KR102091979B1 - 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기액 혼합 유체에 대한 마찰력을 이용하여 나노 버블을 생성하되, 하나의 챔버 내에서 선제적으로 충격 및 전단력을 인가함으로써 마이크로 미세화 후, 마찰력 인가에 의한 나노 미세화가 이루어지도록 함으로써 나노 버블을 효율적으로 생성토록 하는 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템에 관한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명은 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 미세화시키기 위한 내부 공간 및 유입구와 토출구를 구비하며 구동축이 설치되는 챔버, 상기 챔버 내로 유입되는 기액 혼합 유체에 충격을 가하는 동시에 유체를 회전시켜 상기 챔버의 내벽에 마찰시키기 위한 복수의 돌출부를 몸체에 구비하고 상기 구동축에 설치되는 하나 이상의 타격자, 상기 기액 혼합 유체에 마찰력을 인가하기 위해 구동축에 설치되는 복수의 마찰자 및 상기 구동축을 포함하며 상기 타격자 및 마찰자의 회전을 위한 구동수단을 포함하고, 상기 복수의 마찰자는 구동축 회전시 기액 혼합 유체가 마찰자의 몸체에서 둘레면 및 축선과 직교하는 양쪽 면에 마찰되는 동시에 상기 챔버의 내벽과 마찰하여 기액 혼합 유체에 포함된 기포가 인장 변형 및 미세화되도록, 임의의 간격으로 공간을 두고 배열되며, 몸체의 둘레면이 상기 챔버의 내벽과 임의의 간격을 두고 직접 마주하고, 몸체에서 축선과 직교 방향 최선단의 선속이 설정 속도 이상으로 되는 것이다.

Description

마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템{NANO-BUBBLE PRODUCING SYSTEM USING FRICTIONAL FORCE}
본 발명은 기액 혼합 유체에 대한 마찰력을 이용하여 나노 버블을 생성하되, 하나의 챔버 내에서 선제적으로 충격 및 전단력을 인가함으로써 마이크로 미세화 후, 마찰력 인가에 의한 나노 미세화가 이루어지도록 함으로써 나노 버블을 효율적으로 생성토록 하는 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템에 관한 것이다.
액체 속에 존재하는 직경이 수 밀리미터 이상인 일반적인 기포는 생성과 동시에 위로 떠올라 액체의 표면에서 터지게 되는 반면, 1㎛ 이하의 아주 작은 극미세 기포인 나노 버블은 부력이 매우 작아서 액체 속에 수십 내지 수백 시간까지 존속할수 있다.
이러한 나노 버블은 소멸시 다양한 에너지를 발생시켜 어업, 농업분야에서 각종 양식, 수경재배에 이용되고, 의료분야에서는 정밀진단, 물리치료, 생활분야에서는 오폐수, 오폐유의 고순도 정수/정유처리, 살균, 소독, 탈취, 세정 등 산업 전반의 다양한 분야에서 사용되고 있다.
예컨대, 상수처리의 경우 물속에 공기를 효과적으로 주입함으로써 수질을 높이는 처리시간 단축을 가능하게 하며, 폐수 또는 폐유처리의 경우 예를 들어 오존 등 산화성이 강한 기체를 효과적으로 주입함으로써 폐수 또는 폐유에 포함된 다양한 악취물질을 효과적으로 분해 내지 제거할 수 있다.
종래기술에서 나노버블의 생성은 대개 유체의 난류 및 공동현상(캐비테이션, Cavitation)을 이용하여 경계층에서 기포에 전단력이 가해지도록 하는 방식을 이용하고 있다.
이러한 종래기술 중 하나인 대한민국 등록특허 제10-1969772호(2019. 04. 17. 이하 "선행기술 1"이라 칭함)은 믹싱부(챔버)의 유입구와 토출구에 유도날개가 배치되어 유체의 흐름을 안내하고, 하우징 안에 모터 축을 중심으로 치합 구조를 갖는 회전자와 고정자가 연속 적층되는 구성으로, 고정자에 대한 회전자의 상대 회전에 의하여 고정자와 회전자에 각각 상호 대응 형성된 치차들이 유체에 반복적인 타격을 가하고, 유체에 난류 및 캐비테이션 압력을 상승시킴으로 기포에 전단력이 가해지도록 하여 마이크로 버블 생성 및 유체 내 기체 용존율을 높이는 구조로 요약할 수 있다.
이와 같은 구성의 상기 선행기술 1은 대부분의 기포가 마이크로 버블로 생성될 뿐이어서 나노 버블을 생성하기 위하여는 처리된 유체를 순환시켜 수차례 재처리해야 되기 때문에 생성 기포의 미세화 품질 및 용존 기간이 미흡하고,
유동이 치합 틈새를 통한 지그재그 형태로 유체를 강제 우회시키는 구조로 이루어짐으로써 유동 항력계수가 크게 되어 전력 소모가 클 뿐만 아니라 처리 유량이 미흡하여 생산성이 따르지 못하는 문제가 있다.
또한, 챔버 내의 압력을 고압으로 유지시키고 복잡한 구조의 회전자 및 고정자가 다수 설치되어야 함으로써 이를 구동시키기 위하여 막대한 전력이 낭비되고 운용비용 부담을 증가시키는 문제점이 있다.
상기 선행기술 1과 다른 방식의 종래기술로서 일본 공개특허공보 특개 2009-142442호(2009.7.2, 이하 "선행기술 2"라 함)는 케이스(챔버) 내에 설치되는 회전축에 회전원반이 복수 배열 설치되는 구조이다.
