KR19990044352A - 가스와 액체를 용해시켜 혼합하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

가스와 액체를 용해시켜 혼합하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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카쭈유키 마찌야
마사카쭈 카시와
마사키 나까야마
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토시유끼 후나끼
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Abstract

본 발명은 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 액체를 약 5m/s 내지 15m/s의 속도로 수평 방향으로 주입할 수 있도록 주입부가 가스로 충진된 혼합용기의 상부쪽에 설치되고, 혼합용기 내부를 가압된 상태로 유지하기 위하여 구속된 수로인 구속기가 상기 혼합용기의 하류쪽으로 설치되고, 액체가 주입부로부터 상기 혼합용기 내부로 주입되어 가압된 상태에서 상기 혼합용기 내부의 가스와 주입된 액체간의 반응과 용해를 일으키고, 녹아든 가스를 포함하는 액체가 상기 혼합용기의 하부쪽으로 흘러나갈 수 있도록 되어 있고, 혼합용기 내의 가스가 액체에 용해됨으로써 줄어들면 가스가 혼합용기, 주입부 또는 주입부 상류의 액체 공급 파이프 라인에 공급된다. 가스와 액체간의 가압된 용해와 혼합을 적은 에너지로도 효율적으로 행할 수 있으며, 전체로써 작은 장치를 만들 수 있다.
본 발명의 장치는 본질적으로 일정하게 가동할 수 있고, 가스는 약간의 장치로 적은 에너지로도 쉽게 공급할 수 있다.

Description

가스와 액체를 용해시켜 혼합하기 위한 방법 및 장치
가스와 액체를 용해시켜 혼합시키기 위한 종래의 장치로는 가스와 액체의 혼합된 흐름을 형성하기 위하여 액체내로 가스를 흡착시키기 위한 구속부(restriction portion)을 가지는 유동체 채널인 흡입(suction) 장치가 있으며 이는 본 출원인의 일본 미심사 특허공개 제 H6-285345호에 개치되어 있다. 이러한 흡입 장치는 구속부의 아래쪽에 점차적으로 확장된 파이프 라인에 의해서 형성된 확장부를 포함하고 구속부의 약간 아래쪽에 제공되는 가스를 도입시키기 위한 가스 유입 채널을 포함한다. 액체는 압력에 의하여 흡입장치로 전달된다. 압력에 의하여 전달된 액체의 흐름은 가스를 흡수하기 위하여 구속부에서 역압(negative pressure)을 형성함으로써 가스와 액체의 혼합된 흐름을 형성한다.
상기 언급된 특허공개에 개시된 가스와 액체를 혼합하기 위한 장치의 경우에 압력, 즉 유속에 의해 생성된 역압에 의하여 전달되는 액체의 에너지를 이용함으로써 액체에 가스를 공급시켜 가동되기 때문에 액체를 전달하기 위한 압력은 높아진다. 이것은 압력을 전달하기 위한 수단으로써 펌프가 비싸고 동력원으로서 많이 소비되고 높은 펌핑 압력을 제공하여야 하기 때문에 펌프를 선택하는 데 있어서 문제점이 많이 있다.
본 발명은 종래 기술과 같은 상기 기재된 문제점을 인식하고 가스와 액체가 반응하도록 하고 적은 에너지로 효율적으로 용해되도록 하는 가스와 액체를 용해시켜 혼합하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 압력하에서 가스와 액체 사이에 반응이 야기되고 과포화 등과 같은 상태에서 그 내부에 용해되어 있는 가스를 함유하는 가압된 물이 적용되는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해시켜 혼합시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 제1구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치이 단면도이다.
도2는 본 발명의 제1구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치가 사용되는 상태를 도시한 단면도이다.
도3은 본 발명의 제2구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 단면도이다.
도4(A) 및 도4(B)는 본 발명의 제3구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 부분단면의 정면도와 우측면도이다.
도5는 본 발명의 제4구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 개략도이다.
도6은 본 발명의 제5구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 개략도이다.
도7은 본 발명의 제6구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 개략도이다.
도8은 본 발명의 제7구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 개략도이다.
도9는 본 발명의 제7구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 단면도이다.
도10은 본 발명의 제7구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 사용상태를 보여주는 단면도이다.
도11은 본 발명의 제1구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 흡입장치를 보여주는 단면도이다.
도12는 본 발명의 제8구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 사용상태 단면도이다.
도13은 본 발명의 제9구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 개략도이다.
도14는 본 발명의 제10구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 개략도이다.
도15는 본 발명의 제11구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 개략도이다.
도16은 본 발명의 제12구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 개략도이다.
도17은 본 발명의 제12구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 단면도이다.
도18은 제13구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 혼합용기의 단면도이다.
도19는 제13구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 개략도이다.
도20은 제14구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 혼합용기의 단면도이다.
도21은 제14구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 격벽의 통과구멍 부분의 단면도이다.
도22는 제15구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 개략도이다.
도23은 제16구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 개략도이다.
도24는 제17구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 개략도이다.
도25는 제17구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 단면도이다.
도26은 제17구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 격벽의 통과구멍 부분의 단면도이다.
도27은 제18구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 개략도이다.
도28은 본 발명의 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치가 수경재배에 사용되는 구체예의 개략도이다.
도29는 본 발명의 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치가 양어장의 산소공급장치에 사용되는 구체예의 개략도이다.
본 발명은 가스로 채워진 혼합용기의 상부에서 수평방향으로 약 5m/s 내지 약 15m/s 범위의 유속으로 액체를 주입시키기 위한 도입부를 제공하고, 혼합용기의 아래쪽으로 가압 상태를 유지하기 위한 제한 채널인 구속기(restrictor)를 제공하고, 혼합용기내의 가스 및 가압 상태의 도입된 액체 사이의 반응 또는 용해를 야기시키고 혼합용기의 하부로부터 내부에 용해된 가스를 포함하는 액체가 흐르도록 하고, 혼합용기내의 가스가 그 내부의 액체로 용해되는 결과로 인하여 혼합용기내의 가스가 감소될 때 혼합용기내로의 액체 공급을 중지하고, 혼합용기내로 가스를 공급하고, 혼합용기내로 액체의 주입과 혼합용기의 공급을 교대로 수행하는 단계로 구성되는 가스와 액체를 용해시켜 혼합하기 위한 방법에 관한 것이다.
더욱이 본 발명은 유동체 채널을 부분적으로 구속하는 구속부를 가지고 그것의 약간 아래쪽에 제공되는 외부로부터 가스를 도입시키기 위한 가스 유입 포트와 함께 형성된 흡입장치를 가지는 유입부를 제공하고, 가스로 채워진 혼합용기의 상부로 상기 유입부를 상승시키고, 혼합용기의 아래쪽 혼합용기내에서 가압된 상태를 유지시키기 위하여 구속된 유동체 채널인 구속기를 제공하고, 혼합 용기내의 가스와 주입된 액체 사이의 반응 또는 용해가 일어나도록 하고 그 내부에 포함된 가스를 함유하는 액체가 혼합용기의 하부 부분으로부터 흐르도록 하기 위하여 대략 5m/s 내지 15m/s 범위의 유속으로 액체를 유입부로부터 혼합용기로 주입시키고, 그 내부의 액체내로 가스가 용해되어 혼합용기내의 가스가 감소될 때 혼합용기 내부의 압력을 감소시킴으로써 유입부의 흡입장치를 통하여 흡입된 가스를 포함하는 혼합 용기내로 액체를 유입시키고, 혼합용기내의 가스가 증가될 때 흡입장치로부터 흡입을 중지시키기 위하여 혼합용기내의 압력 감소가 중단됨에 따라 액체의 유입만을 수행시키고, 액체를 단독으로 유입시키는 작동 및 유입부에 의해서 흡입됨으로써 수행되는 액체의 유입 작동을 교대로 수행하는 단계로 이루어지는 가스와 액체를 용해시키고 혼합시키는 방법에 관한 것이다.
