KR20210109988A

KR20210109988A - 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치

Info

Publication number: KR20210109988A
Application number: KR1020200025343A
Authority: KR
Inventors: 곽헌길; 방건웅
Original assignee: 케이퓨전테크놀로지 주식회사
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2021-09-07
Also published as: WO2021172654A1; KR102504275B1

Abstract

외부의 전원이나 전극 없이 고압의 작동유체와 마찰전기 대전체 간의 상호작용만으로 작동유체 내에 표면의 전하밀도가 높은 나노 크기의 미세기포들을 연속적으로 붕괴되도록 유도하여 플라즈마를 발생시키고, 이를 통해 작동유체를 이온화하여 기능수를 대량생산할 수 있는 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치를 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치는 일 방향으로 이동하는 작동유체 내에 플라즈마를 발생시키고, 작동유체를 이온화하여 기능수를 생산하도록 구성되는 플라즈마 발생부를 포함하고, 플라즈마 발생부는, 제1 유로 및 제1 유로와 연통되고 제1 유로에 비하여 상대적으로 작은 내경의 크기를 가지도록 구성되는 제2 유로를 포함하는 제1 반응부 및 제1 유로에 배치되고, 내부로 유입되는 작동유체의 압력을 제어하어 제2 유로로 배출되는 작동유체에 복수의 미세기포를 발생시키며, 작동유체와의 전기적 작용을 통해 복수의 미세기포의 표면전위를 상승시켜 복수의 미세기포가 붕괴될 때 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 제2 반응부를 포함한다.

Description

수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치{Functional water production device using underwater plasma}

본 발명은 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수중에서 플라즈마를 발생시켜 작동유체를 이온화하여 기능수를 생산할 수 있는 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치에 관한 것이다.

일반적으로 플라즈마 활성수(PAW: Plasma Activated Water)는 공기(혹은 수중)에서 플라즈마를 생성한 뒤, 산소 및 질소 등의 활성종을 물에 녹아들게 한 기능성 물이다.

이 활성수는 강한 산성을 띠어 소독제나 살충제 등의 역할을 할 수 있고, 동시에 질소 산화물들이 다량 포함되어 있기 때문에 액체 비료로도 활용이 가능하다. 병원에서는 의료도구의 소독이나 피부 치료로 쓸 수 있고, 가정에서도 야채나 과일을 씻어주는 친환경 세정제로 이용될 수 있다.

이와 같은, 플라즈마 활성수를 생산하기 위해서는 기본적으로 물을 이온화시키기 위해 플라즈마를 발생시키는 기술을 필요로 한다.

종래에는 수중에 배치된 전극을 방전시켜 순간적으로 플라즈마를 발생시키고, 이를 통해 물을 이온화하여 플라즈마 활성수를 생산해내는 방법이 주로 이용되었다. 그러나, 이와 같은 방법은 수천 V 이상의 고전압을 필요로 하고, 플라즈마를 발생하는데 필요한 기체를 수중에서 안정적으로 유지하는 것이 매우 어려워 연속적으로 가동되는 것이 쉽지 않으며, 효율이 낮음은 물론 설비를 갖추기 위해서는 고가의 비용이 발생되는 문제점이 있었다.

또한, 종래에는 상기 기술의 대안으로, 플라즈마를 수중이 아니라 물의 표면에서 발생시켜, 물과 플라즈마가 서로 반응되도록 하여 플라즈마 활성수를 제조하는 방법이 이용되었다.

그러나, 이와 같은 방법은 플라즈마 전류가 물의 표면을 따라 흐르기 때문에 내부로 침투하지 못하여 플라즈마를 발생시키는 시간 대비 생산되는 이온화 활성수의 양이 매우 적고 많은 양의 이온화 활성수를 생산하기 위해서는 장시간 플라즈마를 발생시켜야 함에 따라 고가의 유지비용이 발생되는 문제점이 있었다.

따라서, 상술한 플라즈마 활성수 생산기술의 한계를 극복할 수 있는 새로운 플라즈마 활성수 생산기술이 요구되고 있다.

공개특허공보 제10-2010-0011246호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 외부의 전원이나 전극 없이 고압의 작동유체와 마찰전기 대전체 간의 상호작용만으로 작동유체 내에 표면의 전하밀도가 높은 나노 크기의 미세기포들을 연속적으로 붕괴되도록 유도하여 플라즈마를 발생시키고, 이를 통해 작동유체를 이온화하여 기능수를 대량생산할 수 있는 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치는 일 방향으로 이동하는 작동유체 내에 플라즈마를 발생시키고, 상기 작동유체를 이온화하여 기능수를 생산하도록 구성되는 플라즈마 발생부를 포함하고, 상기 플라즈마 발생부는, 제1 유로 및 상기 제1 유로와 연통되고 상기 제1 유로에 비하여 상대적으로 작은 내경의 크기를 가지도록 구성되는 제2 유로를 포함하는 제1 반응부; 및 상기 제1 유로에 배치되고, 내부로 유입되는 작동유체의 압력을 제어하어 상기 제2 유로로 배출되는 상기 작동유체에 복수의 미세기포를 발생시키며, 상기 작동유체와의 전기적 작용을 통해 상기 복수의 미세기포의 표면전위를 상승시켜 상기 복수의 미세기포가 붕괴될 때 상기 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 제2 반응부를 포함한다.

상기 제2 반응부는, 상기 제1 유로로 유입된 상기 작동유체의 압력을 제어하여 상기 제2 유로 측으로 배출되는 상기 작동유체에 상기 복수의 미세기포를 발생시키도록 구성되는 제1 반응유닛; 및 상기 제1 반응유닛으로 유입되는 상기 작동유체와 마찰되면서 마찰전기를 발생시키고, 상기 작동유체에 와류를 발생시키며, 상기 복수의 미세기포의 표면 전위를 제어하여 상기 복수의 미세기포가 붕괴될 때 상기 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 제2 반응유닛을 포함할 수 있다.

상기 제1 반응유닛은, 상기 작동유체의 이동방향을 따라 내경의 크기가 점차 감소되도록 구성되는 제1-1 반응유로; 및 상기 제1-1 반응유로의 단부로부터 상기 작동유체의 이동방향을 따라 연장되어 동일한 내경의 크기를 유지하고, 상기 제2 유로에 비하여 상대적으로 작은 내경의 크기를 가지는 제1-2 반응유로를 포함할 수 있다.

상기 제2 반응유닛은, 상기 제1 반응유닛으로 유입되는 상기 작동유체에 와류를 발생시키도록 구성되는 적어도 하나의 제2 반응유로를 포함할 수 있다.

상기 제2 반응부는, 상기 작동유체의 이동방향을 따라 상기 제1 반응유닛의 일 측에 배치되고, 상기 제1 반응유닛을 통과한 상기 작동유체의 압력을 제어하여 상기 제1 반응유닛으로부터 배출되는 상기 작동유체에 상기 복수의 미세기포를 발생시키도록 구성되는 제3 반응유닛; 및 상기 작동유체의 이동방향을 따라 상기 제3 반응유닛의 일 측에 배치되고, 상기 제3 반응유닛을 통과한 상기 작동유체의 압력을 제어하여 상기 제2 유로로 배출되는 상기 작동유체에 상기 복수의 미세기포를 발생시키도록 구성되는 제4 반응유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 제3 반응유닛은, 상기 제1-2 반응유로와 연통되어 상기 작동유체의 이동방향을 따라 동일한 내경의 크기를 유지하고, 상기 제1-2 반응유로에 비하여 상대적으로 큰 내경의 크기를 가지는 제3 반응유로를 포함할 수 있다.

상기 제4 반응유닛은, 상기 제3 반응유로와 연통되어 상기 작동유체의 이동방향을 따라 동일한 내경의 크기를 유지하고, 상기 제3 반응유로에 비하여 상대적으로 작은 내경의 크기를 가지는 제4-1 반응유로; 및 상기 제4-1 반응유로와 상기 제2 유로를 연통시키고, 상기 제4-1 반응유로의 단부로부터 상기 작동유체의 이동방향을 따라 내경의 크기가 점차 증가되도록 구성되는 제4-2 반응유로를 포함할 수 있다.

상기 제2 반응부는, 상기 작동유체의 이동방향을 따라 상기 제1 반응유닛의 타 측에 배치되고, 일단부에 상기 제2 반응유닛이 결합되어 고정되며, 상기 작동유체와 마찰되면서 마찰전기를 발생시키도록 구성되는 제5 반응유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 제5 반응유닛은, 상기 제2 반응유닛이 수용되는 제5-1 반응유로; 및 상기 제1 유로를 통해 내부로 유입되는 상기 작동유체를 상기 제5-1 반응유로로 안내하고, 상기 제5-1 반응유로에 비하여 상대적으로 더 긴 길이를 가지도록 구성되는 제5-2 반응유로를 포함할 수 있다.

상기 작동유체는 물로 적용되고, 상기 제2 반응유닛 및 상기 제5 반응유닛은 테플론 혹은 음으로 대전하는 마찰전기 대전체 소재로 마련될 수 있다.

상기 제2 반응부는, 상기 제1 반응유닛의 외주면 및 상기 제4 반응유닛의 외주면에 각각 결합되고, 상기 제1 유로를 형성하는 상기 제1 반응부의 내주면에 밀착되어 상기 제1 반응유닛 및 상기 제4 반응유닛의 유동을 제한하도록 구성되는 기밀부를 더 포함할 수 있다.

