KR101030721B1 - 수소풍부수 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소풍부수 제조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내부에 수용공간이 마련되며, 수용공간의 내측 상면에는 액체 충돌부가 위치하고, 수위센서(Level Sensor) 및 수소이온농도(PH)와 산화환원전위(Oxidation Reduction Potential : ORP)센서를 구비하는 용존 수소농도 센서부를 각각 수용하되, 유로홀이 형성된 복수의 격벽이 수평으로 설치되어 내부 수용공간이 상하로 복수 분할된 밀폐형의 챔버와, 챔버의 상단 일측에 형성된 제1유입구를 통해 챔버의 내부로 삽입되며, 챔버의 외부에 위치한 정수수단을 통해 정수되어 챔버의 내부로 유입되는 액체를 이송하되, 제1 개폐밸브를 구비한 제1공급라인과, 챔버의 하단 일측에 형성된 제2유입구를 통해 챔버의 내부로 삽입되며, 챔버의 외부에 위치한 수소기체 발생수단에서 발생 된 수소기체를 챔버의 내부로 유입되게 하는 제2공급라인과, 챔버의 하단 일측에 형성된 제1배출구에 일단이 연결되며, 제1배출구를 통해 배출되는 액체를 펌핑하는 가압펌프를 구비하고, 타단은 챔버의 상단 일측에 형성된 제3유입구를 통해 챔버의 내부로 삽입되어 가압펌프에 의해 펌핑된 액체가 액체 충돌부를 향해 분사되는 것을 가능하게 하는 가압라인과, 챔버의 하단에 형성된 제2배출구에 연결되어 챔버 내부에 저류된 액체를 외부로 배출시키되, 제2 개폐밸브를 구비한 배출라인 및 수위센서와 용존 수소농도 센서부에서 각각 감지된 측정값을 수신하여 제1 개폐밸브와 제2 개폐밸브의 개폐, 수소기체 발생수단 및 가압펌프의 작동을 각각 제어하는 제어부를 포함하는 수소풍부수 제조장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 강력한 환원력을 보유한 수소가 풍부하게 함유된 수소풍부수를 제공한다. 그리고, 밀폐형 챔버를 구비함으로써 용존수도 농도를 조절하여 용도에 맞춘 수소풍부수를 대량으로 연속하여 제공할 수 있으며 투입된 수소를 낭비 없이 모두 활용할 수 있어 설비의 소형화와 제조원가를 낮추는 효과가 있다. 아울러, 대량의 수소풍부수를 사용해야 하는 기존시설에 응용이 용이하여 간단한 설비만으로 강력한 환원력의 수소풍부수를 제공하는 효과가 있다.

Description

수소풍부수 제조장치{Apparatus for manufacturing hydrogen-abundant water}

본 발명은 수소풍부수 제조장치에 관한 것으로서, 특히 수소의 용해도를 높일 수 있는 밀폐형 챔버를 구비하여 환원력이 뛰어난 수소가 풍부하게 함유된 수소풍부수를 제조하고 음용과 식물재배, 목욕 등의 용도에 연속적이면서도 대량으로 공급할 수 있는 수소풍부수 제조장치에 관한 것이다.

근래에 건강한 삶에 대한 욕구와 관심이 증대하면서 수소에 대한 연구와 관련제품 개발이 여러 방면에서 이어지고 있다.

수소는 주기율표 1번인 지구상에 존재하는 가장 가벼운 원소로, 원소기호는 H인데, 양성자 하나와 전자 하나로 이루어져 있으며, 지구상에 존재하는 수소의 대부분은 질량수가 1인 경수소지만 질량수가 2인 중수소와 질량수가 3인 삼중수소가 미량 존재하는 것으로 알려져 있다.

실생활과 관련해서 수소는 강력한 환원력을 보유하고 있는 원소이기에 질병의 근원물질이라고 알려져 있는 활성산소를 제거하는 용도로 널리 활용되고 있는데 물을 전기분해하여 전해환원수를 만드는 알칼리 이온수기가 일반적이며 수소를 고온, 고압의 플라즈마 상태에서 칼슘 등의 미네랄에 흡장시킨 분말제품, 마그네슘 등의 금속과 물과의 화학반응을 이용하여 수소를 생성하는 스틱제품, 용존수소 농도를 극대화시킨 고농도 수소수 음료 등 다양한 형태로 출시되고 있다.

수소의 환원력을 인체의 건강과 관련해서 적용한 상기의 상품과 기술들은 제품의 가격이 매우 높거나 용존수소 농도를 정확히 표기하지 않아 용존수소 포함 여부가 불분명한 사례가 많고 대중의 편의성에 기반한 다루기 쉬우면서도 우수한 제품을 찾아보기가 어렵다.

일반적으로 많이 알려진 알칼리 이온수기는 물의 전기분해를 통해 산성수와 알칼리수를 생성하는데 전기분해 시 생성된 용존수소의 환원작용을 활용하기 위해서 알칼리 이온수를 사용할 때 산성수가 그대로 버려지는 문제점이 있으며, 낮은 수소농도로 인하여 수소환원수로서의 효과를 극대화하기 어렵고 알칼리수의 pH가 9 내지 10 정도로 너무 높아 위장 등에 이상이 있는 경우나 과민성 질환의 경우에는 사용할 수 없으며 강한 pH로 인하여 의료기기로 분류되므로 제조와 판매에도 제약을 받게 된다.

