KR100638799B1 - 산소용해장치 및 이를 이용한 과포화 산소수 제조장치 - Google Patents

Abstract

구조가 간단하여 부피와 중량이 작고, 가격이 저렴하면서 효율적으로 산소를 물에 용해시킬 수 있는 산소용해장치와, 이를 채용하는 산소수 제조장치. 산소수 제조장치는 수조로부터 공급되는 물에 산소원으로부터 공급되는 산소를 용해시킨다. 혼합 수단은 상기 수조 및 산소원에 연결되어 있고, 수조로부터 공급되는 물에 산소원으로부터의 산소 기포를 혼합한다. 혼합 수단에는 순환펌프가 접속되며, 이 순환펌프는 혼합 수단에 의해 혼합된 물/산소 혼합물을 흡입하여 순환시킨다. 산소용해기는 순환펌프로부터 물/산소 혼합물을 받아들여 물에 산소가 용해되도록 함으로써 물에서의 산소 용해도를 증대시킨다. 산소용해기의 출구와 상기 수조 사이에는 이들에 유체적으로 연결되는 압력유지 수단이 배치되어, 산소용해기 내부의 압력을 유지하면서 산소용해기로부터의 산소수를 수조로 복귀시키게 된다. 상기 압력유지 수단은 산소수 제조장치의 작동이 정지될 때 산소수의 흐름을 차단하여 산소용해기의 내부압력을 일정하게 유지한다. 산소용해기는 하우징 내에 설치되는 복수의 트레이를 구비하며, 인입관을 통해 산소/물 혼합물을 받아들여 물에 산소가 용해되도록 하고, 산소가 용해된 산소수를 배출관을 통해 배출한다.

산소수, 산소, 용해, 과포화, 정수기

Description

산소용해장치 및 이를 이용한 과포화 산소수 제조장치{Device for Dissolving Oxygen into Water and Apparatus for Making Superoxygenated Water Employing the Same}

도 1은 본 발명에 의한 산소수 제조장치의 일 실시예를 보여주는 도면.

도 2는 도 1에 도시된 산소용해기의 분해사시도.

도 3은 산소용해기의 단면도.

도 4는 트레이의 형태와 배출관과의 결합구조의 일 실시예를 보여주는 도면.

도 5는 트레이의 형태와 배출관과의 결합구조의 다른 실시예를 보여주는 도면.

<도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 수조

14, 22, 32, 42, 56, 92: 연결호스

20: 산소원 30: 티형 접속구

40: 순환펌프 50: 산소용해기

90: 조절밸브

본 발명은 액체에 기체를 용해시키기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기화학적 촉매나 첨가제를 사용하지 않고 물리적으로 물에 산소를 용해시키기 위한 장치에 관한 것이다.

대량의 물에 많은 양의 산소를 신속하고 효과적으로 용해하는 것이 필요한 응용분야가 많이 있다. 예컨대, 산소가 호기성 생물의 생장을 촉진하기 때문에, 산소를 물에 용해시키는 기법은 화학공장, 제지공장 및 이와 유사한 다른 종류의 공장에서의 수처리 분야에도 활용된다. 즉, 물에 산소량을 증가시키는 경우 박테리아가 오염을 야기하는 유기물질을 생분해하는 것을 촉진시켜 수처리 효율을 증대시키게 된다. 그밖에도, 산소수는 양어장이나 수경재배에도 널리 활용되고 있다.

아울러, 용존산소가 풍부한 물을 마시는 것은 인체에도 유익한 것으로 알려져 있다. 즉, 산소수를 섭취하게 되면, 인체의 혈중산소농도가 증가되어 섭취자의 신진대사가 향상되고 여러 유익한 결과를 가져오게 된다. 운동선수는 폐기능 바이패스로 인해 맥박수를 증가시킴이 없이 운동능력을 향상시킬 수 있고 근력과 지구력, 그리고 심계기능이 향상되고 피로회복이 촉진된다. 또한, 혈액중에 보강된 산소 중 일부는 대뇌에 공급되어 사고력 및 집중력을 향상시키고 스트레스를 완화시켜주기 때문에, 산소는 공부하는 학생에게도 유용하다.

물에 산소를 용해시키는 가장 일반적인 방법은 산소가 풍부한 기체를 산기 등의 방법으로 물에 유입시켜 산소와 물간의 접촉면적을 증가시키는 것이다. 이 방법은 용해효율이 낮아서, 포화농도 가까이 산소를 용해시킬 수는 있지만 과포화 가 요구되는 응용분야에는 적용될 수가 없다. 아울러, 용해된 산소가 쉽게 탈기된다는 단점을 가지고 있기 때문에, 이 방법은 고농도 용존 산소수를 제조하고자 하는 응용분야에는 사실상 현실 적용이 불가능하다.

물속의 용존산소량을 증대시키기 위한 종래의 다른 방법 중 하나는 밀폐된 용기에 물과 산소를 충진하고 가압된 상태에서 장시간 체류시켜 용해하는 것이다. 그렇지만, 이 방법을 구현하기 위해서는 견고한 탱크, 고양정 펌프 및 고압산소 탱크를 필요로 하기 때문에, 시스템의 부피가 크고 중량이 무거우며 산소수의 단위생산비용이 높다는 단점이 있다. 따라서, 이 방법은 정수기나 냉온수기와 같은 소규모 장치에서 식수에 산소를 용해시키고자 하는 경우에는, 부피와 중량, 생산단가, 소음 등의 문제로 인해 적용할 수가 없다.

