KR20200112861A - 열 파이프 냉각을 갖는 오존 발생기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하나 이상의 고전압 전극(4, 8) 및 하나 이상의 고리 모양의 접지 전극(5)을 갖는 전극 배열(1)을 갖는 무음 방전에 의한 산소 함유 가스로부터 오존을 발생시키는 장치에 관한 것이고, 하나 이상의 고전압 전극(4, 8) 및 하나 이상의 접지 전극(5) 사이에 고리 모양의 유전체(6, 7)가 마련되고, 하나 이상의 고전압 전극(4, 8)은 하나 이상의 고리 모양의 히트 파이프(12)에 의해 둘러싸인다.
Description
본 발명은 청구항 1의 전문의 특징들을 갖는 오존을 발생시키기 위한 장치에 관한 것이다.
오존은 유기 화합물과 무기 화합물을 위한 강력한 산화 매체이다. 오존에 대한 다양한 응용 분야들이 있으며, 그 중 하나는 수처리에 사용되는 것이다.
기술적으로 오존은 산소 함유 가스에서 무음 방전(silent electric discharge)으로 발생될 수 있다. 무음 방전은 스파크 방전과 달리 안정적인 플라즈마 방전 또는 코로나 방전으로 이해되어야 한다. 분자 산소는 원자 산소로 분리된다. 이어서, 반응성 산소 원자들은 발열 반응에서 분자 산소에 부착되어 삼원자 분자, 즉 오존을 형성한다. 오존 수율은 트히 전기장 강도 및 작동 온도에 따라 달라진다. 작동 온도에 대한 의존성은, 오존이 더 높은 온도에서 분자 산소로 다시 빠르게 분해된다는 사실에 기초한 것이고, 발생하는 오존과 해체되는 오존 사이의 평형의 결과적인 변위로 인해, 사용 가능한 오존 농도는 더 적다.
오존 발생을 위한 다수의 방전 갭들을 갖는 전극 조립체들이 알려져 있다. 이들은 단일 갭 시스템들에 비해 몇 가지 장점들, 예를 들어 리액터 용량의 더 나은 활용도, 낮은 공간 요구, 낮은 투자 비용 및 더 높은 방전 면적을 제공한다. 그러나, 주요 어려움은, 높은 효율로 높은 오존 농도를 달성하는데 필요한 충분한 냉각이다.
과도한 열 축적을 피하기 위해, 일반적으로 물은 외부 전극을 직접 냉각하도록 마련된다. 그러나 다중 갭 배열들에서, 이러한 알려진 냉각 시스템들은 너무 비효율적이다.
문헌 JP2001-210448은 하나의 갭을 갖는 전극 배열을 갖는 탈취기와 같은 가스 처리 장치를 위해 사용되는 코로나 방전 장치를 개시한다. 중앙 열 파이프는 방전 전극의 내부와 기밀하게 접촉되어 있다. 중앙 로드 형상 열 파이프에 의해 방전에서 발생되는 열을 제거함으로써, 냉각 효과가 향상된다.
본 발명의 목적은 하나 이상의 방전 갭으로부터 발생 장치의 구성 요소들로부터 과도한 열을 제거할 수 있는 오존 발생을 위한 장치를 제공하는 것이다.
이 문제는 청구항 1에 기재된 특징들을 갖는 오존 발생을 위한 장치에 의해 해결된다.
따라서, 하나 이상의 고전압 전극 및 하나 이상의 고리 모양의 접지 전극을 갖는 산소 함유 가스로부터 오존을 발생시키기 위한 장치가 제공되고, 하나 이상의 고전압 전극 및 하나 이상의 접지 전극 사이에 고리 모양의 유전체가 마련되고, 하나 이상의 고전압 전극은 하나 이상의 고리 모양의 열 파이프에 의해 둘러싸인다. 하나 이상의 고전압 전극, 하나 이상의 접지 전극 및/또는 고리 모양의 유전체는 고리 모양의 열 파이프로 디자인된다.
