KR102260745B1 - 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기액 혼합 유체에 포함된 기포에 마찰력을 인가함으로써 미세화를 유도하고 나노 버블을 생성토록 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템에 관한 것으로서, 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 미세화시키기 위한 내부 공간 및 유입구와 토출구를 구비하며 구동축이 설치되는 챔버, 상기 챔버 내로 유입되는 기액 혼합 유체에 충격을 가하고 유체를 회전시켜 상기 챔버의 내벽에 마찰시키기 위한 복수의 돌출부와 함께 마찰력 인가를 위한 마찰면을 구비하고 상기 구동축에 설치되는 하나 이상의 타격 겸용 마찰자 및 상기 구동축을 포함하며 상기 타격 겸용 마찰자의 회전을 위한 구동수단을 포함하고,
상기 타격 겸용 마찰자는 상기 구동축에 임의의 간격으로 공간을 두고 배열되며, 몸체의 둘레면이 상기 챔버의 내벽과 임의의 간격을 두고 직접 마주하는 것을 특징으로 한다.
상기 타격 겸용 마찰자는 상기 구동축에 임의의 간격으로 공간을 두고 배열되며, 몸체의 둘레면이 상기 챔버의 내벽과 임의의 간격을 두고 직접 마주하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 기액 혼합 유체에 포함된 기포에 마찰력을 인가함으로써 기포의 미세화를 유도하고 나노 버블을 생성토록 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 미세기포는 사이즈에 따라 직경이 50㎛ 이하인 마이크로 버블, 수백 ㎚ 이하의 나노 버블로 나뉘어지고 있다.
상기 마이크로 버블은 50㎛ 이하의 아주 미세한 기포로, 수면으로 0.1cm/sec의 매우 느린 속도로 상승하여 생성 후 2~3분 내에 소멸되며 마이크로 버블이 생성된 물은 뿌연 우윳빛을 띤다.
나노 버블은 마이크로 버블이 심화 미세화된 수백 ㎚ 이하의 아주 작은 극미세기포로서, 통상의 기포 및 마이크로 버블과는 여러 가지 다른 특성을 가지며 투명하여 물속에 부유하고 있어도 일반 환경에서는 육안 식별이 불가능하다.
물속에서 마이크로 버블은 상기와 같이 안정상태가 일시적으로 유지 후 소멸되는데 비하여 나노 버블은 농축된 이온류가 두껍게 주위를 감싸고 있음으로 수십일 이상까지 장기간 안정적으로 유지될 수 있다.
이러한 나노 버블은 소멸시 다양한 에너지를 발생시켜 어업, 농업분야에서 각종 양식, 수경재배에 이용되고, 의료분야에서는 정밀진단, 물리치료, 생활분야에서는 오폐수, 오폐유의 고순도 정수/정유처리, 살균, 소독, 탈취, 세정 등 산업 전반의 다양한 분야에서 사용될 수 있다.
특히, 물 속의 나노 버블에 포함된 오존(O3)은 물의 부착력에 의해 주위의 바이러스를 100 퍼센트 사멸시키는 놀라운 특성을 갖는다.
기포의 미세화를 위한 종래 기술들은 대개 유동하는 기액 혼합 유체에 전단력이 가해지면서 기포가 쪼개지게 하는 원리를 이용한 것으로서, 유체의 난류 및 공동현상(캐비테이션, Cavitation) 등을 이용하는 구성을 가지며, 이러한 기술에 의하여는 주로 마이크로 버블이 생성될 뿐이고, 나노 버블 생성은 극히 미미하여 실제 이용 가능한 정도의 수준에는 이르지 못하고 있다.
종래 기술 중 하나인 대한민국 등록특허 제10-1969772호(2019. 04. 17. 이하 "선행기술 1"이라 칭함)는 믹싱부(챔버)의 유입구와 토출구에 유도날개가 배치되어 유체의 흐름을 안내하고, 하우징 안에 모터 축을 중심으로 치합 구조를 갖는 회전자와 고정자가 연속 적층되는 구성으로, 고정자에 대한 회전자의 상대 회전에 의하여 고정자와 회전자에 각각 상호 대응 형성된 치차들이 유체에 반복적인 타격을 가하고, 유체에 난류 및 캐비테이션 압력을 상승시킴으로 기포에 전단력이 가해지도록 하여 마이크로 버블을 생성하는 구조로 요약할 수 있다.
이와 같은 구성의 상기 선행기술 1은 대부분의 기포가 마이크로 버블로 생성될 뿐이어서 생성 기포의 미세화 품질이 떨어지며 소멸 시간이 짧고, 유동이 치합 틈새를 통한 지그재그 형태로 유체를 강제 우회시키는 구조로 이루어짐으로써 유동 항력계수가 크게 되어 전력 소모가 클 뿐만 아니라 처리 유량이 미흡하여 생산성이 따르지 못하는 문제가 있다.
또한, 챔버 내의 압력을 고압으로 유지시키고 복잡한 구조의 회전자 및 고정자가 다수 설치되어야 함으로써 이를 구동시키기 위하여 막대한 전력이 낭비되고 운용비용 부담을 증가시키는 문제점이 있다.
상기 선행기술 1과 다른 방식의 종래 기술로서 일본 공개특허공보 특개 2009-142442호(2009.7.2, 이하 "선행기술 2"라 함)는 케이스(챔버) 내에 설치되는 회전축에 전단부가 형성된 회전원반이 복수 배열 설치되는 구조이다.
상기 선행기술 2는 회전원반이 상대 회전이 아닌 단독 회전됨으로써 유동을 자유롭게 하여 유체의 토출량을 높이고, 전력 및 운용비용을 현저히 줄일 수 있는 장점을 갖지만, 역시 전단력 인가를 주요 기능으로 하는 회전원반만으로 구성됨으로써 주로 마이크로 버블이 생성될 뿐이고, 기포 생성 효율성이 떨어지는 단점이 있다.
