KR20110083499A - 미세기포 발생기구 - Google Patents

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KR20110083499A
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요시타카 사카모토
요시키 시바타
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가부시키가이샤 마인드레이 기주쓰카가쿠켄큐조
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Abstract

유로벽부(25)의 내면으로부터 돌출하는 모양으로 충돌부재(22)를 설치하고, 또한 상기 유로(FP) 내에서 충돌부재(22)의 돌출방향 선단부와 대향하는 스로틀링 갭 형성부(23)를 설치한다. 그리고 충돌부재(22)의 외주면과 유로벽부(25)의 내면 사이에 수우회 유로부(251)를 형성함과 아울러, 충돌부재(22)와 스로틀링 갭 형성부(23)의 사이에는, 수우회 유로부(251)보다 저유량이고 또한 고유속이 되도록 수류를 스로틀링 시키면서 통과시키는 스로틀링 갭(21G)을 형성한다. 이에 따라 복잡한 기액혼합기구를 사용하지 않더라도 충분한 양의 기포를 발생시킬 수 있고, 또한 기포의 미세화 효과가 매우 향상되며, 나아가서는 마이크로 버블영역 또는 마이크로·나노 버블영역의 기포 발생량을 종래에 달성할 수 없었던 레벨까지 높일 수 있는 미세기포 발생기구를 제공한다.

Description

미세기포 발생기구{A FINE-BUBBLE GENERATING MECHANISM}
본 발명은 미세기포 발생기구(微細氣泡 發生機構)에 관한 것이다.
수중(水中)에 형성되는 기포(氣泡)는, 그 크기에 따라 밀리 버블(milli bubble) 또는 마이크로 버블(micro bubble)(또한 마이크로·나노 버블(micro·nano bubble) 및 나노 버블(nano bubble) 등)으로 분류되어 있다. 밀리 버블은 어느 정도의 거대한 기포로서, 수중을 급속하게 상승하여 최종적으로는 수면(水面)에서 파열되어 소멸한다. 이에 비하여 직경이 50μm 이하의 기포는, 미세하기 때문에 수중에서의 체재시간(滯在時間)이 길고, 기체의 용해능력(溶解能力)에서도 우수하기 때문에 수중에 있어서 더 축소되어, 결국에는 수중에서 소멸(완전 용해)되는 특수한 성질을 구비하여, 이것을 마이크로 버블이라고 부르는 것이 일반화되어 있다(비특허문헌1). 본 명세서에 있어서 「미세기포(微細氣泡)」란, 상기 마이크로 버블 이외에 직경이 더 작은 마이크로·나노 버블(직경 10nm 이상 1μm 미만) 및 나노 버블(직경 10nm 미만)을 총칭하는 개념을 가리키는 것으로 한다.
이러한 미세기포가 많은 용도로 응용되어 예를 들면 욕조용(浴槽用)의 기포수류 분출부(氣泡水流 噴出部)나 샤워(shower) 등에 조립이 가능한 미세기포 발생장치가 최근에 여러 가지 제안되고 있다(특허문헌1∼5). 이들 특허문헌에 개시된 미세기포 발생기구는, 선회류 발생 익체(旋回流 發生 翼體)에 수류를 공급함으로써, 상기 익체가 형성하는 소용돌이류에 익체 축부(軸部)에 형성된 가는 구멍으로부터 부압흡인(負壓吸引)되는 외기(外氣)를 휩쓸리게 하여 기액혼합(氣液混合)하는 방식(특허문헌1 : 이상류 선회방식(二相流 旋回方式)이라고 부른다)과, 벤투리 관(venturi tube) 등의 스로틀링 기구(throttling 機構)에 수류수(水流水)를 공급하고, 상기 스로틀링 기구를 고유속화(高流速化)되어 통과할 때에 베르누이(Bernoulli)의 원리에 연유되어 발생하는 감압효과(減壓效果)에 의하여 물에 용해되어 있는 공기를 미세기포로서 석출(析出)시키는 캐비테이션 방식(cavitation 方式)(특허문헌2∼5)으로 크게 나누어진다.
일본국공개특허특개2008-229516호공보 일본국공개특허특개2008-73432호공보 일본국공개특허특개2007-209509호공보 일본국공개특허특개2007-50341호공보 일본국공개특허특개2006-116518호공보
홈페이지(http://unit.aist.go.jp/emtech-ri/26env-fluid/takahashi.pdf#search='마이크로 버블 및 나노 버블에 관한 연구')
그러나 상기 종래의 미세기포 발생기구에서는, 어느 쪽 타입의 것도 기포의 미세화도(微細化度)가 아직도 불충분하여, 수중에서의 체류시간이 긴 마이크로 버블의 발생량 특히 입경(粒徑)이 1μm 미만의 마이크로·나노 버블 영역의 기포 발생량이 충분하지 않다는 문제가 있었다. 또한 특허문헌1로 대표되는 이상류 선회방식의 것은 선회류 발생 익체를 사용하기 위하여 기구적으로 복잡하게 되는 문제가 있다.
한편 캐비테이션 방식을 채용하는 특허문헌2∼4의 미세기포 발생기구는 벤투리 관이나 오리피스(orifice) 등 주위가 닫힌 스로틀링 구멍을 채용하고 있고, 스로틀링 구멍 위치에서는 다른 유로(流路) 부분이 존재하지 않는 구조로 되어 있기 때문에 스로틀링 구멍을 통과할 때의 유체저항(流體抵抗)이 상승하여 기대된 만큼 유속이 증가하지 않고, 또 스로틀링 구멍 내에서는 구멍 내벽면(內壁面)에서의 레이디얼(radial) 방향의 배압(背壓)도 받기 쉽기 때문에 캐비테이션(감압) 효과가 불충분하여 기포 석출량이 부족하기 쉬운 난점이 있다. 또한 스로틀링 기구 통과 후의 수류 중에 석출된 기포를 더 미세하게 분쇄하기 위한 흐름 요소로서, 스로틀링 구멍을 통과한 수류 자체의 개방·난류화(開放·亂流化)에 따른 소용돌이 발생에만 기대할 수 없어 기포의 미세화 레벨(微細化 level)도 충분하지 않다는 문제가 있다.
본 발명의 과제는, 복잡한 기액혼합기구(氣液混合機構)를 사용하지 않더라도 충분한 양의 기포를 발생시킬 수 있고 또한 기포의 미세화 효과가 매우 향상되며, 나아가서는 마이크로 버블영역 또는 마이크로·나노 버블영역의 기포 발생량을 종래에 달성할 수 없었던 레벨까지 높일 수 있는 미세기포 발생기구를 제공하는 것에 있다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 미세기포 발생기구는,
수류입구(水流入口)와 수류출구(水流出口)를 구비하고, 수류입구로부터 수류출구를 향하는 유로(流路)가 내부에 형성되는 중공(中空)의 유로형성부재(流路形成部材)와,
유로형성부재의 유로벽부(流路壁部)의 내면으로부터 돌출되는 충돌부재(衝突部材)와,
유로 내에서 충돌부재의 돌출방향 선단부(先端部)와 대향(對向)하는 스로틀링 갭 형성부(throttling gap 形成部)를
구비하고,
충돌부재의 외주면(外周面)과 유로벽부의 내면의 사이에 수우회 유로부(水迂回 流路部)가 형성됨과 아울러, 충돌부재와 스로틀링 갭 형성부의 사이에는 수우회 유로부보다 저유량(低流量)이고 또한 고유속(高流速)이 되도록 수류(水流)를 스로틀링(throttling) 하면서 통과시키는 스로틀링 갭(throttling gap)이 형성되고, 상기 스로틀링 갭에서 발생하는 부압(負壓 ; negative pressure)에 의하여 기포(氣泡)가 석출(析出)된 갭 통과수류(gap 通過水流)를, 충돌부재에 충돌시켜서 수우회 유로부를 거쳐서 충돌부재의 하류측으로 유입시키는 유입난류(流入亂流)에 휩쓸리게 함으로써 석출기포를 미세기포(微細氣泡)로 분쇄하도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명의 구성에 의하면, 유로형성부재의 유로벽부의 내면으로부터 돌출되는 모양으로 충돌부재를 설치하고, 또한 상기 유로 내에서 충돌부재의 돌출방향 선단부와 대향하는 스로틀링 갭 형성부를 설치한다. 그리고 충돌부재의 외주면과 유로벽부의 내면의 사이에 수우회 유로부를 형성함과 아울러, 충돌부재와 스로틀링 갭 형성부의 사이에는, 수우회 유로부보다 저유량이고 또한 고유속이 되도록 수류를 스로틀링 하면서 통과시키는 스로틀링 갭을 형성한다. 이러한 구조의 미세기포 발생기구에 수류를 공급하면, 수류는 스로틀링 갭에서 스로틀링 되어 유속이 증가한다. 갭을 통과하는 고속 수류는 갭 출구로부터 개방되어 베르누이의 원리에 따라 갭 및 그 하류측에 부압영역(負壓領域)을 형성하기 때문에, 그 캐비테이션(감압) 효과에 의하여 수류 중의 용존공기(溶存空氣)가 석출되어 기포가 발생한다.
수중의 기포는 고체 입자와 달리, 서로 충돌하여도 기포의 합체(合體)가 발생하기 쉬워지게 되어 예를 들면 특허문헌1과 같은 선회류 발생 익체가 형성하는 거대한 소용돌이류에서는, 기포가 서로 충돌할 확률은 증대되어도 미소기포로의 분쇄 자체는 진행되기 어려운 경향이 있다. 또한 벤투리 관(Venturi tube) 등 주지의 스로틀링 기구를 통과시키는 것만으로는 통과 수류의 유속이 불충분하기 때문에, 스로틀링 구멍 하류측의 감압 레벨도 작아지게 되어 소용돌이류의 발생 정도도 작다. 따라서 캐비테이션에 의한 기포석출량도 적어 기포의 분쇄가 일어날 정도의 충돌도 충분하게 발생시킬 수 없기 때문에, 미세기포를 충분하게 형성할 수 없었다.
그러나 본 발명에서는, 종래의 벤투리 관이나 오리피스 등 스로틀링 구멍 이외의 유로 부분이 존재하지 않는 구조가 아니라, 스로틀링 갭을 형성하는 충돌부재와 유로벽부의 사이에, 충돌부재에 부딪친 수류를 우회시키는 수우회 유로부를 형성하였기 때문에, 갭 통과 시에 유체저항이 과도하게 증가하지 않아, 결과로서 상기 스로틀링 갭은 종래보다 훨씬 고속의 수류가 통과한다. 이에 따라 스로틀링 갭 및 그 하류에서의 캐비테이션(감압) 효과가 대폭적으로 높아지게 되어, 용존공기농도가 동일한 수류이더라도 더 다량의 기포를 석출시킬 수 있다(또 물은 1기압, 25℃의 조건 하에서의 포화용존산소량(飽和溶存酸素量)이 8.11mg/L(약 8ppm)이고, 질소의 용존도 고려하면 대기 원래의 용존공기량(溶存空氣量)은 약 30ppm 정도가 된다).
또한 스로틀링 갭의 통과유속이 고속화됨으로써, 그 하류측으로 입체광각적(立體廣角的)으로 확대되면서 형성되는 3차원적인 부압영역의 전체에 걸쳐서 미소한 소용돌이류가 다수 형성된다. 또한 이와는 별도로 충돌부재에 부딪쳐서 수우회 유로부를 통과한 수류가 충돌부재의 하류측으로 유입되어, 더 대유량이고 심한 난류(亂流)가 상기한 부압영역에 중첩되어 유입된다. 석출기포를 포함하는 스로틀링 갭의 통과유속은, 이들 2계통의 난류에 의하여 3차원적으로 격렬하고 랜덤(random)하게 교반(攪拌)됨과 아울러, 석출된 기포를 둘러싸는 다수의 미소 소용돌이류가 각각 기포를 미소 소용돌이류 자체로 끌어들이려고 한 결과, 기포의 미세한 분쇄가 효율적으로 진행되어 고농도(高濃度)이고 입경(粒徑)이 작은 미세기포를 용이하게 얻을 수 있다.
기포는 기액계면(氣液界面)에 의하여 둘러싸인 존재이고, 그 계면에는 물의 표면장력(表面張力)이 작용한다. 표면장력은 그 표면을 작아지게 하도록 작용하기 때문에, 구형(球形)의 계면을 구비하는 기포에 있어서 표면장력은 그 내부의 기체를 압축하는 힘으로서 기능을 한다. 기체는 헨리의 법칙(law of henry)에 따라 물에 용해되기 때문에, 자기가압(自己加壓)된 기포 내의 기체는 더 효율적으로 주위의 물에 용해된다. 미소기포 중에서도 특히 마이크로 버블 혹은 마이크로·나노 버블은 수중에서 축소되어 가는 존재이기 때문에, 소멸의 순간에 매우 큰 압력을 발생시킬 수 있다.
또한 기포는 수중에 녹아 있는 이온을 기액계면으로 모으는 성질을 구비하고, 모인 이온은 기포가 축소됨에 따라 농축(濃縮)된다. 그 결과 수중의 미세기포는, 계면전하밀도(界面電荷密度)가 매우 높아진 상태가 된다. 물의 클러스터 구조(cluster 構造)(수소결합 네트워크(水素結合 network))는 물분자(H2O)와, 이것이 전리(電離)되어 발생한 미량의 H+와 OH-로 구성되어 있지만, 기포의 계면구조는 H+나 OH-가 들어가기 쉬운 경향이 있어 물의 벌크(bulk)와 비교하여 이들 이온밀도가 높아지기 때문에, 결과적으로 기포계면을 대전(帶電)시킨다고 생각되고 있다. 또한 이러한 경향은 OH-쪽이 강하기 때문에, 통상의 pH 조건 하에서는 기포계면은 마이너스로 대전되는 경향이 있다. 기포가 대전되어 있음으로써 미세기포를 고농도로 발생시킨 경우에도 정전기(靜電氣)적인 반발력(反撥力)이 기포 상호간에 작용하기 때문에, 기포 상호간의 합체에 의한 거칠고 커짐 또는 기포농도의 저하가 일어나기 어렵다. 또한 오염물질이나 금속이온 등을 정전기적인 인력(引力)에 의하여 표면으로 잡아당기는 효과나, 미세기포를 포함한 물과의 접촉에 의한 생체(生體)(예를 들면 인체(人體))로의 생리적 활성효과의 발현이 기대된다. 또한 미세기포로부터는 프리 라디칼(free radical)이 발생하기 쉽고 특히 수산기 라디칼(水酸基 radical) 등의 프리 라디칼은 매우 반응성이 높은 물질이기 때문에, 오염물질의 분해나 살균(殺菌) 등에도 효과적으로 작용한다.
이하, 본 발명의 미세기포 발생기구의 구성에 부가할 수 있는 다양한 요건에 대하여 설명한다.
우선 수우회 유로부는, 유로 내에서 수류 통과 방향에서 보아서 충돌부재의 돌출방향에 관하여 그 한쪽에만 형성할 수도 있지만, 수류 통과 방향에서 보아서 충돌부재의 돌출방향에 관하여 그 양측에 수우회 유로부를 형성하면, 기포석출되는 하류측의 부압영역을 향하여 충돌부재의 양측으로부터 유입난류가 합류하기 때문에 기포분쇄 효과가 한층 더 높아지게 되어 미세기포를 더 효율적으로 발생시킬 수 있고, 또한 더 가는 직경의 미세기포를 얻을 수 있다는 측면에서 유리하게 된다.
수류입구와 미세기포 발생기구의 사이에는, 수류입구로부터의 수류를 가속하여 미세기포 발생기구로 인도하는 준스로틀링 기구(準 throttling 機構)를 설치할 수 있다. 이러한 준스로틀링 기구를 설치함으로써 스로틀링 갭 및 그 주위에 있어서의 유속을 더 높일 수 있어, 기포의 더 미세화 및 고농도화를 도모할 수 있다.
다음에 충돌부재 및 스로틀링 갭 형성부와의 스로틀링 갭을 형성하는 각 대향면(對向面) 중 적어도 어느 하나에는 감압공동(減壓空洞)을 형성할 수 있다. 즉 충돌부재 또는 스로틀링 갭 형성부의 스로틀링 갭에 접하는 면에 형성된 감압공동은 유속이 작은 정체(停滯) 공간으로서 기능을 하기 때문에 스로틀링 갭 내부와의 유속 차이가 확대되어, 베르누이의 원리에 의한 캐비테이션(감압) 효과를 현저하게 높일 수 있다. 그 결과 수류 중의 용존공기에 연유된 기포석출량이 증가하여 수류 중의 미소기포의 농도를 높일 수 있다. 부압영역을 충분하게 확보하는 관점으로부터 감압공동의 개구직경(開口直徑)은 1mm 이상인 것이 바람직하고, 깊이는 개구직경보다 큰 것이 바람직하다.
또한 감압공동을 수류 중에서 공진(共振)시키면, 상기 공진에 의하여 초음파대 공명파(超音波帶 共鳴波)가 발생하여 기포석출을 위한 캐비테이션과 공명진동에 의한 기포분쇄를 더 촉진할 수 있다. 원통형(圓筒形)의 감압공동을 형성하는 경우에 공명파의 대역(帶域)을 초음파대(100kHz 이상)로 하는 관점에 있어서는, 그 개구직경을 10mm 미만(바람직하게는 4mm 미만)으로 하는 것이 좋고, 깊이는 개구직경과 대략 동일하거나 그보다 크게 설정(바람직하게는 개구직경의 대략 정수 배로 한다)하는 것이 좋다.