상기 플라즈마 발생부로 공급되는 상기 작동유체를 정화하도록 구성되는 정화부를 더 포함할 수 있다.

상기 정화부는, 마이크로 필터를 구비하여 상기 작동유체를 정화시키도록 구성되는 제1 정화유닛; 및 이온교환수지를 구비하여 상기 제1 정화유닛을 통해 정화된 작동유체를 정화시키도록 구성되는 제2 정화유닛을 포함할 수 있다.

상기 플라즈마 발생부로 유입되는 상기 작동유체에 산소 기체를 공급하도록 구성되는 산소 기체 공급부를 더 포함할 수 있다.

상기 정화부를 통해 정화된 작동유체가 저장되도록 구성되는 정화유체 저장부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 외부의 전원이나 전극 없이 마찰전기를 발생시키는 물체와 이를 통과하는 고압의 작동유체 간의 급격한 압력 변화로 인한 미세기포의 대량 생성과 마찰전기에서 유발되는 전하만으로 작동유체 내에 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 이를 통해 연속적으로 기능수를 생산 가능함에 따라, 고압의 전압을 이용하여 수중에서 플라즈마를 발생시켜 유체를 이온화하는 기술 및 기체 플라즈마를 이용하여 플라즈마 활성수 생산하는 기술에 비하여, 비용을 월등히 절감할 수 있고, 대량의 기능수를 효율적으로 생산할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예예 따르면, 고전압의 외부 전극이 없이 자체적으로 수중에서 발생하는 플라즈마를 활용하기 때문에, 작동유체 내에 활성 질소종 등이 녹아들어가는 것을 방지하고, 순수하게 수소이온과 수산이온으로 구성된 플라즈마 활성수를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 기본적으로 기능수를 생산할 수 있고, 필요에 따라 이온 분리부, 금속성 프로브, 혹은 수소 가스 생산부를 선택적으로 적용하여 수소 가스 및 전기 에너지를 추가적으로 생산할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 다른 화학물질이나 기체를 사용하지 않고 작동유체의 순환만으로 기능수를 생산할 수 있기 때문에, 친환경적이고, 농업?바이오?식품?원예 등 다양한 산업에 활용할 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 발명 내에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치의 플라즈마 발생부를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치의 제2 반응부를 나타낸 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치의 제1 반응유닛의 변형된 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치의 플라즈마 발생부의 변형된 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

본 명세서에 기재된 실시예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시 예는 다양한 실시 예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 첨부된 도면에 개시된 특정 실시 예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

한편, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 "유닛" 또는 "부"는 적어도 하나의 기능 또는 동작을 수행한다. 그리고, "유닛" 또는 "부"는 다른 구성들과의 조합에 의해 기능 또는 동작을 수행할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

그 밖에도, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)(이하 ‘수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)’라 함)는 플라즈마 발생부(110)를 포함한다.

플라즈마 발생부(110)는 일 방향으로 이동하는 작동유체 내에 플라즈마를 발생시키고, 이를 통해 작동유체를 이온화여 기능수를 생산한다. 여기서, 기능수란 플라즈마 활성수(PAW: Plasma Activated Water) 또는 오존수를 의미할 수 있다. 또한, 기능수는 특정 기체를 활성화하는 기능수로, 산소 외에 다른 기체가 추가되어 생성될 수 있다.

구체적으로, 플라즈마 발생부(110)는 일 방향으로 이동하는 작동유체 내에 복수의 미세기포(Micro-Nano Bubble)를 발생시키고, 복수의 미세기포를 전기적 작용을 통하여 연속적으로 붕괴(Collapse)시켜 작동유체 내에서 플라즈마를 발생시킨다. 이를 통해, 플라즈마에 노출된 작동유체를 이온화시켜 기능수를 생산한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치의 플라즈마 발생부를 나타낸 단면도이다.

도 2를 참조하면, 플라즈마 발생부(110)는 제1 반응부(111) 및 제2 반응부(112)를 포함할 수 있다.

제1 반응부(111)는 내부에 작동유체가 통과할 수 있도록 소정의 길이를 갖는 관 형태로 마련되고, 내부에 서로 다른 내경의 크기를 가지는 복수의 유로를 구비할 수 있다. 구체적으로, 제1 반응부(111)의 내부에는 제2 반응부(112)가 배치되고 작동유체가 유입되어 흐르는 제1 유로(111A) 및 제1 유로(111A)와 연통되고 복수의 미세기포 및 플라즈마가 발생되어 이온화된 작동유체, 즉, 기능수가 흐르는 제2 유로(111B)를 포함할 수 있다. 이를 통해, 제1 유로(111A)에 수용된 제2 반응부(112)는 작동유체가 흐를 때 제1 유로(111A)를 형성하는 제1 반응부(111)의 내면에 일단부가 걸려 지지되어 고정된 상태를 유지할 수 있다. 또한, 제1 유로(111A)는 제2 반응부(112)의 외경에 대응되는 크기를 가질 수 있다. 그리고, 제2 유로(111B)는 제1 유로(111A)에 비하여 상대적으로 작은 내경의 크기를 가지도록 구성되고, 작동유체의 이동방향을 따라 제1 유로(111A)의 일 측에 배치될 수 있다. 본 실시예에서는, 제2 유로(111B)가 제1 유로(111A)에 비하여 상대적으로 작은 내경의 크기를 가지는 것으로 설명하고 있으나, 이론적으로 제2 유로(111B)의 내경은 압력을 급격하게 낮추기 위하여 제1 유로(111A)의 내경과 동일한 크기로 마련되는 것이 바람직하다. 그러나, 제2 반응부(112)를 제1 반응부(111)의 내부에 고정시키기 위해서는, 제1 반응부(111)의 내부에 제2 반응부(112)의 단부를 지지하기 위한 턱이 마련되어야 하므로, 제2 유로(111B)의 크기를 제1 유로(111A)에 비하여 상대적으로 작게 설정하거나, 동일한 크기를 가지는 제1 유로(111A)와 제2 유로(111B) 사이에 제1 유로(111A)와 제2 유로(111B) 보다 작은 크기를 가지는 연결유로를 추가적으로 배치하는 것이 실질적으로 바람직할 수 있다.

한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 제2 유로(111B)의 길이는 제1 유로(111A)의 길이에 비하여 더 길게 마련될 수 있다. 이를 통해, 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)를 이용하여 수소 가스를 생산할 경우, 이온 분리부를 통해 제2 유로(111B)에 형성되는 자계 구간을 보다 길게 형성 가능하여, 이온 분리 효율을 극대화할 수 있다. 아울러, 제2 유로(111B)의 단면 형상은 타원 혹은 트랙 형태의 구조로 마련될 수 있다. 이를 통해, 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)를 이용하여 수소 가스를 생산할 경우, 제2 유로(111B) 내에서 분리된 이온이 서로 명확히 구분되도록 분리될 수 있다. 그러나, 제2 유로(111B)는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조로 변경될 수 있다.

또한, 제1 반응부(111)는 유전율을 갖는 유전성 소재로 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1 반응부(111)는 투광성 다결정질 세라믹, 엔지니어링 플라스틱, 아크릴, 탄탈, 석영, 파이렉스 글래스, 화이버 글래스 및 크리스탈 중 적어도 어느 하나의 물질로 구성되거나, 이들의 조합을 통해 구성될 수 있다.

또한, 작동유체의 이동방향을 따라 제1 반응부(111)의 일 측 및 타 측에는 각각 타 부품과의 연결을 위하여 외주면에 나사산이 형성된 체결부(미도시)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 체결부에는 타 부품과의 결합 시 작동유체의 누수를 예방할 수 있도록 결합부위를 기밀하는 기밀부재(미도시)가 더 구비될 수 있다.

제2 반응부(112)는 제1 유로(111A)에 배치된다. 그리고, 제2 반응부(112)는 내부로 유입되는 작동유체의 압력을 제어하여 제2 유로(111B)로 배출되는 작동유체에 복수의 미세기포를 발생시킨다. 그리고, 제2 반응부(112)는 작동유체와의 전기적 작용을 통해 복수의 미세기포의 표면전위를 상승시키고, 이를 통해 복수의 미세기포가 붕괴될 때 플라즈마를 발생시킨다.

제2 반응부(112)에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치의 제2 반응부를 나타낸 분해사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치의 제1 반응유닛의 변형된 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 제2 반응부(112)는 제1 반응유닛(112A) 및 제2 반응유닛(112B)을 포함할 수 있다.

제1 반응유닛(112A)은 작동유체의 이동방향을 따라 유로의 크기가 점차 좁아지는 벤투리관(venturi tube)의 형태로 마련되어 제1 유로(111A)를 통해 내부로 유입된 작동유체의 속도 및 압력을 제어할 수 있다. 따라서, 제1 반응유닛(112A)은 제1 반응유닛(112A)으로부터 분출되는 작동유체에 공동현상(cavitation)이 발생되도록 하고, 이를 통해 제2 유로(111B) 측으로 배출되는 작동유체에 복수의 미세기포를 발생시킬 수 있다.

제1 반응유닛(112A)은 제1-1 반응유로(112A1) 및 제1-2 반응유로(112A2)를 포함할 수 있다.

제1-1 반응유로(112A1)는 작동유체의 이동방향을 따라 내경의 크기가 점차 감소되는 웨지(wedge) 구조로 마련될 수 있다.

