KR20180130070A - 나노 기포 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충돌판이 구비된 믹싱 챔버와 기포를 원심 분리하는 스파이럴관을 통해 나노 기포를 발생시키는 나노 기포 발생기에 관한 것으로, 액체와 기체를 동시에 공급하는 펌프, 내부에 충돌판을 구비하여 마이크로 기포를 생성하는 믹싱 챔버, 믹싱 챔버에서 생성된 마이크로 기포의 크기가 더욱 작아지도록 회전 분리하여, 나노 기포를 생성하는 적어도 하나 이상의 스파이럴관, 및 스파이럴관을 지나오며 생성된 나노 기포를 토출하는 노즐을 포함한다.

Description

나노 기포 발생기{Nano-Bubble Generator}

본 발명은 나노 기포 발생기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 충돌판이 구비된 믹싱 챔버와 기포를 원심 분리하는 스파이럴관을 통해 나노 기포를 발생시키는 나노 기포 발생기에 관한 것이다.

나노 기포는 액체에 포함된 극히 작은 가스 기포이다. 나노 기포는 마이크로 기포 안에 수백만 개가 들어갈 정도로 매우 작은 크기의 입자이다. 이러한 나노 기포는 표면이 음으로 대전된 액체로 수명이 길 뿐만 아니라, 높은 내압으로 인해 높은 용해도를 가진다. 즉, 산소 포화도가 높으며, 액체 속의 열 전달력이 향상되고, 양식업에 이용될 경우 성장이 촉진되는 효과가 있다.

이러한 특성으로 인하여 다양한 산업 분야에서 나노 기포를 응용 및 활용하기위해 다양한 시도가 행해지고 있으나, 부피가 크고 나노 기포를 효율적으로 생성하지 못하는 문제가 있다.

대한민국공개특허공보 제2010-0136694호(2010.12.29. 공개) 대한민국등록특허공보 제10-1051367호(2011.07.18. 등록)

본 발명의 목적은 충돌판이 구비된 믹싱 챔버와, 기포를 원심 분리하는 스파이럴관을 이용하여, 나노 기포 발생기의 부피가 작아질 뿐만 아니라, 작은 부피에 비해 나노 기포의 생성이 용이한 나노 기포 발생기를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 액체와 기체를 동시에 공급하는 펌프, 내부에 충돌판을 구비하여 마이크로 기포를 생성하는 믹싱 챔버, 믹싱 챔버에서 생성된 마이크로 기포의 크기가 더욱 작아지도록 회전 분리하여, 나노 기포를 생성하는 적어도 하나 이상의 스파이럴관, 및 스파이럴관을 지나오며 생성된 나노 기포를 토출하는 노즐을 포함한다.

펌프는 기체를 공급받는 기체 유입구, 액체를 공급받는 액체 유입구, 기체 유입구와 액체 유입구에서 유입된 액체 및 기체를 혼합된 기액 혼합물을 동시에 배출하는 기액 토출부, 및 기체 유입구에서 유입되는 기체의 유입 속도와, 액체 유입구에서 유입되는 액체의 유입 속도와, 기액 토출부에서 배출되는 액체와 기체의 혼합물의 배출 속도를 제어하는 유속 제어부를 포함한다.

충돌판은 믹싱 챔버 내에서 다단 구조로 복수 개 배치되며, 평면인 평판형 충돌판, 한 면에 테이퍼 돌기가 형성된 테이퍼형 충돌판, 타원형 충돌판 중 어느 하나 이상을 포함한다.

믹싱 챔버는 후단을 향할수록 직경이 좁아지는 오리피스를 포함하고, 오리피스는 충돌판의 후단에 위치한다.

기액 혼합물의 유속 조절을 위해, 직경이 조절되는 가변 밸브, 및 가변 밸브에서 유속이 조절된 기액 혼합물의 방향을 조절하는 방향 조절기를 포함한다.

노즐은 기액 혼합물이 회전하며 토출될 수 있도록, 상기 가변 밸브의 전단에 회전판을 더 포함한다.

본 발명에 따르면, 충돌판을 포함하는 믹싱 챔버를 마이크로 기포를 생성하고, 이를 원심 분리하여 나노 기포를 생성하는 스파이럴관을 통해 나노 기포 발생기의 부피가 감소하는 효과가 있다.

