KR20200000616U - 중앙 배출구를 구비한 이중 중공 자켓형 카트리지 - Google Patents

중앙 배출구를 구비한 이중 중공 자켓형 카트리지 Download PDF

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KR20200000616U
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central outlet
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KR2020180004710U
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벨터 마르틴
메이어 크리스티안
룽피엘 크리스티안
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인스트랙션 게엠베하
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Abstract

모듈 내 직교형 정제 기법이 조합된 다단 음료 정제 기기에 관한 것으로, 하우징(30), 물 유입 개구(1), 물 배출 개구(2), 활성 카본 및 반투과벽(5)을 갖는 중공형 원통이 함께 채워지는 중공형 원통(4)을 포함하되, 상기 중공형 원통(5)은 중금속 제거용 또는 박테리아 제거용, 또는 중금속 및 박테리아 제거용 킬레이트 화 살균 겔 또는 킬레이트 및 살균 겔을 포함한다.

Description

중앙 배출구를 구비한 이중 중공형 재킷 카트리지{Double Hollow Jacket Cartridge with Central Outlet}
본 고안은 하나의 유닛에 적어도 2 개의 정수(water purification) 방법들 결합하여 적용된 장치에 관한 것으로, 상기 방법은 중금속 제거, 박테리아 제거, 또는 중금속 및 박테리아 모두를 제거하기 위한 킬레이트 겔(chelating gel), 살균 겔(bactericaidal gel), 또는 킬레이트와 살균 겔을 포함한다.
식수 정화에 대한 시장은 다양한 장치들을 제공하고 있으며, 이는 상이한 전략 및 기술들 사용하고 있으며 이것들은 이미 부분적으로 결합되었다.
가장 큰 시장 점유율을 갖고 있는 역삼투압이라는 주류 기술 이외에, 다양한 여과 기술들이나 증류법을 사용하는 여러 장치가 있다.
모든 알려진 방법들에는 (부분적으로 심각한) 단점이 있다:
역삼투 방식의 가장 큰 단점은 음용수의 처리 수율이 적어 사용되는 물의 양의 10 %를 넘지 않으며, 이는 에너지 소모적이라는 것이고, 또한 음용수에서 마그네슘과 같은 건강 증진 요소를 제거한다는 것이다. 이는 이후 단계에서 시간-소모적 방식으로 식수에 부분적으로 반복 적용된다.
증류 방법은 너무 에너지 소비가 크다는 단점이 있다. 또한, 건강 증진 성분 역시 역삼투압 방식처럼 제거되어 증류수가 생성되고, 이는 장기간의 사용에는 적합하지 않아 이후 단계에서 마그네슘 염과 같은 중요한 성분이 다시 첨가되어야 한다.
별도의 유닛/카트리지 내에 다양한 필터 기술들이 결합된 정수기는 본질적으로 고장 나기 쉬우며 누출 등의 위험이 있는 밸브(valves) 또는 결합부들(fittings)/커넥터들(connectors)가 있는 복잡한 배관을 필요로 한다. 또한, 커넥터들은 그 유동 조건으로 인해 박테리아 등이 증식하기에 특히 좋은 환경을 가진다.
전술한 역삼투압(RO) 기술 및 증류 방법과 비교하여, 여과(또는 다른 직각 여과 기술의 조합)에 기초한 많은 정제 방법은 높은 (100 %) 수율 및 라인 압력으로(line pressure) 일반적으로 작동되어 추가 에너지가 소모가 적다. 그러나, 이를 위한 조건은 장치의 압력 손실이 적게 설계되는 것 및 생산성과 소모성 관점의 효율을 감소시키는 표면이 거친 흡수 수지를 사용하는 것을 요한다.
시장에서 공지되어 사용되고 있는 필터 매체(filter medium)는, 예를 들어, 활성탄(activated carbon)이며, 이는 선형 관류(linear through-flow)를 갖는 카트리지 내에서 입자들의 충전층(packed bed)으로 또는 방사상으로 관통하는 유동을 갖는 압축 중공 실린더로 사용된다. 생산성 및 압력 손실의 관점에서, 중공 실린더가 이상적인 설계로 보여진다.
