KR100851518B1 - 오존 발생기 및 그를 위한 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명의 오존 발생기는 적어도 하나의 관형 외부 전극(4)과, 각각의 단부에서 적어도 부분적으로 폐쇄되고 외부가 세라믹으로 코팅되는 복수의 관형 금속 세그먼트들(8)을 포함하는 적어도 하나의 내부 전극(7)으로서, 이러한 관형 세그먼트들은 기계적으로 분리되고 전기적으로 연결되는 앞뒤로 배치되는, 상기 적어도 하나의 내부 전극(7)과, 환형 방전 간극(I)을 형성하도록 상기 외부 전극에 대해서 상기 관형 세그먼트들을 유지하는 수단(10)과, 상기 관형 세그먼트들(8)을 통해 축 방향으로 통과하고, 상기 관형 세그먼트들을 축 방향으로 서로 클램핑하는 수단(12, 13)을 그 단부에 구비하여 전기적 접촉을 이루는 로드(11)와, 교류 전원에 모든 상기 전극들을 접속시키는 수단(14)과, 간극들에 산소 함유 가스를 순환시키는 수단(20, 21)을 포함한다. 각각의 관형 금속 세그먼트(8)는 전기적 접촉을 위해 대략적으로 중심 영역을 포함하는, 대략 구형 캡의 형태의 외부적으로 볼록한 단부 플레이트(8a, 8b)를 각각의 단부에 구비하고, 세라믹 코팅(9)이 연속적으로 증착되는 적어도 2개의 층들(9a, 9b)을 포함한다.

외부 전극, 내부 전극, 관형 세그먼트의 유지 수단, 로드, 세라믹 코팅

Description

오존 발생기 및 그를 위한 전극{Ozone generator and an electrode therefor}

본 발명은,

적어도 하나의 관형 외부 전극과,

각각의 단부에서 적어도 부분적으로 폐쇄되고 외부가 세라믹으로 코팅되는 복수의 관형 금속 세그먼트들을 포함하는 적어도 하나의 내부 전극으로서, 이러한 관형 세그먼트들은 기계적으로 분리되고 전기적으로 연결되는 앞뒤로 배치되는, 상기 적어도 하나의 내부 전극과,

환형 방전 간극(annular discharging interstice)을 형성하도록 상기 외부 전극에 대해서 상기 관형 세그먼트들을 유지하는 수단과,

상기 관형 세그먼트들을 통해 축 방향으로 통과하고, 상기 관형 세그먼트들을 축 방향으로 서로 클램핑하는 수단을 그 단부에 구비하여 전기적 접촉을 이루는 로드와,

교류 전원에 모든 상기 전극들을 접속시키는 수단과,

상기 간극들에 산소 함유 가스를 순환시키는 수단을 포함하는 형태의 오존 발생기에 관한 것이다.

이러한 형태의 오존 발생기는 미국 특허 제 5 145 653 호로부터 공지되어 있다. 그러한 오존 발생기에 있어서, 어떠한 한계 조건들을 만족시키는 전극들에 걸쳐 AC 전압을 적용함으로써, 코로나 방전들은 세라믹 코팅에 의해 형성되는 유전체의 표면 및 외부 전극 사이의 간극에서 발생한다. 이러한 방전들이 오존이 발생되도록 한다. 유전체 코팅으로 세라믹을 사용하면 유리 코팅보다 더 높은 오존 발생 효율을 얻을 수 있게 한다. 특히, 발생기에 남아있는 가스의 오존 함유량은 12중량%를 초과할 수 있다.

그러나, 세라믹 코팅은 비교적 취약하고, 표면 전하들의 양호한 분배를 방해하는 균열들이 나타날 수 있으며, 이것은 세라믹에 대해 수용가능한 전압 한계가 국부적으로 초과되도록 유발할 수 있다. 이것은 세라믹 코팅을 파괴하고 오존 발생기가 작동하지 않도록 야기할 수 있다.

세라믹 코팅된 관형 세그먼트들의 축 방향 클램핑에 의해 생성되는 기계 응력들은 또한 세라믹 코팅에서 균열들을 나타내는 원인이 될 수 있다.

본 발명의 목적은 주로 상기 요약된 결함들을 제거하거나 또는 결함이 적은 오존 발생기를 제공하는 것이다. 특히, 세라믹 코팅에서 균열들의 위험이 현저히 감소되고, 장치 효율성이 강화되도록 기계적 및 전기적 응력들에 대해 세라믹 코팅의 양호한 저항성을 허용할 수 있는 오존 발생기의 설계가 바람직하다.

