KR100188233B1 - 플라즈마를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디젤 자동차 배기가스에 포함되는 NOx, SOx, CO, 미연소 탄화수소(CH), 매연, 분진 등을 효과적으로 제거하는 플라즈마를 이용한 디젤 자동차의 정화장치에 관한 것으로, 본 발명인(출원인과 동일)이 1997. 5. 17 특허 출원한 디젤 자동차 배기가스 프라즈마 정화장치의 방전전극을 내산성, 내마모성 및 도전성이 우수한 금속 또는 그 합금으로 길이가 길게 구성하여 배기가스의 정화효율을 크게 높이고 수명을 연장시켜 디젤 자동차의 수명과 거의 동일하도록 한 것으로, 디젤 자동차용 배기가스 정화장치 뿐만 아니라 석유버너, 가스버너, 디젤 기관, 소각로, 화력 발전소 등의 매연 및 분진 배기가스 등의 분해 및 제거용으로 사용할 수 있다.

Description

플라즈마를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치

제1도는 본 발명의 요부 단면도.

제2도는 본 발명의 양전극의 확대 단면 구성도.

제3도는 본 발명의 음전극의 확대 단면 구성도.

제4도의 (a)(b)는 본 발명 세라믹의 단면도.

제5도는 본 발명의 일실시예의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 양전극 4 : 양극판

6 : 음전극 8 : 음극판

10 : 세라믹 12 : 방전공간

14, 16 : 나사부 18, 20 : 체결부

22, 24 : 나사구멍 26 : 통기공

28 : 확개부 30, 32, 48 : 단턱부

34, 34' : 간격유지구 36, 40, 40' : 볼트

38, 38' : 덮개 42 : 양극 급전선

44 : 음극 급전선 46 : 머플러

B : 전원 HT : 고전압 트랜스

본 발명은 디젤 자동차 배기가스에 포함되는 NOx, SOx, CO, 미연소 탄화수소(CH), 매연, 분진 등을 효과적으로 제거하는 플라즈마를 이용한 디젤 자동차의 정화장치에 관한 것으로, 본 발명인(출원인과 동일)이 1997. 5. 17 특허 출원한 디젤 자동차 배기가스 프라즈마 정화장치의 방전전극을 내산성, 내마모성 및 도전성이 우수한 금속 또는 그 합금으로 길이가 길게 구성하여 배기가스의 정화효율을 크게 높이고 수명을 연장시켜 디젤 자동차의 수명과 거의 동일하도록 한 것이다.

현재 선진국의 대도시나 공장 밀집 지역에서는 질소 산화물인 NO와 NO₂와 같은 NO_x의 발생량이 증가하고 있으므로 대기오염에 대한 규제가 점차 강화되고 있다. NO_x의 주 발생원인은 날마다 증가하는 자동차, 쓰레기 소각로, 화력발전소, 디젤 기관차, 선박, 각종 보일러 및 난방용 버너 등을 들 수 있으며, 이 가운데 자동차의 매연이 대기오염에 차지하는 비중은 75%에 달하고 있다.

디젤 자동차는 가솔린 자동차에 비하여 열효율이 좋고 높은 출력을 낼 수 있으며, 비교적 공연비가 높은 영역에서 연소가 일어나고 있으므로 일산화탄소와 탄화수소의 배출량이 낮아 휘발유 자동차의 배출가스 규제가 엄격하지 않았을 때는 오염물질의 배출이 상대적으로 낮은 비교적 깨끗한 자동차로 알려졌었다.

그러나 삼원 촉매가 부착된 저공해 휘발유 자동차가 공급됨으로써 인체에 유독한 NO_x및 입자상 물질들이 많이 배출되는 디젤 자동차가 큰 오염 배출원으로 등장하게 되었다. 따라서 디젤 자동차에서와 같이 배기가스 오염물질을 후처리하는 배기가스정화 기술을 개발하고 있으며, 현재 개발되었거나 개발중인 디젤 자동차 매연 후처리 장치는 다음 4가지로 분류할 수 있다.

1) 경유 버너식 : 매연을 포집한 후 별도의 경우 버너를 사용하여 재연소 시키는 장치.

2) 연료 첨가제식 : 연료에 암모니아, 우레아, 하이드라진 등의 첨가제를 주입하고 매연을 세라믹 필터로 포집한 후 전자장치로 재연소시키는 장치.

