KR102245089B1 - 직접 냉각된 플라즈마 채널들을 이용한 오존 생성 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고전압 전극 및 적어도 하나의 대향 전극을 갖는 오존 발생기에 관한 것으로, 상기 고전압 전극 및 적어도 하나의 대향 전극은, 적어도 하나의 유전체 및 전기적으로 비도전성 구조체가 배열되는 갭(gap)을 구획하며, 상기 갭을 통하여 가스 유동이 유동 방향으로 흐르고, 상기 고전압 전극과 적어도 하나의 대향 전극에는 무성 방전(silent discharge)들을 발생시키기 위해 전압 공급부로의 연결부가 제공되며, 상기 전기적으로 비도전성 구조체(7)는 공칭 기공 크기(x)가 100 μm< x <1 mm 범위인 기공들을 포함한다.
Description
본 발명은 서로 갭을 구획하는 고전압 전극 및 적어도 하나의 대향 전극을 가지며 적어도 하나의 유전체 및 전기적으로 비도전성 구조체가 상기 갭 내에 배치되는 오존 발생기, 및 이에 대응하는 전기적으로 비도전성 구조체에 관한 것이다.
오존 발생기들의 효율은 방전 갭의 온도에 크게 의존한다. 이는, 한편으로, 오존-형성 반응이 저온들에서보다 잘 진행되는 반면, 다른 편에서, 오존 파괴 메카니즘의 반응 속도들은 온도에 따라 기하급수적으로 증가한다는 사실에 기인한다. 효과적인 가스 공간의 냉각은 효율적인 오존 발생에 필수적이다. 1면 또는 2면 상에서 물로 냉각되는 오존 발생기들은 종래 기술로부터 공지되어있다. 열 전달의 측면에서 오존 발생기들의 구획 요소는 방전 갭 내의 열전도도이다. 전극 재료, 예를 들어, 스테인리스 강은 방전 갭을 통해 흐르는 가스와 비교하여, 열을 2 내지 3 배 더 효과적으로 전도한다.
오존 발생기를 냉각시키기 위한 여러가지 다른 방법들이 미국 특허 제 5,855,856 호에서 실현된다. 튜브형 오존 발생기는 내부 냉각부 및 외부 냉각부를 모두 갖는다. 스와프 또는 섬유들의 형태의 열흡수 물체들이 이러한 냉각 공간들 내에 배치된다. 이러한 물체들은 높은 열 전도도들 및 비부식성 특성들을 갖는 재료들로 만들어질 수 있다. 가스는 오존 발생기에 나선형 흐름을 생성하기 위해 접선 방향으로 공급되며, 상기 나선형 흐름은 내부 전극을 추가로 냉각시키기 위한 것이다. 또한, 생성 가스의 일부가 배출되고 냉각되며 가스에 공급된다. 전체 구조는 매우 복잡하지만, 방전 갭으로부터의 열 전달의 구획 단계를 개선하지 못한다.
명세서 EP 0 369 366 A3은 복수의 열 전도성 고형물들이 반응 공간 내에 배치되는 배치를 기재한다. 이러한 고형물들은 고온 및 저온을 갖는 오존 반응기 내의 영역들 사이에서 열의 균등화를 생성하는 역할을 한다. 이를 달성하기 위해, 이러한 고형물들은 서로 접촉할 필요가 있고 유전체 및/또는 전극 및/또는 양 전극들과 접촉될 필요가 있다.
전기적으로 도전성 및 전기적으로 비도전성의 재료의 재료 혼합물은 특허 명세서 US 648,764에 기재되어 있다. 두 가지 재료들로 만든 진주들 또는 플레이트들은 진주 목걸이처럼 늘어서 있다. 전기 도전체와 유전체 분리기 사이의 더 먼 거리를 통해 개선된 오존 수율이 달성되기 때문에 전기적으로 비도전성의 재료의 진주들의 치수들은 그러므로 더 커진다.
유전체 재료들의 도입은 일반적으로 유동-방해 물질(가스 혼합)로서 갭 폭(스페이서)을 조절하거나 또는 유동을 지시하는 역할을 한다.
본 발명의 목적은 방전 갭에서 양호한 열 전달을 나타내는 오존 발생기를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 또한 효율적으로 열을 전달시키는 가스가 흐르는 오존 발생기의 챔버 내에 사용하기 위한 전기적으로 비도전성 구조를 제공하는 것이다.