본 발명에 따라, 상기 규정된 유형의 오존 발생기는 각각의 관형 금속 세그먼트가 전기적 접촉을 위해 중심 영역을 포함하는, 대략 구형 캡의 형태의 외부적으로 볼록한 단부 플레이트를 각 단부에 구비하고, 세라믹 코팅이 연속적으로 증착되는 적어도 2개의 층들을 포함하는 것을 특징으로 한다. 조립체는 기계적 및 전기적 응력들에 대해 강화된 저항성을 나타낸다.

세라믹 코팅의 균열 위험성이 현저히 감소된다.

양호하게는, 조립체는 축 방향 로드의 단부에 작용하는 레이팅된 토크의 적어도 2배의 토크를 세라믹 코팅의 균열 없이 견딜 수 있도록 각각의 내부 전극에 대해 설계된다.

각 층의 두께는 50 및 300 ㎛ 사이인 것이 바람직하다.

세라믹 코팅의 각각의 층은 유리하게는 슬러리 코팅(slurry coating) 또는 분말 코팅 또는, 플라즈마 분사에 의해 증착된다.

관형 세그먼트들의 외면은 세라믹 코팅의 키잉(keying)을 강화하도록 특히 홈들의 형태에 따라 거칠기를 나타낼 수 있다. 그 홈들 또는 불규칙한 것들의 깊이는 0.1 mm의 치수인 것이 유리하다. 변형으로, 관형 세그먼트들의 외면은 샌드 블라스트(sandblast)에 의해 거칠게 될 수 있다.

관형 요소의 각 단부 플레이트의 중심 영역은 단부 플레이트에 대해서 세라믹 코팅을 초과하여 축 방향에 따라 외부로 돌출하는 원통형 플랜지 링에 의해 경계가 정해지는 오리피스(orifice)를 포함한다.

외부 전극 및 내부 전극들과 관형 세그먼트들은 스테인레스 강으로 구성된다.

본 발명은 또한 각 단부에서 적어도 부분적으로 폐쇄되고 외부가 세라믹으로 코팅되며 기계적으로 분리되고 전기적으로 연결되는 앞뒤로 배치되는 복수의 관형 금속 세그먼트들과, 상기 관형 세그먼트들을 통해 축방향으로 통과하고 상기 관형 세그먼트들을 서로에 대해서 축방향으로 클램핑하는 수단을 그 단부에 구비하여 전기적 접촉을 이루는 로드를 포함하는 상기 규정된 오존 발생기를 위한 내부 전극에 관한 것으로서, 각 관형 금속 세그먼트가 전기적 접촉을 위해 중심 영역을 포함하는, 대략 구형 캡의 형태로 외부적으로 볼록한 단부 플레이트를 각 단부에 구비하고, 세라믹 코팅이 연속적으로 증착되는 적어도 2개의 층들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 언급된 규정들과는 별개로, 본 발명은 첨부된 도면들을 참조로 하여 기술되는 실시예에 관련하여 이하에서 보다 명확하게 기술될 어떠한 수의 다른 규정들을 포함하지만, 그것은 결코 제한적이지 않다.

도 1은 본 발명에 따른 오존 발생기의 도식적인 수직 단면도.

도 2는 도 1의 선 II-II에 따라 좌측으로부터 보여지는 수직 단면도.

도 3은 도 1과 유사한 확대된 부분 수직 단면도.

도 4는 도 2의 선 IV-IV에 따라 확대된 도식적인 수평 단면도.

도 5는 관형 세그먼트의 벽 및 그것의 코팅의 확대된 부분 수직 단면도.

도 6은 코팅하기 이전에 관형 세그먼트 외면상의 홈들과 함께 그것의 벽의 확대된 부분 수평 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 내부 전극의 관형 세그먼트의 단부를 도시한 사시도.

도 8은 도 7과는 서로 다른 스케일에 따른 관형 세그먼트의 단부를 도시한 측면도.

도면들에서 도 1을 참조로 하면, 오존 발생기는 일반적으로 원통형으로 탱크(1)에 배치되고 그 단부들에서 폐쇄되는 것으로 도시된다. 탱크(1)는 각각의 세로 단부들에 근접하여 탱크의 축선에 직교하는 벽(2, 3)을 포함한다. 각각의 벽은 하나의 벽(2)으로부터 다른 벽(3)으로 연장하는 튜브들이 설치되는 대향 구멍들을 갖는다. 튜브들(4)의 길이는 2 미터 이상의 치수일 수 있다. 튜브들(4)의 단부들은 벽들(2, 3)에 각각 용접된다. 금속 튜브들(4)은 접지 전위에 접속되는 외부 전극들을 구성한다. 튜브들(4)의 세트가 단일 외부 전극을 형성하는 것으로 고려될 수 있다. 명확성의 이유들을 위해, 도 1에 도시되는 튜브들(4)의 수는 제한적이지만, 실제로 튜브들의 수는 100 이상일 수 있다.

