KR102284696B1 - 오존 발생기를 제어하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고-전압 전극(5) 및 적어도 하나의 카운터 전극(1)을 구비한 오존 발생기(ozone generator)를 제어하는 방법에 관한 것으로, 상기 고-전압 전극(5)과 적어도 하나의 카운터 전극(1)은, 적어도 하나의 유전체가 배치되고 입자 밀도 ngas를 갖는 산소-함유 가스에 의해 관류되는 갭을 구획하며, 상기 고-전압 전극(5) 및 적어도 하나의 카운터 전극(1)은, 적어도 하나의 방전 갭에서 무성 방전을 발생시키기 위한 전압원(7)을 위한 접속부를 구비하고, 상기 무성 방전의 방전 거리들(striking distances) d는 최소 방전 거리 dmin와 최대 방전 거리 dmax 사이에 분포되며, 오존 농도 > 12 중량%의 오존을 생성하기 위하여, 상기 전압원(7) 상의 AC 전압의 전압 진폭(U0)이, 입자 밀도(ngas), 최대 방전 거리(dmax), 유전체의 용량(CDL), 및 방전 갭의 용량(Cg)에 대하여, U0 < 130*10-21V*m2*ngas*dmax*(CDL+Cg)/CDL 가 되도록 선택되는 것을 특징으로 한다.

Description

오존 발생기를 제어하는 방법
본 발명은 제 1 항의 전제부에 따른 오존 발생기를 제어하는 방법에 관한 것이다.
오존은 강력한 산화제이다. 오염물질들 및 염료들, 맛과 냄새에 영향을 미치는 물질들 및 미생물들은 산화를 통해 오존에 의해 파괴된다. 따라서 오존은 예를 들어, 식수 처리, 폐수 처리, 종이 표백, 대기 오염 제어 또는 심지어 오염된 토양들의 처리와 같은 다양한 응용 분야들에서 사용된다.
오조나이저들(ozonisers)은 선행 기술로부터 공지되어 있다. 이러한 오조나이저들(ozonisers)은 복수의 오존 발생기들(ozone generators)을 포함하며, 상기 오존 발생기들은 쉘 및 튜브 열 교환기의 방식으로 2개의 튜브 플레이트들 사이에서 서로에 대해 평행하게 배열된다. 오존 발생기들은 통상적으로 외측 전극 및 적어도 하나의 내측 전극을 가지며, 이들은 동작 중에 고전압이 작용하여 갭들에서 무성 방전을 일으킨다.
적용 분야에 따라, 높거나 낮은 오존 농도가 필요할 수 있다. 높은 오존 농도들(>12중량%)은 갭 폭이 1mm 미만인 좁은-갭 오존 발생기들로 공지된 것들에 의해 가장 경제적으로 생성되며, 낮은 오존 농도들(<12중량%)은 각각 1밀리미터에서 시작하는 갭 폭들을 갖는 전극들로 생성된다. 상이한 오존 함량을 갖는 공기 및 산소에 대한 갭 폭의 함수로서의 오존 발생 효율의 다이어그램은, 예를 들어, WO 2007/014473 A1에 공지되어 있다.
갭 폭의 적용은 통상적으로, 예를 들어, WO 2007/014473 A1에서와 같이 기계적으로 해결되며, 상이한 작동 조건들에 대해 필요한 조정들과 함께 내측 전극을 교체함으로써만 달성될 수 있다. 전극의 교체 및 내측 전극들의 상이한 변형예들의 생산 또는 저장은 비용이 많이 든다.
본 발명의 목적은, 유효 갭 폭이 전극 장치의 교체없이 개별적으로 조정될 수 있고, 이로써 심지어 높은 오존 농도들이 효과적으로 생성될 수 있는, 오존 발생기를 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징들을 갖는 오존 발생기를 제어하기 위한 방법에 의해 달성된다.
