KR20170120660A - 위치 의존형 방전 분포를 갖는 오존 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 오존 발생기에 관한 것으로, 이 오존 발명생기는 간극(interstice)을 한정하는 고전압 전극(5) 및 적어도 하나의 대향 전극(1)을 구비하며, 상기 간극 내에 적어도 하나의 유전체(2)가 배치되고, 상기 간극을 통하여 가스가 유동 방향으로 유동하며, 상기 고전압 전극(5)과 적어도 하나의 대향 전극(1)은 전압 공급부(7)에 접속되어 무성 방전이 발생하며, 가스 유동 시에 와이어 직물(wire fabric)이 배치되고, 상기 직물의 밀도는 유동 방향으로 줄어드는 것을 특징으로 한다.

Description

위치 의존형 방전 분포를 갖는 오존 발생기
본 발명은 청구항 1의 전제부의 특징들을 갖는 오존 발생기, 청구항 8의 전제부의 특징들을 갖는 직물, 청구항 13의 전제부의 특징들을 갖는 전극 구성체(electrode arrangement)에 관한 것이다.
일반적인 오존화 장치는 다수의 오존 발생기를 포함하며, 이러한 오존 발생기들은 튜브-번들 열교환기의 방식으로 2개의 튜브 시트 사이에서 서로 평행하게 배열된다. 내부적으로, 튜브들은 중공형 캐소드 형태로 된 방전 챔버들을 생성한다. 유전체를 갖는 애노드 로드들(rod)이 이러한 방전 챔버들 내에 배치되며, 동작 중에, 챔버들은 고전압에 의해 충돌되며, 이로써 애노드 로드와 튜브 사이에서 무성 방전(silent discharge)을 일으킨다. 산소 가스 또는 순수한 산소가 이러한 간극을 통과하다. 무성 방전은 산소 분자로부터 산소화된 가스 내에서 오존 분자를 생성한다. 이러한 방식으로 오존이 농축된 가스 흐름은 예를 들어, 소독 목적으로 사용될 수 있다.
오존 발생기에 공급되어야 하는 전력의 대부분은 폐열로 이어진다. 이러한 폐열은 예를 들어, 외측 전극의 액체 냉각과 같은 냉각 수단에 의해 사라진다. 여기서, 냉각수는 튜브 번들을 통과할 때 가열되고 냉각 장치 내의 열 교환기에 의해 회로 내에서 수 ℃의 온도로 냉각된다.
오존화 장치의 효율을 저해하는 메커니즘은 냉각수 입구와 냉각수 출구 사이에서 튜브를 따라 발생하는 불가피한 온도 구배이다.
오존화 장치의 효율은 방전 갭 내의 온도에 크게 의존한다. 오존의 형성은 바람직하게는 저온에서 일어난다. 또한, 오존은 온도가 올라감에 따라 점점 분해된다. 이러한 온도에 의한 오존 고갈은 오존화 장치의 전반적인 효율을 저감시킨다. 따라서, 오존 수율을 높이려면, 오존 발생기를 따라서 효과적인 반응 온도를 목표로 조정하는 것이 바람직하다.
JP-H-0881205에 오존 발생기가 공지되어 있는데, 제 1 예에서는 오존 발생기의 길이를 따라 증가하는 두께를 갖고 제 2 예에서는 일정한 두께를 갖는, 유전체와 접촉하는, 원추형 외측 전극을 갖는 오존 발생기가 알려져 있다. 이러한 구성들이 갖는 공통점은 가스 갭 내에서의 전력이 오존 발생기의 길이에 걸쳐 연속적으로 저감한다는 것이다. 이러한 방식으로, 오존 발생기의 길이에 따른 온도의 증가가 저감되고, 그 결과, 효과적인 반응 온도가 거의 일정하게 유지될 수 있다. 이러한 방식의 단점은 외측 전극 및 유전체의 제조가 비교적 복잡하고 비용이 많이 든다는 점이다.