튜브들(4)은 탱크의 내부 및 벽들(2, 3)에 누설방지 방식에 따라 고정되고, 상기 벽들(2,3)은 탱크(1)의 원통형 벽에 특히 용접에 의해 누설방지 방식으로 고정된다. 냉각제, 예를 들어 물이 외부적으로 튜브들(4)을 냉각시키기 위해 사용된다. 냉각제는 흡입구(5)를 통해 유입되어 배출구(6)를 통해 배출된다.

내부 전극(7)은 각각이 튜브(4) 내에 배치된다. 각각의 내부 전극(7)은 각각의 단부에서 적어도 부분적으로 폐쇄되고 외부 세라믹 코팅(9)이 제공되는 복수의 관형 금속 세그먼트들(8)로 구성된다. 관형 세그먼트들(8)은 정렬하여 앞뒤로 배치 되며, 서로 접촉하는 그 단부들에 의해 기계적으로 분리되고 전기적으로 연결된다.

외부 전극(4)에 대해서 관형 세그먼트들(8)을 유지하는 수단(10)은 세라믹 코팅(9)의 외면 및 외부 전극(4)의 내면 사이에 환형 방전 간극(I)을 형성하도록 제공된다. 수단(10)은 예를 들어 튜브들(4)의 내벽에 고정되는 돌출부들을 절연시켜 형성된다.

금속 로드(11)는 관형 세그먼트들(8)을 통해 축 방향으로 통과하고 각각의 단부에서 나온다. 로드(11)의 단부 섹션들에는 나사부가 형성되고 최종 인접 세그먼트(8)의 단부 플레이트를 유지하는 클램핑 너트(12, 13)를 구비한다. 각각의 로드(11)의 하나의 단부, 도 1에 따라 우측에 위치되는 것은 전도체(14)에 전기적으로 연결되고, 상기 전도체(14)는 교대로 AC 전압 소스(15)의 고전압 단자에 연결된다. 절연체(16)는 용기(1)의 벽을 통해 그 첨부(point)에서 전도체(14)를 둘러싼다.

각 관형 금속 세그먼트(8)는 대략 구형 캡의 형태로, 특히 대략적으로 반구형의 형태인 외부적으로 볼록한 단부 플레이트(8a, 8b)를 각 단부에 구비한다. 단부 플레이트(8a, 8b)의 곡률의 반경은 관형 세그먼트(8)의 원통형 부분의 반경과는 서로 다를 수 있다.

단부 플레이트(8a, 8b)의 중심 영역은 로드(11)가 통과하기 위한 오리피스(17)를 갖는다. 상기 오리피스(17)는 단부 플레이트(8a, 8b)에 대해서 외부적으로 배향된 원통형 플랜지 링(18)에 의해 경계설정된다.

소정 두께에 대한 세라믹 코팅(9)은 적어도 2개의 얇은 층들(9a, 9b)로 구성된다(도 4). 층들(9a, 9b)의 두께들의 합은 원하는 두께에 대응한다. 층들(9a, 9b)은 관형 세그먼트(8)상에 연속적으로 증착된다. 층들(9a, 9b)의 수는 2보다 크며, 특히 3과 같을 수 있다. 각각의 층(9a, 9b)의 두께는 50 내지 300 ㎛인 것이 바람직하다.

세라믹 코팅(9)은 관형 세그먼트의 볼록한 단부 플레이트들(8a, 8b)과 원통형 부분을 커버하지만, 플랜지 링(18)의 축 방향 단부는 코팅(9)으로부터 돌출된다. 따라서, 2개의 연속적인 관형 세그먼트들(8)의 플랜지 링들(18)은 서로 유지될 수 있고 로드(11) 및 너트들(12, 13)을 사용하여 축 방향으로 클램핑될 때 전기 접촉된다.

유리하게는, 관형 세그먼트들(8)의 외면은 세라믹 코팅(9)의 키잉(keying)을 강화시키기 위해 충분한 거칠기를 갖는다.