"직물(fabric)"(직물 또는 부직포)이라는 용어는 텍스타일들의 기술로부터 알려져 있다. 텍스타일 직물은 텍스타일 기술을 사용하여 텍스타일 원재료들로 제조된 임의의 평면 구조체를 지칭할 수 있다. 따라서, 본원의 맥락에서, 직물은 텍스타일 기술을 사용하여 제조되는 임의의 편평한, 만곡된 또는 볼록한 평면 구조체를 의미하는 것으로 이해된다. 이들은 그 중에서도, 조직, 니티드 패브릭들, 메시들 및 네트들과 같은 부직포들 및 부직포들 및 코튼 울과 같은 섬유 복합 직물들을 포함한다. 한편, 구조체는 직물 및 격자들과 같은 보다 견고한 구조체들의 임의의 유형을 의미하는 것으로 이해된다.
상기 목적은 하기에서 설명되는 바와 같은 오존 발생기에 의해 달성된다.
일반적인 유형의 오존 발생기에서, 전기적으로 비도전성의 구조체는 기공들을 포함하며, 상기 공칭 기공의 크기(x)는 100 μm< x <1 mm이며, 각각의 방전부에서 방출되는 열은 비도전성 구조체로 신속하고 직접적으로 전달될 수 있으며, 따라서 온도로인한 오존 파괴가 줄어든다. 이는 오존 발생기의 개선된 효율을 이끈다.
전기적으로 비도전성인 구조체가 직물(fabric)인 경우 제조가 간단한 구조체가 된다. 특히, 전기적으로 비도전성 구조체는 짜여진 직물(woven fabric) 또는 메시(mesh)일 수 있다.
전기적으로 비도전성 구조체가 적어도 하나의 유전체와 적어도 부분적으로 평면 접촉하는 경우 열의 추가 소산이 개선된다.
유리하게는, 직물은 100 ㎛ 초과 및 1000 ㎛ 미만, 특히 750 ㎛ 미만의 공칭 기공의 크기를 갖는다. 특히, 공칭 기공의 크기(x)는 유리하게는 500 ㎛ 미만 및 특히 바람직하게는 250 ㎛ 미만이다.
전기적으로 비도전성 구조체는 바람직하게는 세라믹 및/또는 유리로 만들어진다.
고전압 전극이 또한 적어도 부분적으로 금속성 직물로부터 형성된다면, 특히 높은 효율이 달성된다.
상기 목적은 100 ㎛ <x <1 ㎜의 공칭 기공 크기(x)를 갖는 기공들을 갖는 일반적인 유형의 전기적으로 비도전성 구조체에 의해서도 달성된다. 바람직하게는, 전기적으로 비도전성 구조체는 유리 섬유 또는 세라믹 섬유로 만들어진 직물이다.
특히 높은 효율을 얻기 위해서는 공칭 기공 크기(x)가 100 μm <x <250 μm 인 것이 바람직하며, 이는 이 경우에 특히 효과적인 열 소산이 달성될 수 있기 때문이다.
본 발명의 실시예가 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명된다.
도면들에서 :
도 1은 단일-갭 오존 발생기의 전극 배치를 도시한다;
도 2는 결합된 전극 및 직물 배치를 도시한다; 그리고
도 3은 비금속 직물을 도시한다.
도면들에서 :
도 1은 단일-갭 오존 발생기의 전극 배치를 도시한다;
도 2는 결합된 전극 및 직물 배치를 도시한다; 그리고
도 3은 비금속 직물을 도시한다.
도 1은 갭 내에 배치된 직물이 없는 판형 오존 발생기의 구성 형태 내의 단일-갭 오존 발생기(1)의 전극 배치의 개략적인 단면을 도시한다. 이와 관련하여, 도 1은 종래 기술에 대응한다. 이러한 오존 발생기(1)들은 적용 분야에 따라 판형 오존 발생기들 또는 튜브형 오존 발생기들로 설계될 수 있다.
판형 오존 발생기들은 고전압 전극(2) 및 적어도 하나의 대향 전극(4)을 설계 내에서 판형으로 형성된다. 전극들(2, 4)은 산소-함유 가스(6)가 흐르며 유전체(3)가 배치되는 갭(5)을 구획한다. 통상적으로, 판형 오존 발생기들은 전극들(2, 4)의 외측들을 따라 통과되는 냉각 매체에 의해 일측 또는 양측들 상에서 냉각된다. 공기와 물은 냉각 매체들로 사용된다.
