KR100383021B1

KR100383021B1 - 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100383021B1
Application number: KR10-2000-0048229A
Authority: KR
Inventors: 박재윤
Original assignee: 박재윤
Priority date: 2000-08-21
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2003-05-09
Also published as: KR20020015090A

Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감방법 및 그 장치에 관한 것으로, 원통형의 본체와; 판형상으로 형성되어 상기 본체의 내주면에 길이 방향으로 서로 대응되도록 수납되는 한 쌍의 고정 전극과; 상기 고정 전극과 소정 간격 이격되어 설치되고, 회전 수단에 의해 상기 본체 내부에서 회전이 가능하도록 설치되며, 절연체인 회전체와; 상기 회전체의 외주면에 각각 소정 거리 이격되어 나선형으로 부착되는 복수의 회전 전극과; 상기 본체의 일측에 설치되어 상기 회전체와 상기 고정 전극 사이로 오일을 공급하는 오일 공급 밸브와; 상기 본체의 일측에 설치되어 상기 오일을 외부로 배출시키는 오일 배출 밸브와; 상기 본체의 일측에 설치되어 가스 형태의 부산물을 외부로 배출시키는 부산물 배출 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서 상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면 회전체 전극을 이용하여 지속적인 플라즈마를 발생시켜 고 분자량의 오일을 저 분자량의 오일로 변화시켜 엔진 내부로 공급함으로써 오일의 완전 연소를 도모할 수 있다.

Description

플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감방법 및 그 장치{APPARATUS AND METHOD FOR REDUCING MOLECULAR MASS OF OIL BY USING PLASMA}

본 발명은 오일 분자량 저감방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 경유, 등유, 중유, 윤활유 등의 오일에 플라즈마(스트리머 방전)를 발생시켜 그 방전 에너지를 이용하여 저 분자량의 오일로 변화시키도록 하는 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로 고전압을 가스매체 내에 있는 두 전극에 걸어주게 되면 전기적 방전 현상에 의해서 그 매체의 원자 및 분자들은 전기적으로 분해되어 전자-이온쌍을 형성하고 전기적 도전성을 갖게된다.

방전에 의하여 가스가 브레이크 다운(breakdown) 된다는 것은 10¹⁴옴(Ω)의 저항력(저항 ×면적/separation)을 갖고 있는 낮은 전기전도체로부터 10³옴(Ω) 정도의 저항력을 갖는 전도체의 이온화된 가스상태로 변하는 것이다. 이러한 변환이 일어나는 두 전극간의 전위차를 브레이크 다운 포텐샬(breakdown potential)(V_b)이라 부르고, 가스, 전극 물질의 종류 및 전극간의 거리, 가스밀도, 이온화 정도에 따라 다르다. 가스의 분해로 양이온과 음으로 전하를 띠는 전자들이 생성되면 전극들 사이에 생성되는 전기장이 양과 음으로 하전된 이온과 전자들을 각각 음극 및 양극으로 가속화되도록 한다. 이때 방전관 내의 방전가스들과의 충돌과정을 통해 전하입자들이 더욱 생성되고, 반응관 내는 전자와 이온의 밀도가 증가되고 동량의 음전하와 양전하가 존재한다. 이를 플라즈마라 부른다.

현재 플라즈마를 응용하여 배기 가스를 처리하는 기술이 많이 개발되었다.

그러나 유중에서 기존의 방전은 스트리머 발생직후 불꽃방전(불꽃방전은 오일을 태우기 때문에 탄소가 발생되고 이로 인하여 오일의 열량을 바꿔 버린다)으로의 진전이 너무 빠르기 때문에 오일 중에서 지속적이고 균일한 스트리머 방전을 이용한 플라즈마를 발생시키기가 어려운 문제점이 있다.

또한 일반적인 경유차량의 배출가스 처리기술은 엔진에서 발생되는 배출가스를 처리하는 후처리기술이고, 이러한 기술은 결국 엔진 후단부에서 발생된 매연을 처리하는 기술로 매연을 처리하는 처리부를 정기적으로 교체하거나 세척을 해야만 하는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회전체 전극을 이용하여 지속적이고 균일한 스트리머 방전을 이용한 플라즈마를 발생시켜 고 분자량의 오일을 저 분자량의 오일로 변화시켜 엔진 내부로 공급함으로써 오일의 완전 연소를 도모하는데 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 디젤 엔진의 전단부에 플라즈마 반응기를 설치함으로써 경유의 분자량을 작게 하여 매연의 발생을 줄이고, 플라즈마 반응기의 교체와 세척이 필요 없이 영구적으로 사용할 수 있도록 하는데 있다.

