KR101226029B1 - 이온 분리 하우징 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온 분리 하우징에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이온수기 내 격막을 설치하지 않고(무격막), 하우징은 층류를 유지하기 위한 전극의 간격과 생성된 알칼리수 및 산성수의 분리를 위한 후단부의 세퍼레이터(Separator)로 구성하는 이온 분리 하우징에 관한 것이다.
따라서, 본 발명은 무격막 구조에 따른 저항이 감소하고, 이로 인한 전원(Power) 용량의 감소 및 부피의 감소로 이온 분리 효율을 제고할 수 있다.

Description

이온 분리 하우징{ION SEPARATION HOUSING}

본 발명은 무격막 방식을 이용한 이온수기의 이온 분리 하우징에 관한 것이다.

통상적으로, 고혈압, 당뇨병 등 현대 성인병의 중요 원인 중의 하나가 고기류, 생선류 등 산성식품의 과다 섭취로 인한 체질의 산성화이며, 이러한 산성 체질을 약알칼리 체질로 개선하기 위해 이온수기가 개발되어 왔다.

이와 같은 이온수기는 필터부와 전해조로 구성되며, 수돗물 등의 공급수가 필터부에서 정수된 다음 전해조로 유입된 후 여기에서 산성 이온수와 알칼리 이온수가 생성된다.

상기 전해조는 전기적 성질을 가진 이온만 통과할 수 있는 격막에 의해 양극실 전극과 음극실 전극으로 구분되어 있으며, 여기에 전압을 인가하게 되면 공급수(수돗물)가 전기분해되면서 이온수가 생성되는 것이다.

이 경우, 음극실에는 칼슘 이온, 마그네슘 이온, 칼륨 이온, 나트륨 이온 등 알칼리성 이온 등이 모여 알칼리 이온수가 되며, 양극실에는 염화 이온, 황 이온 등 산성 이온이 모여 산성 이온수가 된다.

이를 위하여, 종래의 이온수기 하우징은 산성수가 발생되는 전극에 슬릿을 구성하여 산성수를 분리하였으나 이 경우에는 슬릿의 상부에서 발생되는 산성수는 알칼리수와 혼합되어 알칼리수의 ORP 및 pH를 저하시키는 가장 큰 문제점을 내재하고 있었다.

상기와 같이 알칼리 이온수와 산성 이온수로 분해 분리하는 종래 이온수기의 전해조는 전극판과 격막의 사각 테두리면을 따라 다수의 체결공을 형성하고, 상기 체결공에 체결 너트 등을 이용하여 상기 전극판과 격막을 결합시키는 구조로 형성되었다.

즉, 도 1에서와 같이, 종래의 이온수기 전해조는 내부에 일정 공간이 형성되고 전면에는 다수의 관통공(12)을 내포하는 단자부(11)가 형성되는 하부케이스(10)와, 상기 하부케이스(10)와 결합하며 외부의 공급수를 공급수유입구(41)를 통하여 하부케이스(10)의 내부로 공급하고 이를 다시 외부로 배출하도록 제1배출구(42a) 및 제2배출구(42b)가 형성되는 상부케이스(40)와, 상기 하부케이스(10) 내에 적층되며 전극단자(21)가 상기 관통공(12)을 관통하여 외부 전원과 연결되어 상기 공급수의 이온을 음이온과 양이온으로 전기분해하는 전극판(20)과, 상기 전극판(20) 사이에 형성되어 상기 전극판(20)에 상하로 대향되게 배치되며 상기 전극판(20)에 의해 전기분해된 음이온과 양이온을 분리 투과시켜 산성이온수 및 알칼리이온수를 상기 제1배출구(42a)와 제2배출구(42b)로 각각 배출하는 격막(30)을 포함하여 구성된다.

하지만, 상기와 같은 구성의 경우에는 전극판 및 격막의 교체 수리가 매우 번거로운 작업을 통해 이루어져 작업 효율이 현저하게 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 기존의 격막식 이온수 하우징은 양극과 음극에서 발생되는 산성수와 알칼리수를 분리하기 위하여 상기와 같이 격막(Diaphragm)을 사용하였는데 이는 저항이 높아지는 원인이 되었으며, 이로 인한 Power 용량의 증가, 부피의 증가로 결국 생산 비용의 증가로 이어지는 문제점을 내포하고 있었다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이온수기 내 격막 설치에 따른 문제점을 해결하기 위한 무격막 방식을 이용한 이온수기의 이온 분리 하우징을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 난류가 형성되는 것을 배제하고 전해조의 채널에 유입되는 유량을 일정하게 유지하기 위해 릴리프를 형성하는 것이다.

