KR20020040401A - High Efficiency and High Concentration Ozone Generation System - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 그물형 방전전극에서의 연면방전 및 방전전극과 유전체 장벽간의 공간방전을 이중으로 이용하여 효과적으로 고효율 고농도의 오존을 발생시키는 고농도 오존발생장치에 관한 것이다.The present invention relates to a high-concentration ozone generating device which effectively generates high-efficiency high-concentration ozone by using creeping discharge in a mesh type discharge electrode and space discharge between a discharge electrode and a dielectric barrier.
종래의 오존발생장치는 무성방전이나 고주파 연면방전 중에서 한쪽 만을 주로 이용하는 오존발생장치가 대부분 사용되고 있으며 구조상 가격이 비싸고 또한 출력오존농도와 오존발생 효율성이 낮아서 실용상 개선이 요구되어왔다.In the conventional ozone generator, most of the ozone generators using only one of the silent discharge and the high frequency creepage discharge are used, and the structural cost is high, and the output ozone concentration and the ozone generation efficiency are low.
한편, 무성방전을 이용한 오존발생방전장치의 전형적인 예로는 도 1과 같이 가스입구(1)와 방전에 의해 생성된 오존이 배출되는 오존가스출구(2)가 형성된 케이스(10)내에 원통형내부전극(3)을 설치하고 원통형내부전극(3)의 상부 면에 경질 유리로 된 유전체(4)를 밀착설치하고, 유전체(4)의 상부로 수mm 이격(離隔)하여 원통형접지전극(5)을 설치한 다음 두 전극의 단자(13)(15)로 교류 전압(7)을 인가하여 방전공간(6)에서 무성방전이 이루어지도록 한 것이 있으나, 이는 미소방전주 (micro discharge column)로 형성된 무성방전이 경질유리의 표면에서 발생하여 접지전극(5)간의 공간(6)으로 확산 진전되어 경질유리 표면에서의 미소방전시에 발생되는 고온(800∼1,200℃)으로 인하여 오존발생량이 적을 뿐만 아니라 경질유리(용융점 400∼600℃)의 표면이 국소적으로 용착되어 결국 사용시간 증가에 따라 수명이 빨리 단축되는 문제가 있다.On the other hand, a typical example of an ozone generating discharge device using a silent discharge is a cylindrical internal electrode (1) in the case 10 formed with a gas inlet 1 and an ozone gas outlet 2 through which ozone generated by discharge is discharged as shown in FIG. 3) and a cylindrical glass electrode 5 is installed on the upper surface of the cylindrical inner electrode 3 in close contact with each other, and is spaced several mm above the dielectric 4. Then, an AC voltage 7 is applied to the terminals 13 and 15 of the two electrodes so that the silent discharge is performed in the discharge space 6, but the silent discharge is formed by a micro discharge column. Due to the high temperature (800-1,200 ° C.) generated on the surface of the hard glass and diffused and spread into the space 6 between the ground electrodes 5, the amount of ozone is not only low but hard glass ( Surface of melting point 400 ~ 600 ℃) is locally deposited Uh end there is a problem that life is quickly reduced with increasing operating time.
또한, 종래의 전형적인 고주파 연면방전형 오존발생장치로는 도 2와 같이 가스입구와 가스출구가 형성된 케이스 내에 일정두께를 갖는 유전체(24)를 설치하고, 유전체(24)의 상부표면에 일정간격과 일정폭을 갖는 띠상(strip line)의 방전전극 (23)을 스크린 인쇄(screen print)하여 형성하고, 또 평판형상의 유도전극(25)을 유전체(24) 속에 매몰시킨 후에 고온으로 소성(1,200∼1,600℃, sintering)한 다음 이들 전극의 단자(33)(34)로 고주파전원(27)을 인가하면 방전전극(23)의 연면(沿面)에만 국한되는 연면방전이 발생되어 방전전극 주변의 공기(또는 산소)중의 산소분자가 분해되어 오존가스가 발생하도록 한 것으로, 이와같은 장치에서 유전체(24)의 재질로는 알루미나가 주로 사용되므로 유전체(24)의 표면에 고착되는 방전전극(23)이나 유전체(24) 속에 매몰되어 있는 유도전극(25)은 유전체(24)의 열팽창 계수와 비슷한 금속인 텅스텐을 사용하여 방전중에 발생하는 고열(800∼1,200℃)로부터 유전체(24)의 균열이나 변형 등이 방지되도록 하고 있으나, 전극으로 사용된 텅스텐이 고가이며 또한 유도전극(25)을 내부에 매몰시킨 유전체(24)의 표면에 방전전극(23)을 스크린 인쇄한 다음 고온으로 소성(1,200∼1,600℃)하여 제조하기 때문에 제조원가가 매우 높아지는 문제점이 있다.In addition, a typical high frequency creeping discharge type ozone generating device according to the related art is provided with a dielectric 24 having a predetermined thickness in a case in which a gas inlet and a gas outlet are formed as shown in FIG. 2, and a predetermined interval is formed on an upper surface of the dielectric 24. A strip line discharge electrode 23 having a predetermined width is formed by screen printing, and the plate-shaped induction electrode 25 is buried in the dielectric 24 and then fired at a high temperature (1,200 to After sintering at 1,600 ° C., the high frequency power source 27 is applied to the terminals 33 and 34 of these electrodes to generate a surface discharge limited to the surface of the discharge electrode 23. Alternatively, oxygen molecules in oxygen) are decomposed to generate ozone gas. In such a device, alumina is mainly used as the material of the dielectric 24 so that the discharge electrode 23 or the dielectric adhered to the surface of the dielectric 24. Judo buried in (24) The electrode 25 is made of tungsten, which is a metal similar to the coefficient of thermal expansion of the dielectric 24 to prevent cracking or deformation of the dielectric 24 from high heat (800-1,200 ° C.) generated during discharge. Since the manufactured tungsten is expensive and is produced by screen printing the discharge electrode 23 on the surface of the dielectric 24 having the induction electrode 25 embedded therein, and then baking it at a high temperature (1,200 to 1,600 ° C), the manufacturing cost is very high. There is a problem.