KR20130052603A - 선박의 선체의 마찰항력 저감 - Google Patents

Abstract

선박의 선체의 마찰항력을 저감하기 위해 기포를 발생시키기 위한 장치로서, 선체의 외면에 부착가능하고, 생성된 기포의 기포 크기를 제어하기 위한 하나 이상의 미세유체 기기를 포함하는 기포 발생 장치가 개시된다.

Description

선박의 선체의 마찰항력 저감{REDUCING DRAG OF A HULL OF A SHIP}

본 발명은 일반적으로 기포(bubble) 발생에 관한 것으로, 특히 선박의 선체의 마찰항력(drag)을 저감하기 위한 미세기포(micro-bubble)에 관한 것이다.

일반적으로 마찰항력으로도 지칭되는 마찰저항을 저감하는 것이 바람직한데, 이는 선박의 운항 속도를 증가시킬 수 있고/있거나 연료 소비를 저감할 수 있기 때문이다.

JP10119875A는 선체의 구체형 선수의 표면에 설치되는 챔버에 배기 노즐을 형성하고 공압 공급 수단에 의해 배기 노즐로부터 챔버에 공급되는 공압을 분사함으로써, 침수면과 접촉하는 경계층에 기포와 공기층이 개재되도록 하여 선박의 마찰저항을 저감하기 위한 시스템을 개시한다. 배기 노즐은 다수의 기공을 갖는 챔버 전면판에 의해 형성된다. 공압은 기포가 유동 라인을 따라 확산되고 침수면을 덮는 방식으로 배기 노즐 외부에 다수의 기포를 발생시키기 위하여 기공으로부터 수중으로 분사되고, 이로써 마찰이 저감된다.

GB2429435A는 선체나 용골 외부에 부착되는 다공성 멤브레인, 또는 선박의 용골과 선체에 부착되거나 선박의 선체 내부에 장착되는 에어 덕트 시스템에 압축 공기를 공급하기 위한 공기 펌프를 포함하는 공기 윤활 장치를 구비하는 선박 선체를 개시한다.

JP10175587A는 선체의 마찰저항을 저감하기 위해 경계층에 작은 기포를 공급하는 방법을 개시한다. 기포는 다수의 소형 포트가 일정한 피치로 형성되는 다공성 판 외부로 분사된다.

CN2652812Y는 공동, 연결 파이프라인, 압축공기 동력기 및 다공성 실리콘판을 포함하는 마찰항력 저감용 미세 기포 발생기를 개시한다.

그러나 전술한 종래 기술의 시스템은 선박의 선체에 설치될 수 있는 기포 발생기에 의한 기포의 발생을 개시하는 것으로, 상이한 운항 조건, 예컨대 상이한 속도, 해수 온도, 흘수(draught) 등의 조건 하에서 선박 선체의 마찰항력 또는 마찰저항을 효율적으로 저감하기 위한 미세기포의 생성 방법을 제공하는 것이 문제로 남는다.

본 명세서에는 선박의 선체의 마찰항력을 저감하기 위한 기포 발생 장치가 개시되며, 본 기포 발생 장치는 선체의 외면에 부착가능하며, 생성된 기포의 기포 크기가 명확히 한정된 기포를 발생시키기 위한 미세유체 기기(micro-fludic device)를 포함한다. 기포는 선체를 둘러싼 해수의 경계층, 즉 선체와 주변 해수 간의 계면에 형성된다.

생성된 기포의 기포 크기는 미세유체 기기에 의해 제어가능한데, 예컨대 기포 형성 유체의 유동을 제어함으로써 기포 크기를 효율적으로 제어할 수 있고 이를 통해 상이한 운항 조건 하에서도 효율적이고도 제어가능한 마찰항력 저감이 이루어진다.

일반적으로 미세유체 기기를 사용함으로써 작은 규모, 전형적으로 서브밀리미터 규모로 기하구조적으로 제한되는 유체에 대한 정확한 제어와 조작이 가능해진다. 일반적으로 미세유체 기기는 측방 치수가 3 mm 미만, 예컨대 1 mm 미만, 예컨대 500 ㎛ 미만, 예컨대 100 nm와 500 ㎛인 적어도 하나의 유체 경로를 제공하는 기기를 포함할 수 있다. 마이크로규모의 유체의 거동은 표면장력, 에너지 소산 및 유체 저항과 같은 요인이 시스템을 지배한다는 점에서 "매크로유체(macrofluidic)"의 거동과 다를 수 있다. 채널 직경이 약 100 nm 내지 수백 ㎛인 작은 규모에서는 유체의 모멘텀 효과와 점도 효과를 비교하는 레이놀즈 수(Reynolds number)가 매우 낮아질 수 있다. 이로 인해 유체는 전통적인 의미에서의 혼합이 이루어지지 않으며; 유체 간의 분자 수송은 확산을 통해 이루어질 수 있다.

용어 미세유체 기기는 미세가공된 채널을 통해 연속적인 유체의 흐름을 조종하기 위한 임의의 미세 유체 구조물을 가리킨다. 유체 흐름의 가동은 외부 압력 공급원, 외부 기계식 펌프, 일체형 기계식 미세펌프 또는 모세관력과 동전기(electro-kinetic) 메커니즘의 조합 중 어느 하나에 의해 실행될 수 있다.

생성된 기포는 미세기포, 즉 직경이 1 mm 미만, 예컨대 200 ㎛ 미만, 예컨대 150 ㎛ 미만, 예컨대 50 ㎛ 미만과 같은 100 ㎛ 미만이어서 충분한 부력을 유지하면서 마찰항력을 효율적으로 저감하는 기포일 수 있다. 생성된 기포의 크기를 적합화함으로써, 마찰항력의 저감이 개선되고 상이한 운항 조건에 맞게 적합화될 수 있다. 미세기포는 공기, 다른 적절한 기체나 기체의 혼합 또는 액체와 같은 기포형성 유체(bubble-forming fluid)의 유량 또는 공급을 제어함으로써 발생할 수 있다. 용어 기포형성 유체는 선박의 선체를 둘러싸는 수중으로 방출될 때 기포를 형성하는 것으로, 액체, 기체 또는 기체 혼합물, 예컨대 공기와 같은 임의의 적절한 유체를 가리키도록 의도되었다. 몇몇 실시예에서, 본 장치는 복수의 미세유체 기기 세트를 포함하되, 각 세트의 미세유체 기기는 각각의 소정 주파수에서 기포를 발생시키도록 적합화되며, 본 장치는 해당 주파수와 다른 미세유체 기기 세트 중 한 세트 또는 하위세트에 기포형성 유체의 공급 유동을 선별적으로 전송하기 위한 유동 선별기(flow selector)를 포함한다.

몇몇 실시예에서, 미세유체 기기는 시간 경과에 따라, 예컨대 주기적으로 변하는 기포형성 유체의 제어가능한 유동을 제공함으로써 제어가능한 기포 크기를 갖는 기포를 발생시키도록 적합화된다. 예를 들어, 미세유체 기기는 주기적으로 변하는 유동을 생성하도록 적합화될 수 있다. 적절한 미세유체 기기의 예는 미세유체 발진기, 미세유체 발진기 플립 플롭(flip-flop), 미세유체 증폭기, 미세유체 스위치 및/또는 이들의 조합을 포함한다. 예를 들어, 생성된 기포의 크기 및/또는 주파수는 주기적으로 변하는 유동의 주파수, 예컨대 생성된 기포의 발생 주파수를 선별하고/하거나 제어함으로써 제어될 수 있다. 이에 따라, 미세유체 기기는 제어식 유체 증폭기 및/또는 제어식 유체 발진기 및/또는 제어식 유체 스위치를 포함할 수 있다.

