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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ionentauscher zur Aufbereitung von Wasser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Technologischer Hintergrund
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Bei Ionentauschern handelt es sich um Vorrichtungen, die zur Aufbereitung von Wasser, insbesondere zum Enthärten des Wassers, eingesetzt werden. Vor allem werden derartige Ionentauscher bei Anwendungen des alltäglichen Gebrauchs, wie z. B. Wasserenthärtung, Trinkwasseraufbereitung, Reinigung und Rückgewinnung von Abwasser, und Gebrauchsgegenständen, wie z. B. Wasserfilter, Geschirrspülautomaten, Wassermaschinen und dergleichen verwendet.
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Bei Ionentauschern handelt es sich um Vorrichtungen, die mit Ionentauschermaterial befüllt sind. Das Ionentauschermaterial dient dazu, gelöste Ionen in einem Medium, wie z. B. Wasser durch andere Ionen mit gleicher positiver oder negativer Ladung zu ersetzen. Die zu ersetzenden Ionen werden im Ionentauschermaterial gebunden, woraufhin das Ionentauschermaterial Ionen gleicher Stoffmenge an das Medium abgibt.
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Ionentauscher werden nach der Art der auszutauschenden Ionen unterschieden. Im Allgemeinen gibt es Kationen- und Anionentauscher. Als Ionentauschermaterialien werden unterschiedliche Stoffe, wie z. B. Ionentauscherharz, Tonminerale, Zeolithe und dergleichen eingesetzt. Bei Ionentauscherharzen handelt es sich um Gelharze oder makroporöse Harze, die vor allem in der Wasseraufbereitung verwendet werden. Hier werden unerwünschte Inhaltsstoffe, die sich negativ auf angeschlossene Geräte oder den Geschmack des Wassers auswirken, aus dem Wasser entfernt. Derartige Ionentauscher werden üblicherweise direkt an das Wasserversorgungssystem angeschlossen. Sie besitzen in der Regel einen umgebenden Behälter mit einem Einlass und einem Auslass. Das Wasser durchströmt vom Einlass aus das Ionentauschermaterial und gelangt durch den Auslass wieder in das Wasserversorgungssystem.
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Die Funktionsweise des Ionentauschers beruht auf dem Prinzip der Gleichgewichtsreaktion. Im Betrieb findet sowohl eine Hin- als auch eine Rückreaktion statt, wobei die Hinreaktion überwiegt. Die im Wasser auszutauschenden Ionen reichern sich im Ionentauscher an. Dadurch nimmt die Ionentauscherkapazität mit zunehmender Betriebsdauer ab. Um einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten, muss das Ionentauschermaterial in Wartungsintervallen ausgetauscht oder regeneriert werden. Bei der Regeneration wird der Ionentauscher mit einer Regenerationschemikalie, wie z. B. Natriumchloridlösung im Gleich- oder Gegenstrom durchspült, wodurch es zur Rückreaktion der Gleichgewichtsreaktion kommt. Um eine Kontamination des Wassersystems mit der Spüllösung zu vermeiden, wird diese über einen Spülwasserablauf abgeführt.
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Das Ionentauscherharz stellt aufgrund seiner hohen Porosität einen optimalen Lebensraum für Mikroorganismen dar. Durch die zumeist vorhandene Spülwirkung im Routinebetrieb ist die Keimbelastung in vielen Fällen unbedenklich. Sie kann jedoch zu unerwünschten Nebeneffekten führen. Aus der
DE 296 18 472 U1 ist ein Trinkwasseraufbereiter mit Ionentauscherharz für den alltäglichen Gebrauch bekannt. In der genannten Ausführung kann dem Ionentauscherharz gesilberte Aktivkohle beigemischt sein, wodurch aus dem Wasser auch organische Bestandteile und Chlor entfernt werden. Hier wird der oligodynamische Effekt des Silbers zur Keimreduktion eingesetzt.
