KR101269522B1 - 오존 분해 장치 및 이를 이용한 오존 분해 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직류 양성 글로우 코로나 방전을 유도하여 공기 중 오존을 분해함으로써, 촉매 물질이나 복잡한 장치가 필요없이 오존으로 오염된 공기를 간편하게 정화할 수 있는 오존 분해 장치 및 이를 이용한 오존 분해 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 오존 분해 장치는 양극 및 음극을 포함하는 방전부; 상기 방전부에 직류 양성 글로우 코로나 방전을 발생시키는 파열극한전압을 계산하는 전압 계산부; 및 상기 전압 계산부에서 계산된 파열극한전압을 상기 방전부의 양극 및 음극에 공급하는 전압 인가부를 포함한다.

Description

오존 분해 장치 및 이를 이용한 오존 분해 방법{APPARATUS FOR DESTRUCTING OZONE AND METHOD FOR DESTRUCTING OZONE USING THEREOF}
본 발명은 오존 분해 장치에 관한 것으로, 특히 오존으로 오염된 공기를 정화하기 위한 오존 분해 장치 및 이를 이용한 오존 분해 방법에 관한 것이다.
오존(O3)은 산소 원자가 3개로 이루어진 산소의 동소체로서, 산화력이 강력하기 때문에, 하수 등의 살균, 악취 제거, 공기 정화, 소독, 표백 등에 유용하게 사용되고 있는 기체이다.
아울러, 오존은 지구 대기 중에 오존층을 형성함으로써 지구의 보호층으로서의 역할을 수행하지만, 오존 자체는 0.05ppm 이상인 경우 인체에 독성으로 작용하기 때문에, 오존으로 오염된 공기는 오히려 인간의 건강에 해로운 대기 오염 물질이 될 뿐만 아니라, 불쾌감을 조성하게 된다.
이러한 오존은 불안정한 구조로 인해, 상온에서 산소로 분해되기도 하고, 촉매제를 통해 분해되기도 하여, 일반적으로는 가열 분해, 습식 분해, 촉매 분해 등과 같은 방식으로 분해된다.
하지만, 이러한 분해 방식의 경우 그 분해 장치나 구조가 매우 복잡하고 비용이 많이 소요되어, 갈수록 다방면에서 그 양이 증가하고 있는 오존으로 오염된 공기를 정화하기에는 역부족인 것이 사실이다.
따라서, 본 발명의 목적은 촉매 물질이나 복잡한 장치가 필요없이 공기 중의 오존을 분해하여, 오존으로 오염된 공기를 정화할 수 있는 오존 분해 장치 및 이를 이용한 오존 분해 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 오존 분해 장치는 양극 및 음극을 포함하는 방전부; 상기 방전부에 직류 양성 글로우 코로나 방전을 발생시키는 파열극한전압을 계산하는 전압 계산부; 및 상기 전압 계산부에서 계산된 파열극한전압을 상기 방전부의 양극 및 음극에 공급하는 전압 인가부를 포함하고, 상기 양극은 내부가 관통되는 다각형의 프레임이 다수개가 매트릭스 형태로 배치되어 일체형으로 구성되고, 상기 프레임은 상기 프레임의 적어도 일변에서 상기 음극 방향으로 꼭짓점이 연장된 삼각판 형상의 침상 전극부를 포함한다.
삭제
상기 음극은 상기 침상 전극부 각각에 대응하는 다수의 원형 홀을 포함한다.
상기 원형 홀은 그 중심이 상기 침상 전극부의 꼭짓점에 대치되도록 배치된다.
상기 전압 계산부는 하기 식에 따라 상기 파열극한전압을 계산한다.
Figure 112011029075638-pat00001
여기서, mO는 상기 양극 및 음극의 표면 상태 계수, m1은 날씨 계수, r은 상기 원형 홀의 반경, δ는 상대 공기 밀도, d는 상기 침상 전극부의 꼭짓점과 상기 음극 간의 거리를 의미함.
다수의 상기 침상 전극부 중 적어도 어느 하나는, 상기 프레임에서 연장되는 변의 위치가, 다른 침상 전극부와 다르다.
상기 침상 전극부는 상기 프레임의 일변으로부터 상기 음극에 대해 90°각도로 연장된다.
