KR100502783B1 - 오존 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어 펌프 또는 송풍팬을 사용하지 않고도 오존을 배출할 수 있는 소형 오존 발생 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 오존 발생 장치에 의하면, 방전 방출부는 침형 방전전극과 망형 접지전극을 포함하고, 전계 변환부로부터 상기 방전 방출부에 단방향의 전계를 인가하여, 방전 방출부 내에서 전하를 띤 오존이 일정한 방향으로 움직여 자동적으로 배출될 수 있게 한다.

Description

오존 발생 장치{OZONE GENERATOR}

본 발명은 오존 발생 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 에어 펌프 내지는 송풍팬을 사용하지 않고도 오존을 배출할 수 있는 초소형 오존 발생 장치에 관한 것이다.

수많은 오염 물질과 각종 병원성 세균 및 바이러스들로 인하여 오늘날 대기 및 수질 오염은 심각한 수준에 이르러, 이들 오염을 개선시키기 위한 여러 기술들이 활발히 개발되고 있다.

오존(O₃)은 산소 원자 3개가 결합한 분자로서, 상온 상압하에서는 불안정하여 산소 분자(O₂)로 분해되려는 성질이 있는, 매우 산화력이 강한 물질이다. 이와 같은 오존의 강한 산화력을 이용하여 오염원을 제거할 수 있으므로, 공기나 물의 정화, 탈취, 표백 등의 분야에 오존 발생 장치가 널리 사용되고 있다.

종래의 오존 발생 장치는 대용량의 수질처리를 위하여 주로 산업용 시스템으로 개발되어 왔으며, 이들 산업용 시스템에서 투입압력과 유량, 온도 등의 주변 시스템 제어 기술이 오존 발생 장치와 관련된 기술의 주류를 이루고 있었다. 한편, 일반 사무실, 병원, 가정 등에서 공기 정화용으로 오존 발생 장치가 보다 널리 사용되기 위해서는, 산업용과는 달리 그 부피를 가전제품 정도로 소형화 시킬 필요가 있었다.

도 1은 종래의 오존 발생 장치의 개괄적인 구성을 예시하고 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 오존 발생 장치는 전원 입력부(110), 펄스 발생부(120), 고전압 변압부(130), 방전 방출부(140)로 구성되어 있다. 전원 입력부(110)는 외부 전원으로부터 직류 또는 교류 전류를 회로에 공급하고, 이러한 공급 전류를 이용하여 펄스 발생부(120)는 펄스파 형태의 신호를 생성한다. 고전압 변압부(130)는 펄스 발생부(120)로부터 생성된 펄스파를 고전압의 펄스파로 변환시키기 위한 것으로, 자동 변압기 (auto-transformer) 형태로 구성될 수 있다. 방전 방출부(140)에서는 고전압 펄스파를 이용하여 방전을 발생시키고, 방전과 동시에 생성된 오존을 외부로 배출하게 된다.

도 1과 같은 종래의 오존 발생 장치에 있어서, 방전 방출부(140)에서는 방전에 의하여 생성된 오존을 수중 또는 공기중으로 배출시키기 위해서 에어 펌프 또는 송풍팬이 사용되어 왔다.

즉, 수질정화용의 오존 발생 장치는 통상 방전실이 밀폐되어 있는 방전셀 형태를 가지고 있는데, 에어 펌프를 이용하여 일정한 압력과 유량으로 방전셀에서 생성된 오존을 장치 외부로 이동시킬 수 있다. 통상의 에어 펌프는 기계적인 톱니모터가 로터리식으로 맞물려 돌아가면서 기계적인 직선 왕복 운동에 의해 공기를 압축하여 외부로 불어내는 방식을 취하고 있다. 에어 펌프의 또 다른 형태로서, 다이아후램(diaphragm) 방식에서는 반구형태의 고무막의 마찰에 의해 공기를 압축하여 불어내는데, 오존의 역류에 의해 고무막이 손상되어 성능이 떨어지는 문제점이 있었다. 이와는 달리, 공기 정화용의 오존 발생 장치는 방전실이 개방된 형태를 가지고 있는데, 이러한 장치에서는 오존 배출을 위하여 송풍팬이 사용되고 있다.

