KR20180087656A - 나노버블 수소수 생성장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노버블 수소수 생성장치에 관한 것으로, 물 공급원인 수조와, 이 물을 정화하기 위한 복수의 정수필터, 정수필터에 의해 정수된 물을 전기분해하여 수소를 생성하는 수소발생기, 또 정수필터에 의해 정수된 물과 수소발생기에 의해 물 분자에서 분해된 수소를 혼합하여 수소수를 생성하는 펌프, 상기 펌프에서 공급된 수소수로부터 나노(nano) 크기의 버블을 생성하는 나노버블발생기, 나노버블 수소수의 토출을 제어하는 솔레노이드 밸브, 그리고 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하는 토출센서, 및 실제로 나노버블 수소수가 토출되는 노즐을 포함하는 구성으로 제공된다.
Description
본 발명은 수소수 생성기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물과 수소의 혼합인 수소수를 나노미터 크기의 초미세기포 형태로 생성하여 공급하는 나노버블 수소수 생성장치에 관한 것이다.
일반적으로 활성산소는 병원체나 이물질을 제거하기 위해 생체방어 과정에서 발생되는 산화력이 강한 산소로 병원체로부터 인체를 보호하는 역할을 하는 것으로, 인간이 호흡을 하거나 음식을 섭취하여 대사 활동을 하는 동안 자연적으로 생성되며 흡입된 산소의 약 2%가 활성산소로 변이된다.
이와 같이 활성산소는 인체의 면역기능에 관여하여 이로운 기능도 하지만, 과도한 운동과 스트레스, 음주, 오염공기 흡입, 산성식품의 과다 섭취, 환경오염에 의한 유해 화학물질 및 자외선 등은 활성산소를 과잉 생성시키고, 과잉 발생된 활성산소는 정상적인 세포의 세포막이나 DNA를 파괴하고 아미노산을 산화시켜 단백질 기능저하를 유발하여 노화를 촉진하고 암을 비롯한 각종 질병을 유발하며, 인체 내 세포에 직접 산화반응을 일으켜 DNA 돌연변이를 일으키는 것으로 보고되어 있다. 의학계에 따르면, 활성산소로 인한 질병이 약 90% 이상을 차지하는 것으로 보고 있다.
한편, 수소를 포함하는 물, 즉 수소수는 항산화 작용을 하는 수소분자(H2)가 풍부하게 함유된 물로서, 일반적으로 물분자의 입자가 작아 침투력이 매우 빠른 특징이 있으며, 특히 활성산소, 특히 DNA 및 세포손상 원인으로 알려진 하이드록실래디칼(OH)을 제거하고 인체 각 기관 및 뇌세포까지 도달하는 가장 효과적인 항산화제이다. 세계 4대 기적의 물을 분석해 본 결과, 일반적인 물보다 많은 다량의 수소(H2) 원소를 공통적으로 포함하고 있다는 점은 주목할 만하다.
수소수를 마시면 활성산소는 수소수 속에 용존하는 수소와 반응하여 물로 환원되고, 이 환원된 물은 2차 반응 없이 몸 밖으로 빠져 나가게 되는데, 이것을 항산화 반응이라 한다.
수소수는 항산화 기능의 척도인 산화/환원 전위값(ORP)이 -350 내지-600 mV로 매우 낮다. 일반적인 전해 이온수의 경우에는 산화/환원 전위값을 -250 mV 이하로 낮추기가 쉽지 않다는 점을 고려하면, 수소수의 항산화 능력은 탁월하다고 할 수 있다. 여기서, ORP가 마이너스(-) 값을 가지면 환원반응이 일어나는 것을 의미하고, ORP가 플러스(+) 값을 가지면 산화 반응이 일어나는 것을 의미한다.
이와 같이, 수소수의 항산화 능력이 탁월하기 때문에, 수소수를 만드는 장치가 다수 개발되고 있다. 그 중 하나로 특허공개 제10-2011-0052404호가 공개되어 있다.
이 종래의 수소수 생성기는 필터부, 저수조, 온수조, 냉수조, 전해조, 용존관, 펌프, 제어부 등의 구성으로 이루어져 있어 상수도 시설을 통해 각 가정으로 유입되는 수돗물, 즉 원수를 필터부를 통해 정화하고, 정화된 물의 일부는 저수조로 보내고, 일부는 수소발생장치, 즉 전해조로 보내진 후 전기 분해되어 수소와 산소가 만들어진다.
전해조는 2개 이상의 전극 사이에 격막을 두고, 마이너스(-) 극에서 생성되는 수소는 펌프로 보내고, 플러스(+) 극에서 생성되는 산소는 대기 중으로 방출한다. 펌프로 보내진 수소는 냉수조에서 공급되는 냉수와 섞여 용존관으로 보내지고, 용존관의 수소수는 냉수조로 다시 보내진다. 이후, 사용자가 냉수조에 연결된 냉수소수 방출구를 개방하면 냉수조에 저장된 냉수소수가 외부로 방출된다.
