KR101708597B1 - 나노 버블 발생 장치 - Google Patents
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Abstract
나노 버블 발생 장치가 개시된다. 이 나노 버블 발생 장치는, 물 유입구와 물 유출구가 형성된, 케이싱부와, 상기 케이싱부 내에서 종방향으로 배치되고, 외부로부터 동력을 전달받아 회전하는 메인 샤프트와, 상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여 와류를 발생시키면서 물 내에 포함된 기포들을 1차 분쇄하는 인듀서 임펠러와, 상기 인듀서 임펠러의 후단에서 상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여 와류의 세기를 증가시키면서 물 내에 포함된 기포들을 2차 분쇄하는 터보 임펠러와, 상기 터보 임펠러의 후단에서 상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여 와류의 세기를 증가시키면서 물 내에 포함된 기포들을 3차 분쇄하는 미들 로터와, 상기 미들 로터의 후단에서 상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여 와류의 세기를 증가시키면서 물 내에 포함된 기포들을 4차 분쇄하는 로우 로터와, 상기 로우 로터의 후단에서 상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여, 상기 로우 로터에 의해 4차 분쇄된 기포를 포함하는 물을 상기 물 유출구 측으로 내보내는 클로즈드 임펠러를 포함한다.
Description
본 발명은 나노 버블 발생 장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로는, 원수(raw water)의 BOD(Biochemical Oxygen Demand), COD(Chemical Oxygen Demand), SS(suspended solid), 및 N-Hex 등을 대폭 낮출 수 있도록 초미세 나노 버블을 발생시켜 원수 내에 공급하여 원수 내에 포함된 오염물질 제거에 사용할 수 있는 나노 버블 발생 장치에 관한 것이다.
미세 기포는 생물학적 활성화 효과, 물리적 초핑 효과, 액적 효과 등을 이용하여 수질을 정화시키고, 수경재배, 어패류 양식, 세정/세척, 의료, 입욕시설, 또는 세탁기 등의 다양한 분야에 응용되고 있다. 따라서, 이러한 미세 기포를 효율적으로 발생시키기 위한 연구가 계속해서 진행되고 있으며, 마이크로 버블(micro buble)에서 더 나아가 초미세 버블인 나노 버블(nano buble)을 발생시키기 위한 장치도 계속해서 연구 개발되어 오고 있다.
미세 기포 발생을 위한 장치나 설비에서 필수 구성요소로서, 다양한 종류의 펌프들이 사용되어 왔으며, 대표적인 예로서, 원심 펌프, 회전 펌프, 및 재생 펌프가 있다. 원심 펌프(Centrifugal Pump)는 임펠러의 회전에 의한 원심력으로 물에 압력 에너지를 부여하여 퍼올리는 펌프로서, 와류 펌프로도 일컬어진다. 회전 펌프(Rotary Pump)는 로터리 펌프로도 일컬어지며, 케이싱 중에 거의 빈틈이 없도록 내접하는 회전자(rotor)의 회전에 의해 생기는 밀폐 공간의 이동에 의해서 유체를 수송하는 펌프로서, 회전 펌프의 종류에는 회전자의 평판형 베인(vane)을 장치한 베인펌프(vane pump)와 톱니바퀴를 설치한 기어펌프(gear pump), 스크류를 설치한 스크류펌프(screw pump) 등이 있다. 회전 펌프의 경우 운동부분이 등속회전을 하기 때문에 토출량의 변동이 적고 또한 흡입밸브와 토출밸브를 필요로 하지 않으며, 유체에 운동량을 부여하는 원심펌프와는 달리 자흡작용이 있고 취급할 수 있는 액체의 종류도 저점성에서부터 고정성까지 그 사용 폭이 비교적 넓으나, 고체입자(suspended solid)가 현탁해 있는 액체는 마모의 염려가 있으므로 적당하지 않고, 부식성 액체를 취급하는 경우에는 재료에 특별한 주의가 요구된다. 재생 펌프(Regenerative Pump)는 마찰 펌프, 웨스코 펌프 등으로도 일컬어지는데, 이 펌프는 임펠러 주변에 많은 홈을 파서 회전할 때 입구 쪽에서 홈에 들어간 액체가 케이싱에 둘러싸여 송출구 밖으로 운반되는 방법을 사용한다. 재생 펌프는 유체의 점성력을 이용하여 매끈한 회전체 또는 나사가 있는 회전 축을 케이싱 내에서 회전함으로써 액체의 유체 마찰력에 의하여 압력 에너지를 주어서 송출한다. 재생 펌프는 원심 펌프와 회전 펌프의 중간 구조를 가지며, 원심 펌프에 비하면 고 양정을 얻을 수 있으나 최고 효율은 떨어진다. 또한 물의 경우 그 효율이 30~40%로 낮은데 그 이유는 유로 내에서 액체의 난류가 심해지는 것과 로터의 홈이나 벽 사이의 틈에 충격이나 마찰이 발생하기 때문이다. 이는 재생 펌프가 마찰을 이용하는 것이기 때문에 어쩔 수 없는 한계이다. 이러한 여러 가지 펌프들을 사용함에 있어서, 버블 발생을 위해 기체(gas)를 함께 주입할 경우 펌프의 앞단에서 발생하는 에어 포켓 현상이나, 급격한 압력차로 인한 캐비테이션 손상(cavitation damage)이 불가피하다.
