KR20190107333A

KR20190107333A - 플라즈마 멸균처리 음용수 장치

Info

Publication number: KR20190107333A
Application number: KR1020180028446A
Authority: KR
Inventors: 광섭 조; 윤중 김; 김시찬
Original assignee: 광운대학교 산학협력단
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2019-09-20
Also published as: KR102104709B1

Abstract

본 발명은, 플라즈마 멸균 처리 방식의 음용수 장치를 제공한다. 음용수 장치의 수조 용기에 플라즈마 기체를 확산 용해하여 물속의 병원균을 멸균하고, 수조의 미생물 번식을 방지하여, 살균 처리된 청정의 음용수를 제공하는 친환경 플라즈마 음용수 장치로서 플라즈마 물병, 플라즈마 주전자, 그리고 플라즈마 냉온수기를 제공한다.

Description

플라즈마 멸균처리 음용수 장치{Plasma-Sterilized Drinking-Water System}

본 발명은 플라즈마의 멸균 기능을 이용하여 음용수 수조의 미생물 등 균류 살균 및 부패 방지를 통하여 청정의 음용수를 제공하는 기술에 관한 것이다.

본 발명은 본 발명자에 의하여 제안된 "플라즈마 가습기"에서 제안된 플라즈마 장치와 유사하다.

본 발명은 소형의 물병 및 물통과 냉온수기에 적용되며, 이들의 장치를 '플라즈마 물병', '플라즈마 주전자', 그리고 '플라즈마 냉온수기'라고 명명한다.

현행 음용수 장치의 문제점은 용기의 물과 용기 자체의 세균 등 미생물의 번식으로 오염된 물을 음용하여 각종 질병에 노출될 수 있다는 것이다.

친환경 물질인 대기 플라즈마의 멸균 효과는 많은 연구를 통하여 입증되었다. 대기 플라즈마는 물속에 용해되어 OH-계의 라디칼 작용으로 물속 및 용기의 병원균을 사멸 혹은 증식을 방지한다. 대기 플라즈마의 성분 중에 가장 발생 농도가 크고 반감기(Life-time)가 수 시간으로 가장 긴 것은 오존(O₃)이다. 오존은 물속에서 일정부분 용해되고, 물속에 용해된 오존은 불안정하여 산소로 변한다. 즉, 물속에서의 용존 오존의 반감기는 십분 정도로 짧다. 이와 관련된 화학식은 H₂O + O₃ → 2OH + O₂이다. 즉, 물과 오존이 반응하여 멸균작용이 강한 OH가 생성되고 산소로 용존 된다. 따라서 플라즈마 처리된 용기의 음용수에서의 용존 오존은 극히 미미한 량으로 조정될 수 있으며, 오히려 산소가 용존된 청결수가 되므로 안전한 음용수의 제공이 가능하다.

등록특허 10-1388004는 플라즈마 처리에 의한 음용수기를 제안하나 플라즈마 발생 공간에 물이 충전되는 것으로 기재하고 있어 실질상 물속에서 플라즈마 방전이 용이하지 않다는 점과 발생되는 활성종들의 제어가 어렵다는 점이 문제된다.

그 외, 오존수 제조 방식과 같이 플라즈마 기체를 펌프를 사용하여 강제 주입하는 방식이 있으나, 펌프 작동에 따른 소음 문제와 장치의 소형화 측면에서 바람직한 방법이 아니다. 물속에서의 방전을 통하여 플라즈마를 발생하게 하는 방식을 고려할 수도 있으나, 이러한 방식은 플라즈마 장치가 복잡하게 되고 버블의 생성과정에서 소음의 문제도 있다. 또 다른 방식으로 전기분해법이 있으나, 마찬가지로 구조가 복잡하고 발생 기체 종들의 제어가 용이하지 않다.

본 발명은 수조 용기 내부 혹은 인접 공간에서 발생된 플라즈마 기체를 수조의 물에 주입하여 제어하는 기술을 제공하고자 한다.

본 발명은 소형의 플라즈마 발생기 모듈을 제작하여, 해당 용기의 내부 혹은 인접하는 곳에 간단히 설치하는 방식으로 플라즈마에 의해 멸균 처리된 용기와 물을 제공하고자 한다.

