KR100490060B1

KR100490060B1 - 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치

Info

Publication number: KR100490060B1
Application number: KR10-2002-0001100A
Authority: KR
Inventors: 박재윤
Original assignee: 박재윤
Priority date: 2002-01-09
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2005-05-17
Also published as: KR20030060410A

Abstract

지속적이고 균일한 스트리머 방전을 통해 플라즈마를 발생시키고, 그 방전 에너지를 이용하여 고 분자량의 오일을 저 분자량으로 변화시키는 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치가 개시된다. 상기 장치는 오일 주입구가 일측면 상단에 설치되고 오일 배출구가 타측면 하단에 설치되어 오일의 유로를 형성하는 오일 탱크, 상기 오일 탱크의 저면에 설치되어 오일에 잠기는 유전체, 오일에 잠기지 않도록 상기 오일 탱크의 내부에 설치된 금속 전극, 상기 유전체의 저면에 설치된 금속 접지 전극, 상기 오일의 표면에서 스트리머 방전이 지속적이고 균일하게 발생되도록 상기 금속 전극과 상기 금속 접지 전극에 전기적으로 연결되어 고전압을 인가하는 고전압 공급부를 포함한다. 상기 장치는 고전압을 인가하여 고 분자량의 오일 표면을 방전시키므로써, 지속적이고 균일한 강한 스트리머 방전을 얻을 수 있다. 이때 발생하는 플라즈마 방전 에너지에 의하여 고 분자량의 오일이 저 분자량의 오일로 변한다. 그리고, 저 분자량의 오일은 엔진에서 완전 연소에 가깝게 연소되므로 연소 효율이 높아지고 매연이 줄어든다.

Description

플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치{APPARATUS FOR REDUCING MOLECULAR MASS OF OIL AND SOOT BY USING PLASMA}

본 발명은 지속적이고 균일한 스트리머 방전을 통해 플라즈마를 발생시키고, 그 방전 에너지를 이용하여 고 분자량의 오일을 저 분자량으로 변화시키는 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치에 관한 것이다.

일반적으로 가스 매체 내에 있는 두 전극에 높은 전압을 걸어주게 되면, 전기적 방전 현상에 의해서 가스 매체의 원자 및 분자들은 전기적으로 분해되어 전자-이온쌍을 형성하고 전기적 도전성을 갖게 된다.

방전에 의하여 가스가 브레이크다운(breakdown)된다는 것은 10 ¹⁴ 옴(Ω)의 저항력(저항 ×면적/separation)을 갖고 있는 낮은 전기 전도체로부터 10 ³옴(Ω) 정도의 저항력을 갖는 전도체의 이온화된 가스상태로 변하는 것이다.

이러한 변환이 일어나는 두 전극간의 전위차를 브레이크다운 포텐샬(breakdown potential)(V _b)이라 부르고, 가스, 전극 물질의 종류 및 전극간의 거리, 가스밀도, 이온화 정도에 따라 다르다.

가스의 분해로 양이온과 음이온으로 전하를 띠는 전자들이 생성되면 전극들 사이에 생성되는 전기장이 양과 음으로 하전된 이온과 전자들을 각각 음극 및 양극으로 가속화되도록 한다.

이때 방전관 내의 방전가스들과의 충돌 과정을 통해 전하입자들이 더욱 생성 되고, 반응관 내는 전자와 이온의 밀도가 증가되고 동량의 음전하와 양전하가 존재한다. 이를 플라즈마라 부른다.

현재 플라즈마를 응용하여 배기 가스를 처리하는 기술이 많이 개발되었다.

그러나, 기존의 방전은 오일 속에서 방전을 행하므로 스트리머 방전 직후 바로 불꽃방전이 일어난다. 불꽃방전은 오일을 태우기 때문에 탄소가 발생되고 이로 인하여 오일의 열량이 바뀐다. 그러므로, 지속적이고 균일한 스트리머 방전을 일으키기 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고전압을 인가하여 오일 표면을 방전시키므로써 지속적이고 균일한 스트리머 방전을 얻고, 플라즈마 방전에 의한 에너지로 고 분자량의 오일을 저 분자량의 오일로 변화킬 수 있는 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 오일 주입구가 일측면 상단에 설치되고 오일 배출구가 타측면 하단에 설치되어 오일의 유로를 형성하는 오일 탱크; 상기 오일 탱크의 저면에 설치되어 오일에 잠기는 유전체; 오일에 잠기지 않도록 상기 오일 탱크의 내부에 설치된 금속 전극; 상기 유전체의 저면에 설치된 금속 접지 전극; 상기 오일의 표면에서 스트리머 방전이 지속적이고 균일하게 발생되도록 상기 금속 전극과 상기 금속 접지 전극에 전기적으로 연결되어 고전압을 인가하는 고전압 공급부를 포함한다.

