KR102492887B1 - 미세버블 생성 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세버블 생성 장치에 관한 것이다. 본 발명은 내부에 기체를 포함하는 유체가 흐르는 하우징; 및 상기 하우징의 사이를 연결하도록 배치되고, 상기 하우징과 연결되는 전단 및 후단에 상대적으로 유동 단면적이 작은 병목부가 형성되는 병목 하우징을 포함할 수 있다.

Description

미세버블 생성 장치{APPARATUS FOR GENERATING NANO BUBBLE}
본 발명은 미세버블 생성 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체 내에서 미세버블을 생성하기 위한 미세버블 생성 장치에 관한 것이다.
최근, 일반적인 물보다 용존기체량이 높은 물이 제조되고 있는데, 일 예로 축사 등에서 나오는 오폐수를 정화하는 공정에서 사용하기도 하며 양식장에서 어류에게 산소(기체, 버블)를 공급하기 위한 용도로 용존산소량이 높은 산소(기체, 버블)수가 주로 사용되어 왔다.
상기 산소수는 동물이나 사람이 음용할 경우 체내에 흡수가 빠르고 신진대사가 활발해지며 각종 병충해에 대해 면역력이 강해지는 등의 많은 효과가 있어 축산농가뿐만 아니라 일반 가정이나 회사에서 쓰는 정수기에도 이러한 산소수를 적용하는 경우가 많아졌다.
또한, 식물의 경우에는 토양의 환경을 개선하고 잎이나 뿌리 등에 직접적으로 산소를 공급하여 보다 튼튼하게 생장하면서 병충해에 강해져 생산량이 증가하는 효과를 가져오고 있다. 상기와 같은 이유로 산소(기체, 버블)수를 제조하기 위해 다양한 방법 및 장치들이 제공되었다.
그러나, 종래의 버블 생성 장치의 경우 낮은 압력 및 유량 조건에서는 원하는 만큼의 미세버블을 생성하기 어려울 뿐만 아니라 짧은 시간에 원하는 용존기체량을 얻기 어려운 문제가 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0040134호(2015.04.14)
본 발명은 낮은 압력 및 유량 조건에서도 미세버블의 생성이 충분하여 일반 가정에서도 적용 가능한 미세버블 생성 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 장시간 생성되는 순환형의 오랜 생성시간을 단축하여 직수 타입의 장치에서 미세버블의 생성 시간을 줄일 수 있는 미세버블 생성 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 이중 병목부를 가진 구조를 통하여 강한 전단력에 의해 초미세버블을 효과적으로 생성시킬 수 있는 미세버블 생성 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치는 내부에 기체를 포함하는 유체가 흐르는 한 쌍의 하우징; 및 한 쌍의 상기 하우징의 사이를 연결하도록 배치되고, 한 쌍의 상기 하우징과 연결되는 전단 및 후단에 상대적으로 유동 단면적이 작은 병목부가 형성되는 병목 하우징을 포함할 수 있다.
상기 병목 하우징은 전체 유동 단면적에 비하여 상대적으로 유동 단면적이 작게 형성되는 입구 병목부 및 출구 병목부를 포함할 수 있다. 상기 입구 병목부 및 상기 출구 병목부는 상기 하우징의 유동 단면적으로부터 불연속적으로 감소한 유동 단면적을 가질 수 있다.
상기 병목 하우징은, 상기 입구 병목부부터 중간까지 유동 단면적이 증가하는 제1 유동부; 및 상기 제1 유동부부터 상기 출구 병목부로 갈수록 유동 단면적이 감소하는 제2 유동부를 포함할 수 있다.
상기 제1 유동부 및 제2 유동부는 중간지점에 대하여 서로 대칭되게 배치될 수 있다.
상기 제1 유동부 및 제2 유동부의 외면은 직선형으로 형성될 수 있다.
상기 제1 유동부 및 제2 유동부의 외면은 곡선형으로 형성될 수 있다.
상기 제1 유동부 및 제2 유동부의 외면은 전단에서 후단으로 갈수록 볼록 또는 오목하게 형성되는 곡선형일 수 있다.
상기 병목 하우징은 유체의 유동방향을 따라 복수개가 직렬로 배치될 수 있다.
