JP5672564B2 - 複合プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体噴射環境下で、２個の電極に電圧を加えて発生するコロナ放電でイオン化された気体に電磁波を加えると共に水素−酸素気体を噴射して火力を増大させることによって、石油や石炭のような化石燃料を代替した熱源として用いることができるようにする複合プラズマ発生装置に関する。

一般的に、コロナ放電とは、気体環境下で発生した放電の一つであり、２個の電極に交流あるいは直流電圧を印加すると気体が電離を起こし、部分的な放電が起こる現象をいう。

コロナ放電の応用分野は非常に多様であり、その例として韓国登録特許第１０−０２３９０１７号は、電界（ｒａｐｉｄｌｙ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）により生成されるコロナ放電（ｃｏｒｏｎａ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）を使用する室内空気処理装置（ｉｎｄｏｏｒ ａｉｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｐｐａｒａｔｕｓ）に適用したり、または、韓国登録特許第１０−０１９４９７５号は、電圧によって放電されるコロナによって気体をプラズマ形態で形成するコロナ放電装置を利用した排気ガス浄化装置を開始している。

このように、コロナ放電は、主に空気の有害物質を分解、処理する際に使用されており、時には金属あるいは合成樹脂表面の改質を変化させることでも適用している。

一方、電磁波あるいはマイクロ波は、ラジオ波と赤外線との間の波長を有した電磁波にクライストロンとマグネトロンにより発生される波長が１ｍｍと１０ｃｍの間（ラジオ波よりは小さくて、赤外線よりは大きい波長）の電磁気放射を意味し、その用途は、電子レンジのようにいずれの対象物を加熱したり乾燥するによく使われ、一種のトーチのような点火装置として使われる場合もある。

しかし、純粋電磁波による点火装置は、電磁波発生装置の規模によって火力が決定されるので、例えば廃棄物を溶融処理するなどの大型システムに適用するためには、非常に大きい規模の電磁波発生装置が要求され、採算がとれないという欠点がある。

したがって、小型でありながら、低価の装置で大きい火力と高い温度の火炎を発生させることができるようにするプラズマ発生装置が要求されている実情である。

韓国登録特許第１０−０２３９０１７号 韓国登録特許第１０−０１９４９７５号

これによって、本発明の目的は、気体噴射環境下で２個の電極に電圧を加えて発生するコロナ放電でイオン化された気体に電磁波を加えるとともに水素−酸素気体を噴射することによって、簡単な構造でも、大きい火力を発生させて石油や石炭のような化石燃料を代替した熱願として使うことができるようにする複合プラズマ発生装置を提供することである。

本発明の他の目的は、電磁波が流れる導波路をフィボナッチ数列による螺旋型曲線状で設計して電磁波がコロナ放電でイオン化された気体に集中照射されるようにし、また、海水を気化させた蒸気を噴射することによって、爆発力を更に向上させた複合プラズマ発生装置を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、一定の長さのハウジング１１の内部に空気が注入され、上記ハウジング中央および内壁にそれぞれ電極が相互離隔設置されたコロナ放電部１０と、電磁波が流れる導波路２２の一側に軸ホール２３が形成され、上記ハウジング１１の端部が上記軸ホール２３に垂直結合された電磁波発生部２０と、燃焼用気体を生成する燃焼用気体発生器３０と、上記軸ホール２３と連通する火炎放射口１９の内側に点火用点火プラグ１８が設けられ、上記点火プラグの周辺に燃焼用気体を噴射するガス噴射器５０の結合からなることを特徴とする。

好ましい形態として、上記軸ホール２３は、一定の長さを有した導波路２２に対して、偏心位置に形成され、上記導波路２２は、軸ホール２３方向に螺旋型曲線状で形成されるが、上記螺旋型曲線は、フィボナッチ数列による曲面で形成されることを特徴とする。

