KR101330863B1 - 나노 기포 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노 기포발생기에 관한 것으로서, 직경 5μm 이하의 마이크로 버블 내지 나노 버블 단위의 나노 기포 발생기에 관한 것이다.
본 발명의 나노 기포 발생기는 공기와 유체를 외부 공급원으로 공급받기 위한 공기유입관(11)과 유체유입관(12)에 체결된 원통형 바디(15)와; 상기 바디(15)의 내주면에 방사상 안쪽으로 이격되어, 회전하면서 나노 기포를 발생하며, 회전 가능하게 배치된 임펠러(20)와; 상기 임펠러(20)의 양단에 위치하며, 상기 바디(15)와 체결되어 구동축(S)을 지지하며, 중심부에 나노 기포가 통과할 수 있는 홀을 구비하는 제 1격벽(30)과 제 2격벽(31)과; 상기 제 1격벽(30)을 통과한 나노 기포를 유출관(50)으로 배출하기 위하여, 구동축(S) 일측부와 체결된 팬(40)과; 상기 팬(40)에 의해 배출되는 나노기포를 포함한 유체 유동을 안정화 시키기 위한 하니콤(51)을 구비한 유출관(50)과; 상기 임펠러(20)과 팬(40)을 회전시키기 위하여, 상기 임펠러(20)와 팬(40)에 내접되어, 상기 바디(15) 밖으로 돌출되어 있는 구동축(S)을 구동시키는 모터(M)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

나노 기포 발생기 {Nano-bubble generator}
본 발명은 나노 기포 발생기에 관한 것으로서, 직경 5μm 이하의 마이크로 버블 내지 나노 버블 단위의 나노 기포 발생기에 관한 것이다.
기포(버블, bubble)은 액체에 존재하는 기체의 주머니, 즉 기포를 뜻한다. 나노 버블은 이들 중에서 일반 기포보다 훨씬 작고, 심지어 수 마이크로미터에 달하는 미세버블 보다도 더 작으며, 그 크기를 나노미터로 표기해야 할 정도로 아주 작은 크기의 기포를 의미한다.
종래기술의 미세기포 발생장치는 고압분사를 통한 충돌하는 방법, 미세망을 통과시키는 방법, 오리피스관을 이용한 급속 확대관을 통한 미세 기포 발생장치를 개시하고 있지만, 상기 방법들은 미세 버블을 발생시키는 매우 단순한 구조라는 장점이지만, 생성되는 미세 기포의 크기는 크고, 일정하지 않아, 부력으로 인해 쉽게부상되는 단점을 가지고 있다.
또한, 모터를 사용하여 고속 회전판을 이용한 미세 기포를 발생하는 방법은 대한민국 등록 특허 KR 10-1125851, KR 10-1137050, KR 10-1146040 등에서 개시하고 있고, 대한민국 공개특허 KR 10-2012-0039385 등에서 개시하고 있지만, 생성되는 기포직경이 아무리 작아도 나노 크기보다 훨씬 큰 수 마이크미터 이상이 될 정도이며, 그 분포도 큰 것들은 수 밀리미터에 달할 정도로 균질성이 크게 떨어진다. 이러한 미세 기포를 목표하는 기체를 액체에 용해시키는 효율이 나노버블에 비해 훨씬 낮아진다.
