KR102571124B1 - 미생물 저온 살균 및 비활성화용 고전압 펄스발생기, 이를 이용한 저온 살균 시스템 및 초음파 가습기 - Google Patents

미생물 저온 살균 및 비활성화용 고전압 펄스발생기, 이를 이용한 저온 살균 시스템 및 초음파 가습기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고전압 펄스발생기 및 이를 이용한 저온 살균 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 저온 살균 시스템을 초음파 가습기에 적용하여 저온 살균함으로써 고온으로 인한 안전사고 위험성을 없애고 인체에 무해한 효과적인 살균 환경을 제공하여 가성비가 우수하고 안전한 실내 습도를 제공하는 초음파 가습기 및 그 구동방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초음파 가습기는 하우징; 하우징 내부에 물이 수용된 수조; 상기 수조로부터 PEF 챔버로 도입된 물을 고전압 펄스 전기장(PEF)을 이용하여 저온 살균하는 저온 살균 시스템; 및 초음파 진동자를 구비하고 상기 PEF 챔버를 통과하면서 살균된 물을 초음파 진동방식으로 미세 입자화하여 미스트를 하우징 외부로 분무하는 초음파 진동자 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

미생물 저온 살균 및 비활성화용 고전압 펄스발생기, 이를 이용한 저온 살균 시스템 및 초음파 가습기{High Voltage Pulse Generator for Low Temperature Microbial Sanitization and Inactivation, Low Temperature Sanitization System and Ultrasonic Humidifier Using the Same}
본 발명은 고전압 펄스발생기 및 이를 이용한 저온 살균 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 초음파 가습기에 적용하여 저온 살균함으로써 고온으로 인한 안전사고 위험성을 없애고 인체에 무해한 효과적인 살균 환경을 제공하여 가성비가 우수하고 안전한 실내 습도를 제공하는 초음파 가습기 및 그 구동방법에 관한 것이다.
가습기는 중소형 생활가전으로 시장적 분류가 되고 있는 가전제품이다. 가습기의 종류로는 기화식 가습기, 가열식 가습기, 복합식 가습기, 초음파 가습기로 통상 분류된다.
기화식 가습기는 필터에 물을 적셔 수분을 자연적으로 기화시키는 방식으로 순수한 수증기로만 가습되기 때문에 질이 우수하나 가습량이 적어 적은 평수에만 적용이 가능하다는 단점이 있다.
가열식 가습기는 초기 가습기 형태로서 가습기 내에 내장된 전기히터로 물을 끓여 가습하는 방식으로 순수한 수증기만 방출되므로 질이 좋은 장점이 있다. 허나 전기로 가열하기 때문에 전력소모량이 크고, 고온 증기로 인한 화상 위험으로 안전사고가 발생할 수 있다는 단점이 있으며, 물 끓는 소리로 인한 소음 발생이 또한 단점이다.
복합식 가습기는 초음파식과 가열식의 장점을 합쳐놓은 형태로 물을 비등점 이하로 저온 가열(약 60~70℃ 수준)하여 살균 처리한 물을 초음파 방식으로 분무하는 방식으로 저온 가열로 처리되지 않는 미생물로 인한 오염 문제가 있다.
초음파 가습기는 초음파 진동자로 물을 진동시켜 미세 입자화시킨 후 분무하는 방법으로 장치가 간단하고 소비전력이 낮아 가장 저렴하면서도 가장 흔하게 (약 75% 이상의 가습기 시장 점유율 차지) 사용되는 방식이다. 하지만 수분이 수증기 형태가 아닌 1∼5 마이크론 정도 크기의 물방울 상태로 방출되는 것이기 때문에 분무되는 물방울에 가습기 수조 안에 존재하는 각종 미생물 및 유해물질이 공기 중으로 전파될 수 있는 가능성이 존재하는 가습방법으로 알려져 있다. 따라서, 제대로 관리하지 않으면 다량의 세균 등이 증식하여 사람에게 폐질환 등 인체에 위해를 일으킬 수 있다. 특히 비위생적으로 관리된 가습기를 어린 아이나 노약자 등 면역이 약한 사람들이 사용할 경우 기회감염균 등에 의한 질환이 유발될 수 있다.
오염원 중 폐렴구균(Streptococcus pneumoniae)이나 폐렴간균(Klebsiella pneumoniae) 및 녹농균(Pseudomonas aeruginosa) 등은 가습기 내부에 오염되어 급속도로 증식할 수 있으며 인후염, 폐질환 등의 호흡기 질환을 일으킬 가능성이 높다. 이외에도 Aspergillus spp., Cladosporidium spp. 및 Alternaria spp. 등의 알레르기 유발 곰팡이도 오염되어 있는 것으로 보고되고 있다.
국내에서는 가습기 살균제로 인한 사회적 문제가 발생한 바 있으며, 일본에서는 레지오넬라균으로 인한 문제 발생 등이 보고되었다.
일반적으로 고전압 펄스 발생장치는 연속적인 직류나 교류 전원으로는 공급이 어려우며 순간적인 강력한 에너지를 필요로 하는 각종 특수 장치 및 시스템에 사용되고 있다. 그 대표적인 예로 기초연구장비인 입자 가속장치, 플라즈마 발생장치, 레이저 발생장치, 이온주입장치, 엑스레이 발생장치 등이 있으며 최근 식품가공, 수처리 등 분야로 그 응용 분야가 확장되고 있다.
한국 공개특허공보 제10-2009-0002714호(특허문헌 1)에는 직류 고전압을 발생시키는 직류 전압부; 상기 직류 전압부에 연결되며, 다단계의 인덕터와 커패시터를 포함하는 펄스성형회로로 구성되어 직류 전압을 저장하는 파형 발생부; 상기 파형 발생부에 연결되어 부하부에 전압을 인가하는 스위치부; 상기 스위치부에 연결되어 구형파 펄스를 발생시키는 부하부를 포함하는 막스 발생기를 이용한 구형파 펄스 발생 장치가 제안되어 있다.
상기 특허문헌 1의 구형파 펄스 발생 장치는 펄스를 발생시키기 위해 인덕터와 커패시터의 수동소자로 이루어진 펄스성형회로(pulse forming network)를 이용하고 폐쇄 스위치(closing switch)를 이용하여 구형파를 만드는 것이며, 단방향 펄스 발생만 가능하다.
또한, 특허문헌 1의 구형파 펄스 발생 장치는 사이즈가 큰 복수의 인덕터를 채용하고 있어서 소형화가 어렵고, 그 결과 이러한 펄스 발생 장치를 이용하면 소형의 가정용 초음파 가습기의 구현이 불가능한 문제가 있다.
: 한국 공개특허공보 제10-2009-0002714호
본 발명자는 PEF 기술은 매우 짧은 고전압 펄스를 전극 사이에 채워진 물에 인가하여 저온살균에 상당한 효과를 가지게 하는 살균 방법으로서, PEF에 의한 미생물의 불활성화는 처리 중 온도가 거의 상승하지 않고 처리시간이 짧으며 연속처리가 가능하고, 처리 후 물리화학적 특성이 거의 변하지 않는 장점이 있는 것을 인식하고, 고전압 펄스발생기의 스위치로서 반도체 스위칭 소자를 채용함에 의해 소형화가 가능하고 능동형 펄스 성형이 이루어질 수 있는 점을 발견하여 소형의 초음파 가습기를 구현할 수 있게 되었다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 그 목적은 초음파 가습기의 장점을 유지하면서 가습기 수조의 물을 고전압 펄스 전기장(PEF) 인가방식으로 저온 살균함으로써 고온 살균으로 인한 안전사고 위험성을 없애고 인체에 무해한 효과적인 살균 환경을 제공하여 가성비가 우수하고 안전한 실내 습도를 제공하는 초음파 가습기 및 그 구동방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 PEF 챔버로 도입된 가습기 수조의 물을 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의해 저온에서 미생물을 살균하고 비활성화시킬 수 있는 고전압 펄스발생기 및 이를 이용한 저온 살균 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고전압 펄스발생기와 PEF 챔버를 이용한 저온 살균 시스템에 의해 저온에서 미생물을 살균하고 비활성화시킨 후 초음파 진동에 의해 물을 미세입자화하여 분무함에 의해 미생물 오염 및 가열로 인한 안전사고 문제를 해결할 수 있는 초음파 가습기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 PEF 챔버의 2전극 사이에 인가되는 고전압 펄스 전기장(PEF)을 양방향으로 교대로 인가함에 의해 PEF 챔버를 통과하는 물의 살균력을 증대할 수 있는 양방향 고전압 펄스발생기 및 이를 이용한 저온 살균 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고전압 펄스를 발생시키는 고전압 펄스발생회로의 스위치를 반도체 소자로 능동적(Active)으로 구현할 수 있어, 소형화가 가능한 고전압 펄스발생기 및 이를 이용한 저온 살균 시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 펄스발생기는 상용전원을 고전압 직류전원으로 변환하는 직류고전압 전원장치; 및 상기 고전압 직류전원을 복수배 승압시킨 양방향 구형파 고전압 펄스를 발생시키는 고전압 펄스발생회로;를 포함하며, 상기 고전압 펄스발생회로는 상호 병렬접속되는 에너지 충전용 복수의 커패시터; 각각 상기 복수의 커패시터에서 인접한 한쌍의 커패시터의 양단자 사이에 삽입되는 복수 쌍의 충전 저항; 및 각각 상기 복수의 커패시터에서 인접한 한쌍의 커패시터의 양단자 사이에 크로스 형태로 삽입되고, 충전모드일 때 턴-오프 상태이고 방전모드일 때 턴-온 상태로 설정되며, 서로 반대극성으로 동작되는 복수 쌍의 반도체 스위칭 소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수 쌍의 반도체 스위칭 소자는 각각 금속 산화막 반도체 전계효과트랜지스터(MOSFET) 또는 절연게이트바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 복수 쌍의 반도체 스위칭 소자는 각각, 양극 방향 구형파 발생 시에 사용되는 P형 스위칭 트랜지스터; 및 음극 방향 구형파 발생 시에 사용되는 N형 스위칭 트랜지스터;를 포함할 수 잇다.
