KR20110001290U - 다기능 미세기포 절수 샤워헤드 - Google Patents

Abstract

본 고안은 일상적으로 사용하는 수돗물 등의 유체(이하 통칭 유체)에 공기를 강제로 혼입시켜 음(-)이온과 용존산소가 풍부한 미세기포 버블 기능수를 만들고, 추가하여 피톤치드나 향기를 유체에 혼입할 수 있는 다기능 미세기포 버블 샤워헤드를 목적으로 한다. 이 목적을 달성하기 위해 유체의 유량 및 유속을 제어하고 공기를 혼입시킬 수 있는 미세기포 생성 구조를 내장한 기능성 버블 절수 샤워헤드(이하 통칭 샤워헤드)를 고안하였다. 샤워헤드의 고안시 유체 자체의 힘을 활용하는 것을 기본으로 하였다. 이를 위해 유체역학 중 연속의 법칙과 베르누이정리를 응용, 유체의 유속을 제어하고 기압차를 유도, 공기의 혼입을 유도한 구조로서, 유속을 제어하는 수단, 유속이 제어된 유체에 공기를 혼입시키는 수단, 공기혼입시 유체와 접촉하는 공기흡입노즐의 끝단부 구조, 공기흡입노즐의 효과적인 장착방향, 공기유입통로의 별도 구비 등의 특징적 구조를 가진 샤워헤드를 고안하였다.

고안된 샤워헤드를 통과한 유체는 음(-)이온과 기포(공기, 용존산소)가 풍부한 기능수가 된다. 상기의 기능수는 양(+)이온 성질의 오염물(일반적으로 오염이라고 말하는 것들은 양(+)이온의 성질이 있으며 이는 음(-)이온과 상호작용하여 결합하는 성질을 갖게 된다.)과 빠르게 결합하고 결합한 오염결합물은 미세기포의 터짐에 의해 피 오염물과 분리가 더욱 빨라진다. 실제로 미세기포 생성 샤워헤드를 통과한 통과수는 화학 세제류(샴푸, 린스, 비누 등)의 사용을 절감하는 작용을 갖게 된다. 더하여 피부에 가해지는 자극이 줄어들고 이는 피부나 두피, 머리카락 등 을 효과적으로 관리하기에 많은 도움이 된다. 이러한 작용 외에 통과수에 혼입된 공기(용존산소 등)의 양만큼 유체를 절약(수압에 따라 약 15~30% 정도의 유체를 절약)하는 절수기능을 가지게 된다. 실제, 공기를 혼입시킨 통과수와 공기유입노즐의 구멍을 막은 채 통과한 일반수를 비교해 보면 공기유입노즐을 통과한 통과수가 혼입된 공기의 양만큼 일반수에 비해 상당히 부드럽고 가볍다. 부가적으로 기능성 세라믹과 피톤치드나 향기 등을 유체에 혼입하여 기포가 풍부하면서도 피부보호나 치료에 활용할 수 있는 기능수를 만들 수 있다.

고안된 샤워헤드는 혼입되는 공기의 양만큼 통과 유체를 절약하는 기능과 통과된 유체의 음(-)이온을 증가시키고 미세기포를 형성케 하여 세척력이 높아지고, 피부보호나 치료에 사용되는 등의 기본적인 효과를 갖게 된다. 그리고 화학 세제류 등의 사용이 줄어들어 환경오염을 줄이는 2차적 환경오염의 방지 효과를 기대할 수 있다. 본 고안은 에너지 절약과 환경오염에 능동적으로 대처하는 그린환경 에너지 절약형 수처리 장치이다.

유속변동구조, 기압차, 미세기포 생성구조, 유체역학, 연속의 법칙, 베르누이 정 리, 공기유입노즐(관), 유체접촉면, 표면구조, 음(-)이온, 양(+)이온, 오염결합물, 통과수, 가압형, 주입형, 고압의 펌프, 에어펌프, 역류, 잠재적 에너지, 정압, 동압, 전압, 베르누이 방정식, 벤츄리관, 유입수, 관경, 베르누이관, 외경, 외경부, 끝단부, 최종토출구, 유입부, 통과부, 토출수, 통과수

Description

다기능 미세기포 절수 샤워헤드 {Multi Function Micro air bubble water saving shower head}

본 고안은 일상적으로 사용하는 수돗물 등의 유체(이하 통칭 유체)에 별도의 외부에너지를 사용하지 않고 공기를 강제로 혼입시켜 음(-)이온과 기포(공기, 용존산소)가 풍부한 미세기포 버블 기능수를 만들고 피톤치드나 향기를 혼입할 수 있는 샤워헤드의 제작에 그 목적이 있다.

