KR100530241B1 - 오존발생용 연면형 방전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기방전현상을 이용해 오존을 발생시키는 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 소형으로의 적용이 용이한 오존발생용 연면형 방전장치에 관한 것으로, 오존발생 효율은 방전장치의 전기적 특성, 특히 전기용량(또는 정전용량)에 적지않은 영향을 받는다는 점에 착안하여, 기하학적 특성(면형 전극구조)으로 전기용량 증가 및 효율 감소의 원인이 되는 유도전극의 형상을 선형전극으로 조정하여 전기용량을 감소시킴으로써 소비전력을 제한하는 동시에, 이로인한 오존발생효율을 증가시키고자 하는 것이다.

Description

오존발생용 연면형 방전장치{Creeping discharge reactor for ozone generation}

본 발명은 전기방전현상을 이용해 오존을 발생시키는 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 소형으로의 적용이 용이한 오존발생용 연면형 방전장치에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 외력으로 인해 산소분자(O₂)의 연결고리가 끊어지면 불안정한 두개의 산소원자(O)는 인접한 다른 산소분자와 각각 결합하여 두개의 오존분자(O₃)로 화(化)는데, 이러한 현상을 응용한 것이 바로 오존발생용 방전장치이다.

이러한 오존발생용 방전장치의 전극구조로는 산업용으로 널리 쓰이는 무성방전식이 있으며, 이는 전극구조에 따라 동축원통형, 평판형, 연면방전형 등의 3가지 형태로 나뉘어지는데, 이들중 동축원통형은 절연체인 통형의 유리관 내면에 금속전극이 밀착되고, 유리관 외측에 소정간격으로 이격된 또 하나의 금속전극이 설치되어진 것이인데 비해, 평판형은 동축원통형과 같은 전극구성이지만 전극과 유리, 세라믹 등의 절연체가 평판형으로 되어진 것이다. 이때, 두 전극 중 절연체에 밀착되고 있는 전극이 보통 고전압 전극이고, 이격되게 설치된 금속전극은 접지전극으로 되어 진다.

반면, 도 1에서 보는 바와 같이 연면방전형은 상술한 두 전극구조와는 달리 공간잠식을 최소화하기 위해 절연체(30)의 상ㆍ하 양면으로 상기 두 전극(10, 20)이 밀착되거나, 유도전극(20)이 절연체(30)로 매설되는데, 특히, 적어도 하나이상의 종축이나 횡축이 평행하게 배치된 형상이거나 하나이상의 종축 및 횡축이 상호 교차하는 형상의 선형 방전전극(10;고전압 전극)과, 이를 한면으로 포괄하면서 마주보는 면형 유도전극(20;접지전극)이, 절연체(30)의 상ㆍ하 양면에 각각 고착되어지거나, 절연체(30)로 유도전극(20)이 매설되며, 이렇게 고착된 전극들(10, 20) 중 고전압을 인가받은 선형 방전전극(10)은 연면으로 방전을 일으키고, 이 방전은 선형 방전전극(10)의 주위를 통과하는 산소분자에게 전기적 외력을 가해 산소분자의 결합(고리)을 끊게되며, 이로인해 분리된 산소원자는 인접한 다른 산소분자와의 재결합을 통해 오존으로 화(化)하게되는 것이다.

일반적으로 상기한 오존발생용 연면형 방전장치는 이미 언급된 바와같이 절연체(30)의 상ㆍ하면에 각각 밀착되는 전극(10, 20)들 중 방전전극(10)은 적어도 하나이상의 종축이나 횡축이 평행하게 배치된 형상이거나 하나이상의 종축 및 횡축이 상호 교차하는 형상을 갖는 소정폭의 선형전극인데 반해, 이와 마주보는 유도전극(하부전극이라고도 불리우며, 이하 유도전극으로 칭함 ; 20)은 상기 선형전극 전체를 한면으로 포괄하여 마주볼 수 있는 면형으로 되어졌다.

