KR100721790B1 - 직류 아크 프라즈마트론 장치 - Google Patents

직류 아크 프라즈마트론 장치 Download PDF

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KR100721790B1
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목영선
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제주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 플라즈마의 순도를 높일 수 있고 늘어난 수명을 가지며 플라즈마의 비평형도를 높여 화학적인 활성을 증가시키고 플라즈마 변수의 재현성 향상과 개시과정의 효율성을 가진 직류 아크 프라즈마트론 장치에 관한 것이다.
본 발명은 전체적으로 기체를 통과시키는 두개의 관이 만나는 형상으로 형성되며 상기 2개의 관 중 하나로 타 부재로 부터 공급된 플라즈마 형성기체를 통과시키는 플라즈마 기체 분사 유로(12), 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)에 상기 플라즈마 형성기체를 공급하며 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)의 중앙부근에 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)의 단면적보다 작은 단면적으로 형성되는 플라즈마 기체 공급관 (22), 상기 플라즈마 기체 공급관(22)의 외주의 일부를 둘러싸고 있으며 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)및 봉형 음극(1)과 접촉하고 상기 플라즈마 기체 공급관(22)을 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12) 외주의 노즐형 양극(2)으로 부터 절연시켜주는 절연체(6), 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)가 다른 하나의 관과 만나는 지점 부근에 그 첨두가 형성되며 상기 플라즈마 기체 공급관(22)의 중앙부에 상기 플라즈마 기체 공급관(12)의 단면적보다 작은 단면적으로 형성되며 직류 전원공급원인 아크전원(3)의 음극에 연결되고 막대형상으로 형성되는 봉형 음극(1), 상기 봉형 음극(1)의 주위를 통과해 가는 상기 플라즈마 형성 기체가 노즐 방식으로 분사되도록 하기 위해 상기 봉형 음극(1)의 앞쪽에 형성되며 플라즈마 기체 분사 유로(12)의 단면적이 줄어들어 노즐형의 형상인 노즐부(15)가 형성 되고 상기 노즐부(15)와 상기 노즐부(15) 부근의 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12) 외주에 직류 전원공급원인 상기 아크전원(3)의 양극이 연결되어 형성되는 노즐형 양극 (2), 상기 플라즈마 형성 기체에 기능성 기체를 혼합하기 위해 형성되며 상기 플라즈마 기체 공급관(12)과 만나도록 형성되는 기능유로(5)를 포함하는 직류 아크 프라즈마트론 장치에 관한 것이다.
플라즈마트론, 노즐형 양극, 기능유로

Description

직류 아크 프라즈마트론 장치{DC arc plasmatron}
도 1은 본 발명 직류 아크 프라즈마트론 장치의 구성요소인 플라즈마 기체 분사 유로(12)와 기능유로(5)가 만나는 상태를 보여주며 상기 직류 아크 프라즈마트론 장치를 세로로 자른 상태를 보여주는 상하 단면도이다.
도 2는 도 1의 기능유로(5)을 가로로 자른 상태를 보여 주는 측 단면도이다.
도 3은 본 발명 직류 아크 프라즈마트론 장치의 구성요소인 기능유로(5)가 90 도 각도로 구부러지도록 형성되는 경우의 상하 단면도이다.
도 4은 본 발명 직류 아크 프라즈마트론 장치에 구성요소 편평탐침(111)이 부가된 경우를 보여주는 상하 단면도이다.
도 5는 도 4에 구성요 소 전기적 스파크 아크 점화기(115)가 부가된 경우를 보여주는 상하 단면도이다.
< 도면의 주요부분 에 대한 부호의 설명 >
1 : 봉형 음극 2 : 노즐형 양극
3 : 아크전원 5 : 기능유로
6 : 절연체
12 : 플라즈마 기체 분사 유로
15 : 노즐부
22 : 플라즈마 기체 공급관
70 : 기능성 유로 단조 발산 확산부
72 : 기능성 유로 입구부 74 : 기능성 유로 출구부
111 : 편평탐침 112 : 가변저항
113 : 전류계 114 : 전압계
115 : 전기적 스파크 아크 점화기
116 : 개시-측정 선택기
본 발명은 직류 아크 프라즈마트론 장치에 관한 것이다.