더욱이, 상기 충전모드일 때 복수 쌍의 반도체 스위칭 소자는 모두 턴-오프 상태이고, 상기 방전모드로서 양극 방향 구형파 발생시에 복수 쌍의 반도체 스위칭 소자 중 P형 스위칭 트랜지스터는 턴-온 상태로 설정되고, N형 스위칭 트랜지스터는 턴-오프 상태로 설정되며, 상기 방전모드로서 음극 방향 구형파 발생시에 N형 스위칭 트랜지스터는 턴-온 상태로 설정되고, P형 스위칭 트랜지스터는 턴-오프 상태로 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 고전압 펄스발생기는 상기 고전압 펄스발생회로의 충전모드를 설정하기 위한 충전제어신호, 방전모드시에 양극 방향 구형파 발생을 위한 제1방전제어신호 및 음극 방향 구형파 발생을 위한 제2방전제어신호를 발생하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부로부터 발생되는 충전제어신호와 제1 및 제2 방전제어신호에 따라 상기 고전압 펄스의 펄스폭과 발생 주기의 프로그램이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저온 살균 시스템은 고전압 직류전원을 복수배 승압시킨 양방향 구형파 고전압 펄스를 발생시키는 고전압 펄스발생기; 및 챔버 내부에 대향하여 배치된 양전극과 음전극 사이에 상기 고전압 펄스가 인가되어 양전극과 음전극 사이를 통과하는 물에 고전압 펄스전기장(PEF)을 인가하여 물을 저온 살균시키는 PEF 챔버;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 PEF 챔버의 양전극과 음전극의 배치는 평판형(planar geometry), 동축형(coaxial geometry) 및 코리니어형(collinear geometry) 중 어느 하나의 형태로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 PEF 챔버는 절연체로 이루어진 몸체 내부에 판형상의 음전극(Cathode)과 양전극(Anode)이 부착될 수 있다.
이 경우, 상기 양전극과 음전극 사이의 간격은 1 내지 5mm 범위로 설정될 수 있다.
상기 고전압 펄스발생기는 양전극과 음전극 사이에 10 마이크로초(μs)에서 1,000 마이크로초(μs) 범위의 펄스폭을 가진 구형파 형태의 양방향 펄스를 1 Hz에서 100 Hz 범위의 반복율로 인가하며, 상기 양전극과 음전극 사이의 물 부하에 3 kV/cm에서 50 kV/cm 범위의 고전압 펄스전기장(PEF)이 형성될 수 있다.
상기 고전압 펄스발생기의 펄스 출력은 버스트 모드(Burst Mode)로 발생되고, 버스트의 폭은 30 마이크로초(μs)에서 2 밀리초(ms)의 범위를 가지며, 버스트의 주기는 10 밀리초(ms)에서 1초(s) 범위를 가질 수 있다.
이 경우, 상기 버스트 주기는 물이 대향 전극을 통과하는 데 걸리는 시간보다 짧게 설정되는 것이 바람직하고, 상기 버스트 폭은 방전기간에 해당된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 가습기는 하우징; 상기 하우징 내부에 설치되며 물이 수용된 수조; 상기 수조로부터 PEF 챔버로 도입된 물을 고전압 펄스 전기장(PEF)을 이용하여 저온 살균하는 저온 살균 시스템; 및 초음파 진동자를 구비하고 상기 PEF 챔버를 통과하면서 살균된 물을 초음파 진동방식으로 미세 입자화하여 발생되는 미스트를 하우징 외부로 분무하는 초음파 진동자 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 저온 살균 시스템은, 고전압 직류전원을 복수배 승압시킨 양방향 구형파 고전압 펄스를 발생시키는 고전압 펄스발생기; 및 챔버 내부에 대향하여 배치된 양전극과 음전극을 구비하고, 상기 양전극과 음전극 사이에 상기 고전압 펄스를 인가하여 양전극과 음전극 사이를 통과하는 물에 고전압 펄스전기장(PEF)을 인가하여 물을 저온 살균시키는 PEF 챔버;를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 초음파 가습기는 고전압 펄스발생기의 PEF 세기, 펄스 형태, 펄스 폭, 펄스 주기 또는 반복율, 펄스 극성을 제어하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 초음파 가습기는 상기 PEF 챔버를 통과하면서 살균된 물을 수용하며 저면에 상기 초음파 진동자 모듈이 설치된 미스트 수조를 더 포함할 수 있다.
더욱이, 상기 초음파 가습기는 상기 수조와 PEF 챔버 사이에 설치되어 수조로부터 PEF 챔버로 공급되는 물의 유량을 조절하기 위한 유량조절기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 가습기의 구동방법은 습온센서에 의해 가습기 주변의 절대습도와 대기온도를 측정하여 현재 상대 습도를 도출하는 단계; 상기 현재 상대 습도와 사용자가 입력한 사용자 희망습도를 비교하여, 현재 상대 습도가 사용자 희망습도에 도달되었는 지를 판단하는 단계; 상기 판단결과, 현재 상대 습도가 사용자 희망습도에 미달한 경우, 저온 살균 시스템을 가동하여 수조에서 고전압 펄스전기장(PEF) 챔버로 공급되는 물속에 있는 미생물을 고전압 펄스전기장(PEF) 인가방식으로 저온 살균 또는 비활성화시켜 배출하는 단계; 및 상기 PEF 챔버로부터 배출된 살균된 물이 공급될 때 초음파 진동방식으로 물을 진동시켜 미세 입자화시킨 후 미스트를 가습기 외부로 분무하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 초음파 가습기의 구동방은 상기 PEF 챔버를 형성하는 양전극과 음전극 사이의 물 부하에 3 kV/cm에서 50 kV/cm 범위의 고전압 펄스전기장(PEF)이 인가될 수 있다.
또한, 상기 고전압 펄스전기장(PEF)은 버스트 모드(Burst Mode)로 발생되는 양방향 구형파 고전압 펄스에 의해 구현될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 고전압 펄스를 발생시키는 고전압 펄스발생기의 스위치를 반도체로 구현할 수 있어, 소형이면서 효율적인 고전압 펄스발생기를 제공할 수 있고, 또한, 소형의 고전압 펄스발생기와 PEF 챔버를 이용하여 저온에서 미생물을 살균하고 비활성화시킬 수 있는 저온 살균 시스템을 제공할 수 있으며, 살균된 물을 초음파 진동에 의해 물을 미세입자화하여 분무함에 의해 미생물 오염 및 가열로 인한 안전사고 문제를 해결할 수 있는 초음파 가습기를 제공할 수 있다.
또한, 와류가 없고 일정한 PEF를 인가할 수 있는 PEF 챔버를 제작하여 수질 개선이 필요한 소형 시스템에 응용 가능하다.
더불어, 수위, 온습도, 전기적 및 기계적 안전보호 센서 등을 장착하고 PEF 조건을 쉽게 프로그램 가능한 제어기를 제작 보급 가능하다.
결과적으로 고전압 펄스발생기, PEF 챔버, 제어기 등을 이용하여 인체에 무해하고 안전한 소형 초음파 가습기 제작이 가능하다.
이러한 안전하고 무해한 초음파 가습기를 제공함으로써 사용자는 안심하고 가성비가 높은 초음파 가습기를 선택하여 사용함으로써 경제적인 이득과 심리적인 이득을 동시에 얻을 수 있다.
