KR200225824Y1 - 초음파를 이용한 액체 멸균기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 액체 멸균기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파 발생·발진 부에서 송출되는 초음파 에너지의 특성인자를 이용해 액체상태의 제품 내에 서식하는 미생물의 성장을 억제하거나 멸균한 후 여과하여 멸균된 제품을 얻을 수 있는 초음파를 이용한 액체 멸균기에 관한 것이다.

본 고안에 의한 액체 멸균기는 원형의 멸균실(10)에 대해 접선방향으로 설치된 선회유도 흡입파이프(11a)(11b)(11c)를 통해 유입된 액체가 상기 멸균실(10) 내에서 선회류를 형성하면 사용자가 전력 입력 조절기(2)와 타이머(5)를 조작하여 초음파의 강도와 조사시간을 결정한 후, 상기 멸균실(10) 상측에 설치된 초음파 발진부(6)에서 액체 내부로 초음파를 조사하면 멸균실(10) 하측의 반사판(13)에 반사되면서 초음파 공동 현상이 극대화되어 초음파 에너지의 특성인자들이 선회하고 있는 액체 내에 서식하는 미생물의 세포를 파괴하거나 탈락시키게 되며, 멸균실(10)에서 탈락·파괴된 미생물을 포함하고 있는 액체는 여과실(20)에서 다단의 필터(21a)(21b)(21c)를 통과하면서 여과된다.

본 고안에 의한 액체 멸균기는 시설이 간편하고, 대량의 제품을 순차적으로 또는 연속적으로 멸균 처리할 수 있을 뿐만 아니라 제품의 품질을 저하시키지 않는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파를 이용한 액체 멸균기{A liquid sterilizer in using ultrasonic wave}

본 고안은 본 출원인이 기 출원, 등록한 국내특허등록 제 110354호의 '액체 연료의 초음파 무화기' 에서 제공한 초음파 에너지가 가지고 있는 특성인자의 원리를 멸균처리 분야에 적용한 것으로 초음파 에너지의 특성인자들에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

음의 방사압(放射壓, acoustic radiation pressure)이란 음의 강도가 어느 임계값(큰 진폭)을 넘으면 초음파 진동과 동시에 매질 자체도 이동(진동)하는 현상으로, 이것을 멸균처리에 이용하면 미생물의 탈락, 미생물의 세포 파괴 등이 용이하게 일어난다.

음의 직진류(直進流, straight jet)란 초음파 진동이 생길 때 앞으로 진행하는 액체의 흐름으로 이것에 의해 이것에 의해 초음파 세정(洗淨), 분산(分散), 세포 파괴 등 여러 가지 반응이 촉진된다.

정재파(定在波, 또는 定常波, standing wave)란 도 2와 같이 평면 음파가 넓은 평면 벽의 경계에 직각으로 입사하였을 때 입사파(入射波)와 반사파(反射波)가 겹쳐져 진행하지 않는 음파로, 공진(共振, resonance)이 발생하게 되면 진폭이 최대가 되며 반대로 진폭이 0이 될 때는 압력이 최대가 되는데, 이 작용으로 초음파가 강하게 작용하는 부위에 있는 미생물의 세포가 파괴된다.

초음파의 지향성(指向性, directivity)이란 주파수의 고저에 따라 음이 일정 방향으로 강하게 방사되는 성질로서, 주파수가 크고 높은 음은 진동면의 정면 방향에만 집중방사(集中放射)되고, 주파수가 작고 낮은 음은 정면뿐만 아니라 횡방향으로도 방사된다. 주파수가 높을수록 지향성은 날카로워지며, 음원의 크기가 다를 때에는 도 3과 같이 음원의 직경 D나 파장 λ와의 비가 클수록 지향성이 예리하게 나타나게 되는데, 이 때 그 공간 내에서 서식하는 미생물의 세포는 파괴된다.