고리 모양의 열 파이프는, 단면에서 고리 모양의 공간을 규정하는 방사상으로 이격된 내부 및 외부 벽을 갖는다. 고리 모양의 열 파이프는 방전 갭 또는 전극 배열의 구성 요소들을 고효율로 냉각시킨다. 또한, 냉각 매체 및 펌핑 시스템들이 필요하지 않으며, 냉각 섹션은 방전 갭에 근접하여 위치될 수 있다. 따라서, 시스템들이 훨씬 작다.
바람직하게는, 중앙 고전압 전극은 고리 모양의 단면을 갖는 금속 열 파이프에 의해 형성된다. 이러한 방식으로, 열이 내부 구조 밖으로 효율적으로 전달될 수 있다. 다른 바람직한 실시 예에서, 중앙 고전압 전극은 고리 모양의 단면을 갖는 열 파이프 상에 마련되는 충진 물질(filler material)에 의해 형성된다. 열 파이프는 절연체일 수 있다. 충진 물질은 스테인리스 강철 메쉬 또는 직물일 수 있다. 전극 배열이 본질적으로 안전한 전기적 동작을 보여줄 수 있으므로, 특히 고장이 발생했을 때 유리하고, 고장 동안, 필러 물질만으로 구성된 실질적으로 더 가벼운 내부 전극은 실질적으로 더 큰 질량의 외부 전극을 손상시키지 않고 증발할 수 있다. 오존 발생기는 일반적으로 고장이 발생하더라도 작동 상태를 유지할 수 있다.
유리하게는, 고리 모양의 열 파이프들 중 하나 이상은 전극을 형성한다. 전극이 직접적으로 냉각되어 설치 공간을 추가로 절약할 수 있다.
일 실시 예에서, 가스에 의해 가로질러지는 적어도 2개의 방전 갭들이 형성되고, 상기 갭들 중 하나의 갭은 고전압 전극 및 유전체 사이에 형성되고, 다른 갭은 유전체 및 접지 전극 사이에 형성된다. 다른 실시 예에서, 가스에 의해 가로질러지는 4개의 방전 갭들이 형성되고, 하나의 고전압 전극 및 하나의 접지 전극은 각각 고리 모양의 열 파이프에 의해 형성된다. 오존 발생을 위한 다중 방전 갭들은 앞서 언급한 장점들을 제공한다. 고리 모양의 열 파이프를 사용하면, 내부에서도 시스템은 효율적으로 냉각될 수 있다.
고리 모양의 열 파이프들은 바람직하게는 공랭식 핀 응축기를 갖는 열 교환 시스템들이다. 다른 바람직한 실시예에서, 열 교환기는 고리 모양의 열 파이프의 응축 구역에 마련되고, 열 교환기의 냉각 재킷은 열 파이프에 직접적으로 연결된다.
하나 이상의 고리 모양의 열 파이프들 각각이 페쇄된 열 교환 시스템인 것이 유리하다.
바람직하게는, 오존은 무음 방전을 갖는 산소 함유 가스로부터 발생된다.
본 발명의 바람직한 실시 예들이 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들에서 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소 또는 기능적으로 유사한 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 유리로 제조된 중앙 열 파이프를 갖는 오존 발생기의 멀티-갭 방전 유닛의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2는 금속 열 파이프 및 스테인리스 강철 와이어 메쉬에 의해 형성되는 중앙 고전압 전극을 갖는 오존 발생기의 멀티-갭 방전 유닛의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3은 고전압 전극으로서 기능하는 중앙 열 파이프를 갖는 오존 발생기의 멀티 갭 방전 유닛의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 4는 방전 갭에서의 열 파이프 배열의 개략도를 도시한다.
