KR101556106B1

KR101556106B1 - 고농도 오존 생성을 위한 방전장치

Info

Publication number: KR101556106B1
Application number: KR1020150057643A
Authority: KR
Inventors: 윤철
Original assignee: 윤철
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2015-09-30

Abstract

본 발명은 고농도 오존 생성을 위한 방전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무성 방전법에 의해 오존을 생성하는 방전장치에 있어서, 원통형상의 관으로서, 일단부에서 공급가스가 공급되어 내측 길이방향으로 상기 공급가스가 이동되는 유전체관과, 상기 유전체관의 길이방향을 따라 내주연에 권회되는 코일전극과, 상기 유전체관의 길이방향을 따라 상기 유전체관의 내부에 삽입되며, 상기 코일전극과 일정간격 이격되는 이송로가 형성되어 상기 공급가스가 상기 이송로를 따라 이동되는 기류안내부를 포함하여 구성된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 유전체관 내부의 기류안내부에 의해 형성된 공급가스 이송로를 따라 산소가 공급됨에 의해 산소가 저속으로 코일전극의 방전영역에 근접하도록 하여 기류중의 산소가 오존으로 변환되지 않고 배출되는 양을 최소화하여 고농도의 오존을 다량으로 생성시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 동일한 양의 산소를 공급하더라도 기존보다 훨씬 고농도의 오존을 생성시켜, 방전장치의 소비전력을 절감할 수 있으며, 방전장치의 크기와 방전장치에 산소를 공급하는 산소발생기의 크기를 소형화할 수 있어, 제조비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

고농도 오존 생성을 위한 방전장치{DISCHARGING APPARATUS FOR GENERATING HIGHLY-CONCENTRATED OZONE}

본 발명은 무성 방전법에 의한 고농도 오존 생성을 위한 방전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유전체관 내부의 기류안내부에 의해 형성된 공급가스 이송로를 통해 산소를 공급시켜 유전체관 내부로 공급되는 산소가 저속으로 코일전극의 방전영역에 근접하도록 하여 기류중의 산소가 오존으로 변환되지 않고 배출되는 양을 최소화함으로써, 고농도의 오존을 다량으로 생성할 수 있는 고농도 오존 생성을 위한 방전장치에 관한 것이다.

최근에 오존(O₃)의 이용분야가 날로 증대함에 따라 오존(O₃)을 생성하는 장치나 방법에 관한 연구가 많이 이루어져 오존(O₃)을 생성하는 다양한 방법이 개발되고 있다.

이러한 오존(O₃)을 생성하는 방법을 살펴보면, 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.

무성방전법은 1쌍의 전극 사이에 유리 또는 세라믹과 같은 유전체를 끼우고 산소함유 공기를 불어 넣으면서 전극에 6 ∼ 18kV의 교류전압을 통해주면 방전공간에서 오존(O₃)이 발생된다. 이 경우 산소공급방법이 공기원료인 경우 실용 오존농도 범위는 13 ∼ 15g/m³이며, 소비전력은 약 15 ∼ 18kW/kg-O₃이고, 순산소인 경우 실용 오존 농도범위는 100 ∼ 200g/m³이며 소비전력으로는 약 7 ∼ 13kW/kg-O₃이 소모되며, 무성방전에 의해 오존(O₃)이 형성되는 원리를 반응식으로 나타내면 반응식 1, 2와 같다.

<반응식 1>

O₂ + e- ⇒ O + O + e-

<반응식 2>

O + O₂ + M ⇒ O₃ + M

즉, 반응식 1에서 가속된 전자들에 의해 충돌 해리된 산소원자들이 산소원자들과 결합한 후, 생성된 오존(O₃)의 열분해 작용으로 반응식 2의 역반응과 같이 해리되는 반응이 일어나게 된다. 따라서 효율적인 오존 발생을 위해서는 생성된 오존(O₃)의 열분해 작용이 최소화되어야 한다.

전해법은 전기분해에 의해 오존(O₃)을 생성하는 방법으로서 백금전극에 전해액으로 황산 또는 염산 수용액을 사용하고 있으나, 이는 소비전력 56 ∼ 71 ㎾h/kg-O₃ 1kg을 얻을 수 있어 비효율적이나 질소산화물의 생성이 없고, 고농도 오존(O₃)을 얻을 수 있고 설치장비의 소형화가 가능하다는 장점도 가지고 있으며, 이는 아래의 반응식 3과 같은 반응에 의해 오존(O₃)이 생성된다.