한편, 산화환원전위(ORP)가 낮고 용존수소를 다량으로 함유한 수소수가 강력한 환원작용으로 암을 비롯한 여러 질병에 효과가 있다는 연구발표가 많아지면서 수소환원수나 중성수소수를 만들어 내는 제품들이 등장하고 있는데, 이는 생체의 신진대사 과정에서 발생하는 활성산소를 제거하는 활성수소가 포함되어 있기 때문이며 활성수소는 인체 내에서 유해한 활성산소와 결합하여 안전한 물로서 배출시키므로 세포의 산화를 방지하고 각종 난치병의 치료와 노화예방에 도움을 주기 때문이다.

이처럼 건강을 위하여 수소환원수의 강력한 환원력을 제공하는 제품들이 다양하게 출시되고 있는 반면, 환원효과 극대화를 위해 용존수소의 농도를 높이는 특수한 장치를 부가하거나 목욕 등의 용도에 대량으로 사용할 수 있도록 설비용량을 늘릴 경우, 설비가 대형화되고 제조원가가 상승하는 문제점이 있어서 간단한 설비변경만으로도 대량의 수소풍부수를 제공할 수 있는 제조장치가 요청된다.

상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 과제는, 기액혼합을 위한 밀폐형 챔버를 구성하여 용존수소 농도가 풍부한 수소풍부수를 단시간 내에 안정적이고 지속적으로 제조할 수 있도록 하며 투입된 수소를 낭비 없이 사용함으로써 설비효율 증대와 연속적으로 대량의 수소풍부수를 제공할 수 있는 수소풍부수 제조장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 부수적인 목적은 전기분해조를 설치하여, 전해수소수를 공급함과 동시에 물 분자의 클러스터를 작게 만들어 체내 흡수가 용이하면서도 용존수소 농도를 높일 수 있는 수소풍부수 제조장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 부수적인 목적은 대량의 수소풍부수를 사용하는 식물 재배시설이나 목욕시설 등에서 생성된 수소풍부수를 효과적으로 순환시키며 이용할 수 있는 수소풍부수 제조장치를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 내부에 수용공간이 마련되며, 상기 수용공간의 내측 상면에는 액체 충돌부가 위치하고, 수위센서(Level Sensor) 및 수소이온농도(PH)와 산화환원전위(Oxidation Reduction Potential : ORP)센서를 구비하는 용존 수소농도 센서부를 각각 수용하되, 유로홀이 형성된 복수의 격벽이 수평으로 설치되어 내부 수용공간이 상하로 복수 분할된 밀폐형의 챔버, 상기 챔버의 상단 일측에 형성된 제1유입구를 통해 상기 챔버의 내부로 삽입되며, 상기 챔버의 외부에 위치한 정수수단을 통해 정수되어 상기 챔버의 내부로 유입되는 액체를 이송하되, 제1 개폐밸브를 구비한 제1공급라인, 상기 챔버의 하단 일측에 형성된 제2유입구를 통해 상기 챔버의 내부로 삽입되며, 상기 챔버의 외부에 위치한 수소기체 발생수단에서 발생 된 수소기체를 상기 챔버의 내부로 유입되게 하는 제2공급라인, 상기 챔버의 하단 일측에 형성된 제1배출구에 일단이 연결되며, 상기 제1배출구를 통해 배출되는 액체를 펌핑하는 가압펌프를 구비하고, 타단은 상기 챔버의 상단 일측에 형성된 제3유입구를 통해 상기 챔버의 내부로 삽입되어 상기 가압펌프에 의해 펌핑된 액체가 상기 액체 충돌부를 향해 분사되는 것을 가능하게 하는 가압라인, 상기 챔버의 하단에 형성된 제2배출구에 연결되어 상기 챔버 내부에 저류된 액체를 외부로 배출시키되, 제2 개폐밸브를 구비한 배출라인 및 상기 수위센서와 상기 용존 수소농도 센서부에서 각각 감지된 측정값을 수신하여 상기 제1 개폐밸브와 상기 제2 개폐밸브의 개폐, 상기 수소기체 발생수단 및 상기 가압펌프의 작동을 각각 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 수소기체 발생수단은 액체가 전기분해되기 위해 소정의 전기분해조를 구비한 전기분해장치이며, 상기 정수수단에서 분기 된 분기라인에 의해 상기 정수수단과 상기 수소기체 발생수단이 서로 연결되어 상기 분기라인을 통해 상기 정수수단에서 정수 된 액체가 상기 수소기체 발생수단으로 이동되는 것을 특징으로 한다.

상기 수소기체 발생수단은 액체가 전기분해되기 위해 소정의 전기분해조를 구비한 전기분해장치이며, 상기 챔버의 중단 일측에 형성된 제3배출구에 일단이 삽입된 순환라인의 타단에 연결되고, 상기 순환라인에 설치된 순환펌프를 통해 상기 챔버 내부에 저류된 액체가 상기 전기분해조를 통해 순환 유입되는 것을 특징으로 한다.

상기 제2공급라인은 끝단에 설치된 버블러를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 제1공급라인과 상기 가압라인은 각각 분사노즐을 더 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 제1공급라인은 액체가 자화되는 자화수단을 더 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 격벽에 형성된 상기 유로홀은 인접한 타 유로홀 간에 서로 비 대향 하는 위치에 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 강력한 환원력을 보유한 수소가 풍부하게 함유된 수소풍부수를 제공한다.