本発明による複合プラズマ発生装置の要部分解斜視図である。 本発明による複合プラズマ発生装置の要部組み立て斜視図である。 本発明の第１実施例による複合プラズマ発生装置の作動状態を示した断面図である。 本発明によるコロナ放電部の平面図である。 本発明による電磁波発生部の導波路形態を示した平面図である。 本発明の第２実施例による複合プラズマ発生装置の作動状態を示した断面図である。 本発明による複合プラズマ発生装置で火炎が発生した状態を示した写真である。

以下、本発明の実施例を示した図面を参照して本発明を詳細に説明し、例示した図面の構造は、本発明の好ましい形態を示した一実施形態だけであり、本発明を限るものではない。

図１は、本発明による複合プラズマ発生装置の要部分解斜視図であり、図２は、本発明による複合プラズマ発生装置の要部組み立て斜視図である。また、図３は、本発明の第１実施例による複合プラズマ発生装置の作動状態を示した断面図であり、図４は、本発明によるコロナ放電部の平面図であり、図５は、本発明による電磁波発生部の導波路形態を示した平面図である。

まず、図１ないし図３を参照するように、本発明の第１実施例によると、本発明の複合プラズマ発生装置は、大きくコロナ放電部１０と電磁波発生部２０、燃焼用気体発生部３０およびガス噴射器５０から分離され、上記電磁波発生部２０の導波路２２は、図５のように直線あるいは曲線状からなることができるが、これに対しては、後述してさらに詳細に説明する。

上記コロナ放電部１０は、一定の長さを有したハウジング１１を含み、上記ハウジング１１の一側（上部）には、ハウジング１１の内部に空気を注入する用途で少なくとも一つ以上のエアー噴射器１２が設けられ、他側（下部）の下端にはフランジ１１’が形成されて、電磁波発生部２０の軸ホール２３上端に位置したフランジ２２’とボルトなどの固定手段によって相互締結される。

この際、図３のように、上記エアー噴射器１２は、ハウジング１１の中心側に下方傾斜するようになっていて、図４を参照するように、平面上では中心から偏心するように設けられているので、エアー噴射器１２を通じて注入される空気は、ハウジング１１内で竜巻を起こすように回転しながら下方向に流れるようになる。

上記ハウジング１１の上端中心には、電極棒１３がハウジング内側に貫通してねじ締結され、上記ハウジング１１の内部中心には第１電極１４が形成されているが、上記電極棒１３と第１電極１４とは電気的に互いに連結されている。

また、ハウジング１１の内壁には、上記第１電極１４と一定の距離を隔てて設置された第２電極１６が形成され、上記第２電極１６は、ハウジング１１の側面から貫通した電極１６’を通じて通電される。この際、上記ハウジング内壁の第２電極１６の内面には、石英管１５が設置される一方、上記第２電極１６とハウジング１１内壁との間には絶縁体１７が介在され第２電極１６とハウジング１１を絶縁させる。

上記電磁波発生部２０は、一側に電磁波（Ｍ）を生成する電磁波発生器２１が設けられ、他側には上記ハウジング１１が結合される軸ホール２３が位置する。この際、上記電磁波発生器２１は、少なくとも一つ、または、図示された通り、２個はもちろん複数個設置されることもでき、複数個設置される場合、各電磁波発生器２１から生成された電磁波が導波路２２を経由して軸ホール２３の内部の下部石英管１５に到達するまで相互分離されるようにするため、導波路２２を上／下に分離する 隔壁２６を設置することができ、この場合、小さい容量の電磁波発生器２１が複数個設けられていて費用や小型化の側面で好ましい。

上記導波路２２は、電磁波発生器２１から生成された電磁波（Ｍ）を軸ホール２３に移動させる管路であって、上記軸ホール２３の周辺には、ハウジング１１内面に設置された上部石英管１５と別途に下部石英管１５が設けられる。すなわち上記の石英管１５は、ハウジング１１内部に設けられた上部石英管１５と、導波路２２上の軸ホール２３に設置される下部石英管１５とに分離され、各石英管との間には、シールドリング４と金属リング５が設けられる。

