KR101555900B1

KR101555900B1 - 경량의 진성 안전 오존 전극

Info

Publication number: KR101555900B1
Application number: KR1020137021285A
Authority: KR
Inventors: 라이너 피첵; 에른스트 마틴 빌링; 랄프 피켄스
Original assignee: 자일럼 아이피 홀딩스 엘엘씨.
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2015-09-25
Also published as: WO2012097970A1; DE102011008947A1; CN106966367A; US20130330243A1; US8808634B2; CA2823771A1; US9174188B2; ES2611341T3; US20140314633A1; LT2665679T; DE102011008947B4; EP2665679B1; KR20140010032A; PL2665679T3; RU2590540C2; AU2012208787B2; EP2665679A1; CN103347810A; RU2013138444A; SG191761A1

Abstract

본 발명은 일정 거리에서 관형 유전체(2)를 동심으로 둘러싸는 관형 외부 전극(1)을 구비하는 오존 생성기의 전극 배열로서, 상기 유전체(2)는 일정 거리에서 로드(3)를 동심으로 둘러싸고, 상기 외부 전극(1)과 상기 유전체(2) 사이의 간극에는 필러 물질(4)이 제공되고, 상기 유전체(2)와 상기 로드(3) 사이의 간극에는 필러 물질(5)이 제공되며, 로드(3)는 절연체인 것을 특징으로 하는 전극 배열에 관한 것이다.

Description

경량의 진성 안전 오존 전극{LIGHTWEIGHT, INTRINSICALLY SAFE OZONE ELECTRODE}

본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 오존을 생성하는 디바이스에 관한 것이다.

오존은 여러 산화도(oxidisation degree)를 가지는 요소를 포함하는 유기 물질 및 무기 화합물에 대한 강력한 산화 작용제(oxidisation agent)이다. 오존은 다양한 응용 분야에 사용되며 그 일례는 수처리에 사용하는 것이다.

기술적으로, 오존은 산소를 포함하는 가스에 정적인 전기 방전(silent electrical discharge)을 통과시키는 것에 의해 생성될 수 있다. 정적인 전기 방전은 스파크 방전(spark discharge)과는 대조적인 것으로, 안정적인 플라즈마 방전이나 코로나 방전으로 이해되는 것이다. 분자 산소는 원자 산소로 분해된다. 반응 산소 원자는 이후 자체적으로 발열 반응으로 분자 산소에 부착되어 3원자 분자, 즉 오존을 형성한다. 오존은 특히 전계 강도 및 동작 온도에 의존한다.

나아가, 가스 조성물에 대한 의존이 발견되었다. 동작 온도에 대한 의존은 오존이 더 높은 온도에서 보다 급속히 다시 분자 산소로 분해하는 사실에 의존하며, 그 결과 생성되는 오존과 붕괴되는 오존 사이의 평형이 변위되어 이용가능한 오존 농도가 더 적다.

증가된 오존 수율을 초래하는 더 높은 전계 강도는 특히 갭(gap)을 감소시키는 것과 더 높은 상대적 유전 상수(dielectricity constant)를 가지는 유전체를 선택하는 것에 의해 달성될 수 있다. 도핑된 유리 또는 세라믹 물질은 더 높은 상대적 유전 상수를 가지는 유전체에 사용된다. 그러나, 세라믹 물질로 만들어진 유전체는 균일하지 않아서 실제로 균일한 물질보다 더 낮은 유전 항복 강도(dielectric breakdown strength)를 가질 수 있다는 단점을 가진다. 나아가, 높은 차원의 안정성을 가지는 몰드 형태인 높은 등급의 세라믹 물질은 극히 고가이고 더 얇은 유전체는 유전 항복 위험을 증가시킨다.

동작시 기계적 응력과 열 팽창으로 인해 벤딩(bending)과 버클링(buckling)과 함께 막을 수 없는 제조 공차로 인해 갭을 감소시키는데 한계가 수립되었다. 갭의 폭을 감소시키는 것과 높은 유전 상수를 가지는 유전체를 사용하는 것에 의해 전계 강도를 증가시키면 제조 비용이 상당히 증가되므로, 여기서 재정적 한계가 수립되었다.

상기에서 언급된 유형의 디바이스는 WO93/16001로 알려져 있다. 전기 및 열적으로 전도성이고 가스 투과성인 배열이 일련의 굴곡면을 형성하는 다수의 나선형 코일로 형성되고 이 코일과 인접한 전극 사이에 전기 코로나 방전이 형성된다. 이전에 알려진 디바이스는 실질적으로 원통형으로 대칭적이다. 내부에 전도체가 존재하는 배열은 모든 실시예에서 내부 전극을 형성한다. 상기 전도체는 와이어(wire) 또는 관(tube)이며 관형 유전체에 기계적으로 배열되고 센터링된다. 이 배열은 그 자체가 센터링 작업을 하지 않는 필러(filler)이다.