이와 같은 구성을 갖는 상기 선행기술 2는 회전원반이 상대회전이 아닌 단독 회전됨으로써 유동을 자유롭게 하여 유체의 토출량 및 미세기포 생산성을 높이고, 전력 및 운용비용을 현저히 줄일 수 있는 장점을 갖는다.
하지만, 상기 선행기술 2는 회전원반만으로 구성됨으로써 미세기포 생성 효율성이 떨어지고 많은 수량의 회전원반을 설치해야 되는 단점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1969772호(2019. 04. 17. 공고) 일본 공개특허공보 특개 2009-142442호(2009. 7. 2, 공개) 대한민국 등록특허 제10-1594086호(2016.04.16. 공고) 대한민국 등록특허 제10-1270696호(2013.06.03. 공고)
본 발명은 상기한 종래기술들의 문제점을 해소하기 위한 것으로서,
본 발명의 목적은 마찰력에 의한 유체의 미세화 원리를 이용하여 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 나노 버블로 미세화하되, 하나의 챔버 내에서 선제적으로 마이크로 미세화가 이루어지도록 하여 나노 버블을 효율적으로 생성하고, 생산성이 양호하도록 하는 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 유체의 유동 과정에서 보다 넓은 유효 마찰면을 갖도록 하여 마찰에 의한 나노 버블의 미세화 품질 및 기기의 효율성이 현저히 향상되도록 하는 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하는 본 발명에 따른 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템은,
기액 혼합 유체에 포함된 기포를 미세화시키기 위한 내부 공간 및 유입구와 토출구를 구비하며 구동축이 설치되는 챔버,
상기 챔버 내로 유입되는 기액 혼합 유체에 충격을 가하는 동시에 유체를 회전시켜 상기 챔버의 내벽에 마찰시키기 위한 복수의 돌출부를 몸체에 구비하고 상기 구동축에 설치되는 하나 이상의 타격자,
상기 기액 혼합 유체에 마찰력을 인가하기 위해 구동축에 설치되는 복수의 마찰자 및
상기 구동축을 포함하며 상기 타격자 및 마찰자의 회전을 위한 구동수단을 포함하고,
상기 복수의 마찰자는 구동축 회전시 기액 혼합 유체가 마찰자의 몸체에서 둘레면 및 축선과 직교하는 양쪽 면에 마찰되는 동시에 상기 챔버의 내벽과 마찰하여 기액 혼합 유체에 포함된 기포가 인장 변형 및 미세화되도록,
임의의 간격으로 공간을 두고 배열되며,
몸체의 둘레면이 상기 챔버의 내벽과 임의의 간격을 두고 직접 마주하고,
몸체에서 축선과 직교 방향 최선단의 선속이 설정 속도 이상으로 되는 것을 특징으로 한다.
상기 구동축에는 상기 챔버로 유입되는 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 마이크로 사이즈로 미세화시키기 위해 유체의 유동방향을 따라 상기 타격자가 하나 이상 배열되는 마이크로 미세화 영역과,
상기 마이크로 미세화 영역 이후에 형성되고 마이크로 사이즈로 미세화된 기포를 나노 버블로 극미세화시키기 위해 상기 마찰자가 하나 이상 배열되는 나노 미세화 영역이 차례로 구비될 수 있다.
상기 마찰자 중 어느 하나 이상은 기액 혼합 유체에 포함된 기포의 나노 사이즈 미세화에 유효한 마찰력을 인가하기 위하여 몸체에서 축선 직교 방향 최선단의 선속이 8m/sec 이상일 수 있다.
상기 타격자 중 어느 하나 이상 및 상기 마찰자 중 어느 하나 이상은 각각 회전 동작으로 기액 혼합 유체를 챔버의 내벽에 마찰시켜 기포의 미세화에 효과적인 마찰력을 얻기 위하여 상기 챔버의 내벽과의 간격이 각각의 반경의 1/2 이하로 될 수 있다.
상기 타격자와 마찰자 중 어느 한 가지 이상은 기액 혼합 유체의 유동을 축선과 직교면으로 유도하기 위한 하나 이상의 분배 구멍이 형성될 수 있다.
상기 타격자 중 어느 하나 이상은 원반형 몸체에서 축선과 직교하는 양쪽 면 중 어느 한 면 이상에 하나 이상의 오목단과 복수의 분배 구멍이 형성되고,
몸체의 외곽 둘레와 상기 오목단의 내측 또는 외측 둘레 중 어느 한쪽 이상에 상기 복수의 돌출부가 방사상으로 구비될 수 있다.
상기 복수의 마찰자는 하나 이상의 대경 마찰자와, 상기 대경 마찰자 대비 상대적으로 반경이 작게 형성되는 하나 이상의 소경마찰자가 임의의 간격으로 공간을 두고 배열될 수 있다.
상기 마찰자 중 어느 하나 이상은 마찰 면적 증가를 위하여 몸체에서 축선과 직교하는 양쪽 면 중 어느 한 면 이상에 하나 이상의 오목단이 형성될 수 있다.
상기 마찰자 중 어느 하나 이상은 몸체의 표면 일부 이상에 미세 요철이 형성될 수 있다.
상기 마찰자 중 어느 하나 이상은 임펠러 형태로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 마찰자는 두 개 이상의 원반형 몸체가 연결부를 통하여 단일체로 되는 마찰자 유닛을 포함하여 될 수 있다.
상기 마찰자 유닛은 원반형 몸체가 반경 차이가 나는 두 단 이상으로 형성될 수 있다.
