KR20200114033A

KR20200114033A - 소결실린더를 이용한 미세 기포 혼입 장치

Info

Publication number: KR20200114033A
Application number: KR1020190035115A
Authority: KR
Inventors: 김운섭
Original assignee: 김운섭
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2020-10-07

Abstract

본 발명은 관로(管路) 내부의 이송중 액체에 미세 기포를 혼입하는 장치에 관한 것으로, 금속 소결체(燒結體)로 제작된 실린더가 관로와 동심으로 설치되고 실린더 내부로 기체가 유입됨으로써, 실린더를 통과한 기체가 미세 기포 형태로 이송중 액체에 다량 투입되는 것이다.
본 발명을 통하여, 관로 이송 액체에 대한 미세 기포 혼입 효과를 획기적으로 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 혼입되는 기포의 직경을 축소할 수 있으며, 기 혼입된 기포의 상호 응집을 억제하고 광범위한 확산을 촉진할 수 있다.

Description

소결실린더를 이용한 미세 기포 혼입 장치{FINE BUBBLE MIXING APPARATUS USING SINTERED CYLINDER}

본 발명은 관로(管路) 내부의 이송중 액체에 미세 기포를 혼입하는 장치에 관한 것으로, 금속 소결체(燒結體)로 제작된 실린더가 관로와 동심으로 설치되고 실린더 내부로 기체가 유입됨으로써, 실린더를 통과한 기체가 미세 기포 형태로 이송중 액체에 다량 투입되는 것이다.

액체에 대한 기체의 용해도는 압력 및 온도에 의하여 지배되는 것이 통념이나 이는 밀폐된 용기에 적재된 정체 상태의 액체에서 성립되는 것으로, 관로상 고속 이송되는 액체에 대한 기체 용해는 관로 전단면에 대한 압력 조건을 일정하게 유지하기 어려울 뿐 아니라 용매인 액체가 지속적으로 이동한다는 점에서 상당한 애로점을 야기한다.

관로내 이송 액체에 대한 기체 용해는 수처리 분야는 물론 양식업 또는 식품공업 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있는데, 주로 물에 공기 또는 산소를 용해하는 처리가 주종을 이루고 있으며, 용질 기체의 용해도를 제고하고 용존상태를 유지하기 위한 다양한 방안이 모색되고 있다.

이러한 관로내 이송 액체에 대한 기체 용해 촉진 방법의 일환으로서 용질 기체를 미세 기포화하여 용매 액체에 혼입하는 방식이 적용되고 있으며, 관련 종래기술로서 공개특허 제2012-20775호를 들 수 있다.

공개특허 제2012-20775호를 비롯한 종래 미세 기포 혼입 장치에 있어서 미세 기포란, 기체 방출구가 수중에 단순 노출되는 통상의 폭기장치(曝氣裝置) 내지 산기장치(散氣裝置)에서 형성되는 소형 기포와는 근본적인 차이점을 가지는 것으로, 크게는 수마이크로미터(micrometer) 내지 수십마이크로미터의 직경을 가지고 작게는 수십나노미터(nanometer)의 직경을 가지는 기포를 말한다.

액체에 혼입되는 기포의 직경을 축소함으로써 동량(同量)의 기체 투입시 기체와 액체간 접촉면이 비약적으로 확대될 수 있으며, 기포의 부상(浮上) 역시 억제될 수 있어, 용해도 향상과 더불어 용존상태의 안정적 유지가 가능하다.

이렇듯, 용질 기체 기포를 미세화함으로써 통상의 폭기장치 또는 산기장치에 비하여 용해 효율을 개선할 수 있으나, 공개특허 제2012-20775호를 비롯한 종래 미세 기포 혼입 장치는 그 구조 및 작동 방식상, 기포의 미세화 자체는 물론 미세화된 기포의 유지에 있어서 한계가 있을 수 밖에 없었다.