<반응식 3>

3H₂O ⇒ O₃ + 6H⁺ + 6e-, E⁰ = 1.6VH

2H₂O ⇒ O₂ + 4H+ + 4e-, E⁰ = +1.23VI

2H⁺ + 2e- ⇒ H₂, E⁰ = +0.0VJ

광화학반응법은 지구표면 성층권에서 태양광선이 자외선에 의해 오존(O₃)이 발생하는 것과 동일한 방법인데. 산소(O₂)에 파장(λ)이 130 ∼ 175nm의 자외선을 조사하면 기저상태의 산소원자가 여기상태의 산소원자로 해리되고, 파장(λ)이 175 ∼ 242nm인 자외선을 조사하면, 다음 반응식 4와 같은 반응에 의해 오존(O₃)이 생성된다.

<반응식 4>

O₂ + hv ⇒ O(³P) + O(¹D)(λ= 130 ∼ 175nm)

O₂ + hv ⇒ O(³P) + O(³D)(λ= 175 ∼ 242nm)

O(³P) + O₂ + M ⇒ O₃ + M

이 방법은 저농도(10g/m³)만을 생산할 수 있으며, 소비전력이 매우 크게 되며(550KWh/Kg-O₃), 습도에 민감해서 상대 습도가 50%이면 오존발생량이 40%로 감소되는 단점을 가지고 있다.

방사선조사법은 그 원리가 광화학반응법과 같으며, 방사선원만 있으면 전력이 필요 없고 오존 제조 비용이 저렴하다는 장점을 갖고 있다.

그러나 방사선 발생원의 관리가 어렵고 고농도 오존제조가 불가능하며, 반응기 재질선택의 문제를 가지고 있다.

고주파 전계법이나 기타 화학법 등은 실험적으로 연구가 될 뿐 보다 상세하게 발표된 내용은 없는 실정이다.

상기한 각종 오존발생방법들의 장, 단점에 따라 무성방전법은 에너지 효율면, 성능의 안정성, 조작 및 제어의 간편성 등에서 가장 우수하기 때문에 실용적으로 가장 많이 활용되고 있다.

도 1은 종래 오존 생성을 위한 방전장치의 유전체관 내부 구조를 도시한 도면으로, 도 1의 (a)는 단면구조이고, (b)는 측단면구조를 개략적으로 나타낸 도면이고, (c)는 공급가스의 흐름을 나타낸 도면이다. 도면에서와 같이 원통형의 유전체관(100)의 내부에 코일전극(200)을 권회하고, 유전체관(100) 내부에 산소공급기(미도시)를 통해 산소를 공급시켜 코일전극(200)과 방전이 이루어지도록 하는데, 도 1의 (c)를 참조하면, 산소의 많은 양이 코일전극(200) 근방 방전구역을 벗어나 유전체관(100)의 중심부로 이동되면서 코일전극(200)과 미반응되어 오존으로 변환되지 않고 배출됨에 의해 소비전력에 비해 오전 발생량이 상대적으로 적고, 또한, 공급가스인 산소발생기의 용량도 필요 이상의 규모로 커져야 하는 문제점을 가지게 된다.

따라서, 이러한 종래 오존 생성을 위한 방전장치의 불합리한 점을 극복하고 동일한 공급가스를 공급하더라도 기존보다 고농도의 오존을 발생시키도록 하여 소비전력 대비 오존발생량을 획기적으로 증가시킬 수 있는 고농도 오존 생성을 위한 방전장치에 대한 요구가 높아지고 있는 실정이다.

한국등록특허 제 374059호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 유전체관 내부를 통과하는 공급가스인 산소가 코일전극 근방에서 기류의 속도가 느리게 형성되고, 대부분의 공급가스를 오존이 발생될 수 있는 방전구역으로 이동시켜, 기류중의 산소가 오존으로 변환되지 않고 배출되는 것을 최소화하여 고농도의 오존을 다량으로 생성하도록 하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 무성 방전법에 의해 오존을 생성하는 방전장치에 있어서, 원통형상의 관으로서, 일단부에서 공급가스가 공급되어 내측 길이방향으로 상기 공급가스가 이동되는 유전체관과, 상기 유전체관의 길이방향을 따라 내주연에 권회되는 코일전극과, 상기 유전체관의 길이방향을 따라 상기 유전체관의 내부에 삽입되며, 상기 코일전극과 일정간격 이격되는 이송로가 형성되어 상기 공급가스가 상기 이송로를 따라 이동되는 기류안내부를 포함하여 구성된다.