그 후, 고-전압 전극 및 적어도 하나의 카운터 전극을 갖는 오존 발생기를 제어하는 방법이 제공되며, 상기 고-전압 전극 및 상기 적어도 하나의 카운터 전극은 적어도 하나의 유전체가 배치되고 입자 밀도(ngas)[1/m3]을 갖는 산소-함유 가스가 가로지르는 갭을 구획하며, 상기 고-전압 전극 및 상기 적어도 하나의 카운터 전극은 적어도 하나의 방전 갭에서 무성 방전들을 발생시키기 위한 전력 공급부를 위한 연결부를 구비하며, 방전의 방전 거리들(d)은 최소 방전 거리(dmin)와 최대 방전 거리(dmax) 사이에 분포되며, 오존 농도>12중량%의 오존을 생성하기 위해, 전압원 상의 AC 전압의 전압 진폭(U0)이, 전압 진폭(U0), 감소된 전계 강도(전계 강도 및 입자 밀도의 지수)를 나타내는 인자(130*10-21), 또한 CGS 단위 타운센드(Townsend)(Td)로도 공지된 단위(V*m2), 입자 밀도(ngas)[1/m3], 최대 방전 거리(dmax)[m], 상기 유전체의 용량(CDL), 및 상기 방전 갭의 용량(Cg)에 대해서, U0<130*10-21V*m2*ngas*dmax*(CDL+Cg)/CDL가 되도록 선택된다.
"제어 방법"이라는 용어는 상응하는 제어 방법이 오조나이저의 연속 작동에 사용되는 것을 의미하는 것으로 이해되며, 오조나이저는 수 분에서 수 일 또는 수 주에 걸쳐 연속 작동될 수 있다. 과도 과정들(transient processes)은 주장되지 않는다. 이러한 과정들에서, 오존 발생기는 예를 들어 종래의 제어 방법들에서의 스위치-온 및 스위치-오프 과정들의 경우와 같이 단시간동안만 상기 전압(U0)으로 작동된다.
전력, 공급 가스, 및 가스의 체적 유동에 따라, 이러한 제어 방법에 따라 작동되는 오존 발생기는 또한 12중량% 미만의 오존이 생성되는 방식으로 작동될 수 있다. 그러나 이는 발명의 주제가 아니며 청구되지 않는다.
오존 발생기는 특정 오존 농도를 생성하기 위해 작동된다. 이러한 오존 농도는 시스템에 의해 사전결정된다. 발생될 오존 농도에 따라, 유효 갭 폭 또는 방전 거리가 전압 진폭을 선택하여 선택된다. 이러한 선택은 상이한 오존 함유량을 갖는 공기 및 산소에 대한 갭 폭의 함수로서 오존 발생 효율을 나타내는 공지된 특성에 기초한다. 따라서, 주어진 오존 함량에서의 전압 진폭에 따라, 오존 발생의 효율이 증가될 수 있다. 입자 밀도 및 전압의 주파수를 변화시킴으로써, 시간당 발생되는 오존의 양이 설정될 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 전극 장치를 대체하지 않고 오존 발생기의 유효 갭 폭을 조정할 수 있게 하며, 이로써 오존의 고농도들을 발생시키는 경우에도 특히 효과적이다.
U0<120*10-21V*m2*ngas*dmax*(CDL+Cg)/CDL인 것이 유리하다. 또한, 전압 진폭은 U0<110*10-21V*m2*ngas*dmax*(CDL+Cg)/CDL 또는 U0<100*10-21V*m2*ngas*dmax*(CDL+Cg)/CDL가 되도록 설정될 수 있다. 발생되는 오존 농도가 높을수록 선택될 전압 진폭은 낮아지고, 이는 점화된 방전 거리가 점차적으로 작아짐을 의미하며, 따라서 보다 작은 갭 폭이 설정된다는 것을 의미한다.
이 경우, 전압 진폭(U0)이 U0<100*10-21V*m2*ngas*dmax*(CDL+Cg)/CDL가 되도록 선택되면 오존 농도>18중량% 이상인 오존을 생성하는 것이 유리하다. 또한 이는 U0<90*10-21V*m2*ngas*dmax*(CDL+Cg)/CDL을 제공할 수 있다.
일 실시형태에서, 고전압 전극이 프로파일링된다. 바람직하게는, 방전 거리들의 분포는 와이어 직물(wire fabric)에 의해 형성된다. 이 경우, 와이어 직물은 전극 역할을 하거나 실제 전극을 둘러싸는 역할을 한다. 프로파일링은 연속적으로 및 주기적으로 또는 확률적으로 분포되어 있다고 고려된다. 길이 방향으로 단차지게 된 전극들과는 대조적으로, 프로파일링의 패턴이 주기적으로 반복되거나 프로파일링의 방전 거리들이 전극에 걸쳐 확률적으로 분포된다. 주기적 또는 확률적 분포는 유전체가 프로파일링하고 전극이 매끄러운 경우에도 적용된다.
