KR20150050742A

KR20150050742A - Cdi 방식의 필터

Info

Publication number: KR20150050742A
Application number: KR1020130131101A
Authority: KR
Inventors: 권태성; 이수영; 문형민; 문성민; 박병길; 강경석; 손원근
Original assignee: 코웨이 주식회사; (주) 시온텍
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-05-11
Also published as: KR102137094B1

Abstract

본 발명에 따른 CDI 방식의 필터는, 전극과 세퍼레이터가 교대로 적층되어 형성되는 전극부를 통해 CDI 방식으로 원수를 정수하는 CDI 방식의 필터에 관한 것으로서, 전극부는 폭 방향보다 길이 방향으로 길게 형성되고, 길이 방향의 소정 간격마다 폭 방향으로 형성되어 전극부를 두께 방향으로 관통하는 관통홀을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

CDI 방식의 필터 {CDI TYPE FILTER}

본 발명은 CDI 방식의 필터에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 전극과 세퍼레이터가 교대로 적층되어 형성되는 전극부를 길게 형성할 수 있으면서도 전극부에 데드 스페이스가 적게 형성되는 CDI 방식의 필터에 관한 것이다.

정수기와 같이 원수를 처리하여 정수수를 생성하는 수처리 장치는 현재 다양하게 개시되고 있다. 그런데 최근 EDI(Electro Deionization), CEDI(Continuous Electro Deionization), CDI(Capacitive Deionization)와 같은 전기 탈이온 방식의 수처리 장치가 각광을 받고 있다. 이들 중에서도 가장 각광을 받고 있는 것이 바로 CDI 방식의 수처리 장치이다.

CDI 방식은 전기적인 힘에 의해 전극의 표면에서 이온이 흡착되고 탈착되는 원리를 이용하여 이온(오염물질)을 제거하는 방식을 말한다. 이에 대해서 도 8과 도 9를 참조하여 보다 상술한다. 전극에 전력을 공급한 상태에서 이온을 포함한 원수를 전극의 사이로 통과시키면, 도 8에서 도시하고 있는 것과 같이 음이온은 양극으로 이동하게 되고, 양이온은 음극으로 이동하게 된다. 즉, 흡착이 일어나게 된다. 이와 같은 흡착으로 원수에 포함된 이온이 제거될 수 있다. 다만, 흡착이 계속되면 전극은 더 이상 이온을 흡착할 수 없게 된다. 이와 같은 경우 도 9에서 도시하고 있는 것과 같이, 전극에 흡착된 이온들을 탈착시켜 전극을 재생시킬 필요가 있다. (이때 재생수가 생성되어 배출된다.)

그런데 수처리 장치에 적용되는 필터는 통상적으로 길게 형성된다. 따라서 CDI 방식의 필터도 길게 형성되는 것이 수처리 장치에 대한 적용에 있어 보다 유리하다. 그러나 CDI 방식의 필터를 단순히 길게 형성하면, 원수가 균일하게 입수되기 어려워 정수가 일어나지 않는 데드 스페이스(dead space)가 많이 형성될 수밖에 없으며, 이의 결과로 정수 효율이 떨어져 필요 이상으로 필터를 크게 만들어야 하는 문제가 발생한다.

따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 전극과 세퍼레이터가 교대로 적층되어 형성되는 전극부를 길게 형성할 수 있으면서도 전극부에 데드 스페이스가 적게 형성되는 CDI 방식의 필터를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 CDI 방식의 필터는, 전극과 세퍼레이터가 교대로 적층되어 형성되는 전극부가 길이 방향의 소정 간격마다 폭 방향으로 형성되어 전극부를 두께 방향으로 관통하는 관통홀을 가지기 때문에, 관통홀로부터도 원수가 전극부의 내부로 공급될 수 있어, 전극부를 길게 형성할 수 있으면서도 전극부에 데드 스페이스가 적게 형성될 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 도시하고 있는 사시도
도 2는 도 1의 필터를 도시하고 있는 분해 사시도
도 3은 도 1의 필터 중 전극부와 단자부를 도시하고 있는 분해 사시도
도 4는 도 2의 A-A선에 따른 단면도
도 5는 도 3의 전극부를 도시하고 있는 평면도
도 6과 도 7은 도 5의 전극부와 대비하기 위한 전극부를 도시하고 있는 평면도
도 8은 CDI 방식에서 정수가 이루어지는 원리를 설명하고 있는 개념도
도 9는 CDI 방식에서 재생이 이루어지는 원리를 설명하고 있는 개념도

