 초음파 압괴부(4)가 초음파를 발진할 수 있는 초음파 발진자(41)를 가지며, 액조(2)가, 초음파 발진자(41)를 고정한 외주 탱크(22)와, 이 외주 탱크(22) 보다도 내측에 형성되고 버블 함유액 및 도출구(21b)를 배치하는 내주 탱크(21)를 가지며, 이들 외주 탱크(22) 및 내주 탱크(21)의 사이에 초음파를 내주 탱크(21)로 전반하기 위한 전반액을 저류하는 전반액 저류 영역(22c)을 형성하고 있는 형태를 적용하고 있다.
더 효율 좋게 초음파 압괴장(X)을 형성하기 위해서 본 실시 형태에서는 초음파 압괴부(4)가 초음파 발진자(41)를 복수 가지고 있는 것으로 하고 있다.
또, 액조(2) 및 초음파 압괴부(4)의 구체적인 구성으로서 본 실시 형태에서는, 내주 탱크(21)가 평면시 원형 모양을 이루는 것이며, 복수의 초음파 발진자(41)가 내주 탱크(21)의 중앙으로 향하여 초음파를 발진할 수 있도록 평면시 방사상으로 배치되어 있는 구성을 적용하고 있다.
그리고 균일한 지름을 가지는 나노 버블 함유액(NB)을 보다 효율 좋게 얻기 위해서 본 실시 형태에서는, 복수의 초음파 발진자(41)를, 하부로 경사진 방향으로 초음파를 발진하도록 배치하고 있다.
그리고, 나노 버블 함유액(NB)을 구성하는 기체 및 액체의 종류에 의존하지 않고 효율 좋게 나노 버블 함유액(NB)을 얻기 위해서 본 실시 형태에서는, 내주 탱크(21)를, 대기와는 차단된 밀폐 구조로 하고 있다.
그리고, 효율 좋게 나노 버블 함유액(NB)을 얻을 수 있도록, 나노 버블을 생성하기 쉬운 마이크로 버블 함유액(MB)을 액조(2)에 효율 좋게 공급하기 위해서 본 실시 형태에서는, 마이크로 버블 함유액 공급부(3)가, 액체 및 기체를 혼합시키는 기액 혼합기(31)와, 기액 혼합기(31)에 의해 기체가 혼합된 액체를 마이크로 버블 함유액(MB)으로 하는 마이크로 버블 생성기(32)와, 마이크로 버블 함유액(MB)이 도입구(21a)로 토출되도록 작동하는 펌프(39)를 가지고 있는 형태를 채용하고 있다.
그리고 보다 성능이 높은 마이크로 버블 생성기(32)를 실현하기 위한 구체적인 구성으로서 본 실시 형태에서는, 마이크로 버블 생성기(32)가, 기액 혼합기(31)를 거친 기포 함유액을 나선 모양으로 선회 동작시키는 선회 부재(34)와, 이 선회 부재(34)를 거친 기포 함유액을 돌기(35a)에 충돌시키면서 통과시키는 돌기 압괴 부재(35)와, 이 돌기 압괴 부재(35)를 거친 기포 함유액을 일정 시간 대류시키는 축양 부재(36)와, 축양 부재(36)를 거친 기포 함유액을 발포시켜 마이크로 버블 함유액(MB)으로 하는 발포 부재(37)를 가지고 있는 구성을 적용하고 있다.
특히 본 실시 형태에서는, 효율 좋게 마이크로 버블 함유액(MB)을 얻기 위해서, 마이크로 버블 함유액 공급부(3)가, 축양 부재(36) 내의 액체를 가압하는 축양 가압기(33)를 마련하고 있다.
