KR101544932B1 - 디지털 제어 오존발생기 - Google Patents

Abstract

기존의 아날로그 제어 방식의 오존발생기가 갖는 온도 변화나 이물질 누적현상에 의한 방전관의 방전저항에 따른 방전전류가 가변되어 과잉방전 혹은 과소방전으로 인해 최적의 방전전류를 자동 제어하지 못한 문제를 해결하기 위해, 오존 발생기의 입력 전류를 검출하여 오존 발생기에 일정한 전류가 흐르도록 디지털로 오존 발생기에 공급되는 전류를 제어하는 마이컴을 포함하는 오존발생장치가 개시된다.

Description

디지털 제어 오존발생기{DGITAL CONTROL OZONE GENERATOER}

본 발명은 기존의 아날로그 제어 방식의 오존발생기가 갖는 온도 변화나 이물질 누적현상에 의한 방전관의 방전저항에 따른 방전전류가 가변되어 과잉방전 혹은 과소방전으로 인해 최적의 방전전류를 자동 제어하지 못한 문제를 마이컴 제어를 통해 해결한 오존발생기에 관한 것이다.

강한 산화력을 지니고 있으면서 최종적으로는 자가 분해되어 산소로 환원됨으로써 유해한 2차 오염의 우려가 없는 오존(Ozone, O₃)을 기체방전으로 발생시켜 살균, 탈취, 탈미, 정화, 실내공기정화, 식품보존, 오폐수 정수처리 및 의료분야 등 광범위한 분야로의 활용에 관한 연구가 국내외적으로 진행되고 있다.

오존은 산소(O)원자 3개가 결합된 분자로서 분자량 48, 융점 251.5℃, 비중 1.7. 결합각도는 116.8도 O-O 결합거리는 1278Å이며, 수중 용해상태에서는 4개의 공명구조를 기체상태로는 담청색, 액체는 흑청색, 고체는 암자색을 나타내는 특성을 가지고 있다. 오존을 발생시키기 위한 방법에는 여러 가지가 있으며 대표적인 방법으로는 자외선식, 전기분해식, 고압무성방전식 등이 있으며 공업용으로 효율이 우수하고 경제적인 방법은 고압 무성방전식이다. 오존 발생량은 전압과 주파수에 의해 동력밀도를 변화시켜 제어하는데 상용주파수(50/60[Hz])의 고전압(14[kV]이상)을 인가하는 방식과 이보다 2~3배 이상의 오존을 발생시키는 중주파수(500[Hz]이상)의 저전압(10[kV]이하)을 인가하는 방식으로 나뉜다.

기체방전을 이용한 오존을 발생시키는 오존발생기(ozonizer)는 1857년 독일의 Werner Von Siemens에 의하여 최초로 무성방전(silent discharge)형 오존발생기가 최초로 개발된 이래 현재까지도 실용의 오존발생기로써 많이 이용되고 있다.

그러나 실용의 무성방전형 오존발생기는 원료가스가 산소 및 공기인 경우, 오존생성수율이 각각 220 및 90[g/kWh]정도로써 열화학반응식을 이용한 이론적인 오존생성수율 1,200[g/kWh]보다 대단히 낮기 때문에 오존생성수율의 향상이 필요한 실정이다.

이에 미국과 일본을 비롯한 선진국을 중심으로 오존생성수율을 향상시키기 위하여 혼합 원료가스를 사용한 무성방전형 오존발생기, 무성방전과 연면방전을 중첩한 복합방전형 오존발생기 등 소형이면서 고농도, 고수율을 얻을 수 있는 오존발생기에 관한 연구를 진행하고 있다. 특히 오존발생기의 전극형상재료, 전극간 거리, 인가전압의 특성 등 방전형식에 영향을 미치는 인자들에 대한 연구가 오존발생기의 성능 향상을 위하여 절실한 것으로 알려지고 있다.

오존발생기는 도 1과 같이 크게 방전관과 전원공급장치로 구성되며 전원공급장치는 고주파 펄스를 발생시키는 인버터와 무성방전을 위한 고전압 발생 변압기로 구성된다.

