KR20020085686A - 열에너지 효율이 높은 수냉 증류식 정수장치. - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각수가 유입, 배출되는 냉각부와 원수가 유입, 배출되는 예열부가 일체화된 냉각장치를 포함하는 수냉 증류식 정수장치에 관한 것으로, 예열부에 연결된 가열부가 동작 시에 발생한 수증기의 열에너지를 예열부에서 우선 환수하게 하고 열에너지에 일부 손실이 있는 수증기를 냉각부의 외부를 통과하게 하여 효율적으로 수증기를 응축온도 이하로 응집하여 효과적으로 증류수를 생산할 수 있으며, 가열부에서 수증기가 만들어지는데 소비되는 물의 미소량만큼 비등점(100℃) 근처의 열에너지를 갖는 물방울 형태로, 물을 소량 실시간으로 가열부 보일러탱크 내에 수시 공급할 수 있어, 보일러탱크로의 원수 과다 공급으로 인한 급격한 온도변화를 최소화시킴으로써 일정 온도로 열에너지를 발산하는 발열부에 대하여 상대적으로 보일러탱크 내의 원수 온도가 지속적으로 비등점에 가까운 일정온도 이상을 유지할 수 있도록 함으로써 공급되는 열에너지 효율을 극대화하여 증류에 소요되는 열에너지 대비 산출되는 증류수의 양을 대폭 증가시킨다.

또한, 분리된 이물질이 가열부에 침착되는 것을 방지하고 수증기와 함께 기화될 수 있는 유기화합물을 제거하도록 역삼투압 필터 및 카본필터를 통과한 원수만을 유입수 밸브를 통하여 예열부로 유입시키며 역삼투막을 통과하지 못한 폐수는 냉각수 밸브를 통하여 냉각부로 유입시켜 수증기의 열을 환수한 후, 가열부로 유입되는 원수와는 분리된 냉각수 유출관을 통하여 증류식 정수장치 외부로 배출되게 구성한다.

Description

열에너지 효율이 높은 수냉 증류식 정수장치.{Water cooling distiller having high thermal energy efficiency}

본 발명은 물을 증류에 의해 정류하는 장치에 있어서, 물과 그 속에 용해되어 있는 불순물을 분리하는 단계에서 기화된 수증기를 더욱 효과적으로 냉각시키고 수증기로부터 방출되는 열에너지를 이용하여 실시간 지속적으로 유입되는 원수를 물의 비등점(100℃) 근처까지 예열시킬 수 있는 방법을 사용하여 증류수 생산에 필요한 열에너지 활용을 획기적으로 높이는 증류식 정수기 장치에 관한 것이다.

최근 수질오염이 심각해져 사람들에게 안전하고 적절하게 깨끗한 음용수를 공급하는 것은 필연적이다. 통상 고품질의 음용수를 생산하는 필터 방식에서는 물맛을 떨어뜨리거나 그렇지 않으면 물의 질을 저하시킬 수도 있는 박테리아 또는 다른 미생물을 함유할 가능성을 가지고 있으며, 물 속에 있는 미네랄의 유익성 또는유해성을 논하기 이전에 사람들은 물 속에 있는 미네랄에 기인하는 물의 불쾌한 맛 또는 냄새를 기피하고 있다.

따라서 안전하고 신선한 물을 획득하기 위한 일환으로 증류방식를 통한 음용수를 얻는 방법으로 공지된 불순물로부터 물을 증류하는 방법이 널리 쓰이고 있다.

증류는 물을 끓여 수증기를 형성한 후 그 수증기를 응축온도 이하로 냉각시키는 것을 포함하며 응축액이라 불리우는 최종 액체는 음용수로 수집한다. 종래의 수증기를 응축시키는 원리는 수증기가 통과하는 응축 주름관에 냉각 팬을 이용하여 공기를 세게 주입하여 냉각시키는 공냉방식과 냉각수가 모아져 있는 냉각수 통 안쪽으로 수증기가 지나가는 관을 원형 또는 그와 유사한 형상으로 배열하여 수증기의 열에너지를 냉각수로 환원케하고 이렇게 열에너지를 확보한 냉각수를 다시 가열장치부로 유입하여 열에너지 보존도를 높인 수냉방식이 존재한다.

종래의 열에너지 효율면에서 공냉 증류식 정수기 보다 우수하다는 수냉 증류식 정수기는 냉각수가 채워진 통 안쪽으로 수증기가 통과하는 원형의 관을 배치하고 이 관을 감싸고 있는 냉각수의 온도가 수증기가 통과하는 관과의 접촉을 통해 사전에 정해진 일정 온도이상으로 상승하게 되면 예열된 냉각수의 일부가 일정 온도의 주기에 따라 가열장치로 유입되고 나머지는 폐수로 배수되며 냉각수 통 안쪽이 비워진 만큼 다시 냉각수가 냉각수 통으로 채워지는 과정을 거치게 고안되고 있다.