더구나 본 발명은 가스로 채워진 혼합용기의 상부에서 수평 방향으로 약 5m/s 내지 약 15m/s 범위의 유속으로 액체를 주입시키기 위한 유입부를 제공하고, 혼합용기의 아래쪽에서 가압된 상태를 유지하기 위하여 구속 채널인 구속부를 제공하고, 혼합용기내의 가스와 가압된 상태의 주입된 액체 사이의 반응이나 용해를 야기시키고 그 내부에 용해된 가스를 함유하는 액체가 혼합용기의 하부로부터 흐르도록 하기 위하여 유입부로부터 혼합용기내로 주입시키고, 가스가 그 내부의 액체로 용해되는 결과로 혼합용기내의 가스가 감소될 때 액체의 공급 압력보다 약간 더 높은 압력으로(액체의 공급압력의 110% 보다 작은) 압력으로 유입부의 액체공급 파이프 라인 상부로 가스를 유입시키는 단계로 이루어지는 가스와 액체를 용해시키고 혼합시키는 방법에 관한 것이다. 가스와 액체를 용해시키고 혼합시키는 방법에 따르면 내부의 액체내로 가스를 용해시키는 결과로 혼합용기내의 가스가 감소될 때, 혼합용기내부의 가스 압력보다 약간 높은(혼합용기 내부의 가스 압력의 110% 보다 작은) 압력으로 가스가 혼합용기내로 주입된다.
더욱이 혼합용기내의 액체 수준은 유입부의 배출구의 높이로 조정된다.
또한 본 발명은 가스로 채워진 혼합용기, 수평방향으로 대략 5m/s 내지 15m/s 범위의 유속으로 밀폐 상태의 혼합용기내로 액체를 주입시키기 위한 혼합용기의 상부에 제공되는 노즐과 같은 유입부, 혼합용기의 하부에 제공되는 액체에 대한 배출구 및 혼합용기내의 가압 상태를 유지하기 위한 압력조정 밸브 및 다른 구속기를 포함하는 배출구의 아래쪽으로 제공되는, 구속 채널인 구속기로 이루어지고, 상기 혼합용기내에서는 혼합용기내의 가스 및 주입된 액체 사이에 반응이나 용해가 일어나도록 하고 배출구 및 구속기를 통하여 그 내부에 용해된 가스를 함유하는 액체가 흐르도록 하기 위하여 유입부로부터 혼합용기내로 주입되는 가스와 액체를 용해시키고 혼합하는 장치에 관한 것이다. 나아가서 혼합용기의 상부와 유입 부분의 상부 사이의 트랜스퍼 밸브, 트랜스퍼 밸브의 상부에 제공되는 가스 탱크 및 압축기 및 가스 실린더와 같은 가스 공급원으로 구성된 가스 탱크의 상부에 제공되는 가스 주입 수단도 제공된다.
나아가서 본 발명은 유동체 채널의 구속부인 벤투리(venturi)관등과 같은 형태의 구속부, 구속부보다 약간 더 큰 내부 반경을 가지는 약간 아래쪽에 형성된 실린더형 채널, 실린더형 채널의 아래쪽에 제공된 점차적으로 확장된 파이프 라인인 확장부, 가스로 채워진 혼합용기의 상부쪽으로 상승되고 혼합용기내로 개방된 외부에서 가스를 도입하기 위한 가스 흡입(intake) 포트를 가지는 실린더형 채널에 연결된 유입부, 혼합용기의 하부에 제공된 액체에 대한 배출구, 혼합용기내의 가압 상태를 유지하기 위한 구속된 채널인 배출구의 아래쪽에 분지된 파이프 라인중 하나위에 제공되는 구속기 및 혼합용기내의 가스와 주입된 액체 사이의 용해 반응을 야기시키고 배출구 및 구속기를 통하여 그 내부에 용해와 가스를 포함하는 액체를 제공하기 위하여 주입부로부터 밀폐상태의 혼합용기내로 액체가 주입되는 다른 파이프 라인상에 제공되는 on-off 밸브로 이루어지는 가스와 액체를 용해시키고 혼합시키기 위한 장치에 관한 것이다.
더욱이 유입이 이루어진 다수의 혼합용기가 서로 평행하게 배치되고; 각각의 유입부는 파이프 라인을 통하여 액체 공급원에 연결되고; 파이프 라인과 구속기는 각각의 혼합용기의 배출구에 제공된다.
나아가서 본 발명은 가스로 채워진 혼합용기, 수평방향으로 약 5m/s 내지 약 15m/s 범위의 유속으로 밀폐 상태의 혼합용기내로 액체를 주입하기 위한 혼합용기의 상부에 제공되는 노즐과 같은 유입부, 액체를 공급하기 위한 펌프와 같은 액체 공급 장치, 유입부의 상부에 위치하는 유동체 채널에서 액체의 공급 압력보다 약간 더 높은(액체의 공급압력의 110%보다 낮은) 압력으로 유동체 채널에 가스를 공급하기 위한 가스 공급장치, 혼합용기의 하부에서 제공되는 액체에 대한 배출구, 혼합용기내의 가압된 상태를 유지하기 위한 압력 조절 밸브 및 다른 구속기를 포함하는 배출구의 하부에서 제공되는 구속 채널인 구속기로 이루어지고, 상기 혼합용기내에서 혼합용기내의 가스와 주입된 액체사이를 반응시키거나 용해시키고 배출구와 구속기를 통하여 흐르는 내부에 용해된 가스를 포함하는 액체를 공급하기 위하여 유입부로부터 혼합용기내로 액체가 주입되는, 가스와 액체를 용해시키고 혼합하기 위한 장치도 제공한다. 또한 가스 공급장치는 혼합용기 내부의 가스 압력보다 약간 더 높은(혼합 용기내의 가스 압력의 110% 보다 낮은) 압력으로 혼합용기내로 가스를 공급한다.
더욱이 가스 공급장치가 압축기등의 아래쪽에 제공되는 가스 탱크 및 밸브와 같은 구속기 또는 그것의 아래쪽에 제공되는 고정 구속기를 포함하고 각각 예정된 주기동안 또는 가스의 예정된 조건에 따라 액체의 공급 압력보다 약간 더 높은 압력으로 액체 공급 파이프 라인 및 혼합용기내로 가스가 공급되는 가스와 액체를 용해시키고 혼합시키기 위한 장치로 제공된다.
나아가서 본 발명에 따른 가스와 액체를 용해시키고 혼합시키기 위한 장치는 상기 기재된 것과 유사한 또 다른 혼합용기가 파이프 라인을 통하여 배출구의 아래쪽에 연계하여 연결되고; 파이프 라인은 혼합용기의 상부에 연결되고; 구속기는 다른 혼합용기의 배출구에 연결된; 액체와 가스를 용해시키고 혼합시키기 위한 장치이다.
또한 액체가 유입부에 의하여 유입되는 방향으로 예정된 간격이상으로 주입된 액체와 그 밑의 액체를 분리하기 위한 격벽(diaphragm)도 제공된다. 배출구는 액체의 주입 방향에 대면하는 혼합용기내의 벽 표면 및 그것의 주변 벽 표면을 제외한 벽 표면에 설치된다. 택일적으로 액체의 주입 방향으로 주입부 밑에 격벽이 제공되고 격벽 밑에 및 실질적으로 유입부 아래 직접 배출구가 제공되는 가스와 액체를 혼합하기 위한 장치로 제공된다. 유입부 쪽으로 격벽 위의 관통 홀이 형성되고 그것의 하부에 상대적으로 더 크게 관통 홀이 형성된다.
본 발명에 따른 액체와 가스를 용해시키고 혼합하기 위한 방법과 장치를 수행하기 위한 방식(mode)은 도면을 참고로 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1구체예를 나타낸다. 도 1은 압력에 의한 액체의 전달 초기상태를 나타내고 도 2는 정상적인 작동중 상태를 나타낸다. 이 구체예에서 액체를 공급하기 위한 파리프 라인(10)에 연결된 유입부인 노즐(12)은 밀폐하여 형성된 혼합용기(14)의 상부에 연결된다. 구속기는(20)는 배출구(16)로부터 연장된 파이프 라인(18)을 통하여 혼합용기(14)의 하부에 연결되고 배출하기 위한 파이프 라인(22)은 구속기(20)의 아래쪽에 연결된다. 구속기가 도 1의 고정된 구속기로서 나타나 있을지라도 밸브와 같은 다양한 구속기가 사용될 수 있다.
본 구체예에서 가스와 액체를 용해시키고 혼합시키기 위한 장치에서, 그 내부에 가스를 용해시킨 액체가 파이프 라인(10)을 통하여 노즐(12)에 외부로부터 흐른다. 액체는 노즐(12)에 의하여 가속되고 제트(15)와 같은 혼합용기내로 주입되어진다. 혼합용기(14)는 가스가 액체내에 용해되어 미리 채워지고 혼합용기(14)내에서 점차적으로 가압된 상태를 형성하기 위해 흘러들어오는 액체에 의하여 가스의 부피는 압축된다. 가스와 액체사이에서의 반응이나 용해는 가압된 상태와 같은 혼합용기내에서 발생된다.