상기 목적에 따라 본 발명은 수조 내부의 별도 공간에 설치된 플라즈마 모듈에서 발생된 플라즈마 기체를 물속에 확산하여 용해하는 방식으로 플라즈마 처리된 물을 제공한다. 즉, 물과 플라즈마 기체의 접촉에 의하여 플라즈마가 물속으로 확산된다. 플라즈마의 발생장치는 물과 독립된 공간에 설치하여, 방수막을 경계로 플라즈마 기체는 물로 확산되고 물의 역류는 방지된다. 수조 하부 혹은 상부에 플라즈마 모듈을 설치하고, 플라즈마 기체의 확산으로 물에 용해된다.

본 발명에 따르면, 수조 용기 및 물이 친환경적으로 살균되므로 용기 내부를 수시로 혹은 정기적으로 세척하는 등의 번거로움이 해소된다. 물속의 미생물과 병원균이 제거되고 증식이 방지되므로 안심하고 마실 수 있는 청결수를 제공한다.

도 1(a)는 음용수 장치(100)의 상부에 멸균 처리용 플라즈마 모듈(200).
도 1(b)는 음용수 장치(100)의 하부에 멸균 처리용 플라즈마 모듈(200).
도 2는 플라즈마-소스 모듈(300), (a) PED-소자 모듈(310), (b) 침상전극-소자 모듈(320), (c) 탄소섬유전극-소자 모듈(330).
도 3는 휴대용 플라즈마 물병(110).
도 4는 플라즈마 멸균 처리 수소수 발생 장치(120).
도 5는 멸균처리 플라즈마 주전자(130).
도 6은 멸균처리 플라즈마 냉온수기(140).

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 좀 더 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 음용수 장치(100) 구성의 개요를 보여주며, 멸균용 플라즈마 모듈(200)을 음용수 장치의 수조 용기의 상부 또는 하부에 결합하여 용기 및 음용수를 멸균 처리하는 방식을 도시한다.

도 1(a)는 수조 용기(100) 상단에 멸균용 플라즈마 모듈(200)이 설치된 것을 보여준다. 플라즈마 모듈(200)은 하우징 안에 플라즈마 발생장치가 내장되고 수조와의 연결부는 개구부를 구비하며, 개구부는 방수막(210)을 구비한다. 따라서 방수막(210)을 경계로 플라즈마 모듈은 수조 용기 상단의 대기 공간(30)과 접한다. 방수막(210)을 통하여 플라즈마 기체가 용기 상단의 대기 공간(30)으로 확산되며, 플라즈마 기체는 수조 용기의 물에 용해되어 용기(100)와 음용수(10)가 각각 멸균처리된다.

도 1(b)는 수조 용기(100) 하단에 플라즈마 멸균 모듈(200)을 설치한 것을 보여준다. 방수막(210)을 경계로 수조 상단의 음용수(10)와 접촉한다. 플라즈마 멸균 모듈(200)에서 발생된 플라즈마 기체가 수조의 물속으로 확산 용해된다. 플라즈마 멸균 모듈(200) 하우징의 다른 면(바닥 면)에는 미세구멍(230)과 차단막(220)이 설치된다. 즉, 미세구멍이 다수 형성되고 미세구멍은 방수재로 된 차단막(200)으로 덮여 물은 차단되고 기체는 소통된다. 따라서 외부 공기가 차단막(220)을 통하여 유입되어 플라즈마 멸균 모듈(200)의 내부 압력이 자체적으로 조정된다. 이때 미세구멍의 개구면적은 상부 수조와의 접경면에 형성된 방수막으로 덮인 개구부의 면적보다 더 작다.

도 2는 플라즈마 멸균 모듈(200) 내부에 설치되는 플라즈마-소스 모듈(300)을 도시한다.

도 2(a)는 플라즈마 방출 다이오드(PED: Plasma Emitting Diode) 소자의 모듈(310)이고, (b)는 침상형 모듈(320), 그리고 (c)는 카본브러쉬형 모듈(330)이다.

플라즈마 소스 모듈(300)은 일반적으로 소정의 DC-전압을 입력한다. 입력 DC-전압을 스위칭 방식으로 트랜스를 사용하여 출력 AC-전압(root-mean-square value)은 1-3 kV의 범위로 하며, 전류는 mA 이하 이며, 따라서 소모전력은 수 W 이하가 된다.

도 2(a)의 PED는 본 발명자의 출원특허 10-2017-0177591호에 나타나 있다. 유전층(313)의 상단면과 하단면에 제1 전극(321)과 제2 전극(322)을 형성하고, 고전압발생기의 출력단에 연결하여, 유전층 위의 전극 사이에 플라즈마가 발생한다. 본 발명에서 유전재는 Quartz-판이나 세라믹(Al₂O₃)-판을 사용하는 경우 유전층의 두께는 0.5 mm 이하로 제한하고, 실리콘이 도포된 폴리이미드 필름(번 발명인의 출원특허 10-2018-0004509호)을 사용하는 경우는 유전층의 두께를 300 um 이하로 하여 구동전압이 3 kV 이하가 되도록한다.

