KR20210115939A - 마이크로 버블 생성 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 버블 생성장치에 관한 것이다. 본 발명은 설치공간(12)이 양측으로 개구되어 형성되는 메인블록(10)과, 상기 설치공간(12)에 분리가능하게 결합되고 내부에는 그 양단이 상기 유입홀(35) 및 배출홀(45)에 각각 연통되되 중심부의 직경이 상대적으로 줄어드는 노즐공간(52)이 형성되며 상기 노즐공간(52)은 외부와 연결되어 외부로부터 공기가 유입되는 노즐수단(50) 및 유체유동부를 포함한다. 본 발명은 유체가 마이크로 버블 생성장치 내부로 흐르는 과정에서, 내장된 노즐수단(50)의 벤츄리효과를 통해 외부의 기체가 노즐 내부로 자연스럽게 유입된다. 본 발명에서는 외부의 기체를 주입하기 위한 별도의 장치 및 구동원이 필요하지 않게 되고, 마이크로 버블 생성장치의 구조가 단순해지고 부품수가 줄어들게 되며, 결과적으로 마이크로 버블 생성장치의 제조비용이 감소한다.

Description

마이크로 버블 생성 장치{THE MICRO-BUBBLE CREATING DEVICE}

본 발명의 용어, "마이크로 버블(micro-bubble)"은 기포 직경이 50㎛ 이하의 기포를 말하며, "마이크로 버블수(micro-bubble water)"는 상기 마이크로 버블로 이루어진 물을 말한다. 마이크로 버블은 기포 표면에서의 이온농축과 부착능력이 증가하며, 기포 소멸 시 자기가압(압축, 파괴 연쇄반응)에 의해 순간 초음파 및 초고온(약 5,500℃ 이론적 계산수치)의 국소온도가 발생하는 특징을 갖고 있다. 마이크로버블 또는 나노버블(nano-bubble)은 밀리버블(milli-bubble)과 달리, 수면으로 0.1cm/sec의 매우 느린 속도로 상승하며, 높은 비표면적, 높은 용해도, 확산성 등을 가지고 있으며, 400MHz의 초음파 및 140dB의 높은 음압을 발생시키는 특징이 있다. 또한, 수중 가압, 용해 후 파단시켜 발생되며, 미세한 기포를 형성하여 공정 내 처리수 입자에 부착되며, 수중에서 계면흡착되고 이동되어 부상분리되는 특징이 있다.

본 발명은 이러한 1 ~ 50um 이하의 마이크로 버블 생성장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 내부에 설치된 노즐수단이 자흡방식을 이용하여 외부의 공기를 유입함으로써 마이크로 버블을 발생시키는 마이크로 버블 생성장치에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로 버블 발생장치는 1 ~ 50um 이하의 눈으로 확인할 수 없는 마이크로 버블(미세기포)을 강제로 발생시켜서 용존산소량을 증가시킴으로써 오염된 물을 정화하거나, 그 밖에 샤워기, 비데 또는 욕조 등에 구비되어 마사지, 나아가 건강 증진, 피로회복 등의 용도로 음용되는 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

이러한 마이크로 버블 발생장치에 관한 종래 기술로는, 공개특허공보 제10-2010-0032971호, 등록특허공보 제10-0824714호, 공개특허공보 제10-2008-0092750호, 공개특허공보 제10-2010-0045422호 등이 개시되어 있다.

이러한 종래기술은 물에 공기를 주입한 후에 혼합류를 발생시키거나 내부에 설치된 다공성 막을 이용하여 기포의 크기를 작게 하는 방식이 사용되거나, 압력강하를 통한 공동현상을 이용하여 기포의 크기를 작게 하기도 하며, 또는 임펠러나 기어 등 회전하는 기구를 통해 기포의 크기를 작게 하는 방식이 사용되었다.

그러나 종래의 기술들은 공기를 주입하여 이상유동을 만들기 위한 추가설비를 필요로 하거나, 압력강하를 통해 기포를 작게 만드는 경우에는 소비전력의 증가로 이어졌다. 따라서 마이크로 버블 발생장치의 구조가 복잡하여 그 설계 및 생산에 비용과 시간이 많이 소모되는 문제가 있었다.

그리고 종래의 마이크로 버블 발생장치는 핵심 부품이라고 할 수 있는 노즐이 금속재질로 만들어지는데, 그 형상을 정교하게 하기 위한 가공비가 많이 발생하고, 재질의 특성상 가공이 용이하지 않은 문제점이 있었다. 또한, 사용 중에 노즐이 막히거나 손상될 경우에 마이크로 버블 발생장치 전체를 교체해야 했으며, 유지보수성이 떨어지는 문제점도 있었다.