이때, 여기서 사용되는 선형과 면형이란, 형태를 인식하는 기하학상의 절대적 개념이 아닌 인간이 형태를 파악하는 상대적 개념을 의미하는 것으로, 적어도 하나이상의 종축이나 횡축이 평행하게 배치된 형상이거나 하나이상의 종축 및 횡축이 상호 교차하는 형상의 선형 방전전극에서는 그 종축과 횡축을 각각 이루는 전극을 선형이라 표현하면, 이 전극을 한면에서 포괄하며 마주볼 수 있도록 된 유도전극은 종축과 횡축을 이루는 전극보다는 더 넓은 면을 가져야하므로, 이 유도전극을 면형이라 하였다.

한편, 상기한 바와같이 종래 오존발생용 연면형 방전장치의 전극구조는 유도전극(20)의 면적이 방전전극(10)에 비해 다소 넓은 평면으로 되어, 불필요한 유도전극의 면적은 전기용량의 증가(전기용량은 두전극의 이격거리에는 반비례하고, 전극의 면적에는 비례한다.)를 초래하였고, 이는 방전전류의 증가로 이어져(수학식 1 참고) 소비전력을 크게하는 원인이 되었다. 결과적으로 오존 발생량은 큰 변화가 없으면서 소비전력만 커지게되어, 소비전력 당 발생되는 오존의 양을 뜻하는 오존수율이 저하되는 문제가 발생되었다.

또한, 방전전류의 증가는 발열(발열량은 전류의 제곱에 비례한다.)로 이어져 방전장치의 작동효율을 크게 저하시키므로, 추가적으로 오존수율의 저하에 일조한다는 문제도 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해소하기 위해 안출된 것으로, 오존의 발생량에는 변화를 주지 않으면서 전극간의 전기용량을 최소화하여 소비전력을 크게 감소시키고, 이로써 오존수율이 향상되는 오존발생용 연면형 방전장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

판형태를 이루는 절연체의 양쪽면에 각각 선형 방전전극과 이에 대응되는 유도전극이 구비되어진 구조를 이루는 오존발생용 연면형 방전장치에 있어서,

상기 유도전극이 선형을 이루면서 절연체를 중심으로 선형 방전전극에 대응되게 배치되는 것을 특징으로 하는 것이며, 또한, 상기 선형 유도전극이 한 쌍을 이루면서 절연체를 중심으로 선형 방전전극에 대응되게 배치되되, 이들 한 쌍의 선형 유도전극이 선형 방전전극의 중심을 기준으로 서로 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 것이다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 도 1에서 도시된 종래 오존발생용 연면형 방전장치의 전극구조를 3개의 축전기(capacitor)로 등가하고, 이를 재구성한 등가회로도인바 이에의하면, 제 1 축전기(C1)와 제 3 축전기(C3)는 절연체의 전기용량이고, 제 2 축전기(C2)는 보이드(VOID)로써 방전이 일어나는 곳이다. 한편, 이곳에 흐르는 전류들 중 제 1 전류(I1)는 제 1 축전기(C1) 만을 경유하고, 제 2 전류(I2)는 제 2ㆍ3 축전기(C2, C3)를 경유하는데, 제 1 축전기(C1)와 제 3 축전기(C3)의 전기용량은 같고(제 1 축전기와 제 3 축전기는 병렬배치), 제 2 축전기(C2)의 전기용량은 상기한 두 축전기(C1, C3)보다 작으므로(제 2 축전기와 제 3 축전기는 직렬배치) 제 2 축전기(C2)보다 제 1ㆍ3 축전기(C1, C3)의 총 용량이 더 작아져 이 회로에 흐르는 제 1 전류(I1)가 제 2 전류(I2)보다 더 크거나, 방전전극(10)으로부터 제 2 축전기(C2)와 제 3 축전기(C3)가 만나는 지점까지의 거리에 따라 같아질 수도 있음을 예상할 수 있다.

한편, 제 2 축전기(C2)와 제 3 축전기(C3)를 실측하는 것은 곤란하므로 실제 방전전하량은 알 수 없지만, 전압변화와 제 1 축전기(C1)는 실측되므로 겉보기 방전전하량 측정이 가능하고, 이를 통해 방전에너지에 대한 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다.