도 1은 유리로 제조된 중앙 열 파이프를 갖는 오존 발생기의 멀티-갭 방전 유닛의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2는 금속 열 파이프 및 스테인리스 강철 와이어 메쉬에 의해 형성되는 중앙 고전압 전극을 갖는 오존 발생기의 멀티-갭 방전 유닛의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3은 고전압 전극으로서 기능하는 중앙 열 파이프를 갖는 오존 발생기의 멀티 갭 방전 유닛의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 4는 방전 갭에서의 열 파이프 배열의 개략도를 도시한다.
도 1은, 네스팅 방식(nesting manner)으로 설치된 유리로 만든 원형 단면을 갖는 중앙 열 파이프(2) 및 고리 모양의 전극들의 그룹을 갖는 오존을 발생시키기 위한 장치의 전극 배열(1)이 도시된다. 아이솔레이터(2, isolator)(중앙 열 파이프)는 고전압 전극(4)을 형성하는 스테인리스 강철 메쉬(3)에 의해 둘러싸인다. 고전압 전극(4)은 접지 전극(5)에 의해 동심으로 둘러 싸이고, 전극들(4, 5) 사이에 유전체(6)가 마련된다. 접지 전극(5)은 다시 고전압 전극(8)으로 커버된 유전체(7)에 의해 둘러싸인다. 갭(9)들은 고전압 전극(4, 8)들 및 유전체(6, 7) 사이와, 유전체(6, 7) 및 접지 전극(5) 사이에 형성된다.
중앙 열 파이프(2)는 내부 고접압 전극의 작동 온도에서 기화될 물질로 채워진 중공 원통형 튜브이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 튜브는 보닛(10) 내로 연장될 수 있고, 일부 연장된 표면(11)이 제공된다. 연장된 표면(11)은 나선형으로 감긴 핀, 스터드, 길이 방향으로 구성된 핀들 또는 다른 알려진 연장된 표면에 의해 실현될 수 있다. 열 파이프(2)의 응축 구역에서, 튜브(2)는 보닛(10)을 통해 순환되는 공기에 의해 냉각된다. 기화 및 응축 물질은 전형적으로 물 또는 메틸 알코올 또는 에틸 알코올 또는 암모니아일 수 있다.
열 파이프들은 열 전달 효율이 높은 열 전달 장치들일 수 있다. 열 파이프들은 응축 가능한 열 전달 매체로 채워진 동봉된 공동을 갖는다. 작동 유체가 기화되는 증발기 섹션에서 열이 열 파이프에 들어가고, 증기는 열 파이프가 응축되는 열 파이프의 응축기 섹션으로 이동하여, 외부 부하 또는 싱크로 복사되거나 전도되는 열을 포기한다. 응축된 작동 유체는 전형적으로 환류(reflux)에 의해 또는 모세관 작용으로 액체를 전도하는 심지를 통해 증발기 섹션으로 복귀된다.
이중 벽 구조를 갖는 고리 모양의 열 파이프(12)들은 접지 전극(5) 및 외부 고전압 전극(8)을 형성한다. 이러한 열 파이프는 전형적으로 다양한 등급의 강철, 알루미늄 합금 또는 크롬-니켈-철 합금으로 제조될 수 있다.
각각의 열 파이프(2, 12)는 바람직하게는 그 자신의 폐쇄된 열 교환 시스템을 갖는다.
도 2에서, 내부 고전압 전극(4)은 급속으로 만들어진 메쉬(3) 및 중앙 열 파이프(2)에 의해 형성된다.
도 3의 전극 배열에서, 중앙 열 파이프(2)는 내부 고전압 전극(4)만을 형성한다. 메쉬는 제공되지 않는다.
도 4는 방전 갭(9)에 의해 둘러싸인 중앙 열 파이프(2)의 배열을 도시한다. 냉각 섹션(10)은 방전 갭 외부에 위치된다. 냉각 핀(11)들은 공기에 의해 냉각된다.