미세 버블 또는 초미세 버블을 발생시키기 위한 방안으로서, 이러한 펌프들과는 별개로, 대한민국등록특허 제10-1379239호(2014.03.23. 등록) 또는 제10-1125851(2012.03.05. 등록)에 개시된 바와 같이, 나선형 블레이드와 나선형 그루브를 이용하거나, 원통체의 외주면에 나선홈 유로를 형성하고 모터로 원통체를 회전하여 나노 버블을 발생시키는 것과 같은 기술들이 개시된 바 있다. 하지만, 상기 종래 기술들은 유체의 이송을 위한 별도의 이송 펌프를 필요로 하며, 그 밖에 컴프레셔나 압력을 제공하기 위한 설비들이 추가되어야 할 뿐만 아니라, 나노 수준의 초미세 버블의 발생 효율을 보장하기 어렵다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이 가압 펌프(Pressure pump)와 스태틱 믹서(Static mixer) 등의 구성요소들을 이용하여 물과 기체를 믹싱함과 동시에 미세 버블을 발생시키는 종래 기술이 개시된 바 있으나, 이 경우, 별도의 가압 펌프와 스태틱 믹서가 요구되며, 특히 스태틱 믹서에 이물질이 많이 부착됨으로 인해 장치의 수명 단축과 버블 발생 효율 저하가 초래되는 단점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 버블 발생 효율을 높이며, 컴프레셔나 가압 펌프 등의 복잡한 추가 설비들을 필요로 하지 않고서 초미세 나노 버블을 발생시킬 수 있는 나노 버블 발생 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 나노 버블 발생 장치는, 물 유입구(113)와 물 유출구(114)가 형성된, 케이싱부(C1, C2, C3)와, 상기 케이싱부 내에서 종방향으로 배치되고, 외부로부터 동력을 전달받아 회전하는 메인 샤프트(101)와, 상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여 와류를 발생시키면서 물 내에 포함된 기포들을 1차 분쇄하는 인듀서 임펠러(102)와, 상기 인듀서 임펠러의 후단에서 상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여 와류의 세기를 증가시키면서 물 내에 포함된 기포들을 2차 분쇄하는 터보 임펠러(103)와, 상기 터보 임펠러의 후단에서 상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여 와류의 세기를 증가시키면서 물 내에 포함된 기포들을 3차 분쇄하는 미들 로터(105)와, 상기 미들 로터의 후단에서 상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여 와류의 세기를 증가시키면서 물 내에 포함된 기포들을 4차 분쇄하는 로우 로터(107)와, 상기 로우 로터의 후단에서 상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여, 상기 로우 로터에 의해 4차 분쇄된 기포를 포함하는 물을 상기 물 유출구 측으로 내보내는 클로즈드 임펠러(110)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따라, 상기 나노 버블 발생 장치는, 상기 터보 임펠러의 후단에서 상기 터보 임펠러에 의해 회전하는 물에 대한 마찰 저항을 제공하여 상기 터보 임펠러에 의한 상기 2차 분쇄를 촉진하며, 상기 2차 분쇄된 기포를 포함하는 물을 통과시키는, 스테이터 베인(104), 상기 미들 로터와 상기 로우 로터 사이에 위치하고, 상기 미들 로터에 의해 회전하는 물에 대한 마찰 저항을 제공하여 상기 미들 로터에 의한 상기 3차 분쇄를 촉진하며, 상기 3차 분쇄된 기포를 포함하는 물을 통과시키는, 미들 스테이터(106), 상기 로우 로터와 상기 클로즈드 임펠러 사이에 위치하고, 상기 로우 로터에 의해 회전하는 물에 대한 마찰 저항을 제공하여 상기 로우 로터에 의한 상기 4차 분쇄를 촉진하며, 상기 4차 분쇄된 기포를 포함하는 물을 통과시키는, 로우 스테이터(109), 그리고, 상기 미들 스테이터와 상기 로우 스테이터 사이에 위치하고, 상기 로우 로터(107)의 외곽으로 배치되며, 상기 로우 로터에 의한 상기 4차 분쇄를 촉진하기 위해 내측면에 요철 패턴(1081)이 형성된, 스페이서 스테이터(108)를 더 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 케이싱부(C1, C2, C3)는, 상기 물 유입구가 형성되고 내부에 상기 인듀서 임펠러와 상기 터보 임펠러를 수용하는, 탑 커버(C1)와, 물의 누설을 방지하기 위해 제1 오링(R1)을 개재한 상태로 상기 탑 커버와 결합되고 상기 스테이터 베인, 상기 미들 로터 및 상기 로우 로터를 수용하는, 볼류트 커버(C2)와, 상기 물 유출구가 형성되고 물의 누설을 방지하기 위해 제2 오링(R2)을 개재한 상태로 상기 볼류트 커버와 결합되고 상기 클로즈드 임펠러를 수용하는, 볼류트 바디(C3)를 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 탑 커버(C1)는, 상기 탑 커버의 내측면에서부터 상기 터보 임펠러 측으로 향하도록 형성되어, 상기 터보 임펠러의 회전시 상기 터보 임펠러와의 상호 작용으로 물 내에 포함된 기포들의 상기 2차 분쇄를 촉진하기 위한, 복수 개의 돌기들(121)을 포함한다.
일 실시예에 따라, 상기 클로즈드 임펠러(110)는, 내부로 물을 유입시키기 위한 개구부(1104)와, 상기 개구부를 통해 유입되는 물을 회전시키기 위한 복수 개의 회전 날개들(1103)과, 상기 회전 날개들에 의해 회전되는 물을 상기 물 유출구(114) 측으로 내보내기 위한 측면 통로들(110)을 포함한다.
