KR101144546B1 - 초음파를 이용한 살균장치 - Google Patents

Abstract

배출코크로부터 미생물이 유입되는 것을 방지하고, 저수조로부터 배출코크로 공급되는 음용수에 포함된 미생물을 제거할 수 있는 초음파를 이용한 살균장치를 제시한다. 그 장치는 음용수가 저장된 저수조와 음용수를 외부로 배출시키는 배출코크 사이에 위치하며 내부에서 균일한 음압분포를 형성하는 초음파를 발생시키는 잔향부 및 잔향부에 초음파를 발생시키는 초음파 발생기를 포함한다.

초음파, 잔향부, 살균시간, 음용수, 미생물

Description

초음파를 이용한 살균장치{Sterilization apparatus using ultrasonic wave}

본 발명은 음용수의 살균장치에 관한 것으로, 특히 20kHz를 넘는 초음파와 그 초음파의 잔향 현상을 이용하여 정수기 등에 사용되는 음용수에 포함된 미생물을 살균하는 살균장치에 관한 것이다.

최근, 생활수준이 향상되고 음용수의 중요성이 고조됨에 따라 다양한 형태의 정수기가 보급되고 있다. 일반적으로, 정수기는 전처리 필터, 활성탄 필터, 한외 여과막 필터, 역삼투막 필터 등을 사용하고 있다. 음용수는 예를 들어, 활성탄 필터를 통과한 원수에 포함된 잔류염소를 완전하게 제거하는 방식으로 정수하여 만들어지고 있다.

한편, 정수기는 유량을 유지하거나 냉온기능을 위해 음용수를 저수하는 저수조를 구비하고 있다. 음용수가 저수조에 보관되어 있는 동안에 저수조의 벽면 등에서 미생물이 증식하므로 저수조 벽면을 살균 소독제로 소독해야 하고, 또한 외부에서 미생물 유입을 최대한 억제하는 것이 필요하다. 그런데, 소독제가 소멸되면, 활성탄 필터 내에서 증식한 미생물이 외부로 유출될 수 있으며 또한 외부 공기로부터 유입된 미생물이 저수조에 증식하게 되는 문제점이 있다. 이에 따라, 저수조 내 부에 존재하는 미생물 증식을 억제하기 위해 사용자는 적어도 1주일에 1회 이상 세척과 살균 소독을 해야 하는 불편한 점이 있으나, 실제로 사용자들이 정기적으로 저수조를 청소하는 것은 어렵다.

또한, 저수조에 저장되었던 음용수가 밖으로 배출되는 배출코크 부분에서도 세균 또는 박테리아와 같은 미생물이 증식될 수 있고, 여기서 증식된 미생물은 배출코크로부터 관을 타고 저수조까지 오염시킬 수가 있다. 즉, 정수기를 살균 소독함에 있어서, 저수조만을 살균하고 배출코크 부분을 동시에 살균하지 않는다면, 정수기의 저수조 내에는 세균 또는 박테리아와 같은 미생물이 계속 존재하게 될 것이다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 배출코크로부터 미생물이 유입되는 것을 방지하고, 저수조로부터 배출코크로 공급되는 음용수에 포함된 미생물을 제거할 수 있는 초음파를 이용한 살균장치를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 살균장치는 음용수가 저장된 저수조와, 상기 음용수를 외부로 배출시키는 배출코크를 포함한다. 또한 상기 저수조와 상기 배출코크 사이에 위치하며, 내부에서 균일한 음압분포를 형성하는 초음파를 발생시키는 잔향부 및 상기 잔향부에 상기 초음파를 발생시키는 초음파 발생기를 포함한다.

본 발명의 살균장치에 있어서, 상기 잔향부에 상기 초음파가 전달됨에 의해 발생되는 초음파 음장에서 상쇄간섭이나 정재파(standing wave) 현상을 일으키지 않도록 마주보는 면이 서로 평행하지 않는 비정형 구조인 비틀림 구조를 이루는 것이 바람직하며, 상기 잔향부의 크기는 상기 초음파의 주파수에 따라 결정될 수 있다. 또한, 상기 잔향부를 이루는 벽에는 상기 벽을 따라 상기 음용수가 흐르는 유로가 형성될 수 있다. 상기 잔향부의 내부에는 상기 음용수의 유동 방향을 변경하는 구조물을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 초음파는 20kHz 내지 수 MHz의 주파수를 가질 수 있다. 그리고 상기 저수조에서 상기 잔향부로 공급되는 음용수는 복수개로 분기된 관을 통하여 공급될 수 있다.

