KR101901557B1 - 오존 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 오존을 높은 효율로 생성할 수 있는 오존 발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 오존 발생기는, 산소를 함유하는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 수단과, 당해 원료 가스 공급 수단으로부터의 원료 가스가 유통되는 가스 유로를 형성하는 가스 유로 형성 부재와, 당해 가스 유로 내에 배치된, 자외선을 방사하는 자외선 광원을 구비하고, 당해 가스 유로를 유통하는 원료 가스에 당해 자외선 광원으로부터의 자외선을 조사함으로써 원료 가스 중의 산소에 자외선을 흡수시켜 오존을 생성하는 것으로서, 상기 자외선 광원은, 파장 200nm 이하의 자외선을 방사하는 엑시머 램프로 이루어지는 것이며, 상기 가스 유로에 있어서, 자외선 광원이 배치되어 있는 영역에서의 원료 가스의 유속이 0.1m/s 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

오존 발생기
본 발명은 오존 발생기에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 산소를 함유하는 원료 가스에 자외선을 조사하는 구성의 오존 발생기에 관한 것이다.
종래, 강한 산화력을 갖는 오존은, 예를 들면 살균, 탈취, 탈색, 유기물 제거, 유해물질 제거 및 화학물질 합성 등을 목적으로 하여 다양한 분야에서 사용되고 있다.
오존(O3)을 공업적으로 생성하는 방법의 하나로서, 예를 들면 자외선을 이용한 광화학 반응 방식이 알려져 있다. 이 광화학 반응 방식은, 산소(O2)를 함유하는 원료 가스에 대해, 발광관 내에 방전 공간을 갖는 자외선 램프 등의 자외선 광원으로부터 방사되는 자외선을 조사함으로써, 원료 가스 중의 산소에 자외선을 흡수시켜 오존 생성 반응을 발생시켜, 오존을 생성하는 것이다. 이러한 광화학 반응 방식에서는, 원료 가스로서, 산소와 함께 질소를 함유하는 가스를 이용한 경우여도, 예를 들면 무성방전 방식과 같이 질소산화물(NOx)이 생성되는 경우는 없으며, 또 방전이 발광관 내의 방전 공간에서만 발생하므로, 생성된 오존을 함유하는 오존 함유 가스 중에 전극 기인의 분진이 혼입되는 경우가 없다는 이점이 있다.
광화학 반응 방식에서는, 일반적으로, 자외선 광원으로서 저압 수은 램프가 이용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1에는, 산소를 함유하는 원료 가스가 유통되는 가스 유로 형성 부재의 내부, 즉 가스 유로 내에, 봉형의 저압 수은 램프가 배치되어 이루어지는 구성의 오존 발생기가 개시되어 있다.
그러나, 자외선 광원으로서 저압 수은 램프를 이용한 오존 발생기에서는, 하기와 같은 문제가 있다.
저압 수은 램프로부터 방사되는 광의 대표적인 파장은, 185nm와 254nm이다. 그리고, 파장 185nm은 오존 생성 파장이며, 한편, 파장 254nm은 오존 분해 파장이다. 그 때문에, 저압 수은 램프를 자외선 광원으로서 사용한 경우에는, 오존 생성 반응과 오존 분해 반응이 병렬적으로 발생하고, 또한, 오존 분해 반응에서 생긴 산소 원자(O)가 오존과 반응함으로써 오존량이 감소하므로, 효율적인 오존 발생을 기대할 수 없다.
이러한 문제에 대해, 최근에는, 자외선 광원으로서, 오존 생성 파장을 많이 포함하는 광을 방사하는 엑시머 램프를 이용하는 것이 제안되어 있다(예를 들면 특허문헌 2 참조.).
특허문헌 2에는, 봉형의 엑시머 램프를 포위하도록, 자외선 투과 재료로 이루어지는, 이중관 구조의 가스 유로 형성 부재가 배치된 구성의 오존 발생기가 개시되어 있다. 이 오존 발생기에서는, 가스 유로 형성 부재에 공급된 원료 가스는, 엑시머 램프의 전극에 접촉하는 경우가 없도록 격리된 상태가 된다. 또, 이 오존 발생기에 있어서, 엑시머 램프로서는, 주파수 1MHz~20MHz의 고주파 발광형의 것이 이용되고 있으며, 가스 유로 형성 부재의 외주에는, 자외선 반사 부재가 배치되어 있다. 또 이 오존 발생기는, 엑시머 램프와 가스 유로 형성 부재의 간극에 질소가스 등의 냉매를 유통시킴으로써 엑시머 램프를 공랭할 수 있는 것이다.
일본국 특허공개 2003-040607호 공보 일본국 특허공개 2003-165711호 공보
그러나, 자외선 광원으로서 엑시머 램프를 이용한 오존 발생기에서는, 오존을 효율적으로 생성하기 위한 조건이 분명하지 않다. 구체적으로 설명하면, 특허문헌 2에는, 오존 발생기의 구체적인 구성으로서, 엑시머 램프와 이중관 구조의 가스 유로 형성 부재에 의해 형성되는 원료 가스의 가스 유로의 위치 관계가 다른 다양한 구성이 나타나 있지만, 원료 가스의 공급 조건, 즉 가스 유로에서의 원료 가스의 유속에 대해서는 전혀 아무것도 기재되어 있지 않다.
한편, 자외선 광원으로서 저압 수은 램프를 이용한 오존 발생기에서는, 예를 들면 특허문헌 1에 기재된 오존 발생기에서는, 가스 유로 형성 부재의 내부(가스 유로)에 저압 수은 램프가 위치되는 구성에 있어서, 가스 유로에서의 원료 가스의 유속이 5~50m/s인 것이 바람직하다고 되어 있다.
