KR20180114462A - 미세버블 생성 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세버블 생성 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치는 내부에 유체가 흐르고, 상기 유체의 유동방향을 따라 유동 단면적이 최소인 최소 단면부가 형성되는 하우징; 및 상기 하우징의 내부 또는 외부에 설치되어 상기 최소 단면부의 유동 단면적을 줄이거나 넓히도록 진동을 가하는 진동 인가부를 포함할 수 있다.

Description

미세버블 생성 장치 및 방법{Apparatus and method for generating nano bubble}

본 발명은 미세버블 생성 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체 내에서 미세버블을 생성하기 위한 미세버블 생성 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근, 일반적인 물보다 용존기체량이 높은 물이 제조되고 있는데, 일 예로 축사 등에서 나오는 오폐수를 정화하는 공정에서 사용하기도 하며 양식장에서 어류에게 산소(기체, 버블)를 공급하기 위한 용도로 용존산소량이 높은 산소(기체, 버블)수가 주로 사용되어 왔다.

상기 산소수는 동물이나 사람이 음용할 경우 체내에 흡수가 빠르고 신진대사가 활발해지며 각종 병충해에 대해 면역력이 강해지는 등의 많은 효과가 있어 축산농가뿐만 아니라 일반 가정이나 회사에서 쓰는 정수기에도 이러한 산소수를 적용하는 경우가 많아졌다.

또한, 식물의 경우에는 토양의 환경을 개선하고 잎이나 뿌리 등에 직접적으로 산소를 공급하여 보다 튼튼하게 생장하면서 병충해에 강해져 생산량이 증가하는 효과를 가져오고 있다. 상기와 같은 이유로 산소(기체, 버블)수를 제조하기 위해 다양한 방법 및 장치들이 제공되었다.

그러나, 종래 제공된 기체수 제조방법 및 제조장치는 모터를 이용하여 물을 고속으로 혼합하면서 용존기체량을 높이는 방법을 사용하였으나, 상기 방법으로는 짧은 시간에 원하는 용존기체량을 얻기가 힘들뿐만 아니라 미세한 기포를 생성하는 것이 어려웠다. 또한, 전기분해나 냉동에 의해 산소(기체, 버블)수를 제조하는 방법이 있었으나, 이 경우 설비가 매우 고가이고 혼합된 산소(기체, 버블)가 기포상태로 물속에 존재하여 시간이 흐름에 따라 급속하게 용존산소량이 떨어지는 단점과 함께 기포의 크기를 조절하지 못하는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0040134호　(2015.04.14 공개)

본 발명은 유체가 흐르는 구간에 초음파 등의 진동을 가하여 미세버블의 생성량을 최대화할 수 있는 미세버블 생성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치는 내부에 유체가 흐르고, 상기 유체의 유동방향을 따라 유동 단면적이 최소인 최소 단면부가 형성되는 하우징; 및 상기 하우징의 내부 또는 외부에 설치되어 상기 최소 단면부의 유동 단면적을 줄이거나 넓히도록 진동을 가하는 진동 인가부를 포함할 수 있다.

상기 진동 인가부는 상기 최소 단면부에서 방사상으로 연장한 면 상에 설치될 수 있다.

상기 하우징은 상기 유체의 유동방향을 따라 유동 단면적이 감소하는 병목부가 형성되고, 상기 병목부의 하류단이 상기 최소 단면부일 수 있다.

상기 하우징은 벤츄리관 또는 오리피스관일 수 있다.

상기 하우징은 관 형상으로 형성되고, 상기 진동 인가부는 상기 하우징의 외주면을 감싸는 링 형상일 수 있다.

상기 하우징은 관 형상으로 형성되고, 상기 진동 인가부는 상기 하우징의 외면에 원주 방향을 따라 적어도 하나 이상이 배치될 수 있다.

상기 진동 인가부는 초음파진동수로 초음파 진동을 가하는 초음파진동기일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 미세버블 생성 방법은 유체의 유동방향을 따라 유동 단면적이 최소인 최소 단면부가 형성되는 하우징으로 상기 유체를 공급하는 단계; 및 상기 최소 단면부의 단면적을 줄이거나 넓히도록 진동을 가하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 진동은 상기 최소 단면부의 방사방향 전체 또는 일부에 걸쳐 가해질 수 있다.

상기 하우징은 벤츄리관 또는 오리피스관일 수 있다.