본 발명은 새로운 개념의 나노 버블 발생 장치를 제공함으로써, 나노 버블 발생 효율을 높일 수 있고, 설비를 단순화하여 비용을 절감하고 소음 발생을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 에어 포켓 현상과 캐비테이션 손상을 억제하여 장치의 수명 단축을 예방할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 나노 버블 발생 장치를 제공함으로써, 처리를 위한 원수(raw water)의 BOD(Biochemical OxygenDemand), COD(Chemical Oxygen Demand), SS(suspended solid), 및 N-Hex 등을 대폭 낮출 수 있는 초미세 나노 버블을 발생시켜 원수 내에 공급하여 원수 내에 포함된 오염물질을 제거할 수 있다.
도 1은 종래의 나노 버블 발생 장치의 일 예를 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)의 일 적용예를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)의 외관을 나타낸 도면이고,
도 5는 도 4의 나노 버블 발생 장치(100)에서 A-A를 따라 절취한 단면도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)에서 물 유입구(113) 내에 배치되어 기체(gas)를 물과 함께 유입시키기 위한 벤츄리관의 일 예를 나타낸 도면이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)에서 물의 흐름을 설명하기 위해 케이싱부(C1, C2, C3)의 일부를 제거하여 나타낸 도면이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)의 분해 사시도로서, 메인 샤프트(101)에 의존하여 함께 회전하는 구성요소들((b)에 도시함)과 메인 샤프트(101)가 회전하더라도 회전하지 않는 구성요소들((a)에 도시함)을 각각 구별하여 나타낸 분해 사시도이며,
도 9는 도 8의 나노 버블 발생 장치(100)에서 메인 샤프트(101)에 의존하여 메인 샤프트(101)와 함께 회전하는 구성요소들(도 8의 (b))을 상세히 나타낸 도면이고,
도 10은 도 9에서 클로즈드 임펠러(110)의 일 예를 상세히 나타낸 도면이고,
도 11 및 도 12는 본 발명의 나노 버블 발생 장치(100)의 구성요소들 간의 결합 관계를 설명하기 위해 중요 부분의 단면을 나타낸 도면이고,
도 13은 본 발명의 나노 버블 발생 장치(100)의 버블 발생 효율을 설명하기 위한 것으로서, 종래의 버블 발생 장치의 입자 분포(적색, G2)와 본 발명의 나노 버블 발생 장치의 입자 분포(청색, G1)를 비교하기 위한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)의 일 적용예를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)의 외관을 나타낸 도면이고,
도 5는 도 4의 나노 버블 발생 장치(100)에서 A-A를 따라 절취한 단면도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)에서 물 유입구(113) 내에 배치되어 기체(gas)를 물과 함께 유입시키기 위한 벤츄리관의 일 예를 나타낸 도면이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)에서 물의 흐름을 설명하기 위해 케이싱부(C1, C2, C3)의 일부를 제거하여 나타낸 도면이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)의 분해 사시도로서, 메인 샤프트(101)에 의존하여 함께 회전하는 구성요소들((b)에 도시함)과 메인 샤프트(101)가 회전하더라도 회전하지 않는 구성요소들((a)에 도시함)을 각각 구별하여 나타낸 분해 사시도이며,
도 9는 도 8의 나노 버블 발생 장치(100)에서 메인 샤프트(101)에 의존하여 메인 샤프트(101)와 함께 회전하는 구성요소들(도 8의 (b))을 상세히 나타낸 도면이고,
도 10은 도 9에서 클로즈드 임펠러(110)의 일 예를 상세히 나타낸 도면이고,
도 11 및 도 12는 본 발명의 나노 버블 발생 장치(100)의 구성요소들 간의 결합 관계를 설명하기 위해 중요 부분의 단면을 나타낸 도면이고,
도 13은 본 발명의 나노 버블 발생 장치(100)의 버블 발생 효율을 설명하기 위한 것으로서, 종래의 버블 발생 장치의 입자 분포(적색, G2)와 본 발명의 나노 버블 발생 장치의 입자 분포(청색, G1)를 비교하기 위한 그래프이다.