엑시머 램프를 이용한 오존 발생기에 있어서, 저압 수은 램프를 이용한 오존 발생기에서의 원료 가스의 공급 조건(유속 조건)을 적용하는 것은, 그 유속이 지나치게 너무 고속이어서 실용적이지 않다. 또, 엑시머 램프를 이용한 오존 발생기에서는, 엑시머 램프가 오존 분해 파장의 광을 방사하는 일이 없는 것인 경우에는, 가스 유로 형성 부재의 내부에서 생성된 오존을 가스의 흐름에 의해 급속히 배출시킬 필요가 없다.
본 발명은, 이상과 같은 사정에 의거하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 오존을 높은 효율로 생성할 수 있는 오존 발생기를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 오존 발생기는, 산소를 함유하는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 수단과, 당해 원료 가스 공급 수단으로부터의 원료 가스가 유통되는 가스 유로를 형성하는 가스 유로 형성 부재와, 당해 가스 유로 내에 배치된, 자외선을 방사하는 자외선 광원을 구비하고, 당해 가스 유로를 유통하는 원료 가스에 당해 자외선 광원으로부터의 자외선을 조사함으로써 원료 가스 중의 산소에 자외선을 흡수시켜 오존을 생성하는 오존 발생기에 있어서,
상기 자외선 광원은, 파장 200nm 이하의 자외선을 방사하는 엑시머 램프로 이루어지는 것이며,
상기 가스 유로에 있어서, 자외선 광원이 배치되어 있는 영역에서의 원료 가스의 유속이 0.1m/s 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 오존 발생기에서는, 상기 자외선 광원을 구성하는 엑시머 램프가 봉형이며, 당해 엑시머 램프가, 상기 가스 유로에서의 가스 유통 방향을 따라 배치되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 오존 발생기에서는, 상기 가스 유로를 유통하는 원료 가스의 상대 습도가 30%RH 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 오존 발생기는, 외부에 배출되는 오존 함유 가스에서의 오존 농도가 50ppm 이하이며, 거주 공간용 살균 탈취 장치로서 이용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 오존 발생기에서는, 자외선 광원으로서, 파장 200nm 이하의 자외선을 방사하는 엑시머 램프가 이용되고 있으므로, 당해 자외선 광원으로부터의 광(자외선)에 오존 분해 파장의 광이 포함되는 일이 없다. 그 때문에, 자외선 광원으로부터의 광(자외선)이 조사되는 것에 기인하여, 생성된 오존이 분해되는 일이 없다. 또, 자외선 광원이 가스 유로 내에 배치되어 있음과 더불어, 당해 가스 유로에서의 자외선 광원이 배치되어 있는 영역의 원료 가스의 유속이 0.1m/s 이상으로 되어 있으므로, 오존 발생량의 저하를 충분히 억제할 수 있다.
따라서, 본 발명의 오존 발생기에 의하면, 높은 효율로 오존을 생성할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 오존 발생기의 구성의 일례의 개략을 나타내는 설명도이다.
도 2는, 도 1의 오존 발생기를 구성하는 엑시머 램프의 구성의 일례를, 베이스 부재 및 고주파 전원과 함께 나타내는 설명도이다.
도 3은, 실험예 1에 이용한 2개의 오존 발생기의 구성의 개략을 나타내는 설명도이다.
도 4는, 실험예 1에 이용한 한쪽의 오존 발생기의 구성의 주요부(램프 배치부)를 나타내는 설명도이다.
도 5는, 도 4에서의 A-A선의 단면도이다.
도 6은, 실험예 1에 이용한 다른 쪽의 오존 발생기의 구성의 주요부(램프 배치부)를 나타내는 설명도이다.
도 7은, 도 6에서의 A-A선의 단면도이다.
도 8은, 실험예 1에서 얻어진, 가스 유로 형성 부재의 내부의 엑시머 램프가 배치되어 있는 영역에서의 원료 가스의 유속과 오존 발생량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는, 도 8의 그래프에서의, 가스 유로 형성 부재의 내부의 엑시머 램프가 배치되어 있는 영역에서의 원료 가스의 유속이 저속인 영역을 상세하게 나타내는 그래프이다.
도 10은, 실험예 1에서 얻어진, 가스 유로 형성 부재의 내부의 엑시머 램프가 배치되어 있는 영역에서의 원료 가스의 유속과 발광관의 관벽의 온도의 관계를 나타내는 그래프, 및 당해 원료 가스의 유속과 엑시머 램프로부터 방사된 광의 광 강도(초기 광 강도에 대한 상대 강도)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은, 실험예 2에서 얻어진, 가스 유로 형성 부재의 내부를 유통하는 원료 가스의 상대 습도와 오존 발생량의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 오존 발생기의 실시형태에 대해 설명한다.
도 1은, 본 발명의 오존 발생기의 구성의 일례의 개략을 나타내는 설명도이다.
이 오존 발생기(10)는, 산소가스를 함유하는 원료 가스에 자외선을 조사함으로써 당해 원료 가스 중의 산소에 자외선을 흡수시켜 오존을 생성하고, 생성된 오존을 함유하는 오존 함유 가스를 외부로 배출하는 것이다.