본 발명의 목적은 벤츄리효과를 이용하여 별도의 장비나 구동원 없이도 외부의 공기가 주입되어 물과 혼합될 수 있도록 함으로써 마이크로 버블 생성장치의 구조를 간소화하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 마이크로 버블 생성장치의 노즐을 3D 프린팅을 이용하여 제조함으로써 노즐을 보다 정교하게 제조하고, 또한 노즐의 교체가 용이하도록 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 마이크로 버블 생성장치로 유입되는 유체의 운동에너지를 높여 마이크로 버블의 크기를 더욱 미세하게 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 설치공간이 양측으로 개구되어 형성되는 메인블록과, 상기 설치공간에 분리가능하게 결합되고 내부에는 그 양단이 개구되어 유체가 통과하되 중심부의 직경이 상대적으로 줄어드는 노즐공간이 형성되며 상기 노즐공간은 외부와 연결되어 외부로부터 공기가 유입되는 노즐수단과, 유체의 흐름을 변화시키도록 상기 노즐수단의 내부에 설치되되 유체의 흐름을 제어하여 생성되는 버블의 직경을 작게 하는 유체유동부를 포함한다.

상기 유체유동부는 상기 노즐공간의 길이방향으로 연장되는 나선구조의 스크류 또는 상기 노즐수단의 배출채널에 상기 배출채널의 폭을 좁히는 방향으로 가장자리를 따라 돌출되는 간섭부 중 적어도 어느 하나로 구성된다.

상기 설치공간의 입구측에 결합되고 외부로부터 유체가 유입되는 유입홀이 형성되는 제1커버와, 상기 제1커버의 반대편에 해당하는 상기 설치공간의 출구측에 결합되고 유입된 유체가 배출되는 배출홀이 형성되는 제2커버가 더 포함되고, 상기 유입홀 및 상기 배출홀은 각각 상기 노즐공간의 양단에 연결된다.

상기 유체유동부 중 스크류는 상기 노즐공간의 내면에 유입되어 형성되거나 상기 노즐공간의 내면으로부터 돌출되어 구비된다.

상하로 상기 노즐수단은 내부에 유입채널이 형성되는 제1노즐몸체와, 내부에 배출채널이 형성되는 제2노즐몸체와, 상기 제1노즐몸체 및 제2노즐몸체 사이에 구비되고 내부에는 상기 유입채널 및 배출채널 사이를 연결시키되 상기 유입채널 및 배출채널 보다 작은 직경을 갖는 자흡채널이 형성되고 상기 자흡채널과 연결됨과 동시에 외부와 연통되어 외부의 공기가 유입되는 기체 유입로가 형성되는 중심몸체를 포함하며, 상기 유입채널, 배출채널 및 자흡채널은 연속적으로 연결되어 상기 노즐공간을 형성하고, 상기 유체유동부는 상기 제1노즐몸체의 유입채널에 구비된다.

가동 상기 노즐수단의 자흡채널을 통해 유입되는 공기의 자흡량은 0.5~2.0LPM이고, 유입되는 유체의 유입량은 60~100LPM이다.

상기 유체유동부 중 스크류는 상기 제1노즐몸체에 형성된 유입채널 내면에 구비되고, 상기 간섭부는 상기 제2노즐몸체의 배출채널 출구 가장자리에 형성된다.

위에서 살핀 바와 같은 본 발명에 의한 마이크로 버블 생성장치에는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 유체가 마이크로 버블 생성장치 내부로 흐르는 과정에서, 내장된 노즐수단의 벤츄리효과를 통해 외부의 기체가 노즐 내부로 자연스럽게 유입된다. 따라서 본 발명에서는 외부의 기체를 주입하기 위한 별도의 장치 및 구동원이 필요하지 않게 되고, 마이크로 버블 생성장치의 구조가 단순해지고 부품수가 줄어들게 되며, 결과적으로 마이크로 버블 생성장치의 제조비용이 감소하는 효과가 있다.

둘째, 본 발명은 벤츄리효과를 통해 기체가 유입되어 마이크로 버블을 발생시키고 별도의 공기주입장치가 생략 되므로, 마이크로 버블 생성장치의 소형화가 가능해진다. 이에 따라 마이크로 버블 생성장치를 보다 다양한 환경 및 장소에 적용할 수 있어 마이크로 버블 생성장치의 호환성이 향상된다.

셋째, 특히 본 발명에서는 노즐수단을 통해 외부의 기체가 노즐 내부로 유입되면서 노즐수단 내부를 흐르는 유체에 합류하여 유체 내부에 마이크로 버블을 발생시키므로, 별도의 전원 없이도 풍부한 마이크로 버블을 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

