KR20030036285A - 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 종래의 무성방전 방식에 의한 오존 발생장치의 저농도, 저수율의 한계점을 극복하고 나아가 장치의 소형화 및 제조가의 저렴화를 도모하기 위한 것으로서, 산소의 해리과정, 여기과정을 각기 분리시켜 정량제어(mass balance)가 가능하도록 공정화 시키고, 이의 결합과정에서는 초음파진동을 이용하여 2종의 가스를 균질화(homogenizing) 하는 동시에, 펠티어 효과(Peltier efect)를 갖는 열전소자로 반응열을 흡수하여 최대의 수율을 얻을수 있도록 하기 위한, 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명은 산소 분자 가스를 주입하여 광화학 반응으로 상기 산소 분자를 여기 상태로 변화시키기 위한 분자 여기기(300); 프라즈마를 이용하여 공진기(411)로 주입된 산소 분자 가스를 원자상태로 해리시키기 위한 분자 해리기(400); 및 상기 분자 여기기(300)로부터 발생된 여기 상태의 산소 분자와 상기 분자 해리기(400)로부터 발생된 해리 상태의 원자를 결합하여 오존을 발생하기 위한 분자 결합기(500)를 포함한다.

Description

마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생장치{An Ozone Apparatus By Plasma Using Microwave}
본 발명은 오존 발생 장치에 관한 것이다.
오존은 강한 산화력을 이용하는 산소의 동소체로써 1840년 숀바인에 의하여 명명되고 1857년 독일의 Werner Von Siemens에 의해 무성방전법이 최초로 고안되었다.
오존 발생장치는 무성방전법을 비롯해 전해법, 광화학반응법, 방사선 조사법 등에 의해 제작되었으나 산업적인 측면에서 현재까지 가장 많이 활용되고 있는 방식은 무성방전법이다.
오존 발생장치의 기본 원리는 산소에 물리, 화학적인 자극으로 에너지를 가해 산소원자의 결합상태를 두 개에서 세 개로 변화시키는 것이다.
한편, 오존 발생장치로 주로 사용되는 무성방전법은, 유전체로 격리시킨 방전극 사이에 6000~12000V의 저주파(60hz), 중주파(800-2000hz) 또는 고주파(15-30KHz)를 인가하고 이 사이에 원료 기체인 공기나 산소를 통과시키는 방법으로써 평면형 방전전극 사이에 유전체를 배치시키는 연면형 구조와 실린더형 구조의 방전관에 동축형 전극을 설치한 지멘스 방전관이 있다.
특히, 실린더형 구조의 방전관은 보편적으로 널리 사용되고 있는 것으로써 전극사이로 원료가스를 흘려 보내 공기의 경우 2~4%, 산소의 경우 8~12% 수준의 농도를 얻고 있다.
방전전극 사이로 원료가스를 흘려 넣으면 방전스트리머의 전계에너지에 의하여 산소분자가 해리되고 이 해리된 원자가 해리되지 않은 산소분자와 결합하여 오존을 생성 시킨다.
산소원자는 1S 2S 2Px2 2Py1 2Pz1의 구조이며 이중 공유결합 형태로 산소분자를 구성하고 있으며 오존은 산소원자 3개가 결합된 구조로 결합력이 낮은 산소원자 한 개는 쉽게 속박에서 풀려 나면서 높은 산화전위에 의하여 주변의 물질을 산화시키게 된다.
산소분자 1몰(32g)을 해리 시키는데 소요되는 에너지는 +119 kcal로써 전력으로 환산하면 138.4W에 해당되며 다른 방법으로 산소분자에 대하여 계산하면 산소분자의 해리전위는 5.12eV로 따라서 1몰의 산소분자를 해리시키기 위하여는 5.12eV x 6.02 x 1023(아보가드로 상수) x 1.602 x 10-19(joule) = 493774.848J = 117.918 kcal = 137.16 W로 유사한 결과가 계산된다.