이상과 같이, 현재까지의 미세기포 생성 기술은 마이크로 버블 생성에 머물러 나노 버블은 그 효용성이 탁월함에도 산업분야에서 실질적으로 이용되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서,
본 발명의 목적은 기액 혼합 유체에 포함된 기포에 마찰력을 인가함으로써 기포의 미세화를 유도하여 나노 버블을 생성토록 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 하나의 챔버 내에서 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 마이크로 버블 단계로 미세화하는 동시에 마찰에 따른 기포의 미세화 원리를 이용하여 나노 버블이 생성되도록 함으로써 나노 버블을 효율적으로 생성토록 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 유체의 유동 과정에서 마찰면이 점차 확장되는 한편 유효 마찰면이 보다 넓어지도록 하여 마찰에 의한 나노 버블의 미세화 품질 및 기기의 효율성이 현저히 향상되도록 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 나노 버블 생성이 질적, 양적으로 양호하도록 하여 효용성이 탁월한 나노 버블을 특히 대용량을 필요로 하는 산업분야에서도 쉽게 이용할 수 있는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하는 본 발명에 따른 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템은,
기액 혼합 유체에 포함된 기포를 미세화시키기 위한 내부 공간 및 유입구와 토출구를 구비하며 구동축이 설치되는 챔버,
상기 챔버 내로 유입되는 기액 혼합 유체에 충격을 가하고 유체를 회전시켜 상기 챔버의 내벽에 마찰시키기 위한 복수의 돌출부와 함께 마찰력 인가를 위한 마찰면을 구비하고 상기 구동축에 설치되는 하나 이상의 타격 겸용 마찰자 및
상기 구동축을 포함하며 상기 타격 겸용 마찰자의 회전을 위한 구동수단을 포함하고,
상기 타격 겸용 마찰자는 상기 구동축에 임의의 간격으로 공간을 두고 배열되며, 몸체의 둘레면이 상기 챔버의 내벽과 임의의 간격을 두고 직접 마주하는 것을 특징으로 한다.
상기 타격 겸용 마찰자 중 어느 하나 이상은 기액 혼합 유체의 유동을 축선과 직교면으로 유도하기 위한 분배 구멍 또는 절개형 통로 중 어느 한가지 이상이 형성될 수 있다.
상기 타격 겸용 마찰자 중 어느 하나 이상은 기액 혼합 유체에 포함된 기포의 나노 사이즈 미세화에 유효한 마찰력을 인가하기 위하여 상기 마찰면의 축선 직교 방향 최선단의 선속이 8m/sec 이상으로 될 수 있다.
상기 타격 겸용 마찰자는 상기 구동축에 임의의 간격으로 공간을 두고 복수 배열되되, 하나 이상의 대경 타격 겸용 마찰자와, 상기 대경 타격 겸용 마찰자 대비 상대적으로 반경이 작게 형성되는 하나 이상의 소경 타격 겸용 마찰자가 임의의 간격을 두고 교호로 배열될 수 있다.
상기 타격 겸용 마찰자는 상기 구동축에 임의의 간격으로 공간을 두고 복수 배열되되, 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 마이크로 버블 단계에서 나노 버블 단계로 순차적으로 미세화시키기 위하여 유동 흐름 방향의 배열 순서에 따라 상기 돌출부의 돌출 크기가 상대적으로 점차 작아질 수 있다.
상기 타격 겸용 마찰자는 상기 구동축에 임의의 간격으로 공간을 두고 복수 배열되되, 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 마이크로 버블 단계에서 나노 버블 단계로 순차적으로 미세화시키기 위하여 유동 흐름 방향의 배열 순서에 따라 상기 돌출부의 돌출 크기가 상대적으로 점차 작아지고,
유동 흐름 후미에는 상기 마찰면만으로 형성된 마찰자가 하나 이상 추가 배열될 수 있다.
상기 타격 겸용 마찰자 중 하나 이상은 상기 돌출부가 몸체의 둘레면 및 축선과 직교하는 양면 중 어느 한 면 이상에 형성될 수 있다.
상기 타격 겸용 마찰자 중 어느 하나 이상은 상기 돌출부가 날개 형태로 구성될 수 있다.
두 개 이상의 상기 타격 겸용 마찰자가 연결부를 통하여 간격을 두고 단일체로 형성되는 다단형 타격 겸용 마찰자를 포함하여 될 수 있다.
상기 마찰자 중 어느 하나 이상은 기액 혼합 유체의 유동을 축선과 직교면으로 유도하기 위한 분배 구멍 또는 절개형 통로 중 어느 한가지 이상이 형성될 수 있다.
상기 챔버는 내벽의 일부 이상에 미세 요철이 형성될 수 있다.
상기 구동축에는 챔버의 유입구에 인접하여 하나 이상의 임펠러가 추가 설치될 수 있다.
상기 구성을 지닌 본 발명에 따른 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템에 의하면, 기액 혼합 유체에 포함된 기포에 마찰력을 인가함으로써 기포의 미세화를 유도하여 나노 버블을 생성할 수 있다.
또한, 하나의 챔버 내에서 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 마이크로 버블 단계로 미세화하는 동시에 마찰에 따른 기포의 미세화 원리를 이용하여 나노 버블이 생성되도록 함으로써 나노 버블을 효율적으로 생성할 수 있다.
