KR200288954Y1 - 오존발생장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 보다 개선된 오존 발생장치를 구현하기 위하여, 하나의 오존 발생부에서 유전체 장벽방전을 이용한 오존 발생 방법과 자외선 원을 사용한 자외선 오존 발생 방법을 동시에 수행하는 오존 발생장치를 제공하여, 오존 발생률을 향상시킴과 동시에 높은 전력효율을 가지는 오존 발생기를 제공한다.

Description

오존발생장치 {Ozonizer}

본 고안은 오존발생장치(ozonizer)에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는, 장벽 방전과 자외선을 이용하여 오존을 발생시키는 오존 발생장치에 관한 것이다.

오존(O₃)이란 상압, 실온의 환경에서 특유한 냄새가 있는 미청색(微靑色)의 기체로 존재하는 산소(O₂)의 동소체 물질로써, 산소에 비하여 1.5배의 밀도와 12.5배의 용해도를 가지는 물질인데, 이러한 오존은 난 분해성 물질을 산화시켜 생분해성 물질로 전환시켜 주는 강력한 살균, 소독, 탈색, 탈취 효과를 가지고 있으며, 특히 오존의 순간적인 살균력은 불소(F) 다음으로 높아 염소의 7-8배나 되기 때문에 근래에 들어 날로 심각해지는 환경오염으로 인한 오수 및 폐수처리 분야나 상수 처리 및 수자원의 살균 등의 분야에 이용이 점차 증대되고 있다.

이러한 오존은 일반적인 대기 상태에 항상 소량(통상 0.01 ∼ 0.03 PPM)이 존재하고 있지만, 쉽게 전기 분해 되는 등 불안정한 상태이기 때문에 이를 산업적으로 이용하기 위해서는 인공적으로 발생시키는 장치를 필요로 하게 되었고, 이에 따라 개발된 것이 오존 발생장치(ozonizer)이다.

오존 발생장치는 오존을 발생시키기 위하여 여러 가지 방법을 사용하는데 이러한 오존 발생방법은 산소를 포함하는 원료기체를 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge)인 무성방전을 일으켜 오존을 발생시키는 방법과, 물을 전기 분해하여 오존을 발생시키는 방법과, 산소를 포함하는 원료기체를 자외선으로 조사하여 오존을 생산하는 방법 등으로 구분된다.

이러한 오존 발생장치 중 일반적으로 널리 이용되는 방법인 자외선 방법과 유전체 장벽 방전 방법에 대하여 자세히 설명한다.

먼저 자외선 방법이란 산소를 포함하는 원료 기체에 자외선을 조사하여 오존을 발생하는 광 화학적 방법으로써 좀 더 자세하게는, 산소를 포함하는 원료기체로 통상 일반적인 대기를 이용하며, 이러한 원료기체에 자외선원을 이용하여 발생된 자외선을 조사하여 산소 분자를 해리하여 활성화시키고, 이러한 활성화 된 산소를 결합하여 오존을 발생시키는 방법인데, 이러한 일반적인 자외선 오존 발생장치는 오존을 발생시키기 위하여 인체에 유해한 자외선을 사용하기 때문에 사용상의 주의가 필요함과 동시에 에너지 효율이 떨어져 대용량의 오존을 발생하는 오존 생산장치로는 그 활용범위가 제한된다.

참고로 일반적인 자외선 오존발생장치에서 사용되는 자위선원은 65W의 출력을 가진 자외선 램프를 사용하여 184.9nm의 파장을 가진 자외선을 발생시키게 되고 이로 인하여, 대략 720mg/hr 정도의 오존 생성률을 가지고 있다.

또한, 유전체 장벽 방전 방법을 사용한 오존 발생 방법이란, 무성 방전인 유전체 장벽방전을 일으켜 산소를 포함하는 원료기체 내의 산소를 활성화시키고, 이러한 활성화 된 산소를 결합하여 오존을 발생시키는 방법으로써, 좀 더 자세하게는 유전체를 사이에 두고 일정간격 이격된 접지전극과 고전압 전극으로 구성되고 이 고전압전극에 교류 고전압을 인가하여 유전체 장벽 방전을 일으키고, 이러한 방전이 일어나는 공간에 산소를 함유한 원료기체를 통과시켜 오존을 발생시키는 방법이다.