여기서 상기 기류안내부는 상기 유전체관의 내부에 길이방향으로 삽입되어 상기 유전체관의 내주연과 일정간격 이격되는 이송로가 형성되도록 하는 기류제어봉과, 상기 기류제어봉의 외연에 길이방향을 따라 지그재그로 다수개 형성되어, 상기 유전체관의 내주연과 일정간격 이격되도록 단부가 상기 코일전극에 접하게 되는 간격유지플레이트를 포함하여 구성된다.

아울러, 상기 간격유지플레이트는 상기 이송로상에서 상기 공급가스가 이송되는 방향으로 상기 간격유지플레이트의 단부가 경사지도록 형성된다.

또한, 상기 이송로상에서 상기 공급가스가 이송되는 방향을 향하는 상기 간격유지플레이트의 면상에는 상기 공급가스 이송방향을 따라 안내홈이 일정길이로 복수개 형성된다.

또한, 상기 간격유지플레이트의 면상에 일정간격 이격되어 형성되는 복수개의 안내홈 사이에는 상기 간격유지플레이트를 관통하여 상기 공급가스가 통과되는 통과공이 복수개 형성된다.

더욱이 상기 간격유지플레이트는 상기 기류제어봉의 길이방향과 이루는 기울기가 조절되도록 상기 기류제어봉에 회동가능하도록 결합된다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 유전체관 내부의 기류안내부에 의해 형성된 공급가스 이송로를 따라 산소가 공급됨에 의해 산소가 저속으로 코일전극의 방전영역에 근접하도록 하여 기류중의 산소가 오존으로 변환되지 않고 배출되는 양을 최소화하여 고농도의 오존을 다량으로 생성시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 동일한 양의 산소를 공급하더라도 기존보다 훨씬 고농도의 오존을 생성시켜, 방전장치의 소비전력을 절감할 수 있으며, 방전장치의 크기와 방전장치에 산소를 공급하는 산소발생기의 크기를 소형화할 수 있어, 제조비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 오존 생성을 위한 방전장치의 유전체관 내부 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 고농도 오존 생성을 위한 방전장치의 유전체관 내부 단면구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 고농도 오존 생성을 위한 방전장치의 유전체관 측단면구조를 개략적으로 표현한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 고농도 오존 생성을 위한 방전장치의 공급기체 흐름을 나타내기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 간격유지플레이트가 형성된 기류제어봉의 정단면 상세구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 간격유지플레이트가 형성된 기류제어봉의 측단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 기류제어봉에 형성된 간격유지플레이트의 상세구조를 나타낸 부분 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 기류제어봉에 결합되는 간격유지플레이트의 다른 결합단면 개념을 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 고농도 오존 생성을 위한 방전장치의 유전체관 내부 단면구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 고농도 오존 생성을 위한 방전장치의 유전체관 측단면구조를 개략적으로 표현한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 고농도 오존 생성을 위한 방전장치의 공급기체 흐름을 나타내기 위한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 고농도 오존 생성을 위한 방전장치는 무성 방전법에 의해 오존을 생성하는 방전장치로서, 유전체관(10)과 코일전극(20)과 기류안내부(30)를 포함하여 구성된다.

유전체관(10)은 원통형상의 관으로서, 유리관이나 석영관 또는 세라믹관 중 어느 하나를 사용하며, 일단부측에는 산소발생기(미도시)에서 공급되는 순산소 또는 산소가 포함된 공기 등의 공급가스가 공급되는 가스 공급부(11)와, 유전체관(10)의 내측 길이방향으로 공급가스가 이송되면서 코일전극(20) 주변에서 방전되고, 공급되는 산소가 오존으로 생성되어 타단부측에 생성가스가 배출되는 가스 배출부(12)를 포함하여 구성된다.

코일전극(20)은 스테인레스 또는 티타늄 재질로 스프링과 같은 형태로 유전체관(10)의 길이방향을 따라 내주연에 일정간격으로 권회되어, 코일전극(20)이 유전체관(10)의 내측면에 감싸지도록 하여 유전체관(10) 내부로 공급되는 산소가 코일전극(20) 주변에서 방전되도록 한다.

기류안내부(30)는 유전체관(10)의 내부에 유전체관(10)의 길이방향을 따라 삽입시켜, 코일전극(20)과 일정간격 이격되도록 하여 유전체관(10) 내부에 산소가 이송되는 이송로(13)가 형성되도록 하여, 이송로(13)를 따라 공급가스인 산소가 이송되도록 한다.

아래에서는 기류안내부에 대해 더욱 자세히 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명에 따른 간격유지플레이트가 형성된 기류제어봉의 정단면 상세구조를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 간격유지플레이트가 형성된 기류제어봉의 측단면 구조를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 기류제어봉에 형성된 간격유지플레이트의 상세구조를 나타낸 부분 사시도이다.