가스와 액체사이의 반응이나 용해를 효율적으로 일어나게 하기 위하여 가속된 액체의 제트(15)의 유속은 적어도 5.0m/s가 되어야 하며 에너지 효율을 고려하면 약 10m/s인 것이 바람직하다. 유속이 15.0m/s를 초과하게 되면 가스와 액체의 반응을 촉진시키지 못하고 액체의 펌핑하는 압력에 대해 필요한 에너지가 증가시키게 된다. 그러한 유속을 얻기 위해 노즐(12)의 배출구에서 개구(13)의 단면적은 연속방정식으로부터 유도되는 하기 상대적 표현에 따라 세트된다.
S1 = Q/U (1)
상기식에서 S1은 개구(m2)의 단면적을 나타내고; Q는 액체 흐름의 양을 나타내고(m3/S); U는 액체의 유속을 나타낸다(m/s).
혼합용기(14)내의 가스와 반응하는 액체는 배출구(16)에 연결된 파이프 라인(18)을 통하여 혼합용기(14) 밖으로 흘러나온다. 배출구(16)은 혼합용기(14)의 하부에서 제공되기 때문에, 액체를 제외하고 용기에 채워진 가스가 흘러나오지 않고, 액체는 구속기(20)에 의해서 가속된 파이프 라인(18)을 통하여 통과한 후에 더 높은 유속을 가진다.
혼합용기(14)는 구속기(20)를 통하여 흐르는 액체의 유속과 일치하는 가압 상태로 옮겨지고, 액체는 구속기(20)를 통하여 통과된 후에 파이프 라인(22)을 통하여 장치의 밖으로 흘러나온다. 구속기(20)의 단면적 및 혼합용기(14)의 압력사이의 관계는 하기와 같다.
P1 = (Q2/2S22 (2)
상기식에서 (는 액체의 밀도(kg/m3)이고; P1은 혼합용기내의 압력(게이지 압력)(Pa)을 나타내고; S2는 구속기의 단면적(m2)을 나타낸다.
이 구체예에서 가스와 액체의 더 효과적인 반응이나 용해는 액체 수준(24)이 정상 작동중에 노즐(12)의 개구(13)의 위치에 가까워질 때 달성될 수 있다. 액체 수준은 혼합용기(14)의 각 부분의 부피와 용기의 압력사이의 하기에서와 같은 관계가 성립한다면 그러한 위치로 세트될 수 있다.
P1/P0 = V1/V0-1(3)
상기식에서 P0는 액체를 주입시키기 전에 혼합용기내의 압력을 나타내고(Pa); P1은 봉합시의 용기내 압력을 나타내고(Pa); V0는 혼합용기의 부피를 나타내고(m3); V1은 혼합용기의 노즐 개방부 위의 부분을 혼합한 부피를 나타낸다(m3 ).
본 발명을 수행하기 위한 구체예에 따른 가스와 액체를 용해시키고 혼합하기 위한 장치는 흡입 및 압력에 의한 액체의 전달을 포함하지 않기 때문에 상대적으로 낮은 수준의 에너지로 수행될 수 있고 높은 효율로 가스와 액체의 혼합을 달성시킨다. 더욱이 액체가 용기의 낮은 부분에서 모아지기 때문에 가스는 배출구(16)으로부터 흘러나오기는 어렵다. 이와 같이 가스는 낭비되지 아니하고 높은 효율로 사용된다.
액체내로 가스가 용해되는 결과로 혼합용기(14)내의 액체가 감소되기는 하지만 가공이 그후에 원하는 만큼 반복되는 일정 수준까지 감소될 때 가스 실린더, 압축기 등을 사용하여 필요한 만큼 혼합용기가 변화될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2의 구체예를 나타낸다. 본 구체예에 따른 가스와 액체를 용해시키고 혼합시키기 위한 장치는 노즐(12)로부터 제트(15)가 흘러들어오는 제1구체예에 따른 가스와 액체를 용해시키고 혼합시키기 위한 장치의 영역에서 격벽(25)에 의하여 분리된 도관부(26)를 제공함으로써 이루어진다. 이것은 다른 다양한 조건과 그것이 사용되는 방법에 따른 제1구체예에 유사하다.
본 구체예에서 제트(15)는 도관부(26)에 의하여 좁은 공간으로 나누어지고 다양한 크기의 와동(vortex)이 도관부(26)내에서 생성되어 가스와 액체사이의 높은 수준의 접촉이 이루어지도록 하고, 그럼으로써 도관부(26)내의 가스와 액체 사이에 매우 효율적인 반응 또는 용해가 이루어지도록 한다. 도관부(26)의 크기는 제트(15)의 반경보다 10 내지 20배 더 큰 사이즈로 조정하는 것이 바람직하다. 본 구체예에서 노즐(12)에 액체 수준이 더 가까울수록 가스와 액체간의 접촉수준이 높아진다.
도 4는 본 발명의 제3구체예에 따른 가스와 액체를 용해시키고 혼합시키기 위한 장치를 나타낸 것이다. 본 구체예에서 혼합용기(28)는 루프 형태로 파이프 라인(29)에 의해서 형성된다. 제2구체예에서 격벽(25)의 것과 동등한 활동이 제트(15)의 반경보다 10 내지 20배 더 큰 크기의 노즐(12)과 연결되는 파이프 라인(29)의 내부 반경을 형성함으로써 본 구체예에서 얻어질 수 있으며 유사한 효과가 예상될 수 있다. 본 구체예는 다른 다양한 조건 및 그것이 사용되는 방법에 대하여 제1구체예와 유사하다.
본 구체예에서 파이프 라인(29)은 나선 형태를 가지지만, 파이프 라인(29)의 형태는 5.0m/s의 유속으로 수평방향으로 노즐(12)로부터 액체의 제트가 주입되는 한 임의적으로 세트되고; 배출구(16)의 유동체는 제트(15)의 입구 밑에 위치하고; 구속은 그것의 아래쪽에서 제공되어진다. 이 경우에 액체 수준은 또한 제1구체예에서 기재된 바와 같이 노즐의 개방부 근처에 위치하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 제4구체예에 따른 가스와 액체를 용해시키고 혼합시키기 위한 장치를 나타낸다. 상기 기재된 구체예와 동일한 부분은 동일한 부재 번호에 의해 나타내어지고 있으며 여기에서 설명하지는 않는다. 도 5는 전체적인 장치의 형태를 나타낸다. 본 구체에에서 공급 파이프 라인(32) 및 배출 파이프 라인(34)은 펌프(30)에 연결되어진다. 체크 밸브(35)는 배출 파이프 라인(34)의 중간에 제공되고 가스 주입 수단으로서 가스 파이프 라인(36)은 그것의 아래쪽 중간 정도에 연결된다. 배출 파이프 라인(34)은 노즐(12)에 연결되고 가압된 상태에서 밀폐되어 가스를 포함하는 혼합용기(14)의 상부에 연결된다. 가스 주입 수단으로서 압축기(39)는 체크 밸브(38)를 통하여 가스 파이프 라인(36)에 연결된다. 파이프 라인(18)은 혼합용기(14)의 하부에서 배출구(16)에 연결되고 파이프 라인(18)은 구속기(20)를 통하여 파이프 라인(22)에 연결된다. 구속기(20)로서 밸브와 같은 다양한 형태의 다층의 구속기가 사용될 수 있다. 가스 파이프 라인(36)은 노즐(12)의 위쪽 대신에 혼합용기(14)의 상부에 연결되어 질 수 있다.
본 구체에에 따른 가스와 액체를 용해시키고 혼합시키기 위한 장치의 작동에 대하여 언급하면, 공급 파이프 라인(32)을 통하여 액체 공급조(40)로부터 펌프(30)에 의해서 흡수된 액체는 펌프(30)에 의하여 전달되고 배출 파이프 라인(34)을 통하여 노즐(12)로 흘러들어간다. 액체는 제트로서 혼합용기(14)로 전달되기 위하여 상기 기재된 구체예에서와 같이 노즐(12)에 의하여 가속된다. 혼합용기(14)는 가스로 미리 채워지고 가스의 부피는 혼합용기(14)내의 가압 상태를 형성하기 위하여 흘러들어가는 액체에 의하여 압축된다. 가압된 상태에서 혼합용기(14)내에 채워진 가스와 주입된 액체사이에 반응이나 용해가 일어난다. 본 구체예는 다양한 조건 및 사용되는 방법에 대하여 제1구체예와 유사하다.