본 발명의 실시 예에 따른 오존 분해 장치를 이용한 오존 분해 방법은 양극 및 음극을 포함하는 방전부를 구비하는 오존 분해 장치를 이용한 오존 분해 방법에 있어서, 상기 방전부에 직류 양성 글로우 코로나 방전을 발생시키는 파열극한전압을 계산하는 단계; 계산된 상기 파열극한전압을 상기 방전부의 양극 및 음극에 공급하는 단계; 및 직류 양성 글로우 코로나 방전이 발생된 상기 방전부에 오존으로 오염된 공기를 주입하는 단계를 포함하고, 상기 파열극한전압을 계산하는 단계에서, 상기 파열극한전압은 하기 식에 따라 계산된다.
삭제
Figure 112011029075638-pat00002
여기서, mO는 상기 양극 및 음극의 표면 상태 계수, m1은 날씨 계수, r은 상기 원형 홀의 반경, δ는 상대 공기 밀도, d는 상기 침상 전극부의 꼭짓점과 상기 음극 간의 거리를 의미함.
상기 오존으로 오염된 공기는 상기 양극의 프레임 내부로 주입되어 상기 원형 홀로 배출된다.
본 발명에 따르면, 오존 분해가 가능한 직류 양성 글로우 코로나 방전을 유도하기 위한 파열극한전압을 계산하여, 방전부의 양극 및 음극에 인가하고, 방전이 발생한 양극 및 음극 사이에 오존으로 오염된 공기를 통과시킴으로써 공기 내 오존이 간편하게 분해된다.
또한, 본 발명에 따르면, 양극을 침상, 음극을 원형으로 형성하고, 양극과 음극에 통풍구를 마련함으로써 코로나 방전이 효율적으로 발생될 뿐만 아니라, 공기의 통풍이 자유롭다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 오전 분해 장치를 개략적으로 나타내는 블럭도,
도 2는 방전부 내 양극 및 음극의 기본 단위를 나타내는 도면,
도 3은 도 2의 평면도,
도 4a 내지 도 4c는 양극 제조 방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 5a는 양극의 프레임 배치를 나타내는 도면,
도 5b는 도 5a의 측면도, 및
도 6은 음극의 원형 홀 배치를 나타내는 도면이다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 오존이 분해되는 직류 양성 글로우 코로나 방전(DC Positive Glow Corona Discharge) 환경을 의도적으로 조성하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 이후 본 발명에서 "코로나 방전"으로 언급되는 것은 상기의 "직류 양성 글로우 코로나 방전"을 의미하는 것임을 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 오존 분해 장치를 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 오존 분해 장치와 이를 이용한 오존 분해 방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 본 발명의 오존 분해 장치는 방전부(100), 전압 인가부(200), 및 전압 계산부(300)를 포함하여 구성된다.
방전부(100)는 코로나 방전이 실질적으로 일어나는 부분으로, 코로나 방전을 유도하기 위한 양극(110) 및 음극(120)을 포함한다.
도 2는 방전부(100)의 양극(110) 및 음극(120) 형상을 구체적으로 설명하기 위한 도면으로서, 코로나 방전이 발생하는 기본 단위를 나타낸다.
양극(110)은 내부가 관통되는 다각형의 프레임(110a)과 프레임(110a)의 적어도 일변에서 음극(120) 방향으로 꼭짓점이 연장된 삼각판 형상의 침상(針狀) 전극부(110b)를 포함하여 구성된다.
한편, 음극(120)은 침상 전극부(110b)에 대응하는 원형 홀(120a)을 포함하여 구성된다.
바람직하게는, 음극(120)의 원형 홀(120a)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 그 중심이 침상 전극부(110b)의 꼭짓점에 대치되도록 배치됨으로써 코로나 방전 효과를 극대화시킬 수 있다.
