KR101513885B1 - 오존 발생장치의 냉각 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서 오존 발생장치의 냉각 제어를 정밀하게 수행할 수 있는 오존 발생장치의 냉각 제어 방법을 개시한다.
본 발명에 따른 제어 방법은, 오존 발생장치의 하우징 외주 면으로 밀착되도록 반원통 형상의 개방 홀을 구비한 사각기둥 구조로 이루어진 한 쌍의 방열 몸체가 상호 대향하도록 체결된 방열체; 및 상기 방열체의 적어도 일면 이상에 부착되어 상기 방열체로부터 흡열되는 열을 냉각시키기 위한 적어도 하나 이상의 펠티어 소자로 이루어진 오존 발생장치를 제어하기 위한 방법에 있어서, 상기 펠티어 소자로 공급되는 전류량 제어 신호가 펄스폭 변조(PWM) 방식에 기반하며; 오존 발생을 위해 요구되는 상기 하우징의 최적 온도(Topt)와 현재 방열체의 표면 온도(T) 간의 온도차(dT)에 비례하여 상기 펄스폭 변조(PWM)의 듀티가 결정되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 종래 수냉식 구조의 오존 발생장치로 인한 냉매 순환펌프를 필요로 하지 않아 설비 공간의 충분한 확보가 가능한 효과가 있다. 또한, 펠티어 소자를 이용한 냉각방식이 적용됨에 따라 오존 발생장치의 냉각 제어가 정밀하게 수행되어, 외기 온도의 편차를 줄일 수 있는 효과를 제공한다.

Description

오존 발생장치의 냉각 제어 방법{METHOD FOR COOLING OZONE GENERATOR}

본 발명은 오존 발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 오존 생성을 위한 방전 과정에서 발생하는 고온의 열을 방열함에 있어, 펠티어 소자를 이용하여 냉각관의 온도를 정밀하게 제어함으로써 오존의 농도저하를 억제할 수 있는 오존 발생장치의 냉각 제어 방법에 관한 것이다.

최근에 오존의 이용분야가 날로 증대함에 따라 오존을 생성하는 장치나 방법에 관한 연구가 많이 이루어지고 있으며, 다양한 구조의 오존발생장치들이 개발되어 알려져 있다. 오존을 생성하는 방법을 보면, 무성방전법, 전해법, 광화학반응, 방사선조사법, 고주파 전계법 등이 있다. 이 중에서 무성방전법은 에너지 효율면, 성능의 안정성, 조작 및 제어의 간편성 등에서 가장 우수하기 때문에 많이 활용되고 있다.

아울러 산소(O2) 동소체인 오존(O3)은 산소에 비해 1.5배의 밀도와 12.5배의 물에서의 용해도를 가지며, 산소와 극미량의 이산화탄소와 물을 제외하고 어떠한 잉여물질이나 부산물을 남기지 않는다. 또한, 오존은 전극 사이에서 충분한 높은 전압의 전기장을 가해 '코로나'를 발생시켜 마른 공기나 산소를 통과시킴으로써 생산할 수 있으며, 염소보다 5.6배 전후의 강한 산화력을 갖고 있어서 수(水)처리 할 때 철과 망간의 산화 및 응집효과가 개선된다.

또한, 오존은 난분해성 물질을 산화시켜 생분해성 물질로 전환시켜 준다. 특히 오존은 순간적인 살균작용이 있어 그 살균력은 불소(F) 다음으로 높아 염소의 7-8배나 된다. 또한, 오존은 탈색ㆍ탈취력도 있으며, 작용 후에는 산소 가스로 되어 공중으로 방출되며 나머지의 물도 산소를 많이 포함하기 때문에 재사용이 가능하다. 때문에 다른 멸균액과 같이 멸균 후 용기에 붙은 액을 세정할 필요도 없는 등의 특성이 있다.

