KR20200118678A - 미세기포 발생장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다양한 용도에 적용될 수 있는 미세기포 발생장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 장치는 기체/액체 혼합유체의 유출입을 위한 입구 및 출구가 구비된 포화용해탱크; 및 상기 포화용해탱크의 출구 측에 구비되어 혼입된 기체를 미세기포로 전환하여 상기 포화용해탱크 외부의 액체로 배출하는 미세기포 전환모듈;을 포함하고, 상기 미세기포 전환모듈은, 기체/액체 혼합유체를 관체 내 나선형 흐름으로 유도하는 선회류형성부; 및 상기 선회류형성부 후단에 제공되어 혼입된 기체를 미세기포로 전단하는 블레이드가 구비된 유체전단부;를 포함하고, 선택적으로 상기 입구 측에 구비되어 기체/액체 혼합유체를 가속하여 충돌시킴으로써 액체 내 기포 크기를 감소시키는 유체파단부를 더 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 미세기포 발생장치 및 방법에 따르면, 기체/액체 혼합유체에 대한 파단 및 기체 포화도 개선을 위한 전처리 과정을 거친 후 극대화된 선회류 형성 및 전단 과정을 통해 미세기포를 발생시킴으로써, 미세기포 전환 및 에너지 효율을 크게 개선할 수 있다. 또한 미세기포 전환모듈을 구성하는 선회류형성부 및 유체전단부에 대한 조립 형태를 조절하여 미세기포의 크기나 발생량을 그 용도, 운전 및 사용조건에 따라 용이하게 가변적으로 제어할 수 있다. 또한 이러한 우수한 미세기포 전환 효율 및 에너지 효율과, 미세기포의 크기나 발생량에 대한 용이한 제어를 통해, 장치의 소형화를 구현할 수 있다.

Description

미세기포 발생장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR GENERATING FINE-BUBBLE}

본 발명은 오폐수 처리시 수반되는 생물학적 처리의 용존산소의 공기공급 및 그 부산물인 고액분리 공정 중 부상분리에 소요되는 초 미세기포, 식품가공 공정의 세척수용 및 살균용수, 악취발생 저감용 살포수, 수산물의 양식장 및 활어수송에 고농도의 산소수의 공급용도 등의 다양한 용도에 적용될 수 있는 미세기포 발생장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 미세기포 발생장치 및 방법이 적용될 수 있는 미세기포(fine bubble)의 범위에는 ㎛ 단위의 마이크로버블(micro bubble)과 이보다 더 작은 ㎚ 단위의 나노버블(nano bubble)이 포함된다.

미세기포(fine bubble)는 기포 사이즈에 따라 ㎛ 단위의 마이크로버블(micro bubble)과 이보다 더 작은 ㎚ 단위의 나노버블(nano bubble)을 포함하며, 그 크기가 비록 작지만 물 또는 기타 액상 유체 내에서 통상적으로 발생하는 수 mm 직경 이상의 입자상 기포(particulate bubble)와 비교하면 매우 작다. 미세기포는 이와 같이 극단적으로 작기 때문에 액체 내 입자성 물질을 흡착해 부상시키는 성질을 가져 수질 정화, 수산물의 세척 또는 기타 세정작업에 응용되고, 또는 액체 내 고농도 용존 산소량을 유지함으로써 수산물의 양식, 신선도 유지 등에도 응용되고 있고, 또한 유기용제, 황화수소가스 및 메탄가스 등 악취유발물질이나 흡착용 집진기의 흡착수에도 적용되고 있다.

한편 종래 미세기포 발생장치 및 방법으로 다양한 방식이 제안되고 있으나, 복잡한 구성으로 인해 소형화에 한계가 있고, 기체/액체 혼합유체에 대한 상대적으로 높은 공급 부하 대비 미세기포 전환 효율이 낮고 이에 따라 소모성 에너지 효율 또한 낮은 문제가 있다. 또한 용도에 따른 미세기포의 크기나 발생량을 탄력적으로 조절할 필요가 있음에도 불구하고 여러가지 복합적인 인자를 고려해야 하기 때문에 그 가변적 제어가 실제 어렵고 대부분이 작업자의 숙련도에 의존하고 있다.

본 발명의 목적은 미세기포 전환율 및 에너지 효율이 높고, 용도, 운전 및 사용 조건에 따른 미세기포의 크기나 발생량을 용이하게 제어할 수 있고, 또한 장치 소형화에 유리한 미세기포 발생장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위하여 예의 검토한 결과 이루어진 것으로, 그 요지는 특허청구범위에 기재한 바와 동일한 아래의 내용이다.

(1) 기체/액체 혼합유체의 유출입을 위한 입구 및 출구가 구비된 포화용해탱크; 및 상기 포화용해탱크의 출구 측에 구비되어 혼입된 기체를 미세기포로 전환하여 상기 포화용해탱크 외부의 액체로 배출하는 미세기포 전환모듈;을 포함하고, 상기 미세기포 전환모듈은, 기체/액체 혼합유체를 관체 내 나선형 흐름으로 유도하는 선회류형성부; 및 상기 선회류형성부 후단에 제공되어 혼입된 기체를 미세기포로 전단하는 블레이드가 구비된 유체전단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세기포발행장치.