본 구체예에서 가스와 액체사이의 반응이나 용해의 결과로서 혼합용기(14) 내부의 가스가 소비되어 고갈될 때, 펌프(30)는 정지되어 혼합용기(14)내의 압력을 감소시키고 압축기(39)는 가스로써 혼합용기(14)를 보충시킨다. 가스가 다시 보충된 후에 펌프(30)는 정지된 압축기(39)로써 재시동된다. 압축기(39)는 펌핑 수단으로서 사용되어질지라도 가스 실린더와 같은 다른 펌핑 수단이 사용될 수 있다. 체크 밸브(38)가 압축기(39)로부터 연장된 가스 파이프 라인(36)의 중간에 제공되기 때문에 어떠한 액체도 펌핑중에 압축기(39)로 되돌아 흘러가지 않는다. 나아가서 체크 밸브(35)가 배출 파이프 라인(34) 중간에 제공되기 때문에 어떠한 가스도 가스의 재충전 중에 펌프(30)로 되돌아 흘러가지 않는다.
액체 펌핑 수단이 과부하로부터 완화되고 가스를 펌핑하기 위해 필요한 동력이 가스와 액체의 계속적인 용해 또는 혼합이 필요하기 않을 때 특별히 절약될 수 있다는 점에서 유리하기 때문에 정지된 펌프(30)를 사용하여 펌핑함에 의하여 가스가 재충전된다. 본 구체예에서 개방 노즐의 위치에 가까운 액체 수준은 또한 정상 작동중에 가스와 액체 사이의 보다 효과적인 반응이나 용해가 일어나도록 한다. 더욱이 격벽이 상기 기재된 제2구체예에서와 같이 혼합용기(14)의 노즐(12)의 개방부 가까이에 제공되어 질 수 있다.
도 6은 본 발명의 제5구체예에 따른 가스와 액체를 용해시키고 혼합하기 위한 장치를 나타낸다. 상기 기재된 구체예와 동일한 부분은 동일한 부재 번호에 의해서 나타나 있으며 여기에 설명하지는 않는다. 본 구체예는 두쌍의 노즐(12)과 혼합용기(14)가 파이프 라인(41)을 통하여 직렬로 연결되는 점을 제외하고는 제4구체예의 것과 동일한 배치를 가진다. 도 6에 도시된 바와 같이 혼합용기(14)의 배출구(16)로부터 파이프 라인(41)은 노즐(12)에 유사한 노즐(42)에 연결되고 노즐(42)은 혼합용기(14)에 유사한 혼합용기(44)에 연결된다. 직렬로 연결된 노즐과 혼합용기 쌍의 번호는 임의적으로 세트될 수 있다. 본 구체예는 다양한 다른 조건 및 사용된 방법에 대하여 제1구체예와 유사하다.
본 구체예에서, 두쌍의 노즐(14)과 혼합용기(14)는 직렬로 연결되어 한 세트의 경우에 사용될 수 있는 두배 수준의 가스와 액체 사이의 접촉이 이루어지게 한다. 그러한 세트의 수의 증가는 가스와 액체 사이의 접촉에 있어서 대응하는 증기가 이루어지게 한다.
도 7은 본 발명의 제6구체예에 따른 가스와 액체를 혼합하기 위한 장치를 나타낸다. 상기 기재된 구체예와 동일한 부분은 동일한 부재 번호에 의하여 나타내어지며 이하에서는 설명하지 않으며, 제4구체예에 따른 가스와 액체를 용해시키고 혼합하기 위한 두 세트의 장치가 병렬로 연결되어 있다. 본 구체예에 따른 가스와 액체를 용해시키고 혼합하기 위한 장치는 장치중 하나를 작동시킴으로써 사용되어지는 반면 다른 것은 가스를 재충전하기 위하여 정지한다. 이것은 장치가 가스를 재충전하기 위한 시간을 허비하지 않고 계속적으로 작동될 수 있는 가스와 액체를 용해시키고 혼합하기 위한 장치를 제공하는 것을 가능하게 한다. 이것은 또한 본 구체예에서 평행하게 제공될 수 있는 세 개의 또는 그 이상의 장치를 제공할 수 있도록 한다. 다양한 다른 조건이 상기 기재된 구체예의 것들과 유사하다.
도 8은 본 발명의 제7구체예에 따른 가스와 액체를 혼합하고 용해시키기 위한 장치를 나타낸다. 상기 기재된 구체예와 동일한 부분은 동일한 부재번호로 표시되어 있으며 여기에서 설명하지는 않는다. 본 구체예에서 도 8에 나타낸 바와 같이 액체 공급원(60)에 연결된 공급 파이프 라인(32)이 펌프의 흡입면 위에 제공되고 배출 파이프 라인(34)은 펌프(30)의 배출면에 연결된다. 주입부로서 흡입장치(50)는 배출 파이프 라인(34)의 아래쪽 끝에 연결되고 흡입 장치(50)는 혼합용기(14)의 위쪽 부분에 연결된다. 가스 파이프 라인(36)은 체크 밸브(38)를 통하여 흡입장치(50)에 연결된다.
파이프 라인(54)은 혼합용기(14)의 아래족 부분에서 배출구(16)에 연결되고 파이프 라인(54)의 분지 포인트(55)중 하나는 구속기(20)를 통하여 배출 파이프 라인(22)에 연결된다. 분지 포인트(55)로부터 다른 파이프 라인(54)은 on-off 밸브(56)를 통하여 파이프 라인(58)에 연결된다. 파이프 라인(58)은 액체원(60)에 연결된다.
도 11에 도시된 바와 같이 흡입장치(50)는 액체 흡입 포트(51)의 아래쪽 부분에서 벤츄리 튜브의 형태이다. 구속부(기관(throat)부)(53)의 아래쪽에는 구속부(기관부)(53)와 중심이 같고 약간 크거나 동일한 내부 반경을 가지는 실린더형 흡입부(57)가 제공되어진다. 가스 흡입 포트(59)는 흡입부(57)에 개방되어진다. 확장부(61)는 가스 흡입 포트(59)의 아래쪽에 형성되고 확장부(61)는 혼합용기(14)의 위쪽 부분에서 개방된다.
본 구체에에서 가스와 액체를 용해시키고 혼합하기 위한 장치에서 공급 파이프 라인(32)을 통하여 액체원(60)으로부터 펌프(30)에 의하여 흡수된 액체는 배출 파이프 라인(34)을 통하여 흡입장치(50)내로 펌프(30)에 의하여 전달된다. 액체는 흡입장치(50)에 의하여 가속되고 도 9에 나타낸 바와 같이 제트(15)로서 혼합용기(14)내로 전달된다. 상기 기재된 구체예에서 주입된 액체와 그 내부에 채워진 가스 사이에 반응이나 용해가 발생한다. 조건은 제1구체예와 같으며 도 10에 나타낸 바와 같이 제트(15)로서 주입 포트인 확장부(61)에 액체수준이 근접할 때 효과적인 방법으로 가스와 액체가 서로 접촉하게 된다.
본 구체예에서, 가스가 가스와 액체의 반응의 결과 줄어들면, 온-오프 밸브(56)가 가스를 흡입하기 위해 열려진다. 온-오프 밸브(56)가 열려지면, 구속기(20)는 작동하지 않는다. 그 결과, 혼합용기(14)의 내부는 압력이 저하하고 흡입장치(50)의 가스흡입부(57)에 역압력이 발생한다
따라서, 외부 가스는 혼합용기(14) 내부로 흡입장치(50)를 통해 흡수된다. 혼합용기(14)에서, 배출구(16)가 하부쪽에 설치되기 때문에, 액체는 가스에 선행하여 흘러나가고 가스는 그곳에 형성된 공간을 통해 흡수되어진다. 가스가 다시 채워진후, 온-오프 밸브(56)는 닫혀지고 구속기(20)의 효과가 다시 얻어진다. 그러면, 혼합용기내의 가스의 압력은 상술한 것처럼 액체가 흘러나감에 따라 증가하고 가스와 액체의 용해와 혼합이 일어난다. 이 과정은 필요한 대로 반복되어진다.
도12는 본 발명의 제8구체예의 가스와 액체를 용해하고 혼합하는 장치를 보여준다. 상술한 구체예와 동일한 부재들은 동일한 부재번호에 의해 지칭되고 여기서 상술하지는 않는다. 도12에 도시된 바와 같이, 본 구체예는 흡수장치(50)로부터 제트(15)가 흘러나오는 부분의 격벽을 설치함으로써 형성된 덕트부를 포함한다. 이는 제7구체예와 비슷한 구성을 보여주며, 비슷한 조건하에서 비슷하게 가동된다.
본 구체예에서, 상술한 바와 같이, 제트(15)는 격벽(25)에 의한 좁은 공간으로 한정되어지고, 가스와 액체간의 높은 레벨의 접촉을 가능케 한다. 이 경우, 덕트부(26)의 크기는 제트(15)의 직경보다 10 내지 20배 큰 것이 적당하다.