기존의 오존발생기가 갖는 가장 큰 문제점은 오존이 공급되는 방전관에 공기 중 이물질에 의한 방전저항으로 인해 방전전류가 변화되는 것이다. 따라서 이를 일정하게 유지해야 하는데 기존의 전원공급 제어장치는 아날로그 방식으로 원하는 제어가 되지 않는다는 데 문제가 있다. 이는 결국 방전관의 수명단축과 방전관 및 유전체의 파손으로 이어지며 궁극적으로는 전원공급장치의 파손으로 이어진다. 통상 오존발생기는 3년 정도의 수명이 유지되어야 하나 실제 현장에서 사용하면 대부분 1년이 지난 시점에서 이러한 문제점으로 인해 A/S가 발생하게 되어 제품의 수명을 단축시키고 기업의 수익 구조에 악영향을 주고 있다.

두 번째 문제점으로는 방전관내부의 습기가 발생하여 무성방전을 방해하며 방전관의 과열로 인해 오존 발생량이 줄어드는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 히터나 팬을 사용하였지만 아날로그 방식이여서 정확한 온도 및 습도 제어가 힘들다는 것을 발견하였다.

마지막으로 기존에 사용하고 있는 네온사인용 고전압고주파 FBT(FlyBack Transformer)　가 네온사인의 수요감소로 인해 점차 재고가 부족해지고 있어 이를 자체 개발할 필요가 있다.

본 발명에서는 기존의 아날로그 오존 방전관의 성능을 개선하기 위해 고주파 펄스를 발생시키는 인버터를 마이컴을 통한 디지털 제어를 통해 전류제어 및 과전류 검출한다. 또한 기존의 오존발생기에는 존재하지 않는 오존발생기 상태정보를 마이컴을 통해 저장 및 표시한다.

본 발명은 기존의 아날로그 오존발생기가 갖고 있던 방전관의 방전저항에 의한 방전전류의 가변성을 마이컴을 이용하여 디지털 제어가 가능하도록 하여 방전관의 파손고장이나 오존발생량 부족 현상 등의 고장 등을 줄일 수 있다.

평면 방전관 오존발생기 오존발생기용 전원공급장치 블록 다이어그램 오존발생기용 전원공급장치 회로도 구형파 출력 주파수 조정 알고리즘 정상작동 여부 판단 알고리듬 하프브리지 회로 동작 공기 불순물 감소를 위한 방안(CAD 도면)

오존발생기는 크게 방전관과 전원공급장치로 구분할 수 있다. 방전관은 전원공급장치를 통해 공급된 전기 에너지를 이용하여 오존을 만들어 내는 부분을 말한다. 이러한 오존 발생을 위해 중요한 부분은 전원공급장치의 제어에 있다. 도 2는 마이컴에 기반하여 오존발생기에 공급하는 전원을 디지털 방식으로 제어하는 블록 다이어그램을 나타낸 것이다.

도 2의 블록 다이어그램을 바탕으로 한 회로도는 그림 3과 같다. 회로의 구성은 다음과 같은 부분으로 분류할 수 있다.

○ 입력 AC220V 전원

○ 노이즈 필터 및 DC 정류 회로(라인필터&정류회로)

○ 고전압 발생용 HALF BRIDGE 회로(하프브리지스위칭회로)

○ 고전압 트랜스포머(고압변압기)

○ FET 드라이브 회로

○ 주파수 발진 및 제어용 MICOM 회로(마이콤 회로)

○ MICOM 전원용 Flyback SMPS 회로 등(스위칭 파워 회로 5V/12V 전원)

도 3의 대략적인 동작 방식은 다음과 같다.

① C1과 LF1은 입력 노이즈 필터이고 BD1과 C3은 교류를 직류로 변환하는 정류 회로이다.

② BD2와 C4로 정류한 직류전압은 U1 2B265 PWM IC가 스위칭을 하면 교류 특성을 갖고, 트랜스포머 T1의 1차측에 인가되고 2차측에 전압이 유도되고 유도된 전압이 D5와 C13에 의해 직류전압으로 정류된다. 이렇게 정류된 직류전압은 U3 MC7805를 통해 5[V]의 정전압원이 되고 MICOM 구동 전원단에 전원을 공급하는 역할을 하게 된다. 또한 CN3의 12[V]는 오존발생기의 온도 유지 등의 목적으로 가동될 수 있는 팬의 구동을 위한 예비전원에 해당된다.