이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 첨부되면 도면들 및 이들을 참조하여 설명되는 실시예들은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자로 하여금 본 발명에 관하여 이해를 돕기 위한 의도로 예시되고 간략화된 것임에 유의하여야 할 것이다. 본 명세서 내에서 나노 버블은 1μm 이하의 직경을 갖는 버블을 의미하는 것으로 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)의 일 적용예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 상기 나노 버블 발생 장치(100)는 원수(raw water), 즉 수조(300)로부터 물(350)을 공급받아 나노 크기의 초미세 버블을 발생시켜 초미세 버블이 믹싱된 물을 다시 수조(300) 측으로 환원시킨다. 수조(300) 내의 물(350)에 존재하는 물순물은 나노 버블 발생 장치(100)에 의해 생성되어 수조(300) 내로 공급되는 나노 버블에 의해 부상되어 작업자가 쉽게 처리할 수 있게 된다. 나노 버블 발생 장치(100)는 모터(200)와 벨트(250)로 연결되어 동작하게 되고, 물 유입구를 통해 수조(300)로부터 물(350)을 유입시켜(화살표 A1(IN)), 나노 버블을 발생시켜 수조(300) 측으로 환원시킨다(화살표 A2(OUT)). 도 2에서 수조(300) 내의 물(350)을 원수로 하여 나노 버블을 다시 수조(300)로 공급하고 있는 것을 예시하였으나, 이와는 다르게 원수를 공급받아 나노 버블을 생성한 후 다른 부분으로 저장하거나 공급하는 형태일 수도 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)의 외관을 나타낸 도면으로서, 특히 도 3은 케이싱부(C1, C2, C3) 전체의 길이 방향의 외관을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 우측에서 바라본 도면, 즉 탑 커버(top cover, C1)의 측면에서 상기 나노 버블 발생 장치(100)를 바라본 도면이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 나노 버블 발생 장치(100)는, 케이싱부(C1, C2, C3)를 포함하고, 케이싱부(C1, C2, C3)의 길이 방향을 따라 물 유입구(113)가 위치하는 일단에서부터 물 유출구(114)가 위치하는 타단을 통과하도록 케이싱부(C1, C2, C3) 내부에 장착된 메인 샤프트(101)를 포함한다. 메인 샤프트(101)의 일단은 탑 커버(C1) 측에 결합되고, 메인 샤프트(101)의 타단은 모터(도 2의 200 참조)로부터 벨트를 통해 동력을 전달받기 위한 풀리(112)가 설치되어 있다. 케이싱부(C1, C2, C3)는 탑 커버(C1), 볼류트 커버(volute cover, C2) 및 볼류트 바디(volute body, C3)로 구분되며, 물 유입구(113)는 탑 커버 측에 형성되어 있고, 물 유출구(114)는 볼류트 바디(C3) 측에 형성되어 있다. 그리고, 메인 샤프트(101)와 볼류트 바디(C3) 간의 수밀을 위한 커버 실(115)로 마감되어 있다. 메인 샤프트(101)는, 케이싱부(C1, C2, C3)가 고정된 상태로 회전하여야 하므로, 베어링들(도 5의 B1, B2, B3)을 이용하여 독립적으로 회전할 수 있는 구조로 케이싱부(C1, C2, C3)의 내부에 결합되어 있다. 그리고, 케이싱부(C1, C2, C3)에서, 탑 커버(C1), 볼류트 커버(C2) 및 볼류트 바디(C3) 간의 결합 관계는 이하에서 도 5를 참조하여 상세히 설명된다.
도 5는 도 4의 나노 버블 발생 장치(100)에서 A-A를 따라 절취한 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)에서 물 유입구(113) 내에 배치되어 기체(gas)를 물과 함께 유입시키기 위한 벤츄리관의 일 예를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)에서 물의 흐름을 설명하기 위해 케이싱부(C1, C2, C3)의 일부를 제거하여 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)의 분해 사시도로서, 메인 샤프트(101)에 의존하여 함께 회전하는 구성요소들((b)에 도시함)과 메인 샤프트(101)가 회전하더라도 메인 샤프트(101)와 함께 회전하지 않는 구성요소들((a)에 도시함)을 각각 구별하여 나타낸 분해 사시도이며, 도 9는 도 8의 나노 버블 발생 장치(100)에서 메인 샤프트(101)에 의존하여 메인 샤프트(101)와 함께 회전하는 구성요소들(도 8의 (b))을 상세히 나타낸 도면이고, 도 10은 도 9에서 클로즈드 임펠러(110)의 일 예를 상세히 나타낸 도면이고, 도 11 및 도 12는 본 발명의 나노 버블 발생 장치(100)의 구성요소들 간의 결합 관계를 설명하기 위해 중요 부분의 단면을 나타낸 도면이다. 도 12에서 (a)는 도 11에서 B-B 단면으로서 물 유입구(113) 부분의 단면을 나타낸 것이고, (b)는 C-C 단면으로서, 터보 임펠러(103) 부분의 단면을 나타낸 것이고, (c)는 D-D 단면으로서, 미들 로터(105) 전단의 단면을 나타낸 것이고, (d)는 E-E 단면으로서, 로우 스테이터(109) 부분의 단면을 나타낸 것이고, (e)는 F-F 단면으로서, 클로즈드 임펠러(110)와 볼류트 바디(C3) 간의 연결 관계를 나타낸 것이다.
우선, 도 5 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)를 상세히 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 버블 발생 장치(100)는, 케이싱부(C1, C2, C3), 메인 샤프트(101), 인듀서 임펠러(inducer impeller)(102), 터보 임펠러(turbo impeller)(103), 스테이터 베인(stator vanes)(104), 미들 로터(middle rotor)(105), 로우 로터(low rotor)(107), 및 클로즈드 임펠러(closed impeller)(110)를 포함한다. 또한, 미들 스테이터(middle stator)(106), 스페이스 스테이터(space stator)(108), 및 로우 스테이터(low stator)(109)를 포함한다.
케이싱부(C1, C2, C3)는, 외측으로는 물 유입구(113)와 물 유출구(114)가 형성되어 있고, 내부에는 메인 샤프트(101)에 고정되거나 회전가능하게 연결된 여러가지 구성요소들이 수용될 수 있도록 공간을 제공하고, 물을 유입하여 나노 버블이 포함된 물 생성하여 수조(도 2의 300) 측으로 내보낼 수 있는 물의 유출 경로를 제공한다. 케이싱부(C1, C2, C3)는 앞서 간단히 언급한 바와 같이, 탑 커버(C1), 볼류트 커버(C2), 및 볼류트 바디(C3)로 구분될 수 있다.