오존 발생기(10)는, 장척의 직원통(直圓筒)형의 가스 유로 형성 부재(11)를 구비하고 있으며, 이 가스 유로 형성 부재(11)에서는, 일단에 가스 도입구(12A)가 형성되고, 타단에 가스 배출구(12B)가 형성되어 있다. 가스 도입구(12A)에는, 원료 가스 공급 수단(20)이 접속되어 있다. 가스 유로 형성 부재(11)의 내부에는, 원봉(圓棒)형의 엑시머 램프(30)로 이루어지는 자외선 광원이, 발광 영역의 전역이 당해 내부에 위치하도록 배치되어 있다. 이 엑시머 램프(30)는, 가스 유로 형성 부재(11)의 내경보다 작은 외경을 가짐과 더불어, 당해 가스 유로 형성 부재(11)의 전체 길이보다 짧은 발광 길이(발광 영역의 길이)를 갖는 것이다. 또 엑시머 램프(30)는, 가스 유로 형성 부재(11)의 내부에서, 관축(램프 중심축)이 가스 유로 형성 부재(11)의 관축과 대략 일치하도록 지지 부재(도시 생략)에 의해 지지되어 있다. 즉, 엑시머 램프(30)는, 외주면이 전체 둘레에 걸쳐 가스 유로 형성 부재(11)의 내주면과 이격되고, 당해 엑시머 램프(30)의 외주면과 가스 유로 형성 부재(11)의 내주면의 사이에 환상(環狀) 공간이 형성되도록 배치되어 있다. 이와 같이 하여, 가스 유로 형성 부재(11)의 내부에는, 환상 공간(구체적으로는, 원환상 공간)과, 이 환상 공간에 연통하는 기둥형 공간(구체적으로는, 원기둥형 공간)으로 이루어지는 가스 유로 형성 공간에 의해, 원료 가스 공급 수단(20)으로부터 공급된 원료 가스가 가스 배출구(12B)를 향해 유통되는 가스 유로가 형성되어 있다. 즉, 엑시머 램프(30)는, 가스 유로 내에 배치되어 있다.
그리고, 가스 유로 형성 부재(11)에는, 엑시머 램프(30)의 발광 영역이 배치되어 있는 영역 및 그 근방 영역에 의해, 원료 가스에 엑시머 램프(30)로부터의 자외선을 조사하는 오존 발생부가 형성되어 있다. 또, 오존 발생부의 상류측(가스 도입구(12A)측)에는 원료 가스 유통부가 형성되고, 한편, 오존 발생부의 하류측(가스 배출구(12B)측)에는 오존 함유 가스 유통부가 형성되어 있다.
도 1의 예에서, 엑시머 램프(30)는, 가스 유로 형성 부재(11)의 내부에 있어서, 가스 도입구(12A)의 근방 위치에 배치되어 있다.
또 도 1에서는, 오존 발생기(10)에서의 가스의 유통 방향이 화살표로 나타내어져 있다.
가스 유로 형성 부재(11)에서는, 오존 발생부 및 오존 함유 가스 유통부에서의 내주면의 전면, 즉 내주면에서의 엑시머 램프(30)로부터의 자외선이 조사된 원료 가스에 접촉하는 영역이, 오존에 대한 내성을 갖고 있다.
도 1의 예에서, 가스 유로 형성 부재(11)는, 염화비닐 수지로 이루어짐으로써, 내주면의 전면이 오존에 대한 내성을 갖는 것으로 되어 있다.
또 가스 유로 형성 부재(11)는, 자외선 조사 영역, 즉 오존 발생부에서의 내주면의 전면이 자외선 반사능을 갖는 것임이 바람직하다.
가스 유로 형성 부재(11)가, 자외선 조사 영역에서 자외선 반사능을 갖기 때문에, 엑시머 램프(30)로부터의 자외선을 유효하게 이용할 수 있다. 그 때문에, 오존 발생기(10)에서는, 보다 높은 효율로 오존을 생성할 수 있다.
자외선 광원을 구성하는 엑시머 램프(30)는, 파장 200nm 이하의 자외선을 방사하는 것이다.
자외선 광원이 파장 200nm 이하의 자외선을 방사하는 엑시머 램프(30)로 이루어지기 때문에, 원료 가스에 대해, 오존 분해 파장의 자외선(구체적으로는, 파장 254nm의 광)이 조사되는 일이 없다. 그 때문에, 자외선 광원으로부터의 자외선이 조사되는 것에 기인하여, 생성된 오존이 분해되는 일이 없다. 또한, 엑시머 램프(30)에는, 큰 오존 발생량을 얻기 위해, 저압 수은 램프와 같이, 큰 투입 전력이 필요해지는 일이 없다. 그 때문에, 오존 발생기(10)에서는, 높은 효율로 오존을 생성할 수 있다.
여기에서 본 발명에 있어서 「엑시머 램프」란, Kogelschatz, Pure＆Appl. Chem. Vol.62, No.9, 1990, p1667-1674에 나타나 있는 바와 같이, 유전체를 통해 50Hz~수MHz의 고주파 전압이 인가됨으로써 발생하는 방전(유전체 배리어 방전)을 이용하는 램프이다.
이 엑시머 램프(30)는, 오존 생성 파장이 200nm 이하이므로, 200nm보다 짧은 파장역에서 큰 방사 강도를 갖는 것임이 바람직하다.
엑시머 램프(30)의 바람직한 구체예로서는, 중심 파장 172nm의 크세논 엑시머 램프를 들 수 있다.
엑시머 램프(30)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 석영유리 등의 자외선 투과 재료에 의해 구성되며, 일단(도 2에서의 우단)이 봉지되고, 타단(도 2에서의 좌단)에 핀치 시일링법에 의해 편평형의 봉지부(42A)가 형성된 직원통형의 발광관(41)을 구비하고 있다. 이 발광관(41)의 내부에는, 크세논가스 등의 희가스가 봉입되어 있음과 더불어, 코일형의 내부 전극(44)이, 발광관(41)의 관축을 따라 연장되도록 배치되어 있다. 이 내부 전극(44)은, 내부 리드(45)를 통해 봉지부(42A)에 매설된 금속박(46)에 전기적으로 접속되어 있으며, 금속박(46)에는, 봉지부(42A)의 외측 단면으로부터 바깥쪽으로 돌출되는 내부 전극용 외부 리드(47)의 일단부가 전기적으로 접속되어 있다. 또 발광관(41)의 외주면에는, 망상(網狀)의 외부 전극(48)이 설치되어 있으며, 외부 전극(48)에는, 봉지부(42A)를 따라 연장되는 외부 전극용 외부 리드(49)의 일단부가 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 내부 전극(44)과 외부 전극(48)이 발광관(41)의 내부 공간 및 발광관(41)의 관벽을 통해 대향하는 영역에서, 발광 영역이 형성되어 있다. 이와 같이 하여, 발광관(41)의 내부에 방전 공간이 형성되어 있다.