도13은 본 발명의 제9구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치를 나타낸다. 발명을 수행하기 위한 상술한 구체예와 동일한 부재들은 동일 부재번호에 의해 지칭되고 여기서 상술하지는 않는다. 본 구체예와 관련하여 도13에 도시된 바와 같이 흡수장치(50)와 혼합용기(14)는 배출구(16)의 하류에 직렬로 설치되고, 가스 파이프 라인(36) 동 배출구의 상류 흡수장치(50)의 전면에 설치되고, 구속기(20)가 하류혼합용기(14)의 하류에 설치된다. 비록, 두 쌍의 흡수장치(50)와 혼합용기(14)가 본 구체예에서 설치되어졌으나, 그 수는 적절히 증가시킬 수 있다. 게다가, 노즐은 제2단계 및 그 이후의 하류부에 흡수장치(50) 대신에 혼합용기(14)의 상부쪽에 연결될 수 있다. 다양한 다른 조건들은 제1구체예와 동일하다.
본 구체예에서, 가스와 액체간의 더 높은 레벨의 접촉도 흡수장치(50)와 혼합용기(14)를 다단계로 직렬로 연결함으로써 가능하다.
도14는 본 발명의 제10구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치를 보여준다. 본 발명을 수행하기 위한 상술한 구체예들과 동일한 부재들은 동일 부재번호에 의해 지칭되고 여기서 상술하지는 않는다. 도14에 도시된 바와 같이, 본 구체예와 관련하여, 두 세트의 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치가 병렬로 연결되어있다. 이는 가스를 재충전하기 위해 한 쪽 장치를 정지시킨 동안 다른쪽 장치를 가스의 재충전을 위해 중단시킴 없이 연속적으로 가동이 가능한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 현실화를 가능케한다. 세 개 이상의 장치가 병렬로 설치될 수도 있다. 다양한 다른 조건들은 제1구체예와 동일하다.
도15는 본 발명의 제11구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치를 보여준다. 본 발명을 수행하기 위한 상술한 구체예들과 동일한 부재들은 동일 부재번호에 의해 지칭되고 여기서 상술하지는 않는다. 도15에 도시된 바와 같이, 본 구체예에서, 압력조절밸브(70)가 제7구체예의 구속기(20) 대신에 설치되어 제7구체예의 분기점에 후속하는 감압을 위한 파이프 라인을 없애준다. 본 구체예에서 압력조절밸브(70)는 가스가 흡수장치(50)에 의해 흡입될 때 혼합용기(14) 내부의 압력을 감소시키기 위해 열려지고, 혼합용기내의 가압된 상태는 압력조절밸브를 잠금으로써 얻어진다.
도16 및 도17은 본 발명의 제12구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하는 장치를 보여준다. 본 발명을 수행하기 위한 상기 구체예들과 동일한 부재는 동일 부재번호에 의해 지칭되고 여기서 상술하지는 않는다. 본 구체예와 관련하여 도16에서 제7구체예와 같은 흡수장치가 배출 파이프 라인(34)과 상기 배출 파이프 라인상에 설치된 노즐(12) 사이에 설치되고 상기 혼합용기(14)의 상부분과 연결된다. 다른 조건들은 제1구체예와 동일하다.
본 구체예에서 노즐(12)의 개구부(13)의 단면적은 흡수장치(50)와 구속기(20)의 목부(53)의 단면적보다 충분히 크고 제트(15)의 흐름도 5m/s에서 15m/s의 범위가 적절하다. 특히 노즐(12) 배출구의 개구부(13)의 단면적은 목부분(53)과 구속기(20) 단면적의 1.5배 이상이 적절하다. 다른 조건들은 제1구체예와 동일하다.
본 발명과 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치에서, 혼합장치(14)내에서 가스의 역류는 체크밸브(38)나 가스 파이프 라인(36)에서 누출된다 해도 용액이 노즐(12)로부터 배출될 때 발생하지 아니한다.
도18과 도19는 본 발명의 제13구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하는 장치를 보여준다. 본 구체예의 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치는 제2구체예의 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 출구부(16)의 설치부를 혼합용기(14)의 아래쪽, 혼합용기(14)의 격벽(25)의 아래쪽이고 직접적으로는 노즐(12)의 아래쪽으로 이동시킨다. 공급 파이프 라인(32)과 배출 파이프 라인(34)은 펌프(30)에 연결된다. 체크 밸브(34)는 배출 파이프 라인(34)과 가스 파이프 라인(36)의 사이에 가스주입 수단으로 설치되고 하류쪽으로 연결된다. 배출 파이프 라인(34)은 노즐(12)과 가스가 밀폐되어 가압된 상태에 있는 밀폐된 혼합용기(14)의 상부쪽에 연결된다. 가스주입 수단으로써 압축기(39)는 체크밸브(38)를 통하여 가스파이프 라인(36)에 연결된다. 파이프 라인(18)은 노즐(12) 아래의 배출구(16)에 직접 연결되고, 구속기(20)를 통과하여 파이프 라인(22)에 연결된다. 다양한 유형의 밸브와 같은 다양한 구속기가 구속기(20)로써 사용될 수 있고, 가스 파이프 라인(36)은 노즐(12)의 상류쪽 대신에 혼합용기(14)의 상부분에 연결되어질 것이다.
본 구체예의 배출구(16)의 상기와 같은 위치는 배출구(16)가 도18의 위치의 반대쪽 또는 액체를 분사하는 방향에 면하는 벽 표면 근처에 설치되면, 용해되지 않은 가스가 거품이 되어 배출구를 통해 액체와 함께 흘러나오고, 가스의 이용도가 저하하며, 커다란 기포를 포함하는 가스와 액체의 혼합물을 형성하기 때문이다. 만약 배출구(16)가 본 구체예와 같이 노즐(12)의 아래에 직접 설치된다면 제트(15)에 의한 흐름도 배출구(16)를 향하지 않고, 배출구를 향한 가스와 액체의 혼합흐름동안 불충분한 용해에 의한 거품이 격벽(25)의 뒤쪽편에 모이고, 쉽사리 배출구를 통해 배출되지 않는다. 모여진 거품은 가스가 낭비되는 것을 방지하기 위하여 즉시 위쪽으로 방출되어진다.
격벽(25)의 뒤쪽으로 거품을 모으기 위한 조건으로써는, 혼합용기 속 채널내의 속도는 0.1m/s 이하이고, 도18의 혼합용기(14)내의 채널의 높이H와 길이L의 비 L/H는 4보다 커야한다. 배출구(16)는 액체가 분사되는 방향이나 그 후면의 면이 아닌 다른 벽면에 설치되어진다. 게다가, 격벽(25)이 그 단부가 배출구(16)에 대해 약간 상향으로 경사져있다면, 거품도 자연히 혼합용기(14)의 윗부분을 향해 움직일 것이다. 본 구체예는 제1, 2, 4 구체예와 다른 조건이나 사용방법이 동일하다. 상술한 구체예에서 흡수장치(50)가 노즐(12) 대신에 사용될 수 있다.
도20 및 도21은 본 발명의 제14구체예이다. 본 구체예의 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치는 제13구체예의 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 혼합용기의 격벽(25)의 배출구(16) 근처에 관통구멍(72)을 형성한 것이다.
따라서 격벽(25)의 뒤쪽에 모아진 거품이 상기 관통구멍(72)을 통해 혼합용기(14)의 위쪽으로 이동하여 액체와 혼합되어진다. 이는 거품이 배출구로부터 흘러나가는 것을 방지하여 가스의 유용성을 높인다.
도20에 나타난 구성 대신에, 격벽(25)에 형성된 관통구멍(72)은 도21A 및 21B에 도시된 바와 같이 전적으로 또는 부분적으로 끝이 잘린 원추형 부분(72a)으로 형성되어 거품이 끝이 잘린 원추형부분(72a)을 통해 관통구멍(72)으로 이동해 위쪽으로 떠오를 수 있도록 한다.
도22는 본 발명의 제15구체예이다. 본 구체예의 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치를 도5의 제4구체예의 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 체크밸브(38)와 배출 파이프 라인(34)의 사이에 가스 파이프 라인(36)에 가스 주입 수단으로써 가스탱크(74)를 설치하고 상기 가스탱크(74)와 배출 파이프 라인(34)사이의 가스 파이프 라인(30)에 솔레노이드 밸브(76)를 설치함으로써 이루어진다.