(2) 상기 입구 측에 구비되어 기체/액체 혼합유체를 가속하여 충돌시킴으로써 액체 내 기포 크기를 감소시키는 유체파단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 미세기포 발생장치.

(3) 상기 유체파단부는 유체 흐름방향으로 내경이 감경되는 파단노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기(2)의 미세기포 발생장치.

(4) 상기 파단노즐의 측벽에는 기체 유입구가 구비된 것을 특징으로 하는 상기 (3)의 미세기포 발생장치.

(5) 상기 유체파단부는 산기 파단노즐의 출구 측에 배치되는 타격판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (3)의 미세기포 발생장치.

(6) 상기 포화용해탱크 내에서 상기 파단노즐이 수용되는 공간을 구획하는 격판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (3)의 미세기포 발생장치.

(7) 상기 선회류형성부는 관체; 및 상기 관체에 결합된 스월러;를 포함하고, 상기 스월러는 복수의 나선형 통로를 구비하되, 복수의 나선형 통로는 관체 내 유체 이동방향으로 연장 형성되며 상호간에 원주방향으로 소정 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 미세기포 발생장치.

(8) 상기 관체의 후단은 기체/액체 혼합유체의 흐름 방향으로 관경이 감소되는 것을 특징으로 하는 상기 (7)의 미세기포 발생장치.

(9) 상기 스월러는 원주방향으로 소정 간격을 갖는 복수의 홀이 구비된 타공판 유닛이 복수로 적층조립되어 고정된 구조이고, 복수의 타공판 유닛이 적층된 상태에서 타공판 유닛 간 홀이 상기 나선형 통로에 대응되는 유로로 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 (7)의 미세기포 발생장치.

(10) 상기 타공판 유닛 간 고정은 볼트에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (9)의 미세기포 발생장치.

(11) 상기 블레이드는 상기 유체전단부의 횡단면 상에서 원주방향으로 형성되는 톱니인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 미세기포 발생장치.

(12) 상기 유체전단부는 링형 블레이드판 유닛이 복수로 적층되어 고정된 구조이고, 상기 블레이드판 유닛의 내주면을 따라 형성된 톱니가 상기 블레이드를 구성하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 미세기포 발생장치.

(13) 복수의 링형 블리이드판 유닛 간 고정은, 통형 소켓 내에 복수의 링형 블레이드판 유닛을 적층한 상태에서 상기 통형 소켓의 내벽면에 나사결합되는 고정구로 밀착시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 상기 (12)의 미세기포 발생장치.

(14) 상기 톱니의 평면 형상은 곡선형 또는 각형인 것을 특징으로 하는 상기 (11) 또는 상기 (12)의 미세기포 발생장치.

(15) 상기 유체전단부의 유체 통로는 기체/액체 혼합유체의 흐름 방향으로 내경이 증가되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 미세기포 발생장치.

(16) 상기 미세기포 발생장치가 설치된 상태에서 상기 출구가 상기 입구보다 낮은 높이에 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 미세기포 발생장치.

(17) (a) 기체/액체 혼합유체의 기체 포화도를 증가시키는 단계; (b) 상기 기체/액체 혼합유체를 가압 이송하여 선회류를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 선회류를 교차하도록 간섭하는 블레이드를 이용해 혼입된 기포를 전단하는 단계;를 포함하는 미세기포 발생방법.

(18) 상기 (a) 단계 이전에 기체/액체 혼합유체를 가속하여 충돌시키는 단계를 더 포함하는 상기 (17)의 미세기포 발생방법.

본 발명에 따른 미세기포 발생장치 및 방법에 따르면, 기체/액체 혼합유체에 대한 파단 및 기체 포화도 개선을 위한 전처리 과정을 거친 후 극대화된 선회류 형성 및 전단 과정을 통해 미세기포를 발생시킴으로써, 미세기포 전환 및 에너지 효율을 크게 개선할 수 있다. 또한 미세기포 전환모듈을 구성하는 선회류형성부 및 유체전단부에 대한 조립 형태를 조절하여 미세기포의 크기나 발생량을 그 용도, 운전 및 사용조건에 따라 용이하게 가변적으로 제어할 수 있다. 또한 이러한 우수한 미세기포 전환 효율 및 에너지 효율과, 미세기포의 크기나 발생량에 대한 용이한 제어를 통해, 장치의 소형화를 구현할 수 있다. 또한 상기 미세기포 발생장치는 구조가 간단하고, 유지 보수가 용이하고, 오폐수 처리장의 유량조정조 및 폭기조에 대한 고효율 폭기 및 호기성 조건 도모, 호수 정화, 지하수 등에 대한 악취저감, 유기용제 및 황화수소가스 메탄가스 등 악취유발물질이나 흡착용 집진기의 흡착수에 대한 악취저감, 수산물의 육성 촉진 및 신선도 유지, 고농도 산소수, 오존수의 혼합 노즐, 식품가공과정에서 세척, 살균 및 각종 세정 등 다양한 용도에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 다른 미세기포 발생장치의 사시도.
도 2 및 도 3은 도 1의 A-A 단면도.
도 4는 도 1의 미세기포 발생장치에 의한 미세기포 발생방법에 관한 동작 플로우.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유체파단부 조립체의 사시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 미세기포 전환모듈의 사시도.
도 7은 도 6의 분해도.
도 8은 도 6의 A-A 단면도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 타공판 유닛의 정렬상태 사시도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 유체전단부의 부분확대 단면도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 링형 블레이드판 유닛의 정렬상태 사시도.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 링형 블레이드판 유닛의 블레이드와 유체간 교차에 관한 모식도.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세기포 발생장치(10)(이하, '발생장치(10)'로 약칭함)의 사시도, 도 2 및 도 3은 도 1의 A-A 단면도를 각각 나타낸다. 도 4는 도 1의 발생장치(10)에 의한 미세기포 발생방법에 관한 동작 플로우를 나타낸다.