이렇게 생성된 산소원자를 산소 분자에 결합시키면 분자량 48의 오존 분자(O3)가 생성되며 결합시 에너지를 방출하게 되므로, 이론적으로 1몰의 산소분자를 해리시키면 2몰의 오존을 생성할 수 있게 되며, 따라서 시간당 1g의 오존을 생산하기 위한 에너지는 1.44W가 된다.
그러나, 현재의 실제적인 오존 발생장치에서의 효율은 g당 8~12W 수준으로 매우 낮으며 또한 오존 농도는 순 산소를 원료로 할 경우 최대 15%, 공기를 원료로할 때는 3~4% 정도로 효율과 농도가 낮으며 이에 따라 장치의 대형화와 많은 에너지 및 원료 가스가 소요된다는 문제점이 있다.
이하에서는, 상기에서 설명한 무성 방전식 오존 발생장치의 오존 발생관에 대하여 간단히 설명하도록 하겠다.
도 1a 내지 도 1c 는 종래의 무성방전식 오존 발생장치의 오존 발생관의 다양한 일실시예 구조도로서, 유전체(102)의 위치와 숫자에 따라 다양한 형태를 나타내고 있다. 또한, 도 1d 는 종래의 무성방전식 오존 발생장치에서의 스트리머(방전주) 사이의 전압 및 전류 파형의 일예시도를 나타내고 있다.(전압파형(105), 방전전류(104)가 맞는지 확인해 주십시오.)
오존 발생장치에 공급되는 교류 고전압(105)에 의해서 전극(101)간에 형성된 전계로부터 에너지를 얻은 전자가 방전 스트리머(방전주)(103)로 성장하여 전극간을 교락하게 되며 이때, 방전기둥(방전주) 내에 존재되어 있는 전하가 유전체 표면에 축적되므로 그 전하에 의해 형성된 전계 때문에 인가 전계는 약화되고 방전 스트리머는 소멸되고 다시 생성되는 과정을 반복하게 된다.
이때, 무성방전은 도면에 도시된 바와 같이 다수의 방전스트리머(103)가 존재하는 방전형태를 취하고, 무성방전에 의한 오존 발생시의 방전전류(104)는 전극사이에 존재하는 유전체(102)로 인하여 억제되어 낮아진다.
이와 같이 무성방전은 전자가 전극 전면상의 다수점으로 부터 발생하므로 전자와 원료가스 분자와의 충돌에 의해 산소분자가 해리되는 전기화학반응이다.
이를 영상증폭 카메라를 사용하여 무성방전현상을 측정한 연구로부터 전극면에서의 방전기둥의 발생밀도는 원료가스가 공기인 경우 3mm의 유격거리에서 오존생성농도의 변화에 따라서 약 2∼12개/cm2로 관측되며 이때 전압파형(105)에 의하여 1개의 방전주당 평균전하량은 1.8 x 10-9C ∼ 5 x 10-10C 정도이고, 원료가스가 산소인 경우는 방전주의 발생밀도가 오존생성농도와는 무관계하며 1개의 방전주가 가지는 평균전하량은 4 x 10-10C 정도인 것으로 알려져 있다.
무성방전시 방전주의 발광시간을 관측한 결과, 약 10ns 이하라는 사실에서 무성방전형 오존 발생장치의 방전기구는 타운샌드(Townsend) 방전에서 방전 스트리머로 성장되고, 이 방전스트리머는 글로우 방전상태로 천이하면서 방전이 소멸됨을 알 수 있다.
결국 방전 초기 형태의 타운샌드(townsend) 방전에 의하여 오존이 생성되며 방전 직후에는 전류 및 방전광이 대단히 강한 단시간 방전이 발생하여 이것이 다수의 방전주로 형성되는 것으로 알려져 있다.