튜브형 오존 발생기들은 통상적으로 오존 발생기 내에서 그룹들로 사용된다. 이러한 튜브형 오존 발생기들은 튜브 번들(bundle) 열교환기의 방식으로 2 개의 튜브 플레이트들 사이에 서로 평행하게 배열된다. 판형 오존 발생기들과 유사하게, 튜브형 오존 발생기들은 관형의 고전압 전극(2), 관형의 유전체(3) 및 관형의 대향 전극(4)을 갖는다. 이들의 배열은 회전 대칭적이다. 고전압 전극(2)과 대향 전극(4)은 서로 동심원적으로 정렬된다. 이들은 산소-함유 가스가 유동하고 유전체(3)가 배치되는 갭(5)을 구획한다. 외측에-배치된 대향 전극(4)은 스테인리스 강 관의 형태로 설계된다. 오존 생성 시에 발생되는 폐열은 대향 전극(4)의 외측을 따라 통과하는 냉각수(도 1에 H2O로 표시됨)에 의해 냉각된다. 오존 발생기(1)는 냉각수가 고전압 전극(2)의 내측 상을 통해 흐르기 때문에 양면 상에서 냉각될 수 있다.
오존을 생성하기 위해, 분자 산소는 먼저 원자 산소로 분리되고, 그 다음 산소 분자와의 반응을 통해 오존을 형성한다. 오존 분자를 생성하기 위해 요구되는 1.47 eV의 이론적인 값은 실제로는 달성될 수 없다. 다단식 반응 과정에서 발생하는 손실들로 인해 오존 발생 효율이 현저하게 낮아진다. 산소 분자의 분리는 먼저 산소 분자의 상이한 여기 상태들을 통해 일어난다. 여기된 산소 분자들의 분해 동안 또는 오존 형성 동안, 산소 분자들의 추가 분리에 이용할 수 없는 에너지가 방출되지만, 에너지는 가스의 가열을 유도한다. 이러한 과정들은 미세방전부들(microdischarges)에서 직접 일어난다.
본 발명에 따르면, 실시예에서 도 2에 나타낸 전기적 비도전성 구조체(7)는 오존 발생기(1) (판형 또는 튜브형 발생기)의 가스 유동(6) 또는 방전 갭으로 도입된다. 전기적으로 비도전성 구조체(7)는 효율적으로 열 전도성이며 다공성인 재료로 구성된다. 전기적으로 비도전성인 물질의 다공성은 공칭 기공 크기에 의해 정해지며, 공칭 기공 크기는 평균 기공 크기(산술 평균)에 대응된다. 기공 크기는 기공을 통과할 수 있는 최대 구형 공의 직경이다. 전기적으로 비도전성인 물질의 공칭 기공 크기는 방전 갭 내에서의 미세방전부들의 크기와 일치한다. 미세방전부들은 약 100 μm의 직경을 갖는다. 따라서, 전기적으로 비도전성 물질들의 기공 크기는 바람직하게는 100 ㎛ 및 1 ㎜ 사이의 값들이다. 따라서, 전기적으로 비도전성 구조체 (7)는 방전부 및 인접한 저온 전극 및 유전체 표면들에 대한 직접적인 열 결합을 나타낸다. 구조체(7)는 유전체(3) 및 전극(2)과 다수의 지점들에서 또는 적어도 부분적으로 평면으로 접촉한다. 따라서, 접촉면은 가능한 한 크다. 전기적으로 비도전성인 재료는 내오존성 및 내식성이다. 따라서, 구조체(7)가 유리 섬유 또는 세라믹 섬유(9)로 만들어진 직물인 것이 바람직하다. 구조체(7) 내의 기공들의 결과로서, 열은 미세방전부들에 직접 결합된다.
이러한 바람직한 구조체(7)는 도 3에 도시되어 있으며, 도 3은 세라믹 필라멘트들로 제조된 직물의 현미경 사진을 나타낸다.
기술된 모든 실시예들은 판형 오존 발생기들뿐만 아니라 튜브형 오존 발생기들 모두에서 사용된다. 본 발명에 따른 구조체의 배치는 멀티-갭 시스템들에서 특히 바람직하며, 상기 멀티-갭 시스템들은 단일-갭 오존 발생기들보다 더 긴 열 전달 경로들을 갖는다. 따라서, 전기적으로 비도전성 구조체(7)는 외측 갭 및/또는 내측 갭들 중 적어도 하나 내에 제공될 수 있다.