본 발명의 살균장치는 초음파와 잔향부를 이용함으로써, 배출코크로부터 미생물이 유입되는 것을 방지하고, 저수조로부터 배출코크로 공급되는 음용수에 포함된 미생물을 제거할 수 있다. 또한 초음파와 잔향부에 의해 잔향부에 생길 수 있는 스케일을 원천적으로 방지할 수 있다. 나아가, 잔향부에 공급되는 음용수를 복수개의 관을 통하여 공급함으로써, 다양한 형태의 살균장치를 구현할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예 들은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명의 실시예는 음용수에 포함된 미생물을 기본적으로 초음파를 이용하여 처리하고, 상기 초음파가 음용수에 실질적으로 잘 적용되기 위하여 잔향효과를 이용한 살균장치를 제시한다. 구체적으로, 음용수를 저장하는 저수조와 배출코크 사이에 초음파를 발생하는 부분과 잔향효과가 발생하는 부분을 부가하여 미생물의 제거를 효과적으로 하는 것이다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 살균장치의 전체적인 구조에 대하여 살펴보고, 이어서 초음파와 잔향효과를 이용하여 미생물을 살균하는 과정에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 살균장치를 나타낸 사시도이다. 도 2는 도 1의 살균장치 중에서 잔향부(30) 부분을 나타낸 사시도로서, 내부를 확인하도록 뚜껑부분을 제거한 것이다. 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절단한 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 살균장치는 음용수를 저장하는 저수조(10), 초음파를 발생시키는 회로를 구성하는 초음파 발생기(20), 초음파가 내부에서 소멸되지 않고 계속 반사되도록 하는 잔향부(30) 및 잔향부(30)를 거친 음용수를 배출시키는 배출코크(40)를 포함하여 이루어진다. 이에 따라, 음용수는 입수관(12)과 잔향부(30)를 거쳐 저수조(10)에 저장되고, 저장된 물은 출수관(14), 잔향부(30), 배수관(16) 및 배출코크(40)를 거쳐 사용자에게 공급된다. 여기서, 잔향부(30)는 원칙적으로 저수조(10)와 배출코크(40) 사이에 배치하는 것이 바람직하 나, 필요에 따라 저수조(10)에 물이 들어오는 경로에도 배치할 수 있어서 편의상 동일한 참조부호로 하였다.

초음파 발생기(20)는 주파수가 20kHz가 넘는 음파를 발생하는 기기로서, 이러한 초음파는 통신이나 정밀 가공과 세척, 의료용 기기 등의 다양한 산업분야에 널리 응용되고 있다. 초음파에 의한 미세한 진동은 음용수를 반복적으로 유동시키고, 기포를 발생시키는 공동현상(cavitation)에 의해 미생물을 제거할 수 있다. 나아가, 상기 미세한 진동은 잔향부(30)에 스케일이 형성되는 것을 미연에 방지할 수 있는 효과를 부가적으로 얻을 수 있다.

공동현상이란 유체 속에서 압력이 낮은 곳이 생기면 유체 속에 포함되어 있는 기체가 물에서 빠져나와 기포가 형성되는데, 이로 인해 유체가 없는 빈공간이 생긴 것을 가리킨다. 구체적으로, 유체 속을 빠른 속도로 움직이는 물체의 표면은 유압(流壓)이 떨어지는데, 이를 '베르누이의 정리'라고 하며, 그 압력이 유체의 포화증기압보다 낮아진 부분에 증기가 발생하거나 유체 속에 녹아 있던 기체가 나와서 공동, 즉 기포를 이룬다. 이때, 기포가 사라져 없어질 때 기포의 부피가 급격히 축소됨에 따라 그 부분의 압력이 매우 커진다.

본 발명에서 공동현상을 이용하는 것이란 초음파에 의해 발생한 기포가 터지면서 국부적인 압력 차이를 야기하고, 이러한 압력 차이가 미생물에 충격을 주어 미생물을 죽이는 작용을 말한다. 이러한 압력 차이는 물속에 포함된 증기나 기체에 높은 속도를 유도하는 초음파의 주파수에 밀접한 관련이 있다. 즉, 초음파의 주파수가 높아지면 기포의 발생이 많아지고 압력 차이가 커지게 된다.