또, 액조(2)에 효율 좋게 마이크로 버블 함유액(MB)을 공급하기 위해서 본 실시 형태에서는, 마이크로 버블 함유액 공급부(3)가, 액조(2)의 상측으로부터 펌프(39)에 의해 마이크로 버블 생성기(32)로 액체를 추출하는 액체 추출로(91)를 마련하여 액체 순환 기구(9)를 구성하고, 내주 탱크(21)의 하부에 고농도 나노 버블 함유액(NB)을 생성할 수 있는 것으로 하고 있다. 내주 탱크(21)의 실액(實液) 잔량의 깊이 방향에서, 저면보다 3/4 이상이면, 마이크로 버블 지배역이 되기 때문에, 나노 버블을 펌프(39)측으로 배출하지도 않고, 나노 버블을 고농도화할 수 있다. 즉 본 실시 형태에서는, 마이크로 버블 지배역인 내주 탱크(21) 상부로부터 액체를 빼내어 펌프(39)측으로 환류(環流)시킴으로써 이미 내주 탱크(21) 내에 존재하는 나노 버블을 펌프(39)측으로 배출시키지 않고, 마이크로 버블만을 펌프(39)측으로 배출시키기 때문에, 나노 버블이 가지는 분산 효과에 의해서 한층 더 나노 버블의 고농도화가 실현되고 있다.
이들 본 실시 형태에 관한 각 구성에 의한 상승 효과에 의해, 결과적으로 입경 100nm 전후 이하이며, 또한 3억개/ml 이상으로 고농도화된 나노 버블 함유액(NB)을 유저는 안정적으로 얻을 수 있다.
그리고, 계속적인 사용에서도 나노 버블 함유액(NB)의 제조 효율을 높게 유지해 두기 위해서 본 실시 형태에서는, 전반액을 적절히 바꾸는 것에 의해 액조(2) 내의 액체의 온도를 소정의 온도 범위 내로 제어하도록 하고 있다.
또한 본 발명과는 달리, 탱크를 이용하여 나노 버블의 고농도화를 도모하는 경우, 일본특허공개 제2005－246293 등에서는, 순환 펌프와 오리피스 등의 다공판을 이용하여, 순환시켜 물리적 자극을 부여하는 수법이나 초음파 압괴를 사용하면서 나노 버블을 미세 기포 발생 장치로 환류시켜 고농도화를 도모하는 수법이 고안되어 있다. 그렇지만, 이들 수법에서는, 마이크로 버블을 일정 한도 나노 버블화는 가능하지만, 입경 100nm 이하인 나노 버블을 고농도로 생성하는 것은 불가능한 것이 명세서 중에 기술되어 있으며, 특히, 나노 버블을 미세 기포 발생 장치측으로 환류시키면 버블 입경의 차이에 의한 보유 전하량과 제타 전위의 차이에 의해 버블 응집 현상이 생기는 것 및 탱크 내의 나노 버블을 배출하기 때문에, 한층 더 고농도화를 얻는 것이 불가능하다. 일본특허 제3762206호 공보, 일본특허 제4094633호 공보에 대해서도 상기와 동일하다.
＜변형예 1＞
이하, 본 실시 형태의 각 변형예에 대해 설명한다. 이하의 각 변형예에 대해서, 상기 실시 형태의 구성 요소에 상당하는 것에 대해서는 동일 부호를 부여함과 아울러, 그 상세한 설명을 생략한다.
상기 변형예 1은 상기 실시 형태의 도 2에서의 A부(部)의 구성을, 도 10과 같이 변경한 것이다. 즉, 본 변형예는, 펌프(39)의 토출부 후단측에 기액 혼합기(31)를 배치하여 기포 함유액을 형성하고, 이 기포 함유액을 마이크로 버블 생성기(32)의 선회 부재(34)로 도입함으로써 마이크로 버블 함유액(MB)을 생성하는 것이다. 상기 도 10에 나타내는 바와 같이, 기액 혼합기(31)가, 펌프(39)와 마이크로 버블 생성기(32)와의 사이에 마련되어 있는 것이라도 상기 실시 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한 도시하지 않지만, 선회 부재(34)의 구성을 변경하고, 선회 부재(34)의 중단(中段) 부분으로부터 기체를 도입하는 형태로 해도 좋다. 즉 선회 부재(34)가 기액 혼합기(31)의 구성을 겸하는 형태로 해도, 동일한 효과를 나타낼 수 있다.