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In der
DE 10 2006 049 108 A1 wird eine bioaktive, rutheniumhaltige Beschichtung und Vorrichtung beschrieben, die zur Entkeimung, Desinfektion und Dekontamination von Wasser und wässrigen Lösungen verwendet wird. Ferner wird der oligodynamische Effekt des Silbers durch die Kombination mit Ruthenium und einem Vitamin oder dessen Derivat verbessert und verstärkt. Die Rutheniummoleküle dienen der schnelleren Freisetzung von Silberionen und als „Ankerpunkt” für die Bindung und Komplexierung von Vitaminen oder deren Derivaten. Da das Silber nicht oder nur wenig verbraucht wird, stellt die Beschichtung beziehungsweise die Vorrichtung einen bioaktiven Katalysator dar.
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Nächstliegender Stand der Technik
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Ein Ionentauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
KR 20040079263 A bekannt. Dieser wird zur Wasserenthärtung eingesetzt. Der dort beschriebene Ionentauscher enthält ein Ionentauscherharz und antibakterielle Keramikperlen auf Silberbasis. Die Keramikperlen befinden sich zunächst oberhalb des Ionentauscherharzes und werden anschließend mit dem Ionentauscherharz vermengt. Dieses Gemisch wirkt auf das durchströmende Wasser desodorierend und sterilisierend. Aufgrund der Durchmengung der Keramikperlen mit dem Ionentauscherharz ist eine separate Regeneration von Ionentauscherharz und Keramikperlen ohne weiteres nicht möglich. Dies führt zu einer erhöhten Wartungsintensität, sowie zu erhöhten Wartungskosten. Ferner können sich bei unzureichender Vermischung Bereiche ungleichmäßiger Wirksamkeit bilden, die zu einer unzureichenden Reproduzierbarkeit führen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen neuartigen Ionentauscher zur Verfügung zu stellen, der mittels einer bioaktiven Substanz eine keimreduzierende Wirkung im Ionentauscherharz bei reduzierter Wartungsintensität und reduzierten Kosten bewerkstelligt.
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Lösung der Aufgabe
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Die vorstehende Aufgabe wird durch die gesamte Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beansprucht.
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Erfindungsgemäß sind das Ionentauschermaterial und die bioaktive Substanz, vorzugsweise eine bioaktive Substanz auf Edelmetallbasis, schichtweise angeordnet und nicht miteinander vermengbar. Daraus resultiert der Vorteil, dass beide Substanzen getrennt voneinander regenerierbar sind, wodurch die Wartungsintensität und/oder die Kosten im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert werden können. Ferner besteht durch die Erfindung die Möglichkeit, dass die beiden unterschiedlichen Substanzen für deren Einsatz im Ionentauscher vorkonfektioniert werden können.
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Durch die schichtweise Anordnung liegen flächige Bereiche von vorzugsweise porösem Ionentauschermaterial sowie von bioaktiver Substanz aneinander. Daraus ergibt sich der Vorteil, diese Schichten zu wiederholen oder mehrere Schichten mit Ionentauschermaterial oder bioaktiven Katalysator abwechselnd aneinander zu reihen. Durch die klare Trennung der Schichten wird ein Durchmengen des Ionentauschermaterials und der bioaktiven Substanz zumindest im Wesentlichen verhindert, wodurch das Ionentauschermaterial und die bioaktive Substanz getrennt voneinander gewartet werden können. Nichtsdestotrotz hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die bioaktive Substanz eine keimabtötende Wirkung auch im Ionentauschermaterial bewirkt. Die definierte schichtweise Anordnung ermöglicht zudem ein reproduzierbareres Reinigungsergebnis.
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Vorzugsweise können die einzelnen Schichten untereinander nochmals in Unterschichten unterteilt sein. Der Vorteil liegt darin, dass in dem Ionentauschermaterial und/oder in der bioaktiven Substanz Unterschichten regeneriert werden können.
