KR20190076819A - 나노-마이크로 버블 생성기와 이를 이용한 기체 혼합 나노-마이크로 버블 발생장치 - Google Patents

나노-마이크로 버블 생성기와 이를 이용한 기체 혼합 나노-마이크로 버블 발생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노-마이크로 버블을 생성함에 있어서 버블 생성에 주요 인자인 충돌과 마찰을 높이고 유입된 기체가 유체속에 잘 용해되도록 개발된 구조로서, 가압 회전 임펠러(회전자)가 단단 또는 다단, 단축 또는 다축에 고정되어 회전하고, 충돌과 마찰 효과를 높이도록 내벽을 메쉬형 또는 나선형의 요철 구조로 형성하고, 고정자는 회전자와 쌍을 이루는 개방형 구조로서 압력을 높이는 역할과 많은 수량을 처리할 수 있도록 구성된다. 구체적으로, 유체의 유출입이 가능한 하우징의 내부에 하나 이상의 회전축의 축선을 따라 배열되는 회전자, 및 상기 하우징의 내벽에 고정된 상태로 상기 회전자와 일정 간격을 두고 대면하는 복수의 고정자를 포함하되, 상기 회전자와 고정자 중 적어도 회전자는 유체가 통과하도록 다수의 개구부들을 갖는 메쉬형 구조로 이루어진 나노-마이크로 버블 생성기로서, 상기 회전자는 2축 이상의 배열 구조에서 각 축의 회전자들이 서로 나란한 배열형태를 갖거나, 상기 각 축의 회전자들이 상대편 회전자들과 서로 엇갈리게 끼워진 배열 형태를 갖는 나노-마이크로 버블 생성기가 제공된다.

Description

나노-마이크로 버블 생성기와 이를 이용한 기체 혼합 나노-마이크로 버블 발생장치{NANO-MICRO BUBBLE GENERATOR AND GAS MIXED NANO-MICRO BUBBLE GENERATING SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 나노-마이크로 버블 생성기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물(또는 액체)과 기체의 혼합 및 미세화를 통해 초미립의 버블을 생성시키기 위한 나노-마이크로 버블 생성기와 이를 이용한 기체 혼합 나노-마이크로 버블 발생장치에 관한 것이다.
최근 기체를 물 속에 용존시켜 용존율을 높인 고농도 용존수(예: 산소수, 오존수, 수소수, 질소수 등)의 다양한 활용분야와 작용효과가 알려지면서 기체를 액체에 용존시키는 기술의 다양한 연구가 진행되고 있다. 아울러, 기체를 용존시키기 위한 수단으로서의 나노-마이크로 버블의 기능이 알려지면서 이에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.
일반적으로, 버블은 그 직경에 따라서 밀리 버블, 마이크로 버블, 마이크로나노버블 및 나노버블로 분류할 수 있는데, 마이크로버블(Micro Bubble)은 기포의 직경이 10~수십㎛, 적어도 30㎛ 이하의 미소기포를 말하며, 마이크로나노버블(Micro Nano Bubble)은 수백㎚~10㎛의 미세기포를 말하며, 나노버블(NanoBubble)은 수백㎚ 이하의 초미세기포를 말한다.
통상의 일반기포인 밀리 버블은 물 속에서 빠른 속도로 상승해 표면에서 파열하는 것과 달리, 나노버블은 부피가 작은 만큼 부력을 적게 받아 수면으로의 상승속도가 매우 느려 수중에 오랜 시간 동안 기포상태를 유지하게 되고, 특히 기체 용해효과와 자기가압효과, 대전효과 등의 특성을 가지고 있어 하수처리관련시설 고도정수처리시설, 토양정화, 수산업 농업분야, 배수처리 세정 등의 다양한 분야로의 응용 가능성이 높다.
한편, 종래에 기체를 액체에 용존시키기 위한 장치로서 특허등록공보 제1792157호에는 “기체 용존율을 증가시키며 초미세기포를 발생시키기 위한 기체용존장치”가 개시되어 있다. 이 특허에 따르면, 속이 빈 반구 형태의 외통; 상기 외통 내부에 설치되는 내부가 관통 형성된 내통; 및 상기 외통의 상면으로부터 하부 방향으로 연장 형성되며 상기 외통 내의 기체가 배출되는 적어도 하나 이상의 기체 배출관을 포함하고, 상기 내통 내부로는 기체가 용존된 기포가 유입되는 기체 용존 장치로서, 반응조 내의 처리수의 수중 상에 설치되어 처리수 상의 기체의 용존율을 증가시키며, 기체가 포함된 초미세기포를 추가적으로 발생시킴으로써, 초미세기포는 부력이 저하되어 수중의 체류 시간이 길어지고 작은 수류에도 동요되어 용해물질이 혼합된 초미세기포가 수중의 접촉물질과 접촉할 수 있는 시간이 많아짐으로 초미세기포에 혼합된 기체 물질을 수중에 용존 및 산화 효율을 높일 수 있도록 한 것이다.