이를 위해 본 고안은 유체역학과 비행원리인 연속의 법칙과 베르누이 정리를 응용하여 먼저 유체의 유속을 자체동력으로 변환시키는 유속변동구조를 만든다. 고안된 유속변동구조의 일정한 지점에서 유속이 빨라지고 빨라진 부분의 기압은 대기압에 비해 상대적으로 저기압 상태가 된다. 이렇게 유도된 저기압 상태의 일정한 지점에 공기유입노즐을 장착한다. 장착된 공기유입노즐을 통해 일반 대기압의 공기가 저기압 상태의 유속변동구조로 유입되고 동시에 유체와 접촉된다. 이러한 유체의 속도변화와 기압차에 의한 공기유입이 음(-)이온과 기포(공기, 용존산소)가 풍부한 처리수를 만들 수 있도록 하는 접속장치에 관한 유체역학 중 연속의 법칙과 베르누이 정리 응용기술 분야이다.

기존에 샤워헤드들은 일반적으로 유체에 공기(용존산소)를 혼입시키기 위해 기술적으로 가압형이나 주입형의 기술을 활용했다. 가압형은 샤워헤드를 유체가 통과할 때 고압의 펌프를 통과시키며 고압펌프를 통해 직접적으로 유체를 가압하여 유속을 강하게 하고 이를 통해 대기압과의 기압차를 유발하여 공기가 흡입되도록 만들어졌다. 주입형은 유체가 통과하는 관(pipe)에 공기주입관을 만들어 압축기로 직접 고압의 공기를 불어넣어 공기가 혼입되도록 만들어졌다. 그러나 이러한 방법은 소형으로 만들어 사용하기에는 한계가 있고 고가의 고압펌프나 에어 압축기 등의 기계장치를 사용하여야만 되는 사용 장소의 한계와 고비용의 문제가 있었다.

최근에 개발된 무전원형 소형의 미세기포 발생 제품들도 공기유입관의 위치가 샤워헤드부에 위치하여 샤워헤드 부분이 물에 잠길 경우 공기 유입이 차단되고, 실제 사용시 수압에 따라 공기유입관으로 유체가 역류하거나 공기 흡입시 흡입음이 지나치게 큰 단점이 있다.

이에 외부의 에너지를 사용하는 고압의 펌프나 에어펌프를 사용하지 않고, 유체 자체의 잠재적 에너지를 활용하는 샤워헤드로서 낮은 수압에도 공기가 순조롭게 유입되어 기포가 발생하고, 공기유입부의 위치가 물에 잠기어도 공기가 흡입되며, 공기흡입음이 감소하는 샤워헤드의 개발을 시작하였다.

본 고안의 배경기술은 기본적으로 유체역학 중 연속의 법칙과 베르누이 정리 관련 기술 분야이다. 연속의 법칙과 베르누이 관련이론은 패러글라이더 및 행글라이더가 하늘을 날수 있는 비행원리를 설명하는 기본적인 이론으로 유체의 흐름과 유속을 조절하여 압력을 조절한다는 이론이다.

먼저 연속의 법칙은 유체가 동일한 관(pipe)을 통해 흐른다면 입구에서 단위 시간당 들어가는 유체의 질량과 출구를 통해 나가는 유체의 질량은 같아야 한다. 따라서 입구의 단면적을 A1, 속도를 V1 그리고 출구에서의 단면적을 A2, 속도를 V2라 하면 다음 식이 성립이 된다. “A1 V1 = A2 V2 = 일정” 하다는 연속의 방정식이 유도되며 이는 유체가 관을 통해 흘러갈 때 유체의 속도와 단면적은 반비례함을 알려준다. 그러므로 동일한 관(pipe)의 내경을 조절하면 유체의 속도를 제어 할 수 있다.