이와 같은 오존 발생 장치는 공기나 산소에 강한 에너지를 가하여 오존을 생성시키는 장치로서, 에너지를 가하는 방법에 따라 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는, 자외선(UV)을 이용하는 방법이고, 다른 하나는 고전계 방전인 코로나(corona)방전을 이용하는 방법이다. 자외선에 의한 여기 방식에 있어서는 자외선을 발생시키는 자외선 램프의 소형화가 힘들고 쉽게 부서져서 내구성이 약하며 수명이 짧은 문제가 있다.

이에 반하여, 코로나 방전을 이용하는 방법은 에너지 효율면에서 우수하고, 성능의 안정성과 조작 및 제어의 편리성을 얻을 수 있기 때문에 오늘날 대부분의 오존 발생 장치는 코로나 방전을 이용하고 있다. 일반적으로, 코로나 방전을 이용한 오존 발생 장치는 방전에 필요한 고전압을 발생시키는 고전압 펄스파 발생회로와 공기가 유입되어 방전에 의해 오존이 발생하는 방전실로 크게 구분될 수 있다.

그러나 대부분의 오존발생장치는 고전압을 이용하여 오존을 발생하도록 하고 있어 이렇게 발생한 열을 방열시키기 위해 전극 측에 별도의 냉각수단 등을 구비시켜 발생한 열을 방열함으로써 별도의 냉각수단에 의해 오존발생장치에 별도의 공간 및 설비가 필요하다는 문제점 있었다. 또한 별도의 냉각수단은 전극 측에 밀착된 상태가 아닌 어느 정도 이격된 상태로 위치하기 때문에 전극을 효율적으로 냉각시키는데 어려움이 있었다.

1. 대한민국 등록특허 10-1212272, 등록일자 2012년 12월 07일, 발명의 명칭 '오존 발생장치' 2. 대한민국 등록특허 10-0958413, 등록일자 2010년 05월 10일, 발명의 명칭 '오존 발생장치 및 오존발생장치 제조방법'

본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 종래 수냉식 구조의 오존 발생장치로 인한 냉매 순환펌프를 필요로 하지 않아 설비 공간의 충분한 확보가 가능한 오존 발생장치의 냉각 제어 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 펠티어 소자를 이용한 냉각방식이 적용됨에 따라 오존 발생장치의 냉각 제어가 정밀하게 수행되어, 외기온도에 편차를 줄일 수 있는 오존 발생장치의 냉각 제어 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 오존 발생장치의 냉각 제어방법은, 펠티어 소자로 공급되는 전류량 제어 신호가 펄스폭 변조(PWM) 방식에 기반하며; 오존 발생을 위해 요구되는 상기 하우징의 최적 온도(Topt)와 현재 방열체의 표면 온도(T) 간의 온도차(dT)에 비례하여 상기 펄스폭 변조(PWM)의 듀티가 결정되는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 듀티 제어는, 상기 온도차(dT)가 설정된 온도 이상일 경우 상기 펄스폭 변조의 듀티를 100%로 설정하고, 상기 온도차(dT)가 0℃일 경우 상기 펄스폭 변조의 듀티를 0%로 설정한 후, 온도차의 변화율에 비례하여 듀티가 가감되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제시한 오존 발생장치의 냉각 제어 방법은, 종래 수냉식 구조의 오존 발생장치로 인한 냉매 순환펌프를 필요로 하지 않아 설비 공간의 충분한 확보가 가능한 효과가 있다. 또한, 펠티어 소자를 이용한 냉각방식이 적용됨에 따라 오존 발생장치의 냉각 제어가 정밀하게 수행되어, 오존의 농도저하를 억제하고 외기 온도에 편차를 줄일 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 오존 발생장치의 냉각 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 방열체를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 도 1의 펠티어 소자를 제어하기 위한 방법을 설명하는 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 오존 발생장치는 본 출원인에 의해 기 등록된 등록특허 10-1212272호에서 인지되는 바와 같이, 오존 발생부를 포함하고 상기 오존 발생부는 하우징의 내부에 무성방전을 발생시켜 오존을 생성하기 위한 오존발생유닛이 설치된다. 여기서, 상기 오존발생유닛은 코로나 방전(CORONA DISCHARGE)이 원활하게 수행될 수 있도록 하기 위한 유전체가 내장되며, 유전체를 중심으로 하여 다수의 전극이 설치됨은 주지된 것과 같다.