1. KR 10-1125851, '나노버블 발생장치', (등록일자: 2012.03.05) 2. KR 10-2012-0039385,'마이크로 버블 발생장치', (공개일자: 2012.01.25) 3. KR 10-1137050, '마이크로 버블 생성기', (등록일자: 2012.04.09) 4. KR 10-1146040, '마이크로 버블 발생장치', (등록일자: 2012.05.07)
본 발명의 목적은 균질한 기포직경이 나노크기를 가지는 나노 버블을 연속적으로 발생시킬 수 있는 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명을 사용하면 용해 기체를 유체에 효율적으로 용해시킴으로써, 용해하고자 하는 기체의 용존율을 짧은 시간에 효율적으로 높이는 것이 가능하며, 용해되는 가스의 종류에 따라서, 폐수처리, 살균 소독, 세척 및 상수원 보호 등에 다양하게 활용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 나노 기포 발생기는, 공기와 유체를 외부 공급원으로 공급받기 위한 공기유입관(11)과 유체유입관(12)에 체결된 원통형 바디(15)와; 상기 바디(15)의 내주면에 방사상 안쪽으로 이격되어, 회전하면서 나노 기포를 발생하며, 회전 가능하게 배치된 임펠러(20)와; 상기 임펠러(20)의 양단에 위치하며, 상기 바디(15)와 체결되어 구동축(S)을 지지하며, 중심부에 나노 기포가 통과할 수 있는 홀을 구비하는 제 1격벽(30)과 제 2격벽(31)과; 상기 제 1격벽(30)을 통과한 나노 기포를 유출관(50)으로 배출하기 위하여, 구동축(S) 일측부와 체결된 팬(40)과; 상기 팬(40)에 의해 배출되는 나노기포를 포함한 유체 유동을 안정화 시키기 위한 하니콤(51)을 구비한 유출관(50)과; 상기 임펠러(20)과 팬(40)을 회전시키기 위하여, 상기 임펠러(20)와 팬(40)에 내접되어, 상기 바디(15) 밖으로 돌출되어 있는 구동축(S)을 구동시키는 모터(M)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 나노 기포 발생기에 있어서, 상기 임펠러(20)는, 중심부에 구동축(S)과 체결되는 회전판(22)과; 상기 회전판(22) 양단에 방사형으로 다수개 배치되며, 'ㅅ' 형상의 핀(21)과; 상기 회전판(22) 중심부에 나노 버블이 통과할 수 있는 다수개의 홀(23)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 나노 기포 발생기에 있어서, 상기 임펠러(20)의 핀(21)은, 'ㅅ'의 형상을 가지며; 전방부(F), 외측부(L) 및 내측부(R) 모서리부가 원형의 곡면을 가지며; 핀(21) 외주면 곡면길이에 있어서, F-L곡면 길이에 비해 F-R곡면길이가 긴 것을 특징으로 한다.
본 발명은 'ㅅ'형상의 핀을 구비한 임펠러를 고속으로 회전시켜, 핀의 외주 형상으로 인해 압력과 속도차에 의해 나노 기포를 발생시킴에 따라, 같은 용량의 펌프장비를 이용하더라도 균질하며서도 미세한 기포를 더 많은 발생시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 나노크기의 기포를 균질하게 발생시킴으로서, 용해 기체를 유체에 효율적으로 용해시킴으로써, 용해하고자 하는 기체의 용존율을 짧은 시간에 효율적으로 높이는 것이 가능하며, 용해되는 가스의 종류에 따라서, 폐수처리, 살균 소독, 세척 및 상수원 보호 등에 다양하게 활용할 수 있다.
또한, 본 발명은 기포발생 용량을 소형에서 대형까지 적용 가능하므로, 덴탈용 틀니소독용의 소형부터, 상수원 수질개선 용도의 대용량까지 적용가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예의 사시도
도 2는 바디를 제거한 상태의 나노 기포 발생기
도 3은 A-A선 기준의 절단 단면도
도 4는 임펠러의 사시도(A)와 B-B기준의 절단 단면도(B)
도 5는 제 1 격벽의 사시도
도 6은 임펠러의 'ㅅ'형상의 핀 단면도
도 7은 임펠러의 속도벡터 시뮬레이션 결과
도 8은 임펠러의 전압 분포 분석 시뮬레이션 결과
도 9는 임펠러의 유동장 분석 시뮬레이션 결과
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해 일부 부분 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예의 사시도이며, 도 2는 바디(15)를 제거한 상태의 사시도이며, 도 3은 A-A선 기준으로 절단하였때의 단면도이다.