그리고 베루누이 정리는 유체가 모든 방향에 대하여 같은 크기로 작용하는 유체의 압력을 정압(Static pressure ; P)이라 하고 유체가 가진 속도에 의하여 생기는 압력을 동압(Dynamic pressure ; q)이라 한다면 유체의 흐름을 직각 되게 막았을 때 판에 작용하는 압력인 전압(Total pressure, Pt)과의 사이에 P + q = Pt 의 식이 성립되며 이는 압력(정압)과 속도(동압)는 서로 반비례한다는 것이다. 그러므로 동일한 관의 내경을 조절하면 유체의 속도를 조절하고 이는 결국 압력을 조절할 수 있음을 의미한다.

본 고안에서는 이를 활용하여 실제 실험과 시뮬레이션을 거쳐 최적의 샤워헤드의 구조를 완성하게 되었다. 이렇게 만들어진 샤워헤드의 실제 실험 결과 공기유입노즐을 통해 외부의 공기가 유입되면서 발생하는 흡입음이 상당히 크게 들려 사용시 불쾌감을 유발할 것 같아 공기유입노즐의 상단부에 소음차단막을 설치하고 샤워헤드 손잡이 부분의 공기유입통로에 다공질의 세라믹을 배치하였다. 그리고 수 압과 토출구의 높낮이에 따라 발생하는 역류성 누수현상을 원천적으로 차단하기 위해 공기유입노즐의 내부에 체크밸브를 고안하는 한편 공기유입통로의 공기유입공을 샤워헤드의 손잡이 끝 부분에 상,하로 만들었다.

즉, 본 고안은 종래의 외부 의존형 장치가 아닌 유체 자체의 잠재에너지를 활용하기 위해 유체역학 중 연속의 법칙과 베르누이 정리를 활용하여 유체의 유속과 압력을 조절하였고, 공기흡입시 발생하는 흡입음을 차단하기 위해 소음차단막을 적용하였으며, 공기흡입구로 역류하는 현상을 없애기 위해 구조적으로 체크밸브를 만들었고, 공기흡입공의 위치와 흡입노즐 사이에 공기유입통로를 별도로 고안하였다. 그리고 유체와 공기유입노즐의 끝단부가 만나는 부분에서 발생하는 Cavitation (공동 현상)을 높이기 위해 공기유입노즐의 끝단부의 구조를 특수하게 고안, 유체의 흐름과 직각 되게 배치하여 종래와 다른 고안을 완성하였다.

종래기술의 문헌정보

[문헌1] KIPRIS 등록번호(일자) 10-0824714-0000 (2008.04.17)

[마이크로버블 발생장치 (DEVICE FOR GENERATING MICRO BUBBLE)]

[문헌2] KIPRIS 등록번호(일자) 10-0771658-0000 (2007.10.24)

[유체의 마이크로 버블 산소부여장치 (Oxygen of Micro Bubble grant system within fluid)]

[문헌3] JP 등록번호(일자) 10-0803832-0000 (2008.02.05)

[미세 기포 함유 가수소수, 및 그것을 제조하는 방법 및 장치(Hydrogen-ad

ded water containing microbubbles, and method and apparatus for ma

nufacturing the same)]

[문헌4] KIPRIS 등록번호(일자) 20-0266540-0000 (2002.02.19)

[상수압을 이용한 기체흡입 및 수중혼합 장치를 구비한 샤워(SHOWER HEAD FOR MIXING GAS IN WATER UNDER THE LOWPRESSURE)]

본 고안에서 해결하려는 과제는 ① 외부의 동력에너지 보급 없이 자체적으로 공기를 흡입하는 샤워헤드 ② 수도 등의 가정용 배관에 직접 적용할 수 있는 샤워헤드 ③ 최저수압이 0.3kg/㎠ 이상에서도 공기가 유입되는 샤워헤드 ④ 수전 개폐시 공기유입노즐로 유체가 역류하지 않고 공기 흡입시 소음이 작은 공기유입노즐 부품개발 ⑤ 공기유입노즐의 끝단부와 유체의 접촉시 최대의 공기가 흡입되는 구조의 부품개발 ⑥ 공기유입통로의 별도 배치로 공기유입노즐 부분이 물에 잠기어도 공기가 유입되는 구조 ⑦ 공기유입통로에 향기나 세라믹 등의 기능성 성형물을 배치 할 수 있는 구조 ⑧ 샤워헤드내의 잔여수를 간편하게 배출할 수 있는 공기유입공의 배치 등이었다.

