KR20200112857A - 다중 갭 전극 어셈블리가 있는 소형 오존 발생기 - Google Patents

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KR20200112857A
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랄프 피에갠스
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디알. 만프레드 살베르포세르
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자일럼 유럽 게엠베하
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Abstract

본 발명은 적어도 2 개의 고전압 전극(2,6,10) 및 적어도 하나의 접지 전극(3,8,12)과 중첩 방식으로 설치되는 전극을 갖는 무성 방전에 의해 산소 함유 가스로부터 오존을 발생시키는 장치로서, 각각의 고전압 전극(2,6,10)과 접지 전극(3,8,12) 사이에 유전체(4,5,9,11)가 배치되고, 및 상기 가스에 의해 가로지르는 적어도 2 개의 방전 갭(100)이 형성되고, 개별 갭 폭에 따라 각각의 단일 갭(100)에 상이한 전압이 인가된다.

Description

다중 갭 전극 어셈블리가 있는 소형 오존 발생기
본 발명은 다중 갭 전극 어셈블리가 있는 소형 오존 발생기에 관한 것이다.
본 발명은 다중 갭 전극 어셈블리가 있는 소형 오존 발생기에 관한 것이다.
본 발명은 청구항 1의 프리앰블의 특징을 갖는 오존(ozone)을 발생시키는 장치 및 청구항 8 및 청구항 11의 프리앰블의 특징을 갖는 오존 생성 방법에 관한 것이다.
오존은 유기 화합물과 무기 화합물을 위한 강력한 산화 매체이다. 오존에 대한 다양한 응용 분야가 있으며 그중 하나는 수처리에 사용된다.
기술적으로, 산소 함유 가스에서 무성 방전(silent electrical discharge)에 의해 오존이 발생될 수 있다. 무성 방전은 스파크 방전과 달리 안정적인 플라즈마 방전 또는 코로나 방전으로 이해되어야 한다. 분자 산소는 원자 산소로 분리된다. 이어서 반응성 산소 원자는 발열 반응(exothermic reaction)에서 분자 산소에 부착되어 삼원자 분자, 즉 오존을 형성한다. 오존 수율(ozone yield)은 특히 전기장 강도 및 작동 온도에 따라 달라진다.
오존 발생을 위한 다수의 방전 갭(multiple discharge gap)을 갖는 전극 어셈블리가 알려져 있다. 단일 갭 시스템에 비해 몇 가지 장점을 제공하는데, 예를 들어 원자로 용량의 활용률 향상, 공간 요구량 감소, 투자 비용 절감, 전력 투입량 감소 및 배출 면적 증가이다.
파첸의 법칙(Paschen's Law)에 따르면 항복 전압(breakdown voltage)은 갭 폭(gap width) 곱하기 가스 밀도의 함수이다. 다수의 방전 갭에 걸쳐 균일한 전력 입력을 갖기 위해서는, 갭은 주어진 전압 진폭에서 정확히 동일한 갭 폭을 가져야 한다. 그러나 동심원 튜브가 있는 오존 발생기에서는 실현하기가 매우 어렵다. 또한, 온도의 차이로 인해 입방 센티미터 당 분자 수의 차이는 또한 전력 입력의 바람직하지 않은 차이를 야기할 수 있다.
본 발명의 목적은 특정 에너지 소비가 감소된 오존을 발생시키는 다중 갭 장치(multiple gap device)를 제공하는 것이다.
이 문제는 청구항 1에 기재된 특징을 갖는 오존을 발생시키는 장치 및 청구항 8 및 청구항 11에 기재된 특징을 갖는 오존 생성 방법에 의해 해결된다.
따라서, 적어도 두 개의 고전압 전극(high-voltage electrode) 및 적어도 하나의 접지 전극(ground electrode)과의 무성 방전(silent electric discharge)에 의해 산소 함유 가스로부터 오존을 발생시키는 장치가 제공되며, 여기서 각각의 고전압 전극과 접지 전극 사이에 유전체(dielectric)가 배열되고, 및 가스에 의해 통과되는 적어도 2 개의 방전 갭(discharge gap)이 형성되고, 및 개별 갭 폭에 따라 각각의 단일 갭에 상이한 전압이 인가된다. 각각의 단일 갭에 상이한 전압을 인가함으로써 갭을 통한 균일한 전력 입력에 도달할 수 있기 때문에 에너지 소비가 감소될 수 있다.