그런데, 위와 같은 수소수 생성기는 시간이 지나면서 냉수조에 녹아 있는 수소가 증발할 수 있고, 특히 수소가 포함된 냉수를 보면 냉수 속에는 소량의 기포가 발견되는데 이러한 기포는 시간이 경과하면 모두 사라진다. 일반적으로 수소수는 물분자의 입자가 작아 침투력이 매우 빠른 특징이 있으나, 이를 미세기포 형태로 구성할 경우 인체 내 침투력은 더욱 향상되는 효과가 있다. 따라서, 초미세기포 형태로 수소수를 공급하는 장치에 대한 시장의 수요는 늘 존재하고 있다고 볼 수 있겠다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 개발된 것으로, 물과 수소의 혼합인 수소수를 나노미터 크기의 초미세기포 형태로 공급하는 나노버블 수소수 생성장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따르면, 물 공급원인 수조와, 이 물을 정화하기 위한 복수의 정수필터, 정수필터에 의해 정수된 물을 전기분해하여 수소를 생성하는 수소발생기, 또 정수필터에 의해 정수된 물과 수소발생기에 의해 물 분자에서 분해된 수소를 혼합하여 수소수를 생성하는 펌프, 상기 펌프에서 공급된 수소수로부터 나노(nano) 크기의 버블을 생성하는 나노버블발생기, 나노버블 수소수의 토출을 제어하는 솔레노이드 밸브, 그리고 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하는 토출센서, 및 실제로 나노버블 수소수가 토출되는 노즐을 포함하는 나노버블 수소수 생성장치가 제안된다.
본 발명에서 펌프는 정수필터에 의해 정수된 물과 수소발생기에 의해 제공된 수소를 혼합하여 수소수를 생성하는 혼합기를 구비하고, 상기 혼합기는 복수의 임펠러 및 상기 임펠러와 상호 작용하는 하나 이상의 컷기어를 포함하며, 상기 컷기어는 펌프축의 적어도 일부에 축 둘레면을 따라 형성되는 하나 이상의 내기어와, 이 내기어에 대응하여 혼합기의 내벽면을 따라 형성되는 하나 이상의 외기어로 이루어지고, 상기 내기어와 외기어는 각각 복수의 대경부 및 소경부가 교대로 형성된 구조로서, 상기 내기어의 대경부들은 상기 외기어의 대경부들과 상호 대응하고, 상기 내기어의 소경부들은 상기 외기어의 소경부들과 상호 대응하도록 배열된 구성을 갖되, 상기 내기어와 외기어의 대경부 및 소경부는 팁 부분이 날카로운 칼날 형태인 것이 바람직하다.
상기 혼합기는 펌프축을 따라서 복수의 임펠러와 복수의 컷기어가 임의의 순으로 교대로 반복하여 배열되되, 복수의 컷기어들 중 적어도 하나의 일측에 물과 수소의 혼합인 수소수가 통과하도록 관로의 직경이 좁아졌다가 갑자기 커지는 형태의 하나 이상의 벤츄리관이 설치될 수 있다. 또한, 상기 펌프는 다단펌프로서, 상기 혼합기는 임펠러들의 사이 공간에 각 임펠러에 의해 운반된 물과 수소가 통과하도록 적어도 하나의 고정 챔버가 형성되고, 상기 임펠러와 고정 챔버는 서로 교대로 반복하여 배열된 구성이 제공될 수 있다.
또한, 내기어와 외기어는 이들 기어의 블레이드들 중 적어도 어느 일측의 외주면이 회전방향에 대하여 일정한 경사각을 가지고, 각 블레이드들의 대응 측면들은 기어의 반경선에 대하여 일정한 경사각을 갖추어 혼합 유체 내 와류 발생을 위한 와류촉진부로 구성될 수 있다.
또한, 나노버블발생기는 상기 펌프의 유출측으로부터 토출유체의 압력변화를 유도하여 나노버블의 발생을 촉진시키는 구성으로서, 상기 유출측의 유로 방향과 나란하게 상하 다수 배열되는 격벽체와, 상기 격벽체에 형성되는 다수의 소경부와, 상기 소경부에 연결되고 확관된 대경부를 포함하여 이루어지고, 상기 소경부와 대경부는 서로 연속하여 반복적으로 형성되되, 상기 소경부와 대경부의 연속된 형태들은 서로 이격되어 이들 사이에 일정 크기의 공간부가 형성될 수 있다.
상술된 특징들로부터 본 발명은 보다 적절한 수소의 혼합과 나노버블의 형성이 함께 이루어질 수 있어 그에 따라 공급되는 수소수가 인체에 보다 빨리 흡수될 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 나노버블 수소수 생성장치의 구성 개념도;
도 2는 도 1에 도시된 펌프와 나노버블발생기의 연결 및 작동 관계를 확대하여 도시한 도면;
도 3은 도 1 및 2에 따른 펌프의 제1 내지 제4의 실시형태와 그 작동들을 보여주는 단면도;
도 4는 도 3의 펌프에 구비된 혼합기의 구성 중 회전블레이드와 고정블레이드 간에 결합상태를 각각 다른 위치에서 나타낸 횡단면도;
도 5는 도 4에 도시된 회전블레이드와 고정블레이드에서의 각 블레이드의 날 각도를 각각 다른 예시적인 형태로 구성한 단면도;
도 6은 도 1 및 2에 도시된 나노버블발생기의 구성을 보여주는 단면도;
도 7은 도 6의 나노버블발생기를 통한 물의 흐름을 보여주는 부분 확대 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 펌프와 나노버블발생기의 연결 및 작동 관계를 확대하여 도시한 도면;
도 3은 도 1 및 2에 따른 펌프의 제1 내지 제4의 실시형태와 그 작동들을 보여주는 단면도;
도 4는 도 3의 펌프에 구비된 혼합기의 구성 중 회전블레이드와 고정블레이드 간에 결합상태를 각각 다른 위치에서 나타낸 횡단면도;
도 5는 도 4에 도시된 회전블레이드와 고정블레이드에서의 각 블레이드의 날 각도를 각각 다른 예시적인 형태로 구성한 단면도;
도 6은 도 1 및 2에 도시된 나노버블발생기의 구성을 보여주는 단면도;
도 7은 도 6의 나노버블발생기를 통한 물의 흐름을 보여주는 부분 확대 단면도.