다음에 충돌부재 및 스로틀링 갭 형성부의 스로틀링 갭을 형성하는 각 대향면 중 적어도 어느 하나를, 수유입측(水流入側)에서 상기 스로틀링 갭의 간격을 상류측으로부터 하류측을 향하여 점차 축소시키는 스로틀링 경사면(throttling 傾斜面)으로서 형성할 수 있다. 이에 따라 스로틀링 갭의 대향간격이 스로틀링 갭 입구로부터 갭 속을 향하는 만큼 연속적으로 축소되기 때문에, 갭 속을 향하여 수류를 원활하게 스로틀링(throttling) 할 수 있어 갭 통과 시의 유량 손실을 감소시켜서 유속을 높일 수 있다. 또한 충돌부재 및 스로틀링 갭 형성부의 스로틀링 갭을 형성하는 각 대향면 중 적어도 어느 하나는, 수유출측(水流出側)에서 상기 스로틀링 갭의 간격을 상류측으로부터 하류측을 향하여 점차 확대시키는 확대 경사면(擴大 傾斜面)으로서 형성할 수도 있다.
충돌부재(또는 후술하는 대향충돌부재(對向衝突部材))의 유로 내 돌출부분의 외주면(外周面)에는, 수류박리 요철부(水流剝離 凹凸部)를 형성할 수 있다. 상기와 같은 수류박리 요철부를 충돌부재의 외주면에 형성함으로써, 유로의 중심축선(中心軸線) 방향으로 유입되는 수류가 수류박리 요철부를 타고 넘어갈 때에 수류의 박리가 발생하기 쉽게 되어, 수류의 난류화(亂流化)를 더 촉진할 수 있다. 수류박리 요철부는, 충돌부재의 유로 내 돌출부분의 외주면에 형성된 나사산(螺絲山)으로 할 수 있다. 나사산은 충돌부재의 축선을 법선(法線)으로 하는 가상면(假想面)과 일정한 경사각을 구비하고 있고, 이 가상면과 평행한 방향으로 충돌부재를 향하여 수류가 유입되면, 상기 수류방향과 경사진 복수의 나사산을 가로질러서 충돌부재의 하류측으로 유입된다. 이 때에 수류가 일방(一方)의 산골짜기측으로부터 반대의 산골짜기측으로 나사산의 능선부를 타고 넘어갈 때에, 상기 난류화에 공헌하는 수류박리가 특히 발생하기 쉽다.
미세기포를 충분한 레벨에서 발생시키기 위해서는, 스로틀링 갭은 수류입구에 공급압력을 예를 들면 0.2MPa(게이지 압력(gauge 壓力) : 이하, 동일하다)로 물을 공급하였을 때에 통과하는 수류의 최대유속이 8m/초 이상(상한치에는 제한은 없지만, 공급압력 0.2MPa에서 가능한 상한치로서, 예를 들면 50m/초를 예시할 수 있다)이 되도록 조정되어 있는 것이 바람직하다. 또한 스로틀링 갭에 발생하는 최대부압(最大負壓)은 0.02MPa 이상(이론상의 상한치는 0.1MPa)으로 되어 있는 것이 바람직하다. 특히 상기의 감압공동이 형성되어 있는 경우에는, 수류입구에 공급압력 0.2MPa로 물을 공급하였을 때에 상기 감압공동의 전역(全域)을 0.02MPa 이상의 부압상태로 용이하게 유지할 수 있다. 또한 감압공동 내의 전역이 상기 레벨의 부압상태로 됨으로써, 유입난류에 의하여 충돌부재의 하류측에 인접하게 형성되는 부압영역(負壓領域)도 0.02MPa 이상의 부압상태로 유지할 수 있다. 모두 기포석출을 위한 캐비테이션 효과의 현저화에 기여한다. 또 미세기포 발생기구로 물을 공급하는 압력은, 예를 들면 통상의 수도에 직접 연결하여 사용하는 경우에 0.1MPa∼0.6MPa 정도의 범위에서 변동시킬 수 있다. 한편 펌프에 의한 가압공급(加壓供給)을 하는 것도 당연히 가능하고, 이 경우에 있어서 공급압력의 상한치에 특별하게 제한은 없다(예를 들면 100MPa 정도이어도 좋다).
스로틀링 갭이나 감압공동 또는 그 하류측에 형성되는 부압영역의 부압 레벨은, 더 바람직하게는 0.05MPa 이상으로 되어 있는 것이 좋다. 이러한 레벨의 부압이 발생하고 있음으로써, 용존공기의 석출뿐만 아니라 국소적인 물의 비등(沸騰)에 의한 수증기 발생도 기포 형성에 기여하여 발생 가능한 미소기포의 농도를 높일 수 있다.
상기와 같은 부압 발생조건에서 수류입구에 공급압력을 예를 들면 0.2MPa로 물을 공급하면, 본 발명 특유의 미세기포 발생기구의 경우에 수류출구로부터 분사되는 수류에 포함되는 미세기포의 수평균입경(數平均粒徑)을 10μm 이하로 할 수 있다. 예를 들면 원 모양 축단면(軸斷面)을 구비하는 충돌부재를 채용하는 경우에, 수류입구에 공급압력 0.2MPa로 10℃의 물을 공급하였을 때에 상기 원 모양 축단면을 구비하는 충돌부재의 외경과 수우회 유로부의 유통단면적(流通斷面積)은, 수우회 유로부 내에 배치된 충돌부재에 관한 레이놀즈 수(Reynolds number)가 10000 이상이 되도록 조정되어 있으면 좋다.
원기둥 모양 단면의 충돌부재를 수류 중에 배치하였을 때에, 충돌부재의 외경을 D, 유속을 U 및 물의 동점성계수(動粘性係數)를 v로 하여 레이놀즈 수(Re)는,
Re = UD / v(무차원수(無次元數)) ‥(1)
로 표시되고, 상기 원기둥 모양 단면의 충돌부재 주위의 흐름은 레이놀즈 수(Re)가 1500 이상에서 난류화 하는 것이 알려져 있고, 특히 Re가 10000 이상일 때에 유입난류에 의한 기포의 미세분쇄 효과는 비약적으로 높아지기 때문에, 개수평균치(個數平均値) 레벨에서의 기포입경을 종래에는 곤란하였던 10μm 이하의 값까지 용이하게 축소시킬 수 있다. 예를 들면 평균유속이 8m/초 이상이 되도록 수우회 유로부의 유통단면적이 조정되어 있으면, 원 모양 축단면을 구비하는 충돌부재의 외경을 1∼5mm로 조정함으로써 레이놀즈 수(Re)의 값을 10000 이상의 값으로 용이하게 확보할 수 있어, 개수평균치로 10μm 이하의 평균입경의 미세기포를 효율적으로 발생시킬 수 있다.
특히 수우회 유로부의 유통단면적이, 수류입구에 공급압력 0.55MPa로 10℃의 물을 공급하였을 때의 평균유속이 18m/초 이상이 되도록 조정되고, 원 모양 축단면을 구비하는 충돌부재의 외경이 1∼5mm로 조정되어 있으면, 수우회 유로부 내에 배치된 충돌부재에 관한 레이놀즈 수(Re)는 20000을 넘는 값이 된다. 그리고 충돌부재가 형성하는 스로틀링 갭에서의 통과수류의 최대유속이 25m/초 이상으로 되어 있으면, 분사되는 수류에 포함되는 미세기포의 수평균입경을, 전해질(電解質)을 적극적으로 첨가하지 않는 수돗물(또는 우물물) 등에서는 종래에 실현 불가능이라고 생각되었던 1μm 이하의 값(예를 들면 100nm 이상 500nm 이하의 값)으로 축소할 수 있다. 즉 수평균치 레벨에서 마이크로·나노 버블영역이 되는 미소기포를, 복잡하고 비싼 버블발생장치를 사용하지 않아도 용이하게 발생시킬 수 있다. 특히 기포입경이 1자리수 축소됨으로써 기포계면의 면적은 2자리수 축소되기 때문에, 기포계면의 전하밀도는 수 μm 레벨의 입경의 기포와 비교하여 적게 예측하여도 5∼10배 이상은 상승하는 것이라고 생각되어, 후술하는 생체(生體)(인체 혹은 동물)에 대한 생리적 활성효과를 더 현재화(顯在化)할 수 있는 가능성이 있다. 또한 상기한 유속조건이 충족되어 있는 상황 하에서는, 스로틀링 갭이나 감압공동 혹은 하류측 부압영역의 부압 레벨은 0.05MPa 이상으로까지 높일 수 있기 때문에, 발생 가능한 미소기포의 농도도 대폭적으로 높아진다.
다음에 본 발명의 미세기포 발생기구에 있어서 스로틀링 갭의 간격을 축소하면 갭 통과유량은 감소하는 한편, 수우회 유로부로 유입되는 수량(水量)이 증대된다. 따라서 스로틀링 갭의 통과유속이 과도하게 감소하지 않는 범위 내에서 스로틀링 갭 간격을 축소하면, 스로틀링 갭에서 발생한 미소기포의 유입난류에 의한 미세화 효과를 높일 수 있어 더 가는 직경의 기포를 발생시킬 수 있다. 한편 스로틀링 갭의 간격을 확대하면, 스로틀링 갭 내의 유통저항이 감소하기 때문에 수우회 유로부도 합쳐진 유로단면 전체에서 얻어지는 분사유량(噴射流量)을 증가시킬 수 있다(이 경우에 갭 간격의 설정치에 따라서는 스로틀링 갭 내의 유속이 약간 부족한 경향으로 되는 경우도 있지만, 분사유량을 확보하는 것이 우선되는 경우에는 유리하게 된다). 여기에서 본 발명의 미세기포 발생기구에 스로틀링 갭의 간격을 변경 가능하게 조정하는 스로틀링 갭 간격조정기구(throttling gap 間隔調整機構)를 설치하면, 기포 세경화(細徑化)와 분사유량의 요구레벨에 따라 스로틀링 갭의 간격을 적당하게 조정할 수 있고, 또한 미세기포 발생기구를 부착하는 수도의 수압(水壓) 레벨이 동일하지 않은 경우에도 스로틀링 갭의 간격 조정에 의하여 분사유량의 적정화를 도모할 수 있다.
다음에 충돌부재에는, 일단측(一端側)이 상기 충돌부재의 선단측에서 스로틀링 갭 내로 기체분출구(氣體噴出口)를 개구하고, 타단측(他端側)이 유로벽부를 관통하여 벽부 외면으로 기체흡입구(氣體吸入口)를 개구하는 노즐통로(nozzle 通路)를 유로벽부와 함께 상기 충돌부재를 돌출방향으로 관통하는 모양으로 형성할 수 있다. 이에 따라 스로틀링 갭 내에 발생하는 수류부압에 의하여 유로벽부 외측의 외기(外氣)를 기체흡입구로부터 노즐통로를 통하여 스로틀링 갭 내로 흡인·공급(吸引·供給)할 수 있다. 상기 구조에 의하면, 캐비테이션에 의하여 석출되는 기포에 추가하여 노즐통로로부터 흡인된 외기도 기포가 되어 수류에 혼입(混入)되기 때문에, 더 고농도의 미소기포를 얻을 수 있다. 또한 수우회 유로부에 의한 유입난류의 기포미세분쇄 효과가 크기 때문에, 외기 흡인에 의하여 들어온 기포가 다소 크고 거칠어도 미세기포로 분쇄되는 것을 충분하게 진행할 수 있다. 이 경우에 충돌부재 및 스로틀링 갭 형성부와의 스로틀링 갭을 형성하는 각 대향면 중 적어도 어느 하나에 상기의 감압공동을 형성할 수 있고, 충돌부재에 형성되는 노즐통로를 상기 감압공동 내로 개구시킬 수 있다. 감압공동 내에는 특히 큰 부압이 발생하기 때문에, 여기에 노즐통로를 개구시킴으로써 외기흡인량을 증가시킬 수 있어 미세기포의 발생농도를 더 높일 수 있다.
또한 본 발명의 미소기포 발생기구에 있어서는, 충돌부재보다 하류측에서 유로벽부를 관통하는 모양으로 부흡인노즐부(副吸引 nozzle部)를 설치할 수 있다. 상기 부흡인노즐부는, 일단측에서 유로 내로 기체분출구를 개구하고 타단측에서 벽부 외면으로 기체흡입구를 개구하는 노즐통로를 구비하고, 유로 내에서 발생하는 수류부압에 의하여 유로벽부 외측의 외기를 기체흡입구로부터 노즐통로를 통하여 흡인함으로써, 미세기포 발생기구가 발생하는 미세기포보다 입경이 큰 부가기포(付加氣泡)를 기체분출구로부터 유로 내의 수류로 유입한다. 상기 부흡인노즐부는 스로틀링 갭보다 하류측에서 노즐통로를 개구하기 때문에, 상기 통로를 통하여 외기가 스로틀링 갭보다 유속이 감소된 상태에서 수류에 혼입된다. 그 결과 스로틀링 갭에 외기를 흡인·유입하는 경우보다 입경이 큰 기포를 발생시킬 수 있다. 즉 스로틀링 갭에서 발생하는 미세기포와 부흡인노즐부에서 유입되는 것보다 비교적 큰 직경의 기포 즉 2수준의 기포가 혼입된 수류를 용이하게 얻을 수 있다. 특히 충돌부재에 의한 유입난류의 형성영역보다 하류측 즉 유입난류에 의한 기포분쇄 효과가 현저한 충돌부재의 바로 아래 영역(예를 들면 충돌부재로부터 그 단면 외경의 3배 이내의 거리에 있는 영역)을 굳이 회피하고, 그 하류측에 부흡인노즐부를 설치함으로써 부흡인노즐부로부터 유입되는 기포는 과도한 분쇄가 억제되어 상기 부흡인노즐부로부터 유입되는 기포의 치수를 예를 들면 수평균입경으로 100μm 이상(상한치는 예를 들면 1mm 이하)으로 조정할 수 있다.
상기의 부흡인노즐부는 유로벽부의 내면으로부터 돌출되는 노즐돌출부를 구비하는 것으로서 형성할 수 있고, 상기 노즐돌출부의 돌출방향 선단으로 기체분출구를 개구시킬 수 있다. 유로벽부의 내면으로부터 돌출되는 부흡인노즐부의 노즐돌출부에 수류가 부딪침으로써, 노즐돌출부의 하류측으로 소용돌이류 또는 난류가 발생하여 기체분출구로부터 수류 중으로 유입되는 기포를 분쇄할 수 있다.
본 발명의 미세기포 발생기구는, 예를 들면 통 모양의 본체 케이싱(本體 casing)과, 상기 본체 케이싱 내에 개구로부터 축선방향으로 착탈(着脫) 가능하게 삽입되고 내부가 유로가 되는 별체(別體)의 통 모양의 유로형성부재를 구비하는 것으로서 구성할 수 있고, 충돌부재와 스로틀링 갭 형성부를 상기 유로형성부재에 형성할 수 있다. 충돌부재에 상기의 노즐통로를 설치하거나 또는 노즐통로를 구비한 부흡인노즐부를 설치하는 경우에 있어서, 유로형성부재의 외주면과 본체 케이싱의 내주면의 사이에는, 축선방향의 양단위치에서 각각 양자를 액체가 새지 않도록 밀봉하는 밀봉부재(密封部材)를 설치할 수 있다. 그리고 축선방향에서 이들 밀봉부재 사이에 위치하는 외주면과 내주면의 사이에, 본체 케이싱의 벽부에 관통하여 형성된 공기유입구(空氣流入口)와 연결되는 공기유입간격(空氣流入間隔)을 형성할 수 있다.
또한 유로형성부재를 수지성형체(樹脂成形體)로서 구성하는 경우에 충돌부재는, 상기 유로형성부재의 수지제(樹脂製)의 유로벽부로부터 선단측(先端側)이 유로 내로 돌출하고, 후단측(後端側)이 본체 케이싱의 내면보다 내측에서 유로형성부재의 외주면으로 노출되도록, 상기 유로벽부를 관통하는 형태로 배치할 수 있다. 상기한 바와 같이 하면 유로형성부재에 대한 충돌부재의 조립이 용이하게 된다. 유로벽부를 두께방향으로 관통하는 모양으로 충돌부재를 조립하기 때문에 충돌부재는 유로벽부의 외주면으로 노출 또는 돌출되는 형태가 되지만, 그 외측은 본체 케이싱에 의하여 은폐할 수 있다.
더 구체적으로는, 충돌부재의 외주면에 수나사부를 형성함과 아울러 유로벽부를 관통하여 형성된 암나사 구멍에 나사체결하는 구성으로 할 수 있다. 이에 따라 상기 암나사 구멍 내에 있어서의 상기 충돌부재의 나사 진행량에 따라 스로틀링 갭의 간격을 조정할 수 있다. 또 상기한 수나사부는 당연히 상기의 수류박리 요철부로서도 활용할 수 있다.
다음에 스로틀링 갭 형성부는, 유로의 단면중심으로부터 충돌부재와 반대측에서 벽부 내면으로부터 충돌부재를 향하여 돌출되는 대향충돌부재로서 형성할 수 있고, 스로틀링 갭을 충돌부재의 돌출방향 선단부와 대향충돌부재의 돌출방향 선단부의 사이에 형성할 수 있다. 예를 들면 충돌부재의 선단면을 유로벽부 내 둘레면과 대향시켜서 스로틀링 갭을 형성하여도 좋고, 이 경우에는 유로벽부의 충돌부재와의 대향부분이 스로틀링 갭 형성부를 구성하는 것이 된다. 그러나 이러한 구성에서는, 벽면 마찰에 의한 유량손실이 큰 유로축 단면의 외주 가장자리 영역에 스로틀링 갭이 위치하기 때문에, 스로틀링 갭의 통과유속도 작아지는 경향이 있다. 그러나 대향충돌부재를 설치함으로써 스로틀링 갭의 형성위치를 유속이 큰 단면중심측에 가깝게 할 수 있어, 스로틀링 갭의 통과유속이 증대되어 캐비테이션 효과가 높아지게 되어 미세기포를 더 효율적으로 발생시킬 수 있다.