다른 공지된 매체로는 음용수로부터 중금속을 제거하기 위한 MetCap® 수지 (WO2016030021) 및 음용수로부터 박테리아를 제거하기 위한 BacCap® 수지 (독일 특허 출원 제10 2017 007273.6)이 있다. 둘 모두 일반적으로 카트리지 내에서 사용되며 부분적으로 결합된다.
식수 정화를 위한 세 번째 방법은 마이크로 및 나노 여과 방법을 사용하여 여과하는 것이다.
특히 음용수를 연화하기 위한, 또 다른 처리 방법은 칼슘과 마그네슘을 함유한 음용수를 이온 교환기로 여과하는 것이다. 칼슘과 마그네슘은 공정 중에 결합되며(bound) 각각의 경우에 2 몰 당량의 나트륨이 음용수에서 배출된다. 과다한 나트륨은 심장 및 순환 체계에 부정적인 영향을 미치기 때문에, 이 방법은 비판적이다. 또한, 이 방법의 단점은 적은 용량 및 빈번한 교체 또는 재생이 필요하다는 것이다. 또한, 이들 장치는 미생물 증식에 의해 오염되기 쉽다.
앞서 언급한 세 가지 필터 매체와 크게 대조적으로, 이온 교환기의 여과 용량은 훨씬 빨리 소진된다. 경수(hard water)를 사용하는 경우 며칠 만에 수지(resin)를 교체하거나 재생해야 하나, 적절한 사용의 경우 늦게는 1-2 주 정도 후에 교체하거나 재생해야 한다.
MetCap® BacCap® 활성탄 또는 여과막으로 채워진 카트리지의 사용 수명은 약 6 개월이다. 안전한 측면을 고려하여 기술적으로 소진되기 이전에 이러한 요소를 교체하는 것은 드문 일이 아니다.
위에 설명된 장치 외에도 시판되는 다양한 범위의 장치들이 및 상표권 있는 장치들이 있으며, 이들은 개별적인 정제 기술을 모듈식 구조에 서로 결합하고 있다.
이 장치의 장점은 카트리지들이 소진되었을 때 지역별로 상당히 오염 물질의 농도가 다를 수 있는 음용수의 특성과 부하에 따라 개별적으로 소비자가 개별적으로 각 정제 카트리지를 직접 교체할 수 있다는 것이다. 이 장치의 단점은 각 개별 카트리지의 용량을 모니터링하기 위해 시스템의 일부가 소진되었을 때 개별 메시지를 출력하는 센서를 설치해야 한다는 것이다.
대안적으로, 제조업체는 개별 카트리지 교체에 대한 일정 기간을 수정하는 규약을 제공할 수 있다.
이 방법은 복잡하고 사용자 친화적이지 않다. 복잡한 규약(protocol)이나 유지 보수 간격이 준수되지 않을 위험이 존재하며, 이는 음용수의 품질이 평균적으로 볼 때 개선되는 것이 아니라 악화되게 할 것이다.
본 고안은 이러한 배경에서 비롯되었으며 모듈식 설계의 단점을 최소화하거나 방지하기 위한 것으로서 기존의 여과 방법들의 장점을 결합하고 있다.
상기 과제는 하나의 모듈에서 직교 정제 기술을 조합하여 이루어지는 음용수의 다단(multi-stage) 정제용 장치로 해소되며, 이 장치는 하우징(3), 물 주입구(1), 물 배출구(2), 활성탄으로 충전된 중공 실린더(4) 및 반투과벽을 갖는 실린더(5)를 포함하고, 상기 중공 실린더(5)는 킬레이트, 살균 겔, 또는 킬레이트화 살균 겔을 포함하여 중금속 제거 또는 박테리아 제거가 이루어지고, 또는 중금속 및 박테리아 모두의 제거가 이루어진다.
