KR870000105B1 - 오존발생장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

오존발생장치

제1도의 (a)는 지멘스형 오존발생기의 원리도.

(b)는 지멘스형 오존발생기의 단면도.

제2도의 (a)는 세라믹형 오존발생기의 원리도.

(b)는 세라믹형 오존발생기의 단면도.

제3도의 (a)는 본 발명에 의한 오존발생장치의 횡단면도.

(b)는 본 발명에 의한 오존발생장치의 종단면도.

(c)는 본 발명에 의한 오존다침디스크전극과 전계조절전극의 분해사시도.

제4도는 본 발명에 의한 디형오존발생장치의 구조도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 침상전극 2 : 다침디스크 전극

3,3' : 전계조절전극 4 : 코로나 전극

5 : 실린더전극 6 : 절연지지봉

본 발명은 전극간에 직류, 교류 및 펄스고전압에 의하여 공기를 부분 절연 파괴상태(플라즈마상태)로 만들어 이 플라즈마 영역내의 공기중의 산소를 이온화하여 오존을 발생시키는 오존발생장치에 관한 것이다.

오존은 염소의 약 7배나 되는 강력한 산화력(酸化力) 및 살균력을 가지고 있어서 박테리아나 곰팡이등의 멸균 및 번식방지에 그 효과가 특출하며, 또 강력히 냄새를 제거해주는 역활을 하는 등 그 응용이 기대되어 왔다.

그러나 종래의 오존발생장치는 공업용의 대형이 있으며, 또 소형으로는 자외선 오존발생기가 있으나 모두 가격이 매우 고가이므로 대량의 수(水)처리용 대형 오존발생장치 또는 고급 고가장치등의 특수분야에만 한정되어 사용되어 왔다.

일반적으로 강력한 코로나가 오존(O₃)을 발생시키는 것은 잘 알려져 있으나, 강력한 코로나 발생장치(특히 강력한 스트리머성 코로나 발생용)의 개발, 발명은 미흡하였으며 오존발생장치의 개발도 따라서 미흡한 상태이었다.

현재 실용되고 오존발생장치로는 제1도 (a)의 원리를 이용한 제1도 (b)와 같은 구조로 약 120여년전에 제조된 지멘스형 오존발생기(최대효율 약 7%정도로 입력 전력의 대부분은 열(熱)로서 소요되며, 또 이 열은 발생된 오존을 산소로 환원시키는 작용을 하기 때문에 냉각시켜야 하므로 이중 전력소모됨)가 일부 계량되어 사용되어 왔다.

그러나 도면에서 알 수 있듯이 종래의 오존 발생장치는 장치표면의 연면방전(suface discharge)을 사용하므로 오존을 만드는 플라즈마 영역이 장치 표면만으로 국한되어 있어서 표면의 극소부분에 존재하는 산소분자만 전리하여 오존화할 수 밖에 없으므로 구조상 불리하며, 또 전극 간격을 크게 할 수 없고(절연재료가 삽입되어 있어서 좁은 공간임에도 불구하고 플라즈마상태로 만들기에는 큰 전압이 필요하며 또 주파고 전압 전원은 구조상 고가이다), 장치의 구조상 용량성 부하가되므로 자연히 입력전력이 대부분 발열에 소모되므로 발생된 오존의 보존을 위해 반드시 냉각기능을 필요로 하기 때문에 그 구조상으로 소형화에 큰 문제점이 있으며, 또 다량의 오존을 발생시키기 위해서는 반드시 제조비가 비싼 고주파 고전압이 필요하므로 장치 제작비가 매우 고가로 되는등 단점이 매우많다.

그리고 소형 자외선 오존발생장치는 오존 발생을 위해 진공관안에 수은 증기를 집어넣고 교류전압에 의해 자외선을 발생시켜 이 자외선에 의해 오존이 제조되도록 되어 있어서 그 구조상 고가(자외선을 투과시키는 고가의 유리관 사용등)이며, 극히 유독한 수은증기를 사용하므로 위험성이 내제(內在)되며, 또 자외선이 나와서 2차공해를 일으키는등 많은 문제점이 있다.

또 현재 일본에서 개발 및 실용화를 서두르고 있는 세라믹 연면방전형 오존발생기는 오존량발생면에서는 종래의 것과 비슷하고 소형화, 고신뢰화, 2차공해의 전무, 수명의 반영구성등 장점이 있으나, 이것도 그 원리면에서 볼 때 오존발생영역이 그 표면에 국한 되어 있는 점, 장치 표면이 고온(약 110℃)이 되어야 잘 동작하는 점, 대형화일 때의 전술한 바와 같이 용량성부하인 관계로 정전용량증대에 따른 전원의 무효전력 증대등의 단점이 있다(제2도 (a), (b) 참조).