즉, 도 2와 같은 구조를 통해, 침상의 양극(110)과 원형 홀(120a)을 둘러싼 원주 형태의 음극(120) 사이에 코로나 방전이 발생하게 되고, 코로나 방전 상태에서 양극(110)의 프레임(110a) 내부와 음극(120)의 원형 홀(120a)을 통과하도록 오존으로 오염된 공기를 주입하면, 코로나 방전이 발생하는 양극(110) 및 음극(120) 사이에서 오존이 분해됨으로써 공기가 정화되어 배출된다.
이때, 도 1 및 도 2와 상기 설명에서와 같이, 오존으로 오염된 공기는 양극(110) 방향에서 주입되어 음극(120)을 통해 배출된다.
구체적으로, 양극(110) 방향에서 주입된 오존은 침상 전극부(110b)에서 여기(勵起, Excitation)되어 음극(120)의 원형 홀(120a)를 통과하면서 O2 분자와 O 원자로 해리(解離, Dissociation)된다.
도 4a 내지 도 4c는 양극(110)의 제조 예를 나타내는 도면이다.
먼저, 도 4a를 참조하면, 판 형태의 도체에서 프레임(110a)과 침상 전극부(110b)를 제외한 부분(빗금 부분)을 제거하고, 도 4b에 도시된 바와 같이, 프레임(110a)으로부터 침상 전극부(110b) 부분을 절곡하여, 도 4c와 같이 양극(110)을 완성한다.
이에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이 프레임(110a)의 일변으로부터 연장된 삼각판 형상의 침상 전극부(110b)가 형성되는 것이다.
이때, 침상 전극부(110b)는 음극(120)에 대해 90°각도로 절곡되는 것이 바람직하다.
실질적으로 양극(110)과 음극(120)은 도 2를 기본 단위로 하여 확장 구성된다.
양극(110)은 도 2의 프레임(110a)이 도 5a에 도시된 바와 같이 매트릭스 형태로 다수 개가 연속 배치되어 일체형으로 형성된다.
여기서, 매트릭스 형태라 함은 단위 프레임(110a)이 종횡으로 반복 배치되어, 망 형태로 구성됨을 의미한다.
따라서, 일 실시 예에 따르면, 도 4a 내지 도 4c와 같은 방법으로 양극(110)을 제조하는 경우, 양극(110)의 기본 틀이 되는 판 형태의 도체 상에 전체 프레임(110a) 형상과 침상 전극부(110b) 형상을 일괄적으로 형성할 수 있다.
이때, 단위 프레임(110a)마다 형성되는 침상 전극부(110b)는 도 5a에 도시되어 있는 바와 같이 그 형성 위치가 교번적으로 다르게 구성될 수 있다.
도 5b는 도 5a에 도시된 양극(110)의 측면도이다.
침상 전극부(110b)의 위치가 일률적으로 동일한 경우, 양극(110)의 장력이 한쪽 방향으로 발생하게 되어, 양극(110)이 휘어지는 등의 문제가 발생할 수 있으나, 도 5a 및 도 5b에서와 같이 침상 전극부(110b)를 배치하는 경우, 이러한 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
음극(120)의 원형 홀(120a)은 도 6에 도시된 바와 같이 침상 전극부(110b) 각각에 대응하도록 형성된다.
즉, 본 발명에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 침상 전극부(110b)와 하나의 원형 홀(120a)이 코로나 방전을 발생하는 기본 단위가 되며, 이를 위해 침상 전극부(110b)와 원형 홀(120a)의 개수가 동일하게 형성됨은 물론이다.
다시 도 1을 참조하면, 전압 계산부(300)는 상기와 같이 형성된 방전부(100)에서 글로우 코로나 방전이 발생할 수 있도록 공기의 절연이 파괴되는 시점의 전압, 즉 파열극한전압을 계산하고, 전압 인가부(200)는 계산된 파열극한전압에 따라 방전부(100)의 양극(110) 및 음극(120)에 해당 전압을 인가하게 된다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 오존 분해 장치를 이용한 오존 분해 방법은 전압 계산부(300)를 통해 파열극한전압이 계산되면, 전압 인가부(200)가 계산된 파열극한전압을 방전부(100)에 인가하여, 코로나 방전이 발생하게 되면 오존으로 오염된 공기를 주입하여 정화하는 단계로 이루어지게 된다.
