KR20100055021A - 코로나 방전식 오존발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코로나 방전식 오존발생장치에 관한 것이다. 구체적으로는 플레이트의 양면에 다수의 돌기(211)가 형성되고 이 돌기의 사이에 다수의 제1구멍(212)이 형성되어 방전이 개시되는 다수의 제1전극판(200)과, 상기 제1전극판의 양측에 소정의 간격으로 이격되게 설치되고 상기 돌기(211)의 대응 위치에 제2구멍(312)이 형성되어 상기 돌기와 제2구멍 사이에서 코로나 방전이 일어나 플라즈마가 형성되게 하는 다수의 제2전극판(300)과, 상기 다수의 제1전극판(200)에 전압을 인가하도록 다수의 제1전극판을 연결하는 제1전극연결봉(250)과, 상기 다수의 제2전극판(300)에 전압을 인가하도록 다수의 제2전극판을 연결하는 제2전극연결봉(350)과, 상기 제1전극판과 제2전극판을 수용하여 기체가 상기 제1구멍과 제2구멍을 교대로 통과하여 흐르게 하는 하우징(100)을 포함하는 구성으로 되어 있다. 이러한 구성에 의하면, 제1전극판의 돌기에서 제2전극판의 구멍사이에 고전압을 인가하면 낮은 전류상태에서도 쉽게 플라즈마가 형성되므로 기존의 코로나 방전에 의한 방법에 비해 낮은 에너지의 사용에 의해서도 쉽게 상온플라즈마를 형성할 수 있고, 낮은 전류의 사용으로 오존발생기의 온도가 상승되지 않아 별도의 냉각수단이 불필요하며, 주입되는 산소기체가 여러 개의 반응단의 플라즈마 영역을 통과함으로써 산소기체와 플라즈마 형성 영역과의 접촉시간이 길어져 오존발생효율을 높일 수 있다. 또한 전극판의 수를 용이하게 변경할 수 있어 오존 생성량을 용이하게 변경할 수 있을 뿐만 아니라 전극을 용이하게 교체할 수 있어 고농도의 오존을 얻을 수 있다.

Description

코로나 방전식 오존발생장치{ozonizer of corona discharge type}

본 발명은 오존발생장치(ozonizer)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코로나방전에 의해 상온플라즈마 화학방법으로 오존을 발생시키는 코로나 방전식 오존발생장치에 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 상수처리 및 수자원의 살균 등의 분야에 이용되고 있으며, 반도체 세정공정 등에도 이용되고 있다.

이러한 오존은 일반적인 대기 상태에 항상 소량(통상 0.01~0.03 PPM)이 존재하고 있지만, 쉽게 전기분해되는 등 불안정한 상태이기 때문에 이를 산업적으로 이 용하기 위해서는 인공적으로 발생시키는 장치를 필요하게 되었고 이에 따라 개발된 것이 오존발생장치(ozonizer)이다.

오존발생장치는 오존을 발생하기 위하여 여러가지 방법이 사용되는데, 이러한 오존발생방법은 두 전극 사이에 코로나 방전(Corona Discharge)을 일으켜 이 코로나 방전에 의한 플라즈마 화학반응으로 산소에서 오존을 발생시키는 방법과, 물을 전기분해하여 오존을 발생시키는 방법과, 산소에 자외선을 조사하여 오존을 발생시키는 방법 등이 있다.

이러한 방법에 의한 오존발생장치 중에서, 종래 코로나 방전에 의한 플라즈마 화학반응으로 오존을 발생시키는 코로나 방전식 오존발생장치는, 주로 실린더 형태의 원통관(음극)과 원통관 내에 와이어 형태의 전극(양극)에 고전압을 인가하여 플라즈마를 형성시켜 오존을 발생시킨다.