이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필터를 도시하고 있는 사시도이고, 도 2는 도 1의 필터를 도시하고 있는 분해 사시도이다. 그리고 도 3은 도 1의 필터 중 전극부와 단자부를 도시하고 있는 분해 사시도이고, 도 4는 도 2의 A-A선에 따른 단면도이다. 도 1과 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이, 본 실시예에 따른 필터는 기본적으로 전극부(110), 케이스부(130) 및 단자부(150)를 포함한다.

먼저 전극부(110)를 살펴본다. 전극부(110)는 CDI 방식으로 원수를 정수하는 역할을 한다. 보다 구체적으로 전극부(110)는 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 전극(111, 113)과 세퍼레이터(112)가 교대로 적층되어 형성된다. 이때 전극은 양극(111)과 음극(113)을 포함한다. 즉, 전극부(110)는 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 양극(111)과 음극(113)이 세퍼레이터(112)를 통해 대향되게 적층되어 형성된다. (세퍼레이터는 양극과 음극 사이에 간격을 형성한다.)

그런데 전극(111, 113)은 일반적으로 흑연 포일(graphite foil)의 양면에 활성탄(activated carbon)을 도포하여 형성될 수 있다. 이때 흑연 포일은 활성탄이 도포되는 본체 부분(도 3에서 빗금이 표시된 부분 참조)과, 본체 부분으로부터 돌출되되 활성탄이 도포되지 않은 돌출 부분(111a, 113a)을 포함할 수 있다. 여기서 돌출 부분(111a, 113a)은 전극(111, 113)의 전극탭을 형성한다. 이러한 전극탭(111a, 113a)을 통해 전극(111, 113)으로 전력을 공급하여 전극부(110)를 작동시킬 수 있다.

한편, 양극(111)과 음극(113)은 전기적으로 서로 분리될 필요가 있다. 따라서 양극(111)의 양극탭(111a)과 음극(113)의 음극탭(113a)은 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 서로 이격되는 것이 바람직하다. 그러나 양극(111)의 양극탭(111a)은 양극탭(111a)끼리, 그리고 음극(113)의 음극탭(113a)은 음극탭(113a)끼리, 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 서로 같은 위치에서 서로 같은 방향으로 돌출되는 것이 바람직하다. 이와 같으면, 양극(111)의 양극탭(111a)과 음극(113)의 음극탭(113a)에 각각 서로 다른 극성으로 전원을 공급하기 편리하다.

다음으로 케이스부(130)를 살펴본다. 케이스부(130)는 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 전극부(110)를 수용한다. 보다 구체적으로 케이스부(130)는 상부에 개구(132)가 형성되고 내부에 전극부(110)가 수용되는 하부 케이스(131), 및 하부 케이스(131)의 개구(132)를 밀폐하는 상부 케이스(136)를 포함한다. 즉, 하부 케이스(131)의 개구(132)를 통해 전극부(110)를 하부 케이스(131)의 내부로 삽입한 다음, 하부 케이스(131)의 개구(132)를 상부 케이스(136)로 밀폐한다. 여기서 하부 케이스(131)는 측부에 원수가 입수되는 입수구(133)를 가지고, 상부 케이스(136)는 상부에 정수수가 출수되는 출수구(137)를 가진다. 이때 출수구(137)는 전극부(110)의 출수홀(115)에 대응되게 형성된다.