이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
아래의 실시예에서는 발명을 설명함에 있어서 필연적인 부분들을 제외하고 그 도시와 설명을 생략하였으며, 명세서 전체를 걸쳐 동일 유사한 요소에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 그에 대한 상세한 설명은 반복하지 않고 생략하기로 한다.
본 발명은 전기분해 방식으로 단순히 수소를 포함하는 물을 공급하는 종래 기술과 달리 보다 적절한 수소의 혼합과 미세기포를 함께 공급하여 인체에 보다 빨리 흡수될 수 있도록 하는데 발명의 기본원리가 있는 것으로, 이에 따라 구성된 도 1은 본 발명에 따른 나노버블 수소수 생성장치의 개략적인 구성을 나타내고, 도 2는 도 1의 나노버블 수소수 생성장치를 구성하는 펌프와 나노버블발생기의 작동관계를 나타낸다.
도 1에 따르면, 본 발명의 장치는 물 공급원인 수조(100)와, 이 물을 정화하기 위한 복수의 정수필터(200), 정수필터에 의해 정수된 물을 전기분해하여 수소를 생성하는 수소발생기(300), 또 정수필터에 의해 정수된 물과 수소발생기에 의해 물 분자에서 분해된 수소를 혼합하여 수소수를 생성하는 믹서 펌프(400; 이하 ‘펌프’라 함), 상기 펌프에서 공급된 수소수로부터 나노(nano) 크기의 버블을 생성하는 나노버블발생기(500), 나노버블 수소수의 토출을 제어하는 솔레노이드 밸브(600), 그리고 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하는 토출센서(700), 및 실제로 나노버블 수소수가 토출되는 노즐(800)을 포함하는 구성으로 이루어져 있다.
이러한 구성에서 상기 정수필터를 거친 물과 수소발생기로부터 공급된 수소가 펌프(400) 안으로 유입되고, 펌프(400) 내부에 설치된 혼합기(410)에 의해 물과 수소가 잘게 부서지면서 매우 미세한 수소 혼합수가 생성된다. 이렇게 생성된 수소 혼합수(이하 ‘수소수’라 한다)는 나노버블발생기(500)를 통과하는 동안 압력 변화에 의해 나노(nano) 크기의 초미세기포를 포함하는 수소수로 변화되고, 토출센서(700)와 그에 의해 제어되는 솔레노이드 밸브(600)의 개방에 의해 노즐(800)을 통해 외부로 토출된다.
참고로, 일반적인 물입자 크기가 25㎛인데 반해 나노버블(Nano Bubble)은 일반 물 입자를 모공크기 25μm(미크론)보다 훨씬 작은 5나노(Nano) 이하의 초미세기포 형상 입자로 분해한 것으로, 모공 속에 쉽게 침투하여 각종 노폐물을 제거하고 유해세균을 살균하며, 산소와 수분을 공급하여 미용 및 피부질환 개선에 탁월한 효과를 주는 첨단기포이다.
도 2의 미설명된 부호 “310”은 ‘유량 및 압력조절밸브(V1)’를 나타내는 것으로, 수소발생기(300)로부터 운반된 수소(H2)는 유량 및 압력이 적절하게 조절된 상태로 관로를 따라 펌프(400) 내부로 유입된다
여기서, 믹서 펌프(400)는 일반적인 펌프 기능과 믹서 기능을 모두 포함하는 장치로서, 그에 대한 세부적인 특징과 구성 설명은 이하의 도 3a 내지 3d에 대한 설명 부분에서 보다 상세히 다루기로 한다.