넷째, 본 발명의 노즐수단 내부에 구비된 유체유동부는 유입되는 유체를 회전시켜 운동에너지를 높이고 소정의 난류를 발생시킴으로써, 발생한 마이크로 버블을 더욱 작게 분쇄할 수 있고, 따라서 마이크로 버블을 더욱 효과적으로 미세화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 마이크로 버블 생성장치의 일실시례의 구성을 보인 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 마이크로 버블 생성장치의 일실시례의 구성을 보인 분해사시도.
도 3은 본 발명에 의한 마이크로 버블 생성장치의 일실시례의 구성을 보인 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 마이크로 버블 생성장치를 구성하는 노즐수단의 일실시례의 구성을 보인 사시도.
도 5는 본 발명에 의한 마이크로 버블 생성장치를 구성하는 노즐수단의 일실시례의 구성을 보인 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 마이크로 버블 생성장치를 구성하는 노즐수단을 통해 버블이 발생되는 과정을 보인 개념도.
도 7은 본 발명에 의한 마이크로 버블 생성장치를 구성하는 노즐수단의 다른 실시례의 구성을 보인 단면도.
도 8내지 도 12는 본 발명에 의한 마이크로 버블 생성장치의 유량과 자흡량을 조절하여 버블의 크기를 측정한 데이터를 나타낸 그래프.
도 13A는 2년근 묘삼에 마이크로 버블수를 사용하면 일반수를 사용한 것에 비해 세근이 현저하게 많이 존재함이 확인되는 사진.
도 13B는 마이크로 버블수를 사용하는 경우 인삼의 생장기가 되면 일반수에서 보다 뿌리가 더 굵어지고 커졌음이 확인되는 사진.

마이크로 버블을 생산하는 원리는 하기 표 1과 같으나, 버블의 생산방식에 무관하게 버블의 물리적 특징은 동일하게 작용하고 있다. 마이크로 버블은 수면으로의 상승속도가 느리게 작용되며, 수중에서 축소하고 소멸하여 완전 용해된다. 마이크로 버블은 세정에 관한 산화의 가능성이 증가하고 소멸시 초고압, 초고온을 형성하며 에너지를 발산하게 된다. 표면 대전(帶電)에 의한 정전반발력이나 계면활성제에 의해 장시간 안정화 기능이 나타난다.

이러한 마이크로 버블을 생성함에 있어서, 본 발명의 일부 실시례들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시례를 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시례에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시례의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명은 의한 마이크로 버블 생성장치에 관한 것이다. 마이크로 버블 생성장치는 100㎛ 이하의 버블(기포)이 포함된 유체를 공급하기 위한 것으로, 이를 위해 마이크로 버블 생성장치의 일측으로는 일반 유체(예를 들어 물)가 유입되고, 마이크로 버블 생성장치 내부를 거치면서 버블을 내포한 유체가 타측으로 배출된다.

도 1에는 본 발명에 의한 마이크로 버블 생성장치의 일실시례가 도시되어 있다. 이에 보듯이, 마이크로 버블 생성장치의 중심에는 메인블록(10)이 구비되고, 그 양측으로 제1커버(30) 및 제2커버(40)가 결합된다. 본 실시례에서 상기 메인블록(10), 제1커버(30) 및 제2커버(40)는 각각 원통형상으로 형성되는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 입체형상을 가질 수 있다.

도 2에서 보듯이, 상기 메인블록(10)은 다시 중심의 블록몸체(11)와, 상기 블록몸체(11)의 양단에 각각 구비되는 플랜지부(20)를 포함한다. 상기 플랜지부(20)는 상기 블록몸체(11)에 비해 큰 직경을 갖는데, 한 쌍의 플랜지부(20)에는 제1커버(30) 및 제2커버(40)가 각각 결합된다.

상기 메인블록(10)의 중심에는 설치공간(12)이 형성된다. 상기 설치공간(12)은 상기 메인블록(10)을 관통하여 형성된 것으로, 아래에서 설명될 노즐수단(50)이 그 내부에 설치된다. 상기 설치공간(12)은 원형의 횡단면 형상을 가지고, 노즐수단(50)이 상기 설치공간(12)에 압입되어 고정될 수 있다. 물론, 상기 노즐수단(50)은 반드시 설치공간(12)에 압입될 필요는 없으며, 제1커버(30) 및 제2커버(40)에 의해 고정될 수도 있다.

상기 메인블록(10)에는 기체유입구(13)가 구비된다. 상기 기체유입구(13)는 외부로부터 기체를 공급하기 위한 호스가 연결되는 부분으로, 상기 메인블록(10)의 설치공간(12) 및 외부를 연통시킨다. 상기 기체유입구(13)에는 호스 등이 연결되거나 또는 별도의 부품이 연결되지 않고 개방된 상태로 사용될 수도 있다.

상기 메인블록(10)의 일측에는 제1커버(30)가 결합된다. 상기 제1커버(30)는 상기 설치공간(12)의 입구측에 결합되고, 상기 제1커버(30)에는 외부로부터 유체가 유입되는 유입홀(35)이 형성된다. 상기 유입홀(35)은 상기 제1커버(30)로부터 돌출된 유입관 내부에 형성될 수 있다. 상기 제1커버(30)는 상기 메인블록(10)에 체결구를 통해 결합되며, 메인블록(10)과의 사이에 오링이 구비된다.

