KR101897680B1 - 미세물방울을 이용한 음이온 생산장치 및 그 응용 - Google Patents

Abstract

미세 물방울을 이용하여 전자들을 발생함으로써 공간 내에 음이온을 생산하는 장치를 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 물방울을 분사하는 분무기의 노즐이 음극으로 대전되면 전자들이 붙어있는 물방울이 노즐에서 공기 중으로 분사되고 증발하여 공간 내에 전자들이 분포하게 되며, 이 전자들이 산소와 같은 전자 친화성 분자에 붙어 음이온들을 만들어 내는 장치이며, 이러한 음이온의 강한 살균성을 이용하여 공간 내의 미생물을 제거하고, 전자가 산소분자에 부착할 때, 두 개의 산소원자로 분리되는 성질 (Dissociative Attachment)를 이용하여 산소원자들을 생산하게 되며 생산된 산소원자의 강한 산화력을 이용하여 공간 내 살균력을 더욱 확보할 뿐만 아니라 보일러와 같은 연소장치에 적용하여 연소효율을 증대하는 장치와 방법에 관한 것이다.

Description

미세물방울을 이용한 음이온 생산장치 및 그 응용 {Apparatus of negative ion generation by making use of fine water drops and its applications}

본 발명은 미세 물방울을 이용하여 음이온들을 발생하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세 물방울을 분사하는 분무기의 노즐이 음극으로 대전되면 전자들이 붙어있는 물방울이 노즐에서 공기 중으로 분사되고 증발하여 공간 내에 전자들이 분포하게 되며, 이 전자들이 산소와 같은 전자 친화성 분자에 붙어 음이온들을 만들어 내는 장치에 관한 것이다.

공기 환경과 대기오염은 우리의 일상생활에 대단히 중요한 영향을 미친다. 특히 음이온들이 발생된다는 숲이나 폭포수가 있는 곳에서는 더욱 싱그럽고 상쾌하게 느껴지는데, 이는 공기 중의 음이온이 우리 정신과 신체에 긍정적 영향을 미치기 때문이다. 음이온은 우리 일상생활에 여러 가지 좋은 영향을 미치는데, 그 몇 가지를 열거하면 다음과 같다. 음이온은 기분을 좋게 하며 정신을 맑게 한다. 공기 중의 먼지, 애완동물의 불순물, 미생물 포자 또는 알레르기 원인물질 등을 제거한다. 집안의 바이러스, 박테리아, 곰팡이 등을 제거한다. 허파와 기관지 등 호흡기 계통의 성능을 강화하여 감기, 독감, 천식 그리고 꽃가루 병 등에 대한 저항력을 기른다. 마음을 너그럽게 하여 호흡을 정상화하고, 혈압을 낮추며, 긴장을 완화시킨다. 뇌의 세로토닌 (Serotonin) 분비를 정상화하여 수면에 도움을 준다. 두통을 감소한다. 그리고 집중력을 향상시켜 일의 능률을 높인다. 이에 반해서 양이온들이 분포된 환경에 접하면 감각이 둔해지고 의욕이 상실되며 신경이 쇠약해져 건강에 부정적인 영향을 끼친다. 위에 언급한 긍정적인 음이온의 장점을 환경에 적용하기 위하여 기존의 다양한 음이온 발생기가 시중에 나와있다.

그러나, 기존의 음이온 발생기는 대부분 전기 방전을 통해서 이온을 발생하고 있다. 전기방전은 양극과 음극 사에 발생하는 전장에 의하여 방전이 일어나는 현상이며 이 방전으로 소음이 발생할 수 있고 강한 전장에 의하여 오존이 생성되는 일이 생긴다. 또한 전기방전에서는 양이온과 전자가 동시에 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 전기 방전을 이용하지 않고 전자들을 발생하고 이를 이용하여 음이온을 발생하는 새로운 방법에 관한 연구가 필요하게 되었다. 새로운 음이온 발생 방법에 관한 암시 (Hint)는 자연에서 얻을 수 있다. 지구 전체의 지표면에는 약 50만 쿨롱 (Coulomb)의 음전하가 분포되어 있어 양전하가 분포된 이온 층 (Ionosphere) 사이에 약 30만 볼트의 전위차가 형성되어 있다. 그래서 지표면에 돌출부인 숲이나 나무 등에서 여러 가지 방법으로 전자나 음이온이 나올 수 있는 것이다. 예를 들어 한산한 시골바람에는 1cm³ 당 약 3천개의 음이온이 존재하는데, 폭포수 근방에는 1cm³ 당 약 십 만개의 음이온이 존재하는 것으로 보고되어 있다. 그래서 우리가 바닷가나, 폭포수 근방 또는 시골길을 걸을 때 신선함을 느낀다. 특히 폭포수에 물안개가 피는 것을 관찰하면 새로운 음이온 발생 방법을 찾을 수 있는 것이다.