상기한 종래 문제점을 해결하고 본 발명에 따른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 이온 분리 하우징은 내부로 공간이 형성되고 일측으로 양(+)의 전극 단자부가 형성되는 양(+)의 전극판을 구비하는 상부케이스와; 내부로 공간이 형성되고 일측으로 음(-)의 전극 단자부가 형성되는 음(-)의 전극판을 구비하는 하부케이스; 및 상기 양의 전극판 및 음의 전극판 사이로 다수 채널을 구비하며 층류 흐름을 유지하기 위한 전해조; 를 포함하여 구성하되,

상기 상부케이스와 하부케이스 길이 방향인 전극판 끝단에 테이퍼진 경사 구조를 갖는 세퍼레이터(Separator)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

상기에 따른 이온 분리 하우징에서, 상기 세퍼레이터의 장변 방향 일측은 테이퍼진 경사면을 갖도록 하며, 상기 경사면으로 일정 간격을 갖는 돌출된 형상의 분리부를 다수 구비한 것을 특징으로 한다.

상기에 따른 이온 분리 하우징에서, 상기 세퍼레이터틀 통해 산성수와 알칼리수의 유량을 1:1 내지 1:5 범위로 유지하기 위해 분리 위치는 산성수(양극) 쪽으로 치우치게 구성하는 것을 특징으로 한다.

상기에 따른 이온 분리 하우징에서, 상기 양(+)의 전극 및 음(-)의 전극의 간격은 최대110mm로 하여 층류를 유지하는 것을 특징으로 한다.

상기에 따른 이온 분리 하우징에서, 상기 전해조 채널은 4개 내지 8개 채널로 구성하며, 테프론 또는 Rubber 재질을 이용하여 채널을 구성하는 것을 특징으로 한다.

상기에 따른 이온 분리 하우징에서, 상기 상부케이스 및 하부케이스 중 어느 하나 이상에 릴리프를 형성하여 전해조의 채널에 유입되는 유량을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이,

본 발명은 이온수기 내 격막 설치에 따른 문제점을 해결하기 위한 무격막 방식을 이용한 이온수기의 이온 분리 하우징 구조를 제공하여 이온 분리 효율을 높이면서 하우징 제작 비용 절감 및 수리 교체 간소화 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 양극에서 발생되는 산성수(pH 3~6.5, ORP +300~+600)와 음극에서 발생되는 알칼리수인(pH 8~10.5, ORP -10~-300)을 말단 분리방식으로 산성수와 알칼리수의 분리가 효과적이다.

도 1은 종래의 이온수기 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기분해 어셈블리 외부 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 양극판을 구비하는 상부 어셈블리 내부 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 음극판을 구비하는 하부 어셈블리 내부 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 세퍼레이터 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 이온 분리 하우징 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 이온 분리 하우징의 전해조(부) 압력 데이터이다.
도 8는 본 발명에 따른 이온 분리 하우징 의 전해조 유속 데이터이다.
도 9은 본 발명에 따른 이온 분리 하우징의 산성수/알칼리수 세퍼레이터 확대도이다.
도 10은 본 발명에 따른 이온 분리 하우징의 산성수/알칼리수 분리 흐름 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 산성수/알칼리수 분리부의 분리 비율에 따른 pH농도를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 산성수/알칼리수 분리부의 분리 비율에 따른 ORP를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 이온 분리 하우징의 유속 측정 지점을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 이온 분리 하우징의 유속 측정 결과를 도시한 그래프이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 이온 분리 하우징에 대한 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 전기분해 어셈블리 외부 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 양극판을 구비하는 상부 어셈블리 내부 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 음극판을 구비하는 하부 어셈블리 내부 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 세퍼레이터 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 이온 분리 하우징 구성도이고, 도 도 7은 본 발명에 따른 이온 분리 하우징의 전해조(부) 압력 데이터이고, 도 8는 본 발명에 따른 이온 분리 하우징 의 전해조 유속 데이터이고, 도 9은 본 발명에 따른 이온 분리 하우징의 산성수/알칼리수 세퍼레이터 확대도이고, 도 10은 본 발명에 따른 이온 분리 하우징의 산성수/알칼리수 분리 흐름 도면이고, 도 11은 본 발명에 따른 산성수/알칼리수 분리부의 분리 비율에 따른 pH농도를 나타낸 그래프이고, 도 12는 본 발명에 따른 산성수/알칼리수 분리부의 분리 비율에 따른 ORP를 나타낸 그래프이고, 도 13은 본 발명에 따른 이온 분리 하우징의 유속 측정 지점을 도시한 도면이고, 도 14는 본 발명에 따른 이온 분리 하우징의 유속 측정 결과를 도시한 그래프이다.