상기 메인블록(10)의 타측에는 제2커버(40)가 결합된다. 상기 제2커버(40)는 상기 제1커버(30)의 반대편에 해당하는 상기 설치공간(12)의 출구측에 결합되고, 상기 제2커버(40)에는 유입되었던 유체가 배출되는 배출홀(45)이 형성된다. 상기 제2커버(40) 역시 제1커버(30)와 마찬가지로 상기 메인블록(10)에 체결구를 통해 결합되며, 메인블록(10)과의 사이에 오링이 구비된다.

도 3에 잘 도시된 바와 같이, 상기 제1커버(30) 및 제2커버(40)에 각각 형성된 유입홀(35) 및 배출홀(45)은 상기 설치공간(12)의 직경보다 작게 형성된다. 이에 따라 상기 유입홀(35) 및 배출홀(45)은 상기 설치공간(12)에 설치된 노즐수단(50)이 유입홀(35) 또는 배출홀(45) 측으로 빠져나오는 것이 방지될 수 있다. 물론 상기 유입홀(35) 및 배출홀(45)은 상기 설치공간(12)의 직경보다 크거나 같게 형성되고, 노즐수단(50)이 설치공간(12)에 압입되거나 별도의 체결구에 의해 고정될 수도 있다.

상기 메인블록(10)의 설치공간(12)에는 노즐수단(50)이 설치된다. 상기 노즐수단(50)은 상기 설치공간(12)에 설치되고, 상기 제1커버(30)의 유입홀(35)을 통해 유입된 유체가 상기 노즐수단(50)을 통과하면서 마이크로 버블이 생성하게 된다. 상기 노즐수단(50)은 상기 설치공간(12)에 분리가능하게 결합되며, 따라서 원하는 버블의 크기에 따라 노즐수단(50)의 교체가 가능하고, 노즐수단(50)의 유지 보수를 위한 목적으로도 노즐수단(50)의 분리가 가능하다. 이에 대해서는 아래에서 다시 설명하기로 한다.

상기 노즐수단(50)은, 도 4 및 도 5에서 보듯이, 제1노즐몸체(51), 제2노즐몸체(53) 및 중심몸체(55)를 포함한다. 상기 제1노즐몸체(51)는 상기 제1커버(30)에 가까운 위치에 구비된 것이고, 제2노즐몸체(53)는 상기 제2커버(40)에 가까운 위치에 구비된 것이다. 그리고, 상기 중심몸체(55)는 상기 제1노즐몸체(51) 및 제2노즐몸체(53) 사이에 구비된다. 이들 제1노즐몸체(51), 제2노즐몸체(53) 및 중심몸체(55)는 일체로 형성되거나 또는 별개 부품으로 구성될 수 있으나, 본 실시례에서는 일체로 형성되고, 그 내부에 노즐공간(52)이 연속적으로 연결되게 형성된다.

보다 정확하게는, 상기 제1노즐몸체(51)의 내부에는 유입채널(S1)이 형성되고, 제2노즐몸체(53)의 내부에는 배출채널(S3)이 형성된다. 그리고, 상기 중심몸체(55)에는 상기 유입채널(S1) 및 배출채널(S3) 사이를 연결시키되 상기 유입채널(S1) 및 배출채널(S3) 보다 작은 직경을 갖는 자흡채널(S2)이 형성된다. 상기 자흡채널(S2)은 상기 노즐수단(50)의 노즐공간(52) 중에서 상대적으로 직경이 작아지는 부분으로, 이에 따라 상기 노즐공간(52)을 통과하는 유체는 자흡채널(S2)을 지날 때 속도는 증가하나 압력이 낮아지게 된다.

이는 노즐공간(52)의 벤츄리효과(venturi effect)를 통해 외부의 기체가 자연스럽게 유입될 수 있도록 하기 위한 것으로, 상기 중심몸체(55)에는 외부의 기체가 유입될 수 있는 기체유입로(57)가 형성된다. 상기 기체유입로(57)는 상기 자흡채널(S2)과 연결됨과 동시에 외부와 연통되어 외부의 공기가 유입될 수 있도록 한다. 이때, 상기 기체유입로(57)는 상기 메인블록(10)에는 기체유입구(13)와 연결되어 기체유입구(13)를 통해 유입된 기체가 기체유입로(57)를 따라 이동하게 된다. 앞서 설명한 바와 같이 기체유입구(13)에 호스가 연결되어 일정 이상의 압력으로 기체가 유입될 수도 있다. 본실시례에서 상기 노즐수단(50)에 형성되는 기체유입로(57)는 상기 노즐 공간(52)의 길이방향에 대해 직교한 방향으로 연장된다.