도 3은 도 1 및 2에 따른 펌프(400)의 제1 내지 제4의 실시형태와 그 작동들을 도시한 것으로, 먼저 제1 실시형태인 도 3a에 따르면 펌프(400)는 내부에 혼합기(410)를 구비하는 것으로, 이러한 혼합기(410)는 복수의 임펠러(420) 및 상기 임펠러와 상호 작용하는 하나 이상의 컷기어(440)를 포함하는 구성이다. 컷기어(440)는 펌프축(412)의 적어도 일부에 축 둘레면을 따라 형성되는 하나 이상의 내기어(440a)와, 이 내기어에 대응하여 혼합기(410)의 내벽면을 따라 형성되는 하나 이상의 외기어(440b)로 이루어질 수 있으며, 이러한 내기어(440a)와 외기어(440b)는 복수의 대경부(441)(444) 및 소경부(442)(443)가 각각 교대로 형성된 구조로서, 바람직하게는 내기어(440a)의 대경부(441)들은 외기어(440b)의 대경부(444)들과 상호 대응하고, 또한 내기어(440a)의 소경부(442)들은 외기어(440b)의 소경부(443)들과 상호 대응하도록 배열된 구성을 갖는다. 더욱 바람직하게는, 내기어(440a)와 외기어(440b)는 이들 각각의 대경부(441)(444) 및 소경부(442)(443)의 팁 부분이 날카로운 칼날 형태(441a,442a,443a,444a - 도 3b 참조, 이하 ‘칼날부’)로 이루어진다.
이러한 구성에서 펌프(400)에서는 모터(411)의 구동에 따라 회전축(412)이 구동하여 펌프 내 임펠러(420)들이 회전하게 되고, 이 과정에서 흡입관(413)을 통해 유입된 물과 수소가 서로 혼합되어 수소수가 생성된다. 이렇게 생성된 수소수는 컷기어(440)를 통과하는 동안 고속 회전하는 내기어(440a)와 외기어(440b)의 각각의 팁 부분에 형성된 다수의 칼날부(441a,442a,443a,444a)들에 부딪혀 수 마이크로미터(㎛) 크기로 미세하게 파쇄되며, 이 과정에서 캐비테이션(cavitation)이 발생하여 마이크로미터 크기의 버블이 생성되어 물 속에 수소의 용존률을 최대화할 수 있게 된다.
한편, 펌프 토출구(414)에는 토출 유량과 압력을 제어할 수 있는 유량 및 압력조절밸브(V2)가 설치될 수 있으며, 이 경우 펌프 내 압력은 5㎏/㎠ 이상 유지되도록 조절됨이 바람직하다. 아울러, 이를 통해 물과 수소의 혼합물인 마이크로버블의 크기를 더욱 미세하게 조절할 수 있게 된다.
도 3b에서 도 1 및 2에 도시된 펌프(400)의 제2 실시형태를 참조하면, 펌프(400')는 내부에 혼합기(410')를 구비하는 것으로, 이러한 혼합기(410')는 펌프축(412)을 따라서 복수의 임펠러(420)와 복수의 컷기어(440,140',140")가 임의의 순으로 교대로 반복하여 배열되는 구성을 제공한다. 상기 컷기어(440,140',140")들 중 적어도 하나의 일측에 물과 수소의 혼합, 즉 수소수가 통과하도록 관로의 직경이 좁아졌다가 갑자기 커지는 형태의 하나 이상의 벤츄리관(430)이 설치될 수 있다.
일반적으로 유체는 벤츄리관(430)의 병목 지점을 통과하는 동안 압력이 급강하하고 유속은 크게 증대되어 액체 속에 기체가 자연스럽게 흡수되는데, 이와 같이 벤츄리관(430)을 도입할 경우 배관을 따라 흐르는 수소와 같은 기체는 베르누이 원리에 의한 토출 유체의 급격한 압력 및 유속 변화로 인해 유체 속에 원활히 흡수 및 혼합될 수 있으며, 이를 위한 별도의 동력원도 필요없어 전력소비가 대폭 절감되는 장점이 있다.
본 실시예에 따르면, 벤츄리관(430)은 복수의 임펠러(420)와 함께 교대로 반복하여 배열되는 구성이 바람직하다.
한편, 컷기어(440,140',140")는 이들 중 적어도 일부가 도 3a에 도시된 바와 같이 내기어(440a)와 외기어(440b)에 각각 복수의 대경부(441)(444) 및 소경부(442)(443)들이 교대로 형성되어 내기어(440a)의 대경부(441)들이 외기어(440b)의 대경부(444)들과 상호 대응하고, 또한 내기어(440a)의 소경부(442)들이 외기어(440b)의 소경부(443)들과 상호 대응하는 배열 형태를 갖출 수 있다. 또한, 컷기어(440,140',140")의 적어도 다른 일부의 경우 내기어(440a)와 외기어(440b)가 대경부(441)(444)와 소경부(442)(443) 중 어느 하나의 구성만 갖는 구조로 제공될 수도 있다. 한편, 내기어(440a)와 외기어(440b)는 이들 각각의 대경부(441)(444) 및 소경부(442)(443)의 팁 부분이 날카로운 칼날부(441a,442a,443a,444a)로 이루어져 있음이 바람직하다.
이러한 구성에서 펌프(400')에서는 모터(411)의 구동에 따라 회전축(412)이 구동하여 펌프 내 임펠러(420)들이 회전하게 되고, 이 과정에서 흡입관(413)을 통해 유입된 물과 수소가 서로 혼합되어 수소수가 생성된다. 이렇게 생성된 수소수는 컷기어(440)를 통과하는 동안 고속 회전하는 내기어(440a)와 외기어(440b)의 각각의 팁 부분에 형성된 다수의 칼날부(441a,442a,443a,444a)들에 부딪혀 수 마이크로미터(㎛) 크기로 미세하게 파쇄되며, 이 과정에서 캐비테이션(cavitation)이 발생함과 더불어 벤츄리관(430)를 통과하면서 고압의 물이 저압으로 확산하면서 더욱 미세한 버블이 생성되어 물 속에 수소의 용존률을 최대화된 상태로 초미세 마이크로버블을 토출할 수 있게 된다.