상기에 언급된 유형의 디바이스는 실질적으로 원통형으로 대칭적인 JP 1-51303에 알려져 있다. 2개의 관은 주변 스페이서(peripheral spacer)에 의해 서로 중심에 유지된다. 상기 스페이서들 사이에 환형 갭은 필러 물질로 기술되는 배열에 의해 충진된다. 이것은 필러 물질을 구비하는 경우에 불가피한 불규칙적인 방식으로 배열되며 이것은 외부 관 내에 내부 관을 기계적으로 센터링하는 작업을 하지 않는다.

전술된 두 문헌에서, 금속 전도체는 필러 물질과 전기적 접점으로 기능하는 필러 물질의 지지부로 전극 배열의 중간에 제공된다.

가장 근접한 종래 기술은 EP 0 789 666 B1에 개시된다. 이 문헌은 직접 냉각되는 외부 전극과 로드(rod) 형상의 금속 내부 전극을 구비하며 이들 사이에 유전체가 존재하는 오존 생성기를 기술한다. 편물 와이어 메쉬(knitted wire mesh)는 전극과 유전체 사이에 배열되고 이것은 제일 먼저 공급 가스로부터 냉각 전극으로 열 전달을 개선하고 다음으로 정적인 방전을 위한 복수의 공동(cavity)을 나타낸다.

전기적으로 및 열적으로 전도성이고 가스 투과성인 배열은 전극의 강제 냉각 동안, 분자 산소와 원자의 발열 반응으로 인해 및 방전으로 인해 발생된 열이 한편으로는 전극과 유전체 사이에 직접적인 열 전도성으로 연결되기 때문에, 및 다른 한편으로는 통과하여 흐르는 가스로 열 전달 면적이 상당히 증가되면서도 갭 내 모든 점으로의 열 전달 경로를 감소시키기 때문에, 전극 및 유전체 사이의 갭으로 더 잘 운반될 수 있다는 것을 의미한다. 오존이 온도 증가에 따라 다시 붕괴하는 경향이 있어서 온도 의존 평형이 오존 함량과 산소 함량 사이에서 스스로 조절되므로, 효과적인 냉각은 오존의 붕괴를 감소시켜서 수율을 개선시킬 수 있다.

산소를 포함하는 가스와 생성된 오존이 거의 층류(laminar flow)로 흐르는 통상적인 갭과는 대조적으로, 전기적으로 및 열적으로 전도성이고 가스 투과성인 배열로 인해 갭에는 난류(turbulent flow)가 야기되어 그 결과 가스 분자들이 직접 냉각가능한 전극의 표면에 점점 더 많이 도달하여 열을 더 잘 방출한다.

오존 생성기와 같은 강력한 오존 생성기에서 다수의 전극 배열과 사용되는 물질로 인해 이 온존 생성기는 극히 무거워서 이는 물질과 수송 비용을 증가시킨다. 또한 전기적으로 전도성 방식으로 연결된 내부 전극 또는 메쉬와 외부 전극 사이에 스파크오버(sparkover) 발생 거동은 이상적이지 않다. 유전체에 홀(puncture)이 있는 것으로 인해 항복(breakdown)은 일반적으로 외부 전극으로 작용하는 열교환기 관과 전극 로드 사이에 단락(short circuit)을 초래하여 전체 오존 생성기의 중지(shutdown)를 초래한다.

상기한 종래 기술에서 시작하여 본 발명의 기본적 과제는 디바이스의 전체적 중량이 감소되고 그 거동이 항복 발생시 개선된 전술된 유형의 디바이스를 개선시키는 것이다.

이 문제는 특허청구범위 제1항의 특징을 가지는 전극 배열에 의해 해결된다.

일정 거리에서 관형 유전체를 동심으로 둘러싸는 관형 외부 전극을 가지는 오존 생성기를 위한 전극 배열에서 유전체는 일정 거리에 로드를 동심으로 둘러싸고, 필러 물질은 외부 전극과 유전체 사이 간극에 및 유전체와 로드 사이 간극에 제공되며, 이 로드는 절연체이어서, 전체 전극 배열은 종래 기술에서보다 더 가벼운 것으로 설계될 수 있다. 특히, 유전체의 홀로 인해 발생된 항복 발생시에 전극 배열은 항복 동안 필러 물질만으로 구성된 실질적으로 더 가벼운 내부 전극이 실질적으로 더 높은 질량(mass) 외부 전극을 손상시킴이 없이 증발할 수 있기 때문에 진성 안전 전기 거동을 나타낼 수 있다. 오존 생성기는 일반적으로 항복에도 불구하고 동작이 유지될 수 있다.

