KR102355532B1 - 전단노즐 및 이를 포함한 미세기포 전환모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유체 전단(fluid shearing) 작업에 이용되는 전단노즐 및 이를 포함한 미세기포 전환모듈에 관한 것이다. 상기 전단노즐은 선회류 형태로 도입되는 기체/액체의 혼합유체를 통과시키면서 혼합유체 내지 이에 혼입된 기체를 전단하여 미세기포를 발생시키기 위한 디바이스로서, 상기 혼합유체 선회류의 흐름 방향에 교차하는 방향으로 간섭되는 복수의 블레이드가 상기 전단노즐의 내벽에 구비된 것을 특징으로 하며, 그 전단에 제공되어 기체/액체의 혼합유체를 관체 내 나선형 흐름으로 유도하는 선회류형성부와 함께 하나의 미세기포 전환모듈을 형성하게 된다. 이러한 전단노즐은 소정의 기체 포화도를 갖는 기체/액체 혼합유체를 대상으로 하여 전단 과정을 통해 혼합유체 내 기포 사이즈를 미세기포 수준으로 효과적으로 전환할 수 있는 새로운 구조 및 방식의 디바이스로서, 그 전단에 결합되어 극대화된 선회류를 형성할 수 있는 선회류형성부와 조합하여 모듈화된 장치로서의 미세기포 전환모듈로 유리하게 구성될 수 있다. 이러한 전단노즐 및 이를 포함한 미세기포 전환모듈은 미세기포 전환율 및 에너지 효율이 우수하고, 용도, 운전 및 사용 조건에 따른 미세기포의 크기, 종류 및 발생량을 용이하게 제어할 수 있다. 또한 소정의 기체 포화도를 갖는 기체/액체 혼합유체가 전제되기만 한다면 그 용도 및 형태를 불문하고 다양한 종류의 미세기포 발생장치에 폭넓고 용이하게 적용될 수 있다.

Description

전단노즐 및 이를 포함한 미세기포 전환모듈{SHEAR NOZZLE AND FINE BUBBLE CONVERSION MODULE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 유체 전단(fluid shearing) 작업에 이용되는 전단노즐 및 이를 포함한 미세기포 전환모듈에 관한 것이다. 상기 유체는 기체/액체의 혼합유체이며, 상기 미세기포 전환모듈은 기체 포화도를 갖는 혼합유체를 대상으로 하여 상기 전단노즐의 유체 전단 과정을 이용해 기포 사이즈를 미세기포 수준으로 전환시키는 모듈화된 장치에 관한다. 본 발명에 따른 전단노즐 및 이를 포함하는 미세기포 전환모듈이 적용될 수 있는 미세기포(fine bubble)의 범위에는 ㎛ 단위의 마이크로버블(micro bubble)과 이보다 더 작은 ㎚ 단위의 나노버블(nano bubble)이 포함된다.
미세기포(fine bubble)는 기포 사이즈에 따라 ㎛ 단위의 마이크로버블(micro bubble)과 이보다 더 작은 ㎚ 단위의 나노버블(nano bubble)을 포함하며, 그 크기가 비록 작지만 물 또는 기타 액상 유체 내에서 통상적으로 발생하는 수 mm 직경의 입자상 기포(particulate bubble)와 비교하면 매우 작다. 미세기포는 이와 같이 극단적으로 작기 때문에 액체 내 입자성 물질을 흡착해 부상시키는 성질을 가져 수질 정화, 수산물의 세척 또는 기타 세정작업에 응용되고, 또는 액체 내 고농도 용존 산소량을 유지함으로써 수산물의 양식, 신선도 유지 등에도 응용되고 있고, 또한 유기용제, 황화수소가스 및 메탄가스 등 악취유발물질이나 흡착용 집진기의 흡착수에도 적용되고 있다.