본 발명의 실시예에 있어서, 미생물을 상기 압력 차이에 의해 효과적으로 제거하기 위한 주파수는 20kHz 내지 수 MHz이 바람직하다. 여기서, 주파수의 범위는 앞에서 설명한 압력 차이와 더불어 추후에 설명하는 잔향부(30)의 크기와 관련되어 있다. 구체적으로, 20kHz로 한정한 것은 잔향부(30)의 최대 크기를 제한한 것이고, 수 MHz로 정한 이유는 잔향부(30)의 크기가 용도에 따라 달라질 수 있기 때문이다. 즉, 잔향부(30)의 크기가 작아질수록 주파수는 커질 것이다.

잔향부(30)는 방의 형태(잔향실 또는 잔향 공간)로 일측에 초음파 단자(22)가 부착되어, 이를 통하여 그 내부로 초음파가 전달된다. 잔향부(30)는 내부의 모든 벽(32)에서 가능한 초음파를 흡수하지 않고 균일한 음압분포가 발생하도록 내부에 적정한 확산성을 갖도록 한 것이다. 이를 위해, 잔향부(30)는 마주보는 내부 벽(32)이 서로 나란하지 않은 비정형 형태로서, 초음파가 서로 상쇄간섭이나 정재파(standing wave) 현상을 일으키지 않도록 비틀림 구조를 가지고 있다. 상쇄간섭이나 정재파 현상이 배제되면, 초음파는 잔향부(30)의 내부에서 위치에 관계없이 균일한 음압분포를 제공한다.

통상적으로, 잔향부(30)는 7면체의 형태를 많이 취하고 있으나, 7면체에 한정하지 않고 다양한 형태로 위의 비틀림 구조를 구현할 수 있다. 예를 들어, 상기 조건을 만족한다면, 타원체와 같이 바라보는 면들이 서로 평행하지 않도록 제작할 수도 있을 것이다. 위와 같은 잔향부의 특성은 건물 설계 등에 이미 활용되고 있는 기술이므로 여기서는 상세하게 설명하지 않을 것이다.

잔향부(30)의 크기는 본 발명의 살균장치가 사용되는 용도에 따라 달라질 수 있다. 즉, 저수조(10)의 종류, 가해지는 초음파의 주파수 등을 고려하여 그 크기를 사전에 결정할 수 있다. 한편, 음파가 상쇄간섭이나 정재파(standing wave) 현상을 일으키지 않고 진행하기 위한 파장은 물에서의 음속(약 1430m/초)과 주파수에 밀접한 관련이 있다. 즉, 주파수가 커지면 상기 파장이 작아지고, 주파수가 작아지면 상기 파장은 커진다. 예를 들어, 음파의 주파수가 100Hz일 경우, 상쇄간섭을 일으키지 않고 진행하려면 잔향부(30)의 크기는 약 14.3m 정도가 되어야 한다. 그런데, 초음파는 주파수가 20kHz 이상이므로, 상쇄간섭이나 정재파 현상을 일으키지 않고 진행되는 파장이 작아져, 잔향부(30)의 크기를 줄일 수 있다.

실제적으로 사용되는 잔향부(30)는 부분적으로 상쇄간섭이나 정재파 현상이 있을 수도 있지만, 전제적으로 보아 균일한 음장이 형성되는 잔향부를 통과하는 음용수에 포함된 미생물을 완전하게 살균할 수 있을 것이다. 이에 따라, 초음파 단자(22)를 통하여 전달되는 초음파의 주파수, 초음파를 공급하는 시간 등을 잔향부의 크기에 맞추어 결정할 수 있다.

본 발명의 잔향부(30)는 앞에서도 설명하였지만, 배출코크(40) 이전의 위치에 설치할 수 있고, 저수조(10) 이전의 위치에도 부가적으로 설치할 수 있다. 도면에서는 모든 잔향부를 동일한 참조부호 30으로 하였으나, 실질적으로 위치에 따라 그 크기나 모양이 달라질 수도 있다. 또한 입수관(12) 또는 출수관(14)을 복수 갈래로 분기시켜 분기된 관마다 상기 잔향부(30)를 설치하여 여러 군데의 배출코크(40)로 음용수를 공급하거나, 하나의 배출코크(40)로 공급할 수 있다. 물론, 하나의 배출코크(40)로 공급되는 경우는 음용수가 여러 개의 잔향부(30)를 거칠 수 있으므로, 보다 높은 주파수(보다 작은 크기의 잔향부)에 의해 미생물을 살균할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 살균장치는 잔향부(30)에서, 전달된 초음파가 균일한 음압분포를 이루는 확산음장을 만들게 되어, 잔향부(30)가 없이 단순히 초음파만을 적용시키는 종래의 살균장치에 비해 공동현상이 발생하는 반응영역을 크고 균일하게 만들 수 있으며 공동현상에 의해 많은 기포를 발생시킬 수 있다. 기포가 발생하는 양이 많아지면, 기포가 사라지면서 발생하는 압력에 의해 미생물을 제거할 수 있는 확률도 그만큼 커진다. 이에 따라, 저수조(10)로부터 배출코크(40)로 흐르는 음용수에 포함된 미생물을 사멸시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배출코크(40)로부터 저수조(10)로 유입되는 미생물을 근본적으로 차단할 수 있다.