이하, 본 발명에 의한 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치의 구성을 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 정단면도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3의 정단면도이며, 도 5는 본 발명의 또 다른 실 시예에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 6은 도 5의 정단면도이다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치(100)는, 오일 탱크(200)와, 금속 전극(300)과, 유전체(400)와, 금속 접지 전극(500)과, 고전압 공급부(600)로 구성된다.

먼저, 오일 탱크(200)는 오일 주입구(210)가 일측면 상단에 설치되고 오일 배출구(220)가 타측면 하단에 설치되어 오일의 유로를 형성한다. 여기에서 오일 탱크(200)는 차량의 엔진 선단부의 연료 공급 라인(도시 생략)에 설치된다.

그리고, 금속 전극(300)은 오일 탱크(200)의 내부 저면에 설치되되, 오일 탱크(200)의 내부를 흐르는 오일에 잠기지 않도록 설치된다. 여기에서 금속 전극(300)은 나선형 전극(310), 침형 전극(320) 또는 톱니형 전극(330)으로 형성될 수 있다.

나선형 전극(310)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 구리, 텅스텐 등의 금속 재질로 형성되고, 1~10mm의 간격을 가지며, 맴돌이 형태로 형성되며, 후술할 유전체(400)의 상면과 일정 간격 이격되어 설치된다. 이때, 나선형 전극(310)과 후술할 유전체(400)의 사이를 오일이 흐른다.

침형 전극(320)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 원형의 판(321)의 하부에 복수의 원뿔형 침(323)이 형성된다. 여기에서 침(323)의 길이(L1)는 4mm 이상이고, 침(323)의 뾰쪽한 부위는 후술할 유전체(400)의 상면과 접촉되고 뾰쪽하지 않은 부위는 오일의 상측에 위치된다.

톱니형 전극(330)은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 직사각형의 판(331)의 하부에 톱니형 침(333)이 길이 방향으로 형성되고, 톱니형 전극(330)은 일정 간격으로 배치된다. 톱니형 전극(330)의 침(333)의 길이(L2)는 4mm 이하이고, 침(333)의 뾰쪽한 부위는 후술할 유전체(400)의 상면과 접촉되고 뾰쪽하지 않은 부위는 오일의 상측에 위치된다. 그리고, 톱니형 전극(330)이 사용되는 경우 오일 분자량 저감장치(100)는 넓은 방전 영역을 가지므로 오일을 넓게 주입시켜야 되기 때문에 도 5에 도시된 바와 같이 복수의 오일 주입구(210)가 일정 간격을 가지면서 넓게 형성되는 것이 바람직하고, 넓게 퍼진 오일을 한군데의 오일 배출구(220)를 통해 배출하여야만 되기 때문에 오일 탱크(200)의 측면이 오일 배출구(220)를 중심으로 양측에 경사면(230)을 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 유전체(400)는 오일 탱크(200)의 저면에 설치되어 오일에 잠긴다. 여기에서 유전체(400)는 유기 또는 무기 절연물이 사용된다.

또, 금속 접지 전극(500)은 유전체(400)의 저면에 설치된다.

한편, 고전압 공급부(600)는 금속 전극(300)과 금속 접지 전극(500)에 전기적으로 연결되어 15∼20㎸의 고전압을 인가한다. 여기에서 고전압 공급부(600)는 AC 또는 DC 또는 펄스 형태의 전원을 인가한다.

이하 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치의 작용을 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저 연료 공급 라인을 통해 오일 주입구(210)로 주입되는 오일은 전극(300)과 유전체(400) 사이를 흘러서 오일 배출구(220)로 배출된다. 이때, 고전압 공급부(600)를 통해 고전압이 인가되면, 금속 전극(300)과 유전체(400) 사이를 흐르는 오일 표면에서 강한 스트리머 방전이 지속적이고 균일하게 발생한다.