따라서, 이러한 방전기둥 내의 온도는 대단히 높기 때문에 방전영역에서의 온도상승을 초래하고 결과적으로 열에너지로 여기된 외곽전자들에 의하여 오존의 결합율이 저하시키는 원인을 제공한다.
이러한 저효율 저농도의 문제를 해결하기 위하여 오존 발생장치 제작자와 연구자들은 고심하고 있으며 이러한 노력의 결과들은 유전체 냉각방식을 향상시킨 출원(특1999-028411) 등에서 나타나고 있으며, 농도의 향상을 위하여 극간 간격을 1밀리미터 미만으로 줄여서 약 18wt % 농도의 오존을 발생하였다는 발표가 있는 한편 또한 분자체(Molecular Sieve)를 이용하여 저농도의 오존을 15% 수준으로 농축하는 기술도 발표되었다(특1999-0082786).
또한, 유전체의 재질을 향상 시킨 사례(실용 20-0219493, 특0355582 등) 및 농도 향상을 위한 노력 등 오존 발생장치에 관한 특허출원이 무수히 많다는 것은 오존 발생장치에 대한 개선의 여지가 많다는 것을 증명하는 것이라 할 수 있다.
또한, 기존의 방식을 탈피한 이송식 고온 프라즈마를 이용하여 오존을 생성하는(#3,309,300 미국)방식도 시도되었다.
아래의 [표 1]은 종래의 대표적인 오존 발생장치의 특성을 정리 요약한 것이다.
상기 [표 1]에서 보는 바와 같이 농도와 효율 면에 있어서는, 산소를 원료가스로 하고 유전체를 세라믹으로 제작한 오존 발생장치의 경우가 가장 높으나, 소요에너지는 시간당 1g의 생산 에너지가 10~15W 정도로 효율이 10~14% 수준이며 농도는 최대 16% 정도로 개선의 여지가 많이 남아 있음을 알 수 있다.
무성방전방식의 오존 발생장치에 있어서 수율과 농도가 낮은 이유는 다음과 같다.
첫째, 산소분자의 해리를 위한 방전 에너지가 비연속적 펄스형태로 가해지고 있다는 점, 둘째, 방전 불꽃기둥이 방전면에 산개되어 발생된다는 점, 셋째, 주변의 높은 온도로 인해 오존분자 결합시 방출되는 에너지의 흡수가 어려운 점, 넷째, 해리된 산소원자가 산소분자와 결합하는 빈도수가 낮은 점, 다섯째, 모든 과정이 동일 반응기에서 동시에 일어남으로 인하여 생성된 오존이 방전 스트리머를 통과하며 에너지를 얻어 다시 분해되는 점 등으로 분석할 수 있다.
따라서, 무성방전 방식은 지난 수 십 년간의 개량과 연구에도 불구하고 더 이상 수율과 농도향상이 원천적으로 불가능 하다는 결론에 도달할 수 있다.
이를 뒷받침 하는 사례는 판매되고 있는 고농도 오존 모니터의 최대 농도표시가 28 w% (IN USA사: MODEL H1 )인 점으로 증명할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 무성방전 방식에 의한 오존 발생장치의 저농도, 저수율의 한계점을 극복하고 나아가 장치의 소형화 및 제조가의 저렴화를 도모하기 위한 것으로서, 산소의 해리과정, 여기과정을 각기 분리시켜 정량제어(mass balance)가 가능하도록 공정화 시키고, 이의 결합과정에서는 초음파진동을 이용하여 2종의 가스를 균질화(homogenizing) 하는 동시에, 펠티어 효과(Peltier efect)를 갖는 열전소자로 반응열을 흡수하여 최대의 수율을 얻을수 있도록 하기 위한, 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 도 1c 는 종래의 무성방전식 오존 발생장치의 오존 발생관의 다양한 일실시예 구조도.
도 1d 는 종래의 무성방전식 오존 발생장치에서의 스트리머(방전주) 사이의 전압 및 전류 파형의 일예시도.