도 3c에서 도 1 및 2에 도시된 펌프(400)의 제3 실시형태를 참조하면, 펌프(400")는 다단펌프 구조로 이루어져 내부에 혼합기(410")를 구비하는 것으로, 이러한 혼합기(410")는 펌프축(412)을 따라 복수의 임펠러(420) 및 이들 임펠러와 상호 작용하는 하나 이상의 컷기어(440)가 순차적으로 배열된 구조의 혼합기(410")를 포함한다. 본 실시예에서 상기 임펠러(420)들의 사이 공간에는 각 임펠러(420)에 의해 운반된 물과 수소가 통과하도록 적어도 하나의 고정 챔버(422)가 구비될 수 있다. 또한, 다단펌프 구조에서 임펠러(420)와 고정 챔버(422)는 서로 교대로 반복하여 배열됨이 바람직한데, 이를 통해 복수의 임펠러(420) 및 이들 임펠러에 이어서 배치된 복수의 고정챔버(422)를 물과 수소가 통과하게 되면서 물 속에 수소의 용존률이 더욱 높아지게 된다.
컷기어(440)는 펌프축(412)의 축 둘레면을 따라 형성되는 내기어(440a)와, 이 내기어에 대응하여 혼합기(410")의 내벽면을 따라 형성되는 외기어(440b)로 이루어진다. 이러한 내기어(440a)와 외기어(440b)는 복수의 대경부(441)(444)와 복수의 소경부(442)(443)가 각각 교대로 형성된 구조로서, 바람직하게는 도 3a에 도시된 바와 같이 내기어(440a)의 대경부(441)들은 외기어(440b)의 대경부(444)들과 상호 대응하고, 또한 내기어(440a)의 소경부(442)들은 외기어(440b)의 소경부(443)들과 상호 대응하도록 배열된 구성을 갖는다. 더욱 바람직하게는, 내기어(440a)와 외기어(440b)는 이들 각각의 대경부(441)(444) 및 소경부(442)(443)의 팁 부분이 날카로운 칼날부(441a,442a,443a,444a; 도 3b 참조)들로 이루어진다.
본 실시예에서 혼합기(410")의 상단, 바람직하게는 컷기어(440)의 후방에 공간부(415)가 형성되고, 이 공간부에는 컷기어를 통과한 물과 수소, 그리고 이들의 혼합인 수소수가 배출되는 배출공(415a)이 형성된다. 임펠러와 컷기어로부터 배출공을 통해 배출되는 수소수는 혼합기의 벽면을 따라 연장하는 유동로(416)를 통해 토출관(414) 측으로 이동할 수 있다.
한편, 이와 같은 구성에서 펌프(400")는 모터(411)의 구동에 따라 회전축(412)이 구동하여 펌프 내 임펠러(420)들이 회전하게 되고, 이 과정에서 혼합기(410") 내부로 유입된 물과 수소는 복수의 임펠러(420)와 복수의 고정 챔버(422)가 교대로 반복하여 배열된 부분을 통과하는 동안 물 속의 수소 용존률을 더욱 높일 수 있게 된다. 또한, 이렇게 생성된 수소수는 컷기어(440)를 통과하는 동안 고속 회전하는 내기어(440a)와 외기어(440b)의 각 대경부(441)(444) 및 소경부(442)(443)에 형성된 칼날부(441a)(444a)(442a)(443a)들에 부딪혀 수 마이크로미터(㎛) 크기로 미세하게 파쇄되며, 이 과정에서 캐비테이션(cavitation)이 발생하여 마이크로미터 크기의 버블이 생성되면서 마이크로버블과 수소가 만나 물 속에 수소의 용존률을 최대화할 수 있게 된다.
도 3d에서 도 1 및 2에 도시된 펌프(400)의 제4 실시형태를 참조하면, 펌프(400"')는 내부에 혼합기(410"')를 구비하는 것으로, 이러한 혼합기(410"')는 펌프축(412)을 따라서 적어도 하나의 임펠러(420)와 하나 이상의 컷기어(440"')가 순서대로 배치된 구성을 갖는다.
본 실시예에서 임펠러(420)는 물과 수소가 유입되는 흡입관(413)의 일부에 적어도 하나 이상이 배치될 수 있으며, 컷기어(440)는 도 3a와 마찬가지로 내기어(440a)와 외기어(440b)에 각각 복수의 대경부(441)(444) 및 소경부(442)(443)들이 교대로 형성되어 내기어(440a)의 대경부(441)들이 외기어(440b)의 대경부(444)들과 상호 대응하고, 또한 내기어(440a)의 소경부(442)들이 외기어(440b)의 소경부(443)들과 상호 대응하는 배열 형태를 갖출 수 있다. 또한, 내기어(440a)와 외기어(440b)는 이들 각각의 대경부(441)(444) 및 소경부(442)(443)의 팁 부분이 날카로운 칼날부(441a,442a,443a,444a; 도 3b 참조)들로 이루어질 수 있다.