또한 충돌부재와 대향충돌부재 중 적어도 일방의 스로틀링 갭에 접하는 선단부분에는, 선단을 향하는 만큼 직경이 작아지게 되는 테이퍼(taper) 모양의 주측면(周側面)을 구비한 직경축소부(直徑縮小部)를 형성할 수 있다. 이러한 직경축소부를 형성함으로써 다음과 같은 효과가 달성된다.
·충돌부재 또는 대향충돌부재의 직경축소부의 외주면 선단부근에 있어서는, 수류의 충돌 우회 길이가 외주면 기단(基端) 부근보다 짧아지게 되어 유속이 증대된다. 또한 직경축소부 외주면의 수류방향 상류측에 위치하는 부분은 상기의 스로틀링 경사면(throttling 傾斜面)을 형성한다. 이에 따라 스로틀링 갭 부근의 난류 발생효과가 더 높아져서 미세기포의 발생효율이 더 향상된다.
·충돌부재와 대향충돌부재에 있어서 수류의 충돌 우회에 의한 소용돌이류 또는 난류의 발생효과가, 이들 대향방향과 직교하는 면 내뿐만 아니라, 대향방향과 평행한 면 내(즉 직경축소부를 스로틀링 갭측에서 타고 넘어가는 방향)에도 발생하여 3차원적인 기포의 미세분쇄효과가 한층 더 높아진다.
대향충돌부재를 설치하는 경우에는 충돌부재 및 대향충돌부재의 일방 또는 쌍방에, 스로틀링 갭에 접하는 선단면(先端面)에 갭 형성 방향으로 인입(引入)되는 상기의 감압공동을 형성할 수 있다. 특히 충돌부재 및 대향충돌부재의 일방에 감압공동을 형성하고, 타방에는 그 선단이 감압공동의 개구에 접하는 위치관계에 의하여 직경축소부를 형성하는 구성을 채용하면, 스로틀링 갭 내의 수류는 상기 직경축소부에 의하여 대폭적으로 속도를 높일 수 있다. 그리고 그 가속된 수류가 감압공동 내의 오목하게 들어간 부분과 접함으로써 매우 큰 유속 차이가 발생한다. 또한 직경축소부를 타고 넘어갈 때에 감압공동측으로 수류가 굴곡(屈曲) 형태로 우회함으로써, 상기 유속 차이가 발생하는 구간 길이도 증대된다(이 효과는, 직경축소부의 선단측 일부가 감압공동의 내부에 삽입되도록 위치조정되어 있는 경우에 현저하게 된다). 또한 후술하는 바와 같이 이 직경축소부의 형성에 의하여 감압공동의 공명효과를 더 현저하게 할 수 있을 가능성이 있다. 모두 미세기포의 발생효율 향상과 기포직경의 더 미세화에 효과적으로 공헌한다.
구체적으로는, 스로틀링 갭은 충돌부재의 선단면에서 감압공동의 개구 가장자리 부분을 이루는 가장자리 영역과 직경축소부의 테이퍼 모양의 주측면이 대향함으로써 쐐기 모양 단면을 구비하고, 또한 공간 외주측이 수우회 유로부로 개방되는 원환상의 갭 가장자리 공간과 감압공동이, 감압공동의 개구 내 가장자리와 직경축소부의 주측면의 대향위치에 형성되는 원환상의 오목 갭부를 통하여 서로 연결되는 구조를 이루도록 구성할 수 있다. 이에 따라 직경축소부 외주면에 있어서 수류방향으로부터 스로틀링 갭의 양측에 위치하는 부분도 보조적인 갭으로서 기능을 한다. 따라서 스로틀링 갭을 통과하지 않는 수류도 상기 보조적인 갭을 통과할 때에 캐비테이션을 발생시켜서 미세기포의 발생효율 향상에 기여한다.
또 대향충돌부재를 설치하는 경우에 수우회 유로부를 충돌부재의 외주면과 대향충돌부재의 외주면에 걸치는 모양으로 형성하면 좋다. 이에 따라 충돌부재와 대향충돌부재의 쌍방이 유입난류의 발생에 기여하여 석출기포의 미세분쇄 효과가 한층 더 향상된다.
또한 스로틀링 갭의 수유입측 개구위치에 있어서의 갭 간격의 중심을 갭 중심(gap 中心)이라고 정의하였을 때에, 유로의 단면 반경방향에서 유로벽부의 내면으로부터 갭 중심까지의 거리가 단면중심으로부터의 거리보다 작아지지 않는 범위에서, 상기 갭 중심이 단면중심으로부터 반경방향으로 소정의 길이 오프셋(offset) 되도록 스로틀링 갭의 형성위치를 조정하면, 스로틀링 갭에서의 미세기포의 발생효율을 더 높일 수 있다.
유로형성부재의 외측을 상기의 본체 케이싱으로 덮는 구성인 경우에 충돌부재와 대향충돌부재를 각각, 상기 유로형성부재의 수지제 유로벽부로부터 선단측이 유로 내로 돌출되고 후단측이 본체 케이싱의 내면보다 내측에서 유로형성부재의 외주면으로 노출하도록, 상기 유로벽부를 관통하는 형태로 배치할 수 있다. 그리고 대향충돌부재는, 외주면에 수나사부가 형성됨과 아울러 유로벽부를 관통하여 형성된 암나사 구멍에 나사 체결되는 구성으로 할 수 있다. 이에 따라 상기 암나사 구멍 내에 있어서의 상기 대향충돌부재의 나사 진행량에 따라 스로틀링 갭의 간격을 조정할 수 있다. 또한 충돌부재도 동일한 나사부재로서 구성함으로써, 유로 단면 내의 스로틀링 갭의 위치(특히 반경방향에 있어서의 단면중심으로부터의 오프셋 양)를 조정하는 것도 가능하게 된다. 이 대향충돌부재의 수나사부도 상기의 수류박리 요철부로서 활용할 수 있다.
도1은 본 발명의 미세기포 발생기구에 있어서 하나의 적용대상이 되는 탕수순환식 욕조유닛의 모식도이다.
도2는 본 발명의 하나의 실시예에 관한 미세기포 발생기구의 내부구조를 나타내는 단면도이다.
도3은 도2의 미세기포 발생기구에 사용되는 준스로틀링 기구의 일례를 나타내는 외관측면도이다.
도4는 미세기포 발생기구의 요부를 확대하여 나타내는 횡단면도이다.
도5는 도4의 스로틀링 갭 위치에 있어서의 축단면도이다.
도6은 도4의 각 부의 치수관계를 확대하여 나타내는 횡단면도이다.
도7은 대향충돌부재의 위치에 따라 스로틀링 갭을 조정하는 개념을 설명하는 도면이다.
도8은 도4의 미세기포 발생기구에서 스로틀링 갭 간격을 0.07mm로 설정하였을 경우와 0.57mm로 설정하였을 경우에 있어서의 스로틀링 갭 내의 유속분포를 평면에서 보았을 때를 나타내는 시뮬레이션 화상이다.
도9는 도4의 미세기포 발생기구에서 스로틀링 갭 간격을 0.07mm로 설정하였을 경우의 내부유속분포에 관한 시뮬레이션 결과를 나타내는 화상이다.
도10은 도4의 미세기포 발생기구에서 스로틀링 갭 간격을 0.57mm로 설정하였을 경우의 내부유속분포에 관한 시뮬레이션 화상이다.
도11은 도4의 미세기포 발생기구에서 스로틀링 갭 간격을 1.07mm로 설정하였을 경우의 내부유속분포에 관한 시뮬레이션 화상이다.
도12는 도4의 미세기포 발생기구에서 스로틀링 갭 간격을 0.57mm로 설정하였을 경우의 내부압력분포에 관한 시뮬레이션 화상이다.
도13은 도12의 압력분포를, 스로틀링 갭을 지나는 유로축선을 포함하는 횡단면으로 나타내는 도면이다.
도14는 도4의 미세기포 발생기구의 충돌부재 및 대향충돌부재의 작용 설명도이다.
도15a는 도7에 계속되는 작용 설명도이다.
도15b는 복수의 소용돌이류에 의하여 기포가 분해되어 미소화되는 개념을 설명하는 도면이다.
도15c는 충돌에 의하여 기포가 합체되는 개념을 설명하는 도면이다.
도15d는 갭 가장자리 공간의 작용 설명도이다.
도15e는 수류에 영향을 미치는 나사산의 작용 설명도이다.
도15f는 수류박리 요철부를 세레이션 모양으로 형성한 충돌부재의 일례를 나타내는 사시도이다.
도16은 도1의 미세기포 발생기구에 0.2MPa의 수압으로 37℃의 온수를 공급하였을 경우에 발생하는 수류 중의 기포입경분포를 레이저회절식 입도계로 측정한 결과를 상대체적비율로 나타내는 그래프이다.
도17은 도16의 기포입경분포의 측정결과를 상대개수비율로 변환하여 나타내는 그래프이다.
도18은 도16의 측정결과에 대응하는 레이저회절식 입도계 각각의 입도구간을 담당하는 검출기의 산란광 검출강도분포를 나타내는 그래프이다.
도19는 도18의 산란광 검출강도분포에서, 20μm 이상의 기포로부터의 산란광을 담당하는 검출기의 출력을 제외하고 기포입경분포를 구한 결과를 상대체적비율로 나타내는 그래프이다.
도20은 도1의 미세기포 발생기구에 0.2MPa의 수압으로 9.5℃의 물을 공급하였을 경우에 발생하는 수류 중의 기포입경분포를 레이저회절식 입도계로 측정한 결과를 상대체적비율로 나타내는 그래프이다.
도21은 도20의 기포입경분포의 측정결과를 상대개수비율로 변환하여 나타내는 그래프이다.
도22는 도20의 측정결과에 대응하는 레이저회절식 입도계 각각의 입도구간을 담당하는 검출기의 산란광 검출강도분포를 나타내는 그래프이다.
도23a는 도2의 미세기포 발생기구에 관한 제1변형 적용예를 설명하는 도면이다.
도23b는 동(同) 제2변형 적용예를 설명하는 도면이다.
도23c는 동 제3변형 적용예를 설명하는 도면이다.
도23d는 동 제4변형 적용예를 설명하는 도면이다.
도24는 도2의 미세기포 발생기구를 조립한 세탁기의 일례를 나타내는 모식도이다.
도25는 도2의 미세기포 발생기구를 조립한 식기세척기의 일례를 나타내는 모식도이다.
도26은 도4에서 부흡인노즐부를 생략한 실시예를 나타내는 횡단면도이다.
도27은 본 발명의 미세기포 발생기구의 요부에 관한 제1변형예를 나타내는 축단면도이다.
도28은 동 제2변형예를 나타내는 축단면도이다.
도29는 동 제3변형예를 나타내는 축단면도이다.
도30은 동 제4변형예를 나타내는 축단면도이다.
도31은 동 제5변형예를 축단면 및 횡단면으로 설명하는 도면이다.
도32는 도4에 있어서 충돌부재에 노즐통로를 형성한 예를 나타내는 횡단면도이다.
도33은 도32에서 부흡인노즐부를 생략한 실시예를 나타내는 횡단면도이다.
도34는 본 발명의 미세기포 발생기구의 요부에 관한 제6변형예(노즐통로부)를 나타내는 축단면도이다.
도35는 동 제7변형예를 나타내는 축단면도이다.
도36은 동 제8변형예를 축단면 및 평면에서 보았을 때를 설명하는 도면이다.
도37은 동 제9변형예를 축단면 및 횡단면에 의하여 설명하는 도면이다.
도38은 동 제10변형예를 축단면 및 횡단면에 의하여 설명하는 도면이다.
도39는 동 제11변형예를 축단면 및 횡단면에 의하여 설명하는 도면이다.
도40은 도39의 미세기포 발생기구에 사용하는 충돌부재 및 대향충돌부재의 각 상세구조를 나타내는 3면도이다.
도41은 도39의 충돌부재 및 대향충돌부재를 사용하여 스로틀링 갭을 간격 변경 가능하도록 형성하는 개념을 설명하는 도면이다.
도42는 도39의 미세기포 발생기구에서 충돌부재 및 대향충돌부재의 하류측에 보조수류 교반부를 더 설치한 변형예를 축단면 및 횡단면에 의하여 설명하는 도면이다.
도43은 도1의 탕수순환식 욕조유닛에 있어서 가압용해 유닛을 생략한 실시예를 나타내는 모식도이다.
이하에서는 본 발명을 실시하기 위한 예를 첨부된 도면을 사용하여 설명한다.
도1은, 본 발명의 하나의 실시예에 관한 미세기포 발생기구를 조립한 탕수순환식 욕조유닛의 일례를 나타내는 도면이다. 탕수순환식 욕조유닛(湯水循環式 浴槽 unit)(1)은, 욕조(浴槽)(301)와, 미세기포 발생기구(微細氣泡 發生機構)(21)를 구비한다. 미세기포 발생기구(21)는, 본 실시예에서는 통(筒) 모양의 기포발생 모듈(氣泡發生 module)로서 구성되고(외관형태는 이에 한정되는 것은 아니다), 욕조(301)의 벽부(壁部)를 관통하여 형성된 모듈 장착부(module 裝着部)(302)에 착탈(着脫) 가능하게 장착되고, 선단(先端)에 형성된 수류출구(水流出口)를 욕조의 내면으로 개구(開口)시킨다. 상기 미세기포 발생기구(21)는 배관(配管)(311), 가압용해탱크(加壓溶解 tank)(310) 및 배관(312)을 통하여 펌프(pump)(313)의 유출측(流出側)에 접속된다. 한편 욕조(301)에는 유출구(流出口)(303)가 형성되어 있고, 배관(314)을 통하여 펌프(313)의 유입측(流入側)이 접속되어 있다.
펌프(313)를 작동시키면 욕조(301) 내의 탕수(湯水)(WA)가 배관(314)을 통하여 흡출(吸出)되고 또한 배관(312)을 통하여 가압용해탱크(310)로 반송된다. 탕수(WA)는, 배관(312) 상에 설치된 아스피레이터(aspirator)(315)를 통과할 때에 외기(外氣)를 감압흡인(減壓吸引)하는 형태로 받아들이고, 또한 가압용해탱크(310) 내로 압송(押送)되어 기액혼합(氣液混合)됨으로써 용존공기농도(溶存空氣濃度)를 높일 수 있다. 또 가압용해탱크(310) 내의 용해압력(溶解壓力)은 탱크 출구측의 압력조정밸브(壓力調整 valve)(316)(혹은 펌프 유량(pump 流量))에 의하여 예를 들면 0.15MPa∼1MPa(게이지 압력(gauge 壓力), 이하 동일함) 정도의 범위 내에서 조정된다. 용존공기농도가 높아진 탕수(WA)는 미세기포 발생기구(21)를 통과할 때에 미세기포(微細氣泡)(BM)를 발생시키고, 상기 욕조(301) 내로 수류(水流)(WJ)가 되어 분사(噴射)된다.
또 욕조(301)에는, 이외에도 온수공급배관(溫水供給配管)이나 리히팅 배관(reheating 配管) 등 욕조에 보통 설치되는 배관장치를 추가할 수 있다는 것은 당연하다. 그러나 이들 배관장치는 모두 주지의 것이기 때문에 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도2는 미세기포 발생기구(21)의 내부구조를 상세하게 나타내는 도면이다. 미세기포 발생기구(21)는 수류입구(水流入口)(31)와 수류출구(106)를 구비하고, 유로형성부재(流路形成部材)(20)의 유로벽부(流路壁部)(25)의 내면으로부터 돌출되는 충돌부재(衝突部材)(22)와, 유로(流路)(FP) 내에서 충돌부재(22)의 돌출방향 선단부와 대향(對向)하는 스로틀링 갭 형성부(throttling gap 形成部)(23)를 구비한다. 도5에 나타나 있는 바와 같이 미세기포 발생기구(21)에 있어서 충돌부재(22)의 외주면(外周面)과 유로벽부(25)의 내면 사이에는 수우회 유로부(水迂回 流路部)(251)가 형성된다. 또한 충돌부재(22)와 스로틀링 갭 형성부(23) 사이에는, 수우회 유로부(251)보다 저유량(低流量)이고 또한 고유속(高流速)이 되도록 수류를 스로틀링(throttling) 하면서 통과시키는 스로틀링 갭(throttling gap)(21G)이 형성되어 있다.
수류입구(31)로부터 유로(FP)에 수류를 공급하면, 도14(b) 및 도14(c)에 나타나 있는 바와 같이 스로틀링 갭(21G)에는 수류부압(水流負壓)이 발생하고, 그 캐비테이션 효과(cavitation 效果)에 의하여 용해공기(溶解空氣)가 석출(析出)되어 갭 통과수류(gap 通過水流)(WF)에는 기포(BM)가 발생한다. 한편 도5에 있어서, 수류는 그 모두가 스로틀링 갭(21G)으로 공급되는 것이 아니라 상당 부분이 충돌부재(22)에 충돌하여 수우회 유로부(251)측으로 우회(迂回)한다. 도15a에 나타나 있는 바와 같이 이 우회하는 수류는, 다수의 작은 소용돌이류(SWE)를 3차원적으로 발생시키면서 상기 충돌부재(22)의 하류측으로 유입되는 유입난류(流入亂流)(CF)를 형성한다. 갭 통과수류(WF)에 형성된 석출기포(析出氣泡)(BM)는, 상기 유입난류(CF)에 휩쓸려 들어가서 미세기포(微細氣泡)(BF)로 분쇄된다.