본 발명의 목적은 가스의 유동 방향으로 전극 표면 유닛에 공급되는 전력을 저감시킴으로써 그 오존 발생 효율이 증가되며 가능한 한 가장 간단하고 저렴한 구조를 갖는 오존 발생기를 제공하며, 이를 위한 직물을 제공하며, 및 이러한 오존 발생기에서의 가스 유동 시에 사용되며 가스의 유동 방향으로 전극 표면 유닛에 공급되는 전력을 저감시킴으로써 오존 발생기의 오존 발생 효율이 증가되게 하는 전극 구성체를 제공하는 것이다.
"직물"이라는 용어는 섬유 공학(직물 또는 부직포)에서 알려져 있다. 직물이란 섬유 기술로 섬유 원료에서 제조된 모든 직물을 의미하다. 따라서, 본 특허 출원과 관련하여, 직물은 직물 기술에 의해 제조된 임의의 평면형, 곡선형 또는 아치형 직물인 것으로 이해된다. 이러한 직물은 천, 니트, 위브(weave) 및 네트(net)와 같은 부직포 및 부직체 및 솜과 같은 섬유 복합재를 포함한다.
상기한 목적은 청구항 1의 특징들을 갖는 오존 발생기, 청구항 8의 특징들을 갖는 직물, 및 청구항 13의 특징들을 갖는 전극 구성체에 의해 달성된다.
따라서, 그들 간에 간극(interstice)을 구획하는 고전압 전극 및 적어도 하나의 대향 전극을 갖는 오존 발생기가 제공되며, 상기 간극 내에 적어도 하나의 유전체가 배치되고, 상기 간극 내에서 가스가 유동 방향으로 유동하고, 상기 고전압 전극과 상기 적어도 하나의 대향 전극은 전압 공급부에 접속되며 이로써 무성 방전이 발생하며, 와이어 직물이 가스 유동 시에 배치되며, 상기 와이어 직물의 밀도는 가스 유동 방향으로 저감된다. 직물의 밀도를 저감시킴으로써, 무성 방전이 발생하는 표면 지점들이 오존 발생기를 따라 변화되며, 이로써, 가스의 유동 방향으로 공급된 전력이 저감된다. 따라서, 유동 방향에서의 온도 증가는 긍정적으로 영향을 받으며, 이로써 오존 발생기의 오존 발생 효율을 증가시킨다. 가능한 한 가장 단순한 기하구조가 본 오존 발생기에 대해 선택될 수 있고, 상기 와이어 직물로 단독으로 인해서 그 오존 발생 효율이 증가하므로, 본 오존 발생기는 제조하기 간단하고 제조 비용이 저렴하다.
여기서, 직물의 빈 공간 단면적이 유동 방향으로 증가하면 유리하다. 빈 공간 단면 영역에서, 특정 인가 전압에서, 방전은 발생하지 않는데, 그 이유는 이러한 갭 폭을 점화시키기에 해당 전압이 불충분하기 때문이며, 이로써, 단위 길이당 방전 횟수는 빈 공간 단면적의 비율이 증가함에 따라서 저감된다.
일 실시형태에서, 직물은 메쉬이고, 메쉬 크기는 유동 방향으로 증가하며, 바람직하게는 연속적으로 증가한다. 메쉬는 제조가 간단하고 따라서 유리하다.
고전압 전극은 적어도 부분적으로 직물로 형성되는 것이 바람직하다. 여기서, 고전압 전극은 모두 직물로 형성할 수도 있다.
두 개의 바람직한 실시형태들에서, 적어도 하나의 대향 전극 및 고전압 전극은 플레이트형 오존 발생기 또는 튜브형 오존 발생기를 형성하며, 이 경우에, 적어도 하나의 대향 전극 및 고전압 전극은 관형으로 형성되거나 서로 동심적으로 정렬되며, 직물은 둥근 중공형 선형체이다. 여기서, 플레이트형 오존 발생기는 일반적으로 공냉식인, 소형 오존화 장치에서 사용되는 것이 바람직하다. 한편, 튜브형 오존 발생기는 다수의 오존 발생기를 갖고 대부분 수냉식인, 대형 오존화 장치에서 사용되는 것이 바람직하다.