상기 진동은 초음파진동수를 가진 초음파 진동일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유체가 흐르는 구간에 초음파 등의 진동을 가하여 미세버블의 생성량을 최대화할 수 있다.

또한, 직수형 초미세버블 개체수를 증가시켜 미세버블수의 용존기체량을 최대화할 수 있고, 시간이 지나도 충분한 용존기체량을 유지하는 미세버블수를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치를 보인 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 초음파 진동을 가하여 미세버블이 생성되는 것을 보인 도면.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세버블 생성 장치를 보인 도면.
도 4 및 도 5는 진동 인가부가 하우징에 설치된 형태를 보인 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 초음파 진동을 가하여 생성된 미세버블의 개체수가 증가한 것을 보인 그래프.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 "미세버블"의 기재는 마이크로미터 크기의 마이크로버블 및/또는 나노미터 크기의 나노버블을 포함하는 것이며, 상기 미세버블의 크기는 약 1 nm 내지 약 5,000 nm의 평균 크기를 갖는 것일 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치 및 방법의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세버블 생성 장치를 보인 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 초음파 진동을 가하여 미세버블이 생성되는 것을 보인 도면이다.

이에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 미세버블 생성 장치는 내부에 유체가 흐르고, 상기 유체의 유동방향을 따라 유동 단면적이 최소인 최소 단면부(14)가 형성되는 하우징(10); 및 상기 하우징(10)의 내부 또는 외부에 설치되어 상기 최소 단면부(14)의 유동 단면적을 줄이거나 넓히도록 진동을 가하는 진동 인가부(20)를 포함할 수 있다.

하우징(10)은 미세버블 생성 장치의 외관을 형성하는 것으로서, 유체의 유동방향을 따라 관 형상, 직육면체 형상 등 다양한 형상으로 만들어질 수 있다. 하우징(10)은 미세버블을 생성할 수 있는 용기로서, 오폐수를 정화하는 공정에서 사용되는 워터탱크 등 용도에 따라 다양한 형태로 제공될 수 있다. 하우징(10)의 내부로 유입되는 유체는 물을 비롯한 다양한 것들이 사용될 수 있다.

하우징(10)은 도 1에서와 같이 벤츄리관 형태로 만들어질 수 있다. 벤츄리관은 유체의 유동방향에 대하여 단면적이 좁아지는 병목부(12)가 형성될 수 있다. 병목부(12)는 유체가 유입되는 유입구부터 병목부(12)의 하류단인 최소 단면부(14)까지 형성될 수 있다. 최소 단면부(14)는 하우징(10)의 내부에서 유체가 유동하는 과정에서 유동 단면적이 최소인 부분을 말한다. 따라서, 도 1과 같은 벤츄리관 형태에서는 병목부(12)의 하류단이 최소 단면부(14)를 형성하게 된다.

한편, 본 실시예에서는 병목부(12)가 최소 단면부(14)까지 형성되고 최소 단면부(14)부터 유동 단면적이 증가하지 않고 그대로 유지되도록 하우징(10)이 형성될 수도 있다. 이 경우에는 하우징(10)이 벤츄리관과는 약간 다른 형상을 가지게 된다.

하우징(10)에는 내부 또는 외부에 진동 인가부(20)가 설치된다. 진동 인가부(20)는 하우징(10) 내부를 유동하는 유체에 진동을 인가하여 미세버블의 생성을 촉진시키고, 더 나아가 평균 200nm 이하의 직경을 가지는 초미세버블을 효과적으로 생성하는 역할을 한다. 진동 인가부(20)는 상술한 바와 같이 최소 단면부(14)의 유동 단면적을 줄이거나 넓히도록 진동을 가할 수 있는 진동장치라면 어떠한 것이라도 채용될 수 있다. 또한, 진동 인가부(20)는 최소 단면부(14)의 유동 단면적을 주기적으로 줄이거나 넓히도록 진동을 가하도록 구성될 수도 있다.

진동 인가부(20)는 최소 단면부(14)에서 방사상으로 연장한 면 상에 설치되면 족하고, 설치위치는 하우징(10)의 내부가 될 수도 있고 외부가 될 수도 있다. 즉, 진동 인가부(20)는 최소 단면부(14)에서 방사상으로 연장한 면 상에서 진동을 가하므로 최소 단면부(14)에 집중하여 진동을 가할 수 있게 된다. 물론 진동 인가부(20)는 최소 단면부(14)을 중심으로 주변 영역에 진동을 가하도록 구성될 수도 있지만 상술한 바와 같이 최소 단면부(14)에 진동을 집중시키는 것이 바람직하다.