여기서 Q는 방전전하량이고, V는 인가전압이다.

위의 식에서 알 수 있듯이 방전은 방전전하량과 인가전압에 의해 계산되고, 방전이 일어나기 위한 보이드(제 2 축전기 부분)에는 방전이 일어날 수 있는 충분한 전계가 마련되어 있으므로, 제 2 전류(I2)의 감소로 오존을 생성하기 위한 방전에는 큰 영향을 주지 않게된다.

이상의 결과로, 방전현상에는 직접적인 영향을 주지 않는 전류, 특히 제 2 전류(I2)에 비해 큰 제 1 전류(I1)가 불필요하게 커지면 소비전력이 그만큼 증가하게 되어 동일한 오존을 얻기 위해 많은 소비전력(소비전력 = 인가전압 * 전류 * 역률)을 소모하게 되는 것이므로 그만큼 오존수율도 저하되게 되고, 이와더불어 제 1 전류는 발열의 원인이 되어 오존수율의 감소에 일조를 하게 되는 것이다.

이에따라 오존수율을 향상시키기 위해서는 제 1 전류(I1)를 감소시켜야 하고, 제 1 전류(I1)를 감소 시키기 위해서는 방전전극(10)과 유도전극(20)간의 전기용량을 감소시켜야 하며(수학식 1), 전기용량을 감소시키기 위해서는 선형 방전전극(10)에 비해 다소 넓었던 종래 면형 유도전극(20)의 불필요한 부분을, 오존발생량에는 변화를 주지 않으면서 소비전력을 최대로 낮출 수 있는 최적의 상태가 되도록 제거하는 것이 가장 바람직하다.

(i ; 전류 f ; 주파수 C ; 전기용량 V ; 인가전압)

반면, 수학식 1에서 보이는 바와 같이, 상기 전류(I1, I2)는 인가전압, 주파수 및 전기용량에 비례하는데, 인가전압 및 주파수는 전극에 있어서의 전계분포와 방전현상을 고려하여 선정되는 것이고, 미소한 범위 내에서는 가변이 가능하나 일정치 이상을 가변한다는 것은 타당치 못하므로, 인가전압 및 주파수는 오존수율을 향상시키기 위한 수단에는 고려되지 않았다.

이하 본 발명의 최종 목적인 오존수율 향상을 위한 전극간의 전기용량 감소를 위해, 첨부된 도 3a 내지 도 3e에 도시한 전극구조를 제시하고, 이들이 갖는 전기용량의 측정과 더불어 각 전극구조에 대한 전계분포를 관찰하여 오존발생량의 변화를 확인하였다.

여기서는, 스크린 프린팅이나 기타의 방법으로 이와 같은 전극을 실제로 구성하여 전기용량 값을 실측하는 것은 비효율적이며, 전극구조의 변화에 따른 전기용량 변화는 이론적 수치와 실측치에 있어 큰 차이가 없으므로 주지의 전산해석 프로그램인 맥스웰(Maxwell)을 활용하여 시뮬레이션으로 표현된 각 모델별 전기용량을 계산하였다. 이때, 도 3a 내지 도 3e에서 도시된 모델은 환형(외관에 나타나는 형상을 기준으로 명명된 것이며, 이또한 선형의 일종이다.) 방전전극(10), 원판형 절연체(30) 및 환형 방전전극(20 ; 도 3a는 종래 전극구조를 이루던 면형 유도전극이므로 원판형이다.)이 순차적으로 적층되어진 모습의 단면으로, 중심축의 우측부분만이 도시되었으며, 전기용량의 계산시에는 전극의 완전체(원판형)의 전기용량을 계산하여 표 1 및 표 2에 기록하였다.