실시예에 따른 발생장치(10)는 기본적으로 포화용해탱크(100)(saturation tank);와 미세기포 전환모듈(500)(fine bubble conversion module);을 포함하고, 미세기포 전환모듈(500)은 선회류형성부(300)(swirling flow former)와 유체전단부(400)(fluid shearer)를 포함하여 구성된다. 또한 상기 발생장치(10)는 선택적으로 상기 포화용해탱크(100) 입구(110) 측에 제공되는 유체파단부(200)(fruid breaker)를 더 포함할 수 있다. 이러한 발생장치(10)에 의한 미세기포 발생방법은, 기본적으로 (a) 기체/액체 혼합유체의 기체 포화도를 증가시키는 단계; (b) 상기 기체/액체 혼합유체를 가압 이송하여 선회류를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 선회류를 교차하도록 간섭하는 블레이드(410)를 이용해 혼입된 기포를 전단하는 단계;를 포함하고, 선택적으로 기체/액체 혼합유체에서의 기포의 크기를 감소시키고 기체 포화도는 더욱 증가되도록 상기 (a) 단계 이전에 그 전처리 단계로서 상기 기체/액체 혼합유체를 가속하여 충돌시키는 단계 (a-1)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, (a) 단계는 도면에 도시되지 않은 외부 펌프(도면 미도시)에 의해 기체/액체 혼합유체를 포화용해탱크(100)에 유입하는 것에 의해 수행되고 상기 (b) 및 (c) 단계는 미세기포 전환모듈(500)에 의해 수행되며, 선택적인 단계로서 상기 (a-1) 단계는 상기 유체파단부(200)에 의해 각각 수행될 수 있다.

이하 유체 흐름에 따라 미세기포 발생의 각 단계에 관련된 장치 요소에 대해 순차적으로 상세히 설명한다. 한편, 이하의 설명에서 액체는 물질의 상태로서 기체와 대비되는 의미로 주로 사용되지만, 경우에 따라서 기체가 용해 또는 포집된 상태의 유체를 의미하는 것으로 사용되었다.

먼저 본 발명의 발생장치(10)는 미세기포를 발생시키는 공정을 수행하기 전 단계에서 그 작업대상물인 기체/액체 혼합유체를 소정의 기체 포화도를 유지한 상태로 저장 수용하기 위한 수단으로서 포화용해탱크(100)를 포함한다. 상기 기체/액체 혼합유체는 외부 도입을 예정하며, 도입되는 액체와 기체는 그 종류를 불문하고, 또한 액체는 순환수 또는 새롭게 도입되는 것일 수 있다. 포화용해탱크(100)에는 기체/액체 혼합유체의 유출입을 위한 입구(110) 및 출구(120)가 구비되어 있으며, 입구(110)에는 유체파단부(200)가 결합되고 출구(120)에는 미세기포 전환모듈(500)이 각각 결합된다. 포화용해탱크(100)의 바닥부에는 유지보수나 보관 목적으로 탱크 내 유체를 외부로 배출하기 위한 드레인(130)이 구비될 수 있다. 드레인(130)은 마개(도면 미도시)에 의해 개폐될 수 있다. 포화용해탱크(100)에의 상부에는 설치 및 인양시 파지를 위한 브라켓(140)이 구비되며, 하부에는 지지용 레그(150)가 구비될 수 있다.

상기 기체/액체 혼합유체는 외부 펌프의 흡입 동작에 의해 포화용해탱크(100)로 유입되며, 이 경우 기체/액체 혼합유체 내 기체는 포화용해탱크(100)에 수용되기 전까지는 포화조건을 갖고 있지 아니한 조건으로 액체 밖으로 쉽게 이탈될 수 있지만, 포화용해탱크(100) 내부로 유임된 후에는 가압 조건에 놓여져 소정의 포화도를 갖고 액체에 녹거나 포집된 상태로 유지된다.

도 1, 2 및 도 5을 참조할 때, 상기 유체파단부(200)는 포화용해탱크(100)의 입구(110) 측에 구비되어 기체/액체 혼합유체를 가속하여 충돌시킴으로써 액체 내 기포 크기를 감소시키는 역할을 수행하며, 액체 내 기체 포화도 또는 기체 농도를 더욱 증가시켜 미세기포 전환 효율을 개선하는 것과 관련된다. 구체적으로 동일 유량 또는 부피의 기체/액체 혼합유체를 대상으로 하는 경우, 기체 포화도가 높을수록 미세기포로 전환될 수 있는 양도 커지고, 이러한 기체 포화도는 동일한 온도 및 압력 조건이더라도 기포의 크기가 작을수록 증가하게 된다. 즉 기체/액체 혼합유체 내에서 기포의 크기를 최대한 작게 파단(breaking) 함으로써, 기포는 부력 등과 같은 외력에 의해 쉽게 이탈되지 않고 더욱 우수한 포화도를 갖고 액체 내 양호하게 잔류하게 된다. 유체파단부(200)에 의해 기체 포화도가 증가된 기체/액체 혼합유체는 포화용해탱크(100)를 경유하여 미세기포 전환모듈(500)의 작업대상으로 도입된다.