기류안내부(30)는 유전체관(10) 내부에 길이방향을 따라 삽입되는 기류제어봉(31)과, 유전체관(10) 내측면과의 간격을 유지하도록 하는 간격유지플레이트(32)를 포함하여 구성된다.

기류제어봉(31)은 내열성, 내산화성 재질의 원형봉 형상으로 유전체관(10) 내부에 삽입되어 기류제어봉(31)의 외주연과 유전체관(10)의 내주연 사이에 공급가스 이송로(13)가 형성되도록 한다.

간격유지플레이트(32)는 기류제어봉(31)의 외연에 기류제어봉(31)의 길이방향을 따라 지그재그로 다수개 형성되어, 유전체관(10)의 내주연에서 일정간격 이격되도록 단부가 코일전극(20)에 접하도록 형성된다. 이러한 간격유지플레이트(32)는 내부 이송로(13)의 간격을 유지하도록 함과 함께, 지그재그 형태로 설치되어 이송로(13) 내부에서 길이방향으로 이송되는 산소에 와류가 형성되도록 하여 산소가 이송로(13)에서 골고루 분산되도록 한다.

기류제어봉(31)에 형성되는 간격유지플레이트(32)는 기류제어봉(31)의 길이방향과 직교되는 방향으로 형성되지 않고 간격유지플레이트(32)의 단부가 일정 각도로 경사지도록 형성된다.

더욱 자세히 설명하자면, 공급가스 즉 산소가 공급되어 이송되는 방향으로 간격유지플레이트(32)의 단부측이 일정각도로 기울어져, 경사지도록 설치되는데, 이는 가스 공급부(11)로 공급되는 산소가 이송로를 따라 길이방향으로 이송되면서 간격유지플레이트(32)면에 부딪히거나 간격유지플레이트(32)면을 벗어나 지그재그 형태로 설치된 간격유지플레이트(32)에 의해 회오리 형태의 와류가 형성되어지는데, 이러한 간격유지플레이트(32)면에 부딪히게 되는 산소기류는 기류제어봉(31)의 외주연에 근접한 산소가 간격유지플레이트(32)의 경사면을 따라 슬라이딩되면서 타고 올라가 코일전극(20)측 방전영역으로 자연스럽게 도달되도록 한다.

아울러, 공급가스가 슬라이딩 이송되는 간격유지플레이트(32)의 경사면상에는 공급가스인 산소의 이송방향을 따라 안내홈(32a)이 일정길이로 복수개 형성된다. 이러한 안내홈(32a)은 간격유지플레이트(32)의 면상에서 일정간격으로 간격유지플레이트(32)의 단부측으로 홈의 깊이와 너비가 커지도록 형성되어, 간격유지플레이트(32)면상으로 흐르는 산소가 안내홈(32a)을 따라 간격유지플레이트(32)의 단부측으로 넓게 펼쳐지면서 코일전극(20) 근방에 넓게 접촉되도록 한다.

또한, 간격유지플레이트(32)의 면상에 일정간격 이격되어 형성되는 복수개의 안내홈(32a) 사이에는 간격유지플레이트(32)의 면이 관통되는 통과공(32b)이 복수개 형성되어, 공급가스인 산소가 통과공(32b)을 통해 빠른 기류가 형성되도록 하여, 이송로(13) 상에서 산소가 골고루 섞이면서 와류현상을 극대화시키도록 한다.

도 8은 본 발명에 따른 기류제어봉에 결합되는 간격유지플레이트의 다른 결합단면 개념을 도시한 도면으로, 도면을 참조하면 기류제어봉(31)에 결합되는 각 간격유지플레이트(32)는 기류제어봉(31)의 외면에 형성된 힌지축(33)에 축결합되고, 각 힌지축(33)은 기류제어봉(31)의 내측에 길이방향으로 전후진 구동되는 모터구동축(34)과 연결되어 모터구동축(34)의 전후진 구동에 의해 힌지축(33)이 회전되면서 간격유지플레이트(32)가 회동되도록 한다. 이는 간격유지플레이트(32)의 기울기를 조절하여 가스 배출부(12)로 배출되는 오존의 농도를 특정 농도에 알맞게 조절할 수 있도록 한다.

즉, 배출되는 오존의 농도를 높이기 위해서는 간격유지플레이트(32)가 기류제어봉(31)의 길이방향과 직교되는 방향으로 회동되도록 모터구동축(34)을 구동시키고, 반대로 농도를 낮추기 위해서는 기류제어봉(31)의 길이방향과 이루는 경사각이 작아지도록 모터구동축(34)을 구동시킨다.