탑 커버(C1)에는 물 유입구(113)가 형성되어 있으며, 탑 커버(C1)의 내부에는 인듀서 임펠러(102)와 터보 임펠러(103)가 수용된다. 또한, 탑 커버(C1)는, 도 8에서 참조부호 121로 표시된 바와 같이, 탑 커버(C1)의 내측면에서부터 터보 임펠러(103) 측으로 향하도록 형성되어, 터보 임펠러(103)의 회전시 터보 임펠러(103)와의 상호 작용으로 물 내에 포함된 기포들의 2차 분쇄 작업이 더 촉진될 수 있도록 하는 복수 개의 돌기들(121)을 포함한다. 도 9와 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 복수 개의 돌기들(121)은 일정한 길이를 가지며 끝 부분으로 갈수록 작은 폭을 갖도록 형성되어 있다. 그리하여, 터보 임펠러(103)에 의해 발생되는 와류가 부딪치도록 하여 물속에 포함된 기포들의 2차 분쇄가 잘 일어날 수 있도록 해준다.
볼류트 커버(C2)는 물의 누설이 방지되도록 하기 위해 제1 오링(R1)을 개재한 상태로 탑 커버(C1)와 결합되며, 내부에는 스테이터 베인(104), 미들 로터(105) 및 로우 로터(107)가 수용된다. 뿐만 아니라, 상기 볼류트 커버(C2)의 내부에는 미들 스테이터(106), 스페이스 스테이터(108) 및 로우 스테이터(109)도 수용된다.
볼류트 바디(C3)에는 물 유출구(114)가 형성되고 물의 누설을 방지하기 위해 제2 오링(R2)을 개재한 상태로 볼류트 커버(C2)와 결합되며,볼류트 바디(C3)의 내부에는 클로즈드 임펠러(110)가 수용된다. 탑 커버(C1), 볼류트 커버(C2) 및 볼류트 바디(C3) 간의 상호 결합은 도시된 바와 같이, 탑 커버(C1)와 볼류트 커버(C2) 간에는 서로의 일단이 맞닿도록 하고 물의 누설을 방지하도록 제1 오링(R1)을 개재한 상태로 스크류들을 이용하여 결합될 수 있고, 볼류트 커버(C2)와 볼류트 바디(C3) 간에는, 볼류트 커버(C2)의 일부분의 외부를 볼류트 바디(C3)가 덮도록 하고 그 사이에 제2 오링(R2)을 개재하여 물의 누설을 방지하는 형태로 결합될 수 있으나, 이와 같은 결합 형태로 한정되는 것은 아니다.
그리고, 케이싱부(C1, C2, C3)의 탑 커버(C1)에 형성된 물 유입구(113)에는 도 6에 도시된 바와 같이 벤츄리 관(1131, 1132)이 마련되어 나노 버블 형성을 위해 물과 함께 기체(gas)를 유입시킬 수 있다. 벤츄리 관의 특성에 따라, 물 통로(1131) 내부로 물이 유입되는 경우(도 6의 화살표 방향) 압력 차이에 의해 기체 유입관(1132)으로 기체(gas)가 주입될 수 있도록 한 구조이다. 물과 함께 유입되는 기체(gas)로는 산소나 활성 산소(OH 라디컬) 등이 사용될 수 있으나, 이러한 예로 한정되지 않고, 수조(300) 내의 원수의 종류에 따라서 이물질의 부유나 분해를 촉진시킬 수 있는 다양한 종류의 기체가 사용될 수 있다.
메인 샤프트(101)는 케이싱부(C1, C2, C3) 내에서 물의 유출 경로를 따라 물 유입구(113)가 형성된 유입단에서 시작하여 물 유출구(114)가 형성된 유출단을 통과하도록 종방향으로 배치된다. 메인 샤프트(101)는 외부에 위치한 모터(도 2의 200)로부터 동력을 전달받아 회전운동하여, 메인 샤프트(101)에 고정된 구성요소들을 회전시킨다. 메인 샤프트(101)의 회전에 따라 종속되어 회전하는 구성요소들은, 인듀서 임펠러(102), 터보 임펠러(103), 미들 로터(105), 로우 로터(107), 및 클로즈드 임펠러(110)이다. 그리고, 메인 샤프트(101)에 결합되지만 베어링들(B1, B2, B3)에 의해 회전하지 않도록 연결된 구성요소들은, 탑 커버(C1), 스테이터 베인(104), 및 볼류트 바디(C3)이다. 그리고, 메인 샤프트(101)가 관통하며, 케이싱부(C1, C2, C3) 측에 고정되어 있는 구성요소들은, 미들 스테이터(106), 스페이스 스테이터(108), 및 로우 스테이터(109)이다.
또한, 메인 샤프트(101)에는 모터(도 2의 200)로부터 벨트를 통해 동력을 전달받아 회전운동하기 위해 풀리(112)가 구비된다. 그리고, 상기 나노 버블 발생 장치(100)는, 메인 샤프트(101)가 케이싱부(C1, C2, C3)의 외부로 빠져나와 있으므로, 메인 샤프트(101)와 케이싱부(C1, C2, C3), 특히 볼류트 바디(C3)와의 수밀을 위해, 메커니컬 실(mechanical seal)(111)과 커버 실(cover seal)(115)을 더 포함한다.