또한, 마찰자의 선속, 마찰면, 마찰자와 챔버의 내벽 사이의 적절한 간격에 따른 유기적 구성에 의하여 마찰자뿐만 아니라 보다 넓은 면적의 챔버의 내벽이 마찰면으로 기능하는 한편, 마찰자에 분배 구멍 및 절개형 통로 중 어느 한가지 이상이 형성됨으로써 타격 겸용 마찰자의 몸체 전체 표면이 유효 마찰면으로 기능하여 기포의 미세화 품질, 용존 산소량 및 기기의 나노 버블 생성 능력이 기존 기술 대비 현저히 상승되고, 대용량의 나노 버블을 생성할 수 있다.
또한, 질적, 양적으로 양호하게 나노 버블 생성이 가능해짐에 따라 특히 대용량을 필요로 하는 산업분야 전반에서 효용성이 탁월한 나노 버블을 쉽게 이용할 수 있도록 한다.
도 1은 마찰을 이용한 나노 버블 생성원리를 보이는 도면으로서, a는 유체(기포)의 유동 마찰에 따른 미세화, b는 마찰자의 회전 마찰에 따른 유체(기포)의 미세화를 보이는 도면
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 구성을 개략적으로 보이는 단면도
도 3은 도 2의 일부 발췌도로서,
a는 도 2의 A부 발췌 확대도, b는 a의 B-B선 절단면도
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 구성 및 챔버 내 유동 흐름을 보이는 단면도
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예의 타격 겸용 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서, a는 평면도, b는 a의 종단면도
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 타격 겸용 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서, a는 평면도, b는 a의 종단면도
도 7은 본 발명에 따른 일 실시예의 타격 겸용 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서, a는 일부 생략 평면도, b는 a의 종단면도
도 8은 본 발명에 따른 일 실시예의 타격 겸용 마찰자의 평면도
도 9는 본 발명에 따른 일 실시예의 다단형 타격 겸용 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서, a는 일부 생략 평면도, b는 a의 종단면도
도 10은 본 발명에 따른 일 실시예의 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서, a는 평면도, b는 a의 종단면도, c는 다른 실시예의 평면도
도 11은 본 발명에 따른 일 실시예의 구성을 보이는 단면도
도 12는 본 발명에 따른 일 실시예의 개략적인 구성도
도 13은 본 발명을 이용하여 생성된 나노 버블을 확인하는 사진
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 구성을 개략적으로 보이는 단면도
도 3은 도 2의 일부 발췌도로서,
a는 도 2의 A부 발췌 확대도, b는 a의 B-B선 절단면도
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 구성 및 챔버 내 유동 흐름을 보이는 단면도
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예의 타격 겸용 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서, a는 평면도, b는 a의 종단면도
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 타격 겸용 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서, a는 평면도, b는 a의 종단면도
도 7은 본 발명에 따른 일 실시예의 타격 겸용 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서, a는 일부 생략 평면도, b는 a의 종단면도
도 8은 본 발명에 따른 일 실시예의 타격 겸용 마찰자의 평면도
도 9는 본 발명에 따른 일 실시예의 다단형 타격 겸용 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서, a는 일부 생략 평면도, b는 a의 종단면도
도 10은 본 발명에 따른 일 실시예의 마찰자의 구성을 보이는 도면으로서, a는 평면도, b는 a의 종단면도, c는 다른 실시예의 평면도
도 11은 본 발명에 따른 일 실시예의 구성을 보이는 단면도
도 12는 본 발명에 따른 일 실시예의 개략적인 구성도
도 13은 본 발명을 이용하여 생성된 나노 버블을 확인하는 사진
이하, 본 발명의 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템에 대한 실시예를 첨부도면을 참고하여 보다 상세히 설명한다.
모든 물체는 속도를 수반하는 압력을 받을 경우 열이 발생하고 속도와 압력이 임계점에 이르는 시점부터 마찰면이 열을 동반하면서 잘게 부서지며 마찰력을 줄이고자 하는 현상이 나타난다.
이러한 현상은 빙판에서 스케이트 날이 지나가는 자리에 열이 발생하여 얼음이 녹고 미끄럽게 되는 현상에서도 쉽게 볼 수 있다.
본 출원인은 예컨대, 물에 산소가 혼합된 기액 혼합 유체에 관로 이동에 의한 마찰력이 인가될 경우, 유체에 포함된 산소 기포는 도 1의 a에 도시된 바와 같이, 길게 늘어나는 인장 변형이 발생된 후 잘게 나뉘고, 잘게 나누어진 개별 기포 하나 하나는 다시 미세화를 거듭하여 나노 사이즈로 극미세화되는 현상에 주목하고, 이를 “마찰에 따른 기포의 미세화 및 나노 버블 생성원리”라고 정의한다.
상기 “마찰에 따른 기포의 미세화 및 나노 버블 생성원리”에 따라 기액 혼합 유체는 압력을 가하여 임계속도 이상의 유속으로 유로 통과시 유체의 표면층에서 유로 내벽과의 마찰 압력을 줄이기 위하여 유체에 포함된 기포의 미세화가 진행되면서 임계 유동 거리 이후부터 나노 버블이 생성된다.
본 출원인은 이러한 나노 버블 생성원리를 이용한‘미세기포 생성용 유로부재’(대한민국 특허출원 제10-2019-0064273호, 이하 “선출원 기술”이라 함)를 제안한 바 있다.
상기 선출원 기술은 유로부재가 단면상으로 마찰면이 조밀하게 형성되고, 이러한 마찰면이 연속 형성되는 유로부재가 20여 미터 이상의 길이로 형성될 경우 나노 버블을 생성할 수 있는 기술로서, 정지 상태의 마찰면에 기액 혼합 유체가 임계 압력 이상의 압력 및 속도로 이동하면서 마찰을 발생시킴으로 나노 버블을 생성하는 기술로 요약할 수 있다.