또한, 본 발명은 밀폐형 챔버를 구비함으로써 용존수도 농도를 조절하여 용도에 맞춘 수소풍부수를 대량으로 연속하여 제공할 수 있으며 투입된 수소를 낭비 없이 모두 활용할 수 있어 설비의 소형화와 제조원가를 낮추는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 대량의 수소풍부수를 사용해야 하는 기존시설에 응용이 용이하여 간단한 설비만으로 강력한 환원력의 수소풍부수를 제공하는 효과가 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 수소풍부수 제조장치를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 의한 수소풍부수 제조장치를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 제3실시예에 의한 수소풍부수 제조장치를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 수소풍부수 제조장치를 적용한 예시도 이다.

이하, 본 발명에 따른 수소풍부수 제조장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 수소풍부수 제조장치를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 바람직한 제1실시예에 의한 수소풍부수 제조장치는 챔버(10), 제1공급라인(20), 제2공급라인(30), 가압라인(40), 배출라인(50) 및 제어부(60)를 포함하는 구성요소로 이루어지며 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1실시예 - 구성

상기 챔버(10)는 밀폐형으로서 내부에 소정의 수용공간이 마련된다. 그리고 상기 수용공간의 내측 상면에는 액체가 충돌되는 액체 충돌부(11)가 위치한다. 상기 액체 충돌부(11)에 대해서는 후술하겠다. 아울러, 밀폐형으로 이루어진 챔버(10)로 인해 챔버 내부의 압력을 측정할 수 있는 소정의 압력계(미도시)를 더 구비할 수 있다.

이때, 상기 액체라 함은 일반적인 음용수, 농업용수, 공업용수, 발전용수 및 생활용수 등을 지칭한다.

그리고 챔버(10) 내부의 저류되는 액체의 수위를 측정하는 소정의 수위센서(70)와 저류된 액체의 수소이온농도(PH)와 산화환원전위(ORP)를 측정하는 용존 수소농도 센서부(80)를 각각 수용한다.

또한, 소정의 유로홀(121)이 형성된 복수의 격벽(12)이 챔버(10)의 내부 수용공간에 수평으로 설치되어 챔버(10)의 내부 수용공간이 상하로 복수 분할된다.

한편, 상기 격벽(12)에 형성된 상기 유로홀(121)은 인접한 타 유로홀(121) 간에 서로 비 대향 하는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 챔버(10)는 외주면에 소정의 유체가 내부로 유입 또는 외부로 배출되는 복수의 유입구 및 배출구가 각각 형성된다. 상기 복수의 유입구와 배출구에 대해서는 후술하겠다.

상기 제1공급라인(20)은 챔버(10) 내부로 유입되는 액체를 이송하는 이송관인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1공급라인(20)의 끝단에는 분사노즐(22)이 더 설치될 수 있다.

이때, 상기 챔버(10)의 상단 일측에는 액체가 유입되는 제1유입구(13)가 형성되는데, 상기 제1공급라인(20)은 상기 챔버(10)의 상단 일측에 형성된 제1유입구(13)를 통해 상기 챔버(10)의 내부로 삽입되는 형태로 설치되고, 상기 챔버(10)의 외부에 위치한 소정의 정수수단(90)을 통해 정수 된 액체를 이송하여 정수 된 액체가 상기 챔버(10)의 내부 수용공간으로 유입되는 것을 가능하게 한다. 상기 정수수단(90)에 대해서는 후술하겠다.

한편, 상기 제1공급라인(20)에는 이송되는 액체를 자화시키는 자화수단(23)이 더 설치될 수 있다. 상기 자화수단(23)에 대해서는 후술하겠다.

여기서, 상기 제1공급라인(20)은 액체의 흐름을 차단하는 제1 개폐밸브(21)를 구비할 수 있다. 이때, 상기 제1 개폐밸브(21)는 후술하는 제어부(60)에 의해 제어되는 것이 바람직하다.

상기 제2공급라인(30)은 챔버(10) 내부로 유입되는 수소기체를 이송하는 이송관인 것이 바람직하다.

이때, 상기 챔버(10)의 하단 일측에는 수소기체가 유입되는 제2유입구(14)가 형성되는데, 상기 제2공급라인(30)은 상기 챔버(10)의 하단 일측에 형성된 제2유입구(14)를 통해 상기 챔버(10)의 내부로 삽입되는 형태로 설치되고, 상기 챔버(10)의 외부에 위치한 수소기체 발생수단(100)에서 발생 된 수소기체를 이송하여 상기 챔버(10)의 내부로 유입되는 것을 가능하게 한다.

한편, 상기 챔버(10)의 내부에 삽입된 상기 제2공급라인(30)의 끝단에는 상기 챔버(10)의 내부로 유입되는 수소기체를 미세하게 확산시키는 버블러(31)가 더 설치될 수 있다.

여기서, 상기 수소기체 발생수단(100)은 후술하는 제어부(60)에 의해 작동이 제어되는 것이 바람직하고, 수소기체 발생수단(100)에 대해서는 후술하겠다.

상기 가압라인(40)은 챔버(10) 내부에 저류된 액체를 상기 챔버(10)의 상단으로 이송하여 상기 액체 충돌부(11)에 분사시켜 액체를 충돌부(11)에 충돌시키기 위해 액체를 이송하는 이송관인 것이 바람직하다. 아울러 가압펌프(41)를 구비한다.