이하에서 더 상세하게 설명한다. 도2에 나타나 있는 바와 같이 미세기포 발생기구(21)는 양단이 개구하고 수지성형체(樹脂成形體)로 이루어지는 통 모양의 본체 케이싱(本體 casing)(10)과, 상기 본체 케이싱(10) 내에 개구로부터 축선방향(軸線方向)으로 착탈(着脫) 가능하게 삽입되고 내부가 유로(FP)가 되며 별체(別體)의 통 모양의 수지성형체로 이루어지는 유로형성부재(20)를 구비한다. 도4 및 도5에 나타나 있는 바와 같이 스로틀링 갭 형성부(23)는, 유로(FP)의 단면중심(斷面中心)(O)으로부터 충돌부재(22)와 반대측에서 벽부 내면으로부터 충돌부재(22)를 향하여 돌출되는 대향충돌부재(對向衝突部材)(이하, 대향충돌부재(23)라고도 한다)로서 형성되어 있고, 스로틀링 갭(21G)은 충돌부재(22)의 돌출방향 선단부와 대향충돌부재(23)의 돌출방향 선단부의 사이에 형성되어 있다.
유로형성부재(20)의 내주면(內周面)은 원통 모양으로 형성되는 이하의 각 부, 즉 본체 케이싱(10) 내에 수용하였을 때에 선단측(수류출구(106)측)이 되는 유로본체부(流路本體部)(26)와, 본체 케이싱(10)의 수유입측(水流入側)의 개구 내주면(內周面)에 결합하는 결합기단부(結合基端部)(27)와, 유로본체부(26)보다 작은 내경을 구비하고 이들 유로본체부(26)와 결합기단부(27)를 서로 접속시키며 상기의 유로벽부(25)를 이루는 접속부(接續部)(이하, 접속부(25)라고 한다)를 구비한다. 도4에 나타나 있는 바와 같이 접속부(25)에는, 충돌부재(22)와 대향충돌부재(23)가 그 선단측(先端側)이 유로(FP) 내로 각각 돌출되고, 후단측(後端側)이 본체 케이싱(10)의 내측에서 유로형성부재(20)의 외주면으로 각각 노출되도록, 상기 접속부(25)를 관통하는 형태로 배치되어 있다.
유로형성부재(20)와 본체 케이싱(10)의 사이에는, 축선방향의 양단위치에서 액체가 새지 않도록 각각 양자를 밀봉하는 밀봉부재(密封部材)(262, 275)가 설치되어 있다. 구체적으로는, 유로본체부(26)의 외주면 선단부에 환상(環狀)의 밀봉 플랜지(密封 flange)(261)가 형성되어 있고, 상기 밀봉 플랜지(261)의 전단면(前端面) 둘레 방향에 형성된 밀봉 홈에 고무(rubber)로 만든 제1밀봉부재(第一密封部材)(O링)(262)가 결합하여 부착되어 있다. 한편 결합기단부(27)의 후단부에도 환상의 밀봉 플랜지(272)가 형성되어 있고, 상기 밀봉 플랜지(272)의 전단면 둘레 방향을 따라 형성된 밀봉 홈에 고무로 만든 제2밀봉부재(O링)(275)가 결합하여 부착되어 있다.
도2에 나타나 있는 바와 같이 본체 케이싱(10)은, 후단 개구 내주면에는 암나사부(10u)가 형성되는 한편, 내주면 전단측에는 평판 플랜지(平板 flange)(105)가 돌출하도록 형성되어 있다. 유로형성부재(20)의 결합기단부(27)의 외주면에는 수나사부(27t)가 형성되어 있어 유로형성부재(20)를 본체 케이싱(10) 내로 후단측으로부터 삽입하면서 이것을 암나사부(10u)에 나사결합시킴으로써, 유로본체부(26)에 장착된 제1밀봉부재(262)는 평판 플랜지(105)의 후단면에, 결합기단부(27)에 장착된 제2밀봉부재(275)는 본체면(10B)의 후단면에 각각 압착(壓着)되어 밀봉상태를 형성한다.
유로형성부재(20)에 있어서 결합기단부(27)의 밀봉 플랜지(272)보다 후단측 외주면에는 접속용 수나사부(274)가 형성되어 있고, 그 기단부 외주에 O링(273)이 결합하여 부착되어 있다. 또한 본체 케이싱(10)의 평판 플랜지(105)보다 전단측 내주면에는 접속용 암나사부(278u)가 형성되어 있고, 그 밑면 내주에 O링(279)이 결합하여 부착되어 있다. 이들 접속용 수나사부(274) 및 접속용 암나사부(278u)는, 미세기포를 유입하자마자 유체의 유통경로를 미세기포 발생기구(21)에 접속시키기 위한 유통경로 접속부를 형성하는 것으로서 예를 들면 배관, 호스(hose), 밸브(valve), 노즐(nozzle) 등 여러 가지의 유통경로 형성부품이 나사결합에 의하여 접속된다. 또 유통경로 접속부는 양단이 수나사부이어도 좋고 양단이 암나사부이어도 좋다. 또한 유통경로 접속부는 나사부에 한정되지 않고 필요한 내압(耐壓)을 확보할 수 있는 것이라면, 예를 들면 원터치 이음새 등 주지된 여러 가지 배관접속구조의 어느 것을 채용하여도 좋다.
도1에 있어서는, 미세기포 발생기구(21)는 욕조(301)측의 모듈 장착부(302)측(의 암나사 구멍)에 접속용 암나사부(278u)가 체결되는 형태로 장착되고, 배관(311)은 그 말단(末端)에 형성된 암나사부를 도2에 나타나 있는 상기 미세기포 발생기구(21)의 접속용 수나사부(274)에 나사체결함으로써 부착되어 있다.
다음에 도2에 나타나 있는 바와 같이 수류입구(31)와 미세기포 발생기구(21)의 사이에는, 수류입구(31)로부터의 수류를 가속하여 미세기포 발생기구(21)로 인도하는 준스로틀링 기구(準 throttling 機構)(30)(도3도 같이 참조한다)가 설치되어 있다. 상기 준스로틀링 기구(30)는, 구체적으로는 수류입구(31)를 형성하는 원통 모양의 유입부(流入部)(31A)와, 그 유입부(31A)의 하류측에 계단 모양으로 직경이 작아지는 형태로 연결되어 일체화(一體化)된 원통 모양의 소경부(小徑部)(32)를 구비한다. 본 실시예에서는 상기 준스로틀링 기구(30)는, 유로형성부재(20)의 결합기단부(27)로 그 후단이 개구하는 모양이고 동심(同心)으로 형성된 수용오목부(收容凹部)(271) 내에 결합하여 부착되는 통 모양의 별체의 수지성형부품으로서 구성되어 있다. 또 결합기단부(27)의 수용오목부(271)의 내주면과 준스로틀링 기구(30)의 외주면 사이에는 고무로 만든 O링(311)에 의하여 밀봉되어 있다.
도4에 나타나 있는 바와 같이 소경부(32)의 내경은, 유로형성부재(20)에 있어서 미세기포 발생기구(21)가 실장(實裝)되는 접속부(25)의 내경보다 작게 설정되어 있다(예를 들면 접속부(25)의 내경을 d0으로 하고, 소경부(32)의 내경을 d1로 하여 {(d0 - d1) / d0} × 100(%)의 값에서 5∼50% 정도). 또한 소경부(32)에서 스로틀링된 수류가 접속부(25)측으로 유입될 때의 유로 확대에 의한 난류화(亂流化)(나아가서는 이것에 의한 유속 감소)의 영향이 미세기포 발생기구(21)의 스로틀링 갭(21G)에 크게 미치지 않도록, 흐르는 방향에서 스로틀링 갭(21G)의 형성위치(충돌부재(22)의 중심축선(中心軸線)(P)의 위치라고 한다)로부터 소경부(32)의 후단위치까지의 거리(α)는, 접속부(25)의 내경(d0)보다 작게(바람직하게는 α / d0이 0.8 이하) 설정되어 있다. 또 도4에 나타나 있는 바와 같이 유로형성부재(20)에 있어서 결합기단부(27)의 후단면에는 반경방향으로 원호 모양 단면(斷面)의 절단홈(276f)이 형성되고, 여기에 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)를 각각 삽입함으로써 상기 거리(α)를 축소하는 연구가 이루어지고 있다.
이하에서는 미세기포 발생기구(21)의 상세구조에 대하여 도4 및 도5를 사용하여 설명한다. 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)는 모두 금속제(金屬製)(예를 들면 스테인레스강제(stainless steel 製)의 나사부재로서 구성되어 있다. 구체적으로는, 충돌부재(22)의 외주면에는 수나사부(22t)가 형성되어 있어, 접속부(유로벽부)(25)를 관통하여 형성된 암나사 구멍(22u)에 나사체결되어 있다. 상기 암나사 구멍(22u) 내에 있어서의 상기 충돌부재(22)의 나사 진행량에 따라 스로틀링 갭(21G)의 간격이 조정될 수 있다. 또한 대향충돌부재(23)의 외주면에도 수나사부(23t)가 형성되어 있어, 접속부(유로벽부)(25)를 관통하여 형성된 암나사 구멍(23u)에 나사체결되어 있다. 상기 암나사 구멍(23u) 내에 있어서의 상기 대향충돌부재(23)의 나사 진행량에 따라 스로틀링 갭(21G)의 간격이 조정될 수 있다. 이상에서, 스로틀링 갭(21G)의 간격을 변경할 수 있도록 조정하는 스로틀링 갭 간격 조정기구가 실현되어 있다는 것이 명백하다.
도2에 나타나 있는 바와 같이 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)는, 모두 접속부(25)의 벽부로부터 선단측이 유로(FP) 내로 돌출되고, 후단측이 본체 케이싱(10)의 내측에서 유로형성부재(20)의 외주면으로 노출되도록, 접속부(25)의 벽부(유로벽부(25))를 관통하는 형태로 배치되어 상기의 본체 케이싱(10)에 의하여 은폐된다.
또한 충돌부재(22)와 대향충돌부재(23)의 쌍방을 동일한 방향으로 나사체결을 진행시키면, 접속부(25)가 형성하는 유로 단면 반경방향의 스로틀링 갭(21G)의 위치를 변경할 수도 있다. 도4에 나타나 있는 바와 같이 이들 부재의 나사체결 진행 조정을 쉽게 하기 위하여, 접속부(25) 외부로 돌출되는 충돌부재(22)와 대향충돌부재(23)의 각 두부(頭部) 단면에는 육각렌치 등의 공구를 결합시키는 공구결합구멍(222, 232)이 각각 형성되어 있다. 또 스로틀링 갭(21G)의 간격 또는 위치를 고정으로 하여 조정을 특별하게 하지 않는 경우에는, 삽입성형(insert 成形) 등에 의하여 나사체결 진행을 불가능하게 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)를 접속부(유로벽부)(25)와 고정·일체화하는 구성도 가능하다. 또한 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)의 일방(一方)만을 나사체결 진행 조작을 가능한 것으로 하고, 타방을 접속부(유로벽부)(25)에 나사체결 진행을 불가능하게 고정·일체화 할 수도 있다.
다음에 도5에 나타나 있는 바와 같이 충돌부재(22)에는, 스로틀링 갭(21G)에 접하는 선단면(先端面)에 갭 형성 방향으로 인입(引入)되는 감압공동(減壓空洞)(221)이 형성되어 있다. 또한 대향충돌부재(23)에는 선단이 감압공동(221)의 개구에 접하는 위치관계에 의하여 직경축소부(23k)가 형성되어 있다(단 대향충돌부재(23)에 감압공동을 형성하고, 충돌부재(22)에 직경축소부를 형성하여도 좋다). 대향충돌부재(23)에 형성되는 직경축소부(23k)는, 선단을 향함에 따라 직경이 작아지는 테이퍼(taper) 모양의 주측면(周側面)(231)(구체적으로는 원추면(圓錐面))을 구비하고 있다. 상기 테이퍼 모양의 주측면(231)의 수유입측(水流入側)(흐름 상류측)에 위치하는 부분은, 상기 스로틀링 갭(21G)의 간격을 상류측으로부터 하류측을 향하여 점차 축소시키는 스로틀링 경사면(throttling 傾斜面)을 구성한다. 또한 수유출측(水流出側)(흐름 하류측)에 위치하는 부분은, 스로틀링 갭(21G)의 간격을 상류측으로부터 하류측을 향하여 점차 확대시키는 확대 경사면(擴大 傾斜面)을 구성한다.
충돌부재(22)와 대향충돌부재(23)는 동심(同心)으로 배치되어 있다. 또한 감압공동(221)은 충돌부재(22)의 외주면과 동심의 위치관계에 있는 원기둥 면 모양의 내주면을 구비한다. 그리고 도6에 나타나 있는 바와 같이 충돌부재(22)의 중심축선을 포함하는 단면에 있어서, 감압공동(221)의 개구 내 가장자리 위치로부터 대향충돌부재(23)의 직경축소부(23k)의 외주면까지의 거리를 갭 유통간격(gap 流通間隔)(β)으로 하고, 감압공동(221)의 내경(d3)은 상기 갭 유통간격(β)보다 크게 되도록 설정되어 있다. 본 실시예에서는 감압공동(221)의 내경(d3)은 2mm로서, 조정 가능한 갭 유통간격(β)의 상한치(上限値)인 1.5mm보다 커지도록 되어 있다. 또한 감압공동(221)의 깊이(H)는, 내경(d3)의 0.5∼5배, 바람직하게는 1∼4배 정도의 값이 되도록 설정된다. 또 도6에 있어서, 직경축소부(23k)는 선단측의 일부가 감압공동(221)의 내부에 삽입되도록 축선방향의 위치가 조정되어 있다.
도5에 나타나 있는 바와 같이 스로틀링 갭(21G)은, 충돌부재(22)의 선단면에서 감압공동(221)의 개구 가장자리 부분을 이루는 가장자리 영역(224)과, 직경축소부(23k)의 테이퍼 모양의 주측면(231)과 대향(對向)함으로써 쐐기 모양 단면을 구비하는 원환상(圓環狀)의 갭 가장자리 공간(251n)이 형성되어 있다. 상기 갭 가장자리 공간(251n)의 공간 외주측은 수우회 유로부(251)로 개방됨과 아울러, 감압공동(221)의 개구 내 가장자리와 직경축소부(23k)의 주측면의 대향위치에 형성되는 원환상의 오목 갭부(21n)를 통하여 감압공동(221)과 서로 연결되는 구조를 이룬다. 수우회 유로부(251)는, 유로(FP) 내에서 수류가 통과하는 방향에서 보아서 충돌부재(22)의 돌출방향으로부터 그 양측에, 각각 충돌부재(22)의 외주면과 대향충돌부재(23)의 외주면에 걸치는 모양으로 형성되어 있다.
또한 도6에 나타나 있는 바와 같이 스로틀링 갭(21G)의 수유입측 개구위치에 있어서의 갭 간격의 중심위치를 갭 중심(gap 中心)(Q)으로서 정의하였을 때에, 유로(FP)의 단면 반경방향에 있어서 유로벽부의 내면으로부터 갭 중심(Q)까지의 거리(η)가 단면중심(O)으로부터 갭 중심(Q)까지의 거리(λ)보다 작아지지 않는 범위에서, 상기 갭 중심(Q)이 단면중심(O)으로부터 반경방향으로 오프셋(offset) 되도록 스로틀링 갭(21G)의 형성위치가 조정되어 있다.
도4로 되돌아가서, 충돌부재(22)보다 하류측에 있어서의 접속부(25)에는 부흡인노즐부(副吸引 nozzle部)(24)가 설치되어 있다. 부흡인노즐부(24)는 접속부(25)의 벽부를 관통함과 아울러, 일단측(一端側)에서 유로(FP) 내로 기체분출구(氣體噴出口)(241d)를 개구하고 또한 타단측(他端側)에서 벽부 외면으로 기체흡입구(氣體吸入口)(241e)를 개구하는 노즐통로(nozzle 通路)(241)를 구비한다. 도4에 나타나 있는 바와 같이 유로(FP) 내에 수류부압(水流負壓)이 발생하면, 유로벽부 외측의 외기(外氣)(AA)가 기체흡입구(241e)로부터 노즐통로(241)를 통하여 흡인되어, 미세기포 발생기구(21)에 의하여 발생하는 미세기포보다 입경(粒徑)이 큰 부가기포(付加氣泡)가 됨으로써 기체분출구(241d)로부터 유로(FP) 내의 수류에 유입된다. 부흡인노즐부(24)는 접속부(25)의 벽부 내면으로부터 돌출되는 노즐돌출부(nozzle 突出部)(24b)를 구비하고, 상기 노즐돌출부(24b)의 돌출방향 선단에 기체분출구(241d)가 개구되어 있다. 또 부흡인노즐부(24)의 외주면에는 수나사부(24t)가 형성됨과 아울러, 접속부(25)의 벽부를 관통하여 형성된 암나사 구멍(24u)에 나사체결되어 있어, 그 나사 진행량에 따라 노즐돌출부(24b)가 유로 내로 돌출되는 높이가 조정될 수 있도록 되어 있다.
도2에 나타나 있는 바와 같이 유로형성부재(20)의 외주면과 본체 케이싱(10)의 내주면 사이에는, 축선방향의 양단위치에서 양자를 액체가 새지 않도록 밀봉한 밀봉부재(262, 311)가 각각 설치되어 있다. 그리고 축선방향에 있어서 이들 밀봉부재(262, 311) 사이에 위치하는 상기 외주면과 내주면 사이에는, 본체 케이싱(10)의 벽부를 관통하여 형성된 공기유입구(空氣流入口)(13)와 연결되는 공기유입간격(空氣流入間隔)(AS)이 형성되어 있다.