따라서, 정수기나 냉온수기와 같은 소규모 장치에서 사용할 수 있도록 구조가 간단하고 부피와 중량이 작으며 소음이 적으면서, 용존산소 농도가 높은 과포화 산소수를 제조할 수 있는 산소용해장치가 절실히 요구된다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구조가 간단하여 부피와 중량이 작고 가격이 저렴하면서 효율적으로 산소를 물에 용해시킬 수 있는 산소용해장치를 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 크기가 작고 효율적으로 산소를 물에 용해시켜 과포화 산소수를 제조할 수 있으며 오랫동안 용존산소를 유지할 수 있는 산소수 제조장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 산소용해장치는 압력 저하를 막기 위한 압력유지 수단의 전단에 사용되며, 산소/물 혼합물을 받아들여 유입된 물에서의 산소 용해도를 증대시키는 장치로서, 하우징 내에 설치되는 복수의 트레이를 구비하며, 인입관을 통해 산소/물 혼합물을 받아들여 물에 산소가 용해되도록 하고, 산소가 용해된 산소수를 배출관을 통해 배출한다. 하우징은 입구와, 상기 압력유지 수단에 유체적으로 접속되는 출구를 구비한다. 복수의 트레이는 하우징 내측에서 상하방향으로 다단 설치된다. 인입관은 상기 하우징 입구를 통해 산소/물 혼합물을 받아들여 복수의 트레이 중 최상층 트레이에 공급하고, 배출관은 하우징 하측에 고이는 물을 하우징 출구로 배출한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 하우징은 상방이 개방되어 있는 하부 하우징과, 하부 하우징 상측에 체결되는 뚜껑을 구비하고, 인입관과 배출관은 하우징의 입구 및 출구에 각각 유체적으로 접속된다.

바람직한 실시예에 있어서, 복수의 트레이 각각의 중앙에 관통공이 설치되어 있고, 배출관은 상하방향으로 배치되어 설치되며, 상기 복수의 트레이의 관통공은 배출관에 삽입되어 고정된다. 복수의 트레이 각각은 접시나 컵 또는 대접 형태로 되어 있는 것이 바람직하다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 산소수 제조장치는 수조에 담겨진 물을 순환시키면서 산소원으로부터의 산소를 순환되는 물 흐름에 용해시키기에 적합한 것이다. 산소수 제조장치는 수조로부터 공급되는 물에 산소원으로 부터 공급되는 산소를 용해시킨다. 혼합 수단은 상기 수조 및 산소원에 연결되어 있고, 수조로부터 공급되는 물에 산소원으로부터의 산소 기포를 혼합한다. 혼합 수단에는 순환펌프가 접속되며, 이 순환펌프는 혼합 수단에 의해 혼합된 물/산소 혼합물을 흡입하여 순환시킨다. 산소용해기는 순환펌프로부터 물/산소 혼합물을 받아들여 물에 산소가 용해되도록 함으로써 물에서의 산소 용해도를 증대시킨다. 산소용해기의 출구와 상기 수조 사이에는 이들에 유체적으로 연결되는 압력유지 수단이 배치되어, 산소용해기 내부의 압력을 유지하면서 산소용해기로부터의 산소수를 수조로 복귀시키게 된다. 상기 압력유지 수단은 산소수 제조장치의 작동이 정지될 때 산소수의 흐름을 차단하여 산소용해기의 내부압력을 일정하게 유지한다.

산소용해기는 하우징 내에 설치되는 복수의 트레이를 구비하며, 인입관을 통해 산소/물 혼합물을 받아들여 물에 산소가 용해되도록 하고, 산소가 용해된 산소수를 배출관을 통해 배출한다. 하우징은 입구와, 상기 압력유지 수단에 유체적으로 접속되는 출구를 구비한다. 복수의 트레이는 하우징 내측에서 상하방향으로 다단 설치된다. 인입관은 상기 하우징 입구를 통해 산소/물 혼합물을 받아들여 복수의 트레이 중 최상층 트레이에 공급하고, 배출관은 하우징 하측에 고이는 물을 하우징 출구로 배출한다.

상기 압력유지 수단은 니들밸브나 솔레노이드 밸브 또는 이들의 결합에 의해 구성되는 것이 바람직하다. 한편, 산소원은 장치 외부에 마련될 수도 있다.

이와 같은 산소수 제조장치의 동작원리는 이론적으로 이중경막 이론에 의해 설명이 가능하다 (루이스 및 화이트 공저, Inc. Eng. Chem. 16호 1215쪽 (1924년) 참조). 이중경막이론에 따르면, 액체에서의 기체확산 속도를 나타내는 물질전달계수는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.

여기서, dm/dt는 물질전달계수, Kg는 기체의 확산계수, A는 기체가 이를 통해 확산되는 면적, Cs는 용액 중 기체의 포화농도, C는 용액 중 기체의 농도를 나타낸다. 위 식에서 알 수 있듯이, 물질전달속도는 액상물질과 기상물질의 접촉면적에 비례한다. 따라서, 물에 대한 산소의 용해도는 물과 산소기포의 접촉면적을 증대시킴으로써 극대화할 수 있다. 즉, 물과 접촉하는 산소기포의 크기가 작을수록 산소는 빨리 용해된다.

