KR100666392B1

KR100666392B1 - 유전체 장벽 방전 저온 플라즈마 반응기

Info

Publication number: KR100666392B1
Application number: KR1020060092030A
Authority: KR
Inventors: 김홍식
Original assignee: 김홍식
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2007-01-09

Abstract

본 발명은 저온 플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 플라즈마 반응기의 열응력에 의한 내구성을 크게 향상시킬 수 있으며, 차량 등 처리해야 할 가스의 온도변화 범위가 넓고 사건에 대한 변화량 또한 큰 환경에서도 안정적으로 저온 플라즈마를 발생시켜 방전을 극대화하는 것을 특징으로 하는 내열 응력 성능 향상을 위한 유전체 장벽 방전 저온 플라즈마 반응기에 관한 것이다.

플라즈마, 반응기, 평판형, 열응력, 분리형

Description

유전체 장벽 방전 저온 플라즈마 반응기{Low plasma reactor of dielectric barrier discharge}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전체 장벽 방전 저온 플라즈마 반응기를 나타낸 단면도.

도 2는 도 1의 고전압 적층부를 나타낸 분해 사시도.

도 3은 도 1의 접지전극 적층부를 나타낸 분해 사시도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에서 금속전극이 배치된 구조를 나타낸 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

30, 60 : 더미세라믹판 40, 170 : 접지 전극판

50 : 고전압 전극판 70, 70-2 : 체결볼트

90 : 너트 120 : 스페이서

130 : 관통홀 140 : 유전체

150, 240 : 저온 플라즈마 반응기 160 : 리드

180 : 금속전극 190 : 홈

230 : 접지전극 적층부 250 : 고전압 적층부

본 발명은 저온 플라즈마 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안정적으로 저온 플라즈마를 발생시켜 방전을 극대화하는 유전체 장벽 방전 저온 플라즈마 반응기에 관한 것이다.

일반적으로, 저온 플라즈마 반응기는 활성 라디칼 발생을 위한 잘 처리된 가스류, 예를 들어 질소, 공기, 헬륨, 아르곤 등을 기본으로 하는 상대적으로 깨끗한 환경은 물론이고, 수분 및 입자상의 물질이 다량으로 포함된 공기 및 배출가스를 처리하는 유해가스 처리공정에서 우수한 성능을 얻을 수 있으면, 특허등록 제 0434940호의 “저온 플라즈마 및 유전열을 이용하여 유해가스를 처리하기 위한 촉매반응기 및 그 처리방법”과, 특허등록 제 0451125호의 “저온 플라즈마 반응기를 이용한 촉매반응기 및 그 처리 시스템 및 그 제어 방법” 및 특허등록 제 0454444호의 “다층 평판 전극을 구비한 유전체 장벽 방전 방식 평판형 저온 플라즈마 반응기의 제조 방법”등에 의하여 고안된 다수개의 평판 전극이 병렬로 적층된 형태인 평판형 저온 플라즈마 반응기로 만족될 수 있었으나, 상기의 저온 플라즈마 반응기는 그 제조상의 특징으로 말미암아 처리하고자 하는 가스류의 온도변화가 매우 심한 경우에는 전극으로 사용되는 유전체 사이에 금속이 도포 융착 접합된 유전체 전극부나, 이러한 유전체 전극들을 서로 연결해주는 주위 유전체 부분에 열충격으로 인해 손상되는 경우가 발생하는 문제점이 있다.

또한, 상기 손상부위가 유전체 전극부위에 발생하게 된다면, 상기 손상부위로 드러나는 금속 면에서의 국부적인 전기방전으로 인하여 플라즈마 반응기의 전체적인 성능저하가 초래되고 상기 플라즈마 반응기의 플라즈마 발생을 더 이상 유지할 수 없게 되는 치명적인 문제점이 발생한다.