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 오존발생장치의 문제점들을 해소하기 위하여 유전체 표면과 방전전극 간의 무성방전과 전극으로부터의 연면방전을 동시에 발생시켜 매우 효과적으로 오존이 생성되게 한 것으로서, 유도 전극상에 비유전율이 높고 절연내력이 큰 유전체 장벽을 설치하고 유전체의 상부에 일정거리 이격된 방전전극을 형성하되, 적정 금속선폭과 빈 공간인 그물코를 갖는 그물형 전극을 방전전극으로 설치하므로서 장치의 구조와 제작이 용이하며 유전체와 전극간의 이격공간 뿐만 아니라 그물전극의 표면 및 그물코의 연면에서도 고밀도의 방전이 효과적으로 발생되도록 하여 코로나 방전효율과 방전밀도를 대폭 증가시킬 뿐만 아니라 고농도의 오존을 그물코를 통하여 생성된 상부로 용이하게 상류확산(上流擴散)하게 하여 고온의 방전공간 내에서의 오존의 산소로의 환원을 크게 저감시키고, 또한 고주파 펄스전압을 인가하여 인가 펄스전압의 크기를 증가시키면서도 펄스시비율은 줄여서 결국 인가전력을 작게 조절함으로서 오존발생장치의 소비전력을 줄일 수 있어서 고효율 고농도 오존이 발생되게 할뿐 만 아니라, 장치 구조상 매우 간단하며 제조공정이 단순하여 제작 가격도 매우 저렴하게 되는 고효율 고농도 오존발생장치를 제공함에 목적이 있다.Therefore, in order to solve the problems of the conventional ozone generating device as described above, ozone is generated very effectively by simultaneously generating silent discharge between the dielectric surface and the discharge electrode and creeping discharge from the electrode. This high and dielectric strength dielectric barrier is installed, and the discharge electrodes are formed at a certain distance from the top of the dielectric, but the mesh electrode having the proper metal wire width and the mesh of empty space is installed as the discharge electrode. It is easy to make high-density discharge effectively occur not only in the space between dielectric and electrode, but also on the surface of mesh electrode and creepage of mesh, which greatly increases corona discharge efficiency and discharge density as well as the high concentration of ozone through the mesh. Easily diffuse upstream to get high temperature By reducing the reduction of ozone to oxygen in the discharge space, and applying the high frequency pulse voltage to increase the magnitude of the applied pulse voltage, the pulse rate is reduced and eventually the applied power is controlled to reduce the power consumption of the ozone generator. It is possible to reduce not only high efficiency high concentration ozone is generated, but also to provide a high efficiency high concentration ozone generator that is very simple in the structure of the device and the manufacturing process is very simple and the production price is very low.
상기 목적을 달성하기 위하여 금속재질의 기판전극 상에 비유전율이 높은 유전체를 설치하고, 이 유전체 상에 금속전극을 형성하되 종래의 무성방전형의 판상(板狀)이 아닌 전극 폭이 좁고 또 얇은 그리고 빈 공간인 그물코를 갖는 그물전극이나, 선폭이 좁고 또 긴 세편(細片, strip line) 또는 세선(fine wire)으로 형성된 그물형의 방전전극을 종래와 같이 유전체상에 밀착시키지 않고 적당한 간격으로 이격 설치함으로서 도 1과 같이 방전공간에서의 무성방전이 이격공간에서도 발생할 뿐만 아니라 도 2와 같은 종래의 연면방전도 그물전극의 하부표면 및 그물코의 연면에서 강력한 코로나 방전이 동시에 중첩 발생되도록 하여 방전밀도를 높임은 물론 적정의 이격간격 설정으로 말미암아 방전 개시전압은 약간 상승되나 방전전류는 대폭 감소시킴으로서 소비전력을 감소시키고, 코로나 방전 효율은 대폭 증가시킬 수 있도록 하여 가스입구로 공기나 탈수된 건조공기(dry air)나 산소(oxygen)류를 주입함으로서 고효율 고농도의 오존발생장치로도 사용할 수 있도록 한 것이다.In order to achieve the above object, a dielectric having a high dielectric constant is provided on a substrate electrode made of metal, and a metal electrode is formed on the dielectric, but the electrode width is narrow and thin, which is not the conventional non-discharge type plate. Then, a mesh electrode having an empty space or a mesh-shaped discharge electrode formed of narrow strips or long strips or fine wires at regular intervals without being closely adhered to the dielectric as in the prior art. As a result of the separation, the silent discharge in the discharge space, as shown in FIG. 1, occurs not only in the space, but also in the conventional surface discharge as shown in FIG. In addition, the discharge start voltage is slightly increased due to the proper spacing setting, but the discharge current is greatly reduced. The specific power is reduced and the corona discharge efficiency can be greatly increased, so that air or dehydrated dry air or oxygen can be injected into the gas inlet to be used as a high efficiency ozone generator. will be.