로드가 중실(solid)인 경우 제작이 특히 용이하다. 로드는 배열의 중량을 더 감소시키는 중공(hollow)일 수도 있다.

특히 강력한 배열은 로드가 원형인 경우 생성된다. 그러나, 정사각형 로드는 생산을 간략화할 수 있다.

로드는 바람직하게는 공업용 유리(technical glass)로부터 예를 들어 DURAN 또는 PYREX 유리로부터 제조된다.

필러 물질은 바람직하게는 스테인리스 스틸로 만들어진 특히 와이어 메쉬로 만들어진다. 그러나, 망제품(netting) 또는 직물(woven fabric), 웹(web) 같은 직물 또는 구조화되지 않은(unstructured) 와이어 물질이 간단한 응용 분야에 사용될 수 있다.

특히 콤팩트한 설계는 특히 유전체와 로드 사이의 간극에 있는 필러 물질(5)이 전기 전력 공급원과 직접 연결되는 경우 달성된다.

본 발명의 일 실시예는 도면을 사용하여 아래에 설명된다.

도 1은 오존 생성기를 위한 전극 배열의 상부 절단된 길이방향 단면도;
도 2는 도 1의 전극 배열의 사시도.

도 1은 관형 외부 전극(1), 관형 유전체(2) 및 내부 로드(3)를 구비하는 오존 생성기를 위한 전극 배열의 상부 절단된 길이방향 단면을 도시한다. 이 배열은 회전 대칭을 구비한다. 외부 전극(1), 유전체(2), 및 로드(3)는 서로에 대하여 동심으로 배열된다.

편물 와이어 메쉬(4)는 간극을 충진하는 외부 전극(1)과 유전체(2) 사이에 존재한다. 편물 와이어 메쉬(5)는 유전체(2)와 로드(3) 사이에 적절히 제공되어 기거서 간극을 충진한다. 외부 전극(1)은 스테인리스 스틸 관으로 알려진 방식으로 형성되며 동작 동안 외부에서 냉각된다. 기계적 구성은 외부 전극(1)이 도 1에 따른 복수의 전극 배열을 구비하고 그 외부를 냉각수가 순환하는 관 번들 열 교환기(tube bundle heat exchanger)의 일부이도록 설계된다.

알려진 방식으로, 유전체(2)는 유리 관이다. 편물 와이어 메쉬(4, 5)는 바람직하게는 스테인리스 스틸 와이어 메쉬로부터 소위 원형 중공 코드(circular hollow cord)로 만들어진다. 이들 성분은 일반적인 종래 기술에 알려져 있다.

전극 배열의 중심에 배열된 로드(3)는 예를 들어 산소와 오존과 양립가능한 유리 또는 다른 물질로 만들어진 본 발명에 따른 절연체이다. 로드(3)는 도 1에 도시된 바와 같이 중실일 수 있다.

동작 동안, 전극 배열은 화살표(6) 방향으로 편물 와이어 메쉬(4, 5)를 통과하는 산소를 포함하는 공급 가스에 알려진 방식으로 노출된다.

도 2는 개별 성분들이 축방향으로 이격되어 도시된 도 1의 전극 배열의 개략 사시도를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 로드(3)는 관, 예를 들어, 유리 관으로 구성될 수 있다.

전기 전력 공급원(10)은 외부 전극(1)과 제일 먼저 접촉하고 다음으로 메쉬(5)와 접촉하는 것으로 개략적으로 도시된다. 전력 공급원(10)에 의해 제공되는 동작 전압은 메쉬(4, 5)의 공동에 정적인 전기 방전을 생성하며 이는 화살표(6)의 방향으로 메쉬(4, 5)를 통과하는 산소로부터 오존을 생성한다.

도 1 및 도 2에 도시된 구성에서 내부 전극은 메쉬(5)에 의해서만 형성되는 반면, 로드(3)는 절연체로서 지지하는 역할을 수행하며 편물 와이어 메쉬(5)로 유전체의 내부를 균일하게 충진하는 것을 보장한다. 로드(3)는 유전체(2)에 편물 와이어 메쉬(5)의 조립을 용이하게 할 수 있다.