상기 병목 하우징은 유체의 유동방향을 따라 복수개가 직렬로 배치되되, 그 사이에는 중간 하우징이 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치는 내부에 기체를 포함하는 유체가 흐르는 하우징을 포함하되, 상기 하우징에는 상대적으로 유동 단면적이 작은 2개의 이중 병목부가 각각 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 낮은 압력 및 유량 조건에서도 미세버블의 생성이 충분하여 일반 가정에서도 적용이 가능하기 때문에 미세버블 생성 장치의 범용성이 높아질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 장시간 생성되는 순환형의 오랜 생성시간을 단축하여 직수 타입의 장치에서 미세버블의 생성 시간을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이중 병목부를 가진 구조를 통하여 강한 전단력에 의해 초미세버블을 효과적으로 생성시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치를 보인 도면.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세버블 생성 장치를 보인 도면.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치를 보인 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 미세버블 생성 장치를 직렬 방향으로 배치한 일 예를 보인 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 미세버블 생성 장치를 직렬 방향으로 배치한 다른 예를 보인 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치를 종래의 벤츄리관 형태와 비교한 도면.
도 7은 도 6에 도시된 미세버블 생성 장치의 유체 흐름 속도를 분석한 것을 보인 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치를 보인 도면이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세버블 생성 장치를 보인 도면이며, 도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치를 보인 도면이다.
이에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치는 내부에 기체를 포함하는 유체가 흐르는 하우징(10); 및 상기 하우징(10)의 사이를 연결하도록 배치되고, 상기 하우징(10)과 연결되는 전단 및 후단에 상대적으로 유동 단면적이 작은 병목부(26,28)가 형성되는 병목 하우징(20)을 포함할 수 있다.
하우징(10)은 미세버블 생성 장치의 전체적인 외관을 형성하는 것으로서, 유체의 유동방향을 따라 관 형상, 직육면체 형상 등 다양한 형상으로 만들어질 수 있다. 하우징(10)은 미세버블을 생성할 수 있는 용기로서, 직수형 정수기, 워터탱크 등 용도에 따라 다양한 형태로 제공될 수 있다. 또한, 하우징(10)의 내부로 유입되는 유체는 물을 비롯한 다양한 것들이 사용될 수 있다.
한편, 하우징(10)의 이전에는 기체 및 액체 혼합물을 공급하는 장치가 배치될 수 있다. 기체 및 액체 혼합물 공급장치는 전기분해 장치(또는 이젝터, 다공성 멤브레인) 등의 미세버블을 공급할 수 있는 장치들을 포함하며, 유체(water)가 본 장치들을 통과하며 비교적 일정한 크기 분포의 미세버블을 포함한 기체 및 액체 혼합물이 생성될 수 있다. 상기 장치에서의 기체 공급은 산소, 수소, 질소, 오존 등의 선택적 기체 공급이 가능하다. 따라서, 공급하는 기체(산소, 수소, 질소, 오존 등)에 따라 다양한 미세버블의 생성 및 용해가 가능하다.
이상에서 설명한 하우징(10)의 사이에는 이중 목(Dual Throat) 구조를 가진 병목 하우징(20)이 형성될 수 있다. 여기에서 병목 하우징(20)은 하우징(10)의 일부를 도 1에서와 같이 가공하여 형성할 수도 있고 관 형상의 하우징(10)의 사이에 별도로 제작된 병목 하우징(20)을 결합하여 형성할 수도 있다. 물론, 미세버블 생성 장치의 유동흐름을 원활하게 하고 장치의 완성도를 높이기 위해서는 하우징(10)과 병목 하우징(20)은 일체로 형성하는 것이 바람직할 것이다.
병목 하우징(20)은 전체 유동 단면적에 비하여 상대적으로 유동 단면적이 작게 형성되는 입구 병목부(26) 및 출구 병목부(28)를 포함할 수 있다. 본 도면에서는 입구 병목부(26)의 유동 단면적과 출구 병목부(28)의 유동 단면적이 서로 동일한 것으로 도시하였으나 이에 제한되는 것은 아니고 유체의 유동 흐름 및 미세버블의 생성량 등에 따라 입구 병목부(26)와 출구 병목부(28)의 유동 단면적은 서로 다르게 형성될 수도 있다. 또한, 병목 하우징(20)의 전체적인 길이 및 경사각도 등도 다양하게 변경될 수 있음은 당연하다.
