KR20140112469A - 미세 기포 발생 장치 - Google Patents

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하루키 시마다
노부유키 아사리
와타루 모리사키
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니타 가부시키가이샤
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Abstract

액체 공급부(12)의 액체 통로(17)에 가압 유체를 공급한다. 액체 통로(17)로부터 나선 통로 형성체(19)의 외측 원통부의 내측에 형성된 나선형의 블레이드를 따라 축경부(21)에 액체를 인도하고 주위 방향 하방향으로 분출한다. 분출된 액체를 축경부(21)의 원뿔면을 따라 나선형으로 기액 혼합부(22)로 인도하여 증속하고, 기액 혼합부(22)에 있어서 노즐 선단부를 향한 고속 선회류를 생성한다. 고속 선회류에 의해 기액 혼합부(22)의 중심 발생한 부압으로, 기체 도입관(24)으로부터 기액 혼합부(22)에 기체를 흡인하고, 기액 2상 선회 유체를 생성한다. 기액 2상 선회 유체를 축경된 기액 혼합부(22)의 선단 개구부로부터 노즐 외부로 분출·개방하고, 기액 2상 유체를 전단하여 미세 기포를 발생시킨다.

Description

미세 기포 발생 장치{MICROBUBBLE GENERATOR DEVICE}
본 발명은, 선회류(旋回流)를 이용하여 기액(氣液) 혼합을 행하여 액 중에 미세 기포를 발생시키는 미세 기포 발생 장치에 관한 것이다.
마이크로 버블 등의 미세 기포를 액 중에 발생시키는 방식으로서 기액 2상(相) 고속 선회(旋回) 방식이 알려져 있다. 기액 2상 고속 선회 방식에서는, 노즐 내의 원통면을 따라 액체를 고속 선회시켜 노즐 중심(축심을 따라)에 부압(負壓)을 발생시킨다. 그리고, 이 부압에 의해 노즐 내에 기체(氣體)를 도입하여 고속 선회하는 기액 2상 선회류를 형성한다. 이 선회류를 축심을 따라 축류(縮流)하고, 노즐 출구로부터 개방함으로써 기액 2상 유체(流體)를 전단(剪斷)하여 미세 기포를 발생시킨다(예를 들면, 특허 문헌 1, 2 참조).
특허 문헌 1의 미세 기포 발생 장치에서는, 고압의 액체를, 나선(螺旋) 유로를 통해 노즐 내의 기액 혼합 공간에 인도하고, 이로써, 기액 혼합 공간의 원통 내주면을 따르는 나선형의 고속 선회류를 형성한다. 나선 유로는, 그 외주에 나선형의 블레이드(blade)가 형성된 원주부(圓柱部)를, 블레이드의 외경(外徑)과 대략 같은 내경(內徑)을 가지는 노즐 본체에 설치된 원통에 끼워맞춤으로써 형성된다.
일본 공개특허 제2006―142251호 공보 일본 특허 제4376888호 공보
그러나, 나선형의 블레이드는 액체의 극히 높은 압력에 노출되므로, 특허 문헌 1, 2의 구성에서는 내구성(耐久性)에 문제가 있다.
본 발명은, 기액 2상 고속 선회 방식을 이용한 미세 기포 발생 장치에 있어서, 나선 유로의 고압 유체에 대한 내구성을 향상시키는 것을 과제로 하고 있다.