본 발명으로 소형 초음파 뿐만 아니라 대형 산업용 초음파 가습기에도 응용 가능하며 가성비 높은 무해하고 안전한 제품을 제공하여 사용자의 만족도를 높이는 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 PEF 처리 기술은 수처리 및 동식물 식품가공 분야에 다양한 응용이 가능하다.
본 발명에서는 초음파 가습기의 장점을 유지하면서 가습기 수조의 물을 고전압 펄스 전기장(PEF) 인가방식으로 저온 살균함으로써 종래의 고온 살균으로 인한 안전사고 위험성을 없애고 인체에 무해한 효과적인 살균 환경을 제공하여 가성비가 우수하고 안전한 실내 습도를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 PEF 챔버로 도입된 가습기 수조의 물을 고전압 펄스 전기장(PEF)에 의해 저온에서 미생물을 살균하고 비활성화시킬 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 고전압 펄스발생기와 PEF 챔버를 이용한 저온 살균 시스템에 의해 저온에서 미생물을 살균하고 비활성화시킨 후 초음파 진동에 의해 물을 미세입자화하여 분무함에 의해 미생물 오염 및 가열로 인한 안전사고 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 PEF 챔버의 2전극 사이에 인가되는 고전압 펄스 전기장(PEF)을 양방향으로 교대로 인가함에 의해 PEF 챔버를 통과하는 물의 살균력을 증대할 수 있다. 본 발명에서는 양극 방향 연속 펄스 및 버스트 모드 펄스 발생이 가능하다.
본 발명의 고전압 펄스발생기는 스위치의 개폐(closing & opening)를 외부 제어 명령에 따라 반도체 소자를 이용하여 구형파 발생을 실현한 것으로 능동형 펄스 성형이 이루어진다.
본 발명에서는 고전압 펄스를 발생시키는 고전압 펄스발생기의 스위치를 반도체 소자로 구현할 수 있어, 소형화가 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 고전압 펄스 전기장(PEF)을 이용한 저온 살균시스템을 구비한 초음파 가습기의 전체 구성을 보여주는 개략 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 4단 구성의 고전압 펄스발생회로의 구성을 보여주는 회로도이다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 도 2에 도시된 고전압 펄스발생회로의 충전 모드, 방전 시 양극방향 펄스 발생 모드 및 방전 시 음극방향 펄스 발생 모드일 때 형성되는 회로경로를 예시하는 개략도이다.
도 3d는 본 발명에 따른 고전압 펄스발생회로의 출력 전압 및 출력 전류의 펄스 파형을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 PEF 챔버의 구성을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 5a 내지 도 5c는 각각 본 발명에 따른 초음파 가습기의 사시도, 측면 중앙을 따라 절개한 단면도 및 정면 중앙을 따라 절개한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 초음파 가습기의 내부 부품들의 배치 위치를 확인하기 위한 분해 사시도도이다.
도 7은 본 발명에 따른 고전압 펄스발생기를 이용한 초음파 가습기의 구동방법에 대한 동작 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 PEF 처리에 의해 살균 시험한 결과를 나타내는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
고전압 펄스 전기장(PEF) 기술은 일반적으로 전기장의 강도 및 투입 에너지에 따라 미생물 세포에 스트레스 반응 유도(0.5∼1.5 kV/cm, 0.5∼5 kJ/kg), 세포의 전기투과(electropermeabilisation)(0.7 kV/cm, 1∼10 kJ/kg), 동식물 세포의 물질 전달 향상(0.7∼3.0 kV/cm, 1.0-20 kJ/kg), 미생물 불활성화(15∼40 kV/cm, 40∼1,000 kJ/kg), 슬러지 분해(sludge disintegration)(10-20 kV/cm, 50∼200 kJ/kg) 등의 반응 특성 범위를 갖는다.
본 발명에서는 물을 초음파 진동방식으로 미세 입자화하기 전에 저온 살균을 실시하도록 수조로부터 PEF 챔버로 도입된 물에 물속에 있는 미생물을 살균 또는 비활성화시키는 데 필요한 적정한 고전압 펄스 전기장(PEF)을 인가하여 저온 살균시킨다.
상기 PEF 처리 기술은 매우 짧은 고전압 펄스를 대향한 양전극 사이에 채워진 물에 인가하여 저온 살균에 상당한 효과를 가지게 하는 살균 방법으로서, PEF에 의한 미생물의 불활성화는 처리 중 온도가 거의 상승하지 않고 처리시간이 짧으며 연속처리가 가능하고, 처리 후 물리화학적 특성이 거의 변하지 않는다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 고전압 펄스 전기장(PEF)을 이용한 저온 살균시스템을 구비한 초음파 가습기의 전체 구성을 보여주는 개략 블록도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 초음파 가습기(100)는 하우징(40)(도 5a 내지 도 5c 참조) 내부에 물이 수용된 수조(41), 수조(41)의 바닥에 설치되어 수조 내부에 채워진 물의 양이 설정수위 이하로 떨어지는 것을 감지하기 위한 수위센서(12), 상기 수조(41)로부터 PEF 챔버(20)로 도입된 물을 고전압 펄스 전기장(PEF)을 이용하여 저온 살균하는 저온 살균 시스템(50), 상기 수조(41)로부터 PEF 챔버(20)로 공급되는 물의 유량을 조절하기 위한 유량조절기(13) 및 초음파 진동자를 구비하고 상기 PEF 챔버(20)를 통과하면서 살균된 물을 초음파 진동방식으로 미세 입자화하여 발생되는 미스트를 하우징 외부로 분무하는 초음파 진동자 모듈(30)을 구비하고 있다.
또한, 가습기(100)에는 가습기(100)가 설치되는 실내 장소의 상대습도를 얻기 위해 절대습도와 대기온도를 측정하기 위한 습온센서(11), 사용자와의 인터페이스를 담당하도록 입력장치(10a)와 디스플레이(10b)를 구비하는 사용자 인터페이스(10) 및 인쇄회로기판(PCB)(18b)에 실장되어 가습기의 전체적인 제어를 담당하는 제어부(17)가 구비되어 있다.
사용자 인터페이스(10)는 하우징(40)의 전면에 배치되며, 입력 키와 같은 입력장치(10a)는 예를 들어, 사용자가 희망하는 '희망습도'를 입력하는 데 이용되고, 예를 들어, LCD와 같은 디스플레이(10b)는 가습기(100)의 작동에 따라 습온센서(11)에 의해 측정된 실내의 '현재 상대습도' 등을 표시하는 데 이용된다.
또한, 하우징(40)의 전면에는 가습기(100)의 작동에 사용되는 동작버튼(19)이 설치되어 있다.
본 발명에 따른 상기 저온 살균 시스템(50)은 기본전원으로 예를 들어, 220V AC를 사용할 수 있으며, 이를 직류로 변환하는 직류전원장치(15), 직류 고전압 전원장치(16), 제어부(17), 고전압 펄스발생회로(180) 및 PEF 챔버(20)를 포함한다.
상기 직류전원장치(15)는 220V AC 교류 전원을 받아 정류를 통해 직류로 변환하여 5VDC에서 20VDC 범위의 동작 전원을 제어부(17)에 공급한다.
상기 직류 고전압 전원장치(16)는 220V AC 교류 전원을 받아 전파 정류를 통해 300VDC에서 10kVDC 범위의 전원을 고전압 펄스발생회로(180)에 공급한다.
상기 제어부(17)는 예를 들어, 가습기의 제어 시스템을 전체적으로 제어하기 위한 시스템 제어 프로그램이 내장된 메모리장치를 내장한 마이콤(MICOM)이나 별도의 메모리장치를 구비하는 마이크로프로세서(microprocessor), 프로그래밍 가능한 논리 소자나 어레이(programmable logic array), 마이크로컨트롤러, 신호 처리기, 또는 이들의 일부 또는 전부를 포함하는 조합일 수 있다.
상기 제어부(17)는 습온센서(11)를 이용한 주변 절대습도 및 대기온도 측정에 기초한 상대습도 표시, 수평(지면 접촉) 센서를 구비하고 장비의 순간적 기울어짐을 감지하며 과전류 및 과전압 등 전기적 안전을 감지하는 안전 보호회로(14)를 이용한 상태 측정, 수위센서(12)를 통한 수조 내부에 내장된 수위 측정, 유량조절기(13)를 통한 PEF 챔버(20)를 통과하는 유량 조절이 프로그램 가능하다.
또한, 상기 제어부(17)는 고전압 펄스발생회로(180)의 PEF 세기, 펄스형태, 펄스폭, 펄스 주기 또는 반복율, 펄스 극성을 프로그램 가능하기 때문에 전체 시스템 동작을 효과적으로 제어 가능하다. 또한, 상기 제어부(17)는 직류 고전압전원장치(16)의 초기 동작시 과도 상태가 안정화되도록 제어할 수 있다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 PEF 챔버의 구성을 보여주는 사시도이다.