이와 같은 구조에 따라 원수는 다음과 같은 과정을 거쳐 정수된다. 우선 원수는 입수구(133)를 통해 케이스부(130)의 내부로 공급된다. 그런 다음 이와 같은 공급에 따른 압력으로 원수는 전극부(110)의 측면을 통해 전극부(110)의 내부로 입수된다. 그런 다음 원수는 전극부(110)의 내부에서 양극(111)과 음극(113)의 사이를 흐르며 CDI 방식에 따라 정수된다. 그런 다음 원수는 출수홀(115)을 통해 전극부(110)의 외부로 배출된다. 그런 다음 원수는 출수구(137)를 통해 케이스부(130)의 외부로 배출된다.

다음으로 단자부(150)를 살펴본다. 단자부(150)는 전극탭(111a, 113a)에 전기적으로 연결되어 외부 전원(미도시)으로부터 전극(111, 113)으로 전력을 공급하는 역할을 한다. 보다 구체적으로 단자부(150)는 도 2 내지 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이, 일측 말단에서 전극탭(111a, 113a)에 접하는 전도성의 단자 플레이트(151)와, 단자 플레이트(151)로부터 전극탭(111a, 113a)을 향해 연장되어 전극탭(111a, 113a)을 뚫는 전도성의 단자 핀(152)을 구비한다. (단자 플레이트의 일측 말단에 전극탭이 접한 상태에서 단자 플레이트의 타측 말단에 전력을 공급하면 단자 플레이트를 통해 전극탭으로 전력이 공급될 수 있다.)

전극(111, 113)은 전술한 바와 같이 흑연 포일의 양면에 활성탄을 도포하여 형성될 수 있다. 그런데 흑연 포일은 전류가 두께 방향으로 잘 흐르지 못하는 특성을 가지고 있다. 따라서 전극탭의 가장 외측에 단순히 단자 플레이트(151)를 접촉시키면 단자 플레이트(151)로부터 멀리 떨어진 전극탭까지 전류가 잘 흐르지 못한다는 문제가 생긴다. (참고로, 전극탭에 접한다면 단자 플레이트는 전극탭의 가장 외측뿐만 아니라, 전극탭의 사이에도 위치할 수 있다.)

이러한 문제를 해결하기 위해 본 실시예에서 단자부(150)는 단자 핀(152)을 구비한다. 즉, 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이, 단자 핀(152)은 단자 플레이트(151)가 접하는 전극탭을 뚫어서, 단자 플레이트(151)가 접하는 전극탭에 인접한 다른 전극탭까지 접촉하기 때문에, 본 실시예에서 단자부(150)는 단자 플레이트(151)가 직접 접촉하지 않은 전극탭까지도 원활하게 전력을 공급할 수 있다.

한편, 단자 플레이트(151)는 스테인리스 스틸(stainless steel)로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 후술할 단자 밴드(153)도 동일하다. 스테인리스 스틸은 가격이 저렴하면서도 전기 전도성이 양호하기 때문이다. 그러나 스테인리스 스틸은 전류의 흐름에 따라 산화되어 녹이 발생할 수 있다는 한계가 있다. 이와 같은 한계를 극복하기 위해 단자 플레이트(151)를 티타늄(Ti)으로 형성하는 것도 고려해 볼 수 있다. 그러나 티타늄은 전류의 흐름에 따라 산화되어 전기 전도성이 약화될 수 있다는 한계가 있다.

따라서 단자 플레이트(151)는 백금(Pt)로 형성되는 것이 가장 바람직하다. 이는 후술할 단자 밴드(153)도 동일하다. 백금은 산화되어 녹이 발생한다거나 전기 전도성이 약화된다는 문제가 발생하지 않기 때문이다. 다만, 고가라는 점을 고려하여 표면에 백금(Pt)을 코팅하여 단자 플레이트(151)를 형성하는 것도 고려할 수 있다.

그런데 단자부(150)는 단자 플레이트(151)와 함께 전극탭(111a 또는 113a)을 감싸는 전도성의 단자 밴드(153)를 더 포함할 수 있다. 단자 밴드(153)는 단자 플레이트(151)와 함께 전극탭(111a, 113a)을 감싸기 때문에, 단자 플레이트(151)가 직접 접촉한 전극탭으로부터 가장 멀리 떨어진 반대쪽 전극탭까지도 원활하게 전력을 공급할 수 있다.