좀 더 상세하게는 본 발명은 전체적으로 기체를 통과시키는 두개의 관이 만나는 형상으로 형성되며 상기 2개의 관 중 하나로 타 부재로 부터 공급된 플라즈마 형성 기체를 통과시키는 플라즈마 기체 분사 유로(12), 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)에 상기 플라즈마 형성 기체를 공급하며 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)의 중앙부근에 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)의 단면적보다 작은 단면적으로 형성되는 플라즈마 기체 공급관(22), 상기 플라즈마 기체 공급관(22)의 외주의 일부를 둘러싸고 있으며 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)와 접촉하고 상기 플라 즈마 기체 공급관(22) 및 봉형 음극(1)을 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12) 외주의 노즐형 양극(2)으로 부터 절연시켜주는 절연체(6), 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)가 다른 하나의 관과 만나는 지점 부근에 그 첨두가 형성되며 상기 플라즈마 기체 공급관(22)의 중앙부에 상기 플라즈마 기체 공급관(12)의 단면적보다 작은 단면적으로 형성되며 직류 전원공급원인 아크전원(3)의 음극에 연결되고 막대형상으로 형성되는 봉형 음극(1), 상기 봉형 음극(1)의 주위를 통과해 가는 상기 플라즈마 형성 기체가 노즐 방식으로 분사되도록 하기 위해 상기 봉형 음극(1)의 앞쪽에 형성되며 플라즈마 기체 분사 유로(12)의 단면적이 줄어들어 노즐형의 형상인 노즐부(15)가 형성되고 상기 노즐부(15)와 상기 노즐부(15) 부근의 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12) 외주에 직류 전원공급원인 상기 아크전원(3)의 양극이 연결되어 형성되는 노즐형 양극 (2), 상기 플라즈마 형성 기체에 기능성 기체를 혼합하기 위해 형성되며 상기 플라즈마 기체 공급관(12)과 만나도록 형성되는 기능유로(5)를 포함하며, 플라즈마의 순도를 높일 수 있고 늘어난 수명을 가지며 플라즈마의 비평형도를 높여 화학적인 활성을 증가시키고 플라즈마 변수의 재현성 향상과 개시과정의 효율성을 가진 직류 아크 프라즈마트론 장치에 관한 것이다.
본 발명은 대기압 이상의 압력에서 직류아크방전으로 작동기체를 가열하는 플라즈마 발생장치에 관한 것으로 전자, 자동차 등 여러 공학 분야에서 배기가스의 정화, 세정, 부식, 증착 등 표면에 대한 플라즈마-표면 공정, 물의 정화 및 오존처리, 폐기물의 소각, 의료 기재 및 생체의 살균 소독, 상처의 보호막 성막 등에 응용 될 수 있는 것이다.
봉형 음극, 노즐형 양극, 전극 간 공간에 플라즈마를 형성하는 기체를 공급하는 수단, 전원 및 개시 장치를 갖춘 프라즈마트론은 널리 알려져 있다. (미국 특허 No. 2768279, Nat. Cl. 219-75, Oct. 23, 1956) 텅스텐 같은 고온에 견디는 재질로 만들어진 이런 장치의 전극은 2,500℃ 이상의 온도로 가열되면 열전자 방출 양태로 되고 부식율이 10-10 g/C 정도로 된다. 텅스텐의 이러한 적은 부식율은 알곤이나 질소 같은 화학적으로 비활성인 플라즈마 형성 기체에만 해당된다. 수냉식 양극은 대기압 근처의 압력에서 보다 심하게 손상된다. 특히 플라즈마트론의 재료로 많이 쓰이는 구리의 경우 부식율은 네 단위가 높은 10-6 g/C 이상이다. 이러한 플라즈마트론 장치에서 수명을 제한하는 것은 양극이다. 보통 이러한 수명 요소는 수 시간에서 수 십 시간 정도이다. 상대적으로 높은 플라즈마의 평균온도(자유 아크에서 3000-6000K, 안정화 아크에서 5000-25000K)는 구리 증기, 덩어리, 이온 등의 오염물을 다량으로 발생 시켜 장치의 다양한 기술적 사용을 방해한다.