따라서, 상기와 같은 문제점은 기존의 저온 플라즈마 반응기가 유전체 내부에 금속 전극이 도포된 유전체 전극부와 이들 유전체 전극들이 서로 일정간격 이격되도록 설치된 유전체 스페이서들이 서로 융착 접합된 일체형이기 때문에 발생하는 것으로, 극심한 온도변화에 의하여 생기는 열팽창, 혹은 열수축에 의한 열응력(thermal stress) 때문이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 차량 배기계와 공장 배기관 등 저온 플라즈마 반응기가 상온에서부터 수 백도까지의 온도변화 환경에 항상 노출되어 있는 상황에서는 장기적인 플라즈마 반응기가 열응력에 의한 손상을 입을 가능성이 높기 때문에 이들 열응력에 의한 반응기 손상을 최소로 할 수 있는 내열응력 성능 향상 및 방전을 극대화하기 위한 “V" 골로 커팅한 유전체 장벽 방전 저온 플라즈마 반응기를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유전체 장벽 방전 저온 플라즈마 반응기는, 리드를 통해 고전압 전원이 인가되며, 일정한 간격으로 이격된 다수의 고전압 전극판으로 이루어진 고전압 적층부와;

접지단자와 연결되며, 상기 고전압 전극판들 사이에 "V"골로 커팅한 다수의 접지 전극판으로 이루어진 접지전극 적층부와;

상기 고전압 전극판과 접지 전극판 사이에 반응이 일어나도록 공간을 갖는 스페이서; 및

상기 고전압 전극판 및 상기 접지 전극판 각각의 양단을 결합시키는 체결볼트;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 고전압 전극판은 세라믹 재질의 유전체 내부에 금속전극이 포함된 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시 예를 통해 보다 명확히 설명될 수 있을 것이다. 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유전체 장벽 방전 저온 플라즈마 반응기를 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 고전압 적층부를 나타낸 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 접지전극 적층부를 나타낸 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에서 금속전극이 배치된 구조를 나타낸 개략도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 유전체 장벽 방전 저온 플라즈마 반응기(150,240)는 다층 전극을 구비한 유전체 장벽 방전 방식인 "V"골로 커팅된 저온 플라즈마 반응장치로서 크게 고전압 적층부(250)와 접지전극 적층부(230)로 구성되어 이루어진다.

상기 고전압 적층부(250)는 고전압의 전원이 인가되며, 스페이서(120)를 사 이에 두고 적층되어 상호 일정 간격으로 이격된 다수의 고전압 전극판(50)이 상기 스페이서(120)와 함께 융착 접합되어 이루어진다.

여기서, 상기 고전압 전극판(50)은 세라믹 재질의 유전체(140) 내부에 도포된 금속전극(180)으로 이루어지는데, 금속전극(180)은 전원인가를 위한 리드(160)를 포함한다.

또한, 상기에서 고전압 전극판(50)에 전원이 연결된 구조를 살펴보면 다음과 같다.

우선, 상기 고전압 전극판(50)은 유전체(140)에 형성된 홈(190)를 통해 금속전극(180)의 리드(160) 부분이 노출된다.

이때, 상기 고전압 전극판(50)의 유전체(140)에 형성된 홈(190)은 평면상 서로 다른 지점에 위치하게 된다.

이 같은 상태에서 상기 고전압 적층부(250)의 표면으로부터 각 고전압 전극판(50)의 홈(190)에 이르는 통공이 형성된다. 여기서, 상기 통공은 상기 스페이서(120)와 고전압 전극판(50)에 형성된 홈(190)이 길이 방향으로 연속되어 이루어진 것이다. 상기한 구조는 상기 고전압 적층부(250)의 표면으로부터 각 고전압 전극판(50)의 홈(190)에 이르도록 다수의 통공이 각각 개별적으로 형성된 구조이다. 물론, 이때 상기 통공들의 길이는 상기 고전압 전극판(50)이 상호 적층됨에 기인하여 차등되며, 통공의 개수는 적층되는 고전압 전극판(50)의 개수에 따라 달라짐은 당연하다. 여기서, 상기 통공들은 전술하였듯이, 상기 스페이서(120)와 고전압 전극판(50)에 형성된 홀이 연속되어 이루어진 것으로서, 별도의 도시는 생략한다.