이때 단자 밴드(153)는 전극탭(111a, 113a)이 내측으로 가압되게 단자 플레이트(151)와 함께 전극탭(111a, 113a)을 감싸는 것이 바람직하다. 전극탭과 전극탭 사이가 이격되면 전극탭에서 전극탭으로 전력을 공급하기 어렵다. 따라서 전극탭(111a, 113a)이 내측으로 가압되게 단자 밴드(153)가 단자 플레이트(151)와 함께 전극탭(111a, 113a)을 감싸면, 전극탭과 전극탭 사이가 이격되지 않을 수 있어 전력 공급에 유리하다.

또한 단자 밴드(153)는 전극탭(111a, 113a)의 외측에서 단자 플레이트(151)와 함께 전극탭(111a, 113a)을 적어도 한 바퀴 감싸는 것이 바람직하다. 이와 같이 단자 밴드(153)가 전극탭(111a, 113a)을 한 바퀴 감싸면, 단자 플레이트(151)와 직접 접촉하지 않은 전극탭(111a, 113a)에 모두 원활하게 전력을 공급할 수 있기 때문이다. 다만, 필요에 따라 단자 밴드는 C 자 형태로 형성되어 전극탭의 일부만 감쌀 수도 있다.

도 5 내지 도 7을 참조하여 전극부(110)에 대해 보다 상술한다. 도 5는 도 3의 전극부를 도시하고 있는 평면도이고, 도 6과 도 7은 도 5의 전극부와 대비하기 위한 전극부를 도시하고 있는 평면도이다. (도 5 내지 도 7에 전극탭은 도시되어 있지 않다.) 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이, 전극부(110)는 폭 방향(도 5를 기준으로 세로 방향)보다 길이 방향(도 5를 기준으로 가로 방향)으로 길게 형성되는 것이 바람직하다. 정수기와 같은 수처리 장치에 있어 필터는 통상적으로 길이 방향으로 길게 형성된다. 따라서 전극부(110)가 길이 방향으로 길게 형성되면 수처리 장치에 용이하게 적용할 수 있기 때문이다.

그런데 원수는 공급 압력에 의해 전극부(110)의 측면을 통해 전극부(110)의 내부로 공급된다. 따라서 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이, 전극부가 단순히 길이 방향으로 길게 형성되면, 정수가 일어나지 않는 데드 스페이스(dead space)의 증가로 정수 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. (도 6에서 원수의 흐름을 개략적으로 나타내고 있는 화살표 참조)

그러나 본 실시예에 따른 전극부(110)는 관통홀(117)을 가지기 때문에 위와 같은 문제가 발생하지 않는다. 즉, 본 실시예에 따른 전극부(110)는 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이, 길이 방향의 소정 간격마다 폭 방향으로 형성되어 전극부(110)를 두께 방향으로 관통하는 관통홀(117)을 가지기 때문에, 도 6의 데드 스페이스에 해당하는 영역에서도 정수가 원활하게 일어날 수 있다. (도 5에서 원수의 흐름을 개략적으로 나타내고 있는 화살표 참조) 즉, 본 실시예에 따른 전극부(110)는 관통홀(117)로 인해 도 7에 따른 전극부와 같이 사각형의 전극부를 서로 이격되게 배치한 것과 유사한 효과를 가질 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따른 전극부(110)는 관통홀(117)을 경계로 길이 방향을 따라 복수 개의 전극 유닛(도 5에서 점선으로 표시한 사각형 참조)으로 구획될 수 있고, 각각의 전극 유닛은 도 7의 개개의 전극부와 동일하게 네 개의 측면에서 거의 동일하게 원수를 공급받을 수 있으며, 이의 결과로 전극부(110)를 길이 방향으로 길게 형성하더라도, 데드 스페이스의 발생을 최소화할 수 있다.