본 구체예에 의하면, 상기 가스탱크(74)는 액체가 펌프(30)에 의해 펌핑되는 동안, 압축기의 가동에 의해 가압된 가스로 채워진다. 혼합용기(14)의 가스가 줄어들기 시작하면 펌프와 압축기는 멈추고 솔레노이드 밸브는 혼합용기(14)를 가스탱크(74)의 가스로 채우기 위해 잠겨진다. 가스탱크(74)의 가스의 압력은 본질적으로 혼합용기(14)의 가스의 압력과 같고, 혼합용기(14)의 액체가 배출됨에 따라 혼합용기(14)내로 채워진다.
이는 혼합용기(14)내의 액체가 한번에 배출되지 않고 연속적으로 배출될 수 있도록 해준다. 게다가, 액체가 펌핑되는 동안, 즉 솔레노이드 밸브(76)가 감겨질 때 압축기는 가스를 압축해서 가스탱크를 충진하므로, 액체를 펌핑하는 펌프(30)는 도5의 제4구체예에 비해서 매우 짧은 기간만 가동이 중단된다. 특히, 압축기는 가동에 많은 시간이 소요되므로, 만약 압축기가 펌프가 멈추어진 후에 가동된다면 압축기가 혼합용기(14)내의 가스압력과 같은 가스압력을 얻는데 많은 시간이 소요된다는 문제가 있다. 그러나, 본 구체예에서는 가동이 펌프가 가동중일 때 영향받고, 펌프(30)는 가스의 충진을 위해 단지 수초 정도의 짧은 시간 동안만 멈출 필요가 있다.
다음 도23은 본 발명의 제16구체예이다. 상기 구체예의 부재들은 부재번호에 의해 지칭되고 상술하지는 않는다. 도23에 도시된 바와 같이 본 구체예에 의하면, 제7구체예의 흡수장치(50)가 배출 파이프 라인(34)의 중간에 설치되고, 노즐(12)이 상기 배출 파이프 라인(34)의 단부에 설치되어 혼합용기(14)의 상부와 연결된다. 게다가 본 구체예의 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치에서 제12구체예의 온-오프 밸브(56)가 솔레노이드 밸브(76)로 치환된다. 본 구체예의 구성은 제1, 7, 12 구체예와 비슷하고, 다른 조건들은 상기 구체예들과 동일하다.
본 구체예의 노즐(12)의 개구부(13)의 단면적은 흡수장치(50) 및 구속기(20)의 목부분(53) 단면적보다 충분히 커서 제트의 속도가 5m/s에서 15m/s의 범위에 있는 것이 바람직하다. 특히, 노즐(12)의 출구에서 개구부(13)의 단면적은 목부분(53)과 구속기(20)의 단면적의 1.5배 정도가 적절하다.
본 구체예에 의하면, 액체와 가스는 압축기 없이 솔레노이드 밸브(76)를 스위칭함으로써 자동적으로 주입하고 공급할 수 있다.
다음 도24 내지 도26은 본 발명이 제17구체예를 나타낸다. 상기 구체예와 동일한 부재들은 동일 부재번호에 의해 지칭되고 상술하지는 않는다. 본 구체예에 의하면 액체를 공급하기 위해 파이프 라인(34)의 단부에 연결된 주입부로써 노즐(12)은 밀폐된 혼합용기(14)의 측면의 상부에 연결된다. 배출구는 혼합용기(14)의 측면 하부쪽에 형성된다. 배출구는 파이프 라인(18)을 통해 구속기로써 감압밸브(80)에 연결되고 가스가 용해된 가공된 용액을 모으기 위한 저수조(88)의 일측벽과 통해있다.
액체를 공급하기 위한 펌프(30)는 파이프 라인(34)의 상류쪽과 연결되어 있고, 체크 밸브(35)가 노즐(12)로의 흐름을 위해 펌프(30)에서 노즐(12)까지 연장된 파이프 라인(34)의 중간에 설치된다. 게다가, 파이프 라인(36)이 체크밸브(35)와 노즐(12) 사이에 연결되고, 가스공급 수단으로써 압축기(39), 가스를 저장하기 위한 가스탱크(74), 구속기로써 솔레노이드 밸브(82), 밸브(84) 및 체크밸브(38)가 파이프 라인(36)에 기술된 순서에 따라 직렬로 설치된다.
격벽(25)이 혼합용기(14)의 내부에 설치되어 용기의 내부를 노즐(12)이 연결된 측면으로부터 기결정된 간격으로 구획한다. 통과구멍(72)이 노즐(12)을 향해 격벽(25)의 단부에 형성된다. 격벽(25)은 가스가 불충분하게 용해되거나 가스와 불충분하게 반응한 액체가 배출구(16)로 배출되는 것을 방지해준다. 통과구멍(72)은 상기 격벽(25)의 뒷쪽하부에 모인 가스를 위쪽으로 되돌려 가스와 액체간의 용해와 반응을 위해 재순환시킨다. 이는 배출구로 낭비되어 나가는 거품을 감소시켜 보다 효율적인 가스의 이용이 가능하다. 도25에 도시된 구성 대신 격벽(25)에 형성된 통과구멍(72)은 전체적 또는 부분적으로 도21A 및 도21B에 도시된 바와 같이 끝이 잘린 원추형부분으로 형성되어 기포가 상기 끝이 잘린 원추형 부분을 통해 통과구멍(72)으로 보다 쉽게 이동하여 위로 떠오르도록 되어있다.
본 구체예의 노즐(12)아래 배출구(16)의 상기 위치는 도24 및 도25의 반대위치의 액체를 분사하는 방향에 면하는 벽면근처에 설치되면 문제가 발생하며, 용해되지 않은 가스가 상기 위치에 설치된 배출구를 통해 액체와 함께 거품으로 흘러나오며, 가스의 유용도가 감소하고 커다란 기포가 함유된 가스와 액체의 혼합물이 형성되기 때문이다. 만약 배출구(16)가 본 구체예와 같이 노즐(12)의 하부에 직접 설치된다면, 제트(15)에 의해 발생된 흐름이 직접 배출구(16)를 향하지 않게 되고, 불충분한 용해에 의한 거품이 가스와 액체의 혼합물이 배출구로 흘러가는 동안 격벽(25)의 뒤쪽에 모이게 되고, 쉽게 배출구(16)로 나가지 않는다. 모아진 기포는 통과구멍(72)을 통해 적절히 위로 방출되고 가스가 낭비되는 것을 방지한다.
기포를 격벽(25)의 뒤쪽으로 모으기 위한 조건은, 혼합용기(14)속 채널내의 흐름의 속도가 0.1m/s 이하이고, 도25의 혼합용기(14)속 채널의 높이H와 길이L의 비 L/H＞4를 만족하여야 한다. 배출구(16)는 액체를 분사하는 방향의 벽면이나 그 주변의 벽면이 아닌 다른 벽면에 설치되어야 한다. 게다가, 만약 격벽(25)이 배출구의 반대쪽 단부가 약간 상향 경사져 있다면, 거품은 자연히 혼합용기(14)의 위쪽을 향해 움직일 것이다.
본 구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치에서, 가스를 용해하는 액체는 파이프 라인(34)을 통해 흐르도록 노즐(12)에서 펌프(30)에 의해 펌핑된다. 액체는 노즐(12)에 의해 가속되고, 혼합용기 내부는 배출될 때 제트가 된다. 혼합용기는 액체에 용해되는 가스로 미리 채워지고, 가스는 액체에 의해서 가압되며 혼합용기내에서 직접 가압 상태로 되어 흘러간다. 가스와 액체간의 반응과 용해는 혼합용기내에서 상기와 같은 가압상태에서 이루어진다.
가스와 액체간의 효율적인 반응과 용해를 위해서, 제트(15)의 속도는 최소한 5m/s, 에너지 효율을 고려하면 약 10m/s 정도가 적절하다. 가스와 반응한 후 액체는 혼합용기(14)로부터 배출구(16)에 연결된 파이프 라인(18)을 통해 흘러나간다. 배출구(16)가 혼합용기(14)의 하부쪽에 설치되기 때문에, 용기내의 가스는 배출되지 않고, 파이프 라인(18)을 통과한 액체는 감압노즐(80)에 의해 가속되어 저장조(88)로 배출된다.
본 구체예에서, 가스와 액체간의 보다 효율적인 반응과 용해는 통상의 작동상태에서 액체의 수위가 노즐(12)의 개구부의 위치 근처에 위치함으로써 가능하다. 액체의 수위는 상술한 식3이 혼합용기(14)의 각부의 체적과 용기내의 압력간에 만족할 때 그러한 위치에서 정해질 수 있다.
