KR102236732B1 - 액체에 기체를 용해시키기 위한 장치 - Google Patents

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Abstract

고농도로 액체에 기체를 용해시킬 수 있고, 순환 동작이 정지된 상태에서도 용존 기체 농도를 유지할 수 있는 기체 용해 장치. 본 발명의 기체 용해 장치는 순환펌프 및 기체원으로부터 각각 액체와 기체를 받아들이고, 액체에서의 용존 기체 농도가 증대된 액체/기체 혼합물을 배출하는 용해조; 및 상기 용해조에 유체흐름 상으로 연결되며, 권회된 코일 부위 또는 복수의 절곡부위를 구비하여 상기 용존 기체 농도를 더욱 증가시켜서 고농도 기체 용액을 배출하는 가압용해부;를 구비한다. 상기 용해조는 각각이 외측 하방으로 연장되는 경사면을 가지는 형태로 되어 있는 복수의 분산 트레이와, 각각이 내측 하방으로 연장되는 경사면을 가지는 형태로 되어 있고 하단에 관통공이 형성되어 있는 복수의 집수 트레이를 구비하며, 상기 복수의 분산 트레이와 상기 복수의 집수 트레이는 상하 방향으로 교호적으로 배치되어 있다.

Description

액체에 기체를 용해시키기 위한 장치{Apparatus for Dissolving Gas in Liquid}
본 발명은 액체에 기체를 용해 및 용존시키기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전기화학적 촉매나 첨가제를 매개하지 않고 물리적 기작으로 과포화 농도까지 기체를 용해 및 용존시킬 수 있고, 상압 조건에서 장시간 탈기되지 않고 용존 상태를 지속시킬 수 있는 장치에 관한 것이다.
물에 산소를 용해시켜 이용하는 분야가 많다. 예컨대, 미생물을 이용하여 유기물을 분해처리하는 생물학적 폐수처리장, 어류양식장, 수경재배 등에서 산소 용해 장치는 널리 활용되고 있다.
용존 산소가 많이 함유된 산소수의 음용은 인체 건강에도 유익한 것으로 알려져 있다. 즉, 호흡에서 부족한 산소를 채울 수 있는 방법으로서 용존 산소 농도가 일정치 이상인 과포화 용존 산소수를 섭취하면 혈중산소농도가 증가되어 신진대사가 향상되고 건강에 유익한 여러 결과를 얻게 된다. 예컨대, 운동선수는 폐기능 바이패스로 인해 맥박수를 증가시킴이 없이 운동능력을 향상시킬 수 있고, 근력과 지구력, 그리고 심폐기능이 향상되고 피로회복이 촉진된다. 산소수를 통해 혈액중에 보강된 산소 중 일부는 뇌에 공급될 수 있기 때문에, 산소수는 두뇌 활동이 많은 학생이나 연구자의 사고력 및 집중력의 향상에도 유용하다. 한편, 고농도 산소수는 산소 부족에서 초래된 뇌질환 환자들에게도 유용한 치료효과를 얻게 되는 것으로 알려져 있다.
본 출원의 발명자는 산소수와 관련하여 코로나바이러스감염증-19(COVID-19)에 주목하고 있다. COVID-19를 야기하는 신종 코로나바이러스는 감염자의 폐 손상을 유발하고 이로 인한 저산소증을 초래하는 것으로 알려져 있다(Wei-Haas M., "They don't struggle to breathe - but COVID-19 is starving them of oxygen", National Geographic, 2020.5.8. 인터넷 주소: https://www.nationalgeographic.com/science/2020/05/they-do-not-struggle-tobreathe-but-coronavirus-starves-them-of-oxygen-cvd/). 폐 손상으로 인하여 폐포에서의 가스교환이 정상적으로 이루어지지 않는 중증 환자나 중등증 환자의 경우, 산소호흡기와 별도로 고농도 산소수를 섭취한다면 신체기능 유지 및 치료에 큰 도움이 될 것이다.
한편, COVID-19 환자의 약80%는 무증상이거나 경증 환자인 것으로 알려져 있는데, 이러한 경증 환자들 중에서도 상당수는 호흡으로 드러나지 않는 저산소증(silent hypoxia)을 앓고 있을 수 있다고 알려져 있다(Rizzo, A., "Silent hypoxia and its role in COVID-19 detection", 2020.6.3., 인터넷 주소: https://www.news-medical.net/news/20200603/Silent-hypoxia-and-its-role-in-COVID-19-detection.aspx). 따라서 경증 환자의 경우에도 산소 보충을 소홀히 하여 혈중산소포화도가 떨어진 상황이 계속되는 경우 신진대사가 저해됨은 물론 환자의 뇌, 심장, 신장, 간 등 신체기관들이 손상될 수 있다. 산소호흡기와 같은 고가의 장비를 필요로 하는 것이 아니고 활동에 제약을 주지 않기 때문에, 산소수는 경증 환자에 대해서도 산소를 보충하는 효과적인 방안이 될 수 있다.
이와 같이, 중증도에 관계없이 COVID-19 환자의 생명 유지와, 뇌를 위시한 신체기관의 기능 유지, 그리고 질환 치료를 위해서는, 효과적으로 신체 내부에 산소를 공급하는 방안이 필요하며, 산소수는 이에 대한 가장 효율적인 대안이 될 수 있다고 할 수 있다.
물에 산소를 용해시키기 위하여 다양한 장치가 제시된 바 있는데, 종래 기술은 다음 3가지로 대별될 수 있다.
첫 번째는 양식장, 수경재배, 생물학적 오폐수처리장 등에 주로 적용하는 기술로서, 수조바닥에 산기관을 설치하여 기체 산소를 미세하게 산기시켜 물과의 접촉 면적을 증가시키는 폭기 방식이다. 이 기술은 결핍된 산소농도를 포화농도에 가깝게 채우는 데에는 적합하지만, 과포화 수준으로 산소가 용존하는 고농도 산소수를 생성하는 데에는 채택하기 어렵다.
두 번째 종래기술은 밀폐된 압력용기에 물을 채우고 압력을 인가한 상태에서 용기 하단에서 미세 산소 기포를 분사하고 가압된 상태로 일정 시간 체류시켜 물속의 용존 산소농도를 과포화 상태까지 용해시키는 방식이다. 그렇지만, 이 기술은 고압 용기, 고양정 펌프, 및 고압 산소탱크 등을 필요로 하고 일정 시간 체류시켜야 하기 때문에, 장치의 전체적인 크기가 커지고, 연속생산이 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 취수하기 위해서는 상압으로 감압하여야 하는데, 감압시에 빠르게 탈기되어 용존 산소농도가 크게 감소하는 한계가 있다. 따라서, 이 기술은 용존 산소농도 150 ppm 이상의 초고농도 산소수를 얻기 힘들고, 산소수 음료 공장 등에서 채택이 가능할 뿐 소규모 장치에서는 적용이 어렵다.