그런데, 종래 코로나 방전식 오존발생장치는, 주로 실린더 형태의 원통관(음극)과 원통관 내에 와이어 형태의 전극(양극)에 고전압을 인가하여 플라즈마를 형성시켜 오존을 발생시킨다. 이러한 구성으로 플라즈마를 형성할 경우, 고전압과 고전류(약5A 이상)로 높은 에너지가 소비되며, 고전류로 인해 시간이 경과함에 따라 오존발생기의 온도가 증가하게 된다. 따라서 오존발생기의 온도상승으로 인해 오존이 산소로 환원되는 반응을 억제하기 위해 오존발생기 외벽에 냉각수단을 구비해야 한다. 그러나 이러한 오존발생기에 냉각수단을 구비한다고 하더라도 산소에서 오존 으로 변환되는 변환율이 12~14%에 불과하여 오존발생효율이 낮을 뿐만 아니라 에너지 소비율이 높다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 코로나 방전에 의한 방법에 비해 낮은 에너지를 사용하더라도 쉽게 상온플라즈마를 형성할 수 있고, 낮은 전류의 사용으로 오존발생기의 온도가 상승하지 않아 별도의 냉각수단이 불필요하며, 주입되는 산소기체가 여러 개의 반응단의 플라즈마 영역을 통과함으로써 산소기체와 플라즈마 형성 영역과의 접촉시간이 길어지므로 오존발생효율을 높일 수 있는 코로나 방전식 오존발생장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 오존 생성량을 용이하게 변경할 수 있을 뿐만 아니라 전극을 용이하게 교체할 수 있고 고농도의 오존을 얻을 수 있는 코로나 방전식 오존발생장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 코로나 방전식 오존발생장치는, 플레이트의 양면에 다수의 돌기가 형성되고 이 돌기들 사이에 다수의 제1구멍이 형성되어 방전이 개시되는 다수의 제1전극판과, 상기 제1전극판의 양측에 소정의 간격으로 이격되게 설치되고 상기 돌기의 대응 위치에 제2구멍이 형성되어 상기 돌기와 제2구멍 사이에서 코로나 방전이 일어나 플라즈마가 형성되게 하는 다수의 제2전극판과, 상기 다수의 제1전극판에 전압을 인가하도록 다수의 제1전극판을 연결하는 제1전극연결봉과, 상기 다수의 제2전극판에 전압을 인가하도록 다수의 제2전극 판을 연결하는 제2전극연결봉과, 상기 제1전극판과 제2전극판을 수용하여 기체가 상기 제1구멍과 제2구멍을 교대로 통과하여 흐르게 하는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 돌기의 끝단은 방전이 용이하게 일어나도록 뾰쪽하게 되어 있는 한편 대응하는 제2구멍의 중앙에 위치하게 되어 있다.

상기 하우징의 내부에는 상기 제1전극판과 제2전극판을 설치하는 한편 제1전극판과 제2전극판을 절연시키는 절연부재가 상기 제1전극판과 제2전극판 사이에 설치되어 있다.

상기 하우징의 기체 입구측에는 상기 하우징의 내부에 유입되는 기체가 상기 제1전극판과 제2전극판에 골고루 분포되게 흐르도록 기체를 분산시키는 다수의 유동조정판이 설치되어 있다.

상기 다수의 유동조정판에는 상기 기체가 용이하게 분산되도록 상기 전극판에 가까운 곳에 설치된 유동조정판일수록 갯수가 많고 직경이 작은 다수의 구멍이 형성되어 있다.

본 발명에 의한 코로나 방전식 오존발생장치에 의하면, 제1전극판의 돌기에서 제2전극판의 구멍사이에 고전압을 인가하면 낮은 전류상태에서도 쉽게 플라즈마가 형성되므로 기존의 코로나 방전에 의한 방법에 비해 낮은 에너지의 사용에 의해서도 쉽게 상온플라즈마를 형성할 수 있고, 낮은 전류의 사용으로 오존발생기의 온도가 상승되지 않아 별도의 냉각수단이 불필요하며, 주입되는 산소기체가 여러 개 의 반응단의 플라즈마 영역을 통과함으로써 산소기체와 플라즈마 형성 영역과의 접촉시간이 길어지므로 오존발생효율을 높일 수 있다.

또한 전극판의 수를 용이하게 변경할 수 있어 오존 생성량을 용이하게 변경할 수 있을 뿐만 아니라 전극을 용이하게 교체할 수 있어 고농도의 오존을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 실시예에 의한 코로나 방전식 오존발생장치의 전체 구성을 나타내는 단면도이고, 도2는 도1의 유입관부와 유출관부를 분리하여 나타낸 사시도이며, 도3은 도1의 절연부재에 제1전극판과 제2전극판이 조립되는 상태를 나타내는 분리사시도이고, 도4는 제1전극판의 돌기와 제2전극판의 구멍의 위치관계를 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이 하우징(100)의 내부에는 다수의 제1전극판(200)과 제2전극판(300)이 교대로 설치되어 있고, 상기 제1전극판(200)과 제2전극판(300) 사이에 코로나 방전이 일어나 플라즈마 영역(P)이 형성되고, 하우징(100)의 일측에서 유입된 기체(산소)가 상기 플라즈마 영역(P)을 순차적으로 통과하면서 화학반응이 일어나서 오존이 발생하게 되어 있다.