혼합용기(14)내의 가스가 감소하고 가스와 액체간의 반응과 용해의 결과 가스가 고갈되면, 솔레노이드 밸브(82)가 파이프 라인(36)으로부터 노즐(12)의 상류 파이프 라인(34)으로 가스를 공급하기 위해 열려진다. 이때 가스의 공급압력은 파이프 라인 34와 36간의 연결부에서 액체의 압력보다 약간 더 높고 (파이프 라인(34)에서 액체의 공급압력의 110% 이하), 액체의 공급압력의 105% 정도가 적절하다. 가스의 압력은 상술한 조건을 만족하도록 적절히 조정되며, 구속기로써 밸브(84)의 개구부 조정을 통해 탱크내의 압력을 조정한다. 가스가 공급되는 시간은 조절된 간격으로 행해지며, 액체의 속도와 혼합용기(14)내의 정적 압력하에서 계산된 가스의 소비율에 기초하여 계산된다. 또는 솔레노이드 밸브(82)의 개폐는 혼합용기(14)내의 가스의 양을 감지된 액체의 수위가 일정범위내에 위치하도록 하는 관점에서 조절된다.
가스가 공급되면 파이프 라인(34)의 압력은 그곳을 흐르는 가스에 의해 증가하고, 이는 펌프(30)의 부하를 증가시키게 된다. 이는 적절한 펌프(30)를 선정함으로써 조절가능하고, 체크밸브(35)를 설치함으로써 가스의 역류가 방지된다. 게다가, 가스가 공급되는 동안 압력의 유동에 의한 수격 현상을 방지하기 위해 필요하다면 이완 밸브(relief valve, 86)가 파이프 라인(34)에 설치될 수 있다.
P1과 Q1이 각각 가스가 공급되지 않을 때의 혼합용기(14)내의 압력과 액체의 속도를 나타내고, P2와 Q2가 각각 가스가 공급될 때의 혼합용기(14)내의 압력과 액체의 속도를 나타낼 때 다음과 같은 관계가 성립한다.
Q1/Q2 = (P1/P2)·½ (4)
상기 식에 의해 혼합용기(14)내의 압력 P1과 P2의 차이가 작을수록 속도 Q1과 Q2의 유동이 작아짐이 명백해진다.
본 구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치는 보통의 액체의 펌핑동안 가스의 흡입이나 펌핑을 하지 않는다. 그 결과, 액체를 비교적 적은 에너지로 펌핑할 수 있고, 가스와 액체가 고효율로 혼합된다. 게다가, 가스가 감소하면, 파이프 라인(34)에 가스를 보충함으로써 액체를 더 높은 압력으로 펌핑한다. 이는 액체의 펌핑을 중단함이 없이 계속적인 가동을 가능하게 하고, 액체에 용해된 가스를 포함하여 액체를 감압노즐(80)로부터 계속적으로 그리고 일정하게 공급하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 본 구체예와 관련하여, 액체가 격벽(25) 하부로부터 통과구멍(72)을 통해 격벽(25) 상부로 되돌아오기 때문에 가스가 배출구로 배출되지 않으며, 가스가 낭비되는 것을 방지하여 효율적인 가동이 가능하다.
도27은 본 발명의 제18구체예이다. 상술한 구체예들과 동일한 부재는 동일 부재번호에 의해 지칭되고 이하 상술한다. 본 구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치는 가스를 공급하기 위해 파이프 라인을 제17구체예와 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 혼합용기(14)의 상부에 연결함으로써 얻어진다.
본 구체예에서, 가스는 혼합용기(14)의 상부쪽 가스가 저장된 곳에 혼합용기(14)내의 가스압력보다 약간 높은 압력으로 직접 공급된다. 가스의 공급압력은 차이는 매우 적지만 제17구체예의 경우보다 적어진다. 가스의 압력도 다시 밸브(84)의 조정부로 조정되고, 혼합용기(14)내의 가스압력보다 조금 높게 정해진다(혼합용기내의 가스압력의 110% 이하). 다시 압력도 혼합용기내의 가스압력의 약 105% 정도가 적절하다.
본 구체예와 관련하여, 가스가 혼합용기에 직접 연결부를 통해 공급되기 때문에 가스가 공급되는 동안 파이프 라인(34)과 액체를 펌핑하는 펌프(30)의 압력의 유동이 적어진다. 이는 펌프(30)를 일정한 부하로 가동하는 것을 가능케 한다.
본 발명과 관련하여, 가스는 압축기(39)와 탱크(74)를 이용하는 구성에 더하여 가스 실린더를 사용함으로써 공급된다. 게다가, 구속기로써 감압노즐(80) 고정구속기, 가변구속기, 또는 적절한 밸브와 같은 여러 종류가 사용될 수 있다. 비록 감압노즐(80)이 저수조(88)에 직접 연결되는 것으로 표현되었으나 파이프 라인(18)의 중간에 설치될 수도 있다.
본 발명과 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치는 상술한 구체예들에 국한되지 않으며 상술한 구체예들을 적절히 조합할 수도 있다. 예를들어, 고효율의 가압 혼합 및 용해는 다수개의 혼합용기를 직렬로 연결한 다수개 장치들이 평행한 구성으로 가능하다.
본 발명과 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치의 개선에 관하여 상술한다.
제1구체예에 관한 장치와 종래의 장치를 비교하기 위한 실험에서 0.3MPa의 가압상태를 얻기 위하여 본 구체예에 관한 장치는 에너지를 기존의 장치의 ⅓만을 소비하였으며 따라서 매우 효율적이다. 본 구체예는 또한 가스의 이용율을 98% 이상을 보이고 있다.
제7구체예에 관한 장치는 액체공급압력 가스공급압력 및 혼합용기(14)내의 가스를 공급하지 않는 상태의 압력하에서 각각 가동되었고 이는 각각 0.32MPa, 0.34MPa 및 0.30MPa로 정해졌다. 이때, 가스의 공급여부에 따라 달라지는 액체속도의 유동은 대략 3∼4%의 범위이고 이는 계속적인 가동이 가능함을 입증한다.
도28은 본 발명의 제1구체예와 관련한 장치(90)가 수경재배에 이용됨을 나타낸다. 가스와 액체를 용해하고 혼합하는 장치는 산소를 경작수에 공급하고 스경재배를 위해 베드(92)에 공급하여 용해된 산소농축이 스며든 산소농축 13%가 되게 한다. 이는 경작된 식물의 줄기, 잎 및 열매의 성장을 촉진한다.
도29는 본 발명의 제1구체예와 관련한 장치가 양어장에 산소를 공급하는 장치에 사용되는 것을 보여준다. 산소는 산소가스 실린더(96)에서 양어장으로 공급된다. 이 경우, 산소가 산소 가스 실린더로부터 양어장에 기포와 함께 단순하게 공급되던 기존의 기술과 비교할 때 산소 이용률은 5%에서 98%로 개선되었다. 이러한 산소 이용률의 상당한 개선은 상당한 비용 절감을 가능케 하며 이는 본 구체예에 소요되는 전기에너지를 고려하여도 마찬가지이다.
본 발명과 관련한 가스와 액체를 용해하고 혼합하는 방법 및 장치는 가스와 액체의 가압된 용액과 혼합물을 적은 에너지로 가스의 낭비를 방지할 수 있고 장치의 크기를 작게 할 수 있다.
장치는 계속적으로 일정하게 가동할 수 있고 가스는 약간의 장치로 적은 에너지로 공급할 수 있다.

Claims (20)

  1. 액체를 수평으로 분사하기 위한 분사구를 가스로 충진된 혼합용기의 상판에 설치하는 단계;
    상기 혼합용기내에서 상기 혼합용기의 하류 쪽으로 가압된 상태를 유지하기 위하여 채널에 구속된 구속기를 설치하는 단계;
    상기 분사구로부터 상기 혼합용기 내부로 액체를 분사하여 상기 혼합용기내의 가스와 가압된 상태에서 분사된 액체간의 반응과 용해를 일으키고, 녹아든 가스를 포함하는 용액이 상기 혼합용기의 하부쪽으로부터 흘러나가도록 하는 단계;
    액체로 가스가 녹아들어 상기 혼합용기내의 가스가 감소하면 상기 혼합용기로 액체를 공급하는 것을 중단하는 단계;
    상기 혼합용기내로 가스를 공급하는 단계; 및
    상기 혼합용기 내부로 액체의 분사와 가스의 공급을 선택적으로 수행하는 단계;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하는 방법.