도 2 는 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생장치의 일실시예 블록도.
도 3 은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생 장치 중 분자 여기기(300)의 일실시예 단면도.
도 4 는 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생 장치 중 분자 해리기(400)의 일실시예 단면도.
도 5 는 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생 장치 중 분자결합기(500)의 일실시예 단면도.
도 6 은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생 장치 중 분자 결합기(500)의 일실시예 상세도.
도 7 은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생장치의 일실시예 단면도.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생장치에 있어서, 분자 여기용 마이크로파 공진기(311)에 수은 증기가 봉입된 고순도 석영관을 장착시켜 단파장 자외선이 발광되도록 한 무전극 램프(313)의 자외선 조사부분에, 산소 분자 가스를 주입하여 광화학 반응으로 상기 산소 분자를 여기 상태로 변화시키기 위한 분자 여기기(300); 분자 해리용 마이크로파 공진기(411)에 초고주파 전계를 인가하여 형성된 프라즈마의 에너지를 이용하여, 상기 공진기(411)로 주입된 산소 분자 가스를 원자상태로 해리시키기 위한 분자 해리기(400); 및 상기 분자 여기기(300)로부터 발생된 여기 상태의 산소 분자와 상기 분자 해리기(400)로부터 발생된 해리 상태의 원자를 결합하여 오존을 발생하기 위한 분자 결합기(500)를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2 는 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생장치의 일실시예 블록도이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생 장치는, 분자여기기(300), 분자해리기(400), 분자결합기(500) 및 주변장치로 구분되어 있으며, 상기 주변장치들로는 산소발생기(600)와 유량 제어기(700), 농도계(800) 및 유량계(900)로 나눌 수 있다.
한편, 본 발명은 프라즈마를 이용한 오존 발생 장치에 관한 것으로서, 저온 프라즈마의 발생방법은 AC , RF, 마이크로파를 이용한 것 등으로 구분 되어 질 수 있다.
이들 중 AC 프라즈마는 기존의 지멘스식 오존 발생 장치에서 사용되고 있는 방식이며, 약 14Mhz 대의 RF 프라즈마 방식 중 ICP(Inductive Coupled Plasma)는 산업용으로 많이 쓰이고 있다. 즉, ICP는 코일에 의하여 RF 세력을 원하는 반응기에 인가 하므로 반응기의 형태가 매우 자유로운 반면 마이크로파 프라즈마는 공진 캐비티가 체적과 형상, 공진모드의 많은 제약을 받게 되므로 이 활용이 쉽지 않은 편이다. 본 발명에서는 마이크로파를 이용한 프라즈마 발생 방법을 이용하고 있다.
또한, 상압에 프라즈마를 발생하기 위하여는 단위체적당 높은 전력밀도가 요구되므로 가능한 한 적은 체적의 공진기가 요구된다.
즉, 공진기는 마이크로파의 전계와 자계의 배열분포에 따라 TE모드와 TM 모드로 구분되며 다시 반파장 길이의 배수에 따라 mnp로 표기된다(예 : TM 010 , TE 212 등). 또한, 공진기는 형상에 따라 원통형, 육면체형, 동축형, 부채꼴 형 등으로 구분된다.
일정 주파수에서 가장 적은 체적을 갖는 공진 모드는 동축형 공진기로써 본 발명에서는 저출력, 저가의 마그네트론을 사용하여 높은 프라즈마 밀도를 생성하기 위하여 동축형 공진기를 채택 하였으나 마그네트론의 출력이 충분히 클 경우에는 다른 공진 모드를 선택할 수도 있다.