하지만, 종래의 오존 발생 장치에서 에어 펌프 또는 송풍팬은 상당한 부피를 차지하고 있기 때문에 오존 발생 장치의 소형화를 위해서는 이들 장치의 소형화 또는 이를 대체할 수 있는 새로운 기술이 필요하게 되었다.

또한, 오존이 배출되지 아니하고 장치 내부로 역류하는 현상이 발생하면서, 부식성이 강한 오존이 장치 내부의 소자를 부식시키는 문제가 있었다. 특히, 에어 펌프를 사용하는 오존 발생 장치에 있어서 에어를 압축하는 고무 패드가 오존에 의하여 녹아버린다는 심각한 문제가 있었다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 에어 펌프 또는 송풍팬을 대신하여, 오존 방출부에 전기장을 인가함으로써 전계 방출 효과를 이용하여 오존을 배출하는 방법이 이용되어 왔지만, 회로 구성이 복잡하고 소모 전력 대비 오존 배출량이 낮아서 보다 고효율 소형 오존 발생 장치의 개발이 절실히 요구되고 있는 상황이다.

또한, 종래의 오존 발생 장치에서는 오존과 더불어 산화질소(NO)까지 생성되는 문제가 있었다. 즉, 질소 분자는 산소 분자보다 가볍지만, 이온화 에너지는 질소가 산소보다 약간 높다. 따라서, 산소를 해리시키기 위해 인가하는 에너지가 필요 이상이 되면, 불필요한 질소도 다량 해리되는 문제가 발생하였다.

본 발명의 목적은 오존 발생 장치에 있어서, 에어 펌프 내지는 송풍팬을 제거하고도 오존 배출이 가능하도록 함으로써, 오존 발생 장치의 부피를 현저히 감소시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 회로 구성이 간단하고 적은 전력 소모로 오존을 효율적으로 배출할 수 있는 오존 발생 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 오존 역류 현상을 방지하여 오존에 의한 내부 장치의 파손을 방지하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 산소가 해리되기 적당하며 질소는 이온화되지 않는 적정한 에너지를 인가하여 산화질소의 발생량을 최대한 억제시키는 것이다.

본 발명의 일면에 따르면, 외부 전원으로부터의 인가된 전원을 입력받는 전원 입력부와,상기 전원을 이용하여 펄스파를 발생시키는 펄스 발생부와, 상기 펄스파를 고전압 펄스파로 변환하는 고전압 변압부와, 상기 고전압 펄스파로부터 단방향의 전계를 형성하는 전계 변환부와, 상기 단방향의 전계를 인가하여 방전을 발생시키고, 상기 방전에 의하여 오존을 외부로 배출하는 방전 방출부를 포함하는 오존 발생 장치가 제공된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오존 발생 장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오존 발생 장치의 구성을 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 오존 발생 장치는 도 1에 도시한 종래의 오존 발생 장치에 전계 변환부(150)를 추가로 포함하고 있다. 전계 변환부는 고전압 변압부(130)로부터의 고전압 펄스파를 정류 회로를 이용하여 직류 파형으로 변환하고, 이러한 직류 파형에 의하여 형성되는 단방향의 전계를 방전 방출부(140)에 인가하게 된다. 또한, 본 발명에 따른 방전 방출부(140)에서는 방전에 의하여 생성된 오존이 전계 변환부(150)에 의해 생성된 단방향 전계의 영향을 받아 외부로 용이하게 배출된다. 전하를 띤 오존은 단방향의 전계가 형성된 방전 방출부 내에서 전기력에 의하여 일정한 방향으로 이동하게 되고, 마침내 방전 방출부내의 한면을 통하여 외부로 배출된다.

도 3은 도 2의 전계 변환부(150)의 구성의 일례를 도시한 것이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 전계 변환부(150)는 고전압 변압부(130)와 방전 방출부(140) 사이에 위치하며, 고전압 다이오드(D₀,D₁,D₂)와 커패시터(C₁,C ₂,C₃)를 직렬 또는 병렬로 연결한 구조를 가지고 있다. 전계 변환부(150)에 인가된 신호는 커패시터에 의한 차단과 다이오드의 정전계 및 역전계 동작 특성에 의해 단방향의 전계를 형성하게 된다. 이하 도 4를 참조하여 도 3에 도시한 회로의 동작 특성을 설명하기로 한다.