또한, 상기 하우징에는 오존의 발생을 위해 산소 또는 공기가 유입되는 산소유입구가 형성되고, 타측에는 무성방전에 의해 생성된 오존이 배출되도록 한 배출구가 형성되어 구성됨은 본 발명의 구성과 동일하다. 이에, 본 발명에서는 하우징의 외피 상으로 밀착 설치되는 냉각 시스템을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 오존 발생장치의 냉각 시스템을 나타낸 분해 사시도이다.

도시된 바와 같이, 오존 발생을 위해 외부로부터 산소를 유입시키기 위한 산소 유입구(153) 및 오존을 외부로 배출하기 위한 배출구(155)가 하우징(151)의 외주면 상으로 마련되고, 원통 구조를 갖는 오존 발생장치(150)와, 상기 오존 발생장치(150)의 하우징(151) 외주 면으로 밀착되도록 반원통 형상의 개방 홀(105)을 구비한 사각기둥 구조로 이루어진 한 쌍의 방열 몸체(101)가 상호 대향하도록 체결된 방열체(100)와, 상기 방열체(100)의 적어도 일면 이상에 부착되어 상기 방열체(100)로부터 흡열되는 열을 냉각시키기 위한 적어도 하나 이상의 펠티어 소자(121)로 이루어진다.

여기서, 상기 방열 몸체(101)는 방열 효율을 높이기 위해 길이 방향으로 다수 개의 통풍구(103)가 마련되며, 상기 산소 유입구(153) 및 배출구(155)를 수용하기 위한 제1 설치 반구(107) 및 제2 설치 반구(109)를 각각 보유한다. 그리고, 상기 통풍구(103)는 방열 몸체(101)의 길이 방향으로 형성되나 상기 개방홀(105)과 연통하지 않도록 한다. 이는 상기 하우징(151)의 발열 점을 분산시켜 방열 효율을 높이기 위한 것이다. 또한, 상기 통풍구(103)는 단면이 타원형 또는 직사각형 구조를 갖고, 상기 개방 홀(105)로부터 방사 형태를 갖도록 배열된다.

한편, 상기 각 방열 몸체(101)는 재질의 단가를 격감시킬 수 있도록 알루미늄 재질의 프레임에 구리를 도금한 합금형태가 바람직하다. 상기 방열체(100)를 구성하는 각각의 방열 몸체(101)는 다수 개의 나사 결합구(111)를 구비함으로써, 각 방열몸체(101) 간의 나사 결합을 유도한다.

또한, 방열 효율을 높이기 위해 상기 하우징(151)의 외피 상으로 방열 페이스트(Thermally Paste)를 도포한 후, 상기 방열 몸체(101)를 결합함이 바람직할 것이다. 상기 방열 페이스트는 인듐 페이스트가 가장 효율적이며, 하우징(151)의 발열량을 방열 몸체(101)로 균일하게 전달함으로써, 냉각 효율 즉, 방열 효율을 극대화할 수 있다.

이와 같이 구성된 방열체(100)는 한 쌍의 방열 몸체(101)가 조립되기 전에, 상기 오존 발생장치(150)의 하우징(151) 외주면 상으로 페이스트(Paste)가 도포된다. 이는 하우징(151)의 외주면 상으로 발열이 분산되도록 하여 냉각 효율을 높이도록 함에 있다.