생성된 기포 흐름의 주파수를 제어가능하도록 하는 것이 더 유리한데, 이는 인접 기포 간의 거리를 제어하여 생성된 기포의 응집을 크게 저감하거나 최소화할 수 있도록 기포의 주파수를 선별 및/또는 제어할 수 있기 때문이다.

몇몇 실시예에서, 본 장치는 기존 선박에 설치될 수 있는 개장가능(retro-fittable) 기기이다. 본 장치는 예컨대 건선거(dry dock)에서 선박에 설치될 수 있어서 장치가 부착되는 표면이 적절히 세척되고 준비되도록 할 수 있다. 본 장치는 적절한 수중 접합 기술, 예컨대 용접, 에폭시 접착제에 의해 수중에서 설치될 수도 있다.

일반적으로, 본 장치는 용접, 접착, 에폭시 수지 접합: 2성분 에폭시 수지 접합)과 같은 임의의 적절한 부착 수단에 의해, 영구자석과 같은 자석을 사용하여, 또는 이들의 조합에 의해 선체의 외면, 예컨대 선박의 저부 및/또는 측벽에 부착될 수 있다.

본 장치는 복수의 배기 노즐 또는 다른 적절한 생성된 기포 토출구, 예컨대 기포형성 유체가 기포 형태로 출력되는 노즐을 포함할 수 있다. 하나 이상의 미세유체 기기 각각은 하나 이상의 배기 노즐과 유체 연통될 수 있다. 노즐은 특정 선체 및/또는 바람직한 기포 크기 및/또는 형태에 특정되는 구성과 레이아웃을 가질 수 있다. 생성된 기포의 토출구는 미세유체 기기 외부로의 유동을 용이하게 하기 위해 예컨대 친수성 또는 소수성 코팅, 예컨대 테프론(Teflon) 코팅에 의해 코팅될 수 있다.

본 장치는 미세유체 기기에 기포형성 유체를 공급하기 위한 하나 이상의 공급 채널을 추가로 포함할 수 있다. 또한 본 장치는 미세유체 기기의 작동 파라미터를 제어할 수 있도록 미세유체 기기에 유체, 예컨대 기포형성 유체의 제어 유동을 제공하기 위한 하나 이상의 제어 채널을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 본 장치는 선박의 선체의 외부에 부착가능한 하나 이상의 스트립 및/또는 시트 및/또는 판으로서 형성된다. 판 또는 스트립의 형상은 하나 이상의 특정 선체 형상 및 크기에 맞도록 적합화될 수 있다. 본 장치는 스틸과 같은 금속, 폴리머, 플라스틱, 실리콘, PDMS, 복합재 등 및/또는 이들의 조합으로 제조될 수 있다. 본 장치는 10 mm 미만과 같은 20 mm 미만, 예컨대 7 mm, 예컨대 5 mm 미만, 예컨대 2 mm 미만과 같은 3 mm 미만, 1 mm 미만 또는 0.5 mm 미만의 두께(즉, 선박의 선체의 외면에 직교하는 치수)를 가질 수 있어서 본 장치에 의해 발생하는 추가 마찰항력을 저감할 수 있다. 본 장치의 외면 및/또는 노즐의 내면은 물론 미세유체 기기 및/또는 채널의 내면은 적절한 방오제(anti-fouling agent)에 의해 코팅될 수 있거나 아니면 방오제를 포함할 수 있다.

본 장치는 예컨대 베이스층과, 하나 이상의 중간층과, 덮개층을 갖는 적층 구조물로서 형성될 수 있다. 이들 층 중 하나 이상은 예컨대 층의 표면에 마련되어 미세유체 기기 또는 기기들을 형성하는 미세 구조물을 포함할 수 있다. 각각의 미세유체 기기는 하나의 층에 배열될 수 있거나 상이한 층의 미세형상부의 조합에 의해 형성될 수 있다. 베이스층은 선체에 부착가능한 배면(backing surface)을 제공할 수 있으며, 중간층을 지지한다. 베이스층은 예컨대 용접, 적절한 접착제, 자석 및/또는 기타와 같은 종류의 것에 의해 선박의 선체에 접합될 수 있는 예컨대 스틸과 같은 금속으로 제조될 수 있다. 중간층 및/또는 나머지 층은 미세유체 구조물이 형성될 수 있는 적절한 재료로 제조될 수 있다. 적절한 재료의 예는 폴리머, 플라스틱, 실리콘, PDMS, 스테인레스 스틸과 같은 금속 등 또는 이들의 조합을 포함한다. 미세유체 구조물은 해당 미세유체 구조물을 생성하기 위한 임의의 적절한 공법에 의해, 예컨대 적절한 에칭 공법에 의해 하나 이상의 층에 형성될 수 있다. 층들 중에서 하나 또는 그 이상은 배기 노즐 및/또는 기타 유사한 것에 기포형성 유체를 공급하기 위해 하나 이상의 기포형성 유체 공급용 채널 및/또는 기타 유사한 것을 더 포함할 수 있다. 배기 노즐은 덮개층에 형성될 수 있다. 대안으로서 노즐은 중간층에, 예컨대 중간층의 가장자리에 마련될 수 있다.

본 장치는 공기 압축기 또는 기포형성 유체를 공급하기 위한 다른 유체 공급 장치에 연결될 수 있다. 마찬가지로 본 장치는 장치의 작동을 제어하기 위한 제어 유닛에 연결될 수 있다.

본 명세서에는 선박의 선체의 마찰항력을 저감하기 위해 유체의 기포를 발생시키는 장치가 개시되며, 상기 기포 발생 장치는 선체의 외면에 부착가능하며, 본 장치는 생성된 기포의 기포 크기를 제어하기 위한 하나 이상의 미세유체 기기를 포함하며, 적어도 하나의 미세유체 기기는:

- 유체의 유동을 공급하기 위한 유입 포트;

- 선박의 선체의 마찰저항을 저감하기 위해 유체의 기포를 발생시키기 위한 제1 노즐을 포함하고, 중앙 챔버를 통해 상기 유입 포트와 유체 연통되는 제1 채널; 및

- 상기 제1 노즐을 통해 유동을 제어하도록 구성되는 제1 제어 유입구를 포함하되, 상기 제1 제어 유입구가 상기 중앙 챔버를 통해 상기 유입 포트 및 상기 제1 채널과 유체 연통되는 제1 제어 채널을 포함한다.

그 결과, 다양한 크기의 미세기포를 생성할 수 있는 유연하고 간단한 시스템이 마련된다. 기포 크기를 제어하기 위한 제어 채널을 사용함으로써 복잡한 유동 제어 기능을 자체 구비하지 않는 간단한 중앙 유체 공급원, 예컨대 간단한 압축기가 사용될 수 있다.

유입 포트, 제1 노즐 및/또는 제1 제어 유입구의 단면은 가장 넓은 폭이 3 mm 미만, 예컨대 1 mm 미만, 예컨대 500 ㎛ 미만, 예컨대 100 nm와 500 ㎛ 사이일 수 있다.

몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 미세유체 기기는,

- 선박의 선체의 마찰항력을 저감하기 위해 유체의 기포를 발생시키기 위한 제2 노즐을 포함하고, 상기 중앙 챔버를 통해 상기 유입 포트 및 상기 제1 제어 유입구와 유체 연통되는 제2 채널을 추가로 포함하며, 상기 제1 제어 유입구는 상기 제2 노즐을 통해 유동을 제어하도록 구성된다.