상기 PEF 챔버(20)는, 도 4에 표기된 바와 같이 절연체로 이루어지며 내부에 챔버를 형성하는 몸체(21), 상기 몸체(21) 내부에 간격을 두고 배치된 양전극(Anode)(24) 및 음전극(Cathode)(25)를 구비하며, 상기 몸체(21)에는 일측에는 물 인입부(22)가 형성되고, 타측에는 물 인출부(23)가 형성되어 있다.
물 인입부(22)는 수조(41)와 도입관로(13b)를 통하여 연결되어 살균이 이루어질 물이 도입되며, 물 인출부(23)는 초음파 진동자 모듈(30)과 배출관로를 통하여 연결되며, PEF 챔버(20)에서 살균된 물을 미스트 수조(42)로 공급한다.
상기 유량조절기(13)는 각각 수조(41)와 물 인입부(22) 사이의 도입관로(13b)에 설치되며, 제어부(17)로부터의 서보 제어에 따라 전자적으로 개폐가 원격적으로 제어가 이루어질 수 있는 볼 밸브, 모터를 내장하고 제어부(17)로부터의 모터 제어에 따라 펌핑이 이루어지는 워터펌프(13c) 및 관로를 통과하는 유량을 측정하여 제어부(17)로 유량 데이터 신호를 전송하는 유량계(도시되지 않음)를 포함한다.
상기 유량조절기(13)는 제어부(17)로부터의 제어에 따라 상기 수조(41)로부터 PEF 챔버(20)로 공급되는 물의 유량을 조절한다.
이 경우, 제어부(17)는 사용자가 희망하는 '희망가습속도'에 따라 PEF 챔버(20)로 공급되는 물의 '요구 유속'을 도출하고, 유량계로부터 검출된 '현재 유속'을 수신하여 '요구 유속'과 '현재 유속'이 일치하도록 워터펌프(13c)를 작동시킬 수 있다.
또한, 몸체(21)의 대향한 양측에는 각각 스테인레스 재질로 이루어지며 소정의 면적을 갖도록 판형상으로 이루어진 양전극(Anode)(24)과 음전극(Cathode)(25)이 몸체(21) 내측에 간격(d)을 두고 결합되어 있다.
상기 PEF 챔버(20)는 유량조절기(13)의 작동에 따라 음전극(Cathode)(25)과 양전극(Anode)(24) 사이에 형성된 채널(CH)로 수조(41)의 물이 인입 및 인출되며, 음전극(Cathode)(25)과 양전극(Anode)(24) 사이의 채널(CH)에 채워진 물에 고전압 펄스가 효과적으로 인가되도록 설계되어 있다.
상기 PEF 챔버(20)는 높고 균일한 전기장을 처리할 물질에 인가하기 위해서는 처리될 물질의 크기보다 전극의 면적을 크게 설계하며, 전극은 전류 통전에 따라 재질이 용액으로 흘러나오는 것을 최소화할 수 있도록 열적으로 안정한 재질을 선택하는 것이 요구된다.
상기 양전극(24)과 음전극(25) 사이의 채널(CH)은 ‘d[cm]’만큼 이격되어 있으며, 이 공간은 인입된 물로 채워진다. 양전극(24)과 음전극(25)에 첨두전압(Peak Voltage)이 ‘V[kV]’인 고전압 펄스를 인가하면 펄스전기장(PEF)이 ‘V/d [kV/cm]’만큼 형성되어 채널(CH)에 채워진 물에 가해진다.
본 발명에 따른 PEF 챔버(20)는 양전극(24)과 음전극(25) 사이의 간격(d)이 예를 들어, 1 mm에서 5 mm 범위, 바람직하게는 2 mm로 설정된다. 상기 양전극(24)과 음전극(25) 사이에 인가되는 펄스전기장(PEF)의 세기가 3 kV/cm 이상이고, 양전극(24)과 음전극(25) 사이의 간격(d)이 상기 거리로 설정될 때, 살균 효과를 극대화할 수 있다.
상기 양전극(24)과 음전극(25) 사이의 간격(d)이 1 내지 5mm 범위를 벗어나는 경우, 양전극(24)과 음전극(25) 사이의 채널(CH)을 통과하여 흐르는 물에 와류가 발생하고, 이에 따라 물에 공기가 형성되면 물을 통한 아크 방전이 발생할 수 있다. 상기한 아크 방전이 발생하면 살균 효과를 극대화할 수 없게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 PEF 챔버(20)는 양전극(24)과 음전극(25) 사이의 적정한 간격(d)을 설정함에 따라 채널(CH)을 통과하여 흐르는 물의 살균 효과를 극대화시키고 공기가 형성되어 물을 통한 아크 방전이 발생되지 않도록 흐르는 물의 와류가 최소화되고 균일한 고전압 펄스전기장(PEF)이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 고전압 펄스발생기(18)는 PEF 챔버(20)의 양전극(24)과 음전극(25) 사이에 10 마이크로초(μs)에서 1,000 마이크로초(μs) 범위의 펄스폭을 가진 구형파 형태의 양방향 펄스를 인가한다. 그 결과, 고전압 펄스발생기(18)는 양전극(24)과 음전극(25) 사이의 물 부하에 3 kV/cm에서 50 kV/cm 범위, 바람직하게는 10 kV/cm의 높은 고전압 펄스전기장(PEF)이 형성되게 하며, 양방향 펄스의 반복율은 1 Hz에서 100 Hz 범위로 설정되며 PEF 챔버(20)에 연속적으로 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 고전압 펄스발생기(18)는 이하에 후술하는 바와 같이 양전극(24)과 음전극(25) 사이의 채널(CH)을 통과하여 흐르는 물 부하에 3 kV/cm에서 50 kV/cm 범위의 매우 짧고 높은 고전압 펄스를 인가함에 의해 물을 저온 살균할 수 있다.
즉, 펄스전기장(PEF)의 세기가 예를 들어, 3 kV/cm 이상인 경우, 물 속에 존재하는 대부분의 미생물 보호막은 전기 천공(Electroporation)이 발생하여 파괴되거나 사멸되어 비활성화가 달성된다.
펄스전기장(PEF)의 세기가 높아지면 PEF 챔버(20)의 유속과 양전극(24)과 음전극(25) 사이의 간격(d)이 증가할지라도 살균이 이루어질 수 있는 점은 이점이 있으나, 고전압 펄스 전기장(PEF)을 발생하기 위한 고전압 펄스발생기의 구성 단수가 증가시켜야 하는 부담이 증가한다.
이러한 고전압 펄스 전기장(PEF)을 이용한 미생물의 불활성화는 처리 중 온도가 거의 상승하지 않고 처리시간이 매우 짧으며 연속처리가 가능하고, 처리 후 물리화학적 특성의 변화가 발생하지 않는다.
더욱이, 본 발명에서는 PEF 챔버(20)의 2전극 사이에 인가되는 고전압 펄스 전기장(PEF)을 양방향으로 교대로 인가함에 의해 PEF 챔버(20)를 통과하는 물의 살균력을 증대할 수 있다.
또한, 상기 실시예 설명에서는 저온 살균 시스템(50)의 PEF 챔버(20)에 평판형(planar geometry)으로 이루어진 양극 및 음극을 채용한 것을 예시하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 저압측 전극이 고압측 전극을 둘러싸는 동축형(coaxial geometry) 형태 또는 코리니어형(collinear geometry) 형태로 이루어진 것을 채용할 수 있다.
이하에 도 2 및 도 3a 내지 도 3d를 참고하여 본 발명에 따른 고전압 펄스발생기를 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 4단 구성의 고전압 펄스발생회로의 구성을 보여주는 회로도이다.
상기 고전압 펄스발생기(18)는, 도 2에 도시한 바와 같이 단상 AC 220V 상용전원을 기초 전원으로 사용하며, 기초 전원을 고전압 직류전원으로 전환하는 직류고전압 전원장치(16)와 고전압 펄스를 발생시키는 고전압 펄스발생회로(180)로 구성된다. 상기 고전압 펄스발생회로(180)는 반도체로 집적 가능한 회로 구성을 가지며 막스(MARX) 제너레이터에 기반을 두고 있다.
상기 고전압 펄스발생기(18)의 출력은 부하인 PEF 챔버(20)에 인가된다.
