KR100394994B1 - 전자파를 이용한 플라즈마토치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자파를 이용한 플라즈마토치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 통상의 전자파발진기를 이용하여 마이크로웨이브를 발생시켜 손쉽고도 경제적으로 플라즈마를 생성시킬 수 있고, 대기중에서 플라즈마를 생성하기 때문에 휴대가 가능한 전자파를 이용한 플라즈마토치를 제공함에 그 목적이 있다.

그리고, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 방전관(12)과 3-스터브정합시스템(20)을 도파관(18)에 관내파장의 1/4 간격을 이루도록 배열 설치하되, 파워공급시스템(24)을 구비한 마그네트론(22)에서 전자파를 도파관(18)내로 발진하면 3-스터브정합시스템(20)에서 정합하면서 방전관(12)내에 최대 전기장을 공급하여 대기압하에서 플라즈마를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전자파를 이용한 플라즈마토치를 제공하게 된다.

Description

전자파를 이용한 플라즈마토치{PLASMA TORCH USING OF MICROWAVE}

본 발명은 전자파를 이용한 플라즈마토치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 통상의 전자파발진기를 이용하여 마이크로웨이브를 발생시켜 손쉽고도 경제적인 고온의 플라즈마를 대기압하에서 생성시킬 수 있는 전자파를 이용한 플라즈마토치에 관한 것이다.

일반적으로, 플라즈마토치는 두 전극 사이에서 플라즈마아크컬럼(Plasma Arc Colum)을 생성, 유지하는 장치로서, 그 종류로는 직류아크토치와 유도결합플라즈마 토치, 축전결합고주파토치 등이 있다.여기서, 직류아크토치는 두 전극 사이에 직접 전장을 걸어줌으로써 제한된 전극 수명으로 전극을 자주 교체해야 하는 번거로움이 있고, 50~10,000암페어의 아크전류를 공급해야 하므로 고가의 전류공급장치가 필요한 동시에 과다한 전기를 사용하는 문제가 있다.그리고, 유도결합플라즈마토치와 축전결합고주파토치는 그 열효율이 40~50%로 매우 떨어지는 문제가 있다.결국, 이러한 기존의 플라즈마토치는 플라즈마의 생성비용이 매우 높고, 부대설비가 많기 때문에 휴대가 불가능하다는 문제가 있다.

본 발명에서는 이러한 종래 플라즈마토치의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 통상의 전자파발진기를 이용하여 마이크로웨이브를 발생시켜 손쉽고도 경제적인 고온의 플라즈마를 생성시킬 수 있고, 더욱이 대기중에서 플라즈마를 생성하기 때문에 휴대가 가능한 전자파를 이용한 플라즈마토치를 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 본 발명의 구성을 예시한 구성블록도,

도2는 본 발명을 예시한 단면도,

도3은 본 발명을 예시한 회로도,

도4는 본 발명을 예시한 사시도,

도5는 본 발명의 작용을 예시한 모식도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞4: 질화붕소 6: 스월가스 8: 토치가스 12: 방전관 14: 점화장치 16: 가스공급원 18: 도파관 20: 3-스터브정합시스템 22: 마그네트론 24: 파워공급시스템 26: 냉각장치 30: 방전관장착구 32: 마그네트론장착구

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 방전관과 3-스터브정합시스템을 도파관에 관내파장의 1/4 간격을 이루도록 배열 설치하되, 파워공급시스템을 구비한 마그네트론에서 전자파를 도파관내로 발진하면 3-스터브정합시스템에서 정합하면서 방전관내에 최대 전기장을 공급하여 대기압하에서 플라즈마를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전자파를 이용한 플라즈마토치를 제공하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 구성을 예시한 구성블록도이고, 도2는 본 발명을 예시한 단면도이며, 도3은 본 발명을 예시한 회로도이고, 도4는 본 발명을 예시한 사시도이며, 도5는 본 발명의 작용을 예시한 모식도이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 도1에 도시한 바와 같이 도파관(18)에 마이크로웨이브를 공급하는 마그네트론(22)는 통상적으로 전자레인지 등에서 사용되는 전자파발진장치로서, 냉각장치(26)에 의해 과열이 방지되고, 이 냉각장치는 냉각팬과 같은 통상적인 기술로 구성되어 있다.

이때 도파관(18)은 제1도파관 내지 제3도파관(18a~18c)로 이루어지며, 이 제1도파관 내지 제3도파관은 방전관(12)의 방전에 필요한 에너지를 공급해주는 정재파를 지원하게 된다.

여기서, 파워공급시스템(24)은 도3에 도시한 바와 같이 통상적으로 사용되는 전자레인지의 반파전압배율기에 고압콘덴서(C₂)와 고압다이오드(D₂)를 부가하여 전파전압배율기로 사용하게 되고, 여기서 발생되는 파워를 마그네트론(22)에 공급하여 점화장치(14)가 소화된 후에도 방전관(12)내에서 토치불꽃이 계속 유지되도록 한다.