구체적으로, 전압 계산부(300)는 하기 식에 따라 파열극한전압(VO)을 계산한다.
Figure 112011029075638-pat00003
여기서, mO는 전극, 즉 양극(110) 및 음극(120)의 표면 상태에 의해 변화하는 계수이고, m1은 날씨 계수로서, 온도, 습도 등과 같은 날씨에 의해 결정되는 계수를 의미한다.
m0, m1은 일반적인 코로나 계산식에 통용되는 상수로서, 예컨대 m0의 경우, 전극이 청결한 상태일 때 1, 전극이 풍우 등에 노출되었을 때 0.92~0.98, 전극이 연선일 때 0.8~0.84의 값을 가지고, m1의 경우, 날씨가 청명할 때 1, 우천 또는 연무 시 0.8의 값을 가진다.
그리고, δ는 상대 공기 밀도(Relative Air Density), r 및 d는 도 2에 도시된 바와 같이 각각 음극(120) 내 원형 홀(120a)의 반경 및 침상 전극부(110b)의 선단부, 즉 연장된 꼭짓점 부분과 음극(120) 간의 거리를 의미한다.
즉, 본 발명에서는 수학식 1을 통해, 방전부(100)의 구성 조건과 환경, 구체적으로는 m0, m1, δ, r, d값에 따라 적합한 파열극한전압을 계산함으로써, 어떠한 구성 조건 및 환경 하에서도 의도적으로 오존이 분해되는 직류 양성 글로우 코로나 방전 환경을 조성할 수 있게 된다.
상대 공기 밀도(δ)는 하기 식을 통해 계산되며, 상온, 상압 환경에서는 그 값이 1이 된다.
Figure 112011029075638-pat00004
여기서, P는 측정 시의 기압을, t는 측정 시의 온도를 각각 의미한다.
이하에서는, 파열극한전압이 계산되는 수학식 1의 유도 과정에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 코로나 방전이 개시되는 전위 경도(EC)는 하기 식에 따라 계산된다.
Figure 112011029075638-pat00005
코로나 개시전압(VC)은 수학식 3에 의해 계산되는 전위 경도(EC)에 따라 하기 식을 통해 계산된다.
Figure 112011029075638-pat00006
수학식 4를 통해 계산된 개시전압을 통해 코로나 방전이 개시되면, 코로나손(PC)이 발생하게 되는데, 그 값은 하기 식을 통해 계산 가능하다.
Figure 112011029075638-pat00007
여기서, V는 양극(110)과 대지 간의 전압을 의미하고, f는 주파수로서, 교류(AC)인 경우 교번 주파수를 의미하며, 직류(DC)인 경우 주파수는 없고, 전원 단속 공급 시 단속횟수가 된다.
즉, 수학식 3 내지 5를 기반으로 파열극한전압(VO)을 역산하면, 수학식 1의 계산식이 도출된다.
일 실시 예에서, 음극(120) 내 원형 홀(120a)의 반경(r)이 6mm, 양 전극 간 거리(d)가 8mm, 전극의 상태 계수(m0)가 1, 날씨 계수(m1)가 1이고, 상온, 상압 환경인 경우, 상기 수학식 1에 따라 파열극한전압(VO)을 계산하면, 3.73KV의 값이 도출된다.
즉, 상기와 같은 환경에서는 방전부(100)의 양 전극(110, 120)에 3.73KV의 전압을 인가하는 경우, 방전부(100) 내에서 원하는 직류 양성 글로우 코로나 방전이 발생하게 되며, 이러한 방전 상태에서 방전부(100)에 오존으로 오염된 공기를 통과시키면, 오존(O3)이 O2 분자와 O 원자로 분해되는 것이다.
한편, 도면에서는 하나의 프레임(110a)에 하나의 침상 전극부(110b)가 형성되고, 프레임(110a)이 사각 형상으로 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 이에 국한되지 않고, 상기의 설명에 기재한 바와 같이, 침상 전극부(110b)이 프레임(110a)의 적어도 일변에 형성될 수 있으며, 프레임(110a) 또한 다각형으로 형성될 수 있다.
아래 표 1은 본 발명에 따른 오존 분해 장치의 기능을 실험한 오존 수치 비교표이다.
여기서, 실험 환경은 상온 상압 상태이며, 오존 측정치는 정확도를 높이기 위해 10회 측정치의 평균값을 기준치로 하였다.