세 번째 종래기술은 흐르는 유체에 산소를 주입하고 용해관 내에서 물과 산소의 접촉을 증대시킴으로써 안정적으로 용해 효율을 높이는 방식이다. 그 예로서 특허 10-0638799호에 기재된 산소용해장치를 들 수 있다. 이 문헌에 기재된 산소용해장치에서는, 용해관 내부에 평면 트레이를 다단으로 구성하여, 각 트레이에서 넘쳐서 직하 트레이로 낙하하는 물/산소 혼합물이 직하 트레이에 담겨있는 물/산소혼합물과 충돌하고 혼합되면서 물과 산소의 접촉이 최대화되어 용해 효율을 높일 수 있게 되어 있다. 그런데, 이와 같이 물/산소 혼합물 간의 충돌이나 물/산소 혼합물과 장치 내부 구조물과의 충돌을 전제로 동작하는 장치는 충돌과정에서 오히려 용존 산소의 탈기를 촉진하게 될 수 있으며, 예컨대 150 ppm 이상의 초고농도 과포화 수준으로 산소를 용해시키는 데 한계가 있다. 또한, 이 장치는 정지 상태에서 용존 산소가 점차적으로 탈기되어 시간이 갈수록 용존 산소 농도가 낮아진다는 단점이 있다.
등록특허공보 10-0638799호, (2007. 10. 19., 제5면 및 제6면 하반부, 도 2
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고농도로 산소가 용해되어 있는 산소수를 생성할 수 있고, 순환 동작이 정지된 상태에서도 용존 산소의 탈기를 최대한 억제하여 용존 산소 농도를 유지할 수 있으며, 크기나 소음이 작아서 가정, 사무실, 병원 등의 실내 설치 장소에서 고농도 산소수를 상시 취수 및 음용할 수 있게 해주는 고농도 산소수 생성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 고농도 산소수 생성 장치는 수조에 담겨진 물에 산소원으로부터의 산소를 용해시켜서 고농도 산소수를 생성한다. 고농도 산소수 생성 장치는 상기 수조의 토출구에 유체흐름 상으로 연결되는 순환펌프; 상기 순환펌프 및 상기 산소원에 유체흐름 상으로 연결되어 상기 순환펌프를 통해서 상기 수조에 담겨진 물을 받아들이고 상기 산소원으로부터의 산소를 받아들여서, 물에서의 용존 산소 농도가 증대된 산소수를 배출하는 용해조; 상기 용해조에 유체흐름 상으로 연결되며, 권회된 코일 부위 또는 복수의 절곡부위를 구비하여 상기 산소수의 용존 산소 농도를 더욱 증가시켜서 고농도 산소수를 배출하는 가압용해부; 및 상기 가압용해부 및 상기 수조에 유체흐름 상으로 연결되어 있고, 상기 가압용해부로부터 상기 고농도 산소수를 받아들여 유지하면서 이용자에게 제공하는 디스펜서 수조;를 구비한다. 상기 용해조는 각각이 외측 하방으로 연장되는 경사면을 가지는 형태로 되어 있는 복수의 분산 트레이와, 각각이 내측 하방으로 연장되는 경사면을 가지는 형태로 되어 있으며 하단에 관통공이 형성되어 있는 복수의 집수 트레이;를 구비한다. 상기 복수의 분산 트레이와 상기 복수의 집수 트레이가 상하 방향으로 교호적으로 배치되어 있다.
고농도 산소수 생성 장치는 상기 순환펌프에 연결되고 상기 산소원으로부터의 산소를 기포 형태로 물 흐름 내에 분산시켜서 물/산소 혼합물을 생성하여 상기 용해조에 공급하는 믹서를 더 구비할 수 있다.
상기 복수의 분산 트레이 중 적어도 일부는 뿔 형태로 되어 있을 수 있다.
상기 복수의 집수 트레이 중 적어도 일부는 깔때기 형태로 되어 있을 수 있고, 각각의 하단에는 상기 관통공이 형성되어 있다.
상기 복수의 집수 트레이 각각의 외측 모서리는 상기 용해조의 내벽에 밀착되어 있을 수 있다.
상기 가압용해부는 제1 입구와 상기 제1 입구보다 확대된 제1 출구를 가지는 관경 축소 리듀서; 제2 입구와 상기 제2 입구보다 축소된 제2 출구를 가지는 관경 확대 리듀서; 및 상기 관경 축소 리듀서의 상기 제1 출구와 상기 관경 확대 리듀서의 제1 입구 사이에 배치되고, 상기 권회된 코일 부위 또는 상기 복수의 절곡부위를 구비하여, 상기 제1 입구 및 상기 제2 출구보다 상승된 압력 하에서 상기 용존 산소 농도를 더욱 증가시키는 가압용해관;을 구비할 수 있다.
고농도 산소수 생성 장치는 상기 디스펜서 수조와 상기 수조 사이에 배치되고, 상기 순환펌프가 동작하지 않는 상태에서 상기 디스펜서 수조에 담겨진 상기 고농도 산소수의 탈기를 물의 중력을 이용하여 억제하는 안정화관을 더 구비할 수 있다.
상기 안정화관은 상기 디스펜서 수조에 연결되고 상단에 형성되어 있는 입구와, 하측에 형성되어 있는 출구를 구비하는 제1 안정화관; 및 상기 제1 안정화관에 연결되고 하측에 형성되어 있는 입구와, 상측에 형성되어 있는 출구를 구비하는 제2 안정화관;을 포함할 수 있다.
상기 제1 안정화관은 상기 제1 안정화관의 상기 입구 하방에 마련되어 상기 제1 안정화관의 상기 입구를 통해 유입되는 고농도 산소수가 하방으로 자유낙하하는 것을 방지하고 상기 제1 안정화관의 내벽을 따라 흘러내릴 수 있게 해주는 완충 트레이;를 구비할 수 있다.
보다 일반적인 관점에서, 본 발명은 산소가 물에 용해된 산소수에 한정되지 않고, 고농도로 액체에 기체를 용해시킬 수 있고, 순환 동작이 정지된 상태에서도 용존 기체 농도를 유지할 수 있는 기체 용해 장치를 제공한다.. 본 발명의 기체 용해 장치는 순환펌프 및 기체원으로부터 각각 액체와 기체를 받아들이고, 액체에서의 용존 기체 농도가 증대된 액체/기체 혼합물을 배출하는 용해조; 및 상기 용해조에 유체흐름 상으로 연결되며, 권회된 코일 부위 또는 복수의 절곡부위를 구비하여 상기 용존 기체 농도를 더욱 증가시켜서 고농도 기체 용액을 배출하는 가압용해부;를 구비한다. 상기 용해조는 각각이 외측 하방으로 연장되는 경사면을 가지는 형태로 되어 있는 복수의 분산 트레이와, 각각이 내측 하방으로 연장되는 경사면을 가지는 형태로 되어 있고 하단에 관통공이 형성되어 있는 복수의 집수 트레이를 구비하며, 상기 복수의 분산 트레이와 상기 복수의 집수 트레이는 상하 방향으로 교호적으로 배치되어 있다.
본 발명에 따르면, 용해조 내부에 투입된 물/산소 혼합물이 용해조 내에서 최대한으로 길이가 연장된 경사면을 따라 넓게 퍼져 낙하하게 됨에 따라 물과 산소의 접촉 면적과 접촉 시간이 극대화되며, 이에 따라 산소수 내에 있는 용존산소와 용해조 상부에 충진된 산소기체의 평형이 이루어질 때까지 충분한 용해가 이루어지게 되어, 용존 산소 농도가 180 ppm 이상인 고농도 산소수를 생성할 수 있게 된다.