한편 종래 미세기포 발생장치 및 방법으로 다양한 방식이 제안되고 있으나, 실제 기체/액체 혼합유체를 작업대상으로 하여 그 내부에 용존 또는 포집된 기포를 미세기포 수준으로 전환하는데 있어서 기체/액체 혼합유체에 대한 상대적으로 높은 공급 부하 대비 미세기포 전환 효율이 낮고 이에 따라 에너지 효율 또한 낮은 문제가 있다. 또한 용도에 따른 미세기포의 크기나 발생량을 탄력적으로 조절할 필요가 있음에도 불구하고 여러가지 복합적인 인자를 고려해야 하기 때문에 그 가변적 제어가 실제 어렵고 대부분이 작업자의 숙련도에 의존하고 있다.
본 발명의 목적은 미세기포 전환에 이용될 수 있는 새로운 구조 및 방식의 전단노즐을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 이러한 전단노즐을 포함하여 일체화된 모듈화된 장치로서, 미세기포 전환율 및 에너지 효율을 개선하고, 용도, 운전 및 사용 조건에 따른 미세기포의 크기나 발생량을 용이하게 제어하고, 또한 다양한 용도 및 형태의 미세기포 발생장치에 폭넓고 용이하게 적용될 수 있는 미세기포 전환모듈을 제공하는 것이다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위하여 예의 검토한 결과 이루어진 것으로, 그 요지는 특허청구범위에 기재한 바와 동일한 아래의 내용이다.
(1) 선회류 형태로 도입되는 기체/액체의 혼합유체를 통과시키면서 혼합유체를 전단하여 미세기포를 발생시키기 위한 전단노즐로서, 상기 혼합유체 선회류의 흐름 방향에 교차하는 방향으로 간섭되는 복수의 블레이드가 상기 전단노즐의 내벽에 구비된 것을 특징으로 하는 전단노즐.
(2) 상기 블레이드는 상기 전단노즐의 횡단면 상에서 원주방향으로 형성되는 톱니인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 전단노즐.
(3) 상기 전단노즐는 링형 블레이드판 유닛이 복수로 적층되어 고정된 구조이고, 상기 블레이드판 유닛의 내주면을 따라 형성된 톱니가 상기 블레이드를 구성하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 전단노즐.
(4) 상기 톱니의 평면 형상은 곡선형 또는 각형인 것을 특징으로 하는 상기 (2) 또는 (3)의 전단노즐.
(5) 상기 전단노즐의 유체 통로는 기체/액체 혼합유체의 흐름 방향으로 내경이 증가되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 전단노즐.
(6) 중심홀이 구비된 링형 블레이드판 유닛이 복수로 적층된 조립체; 상기 조립체를 수용하는 소켓; 및 상기 조립체를 상기 소켓 내에 고정하는 고정수단;을 포함하고, 상호 연통되는 상기 중심홀이 토출 유로를 형성하고, 상기 복수의 블레이드판 유닛 각각에는 그 내주면을 따라 톱니가 형성된 것을 특징으로 하는 전단노즐.
(7) 상기 고정수단은 상기 소켓 내에 나사결합되어 상기 조립체를 밀착시켜 고정하는 고정구인 것을 특징으로 하는 상기 (6)의 전단노즐.
(8) 복수의 링형 블레이드판 유닛은 동일하거나 또는 서로 다른 크기의 중심홀 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (6)의 전단노즐.
(9) 복수의 링형 블레이드판 유닛는 서로 다른 크기의 중심홀 직경을 가지며, 기체/액체 혼합유체의 흐름 방향으로 중심홀의 직경이 커지도록 적층되는 것을 특징으로 하는 상기 (8)의 전단노즐.
(10) 기체/액체의 혼합유체를 관체 내 나선형 흐름으로 유도하는 선회류형성부; 및 상기 선회류형성부의 후단에 연속하여 결합되는 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 하나에 따른 전단노즐;을 포함하는 상기 (10)의 미세기포 전환모듈.