또한, 방전전극은 그물코를 갖는 그물전극으로 형성함으로서 이 그물코의 빈 공간을 통하여 고밀도 방전에 의해 생성된 고농도의 오존이 상류로 확산되어 올라가서 고온의 오존생성 방전공간으로부터 방출됨으로서 산소로의 환원속도를 크게 저감시켜서 결국은 출력 오존농도를 높게 한 것이다.In addition, the discharge electrode is formed as a mesh electrode having a mesh so that a high concentration of ozone generated by a high-density discharge is diffused upstream through the empty space of the mesh to be discharged from a high temperature ozone generating discharge space, thereby reducing the rate of reduction to oxygen. It greatly reduces and eventually increases the output ozone concentration.
또한, 고주파 펄스전압을 인가하여 인가 펄스전압치는 증가시키면서도 펄스시비율은 줄여 최종적으로는 인가전력을 작게 조절함으로서 오존발생장치의 소비전력을 대폭 줄일 수 있어서 고효율 고농도 오존이 발생하게 한 것이다.In addition, by applying a high frequency pulse voltage, the applied pulse voltage value is increased while the pulse rate is reduced, and finally, the applied power is controlled to be small, thereby greatly reducing the power consumption of the ozone generator, thereby generating high efficiency and high concentration ozone.
도 1 : 종래 무성방전 오존발생장치(가)의 단면 구성도.1 is a cross-sectional view of a conventional silent discharge ozone generator (a).
도 2 : 종래 고주파 연면방전 오존발생장치(나)의 사시도.2 is a perspective view of a conventional high frequency creeping discharge ozone generating device (b).
도 3 : 본 발명 고효율 고농도 오존발생장치(다)의 단면 구성도.3 is a cross-sectional configuration of the present invention high efficiency high concentration ozone generator (C).
도 4 : 본 발명 고효율 고농도 오존발생장치(다)의 분해 사시도.4 is an exploded perspective view of a high efficiency high concentration ozone generator (C) of the present invention.
도 5 : 본 발명 고효율 고농도 오존발생장치(라)의 다른 실시예 단면구성도.5 is a cross-sectional view of another embodiment of the present invention high-efficiency high concentration ozone generator (d).
도 6 : 본 발명 고효율 고농도 오존발생장치(라)의 다른 실시예 실물사진.6 is a real photograph of another embodiment of the present invention high-concentration high-concentration ozone generator (D).
도 7 : 본 발명 고효율 고농도 오존발생장치의 전원회로 블럭도.7 is a power circuit block diagram of the present invention high efficiency high concentration ozone generator.
도 8 : 본 발명 도 7의 ⓑ 지점 펄스전압 파형도(b).8: Point (b) point pulse voltage waveform diagram of the present invention FIG.
도 9 : 본 발명 도 7의 ⓐ 지점 펄스전압 파형도(a).9: Point pulse voltage waveform diagram of FIG. 7 of the present invention (a).
도 10 : 본 발명 고효율 고농도 오존발생장치의 오존발생 특성곡선.10: ozone generation characteristic curve of the high efficiency high concentration ozone generator of the present invention.
도 11 : 본 발명 고효율 고농도 오존발생장치의 이격거리에 따른 오존발생11: Ozone generation according to the separation distance of the present invention high efficiency high concentration ozone generator
특성곡선.Characteristic curve.
도 12 : 본 발명 고효율 고농도 오존발생장치의 방전전극 그물코의 크기에12: Size of the discharge electrode mesh of the present invention high efficiency high concentration ozone generator
따른 오존발생 특성곡선.Ozone generation curve according to
도 13 : 본 발명 고효율 고농도 오존발생장치의 전원주파수 변화에 따른13: According to the power frequency change of the present invention high efficiency high concentration ozone generator
오존발생 특성곡선.Ozone generation characteristic curve.
도 14 : 본 발명 고효율 고농도 오존발생장치의 펄스시비율 변화에 따른14: According to the pulse rate ratio change of the present invention high efficiency high concentration ozone generator
오존발생 특성곡선.Ozone generation characteristic curve.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
(1)(41)--가스입구(2)(42)--오존가스출구(1) (41)-Gas Inlet (2) (42)-Ozone Gas Outlet
(3)--원통형 내부전극(4)--원통형 유전체(3)-cylindrical internal electrode (4)-cylindrical dielectric
(5)--원통형 접지전극(6)(46)--방전공간(5)-cylindrical ground electrode (6) (46)-discharge space
(7)--교류전원(8)(48)--냉각수 입구(7)-AC power source (8) (48)-Coolant inlet
(9)(49)--냉각수 출구 (10)(50)--케이스(9) (49)-Coolant outlet (10) (50)-Case
(11)(57)--냉각수 통로(13)(34)(53)--고전압 단자(11) (57)-Coolant passages (13) (34) (53)-High voltage terminals
(15)(33)(55)--접지단자(23)(43)--방전전극(15) (33) (55)-Ground terminal (23) (43)-Discharge electrode
(24)(44)--유전체(25)(45)--유도전극(24) (44)-Dielectric (25) (45)-Induction Electrode
(27)--고주파전원(47)--전원장치(27)-high frequency power source (47)-power supply
(51)--냉각수 덮개(52)--스페이서(spacer)(51)-Coolant cover (52)-Spacer
(54)--케이스 덮개(56)--연결 볼트(54)-Case cover (56)-Connection bolt
(AC)--상용교류전원 (D)--정류 다이오드(AC)-Commercial AC Power (D)-Rectifier Diode