도 2에 도시된 고전압 펄스발생회로(180)는 예를 들어, 4단 구성으로 이루어지며, 5개의 에너지 충전용 제1 내지 제5 커패시터(C1~C5)가 병렬로 접속되고, 인접한 제1 내지 제5 커패시터(C1~C5)의 양단자 사이에는 각각 제1 내지 제8 충전 저항(R1~R8)이 삽입되어 있으며, 상호 병렬접속되는 대향한 제1 내지 제8 충전 저항(R1~R8)의 저항쌍 사이에는 반도체 스위칭 소자로서 역할을 하는 P형 및 N형 스위칭 트랜지스터(181~188)가 크로스 형태로 연결되어 있다.
즉, 상기 제1 내지 제8 충전 저항(R1~R8) 중 대향하여 배치된 복수 쌍의 충전 저항(즉, 제1 및 제2 충전 저항(R1,R2); 제3 및 제4 충전 저항(R3,R4); 제5 및 제6 충전 저항(R5,R6); 제7 및 제8 충전 저항(R7,R8))은 상기 제1 내지 제5 커패시터(C1~C5)에서 인접한 한쌍의 커패시터(즉, 제1 및 제2 커패시터(C1,C2); 제2 및 제3 커패시터(C2,C3); 제3 및 제4 커패시터(C3,C4); 제4 및 제5 커패시터(C4,C5))의 일측단자 사이와 타측단자 사이에 각각 삽입되어 있다.
또한, 상기 스위칭 트랜지스터(181~188) 중 복수 쌍의 스위칭 트랜지스터(P형 및 N형 스위칭 트랜지스터(181,185; 182,186; 183,187; 184,188))는 상기 제1 내지 제5 커패시터(C1~C5)에서 인접한 한쌍의 커패시터(즉, 제1커패시터(C1)와 제2커패시터(C2); 제2커패시터(C2)와 제3커패시터(C3); 제3커패시터(C3)와 제4커패시터(C4); 제4커패시터(C4)와 제5커패시터(C5))의 일측단자 사이와 타측단자 사이에 각각 양단자가 크로스 형태로 삽입되어 있다.
상기 P형 및 N형 스위칭 트랜지스터(181~188)는 고전압 스위칭이 이루어질 수 있도록 예를 들어, 금속 산화막 반도체 전계효과트랜지스터(MOSFET) 또는 절연게이트바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 구성될 수 있다. 상기 스위칭 트랜지스터(181~188)는 특히 탄화규소 전계 효과 트랜지스터(SiC-MOSFET)를 이용하는 것이 바람직하다. SiC-MOSFET는 Si 계열 반도체에 비해 특성이 매우 좋아 고전압, 고속 스위칭 등에 매우 유리하다.
또한, 각 전계효과트랜지스터의 드레인과 소오스 사이에는 전계효과트랜지스터를 보호하기 위한 다이오드가 병렬접속되어 있다.
상기 P형 스위칭 트랜지스터(181~184)는 양극 방향 구형파 발생 시에 사용되며, 상기 N형 스위칭 트랜지스터(185~188)는 음극 방향 구형파 발생 시에 사용된다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 도 2에 도시된 고전압 펄스발생회로의 충전 모드, 방전 시 양극방향 펄스 발생 모드 및 방전 시 음극방향 펄스 발생 모드일 때 형성되는 회로경로를 예시하는 개략도이며, 도 3d는 본 발명에 따른 고전압 펄스발생회로의 출력 전압 및 출력 전류의 펄스 파형을 나타낸다.
상기 P형 및 N형 스위칭 트랜지스터(181~188)는 상기 제어부(17)로부터 게이트 단자로 방전제어신호가 인가됨에 따라 도 3b 및 도 3c와 같이 턴-온되어 단락상태로 설정되어 방전경로를 형성한다.
도 3a는 도 2에 도시된 고전압 펄스발생회로(180)의 충전 모드를 예시하는 개략도이다.
충전 모드일 때는 상기 P형 및 N형 스위칭 트랜지스터(181~188)는 모두 개방상태로 설정되어 있으며 직류고전압 전원장치(16)에서 공급되는 전압 V‘[kV]’이 제1 내지 제8 충전 저항(R1~R8)을 통하여 병렬접속된 제1 내지 제5 커패시터(C1~C5) 각각에 도 3a에 보여준 바와 같이 충전된다.
도 3b는 도 3a에 도시된 고전압 펄스발생회로(180)의 방전 시 양극방향 펄스 발생 모드를 예시하는 개략도이다.
도 3a에서 설명된 충전 모드가 완료되면, 도 3b와 같이 양극방향 구형파를 형성하기 위해 제어부(17)로부터 양극방향 스위치인 P형 스위칭 트랜지스터(181~184)의 게이트 단자로 동시에 제1방전제어신호를 인가하여 P형 스위칭 트랜지스터(181~184)를 통전시킨 후 지정된 펄스폭 이후에 개방시킨다. 이 때, 도 3b는 음극방향 스위치인 N형 스위칭 트랜지스터(185~188)는 계속 개방 상태를 유지하는 방전 등가회로이다.
또한 방전 시간인 펄스폭은 도 3a에서 필요한 충전 시간에 비해 매우 짧게 설계되며 방전 시간 동안 제1, 제3, 제5, 제7 충전 저항(R1,R3,R5,R7)을 통하여 제2 내지 제5 커패시터(C2~C5)에 충전되는 전하는 매우 적고 무시할 수 있는 양이다.
따라서, 방전 시간 동안 제1, 제3, 제5, 제7 충전 저항(R1,R3,R5,R7)은 개방 상태로 볼 수 있다. 예시된 4단 구성의 고전압 펄스발생회로(180)인 경우 부하인 PEF 챔버(20)의 양전극(24)에는 제1 내지 제4 커패시터(C1~C4)의 양극이 직렬로 연결되어 충전 전압 '+ 1' [kV]의 4배인 양극방향 '+ 4' [kV]가 인가된다.
도 3c는 도 3a에 도시된 고전압 펄스발생회로(180)의 방전 시 음극방향 펄스 발생 모드를 예시하는 개략도이다.
도 3c는 도 3b와 유사하나 음극방향 구형파를 발생시키기 위해 제어부(17)로부터 음극방향 스위치인 N형 스위칭 트랜지스터(185~188)의 게이트 단자로 동시에 제2방전제어신호를 인가하여 N형 스위칭 트랜지스터(185~188)를 통전시킨 후 지정된 펄스폭 이후에 개방시키고, P형 스위칭 트랜지스터(181~184)는 계속 개방 상태를 유지하는 방전 등가회로이다.
예시된 4단 구성의 고전압 펄스발생회로(180)인 경우 부하인 PEF 챔버(20)의 음전극(25)에는 제2 내지 제5 커패시터(C2~C5)의 음극이 직렬로 연결되어 충전 전압 '- 1' [kV]의 4배인 음극방향 '- 4' [kV]가 인가된다.
직류고전압 전원장치(16)로부터 고전압 직류전원을 이용하여 각 단의 제1 내지 제5 커패시터(C1~C5)는 제1 내지 제8 충전 저항(R1~R8)을 통하여 병렬로 충전된다.
충전이 완료되면 제어부(17)는 반도체 스위치인 P형 또는 N형 스위칭 트랜지스터(181~188)를 교대로 동작시키는 제1 및 제2 방전제어신호를 교대로 발생시켜 P형 또는 N형 스위칭 트랜지스터(181~188)를 교대로 동시에 턴-온/턴-오프시킴으로써 양방향 고전압 구형파를 발생시키게 된다.
도 3d는 본 발명에 따른 고전압 펄스발생회로의 출력 전압 및 출력 전류의 펄스 파형을 나타낸다.
고전압 펄스발생회로(180)의 출력 전압 및 출력 전류의 펄스 파형은 고전압 펄스발생회로(180)의 저항 부하를 대상으로 하기 때문에 전압과 전류의 파형은 도 3d에 도시된 바와 같이 동일하다.
고전압 펄스발생회로(180)의 펄스 출력은 버스트 모드(Burst Mode)로 발생된다. 도 3d에 예시된 버스트의 폭은 2 밀리초 (ms)이며 버스트의 주기는 100 밀리초(ms)이다. 도 3d에 예시된 한 개의 버스트 내에는 양극방향과 음극방향이 교차 발생되어 형성된 펄스쌍이 10개 포함된다. 도 3d에 예시된 펄스쌍의 각 방향 펄스의 폭은 10 마이크로초(μs)이며 각 방향 펄스 간 간격은 10 마이크로초(μs)이다. 도 3d에 예시된 펄스쌍의 주기는 200 마이크로초(μs)이다. 도 3d에 예시된 펄스의 전압 진폭은 3 kV, 전류 진폭은 40 A이다.
이 경우 가습기(100)의 수조(41)로부터 PEF 챔버(20)에 공급된 물의 상태에 따라 펄스의 전압과 전류 진폭은 변화될 수 있다.