인듀서 임펠러(102)는, 메인 샤프트(101)에 고정되어 메인 샤프트(101)가 회전함에 따라 함께 회전하는 구성요소이다. 인듀서 임펠러(102)는 도시된 바와 같이, 나선형으로 날개가 형성되어 있어 물 유입구(113)를 통해 유입되는 물을 회전시켜 와류를 발생시키며, 이와 동시에 물 유입구(113)를 통해 유입되는 물 내에 포함된 기포들을 1차 분쇄하는 역할을 한다. 뿐만 아니라, 앞서 간단히 언급한 바와 같이, 물 유입단에서 기체와 함께 들어오는 경우에 흔히 발생하는 에어 포켓의 발생을 억제할 수 있다. 즉, 나선형으로 형성된 인듀서 임펠러(102)의 날개를 통해 강한 와류를 발생시키기 때문에 에어 포켓의 발생이 억제될 수 있다. 뿐만 아니라, 나선형으로 형성된 인듀서 임펠러(102)의 회전 날개에 의한 와류 발생은 급격한 압력차로 인해 발생하는 캐비테이션 손상(cavitation damage)도 억제하여 인듀서 임펠러(102)의 회전 날개의 손상도 줄일 수 있다.
터보 임펠러(103)는, 인듀서 임펠러(102)의 후단에 위치하며, 메인 샤프트(101)의 회전에 따라 함께 회전하여 인듀서 임펠러(103)에 의해 발생되는 와류의 세기를 더욱 증가시키는 역할을 한다. 이와 동시에 인듀서 임펠러(102)에 의해 1차 분쇄되어 물속에 혼합되어 있는 기포들을 2차 분쇄하는 역할을 한다. 인듀서 임펠러(102)에 의해 1차 분쇄된 이후의 기포들에 비해, 터보 임펠러(103)에 의해 2차 분쇄된 기포들의 크기는 작아지게 된다. 터보 임펠러(103)의 날개들은 도 8 또는 도 9에 구체적으로 도시된 바와 같이, 하나의 플레이트 상에 복수 개의 날개들이 경사지게 돌아가면서 형성되어 있다. 더 나아가, 기포들의 2차 분쇄를 촉진시키기 위해, 터보 임펠러(103)의 후단에 위치하는 스테이터 베인(104)과, 터보 임펠러(103)의 주위, 즉 탑 커버(C1)의 내측면에 형성된 복수 개의 돌기들(121)이 배치되는데, 터보 임펠러(103)는 이러한 스테이터 베인(104)과 복수 개의 돌기들(121)과의 공동 작용에 의해 물 내에 포함된 기포들을 더욱 잘게 분쇄하게 된다.
미들 로터(105)는, 터보 임펠러(103)의 후단에 위치하여, 메인 샤프트(101)의 회전에 따라 함께 회전하여 와류의 세기를 더욱 증가시키면서 물 내에 포함된 기포들을 3차 분쇄하는 역할을 한다.
로우 로터(107)는 미들 로터(105)의 후단에서 메인 샤프트(101)의 회전에 따라 회전하여 와류의 세기를 증가시키면서 물 내에 포함된 기포들을 4차 분쇄하는 역할을 한다. 미들 로터(105)와 로우 로터(107)는 복수 개의 날개들을 포함하며, 복수 개의 날개들 각각은 메인 샤프트(101)의 종방향과 일정한 각도를 이루도록 기울어지게 형성되어 있어, 회전시 물 유출구(114) 방향으로 물의 흐름이 강하게 발생하도록 한다.
클로즈드 임펠러(110)는 로우 로터(107)의 후단에서 메인 샤프트(101)의 회전에 따라 회전하여, 로우 로터(107)에 의해 4차 분쇄된 기포를 포함하는 물을 최종적으로 물 유출구(114) 측으로 내보내는 역할을 한다. 클로즈드 임펠러(110)는, 도 10에 예시된 바와 같이, 내부로 물을 유입시키기 위한 개구부(1104), 개구부(1104)를 통해 유입되는 물을 회전시키기 위한 복수 개의 회전 날개들(1103), 회전 날개들(1103)에 의해 회전되는 물을 물 유출구(114) 측으로 내보내기 위한 측면 통로들(110)을 포함한다. 도 10에 예시된 바와 같이, 클로즈드 임펠러(110)에서 물이 유입되는 방향(f1)은 개구부(1104)가 형성되어 있으나, 그 반대 방향(f2)은 메인 샤프트(101)에 결합되는 부분을 제외하고는 막혀 있는 형태이다.
그리고, 클로즈드 임펠러(110)와 볼류트 바디(C3) 간의 결합 관계는 도 11과 도 12에서 F-F 단면(도 12의 (e))에서 알 수 있는 바와 같이, 클로즈드 임펠러(110)의 측면 통로들(110)에 의해 나오는 물이 회전하면서 볼류트 바디(C3) 내에 형성된 나선형 유로(131)를 따라 이동하여 최종적으로 물 유출구(114) 측으로 내보내지게 된다. 따라서, 클로즈드 임펠러(110)는 물 유출구(114)를 통해 나노 버블들이 포함된 물이 수조 측으로 원활하게 배출될 수 있도록 강한 원심력을 제공하는 역할을 한다.
또한, 상기 나노 버블 발생 장치(100)는 메인 샤프트(101)에 고정되어 함께 회전하는 구성요소들인, 인듀서 임펠러(102), 터보 임펠러(103), 미들 로터(105), 로우 로터(107), 및 클로즈드 임펠러(110)에 의한 기포 분쇄를 촉진시키기 위한 구성요소들로서, 스테이터 베인(104), 미들 스테이터(106), 로우 스테이터(109), 및 스페이스 스테이터(108)를 더 포함한다. 이들 구성요소들에 대하여, 도 5 및 도 8을 참조하여 설명한다.