그런데, 상기 선출원 기술은 중소규모 용량의 나노 버블 생성에는 적합하지만 대용량을 출력해야 되는 경우에는 일반 펌프가 아닌 대용량의 압력펌프를 사용하여야 하고, 커지는 튜브의 직경 및 압력에 대응하여 두께가 두꺼워져야 되며, 마찰면 조밀 조성이 어렵고 설치면적을 크게 해야 하는 등의 문제가 있다.
본 출원인은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 선출원 기술의 역발상으로 유체가 정지 상태에 있고 유체에 마찰력을 인가하는 마찰면이 고속 이동하는 방식에 착안하게 되었다.
나노 버블을 생성함에 있어서, 기액 혼합 유체에 마이크로 버블 단계까지는 미세화되지 못했다 하더라도 미세기포가 생성되어 있다면, 도 1의 b에 나타낸 바와 같이, 회전하는 마찰력을 강제적으로 인가할 경우 기액 혼합 유체에 포함된 기포는 회전하는 마찰면을 따라 원호형태로 인장 변형되고 잘게 나뉘어 극미세화에 이르는 현상을 나타낼 것으로 판단하였다.
본 발명은 이와 같은 마찰에 따른 기포의 미세화 및 나노 버블 생성원리에 상기 회전마찰력을 적용한 것으로서,
본 발명에 따른 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템(1)은 도 2 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 미세화시키기 위한 내부 공간(S) 및 유입구(31)와 토출구(32)를 구비하며 구동축(41)이 설치되는 챔버(30), 상기 챔버(30) 내로 유입되는 기액 혼합 유체에 충격을 가하고 유체를 회전시켜 상기 챔버의 내벽에 마찰시키기 위한 복수의 돌출부와 함께 마찰력 인가를 위한 마찰면을 구비하고 상기 구동축에 설치되는 하나 이상의 타격 겸용 마찰자(10) 및 상기 구동축(41)을 포함하며 상기 타격 겸용 마찰자(10)의 회전을 위한 구동수단(40)을 포함하고,
상기 타격 겸용 마찰자(10)는 상기 구동축(41)에 임의의 간격으로 공간을 두고 배열되며, 몸체의 둘레면이 상기 챔버의 내벽(33)과 임의의 간격을 두고 직접 마주하는 것이다.
상기 기액 혼합 유체에서 액체는 물을 비롯하여 산업용 오일 등을 포함하고, 기체는 공기, 산소(O2), 오존(O3), 수소(H2) 등을 포함하여 다양하게 이루어질 수 있다.
상기 기액 혼합 유체는 급수과정에서 생성된 기포가 포함되어 있는 물을 포함한다.
상기 타격 겸용 마찰자(10)에서 마찰면(12)은 몸체에서 축선과 직교하는 면을 의미한다고 볼 수 있다.
상기 타격 겸용 마찰자(10) 중 어느 하나 이상은 기액 혼합 유체의 유동을 축선과 마찰면인 직교면으로 유도하기 위한 분배 구멍(14a)(도 3, 5 외 참조) 또는 절개형 통로(14b)(도 6 참조) 중 어느 한가지 이상이 형성될 수 있다.
상기 타격 겸용 마찰자(10)에서 절개형 통로(14b)는 몸체의 둘레 선단으로부터 몸체 안쪽으로 형성되되, 몸체의 중심부를 향하여 형성될 수 있으나(도 6 참조) 이에 한정되지 않고, 반경 방향에 대하여 비스듬이 형성되는 등 다양하게 형성될 수 있다.
상기 타격 겸용 마찰자(10)는 타격과 마찰이 동시적으로 이루어지는 것으로서, 회전시 몸체에 형성된 돌출부(11)가 기액 혼합 유체에 포함된 기포에 충격 및 전단력을 인가하여 기포를 마이크로 버블로 미세화시키고, 상기 마찰면(12)은 마이크로 버블로 미세화된 기포에 강력한 마찰력을 인가함으로써 마이크로 버블이 다시 인장 변형 및 극미세화되어 나노 버블을 생성하게 된다.
상기 타격 겸용 마찰자(10)의 회전동작시, 특히 상기 돌출부(11)가 원심력을 발생시켜 유체를 챔버의 내벽(33)으로 강력하게 밀쳐냄으로써 챔버의 내벽(33)을 이용하여 유체에 마찰력을 인가하는 한편, 기액 혼합 유체는 타격 겸용 마찰자(10) 와 챔버 내벽(33) 사이의 공간을 넘나들며 나선형으로 휘도는 유동이 발생된다(도 4 참조).
또한, 상기 타격 겸용 마찰자(10)의 회전에 의하여 챔버 내에 원심력이 작동함으로써 유동이 챔버의 내벽(33) 쪽으로 편중되어 특히 타격 겸용 마찰자(10)에서 축선과 직교하는 양쪽의 마찰면(12)은 유체 마찰 기능이 대부분 사장될 수 있다.
상기 타격 겸용 마찰자(10)에 형성된 분배 구멍(14a) 또는 절개형 통로(14b)는 상기와 같이, 원심력이 작용하는 유동이 챔버의 내벽(33) 쪽으로 편중되는 것을 방지하고 타격 겸용 마찰자(10)에서 축선과 직교하는 양쪽의 마찰면(12)이 마찰 기능을 수행할 수 있도록 한다.
더욱 상세히 설명하면, 타격 겸용 마찰자(10)에 형성되는 상기 분배 구멍(14a) 또는 절개형 통로(14b)는 유체가 타격 겸용 마찰자(10)의 몸체를 관통하여 각각의 몸체에서 축선과 직교하는 양쪽 마찰면(12)을 타고 유동될 수 있는 통로로 제공됨으로써 타격 겸용 마찰자의 축선과 직교하는 양쪽 마찰면(12)에서 구동축(41)과 가까운 영역까지도 유체의 마찰 기능을 수행할 수 있도록 하여 유효 마찰 면적 확장에 기여할 수 있다.