상기 유체파단부(200)는 기체/액체 혼합유체를 가속시키기 위해 기본적으로 파단노즐(210)을 포함하고, 파단노즐(210)은 유속이 증가될 수 있도록 유체 흐름방향으로 내경이 감경되는 구조를 갖는다. 이에 따라 기체/액체 혼합유체는 파단노즐(210)을 통과하면서 가속되어 충격 및 그에 따른 파단에 필요한 충분한 운동량을 갖게 된다. 파단노즐(210)의 제1 소켓(220)을 매개로 포화용해탱크(100)의 입구(110)에 삽입 결합될 수 있다. 파단노즐(210)의 고정은 외부 펌프에 연결되는 호스을 결합하는 것에 수반하여 이루어질 수 있다.

상기 파단노즐(210)의 측벽, 구체적으로는 유속이 빨라지는 파단노즐(210)의 소경부 측벽에는 기체 유입구(212)가 선택적으로 구비될 수 있다. 포화용해탱크(100)의 내부공간은 기체/액체 혼합유체의 유입량과 토출량에 따라 결정되는 가압조건에 따라 액체 밖으로 이탈된 기체로만 채워지는 공간이 기체를 용해 또는 포집한 액체가 수용되는 하부 공간과 별도로 상부 공간으로 형성될 수 있다. 이 경우, 기체 유입구(212)는 파단노즐(210) 소경부를 통과하는 빠른 유속에 의해 강제로 빨려들어가 운반되어 충격에 의한 파단(breaking) 과정을 거침으로써 액체에 용해 또는 포집되도록 한다. 즉, 이탈된 기체를 단순히 가압조건하에서 액체 내 용해 또는 포집될때까지 기다리지 않고, 기체 유입구(212)를 통해 반복하여 강제적으로 운반하여 파단시킴으로써 액체 내 기체 포화도를 더욱 신속하게 증가시키게 된다.

선택적으로, 상기 파단노즐(210)의 토출 경로에 배치되는 경질의 타격판(230)이 구비될 수 있다. 타격판(230)은 기체/액체 혼합유체 또는 기포에 대한 충격량 전달을 보다 확실하게 함으로써 기포에 대한 파단 효과를 극대화하게 된다. 다만 경질의 타격판(230)이 없는 경우라도, 기체/액체 혼합유체가 파단노즐(210)을 통해 고속으로 분사되어 포화용해탱크(100) 내 유동성 액상 표면에 타격되는 경우라도 어느 정도의 충격 효과와 그에 따른 파단 효과는 기대할 수 있다. 나아가 기체/액체 혼합유체의 토출량이 유입량 대비 월등히 작아 포화용해탱크(100) 내부 공간에 이탈된 기체로만 채워지는 공간이 없어 파단노즐(210)이 액체에 완전히 잠겨지는 경우라도, 파단노즐(210)을 통해 분사되는 고속의 기체/액체 혼합유체와 포화용해 탱크 내 이미 수용되어 있는 유체 사이에서 계면 유동 및 난류의 형성에 따른 충격 효과가 있기 때문에 다소 부족할 수는 있지만 소정의 충격 효과는 기대할 수 있다. 따라서, 충격량 극대화를 위해 가장 바람직하게는 도면에 도시된 실시예에서와 같이 타격판(230)과 같은 경질 재료에 가속된 기체/액체 혼합유체를 충돌시키는 것이지만, 이러한 타격판(230)을 구비하거나 또는 고속분사를 위한 파단노즐(210)이 포화용해탱크(100) 내에서 액체 밖으로 노출되게 하는 것이 기포에 대한 파단 효과를 도모하기 위한 필요조건은 아니다.

또한 선택적으로, 상기 포화용해탱크(100) 내에서 상기 파단노즐(210)이 수용되는 공간을 구획하는 격판(240)을 더 포함할 수 있다. 격판(240)에는 파단노즐(210)의 출구가 소정 간격을 두고 통과될 수 있는 관통홀(242)이 구비된다. 이러한 격판(240)은 특히 상술한 바와 같이 포화용해탱크(100) 내 가압 조건에 따라 기체만으로 채워지는 공간이 별도로 형성되는 경우에 있어서, 파단노즐(210)로부터 고속으로 분사된 액체나 이에 포함된 입자상 물질이 튀어 올라 기체 유입구(212)를 봉쇄하거나 간섭하는 것을 방지함으로써 이탈된 기체가 기체 유입구(212)를 통해 재유입되는 과정이 방해되지 않도록 한다. 또한 이러한 격판(240)은 상기한 타격판(230)을 제1 볼트(250)을 이용해 볼트 체결방식으로 장착하기 위한 매개체로 이용될 수 있다. 실시예에서 격판(240)의 주연부가 포화용해탱크(100) 내벽에 용접된 것으로 예시되어 있다.