본 실시예에서 진동 인가부(20)는 다양한 방법으로 진동을 가할 수 있는데, 예를 들어 진동 인가부(20)는 초음파진동기로 구성되어 일정한 초음파진동수로 최소 단면부(14)에 초음파 진동을 가할 수 있다. 이와 같이 최소 단면부(14)에 방사방향으로 초음파 진동을 가하게 되면 화살표 방향으로 최소 단면부(14)의 유동 단면적이 줄여지거나 넓혀지게 된다. 동시에 최소 단면부(14)를 통과하는 유체가 압력강하에 의해 증기화되고 유체 내에 녹아있던 기체의 재기포화가 복합적으로 발생하면서 미세버블의 생성이 이루어질 수 있다.

더욱이, 생성된 미세버블은 최소 단면부(14)를 지난 후에 생성되는 난류에 의해 잘게 부수어짐으로써, 초미세버블이 추가로 생성될 수 있다. 이외에도 최소 단면부(14)를 지나면서 생성된 미세버블은 초음파 증압구간에서 파괴되어 물속으로 녹아 사라지거나 수축되어 추가적인 초미세버블을 생성할 수도 있다.

즉, 초음파 진동이 인가되면 물에 음압(sound pressure)가 걸리고 최소 단면부(14)를 통과하면서 압력강하에 의해 압력차가 크게 발생하기 때문에 캐비티(cavity)가 발생하면서 미세버블이 더 활발하게 생성될 수 있는 것이다. 이와 같이 초미세버블의 개체수가 증가하게 되면 미세버블수의 용존기체량을 최대화할 수 있고, 시간이 지나도 충분한 용존기체량을 유지하는 미세버블수를 제조할 수 있는 장점이 있다.

초음파 진동을 인가하는 방식은 기계적으로 모터에 의해서 하우징(10)의 외면에 진동을 가할 수도 있고 혼(horn)을 이용하여 국소적으로 진동을 가할 수도 있는데, 초음파로 진동을 가할 수 있는 구조라면 어떠한 형태라도 채용될 수 있다.

한편, 초음파진동기는 통상의 초음파진동자와 같은 구성으로 상세한 설명은 생략하고, 외부의 제어에 의해 선택적으로 구동되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파진동기의 진동수는 약 1 Hz 내지 약 100 Hz 일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 약 1 Hz 내지 약 100 Hz, 약 1 Hz 내지 약 80 Hz, 약 1 Hz 내지 약 60 Hz, 약 1 Hz 내지 약 50 Hz, 약 1 Hz 내지 약 30 Hz, 약 1 Hz 내지 약 10 Hz, 약 1 Hz 내지 약 5 Hz, 약 5 Hz 내지 약 100 Hz, 약 5 Hz 내지 약 80 Hz, 약 5 Hz 내지 약 60 Hz, 약 5 Hz 내지 약 50 Hz, 약 5 Hz 내지 약 30 Hz, 약 5 Hz 내지 약 10 Hz, 약 10 Hz 내지 약 100 Hz, 약 10 Hz 내지 약 80 Hz, 약 10 Hz 내지 약 60 Hz, 약 10 Hz 내지 약 50 Hz, 약 10 Hz 내지 약 30 Hz, 약 30 Hz 내지 약 100 Hz, 약 30 Hz 내지 약 80 Hz, 약 30 Hz 내지 약 60 Hz, 약 30 Hz 내지 약 50 Hz, 약 50 Hz 내지 약 100 Hz, 약 50 Hz 내지 약 80 Hz, 약 50 Hz 내지 약 60 Hz, 약 60 Hz 내지 약 100 Hz, 약 60 Hz 내지 약 80 Hz, 또는 약 80 Hz 내지 약 100 Hz일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

도 3을 참조하면, 하우징(10)은 오리피스관 형태로 만들어질 수 있다. 하우징(10)이 오리피스관 형태일 경우에는 병목부(12)가 존재하지 않고 유체의 유동구간에 오리피스가 형성되어 있어 오리피스를 통과할 때 압력강하가 발생한다. 즉, 오리피스가 형성된 부분이 최소 단면부(14)가 되는 것이다.