(C)--평활 콘덴서 (Tr)--고전압 펄스트랜스(C)-Smoothing Capacitor (Tr)-High Voltage Pulse Trans
(Iv)--주 펄스 변환기 (LP)--저전압 전원(Iv)-Main pulse transducer (LP)-Low voltage power supply
(SG)--신호발생회로 (SC)--이상신호검지회로(SG)-Signal generation circuit (SC)-Fault signal detection circuit
(OC)--신호제어회로 (PC)--보호회로(OC)-Signal Control Circuit (PC)-Protection Circuit
(OG)--본 발명 오존발생장치(OG)-Invention Ozone Generator
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명 고효율 고농도 오존발생장치(다)의 단면 구성도이고, 도 4는 그 분해 사시도로, 가스입구(41)와 가스출구(42)가 형성된 케이스(50)의 내공간부 하측에 평판상의 금속으로 된 유도전극(45)을 설치하고, 유도전극(45)의 상부 표면에는 절연 내압(耐壓)이 크고 열 전도율이 우수하며 비 유전율이 높은 적정 두께의 판형 유전체(44)를 방열 효과가 높은 접착물 예컨데, 실리콘 화합물류나 고온 밀착용 테이프류 등으로 밀착 설치하고, 이 유전체(44)와 적정거리로 이격(離隔)(s)된방전전극인 그물전극(43)을 유전체(44)의 상부에 유전체(44)와 평행하도록 설치하되, 그물전극(43)의 선 폭(w)과 그물코의 크기(m)와 유전체(44)와의 이격거리(s)를 적정값으로 조절하여 설치하도록 한다.3 is a cross-sectional configuration diagram of the high efficiency high concentration ozone generator (C) of the present invention, and FIG. 4 is an exploded perspective view of the flat plate below the inner space of the case 50 in which the gas inlet 41 and the gas outlet 42 are formed. The induction electrode 45 made of a metal on the upper surface of the induction electrode 45 has a heat insulating effect on the upper surface of the induction electrode 45 with an appropriate thickness having a high dielectric breakdown voltage, excellent thermal conductivity, and high specific dielectric constant. High adhesion material, for example, a silicon electrode, a high-temperature adhesive tape, or the like, which is installed in close contact with the dielectric 44, and the net electrode 43, which is a discharge electrode spaced apart at an appropriate distance, is used as the dielectric material 44. Is installed parallel to the dielectric 44 on the upper part, and the line width (w) of the net electrode 43 and the size of the mesh (m) and the distance (s) of the dielectric 44 are adjusted to an appropriate value. Do it.
상기 두 전극(43)(45)의 외부단자(53)(55)에 전원장치(47)로부터 구형파 또는 정현파 고주파 펄스고전압(square or sine wave high frequency high voltage)을 인가함으로서 종래의 연면방전형 오존발생장치(나)와 같이 그물방전전극(43)의 그물코 연면상에서 고주파 코로나 연면방전이 발생될뿐 만 아니라 종래의 무성방전형 오존발생장치(가)와 같이 유전체(44)와 이격 위치하는 그물전극(43)이 하부표면 간의 공간(46)에서도 유효한 무성방전이 동시에 중첩 발생되도록 한다.The conventional surface discharge type ozone by applying a square or sine wave high frequency high voltage from the power supply device 47 to the external terminals 53 and 55 of the two electrodes 43 and 45. Not only does the high frequency corona creeping discharge occur on the mesh creepage of the net discharge electrode 43 like the generator (b), but also the net electrode spaced apart from the dielectric 44 as in the conventional silent discharge type ozone generator (a). (43) allows the effective silent discharge to overlap at the same time in the space 46 between the lower surfaces.
도 5는 본 발명의 고효율 고농도 오존발생장치의 다른 실시예 단면도이고, 도 6은 도 5의 실물사진을 나타낸 것으로, 도 3의 전극장치 2대를 상ㆍ하로 대칭 대향되게 구성한 것으로 약 2배의 고농도 오존을 얻을 수 있게 구성한 것이다.5 is a cross-sectional view of another embodiment of the high-efficiency, high-concentration ozone generator according to the present invention, and FIG. 6 is a real photograph of FIG. 5, wherein two electrode devices of FIG. It is configured to obtain high concentration ozone.
또한, 출력 오존의 고농도화나 다량의 오존이 필요한 경우 본 발명의 고효율 고농도 오존발생장치의 다른 실시예(라)와 같은 장치 복수 개를 직열 또는 병렬로 연결하여 사용할 수도 있게 된다.In addition, when a high concentration of output ozone or a large amount of ozone is required, a plurality of devices such as another embodiment (d) of the high efficiency high concentration ozone generator of the present invention may be connected in series or in parallel.
한편, 본 발명의 고효율 고농도 오존발생장치(다)가 적절하고 유효하게 작동되기 위해서는 적절한 파형과 주파수를 갖는 전원장치가 필요하게 된다. 도 1이나 도 2와 같은 종래형 오존발생장치(가)(나)의 경우 주로 상용 교류전원이나 또는 이와 비슷한 파형의 0.6 - 1kHz의 고주파 고전압전원이 사용되었으나 효율이 높지 못한 문제점이 있다.On the other hand, in order for the high efficiency and high concentration ozone generator (c) of the present invention to operate properly and effectively, a power supply having an appropriate waveform and frequency is required. In the case of the conventional ozone generating apparatus (a) of FIG. 1 or 2, a commercial AC power source or a high frequency high voltage power source having a similar waveform of 0.6-1kHz is used, but the efficiency is not high.