실제 사용에서, 하나 이상의 접지 전극, 하나 이상의 절연 레이어 및 하나 이상의 고전압 전극의 수는 실제 요구에 따라 결정될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 방전을 위해 하나 또는 복수의 갭들이 사용되는 시스템들에 사용될 수 있다. 하나 이상의 고리 모양의 열 파이프는 하나 이상의 방전 갭을 효율적으로 냉각시킬 수 있다. 물을 통해 추가 냉각이 요구되지 않는다. 고리 모양의 열 파이프를 사용하면 상당한 이점들을 얻을 수 있다: 반응 구역은 직접적으로 냉각될 필요가 없고, 냉각 매체 및 펌핑 시스템들이 요구되지 않고, 냉각 섹션은 방전 갭에 근접하게 배치될 수 있다. 따라서 시스템들은 훨씬 작으며, "플러그 앤 플레이(plug and play)" 솔루션들로서 개발될 수 있다.
바람직하게는, 냉각 재킷을 갖는 열 교환기가 열 파이프의 응축 구역에 마련된다. 이것은 열 파이프에 의해 생성된 열을 열 교환기의 냉각수로 전달할 수 있게 한다. 다수의 고전압 전극을 갖는 더 큰 시스템들의 경우, 열 교환기의 냉각 재킷과 열 파이프 사이의 인터로킹 연결(interlocking connection)이 사용되는 것이 유리하다.
열 파이프는 전기 전도성 재료로 제조될 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없다. 따라서 전극 배열, 고전압 전극들, 접지 전극들 및 심지어 유전체의 구성 요소들은 열 파이프로 설계될 수 있다.
본 발명은 오존 발생기들의 효율 및 오존 출력의 농도를 상당히 개선시킨다. 고온 및 저온 영역들 사이의 열 밸런싱이 가능하고, 표면적 당 더 적은 전력 입력이 요구되기 때문에 NOx 생성이 줄어든다.
Claims (12)
- 하나 이상의 고전압 전극(4, 8) 및 하나 이상의 고리 모양의 접지 전극(5)을 갖는 전극 배열(1)을 갖는 산소 함유 가스로부터 오존을 발생시키기 위한 장치이며, 상기 하나 이상의 고전압 전극(4, 8) 및 하나 이상의 접지 전극(5) 사이에 고리 모양의 유전체(6, 7)가 마련되고, 상기 하나 이상의 고전압 전극(4, 8)은 하나 이상의 고리 모양의 열 파이프(12)에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 고전압 전극(4, 8), 하나 이상의 접지 전극(5) 및/또는 고리 모양의 유전체(6, 7)는 고리 모양의 열 파이프(12)는 고리 모양의 열 파이프(12)로 디자인되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 2 항에 있어서,
중앙 고전압 전극(4, 8)은 원형 단면을 갖는 금속 열 파이프(2)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 2 항에 있어서,
중앙 고전압 전극(4, 8)은 원형 단면을 갖는 열 파이프(2) 상에 마련되는 충진 물질(3)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 4 항에 있어서,
상기 원형 단면을 갖는 상기 열 파이프(2)는 절연체인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고리 모양의 열 파이프(12) 중 하나 이상은 전극(5, 8)을 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
가스에 의해 가로질러지는 적어도 2개의 방전 갭(9)들이 형성되고, 상기 갭들 중 하나의 갭(9)은 고전압 전극(4, 8) 및 유전체(6, 7) 사이에 형성되고, 다른 갭(9)은 상기 유전체(6, 7) 및 접지 전극(5) 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
가스에 의해 가로질러지는 4개의 방전 갭(9)들이 형성되고, 하나의 고전압 전극(8) 및 하나의 접지 전극(5)은 각각 고리 모양의 열 파이프(12)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고리 모양의 열 파이프(12)는 공랭식 핀 응축기(11)를 갖는 열 교환 시스템인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고리 모양의 열 파이프(12)의 응축 구역에 열 교환기가 마련되고, 상기 열 교환기의 냉각 재킷은 상기 열 파이프에 직접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 고리 모양의 히트 파이프(12)들 각각은 폐쇄된 열 교환 시스템인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
오존은 무음 방전을 갖는 산소 함유 가스로부터 발생되는 것을 특징으로 하는 장치.
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