이와 같은 이론적 원리에 입각해서, 본 발명에 의한 산소수 제조장치는 상하방향으로 다단 설치되는 복수의 트레이에 의해 물과 산소간의 접촉면적을 최대화함으로써 신속한 용해 및 과포화를 촉진하게 된다.

본 발명의 산소수 제조장치는 냉온수기나 정수기와 같은 식수 제공 장치에 적용될 수 있다. 이러한 경우 산소수 제조장치가 냉온수기나 정수기 내부에 설치되어 일체로서 제작될 수도 있고, 냉온수기나 정수기 외부에 설치되어 냉온수기나 정수기로부터 물을 받아들여 이 물에 산소를 용해시킬 수도 있다.

본 발명의 냉온수기는 상부면에 생수통이 안착되는 상면덮개가 설치되고, 케이스 내부에는 일정량의 식수를 각각 저장하는 냉수조와 온수조가 장착되며, 냉수조의 외주연부에는 증발기 파이프가 설치되고, 온수조 하측에는 히터가 삽입, 설치 되며, 생수조와 온수조가 각각의 연결 호스를 통해 전면부에 노출된 냉, 온수 취출구에 연통된다. 냉온수기는 상기 냉수조로부터 공급되는 물에 산소원으로부터 공급되는 산소를 용해시킨다. 혼합 수단은 상기 냉수조 및 산소원에 연결되어 있고, 냉수조로부터 공급되는 물에 산소원으로부터의 산소 기포를 혼합한다. 혼합 수단에는 순환펌프가 접속되며, 이 순환펌프는 혼합 수단에 의해 혼합된 물/산소 혼합물을 흡입하여 순환시킨다. 산소용해기는 순환펌프로부터 물/산소 혼합물을 받아들여 물에 산소가 용해되도록 함으로써 물에서의 산소 용해도를 증대시킨다. 산소용해기의 출구와 상기 냉수조 사이에는 이들에 유체적으로 연결되는 압력유지 수단이 배치되어, 산소용해기 내부의 압력을 유지하면서 산소용해기로부터의 산소수를 냉수조로 복귀시키게 된다. 산소용해기는 하우징 내에 설치되는 복수의 트레이를 구비하며, 인입관을 통해 산소/물 혼합물을 받아들여 물에 산소가 용해되도록 하고, 산소가 용해된 산소수를 배출관을 통해 배출한다.

본 발명의 정수기는 원수투입라인을 통해 투입되는 식수를 필터에 의해 정수하여 냉수조와 온수조에 저장하며, 냉수조의 외주연부에는 증발기 파이프가 설치되고, 온수조 하측에는 히터가 삽입, 설치되며, 생수조와 온수조가 각각의 연결 호스를 통해 전면부에 노출된 냉, 온수 취출구에 연통된다. 정수기는 상기 냉수조로부터 공급되는 물에 산소원으로부터 공급되는 산소를 용해시킨다. 혼합 수단은 상기 냉수조 및 산소원에 연결되어 있고, 냉수조로부터 공급되는 물에 산소원으로부터의 산소 기포를 혼합한다. 혼합 수단에는 순환펌프가 접속되며, 이 순환펌프는 혼합 수단에 의해 혼합된 물/산소 혼합물을 흡입하여 순환시킨다. 산소용해기는 순환펌 프로부터 물/산소 혼합물을 받아들여 물에 산소가 용해되도록 함으로써 물에서의 산소 용해도를 증대시킨다. 산소용해기의 출구와 상기 냉수조 사이에는 이들에 유체적으로 연결되는 압력유지 수단이 배치되어, 산소용해기 내부의 압력을 유지하면서 산소용해기로부터의 산소수를 냉수조로 복귀시키게 된다. 산소용해기는 하우징 내에 설치되는 복수의 트레이를 구비하며, 인입관을 통해 산소/물 혼합물을 받아들여 물에 산소가 용해되도록 하고, 산소가 용해된 산소수를 배출관을 통해 배출한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 산소수 제조장치의 일 실시예를 보여준다. 도시된 산소수 제조장치는 수조(10)에 담겨진 식수에 산소를 용해시켜 다시 수조(10)에 복귀시키고 이러한 순환 과정을 반복함으로써 식수에 산소를 과포화시키는 장치로서, 산소원(20)과, 티형 접속구(Tee Fitting: 30)와, 순환펌프(40)와, 산소용해기(50)와, 조절밸브(120)를 포함한다.

티형 접속구(30)의 제1 입구는 제1 연결호스(14)를 통해 수조(10) 하단의 토출구(12)에 접속되고, 제2 입구는 제2 연결호스(22)를 통해 산소원(20)에 접속되어 있어서, 산소원(20)으로부터 공급되는 산소를 수조(10)로부터 공급되는 식수 내에 기포 형태로 분산시킨다. 바람직한 실시예에 있어서, 산소원(20)으로는 냉온수기나 정수기의 경우 전기분해방식 산소발생장치가 사용되며, 용해기 가동시 분당 30cc의 산소를 공급하게 된다. 그렇지만, 다른 실시예에 있어서는, 압력스윙흡착 방식 또는 멤브레인 방식의 산소공급기나 산소가 충진된 산소탱크가 산소원(20)으로 사용될 수도 있다. 이와 같은 산소원(20)이 장치 외부에 마련될 수도 있음은 물론이다. 한편, 산소원(20)의 출구에는 산소 유량을 측정하기 위한 산소 게이지 또는 산소 공급량을 조절하기 위한 밸브가 마련될 수도 있다.