본 실시예에 있어서 스로틀링 갭(21G)과 수우회 유로부(251)는, 수류입구(31)에 공급압력을 예를 들면 0.2MPa로 물을 공급하였을 때에 수류출구(106)로부터의 분사유량(噴射流量)이 6∼12리터/분이 되도록 각각 치수 조정되어 있다. 예를 들면 도1∼도6에 의하여 개시된 유로형성부재(20)를 포함하는 주요부에 대한 각 부의 구체적 치수를 예를 들면 다음과 같이 정할 수 있다.
(도4)
·유로본체부(26) : 내경 = 8.6mm, 유로 길이 = 70.5mm
·접속부(25) : 내경(d0) = 5.4mm, 유로 길이 = 24mm
·준스로틀링 기구(30)의 직경축소부 : 내경(d1) = 3mm, 유로 길이 = 16mm
·준스로틀링 기구(30)의 유입부(31A) : 내경(d1) = 3mm, 유로 길이 = 10mm
(도6)
·충돌부재(22) : 나사 외경 : M4.8, 유로 내 돌출높이 : 3.1mm
·감압공동(221) : 내경(d3) : 2mm, 깊이(H) : 4.5mm(H / d3 = 2.5)
·대향충돌부재(23) : 나사 외경 : M3.8, 유로 내 돌출높이 : 2.2mm
선단 직경축소부 : 저각(底角)(θ)이 45°의 원추형
감압공동(221)에 대한 침투깊이(k) : 약 0.2mm
·스로틀링 갭(21G)의 갭 중심(Q)의 오프셋 거리(λ) : 약 0.6mm
·갭 유통간격(β) : 0.57mm
·부흡인노즐부(24) : 나사 외경 : M3.6, 노즐구멍 내경 : 1mm
노즐돌출부(24b)의 유로 내 돌출높이 : 2.5mm
·충돌부재(22)와 부흡인노즐부(24)의 축선 사이 거리 : 3mm
상기의 치수관계에 있어서, 수류입구(31)에 공급압력 0.2MPa로 37℃의 온수(溫水)를 공급하였을 때에 수류출구(106)로부터의 분사유량은 약 9리터/분이다. 이하, 상기한 치수조건 및 공급압력 조건으로 시판(市販)되는 열유체해석 소프트웨어(熱流體解析 ソフトウェア)(EFD. Lab, 일본의 고조 게이카쿠 엔지니아링구(KOZO KEIKAKU ENGINEERING Inc. ; 構造計劃硏究所) 제품)로 미세기포 발생기구(21) 내의 유속 및 압력분포에 관한 시뮬레이션(simulation)을 하였다. 또 스로틀링 갭(21G)에 대해서는, 상기한 치수조건 이외에 충돌부재(22)가 유로 내로 돌출되는 높이를 상기 치수로 고정하고 대향충돌부재(23)의 돌출높이를 변경함으로써, 갭 유통간격(β)을 0.07mm 및 1.07mm로 하였을 경우의 유속분포 시뮬레이션(流速分布 simulation)도 동일하게 하였다. 도7은, 좌측으로부터 순차적으로 갭 유통간격(β)을 0.07mm, 0.57mm 및 1.07mm로 하였을 경우의 충돌부재(22)와 대향충돌부재(23)의 상대위치 관계를 나타내고 있다.
도8의 아래쪽 도면은, 갭 유통간격(β)을 0.57mm로 하였을 경우의 스로틀링 갭(21G) 내부 및 그 주변의 유속분포 시뮬레이션 결과를 나타내는 것이다. 대향충돌부재(23)의 직경축소부 선단 부근에서의 유속은 32m/초에 도달하고 있고, 스로틀링 갭(21G) 내부도 다수의 유적선(流跡線)이 통과하고 있다는 것을 알았다. 또한 직경축소부의 외주 가장자리 부근으로 유입되는 흐름도 현저하게 발생하고 있고, 유속은 24∼30m/초의 값으로 되어 있다. 또한 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)의 하류측에도 15∼21m/초의 고유속역(高流速域)(유입난류 : 후술하는 부압영역(負壓領域)에 대응)이 현저하게 발생하고 있다. 상기 고유속역의 하류측으로의 확대는, 유로벽부 내면에 가까운 위치에서는 충돌부재(22)와 부흡인노즐부(24)의 축선 사이 거리의 대략 중간에 머물고 있지만, 벽면 저항이 작은 유로중심 축선 부근에서는 부흡인노즐부(24)의 직전까지 혀 모양으로 연장되어 있다는 것을 알았다.
한편 도8의 위쪽 도면은, 갭 유통간격(β)을 0.07mm로 하였을 경우와 동일한 시뮬레이션 결과를 나타내는 것이다. 갭 유통간격(β)이 작기 때문에 스로틀링 갭(21G) 내부로의 유적선 통과 수는 감소하고 있고, 또한 스로틀링 갭(21G)을 통과하는 수류의 최대유속도 12m/초 정도이다. 한편 직경축소부의 외주 가장자리 부근으로 유입되는 흐름은 더 현저하게 되어 오목 갭부(21n)에 가까운 위치에서의 유속은 30m/초를 넘는 것 이외에, 직경축소부의 외주 가장자리 부근에서의 유속은 24∼27m/초 정도이다.
도9는, 갭 유통간격(β)을 0.07mm로 하였을 경우의 시뮬레이션 결과를 3차원으로 나타내는 도면이다. 충돌부재(22), 대향충돌부재(23) 및 부흡인노즐부(24)는 그 종단면(縱斷面)이 나타나 있는데, 유로축선을 중심으로 하여 한쪽만이 표시되어 있다. 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)의 하류측에 큰 소용돌이류가 나타나고 있지만, 레이놀즈 수(Reynolds number)에 의한 후술하는 해석결과로부터 실제로는 난류화(亂流化)하고 있다는 것이 확실하다. 또한 부흡인노즐부(24)에 외기를 유로 내로 흡입하는 흐름이 발생하고 있다는 것도 분명하다. 스로틀링 갭 내에서 직경축소부 선단 부근의 유속은 9∼12m/초이다.
도10은, 갭 유통간격(β)을 0.57mm로 하였을 경우의 시뮬레이션 결과를 3차원으로 나타내는 도면이다. 스로틀링 갭 내 및 그 바로 하류영역의 유속이 대폭적으로 증대되어 감압공동(221) 내의 제1소용돌이류(SW1)가 더 현저화 되고 있다. 스로틀링 갭 내에서 직경축소부 선단 부근의 유속은 23∼30m/초이다.
도11은, 갭 유통간격(β)을 1.07mm로 하였을 경우의 시뮬레이션 결과를 3차원으로 나타내는 도면이다. 스로틀링 갭 바로 하류측의 고유속 영역이 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)의 대향방향(對向方向)으로 더 확대되어 있다. 스로틀링 갭 내에서 직경축소부 선단 부근의 유속은 23∼28m/초이다.
도9∼도11에 있어서 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)의 하류측에 형성되는 소용돌이류는, 소위 쌍동이 소용돌이처럼 보이기도 한다. 그러나 도9∼도11의 어느 쪽의 케이스에 있어서도 충돌부재(22)에 도달하기 직전의 유속은, 상기 시뮬레이션 결과로부터 적어도 15m/초 전후에 도달하고 있다는 것을 알고 있고, 충돌부재(22)의 외경(D)을 4.8×10-3m, 유속(U)을 15m/초, 수온(水溫) 10℃를 상정한 물의 동점성계수(動粘性係數)(v)를 1.31×10-6m2/초로 하여 충돌부재(22)에 관한 레이놀즈 수(Re)(= D·U / v)를 산출하면,
Re = (4.8×10-3)×15 / (1.31×10-6) = 54961
이 된다. 이것은 충돌부재(22) 주위의 수류가 난류화 되기 위한 레이놀즈 수(Re)의 목표(약 1500)를 훨씬 넘은 값이고, 충돌부재(22) 나아가서는 대향충돌부재(23)의 바로 하류영역에서는, 상기 레이놀즈 수에 대응한 매우 심한 유입난류가 3차원으로 발생하고 있다는 것을 의미한다.
충돌부재(22)(및 대향충돌부재(23))의 외경은 1∼5mm 정도의 범위에서 조정이 가능하고, 그 하한치(下限値)를 채용하였을 경우의 레이놀즈 수(Re)는 11450 정도이다. 또한 수류입구(31)로의 공급압력은, 통상의 수돗물 압력을 고려하였을 경우에 0.1MPa∼0.8MPa 정도로 확대되어 있고, 충돌부재(22)에 도달하기 직전의 유속(U)도 상기 값(15m/초)의 0.5배∼4배 정도(7.5∼60m/초)의 범위에서 변동할 수 있기 때문에, 충돌부재(22) 주위에 있어서의 레이놀즈 수(Re)도 5000∼200000의 사이의 여러 가지 값이 될 수 있다. 어쨌든 충돌부재(22) 주위의 수류가 난류화 되기 위한 조건 Re > 1500을 충족하고 있는 것에는 변함이 없다.
또한 도12는, 갭 유통간격(β)을 0.57mm로 하였을 경우에 있어서 스로틀링 갭(21G) 내부 및 그 주변의 압력분포 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 이 결과로부터 판명되는 것은 다음과 같다.
·감압공동 내의 부압 레벨(負壓 level)은 대략 전역(全域)에 걸쳐서 0.05MPa를 넘는다.
·스로틀링 갭 내의 부압 레벨은 0.07MPa 이상이고, 특히 대향충돌부재의 직경축소부의 선단 부근으로부터 하류측을 향하여 0.09MPa를 넘는(나아가서는 이론 상한치인 0.1MPa(1기압)) 영역이 현저하게 형성되어 있다.
·스로틀링 갭 및 충돌부재의 하류측에는, 접속부(25)의 전체 단면에 걸치는 부압영역이 충돌부재(22) 외경의 2∼3배 정도의 구간에 걸쳐서 형성되어 있고, 특히 스로틀링 갭 및 충돌부재(22)의 바로 하류영역에는 0.05MPa를 넘는 현저한 부압영역이 충돌부재(22) 외경의 1∼1.5배 정도의 구간에 걸쳐서 형성되어 있다. 즉 유로(FP) 내에서 유입되는 난류(CF) 발생공간의 대부분이 부압상태로 되어 있다고 생각된다.
도13은 유로중심 축선에 따른 압력변화를 그래프화 하여 나타내는 것으로서, 스로틀링 갭 위치에서 0.1MPa 부근의 최저 부압 레벨을 나타내고, 그 후에 부흡인노즐부(24) 부근까지 부압상태가 계속되고 있다는 것을 알았다.
특허문헌2∼5에 개시된 선행기술에서는, 종래와 같이 스로틀링 기구의 채용에 의하여 캐비테이션에 필요한 유속을 얻는 것에 중점을 두고 있다. 그리고 유속이 일정 이상으로 커지게 되면, 석출(析出)이 발생된 기포 상호간의 충돌확률도 높아지게 되어 미소기포로 분쇄되는 것도 자연스럽게 진행될 것이라는 생각이 근저에 깔려있는 것처럼 생각된다. 한편 특허문헌1에서는 익체(翼體)로 흐름을 가이드 하여 거대한 선회류(旋回流)를 더 발생시키는 기술이 채용되고 있지만, 이것도 선회류화(旋回流化) 함으로써 유속을 증가시키고 흐름을 더 회전시킴으로써, 결국 기포충돌 확률을 증가시키는 것을 겨냥한 기술인 점에서 아무런 변화가 없다. 그러나 중공(中空)이고 실제 모양이 없는 기포의 경우에는, 고체 입자 상호간을 충돌시켜서 미세하게 분쇄하는 것과 달리, 충돌을 일으킴으로써 더 미소한 기포로 분쇄되는 것이 촉진되지 않고, 오히려 도15c에 나타나 있는 바와 같이 충돌한 기포(BM) 상호간이 합체(合體)되어 거친 기포(BC)로 성장할 가능성이 높아지게 된다. 여기에서 기술적인 측면에서 하나의 함정이 존재한다.
본 발명에서는, 충돌부재(22)를 사용하여 스로틀링 갭(21G)을 형성함으로써 스로틀링 갭(21G)에서 부압을 발생시키는 것에 머물지 않고, 충돌부재(22)에 고속으로 충돌시켜서 하류측으로 유입시킴으로써 심한 난류를 3차원으로 발생시키고, 이에 따라 스로틀링 갭(21G)의 바로 하류영역에 다수의 작은 소용돌이류를 밀집시켜서 형성함으로써 이 문제를 해결하였다. 구체적으로는, 상기한 시뮬레이션 결과로부터 미세기포 발생기구(21) 내에서 어떤 현상이 발생하였는지를 대충 다음과 같이 추정할 수 있다. 즉 준스로틀링 기구(30)(도2)의 통과에 의하여 도14의 a에 나타나 있는 바와 같이 수류(WF)는 10∼20m/초 전후로 가속된 형태로 스로틀링 갭(21G)을 향하여 유입된다. 한편 도5에 나타나 있는 바와 같이 스로틀링 갭(21G)을 형성하는 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)는 유로벽부와의 사이에, 부딪친 수류(WF)를 우회시키는 수우회 유로부(251)를 형성하고 있다. 즉 스로틀링 갭(21G)의 외주 가장자리가 수우회 유로부(251)로 개방되어 있음으로써 갭 통과 시의 유체저항(流體抵抗)이 과도하게 증가하지 않아, 결과로서 도14의 b, c에 나타나 있는 바와 같이 수류(WF)는 상기 스로틀링 갭(21G)을 25m/초를 넘는 고속으로 통과할 수 있다. 이에 따라 스로틀링 갭(21G) 내 및 그 하류의 넓은 영역에 걸쳐 0.05MPa를 넘는 강한 부압영역이 발생하여, 수류 중의 용존공기(溶存空氣)가 석출됨으로써 기포(BM)가 다량으로 발생한다.
한편 도15a에 나타나 있는 바와 같이 충돌부재(22)에 부딪쳐서 수우회 유로부(251)를 통과한 수류(WF)는 충돌부재(22)의 하류측으로 유입되어, 상기의 레이놀즈 수(Re)의 레벨로부터 상정되는 대유량(大流量)에 의하여 심한 난류(CF)를 형성한다. 이에 따라 충돌부재(22)의 하류측에서는, 그 전역에 걸쳐서 미소한 소용돌이류(SWE)(난류)가 매우 고밀도(高密度)로 형성된다. 또한 소용돌이류(SWE)의 발생 밀도가 높아짐으로써 부압영역은, 스로틀링 갭(21G) 내부뿐만 아니라 그 하류측에도 입체광각적(立體廣角的)으로 크게 넓어지게 되도록 형성된다. 따라서 도14의 c에 나타나 있는 바와 같이 석출 기포(BM)를 포함하는 스로틀링 갭(21G)의 통과류는, 갭 하류측의 부압영역에서 더 기포석출을 계속하면서 다수의 소용돌이류에 의하여 교반(攪拌)을 받게 된다. 또한 도15d(도15a의 J-J 단면)에 나타나 있는 바와 같이 스로틀링 갭(21G)의 가장자리 영역은, 쐐기 모양의 단면을 구비하고 또한 공간 외주측이 수우회 유로부(251)로 개방되는 원환상의 갭 가장자리 공간(251n)을 형성하고, 특히 직경축소부(23k)의 외주면에 있어서 수류(WF)의 방향으로부터 스로틀링 갭(21G)의 양측에 위치하는 부분도 보조적인 갭으로서 기능을 한다. 따라서 이 보조적인 갭을 통과하는 수류에도 캐비테이션을 발생시키고, 발생된 기포(BM)가 출구측에서 소용돌이류(SWE)에 휩쓸려 들어가서 분쇄되기 때문에 미세기포의 발생효율이 더 향상된다.
난류화에 의하여 발생하는 개개의 소용돌이류(SWE)는, 소용돌이 외주보다 중심 쪽이 압력이 낮기 때문에 소용돌이류(SWE) 주위의 흐름을 소용돌이 중심으로 끌어들이도록 작용한다. 난류 하에서는 상기한 바와 같이 다수의 가는 소용돌이류(SWE)가 3차원으로 밀집하여 형성되기 때문에, 도15b의 상측에 나타나 있는 바와 같이 스로틀링 갭 통과 시의 캐비테이션 효과에 의하여 석출·성장한 기포(BM)는, 복수의 소용돌이류(SWE)에 의한 입체적인 배위(配位)를 항상 받은 상태가 된다. 각 소용돌이류(SWE)는 기포(BM)에 각각 자체의 중심을 향하여 흡인력(吸引力)을 작용시키기 때문에, 도15b의 하측에 나타나 있는 바와 같이 기포(BM)는 그들 주위의 소용돌이류(SWE)에 의하여 사방팔방으로 흡입되어 말하자면 「갈기갈기 분해된」 상태가 되어, 미소기포(BF)로의 분쇄가 촉진됨과 아울러 기포 직경의 평균화가 진행된다. 즉 석출된 기포(BM) 상호간을 충돌시켜서 분쇄하는 것보다는, 각각 흡인력을 구비한 다수의 작은 소용돌이류(SWE)로 둘러싸서 서로 다른 복수 방향으로 잡아뜯는 이미지이다. 또한 부압영역이 갭 하류측에도 크게 확대되어 있음으로써, 일정 레벨 이상으로 성장한 기포입자가 이 부압에 의하여 팽창(膨脹)하고 파열(破裂)되어 미세화 되는 효과도 기대할 수 있다.