이러한 유전체 장벽 방전을 통하여 오존을 발생시키는 일반적인 오존발생장치에 대하여 도면을 통하여 자세히 설명한다.

이러한 오존 발생장치는 도 1a에서와 같이 서로 다른 반지름을 가진 세 개의 원통모양의 외부전극(15), 유전체(20), 내부 전극(25)이 밖에서부터 안으로, 상기 순서를 가지고 위치하는 형태로 이루어지는데 즉, 가장 큰 반지름을 가지고 금속재질의 판으로 이루어진 원통모양의 외부 전극(15)과, 이러한 외부전극의 내측에 유전성 물질로 이루어진 원통모양의 유전체(20)가 위치하며, 이러한 유전체(20)의 내측에 금속재질의 판으로 이루어진 원통모양의 내부 전극(25)이 위치한다.

전술한 구성을 가지는 외부 전극(15), 유전체(20), 내부 전극(25)은 도 1a에 도시된 바와 같이 유전체(20)의 내면과 내부전극(25)의 외면이 밀착된 상태로, 그 바깥쪽에 둘러져 있는 외부전극(15)의 내면과 유전체(20)의 외면이 일정정도 거리를 두고 이격되어 위치 할 수도 있고, 도 1b에 도시된 바와 같이 외부전극(15)의 내면과 유전체(20)의 외면이 밀착된 상태로, 그 안에 위치한 내부전극(25)의 외면과 유전체(20)의 내면이 일정정도 거리를 두고 이격되어 위치 할 수도 있는데 전자, 즉 도 1a의 구성을 가질 경우 세라믹 및 관 유리와 같은 유전체(20)에 금속피막을 메탈라이징하여 내부전극(25)을 구성하는 방법과, 후자인 도 1b의 경우 외부전극(20)을 유전체로 라이닝하여 구성하는 방법이 일반적으로 행해지고 있다.

그런데 이러한 방식은 특수한 가공공정을 거치므로 제조가 용이하지 않고 제조단가가 높다는 단점이 있다.

한편, 전술한 바와 같이 도 1a의 외부전극(15)과 유전체(20), 또는 도 1b의 유전체(20)와 내부전극(25)이 이격되어 정의되는 공간을 공극(35)이라 하는데, 이러한 공극(35)에는 산소를 포함하는 원료기체가 들어오는 유입구(30)와 후술하는 과정을 통하여 발생된 오존이 배출되는 배출구(40)를 가지고 있으며, 상기 내부전극(25)은 고전압 전원(50)과 전기적으로 연결되며, 외부전극(15)은 접지되어 있다.

이러한 일반적인 유전체 장벽 방전방법의 오존 발생장치에서 오존을 발생시키는 방법을 설명하면, 먼저 유입구(30)를 통하여 산소를 포함하는 원료기체 통상 대기가 공극(35) 부분으로 주입되면, 고전압 전원(50)은 이와 전기적으로 연결되는 내부전극(25)에 고압의 교류전압을 인가하게 되어 유전체(20)에 전하가 축적된다.

이후 이러한 축적된 전하가 절연파괴 전계 강도에 도달하면 공극(35) 부분에서 유전체 장벽 방전이 일어나게 되는데, 이러한 방전은 공극 부분에 위치한 원료기체 중 산소를 해리시켜 활성화 산소를 형성하게 되고, 이러한 활성화 된 산소분자는 다른 산소 분자와 결합하여 오존이 되어 배출구(40)를 통하여 얻어지게 된다.

이러한 과정을 통하여 오존을 발생하는 일반적인 오존발생장치는 고전압을 사용하여 구동하므로 고 전압의 일부는 열에너지로 변환되어 오존 발생부의 온도를 상승시키게 되는데, 한편 오존은 대략 60℃∼100℃ 이상이 되면, 그 수명(life-time)이 급격히 떨어지는 특징을 가지고 있는 바, 이러한 현상을 방지하기 위하여 바람직하게는 외부전극의 외면에 냉각수가 순환하여 외부전극을 냉각할 수 있는 냉각수 통로를 구성하여 열을 식히는 방법을 사용하게 되는데, 이러한 냉각수의 순환을 위한 에너지원인 전원이 추가적으로 필요하게 된다.