공개특허 제2012-20775호를 비롯한 종래 미세 기포 혼입 장치는 용매 액체의 이송 관로 일부 구간에, 관로의 관경이 축소된 축경부를 구성하되, 이 축경부 관체를 미세 기공이 형성된 금속 소결체로 구성하고, 축경부 외측에 별도의 외관(外管)을 포위, 설치하여 일종의 기체 가압실(加壓室)을 구성한 후 가압실로 용질 기체를 주입하는 방식으로서, 소결체인 축경부 내주면에서 방출된 미세 기포가 상호 응집되면서 기포 미세화 효과가 급감될 뿐 아니라, 기포의 관로 전단면에 걸친 확산 작용이 부진한 문제점을 가진다.

즉, 종래의 미세 기포 혼입 장치는 관로상 축경부가 소결체로 구성되는 것인 바, 협소한 축경부 내측으로 기포가 방출되고 방출 방향 역시 전체 기포가 관로의 중심축을 공통적으로 지향하게 되는 바, 방출된 기포가 관로 중심축 방향으로 집중되면서 상호 응집되어 대형화됨에 따라 기포 미세화의 효과가 무색하게 되는 것이다.

또한, 축경부 이후 구간의 관로에서도 중심부 유속이 외곽부 유속에 비하여 고속인 관수로 흐름의 특성상, 상기와 같이 관로 단면상 중심부에 편중된 기포가 편중상태를 고수함은 물론 재차 상호 응집될 수 밖에 없어, 미세 기포 혼입 장치의 근본 취지인 기포 미세화, 광범위한 균질 확산을 통한 용해도 제고 및 용존상태 유지에 있어서 심각한 제약이 상존할 수 밖에 없었다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 소결체를 통과한 기체가 관로(管路) 내 이송중 액체에 미세 기포로 혼입되는 미세 기포 혼입 장치에 있어서, 액체 이송 관로에 연결되는 관체(管體)인 본관(10)의 내부에는 소결실린더(30)가 설치되되, 소결실린더(30)는 원형 횡단면의 관벽부(31)가 형성되는 중공체(中空體)로서 일단은 개방되어 개방부(32)를 형성하고 타단은 폐합되어 폐합부(33)를 형성하며, 본관(10)의 횡단면상 본관(10)과 소결실린더(30)는 동심(同心)을 이루고 본관(10)의 종단면상 본관(10)의 중심선과 소결실린더(30)의 중심선이 일치하며, 소결실린더(30)의 개방부(32) 및 폐합부(33)가 각각 본관(10)의 유입측 및 배출측에 위치하고, 소결실린더(30)의 개방부(32)에는 본관(10) 외부의 기체가 유입되는 송기관(20)이 연결되어, 송기관(20)을 경유하여 소결실린더(30) 내부로 기체가 유입된 후 소결실린더(30)의 관벽부(31) 및 폐합부(33)를 통과하여 미세 기포로서 본관(10)내 이송 액체로 혼입됨을 특징으로 하는 소결실린더를 이용한 미세 기포 혼입 장치이다.

또한, 상기 송기관(20)과 소결실린더(30)의 연결부에는 송기관(20)의 내경 및 외경이 점차 획대되는 점확부(22)가 형성됨을 특징으로 하는 소결실린더를 이용한 미세 기포 혼입 장치이다.

본 발명을 통하여, 관로 이송 액체에 대한 미세 기포 혼입 효과를 획기적으로 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 혼입되는 기포의 직경을 축소할 수 있으며, 기 혼입된 기포의 상호 응집을 억제하고 광범위한 확산을 촉진할 수 있다.

특히, 혼입된 기포가 관로 단면상 특징 부위에 편중되지 않고 전단면에 걸쳐 균질 확산될 수 있으며, 이로써 기포의 불필요한 부상(浮上)이 억제되고, 용질 기체의 용존상태가 안정적으로 유지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 사시도
도 2는 본 발명의 부분절단 사시도
도 3은 본 발명의 요부 발췌 분해사시도
도 4는 본 발명의 작동 상태 종단면도
도 5는 본 발명의 작동 원리 설명도
도 6은 본 발명의 현장 적용 예시도

본 발명의 상세한 구성 및 작동 원리를 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 도 1은 본 발명의 외관을 도시한 것으로, 도시된 바와 같이, 본 발명은 관체(管體)인 본관(10)과, 본관(10)의 관벽(管壁)을 관통하여 접합되는 송기관(20) 등으로 구성된다.