그리고, 도1에 도시한 바와 같이 도파관(18)중 제1도파관(18a)과 제2도파관(18b) 사이에 설치되는 3-스터브정합시스템(20)은 도파관(18)내의 파장을 λ_g라 할때 각 스터브간의 간격이 λ_g/4가 되도록 설치되어 도파관(18)의 특성임피던스와 제3도파관(18c)의 부하임피던스를 정합시키면서 부하에 최대전력을 전송하는 작용을 하게 된다.이때, 마그네트론(22)에서 생성되는 마이크로웨이브의 전기장은 도파관(18)중 제2도파관(18b)과 제3도파관(18c) 사이에서 최대가 되고, 이 위치에 방전관(12)을 설치하게 된다.결국, 본 발명에서 마그네트론(22), 제1도파관(18a), 3-스터브정합시스템(20), 제2도파관(18b), 방전관(12), 제3도파관(18c)는 서로 λ_g/4의 간격을 이루도록 설치되고 있음을 알 수 있다.본 발명의 방전관(12)은 석영관으로서 그 내벽에 내열성이 강한 질화붕소(4)를 피복하여 고온의 불꽃에 견디도록 구성되며, 가스공급원(16)으로부터 방전관내로 토치가스(8)가 공급되면 점화장치(14)에서 방전에 필요한 초기 전자를 공급하여 방전관내에서 방전시키게 된다.이때, 최대 전기장을 갖는 전자파에 의해 방전관(12)내에서 생성되는 플라즈마는 대기압하에서 발생되고, 별도의 진공장치없이도 대기압상에서 플라즈마를 생성시킬 수 있게 되어 토치의 휴대를 실현시킬 수 있게 된다.그리고, 점화장치(14)의 방전전자공급을 중단하여도 도파관(18)내의 전자파에 의해 방전이 계속적으로 유지되어 방전관(12)의 토치출구(26)를 통해 고온(5000~6000℃)의 플라즈마불꽃이 방출된다.여기서, 가스공급원(16)으로부터 방전관(12)에 공급되는 토치가스(8)가 오염된 공기인 경우 그 오염물질이 방전관내의 플라즈마에 의하여 연소되어 완전 제거된다.특히, 토치가스(8)와 함께 방전관(12)에 공급되는 스월가스(Swirl Gas)(6)는 방전관의 내주면을 따라 나선형의 궤적을 갖도록 주입되어 방전열에 의한 방전관 내벽의 과열을 방지하고, 토치출구(26)를 통해 배출되는 플라즈마불꽃을 모아주는 작용을 하게 된다.[실험예]실험을 통해 마그네트론의 용량 650W와 900W로 질소, 공기, 아르곤가스를 이용하여 손쉽게 플라즈마를 발생시킬 수 있음을 확인하였고, 방전관의 내경 38mm, 27mm,22mm,16mm,8mm에서 각각 실험한 결과 27mm와 22mm의 방전관에서 가장 안정된 플라즈마가 발생됨을 알 수 있었다.그리고, 토치의 불꽃길이 측정실험에서는 마그네트론의 용량 650W, 스월가스로 공기를 사용하고, 27mm의 방전관을 사용하였을 때 공기유량 20ℓ/min에서 22㎝의 불꽃길이, 공기유량 30ℓ/min에서 15㎝의 불꽃길이, 공기유량 40ℓ/min에서 12㎝의 불꽃길이, 공기유량 60~100ℓ/min에서 9㎝의 불꽃길이를 관찰할 수 있었다.또한, 마그네트론의 용량 650W, 스월가스인 공기의 유량 각 30,40,50ℓ/min에서의 온도측정실험에서는 공기의 유량에 따라 약간의 온도차이는 있지만 도파관의 하단을 기준으로 하여 방전관의 측정높이 7㎝지점에서 거의 1600℃에 가까운 온도를 측정하였고, 공기유량 90ℓ/min, 방전관의 측정높이 6㎝에서 1600℃의 온도를 측정하였다.

본 발명은 통상의 전자파발진기를 이용하여 마이크로웨이브를 발생시켜 손쉽고도 경제적인 고온의 플라즈마를 생성시킬 수 있고, 그 구조가 간단할 뿐만 아니라 가격이 저렴하며, 대기중에서 플라즈마를 발생시킴으로써 휴대도 가능한 효과를 제공하게 된다.

Claims (5)

1. 방전관(12)과 3-스터브정합시스템(20)을 도파관(18)에 관내파장의 1/4 간격을 이루도록 배열 설치하되, 파워공급시스템(24)을 구비한 마그네트론(22)에서 전자파를 도파관(18)내로 발진하면 3-스터브정합시스템(20)에서 정합하면서 방전관(12)내에 최대 전기장을 공급하여 대기압하에서 플라즈마를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전자파를 이용한 플라즈마토치.
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