또한, 타격 겸용 마찰자(10)에 상기 분배 구멍(14a) 또는 절개형 통로(14b)가 형성됨으로써 유체의 나선형 회전 유동을 증폭 및 가속시켜 기포의 미세화에 영향을 미치는 마찰력을 증대시킬 수 있다.
따라서, 타격 겸용 마찰자(10)에 형성되는 분배 구멍(14a) 및 절개형 통로(14b)는 그 축공(13)과 인접한 위치에 가능한 크게 형성됨이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.
여기서, 상기 타격 겸용 마찰자(10) 중 어느 하나 이상은 기액 혼합 유체에 포함된 기포의 나노 사이즈 미세화에 유효한 마찰력을 인가하기 위하여 상기 마찰면(12)의 축선 직교 방향 최선단의 선속이 8m/sec 이상으로 됨이 바람직하다(도 3 참조).
상기 선속은 후술하는 마찰자(10A)에도 동일하게 적용된다.
아래의 표 1, 2는 상기 타격 겸용 마찰자에서 돌출부(11)가 배제되고 마찰면(12)만 형성된 마찰자(10A)(도 10 참조)의 선속에 따른 나노 버블 생성 실험을 정리한 것이다.
위의 표 1,2에서
I는 마찰자의 축선 직교 방향 최선단과 챔버 내벽(33) 사이의 간격, R은 마찰자의 반경을 의미하고, 모든 실험 실시예들은 각각 다음과 같은 조건에서 실시되었다.
1. 시료 : 수돗물(DO: 8.5ppm)
2. 실험 온도 : 24±0.5℃
3. 주입 기체 및 주입 방법 : 산소(O2 100％), 자흡
4. 나노 버블 생성 판정 방법 : 실험 실시 후 시료를 채취하여 5초간 흔들고 3분간 정지하여 마이크로 버블이 소멸될 수 있는 시간 경과 후, 암실에서 녹색 레이저빔(파장 532㎚)을 투과하여 육안으로 확인하는 방법으로 판정하였다.
물속에서 우윳빛을 띠는 마이크로 버블과 달리 나노 버블은 투명하기 때문에 일반 조명 상태에서는 생성 여부를 확인할 수 없음으로 시료를 투명 용기에 채취 후 암실에서 파장이 짧은 녹색 레이저 빔을 투과시켜 보았다.
이때, 물속에 나노 버블이 부유할 경우에는 레이저 빔이 산란되어 빛이 발생되고, 나노 버블이 존재하지 않을 경우에는 빛이 발생되지 않는다.
도 13의 사진은 나노 버블 생성을 보이기 위하여 왼쪽 용기에는 나노 버블이 생성되지 않은 일반 물, 오른쪽 용기에는 나노 버블이 생성된 시료(물)를 담고, 빛이 있는 일반 조명 상태(a)와 암실 상태(b)에서 촬영한 것이다.
일반 조명 상태에서는 양쪽의 용기에 담긴 물이 모두 투명하게 보이고(a),
암실 상태에서 촬영한 사진(b)에서 왼쪽 용기에 담겨진 일반 물에서는 띠 형태의 빛을 볼 수 없고, 오른쪽 용기에 담겨진 시료에서만 직진하는 녹색 레이저 빔에 의하여 띠 형태로 촘촘히 늘어선 산란광을 볼 수 있어 시료에 나노 버블이 생성되었음을 확인할 수 있다.
상기 표 1, 2의 실험표에서 보이는 바와 같이 대체로 마찰자의 선속이 빠를수록 용존산소량(Dissolved Oxygen, DO)이 증가하고, 마찰자의 선속이 동일 조건에서 마찰자의 축선 방향 최선단과 챔버 내벽 사이의 간격(I)이 넓게 설정된 실시예의 실험 1에 비하여 좁게 설정된 실시예의 실험 2에서 DO의 증가량이 보다 양호한 것으로 확인된다.
상기 실시예들의 실험 결과를 정리하면 아래와 같다.
첫째, DO의 증가가 나노 버블의 생성과 반드시 비례하지 않는다.
둘째, 마찰자의 선속이 적어도 8m/sec 이상에서 미세기포가 급격히 극미세화되어 나노 버블 생성된다.
마찰자의 선속이 8m/sec 이하로 감속된 실시예에서는 나노 버블 생성량이 미약하여(시료에 녹색 레이저 빔 투과시 산란광 띠가 안 보임) 유의미한 나노 버블의 생성이 없었으며(실시예 5), 8m/sec 이상으로 선속이 높아질수록 나노 버블 생성이 급속히 증가함을 확인할 수 있었다.
셋째, 마찰자의 축선 방향 최선단과 챔버 내벽(33) 사이의 간격(I)이 마찰자 반경의 1/2 이하로 좁게 됨이 바람직하다.
마찰자의 축선 방향 최선단과 챔버 내벽(33) 사이의 간격(I)이 실험 1의 실시예들과 같이 마찰자 반경의 1/2 정도로 넓게 형성되고, 상기 선속이 8m/sec 이하로 조성될 경우, DO 및 나노 버블 생성 효율이 낮게 나타나는 것은 마찰자의 회전에 따른 원심력이 챔버의 내벽(33)에 이르기 전에 점차 약해져 챔버 내벽을 이용하는 마찰력이 약한 것으로 해석된다.
또한, 실험 2의 실시예들과 같이 상기 간격(I)이 마찰자(10A) 반경의 12/100 정도로 좁게 형성될 경우에는 마찰자의 회전동작에 따른 유체의 원심력이 챔버 내벽(33)에 보다 강력하게 인가되고, 이에 따라 DO 증가 및
나노 버블 생성이 효율적으로 이루어짐을 알 수 있다.