제1-2 반응유로(112A2)는 제1-1 반응유로(112A1)의 단부로부터 작동유체의 이동방향을 따라 동일한 내경의 크기를 유지하도록 연장될 수 있다. 그리고, 제1-2 반응유로(112A2)는 제2 유로(111B)에 비하여 상대적으로 작은 내경의 크기를 가질 수 있다.

따라서, 제1 반응유닛(112A)의 내부로 유입된 작동유체는, 내경의 크기가 서서히 감소되는 제1-1 반응유로(112A1) 및 제2 유로(111B)에 비하여 상대적으로 작은 내경의 크기로 마련되는 직선형의 제1-2 반응유로(112A2)를 연속적으로 통과하면서 급격히 유속이 증가되고, 제1 반응유닛(112A)으로부터 분출되는 시점에서 일시적으로 압력이 증기압 이하로 낮아지면서 작동유체가 기화되어 복수의 미세기포를 발생시킨다.

한편, 도 4를 참조하면, 제1-1 반응유로(112A1)를 형성하는 제1 반응유닛(112A)의 내주면은 작동유체의 이동방향을 따라 포물선 형상을 가질 수 있다. 이를 통해 제1-1 반응유로(112A1)를 통과하는 작동유체의 회전력을 극대화할 수 있다. 예를 들어, 포물선 구조로 마련되는 제1 반응유닛(112A)의 내주면은 필요에 따라 다양한 크기의 구면 형태로 마련될 수 있다.

다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 반응유닛(112A)의 외주면에는 오링(o-ring) 형태의 기밀부(112F)가 결합될 수 있다. 이때, 제1 반응유닛(112A)의 외주면에는 기밀부(112F)가 결합될 수 있는 결함홈이 마련될 수 있다.

또한, 제1 반응유닛(112A)은 유전율을 가지는 유전성 물질로 마련될 수 있다. 그리고, 제1 반응유닛(112A)은 외부에서 내부가 확인될 수 있도록 투명성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 반응유닛(112A)은 엔지니어링 플라스틱, 아크릴, 석영, 파이렉스 글래스, 세라믹, 화이버 글래스 및 크리스탈 중 적어도 어느 하나의 물질로 구성되거나, 이들의 조합을 통해 구성될 수 있다.

제2 반응유닛(112B)은 작동유체의 이동방향을 따라 제1 반응유닛(112A)의 타 측에 배치되고, 제1 유로(111A)로 유입된 작동유체를 제1 반응유닛(112A)의 제1 반응유로(112A1)로 안내하는 제2 반응유로(112B1)를 포함할 수 있다.

제2 반응유닛(112B)은 제1 반응유닛(112A)으로 유입되는 작동유체와 마찰되면서 마찰전기를 발생시키고, 복수의 미세기포의 표면 전위를 제어하여 복수의 미세기포가 붕괴될 때 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

구체적으로, 제2 반응유닛(112B)은 제1 반응유닛(112A)으로 유입되는 작동유체와 마찰되면서 마찰전기를 발생시키고 유체를 회전시켜 와류를 발생시킬 수 있다. 이를 통해, 제2 반응유닛(112B)은 일 방향으로 흐르는 작동유체에 전하를 방출하고, 와류를 유도하여 방출된 전하를 복수의 미세기포에 포함되도록 하여 복수의 미세기포의 표면 전위를 제어할 수 있다. 따라서, 제2 반응유닛(112B)은 작동유체와의 마찰을 통해 복수의 미세기포의 표면 전위를 높아지도록 하여, 붕괴되는 복수의 미세기포로부터 일어나는 플라즈마 발생을 촉진시킬 수 있다. 이때, 제2 반응유닛(112B)으로부터 방출되는 전하는 미세기포의 표면에 밀집된 전하와 동일한 음전하가 방출될 수 있다. 따라서, 작동유체 내에 발생된 복수의 미세 기포는 표면에 밀집된 다량의 음전하들로 인하여 높은 전위상태를 유지하게 된다.

참고로, 플라즈마 발생부(110)를 통하여 생성된 미세 기포는 직경이 50 μm 이하의 크기를 가질 수 있다. 그리고, 표면 전위가 극도로 높아진 미세 기포는 크기의 감소, 압력 상승 및 온도 상승을 동반하면서 붕괴되어 플라즈마를 발생시킨다.

통상의 기포는 수면으로 상승하여 표면에서 파열되지만, 원자나 분자의 크기에 가까운 마이크로미터(μm) 크기의 기포는 같은 물질에서도 다른 행동이나 성질을 가지게 된다. 구체적으로, 직경이 50 μm 이하의 크기를 가지는 미세 기포는 수중에서 축소 및 붕괴되어 소멸되는 특징이 있다.

그리고, 미세 기포는 제타전위(zeta potential)의 특성에 따라 표면에 다량의 음전하가 밀집된다. 이로 인해, 미세 기포는 주변 전기장에 의해 지그재그로 운동하게 되고, ‘자기 가압효과’에 의해 스스로 압축과 팽창을 반복하다가 마이크로 제트(micro jet)를 형성하면서 붕괴되는 특징이 있다.

또한, 미세 기포는 크기가 작아짐에 따라 내부압력이 증가하는 특징이 있다.

즉, 미세 기포는 기액 계면에 의해 둘러싸여 형성되고, 그 계면에 물의 표면 장력이 작용한다. 표면장력은 기포 내부를 압축하는 힘으로 작용할 수 있다. 환경 압력에 따른 기포 내부의 압력 상승은 이론적으로 아래의 식 1에 의해 도출 수 있다.

<식 1> ΔP = 4σ / D

여기서, ΔP는 압력 상승의 정도이며, σ는 표면 장력, D는 기포 직경을 의미한다.

따라서, 아래의 표 1에 나타난 바와 같이, 미세 기포는 직경이 작아질수록 내부압력이 증가되는 것을 확인할 수 있다.

<표 1>

또한, 미세 기포는 붕괴 시 약 40 kHz 의 초음파, 약 140 dB 의 높은 음압, 그리고 1000 ℃에서 6000 ℃에 이르는 순간적인 고열이 발생하는 특징이 있다.

따라서, 표면 전위가 극도로 높아진 미세 기포는 상술한 특징들에 의해 붕괴됨과 동시에, 붕괴 시 발생되는 초음파, 높은 음압 및 순간적인 고열과, 작동유체에 포함된 전하들로 인해 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

그리고, 본 실시예에 적용되는 작동유체는 정수된 물로 적용될 수 있다. 구체적으로, 작동유체는 10 MΩ 이상의 전기저항을 유지하고, 비저항10^4 Ω·㎝ 이상의 순수(pure water)로 적용될 수 있다. 그리고, 제2 반응유닛(112B)은 물과의 접촉 시 마찰전기를 발생시킬 수 있는 테플론(Teflon) 소재로 제작될 수 있으나 이에 제한되지 않고 마찰전기 대전서열에서 음으로 대전되는 다른 소재들로 이루어질 수 있다. 만약, 제2 반응유닛(112B)이 제1 반응유닛(111A)과 같이 유전성 물질로 마련될 경우, 작동유체와 접촉되는 면에는 마찰전기 대전량을 늘리기 위하여 테플론 소재로 이루어진 코팅층이 형성될 수 있다. 작동유체는 반드시 물에 한정되는 것은 아니며, 테플론 소재 또는 다른 소재로 마련된 제2 반응유닛(112B)과의 접촉 시 마찰전기를 발생시킬 수 있고, 기능수로 활용될 수 있는 조건 내에서 다양한 종류의 유체로 변경될 수 있다. 또한, 제2 반응유닛(112B)은 반드시 테플론 소재에 한정되는 것은 아니며, 유체와 마찰하여 음전하로 대전되기 쉬운 다양한 소재로 변경될 수 있다. 예를 들어 제2 반응유닛(112B)은 테플론 소재뿐만 아니라, 에보나이트(Ebonite), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 팔라듐-은 합금(PdAg), 스테인리스(SUS) 등의 금속성 소재와 이산화티타늄의 소결체로 마련될 수도 있다.

한편, 제2 반응유닛(112B)에 마련된 제2 반응유로(112B1)는 제1 반응유로(112A1)로 유입되어 제1 반응유로(112A1)를 이동하는 유체에 와류를 발생시킬 수 있다.

구체적으로, 제2 반응유로(112B1)는 제2 반응유닛(112B)의 축방향을 따라 제2 반응유닛(112B)의 외면에 나선 형태로 마련될 수 있다. 그리고, 제2 반응유로(112B1)는 제2 반응유닛(112B)의 둘레를 따라 복수로 마련될 수 있다. 이때, 제2 반응유로(112B1)의 나선각은 작동유체의 유입과 와류의 발생을 극대화 할 수 있도록 10 ~ 45도 사이로 설정될 수 있다. 보다 바람직하게는, 제2 반응유로(112B1)의 나선각은 15 도로 설정될 수 있다.

이에 따라, 제2 반응유로(112B1)는 제1 반응유닛(112A)으로 유입되어 흐르는 작동유체에 와류를 발생시켜, 작동유체의 회전방향 유속을 더욱 증가시킬 수 있다. 그러나, 제2 반응유로(112B1)는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태로 변경될 수 있다. 예를 들어, 제2 반응유로(112B1)는 제2 반응유닛(112B)의 중앙에 제2 반응유닛(112B)의 축 방향을 따라 관통된 구멍 형태로 마련될 수 있으며, 제2 반응유로(112B1)가 형성된 내주면에는 작동유체에 와류를 발생시킬 수 있도록 나선, 톱니, 스파이크 형태의 돌기가 마련될 수 있다.