발명자는 다침디스크 전극(多針 disk 電極)대 실린더 접지전극사이에 종래 얻지 못했던 강력한 코로나특성(코로나 전력이 종래의 수배-수 10배)이 얻어짐을 확인하였으며, 나아가 강력한 스트리머성 코로나(streamercorona)가 공간 넓게 진전 발생함을 발견하고, 이를 이용하여 강력한 오존발생장치를 개발하였다.

본 발명은 종래의 오존발생장치와 달리 연면방전을 이용한 것이 아니고, 스트리머성 코로나를 이용하므로 오존발생 메카니즘상 효율을 월등히 향상시킬 수 있는 것으로서, 이는 원료기체인 공기가 있는 공간으로 직접 코로나가 진전하므로 종래의 것에 비해 오존을 발생시킬 수 있는 플라즈마영역이 확대되기 때문이다. 이러한 오존발생장치로서는 일본국 공개특허공보 소54-39393호로 공지된 것이 있으나, 발명자는 다침디스크 전극의 사이에 점계조절전극을 연접시킴으로써 코로나방전이 1.2-1.6배, 발생오존량이 1.3-2.0배 증가되는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

제3도는 본 발명에 의한 다침디스크전극 대 접지실린더 전극으로 구성된 오존발생장치를 보여주고 있으며, 적정한 수의 침상(또는 세선) 전극(1)이 형성된 다침디스크전극(2)의 양면에 고리모양의 전계조절전극(3)을 연접시켜서 된 코로나전극(4)을 접지된 실린더형 외부전극(5)의 중앙에 절연지지봉(6)으로 고정시키고, 절연지지봉(6)의 중심을 통해 고전압(직류, 교류 또는 펄스)을 다침디스크전극(2) 및 전계조절전극(3)에 공급함으로써 종래 달성하지 못했던 균일하고 강력한 스트리머성 코로나를 넓은 공간까지 발생시킬 수 있어서 지금까지 만들기 어려웠던 소형, 중형의 오존발생장치는 물론 대형의 것도 비교적 간단히 제작할 수 있게 되었다.

일반적으로 곡율반경이 작은 전극과 곡율반경이 큰 전극이 상치(相置)한 상태에서 고전압을 인가하면 곡율 반경이 작은 전극상에 전계가 집중되어 이 전극표면에 부분적으로 절연파괴가 일어나서 코로나가 발생하며 에이따라 산소분자가 원자로 분리되어 오존이 발생하지만, 발생된 오존은 온도와 습도 및 존재시간에 극히 민감한 속도로 환원되어 O₂로 되돌아가므로(상온 상습의 상태에서 10-15분 내로 대부분 O₂로 변한다), 오존발생장치는 그 자체 강력한 오존발생기능을 가져야함은 물론, 발생된 오존을 보존하기 위해 냉각 및 감습장치를 필요로 한다.

또한, 현재 사용되고 있는 종래의 자멘스형(및 세라믹형)은 효율증대상 교류 고주파 고전압(1kHz=20KHz 및 1KV에서 10KV정도)전원을 반드시 사용해야 하며, 그 구조상 자연히 전력손실이 매우 큰 용량성 부하가 되며, 그 용량은

(여기서, C는 정전용량, ε은 유전율, s는 전극면적, d는 전극간격)로 나타내어진다.

종래의 오존발생기는 유리, 세라믹등의 유전물질(비유전율이 공기의 2-8배로 크다)을 사용하여야 하며, 또 전원사정상(고주파 고전압의 제조비 때문) d를 크게잡을 수 없다(제1도, 제2도 참조).

따라서 ε가 크며, d가 적으므로, C가 자연히 크게되어, 결과적으로 전력손실(W=2πjfCV²)이 커지며 이는 장치자체의 온도를 상승시켜 발생된 산소로 환원시키는 역활을 하므로 냉각해야하는 점(대개수냉)을 고려할 때 이중의 손실이 된다. 여기서 j는 허수단위, f는 주파수, C는 정전용량, V는 전압이다).

이에 비해 본 발명자가 발명한 오존발생장치는 제3도의 것을 보더라도 공기층 방전을 그대로 이용하므로 ε₃=1이며, 또 d같은 종래형에 비해 수배이상 크게 할 수 있어서 근본적으로 정전용량(C)이 1/10이하로 적어지므로 상기식에서 알 수 있듯이 전력손실이 1/10이하로 작아지므로 대형화에 크게 유리하다.