또한 도15e에 나타나 있는 바와 같이 충돌부재(22)(혹은 대향충돌부재(23))의 외주면은, 본 실시예에서는 수나사부(22t(23t))로 되어 있지만, 개개의 부재 외주면이 평활한 원기둥 면이 아니라 나사 면으로 되어 있는 것도 난류의 발생효율을 높이는 측면에서 공헌하고 있다. 즉 충돌부재(22) 내지 대향충돌부재(23)는 중심축선이 수류방향과 대략 직각이 되는 위치관계에 의하여 세워서 설치되어 있기 때문에, 그 외주면에 형성된 나사산(수류박리 요철부(水流剝離 凹凸部))(22m)은 충돌부재의 축선을 법선(法線)으로 하는 가상면(假想面)(VP)과 일정한 경사각(傾斜角)(φ)(예를 들면 2°이상 15°이하)을 구비하고 있다. 이 가상면(VP)과 평행한 방향으로 충돌부재를 향하여 수류(WF)가 유입되면, 상기 수류방향에 대하여 경사진 복수의 나사산(22m)을 가로질러 충돌부재의 하류측으로 유입된다. 이 때에 수류(WF)가 일방(一方)의 산골짜기측으로부터 반대의 산골짜기측으로 나사산(22m)의 능선부(22b)를 타고 넘어갈 때에, 난류화에 공헌하는 수류박리가 발생하기 쉽다. 또 도15f에 나타나 있는 바와 같이 수류박리 요철부를 충돌부재(22)(내지 대향충돌부재(23))의 축선방향을 따르는 세레이션 부(serration 部)(22S)로서 형성하는 것도 가능하다.
또한 이 실시예에 있어서 중요한 점은, 충돌부재(22)의 선단에 스로틀링 갭(21G)과 접하는 형태로 감압공동(221)이 형성되어 있다는 점이다. 상기 감압공동(221)에 의하여 다음과 같은 작용·효과를 기대할 수 있다.
·상기의 시뮬레이션 결과에서도 분명한 바와 같이 감압공동(221) 내에는 전역이 0.05MPa를 넘는 고부압영역(高負壓領域)으로 되어 있어, 캐비테이션에 의한 기포석출이 촉진됨과 아울러, 석출된 기포의 팽창에 의한 파열도 일어나기 쉽기 때문에 기포의 미세화에 기여한다.
·감압공동(221)이 수류 중에서 공진(共振)함으로써 초음파대 공명파(超音波帶 共鳴波)가 발생하여 기포석출을 위한 캐비테이션과, 공명진동(共鳴振動)에 의한 기포분쇄가 촉진된다. 요인으로서는, 다음과 같은 기구가 생각된다. 도14의 b, c에 나타나 있는 바와 같이 감압공동(221)에 접하는 대향충돌부재(23)의 선단부가 직경이 작아져 있음으로써, 상기 선단부를 따라 올라온 수류는 상기의 시뮬레이션 결과에서도 분명한 바와 같이 30m/초를 넘는 고속으로 감압공동(221) 내로 진입하여, 감압공동(221)의 내벽면 사이에서 다중반사(多重反射)를 반복한다. 이 수류의 다중반사에 의하여 감압공동(221)의 형상으로부터 정해지는 고유주파수(固有周波數)에서 초음파대 공명파가 여기(勵起)된다. 예를 들면 감압공동(221)의 내경(dx)을 2mm, 수중에서의 음속(音速)(c)을 1500m/초라고 가정하면, 공동반경 방향에 있어서의 진동의 고유주파수는 다소 정확하지 않은 근사치(近似値)이기는 하지만 c / 2dx의 대략 정수 배라고 간주할 수 있다(일본의 음향공학원론(音響工學原論)(이토쓰요시(伊藤毅) 저서, 1955년) p.270∼271, 코로나(コロナ)사). 이에 따라 그 최저차 진동(最低次 振動)의 주파수는 약 375kHz라고 계산할 수 있어 초음파대 진동이 된다는 것을 알았다.
또한 사용하는 충돌부재(22)의 외경(D)과 유속(V)의 레벨로부터 레이놀즈 수(Re)의 범위는 상기한 바와 같이 5000∼200000 정도이고, 칼만(Kalman) 소용돌이 진동의 주파수(f)를 추정하기 위한 스트로할 수(Strouhal number)(St)는 대략 0.2 정도로 일정하게 되어 있다고 생각된다. 이 경우에 유속을 15m/초, 외경(D)을 4.8mm로 하여,
f = St·U / D ‥(2)
로부터 주파수(f)를 산출하면 625Hz가 되어 초음파대 진동으로부터는 많이 멀어지게 된다. 그러나 충돌부재(22)가 형성하는 구조체는, 감압공동(221)의 개구위치에서 스로틀링 갭(21G)의 형성에 의하여 도중에서 끊기고 있어, 대향충돌부재(23)의 선단부 외경은 감압공동(221)에 근접함에 따라 무한소(無限小)의 극한치(極限値)를 향하여 축소되어 있다고 볼 수 있다. 또한 스로틀링 갭(21G)에서의 유속은 상기의 시뮬레이션 결과에 의하면 30m/초 전후이지만, 대향충돌부재(23)의 선단부 근방에서는 실제의 유속이 더 커지게 될 가능성이 높다.
결국 대향충돌부재(23)의 선단부 근방 즉 감압공동(221)의 개구 부근에서는 D가 크게 축소되는 것에 반하여 U는 대폭적으로 증대되기 때문에, 식(2)에 의하여 계산되는 칼만 소용돌이 진동의 주파수(f)가 초음파대 레벨까지 높아질 수 있다고 생각된다. 한편 스로틀링 갭(21G)의 위치에서는 실체적인 장해물 그 자체는 존재하지 않기 때문에, 스로틀링 갭(21G) 근방의 흐름 상태에 따라 초음파대의 여러 가지 주파수에서 칼만 소용돌이 진동이 발생하고 있다고 생각되고, 이 중에서 감압공동(221)의 고유진동수에 가까운 것이 선택되어 공명진동이 발생하는 것이라고 생각된다.
상기 본 실시예의 미세기포 발생기구(21)에 의하면, 종래기술을 채용하였을 경우보다 훨씬 미세한 기포를 다량으로 발생시킬 수 있다. 여기에서 그 기포 치수를 측정한 결과에 대하여 설명한다. 도1∼도6에 개시되어 있는 미세기포 발생기구(21)(다만 갭 유통간격(β)은 1.57mm)에 가스온수기(gas 溫水器)를 호스(hose)로 접속하고, 공급압력 0.35MPa로 37℃의 온수를 공급함과 아울러, 수류출구(106)로부터 분사되는 물을 용적 약 90리터의 수조(水槽) 중으로 방출하였다. 이 때에 미세기포 발생기구(21)로 공급되는 온수의 평균유량은 9.5리터/분이었다.
그리고 수조의 측벽에 설치한 측정수 배출관(測定水 排出管)(조(槽) 밑면으로부터의 배수구 높이 : 약 40cm)으로부터 조 내에 모인 온수를 유출시켜서 레이저회절식 입도분포 측정장치(laser 回折式 粒度分布 測定裝置)(일본의 시마즈 코퍼레이션(SHIMADSU CORPORATION ; (株)島津製作所) : SALD2200)의 측정 셀(測定 cell)로 인도하여 기포의 직경 분포를 측정하였다. 또 미세기포 발생기구(21)는 전체를 수몰(水沒)시키는 조건에서 수조 내로 방수(放水)를 하였기 때문에, 부흡인노즐부(24)를 통하여 외기 흡인을 하지 않은 상태에서 기포의 직경 측정이 이루어졌다.
레이저회절식 입도분포 측정장치는, 측정 셀에 레이저광 빔(laser光 beam)을 일정 각도로 입사(入射)함과 아울러, 측정대상입자(여기에서는 기포)의 입경에 따라 그 산란각도(散亂角度)가 다른 것을 이용하여 각도(角度)별의 산란광 강도(散亂光 强度)를 개별의 광검출기(光檢出器)에 의하여 검출함으로써, 각 센서(sensor)의 검출강도로부터 입경의 분포에 관한 정보를 얻는 것이다. 이 측정원리로부터 분명한 바와 같이 레이저회절식 입도분포 측정장치에 있어서는 체적이 큰 기포일수록 대응하는 검출기에 있어서의 산란광의 검출강도는 증대되는 경향에 있기 때문에, 담당하는 입경구간(粒徑區間)이 다른 복수의 광검출기의 출력강도비(出力强度比)를 사용하여 직접 계산되는 것은 입경구간별 상대합계체적(相對合計體積)(이하, 체적상대빈도(體積相對頻度)라고도 한다)을 지표로 한 분포정보이다. 즉 일반적으로 평균직경으로서의 인식도가 높은 것은 입자 직경의 합계치를 입자의 개수로 나눈 수평균직경(數平均直徑)이지만, 레이저회절식 입도분포 측정장치의 경우에는 원리상 입자 체적에 의하여 중요한 체적평균직경 이외에는 직접적으로 측정할 수 없다.
도16은 그 측정결과를 상기 체적상대빈도에 의한 모드(mode)로 표시한 것으로서, 입경 100μm 부근 및 400μm 부근에서 피크(peak)가 인지되었다. 그러나 체적상대빈도에 의한 분포표시에서는, 미소기포가 다수 존재하고 있어도 거칠고 큰 기포가 소수 혼재되어 있다면, 수적(數的)으로는 우세한 미소기포의 분포정보가 거칠고 큰 기포의 분포정보에서 지워져 버리기 때문에, 미소기포의 분포가 적정하게 평가되어 있다고는 도저히 생각될 수 없다. 예를 들면 400μm의 기포 1개와 1μm의 기포 100만개로 이루어지는 장치인 경우에, 수중에 장시간 체류하여 다양한 효능을 발휘할 수 있는 것은 100만개의 1μm의 기포이며, 1개만 존재하는 400μm의 기포는 수면(水面) 상으로 바로 부상(浮上)하여 소멸하는 성질에 비추어 보아도 기술적인 흥미는 적다. 그러나 측정으로부터 직접 얻어지는 체적에 의하여 중요한 평균직경(이하, 체적평균직경이라고 한다)을 구하면 약 346μm가 되어, 수평균입경(數平均粒徑)으로서 기대되는 1μm와의 격차는 너무 크다. 400μm의 기포가 단지 1개 존재하기 때문에, 100만개나 있는 1μm 기포의 기여가 거의 반영되지 않는 것이 잘 이해될 수 있다.
한편 수중에서의 기포는 대략 구형(球形)이라고 간주할 수 있기 때문에 입경구간별 상대합계체적이 측정정보로서 얻어져 있다면, 구간별 상대합계체적의 입방근(立方根)을 사용하여 이것을 수상대빈도(數相對頻度)에 의한 분포표시로 변환할 수 있다. 도17은 그 변환결과를 나타내는 것으로서, 대략 50μm 부근에 개수에 의한 기포입경의 평균치가 존재하고 있다는 것을 알 수 있다. 그러나 이 표시에서도 10μm 이하의 미소기포는 마치 전혀 존재하지 않는 것처럼 보인다.
여기에서 각 입경구간을 담당하는 검출기별 산란광의 검출강도분포를 조사한 것에 따르면, 도18에 나타나 있는 바와 같이 10μm 이하의 입경구간을 담당하는 검출기군(檢出器群)에 있어서도 피크강도 레벨(peak 强度 level)에 있어서, 20μm 이상의 입경구간을 담당하는 검출기군의 70∼80% 정도의 충분히 유의(有意)라고 인지되는 산란광을 검출할 수 있다는 것을 알았다. 여기에서 20μm 이상의 입경구간을 담당하는 검출기의 출력정보를 제외하고, 20μm 미만의 입경구간을 담당하는 검출기군의 출력정보만을 사용하여 체적상대빈도에 의한 분포를 계산한 결과가 도19이다. 이것을 보면, 평균입경 0.5μm 부근(제1피크)과 2μm 부근(제2피크)의 2군데에서 높이가 대략 동일한 분포피크(分布 peak)가 명확하게 인지된다. 제1피크는 제2피크의 1/4의 입경으로서 체적비에 의하여 대략 동일한 존재량(存在量)이라고 하는 것은, 0.5μm 부근의 기포가 2μm 부근의 기포의 32배 정도는 존재하고 있다는 것을 의미하기 때문에 10μm 이하의 기포 전체의 수평균직경으로 환산하면, 마이크로·나노 버블 영역(micro·nano bubble 領域)에 속하는 0.55μm(550nm)가 얻어진다. 이것은 전체 검출기의 출력을 사용하여 계산한 수평균직경(약 50μm)의 1/100에 가까운 값이다. 여기에서 10μm 이하의 기포가 개수비율로 기포 전체의 어느 정도를 차지하고 있는지를 상기 측정결과를 사용하여 추정하는 것을 시험한다.
즉 도18의 결과에 의하면, 10μm 이하의 기포(이하, 제1기포군(第一氣泡群)이라고 한다)에 의한 합계 산란광 강도는, 20μm 이상의 기포(이하, 제2기포군이라고 한다)에 의한 합계 산란광 강도의 50%에 도달하고 있다고 생각된다. 모든 검출기의 출력을 사용하여 산출한 도16의 체적상대빈도분포에서는, 제1기포군의 분포정보가 제2기포군의 분포정보에서 지워져 있기 때문에, 이것을 수평균직경으로 변환한 도17의 결과도 제2기포군의 수평균직경을 실질적으로 반영하고 있는 것으로 간주할 수 있다. 한편 제1기포군의 수평균직경은 상기한 바와 같이 0.55μm(550nm)로 예측된다. 그리고 도18의 결과로부터 제1기포군의 합계 산란광 강도가 제2기포군의 합계 산란광 강도의 50% 전후에는 존재하고 있는 점에 비추어 보면, 제1기포군의 합계체적은 상당히 적게 예측하여도 제2기포군의 합계체적의 10%는 존재하고 있다고 생각된다.
또한 전체 검출기의 출력으로부터 직접 얻어지는 체적평균직경 레벨은 도16에 의하면 120μm 전후이다. 즉 45리터의 수조에 모인 온수의 일부(100cc 정도)를 측정 셀로 인도하여 측정한 것임에도 불구하고, 체적평균화 하면 120μm 전후가 되는 거칠고 큰 기포가 상당수 검출되어 있다. 구체적으로 말하면, 산란을 일으키는 기포의 최저존재단위는 「1개」이고, 도16에서 제로(zero)가 아닌 체적빈도치가 검출되어 있는 직경 클래스(直徑 class)는 최저에서도 1개의 기포를 포함하는 것을 의미한다. 도16의 산출결과에서는 500μm의 직경 클래스에 유의한 빈도가 확실하게 나타나고 있기 때문에, 상기 직경 클래스의 기포가 가령 「1개」라고 생각하여도 예를 들면 100μm의 직경 클래스의 체적빈도는 500μm의 직경 클래스의 체적빈도의 약 8배이고 또한 동(同) 체적에 의하여 100μm의 입자는 500μm의 입자의 53 = 125배의 수를 차지하기 때문에, 100μm 클래스의 기포만으로 100cc당 125 × 8 = 1000개는 존재한다. 상세하게는, 도16에 유의한 빈도가 나타나 있는 전체 클래스의 기포수의 합계는 5000∼10000개로 예측된다. 즉 체적평균화 하면 120μm 전후가 되는 제2기포군은, 1리터당 최저에서도 5000개 정도는 포함되어 있다고 생각된다.
그리고 체적평균화 하면 0.55μm(550nm)의 제1기포군의 존재량은, 상기한 바와 같이 가장 적게 예측하여 제2기포군의 합계체적의 10% 정도는 확실하게 존재하기 때문에, 상기 미소기포의 1리터당 존재수는,
1203 × 5000 × 0.1 ÷ 0.553 = 5.04 × 109(개/리터)
이 되어 약 50억개가 넘는다는 것을 알았다.
한편 온수에 의한 기포직경 측정 중에 있어서, 수조 내의 벽면에 거칠고 큰 수증기 거품이 다수 부착되는 것이 관찰되었다. 이 수증기 거품은 장치의 측정 셀 내면에도 동일하게 부착되어 있고, 시간이 경과함에 따라 그 부착된 개수는 증가한다고 생각된다. 이것은 수조에 방출된 후에 수증기가 되어 셀 벽면에 부착된 거칠고 큰 기포를 미세기포 발생기구측에서 생성된 기포에 포함시켜서 직경의 분포를 측정하였을 가능성이 있다는 것을 의미하는 것으로서, 측정치를 대입경(大粒徑)측으로 시프트(shift)시키는 오차(誤差) 요인이 되는 것이 분명하다. 여기에서 수증기 거품이 발생하기 어려운 냉수(冷水)를 사용하여 동일한 측정을 하였기 때문에, 그 결과를 기재한다.
도1∼도6에 개시된 미세기포 발생장치(21)(갭 유통간격(β)은 1.57mm)를 수도에 호스로 접속하고, 공급압력 0.55MPa로 10℃의 냉수를 공급함과 아울러, 분사되는 물을 용적 약 90리터의 수조 중으로 방출하였다. 이 때에 미세기포 발생장치(21)에 공급되는 냉수의 평균유량은 12.2리터/분이었다. 수조 내면으로 수증기 거품이 부착되는 현상은 거의 일어나지 않는다. 이하, 온수의 경우와 완전히 동일하게 하여 기포직경의 분포를 측정하였다. 도20은 측정으로부터 직접 얻어지는 체적상대빈도에 의한 입경분포를 나타낸다. 온수의 경우인 도16과 비교하여 다른 점은 다음과 같다.
(1)거칠고 큰 기포영역에서의 분포피크가, 온수의 경우에는 100μm 전후와 400μm 전후의 2개 존재하고 있었던 것이, 냉수의 경우에는 200μm 부근의 1개뿐이다. 또한 400μm를 넘는 거칠고 큰 기포의 존재비율이 대폭적으로 감소하여 수증기 거품의 영향이 억제되어 있다는 것이 분명하다.