한편, 상기한 바와 같이 본 발명은 원주형 동축 마이크로파 공진기에2.45GHz의 초고주파 전계를 인가하여 프라즈마를 형성시키고, 이 공진기에 산소가스를 주입하여 산소분자를 원자상태로 해리시키는 분자 해리기(400)와, 또 다른 마이크로파 공진기에 수은증기가 봉입된 고순도 석영관을 장착시켜 단파장 자외선이 발광되도록 한 무전극 램프의 자외선 조사부분에 산소가스를 주입하여 광화학 반응으로 분자를 여기 상태로 변화시키는 분자 여기기(300) 및 상기 분자 해리기와 분자 여기기로부터 발생된 산소 분자 및 원자를 결합하여 오존을 발생하기 위한 분자 결합기(500)를 구비하고 있다.
이때, 상기 분자 해리기(400)로부터 해리된 산소원자는 0.1~1 미크론의 기공을 갖는 은과 지르코늄 합금의 소결금속 멤브레인에서 정제되어 분자 결합기(500)의 결합 반응실로 유출되며, 상기 분자 여기기(300)에서 광 화학반응에 의하여 여기된 산소분자는 백금 박막 디퓨저를 통하여 분자 결합기(500)의 결합 반응실로 주입되어 혼합되며, 이 과정에서 반응열을 흡수 할 수 있는 냉각된 초음파 진동 그리드를 장치하여 오존으로 결합되는 조건을 적정화시키게 된다.
상기 각 구성 요소들에 대하여는 도 3 내지 도 7 을 참조하여 상세히 설명하겠다.
도 3 은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생 장치 중 분자 여기기(300)의 일실시예 단면도로서, 산소분자를 여기 시키기 위한 광 화학 반응기를 나타낸 것이다.
마그네트론(306)에서 방출된 마이크로파 에너지는 도파관(307)을 통하여 진행하게 되며 튜너(308)에 의하여 최적의 임피던스로 정합된다. 도파관 윈도우(309)는 마이크로파 공급원 측과 부하측을 물리적으로는 분리시키며 전자계적으로는 손실없이 전달하기 위한 것으로 알루미나 박판 또는 퀄츠로 구성되어 있다.
연결관(310)과 연결자(312)는 도파관과 동축 연결자(waveguide to coaxial adaptor)와 유사한 구조로써, 사각형 도파관으로 부터 TE01 모드로 전달되어온 마이크로파를 TM01 모드로 전환하고 다시 TE111 모드의 동축형 공진기(311)로 전달하는 기능을 수행한다.
동축형 공진기(311)는 마그네트론의 발진주파수에 공진되어 있고 공진기 내부에는 0.5~1g의 수은증기와 소량의 알곤 가스(318)를 충진한 고순도 석영(fused silica)의 원주형 램프(313)가 장착되어 있어 마이크로파로 여기된 수은 분자가 고유의 스펙트럼을 방출하게 되며, 수은의 스펙트럼 중 산소의 여기에 주로 사용되는 파장은 184.9 ~ 253.7nm이다.
산소 주입구(315)를 통하여 주입된 산소분자는 1S 2S 2Px2 2Py1 2Pz1의 원자구조이며 이들 중 2Py1 2Pz1의 전자가 이중 공유결합 형태로 산소분자를 구성하고 있으므로 2Pz1의 전자궤도를 여기 시킴으로 산소원자와의 결합이 용이 할 것으로 판단된다. 본 발명에서는 cm2당 30W 의 에너지를 방출할 수 있도록 하였으며 유량은 분자 해리장치로 유입되는 양의 2배의 유량으로 하였다.
냉각 공기 주입구(316)를 통하여 주입된 공기는 자외선 램프(313)의 관벽 온도의 과도 상승을 피하기 위한 것으로 배출구(317)를 통하여 외부로 분출된다.
한편, 상기 자외선 램프(313)의 자외선 조사면에는 상기 산소 주입구(315)를통하여 주입된 산소분자를 광화학적으로 여기시키기 위한 격실(339)이 배치되어 있으며, 상기 격실(339)에서 여기된 산소분자는 디퓨저(314)를 통하여 다음 공정으로 진행된다. 이때, 상기 디퓨저(산소분자 필터)(314)는 기공이 1 ~ 5m 정도가 이상적이며, 백금으로 구성할 수 있다.