또한, 본 실험은 전기용량을 결정하는 요소인 전극(10, 20)의 면적 및 간격,절연체(30)의 재질 및 두께와, 전극의 배치구조 중, 전극의 면적과 배치구조에 따른 전기용량을 비교하기 위해 도 3a에 도시된 유도전극(20)을 제외한 나머지 전극들(10, 20 ; 도 3a 내지 도 3e에 도시된 각각의 방전전극 및 유도전극) 및 절연체(30)의 두께와, 재질을 각각 통일하고, 유도전극(20)의 면적과 배치 및 그 수량 만의 변화를 주면서 계산이 이루어졌다. 한편, 본 실험에서는 상기 방전전극(10)과 유도전극(20)의 폭을 1 : 1로 일치시켰지만, 이는 전극의 형상 및 배치구조에 따른 전기용량을 효과적으로 비교하기 위해 편의상 설정한 것으로, 본 발명에 따른 물품의 제작단계에서 전극의 재질 및 전극의 배치구조에 따라 두 전극(10, 20) 간의 최적의 폭비율을 측정하여 변화를 줄 수 있다.

도 3a는 종래 선형 방전전극(10)과 면형 유도전극(20)으로 된 오존발생용 연면형 방전장치의 전극구조의 단면을 도시한 것으로, 상술한 바와 같이 이는 원판형 전극구조의 직경면의 일부를 도시한 것이다.

한편, 방전전극(10)은 폭 1mm, 두께 0.1mm이며, 환형으로서 외직경은 52mm, 내직경은 50mm이다. 한편, 방전전극은 산소계 활성종에 강한 알루미늄이나 스텐레스로 된 것이 좋으며, 후술할 유도전극(20)도 동재질로 되어진다.

절연체(30)의 두께는 1mm이고, 원판형으로서 직경은 100mm이며, 유전율은 10이다. 일반적으로 절연체(30)의 재질은 전기적 내열전압이 높고, 열전도율이 높으면서 기계적 강도가 높은 경질유리, 석영, 삼산화알루미나(Al₂O₃), 산화철 등의 세라믹 재질이 주로 활용되지만 여기선 흔히 통용되고 있는 삼산화알루미나(Al₂O₃)를 적용하였다..

유도전극(20)은 적어도 하나이상의 종축이나 횡축이 평행하게 배치된 형상이거나 하나이상의 종축 및 횡축이 상호 교차하는 형상의 선형 방전전극(10) 전체를 한면에서 포괄하여 마주볼 수 있는 면형전극(20)으로, 두께는 0.1mm이고 직경은 80mm이며, 상기 방전전극(10)과 동재질로 되어진다.

한편, 방전전극(10)이 절연체(30) 상면에 고착되는 배치구조와, 방전전극(10) 및 절연체(30)의 재질과 사이즈는 모두 동일하므로 3b 내지 3e의 도면을 설명하는데 있어서 상술한 부분에 대하여 중복기재 하지 않으며, 도면상에 도시된 유도전극(20)의 배치상태 만을 설명한다.

도 3b에서 도시된 전극구조의 단면도에 의하면, 유도전극(20)은 환형인 방전전극(10)에 대응하여 동일한 직경을 갖는 환형이되, 상기 방전전극(10)과 마주보도록 절연체(30)의 하면에 나란하게 배치되어 고착되고, 이로인해 절연체(30)를 중심으로 방전전극(10)과 유도전극(20)은 상호 대칭된다. 한편, 이 전극구조의 외직경은 52mm, 내직경은 50mm이다.

도 3c에서 도시된 전극구조의 단면도에 의하면, 유도전극(20)은 환형인 방전전극(10)에 대응하여 그 일면이 방전전극(10)의 중심축(c)에 접하는 정도의 직경을 갖는 환형으로써, 방전전극(10)과 이 유도전극(20)이 다소 어긋나게 겹쳐지고, 이로인해 방전전극(10)과 유도전극(20)의 일부면만이 직접적으로 마주보도록 고착된 것이다. 한편, 이 전극구조의 외직경은 54mm, 내직경은 52mm이다.