③ MICOM 회로에 전원이 공급되면 주파수 18.5[kHz]의 구형파를 Out1과 Out2로 출력한다. FET 드라이브 트랜스포머가 FET를 구동하면 Half Bridge 회로가 동작을 하고 고전압이 발생되어 오존 발생기에 방전을 하여 전류가 흐르게 되고 입력 전류를 CS1으로 검출을 합니다. 이 과정에서 입력 전류는 변류기(CT: current transformer)를 이용하는데 일반적으로 1차측에 정격 전류가 흐를 때 2차 전류가 5[A]가 흐르는 특성을 통해 입력 전류를 구할 수 있다.

④ CS1에 의해 변환된 검출전압이 MICOM C/S(current sensor)단에 인가되고 MICOM이 3[s] 간격으로 읽어서 프로그램 된 기준전압 2.5[V]와 비교해서 2.5[V]보다 높으면 주파수를 0.25[kHz]씩 증가시키고 2.5[V]보다 낮으면 주파수를 0.25[kHz]씩 감소시켜 C/S단에 입력되는 전압이 2.5[V]로 유지되도록 하여 AC220V의 입력 전류가 2[A]로 일정하게 흐르도록 하는 알고리즘을 사용한다. (도 4)

⑤ 만약 오존발생기의 부하에 문제가 발생되어 AC220V의 입력전류가 2.6[A]보다 높거나 1.2[A]보다 낮아지는 경우에는 MICOM S/D(shut-down)단에 전압이 2.8[V] 이상 또는 1.5[V] 이하가 되어 MICOM은 동작을 정지하고 20분 후에 다시 시작하도록 프로그램이 되어있다. 이한 정지 동작이 20회를 반복하게 되면 MICOM은 수동으로 RESET이 될 때 까지 동작을 정지한다. (도 5)

C/S단의 전압을 기준으로 주파수가 조정되어 출력되는 구형파 Out1과 Out2는 FET 드라이브 회로와 하프브리지 회로를 거쳐 고주파/고전압 출력을 위한 트랜스포머와 연결되어 있다. 여기서 하프브리지 회로의 동작은 도 6과 같다.

도 6과 같이 두 개의 구형파 출력은 동시에 작동되는 구간이 존재하지 않는다. 이러한 구간을 Dead zone이라 하며

로 고정하였다. 구형파의 출력 주파수에 따라 1주기의 시간은 다음과 같이 결정된다.

예를 들어 MICOM에서 출력되는 구형파의 주파수가

이면 주기는

이고

로 고정되어 있으므로

의 값을 갖는다. 이러한 구형파에 대해 전체 주기에 대해 high value가 차지하는 시간의 비율을 duty cycle이라 하고 다음과 같이 정의된다.

즉, dead zone 시간이 고정되어 있는 경우, duty cycle은 출력파형의 주파수가 커짐에 따라 작아진다. 예를 들어 구형파의 주파수가

이면 46.4[%]의 duty cycle을 갖고, 구형파의 주파수가

이면 46.6[%]의 duty cycle로 커진다.

발생시키고자 하는 오존의 농도는 오존발생기를 사용하고자 하는 용도에 따라 달라질 수 있다. 이는 target 입력전류와 관련이 있다. 이를 조절할 수 있는 장치가 회로도의 VR1과 VR2에 해당하는 가변저항이다. 앞서 설명한 출력 주파수 조정 알고리듬을 이용하여 오존방전 전류를 조정하는 원리를 다음과 같이 설명할 수 있다.

○ 오존방전 전류를 감소하는 원리

- VR1 가변저항을 왼쪽으로 돌린다.

- R14, VR1, R15 저항의 전압강하에 의해 마이컴의 C/S단에 전압이 높아진다.

- 마이컴의 C/S단에 인가된 전압이 기준전압 2.5[V] 보다 높기 때문에

- 발진 주파수가 0.25[kHz]씩 높아진다.

- 하프 브리지의 스위칭 주파수가 높아진다.

- 고압 트랜스의 2차측 전압이 낮아진다.

- 오존방전 전류가 낮아진다.

- 입력 전류가 낮아진다.

- CT 검출전압이 낮아진다.

- C15 콘덴서의 충전전압이 낮아진다.

- R14, VR1, R15 저항의 전압강하에 의해 마이컴의 C/S단에 전압이 낮아진다.

- 마이컴의 C/S단에 인가된 전압이 기준전압 2.5[V]와 같아질 때까지 반복 동작을 해서 입력 전류가 낮아진다.

○ 오존방전 전류를 증가하는 원리

- VR2 가변저항을 오른쪽으로 돌린다.