도 3d는 고전압 펄스발생회로(180)의 출력 전압 또는 전류의 펄스 파형을 구체적으로 예시하고 있으나, 펄스 파형의 사양은 다르게 발생될 수 있다. 더 상세하게 그 변화를 설명하면, 버스트의 폭은 최소 30 마이크로초(μs)에서 2 밀리초(ms)의 범위를 가지며, 버스트의 주기는 10 밀리초(ms)에서 1초(s) 범위를 가질 수 있다.
도 3d를 참고하면, 본 발명에 따른 고전압 펄스발생회로(180)의 버스트는 98 밀리초(ms)의 충전기간과 2 밀리초(ms)의 방전기간의 조합으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 버스트의 주기가 1초(s) 범위로 설정되는 경우, 수조(41)로부터 PEF 챔버(20)로 공급된 물이 길이방향으로 길게 대향 배치된 양전극(Anode)(24)과 음전극(Cathode)(25)을 통과할 때, 대향 전극의 입구에서 출구를 통과하는 데 걸리는 시간은 버스트 주기 1초(s)보다 더 길게 이루어지도록 유량조절기(13)에 의한 유속을 설정하는 것이 바람직하다. 즉, PEF 챔버(20)를 통과하는 물이 충분히 살균될 수 있도록 상기 버스트 주기는 물이 대향 전극을 통과하는 데 걸리는 시간보다 짧게 설정되는 것이 바람직하다.
버스트 내에 포함되는 펄스쌍의 수는 1개에서 10개의 범위로 설정될 수 있다. 펄스쌍의 각 방향 펄스의 폭은 10에서 1,000 마이크로초(μs) 범위로 설정될 수 있다. 펄스쌍 내 각 방향 펄스 간 간격은 10에서 100 마이크로초(μs) 범위로 설정될 수 있다. 펄스쌍의 주기는 200에서 2,000 마이크로초(μs) 범위로 구성될 수 있다. 양극 방향 펄스의 전압 진폭은 동일하게 0.5 kV에서 10 kV 범위이며 전류 진폭은 동일하게 1.0 A에서 100A 범위이다.
도 3d에 도시된 실시예에서는 펄스쌍의 주기가 200 마이크로초(μs) 범위로 구성될 때, 펄스쌍의 각 방향 펄스의 폭은 10 마이크로초(μs), 펄스쌍 내 각 방향 펄스 간 간격은 10 마이크로초(μs), 인접한 펄스쌍 사이의 간격이 170 마이크로초(μs)의 범위로 설정된 것을 나타낸 것이다.
이에 따라 본 발명의 고전압 펄스발생회로(180)는 10 마이크로초 (μs)에서 1,000 마이크로초 (μs) 범위의 펄스폭을 가진 구형파 형태의 양방향 펄스를 1 Hz에서 100 Hz 범위의 반복율로 PEF 챔버(20)에 연속적으로 공급 가능하다. 제어부(17)는 발생시키는 고압 펄스의 펄스폭과 발생 주기를 프로그램 가능하다.
상기한 실시예 설명에서 고전압 펄스발생회로(180)는 4단 구조로 이루어진 것을 예시하고 있으나, PEF 챔버(20)에 인가되는 펄스전기장(PEF)의 세기에 따라 단수가 결정될 수 있다.
이하에 상기한 저온 살균 시스템(50)을 이용하여 구성된 본 발명에 따른 가습기(100)를 도 5a 내지 도 6을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 가습기(100)는 예를 들어, 육면체 형상의 하우징(40) 내부에 각종 구성부품이 내장되어 있으며, 하우징(40)의 최하부에 전원장치(15,16)와 고전압 펄스발생기(18) 등이 실장된 인쇄회로기판(18b)이 배치되고, 그 위에 유량조절기(13)를 형성하는 워터펌프(13c)가 배치되며, 최상부의 후방에 수조(41)가 배치되고 전방에 초음파 진동자 모듈(30)이 하측에 구비된 미스트 수조(42)가 배치되어 있다.
하우징(40)의 상부에 착탈 가능하게 결합되는 커버(43)에는 초음파 진동자 모듈(30)의 초음파 진동에 의해 살균 처리한 물을 미세 입자화시켜 생성된 미스트를 방출하는 복수개의 슬릿(44)이 형성되어 있다.
하우징(40)의 전면에는 가습기(100)의 작동에 사용되는 동작버튼(19)이 설치되어 있고, 그 하측에는 사용자와의 인터페이스를 담당하는 디스플레이(10b)와 입력장치(10a)가 설치되어 있다.
하우징(40)의 최하부에 배치된 인쇄회로기판(18b)에는 전원장치(15,16), 제어부(17), 고전압 펄스발생기(18) 등을 구성하는 각종 전자 부품이 실장되어 있으며, 상기 인쇄회로기판(18b)은 'U'자형 선반(18c)의 바닥과 간격을 두고 고정되어 있다. 선반(18c)은 양측면에 제3 및 제4 지지대(40c,40d)의 하단부가 연결되어 있으며, 제3 및 제4 지지대(40c,40d)는 각각 하우징(40)의 내측 벽에 고정되어 있다.
상기 인쇄회로기판(18b)의 상부에는 인쇄회로기판(18b)에 실장된 각종 부품을 보호/격리하기 위한 제어부 케이싱(18a)이 결합되어 있다.
제어부 케이싱(18a)의 상부에는 유량조절기 케이싱(13a) 내부에 유량조절기(13)를 형성하는 워터펌프(13c)가 배치되어 있고, 워터펌프(13c)는 제어부(17)의 제어에 따라 수조(41)의 하부와 연결된 도입관로(13b)를 통하여 유입되는 물을 PEF 챔버(20)의 물 인입부(22)로 펌핑하는 역할을 한다.
또한, 하우징(40) 상부의 내측 벽에는 양측면에 제1 및 제2 지지대(40a,40b)가 부착되어 있으며, 제1 및 제2 지지대(40a,40b)는 수조(41)의 플랜지를 받치는 역할을 한다.
하우징(40) 상부의 전방에는 초음파 진동자 모듈(30)이 하측에 구비된 미스트 수조(42)가 배치되어 있으며, 미스트 수조(42)에는 PEF 챔버(20)에서 살균이 이루어진 물이 공급된다.
초음파 진동자 모듈(30)은 예를 들어, 역압전 효과에 의해 진동을 발생하는 피에조(Piezo) 진동자(31)를 이용하여 초음파 진동을 발생시키도록 구성될 수 있으며, 제어부(17)의 제어에 따라 피에조 진동자(31)를 작동시키는 피에조 제어기(32)가 구비되어 있다.
또한, 초음파 진동자 모듈(30)의 작동에 따라 미스트 수조(42)에서 발생되는 미스트(즉, 미세 물 입자)는 블로어 팬(도시되지 않음)의 구동에 따라 팬덕트(33)를 통하여 커버(43)에 형성된 복수개의 슬릿(44)을 통해 가습기(100) 외부로 분무된다.
더욱이, 상기 미스트 수조(42)에는 PEF 챔버(20)에서 공급된 살균이 이루어진 물이 미리 설정된 수위를 유지하는 것이 필요하며, 이를 고려하여 광학식 수위센서(도시되지 않음)가 설치될 수 있다.
이하에 도 7을 참고하여 본 발명에 따른 고전압 펄스 전기장 발생장치를 이용한 초음파 가습기의 구동방법을 설명한다.
가습기(100)에 전원이 공급되어 시스템이 동작을 시작하면 제어부(17)는 전기적, 기계적 안전보호회로(14)가 정상인지 확인하게 된다(S11). 만약 문제가 있으면 사용자 인터페이스(10)의 디스플레이(10b)에 "에러(Error)"를 표시하고(S12), 만약 문제가 없으면 "준비완료(READY)!!!"를 표시한다.
그 후, 사용자가 동작버튼(19)을 눌러서 가습기(100)의 정상 동작을 개시시키면, 제어부(17)는 디스플레이(10b)에 "워터펌프 작동(Water Pumping)"을 표시하면서 시스템은 습온센서(11)에 의해 절대습도와 대기온도를 측정한 후 이에 기초하여 상대 습도를 도출한다(S13).
그 후 도출된 '현재 상대 습도'와 사용자가 사용자 인터페이스(10)의 입력장치(10a)를 통하여 입력한 '사용자 희망습도'를 비교하여, '현재 상대 습도'가 '사용자 희망습도'에 도달되었는지 제어부(17)는 판단한다(S14).
판단결과, '현재 상대 습도'가 '사용자 희망습도'에 도달하지 않은 경우, 습도를 상승시키기 위해 저온 살균 시스템(50)을 가동시킨다(S17).
