KR102685673B1 - 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치 - Google Patents

플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치에 관한 것으로서, 외부와 격리되는 내압격실(200); 상기 내압격실(200) 내부 공간과 이어지는 플라즈마 방전 발생부(310); 상기 내압격실(200)의 일면에 연결되어 산소를 상기 내압격실(200)로 공급하는 산소 공급관(720); 상기 내압격실(200)의 타면에 연결되어 오존을 상기 내압격실(200) 외부로 배출하기 위한 오존 배출관(710); 및 상기 플라즈마 방전 발생부(310) 및 상기 산소 공급관(720)을 통한 산소 공급량을 조절하기 위한 제어부(400)를 포함하되, 상기 내압격실(200) 내로 유입된 산소는 상기 플라즈마 방전 발생부(310)를 지나면서 오존화되는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치{Ozone Generating Apparatus Using Plasma Discharge}
본 발명은 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치에 관한 것으로서, 더 자세하게는 내압격실 내에서 오존을 발생시킴으로서, 오존수 제조를 위한 고농도의 오존을 발생시킬 수 있는 오존 발생 장치에 관한 것이다.
오존은 살균 및 악취 제거 효과를 가지고 있으므로, 축사의 악취 제거 등의 목적으로 많이 이용되고 있다. 도 1 및 2는 본 발명의 출원인이 출원하고 등록받은 플라즈마 오존 발생기에 관한 것으로서, 전기전도체(134)와 세라믹튜브(136)를 교호로 병렬 배열하고, 전력을 공급하면 전기전도체(134)와 세라믹튜브(136) 사이에 방전에 의한 플라즈마가 발생하여 오존 라디컬을 생성하고, 이는 다시 공기와 혼합되어 오존을 발생시키게 된다. 도 2는 플라즈마 오존 발생기에 전력을 공급하기 위한 수단을 도시하고 있는데, AC 전원소스, AC 전원을 정류하여 DC 전원으로 변환하기 위한 AC 정류회로, 전류/전압을 증폭시켜 출력을 발생하기 위한 드라이브 회로(143), 공진회로(145) 등을 포함할 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 플라즈마 오존 발생기를 이용한 축사용 악취 제거 장치를 도시한 것이다. 흡입팬(120)을 이용하여 흡입구(111)로 유입된 공기가 오존발생유닛(130)을 통과하게 한 후 배출구(112)로 오존을 배출구(112)로 배출하게 된다. 위와 같은 방식은 비교적 저농도의 오존을 생성하여 공기중으로 배출하게 된다.
근래들어 물탱크에 저장된 물에 오존을 용존시키고, 오존이 용된 물(일반적으로 “오존수”라는 명칭으로 불리고 있음)을 축사 내에 분사하여 악취를 제거하는 기술이 제안되고 있다. 오존이 물에 용존되면 OH라디칼이 형성되는데, 이는 화학적으로 매우 활성이 높아 공기 또는 물속의 박테리아, 바이러스, 곰팡이균, 악취를 발생시키는 각종 유해가스 물질 등과 화학 반응을 일으켜 산화시키는 것으로 알려져 있다. 오존의 분해 속도는 pH에 크게 영향을 받는데 이는 OH 라디칼에 의해 스스로 분해될 수 있는 특성(self-decomposition)을 가지기 때문이다. 즉 오존은 산성에서는 안정된 상태로 유지되나 알카리성으로 갈수록 분해 속도가 빨라진다. 그리고 오존은 초기 형성된 OH 라디컬에 의해 분해가 시작되어 중간 생성 물질로 hydroperoxy 라디칼(HO2-), superoxide 라디칼(O2-), ozonide 라디칼(O3-)의 중간경로를 거쳐 OH 라디칼을 생성하게 된다.
오존수를 생성하기 위해서는 고농도의 오존을 물탱크에 저장된 물에 주입하는 것이 바람직한다. 흡입팬을 이용하는 종래의 오존 공급 장치는 플라즈마 방전 수단이 외부와 연결된 공간, 즉 대기압 상태에서 노출된 상태에서 오존을 생성하게 되는데, 이러한 방식은 오존수 제조에 적합한 고농도의 오존 생성에 적합하지 아니하였다.