초음파 공동현상(超音波 空洞現像, ultrasonic cavitation)이란 매질 입자(媒質 粒子)에 매우 큰 가속도를 줄 수 있는 초음파를 가하면, 액체 중에 용존(溶存)하고 있는 공기 분자(cavitation nuclei, 기포 핵)가 집합(集合), 성장(成長), 발달(發達)에서부터 압괴(押塊)에까지 이르는 현상을 말한다.

액체는 그 종류, 온도 및 압력에 따라 다소 차이는 있으나 기체를 용존하고 있으므로 초음파를 가하면 원자나 분자 크기에 비례하는 크기의 공동(cavity) 또는 기포(air bubble)가 성장하고, 그 때 시작하는 최소의 종자(種子)를 공동현상 핵(cavitation nuclei, 기포 핵)이라고 부른다. 이와 같은 공동현상 분열(cavitation burst)은 도 4의 (A)와 같이 점 또는 구형 음원(球形 音源)의 경우에는 초음파에 의한 매질이 팽창과 압축이 반복되면서 소밀파(疏密波)가 생기게 되고, 이것을 도 4의 (B)에서와 같이 음압 P와 시간 t의 관계로 나타내면 정압 P₀(보통 1기압이다)를 중심으로 음압의 증감(增減)이 일어난다.

도 4의 (A)는 초음파의 출력(음압 진폭, 音壓 振幅)이 작은 경우로서, 과압(過壓)과 부압(負壓)의 크기 차이가 작게 나타나나, 도 4의 (B)는 출력이 큰 경우로서, 과압과 부압의 크기 차이가 매우 크게 나타난다. 이 부압의 크기에 따라 액체가 끌어 당겨지게 되고, 액체 중의 기포 핵이나 액존(液存) 공기 분자가 집합하거나 생장(生長)함에 따라 공동(空洞, 기포)은 2의 상태가 된다. 이후 기포는 더욱이 발달하여 3에서 최대가 된 후 차츰 압축되어 4에서 공동소멸(空洞消滅) 또는 소공동(小空洞, 기포)인 상태에서 단열압축(순간적인 현상이기 때문에, 근사적으로 단열(斷熱)만 한다)되어 5에서 보는 바와 같이 고온고압의 미소 기포(微少 氣泡)가 되고, 6에서 파괴되어 분자 형태로 미세하게 분열된다.

파괴가 일어나는 순간에는 기포에 수백 ℃의 고온과 수십 ㎏/㎠ 압력의 충격파(衝擊波)가 발생하게 되는데, 이러한 작용에 의해 액체 내에 격렬한 잡음이 발생하면서, 액체가 충돌하여 합쳐지거나 파괴되기도 하고, 방사압(放射壓, acoustic radiation pressure)이나 직진류(直進流)가 가해져 액면(液面)이 발달하여 위로 치솟아 올라 유괴(流塊)가 생기면서 고유 주파수의 예리한 분무(噴霧)가 발생하게 되는데, 이 분열 과정은 도 4의 (C)에 나타나 있다. 또한 도 4의 (D)에서와 같이 액면에서 약간 큰 중간 입자로서 파괴된 액적(液滴) a는 그 중의 공동현상 기포(cavitation bubble)의 파괴 b에 의해서 c → d → e 와 같이 미소분무로 재분열(再分裂)되기도 한다.

한편 초음파의 공동현상 효과는 특히 강력 초음파(high-intensity ultrasonics) 응용 분야에서 응집(凝集), 분무(噴霧), 세정(洗淨), 확산속도(擴散速度) 및 반응속도 촉진이나 고분자(高分子)의 핵중합(核重合), 술의 숙성(熟成), 의학 치료나 수술 등에도 유익하게 이용되어 왔다.

본 고안은 이러한 초음파 에너지의 특성인자를 이용한 액체 멸균기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파 발생·발진 장치에서 송출되는 초음파 에너지의 특성인자를 이용해 액체상태의 제품 내에 서식하는 미생물의 성장을 억제하거나 멸균한 후 여과하여 멸균된 제품을 얻을 수 있는 초음파를 이용한 액체 멸균기에 관한 것이다.