여기서, 상기 챔버(10)의 하단 일측에는 챔버(10)의 내부에 저류된 액체를 배출하기 위한 제1배출구(15)와, 상기 제1배출구(15)를 통해 배출되는 액체가 유입되는 제3유입구(16)가 상단 일측에 형성된 것이 바람직하다.

즉, 상기 가압라인(40)의 일단은 상기 제1배출구(15)에 연결되고, 타단은 상기 제3유입구(16)를 통해 상기 챔버(10)의 내부로 삽입되어 상기 액체 충돌부(11)에 비접촉된 상태로 상기 액체 충돌부(11)를 마주보는 형태로 설치된다.

상기 가압펌프(41)에 의해 상기 제1배출구(15)를 통해 배출되는 액체를 펌핑하면, 가압라인(40)을 타고 액체가 챔버(10)의 상단부를 향해 상승하여 상기 액체 충돌부(11)를 향해 분사되는 것이다. 이때, 상기 가압라인(40)의 타단에는 액체를 미세하게 분사할 수 있도록 미세 분사노즐(42)이 더 설치될 수 있다. 여기서, 가압펌프(41)는 후술하는 제어부(60)에 의해 작동이 제어되는 것이 바람직하다.

상기 배출라인(50)은 챔버(10) 내부에 저류된 액체를 외부로 배출시키는 배출관인 것이 바람직하다. 이때, 상기 챔버(10)의 하단 일측에는 액체가 배출되는 제2배출구(17)가 형성된다.

즉, 상기 배출라인(50)은 상기 챔버(10)의 하단에 형성된 제2배출구(17)에 연결되어 상기 챔버(10) 내부에 저류된 액체를 외부로 배출시키는데, 배출라인(50)을 통해 외부로 배출되는 액체의 흐름을 차단할 수 있는 제2 개폐밸브(51)가 더 설치될 수 있다. 여기서, 상기 제2 개폐밸브(51)는 후술하는 제어부(60)에 의해 제어되는 것이 바람직하다.

상기 제어부(60)는 상기 수위센서(70)와 상기 용존 수소농도 센서부(80) 및 압력계에서 각각 감지된 측정값을 수신하여 상기 제1 개폐밸브(21)와 상기 제2 개폐밸브(51)의 개폐, 상기 수소기체 발생수단(100) 및 상기 가압펌프(41)의 작동을 각각 제어한다.

제1실시예 - 작동상태

먼저, 상기 제1공급라인(20)을 통해 액체가 이송된다. 상기 제1공급라인(20)을 통해 이송되는 액체는 소정의 정수수단(90)을 거쳐 정수 된다.

여기서 상기 정수수단(90)은 일반적인 물을 필터링하는 정수장치로서, 액체에 포함된 부유성 이물질과 유기물, 염소, 녹, 냄새 등을 제거하기 위한 다단의 여과필터로 구성된 역삼투압방식의 정수장치이다.

상기 정수수단(90)을 거쳐 상기 제1공급라인(20)을 통해 이송된 액체가 상기 챔버(10)의 상단 일측에 형성된 제1유입구(13)를 통해 상기 챔버(10)의 내부 수용공간으로 유입된다.

상기 정수수단(90)을 통과한 액체는 상기 챔버(10)로 유입되기 전에 복수의 영구자석이 대칭구조를 이루며 유로를 원통형으로 감싸도록 구성된 자화수단(23)을 통과하게 된다.

이때, 강력한 자속에 대하여 액체가 수직방향으로 통과하게 되면서, 자력의 영향으로 물의 분자구조가 구조화된 육각수로 이온활성화되어 체내 흡수가 용이한 상태로 변화되며 동시에 기액 혼합 효율을 높일 수 있는 클러스터가 작은 분자구조로 변화된다.

한편, 영구자석을 이용한 자화수는 물 분자의 수소원자(+)와 산소원자(-) 간에 자력에 의한 진동이 일어나서 수소원자가 순간적으로 자기장 방향으로 회전을 일으키게 됨으로써 결합각이 바뀌며 육각구조수로 재배열하는 것을 이용한 것으로 물속에 녹아있는 수소이온과 미네랄이 전하를 띄게 되며, 이때 미네랄이 너무 적으면 자화가 잘 되지 않는 것으로 알려져 있다.

상기 챔버(10)의 내부 수용공간으로 유입되는 액체는 챔버(10) 내부에서 소정의 높이까지 저류되면 유입이 차단되는데, 제어부(60)를 통해 기 설정된 챔버(10) 내부에 유입되는 액체의 저류 높이까지 저류되면 챔버(10)에 구비된 수위센서(70)에서 액체의 수위가 감지되고, 이러한 감지된 수위값을 제어부(60)에서 수신하여 제1 개폐밸브(21)가 작동하여 유입되는 액체의 흐름을 차단한다.

이때, 챔버(10) 내부의 유입되는 액체의 저류 높이는 챔버(10) 내부로 삽입된 가압라인(40)의 타단 즉, 가압라인(40)의 타단에 설치된 분사노즐(42)의 설치 위치 높이 이상으로 저류되지 않는 것이 바람직하다.

그 다음, 상기 수소기체 발생수단(100)에서 수소기체를 발생하는데, 상기 수소기체는 제2공급라인(30)을 통해 이송되어 챔버(10)의 하부 일측에 형성된 제2유입구(14)를 통해 액체가 저류된 챔버(10) 내부로 유입된다.