오존 발생기
오존 분해 장치
오존 측정치
비고

Off
Off
0.0036ppm
평상 시 환경

On
Off
1.2000ppm
인위적 오존 발생

On
On
0.0072ppm
오존 분해 실시
표 1을 참조하면, 오존 발생기나 오존 분해 장치를 작동하지 않은 평상 시 환경에서 오존 측정치가 0.0036ppm이고, 수치 비교를 위해 오존 발생기를 작동하여 인위적으로 오존을 발생하였을 때, 오존 측정치가 1.2ppm임을 알 수 있다.
이때, 본 발명의 오존 분해 장치를 작동시키게 되면, 오존 측정치가 1.2ppm에서 0.0072ppm으로 현격하게 감소하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 오존 분해 장치를 이용하는 경우, 촉매 물질이나 복잡한 장치 없이도 오존 분해가 용이하게 이루어진다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
100 : 방전부 110 : 양극
110a : 프레임 110b : 침상 전극부
120 : 음극 120a : 원형 홀
200 : 전압 인가부 300 : 전압 계산부

Claims (11)

  1. 양극 및 음극을 포함하는 방전부;
    상기 방전부에 직류 양성 글로우 코로나 방전을 발생시키는 파열극한전압을 계산하는 전압 계산부; 및
    상기 전압 계산부에서 계산된 파열극한전압을 상기 방전부의 양극 및 음극에 공급하는 전압 인가부를 포함하고,
    상기 양극은 내부가 관통되는 다각형의 프레임이 다수개가 매트릭스 형태로 배치되어 일체형으로 구성되고,
    상기 프레임은 상기 프레임의 적어도 일변에서 상기 음극 방향으로 꼭짓점이 연장된 삼각판 형상의 침상 전극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 분해 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 음극은 상기 침상 전극부 각각에 대응하는 다수의 원형 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 분해 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 원형 홀은 그 중심이 상기 침상 전극부의 꼭짓점에 대치되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 오존 분해 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 전압 계산부는 하기 식에 따라 상기 파열극한전압을 계산하는 것을 특징으로 하는 오존 분해 장치.
    Figure 112011029075638-pat00008

    여기서, mO는 상기 양극 및 음극의 표면 상태 계수, m1은 날씨 계수, r은 상기 원형 홀의 반경, δ는 상대 공기 밀도, d는 상기 침상 전극부의 꼭짓점과 상기 음극 간의 거리를 의미함.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    다수의 상기 침상 전극부 중 적어도 어느 하나는, 상기 프레임에서 연장되는 변의 위치가 다른 침상 전극부와 다른 것을 특징으로 하는 오존 분해 장치.
  7. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 침상 전극부는 상기 프레임의 일변으로부터 상기 음극에 대해 90°각도로 연장되는 것을 특징으로 하는 오존 분해 장치.
  8. 양극 및 음극을 포함하는 방전부를 구비하는 오존 분해 장치를 이용한 오존 분해 방법에 있어서,
    상기 방전부에 직류 양성 글로우 코로나 방전을 발생시키는 파열극한전압을 계산하는 단계;
    계산된 상기 파열극한전압을 상기 방전부의 양극 및 음극에 공급하는 단계; 및
    직류 양성 글로우 코로나 방전이 발생된 상기 방전부에 오존으로 오염된 공기를 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 양극은 내부가 관통되는 다각형의 프레임이 다수개가 매트릭스 형태로 배치되어 일체형으로 구성되고, 상기 프레임은 상기 프레임의 적어도 일변에서 상기 음극 방향으로 꼭짓점이 연장된 삼각판 형상의 침상 전극부를 포함하며, 상기 음극은 상기 침상 전극부 각각에 대응하는 다수의 원형 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 분해 장치를 이용한 오존 분해 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 파열극한전압을 계산하는 단계에서,
    상기 파열극한전압은 하기 식에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 오존 분해 장치를 이용한 오존 분해 방법.
    Figure 112013001341625-pat00009

    여기서, mO는 상기 양극 및 음극의 표면 상태 계수, m1은 날씨 계수, r은 상기 원형 홀의 반경, δ는 상대 공기 밀도, d는 상기 침상 전극부의 꼭짓점과 상기 음극 간의 거리를 의미함.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 오존으로 오염된 공기는 상기 양극의 프레임 내부로 주입되어 상기 원형 홀로 배출되는 것을 특징으로 하는 오존 분해 장치를 이용한 오존 분해 방법.
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