3) 트랩-머플러식 : 머플러에 부착된 필터에 매연을 포집한 후 머플러에서 재연소시키는 장치.

4) 촉매식 : 촉매트랩을 설치하여 매연을 정화시키는 장치.

이들 가운데 경유 버너식은 엔진에서 연결시켜 부착하여야 하므로 엔진실에 별도의 공간이 필요하고, 연료 첨가제식은 머플로 앞에 별도의 전자장치와 세라믹 필터를 부착해야 하므로 역시 별도의 공간이 필요한 단점을 지니고 있다.

트랩-머플러식은 현재 사용하고 있는 기존의 머플러를 제거하고 트랩머플러로 교체해야 하는 단점을 지니고 있으며, 촉매식은 미반응 탄화수소나 SO_x에 의한 촉매독의 제거가 용이하지 못하여 정화효율이 떨어지는 단점을 지니고 있다.

이와 같은 디젤 자동차 정화장치들은 앞에서 언급한 바와 같이 각각의 뚜렷한 단점 외에도 모두 400만원대 이상의 고가 장비라는 공통의 단점을 지니고 있을 뿐 아니라, 자동차 시동 초기에는 정화장치의 온도가 낮아서 배기가스 정화가 거의 이루어지지 않는다는 근본적인 단점을 지니고 있다.

한편, 본 출원인이 본 특허 출원에 앞서 출원한 바 있는 디젤 자동차 배기가스 프라즈마 정화장치(97. 5. 17)의 방전전극 구조는 도전성 원판에 원추 형상의 전극을 복수개 돌출시켜 양전극과 음전극을 구성하였으므로 매연가스의 배출저항을 줄일 수는 있으나 방전전극이 원판의 표면에만 짧은 길이로 돌출 형성되므로 방전전극의 수명이 짧고 배기 정화효율도 낮은 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 배기가스의 정화효율이 높은 플라즈마식 정화장치를 디젤 자동차의 배기가스 배출로에 설치하여 정화하도록 하되 내산성, 내마모성과 전기 도전성이 우수한 금속이나 금속합금으로 방전전극의 길이를 길게 구성하여 배기가스의 정화효율을 크게 높이고, 방전전극의 수명을 디젤 자동차의 수명과 거의 동일하도록 연장시킨 것이다.

본 발명의 플라즈마 정화장치는 12V나 24V의 자동차 배터리(또는 제네레이터) 전원을 고전압 승압트랜스로 25,000V~55,000V까지 승압한 다음 방전전극으로 공급하여 아크방전에 의한 플라즈마를 발생시켜 디젤 자동차의 배기가스를 분해 정화시키는 원리를 이용하고 있으며, 자동차 시동 초기부터 정화효율을 최대한으로 높일 수 있는 장점을 지니고 있다.

상기에서 승압시킨 전원이 25,000V~40,000V일 경우에는 플라즈마의 색깔이 붉은 색을 띄고 있으나, 40,000V~55,000V의 고전압에서는 푸른색의 플라즈마가 발생되고 배기가스의 정화효율은 더욱 높아진다. 배기가스는 길이가 길면서 플라즈마가 발생되는 복수개의 방전전극을 통해서만 배출되므로 배기가스 및 매연의 정화효율이 매우 우수하다.

이런 방전전극을 2개 이상의 복수개로 설치하여 배기가스의 정화효율을 극대화시킬 수 있으며, 길이가 긴 방전 전극은 복수개이므로 엔진에서 배출되는 매연가스의 배출저항을 최대한으로 줄여주므로 배출압력에 의한 엔진의 부하 상승 및 행정 불량요인이 없도록 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명의 단면 구성도로, 복수개의 양전극(2)이 체결되는 둥근 형상의 양극판(4)과 복수개의 음전극(6)이 체결되는 동근 형상의 음극판(8)으로 구성되고, 상기 양극판(4)과 음극판(8)은 절연성과 내열성이 우수한 도너츠 형상의 세라믹(10)을 이용하여 방전거리 이상으로 이격되게 고정하고, 양전극(2)은 봉체형으로 길이가 길게 형성되어 역시 길이가 긴 관체형의 음전극(6)에 삽입하여 전극(2)(6) 사이에 방전공간(12)을 형성한다.