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Das Ionentauschermaterial und die bioaktive Substanz können aneinander grenzend positioniert sein. Das Medium durchströmt somit Schicht für Schicht. Durch das Aneinandergrenzen stehen die Schichten in unmittelbaren Kontakt zueinander, so dass eine unmittelbare Wirkung der bioaktiven Substanz auf das Ionentauschermaterial entfaltet werden kann.
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Die Schichten können vorzugsweise als quer in Durchströmrichtung des Ionentauschers orientierte Segmente ausgebildet sein. Daraus resultiert der Vorteil, dass der gesamte Strömungsquerschnitt des Ionentauschers für den Ionentausch als auch die Reinigungswirkung benutzt wird. Vorzugsweise können die Segmente als zu allen Seiten hin geometrisch abgeschlossene Einheiten ausgebildet sein.
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Die Segmente, in denen sich das Ionentauschermaterial und die bioaktive Substanz befinden, können vorzugsweise in einem durchströmbaren Käfig untergebracht sein. Das Käfigmaterial kann so gewählt werden, dass es unter den gegebenen Bedingungen stabil ist. Besonders geeignet sind Kunststoffe, Metalle, Legierungen und dergleichen.
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Die Käfige können vorzugsweise so konzipiert sein, dass sie separat entfernbar und wiederinstallierbar sind. Das kann durch eine modulare Bauweise bewerkstelligt sein. Die einzelnen Module können Verankerungen, Laschen oder Dichtungen besitzen, um einen optimalen Einbau und Betrieb zu garantieren.
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Der Käfig kann vorzugsweise als Gitterbehälter ausgestaltet sein. Die Gitterbehälter können variable Maschenweiten aufweisen. Die Maschenweite wird nach der Partikelgröße des Füllmaterials und den Eigenschaften des durchströmenden Mediums gewählt.
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Dadurch wird eine optimale Durchströmung mit dem Medium garantiert und ein Herauslösen oder Herausfallen der Füllung verhindert.
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Um eine Kontamination des Ionentauschers mit unerwünschten Einträgen durch das Medium zu verhindern, können Filter installiert sein. Diese können vorzugsweise im Bereich eines Einlasses und/oder Auslasses installiert werden. Sollte ein zusätzliches Gehäuse und/oder ein zusätzlicher Behälter vorgesehen sein, können sich die Filter vor beziehungsweise nach dem Gehäuse oder alternativ auch vor beziehungsweise nach dem Behälter befinden. Durch diese Vorrichtung wird das Risiko des Verstopfens oder das Auftreten von unerwünschten Wechselwirkungen minimiert.
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Die bioaktive Substanz kann silberhaltig und/oder rutheniumhaltig sein. Alternativ kann die Substanz auch aus einem Trägermaterial bestehen, das eine silberhaltige und/oder rutheniumhaltige Oberfläche besitzt. Durch den oligodynamischen Effekt von Silber wird eine keimabtötende Wirkung erzielt. Das Ruthenium beschleunigt und verstärkt die keimabtötende Wirkung des Silbers.
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Vorzugsweise kann die Silber-Ruthenium-haltige Substanz zusätzlich mit einem Vitamin oder dessen Derivat versetzt sein, um die Wirkungsintensität zu steigern.
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Um eine verfahrenstechnisch unkomplizierte Herstellung zu gewährleisten, kann die bioaktive Substanz in Form von schüttgutfähigen Partikeln ausgebildet sein. Die Partikelgröße kann variieren und je nach Anforderung an Oberfläche, Effizienz, Eigenschaften des Mediums und Durchströmungsmenge angepasst werden.
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Vorzugsweise können als schüttgutfähige Partikel Raschigringe vorgesehen sein. Sie können entweder rein aus der bioaktiven Substanz bestehen oder mit einer bioaktiven Oberfläche beschichtet sein. Raschigringe besitzen aufgrund ihrer Formgebung eine große spezifische Oberfläche und sind daher günstig bei Durch- oder Umströmung von Medium.