고농도 산소수 생성 장치의 내부에서 산소수 간의 충돌이나 산소수와 장치 내부 구조물과의 충돌이 최대한 억제되기 때문에, 산소의 탈기가 최대한 억제될 뿐만 아니라 충돌음이나 여타 소음의 발생이 거의 없게 된다. 예컨대, 용해조 내에서 물/산소 혼합물 덩어리가 낙하하면서 발생할 수 있는 하부에 고여 있는 산소수와의 충돌 충격이 최소화할 수 있도록 부재들의 형상과 배치가 정해지며, 제1 안정화관에서도 이와 동일한 관점에서 부재들의 형상과 배치가 정해진다. 이에 따라 충격에 민감한 고농도 산소수가 장치 내부에서 충격으로 인하여 탈기되는 것을 최대한 방지할 수 있다.
또한, 가동이 정지된 상태에서 디스펜서 수조에 별도의 인위적인 압력이 인가됨이 없이 디스펜서 수조에 상압에 가까운 조건이 부여되지만, 제1 및 제2 안정화관에 담겨진 물 커튼(water curtain) 방식 유체 차단 작용으로 인하여 디스펜서 수조 내부에 담긴 유체의 이동이 제한되기 때문에, 디스펜서 수조 내부에 담긴 산소수에서 용존 산소의 탈기가 최대한 억제된다. 따라서 이용자가 취수를 하고자 할 때 용해조를 재구동하여 동작시키지 않더라도 즉시 고농도 산소수를 취수하여 음용할 수 있게 된다.
이와 같은 고농도 산소수 생성 장치는 가정, 사무실, 병원 등의 장소에서 실내 공간 어디에나 설치할 수 있다. 특히, 본 발명의 고농도 산소수 생성 장치는 산소원으로써 의료용 산소탱크가 적용된 상태로 병원이나 여타 관련 치료시설에 설치될 수 있으며, 본 출원이 행해지는 시점에서 전세계적으로 대유행하고 있는 COVID-19 환자들에게 고농도 산소수를 제공할 수 있다. 이를 통해, 고농도 산소수 생성 장치는 환자의 중등도에 관계없이 COVID-19 환자의 생명 유지와, 뇌를 위시한 신체기관의 기능 유지, 그리고 질환 치료에 도움을 줄 수 있게 된다. 다른 호흡기 질환, 나아가 여타 질환을 앓고 있는 환자들에게도 유용함은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 산소수 생성 장치의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 용해조의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 분산 트레이 및 집수 트레이의 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 가압용해부의 구성을 구체적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 디스펜서 수조, 제1 안정화관, 및 제2 안정화관의 구성을 구체적으로 보여주는 도면이다.
도 6은 장치 동작 과정에서 용해조 내에서의 물의 흐름을 보여주는 도면이다.
본 발명의 과제 해결 수단의 특징 및 이점을 보다 명확히 하기 위하여, 첨부된 도면에 도시된 특정 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면에서, 동일한 구성 요소는 가급적 동일한 부호를 사용하여 나타내기로 한다. 도면에서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기가 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
이하의 설명에서 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만을 설명하며, 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 편의상 생략한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결"되어 있다거나 "접속"되어 있다고 언급할 경우, 이는 논리적, 물리적, 또는 유체적으로 연결되거나 접속될 수 있음을 의미한다. 다시 말해, 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속되어 있을 수 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있으며, 다른 구성요소를 매개로 하거나 다른 구성요소를 경유하여 간접적으로 연결되거나 접속되는 경우를 포함하여 기술한 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되는 것으로서, 본 발명을 한정하고자 선택된 것아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 "포함"한다거나 "구비"한다는 표현은 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들의 조합이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품, 또는 이들의 조합의 추가적으로 존재하거나 부가될 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
아래의 설명에서 "전방", "후방", "상부", "하부", "좌측", "우측"등의 용어는 도면을 기준으로 표현한 것이며, 이 용어에 의하여 각 구성요소의 형상 및 위치를 제한하고자 하는 것이 아니다. 한편, "접속튜브"라는 용어는 부재들 간의 유체흐름을 매개하는 도관을 지칭하는 의미로 사용되는 것으로서, 특정 형상이나 소재를 한정하는 것이 아니다. 다른 한편으로, "~조"나 "~관"은 상대적인 크기를 감안하여 임의로 부여된 명칭이지만, 형상이나 기능에 있어 본질적인 차이를 내포하고 있는 것이 아니며, 따라서 변동이 가능한 표현임을 유의해야 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고농도 산소수 생성 장치는 수조(10)에 담겨진 물에 산소를 용해시켜 다시 수조(10)에 복귀시키고 이러한 순환 과정을 수차례 반복함으로써 물에 산소를 과포화시키는 장치로서, 순환펌프(20)와, 산소원(30)과, 믹서(40)와, 냉각 칠러(50)와, 용해조(60)와, 가압용해부(70)와, 디스펜서 수조(90)와, 제1 안정화관(100)과, 제2 안정화관(110)을 포함한다. 아울러, 고농도 산소수 생성 장치는 전반적인 동작을 제어하기 위한 제어회로가 실장된 인쇄회로기판(미도시)을 추가적으로 구비한다.
순환펌프(20)는 제1 접속튜브(12)를 통해 수조(10) 하단의 토출구에 접속되는 유입구와, 제2 접속튜브(22)를 통해 믹서(40)에 접속되는 유출구를 구비하며, 수조(10)에 담겨진 물을 흡인하여 믹서(40) 측의 유출구로 배출함으로써, 수조(10)의 물이 믹서(40)와, 냉각 칠러(50)와, 용해조(60)와, 가압용해부(70)와, 디스펜서 수조(90)와, 제1 안정화관(100)과, 제2 안정화관(110)을 통해 순환되도록 한다.
산소원(30)은 제3 접속튜브(38)를 통해 믹서(40)에 산소 기체를 공급한다. 산소원(30)으로는 의료용 산소 기체가 충진된 의료용 산소탱크가 사용될 수 있다. 산소탱크(30)의 상단에는 산소 유량 또는 잔류 산소량을 표시해주는 산소 게이지(32)와, 필요에 따라 산소 공급을 완전히 차단하기 위한 노브(34)가 설치된다. 또한, 산소탱크(30)와 제3 접속튜브(38)의 접속 부위에는 인쇄회로기판으로부터의 지령에 따라 믹서(40) 측으로의 산소 공급을 단속하는 솔레노이드 밸브(36)가 설치된다. 아울러, 제3 접속튜브(38)를 통해 산소나 물이 믹서(40)로부터 산소탱크(30) 측으로 역류하는 것을 방지하기 위하여 제3 접속튜브(38)의 일 지점에는 체크밸브(미도시)가 설치될 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에 있어서는, 산소원(30)으로 압력스윙흡착 방식, 멤브레인 방식 또는 전기분해방식 산소발생장치 또는 여타 방식의 산소공급기가 사용될 수도 있다. 이와 같은 산소원(30)이 고농도 산소수 생성 장치의 하우징 내에 격납되는 장치 구성의 일부인 것이 아니라, 고농도 산소수 생성 장치의 외부에 마련되고 제3 접속튜브(38)에 접속되는 별도의 장치일 수도 있다.
믹서(40)는 제2 접속튜브(22)를 통해 순환펌프(10)의 토출구에 접속되는 제1 입구와, 제3 접속튜브(38)를 통해 산소원(30)에 접속되는 제2 입구와, 제4 접속튜브(42)를 통해 냉각 칠러(50)에 접속되는 출구를 구비하며, 산소원(30)으로부터 공급되는 산소를 제1 및 제2 접속튜브(12. 22)를 통과하는 물 흐름 내에 기포 형태로 분산시킨다. 일 실시예에 있어서, 믹서(40)는 티형 접속구(Tee Fitting)에 의해 구현된다. 그렇지만, 다른 실시예에 있어서는, 믹서(40)가 벤추리형 인젝터에 의해 구현될 수도 있다.