영양분과 수분을 함유하고 있는 액체가 미생물(germ)이 번식하기에 적당한 온도와 습도조건을 갖추게 되면 액체 내에 서식하는 미생물의 숫자는 기하급수적으로 증가하게 되는데, 이러한 미생물 중 일부는 동·식물 뿐만 아니라 인체 내에서 매우 유익한 작용을 하기도 하지만 세균(bacteria)을 비롯한 곰팡이(mould), 방선균(actinomycetes), 바이러스(virus), 조류(algae) 등의 일부 미생물은 음식물을 부패시키거나 건강에 치명적인 해를 기치기도 한다.

이러한 유해한 미생물의 증식을 억제하거나 멸균하기 위해 지금까지는 주로 특정 온도까지 열을 가해 멸균 처리하거나 화학 약품을 투입하여 멸균 처리하는 등의 방법이 사용되었으나, 일부 제품에 대해서는 가열하여 소독하거나 화학적으로 처리할 경우 제품의 품질이 현격히 저하되거나 아예 사용할 수 없게 되는 문제점이 있었다. 또한 일반적으로 널리 사용되는 자외선을 이용한 멸균법도 살균력이 제품의 표면에 국한되어 있어 제품의 내부는 멸균할 수 없을 뿐만 아니라 대량의 액체 상태의 제품을 연속적으로 멸균하는 경우에는 적용하는 경우에는 적용할 수 없었다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 고안자에 의해 기 출원, 등록된 특허 제110354호 ' 액체 연료의 초음파 무화기'의 원리를 이용하여 초음파 에너지의 특성인자(特性因子)인 방사압(放射壓), 직진류(直進流), 정재파(定在波), 지향성(指向性) 등을 적절하게 이용함으로서 초음파 공동현상(超音波 空洞現像, ultrasonic cavitation)을 극대화시켜 각종 액체 상태의 제품 내에 서식하는 미생물의 세포를 탈락, 파괴한 후 여과하여 멸균된 제품을 얻을 수 있는 액체 멸균기를 제공하는 데 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 정전압기와 전력 입력 조절기, 타이머 및 초음파 발생장치로 구성된 초음파 발생부와 초음파 진동자와 초음파 혼으로 구성된 초음파 발진부, 초음파 발진부를 냉각하기 위한 공기 냉각팬, 하부에 초음파 공동현상을 극대화하기 위한 반사판을 갖는 원형의 멸균실, 상기 원형의 멸균실의 접선 방향으로 형성된 다수의 선회유도 흡입파이프, 상기 멸균실 상부에 설치된 체크 밸브와 가스 배기파이프, 그리고 상기 멸균실에서 파괴 또는 탈락된 미생물을 여과하는 다단의 필터를 갖는 여과실로 구성된 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 고안에 의한 멸균기의 구성요소들을 개략적으로 도시한 개략도

도 2는 반사파에 의한 정재파의 진폭과 압력 분포를 나타내는 모델

도 3은 음원의 직경(D)과 음파(λ)의 파장에 따른 지향성의 변화를 나타내는 모델

도 4는 초음파 공동현상 분열을 나타내는 모델

도 5는 초음파 발생·발진부의 작동원리를 도시한 흐름도

도 6은 본 고안에 의한 멸균기의 사시도

도 7은 본 고안에 의한 멸균기의 부분절단면도

도 8은 멸균실의 횡단면도

도 9는 멸균실의 종단면도

도 10은 여과실의 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 정전압기 2 : 전력 입력 조절기

3 : 초음파 발생장치 4 : 초음파 발생부

5 : 타이머 6 : 초음파 발진부

7 : 초음파 진동자 8 : 초음파 혼

10 : 멸균실 11a, 11b, 11c : 선회유도 흡입파이프

12 : 흡입펌프 13 : 반사판

14 : 멸균실 배출파이프 15 : 체크 밸브

16 : 가스 배기파이프

20 : 여과실 21a, 21b, 21c : 필터

22 : 여과실 배출파이프 23 : 여과실 가스 배기파이프

24 : 이물질 배출밸브 25 : 이물질 배출파이프

30 : 공기 냉각팬 31 : 배기구

이하 본 고안에 따른 초음파를 이용한 액체 멸균기를 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하면 다음과 같다.