제어부(17)는 워터펌프(13c)에 구비된 모터를 회전(고속) 구동시켜서 수조(41)의 물을 PEF 챔버(20)로 공급하여 PEF 살균(고속)을 개시시킨다. 즉, PEF 챔버(20)는 수조(41)에서 공급되는 물속에 있는 미생물을 살균 또는 비활성화시킨다. 그 후 PEF 챔버(20)에서 PEF 살균(고속) 처리된 물은 워터펌프(13c)의 동작에 따라 상측에 위치한 미스트 수조(42)로 퍼 올려진다.
미스트 수조(42)에 공급되는 물이 미리 설정된 수준으로 채워지면, 광학식 수위센서가 이를 검출하여 제어부(17)로 전송하며, 제어부(17)는 초음파 진동자 모듈(30)의 피에조 제어기(32)에 구동신호를 전송한다. 이에 따라 피에조 제어기(32)는 피에조 진동자(31)를 작동시켜 미스트 수조(42)에 초음파 진동을 전달함에 의해 미스트 수조(42)에서 미스트를 발생시킨다(S18). 발생된 미스트는 블로어 팬의 구동에 따라 팬덕트(33)를 통하여 커버(43)에 형성된 복수개의 슬릿(44)을 통해 실내로 분무되며, 이와 동시에 디스플레이(10b)에는 "미스트 분무 중(MIST RUNNING)" 표시가 이루어진다.
분무 개시 이후에 제어부(17)는 워터펌프(13c)에 구비된 모터를 저속으로 구동시켜서 수조(41)의 물을 PEF 챔버(20)로 저속으로 공급하며 PEF 살균되는 물은 미스트 수조(42)로 공급한다.
그 후 실내로 미스트가 분무됨에 따라 실내 습도가 상승하며, 그 결과 희망습도까지 도달하게 된다.
그 후, 저온 살균 시스템(50)과 초음파 진동자 모듈(30)의 작동에 따라 검출된 '현재 상대 습도'가 '사용자 희망습도'에 도달한 것으로 제어부(17)가 판단하게 되면(S14), 제어부(17)는 저온 살균 시스템(50)과 초음파 진동자 모듈(30)의 작동을 정지시키고(S15a,S15b), 사용자 인터페이스(10)의 디스플레이(10b)에 "대기"를 표시한다(S16).
한편, 사용자가 다시 동작버튼(19)을 누르면 제어부(17)는 디스플레이(10b)에 "READY!!!"가 표시되게 하고, 워터펌프(13c)에 구비된 모터를 구동 정지시킨다. 이에 따라 수조(41)의 물을 PEF 챔버(20)로 공급하는 것을 중지시키고 PEF 살균도 중지시킨다.
이 상태에서 사용자가 다시 동작버튼(19)을 누르면 제어부(17)는 가습기(100)의 동작을 재개시키며 디스플레이(10b)에 "Water Pumping"을 표시하면서 상대 습도를 검출하고(S13), '사용자 희망습도'를 비교하여, '현재 상대 습도'가 '사용자 희망습도'에 도달되었는지 여부를 판단한다(S14).
끝으로 가습기(100)의 제어부(17)는 전원이 차단되는 것을 검출하여(S19), 'Power Off'인 경우, 시스템 동작을 중단한다. 이 경우, 필요에 따라 'Power Off'는 디스플레이(10b)에 시스템이 "READY!!!"인 상태에서 진행하도록 구성될 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 바탕으로 PEF 처리의 살균 효과를 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 고전압 펄스발생기와 PEF 챔버를 구비한 저온 살균 시스템에서 PEF 처리에 의해 물속에 함유된 미생물의 살균 효과를 확인하기 위해 집락형성능(CFU: Colony Forming Units)을 측정하는 시험을 실시하였다.
(비교예 1)
비교예 1의 시료1(SAM1)은 균주로서 대장균(E. coli KCCM 40271) 원액을 106 : 1로 희석한 시료액 0.2ml를 고체 배지 위에 뿌린 후 평판도말(Spreading)하고, 35 ℃ 온도의 인큐베이터에서 24시간 배양하고 배양된 결과를 도 8에 도시하며 성장한 집락의 수를 측정하여 집락형성능을 계산하였다.
(실시예 1)
실시예 1의 시료2(SAM2)는 비교예 1의 시료1(SAM1)와 동일하게 106 : 1로 희석한 시료액을 PEF 챔버를 통과시킨 후 얻어진 PEF 처리 시료액을 비교예 1과 동일하게 배양하고 배양된 결과를 도 8에 도시하며 성장한 집락의 수를 측정하여 집락형성능을 계산하였다.
시료액이 PEF 챔버를 통과할 때 PEF 처리 조건은 300 ml/hr 유속, 전계세기 3 kV/cm, 양방향 펄스 각 1 ms 펄스폭, 펄스간 간격 15 μs, 버스트내 단 펄스, 버스트 주기 6 Hz이다.
(비교예 2)
비교예 2의 시료3(SAM3)은 균주로서 대장균(E. coli KCCM 40271) 원액을 105 : 1로 희석한 시료액을 비교예 1과 동일하게 배양하고 배양된 결과를 도 8에 도시하며 성장한 집락의 수를 측정하여 집락형성능을 계산하였다.
(실시예 2)
실시예 2의 시료4(SAM4)는 비교예 2의 시료3(SAM3)와 동일하게 105 : 1로 희석한 시료액을 PEF 챔버를 통과시킨 후 얻어진 PEF 처리 시료액을 비교예 1과 동일하게 배양하고 배양된 결과를 도 8에 도시하며 성장한 집락의 수를 측정하여 집락형성능을 계산하였다.
시료액이 PEF 챔버를 통과할 때 PEF 처리 조건은 실시예 1과 동일하다.
비교예 1의 시료1(SAM1)은 배양 결과 89개의 집락을 형성하였고, 비교예 2의 시료2(SAM2)는 배양 결과 1052개의 집락을 형성하였으며, 실시예 1의 시료2(SAM2)와 실시예 2의 시료4(SAM4)는 집락이 형성되지 않았다.
(집락형성능(CFU/ml) 계산)
집락형성능(CFU/ml)은 하기 수학식 1에 의해 구할 수 있다.
[수학식 1]
집락형성능(CFU/ml) = 성장한 미생물의 집락수×(1/희석 배수)×(1/접종량)
상기 수학식 1에 따라 각각의 집락형성능(CFU/ml)을 구하면 다음과 같다.
시료1(SAM1)의 집락형성능(CFU/ml) = 89×(1/106)×(1/0.2) = 4.45×108 CFU/ml
시료2(SAM2)의 집락형성능(CFU/ml) = 0×(1/106)×(1/0.2) = 0 CFU/ml
시료3(SAM3)의 집락형성능(CFU/ml) = 1052×(1/105)×(1/0.2) = 5.26×108 CFU/ml
시료4(SAM4)의 집락형성능(CFU/ml) = 0×(1/105)×(1/0.2) = 0 CFU/ml
상기한 바와 같이 비교예 1의 시료1(SAM1)과 실시예 1의 시료2(SAM2)의 집락형성능(CFU/ml)을 비교 판단할 때 본 발명에 따른 PEF 처리는 약 8 로그(log) 저감율로 살균이 이루어지고 있는 것으로 추정할 수 있다.
또한, 비교예 2의 시료3(SAM3)과 실시예 2의 시료4(SAM4)의 집락형성능(CFU/ml)을 비교 판단할 때 본 발명에 따른 PEF 처리는 약 8 로그(log) 저감율로 살균이 이루어지고 있는 것으로 추정할 수 있다.
상기 시험 결과를 종합하면, 본 발명에 따른 PEF 처리는 최소 3 로그(log)(대장균 검출 시약을 이용한 변색으로 판단한 별개의 실험 결과 비교 시)에서 최대 8 로그(log)(집락형성능 비교시)의 저감율로 살균이 이루어지고 있는 것으로 추정할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 고전압 펄스를 발생시키는 펄스발생회로(180)의 스위치를 반도체 소자로 구현할 수 있어, 소형이면서 효율적인 고전압 펄스발생기(18)를 제공할 수 있고, 또한, 소형의 고전압 펄스발생기(18)와 PEF 챔버(20)를 이용하여 저온에서 미생물을 살균하고 비활성화시킬 수 있는 저온 살균 시스템(50)을 제공할 수 있으며, 살균된 물을 초음파 진동에 의해 물을 미세입자화하여 분무함에 의해 미생물 오염 및 가열로 인한 안전사고 문제를 해결할 수 있는 초음파 가습기(100)를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 와류가 없고 일정한 PEF를 인가할 수 있는 PEF 챔버(20)를 제작하여 수질 개선이 필요한 소형 시스템에 응용 가능하다.
더불어, 본 발명에서는 가습기(100)에 수위, 수량, 온습도, 전기적 및 기계적 안전보호 센서 등을 장착하고 PEF 조건을 쉽게 프로그램 가능한 제어부(17)를 제작 보급 가능하다.