그 결과, 유동은 제1 노즐과 제2 노즐 간에 주기적으로 전환될 수 있다. 이는 예컨대 주파수를 증가시킴으로써 보다 작은 미세기포가 생성되고 주파수를 감소시킴으로써 보다 큰 미세기포가 생성되는 몇몇 상황 하에서는 유동이 제1 노즐과 제2 노즐 간에 전환되도록 주파수를 변경함으로써 생성 미세기포의 크기를 제어하는 데 사용될 수 있다.

제2 노즐의 단면은 가장 넓은 폭이 3 mm 미만, 예컨대 1 mm 미만, 예컨대 500 ㎛ 미만, 예컨대 100 nm와 500 ㎛ 사이일 수 있다.

몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 미세유체 기기는 상기 제1 제어 유입구를 통과하는 제1 제어 유동을 상기 중앙 챔버 내로 공급함으로써 상기 유입 포트로부터 상기 제1 노즐까지의 총 유동 저항을 증가시키도록 구성된다.

그 결과, 제1 채널을 통과하는 유동은 일시적으로 줄어들 수 있다. 이는 생성 미세기포의 크기를 제어하는 데 사용될 수 있다.

제1 제어 유동은 단기적일 수 있다. 예컨대 제1 제어 유동은 그 시간 길이가 10초 이하, 5초, 2초, 1초, 200 ms(millisecond), 100 ms, 50 ms, 25 ms 또는 10 ms일 수 있다. 제1 제어 유동의 평균 유량은 유입 포트를 통과하는 평균 유량보다 실질적으로 낮을 수 있다. 제1 제어 유동의 평균 유량은 유입 포트를 통과하는 평균 유량의 50% 미만, 25%, 15% 또는 10%일 수 있다. 미세유체 기기가 단일 채널을 포함하거나 복수의 채널을 포함하는 모든 경우에 있어 제1 제어 유동은 상기 유입 포트로부터 상기 제1 노즐까지의 총 유동 저항을 증가시킬 수 있다. 제1 제어 유동은 중앙 챔버에 와류를 생성함으로써 유동 저항을 증가시킬 수 있다. 유동 저항은 적어도 50%, 100%, 500%, 5000% 또는 무한정 증가할 수 있다. 제1 제어 유동은 소정 주파수로 주기적으로 반복될 수 있으며, 따라서 제1 노즐을 통과하는 유동은 주기적으로 현저히 줄어들 수 있다. 예컨대 주기적으로 정지될 수 있다. 제1 제어 유동을 반복시키는 주파수에 의해, 예컨대 해당 주파수를 증가시킴으로써 보다 작은 미세기포가 생성되고 해당 주파수를 감소시킴으로써 보다 큰 미세기포가 생성되는 몇몇 상황에서 생성 미세기포의 크기가 결정될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 미세유체 기기는 상기 제1 제어 유입구를 통과하는 제1 제어 유동을 상기 중앙 챔버 내로 공급함으로써 상기 제1 채널을 통과하는 유동을 상기 제2 채널로 전환하도록 구성되며, 이로써 상기 제1 채널을 통과했을 유동의 적어도 50%, 60%, 80%, 95%, 99% 또는 100%가 상기 제2 채널을 통과하도록 재배향된다.

제1 제어 유동은 단기적일 수 있다. 예컨대 제1 제어 유동은 그 시간 길이가 10초 이하, 5초, 2초, 1초, 200 ms, 100 ms, 50 ms, 25 ms 또는 10 ms일 수 있다. 제1 제어 유동의 평균 유량은 유입 포트를 통과하는 평균 유량보다 실질적으로 낮을 수 있다. 제1 제어 유동의 평균 유량은 유입 포트를 통과하는 평균 유량의 50% 미만, 25%, 15% 또는 10%일 수 있다. 제1 제어 유동은 제1 제어 유동 신호를 생성하는 주파수에 의해 주기적으로 반복될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 적어도 하나의 미세유체 기기는,

- 상기 제1 노즐과 상기 제2 노즐을 통과하는 유동을 제어하기 위한 제2 제어 유입구를 포함하는 제2 제어 채널을 추가로 포함하며, 상기 제2 제어 유입구는 상기 중앙 챔버를 통해 상기 유입 포트, 상기 제1 채널, 상기 제2 채널 및 상기 제1 제어 유입구와 유체 연통된다.

제2 제어 유입구의 단면은 가장 넓은 폭이 3 mm 미만, 예컨대 1 mm 미만, 예컨대 500 ㎛ 미만, 예컨대 100 nm와 500 ㎛ 사이일 수 있다.

몇몇 실시예에서, 적어도 하나의 미세유체 기기는 상기 제2 제어 유입구를 통과하는 제2 제어 유동을 상기 중앙 챔버 내로 공급함으로써 상기 제2 채널을 통과하는 유동을 상기 제1채널로 전환하도록 구성되며, 이로써 상기 제2 채널을 통과했을 유동의 적어도 50%, 60%, 80%, 95%, 99% 또는 100%가 상기 제1 채널을 통과하도록 재배향된다.

제2 제어 유동은 단기적일 수 있는데, 예컨대 제2 제어 유동은 그 시간 길이가 10초 이하, 5초, 2초, 1초, 200 ms, 100 ms, 50 ms, 25 ms 또는 10 ms일 수 있다. 제2 제어 유동의 평균 유량은 유입 포트를 통과하는 평균 유량보다 실질적으로 낮을 수 있다. 제1 제어 유동의 평균 유량은 유입 포트를 통과하는 평균 유량의 50% 미만, 25%, 15% 또는 10%일 수 있다. 제2 제어 유동은 제2 제어 유동 신호를 생성하는 주파수에 의해 주기적으로 반복될 수 있다. 제1 제어 유동과 제2 제어 유동은 동기 방식으로 반복될 수 있다. 제1 제어 유동 신호는 제2 제어 유동 신호와 동일한 주파수를 가질 수 있다. 제1 제어 유동 신호는 제2 제어 유동 신호에 대해 180도 전환된 위상일 수 있다. 이는 제1 제어 유동 신호와 제2 제어 유동 신호의 주파수를 변경하여 유동이 제1 노즐과 제2 노즐 간에 더 빠르거나 더 느리게 전환될 수 있도록 하고 따라서 예컨대 주파수의 증가에 의해 보다 작은 미세기포가 생성되고 주파수의 감소에 의해 보다 큰 미세기포가 생성되는 몇몇 상황에서 보다 크거나 보다 작은 미세기포를 생성함으로써 생성 미세기포의 크기를 제어하는 데 사용될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 적어도 하나의 미세유체 기기는 상기 제1 제어 채널과 상기 제2 제어 채널을 연결하는 피드백 채널을 추가로 포함하며, 이로써 상기 제1 제어 토출구와 상기 제2 제어 토출구는 직접 유체 연통된다.

그 결과, 제어 유동은 제어 유동 발생 시스템을 갖추지 않고서도 생성될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 제1 제어 채널 및/또는 제2 제어 채널은 제1 제어 채널 및/또는 제2 제어 채널을 통과하는 제어 유동을 발생시키도록 구성되는 제어 시스템과 유체 연통된다.

제어 시스템은 적절한 제어 유동 신호를 발생시킬 수 있는 처리 유닛에 의해 제어될 수 있다. 제어 시스템은 복수의 미세유체 기기에 병렬로 결합될 수 있다. 제어 시스템은 수동으로 제어될 수 있거나 선박의 환경 조건, 예컨대 해수의 유속(선박의 속도), 해수 온도 또는 미세기포의 마찰항력 저감 효과에 영향을 주는 여타의 해수 파라미터에 적절한 제어 유동 신호를 자동으로 발생시킬 수 있는 알고리즘을 포함할 수 있다. 제어 시스템은 유체 발생 기기, 예컨대 압축기, 펌프 또는 제어 유동을 발생시키기 위한 여타의 적절한 기기를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 기기는 위에 명시된 바와 같은 복수의 미세유체 기기를 포함한다. 기기는 적어도 10 개, 20 개, 40 개, 70 개, 100 개, 200 개 또는 2000 개의 미세유체 기기를 포함할 수 있다.