上記シールドリング４は、セラミックなどから成る一種の絶縁物となっていて、上部石英管と下部石英管とを相互分離、絶縁させ、上記金属リング５は、ハウジング１１と下部石英管１５とを相互通電させるマグネトロン電極である。

ここで、上記導波路２２は、図５の（ｂ）のように一般的に使われる平面上直線形態であるが、望ましく図５の（ａ）のように平面上螺旋型曲線状でも形成することができ、導波路２２を螺旋型曲線状にする場合、上記曲線は、蝸牛管やひまわりで種が配列されたことのように一種のフィボナッチ数列による曲線で形成される。

この場合、図５の（ａ）のように電磁波（Ｍ）がフィボナッチ数列による曲線２４面にぶつかって反射される場合、いずれの位置でも軸ホール２３の下部石英管１５に反射されることが分かり、また、下部石英管１５とその周辺を囲む導波路２２が円型からなっているので、円型空間内でのキャビティー共振により電磁波（Ｍ）がほとんど失われずに石英管１５に集中照射されて効率が高まる。

また、図３のように、上記導波路２２の周辺には、冷却水が循環できるように、一側に流入口６１が備えられ、また他の一側に流出口６２が備えられた冷却水ケース６０を設置して上記電磁波（Ｍ）によって発生する熱を冷却水が循環して熱を冷ませるようにする。

一方、上記下部石英管１５の下端には、石英管固定管１５’が備えられ、上記固定管１５’の外面には、火炎噴射口１９が設けられて固定管１５’と火炎噴射口１９が相互ねじ締結され、上記火炎噴射口１９の外面には、フランジ１９’が形成されて溶融炉や加熱炉などの適所に結合できるようにする。

電極棒１３の下端に設置された点火プラグ１８は、炎点火のために設置されるが、点火プラグ１８は、上記電極棒１３から延長されるようにして電極棒１３から電流が印加されるようにすることができ、電極棒１３が第１電極１４の内部を貫通して下部石英管内部に位置し、上記電極棒１３は、シリンダー油圧装置あるいはモーター駆動のような公知の機構的駆動手段によって上下に往復移動するように設けられる。

上記燃焼用気体発生器３０は、点火プラグ１８の周辺に噴射される燃焼用気体を生産する装置あって、図示されたように、水（Ｗ）が貯蔵されたコンテナ底部に少なくとも一対が近接するように電極３５を設置し、上記電極３５の周辺にコイル３６を形成してなる水電気分解方式であることもあるが、本発明はこれに限らない。

上記燃焼用気体は、例えば水素−酸素気体でも良く、または、パラハイドロゲン（パラ水素）でも良い。燃焼用気体中、一つであるパラ水素は、高い燃焼特性を有した正水素（ｏｒｔｈｏｈｙｄｒｏｇｅｎ）とは違って水素の遅い燃焼形態を有し、このような特性により、ガスレンジのように、料理器具の火炎源で使われるのに適合し、本発明の燃焼用気体は、これに限定されるものではなく、燃焼可能なガスであればその種類には制限がない。

上記燃焼用気体発生器３０が、水素−酸素気体を生産するようにする場合、例示されたような構造の水電気分解方式を適用することができるが、この場合、いかなる化学触媒剤を添加しないで、水だけで生成することができるので製造および環境の側面から有利である。

図６は、本発明の第２実施例による複合プラズマ発生装置の作動状態を示した断面図であり、図７は、本発明による複合プラズマ発生装置によって火炎が発生する状態を撮影した写真である。

上記コロナ放電部１０と電磁波発生部２０および燃焼用気体発生器３０がそれぞれ同一条件である場合、点火プラグ１８の周辺に海水を気化させた海水気体を吹き込めるようにすると火力および温度が上昇する。すなわち海水には重水素（ｈｅａｖｙ ｈｙｄｒｏｇｅｎ）や塩分が多量含まれているので、これら成分が火炎を起こす時、爆発力をより大きくするので火炎噴射口１９から吐出される火炎が強いだけでなく、温度が上昇することになる。