또 엑시머 램프(30)의 봉지부(42A)에는, 세라믹제의 베이스 부재(51)가 장착되어 있다. 이 베이스 부재(51)에는, 급전선(52, 53)이 배치되어 있으며, 이 급전선(52, 53)에는, 각각 외부 전극용 외부 리드(49)의 타단부 및 내부 전극용 외부 리드(47)의 타단부가 접속되어 있다.
그리고 엑시머 램프(30)는, 내부 전극(44)이, 내부 리드(45), 금속박(46), 내부 전극용 외부 리드(47) 및 베이스 부재(51)의 급전선(52)을 통해 고주파 전원(54)에 접속되고, 외부 전극(48)이, 외부 전극용 외부 리드(49) 및 베이스 부재(51)의 급전선(53)을 통해 접지되어 있다.
도 2의 예에서, 발광관(41)은 일단에 배기관 잔부(42B)를 갖는 것이다.
원료 가스는, 산소를 함유하는 것이다.
원료 가스로서는, 오존 발생기(10)의 외부 분위기를 구성하는 가스, 즉 공기(주위 공기) 등이 이용된다.
도 1의 예에서, 원료 가스로서는, 외부 분위기를 구성하는 가스(주위 공기)가 이용되고 있다.
또 원료 가스는, 가스 유로 형성 부재(11)의 내부(가스 유로), 구체적으로는 오존 발생부에서, 그 상대 습도가 30%RH 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 20%RH 이하이다.
가스 유로를 유통하는 원료 가스의 상대 습도가 30%RH 이하이므로, 후술의 실험예(구체적으로는, 실험예 2)로부터 확인되는 바와 같이, 보다 높은 효율로 오존을 생성할 수 있다.
원료 가스 공급 수단(20)은, 원료 가스를 구성하는 가스의 종류, 및 원료 가스에 필요로 하는 습도 조건 등에 따라 적절한 것이 이용된다.
구체적으로는, 원료 가스로서 주위 공기를 이용하는 경우에는, 원료 가스 공급 수단(20)으로서, 오존 발생기(10)의 외부로부터 주위 공기를 받아들여, 가스 유로 형성 부재(11)의 내부에 도입하여 유통시킬 수 있는 것이 이용된다.
또 원료 가스로서, 주위 공기보다 습도가 낮은 가스(건조 공기)를 이용하는 경우에는, 원료 가스 공급 수단(20)으로서, 오존 발생기(10)의 외부로부터 주위 공기를 받아들여, 그 주위 공기를 제습하여 얻어진 건조 공기를, 가스 유로 형성 부재의 내부에 도입하여 유통시킬 수 있는 것이 이용된다.
도 1의 예에서, 원료 가스 공급 수단(20)으로서는, 송풍기(21)의 가스 유입부(22A)에 플렉시블 덕트(24)가 부착되어 이루어지는 구성의 것이 이용되고 있다. 이 원료 가스 공급 수단(20)은, 송풍기(21)의 가스 유출부(22B)를 통해 가스 유로 형성 부재(11)의 가스 도입구(12A)에 접속되어 있으며, 플렉시블 덕트(24)의 일단(24A)에 의해 주위 공기를 받아들이기 위한 취입구(取入口)가 형성되어 있다.
원료 가스 공급 수단(20)에 의한 원료 가스의 공급 조건은, 가스 유로 형성 부재(11)의 내부(가스 유로)에서, 원료 가스가 소기의 유속으로 유통되도록, 가스 유로 형성 부재(11)의 내경이나 엑시머 램프(30)의 외경 등을 고려하여 적절히 정해진다.
가스 유로 형성 부재(11)의 내부(가스 유로)에서, 엑시머 램프(30)가 배치되어 있는 영역, 구체적으로는, 엑시머 램프(30)의 발광 영역이 위치되어 있는 영역(이하, 「광원 배치 영역」이라고도 한다.)에서의 원료 가스의 유속(이하, 「광원 공급 가스 유속」이라고도 한다.)은 0.1m/s 이상이 된다.
여기에서 광원 공급 가스 유속이란, 가스 유로 형성 부재(11)의 내주면과 엑시머 램프(30)의 외주면에 의해 구획되는 환상 공간에서의 원료 가스의 유속으로서, 가스 유로에서의 가스 유량을 F[m3/s], 광원 배치 영역의 가스 유통 방향에 수직인 단면의 단면적을 D[m2]로 할 때, 하기의 수식 (1)로 산출되는 값이다. 또한 단면적 D는, 광원 배치 영역의, 가스 유로에서의 가스 유통 방향에 수직인 단면의 단면적에서, 엑시머 램프(30)의 가스 유통 방향에 수직인 단면의 단면적을 뺌으로써 산출할 수 있다.
수식 (1) :
광원 공급 가스 유속=F/D
광원 공급 가스 유속이 0.1m/s 이상이므로, 후술의 실험예(구체적으로는, 실험예 1)로부터 확인되는 바와 같이, 높은 효율로 오존을 생성할 수 있다.