즉, 상기 수위센서(70)에서 감지된 수위값이 제어부(60)를 통해 설정된 수위값 미만일 경우, 상기 제어부(60)에 의해 제1 개폐밸브(21)가 작동하여 액체가 챔버(10) 내부에 유입되고, 챔버(10) 내부로 유입되는 액체의 수위가 설정된 수위값에 도달하여 수위센서(70)에서 이를 감지하여 제어부(60)가 수신하면, 제어부(60)에 의해 제1 개폐밸브(21)가 작동하여 액체의 흐름을 차단하고 이와 동시에 상기 수소기체 발생수단(100)이 작동하여 수소기체가 챔버(10) 내부로 유입되는 것이다.

여기서, 상기 제2공급라인(30)의 끝단에는 버블러(31)가 더 설치되는데, 수소기체는 버블러(31)를 통하여 챔버(10) 내로 분사되는데, 버블러(31)는 세라믹 소재를 약 900℃ 이상의 온도에서 고온소성한 다공성 필터로서 수소기체와 액체의 기액 혼합 시 접촉면적을 최대화하기 위해 구비된 것으로 약 0.1미크론의 미세기공(micro pore)을 통하여 고압으로 수소기체가 분사되므로 액체와 수소기체의 접촉면적을 넓혀주어 용존효율을 높이게 된다.

이러한 기액 혼합시의 용존효율은 단위부피당의 기액 접촉면적과 기액 접촉압력에 비례하므로 버블러(31)의 미세기공을 통과한 수소기체는 분사압력과 액체와의 접촉면적이 넓어지게 되어 효율적으로 용해될 수 있는 것이다.

한편, 수소는 약 18℃의 물 1부피에 최대 약 0.0185부피의 비율로 용해될 수 있는데, 챔버(10) 내부로 투입된 수소기체는 분사 즉시 전량이 용해되지는 못하므로 미처 용해되지 못한 일부 수소기체는 공기방울 형태로 격벽(12)에 형성된 유로홀(121)을 통과하여 수면 위로 부상하게 된다.

수면 위로 부상한 수소기체는 챔버(10)의 기밀구조로 인하여 외부로 유출되지 못하므로 제어부(60)에서 기 설정한 압력에 도달할 때까지 수면상에 머물며 압축된 상태가 된다.

상기 챔버(10) 내의 압력이 기 설정압력에 도달하면 제어부(60)에 의해 수소농도를 상승시키기 위한 가압펌프(41)가 작동하고, 수면상에 위치한 가압라인(40)의 분사노즐(42)에서 액체가 가압되어 공급되면 챔버(10)의 내측 상면의 액체 충돌부(11)를 향해 액체가 미세하게 분사된다.

상기 가압라인(40)의 분사노즐(42)로부터 분사되어 상기 액체 충돌부(11)에 충돌된 액체 분자는 더욱 미세하게 부서지며 챔버(10) 내에 가압되어 체류중인 수소기체와 효과적으로 혼합되게 된다.

가압 된 수소기체와 미세하게 분사된 액체 분자는 압력과 접촉면적을 증가시킨 상태이므로 매우 효율적인 기액혼합이 이루어지게 되며 이로써 용존수소 농도를 높이는데 매우 효과적인 조건이 구비되는 것이다.

즉, 하기의 수식이 나타내는 바와 같이, 기체의 용해도는 기액(氣液) 접촉압력에 비례하기 때문에, 챔버(10)의 내압을 가압상태로 유지함으로써, 챔버(10) 내에서의 수소기체 용해도를 높여서 액체의 용존수소 농도를 향상시킬 수 있는 것이다.

C = Kp ( C: 가스의 용해도 K: 헨리 정수 P: 압력 )

또한, 수소기체가 버블러(31)를 통과하여 가압상태의 챔버(10) 내로 유입되면, 수소기체 기포가 가압되어 축소됨으로써 기포의 부상속도가 현저히 저하된다. 따라서 기포가 수중에 체류하는 시간이 증가하게 되어 단위면적당 액체에 포함되는 수소 기체의 기포가 비약적으로 증가한 상태가 되는 것이고, 하기의 수식에 나타내는 a가 증가하게 되므로 챔버(10) 내에서 수소기체의 용해속도를 가속화할 수 있는 것이다.

dCAL/dt = Ka(CA-CAL)

(CAL: 용존가스 농도 t: 시간 K: 액측 총괄 물질이동계수 a: 단위부피당의 기액 접촉면적 CA: 포화 용존가스 농도)

그리고 가압라인(40)의 분사노즐(42)은 버블러(31)의 작용에 의해 1차 기액 혼합된 액체를 재 가압하여 챔버(10)의 내측 상면 액체 충돌부(11)를 향해 미세 분사하는 노즐로써, 가압펌프(41)의 급수 관경에 견주어 고압의 분사가 가능하도록 분사되는 면적을 상대적으로 좁게 설정하는 것이 바람직하다.

여기서, 액체 충돌부(11)의 형태는 분사된 액체와 가압된 기체의 접촉면적을 넓히기 위하여 돌출형태인데, 뒤집힌 반구형의 돔 형태가 바람직하며 충돌 후 고압의 미세 액체 분자가 고르게 비산되어 챔버(10)의 수면상에 존재하는 가압된 수소기체와의 용해도를 극대화할 수 있다.