단일 대향 전극을 갖는 단일 갭 시스템이 제공되는 것이 바람직하며, 이 경우에, 고전압 전극이 직물에 의해 형성되고 상기 유전체가 대향 전극과 접촉하도록 배치된다.
또한, 오존 발생기의 가스 유동 시에 사용하기 위한 와이어 직물이 제공되며, 가스 유동 시의 상기 직물의 밀도는 가스 유동에 의해 결정되는 유동 방향을 따라서 저감된다.
여기서, 직물의 빈공간 단면적이 유동 방향으로 연속적으로 또는 구간 별로 증가하는 것이 유리하다. 바람직한 실시형태에서, 직물은 메쉬이고, 메쉬 크기는 상기 유동 방향을 따라서 증가한다.
일 실시형태에서, 상기 직물은 개별 섹션들을 갖는 다중-파트 설계를 가지며, 상기 개별 섹션들 간에서 직물은 상이한 밀도를 가질 수 있다. 유리하게는, 상기 개별 섹션들 각각은 일정한 메쉬 폭을 가지며, 상기 메쉬 폭은 일 섹션에서 다음 섹션으로 상기 유동 방향을 따라서 증가한다.
직물은 전압 공급부로 연결되는 전극 역할을 할 수 있다.
또한, 중앙의 비도전성 로드(rod), 상기 로드를 둘러싸는 직물, 및 상기 직물을 둘러싸는 유전체 튜브를 구비한 전극 구성체가 제공되며, 상기 전극 구성체는 상기 직물을 통과하는 가스 흐름과 충돌하며, 상기 가스 유동 시에 상기 직물의 밀도는 상기 가스 유동에 의해 결정되는 가사 유동 방향을 따라서 저감된다. 이러한 직물은 상술한 특징들을 더 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도면을 사용하여 아래에서 보다 상세히 설명된다.
도 1은 종래 기술의 전극 구성체의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 직물의 개략도이다.
도 1은 DE 10 2011 008 947 A1호에 공지된 바와 같은, 오존 발생기의 전극 구성체를 도시한다. 이러한 오존 발생기들은 단일 오존화 장치에서 그룹화되어 사용된다. 여기서, 오존 발생기들은 튜브-번들 열교환기의 방식으로 2개의 튜브 시트들 사이에서 서로 평행하게 배열되고 전기적으로 병렬로 연결된다. 도시된 오존 발생기는 관형 외측 전극(1), 유사한 관형 유전체(2) 및 내측 로드(3)를 가지며, 이러한 개별 구성 요소들은 절두되게 도시되고 축 방향으로 분리된다. 이러한 구성은 회전 대칭을 갖는다. 외측 전극(1), 유전체(2) 및 내측 로드(3)는 서로 동심적으로 정렬된다. 외측 전극(1)과 유전체(2) 사이에는 이들 간의 간극을 채우는 와이어 메쉬(wire mesh)(4)가 있다. 유전체(2)와 내측 로드(3) 사이에는, 그들 간에 위치한 간극을 채우는 와이어 편직물(knitted wire fabric)(5)이 있다. 외측 전극(1)은 스테인레스 스틸 튜브로 형성된다. 오존 생성으로 인한 폐열은 냉각수에 의해 냉각되며, 냉각수는 튜브 시트들 간의 외측 전극의 외측에 걸쳐서 통과하다. 유전체(2)는 유리 튜브이다. 와이어 메쉬(4 및 5)는 바람직하게는 스테인레스 스틸 와이어 메쉬로 유사하게 제조된 둥근 중공형 라인들로 알려져 진 것이다. 이러한 전극 구성체의 중앙에 배치된 내측 로드(3)는 예를 들어, 유리 또는 다른 산소 및 오존-양립성 재료로 제조된 절연체이다. 내측 로드(3)는 견고한 설계를 가질 수 있다. 작동 중에, 이러한 전극 구성체는 화살표(6)의 방향으로 와이어 메쉬(4, 5)를 통해 유동하는 산소화된 공급 가스에 의해 충돌된다. 전압 공급부(7)는 일 측이 외측 전극(1)과 접촉하고 다른 측은 메쉬(5)와 접촉한다. 전압 공급부(7)에 의해 제공되는 동작 전압은 전극들(1, 5)과 유전체(2) 간의 공간에서, 무성 방전을 발생시키며, 이러한 무성 방전은 메쉬들(4, 5)을 통해서 화살표(6)의 방향으로 흐르는 산소로부터 오존을 생성한다.