상기에서 양전극(2)과 음전극(6)의 재료는 니켈, 백금 또는 니켈, 몰리브덴, 구리 등과 같이 내열성과 내산성 및 도전성이 우수한 합금을 이용하여 구성하도록 하며, 양전극(2)과 음전극(6)이 고정되는 양극판(4)과 음극판(8) 또한 상기 방전전극(2)(6)과 같은 재질로 형성하여 내열성, 내산성 및 도전성(導電性)이 우수하면서 열팽창 계수가 같도록 한다.

한편, 양전극(2)과 음전극(6)의 상부 외면에는 나사부(14)(16) 및 체결부(18)(20)를 각각 형성하고, 내구성을 갖도록 다소 두꺼운(5mm~7mm) 양극판(4)과 음극판(8)에도 나사구멍(22)(24)을 적당한 간격으로 복수개 형성하여 양전극(2)과 음전극(6)을 나사식으로 체결시켜 고정할 수 있게 한다.

상기에서 양극판(4)과 음극판(8)에 각각 형성하는 나사구멍(22)(24)들은 중심선이 각각 일치하도록 하여 양전극(2)이 음전극(6)에 삽입되어 전극(2)(6) 사이에 약 1.2mm~2mm의 방전공간(12)이 형성되게 함으로써 길이가 긴 양전극(2)과 음전극(6)의 끝부분에서부터 아크방전이 발생하여 방전전극(2)(6)의 끝부분부터 마모되므로 전극(2)(6)의 수명이 길어지며, 전극(2)(6)의 길이가 길면 길수록 수명이 길어진다 할 수 있을 것이다.

한편, 양극판(4)의 나사구멍(22) 사이 사이에는 나사구멍(22) 보다 다소 큰 직경의 통기공(26)을 복수개 형성하여 배기가스가 통기공(26)을 지나서 방전공간 사이로 유입된 다음 아크방전 및 플라즈마에 의해 정화되어 배출되게 하고, 관체형인 음전극(6)의 입구는 경사형의 확개부(28)를 형성하여 양전극(2)의 삽입과 배기가스의 유입이 쉽도록 한다.

한편, 제4도는 양극판(4)과 음극판(8)이 삽입 고정되는 세라믹(10)의 일실시예를 보여주는 단면도로 (가)와 같이 세라믹(10)의 안쪽면에 단턱부(30)(32)를 형성하여 양극판(4)과 음극판(8)을 쉽게 삽입할 수 있도록 하고, 하부 단턱부(32)에 음극판(8)을 끼우고, 음극판(8)의 가장자리 상부면에 세라믹 재질로 된 도너츠 형상의 간격유지구(34)를 얹은 다음 세라믹(10)과 간격유지구(34)끼리 또는 세라믹(10)과 음극판(8)을 내열성 볼트(36)로 체결시켜 음극판(8)을 고정하고, 상부 단턱부(30)에 음극판(8)보다 다소 큰 직경의 양극판(4)과 도너츠 형상의 세라믹 재질로 된 덮개(38)를 얹어 덮개(38)와 세라믹(10) 또는 덮개(38)와 간격유지구(34)를 볼트(40)로 체결시켜 양극판(4)을 고정함으로써 양극판(4)과 음극판(8) 사이에 충분한 거리가 유지되어 두 극판(4)(8)을 통한 불요성 방전이 방지되게 한다.

제4도(b)는 본 발명 다른 실시예의 단면도로, 세라믹(10)에 단턱부(48)를 형성한 다음 음극판(8)을 얹고 음극판(8)의 상부에 세라믹 재질로 된 세라믹 간격유지구(34')와 음극판(8)과 같은 직경의 양극판(4)을 얹고 양극판(4)의 상부에 상기 간격유지구(34')와 같은 재질과 형상의 덮개(38')를 얹은 다음 절연성 볼트(40')로 체결시켜 고정할 수도 있음을 도시하고 있다.

본 발명을 실시함에 있어서, 배기가스는 통기공(26)과 방전공간(12)만을 통하여 배출되도록 기밀을 유지시킴이 바람직하며, 양극판(4)의 앞단에 본 발명인이 본 발명에 앞서 출원한바 있는 디젤 자동차 배기가스 정화용 전도성 세라믹 촉매 하니컴(97. 5. 13 특허출원) 및 NO_x를 제거하는 경유 및 디젤 자동차용 금속하니컴 및 그 제작방법(특허출원 제97-1545호)의 금속하니컴을 사용하면 정화효율이 더욱 향상되며, 제5도와 같이 본 발명 장치를 한 개 사용한 것으로 그 예를 들었으나 물론 2개 이상의 복수개로 직렬 설치하여 사용할 수도 있을 것이다.