도 2(b)의 침상형 전극(321)에 고전압이 인가되어 코로나 방전 방식의 미소 플라즈마가 발생하는 침상형 모듈(320)이다. 침상형 전극에 발생되는 플라즈마량이 극히 작기 때문에 하나 이상의 다중 전극침을 채용할 수 있다. 다중 침상형 전극의 플라즈마-소스 모듈(320)은 상용화되어 시중에 판매되고 있다.

도 2(c)는 탄소부러쉬형 전극(331)에 고전압을 인가하여 플라즈마를 발생하는 탄소부러쉬형 모듈(330)이다. 탄소브러쉬 전극(331)의 끝에 미소 방전에 의하여 플라즈마 발생량이 적은 경우를 감안하여, 하나 이상의 다중형태의 모듈을 채용할 수 있다. 탄소부러쉬형 모듈(330)도 시판되고 있다.

다음은 본 발명의 플라즈마-멸균 음용수 장치에의 적용 예시이다.

도 3은 휴대용 플라즈마 물병(110)이고, 도 4는 멸균처리 플라즈마 수소수 발생장치(120), 도 5는 플라즈마 주전자(130), 그리고 도 6은 플라즈마 냉온수기(140)이다. 각 장치들에 플라즈마 멸균-모듈(200)을 소정의 위치에 부착하여 플라즈마 발생을 제어한다.

도 3은 휴대용 플라즈마 물병(110)은 물병 뚜껑(122)에 플라즈마 멸균-모듈(200)을 설치한다. 휴대를 위하여 충방전용 이차전지 및 관련 제어 패널(컨버터 및 충전기판)(40)을 설치한다. 뚜껑에 설치된 스위치 작동(미 도시)으로 플라즈마가 발생한다. 스위치 작동으로 전압-전류 제어를 통하여 플라즈마 기체 발생량 제어를 기본으로 한다. 또한, 스위치 작동으로 소정의 시간 동안 플라즈마 발생하고, 이후에 전원공급이 자동 차단된다. 특히, 오존 발생량의 제어는 뚜껑을 연 상태에서 오존 발생량이 0.06 ppm 이하가 되도록 제어한다.

도 4는 멸균처리 플라즈마 수소수 발생장치(120)이다. 종래의 수소수 발생기(123)의 문제점은 수소용존 농도를 높이기 위하여 상시간 수소를 발생한다. 이에 따른 용기 내부의 미생물 번식으로 인하여, 수시로 세척해야하는 불편이 있다. 본 발명은 휴대용을 포함한 수소수 발생장치에 플라즈마 멸균-모듈(200)를 설치한다.

도 5는 플라즈마 주전자(130)이다. 주전자의 상부(뚜껑) 혹은 하부(몸체 저면)에 플라즈마 모듈(200)의 설치가 가능하다. 여기서는 하부에 플라즈마 모듈(200)이 설치된 도면이며, 도 1(b)에서 설명한 것과 동일한 방식이 된다.

도 6은 플라즈마 냉온수기(140)이다. 상부에 교체가능한 상부 수조(142)가 끼워질 수 있는 하부 수조가 있고, 하부 수조(141)에 온수와 냉수가 분기 보관되고 각각의 배출구를 구비한다. 여기서 하부 수조(141)의 내부 하단에 플라즈마 모듈(200)을 도 1(b)와 같이 설치한다.

냉온수기의 장시간 가동으로 상부수조(142)의 잔류 물의 양을 감안하여 플라즈마 발생량을 제어한다. 따라서, 필요 이상의 장시간 동안 플라즈마가 발생하지 않도록 제어하기 위하여, 소정의 시간 동안 플라즈마가 발생토록 하는 타이머를 장착하여 제어한다.

소정의 시간 동안의 플라즈마 발생량을 제어하는 또 다른 방법으로 침상형이나 브러쉬형 모듈은 미소 방전을 감안하여 소정 물의 양에 대해 모듈의 설치 개수를 정하고 그에 따른 멸균 효과를 감안하여 발생량(동작 시간)을 제어한다.

PED 소자의 경우는 소자의 플라즈마 발생 특성을 고려하여 동작 시간을 제어한다.