상기 방열 페이스트가 도포된 후, 상기 하우징(151)의 일측 외주면으로 상기 어느 하나의 방열 몸체(101)를 부착한다. 이때, 상기 제1 설치 반구(107) 및 제2 설치 반구(109)는 각각으로 산소 유입구(153) 및 배출구(155)의 일측 외주면을 수용하도록 설치된다.

이후, 다른 하나의 방열 몸체를 기 설치된 어느 하나의 방열 몸체와 대향하도록 설치하며, 상기 나사 결합구(111)를 이용하여 나사 결합한다. 그리고, 이와 같이 조립된 방열체(100)의 각 면상으로 상기 펠티어 소자(121)가 부착되며, 고유의 본딩 소자를 이용하여 펠티어 소자(121)와 방열체(100) 간의 부착을 도모할 수 있다. 필요에 따라, 상기 펠티어 소자(121)와 방열체(100) 간 나사 결합을 통해 체결이 이루어질 수 있다. 그리고, 이하에서 설명될 온도센서는 방열체(100)의 임의 면 상으로 체결된다.

도 2는 상기 방열체(100)의 조립 상태를 나타낸 사시도이다.

도시한 바와 같이, 상기 방열체(100)는 사각 기둥형태로 구현되며, 중앙에 상기 개방 홀(105)에 의해 형성된 원통 홀을 가지며, 산소유입구(153) 및 배출가(155)가 방열체(100)의 외향으로 돌출된다.

또한, 방열체(100)의 일단에는 적어도 하나 이상의 온도센서(201)가 장착되며, 상기 온도센서(201)는 제어장치에 의해 하우징(151)의 온도를 실시간 감시하게 된다. 상기 방열체(100)에 구비된 나사 결합구(111)를 이용하여 나사 결합이 이루어짐에 따라, 하우징(151)의 외주 면 상으로 방열체(100)가 용이하게 밀착 결합하도록 한다.

이와 같이 구성된 방열체(100)는 본 출원인에 의해 특허 등록된 오존 발생장치의 운용 시스템으로 적용되는데, 이를 위해 상기 배출구(155)에 접속되는 배출 오존 량을 측정하는 센서와 연동한다. 상기 센서는 오존의 발생량을 정확하게 계측하기 위한 구성이다.

상기 센서는 오존 발생장치(150)의 하우징(151)에 마련된 배출구(155)에 근접하도록 설치되며, 상기 센서로부터 검출된 측정 정보는 제어장치에 의해 디스플레이된다. 디스플레이 수단으로써 메타, 7-세그먼트, 액정패널(LCD) 중 어느 하나의 구성이 가능할 것이다.

또한, 상기 제어장치는 인지되는 바와 같이, 기본적으로 오존 발생장치(150)의 구동 여부를 판단하여 오존 발생장치(150)로 공급되는 전원을 단속한다. 즉, 상기 제어장치 센서에 의해 감지된 오존량과 미리 입력되어 설정된 허용 배출량을 대비하게 된다. 이후, 상기 대비된 데이터에 의해 오존 발생장치(150)의 구동 여부를 판단하여 오존 발생장치(153)로 공급되는 전원을 단속하게 된다.

이를 위해 상기 제어장치는 가장 간단한 회로구성으로 마이크로 프로세서에 의한 제어회로로 구성되거나, 정밀한 데이터의 입력 및 정밀한 제어를 위해서 마이크로 컴퓨터(마이콤) 등으로 적용될 수 있다.

그리고, 본 발명으로 적용되는 시스템으로써 오존의 배출량 단속을 오존 발생장치(150)의 전원공급 단속이 아닌 타측으로 유도하여 이를 중화시키거나 별도로 사용할 수 있도록 하기 위한 오존 처리부의 구성을 더 갖추게 된다. 이러한 오존 처리부는 오존 발생장치(150) 하우징(151)의 배출구(155) 또는 상기 배출구(155)에서 연장된 배출통로에서 분지된 분지관과 연통하도록 결합설치된 후, 상기 배출통로에 밸브가 설치되어 구성된다.