그러나, 위와 같은 기체 용존 장치의 구성으로는 나노 단위의 초미세기포의 생성은 실질적으로 불가능하며, 설사 기포를 대량으로 초미세화하여 발생시킨다고 하더라도 실제로 기체 용존율을 높이는데 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 개발된 것으로, 물(또는 액체)과 기체의 혼합 유체에 캐비테이션 형성과 함께 다단의 충돌 및 마찰을 제공하고 이를 통해 유체의 혼합 및 미세화를 가속화시켜 초미세 기포를 생성하는 나노-마이크로 버블 생성기와 이를 이용한 기체 혼합 나노-마이크로 버블 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따르면, 유체의 유출입이 가능한 하우징의 내부에 하나 이상의 회전축의 축선을 따라 배열되는 회전자, 및 상기 하우징의 내벽에 고정된 상태로 상기 회전자와 일정 간격을 두고 대면하는 복수의 고정자를 포함하되, 상기 회전자와 고정자 중 적어도 회전자는 유체가 통과하도록 다수의 개구부들을 갖는 메쉬형 구조로 이루어진 나노-마이크로 버블 생성기로서, 상기 회전자는 2축 이상의 배열 구조에서 각 축의 회전자들이 서로 나란한 배열형태를 갖거나, 상기 각 축의 회전자들이 상대편 회전자들과 서로 엇갈리게 끼워진 배열 형태를 갖는 나노-마이크로 버블 생성기가 제안된다.
본 발명에 따르면, 상기 회전자는 회전축의 둘레 면에 각 방향으로 연장된 단층 또는 다층 배열의 회전날개 또는 브러쉬를 포함할 수 있고, 상기 하우징은 내경이 점차 감소하는 구조이거나, 내벽의 벽면을 따라 다수의 돌기, 오목부, 또는 나선홈을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 나노-마이크로 버블 생성기의 토출측에 연결되는 배관의 적어도 일부에는 유체 속 물 분자들의 크기를 더욱 미세화할 수 있도록 하기 위해 충돌부재들이 내장되며, 상기 충돌부재들은 유동 방향으로 직경이 점점 확장하는 형태의 본체부와, 이 본체부의 표면에 일정 간격을 두고 둘레 방향으로 연장하는 격벽들 또는 상기 본체부의 표면을 따라 형성된 나선형 홈 또는 나선형 돌기를 갖는 구조이거나, 다층의 패널 상,하면에 각각 다수의 돌기들이 형성된 구조로 제공될 수 있다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 관로 상에 펌프와 나노-마이크로 버블 생성기가 순차적으로 배치되고, 상기 펌프와 나노-마이크로 버블 생성기 사이의 상기관로 상에는 입구와 출구가 넓고 내부가 좁은 벤츄리부가 형성되며, 상기 관로로부터 벗어나서 상기 벤츄리부의 일측에는 상기 관로 내부의 물(또는 액체)에 소정의 기체(또는 액체)를 혼합하기 위한 하나 이상의 기체/액체 공급부가 연결되어 상기 기체/액체 공급부로부터 공급된 기체의 상기 벤츄리부에의 자흡이 이루어지는 나노-마이크로 버블 발생장치를 제공하는 것으로, 본 발명에 따르면, 상기 관로상에 설치되는 둘 이상의 나노-마이크로 버블 생성기는 병렬 구조로 연결되는 것이 바람직
하다.
상술된 특징들로부터 본 발명은 물(또는 액체)과 기체의 혼합 유체에 캐비테이션을 발생시킴과 동시에 다단의 충돌 및 마찰을 제공함으로써 유체의 혼합 및 유체 내 물 분자의 미립화를 가속화하여 최소 수 나노미터(㎚)∼수십 마이크로미터(㎛)까지 나노-마이크로 버블의 생성을 조절 및 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 버블 생성 및 기체 혼합 시스템을 모듈화하여 저용량에서 대용량까지 유체를 처리할 수 있으며, 공기나 산소, 수소, 오존 등의 기체군으로부터 선택된 기체의 수중 용존율을 높임으로써 기체 주입량을 줄일 수 있어 산소발생기, 수소발생기 또는 오존 발생기 등과 같은 기체 발생장치를 소형화할 수도 있다.
발생장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 나노-마이크로 버블 생성기의 제1 실시형태를 도시한 것으로서, 도 2a는 면접촉 방식의 1축 메쉬형 회전자를 갖는 나노-마이크로 버블 생성기의 정면 구성 배치도이고, 도 1b는 도 1a의 평면 구성 배치도이다.