상기 복수의 마찰자 중 하나 이상과 타격자 중 하나 이상이 단일체로 형성되는 복합형 마찰자 유닛으로 형성될 수 있다.
상기 챔버는 내벽의 일부 이상에 미세 요철이 형성될 수 있다.
상기 구동축에는 챔버의 유입구에 인접하여 하나 이상의 임펠러가 추가 설치될 수 있다.
상기 구성을 지닌 본 발명에 따른 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템에 의하면,
기액 혼합 유체에 대한 마찰력을 이용하여 나노 버블을 생성하되,
선제적으로 충격 및 전단력을 인가하여 마이크로 사이즈로 미세화 후, 마찰력 인가에 의한 나노 미세화가 이루어지도록 함으로써 나노 버블을 현저히 효율적으로 생성할 수 있다.
또한, 타격자와 챔버의 내벽 사이, 마찰자와 챔버의 내벽 사이의 적절한 간격을 이용하는 유체의 나선형 회전 유동에 따라 마찰자뿐만 아니라 넓은 면적의 챔버의 내벽이 마찰면으로 기능하고, 타격자 및 마찰자에 구비되는 분배 구멍, 특히 마찰자가 임의의 간격으로 공간을 두고 배열되는 구성을 통하여 타격자 및 마찰자의 몸체 전체 표면이 유효 마찰면으로 기능하게 함과 아울러 유체의 나선형 유동을 증폭시켜 기포의 미세화 품질, 용존 산소량 및 기기의 나노 버블 생성능력이 기존 기술 대비 현저히 상승되고, 생산성(토출량)면에서도 경제적으로 나노 버블을 생성할 수 있다.
도 1은 마찰력에 의한 기포의 미세화 원리를 보이는 도면
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 구성을 개략적으로 보이는 단면도
도 3은 도 2의 유체의 유동 관계를 보이는 도면으로,
a는 도 2의 A부 발췌 확대도, b는 a의 B-B선 단면도
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 챔버 내 유동흐름을 보이는 단면도
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예의 타격자의 구성을 보이는 도면으로서,
a는 일부 생략 평면도, b는 a의 종단면도
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 타격자의 구성을 보이는 사진
도 7은 도 6 사진의 타격자의 구성을 보이는 도면으로서,
a는 일부 생략 평면도, b는 a의 종단면도
도 8은 본 발명에 따른 일 실시예의 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서,
a는 일부 생략 평면도, b는 a의 종단면도
도 9는 본 발명에 따른 일 실시예의 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서,
a는 일부 생략 평면도, b는 a의 종단면도, c, d는 b에 상응하는 다른 실시예의 종단면도
도 10의 a, b, c는 본 발명에 따른 일 실시예의 마찰자의 종단면도
도 11은 본 발명에 따른 일 실시예의 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서,
a는 일부 생략 평면도, b는 a의 종단면도
도 12는 본 발명에 따른 일 실시예의 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서,
a는 일부 생략 평면도, b는 a의 종단면도
도 13은 본 발명에 따른 일 실시예의 임펠러형 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서,
a는 일부 생략 평면도, b는 a의 종단면도, c는 b에 상응하는 다른 실시예의 종단면도
도 14는 본 발명에 따른 일 실시예의 마찰자 유닛의 구성도로서,
a는 평면도, b는 a의 종단면도
도 15는 본 발명에 따른 일 실시예의 마찰자 유닛의 구성도로서,
a는 평면도, b는 a의 종단면도
도 16은 본 발명에 따른 일 실시예의 복합형 마찰자 유닛의 구성도로서,
a는 평면도, b는 a의 종단면도
도 17은 본 발명에 따른 일 실시예의 복합형 마찰자 유닛의 구성을 보이는 종단면도
도 18은 본 발명에 따른 일 실시예의 구성을 보이는 단면도
이하, 본 발명의 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템에 대한 실시예를 첨부도면을 참고하여 보다 상세히 설명한다.
모든 물체는 마찰 압력을 받을 경우, 발열과 함께 잘게 나뉘어지는 미세화 현상이 발생된다.
예컨대, 물에 산소가 혼합된 기액 혼합 유체에 회전마찰력이 가해질 경우, 유체에 포함된 산소 기포는 도 1에 도시된 바와 같이, 길게 늘어나 잘게 나뉘고, 잘게 나누어진 개별 기포 하나 하나는 다시 미세화를 반복하여 나노 사이즈의 극미세 기포로 미세화되는데 이것을 여기서 '마찰력에 의한 유체의 미세화'라고 정의한다.
본 발명은 이와 같은 마찰력에 의한 유체의 미세화 특성을 이용한 것으로서,
본 발명에 따른 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템(1)은 도 2 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 미세화시키기 위한 내부 공간 및 유입구(31)와 토출구(32)를 구비하며 구동축(41)이 설치되는 챔버(30), 상기 챔버(30) 내로 유입되는 기액 혼합 유체에 충격을 가하는 동시에 유체를 회전시켜 상기 챔버 내벽(33)에 마찰시키기 위한 복수의 돌출부(21)를 몸체에 구비하고 상기 구동축(41)에 설치되는 하나 이상의 타격자(20), 상기 기액 혼합 유체에 회전마찰력을 인가하기 위해 구동축(41)에 설치되는 복수의 마찰자(10) 및 상기 구동축(41)을 포함하며 상기 타격자(20) 및 마찰자(10)의 회전을 위한 구동수단(40)을 포함하고,
상기 복수의 마찰자(10)는 구동축(41) 회전시 기액 혼합 유체가 마찰자의 몸체에서 둘레면(11) 및 축선과 직교하는 양쪽 면(12)에 마찰되는 동시에 상기 챔버의 내벽(33)과 마찰하여 기액 혼합 유체에 포함된 기포가 인장 변형 및 미세화되도록 임의의 간격으로 공간을 두고 배열되며, 몸체의 둘레면(11)이 상기 챔버의 내벽(33)과 임의의 간격을 두고 직접 마주하고, 몸체에서 축선과 직교 방향 최선단의 선속이 설정 속도 이상으로 되는 것이다.