순환펌프(40)는 유입구가 제3 연결호스(32)를 통해 티형 접속구(30)에 접속되고, 유출구가 제4 연결호스(42)를 통해 산소용해기(50)에 접속되어 있으며, 수조(10)에 담겨진 식수를 티형 접속구(30) 및 산소용해기(50)를 통해 순환시킴으로써 식수에 산소가 순환 용해되도록 한다. 바람직한 실시예에 있어서, 순환펌프(40)는 다이어프램 펌프에 의해 구현되며, 산소원(20)으로부터 공급되는 저압의 산소가 티형 접속구(30)에 쉽게 흡입되어 식수에 혼합될 수 있게 해준다.

산소용해기(50)의 입구에는 제1 엘보우 피팅(Elbow Fitting: 52)이 나사결합되어 있고, 이 제1 엘보우 피팅(52)에는 제4 연결호스(42)가 접속된다. 또한, 산소용해기(50)의 출구에는 제2 엘보우 피팅(54)이 나사결합되어 있고, 이 제2 엘보우 피팅(54)에는 제5 연결호스(56)가 접속된다. 이러한 산소용해기(50)는 제4 연결호스(42)를 통해 유입되는 식수/산소 혼합물 내에 기포 형태로 분산되어 있는 산소를 식수 내에 과포화 수준으로 용해시킨다. 산소용해기(50)의 구체적인 구성 및 동작은 아래에서 구체적으로 설명한다.

조절밸브(120)의 입구는 제5 연결호스(56)에 의해 산소용해기(50)에 접속되고, 출구는 제6 연결호스(122)에 의해 수조(10)에 접속된다. 조절밸브(120)는 산소수 제조장치가 동작할 때에는 산소용해기(50) 내부에 일정한 압력이 유지될 수 있게 해주면서 산소수를 수조(10)로 복귀시키고, 산소수 제조장치가 일시 정지된 상태에서는 유체 흐름을 차단하여 산소용해기(50) 내부에 있는 유체가 수조(10)로 유출되는 것을 방지하게 된다. 이와 같은 조절밸브(120)는 니들밸브나 솔레노이드 밸브 또는 양자를 결합하여 구현할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 산소용해기(50)의 분해사시도이고, 도 3은 산소용해기(50)의 단면도이다. 산소용해기(50)는 하부 하우징(60)과, 상기 하부 하우징(60)에 상방에서 삽입되어 결합하는 뚜껑/트레이 조립체(70)를 포함한다.

하부 하우징(60)은 대략 컵 형태로 되어 있으며, 상단 내주면에는 뚜껑/트레이 조립체(70)와 체결하기 위한 나사산(62)이 형성되어 있다. 도시된 실시예에 있어서, 하부 하우징(60)은 하단 외경이 상단 외경보다 좁은 형태로 되어 있지만, 이와 같은 실시예가 변형된 실시예에 있어서는, 하단 외경이 상단 외경보다 같은 원통형으로 될 수도 있다.

뚜껑/트레이 조립체(70)는 원반 형태의 덮개(72)와, 그 하측에 마련되는 체결부(74)와 덮개(72) 상측에 마련되는 매니폴드(78)를 구비한다. 체결부(74)는 덮개(72)보다 작은 직경을 가지며, 그 외주면에는 하부 하우징(60)의 나사산(62)에 대응하여 나사산(76)이 형성되어 있다. 원반형 덮개(72)의 직경은 하부 하우징(60)의 상단 외경과 대략 같게 정해지는 것이 바람직하다. 덮개(72) 상방에 마련되는 매니폴드(78) 내부에는 산소용해기의 입구(80) 및 출구(84)로부터 연이어진 유로(82, 86)가 형성되어 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 덮개(72)와 체결부(74)와 매니폴드(78)는 일체로서 형성된다. 그렇지만, 변형된 실시예에 있어서 는, 덮개(72)와 체결부(74)와 매니폴드(78) 중 하나 이상이 별도로 성형되어 볼트 등에 의해 체결될 수도 있다.

체결부(74) 하측에는 제1 유로(82)에 연통되며 인입관(92)을 끼워 제1 유로(82)에 접속시키기 위한 제1 삽입홈(88)이 마련되고, 마찬가지로 제2 유로(86)에 연통되며 배출관(94)을 끼워 제2 유로(86)에 접속시키기 위한 제2 삽입홈(90)이 정중앙에 마련된다. 상기 배출관(94)은 제2 삽입홈(90)에 끼워져 조립된 상태에서 하부 하우징(60)의 저면 가까이에 이를 만큼의 길이를 갖는다. 배출관(94)에는 다수의 수평 트레이(96~104)가 상하방향으로 연이어 설치된다. 상기 트레이(96~104) 각각은 중심부에 관통홀이 형성되어 있으며, 이 관통홀이 배출관(94)에 끼워진 상태에서 고정된다. 한편, 상기 인입관(92)은 그 하단부가 제1 트레이(96) 상방에 위치하도록 설치된다.