바람직하게는, 여러 개의 탭을 갖는 변압기가 상이한 갭에 상이한 전압을 제공하기 위해 사용된다.
다른 실시 예에서, 각각의 갭은 상이한 전압을 상이한 갭에 제공하기 위해 자체 전력 공급 장치(power supply)를 가질 수 있다.
전극 및/또는 유전체의 표면이 갭 폭의 분포에 도달하도록 프로파일링 되는 것이 유리하다.
바람직하게는, 갭은 고전압 전극과 해당 유전체 사이에 형성된다.
바람직한 실시 예에서, 장치는 내부 접지 전극(inner ground electrode)을 갖는 홀수 개의 갭을 갖는다.
전극 및 유전체는 환형(annularly)으로 형성되는 것이 바람직하다.
더욱이, 2 개 이상의 고전압 전극 및 1 개 이상의 접지 전극으로의 무성 방전(silent electric discharge)에 의해 산소 함유 가스로부터 오존을 발생시키는 장치를 갖는 오존 생성 방법이 제공되며, 각각의 고전압 전극과 접지 전극 사이에 유전체가 배열되고, 가스에 의해 가로지르는 적어도 2 개의 방전 갭이 형성되고, 방법은:
Figure pct00001
제 1 고전압 전극(2)에 제 1 전압 진폭의 전압 공급을 제공하는 단계 - 제 1 전압 진폭은 제 1 고전압 전극(2)에 의해 형성된 제 1 갭의 제 1 항복 전압(UC1)보다 높음 -;
Figure pct00002
제 2 고전압 전극(6)에 제 2 전압 진폭을 갖는 전압 공급을 제공하는 단계 - 제 2 전압 진폭은 제 2 고전압 전극(6)에 의해 형성된 제 2 갭의 제 2 항복 전압(UC2)보다 높음 -;
Figure pct00003
전력 입력이 제1 갭과 제2 갭에 대해 거의 같도록 제1 및 제2 전압 진폭을 조정하는 단계를 포함한다.
이러한 방식으로 전력 소비를 줄이고 오존 발생 성능을 향상시킬 수 있다.
바람직하게는, 제 1 및 제 2 전압을 제공하기 위해 여러 개의 탭을 갖는 변압기가 사용되거나, 또는 각각의 갭은 상이한 전압을 제공하기 위해 자체 전력 공급 장치를 갖는다.
두번째로, 적어도 2 개의 고전압 전극 및 적어도 하나의 접지 전극을 갖는 무성 방전(silent electric discharge)에 의해 산소 함유 가스로부터 오존을 발생시키는 장치가 추가로 제공되며, 각각의 고전압 전극과 접지 전극 사이에 유전체가 배치되고; 가스에 의해 가로지르는 적어도 2 개의 방전 갭이 형성되며, 방법은:
Figure pct00004
전력 입력이 모든 갭에 대해 거의 동일한 방식으로 고전압 전극과 해당 유전체 사이의 간극(interstice)에 배열된 필러 재료(filler material)를 갖는 적어도 하나의 갭의 용량을 조절한다. 전압 진폭(voltage amplitude)을 조정하는 대신에, 필러 재료는 전극 배열에 걸쳐 갭의 용량을 균일하게 조절하는데 사용될 수있다.
바람직하게, 필러 재료는 와이어 메쉬(wire mesh)이며, 이는 스테인레스 스틸로 만들어질 수 있다.
장치는 접지 전극 인 내부 전극을 갖는 홀수 개의 갭을 갖으면 유리하다.
단일 전력 공급 장치는 모든 고전압 전극에 사용될 수 있다. 바람직하게, 고전압 전극(2, 6, 10)은 단일 전력 공급 장치(13)에 병렬로 연결된다.