등록특허공보 제10-1800230호 (공고일: 2017.11.27.) 등록특허공보 제10-1732531호 (공고일: 2017.05.08.) 등록특허공보 제10-0675752호 (공고일: 2007.0.1.30.)
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 오존수 생산에 적합한 고농도의 오존을 생성할 수 있는 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
삭제
본 발명은 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치에 관한 것으로서, 외부와 격리되는 내압격실(200); 상기 내압격실(200) 내부 공간과 이어지는 플라즈마 방전 발생부(310); 상기 내압격실(200)의 전면에 연결되어 산소를 상기 내압격실(200)로 공급하는 산소 공급관(720); 상기 내압격실(200)의 후면에 연결되어 오존을 상기 내압격실(200) 외부로 배출하기 위한 오존 배출관(710); 상기 플라즈마 방전 발생부(310) 및 상기 산소 공급관(720)을 통한 산소 공급량을 조절하기 위한 제어부(400); 상기 산소 공급관(720)에 구비되어 산소를 공급하기 위한 에어 펌프(721); 상기 내압격실(200) 내부에 구비되어 내압격실(200) 내부의 압력을 측정하기 위한 센서부(410); 및 상기 오존 배출관(710)에 구비되어 오존 배출량을 조절하기 위한 오존 배출량 제어 밸브(712)를 포함하되, 상기 내압격실(200) 내로 유입된 산소는 상기 플라즈마 방전 발생부(310)를 지나면서 오존화되며,상기 제어부(400)는 상기 센서부(410)를 통하여 획득한 내압격실(200) 내부 압력 정보를 바탕으로 내압격실(200) 내부 압력이 1.1~5 atm로 유지되도록 오존 배출량 제어 밸브(712)의 개폐정도와 에어 펌프(721)의 출력을 조절하는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치는 상기 내압격실(200)의 일면과 연결된 세척수 공급관(730) 및 상기 세척수 공급관(730)의 종단에 형성된 세척수 분사 노즐(731)을 더 포함하되, 상기 세척수 분사 노즐(731)은 상기 세척수 공급관(730)을 통하여 공급된 세척수를 상기 플라즈마 방전 발생부(310)의 세라믹봉(315) 및 전극봉(316)을 향하여 고압으로 분사하는 것을 특징으로 한다.
삭제
더 나아가, 상기 산소 공급관(720)의 종단에는 상기 상소 공급관(720)을 통하여 공급받은 산소를 상기 내압격실(200)로 분사하기 위한 산소 공급 노즐(723)이 형성되되, 상기 산소 공급 노즐(723)에는 뿔 형상의 구조물의 꼭지점 부분이 상기 산소 공급 노즐(723)을 향하는 방향으로 고정되어 있어서, 상기 산소 공급 노즐(723)을 통하여 상기 내압격실(200)로 유입되는 산소가 상기 플라즈마 방전 발생부(310)의 전 영역에 걸쳐 고르게 분산되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치는 플라즈마 방전 수단이 대기압보다 높은 압력 상태를 유지할 수 있는 내압격실에서 방전을 일으켜 오존을 발생시키고 오존을 공급함으로써, 높은 농도의 오존을 발생시키는 것이 가능하다.
도 1 내지 도 3은 종래 기술에 따른 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치를 도시한 것이다.
도 4 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치의 전체적인 구성을 도시하는 블록도이다.
도 5 및 도 6은 내압격실과 플라즈마 방전 발생부의 결합 구조물을 도시한 것이다.
도 7은 플라즈마 방전 발생부의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치의 전체적인 구성을 도시하는 블록도이다.
도 9는 산소 공급 노즐의 변형 실시예를 도시한 것이다.
도 10은 플라즈마 방전 발생부의 변형 실시예를 도시한 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치의 전체적인 구성을 설명하도록 한다. 본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치의 전체적인 구성을 도시한 것이다. 본 실시예에서는 플라즈마 방전에 의하여 산소를 오존으로 변환하는 플라즈마 방전 발생부(310)를 이용하게 되는데, 도 7에 도시된 것과 같이 다수 개가 서로 교호로 배열된 세라믹봉(315)과 전극봉(316) 사이에서 방전이 발생하게 된다. 플라즈마 방전 발생부(310)의 구성 자체는 종래기술 1에 따른 플라즈마 발생장치와 다르지 아니하므로, 그 구체적인 구성에 대한 설명은 생략하도록 한다.