냉각 칠러(50)는, 용해조(60) 등의 동작을 통해 산소가 물에 용해되는 과정에서 용해도가 증가할 수 있도록, 제4 접속튜브(42)를 통해 믹서(40)로부터 공급되는 물/산소 혼합물을 냉각시킴과 아울러, 물/산소 혼합물의 온도를 가급적 일정하게 유지시킨다. 냉각 칠러(50)는 냉각된 물/산소 혼합물을 제5 접속튜브(52)를 통해 용해조(60)에 공급된다.
용해조(60)는 제5 접속튜브(52)를 통해 투입되는 물/산소 혼합물을 받아들이고, 물에 산소 기체를 과포화 수준으로 용해시킨다. 용해조(60)는 대략 원통 형태로 되어 있고 수직 입형 상태가 되도록 설치된다. 용해조(60)의 상부면 중앙에는 제5 접속튜브(52)의 일 단부가 결합되는 유입구가 형성되어 있고, 저면에는 가압용해부(70)와의 접속을 위한 제6 접속튜브(66)의 일 단부가 결합되는 유출구가 형성되어 있다. 용해조(60)의 상부면 외측 또는 일 측면에는 용해조(60)의 내압을 검출하여 보여주는 압력 센서(62)가 설치된다. 또한, 용해조(60)의 타 측면에는 용해조(60) 내부의 수위를 검출하는 수위 센서(64)가 설치된다.
도 2는 용해조(60)의 구성을 구체적으로 보여준다. 도 2를 참조하면, 용해조(60) 상단에 있는 유입구(202)와 하단에 있는 유출구(204) 사이에는 다수의 분산 트레이(210a~210g) 및 집수 트레이(220a~220f)가 상하방향으로 교호적으로 즉, 번갈아가며 배치되어 있다. 즉, 용해조(60)의 유입구(202) 하측에는 제1 분산 트레이(210a)가 배치되고, 제1 분산 트레이(210a) 하측에는 제1 집수 트레이(220a)가 배치되며, 제1 집수 트레이(220a) 하측에는 제2 분산 트레이(210b)가 배치되고, 제2 분산 트레이(210b) 하측에는 제2 집수 트레이(220b)가 배치되며, 제2 집수 트레이(220b) 하측에는 제3 분산 트레이(210c)가 배치되고, 제3 분산 트레이(210c) 하측에는 제3 집수 트레이(220c) 가 배치되며, 제3 집수 트레이(220c) 하측에는 제4 분산 트레이(210d)가 배치되고, 제4 분산 트레이(210d) 하측에는 제4 집수 트레이(220d)가 배치되며, 제4 집수 트레이(220d) 하측에는 제5 분산 트레이(210e)가 배치되고, 제5 분산 트레이(210e) 하측에는 제5 집수 트레이(220e)가 배치되며, 제5 집수 트레이(220e) 하측에는 제6 분산 트레이(210f)가 배치되고, 제6 분산 트레이(210f) 하측에는 제6 집수 트레이(220f)가 배치되며, 제6 집수 트레이(220f) 하측에는 제7 분산 트레이(210g)가 배치된다.
제1 내지 제7 분산 트레이(210a~210g)는 서로 동일한 형태를 가질 수 있다. 또한, 제1 내지 제6 집수 트레이(220a~220f)는 서로 동일한 형태를 가질 수 있다. 도 2에는 7 개의 분산 트레이(210a~210g)와 6 개의 집수 트레이(220a~220f)가 도시되어 있지만, 각 트레이의 개수가 이에 한정되는 것은 아니며, 고농도 산소수 생성 장치의 크기 내지 제원에 따라 트레이의 개수는 설계적으로 변경될 수 있다. 한편, 도 2에는 용해조(60)의 유출구(204) 바로 위에 있는 최하단 트레이가 분산 트레이(210g)인 것으로 도시되어 있지만, 마지막 트레이가 집수 트레이가 될 수도 있다. 다른 한편으로, 최상단 트레이가 분산 트레이(210a)가 아닌 집수 트레이일 수도 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 각 분산 트레이(210a~210g)는 완만한 경사면을 가지는 원뿔 형태로 되어 있다. 분산 트레이(210a~210g)의 외측 모서리의 직경은 용해조(60)의 내경보다 약간 작게 제작되며, 이에 따라 분산 트레이(210a~210g)의 외측 모서리와 용해조(60) 내벽 사이에 틈새가 형성된다. 따라서, 분산 트레이(210a~210g)에 유입되는 물 내지 물/산소 혼합물은 그 상부 경사면 위에서 외측 모서리를 향해 흘러내린 후, 해당 분산 트레이(210a~210g)의 외측 모서리와 용해조(60) 내벽 사이의 틈새 공간을 통해 하방으로 이동하게 된다. 용해조 제작 과정에서, 각 분산 트레이(210a~210g)는 복수의 지점을 지지부재(212~218)를 매개로 용해조(60) 내벽에 용접하거나 접착제에 의해 부착시킴으로써 고정될 수 있다.
한편, 각 집수 트레이(220a~220f)는 완만한 경사면을 가지는 깔때기, 즉 뒤집어진 원뿔 형태로 되어 있다. 각 집수 트레이(220a~220f)는 하단 꼭지점 부위가 절개되어 있어서 관통공(222)이 형성된 형태로 되어 있다. 집수 트레이(220a~220f)의 외측 모서리의 직경은 용해조(60) 내에 집수 트레이(220a~220f)를 삽입, 설치하는 것이 가능한 범위 내에서 용해조(60) 내경과 동일한 크기를 가진다. 각 집수 트레이(220a~220f)는 외측 모서리를 용해조(60) 내벽에 용접하거나 접착제에 의해 부착시킴으로써 고정된다. 조립이 완료된 상태에서, 각 집수 트레이(220a~220f)에 유입되는 물/산소 혼합물은 해당 집수 트레이(220a~220f)의 상부 경사면 위에서 관통공(222)을 향해 흘러내린 후 관통공(222)에서 모아진 후, 관통공(222)을 통해 하방으로 배출된다.
유입구(202)를 통해 투입되는 물/산소 혼합물이 제1 분산 트레이(210a)에 낙찰될 때 충격이 최소화될 수 있도록 용해조(60)의 유입구(202)와 최상단에 있는 제1 분산 트레이(210a)의 거리는 최대한 작게 정해지는 것이 바람직하다. 또한, 각 분산 트레이(210a~210g)의 외측 모서리에서 하방으로 낙하하는 물/산소 혼합물이 입게 되는 충격이 최소화될 수 있도록, 각 분산 트레이(210a~210f)의 외측 모서리와 그 바로 아래 있는 집수 트레이(220b~220f)의 외측 모서리 사이의 거리도 최소화되는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 각 집수 트레이(220a~220f)의 관통공(222)에서 하방으로 낙하하는 물/산소 혼합물이 입게 되는 충격이 최소화될 수 있도록, 각 집수 트레이(220a~220f)의 하단과 각 분산 트레이(210b~210g)의 상단 사이의 거리 역시 최소화되는 것이 바람직하다.