상기 구조체는 캐리어 재료들을 갖거나 갖지 않는 방전 갭으로 도입될 수 있다. 캐리어 재료들은 임의의 형태로, 예를 들어 막대, 튜브, 플레이트 등과 같이 설계될 수 있다.
고전압 전극은 금속 직물로 완전히 또는 부분적으로 형성될 수 있다. 도 2에서, 다수의 전기 도전체들(8)이 세라믹 섬유들(9)로 만들어진 구조체와 함께 직조되어 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 오존 발생기 및 그와 함께 전기적으로 비도전성 다공성 구조체는 방전 갭 내에서의 열 전달이 증가한다는 점에서 오존 발생기들의 효율을 향상시킨다. 미세 방전부들과 직접적으로 연결되며 열을 전달하는 기공들에 덧붙여서, 전기적으로 비도전성의 구조체는 인접한 전극 및/또는 유전체 표면들과 가능한 가장 큰 접촉 표면을 가진다. 이러한 방식으로, 더 큰 갭 폭들로도 매우 높은 냉각 효율을 얻을 수 있다. 또한, 효율적인 열 결합은 40°C 이상의 고온들에서 오존 발생을 가능하게 한다.
Claims (10)
- 고전압 전극(2) 및 적어도 하나의 대향 전극(4)을 갖는 오존 발생기(1)로서,
상기 고전압 전극(2) 및 적어도 하나의 대향 전극(4)은, 적어도 하나의 유전체(3) 및 전기적으로 비도전성 구조체(7)가 배열되는 갭(gap)(5)을 구획하며,
상기 갭을 통하여, 가스 유동(6)이 유동 방향으로 흐르고,
상기 고전압 전극(2)과 적어도 하나의 대향 전극(4)에는 무성 방전(silent discharge)들을 발생시키기 위하여 전압 공급부로의 연결부가 제공되며,
상기 전기적으로 비도전성 구조체(7)는 공칭 기공 크기(x)가 100 μm< x <1 mm 범위인 기공들을 포함하고,
상기 전기적으로 비도전성 구조체는 직물(fabric)인 것을 특징으로 하는, 오존 발생기(1). - 제 1 항에 있어서,
상기 전기적으로 비도전성 구조체(7)는 짜여진 직물(woven fabric) 또는 메시(mesh)인 것을 특징으로 하는, 오존 발생기(1). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전기적으로 비도전성 구조체(7)는 상기 적어도 하나의 유전체(3)와 적어도 부분적으로 평면 접촉하는 것을 특징으로 하는, 오존 발생기(1). - 제 1 항에 있어서,
공칭 기공 크기(x)가 100 ㎛< x <750 ㎛인 것을 특징으로 하는, 오존 발생기(1). - 제 4 항에 있어서,
공칭 기공 크기(x)가 100 ㎛< x <500 ㎛인 것을 특징으로 하는, 오존 발생기(1). - 제 5 항에 있어서,
공칭 기공 크기(x)가 100 ㎛< x <250 ㎛인 것을 특징으로 하는, 오존 발생기(1). - 제 1 항에 있어서,
상기 전기적으로 비도전성 구조체(7)는 세라믹 및/또는 유리로 제조되는 것을 특징으로 하는, 오존 발생기(1). - 제 1 항에 있어서,
상기 고전압 전극(2)은 적어도 부분적으로 금속 직물로 형성되는 것을 특징으로 하는, 오존 발생기(1). - 오존 발생기(1)의 가스 유동에 사용하기 위한 전기적으로 비도전성 구조체(7)로서,
상기 전기적으로 비도전성 구조체(7)는 공칭 기공 크기(x)가 100 ㎛< x <1 mm인 기공들을 포함하며,
상기 전기적으로 비도전성 구조체(7)는 유리 섬유 또는 세라믹 섬유로 제조된 직물(fabric)인 것을 특징으로 하는, 전기적으로 비도전성 구조체(7). - 제 9 항에 있어서,
상기 공칭 기공 크기(x)는 100 ㎛< x <250 ㎛ 인 것을 특징으로 하는, 전기적으로 비도전성 구조체(7).
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