- R14, VR1, R15 저항의 전압강하에 의해 마이컴의 C/S단에 전압이 낮아진다.

- 마이컴의 C/S단에 인가된 전압이 기준전압 2.5[V] 보다 낮기 때문에

- 발진 주파수가 0.25[kHz]씩 낮아진다.

- 하프 브리지의 스위칭 주파수가 낮아진다.

- 고압 트랜스의 2차측 전압이 높아진다.

- 오존방전 전류가 높아진다.

- 입력 전류가 높아진다.

- CT 검출전압이 높아진다.

- C15 콘덴서의 충전전압이 높아진다.

- R14, VR1, R15 저항의 전압강하에 의해 마이컴의 C/S단에 전압이 높아진다.

- 마이컴의 C/S단에 인가된 전압이 기준전압 2.5[V]와 같아질 때까지 반복 동작을 해서 입력 전류가 높아진다.

○ 가변저항의 조작법

- 트랜스포커, 오존 발생기 부하, CT, 저항 등 부품의 편차로 인해서 CT 검출전압의 편차를 VR2 가변저항으로 보정한다.

- VR1 가변저항의 가변위치를 중앙에 놓고 VR2 가변저항의 가변위치는 왼쪽으로 끝까지 돌려놓고 220[V] 전원을 켜면 전류가 2[A] 이하로 흐르게 되고,

- 이때 VR2 가변저항을 오른쪽으로 서서히 돌려서 2A의 전류가 흐르도록 조정한다. - VR2 가변저항으로 보정한 후에는 VR1 가변저항으로 입력전류를 약1.5~2.5[A]까지

가변한다.

마이컴을 이용하여 디지털 제어가 가능한 오존발생기의 전원공급장치는 방전관의 모양에 따라 고압 트랜스포머의 권선비를 올바르게 선정해야 한다. 그 이유는 평면형과 원통형 방전관은 전기용량이 다르다. 이는 고압 변압기의 1차측에서 보는 임피던스에 영향을 미치게 되어 최적의 주파수가 달라지게 된다. 또한 변압기의 권선비 또한 부하 임피던스에 실질적으로 영향을 미칠 수 있으므로 중요한 파라미터가 될 수 있다.

본 발명은 두 가지 형태의 방전관을 사용하고 있다. 두 방전관은 형태만 다른 것이 아니라 특성 또한 다르다. 즉, 부하가 달라지므로 각 방전관에 적합한 전원공급장치가 구성되어야 한다. 전원공급장치에서 결정될 수 있는 파라미터로는 고압/고주파 트랜스포머(Flyback Transformer: FBT)의 권선비와 선경을 꼽을 수 있다. 또한 원통형 방전관 오존발생기에 여러 개의 방전관을 사용할 수 있다.

높은 수율의 오존을 발생시키기 위해서는 오존의 원료가 되는 공기의 상태가 중요하다. 이러한 이류로 어떤 회사의 오존발생기는 일반 공기가 아닌 산소를 사용하기도 한다. 일반 공기 대신 산소를 사용하면 수율은 향상되지만 경제적 측면에서 단점이 되기도 하므로 신중한 접근이 필요하다. 일반 공기를 오존의 원료로 사용하고 대신 불순물의 함유량을 줄이기 위해 도7과 같이 필터와 가열히터를 사용하여 불순물의 함유를 최소화 시킬 수 있다.

오존의 원료인 공기가 필터를 통해 1차적인 불순물이 걸러지고 모터팬을 지나 가열히터를 지나면서 습도를 줄여 오존발생기의 입력이 된다. 이러한 불순물 제거와 건조의 과정을 거치면 오존의 수율 향상에 큰 도움을 줄 수 있다는 것이 알려져 있다.

공기냉각기(에어칠러)를 이용하여 적정히 습도를 함유한 공기를 원형 방전관 내부에 흘려주기 위한 장치가 사용될 수 있다.

본 발명의 결과로서 기존의 아날로그 오존발생기가 갖고 있던 방전관의 방전저항에 의한 방전전류의 가변성을 마이컴을 이용하여 디지털 제어가 가능하도록 하여 방전관의 파손고장이나 오존발생량 부족 현상 등의 고장 등을 줄일 수 있게 되었다.