절연체로 구성된 로드(3)는 전기적 특성 및 특히 오존 생성에서 전극 배열의 효과 레벨에 부정적인 영향을 미침이 없이 종래 기술에 알려진 전기적으로 전도성인 스테인리스 스틸 중심 전극에 비해 복수의 잇점을 구비하는 것으로 보인다. 절연체로 구성된 로드(3)의 잇점은 제일 먼저 더 가벼운 중량으로 구성된다. 종래 방식에 사용되는 스테인리스 스틸은 대략 7,900kg/m³의 밀도를 구비하는 반면, 로드(3)에 사용될 수 있는 공업용 유리의 밀도는 2,230kg/m³으로 지정된다. 효과적인 오존 생성기에 다수의 전극이 있는 것으로 인해 전체 중량이 감소된다.

오존 생성에 사용되는 장벽 방전에 요구되는 전기적으로 전도성인 면은 최소 요구 사이즈로 감소될 수 있다.

중요한 측면은 외부 전극(1)과 대향 전극(5)으로 사용되는 편물 와이어 메쉬 사이의 질량 비(mass ratio)에 있다. 외부 전극이 미터당 약 350g의 중량인 스테인리스 스틸 관으로 만들어지는 반면, 대향 전극은 약 0.2mm의 와이어 직경, 미터당 단지 약 12g의 중량인 스테인리스 스틸 와이어로 만들어진다. 편물 와이어 메쉬(5)는 그리하여 외부 전극(1)보다 상당히 더 가볍다. 외부 전극(1) 및 편물 와이어 메쉬(5)에 사용되는 열용량, 용융 온도, 및 용융 에너지는 다소 동일하다. 로드(3)는 항복 발생시에 전기적 공정에 수반되지 않고 이런 측면에서 무시될 수 있다.

이것은 기계적 응력으로 인해 유전체(2)에 홀이 있는 결과 발생할 수 있는 절연 에러 발생시에도 전극 배열이 진성 안전 거동(intrinsically safe behaviour)을 나타낸다는 것을 의미한다. 외부 전극(1)과 편물 와이어 메쉬(5) 사이에 단락이 있는 경우, 편물 와이어 메쉬(5)는 편물 와이어 메쉬(5)와 외부 전극(1) 사이에 충분히 큰 거리가 재수립될 때까지 전술된 질량 비 때문에 스파크오버에 의해 증발된다. 외부 전극(1)은 상당히 더 큰 질량으로 인해 공정에 악영향을 미치거나 손상을 주지 않는다. 손상된 전극은 오존 생성기에 유지될 수 있고 바로 대체될 필요가 없다. 이 진성 안전 거동은 금속 전도체가 중심 로드(3)로 사용되어 전극 배열의 중심에서 대향 전극으로 사용되는 경우에는 달성될 수 없다.

공업용 유리는 중실 원형 로드, 중실 정사각형 로드 또는 관으로 구성될 수 있는 로드(3)용으로 사용되는 기본 물질이다. 전극 배열의 다른 성분은 전술된 일반적인 종래 기술에 대응하고, 여기서 전력 공급원(10)은 메쉬에 직접 접촉하는 반면 종래 기술에서는 접촉이 중심 전극에 이루어질 수 있다.

1 : 외부 전극
2 : 유전체
3 : 로드
4 : 편물 와이어 메쉬
5 : 편물 와이어 메쉬
6 : 흐름 방향
10 : 전기 전력 공급원

Claims

소정 거리를 두고 관형 유전체(2)를 동심으로 둘러싸는 관형 외부 전극(1)을 가지는 오존 생성기의 전극 배열로서, 상기 유전체(2)는 소정 거리를 두고 로드(3)를 동심으로 둘러싸고, 상기 외부 전극(1)과 상기 유전체(2) 사이의 간극에 필러 물질(4)이 제공되고, 상기 유전체(2)와 상기 로드(3) 사이의 간극에 필러 물질(5)이 제공되는, 전극 배열에 있어서,
상기 로드(3)는 절연체이고 상기 필러 물질(5)은 내부 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 전극 배열.
제 1 항에 있어서,
상기 로드(3)는 중실(solid)인 것을 특징으로 하는 전극 배열.
제 1 항에 있어서,
상기 로드(3)는 중공(hollow)인 것을 특징으로 하는 전극 배열.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로드(3)는 원형인 것을 특징으로 하는 전극 배열.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로드(3)는 유리로 만들어진 것을 특징으로 하는 전극 배열.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필러 물질(4)과 상기 필러 물질(5)은 편물 와이어 메쉬(knitted wire mesh)로 만들어진 것을 특징으로 하는 전극 배열.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유전체(2)와 상기 로드(3) 사이의 간극에 있는 상기 필러 물질(5)은 전기 전력 공급원(10)과 연결되는 것을 특징으로 하는 전극 배열.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전극 배열의 중심에 배열된 로드(3)는 산소 및 오존과 양립가능한 유리 또는 다른 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 전극 배열.