그러나 이러한 일반적인 오존 발생장치는 공급되는 전원의 대부분이 열 에너지로 변환되거나 이를 식히기 위한 냉각방법에 소비되어 직접적으로 오존을 발생시키는데 사용되는 전압은 전체 전압의 10%이하인 매우 낮은 전기효율을 나타내는 문제점을 가지고 있다.

특히 이러한 현상은 대형 오존 장치의 경우 더욱 심각하게 나타나는데 전술한 구성을 가지는 오존 발생장치의 오존의 생산 효율은 방전 부분, 즉 공극의 면적과 소비전력에 비례하는 바, 대량의 오존을 발생시키기 위해서는 장치의 대형화가 반드시 이루어져야 하며 이러한 장치의 대형화는 더욱 더 비효율적인 전기효율을 보이는 문제점을 가지게 된다.

본 고안은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 효율적인 전기효율을 가지면서 오존 생산율을 높여 보다 개선된 오존 발생장치를 구현하는 것을 목적으로 한다.

도1a, 1b는 일반적인 오존 발생장치를 개략적으로 도시한 단면도

도 2은 본 고안의 제 1 실시예에 따른 오존 발생장치를 도시한 단면도

도 3은 도 2의 내부전극을 도시한 개략도

도 4는 본 고안의 제 2 실시예에 따른 오존 발생장치를 도시한 단면도

도 5는 도 4의 IV-IV선을 따라 절단한 단면을 도시한 단면도

도 6은 도 4의 내부전극을 도시한 개략도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

60 : 외부전극 61a : 유입관

62b : 배출관 62 : 공극

64 : 유전체 66 : 내부전극

70 : 절연체 72 : 자외선 발생수단

80 : 고전압 전원 81 : 자외선 전원

본 고안은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 접지된 금속재질의 외부전극과; 상기 외부전극과 실질적으로 동일길이를 가지고, 투명재질로 이루어지는 유전체와; 상기 외부전극과 유전체의 양 끝단을 밀봉하여 상기 외부전극과, 내부전극 사이에 공극을 정의하는 밀봉재와; 상기 공극에 산소를 포함하는 원료기체를 유입하는 유입관과; 상기 공극에서 발생된 오존을 배출하는 배출관과; 상기 유전체의 일면에 접촉되는, 금속망으로 이루어지는 내부전극과; 상기 내부전극을 통하여 상기 공극으로 자외선을 조사하는 자외선 원과; 상기 자외선 원에 전원을 공급하는 자외선 전원과; 상기 내부전극에 고전압을 공급하는 고 전압전원을 포함하고 있으며, 상기 공극에 산소를 포함하는 원료기체가 주입된 상태에서, 상기 자외선원에서 발생하는 자외선과, 상기 내부 전극과 외부전극 사이에서 발생하는 고전압 방전을 통하여, 상기 공극 내의 산소를 해리시켜 오존을 발생시키고, 이를 상기 배출구로 배출되도록 하는 오존 발생장치를 제공한다. 이때 특히 상기 자외선 원에 전원을 공급하는 전원은 220 볼트의 교류전압을 공급하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 외부전극과, 상기 유전체와, 상기 내부전극은 각각 원통형상으로, 상기 외부전극의 내부에 상기 유전체가, 상기 유전체의 내부에 상기 내부전극이, 상기 내부전극의 내부에 자외선 램프가 각각 위치하는 것을 특징으로 하며, 이때 상기 내부전극과, 상기 자외선 램프의 사이에는 투명재질로 이루어진 원통형상의 절연체를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 외부전극과, 유전체와, 내부전극은 각각 판 형상인 것을 특징으로 하며, 이때 상기 자외선 원에서 발생된 자외선을 상기 내부전극으로 향하도록 하고, 외부유출을 막기 위한 반사물질이 코팅된 자외선 차광패턴을 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 고안에 따른 실시예에 따른 오존 발생장치를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저 본 고안에 따른 오존 발생 장치는 하나의 오존 발생장치에서 자외선 방전 방법과 유전체 장벽방전 방식을 동시에 사용하여 보다 개선된 전력 효율과 오존 발생률을 증대시킬 수 있는 오존 발생장치를 제공한다.