(11) 상기 선회류형성부는 관체; 및 상기 관체에 결합된 스월러;를 포함하고, 상기 스월러는 복수의 나선형 통로를 구비하되, 복수의 나선형 통로는 관체 내 유체 이동방향으로 연장 형성되며 상호간에 원주방향으로 소정 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (10)의 미세기포 전환모듈.
(12) 상기 관체의 후단은 기체/액체 혼합유체의 흐름 방향으로 관경이 감소되는 것을 특징으로 하는 상기 (11)의 미세기포 전환모듈.
(13) 상기 스월러는 원주방향으로 소정 간격을 갖는 복수의 홀이 구비된 타공판 유닛이 복수로 적층조립되어 고정된 구조이고, 복수의 타공판 유닛이 적층된 상태에서 타공판 유닛 간 홀이 상기 나선형 통로에 대응되는 유로로 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 (11)의 미세기포 전환모듈.
(14) 상기 타공판 유닛 간 고정은 볼트에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (13)의 미세기포 전환모듈.
본 발명에 따른 전단노즐은 소정의 기체 포화도를 갖는 기체/액체 혼합유체를 대상으로 하여 전단 과정을 통해 혼합유체 내 기포 사이즈를 미세기포 수준으로 효과적으로 전환할 수 있는 새로운 구조 및 방식의 디바이스로서, 그 전단에 결합되어 극대화된 선회류를 형성할 수 있는 선회류형성부와 조합하여 모듈화된 장치로서의 미세기포 전환모듈로 유리하게 구성될 수 있다. 이러한 전단노즐 및 이를 포함한 미세기포 전환모듈은 미세기포 전환율 및 에너지 효율이 우수하고, 용도, 운전 및 사용 조건에 따른 미세기포의 크기, 종류 및 발생량을 용이하게 제어할 수 있다. 또한 소정의 기체 포화도를 갖는 기체/액체 혼합유체가 전제되기만 한다면 그 용도 및 형태를 불문하고 다양한 종류의 미세기포 발생장치에 폭넓고 용이하게 적용될 수 있다.
도 1는 본 발명의 실시예에 따른 미세기포 전환모듈의 사시도.
도 2은 도 1의 분해도.
도 3은 도 1의 A-A 단면도.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 타공판 유닛의 정렬상태 사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전단노즐의 부분확대 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 링형 블레이드판 유닛의 정렬상태 사시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 링형 블레이드판 유닛의 블레이드와 유체간 교차에 관한 모식도.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1는 본 발명의 실시예에 따른 미세기포 전환모듈(500)의 사시도를 나타내고, 도 2 및 도 3은 도 1의 분해도 및 A-A 단면도를 각각 나타낸다. 도 4는 선회류형성부(300)의 일부를 구성하는 본 발명의 실시예에 따른 타공판 유닛(330)의 정렬상태를 나타낸다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전단노즐(400)의 부분확대 단면도를 나타낸다. 도 6은 전단노즐(400)의 일부를 구성하는 본 발명의 실시예에 따른 링형 블레이드판 유닛(420)의 정렬상태 사시도를 각각 나타낸다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 링형 블레이드판 유닛(420)의 블레이드(410)와 유체간 교차에 관한 모식도를 나타낸다.
상기 미세기포 전환모듈(500)은 선회류형성부(300)(swirling flow former)와 전단노즐(400)(shear nozzle)을 포함하여 구성된다. 이 경우, 전단노즐(400)은 기본적으로 선회류 형태로 도입되는 기체/액체의 혼합유체를 대상으로 이루어지며, 소정의 기체 포화도를 갖고 혼합유체에 혼입되어 운반되는 기체를 전단하여 미세기포를 발생시키는 방식으로 동작한다. 기체/액체의 혼합유체 흐름을 선회류 형태로 전환하는 작업은 전단노즐(400)로의 도입 전단계에서 가압되어 선회류형성부(300)를 통과하는 과정에서 이루어진다. 따라서, 상기 미세기포 전환모듈(500)은 (a) 가압 이송되는 기체/액체의 혼합유체 흐름을 선회류 형태로 전환하는 단계와, (b) 이러한 선회류를 교차하도록 간섭하여 혼합유체 내지 이에 혼입된 기체를 전단하는 단계의 2단의 단계를 연속적으로 수행하는 방식으로 동작하여 미세기포로 전환시키게 된다.