상기 기액 혼합 유체에서 액체는 물을 비롯하여 산업용 오일 등을 포함하고, 기체는 공기, 산소(O2), 오존(O3) 등을 포함하여 다양하게 이루어질 수 있다.
상기 기액 혼합 유체는 급수과정에서 생성된 기포가 포함되어 있는 물을 포함한다.
상기 타격자(20)는 회전시 둘레에 톱니 형태 등으로 배열 형성되는 돌출부(21)가 기액 혼합 유체에 포함된 기포에 충격 및 전단력을 인가하여 기포를 마이크로 사이즈로 미세화하고, 상기 마찰자(10)는 타격자를 이용하여 마이크로 사이즈로 미세화된 기포에 마찰력을 인가하여 기포를 인장 변형 및 극미세 나노 사이즈로 미세화시키게 된다.
상기 타격자(20)와 마찰자(10)의 회전동작, 특히 타격자(20)의 회전동작은 원심력에 의하여 유체를 챔버의 내벽(33)으로 강력하게 밀쳐냄으로써 챔버의 내벽(33)을 이용하여 유체에 마찰력을 인가하는 한편, 유체는 타격자(20) 및 마찰자(10)로 이루어지는 회전체와 챔버 내벽(33) 사이의 공간을 넘나들며 나선형으로 휘도는 유동이 발생된다(도 4 참조).
상기 구동축(41)에는 상기 챔버(30)로 유입되는 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 마이크로 사이즈로 미세화시키기 위해 유체의 유동방향을 따라 상기 타격자(20)가 하나 이상 배열되는 마이크로 미세화 영역(S1)과, 상기 마이크로 미세화 영역(S1) 이후에 형성되고 마이크로 사이즈로 미세화된 기포를 나노 버블로 극미세화시키기 위해 상기 마찰자(10)가 하나 이상 배열되는 나노 미세화 영역(S2)이 차례로 구비될 수 있다(도4, 18 참조).
상기 마이크로 버블 생성영역(S1)은 나노 미세화 영역(S2)의 1/3 이하의 짧은 구간으로 형성됨이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
상기 타격자(20)의 수량이 많을수록 유체는 나선형 회전 유동이 강력해지고 유동 저항이 커져 토출량이 감소된다.
또한, 나노 미세화 영역(S2) 안에도 보다 강력한 원심력 발생을 위하여 하나 이상의 타격자(20)가 설치될 수 있다(도 4 참조).
상기 구성에 따라, 임의의 설정 유속으로 챔버의 유입구(32)를 통하여 유입되는 기액 혼합 유체는 선제적으로 상기 타격자(20) 및 인접하는 챔버의 내벽(33)으로 이루어지는 마이크로 미세화 영역(S1)에서 타격자에 의하여 인가되는 충격 및 전단력에 의하여 선제적으로 마이크로 사이즈로 미세화되고, 이어지는 나선형 휘돌이 유동에서 상기 마찰자(10) 및 인접하는 챔버의 내벽(33)으로 이루어지는 나노 미세화 영역(S2)에서 마찰에 의한 인장 변형 및 극미세화로 나노 버블이 생성되는 것이다.
즉, 유체는 상기 마이크로 미세화 영역(S1)에서 타격자의 돌출부(21)에 충돌하면서 나노 버블로 미세화되기 위한 선제적 미세화가 이루어지고, 이후 진행되는 나노 미세화 영역(S2)에서의 유동을 거치면서 마찰력이 연속 반복적으로 인가되어 미세화가 심화되어 극미세 나노 버블이 생성되는 것이다.
여기서, 상기 마찰자(10)는 기액 혼합 유체에 포함된 기포의 나노 사이즈 미세화에 유효한 마찰력을 인가하기 위하여 몸체에서 축선 직교 방향 최선단, 즉 외곽 둘레면의 선속이 아래의 표 1,2에서 보이는 것처럼 8m/sec 이상으로 됨이 바람직하다.
Figure 112019103911010-pat00001
Figure 112019103911010-pat00002
위의 표 1,2에서
I는 타격자(20) 및 마찰자(10)의 축선 직교 방향 최선단과 챔버 내벽(33) 사이의 간격, R은 타격자(20) 및 마찰자(10)의 반경을 의미하고, 모든 실험 실시예들은 각각 다음과 같은 조건에서 실시되었다.
1. 시료 : 수돗물(DO: 8.5ppm)
2. 온도 : 24±0.5℃
3. 주입 기체 및 주입 방법 : 산소(O2 100％), 자흡
4. 나노 버블 생성 확인 방법 : 실험 실시 후 시료 채취하여 5초간 흔들고 3분간 정지 후 녹색 레이저빔(파장 532㎚)을 투과하여 육안으로 확인.
상기 표 1, 2의 실험 실시예들에서 보이는 바와 같이 대체로 선속이 높을수록 용존산소량(Dissolved Oxygen, DO)이 증가하고, 타격자(20) 및 마찰자(10)의 축선 방향 최선단과 챔버 내벽 사이의 간격(I)이 넓게 설정된 실시예의 실험 1에 비하여 좁게 설정된 실시예의 실험 2에서 DO의 증가량이 보다 양호한 것으로 확인되었다.