＜변형예 2＞
상기 실시 형태에서는 마이크로 버블 생성기(32)를, 교환 가능하게 모듈화된 것인 형태, 구체적으로는 마이크로 버블 생성기(32)가, 시간당 통과시키는 액량이 다른 복수의 모듈로부터 임의의 하나의 모듈을 선택하여 장착할 수 있는 구성을 개시했지만, 상기 도 6에 나타낸 마이크로 버블 생성기(32)를 대신하여, 도 11에 나타내는 바와 같은 마이크로 버블 생성기(32)를 적용할 수 있다.
즉 도 6에 나타내는 마이크로 버블 생성기(32)는, 상기 실시 형태의 것 보다도 단위시간당 마이크로 버블 함유액(MB)의 생성량을 증대시키고 싶은 경우에 사용한다. 이와 같이, 상기 실시 형태의 것 보다도 용량이 큰 공통의 축양 부재(36)에 대해, 선회 부재(34), 돌기 압괴 부재(35) 및 발포 부재(37)를 복수조(組) 접속함과 아울러, 상류측 및 하류측에서 유로를 합류(合流)시키는 형상으로 함으로써, 도 6에 나타낸 것과 선택적으로 교환할 수 있도록 한 것이다. 또 도 11에서는 복수의 선회 부재(34), 돌기 압괴 부재(35) 및 발포 부재(37)를 직선 모양으로 병렬시켜 도시했지만 물론, 케이스(1) 내의 스페이스의 유효 이용에 이바지할 수 있도록 다발 모양으로 배치해도 좋다.
＜변형예 3＞
상기 실시 형태에서는 평면시 육각 형상을 이루는 외주 탱크(22)를 가지는 액조(2) 및 상기 액조(2)에 대해 6개의 초음파 발진자(41)를 적용한 초음파 압괴부(4)를 적용한 형태를 개시했지만, 도 12에 나타내는 형태의 것이라도 괜찮다.
도 12에 나타내는 바와 같이, 액조(2)는 상기 실시 형태와 마찬가지로 2중 구조인 외주 탱크(22), 내주 탱크(21)와 함께 평면시 직사각형 모양을 이루고 있다. 그리고 외주 탱크(22)의 대항축(對抗軸) 2축에 배치된 쌍을 이루는 초음파 발진자(41)를 가지는 초음파 압괴부(4)를 가진다. 이러한 구성의 것은 초음파(ss)에 의한 진동 에너지를, 전반액을 매개로 하여 내주 탱크(21) 내로 전반하고, 내주 탱크(21) 내에서 초음파 압괴장(X)을 형성하는 구조인 점은 상기 실시 형태와 동일하다.
도 12에서는 초음파 발진자(41)로부터 전반된 초음파(ss)는 외주 탱크(22)부의 벽면에서 반사하고, 그 반사 초음파(rw)와 초음파(ss)와의 파형의 중복에 의해 내주 탱크(21) 내에서 초음파 압괴장(X)을 형성하는 구성으로 되어 있다. 즉 이 구성은 적어도 X축, Y축인 2축에 초음파 발진자(41)를 배치한 것을 특징으로 하는 것이다. 이러한 구성이라도 상기 실시 형태 같이, 초음파의 반사나 조사에 의해, 각기둥 또는 원기둥 형상을 이루는 초음파 압괴장(X)을 형성할 수 있다.
또한 상기 구성에 대해, 기존 기술인 일본특허공개 제2005－246293호 공보, 일본특허공개 제2011－218308호 공보에 의한 초음파 인가에 의한 마이크로 버블 상태는 모두 초음파 에너지의 인가에 의해서 인가 방향으로 마이크로 버블이 이동하는 결과, 기액 계면(界面)으로 부상하여 붕괴하기 때문에, 나노 버블 농도가 비약적으로 향상되지는 않는다.
＜변형예 4＞
게다가, 상기 실시 형태에서는 액체 순환 기구(9)를 마련하는 것에 의해, 액조(2)·마이크로 버블 함유액 공급부(3) 사이에서 액체를 순환시키는, 소위 순환 타입의 나노 버블 제조 장치를 개시했지만, 본 변형예와 같이, 원액 공급부(7)로부터 나노 버블 함유액 도출부(5)까지를 단일의 통로 상에 순서대로, 마이크로 버블 함유액 공급부(3), 공급 유로(92), 액조(2), 초음파 압괴부(4)를 마련한, 소위 원 패스식(one-pass式)의 나노 버블 제조 장치를 구성해도 좋다.