본 발명은 전술한 또는 후술하는 기기를 포함하는 다양한 양태를 비롯하여, 대응 방법, 기기, 사용 및/또는 제품 수단에 관한 것으로, 이들 각각은 제1 양태와 연계하여 설명되는 혜택과 이점 중 하나 이상을 산출하며, 제1 양태와 연계하여 설명되고/되거나 첨부된 특허청구범위에 개시되는 실시예에 대응하는 하나 이상의 실시예를 가진다.

특히, 본 명세서에는 기포 발생 장치를 포함하는 선박용 선체가 개시되어 있다. 선체의 실시예는 미세유체 수단을 포함하는 기기를 포함할 수 있으며, 본 기기는 유체, 예컨대 압축 공기와 같은 기체의 공급원에 연결되는 복수의 개구를 가지며, 상기 복수의 개구는 유체가 상기 개구를 통해 분출될 수 있고 이로써 선체의 표면을 둘러싸는 해수의 경계층에 기포가 형성되도록 배열되며, 유체 발진기 또는 유체 증폭기가 상기 유체 공급원과 각각의 상기 복수의 개구 사이에 연결되며, 각각의 상기 유체 발진기 또는 유체 증폭기는 개구로부터 분출되는 기포의 기포 크기가 달라질 수 있도록 제어가능하다.

또한 본 명세서에는 선체의 마찰항력 저감을 위한 미세기포를 발생시키기 위해 선박의 선체의 외부에 부착되도록 적합화된 것으로, 미세 유체 수단을 포함하는 기기의 사용을 개시한다.

상술한 그리고/또는 추가적인 본 발명의 목적, 특징 및 이점은 첨부도면을 참조하는 예시적이고 비제한적인 본 발명의 실시예의 설명을 통해 명료하게 드러날 것이다.
도 1은 기포 발생 장치를 포함하는 선박을 개략적으로 도시한다.
도 2는 기포 발생 장치를 개략적으로 도시한다.
도 3은 두 개의 노즐을 교대로 피딩하는 미세유체 발진기를 개략적으로 도시한다.
도 4는 두 개의 노즐 세트를 교대로 피딩하는 미세유체 발진기를 개략적으로 도시한다.
도 5는 복수의 미세유체 발진기 세트를 포함하는 장치의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 6은 기포 발생 장치의 또 다른 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 7은 기포 발생 장치의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 8은 미세유체 발진기와 같은 미세유체 기기의 복수의 세트를 포함하는 장치의 다른 예를 도시한다.
도 9a는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 미세유체 기기를 도시한다.
도 9b는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 미세유체 기기를 도시한다.

다음의 설명은 본 발명을 실시할 수 있는 방법을 예로서 도시하는 첨부도면을 참조한다.

도 1은 기포 발생 장치를 포함하는 선박을 개략적으로 도시한다. 100으로 일괄 표기된 선박은 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 하나 이상의 기포 발생 장치(102)가 부착된 선체(101)를 포함한다. 각각의 기포 발생 장치(102)는 공급 덕트(106)를 통해 압축 공기를 기포 발생 장치(102)에 공급하는 압축기(105)에 공급 덕트(106)를 통해 연결된다. 예컨대 압축기는 주변 공기를 흡수하여 압축할 수 있고 소량의 유동제(flow agent)를 선택적으로 첨가할 수 있다. 도 1의 압축기는 선박의 후미에 배치된 것으로 도시되어 있긴 하지만, 압축기는 선박에서 임의의 적절한 위치에 배치될 수 있고/있거나 흡기구의 방향이 임의의 적절한 방향으로 배향될 수 있다. 기포 발생 장치는 선박을 둘러싸는 해수의 경계층에 미세기포(107)를 형성하기 위해 압축 공기를 방출하는 배기 노즐(103)을 포함한다.

도 1의 실시예에서, 다수의 기포 발생 장치(102)는 선박 선체의 길이를 따라 분포되는 각각의 위치에 배치된다. 각각의 장치는 용골에 인접한 위치로부터 선체를 따라 상향으로 연장된다. 각각의 장치(102)는 선박이 물살을 헤치고 나아가는 동안 배기 노즐(103)로부터 후방 및 상향으로 연장되는 각각의 미세기포(107) 흐름을 발생시킨다. 물론 다른 실시예에서는 장치의 개수와 배치가 달라질 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서는 예컨대 선박 선체의 전면에 배치되는 한 개의 장치로 충분할 수 있는 반면, 다른 실시예에서는 두 개 또는 세 개 이상의 장치가 선박 선체의 길이를 따라 분포될 수 있다. 각각의 선박에 있어, 장치의 최적 개수와 배치는 모델 및/또는 유동 시뮬레이션 및/또는 시행착오에 의해 결정될 수 있다.

노즐의 개구를 통해 작은 기포를 분사할 때 마이크로미터급 기포를 발생시키기 위해서는 개구를 최대한 작게 만드는 것으로는 불충분할 수 있다. 그 이유 중 하나는 개구의 가장자리를 형성하는 고체 표면에 성장 기포를 부착하는 습윤력(wetting forec)의 존재이다. 만일 이 고정력이 와해되지 않는다면, 기포는 그 부피에 비례하는 기포의 부력이 일반적으로 그 접촉 파라미터에 비례하는 기포에 대한 고정 구속력을 넘어서고 따라서 분리될 때까지 성장할 것이다. 이런 저압 오프셋 시나리오에서는, 힘의 균형으로 인해 대개 개구의 직경보다 한 자릿수가 큰 크기에서 기포가 분리된다. 또한 고체 표면의 습윤 물성이 중요하다. 기포가 개구 주변부보다 큰 면적에 걸쳐 접촉할 경우, 예컨대 고체 표면이 소수성이라면 성장 기포의 기체상(gas phase)은 보다 넓은 면적에 걸쳐 고체 표면과의 제2 고정력(anchor force)을 형성하여, 이를 극복하기 위해서는 부력 및 기포의 부피가 더욱 증가하여야 한다. 표면이 친수성일 경우에는 이런 인력(attractive force)은 존재하지 않는다.

작은 개구로부터의 기포 생성과 결부된 두 번째 어려움은 기포 구름의 신속한 응집을 초래하는 기포 크기의 다분산성과 기포 간격의 불규칙성이다. 설령 작은 기포가 형성된다 하더라도, 응집으로 인해 그 이익이 순식간에 감소할 수 있다.

작은 개구로부터의 기포 생성과 결부된 세 번째 어려움은 다공성 노즐 뱅크에서 이루어지거나 다공성 세라믹 재료를 통해 이루어지는 채널링과 관련이 있다. 형성되는 최대 기포는 최소 저항 경로를 제공하여, 노즐 뱅크나 다공성 세라믹 재료에서의 병행 여과 과정에 있는 다른 모든 기포에 대해 우선적으로 성장한다.

본 명세서에 개시된 기포 발생 장치(102)의 실시예에서, 기포 크기는 전술한 어려움 중의 적어도 일부를 방지하는 미세 유체 기기에 의해 제어된다.

도 2는 기포 발생 장치의 단면도를 개략적으로 도시한다. 도 2a는 수평면으로 본 장치의 단면도를 도시한다. 선박이 전진 이동하는 동안의 선박 선체에 대한 해수의 유동 방향은 화살표(220)로 표시되어 있다.

