KR20150123442A - 능동형 전기소각변기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분변의 소각 중 발생하는 소각로의 온도 변화 및 발생연기의 정도로 소각 상태를 판단하고 적절한 소각시간을 결정하는 능동형 전기소각변기에 관한 것이다.

Description

능동형 전기소각변기{ACTIVE ELECTRIC INCINERATING TOILET}

본 발명은 분변의 소각 중 발생하는 소각로의 온도 변화 및 발생연기의 정도로 소각 상태를 판단하고 적절한 소각시간을 결정하는 능동형 전기소각변기에 관한 것이다.

우리나라의 일반 성인은 섭식활동의 결과로, 1일 평균 분변은 약 200g정도, 소변은 8회 정도 배출한다. 배출되는 분변 및 소변은 화장실에서 처리되는데 일반의 화장실은 수세식변기를 사용하며 분변 및 소변을 하수 시설을 이용하여 이송하면 최종 하수종말처리장에서 일괄 처리한다.

그러나 야외 및 지하철 환승선로 등 특수 시설, 바닷가의 양식장관리사, 격고지 시설 등의 경우, 수세식 변기의 설치가 어렵고 수거의 문제로 재래식 화장실 역시 설치가 어렵다. 이 경우 분변의 처리는 매우 난감한 문제를 야기한다.

또한 전염성이 강한 환자의 분변은 의료폐기물로 그 처리에 매우 신중을 기해야 한다.

본 발명의 능동형 전기소각변기는, 분변 소각량에 따라 소각시간을 자동 가변하는 중앙제어기를 포함할 수 있다.

상기 중앙제어기는, 소각로를 관측하여 소각 상태를 판단하고, 상기 판단된 소각 상태에 따라, 상기 소작시간을 결정할 수 있다.

또한, 상기 중앙제어기는, 상기 소각로의 온도 변화 및 발생연기의 정도로 상기 소각 상태를 판단할 수 있다.

또한, 상기 중앙제어기는, 소각로의 상부온도측정값과 연기발생정도를 이용하여 소각 진행상태를 파악하고 소각종료시점을 결정할 수 있다.

도 1은 본 발명인 '능동형 전기소각변기'의 전체 구성도이다.
도 2는 '능동형 전기소각변기'의 전기 배선도이다.
도 3은 소각로를 보다 상세히 도식한 도면이다.
도 4는 소각로상커버와 여러 장치의 부착을 도식한 것이다.
도 5는 본 발명인 '능동형 전기소각변기'의 중앙제어기 회로이다.
도 6은 OP1의 상세 설명도이다.
도 7은 연기감지감도의 변화를 펄스로 제어하는 것을 도식하였다.

본 발명인 '능동형 전기소각변기'는, 분변을 소각하여 처리하는 장치이다. 능동형 전기소각변기는, 수세식 변기 및 재래식 변기의 설치가 어려운 지역, 또는 전염성 질환을 앓는 환자의 분변을 전기소각로를 이용하여 소각 처리하는 장치로, 종래의 전기 소각식 변기의 단점을 보완하여 분변 소각량에 따라 소각시간을 자동 가변하여 사용의 편의성을 높이고 분변 소각용 전기사용을 줄여 유지관리비용을 최소화 한 것을 특징으로 한다.

표 1은 기존의 전기 소각식 변기와 본 발명에서 제안하는 '능동형 전기소각변기'의 특징을 비교한 것이다.

전기를 이용하여 분변을 소각하는 전기소각 변기는 내부에 소형의 전기소각로를 가지고 있다. 일반의 전기소각변기 내부의 전기소각기는 사용자의 안전을 고려하고 전기사용량을 최소로 하기 위해 전기소각로의 열이 외부로 방출되는 것을 최소화하여야 한다. 이런 이유로 전기소각변기는 밀폐형이 대부분이며 개방형의 경우도 악취 배출을 이유로 소각 중에는 소각로의 구조를 밀폐하고 있다.

이와 같은 구조는 소각 중 소각로의 상태를 감지하기 어렵게 하는 단점이 있다. 상기의 이유로 전기소각변기는 내부의 소각 상태 판단이 어려워 기존 대부분의 전기소각변기는 일정시간 소각을 실시하는 정 시간 소각을 실시한다.

이런 정 시간 소각 방식은 소각기의 구조를 단순하게 하는 장점이 있는 반면 소각대상물의 량이 많으면 불충분 소각이 발생하여 사용자에게 불쾌감을 유발하고 악취발생의 원인이 되며 소각물의 량이 적으면 과잉 소각을 실시하게 되어 전기에너지 손실을 발생시킨다.