제 1 가능성에 따라, 관형 세그먼트(8)는 그 세그먼트 축선에 대해 전형적으로 환형 회전식에 따르는 홈들(19)(도 6)을 그 외면상에 포함하며, 그 홈의 깊이는 0.1 mm의 치수이다. 변형으로, 세그먼트들(8)의 외면의 거칠기는 적절히 압축된 공기 압력에서 샌드 블라스트하여 획득된다.

튜브(4) 및 관형 세그먼트들(8)은 벽들(2, 3) 및 탱크(1)와 같이 스테인레스 강으로 구성되는 것이 바람직하다.

오존 발생기 내의 산소 함유 가스, 특히 공기를 순환시키는 수단은 탱크의 인접한 단부 플레이트 및 벽(3) 사이의 공간으로 개방된 탱크상에 입구 노즐(21)을 포함한다. 가스는 탱크의 다른 단부 플레이트 및 벽(2)에 의해 경계가 정해지는 챔버에 도착하도록 간극들(I)에서 순환할 수 있다. 오존이 풍부한 가스는 배출구 노즐(20)을 통해 방전된다.

코팅(9)을 위해 사용되는 세라믹은 다음의 요구 조건들을 만족시도록 선택된다:

- 강철 관형 세그먼트(8)의 표면에 대한 강한 접착성,

- 기계적 응력들에 대한 높은 저항성,

- 적절한 열 팽창 계수,

- 10 kV/mm보다 높은 강도를 견디는 높은 유전성,

- 조정될 수 있는 유전체 커패시턴스,

- 산화제들에 관련된 안정성

이러한 요구 조건들 중에서, 첫 번째 2개는 만족시키기에 가장 어렵다.

세라믹의 접착성은 그 세라믹의 표면을 타격하기 위해 해머를 사용하여 쉽게 테스트될 수 있다. 박편들 또는 슬리버들(slivers)의 결과적인 구성은 원뿔 구멍들을 닮아야 하고, 그것의 팁들은 관형 세그먼트의 벽상에 강철 첨부들에 의해 형성된다. 관형 세그먼트의 강철 벽의 보다 큰 영역들을 나타내는 구성은 명확하게 세라믹의 부적절한 접착성을 표시한다.

이전에 설명된 바와 같이 얻어진 관형 세그먼트(8)의 표면의 거칠기는 세라믹 코팅의 키잉을 상당히 강화시킨다.

세라믹 코팅의 기계적 강도는 발생기에서 관형 세그먼트들(8)을 조립할 때 입증될 수 있다. 이것에 대해, 레이팅된 토크보다 더 큰 토크가 축 로드(11)의 단부들에 위치되는 너트들(12 또는 13)상에 작용한다. 예를 들어, 시험 토크는 레이팅된 토크의 2배보다 더 크다. 따라서, 너트들(12, 13)의 토크가 1 Nm의 치수이도록 설계될 때, 세라믹 코팅에 대한 기계적 저항성 테스트는 대략적으로 3 Nm의 토크를 통해 수행된다. 본 발명에 따라, 적어도 2개의 층들(9a, 9b)을 통해 코팅되는 볼록한 단부 플레이트들을 갖는 관형 세그먼트들(8)은 세라믹 코팅에서 나타나는 균열없이 그러한 토크를 지탱한다.

구형 캡의 형태에 따른 관형 세그먼트들의 단부들(8a, 8b)의 볼록한 표면은 전기장에 대해 최적의 변이를 보장하는 곡률 반경을 갖는다. 단부들(8a, 8b)의 둥근 형태로 인해서 단부들은 외부 전극 및 내부 전극 사이에서 전기장의 과도하게 가파른 변형들 및 과도하게 날카로운 코너들을 피할 수 있다.

본 발명에 따른 발생기는 압력 및/또는 전압 및/또는 온도의 쇼크들을 양호하게 지탱한다. 특히, 그러한 쇼크들은 오존의 함유량이 무게로 가스의 12%를 초과할 때 오존 분해로 인한 불안정성을 나타낸다. 그러한 함유량에 대해, 오존이 분해될 때, 열의 방출과 함께 압력 쇼크들이 발생한다.

본 발명에 따른 발생기의 동작은 상기 설명들의 결과이다.

노즐(21)을 통해 진입하는 공기는 간극(I)들을 통해 흐르고, 내부 전극(7, 8) 및 외부 전극(4) 사이의 전압 때문에 전기적 방전들에 노출된다. 오존이 발생되어 오존이 풍부한 공기가 노즐(20)을 통해 빠져 나간다.