바람직한 실시예에 있어서, 제1 내지 제5 트레이(96~104) 각각은 접시와 같은 형태를 가지며, 이에 따라 차지하는 공간을 최소화하면서 그 내부에 담겨지는 식수와 용해기 내부에 존재하는 산소간의 접촉면적이 최대화될 수 있게 되어 있다. 그렇지만, 상부로부터 떨어지는 낙수로 인해 트레이 내부에 담겨진 식수 내에 형성되는 기포가 식수 내에서 낙하하면서 식수와 최대한의 시간동안 접촉할 수 있도록 하기 위해, 제1 내지 제5 트레이(96~104)가 대접이나 컵과 같이 일정정도의 높이를 갖도록 할 수도 있다. 직경 대 높이의 비에 관계없이, 각 트레이는 상단보다 저면이 좁은 형태가 되도록 함으로써, 상측에 있는 트레이로부터 식수/산소 혼합물이 넘칠 때 그 직하측에 있는 트레이 안으로 흘러서 그 내부에 담겨 있는 식수/산소 혼합물과 충돌 및 마찰이 충분히 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 아울러, 이처럼 상측에 있는 트레이로부터 넘치는 식수/산소 혼합물이 그 직하측에 있는 트레이 안으로 흐를 수 있도록 하측으로 갈수록 트레이의 단면이 커지게 제1 내지 제5 트레이(96~104)의 크기를 정할 수도 있다.

도 4는 트레이의 형태와 배출관과의 결합구조의 일 실시예를 보여준다. 본 실시예에 있어서, 하단에 있는 제5 트레이(104)는 저면부(104a)와, 상기 저면부(104a)의 모서리에서 외측 상방으로 연이어져 형성된 측면부(104b)를 구비한다. 저면부(104)의 중앙에는 배출관(94)이 끼워지는 관통홀이 형성되어 있고, 관통홀의 하단에는 슬리브(104c)가 하방으로 연이어져 형성되어 있다. 이와 같은 트레이(104)는 배출관(94)에 끼워진 상태에서 접착제나 용접 등에 의해 배출관(94) 외주면에 결합되어 고정된다. 제1 내지 제4 트레이(96~102)의 형태와 결합구조 역시 이와 유사하다.

도 5는 트레이의 형태와 배출관과의 결합구조의 다른 실시예를 보여준다. 본 실시예에 있어서, 하단에 있는 제5 트레이(204)는 저면부(204a)와, 상기 저면부(204a)의 모서리에서 외측 상방으로 연이어져 형성된 측면부(204b)를 구비한다. 저면부(204)의 중앙에는 배출관(194)이 끼워지는 관통홀이 형성되어 있고, 관통홀의 하단에는 슬리브(204c)가 하방으로 연이어져 형성되어 있다. 특히, 본 실시예에 있어서, 배출관(194)의 하측에는 단차에 의한 걸림턱(194a)이 형성되어 있고, 제5 트레이(204)의 슬리브(204c)는 충분히 길어서 그 하단이 걸림턱(194a)에 얹혀지게 된다. 한편, 제4 트레이(202)의 슬리브(202c)의 하단은 제5 트레이(204)의 저면부(204a) 상부면에 얹혀지게 된다. 이와 같은 방식으로 각 트레이는 그 하측에 있는 트레이의 저면부 상부면에 얹혀지게 된다. 한편, 이와 같은 실시예에 있어서도, 내구성을 증대시키기 위해 각 트레이와 배출관의 접촉부위 중 적어도 일부분을 접착제나 용접 등에 의해 고정시킬 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 산소용해기(50)는 다음과 같이 조립된다.

먼저, 배출관(94)에 제1 내지 제5 트레이(96~104)를 끼우고 고정시킨다. 그다음, 체결부(74) 저면에 마련된 제1 및 제2 삽입홈(88, 90)에 인입관(92)과 배출관(94)를 끼워서 맞춤결합 또는 나사결합에 의해 고정시켜서, 산소용해기(50)의 뚜껑/트레이 조립체(70)를 완성한다. 그리고, 뚜껑/트레이 조립체(70)를 하부 하우징(60)에 끼워서 나사구조에 의해 체결한다. 이때, 산소용해기(50)의 밀봉성을 증가시키기 위해 뚜껑/트레이 조립체(70)와 하부 하우징(60)의 결합부위에 오링과 같은 밀봉부재를 삽입하는 것이 바람직하다. 일 실시예에 있어서, 산소용해기(50)는 조립된 상태에서 높이가 300 밀리미터(mm), 상단 외경이 110 밀리미터(mm)의 크기를 갖는다. 이와 같이 산소용해기(50)가 조립된 상태에서, 산소용해기(50) 입구(80)에 제1 엘보우 피팅(52)을 부착하고, 출구(84)에 제2 엘보우 피팅(54)를 부착한다.

티형접속구(30)의 제1 입구와 수조(10) 하단의 토출구(12)를 제1 연결호스(14)에 의해 연결하고, 티형접속구(30)의 제2 입구와 산소원(20)을 제2 연결호스(22)에 의해 연결한다. 그 다음, 제3 연결호스(32)에 의해 티형접속구(30)의 출구와 순환펌프(40) 유입구를 연결하고, 제4 연결호스(42)에 의해 순환펌프(40) 유출 구와 산소용해기(50) 입구의 제1 엘보우 피팅(52)을 연결한다. 그리고, 산소용해기(50) 출구의 제2 엘보우 피팅(54)과 조절밸브(120) 입구를 제5 연결호스(56)에 의해 연결하고, 조절밸브(120) 출구를 제5 연결호스(122)에 의해 수조에 연결시킨다.

도 1에 도시된 산소수 제조장치는 다음과 같이 동작한다.