본 고안에서는 기술적 과제의 해결에 있어 실제로 일일이 고안품을 제작하 여 실험하는 한편 시행착오를 줄이기 위해 유체역학에 관한 시뮬레이션 프로그램을 활용한 다음의 과정을 거쳐 해결방법을 찾았다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 다음과 같은 기술적 과제를 가지고 발명의 성과를 내고자 하였다.

먼저, 해결과제 ① 외부의 에너지 보급 없이 자체적으로 공기를 흡입하는 샤워헤드를 개발하기 위해 이론적 배경으로 유체역학 중 연속의 법칙과 베르누이 정리를 활용하기로 했다. 연속성의 법칙은 동일선상의 유체는 관을 통해 흘러갈 때 유체의 속도와 단면적은 반비례함을 알려 준다. 그러므로 동일한 관(pipe)의 내경을 조절하면 유체의 속도를 조절할 수 있다. 이와 동시에 베르누이 정리는 압력(정압)과 속도(동압)는 서로 반비례한다는 것이다. 그러므로 동일한 관의 내경을 조절하면 유체의 속도를 조절하고 이는 결국 압력을 조절할 수 있음을 의미한다. 이러한 이론적 토대를 바탕으로 실제 시뮬레이션을 할 수 있는 Canada의 Gorge State 대학의 베르누이 계산식 응용프로그램을 활용 참조 1과 같이 시뮬레이션 데이터를 예측, 활용하였다.

해결과제 ② 샤워헤드의 내부에 적용할 수 있도록 해결수단 ①의 시뮬레이션을 토대로 샤워헤드의 연결부를 조절하여 수도내경에 맞추었고 동시에 유입부 내경을 10mm에 길이 26mm, 연접한 유속증가 부분은 4.2mm의 내경에 길이 70, 혼합실 내경 10mm에 길이 34mm로 하는 총길이는 130mm 이내로 하는 구조로 설계하였다. 설계된 구조는 분당 유량 2리터에서 초당 0.424m의 유입수 속도가 유속증가부에서 초당 4.416m로 증가되며 기압차는 270.202mmHg로 낮아지는 효과를 갖게 되고, 분당 6리터의 유량에서는 유입부 유속이 초당 1.273m에서 유속증가부에서 초당 13.249m로 증가하고 기압차는 601.542mmHg로 낮아지는 효과를 갖게 되었다.

해결과제 ③ 최저수압이 0.3kg/㎠ 이상의 경우에도 공기가 유입되는 샤워헤드를 개발하기 위해 공기유입노즐의 모양을 베루누이 정리와 관련된 비행원리를 응용하였다. 공기유입노즐의 모양은 제작의 편의와 유체의 흐름을 원활히 하기 위해 원형의 관을 기본으로 하였다. 유체와 접촉하는 부분은 비행을 방해하는 항력과 항력을 이기고 앞으로 나가는 전진력의 비율을 고려하여 역원뿔의 꼴로 제작하였다. 이런 설계는 유체의 유속에 비례하여 발생하는 반발력(동압)과 이에 따른 유체의 진행방향으로 반응하는 정압의 분배를 유효히 하여 동압과 정압의 관계를 5대5, 4대6의 비율로 분배하도록 하였다. 이는 유체와 공기유입노즐의 접촉부에서 압력변화를 좌우하는 Cavitation(공동 현상)부분을 확대하여 공기흡입을 극대화하는 효과를 기대하였다. 공기유입노즐의 성형구조는 유속증가부의 내경이 4.2mm이므로 동압을 유발하는 부분과 동압이 정압으로 변경되는 것을 고려하여 외경을 3mm로 하여 빨라진 유속이 공기유입노즐을 부딪치면서 공기유입노즐과 유속증가부 내경4.2mm의 양쪽간격 0.6mm의 공간으로 돌아가면서 동압이 정압으로 변환되는 완료점까지의 Cavitation(공동 현상)을 유도하게 하였다. 또한 공기유입노즐의 유입관경을 1mm이하로 하여 해결과제 ⑤의 공기유입노즐 끝단부 구조를 만들 수 있는 여분의 살을 갖게 되었다. 이렇게 만들어진 공기유입노즐은 해결과제 ②의 유속증가 부분에서 4.2mm의 내경부에서 2/3 지점에 해결과제 ④에서 개발된 공기유입노즐을 장착하는 방법을 택하였다. 이러한 방법으로 만들어진 샤워헤드는 저수압에서도 충분히 공기가 유입되는 효과를 갖게 되었다.