도 7은 구형파 고주파 펄스 고전압 전원회로의 한 실시 예로서, 상용 교류전원(AC)과 정류 다이오드(D)와 평활콘덴서(C)로 된 직류전원과, 신호발생회로(gate signal generator)(SG)와 저전압전원(low dc power)(LP)과, 그리고 주펄스 변환기 (main pulse inverter)(Iv)로 구성된 고주파 펄스전압 발생부와, 이 펄스 저전압을 펄스 고전압으로 승압하는 고전압 펄스트랜스(high volt pulse transformer)(Tr)와, 이상출력전압(異狀出力電壓)을 검지하는 이상신호검지회로(output abnormal signal sensing circuit)(SC)와, 이상신호를 검지하여 비교하고 또한 제어하는 제어회로(output voltage controller)(OC)와, 그 보호회로(protecting circuit)(PC) 및 본 발명 고효율 고농도 오존발생장치(ozone generator)(OG)로 구성되어 있다.7 shows an example of a square wave high frequency pulsed high voltage power supply circuit, a commercial AC power source, a DC power source consisting of a rectifying diode (D), and a smoothing capacitor (C), and a gate signal generator (SG). And a high frequency pulse voltage generator comprising a low dc power (LP) and a main pulse inverter (Iv), and a high volt pulse for boosting the low voltage of the pulse to a high voltage. A transformer Tr, an output abnormal signal sensing circuit SC for detecting an abnormal output voltage, and an output voltage for detecting, comparing and controlling an abnormal signal. controller (OC), its protection circuit (PC), and the high efficiency high concentration ozone generator (OG) of the present invention.
즉, 주펄스 변환기(inverter)(Iv)를 적절히 작동시킬 수 있는 신호발생회로 (SG), 이상신호검지회로(SC), 그리고 제어회로(OC)를 사용하면 구형파 고주파 펄스전압의 발생과 제어는 물론 공급전력도 용이하게 조절할 수 있으며, 적절한 마이콤(micro computer)을 이용하면 더욱 편리하게 제어할 수 있으며 이와 같은 장치나 기술은 이미 공지의 사실이므로 필요에 따라 적절히 선정하여 적용하면 될 것이므로 본 발명에서는 상세한 설명을 생략한다.That is, when the signal generation circuit SG, the abnormal signal detection circuit SC, and the control circuit OC capable of properly operating the main pulse inverter Iv, the generation and control of the square wave high frequency pulse voltage Of course, the power supply can also be easily adjusted, using a suitable microcomputer (micro computer) can be more conveniently controlled, such a device or technology is already known in the fact that it will be appropriately selected and applied as necessary in the present invention Detailed description will be omitted.
이와 같이 도 7의 구형파 고주파 펄스 고전압 전원의 적절한 펄스주파수(f)와 적정한 펄스 시비율(pulse duty ratio)(D)을 갖는 펄스 고전압을 본 발명 오존발생장치(다)에 인가함으로서 오존이 가장 유효하게 발생하는 전자에너지(4∼8eV)를 매 펄스 시작시(each pulse rising time)의 짧은 입상시간(rise time)(tr)에 전자 (electron)만을 가속시켜 유효하게 오존을 발생시키고, 발생된 고농도의 오존을 급속히 해리시키는 고온 가스입자의 에너지를 상승시키는 펄스지속시간(t0)을 짧게 유지시켜 오존 해리 속도를 크게 저감시킬 수 있게 된다.Thus, ozone is most effective by applying the pulse high voltage having the appropriate pulse frequency f and the appropriate pulse duty ratio D of the square wave high frequency pulse high voltage power supply of FIG. 7 to the ozone generator C of the present invention. Ozone is effectively generated by accelerating only electrons at a short rise time t r at each pulse rising time. It is possible to significantly reduce the ozone dissociation rate by keeping the pulse duration t 0 that shortens the energy of the hot gas particles that rapidly dissociate high concentrations of ozone.
이와같은 방전형식이나 방전조건 등의 제반사항들은 본 발명의 오존발생장치의 방전전극과 유도전극의 크기나 형상 또는 필요로 하는 오존효율 등의 제반조건에 따라 인가전원 주파수나 시비율 등의 적정 값들로 설정함으로서 오존을 매우 효과적으로 얻을 수 있게 된다.Such matters as discharge type and discharge conditions are appropriate values such as the frequency of application power and the ratio of application according to the size and shape of the discharge electrode and the induction electrode of the ozone generator according to the present invention or the required conditions such as ozone efficiency. By setting to, ozone can be obtained very effectively.
한편 기초실험 결과에 의하면, 특별히 고효율 또는 고농도의 오존출력이 요구되지 않거나 소형의 경우에는 구형파 펄스전압이 아닌 정현파류의 전압파형이나 또는 다른 전압파형의 1 - 15 KHz의 고주파 고전압 전원을 사용해도 어느 정도의 오존이 발생하는 것을 확인 할 수 있었다.On the other hand, the results of the basic experiments show that, especially when high efficiency or high concentration ozone output is not required or small, even when using a high-frequency high voltage power source of sine wave or other voltage waveform of 1-15 KHz, not square wave pulse voltage, It was confirmed that ozone is generated.
이때의 구체적인 기구(mechanism)나 소과정(element process)은 발명자의 전문 발표 논문을 참조하고 본 명세서에서는 생략한다.Specific mechanisms or element processes at this time are referred to the full text of the inventor and are omitted herein.
한편, 전력적인 면에서는 소전력으로 많은 오존이 발생되는 것이 바람직하다. 도 8과 도 9는 도 7의 고전압 펄스트랜스(Tr)의 각각 입력단자(ⓑ)와 출력단자(ⓐ)의 전압파형(b)(a)으로서 펄스입상시간(rise time)(tr)과 펄스전압 인가시간(pulse ON time)(t0)과 펄스전압 휴지시간(pulse OFF time)(tf)을 나타낸 것이다.On the other hand, in terms of power, it is desirable to generate a lot of ozone with low power. 8 and 9 are voltage waveforms (b) (a) of the input terminal ⓑ and the output terminal ⓐ of the high voltage pulse transformer Tr of FIG. 7, respectively, and the pulse rise time t r and Pulse voltage application time (pulse ON time) t 0 and pulse voltage idle time (pulse OFF time) t f are shown.