한편, 잔향부(30)에 음용수를 공급하는 출수관(14)과 음용수가 빠져 나가는 배수관(16)의 위치에 따른 음용수의 흐름이 잔향효과를 방해하지 않는 것이 바람직하다. 도 3은 음용수의 흐름이 잔향효과를 방해하지 않고 균일한 음압분포를 얻기 위한 별도의 구조물을 사례를 제시한 것이다.

도 3에 의하면, 출수관(14)을 통하여 유입되는 음용수가 배수관(16)으로 바로 빠져나가지 않고 잔향공간에 머무르는 시간을 길게 하기 위해 출수관(14)으로 유입되는 음용수의 유동의 방향을 변경해주는 여러 가지 형태의 유동분류 구조물(34)을 설치할 수 있다. 이러한 구조물(34)은 다시 잔향부(30)의 내부에서 음압의 분포를 고르게 만들어 주는 확산판의 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 잔향부(30)에 유입되는 음용수의 속도를 조절하여 초음파가 진행하는 데 방해가 되는 요소를 최대한 줄일 수 있다. 유동분류 구조물(34)은 다양한 형태가 가능하나, 타원체와 같이 곡률을 가진 형태인 것이 바람직하다.

도면에는 나타나 있지 않지만, 다른 예로는 내부 벽(32)이 서로 만나는 부분은 상대적으로 초음파의 진행에 영향이 적으므로 그 위치에 출수관(14) 및 배수관(16)을 설치할 수도 있다. 또한, 유동분류 구조물(34)의 위치에 따라 출수관(14)과 배수관(16)의 위치를 달리할 수 있다. 이와 같이, 잔향부(30)에 구조나 크기 및 음용수의 유입속도 등을 고려하여 그 위치를 다양하게 결정할 수 있으며, 음용수가 유입되는 경로도 다양한 형태로 제작할 수 있다.

본 발명의 살균장치는 잔향 현상을 이용하지 않고 단지 초음파를 이용한 종래의 것에 비해, 잔향효과를 이용함으로써 음용수에 존재하는 미생물을 확실하게 살균할 수 있다. 특히 미생물이 배출코크를 통하여 유입되는 것을 근본적으로 차단하여 정수기 등에 미생물이 존재하지 않게 할 수 있다. 복수개로 분기되어 잔향부를 둘 수 있으므로 미생물이 제거된 음용수를 여러 군데로 공급할 수 있는 등 다양한 형태로 설계하기가 용이하다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다. 예를 들어, 본 발명에서는 미생물을 제거하는 것을 음용수에 한정하여 설명하였으나, 음용수가 아닌 다른 유체에도 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파를 이용한 살균장치를 나타낸 사시도이다.

도 2는 도 1의 살균장치 중에서 내부를 확인하도록 뚜껑부분을 제거한 잔향부 부분을 나타낸 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 살균장치에서 음용수의 유동 방향을 변경시키는 유동 분류 구조물을 설명하기 위한 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10; 저수조 20; 초음파 발생기

22; 초음파 단자 30; 잔향부

34; 확산판 40; 배출코크

Claims (6)

1. 음용수가 저장된 저수조;

   상기 음용수를 외부로 배출시키는 배출코크;

   상기 저수조와 상기 배출코크 사이에 배치되며, 내부에서 균일한 음압분포를 형성하는 초음파를 발생시키는 잔향부; 및

   상기 잔향부에 상기 초음파를 발생시키는 초음파 발생기를 포함하고,

   상기 잔향부는 상기 초음파가 상쇄간섭이나 정재파 현상을 일으키지 않도록 비틀림 구조를 이루는 초음파를 이용한 살균장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 잔향부의 크기는 상기 초음파의 주파수에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 살균장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 잔향부의 내부에는 상기 음용수의 유동 방향을 변경하는 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 살균장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 초음파는 20kHz 내지 수 MHz의 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 살균장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 저수조에서 상기 잔향부로 공급되는 음용수는 복수개로 분기된 관을 통하여 공급되는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 살균장치.

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