그 이유는 반드시 명확하지는 않지만, 이하와 같이 추측된다.
오존은 열분해되는 것이며, 또 엑시머 램프(30)는 점등에 수반하여 그 온도가 상승하는 것이다. 그 때문에, 오존 발생부에서 생성된 오존은, 엑시머 램프(30)로부터의 열에 의해 열분해될 우려가 있다. 그러나 원료 가스가, 광원 공급 가스 유속 0.1m/s 이상으로 유통되게 되면, 엑시머 램프(30)를 따라 유통되는 원료 가스의 흐름에 의해, 생성된 오존을 열분해가 발생하기 전에 오존 발생부로부터 이동시킬 수 있다. 또한, 원료 가스의 흐름에 의해, 엑시머 램프(30)가 냉각되므로, 엑시머 램프(30)로부터의 열에 의한 오존의 열분해의 발생이 억제된다. 그 결과, 엑시머 램프(30)로부터의 열에 의해 오존이 열분해되는 것에 기인하는 오존 발생량의 저하를 충분히 억제할 수 있다.
또 오존 발생기(10)에서는, 후술의 실험예(구체적으로는, 실험예 1)로부터 확인되는 바와 같이, 광원 공급 가스 유속이 어떤 일정한 값 이상(구체적으로는, 예를 들면 2m/s 이상)이 됨으로써, 안정된 오존 발생 효율이 얻어지게 된다.
광원 공급 가스 유속은, 예를 들면 원료 가스 공급 수단(20)을 구성하는 송풍기(21)에 대한 입력 전압, 플렉시블 덕트(24)의 일단(24A)에 의해 구성된 취입구의 면적(취입 면적) 등에 의해 조정할 수 있다.
이러한 구성의 오존 발생기(10)에서는, 원료 가스 공급 수단(20)에 의해, 외부 분위기를 구성하는 가스(주위 공기)가, 원료 가스로서 가스 도입구(12A)를 통해 가스 유로 형성 부재(11)의 내부(가스 유로)에 공급된다. 이 가스 유로 형성 부재(11)의 내부에 공급된 원료 가스는, 원료 가스 유통부를 유통하여, 오존 발생부에 도달한다. 그리고, 오존 발생부에서는, 가스 배출구(12B)를 향해 유통되는 원료 가스에 대해, 엑시머 램프(30)로부터의 광(자외선)이 조사된다. 이에 따라, 원료 가스 중의 산소가 자외선을 흡수함으로써 오존 생성 반응이 발생하여 오존이 생성된다. 이와 같이 하여 원료 가스에 자외선이 조사됨으로써 생성된 오존을 함유하는 오존 함유 가스가, 오존 함유 가스 유통부를 유통하여, 가스 유로 형성 부재(11)의 가스 배출구(12B)로부터 오존 발생기(10)의 외부로 배출된다.
그리고 오존 발생기(10)에서는, 자외선 광원으로서, 파장 200nm 이하의 자외선을 방사하는 엑시머 램프(30)가 이용되고 있으므로, 당해 자외선 광원으로부터의 광(자외선)에 오존 분해 파장(254nm)의 광이 포함되는 일이 없다. 그 때문에, 자외선 광원으로부터의 광(자외선)이 조사되는 것에 기인하여, 생성된 오존이 분해되는 일이 없다.
또, 엑시머 램프(30)가 가스 유로 내에 배치되어 있음과 더불어, 광원 공급 가스 유속이 0.1m/s 이상이 되기 때문에, 오존 발생량의 저하를 충분히 억제할 수 있다. 그 이유는, 전술한 바와 같이, 원료 가스의 흐름의 작용에 의해 생성된 오존이 열분해하는 것을 억제할 수 있기 때문이라고 추측된다.
따라서, 오존 발생기(10)에 의하면, 높은 효율로 오존을 생성할 수 있다.
또 오존 발생기(10)에서는, 엑시머 램프(30)가 가스 유로에서의 가스 유통 방향을 따라 배치되어 있으므로, 보다 높은 효율로 오존을 생성할 수 있다.
또 오존 발생기(10)에서는, 가스 유로를 유통하는 원료 가스의 상대 습도를 30%RH 이하로 함으로써, 보다 높은 효율로 오존을 생성할 수 있다.
이 오존 발생기(10)는, 원료 가스의 공급 조건 및 가스 유로의 형상(구체적으로는, 가스 유로 형성 부재(11)의 내경 및 전체 길이, 엑시머 램프(30)의 외경 및 전체 길이, 및 엑시머 램프(30)로의 전기 입력 등) 등을 조정함으로써, 외부로 배출되는 오존 함유 가스의 오존 농도를 용이하게 제어할 수 있다.
따라서, 오존 발생기(10)는, 외부로 배출되는 오존 함유 가스의 오존 농도를, 인체에 악영향을 미치지 않는 농도, 구체적으로는 50ppm 이하로 할 수 있으므로, 거주 공간용 살균 탈취 장치로서 적합하게 이용할 수 있다. 이 오존 발생기(10)로 이루어지는 거주 공간용 살균 탈취 장치에 의하면, 거주 공간 분위기를 높은 효율로 살균 탈취 처리할 수 있다.
이상, 본 발명의 오존 발생기에 대해 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기의 예에 한정되는 것은 아니며, 여러 가지 변경을 추가할 수 있다.
예를 들면, 자외선 광원을 구성하는 봉형의 엑시머 램프는, 후술의 실험예(구체적으로는, 실험예 1)로부터 확인되는 바와 같이, 오존 발생 효율의 관점에서, 원료 가스의 유통 방향을 따라 배치되어 있는 것이 바람직하지만, 원료 가스의 유통 방향에 대해 수직으로 배치되어 있어도 된다(도 6 및 도 7 참조).