또 본 발명의 다른 목적은 엔진에서 배출되는 배기 가스에 플라즈마 반응시 발생하는 수소와 탄화수소 계열의 부산물을 배기 가스에 첨가함으로써 청정 배기 가스가 배출되도록 하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감방법을 설명하기 위한 공정도

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감장치를 나타낸 단면 구성도도 3a, 도 3b는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감장치로 플라즈마 처리한 오일과 원유의 CG/MG 스펙트럼을 나타낸 그래프도 4a, 도 4b는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감장치로 플라즈마 처리한 오일과 원유의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 그래프

<도면중 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 반응기 110 : 본체

111 : 안착홈 120 : 고정 전극

130 : 회전 수단 131 : 베어링

140 : 회전체 141 : 회전축

150 : 회전 전극 160 : 오일 공급 밸브

170 : 오일 배출 밸브 180 : 부산물 배출 밸브

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

고 분자량을 갖는 오일을 반응기 내부로 유입시킨 후 플라즈마 반응을 이용하여 저 분자량을 갖는 오일로 변화시키는 과정과,

상기 과정에서 변화된 상기 저 분자량의 오일을 엔진 내부로 공급하는 과정과,

상기 엔진에서 배출되는 배기가스에 상기 플라즈마 반응시 발생되는 탄화수소 계열의 부산물을 첨가제로 첨가하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징은,

원통형의 본체와,

판형상으로 형성되어 상기 본체의 내주면에 길이 방향으로 서로 대응되도록 수납되는 한 쌍의 고정 전극과,

상기 고정 전극과 소정 간격 이격되어 설치되고, 회전 수단에 의해 상기 본체 내부에서 회전이 가능하도록 설치되며, 절연체인 회전체와,

상기 회전체의 외주면에 각각 소정 거리 이격되어 나선형으로 부착되는 복수의 회전 전극과,

상기 본체의 일측에 설치되어 상기 회전체와 상기 고정 전극 사이로 오일을 공급하는 오일 공급 밸브와,

상기 본체의 일측에 설치되어 상기 오일을 외부로 배출시키는 오일 배출 밸브와,

상기 본체의 일측에 설치되어 가스 형태의 부산물을 외부로 배출시키는 부산물 배출 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서 상기 소정 간격은 1~3mm이다.

이하, 본 발명에 의한 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감장치의 구성을 도 2를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감장치를 나타낸 단면 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감장치(이하, 반응기라 칭함)(100)는, 본체(110)와, 고정 전극(120)과, 회전 수단(130)과, 회전체(140)와, 회전 전극(150)과, 오일 공급 밸브(160)와, 오일 배출 밸브(170)와, 부산물 배출 밸브(180)로 구성된다.

본체(110)는 원통형으로 형성되며, 내주면에 고정 전극(120)이 안착되는 안착홈(111)이 길이 방향으로 서로 대응되도록 형성된다.

고정 전극(120)은 판 형상의 도체(동)로 형성되고, 본체(110)의 내주면에 형성된 안착홈(111)에 안착되어 고정된다. 여기에서 고정 전극(120)의 폭은 5~10mm가 바람직하다.

회전 수단(130)은 본체(110)의 상측에 설치되어 회전체(140)를 회전시킨다. 여기에서 회전체(140)의 원활한 회전을 돕기 위해 베어링(131)이 사용된다.