한편 선회류형성부(300)로 도입되는 기체/액체 혼압유체는 바람직하게는 소정의 기체 포화도를 만족하여야 하는데, 이를 위해 그 전처리 과정으로 예컨대 고속분사노즐(도면 미도시) 또는 파단노즐(breaking nozzle)을 이용해 기체/액체의 혼합유체를 가속시켜 충격량을 인가함으로써 파단시키는 과정이나 포화용해탱크(saturation tank)(도면 미도시) 내에서 가압조건에 놓이게 하는 등의 전처리 과정을 거칠 수 있다.
이하에서는 설명의 편의상 유체 흐름에 따라 미세기포 전환의 각 단계에 관련된 장치 요소에 대해 순차적으로 상세히 설명한다. 또한 이하의 설명에서 액체는 물질의 상태로서 기체와 대비되는 의미로 주로 사용되지만, 경우에 따라서 기체가 용해 또는 포집된 상태의 유체를 의미하는 것으로 사용되었다.
도 1 내지 도 4을 참조할 때, 상기 미세기포 전환모듈(500)의 전단측을 구성하는 선회류형성부(300)는 기체/액체 혼합유체를 관체(310) 내로 통과시키면서 나선형 흐름으로 유도하는 역할을 하며, 이를 위해 관체(310); 및 관체(310)에 결합되는 스월러(320);를 포함한다.
상기 스월러(320)는 대체로 원주형 블록체이며, 원주형 블록체는 관체(310)의 내경에 대응되는 외경을 가져 관체(310)에 삽입 장착된다. 원주형 블록체 형태의 스월러(320)는 관체(310) 내 유체 이동방향으로 연장 형성되며 특히 주연부를 따라 상호간에 원주방향으로 소정 간격을 갖는 복수의 나선형 통로를 구비한다. 포화용해탱크의 기체/액체 혼합유체는 이러한 스월러(320) 구조에 의해 관체(310) 중앙으로의 도입이 억제된 상태에서 관체(310) 내벽에 인접해 형성되는 나선형 유로로만 통과되고, 스월러(320)의 원주형 블록체을 빠져나온 유체는 관체(310) 중앙이 아닌 관체(310) 내 가장자리를 따라 극대화된 선회류로 전환된다.
또한 상기 원주형 블록체 형태의 스월러(320)를 통과한 선회류는 스월러(320) 후단으로 연속하여 제공된 관체(310)의 빈 공간을 통과하는 도약 과정을 통해 균일화되고 가속된다. 즉, 원주형 블록체 형태의 스월러(320) 후단의 관체(310)는 일정 길이의 빈 공간을 갖기 때문에, 이러한 도약 과정은 원주형 블록체 형태의 스월러(320)를 통과한 유체가 원심력에 의해 관체(310) 내벽을 따라 아무런 저항 없이 회전 이동되는 형태이고 이에 따라 선회류는 더욱 균일화되고 가속되어 충분한 운동에너지를 갖게 된다. 관체(310) 빈 공간에 의한 균일화 및 가속 효과는 상기 도약 현상만으로 충분하지만, 더욱 바람직하게는 관체(310)의 후단에서 유체의 흐름 방향으로 관경이 감소되는 구조에 의해 그 가속 효과는 더욱 증가될 수 있다.