또한, 스파이럴관을 이용하여 보다 효율적으로 나노 기포를 생성할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 나노 기포 발생기의 개념도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 기포 발생기의 구성도.
도 3내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 믹싱 챔버의 측면도.
도 6은 본 발명에 따른 노즐의 사시도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명에 따른 나노 기포 발생기의 개념도, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 기포 발생기의 개념도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 액체와 기체를 동시에 유입 및 유출하는 펌프(100), 펌프(100)에서 유출된 기체와 액체의 혼합물 중에서 기체인 기포를 마이크로 기포화 되도록, 내부에 충돌판(210)을 구비하여 기포를 쪼개는 믹싱 챔버(200), 믹싱 챔버(200)에서 생성된 마이크로 기포의 크기가 더욱 작아지도록 회전 분리하여, 나노 기포를 생성하는 적어도 하나 이상의 스파이럴관(300), 스파이럴관(300)을 지나오며 생성된 나노 기포를 토출하는 노즐(400)을 포함한다.

펌프(100)는 액체와 기체를 동시에 공급받고, 이를 혼합한 기액 혼합물을 토출한다. 이를 위해 펌프는 기체를 공급받는 기체 유입구(110), 액체를 공급받는 액체 유입구(120), 기체 유입구(110)와 액체 유입구(120)에서 유입된 액체 및 기체가 혼합된 기액 혼합물을 동시에 배출하는 기액 토출부(130), 기체 유입구(110)에서 유입되는 기체의 유입 속도와, 액체 유입구(120)에서 유입되는 액체의 유입 속도와, 기액 토출부(130)에서 배출되는 액체와 기체의 혼합물인 기액 혼합물의 배출 속도를 제어하는 유속 제어부(140)를 포함한다.

기체 유입구(110)는 기체가 유입되기 위해 펌프의 일단에 위치해 있다. 본 발명의 바람직한 실시예로는, 기체 유입구(110)가 펌프(100)의 하단 혹은 측면에 위치한 것을 특징으로 한다. 이는 이후 전술될 액체 유입구(120)에서 유입된 액체와, 기체 유입구(110)에서 유입된 기체가 펌프를 통해 혼합되는 것인데, 기체의 밀도가 액체에 비해 가볍기 때문에 위로 상승하는 것을 방지하기 위해, 상단에 위치하지 않는 것을 의미한다. 다만, 기체 유입구가 상단에 위치했을 때에는 유입된 기체가 재상승 하는 것을 방지하도록 필터를 장착하거나, 강한 압력으로 기체를 유입하여 재상승하는 것을 원천적으로 차단하는 것이 바람직하다.

액체 유입구(120)는 액체가 유입되기 위해 펌프(100)의 일단에 위치해 있다. 이는 기체 유입구(110)와 동일한 일단에 위치하여도 되는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예로는, 유입되는 액체의 압력에 의해 기체 유입구(110) 혹은 이후 전술될 유속 제어부(140), 기액 토출부(130)가 손상되지 않도록, 해당 구성이 위치한 방향으로 액체가 유입되지 않는 것이 가장 바람직하다. 물론, 이 역시 이에 한정하는 것은 아니며, 기체 유입구(110), 유속 제어부(140) 및 기액 토출부(130)가 위치한 방향으로 액체가 유입될 경우에는 격벽을 설치하여 액체의 압력을 감소시킬 수 있다.

기액 토출부(130)는 기체 유입구(110)에서 유입된 기체와, 액체 유입구(120)에서 유입된 액체를 동시에 토출한다. 바람직한 기액 토출부(130)의 위치는 이후 전술될 믹싱 챔버(200)가 위치한 방향인 것이 바람직하다. 이는 기액 토출부(130)를 통해 토출된 기액 혼합물은 믹심 챔버(200)로 바로 전달되는 만큼, 크기 및 제조 비용적으로도 가장 근접한 위치에 있는 것이 바람직하기 때문이다.

유속 제어부(140)는 펌프(100)로 유입되는 액체와 기체의 유속을 제어하고, 토출되는 기액 혼합물의 유속을 제어한다. 즉, 기체 유입구(110)에서 유입되는 기체의 속도, 액체 유입구(120)에서 유입되는 액체의 속도, 기액 토출부(130)에서 배출되는 기액 혼합물의 배출 속도를 제어하는 것이다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 믹싱 챔버의 측면도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 믹싱 챔버(200)는 펌프의 기액 토출부(130)를 통해 유입된 기액 혼합물 중, 기포가 마이크로 기포화 되도록, 기포가 충돌하여 쪼개지는 충돌판(210)을 적어도 하나 이상 포함한다.