도 2 내지 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이온 분리 하우징의 구성을 살펴보면 다음과 같다.

이온 분리 하우징을 구성하는 전기분해 어셈블리(300)는 수도수 유입구(332), 산성수 배출구(331) 및 알칼리수 배출구(321)를 제외한 외부는 밀폐된 사각 형상의 하우징 구조를 구성한다.

이러한 외형은 상부 케이스(320) 및 하부 케이스(330)가 포개어 겹쳐지는 형상으로, 상부 케이스(320)는 내부로 공간이 형성되고 일측으로 양(+)의 전극 단자부가 형성되는 양(+)의 전극판(323)을 구비하고 있다.

하부 케이스(330)는 내부로 공간이 형성되고 일측으로 음(-)의 전극 단자부가 형성되는 음(-)의 전극판(333)을 구비하고 있다.

상기 상부 및 하부 케이스(320, 330) 길이 방향 양측 끝단으로는 폭 방향 소정의 홈(327, 337)이 형성하며 이는 유입되는 수도수의 일정 층류 흐름 유지 및 전기분해 과정에서 이온 분리되어 산성수 및 알칼리수로 분리 배출하기 위한 부재를 상부 및 하부 케이스(320, 330) 내부로 배치하기 위한 형상이다.

상기 양의 전극판(323)과 음의 전극판(333)의 높이에 따른 알칼리수 및 산성수의 각각에 대한 PH 및 ORP의 변화와 전류 밀도를 살펴본다.

상기 [표 1]에서와 같이, 전극 높이가 110mm 이하 일 경우 알칼리수와 산성수의 pH 및 ORP의 분리가 잘됨에 따라서 전극의 높이를 110mm이하로 설계하는 것이 바람직하다.

그 이유는 알칼리수의 요구되는 pH가 10이며, ORP는 마이너스(-)쪽으로 큰 수치이다.

또한, 산성수의 pH 는 낮을수록 좋으며, ORP 또한 플러스(+) 쪽으로 높은 수치를 나타내야 좋은 분리라 할 수 있으며, 110mm이하로 유지시켜 전류 효율 상승, 소비전력 및 유출되는 산성수와 알칼리수의 신뢰도를 높인다.

상기 양의 전극판(323) 및 음의 전극판(333) 사이로 다수 채널(345)을 구비하며 층류 흐름을 유지하기 위한 전해조(340)를 구성하는데, 상기 전해조(340)는 4개 내지 8개 채널(345)로 구성하며, 재질은 테프론 또는 Rubber 재질을 이용하여 형성한다.

상기 4개 내지 8개 채널(345)은 바람직한 구성 개수일 뿐 이에 국한되지 않음은 자명하다.

여기에서 상기 채널(345)은 유입된 수도수가 전극 인가에 따른 양극 및 음극의 전기분해 과정에 따라 최종적으로 산성수 및 알칼리수로 분리 배출하기 위한 유체의 흐름을 안내 유도하는 가이드관 역할을 수행하고 있다.

그리고, 본 발명에 따른 특징부는 상기 상부 케이스(320)와 하부 케이스(330) 길이 방향인 전극판(323, 333) 끝단에 테이퍼진 경사 구조를 갖는 세퍼레이터(separator, 310)를 설치한다는 것이다.