도 4는 도 3의 전계 변환부(150) 내에 있는 여러 노드에서의 전압 파형을 개괄적으로 도시한 것이다. 도 4a, 4b, 4c는 노드 A, 노드 B, 노드 C에서의 파형을 각각 도시한 것이다.

노드 A를 통하여 고전압 변압부로부터 도 4a와 같은 파형의 전압 신호가 C₁에 인가되면서, C₂와 C₃에도 전하가 축적되기 시작한다. 이 때, 방전 방출부(140)에 연결된 노드 B에서의 C₂ 출력 에너지가 방전 에너지에 이르기 전인 경우, 노드 A -> C₁ -> C₂ -> D₂ -> C₃ 방향으로 전류가 흐르면서 전하가 계속 축적되고, 마침내 노드 B의 C₂ 출력 에너지가 방전에 필요한 에너지에 도달하게 되면 C₂의 방전이 개시된다. 즉, C₁ 후단의 출력 에너지는 C₂와 C₃에 의하여 분배되어 충전되지만, 방전시에는 C₂를 통해서만 이루어지게 된다. C₂의 방전이 개시되면, C₂에 저장된 전하가 노드 B를 통하여 빠져 나가서, 방전 방출부(140)내에서 방전을 발생시키게 된다. 도 4a 및 도 4b에서 보듯이, 노드 B에서의 파형이 노드 A에서의 파형보다 정(+) 방향으로 쉬프트 되어 있음을 알 수 있다 (도 4a-4c에서 "1>" 표시가 진폭이 0이 되는 기준 레벨을 표시하고 있음). 이는 고전압 변압부(130) 후단에 위치하는 커패시터 C₁ 에서 축전 및 방전된 전압이 위상의 변화 없이 C₂에 전달됨과 동시에, C₂ 와 C₃에 공통으로 전하가 나누어져 축전된 에너지가 고전압 다이오드에 의해 C₂에서만 방출되므로, 전계 변환부(150)에 인가된 입력 파형이 출력단에서는 파형 전체가 정(+)의 방향으로 쉬프트된다. 그 결과, 도 4a 및 4b에 나타난 일실시예서는, 전계 변환부(150)의 전단 및 후단에서, RMS 값을 1.21 KV에서 4.54 KV로, Peak to Peak 값이 5.92 KV에서 11 KV로 변환된 것을 알 수 있다.

도 4c에서 도시한 바와 같이, 펄스 발생부(120)로부터 인가되는 펄스파에 의하여 FET는 주기적으로 온/오프(On/Off)되고, 노드 C에서는 FET가 온/오프(On/Off)됨에 따라 일정한 전압 파형이 주기적으로 반복되어 나타남을 알 수 있다. 도 4a와의 비교에서 보듯이 FET가 On이 되면 C₁에 축적된 에너지가 방전되고, Off동안에는 축전이 계속된다.

도 5는 도 2의 방전 방출부(140)의 구성을 보다 상세히 도시한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 방전 방출부(140)는 면대면 구조가 아닌 침대망 구조로 형성됨이 바람직하다. 즉, 방전 방출부(140)는 침형 방전 전극(141)과 망형 접지 전극(142)이 서로 대향하는 전극 구조를 가지며, 이러한 구조하에서 효율적인 전계효과 방전을 위해서는 인가되는 전압 및 전류 조건에 따라 침형 방전전극(141)과 망형 접지전극(142)사이의 방전갭이 적정하게 유지됨이 바람직하다.

즉, 방전갭이 지나치게 넓을 경우 적정 방전 전계를 벗어난 경우가 되어 방전이 발생하지 않게 되고, 방전갭이 지나치게 좁을 경우 방전 전계가 너무 크게 작용하여 국부 방전이 발생하게 되어 침형 방전전극(141)이 급격하게 마모된다.

출원인의 실험 결과, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 방전 방출부의 구조하에서 방전갭은 2~10mm 사이에서 일정하게 유지되는 것이 바람직하며, 보다 효과적인 방전을 위해서는 방전갭이 3~6mm 사이인 것이 가장 바람직하다.

본 발명의 구체적 실시예로 실험한 결과들을 이하에 제시한다. 구체적 실시예들이 본 발명을 예시하고 있지만, 본 발명의 권리범위가 이러한 구체적 실시예에 한정되지 아니한다.