해결과제 ④를 해결하기 위해서는 공기유입노즐의 상단부 공기유입부에 볼밸브를 넣은 체크밸브형의 구조로 설계하였다. 볼밸브의 내부공간은 공기가 유입될 때는 소음 발생을 억제하고 물이 역류할 경우에는 역류하는 물의 압력에 바로 역류를 차단하는 효과를 가지는 체크밸브형으로 설계하였고 공기유입통로에 다공질의 세라믹을 배치하여 소음을 이중으로 차단하도록 하였다.

해결과제 ⑤의 고안 초기에는 공기유입노즐의 유체접촉 끝단부를 일자형으로 제작하여 고안품에 적용시, 공기의 유입과 기포 발생이 일정하지 않았다. 이에 공기유입노즐의 끝단부와 유체의 접촉시 Cavitation(공동 현상)면을 늘려 공기유입의 체적을 늘리고 다량의 공기가 흡입되는 구조를 만들기 위해 공기유입노즐 관경의 끝단부를 ∧형이나 ∩,

형으로 절단하여 공기유입노즐의 끝단부를 유속증가부4.2mm 내경에서 3.2mm부분에 유체의 흐름과 직각이 되게 배치하였다. 이러한 결과 ∧형이나 ∩,

형으로 고안된 끝단부는 -자형의 끝단부 보다 유체와 공기접촉면을 넓히는 결과를 가져왔고 목표하는 수준의 공기가 흡입되어 음이온(-)과 기포(공기, 산소)가 풍부한 통과수가 되었다.

해결과제 ⑥ 공기유입통로의 별도 배치로 공기유입노즐 부분이 물에 잠기어도 공기가 유입되는 구조를 만들기 위해 샤워헤드의 손잡이 끝부분에 상,하로 2개 의 공기유입공을 설치하여 과제를 해결하였고 이는 해결과제 ⑧ 샤워헤드내에 잔여수를 간편하게 배출할 수 있는 공기유입공의 배치도 동시에 해결하는 수단이 되었다.

해결과제 ⑦을 위해 샤워헤드의 손잡이 부분에 유체통과부와 손잡이 사이의 공간을 확보하여 해결과제 ⑥의 공기유입통로에 확보된 공간에 피톤치드나 향기 발생원을 성형하여 공간에 안착하는 수단으로 해결하였다.

본 고안은 연속의 법칙과 베르누이 정리를 활용한 벤츄리관의 구조를 응용하였다. 벤츄리관의 구조는 외부 동력의 보급 없이 유체 자체의 유속변화를 유도하게 된다. 빠르게 변화된 유속은 벤츄리관 내부에 공기유입노즐과 부딪치며 부딪치는 반대쪽으로 Cavitation(공동 현상)이 형성되며 벤츄리관 내부의 공동부로는 대기중의 공기(산소 등)가 흡입된다. 흡입된 공기(산소 등)는 유체와 접촉하면서 음(-)이온과 기포(공기, 용존산소)가 풍부한 미세기포가 포함된 기능수를 만들게 된다. 이렇게 개발된 다기능 미세기포 절수 샤워헤드는 다음의 효과를 기대한다.

첫째, 별도의 외부 동력이 필요 없는 에너지 절약형 절수 장치이다.

둘째, 음(-)이온과 공기(산소)가 풍부한 미세기포가 포함된 기능수를 만들어 통과수의 세척력이 높아지고, 가볍고 부드러운 촉감을 가지게 된다.

셋째, 샤워헤드를 통과한 통과수는 음(-)이온을 증가시켜 세정력이 높아진다. 이러한 효과는 세제류(샴푸, 린스 등)의 사용을 절감하면서도 충분한 세정력을 얻게 되어 환경오염원을 줄이는 효과를 가진다.

넷째, 피톤치드, 향기 등이 혼입된 기능수로 피부 보호나 피부치료 효과를 가진다.

다섯째, 기포가 발생하면서 유체의 체적이 늘어나고 이는 수압에 따라 15~30%의 토출수를 절감하는 효과를 가지는 에너지 절약형 수처리 장치이다.

여섯째, 압축기나 펌프 등을 사용하지 않기에 설치 및 사용이 편리하다.

일곱째, 미세기포의 파열시 온열효과를 갖게 된다.

본 고안의 첨부된 도면을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 고안의 발명을 위해 몇 가지의 기본적 전제를 가지고 시작하였다.