또 d를 수배이상크게 하므로 스트리머성 코로나를 공간중에 넓게 퍼지게 할 수 있어서 오존발생 영역이 크게 넓어지는 강력한 장점이 있다. 이와같은 작은 c 및 큰 d의 값을 가지면서도 오존발생에 극히 유요한 강력한 스트리머성 코로나가 안정하게 발생되는 다침디스크전극으로 된 오존발생장치에 있어서, 다침부디스크로 형성된 전극의 사이에 고리모양의 전계조절전극을 삽입함으로써, 스트리머성 코로나를 각 침 끝마다 보다 강력하고 균일하게 발생시킬 수 있게 되었으며, 제4도와 같이 다침디스크 전극(2)을 전계조절전극(3)을 사이에 두고 수개 내지 수백개까지 병열 연결하고 외단부의 전계조절전극(3')을 반구형으로 하는 한편, 절연지지관(6')을 통해 냉각용 유체를 공급하도록 함으로써 대형화할 수 있다.

위에서 설명한 제3도의 전계조절전극(3)은 다침디스크전극을 제4도와 같이 다수 연접(連接)시켜 오존발생장치를 대형화함에 있어서 다침디스크 전극(2)간의 간격(즉 전계조절전극의 길이)을 조절함으로써 강력한 전계를 얻을 수 있기 때문에 붙인 이름이며, 외단부를 반구형(半球形) 전극(3')으로 한 것은 이상방전(異狀放電)이 일어나는 것을 방지하기 위한 것이다.

그리고, 오존발생량은 동일전압에서는 전극의 곡율반경이 적을수록, 전극간격이 적을수록, 전극침이 많을수록 많아지나, 일반적으로는 인가전압이 높을수록, 인가전원의 주파수가 높을 수록, 전압인가 시간이 길수록, 많이 발생하므로 본 발명의 장치에서도 적정의 O₃량이 결정되면 적정의 전극상(電極狀)과 전극간격, 적정의 전원장치인가 및 전압 및 주파수, 고압펄스)를 결정하여 이들을 적당히 조정함으로서 간단히 최대 오존발생량을 결정할 수 있다.

위와 같은 본 발명의 오존발생장치는 다음과 같은 장점이 있다.

1) 장치가 소형이며 매우 강력한 오존이 발생한다.

2) 침 또는 세선을 방전극으로 하므로 종래의 판상형에 비해 발열면적이 적어서 방열을 위한 전력소모비가 적다.

3) 초소형에서 대형까지 간단히 제조, 변경 가능하다.

4) 소모, 마모물이 없으며, 장치가 반영구적이다.

5) 반응시간이 매우 빠르며, 지향성이 없다.

6) 2차 공해(퇴색등, 인체에의 영향-결막염, 피부염등)가 전혀 없다.

7) 오존발생량이 간단히, 적절히 조절될 수 있다.

본 발명 장치의 장점을 종래의 것과 비교하면 다음과 같다.

각종 소형 오존발생기의 비교(시간당 2g정도의 O₃발생량)

본 발명의 오존발생장치는 위험성 및 2차 공해가 전혀 없고(오존이 과잉방출되어도 실온 실습내(實溫實濕內)에서는 15분정도 이내로 저절로 급속감멸되어 버림), 장치의 구조상 소모물이 없어 장치자체가 반 영구적이며(전극은 내이온성이 뛰어난 스텐레스랑 SUS 304사용), 소비전력이 극히 적고, 반응시간이 빠르며 지향성이 없고, 오존량이 적절히 조정 가능하다는 장점이 있을 뿐만 아니라, 초소형화 내지 소형화가 용이하므로 지금까지 사용이 불가했던 곳, 즉 부분적인 공간내의 박테리아 및 곰팡이의 발생 및 번식방지, 살균, ehd식물의 신선도 유지등에 매우 좋은 효과를 얻을 수 있다.

또 대형의 공업용 오존발생장치로서도 전력소모가 적고, 효율면에서도 장점이 크다.

Claims (1)

1. 적정한 수의 침상전극(1)이 형성된 다침디스크 전극(2)을 다수 연결하여서된 것에 있어서, 다침디스크전극(2)의 양편에 고리모양의 전계조절전극(3)을 연접시키고, 외단의 전계조절전극(3')은 반구형으로 함을 특징으로 하는 오존발생장치.

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