도 3d에서 도시된 전극구조의 단면도에 의하면, 유도전극(20)은 환형인 방전전극(10)에 대응하여 그 일면이 방전전극(10)의 우측단부면으로부터 그어지 가상의 연장선(p)과 접하는 정도의 직경을 갖는 환형으로써, 방전전극(10)와 유도전극(20)이 직접적으로 마주보는 곳 없도록 고착된다, 한편, 이 전극구조의 외직경은 56mm, 내직경은 54mm이다.

도 3e는 2개의 환형 유도전극(20, 20`)의 일면이 방전전극(10)의 좌ㆍ우측단부면으로부터 그어진 가상의 연장선(p, p`)에 각각 대향하게 접할 수 있는 정도의 직경을 갖는 환형으로써, 방전전극(10)의 우측단부면으로부터 그어진 가상의 연장선(p)과 유도전극(20`) 좌측단부가 접하고, 좌측단부면으로부터 그어진 가상의 연장선(p`)과 유도전극(20)의 우측단부가 접하게 된다. 이때, 상기 유도전극(20, 20`)은 상기 방전전극(10)을 중심으로 정확히 대칭되어야하고, 도 3d에서와 같이 방전전극(10)과 2개의 유도전극(20, 20`)이 직접적으로 마주보는 곳 없이 배치된다. 한편, 이 전극구조의 바깥쪽 환형의 외직경은 56mm, 내직경은 54mm이고, 안쪽 환형의 외직경은 50mm, 내직경은 48mm이다.

이때, 실험예 3에서 방전전극(10) 및 유도전극(20) 간에 이격비율을 50%로 설정하고, 실험예 4 및 실험예 5에서 방전전극(10)과 유도전극(20)이 전혀 마주볼 수 없도록 이격비율을 100%로 설정한 것은 실험의 편의를 도모하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 물품의 제작단계에서 전극의 재질 및 전극의 배치구조에 따라 두 전극(10, 20) 간 최적의 이격비율을 찾아 변화를 줄 수 있다.

이상 상술한 바와 같은 시뮬레이션 실험을 통해 얻은 각 모델에 대한 전기용량의 이론적 수치는 다음표와 같다.

실험예	전기용량[pF]	비율[%]
1	44.3	100
2	37.3	84.19
3	30.3	68.39
4	18.3	41.30
5	31.6	71.33

위의 표는 전산해석 프로그램인 맥스웰을 활용하여 얻은 전기용량의 이론적 수치로서 실측치와 거의 동일하며, 각 실험예들 간의 비교가 용이하도록 종래 면형 유도전극(20)에서의 전기용량을 100%으로 두고 각각의 결과에 대한 상대적 값을 더불어 기록하였다.

표 1에 의하면, 각 실험예에 대한 전기용량은 전극(10, 20)의 배치구조에 따라 크게 변하는 것을 볼 수 있는데, 특히, 면형 유도전극(실험예 1)에 비해 선형 유도전극(실험예 2)으로 된 경우가 더 낮은 전기용량을 보이고 있으며(84.19%), 이미 상술한 바와 같이 전기용량과 방전전류 간의 관계를 통해 방전전류(I1, I2) 또한 낮아질 것을 쉽게 예상할 수 있다.(수학식 1 참고)

한편, 선형 유도전극(20)의 배치에 조금씩 변화를 주면서 한 실험결과(실험예 3, 실험예 4), 방전전극(10)과 유도전극(20)간의 이격비율에 따라 전기용량도 변한다는 사실을 알 수 있었다.

이후, 표 1에 기록된 정적용량에 대한 데이타를 주지의 수학식 2에 적용하여 각 실험예에 대한 상대적인 소비전력비율을 계산하고, 그 결과를 표 2에 기록하였다.

(P ; 전력 V ; 인가전압 cosΘ; 역률 R ; 저항)

실험예	전기용량[pF]	소비전력 비율[%]
1	44.3	100
2	37.3	70.89
3	30.3	46.78
4	18.3	17.06
5	31.6	50.88

표를 통해 전기용량의 감소는 바로 소비전력의 감소로 이어진다는 사실을 알 수 있다.