바람직한 실시형태에서, 오존 발생기는 하나의 카운터 전극을 가지며, 유전체는 카운터 전극과 접촉하여 배치된다. 이를 원-갭 시스템(one-gap system)이라고 한다. 방전 거리는 유전체와 고-전압 전극 간의 거리로 규정된다. 바람직하게는, 고-전압 전극의 내경은 전극 장치의 길이에 걸쳐 일정하다. 결과적으로, 전극의 제조가 상당히 단순화된다.
두 가지 바람직한 실시형태들에서, 적어도 하나의 카운터 전극 및 고-전압 전극은 플레이트 오조나이저 또는 튜브 오조나이저를 형성하며, 여기서 상기 적어도 하나의 카운터 전극 및 상기 고-전압 전극은 튜브형이고 서로 동심이며, 상기 직물은 둥근 중공 코드(round hollow cord)이다. 이 경우, 플레이트 오조나이저들은 대부분 공냉식인 소형 오조나이저들에 바람직하게는 사용된다. 반면에, 튜브 오조나이저들은 바람직하게는 복수의 오존 발생기들을 갖고 물로 크게 냉각되는 대형 오조나이저들에 사용된다.
이하에서는, 본 발명을 도면을 참조한 바람직한 실시예를 통하여 더 상세하게 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 전극 장치(electrode arrangement)의 사시도;
도 2는 가변 갭 폭을 갖는 오존 발생기의 방전 다이어그램의 개략도이다.
도 1은 DE 10 2011 008 947 A1으로부터 공지된 바와 같은 오존 발생기(ozone generator)의 전극 장치(electrode arrangement)를 도시한다. 이러한 유형의 오존 발생기들은 그룹화되어 오조나이저(ozoniser)에서 사용된다. 오존 발생기들은 쉘 및 튜브 열 교환기의 방식으로 2개의 튜브 플레이트들 사이에 서로 평행하게 배열되고 전기적으로 병렬로 접속된다. 도시된 오존 발생기는 튜브형 외측 전극(1), 마찬가지로 튜브형 유전체(2), 및 내측 로드(inner rod)(3)를 가지며, 개개의 구성요소들의 단축된 버전들이 축 방향으로 공간적으로 분리되어 도시된다. 상기 장치는 회전 대칭적이다. 외측 전극(1), 유전체(2), 및 로드(3)는 서로 동심으로 배향된다. 갭을 채우는 와이어 메쉬(4)가 외측 전극(1)과 유전체(2) 사이에 있다. 따라서, 또한 갭을 채우는 와이어 메쉬(5)가 유전체(2)와 로드(3) 사이에 제공된다. 외측 전극(1)은 스테인레스 스틸 튜브의 형태로 설계된다. 오존 발생 중에 발생된 폐열은 튜브 플레이트들 사이의 외측 전극의 외측을 따라 통과하는 냉각수에 의해 냉각된다. 유전체(2)는 유리 튜브이다. 와이어 메쉬들(4 및 5)은 바람직하게는 스테인레스 스틸 와이어 메쉬로 이루어진 둥근 중공 코드들(round hollow cords)로서 제조된다. 전극 장치의 중앙에 배치된 로드(3)는 예를 들어 산소 및 오존과 양립가능한 또 다른 재료의 유리로 이루어진 절연체이다. 로드(3)는 견고할 수 있다. 작동시, 전극 장치는 화살표들(6)의 방향으로 와이어 메쉬(4 및 5)를 통해 유동하는 산소-함유 공급 가스로 충진된다. 일 측 상에서는 외측 전극(1)과, 다른 측 상에서는 메쉬(5)와 접촉하는 전압원(7)이 개략적으로 나타났다. 전압원(7)에 의해 공급된 동작 전압은 전극들(1, 5)과 유전체(2) 사이의 공간에서 무성 방전을 발생시키며, 메쉬들(4, 5)을 통해 화살표(6)의 방향으로 유동하는 산소로부터 오존을 발생시킨다.
