KR20130137315A - 고전압 펄스 전기장 발생 장치 및 이를 이용한 수질 정화 장치 - Google Patents

고전압 펄스 전기장 발생 장치 및 이를 이용한 수질 정화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각 전극을 나사체결방식으로 바디부에 결합하여 수명이 한정된 스파크 갭 스위치의 교환이 용이하고 유지보수가 간편한 고전압 펄스 전기장 발생 장치용 스위치 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고전압 펄스 전기장 발생 장치는 전원공급부, 전력변환부, 컨버터, 막스 발생기;를 포함하고, 상기 막스 발생기는 절연가능한 재질로 이루어진 바디부; 상기 바디부의 내부에 일정한 간격을 두고 배치되어 나노초 펄스 전기장(PEF)을 발생시키는 전극; 및 상기 바디부의 전후면에 각각 설치되어, 전극으로부터 발생된 파티클을 흡착할 수 있도록 된 필터;를 포함하여 내구성 및 수명을 연장시킬 수 있으며, 상기 전극은 나사체결방식으로 바디부에 탈착가능하게 장착되어 교환 및 상호 간의 갭 조절이 쉽고, 유지보수가 용이한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수질 정화 장치는 고전압 펄스 전기장 발생 장치를 응용함에 있어서 펄스 전기장 발생장치를 수족관의 물에 전기적으로 연결하여, 수족관에서 증식하는 세균을 억제하고 어류 등의 성장을 촉진시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

Description

고전압 펄스 전기장 발생 장치 및 이를 이용한 수질 정화 장치{High voltage pulse electric field generator and apparatus for purifying water using the same}
본 발명은 고전압 펄스 전기장 발생 장치 및 이를 이용한 수질 정화 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가격이 저렴하고 구조가 간단하여 유지보수가 용이한 고전압 펄스 전기장 발생 장치 및 이를 이용한 수질 정화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 고전압 펄스 전기장(PEF;Pulse Electric Field) 발생장치는 각종 시험장비와 저온 및 고온 플라즈마 발생장치 레이저 전원 등 고전압 펄스 전계를 필요로 하는 특수한 용도에 널리 사용되고 있다.
최근 상기 고전압 펄스 전기장 발생장치는 환경 및 바이오 응용 분야에서 주목받고 있다.
기존의 고전압 펄스 전기장 발생장치는 전기 기기의 임펄스 시험에 널리 쓰이는 스파크 갭 스위치를 이용한 막스 제너레이터(Marx generator)방식과, 고압 직류전원을 이용하여 충전소자에 에너지를 저장한 뒤에 이를 고압 스위치로 스위칭하여 펄스를 성형하는 방식 또는 펄스 변압기를 이용하여 저압 펄스를 고압으로 승압하는 방식등이 있다.
한편, 막스 발생기(Marx generator)는 1923년 막스에 의하여 제안되었으며, 이는 여러 단의 커패시터를 병렬로 충전한 후 그 전압을 더하여 짧은 순간의 직렬펄스형태로 인가한다.
그리고 막스 발생기는 고전압이면서, 짧은 펄스를 만들기 위하여 스파크 갭 스위치 등의 펄스 파워 스위치를 이용하여 수십 마이크로초 정도의 펄스폭을 갖는 펄스를 만들고, 이를 자기 펄스 압축회로(magnetic pulse compression)등을 사용하여 수백 나노초(ns) 또는 수 마이크로초(μs) 정도의 상승시간을 갖는 펄스로 만든다.