본 발명의 선회 통로 형성체는, 나선 통로를 통해 가압된 액체를 노즐 내에 공급하여 노즐 내에 선회류를 발생시키고, 선회류에 의해 발생하는 부압을 이용하여 기체를 노즐 내에 도입하여 기액 2상 선회류를 형성하고, 기액 2상 선회류를 노즐 출구로부터 분출함으로써 기액 2상 유체를 전단하여 미세 기포를 발생시키는 미세 기포 발생 장치에 장착되는 선회 통로 형성체로서, 원주부와 원뿔대부(truncated cone portion)로 구성되고, 중심축을 따라 기체를 인도하기 위한 기체 도입공이 형성된 본체와, 원주부의 외주면을 따라 형성된 나선형의 블레이드와, 블레이드의 외주 에지에 형성되는 외측 원통부를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
블레이드의 입구부는 상승되어 있는 것이 바람직하다. 이로써, 공급되는 액체의 압력 손실을 내리고, 분출되는 액체의 유속(流速)을 높임으로써 강한 선회류를 발생시킬 수 있다. 블레이드는 복수 형성되고, 복수의 블레이드끼리가 중심축 방향으로 중첩되지 않는 것이 바람직하다. 이로써, 나선 통로 형성체를 주형(鑄型)과 일체로 성형할 수 있다. 또한, 복수의 블레이드는 180°어긋나 배치된 2개의 블레이드로 이루어지는 것이 바람직하고, 각 블레이드는 외주면의 반주(半周)에 걸쳐 형성된다. 또한, 본체, 블레이드, 외측 원통부는 주형 성형에 의해 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 선회 통로 형성체는 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 수지로 형성된다.
본 발명의 미세 기포 발생 장치는, 상기 나선 통로 형성체를 사용하는 상기 어느 하나의 미세 기포 발생 장치로서, 노즐에 장착되는 액체 공급부와, 액체 공급부에 설치되는 기체 공급부를 더 포함하고, 나선 통로 형성체가 노즐 내에 형성된 원통형의 수용부에 끼워져 삽입되고, 수용부에는 나선 통로 형성체의 외측 원통부를 지지하는 스테이지부가 형성된 것을 특징으로 하고 있다.
액체 공급부는 노즐에 끼워져 삽입되어 노즐에 고정되고, 노즐에 끼워져 삽입되는 액체 공급부의 선단부는 나선 통로 형성체의 외측 원통부와 맞닿고, 나선 통로 형성체는 스테이지부와 선단부의 사이에 유지된다. 액체 공급부의 액체 통로 내를 따라, 기체 공급부로부터의 기체 도입관이 배치되고, 기체 도입관은, 나선 통로 형성체의 기체 도입공에 연결된다.
본 발명에 의하면, 기액 2상 고속 선회 방식을 이용한 미세 기포 발생 장치에 있어서, 나선 유로의 고압 유체에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 실시형태의 미세 기포 발생 장치의 측단면도이다.
도 2는 나선 통로 형성체의 정상면도(頂面圖), 측면도, 저면도이다.
도 3은 나선 통로 형성체의 단면도(斷面圖), 화살표로부터 바라본 도면이다.
도 4는 나선 통로 형성체의 변형예의 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를, 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 일실시형태인 미세 기포 발생 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
미세 기포 발생 장치(10)는, 액 중에 마이크로 버블 등의 미세 기포를 발생시키는 노즐(11)과, 노즐(11)에 가압된 액체를 공급하는 액체 공급부(12)와, 노즐(11)에 기체를 공급하는 기체 공급부(13)를 구비한다. 노즐(11)은, 예를 들면, 액체(L)를 저장한 탱크의 벽면(14)에 고정되고, 그 선단은 액체(L) 내에 배치된다.
본 실시형태에서는, 노즐(11)은 견부(肩部)(15)를 구비하고, 노즐(11)은 그 선단이 벽면(14)에 형성된 구멍에 삽입되고, 노즐(11)의 선단에 너트(16)를 나사장착하고, 견부(15)와 너트(16) 사이에 벽면(14)을 파지함으로써 노즐(11)이 탱크 벽면(14)에 고정된다.
노즐(11)의 기부측에는, 액체 공급부(12)의 일단[선단부(12A)]가 기밀적으로 끼워져 삽입된다. 또한, 액체 공급부(12)의 타단에는 기체 공급부(13)가 설치된다. 액체 공급부(12)는, 예를 들면, L자형의 액체 통로(17)를 구비하고, 그 외형도 L자형을 따른 외형을 이룬다. 도 1에 있어서 측방으로 연장되는 개구단에는 관 조인트부(18)가 설치되고, 관 조인트부(18)에는 가압 펌프 등에 접속된 관(도시하지 않음)이 접속된다. 즉 가압 펌프로부터 가압된 액체가 액체 통로(17)에 공급된다.