이와 같은 오존처리부는 오존 발생장치(150)에서 배출되는 오존의 양이 설정된 양보다 과도하게 생성되어 배출되는 경우, 오존을 외부로 배출시키는 배출구(155) 측에 설치된 밸브를 차단하고, 배출구(155) 측에서 분기된 분지관을 통해 유도하여 과도하게 발생된 오존을 처리하게 된다.

이때, 상기 오존의 처리는 오존처리부에 산소를 공급하여 오존을 중화시키거나, 일단 오존을 저장한 후 오존 발생장치(150) 재구동시 저장된 오존을 하우징(151) 내부로 재공급하여 오존 발생효율을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 상기 저장된 오존은 오존처리부에서 별도의 배출구성을 형성하여 다른 용도로 사용할 수도 있게 된다.

한편, 본 발명에서는 펠티어 소자(121)를 이용하여 오존 발생장치(150)의 온도 제어를 수행하는데, 전술된 제어장치의 프로그램에 기초하여 펄스폭 변조 제어를 수행한다. 이는 펠티어 소자(121)로 공급되는 전류량을 온도차에 대응하는 펄스폭 변조가 이루어지도록 함으로써, 적정 온도를 정밀하게 유지토록 하는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 방열체(100)에 대한 온도 제어를 설명하기 위한 그래프이다.

도시된 바와 같이, 온도 제어는 상기 펠티어 소자(121)를 펄스폭 변조(PWM) 방식으로 제어하는 것으로, 최적 온도(Topt)와 현재 방열체(100)의 표면 온도(T)의 차이(dT)에 비례하여 펠티어 소자(121)로 공급하는 전류(전압은 고정)를 공급 제어한다. 즉, 온도차(dT)가 줄어들수록 펄스폭 변조의 듀티 또한 줄어들어 펠티어 소자(121)를 이용한 온도 제어가 정밀하게 이루어지는 것이다. 여기서, 제어장치(미도시함)의 출력 포트에 접속되는 드라이버(미도시함)를 통해 상기 펠티어 소자(121)의 전류량 제어를 수행한다.

예컨대, 최적 온도(Topt)가 10℃이고, 온도차(dT)가 20℃ 이상일 경우 펄스폭 변조의 듀티를 100%로 설정하였을 경우 그리고, 현재 온도센서(201)로부터 검출된 표면온도(T)가 32℃이면 도면의 (a)과정과 같이 듀티는 100%로 설정된다. 현재의 표면온도(T)는 최적 온도(Topt)로부터 온도차(dT) 22℃ 발생한다. 따라서, 20℃ 이상의 온도차로 인해 펄스폭 변조의 듀티는 100%로 설정된다. 이는 상기 제어장치가 펠티어 소자(121)로 공급하는 전류량을 최대치로 설정하는 것으로, 펠티어 소자(121)에 의해 방열체(100)가 급속하게 냉각된다.

이러한 과정은 오존 발생장치(150)의 초기 구동으로, 오존 발생장치(150)의 하우징(151) 온도는 급속하게 저하된다. 이후, 상기 제어장치는 온도센서(201)로부터 지속적인 온도 측정을 수행하며 예컨대, 현재의 표면온도(T)가 25℃인 경우 즉 온도차(dT)가 최적 온도(Topt)로부터 15℃ 차이가 발생한 것으로, 최대 온도차(dT) 20℃를 기준으로 5℃가 낮아진 것이며, 이는 25%의 온도 변화가 발생한 것이다.