본 실시예에서는 병목 하우징(20)의 형태가 2개의 벤츄리 노즐을 직렬로 대칭 배치하여 이중 병목부(26,28)가 전단 및 후단에 형성하도록 하였다. 기본적으로 유체는 유동 단면적이 큰 곳에서 작은 곳을 지날 때 급격한 속도증가 및 압력강하로 인하여 캐비테이션(cavitation, 공동현상)에 의한 미세버블을 발생시킨다.
따라서, 유체가 입구 병목부(26)를 통과하게 되면 유동 단면적이 작아지기 때문에 1차적으로 캐비테이션에 의해 미세버블이 발생하게 된다. 이와 같이 미세버블을 포함한 유체는 병목 하우징(20)의 중간부로 갈수록 유동 단면적이 증가하는 구조를 가지기 때문에 유로의 중심부와 외곽부의 속도 구배가 극단적으로 형성되므로 강한 전단력이 발생하게 된다. 여기에서 발생한 전단력에 의해 미세버블이 포함된 유체가 잘개 쪼개지면서 초미세버블(nano bubble)이 효과적으로 생성될 수 있다.
보다 구체적으로, 병목 하우징(20)은 입구 병목부(26)부터 중간까지 유동 단면적이 증가하는 제1 유동부(22); 및 제1 유동부(22)부터 출구 병목부(28)로 갈수록 유동 단면적이 감소하는 제2 유동부(24)를 포함할 수 있다.
제1 유동부(22)는 유동 단면적이 급격히 감소한 입구 병목부(26)부터 중간까지 유동 단면적이 증가하는 부분으로서, 전단에서 후단으로 갈수록 유동 단면적이 확대되는 형상을 가진다. 반대로 제2 유동부(24)는 유동 단면적이 증가한 중간부터 출구 병목부(28)까지 후단으로 갈수록 유동 단면적이 감소하는 형상을 가진다. 도 1에서와 같이 제1 유동부(22) 및 제2 유동부(24)는 실질적으로는 동일한 형상을 가지되 중간을 중심으로 서로 대칭되게 연결되는 형태일 수 있다. 물론, 이상에서는 제1 유동부(22) 및 제2 유동부(24)를 2개의 구성인 것으로 설명하였으나, 실질적으로는 2개의 벤츄리 노즐이 대칭으로 형성된 하나의 하우징 형태로 볼 수 있다.
한편, 제1 유동부(22) 및 제2 유동부(24)의 외면은 도 1에서와 같이 직선형으로 형성될 수 있다. 실질적으로는 제1 유동부(22) 및 제2 유동부(24)는 원뿔 형태로 만들어지게 된다. 추가적으로 제1 유동부(22) 및 제2 유동부(24)는 도 1에 도시된 형태에 제한되지 않고 다양한 형태로 만들어질 수 있다.
제1 유동부(22) 및 제2 유동부(24)의 외면은 도 2에서와 같이 곡선형으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 제1 유동부(22) 및 제2 유동부(24)의 외면은 전단에서 후단으로 갈수록 볼록 또는 오목하게 형성되는 곡선형일 수 있다.
다음으로, 도 4 및 도 5를 참조하여 미세버블 생성 장치의 배치 형태에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 미세버블 생성 장치를 직렬 방향으로 배치한 일 예를 보인 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 미세버블 생성 장치를 직렬 방향으로 배치한 다른 예를 보인 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치는 복수개의 병목 하우징(20)이 유체의 유동방향을 따라 직렬로 배치될 수 있다. 본 도면에서는 2개의 병목 하우징(20)의 유체의 유동방향을 따라 직렬로 배치되는 것으로 도시하였다.
이와 같이 병목 하우징(20)을 배치하게 되면 1차 병목 하우징(20)의 통과하면서 충분히 생성되지 못한 미세버블이 2차 병목 하우징(20)을 통과하면서 급격한 압력강하에 의한 음압형성으로 미세버블의 불안정한 비대칭 성장을 일으키게 되고, 해당 미세버블은 제2 유동부(24) 구조를 통과할 때 속도구배 및 강력한 난류유동에 의해 전단력을 전달 받게되어 잘게 부수어져 초미세버블을 생성하게 된다.
이와 같이 병목 하우징(20)의 직렬로 복수개가 배치되는 경우에는 유체의 유속을 더 빠르게 하여 2차 병목 하우징(20)에서도 충분히 초미세버블이 생성될 수 있도록 하는 것이 필요하다.