또한, 상기와 같이 형성된 통공에는 금속 등이 선택될 수 있는 전도성 물질이 채워지고 상기 전도성 물질은 상기 통공에서 브레이징에 의해 융착된다.

이에 따라, 상기 통공에 융착된 전도성 물질에 전원을 인가하면, 각 고전압 전극판(50)에 독립적으로 전원을 인가하는 것이 가능하다.

아울러, 상기의 구성에 더하여, 각 고전압 전극판(50)의 리드(160)에 퓨즈(미도시)를 연결하면 이상방전 발생시 해당 고전압 전극판(50)으로의 전원 공급이 차단되도록 하는 것이 가능하다.

한편 전술한 접지전극 적층부(230)는 접지 단자와 연결되며, 상기 고전압 전극판(50)들 사이에 상호 이격된 접지 전극판(40,170)이 형성되며, 상기 접지 전극판(40,170)과 고전압 전극판(50)사이에 반응공간이 형성되도록 다수의 스페이서(120)를 포함한다.

상기와 같이 구성된 고전압 적층부(250)와 접지전극 적층부(230)의 상호 결합된 구조는 다음과 같다.

상기 고전압 적층부(250)와 접지전극 적층부(230)의 결합은 상기 고전압 전극판(50)과 상기 접지전극 적층부(230)의 접지전극판(40,170) 및 스페이서(120)에 각각 형성되는 관통홀(130)을 통해 체결볼트(70,70-2)가 관통되고, 상기 체결볼트(70,70-2)는 관통되어 돌출된 일측단에 너트(90)가 체결됨으로써 이루어진다.

즉, 상기 체결볼트(70,70-2)와 너트(90)는 상기 고전압 전극판(50), 접지 전극판(40,170)및 스페이서(120)가 기계적 체결방식으로 결합되도록 하는데, 이때, 상기 체결볼트(70,70-2)는 상기 고전압 전극판(50), 접지 전극판(40,170) 및 스페 이서(120)의 상호 결합된 부위에 열에 의한 변형량을 흡수하기 위해 유격이 형성되도록 그 외경이 상기 관통홀(130)의 직경보다 상대적으로 작게 형성된다.

상기의 결합구성에서 체결볼트(70,70-2)는 복수개로 구성되어 상기 체결보트(70,70-2)중 어느 하나는 고전압 전극판(50)과 접지 전극판(40,170)의 끝단을 고정하고, 다른 하나는 대략 중간 지점에서 고전압 전극판(50)과 접지 전극판(40, 170)을 고정하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 고전압 적층부(250)와 접지전극 적층부(230)의 결합시 접지 전극판(40,170)이 최외각(최상단 및 최하단)에 위치하는 것이 바람직한데, 이를 위해 상기 접지 전극판(40,170)들중 최상단 및 최하단에 위치한 접지 전극판(40,170)은 다른 접지 전극판(40,170)들보다 상대적으로 긴 길이(고전압 적층부의 스페이서(120)와 결합을 위한 길이)를 가지며, 전술한 고전압 적층부(250)의 융착 과정에서 일측이 전술한 고전압 적층부(250)의 스페이서(120)와 함께 융착 접합되는 것이 바람직하다.

결국, 상기와 같은 구성은 고전압의 전원이 인가되는 고전압 적층부(250)를 전압의 누출을 방지하도록 융착 접합하되, 다른 모든 부위는 자유롭게 수축, 팽창할 수 있는 기계적 체결방식으로 결합되도록 하여 사용 환경에 따라 작용되는 열응력에 보다 효과적으로 대처하여 장치 전체에 내구성을 향상시키는 것을 가능케 한다.