Claims (5)

1. 방전관에 흐르는 전류를 디지털 회로로 측정하여 오존을 발생시키는 방전관에 일정한 전류를 흐르도록 방전관에 공급되는 전원을 디지털 회로로 제어하는 오존발생장치로써,
   상기 디지털 회로는 마이컴이 사용되고,
   전원 공급장치에서 공급된 전원은 노이즈 필터, 정류회로를 거쳐 정류된 직류전압이 변압기를 거쳐 정전압이 마이컴에 공급되며,
   마이컴에 전원이 공급되면 두 개의 구형파를 출력하는데, 상기 두 개의 구형파 출력은 FET 드라이브 회로와, 하프브리지 회로를 거쳐 트랜스포머로 전송되고, 고주파이고 고전압인 상기 트랜스포머 출력이 오존 발생기에 연결되어 방전을 통해 전류가 흐르게 되고, 상기 마이컴은 상기 오존 발생기의 입력 전류를 검출하여 상기 오존 발생기에 일정한 전류가 흐르도록 디지털로 오존 발생기에 공급되는 전류를 제어하도록 동작하고,
   상기 오존 발생기의 상기 입력 전류로부터 변환된 검출 전압이 기준전압보다 높은 경우, 상기 마이컴은 출력되는 구형파의 주파수를 증가시키고, 상기 구형파의 주파수 증가에 기초하여 상기 하프브리지 회로의 스위칭 주파수가 상승하고, 상기 스위칭 주파수의 상승에 기초하여 상기 트랜스포머의 출력전압이 감소되고, 상기 출력전압의 감소에 기초하여 상기 오존 발생기의 입력 전류가 감소되고,
   상기 검출 전압이 상기 기준전압보다 낮은 경우, 상기 마이컴은 출력되는 구형파의 주파수를 감소시키고, 상기 구형파의 주파수 감소에 기초하여 상기 하프브리지 회로의 스위칭 주파수가 감소하고, 상기 스위칭 주파수의 감소에 기초하여 상기 트랜스포머의 출력전압이 증가되고, 상기 출력전압의 증가에 기초하여 상기 오존 발생기의 입력 전류가 증가되며,
   상기 검출 전압이 기 설정된 전압 값의 범위를 벗어나는 경우 상기 마이컴의 동작이 중지되되 그로부터 기 설정된 시간이 경과되면 상기 마이컴이 자동적으로 재가동되며, 상기 중지 횟수가 기 설정된 제한값을 초과하는 경우 상기 마이컴이 자동적으로 재가동되지 않는 것을 특징으로 하는 오존발생장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   동시에 작동되는 구간이 존재하지 않는 두 개의 구형파 형태의 마이컴의 출력은 검출 전압을 기준으로 주파수가 조정되는데, 동시에 작동되지 않는 구간인 dead zone 시간이 고정되어 있어서, 마이컴의 출력 신호의 주파수가 커짐에 따라 구형파에 대해 전체 주기에 대해 동작하는 시간(high value)이 차지하는 비율을 의미하는 duty cycle이 작아지고, 마이컴의 출력 신호의 주파수가 작아짐에 따라 duty cycle이 커지는 오존발생장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   발생시키고자 하는 오존의 농도는 가변저항을 이용해서 조절 가능한 오존발생장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   가변저항을 조절하여 오존방전 전류가 감소하게 될 때는 마이컴의 검출전압이 높아져 마이컴의 측정전압에 인가된 전압이 기준전압 보다 높기 때문에 발진 주파수가 높아지게 되고, 하프 브리지의 스위칭 주파수가 높아져, 트랜스포머의 출력 전압이 낮아지게 되어, 오존방전 전류가 낮아지게 되고, 그 결과로 입력 전류가 낮아져 검출전압이 낮아지는데, 마이컴에 입력되는 검출전압이 기준전압과 같아질 때까지 반복 동작을 해서 입력 전류가 낮아지게 동작하고,
   가변저항을 조절하여 오존방전 전류가 증가하게 될 때는 마이컴의 검출전압이 낮아져 마이컴의 측정전압에 인가된 전압이 기준전압 보다 낮기 때문에 발진 주파수가 낮아지게 되고, 하프 브리지의 스위칭 주파수가 낮아져, 트랜스포머의 출력 전압이 높아지게 되어, 오존방전 전류가 높아지게 되고, 그 결과로 입력 전류가 높아져 검출전압이 높아지는데, 마이컴에 입력되는 검출전압이 기준전압과 같아질 때까지 반복 동작을 해서 입력 전류가 높아지게 동작하는, 오존발생장치.

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