충돌판(210)은 믹싱 챔버(200) 내에 적어도 하나 이상 형성된다. 바람직하게는 다단(다층) 구조의 충돌판(210)이 구비되고, 각 단(층)에는 충돌판(210)이 복수로 구비된다. 어느 한 단에 위치한 충돌판(210)에 기액 혼합물이 충돌하게 되면, 기액 혼합물 중 기체가 쪼개지며 마이크로 기포화되고, 마이크로 기포화되지 않은 기포는 기액 혼합물의 흐름에 따라 다음 단(층)에 위치한 충돌판(210)에 충돌하여 마이크로 기포화되는 것이다.

이를 위해, 충돌판(210)은 평판형 충돌판, 타원형 충돌판, 테이퍼형 충돌판을 포함한다.

평판형 충돌판은 평면의 판형 충돌판으로, 위에서 전술한 바와 같이, 다단(다층) 구조로 믹싱 챔버 내에 위치하여, 기포의 지속적인 충돌을 통해 기포를 마이크로 기포화하는 것이다. 이를 위해, 믹싱 챔버 내에서 평판형 충돌판은 기액 혼합물이 유입되는 방향과 수직이 되도록 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 위에서 설명한 바와 같이 믹싱 챔버 내에서, 다단(다층) 구조로 충돌판이 구비되고, 각 단에는 복수로 충돌판이 구비된다. 다만, 믹싱 챔버 내에서 평판형 충돌판이 기액 혼합물이 유입되는 방향과 수직이 아닌 수평일 경우에는, 평판형 충돌판이 매우 얇은 두께로 형성되어, 바늘과 같은 역할로 기포를 쪼갤 수 있다.

타원형 충돌판은 위에서 전술한 평판형 충돌판과 동일한 기능을 개시하나, 타원의 형상이기 때문에, 기액 혼합물이 충돌판에 충돌하는 압력이 감소하게 되어, 유속의 감소량이 보다 줄어들게 된다. 이 역시, 위에서 전술한 평판형 충돌판의 구조와 동일하게 개시되는 것이 바람직하다.

테이퍼형 충돌판은 위에서 전술한 평판형 충돌판과 동일하게 배치되나, 기액 혼합물이 충돌하는 충돌판의 면에 테이퍼 돌기가 형성되어, 기포가 충돌 시 보다 용이하게 쪼개져서, 마이크로 기포가 되도록 한다.

이 외에도, 평판형 충돌판, 타원형 충돌판 및 테이퍼형 충돌판을 혼용하여 사용이 가능하다. 예를 들면, 믹싱 챔버 내에서 하단에는 평판형 충돌판이 기액 혼합물의 유입 방향과 수평이 되도록 배치되고, 상단에서는 평판형 충돌판이 기액 혼합물의 유입 방향과 수직이 되도록 배치되어서, 1차 및 2차적인 미세 기포화를 할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명의 후술될 스파이럴관(300)에 전달되는 마이크로 기포의 유속을 향상시키기 위하여, 후단을 향할수록 폭이 좁아지는 오리피스(220)를 포함할 수 있다.

오리피스(220)는 믹싱 챔버(200)의 후단에 위치하여, 스파이럴관(300)을 향할수록 폭이 좁아진다. 이로 인해, 오리피스(220)는 믹싱 챔버(200)로 유입되고, 믹싱 챔버(200)의 후단을 통해 유출되는 유속의 흐름 및 압력을 상승시킨다. 즉, 병목 효과(Bottle Neck Effect)를 나타내도록 한다.

스파이럴관(300)은 믹싱 챔버(200)에서 생성된 마이크로 기포가 스파이럴 형상의 관을 통해 지속적으로 회전시키면서, 기포의 입자가 더욱 작아져서, 나노 기포가 되도록 지속적으로 회전 분리한다. 이를 위해, 스파이럴관(300)은 내부에는 복수의 관으로 이루어질 수 있으며, 스파이럴관(300)에서 원심력이 전달되는 내면에는 돌기가 형성되어, 마이크로 기포의 지속적인 충돌로 인해 나노 기포를 생성할 수 있다.