한편, 이렇게 구성된 본 장치를 제5도와 같이 디젤 자동차의 머플러(50) 내부나 배기가스 배출로(도시안됨)에 설치하여 사용하게 되는 것으로 세라믹(10)에 의해 고전압이 발생되는 전극(2)(6)과 머플러(50) 또는 배기로 사이에 절연이 유지되며, 급전선(42)(44)은 머플러(48)의 바깥으로 인출시켜 고전압 트랜스(HT)의 고전압 출력부에 접속하면 될 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용효과는 다음과 같다.

먼저 자동차를 운행하기 위하여 시동을 걸면 12V나 24V 정도인 자동차 배터리의 전원(B)이 고전압 트랜스(HT)에 의해 25,000V~55,000V까지 승압되어 양극판(2)과 음극판(8)을 경유하여 양전극(2)과 음전극(6)으로 각각 공급되면 전극(2)(6)의 끝부분에 아크방전이 발생되면서 플라즈마가 발생되고, 따라서 머플러(50) 또는 배기로를 통과하는 배기가스가 분해 정화되어 외부로 배출된다.

상기 정화 장치를 구성함에 있어서 자동차의 시동초기부터 정화가되므로 정화효율을 극대화 할 수 있으며, 본 발명의 전단에 금속 하니컴을 설치한 경우 정화효율이 더욱 향상된다. 뿐만 아니라 정화 장치가 머플러(50) 또는 배기로 내에 설치되어 있는 배출되는 배기가스가 반드시 통과하게 되므로 정화효율이 매우 높다.

또한, 본 발명을 실시함에 있어서 반드시 디젤 자동차용 배기가스 정화장치에만 사용되는 것이 아니라 석유버너, 가스버너, 디젤기관, 소각로, 화력발전소 등의 매연가스, 분진, 배기가스 정화 및 제거용으로 사용할 수도 있으며 그 작용효과는 동일하다.

따라서 본 발명은 디젤 자동차의 머플러내에 프라즈마 정화장치를 설치하는 간단한 구성으로 배출되는 배기가스를 획기적으로 줄일 수 있게 되므로 배기가스로 야기되는 각종 환경오염을 현격히 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 복수개의 양전극(2)이 체결되는 둥근 형상의 양극판(4)과 복수개의 음전극(6)이 체결되는 둥근 형상의 음극판(8)을 도너츠 형상의 세라믹(10)에 방전거리 이상으로 고정하고, 양전극(2)은 봉체형으로 길이가 길게 형성하여 역시 길이가 긴 관체형의 음전극(6)에 삽입하여 전극(2)(6) 사이에 방전공간(12)을 형성하고, 양극판(4)의 나사구멍(22) 사이에 나사구멍(22)보다 다소 큰 직경의 통기공(24)을 복수개 형성하여 배기가스가 통기공(26)과 방전공간(12) 사이로 배출되게 하고, 관체형인 음전극(6)의 입구는 경사형의 확개부(28)를 형성하여 양전극(2)의 삽입과 배기가스의 유입이 쉽도록 하고, 양극판(4)과 음극판(8)에 고전압 프랜스(HT)의 출력 고전압을 접속하여 전극(2)(6) 사이에 아크방전에 의한 플라즈마를 발생되게 함으로써 방전공간(12)을 통과하는 배기가스가 분해 정화되게 한 플라즈마를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치.
2. 제1항에 있어서, 12V나 24V의 자동차 배터리(또는 제네레이터) 전원(B)을 고전압 승압트랜스(HT)로 25,000V~55,000V까지 승압한 다음 방전전극(2)(6)으로 공급하여 아크방전에 의한 플라즈마 방전공간(12)에 발생되게 한 플라즈마를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치.
3. 복수개의 양전극(2)이 체결되는 둥근 형상의 양극판(4)과 복수개의 음전극(6)이 체결되는 둥근 형상의 음극판(8)이 고정된 도너츠 형상의 세라믹(10)을 머플러(50) 또는 배기가스 배기로 내에 1개 이상 설치하고, 양극판(4)과 음극판(8)으로 방전전압을 인가하여 머플러(14)나 배기가스 배기로를 통하여 배기되는 가스가 분해 정화되게 한 플라즈마를 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치.

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