  2. 액체 수로의 부분적인 구속이 되는 구속기와, 외부로부터 가스를 도입하는 가스도입부가 약간 하류쪽에 형성된 흡입장치를 갖는 분사구를 설치하는 단계;
    상기 분사구를 가스가 채워진 혼합용기의 상단에 설치하는 단계;
    상기 혼합용기내에서 상기 혼합용기의 하류쪽으로 가압된 상태를 유지하기 위해 유체 흐름을 구속하기 위한 구속기를 설치하는 단계;
    상기 분사구로부터 상기 혼합용기 내부로 액체를 분사하여 상기 혼합용기내의 가스와 분사된 액체간의 반응과 용해를 야기하고, 녹아든 가스를 포함하는 용액이 상기 혼합용기의 하부쪽으로부터 흘러나가도록 하는 단계;
    상기 혼합용기내의 가스가 증가하면 상기 흡입장치로부터의 흡입을 중단하기 위하여 상기 혼합용기내의 압력의 감소와 더불어 멈추었던 액체의 분사를 수행하는 단계; 및
    액체만의 분사나 상기 분사구에 의해 흡입과 함께 액체를 분사하는 것을 선택적으로 수행하는 단계;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하는 방법.
  3. 액체를 수평으로 분사하기 위한 분사구를 가스가 가득찬 혼합용기의 상단부에 설치하는 단계;
    상기 혼합용기내에서 상기 혼합용기의 하류쪽으로 가압된 상태를 유지하기 위해 구속된 수로인 구속기를 설치하는 단계;
    분사구로부터 혼합용기 내부로 액체를 분사하여 상기 혼합용기내의 가스와 가압된 상태의 분사된 액체간의 반응과 용해를 야기하고, 녹아든 가스를 포함하는 용액이 상기 혼합용기의 하부쪽으로부터 흘러나가도록 하는 단계; 및
    가스가 액체에 용해되어 상기 혼합용기내의 가스가 감소하면, 상기 분사구의 상류 액체 공급 파이프 라인에 액체의 공급압력보다 약간 높은 압력으로 가스를 분사하는 단계;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하는 방법.
  4. 수평으로 액체를 분사하는 분사구를 가스가 가득한 혼합용기의 상단에 설치하는 단계;
    상기 혼합용기내에서 상기 혼합용기의 하류쪽으로 가압된 상태를 유지하기 위하여 구속된 수로인 구속기를 설치하는 단계;
    분사구로부터 액체를 혼합용기 내부로 분사하여 혼합용기내의 가스와 가압된 상태에서 분사된 액체간의 반응과 용해를 야기하고, 녹아든 가스를 포함하는 액체가 상기 혼합용기의 하부쪽으로부터 흘러나가도록 하는 단계; 및
    가스가 액체에 녹아들어 상기 혼합용기내의 가스가 감소하면, 상기 혼합용기내의 압력보다 조금 높은 압력으로 상기 혼합용기 내부로 가스를 분사하는 단계;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항에서, 상기 분사구로부터 분사된 액체의 속도가 5m/s 내지 15m/s의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하는 방법.
  6. 제1항 내지 제4항에서, 상기 혼합용기 내의 액체의 수위는 상기 분사구의 높이로 조정되는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하는 방법.
  7. 가스로 가득찬 혼합용기;
    액체를 상기 혼합용기에 밀폐된 상태에서 수평으로 분사하기 위하여 상기 혼합용기의 상단부에 설치된 주입부;
    상기 혼합용기의 하단부에 설치된 상기 액체의 배출구; 및,
    상기 혼합용기내의 가압상태를 유지하기 위하여 상기 배출구의 하류쪽으로 구속된 수로인 구속기;
    로 구성되며, 상기 혼합용기 내부로 액체가 주입되어 혼합용기내의 가스와 주입된 액체간의 반응과 용해를 야기하고, 녹아든 가스를 포함하는 액체가 상기 배출구와 구속기를 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치.
  8. 제7항에서, 가스 주입 수단이 상기 주입부의 상류쪽과 상기 혼합용기의 상부쪽 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치.
  9. 제7항에서, 상기 가스 주입 수단은 전이 밸브, 가스 탱크의 상류쪽에 설치된 가스공급원으로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치.
  10. 제7항에서, 상기 주입부는
    유체 흐름의 구속부분인 구속부;
    외부로부터 가스를 도입하기 위하여 상기 구속부의 약간 하류쪽으로 수로에 연결된 가스 흡입부; 및,
    상기 구속부의 하류에 설치되고 점점 팽창되는 파이프로 구성되는 팽창부;
    를 포함하는 흡입장치로 구성되고, 배출구 하류의 파이프 라인이 나뉘어져 구속된 수로인 구속기가 상기 혼합용기내의 가압된 상태를 유지하기 위하여 상기 파이프 라인 중의 하나에 설치되고, 온-오프 밸브가 다른 파이프 라인에 설치되는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치.
  11. 제7항 내지 제10항중의 어느 한 항에서, 상기 주입부를 갖는 다수개의 혼합용기가 설치되고, 상기 각각의 주입부는 파이프 라인을 통해 액체 공급원과 연결되고, 파이프 라인과 구속기는 각각의 상기 혼합용기의 배출구에 설치되는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치.
  12. 가스가 충진된 혼합용기;
    액체를 상기 혼합용기에 밀폐된 상태에서 수평으로 분사하기 위해 상기 혼합용기의 상단부에 설치된 주입부;
    액체를 상기 혼합용기내로 공급하기 위한 액체 공급 장치;
    액체의 공급 압력보다 조금 높은 압력으로 상기 주입부의 상류쪽 유체 수로에 가스를 공급하기 위한 가스 공급 장치;
    상기 혼합용기의 하부쪽에 설치된 액체의 배출구; 및,
    상기 배출구의 하류쪽에 설치되고, 상기 혼합용기 내부를 가압된 상태로 유지하기 위한 구속된 수로인 구속기;
    로 구성되고, 액체는 상기 혼합용기 내부로 주입되어 혼합용기 내의 가스와 주입된 액체간의 반응과 용해를 야기하고, 용해된 가스를 포함하는 액체를 상기 배출구와 구속기를 통해 흘려보낼 수 있는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치.
  13. 가스가 충진된 혼합용기;
    액체를 상기 혼합용기에 밀폐된 상태에서 수평으로 주입하기 위하여 상기 혼합용기의 상부쪽에 설치된 주입부;
    상기 혼합용기에 액체를 공급하기 위한 액체 공급 장치;
    상기 혼합용기 내부의 가스의 압력보다 조금 높은 압력으로 혼합용기 내부로 가스를 공급하기 위한 가스 공급 장치;
    상기 혼합용기의 하부쪽에 설치된 액체의 배출구; 및,
    상기 혼합용기 내부를 가압된 상태로 유지하기 위해 상기 배출구의 하류쪽에 설치된 구속된 수로인 구속기;
    로 구성되고, 액체가 상기 혼합용기 내부로 주입되어 상기 혼합용기 내부의 가스와 주입된 액체간에 반응과 용해를 야기하고, 녹아든 가스를 포함하는 액체를 상기 배출구와 구속기를 통해 흘려보낼 수 있는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치.
  14. 제7항 내지 제13항 중의 어느 한 항에서, 상술한 혼합용기와 유사한 다른 혼합용기가 상기 배출구의 하류쪽으로 파이프를 통해 연결되고, 상기 파이프는 상기 다른 혼합용기의 상부쪽에 연결되고, 상기 구속기가 상기 다른 혼합용기의 배출구에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치.
  15. 제7항 내지 제14항 중의 어느 한 항에서, 상기 주입된 액체를 상기 주입부의 액체의 주입방향의 아래쪽 액체와 분리하기 위한 격벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치.
  16. 제7항 내지 제14항 중의 어느 한 항에서, 상기 배출구가 상기 혼합용기 내부로 액체를 주입하는 방향에 면하는 위치의 벽면이나 그 주변의 벽면이 아닌 다른 벽면에 설치되는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치.
  17. 제7항 내지 제14항 중의 어느 한 항에서, 격벽이 상기 액체 주입 방향의 상기 주입부 하부에 설치되고, 상기 배출구는 상기 격벽의 하부 및 상기 주입부의 하부에 직접 설치되는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치.
  18. 제17항에서, 상기 격벽에 상기 주입부를 향하는 통과구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치.
  19. 제18항에서, 상기 통과구멍은 그 하단부가 상대적으로 더 큰것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치.
  20. 제12항 또는 제13항에서, 상기 가스 공급 장치는 상기 혼합용기 내부로 기 결정된 압력으로 공급되는 가스의 압력을 조절할 수 있는 구속기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스와 액체를 용해하고 혼합하기 위한 장치.
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