결과적으로, 이러한 유체파단부(200)의 채택에 의해 포화용해탱크(100) 및 발생장치(10) 전체를 소형화 하더라도 미세기포 전환에 필요한 충분한 기체 포화도를 얻을 수 있고, 이와 함께 미세기포 전환 효율 또한 크게 향상될 수 있다.

상기 포화용해탱크(100) 출구(120) 측에는 극대화된 선회류 형성 및 전단 과정을 통해 액체에 혼입되어 운반되는 기체를 미세기포로 전환하기 위한 미세기포 전환모듈(500)이 구비되고, 상술한 바와 같이 이러한 미세기포 전환모듈(500)은 극대화된 선회류 형성 과정에 관여하는 선회류형성부(300)와 전단 과정에 관여하는 유체전단부(400)을 포함하여 구성된다. 실시예에는 미세기포 전환모듈(500)의 선회류형성부(300)가 포화용해탱크(100)의 출구(120) 측에 용접 결합된 것으로 예시되어 있으나 이러한 결합방식이 제한적이지는 않다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 미세기포 전환모듈(500)의 사시도를 나타내고, 도 7 및 도 8은 도 6의 분해도 및 A-A 단면도를 각각 나타낸다. 도 9는 선회류형성부(300)의 일부를 구성하는 본 발명의 실시예에 따른 타공판 유닛(330)의 정렬상태를 나타낸다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 유체전단부의 부분확대 단면도를 나타낸다. 도 11은 유체전단부(400)의 일부를 구성하는 본 발명의 실시예에 따른 링형 블레이드판 유닛(420)의 정렬상태 사시도를 각각 나타낸다. 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 링형 블레이드판 유닛(420)의 블레이드(410)와 유체간 교차에 관한 모식도를 나타낸다.

도 6 내지 도 9을 참조할 때, 상기 미세기포 전환모듈(500)의 전단측을 구성하는 선회류형성부(300)는 기체/액체 혼합유체를 관체(310) 내로 통과시키면서 나선형 흐름으로 유도하는 역할을 하며, 이를 위해 관체(310); 및 관체(310)에 결합되는 스월러(320);를 포함한다.

상기 스월러(320)는 대체로 원주형 블록체이며, 원주형 블록체는 관체(310)의 내경에 대응되는 외경을 가져 관체(310)에 삽입 장착된다. 원주형 블록체 형태의 스월러(320)는 관체(310) 내 유체 이동방향으로 연장 형성되며 특히 주연부를 따라 상호간에 원주방향으로 소정 간격을 갖는 복수의 나선형 통로를 구비한다. 포화용해탱크(100)의 기체/액체 혼합유체는 이러한 스월러(320) 구조에 의해 관체(310) 중앙으로의 도입이 억제된 상태에서 관체(310) 내벽에 인접해 형성되는 나선형 유로로만 통과되고, 스월러(320)의 원주형 블록체을 빠져나온 유체는 관체(310) 중앙이 아닌 관체(310) 내 가장자리를 따라 극대화된 선회류로 전환된다.

또한 상기 원주형 블록체 형태의 스월러(320)를 통과한 선회류는 스월러(320) 후단으로 연속하여 제공된 관체(310)의 빈 공간을 통과하는 도약 과정을 통해 균일화되고 가속된다. 즉, 원주형 블록체 형태의 스월러(320) 후단의 관체(310)는 일정 길이의 빈 공간을 갖기 때문에, 이러한 도약 과정은 원주형 블록체 형태의 스월러(320)를 통과한 유체가 원심력에 의해 관체(310) 내벽을 따라 아무런 저항 없이 회전 이동되는 형태이고 이에 따라 선회류는 더욱 균일화되고 가속되어 충분한 운동에너지를 갖게 된다. 관체(310) 빈 공간에 의한 균일화 및 가속 효과는 상기 도약 현상만으로 충분하지만, 더욱 바람직하게는 관체(310)의 후단에서 유체의 흐름 방향으로 관경이 감소되는 구조에 의해 그 가속 효과는 더욱 증가될 수 있다.

이와 같은 선회류형성부(300) 구조에 따르면, 종래 통상적인 방식에 따라 관체(310) 중앙부에서의 유체 흐름을 억제하지 않고 단순히 관체(310) 내벽에 나선형 글루브만을 형성하여 선회류를 유도하는 경우에 발생하는 관체(310) 중앙부 흐름과 측벽 흐름간 유동 저항으로 인한 압력 손실과 선회류의 회전력 감소 현상은 발생하지 않는다. 즉 선회류에 대한 극대화 과정과 선회류의 균일화 및 가속 과정을 스월러(320) 및 그 후단의 관체(310) 빈 공간에 의해 각각 분리 수행함으로써, 유동 저항은 최소화 하면서도 선회류에 대한 회전력, 균일화 및 가속 효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다. 이러한 극대화된 회전 및 가속 효과를 갖는 선회류가 후단의 유체전단부(400)를 통과하면서 미세기포 전환 효율 또한 극대화된다.