이와 같은 용해조(60) 내에서, 유입구(202)를 통해 유입되는 물/산소 혼합물은 제1 분산 트레이(210a)의 꼭지점 부위로 낙하하게 되고, 제1 분산 트레이(210a)의 상부 경사면 위에서 외측 모서리를 향해 흘러내린 후 제1 분산 트레이(210a)의 외측 모서리와 용해조(60) 내벽 사이의 틈새 공간을 통해서 또는 용해조(60) 내벽을 따라서 제1 집수 트레이(220a)의 외측 모서리 부위로 낙하하게 된다. 제1 집수 트레이(220a)에 낙하한 물/산소 혼합물은 제1 집수 트레이(220a)의 상부 경사면 위에서 관통공(222)을 향해 흘러내린 후 관통공(222)에서 모아진 후, 관통공(222)을 통해 제2 분산 트레이(210b)의 꼭지점 부위로 낙하하게 된다. 이와 같은 동작은 물/산소 혼합물이 용해조(60)의 유출구(204)에 이를 때까지 모든 분산 트레이 및 집수 트레이 상에서 수행된다.
상부공간에 산소 기체가 충진되어 있고 펌프에 의한 압력이 가해지는 용해조(60) 내부 환경에서 위와 같이 산소 기포와 혼합된 물이 최대한으로 길이가 연장된 경사면을 따라 넓게 퍼져 낙하하게 됨에 따라 물과 산소(즉, 용해조 상부에 충진된 산소와, 물에 혼합된 산소 기포)의 접촉 면적과 접촉 시간이 극대화된다. 이에 따라 물에 용해되는 용존산소의 분압과 용해조 상부에 충진된 산소기체의 평형이 이루어질 때까지 충분한 용해가 이루어지게 되어, 과포화 수준으로 물에 산소가 용해된 고농도 산소수를 생성할 수 있게 된다. 용해조(60)는 산소수에 산소기포가 혼합된 산소수/산소 혼합물을 제6 접속튜브(66)를 통해 가압용해부(70)로 배출한다.
다시 도 1을 참조하면, 가압용해부(70)는 관경 축소 리듀서(72), 가압용해관(74), 및 관경 확대 리듀서(74)를 포함한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 가압용해관(74)은 긴 길이를 가지는 중공의 부재로서, 코일 형태로 권회되어 있거나 다수 회 절곡된 외형을 가지며, 나일론이나 여타 합성수지 또는 금속 재질로 되어 있다. 가압용해관(74)은 용해조(60)로부터 제6 접속튜브(66)를 통해 받아들인 산소수/산소 혼합물을 통과시키면서 산소수/산소에 난류를 생성하여 산소수/산소 혼합물에 있는 잔류 산소 기포가 물에 완전히 용해되도록 함으로써 용존 산소 농도를 증가시키고, 용존 상태를 안정화시킨다.
가압용해부(70)의 가압용해관(74)은 용해조(60)에 접속되는 제6 접속튜브(66)나 디스펜서 수조(80)에 접속되는 제7 접속튜브(76)보다 관경이 작게 되어 있다. 관경 축소 리듀서(72)는 제6 접속튜브(66)와 가압용해관(74)의 관경 차이를 해소하면서 이들을 연결시킬 수 있게 해주는 관 접속 부재이다. 한편, 관경 확대 리듀서(76)는 가압용해관(74)과 제7 접속튜브(78)의 관경 차이를 해소하면서 이들을 연결시킬 수 있게 해주는 관 접속 부재이며, 관경 축소 리듀서(72)와 동일한 부재를 전후 방향으로 뒤집어 배치한 것이라 할 수 있다. 가압용해관(74)과 제6 및 제7 접속튜브(66, 76)의 관경 차이로 말미암아, 가압용해관(74)의 내압은 제6 및 제7 접속튜브(66, 76)의 내압보다 높게 된다. 가압용해관(74)에서의 상승된 압력은 잔류 산소 기포의 2차적 용해와 산소수의 안정화를 촉진하게 된다. 그리고 관경 축소 리듀서(72)와 관경 확대 리듀서(74)가 형성하는 내압 차이는 압력 조절을 위한 밸브를 불필요하게 해주며, 밸브 사용시에 밸브 내부에서 발생할 수 있는 스핀과 충격, 그리고 이로 인한 산소의 탈기를 방지하게 되는 이점이 있다.
다시 도 1을 참조하면, 가압용해부(70)와 디스펜서 수조(90)를 연결하는 제7 접속튜브(78) 상에는 솔레노이드 밸브(80)가 설치된다. 상기 솔레노이드 밸브(80)는 순환펌프(20)가 동작하는 동안에는 개방되어 제7 접속튜브(78)를 통해 유체가 이동할 수 있게 해주지만, 순환펌프(20)가 동작하지 않는 동안에는 폐쇄되어 유체 이동을 차단한다. 따라서, 장치 내부에서 유체 순환이 정지되어 있는 동안에, 솔레노이드 밸브(80)는 용해조(60) 및 가압용해관(74)의 내압으로 인하여, 용해조(60) 및 가압용해관(74) 내부에 있는 유체와, 디스펜서 수조(90)에 담겨 있는 고농도 산소수가 압력 차이로 인하여 서서히 디스펜서 수조(90) 측으로 의도치 않게 이탈하는 것을 방지하게 된다.
디스펜서 수조(90)는 가압용해부(70)에서 2차적 용해가 완료된 고농도 산소수를 제7 접속튜브(76)를 통해 받아들여 담고 있게 되며, 순환펌프(20)의 계속 동작 여하에 따라 고농도 산소수를 담고 있는 상태를 유지하거나 수조(10)로 복귀시키게 된다. 즉, 순환펌프(20)가 동작하지 않는 동안에는 디스펜서 수조(90)가 가압용해부(70)로부터 받아들여진 고농도 산소수를 담고 있는 상태를 유지하지만, 순환펌프(20)가 동작하는 동안에는 디스펜서 수조(90) 내에 있는 고농도 산소수가 제1 및 제2 안정화조(100, 110)를 경유하여 수조로 복귀하여 순환하게 된다. 한편, 디스펜서 수조(90)에는 그 외주면을 둘러싸도록 냉매 코일이 배치되어 있어서 고농도 산소수의 온도를 5~6℃로 유지시킬 수 있다. 또한, 디스펜서 수조(90)의 외주면에는 코크(92)가 부설된 취출구(94)가 외부로 노출되게 설치되어 있다. 따라서, 순환펌프(20)의 동작 여부에 관계없이, 사용자는 코크(92)를 조작하여 취출구(94)를 통해 고농도 산소수를 취수하여 음용할 수 있다.
제1 및 제2 안정화조(100, 110)는 디스펜서 수조(90)와 수조(10) 사이에 배치되어 있다. 제1 및 제2 안정화조(100, 110)는 순환펌프(20의 동작 시에는 디스펜서 수조(90)에 담겨 있는 고농도 산소수가 수조(10)로 복귀하여 순환하는 경로를 제공하되, 순환펌프(20)가 동작하지 않는 상태에서는 디스펜서 수조(90)에 담겨 있는 고농도 산소수에서 산소 기체가 탈기되어 수조(10) 방향으로 이동하는 것을 차단하게 된다. 이에 따라, 디스펜서 수조(90)에 담겨 있는 고농도 산소수에서 산소 기체의 탈기가 최대한 억제될 수 있다.