도 1은 여러 개의 고전압 전력 공급 장치를 갖는 오존 발생기의 다중 갭 방전 유닛의 개략적인 단면도이다;
도 2는 단일 고전압 전력 공급 장치 공급 장치를 갖는 오존 발생기의 다중 갭 방전 유닛의 개략적인 단면도이다;
도 3은 2-갭 오존 발생기의 전력 입력 대 전압 진폭의 개략적인 과정을 갖는 그래프를 도시한다. 및
도 4는 3-갭 오존 발생기의 전압 입력 대 전압 진폭의 개략적인 과정을 갖는 그래프를 도시한다.
도 1은 중첩 방식으로 설치된 환형 전극(annular shaped electrode) 그룹을 갖는 오존을 발생시키는 장치의 전극 배열(electrode arrangement)(1)을 도시한다. 전극 배열의 구성 요소가 개략적으로 도시되어 있다. 점선 또는 파선은 전극의 물리적 구조를 나타내지 않는다. 고전압 전극은 실선으로, 유전체(dielectric)는 파선으로, 접지 전극은 점선으로 표시된다.
중앙 고전압 전극(central high voltage electrode)(2)은 접지 전극(ground electrode)(3)에 의해 동심으로 둘러싸여 있으며, 전극(electrode)(2, 3) 사이에 유전체(dielectric)(4)가 배열된다. 내부 전극(inner electrode)(2)은 중공(hollow)일 수 있어서, 냉각 목적으로 액체 또는 가스가 전극(2) 내부를 통해 흐를 수 있게 한다. 접지 전극(3)은 다시 유전체(5)에 의해 둘러싸이고, 이는 고전압 전극(high voltage electrode)(6)으로 덮여 있다. 고전압 전극(6)은 다시 유전체(7)에 이어 접지 전극(8), 다른 유전체(9), 외부 고전압 전극(10) 및 외부 고전압 전극(10)을 덮는 유전체(11)로 둘러싸인다. 전극 배열의 최외 층(outermost layer)은 접지 전극(12)이다. 갭(100)은 고전압 전극과 유전체 사이 및 유전체와 접지 전극 사이에 형성된다. 갭(100)은 상이한 갭 폭(gap width)을 갖는다. 갭(100)을 통해 순수한 산소 또는 산소를 함유한 대기와 같은 기체 혼합물이 통과된다. 고전압 전극(2, 6, 10)은 각각 개별 고전압 전력 공급 장치(power supply)(130, 131, 132)에 전기적으로 연결된다. 항복 전압(breakdown voltage) 이상의 전압 진폭이 적용되면, 방전 갭에 코로나가 나타나 산소가 오존으로 부분적으로 전환된다. 오존은 산소 분자가 가속되어 교류 전기장에서 충돌할 때 형성된다. 이 형성은 전압 구배가 있고 전기장이 가스를 이온화 하는 데 필요한 강도에 도달한 경우에만 발생한다.
이러한 발생기에 의한 오존 생성은 그에 적용되는 전력의 기능이 증가하고 및 따라서 요구되는 값으로 생성을 제어하는 것은 상기 전력을 조정함으로써 이루어진다.
도 2에서, 복수의 고전압 전력 공급 장치를 제외하고 도 1의 전극 배열이 도시되어 있다. 도 1과 달리, 하나의 고전압 커패시터를 갖는 단일 고전압 전력 공급 장치(13)이 사용된다. 고전압 전극(2, 6, 10)은 병렬로 연결된다.
도 3은 전압 진폭(U0)에서 2-갭 오존 발생기의 전력 입력(Pel)의 의존성을 보여준다. 두 갭은 단일 전력 공급 장치에 연결된다. 2 개의 갭은 각각 상이한 항복 전압(점화 전압(ignition voltage)) Uc1 및 Uc2를 가지며, 여기서 Uc1 < Uc2이다. U0 < Uc2에서는 제1 갭 만 점화된다. 전압 진폭이 U01에 도달하면 두 갭이 모두 점화되지만 전력 입력은 동일하지 않다. 두 갭의 전력 입력이 동일하려면 전압 진폭이 U02와 같아야 한다. 그러나 오존 발생 효율 측면에서 U02는 두 갭에 대한 최적의 전압이 아니다.