한편 상기 스월러(320)의 원주형 블록체와 이에 구비된 복수의 나선형 통로는 일체로 주조 또는 몰딩하여 제작되거나 또는 단일 블록체를 대상으로 나선형 통로를 별도로 가공하는 방식으로 제작될 수 있다. 그러나 이러한 제작 방식은 고비용이고 제조가 어려울 수 있고, 무엇보다도 운전 또는 사용조건에 따라 나선형 유로의 회전 피치를 가변시킬 수 없는 한계가 있다. 이러한 점을 고려하여 본 발명의 실시예에 따른 상기 스월러(320)는 원주방향으로 소정 간격을 갖는 복수의 홀(332)이 구비된 타공판 유닛(330)이 복수로 적층 조립되어 고정된 구조로 제작되는 것이 바람직하다.

상기 타공판 유닛(330)의 평면 형상은 관체(310)의 단면에 대응하여 원형이고, 상기 복수의 홀(332)은 원형 판의 주연부를 따라 원주방향을 소정 간격을 갖고 형성된다. 이 경우 복수의 타공판 유닛(330)을 적층하되, 적층된 상태에서 타공판 유닛(330) 간 홀(332)이 서로 연통되도록 순차적으로 회전시켜 적층한다. 이에 따라 타공판 유닛(330) 간 홀(332)이 서로 연통되어 형성된 유로는 상기 스월러(320)의 나선형 통로에 대응하게 된다. 타공판 유닛(330) 간 조립과정에서 일정한 회전 각도의 조절은, 예컨대 봉을 이용해 복수의 타공판 유닛(330)의 특정 홀(332)을 일렬로 삽입하고 이러한 봉을 타공판 유닛(330)의 중심간 연결축(P)을 기준으로 하여 소정 각도(θ) 경사지게 정렬한 상태에서 적층 고정함으로써 이루어질 수 있다. 이 경우 회전각도(θ) 범위를 크게 하고 홀(332) 간 연통을 용이하게 하기 위해, 홀(332)을 호형의 장공으로 형성할 수 있다. 타공판 유닛(330) 간 고정은 특별히 제한되지 않으며, 예컨대 실시예에서와 같이 타공판 유닛(330)의 중앙홀(334)을 통과하여 제2 볼트(350)를 이용해 고정하는 방식일 수 있다.

이와 같은 복수의 타공판 유닛(330)을 적층 고정한 스월러(320) 구조에 따르면, 단일 블록체를 대상으로 유로를 가공하거나 주조 또는 몰딩하는 방식 대비 제작이 용이하고 비용 또한 저렴하다. 또한 전단의 유체파단부(200)를 통한 유입량, 후단의 유체전단부(400)를 통한 토출량, 유체전단부(400) 통과 후 입자상 기포의 발생량과 미세기포 발생량 간의 양적 비율에 대한 조절 등과 같은 다양한 운전조건이나 사용조건에 따라 나선형 유로의 피치 간격을 탄력적으로 조절할 필요가 있는 경우에 있어서도, 스월러(320) 또는 이를 구성하는 타공판 유닛(330)을 별도 제작할 필요 없이 타공판 유닛(330) 간 홀(332)의 서로 연통될 수 있는 범위에서 적층 조립과정에서 그 회전 각도를 조절하는 것만으로도 충분하다.

상기 스월러(320) 또는 타공판 유닛(330) 조립체와 관체(310)를 결합 고정하는 수단은 도면에 도시되지 않았으나 특별히 제한되지 않으며 다양한 통상의 방식이 사용될 수 있다. 예컨대, 스월러(320) 또는 타공판 유닛(330) 조립체를 관체(310)의 선단에 체결링 또는 클램프를 이용해 결합시키는 방식으로 고정하거나, 스월러(320) 또는 타공판 유닛(330) 조립체의 외경이 관체(310) 내경에 대응하도록 제작하여 관체(310) 내부로 삽입한 상태에서 관체(310) 선단 측으로 나사결합되는 별도의 체결구(도면 미도시)를 이용해 결합시키는 방식일 수 있다. 이 경우 관체(310) 내부로 삽입한 스월러(320) 또는 타공판 유닛(330) 조립체의 후방 쪽 즉 유체 흐름방향으로 이동을 억제하기 위해서는 관체(310) 내부에 스토퍼(도면 미도시)가 구비될 수 있다.

도 6 내지 도 8, 도 10 내지 도 12을 참조할 때, 상기 미세기포 전환모듈(500)의 후단측을 구성하는 유체전단부(400)는 상기 선회류형성부(300)의 후단에 제공되어 유체와 함께 혼입된 기체를 미세기포로 전단하는 역할을 하며, 이러한 기체/액체 혼합물 또는 기포를 전단하기 위해 유체의 흐름 방향에 교차하는 방향으로 간섭되는 블레이드(410)를 기본적으로 포함한다. 이 경우, 상기한 선회류형성부(300)를 통과한 유체는 대체로 원주방향(a) 흐름을 갖기 때문에 이에 교차하는 블레이드(410)는 방사방향(b)으로 연장되는 모서리 요소이어야 한다. 이러한 유체의 흐름 방향(a)에 대해 소정 각도(σ)로 교차하는 블레이드(410)는 도 12에 도시된 바와 같이 유체전단부(400)의 원형 횡단면으로 보면, 그 횡단면 상에서 원주방향으로 형성되는 톱니(422) 형상의 티스(teeth)일 수 있다.