변형예 4에 나타내는 나노 버블 제조 장치는 도 13에 나타내는 바와 같이, 원액 도입부(7)가 액조에는 접속되지 않고, 마이크로 버블 함유액 공급부(3)의 기액 혼합기(31)로, 밸브(V1)를 마련하면서 직접 접속되어 있다. 그리고 도 14에 나타내는 바와 같이, 액조(2)에는 상기 실시 형태와는 달리, 내주 탱크(21)측에 원액 도입구(21c) 및 액체 빼냄구(21d)를 마련하지 않고, 도입구(21a) 및 도출구(21b)만을 마련한 구성으로 하고 있다.
이러한 것이라도, 상기 실시 형태와 동일한 효과, 즉 필요한 농도의 나노 버블을 포함하는 나노 버블 함유액(NB)을 안정적으로 얻을 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태 및 각 변형예에 대해 설명했지만, 각 부의 구체적인 구성은, 위에서 설명한 실시 형태에만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형이 가능하다.
예를 들면, 상기 실시 형태에서는 내주 탱크로부터 직접적으로 나노 버블 함유액을 취출하는 형태를 개시했지만, 물론, 내주 탱크 보다도 하류측에, 나노 버블 함유액만을 저류해 두기 위한 다른 탱크를 마련한 것이라도 괜찮다. 또 상기 실시 형태에서는 액조는, 외주 탱크 및 내주 탱크를 구비하는 이중 구조로 했지만 물론, 이러한 구성에 한정되지 않고, 외주 탱크만인 1중 구조의 것으로 하여 외주 탱크 내에서 직접 초음파 압괴장을 생성하는 형태, 환언하면 전반액을 사용하지 않은 형태로 해도 괜찮다. 또 펌프나 초음파 발진자의 구체적인 형태는 상기 실시 형태의 것에 한정되지 않고, 기존의 것을 포함하여, 여러 가지의 형태의 것을 적용할 수 있다.
그 외, 각 부의 구체적 구성에 대해서도 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형이 가능하다.
[산업상의 이용 가능성]　
본 발명은 나노 버블 함유액을 제조하는 나노 버블 제조 장치로서 이용할 수 있다.
2 - 액조 21 - 내주 탱크
21a - 버블 함유액 도입구(도입구) 21b - 버블 함유액 도출구(도출구)
22 - 외주 탱크 22c - 전반액 저류 영역
3 - 마이크로 버블 함유액 공급부 31 - 기액 혼합기
32 - 마이크로 버블 생성기 33 - 축양 가압기
34 - 선회 부재 35 - 돌기 압괴 부재
36 - 축양 부재 37 - 발포 부재
39 - 펌프 4 - 초음파 압괴부
41 - 초음파 발진자 5 - 나노 버블 함유액 도출부
MB - 마이크로 버블 함유액 NB - 나노 버블 함유액
X - 초음파 압괴장

Claims (17)

  1. 버블 함유액 도입구 및 버블 함유액 도출구를 배치하여 이루어지는 액조(液槽)와,
    이 액조의 상기 버블 함유액 도입구에 마이크로 버블을 함유하는 마이크로 버블 함유액을 공급하는 마이크로 버블 함유액 공급부와,
    상기 버블 함유액 도입구를 통하여 상기 액조 내에 공급된 상기 마이크로 버블 함유액이 흐르는 개소에 초음파에 의한 마이크로 버블의 압괴(壓壞)가 집중하여 일어나 나노 버블이 생성되는 초음파 압괴장(壓壞場)을 형성하기 위해서 상기 액조 내로 초음파를 조사하는 초음파 압괴부와,
    이 초음파 압괴부에 의해 생성된 나노 버블을 함유하는 나노 버블 함유액을, 상기 버블 함유액 도출구를 통하여 상기 액조 밖으로 취출하는 나노 버블 함유액 도출부를 구비하며,
    상기 초음파 압괴부가 초음파를 발진할 수 있는 초음파 발진자(發振子)를 가지고,
    상기 액조가, 상기 초음파 발진자를 고정한 외주 탱크와, 이 외주 탱크보다도 내측에 형성되고 상기 버블 함유액 도입구 및 버블 함유액 도출구를 배치하는 내주(內周) 탱크를 가지며, 이들 외주 탱크 및 내주 탱크의 사이에 초음파를 상기 내주 탱크로 전반(傳搬)하기 위한 전반액(傳搬液)을 저류(貯留)하는 전반액 저류 영역을 형성하고 있으며,
    상기 액조는, 상기 액조의 평면시(平面視) 중앙에서, 상부에 상기 버블 함유액 도입구를 배치함과 아울러 저부에 상기 버블 함유액 도출구를 배치하여 이루어지는 것이며,