엑시머 램프가 원료 가스의 유통 방향에 대해 수직으로 배치되어 이루어지는 오존 발생기에서는, 엑시머 램프는, 발광 영역의 전역이 가스 유로 형성 부재의 내부(가스 유로)에 위치하도록 배치된다. 또 엑시머 램프는, 발광 영역이 가스 유로 형성 부재의 내부에 위치하고 있으면, 다른 부분(구체적으로는, 예를 들면 양단부)이 가스 유로 형성 부재의 외부에 위치하고 있어도 된다.
이하, 본 발명의 실험예에 대해 설명한다.
[실험예 1]
이 실험예 1에서는, 원료 가스의 유속(광원 공급 가스 유속)과 오존 발생량(얻어지는 오존 함유 가스에서의 오존 농도)의 관계, 및 자외선 광원(엑시머 램프)의 배치 상태(가스 유로 내에서의 자세)와 오존 발생량(얻어지는 오존 함유 가스에서의 오존 농도)의 관계를 확인하였다.
JIS B 8330의 「송풍기의 시험 및 검사 방법」에 준거하여, 도 3~도 5에 나타내는 바와 같은 실험용 오존 발생기(이하, 「오존 발생기(A)」라고도 한다.)를 제작하였다.
오존 발생기(A)는, 도 3에 나타내어지는 바와 같이, 직원통형의 가스 유로 형성 부재(11)를 구비하고 있으며, 이 가스 유로 형성 부재(11)에서는, 일단에 가스 도입구(12A)가 형성되고, 타단에 가스 배출구(12B)가 형성되어 있다. 또 가스 도입구(12A)에는, 송풍기(21)의 가스 유입부(22A)에 플렉시블 덕트(24)가 부착되어 이루어지는 구성의 원료 가스 공급 수단(20)이, 당해 송풍기(21)의 가스 유출부(22B)를 통해 접속되어 있다. 또, 가스 유로 형성 부재(11)의 램프 배치부(11A)에서는, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 도 2에 나타낸 구성의 엑시머 램프(30)가, 발광 영역의 전역이 가스 유로 형성 부재(11)의 내부에 위치하도록, 관축(램프 중심축)(C)이 당해 가스 유로 형성 부재(11)의 관축에 대략 일치하여 배치되어 있다. 즉, 엑시머 램프(30)는, 가스 유로에서의 원료 가스의 유통 방향에 수직인 방향으로 연장되도록 배치되어 있다.
도 3 및 도 4에서는, 오존 발생기(A)에서의 가스의 유통 방향이 화살표로 나타내어져 있다.
오존 발생기(A)에서, 가스 유로 형성 부재(11)는, 내경 100mm, 전체 길이 1m인 염화비닐 수지제의 직관(直管) 2개가 연결된, 전체 길이 2m의 것이며, 2개의 직관의 이음매에는, 두께 30mm의 격자형상(격자 치수 : 10mm×10mm)의 정류 격자(61)가 배치되어 있다. 또 엑시머 램프(30)는, 가스 유로 형성 부재(11)의 내부에서, 가스 도입구(12A)로부터 500mm 이격된 위치를 중심으로 하여 배치하였다(도 4 참조).
또 원료 가스 공급 수단(20)에서, 송풍기(21)로서는, 「DC 블로어 : MBD12-24」(오리엔탈 모터사제)를 이용하고, 플렉시블 덕트(24)로서는, 내경 100mm, 전체 길이 2m인 알루미늄제의 것을 이용하였다.
또 엑시머 램프(30)로서는, 발광 길이 90mm, 배기관 잔부(42B)(도 2 참조)의 돌출 높이 5mm인 크세논 엑시머 램프를 이용하였다. 또 엑시머 램프(30)에는, 전체 길이(엑시머 램프(30)의 관축 방향의 길이) 10mm의 베이스 부재(51)(도 2 참조)가 장착되어 있다.
또 오존 발생기(A)에서, 도 6 및 도 7에 나타내는 바와 같이, 엑시머 램프(30)가, 관축(램프 중심축)(C)이 가스 유로 형성 부재(11)의 관축에 수직인 방향(가스 유로에서의 원료 가스의 유통 방향에 대해 수직인 방향)으로 연장되도록 배치되어 있는 것 이외는, 당해 오존 발생기(A)와 동일한 구성의 실험용 오존 발생기(이하, 「오존 발생기(B)」라고도 한다.)를 제작하였다.
오존 발생기(B)에서, 엑시머 램프(30)는, 가스 도입구(12A)로부터 500mm 이격된 위치에 있어서, 가스 유로 형성 부재(11)를 경방향으로 관통하여, 발광 영역이 가스 유로 형성 부재(11)의 내부에 위치하고, 베이스 부재(51)(도 2 참조)의 일부 및 배기관 잔부(42B)(도 2 참조)가 가스 유로 형성 부재(11)의 외주면으로부터 돌출되도록 배치되어 있다. 그리고, 베이스 부재(51) 및 배기관 잔부(42B)에서의 돌출 부분은, 알루미늄 테이프에 의해 봉지되어 있다.
도 6에서는, 오존 발생기(B)에서의 가스의 유통 방향이 화살표로 나타내어져 있다.