본 발명인 '능동형 전기소각변기'는 이런 단점 즉 소각대상물의 량이 많아 불충분 소각이 발생하고 이로 인해 사용자에게 불쾌감을 유발하고 악취를 발생시키거나 적은 소각량에서 불필요한 과잉 소각으로 발생되는 전기에너지 손실을 방지하기 위해 소각로의 소각 상태를 외부에서 관측하여 소각 상태를 판단하고 소각량 또는 소각물의 상태에 따라 적절한 시간의 소각을 실시한다.

소각 중에는 소각로의 온도 변화가 발생하는데 소각로의 온도변화는 소각대상물의 소각정도 또는 소각물의 상태에 따라 다르며 소각 중 발생하는 연기도 소각 상태에 따라 다양한 형태를 가진다.

또한, 본 발명인 '능동형 전기소각변기'는 이런 소각 중 발생하는 소각로의 온도 변화 및 발생연기의 정도로 소각 상태를 판단하고 적절한 소각시간을 결정한다.

<동작설명>

도 1은 본 발명인 '능동형 전기소각변기'의 전체 구성도이다.

도 2는 '능동형 전기소각변기'의 전기 배선도이다.

능동형 전기소각변기는 소각용 전기히터와, 분변 등을 투입하고 소각시 소각로를 밀폐시키는 소각로 상 커버, 분변을 소각하고 소변을 증발시키는 소각로, 배출되는 연기를 감지하는 투과형 감지방식으로 백색연기 감지에 우수한 이온화식연기감지기, 반사형 감지방식으로 흑색연기 감지에 우수한 광전식연기감지기, 배출되는 연기에 함유된 악취를 제거하는 백금산화촉매, 고압연소기를 기본 구성으로 하고 있다.

또한, 능동형 전기소각변기는, 소각대상물의 자연발화를 촉진하는 공기펌프, 소각로의 상층부 공기 온도를 감지하는 K형온도센서, K형온도센서의 신호를 증폭하는 센서 증폭기, 연기감지기의 감지 감도를 조절하는 감도조절기, 소각용히터의 전원을 제어하는 반도체릴레이1, 공기펌프의 전원을 제어하는 반도체릴레이2, 그리고 '능동형 전기소각변기'의 모든 동작을 제어하는 중앙제어기로 구성되어 있다.

소각로는 탈착형으로 내부소각그릇을 전기히터가 감싸는 형태로 되어 있다.

도 3은 소각로를 보다 상세히 도식한 도면이다.

소각로의 중앙에는 분변 등 소각대상물이 투입되어 소각되는 소각 그릇이 있다. 소각그릇은 전기히터뭉치로 감싸는데 전기히터뭉치는 소각히터와 소각히터를 감싸는 보온재로 구성되어 있으며 레버의 조작으로 소각그릇에 밀착되거나 이탈할 수 있다.

소각그릇의 교환시에는 레버를 개방하여 소각그릇을 교환하면 된다.

도 4는 소각로상커버와 여러 장치의 부착을 도식한 것이다.

소각로 상커버는 분변등 소각 대상물이 소각로 투입되는 입구이며 평소에는 개방되며 소각시 밀폐된다. 소각로상커버 하단에는 K형온도센서가 부착되어 소각로 상단의 공기온도를 측정한다. 우측면에는 소각물의 자연발화를 촉진하는 공기펌프의 공기 주입구가 있으며 대략의 크기는 5mm 정도이다. 연기배출구는 직경 8mm 정도로 하였고 배출경로에 이온화식연기감지기와 광전식연기감지를 설치하였다.

연기감지기 상단에는 배출연기에서 악취를 제거하는 백금산화촉매와 고압연소기를 설치하였다. 배출되는 연기에서 악취제거를 위해 백금산화촉매와 고압연소기를 이중으로 설치할 수 있다. 백금산화촉매의 경우 표면온도가 200-300℃ 이상이어야 원활한 탈취 작용을 하는데 소각로에서 배출되는 연기의 온도가, 소각이 대략 수분 정도 진행되어야 해당온도로 상승하며, 특히 백금산화촉매가 배출연기로 인해 표면온도가 상승하려면 10여분의 시간이 소요된다.

이 시간동안 탈취성능의 현저히 떨어지므로 초기 발생되는 악취는 그대로 배출되는 단점이 있다. 초기 10여분은 본격적인 연소가 실시되기 전으로 냄새입자가 증발하면서 발생되는 악취가 대부분이다. 이 초기 10여분 동안의 배출되는 악취는 고압연소기로 제거하고 이후 연소되면서 발생되는 각종의 악취 및 유해물질은 백금산화촉매가 제거한다. 고압연소기는 유해물질제거에는 다소 그 성능이 떨어진다.