초음파를 이용한 액체 멸균기는 도 1과 같이 정전압기(1)와 전력 입력 조절기(2), 타이머(5) 및 초음파 발생장치(3)로 구성된 초음파 발생부(4)와 초음파 진동자(7)와 초음파 혼(8)으로 구성된 초음파 발진부(6), 상기 초음파 발진부(6)를 냉각하기 위한 공기 냉각팬(30), 하부에 초음파 공동현상을 극대화하기 위한 반사판(13)을 갖는 원형의 멸균실(10), 상기 원형의 멸균실(10)의 접선 방향으로 형성된 다수의 선회유도 흡입파이프(11a)(11b)(11c), 상기 멸균실(10) 상측에 설치된 체크 밸브(15)와 가스 배기파이프(16), 그리고 상기 멸균실(10)에서 파괴 또는 탈락된 미생물을 여과하는 다단의 필터(21a)(21b)(21c)를 갖는 여과실(20)로 구성된다.

초음파 발생부(4)는 도 1과 같이 멸균실(10) 상측에 설치되어 있으며, 초음파 발생에 필요한 전압을 항상 일정하게 유지시키기 위한 정전압기(1)와 초음파의 강도를 조절하기 위한 전력 입력 조절기(2), 조사시간을 조절하기 위한 타이머(5)를 비롯해 도 5와 같이 진동부와 증폭부 및 주파수 조절부를 갖는 초음파 발생장치(3)로 구성되어 있다.

초음파 발진부(6)는 도 7과 같이 멸균실(10) 상측에 배치되어 있는 초음파 진동자(transducer)(7)와 초음파 혼(horn)(8)을 통해 멸균실(10)로 유입된 액체 내에 초음파 에너지를 출력한다.

공기 냉각팬(30)은 도 6과 같이 초음파 발진부(6)를 냉각시키기 위해 상기 초음파 발생부(4)와 초음파 발진부(6) 상측에 설치되며, 멸균기 케이스 둘레에는 배기구(31)가 형성되어 있다.

원형의 멸균실(10)은 도 7과 같이 상기 초음파 발생부(4)와 초음파 발진부(6) 하측에 위치하며, 상부에는 멸균실 배출파이프(14)와 멸균 과정중 발생하는 가스를 배기하기 위한 체크 밸브(15) 및 가스 배기파이프(16)가 설치되어 있고, 하부에는 멸균실(10)로 유입되는 액체에 초음파 에너지가 균일하게 작용할 수 있도록 선회류를 형성시키기 위해 도 8과 같이 원형의 멸균실(10)에 대해 접선방향으로 형성되어 있는 다수의 선회유도 흡입파이프(11a)(11b)(11c)를 비롯해 초음파를 반사하여 초음파 공동현상을 극대화하기 위한 반사판(13)이 설치되어 있다.

여과실(20)은 통상의 것으로 도 10과 같이 하부는 상기 멸균실(10)의 멸균실 배출파이프(14)와 연결되어 멸균실(10)로부터 멸균 처리된 액체가 유입되고, 여과실(20) 내에 침전되는 이물질을 배출하기 위한 이물질 배출밸브(24)와 이물질 배출밸브(25)가 연결되어 있다. 한편 그 내부에는 하측으로부터 여과 가능한 크기가 큰 순서대로 필터(21a)(21b)(21c)가 다단 적층되어 있으며, 상부에는 여과실 배출파이프(22)가 연결되어 있다.

이하 본 액체 멸균기에 의해 액체가 멸균·여과되는 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.