이러한 본 고안에 따른 오존발생장치는 그 구성에 따라 몇 가지 실시예로 구분될 수 있는바, 이하 본 발명의 실시예에 따라 도면을 통하여 상세히 설명한다.

제 1 실시예

먼저 본 고안의 제 1실시예에 따른 오존발생장치의 개략 단면도인 도 2를 참조하여 설명하면, 오존발생장치 (55)는 고 전압 전원(80)과, 금속재질의 판으로 이루어진 원통 모양의 접지된 외부전극(60)과, 이러한 외부전극(60)의 내측에 투명한 재질의 유전물질 판으로 이루어진, 상기 외부전극(60)과 실질적으로 동일한 길이를가진 원통모양의 유전체(64)와, 이러한 유전체(64)의 내측에 그물 모양의 금속망으로 이루어지며 고전압전원과 전기적으로 연결되는 원통모양의 내부전극(66)(도 3 참조)과, 이러한 내부전극(66)의 내측에 투명한 절연성 물질로 이루어진 원통모양의 절연체(70)가 끼워져 있는 구성을 가지고 있다.

즉, 바깥쪽부터 원통모양의 외부전극(60)과, 유전체(64)와, 내부전극(66)과, 절연체(70)가 차례로 끼워져 있는 형태를 가지고 있으며 이 때 상기 유전체(64)의 내면과 내부전극(66)의 외면은 서로 밀착되어 있고 유전체(64)와 외부전극(60)은 일정정도 거리를 두고 이격되어 그 사이에 빈 공간인 공극(62)이 위치하게 되고, 이러한 외부전극(60), 유전체(64), 내부전극(66), 절연체(70)의 구성은 서로 다른 공정을 통하여 각각 제조한 후 이를 조립하여 구성할 수 있다.

또한, 상기 절연체(70)의 내부공간에는 자외선 원(72)이 위치하는데, 이러한 본 고안에 따른 오존 발생장치에 사용되는 자외선원은 바람직하게는 자외선 램프를 사용할 수 있고 이와 같이 자외선 원으로 자외선 램프를 사용할 경우에 자외선 원을 구동하기 위한 자외선 전원(81)을 더욱 구비하여, 이는 일반적인 상용 교류전압인 220V 교류전압을 공급할 수 있다.

특히 외부전극(60)과 유전체(64)의 양 끝단은 접찹력 있는 물질인 밀봉재로 로 고정되어, 외부전극와 유전체와 밀봉재로 정의되는 공극이 구성되는데, 상기 공극(62)은 외부로부터 산소를 포함하는 원료기체가 주입되는 유입관(61a)과 이러한 공극(62)에서 형성된 오존이 배출되는 배출관(61b)을 가지고 있는데, 이러한 유입관 및 배출관은 외부전극을 통하여 구성하는 것도 가능하다.

제 2 실시예

본 발명의 또 다른 실시예인 오존발생 장치는 전술한 제 1 실시예와 동일 작용을 하는 부분은 동일 부호로 표시한 도 4와, 도 4의 IV-IV선을 따라 절단한 단면을 도시한 도 5와 바와 같이 오존발생장치를 구성하는 각 소자인 외부전극, 유전체, 내부전극, 절연체가 판모양으로 적층된 것을 특징으로 하는데, 이를 설명하면 고전압 전원(80)과, 이러한 고전압전원(80)과 전기적으로 연결된 그물 모양의 금속망으로 이루어진 판 모양의 내부 전극(66)(도 6 참조)과, 이 내부전극의 하부에 내부 전극과 밀착되어 이루어진 유전물질로 이루어진 판 모양의 유전체(64)와, 이러한 유전체(64)와 일정간격 이격되어 접지된 금속재질의 판모양의 외부전극(60)이 위치한다.

이때 이러한 유전체(64)와 외부전극(60)은 전술한 바와 같이 일정간격을 가지고 이격된 상태로 그 양 끝단은 밀봉재(68)로 밀봉되어 있어, 유전체(64)와 밀봉재(68)와 외부전극(60)으로 정의되는 빈 공간인 공극(62)이 위치하고 이러한 공극(62)에는 외부로부터 산소를 포함하는 원료기체가 유입될 수 있는 유입관(61a)과 공극에서 발생된 오존이 배출될 수 있는 배출관(61b)을 가지고 있다.