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Beschreibung der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
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Nachstehend werden zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ionentauschers näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ionentauschers mit Anschluss an ein Wasserversorgungssystem in stark vereinfachter schematischer Darstellungsweise;
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2 eine stark vereinfachte schematische Darstellung des Ionentauschers aus 1 mit angedeuteter Durchströmungsrichtung;
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3 eine Darstellung der modularen Segmente in einer stark vereinfachten schematischen Darstellung;
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4 eine zweite Ausgestaltung eines Ionentauschers mit Anschluss an ein Wasserversorgungssystem mit installierten Filtern in stark vereinfachter schematischer Darstellungsweise;
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5 eine vereinfachte perspektivische Darstellung eines Käfigs zur Aufbewahrung der bioaktiven Substanz;
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6 eine vereinfachte perspektivische Darstellung eines Raschigrings sowie
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7 eine mikroskopische Aufnahme der Oberfläche eines porösen Ionentauschermaterials.
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1 zeigt eine erste zweckmäßige Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Ionentauschers 1. Der Ionentauscher 1 umfasst ein Gehäuse 6 und einen darin enthaltenen Behälter 2 beziehungsweise eine Funktionseinheit (z. B. Ionentauscherpatrone). Der genaue Aufbau des Behälters 2 wird in den nachstehenden 2 und 3. erläutert. Der Behälter 2 umfasst das Ionentauschermaterial und eine bioaktive Substanz, insbesondere eine bioaktive Substanz auf Edelmetallbasis.
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Das Ionentauschermaterial, insbesondere Ionentauscherharz, besitzt eine poröse Struktur, um einen möglichst effizienten Ionenaustausch zu garantieren. Eine schematische Darstellung des porösen Materials ist in
7 dargestellt. Die Porenräume im Ionentauschermarerial sind optimale Lebensräume für Mikroorganismen. Durch den Einsatz der bioaktiven Substanz im Ionentauscher
1 kann die Keimbelastung im Ionentauschermaterial gering gehalten werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der bioaktiven Substanz um eine Substanz wie sie in der
DE 10 2006 049 108 A1 beschrieben ist. Auf deren Inhalt wird vollinhaltlich Bezug genommen.
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Der Ionentauscher 1 ist an ein Wasserversorgungssystem 5 angeschlossen. Das Wasser gelangt durch einen Einlass 3 in den Ionentauscher 1 und durchströmt den Behälter 2. Das Wasser durchströmt den Behälter 2 von oben nach unten und gelangt anschließend durch den Ausgang 4 wieder aus dem Behälter 2 zum Wasserversorgungssystem 5. Praktischerweise sind die Anschlüsse von Einlass 3 und Auslass 4 derart am Behälter 2 angebracht, dass dieser komplett durchströmt werden kann. Die Einbaulage des Ionentauschers 1 kann derart vorgesehen sein, dass die Durchströmungsrichtung senkrecht, parallel oder schräg zur Horizontalen ist, um diesen an die jeweiligen Bedingungen bestmöglich anzupassen. Die Durchströmungsrichtung und die Positionierung von Einlass 3 und Auslass 4 können ebenfalls variieren. Als Anschluss an das Wasserversorgungssystem 5 kann ein Flansch, eine Schraubverbindung, ein Schnellkoppler, eine Verschraubung mit Klemmring oder dergleichen dienen. Für die gewünschte und zweckmäßige geometrische Form des Ionentauschers 1 können die Anschlussleitungen von Einlass 3 und Auslass 4, wie in 1 dargestellt, unterschiedliche Längen aufweisen. Alternativ hierzu kann der Ionentauscher 1 auch ohne Gehäuse 6 ausgeführt sein, z. B. dann wenn die Module eigene Gehäuse besitzen und zu einem Gesamtgehäuse zusammengesetzt werden können.