도 3은 도 1의 나노-마이크로 버블 생성기의 제2 실시형태를 도시한 것으로서, 도 3a는 면접촉 방식의 2축 메쉬형 회전자를 갖는 나노-마이크로 버블 생성기의 정면 구성 배치도이고, 도 3b는 도 1a의 평면 구성 배치의 일 예를 도시한 도면이고, 도 3c는 도 1a의 평면 구성 배치의 다른 예를 도시한 도면이며, 도 3d는 면접촉 방식의 2축 메쉬형 회전자를 갖는 나노-마이크로 버블 생성기의 다른 예의 정면 구성 배치도이고, 도 3e는 도 3d의 평면 구성 배치도이다.
도 4는 도 1의 나노-마이크로 버블 생성기의 제3 실시형태를 도시한 것으로서, 도 4a는 면접촉 방식의 3축 메쉬형 회전자를 갖는 나노-마이크로 버블 생성기의 정면 구성 배치도이고, 도 4b는 도 4a의 평면 구성 배치의 일 예를 도시한 도면이며, 도 4c는 도 4a의 평면 구성 배치의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 5는 도 2 내지 도 4의 나노-마이크로 버블 생성기에 구비되는 회전자와 고정자의 메쉬 구조를 도시한 것으로서, 도 5a는 회전자 및 고정자의 평면 메쉬 구조를 도시한 도면이고, 도 5b는 회전자 및 고정자의 단차진 메쉬 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 도 2 내지 도 4의 나노-마이크로 버블 생성기에 구비되는 회전자의 변형된 형태들을 도시한 것으로서, 도 6a는 회전자의 제1 변형례를 도시한 도면, 도 6b는 회전자의 제2 변형례를 도시한 도면, 도 6c는 회전자의 제3 변형례를 도시한 도면, 도 6d는 회전자의 제4 변형례를 도시한 도면이다.
도 7은 도 1의 나노-마이크로 버블 생성기의 하우징 내벽 구조를 도시한 것으로, 도 7a는 하우징 내벽 구조의 제1 실시형태로서의 요철형 내벽 구조를 도시한 도면이고, 도 7b는 하우징 내벽 구조의 제2 실시형태로서의 메쉬형 내벽 구조를 도시한 도면이며, 도 7c는 하우징 내벽 구조의 제3 실시형태로서의 스파이럴형 내벽 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 내벽 구조를 갖는 하우징의 변형으로서, 유동 방향으로 내경이 점점 감소하는 형태의 하우징 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 7의 내벽 구조를 갖는 하우징 내부에서의 회전자 배열 구조를 나타낸 것으로서, 도 9a는 회전 축 상의 회전자의 반경이 점차 확경되는 구조를 나타낸 도면이고, 도 9b는 회전 축 상의 회전자의 반경이 점차 감소하는 구조를 나타낸 도면이다.
도 10은 도 1의 나노-마이크로 버블 생성기의 토출구에 연결되는 토출관로의 내부 구조를 도시한 것으로서, 도 10a는 유동 방향으로 점점 확경되고 둘레 표면을 따라 격벽들이 형성된 충돌부재를 갖는 토출관로의 일 예를 도시한 단면도이고, 도 10b는 유동 방향으로 점점 확경되고 둘레 표면을 따라 나선형 홈이 형성된 충돌부재를 갖는 토출관로의 다른 예를 도시한 단면도이며, 도 10c는 상하 표면에 다수의 돌기들이 형성된 복수의 패널층을 내장한 토출관로의 또 다른 예를 도시한 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 나노-마이크로 버블 생성기를 포함하는 나노-마이크로 버블 발생장치의 다른 구성 예를 도시한 도면이다.
본 발명의 추가의 세부 사항 및 이점은 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 실시예를 사용하여 설명된다.