(2)체적상대빈도에서의 표시인데도 불구하고 온수의 경우에는 나타나지 않은 1μm 미만의 마이크로·나노 버블영역 구체적으로는 0.2μm(200nm) 부근에, 거칠고 큰 기포직경영역에서의 피크의 1/4 정도 높이이지만 명확한 분포피크가 나타나고 있다.
여기에서 도20을 수상대빈도분포로 변환한 결과를 도21에 나타내었다. 도20에 있어서 2개 피크의 중심값이 나타내는 기포직경은 약 3자리수(1000배) 달라지게 되어 동일합계체적으로 생각하였을 때의 개수비(個數比)에서는 약 10억배의 차이가 되기 때문에, 거칠고 큰 기포직경측의 피크가 완전히 소멸하여 미소기포측에 0.2μm 부근을 중심으로 하는 피크가 1개만 인정을 받는다. 도20에 있어서 600μm 직경 클래스의 기포 수를 1개라고 생각하여 상기와 동일한 고찰에 의하여 체적평균화 하면 200μm 전후가 되는 제2기포군의 100cc당 총수는 적어도 1000개 이상이라고 예측된다. 한편 체적평균화 하면 0.2μm 전후가 되는 제1기포군의 분포피크 높이가 제2기포군의 분포피크 높이의 1/4인 것을 고려하여도, 제1기포군의 1리터당 존재수는 2.5×1012개 정도에 도달하는 것이라고 생각된다. 도22는 이 경우의 검출기별 산란광의 검출강도분포를 나타내는 것이지만, 10μm 이하의 기포직경역의 산란광 검출강도가 20μm 이상의 기포직경역의 산란광 검출강도와 대략 동등하게 나타나고 있다는 것을 알았다.
비특허문헌1에 의하면, 기포계면(氣泡界面)의 제타전위레벨(zeta potential level)이 기포직경에 반비례하여 증가한다는 실험사실로부터, 전해질(電解質)을 포함하지 않는 물의 경우에 안정하게 존재할 수 있는 미소기포의 평균적인 직경은 1μm를 조금 하회하는 레벨인 900nm 전후가 한계가 아닐까 생각되고 있었다. 그러나 본 실시예의 미세기포 발생장치에 의하면, 그 한계치(限界値)를 훨씬 하회하는 평균입경의 미소기포를 매우 용이하게 또한 고농도로 발생시킬 수 있다는 것이 명백하다.
도1에 있어서 욕조(301)의 구성에 의하면, 미세기포 발생기구(21)로부터 욕조(301) 내로 방출되는 수류(WJ)에 상기한 바와 같이 대량의 미소기포(BS)가 포함되어 있다. 욕조(301) 내의 탕수는 기포석출에 의하여 일단은 용존공기농도가 내려가지만, 펌프(313)에 의하여 가압용해탱크(310)로 되돌려짐으로써 다시 용존공기농도가 상승하고, 미세기포 발생기구(21)를 거쳐서 욕조(301)로 되돌려짐으로써 욕조(301) 내를 미소기포(BS)가 항상 고농도로 존재하는 상태로 유지하게 할 수 있다. 이러한 온수에 입욕(入浴)함으로써 다음과 같은 다양한 효과를 기대할 수 있다.
(1)미소기포가 모공(毛孔)의 속까지 침투하여 그것이 소멸할 때의 큰 에너지에 의하여 노폐물(老廢物)이 제거되고, 또한 피부 표면의 각질층(角質層)이 깨끗하게 제거되기 때문에, 입욕 후 피부의 반들반들한 감이나 매끄러운 감이 대폭적으로 향상된다.
(2)미소기포가 소멸할 때에 피부의 기름 성분이 콜로이드(colloid)(미립자(微粒子))화 되어 적절하게 피부에 잔류하기 때문에 보습성(保濕性)이 우수하다. 그 결과 장시간에 걸쳐서 촉촉하고·매끄럽게 되어 탄력감이 있는 피부를 유지할 수 있어 회춘효과(回春效果)도 기대할 수 있다.
(3)전신(全身)의 모공에 침투한 미소기포가 소멸될 때에 알맞은 자극을 주기 때문에, 혈액순환(血液循環)이 좋아지게 되어 몸속으로부터 따뜻하게 할 수 있다. 목욕 후에도 한기(寒氣)를 느끼기 어렵게 되어 온천(溫泉) 기분을 맛볼 수 있다(캡사이신 효과(capsaicin 效果)). 또한 무수한 마이크로 버블이 몸에 닿을 때에도 피부가 미세하게 자극되기 때문에 마사지(massage) 효과를 높일 수 있고, 나아가서는 혈액순환이 개선되어 피부를 활성화시키는 효과를 기대할 수 있다.
(4)미소기포는 수중에 녹아 있는 이온을 기액계면(氣液界面)으로 모으는 성질을 구비하고, 모인 이온은 마이크로 버블이 축소됨에 따라 농축(濃縮)된다. 그 결과 수중의 마이크로 버블은, 계면전하밀도(界面電荷密度)가 매우 높아진 상태가 된다. 물의 클러스터(cluster) 구조(수소결합 네트워크(水素結合 network))는 물분자(H2O)와 이것이 전리(電離)되어 발생한 미량(微量)의 H+와 OH-로 구성되어 있지만, 마이크로 버블의 계면구조는 H+나 OH-가 들어가기 쉬운 경향이 있어 물의 벌크(bulk)와 비교하여 이들 이온밀도가 높아지기 때문에, 결과적으로 마이크로 버블 계면을 대전(帶電)시킨다고 생각되고 있다(비특허문헌1). 또한 이러한 경향은 OH-쪽이 강하기 때문에, 통상의 pH 조건 하에서는 마이크로 버블 계면은 마이너스로 대전되는 경향이 있다. 마이크로 버블이 대전되어 있음으로써 마이크로 버블을 포함한 물과의 접촉에 의한 생체(生體)(인체 혹은 동물)로의 생리적 활성효과의 발현이 기대된다. 본 발명에 의하면, 종래로부터도 입경이 작은 미세기포를 비교적 고농도로 유입할 수 있기 때문에, 상기 생리적 활성효과가 특히 현저하게 되는 것을 기대할 수 있다. 상기 생리적 활성효과의 구체적인 예로서는, 자율신경의 조정, 폐기능의 강화, 알레르기 체질(allergy 體質)의 개선, 혈액의 정화, 세포의 활성화(손상된 세포의 회복, 신진대사), 인터페론 효과(interferon 效果)(바이러스 블록(virus block)), 세포의 증식 억제(항암작용(抗癌作用)), 혈압의 정상화, 면역강화, 정신안정, 공기의 정화(악취제거·살균) 등을 열거할 수 있다.
또한 본 발명의 미세기포 발생기구(21)는, 도1의 탕수순환식 욕조유닛(1)에 한정되지 않고 미세기포의 효용을 활용할 수 있는 모든 용도에 적용할 수 있다. 이하에서는 그 구체적인 예를 설명하지만, 본 발명의 적용대상은 이들 구체적인 예에 한정되는 것은 아니다. 또한 미세기포 발생기구(21)로 물을 공급하는 압력의 상한치에는 제한이 없고, 미세기포의 발생효율이나 기포직경 축소 때문에 펌프에 의한 가압공급(加壓供給)을 하는 것도 당연히 가능하다(이 경우에는 공급압력을 예를 들면 0.5MPa∼100MPa 정도의 범위에서 수시로 설정할 수 있다).
도23a는 욕실용 샤워헤드(shower head)(SH)에 미세기포 발생기구(21)를 부착한 예를 나타낸다. 샤워헤드(SH)는, 보통의 경우에는 손잡이부 기단측(基端側)에 형성된 수나사부(SHT)에 접속소켓(接續 socket)(TS)을 나사결합시킴으로써 샤워호스(shower hose)(TB)가 직접 접속되지만, 도23b와 같이 상기 수나사부(SHT)에 미세기포 발생기구(21)의 접속용 암나사부(278u)(도2 : 부호 279는 O링)를 나사결합시키고, 또한 미세기포 발생기구(21)의 접속용 수나사부(274)(도2:부호 273은 O링)에 접속소켓(TS)을 나사결합시킴으로써 샤워호스(TB)로부터의 수류를 미세기포 발생기구(21)를 통과시킨 후에 샤워헤드(SH)로 인도할 수 있어, 미소기포를 다량으로 포함한 수류를 샤워헤드(SH)로부터 분사할 수 있다. 이 수류로 목욕을 함으로써 상기의 (1)∼(4)의 효과를 동일하게 누릴 수 있다.
또한 도2에 있어서 미세기포 발생기구(21)의 경우에 부흡인노즐부(24)(도3 등)가 설치되어 있기 때문에, 스로틀링 갭(21G)에서 발생하는 미세기포(BF)와 부흡인노즐부(24)로부터 유입되는 것보다 입경이 큰 기포 즉 2수준의 기포가 혼입(混入)된 수류를 용이하게 얻을 수 있다. 부흡인노즐부(24)로부터 유입되는 기포는 분쇄가 억제되어 수평균입경으로 100μm 이상(바람직하게는 200μm 이상 1mm 이하)으로 조정됨으로써, 샤워 수류가 피부에 닿는 것이 더 부드러워지게 된다. 또한 큰 입경의 기포가 혼재되어 있음으로써, 유량을 감소시켜도 풍부한 수량의 샤워를 하고 있다는 체감을 유지할 수 있다는 이점이 있다.
또한 샤워에 적용하였을 경우에 피부나 모발에 부착된 비누나 샴푸(shampoo)의 세척효과를 높일 수 있다. 본 발명의 미세기포 발생기구(21)에 의하면, 종래보다도 더 미세한 기포가 더 많이 발생될 수 있어 샤워 수류에 포함되는 그 미세기포 자체가 때나 오염의 제거효과 또는 모발에 부착된 기름 성분의 세척효과가 우수하기 때문에, 비누나 샴푸의 사용량을 대폭적으로 감소시킬 수 있고 또는 비누나 샴푸를 사용하지 않더라도 충분한 세정효과가 얻어진다. 또한 비누나 샴푸를 사용한 경우에도 거품 제거의 효과가 좋아 끓인 물의 사용량을 감소시킬 수 있다.
또한 미세기포를 포함한 샤워 수류를 욕실에서 사용함으로써, 대전된 미세기포가 수증기와 상호작용하여 공기 중으로 다량의 마이너스 이온을 발생시켜서 가정의 욕실에서 삼림욕(森林浴) 기분을 맛볼 수 있다. 또한 미세기포의 계면은 농화(濃化)된 부전하(負電荷)에 의하여 활성화되어 있기 때문에 살균효과가 우수하다. 이러한 미세기포를 포함한 샤워 수류를 욕실 혹은 욕조 내에서 사용하였을 때에 그 배수(排水)에도 다량의 미세기포가 잔류하고 있기 때문에, 욕조순환배관이나 배수관의 정화 또는 미끈미끈함의 방지를 도모할 수 있고, 또한 청소 시에 사용하는 세제 사용량을 감소시킬 수 있다.
도23b는 수도마개(501)의 수도꼭지(502)에 미세기포 발생기구(21)를 부착한 예이다. 수도꼭지(502)측에는 수도꼭지 이음새(503)가 부착되어 있다. 수도꼭지 이음새(503)는 수도꼭지측 개구의 내측에 O링(503C)이 설치되어 있고, 수도꼭지(502)의 선단을 여기에 압입(壓入)하여 볼트(503b)를 반경방향으로 나사체결하는 형태로 부착되어 있다. 한편 수도꼭지 이음새(503)의 유출측 개구에는 암나사부(503u)가 형성되어 있어, 도2에 나타나 있는 접속용 수나사부(274)를 여기에 나사체결함으로써 미세기포 발생기구(21)를 접속할 수 있다. 이에 따라 일반 수도꼭지로부터의 유수에 매우 간편하게 미소기포를 유입시킬 수 있다. 이러한 유수는 살균작용(殺菌作用)이 우수하여 예를 들면 야채나 과일, 물고기 등의 생선식품의 세정이나 조리에 적합하게 사용될 수 있다. 또한 산소를 포함한 미소기포를 다량으로 포함하고 있기 때문에, 음용(飮用)에 사용함으로써 체내활성을 향상시킬 수 있다.
도23c는 수도꼭지 등의 급수원(給水源)에 접속된 급수호스(TB)의 선단에 미세기포 발생기구(21)를 부착한 예이다. 미세기포 발생기구(21)는 급수호스(TB)에, 도23a의 샤워호스와 동일한 접속소켓(TS)으로 부착되어 있고, 급수호스(TB)로부터의 물은 상기 미세기포 발생기구(21)로부터 다량의 미세기포가 유입된 수류(WJ)가 되어 분사된다. 예를 들면 이러한 수류(WJ)를 음식점 주방(廚房)(KT)의 플로어(floor)(FL) 또는 식품공장, 청과시장, 어시장 혹은 선어 판매점 등 생선식료품 취급하는 곳의 바닥세정 등에 사용하면, 바닥오염의 제거, 제균(除菌) 혹은 악취제거의 효과가 현저하다.
도23d는 본 발명의 미세기포 발생기구(21)를 적용한 수산용 양식유닛(水産用 養殖 unit)(400)의 일례를 나타내는 도면이다. 기본 구조는, 도1에 있어서 탕수순환식 욕조유닛(1)의 욕조(301)를 양식조(養殖槽)(401)로 치환한 것에 상당한다. 수류분사는 도1의 욕조(301)와 동일하게 조(槽)의 벽부를 관통시키는 형태로 하여도 좋지만, 도23d에서는 미세기포 발생기구(21)를 기단부(基端部)에 부착한 파이프(pipe) 모양의 분사노즐(噴射 nozzle)(402)을 양식조(401)의 상방에 배치하고, 상기 분사노즐(402)의 측면 길이방향을 따라 복수로 형성된 노즐구멍(402n)으로부터 양식조(401) 내로 분사한다.
도23d는 굴(OY)을 양식하는 경우를 예시하고 있다. 본 발명의 미세기포 발생기구(21)를 채용함으로써 발생 가능한 미세기포의 입경을 특히 작게 할 수 있고, 이러한 미세기포를 포함한 물을 굴(OY)의 양식조(401)에 공급함으로써, 굴의 무균화(無菌化)(혹은 균불활성화(菌不活性化))를 촉진할 수 있어 예를 들면 중독(中毒) 등이 문제가 되는 여름철에 있어서도 안전하고 맛있는 굴을 안정적으로 공급할 수 있다. 또한 굴의 성장촉진이나 품질향상에 대한 공헌도 기대할 수 있다. 특히 양식용의 물은 해수(海水)가 사용되지만, 전해질(電解質)을 다량으로 포함한 해수인 경우에 발생 가능한 미세기포의 평균입경은 10nm 미만 레벨(소위 나노 버블)을 용이하게 실현할 수 있어 저렴한 기구에 의하여 고품질의 양식 시스템을 구축할 수 있다.
또 양식의 대상이 되는 수산물은 굴에 한정되지 않고 전복 등 그 이외의 조개류, 새끼 방어, 다랑어 등의 해산어류, 뱀장어나 은어 등의 담수어류, 새우나 게 등의 갑각류 등 여러 가지에 적용할 수 있다.
도24는 미세기포 발생기구(21)를 조립한 세탁기의 일례를 나타내는 모식도이다. 상기 세탁기(600)는 소용돌이류식 세탁기로서 구성되고, 수돗물을 공급하는 급수관(給水管)(603)의 선단에 미세기포 발생기구(21)를 부착하여 다량의 미소기포를 유입한 물을 세탁용수로서 공급하도록 하는 구성을 구비한다. 급수부에 미세기포 발생기구(21)를 부착한 부분 이외의 구조는, 주지의 세탁기와 동일하다. 예를 들면 도24의 구성의 경우에 케이싱(casing)(602) 내에 세탁수조(洗濯水槽)(605)를 회전 불가능하게 배치하고, 그 내측에 다수의 탈수구멍을 둘레방향에 형성한 탈수조(脫水槽)(604)를 회전 가능하게 배치하고 있다. 탈수조(604)의 바닥부에는 펄세이터(pulsator)(607)가 배치되어 모터(606)에 의하여 회전구동됨으로써 조 내에 소용돌이류를 발생시킨다. 또 조 내의 물은 배수관(608)으로부터 배출됨과 아울러, 모터(606)의 회전전달을 펄세이터(607)로부터 탈수조(604)로 전환함으로써 탈수조(604)가 회전구동되어 세탁물이 원심탈수(遠心脫水) 처리된다. 또 세탁수조(605)와 탈수조(604)의 축선(軸線)을 측방으로 경사지게 하고 탈수조(604)를 모터에 의하여 둘레방향으로 회전구동시키는 회전드럼(回轉 drum)으로서 구성한 드럼식 세탁기에도 본 발명을 동일하게 적용할 수 있다.
본 발명의 미세기포 발생기구(21)를 채용함으로써, 특히 작은 입경의 미세기포를 다량으로 포함한 물로 세탁을 하여 의류에 대한 세정효과가 현저하게 향상되어 물 또는 세제의 사용량을 대폭적으로 감소시킬 수 있다는 이점이 생긴다. 또한 미세기포의 제균작용에 의한 악취제거 효과도 크게 기대할 수 있다.