본 발명은 위에서 언급한 필요성을 충족하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전자들이 붙어있는 물방울을 공기 중으로 분사하고 증발하여 공간 내에 전자들을 형성하고, 이 전자들이 산소와 같은 전자 친화성 분자에 붙어 음이온들을 발생하는 수단을 제공하는 데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 미세 물방울을 분사하는 분무기의 노즐이 음극으로 대전되어 물방울에 전자들이 붙어있도록 하고, 이 물방울이 공기 중으로 분사되어 공간 내에서 증발해 버리면 전자들만 공간에 퍼지게 되며, 이러한 전자들이 산소와 같은 전자 친화성 분자에 붙어 음이온들을 만들어 내는 장치이다. 또한 이렇게 만들어진 음이온의 강한 살균성을 이용하여 공간 내의 미생물을 제거하고, 전자가 산소분자에 부착할 때, 두 개의 산소원자로 분리되는 성질 (Dissociative Attachment)를 이용하여 산소원자들을 생산하게 되며 생산된 산소원자의 강한 산화력을 이용하여 공간 내 살균력을 더욱 확보할 뿐만 아니라 보일러와 같은 연소장치에 적용하여 연소효율을 증대하는 장치와 방법에 관한 발명이다.

본 발명은 상술한 바와 같이 건강환경 저해 요소인 양이온 생성 없이 음이온만 안정적으로 발생하여 신선하고 쾌적한 숲 속 자연을 닮은 공기 환경을 제공한다.

본 발명은 강한 전기장을 사용하지 않고 전자들을 부착한 물방울이 스스로 증발하여 공간 내 전자들을 생산 함으로서 오존이 발생될 수 있는 환경을 최소화하여 기존 음이온장치의 단점인 오존 생성의 문제점을 해소한다

본 발명은 기존 전기방전 없이 물방울 증발성질을 이용하기 때문에 방전에서 일어났던 소음 등을 원천적으로 제거한다.

본 발명은 전자들이 산소와 같은 전자 친화성 분자에 붙어 음이온들을 만들어 음이온의 강한 살균성을 이용하여 공간 내의 미생물을 제거한다.

또한 본 발명은 전자가 산소분자에 부착할 때, 두 개의 산소원자로 분리되는 성질을 이용하여 산소원자들을 생산하게 되며 생산된 산소원자의 강한 산화력을 이용하여 공간 내 살균력을 더욱 확보할 뿐만 아니라 보일러와 같은 연소장치에 적용하여 연소효율을 증대한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세물방울을 이용한 음이온 생산장치 및 그 응용에 관한 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 멸균공간의 전자밀도 n과 소비전력 P을 전위차 V의 함수로 표시한 것.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 산소분자에서의 반응에 대한 거시적 반응상수 비 k_eff/k_O2가 도 2와 같은 조건에서 계산 되였으며, 그 거시적 반응상수 비를 전위차 V의 함수로 표시한 것.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다.

그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세물방울을 이용한 음이온 생산장치 및 그 응용에 관한 블록도 이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세물방울을 이용한 음이온 생산장치 및 그 응용은 물공급부(10), 물방울발생부(20), 전력공급부(30), 공기공급부(40), 멸균공간(50), 연료주입부(60), 연소공간(70)과, 배출구(80)으로 구성된다.

물공급부(10)는 물방울 발생부(20)에서 미세 물방울을 만드는데 필요한 물을 공급한다.

물방울발생부(20)는 전력공급부(30)에서 제공되는 전력을 이용하여 상기 물공급부(10)에서 공급되는 물을 아주 미세한 물방울로 만드는 부위로서 미세 물방울을 분사하는 분무 노즐이 음극으로 대전되도록 하여 전자들이 분사되는 물방울에 붙어있도록 구성하는 것을 특징으로 한다. 시중에 여러 형태의 미세 물방울 분사기가 존재한다. 예를 들어 음압을 이용한 벤 추리 분사기 또는 초음파 진동으로 미세 물방울을 분사하는 것 들이다. 크기가 작은 물방울을 분사하는 미세 분무노즐 분사기가 이 발명에서는 더욱 효율적이다.