또한, 액체 통로(17)의 다른 쪽의 개구단은, 노즐(11) 내에 형성된 회전 대칭인 공간과 접속된다. 이 회전 대칭인 공간에는, 후술하는 나선 통로 형성체(19)를 수용하는 대경(大徑)의 원통 공간(수용부)(20)이 설치되고, 그 앞에는, 원뿔형으로 직경이 작아지는 축경부(縮徑部)(21)가 형성된다. 또한 축경부(21)의 앞에는, 기액 2상 선회류를 생성하는 소경(小徑)의 원통 공간(기액 혼합부)(22)이 형성된다. 기액 혼합부(22)는, 그 선단에 있어서 일단 축경된 후 노즐 외부로 개구된다.
노즐(11)에 접속된 액체 통로(17)의 개구의 반대측(L자로 구부러지는 근원부)에는, 작은 구멍(23)이 형성되고, 기체 공급부(13)로부터의 기체 도입관(24)이 기밀적으로 상통된다. 액체 통로(17) 내로 연장되는 기체 도입관(24)은, 액체 통로(17)의 대략 중앙을 따라 연장되고, 그 선단부는 수용부(20)에 장치된 나선 통로 형성체(19)의 기체 도입공(25)에 장착된다.
기체 공급부(13)에는, 기체를 유통하는 L자형의 기체 통로(26)가 형성되어 있고, 측방으로 연장되는 개구단에는, 관 조인트(27)가 설치된다. 즉, 관 조인트(27)에 접속되는 관(도시하지 않음)으로부터 원하는 기체가 기체 통로(26)로 공급된다. 또한, 기체 통로(26)의 예를 들면, L자 휨부에는, 니들 스크루 등의 유량 조정 밸브(28)가 설치되고, 기체 도입관(24)으로 공급되는 기체 유량의 조정이 행해진다.
다음에 도 2, 도 3을 참조하여 본 실시형태에 있어서의 나선 통로 형성체(19)의 구조에 대하여 설명한다. 그리고, 도 2의 (a)∼도 2의 (c)는, 본 실시형태의 나선 통로 형성체(19)의 정면도, 측면도, 저면도이며, 도 3의 (a)는 도 2의 (b)에서의 A―A'단면도, 도 3의 (b), (c)는, 도 2의 (c)의 B 방향, C 방향으로부터의 바라본 도면(외주 원통부를 제거함)이다.
도 2, 도 3에 나타낸 바와 같이, 나선 통로 형성체(19)의 본체(29)는, 원기둥형의 원주부(29A)와, 원주부(29A)의 하단으로부터 원뿔대형상(圓錐臺形狀)으로 돌출하는 원뿔대부(29B)로 구성되고, 원주부(29A)의 외주면에는 한 쌍의 나선형의 블레이드(30A, 30B)가 형성된다. 또한, 나선형의 블레이드(30A, 30B)의 외주 에지에는, 원통형의 외측 원통부(31)가 설치된다. 본 실시형태에 있어서, 외측 원통부(31)의 높이는, 예를 들면, 원주부(29A)의 높이와 같고, 원뿔대부(29B)의 바닥면의 외경은 원주부(29A)의 외경과 같다. 그리고, 본체(29)의 중심에는, 기체 도입공(25)이 원주축(원뿔축)을 따라 형성된다.
본 실시형태에 있어서, 나선형의 블레이드(30A, 30B)는, 본체(29)의 중심축을 중심으로 하여 180°이격된 위치로부터 시작되어, 각각, 원주부(29A)의 외주면을 따라 반주(180°)에 걸쳐 설치된다. 즉, 본 실시형태에서는, 2중 나선과 같이 블레이드끼리가 축 방향으로 중첩되지 않는다.
또한, 나선 통로를 형성하는 블레이드(30A, 30B)는, 정상면 가까이에 있어서 상승되고, 나선 통로 입구부(32A, 32B)를 형성한다[특히 도 3의 (c) 참조]. 나선 통로 입구부(32A, 32B)는, 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이 본체(29)의 축을 중심으로 하는 각 θ1의 범위에 형성되고, 나머지의 각 θ2의 범위는, 리드각이 일정한 블레이드(30A, 30B)의 본체부로서 형성된다. 각도 θ1, θ2는, 예를 들면, 공차 ±10°로서, 각각 약 30°, 150°로 설정되고, 블레이드(30A, 30B)의 본체 부분(각도 θ2의 범위)의 리드각은, 예를 들면, 5°∼10°로 설정된다. 또한, 나선 통로 입구부(32A, 32B)의 상승 부분의 최단부(最端部)(상류측)는 대략 90°로 된다.