실시예에 따른 유체전단부(400)는 복수의 링형 블레이드판 유닛(420)을 제2 소켓(430) 하우징에 적층 고정한 형태로 제공되는 것으로 예시되어 있으며, 링형 블레이드판 유닛(420) 내주연 원주 방향으로 형성된 톱니(422)의 모서리가 기포 전단을 위한 블레이드(410)로 활용되고 있다. 링형 블레이드판 유닛(420)의 중앙에는 중심홀(424)이 구비되며, 복수의 링형 블레이드판 유닛(420)이 제2 소켓(430) 하우징 내에 적층된 상태에서 상호 연통된 중심홀(424)은 토출 유로로 기능한다.

상기 링형 블레이드판 유닛(420) 내주연 원주 방향으로 형성된 톱니(422)의 평면 형상은 실시예에서와 같이 곡선형일 수도 있지만, 삼각형 기타 각형일 수 있다. 레이저 가공을 이용하는 경우 가공성 측면에서는 곡선형이 용이할 수 있지만, 각형 톱니(422)의 경우 유체에 교차하는 모서리의 선형 요소가 직선형에서 더 예리하기 때문에 블레이드(410)의 전단 효과 측면에서는 더 유리할 수 있다.

상기 복수의 링형 블레이드판 유닛(420)의 중심홀(424)의 크기는 서로 동일하거나 또는 다를 수 있다. 중심홀(424)의 크기가 동일하면 적층된 상태에서 연통되어 형성되는 토출 유로의 내경도 일정하다. 이에 대해 실시예에서와 같이 중심홀(424)의 크기가 서로 다른 링형 블레이드판 유닛(420)을 적층하되 유체 흐름 방향으로 중심홀(424)의 크기가 커지도록 적층하는 경우, 연통된 중심홀(424)에 대응하는 유로의 내경은 유체 흐름 방향으로 증가하게 되어 디퓨저 또는 말광(末廣) 노즐과 유사한 유로의 단면 프로파일을 갖는다.

이러한 디퓨저와 유사한 유로의 단면 프로파일을 갖는 유체전단부(400)의 경우, 도 10에 도시된 바와 같이 토출 방향과 반대 방향으로 외부 유체에 의한 부압(NP; Negative Pressure)이 작용하게 되고, 이러한 외부 유체에 의한 부압은 토출 유체의 유속을 조절하는 한편, 토출 유체와의 사이에서 계면 유동을 유발함과 동시에 토출되는 유체 흐름을 유체전단부(400)의 내주면에 더욱 가압 밀착시켜 내주면을 따라 회전케 함으로써 토출 유체에 대한 블레이드(410)의 전단 효과를 더욱 크게 하여 궁극적으로 미세기포 전환 효율을 극대화한다.

한편 실시예에서는 블레이드(410) 형성을 위해 내주연 원주 방향으로 톱니(422)가 구비된 링형 블레이드판 유닛(420)을 예시하고 있지만 이에 제한되는 것을 해석되지는 않으며, 앞서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 유체전단부(400)는 유체의 흐름 방향에 교차하는 방향으로 간섭되는 블레이드(410)를 구비하기만 하면 다양한 방식으로 제공될 수 있고, 예컨대 링형 블레이드판 유닛(420)을 적층하는 방식 대신에 단일 블록체를 내벽에 블레이드(410) 요소를 가공하거나 주조 또는 몰딩하는 방식일 수 있다.

다만 내주 절삭형 날이 형성된 원판 형태의 링형 블레이드판 유닛(420)을 이용한 유체전단부(400)를 형성하는 경우 용도, 운전 및 사용 조건에 따라 유체의 토출량 및 성질을 쉽게 가변시킬 수 있어 유리하다. 예컨대 유체전단부(400)의 도입부 직경이 커질수록 토출 유속과 상대적으로 큰 직경의 입자상 기포의 발생량(particulate bubble)이 증가하지만, 반대로 도입부 직경이 작을수록 토출 유속은 감소하고 상대적으로 작은 직경의 미세기포(fine bubble) 발생량이 증가하게 된다. 따라서 용도에 따라 링형 블레이드판 유닛(420)의 중심홀(424) 크기를 적절히 선택하여 도입부의 직경을 제어함으로써 토출 유속과 함께 입자상 기포와 미세기포 간 발생 비율을 용이하게 제어할 수 있다.

결과적으로 유체전단부(400)의 도입부 직경에 대한 조절은 유체전단부(400)를 복수의 블레이드판 유닛(420)을 적층하여 유체전단부(400)로 한 구성으로부터 보다 용이해 질 수 있다. 즉 복수의 블레이드판 유닛(420)을 중심홀(424) 크기에 따라 다양한 규격으로 미리 제작한 후, 요구되는 도입부 직경에 맞는 중심홀(424)을 갖는 블레이드판 유닛(420)을 유체전단부(400) 도입부에 배치되도록 함으로써 도입부 직경에 대한 크기를 용도에 따라 용이하게 조절할 수 있다.