본 장치(202)는 도 2에 도시된 바와 같이 그 배면이 접합층(218)에 의해 선박의 선체(201)의 외면에 접합되는 베이스층(213)을 갖는 적층 구조물이다. 또한 적층 구조물(202)은 적절한 접합 기술에 의해 서로 개재되는 두 개 이상의 추가 층(211, 212)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 장치의 층은 선박 선체에 고정될 수 있는 것으로, 스테인레스 스틸 또는 하나 이상의 다른 적절한 재료, 예컨대 플라스틱으로 제조되는 스트립 또는 판/시트일 수 있다. 층들(211, 212, 213)은 서로 용접될 수 있고/있거나 적절한 접착 재료, 예컨대 에폭시계 재료에 의해 서로 접착될 수 있다. 베이스층은 용접, 적절한 접착 물질, 예컨대 에폭시계 접착 물질 및/또는 자석 및/또는 기타 유사한 것에 의해 선박 선체에 접합될 수 있다. 본 장치(202)는 하나 이상의 미세유체 기기(215), 예컨대 미세유체 발진기가 예컨대 적절한 에칭 공법에 의해 내장되는 중간층(212)을 포함한다. 예를 들어, 유체 기기(215)는 스킨-밀링(skin-mill)될 수 있거나 화학적/정전기적으로 스테인레스 스틸 스트립에 에칭될 수 있다. 도 2b는 일렬로 배열되는 두 개의 미세유체 기기를 도시하는 것으로, 중간층(212)의 일부를 관통하는 수직면으로 단면도를 도시한다. 물론 중간층은 하나 이상의 열을 이루어 배열되는 세 개 이상의 유체 기기, 예컨대 하나 이상의 열을 형성하도록 병립형 구성으로 배열되는 수백 또는 수천 개의 이런 기기를 포함할 수 있다. 일반적으로 하나 이상의 미세유체 기기(215) 열이 흘수선 아래의 위치로부터 선박의 용골을 향해 하향 배열될 수 있다. 각각의 미세유체 기기(215)는 압축 공기를 미세유체 기기(215)에 공급하는 공급 채널(206)에 덕트(214)를 통해 연결된다. 각각의 미세유체 기기는 해당 미세 유체 기기(215)에 의한 공기 출력을 배기 노즐(203, 204)에 각각 공급하는 두 개의 출력 포트 또는 덕트(216, 217)를 구비한다. 중간층(212)은 덮개층(211)에 의해 덮인다. 덮개층은 볼록한 외면을 가질 수 있고, 각각의 층의 후연 및 전연은 본 장치가 전체적으로 날개 형상의 형태를 갖추도록 경사질 수 있다.

도 2의 실시예에서, 본 장치는 일렬의 미세유체 기기를 포함하는 단일 중간층(212)을 포함한다. 대안적인 실시예에서, 본 장치는 예컨대 베이스층(213)과 덮개층(211) 사이에 모두 개재되는 복수의 중간층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 미세유체 기기의 상이한 부분은 미세유체 기기를 형성하도록 서로 실질적으로 정렬되고 접합될 수 있는 각각의 층의 표면에 에칭되거나 밀링될 수 있다. 대안 또는 추가로서, 각각의 중간층은 각각의 공급 덕트에 의해 압축 공기를 공급받고 각각의 배기 노즐 열을 포함하는 각각의 미세유체 기기 열을 포함할 수 있다. 따라서, 배기 노즐의 개수가 증가할 수 있고/있거나 상이한 크기의 기포를 발생시키기 위한 다수의 노즐 열이 미세유체 기기를 구비한 하나 이상의 중간층을 삽입함으로써 구성될 수 있다. 또한, 베이스층 및/또는 덮개층이 미세유체 기기 및/또는 그 일부를 포함할 수도 있다.

도 2의 실시예에서, 본 장치의 후연에 배치되고 선박의 선미 쪽을 대면하는 노즐이 도시되어 있다. 그러나, 물론 대안 또는 추가로서 미세유체 기기는 스트립의 전연 및/또는 중앙부에 노즐이 위치하도록 배열될 수 있다.

도 3은 두 개의 노즐(303, 304) 각각을 교대로 피딩하는 미세유체 발진기(315)를 개략적으로 도시한다. 대체로 평면적인 배열로 인해 발진기는 적층 구조물의 하나 이상의 층에, 예컨대 도 2의 중간층(212)에 배열될 수 있다. 미세유체 발진기(315)는 압축 공기 또는 다른 적절한 기포 형성 유체 공급 채널에 연결 가능한 유입 포트(314); 각각의 출력 포트(303, 304)에서 각각 종단되는 한 쌍의 분지 채널(316, 317)로 이루어진 분기 경로로 진입하는 제트형성(jet-forming) 채널(319)을 포함한다. 출력 포트는 기포 형성 유체가 기포를 형성하기 위해 주변 해수로 배출되는 대응 토출 노즐을 형성하거나 해당 노즐에 연결될 수 있다. 발진기는 분출구 형성 채널(319)로부터 하류에 그리고 분지 채널 쌍으로부터 상류에 위치하는 발진기의 상호작용 구역(322)의 대향 측방(유동 방향 기준) 포트에 연결되는 제어 채널(321a, 321b)을 추가로 포함한다. 도 3의 실시예에서, 제어 채널(321a, 321b)은 피드백 루프(321c)를 통해 서로 유체 연통된다.

사용시, 압축 공기는 공급 채널, 예컨대 도 2의 공급 채널(206)로부터 유입 포트(314) 내로 도입된다. 몇몇 실시예에서, 제트형성 채널(319)의 단면 치수는 하류 방향으로 감소할 수 있으며, 따라서 분사 기류의 속도가 증가할 수 있다. 기류가 상호작용 구역(322)을 지나갈 때, 기류는 제어 채널(321a, 321b) 내의 제어 유체에 진동 압력파의 형성을 유도한다. 제어 유체는 공기와 같은 기체이거나 액체일 수 있다. 진동 압력파에 의해 제트 기류는 분지 채널(316, 317) 중 한 채널 내로 강제로 진입된다. 제어 유체 내의 압력파가 피드백 루프(321c)를 통해 전후로 진동하기 때문에, 제트는 두 분지 채널 간에 교대로 전환되며, 따라서 각각의 분지 채널에서 기류의 진동 버스트가 초래된다. 출력 포트(303, 304)에 의해 형성되거나 해당 포트에 연결되는 토출 노즐 중 하나에 버스트가 도달하면, 기포가 발생한다. 기포의 성장은 진동 버스트의 지속시간과, 따라서 발진기(315)의 진동 주파수에 의해 제한된다. 특히, 해당 기포가 동일한 크기의 출력 노즐을 통과하는 불변 기류에 의해 발생하게 되는 기포보다 크기가 작은 동안에는 기포 성장이 정지될 수 있다. 또한, 각각의 분지 채널의 버스트가 상대 위상차에 따라 진동하기 때문에 기포가 출력 노즐(303, 304)로부터 교대로 발생하며, 따라서 이웃하는 노즐로부터 유래하는 기포가 더욱 용이하게 분리된다. 제어 채널이 피드백 루프를 형성하도록 서로 연결되기 때문에 추가적인 제어 공급 채널이 필요 없다. 진동 버스트의 주파수는 여러 방식으로, 예컨대 피드백 루프의 길이를 변경함으로써 선택되거나 변경될 수 있다.