미국 특허 제 4,662,102호에서는 스프링 편의된 지지 플랫폼을 갖는 증류 장치가 기재되어 있다. 물 레벨이 충분히 감소한 때, 스프링은 자동 온도 조절기를차단하는 위치로 플랫폼을 상방으로 편의시킨다. 이 장치는 2개의 아암 조작식 마이크로 스위치 및 부유 조작식 마이크로 스위치를 포함하는 많은 전기 구성요소를 구비한다. 이러한 마이크로 스위치 및 다른 구성 요소들을 연결하는 전기 회로는 비교적 복잡하여 대량생산에 적합하지 않다.

또한 미국 특허 제 5,492,602호에는 바닥에서 가열 요소를 갖는 3단 트레이가 마련된 정수기가 기재되어 있다. 측면 장착 온도 센서는 2개의 상부단 위의 물이 증발된 때를 감지하고, 더 많은 물이 트레이 내로 유동하도록 공급밸브를 개방한다. 이 정수기는 스위치에 연결된 마이크로 프로세서 제어기, 디미스터(demister) 전극, 온도 표시기 및 온도 오프 기능을 사용하므로 비교적 복잡하다.

상기 종래 방식은 에너지 효율면에서의 공통적인 취약점, 즉 정해진 온도로까지 냉각수의 온도가 상승되어야 한다는 측면에서 단점을 가지고 있다. 냉각수의 온도가 일정 수준까지 상승하는 동안 수증기의 열에너지를 환수하는 속도의 효율은 시간이 경과 할수록 떨어지게 되며 가열부로 유입되는 예열된 원수 또한 일시에 가열부로 유입되어 가열부 전체의 온도가 일시에 비등점이하로 떨어져 가열부 전체의 온도를 다시 비등점(100℃)까지 끌어 올리기까지 에너지 효율이 감소되는 단점이 있어 전체 열에너지 효율을 완벽히 고려한 증류식 정수장치라 볼 수 없다.

본 발명은 공지의 수냉 증류식 정수장치에서 일정 시간 동안 발생된 수증기의 양에 따라 일정한 주기별로 소요되는 냉각수의 유입과 방출 그리고 일정한 주기별로 소요되는 예열된 유입수의 가열부로의 유입에서, 가열부로 유입되는 주기별 과다한 원수 유입으로 인하여 수증기를 만드는 동작(operation) 중에 히터(heater)방식 등으로 공급한 열에너지를 실시간으로 충분히 활용하지 못하는 단점을 획기적으로 개선하는데 있다.

수냉 증류식 정수장치에서 수증기로 기화되는 물의 미소량 만큼, 가열부에 원수를 공급하기 위하여 실시간으로 정수된 차가운 유입수를 예열부로 공급하고 이렇게 예열된 유입수 중 예열관의 후반 상층부에 존재하는 물의 비등점(100℃) 근처 열에너지를 갖는 고온의 유입수를 제공하고 또한 가열부에서 수증기가 만들어지는데 물이 소비되는 미소량 만큼 고온의 유입수를 실시간으로 수시 공급할 수 있는 수냉 증류식 정수장치를 고안함으로써 공급한 열에너지 효율을 극대화하여 증류에 소요되는 열에너지 대비 산출되는 증류수의 양을 극대화함을 목적으로 한다.

[도 1] 본 발명의 냉각부와 예열부가 일체화된 냉각장치도.

[도 2] 본 발명의 냉각부와 예열부가 일체화된 다른 형태의 냉각장치도.

[도 3] 본 발명의 일체형 냉각장치를 포함한 증류식 정수장치의 전체 구성도.