따라서, 백금산화촉매와 고압연소기를 동시 운영하여 상호 보완하도록 한다.

공기펌프의 공기 주입은 소각로상부온도(K형온도센서 감지온도)가 대략 400℃ 전후에서 실시한다. 소각대상물이 400℃정도로 가열되면 산소 유입시 자연발화현상을 보이는데 자연발화하면 소각로내부에서 완전 건조되고 고열로 탄화된 소각대상물은 발화를 실시하고 그 발화불꽃으로 완전한 소각이 실시된다.

공기펌프는 연소 종료 후에도 대략 10여분 정도 공기주입을 지속하는 데, 이는 소각로를 냉각시키고 소각로 내부의 부유물질을 배출하기 위해서이다.

표 2에서는 능동형 전기소각변기의 연기배출을 표시한다.

실험결과 소각물의 상태와 소각물의 량에 따라 차이는 있으나 평균적으로 표 2와 같은 연기배출 특성을 나타낸다.

표 2에서 보인 바와 같이 소각실시 초기에는 소각대상물에 함유된 수분으로 인한 수증기와 냄새입자가 배출된다. 10여분 후 수증기 배출이 중단되면서 평균 20여분 경과 후 수증기를 함유한 백색연기가 사라지고 갈색 연기가 배출된다. 갈색연기는 40여분 후 흑색연기로 변화하면서 발생량이 증가하는데 그 흑색연기는 소각이 완료된 55분경 없어졌다.

이처럼 소각을 실시하면 각 단계별 연기의 발생정도가 구분되어 외부에서 연기발생의 진행과정을 관측하면 소각로내부의 소각상태를 판단할 수 있다. 또한 보완수단으로 온도센서에 의한 소각로 온도 측정을 병행하였다.

표 3은 소각로 상단의 온도를 표시한 것이다. 표 3의 온도는 실험을 통해 측정된 온도측정의 평균값이다.

표 3에 나타낸 것과 같이 소각물의 량에 따라 소각로 상부온도의 변화는 분명한 차이를 보였다. 소각로에 소각물이 없거나 매우 적은 량이 있을 경우와 적절한 량이 있는 경우, 소각로 상부온도 변화는 뚜렷한 차이를 보였다. 소각대상물의 량에 대한 상부의 온도변화는 소각초기부터 소각 종료시까지 일정한 값을 유지 하였다.

이와 같은 온도 측정결과는 초기 10분 경의 상부온도측정으로 소각종료시간을 추정할 수 있게 한다.

본 발명인 '능동형 전기소각변기'는 보다 정확한 소각종료시점의 결정을 위해 상부온도측정값과 연기발생정도를 이용하여 소각 진행상태를 파악하고 소각종료시점을 결정한다.

도 5는 본 발명인 '능동형 전기소각변기'의 중앙제어기 회로이다.

중앙제어기는 소형의 마이컴을 사용하였다. 마이컴 PIC16F73은 내부에 프로그램용 롬(ROM)과 사용 중 데이터를 저장하는 램(RAM), 그리고 디지털 입출력(6, 11~16, 21~28)과 아날로그 입력단자(2~5, 7)를 가지고 있다.

본 발명인 '능동형 전기소각변기'에서는 중앙제어기의 마이컴 핀 21, 22, 23, 24, 25, 26을 출력포트로 하고, 마이컴 핀 11, 12, 13, 14, 15를 입력포트로 하였다.

사용자가 소각스위치(마이컴 핀 13)을 입력하면 마이컴은 출력 핀 25를 출력하여 상커버를 닫는다. 상커버 모터의 동작제어는 일반의 릴레이를 사용하였다. 상버커를 닫고 마이컴 핀 21을 출력하여 반도체릴레이1과 고압연소기를 동작시킨다. 반도체릴레이1이 온(on)되면 소각히터에 전원이 공급되고 소각로는 가열되어 소각이 실시된다.

소각실시 시작 후 K형온도센서(마이컴 핀 2)와 이온화식연기감지기(마이컴 핀 11)와 광전식연기감지기(마이컴 핀 12)의 출력을 입력받는다. 소각 개시 10분 후 K형온도센서(마이컴 핀 2)와 이온화식연기감지기(마이컴 핀 11)와 광전식연기감지기(마이컴 핀 12)의 출력을 입력받아 표 4의 조건을 충족시키지 못하면 소각을 취소한다.