플라즈마 방전 발생부(310)의 전후면은 내압격실(200)에 의하여 밀폐된다. 내압격실(200)은 대기압 이상의 내부 압력(1.1 atm ~ 5 atm, 바람직하게는 1.5 ~ 3 atm)을 견딜 수 있는 구조물로 만들어지되, 산소 공급관(720) 및 오존 배출관(710)과 연결되는 부분을 제외하고는 외부와 격리되어 밀폐되는 공간을 형성하게 된다.
내압격실(200)의 전면에는 산소 공급관(720)이, 내압격실(200)의 후면에는 오존 배출관(710)이 연결되는데, 산소 공급관(720)을 통하여 고압의 산소(공기)가 내압격실(200) 내부로 공급되고, 오존 배출관(710)을 통해서는 내압격실(200) 내부의 오존이 내압격실(200)의 외부로 배출된다. 산소 공급관(720)을 통하여 내압격실(200) 내부로 유입된 산소는 플라즈마 방전 발생부(310)를 지나면서 일부가 오존으로 변화되고, 압력에 의해서 오존 배출관(710)을 통하여 내압격실(200)을 빠져나가게 된다.
이 때, 에어 펌프(721)를 이용하여 산소 공급관(720)으로 통하여 공급되는 산소 또는 공기의 압력을 오존 배출관을 통하여 빠져 나가는 오존(오존과 산소의 혼합물)의 압력보다 높은 상태를 가지도록 할 경우 내압격실(200) 내부의 압력은 대기압보다 높은 상태를 유지할 수 있는데, 플라즈마 방전 발생부(310)를 지나는 산소의 농도가 높아져서 팬을 통하여 플라즈마 방전 발생부에 오존을 공급하는 종래 기술과 비교하여 높은 농도의 오존을 생성할 수 있게 된다. 제어부(400)는 내압격실(200)의 내부가 대기압보다 높은 상태를 유지하도록 에어 펌프(721)의 출력을 조절할 수 있는데, 바람직하게는 1.1~5 atm, 더 바람직하게는 1.5 ~ 3 atm의 압력을 유지할 수 있도록 하는 것이 좋다. 제어부(400)는 플라즈마 방전 발생부(310)에 전력을 공급하는 전력 공급부(320)의 출력을 제어할 수 있는데, 바람직하게는 에어 펌프(721)의 출력과 비례하는 경향이 있게 된다.
오존 배출관(710)을 통하여 배출되는 고농도의 오존은 오존수 저장부(610)에 저장된 물에 분사되어 오존수를 생성하는데 이용될 수 있다. 그리고 세척수 공급관(730)이 내압격실(200)의 일면에 연결될 수 있는데, 세척수 공급관(730)을 통하여 세척수 저장부(510)에 저장되어 있는 세척수가 세척수 펌프(520)에 의하여 고압으로 플라즈마 방전 발생부(310)로 분사된다. 플라즈마 방전 발생부(310)의 세라믹봉(315)과 전극봉(316)에 이물질이 부착될 경우 오존 발생 효율이 낮아질 수 있으므로, 일정 주기로 세척수를 플라즈마 방전 발생부(310)의 세라믹봉(315)과 전극봉(316)을 향하여 고압으로 분사하게 되는 것이다.