이와 같은 선회류형성부(300) 구조에 따르면, 종래 통상적인 방식에 따라 관체(310) 중앙부에서의 유체 흐름을 억제하지 않고 단순히 관체(310) 내벽에 나선형 글루브만을 형성하여 선회류를 유도하는 경우에 발생하는 관체(310) 중앙부 흐름과 측벽 흐름간 유동 저항으로 인한 압력 손실과 선회류의 회전력 감소 현상은 발생하지 않는다. 즉 선회류에 대한 극대화 과정과 선회류의 균일화 및 가속 과정을 스월러(320) 및 그 후단의 관체(310) 빈 공간에 의해 각각 분리 수행함으로써, 유동 저항은 최소화 하면서도 선회류에 대한 회전력, 균일화 및 가속 효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다. 이러한 극대화된 회전 및 가속 효과를 갖는 선회류가 후단의 전단노즐(400)을 통과하면서 미세기포 전환 효율 또한 극대화된다.
한편 상기 스월러(320)의 원주형 블록체와 이에 구비된 복수의 나선형 통로는 일체로 주조 또는 몰딩하여 제작되거나 또는 단일 블록체를 대상으로 나선형 통로를 별도로 가공하는 방식으로 제작될 수 있다. 그러나 이러한 제작 방식은 고비용이고 제조가 어려울 수 있고, 무엇보다도 운전 또는 사용조건에 따라 나선형 유로의 회전 피치를 가변시킬 수 없는 한계가 있다. 이러한 점을 고려하여 본 발명의 실시예에 따른 상기 스월러(320)는 원주방향으로 소정 간격을 갖는 복수의 홀(332)이 구비된 타공판 유닛(330)이 복수로 적층 조립되어 고정된 구조로 제작되는 것이 바람직하다.
상기 타공판 유닛(330)의 평면 형상은 관체(310)의 단면에 대응하여 원형이고, 상기 복수의 홀(332)은 원형 판의 주연부를 따라 원주방향을 소정 간격을 갖고 형성된다. 이 경우 복수의 타공판 유닛(330)을 적층하되, 적층된 상태에서 타공판 유닛(330) 간 홀(332)이 서로 연통되도록 순차적으로 회전시켜 적층한다. 이에 따라 타공판 유닛(330) 간 홀(332)이 서로 연통되어 형성된 유로는 상기 스월러(320)의 나선형 통로에 대응하게 된다. 타공판 유닛(330) 간 조립과정에서 일정한 회전 각도의 조절은, 예컨대 봉을 이용해 복수의 타공판 유닛(330)의 특정 홀(332)을 일렬로 삽입하고 이러한 봉을 타공판 유닛(330)의 중심간 연결축(P)을 기준으로 하여 소정 각도(θ) 경사지게 정렬한 상태에서 적층 고정함으로써 이루어질 수 있다. 이 경우 회전각도(θ) 범위를 크게 하고 홀(332) 간 연통을 용이하게 하기 위해, 홀(332)을 호형의 장공으로 형성할 수 있다. 타공판 유닛(330) 간 고정은 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 실시예에서와 같이 타공판 유닛(330)의 중앙홀(334)을 통과하여 볼트(350)를 이용해 고정하는 방식일 수 있다.
이와 같은 복수의 타공판 유닛(330)을 적층 고정한 스월러(320) 구조에 따르면, 단일 블록체를 대상으로 유로를 가공하거나 주조 또는 몰딩하는 방식 대비 제작이 용이하고 비용 또한 저렴하다. 또한 전단의 유체파단부를 통한 유입량, 후단의 전단노즐(400)을 통한 토출량, 전단노즐(400) 통과 후 입자상 기포의 발생량과 미세기포 발생량 간의 양적 비율에 대한 조절 등과 같은 다양한 운전조건이나 사용조건에 따라 나선형 유로의 피치 간격을 탄력적으로 조절할 필요가 있는 경우에 있어서도, 스월러(320) 또는 이를 구성하는 타공판 유닛(330)을 별도 제작할 필요 없이 타공판 유닛(330) 간 홀(332)의 서로 연통될 수 있는 범위에서 적층 조립과정에서 그 회전 각도를 조절하는 것만으로도 충분하다.