여기에서, 제1 안정화조(100)는 제8 접속튜브(96)를 통해 디스펜서 수조(90)에 접속된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 안정화조(100)의 입구는 제1 안정화조(100)의 상측에 마련될 수 있지만, 출구는 제1 안정화조(100)의 바닥이나 측면 하단에 마련되는 것이 바람직하다. 디스펜서 수조(90)에 담겨 있는 고농도 산소수에서 미미하게 탈기되어 생성되는 산소 기체는 제8 접속튜브(96)를 통해 제1 안정화조(100)로 이동하게 되며, 이에 따라 제1 안정화조(100)의 하부에는 액체 즉, 고농도 산소수가 채워져 있지만, 상부에는 산소 기체가 충진되어 있게 된다.
제1 안정화조(100)의 내측 상부에는 완충 트레이(102)가 설치되어 있다. 완충 트레이(102)는 컵이나 접시 형상으로 되어 있을 수도 있고, 도 3에 도시된 용해조(60)의 분산 트레이(210a~210g)나 집수 트레이(220a~220g)로 되어 있을 수도 있다. 어떠한 형상을 가지는지에 관계없이, 완충 트레이(102)의 외측 모서리의 직경은 제1 안정화조(100)의 내경보다 약간 작게 제작되며, 이에 따라 완충 트레이(102)의 외측 모서리와 제1 안정화조(100) 내벽 사이에 틈새가 형성되어 있게 된다. 이에 따라, 산소수의 용존 산소 농도를 높이기 위한 순환 과정에서 완충 트레이(102)에 유입되는 고농도 산소수는 완충 트레이(102)의 외측 모서리에서 넘쳐흐를 때, 제1 안정화조(100)의 상부를 채우고 있는 기체 공간 내에서 곧바로 자유낙하하는 것이 아니라, 제1 안정화조(100)의 내벽을 따라 흘러내릴 수 있게 된다. 이에 따라 완충 트레이(102)로부터 하측으로 이동하는 산소수가 하부에 고여있는 산소수와 충돌할 때 발생할 수 있는 충격이 최소화되며, 충돌로 인한 소음과 탈기가 억제될 수 있다.
한편, 제2 안정화조(110)는 제9 접속튜브(104)를 통해 제1 안정화조(100)에 접속되고, 제10 접속튜브(112)를 통해 수조(10)에 접속된다. 제2 안정화조(110)는 그 높이에 상응하는 수압이 제1 안정화조(100)에 인가되도록 함으로써, 제1 안정화조(100)에 있는 산소수에서의 탈기를 억제하고, 제1 안정화조(100)의 상측에 고여 있는 산소 기체가 수조(10)를 향하여 이동하는 것을 저지하게 된다. 이와 같은 제1 및 제2 안정화조(100, 110)의 작용으로 인하여, 디스펜서 수조(90)에 담겨 있는 고농도 산소수에서의 탈기로 인한 용존산소 농도 저하를 최대한 억제할 수 있다.
도 1에 도시된 고농도 산소수 생성 장치는 다음과 같이 동작한다.
수조(10)에 담겨진 물은 제1 접속튜브(12)를 통해 순환펌프(20)의 입구로 공급된 후 가압되어 제2 접속튜브(22)를 통해 믹서(40)에 공급된다. 믹서(40)에 의해 혼합된 물과 산소의 혼합물은 냉각 칠러(50)를 경유하여 용해조(60)의 상단 유입구(202)에 투입된다.
용해조(60) 유입구(202)에서 중력으로 인해 하방으로 낙하하는 물/산소 혼합물은 제1 분산 트레이(210a)의 꼭지점 부위로 분산낙찰된다. 이때, 유입구(202)와 제1 분산 트레이(210a) 간의 거리가 가깝고 제1 분산 트레이(210a)의 상부면이 경사져 있기 때문에 낙찰 충격은 크지 않게 된다.
물/산소 혼합물에서 용해되지 않은 상태로 물과 단순 혼합되어 있는 산소 기체 중 대부분은 용해조(60) 내에서 물/산소 혼합물로부터 분리되어 용해조(60) 상부 공간을 충진하게 된다. 이와 같은 상태에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 분산 트레이(210a)에 낙찰된 물/산소 혼합물은 제1 분산 트레이(210a)의 상부 경사면 위에서 얇은 두께로 넓게 퍼지면서 외측 모서리를 향해 흘러내리게 된다. 이때, 물/산소 혼합물이 제1 분산 트레이(210a)의 상부 경사면 위에서 얇은 두께로 넓게 퍼지면서 측하방으로 흘러내리게 됨에 따라, 용해조(60) 유입구(202)에서 직하방으로 낙찰되는 경우에 비하여 용해조(60) 상부에 고여있는 산소 기체와의 접촉 면적이 현저하게 증가하게 되고, 체류시간이 연장되는 만큼 접촉 시간도 크게 증가하게 된다. 이와 같이 가압된 상태에서 물과 산소 기체의 접촉 면적과 접촉 시간이 크게 증가하게 됨으로 말미암아, 많은 양의 산소가 물에 용해될 수 있게 된다.
제1 분산 트레이(210a)의 상부 경사면 위에서 측하방으로 흘러내린 물/산소 혼합물은 제1 분산 트레이(210a)의 외측 모서리와 용해조(60) 내벽 사이의 틈새 공간을 통해서 또는 용해조(60) 내벽을 따라서 제1 집수 트레이(220a)의 외측 모서리 부위로 낙하하게 된다. 이때에도, 제1 분산 트레이(210a)의 외측 모서리와 제1 집수 트레이(220a)의 외측 모서리 간의 거리가 가깝기 때문에, 낙찰 충격이 무시할 수 있을 만큼 적게 되며 낙찰 충격으로 인한 탈기가 미미하게 된다.
제1 집수 트레이(220a)에 낙하한 물/산소 혼합물은 제1 집수 트레이(220a)의 상부 경사면 위에서 얇은 두께로 넓게 퍼지면서 관통공(222)을 향해 흘러내린다. 이때에도, 물/산소 혼합물이 제1 집수 트레이(220a)의 상부 경사면 위에서 얇은 두께로 넓게 퍼지면서 흘러내리게 됨에 따라, 제약없이 직하방으로 낙찰되는 경우에 비하여 용해조(60) 상부에 고여있는 산소 기체와의 접촉 면적이 현저하게 증가하게 되고, 체류 시간이 연장되는 만큼 접촉 시간도 크게 증가하게 된다. 가압된 상태에서의 물과 산소 기체의 접촉 면적과 접촉 시간 증가는 용존 산소량의 증가에 크게 기여하게 된다. 관통공(222)에서 모아진 물/산소 혼합물은 관통공(222)을 통해 제2 분산 트레이(210b)의 꼭지점 부위로 낙하하게 된다. 이때에도, 제1 집수 트레이(220a)의 관통공(222)과 제2 분산 트레이(210b) 상단의 거리가 가깝기 때문에, 낙찰 충격은 무시할 수 있을 만큼 적게 되며 낙찰 충격으로 인한 탈기도 미미하게 된다.