다음에 도 1, 도 3을 참조하여, 나선 통로 형성체(19)의 수용부(20)에 대한 고정 방법에 대하여 설명한다.
노즐(11)의 수용부(20)와 축경부(21)의 접속부에는, 외측 원통부(31)의 두께와 대략 동일 치수 폭을 가지는 스테이지부(20A)가 형성된다. 나선 통로 형성체(19)를 수용부(20)에 장착하면, 외측 원통부(31)의 외주면은, 수용부(20)의 내주면에 밀접하고, 외측 원통부(31)의 하단부는, 스테이지부(20A)와 맞닿는다.
한편, 액체 공급부(12)의 선단부(12A)는, 외측 원통부(31)와 대략 동일 직경, 대략 동일 두께의 원통형상을 이루고, 나선 통로 형성체(19)를 수용부(20)에 장착 후, 액체 공급부(12)가 노즐(11)에 장착되면, 선단부(12A)가 외측 원통부(31)의 상단부와 맞닿는다. 이로써, 나선 통로 형성체(19)의 위치는, 수용부(20) 내에 있어서 고정된다. 그리고, 본 실시형태에서는, 이 때 나선 통로 형성체(19)의 원뿔대부(29B)의 선단이, 기액 혼합부(22)의 입구 높이에 위치한다.
다음에 이상의 구성을 사용한 기액 2상 선회 유체 생성 과정과 미세 기포 생성 과정의 개략에 대해서 도 1을 참조하여 설명한다.
액체 통로(17)에 공급되는 가압 유체는, 나선 통로 형성체(19)의 입구부(32A, 32B)로부터 나선형의 블레이드(30A, 30B)를 따른 축경부(21)에 안내되고, 주위 방향 하방향으로 분출된다. 액체는 축경부(21)의 원뿔면(圓錐面)을 따라 나선형으로 기액 혼합부(22)로 안내되고, 또한 증속되어 기액 혼합부(22)의 원통 내주면을 따라 고속 선회를 행하면서 노즐 선단부의 개구를 향해 흐른다. 이로써, 기액 혼합부(22)의 중심에는 부압이 발생하고, 기체 도입관(24)으로부터 기액 혼합부(22)에 원통축을 따라 기체가 흡인되어 기액 2상 선회 유체가 형성된다. 이 기액 2상 선회 유체가 축경된 기액 혼합부(22)의 선단 개구부로부터 노즐 외부로와 분출·개방되고, 이 과정에서 기액 2상 유체가 전단되어 미세 기포가 발생한다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의하면, 미세 기포 발생 장치에 사용되는 나선 통로 형성체에 형성된 나선형의 블레이드의 주위 에지가 원통부에 의해 보강되어 있으므로, 높은 압력의 액체에 대해서도 블레이드에 충분한 강도를 부여할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 나선형의 블레이드를 복수 형성하는 동시에, 이들이 축 방향으로 중첩되지 않도록 했기 때문에, 나선 통로 형성체를 주형 성형에 의해 일체로 성형할 수 있다. 그러나, 이와 같이 축 방향으로 중첩되지 않도록 하면, 선행예와 같이 이중 나선 구조를 채용하지 못하여, 나선 통로의 길이가 짧아진다. 그러므로, 나선류(螺旋流)의 조주(助走) 거리가 짧아져 선회류의 효율이 저하된다. 이것을 공급되는 유체 압력을 증대시킴으로써 보충하는 것이 생각할 수 있지만, 압력을 올려 나선 통로의 유속을 증대시키면, 나선 통로 입구 부분에서의 압력 손실이 증대한다.
그러므로, 본 실시형태에서는, 나선 통로의 입구 부분을 상승시킴으로써, 흐름의 방향이 급격하게 변화하는 것을 방지하여, 손실의 발생을 저감하고 있다. 이로써, 본 실시형태에서는, 주형 성형을 사용하므로, 나선 통로의 길이를 짧게 하면서도, 강한 선회류를 발생시킬 수 있다.