따라서, 상기 타격 겸용 마찰자(10) 중 어느 하나 이상은 회전 동작으로 기액 혼합 유체를 챔버의 내벽(33)으로 밀쳐내 기포의 미세화에 효과적인 마찰력을 얻기 위하여 상기 마찰면(12)의 선단에서 챔버의 내벽(33)과의 간격(I)이 각각의 반경의 1/2 이하로 됨이 바람직하다(도 3 참조).
상기 간격(I)은 상기 타격 겸용 마찰자(10) 중 마찰면(12)의 반경이 가장 큰 사이즈의 것을 기준으로 한다.
한편, 챔버의 내벽(33)은 챔버(30) 자체의 내벽 외에 어떠한 이유로 챔버 내벽에 결합되는 별도의 원통형 부품이 대신할 수도 있다.
상기에서 타격 겸용 마찰자(10)가 직접 마주하는 챔버의 내벽(33)은 타격 겸용 마찰자(10) 회전시 원심력에 의하여 유체가 마찰되는 면을 의미하는 것으로서 챔버(30) 자체의 내벽에 한정되지 않고 챔버의 내벽에 결합되는 별도 부품의 내표면을 포함한다.
상기 타격 겸용 마찰자(10)는 상기 구동축(41)에 임의의 간격으로 공간을 두고 복수 배열되되, 하나 이상의 대경 타격 겸용 마찰자(10L)와, 상기 대경 타격 겸용 마찰자(10L) 대비 상대적으로 반경이 작게 형성되는 하나 이상의 소경 타격 겸용 마찰자(10S) 임의의 간격을 두고 교호로 배열될 수 있다(도 4, 11 참조).
상기 대경 타격 겸용 마찰자(10L) 및 소경 타격 겸용 마찰자(10S)가 반복적으로 교차 배열될 경우, 한정된 챔버 공간 내에서 대경 타격 겸용 마찰자(10L) 간의 간격을 넓히고 그 사이에 소경 타격 겸용 마찰자(10S)가 위치하게 되어 유체의 마찰공간 및 마찰 면적을 효과적으로 이용할 수 있다.
타격 겸용 마찰자(10)가 동일 반경의 크기로 연속 배열되고 마찰자 간의 간격이 크지 않을 경우, 원심력에 의하여 상기와 같이 유동 흐름이 챔버의 내벽(33) 쪽으로 편중됨으로써 마찰자에서 축선과 직교하는 마찰면(12)의 효용이 대부분 사장될 수 있으나, 마찰자가 반경차로 인해 들쭉날쭉 배열될 경우, 타격 겸용 마찰자(10) 간의 간격이 상대적으로 크지 않아도 타격 겸용 마찰자(10) 몸체의 전체 면이 유효 마찰면으로 기능할 수 있다(도 4, 11 참조).
상기 타격 겸용 마찰자(10)는 상기 구동축(41)에 임의의 간격으로 공간을 두고 복수 배열되되, 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 마이크로 버블 단계에서 나노 버블 단계로 순차적으로 미세화시키기 위하여 유동 흐름 방향의 배열 순서에 따라 상기 돌출부(11)의 돌출 크기(11a)가 상대적으로 점차 작아질 수 있다(도 2 내지 4 참조).
또한, 상기 타격 겸용 마찰자(10)는 상기 구동축(41)에 임의의 간격으로 공간을 두고 복수 배열되되, 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 마이크로 버블 단계에서 나노 버블 단계로 순차적으로 미세화시키기 위하여 유동 흐름 방향의 배열 순서에 따라 상기 돌출부(11)의 돌출 크기(11a)가 상대적으로 점차 작아지고, 유동 흐름 후미에는 돌출부는 배제되고 상기 마찰면(12)만으로 형성된 마찰자(10A)가 하나 이상 추가 배열될 수 있다(도 2 내지 4, 10, 11 참조).
상기 마찰자(10A)는 타격 겸용 마찰자(10)들의 배열 속에도 위치될 수 있다(미도시).
상기와 같이, 타격 겸용 마찰자(10)에서 유체에 전단력을 인가하는 돌출부(11)의 돌출 크기(11a)가 유동 흐름 방향을 따라 점차 작아짐으로써 돌출부(11)는 유동 흐름 초입에는 크게 형성된 후 점차 작아지는 반면 나노 버블을 생성하는 마찰면(12)의 면적이 점차 확장된다.
따라서, 기액 혼합 유체에 포함된 기포에 챔버 유입 초입에는 전단력이 강하게 인가되어 마이크로 버블 미세화가 강세로 되고, 유동 흐름이 진행될수록 전단력은 점차 약화되는 반면 마찰력이 강화됨으로써 나노 버블 생성이 효과적으로 이루어질 수 있다.
상기 마찰자(10A)가 복수 배열될 경우, 반경의 크기를 달리하여 배열될 수 있다(도 4, 11 참조).
상기 마찰자(10A)에도 기액 혼합 유체의 유동을 축선과 직교면으로 유도하기 위한 분배구멍(14a) 또는 절개형 통로(14b) 중 어느 한가지 이상이 형성될 수 있다(도 10 참조).
또한, 상기 복수의 마찰자(10A) 중 어느 하나 이상은 원반형 몸체의 둘레면에 환형 또는 나선형으로 되는 요홈이 형성될 수 있다(미도시).
상기 마찰자(10A)의 둘레면에 요홈이 형성됨으로써 유체의 마찰 면적을 확장할 수 있다.