공기공급부(40)는 멸균공간(50)에 공기를 공급한다. 전자들을 포함한 물방울들이 상기 물방울공급부(20)에 의하여 멸균공간(50)으로 공급되면 공기공급부(40)에서 공급되는 공기와 섞이면서 증발하게 되고 전자들이 멸균공간(50)에 분포하게 된다. 멸균공간(50)에 분포한 전자들이 산소와 같은 전자 친화성 분자에 붙어 음이온들을 만들어 내게 된다. 예를 들어 산소의 전자 친화성에 의하여 산소분자는 전자를 만나면 반응식 O₂ + e^- → O₂ ^- 을 통하여 산소분자 음이온을 생성하고 또는 두 개의 산소원자로 분리되는 성질을 이용하여 반응식 O₂ + e^- →O^- + O을 통하여 산소원자와 산소원자 음이온들을 발생하게 된다. 이렇게 만들어진 산소분자와 산소원자 음이온의 강한 살균성을 이용하여 멸균공간(50)내의 미생물을 완벽하게 제거할 뿐만 아니라 쾌적한 음이온 공간을 형성할 수 있다. 그리고 배출구(80)를 통하여 멸균공간(50)의 공기를 환기할 수 있다.

밀폐된 멸균공간(50)에서는 물방울발생부(20)가 멸균공간(50) 내에 장착되고 공기공급부(40)는 멸균공간(50)의 공기를 순환하는 작용을 하게 되어 멸균공간(50)을 외부로부터 차단하여 멸균 공간을 형성하게 된다. 예를 들어 구급차 (Ambulance) 내부를 소독하게나 병원 격리실 등을 소독 제어할 때에는 이러한 방법이 효과적이다.

연소장치의 효율증대를 할 목적으로 전자를 사용할 때에는 공기공급부(40)에서 공기가 역시 멸균공간(50)으로 들어와 공기중의 산소분자가 전자를 부착하고 이로 인하여 산소원자로 분해하게 되면 이러한 산소원자를 함유하는 공기가 연소공간(70)으로 들어와 연료공급부(60)에서 제공된 연료와 만나 연소를 하게 된다. 연소로 인한 배기가스는 배출구(80)를 통하여 배출된다.

<실시 예1>

한 실시예로서 먼저 반지름이 r인 전자들이 붙어있는 한 물방울의 전기적 성질을 고찰한다. 이 물방울이 방출되는 노즐의 음 전위가 V라면 그리고 이 물방울이 완벽한 구형이라면 물방울 전위는 V = (1/4πε₀)(Q/r)로 표시되며 여기서 Q는 이 물방울의 음전하 량이고 ε₀ = 8.85×10^-12 C²m²/N 은 공기 중에서 유전률이다. 그런데 실제로 노즐에 붙어 있는 순간의 물방울이 완벽한 구형이 아니므로 Form Factor x를 도입하여 Q = 4πε₀rVξ 로 표시할 수 있다. 그래서 물방울의 전하량은 Q = 1.11×10^-15 Vrξ 쿨롱이다. 여기서 전위 V는 단위가 volt이고 물방울 반지름 r은 단위가 10 μm 이다. 물공급부(10)에서 공급되는 물량은 분당 S cm³가 제공되는 것으로 한다. 물방울의 부피는 (4/3)πr³으로 초당 공급되는 물방울 수는 3.98×10¹²(S/r³)으로 계산된다. 그래서 물방울이 노즐을 나가면서 운반하는 전류는 I = 3.98×10¹²(S/r³)Q = 4.41×10^-3Sξ(V/r²) 으로 단위는 Ampere이다. 전력은 전류에 전위차 V를 곱한 것으로 P = 4.41×10^-3Sξ(V²/r²)watt 이다. 물방울이 증발하면서 멸균공간(50)에 초당 생성되는 전자 수는 전류 I를 전자의 전하 1.6×10^-19 쿨롱으로 나눈 것으로 2.76×10¹⁶Sξ(V/r²)개이다. 공기공급부(40)를 통해서 공기가 h liters per minute (lpm)으로 멸균공간 (50)에 유입된다고 하고 초당 생성되는 전자들이 유입되는 공기와 섞인다고 할 때, 새로 유입되는 공기 속의 전자밀도를 계산할 수 있으며 계산된 전자밀도는 1cm³ 당 n = 1.66×10¹⁵ Sξ(V/hr²) 로 주어진다.