도 4 는 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생 장치 중 분자 해리기(400)의 일실시예 단면도로서, 도면에 도시된 분자 해리기를 통해 산소분자는 5.12eV로 원자로 해리된다. 또한, 이 과정은 상압에 가까운 압력하에서 작동하므로 높은 밀도의 전계 에너지가 필요하며 마이크로파를 이용할 때는 공진기의 체적이 작을수록 유리하다.
TE111 모드로 공진되는 동축형 공진(coaxial cavity)기(반응기)(411)는 고주파 전류밀도를 높이기 위한 것으로 다른 공진모드에 비하여 가장 체적이 작은 공진 모드 이다.
본 발명은 이 과정을 마이크로파를 이용한 저온 프라즈마에 의해 구현하였으며 마그네트론(406)에서 방출된 마이크로파 에너지는 도파관(407)을 통하여 진행하게 되며 튜너(408)에 의하여 최적의 임피던스로 정합된다.
도파관 윈도우(409)는 마이크로파 공급원 측과 부하측을 물리적으로는 분리시키며 전자계적으로는 손실없이 전달하기 위한 것으로, 프라즈마가 동축형 공진기(반응기)(411)로 부터 전이되는 것을 예방하기 위한 것으로 마이크로파 투과손실이 적은 물질인 알루미나 박판이나 퀄츠가 사용될 수 있다.
연결관(410)과 연결자(413)는 도파관과 동축 연결자(waveguide to coaxialadaptor)와 유사한 구조로써 사각형 도파관으로 부터 TE01 모드로 전달 되어온 마이크로파를 TM01 모드로 전환하고 다시 TE111 모드의 동축형 공진기로 전달하는 기능을 수행한다.
산소의 공급은 동축 연결자의 산소 주입구(419)를 통하여 동축형 공진기(프라즈마 반응기)(411)에 공급된다.
프라즈마 반응에서 발생되는 고열을 방출하기 위한 목적으로 동축형 공진기(반응기)(411)의 외벽으로 냉각수 자켓이 설치되어 있으며 냉각수는 주입구(423)를 통하여 반응기를 냉각 시킨후 출구(424)로 배출된다.
기체의 전기저항은 초기에는 m당 1014ohm 정도로 매우 높으며 일단 전리되면 103ohm 정도로 낮아지므로 초기의 점화를 위하여 점화 프러그(422)를 동축형 공진기(반응기)(411)에 부착 하였으며 프라즈마 점화상태를 옵티칼 파이버(421)로 모니터링 할수 있도록 하였다.
해리된 산소 원자는 원자필터(420)를 통하여 정제되어 분자 결합기(500)의 결합 반응실(533)로 주입된다. 이때, 산소원자를 투과시키는 상기 원자 필터(420)는 은과 지르코늄 합금으로 구성된 소결체로서, 기공이 0.1 ~ 1 마이크로미터 이며 두께는 1~3mm인 평판구조이고, 합금비율은 은 95 ~ 99.5% ,지르코늄 0.5 ~ 5% 으로 구성할 수 있다.
한편, 상기 분자 해리기(400)의 산소 주입량은 1몰당 8192W x 프라즈마 효율()에 정합하도록 설정하는 것이 바람직하다.
도 5 는 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생 장치 중 분자결합기(500)의 일실시예 단면도이며, 도 6 은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생 장치 중 분자 결합기(500)의 일실시예 상세도로서, 산소원자와 여기된 산소분자를 결합시키는 결합 반응실(533)을 나타낸 것이다.
상기 도 4 에 도시된 바와 같은 분자 해리기(400)를 통해 해리된 산소원자는 빠른 속도로 재 결합하기 때문에 특히 상압 상온에서는 이의 이용이 쉽지 않으며, 따라서 도 5 에 도시된 바와 같은 분자 결합기(500)가 요구된다.