상기 기체유입로(57)는 상기 자흡채널(S2)을 중심으로 방사상으로 다수개가 형성될 수 있는데, 본 실시례에서 상기 기체유입로(57)는 상기 중심몸체(55)를 둘러 일정한 간격으로 다수개가 형성된다. 이때, 상기 노즐수단(50)의 중심몸체(55)의 외면과 이를 감싸는 메인블록(10)의 내면 사이에 간격이 형성되어 소정의 공간이 형성된다. 그리고 상기 공간에는 외부로부터 유입된 기체가 머물 수 있으므로, 비록 기체유입구(13)는 하나이지만 이를 통해 유입된 기체는 상기 공간을 통해 다수개의 기체유입로(57)로 전달될 수 있다.

한편, 상기 기체유입로(57)에는 조절밸브(미도시)가 구비될 수 있다. 상기 조절밸브는 상기 기체유입로(57)가 개방된 정도를 조절하기 위한 것이다. 상기 조절밸브를 통해 기체유입로(57)로 유입되는 기체의 양(유량)을 조절함으로써 생성되는 버블(기포)의 크기를 조절할 수 있다. 물론, 상기 조절밸브는 기체유입로(57)가 아니라 메인블록(10)의 기체유입구(13)에 형성되거나 또는 기체유입구(13)에 연결되는 공급수단인 호스 등에 구비될 수도 있다.

도 6에서 보듯이, 상기 노즐수단(50)의 배출채널(S3)에는 간섭부(58)가 구비된다. 상기 간섭부(58)는 상기 배출채널(S3)의 폭을 좁히는 방향으로, 상기 배출채널(S3) 출구 가장자리를 따라 돌출되어 구비되는 것으로, 상기 배출채널(S3)의 일단이 일종의 오리피스가 되도록 한다. 상기 간섭부(58)는 노즐수단(50)의 자흡채널(S2)을 통과하여 버블을 내포한 유체가 배출채널(S3) 내벽에 부딪히도록 유도하는 부분으로, 그 돌출된 형상과 두께는 다양한 변형이 가능하다. 상기 간섭부(58)에 부딪히면서 유체에 함유된 버블은 더욱 미세하게 분쇄될 수 있다.

도 7에서 보듯이, 상기 노즐수단(50)의 노즐공간(52)에는 유체유동부(58,60)가 구비될 수도 있다. 상기 유체 유동부(58,60)는 유체의 흐름을 변화시키도록 상기 노즐 수단(50)의 내부에 설치되되 유체의 흐름을 제어하여 발생되는 버블의 직경을 작게 하는 것이다. 상기 유체유동부(58,60)는 상기 노즐공간(52)의 길이방향으로 연장되는 스크류(60) 또는 상기 노즐수단(50)의 배출채널(S3)에 상기 배출채널(S3)의 폭을 좁히는 방향으로 가장자리를 따라 돌출되는 간섭부(58) 중 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다.

이중에서 상기 스크류(60)는 상기 노즐공간(52)의 길이방향을 따라 구비되어 상기 노즐공간(52)에 유입되는 유체의 회동을 유도한다. 이를 통해 유체의 운동에너지가 증가하고 난류가 발생하며, 그 과정에서 버블이 유체 내부에 함유되는 양이 늘어남과 동시에 버블은 더욱 미세하게 분쇄될 수 있다.

즉, 상기 스크류(60)는 상기 노즐수단(50)의 내부에 상기 노즐공간(50)의 길이 방향을 따라 구비되어 상기 노즐공간(50)으로 유입되는 유체의 흐름을 제어하는 역할을 한다. 상기 스크류(60)는 상기 노즐공간(50)의 길이방향으로 연장되는 나선형태의 나선구조로 형성되되, 상기 스크류(60)는 상기 노즐공간(50)의 내면에 요입되어 형성되거나 상기 노즐공간의 내면으로부터 돌출되어 구비될 수 있는데, 도 7에는 돌출된 실시례가 도시되어 있다.

이때, 상기 유체유동부(58,60) 중 스크류(60)는 상기 제1노즐몸체(51)에 구비되는 것이 바람직하다. 이는 상기 스크류(60)가 제2노즐몸체(53)에 형성된 것에 비하여, 제1노즐몸체(51) 내부의 유입채널(S1)에 형성될 때 자흡채널(S2)에서 생성되는 버블(기포)의 크기가 작아지기 때문이다.

보다 정확하게는, 유체가 노즐수단(50)에 유입된 후에 자흡채널(S2)을 통과하기에 앞서, 제1노즐몸체(51)를 통과하는 과정에서 스크류(60)에 의해 회전하게 되면 운동에너지가 증가하고 소정의 난류가 발생하게 되는데, 유체가 이러한 상태에서 자흡채널(S2)을 통과하면 버블을 더욱 작게 분쇄할 수 있는 것이다.