먼저, 스테이터 베인(104)은 터보 임펠러(103)의 후단에 배치되어, 터보 임펠러(103)에 의해 회전하는 물에 대한 마찰 저항이 발생하도록 하여, 터보 임펠러(103)에 의한 기포의 2차 분쇄를 촉진시키며, 2차 분쇄된 기포를 포함하는 물을 통과시킨다. 도 8에 도시된 바와 같이, 스테이터 베인(104)은 둘레에 물레방아 같은 형태로 복수 개의 마찰 플레이트들(1041)이 배치되며, 마찰 플레이트들(1041) 사이 사이로 2차 분쇄된 기포를 포함하는 물이 진행될 수 있도록 통로들(1042)이 형성되어 있다. 따라서, 기포의 2차 분쇄에는 터보 임펠러(103), 스테이터 베인(104), 탑 커버(C1)의 내측에 위치한 복수 개의 돌기들(121)이 서로 공동으로 작용하게 된다. 와류의 세기면에서는 복수 개의 돌기들(121)과 스테이터 베인(104)가 저항 요소로 작용하고 있으므로, 이들 구성들로 인해 와류의 세기가 약간 감소될 수 있는데, 이는 후단의 미들 로터(105), 로우 로터(107) 등의 구성요소들에 의해서 다시 보상될 수 있다.
미들 스테이터(106)는, 미들 로터(105)와 로우 로터(107) 사이에 위치하고, 미들 로터(105)에 의해 회전하는 물에 대한 마찰 저항을 제공함으로써, 미들 로터(105)에 의한 기포의 3차 분쇄를 더욱 촉진하고, 3차 분쇄된 기포를 포함하는 물을 후단으로 통과시키는 역할을 한다. 미들 스테이터(106)에는, 도 8에 도시된 바와 같이 방사상으로 복수 개의 통로들(1061)이 형성되어 있다.
로우 스테이터(109)는, 로우 로터(107)와 클로즈드 임펠러(110) 사이에 위치하고, 로우 로터(107)에 의해 회전하는 물에 대한 마찰 저항을 제공하여 로우 로터(107)에 의한 기포의 4차 분쇄를 더욱 촉진시키고, 3차 분쇄된 기포를 포함하는 물을 후단으로 통과시키는 역할을 한다.
스페이서 스테이터(108)는, 미들 스테이터(106)와 로우 스테이터(109) 사이에 위치하면서 로우 로터(107)의 외곽으로 배치된다. 그리고 스페이서 스테이터(108)의 내측면에는, 로우 로터(107)에 의한 기포의 4차 분쇄를 더욱 촉진시키기 위해 요철 패턴(1081)이 형성되어 있다.
본 명세서 내에서 기포의 1차 분쇄, 2차 분쇄, 3차 분쇄, 및 4차 분쇄는 각각의 구성요소들에 의한 분쇄 과정을 구분하기 위한 용어로서 사용된 것으로서, 분쇄 이후의 기포의 크기 순서도 그에 따라서 대체로 1차 분쇄>2차 분쇄>3차 분쇄>4차 분쇄 순서일 수 있다.
도 9에서 미 설명된 참조부호 122는 탑 커버(C1)의 고정을 위한 탑 커버 고정부(122)로서, 도 5에 도시된 바와 같이 탑 커버 고정부(122)와 메인 샤프트(101) 사이에 제1 베어링(B1)이 개재되어 있어 탑 커버(C1) 내에서 메인 샤프트(101)가 회전할 수 있도록 되어 있다. 또한 참조부호 123은 스테이터 베인(104)의 고정을 위한 스테이터 베인 고정부(122)로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 스테이터 베인(104)와 메인 샤프트(101) 사이에 제2 베어링(B2)이 개재되어 스테이터 베인(104) 내에서 메인 샤프트(101)가 회전할 수 있도록 되어 있다. 또한 참조부호 124는 볼류트 바디(C3)의 고정을 위한 볼류트 바디 고정부(124)로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 볼류트 바디(C3)와 메인 샤프트(101) 사이에 제3 베어링이 개재되어 있어 볼류트 바디(C3) 내에서 메인 샤프트(101)가 회전할 수 있도록 되어 있다.
마지막으로, 도 13은 본 발명의 나노 버블 발생 장치(100)의 버블 발생 효율을 설명하기 위한 것으로서, 종래의 원심 펌프를 이용한 버블 발생 장치의 입자 분포(적색, G2)와 본 발명의 나노 버블 발생 장치의 입자 분포(청색, G1)를 비교하기 위한 그래프이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 종래의 원시 펌프를 이용한 버블 발생 장치에서 생성되는 버블의 직경 분포에 비해 본 발명의 나노 버블 발생 장치(100)에 의해 생성된 버블의 직경은 매우 작고 입자 크기도 대체로 균일한 분포를 보이는 것을 알 수 있다.
이상에서, 본 발명의 나노 버블 발생 장치에 관하여 첨부된 도면들을 참조하여 설명되었으나, 본 발명의 범위는 이하의 청구항들에 의해 정해지는 것임에 유의하여야 할 것이다. 또한, 통상의 기술자라면 얼마든지 상세한 설명에 기술된 내용에 기초하여 다른 변형 예들을 도출해 낼 수 있을 것이다.