첫째, 기술적으로 외부의 동력에너지를 사용하는 고압의 펌프나 에어 펌프를 사용하지 않을 것을 기본으로 하였다.

둘째, 낮은 수압(0.3kg/㎠ 이하)이나 높은 수압(4kg/㎠ 이상)에서도 공기가 순조롭게 유입되어 기포가 발생하고,

세째, 공기유입노즐 위치까지 물에 잠기어도 공기가 유입될 수 있는 구조,

넷째, 장미, 피톤치드 등의 기능성 향기가 혼입될 수 있는 구조,

다섯째, 기능성 세라믹을 장착할 수 있는 구조의 샤워헤드를 원칙으로 하였다.

이러한 전제조건을 충족하는 샤워헤드를 고안하기 위해서 유체역학 중 연 속성의 법칙과 베르누이 정리를 활용하였고 실제 실험의 제약을 고려하여 베르누이방정식 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/pber.htm1l#beq을 활용하여 참조 1과 같이 유입수와 통과수의 관경을 계산하였다. 유입수의 최대 관경은 [도 1] 연결부(5)와 같이 최대 수돗물의 통과 관경을 넘지 않도록 하여 수도배관이나 수도배관에 접속된 샤워기나 호스에도 적용할 수 있도록 하였다. 또한 [도 1] 내부의 유속 증가부(4)의 관경도 [도 2] 유입수부(9)와 공기유입노즐(11)을 고려하여 최대 4.2mm이내가 되도록 하였다. 또한 [도 1] 공기유입노즐의 장착지점(8)의 내경 4.2mm를 고려하여 유속증가부(4)와 연결되는 부분의 공기유입노즐의 외경은 3mm로 하였고 [도 4] 공기흡입공의 내경(22)는 1mm이하로 하였다. [도 2] 공기유입노즐(11)은 유체의 접속부분을 넓게 하여 최대의 공기가 유입되도록 [도 4] ∧형이나 ∩,

형(21,22)로 특수 고안하였다. 실제로 [도 4] 특수 고안된 ∧형이나 ∩,

형 구조의 노즐은 일반적인 노즐(-자형) 대비 공기 유입량과 기포 발생에 있어서도 상당한 차이를 보였다.

[도 1] 샤워헤드의 구조는 손잡이 부분에 [도 3] 유속변동구조를 별도로 만들어 결합하는 형태로 설계하였다. 손잡이 부분의 150mm로 정해진 범위 내에 결합할 수 있도록 [도 3] 유입수부(15)는 내경 10mm에 길이 26mm, [도 3] 유속증가부는 4.2mm 관경 시작부(14)부터 4.2mm 내경으로 길이 70mm가 되도록 하였다. 이렇게 고안된 장치는 [도 3] 유속증가부(14에서 16)은 4.2mm로 좁아진 부분에서 유체의 유속이 빠르게 되었다. 이렇게 유속이 빨라진 4.2mm부분 베르누이관의 1/2지점에 공기유입노즐을 장착하여 실험하였으나 수압이나 유량에 따라 공기유입이 안 되 고 공기유입노즐로 유체가 역류하는 현상이 나왔다. 이에 공기유입노즐의 위치를 변경하는 여러 번의 실험을 거쳐 유속이 가장 빠르고 압력이 저하되는 지점을 찾았다. 실험 결과 [도 3] 베르누이관의 4.2mm부분 시작점(14)부터 [도 3] 2/3지점(13)에 [도 4] 공기유입노즐을 장착하는 것이 가장 효과적이었다. 고안 초기에 [도 3] 2/3지점(13)에 일반적인 편평한(-자형) 형태의 공기유입노즐을 장착하여 시험한 결과, 조건에 따라 역류하는 현상이 발생하고 공기 유입량도 편차가 심하였다. 이에 [도 4] 공기유입노즐의 유체 접촉부 끝부분(21,22)와 같이 ∧형이나 ∩,

형으로 고안하여 제작하였다. [도 4] 공기유입노즐 끝단부의 ∧형이나 ∩,

형으로 제작된 노즐은 유체와 평행하도록 놓고 실험한 결과 만족할 만한 공기 유입이 되지 않았다. 계속된 시행착오 끝에 [도 4] 도면의 끝단부(21,22)의 ∧형이나 ∩,

형 노즐을 [도 3](17)과 같이 유체의 진행방향과 직각 하도록 놓고 베르누이관 내경 4.2mm에서 공기 유입노즐의 끝단부(21)이 내경 3mm에 위치하도록 조정하였다. 이러한 조정실험 결과 공기유입노즐을 통하여 유입되는 공기가 확실히 증가하고 유체의 수압이 낮은 상태에서도 역류하지 않았다.