도시된 구조에서, 내측 전극은 메쉬(5)에 의해서만 형성되고, 절연체로서의 로드(3)는 지지 기능을 수행하고 동시에 유전체(2)의 내부가 와이어 메쉬(5)로 충진되는 것을 보장한다. 갭 폭 또는 타격 거리 d는 전극과 유전체 간의 거리이다. 전압 공급부(10)는 오존 발생기에 정현파 전압을 공급한다. 이러한 전극의 형상은 부피 및 표면 전하의 중첩을 초래한다.
정해진 갭 폭을 갖는 오존 발생기와 대조적으로, 고전압 전극(5) 또는 직물(5)을 프로파일링함으로써, 방전이 발생되는 특정 표면 지점들이 생성된다.
가스 갭 내의 온도는 특히, 벽 온도(냉각제 온도) 뿐만 아니라, 도입된 전력에 좌우된다. 도입된 전력은 점화된 갭 폭 및 방전 횟수에 의존한다.
본 발명에 따르면, 방전하기 위해 이용 가능한 표면 지점들은, 공급된 전력이 가스의 유동 방향으로 저감되도록, 직물의 설계에 의해서 변화된다. 이러한 경우, 평균 갭 폭은 실질적으로 일정하게 유지되고 길이 단위당 방전 횟수는 저감된다.
이러한 경우에, 직물의 밀도는 연속적으로 또는 불연속적으로 수행될 수 있다.
오존 생성기에 따른 길이 단위당 방전 횟수는 방전이 발생되는 표면 지점들의 분포를 변화시킴으로써 영향을 받는다. 여기서, 외측 전극과 내측 전극 간의 간격과 스파크 거리는 평균적으로 일정하게 유지된다.
제 1 실시예에서, 직물의 밀도를 변화시킴으로써 표면 지점들의 분포가 생성된다. 이러한 직물의 밀도 변화는 방전이 발생되는 특정 표면 지점들의 분포를 생성한다. 해당 전극의 나머지 표면은 방전 생성을 위해서 사용되지 않는다. 가스 유동 방향에서 직물의 밀도를 변화시키거나 직물의 빈 공간(free) 단면적을 변화시킴으로써, 단위 길이당 방전 횟수가 저감될 수 있다. 이러한 변화는 2에 도시된 바와 같이, 와이어 메쉬 전극의 메쉬 폭(W, W')을 변화시키는 것이다. 여기서, 메쉬 폭(W, W')은 유동 방향(S)으로 증가하며, 이로써, 유동 방향(S)에서의 길이 단위당 방전 회수는 저감된다.
고전압 전극은 전기 도전성 재료, 바람직하게는, 스테인리스 강이다. 고전압 전극은 와이어 메쉬 도는 메쉬 또는 직물 또는 와이어 권선일 수 있다. 플리스(fleeces) 또는 펠트(felts)와 같은 섬유 구조도 적합하다.
일 실시예에서, 이러한 고전압 전극은 유전체까지 연장되며, 예를 들어, 메시, 직물 또는 유사한 것들이 유전체에 맞대어 유지되는 지점들이 존재한다.
본 발명에 따른 오존 발생기는 관형 전극 구성체로 제한되지 않는다. 용도에 따라서, 본 발명에 따른 오존 발생기는 관형 또는 판형 오존 발생기의 형태를 취할 수 있다. 본 경우에서, 단일 갭 시스템 및 다중 갭 시스템에서의 사용이 고려된다. 전극의 전기 도전성 재료는 담체 재료를 갖거나 갖지 않고서 전극 공간 내로 도입될 수 있다.