그러나, 상기 스파크 갭 스위치의 경우 수명이 한정되어 있고, 스위치의 장착 구조가 복잡하여 수명이 다 된 경우에 교환 등의 유지보수가 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 발명한 것으로서, 각 전극을 나사체결방식으로 바디부에 결합하여 수명이 한정된 스파크 갭 스위치의 교환이 용이하고 유지보수가 간편한 고전압 펄스 전기장 발생 장치 및 이를 이용한 수질 정화 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고전압 펄스 전기장 발생 장치는 AC 전원을 공급하기 위한 전원공급부; 상기 전원공급부에 연결되어 AC에서 DC로 변환시키는 전력변환부; 상기 전력변환부에 연결되어 변환된 DC 전압을 승압시키는 컨버터; 및 상기 컨버터에 연결되어 승압된 고전압을 인가받아 스파크를 발생시키며 고전압의 펄스를 발생시키기 위한 막스 발생기;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 막스 발생기는 절연가능한 재질로 이루어진 바디부; 상기 바디부의 내부에 일정한 간격을 두고 배치되어 나노초 펄스 전기장(PEF)을 발생시키는 전극; 및 상기 바디부의 전후면에 각각 설치되어, 전극으로부터 발생된 파티클을 흡착할 수 있도록 된 필터;를 포함하여 내구성 및 수명을 연장시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 전극은 나사체결방식으로 바디부에 탈착가능하게 장착되어 교환 및 상호 간의 갭 조절이 쉽고, 유지보수가 용이한 것을 특징으로 한다.
상기 전극은 타이머를 이용하여 펄스 발생 간격을 용이하게 조절할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수질 정화 장치는 고전압 펄스 전기장 발생 장치를 수족관의 물에 전기적으로 연결하여, 수족관에서 증식하는 세균을 억제하고 어류 등의 성장을 촉진시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고전압 펄스 전기장 발생 장치용 스위치 모듈의 장점을 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 저렴하고 유지보수가 간편한 소형 펄스 전기장(PEF) 발생기를 보급할 수 있고, 본 막스 발생기에서 발생되는 나노초 PEF를 수중 및 기중에 발생시켜 바이오 및 환경분야 등 다양한 응용이 가능한 장점이 있다.
둘째로, 유한한 수명을 가지는 스위치 모듈을 저렴하고 교환 등의 유지보수가 용이한 구조로 제작하여 경제적인 장점이 있다.
셋째로, 기존의 소자를 이용하여 수십 kV의 고전압을 쉽게 발생시킬 수 있으며, 수중에서도 일정한 패턴으로 PEF를 인가할 수 있다.
넷째로, 시중에서 쉽게 구입할 수 있는 소자들을 활용하여 유지보수가 간편하고, 본 장치에서 고전압 나노초 PEF를 발생시켜 사람 또는 어류 등의 큰 생물체에는 위험하지 않으며, 특히 수족관에 설치되는 순환관에 나노초 PEF를 제공하여 수족관 어류의 성장을 촉진하고, 박테리아 등 수중의 세균 증식을 억제하여 항생제의 사용을 줄일 수 있다.
다섯째로, 나노초 PEF를 이용하여 음료용 수질을 정화시킬 수 있고, 소형 광대역(Ultra Wide Band)용 급준파 발생장치에 적용가능하다.
여섯째로, 펄스 전압이 고전압이면서 장치의 크기가 소형이며, 취급이 간편하여 누구나 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 저전력 고전압 펄스 전기장(PEF) 발생 장치의 구성을 보여주는 블록도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 펄스 전기장 발생 장치용 스위치 모듈의 사시도
도 3은 도 2의 분해사시도
도 4는 도 2의 A-A 단면도 및 측면도
도 5는 도 2의 B-B 단면도
도 6은 수중에서 PEF 발생용 나노초 펄스 방전의 파형의 예를 보여주는 그래프
도 7은 막스 커패시터 1단(stage)의 충방전 패턴(8.4Hz 반복률의 PEF 발생)을 보여주는 그래프
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 저전력 고전압 펄스 전기장(PEF) 발생 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
본 발명은 유지보수가 간편하고 취급이 용이한 고전압 펄스 전기장(PEF) 발생 장치용 스위치 모듈(20)에 관한 것이다.
상기 저전력 고전압 PEF 발생장치는 도 1에 도시한 바와 같이 전원공급부(AC 220V)와 연결되며 프로그램가능한 타이머(10)(Programmable Timer)와, 프로그램가능한 타이머(10)와 연결되어 교류(AC) 전원을 직류(DC) 전원으로 변환할 수 있도록 된 전력변환부(11)와, 타이머 릴레이(12)를 통해 전력변환부(11)와 연결되어 전압을 증감시키기 위한 DC-DC 컨버터(13)와, 펄스 전원을 발생시켜 부하부(예, 수족관(15))에 펄스를 인가하기 위한 막스 발생기(20)(MARX Generator)로 구성된다.