물론 대안적인 실시예에서는, 제어 채널(321a, 321b)이 피드백 루프에 의해 서로 연결되는 것에 추가하여 또는 이런 연결을 대신하여 각각의 제어 공급 채널에 연결될 수 있다. 이런 실시예에서, 제어 공급 채널은 하나 이상의 맥동 압력 공급원(pulsating pressure source), 예컨대 도 7과 연계하여 설명되는 바와 같은 음원(sound source)에 연결될 수 있다. 따라서, 미세유체 기기가 증폭기로서 작동하여 맥동 압력파가 제어 채널(321a, 321b)에 인가되고 이는 이어서 분지 채널에 기류의 진동 버스트를 초래한 다. 맥동 압력 공급원의 주파수를 제어함으로써 생성된 기포의 크기가 제어될 수 있다. 물론 액체 분무화와 관련하여 예컨대 US 5,524,660에 개시된 바와 같은, 압축 공기의 맥동 버스트를 발생시키기 위한 미세유체 기기의 대안적인 실시예가 사용될 수도 있다.

판, 시트 또는 적층 구조물의 다른 층으로 형성되는 미세유체 기기를 마련함으로써, 기포 발생 장치는 비교적 편평한 구조물로 구현될 수 있으며, 이로써 본 장치는 마찰항력의 과도한 증가 없이 선박 선체에 고정될 수 있다. 예를 들어, 도 2의 적층 구조물의 총 두께는 20 mm 미만, 예컨대 10 mm 미만, 예컨대 5 mm 내지 7 mm, 또는 그 미만일 수 있다.

몇몇 실시예에서, 배기 노즐(303, 304)을 둘러싸는 표면 및/또는 적어도 배기 노즐에 근접한 분지 채널의 내면의 적어도 일부는 기포 방출을 용이하게 하도록 적절한 코팅, 예컨대 소수성 코팅, 친수성 코팅, 또는 테플론 코팅 등에 의해 코팅될 수 있다.

도 4는 두 개의 노즐 세트(403, 404) 각각을 교대로 피딩하는 미세유체 발진기(415)를 개략적으로 도시한다. 따라서 각각의 발진기 또는 여타의 미세유체 기기는 각각의 노즐 뱅크를 피딩할 수 있으며, 이에 따라 배기 노즐의 개수가 증가할 수 있다.

일반적으로 몇몇 실시예에서는, 예컨대 전술한 바와 같은 미세유체 증폭기의 제어 채널에 인가되는 압력파의 주파수를 제어하거나 하나 이상의 미세유체 발진기를 다른 미세유체 기기, 예컨대 미세유체 발진기 내로 진입하는 압축 기류의 압력을 변경할 수 있도록 구성되는 미세유체 증폭기와 조합함으로써, 그리고/또는 파라미터, 예컨대 미세유체 발진기 내로 진입하는 압축 공기 및/또는 피드백 루프 내의 제어 유체의 압력 및/또는 온도를 변경함으로써 미세유체 기기의 주파수가 제어될 수 있다. 예를 들어, 발열선이 제어 유체의 온도를 제어하기 위해 적층 구조물에 내장될 수 있다.

대안으로서, 본 장치는 미세유체 발진기와 같은 두 개 이상의 미세유체 기기 세트를 포함할 수 있으며, 이때 각각의 세트는 상이한 주파수로 작동하도록 적합화되며, 따라서 상이한 크기의 기포를 발생시킨다. 이는 도 5에 도시되어 있는데, 기기는 515a, 515b, 515c로 각각 표기된 세 개의 미세유체 발진기를 포함하며 각각의 세트는 각각의 공급 채널(506a, 506b, 506c)에 의해 공급을 받는다. 각 세트의 미세유체 발진기는 공통 진동 주파수를 갖지만, 상이한 세트의 미세유체 발진기는 예컨대 각각의 피드백 루프의 길이에 의해 정해지는 상이한 주파수를 갖는다. 그 결과 미세유체 기기 세트 중 한 세트에 선별적으로 공기를 공급함으로써 상이한 크기의 기포가 생성될 수 있다.

도 5의 장치는 도 2와 연계하여 설명된 바와 같이 베이스층(213)과 추가적인 두 개의 층(212, 211)을 포함하는 적층 구조물이라는 점에서 도 2에 도시된 장치와 유사하다. 베이스층(213)은 선박의 선체(201)의 외면에 장착된다. 중간층(212)은 다수의 미세유체 기기(515a, 515c)와 대응 공급 채널(506a, 506c)을 포함하며 베이스층(213)과 덮개층(211) 사이에 개재된다. 도 5의 실시예에서는, 덮개층(211)도 구조화되어 추가 미세유체 기기(515b) 세트와 공급 채널(506b)을 포함한다. 예를 들어, 미세유체 기기(515a, 515c)는 덮개층에 대면하는 중간층의 표면에 마련될 수 있고, 미세유체 기기(515b)는 중간층에 대면하는 덮개층의 표면에 마련될 수 있다.

각각의 미세유체 기기 세트의 미세유체 기기는 그 출력 노즐이 각각의 열로 배열되도록 병립형 구성으로 배열된다. 도 5b에는 세 개의 미세유체 기기로 이루어진 열을 포함하는 본 장치의 일부가 도시되어 있다. 물론 본 장치는 각각의 열로 배열되는 많은 수의 장치를 포함할 수 있다. 도 5의 실시예에서, 미세유체 기기(515a)의 출력 노즐(503a, 504a)은 본 장치의 후연에 배열되고, 미세유체 기기(515b)의 출력 노즐(503b, 504b)은 본 장치의 중심선을 따라 배열되며, 미세유체 기기(515c)의 출력 노즐(503c, 504c)은 본 장치의 전연에 배열된다.

도 6은 기포 발생 장치의 다른 실시예를 도시한다. 도 6a는 기포 발생 장치의 단면도를 개략적으로 도시한다. 도 6의 장치는 베이스층(213), 중간층(212) 및 덮개층(211)을 포함하는 도 2에 도시된 실시예와 유사하다. 도 6b 내지 도 6d는 각각의 층의 일부의 상면도를 도시한다. 도시된 부분은 하나의 미세유체 발진기를 포함하지만; 물론 본 장치는 병립형 구성으로 배열되는 많은 수의 이런 발진기를 포함할 수 있다. 특히, 도 6b는 베이스층의 일부, 즉 중간층에 대면하는 표면의 상면도를 도시하고; 도 6c는 중간층(212)의 일부의 상면도를 도시하고, 도 6d는 덮개층(211)의 일부, 즉 중간층에 대면하는 표면의 저면도를 도시한다. 도 6의 실시예에서, 본 장치는 공급 채널에 연결되는 복수의 미세유체 기기(615)를 포함한다. 세 개의 층 모두가 구조화되어 미세유체 기기(615) 및/또는 공급 채널의 각각의 부분을 포함한다. 베이스층(213)은 미세유체 기기의 주(main) 미세유체 구조물, 이 경우에는 도 3과 연계하여 설명된 바와 같은 미세유체 발진기를 포함한다. 베이스층에 내장되는 구조물은 유입 포트(314), 제트형성 채널(319), 상호작용 구역(322), 제어 채널(321a, 321b), 피드백 루프(321c), 및 각각의 출력 포트(603, 604)에서 종단되는 분지 채널(316, 317)을 포함한다.

중간층(212)은 입력 채널(617)과 출력 채널(633, 644)을 포함한다. 중간층의 입력 및 출력 채널은 전체 중간층을 관통하여 연장되고 입력 포트(314) 및 분지 채널의 종단부(603, 604) 각각과 정렬되는 관통공으로서 형성된다. 따라서 입력 채널(617)에 의해 유입 포트(314)와 공급 채널(606)은 서로 유체 연통된다. 덮개층(211)이 중간층 표면의 가장자리부를 노출 상태로 남겨둔 채 중간층의 전체 폭에 걸쳐 연장되지 않으므로, 출력 채널(633, 644)은 본 장치의 외면까지 연장되며 따라서 각각의 출력 노즐을 형성한다. 덮개층(211)은 예컨대 덮개층 저면의 세장형 리세스의 형태로 공급 채널(606)을 포함한다.