또한 내부전극(66)의 상부에는 자외선을 발생할 수 있는 자외선 원(72)과 이 자외선 원에 전원을 공급하는 자외선 전원(81)이 위치하는데, 이러한 자외선원(72)의 둘레에는 자외선 원(72)으로부터 발생된 자외선을 외부로 방출하지 않게 하고, 그 하부의 내부전극 방향으로만 조사 될 수 있도록 하는 돔 모양의 자외선 반사판(73)을 포함하는 자외선 차단패턴(74)이 위치하고 있는데, 이러한 자외선원(72)은 바람직하게는 자외선 램프를 사용할 수 있고 이와 같이 자외선 램프를 사용할 경우에 자외선 램프에 공급되는 자외선 전원(81)은 일반적인 상용 전원인 220V 교류전압을 사용할 수 있다.

이하, 전술한 본 고안에 따른 각 실시예에 따른 오존 발생장치를 통하여 오존을 발생시키는 과정을 설명한다.

먼저 오존의 원료가 되는 산소를 포함하는 원료기체, 통상 일반 대기가 각 실시예에 따른 유입구(61a)를 통하여 공극(62)으로 주입되면, 고전압 전원(80)으로부터 내부전극(66)에 고전압을 인가하고, 자외선 원, 바람직하게는 자외선 램프(72)에 220V의 상용전압이 인가된다.

이와 같이 전압이 금속망 형태의 내부전극(66)과 자외선 램프(72)에 인가되면, 자외선 램프(72)는 턴-온(turn-on) 되어 자외선을 발생시키게 되고, 금속망 형태의 내부전극(66)과 외부전극(60)사이에 전하가 축적되게 되는데, 이때 내부전극(66)은 전술한 바와 같이 그물 모양의 금속망으로 구성되어 있으므로 금속망의 금속선 부분으로 전장이 집중되어 일반적인 오존 발생장치의 판 상의 내부전극(도 1a의 25 참조)에서 발생하는 전장보다 월등히 강한 전장이 형성되어 전하가 축적되어 공극(62) 부분에 강한 유전체 장벽 방전을 일으키게 된다.

또한 턴-온(turn-on) 된 자외선 램프(72)에서 발생된 자외선은 제 1 실시예의 경우 자외선 투과율이 높은 투명한 재질로 이루어진 절연체(70)와 금속망 형태의 내부전극(66) 및 투명한 재질의 유전체(64)를 통과하여, 제 2 실시예의 경우 내부전극(66)과 유전체(64)를 통하여 공극(62) 부분의 원료기체에 자외선을 조사하게 된다.

즉, 상기 공극(62) 부분에는 산소를 포함하는 원료기체가 들어있는 상태에서 자외선 램프(72)로부터 자외선이 조사됨과 동시에 유전체 장벽방전이 발생하여, 원료기체의 산소 분자는 급속도로 해리되어 활성화되고, 활성화된 산소원자가 결합하여 오존이 발생되게 되어 배출구(61b)로 배출되게 된다.

이러한 구성을 가지는 본 고안에 따른 오존 발생장치는 하나의 오존 발생부(55)에서 유전체 장벽 방전 방식의 오존 발생 방법과 자외선 램프를 사용하는 자외선식 오존 발생방법이 가능하게 된다..

특히 제 1 실시예의 경우 절연체(70)의 내부에 위치하는 자외선 원(72)에서 발생된 자외선은 금속판 재질의 외부전극(60)에 의하여 외부로 노출되지 않고 차단되게 되고 제 2 실시예의 경우에도 상기 자외선원(72)에서 발생된 자외선은 반사판(73)을 통하여 광원의 하부에 위치하는 내부 전극(66)으로 조사되고 차광패턴(74)에 의하여 밖으로 노출되지 않게 되므로 별다른 주의를 요하지 않고 안정적으로 사용이 가능하다.