이상에서는 하우징(10)의 형태로서 벤츄리관 및 오리피스관을 예로 들어 설명하였으나, 이는 일 예로 제시한 것에 불과하고 유체의 유동방향에 대하여 유동 단면적이 최소인 최소 단면부(14)가 형성된다면 어떠한 형태의 하우징(10)이라도 채용될 수 있다. 즉, 유체가 최소 단면부(14)를 통과하면서 압력강하가 일어남과 동시에 초음파 진동이 가해짐으로써 미세버블의 생성이 촉진될 수 있는 형태라면 어떠한 구조라도 채용될 수 있는 것이다.

도 4 및 도 5는 진동 인가부가 하우징에 설치된 형태를 보인 도면이다.

이를 참조하면, 도 4의 경우 진동 인가부(20)는 관 형상인 하우징(10)의 외주면을 감싸는 링 형상으로 설치될 수 있다. 이와 같이 진동 인가부(20)가 설치되며 최소 단면부(14)의 방사방향으로 진동을 가해줄 수 있기 때문에 강한 진동을 발생시켜 미세버블의 생성을 촉진시킬 수 있다.

또한, 진동 인가부(20)는 상술한 바와 같이 하우징(10)의 외주면을 감싸도록 링 형상으로 설치되지 않더라도 최소 단면부(14)의 방사방향 전체에 걸쳐서 진동을 가할 수 있는 구조라면 어떠한 것이어도 채용될 수 있을 것이다.

도 4와 같이 링 형상으로 진동 인가부(20)를 설치할 경우 비용증가에 따른 부담이 있기 때문에 도 5에서와 같이 진동 인가부(20)가 하우징(10)의 외면에 원주 방향을 따라 적어도 하나 이상이 배치되어 진동을 가할 수 있다. 본 도면에서는 진동 인가부(20)가 90° 간격으로 배치되어 진동을 가하는 것을 일 예로 도시하였다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 초음파 진동을 가하여 생성된 미세버블의 개체수가 증가한 것을 보인 그래프이다.

도 6을 참조하면, 본 그래프 결과 또한 도 1에 도시된 벤츄리관 형태의 하우징(10)의 내부에 물을 유동시켰을 때 생성된 미세버블의 개체수를 측정한 것이다.

이를 비교하면, 초음파 진동을 가했을 경우 초미세버블의 개체수는 약 1.1 E8 particles/ml 로써 초음파 진동을 가하지 않았을 경우의 개체수인 약 0.55 E8 particles/ml 보다 약 2배가 증가한 것을 알 수 있다. 결국, 초음파 진동을 가할 경우 난류 및 미세버블의 수축 등으로 인하여 추가적인 초미세버블이 생성되어 개체수를 최대화할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 하우징 12 : 병목부
14 : 최소 단면부 20 : 진동 인가부

Claims (11)

1. 내부에 유체가 흐르고, 상기 유체의 유동방향을 따라 유동 단면적이 최소인 최소 단면부가 형성되는 하우징; 및
   상기 하우징의 내부 또는 외부에 설치되어 상기 최소 단면부의 유동 단면적을 줄이거나 넓히도록 진동을 가하는 진동 인가부를 포함하는 미세버블 생성 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 진동 인가부는 상기 최소 단면부에서 방사상으로 연장한 면 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징은 상기 유체의 유동방향을 따라 유동 단면적이 감소하는 병목부가 형성되고, 상기 병목부의 하류단이 상기 최소 단면부인 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징은 벤츄리관 또는 오리피스관인 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징은 관 형상으로 형성되고, 상기 진동 인가부는 상기 하우징의 외주면을 감싸는 링 형상인 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징은 관 형상으로 형성되고, 상기 진동 인가부는 상기 하우징의 외면에 원주 방향을 따라 적어도 하나 이상이 배치되는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 진동 인가부는 초음파진동수로 초음파 진동을 가하는 초음파진동기인 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 장치.
8. 유체의 유동방향을 따라 유동 단면적이 최소인 최소 단면부가 형성되는 하우징으로 상기 유체를 공급하는 단계; 및
   상기 최소 단면부의 단면적을 줄이거나 넓히도록 진동을 가하는 단계를 포함하는 미세버블 생성 방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 진동은 상기 최소 단면부의 방사방향 전체 또는 일부에 걸쳐 가해지는 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 방법.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 하우징은 벤츄리관 또는 오리피스관인 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 방법.
11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동은 초음파진동수를 가진 초음파 진동인 것을 특징으로 하는 미세버블 생성 방법.
    
    

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