<실시예 1>

실시예 1에서는 본 발명에 따른 오존 발생 장치를 대상으로 최적의 방전 효율을 나타내는 방전갭의 크기를 측정하였다.

전원 입력부(110)는 소형화를 위하여 DC 전압 12V를 외부로부터 공급 받고, Co후단에 구성된 L₁의 값은 10~100uH로 150mA이상의 전류가 유입되며, 펄스 발생부(120)에서 펄스폭 7~15us, 펄스간 주기 50~70us, 10~12V전압의 사각 펄스파가 발생하여 Cg전단에 이르러 동일한 펄스폭과 주기를 갖는 150~200V 전압의 펄스파가 생성되며, 동시에 C₁ 전단에서는 AC 5kV의 전압이 생성되고, C₁ 후단에서는 정의 값을 가지는 10kV 이상의 전압이 형성된다. 이러한 파형의 전압은, 방전 방출부(140)에서 이온화된 입자들을 망형 접지전극(142) 방향으로 가속시키게 되고, 가속된 입자들은 가속 에너지에 의해 망형 접지전극(142)을 통과하여 외부로 토출된다. 본 실시예에서 측정한 결과 방전갭이 4mm 일 때 방전 효율이 최대가 되었다.

본 발명의 또 다른 일 실시예로서, 산소가 해리되기 적당하며 질소는 이온화되지 않는 적정한 에너지인 5.1eV 이하를 인가함으로써, 산화질소의 발생량을 억제할 수 있다.

본 발명에 따른 오존 발생 장치에 따르면, 에어 펌프 또는 송풍팬을 제거하여 오존 발생 장치의 소형화가 가능하고, 제조 단가를 저렴하게 할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 오존 발생 장치에 따르면, 전계 변환부의 회로 구성을 간단히 하면서도 오존 발생 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 오존 발생 장치에 따르면, 오존 배출을 용이하게 하여 오존 역류 현상을 방지함으로써 장치 내부의 손실을 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 산화질소의 발생량을 최대한 억제시키는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래의 오존 발생 장치를 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 오존 발생 장치의 구성을 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전계 변환부의 구성을 보다 상세히 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 오존 발생 장치의 여러 노드에서의 전압 파형을 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방전 방출부의 구성을 보다 상세히 도시한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

100 : 오존 발생 장치

110 : 전원 입력부

120 : 펄스 발생부

130 : 고전압 변압부

140 : 방전 방출부

150 : 전계 변환부

Claims (5)

1. 오존 발생 장치에 있어서,

   외부 전원으로부터의 인가된 전원을 입력받는 전원 입력부와,

   상기 전원을 이용하여 펄스파를 발생시키는 펄스 발생부와,

   상기 펄스파를 고전압 펄스파로 변환하는 고전압 변압부와,

   상기 고전압 펄스파로부터 단방향의 전계를 형성하는 전계 변환부와,

   상기 단방향의 전계를 인가하여 방전을 발생시키고, 상기 방전에 의하여 오존을 외부로 배출하는 방전 방출부

   를 포함하는 오존 발생 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 방전 방출부는 침형 방전전극과 망형 접지전극을 포함하고, 상기 전극들간의 방전갭은 일정한 값을 가지는 오존 발생 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 방전갭이 3~6mm 사이인 것을 특징으로 하는 오존 발생 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 전계 변환부는

   다이오우드와 커패시터의 직, 병렬 조합으로 구성되며, 상기 커패시터에 의한 차단과 상기 다이오드의 정전계 및 역전계 동작 특성에 의해 단방향의 전계를 형성하는 것을 특징으로 하는 오존 발생 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 전계 변환부는 제1 및 제2 커패시터와, 제1 및 제2 다이오드를 포함하고, 상기 제1 커패시터의 일측과 제2 커패시터의 일측 사이에 상기 방전 방출부의 입력단이 연결되고, 상기 제1 다이오드는 상기 제1 커패시터의 타측과 제2 커패시터의 타측 사이에 역방향으로 설치되고, 상기 제2 다이오드는 상기 제1 커패시터의 일측과 제2 커패시터의 타측사이에 정방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 오존 발생 장치.