본 발명의 나노 기포 발생기는, 공기와 유체를 외부 공급원으로 공급받기 위한 공기유입관(11)과 유체유입관(12)에 체결된 원통형 바디(15)와; 상기 바디(15)의 내주면에 방사상 안쪽으로 이격되어, 회전하면서 나노 기포를 발생하며, 회전 가능하게 배치된 임펠러(20)와; 상기 임펠러(20)의 양단에 위치하며, 상기 바디(15)와 체결되어 구동축(S)을 지지하며, 중심부에 나노 기포가 통과할 수 있는 홀을 구비하는 제 1격벽(30)과 제 2격벽(31)과; 상기 제 1격벽(30)을 통과한 나노 기포를 유출관(50)으로 배출하기 위하여, 구동축(S) 일측부와 체결된 팬(40)과; 상기 팬(40)에 의해 배출되는 나노기포를 포함한 유체 유동을 안정화 시키기 위한 하니콤(51)을 구비한 유출관(50)과; 상기 임펠러(20)과 팬(40)을 회전시키기 위하여, 상기 임펠러(20)와 팬(40)에 내접되어, 상기 바디(15) 밖으로 돌출되어 있는 구동축(S)을 구동시키는 모터(M)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 4는 임펠러의 사시도(A)와 B-B기준의 절단 단면도(B)이며, 도 5는 제 1 격벽(30)의 사시도이며, 도 6은 임펠러(20)의 'ㅅ'형상의 핀(21) 단면도이다.
상기 임펠러(20)는, 중심부에 구동축(S)과 체결되는 회전판(22)과; 상기 회전판(22) 양단에 방사형으로 다수개 배치되며, 'ㅅ' 형상의 핀(21)과; 상기 회전판(22) 중심부에 나노 버블이 통과할 수 있는 다수개의 홀(23)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 도 6에서 도시한 바와 같이, 상기 임펠러(20)의 핀(21)은, 'ㅅ'의 형상을 가지며, 전방부(F), 외측부(L) 및 내측부(R) 모서리부가 원형의 곡면을 가지며, 핀(21) 외주면 곡면길이에 있어서, F-L곡면 길이에 비해 F-R곡면길이가 긴 것을 특징으로 한다.
본 발명과 동일한 구조로 시뮬레이션의 분석결과, 도 7은 임펠러(20)의 속도벡터, 도 8은 임펠러(20)의 전압 분포, 도 9는 임펠러(20)의 유동장 시뮬레이션 결과 그래프를 나타낸 것이다.
상기 핀(21)의 핀(21) 외주면 곡면에 있어서, F-L곡면, F-R곡면은 유체의 속도를 증가시키는 부분이다.
상기 두 곡면의 오목한 형상으로 인해, 핀(21)을 통과하는 유체속도의 증가로 인해 L-R곡면에서의 정압이 감소하면서 케비테이션이 발생하여 기포가 발생한다.
또한, 상기 L-R곡면에 정압을 보다 낮게 하기 위하여, F-L곡면에 비해 F-R곡면길이를 길게 함으로서, 도 8에 도시한 바와 같이 구동축(S) 주변으로 압력이 매우 낮게 나타난 것을 볼 수 있다.
그로 인해 도 7에서 도시한 바와 같이, 임펠러(20)의 회전으로 미세 기포는 구동축(S) 주위에서 다량 발생하고, 상기 구동축(S) 주위로 응집된다.
상기 응집된 미세 기포는 또 다른 핀(21)의 전방부(F)는 케비테이션 발생영역인 후류부분의 끝지점에 위치하여, 상기 발생되어 포집된 미세 기포를 물리적으로 파쇄하여 나노 기포를 생성시킨다.
상기와 같이 구동축(S)를 중심으로 방사형으로 다수개로 배치된 핀(21)으로 인하여, 상기 기포생성- 물리적 파쇄- 초미세 기포 형성단계를 거치게 된다.
상기 응집된 나노 기포는 회전판(22)의 홀(23)과, 제 1격벽(30)의 통로 홀(32)를 경유하여, 팬(40)에 의해 유출관(50)으로 배출하게 된다.
도 8은 임펠러(20)의 전압 분포도를 나타낸 것이다. 도 8에서 도시한 바와 같이 전압 분포도에 있어서, 임펠러(20)의 핀(21)으로 L-R곡면 뒤쪽의 압력이 매우 낮은 것을 볼 수 있다. 또한 구동축(S) 주변으로 압력분포가 낮게 나타난다.
따라서 케비테이션 현상에 의해, 생성된 기포는 핀(21)의 전방부(F)는 기포를 파쇄하고, F-R곡면, F-L곡면길이 차에 의한 압력강하로, 구동축(S) 주위의 압력이 낮아지므로 나노 기포는 구동축(S) 주위에 응집함을 증명하고 있다.