여기서 두 가지 점을 관찰하고자 한다. 첫째 전력 P는 전위차 V의 자승에 비례하는데, 전자밀도 n은 전위차에 비례한다. 따라서 전력대비 전자밀도는 낮은 전위차가 더 효율적이다. 둘째 전자밀도 n은 물방울 반지름의 자승에 반비례한다. 그래서 위에서 언급한 것처럼, 같은 조건이라면 전자발생은 물방울이 작을수록 더 효율적이다. 전자발생에 한 예로 노즐 전위차는 V = 100 volt, r = 20 μm, 유입되는 공기는 h = 10³ lpm 그리고 Sξ = 1 이라 할 때, 전류는 I = 110 mA, 전력은 P = 11W 그리고 전자 밀도는 n = 4.15×10¹³개/cm³로 계산된다. 이 모든 전자가 다 음이온이 되는 것은 안이지만 이 전자들의 일부 만이라도 음이온이 된다면 이 방법은 아주 효율적으로 음이온을 만드는 방법이 될 것이다. 도 2는 h = 1000 lpm, Sξ = 1이고 r = 20 μm일 때, 전자밀도 n과 전력 P을 전위차 V의 함수로 표시한 것이다.

<실시 예2>

현재도 인류의 주된 에너지원은 고온의 불꽃을 동반하는 연소이다. 대부분의 타는 과정은 에너지를 방출하는 산화작용이다. 공기 중의 산소분자는 비교적 안정하다. 그러나 대표적인 활성입자인 산소원자는 대단히 불안하며 또한 활발한 산화 작용물질이다. 만일에 공기 중의 산소분자를 산소원자로 변환할 수만 있다면, 산화과정이 더욱 활발할 것이며 더욱 효율적이며 청정한 연소가 진행될 것이다. 예를 들어, 발명자 중 엄(UHM)이 보고한 "Properties of plasmas generated by electrical breakdown in flames [Physics of Plasmas, 6, 4366(1999)]"라는 제목의 논문에 의하면 연료가 산소원자 속에서 산화하는 과정이 산소분자 속에서 산화하는 과정보다 수백만 배 이상 빠른 것으로 보고되었다. 연료가 메탄올일 경우, 메탄올의 산소분자 속에서의 산화는 CH₃OH + O₂ → CH₂OH + HO₂의 2분자 반응이며 반응상수는 k_O2 = 3.4×10^-11exp(-22600/T_g)이고 여기서 T_g는 불꽃의 온도이다. 메탄올의 산소원자 속에서의 반응은 CH₃OH + O → OH + Other Products이고 반응상수는 k_O = 10^-12(T_g/300)2.5exp(-1550/T_g)이다. 불꽃 속 기체의 온도가 절대온도 1300 K 일 때, 반응상수의 비는 k_O/k_O2 = 10⁷이다. 산소원자 속에서의 반응이 산소분자 속에서보다 약 천만 배가 빠르다는 것이다. 기체의 온도가 낮으면 이 비 (k_O/k_O2) 값은 더욱 증가한다. 여기서 자명한 것은, 충분한 산소원자 발생은 산화에 대단히 유익하며 또한 청정한 연소를 의미한다는 것이다. 매연은 타다 남은 탄소의 집합체인데, 산소원자 속에서의 연소는 이러한 매연을 제거할 수 있는 것이다.

산소원자는 산소분자를 분리하면 만들어 진다. 전자는 여러 가지 방법으로 공기 중의 산소분자를 분리하여 원자화할 수 있다. 공기 플라즈마 속에 들어있는 산소분자 양이온이 전자를 만나 제 결합을 하면서 산소원자를 만든다. 즉, O₂ ⁺ + e^- →O+O. 또는 전자가 산소분자를 충돌하여 분해하기도 한다. 즉, O₂ + e^-→ O + O + e^-.

그러나 가장 대표적인 방법은 산소의 전자친화성을 이용하여 분해하는 방법, 즉 O₂+e^- → O₂ ^- → O^- + O 이다. 이러한 산소의 전자친화 분해 법이 다른 두 방법에 비하여 적어도 백배이상 더 효율적이다. 그래서 충분한 전자를 공급하면 산소분자를 산소원자로 분해할 수 있는 것이다. 대부분의 산소분자 속에 미량의 산소원자만 섞여 있어도 이 산소원자가 연료분자와 폭발적으로 연소반응을 시작함으로써 연소의 기폭제가 되는 것이다. 만일 산소원자들이 산소분자 속에 고르게 분포되어 있다면 연소가 균일하게 전개될 수 있는 것이다. 따라서 산소분자 밀도에 비하여 산소원자 밀도가 극히 적어도 상당히 가시적인 결과가 나오게 된다.