상기 도 8과 도 9에서와 같이 매 펄스주기(t p = t 0 + t f )중에서 펄스전압 인가시간(pulse ON time)(t0)과 펄스전압 휴지시간(pulse OFF time)(tf)을 적절히 조정하여 오존이 가장 많이 발생되면서도 가장 적게 해리되는 펄스주기(tp)와 시비율(D = t 0 /t p )로 최적화하는 것이 필요하게 된다.As shown in FIG. 8 and FIG. 9, a pulse voltage ON time t 0 and a pulse voltage OFF time t f during every pulse period t p = t 0 + t f . It is necessary to properly adjust the optimizing the pulse period (t p ) and the rate of application ( D = t 0 / t p ) with the highest ozone generation and the least dissociation.
도 10은 본 발명 오존발생장치(다)의 인가펄스전압 변화에 따른 오존발생특성을 이격거리(s)를 변수로 하여 나타낸 것으로서 종래 국내 오존발생장치로서는 얻기 어려운 매우 높은 오존농도를 얻을 수 있음을 보여주고 있다.Figure 10 shows the ozone generation characteristics according to the change in the applied pulse voltage of the ozone generator (C) of the present invention as the distance (s) as a variable, it is possible to obtain a very high ozone concentration which is difficult to obtain in the conventional domestic ozone generator. Is showing.
도 11은 본 발명 오존발생장치(다)의 이격거리(s) 변화에 따른 오존발생농도 특성을 나타낸 것으로 그물형 방전전극(43)과 유전체(44)간의 이격거리(s)를 적절히 설정함으로서 이격거리가 없는(s=0) 도 2에 도시한 종래 오존발생장치(나) 보다 오존발생능력이 크게 향상됨을 보여준다.11 shows ozone generation concentration characteristics according to the change of the separation distance (s) of the ozone generator (C) of the present invention, and the separation is performed by appropriately setting the separation distance (s) between the mesh type discharge electrode 43 and the dielectric member 44. There is no distance (s = 0) shows that the ozone generating capability is greatly improved than the conventional ozone generator (B) shown in FIG.
여러 형태의 오존발생장치를 실험한 결과 이격거리(s)는 0.1∼1.5mm정도가 비교적 유효했다. 그러나 요구되는 오존농도나 수율, 장치의 크기, 전원조건에 따라서 이격거리는 더욱 크게 또는 작게 유지할 수 있다.As a result of experiments with various types of ozone generators, the separation distance (s) was about 0.1-1.5 mm. However, depending on the required ozone concentration, yield, device size, and power supply conditions, the separation distance can be kept larger or smaller.
한편, 도 2에 도시한 종래 연면방전형 오존발생장치(나)는 유전체(24)의 표면에 방전전극(23)이 접하여 고착되어 있으므로 이들 서로 간에 이격거리(s)가 없는(s=0) 상태이므로 방전전극(23) 연면에서 방전시 발생하는 고열(800∼1,200℃)에 의한 방전전극(23) 연면부근의 유전체(24)의 변형, 균열, 파손 등을 방지하기 어려우며, 또한 전극 제조시 방전전극(23)과 유전체(24)간의 결합력 향상을 위하여 접합금속(glue metal)을 추가해야 하고, 또한 방전전극(23)의 재질을 유전체(24)의열팽창 계수와 비슷하고 가격이 비싼 텅스텐 분말로서 유전체(24)의 표면에 스크린 인쇄하고, 또한 이를 고온으로 소성(1,400∼1,600℃)하여 제조해야 하기 때문에 제조공정이 매우 복잡해지고 제조원가가 크게 상승하는 문제점이 있다.On the other hand, in the conventional surface discharge type ozone generator (B) shown in FIG. 2, since the discharge electrode 23 is contacted and fixed to the surface of the dielectric 24, there is no separation distance s between them (s = 0). In this state, it is difficult to prevent deformation, cracking, or breakage of the dielectric material 24 near the surface of the discharge electrode 23 due to the high heat (800 to 1,200 ° C.) generated during discharge on the surface of the discharge electrode 23. In order to improve the bonding force between the discharge electrode 23 and the dielectric 24, a glue metal must be added, and the material of the discharge electrode 23 is similar to the thermal expansion coefficient of the dielectric 24 and is expensive. As a result of screen printing on the surface of the dielectric 24 and firing it at a high temperature (1,400 to 1,600 ° C), the manufacturing process is very complicated and manufacturing costs are greatly increased.
반면 본 발명에서는 높은 에너지 전자나 오존의 산화력에 의한 전극 손상율이 매우 적고, 가격이 매우 싼 금속전극 예컨데, 스텐레스류(stainless steel류)와 같은 금속으로 방전용 그물전극(43)을 구성하고 지지 절연체(52)에 의해서 그물전극(43)이 유전체(44)로부터 적정 이격거리(s)를 가질 뿐만 아니라 빈 공간인 그물코를 갖기 때문에 방전전극(43)이 고온으로 발열되더라도 서로 접촉되지 않은 상태이므로 유전체(44)에 열적 손상을 주지 않는 잇점이 있다.On the other hand, in the present invention, a metal electrode having a very low electrode damage rate due to high energy electrons or ozone oxidizing power and a very low price, for example, constitutes and supports a discharge net electrode 43 made of metal such as stainless steel. Since the insulator 52 not only has a proper distance s from the dielectric 44 but also has a mesh that is an empty space, the discharge electrodes 43 are not in contact with each other even when heated to a high temperature. There is an advantage of not thermally damaging the dielectric 44.