상기 다수의 제1전극판(200)은 제1전극연결봉(250)에 의해 연결되어 양극(+극)이 인가하게 되어 있고, 상기 다수의 제2전극판(300)은 제2전극연결봉(350)에 의해 연결되어 음극(-극)이 인가하게 되어 있다.

상기 하우징(100)은, 하우징 본체(110)와, 상기 제1전극판(200)와 제2전극 판(300)을 설치하는 한편 두 전극판(200)(300)을 절연하도록 상기 하우징 본체(110)의 내부에 구비된 절연부재(120)와, 하우징(100)의 내부에 유입하는 기체를 상기 제1, 제2전극판(200)(300)으로 유도하도록 상기 하우징(100)의 입구측에 설치된 유입관부(130)과, 하우징(100)의 내부에서 발생한 오존과 잔류기체를 모아 유출시키는 유출관부(140)로 이루어진다. 상기 하우징(100)은 원통형태로 되어 있는데, 다양한 각통형태로 이루어질 수도 있다.

도2에 도시한 바와 같이 상기 하우징 본체(110)는, 원통관(111)의 양측에 원주방향을 따라 플랜지(112a, 112b)가 형성되어, 상기 유입관부(130)와 유출관부(140)의 후술하는 플랜지에 밀착하여 도시하지 않은 체결부재에 의해 조립되어 있다.

도3에 도시한 바와 같이, 상기 절연부재(120)는 상기 제1전극판(200) 또는 제2전극판(300)의 후술하는 플랜지가 안착되어 고정되도록 요입홈(121)이 형성된 원통고리형으로 되어 있으며, 상기 요입홈(121)에는 상기 제1전극연결봉(250) 또는 제2전극연결봉(350)이 끼워져 상기 제1전극판(200)에는 양극(+극)을 인가하고 제2전극판(300)에는 음극(-극)을 인가하도록 구멍(122)이 형성되어 있다.

상기 절연부재(120)는 상기 제1전극판(200) 또는 제2전극판(300)을 설치하는 한편 두 전극판 사이의 간격을 유지하고 절연하는 역할을 하게 되는데, 경우에 따라서는 설치되지 않을 수도 있다. 상기 절연부재(120)가 설치되지 않은 경우에는 상기 제1전극판(200)와 제2전극판(300)의 후술하는 플랜지는 도시하지 않은 체결부재에 의해 상기 제1전극연결봉(250) 또는 제2전극연결봉(350)에 고정된다. 그리고, 상기 절연부재(120)는 상기 제1전극판(200)과 제2전극판(300)의 간격을 유지하는 간격유지부재(절연재)로 대치될 수도 있다.

상기 유입관부(130)는 원뿔대형태의 관으로서, 상기 하우징 본체(110)에 조립되는 측에는 상기 플랜지(112a)에 밀착하여 도시하지 않은 체결부재에 의해 고정되는 플랜지(131)가 원주방향으로 형성되어 있다. 상기 유입관부(130)의 내부에는 상기 하우징 본체(110)의 내부에 유입하는 기체가 상기 제1전극판(200)과 제2전극판(300)에 골고루 분포하여 흐르도록 기체를 분산시키는 다수의 유동조정판(132. 133, 134)이 소정의 간격으로 설치되어 있다.

상기 각 유동조정판(132)(133)(134)에는 다수의 구멍(132a)(133a)(134a)이 형성되어 있는데, 상기 구멍(132a)(133a)(134a)은 기체가 하우징 본체(110)에 유입하면서 상기 기체가 용이하게 분산되도록 상기 전극판(200)(300)에 가까운 곳에 설치된 유동조정판일수록 갯수가 많고 직경이 작게 되어 있다. 상기 유동조정판 내에는 다수의 구멍들이 지그재그 형태로 구비되어 유동을 조정하는 다양한 형태로 되어 있을 수도 있다.

상기 유출관부(140)는 상기 유입관부(130)와 대체로 동일한 형태로 되어 있으며, 플랜지(141), 유동조정판(142)(143)(144) 및 구멍(142a)(143a)(144a)은 유입관부의 형상과 유사하게 되어 있으나, 유동조정판과 구멍이 반드시 필요하지는 않다. 상기 유출관부(140)의 유동조정판(142)(143)(144)은 발생된 오존과 잔류산소를 한곳으로 모아 유출시키는 역할을 한다. 상기 유출관부(140)의 외면에는 상기 제1전극연결봉(250) 및 제2전극연결봉(350)에 양극(+극) 또는 음극(-극)을 인가하는 전원인가부(145a)(145b)가 각각 형성되어 있다.