공기흡입공과 공기흡입노즐의 배치를 초기에 [도 1]의 (8) 부분에 외부의 공기흡입공을 배치하였으나 공기유입부가 물에 잠기면 공기의 유입이 되지 않았다. 이에 공기유입노즐 위치까지 물에 잠기어도 공기유입이 되도록 하기 위해 [도 1] 손잡이 하부에 공기유입공(1)을 배치하였다. 초기에 배치된 1개의 유입공(1)은 실험 결과 내부 잔여수가 남은 상태에서 공기유입을 원활하게 할 수 없는 경우가 있어 고심 중 반대편에 공기 유입공(6)을 하나 더 배치하였다. 그 결과 사용 중 하나 의 공기유입공(1)이 막혀도 남은 공기유입공(6)으로 공기유입이 원활하게 되었고 샤워헤드 내에 남은 잔존수도 쉽게 배출하는 이중의 효과를 얻게 되었다.

또한 상기의 공기유입공의 배치는 공기유입공과 공기유입노즐과의 공간(10)을 활용할 수 있게 하였다. 이는 공기유입통로의 공간에 다공질의 기능성 세라믹(7)을 장착하여 유체에 혼입되는 공기의 질을 향상시키는 수단을 갖게 되었다.

또한 공기유입통로에 다공질의 기능성 세라믹(7)과 세라믹의 사이에 피톤치드나 장미향 등의 향기나는 형성체(10)를 장착하여 샤워헤드에서 토출되는 토출수에 기능성을 부가하는 수단을 갖게 되었다.

이런 성과로 고안된 다기능 미세기포 절수 샤워헤드는

첫째로 수압에 의한 역류현상이 없이 수압 0.1kg/㎠에서부터 공기유입이 작동되며 수압이 높아질수록 더 많은 공기가 유입되어 목표로 하는 효과를 얻게 되었다.

둘째로 단위 조건하에 최대의 Cavitation(공동 현상)을 유도하는 공기유입노즐의 효과적 구조를 획득하게 되었다.

셋째로 공기유입공의 별도 배치로 공기유입노즐의 위치에 따른 제약을 피하게 되는 효과적 구조를 획득하게 되었다.

넷째로 피톤치드나 향을 혼입하는 수단을 갖게 되어 기능성을 부가할 수 있는 수단을 획득하게 되었다.

이렇게 샤워헤드를 통과한 통과수는 세안이나 세발시 월등한 세척력으로 단시간에 세안이나 세발을 끝낼 수 있으며 피부가 매우 부드러워지고 쾌적하게 사 용하는 직접적인 효과 외에 물 소비량을 절약할 수 있게 하였다. 또한 피톤치드나 향을 혼입함으로써 피부미용 및 피부질환의 예방 및 치료에도 활용할 수 있는 기능성을 갖게 되었다.

상기의 과정을 거쳐 본 고안은 유체의 통과 유량과 사용 가능 유량이 적절하도록 [도 3] 베르누이관의 유체 유입수부(15) 내경 10mm와 유속증가부(16) 내경 4.2mm를 기본으로 하였다. 그리고 유체와 접촉되는 [도 2] 공기유입노즐(11)의 끝단부를 [도 4]특수구조(∧형이나 ∩,형)(21,22)로 고안한 후 베르누이관에서 통과수의 유속은 가장 빠르며 압력은 가장 약한 부분에 장착하였다. 또한 별도의 공기유입공(1,6)을 배치하여 공기유입노즐의 위치(8)에 따른 제약을 없애고 공기유입공(1,6)과 공기유입노즐(11) 사이의 공기유입통로에 기능성 세라믹(7)과 피부미용 및 치료에 활용되는 피톤치드나 향 등의 형성체(10)를 장착하는 수단을 갖게 되었다.