또한, 상기 마찰자(10A) 중 어느 하나 이상은 마찰 면적 확장을 위하여 몸체의 표면 일부 이상에 미세 요철이 형성될 수 있으며(미도시), 상기 미세 요철은 표면 거칠기, 샌딩, 스크래치 등 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
상기 타격 겸용 마찰자(10) 중 하나 이상은 상기 돌출부(11)가 몸체의 둘레면 및 축선과 직교하는 양면 중 어느 한 면 이상에 형성될 수 있다(도 7 참조)
상기 돌출부(11)는 방사상으로 형성될 수 있다.
상기 타격 겸용 마찰자(10) 중 어느 하나 이상은 상기 복수의 돌출부(11)가 임의의 각도로 휘어진 날개 형태로 구성될 수 있다(도 8 참조).
상기와 같이 돌출부(11)가 날개 형태로 구성된 타격 겸용 마찰자는 회전 유속을 높이는 동시에 유동 흐름을 중심부로 유도하여 마찰 면적이 챔버의 내벽에 치우치는 것을 억제하고 마찰면적을 확장할 수 있다.
또한, 두 개 이상의 상기 타격 겸용 마찰자(10)가 연결부(18)를 통하여 간격을 두고 단일체로 형성되는 다단형 타격 겸용 마찰자(10b)로 구성될 수 있다(도 9 참조).
상기 다단형 타격 겸용 마찰자(10b)는 원반형 몸체가 반경 차이가 나는 두 단 이상으로 형성될 수 있다.
상기 다단형 타격 겸용 마찰자(10b)는 구동축(41)에 배열되는 한 벌의 타격 겸용 마찰자가 단일 몸체로 연결 형성될 수 있으며(미도시), 이러한 구성은 취급 관리 및 조립제작을 간편하게 수행할 수 있도록 한다.
한편, 상기 챔버(30)는 유체의 마찰 면적 확장을 위하여 내벽(33)의 일부 이상에 미세 요철(35)이 형성될 수 있다(도 2 참조).
상기 미세 요철(35)은 스크래치, 샌딩 요철 등으로 형성될 수 있다.
상기 미세 요철(35)은 유동 흐름 초입부에 형성하여 타격 겸용 마찰자(10) 회전시 발생되는 원심력에 의하여 유체에 대한 충격 및 전단력 인가를 증대시킬 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 구동축(41)에는 챔버의 유입구(31)에 인접하여 하나 이상의 임펠러(50)가 추가 설치될 수 있다(도 11 참조).
이와 같이, 챔버(30) 내에 임펠러(50)가 설치될 경우, 기액 혼합 유체의 챔버 유입이 자흡에 의하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 기액 혼합 유체는 별도의 펌프에 연결되는 유입관(71)을 통하여 챔버에 유입될 수 있다(도 12 참조).
한편, 산소(O2), 오존(O3) 수소(H2) 등의 기체는 챔버(30)를 통과하는 처리과정에서 전량이 액체에 용존되지 못하고 대개 40％ 내외의 많은 양이 액체에 비용존 상태로 배출되고, 챔버에서 배출된 후 액체로부터 부상하여 공기 중으로 소멸되므로 손실이 크다.
이러한 손실을 방지하기 위하여 기액 혼합 유체로부터 부상하는 비용존 기체를 회수하여 재투입하는 기체 포집조(80)가 설치될 수 있다(도 12 참조).
상기 구성을 지닌 본 발명에 따른 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템(1)의 작용 상태를 살펴본다.
종래 기술과 같이, 기액 혼합 유체에 충격 및 전단력을 인가할 경우에는 유체에 포함된 기포의 마이크로 버블 단계에 이르는 미세화는 용이하지만 나노 버블로 미세화되기는 어렵다.
반면에, 기액 혼합 유체에 마이크로 버블 단계 없이 사이즈가 큰 기포에 처음부터 마찰력을 이용하여 미세화시킬 경우 기기의 효율성 및 기포의 미세화 품질이 떨어진다.
본 발명은 상기와 같이, 타격 겸용 마찰자(10)가 돌출부와 마찰면을 구비하여 기액 혼합 유체을 마이크로 버블 단계로 미세화시키는 충격 및 나노 버블로 미세화를 심화시키는 마찰력이 동시적으로 인가되되, 유동 흐름 방향으로 초입에는 돌출부의 크기가 크게 형성된 상태에서 후미로 향할수록 점차 작아지는 반면에 마찰면이 점차 확장됨으로써 유동 흐름이 진행될수록 초입에서 강력했던 전단력은 점차 약화되는 반면 후미로 진행될수록 마찰력이 강화됨으로써 마이크로 버블이 먼저 생성되고 마찰을 이용하는 나노 버블 생성이 효과적으로 이루어질 수 있다.
또한, 복수의 타격 겸용 마찰자(10)가 간격을 두고 챔버의 내벽과 직접 마주하여 배열됨으로써 유체가 나선형으로 휘도는 유동을 통하여 타격 겸용 마찰자에 회전에 의한 충격 및 마찰력이 인가되는 한편, 원심력 발생에 의하여 유체가 챔버 내벽(33)에 밀쳐져 타격 겸용 마찰자의 마찰면보다 현저히 넓은 면적을 갖는 챔버 내벽면이 마찰면으로 기능하게 됨으로써 나노 버블이 보다 효과적으로 생성될 수 있도록 한다.
또한, 상기 타격 겸용 마찰자(10) 회전시 부분적으로 난류 및 캐비테이션이 발생됨으로써 기포의 나노 버블 생성에 기여할 수 있다.
이러한 난류 및 캐비테이션은 타격 겸용 마찰자(10)의 고속 회전부 주위, 원심력에 의하여 유체가 충돌하는 챔버(30)의 내벽, 타격자 및 마찰자들의 배열 공간 등에서 이루어진다.