상기 프로그램가능한 타이머(10)는 기존의 타이머(10)를 이용하여 막스 발생기(20)에서 발생하는 펄스 발생 간격을 쉽게 제어할 수 있는 장점이 있다.
상기 전력변환부(11)의 일실시예로 스위칭 모드 파워 서플라이(SMPS;Switching Mode Power Supply)를 사용할 수 있다.
상기 타이머 릴레이(12)는 전력변환부(11)와 DC-DC 컨버터(13)를 연결하는 전기선에 각각 설치되어, 전력변환부(11)와 컨버터(13) 사이의 전원을 연결 또는 차단하며, 프로그램가능한 타이머(10)와 연동하여 펄스 발생 간격을 제어할 수 있도록 한다.
상기와 같이 구성된 고전압 PEF 발생장치의 펄스전달방법을 설명하면 다음과 같다.
AC 전원부로부터 공급되는 전원은 전력변환부(11)를 통해 AC에서 DC로 변환되고, 변환된 DC 전압은 DC-DC 컨버터(13)에 의해 15V에서 10kV로 승압되며, 승압된 전압은 막스 발생기(20)에 공급되고, 막스발생기(14)에서 펄스를 발생시켜 예를 들어 수족관(15)에 고전압의 펄스를 공급함으로써, 수족관(15)에 포함된 병원균 등을 멸균시킬 수 있다.
이때, 프로그램가능한 타이머(10)와 타이머 릴레이(12)를 이용하여 막스발생기(14)의 펄스 발생 간격을 조절할 수 있다.
첨부한 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 고전압 펄스 전기장 발생 장치용 스위치 모듈의 사시도이고, 도 3은 도 2의 분해사시도이고, 도 4는 도 2의 A-A 단면도 및 측면도이고, 도 5는 도 2의 B-B 단면도이다.
여기서, 상기 고전압 펄스전기장 발생 장치의 케이스 내부에는 막스 발생기(20)가 장착되며, 막스 발생기(20)는 각 전극(22)에 전원이 인가되는 경우에 스파크를 발생시킴으로써 순간적으로 펄스 형태의 고전압을 발생시키도록 하는 장치이다.
상기 막스 발생기(20)는 PC 등 플라스틱 재질 같은 반투명의 절연체로 이루어진 바디부(21)와, 바디부(21)의 내부에 좌우 간격을 두고 장착되는 5쌍의 전극(22)과, 펄스 발생시 전극(22)으로부터 발생하는 부산물(Particle)을 흡착하기 위한 필터(24)로 구성된다.
상기 바디부(21)는 직사각체의 절연체 블럭 형태로 이루어지고, 절연체 블럭의 양쪽 측면에 5쌍의 전극삽입부(21a)가 좌우 방향으로 관통 형성되며, 전극삽입부(21a)에 전극(22)이 각각 삽입 장착되어 있다.
상기 전극삽입부(21a)는 홀 형태로 절연체 블럭의 내부 좌우에 형성되고, 상기 홀은 절연체 블럭의 중앙 수직홀(21b)을 가운데 두고 좌우에 한 쌍(PAIR)으로 배치되고, 좌우 한 쌍의 홀은 상하방향으로 간격을 두고 5쌍으로 각각 배치되어 있다.
이와 같이 전극삽입부(21a)에 5쌍의 전극(22)이 전극삽입부(21a)에 삽입되어 상하 좌우 간격을 두고 배치된다.
전극(22)은 원통 형태로 이루어지고, 재질로 SUS를 이용하여 제작될 수 있으며, 원통형 전극(22) 내부에는 전선(27)의 커넥터를 연결할 수 있도록 커넥터삽입부(22a)가 중공 형태로 형성되어 있다.