아래의 실시예에서는 발명을 설명함에 있어서 필연적인 부분들을 제외하고 그 도시와 설명을 생략하였으며, 명세서 전체에 걸쳐 동일 유사한 요소에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 그에 대한 상세한 설명은 반복하지 않고 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 나노-마이크로 버블 생성기를 포함하는 나노-마이크로 버블 발생장치의 구성을 도시한 것으로, 나노-마이크로 버블 발생장치는, 예를 들어 물(또는 액체) 속에 공기(Air), 산소(O2), 질소(N2), 오존(O3), 이산화탄소(CO2) 등의 기체군으로부터 선택된 적어도 하나의 기체를 공급, 혼합 및 용존시킨 나노-마이크로 버블을 제공할 수 있다. 도 1에 따르면, 본 발명의 나노-마이크로 버블 발생장치는 회전자와 고정자의 상대 회전의 원리를 이용한 나노-마이크로 버블 생성기(1)를 포함할 수 있다. 나노-마이크로 버블 생성기(1)는 기체가 혼합된 유체를 회전자와 고정자의 상대 회전에 의해 발생하는 충돌 및 마찰 효과를 이용하여 기체가 유체 속에 더 잘 용해되도록 함과 동시에 더욱 미세화되도록 하는 것으로, 이러한 나노-마이크로 버블 생성기(1)의 구조는 도 2 내지 도 4에 도시된 예시들을 참조하여 아래에서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 나노-마이크로 버블 생성기(1)에 제공되는 물(또는 액체)는 펌프(2)에 의해 공급되며, 펌프(2)와 나노-마이크로 버블 생성기(1)를 연결하는 관로의 적어도 일부는 입구와 출구가 넓고 내부가 상대적으로 좁게 형성된 벤츄리관 구조(이하 '벤츄리부'라 한다; 3)로 구성할 수 있다. 또한, 상기 관로로부터 벗어나서 상기 벤츄리부(3)의 일측에는 관로 내부의 물(또는 액체)에 소정의 기체(또는 액체, 예를 들어 촉매제 등)를 혼합할 수 있도록 하나 이상의 기체/액체 공급부(4,5)가 연결될 수 있다.
이러한 구성에서 상기 펌프(2)에 의해 공급된 물(또는 액체)은 벤츄리부(3)를 통과하는 동안 유속이 급격히 빨라지게 되고, 상기 기체/액체 공급부(4,5)로부터 공급된 기체(또는 액체)는 상기 유속 상승에 따른 강한 흡입력에 의해 벤츄리부(3) 내부로 자흡되어 관로 내부의 물(또는 액체)과 혼합된다. 이와 같이 물(또는 액체)과 기체(또는 액체)의 혼합된 유체(이하 '유체'라 한다)는 나노-마이크로 버블 생성기(1) 내부로 유입되어 더욱 미세하게 혼합된 후 토출관로(6)를 따라서 유동하게 된다.
이와 같이 본 발명은 버블 생성 및 기체 혼합 시스템을 모듈화하여 저용량에서 대용량까지 유체를 처리할 수 있으며, 아울러 공기나 산소, 수소, 오존 등의 기체군으로부터 선택된 기체의 수중 용존율을 높일 수 있어 기체 주입량을 줄일 수 있고, 그로부터 산소발생기, 수소발생기 또는 오존 발생기 등과 같은 기체 발생장치를 소형화할 수 있다.
도 2는 면접촉 방식의 1축 메쉬형 회전자를 갖는 도 1의 나노-마이크로 버블 생성기의 제1 실시형태를 도시한 것으로, 나노-마이크로 버블 생성기(100)의 하우징(101) 내부에는 모터(110)의 축(111)을 따라 회전하는 복수의 회전자(120)와, 상기 하우징(101)의 내벽에 고정된 상태로 각각의 회전자(120)와 일정 간격을 두고 대면하는 복수의 고정자(130)가 구비된다. 이때, 회전자(120)와 고정자(130)는 유체가 통과하기 위한 다수의 개구부들을 갖는 메쉬형 구조로 제공됨이 바람직하며, 각각의 개구부들의 크기는 유체가 통과할 수 있는 정도면 충분하다. 또한, 회전자(120)와 고정자(130)의 층간 거리는 각각의 회전자(120)와 고정자(130)의 면들이 실질적으로 접촉하거나 거의 접촉된 상태를 유지하면서 유체가 빠져나갈 수 있을 정도면 충분하다.
이 같은 구성에서 상기 하우징(101)의 일측에 마련된 유체 유입구(102)를 통해 유입된 유체는 모터(110)가 구동할 때 회전자(120)와 고정자(130)의 상대 회전에 의해 상기 회전자(120)와 고정자(130)의 사이에서 캐비테이션을 발생시킴과 동시에 다단의 반복적인 충돌 및 마찰을 일으키게 된다. 그리고, 이러한 충돌 및 마찰 작용은 기체를 유체 내에 더 잘 용해되도록 하는 동시에 물(또는 액체) 분자를 더욱 미립화하여 최소 수 나노미터(㎚)∼수십 마이크로미터(㎛)까지 나노-마이크로 버블의 생성을 조절 및 증가시킬 수 있다.
한편, 복수의 회전자(120)들이 일정 간격을 두고 설치되어 있는 상기 모터축(111)의 개수는 하우징(101)의 내부 공간이 허용하는 한 하우징(101) 내에 2축이나 3축 또는 그 이상의 축 설치가 가능한데, 그에 대한 설명은 아래에 기재된다.