이에 더하여, 상기 스크류(60)가 상기 제1노즐몸체(51)에 구비되었을 때 상대적으로 더욱 많은 버블이 노즐수단(50) 내부에 발생한다. 도 8을 참조하면, 도 8의 Screw＋노즐은 상기 유체유동부(58,60)인 스크류(58)가 상기 제1노즐몸체(51)에 구비된 예이고, 노즐＋Screw는 상기 유체유동부(58,60)인 스크류(58)가 제2노즐몸체(53)에 구비된 예를 각각 나타낸다. 이에 보듯이, 같은 유체유량이 공급될 때 유체유동부(58,60) 중 스크류(60)가 제1노즐 몸체(51)에 구비되었을 때 더욱 많은 버블이 발생함을 알 수 있다. 따라서 버블의 발생량 측면에서도 상기 유체 유동부(58,60)가 상기 제1노즐몸체(51)에 구비되는 것이 바람직하다.

도 9에는 상기 스크류(60)의 설치위치에 따른 버블의 직경을 나타낸 것이다. 도 9에서 Screw전단은 상기 유체유 동부(58,60)인 스크류(58)가 상기 제1노즐몸체(51)에 구비된 예이고, Screw후단은 상기 유체유동부(58,60)인 스크류(58)가 제2노즐몸체(53)에 구비된 예를 각각 나타낸다. 이에 보듯이, 같은 유체유량이 공급될 때 유체유동부(58,60) 중 스크류(60)가 제1노즐몸체(51)에 구비되었을 때 버블의 직경이 더욱 작은 것을 알 수 있다. 따라서 버블의 크기 측면에서도 상기 유체유동부(58,60)가 상기 제1노즐몸체(51)에 구비되는 것이 바람직하다.

다만, 스크류(58)가 제2노즐몸체(53)에 구비되면 버블이 토출되는 과정에서 넓게 퍼져 나오는 특징을 갖게 된다. 따라서, 설치환경이나 조건 등에 따라 스크류(58)의 설치위치는 제1노즐몸체(51)나 제2노즐몸체(53)로 선택할 수 있다. 물론 상기 스크류(58)를 제1노즐몸체(51) 및 제2노즐몸체(53) 양측에 각각 설치할 수도 있을 것이다.

도 10의 시험데이터 그래프를 참조하면, 도 10는 유체의 유입량(x축)과 버블의 발생량(자흡량, y축) 사이의 관계를 나타내고 있다. 이에 보듯이, 버블의 발생량(자흡량)은 유입유량과 정비례 관계에 있음을 알 수 있다. 노즐수단(50)을 통해 발생하는 버블의 발생량은 유입유량이 증가할수록 함께 증가하는데, 다만 유입유량을 늘이는 데에는 한계가 있으므로 버블의 발생량 역시 유입유량에 종속된다고 할 것이다.

참고로 본 시험에서는 유입유량을 10LPM에서 100LPM까지 늘이면 시험을 수행하였고, 총 3가지 타입의 노즐수단(50)을 사용하였다. 이들은 노즐수단(50)의 유체유동부(58,60)가 구비되지 않은 제1타입(도면상에서 Bare로 표시됨), 유체유동부(58,60)인 스크류(60)를 적용한 제2타입(도면상에서 Screw로 표시됨), 유체유동부(58,60)인 간섭부(58)를 적용한 제3타입(도면상에서 Dimple로 표시됨)이다.

도 10에서 보듯이, 노즐수단(50)의 유체유동부(58,60)가 구비되지 않은 제1타입이 공기 자흡량에서는 가장 유리하다는 것을 알 수 있고, 유체유동부(58,60)인 스크류(60)를 적용한 제2타입이 공기 자흡량이 상대적으로 적은 것을 알 수 있다.

다만 도 10에서 보듯이, 그 차이가 크지 않고, 유체유입량 100LPM 일 때 공기 자흡량은 20LPM 이상인 것을 볼 수 있어 공기 자흡량은 모든 타입에서 충분히 얻을 수 있다. 바람직하게는, 공기의 자흡량은 10~20LPM이고, 유입되는 유체의 유입량은 60~100LPM이다. 참고로, 유체 유입량은 노즐수단(50)의 노즐공간(52) 직경에 따라 필요한 정도가 달라질 수 있으며, 본 시험은 그 최적값을 도출한 것이다.

도 11은 유체의 유입량을 증가시켰을 때 버블의 크기를 측정한 것이다. 참고로, 본 실험에서는 공기자흡량에 영향 받지 않도록 공기자흡량은 0.5LPM으로 일정하게 유지되도록 조절하면서 유체의 유입량만을 증가시켰다. 그 결과, 유체의 유입량을 증가시키면 버블의 크기는 대체적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 특히, 유체유동부(58,60)인 간섭부(58)를 적용한 제3타입에서 버블의 크기가 가장 작게 만들어 진다.

도 12는 공기 자흡량을 증가시켰을 때 버블의 크기를 측정한 것이다. 참고로, 본 실험에서는 유체의 유입량에 영향받지 않도록 유체자흡량은 100LPM으로 일정하게 유지되도록 조절하면서 공기자흡량만을 증가시켰다. 그 결과, 공기자흡량을 증가시키면 버블의 크기는 대체적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 유체유동부(58,60)인 간섭부(58)를 적용한 제3타입에서 버블의 크기가 상대적으로 가장 작게 형성되긴 하지만, 제1타입~제3타입 모두 전반적으로 버블의 크기가 증가됨을 알 수 있다.