즉, 분자 해리기(400)의 원자 필터(420)와 분자 여기기(300)의 디퓨저(314)에서 배출된 가스들은 밀폐되고 냉각된 분자 결합기(500)의 결합 반응실(533)로 유입된다.
이때, 해리된 산소의 자체결합과 여기된 산소분자가 기저상태로 돌아가는 복원율을 줄이기 위하여 두 가스의 유로는 최대한 짧게 하였으며 두 가스의 혼합과 균질화(homogenizing)를 위하여 저온상태에서 20Khz~1Mhz로 진동을 가하도록 초음파 진동자(531)가 진동 스크린(532)사이에 설치되어 있으며 이 진동 스크린은 열전소자(530)와 열적으로 접촉될 수 있도록 구성 하였다.
또한, 냉각 진동금속 격자 즉, 초음파 진동자(531)는 50 ~ 200 매쉬 또는 공극 직경이 1mm 미만의 타공판으로서 전열 냉각 소자(열전소자)(530) 흡열 측면에 결합 되어 있으며, 상기 진동자(531)의 대향거리는 5 ~ 15mm 로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전열소자(열전소자)(530)의 발열측면은 순환 냉각수에 의하여 흡열되며 전열소자의 흡열측면 온도는 0 ~ -90oC가 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 분자 결합기(500)는 외부와 열적으로 절연되어 있으며, 결합된 오존은 배출구(도 7 의 528)에 연결된 진공펌프에 의하여 외부로 연속적으로 배출된다.
분자 결합기(500) 내의 압력은 진공펌프의 토출량과 분자 해리기(400) 및 분자 여기기(300)의 가스 공급장치에 부착된 유량제어기(700)의 연동으로 50~200 mmTorr가 유지되며 이로 인하여 효과적인 오존의 생성이 가능하다.
도 7 은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생장치의 일실시예 단면도로서, 도 3 내지 도 6 에 도시된 분자 여기기(300), 분자 해리기(400), 분자 결합기(500) 및 기타 필요한 장치들이 결합된 오존 발생장치의 전체적인 단면도를 나타내고 있다.
산소발생기(또는 산소저장탱크)(600)에서 공급되는 산소는 비례연동 유량 제어기(700)를 거쳐 분자 여기기(300)의 산소주입구(315)를 통해 격실(399)로 유입되며, 유입된 상기 산소 분자는 램프(313)로부터 인가된 자외선에 의하여 여기되어 디퓨저(314)에서 산개되고 스크린(537)에서 급속냉각되어 결합 반응실(533)에 도달한다.
한편, 분자 해리기(400)의 산소 주입구(419)를 통하여 주입된 산소는 프라즈마(438)에 의하여 해리되고 원자필터(420)에서 정제되어 스크린(537)에서 급속 냉각되며 결합 반응실(533)에 도달한다.
여기된 산소 분자와 해리된 산소 원자가 결합하면서 발생되는 반응열은 냉각 진동스크린(532)에 의하여 흡수되며 생성된 오존은 배출구(528)와 유량계(900) 사이에 연결된 진공펌프에 의하여 배출된다. 이때의 배출량은 분자 해리기(400) 산소주입량 + 분자 여기기 산소주입량으로 결정되며 분자 해리기(400)의 주입량은 분자 여기기 주입량의 1/2에 해당한다.
또한, 분자 해리기(400)의 주입량은 1몰당 8192W x 프라즈마 효율()에 정합하도록 설정되며, 결합 반응실(533)의 압력은 50 ~ 300mmHg를 유지하도록 한다.