도 1에 본 발명의 냉각부와 예열부가 일체화된 냉각장치를 도시하였다. 도시한 바와 같이 냉각수가 유입, 배출되는 냉각부(100)와 수증기로 기화되는 원수를 유입, 배출하는 예열부(110)가 냉각장치 내의 공간에 구성되어 있다. 또한 예열부(110)와 연결되는 있는 가열부(120)에는 물을 기화시킬 수 있도록 열에너지를 공급하는 발열부(130)와 원수를 저장할 수 있는 보일러탱크(140)으로 구성된다. 보일러 탱크(140) 내부와 연결되는 부레(150)를 활용하여 두개의 전자적 센서(160, 170)를 부착한 후, 전자의 전자적 센서(160)는 발열부를 통제(control)하여 가열부(120) 보일러 탱크(140) 내의 정해진 일정수위 보다 작아 질 경우 전원을 차단하게 하고, 동시에 후자의 전자적 센서(170)는 정수된 차가운 유입수를 예열부(110)로 공급하여 기 예열된 유입수 중 가열부(120) 근처, 예열관(180)의 고온의 유입수를 밀어내어 보일러탱크(140) 내의 물이 수증기로 기화가 이루어지는데 소비되는 물의 미소량 만큼 비등점(100℃) 근처의 열에너지를 갖는 유입수를 실시간으로 미소량 공급할 수 있다.

상기와 같은 냉각부(100)와 원수가 공급되는 예열부(110)와 연결된 가열부(120)로 구성된 수냉 증류식 정수장치는 동작 시에 발생한 수증기의 열에너지를 예열부(110)에서 1차로 환수하게 하고 열에너지에 일부 손실이 있는 수증기를 냉각부(100)의 외부를 통과하게 하여 효율적으로 수증기를 응축온도 이하로 응집하여 효과적으로 채수할 수 있다. 가열부(120)에서 수증기가 만들어지는데 소비되는 물의 미소량만큼 가열부(120)에 열에너지 효율을 극대화할 수 있도록 비등점(100℃) 근처의 열에너지를 갖는 물방울 형태로, 미소량을 실시간으로 가열부(120) 보일러탱크(140) 내에 수시 공급할 수 있어, 보일러탱크(140)로의 원수 과다공급으로 인한 급격한 온도변화를 최소화시킴으로써 예열부에서 가열부로 유입되는 원수가 일정온도에서 일시에 가열부로 유입되는 단점을 제거하고 가열부(120) 보일러탱크(140)에 남아있는 원수의 양에 따라 반응하는 부레(150)를 구성하여 수증기가 발생한 양만큼 실시간으로 고온의 원수가 물방울 형태로 유입되어, 일정온도로 열에너지를 발산하는 발열부(130)에 대하여 상대적으로 보일러탱크(140)내의 원수 온도가 지속적으로 비등점에 가까운 일정온도 이상을 유지할 수 있도록 함으로써 공급되는 열에너지 효율을 극대화하여 증류에 소요되는 열에너지 대비 산출되는 증류수의 양을 대폭 증가시킬 수 있다.

도 2에 본 발명의 냉각부와 예열부가 일체화된 다른 형태의 냉각장치를 도시하였다. 도시한 바와 같이 냉각수가 유입, 배출되는 냉각부(200)와 원수가 스프링 형태에 예열관에 존재하는 예열부(210)와 연결되는 있는 가열부(220)에는 물을 기화시킬 수 있도록 열에너지를 공급하는 발열부(230)와 원수를 저장할 수 있는 보일러탱크(240)으로 구성된다. 보일러 탱크(240) 내부와 연결되는 부레(250)를 활용하여 두개의 전자적 센서(260, 270)를 부착한 후, 전자의 전자적 센서(260)는 발열부를 통제(control)하여 가열부(220) 보일러 탱크(240) 내의 정해진 일정수위 보다 작아질 경우 전원을 차단하게 하고, 동시에 후자의 전자적 센서(270)는 정수된 차가운 유입수를 예열부(210)로 공급하여 기 예열된 유입수 중 가열부(220) 근처, 예열관(280)의 고온의 유입수를 밀어내어 보일러탱크(240) 내의 물이 수증기로 기화가 이루어지는데 소비되는 물의 미소량 만큼 비등점(100℃) 근처의 열에너지를 갖는 유입수를 실시간으로 미소량 공급할 수 있다.

원수가 스프링 형태로 예열관(280) 내에 존재하고 가열부(220)까지 이어지며 이때 가열부(220)에서 발생한 수증기는 우선 스프링 형태의 예열관(280)에 존재하는 원수와 열교환을 통해 원수를 예열하는 단계를 거치는데, 유입수는 일정 길이의 스프링 관 형태를 띄어 수증기와의 표면접촉율을 늘리게 고안되어 유입수의 양을 발생되는 수증기의 양에 맞게 수동으로 조절할 수도 있다. 상기와 같이 일부 열에너지를 상실한 수증기는 최종적으로 냉각부(200)에서 응축시켜 액화된 증류수를 획득한다.