도 3a 내지 3c는 면접촉 방식의 2축 메쉬형 회전자를 갖는, 도 1의 나노-마이크로 버블 생성기의 제2 실시형태로서의 일 예를 도시한 것으로, 나노-마이크로 버블 생성기(200)의 하우징(201) 내부에는 모터(210,210')의 축(211)이 2열로 배열되고, 각각의 모터 축(211)에는 모터(210,210')의 구동과 함께 동시에 회전하게 되는 복수의 회전자(220)들이 축선을 따라서 일정 간격을 두고 설치되어 있다. 이때, 모터 축(211)들의 축간 거리는 각 축(211)에 배열된 회전자(220)들이 서로 엇갈리게 끼워질 정도의 거리가 바람직한데, 도 3a 및 3b에 따르면, 각 축(211)에 배열된 회전자(220)들은 상대편 축에 배열된 회전자들(220) 사이에 각각 적어도 일부가 끼워져 상하 대면하도록 유지되고, 이 상태에서 서로 대면하는 회전자(220)들의 층간 거리는 상하 회전자(220)의 면들이 실질적으로 접촉하거나 거의 접촉된 상태를 유지하면서 유체가 빠져나갈 수 있는 정도면 충분하다. 다른 예로서, 상기 회전자(220)들은 도 3c에 도시된 바와 같이 서로 이격된 상태로 나란히 배열될 수 있으며, 하우징(201)의 외형도 둥근 원형이나 사각형 등 다양한 형상일 수 있다.
이와 같은 구성에서 상기 하우징(201)의 일측에 마련된 유체 유입구(202)를 통해 유입된 유체는 모터(210,210')가 구동할 때 회전자(220)와 고정자(230)의 상대 회전에 의해 상기 회전자(220)와 고정자(230)의 사이에서 캐비테이션을 발생시킴과 동시에 다단의 반복적인 충돌 및 마찰을 일으키게 되고, 이러한 충돌 및 마찰 작용은 기체를 유체 내에 더 잘 용해되도록 함과 동시에 유체 내 물 분자를 더욱 미립화시켜 마이크로 또는 나노 크기의 초미세 버블들을 생성하게 된다.
도 3d 내지 3e는 면접촉 방식의 2축 메쉬형 회전자를 갖는, 도 1의 나노-마이크로 버블 생성기의 제2 실시형태로서의 다른 예를 도시한 것으로, 나노-마이크로 버블 생성기(300)의 하우징(301) 내부에는 모터(310,310')의 축(311)이 2열로 배열되고, 각각의 모터 축(311)에는 모터(310,310')의 구동과 동시에 회전하게 되는 복수의 회전자(320)들이 축을 따라 일정 간격을 두고 나란히 배열되어 있으며, 두 축(311)에 배열된 각 층별 회전자(320)들 사이에는 하우징(301) 내벽에 고정된 상태로 각각의 회전자(320)와 일정 간격을 두고 대면하는 복수의 고정자(330)가 배치된다. 이때, 회전자(320)와 고정자(330)의 층간 거리는 서로 대면하는 회전자(320) 및 고정자(330)의 면들이 실질적으로 접촉하거나 거의 접촉된 상태를 유지하면서 유체가 빠져나갈 수 있을 정도면 충분하다.
도 4는 면접촉 방식의 3축 메쉬형 회전자를 갖는 도 1의 나노-마이크로 버블생성기의 제3 실시형태를 도시한 것으로, 나노-마이크로 버블 생성기(400)의 하우징(401) 내부에는 모터(410,410',410")의 축(411)들이 3열로 배열되고, 각각의 모터 축(411)에는 모터(410,410',410")의 구동과 동시에 회전하게 되는 복수의 회전자(420)들이 축선을 따라 서로 일정 간격을 두고 형성될 수 있다. 이때, 모터축(411)들의 축간 거리는 각 축(411)에 배열된 회전자(420)들이 서로 엇갈리게 끼워질 정도의 거리가 바람직한데, 도 4a 및 4b에 따르면, 각 축(411)에 배열된 회전자(420)들은 상대편 축에 배열된 회전자(420)들 사이에 각각 적어도 일부가 끼워져 상하 대면하도록 구성된다. 또한, 각각의 모터 축(411)에 배열된 각 층별 회전자(420)들 사이에는 하우징(401)의 내벽으로부터 연장된 복수의 고정자(430)들의 적어도 일 부분들이 끼워져 상하 대면하도록 배치될 수 있다. 여기서, 서로 대면하는 회전자(420)들 사이의 층간 거리, 및 상기 서로 대면하는 회전자와 고정자 사이의 층간 거리는 상하 회전자(420)의 면들 간에 그리고 서로 대면하는 회전자 및 고정자의 면들 간에 실질적으로 접촉하거나 거의 접촉된 상태를 유지하면서 유체가 빠져나갈 수 있는 정도면 충분하다. 다른 예로서, 상기 회전자(420)들은 도 4c에 도시된 바와 같이 하우징(401) 내에서 서로 이격되어 나란히 배열된 상태로 제공될 수도 있다.