그러면 스트리머 방전에 의해 발생된 플라즈마 방전 에너지가 금속 전극(300)과 유전체(400) 사이에 존재하는 오일에 주입되어 오일의 분자 구조를 변환시킨다. 즉, 스트리머 방전시 발생한 플라즈마 방전 에너지가 고 분자량의 오일의 체인을 끊어 분자 구조를 짧게 하는데, 이로인해 오일은 저 분자량의 오일로 변화된다. 도 7a 및 도 7b는 스트리머 방전 전과 스트리머 방전 후의 분자량을 비교한 표로써, 이를 설명한다. 도 7a 및 도 7b는 고 분자량의 오일을 스트리머 방전 하기 전의 분자량을 GC/MS(Gas Chromatography Mass Spectorscopy)로 측정한 표이고, 도 7b는 본 실시예에 따른 장치로 고 분자량의 오일을 스트리머 방전 한 후의 분자량을 GC/MS로 측정한 표이다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 장치로 스트리머 방전 한 후의 오일의 분자량이 스트리머 방전 전의 오일의 분자량에 비하여 훨씬 저 분자량이다. 저 분자량으로 변환된 오일이 오일 배출구(220)를 통해 엔진으로 공급되어 엔진에서 연소된다. 즉, 경우 또는 등유 등과 같은 고 분자량의 오일이 휘발유와 같은 저 분자량의 오일로 변환되어 엔진으로 공급되므로 저 분자량의 오일은 완전 연소에 가깝게 연소된다. 이로인해, 매연(그을음, CO ₂, NO _x등) 발생이 저감된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치는 고전압을 인가하여 고 분자량의 오일 표면을 방전시키므로써, 지속적이고 균일한 강한 스트리머 방전을 얻을 수 있다. 이때 발생하는 플라즈마 방전 에너지에 의하여 고 분자량의 오일이 저 분자량의 오일로 변한다. 그리고, 저 분자량의 오일은 엔진에서 완전 연소에 가깝게 연소되므로 연소 효율이 높아지고 매연이 줄어든다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치의 구성을 나타낸 사시도

도 2는 도 1의 정단면도

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치의 구성을 나타낸 사시도

도 4는 도 3의 정단면도

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치의 구성을 나타낸 사시도

도 6은 도 5의 정단면도 도 7a 및 도 7b는 스트리머 방전 전과 스트리머 방전 후의 분자량을 비교한 표

<도면중 주요부분에 대한 부호의 설명>

200 : 오일 탱크 210 : 오일 주입구

220 : 오일 배출구 300 : 금속 전극

400 : 유전체 500 : 금속 접지 전극

600 : 고전압 공급부

Claims

오일 주입구가 일측면 상단에 설치되고 오일 배출구가 타측면 하단에 설치되어 오일의 유로를 형성하는 오일 탱크;

상기 오일 탱크의 저면에 설치되어 오일에 잠기는 유전체;

오일에 잠기지 않도록 상기 오일 탱크의 내부에 설치된 금속 전극;

상기 유전체의 저면에 설치된 금속 접지 전극;

상기 오일의 표면에서 스트리머 방전이 지속적이고 균일하게 발생되도록 상기 금속 전극과 상기 금속 접지 전극에 전기적으로 연결되어 고전압을 인가하는 고전압 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치.
제 1 항에 있어서,

상기 금속 전극은 1~10mm의 간격을 가지는 맴돌이 형태의 나선형 전극으로 마련되고,

상기 나선형 전극과 상기 유전체 사이를 오일이 흐르도록 상기 나선형 전극은 상기 유전체와 소정 거리 이격된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치.
제 1 항에 있어서,

상기 금속 전극은 원형의 판의 하부에 복수의 원뿔형 침이 형성된 침형 전극으로 마련되고, 상기 침형 전극의 침의 뾰쪽한 부위는 상기 유전체와 접촉되고 뾰쪽하지 않은 부위는 오일의 상측에 위치된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치.
제 3 항에 있어서,

상기 침형 전극의 침의 길이는 4mm 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치.
제 1 항에 있어서,

상기 금속 전극은 직사각형의 판의 하부에 톱니형 침이 길이 방향으로 형성된 톱니형 전극으로 마련되고, 톱니형 전극의 침의 뾰쪽한 부위는 상기 유전체와 접촉되고 뾰쪽하지 않은 부위는 오일의 상측에 위치된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치.
제 5 항에 있어서,

상기 톱니형 전극의 침의 길이는 4mm 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 오일 분자량 및 매연 저감장치.