100 : 나노 버블 발생 장치
101 : 메인 샤프트 102 : 인듀서 임펠러
103 : 터보 임펠러 104 : 스테이터 베인
105 : 미들 로터 106 : 미들 스테이터
107 : 로우 로터 108 : 스페이스 스테이터;
109 : 로우 스테이터 110 : 클로즈드 임펠러
111 : 메커니컬 실 112 : 풀리
113 : 물 유입구 114 : 물 유출구
115 : 커버 실 C1 : 탑 커버
C2 : 볼류트 커버 C3 : 볼류트 바디
101 : 메인 샤프트 102 : 인듀서 임펠러
103 : 터보 임펠러 104 : 스테이터 베인
105 : 미들 로터 106 : 미들 스테이터
107 : 로우 로터 108 : 스페이스 스테이터;
109 : 로우 스테이터 110 : 클로즈드 임펠러
111 : 메커니컬 실 112 : 풀리
113 : 물 유입구 114 : 물 유출구
115 : 커버 실 C1 : 탑 커버
C2 : 볼류트 커버 C3 : 볼류트 바디
Claims (5)
- 물 유입구(113)와 물 유출구(114)가 형성된, 케이싱부(C1, C2, C3);
상기 케이싱부 내에서 종방향으로 배치되고, 외부로부터 동력을 전달받아 회전하는 메인 샤프트(101);
상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여 와류를 발생시키면서 물 내에 포함된 기포들을 1차 분쇄하는 인듀서 임펠러(102);
상기 인듀서 임펠러의 후단에서 상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여 와류의 세기를 증가시키면서 물 내에 포함된 기포들을 2차 분쇄하는 터보 임펠러(103);
상기 터보 임펠러의 후단에서 상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여 와류의 세기를 증가시키면서 물 내에 포함된 기포들을 3차 분쇄하는 미들 로터(105);
상기 미들 로터의 후단에서 상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여 와류의 세기를 증가시키면서 물 내에 포함된 기포들을 4차 분쇄하는 로우 로터(107);
상기 로우 로터의 후단에서 상기 메인 샤프트의 회전에 따라 회전하여, 상기 로우 로터에 의해 4차 분쇄된 기포를 포함하는 물을 상기 물 유출구 측으로 내보내는 클로즈드 임펠러(110);
상기 터보 임펠러의 후단에서 상기 터보 임펠러에 의해 회전하는 물에 대한 마찰 저항을 제공하여 상기 터보 임펠러에 의한 상기 2차 분쇄를 촉진하며, 상기 2차 분쇄된 기포를 포함하는 물을 통과시키는, 스테이터 베인(104);
상기 미들 로터와 상기 로우 로터 사이에 위치하고, 상기 미들 로터에 의해 회전하는 물에 대한 마찰 저항을 제공하여 상기 미들 로터에 의한 상기 3차 분쇄를 촉진하며, 상기 3차 분쇄된 기포를 포함하는 물을 통과시키는, 미들 스테이터(106);
상기 로우 로터와 상기 클로즈드 임펠러 사이에 위치하고, 상기 로우 로터에 의해 회전하는 물에 대한 마찰 저항을 제공하여 상기 로우 로터에 의한 상기 4차 분쇄를 촉진하며, 상기 4차 분쇄된 기포를 포함하는 물을 통과시키는, 로우 스테이터(109); 및
상기 미들 스테이터와 상기 로우 스테이터 사이에 위치하고, 상기 로우 로터(107)의 외곽으로 배치되며, 상기 로우 로터에 의한 상기 4차 분쇄를 촉진하기 위해 내측면에 요철 패턴(1081)이 형성된, 스페이서 스테이터(108);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노 버블 발생 장치. - 삭제
- 청구항 1에 있어서, 상기 케이싱부(C1, C2, C3)는,
상기 물 유입구가 형성되고 내부에 상기 인듀서 임펠러와 상기 터보 임펠러를 수용하는, 탑 커버(C1)와,
물의 누설을 방지하기 위해 제1 오링(R1)을 개재한 상태로 상기 탑 커버와 결합되고 상기 스테이터 베인, 상기 미들 로터 및 상기 로우 로터를 수용하는, 볼류트 커버(C2)와,
상기 물 유출구가 형성되고 물의 누설을 방지하기 위해 제2 오링(R2)을 개재한 상태로 상기 볼류트 커버와 결합되고 상기 클로즈드 임펠러를 수용하는, 볼류트 바디(C3)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노 버블 발생 장치. - 청구항 3에 있어서, 상기 탑 커버(C1)는,
상기 탑 커버의 내측면에서부터 상기 터보 임펠러 측으로 향하도록 형성되어, 상기 터보 임펠러의 회전시 상기 터보 임펠러와의 상호 작용으로 물 내에 포함된 기포들의 상기 2차 분쇄를 촉진하기 위한, 복수 개의 돌기들(121)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노 버블 발생 장치. - 청구항 1에 있어서, 상기 클로즈드 임펠러(110)는,
내부로 물을 유입시키기 위한 개구부(1104)와, 상기 개구부를 통해 유입되는 물을 회전시키기 위한 복수 개의 회전 날개들(1103)과, 상기 회전 날개들에 의해 회전되는 물을 상기 물 유출구(114) 측으로 내보내기 위한 측면 통로들(110)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 나노 버블 발생 장치.
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