상기 실시예들의 실험에서 DO의 증가가 나노 버블의 생성과 반드시 비례하지 않으며, 마찰자의 선속이 적어도 8m/sec 이상에서 나노 버블 생성이 확인되고, 그 이하로 감속된 실시예에서는 유의미한 나노 버블의 생성이 없었다(실시예 5).
상기와 같이, 타격자(20) 및 마찰자(10)의 축선 방향 최선단과 챔버 내벽 사이의 간격(I)이 실험 1의 실시예들과 같이 타격자 및 마찰자 반경(R)의 1/2 정도로 넓게 형성되고, 상기 선속이 8m/sec 이하로 조성될 경우, DO 및 나노 버블 생성 효율이 낮게 나타나는 것은 특히 마찰자(10)의 회전동작에 따른 유동 파급효과가 챔버의 내벽(33)에 이르기 전에 점차 약해져 챔버 내벽을 이용하는 유체에 대한 마찰력이 약한 것으로 확인된다.
또한, 실험 2의 실시예들과 같이 상기 간격(I)이 타격자(20) 및 마찰자(10) 반경(R)의 12/100 정도로 근접 형성될 경우에는 타격자 및 마찰자의 회전동작에 따른 유체의 원심력이 챔버 내벽(33)에 대한 유체의 마찰을 보다 강력하게 인가하고, 이에 따라 DO 증가 및 나노 버블 생성이 효율적으로 이루어짐을 알 수 있다.
따라서, 상기 타격자(20) 중 어느 하나 이상 및 상기 마찰자(10) 중 어느 하나 이상은 각각 회전 동작으로 기액 혼합 유체를 챔버의 내벽(33)으로 밀쳐내 기포의 미세화에 효과적인 마찰력을 얻기 위하여 상기 챔버의 내벽(33)과의 간격(I)이 각각의 반경의 1/2 이하로 됨이 바람직하다.
상기 간격(I)은 하나 이상의 타격자(20) 중 가장 큰 사이즈, 복수의 마찰자(10) 중 가장 큰 사이즈의 것을 기준으로 한다(도 3 참조).
한편, 상기 타격자(20) 및 마찰자(10)의 회전에 의하여 챔버 내에 원심력이 작용함으로써 유동이 챔버의 내벽(33) 쪽으로 편중되어 특히 마찰자(10)에서 축선과 직교하는 양쪽 면(12)은 유체 마찰 기능이 대부분 사장될 수 있다.
이러한 타격자(20) 및 마찰자(10)의 유체에 대한 마찰 기능 손실을 방지하기 위하여, 상기 타격자(20)와 마찰자(10) 중 어느 한 가지 이상은 기액 혼합 유체의 유동을 축선과 직교하는 양쪽 면(22)(12)으로 유도하기 위한 하나 이상의 분배 구멍(24)(14)이 형성될 수 있다(도 2 외 참조).
상기 분배 구멍(24)(14)은 유체가 타격자(20) 또는 마찰자(10)의 몸체를 관통하여 각각의 몸체에서 축선과 직교하는 양쪽 면(22)(12)을 타고 유동될 수 있도록 통로를 제공함으로써 상기 양쪽 면(22)(12)에서 구동축(41)과 가까운 영역까지도 유체의 마찰 기능을 수행할 수 있도록 하여 특히 상기 마찰자의 유효 마찰 면적 확장 및 기액 혼합 유체에 포함된 기포의 나노 미세화에 기여할 수 있다.
또한, 마찰자(10)에 상기 분배 구멍(14)이 형성됨으로써 유체의 나선형 회전 유동을 증폭 및 가속시켜 기포의 인장 변형에 따른 미세화에 지대한 영향을 미치는 마찰력을 현저히 증대시킨다.
따라서, 상기 타격자(20) 및 마찰자(10)에 형성되는 분배 구멍(24)(14)은 각각 그 축공(23)(13)과 인접한 위치에, 가능한 크게 형성됨이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 타격자(20) 중 어느 하나 이상은 원반형 몸체에서 축선과 직교하는 양쪽 면(22) 중 어느 한 면 이상에 하나 이상의 오목단(25)과 복수의 분배 구멍(24)이 형성되고, 몸체의 외곽 둘레와 상기 오목단(25)의 내측 또는 외측 둘레 중 어느 한쪽 이상에 상기 돌출부(21)가 방사상으로 구비될 수 있다(도 6, 7 참조)
상기 구성의 타격자(20)를 도 6, 7에 도시된 실시예를 통하여 살펴 보면,
몸체를 관통하는 복수의 분배 구멍(24)이 몸체 전체에 걸쳐 배열 형성되고, 상기 오목단(25)이 4개소(도면상으로 상하 2개소씩 형성) 형성되고, 몸체의 외곽 둘레와 오목단의 내측 둘레를 따라 돌출부가 방사상으로 4중 형성되어 있다.
이러한 구성에 의하여, 상기 복수의 분배 구멍(24)을 통하여 타격자(20) 몸체의 전체 면 곳곳에서 몸체를 관통하는 유동이 이루어지고, 4중 방사상으로 형성된 돌출부(21)가 상기 분배 구멍(24)을 통하는 유동 유체에 충격 및 전단력을 인가하여 그 기능을 배가할 수 있다.
상기 마찰자(10)는 하나 이상의 대경 마찰자(10a)와, 상기 대경 마찰자 대비 상대적으로 반경이 작게 형성되는 하나 이상의 소경 마찰자(10b)가 임의의 간격으로 공간을 두고 배열될 수 있다(도 2, 4, 17 참조).