도 7은 기포 발생 장치의 단면도를 개략적으로 도시한다. 도 7a는 수평면으로 본 장치의 단면도를 도시한다. 선박의 전진 이동 중의 선박 선체에 대한 해수의 유동 방향은 화살표(720)로 표시되어 있다.

본 장치(702)는 도 7에 도시된 바와 같이 그 배면이 접합층(718)에 의해 선박 선체(701)의 외면에 접합되는 베이스층(713)을 갖는 적층 구조물로서 형성된다는 점에서 도 2의 장치와 유사하다. 또한 적층 구조물(702)은 도 2와 연계하여 설명된 바와 같이 적절한 접합 기술에 의해 개재되는 두 개 이상의 추가 층(711, 712)을 포함할 수 있다.

본 장치(702)는 하나 이상의 미세유체 기기(715), 예컨대 미세유체 발진기가 예컨대 도 2와 연계하여 설명된 바와 같이 적절한 에칭 공법에 의해 내장되는 중간층(712)을 포함한다. 도 7b는 일렬로 배열되는 두 개의 미세유체 기기를 도시하는 것으로, 중간층(712)의 일부를 관통하는 수직면으로 단면도를 도시한다.

각각의 미세유체 기기(715)는 해당 미세유체 기기(715) 내로 압축 공기를 공급하는 공급 채널(706)에 덕트(714)를 통해 연결된다. 각각의 미세유체 기기는 해당 미세유체 기기(715)에 의한 공기 출력을 각각의 배기 노즐(703, 704)에 공급하는 두 개의 출력 포트 또는 덕트(716, 717)를 구비한다. 중간층(712)은 도 2와 연계하여 전부 설명된 바와 같이 덮개층(711)에 의해 덮인다. 미세유체 기기(715)는 두 개의 노즐(703, 704) 각각을 교대로 피딩하는 미세유체 발진기이다. 미세유체 발진기(715)는 도 3과 연계하여 전부 설명된 바와 같이 압축 공기 공급 채널(706)에 연결되는 유입 포트(714); 각각의 출력 포트(703, 704)에서 각각 종단되는 한 쌍의 분지 채널(716, 717)로 이루어진 분기 경로로 진입하는 제트 형성 채널(719)을 포함한다는 점에서 도 3에 도시된 미세유체 발진기와 유사하다. 발진기는 제트형성 채널(719)로부터 하류에 그리고 분지 채널쌍으로부터 상류에 위치하는 발진기의 상호작용 구역(722)의 대향 측방(유동 방향 기준) 포트에 연결되는 제어 채널(721a, 721b)을 추가로 포함한다.

도 7의 장치는 압축 공기 또는 다른 적절한 유체의 제어 유동을 각각의 제어 채널(721a, 721b)로 공급하기 위해 각각의 제어 채널과 각각의 제어 공급 채널이 서로 유체 연통될 수 있도록 제어 채널(721a, 721b)이 각각의 제어 공급 채널(723a, 723b)에 연결된다는 점에서 도 2의 장치 및 도 3의 미세유체 발진기와 다르다. 각각의 제어 공급 채널은 대응 맥동 압력 공급원(미도시), 예컨대 음원에 연결된다. 맥동 압력 공급원은 압축 공기의 맥동 압력을 제공하기 위해 제어되고; 특히 압력 공급원은 발진기(715)가 맥동 압력 공급원에 의해 부여되는 주파수에서 진동하도록 강제하기 위해 동일한 주파수에서 그러나 서로에 대해 절반 주기의 위상 전환에 의해 제어 채널(721a, 721b) 내의 압력을 변경하도록 제어될 수 있다.

도 8은 미세유체 발진기와 같은 미세유체 기기의 복수의 세트를 포함하는 장치의 또 다른 예를 도시하는 것으로, 각각의 세트는 상이한 주파수에서 작동하도록 적합화되며 따라서 상이한 크기의 기포를 발생시킨다. 본 장치(802)는 815a, 815b, 815c로 각각 표기된 세 개의 미세유체 발진기 세트를 포함하며, 각각의 세트는 도 5와 연계하여 설명된 바와 같이 각각의 공급 채널(806a, 806b, 806c)에 의해 공급을 받는다. 각 세트의 미세유체 발진기는 공통의 발진 주파수를 갖지만, 다른 세트의 미세유체 발진기는 예컨대 그 각각의 피드백 루프의 길이에 의해 정해지는 상이한 주파수를 갖는다. 그 결과 공기 또는 다른 유체를 미세유체 기기 세트 중 하나에 선별적으로 공급함으로써 상이한 크기의 기포가 생성될 수 있다. 이를 위해 공급 채널(806a 내지 806c)은 유동 선별기(875)에 유체 연통되게 연결되며, 해당 유동 선별기는 유체 도관(876)을 통해 유체 공급원(805), 예컨대 공기 압축용 압축기에 연결된다. 따라서 유체 공급원으로부터 배출되는 기포형성 유체는, 공급 채널(806a 내지 806c) 중의 한 채널에, 그리고 따라서 미세유체 기기(815a 내지 815c) 세트 중 한 세트에 유체를 선별적으로 전송하도록 제어가능한 유동 선별기(875)로 공급된다.

도 9a는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 미세유체 기기(900)를 도시한다. 미세유체 기기는 유입 포트(901), 제1 채널(902), 제2 채널(904), 제1 제어 채널(907) 및 제2 제어 채널(909)을 포함한다. 제1 채널(902)과 제2 채널(904)은 중앙 챔버(906)를 통해 유입 포트(901), 제1 제어 채널(907) 및 제2 제어 채널(909)과 유체 연통된다. 제1 채널(902)은 미세기포를 발생시키기 위한 제1 노즐(903)을 포함한다. 제2 채널은 미세기포를 발생시키기 위한 제2 노즐(905)을 포함한다. 제1 제어 채널(907)은 제1 제어 유입구(908)를 포함하고, 제2 제어 채널(909)은 제2 제어 유입구(910)를 포함한다. 제1 제어 채널(907)은 피드백 채널에 의해 제2 제어 채널(909)에 연결될 수 있어서 제1 제어 토출구(908)와 제2 제어 토출구(910)는 상기 피드백 채널을 통해 직접 유체 연통될 수 있다. 추가 또는 대안으로서, 제1 제어 채널(907) 및/또는 제2 제어 채널(909)은 제어 유동을 발생시키도록 구성되는 제어 시스템과 유체 연통될 수 있다.

도 9b는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 미세유체 기기(900)를 도시하는데, 여기서 미세유체 기기는 단 하나의 채널과 노즐만을 포함한다.

몇몇 실시예가 상세히 설명되고 도시되긴 했지만, 본 발명은 이들 실시예에 제한되지 않으며 하기 특허청구범위에 한정되는 발명 요지의 범위 내에서 다른 방식으로 실시될 수도 있다. 특히 다른 실시예가 활용될 수 있으며 구조적, 기능적 변경이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

여러 수단을 열거하는 장치 청구항에 있어서, 이들 수단 중 여러 개는 하나의 동일한 하드웨어 품목에 의해 실시될 수 있다. 특정 수단이 상이한 종속청구항에 나열되거나 상이한 실시예에서 설명되어 있다는 사실만으로는 이들 수단의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 의미가 되지 못한다.