제작한 오존 발생기(A) 및 오존 발생기(B)의 각각에 대해, 외부 분위기를 구성하는 가스(주위 공기)로 이루어지는 원료 가스를, 여러 가지 유속(광원 공급 가스 유속)이 되도록 공급하였다. 여기에서 원료 가스의 유속(광원 공급 가스 유속)의 조정은, 플렉시블 덕트(24)의 일단(24A)에 의해 구성된 취입구의 일부를 차폐하거나, 혹은 송풍기(21)에 대한 입력 전압을 조정함으로써 행하였다. 그리고, 가스 유로 형성 부재(11)의 내부(가스 유로)의 엑시머 램프(30)가 배치되어 있는 영역(광원 배치 영역)에서, 유통되는 원료 가스의 습도(상대 습도)가 26%RH인 것을 확인하고, 그 직후에 엑시머 램프(30)를 점등하여, 광원 배치 영역에서 오존 발생량을 측정하였다. 결과를 도 8 및 도 9에 나타낸다. 이 도 8 및 도 9에서는, 오존 발생기(A)에 따른 결과가 사각 플롯(□)으로 나타내어져 있으며, 오존 발생기(B)에 따른 결과가 마름모꼴 플롯(◇)으로 나타내어져 있다.
또 오존 발생기(A)에서는, 엑시머 램프(30)의 점등 중에, 엑시머 램프(30)의 발광관(41)(도 2 참조)의 관벽의 온도(램프 관벽 온도)를 측정함과 더불어, 당해 엑시머 램프(30)로부터 방사되는 광의 광 강도를 측정하여, 발광관(41)의 관벽의 온도가 40℃인 경우의 광 강도(초기 광 강도)를 100%로 했을 때의 상대 강도(초기 광 강도에 대한 상대 강도)를 산출하였다. 결과를 도 10에 나타낸다. 도 10에서는, 램프 관벽 온도에 따른 결과가 원 플롯(○)으로 나타내어져 있으며, 초기 광 강도에 대한 상대 강도에 따른 결과가 마름모꼴 플롯(◇)으로 나타내어져 있다.
실험예 1의 결과로부터, 자외선 광원으로서, 파장 200nm 이하의 자외선을 방사하는 엑시머 램프를 이용하는 경우에는, 가스 유로에 있어서, 엑시머 램프(자외선 광원)가 배치되어 있는 영역(광원 배치 영역)에서의 원료 가스의 유속(광원 공급 가스 유속)을 0.1m/s 이상으로 함으로써, 높은 효율로 오존을 생성할 수 있는 것이 확인되었다. 또한, 광원 공급 가스 유속이 일정한 값 이상(구체적으로는, 2m/s 이상)이 됨으로써, 안정된 오존 발생 효율이 얻어지는 것이 확인되었다.
또, 자외선 광원으로서 봉형의 엑시머 램프를 이용하는 경우에서는, 당해 엑시머 램프를, 가스 유로에서의 원료 가스의 유통 방향을 따라 배치함으로써, 보다 높은 효율로 오존을 생성할 수 있는 것이 확인되었다.
구체적으로 설명하면, 도 8로부터 확인되는 바와 같이, 오존 발생기(A) 및 오존 발생기(B)에서는, 어느 오존 발생기에서나, 광원 공급 가스 유속이 2.0m/s에 도달할 때까지는 오존 발생량은 서서히 증가하지만, 광원 공급 가스 유속이 2.0m/s를 초과하면, 오존 발생량은 거의 일정한 값으로 안정된다. 그리고, 도 9로부터 확인되는 바와 같이, 광원 공급 가스 유속이 0.05m/s일 때에는 오존 발생량이 약 420mg/h인 것에 반해, 광원 공급 가스 유속이 약 0.1m/s일 때의 오존 발생량은, 오존 발생기(A)에서는 810mg/h, 오존 발생기(B)에서는 710mg/h로 극적으로 증가한다.
또, 도 8 및 도 9로부터 확인되는 바와 같이, 오존 발생기(A)와 오존 발생기(B)를 비교하면, 오존 발생기(A)는, 오존 발생기(B)에 비해 오존 발생량이 커지고 있다.
그 이유에 대해서는, 도 10에 의거하여 이하와 같이 추측된다.
엑시머 램프는, 전술한 바와 같이, 발광관의 관벽의 온도가 상승하면, 방사되는 광의 광 강도가 감소하는 것이다. 도 10으로부터 확인되는 바와 같이, 광원 공급 가스 유속이 1m/s에 도달할 때까지는, 유속이 증가함에 따라, 발광관의 관벽의 온도가 저하하여 엑시머 램프로부터 방사되는 광의 광 강도가 서서히 증가한다. 한편, 원료 가스 유속이 1m/s를 초과하면, 발광관의 관벽의 온도의 저하가 서서히 감소하여, 엑시머 램프로부터 방사되는 광의 광 강도도 서서히 안정된다. 그리고, 광원 공급 가스 유속이 2m/s인 경우에는, 발광관의 관벽의 온도는 61℃, 엑시머 램프로부터 방사되는 광의 강도(상대 강도)는 99%로 안정된다. 여기에서 도 10에는 기재하고 있지 않지만, 광원 공급 가스 유속이 2m/s를 초과하는 경우에서도, 엑시머 램프의 관벽의 온도, 엑시머 램프로부터 방사되는 광의 광 강도(상대 강도)는, 광원 공급 가스 유속이 2m/s인 경우와 거의 차이가 없었다.
이상으로부터, 광원 공급 가스 유속을 0.1m/s 이상으로 함으로써 오존을 높은 효율로 생성할 수 있는 이유는, 전술한 바와 같다. 즉, 원료 가스의 흐름에 의해, 생성된 오존을 열분해가 발생하기 전에 엑시머 램프 근방으로부터 이동시킬 수 있음과 더불어, 엑시머 램프를 냉각할 수 있으므로, 엑시머 램프로부터의 열에 의해 오존이 열분해되는 것에 기인하는 오존 발생량의 저하를 충분히 억제할 수 있기 때문이라고 추측된다. 한편, 광원 공급 가스 유속이 0.1m/s 미만인 경우에서는, 엑시머 램프 근방에서의 오존의 정체가 현저해져, 엑시머 램프로부터의 열에 의한 오존의 열분해의 영향이 커지므로, 오존 발생량의 저하가 현저해진다고 추측된다.