    상기 초음파 압괴부는, 상기 버블 함유액 도입구를 통과하여 상기 액조 내에 공급된 상기 마이크로 버블 함유액이 하부로 향하여 흐르는 개소에 초음파를 조사하여 상기 액조의 평면시 중앙에 상기 버블 함유액 도입구와 상기 버블 함유액 도출구와의 사이에서 상기 마이크로 버블 함유액의 흐름을 따라서 초음파 압괴장을 형성하는 것인 나노 버블 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    초음파의 발진 주파수를 20KHz~1.5MHz로 하고 있는 나노 버블 제조 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 초음파 압괴부가 상기 초음파 발진자를 복수 가지고 있는 나노 버블 제조 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 내주 탱크가 평면시 원형 모양을 이루는 것이며, 복수의 상기 초음파 발진자가 상기 내주 탱크의 중앙으로 향하여 초음파를 발진할 수 있도록 평면시 방사상으로 배치되어 있는 나노 버블 제조 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    복수의 상기 초음파 발진자가, 하부로 경사진 방향으로 초음파를 발진하도록 배치되어 있는 나노 버블 제조 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 내주 탱크를, 대기와는 차단된 밀폐 구조로 하고 있는 나노 버블 제조 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크로 버블 함유액 공급부가, 액체 및 기체를 혼합시키는 기액(氣液) 혼합기와, 기액 혼합기에 의해 기체가 혼합된 기포 함유액을 상기 마이크로 버블 함유액으로 하는 마이크로 버블 생성기와, 상기 마이크로 버블 함유액이 상기 버블 함유액 도입구로 토출되도록 작동하는 펌프를 가지고 있는 나노 버블 제조 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 기액 혼합기가, 상기 펌프 보다도 액체의 흐름에서의 상류측에 마련되어 있는 나노 버블 제조 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 기액 혼합기가, 상기 펌프와 상기 마이크로 버블 생성기와의 사이에 마련되어 있는 나노 버블 제조 장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 마이크로 버블 생성기가, 상기 기액 혼합기를 거친 상기 기포 함유액을 나선 모양으로 선회(旋回) 동작시키는 선회 부재와, 이 선회 부재를 거친 상기 기포 함유액을 돌기에 충돌시키면서 통과시키는 돌기 압괴 부재와, 이 돌기 압괴 부재를 거친 상기 기포 함유액을 일정 시간 대류(對流)시키는 축양(畜養) 부재와, 축양 부재를 거친 상기 기포 함유액을 발포시켜 상기 마이크로 버블 함유액으로 하는 발포 부재를 가지고 있는 나노 버블 제조 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 마이크로 버블 함유액 공급부가, 상기 축양 부재 내의 액체를 가압하는 축양 가압기를 가지고 있는 나노 버블 제조 장치.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 마이크로 버블 생성기가, 교환 가능하게 모듈화된 것인 나노 버블 제조 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 마이크로 버블 생성기가, 시간당 통과시키는 액량(液量)이 다른 복수의 모듈로부터 임의의 하나의 모듈을 선택하여 장착할 수 있도록 구성하고 있는 나노 버블 제조 장치
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 마이크로 버블 함유액 공급부가 상기 액조의 상측으로부터 상기 펌프에 의해 상기 마이크로 버블 생성기로 액체를 추출하는 액체 추출로를 가지고 있는 나노 버블 제조 장치.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 액조 내의 액체의 온도를 소정의 온도 범위 내로 제어하는 액체 온도 제어부를 가지고 있는 나노 버블 제조 장치.
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