このための構造は、海水を気体化させる別途の装置を設けて、上記燃焼用気体と別途の管路を通じて点火プラグ１８の周辺に噴射されるようにすることもできるが、図６のように、燃焼用気体と結合させてガス噴射器５０を通じて噴射されるようにすることも考えられる。

図６を参照すると、上記燃焼用気体発生器３０と連結された第１配管３１端部が海水槽４０の底部に浸漬されて燃焼用気体を海水槽４０内に飽和させるように第１配管３１の端部に少なくとも一つの排気ホール３２が形成され、上記海水槽４０の上部で飽和上昇した燃焼用気体を回収する第２配管４１は、上記ガス噴射器５０と連結されたことが分かる。

このようにすると、燃焼用気体は、第１配管３１を通じて海水槽４０の底の部分まで移送されて排気ホール３２を通じて海水内部に排出され、以後海水内で微細な起泡形態で上昇、浮遊しながら海水内に含まれた重水素および／または、塩分と結合される。このように、海水気体を内包した燃焼用気体は、第２配管４１に回収されてガス噴射器５０で噴射されるので、火炎の火力と温度が上昇することができる。

以下、図３または、図６を参照して本発明の作用を説明し、これを通じて本発明がさらに具体化される。

まず、エアー噴射器１２を通じて空気がハウジング１１内に流入して渦流されながら下降する時、第１電極１４と第２電極１６が通電されながらコロナ放電が発生し、したがって渦流空気はイオン化される。

イオン化された空気が軸ホール２３を経由する時、導波路２２で誘導された電磁波（Ｍ）に露出されてイオン化が加速されるとともに下部石英管１５の内部で点火プラグ１８が上下に往復移動することによって、高電荷印加のため、点火プラグ１８でスパークが発生して火炎が発生する。

この際、火炎噴射口１９内に燃焼用気体、例えば、水素−酸素気体あるいはパラ水素気体が噴射されるので、ガスと空気が一緒に燃焼しながら火炎噴射口１９下に強い炎が発生することになる。

本発明によれば、図７の写真のように、火炎噴射口１９を通じて起こる火炎は、一般的なプラズマの炎とは違って、イオン化が加速された空気によって爆発するので炎が大きくて高熱を出すことができるので、廃棄物を溶融して再処理するための溶融炉あるいは加熱炉に設置可能であり、このようにすると、石炭や石油など化石燃料を代替することができるようになり有利である。

以上の説明と図面では、各構成要素の性能と容量あるいは材質などを表記したが、これは本発明の望ましい一実施形態を示した図面の構造として説明されただけであり、本発明は例示された構造や表記に制限されないで、必要によって設計変更されることができる。したがって、当業者は、上記説明された内容を参照してそれと同一ないし均等な手段に変更が可能であり、そのような、変更ないし置換は、本発明の保護範囲内にあると解釈されるべきである。

本発明によれば、コロナ放電でイオン化された気体に電磁波を加えるとともに、水素−酸素気体を噴射することによって、簡単な構造でも大きい火力が発生して加熱炉あるいは溶融炉に適用する場合、低コストかつ高効率を創出することができる利点がある。

また、導波路をフィボナッチ数列による螺旋型曲線状で設計して電磁波がコロナ放電でイオン化された気体に集中照射されるようにし、また海水を気化させた蒸気を噴射することによって、爆発力を更に向上させることができ、この場合、大型加熱炉や溶融炉に適用が可能であるとの利点がある。

さらに、本発明のプラズマ発生装置によれば、火炎が石油や石炭のような化石燃料を燃焼させる必要がないので、次第に枯渇していくエネルギー資源を節約できるだけでなく、燃焼による二酸化炭素などの有害ガスを排出しないので環境汚染を防止することができる効果がある。

４：シールドリング
５：金属板
１０：コロナ放電部
１１：ハウジング
１１’，１９’，２２’：フランジ
１２：エアー噴射器
１３：電極棒
１４：第１電極
１５：石英管
１６：第２電極
１７：絶縁体
１８：点火プラグ
１９：火炎噴射口
２０：電磁波発生部
２１：電磁波発生器
２２：導波路
２３：軸ホール
２４：曲線
３０：燃焼用気体発生器
３１：第１配管
３２：排気ホール
３５：電極
３６：コイル
４０：海水槽
４１：第２配管
５０：ガス噴射器
Ｗ：水
Ｍ：電磁波
Ｓ：海水