도 11 및 도 12의 실험 결과에서 알 수 있듯이, 유체유입량이 증가하면 버블의 크기가 감소하고, 공기 자흡량이 증가하면 버블의 크기가 증가하는 경향을 알 수 있다. 한편, 도 10에서 보듯이 유체유입량과 공기자흡량은 서로 비례한다. 따라서, 버블의 크기를 일정 이하로 유지하기 위해서는 유체유입량을 일정한 범위 이내로 한정하여 공기자흡량을 제한할 필요가 있다.

예를 들어 버블의 크기를 200~300um로 하기 위해서는 공기자흡량을 0.5LPM 이하로 유지하면서 유체유입량은 60~100LPM으로 조정할 수 있다. 다만, 유체유입량을 100LPM 수준으로 증가시키면, 공기자흡량을 10~20LPM으로 더욱 증가시켜도 제2타입 및 제3타입은 버블의 직경을 200~300um로 만들 수 있다. 공기자흡량을 고려할 때, 유체유입량을 100LPM 수준으로 유지하고, 그에 따른 공기자흡량을 10~20LPM인 것이 바람직하다. 사용자는 상기 데이터를 참조하여, 필요에 따라 기체유입로(57)의 조절밸브를 조절하여 기체유입로(57)로 유입되는 기체의 양(유량)을 조절함으로써 생성되는 버블(기포)의 크기를 조절할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 의한 마이크로 버블 생성장치의 작동과정을 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 외부의 유체가 제1커버(30)의 유입홀(35)을 통해 유입된다. 상기 유체는 유입홀(35)에 연결된 호스를 통해 일정 크기 이상의 유압을 가지고 유입될 수 있다. 상기 유체는 유입홀(35)을 지나 메인블록(10) 내부로 이동 하는데, 상기 메인블록(10) 내부에는 노즐수단(50)이 구비되므로, 상기 노즐수단(50)의 노즐공간(52)으로 유입된다.

이때, 상기 노즐공간(52)의 중심에 형성된 자흡채널(S2)은 상기 노즐수단(50)의 노즐공간(52) 중에서 상대적으로 직경이 작아지는 부분으로, 상기 노즐공간(52)을 통과하는 유체는 자흡채널(S2)을 지날 때 속도는 증가하나 압력이 낮아지게 된다.

따라서, 자흡채널(S2)에는 벤츄리효과(venturi effect)를 통해 외부의 기체가 자연스럽게 유입될 수 있다. 보다 정확하게는, 상기 노즐몸체의 중심몸체(55)에는 외부의 기체가 유입될 수 있는 기체유입로(57)가 형성되고, 상기 기체유입로(57)는 상기 자흡채널(S2)과 연결됨과 동시에 외부와 연통되므로, 별도의 장치 없이도 외부의 공기가 벤츄리효과를 통해 자연스럽게 유입될 수 있는 것이다. 그리고, 이와 같이 유입된 기체는 유체와 혼합되어 버블이 되고, 발생되는 버블의 양과 크기는 상기 기체유입로(57)의 크기와 노즐공간(52)의 형상에 따라 달라지게 된다.

한편, 유입된 유체는 상기 제1노즐몸체(51) 내부의 유입채널(S1)에 구비된 유체유동부(58,60)인 나선부(60)에 의해 운동에너지가 높아지고 소정의 난류를 발생시키게 된다. 즉, 상기 나선부(60)는 상기 노즐공간(52)의 길이방향을 따라 구비되어 상기 노즐공간(52)에 유입되는 유체의 회동을 유도하므로, 그 과정에서 버블이 유체 내부에 함유되는 양이 늘어남과 동시에 버블은 더욱 미세하게 분쇄될 수 있는 것이다.

상기 버블이 발생된 유체는 다시 유체유동부(58,60) 중 간섭부(58)에 부딪히면서 버블이 더욱 잘게 쪼개져 버블의 크기가 더욱 작아지게 된다. 특히, 도 6에서 보듯이, 배출채널(S2)의 중심을 흐르는 유체(f1)와, 가장자리를 따라 흐르는 유체(f2)는 서로 부딪히게 되는데, 이는 가장자리를 따라 흐르는 유체(f2)가 상기 간섭부(58)에 의해 흐름이 중심방향으로 유도되면서 중심을 흐르는 유체(f1)와 부딪히면서 소정의 난류를 형성할 수 있기 때문이다. 그리고, 이러한 과정을 통해 유체에 함유된 버블은 더욱 미세하게 분쇄될 수 있다.

마지막으로, 유체는 제2커버(40)의 배출홀(45)을 순차적으로 통과하여 최종적으로 외부로 배출되어 사용된다.