이와 같이 물 내지 물/산소 혼합물이 경사면에서 얇은 두께로 넓게 퍼지면서 흘러내리는 동작은 모든 분산 트레이(210a~210g)와 집수 트레이(220a~220f)에서 수행된다. 따라서, 용해조(60) 내에서의 용존 산소량 증가는 물과 산소를 단순 접촉시키는 경우나 물/산소 혼합물이 폭포수처럼 단순 낙하하는 경우에 비하여 수십 내지 수백 배 향상된다. 결국, 용해조(60) 내에서, 충분히 높은 농도로 1차적인 산소 용해가 이루어질 수 있게 된다. 아울러, 직상하방에 있는 분산 트레이(210a~210g)와 집수 트레이(220a~220f) 간의 거리가 가깝기 때문에, 산소수 내지 물/산소 혼합물이 낙하하는 과정에서 산소수가 받게되는 낙찰 충격이 최소화되며, 충격으로 인해 미세기포를 일으키며 발생하는 탈기가 최소화될 수 있다.
용해조(60)에서의 1차 용해 이후의 용존 산소 농도는 수조(10)를 경유한 산소수의 순환 횟수 내지 빈도와, 용해조(60) 내부의 압력, 그리고 용해조(60) 내부의 수위에 따라 달라진다. 즉, 용존 산소 농도는 산소수의 순환 횟수 내지 빈도가 많을수록, 그리고 용해조(60) 내압이 높을수록 증가하게 된다. 그리고, 용해조(60) 내부의 수위가 높을수록, 분산 트레이(210a~210g) 및 집수 트레이(220a~220f) 상에서의 물과 산소의 접촉 면적과 체류시간이 감소하기 때문에 용존 산소 농도는 감소할 수 있다. 인쇄회로기판에 탑재된 제어회로는 압력 센서(62)가 검출하는 용해조(60) 내압과 수위 센서(64)가 검출하는 용해조(60) 내부 수위를 토대로 순환펌프(20)와 솔레노이드 밸브(36)를 제어하여, 순환동작과 산소공급을 각각 단속하게 된다.
용해조(60)에서 배출되는 산소수/산소 혼합물은 가압용해관(74)에 공급되어, 잔류 산소 미세기포가 물에 완전히 용해될 수 있다. 가압용해관(74)은 감소된 관경으로 인하여 압력이 증가된 내부 환경을 제공하게 되며, 다수의 절곡부 내지 곡선부를 구비한 기하학적 구조로 인하여 그 내부를 흐르는 산소수/산소 혼합물에 난류를 형성하게 된다. 이 압력과 난류로 말미암아 용해조(60)로부터 공급되는 물/산소 혼합물에 포함된 대부분의 잔류 산소 기포가 가압용해관(74)에서 물에 강제용해되고, 용존 상태가 안정화된다.
가압용해관(74)에서 2차적 용해가 완료되고 안정화된 고농도 산소수는 디스펜서 수조(90)에 공급되어 담기게 된다. 디스펜서 수조(90)의 외주면을 둘러싸는 냉매 코일에 의해 고농도 산소수의 냉각이 유지되는 상태에서, 사용자는 코크(92)를 조작하여 취출구(94)를 통해 고농도 산소수를 취수하여 음용할 수 있다.
제1 및 제2 안정화조(100, 110)는 디스펜서 수조(90)와 수조(10) 사이에 배치되어 있으면서, 순환펌프(20의 동작 시에는 디스펜서 수조(90)에 담겨 있는 고농도 산소수가 수조(10)로 복귀하여 순환하는 경로를 제공하되, 순환펌프(20)가 동작하지 않는 상태에서는 디스펜서 수조(90)에 담겨 있는 고농도 산소수에서 산소 기체가 탈기되어 수조(10) 방향으로 이동하는 것을 억제하는 물 커튼(water curtain) 작용을 하게 된다.
디스펜서 수조(90)에 담겨 있는 고농도 산소수에서 미미하게 탈기될 수 있는데, 이처럼 탈기되어 생성되는 산소 기체는 제8 접속튜브(96)를 통해 제1 안정화조(100)로 이동하게 되며, 이에 따라 제1 안정화조(100)의 하부에는 액체 즉, 고농도 산소수가 채워져 있지만, 상부에는 산소 기체가 충진되어 있게 된다. 그렇지만, 이와 같이 제1 안정화조(100)의 상부공간에 충진된 산소 기체는 제2 안정화조(110)를 채우고 있는 물(즉, 산소수)의 수압으로 인하여 제1 안정화조(100)의 하부에 고여있는 물을 밀어내고 제2 안정화조(110)로 진입할 수 없다. 이에 따라, 외력 즉 펌프 압력이 작용하지 않는 상태에서, 제1 안정화조(100)의 상부공간에 충진된 산소 기체의 이동이 방지될 뿐만 아니라, 제1 안정화조(100)의 내압으로 인하여 디스펜서 수조(90) 및 제1 안정화조(100)에서의 탈기가 크게 억제된다.
본 발명의 고농도 산소수 생성 장치는 일과식으로 물과 산소를 통과시키면서 용해시키는 것이 아니라, 주기적 또는 비주기적으로 반복 순환킴으로써 용존 산소 농도를 높이게 된다. 예컨대, 최초 동작시에, 제어회로는 솔레노이드 밸브들(36, 80)을 개방하고 순환펌프(20)를 동작시켜서 수조(10)의 물이 순환되면서 물에 산소가 용해되도록 할 수 있는데, 이때 수조(10)의 물이 평균적으로 약 3회 순환되도록 장치가 작동되게 할 수 있다. 1회 순환 후에 디스펜서 수조(90)에서 취출되는 산소수는 약 100 ppm의 용존 산소 농도를 나타내고, 2회 순환 및 3회 순환 후에 약 150 ppm 및 약 180 ppm의 용존 산소 농도를 각각 나타내는 것을 확인하였다.
이후, 계속되는 사용 과정에서도 주기적으로 또는 비주기적으로(예컨대, 고농도 산소수의 취출 직후에) 제어회로는 솔레노이드 밸브들(36, 80)을 개방하고 순환펌프(20)를 재가동하여 산소수 순환 및 용해 동작이 이루어지도록 하게 된다.
본 발명의 고농도 산소수 생성 장치에 따르면, 순환펌프(20)가 정지되어 있는 대기 상태에서도 산소수로부터의 산소 탈기가 최대한 억제된다. 이와 같은 탈기 억제는 두 가지 측면에서 살펴볼 수 있다.
첫 번째로, 정지된 순환펌프(20)의 유체 차단 작용과 솔레노이드 밸브(80)의 작용은 냉각 칠러(50), 용해조(60), 및 가압용해부(70) 내부에 잔류하고 있는 산소수의 용존 산소 탈기를 억제할 뿐만 아니라, 이들 부재 내부에 있는 산소수 또는 물/산소 혼합물이 서서히 유출되는 것을 방지하게 된다. 한편, 용해조(60) 등에서 산소수와 장치 부재 간, 또는 산소수와 산소수 간의 충돌이 크게 억제되기 때문에, 충돌로 인한 탈기가 현저히 감소하게 된다.