예를 들어 불꽃의 온도 T_g = 1300K라할 때, 이 불꽃 주위의 산소분자의 밀도는 5×10¹⁸(300/1300)/cm³ =1.15×10¹⁸/cm³ 이다. 멸균공간(50)에 분포된 전자들의 일부가 산소분자를 산소원자로 분해하고 그때 전자들 중에 산소분자 분해에 참여하는 비율을 η라 한다면 전자에 의하여 생성되는 산소원자는 2nη/cm³가 된다. 여기서 전자에 의하여 분해되는 산소분자는 2개의 산소원자를 생산한다. 그래서 멸균공간에 생성된 산소원자와 산소분자를 연소공간(70)에 주입하였을 때, 산소원자와 산소분자 불꽃 속에서 산화 반응하는 거시적 반응상수 k_eff는 (1.15×10¹⁸k_O2+2nηk_O)/(1.15×10¹⁸+2nη)로서 k_eff/k_O2 = (1+2nηk_O/1.15×10¹⁸k_O2)/(1+2nη/1.15×0¹⁸)≒1+2nηk_O/1.15×10¹⁸k_O2이다. 산소원자와 산소분자 속에서 연소하는 반응비가 위에서 본 것처럼 k_O/k_O2 = 10⁷ 일 때, 멸균공간(50)에서 전자들의 4분의 1만 산소분자를 분해한다면 η = 0.25이다. 그래서 산소분자 속에서의 반응에 대한 연소공간 내의 거시적 반응상수 비 k_eff/k_O2가 도 2와 같은 물리적 조건에서 계산 되였으며 도 3은 이 비를 전위차로 표시한 것이다. 도 3에서 거시적 연소반응 상수가 산소분자 속에서의 반응에 비하여 수백 배 이상 개선되는 것을 볼 수 있다. 이 예에서 보는 것처럼 산소분자가 전자를 만나 두 개의 산소원자로 분리되는 성질을 이용하여 산소원자들을 발생하면 거시적 연소반응이 획기적으로 개선되는 것을 도 3에서 관찰할 수 있는 것이다. 이러한 성질을 이용함으로써 보일러 등의 연소 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 것이다. 한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 전자밀도는 전압에 비례하므로, 음이온 생산장치는 저 전압에서도 음이온 생성이 가능하다.

이상에서 대표적인 실시예들을 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예들에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 물공급부
20: 물방울발생부
30: 전력공급부
40: 공기공급부
50: 멸균공간
60: 연료공급부
70: 연소공간
80: 배출구
n: 멸균공간 내 전자밀도
V: 물방울 분사노즐에 걸리는 음 전위
k_eff: 연소공간 내의 거시적 연소반응 상수
k_O2: 산소분자 분위기 속에서 연소반응 상수
O₂: 산소분자
e^-: 전자
O₂ ^-: 산소분자 음이온
O^-: 산소원자 음이온
O: 산소원자
ε₀: 공기 중에서 유전률
Q: 물방울의 음 전하 량
r: 물방울 반지름
ξ: 노즐에 붙어있는 물방울의 Form Factor
S: 분당 물 공급량
I: 물방울들에 의한 전류
P: 음전하 물방울 발생에 소요되는 전력
h: 분당 멸균공간에 공급되는 공기 량
CH₃OH: 메탄올
T_g: 불꽃온도
OH: 일산화수소
HO₂: 이산화수소
k_O: 산소원자 분위기 속에서 연소반응 상수
η: 전자들 중 산소분자 분해에 참가하는 전자들의 비

Claims (2)

1. 저 전압에서도 음이온 생성이 가능한 음이온 생성장치에 있어서,
   물을 공급받아 미세 물방울을 생성하여 분사하는 분사노즐을 포함하는 물방울 발생부;
   상기 분사노즐을 음극으로 대전하여 상기 미세 물방울이 음전하 물방울이 되도록 하는 전력공급부; 및
   상기 분사노즐로부터 상기 음전하 물방울이 분사되어 물이 증발되고 공간 내에 전자들이 분포되며 이로 인하여 음이온이 발생되는 멸균공간을 포함하는, 음이온 생성장치.
   
2. 저 전압에서도 음이온 생성이 가능한 음이온 생성방법에 있어서,
   미세 물방울을 분사하는 분사노즐을 음극으로 대전하여 상기 미세 물방울이 음전하 물방울이 되도록 하는 하는 단계;
   상기 음전하 물방울이 공기 중으로 분사되어 물이 증발되고 공간 내에 전자들이 분포되도록 하는 단계; 및
   상기 공간 내에 전자들이 전자 친화성 분자에 붙어 음이온이 만들어지도록 하는 단계를 포함하는, 음이온 생성방법.
   

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