이상의 본 발명은 상기에서 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
상기와 같은 본 발명은 오존 생성 체계를 공정화 함으로써 종래의 지멘스관을 이용한 오존 발생장치에 비하여 오존생산 수율과 농도를 현저히 향상시킬 수 있으며, 에너지 효율과 장치의 소형화를 구현할 수 있다는 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 생산원가를 대폭 감소시킬 수 있으므로, 향후 오존을 이용한 수질, 화학, 반도체를 비롯한 산업발전에 기여할 수 있다는 우수한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생장치에 있어서,
    분자 여기용 마이크로파 공진기(311)에 수은 증기가 봉입된 고순도 석영관을 장착시켜 단파장 자외선이 발광되도록 한 무전극 램프(313)의 자외선 조사부분에, 산소 분자 가스를 주입하여 광화학 반응으로 상기 산소 분자를 여기 상태로 변화시키기 위한 분자 여기기(300);
    분자 해리용 마이크로파 공진기(411)에 초고주파 전계를 인가하여 형성된 프라즈마의 에너지를 이용하여, 상기 공진기(411)로 주입된 산소 분자 가스를 원자상태로 해리시키기 위한 분자 해리기(400); 및
    상기 분자 여기기(300)로부터 발생된 여기 상태의 산소 분자와 상기 분자 해리기(400)로부터 발생된 해리 상태의 원자를 결합하여 오존을 발생하기 위한 분자 결합기(500)
    를 포함하는 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분자 여기기(300)는,
    마그네트론(306)의 발진주파수에 공진되어 있는 동축형 공진기(311);
    상기 공진기(311) 내부에 위치하며, 수은 증기와 알곤 가스(318)가 충전되어 있어, 상기 공진기(311)로 인가된 마이크로파에 의해 상기 수은 증기가 여기되면서 자외선을 발광하도록 하기 위한 램프(313);
    산소 주입구(315)를 통해 유입된 산소 분자 가스가 상기 램프(313)로부터 발광된 자외선의 광화학 반응에 의해 산소 분자로 여기되도록 하기 위한 격실(339);및
    상기 격실(339)에서 여기된 산소 분자를 필터링하여 상기 분자 결합기(300)로 투과시키기 위한 것으로서 기공이 형성되어 있는 디퓨저(314)
    를 포함하는 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분자 해리기(400)는,
    마그네트론(406)의 발진주파수에 공진되어 있으며, 인가된 마이크로파에 의한 프라즈마 반응에서 발생되는 고열을 방출하기 위하여 외벽에 냉가수 자켓이 설치되어 있는 동축형 공진기(411);
    산소를 상기 동축형 공진기(411) 내부로 유입시키기 위한 산소 주입구(419); 및
    상기 프라즈마 반응에 의해 상기 산소 주입구(419)로 유입된 산소 분자가 산소 원자로 해리된 경우, 해리된 상기 산소 원자를 필터링하여 상기 분자 결합기(300)로 투과시키기 위한 것으로서 은과 지르코늄 합금으로 구성된 원자 필터(420)
    를 포함하는 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분자 결합기(500)는,
    저온상태에서 진동을 가하도록 열전소자(530)와 열적으로 접촉되어 있는 진동 스크린(532);
    상기 분자 여기기(300)로부터 발생된 여기 상태의 산소 분자와 상기 분자 해리기(400)로부터 발생된 해리 상태의 산소 원자 가스의 결합과 균질화(homogenizing)를 유도하며, 상기 결합과정에서 발생하는 반응열을 흡수하기 위하여 상기 진동 스크린(532)을 진동시키기 위한 진동자(531);
    상기 여기된 산소 분자와 해리 상태의 산소 원자를 상기 진동 스크린(532)에 의해 급속 냉각시키기 위한 스크린(533);
    상기 스크린(533)을 통과한 상기 여기된 산소 분자와 해리 상태의 산소 원자가 결합되어 오존이 생성되는 결합 반응실(533); 및
    생성된 상기 오존을 외부로 배출하기 위한 배출구(528)
    를 포함하는 마이크로파를 이용한 프라즈마에 의한 오존 발생장치.
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