회전체(140)는 원통형으로 형성되고, 회전 수단(130)의 회전력에 의해 회전되도록 회전축(141)이 회전 수단(130)과 베어링(131)을 통해 연결된다. 여기에서 회전체(140)는 절연재질로 형성되고, 또 회전체(140)와 고정 전극(120)의 간격은 1~3mm로 유지하는 것이 바람직하다. 여기에서 또한 회전체(140)와 고정 전극(120)의 간격을 1~3mm로 유지시키는 이유는 오일의 절연 내력이 매우 크므로 절연의 어려움이 발생하고, 과다한 에너지 집중으로 불꽃 방전이 발생될 수 있기 때문에 간격을 1~3mm로 유지하면 플라즈마의 발생 전압이 약 10[kv]로 떨어져 절연 방지 시스템의 구축이 용이하고, 불꽃 방전으로의 진전을 차단할 수 있게 된다.

각각의 회전 전극(150)은 서로 소정 거리 이격되어 회전체(140)의 외주면에 나선형으로 부착된다. 여기에서 회전 전극(150)은 플라즈마를 발생시킨 후 불꽃 방전으로 이행되기 위해 집중되는 전계를 차단하여 불꽃 방전으로 이행되는 전로를 끊어주기 때문에 불꽃 방전의 발생을 차단할 수 있다.

오일 공급 밸브(160)는 차량의 연료 공급 계통(도시 생략)으로부터 공급되는 오일을 회전체(140)의 외측과 고정 전극(120) 사이의 공간으로 공급하도록 본체(110)의 일측에 설치되고, 오일 배출 밸브(170)는 상기 공간의 오일을 차량의 엔진 내부로 공급시키도록 본체(110)의 일측에 설치되고, 부산물 배출 밸브(180)는 플라즈마 방전시 발생되는 가스 형태의 부산물(수소, 탄화수소 계열)을 차량의 배기 배출 계통(도시 생략)으로 배출시키도록 본체(110)의 일측에 설치된다.

이하 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감장치의 작용을 도 1 내지 도 4b를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 3a, 도 3b는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감장치로 플라즈마 처리한 오일과 원유의 CG/MG 스펙트럼을 나타낸 그래프이며, 도 4a, 도 4b는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감장치로 플라즈마 처리한 오일과 원유의 FTIR 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

먼저 차량의 연료 공급 계통과 연결된 오일 공급 밸브(160)를 통해 회전체(140)와 고정 전극(120) 사이로 오일이 유입되면, 회전 수단(130)이 회전을 시작하면서 회전체(140)를 회전시킨다. 이와 동시에 회전 전극(150)에 고전압이 인가되면 회전 전극(150)과 고정 전극(120)이 서로 대응되면서 플라즈마, 즉 스트리머 방전이 발생된다. 스트리머 방전은 불꽃 방전과 달리 전극간 전로를 파괴하지 않은 채 많은 에너지를 발생할 수 있다.

그러면 스트리머 방전에 의해 발생된 에너지가 회전체(140)와 고정 전극(120) 사이에 존재하는 오일에 주입되어 오일의 분자 구조를 변환시킨다. 즉, 스트리머 방전시 발생한 에너지가 오일의 체인을 끊어 분자 구조를 짧게 하고, 분자량을 줄여 고급 오일로 변화시킨다.이를 보다 상세하게 설명하면 디젤오일은 C_nH_2n+1로 구성되어 있고, n=8∼20까지인 복잡한 동종 이원소를 가진 탄화수소 화합물로 구성되어 있다. 그리하여 플라즈마 처리전과 처리후의 물질을 정확히 분석하는 것은 사실상 매우 어렵다. 그러나 플라즈마 처리전, 후의 GC/MS(Gas Chromatography/Mass Spectrometer)와 FTIR(Fourier Transform Infrared)의 스펙트럼을 측정하면 디젤오일이 분해되어 대략적으로 저분자량화가 되는 것을 알 수 있는데, 도 3a, 도 3b는 원유를 인가전압 14[kV]에서 플라즈마 처리한 오일과 플라즈마 반응전 원유의 GC/MS 스펙트럼을 나타낸 것으로, 도면에서와 같이 GC/MS 스펙트럼 피크의 세기(Intensity)가 전체적으로 낮아지고 분자량이 큰 물질을 나타내는 후반부의 피크가 사라짐을 알 수 있다. 오일의 분자량이 작을수록 GC/MS 스펙트럼의 전반부에 피크가 나타나므로 플라즈마 처리에 의해 분자량이 적은 오일로 변환된 것을 알 수 있다.이를 화학반응식으로 나타내면 다음과 같다. 위의 반응식 1과 같이 플라즈마 반응에 의해 C-H의 긴 결합구조가 분자량이 적은 오일로 재결합되고, 전체적인 오일의 표면적이 증가되어 산소와의 연소반응이 향상되므로 매연을 감소시킨다.또한 도 4a 및 도 4b는 플라즈마 처리후의 오일과 원유의 FTIR 스펙트라를 나타낸 것이다. 도면에서와 같이, 원유에서는 C의 이중결합을 나타내는 800∼1500[cm^-1]에서 나타난 폭이 넓은 피크들이 플라즈마 반응에 의해 감소되고, C의 단일결합을 나타내는 1200∼1500[cm^-1] 및 3000[cm^-1]에서 피크가 증가함을 알 수 있다. 또한 전체적으로 피크가 샤프해지는 것을 볼 수 있다. 이는 플라즈마 처리에 의해 복잡한 구조를 갖는 오일이 파괴되어 분자량이 적은 단순한 오일로 변환된 것을 나타낸다.