본 발명에 따라 직물의 밀도 변화에 따라서 방전이 발생되는 직물의 표면 지점들의 변화로 인해, 가스의 유동 방향으로 전극 표면 단위에 공급되는 전력을 저감시킬 수 있고, 이로써, 방전 갭 내의 가스 온도에 영향을 미치고, 오존 발생기의 효율을 증가시킬 수 있다. 전극 구성체가 특히 단순한 기하구조를 가지기 때문에, 오존 발생기는 간단하고 저렴하게 제조될 수 있다.

Claims (15)

  1. 간극(interstice)을 한정하는 고전압 전극(5) 및 적어도 하나의 대향 전극(1)을 구비하며, 상기 간극 내에 적어도 하나의 유전체(2)가 배치되고, 상기 간극을 통하여 가스가 유동 방향으로 유동하며, 상기 고전압 전극(5)과 적어도 하나의 대향 전극(1)은 전압 공급부(7)에 접속되어 무성 방전이 발생하는, 오존 발생기에 있어서,
    가스 유동 시에 와이어 직물(wire fabric)이 배치되고, 상기 직물의 밀도는 유동 방향으로 줄어드는 것을 특징으로 하는, 오존 발생기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 직물의 빈공간 단면적(free cross-sectional area)이 유동 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 오존 발생기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 직물은 메쉬(mesh)이며, 상기 메쉬의 크기는 유동 방향으로 연속적으로 증가하는 특징으로 하는, 오존 발생기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고전압 전극(5)은 적어도 부분적으로 상기 직물로 형성되는 것을 특징으로 하는, 오존 발생기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 대향 전극(1)과 고전압 전극(5)은 플레이트형 오존 발생기를 형성하는 플레이트들인 것을 특징으로 하는, 오존 발생기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 대향 전극(1) 및 고전압 전극(5)은 관형으로 서로 동심으로 정렬되며, 상기 직물은 둥근 중공형 선형체인 것을 특징으로 하는, 오존 발생기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단일 대향 전극이 제공되고, 상기 고전압 전극(5)은 직물(5)로 형성되며, 상기 유전체(2)는 상기 대향 전극(1)과 접촉하여 배치되는 것을 특징으로 하는, 오존 발생기.
  8. 오존 발생기의 가스 유동 시에 사용하기 위한 와이어 직물(wire fabric)로서,
    가스 유동 시에 상기 직물의 밀도는 가스 유동에 의해 결정되는 유동 방향을 따라서 줄어드는 것을 특징으로 하는, 직물.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 직물의 빈공간 단면적이 유동 방향으로 연속적으로 또는 구간별로 증가하는 것을 특징으로 하는, 직물.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 직물은 메쉬이고, 상기 메쉬의 크기는 유동 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 직물.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 직물은 와이어 메쉬이고, 개별 섹션들을 갖는 다중-파트 형태를 가지며, 상기 직물은 개별 섹션들 간에 상이한 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는, 직물.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 개별 섹션들 각각은 일정한 메쉬 폭을 가지며, 상기 메쉬 폭은 일 섹션에서 다음 섹션으로 유동 방향을 따라 증가하는 것을 특징으로 하는, 직물.
  13. 중앙의 비도전성 로드(rod), 상기 로드를 둘러싸는 직물, 및 상기 직물을 둘러싸는 유전체 튜브를 구비하며, 상기 직물을 통과하는 가스 유동과 충돌하는, 전극 구성체에 있어서,
    가스 유동 시에 상기 직물의 밀도는 가스 유동에 의해 결정되는 유동 방향을 따라 줄어드는 것을 특징으로 하는, 전극 구성체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 직물의 빈공간 단면적이 유동 방향으로 연속적으로 또는 구간별로 증가하는 것을 특징으로 하는, 전극 구성체.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 직물은 메쉬이고, 상기 메쉬의 크기는 유동 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는, 전극 구성체.
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