상기 대경마찰자(10a) 및 소경마찰자(10b)가 반복적으로 교차 배열될 경우, 한정된 챔버 공간 내에서 대경마찰자(10a) 간의 간격을 넓히고 그 사이에 소경마찰자(10b)가 위치하게 되어 유체의 마찰공간 및 마찰 면적을 효과적으로 이용할 수 있다.
부언하면, 마찰자(10)가 반경이 동일 규격으로만 연속 배열되고 마찰자 간의 간격이 크지 않을 경우, 원심력에 의하여 상기와 같이 유동 흐름이 챔버의 내벽(33) 쪽으로 편중됨으로써 마찰자에서 축선과 직교하는 양쪽 면(12)의 효용이 대부분 사장될 수 있으나, 마찰자가 반경차로 인해 들쭉날쭉 배열될 경우, 마찰자(10) 간의 간격이 상대적으로 크지 않아도 마찰자(10) 몸체의 전체 면이 유효 마찰면으로 기능할 수 있다(도 2,4 외 참조).
상기 복수의 마찰자(10) 중 어느 하나 이상은 둘레면(12)의 두 모서리(14) 중 적어도 챔버의 토출구(32)를 향하는 쪽의 모서리가 경사면(17)으로 형성될 수 있다(도 2, 4, 9 참조).
상기와 같이, 마찰자(10)의 모서리 중 특히 토출구 방향의 모서리가 경사면(17)으로 형성되는 구성은 유체의 박리점을 지연시켜 마찰이 보다 오랫동안 지속되고 마찰 효율이 증대될 수 있다.
또한, 상기 복수의 마찰자(10) 중 어느 하나 이상은 축선과 직교 방향의 한 면 이상이 오목면 또는 볼록면 중 어느 한가지 이상으로 되어 마찰 면적을 늘릴 수 있다(도 10의 a, b, c 참조).
또한, 상기 복수의 마찰자(10) 중 어느 하나 이상은 원반형 몸체의 둘레면(11)에 환형 또는 나선형으로 되는 요홈(16)이 형성될 수 있다(도 11 참조).
상기 마찰자의 둘레면(11)에 형성되는 상기 요홈(16)은 유체의 마찰 면적을 확장할 수 있다.
또한, 상기 마찰자(10) 중 어느 하나 이상은 마찰 면적 증가를 위하여 몸체에서 축선과 직교하는 양쪽 면(12) 중 어느 한 면 이상에 하나 이상의 오목단(15)이 형성될 수 있다(도 11 참조).
상기 오목단(15)은 축선 방향과 직교하는 한 면과 축선 방향의 두 면으로 형성되되, 상기 축선 방향의 두 면 중 외측에 위치하는 면은 오목단(15)이 외측으로 벌어지는 형태의 경사면(153)으로 형성될 수 있다(도 12 참조).
이와 같은 오목단(15)은 마찰자(10)의 마찰 면적을 확장시킬 수 있으며, 오목단의 외측면이 외측으로 벌어지는 형태의 경사면(153)으로 형성될 경우, 오목단(15)이 형성됨에도 유체의 원심력에 따른 유동이 방해받지 않고 마찰유동이 원활하게 이루어질 수 있다.
또한, 상기 마찰자(10) 중 어느 하나 이상은 마찰 면적 확장을 위하여 몸체의 표면 일부 이상에 미세 요철이 형성될 수 있으며(도시하지 않음), 상기 미세 요철은 표면 거칠기, 샌딩, 스크래치 등 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 마찰자(10) 중 어느 하나 이상은 복수의 날개(19)가 구비되는 임펠러 형태(104)로 이루어질 수 있다(도 13 참조).
이와 같은 임펠러형 마찰자(104)는 날개(19)가 몸체에서 축선과 직교하는 양쪽 면 사이에 구비되는 형태(도 13의 a, b 참조)를 비롯하여 한쪽 면이 개방되어 일측으로 날개가 노출되는 형태(도 13의 c 참조) 등 다양한 형태로 될 수 있으며, 회전유속을 높이는 동시에 마찰 면적을 확장할 수 있다.
또한, 상기 복수의 마찰자(10)는 두 개 이상의 원반형 몸체가 연결부(18)를 통하여 단일체로 연결되는 마찰자 유닛(101)으로 형성될 수 있다(도 14 참조).
상기 마찰자 유닛(101)은 원반형 몸체가 반경 차이가 나는 두 단 이상으로 형성될 수 있다(도 14 참조).
상기 마찰자 유닛(101)은 구동축(21)에 배열되는 한 벌의 마찰자가 단일 몸체로 연결 형성될 수 있으며(도 15 참조), 이러한 구성은 취급 관리 및 조립제작을 간편하게 수행할 수 있도록 한다.
또한, 상기 하나 이상의 마찰자(10)가 상기 하나 이상의 타격자(20)와 단일체로 형성되는 복합형 마찰자 유닛(103)으로 구성될 수도 있다(도 16 참조).
한편, 상기 챔버(30)는 유체의 마찰 면적 확장을 위하여 내벽(33)의 일부 이상에 미세 요철(35)이 형성될 수 있다(도 2 참조).
상기 미세 요철(35)은 스크래치, 샌딩 요철 등으로 형성될 수 있다.
상기 미세 요철(35)은 상기 마이크로 미세화 영역(S1)에만 형성하여 유체 충돌시의 충격 및 마찰을 증대시킬 수 있다.