상술한 바와 같이 용존수소 농도를 높이기 위한 챔버(10)는 가압상태하에서 버블러(31)와 미세 액체 분사노즐(42)을 작동하여 수소풍부수를 제조할 수 있으며, 제어부(60)를 통해서 제조과정을 제어할 수 있고, 가압펌프(41)와 분사노즐, 그리고 수소기체가 투입되는 버블러(31)의 작동을 제어함으로써 용존수소의 농도조절이 가능하므로 용도에 따른 맞춤형 수소풍부수를 제조할 수 있다.

하기의 표는 본 발명에 따라 3차에 걸쳐 수소풍부수를 제조한 내용이다.

[시험용 원수 : 역삼투압 방식 정수수, 원수량 : 45(ℓ), 수소는 버블러를 통해 투입]

구분	ORP(mv)	DH2(ppb)	pH	수온(℃)
원수투입	+ 238	0	7.7	13.2
수소투입(50L)	+ 178	276	7.7	13.2
가압, 물분사(1분)	- 314	412	7.6	13.3
(1분 추가)	- 320	430	7.6	13.3
(3분 추가)	- 336	448	7.6	13.3
(5분 추가)	- 226	467	7.6	13.3
(5분 추가)	- 214	497	7.6	13.3
구분	ORP(mv)	DH2(ppb)	pH	수온(℃)
원수투입	+ 249	0	7.5	13.4
수소투입(80L)	+ 120	455	7.5	13.3
가압, 물분사(5분)	- 246	550	7.6	13.3
(5분 추가)	- 252	571	7.6	13.4
(3분 추가)	- 236	575	7.6	13.4
(5분 추가)	- 226	575	7.6	13.4
(5분 추가)	- 214	581	7.6	13.4

[시험용 원수 : 역삼투압 방식 정수수, 원수량 : 45(ℓ) 냉수투입 후 50℃로 가열, 수소는 수면위로 투입]

구분	ORP(mv)	DH2(ppb)	pH	수온(℃)
원수투입	+ 143	0	7.1	9.5
수소투입(3Kgf/㎠	+ 160	0	7.1	49.0
가압, 물분사(1분)	- 378	460	7.1	45.2
(3분 추가)	- 436	490	7.1	50.0(가온 함)
(5분 추가)	- 423	506	7.1	48.0
(10분 추가)	- 401	495	7.1	48.4

상기의 표를 참조하면, 챔버(10) 내에서 미세한 수소기포를 발생하는 버블러(31)의 기액용해 효과를 확인할 수 있으며, 분사노즐에서 분사되는 미세한 고압 액체 분자의 수소기체 용해 작용과 용해도 상승시간 등도 확인할 수 있으며 온수에서의 수소 용존농도를 확인할 수 있다.

시험에 사용한 수소농도 측정계기는 일본제품 ENH-1000 모델을 사용하였으며, ORP 측정기는 센서(ORN-G-S8)와 표시장치(ORP Transmitter (Model : KORP-100)를 사용하였고, pH측정은 eco testr Ph1 모델을 사용하여 측정하였다.

본 발명에 따라 수소풍부수가 제조된 뒤 사용을 위해 챔버(10)의 하단 일측에 형성된 제2배출구(17)를 통해 외부로 배출이 되면 다단으로 구성된 격벽(12)의 유로홀(121)을 따라 챔버(10) 내의 수소풍부수는 선입선출 흐름이 유도된다.

선입선출이 이루어지도록 격벽(12)을 구성해야 하는 것은 연속적인 출수로 인해 수위가 줄어들게 되면 새로 정수 된 액체가 유입되어야 하는데 이때, 내부의 수소풍부수와 서로 혼합되기 때문에 챔버(10) 내의 수소이온농도가 희석되어 낮아지게 되므로 이를 방지하고 충분한 농도의 용존수소를 포함하는 수소풍부수를 연속으로 공급하고자 하는 목적이다.

수소풍부수의 사용량에 따라 챔버(10)의 크기를 가감하면 새로운 정수 된 액체가 유입되더라도 버블러(31)와 가압라인(40)의 분사노즐(42)의 작동으로 단시간에 수소풍부수를 제조할 수 있으므로 항상 일정한 용존수소 농도를 유지하며 출수할 수 있게 된다.

격벽(12)과 유로홀(121)을 구비한 또 다른 목적은 버블러(31)를 통해 발생 된 미세기포의 신속한 부상을 지연시키며 물속에서의 체류시간을 늘려줌으로써 기액용해의 효율을 높이는 데 있다.

또한, 새로 유입되는 정수 된 액체도 제1공급라인(20)의 분사노즐(22)을 통하여 가압된 챔버(10) 내로 분사함으로써 용존 효율을 높일 수 있음은 물론이다.

정리하면, 수소풍부수의 출수로 인하여 챔버(10) 내의 수위가 줄어들면 수위센서(70) 및 용존 수소농도 센서부(80)의 감지신호를 수신한 제어부(60)의 작용으로 챔버(10)의 상단을 통해 정수 된 액체가 보충되며 이때, 수소기체 발생수단(100)에서는 수소기체가 발생하여 버블러(31)를 통해 유입된다.

동시에 가압펌프(41)의 작동으로 가압라인(40)의 분사노즐(42)에서의 미세분사가 이루어지며 수소풍부수를 제조하고 연속 출수 시에도 챔버(10)의 하단부로 수소풍부수가 선입선출 방식으로 유도되므로 안정적이며 연속적인 수소풍부수 제공이 이루어진다.