이 경우 결합 구조에 따라서 상기 테이퍼진 경사 구조는 상부 케이스(320)에서는 상방향으로, 하부 케이스(330)에서는 하방향으로 형성되도록 하여 끝단에서 분기되는 형상이 되도록 구성함이 바람직하다.

한편 상기 다수 채널(345)의 길이 방향 일측 끝단은 수도수 입구(332) 쪽 케이스 내 폭 방향으로 구성되는 버퍼 헤더(buffer header, 350)에 연결시켜 유입된 수도수 흐름을 유도 안내하게 된다.

그리고, 상기 다수 채널(345)의 길이 방향 타측 끝단은 산성수 및 알칼리수 배출구(331,321) 쪽 케이스 내 폭 방향으로 구성되는 세퍼레이터(310), 산성수/알칼리수 분리부(370)에 연결되도록 하여 채널(345) 내에서 전기분해 과정을 거친 유체 흐름을 단속 없이 이어지도록 한다.

도 8에 도시한 바와 같이, 버퍼 헤더(350)의 릴리프 구조에 의해 각 채널(345)에 대한 유속이 일정한 것을 확인할 수 있다.

상기 릴리프(relief, 351)는 난류가 형성되는 것을 배제하고 전해조(340)의 채널(345)에 유입되는 유량을 일정하게 유지한다.

도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터(310)에서 산성수(371)와 알칼리수(372)의 유량을 1:1 내지 1:5범위로 유지하기 위하여 분리 위치는 산성수(양극) 쪽으로 치우쳐 있으며, 이는 유동 해석 결과 층류가 유지되는 것을 확인할 수 있다.

도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 세퍼레이터 선정시험으로 pH 측면으로는 알칼리수:산성수 배출구 면적비가 3:1과 3.5:1이 알칼리수 pH 가 높고 산성수가 낮은 결과를 얻을 수 있었으나 ORP 측면에서 3:1의 세퍼레이터가 알칼리수는 ORP가 낮고 산성수는 높은 것을 볼 때 가장 신뢰도가 높은 것은 3:1임을 알 수 있습니다.

도 13 및 도 14에 도시한 바와 같이, 각 채널 별 유속 변화는 약 7% 이내로 8채널에 걸쳐 일정하게 흐르는 것을 확인할 수 있으며, 도 14에서 나타낸 그래프의 밸류(Value)의 정확한 값은 [표 2]와 같다.

상기한 구성을 갖는 이온 분리 하우징 내부로의 수도수 유입에서 산성수/알칼리수 배출까지의 과정을 단계별로 설명하면 다음과 같다.

먼저 하우징(320, 330) 길이방향 일측 끝단부에는 외부로부터 수도수가 유입되는 수도수 입구(332)로 유입된다.

유입된 수도수는 상기 버퍼 헤더(350)로 유입되며, 이 경우 유입된 수도수의 층류 흐름을 유지하기 위하여 상기 버퍼 헤더(350)의 양끝 단에는 릴리프(relief, 351)를 주어 난류가 형성되는 것을 배제하고 전해조(340)의 채널(345)에 유입되는 유량을 일정하게 할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이에 따라서 전류 효율이 상승되어 소비전력 및 유출되는 산성수/알칼리수의 신뢰도를 높일 수 있게 된다.

상기 전해조(340)는 유입된 수도수가 이온 분리 과정을 거치게 하는 부분에 해당하며, 이는 다수 채널(345) 및 양(+) 및 음(-)의 전극판(323, 333) 전류 인가 부재 등을 포함하여 구성하나, 이러한 전기분해를 위한 구성은 일반적이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

다만, 본 발명은 종래의 무격막식 이온 분리 시 기술적 단점을 해결할 수 있는 방법으로 층류를 구성하는 전해조(340)와 전해조에서 발생되는 알칼리수 및 산성수를 분리하기 위한 세퍼레이터(310)를 전해조(340)에 위치시키지 않음으로써 알칼리수와 산성수의 순도를 높일 수 있도록 그 기술적 특징을 구비하고 있다.