도 5는 플라즈마 방전 발생부(310)와 내압격실(200)의 결합 구조물의 외관을, 도 6은 내압격실(200) 부분을 투명하게 표시한 것이다. 내압격실(200)의 전면에는 산소 공급관(720)이 내압격실(200)의 후면에는 오존 배출관(710)이 각각 연결되어 있고, 내압격실(200) 전후면에는 세척수 공급관(730)이 각각 연결되어 잇다. 그리고 세척수 공급관(730)의 끝 부분에는 세척수 분사 노즐(731)이 형성되어 세척수 공급관(730)을 통하여 공급되는 세척수를 플라즈마 방전 발생부(310)의 세라믹봉(315) 및 전극봉(316)을 향하여 고압으로 분사하게 된다. 도 5 및 도 6에서는 일면이 개방된 내압격실(200)의 전후면이 플라즈마 방전 발생부(310)에 결합되는 형태로 내압격실(200)과 플라즈마 방전 발생부(310)가 결합된 것으로 도시되었으나, 내압격실(200) 자체를 하나의 구조물로 형성하고, 플라즈마 방전 발생부(310)가 내압격실(200) 내부에 완전히 수납되는 방식으로 결합 구조물을 형성하는 것도 가능할 것임을 통상의 기술자라면 어렵지 않게 이해할 수 있을 것이다. 도 7은 플라즈마 방전 발생부(310)의 일 실시예를 도시하고 있는데, 세라믹봉(315)과 전극봉(316)이 교호로 병렬 배치된다. 플라즈마 방전 발생부(310)의 구성 자체는 종래 기술과 실질적인 차이가 없으므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치를 도시하고 있는데, 제1 실시예와는 다르게 내압격실(200) 내부에 구비된 센서부(410)와 오존 배출량 제어 밸브(712)를 더 포함하고 있다. 센서부(410)는 내압격실(200) 내부의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 및 내압격실(200) 내부의 오존 농도를 측정하기 위한 오존 농도 측정 센서를 포함할 수 있다.
그리고 오존 배출량 제어 밸브(712)는 제어부(400)의 전기 신호에 의하여 자동으로 제어될 수 있도록 솔레노이드 밸브 또는 전동식 밸브를 사용할 수 있다. 오존 배출량 제어 밸브(712)의 개폐 정도, 그리고 에어 펌프(721)의 출력에 의해서 내압격실(200) 내부의 압력이 달라지게 되는데, 제어부(400)는 센서부(410)를 통하여 획득한 내압격실(200) 내부 압력 정보를 바탕으로 내압격실(200) 내부 압력이 최적의 압력(대기압보다 높은 압력)을 유지할 수 있도록 배출량 제어 밸브(721)의 개폐정도와 에어 펌프(721)의 출력을 조절하게 된다. 그리고 제어부(400)는 센서부(410)에 의하여 측정된 내압격실(200) 내의 오존 농도를 바탕으로 플라즈마 방전 발생부(310)에 전력을 공급하는 전력 공급부(320)의 출력을 조절하게 된다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 산소 공급 노즐(723) 부분을 도시하고 있는데, 산소 공급 노즐(723)은 산소 공급관(720)의 종단에 설치되어, 산소 공급관(720)을 통하여 공급되는 산소를 내압격실(200) 내부로 배출하게 된다. 산소 공급 노즐(723)의 종단에는 디플렉터(724)가 설치될 수 있는데, 디플렉터(724)는 산소 공급 노즐(723)을 통하여 분사된 산소가 플라즈마 방전 발생부(310)의 한 곳에 집중되지 않고 고르게 퍼져서 플라즈마 방전 발생부(310)에 공급될 수 있도록 산소의 유동 경로를 변화시키기 위한 요소이다. 바람직하게는, 디플렉터(724)는 뿔 형태의 구조물로 형성되되, 구조물의 꼭지점 부분이 산소 공급 노즐(723)을 향하도록 한 상태로 레그(725)에 의하여 산소 공급 노즐(723)에 고정될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 방전 발생부(310)의 구성을 도시한 것이다. 복수 개의 세라믹봉(315)과 전극봉(316)이 교호로 병렬 배치되어 플라즈마 발생 모듈(330)을 형성할 수 있다. 그리고 본 발명의 플라즈마 방전 발생부(310)는 플라즈마 발생 모듈(330)을 조합하여 만들어질 수 있는데, 도 10은 두 개의 플라즈마 발생 모듈(330)이 결합된 상태에서, 추가로 하나의 플라즈마 발생 모듈(330)을 추가하는 모습을 도시한 것이다. 필요로 하는 오존의 공급량 또는 농도에 맞추어서 플라즈마 발생 모듈(330)의 개수는 결정될 수 있다. 복수 개의 플라즈마 발생 모듈(330)은 모듈 결합 프레임(340)에 끼워져서 하나의 플라즈마 방전 발생부(310)를 형성하게 된다. 이 때, 모듈 결합 프레임(340)에는 전도체인 전력 공급선(342)이 형성될 수 있는데, 이는 복수 개의 플라즈마 발생 모듈(330)에 각각 형성된 모듈 전력 공급 단자(331)를 전력 공급 단자(341)로 전기적으로 연결하기 위한 것이다. 그러므로 복수 개의 플라즈마 발생 모듈(330)이 모듈 결합 프레임(340)에 의하여 결합된 상태에서는, 모듈 결합 프레임(340)에 형성된 전력 공급 단자(341)로 전력을 공급하면 전력 공급선(342)을 통하여 모든 플라즈마 발생 모듈(330) 각각으로 전력이 공급될 수 있다.