도 9는 임펠러(20)의 유동장 분석 단면을 나타낸 것이다. 전체적인 속도 벡터를 살펴보면 단면의 법선 방향으로 앞뒤로 흐름이 발생하여 와류 및 순환의 흐름이 발생하여, 2차원 축대칭 흐름이 아닌 3차원 흐름인 것을 볼 수 있다.
즉, 미세 기포가 발생할 수 있는 충분한 난류 에너지 거동이 관찰되고 있고, 그로 인해 핀(21) 주변으로 다량의 미세 기포가 발생한다.
상기와 같은 구성을 가진 나노 기포 발생기는 다음과 같이 작동될 수 있다.
본 발명은 바디(15) 내주면에, 임펠러(20)를 중심으로 양단에 제 1격벽(30)과 제 2격벽(31)으로 밀폐된 공간을 형성하고, 구동축(S)을 중심부위에 홀(23) 및 통로 홀(32)을 형성하고 있다.
공기유입관(11)과 유체유입관(12)을 통해 기체와 유체가 유입되고, 모터의 구동으로 임펠러(20)와 팬(40)이 고속회전을 하게 된다.
상기 유입된 기체와 유체는 고속회전하는 임펠러(20)의 핀(21)에 의해 파쇄되고, 핀(21)의 형상으로 인해 케비케이션 현상으로 미세기포가 발생하게 된다.
상기 발생된 미세 기포중에서 직경이 큰 것은 부력과 원심력에 의하여, 바깥쪽으로 이동하게 되고, 나노 기포는 구동축(S)에 포집하게 된다.
기포 직경이 큰 것은 제 1격벽, 회전판(22)및 제 2격벽에 의해, 밀폐된 공간에 머물게 되고, 나노 기포만이 홀(23)과 통로 홀(32)을 통해 배출되게 된다.
상기 배출된 초 미세 기포는 팬(40)에 의해 유출관(50)으로 배출하게 된다.
10: 프레임, 11: 공기유입관, 12: 유체유입관, 15: 바디, 16: 모터 브라켓, 20: 임펠러, 21: 핀, 22: 회전판, 23: 홀, 30: 제 1격벽, 31: 제 2격벽, 32: 통로 홀, 33: 베어링: 40: 팬(fan), 50: 유출관, 51: 하니콤(honey comb)
S: 구동축, M: 모터, F: 전방부, L: 외측부, R: 내측부

Claims (3)

  1. 공기와 유체를 외부 공급원으로 공급받기 위한 공기유입관(11)과 유체유입관(12)에 체결된 원통형 바디(15)와;
    상기 바디(15)의 내주면에 방사상 안쪽으로 이격되어, 회전하면서 나노 기포를 발생하며, 회전 가능하게 배치된 임펠러(20)와;
    상기 임펠러(20)의 양단에 위치하며, 상기 바디(15)와 체결되어 구동축(S)을 지지하며, 중심부에 초미세 기포가 통과할 수 있는 홀을 구비하는 제 1격벽(30)과 제 2격벽(31)과;
    상기 제 1격벽(30)을 통과한 나노 기포를 유출관(50)으로 배출하기 위하여, 구동축(S) 일측부와 체결된 팬(40)과;
    상기 팬(40)에 의해 배출되는 나노기포를 포함한 유체 유동을 안정화 시키기 위한 하니콤(51)을 구비한 유출관(50)과;
    상기 임펠러(20)과 팬(40)을 회전시키기 위하여, 상기 임펠러(20)와 팬(40)에 내접되어, 상기 바디(15) 밖으로 돌출되어 있는 구동축(S)을 구동시키는 모터(M)를 포함하되,
    상기 임펠러(20)는, 중심부에 구동축(S)과 체결되는 회전판(22)과;
    상기 회전판(22) 양단에 방사형으로 다수개 배치되며, 'ㅅ' 형상의 핀(21)과;
    상기 회전판(22) 중심부에 나노 버블이 통과할 수 있는 다수개의 홀(23)을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 기포 발생기
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 임펠러(20)의 핀(21)은,
    'ㅅ'의 형상을 가지며;
    전방부(F), 외측부(L) 및 내측부(R) 모서리부가 원형의 곡면을 가지며;
    핀(21) 외주면 곡면길이에 있어서, F-L곡면 길이에 비해 F-R곡면길이가 긴 것을 특징으로 하는 나노 기포 발생기
  3. 삭제
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