도 4는 전압 진폭 U0에서 3-갭 오존 발생기의 전력 입력 Pel의 의존성을 보여준다. 2-갭 오존 발생기에 대해 위에서 설명한 것처럼, 3 개의 갭은 각각 상이한 항복 전압 Uc1, Uc2 및 Uc3을 가지며, 여기서 Uc1 < Uc2 < Uc3이다. 3 개의 갭의 전력 입력이 동일하기 위해, 전압 진폭은 오존 발생 효율 측면에서 3 개의 갭에 대한 최적 전압이 아니다.
오존 생성 효율이 높은 모든 갭에 걸쳐 균일한 전력 입력에 도달하기 위하여, 예를 들어 유효 갭 폭 또는 인가된 전압은 본 발명에 따라 조정된다.
본 발명의 일 실시 예에서, 여러 개의 탭을 갖는 변압기는 상이한 갭에 다른 전압을 제공하기 위해 사용된다. 갭 폭에 따라 전압이 조정되어 각 갭의 전력 입력이 거의 동일하다. 이러한 방식으로 고르지 않은 갭 폭을 보상할 수 있다.
다른 실시 예에서, 각각의 갭은 상이한 전압을 상이한 갭에 제공하기 위해 자체 전력 공급 장치(130, 131, 132)을 갖는다(도 1 참조). 마찬가지로, 전압은 갭 폭에 따라 조정된다.
전압을 조정하는 대신에, 다른 실시 예에서 갭 및 항복 전압의 용량은 각각 필러 재료로 수정될 수 있다. 갭 및 유전체는 직렬로 연결된 커패시터를 형성한다. 필러 재료는 전극과 전기적으로 접촉되어 있다. 특히 와이어 메쉬로 만들어지고, 바람직하게는 스테인레스 스틸로 만들어진다. 그러나, 그물 또는 직물, 웹형 직물 또는 비 구조화된 와이어 재료가 간단한 응용에 사용될 수 있다.
필러 재료는 유효 갭 폭 및 갭의 용량을 각각 감소시킨다. 이러한 방식으로 갭의 항복 전압 및 전력 입력을 조정할 수 있으므로 단일 전력 공급 장치를 사용하는 각 갭의 전력 입력이 거의 동일하다.
전극(2,6,10)이 직렬로 연결된 경우, 오존 농도가 증가하고 항복 전압의 각각의 변화에 따라 전압이 더 조정될 수 있다. 갭 폭의 분포에 도달하도록 전극 또는 유전체의 표면을 프로파일링 하는 것이 유리할 수 있다.
바람직하게, 다수의 갭 시스템(multiple gap system)은 홀수 개의 갭을 가지므로, 내부 전극은 접지 전극 일 수 있다. 본 발명은 환형 전극에 제한되지 않는다. 판형 전극(Plate type electrode)도 사용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 적어도 2 개의 고전압 전극(2,6,10) 및 적어도 하나의 접지 전극(3,8,12)과 중첩 방식으로 설치되는 전극을 갖는 무성 방전에 의해 산소 함유 가스로부터 오존을 발생시키는 장치로서,
    각각의 고전압 전극(2,6,10)과 접지 전극(3,8,12) 사이에 유전체(4,5,9,11)가 배치되고,
    상기 가스에 의해 가로지르는 적어도 2 개의 방전 갭(100)이 형성되고,
    오존을 발생시키는 상기 장치는 개별 갭 폭에 따라 각각의 단일 갭(100)에 상이한 전압을 인가하기 위한 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    오존을 발생시키는 상기 장치는 여러 개의 탭을 갖는 상이한 갭(100)에 상이한 전압을 제공하는 변압기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는
    장치.
  3. 제1항에 있어서,
    오존을 발생시키는 상기 장치는 상이한 갭(100)에 상이한 전압을 공급하기 위하여 각 갭(100)에 전력 공급 장치(130,13,132)
    을 포함하는 것
    을 특징으로 하는
    장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극(2,3,6,8,10,12) 및/또는 상기 유전체(4,5,9,11)의 표면은 갭 폭의 분포에 도달하도록 프로파일링 되는 것
    을 특징으로 하는
    장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 갭은 상기 고전압 전극(2,6,10) 및 상기 대응하는 유전체(4,5,9,11) 사이에 형성되는 것
    을 특징으로 하는
    장치.　