한편, 본 발명의 챔버(10)내에 존재하고 있는 미 용존 수소기체는 수소풍부수가 출수되더라도 물보다 가벼운 수소기체이므로 여전히 챔버(10) 내에 머무르게 되며 정수 된 액체가 보충되어 가압라인(40)의 분사노즐(42)에서의 가압분사가 재차 이루어지면 미세 액체 분자와 결합하여 다시금 수소풍부수를 만들며 용존상태로 됨으로써 일단 투입된 수소기체는 일체의 낭비 없이 모두 재사용이 되는 구성이며 이는, 수소를 생성하는 제조설비의 크기와 제조원가를 낮출 수 있는 효과적인 제조방법이다.

제2실시예

도 2는 본 발명의 제2실시예에 의한 수소풍부수 제조장치를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 바람직한 제2실시예에 의한 수소풍부수 제조장치에서 상기 수소기체 발생수단(100)은 액체가 전기분해되기 위해 소정의 전기분해조를 구비한 수소발생장치로서 물을 공급하기 위한 별도의 저장통을 구비하거나, 상기 정수수단(90)에서 분기 된 분기라인(110)에 의해 상기 정수수단(90)과 상기 수소기체 발생수단(100)이 서로 연결되어 상기 분기라인(110)을 통해 상기 정수수단(90)에서 정수 된 액체가 상기 수소기체 발생수단(100)으로 이동된다.

즉, 상기 수소기체 발생수단(100)은 복수의 전기분해조를 설치하여 수소를 발생시키기 위한 장치로서, 정수수단(90)에서 공급되는 정수 된 액체를 전기분해 하여 전해수소를 발생한 뒤 상기 챔버(10)로 공급된다.

이때, 전기분해조에 공급되는 직류전원에 의하여 (+)전극에서는 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- 의 반응이 일어나며, (-)전극에서는 4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH- 의 반응이 일어난다.

따라서 양극에서는 산소가, 음극에서는 수소가 발생하며 동시에 양극에서는 수소이온(H+), 음극에서는 수산화이온(OH-)이 동일한 양으로 발생한다. 전기분해조에서 생성된 수소는 탈수 등의 정제과정을 거쳐 챔버(10)로 공급된다.

본 발명의 수소기체 발생수단(100)은 고체 고분자전해질(Solid Polymer Electrolytes)막을 사용하는 PEM방식의 전기분해조를 복수 연결하여 구성하였는데, 이는 고체상태에서 이온의 이동에 의하여 전류를 통할 수 있는 물질인 고체 고분자전해질을 격막으로 사용함으로써 전기분해를 용이하게 하기 위한 별도의 전해질을 투입할 필요가 없을 뿐만 아니라 순수한 액체만을 사용한 전기분해 방식이므로 음용 등에 있어 안전성을 보장해주는 장점이 있다.

전기분해조 내에서 두 전극간 거리를 최소화하며 밀착 구성할 수 있어 전해 효율을 높일 수 있는 고체 고분자전해질 전기분해 방식은 통상 약 0.2~4Kgf/㎠ 정도의 압력으로 수소를 지속적으로 생성할 수 있다.

고체 고분자전해질막은 수소 연료전지와 응용센서의 제조에도 이용되며 전해질 공업에서 주로 격막 소재로서 널리 사용되고 있다.

이때, 본 발명에서의 정수수단(90)은 유입수에 포함된 부유성 이물질과 유기물, 염소, 녹, 냄새 등을 제거하기 위한 다단의 여과필터로 구성된 정수시스템이며, 상기 수소기체 발생수단(100)에서 전기분해를 통해 수소를 발생하기 위해서는 Ca, Mg등 이온성 물질들이 제거된 정수 된 액체를 공급하여 전기분해조의 전극에 탄산칼슘 등 미네랄 성분이 석출되는 것을 방지토록 하는 시스템이 바람직하므로 역삼투압 방식의 정수시스템으로 구성된다.

제3실시예

도 3은 본 발명의 제3실시예에 의한 수소풍부수 제조장치를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 바람직한 제3실시예에 의한 수소풍부수 제조장치에서 상기 수소기체 발생수단(100)은 액체가 전기분해되기 위해 소정의 전기분해조를 구비한 전기분해장치이며, 상기 챔버(10)의 중단 일측에 형성된 제3배출구(18)에 일단이 삽입된 순환라인(120)의 타단에 연결되고, 상기 순환라인(120)에 설치된 순환펌프(121)를 통해 상기 챔버(10) 내부에 저류된 액체가 유입된다.

즉, 수소기체 발생수단(100)을 통해 수소를 생성하는 대신 전기분해조와 순환펌프(121)를 구비하여 챔버(10) 내의 정수 된 액체를 전기분해하여 수소수를 제조하는 내부순환방식의 전해수소수를 제조한다.

액체를 전기분해하는 전기분해조는 통상 전극과 전극 사이를 분리하는 격막을 두어 알칼리수와 산성수를 구분하여 생성하지만 본 발명의 전기분해조는 원수가 투입되어 수소수로 제조되어도 물속의 수소이온(H+)과 수산화이온(OH-)의 중화반응에 의해 본래대로의 pH를 그대로 유지하는 중성의 수소수를 제조하기 위하여 (+)전극과 (-)전극 사이에 격막이 없는 무격막 전해조가 사용된다.