도 2는 본 발명의 내부 구조를 도시한 것으로, 동 도면에서와 같이, 본관(10)의 내부에는 금속 소결체인 소결실린더(30)가 설치되고, 소결실린더(30)와 상기 송기관(20)이 연결되는데, 여기서 소결실린더(30)는 미세 금속 분말이 소결성형되어 제작되는 실린더로서, 조직내 다수의 미세 기공이 형성된다.

즉, 본 발명의 소결실린더(30)는 미세 금속 분말이 가열, 가압됨에 따라 입자 표면의 부분 용융 및 이를 통한 입자간 결착이 수행되는 소결성형을 통하여 제작되는 것으로, 상호 결착된 미세 금속 분말 입자간 공극이 미세 기공으로 작용하게 되는 것이다.

이러한 미세 기공 형성 소결실린더(30)는 송기관(20)을 통하여 공급되는 용질 기체의 통과는 허용하되, 본관(10) 내부에서 이송되는 용매 액체는 점성 및 표면장력 등의 요인으로 인하여 통과를 억제하는 선택적 투과 작용을 수행하게 된다.

즉, 본 발명은 소결체를 통과한 기체가 관로 내 이송중 액체에 미세 기포로 혼입되는 미세 기포 혼입 장치로서, 도 1 및 도 2에서와 같이, 액체 이송 관로에 연결되는 관체(管體)인 본관(10) 내부에는 본관(10) 외부 기체가 유입되는 송기관(20)이 연결되는 소결실린더(30)가 설치되어, 송기관(20)을 통하여 본관(10) 외부에서 유입된 용질 기체가 소결실린더(30)를 투과하여 미세 기포 형태로 본관(10) 내부 용매 액체에 방출되는 것이다.

도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서는 송기관(20)의 본관(10) 외측 단부가 단순 개방되어 본관(10) 외부 공기가 송기관(20)으로 유입되고 있으나, 이 밖에도 송기관(20)의 본관(10) 외측 단부에는 산소 발생 장치 또는 수소 발생 장치 등의 기체 발생 장치나 기체 저장 용기가 연결되어 용질 기체를 공급할 수도 있다.

또한, 도 1 및 도 2에 도시되지는 않았으나 본관(10) 외부 공기가 용질 기체로 적용되는 경우에도, 송기관(20)의 본관(10) 외측 말단 개구부를 통한 이물질의 유입을 억제할 수 있도록 필터, 역U자형 곡관 또는 방수형 벤트 등이 장착될 수도 있으며, 이 밖에도 송기관(20)의 관로상 기체 흐름을 조절할 수 있는 다양한 밸브가 설치될 수 있다.

도 3 및 도 4에서와 같이, 본 발명의 소결실린더(30)는 원형 횡단면의 관벽부(管壁部)(31)가 형성되는 중공체(中空體)로서 일단은 개방되어 개방부(32)를 형성하고 타단은 폐합되어 폐합부(33)를 형성하는데, 전술한 바와 같이, 소결실린더(30)의 조직 내에는 다수의 미세 기공이 형성되고, 이들 미세 기공은 용질 기체는 통과하되 용매 액체는 통과하지 못하는 특성을 가지나, 소결실린더(30)의 관벽부(31) 또는 폐합부(33) 두께가 과소할 경우 본관(10) 내부에서 가압 상태로 이송되는 용매 액체가 소결실린더(30) 내측으로 침투될 수 있으므로, 관벽부(31) 및 폐합부(33)에는 충분한 두께가 부여되는 것이 바람직하다.

이러한 소결실린더(30) 관벽부(31) 및 폐합부(33)의 적정 두께는 용매 액체의 이송 압력에 따라 상이할 수 있으나, 용매 액체의 이송 압력에 따라 본관(10) 관벽의 두께 역시 결정되는 바, 도 4에서와 같이, 소결실린더(30)의 관벽부(31) 및 폐합부(33)의 두께는 본관(10) 관벽 두께의 1.5배 내지 6배로 설정되는 것이 바람직하다.