Claims (10)

1. 一定の長さのハウジング（１１）内部に空気が注入され、前記ハウジング中央および内壁にそれぞれ第１電極（１４）および第２電極（１６）が相互に離間して設けられ、各電極の間に形成された石英管（１５）を含むコロナ放電部（１０）；
   電磁波が流れる導波路（２２）の一側に軸ホール（２３）が形成され、前記ハウジング（１１）の端部が前記軸ホール（２３）に垂直結合して軸ホール（２３）に電磁波が到達する石英管（１５）が貫通してなる電磁波発生部（２０）；
   燃焼用気体を生成する燃焼用気体発生器（３０）；
   前記軸ホール（２３）と連通する火炎放射口１９の内側に点火用点火プラグ（１８）が設けられ、前記点火プラグの周辺に燃焼用気体を噴射するガス噴射器（５０）の結合から成り、
   前記軸ホール（２３）は、一定の長さを有した導波路（２２）に対して偏心位置に形成し、前記導波路（２２）は、軸ホール（２３）方向に螺旋型曲線状で形成され、
   前記螺旋型曲線は、フィボナッチ数列による曲線であることを特徴とする複合プラズマ発生装置。
2. 前記軸ホール（２３）の周辺の導波路（２２）は、電磁波（Ｍ）が共振されるように円筒型で形成されることを特徴とする請求項１記載の複合プラズマ発生装置。
3. 前記導波路（２２）の一側の上／下部にそれぞれ電磁波発生器（２１）が設けられ、前記導波路の内部に各電磁波発生器から生成された電磁波（Ｍ）を分離誘導する隔壁（２６）が形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項２のうちいずれか一項に記載の複合プラズマ発生装置。
4. 前記導波路（２２）の外部に冷却水が循環するように流入口（６１）および流出口（６２）が備えられた冷却水ケース（６０）が設置されることを特徴とする請求項１乃至請求項２のうちいずれか一項に記載の複合プラズマ発生装置。
5. 前記点火プラグ（１８）は、ハウジング（１０）の中央の第１電極（１４）を貫通して火炎放射口（１９）内側まで延長されることを特徴とする請求項１記載の複合プラズマ発生装置。
6. 前記燃焼用気体発生器（３０）は、水が貯蔵されたコンテナ底部に少なくとも一対が近接するように電極（３５）を設置し、前記電極周辺にコイル（３６）を形成してなる水電気分解方式であることを特徴とする請求項１記載の複合プラズマ発生装置。
7. 前記ハウジング（１１）の内壁と第２電極（１６）との間に絶縁体（１７）が介在されることを特徴とする請求項１記載の複合プラズマ発生装置．
8. 前記点火プラグ周辺に燃焼用気体の他に海水を気化させた海水気体を更に噴射することを特徴とする請求項１記載の複合プラズマ発生装置．
9. 前記海水気体は、燃焼用気体と結合されてガス噴射器（５０）を通じて噴射されるが、
   前記燃焼用気体発生器（３０）と連結された第１配管（３１）の端部が海水槽（４０）底部に浸漬されて燃焼用気体を海水槽内に飽和させるように第１配管（３１）の端部に少なくとも一つの排気ホール（３２）が形成され、
   前記海水槽（４０）の上部で飽和上昇した燃焼用気体を回収する第２配管（４１）は、前記ガス噴射器（５０）と連結されたことを特徴とする請求項８記載の複合プラズマ発生装置。
10. 前記ハウジング（１１）内部に空気を注入するエアー噴射器（１２）は、ハウジング中心に下方傾斜すると共に、中心に偏心位置で連結されて注入される空気が渦流されながら下方移動することを特徴とする請求項１記載の複合プラズマ発生装置。