순환펌프(40)에 전력을 인가하여 가동하고 산소원(20)으로부터 산소를 공급하기 시작하면, 산소원(20)으로부터 공급되는 산소는 수조(10)로부터 공급되는 식수 내에 기포 형태로 유입된다. 식수/산소 혼합물은 순환펌프(40)에 의해 산소용해기(50)의 입구로 진행하여, 인입관(92)을 통해 제1 트레이(96)으로 낙하하게 된다. 제1 트레이(96)에 낙하하여 트레이 바닥 또는 담겨있는 식수/산소 혼합물과 충돌하는 과정에서 그리고 충돌에 의해 식수 내에 추가적으로 유입되는 산소 기포가 식수 내에서 하방으로 낙하하였다가 부력에 의해 상승하는 과정에서, 산소 기포 중 일부는 식수에 용해된다. 그리고, 식수 내에 포함된 산소 기포 중 상당량은 산소용해기(50)의 식수로부터 이탈하여 상부 공간으로 분리된다.

제1 트레이(96)가 식수로 가득 차게 된 상태에서 인입관(92)을 통해 식수/산소 혼합물의 공급이 계속되면, 제1 트레이(96)에 담긴 식수는 넘쳐서 제2 트레이(98)로 낙하하게 된다. 식수/산소 혼합물이 제1 트레이(96)로부터 제2 트레이(98)로 낙하하여 트레이 바닥 또는 담겨있는 식수/산소 혼합물과 충돌하는 과정에서 그리고 충돌에 의해 식수 내에 추가적으로 유입되는 산소 기포가 낙하하였다가 부력에 의해 상승하는 과정에서, 산소 기포 중 일부가 추가적으로 식수에 용해된다.

이와 같이, 인입관(92)을 통해 식수/산소 혼합물의 공급이 계속됨에 따라, 상하방향으로 다단 구성된 제1 내지 제5 트레이(96~104)에는 상측의 것으로부터 식수/산소 혼합물로 채워지게 되고, 채워진 혼합물은 연쇄적으로 하측의 트레이로 낙하하게 된다. 최종적으로 제5 트레이(104)가 식수/산소 혼합물로 채워지게 되면, 식수/산소 혼합물은 산소용해기(50)의 저면에 고이게 된다.

순환펌프(40)의 운전이 계속되면, 산소용해기(50)의 내부 압력이 상승하게 되고, 일정시간 예컨대 최초 운전시 20~30분이 경과하면 저면에 고인 식수/산소 혼합물은 배출관(94) 내부에서 상승하여 조절밸브(120)를 통해 수조(40)로 복귀한다. 계속운전 상태에서 산소용해기(50)의 저면에 고이는 식수/산소 혼합물의 수위는 순환펌프(40)의 동작 속도이외에 조절밸브(120)에 의해 조절할 수 있다. 본 발명자의 실험에 따르면, 산소용해기(50)가 위에서 기재한 크기를 갖는 경우, 산소용해기(50) 높이의 1/3 수준에서 일정하게 유지될 수 있는 것으로 밝혀졌다.

한편, 위와 같은 산소용해기(50) 동작 과정에서, 다단 구성된 제1 내지 제5 트레이(96~104)에 식수/산소 혼합물이 채워짐과 아울러, 산소용해기(50) 저면에도 식수/산소 혼합물이 고이게 됨에 따라, 산소용해기(50) 단면적의 5배 이상의 산소-식수/산소 혼합물 내지 산소-식수 간의 접촉 면적이 증가되며, 이처럼 접촉 면적이 증가함에 따라 대부분의 산소기포는 식수에 용해되고 식수에서의 산소 용해도는 크게 증가된다. 아울러, 다단 구성된 제1 내지 제5 트레이(96~104)에서의 식수/산소 혼합물의 충돌과 부력에 의한 부상 과정을 통해 식수에서의 산소 용해도는 더욱 크게 증가될 수 있다.

한편, 동작 과정에서, 조절밸브(120)는 산소용해기(50) 내부의 압력이 일정 수준 이하로 저하되는 것을 방지하고 적정압력을 일정하게 유지하는 기능을 한다. 산소수 제조장치의 운전이 중단되는 경우, 조절밸브(120)는 산소용해기(50) 내부의 유체가 배출되는 것을 차단하여 산소용해기(50) 내부의 압력을 유지하게 되며, 이에 따라 산소수 제조장치를 재가동할 때 산소용해기(50) 내부 압력을 일정 수준 이상으로 증가시키는데 소요되는 공회전 시간을 단축시키게 된다.

본 발명의 산소수 제조장치는 중량과 부피가 작기 때문에, 정수기나 냉온수기와 같은 장치에 적용하여 활용할 수 있다.