제2 반응부(112)는 제3 반응유닛(112C) 및 제4 반응유닛(112D)을 더 포함할 수 있다.

제3 반응유닛(112C)은 작동유체의 이동방향을 따라 제1 반응유닛(112A)의 일 측에 배치되고, 제1-2 반응유로(112A2)와 연통되는 제3 반응유로(112C1)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제3 반응유닛(112C)은 제1 반응유닛(112A)에 비하여 상대적으로 짧은 길이를 가지는 고리(ring) 형태로 마련되고, 제1 반응유닛(112A)과 동일한 소재로 마련될 수 있다.

또한, 제3 반응유닛(112C)에 마련된 제3 반응유로(112C1)는 작동유체의 이동방향을 따라 동일한 내경의 크기를 유지하고, 제1-2 반응유로(112A2)에 비하여 상대적으로 큰 내경의 크기를 가질 수 있다.

따라서, 제3 반응유닛(112C)은 제3 반응유로(112C1)를 통해 제1 반응유닛(112A)을 통과한 작동유체의 압력을 제어하여 제1 반응유닛(112A)으로부터 배출되는 작동유체에 복수의 미세기포를 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 제3 반응유닛(112C)은 제1-2 반응유로(112A2)에 비하여 상대적으로 큰 내경의 크기를 가지는 제3 반응유로(112C1)를 구비하여, 제1-2 반응유로(112A2)를 통과중인 작동유체가 제3 반응유로(112C1)로 분출된 직후 작동유체의 압력을 급격히 감소시키고, 이를 통해 작동유체의 압력을 증기압 이하로 낮춰 작동유체로부터 복수의 미세기포를 발생시킬 수 있다.

이때, 제3 반응유로(112C1)에 수용된 복수의 미세 기포는 작동유체에 포함된 다량의 음전하로 인하여 표면 전위가 높아지게 되고, 제3 반응유로(112C1)보다 직경이 작은 제4 반응유닛(112D)을 통과하면서 기포크기의 감소, 압력 상승 및 온도 상승을 동반하면서 붕괴되어 플라즈마를 발생시킨다. 이를 통해, 제3 반응유로(112C1)를 통과중인 작동유체는 플라즈마에 노출되어 이온화된다.

제4 반응유닛(112D)은 작동유체의 이동방향을 따라 제3 반응유닛(112C)의 일 측에 배치되고, 일단부가 제1 반응부(111)의 내부에 마련된 단차진 부위에 걸려 지지될 수 있다. 그리고, 제4 반응유닛(112D)은 제3 반응유로(112C1) 및 제2 유로(111B)와 연통되는 복수의 반응유로(112D1, 112D2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제4 반응유닛(112D)은 제3 반응유닛(112C)에 비해서는 상대적으로 길고, 제1 반응유닛(112A)에 비해서는 상대적으로 짧은 길이를 가지는 관 형태로 마련되고, 제1 반응유닛(112A) 및 제3 반응유닛(112C)과 동일한 소재로 마련될 수 있다.

제4 반응유닛(112D)에 마련된 복수의 반응유로(112D1, 112D2)는 제4-1 반응유로(112D1) 및 제4-2 반응유로(112D2)를 포함할 수 있다.

제4-1 반응유로(112D1)는 제3 반응유로(112C1)와 연통되어 작동유체의 이동방향을 따라 동일한 내경의 크기를 유지하고, 제3 반응유로(112C1)에 비하여 상대적으로 작은 내경의 크기를 가질 수 있다.

제4-2 반응유로(112D2)는 제4-1 반응유로(112D1)와 제2 유로(111B)를 연통시키고, 제4-1 반응유로(112D1)의 단부로부터 작동유체의 이동방향을 따라 내경의 크기가 점차 증가되는 구조로 마련될 수 있다.

따라서, 제4 반응유닛(112D)은 제3 반응유닛(112C)을 통과한 작동유체의 압력을 제어하여 제2 유로(111B)로 배출되는 작동유체에 복수의 미세기포를 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 제4 반응유닛(112D)은, 제3 반응유로(112C1)에 비해 상대적으로 작은 내경의 크기를 가지는 제4-1 반응유로(112D1)를 구비하여, 제3 반응유로(112C1)에서 제4-1 반응유로(112D1)로 유입되어 흐르는 유체의 유속을 증가시킬 수 있다. 그리고, 제4 반응유닛(112D)은, 제4-1 반응유로(112D1)와 제2 유로(111B)를 연통시키고, 작동유체의 이동방향을 따라 내경의 크기가 점차 증가되는 제4-2 반응유로(112D2)를 구비하여, 제4-1 반응유로(112D1)에서 분출되는 작동유체의 압력을 순간적으로 급격히 감소시키고, 이를 통해 작동유체의 압력을 증기압 이하로 낮춰 작동유체로부터 복수의 미세기포를 발생시킬 수 있다.

이때, 제4-2 반응유로(112D2)에 수용된 미세 기포는 작동유체에 포함된 다량의 음전하로 인하여 표면 전위가 높아지게 되고, 작동유체의 흐름에 따라 제2 유로(111B)로 이동된다. 그리고, 제2 유로(111B)로 이동된 미세 기포는 이동되는 과정애서 압력이 다시 회복됨에 따라 크기의 감소, 압력 상승 및 온도 상승을 동반하면서 붕괴되고, 이로 인해 플라즈마를 발생시킨다. 따라서, 제2 유로(111B)를 통과 중인 작동유체는 한 번 더 플라즈마에 노출되어 이온화된다.

또한, 제4 반응유닛(112D)의 외주면에는 오링 형태의 기밀부(112F)가 결합될 수 있다. 이때, 제4 반응유닛(112D)의 외주면에는 기밀부(112F)가 결합될 수 있는 결함홈이 마련될 수 있다.

제2 반응부(112)는 제5 반응유닛(112E)을 더 포함할 수 있다.

제5 반응유닛(112E)은 작동유체의 이동방향을 따라 제1 반응유닛(112A)의 타 측에 배치되고, 일단부에 제2 반응유닛(112B)이 결합되어 고정될 수 있다. 그리고, 제5 반응유닛(112E)은 소정의 길이를 가지는 관 형태로 마련되어 일 측에 배치된 제2 반응유닛(112B)으로 작동유체를 안내함과 동시에, 작동유체가 제2 반응유닛(112B)을 통과하는 시간보다 상대적으로 긴 시간동안 작동유체와 접촉될 수 있도록 소정의 길이를 가질 수 있다.

구체적으로, 제5 반응유닛(112E)은 제5-1 반응유로(112E1) 및 제5-2 반응유로(112E2)를 포함할 수 있다.

제5-1 반응유로(112E1)는 제2 반응유닛(112B)이 수용될 수 있다. 구체적으로, 제5-1 반응유로(112E1)는 제2 반응유닛(112B)이 제5 반응유닛(112E)의 내부에 고정된 상태로 배치될 수 있도록 제2 반응유닛(112B)의 외면에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다.

한편, 본 실시예에서는, 제2 반응유닛(112B)이 제5-1 반응유로(112E1)에 수용되는 것으로 설명하고 있으나, 제2 반응유닛(112B)은 반드시 제5-1 반응유로(112E1)에 수용되는 것은 아니며, 제1 반응유닛(112A)과 제5 반응유닛(112E) 사이에 배치될 수도 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치의 플라즈마 발생부의 변형된 실시예를 나타낸 단면도이다.

도 5를 참조하면, 제2 반응유닛(112B)은 제1 반응유닛(112A)과 제5 반응유닛(112E) 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 제2 반응유닛(112B)은 제1 반응유닛(112A) 및 제5 반응유닛(112E)과 동일한 외경의 크기를 가질 수 있다. 이를 통해, 제2 반응유닛(112B)의 비틀림 현상을 방지할 수 있다.

다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 제5-2 반응유로(112E2)는 제1 유로(111A)를 통해 내부로 유입되는 작동유체를 제5-1 반응유로(112E1)로 안내할 수 있다. 그리고, 제5-2 반응유로(112E2)는 작동유체가 제2 반응유닛(112B)을 통과하는 시간 보다 상대적으로 더 긴 시간동안 작동유체와 접촉될 수 있도록 제5-1 반응유로(112E1)에 비하여 상대적으로 더 긴 길이를 가질 수 있다. 또한, 제5-2 반응유로(112E2)는 제1 유로(111A)로 유입된 작동유체를 제2 반응유닛(112B)으로 신속히 안내할 수 있도록 제5-1 반응유로(112E1)를 향하여 내경의 크기가 점차 감소되는 구조로 마련될 수 있다.