한편, 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치는 복수개의 병목 하우징(20)이 유체의 유동방향을 따라 간헐적으로 배치될 수 있다. 본 도면에서는 2개의 병목 하우징(20)의 사이에 하우징(10)이 배치되어 하우징(10), 병목 하우징(20), 하우징(10), 병목 하우징(20), 하우징(10) 순으로 유체가 흐를 수 있도록 하였다.
본 실시예의 경우에는 1차 병목 하우징(20)을 통과한 유체가 하우징(10)을 통과하면서 유속이 느려졌다가 다시 2차 병목 하우징(20)의 입구 병목부(26)를 통과하면 급격한 속도증가 및 압력강하로 인하여 캐비테이션(cavitation, 공동현상)에 의해 미세버블을 증가된다. 그리고, 2차 병목 하우징(20)의 제2 유동부(24)를 지나면서 강한 전단력에 의해 미세버블이 포함된 유체가 잘개 쪼개지면서 초미세버블(nano bubble)이 효과적으로 생성될 수 있다.
다음으로, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치와 종래의 벤츄리관을 비교 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치를 종래의 벤츄리관 형태와 비교한 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 미세버블 생성 장치의 유체 흐름 속도를 분석한 것을 보인 도면이다.
도 6을 참조하면, 종래의 벤츄리관(a)은 병목 하우징(20)이 벤츄리 노즐 형태로 형성되고, 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치(b)는 이중 병목부(26,28)를 가진 형태로 형성된다.
이때, 도 7을 참조하면, 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치(b)에서는 유로 중심부와 외곽부의 유속 분포가 보다 고르게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 유로 중심부와 외곽부의 유속 분포가 고르게 형성되면 수직방향으로의 전단력이 고르게 전달되어 미세버블의 초미세화가 효과적으로 이루어 질 수 있는 장점을 가진다. 결국, 종래의 벤츄리관(a)에 비하여 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치(b)에서 미세버블의 초미세화가 가능해지고 생성량도 많아질 수 있는 효과를 발휘한다.
다시 말해 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치(b)는 이중 병목부(26,28) 구조에서 미세버블의 비대칭 성장이 이루어지기 때문에 제2 유동부(24) 구조에서 발생하는 유속차이에 의한 전단력에 의해 효과적으로 미세버블의 분쇄가 이루어질 수 있다. 그리고, 이러한 과정 중에서 안정화되지 못한 초미세버블은 물속으로 쉽게 확산되어 녹아 들어가기 때문에 해당 기체 용해량이 높아지게 된다.
상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 하우징 20 : 병목 하우징
22 : 제1 유동부 24 : 제2 유동부
26 : 입구 병목부 28 : 출구 병목부

Claims (10)

  1. 내부에 기체를 포함하는 유체가 흐르는 한 쌍의 하우징; 및
    한 쌍의 상기 하우징의 사이를 연결하도록 배치되고, 한 쌍의 상기 하우징 중 어느 하나와 연결되는 전단 및 한 쌍의 상기 하우징 중 다른 하나와 연결되는 후단에 상대적으로 유동 단면적이 작은 입구 병목부 및 출구 병목부가 각각 형성되는 병목 하우징을 포함하고,
    상기 병목 하우징은,
    상기 입구 병목부부터 중간까지 유동 단면적이 증가하는 제1 유동부; 및
    상기 제1 유동부부터 상기 출구 병목부로 갈수록 유동 단면적이 감소하는 제2 유동부를 포함하며,
    상기 입구 병목부 및 상기 출구 병목부는 한 쌍의 상기 하우징의 유동 단면적으로부터 불연속적으로 감소한 유동 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 유동부 및 제2 유동부는 중간지점에 대하여 서로 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 미세버블 생성 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 유동부 및 제2 유동부의 외면은 직선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 유동부 및 제2 유동부의 외면은 곡선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 유동부 및 제2 유동부의 외면은 전단에서 후단으로 갈수록 볼록 또는 오목하게 형성되는 곡선형인 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 병목 하우징은 유체의 유동방향을 따라 복수개가 직렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 병목 하우징은 유체의 유동방향을 따라 복수개가 직렬로 배치되되, 그 사이에는 중간 하우징이 배치되는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
  10. 삭제
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