또한, 본 발명은 고가의 텅스텐 분말을 스크린 인쇄할 필요성과 고온으로 소성할 필요성과 접합금속을 필요로 하는 공정 등이 없어지므로 제조원가가 크게 절감되는 잇점이 있을 뿐만 아니라 도 4의 사시도에서 보는 바와 같이 고온소성 할 필요없이 각각의 부품을 간단히 조립하여 제작할 수 있으면서도 고농도의 오존발생 성능을 갖는 등 매우 효율적이고 경제적인 장치이다.In addition, the present invention eliminates the necessity of screen-printing expensive tungsten powder, the need for firing at a high temperature, a process requiring a bonding metal, etc., and thus, the manufacturing cost is greatly reduced, as shown in the perspective view of FIG. 4. It is a very efficient and economical device that can be manufactured by simply assembling each part without the need for high temperature firing, and has a high concentration of ozone generation performance.
도 3의 본 발명 오존발생장치(다)는 그물전극과 유전체가 상설된 하부전극에서 오존이 발생하도록 하였으나 오존발생 용량을 크게 하거나 또는 필요에 따라서 동일구조의 것을 상부에 중첩 사용할 수도 있으며, 또한 평판전극 형상인 방전전극과 유도전극 대신 동일형상의 원통형 전극구조로 할 수도 있다.In the present invention ozone generating apparatus (C) of FIG. 3, ozone is generated in the bottom electrode where the net electrode and the dielectric are permanently placed, but the ozone generating capacity may be increased or, if necessary, the same structure may be superimposed on the upper part, and the flat plate may be used. Instead of the electrode and the discharge electrode and the induction electrode may be of a cylindrical electrode structure of the same shape.
즉, 방전전극(43)과 유전체(44)와 유도전극(45)의 각 단면 형상이 모두 동심원 상태인 원통형 그물전극과 원통형 유전체와 원통형 유도전극으로 원통화 함으로서 원통형상의 오존발생장치가 필요한 곳에 쉽게 설치할 수 있을 것이다.That is, the cylindrical cross-section of the discharge electrode 43, the dielectric 44, and the induction electrode 45 are all concentric with the cylindrical net electrode, the cylindrical dielectric, and the cylindrical induction electrode, so that the cylindrical ozone generating device is easily needed. You can install it.
이상의 본 발명 고효율 고농도 오존발생장치(다)를 제작함에 있어서, 방전전극(43)은 오존이나 산소계 활성종에 강한 알루미나(Al) 또는 구리(Cu) 또는 스텐레스(stainless steel)와 같은 다양한 금속재료가 적합하며, 그물코의 형상으로는 3각형, 4각형, 5각형, 6각형 등으로 다양하게 설정할 수도 있다.In manufacturing the high efficiency high concentration ozone generator (C) of the present invention, the discharge electrode 43 is made of various metal materials such as alumina (Al) or copper (Cu) or stainless steel, which are resistant to ozone or oxygen-based active species. It is suitable, and the shape of the mesh may be set in various ways, such as triangular, tetragonal, pentagonal, hexagonal and the like.
또한, 필요에 따라 즉, 큰 용량의 오존발생장치가 필요한 경우에는 유도전극에 방열판을 부착하거나, 유도전극의 후면을 음각하거나 또는 전극내부에 공기냉각통로 또는 수(水)냉각통로와 같은 냉각로(냉각통로)를 형성한 다음 냉각수나 냉각유 또는 냉각공기와 같은 냉각매체를 흘려 보내거나 순환시켜 강제 냉각시키면 오존해리작용을 크게 감소시킬 수 있어서 더욱 효과적이다.Also, if necessary, that is, when a large capacity ozone generator is required, a heat sink is attached to the induction electrode, the back surface of the induction electrode is engraved, or a cooling path such as an air cooling passage or a water cooling passage within the electrode. The formation of the (cooling passage) and then forced cooling by flowing or circulating a cooling medium such as cooling water, cooling oil or cooling air is more effective because it can greatly reduce the ozone dissociation action.
또한, 유전체는 전기적 절연내압(絶緣耐壓)이 높고, 열전도율이 높으면서 기계적 강도가 높은 것이 요구되며, 두께는 얇은 것(0.2∼1.5mm정도)이 좋으나 얇을수록 효율은 높아지는 반면 수명이 짧아지므로 경질유리, 석영, 산화 알루미늄 (alumina), 산화질코늄(zilconia), 산화철(Fe2O3)등의 재질을 사용하여 효율이 높으면서 수명이 긴 효과를 갖도록 한다.In addition, the dielectric is required to have high electrical breakdown voltage, high thermal conductivity and high mechanical strength, and the thinner the thickness (0.2 to 1.5mm) is good, but the thinner the harder the efficiency and the shorter the life. Materials such as glass, quartz, aluminum oxide (alumina), chromium oxide (zilconia), and iron oxide (Fe 2 O 3 ) are used to ensure high efficiency and long life.