또한, 제5 반응유닛(112E)은 제1 유로(111A)로 유입되는 작동유체와 마찰되면서 마찰전기를 발생시키고, 제2 반응유닛(112B)과 함께 복수의 미세기포의 표면 전위를 제어하여 복수의 미세기포가 붕괴될 때 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

구체적으로, 제5 반응유닛(112E)은 작동유체와 마찰되면서 마찰전기를 발생시킬 수 있다. 이를 통해, 제5 반응유닛(112E)은 일 방향으로 흐르는 작동유체에 전하를 방출하고, 방출된 전하를 복수의 미세기포에 포함되도록 하여 복수의 미세기포의 표면 전위를 제어할 수 있다. 따라서, 제5 반응유닛(112E)은 제2 반응유닛(112B)과 함께 작동유체와의 마찰을 통해 미세기포의 표면 전위를 높아지도록 하고, 이를 통해 붕괴되는 미세기포로부터 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

제5 반응유닛(112E)은 제2 반응유닛(112B)과 동일한 소재로 마련될 수 있다. 즉, 제5 반응유닛(112E)은 물로 이루어진 작동유체와의 접촉 시 마찰전기를 발생시킬 수 있는 테플론 소재로 마련될 수 있으나 이에 제한되지 않고 마찰전기 대전서열표에서 물과 마찰을 일으킬 때 음으로 대전되는 다른 소재로 이루어질 수 있다. 만약, 제5 반응유닛(112E)이 제1 반응유닛(111A)과 같은 유전성 물질로 마련될 경우, 작동유체와 접촉되는 제5 반응유닛(112E)의 내주면에는 테플론 소재로 이루어진 코팅층이 형성될 수 있다. 그러나, 제5 반응유닛(112E)은 반드시 테플론 소재에 한정되는 것은 아니며, 다양한 소재로 변경될 수 있다. 제5 반응유닛(112E)은 테플론 소재뿐만 아니라, 에보나이트(Ebonite), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 팔라듐-은 합금(PdAg), 스테인리스(SUS) 등의 금속성 소재와 이산화티타늄의 소결체로 마련될 수도 있다.

따라서, 플라즈마 발생부(110)는 관 형태로 마련된 제1 반응부(111)의 내부에 일 방향으로 이동되는 작동유체의 압력과 속도를 제어하는 복수의 반응유닛(112A, 112B, 112C, 112D, 112E)을 배치하여 복수의 구간에서 플라즈마를 발생시키고, 이를 통해 작동유체의 이온화를 극대화 할 수 있다.

도 2를 참조하여 복수의 구간에서 플라즈마가 발생되는 과정을 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 고압의 작동유체가 제1 반응부(111)의 제1 유로(111A)로 유입된다. 제1 유로(111A)로 유입된 작동유체는 제1 유로(111A)와 연통된 제5 반응유닛(112E)의 제5-2 반응유로(112E2)를 통과하면서, 제5 반응유닛(112E)과 마찰되어 마찰전기를 발생시킨다. 그리고, 제5 반응유닛(112E)을 통과한 작동유체는 제5 반응유닛(112E)의 선단에 결합된 제2 반응유닛(112B)의 제2 반응유로(112B1)를 통과하면서, 와류를 발생시킨다. 즉, 제1 유로(111A)로 유입된 작동유체는 제5 반응유닛(112E)과 나선형의 제2 반응유로(112B1)를 구비한 제2 반응유닛(112B)을 순차적으로 통과하면서 마찰전기와 와류를 발생시킨다. 이를 통해, 작동유체에는 제5 반응유닛(112E) 및 제2 반응유닛(112B)으로부터 방출된 다량의 음전하가 포함된다.

제2 반응유닛(112B)을 통과한 작동유체는 벤투리 관 구조로 마련된 제1 반응유닛(112A)을 통과하면서 유속이 증가된다. 구체적으로, 제2 반응유닛(112B)을 통과한 작동유체는 작동유체의 이동방향을 따라 내경의 크기가 점차 감소하는 제1-1 반응유로(112A1)를 통과하면서 서서히 유속이 증가하게 된다. 그리고, 제1-1 반응유로(112A1)를 통과한 작동유체는 제1-1 반응유로(112A1)의 단부로부터 동일한 내경의 크기를 갖도록 일직선 형태로 연장된 제1-2 반응유로(112A2)를 통과하면서 유속이 급증하게 된다. 즉, 작동유체는 유로의 크기가 가변되는 구간을 통과하면서 유속이 급격히 증가하고, 압력이 낮아지게 된다.

유속이 어느 임계값 이상으로 커지면 와류의 한 가운데 중심축을 중심으로 하는 좁은 영역에서 축 방향으로 후진하는 와류가 생성되면서 급속한 회전과 나노크기의 미세기포 붕괴 및 마찰전기로 인해 플라즈마가 발생한다.

즉, 제1 반응유닛(112A)을 통과한 작동유체는 제3 반응유닛(112C)으로 분출되면서 복수의 미세기포를 발생시킨다. 구체적으로, 제1-2 반응유로(112A2)를 통과한 작동유체는 제1-2 반응유로(112A2)에 비하여 상대적으로 큰 내경의 크기를 가지는 제3 반응유닛(112C)의 제3 반응유로(112C1)로 분출된다. 이때, 빠른 속도로 제1-2 반응유로(112A2)를 통과하여 제3 반응유로(112C1)로 분출되는 작동유체는 분출구 부근에서 일시적으로 압력이 증기압 이하까지 낮아지게 되고, 이로 인해 복수의 미세기포를 발생시킨다.그리고, 제3 반응유로(112C1)에 수용된 복수의 미세 기포는 일정 시간이 지남에 따라 붕괴되면서 플라즈마를 발생시킨다. 구체적으로, 미세 기포는 작동유체에 포함된 다량의 음전하로 인하여 표면 전위가 높아지게 되고, 일정 시간이 지나면서 압력이 다시 회복됨에 따라 크기의 감소, 압력 상승 및 온도 상승을 동반하면서 붕괴되어 플라즈마를 발생시킨다. 이를 통해, 제3 반응유로(112C1)를 통과중인 작동유체는 플라즈마에 노출되어 이온화된다.

제3 반응유닛(112C)을 통과한 작동유체는 제4 반응유닛(112D)을 통과하면서 다시 유속이 증가된다. 구체적으로, 제3 반응유닛(112C)을 통과한 작동유체는 상대적으로 제3 반응유로(112C1)에 비하여 작은 내경의 크기를 가지는 제4-1 반응유로(112D1)를 통과하면서 유속이 증가하게 된다. 그리고, 제4-1 반응유로(112D1)를 통해 제4-2 반응유로(112D2)로 분출되는 작동유체는 분출구 부근에서 일시적으로 압력이 증기압 이하까지 낮아지게 되고, 이로 인해 복수의 미세기포를 발생시킨다.

제4-2 반응유로(112D2)에 수용된 미세 기포는 작동유체의 흐름에 따라 제2 유로(111B)로 이동되고, 제2 유로(111B)로 이동된 미세 기포는 붕괴되면서 플라즈마를 발생시킨다. 구체적으로, 제4-2 반응유로(112D2)에 수용된 미세 기포는 작동유체에 포함된 다량의 음전하로 인하여 표면 전위가 높아지게 되고, 작동유체의 흐름에 따라 제2 유로(111B)로 이동된다. 그리고, 제2 유로(111B)로 이동된 미세 기포는 압력이 다시 회복됨에 따라 크기의 감소, 압력 상승 및 온도 상승을 동반하면서 붕괴되고, 이로 인해 제2 유로(111B)에서 플라즈마를 발생시킨다. 따라서, 제2 유로(111B)를 통과중인 작동유체는 한 번 더 플라즈마에 노출되어 이온화된다.

제2 반응부(112)는 기밀부(112F)를 더 포함할 수 있다.

기밀부(112F)는 제1 반응유닛(112A)의 외주면 및 제4 반응유닛(112D)의 외주면에 각각 결합되고, 제1 유로(111A)를 형성하는 제1 반응부(111)의 내주면에 밀착되어 제1 반응유닛(112A) 및 제4 반응유닛(112D)의 유동을 제한할 수 있다. 예를 들어, 기밀부(112F)는 오링 형태로 마련되고, 고무, 실리콘 등과 같은 탄성체 재질로 마련될 수 있다.

한편, 제2 반응부(112)는 제6 반응유닛(112G)을 더 포함할 수 있다.

도 5를 참조하면, 제6 반응유닛(112G)은 제3 반응유닛(112C)과 제4 반응유닛(112D) 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 제6 반응유닛(112G)의 내측 중앙에는 제3 반응유로(112C1) 및 제4-1 반응유로(112D1)와 연통되는 제6 반응유로(112G1)가 마련될 수 있다. 그러나, 제6 반응유닛(112G)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제6 반응유닛(112G)은 제1 반응유닛(112A)과 제3 반응유닛(112C) 사이에 배치되거나, 복수로 마련되어 제3 반응유닛(112C)과 제4 반응유닛(112D) 사이 및 제1 반응유닛(112A)과 제3 반응유닛(112C)에 각각 배치될 수도 있다. 또한, 제6 반응유닛(112G)은 제1 반응유닛(112A)에서 벤투리(venturi) 구조로 마련된 제1-1 반응유로(112A1)와, 제1-2 반응유로(112A2)의 사이에 배치될 수도 있다.

제6 반응유닛(112G)은 유체와 마찰하여 음전하로 대전되기 쉬운 금속성 소재로 마련될 수 있다. 구체적으로, 제6 반응유닛(112G)은 마찰전기 대전서열에서 음으로 대전되는 소재들로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제6 반응유닛(112G)은 테플론, 에보나이트(Ebonite), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 팔라듐-은 합금(PdAg), 스테인리스(SUS) 등의 금속성 소재와 이산화티타늄의 소결체로 마련될 수 있다. 그러나, 제6 반응유닛(112G)은 반드시 이의 소재에 한정되는 것은 아니며, 제3 반응유닛(112C) 및 제4 반응유닛(112D)과 동일한 소재로 마련될 수도 있다.