상기 세퍼레이터(310)에 대하여 더욱 상세하게 설명하면, 상기 이온수 배출구가 구비되어 있는 측의 전해조(340) 끝단에는 세퍼레이터(310)가 구비 구성되는데, 이는 반응기에 의하여 산성수와 알칼리수로 분리된 이온수를 분리하여 배출하기 위한 구성으로 이를 위하여 세퍼레이터(310)의 테이퍼 면이 상부는 상방향 하부는 하방향으로 분기되도록 형상을 구성함이 바람직하다.

그리고, 상기 세퍼레이터(310)의 장변 방향 일측은 테이퍼진 경사면을 갖도록 하며, 상기 경사면으로 일정 간격을 갖는 돌출된 형상의 분리부(311)를 다수 구비하도록 하고 있다.

이러한, 상기 분리부(311)는 각 채널(345) 끝단과 이어지는 부분에 해당한다.

한편, 산성수/알칼리수 분리부(370)가 상기 세퍼레이터(310) 테이퍼면 끝단과 연결되도록 하여 구성하고 있다.

상기 산성수/알칼리수 분리부(370)는 상단부와 하단부가 결합되어 있으며 중간은 상단부와 하단부가 격리되도록 하여 상단부와 하단부 내 유체가 서로 섞이지 않게 하고, 상단부는 하우징 일측의 산성수 배출구(331)와 연결되도록 구성하며, 하단부는 상기 산성수 배출구(331) 하단의 하우징 일측에 형성된 알칼리수 배출구(321)와 연결되도록 구성하는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명의 실시 예에 따른 이온 분리 하우징(300)은 전극판(323, 333)에 상하로 대향하게 배치되며 상기 전극판(323, 333)에 의해 전기 분해된 음이온과 양이온을 분리 투과시켜 산성 이온수 및 알칼리 이온수를 각 알칼리수/산성수 배출구(321, 331)로 배출하기 위한 구성으로 종래의 격판을 사용하지 않고 세퍼레이터(310)를 전해조(340)와 격리 별도 구성하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.

이에 따라서 유입된 수도수가 전해조(340)에서 전기분해 이온 분리되어 형성된 산성수 및 알칼리수를 격막 설치 없이도 용이하게 분리하여 외부로 배출하는 것이 가능하게 되는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 층류를 구성하는 전해조와 전해조에서 발생되는 알칼리수와 산성수를 분리하기 위한 세퍼레이터를 전해조에 위치시키지 않음으로써 알칼리수와 산성수의 순도를 높일 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있음을 이해하여야 한다.

300: 하우징 310: 세퍼레이터
320: 상부 케이스 330: 하부 케이스
323: 양극판 333: 음극판
340: 전해조 345: 채널
350: 버퍼 헤더 370: 산성수/알칼리수 분리부

Claims (6)

1. 내부로 공간이 형성되고 일측으로 양(+)의 전극 단자부가 형성되는 양(+)의 전극판을 구비하는 상부케이스와;
   내부로 공간이 형성되고 일측으로 음(-)의 전극 단자부가 형성되는 음(-)의 전극판을 구비하는 하부케이스; 및
   상기 양의 전극판 및 음의 전극판 사이로 다수 채널을 구비하며 층류 흐름을 유지하기 위한 전해조; 를 포함하여 구성하되,
   상기 상부케이스와 하부케이스 길이 방향인 전극판 끝단에 테이퍼진 경사 구조를 갖는 세퍼레이터(Separator)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 이온 분리 하우징.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 세퍼레이터의 장변 방향 일측은 테이퍼진 경사면을 갖도록 하며, 상기 경사면으로 일정 간격을 갖는 돌출된 형상의 분리부를 다수 구비한 것을 특징으로 하는 이온 분리 하우징.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 세퍼레이터를 통해 산성수와 알칼리수의 유량을 1:1 내지 1:5 범위로 유지하기 위해 분리 위치는 산성수(양극) 쪽으로 치우치게 구성하는 것을 특징으로 하는 이온 분리 하우징.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 전해조 채널은 4개 내지 8개 채널로 구성하며, 테프론 또는 Rubber 재질을 이용하여 채널을 구성하는 것을 특징으로 하는 이온 분리 하우징.
6. 제1항에 있어서,
   상기 상부케이스 및 하부케이스 중 어느 하나 이상에 릴리프를 형성하여 전해조의 채널에 유입되는 유량을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 이온 분리 하우징.

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