이러한 구성에서 펌프(400"')에서는 모터(411)의 구동에 따라 회전축(412)이 구동하여 펌프 내 임펠러(420)들이 회전하게 되고, 이 과정에서 흡입관(413)을 통해 유입된 물과 수소가 서로 혼합되어 수소수를 생성하게 된다. 이렇게 생성된 수소수는 컷기어(440)를 통과하는 동안 고속 회전하는 내기어(440a)와 외기어(440b)의 각각의 팁 부분에 형성된 다수의 칼날부(441a,442a,443a,444a)들에 부딪혀 수 마이크로미터(㎛) 크기로 미세하게 파쇄되며, 이 과정에서 캐비테이션(cavitation)이 발생하여 마이크로버블이 생성되고 이 마이크로버블은 수소의 용존률이 최대화된 상태로 토출구(414)를 통해 토출된다.
도 4는 도 3a 내지 도 3d에 도시된 컷기어의 구성 중 회전블레이드와 고정블레이드 간 결합상태를 각각 다른 위치에서 나타낸 단면도, 도 5는 도 4에 도시된 회전블레이드와 고정블레이드의 각각 다른 위치에서의 날 각도를 도시한 단면도로서, 도 3에서 내기어(440a)는 펌프의 축(412) 표면에 일체로 형성되어 축의 회전에 따라 함께 회전하는 구성인 관계로 이하에서는 내기어(440a)의 대경부(441)와 소경부(442)를 편의상 ‘회전블레이드’로 지칭한다. 또한, 외기어(440b)의 경우에는 혼합기(410)의 내벽면에 일체로 고정되어 제공되는 구성이므로 이하에서 외기어(440b)의 대경부(444)와 소경부(443)를 편의상 ‘고정블레이드’로 지칭한다.
도 4a에 따르면, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 혼합기(410)의 내부 구조에서 내기어(440a)의 회전블레이드(441)와 외기어(440b)의 고정블레이드(444)의 결합 관계가 보다 이해하기 쉽게 횡단면도로 도시되어 있다. 또한, 도 4b에 따르면, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 혼합기(410)의 내부 구조에서 내기어(440a)의 회전블레이드(442)와 외기어(440b)의 고정블레이드(443)의 결합 관계가 보다 이해하기 쉽게 횡단면도로 도시되어 있다.
한편, 나노(nano) 단위의 초미세기포(이하 ‘나노버블’이라 함) 생성을 원활히 하기 위하여 내기어(440a) 및/또는 외기어(440b)의 각 블레이드의 원주면이 적어도 일 방향으로 경사를 이루도록 형성됨이 바람직하다.
예를 들어, 도 5a에 도시한 바와 같이 내기어(440a)는 도 4의 결합 형태에서 회전블레이드(441,442)의 원주면(446a)이 회전방향의 반대쪽으로 외기어(440b)의 고정블레이드(444,443)에 대하여 일정한 경사각(α)을 가지고, 또한 회전블레이드(441,442)의 회전방향 단면(446)이 고정블레이드(444,443)의 대응 단면(447)에 대하여 일정한 경사각(ρ)을 갖는 구조로 제공될 수 있다.
또한, 도 5b에 따르면, 내기어(440a)와 외기어(440b)는 도 5a의 구조에 추가하여 고정블레이드(444,443)의 원주면(447a)이 회전블레이드(441,442)의 원주면(446a)에 대응하여 상기 회전블레이드의 회전방향으로 일정한 경사각(α)을 가지고, 또 회전블레이드(441,442)의 회전 반대방향 단면(446')과 고정블레이드(444,443)의 회전방향 단면(447)이 일정한 경사각(β)을 갖는 구조로 제공될 수 있다. 편의상, 회전블레이드(441,442)의 원주면(446a)을 ‘제1 경사부’라 하고, 고정블레이드(444,443)의 원주면(447a)을 ‘제2 경사부’라 한다. 도면에 나타내지는 않았지만, 나노 단위의 초미세기포 생성을 보다 원활하게 하기 위하여 고정블레이드(444,443)는 회전방향 반대측 단면이 회전블레이드(441,442)의 회전 반대방향 단면(446')에 대응하여 일정한 경사각(미도시)을 갖는 구조를 갖출 수 있다.
구체적으로, 제1 경사부(446a)는 회전블레이드(441,442)의 회전방향이 시계방향이라 가정할 때, 경사 방향은 회전방향 쪽이 높고 그 반대쪽이 낮아지는 형태로 형성될 수 있다(도 5a 참조). 이에 대응하여, 선택적으로 고정블레이드(444,443)의 각 블레이드의 원주면 경사(α)를 상기 회전블레이드(441,442)의 제1 경사부(446a)에 대향하는 방향, 즉 회전블레이드(441,442)의 회전방향에 대향하는 방향으로 형성된 제2 경사부(447a)로 구성될 수 있는데, 이 경우 제2 경사부(447a)는 제1 경사부(446a)에 대향하는 방향이 낮고 그 반대쪽이 높아지는 형태로 형성될 수 있다(도 5b 참조).