제6 반응유로(112G1)는 제3 반응유로(112C1)와 연통되어 작동유체의 이동방향을 따라 동일한 내경의 크기를 유지하고, 제3 반응유로(112C1)에 비하여 상대적으로 작은 내경의 크기를 가질 수 있다. 또한, 제6 반응유로(112G1)를 형성하는 제6 반응유닛(112G)의 내주면에는 작동유체의 이동방향을 따라 나사산이 마련될 수 있다.

따라서, 제6 반응유닛(112G)은 제3 반응유닛(112C)을 통과한 작동유체의 압력을 제어하여 제4-1 반응유로(112D1)로 유입되는 작동유체에 급격한 와류를 발생시킴과 동시에, 복수의 미세기포를 발생시킬 수 있고, 미세기포의 붕괴를 유도하여 플라즈마를 발생시킬 수 있다.다시, 도 1을 참조하면, 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는 정화부(120)를 더 포함할 수 있다.

정화부(120)는 플라즈마 발생부(110)로 공급되는 작동유체를 정화하도록 구성될 수 있다.

정화부(120)는 제1 정화유닛(121) 및 제2 정화유닛(122)을 포함할 수 있다.

제1 정화유닛(121)은 내부에 마이크로 필터(micro-filter)를 구비하여 내부로 유입된 작동유체를 정화시킬 수 있다.

제2 정화유닛(122)은 내부에 이온교환수지를 구비하여 제1 정화유닛(121)을 통해 정화된 작동유체를 한 번 더 정화시킬 수 있다.

즉, 정화부(120)는 작동유체 내에 미세 입자들이 제거되도록 마이크로필터를 이용하여 1차 정화를 수행한 후, 작동유체 내에 용존 되어 있는 광물질 이온들이 제거되도록 이온교환수지를 이용하여 2차 정화를 수행할 수 있다. 이를 통해, 작동유체 내에 전기전도에 기여하는 광물질 이온이 줄어들면서 작동유체의 순도가 높아짐과 동시에 전기전도도가 낮아지게 된다. 따라서, 미세기포의 발생 시 미세기포의 표면에 배치되는 음전하들이 방전되는 것을 방지하고, 이를 통해 미세기포의 붕괴 시 플라즈마의 발생 확률을 높일 수 있다.

또한, 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는 산소 기체 공급부(130)를 더 포함할 수 있다.

산소 기체 공급부(130)는 정화부(120)를 거쳐, 플라즈마 발생부(110)로 유입되는 작동유체에 산소 기체를 공급하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 산소 기체 공급부(130)는 작동유체가 유입되는 플라즈마 발생부(110)의 일 측에 배치되고, 선택적으로 연결부위의 유로를 개폐하여 플라즈마 발생부(110)로 유입되는 작동유체에 산소 기체를 공급할 수 있다.

따라서, 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치는 기본적으로 플라즈마 활성수를 생산할 수 있고, 선택적으로 작동유체에 산소 기체를 주입함으로써 오존수를 생산할 수도 있다.

또한, 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는 정화부(120)로 정화되지 않은 작동유체를 공급하도록 구성되는 작동유체 공급부(140)와, 플라즈마 발생부(110)를 통해 생산된 플라즈마 활성수 및 오존수가 저장되도록 구성되는 기능수 저장부(150)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 기능수 저장부(150)에는 플라즈마 활성수 및 오존수가 개별적으로 저장되는 복수의 저장수단이 마련될 수 있다.

또한, 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는 플라즈마 발생부(110), 정화부(120), 산소 기체 공급부(130), 작동유체 공급부(140) 및 기능수 저장부(150)를 연결하고, 작동유체를 안내하도록 구성되는 연결관(P)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 연결관(P)은 SUS 등과 같은 금속성 소재로 마련되고, 연결관(P)의 내면은 전해연마 처리될 수 있다. 그러나, 연결관(P)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 일부가 금속성 소재로 마련되거나, 내면이 금속성 물질로 코팅 처리될 수도 있다.

한편, 도 1에서는 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)가 비순환 구조로 도시되어 있으나, 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는 이에 한정되는 것은 아니며, 순환계 구로조 마련될 수도 있다.

구체적으로, 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)가 순환계 구조로 마련될 경우, 정화부(120)는 플라즈마 발생부(110)에, 플라즈마 발생부(110)는 기능수 저장부(150)에, 기능수 저장부(150)는 정화부(120)에 연결될 수 있다. 이때, 산소 기체 공급부(130)는 플라즈마 발생부(110)와 별도 연결되고, 작동유체 공급부(140)는 정화부(120)와 별도 연결될 수 있다.

따라서, 작동유체 공급부(140)를 통해 공급된 작동유체는 반복적으로 정화부(120), 플라즈마 발생부(110) 및 기능수 저장부(150)를 통과하며 순환될 수 있다. 이를 통해, 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는, 반복 처리된 다량의 기능수를 생산할 수 있다.

한편, 정화부(120)는 선택적으로 유로를 개폐하여 순환되는 작동유체를 재정화하거나, 통과시킬 수 있다.

구체적으로, 정화부(120)는 작동유체의 전기전도도를 감지하고, 작동유체의 전기전도도가 기준치 이상일 경우, 작동유체를 재정화할 수 있다. 이때, 정화부(120)는 작동유체가 이온교환수지를 구비한 제2 정화유닛(122)으로 유입되도록 하여 작동유체를 재정화할 수 있다. 즉, 순환계에서 작동유체가 플라즈마 발생부(110)를 통과하면 다량의 양성자와 수산이온이 생성된다. 이로 인해, 순환되는 작동유체는 이온의 농도가 높아져, 미세기포가 생성될 경우 미세기포의 표면에 배치되는 음전하들이 방전될 가능성이 높아진다. 따라서, 정화부(120)는 작동유체의 전기전도도가 기준치 이상일 경우 자동적으로 제2 정화유닛(122)의 유로를 개방하여 작동유체를 제2 정화유닛(122)으로 유입시키고, 이온교환수지의 작용에 의해 작동유체의 전기전도도를 낮출 수 있다. 이를 통해, 작동유체를 지속적으로 순환시키더라도, 균일한 플라즈마를 일정하게 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 작동유체의 전기저항은 10 MΩ 이상으로 유지되는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)가 순환계 구조로 마련될 경우, 정화부(120)와 기능수 저장부(150) 사이에는 작동유체의 온도를 미리 설정된 온도로 유지시키도록 구성되는 열교환부(미도시)가 더 배치될 수 있다.

즉, 열교환부는 플라즈마에 노출되어 온도가 상승된 작동유체의 온도를 낮춰 일정온도로 유지시키고, 이를 통해 작동유체의 전기전도도를 낮출 수 있다. 따라서, 미세기포의 생성 시 미세기포의 표면에 배치된 음전하들의 방전을 예방하여 플라즈마의 발생 확률을 높일 수 있다. 예를 들어, 열교환부를 통과한 작동유체는 20 ℃ 이하로 유지될 수 있다.

또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는, 동력부, 유량 조절부, 축압기, 계측부 및 제어부를 더 포함할 수 있다.

동력부는 펌프 및 모터를 포함하고, 정화부(120)에서 정화된 작동유체를 플라즈마 발생부(110)로 공급하기 위한 동력을 제공할 수 있다. 구체적으로, 동력부는 동력을 발생시켜 작동유체를 기설정된 압력으로 플라즈마 발생부(110)에 전달할 수 있다. 예를 들어, 작동유체가 플라즈마 발생부(110)를 통과하는 압력은 0 bar ~ 120 bar 사이의 범위 내에서 설정될 수 있다.

유량 조절부는 정화부(120)와 플라즈마 발생부(110) 사이에 배치되어, 플라즈마 발생부(110)로 유입되는 작동유체의 유량을 조절하도록 구성될 수 있다.

축압기는 유량 조절부와 플라즈마 발생부(110) 사이에 배치되고, 작동유체가 일정하게 흐르지 않아 플라즈마가 순간적으로 끊어졌다가 다시 발생하는 맥동 현상을 방지할 수 있다.

계측부는 작동유체가 흐르는 복수의 배관(P) 중 적어도 하나에 배치되어 작동유체의 압력 및 온도를 계측할 수 있다.

제어부는 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)의 전원, 작동유체의 유속 및 압력, 작동유체의 온도 등을 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어부는 사용자에 의해 제어명령이 입력되는 조작부, 각 파트들과 전기적으로 연결되고, 조작부를 통해 입력된 제어명령을 통하여 각 파트들을 제어하는 제어모듈 및 계측 정보, 제어 정보 등을 표시하는 표시부 등을 포함할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)에 대하여 설명한다.

참고로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)를 설명하기 위한 각 구성에 대해서는 설명의 편의상 본 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)를 설명하면서 사용한 도면부호를 동일하게 사용하고, 동일하거나 중복된 설명은 생략하기로 한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는 정화유체 저장부(160)를 더 포함할 수 있다.

정화유체 저장부(160)는 정화부(120)와 플라즈마 발생부(110) 사이에 배치되고, 정화부(120)를 통해 정화된 작동유체가 저장될 수 있다.