소결실린더(30)의 본관(10)내 설치에 있어서 구체적인 위치 및 고정 방식을 살펴보면, 도 2 내지 도 4에서와 같이, 본관(10)의 횡단면상 본관(10)과 소결실린더(30)는 동심(同心)을 이루고 본관(10)의 종단면상 본관(10)의 중심선과 소결실린더(30)의 중심선이 일치하며, 소결실린더(30)의 개방부(32) 및 폐합부(33)가 각각 본관(10)의 유입측 및 배출측에 위치하게 되는데, 본 발명에 있어서 미세 기포의 혼입은 도 4 및 도 5에서와 같이, 소결실린더(30) 내부에서 외측으로 투과된 용질 기체가 소결실린더(30) 표면에 부착된 미세 기포를 형성하면 본관(10)과 소결실린더(30) 사이를 흐르는 용매 액체가 부착된 미세 기포를 포착하여 소결실린더(30)로부터 분리하는 방식으로 진행되는 바, 본관(10) 내부 용매 액체의 원활한 이송이 보장되어야 함은 물론 소결실린더(30) 전, 후 구간에 있어서 용매 액체의 유속 등 흐름 조건 역시 가급적 일정하게 유지될 필요가 있다.

이러한 본관(10)내 용매 액체의 원활한 이송 상태 유지는 소결실린더(30)의 외경을 적정 수준으로 설정함으로써 달성될 수 있는데, 도 4에서와 같이, 소결실린더(30)는 본관(10) 내경의 0.2배 내지 0.7배의 외경을 가지는 것이 바람직하다.

소결실린더(30)와 송기관(20)은 도 3 및 도 4에서와 같이, 소결실린더(30)의 개방부(32)에 송기관(20)의 말단부가 나사식 체결 등의 방식으로 연결될 수 있으며, 전술한 바와 같이, 본관(10) 외부에서 송기관(20)을 경유하여 유입된 기체가 소결실린더(30) 내부로 유입된 후 소결실린더(30)의 관벽부(31) 및 폐합부(33)를 통과하여 미세 기포로서 본관(10)내 이송 액체로 혼입된다.

특히, 도 3 및 도 4에서와 같이, 송기관(20)의 말단부 즉, 송기관(20)과 소결실린더(30)의 연결부에는 송기관(20)의 내경 및 외경이 점차 획대되는 점확부(漸擴部)(22)가 형성되며, 이로써 전술한 본관(10)내 용매 액체의 원활한 이송 보장 효과를 배가함과 동시에 소결실린더(30)내 형성되는 용질 기체의 압력을 적정 수준으로 유지함으로써 기포 미세화 효과를 확보할 수 있다.

상기와 같은 점확부(22)의 효과에 있어서, 본관(10)내 용매 액체의 원활한 이송 보장은 점확부(22)의 외경 점증에서 기인하는 것으로, 본관(10)내 구간의 송기관(20)에 있어서 소결실린더(30)에 비하여 현저하게 축경된 직경을 형성할 수 있는 점과, 송기관(20)과 소결실린더(30)간 연결부에 형성될 수 밖에 없는 본관(10)내 단면 잠식 구간에 있어서 단면적의 급감을 최대한 억제함으로써 달성되는 것이다.

또한, 점확부(22)의 효과 중 소결실린더(30)내 용질 기체 압력의 적정 수준 유지에 따른 기포 미세화는 점확부(22)의 내경 점증에서 기인하는 것으로, 점확부(22)를 통과한 용질 기체의 압력이 단면적 확대로 인하여 하강되면서, 소결실린더(30) 내 용질 기체에 과도한 압력이 형성됨에 따라 발생될 수 있는 용질 기체의 과급한 소결실린더(30) 투과 및 기포 직경 확대 현상을 최대한 억제함으로써 달성되는 것이다.

이러한 점확부(22)의 직경 변화를 비롯한 구조는 점확부(22)의 시점부(始點部) 즉, 점확부(22)의 본관(10) 유입측 단부는 소결실린더(30) 직경의 0.2배 내지 0.6배의 직경을 가지도록 형성하고, 점확부(22)의 종점부(終點部) 즉, 점확부(22)의 본관(10) 배출측 단부는 소결실린더(30)의 직경과 동일한 직경을 가지도록 형성하며, 점확부(22)의 종단상 즉, 점확부(22)의 본관(10) 중심축 축방향의 길이는 소결실린더(30) 직경의 0.8내 내지 4배로 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 도 2 내지 도 4에서와 같이, 송기관(20)의 본관(10) 관통부와 점확부(22)의 시점부 사이에는, 본관(10)내 용매 액체의 원활한 흐름을 보장하고, 본관(10)의 유효 단면적 잠식을 최소화하면서도 소결실린더(30)의 안정적 지지가 가능하도록, 호형(弧形)으로 만곡된 만곡부(21)가 형성된다.