그리고, 상기 전극(22)은 전극삽입부(21a)에 나사체결방식으로 결합되어, 서로 마주보는 전극(22)의 좌우 갭을 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 전극삽입부(21a)의 내주면에 암나사산이 형성되어 있고, 전극(22)의 외주면에 수나사산이 형성되어, 전극(22)을 돌리면서 전극삽입부(21a)에 삽입 체결하여 고정할 수 있고, 전극(22)의 회전방향 및 회전량에 따라 좌우측에 배치된 전극(22) 상호 간의 갭을 조절할 수 있다.
아울러, 상기 전극(22)은 나사체결방식으로 바디부(21)에 장착되어 탈착하기가 용이한 장점이 있다.
뿐만 아니라, 상기 전극(22)과 전선(27)의 연결부는 연결 단자의 측면에 절개부가 형성된 일명 바나나 잭(23)으로 연결하여 탈부착이 간편한 장점이 있다.
또한, 상기 절연체 블럭의 정면 중앙에는 중앙 수직홀(21b)이 상하 수직방향으로 관통형성되고, 중앙 수직홀(21b)을 통해 양측 전극(22)이 좌우 간격을 두고 마주보며 노출되어 전극(22)에서 고전압 펄스 발생시 부산물인 파티클을 흡착할 수 있는 스펀지형 필터(24)가 설치되어 있다.
상기 필터(24)는 일반적인 스펀지 형태로 이루어지며, 이러한 스펀지 형태의 필터(24)는 공기를 통과시키지만 공기 중에 포함된 파티클을 흡착 및 여과시킬 수 있다.
상기 커버플레이트(25)는 스펀지형 필터(24)를 고정하는 역할을 하고, 커버플레이트(25)의 중심부에는 수직관통홀(28)이 형성되어, 수직관통홀(28)을 통해 외부 공기가 출입할 수 있도록 되어 있다.
다시 말해서, 필터(24)는 커버플레이트(25)에 의해 고정되며, 스파크 발생시 전극(22) 단부로부터 발생된 파티클을 흡착 제거할 뿐만 아니라, 커버플레이트(25)의 수직관통홀(28)을 통해 유입되는 공기를 통과시키면서 공기 중에 포함된 파티클 등의 이물질을 제거할 수 있다.
상기 필터(24) 및 커버플레이트(25)는 그 가장자리부가 볼트(26a)와 너트(26b)에 의해 절연체 블럭의 중앙 수직홀(21b) 주변에 나사체결되어 탈부착이 용이하다.
또한, 상기 스위치 모듈(20)은 전원장치의 밑면과 장착이 편리하며 탈부착이 간편하다.
이와 같은 구조로 이루어진 막스 발생기(20)의 작동 상태를 설명하면 다음과 같다.
5쌍의 각 전극(22)에 연결된 전선(27)을 통해 전원이 인가되는 경우에 바디부(21)의 절연체 블럭에 장착된 각 전극(22)은 전선(27)의 연결잭을 통해 전원을 인가받아 일정한 간격을 두고 서로 마주보게 배치된 전극(22)의 단부에서 짧은 순간(나노초 동안)에 고전압의 전류가 흐르도록 함으로써 고전압의 나노초 펄스 전기장(PEF)을 발생시킬 수 있고, 이때, 펄스의 발생 간격을 프로그램가능한 타이머(10)를 이용하여 조절할 수 있다.
또한, 상기 전극(22)의 단부에서 펄스 발생시 이물질이 발생하는데, 이때 발생하는 이물질을 필터(24)로 흡착하여 스위치 모듈(20)의 수명을 연장할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 고전압 펄스 전기장 발생 장치를 수족관(15) 등에 적용하여 수족관(15) 등의 수질을 정화시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 고전압 펄스 전기장 발생 장치를 수족관(15)에 적용하여 수질 정화 장치에 이용할 수 있는데, 예를 들면 막스 발생기(20)의 양쪽 전극(22)에 각각 전선(27)을 연결하고, 상기 전선(27)의 선단부에 전극봉 및 전극 단자를 수족관(15)의 순환관에 연결하는 경우에 수질 정화 장치로 사용할 수 있다.