도3 및 도4에 도시한 바와 같이 상기 제1전극판(200)은, 원판(210)의 양면에 다수의 돌기(211)가 형성되고, 상기 돌기(211)의 사이에 기체가 통과하도록 제1구멍(212)이 형성되고, 상기 원판(210)의 외주면에는 상기 제1전극연결봉(250)이 연결되는 한편 상기 절연부재(120)의 요입홈(121)에 안착되는 플랜지(213)가 형성된 구조로 되어 있다. 상기 플랜지(213)에는 상기 제1전극연결봉(250)이 관통하여 끼워지는 구멍(213a)이 형성되어 있다. 상기 돌기(211)는 코로나 방전이 개시되는 부분으로서 그 끝단(211a)은 방전이 용이하게 일어나도록 뾰족하게 되어 있는 한편 대응하는 제2구멍(312)의 중앙에 위치하게 되어 있다.

상기 제2전극판(300)은, 상기 제1전극판(200)의 양측에 소정의 간격으로 이격되어 설치된 원판(310)으로서, 상기 원판(310)에는 상기 돌기(211)의 대응 위치에 제2구멍(312)이 형성되어 상기 기체가 통과하는 한편 상기 돌기(211)와 제2구멍(312) 사이에서 코로나 방전이 일어나게 되어 있으며, 상기 원판(310)의 외주면에는 상기 제2전극연결봉(350)이 연결되는 한편 상기 절연부재(120)의 요입홈(121)에 안착되는 플랜지(313)가 형성된 구조로 되어 있다. 상기 플랜지(313)에는 상기 제2연결봉(350)이 관통하여 끼워지는 구멍(313a)이 형성된 구조로 되어 있다.

도5에 도시한 바와 같이, 상기 제1전극판의 원판(210)에 형성된 돌기(211)의 높이(C1)은 0.5cm ~ 1.5cm 정도가 적당하고, 상기 제1전극판의 돌기(211)와 상기 제2전극판의 제2구멍(312)사이의 거리(C2)는 10cm ~ 20cm 정도가 적당하며, 돌기(211)와 제2구멍(312)의 수는 많을수록 바람직하다.

상기 제1전극판(200) 및 제2전극판(300)은 상기 별도의 다양한 고정수단에 의해 상기 제1전극연결봉(250) 또는 제2전극연결봉(350)에 고정될 수 있으며, 오존발생량 및 농도에 따라 하우징 본체(110)의 내부에 설치된 상기 제1전극판(200)과 제2전극판(300)의 갯수를 가감하여 설치할 수 있다.

그리고, 제1전극판(200)과 제2전극판(300)은 손상(특히 돌기부분의 손상)시에, 하우징(100)의 유입관부(130) 및 유출관부(140)을 분리한 다음, 제1, 제2전극판(200)(300)을 교체하여 사용할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 코로나 방전식 오존발생장치에서, 상기 하우징(100)의 전원인가부(145a)(145b)와 제1, 제2전원연결봉(250)(350)을 통해 제1전극판(200)와 제2전극판(300)사이에 5~40KV, 0.2~5mA의 DC 교류전원 또는 펄스전원을 인가하면, 제1전극판(200)의 돌기(211)와 제2전극판(300)의 제2구멍(312) 사이에서 코로나 방전이 일어나 저온(상온)의 플라즈마 영역(P)을 형성하게 된다(도5 참조). 이때 펄스전원은 고가이므로 DC 교류전원을 인가하는 것이 바람직하다.

일반적으로 제1전극판(200)과 제2전극판(300)의 사이의 간격이 커지면 인가전압을 높여야 코로나 방전이 용이하게 일어나는데, 경험적으로 1KV/cm의 비율로 전압을 인가하는 것이 바람직한다.

상기한 바와 같이 코로나 방전이 일어나 플라즈마 영역(P)이 형성된 상태에서, 상기 유입관부(130)을 통해 산소를 하우징 본체(110)의 내부에 유입시켜 상기 플라즈마 영역(P)을 통과시키면, 화학반응이 일어나 오존이 발생하게 되는데, 다수의 제1전극판(200)과 제2전극판(300)에 의해 다단으로 형성된 플라즈마 영역(P)을 통과하는 동안 오존의 발생량이 증가하고 오존의 농도 또한 증가하게 된다.