상기와 같은 공정에 의해 저 분자량의 오일이 반응기(100)의 오일 배출 밸브(170)를 통해 유출되면, 이는 엔진으로 공급되어 엔진을 구동시킨다. 여기에서 경유나 등유 등이 휘발유와 같이 저 분자량의 오일로 변환되기 때문에 완전 연소로 인해 매연(그을음, CO₂, NO_x등) 발생이 저감된다.

한편 엔진으로부터 배기 가스가 배출될 때 부산물 배출 밸브(180)로부터 공급된 부산물(수소, 탄화수소 계열)을 배기가스 후 처리 시스템의 첨가제로 활용한다.

따라서 반응기를 가솔린 또는 디젤 엔진의 전단부에 설치한 후 휘발유, 경유, 등유와 같은 오일의 분자 구조를 짧게 하고, 저 분자량으로 변화시켜 오일이 엔진 내에서 완전 연소가 이루어지도록 하는데 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량저감방법 및 그 장치에 의하면, 회전체 전극을 이용하여 지속적이고 균일한 스트리머방전을 이용한 플라즈마를 발생시켜 고 분자량의 오일을 저 분자량의 오일로 변화시켜 엔진 내부로 공급함으로써 오일의 완전 연소를 도모할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 디젤 엔진의 전단부에 플라즈마 반응기를 설치함으로써 경유의 분자량을 작게 하여 매연의 발생을 줄이고, 플라즈마 반응기의 교체와 세척이 필요 없이 영구적으로 사용할 수 있고, 엔진에서 배출되는 배기 가스에 플라즈마 반응시 발생하는 수소와 탄화수소 계열의 부산물을 배기 가스에 첨가함으로써 청정 배기 가스가 배출될 수 있다.

Claims

고 분자량을 갖는 오일을 반응기 내부로 유입시킨 후 플라즈마 반응을 이용하여 저 분자량을 갖는 오일로 변화시키는 과정과,

상기 과정에서 변화된 상기 저 분자량의 오일을 엔진 내부로 공급하는 과정과,

상기 엔진에서 배출되는 배기가스에 상기 플라즈마 반응시 발생되는 탄화수소 계열의 부산물을 첨가제로 첨가하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감방법.
원통형의 본체와,

판형상으로 형성되어 상기 본체의 내주면에 길이 방향으로 서로 대응되도록 수납되는 한 쌍의 고정 전극과,

상기 고정 전극과 소정 간격 이격되어 설치되고, 회전 수단에 의해 상기 본체 내부에서 회전이 가능하도록 설치되며, 절연체인 회전체와,

상기 회전체의 외주면에 각각 소정 거리 이격되어 나선형으로 부착되는 복수의 회전 전극과,

상기 본체의 일측에 설치되어 상기 회전체와 상기 고정 전극 사이로 오일을 공급하는 오일 공급 밸브와,

상기 본체의 일측에 설치되어 상기 오일을 외부로 배출시키는 오일 배출 밸브와,

상기 본체의 일측에 설치되어 가스 형태의 부산물을 외부로 배출시키는 부산물 배출 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감장치.
제 2 항에 있어서,

상기 소정 간격은,

1~3mm인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 오일 분자량 저감장치.