또한, 상기 구동축(41)에는 챔버의 유입구(32)에 인접하여 하나 이상의 임펠러(50)가 추가 설치될 수 있다(도 18 참조).
이와 같이, 챔버(30) 내에 임펠러가 설치될 경우, 기액 혼합 유체의 챔버 유입이 자흡에 의하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 기액 혼합 유체는 별도의 펌프에 연결되는 유입관(71)을 통하여 상기 챔버에 유입될 수 있다(도 19 참조).
한편, 산소(O2), 오존(O3) 등의 기체는 챔버(30)를 통과하는 처리과정에서 전량이 액체에 용존되지 못하고 대개 40％ 내외의 많은 양이 액체에 비용존 상태로 배출되고, 챔버로부터 배출된 후 액체로부터 부상하여 공기 중으로 소멸되므로 손실이 크다.
이러한 손실을 방지하기 위하여 기액 혼합 유체로부터 부상하는 비용존 기체를 회수하여 재투입하는 기체 포집장치(도시하지 않음)가 설치될 수 있다.
상기 구성을 지닌 본 발명에 따른 마찰력을 이용한 나노 버블 생성 시스템(1)의 작용 상태를 살펴 본다.
기액 혼합 유체에 충격 및 전단력을 인가할 경우에는 유체에 포함된 기포의 마이크로 사이즈로 미세화가 용이하고 나노 사이즈로 미세화되기는 대체로 어렵다.
반면에, 기액 혼합 유체에 마찰력을 인가할 경우에는 나노 사이즈로의 미세화가 용이하지만 마이크로 미세화 단계 없이 사이즈가 큰 기포에 처음부터 마찰력을 인가할 경우, 마찰 효율, 기포의 미세화 품질이 떨어진다.
본 발명은 상기와 같이, 기액 혼합 유체에 선제적으로 타격자를 이용하는 마이크로 미세화 영역(S1)을 거치도록 하여 나노 버블 생성의 예비 단계인 마이크로 미세화를 진행시키고, 이후 복수의 마찰자(10)가 간격을 두고 배열되는 나노 미세화 영역(S2)을 나선형으로 휘도는 유동에서 유체에 반복적으로 마찰력이 인가되도록 함으로써 기포의 미세화가 단계적으로 심화되어 나노 버블이 효과적으로 생성될 수 있도록 한다.
또한, 타격자(20) 및 마찰자(10), 특히 마찰자(10) 둘레면의 선속이 적어도 8m/sec 이상, 챔버 내벽(33)과 설정 간격 이하를 유지하도록 하여 유체에 효과적인 타격 및 마찰력을 인가하고,
타격자(20)와 챔버의 내벽(33) 사이, 마찰자와 챔버의 내벽 사이의 적절한 간격을 이용하는 유체의 나선형 회전 유동에 따라 마찰자(10)뿐만 아니라 넓은 면적의 챔버의 내벽(33)이 마찰면으로 기능토록 하며,
상기 타격자 및 마찰자에 구비되는 분배 구멍(24)(14), 특히 마찰자(10)가 임의의 간격으로 공간을 두고 배열되는 구성을 통하여 타격자(20) 및 마찰자(10)의 몸체 전체 표면이 유효 마찰면으로 기능하게 함과 아울러 유체의 나선형 유동을 증폭시킴으로써 용존 산소량이 증가하며, 기포의 미세화 품질 및 기기의 효율성이 배가되고, 생산성(토출량)면에서도 경제적으로 나노 버블을 생성할 수 있다.
또한, 상기와 같이, 마찰자(10)의 회전마찰력과 함께 마찰자(10)와 챔버 내벽(33) 간의 상호 작용에 의하여 유체에 대한 마찰력이 인가되는 동시에 난류 및 캐비테이션이 발생됨으로써 기포의 나노 버블 생성에 상승효과를 거둘 수 있다.
이러한 난류 및 캐비테이션은 타격자(20) 및 마찰자(10)의 고속 회전부 주위, 원심력에 의하여 유체가 충돌하는 챔버(30)의 내벽, 타격자 및 마찰자들의 배열 공간 등에서 이루어진다.
특히, 복수의 마찰자(10)가 반경 차이를 갖는 대경 마찰자(10a)와 소경 마찰자(10b)가 임의의 간격으로 공간을 두고 교차 배열될 경우(도 2, 3 참조), 상기와 같이 마찰자의 몸체 전체면을 유효 마찰면으로 사용될 수 있도록 하는 한편, 마찰자(10)와 마찰자 사이의 공간 특히 유동 진행방향 후방에서 와류를 발생시켜 캐비테이션을 증폭시킴으로 회전마찰력과 함께 나노 버블 생성효율이 상승되는 효과를 거둘 수 있다.
또한, 상기와 같이, 마찰자에 오목단(15) 등이 형성되는 구조(도 11, 12 참조), 임펠러형(104)(도 13 참조), 마찰자 유닛(101)(도 14, 15 참조) 등 다양한 구성을 이용하여 마찰 면적 확장 및 기포의 미세화 품질을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다.