결과적으로 고전압 펄스발생기(18), PEF 챔버(20), 제어부(17) 등을 이용하면 인체에 무해하고 안전한 소형 초음파 가습기(100)의 제작이 가능하다.
본 발명에서는 이러한 안전하고 무해한 초음파 가습기(100)를 제공함으로써 사용자는 안심하고 가성비가 높은 초음파 가습기(100)를 선택하여 사용할 수 있으며, 그 결과 경제적인 이득과 심리적인 이득을 동시에 얻을 수 있다.
본 발명은 소형 초음파 가습기 뿐만 아니라 대형 산업용 초음파 가습기에도 응용 가능하며 가성비 높은 무해하고 안전한 제품을 제공하여 사용자의 만족도를 높이는 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 첨단 PEF 기술은 수처리 및 동식물 식품가공 분야에 다양한 응용이 가능하다.
상기한 실시예 설명에서는 제어부(17)로부터 방전제어신호를 발생시켜 P형 또는 N형 스위칭 트랜지스터(181~188)를 교대로 동시에 턴-온/턴-오프시킴으로써 양방향 고전압 구형파를 발생시키는 것을 예시하였으나, P형 스위칭 트랜지스터(181~184)와 N형 스위칭 트랜지스터(185~188) 중 어느 하나만을 사용하여 단방향의 고전압 구형파를 발생시키는 것도 가능하다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
본 발명은 고전압 펄스발생기와 PEF 챔버를 이용한 저온 살균 시스템에 의해 저온에서 미생물을 살균 및/또는 비활성화시킨 후 초음파 진동에 의해 물을 미세입자화하여 분무함에 의해 미생물 오염 및 가열로 인한 안전사고 문제를 해결할 수 있는 초음파 가습기, 대형 산업용 초음파 가습기에 적용될 수 있다.
10: 사용자 인터페이스 10a: 입력장치
10b: 디스플레이 11: 습온센서
12: 수위센서 13: 유량조절기
13a,18a: 케이싱 13b: 도입관로
13c: 워터펌프 14: 안전보호회로
15: 직류전원장치 16: 직류 고전압 전원장치
17: 제어부 18: 고전압 펄스발생기
18b: 인쇄회로기판 19: 동작버튼
20: PEF 챔버 21: 몸체
22: 물 인입부 23: 물 인출부
24: 양전극 25: 음전극
30: 초음파 진동자 모듈 31: 진동자
32: 피에조 제어기 33: 팬덕트
40: 하우징 40a-40d: 지지대
41: 수조 42: 미스트 수조
43: 커버 44: 슬릿
50: 저온 살균 시스템 100: 초음파 가습기
180: 고전압 펄스발생회로 181-188: 스위칭 트랜지스터
C1-C5: 커패시터 R1-R8: 충전저항

Claims (20)

  1. 상용전원을 고전압 직류전원으로 변환하는 직류고전압 전원장치; 및
    상기 고전압 직류전원을 복수배 승압시킨 양방향 구형파 고전압 펄스를 발생시키는 고전압 펄스발생회로;를 포함하며,
    상기 고전압 펄스발생회로는
    상호 병렬접속되는 에너지 충전용 복수의 커패시터;
    상기 복수의 커패시터에서 인접한 한쌍의 커패시터의 일측단자 사이와 타측단자 사이에 각각 삽입되며 대향하여 배치된 복수 쌍의 충전 저항; 및
    상기 복수의 커패시터에서 인접한 한쌍의 커패시터의 일측단자 사이와 타측단자 사이에 각각 양단자가 크로스 형태로 삽입되고, 충전모드일 때 턴-오프 상태이고 방전모드일 때 턴-온 상태로 설정되며, 서로 반대극성으로 동작되는 복수 쌍의 반도체 스위칭 소자;를 포함하는 고전압 펄스발생기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 쌍의 반도체 스위칭 소자는 각각 금속 산화막 반도체 전계효과트랜지스터(MOSFET) 또는 절연게이트바이폴라 트랜지스터(IGBT)로 이루어지는 고전압 펄스발생기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수 쌍의 반도체 스위칭 소자는 각각,
    양극 방향 구형파 발생 시에 사용되는 P형 스위칭 트랜지스터; 및
    음극 방향 구형파 발생 시에 사용되는 N형 스위칭 트랜지스터;를 포함하는 고전압 펄스발생기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충전모드일 때 복수 쌍의 반도체 스위칭 소자는 모두 턴-오프 상태이고,
    상기 방전모드로서 양극 방향 구형파 발생시에 복수 쌍의 반도체 스위칭 소자 중 P형 스위칭 트랜지스터는 턴-온 상태로 설정되고, N형 스위칭 트랜지스터는 턴-오프 상태로 설정되며,
    상기 방전모드로서 음극 방향 구형파 발생시에 N형 스위칭 트랜지스터는 턴-온 상태로 설정되고, P형 스위칭 트랜지스터는 턴-오프 상태로 설정되는 고전압 펄스발생기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고전압 펄스발생회로의 충전모드를 설정하기 위한 충전제어신호, 방전모드시에 양극 방향 구형파 발생을 위한 제1방전제어신호 및 음극 방향 구형파 발생을 위한 제2방전제어신호를 발생하는 제어부를 더 포함하며,
    상기 제어부로부터 발생되는 충전제어신호와 제1 및 제2 방전제어신호에 따라 상기 고전압 펄스의 펄스폭과 발생 주기의 프로그램이 가능한 고전압 펄스발생기.
  6. 청구항 1 내지 5 중의 어느 하나의 항에 따른 고전압 펄스발생기; 및
    챔버 내부에 대향하여 배치된 양전극과 음전극 사이에 상기 고전압 펄스가 인가되어 양전극과 음전극 사이를 통과하는 물에 고전압 펄스전기장(PEF)을 인가하여 물을 저온 살균시키는 PEF 챔버;를 포함하는 저온 살균 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 PEF 챔버의 양전극과 음전극의 배치는 평판형(planar geometry), 동축형(coaxial geometry) 및 코리니어형(collinear geometry) 중 어느 하나의 형태로 이루어진 저온 살균 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 PEF 챔버는 절연체로 이루어진 몸체 내부에 판형상의 음전극(Cathode)과 양전극(Anode)이 부착되어 있는 저온 살균 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 양전극과 음전극 사이의 간격은 1 내지 5mm 범위로 설정되는 저온 살균 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 고전압 펄스발생기는 양전극과 음전극 사이에 10 마이크로초(μs)에서 1,000 마이크로초(μs) 범위의 펄스폭을 가진 구형파 형태의 양방향 펄스를 1 Hz에서 100 Hz 범위의 반복율로 인가하며,
    상기 양전극과 음전극 사이의 물 부하에 3 kV/cm에서 50 kV/cm 범위의 고전압 펄스전기장(PEF)이 형성되는 저온 살균 시스템.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 고전압 펄스발생기의 펄스 출력은 버스트 모드(Burst Mode)로 발생되고, 버스트의 폭은 30 마이크로초(μs)에서 2 밀리초(ms)의 범위를 가지며, 버스트의 주기는 10 밀리초(ms)에서 1초(s) 범위를 갖는 저온 살균 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 버스트 주기는 물이 대향 전극을 통과하는 데 걸리는 시간보다 짧게 설정되고, 상기 버스트 폭은 방전기간에 해당되는 저온 살균 시스템.
  13. 하우징;
    상기 하우징 내부에 설치되며 물이 수용된 수조;
    상기 수조로부터 PEF 챔버로 도입된 물을 고전압 펄스 전기장(PEF)을 이용하여 저온 살균하는 저온 살균 시스템; 및
    초음파 진동자를 구비하고 상기 PEF 챔버를 통과하면서 살균된 물을 초음파 진동방식으로 미세 입자화하여 발생되는 미스트를 하우징 외부로 분무하는 초음파 진동자 모듈;을 포함하고,
    상기 저온 살균 시스템은 청구항 6에 따른 저온 살균 시스템인 초음파 가습기.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 고전압 펄스발생기의 PEF 세기, 펄스 형태, 펄스 폭, 펄스 주기 또는 반복율, 펄스 극성을 제어하기 위한 제어부를 더 포함하는 초음파 가습기.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 초음파 가습기는 미스트 수조를 더 포함하고, 상기 미스트 수조는 상기 PEF 챔버를 통과하면서 살균된 물을 수용하며, 상기 미스트 수조의 저면에는 상기 초음파 진동자 모듈이 설치되어 있는 초음파 가습기.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 수조와 PEF 챔버 사이에 설치되어 수조로부터 PEF 챔버로 공급되는 물의 유량을 조절하기 위한 유량조절기를 더 포함하는 초음파 가습기.
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