도25는 미세기포 발생기구(21)를 조립한 식기세척기의 일례를 나타내는 모식도이다. 상기 식기세척기(700)는, 수돗물을 공급하는 물 공급배관(701)의 선단에 미세기포 발생기구(21)를 부착하여 다량의 미소기포를 유입한 물을 세정용수로서 공급하도록 하는 구성을 구비한다. 급수부에 미세기포 발생기구(21)를 부착한 부분 이외의 구조는 주지의 식기세척기와 동일하다. 예를 들면 도25의 구성의 경우에 케이싱 내에 망(網) 혹은 펀칭메탈(punching metal) 등으로 구성된 투액지지부(透液支持部)(703)를 배치하고, 세정대상이 되는 식기(食器)(PH)를 수용한 식기 트레이(食器 tray)(바구니, 망 혹은 펀칭메탈 등에 의하여 투액(透液)되는 것으로 제작되어 구성된다)(704)가 상기 투액지지부(703) 상에 재치(載置)된다. 그리고 물 공급배관(701)을 식기 트레이(704)의 상하로 분기(分岐)시키고, 각각 출구측에 미세기포 발생기구(21)가 부착되어 있다. 각 미세기포 발생기구(21)에는, 도23d와 동일한 파이프 모양의 분사노즐(702)이 접속되고, 미세기포 발생기구(21)로부터의 다량의 미소기포를 포함한 세정수가 각 분사노즐(702)의 노즐구멍(702n)으로부터 식기 트레이(704) 내의 식기(PH)를 향하여 상하로부터 분사되어 세정이 이루어진다. 본 발명의 미세기포 발생기구(21)의 채용에 의하여 특히 작은 입경의 미세기포를 다량으로 포함한 물로 식기세정을 함으로써, 기름 성분 등에 대한 세정효과가 현저하게 향상되어 물 또는 세제의 사용량을 대폭적으로 감소시킬 수 있다는 이점이 생긴다.
이하, 본 발명의 미세기포 발생기구의 여러 가지 변형예에 대하여 설명한다(이미 설명한 부분과 공통되는 요소에는 동일한 부호를 붙이고 그에 대한 상세한 설명은 생략한다). 도26은 도2의 미세기포 발생기구(21)로부터 부흡인노즐부(24)를 생략한 구성을 나타내는 도면이다.
도27은, 충돌부재(22)에 형성되는 감압공동(221) 내의 수류를 더 원활하게 하기 위하여 공동저부(空洞底部)를 만곡면(彎曲面) 모양으로 형성한 예를 나타낸다. 또한 도28은, 감압공동(221)의 개구 내 가장자리 면을, 대향충돌부재(23) 선단부의 테이퍼 모양 주측면(231)에 대응하는 스폿 페이싱(spot facing) 모양의 테이퍼 면(taper 面)(224)으로 한 예를 나타낸다. 이 테이퍼 면(224)의 형성에 의하여 대향충돌부재(23)의 선단측으로 수류를 인도하는 효과를 높일 수 있다.
도29는, 충돌부재(22)로부터 감압공동(221)을 생략하고 선단면을 평탄하게 형성한 예를 나타낸다. 대향충돌부재(23)의 선단부에는 테이퍼 모양 주측면(231)이 형성되어 있지만, 충돌부재(22)와 대향하는 선단면은 평탄하게 형성되어 있다. 도30은, 대향충돌부재(23)의 선단면에 깊이가 얕은 감압공동(232)을 형성한 예를 나타낸다. 충돌부재(22)에는 감압공동이 형성되어 있지 않고, 그 선단부 외주 가장자리가 테이퍼 모양 주측면(225)으로 되어 있다. 도31은, 충돌부재(22)와 대향충돌부재(23)를 오목 연결부(21C)에 의하여 축선방향과 일체(一體)로 결합시키고, 그 오목 연결부에 스로틀링 갭(21G')을 관통시켜서 형성한 예를 나타낸다.
도32는, 도4의 구조에 있어서 충돌부재(22)에 노즐통로(226)를 형성한 예를 나타내는 단면도이다(도33은, 또한 부흡인노즐부(24)를 생략한 구성을 나타내는 단면도이다). 노즐통로(226)는 접속부(25)의 벽부(유로벽부)와 함께 상기 충돌부재(22)를 그 유로 내로 돌출되는 방향으로 관통하는 모양이고, 일단측(一端側)이 상기 충돌부재(22)의 선단측에서 스로틀링 갭(21G) 내로 기체분출구(226d)를 개구하고 있고, 타단측(他端側)이 유로벽부(25)를 관통하여 벽부 외면으로 기체흡입구(226e)를 개구하는 모양으로 형성되어 있다(상기의 공구결합구멍(222)과 감압공동(221)이 노즐통로의 일부를 구성하고 있다). 스로틀링 갭(21G) 내에 발생하는 수류부압에 의하여 기체흡입구(226e)로부터 노즐통로(226)를 통하여 외기가 흡인되어 스로틀링 갭(21G) 내로 공급된다.
이러한 구성이라면, 스로틀링 갭(21G)에서 캐비테이션에 의하여 석출되는 기포에 추가하여 노즐통로(226)로부터 흡인된 외기도 기포가 되어 수류에 혼입되기 때문에, 더 고농도의 미소기포를 얻을 수 있다. 또한 노즐통로(226)를 상기 감압공동(221) 내로 개구시킴으로써, 감압공동(221) 내의 큰 부압에 의하여 외기 흡인력이 증강되어 미세기포(BF)의 발생농도를 더 높일 수 있다.
상기 구성에서는 노즐통로(226)를 통하여 외기가 항상 스로틀링 갭(21G) 내로 공급되기 때문에, 기포석출에 의하여 감소된 용존공기농도가 보충된다. 이 경우에 도43에 나타나 있는 바와 같이 가압용해탱크를 생략한 시스템 구성도 가능하게 된다.
도34는 노즐통로(226)를 형성하는 경우에 있어서 감압공동(221)의 형성 형태에 관한 변형예를 나타내는 도면으로서, 상기 감압공동(221)의 내주면을, 대향충돌부재(23)의 선단부의 테이퍼 모양 주측면(231)에 대응하는 스폿 페이싱 모양의 테이퍼 면(224)으로 한 예를 나타낸다. 한편 도35는 감압공동을 생략한 구성을 나타내는 도면이다.
도36은, 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)의 어느 쪽에도 감압공동을 형성하지 않고, 그 평탄한 대향면 사이에 스로틀링 갭(21G)을 형성함과 아울러, 양쪽 부재의 축선을 유로형성부재(20)의 단면중심으로부터 한쪽으로 치우치게 배치함으로써, 수우회 유로부(251)를 충돌부재(22)(및 대향충돌부재(23))의 한쪽에만 형성한 예를 나타내는 도면이다.
또한 도37은 대향충돌부재를 폐지하고, 유로형성부재(20)의 벽부 내면을 스로틀링 갭 형성부(20c)로 하고, 충돌부재(22)를 이것에 대향시키는 모양으로 스로틀링 갭(21G)을 형성한 예이다. 충돌부재(22)의 선단면은, 유로형성부재(20)의 벽부 내면에 대응하는 볼록 만곡면(凸 彎曲面)으로 되어 있다. 또한 도38은, 대향충돌부재(123)를 충돌부재(22)보다 광폭(廣幅)으로 형성함으로써 대향충돌부재(123)의 측방에 수우회 유로부(251)가 생기지 않도록 구성한 예를 나타내는 도면이다.
도39는, 도34의 형태의 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)를 조립한 미세기포 발생기구(21)의 다른 구성예를 나타내는 도면이다. 통 모양의 유로형성부재(20) 내의 유로(FP)의 본체 부분에는, 상류측으로부터 준스로틀링 기구를 이루는 오리피스 링(orifice ring)(127)과, 그 스로틀링 구멍(127h)에 스로틀링 갭(21G)을 맞춘 모양으로 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)가 배치되어 있다. 또 유로형성부재(20)의 하류단측은 벤투리(venturi) 모양의 직경확대부(直徑擴大部)(256)로 되어 있다. 도40은 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)의 부품도이고, 도41은 이들 충돌부재(22) 및 대향충돌부재(23)의 축선방향 대향 간격을 변경함으로써, 스로틀링 갭(21G)의 간격을 변경하여 조정하는 모양을 나타내는 도면이다.
도42는, 도39의 유로형성부재(20)의 직경확대부(256) 내에 정류판(整流板)(291)을 배치한 예를 나타낸다. 정류판(291)은 정류구멍(292)이 둘레방향으로 복수 관통되어 형성됨과 아울러, 스로틀링 갭(21G)과 마주보는 중앙영역에는 분류송곳(293)이 일체화(一體化) 되어 있다. 스로틀링 갭(21G)에서 미소기포가 유입된 수류는 상기 분류송곳(293)에 의하여 방사상(放射狀)으로 분류(分流)되어 각 정류구멍(292)을 향하여 인도된다. 정류구멍(292)을 통과한 수류는, 그 더 하류측에 설치된 유출측 오리피스판(295)의 스로틀링 구멍(수류출구를 이룬다)으로부터 유출된다. 또 정류판(291)과 유출측 오리피스판(295)은, 외주 가장자리에서 축선방향의 연결벽부(連結壁部)(294)에 의하여 일체로 연결되어 있다.

Claims (23)

  1. 수류입구(水流入口)와 수류출구(水流出口)를 구비하고, 수류입구로부터 상기 수류출구를 향하는 유로(流路)가 내부에 형성되는 중공(中空)의 유로형성부재(流路形成部材)와,
    상기 유로형성부재의 유로벽부(流路壁部)의 내면으로부터 돌출되는 충돌부재(衝突部材)와,
    상기 유로 내에서 상기 충돌부재의 돌출방향 선단부(先端部)와 대향(對向)하는 스로틀링 갭 형성부(throttling gap 形成部)를
    구비하고,
    상기 충돌부재의 외주면(外周面)과 상기 유로벽부의 내면의 사이에 수우회 유로부(水迂回 流路部)가 형성됨과 아울러, 상기 충돌부재와 스로틀링 갭 형성부의 사이에는 상기 수우회 유로부보다 저유량(低流量)이고 또한 고유속(高流速)이 되도록 수류(水流)를 스로틀링(throttling) 하면서 통과시키는 스로틀링 갭(throttling gap)이 형성되고, 상기 스로틀링 갭에서 발생하는 부압(負壓 ; negative pressure)에 의하여 기포(氣泡)가 석출(析出)된 갭 통과수류(gap 通過水流)를 상기 충돌부재에 충돌시켜서 상기 수우회 유로부를 거쳐서 상기 충돌부재의 하류측으로 유입시키는 유입난류(流入亂流)에 휩쓸리게 함으로써 상기 석출기포를 미세기포(微細氣泡)로 분쇄하도록 하는 것을
    특징으로 하는 미세기포 발생기구(微細氣泡 發生機構).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수우회 유로부는, 상기 유로 내에서 수류 통과 방향에서 보아서 상기 충돌부재의 돌출방향으로부터 그 양측(兩側)에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 충돌부재 및 상기 스로틀링 갭 형성부와의 상기 스로틀링 갭을 형성하는 각 대향면(對向面) 중 적어도 어느 하나에 감압공동(減壓空洞)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 수류입구로부터의 수류를 가속시켜서 상기 미세기포 발생기구로 인도하는 준스로틀링 기구(準throttling 機構)가 상기 수류입구와 상기 미세기포 발생기구의 사이에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 충돌부재 및 상기 스로틀링 갭 형성부의 상기 스로틀링 갭을 형성하는 각 대향면 중 적어도 어느 하나가, 수유입측(水流入側)에서 상기 스로틀링 갭의 간격을 상류측으로부터 하류측을 향하여 점차 축소시키는 스로틀링 경사면(throttling 傾斜面)으로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 충돌부재 및 상기 스로틀링 갭 형성부의 상기 스로틀링 갭을 형성하는 각 대향면 중 적어도 어느 하나가, 수유출측(水流出側)에서 상기 스로틀링 갭의 간격을 상류측으로부터 하류측을 향하여 점차 확대시키는 확대 경사면(擴大 傾斜面)으로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 충돌부재의 상기 유로 내 돌출부분의 외주면에 수류박리 요철부(水流剝離 凹凸部)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수류박리 요철부는, 상기 충돌부재의 상기 유로 내 돌출부분의 외주면에 형성되는 나사산(螺絲山)인 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 수류입구에 공급압력(供給壓力) 0.2MPa로 물을 공급하였을 때에, 상기 스로틀링 갭을 통과하는 수류의 최대유속(最大流速)이 8m/초 이상이 되도록 상기 스로틀링 갭과 상기 수우회 유로부가 각각 치수 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수류입구에 공급압력 0.2MPa로 물을 공급하였을 때에, 상기 스로틀링 갭에 발생하는 최대부압(最大負壓)이 0.02MPa 이상인 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  11. 제10항에 있어서,
    제3항 또는 제4항 기재의 상기 감압공동이 형성되고, 상기 수류입구에 공급압력 0.2MPa로 물을 공급하였을 때에, 상기 감압공동의 전역(全域)이 0.02MPa 이상의 부압상태가 되는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 수류입구에 공급압력 0.2MPa로 물을 공급하였을 때에, 상기 수류출구로부터 분사(噴射)되는 수류에 포함되는 미세기포의 수평균입경(數平均粒徑)이 10μm 이하인 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 수류입구에 공급압력 0.2MPa로 40℃의 물을 공급하였을 때에, 상기 수우회 유로부 내에 배치된 상기 충돌부재에 관한 레이놀즈 수(Reynolds number)가 10000 이상이 되도록, 원 모양 축단면(軸斷面)을 구비하는 상기 충돌부재의 외경(外徑)과 상기 수우회 유로부의 유통단면적(流通斷面積)이 조정되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 수우회 유로부는 평균유속(平均流速)이 8m/초 이상이 되도록 유통단면적이 조정되고, 원 모양 축단면을 구비하는 상기 충돌부재의 외경이 1∼5mm로 조정되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 수류입구에 공급압력 0.55MPa로 10℃의 물을 공급하였을 때에 상기 수우회 유로부는 평균유속이 18m/초 이상이 되도록 유통단면적이 조정되고, 원 모양 축단면을 구비하는 상기 충돌부재의 외경이 1∼5mm로 조정되고, 상기 수우회 유로부 내에 배치된 상기 충돌부재에 관한 레이놀즈 수가 20000 이상이고, 또한 상기 스로틀링 갭을 통과하는 수류의 최대유속이 25m/초 이상이고, 또한 상기 상기 수류출구로부터 분사되는 수류에 포함되는 미세기포의 수평균입경이 1μm 이하인 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 충돌부재에는 일단측(一端側)이 상기 충돌부재의 선단측에서 상기 스로틀링 갭 내로 기체분출구(氣體噴出口)를 개구하고 타단측(他端側)이 상기 유로벽부를 관통하여 벽부 외면으로 기체흡입구(氣體吸入口)를 개구하는 노즐통로(nozzle 通路)가 상기 유로벽부와 함께 상기 충돌부재를 돌출방향으로 관통하는 모양으로 형성되고, 상기 스로틀링 갭 내에 발생하는 수류부압(水流負壓)에 의하여 상기 유로벽부 외측의 외기(外氣)를 상기 기체흡입구로부터 상기 노즐통로를 통하여 상기 스로틀링 갭 내로 흡인·공급(吸引·供給)하도록 하는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 충돌부재 및 상기 스로틀링 갭 형성부와의 상기 스로틀링 갭을 형성하는 각 대향면 중 적어도 어느 하나에 감압공동이 형성되고, 상기 충돌부재에 형성되는 상기 노즐통로가 상기 감압공동 내로 개구하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 스로틀링 갭 형성부는 상기 유로의 단면중심(斷面中心)으로부터 상기 충돌부재와 반대측에서 상기 벽부 내면으로부터 상기 충돌부재를 향하여 돌출되는 대향충돌부재(對向衝突部材)로서 형성되고, 상기 스로틀링 갭이 상기 충돌부재의 돌출방향 선단부와 상기 대향충돌부재의 돌출방향 선단부의 사이에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 충돌부재와 상기 대향충돌부재 중 적어도 일방(一方)의 상기 스로틀링 갭에 접하는 선단부분이, 선단을 향하는 만큼 직경이 작아지게 되는 테이퍼(taper) 모양의 주측면(周側面)을 구비한 직경축소부(直徑縮小部)가 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 충돌부재 및 상기 대향충돌부재의 일방에는 상기 스로틀링 갭에 접하는 선단면에 갭 형성 방향으로 오목하게 들어간 감압공동(減壓空洞)이 형성되고, 타방(他方)에는 선단이 상기 감압공동의 개구에 접하는 위치관계에 의하여 상기 직경축소부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 스로틀링 갭은, 상기 충돌부재의 선단면에서 상기 감압공동의 개구 가장자리 부분을 이루는 가장자리 영역과 상기 직경축소부의 테이퍼 모양의 주측면의 외주 가장자리 영역이 대향함으로써 쐐기 모양 단면을 구비하고, 또한 공간 외주측이 상기 수우회 유로부로 개방되는 원환상(圓環狀)의 갭 가장자리 공간과 상기 감압공동이, 상기 감압공동의 개구 내 가장자리와 상기 직경축소부의 상기 주측면과의 대향위치에 형성되는 원환상의 오목 갭부를 통하여 서로 연결되는 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  22. 제18항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 수우회 유로부가, 상기 충돌부재의 외주면과 상기 대향충돌부재의 외주면에 걸치는 모양으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
  23. 제18항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 스로틀링 갭의 수유입측 개구위치에 있어서의 갭 간격의 중심을 갭 중심(gap 中心)이라고 정의하였을 때에, 상기 유로의 단면(斷面) 반경방향에서 상기 유로벽부의 내면으로부터 상기 갭 중심까지의 거리가, 단면중심(斷面中心)으로부터의 거리보다 작아지지 않는 범위에서, 상기 단면중심으로부터 반경방향으로 소정의 길이 오프셋(offset) 되도록 상기 스로틀링 갭의 형성위치가 조정되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생기구.
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