두 번째로, 디스펜서 수조(90)에 담겨있는 고농도 산소수의 용존 산소는 솔레노이드 밸브(80)의 작용과, 제1 및 제2 안정화조(100, 110)의 작용으로 말미암아 탈기가 억제된다. 즉, 제1 안정화조(100)가 부분적으로 물(즉, 산소수)로 채워져 있고 제2 안정화조(110)가 가득 채워져 있는 상태에서, 제2 안정화조(110)를 채우고 있는 물이 인가하는 수압은 디스펜서 수조(90) 및 제1 안정화조(100) 내에 있는 유체가 수조(10) 방향으로 이동하는 것을 방지할 뿐만 아니라 디스펜서 수조(90) 및 제1 안정화조(100)에서의 탈기도 억제하는 작용을 하게 된다. 또한, 디스펜서 수조(90)나 제1 안정화조(100)에서 산소수와 장치 부재 간, 또는 산소수와 산소수 간의 충돌이 억제되기 때문에, 충돌로 인한 탈기가 미미해진다. 특히, 본 발명에 따르면, 제1 안정화조(100)의 완충 트레이(102)에서와 같이, 산소수와 장치 부재 등과의 충돌을 야기하는 산소수 낙하를 근본적으로 방지함으로써 충돌에 의한 탈기를 최소화하게 된다.
본 발명에 따르면, 이와 같이 탈기가 억제됨으로 말미암아, 고농도 산소수의 용존 산소 농도를 유지할 수 있고, 순환펌프(20)에 의한 순환 빈도를 낮출 수 있다는 장점이 있다. 또한 탈기의 억제는 기포의 생성 및 부상으로 인한 소음도 감소시키게 된다는 추가적인 이점도 있다.
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, 이상에서는 산소 용해에 직접 관련된 부재들을 중심으로 설명하였지만, 수조(10)에 정수된 물을 공급하기 위한 필터들이 부가될 수 있다. 이와 같은 실시예가 변형될 실시예에서는, 수조(10)에 대하여 생수를 공급하는 생수통이 장치 내에 부가될 수도 있다.
또한, 이상의 설명에서는 용해조(60) 내에 있는 집수 트레이(220a~220f)의 외측 모서리의 직경이 용해조(60) 내경과 동일한 것으로 기술하였지만, 집수 트레이(220a~220f)의 외측 모서리의 직경이 반드시 용해조(60) 내경과 동일해야 하는 것은 아니며 다소 작아도 무방하다. 다만, 이 경우에도, 분산 트레이(210a~210g)의 외측 모서리의 직경은 집수 트레이(220a~220f)의 외측 모서리의 직경보다 작아서, 분산 트레이(210a~210g)의 경사면 상으로 흘러내리는 물이 대부분 집수 트레이(220a~220f) 위로 낙하할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
다른 한편으로, 이상의 설명에서는 순환펌프(10)에 의해 수조(10)에 있는 물과 산소원(30)으로부터의 산소가 믹서(40)에 의해 혼합된 상태로 용해조(60)에 투입되는 것으로 기술하였지만, 변형된 실시예에 있어서는 믹서(40)가 생략된 채로 수조(10)에 있는 물과 산소원(30)으로부터의 산소가 별도로 용해조(60)에 투입될 수도 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.
10: 수조
20: 순환펌프
30: 산소원
40: 믹서
50: 냉각 칠러
60: 용해조
70: 가압용해부
72: 관경 축소 리듀서, 74: 가압용해관, 76: 관경 확대 리듀서
90: 디스펜서 수조
100: 제1 안정화관, 102: 완충 트레이
110: 제2 안정화관
210a~210g: 분산 트레이
220a~220f: 집수 트레이

Claims (9)

  1. 수조에 담겨진 물에 산소원으로부터의 산소를 용해시키기 위한 고농도 산소수 생성 장치로서,
    상기 수조의 토출구에 유체흐름 상으로 연결되는 순환펌프;
    상기 순환펌프 및 상기 산소원에 유체흐름 상으로 연결되어 상기 순환펌프를 통해서 상기 수조에 담겨진 물과 상기 산소원으로부터의 산소를 받아들여서, 물에서의 용존 산소 농도가 증대된 산소수를 배출하는 용해조;
    상기 용해조에 유체흐름 상으로 연결되며, 권회된 코일 부위 또는 복수의 절곡부위를 구비하여 상기 산소수의 용존 산소 농도를 더욱 증가시켜서 고농도 산소수를 배출하는 가압용해부; 및
    상기 가압용해부 및 상기 수조에 유체흐름 상으로 연결되어 있고, 상기 가압용해부로부터 상기 고농도 산소수를 받아들여 유지하면서 이용자에게 제공하는 디스펜서 수조;
    를 구비하고,
    상기 용해조가
    각각이 외측 하방으로 연장되는 경사면을 가지는 형태로 되어 있는 복수의 분산 트레이와,
    각각이 내측 하방으로 연장되는 경사면을 가지는 형태로 되어 있으며 하단에 관통공이 형성되어 있는 복수의 집수 트레이;
    를 구비하며, 상기 복수의 분산 트레이와 상기 복수의 집수 트레이가 상하 방향으로 교호적으로 배치되어 있어서, 물과 산소의 접촉 면적과 접촉 시간을 극대화하면서, 중력에 의한 낙찰로 인하여 물과 산소의 혼합물이 입게 될 수 있는 충격과 이로 인한 탈기를 최소화할 수 있게 되어 있는 고농도 산소수 생성 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 순환펌프에 연결되고, 상기 산소원으로부터의 산소를 기포 형태로 물 흐름 내에 분산시켜서 물/산소 혼합물을 생성하여 상기 용해조에 공급하는 믹서;
    를 더 구비하는 고농도 산소수 생성 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 분산 트레이 중 적어도 일부가 뿔 형태로 되어 있는 고농도 산소수 생성 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 복수의 집수 트레이 중 적어도 일부가 깔때기 형태로 되어 있고 하단에 상기 관통공이 형성되어 있는 고농도 산소수 생성 장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 4에 있어서, 상기 복수의 집수 트레이 각각의 외측 모서리가 상기 용해조의 내벽에 밀착되어 있는 고농도 산소수 생성 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 가압용해부는
    제1 입구와 상기 제1 입구보다 확대된 제1 출구를 가지는 관경 축소 리듀서;
    제2 입구와 상기 제2 입구보다 축소된 제2 출구를 가지는 관경 확대 리듀서; 및
    상기 관경 축소 리듀서의 상기 제1 출구와 상기 관경 확대 리듀서의 제1 입구 사이에 배치되고, 상기 권회된 코일 부위 또는 상기 복수의 절곡부위를 구비하여, 상기 제1 입구 및 상기 제2 출구보다 상승된 압력 하에서 상기 용존 산소 농도를 더욱 증가시키는 가압용해관;
    을 구비하는 고농도 산소수 생성 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 디스펜서 수조와 상기 수조 사이에 배치되고, 상기 순환펌프가 동작하지 않는 상태에서 상기 디스펜서 수조에 담겨진 상기 고농도 산소수의 탈기를 물의 중력을 이용하여 억제하는 안정화관;
    을 더 구비하는 고농도 산소수 생성 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 안정화관이
    상기 디스펜서 수조에 연결되고 상단에 형성되어 있는 입구와, 하측에 형성되어 있는 출구를 구비하는 제1 안정화관; 및
    상기 제1 안정화관에 연결되고 하측에 형성되어 있는 입구와, 상측에 형성되어 있는 출구를 구비하는 제2 안정화관;
    을 포함하는 고농도 산소수 생성 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 제1 안정화관이
    상기 제1 안정화관의 상기 입구 하방에 마련되어 상기 제1 안정화관의 상기 입구를 통해 유입되는 고농도 산소수가 하방으로 자유낙하하는 것을 방지하고 상기 제1 안정화관의 내벽을 따라 흘러내릴 수 있게 해주는 완충 트레이;
    를 구비하는 고농도 산소수 생성 장치.
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