도 3에 본 발명의 일체형 냉각장치를 포함한 증류식 정수장치의 전체 구성도를 도시하였다. 통상적인 물의 증류에 있어 기화되지 못한 물 내에 분리된 이물질이 가열부에 침착되는 것을 방지하고 수증기와 함께 기화된 유기화합물을 증류 이후에 제거하도록 배치하는 흡착용 사후카본필터의 미생물 등에 의한 2차 오염가능성을 제거하기 위하여 사전에 역삼투압 필터(300) 및 카본필터(310)를 통과한 원수만을 유입수 밸브(320)를 통하여 예열부(330)로 유입시켜 가열부(340)에 대한 이물질의 침착을 최소화하고 가열부(340) 이후의 단계에서는 별도의 필터를 두지 않아 미생물 등에 의한 채수된 증류수의 오염원을 배제하였다. 또한 본 발명에서 역삼투막의 활용 기간을 연장하고 양질의 증류수를 얻을 수 있도록 수돗물 또는 지하수 등이 증류 전에 1차 정수 되도록 역삼투막 필터(300) 전, 후로 통상적으로 활용되는 침전필터(350)와 카본필터(310)가 구성되어 있다. 이때 역삼투막을 통과하지 못한 물은 폐수로 버려지는 것이 일반적이나 본 발명에서는 이 폐수를 냉각수 밸브(360)를 통하여 냉각부(370)로 유입시켜 수증기의 열을 환수케 한 후, 가열부(340)로 유입되는 원수와는 분리된 냉각수 유출관(380)를 통하여 증류식 정수장치 외부로 배출되게 구성되어 있다.

본 발명에서는 가열부(340)내에 이물질의 침착을 방지하기 위하여 가열부(340)의 온도가 미리 정해진 온도 이하인 경우에는 자동으로 가열부(340) 내의 침착물이 농축된 원수를 보일러탱크 밖으로 배출시킬 수 있도록 드레인 자동밸브(390)가 구성되어 있다.

(실시예)

일체형 냉각장치를 포함한 수냉 증류식 정수장치의 동작순서는 아래와 같다.

(가) 증류수기로 유입되는 수돗물 또는 지하수는 녹이나 모래같은 보다 큰 미립자 등을 제거하기 위하여 침전 필터로 유입, 예비 정수된 후 역삼투막 필터 이전에 프리카본 필터에서 일정한 크기 이상의 오염물질을 흡착하게 되며 역삼투막 필터에서는 대부분의 무기물질을 거르는 여과작용을 거치게된다.

(나) 예열부로 유입되는 원수 내에 유기화합물을 제거하기 위하여 역삼투막 다음단계로 포스트카본필터를 통과하게 한다. 이때 역삼투 막을 통과하지 못한 폐수는 냉각탱크로 유입되며 수증기의 응축 용도로 재활용하며 역삼투 막과 포스트카본 필터를 통과한 원수만을 예열부로 유입시킨다.

(다) 상기과정들은 수압을 이용하여 원수가 필터를 지나가게 하며 프리카본필터 전단계에서 필터 내로 유입되는 원수의 양을 조절하는 전기적 밸브가 있으며 역삼투막과 포스트 카본필터를 통과한 원수의 예열부 유입 통로에 전기적 밸브를 구성하여 보일러 탱크의 수위에 따라 가열부의 히터의 전원을 통제(control)하는 센서와 유입수와 관련된 전기적 밸브를 통제(control)하는 센서를 병렬로 위치시켜 일정 수위 이상의 원수가 가열부 내로 유입되면 히터의 전원을 통제(control)하는 센서가 작동하여 히터에 전원을 공급하여 원수를 가열하며 수증기를 발생시킨다

(라) 히터가 작동하는 수위보다 약간 높은 지점에 전기적 밸브를 통제(control)하는 센서의 수위반응점을 두어 히터가 작동하고 수증기가 발생하는 동안 지속적으로 미소량의 물방물 형태로 예열부 후반부의 원수를 지속적으로 가열부내로 유입시키고 설정된 가열부의 수위 이상으로 가열부 내에 원수가 공급되면역삼투막 이후에 설치된 전기적 밸브가 수위감지 센서의 통제(control)에 따라 작동을 멈추게된다.

(마) 원수 유입이 정해진 수위이하로 줄게되면 밸브를 통제하는 센서가 밸브의 원수 유입부를 개봉하여 수증기가 증발된 만큼 지속적으로 수증기에 의해 비등점(100℃) 근처까지 예열된 원수를 미량의 물방울 형태로 가열부로 유입시킨다.

(바) 전기적 밸브의 개폐는 일정수위를 기준으로 거의 실시간으로 반복되므로 가열부에서 증발되는 수증기의 양이 미량의 물방울 이상으로 변동됨에 따라 예열된 원수는 실시간으로 가열부로 유입된다.