액체의 전기분해가 이루어지면서 순환할 수 있도록 구성되었으므로 챔버(10) 내부의 용존수소 농도는 점차로 상승하게 되며 수소생성의 증가로 챔버(10) 내의 압력이 일정압력으로 상승하면 가압라인(40)의 분사노즐(42)이 작동하여 기액혼합이 이루어지도록 구성된다.

정수 된 물에 전기에너지를 인가하여 전기분해를 하면 물 분자의 클러스터가 작아지게 되어 체내 흡수가 용이하며 전기분해 시 생성된 활성수소가 강력한 환원력을 보유하고 있어 만병의 근원물질로 알려진 하이드록시 라디칼 즉, 활성산소를 제거하는 효과가 있는 것으로 알려져 있다.

제4실시예

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 수소풍부수 제조장치를 적용한 예시도 이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 수소풍부수 제조장치를 적용한 예를 설명하면, 식물재배시설이나 목욕 수조 등에서 대량의 수소풍부수를 사용하고자 할 때 연속적인 순환을 통하여 안정적으로 수소농도를 유지하며 공급할 수 있도록 구성한 것으로서, 버블러(31)와 가압라인(40)의 분사노즐(42) 외에 순환을 위한 제1가압펌프(P)와 제2가압펌프(P') 및 정수필터(F)가 별도로 구비된다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

10: 챔버 11: 액체 충돌부
12: 격벽 121: 유로홀
13: 제1유입구 14: 제2유입구
15: 제1배출구 16: 제3유입구
17: 제2배출구 18: 제3배출구
20: 제1공급라인 21: 제1 개폐밸브
23: 자화수단 22,42: 분사노즐
30: 제2공급라인 31: 버블러
40: 가압라인 41: 가압펌프
50: 배출라인 51: 제2 개폐밸브
60: 제어부 70: 수위센서
80: 용존 수소농도 센서부 90: 정수수단
100: 수소기체 발생수단 110: 분기라인
120: 순환라인 121: 순환펌프

Claims (7)

1. 내부에 수용공간이 마련되며, 상기 수용공간의 내측 상면에는 액체 충돌부가 위치하고, 수위센서(Level Sensor) 및 수소이온농도(PH)와 산화환원전위(Oxidation Reduction Potential : ORP)센서를 구비하는 용존 수소농도 센서부를 각각 수용하되, 유로홀이 형성된 복수의 격벽이 수평으로 설치되어 내부 수용공간이 상하로 복수 분할된 밀폐형의 챔버;
   상기 챔버의 상단 일측에 형성된 제1유입구를 통해 상기 챔버의 내부로 삽입되며, 상기 챔버의 외부에 위치한 정수수단을 통해 정수되어 상기 챔버의 내부로 유입되는 액체를 이송하되, 제1 개폐밸브를 구비한 제1공급라인;
   상기 챔버의 하단 일측에 형성된 제2유입구를 통해 상기 챔버의 내부로 삽입되며, 상기 챔버의 외부에 위치한 수소기체 발생수단에서 발생 된 수소기체를 상기 챔버의 내부로 유입되게 하는 제2공급라인;
   상기 챔버의 하단 일측에 형성된 제1배출구에 일단이 연결되며, 상기 제1배출구를 통해 배출되는 액체를 펌핑하는 가압펌프를 구비하고, 타단은 상기 챔버의 상단 일측에 형성된 제3유입구를 통해 상기 챔버의 내부로 삽입되어 상기 가압펌프에 의해 펌핑된 액체가 상기 액체 충돌부를 향해 분사되는 것을 가능하게 하는 가압라인;
   상기 챔버의 하단에 형성된 제2배출구에 연결되어 상기 챔버 내부에 저류된 액체를 외부로 배출시키되, 제2 개폐밸브를 구비한 배출라인; 및
   상기 수위센서와 상기 용존 수소농도 센서부에서 각각 감지된 측정값을 수신하여 상기 제1 개폐밸브와 상기 제2 개폐밸브의 개폐, 상기 수소기체 발생수단 및 상기 가압펌프의 작동을 각각 제어하는 제어부를 포함하는 수소풍부수 제조장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 수소기체 발생수단은 액체가 전기분해되기 위해 소정의 전기분해조를 구비한 전기분해장치이며, 상기 정수수단에서 분기 된 분기라인에 의해 상기 정수수단과 상기 수소기체 발생수단이 서로 연결되어 상기 분기라인을 통해 상기 정수수단에서 정수 된 액체가 상기 수소기체 발생수단으로 이동되는 것을 특징으로 하는 수소풍부수 제조장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 수소기체 발생수단은 액체가 전기분해되기 위해 소정의 전기분해조를 구비한 전기분해장치이며, 상기 챔버의 중단 일측에 형성된 제3배출구에 일단이 삽입된 순환라인의 타단에 연결되고, 상기 순환라인에 설치된 순환펌프를 통해 상기 챔버 내부에 저류된 액체가 상기 전기분해조를 통해 순환 유입되는 것을 특징으로 하는 수소풍부수 제조장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2공급라인은 끝단에 설치된 버블러를 더 구비한 것을 특징으로 하는 수소풍부수 제조장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1공급라인과 상기 가압라인은 각각 분사노즐을 더 구비한 것을 특징으로 하는 수소풍부수 제조장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1공급라인은 액체가 자화되는 자화수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 수소풍부수 제조장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 격벽에 형성된 상기 유로홀은 인접한 타 유로홀 간에 서로 비 대향 하는 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 수소풍부수 제조장치.

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