이때 전극 유닛은 전극 유닛마다 중심부에 전극 유닛을 두께 방향으로 관통하는 출수홀(115)을 가지는 것이 바람직하다. 그리고 전극 유닛은 정방형인 것이 바람직하다. 또는 길이 방향의 소정 간격이 전극부(110)의 폭에 대응되어, 전극 유닛이 정방형과 유사한 형상을 가지는 것이 바람직하다. (길이 방향의 소정 간격이 반드시 전극부의 폭과 동일할 필요는 없다.) 이와 같으면, 전극 유닛의 4개의 측면으로부터 출수홀(115)까지의 거리가 대체로 일정해지기 때문에, 원수가 전극부(110)의 측면으로부터 출수홀(115)까지 거의 같은 유속으로 흐를 수 있으며 이의 결과로 원수의 정수에 보다 유리해질 수 있다.

또한 관통홀(117)이 전극부(110)의 폭 방향을 따라 길게 형성되면, 도 7의 전극부와 유사하게 관통홀 쪽으로부터 보다 일정하게 원수가 입수될 수 있으므로 보다 바람직하다. 참고로, 길이 방향의 소정 간격이 반드시 동일한 간격을 의미하는 것은 아니다. 즉, 관통홀이 형성되는 간격은 필요에 따라 변경될 수 있다.

110: 전극부 111: 양극
111a: 양극탭 112: 세퍼레이터
113: 음극 113a: 음극탭
115: 출수홀 117: 관통홀
130: 케이스부 131: 하부 케이스
132: 개구 133: 입수구
136: 상부 케이스 137: 출수구
150: 단자부 151: 단자 플레이트
152: 단자 핀 153: 단자 밴드

Claims

전극과 세퍼레이터가 교대로 적층되어 형성되는 전극부를 통해 CDI 방식으로 원수를 정수하는 CDI 방식의 필터에 있어서,
상기 전극부는 폭 방향보다 길이 방향으로 길게 형성되고, 상기 길이 방향의 소정 간격마다 상기 폭 방향으로 형성되어 상기 전극부를 두께 방향으로 관통하는 관통홀을 가지는 것을 특징으로 하는 CDI 방식의 필터.
청구항 1에 있어서,
상기 전극부는 상기 관통홀을 경계로 상기 길이 방향을 따라 복수 개의 전극 유닛으로 구획되는 것을 특징으로 하는 CDI 방식의 필터.
청구항 2에 있어서,
상기 전극 유닛은 중심부에 상기 전극 유닛을 두께 방향으로 관통하는 출수홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 CDI 방식의 필터.
청구항 3에 있어서,
상기 소정 간격은 상기 전극부의 폭에 대응되는 것을 특징으로 하는 CDI 방식의 필터.
청구항 3에 있어서,
상기 전극 유닛은 정방형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 CDI 방식의 필터.
청구항 1에 있어서,
상기 관통홀은 상기 전극부의 폭 방향을 따라 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 CDI 방식의 필터.
청구항 1에 있어서,
상기 전극의 전극탭과 전기적으로 연결되어 외부 전원으로부터 상기 전극으로 전력을 공급하는 단자부를 더 포함하며,
상기 단자부는 일측 말단에서 상기 전극탭에 접하는 전도성의 단자 플레이트와, 상기 단자 플레이트로부터 상기 전극탭을 향해 연장되어 상기 전극탭을 뚫는 전도성의 단자 핀을 구비하는 것을 특징으로 하는 CDI 방식의 필터.
청구항 7에 있어서,
상기 단자부는 상기 단자 플레이트와 함께 상기 전극탭을 감싸는 전도성의 단자 밴드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CDI 방식의 필터.
청구항 8에 있어서,
상기 단자 밴드는 상기 전극탭이 내측으로 가압되게 상기 단자 플레이트와 함께 상기 전극탭을 감싸는 것을 특징으로 하는 CDI 방식의 필터.
청구항 7에 있어서,
상기 단자 플레이트는 백금(Pt)으로 형성되거나 표면에 백금(Pt)이 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 CDI 방식의 필터.
청구항 7에 있어서,
상기 단자 핀은 상기 단자 플레이트가 접하는 전극탭을 뚫어서 상기 단자 플레이트가 접하는 전극탭에 인접한 다른 전극탭까지 접촉하는 것을 특징으로 하는 CDI 방식의 필터.
청구항 1에 있어서,
상기 전극부를 수용하는 케이스부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CDI 방식의 필터.