여기서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
1: 본 발명의 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템
10: 마찰자 10a: 대경 마찰자 10b: 소경 마찰자
11: 둘레면 12: 축선과 직교면 13: 축공
14: 분배 구멍 15: 오목단 17: 경사면
101: 마찰자 유닛 103: 복합형 마찰자 104: 임펠러형 마찰자
20: 타격자 21: 돌출부 22: 축선과 직교면
23: 축공 24: 분배 구멍 25: 오목단
30: 챔버 31: 유입구 32: 토출구
33: 내벽 40: 구동수단 41: 구동축
50: 임펠러 S1: 마이크로 미세화 영역
S2: 나노 미세화 영역

Claims (15)

  1. 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 미세화시키기 위한 내부 공간 및 유입구와 토출구를 구비하며 구동축이 설치되는 챔버,
    상기 챔버 내로 유입되는 기액 혼합 유체에 충격을 가하는 동시에 유체를 회전시켜 상기 챔버의 내벽에 마찰시키기 위한 복수의 돌출부를 몸체에 구비하고 상기 구동축에 설치되는 하나 이상의 타격자,
    상기 기액 혼합 유체에 마찰력을 인가하기 위해 구동축에 설치되는 복수의 마찰자 및
    상기 구동축을 포함하며 상기 타격자 및 마찰자의 회전을 위한 구동수단을 포함하고,
    상기 복수의 마찰자는 구동축 회전시 기액 혼합 유체가 마찰자의 몸체에서 둘레면 및 축선과 직교하는 양쪽 면에 마찰되는 동시에 상기 챔버의 내벽과 마찰하여 기액 혼합 유체에 포함된 기포가 인장 변형 및 미세화되도록,
    임의의 간격으로 공간을 두고 배열되며,
    몸체의 둘레면이 상기 챔버의 내벽과 임의의 간격을 두고 직접 마주하고,
    상기 마찰자 중 어느 하나 이상은 몸체에서 축선과 직교 방향 최선단의 선속이 8m/sec 이상으로 되고,
    상기 타격자와 마찰자 중 어느 한 가지 이상은 기액 혼합 유체의 유동을 축선과 직교면으로 유도하기 위한 하나 이상의 분배 구멍이 형성됨을 특징으로 하는 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동축에는 상기 챔버로 유입되는 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 마이크로 사이즈로 미세화시키기 위해 유체의 유동방향을 따라 상기 타격자가 하나 이상 배열되는 마이크로 미세화 영역과,
    상기 마이크로 미세화 영역 이후에 형성되고 마이크로 사이즈로 미세화된 기포를 나노 버블로 극미세화시키기 위해 상기 마찰자가 하나 이상 배열되는 나노 미세화 영역이 차례로 구비됨을 특징으로 하는 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 타격자 중 어느 하나 이상은 원반형 몸체에서 축선과 직교하는 양쪽 면 중 어느 한 면 이상에 하나 이상의 오목단과 복수의 분배 구멍이 형성되고,
    몸체의 외곽 둘레와 상기 오목단의 내측 또는 외측 둘레 중 어느 한쪽 이상에 상기 복수의 돌출부가 방사상으로 구비됨을 특징으로 하는 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템.
  7. 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 미세화시키기 위한 내부 공간 및 유입구와 토출구를 구비하며 구동축이 설치되는 챔버,
    상기 챔버 내로 유입되는 기액 혼합 유체에 충격을 가하는 동시에 유체를 회전시켜 상기 챔버의 내벽에 마찰시키기 위한 복수의 돌출부를 몸체에 구비하고 상기 구동축에 설치되는 하나 이상의 타격자,
    상기 기액 혼합 유체에 마찰력을 인가하기 위해 구동축에 설치되는 복수의 마찰자 및
    상기 구동축을 포함하며 상기 타격자 및 마찰자의 회전을 위한 구동수단을 포함하고,
    상기 복수의 마찰자는 구동축 회전시 기액 혼합 유체가 마찰자의 몸체에서 둘레면 및 축선과 직교하는 양쪽 면에 마찰되는 동시에 상기 챔버의 내벽과 마찰하여 기액 혼합 유체에 포함된 기포가 인장 변형 및 미세화되도록,
    임의의 간격으로 공간을 두고 배열되며,
    몸체의 둘레면이 상기 챔버의 내벽과 임의의 간격을 두고 직접 마주하고,
    상기 마찰자 중 어느 하나 이상은 몸체에서 축선과 직교 방향 최선단의 선속이 8m/sec 이상으로 되고,
    상기 복수의 마찰자는 하나 이상의 대경 마찰자와, 상기 대경 마찰자 대비 상대적으로 반경이 작게 형성되는 하나 이상의 소경마찰자가 임의의 간격으로 공간을 두고 배열됨을 특징으로 하는 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템.
  8. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 마찰자 중 어느 하나 이상은 마찰 면적 증가를 위하여 몸체에서 축선과 직교하는 양쪽 면 중 어느 한 면 이상에 하나 이상의 오목단이 형성됨을 특징으로 하는 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템.
  9. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 마찰자 중 어느 하나 이상은 몸체의 표면 일부 이상에 미세 요철이 형성됨을 특징으로 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템.
  10. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 마찰자 중 어느 하나 이상은 임펠러 형태로 이루어짐을 특징으로 하는 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템.
  11. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 복수의 마찰자는 두 개 이상의 원반형 몸체가 연결부를 통하여 단일체로 되는 마찰자 유닛을 포함하여 됨을 특징으로 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 마찰자 유닛은 원반형 몸체가 반경 차이가 나는 두 단 이상으로 형성됨을 특징으로 하는 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템.
  13. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
    복수의 마찰자 중 하나 이상과 상기 타격자 중 하나 이상이 단일체로 형성되는 복합형 마찰자 유닛으로 형성됨을 특징으로 하는 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템.
  14. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 챔버는 내벽의 일부 이상에 미세 요철이 형성됨을 특징으로 하는 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템.
  15. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 구동축에는 챔버의 유입구에 인접하여 하나 이상의 임펠러가 추가 설치됨을 특징으로 하는 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템.


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