다시 말해서, 상기 수족관(15)에 설치된 고전압 펄스 전기장 발생 장치의 막스 발생기(20)에 전원을 인가하여 고전압 펄스를 발생시키고, 전선(27) 및 전극 단자를 통해 수족관(15) 내부에 고전압 펄스를 전달하면 수족관(15)의 물에서 증식하는 세균을 억제할 수 있고, 수족관(15)에서 생활하는 어류의 성장을 촉진할 수 있다.
첨부한 도 6은 수중에서 PEF 발생용 나노초 펄스 방전의 파형의 예를 보여주는 그래프이고, 도 7은 막스 커패시터 1단(stage)의 충방전 패턴(8.4Hz 반복률의 PEF 발생)을 보여주는 그래프이다.
따라서, 본 발명에 의하면 저렴하고 유지보수가 간편한 소형 펄스 전기장(PEF) 발생기를 보급할 수 있고, 본 막스 발생기(20)에서 발생되는 나노초 PEF를 수중 및 기중에 발생시켜 바이오 및 환경분야 등 다양한 응용이 가능한 장점이 있다.
또한, 유한한 수명을 가지는 막스 발생기(20)를 저렴하고 교환 등의 유지보수가 용이한 구조로 제작하여 경제적인 장점이 있다.
아울러, 기존의 소자를 이용하여 수십 kV의 고전압을 쉽게 발생시킬 수 있으며, 수중에서도 일정한 패턴으로 PEF를 인가할 수 있다.
뿐만 아니라, 시중에서 쉽게 구입할 수 있는 소자들을 활용하여 유지보수가 간편하고, 본 장치에서 고전압 나노초 PEF를 발생시켜 사람 또는 어류 등의 큰 생물체에는 위험하지 않으며, 특히 수족관(15)에 설치되는 순환관에 나노초 PEF를 제공하여 수족관(15) 어류의 성장을 촉진하고, 박테리아 등 수중의 세균 증식을 억제하여 항생제의 사용을 줄일 수 있다.
그리고, 나노초 PEF를 이용하여 음료용 수질을 정화시킬 수 있고, 소형 광대역(Ultra Wide Band)용 급준파 발생장치에 적용가능하다.
이외에도, 펄스 전압이 고전압이면서 장치의 크기가 소형이며, 취급이 간편하여 누구나 사용할 수 있는 장점이 있다.
10 : 프로그램가능한 타이머
11 : 전력변환부
12 : 타이머 릴레이 13 : DC-DC 컨버터
15 : 수족관 20 : 막스 발생기
21 : 바디부 21a : 전극삽입부
21b : 중앙 수직홀 22 : 전극
22a : 커넥터삽입부 23 : 바나나 잭
24 : 필터 25 : 커버플레이트
26a : 볼트 26b : 너트
27 : 전선 28 : 수직관통홀

Claims (5)

  1. AC 전원을 공급하기 위한 전원공급부;
    상기 전원공급부에 연결되어 AC에서 DC로 변환시키는 전력변환부(11);
    상기 전력변환부(11)에 연결되어 변환된 DC 전압을 승압시키는 컨버터; 및
    상기 컨버터에 연결되어 승압된 고전압을 인가받아 스파크를 발생시키며 고전압의 펄스를 발생시키기 위한 막스 발생기(20);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 발생 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 막스 발생기(20)는 절연가능한 재질로 이루어진 바디부(21);
    상기 바디부(21)의 내부에 일정한 간격을 두고 배치되어 나노초 펄스 전기장(PEF)을 발생시키는 전극(22); 및
    상기 바디부(21)의 전후면에 각각 설치되어, 전극(22)으로부터 발생된 파티클을 흡착할 수 있도록 된 필터(24);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 발생 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극(22)은 나사체결방식으로 바디부(21)에 탈착가능하게 장착되어 교환 및 상호 간의 갭 조절이 용이한 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 발생 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극(22)은 타이머(10)를 이용하여 펄스 발생 간격을 용이하게 조절할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 발생 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항의 고전압 펄스 전기장 발생 장치는 수족관(15)의 물에 전기적으로 연결되어, 수족관(15)에서 증식하는 세균을 멸균시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 고전압 펄스 전기장 발생 장치를 이용한 수질 정화 장치.
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