이와 같이, 본 발명에서는 기체를 공급하기 위한 별도의 장치나 구동원이 없이도 노즐수단(50)의 형상 자체에 의해 벤츄리효과를 발생시켜 버블을 생성할 수 있다.

한편, 노즐수단(50)의 사용 중에 노즐수단(50)의 교체가 필요한 경우에는 제1커버(30) 또는 제2커버(40)를 분리하고 노즐수단(50)을 교체할 수 있다. 예를 들어 장시간 사용에 따라 노즐공간(52)에 이물질이 축적되거나, 노즐공간(52)의 형상변경을 통해 버블의 양이나 크기를 조절할 필요가 있는 경우에 노즐수단(50)을 교체할 수 있는 것이다.

상기 노즐수단(50)은 상기 메인블록(10)의 설치공간(12)에 단순히 삽입되어 있는 상태이므로, 사용자는 제1커버 (30) 또는 제2커버(40)의 분리 후에 간편하게 노즐수단(50)을 교체할 수 있다.

상기한 마이크로 버블 생성 장치를 통하여 생성된 마이크로 버블수를 2년근 묘삼에 적용하여, 일반수 및 마이크로 버블수를 사용한 경우 생육에서의 차이가 있는지 확인하는 실험을 진행하였다. 그 결과, 마이크로 버블수를 사용하면 일반수를 사용한 것에 비해 세근이 현저하게 많이 존재함을 확인하였다(도 13A). 또한, 인삼의 생장기가 되면 마이크로 버블을 사용하는 경우 일반수에서 보다 뿌리가 더 굵어지고 커졌음을 확인하였다(도 13B). 또한, 지하부의 생체중을 측정하면 마이크로 버블수를 사용하는 경우 일반수에 비해 15% 정도로 높은 값을 보였다.

따라서 본 발명에의한 마이크로 버블 생성장치는 그 산업적 이용가치가 매우 큼을 알 수 있다.

이상에서, 본 발명에 따른 실시례를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시례에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서 라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

1. 설치공간이 양측으로 개구되어 형성되는 메인블록과,
   상기 설치공간에 분리가능하게 결합되고 내부에는 그 양단이 개구되어 유체가 통과하되 중심부의 직경이 상대적으로 줄어드는 노즐공간이 형성되며 상기 노즐공간은 외부와 연결되어 외부로부터 공기가 유입되는 노즐수단과,
   유체의 흐름을 변화시키도록 상기 노즐수단의 내부에 설치되되 유체의 흐름을 제어하여 발생되는 버블의 직경을 작게 하는 유체유동부를 포함하는 마이크로 버블 생성장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유체유동부는 상기 노즐공간의 길이방향으로 연장되는 나선구조의 스크류 또는 상기 노즐수단의 배출채널에 상기 배출채널의 폭을 좁히는 방향으로 가장자리를 따라 돌출되는 간섭부 중 적어도 어느 하나로 구성되는 마이크로 버블 생성장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 설치공간의 입구측에 결합되고 외부로부터 유체가 유입되는 유입홀이 형성되는 제1커버와,
   상기 제1커버의 반대편에 해당하는 상기 설치공간의 출구측에 결합되고 유입된 유체가 배출되는 배출홀이 형성되는 제2커버가 더 포함되고,
   상기 유입홀 및 상기 배출홀은 각각 상기 노즐공간의 양단에 연결되는 마이크로 버블 생성장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 유체유동부 중 스크류는 상기 노즐공간의 내면에 요입되어 형성되거나 상기 노즐공간의 내면으로부터 돌출되어 구비되는 마이크로 버블 생성장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐수단은
   내부에 유입채널이 형성되는 제1노즐몸체와,
   내부에 배출채널이 형성되는 제2노즐몸체와,
   상기 제1노즐몸체 및 제2노즐몸체 사이에 구비되고 내부에는 상기 유입채널 및 배출채널 사이를 연결시키되 상기 유입채널 및 배출채널 보다 작은 직경을 갖는 자흡채널이 형성되고 상기 자흡채널과 연결됨과 동시에 외부와 연통되어 외부의 공기가 유입되는 기체유입로가 형성되는 중심몸체를 포함하며,
   상기 유입채널, 배출채널 및 자흡채널은 연속적으로 연결되어 상기 노즐공간을 형성하고,
   상기 유체유동부는 상기 제1노즐몸체의 유입채널에 구비되는 마이크로 버블 생성장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 노즐수단의 자흡채널을 통해 유입되는 공기의 자흡량은 10~20LPM이고, 유입되는 유체의 유입량은 60~100LPM인 마이크로 버블 생성장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 유체유동부 중 스크류는 상기 제1노즐몸체 또는 제2노즐몸체 중 적어도 어느 일측에 형성된 유입채널 내면에 구비되고, 상기 간섭부는 상기 제2노즐몸체의 배출채널 출구 가장자리에 형성되는 마이크로 버블 생성장치.

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