아래에서는 본 발명에 따른 고농도 오존 생성을 위한 방전장치의 작동방법에 대해 자세히 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 고농도 오존 생성을 위한 방전장치는 유전체관(10)의 일측 가스 공급부(11)를 통해 순산소 또는 산소가 포함된 공기가 공급되도록 한다. 여기서 산소공급은 산소발생기를 통해 적당량의 산소가 공급되도록 한다.

그리고 유전체관(10)의 내부로 공급되는 산소는 유전체관(10)의 내주연에 권선된 코일전극(20) 주변에서 방전되어 오존이 생성되도록 하며, 이렇게 생성된 오존은 유전체관(10)의 가스 배출부(12)를 통해 배출되도록 한다.

여기서 본 발명은 유전체관(10)의 내측에 기류제어봉(31)을 삽입시켜 산소가 이송되는 이송로(13)가 형성되어 코일전극(20)과의 접촉공간이 협소해지도록 한다. 이에 따라 이송로(13)상에서 이송되는 산소는 코일전극(20) 근방 방전영역으로 이송되어 산소가 미반응되어 그대로 배출되지 않고, 반응을 통해 오존으로 생성된 가스가 배출되도록 한다.

아울러, 기류제어봉(31)과 유전체관(10)의 내주연이 일정간격 이격되도록 기류제어봉(31)에 형성된 간격유지플레이트(32)는 단부가 산소 이송방향으로 경사지도록 형성되어, 이송로(13)를 따라 공급되는 산소는 간격유지플레이트(32)면상에서 간격유지플레이트(32)의 경사면에 형성되는 안내홈(32a)을 따라 단부로 용이하게 이송되도록 안내하여, 코일전극(20) 주변에서 더욱 활발한 방전이 이루어지도록 한다.

또한, 간격유지플레이트(32)가 기류제어봉(31)에 지그재그 형상으로 기류제어봉(31)의 길이방향을 따라 다수개 설치되어 이송로(13)를 따라 이동되는 산소에 와류가 형성되도록 하여 코일전극(20) 주변에서 방전이 더욱 활발하게 이루어지도록 한다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허등록청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

10 : 유전체관 11 : 가스 공급부
12 : 가스 배출부 13 : 이송로
20 : 코일전극
30 : 기류안내부 31 : 기류제어봉
32 : 간격유지플레이트 32a : 안내홈
32b : 통과공 33 : 힌지축
34 : 모터구동축

Claims

무성 방전법에 의해 오존을 생성하는 방전장치에 있어서,
원통형상의 관으로서, 일단부에서 공급가스가 공급되어 내측 길이방향으로 상기 공급가스가 이동되는 유전체관과;
상기 유전체관의 길이방향을 따라 내주연에 권회되는 코일전극과;
상기 유전체관의 길이방향을 따라 상기 유전체관의 내부에 삽입되며, 상기 코일전극과 일정간격 이격되는 이송로가 형성되어 상기 공급가스가 상기 이송로를 따라 이동되는 기류안내부를 포함하되,
상기 기류안내부는
상기 유전체관의 내부에 길이방향으로 삽입되어 상기 유전체관의 내주연과 일정간격 이격되는 이송로가 형성되도록 하는 기류제어봉과,
상기 기류제어봉의 외연에 길이방향을 따라 지그재그로 다수개 형성되어, 상기 유전체관의 내주연과 일정간격 이격되도록 단부가 상기 코일전극에 접하고, 상기 이송로상에서 상기 공급가스가 이송되는 방향으로 단부가 경사지도록 형성되는 간격유지플레이트를 더 포함하고,
상기 이송로상에서 상기 공급가스가 이송되는 방향을 향하는 상기 간격유지플레이트의 면상에는 상기 공급가스 이송방향을 따라 안내홈이 상기 간격유지플레이트의 단부측으로 홈의 깊이와 너비가 커지도록 일정길이로 복수개 형성되고, 상기 간격유지플레이트의 면상에 형성되는 복수개의 안내홈 사이에는 상기 간격유지플레이트를 관통하여 상기 공급가스가 통과되는 통과공이 복수개 형성되는 것을 특징으로 하는 고농도 오존 생성을 위한 방전장치.
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제 1항에 있어서,
상기 간격유지플레이트는 상기 기류제어봉의 길이방향과 이루는 기울기가 조절되도록 상기 기류제어봉에 회동가능하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 고농도 오존 생성을 위한 방전장치.