그 결과 다양한 제반 조건에서도 가장 효율적으로 대기압보다 낮은 저기압 상태를 인공적으로 만들 수 있었고, 유속증가부의 공기유입노즐의 특수구조를 통해 급격한 압력의 변화를 유도하여 Cavitation(공동 현상)이 향상되는 구조를 획득하게 되었다. 이는 대기 중의 공기(용존산소)가 유체 속에 효율적으로 유입되는 결과를 갖게 되었다. 또한 공기유입공으로 유입된 공기(용존산소)는 공기유입통로를 통과하면서 세라믹과 향 등의 형성체가 가지는 기능을 유체에 혼입하는 기능을 부가 받아 유체와 혼합되면서 음(-)이온이 풍부한 기포를 발생시키고 피톤치드나 향 등이 함유된 기능수를 만들게 되는 것이다. 이러한 과정을 거쳐 미세기포와 각종 기 능성이 포함된 토출수를 만들어내는 에너지 절약형 그린환경 제품인 소형의 샤워헤드를 완성하였다.

도 1은 미세기포 생성샤워헤드의 조립 사시도

도 2는 미세기포 생성샤워헤드의 조립 좌측면도

도 3은 미세기포 생성구조의 정면도 및 측면도

도 4는 공기유입노즐의 상세도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 공기유입공 2 : 유속증가 시작부 3 : 공기유입통로

4 : 유속증가부 5 : 연결부 6 : 공기유입공

7 : 다공질기능성세라믹 8 : 공기흡입공 위치 9 : 유입수부

10 : 피톤치드,향등 형성체 11 : 공기흡입노즐 12 : 지지대

13 : 공기흡입공 14 : 유속증가 시작부 15 : 유입수부

16 : 유속증가부 17 : 공기흡입노즐 직각배치 18 : 공기흡입공 19 : 역류방지 볼밸브 20 : 공기통과 격막

21 : ∧,∩,

형 노즐 끝단부

22 : ∧,∩,

형 유체접촉부

Claims (6)

1. 연속성의 법칙과 베르누이 정리를 응용하여 수도 등의 가정용 배관에 직접 연결 적용할 수 있는 다기능 미세기포 절수 샤워헤드에 관한 것이다. 유체가 미세기포 생성 헤드를 통과하면서 초속 10m/sec 이상으로 유속이 증가하도록 유도하는 수단으로서 총길이 130mm의 관을 10mm 내경의 유입수 부분 길이 26mm, 유속증가부 4.2mm 부분 길이 70mm, 혼합실 길이 34mm의 유속증가구조를 내장한 이중구조의 손잡이를 가진 샤워헤드의 구조;

   유속증가부 70mm 길이의 2/3지점의 홈에 3mm 외경의 공기유입 노즐을 직각으로 배치하는 구조;

   즉, 청구항 1에서는 관경이 유입관경 10mm이하이며 유입수 부분에서 40mm 지점에 내경 4.2 mm로 관경을 좁히고 4.2mm의 관경이 최하 70mm정도의 길이가 되도록 하는 유속변동 구조에 4.2mm 관경의 시작점에서 2/3지점에 3mm외경의 공기유입 노즐을 홈에 직각 고정 장착하는 구조의 관을 내장한 손잡이를 가진 샤워헤드를 실용실안 등록 청구합니다.
2. 제 1항에 있어서,

   공기유입 노즐의 구조를 3mm 외경에 내경 1mm ~ 2.3mm(1.8mm 제외)의 구조를 기본으로 하고 외부공기가 유입되어 유체와 접촉하는 노즐의 끝단부를 ∧형이나 ∩,

   

   형으로 하여 유체와 공기의 접촉면적을 넓히는 효과를 가지게 하는 노즐부품의 형상.
3. 제 2항의 공기유입 노즐을 청구 1항의 공기유입 노즐 결합부에 장착시 ∧형 이나 ∩,

   

   형의 끝단부 위치가 4.2mm 관경의 내부 3mm 부분에 도달하여 잔여부분이 1 mm 가 되도록 결합하는 구조.
4. 제 3항의 ∧형이나 ∩,형의 공기유입 노즐의 끝단부의 외경부가 유체의 흐름과 직각이 되도록 장착하여 고정하는 구조.
5. 제 1항의 손잡이 하부에 2mm관경의 공기유입공을 상하 2개 배치하는 구조
6. 제 5항의 손잡이 공기유입공과 공기유입노즐과의 사이 공간에 기능성 세라 믹을 이중으로 장착하고 그사이에 피톤치드나 향기를 장착하는 구조

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