기타 상기 복수의 링형 블리이드판 유닛 간 고정도 특별히 제한되는 것은 아니며, 탈부착을 용이하게 하기 위해 통형의 제2 소켓(430) 하우징 내에 복수의 링형 블레이드판 유닛(420)을 중심홀(424) 크기에 맞춰 순차적으로 적층한 상태에서 상기 통형의 제2 소켓(430) 하우징 내벽면에 나사 결합되는 고정구(440)로 밀착시켜 수행될 수 있다. 또한, 선회류형성부(300)의 후단과 유체전단부(400)의 전단 사이의 결합도 특별히 제한되는 것은 아니며, 예컨대 유체전단부(400)의 전단을 선회류형성부(300)의 후단에 삽입되어 나사결합되는 방식이거나, 또는 유체전단부(400)의 제2 소켓(430) 하우징과 선회류형성부(300)의 관체(310)를 별도 제작 후 그 이음부에서 용접하거나 또는 양자를 처음부터 일체형으로 제작하는 것도 가능하다.

이상과 같이 본 발명에 따른 미세기포 발생장치(10) 및 방법에 따르면, 기체/액체 혼합유체에 대한 파단 및 기체 포화도 개선을 위한 전처리 과정을 거친 후 극대화된 선회류 형성 및 전단 과정을 통해 미세기포를 발생시킴으로써, 미세기포 전환 및 에너지 효율을 크게 개선할 수 있다. 또한 미세기포 전환모듈(500)을 구성하는 선회류형성부(300) 및 유체전단부(400)에 대한 조립 형태를 조절하여 미세기포의 크기나 발생량을 그 용도, 운전 및 사용조건에 따라 용이하게 가변적으로 제어할 수 있다. 또한 이러한 우수한 미세기포 전환 효율 및 에너지 효율과, 미세기포의 크기나 발생량에 대한 용이한 제어를 통해, 장치의 소형화를 구현할 수 있다. 또한 상기 미세기포 발생장치(10)는 구조가 간단하고, 유지 보수가 용이하고, 오폐수 처리장치의 유량조정조 및 폭기조에 대한 고효율 폭기 및 호기성 조건 도모, 호수 정화, 악취오염물에 대한 악취저감효과, 유기용제 및 황화수소가스 메탄가스 등 악취 유발물질 제거를 위한 집진기의 흡착용 살포수, 수산물의 육성 촉진 및 신선도 유지, 고농도 산소수, 식품가공과정에서 세척, 살균 및 각종 세정 등 다양한 용도에 적용될 수 있다.

이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항으로서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서 이러한 모든 수정과 변경은 청허범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.

10: 미세기포발생장치
100: 포화용해탱크
110: 입구
120: 출구
130: 드레인
140: 브라켓
150: 레그
200: 유체파단부
210: 파단노즐
212: 기체 유입구
220: 제1 소켓
230: 타격판
240: 격판
242: 관통홀
250: 제1 볼트
300: 선회류형성부
310: 관체
320: 스월러
330: 타공판 유닛
332: 홀
334: 중앙홀
350: 제2 볼트
400: 유체전단부
410: 블레이드
420: 링형 블레이드판 유닛
422: 톱니
424: 중심홀
430: 제2 소켓 (하우징)
440: 고정구
500: 미세기포 전환모듈

Claims (8)

1. 기체/액체 혼합유체의 유출입을 위한 입구 및 출구가 구비된 포화용해탱크; 및 상기 포화용해탱크의 출구 측에 구비되어 혼입된 기체를 미세기포로 전환하여 상기 포화용해탱크 외부의 액체로 배출하는 미세기포 전환모듈;을 포함하고, 상기 미세기포 전환모듈은, 기체/액체 혼합유체를 관체 내 나선형 흐름으로 유도하는 선회류형성부; 및 상기 선회류형성부 후단에 제공되어 혼입된 기체를 미세기포로 전단하는 블레이드가 구비된 유체전단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 입구 측에 구비되어 기체/액체 혼합유체를 가속하여 충돌시킴으로써 액체 내 기포 크기를 감소시키는 유체파단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 선회류형성부는 관체; 및 상기 관체에 결합된 스월러;를 포함하고, 상기 스월러는 복수의 나선형 통로를 구비하되, 복수의 나선형 통로는 관체 내 유체 이동방향으로 연장 형성되며 상호간에 원주방향으로 소정 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생장치.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 스월러는 원주방향으로 소정 간격을 갖는 복수의 홀이 구비된 타공판 유닛이 복수로 적층조립되어 고정된 구조이고, 복수의 타공판 유닛이 적층된 상태에서 타공판 유닛 간 홀이 상기 나선형 통로에 대응되는 유로로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 블레이드는 상기 유체전단부의 횡단면 상에서 원주방향으로 형성되는 톱니인 것을 특징으로 하는 미세기포 발생장치.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 유체전단부는 링형 블레이드판 유닛이 복수로 적층되어 고정된 구조이고, 상기 블레이드판 유닛의 내주면을 따라 형성된 톱니가 상기 블레이드를 구성하는 것을 특징으로 하는 미세기포 발생장치.
   
7. (a) 기체를 액체에 혼입된 기체/액체 혼합유체를 형성하는 단계; (b) 상기 기체/액체 혼합유체를 가압 이송하여 선회류를 형성하는 단계; 및 (c) 상기 선회류를 교차하도록 간섭하는 블레이드를 이용해 혼입된 기포를 전단하는 단계;를 포함하는 미세기포 발생방법.
   
8. 제7항에 있어서, 상기 (a) 단계 이전에 기체/액체 혼합유체를 가속하여 충돌시키는 단계 를 더 포함하는 미세기포 발생방법.
   

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