액체가 원형의 멸균실(10)의 접선 방향으로 형성된 다수의 선회유도 흡입파이프(11a)(11b)(11c)를 통해 유입되면 멸균실(10) 내부를 선회하게 되고, 사용자가 멸균 처리할 액체 내에 포함된 미생물의 물리적 특성을 감안하여 전력 입력 조절기(2)와 타이머(5)를 조작함으로써 멸균에 필요한 초음파의 강도와 조사시간을 결정하게 된다.

멸균실(10) 상측에 설치된 초음파 발진부(6)에서 액체 내로 조사한 초음파가 반사판(13)에서 반사되면 초음파 공동 현상이 극대화되고, 선회하고 있는 액체 내에 포함된 미생물의 세포는 초음파 에너지의 특성인자들로 인해 파괴되거나 탈락되어 미생물은 성장이 억제되거나 멸균된다. 이 때 초음파 발진부(6)에서 발생하는 열은 상측에 설치된 공기 냉각팬(30)에 의해 냉각되며 냉각을 마친 공기는 멸균기 케이스 둘레의 배기구(31)를 통해 배기되며, 멸균실(10) 내에서 멸균 처리 과정중에 발생한 가스는 체크 밸브(15)를 거쳐 가스 배기파이프(16)를 통해 배기된다.

멸균 처리된 액체는 멸균실(10) 상부에 형성된 멸균실 배출파이프(14)를 통해 여과실(20)의 상측으로 유입되어 하측으로부터 여과 가능한 크기가 큰 순서대로 다단 적층된 필터(21a)(21b)(21c)를 통과하면서 멸균실(10)에서 파괴·탈락된 미생물의 세포나 기타 이물질이 여과되어 여과실 배출파이프(22)를 통해 배출된다.

한편 제품의 멸균 과정상의 특성에 따라서는 흡입펌프(12)를 조작하여 멸균실(10) 내에 액체를 계속 유입함으로써 연속적으로 멸균 처리하거나 멸균실(10) 내에 일정량의 액체를 저장한 후 1회만 멸균 처리할 수도 있다.

상기한 본 고안에 의해 구성된 액체 멸균기는 물리적인 열처리 방법이나 화학적인 첨가제 투입이 곤란한 음료수나 액상의 의약품, 공업제품 등에 사용할 수 있는 것으로 시설이 간편하고, 살균력이 강하며, 대량의 제품을 순차적으로 또는 연속적으로 멸균 처리할 수 있을 뿐만 아니라 제품의 품질을 저하시키지 않는 것을 특징으로 한다.

Claims (1)

1. 정전압기(1)와 전력 입력 조절기(2), 타이머(5), 진동부와 증폭부 및 주파수 조절부로 구성된 초음파 발생장치(3)를 갖는 초음파 발생부(4)와;

   초음파 진동자(transducer)(7) 및 초음파 혼(horn)(8)을 통해 상기 초음파 발생부(4)에서 발생한 초음파 에너지를 액체 내로 출력하는 초음파 발진부(6)와;

   초음파 진동자(7)를 냉각시키기 위해 상기 초음파 발생부(4)와 초음파 발진부(6) 상측에 설치된 공기 냉각팬(30) 및 멸균기 케이스 둘레에 형성된 배기구(31)와;

   상부에는 멸균실 배출파이프(14)와 체크 밸브(15) 및 가스 배기파이프(16)가 설치되어 있고 하부에는 유입되는 액체가 선회류를 형성하도록 하기 위해 그 둘레에 대해 접선방향으로 형성되어 있는 다수의 선회유도 흡입파이프(11a)(11b)(11c)와 초음파를 반사하여 초음파 공동현상을 극대화하기 위한 반사판(13)이 설치된 원형의 멸균실과;

   상부가 상기 멸균실(10)의 멸균실 배출파이프(14)와 연결되어 멸균실(10)로부터 멸균 처리된 액체가 유입되고, 그 내부에는 여과 가능한 크기가 큰 순서대로 필터(21a)(21b)(21c)가 다단으로 적층되어 있으며, 하부에는 여과실 배출파이프(22)를 갖는 여과실(20)로 구성된 초음파를 이용한 액체 멸균기.