따라서 회전블레이드(441,442)의 회전 시, 제1 경사부(446a)가 회전하여 제2 경사부(447a)에 근접하면서 각 경사의 상사점에서 먼저 마주하게 되고, 회전이 계속되면서 각 블레이드 간에 마주하여 형성되는 원주면 사이의 공간이 넓어지면서 혼합 유체에 급격한 와류가 형성되어 캐비테이션을 극대화하게 된다.
한편, 제1 경사부(446a)의 경사각과 제2 경사부(447a)의 경사각은 각 블레이드의 원주면 길이나 폭, 그리고 유입된 혼합 유체의 유량 또는 유속 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 상기한 바와 같은 인자들에 따라 각 경사부의 경사각은 동일하게 제작되거나 서로 다른 각도로 제작될 수 있다.
도 5의 (a)도면을 참조하면, 회전블레이드(441,442)와 고정블레이드(444,443)는 각 블레이드의 대응 측면이 반경선에 대하여 소정의 경사각(β)으로 경사지도록 하여 혼합 유체 내 와류 발생을 촉진시키기 위한 와류촉진부(446,446')(447,447')를 구성할 수 있다.
이러한 와류촉진부(446,446')(447,447')는 각 블레이드의 측면부가 유입된 혼합 유체의 유동방향과 반대방향으로 비스듬히 돌출되어 있기 때문에 그와 마주치는 혼합 유체의 교란이 촉진되고, 이로 인한 캐비테이션 현상의 발생으로 나노버블의 생성을 촉진시킬 수 있게 된다.
이 경우 회전블레이드(441,442)와 고정블레이드(444,443)의 각 블레이드에 형성된 와류촉진부(446,446')(447,447')의 경사각은 동일하게 제작되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고 각 블레이드의 크기나 길이, 혼합 유체의 거동 등과 같은 다양한 인자들 고려하여 설정각도를 다양하게 결정할 수 있다.
한편, 도 5의 (a)도면에 따르면, 와류촉진부는 회전블레이드(441,442)와 고정블레이드(444,443) 중 어느 한 쪽만 형성된 것으로 도시되었으나, 그에 한정하지 않고 회전블레이드(441,442)와 고정블레이드(444,443) 모두 형성될 수 있다. 또한, 도 5의 (b)도면에 따르면, 와류촉진부는 회전블레이드(441,442)의 일 단면과 고정블레이드(444,443)의 일 단면에 중 어느 한 쪽블레이드의 일 단면에만 형성된 것으로 도시되었으나, 그에 한정하지 않고 회전블레이드(441,442)와 고정블레이드(444,443)의 각 블레이드의 양 측면 모두에 형성될 수 있다.
도 6은 도 1 및 2에 도시된 나노버블발생기의 구성을 보여주는 단면도, 도 7은 도 6의 나노버블발생기를 통한 물의 흐름을 도시한 것으로, 예를 들어 도 3에서 토출관(414)을 통해 배출되는 물과 수소의 혼합 유체, 즉 수소수를 압력변화를 통해 한 번 더 혼합시킬 수 있다면 유체 속 수소 용존율을 더욱 높일 수 있을 것이다. 이를 위해, 본 발명은 펌프(400)의 유출측에 추가로 나노버블발생기(500)를 배치한 구성을 제공한다.
나노버블발생기(500)는 소경부(520)와 그로부터 확관된 대경부(530)의 연속된 형태, 및 그러한 연속의 반복된 형태가 상기 토출관(414)의 유로 방향과 나란하게 상하 다수 배열된 격벽체(510)로 이루어지며, 여기서 토출유체, 즉 물과 수소의 혼합 유체는 소경부(520)를 통과한 후 대경부(530)를 지나면서 압력 변화로 인해 보다 미세화되며 캐비테이션 현상이 가속화될 수 있다.
그에 더불어, 나노버블발생기(500)는 소경부(520)와 대경부(530)의 연속된 형태들 사이에 일정 크기의 공간부(540)를 배치함이 바람직한데, 이공간부(540)를 통과하는 토출유체는 급격한 압력 감소와 함께 캐비테이션 현상이 보다 가속되어 토출유체를 더욱 미세화 및 혼합시킬 수 있게 된다. 이 경우, 유체의 토출압력이 약 4kg/m2로 유지될 수 있도록 나노버블발생기(500)의 소경부(520) 및 대경부(530)의 연속 및 반복 횟수를 정함이 바람직한데, 이때 한 예로 소경부(520)의 직경을 약 1.5mm 정도로, 그리고 대경부(530)의 직경은 약 2mm 정도로 제작할 수 있다.
이와 같이 나노버블발생기(500)를 통과하는 물과 수소의 혼합 유체는 급격한 압력변화로 인해 더욱 미세화 및 혼합이 이루어져 나노 크기의 초미세기포, 즉 나노버블을 생성하고 이를 노즐(800; 도 1 참조)을 통해 외부로 토츨할 수 있게 된다.
한편, 상기한 바와 같은 토출압력과 나노버블발생기(500)의 설계 치수는 다양한 인자, 예컨대 모터(411; 도 3 참조)의 출력이나, 유량 등을 고려하고, 이를 설계시 반영하여 결정될 수 있는 사항이다.