상기 스월러(320) 또는 타공판 유닛(330) 조립체와 관체(310)를 결합 고정하는 수단은 도면에 도시되지 않았으나 특별히 제한되지 않으며 다양한 통상의 방식이 사용될 수 있다. 예컨대, 스월러(320) 또는 타공판 유닛(330) 조립체를 관체(310)의 선단에 체결링 또는 클램프를 이용해 결합시키는 방식으로 고정하거나, 스월러(320) 또는 타공판 유닛(330) 조립체의 외경이 관체(310) 내경에 대응하도록 제작하여 관체(310) 내부로 삽입한 상태에서 관체(310) 선단 측으로 나사결합되는 별도의 체결구(도면 미도시)를 이용해 결합시키는 방식일 수 있다. 이 경우 관체(310) 내부로 삽입한 스월러(320) 또는 타공판 유닛(330) 조립체의 후방 쪽 즉 유체 흐름방향으로 이동을 억제하기 위해서는 관체(310) 내부에 스토퍼(도면 미도시)가 구비될 수 있다.
도 1 내지 도 3, 도 5 내지 도 7을 참조할 때, 상기 미세기포 전환모듈(500)의 후단측을 구성하는 전단노즐(400)은 상기 선회류형성부(300)의 후단에 제공되어 유체와 함께 혼입된 기체를 미세기포로 전단하는 역할을 하며, 이러한 기체/액체 혼합물 또는 기포를 전단하기 위해 유체의 흐름 방향에 교차하는 방향으로 간섭되는 블레이드(410)를 기본적으로 포함한다. 이 경우, 상기한 선회류형성부(300)를 통과한 유체는 대체로 원주방향(a) 흐름을 갖기 때문에 이에 교차하는 블레이드(410)는 방사방향(b)으로 연장되는 모서리 요소이어야 한다. 이러한 유체의 흐름 방향(a)에 대해 소정 각도(σ)로 교차하는 블레이드(410)는 도 7에 도시된 바와 같이 유체전단부(400)의 원형 횡단면으로 보면, 그 횡단면 상에서 원주방향으로 형성되는 톱니(422) 형상의 티스(teeth)일 수 있다.
실시예에 따른 전단노즐(400)은 복수의 링형 블레이드판 유닛(420)을 소켓(430)에 적층 고정한 형태로 제공되는 것으로 예시되어 있으며, 링형 블레이드판 유닛(420) 내주연 원주 방향으로 형성된 톱니(422)의 모서리가 기포 전단을 위한 블레이드(410)로 활용되고 있다. 링형 블레이드판 유닛(420)의 중앙에는 중심홀(424)이 구비되며, 복수의 링형 블레이드판 유닛(420)이 소켓(430) 내에 적층된 상태에서 상호 연통된 중심홀(424)은 토출 유로로 기능한다.
상기 링형 블레이드판 유닛(420) 내주연 원주 방향으로 형성된 톱니(422)의 평면 형상은 실시예에서와 같이 곡선형일 수도 있지만, 삼각형 기타 각형일 수 있다. 레이저 가공을 이용하는 경우 가공성 측면에서는 곡선형이 용이할 수 있지만, 각형 톱니(422)의 경우 유체에 교차하는 모서리의 선형 요소가 직선형에서 더 예리하기 때문에 블레이드(410)의 전단 효과 측면에서는 더 유리할 수 있다.
상기 복수의 링형 블레이드판 유닛(420)의 중심홀(424)의 크기는 서로 동일하거나 또는 다를 수 있다. 중심홀(424)의 크기가 동일하면 적층된 상태에서 연통되어 형성되는 토출 유로의 내경도 일정하다. 이에 대해 실시예에서와 같이 중심홀(424)의 크기가 서로 다른 링형 블레이드판 유닛(420)을 적층하되 유체 흐름 방향으로 중심홀(424)의 크기가 커지도록 적층하는 경우, 연통된 중심홀(424)에 대응하는 유로의 내경은 유체 흐름 방향으로 증가하게 되어 디퓨저 또는 말광(末廣) 노즐과 유사한 유로의 단면 프로파일을 갖는다.