도시된 설계에서, 내측 전극은 메쉬(5)로부터만 형성되고, 로드(3)는 절연체로서의 지지 기능을 수행하고, 이는 유전체(2)의 내부가 와이어 메쉬(5)로 균일하게 채워지도록 보장한다. 전극의 이러한 형상은 체적 및 표면 전하의 중첩을 초래한다.
규정된 갭 폭을 갖는 오존 발생기들과는 대조적으로, 고-전압 전극(5)의 프로파일링은 복수의 가능한 갭 폭들 및 따라서 상이한 충격 폭들(d)을 초래하며, 이는 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 갭 폭 또는 방전 거리(d)는 전극과 유전체 간의 거리이다. dmin으로부터 dmax까지의 범위에서 상이한 방전 거리들(d)로 인해, UC(dmax)와 UC(dmin) 사이에 있는 상이한 시작 전압들(UC)도 초래된다. 방전 거리들(d)은 μm 내지 mm의 단위이다.
따라서, 전압원(10)은 오존 발생기에 정현파 전압
Figure 112019067880564-pct00001
을 공급한다.
전압 진폭(U0)가 증가함에 따라, 유전체(2)에 더 가까운 방전 지점들이 먼저 점화되고, 다른 지점들은 아직 점화되지 않는다.
본 발명에 따르면, 전압 진폭(U0)은 입자 밀도(ngas) 및 방전 갭의 최대 크기(dmax)의 함수로서 선택된다.
인가된 전압 진폭(U0)는 UC(dmin)와 UC(dmax)로 분류되기에 너무 작도록 선택되어야 하며, 이로써 방전 지점들의 특정 부분만이 방전에 이용가능하다. 이러한 방전 지점들의 선택은 점화된 방전 지점들의 평균 갭 폭인 '유효 갭 폭'을 생성한다. 이러한 유효 갭 폭은 갭 폭(dmax)에 비해 작고, 따라서 높은 오존 농도들에 유리하다.
고 전압 진폭들에서 종래의 동작에서와 같이 동일한 전력을 방전에 도입할 수 있기 위해, 주파수(f)는 오존 발생기의 작동 중에 조정될 수 있다. 본 발명에 따른 방법을 통해서, 동일한 전력이 도입되는 종래의 작동과 비교하여, 사용되는 가스 체적 당 더 많은 오존을 발생시키는 것을 가능하게 한다.
Figure 112019067880564-pct00002
는 바람직하게는 충격 거리들(d)의 통계적 분포에 적용되어야 한다. 이러한 분포는, 예를 들어, 도 1의 전극 장치의 경우, 타이트한 메쉬에 의해 실현될 수 있다.
고-전압 전극은 전기 도전성 재료, 바람직하게는 프로파일된 표면을 갖는 스테인리스 강이다. 고-전압 전극은 와이어 메쉬 또는 편직물, 직물 또는 와이어 권선 또는 표면에 도포된 과립(granulate)일 수 있다. 타일들 또는 펠트들과 같은 섬유 직물들은 기계적 프로세싱 또는 코팅에 의해 전극에 적용되는 구조들에 똑같이 적합하다. 프로파일링은 전극의 길이 방향 및 원주 방향 모두에서 확률적 또는 주기적으로 분포된다.
그러나, 전극 대신에 유전체를 프로파일링하는 것도 고려할 수 있으며, 이로써 동일한 효과가 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 튜브형 전극 장치들에 제한되지 않는다. 이는 튜브 및 플레이트 오조나이저들과 함께 사용할 수 있다. 이러한 적용은 싱글-갭 및 멀티-갭 시스템들을 대상으로 한다. 전극의 전기 도전성 재료는 담체 재료와 함께 또는 담체 재료없이 방전 공간 내로 도입될 수 있다.
본 발명에 따른 오존 발생 방법은 또한 물론 플라즈마 발생기들에서보다 일반적으로 사용될 수 있다.
오존 발생기의 방전 거리들은 본 발명에 따른 인가된 전압의 변화에 의해 오존 발생기를 제어함으로써 조정될 수 있다. 이미 기재된 바와 같이, 좁은 갭 시스템들은 높은 오존 농도들의 효율적인 오존 생성에 바람직한 반면, 큰 갭 폭들은 더 낮은 오존 농도들에 유리하다. 본 발명에 따른 방법으로, 오존 발생에 대한 요건들은 단지 인가된 전압의 변화에 의해 실현될 수 있다.