본 발명에 따른 발생기는,

통상적으로 제공되는 10 kV 대신에 16 kV의 높은 테스트 전압에서,

통상적인 동작에서 외부적 절연 실패를 유발할 수 있는 6 kw/m² 대신의 12 kw/m² 까지의 범위를 갖는 전하들과 함께,

통상적으로 제공되는 2 Nm 대신에 6 Nm 까지의 범위를 갖는 너트들(12 또는 13)상에 작용하는 기계적 토크들로 작동한다.

이러한 극단적인 동작 조건들에도 불구하고, 관형 세그먼트들(8)의 세라믹 코팅들에서는 어떠한 균열들도 나타나지 않는다.

Claims (12)

1. 오존 발생기로서,

   하나 이상의 관형 외부 전극(4)과,

   각각의 단부에서 부분적으로 또는 완전히 폐쇄되고 외부가 세라믹으로 코팅되는 복수의 관형 금속 세그먼트들(8)을 포함하는 하나 이상의 내부 전극(7)으로서, 상기 관형 세그먼트들은 앞뒤로 배치되며, 기계적으로 분리되고 전기적으로 연결되는, 내부 전극(7)과,

   환형 방전 간극(annular discharging interstice; I)을 형성하도록 상기 외부 전극에 대해서 상기 관형 세그먼트들을 유지하는 수단(10)과,

   상기 관형 세그먼트들(8)을 통해 축 방향으로 통과하고, 상기 관형 세그먼트들을 축 방향으로 서로 클램핑하는 수단(12, 13)을 그 단부에 구비하여 전기적 접촉을 이루는 로드(11)와,

   교류 전원에 상기 모든 전극들을 접속시키는 수단(14), 및

   상기 간극들에 산소 함유 가스를 순환시키는 수단(20, 21)을 포함하며,

   각각의 관형 금속 세그먼트(8)는, 전기적 접촉을 위한 중심 영역을 포함하는, 외부로 볼록한 단부 플레이트(8a, 8b)를 각각의 단부에 구비하고,

   세라믹 코팅(9)이 연속적으로 증착되는 2개 이상의 층들(9a, 9b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 코팅(9)이 상기 축 방향 로드(11)의 단부에 작용하는 레이팅된 토크의 2배 이상의 토크에 대해 균열없이 견딜 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 세라믹 코팅의 각 층(9a, 9b)의 두께는 50 및 300 ㎛ 사이에 있는 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 세라믹 코팅의 각 층(9a, 9b)은 슬러리 코팅(slurry coating) 또는 분말 코팅 또는 플라즈마 코팅에 의해 증착되는 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 관형 세그먼트들(8)의 외면은 상기 세라믹 코팅의 키잉(keying)을 강화시키는 거칠기를 나타내는 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 관형 세그먼트들(8)의 외면은 홈들(19)이 파인 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 홈들(19)의 깊이의 치수는 0.1 mm인 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 관형 세그먼트들(8)의 외면은 샌드 블라스트에 의해 거칠어지는 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 관형 금속 세그먼트의 각 단부 플레이트의 중심 영역은 상기 단부 플레이트에 대해서 상기 세라믹 코팅(9)을 지나서 축 방향에 따라 외부로 돌출되는 원통형 플랜지 링(18)에 의해 경계가 정해지는 오리피스(orifice; 17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 외부 전극(4) 및 내부 전극(7)과 상기 관형 세그먼트들(8)은 스테인레스 강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 관형 세그먼트(8)의 단부 플레이트(8a, 8b)의 곡률 반경은 상기 관형 세그먼트(8)의 원통형 부분의 반경과 동일한 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
12. 각각의 단부에서 부분적으로 또는 완전히 폐쇄되고 외부가 세라믹으로 코팅되며, 앞뒤로 배치되며 기계적으로 분리되고 전기적으로 연결되는 복수의 관형 금속 세그먼트들(8), 및 상기 관형 세그먼트들을 통해 축방향으로 통과하고 상기 관형 세그먼트들을 서로에 대해서 축방향으로 클램핑하는 수단(12, 13)을 그 단부에 구비하여 전기적 접촉을 이루는 로드(11)를 포함하는, 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 오존 발생기를 위한 내부 전극으로서,

    상기 관형 금속 세그먼트들(8) 각각은 전기적 접촉을 위한 중심 영역을 포함하는, 외부로 볼록한 단부 플레이트(8a, 8b)를 각각의 단부에 구비하고,

    세라믹 코팅(9)이 연속적으로 증착되는 2개 이상의 층들(9a, 9b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 내부 전극.

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