이러한 디퓨저와 유사한 유로의 단면 프로파일을 갖는 전단노즐(400)의 경우, 도 9-1에 도시된 바와 같이 토출 방향과 반대 방향으로 외부 유체에 의한 부압(NP; Negative Pressure)이 작용하게 되고, 이러한 외부 유체에 의한 부압은 토출 유체의 유속을 조절하는 한편, 토출 유체와의 사이에서 계면 유동을 유발함과 동시에 토출되는 유체 흐름을 전단노즐(400)의 내주면에 더욱 가압 밀착시켜 내주면을 내주면을 따라 회전케 함으로써 토출 유체에 대한 블레이드(410)의 전단 효과를 더욱 크게 하여 궁극적으로 미세기포 전환 효율을 극대화한다.
한편 실시예에서는 블레이드(410) 형성을 위해 내주연 원주 방향으로 톱니(422)가 구비된 링형 블레이드판 유닛(420)을 예시하고 있지만 이에 제한되는 것을 해석되지는 않으며, 앞서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전단노즐(400)은 유체의 흐름 방향에 교차하는 방향으로 간섭되는 블레이드(410)를 구비하기만 하면 다양한 방식으로 제공될 수 있고, 예컨대 링형 블레이드판 유닛(420)을 적층하는 방식 대신에 단일 블록체를 내벽에 블레이드(410) 요소를 가공하거나 주조 또는 몰딩하는 방식일 수 있다.
다만 링형 블레이드판 유닛(420)을 이용한 전단노즐(400)을 형성하는 경우 용도, 운전 및 사용 조건에 따라 유체의 토출량 및 성질을 쉽게 가변시킬 수 있어 유리하다. 예컨대 전단노즐(400)의 도입부 직경이 커질수록 토출 유속과 상대적으로 큰 직경의 입자상 기포의 발생량(particulate bubble)이 증가하지만, 반대로 도입부 직경이 작을수록 토출 유속은 감소하고 상대적으로 작은 직경의 미세기포(fine bubble) 발생량이 증가하게 된다. 따라서 용도에 따라 링형 블레이드판 유닛(420)의 중심홀(424) 크기를 적절히 선택하여 도입부의 직경을 제어함으로써 토출 유속과 함께 입자상 기포와 미세기포 간 발생 비율을 용이하게 제어할 수 있다.
결과적으로 전단노즐(400)의 도입부 직경에 대한 조절은 전단노즐(400)을 복수의 블레이드판 유닛(420)을 적층하여 전단노즐(400)로 한 구성으로부터 보다 용이해 질 수 있다. 즉 복수의 블레이드판 유닛(420)을 중심홀(424) 크기에 따라 다양한 규격으로 미리 제작한 후, 요구되는 도입부 직경에 맞는 중심홀(424)을 갖는 블레이드판 유닛(420)을 전단노즐(400) 도입부에 배치되도록 함으로써 도입부 직경에 대한 크기를 용도에 따라 용이하게 조절할 수 있다.
기타 상기 복수의 링형 블리이드판 유닛 간 고정도 특별히 제한되는 것은 아니며, 탈부착을 용이하게 하기 위해 통형의 소켓(430) 내에 복수의 링형 블레이드판 유닛(420)을 중심홀(424) 크기에 맞춰 순차적으로 적층한 상태에서 상기 통형의 소켓(430) 내벽면에 나사 결합되는 고정구(440)로 밀착시켜 수행될 수 있다. 또한, 선회류형성부(300)의 후단과 전단노즐(400)의 전단 사이의 결합도 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 전단노즐(400)의 전단을 선회류형성부(300)의 후단에 삽입되어 나사결합되는 방식이거나, 또는 전단노즐(400)의 소켓(430)과 선회류형성부(300)의 관체(310)를 별도 제작 후 그 이음부에서 용접하거나 또는 양자를 처음부터 일체형으로 제작하는 것도 가능하다.