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Die Darstellung in 2 zeigt den schematischen Aufbau einer Segmentanordnung. Die Segmente 7, 8 sind in abwechselnder Reihenfolge angeordnet. Vorzugsweise befindet sich immer ein Segment 7 mit Ionentauschermaterial neben einem Segment 8 mit bioaktiver Substanz. Aufgrund dieser Anordnung kann sich die keimabtötende Wirkung der bioaktiven Substanz im Ionentauschermaterial besonders gut entfalten. Die Segmentreihenfolge kann hierbei variieren, um Wartungszyklen flexibler gestalten zu können. Zum Beispiel sind auch mehrere Segmente (Untersegmente) mit gleicher Füllung hintereinander installierbar.
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Eine Art der Installation der Segmente 7, 8 ist in 3 dargestellt. Diese zeigt scheibenförmige Segmente 7, 8, die in Modulbauweise hintereinander installiert werden können. Die modularen Segmente können einzeln entnommen und wieder installiert werden. Das hat den Vorteil, dass auch nur ein einzelnes Segment 7, 8 separat regeneriert werden kann. Somit können gezielt die defekten Bereiche gewartet und die noch funktionsfähigen Bereiche weiter verwendet werden. Durch den modularen Aufbau können somit Wartungskosten erheblich vermindert werden.
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Eine Kontamination mit unerwünschten Stoffen durch das Durchströmen des Mediums kann mithilfe von verschiedenen Filtern 10 verhindert werden. In 4 sind unterschiedliche Einbauvarianten von Filtern 10 im Ionentauscher 1 dargestellt. Die Filter 10 können vor und/oder nach dem Einlass 3 und/oder vor und/oder nach dem Auslass 4 installiert sein. Ebenfalls können sich die Filter 10 innerhalb des Gehäuses 6 oder außerhalb des Gehäuses 6 befinden. Ebenfalls können diese innerhalb des Behälters 2 oder außerhalb des Behälters 2 angeordnet sein. Auch der Einsatz eines einzelnen Filters 10 ist denkbar. Je nach Anwendungsgebiet sind physikalische oder chemische Filter vorgesehen.
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Die Segmente 7, 8 sind vorzugsweise, wie in 5 gezeigt, als Käfig ausgebildet. Die Dimension des Käfigs 9, die Maschenweite des Käfigs 9 und das Käfigmaterial wird durch die Eigenschaften des Mediums, den Durchfluss, die Eigenschaften des Ionentauschermaterials und der bioaktiven Substanz und die bautechnische Ausgestaltung von Behälter 2 und Gehäuse 6 bedingt.
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Die Segmente 8 sind mit schüttfähiger, bioaktiver Substanz befüllt. Die schüttfähige bioaktive Substanz kann insbesondere in Form von Raschigringen ausgebildet sein. Raschigringe besitzen aufgrund ihrer Formgebung eine große spezifische Oberfläche und sind daher günstig bei Durch- oder Umströmung von flüssigem Medium. Die bioaktive Substanz kann entweder ganzheitlich aus dem Silber-Ruthenium-haltigen Material aufgebaut sein oder aus einem Grundmaterial mit einer silberhaltigen und/oder ruthenium-haltigen Oberfläche bestehen.
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Ein Raschigring ist in 6 skizziert. Die Raschigringe können als Röhren, seitlich offene Röhren, Spiralen oder dergleichen ausgebildet sein. Als Grundmaterial können Kunststoffe, Metallverbindungen und dergleichen eingesetzt werden. Anstelle von Raschigringen können auch anders geformte schüttfähige Partikel verwendet werden, wie z. B. Kugeln, unstete Formungen, ovale Körper, Späne, Gel, Paste, Harz, Flocken und dergleichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ionentauscher
- 2
- Behälter
- 3
- Einlass
- 4
- Auslass
- 5
- Wasserversorgungssystem
- 6
- Gehäuse
- 7
- Schicht mit Ionentauschermaterial
- 8
- Schicht mit bioaktiver Substanz
- 9
- Käfig
- 10
- Filter
- 11
- Raschigring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 29618472 U1 [0006]
- DE 102006049108 A1 [0007, 0034]
- KR 20040079263 A [0008]