위와 같은 구성을 통해 본 발명의 수소수 생성장치는 700∼1,500ppb의 고농도 수소수를 생성하여 공급할 수 있다. 일반적으로 550ppb 정도의 고농도 수소수는 강력한 항산화제인 비타민 C 보다 176배 정도 효과가 빨라 마시기만 해도 피로회복 효과와 함께 강력한 해독 효과가 있다. 또한, 본 발명 장치에 의한 나노버블 수소수는 미네랄이 풍부하며 중성 및 약 알칼리를 유지하게 되는데, 따라서 알칼리 이온수와는 달리 많은 양을 섭취하더라도 인체에 부작용이 전혀 없을 뿐만 아니라 물 1∼2잔을 마셔도 체내 활성산소를 감소시키는 강력한 항산화수가 생성된다. 아울러, 본 발명의 장치에 의한 수소수는 체내의 피부 및 세포를 재생시키고 피부미백, 보습, 모공축소, 비듬제거, 염증을 감소시켜 각종 미용과 성인병 예방에 탁월한 효과를 보이게 된다.
이상 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였으나, 지금까지 설명한 내용들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 그 일부를 예시한 정도에 불과하다. 따라서, 본 발명과 동일한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 범위 내에서 발명의 기술적 사상과 요지를 변경시키지 않고 본 발명에 대하여 다양한 변형을 가할 수 있음이 자명하다 할 것이다.
Claims (7)
- 물 공급원인 수조와, 이 물을 정화하기 위한 복수의 정수필터, 정수필터에 의해 정수된 물을 전기분해하여 수소를 생성하는 수소발생기, 또 정수필터에 의해 정수된 물과 수소발생기에 의해 물 분자에서 분해된 수소를 혼합하여 수소수를 생성하는 펌프, 상기 펌프에서 공급된 수소수로부터 나노(nano) 크기의 버블을 생성하는 나노버블발생기, 나노버블 수소수의 토출을 제어하는 솔레노이드 밸브, 그리고 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하는 토출센서, 및 실제로 나노버블 수소수가 토출되는 노즐을 포함하는 나노버블 수소수 생성장치.
- 제 1항에 있어서,
펌프는 정수필터에 의해 정수된 물과 수소발생기에 의해 제공된 수소를 혼합하여 수소수를 생성하는 혼합기를 구비하고, 상기 혼합기는 복수의 임펠러 및 상기 임펠러와 상호 작용하는 하나 이상의 컷기어를 포함하며, 상기 컷기어는 펌프축의 적어도 일부에 축 둘레면을 따라 형성되는 하나 이상의 내기어와, 이 내기어에 대응하여 혼합기의 내벽면을 따라 형성되는 하나 이상의 외기어로 이루어지고, 상기 내기어와 외기어는 각각 복수의 대경부 및 소경부가 교대로 형성된 구조로서, 상기 내기어의 대경부들은 상기 외기어의 대경부들과 상호 대응하고, 상기 내기어의 소경부들은 상기 외기어의 소경부들과 상호 대응하도록 배열된 구성인 것을 특징으로 하는 나노버블 수소수 생성장치. - 제 2항에 있어서,
상기 내기어와 외기어의 대경부 및 소경부는 팁 부분이 날카로운 칼날 형태인 것을 특징으로 하는 나노버블 수소수 생성장치. - 제 2항에 있어서,
상기 혼합기는 펌프축을 따라서 복수의 임펠러와 복수의 컷기어가 임의의 순으로 교대로 반복하여 배열되되, 복수의 컷기어들 중 적어도 하나의 일측에 물과 수소의 혼합인 수소수가 통과하도록 관로의 직경이 좁아졌다가 갑자기 커지는 형태의 하나 이상의 벤츄리관이 설치되는 것을 특징으로 하는 나노버블 수소수 생성장치. - 제 2항에 있어서,
상기 펌프는 다단펌프로서, 상기 혼합기는 임펠러들의 사이 공간에 각 임펠러에 의해 운반된 물과 수소가 통과하도록 적어도 하나의 고정 챔버가 형성되고, 상기 임펠러와 고정 챔버는 서로 교대로 반복하여 배열되는 것을 특징으로 하는 나노버블 수소수 생성장치. - 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내기어와 외기어는 이들 기어의 블레이드들 중 적어도 어느 일측의 외주면이 회전방향에 대하여 일정한 경사각을 가지고, 각 블레이드들의 대응 측면들은 기어의 반경선에 대하여 일정한 경사각을 갖추어 혼합 유체 내 와류 발생을 위한 와류촉진부로 구성된 것을 특징으로 하는 나노버블 수소수 생성장치. - 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노버블발생기는 상기 펌프의 유출측으로부터 토출유체의 압력변화를 유도하여 나노버블의 발생을 촉진시키는 구성으로서,
상기 유출측의 유로 방향과 나란하게 상하 다수 배열되는 격벽체와,
상기 격벽체에 형성되는 다수의 소경부와,
상기 소경부에 연결되고 확관된 대경부를 포함하여 이루어지고,
상기 소경부와 대경부는 서로 연속하여 반복적으로 형성되되, 상기 소경부와 대경부의 연속된 형태들은 서로 이격되어 이들 사이에 일정 크기의 공간부가 형성된 것을 특징으로 하는 나노버블 수소수 생성장치.
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