또, 광원 공급 가스 유속이 일정한 값 이상(구체적으로는, 2m/s 이상)이 됨으로써 안정된 오존 발생 효율이 얻어지는 이유는, 엑시머 램프로부터 방사되는 광의 광 강도가 일정한 값으로 안정되었기 때문이라고 추측된다.
또, 엑시머 램프를 가스 유로 내에서의 원료 가스의 유통 방향을 따라 배치함으로써 보다 높은 효율로 오존을 생성할 수 있는 이유는, 엑시머 램프를 가스 유로 내에서의 원료 가스의 유통 방향에 수직으로 배치하는 경우에 비해, 원료 가스가 정체하기 어려워, 엑시머 램프의 열에 의한 오존의 열분해의 영향이 작아지기 때문이라고 추측된다.
[실험예 2]
이 실험예 2에서는, 원료 가스의 습도(상대 습도)와 오존 발생량(얻어지는 오존 함유 가스에서의 오존 농도)의 관계를 확인하였다.
실험예 1에서 제작한 오존 발생기(A)를 이용하여, 여러 가지 습도(상대 습도)의 공기, 구체적으로는, 건조 공기, 외부 분위기를 구성하는 가스(주위 공기), 및 필요에 따라 건조 공기 또는 주위 공기에 초음파식 가습기로부터의 미스트를 혼합한 조정 가스를, 가스 유로 형성 부재의 내부(가스 유로)에서, 엑시머 램프가 배치되어 있는 영역(광원 배치 영역)에서의 원료 가스의 유속(광원 공급 가스 유속)이 0.9m/s가 되도록 공급하여, 당해 영역에서 오존 발생량을 측정하였다. 결과를 도 11에 나타낸다.
실험예 2의 결과로부터, 원료 가스의 상대 습도가 30%RH 이하인 경우에는, 높은 효율로 오존을 생성할 수 있으며, 특히 원료 가스의 상대 습도가 20%RH 이하인 경우에는, 보다 높은 효율로 오존을 생성할 수 있는 것이 확인되었다.
그 이유에 대해서는, 이하와 같이 추측된다.
일반적으로, 물은 산소에 비해 파장 200nm 이하의 자외선에 대한 흡수 계수가 큰 것이다. 그 때문에, 원료 가스에서는, 습도가 높아짐에 따라, 수분(물)에 흡수되는 자외선량이 커지고, 그에 따라 산소에 흡수되는 자외선량이 작아져 오존 발생량이 작아진다. 또 자외선을 흡수한 산소는, 산소 원자로 광분해되고, 그 산소 원자가 산소와 반응(결합)함으로써 오존을 생성하는 것이지만, 그 한편으로, 광분해에 의해 생긴 산소 원자는, 수분(물분자)과 반응함으로써 히드록실라디칼(OH라디칼)을 발생시키는 것이기도 하다. 그리고, 원료 가스가 습도가 높은 것인 경우에는, 산소의 광분해에 의해 생긴 산소 원자와 수분의 반응(히드록실라디칼 생성 반응)이, 산소 원자와 산소의 반응(오존 생성 반응)보다 지배적이 되어 오존 발생량이 작아진다. 또한, 히드록실라디칼은 오존의 분해에 관여하는 것이다. 그러나, 원료 가스를, 상대 습도가 30%RH 이하인 저습도의 것으로 하면, 원료 가스가 수분을 함유하는 것임에 기인하는 오존 발생량의 저하를 충분히 억제할 수 있다.
10 : 오존 발생기
11 : 가스 유로 형성 부재
11A : 램프 배치부
12A : 가스 도입구
12B : 가스 배출구
20 : 원료 가스 공급 수단
21 : 송풍기
22A : 가스 유입부
22B : 가스 유출부
24 : 플렉시블 덕트
24A : 일단
30 : 엑시머 램프
41 : 발광관
42A : 봉지부
42B : 배기관 잔부
44 : 내부 전극
45 : 내부 리드
46 : 금속박
47 : 내부 전극용 외부 리드
48 : 외부 전극
49 : 외부 전극용 외부 리드
51 : 베이스 부재
52, 53 : 급전선
54 : 고주파 전원
61 : 정류 격자

Claims (4)

  1. 산소를 함유하는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 수단과, 당해 원료 가스 공급 수단으로부터의 원료 가스가 유통되는 가스 유로를 형성하는 가스 유로 형성 부재와, 당해 가스 유로 내에 배치된, 자외선을 방사하는 자외선 광원을 구비하고, 당해 가스 유로를 유통하는 원료 가스에 당해 자외선 광원으로부터의 자외선을 조사함으로써 원료 가스 중의 산소에 자외선을 흡수시켜 오존을 생성하는 오존 발생기에 있어서,
    상기 자외선 광원은, 파장 200nm 이하의 자외선을 방사하는 엑시머 램프로 이루어지는 것이며,
    상기 가스 유로에 있어서, 자외선 광원이 배치되어 있는 영역에서의 원료 가스의 유속이 0.1m/s 이상인 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 자외선 광원을 구성하는 엑시머 램프가 봉형이며, 당해 엑시머 램프가, 상기 가스 유로에서의 가스 유통 방향을 따라 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 가스 유로를 유통하는 원료 가스의 상대 습도가 30%RH 이하인 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    외부에 배출되는 오존 함유 가스에서의 오존 농도가 50ppm 이하이며, 거주 공간용 살균 탈취 장치로서 이용되는 것을 특징으로 하는 오존 발생기.
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