이상과 같이 본 발명에 따른 전단노즐(400)은 소정의 기체 포화도를 갖는 기체/액체 혼합유체를 대상으로 하여 전단 과정을 통해 혼합유체 내 기포 사이즈를 미세기포 수준으로 효과적으로 전환할 수 있는 새로운 구조 및 방식의 디바이스로서, 그 전단에 결합되어 극대화된 선회류를 형성할 수 있는 선회류형성부(300)와 조합하여 모듈화된 장치로서의 미세기포 전환모듈(500)로 유리하게 구성될 수 있다. 이러한 전단노즐(400) 및 이를 포함한 미세기포 전환모듈(500)은 미세기포 전환율 및 에너지 효율이 우수하고, 용도, 운전 및 사용 조건에 따른 미세기포의 크기, 종류 및 발생량을 용이하게 제어할 수 있다. 또한 소정의 기체 포화도를 갖는 기체/액체 혼합유체가 전제되기만 한다면 그 용도 및 형태를 불문하고 다양한 종류의 미세기포 발생장치에 폭넓고 용이하게 적용될 수 있다.
이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항으로서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서 이러한 모든 수정과 변경은 청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.
300: 선회류형성부
310: 관체
320: 스월러
330: 타공판 유닛
332: 홀
334: 중앙홀
350: 체결볼트
400: 전단노즐
410: 블레이드
420: 링형 블레이드판 유닛
422: 톱니
424: 중심홀
430: 소켓
440: 고정구
500: 미세기포 전환모듈

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  4. 선회류 형태로 도입되는 기체/액체의 혼합유체를 통과시키면서 혼합유체를 전단하여 미세기포를 발생시기기 위한 전단노즐로서, 중심홀이 구비된 링형 블레이드판 유닛이 복수로 적층된 조립체; 상기 조립체를 수용하는 소켓; 및 상기 조립체를 상기 소켓 내에 고정하는 고정수단;을 포함하고, 상호 연통되는 상기 중심홀이 토출 유로를 형성하고, 상기 복수의 블레이드판 유닛 각각에는 그 내주면을 따라 형성된 톱니가 나선형의 혼합유체의 흐름 방향에 교차하는 방향으로 간섭되는 블레이드로 작용하는 것을 특징으로 하는 전단노즐.
  5. 제4항에 있어서, 복수의 링형 블레이드판 유닛은 서로 다른 크기의 중심홀 직경을 가지며, 기체/액체 혼합유체의 흐름 방향으로 중심홀의 직경이 커지도록 적층되는 것을 특징으로 하는 전단노즐.
  6. 기체/액체의 혼합유체를 관체 내 나선형 흐름으로 유도하는 선회류형성부; 및 상기 선회류형성부의 후단에 연속하여 결합되는 청구항 4 또는 청구항 5 중 어느 하나에 따른 전단노즐;을 포함하는 미세기포 전환모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 선회류형성부는 관체; 및 상기 관체에 결합된 스월러;를 포함하고, 상기 스월러는 복수의 나선형 통로를 구비하되, 복수의 나선형 통로는 관체 내 유체 이동방향으로 연장 형성되며 상호간에 원주방향으로 소정 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 미세기포 전환모듈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 스월러는 원주방향으로 소정 간격을 갖는 복수의 홀이 구비된 타공판 유닛이 복수로 적층조립되어 고정된 구조이고, 복수의 타공판 유닛이 적층된 상태에서 타공판 유닛 간 홀이 상기 나선형 통로에 대응되는 유로로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세기포 전환모듈.
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