바람직하게는, 하우징(3), 물 유입 개구(1), 물 유출 개구(2), 중공 실린더(4) 및 중공 실린더(5)는 3D 프린터로 제조될 수 있다. 이는 비용 효율적인 생산을 가능하게 하고, 또한 장치의 형상 및 치수가 사용자에게 맞추어 제작될 수 있게 한다.
도 1은 물 주입구(1) 및 물 배출구(2)에 대한 연결부; 하우징(3), 활성탄(4)으로 이루어진 중공 실린더, 투과성 벽(5)을 갖는 중공 실린더 또는 충진재(7)로서 MetCap® 및/또는 BacCap®수지를 갖는 하나 또는 복수의 중공 섬유(들)(5)을 구비한 이중 중공 실린더 카트리지의 종단면도이다.
도 2는 물 주입구(1) 및 물 배출구(2)에 대한 연결부; 하우징(3), 활성탄(4)으로 이루어진 중공 실린더, 투과성 벽(5)을 갖는 중공 실린더 또는 충진재(7)로서 MetCap® 및/또는 BacCap®수지를 갖는 하나 또는 복수의 중공 섬유(들)(5)을 구비하는 이중 중공 실린더 카트리지의 횡단면도이다.
도 3은 물 주입구(1) 및 (선형 디자인) 물 배출구(2)에 대한 단일 연결부; 하우징(3), 활성탄(4)으로 이루어진 중공 실린더, 투과성 벽(5)을 갖는 중공 실린더 또는 충진재(7)로서 MetCap® 및/또는 BacCap®수지를 갖는 하나 또는 복수의 중공 섬유(들)(5)을 구비하는 이중 중공 실린더 카트리지의 종단면도이다.
도 4는 물 주입구(1) 및 (반대쪽에 가려져 있는) (선형 디자인) 물 배출구에 대한 두 개의 연결부들; 하우징(2), 활성탄(3)으로 이루어진 중공 실린더, 충진재(6)인 MetCap® 및/또는 BacCap®수지, 투과성 벽(4)을 갖는 중공 실린더 또는 하나 또는 복수의 중공 섬유(들)(5)을 구비하는 이중 중공 실린더 카트리지의 횡단면도이다.
도 5는 중공 섬유 카트리지들이 흡수용 겔(absorber gel)이 채워지면서 중앙 배출구를 갖지 않을 때, 카트리지 헤드에 작은 정체 압력이 작용함으로써(바람직한 유동 방향은 카트리지 내에서 화살표의 두께로 표시됨) 발생되는 바람직하지 않은 여과 경로(7)를 도시하며, 여기서 카트리지는 물 주입구(1), 물 배출구(2), 프릿(frit)(3), 방사형 물 주입구(4), 활성탄(5)을 이루어지는 중공 실린더, 층(bed) 형태인 MetCap®/BacCap®을 구비한다.
도 6은 중앙 배출구를 갖지 않으면서 일측에 물 주입구(1) 및 물 배출구(2)를 갖는 중공 섬유 카트리지로 여과될 때의 채널 형상(바이패스)을 도시한다. 여기서, 카트리지는 프릿(frit)(3), 방사형 물 주입구(4), 활성탄(5)을 이루어지는 중공 실린더, 층(bed) 형태인 MetCap®/BacCap®을 구비한다.
도 7은 일정한 압력 강하로 인한 완전한 겔 층들(gel beds)(4)을 활용하는 중앙 배출구(천공 파이프, 멤브레인이 감겨진 파이프, 또는 하나 또는 복수의 중공 섬유 막(들), 막 묶음(6))을 갖는 혼합 흡수 재료(활성탄 (5) 및 MetCap® 및/또는 BacCap® 수지 (7))로 이루어진 중공 실린더의 바람직한 여과 경로(8)을 도시한다. 이는 주입구(1) 및 배출구(2)가 반대측에 배치된 선형 디자인을 가진다.
도 8은 일정한 압력 강하로 인한 완전한 겔 층들(gel beds)(4) 및 커넥터(주입구(1) 및 배출구(2))을 활용하는 중앙 배출구(천공 파이프, 멤브레인이 감겨진 파이프, 또는 하나 또는 복수의 중공 섬유 막(들), 막 묶음(6))을 갖는 혼합 흡수 재료(활성탄 (5) 및 MetCap® 및/또는 BacCap® 수지(7))로 이루어진 중공 실린더의 바람직한 여과 경로(8)을 도시한다.