이 같은 구성에서 상기 하우징(401)의 일측에 마련된 유체 유입구(402)를 통해 유입된 유체는 모터(410,410',410")가 구동할 때 회전자(420)와 고정자(430)의 상대 회전에 의해 상기 회전자(420)와 고정자(430)의 사이에서 캐비테이션을 발생시킴과 동시에 반복적인 충돌 및 마찰을 일으키게 되고, 이러한 충돌 및 마찰 작용은 기체를 유체 내에 더 잘 용해되도록 함과 동시에 유체 내 물 분자를 더욱 미립화하여 마이크로 또는 나노 크기의 초미세 버블을 생성하게 된다.
도 5는 도 2 내지 도 4의 나노-마이크로 버블 생성기에 구비될 수 있는 회전자 및 고정자의 메쉬 구조의 예시들을 나타낸 것으로서, 도 5a에 따르면, 회전자(120)와 고정자(130)의 메쉬 구조는 평평한 평면 구조의 격자 형태를 이루고 있음을 볼 수 있다. 또한, 도 5b에 따르면, 회전자(120)와 고정자(130)의 메쉬 구조는 가로대(121,131)와 세로대(122,132)가 일정한 높이차를 갖고 울퉁불퉁하게 단차진 형태의 격자 구조를 이루고 있음을 볼 수 있다. 유체는 격자 형태로 된 메쉬 개구부(123,133)들을 통과하는 동안 가로대(121,131)와 세로대(122,132)에 충돌하게 되고, 그 과정에서 회전자(120)와 고정자(130)의 상대 회전에 의해 충돌 및 마찰을 일으킴으로써 기체가 유체 내에 더 잘 용해될 수 있으며, 그와 동시에 유체 내 물 분자가 더욱 미립화되어 마이크로 또는 나노 크기의 초미세 버블들을 생성하게 된다. 한편, 도면에서는 격자 형태의 메쉬 구조를 도시하고 있지만 본 발명은이에 한정하지 않고 벌집 형태나 삼각형, 오각형 등 다양한 형태의 메쉬 구조를 제공할 수 있다.
도 6은 도 2 내지 도 4의 나노-마이크로 버블 생성기에 구비되는 회전자의 변형된 형태들을 도시한 것으로서, 도 6a에 따르면, 회전자(120)는 모터 축(111)의 둘레 면에 각 방향으로 연장하는 단층 구조의 회전날개(120a)들을 갖는 것으로, 이 회전날개(120a)들은 모터 축(111)의 상단부에서 하단부에 이르는 폭을 갖고 회전 방향에 대하여 일정한 곡률을 갖는 형태일 수 있다. 이 경우, 상기 회전자(120)의 상하 방향으로 일정 간격 이격된 위치에 고정자(미도시)가 배치될 수 있으며, 각 회전날개(120a)와 고정자의 표면은 도 5에 도시된 평면 또는 단차진 형태의 격자 구조를 가지거나 기타 다양한 형태의 메쉬 구조를 가질 수 있다.
또한, 도 6b에 따르면, 회전자(120')는 모터 축(111)의 둘레 면을 따라 상하 일정 간격을 두고 적어도 둘 이상의 회전날개(120b,120c,120d…)들이 모터 축(111)의 각 방향으로 연장된 다층 구조의 회전자로 제공될 수 있다. 이 경우, 회전자(120)의 상하 회전날개(120b,120c,120d…)들간 이격거리는 도 2a 내지 도 4a에 도시된 회전자들간 끼움 결합이나 회전자와 고정자간 끼움 결합이 가능한 간격으로 형성됨이 바람직하다. 또한, 이상 설명한 형태들 외에도 일반 터보형 회전날개나 도 6c에 도시된 바와 같은 스크루프로펠러(screw propeller)형 회전날개(120e)를 갖는 회전자(120") 구조나, 도 6d에 도시된 바와 같은 다수의 니들형 부재(120f)들을 갖는 브러쉬형 회전자(120'") 구조가 제공될 수 있다.
한 예로, 본 발명은 1열 이상의 대응하는 모터 축 상에 각각 회전자와 고정자를 설치하고 서로에 대하여 상대회전이 이루어지도록 구성할 수 있으며, 이 경우 회전자와 고정자는 도 6c에 도시된 것과 같은 터보형 또는 스크루프로펠러형 회전 날개를 갖는 구조로 구성할 수도 있다. 또한, 위와 같이 구성할 경우, 회전자와 고정자는 적어도 어느 한 쪽이 메쉬형 구조를 갖추어 서로 근접한 거리에서 상대 회전하도록 구성함으로써 유체 내 캐비테이션 발생과 함께 충돌 및 마찰 작용을 통해 기체 용존율을 높일 수 있으며, 아울러 유체 내 물 분자를 더욱 미립화시켜 마이크로 또는 나노 크기의 초미세 버블들을 생성할 수 있게 된다.