특히, 복수의 타격 겸용 마찰자(10)가 반경 차이를 갖는 대경 타격 겸용 마찰자(10L)와 소경 타격 겸용 마찰자(10S)가 임의의 간격으로 공간을 두고 교차 배열될 경우(도 4, 11 참조), 상기와 같이 타격 겸용 마찰자의 몸체 전체면을 유효 마찰면으로 사용될 수 있도록 하는 한편, 타격 겸용 마찰자(10) 간 공간 및 유동 진행방향 후방에서 와류가 발생되어 캐비테이션을 증폭시킴으로 회전마찰력과 함께 나노 버블 생성효율이 상승될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하여 질적, 양적으로 양호하게 나노 버블 생성이 가능해짐에 따라 특히 대용량을 필요로 하는 산업분야 전반에서 효용성이 탁월한 나노 버블을 쉽게 이용할 수 있도록 한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다.
여기서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
1: 본 발명의 마찰력을 이용한 나노 버블 생성시스템
10: 타격 겸용 마찰자 10A: 마찰자
10L: 대경 타격 겸용 마찰자 10S: 소경 타격 겸용 마찰자
11: 돌출부 12: 마찰면 13: 축공
14a: 분배 구멍 14b: 절개형 통로 30: 챔버
31: 유입구 32: 토출구 33: 내벽
40: 구동수단 41: 구동축 50: 임펠러
80: 기체 포집조
10: 타격 겸용 마찰자 10A: 마찰자
10L: 대경 타격 겸용 마찰자 10S: 소경 타격 겸용 마찰자
11: 돌출부 12: 마찰면 13: 축공
14a: 분배 구멍 14b: 절개형 통로 30: 챔버
31: 유입구 32: 토출구 33: 내벽
40: 구동수단 41: 구동축 50: 임펠러
80: 기체 포집조
Claims (12)
- 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 미세화시키기 위한 내부 공간 및 유입구와 토출구를 구비하며 구동축이 설치되는 챔버,
상기 챔버 내로 유입되는 기액 혼합 유체에 충격을 가하고 유체를 회전시켜 상기 챔버의 내벽에 마찰시키기 위한 복수의 돌출부와 함께 마찰력 인가를 위한 마찰면을 구비하고 상기 구동축에 설치되는 하나 이상의 타격 겸용 마찰자 및
상기 구동축을 포함하며 상기 타격 겸용 마찰자의 회전을 위한 구동수단을 포함하고,
상기 타격 겸용 마찰자는 상기 구동축에 임의의 간격으로 공간을 두고 배열되며, 몸체의 둘레면이 상기 챔버의 내벽과 임의의 간격을 두고 마주하며,
상기 타격 겸용 마찰자 중 어느 하나 이상은
기액 혼합 유체의 유동을 축선과 직교면으로 유도하기 위한 분배 구멍 또는 절개형 통로 중 어느 한가지 이상이 형성되고,
기액 혼합 유체에 포함된 기포의 나노 사이즈 미세화에 유효한 마찰력을 인가하기 위하여 상기 마찰면 중 축선 직교 방향 최선단의 선속이 8m/sec 이상으로 됨을 특징으로 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템. - 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 타격 겸용 마찰자는 상기 구동축에 임의의 간격으로 공간을 두고 복수 배열되되, 하나 이상의 대경 타격 겸용 마찰자와, 상기 대경 타격 겸용 마찰자 대비 상대적으로 반경이 작게 형성되는 하나 이상의 소경 타격 겸용 마찰자 임의의 간격으로 공간을 두고 교호로 배열됨을 특징으로 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 타격 겸용 마찰자는 상기 구동축에 임의의 간격으로 공간을 두고 복수 배열되되, 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 마이크로 버블 단계에서 나노 버블 단계로 순차적으로 미세화시키기 위하여 유동 흐름 방향의 배열 순서에 따라 상기 돌출부의 돌출 크기가 상대적으로 점차 작아짐을 특징으로 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 타격 겸용 마찰자는 상기 구동축에 임의의 간격으로 공간을 두고 복수 배열되되, 기액 혼합 유체에 포함된 기포를 마이크로 버블 단계에서 나노 버블 단계로 순차적으로 미세화시키기 위하여 유동 흐름 방향의 배열 순서에 따라 상기 돌출부의 돌출 크기가 상대적으로 점차 작아지고,
유동 흐름 후미에는 상기 마찰면만으로 형성된 마찰자가 하나 이상 추가 배열됨을 특징으로 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 타격 겸용 마찰자 중 하나 이상은 상기 돌출부가 몸체의 둘레면 및 축선과 직교하는 양면 중 어느 한 면 이상에 형성됨을 특징으로 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 타격 겸용 마찰자 중 어느 하나 이상은 상기 돌출부가 날개 형태로 구성됨을 특징으로 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템. - 청구항 1에 있어서,
두 개 이상의 상기 타격 겸용 마찰자가 연결부를 통하여 간격을 두고 단일체로 형성되는 다단형 타격 겸용 마찰자를 포함하여 됨을 특징으로 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템. - 청구항 6에 있어서,
상기 마찰자 중 어느 하나 이상은 기액 혼합 유체의 유동을 축선과 직교면으로 유도하기 위한 분배 구멍 또는 절개형 통로 중 어느 한가지 이상이 형성됨을 특징으로 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 챔버는 내벽의 일부 이상에 미세 요철이 형성됨을 특징으로 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 구동축에는 챔버의 유입구에 인접하여 하나 이상의 임펠러가 추가 설치됨을 특징으로 하는 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템.
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| KR1020200012973A KR102260745B1 (ko) | 2020-02-04 | 2020-02-04 | 마찰을 이용한 나노 버블 생성 시스템 |
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