한편, 전술한 본 고안에 따른 오존 발생장치에서는 오존 발생부의 내부전극의 내부에 자외선을 발생시키는 자외선 원(source)으로 자외선 램프를 사용하였데, 이러한 자외선 원에서 조사되는 자외선의 출력을 보다 높이기 위하여 고전압 방전 형태의 자외선 원을 사용할 수도 있다.

전술한 구성을 가지고 있는 본 고안에 따른 오존 발생장치는 하나의 오존 발생부를 통하여 고압 무선 방전 방식과 자외선 방식을 동시에 수행하며, 내부전극을 그물모양의 금속망으로 구성하여 전장을 보다 집중되게 형성함으로써 오존의 발생량을 크게 증대할 수 있다.

따라서, 종래의 전력 효율이 낮은 일반적인 오존 발생장치에서, 오존의 발생율을 높이기 위해 고전압 주파수를 발생시키는 전원장치와 대규모의 오존발생장치를 필요로 하는 데 반하여, 본 고안에 따른 오존 발생장치는 고 효율을 가지고 있으므로, 작은 주파수 전압을 공급하는 간단한 구성을 가지는 전원장치와 소규모의 오존발생장치를 사용해도 충분한 양의 오존을 생산할 수 있다.

또한 본 고안에 따른 오존발생장치는 그 구성소자 면에 있어서도, 서로 다른 공정을 통하여 완성된 소자를 합착하여 형성할 수 있으므로 증착 등의 특수 공정이 필요없게 되어 제작공정의 단순화 및 저 비용으로 제작할 수 있는 잇점과 더불어 내부전극으로 손쉽게 얻어질 수 있는 금속망을 사용하고, 추가적 고전압이 필요없이 상용 교류전압(220V)을 사용할 수 있는 자외선 램프를 자외선 원으로 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다.

또한 자외선원이 외부로 노출되지 않는 구성을 가지고 있으므로 안전성도 높다.

Claims (6)

1. 접지된 금속재질의 외부전극과;

   상기 외부전극과 실질적으로 동일길이를 가지고, 투명재질로 이루어지는 유전체와;

   상기 외부전극과 유전체의 양 끝단을 밀봉하여 상기 외부전극과, 내부전극 사이에 공극을 정의하는 밀봉재와;

   상기 공극에 산소를 포함하는 원료기체를 유입하는 유입관과;

   상기 공극에서 발생된 오존을 배출하는 배출관과;

   상기 유전체의 일면에 접촉되는, 금속망으로 이루어지는 내부전극과;

   상기 내부전극을 통하여 상기 공극으로 자외선을 조사하는 자외선 원과;

   상기 자외선 원에 전원을 공급하는 자외선 전원과;

   상기 내부전극에 고전압을 공급하는 고 전압전원을 포함하고 있으며, 상기 공극에 산소를 포함하는 원료기체가 주입된 상태에서, 상기 자외선원에서 발생하는 자외선과, 상기 내부 전극과 외부전극 사이에서 발생하는 고전압 방전을 통하여, 상기 공극 내의 산소를 해리시켜 오존을 발생시키고, 이를 상기 배출구로 배출되도록 하는 오존 발생장치
2. 청구항 1 에 있어서,

   상기 자외선 원에 전원을 공급하는 전원은 220 볼트의 교류전압을 공급하는 오존발생장치
3. 청구항 1 에 있어서,

   상기 외부전극과, 상기 유전체와, 상기 내부전극은 각각 원통형상으로, 상기 외부전극의 내부에 상기 유전체가, 상기 유전체의 내부에 상기 내부전극이, 상기 내부전극의 내부에 자외선 램프가 각각 위치하는 오존 발생장치
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 내부전극과, 상기 자외선 램프의 사이에는 투명재질로 이루어진 원통형상의 절연체를 더욱 포함하는 오존발생장치
5. 청구항 1 에 있어서,

   상기 외부전극과, 유전체와, 내부전극은 각각 판 형상인 오존발생장치
6. 청구항 5 에 있어서,

   상기 자외선 원에서 발생된 자외선을 상기 내부전극으로 향하도록 하고, 외부유출을 막기 위한 반사물질이 코팅된 자외선 차광패턴을 더욱 포함하는 오존 발생장치