상기 도 2의 플라즈마 소스 모듈(300)의 고전압발생장치에서 출력되는 전압의 크기와 파형을 제어하여 플라즈마 발생량을 조절하는 방식을 추가로 채택할 수 있다. 전원장치의 소형화를 위하여 스위칭 방식을 단순하게 구성하되 파형의 변조방식을 채용한다. 파형의 두티를 임의 조정하는 방식을 채용한다.

한편, 상기 실시 예와 실험 예들에서 제시한 구체적인 수치들은 예시적인 것으로 필요에 따라 변형 가능함은 물론이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 음용수 장치
10: 음용수, 20: 수면(수위), 30: 공기, 40: 이차전지/제어기판, 50: 소켓, 60: 충전기,
200: 플라즈마 모듈, 210: 방수막, 220: 차단막, 230: 미세구멍,
300: 플라즈마 소스 모듈, 310: PED-소자 모듈, 320: 침상형 모듈, 330: 탄소부러쉬형 모듈, 311: 제1 전극, 312: 제2 전그, 313: 유전층, 321: 침상전극, 331: 탄소부러쉬 전극,
110: 휴대용 플라즈마 물병, 111: 물병 용기, 112: 물병 뚜껑,
120: 플라즈마 처리 수소수 발생기, 121: 용기, 122: 뚜껑, 123: 수소 발생기,
130: 플라즈마 주전자, 131: 주전자 용기, 132: 뚜껑, 133: 물 배출구
140: 플라즈마 냉온수기, 141: 하부 수조, 142: 상부 수조

Claims

음용수를 보관하는 음용수 장치에 있어서,
수조; 및
상기 수조의 상부 또는 하부에 인접하여 설치된 플라즈마 발생 모듈;을 포함하고,
상기 플라즈마 발생 모듈은,
하우징 안에 플라즈마를 발생하는 플라즈마 모듈; 및
플라즈마 발생 모듈과 상기 수조와의 접경면에 형성되되, 방수막으로 덮인 개구부;를 구비하여,
상기 플라즈마 모듈에서 발생되는 플라즈마 기체가 상기 방수막을 통하여 수조의 상부 또는 하부로 확산되어 수조의 물과 수조 용기가 멸균 처리되고,
상기 플라즈마 모듈의 동작을 제어하여 소정의 시간 동안에 국한하여 플라즈마를 발생하게 하여 수조 용기와 음용수를 멸균 처리하되, 오존 발생량을 제한하여 청결한 음용수를 제공하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 멸균 음용수 장치.
제1항에 있어서, 상기 수조의 하부에 상기 플라즈마 발생 모듈이 설치되는 경우, 플라즈마 발생 모듈의 하우징 바닥에 미세 구멍이 하나 이상 형성되고 미세 구멍은 방수성 차단막으로 덮이는 것을 특징으로 하는 플라즈마 멸균 음용수 장치.
제1항에 있어서, 상기 플라즈마 발생 모듈은 패키지 처리된 플라즈마 방출 소자, 침상형 전극을 구비한 침상형 소자, 또는 탄소브러쉬형 전극을 구비한 탄소브러쉬형 소자 중에 어느 하나 이상을 직렬 또는 병렬로 연결 배치하여 플라즈마 모듈을 구성한 것을 특징으로 하는 플라즈마 멸균 음용수 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 플라즈마 멸균 음용수 장치를 채용한 휴대용 플라즈마 물병.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 플라즈마 멸균 음용수 장치를 채용한 수소수 발생기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 플라즈마 멸균 음용수 장치를 채용한 플라즈마 주전자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 플라즈마 멸균 음용수 장치를 채용한 플라즈마 냉온수기.
음용수를 보관하여 휴대하는 휴대용 물병에 조립되는 물병 뚜껑에 있어서,
상기 뚜껑은,
플라즈마 발생 모듈; 및
상기 플라즈마 발생 모듈에 전원을 공급하는 전지와 제어기판을 포함한 전원장치;를 포함하고,
상기 플라즈마 발생 모듈은,
하우징 안에 플라즈마를 발생하는 플라즈마 모듈; 및
플라즈마 발생 모듈과 뚜껑과 결합될 물병과의 접경면에 형성되되, 방수막으로 덮인 개구부;를 구비하여,
상기 플라즈마 모듈에서 발생되는 플라즈마 기체가 상기 방수막을 통하여 물병 하부로 확산되어 물과 물병이 멸균 처리되고,
상기 플라즈마 모듈의 동작을 제어하여 소정의 시간 동안에 국한하여 플라즈마를 발생하게 하여 물병과 물을 멸균 처리하되, 오존 발생량을 제한하여 청결한 음용수를 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대용 물병용 플라즈마 물병 뚜껑.