특히, 이러한 만곡부(21)는 단순히 송기관(20)을 본관(10) 내부에서 절곡하는 것이 아니라, 최대한 완만한 굴곡을 부여하는 것으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 만곡부(21)의 중심선은 중심각이 직각인 호(弧)를 형성하되 그 반경은 본관(10) 내주면 반경의 0.6배 내지 1배로 설정하는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이 구성되는 본 발명의 미세 기포 혼입 장치는 도 5에서와 같이 본관(10)내 용매 액체가 소결실린더(30) 표면에 형성되는 미세 기포를 포착하여 분리함으로써 용매 액체내 미세 기포가 혼입되는 방식으로 작동한다.

즉, 도 4에서와 같이, 본관(10) 외부에서 송기관(20)으로 용질 기체가 공급됨에 따라, 유입된 용질 기체가 만곡부(21) 및 점확부(22)를 경유하여 소결실린더(30) 내부로 유입된 후, 도 5에서와같이 소결실린더(30)의 관벽부(31) 및 폐합부(33)를 투과하여 소결실린더(30) 외측으로 방출되는데, 도 5의 타원내 확대부에서와 같이, 소결실린더(30) 조직내 형성된 미세 기공을 통과하는 과정에서 용질 기체가 미세한 기포를 형성하면서 소결실린더(30) 표면에 부착된 후, 소결실린더(30) 외부에 형성된 용매 액체의 흐름에 의하여 부착된 기포가 포착되면서 소결실린더(30) 표면에서 분리, 이탈됨에 따라 용질 기체가 미세 기포로서 용매 액체에 혼입되는 것이다.

이러한, 본 발명의 미세 기포 혼입 작용은 종래의 폭기장치 또는 산기장치에 적용되는 통상의 산기통과는 그 작용 원리 및 생성되는 기포의 특성에 있어서 근본적인 차이점을 가지는 것으로, 종래기술의 산기통은 압축공기 등의 고압 기체가 압송되어 방출되는 노즐 선단에 결합되어 방출 공기의 유로를 단순 분할하는 역할을 수행하는 것으로서, 나노미터 내지 마이크로미터 단위의 기포 형성이 근본적으로 불가능할 뿐 아니라, 고압으로 압축된 기체를 강제 공급하여야 하는 반면, 본 발명의 소결실린더(30)는 용질 기체가 상대적으로 저압으로 공급되어도 원활한 작동이 가능할 뿐 아니라, 소결실린더(30) 조직내 무수히 형성된 미세 기공에 의하여 소결실린더(30)를 투과하는 용질 기체가 미세하게 분류됨에 따라 수십나노미터 내지 수마이크로미터 직경의 극미세 기포가 형성되어 용매 액체에 혼입될 수 있는 것이다.

특히, 본 발명 소결실린더(30) 조직내 형성되는 미세 기공은 소결실린더(30)의 관벽부(31) 또는 폐합부(33)를 관통하는 단순한 선형(線形) 통공으로 형성되는 것이 아니라, 미세 금속 분말을 소결하는 소결실린더(30)의 제작과정에서 형성되는 것으로, 미세 금속 입자간 공극이 미로(迷路)와 같이 다양한 방향으로 복잡하게 연결되면서 형성되는 다중 굴곡 통기로(通氣路)로서, 용질 기체가 이러한 다중 굴곡 통기로를 통과하는 과정에서 일층 미세하게 분류될 수 있을 분 아니라, 소결실린더(30) 내부에 용질 기체가 비교적 저압으로 저류됨에도 불구하고, 소결실린더(30) 외부의 용매 액체가 소결실린더(30) 내측으로 침투하는 현상도 효과적으로 차단할 수 있게 된다.