본 발명에 따른 전극구조를 갖는 방전장치에 의해 종래보다 전기용량을 낮출 수 있고, 이로인해 소비전력을 감소시킬 수 있다는 사실을 알아내었다.

한편, 각 실험과 병행하여 각각의 전극구조에 동일한 전압을 인가하면서 전계분포를 확인하였고, 이를통해 실험예 1과 실험예 2는 거의 유사한 전계분포를 보이는 반면, 실혐예 3 및 실험예 4는 다른 실험예(실험예 1, 2)와는 전혀 다른 전계분포를 보이고 있슴을 확인하였다. 이는 상기 방전전극(10)이 유도전극(20)의 일방향으로 치우침으로서 방전전극(10)의 양 연면에서의 방전이 균등하게 발생되지 못하기 때문이고, 이러한 불균등한 방전은 오존 발생에 대한 안정성이 보장받지 못하므로 실험예 3 및 실험예 4에 대한 전극구조에서 소비전력이 크게 줄었다하여도 오존발생을 위한 전극구조로는 적합치 못하여 실제로 활용하기에는 바람직하지 못하다. 또한, 실험예 3 및 실험예 4는 상기 방전전극(10)이 일방으로 치우쳐 양 연면으로부터의 균등한 방전을 기대할 수 없어 생기는 문제이므로, 동형인 2개의 유도전극(20)을 상기 방전전극(10)을 중심으로 상호 대칭되게 배치시켜 방전의 불균형 문제를 해결할 수 있는데(실험예 5), 이러한 전극구조에서의 전계분포는 실험예 1 및 실험예 2의 그것과 유사하게 나타나고 있슴을 확인하였다.

이를 통해, 오존의 발생량을 유지하면서 전기용량을 크게 감소시켜 최종적으로는 오존수율을 향상시킬 수 있게되며, 한편으로는 전기용량의 감소로 전류에 의한 발열을 크게 낮출 수 있게되는 것이다.

이상 상기와 같은 본 발명에 따르면, 종래 면형 유도전극의 불필요한 부분을 제거함으로서, 동량의 오존을 수득하면서도 전기용량이 30% 가까이 감소됨과 동시에 이로인한 전류 또한 감소되고, 이는 곧 소비전력의 절감으로 이어져 직접적으로 오존수율이 향상되는 효과가 있다.

이와 더불어, 방전전류에 의한 발열량을 큰 폭으로 줄일 수 있어 오존발생용 연면형 방전장치의 작동효율이 증가되는 효과도 있다.

도 1은 종래 오존발생용 연면형 방전장치의 전극구조를 도시한 단면도,

도 2는 도 1에서 도시한 전극구조의 회로모델 및 그 등가회로도,

도 3a는 본 발명에 따른 실험예 1을 도시한 단면도,

도 3b는 본 발명에 따른 실험예 2를 도시한 단면도,

도 3c는 본 발명에 따른 실험예 3을 도시한 단면도,

도 3d는 본 발명에 따른 실험예 4를 도시한 단면도,

도 3e는 본 발명에 따른 실험예 5를 도시한 단면도이다.

- 첨부도면의 주요부분에 대한 용어설명 -

10 ; 방전전극 20 ; 유도전극

30 ; 절연체

Claims (2)

1. 판형태를 이루는 절연체의 양쪽면에 각각 선형 방전전극과 이에 대응되는 유도전극이 구비되어진 구조를 이루는 오존발생용 연면형 방전장치에 있어서,

   상기 유도전극이 상기 선형 방전전극과 폭의 비율이 1:1인 선형을 이루는 선형 유도전극이 절연체를 중심으로 선형 방전전극에 대응되게 배치되는 것을 특징으로 하는 오존발생용 연면형 방전장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 선형 유도전극이 한 쌍을 이루면서 절연체를 중심으로 선형 방전전극에 대응되게 배치되되, 이들 한 쌍의 선형 유도전극이 선형 방전전극의 중심을 기준으로 서로 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 오존발생용 연면형 방전장치.