일반적인 냉온수기의 구성을 살펴보면, 케이스의 상부면에는 생수통이 안착되는 상면덮개가 설치되고, 케이스 내부에는 일정량의 식수를 각각 저장하는 냉수조와 온수조가 장착되며, 냉수조의 외주연부에는 증발기 파이프가 설치되고, 온수조 하측에는 히터가 삽입, 설치되며, 생수조와 온수조는 각각의 연결 호스를 통해 전면부에 노출된 냉, 온수 취출구에 연통되도록 되어 있다. 이와 같은 냉온수기에 있어서, 냉수조에 제1 및 제6 연결호스(14, 122)를 연결하고, 수조를 제외한 모든 부품을 냉온수기 내부공간 하측에 배치함으로써 산소수 발생장치를 냉온수기에 적용하여 과포화 산소수를 공급할 수 있는 냉온수기를 제작할 수 있게 된다. 이와 같은 냉온수기에 있어서, 산소수 발생장치는 냉온수기가 대기 상태에 있을 때 또는 사용자가 냉수나 온수를 취출하는 중인지 여부에 관계없이 냉수조에 담겨진 냉수를 순환시키면서 산소를 용해시키는 과정을 반복한다. 이와 같은 냉온수기의 구성은 이상의 설명 및 첨부된 도면과, 종래의 냉온수기에 관한 문헌, 예컨대 등록특허공 보 202612호 기재내용을 토대로 당업자가 용이하게 실시할 수 있기 때문에, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 정수기는 생수통 안착 구조가 없고 식수를 여과하기 위한 필터가 부가되는 것을 제외하고는 냉온수기와 유사한 구성을 가진다. 냉온수기에 있어서와 마찬가지로, 정수기 수조에 제1 및 제6 연결호스(14, 122)를 연결하고, 수조를 제외한 모든 부품을 정수기 내부공간 하측에 배치함으로써 산소수 발생장치를 정수기에 적용하여 과포화 산소수를 공급할 수 있는 정수기를 제작할 수 있게 된다. 이와 같은 정수기의 구성은 이상의 설명 및 첨부된 도면과, 종래의 정수기에 관한 문헌, 예컨대 등록실용신안공보 273318호 기재내용을 토대로 당업자가 용이하게 실시할 수 있기 때문에, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예컨대, 이상의 설명에서는 산소용해장치가 계속적으로 수조에 담겨진 식수를 순환시키면서 산소를 용해시키는 것으로 기술하였지만, 수조에 용존산소 센서를 설치하고 용존산소농도가 일정 수준 예컨대 90 ppm 이나 120 ppm에 도달하면 산소발생장치의 동작이 일시 정지되도록 할 수 있다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 산소수 제조장치는 구조가 간단하고 부품 수가 적으며 크기가 작기 때문에, 저렴한 가격에 제작될 수 있음과 동시에 효율적으로 과포화 산소수를 생산할 수 있고 오랫동안 용존산소를 유지할 수 있다.

특히, 본 발명에 의한 산소수 제조장치는 가정용 정수기나 냉온수기와 같은 소규모 장치에서 식수에 산소를 용해함에 있어 저압 상태에서 최소동력을 사용하여 고효율의 용해를 실현하여 과포화 산소수를 제조할 수 있게 해준다.

Claims (19)

1. 압력 저하를 막기 위한 압력유지 수단의 전단에 사용되며, 산소/물 혼합물을 받아들여 유입된 물에서의 산소 용해도를 증대시키는 산소용해장치로서,

   입구와, 상기 압력유지 수단에 유체적으로 접속되는 출구를 구비하는 하우징;

   상기 하우징 내측에서 상하방향으로 다단 설치되는 복수의 트레이;

   상기 입구를 통해 산소/물 혼합물을 받아들여 상기 복수의 트레이 중 최상층 트레이에 공급하는 인입관; 및

   상기 하우징 하측에 고이는 물을 상기 출구로 배출하는 배출관;

   을 구비하는 산소용해장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 하우징이

   상방이 개방되어 있는 하부 하우징; 및

   상기 하부 하우징 상측에 체결되는 뚜껑;

   을 구비하는 산소용해장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 인입관과 상기 배출관이 상기 하우징의 입구 및 출구에 각각 유체적으로 접속되는 산소용해장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 트레이 각각의 중앙에 관통공이 설치되어 있으며,

   상하방향으로 배치되는 상기 배출관에 상기 복수의 트레이의 관통공이 삽입되어 고정되는 산소용해장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 트레이 각각이 접시 형태로 되어 있는 산소용해장치.
6. 수조에 담긴 물에 산소를 용해하기 위한 산소수 제조장치로서,

   상기 수조 및 산소원에 연결되어 있고, 상기 수조로부터 공급되는 물에 상기 산소원으로부터의 산소 기포를 혼합하기 위한 혼합 수단;

   상기 혼합 수단에 접속되어 있고, 상기 혼합 수단에 의해 혼합된 물/산소 혼합물을 흡입하여 순환시키는 순환펌프;

   상기 순환펌프로부터 상기 물/산소 혼합물을 받아들여 물에서의 산소 용해도를 증대시키는 산소용해기; 및

   상기 산소용해기와 상기 수조에 유체적으로 연결되어 있고, 상기 산소용해기 내부의 압력을 유지하면서 상기 산소용해기로부터의 산소수를 상기 수조로 복귀시키는 압력유지 수단;

   을 구비하며, 상기 산소용해기가

   입구와, 상기 압력유지 수단에 유체적으로 접속되는 출구를 구비하는 하우징;

   상기 하우징 내측에서 상하방향으로 다단 설치되는 복수의 트레이;

   상기 입구를 통해 산소/물 혼합물을 받아들여 상기 복수의 트레이 중 최상층 트레이에 공급하는 인입관; 및

   상기 하우징 하측에 고이는 물을 상기 출구로 배출하는 배출관;

   을 구비하는 산소수 제조장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 하우징이

   상방이 개방되어 있는 하부 하우징; 및

   상기 하부 하우징 상측에 체결되는 뚜껑;