정화유체 저장부(160)는 내부에 저장된 정화된 작동유체가 공기 중에 노출되지 않도록 진공상태를 유지할 수 있다. 즉, 정화된 작동유체는 공기 중에 노출될 경우 이산화탄소 및 산소 등을 흡수하여 1분여 만에 전기전도도가 빠르게 떨어지기 시작한다. 작동유체의 전기 저항이 감소하면 미세기포의 붕괴를 통한 플라즈마 발생에 불리하므로, 가급적 정화된 작동유체를 최대한 공기 중에 노출시키지 않아야 한다. 따라서, 정화유체 저장부(160)는 내부를 진공상태로 유지하거나 불활성 기체를 채울 수 있도록 하여 내부로 유입된 정화된 작동유체와 공기의 접촉을 완벽히 차단하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 정화유체 저장부(160)는 정화된 작동유체가 저장되는 저장탱크(미도시), 저장탱크 내부를 진공상태로 유지시키는 진공펌프(미도시), 저장탱크 내부에 불활성 가스를 충전시키는 불활성 가스 공급부(미도시)를 포함할 수 있다. 따라서, 정화유체 저장부(160)는 진공펌프를 이용하여 저장탱크 내부를 진공상태로 설정하고, 불활성 가스 공급부를 통하여 저장탱크의 내부에 질소가스, 아르곤가스, 헬륨가스, 크립톤 가스 등의 불활성 가스를 주입할 수 있다. 이에 따라, 저장탱크에 정화된 작동유체가 유입되면, 자동적으로 유입된 작동유체의 양만큼 불활성 가스가 저장탱크의 외부로 배기되어 자동으로 압력이 조절되고, 정화된 작동유체와 공기와의 접촉을 원천적으로 차단할 수 있다. 이때, 저장탱크는 순환계와 연결되는 제1 저장탱크(미도시)와 수소가스 생성 등으로 인하여 순환계의 작동유체가 줄어들 경우, 자동으로 제1 저장탱크에 작동유체를 공급하도록 구성되는 제2 저장탱크(미도시)를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는 제1 반응부(111)의 외면에 결합되는 이온 분리부(170)를 더 포함할 수 있다.

이온 분리부(170)는 제2 유로(111B)에 자계를 형성하여, 플라즈마에 노출되어 이온화된 작동유체로부터 H+이온 및 OH-이온을 분리시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 유로(111B)에는 10,000 가우스(GAUSS) 이상의 자속이 적용될 수 있다.

이온 분리부(170)는 제1 반응부(111)의 외면에 안착되어 작동유체가 이동되는 방향에 대하여 교차하는 방향으로 서로 대향 배치되는 복수의 자성체를 포함할 수 있다. 이때, 제1 반응부(111)의 외면에는 복수의 자성체가 각각 안착될 수 있는 복수의 안착홈(미도시)이 마련될 수 있다. 예를 들어, 복수의 자성체는 S극성이 제2 유로(111B)를 향하도록 제1 반응부(111)의 외면에 배치되는 제1 자성체와, 제1 자성체에 대향 배치되고, N극성이 제2 유로(111B)를 향하도록 제1 반응부(111)의 외면에 배치되는 제2 자성체를 포함할 수 있다. 각 자성체는 네오디뮴(Nd) 영구자석 혹은 사마륨-코발트(SmCo) 계 영구자석으로 적용되는 것이 바람직할 수 있으나, 반드시 상술한 자성체를 이용하여 제2 유로(111B)에 자계를 형성하는 것은 아니며, 필요에 따라 초전도 등과 같이 높은 자속밀도를 얻을 수 있는 자계형성수단을 이용하여 자계를 형성할 수도 있다. 또한, 복수의 자성체는 서로 상반되도록 배치될 수도 있다. 이를 통해, 작동유체와 함께 이동되는 이온의 방향을 로렌츠 법칙에 따라 변경할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는 제2 유로(111B)와 연통되도록 제1 반응부(111)에 결합되고, 제2 유로(12)에서 플라즈마를 통해 이온화된 작동유체 및 이에 포함된 이온들을 복수의 방향으로 분기시키도록 구성되는 분기부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 분기부는 이온 분리부(170)를 통하여 분리된 H+이온 및 OH-이온을 작동유체와 함께 서로 다른 방향으로 분기시킬 수 있다. 예를 들어, 분기부에는 작동유체 및 이온들을 복수의 방향으로 분기시키도록 미리 설정된 각도(β)로 분기된 복수개의 분기유로가 마련될 수 있다. 그리고, 분기부는 유전율을 갖는 유전성 소재로 마련될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는 제1 반응부(111)에 선택적으로 탈착 가능한 금속성 프로브(미도시)를 더 포함할 수 있다.

금속성 프로브는 복수로 구비되어 이온 분리부(170)의 복수의 자성체가 서로 배치된 방향에 대하여 교차되도록 제1 반응부(111)의 일 측 및 타 측에 설치될 수 있다. 이때, 각 금속성 프로브의 일부는 제1 반응부(111)를 관통하여 제2 유로(111B)에 배치될 수 있다. 따라서, 금속성 프로브에 커패시터 등을 연결하고, 플라즈마 발생부(110)를 통해 제2 유로(111B)에 플라즈마를 발생시키면 고전압의 전기 에너지를 획득할 수 있다. 예를 들어, 금속성 프로브는 은, 구리, 알루미늄, 금, 니켈 및 동 등의 다양한 금속 소재로 마련될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는 수소 가스 생산부(180)를 더 포함할 수 있다.

수소 가스 생산부(180)는 분기부와 연결되어 H+이온이 포함된 작동유체가 저장될 수 있다.

수소 가스 생산부(180)는 내부에 저장된 작동유체와 화학적 반응을 일으켜 작동유체로부터 수소를 기체로 전환하여 분리시키는 촉매(미도시)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 촉매는 팔라듐(Pd) 또는 로듐(Rh)으로 적용될 수 있다. 그러나, 촉매는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 동일한 기능을 수행할 수 있는 조건 내에서 다양한 물질로 변경되어 적용될 수 있다. 그리고, 수소 가스 생산부(190)는 생성된 수소가스를 정제하는 정제부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이를 통하여, 수소 가스 생산부(180)의 내부에는 정제부를 중심으로 미리 설정된 기준순도 이상의 수소가스와 기준순도 미만의 수소가스가 구분된 상태로 저장될 수 있다. 예를 들어, 정제부는 팔라듐 성분을 포함하는 멤브레인 필터(membrane filter)로 적용 가능하고, 수소 가스 생산부(190)의 내부에는 멤브레인 필터를 중심으로 멤브레인 필터를 통해 정제된 99.97% 순도 이상의 수소가스와, 멤브레인 필터를 통해 정제되지 못한 99.97% 순도 미만의 수소가스가 저장될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는 플라즈마 발생부(110), 정화부(120), 산소 기체 공급부(130), 작동유체 공급부(140), 기능수 저장부(150), 정화유체 저장부(160) 및 수소 가스 생산부(180)를 연결하고, 작동유체를 안내하도록 구성되는 연결관(P)을 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는 도 6에 도시된 바와 같이 순환계 구조로 마련될 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는, 정화부(120)가 정화유체 저장부(160)에 연결되고, 정화유체 저장부(160)가 플라즈마 발생부(110)에 연결되며, 플라즈마 발생부(110)가 수소 가스 생산부(180)에 연결되고, 수소 가스 생산부(180)가 정화부(120)에 연결되어 작동유체가 반복적으로 순환될 수 있는 순환계 구조로 마련될 수 있다. 이때, 산소 기체 공급부(130)는 작동유체가 유입되는 플라즈마 발생부(110)의 타 측에 별도 연결되고, 기능수 저장부(150)는 이온화된 작동유체가 배출되는 플라즈마 발생부(110)의 일 측에 별도 연결될 수 있다. 그리고, 작동유체 공급부(140)는 정화부(120)와 별도 연결될 수 있다. 또한, 플라즈마 발생부(110)는 정화부(120)와 별도 연결될 수 있다.

따라서, 작동유체 공급부(140)를 통해 공급된 작동유체는 반복적으로 정화부(120), 정화유체 저장부(160), 플라즈마 발생부(110) 및 수소 가스 생산부(180)를 통과하며 순환될 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는, 다량의 수소 가스를 생산할 수 있다. 한편, 수소 가스 생산부(180)와 연결되는 유로가 폐쇄될 경우, 작동유체 공급부(140)를 통해 공급된 작동유체는 반복적으로 정화부(120), 정화유체 저장부(160) 및 플라즈마 발생부(110)를 통과하며 순환될 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는, 다량의 기능수를 생산할 수도 있다.

또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 정화부(120)와 수소 가스 생성부(180) 사이에는 작동유체의 온도를 미리 설정된 온도로 유지시키도록 구성되는 열교환부(미도시)가 더 배치될 수 있다.

열교환부는 플라즈마에 노출되어 온도가 상승된 작동유체의 온도를 낮춰 일정온도로 유지시키고, 이를 통해 작동유체의 전기전도도를 낮출 수 있다. 따라서, 미세기포의 생성 시 미세기포의 표면에 배치된 음전하들의 방전을 예방하여 플라즈마의 발생 확률을 높일 수 있다. 예를 들어, 열교환부를 통과한 작동유체는 20 ℃ 이하로 유지될 수 있다.

도 6에서는 순환계 구조로 마련된 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)를 도시하고 있으나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 비순환계 구조로 마련될 수도 있다.

즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치(100)는, 기본적으로 플라즈마 활성수 또는 오존수와 같은 기능수를 생산할 수 있고, 필요에 따라 이온 분리부(170), 프로브, 수소 가스 생산부(180) 등을 선택적으로 작동되도록 하여 수소가스 및 전기 에너지를 더 생산할 수도 있다.

이처럼 본 발명의 실시예에 따르면, 외부의 전원이나 전극 없이 마찰전기를 발생시키는 마찰전기 대전체와 이를 통과하는 고압의 작동유체 간의 급격한 압력 변화로 인한 미세기포의 대량 생성과 마찰전기에서 유발되는 전하만으로 작동유체 내에 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 이를 통해 연속적으로 기능수를 생산 가능함에 따라, 고압의 전압을 이용하여 수중에서 플라즈마를 발생시켜 유체를 이온화하는 기술 및 기체 플라즈마를 이용하여 플라즈마 활성수 생산하는 기술에 비하여, 비용을 월등히 절감할 수 있고, 대량의 기능수를 효율적으로 생산할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예예 따르면, 고전압의 외부 전극이 없이 자체적으로 수중에서 발생하는 플라즈마를 활용하기 때문에, 작동유체 내에 활성 질소종 등이 녹아들어가는 것을 방지하고, 순수하게 수소이온과 수산이온으로 구성된 플라즈마 활성수를 얻을 수 있다. 즉, 기체식 플라즈마를 사용할 경우, 사용하는 가스가 활성화되면서 물에 녹아드는 것을 피할 수 없다. 예를 들어, 공기를 사용하여 플라즈마를 만들어 물에 쪼일 경우, 물 속에는 활성 산소종뿐만 아니라 활성 질소종도 녹아들아간다. 그러나 본 발명의 실시예에서는 고전압의 외부 전극이 없이 자체적으로 수중에서 발생하는 플라즈마만을 활용하는 것이기 때문에 활성 질소종 등이 녹아들어가는 것을 염려할 필요가 없고, 순수하게 수소이온과 수산이온으로 구성된 플라즈마 활성수를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 기본적으로 기능수를 생산할 수 있고, 필요에 따라 이온 분리부(170), 금속성 프로브 및 수소 가스 생산부(180)를 선택적으로 적용하여 수소 가스 및 전기 에너지를 추가적으로 생산할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 다른 화학물질이나 기체를 사용하지 않고 작동유체의 순환만으로 기능수를 생산할 수 있기 때문에, 친환경적이고, 농업·바이오·식품·원예 등 다양한 산업에 활용할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 제한하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 제한되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100. 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치
110. 플라즈마 발생부
111. 제1 반응부
111A. 제1 유로
111B. 제2 유로
112. 제2 반응부
112A. 제1 반응유닛
112A1. 제1-1 반응유로
112A2. 제1-2 반응유로
112B. 제2 반응유닛
112B1. 제2 반응유로
112C. 제3 반응유닛
112C1. 제3 반응유로
112D. 제4 반응유닛
112D1. 제4-1 반응유로
112D2. 제4-2 반응유로
112E. 제5 반응유닛
112E1. 제5-1 반응유로
112E2. 제5-2 반응유로
112F. 기밀부
112G. 제6 반응유닛
112G1. 제6 반응유로
120. 정화부
130. 산소 기체 공급부
140. 작동유체 공급부
150. 기능수 저장부
160. 저장부
170. 이온 분리부
180. 수소 가스 생산부
P. 연결관

Claims

일 방향으로 이동하는 작동유체 내에 플라즈마를 발생시키고, 상기 작동유체를 이온화하여 기능수를 생산하도록 구성되는 플라즈마 발생부를 포함하고,
상기 플라즈마 발생부는,
제1 유로 및 상기 제1 유로와 연통되고 상기 제1 유로에 비하여 상대적으로 작은 내경의 크기를 가지도록 구성되는 제2 유로를 포함하는 제1 반응부; 및
상기 제1 유로에 배치되고, 내부로 유입되는 작동유체의 압력을 제어하어 상기 제2 유로로 배출되는 상기 작동유체에 복수의 미세기포를 발생시키며, 상기 작동유체와의 전기적 작용을 통해 상기 복수의 미세기포의 표면전위를 상승시켜 상기 복수의 미세기포가 붕괴될 때 상기 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 제2 반응부를 포함하는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 반응부는,
상기 제1 유로로 유입된 상기 작동유체의 압력을 제어하여 상기 제2 유로 측으로 배출되는 상기 작동유체에 상기 복수의 미세기포를 발생시키도록 구성되는 제1 반응유닛; 및
상기 제1 반응유닛으로 유입되는 상기 작동유체와 마찰되면서 마찰전기를 발생시키고, 상기 작동유체에 와류를 발생시키며, 상기 복수의 미세기포의 표면 전위를 제어하여 상기 복수의 미세기포가 붕괴될 때 상기 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 제2 반응유닛을 포함하는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 반응유닛은,
상기 작동유체의 이동방향을 따라 내경의 크기가 점차 감소되도록 구성되는 제1-1 반응유로; 및
상기 제1-1 반응유로의 단부로부터 상기 작동유체의 이동방향을 따라 연장되어 동일한 내경의 크기를 유지하고, 상기 제2 유로에 비하여 상대적으로 작은 내경의 크기를 가지는 제1-2 반응유로를 포함하는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.
제2항에 있어서,
상기 제2 반응유닛은,
상기 제1 반응유닛으로 유입되는 상기 작동유체에 와류를 발생시키도록 구성되는 적어도 하나의 제2 반응유로를 포함하는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.
제3항에 있어서,
상기 제2 반응부는,
상기 작동유체의 이동방향을 따라 상기 제1 반응유닛의 일 측에 배치되고, 상기 제1 반응유닛을 통과한 상기 작동유체의 압력을 제어하여 상기 제1 반응유닛으로부터 배출되는 상기 작동유체에 상기 복수의 미세기포를 발생시키도록 구성되는 제3 반응유닛; 및
상기 작동유체의 이동방향을 따라 상기 제3 반응유닛의 일 측에 배치되고, 상기 제3 반응유닛을 통과한 상기 작동유체의 압력을 제어하여 상기 제2 유로로 배출되는 상기 작동유체에 상기 복수의 미세기포를 발생시키도록 구성되는 제4 반응유닛을 더 포함하는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.
제5항에 있어서,
상기 제3 반응유닛은,
상기 제1-2 반응유로와 연통되어 상기 작동유체의 이동방향을 따라 동일한 내경의 크기를 유지하고, 상기 제1-2 반응유로에 비하여 상대적으로 큰 내경의 크기를 가지는 제3 반응유로를 포함하는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.
제6항에 있어서,
상기 제4 반응유닛은,
상기 제3 반응유로와 연통되어 상기 작동유체의 이동방향을 따라 동일한 내경의 크기를 유지하고, 상기 제3 반응유로에 비하여 상대적으로 작은 내경의 크기를 가지는 제4-1 반응유로; 및
상기 제4-1 반응유로와 상기 제2 유로를 연통시키고, 상기 제4-1 반응유로의 단부로부터 상기 작동유체의 이동방향을 따라 내경의 크기가 점차 증가되도록 구성되는 제4-2 반응유로를 포함하는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.
제2항에 있어서,
상기 제2 반응부는,
상기 작동유체의 이동방향을 따라 상기 제1 반응유닛의 타 측에 배치되고, 일단부에 상기 제2 반응유닛이 결합되어 고정되며, 상기 작동유체와 마찰되면서 마찰전기를 발생시키도록 구성되는 제5 반응유닛을 더 포함하는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.
제8항에 있어서,
상기 제5 반응유닛은,
상기 제2 반응유닛이 수용되는 제5-1 반응유로; 및
상기 제1 유로를 통해 내부로 유입되는 상기 작동유체를 상기 제5-1 반응유로로 안내하고, 상기 제5-1 반응유로에 비하여 상대적으로 더 긴 길이를 가지도록 구성되는 제5-2 반응유로를 포함하는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.
제9항에 있어서,
상기 작동유체는 물로 적용되고,
상기 제2 반응유닛 및 상기 제5 반응유닛은 테플론 혹은 음으로 대전하는 마찰전기 대전체 소재로 마련되는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.
제5항에 있어서,
상기 제2 반응부는,
상기 제1 반응유닛의 외주면 및 상기 제4 반응유닛의 외주면에 각각 결합되고, 상기 제1 유로를 형성하는 상기 제1 반응부의 내주면에 밀착되어 상기 제1 반응유닛 및 상기 제4 반응유닛의 유동을 제한하도록 구성되는 기밀부를 더 포함하는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 발생부로 공급되는 상기 작동유체를 정화하도록 구성되는 정화부를 더 포함하는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.
제12항에 있어서,
상기 정화부는,
마이크로 필터를 구비하여 상기 작동유체를 정화시키도록 구성되는 제1 정화유닛; 및
이온교환수지를 구비하여 상기 제1 정화유닛을 통해 정화된 작동유체를 정화시키도록 구성되는 제2 정화유닛을 포함하는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 발생부로 유입되는 상기 작동유체에 산소 기체를 공급하도록 구성되는 산소 기체 공급부를 더 포함하는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.
제12항에 있어서,
상기 정화부를 통해 정화된 작동유체가 저장되도록 구성되는 정화유체 저장부를 더 포함하는, 수중 플라즈마를 이용한 기능수 생산 장치.