주로 금속의 증착과 여러 원재료의 변환 및 정련에 사용되는 플라즈마트론으로서 기능성 기체와 기타의 플라즈마 및 플라즈마 공정에 필요한 물질을 공급하는 특수한 유로를 갖춘 것이 널리 알려져 있다. (미국 특허 No. 3051639, cl. 204-171, Aug. 28, 1962) 이러한 플라즈마트론은 이전에는 실현될 수 없었던 표면개질, 세라믹 증착의 응용, 연료의 분쇄 등의 기술적인 공정이 가능하도록 만들었다. 그러나 전술한 바와 같은 현존 플라즈마트론의 단점이 증착재료의 선택을 제한한다. 일반적으로 그것은 금속공업에서의 큰 부품에 대한 보호막 형성 같은 상대적으로 거친 공정에만 유효하다.
전원에 연결된 봉형 음극과 노즐 양극, 전극 사이의 공간에 플라즈마를 성하는 기체를 공급하는 수단, 플라즈마의 흐름에 기능성 기체를 혼합하는 별도의 유로를 갖춘 직류 아크 프라즈마트론에서 양극 부식율은 감소한다. 상기 유로는 양극 노즐 축에 대해 수직으로 배치된 금속관으로 만들어진다 (M. F. Zhukov, Yu. I. Sukhinin, N. I. Vorobiova, Mixing chamber of a multi-arc heater. In: Physics, technology and applica tion of low-temperature plasmas. Proceedings of the IV All-Union Conf. on Physics and Generators of Low-Temperature Plasmas.- Alma-Ata, Publ. by Kazakh Poli-technical Institute, 1970, pp. 518-523). 여기서 플라즈마 형성기체와 대기압 이상으로 흐르는 기능성 유체의 공기역학적 반응이 양극 부식율을 줄이고 플라즈마트론의 수명을 증가시키고 플라즈마 오염을 감소시킨다. 그러나 이러한 개량의 실현은 양극 수명의 증가와 플라즈마 활성의 증가에 실제적인 효과가 적었다.
만일 플라즈마의 순도를 높일 수 있고 늘어난 수명을 가지는 직류 아크 프라즈마트론 장치가 있다면 바람직하다고 본다.
또한 플라즈마의 비평형도를 높여 화학적인 활성을 증가시키며 플라즈마 변수의 재현성 향상과 개시과정의 효율성을 가진 직류 아크 프라즈마트론 장치가 있다면 더욱 바람직하다고 본다.
본 발명의 목적은 플라즈마의 순도를 높일 수 있는 직류 아크 프라즈마트론 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 늘어난 수명을 가지는 직류 아크 프라즈마트론 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마의 비평형도를 높여 화학적인 활성 을 증가시키는 직류 아크 프라즈마트론 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마 변수의 재현성 향상과 개시과정의 효율성을 가진 직류 아크 프라즈마트론 장치를 제공하는데 있다.
본 발명은 직류 아크 프라즈마트론 장치에 관한 것이다.
본 발명은 플라즈마 기체 분사 유로(12), 플라즈마 기체 공급관(22), 절연체(6), 봉형 음극(1), 노즐형 양극 (2), 기능유로(5)를 포함한다.