청구항에 기재된 장치에서, 적어도 2 개의 내구성 있는 여과 매체 또는 기술들이 서로 결합된다: 활성탄, MetCap® 및/또는 BacCap® 수지 및 한외여과(ultrafiltration).
이는 InstrAction MetCap 및/또는 BacCap 수지 (7) (도 1, 도 3)을 구비한 하우징(3) 내에 알려진 활성 탄소 중공 실린더(4)를 채우는 방법으로 수행된다. 중앙에서, 바람직하게는 중공 원통의 전체 길이에 걸쳐, 반투과성 벽 (5) 또는 중공 섬유 막 또는 중공 섬유 막의 다발(6)을 갖는 중공 원통의 형태인 출구가 도입되어, 물이 연속적으로 중앙 배출구를 통해 흐르는 2 개 이상의 동심원 층이 전체적으로 제공된다.
쉬운 교체/연결을 위해, 물 주입구 (1)는 물 배출구 (2)와 같은 면(도 1, 도 2)에서 정수 장치에 장착되거나, 파이프 시스템에 직선형으로 설치하기 위해 반대쪽에 배치(도 3, 도 4)될 수 있다.
중앙 배출구 (5)는 기본적으로 작은 강하를 가지면서도 동시에 흡수재 물질을 통과하는 최적의 관통 흐름을 고려한다.
필터 매체를 통과하는 선형 흐름은 과도한 배압(back pressure)을 야기하며, 이는 추가 펌프를 필요로 하거나 용인되기 어려운 정도로 생산성을 감소시킨다.
만일 압력을 감소시키기 위해 너무 큰 입자를 선택하면, 흡수재 물질들 내 결합 부위들과 오염된 물 사이의 긴 확산 영역, 느린 교환으로 인해 생산성이 감소한다. 만일 베드 높이(bed height)를 너무 낮게 선택하여 흡수재 베드(absorber bed) 내의 물 체류 시간을 감소시키면, 오염 물질의 제거가 불충분해진다.
본 명세서에서 청구되는 중앙 배출구가 없는, 다른 흡수재 (6)로 내부 자유 활성탄 중공 실린더(inner free activated carbon hollow cylinder)(5)를 채운다면, 중공 실린더의 길이 방향에 걸친 압력 구배를 얻을 수 있고 이는 겔층(gel bed)(7)의 일정한 관통-유동을 저해하여 불순물이 충분하지 못하게 제거되는 것을 야기한다. 종국에 "최단 경로"의 용량을 다 써 버린 후에는 물이 더 이상 정화되지 못하거나 불충분하게만 정화될 것이다(도 5 참조).
실린더의 한 면에 단순한 출구가 있는 채워진 중공 실린더의 경우에, 채널들은 주입구의 벽상에 형성될 수 있고(도 6) (7) 또한 이는 흡수재 입자들을 통과하는 관통-유동을 저해하여 물과 흡수재 물질 간의 불충분한 접촉 때문에 오염물이 완전히 또는 거의 감소가 안되게 한다.
본 명세서에서, 중앙 배출구 (5)를 가지며, 활성탄을 갖는 중공 실린더로 이미 구현된 바와 같은, 반경 방향으로 배치된 분리 매체 (5) 및 (7)를 이용한 대안이 제공된다(도 7 및 도 8). 이러한 구조는 작은 배압(back pressure), 짧은 분리 구간 및 균질하고 안정적이며 완전한 관류(through-flow) (8)를 갖는 높은 체적 비율(high volumetric rates) 및 동시에 흡수 장치 베드 내 충분한 물의 체류 시간을 가능케 한다.
배출구는 몇몇의 위치에 관통된 파이프로 구성될 수 있는데, 이는 여과된 물이 상당한 압력 손실 없이 통과되면서도 수지는 걸러지게(hold back) 한다.