도 7은 도 1의 나노-마이크로 버블 생성기의 하우징 내벽 구조를 도시한 것으로, 이러한 하우징(101)의 내벽(101a)은 도 7a에 도시된 바와 같이 벽면을 따라 다수의 돌기(101b)들이 형성된 요철형 구조로 제공되거나, 도 7b에 도시된 바와 같이 벽면을 따라 다수의 오목부(101c)들을 갖는 메쉬형 구조로 제공될 수 있으며, 그 외에도 도 7c에 도시된 바와 같이 내벽의 벽면을 따라 다수의 나선홈(101d)들이 형성된 스파이럴형 구조로 제공될 수 있다. 한편, 이 경우, 상기 하우징(101)의 일측에 마련된 유체 유입구(102)를 통해 유입된 유체는 회전자(420)와 고정자(430)의 상대 회전뿐만 아니라, 돌기(101b), 오목부(101c) 또는 나선홈(101d)과의 충돌 및 마찰에 의해 기체의 용존율이 더욱 높아지고 보다 더 미세화되어 마이크로 또는 나노 크기의 초미세 버블들을 생성하게 된다.
도 8은 도 7의 하우징 구조의 변형으로서 하우징의 내경이 점차 감소하면서 내벽의 벽면이 대체로 사다리꼴 형상을 갖게 되는 나노-마이크로 버블 생성기의 하우징을 도시하고 있다. 이 구조에 따르면, 하우징 내부로 유입된 유체는 회전자와 고정자의 상대 회전에 의한 충돌 및 마찰 효과와 함께 내경 감소에 따른 압력 증가로 인해 유체 내 기체 용존율이 더욱 높아지고, 그에 따라 유체가 보다 더 미세화되어 마이크로 또는 나노 크기의 초미세 버블들을 생성하게 된다.
도 9는 도 7의 내벽 구조를 갖는 하우징에 내장되는 회전자의 배열 형태를 도시한 것으로서, 본 발명의 나노-마이크로 버블 생성기는 하우징(101) 내부의 모터 축(111) 상에 배열된 복수의 회전자(120)들이 도 9a에 도시된 바와 같이 유체의 유동 방향으로 갈수록 점차 확경되는 구조로 갖거나, 아니면 도 9b에 도시된 바와 같이 유동 방향으로 갈수록 직경이 점차 감소하다가 중간 지점에서 다시 확경되는 형태, 예를 들면 절구통이나 모래시계(hourglass)와 같은 형태를 갖출 수 있다. 이러한 경우, 하우징(101) 내부에 유입된 유체는 회전자(120)와 고정자(130)의 상대 회전에 의한 충돌 및 마찰 효과와 함께 회전자(120)들의 반경 변화에 따른 캐비테이션 증가로 인해 유체 내 기체 용존율이 더욱 높아지고, 아울러 유체 내 물 분자의 미립화가 극대화되면서 마이크로 또는 나노 크기의 초미세 버블들을 생성할 수 있게 된다.
도 10은 도 1의 나노-마이크로 버블 발생장치에서 나노-마이크로 버블 생성기의 토출구에 연결되는 토출관로의 구조를 도시한 것으로서, 이러한 토출관로(6)의 적어도 일부에는 본 발명의 나노-마이크로 버블 생성기(1)로부터 토출된 유체가 토출관로을 따라 유동하는 도중 유체 속 물 분자들의 크기를 더욱 미세화할 수 있도록 하기 위해 일정한 형상의 충돌부재들이 내장될 수 있다. 이러한 충돌부재들은, 예를 들어 도 10a 및 10b에 도시된 바와 같이 유체의 유동 방향으로 점점 직경이 커지는 형태를 갖거나 도 10c에 도시된 바와 같이 복수의 패널층이 배열된 구조로 제공될 수 있다. 토출관로(6)의 내부(61)에서 충돌부재의 양 단부는 토출관로(6)를 따라 유체의 흐름이 가능하도록 토출관로의 내벽으로부터 적어도 일정 간격 이격되어 있음이 바람직하다.
먼저 도 10a에 따르면, 충돌부재는 유동 방향으로 점점 확경되는 구조의 본체부(62)와 이 본체부의 표면에 일정 간격을 두고 둘레 방향으로 연장하여 토출관로(6)의 내면에 밀착되는 다수의 격벽(63)들이 형성되고, 각각의 격벽(63)에는 유체가 통과할 수 있도록 일정한 크기의 통과공(64)들이 형성된 구조로 제공될 수 있다. 또한, 도 10b의 경우, 충돌부재는 유동 방향으로 점점 확경되는 구조의 본체부(62)와 이 본체부의 표면에 길이단을 따라 나선형 홈이나 나선형 돌기(63)가 형성된 구조로 제공될 수 있다. 또한, 도 10c의 경우, 충돌부재는 토출관로(6)의 내부에 복수의 패널층(62)이 배열된 형태로서, 각 패널층(62)의 상,하면에는 다양한 형상의 다수의 돌기(63a,63b)들이 형성된 구조일 수 있다.