한편, 본 발명 소결실린더(30)의 중요한 특징 중 하나로서, 소결실린더(30)의 페합부가 관벽부(31)와 직교하는 구조 즉, 폐합부(33)가 유선형 또는 구면형(球面形)으로 형성되지 않고 소결실린더(30)의 중심축과 직교하는 판체로서 구성됨으로써 관벽부(31)와 폐합부(33)간 접합부가 도 4 및 도 5에서와 같이 직각을 이루는 구성을 들 수 있다.

이러한 직각 폐합부(33)는 일견 본관(10)내 용매 액체의 흐름에 악영향을 줄 것으로 오해될 수 있으나, 본관(10)내 용매 액체에 대한 용질 기체의 미세 기포화 혼입 효과에 있어서는 유리하게 작용한다.

본 발명의 소결실린더(30)에서는 도 4 및 도 5에서와 같이, 관벽부(31) 및 폐합부(33)를 막론한 전체 표면에 걸쳐 미세 기포가 부착되는데 관벽부(31) 표면에 부착된 미세기포는 본관(10)내 용매 액체 흐름에 의하여 용이하게 포착, 분리되는 반면, 본관(10)의 배출측을 지향하는 폐합부(33) 표면에 부착된 미세 기포는 용매 액체에 의한 포착 및 분리가 상대적으로 부진할 수 있다.

이에, 전술한 바와 같이 소결실린더(30)의 폐합부(33)를 직각으로 구성함으로써, 도 5에서와 같이 폐합부(33) 전방측 용매 액체에 본관(10) 종단상 폐합부(33) 표면측으로 굴곡 회전되는 와류를 형성함으로써, 소결실린더(30)의 폐합부(33) 표면에 부착된 미세 기포에 대한 원활한 분리가 가능하도록 하였다.

이상에서와 같은 본 발명의 미세 기포 혼입 장치는 전술한 바와 같이, 다양한 산업 분야에 다양한 형식으로 적용될 수 있으며, 용질 기체 또한 다양한 기체가 적용될 수 있는데, 도 1에 예시된 바와 같이 송기관(20)으로 공기가 유입되는 방식 뿐 아니라, 용질 기체로 산소가 적용되는 경우 도 6에서와 같이 산소발생기가 기체 공급 수단으로서 송기관(20)에 연결될 수도 있으며, 이렇듯 기체 공급 수단이 연결되는 경우 각종 밸브류는 물론 레귤레이터 등 공급 기체의 압력을 조정하는 수단이 설치될 수 있다.

10 : 본관
20 : 송기관
21 : 만곡부
22 : 점확부
30 : 소결실린더
31 : 관벽부
32 : 개방부
33 : 폐합부

Claims

소결체를 통과한 기체가 관로(管路) 내 이송중 액체에 미세 기포로 혼입되는 미세 기포 혼입 장치에 있어서,
액체 이송 관로에 연결되는 관체(管體)인 본관(10)의 내부에는 소결실린더(30)가 설치되되, 소결실린더(30)는 원형 횡단면의 관벽부(31)가 형성되는 중공체(中空體)로서 일단은 개방되어 개방부(32)를 형성하고 타단은 폐합되어 폐합부(33)를 형성하며;
본관(10)의 횡단면상 본관(10)과 소결실린더(30)는 동심(同心)을 이루고 본관(10)의 종단면상 본관(10)의 중심선과 소결실린더(30)의 중심선이 일치하며;
소결실린더(30)의 개방부(32) 및 폐합부(33)가 각각 본관(10)의 유입측 및 배출측에 위치하고;
소결실린더(30)의 개방부(32)에는 본관(10) 외부의 기체가 유입되는 송기관(20)이 연결되어, 송기관(20)을 경유하여 소결실린더(30) 내부로 기체가 유입된 후 소결실린더(30)의 관벽부(31) 및 폐합부(33)를 통과하여 미세 기포로서 본관(10)내 이송 액체로 혼입됨을 특징으로 하는 소결실린더를 이용한 미세 기포 혼입 장치.
청구항 1에 있어서, 송기관(20)과 소결실린더(30)의 연결부에는 송기관(20)의 내경 및 외경이 점차 획대되는 점확부(22)가 형성됨을 특징으로 하는 소결실린더를 이용한 미세 기포 혼입 장치.