표 4의 조건은 소각대상물이 있을 경우 발생되는 현상을 기술한 것이다. 즉 표 4의 조건을 충족시키지 못한 것은 소각로 내부에 소각대상물이 없거나 매우 적은 경우이다.

표 4의 조건이 만족되면 정상적 소각이 실시되는 것으로 판단한다. 정상적 소각이 실시되면 K형온도센서(마이컴 핀2)의 값을 지속적으로 입력받는다.

K형온도센서(마이컴 핀 2)의 값이 450℃ 이상이면 공기펌프로 공기 공급을 실시한다. 공기공급은 소각종료 후, K형온도센서(마이컴 핀 2)의 값이 250℃ 이하로 떨어질 때 까지 지속하여 공급한다. 소각의 종료는 표 5의 조건이 충족될 때 실시한다.

반복시험결과 소각이 종료되면, 소각로 상부의 K형온도센서(마이컴 핀 2)는 최하 520℃ 이상의 온도가 측정되었으며, 이온화식연기감지(마이컴 핀 11)와 광전식연기감지기(마이컴 핀 12)의 출력이 로우(low)였다.

상기와 같은 동작으로 소각로에 소각대상물이 없거나 매우 적을 경우 불필요한 소각을 중지하고, 소각대상물이 설정된 상태로 소각된 후에 소각을 종료할 수 있다.

이온화식연기감지기(마이컴 핀 11)와 광전식연기감지기(마이컴 핀 12)는 일반의 연기감지용으로 사용되는 제품을 사용하였으며, 마이컴의 입력신호도 이온화식연기감지기(마이컴 핀 11)와 광전식연기감지기(마이컴 핀 12)의 출력신호를 그대로 입력받았다.

K형온도센서는 1000℃일 때 그 출력이 200m가 되는 것을 사용하였다. 마이컴의 아날로그 입력단자의 입력을 5V로 설정하면 대략 5V/200mV=25배의 증폭이 필요하다. 증폭은 일반의 오피앰프(OP AMP)를 사용하였다.

도 6은 OP1의 상세 설명도이다.

도 6의 OP1은 K형온도센서의 출력값을 25배 증폭하여 마이컴의 핀 2 아날로그 단자로 입력한다.

OP1의 25배 증폭을 위해서는 증폭도 AV=1+R3/R2 이므로 R3와 R2는 24:1의 비율을 가지면 된다.

즉 R2를 1㏀이라고 가정하면, R3 는 24㏀이면 된다. R2= 1㏀, R3= 24㏀ 조건에서 OP1의 증폭도 AV=1+24㏀/1㏀=25이다.

연기감지기는 내부의 바이어스전압을 이용하여 연기의 존재유무를 판단하는데 바이어스 값을 변화시키면 연기의 감지 감도를 변화시킬 수 있다. 마이컴의 핀 24는 연기감지기 감도제어신호로 출력펄스의 폭을 이용하여 연기감지기의 연기감지감도를 제어한다.

도 7은 연기감지감도의 변화를 펄스로 제어하는 것을 도식하였다.

펄스의 폭이 넓을수록 감도는 둔해지며 펄스의 폭이 좁을수록 연기감지의 감도는 증가한다.

연기감지기의 감도는 비교적 연기의 발생이 적은 초기 소각실시 10분간, 그리고 상부온도 K형 온도센서(마이컴 핀 2)의 값이 500℃이상 일 때 마이컴의 출력 핀 24의 출력 펄스의 폭을 좁혀 연기감지기의 감도를 높인다. 소각시작 10분 경과부터 K형 온도센서(마이컴 핀 2)의 온도가 500℃ 이하일 때는 마이컴의 출력 핀 24의 출력 펄스의 폭을 넓혀 연기감지기의 감도를 낮춘다.

이와 같은 동작은 이온화식연기감지기(마이컴 핀 11)와 광전식연기감지기(마이컴 핀 12)의 동작을 적절한 상태에서 실시하여 보다 정확한 연기 감지 값을 얻기 위한 것이다.

Claims (4)

1. 분변 소각량에 따라 소각시간을 자동 가변하는 중앙제어기
   를 포함하는 능동형 전기소각변기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 중앙제어기는,
   소각로를 관측하여 소각 상태를 판단하고, 상기 판단된 소각 상태에 따라, 상기 소작시간을 결정하는
   능동형 전기소각변기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 중앙제어기는,
   상기 소각로의 온도 변화 및 발생연기의 정도로 상기 소각 상태를 판단하는
   능동형 전기소각변기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 중앙제어기는,
   소각로의 상부온도측정값과 연기발생정도를 이용하여 소각 진행상태를 파악하고 소각종료시점을 결정하는
   능동형 전기소각변기.
   

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