또한, 더욱 용이한 나노 기포의 생성을 위하여 스파이럴관(300)의 지름은 믹싱 챔버(200)에서 스파이럴관(300)으로 유입되는 유로에 비해 지름이 얇고, 길이는 긴 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명에 따른 노즐의 사시도이다.

도 6을 참조하면, 노즐(400)은 믹싱 챔버(200) 및 스파이럴관(300)을 지나오며 생성된 나노 기포를 분사한다. 이를 위해, 노즐(400)은 직경의 조절로 나노 기포의 유속을 조절하는 가변 밸브(410)와, 가변 밸브(410)에서 유속이 조절된 나노 기포의 방향을 조절하는 방향 조절기(420)를 포함한다.

가변 밸브(410)는 노즐(400)의 후단에 위치하여, 밸브의 직경이 조절되도록 한다. 밸브의 직경이 좁아지면 노즐을 통해 분사되는 나노 기포의 유속이 증가할 것이고, 밸브의 직경이 넓어지면 노즐을 통해 분사되는 나노 기포의 유속이 감소하는 것이다.

방향 조절기(420)는 가변 밸브(410)를 통해 유속이 조절된 나노 기포의 분사 방향을 조절한다. 이는 수처리 장치 등에서 개시될 경우에, 슬러지가 집중되어 있는 구역에 더욱 집중적으로 나노 기포를 분사하기 위함이다.

또한, 본 발명의 노즐(400)은 가변 밸브(410)의 전단에 프로펠러 형상의 회전판(430)을 더 포함할 수 있다. 이는 나노 기포가 노즐(400)을 통해 분사될 때, 회전하며 분사되도록 하기 위함이다. 나노 기포가 수처리 장치에 사용될 경우에는 오수조 내에서 회전하며 분사되게 되고, 이에 따라 나노 기포가 슬러지를 필터링할 뿐만 아니라, 오수조 내에서 오수의 흐름이 생성하여, 슬러지가 특정 구역에 집중되지 않고 골고루 분포되게 되는 것이다.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 펌프 110 : 기체 유입구
120 : 액체 유입구 130 : 기액 토출부
140 : 유속 제어부 200 : 믹싱 챔버
210 : 충돌판 220 : 오리피스
300 : 스파이럴관 400 : 노즐
410 : 가변 밸브 420 : 방향 조절기
430 : 회전판

Claims (6)

1. 액체와 기체를 동시에 공급하는 펌프;
   내부에 충돌판을 구비하여 마이크로 기포를 생성하는 믹싱 챔버; 및
   상기 믹싱 챔버에서 생성된 마이크로 기포의 크기가 더욱 작아지도록 회전 분리하여, 나노 기포를 생성하는 적어도 하나 이상의 스파이럴관;
   상기 스파이럴관을 지나오며 생성된 나노 기포를 토출하는 노즐;
   을 포함하는 나노 기포 발생기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 펌프는
   기체를 공급받는 기체 유입구;
   액체를 공급받는 액체 유입구;
   상기 기체 유입구와 액체 유입구에서 유입된 액체 및 기체를 혼합된 기액 혼합물을, 동시에 배출하는 기액 토출부; 및
   상기 기체 유입구에서 유입되는 기체의 유입 속도와, 상기 액체 유입구에서 유입되는 액체의 유입 속도와, 상기 기액 토출부에서 배출되는 액체와 기체의 혼합물의 배출 속도를 제어하는 유속 제어부;
   를 포함하는 나노 기포 발생기.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 충돌판은 믹싱 챔버 내에서 다단 구조로 복수 개 배치되며,
   평면인 평판형 충돌판, 한 면에 테이퍼 돌기가 형성된 테이퍼형 충돌판, 타원형 충돌판 중 어느 하나 이상을 포함하는 나노 기포 발생기.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 믹싱 챔버는
   후단을 향할수록 직경이 좁아지는 오리피스;를 포함하고,
   상기 오리피스는 상기 충돌판의 후단에 위치한 나노 기포 발생기.
5. 제 4항에 있어서,
   기액 혼합물의 유속 조절을 위해, 직경이 조절되는 가변 밸브; 및
   상기 가변 밸브에서 유속이 조절된 기액 혼합물의 방향을 조절하는 방향 조절기;
   를 포함하는 나노 기포 발생기.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 노즐은
   기액 혼합물이 회전하며 토출될 수 있도록, 상기 가변 밸브의 전단에 회전판;을 더 포함하는 나노 기포 발생기.

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