200: 내압격실
310: 플라즈마 방전 발생부 341: 전력 공급 단자
315: 세라믹봉 316: 전극봉
320: 전력 공급부
330: 플라즈마 발생 모듈 331: 모듈 전력 공급 단자
340: 모듈 결합 프레임 342: 전력 공급선
400: 제어부 410: 센서부
510: 세척수 저장부 520: 세척수 펌프
610: 오존수 저장부
710: 오존 배출관 712: 오존 배출량 제어 밸브
720: 산소 공급관 721: 에어 펌프
723: 산소 공급 노즐
724: 디플렉터
730: 세척수 공급관
731: 세척수 분사 노즐

Claims (4)

  1. 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치에 관한 것으로서,
    외부와 격리되는 내압격실(200);
    상기 내압격실(200) 내부 공간과 이어지는 플라즈마 방전 발생부(310);
    상기 내압격실(200)의 전면에 연결되어 산소를 상기 내압격실(200)로 공급하는 산소 공급관(720);
    상기 내압격실(200)의 후면에 연결되어 오존을 상기 내압격실(200) 외부로 배출하기 위한 오존 배출관(710);
    상기 플라즈마 방전 발생부(310) 및 상기 산소 공급관(720)을 통한 산소 공급량을 조절하기 위한 제어부(400);
    상기 산소 공급관(720)에 구비되어 산소를 공급하기 위한 에어 펌프(721);
    상기 내압격실(200) 내부에 구비되어 내압격실(200) 내부의 압력을 측정하기 위한 센서부(410); 및
    상기 오존 배출관(710)에 구비되어 오존 배출량을 조절하기 위한 오존 배출량 제어 밸브(712)를 포함하되,
    상기 내압격실(200) 내로 유입된 산소는 상기 플라즈마 방전 발생부(310)를 지나면서 오존화되며,
    상기 제어부(400)는 상기 센서부(410)를 통하여 획득한 내압격실(200) 내부 압력 정보를 바탕으로 내압격실(200) 내부 압력이 1.1~5 atm로 유지되도록 오존 배출량 제어 밸브(712)의 개폐정도와 에어 펌프(721)의 출력을 조절하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 내압격실(200)의 일면과 연결된 세척수 공급관(730) 및 상기 세척수 공급관(730)의 종단에 형성된 세척수 분사 노즐(731)을 포함하되,
    상기 세척수 분사 노즐(731)은 상기 세척수 공급관(730)을 통하여 공급된 세척수를 상기 플라즈마 방전 발생부(310)의 세라믹봉(315) 및 전극봉(316)을 향하여 고압으로 분사하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 산소 공급관(720)의 종단에는 상기 산소 공급관(720)을 통하여 공급받은 산소를 상기 내압격실(200)로 분사하기 위한 산소 공급 노즐(723)이 형성되되,
    상기 산소 공급 노즐(723)에는 뿔 형상의 구조물의 꼭지점 부분이 상기 산소 공급 노즐(723)을 향하는 방향으로 고정되어 있어서, 상기 산소 공급 노즐(723)을 통하여 상기 내압격실(200)로 유입되는 산소가 상기 플라즈마 방전 발생부(310)의 전 영역에 걸쳐 고르게 분산되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 이용한 오존 발생 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2000063106A (ja) * 1998-05-20 2000-02-29 Academia Sinica オゾン発生システム
KR101800230B1 (ko) * 2016-12-08 2017-11-27 주식회사 삼도환경 농축산용 살균 및 악취제거장치
KR102048658B1 (ko) * 2019-06-13 2019-11-25 임상준 오존발생시스템

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