또한, 메쉬 폭이 비교적 작은 적절한 여과포(flterating cloth)(6)가 추가로 장착되어 있는 경우, 중앙 파이프에는 수지의 직경에 대응하는 여러 개의 구멍이 있을 수 있다.
또한, 중앙 배출구는 실린더 (6)의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 하나 또는 복수의 (묶음 형태인) 중공 섬유 멤브레인(들)로 구현될 수 있다.
이러한 구성은 파이프 시스템(도 7) 내에 주입구와 배출구가 반대측에 배치되어 직선형으로 설치되도록 또는 수질 정화 장치 내에 유입 및 배출이 단일 연결만으로 쉽게 설치되도록(도 8) 설계될 수 있다.
변형예로서, 활성탄과 하나 이상의 흡수제 수지(들)가 적절한 방식으로 함께 압착/접착되는, 결합형 중공 원통이 또한 사용될 수 있다.
활성탄, 흡수제 수지 또는 양 및 용적 그리고 중앙 배출구 또는 막의 용적 및 용량은 음용수 품질의 요구 사항에 맞게 조정될 수 있으며 최소 압력 손실로 최대 생산성 및 정화 효과를 얻을 수 있도록 조합될 수 있다.
이러한 구성은 본 명세서에서 청구되는 원칙을 유지하면서 지역적 차이와 음용수 시장에 맞게 적용할 수 있다.
청구된 장치는 하나의 카트리지를 갖는 기술적 방식으로 테스트된 적어도 2 가지 장수명 정수 방식을 결합하여 가능한 광범위한 음용수 오염 물질("염소", 작은 유기 분자, 의약품 잔류 물, 중금속, 박테리아, 입자 등)에 사용될 수 있다.
여기서, 정화 요소들은 감소된 압력 손실을 갖는 최적의 관류 (및 결과적으로 최적의 물 흡수 장치 접촉)이 이루어지는 방식으로 배치된다.
이러한 구성은 최대 정화 효율을 갖는 높은 생산성(큰 유입 표면 및 작은 입자 직경이 가능함)을 가능하게 하며, 이는 단순한 장치 설정 변경으로는 달성될 수 없다.
동시에, 이는 최소한의 바닥 공간을 필요로 하는 소형 유닛을 가능케 하며, 이로써 사용자에 의해 쉽게 모니터링 될 수 있다.
다른 (장수명) 정화 기술들을 조합하는 것은 각 기계의 구성 및 사용의 복잡성을 감소시킨다(파이프 또는 어댑터가 더 적거나 없게 하고, 연결부가 1-2 개 밖에 없게 함 등).
수도꼭지에 대한 간단한 연결(필요한 경우 유연한 어댑터 사용) 또는 적절한 수도관에 대한 설치가 또한 고려될 수 있다.
외형적으로 선형 디자인 임에도 불구하고, 짧은 여과 경로를 갖는 반경 방향 여과, 겔층(gel bed) 내 물의 충분한 체류 시간 및 매우 간단한 설계가 이루어진다.
모듈러 시스템과 비교하여, 최종 사용자는 (2 개 또는 3 개가 아닌 단 1 개의 카트리지만 교체/모니터링 하므로) 훨씬 용이하게 취급할 수 있고; 이는 제조, 무역, 마케팅, 유통, 재고 보관 등에도 동일하게 적용된다.
바람직한 실시예에서, 카트리지는 수도관에 선형으로 설치될 수 있거나 또는 시장에서 이미 통상적으로 사용되는 것과 같은 단일 연결로 설치될 수 있다.
본 장치는, 예를 들어, 순수한 물을 저장하기 위한 하류 탱크 또는 UV 살균 (탱크식 또는 관로식), 산화 환원 필터 등과 같은 추가 정화 기술과 같은 모든 통상의 추가적 정화 모듈 또는 저장 모듈, 또는 물의 가열을 위한 추가 사용, 탄산수 제조를 위한 이산화탄소 첨가 모듈, 후속 살균 또는 보존을 위한 염소화 또는 과산화수소 추가 등이 쉽게 조합될 수 있다.