(사) 유입되는 원수의 물방울 형태는 증발하는 수증기를 통과하여 원수로 유입되므로 비등점(100℃) 근처 온도로 유지할 수 있고 증발된 수증기는 예열부 외부를 통과하며 원수와의 열교환이 우선 이루어지면서 예열부의 온도를 상승시키고 일부 열에너지를 상실한 수증기는 냉각부로 이동하면서 응축되어 액체형태의 증류수가 저수통으로 모아진다.

(아) 역삼투 막을 통과하지 못한 폐수는 가열부로 유입되는 원수의 10배정도의 양으로 냉각탱크로 유입되어 수증기를 응축온도 이하로 응축시킨후 획득한 열에너지를 보유한 채 지속적으로 증류식 정수장치 외부로 배출된다.

(자) 저수통에 유입되어진 증류수가 일정수위 이상 높아지면 부레형태의 수위센서가 작동하여 증류식 정수기의 전원 연결표시 램프를 제외한 모든 전원을 오프(off) 시키며 반대로 저수탱크의 수위가 낮아지면 다시 수위센서가 작동하여 모든 전원을 온(on) 시킨다.

본 발명에서 사용하는 냉각부와 예열부가 일체화된 냉각 방식을 활용한 경우, 사용 히터의 전력이 600W일 경우 시간당 1.1리터 이상의 증류수를 생산하는 반면 공지된 기술을 사용하는 공냉 증류식 정수장치에서 750W의 소비전력인 히터를 사용할 경우 시간당 0.75리터, 1100W의 소비전력인 히터를 사용하는 경우 시간당 1.26리터를 생산하며, 수냉 증류식 정수장치에서 사용 히터의 소비전력이 800W일 경우 시간당 1.2리터의 증류수를 생산한다.

본 발명의 열에너지 효율이 높은 수냉 증류식 정수장치는 종래의 공냉 증류식 정수장치에 비하면 단위시간당 사용전력대비 열효율이 80%이상 높고 종래의 수냉 증류식 정수장치에 비하면 단위시간당 사용전력대비 열효율이 20%이상 높다.

본 발명의 수냉 증류식 정수장치는 발열부에서 수증기가 만들어지는데 소비되는 물의 미소량만큼 비등점(100℃) 근처의 열에너지를 갖는 원수를 물방울 형태로, 미소량 실시간으로 가열부 내에 수시 공급할 수 있어, 장치 동작 시에 순간적인 원수 과다 공급으로 인한 가열부 보일러탱크 내의 원수의 급격한 온도변화를 최소화시킴으로써 수증기가 발생한 양만큼 실시간으로 고온의 원수가 물방울 형태로 유입되어, 일정 온도로 열에너지를 발산하는 발열부에 대하여 상대적으로 보일러탱크 내의 원수 온도가 지속적으로 비등점에 가까운 일정온도 이상을 유지할 수 있도록 함으로써 공급되는 열에너지 효율을 극대화하여 증류에 소요되는 열에너지 대비 산출되는 증류수의 양을 대폭 증가시킬 수 있다.

또한 증류시 발생된 이물질이 가열부에 침착되는 것을 방지하고 유기화합물제거 및 미생물 등에 의한 2차 오염가능성을 제거하기 위하여 역삼투압 필터 및 카본필터를 구성함으로써 증류식 정수장치의 수명이나 사용 이용성을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 수증기를 발생하는 발열부를 포함하는 가열부와 냉각수를 이용하는 수냉 증류식 정수장치에 있어서, 냉각수의 유입, 배출이 이루어지는 냉각부와 원수의 유입, 배출이 이루어지는 예열부가 일체화된 냉각장치를 포함하며 예열부와 연결된 수증기를 발생하는 가열부 사이에 기화되는 물의 양만큼 비등점(100℃) 근처의 원수를 수시로 물방울형태의 소량을 유입시킬 수 있는 예열관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 열에너지 효율이 높은 수냉 증류식 정수장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 원수의 유입, 배출이 이루어지는 예열부의 형태는 저장용 탱크 방식이거나 스프링 형태의 관으로 이루어진 예열부를 구성하는 것을 특징으로 하는 열에너지 효율이 높은 수냉 증류식 정수장치.
3. 필터를 겸비한 수냉 증류식 정수장치에 있어서, 역삼투막을 통과한 원수만을 예열부로 공급하는 유입수 밸브와 역삼투막을 통과하지 못한 폐수는 냉각수로 공급하는 냉각수 밸브를 구성하는 것을 특징으로 하는 열에너지 효율이 높은 수냉 증류식 정수장치 .