오존 발생기는 본 발명에 따른 방법에 의해 고객-특정 요건들에 적합할 수 있다. 이는 생태학적으로 유익하며 또한 에너지 가격들의 상승에 비추어 경제적으로 유리하다. 갭 폭을 조정함으로써, 보다 높은 오존 농도들(>15중량%)이 효율적으로 생성될 수 있다. 수처리를 위해 높은 오존 농도들을 사용하면 오존의 물 내 진입 효율이 향상된다.
효율을 향상시킴으로써, 특히 높은 오존 농도들에서, 오조나이저들이 현저하게 작게 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 또 다른 이점은 평면 또는 원통형 평활 전극 표면들의 고비용 생산이 제거된다는 것이다.
또한 오존 발생은 더 높은 냉각수 온도들에서 가능하며, 이는 오존 발생기의 냉각 비용을 감소시킬 수 있다. 전극의 상당히 낮은 온도 민감성은 냉각수 입구와 냉각수 출구 간의 더 큰 온도 차들의 이용을 가능하게 하여, 냉각수의 필요성을 줄인다.
저 전압들에서 오존 발생기를 작동시킴으로써, 변압기 또는 인버터를 더 작게 만들 수 있다. 또한 오존 발생기를 높은 주파수들로 작동시키면 소음 방출들이 감소한다.

Claims (12)

  1. 고-전압 전극(5) 및 적어도 하나의 카운터 전극(1)을 구비한 오존 발생기(ozone generator)를 제어하는 방법으로서,
    상기 고-전압 전극(5)과 적어도 하나의 카운터 전극(1)은, 적어도 하나의 유전체가 배치되고 입자 밀도 ngas를 갖는 산소-함유 가스에 의해 관류되는 갭을 구획하며,
    상기 고-전압 전극(5) 및 적어도 하나의 카운터 전극(1)은, 적어도 하나의 방전 갭에서 무성 방전을 발생시키기 위한 전압원(7)을 위한 연결부를 구비하고,
    상기 무성 방전의 방전 거리들(striking distances) d는 최소 방전 거리 dmin와 최대 방전 거리 dmax 사이에 분포되는, 방법에 있어서,
    오존 농도 > 12 중량%의 오존을 생성하기 위하여, 상기 전압원(7) 상의 AC 전압의 전압 진폭(U0)이, 입자 밀도(ngas), 최대 방전 거리(dmax), 유전체의 용량(CDL), 및 방전 갭의 용량(Cg)에 대하여, U0 < 130*10-21V*m2*ngas*dmax*(CDL+Cg)/CDL 가 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    U0 < 120*10-21V*m2*ngas*dmax*(CDL+Cg)/CDL 인 것을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    U0 < 110*10-21V*m2*ngas*dmax*(CDL+Cg)/CDL 인 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    U0 < 100*10-21V*m2*ngas*dmax*(CDL+Cg)/CDL인 것을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    생성될 오존 농도 > 18중량%의 오존을 위해, 상기 전압 진폭(U0)은 U0<100*10-21V*m2*ngas*dmax*(CDL+Cg)/CDL이 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    U0 < 90*10-21V*m2*ngas*dmax*(CDL+Cg)/CDL인 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    프로파일링된 전극이 상기 고-전압 전극(5)으로 사용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    dmin으로부터 dmax까지의 방전 거리들의 분포는 와이어로 이루어진 직물(5)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방전 거리들(dmin 내지 dmax)은 연속적이며, 확률적 또는 주기적으로 분포되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오존 발생기는 단일 카운터 전극(1)을 가지며, 상기 유전체는 상기 카운터 전극(1)과 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 카운터 전극(1) 및 고-전압 전극(5)은 튜브형이고 서로 동심으로 정렬되며, 상기 직물은 둥근 중공 코드(round hollow cord)인 것을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고-전압 전극(1) 및 적어도 하나의 카운터 전극(5)은 플레이트들이며, 플레이트 오존 발생기를 형성하는 것을 특징으로 하는, 방법.
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