용어 "포함하다/포함하는"은 본 명세서에 사용되는 경우 언급된 특징, 정수, 단계 또는 구성요소의 존재를 명시하는 것으로 이해해야 하며 다른 특징, 정수, 단계, 구성요소 또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 것을 강조해 둔다.

Claims (26)

1. 선박의 선체의 마찰항력을 저감하기 위해 유체의 기포를 발생시키기 위한 기포 발생 장치로서, 선체의 외면에 부착가능하며, 상기 기포를 발생시키기 위한 하나 이상의 미세유체 기기를 포함하는 기포 발생 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 미세유체 기기는 생성된 기포의 기포 크기를 제어하도록 적합화되는 기포 발생 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 미세유체 기기는,
   - 유체의 유동을 공급하기 위한 유입 포트;
   - 선박의 선체의 마찰항력을 저감하기 위해 유체의 기포를 발생시키기 위한 제1 노즐을 포함하고, 중앙 챔버를 통해 상기 유입 포트와 유체 연통되는 제1 채널; 및
   - 상기 제1 노즐을 통과하는 유동을 제어하도록 구성되는 제1 제어 유입구를 포함하되, 상기 제1 제어 유입구가 상기 중앙 챔버를 통해 상기 유입 포트 및 상기 제1 채널과 유체 연통되는 제1 제어 채널을 포함하는 기포 발생 장치.
4. 제1항 내지 제3항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 미세유체 기기는,
   - 선박의 선체의 마찰항력을 저감하기 위해 유체의 기포를 발생시키기 위한 제2 노즐을 포함하고, 상기 중앙 챔버를 통해 상기 유입 포트 및 상기 제1 제어 유입구와 유체 연통되는 제2 채널을 추가로 포함하되, 상기 제1 제어 유입구가 상기 제2 노즐을 통과하는 유동을 제어하도록 추가로 구성되는 기포 발생 장치.
5. 제3항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 미세유체 기기는 상기 제1 제어 유입구를 통과하는 제1 제어 유동을 상기 중앙 챔버 내로 공급함으로써 상기 유입 포트로부터 상기 제1 노즐까지의 총 유동저항을 증가시키도록 구성되는 기포 발생 장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 미세유체 기기는 상기 제1 제어 유입구를 통과하는 제1 제어 유동을 상기 중앙 챔버 내로 공급함으로써 상기 제1 채널을 통과하는 유동을 상기 제2 채널로 전환하도록 구성되며, 이로써 상기 제1 채널을 통과할 유동의 적어도 50%가 상기 제2 채널을 통과하도록 재배향되는 기포 발생 장치.
7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 미세유체 기기는
   상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐을 통과하는 유동을 제어하기 위한 제2 제어 유입구를 포함하는 제2 제어 채널을 추가로 포함하며, 상기 제2 제어 유입구는 상기 중앙 챔버를 통해 상기 유입 포트, 상기 제1 노즐, 상기 제2 노즐 및 상기 제1 제어 유입구와 유체 연통되는 기포 발생 장치.
8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 미세유체 기기는 상기 제2 제어 유입구를 통과하는 제2 제어 유동을 상기 중앙 챔버 내로 공급함으로써 상기 제2 채널을 통과하는 유동을 상기 제1 채널로 전환하도록 구성되며, 이로써 상기 제2 채널을 통과할 유동의 적어도 50%가 상기 제1 채널을 통과하도록 재배향되는 기포 발생 장치.
9. 제7항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 미세유체 기기는 상기 제1 제어 채널과 상기 제2 제어 채널을 연결하는 피드백 채널을 추가로 포함하며, 이로써 상기 제1 제어 토출구와 상기 제2 제어 토출구가 직접 유체 연통되는 기포 발생 장치.
10. 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 제어 채널 및/또는 상기 제2 제어 채널은, 상기 제1 제어 채널 및/또는 상기 제2 제어 채널을 통과하는 제어 유동을 발생시키도록 구성되는 제어 시스템과 유체 연통되는 기포 발생 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기기는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 미세유체 기기를 복수개 포함하는 기포 발생 장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    시간 경과에 따라 변화하는 기포형성 유체의 유동을 공급함으로써 기포 크기가 제어가능한 기포를 발생시키도록 적합화되는 기포 발생 장치.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세유체 기기는 미세유체 발진기 및/또는 미세유체 발진기 플립-플롭 및/또는 미세유체 증폭기 및/또는 미세유체 스위치를 포함하는 기포 발생 장치.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    기존 선박에 부착가능한 개장가능 기기인 기포 발생 장치.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    기포 형태로 유체를 출력하기 위한 복수의 배기 노즐을 포함하는 기포 발생 장치.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 미세유체 기기 세트를 포함하되, 각 세트의 미세유체 기기는 각각의 기포 크기를 갖는 기포를 발생시키도록 적합화되며, 상기 장치는 기포형성 유체의 공급 유동을 주파수가 다른 미세유체 기기 세트 중 한 세트 또는 하위세트에 선별적으로 보내기 위한 유동 선별기를 포함하는 기포 발생 장치.
17. 제16항에 있어서,
    상기 각 세트의 미세유체 기기는 각각의 미리 정해진 주파수에서 기포를 발생시키도록 적합화되는 기포 발생 장치.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체는 공기와 같은 기체인 기포 발생 장치.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 두 개 이상의 층을 포함하는 적층 구조물을 포함하되, 상기 층 중 적어도 하나는 상기 하나 이상의 미세유체 기기의 적어도 일부를 형성하는 미세 구조물을 포함하는 기포 발생 장치.
20. 제19항에 있어서,
    상기 층 중 적어도 하나는 상기 하나 이상의 미세유체 기기의 적어도 일부를 형성하는 미세구조화 표면을 포함하는 기포 발생 장치.
21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 선박의 선체에 상기 장치를 접합하기 위한 접합면과, 상기 접합면 반대편의 볼록한 외면을 포함하는 기포 발생 장치.
22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체를 출력하기 위한 복수의 배기노즐을 포함하되, 각각의 배기 노즐을 둘러싸는 표면 영역에는 친수성 표면을 구비하는 기포 발생 장치.
23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 미세유체 기기 각각은 채널 및/또는 챔버의 평면형 시스템으로서 형성되는 기포 발생 장치.
24. 미세유체 수단을 포함하는 기기를 포함하는 선박용 선체로서, 상기 기기는 유체 공급원에 연결되는 복수의 개구를 포함하되, 상기 복수의 개구는 상기 유체가 상기 선체를 따라 흐를 때 상기 유체가 선체를 향한 해수의 경계층에 기포를 형성하기 위해 상기 개구를 통해 분출되도록 배열되며, 유체 발진기 또는 별도의 유체 증폭기는 압축 공기 공급원과 상기 복수의 개구 사이에 연결되며, 각각의 상기 유체 발진기 또는 유체 증폭기는 상기 개구를 통해 분출되는 기포의 기포 크기가 달라질 수 있도록 제어 가능한 선박용 선체.
25. 선박 홀의 마찰항력을 저감하기 위한 미세기포를 발생시키기 위해 선박의 외부에 부착되도록 적합화되는 것으로, 미세유체 수단을 포함하는 기기의 사용.
26. 선박의 선체의 마찰항력을 저감하는 방법으로서,
    - 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 장치를 상기 선체의 외면에 부착하는 단계와,
    - 상기 장치의 배기 노즐을 통해 상기 기포형성 유체를 수중으로 배출함으로써 상기 선체를 둘러싸는 해수와 상기 선체 간의 경계부에 기포형성 유체의 기포를 발생시키는 단계와,
    - 시간 경과에 따라 달라지는 기포형성 유체의 유동을 공급함으로써 생성된 기포의 크기를 제어하는 단계를 포함하는 마찰항력 저감 방법.

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