이 장치는 이어지는 취수(water withdrawal) 또는 수처리 방식에 영향을 미치거나 관련되지 않는다. 본 장치의 효율점은, 적절한 센서를 이용해, 취수 지점 또는 개별 모듈 사이의 지점들인 적절한 위치에서 모니터링 될 수 있다는 것이다. 적합한 센서는, 이에 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, pH 센서, 전도도 센서, 박테리아 농도를 제어하기위한 센서, 이온 - 선택 센서, UV 센서 등일 수 있다. 플로우 셀은 처리된 물의 양을 측정할 수 있다.
바람직한 실시 예에서, 센서는 데이터 처리 시스템에 연결되고, 이는 측정된 값에 기초하여 개별 모듈의 기능을 모니터링하여 카트리지가 교체되거나 재생되어야 할 필요가 있는 경우 이에 대응하는 메시지를 출력한다. 모듈들을 교체하는 것은 센서들을 이용해 온전히 시간 제어 방식 또는 볼륨 제어 방식으로 수행될 수 있다. 실시예에 따라, 데이터 처리 시스템은 추가 동작을 위한 조건으로서 모듈의 교체를 강제하기 위해 밸브를 폐쇄하거나 연화 모듈의 자동 재생을 시작할 수 있다.
데이터 처리 시스템은 고갈 또는 오류 상황 메시지를, 예를 들어, 휴대용 라디오 기기, 이메일, 단문 메시지, 인스턴스 메시지 등에 출력하는 방식으로 프로그램밍 될 수 있고, 이는 사용자에게 카트리지 교체의 필요성을 알려준다.
최소한의 변형으로도, 본 장치는 가정용으로 적합하면서 일반적인 소비량을 갖게 한다. 더 큰 변형을 통해, 본 장치는 대가족 주택, 주거 단지, 레스토랑, 병원, 선박 또는 고품질 음용수를 필요로 하는 기타 시설에서도 사용할 수 있다.

Claims (12)

  1. 단일 모듈 내 직교 정제 기술의 조합에 기반된 음용수의 다단(multi-stage) 정제용 장치에 있어서, 하우징(3), 물 주입구(1), 물 배출구(2), 활성탄으로 채워진 중공 실린더(4) 및 반투과벽을 갖는 중공 실린더(5)를 포함하되, 중공 실린더(5)는 킬레이트, 살균 겔, 또는 킬레이트화 살균 겔을 포함하여 중금속 제거 또는 박테리아 제거가 이루어지고, 또는 중금속 및 박테리아 모두의 제거하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 킬레이트 겔 또는 상기 살균 겔 또는 상기 킬레이트 겔과 상기 살균 겔 모두는 중공 실린더(5)의 전체 길이에 걸쳐 중앙 배출구를 갖는 활성탄 중공 실린더(4) 내에 채워지는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 중앙 배출구는 개구부를 갖는 복수의 위치에서 천공된 파이프로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 위치에서 천공된 파이프의 개구들은 상기 개구들을 둘러싸고 있는 흡수재 겔의 입자보다 작은 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 중앙 배출구는 그 둘레에 감겨진 멤브레인 및 입자 직경보다 큰 개구를 갖는 파이프로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1 항, 제2 항 및 제5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 멤브레인을 둘러싸는 흡수재 겔의 입자 직경보다 작은 공극을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 중앙 배출구는 하나 또는 복수의 중공 섬유 막 또는 중공 섬유 막의 묶음으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서, pH 센서, 전도도 센서, UV 센서, 또는 박테리아의 식별을 위한 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 설정된 한계 값이 초과되거나 절삭(undercut)되면 경고를 출력하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서, 추가 요소들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 추가 요소는 물 탱크, 연수 장치, 온수 가열 장치, UV 살균 장치, 산화 환원 필터, CO2 첨가 장치 또는 염소 처리 장치로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징 (3), 주입구(1), 배출구(2), 중공 실린더(4) 및 중공 실린더(5)가 3D 프린터로 제조되는 것을 특징으로 하는 장치.
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