그리고, 본 실시형태에서는, 나선 피치가 입구부에서 불연속으로 변경되어 있지만, 나선 통로 전체 또는 입구부에 있어서, 입구를 향해 연속하여 피치를 크게 하는 구성으로 할 수도 있다.
예를 들면, 나선 통로 형성체는 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 수지로 형성된다.
그리고, 도 4에 나선 통로 형성체의 변형예를 나타낸다. 도 4에 나타내는 변형예에서는, 외측 원통부(31)와 블레이드(30A, 30B), 원주부(29A)가 접속되는 코너부가 R이 형성되고(원호 등의 만곡된 형태로 형성), 이들의 벽면에서 형성되는 통로 내를 흐르는 유체의 코너부에서의 소용돌이의 발생을 억제하여, 저항을 저감하고 있다.
10 미세 기포 발생 장치
11 노즐
12 액체 공급부
13 기체 공급부
14 탱크 벽면
19 나선 통로 형성체
20 수용부
20A 스테이지부
22 기액 혼합부
29 나선 통로 형성체 본체
29A 원주부
29B 원뿔대부
30A, 30B 나선형의 블레이드
31 외측 원통부
32A, 32B 나선 통로 입구부

Claims (9)

  1. 나선(螺旋) 통로를 통해 가압된 액체를 노즐 내에 공급하여 상기 노즐 내에 선회류(旋回流)를 발생시키고, 상기 선회류에 의해 발생하는 부압(負壓)을 이용하여 기체(氣體)를 상기 노즐 내에 도입하여 기액(氣液) 2상 선회류를 형성하고, 상기 기액 2상 선회류를 노즐 출구로부터 분출함으로써 기액 2상 유체(流體)를 전단(剪斷)하여 미세 기포를 발생시키는 미세 기포 발생 장치에 장착되는 선회 통로 형성체로서,
    원주부(圓柱部)와 원뿔대부(truncated cone portion)로 구성되고, 중심축을 따라 상기 기체를 인도하기 위한 기체 도입공이 형성된 본체;
    상기 원주부의 외주면을 따라 형성된 나선형의 블레이드(blade); 및
    상기 블레이드의 외주 에지에 형성되는 외측 원통부;
    를 포함하는 선회 통로 형성체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드의 입구부가 상승되어 있는, 선회 통로 형성체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 블레이드가 복수 형성되고, 상기 복수의 블레이드끼리가 상기 중심축 방향으로 중첩되지 않는, 선회 통로 형성체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 블레이드가 180°어긋나 배치된 2개의 블레이드로 이루어지고, 각각의 상기 블레이드가 상기 외주면의 반주(半周)에 걸쳐 형성되는, 선회 통로 형성체.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 본체, 상기 블레이드, 상기 외측 원통부가 사출 성형에 의해 일체로 형성되는, 선회 통로 형성체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선회 통로 형성체가 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 수지로 형성된, 선회 통로 형성체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 미세 기포 발생 장치로서,
    노즐에 장착되는 액체 공급부와, 상기 액체 공급부에 설치되는 기체 공급부를 더 포함하고, 나선 통로 형성체가 상기 노즐 내에 형성된 원통형의 수용부에 끼워져 삽입되고, 상기 수용부에는 상기 나선 통로 형성체의 외측 원통부를 지지하는 스테이지부가 형성되어 있는, 미세 기포 발생 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 액체 공급부는 상기 노즐에 끼워져 삽입되어 상기 노즐에 고정되고, 상기 노즐에 끼워져 삽입되는 상기 액체 공급부의 선단부가 상기 나선 통로 형성체의 외측 원통부와 맞닿고, 상기 나선 통로 형성체가 상기 스테이지부와 상기 선단부 사이에 유지되는, 미세 기포 발생 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 액체 공급부의 액체 통로 내를 따라, 상기 기체 공급부로부터의 기체 도입관이 배치되고, 상기 기체 도입관이 상기 나선 통로 형성체의 기체 도입공에 연결되는, 미세 기포 발생 장치.
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