도 11은 도 1의 나노-마이크로 버블 발생장치의 다른 구성 예를 도시한 것으로, 여기서 나노-마이크로 버블 생성기(1,1',1")는 펌프(2)와 연결된 관로상에, 그리고 이 관로로부터 분기된 적어도 2개 이상의 분기 관로 상에 각각 설치될 수 있다. 이 경우, 각 버블 생성기(1,1',1")의 내부에 구비되는 회전자와 고정자의 설치구조는 도 2 내지 4에 도시하는 바와 같은 형상들을 선택적으로 적용할 수 있으며, 이와 같은 구성에서 제2, 제3 버블 생성기(1',1")로부터 토출된 유체는 각각의 토출관로(6a,6b)들을 따라서 제1 버블 생성기(1)의 토출관로(6)로 집결하여 유동할 수 있다. 또한, 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 추가의 나노-마이크로 버블 생성기(1',1")들은 메인 관로로부터 분기되지 않고 상기 펌프(2)와 직접 연결되는 각각의 관로들 상에 설치될 수 있으며, 이 경우 각 관로의 적어도 일부는 입구와 출구가 넓고 내부가 상대적으로 좁게 형성된 벤츄리관 구조(이하 '벤츄리부')로 구성되고, 상기 벤츄리부(3)의 일측에는 하나 이상의 기체/액체 공급부(4,5)가 연결되어 각 관로 내부의 물(또는 액체)에 소정의 기체(또는 액체)의 혼합이 이루어지도 록 구성할 수 있다.
이상 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 지금까지 설명한 내용들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 그 일부를 예시한 정도에 불과하며, 아래에 첨부된 청구범위에 나타날 수 있는 것을 제외하고는 상술한 내용에 의해 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명은 이와 동일한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 범위 내에서 발명의 기술적 사상과 요지를 벗어나지 않으면서 균등물의 많은 변화, 수정 및 대체가 이루어질 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 유체의 유출입이 가능한 하우징의 내부에 하나 이상의 회전축의 축선을 따라 배열되는 회전자, 및 상기 하우징의 내벽에 고정된 상태로 상기 회전자와 일정 간격을 두고 대면하는 복수의 고정자를 포함하되, 상기 회전자와 고정자 중 적어도 회전자는 유체가 통과하도록 다수의 개구부들을 갖는 메쉬형 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 버블 생성기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 회전자는 2축 이상의 배열 구조에서 각 축의 회전자들이 서로 나란한 배열형태를 갖거나, 상기 각 축의 회전자들이 상대편 회전자들과 서로 엇갈리게 끼워진 배열 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 버블 생성기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 회전자는 회전축의 둘레 면에 각 방향으로 연장된 단층 또는 다층 배열의 회전날개 또는 브러쉬를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 버블 생성기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징은 내경이 점차 감소하는 구조이거나, 내벽의 벽면을 따라 다수의 돌기, 오목부, 또는 나선홈을 갖는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 버블 생성기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 나노-마이크로 버블 생성기의 토출측에 연결되는 배관의 적어도 일부에는 유체 속 물 분자들의 크기를 더욱 미세화하기 위한 충돌부재들이 내장되며, 상기 충돌부재들은 유동 방향으로 직경이 점점 확장하는 본체부와, 상기 본체부의 표면에 일정 간격을 두고 둘레 방향으로 연장하는 격벽들 또는 상기 본체부의 표면을 따라 형성된 나선형 홈 또는 나선형 돌기를 갖는 구조이거나, 복수의 패널층이 배열되고 상기 패널층의 상하 표면에 각각 다수의 돌기들이 형성된 구조인 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 버블 생성기.
  6. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 관로 상에 펌프와 제1항의 나노-마이크로 버블 생성기가 순차적으로 배치되고, 상기 펌프와 나노-마이크로 버블 생성기 사이의 각 관로 상에는 입구와 출구가 넓고 내부가 좁은 벤츄리부가 형성되며, 상기 관로로부터 벗어나서 상기 벤츄리부의 일측에는 상기 관로 내부의 물(또는 액체)에 소정의 기체(또는 액체)를 혼합하기 위한 하나 이상의 기체/액체 공급부가 연결되어 상기 기체/액체 공급부로부터 공급된 기체의 상기 벤츄리부에의 자흡이 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 버블 발생장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 각 관로로부터 하나 이상의 관로가 분기되어 각각의 분기된 관로상에 상기 나노-마이크로 버블 생성기가 설치되는 것을 특징으로 하는 나노-마이크로 버블 발생장치.
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