한편, 전술한 접지 전극판(40,170)은 고전압 전극판(50)과 같이 유전체(140)사이에 금속전극(180)이 도포되도록 상면에 "V"골 커팅을 포함하여 구성할 수도 있 고, 단순히 금속판으로만 구성되도록 할 수도 있다. 도면에서 접지 전극판(40, 170)이 유전체(140)사이에 금속전극(180)이 도포되어 이루어진 것을 나타낸다. 다만, 각 접지 전극판(40,170)은 접지 단자에 독립적, 개별적으로 연결될 필요가 없으며, 상기 접지 전극판(40,170)과 스페이서(120)에 각각 형성된 홀이 상호 연속되어 이루어진 단일의 통공에 융착되는 전도성 물질을 통해 접지 단자와 연결되면 족하다. 이때, 상기 접지 전극판(40,170)의 상면에 "V"골로 커팅하여 방전을 극대화하게 된다.

전술한 구성에서 고전압 적층부(250) 및 접지전극 적층부(230)의 금속전극(180)은 가스 유동이 존재하는 반응공간에만 위치하도록 하여 체결볼트(70,70-2) 등과의 간섭을 방지한다.

본 발명은 고전압 전극 적층부와 접지 전극 적층부를 각각 분리되도록 구성하여 서로의 결합 부위에 1mm 이내의 간극을 두면, 국부적으로 각각의 세라믹 전극판들이 서로 다른 온도 변화를 겪게 될 때 자유롭게 팽창, 수축할 수 있다, 따라서, 서로 다른 팽창 수축율에 따른 수직응력(normal stress) 혹은 전단응력(shear stress)이 세라믹 전극부에 사라져 열응력에 의한 반응기의 손상을 효율적으로 방지할 수 있게 되는 이점이 있다.

전술한 구성에서 도면부호 “30, 60”은 더미 세라믹판으로서 상기 고전압 적층부(250)의 최상단 및 최하단에 위치되어 고전압 전극판(50)이 노출되는 것을 방지한다.

상기 더미 세라믹판(30,60)은 고전압 전극판(50)과 스페이서(120)에서와 같 은 결합방식으로 결합되며, 이를 위해 일측에는 관통홀(130)이 형성된다.

이러한 본 실시예의 구성은 고전압 적층부(250)와 접지전극 적층부(230)가 완전히 분리되도록 함으로써 열응력에 보다 효과적으로 대처하는 것을 가능케 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 유전체적 장벽 방전방식 "V"골로 커팅된 저온 플라즈마 반응기의 열응력에 의한 내구성을 크게 향상시킬 수 있으며, 차량 또는 공장 등의 처리해야 할 가스의 온도변화 범위가 넓고 사건에 대한 변화량 또한 큰 환경에서도 안정적으로 저온 플라즈마 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 고전압 전극부의 전극 리드 부분을 각각의 세라믹 전극판에 개별적으로 구성함으로써, 아크 등 이상방전으로 인한 과전류를 각각의 전극단자에 개별 부착된 퓨즈 등으로 차단하여, 전체 성능에 문제가 없는 한 소수의 문제가 발생한 플라즈마층에 전력을 공급되지 않도록 하여 전체 반응기의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

리드를 통해 고전압 전원이 인가되며, 일정한 간격으로 이격된 다수의 고전압 전극판으로 이루어진 고전압 적층부와;

접지단자와 연결되며, 상기 고전압 전극판들 사이에 "V"골로 커팅한 다수의 접지 전극판으로 이루어진 접지전극 적층부와;

상기 고전압 전극판과 접지 전극판 사이에 반응이 일어나도록 공간을 갖는 스페이서; 및

상기 고전압 전극판 및 상기 접지 전극판 각각의 양단을 결합시키는 체결볼트;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유전체 장벽 방전 저온 플라즈마 반응기.
제1항에 있어서,

상기 고전압 전극판은 세라믹 재질의 유전체 내부에 금속전극이 포함된 것을 특징으로 하는 유전체 장벽 방전 저온 플라즈마 반응기.