이와 같이 본 발명 고효율 고농도 오존발생장치(다)는 전술했듯이 방전전극(43)의 그물코(m) 크기나 모양, 그리고 방전전극(43)과 유전체(44)간의 이격거리(s)등을 적절히 설정함으로서 발생오존농도나 효율이 변화되며, 또한 인가 펄스주파수(f=1/tp)나 인가 펄스시비율(D)을 적절히 설정함으로서 발생오존농도나효율이 변하게 되므로 이 값들의 최적 설정이 매우 필요하게 되며, 이들 값들은 오존발생장치의 크기나 방전전극(43)의 형상과 전원구성소자(Iv)등에 따라 적정한 값으로 설정하게 된다.As described above, the high-efficiency, high-concentration ozone generator (C) of the present invention sets the size and shape of the mesh (m) of the discharge electrode 43 and the distance s between the discharge electrode 43 and the dielectric 44 as appropriate. The ozone concentration or efficiency is changed, and the ozone concentration or efficiency is changed by appropriately setting the applied pulse frequency (f = 1 / t p ) or the applied pulse rate (D). These values are set to appropriate values depending on the size of the ozone generating device, the shape of the discharge electrode 43, the power source component Iv, and the like.
도 11 내지 도 14는 본 발명 오존발생장치(다)의 전극형상과 구조의 최적화를 위한 실험결과의 일부다. 각각 방전전극(43)과 유전체(44) 간의 이격거리(s)가 0.1∼1.5mm일 때, 방전전극(43)의 그물코 크기(m)는 0.2∼4mm, 그리고 선 폭(w)의 크기는 0.1∼1.5mm정도일 때가 가장 큰 출력오존량을 얻을 수 있었다.11 to 14 are a part of the experimental results for the optimization of the electrode shape and structure of the ozone generating device (C) of the present invention. When the distance s between the discharge electrode 43 and the dielectric 44 is 0.1 to 1.5 mm, the mesh size m of the discharge electrode 43 is 0.2 to 4 mm, and the size of the line width w is The maximum output ozone amount was obtained when it was about 0.1-1.5 mm.
여러 종류의 그물전극 형상과 선폭(w)과 그물코의 크기(m)와 이격거리(s)에 대하여 여러 차례 실험한 결과 방전전극(43)의 전극선폭(w)을 그물코의 크기(m)보다 작게하고 이격거리(s)와는 비슷하게 형성하는 것이 오존을 효과적으로 발생시킬 수 있었다.Several experiments were conducted on various types of mesh electrode shapes, line width (w), mesh size (m), and separation distance (s). The electrode line width (w) of the discharge electrode (43) was larger than the mesh size (m). Forming small and similar to the separation distance s could effectively generate ozone.
도 13과 도 14는 본 발명 오존발생장치(다)의 산소 중에서 오존발생 실험결과의 일부로서 인가전원의 펄스주파수(f)는 3.5∼5.0 kpps(pulse per second, pps)가 유효한 것으로 나타났으나, 방전전극의 형상과 유전체의 종류와 두께 그리고 그 크기에 따라 오존발생장치(OG)의 정전용량이 틀리게 되며 또한 오존발생효율에 따라 펄스주파수(f)는 1∼10 kpps정도가, 또 인가펄스 시비율(D)은 0.025∼0.45부근이 실험결과 비교적 유효한 것으로 나타났다.13 and 14 show that the pulse frequency f of the applied power source is 3.5 to 5.0 kpps (pulse per second, pps) as part of the ozone generation test result in the oxygen of the ozone generator (C) of the present invention. Depending on the shape of the discharge electrode, the type and thickness of the dielectric, and its size, the capacitance of the ozone generator (OG) is different, and the pulse frequency (f) is about 1 to 10 kpps depending on the ozone generating efficiency. Fertilization rate (D) was found to be relatively effective in the vicinity of 0.025 ~ 0.45.
이상에서와 같이 본 발명은 방전전극으로 종래의 평판형이 아닌 전극폭이 좁고 그물코를 갖는 형상의 방전전극을 사용하여 연면방전을 발생시키고 또한 유전체로부터 일정거리 이격되어 있으므로 이격공간에서의 무성방전이 발생될 뿐만 아니라 이들 방전시에 발생되는 고열로 인한 유전체의 용존, 균열 등이 거의 없으며 고온소성이나 전극용착을 위한 스크린 인쇄공정 등이 필요없기 때문에 장치의 수명이나 신뢰성과 오존발생 효율성이 높게 될 뿐만 아니라 고농도의 오존을 얻을 수 있게 되는 등의 효과가 있는 것이다.As described above, the present invention uses a discharge electrode having a narrow electrode width and a mesh shape as a discharge electrode to generate creepage discharges, and is also spaced a certain distance from the dielectric, so that a silent discharge in a space In addition, there is almost no dissolution or cracking of the dielectric due to the high heat generated during these discharges, and the screen printing process for high temperature firing or electrode welding is not required, resulting in high lifetime, reliability, and ozone generation efficiency. But it is effective to obtain a high concentration of ozone.
또한, 오존의 산화력은 자연계에서는 불소 다음이고, 염소의 7배나 되어 살균ㆍ탈취ㆍ표백작용이 매우 강력하여 상ㆍ하수 처리 및 폐·배수처리는 물론 식품의 살균 및 보관 나아가 반도체 제조용의 잔류 유기물(예 Photo resist 등)을 용이하게 제거하여 처리하는 등 여러 분야에 매우 다양하게 유효하게 사용할 수 있음은 공지의 사실이다.In addition, the oxidizing power of ozone is next to fluorine in nature, and it is 7 times higher than chlorine, which is very strong in sterilization, deodorization, and bleaching. It is well known that it can be effectively used in various fields such as easily removing and processing photo resist.
따라서 본 발명의 오존발생장치는 매우 효과적으로 고농도의 오존을 발생시킬 수 있기 때문에 이상과 같은 다양한 여러 분야와 요구에 적절하게 적용될 수 있는 매우 유용한 발명이다.Therefore, the ozone generator of the present invention is very useful invention that can be suitably applied to various various fields and needs as described above because it can generate high concentration of ozone very effectively.
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