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 내부 접지 전극을 갖는 홀수 개의 갭을 갖는 것
    을 특징으로 하는
    장치.　
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극(2,3,6,8,10,12) 및 상기 유전체(4,5,9,11)는 환형으로 형성되는 것
    을 특징으로 하는
    장치.　
  8. 방법에 있어서,
    적어도 2 개의 고전압 전극(2,6,10) 및 적어도 하나의 접지 전극(3,8,12)과 중첩 방식으로 설치되는 전극을 갖는 무성 방전에 의해 산소 함유 가스로부터 오존을 발생시키는 장치를 갖는 오존 생성 방법으로서, 각각의 고전압 전극(2,6,10)과 접지 전극(3,8,12) 사이에 유전체(4,5,9,11)가 배치되고, 및 상기 가스에 의해 가로지르는 적어도 2 개의 방전 갭(100)이 형성되고,
    상기 방법은:
    Figure pct00005
    제 1 고전압 전극(2)에 제 1 전압 진폭의 전압 공급을 제공하는 단계 - 상기 제 1 전압 진폭은 상기 제 1 고전압 전극(2)에 의해 형성된 상기 제 1 갭의 제 1 항복 전압(UC1)보다 높음 -;
    Figure pct00006
    제 2 고전압 전극(6)에 제 2 전압 진폭을 갖는 전압 공급을 제공하는 단계 - 상기 제 2 전압 진폭은 상기 제 2 고전압 전극(6)에 의해 형성된 상기 제 2 갭의 제 2 항복 전압(UC2)보다 높음 -;
    Figure pct00007
    상기 전력 입력이 상기 제1 갭과 상기 제2 갭에 대해 거의 같도록 제1 및 제2 전압 진폭을 조정하는 단계
    를 포함하는
    방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전압을 제공하기 위해 여러 개의 탭을 갖는 변압기가 사용되는 것
    을 특징으로 하는
    방법.　
  10. 제8항에 있어서,
    각각의 갭은 상이한 전압을 공급하기 위해 자체 전력 공급 장치를 갖는 것
    을 특징으로 하는
    방법.　
  11. 방법에 있어서,
    적어도 2 개의 고전압 전극(2,6,10) 및 적어도 하나의 접지 전극(3,8,12)과 중첩 방식으로 설치되는 전극을 갖는 무성 방전에 의해 산소 함유 가스로부터 오존을 발생시키는 장치를 갖는 오존 생성 방법으로서, 각각의 고전압 전극(2,6,10)과 접지 전극(3,8,12) 사이에 유전체(4,5,9,11)가 배치되고, 및 상기 가스에 의해 가로지르는 적어도 2 개의 방전 갭(100)이 형성되고,
    상기 방법은:
    Figure pct00008
    전력 입력이 모든 갭에 거의 동일하게 되는 방식으로, 고전압 전극(2,6,10) 및 대응하는 유전체(4,5,9,11) 사이의 간극에 배열된 필러 재료를 갖는 적어도 하나의 갭의 용량을 조절하는 단계
    를 포함하는
    방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 필러 재료는 와이어 메쉬이며, 바람직하게는 스테인레스 스틸로 만들어지는 것
    을 특징으로 하는
    방법.　
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 장치는 접지 전극 인 내부 전극을 갖는 홀수 개의 갭을 갖는 것
    을 특징으로 하는
    방법.　
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    단일 전력 공급 장치(13)은 모든 고전압 전극(2,6,10)에 사용되는 것
    을 특징으로 하는
    방법.　
  15. 제14항에 있어서,
    상기 고전압 전극(2, 6, 10)은 단일 전력 공급 장치(13)에 병렬로 연결된 것
    을 특징으로 하는
    방법.　

KR1020207021977A 2018-01-29 2019-01-25 다중 갭 전극 어셈블리가 있는 소형 오존 발생기 KR20200112857A (ko)

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