따라서, 상기 펠티어 소자(121)로 공급되는 전류량의 펄스폭 변조는 25%가 줄어 든 75%로 재설정되는 것이다. 이는 도면의 B 구간에서 b 위치를 나타내며 'B' 구간은 선형적 온도 변화에 따른 펄스폭 변조를 도시한 것이다. 미설명된 'W'는 펄스의 주기를 나타내는 것이며, 설명의 편의상 도면에서는 확대 도시하고 있다. 물론, 펄스의 주기(W)는 대략 수 ㎳ 내지 수백 ㎳가 될 것이다.

이와 같이 기 설정된 최적 온도(Topt)와 현재의 표면온도(T)의 차이(dT)가 줄어들수록 펠티어 소자(121)를 구동하기 위한 펄스폭 변조의 듀티 또한 줄어드는 것이다. 즉, 기 설정된 최적 온도(Topt)와 현재의 표면온도(T)의 차이(dT)가 '0'일 경우에는 펠티어 소자(121)로 공급되는 전류량은 OFF 상태로서 전원 공급이 차단되는 것이다.

결국, 제어장치는 수 ㎳ 내지 수백 ㎳ 동안의 온도 변화에 대응하여 펠티어 소자(121)를 제어하는 것으로, 주변의 온도 환경에 관계없이 오존 발생장치(150)의 정확한 온도 유지가 가능하게 된다. 이는 오존 발생장치(150)의 온도 유지가 정확하게 이루어지지 않거나, 하우징(151)의 방열이 균일하게 이루어지지 못하여 발생하는 오존의 농도저하를 최소화하는 것이다.

100 : 방열체 101 : 방열 몸체
103 : 통풍구 105 : 개방 홀
107 : 제1 설치 반구 109 : 제2 설치 반구
111 : 나사 결합구 121 : 펠티어 소자
150 : 오존 발생장치 151 : 하우징
153 : 산소 유입구 155 : 배출구
201 : 온도센서

Claims (6)

1. 오존 발생장치의 하우징 외주 면으로 밀착되도록 반원통 형상의 개방 홀을 구비한 사각기둥 구조로 이루어진 한 쌍의 방열 몸체가 상호 대향하도록 체결된 방열체; 및 상기 방열체의 적어도 일면 이상에 부착되어 상기 방열체로부터 흡열되는 열을 냉각시키기 위한 적어도 하나 이상의 펠티어 소자로 이루어진 오존 발생장치를 제어하기 위한 방법에 있어서,
   상기 펠티어 소자로 공급되는 전류량 제어 신호가 펄스폭 변조(PWM) 방식에 기반하며;
   오존 발생을 위해 요구되는 상기 하우징의 최적 온도(Topt)와 현재 방열체의 표면 온도(T) 간의 온도차(dT)에 비례하여 상기 펄스폭 변조(PWM)의 듀티가 결정되는 것을 특징으로 하는 오존 발생장치의 냉각 제어 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 방열 몸체는 방열 효율을 높이기 위해 길이 방향으로 다수 개의 통풍구가 마련하며, 산소 유입구 및 배출구를 수용하기 위한 제1 설치 반구 및 제2 설치 반구를 각각 보유하고;
   상기 통풍구는 상기 방열 몸체의 길이 방향으로 형성되나 상기 개방 홀과 차단하는 것을 특징으로 하는 오존 발생장치의 냉각 제어 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 방열 몸체는 알루미늄 재질의 프레임에 구리를 도금한 합금인 것을 특징으로 하는 오존 발생장치의 냉각 제어 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 하우징의 외피 상으로 방열 페이스트(Thermally Paste)가 도포된 후, 상기 한 쌍의 방열 몸체가 체결되는 것을 특징으로 하는 오존 발생장치의 냉각 제어 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 온도차(dT)가 설정된 온도 이상일 경우 상기 펄스폭 변조의 듀티를 100%로 설정하고, 상기 온도차(dT)가 0℃일 경우 상기 펄스폭 변조의 듀티를 0%로 설정한 후, 온도차의 변화율에 비례하여 듀티가 가감되는 것을 특징으로 하는 오존 발생장치의 냉각 제어 방법.
   
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