이때, 상기 유입관부(130)을 통해 유입하는 산소는, 하우징 본체(110)에 유입하면서 다수의 유동조정판(132)(133)(134)의 구멍(132a)(133a)(134a)을 순차적으로 통과하면서 분산되어 제1전극판(200) 및 제2전극판(300)에 골고루 분포하게 되는데, 이는 상기 구멍(132a)(133a)(134a)은 상기 제1, 제2전극판(200)(300)에 가까운 곳에 설치된 유동조정판일수록 갯수가 많고 직경이 작게 되어 있기 때문이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 코로나 방전식 오존발생장치에 의하면, 제1전극판의 돌기에서 제2전극판의 구멍사이에 고전압을 인가하면 낮은 전류상태에서도 쉽게 플라즈마가 형성되므로 기존의 코로나 방전에 의한 방법에 비해 낮은 에너지의 사용에 의해서도 쉽게 상온플라즈마를 형성할 수 있고, 낮은 전류의 사용으로 오존발생기의 온도가 상승되지 않아 별도의 냉각수단이 불필요하며, 주입되는 산소기체가 여러 개의 반응단의 플라즈마 영역을 통과함으로써 산소기체와 플라즈마 형성 영역과의 접촉시간이 길어지므로 오존발생효율을 높일 수 있다.

또한 전극판의 수를 용이하게 변경할 수 있어 오존 생성량을 용이하게 변경할 수 있을 뿐만 아니라 전극을 용이하게 교체할 수 있어 고농도의 오존을 얻을 수 있다.

본 발명은 다단으로 플라즈마 영역을 형성함으로써 작은 공간에서도 높은 오존변환율을 얻을 수 있다.

실험에 의하면, 제1전극판(200) 4개와 제2전극판(300) 5개를 사용하여 4단으로 플라즈마 영역(P)을 형성하고, 도5의 C1을 1cm, C2를 10cm로 조정하여, 10KV/0.5mA의 DC 교류전원을 인가하여, 오존발생 실험을 한 결과, 오존변환율이 25%로 나타났다. 이러한 오존변환율은 종래 오존발생기의 13%정도에 비해 현저히 높은 변환율이다.

도1은 본 발명의 실시예에 의한 코로나 방전식 오존발생장치의 전체 구성을 나타내는 단면도

도2는 도1의 유입관부와 유출관부를 분리하여 나타낸 사시도,

도3은 도1의 절연부재에 제1전극판과 제2전극판이 조립되는 상태를 나타내는 분리사시도,

도4는 본 발명의 실시예에 의한 제1전극판의 돌기와 제2전극판의 구멍의 위치관계를 나타내는 사시도,

도5는 본 발명의 실시예예 의한 제1전극판과 제2전극판 사이의 코로나 방전 발생상태를 나타내는 설명도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 하우징 110 : 하우징 본체

120 : 절연부재 130 : 유입관부

140 : 유출관부 200 : 제1전극판

211 : 돌기 212 : 제1구멍

250 : 제1전극연결봉 300 : 제2전극판

312 : 제2구멍 350 : 제2전극연결봉

Claims (5)

1. 플레이트의 양면에 다수의 돌기가 형성되고 이 돌기들 사이에 다수의 제1구멍이 형성되어 방전이 개시되는 다수의 제1전극판과,

   상기 제1전극판의 양측에 소정의 간격으로 이격되게 설치되고 상기 돌기의 대응 위치에 제2구멍이 형성되어 상기 돌기와 제2구멍 사이에서 코로나 방전이 일어나 플라즈마가 형성되게 하는 다수의 제2전극판과,

   상기 다수의 제1전극판에 전압을 인가하도록 다수의 제1전극판을 연결하는 제1전극연결봉과,

   상기 다수의 제2전극판에 전압을 인가하도록 다수의 제2전극판을 연결하는 제2전극연결봉과,

   상기 제1전극판과 제2전극판을 수용하여 기체가 상기 제1구멍과 제2구멍을 교대로 통과하여 흐르게 하는 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 코로나 방전식 오존발생장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 돌기의 끝단은 방전이 용이하게 일어나도록 뾰쪽하게 되어 있는 한편 대응하는 제2구멍의 중앙에 위치하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 코로나 방전식 오존발생장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 하우징의 내부에는 상기 제1전극판과 제2전극판을 설치하는 한편 제1전극판과 제2전극판을 절연시키는 절연부재가 상기 제1전극판과 제2전극판 사이에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 코로나 방전식 오존발생장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 하우징의 기체 입구측에는 상기 하우징의 내부에 유입되는 기체가 상기 제1전극판과 제2전극판에 골고루 분포하여 흐르도록 기체를 분산시키는 다수의 유동조정판이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 코로나 방전식 오존발생장치.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 다수의 유동조정판에는 상기 기체가 용이하게 분산되도록 상기 전극판에 가까운 곳에 설치된 유동조정판일수록 갯수가 많고 직경이 작은 다수의 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 코로나 방전식 오존발생장치.

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