   을 구비하는 산소수 제조장치.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,

   상기 인입관과 상기 배출관이 상기 하우징의 입구 및 출구에 각각 유체적으로 접속되는 산소수 제조장치.
9. 제6항에 있어서, 상기 복수의 트레이 각각의 중앙에 관통공이 설치되어 있으며,

   상하방향으로 배치되는 상기 배출관에 상기 복수의 트레이의 관통공이 삽입 되어 고정되는 산소수 제조장치.
10. 제6항에 있어서, 상기 복수의 트레이 각각이 접시 형태로 되어 있는 산소수 제조장치.
11. 제6항에 있어서, 상기 복수의 트레이 각각이 컵 형태로 되어 있는 산소수 제조장치.
12. 제6항에 있어서, 상기 압력유지 수단이 니들밸브를 포함하는 산소수 제조장치.
13. 제6항에 있어서, 상기 압력유지 수단이 솔레노이드 밸브를 포함하는 산소수 제조장치.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 산소수 제조장치의 작동이 정지될 때 상기 압력유지 수단이 상기 산소수의 흐름을 차단하여 상기 산소용해기의 내부압력을 일정하게 유지하는 산소수 제조장치.
15. 제6항에 있어서, 상기 복수의 트레이 각각이

    중앙에 관통홀이 형성되어 있는 저면부와;

    상기 저면부의 모서리에서 외측 상방으로 연이어져 형성된 측면부와;

    상기 관통홀의 하단에서 하방으로 연이어져 형성된 슬리브;

    를 구비하는 산소수 제조장치.
16. 제6항에 있어서, 상기 산소원이 상기 산소수 제조장치 내부에 설치되는 산소수 제조장치.
17. 제6항에 있어서, 상기 산소원이 상기 산소수 제조장치 외부에 마련되어, 연결호스에 의해 상기 혼합 수단에 접속되는 산소수 제조장치.
18. 상부면에 생수통이 안착되는 상면덮개가 설치되고, 케이스 내부에는 일정량의 식수를 각각 저장하는 냉수조와 온수조가 장착되며, 냉수조의 외주연부에는 증발기 파이프가 설치되고, 온수조 하측에는 히터가 삽입, 설치되며, 생수조와 온수조가 각각의 연결 호스를 통해 전면부에 노출된 냉, 온수 취출구에 연통되도록 되어 있는 냉온수기에 있어서,

    산소를 공급하기 위한 산소원;

    상기 냉수조 및 상기 산소원에 연결되어 있고, 상기 냉수조로부터 공급되는 물에 상기 산소원으로부터의 산소 기포를 혼합하기 위한 혼합 수단;

    상기 혼합 수단에 접속되어 있고, 상기 혼합 수단에 의해 혼합된 물/산소 혼합물을 흡입하여 순환시키는 순환펌프;

    상기 순환펌프로부터 상기 물/산소 혼합물을 받아들여 물에서의 산소 용해도를 증대시키는 산소용해기; 및

    상기 산소용해기와 상기 냉수조에 유체적으로 연결되어 있고, 상기 산소용해기 내부의 압력을 유지하면서 상기 산소용해기로부터의 산소수를 상기 냉수조로 복귀시키는 압력유지 수단;

    을 구비하며, 상기 산소용해기가

    입구와, 상기 압력유지 수단에 유체적으로 접속되는 출구를 구비하는 하우징;

    상기 하우징 내측에서 상하방향으로 다단 설치되는 복수의 트레이;

    상기 입구를 통해 산소/물 혼합물을 받아들여 상기 복수의 트레이 중 최상층 트레이에 공급하는 인입관; 및

    상기 하우징 하측에 고이는 물을 상기 출구로 배출하는 배출관;

    을 구비하는 냉온수기.
19. 원수투입라인을 통해 투입되는 식수를 필터에 의해 정수하여 냉수조와 온수조에 저장하며, 냉수조의 외주연부에는 증발기 파이프가 설치되고, 온수조 하측에는 히터가 삽입, 설치되며, 생수조와 온수조가 각각의 연결 호스를 통해 전면부에 노출된 냉, 온수 취출구에 연통되도록 되어 있는 정수기에 있어서,

    산소를 공급하기 위한 산소원;

    상기 냉수조 및 상기 산소원에 연결되어 있고, 상기 냉수조로부터 공급되는 물에 상기 산소원으로부터의 산소 기포를 혼합하기 위한 혼합 수단;

    상기 혼합 수단에 접속되어 있고, 상기 혼합 수단에 의해 혼합된 물/산소 혼합물을 흡입하여 순환시키는 순환펌프;

    상기 순환펌프로부터 상기 물/산소 혼합물을 받아들여 물에서의 산소 용해도를 증대시키는 산소용해기; 및

    상기 산소용해기와 상기 냉수조에 유체적으로 연결되어 있고, 상기 산소용해기 내부의 압력을 유지하면서 상기 산소용해기로부터의 산소수를 상기 냉수조로 복귀시키는 압력유지 수단;

    을 구비하며, 상기 산소용해기가

    입구와, 상기 압력유지 수단에 유체적으로 접속되는 출구를 구비하는 하우징;

    상기 하우징 내측에서 상하방향으로 다단 설치되는 복수의 트레이;

    상기 입구를 통해 산소/물 혼합물을 받아들여 상기 복수의 트레이 중 최상층 트레이에 공급하는 인입관; 및

    상기 하우징 하측에 고이는 물을 상기 출구로 배출하는 배출관;

    을 구비하는 정수기.

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