좀 더 상세하게 설명하면, 본 발명은 전체적으로 기체를 통과시키는 두개의 관이 만나는 형상으로 형성되며 상기 2개의 관 중 하나로 타 부재로 부터 공급된 플라즈마 형성기체를 통과시키는 플라즈마 기체 분사 유로(12), 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)에 상기 플라즈마 형성기체를 공급하며 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)의 중앙부에 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)의 단면적보다 작은 단면적으로 형성되는 플라즈마 기체 공급관(22), 상기 플라즈마 기체 공급관(22)의 외주의 일부를 둘러싸고 있으며 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)와 접촉하고 상기 플라즈마 기체 공급관(22)을 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12) 외주의 노즐형 양극(2)으로 부터 절연시켜주는 절연체(6), 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)가 다른 하나의 관과 만나는 지점 부근에 그 첨두가 형성되며 상기 플라즈마 기체 공급관(22)의 중앙부에 상기 플라즈마 기체 공급관(12)의 단면적보다 작은 단면적으로 형성되며 직류 전원공급원인 아크전원(3)의 음극에 연결되고 막대형상으로 형성되는 봉형 음극(1), 상기 봉형 음극(1)의 주위를 통과해 가는 상기 플라즈마 형성 기체가 노즐 방식으로 분사 되도록 하기 위해 상기 봉형 음극(1)의 앞쪽에 형성되며 플라즈마 기체 분사 유로(12)의 단면적이 줄어들어 노즐형의 형상인 노즐부(15)가 형성되고 상기 노즐부(15)와 상기 노즐부(15) 부근의 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)에 직류 전원공급원인 상기 아크전원(3)의 양극이 연결되어 형성되는 노즐형 양극 (2), 상기 플라즈마 형성 기체에 기능성 기체를 혼합하기 위해 형성되며 상기 플라즈마 기체 공급관(12)과 만나도록 형성되는 기능유로(5)를 포함한다.
첨부한 실시예의 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
제1도는 본 발명 직류 아크 프라즈마트론 장치의 구성요소인 플라즈마 기체 분사 유로(12)와 기능유로(5)가 만나는 상태를 보여주며 상기 직류 아크 프라즈마트론 장치를 세로로 자른 상태를 보여주는 상하 단면도이다.
상기 봉형 음극(1)은 제1도에 보여지는 방식과 같이 일반적인 부재의 고정방법으로 상기 플라즈마 기체 공급관(22)에 고정되어 질 수 있다.
또한 제2도는 제1도의 기능유로(5)을 가로로 자른 상태를 보여주는 측 단면도이다. 제2도는 제1도에 표시된 F-F 면에 대한 단면도이다.
제1,2도와 같이, 상기 기능유로(5)는 금속 재질의 관으로 형성되며 상기 관의 길이방향에 수직한 단면이 사각형으로 형성되고 상기 직류 아크 프라즈마트론 장치를 세로로 자른 상태를 보여주는 상하 단면상에서 볼 때 상기 관의 높이(도1에서 ‘H’로 표기됨)는 상기 노즐부(15)의 지름의 1 내지 3배로 형성될 수 있다.
또한 상기 기능유로(5)는 상기 기능성 기체를 유입하는 기능성 유로 입구부(72), 상기 기능유로(5)을 가로로 자른 상태를 보여주는 측 단면상에서 볼 때 상기 기능성 유로 입구부(72)보다 큰 단면적으로 형성되며 상기 기능성 기체를 배출하는 기능성 유로 출구부(74), 상기 기능성 유로 입구부(72)와 상기 기능성 유로 출구부(74)를 연결하도록 형성되며 단조 발산하는 확산기 형태로 형성되는 기능성 유로 단조 발산 확산부(70)를 포함한다.
상기 기능성 유로 단조 발산 확산부(70)는 그 단면의 폭이 넓어지기 시작하는 부위로 상기 기능성 유로 단조 발산 확산부(70)가 시작되는 부위가 상기 노즐부(15)와 만나도록 형성될 수 있다.
또한 상기 기능유로(5)는 상기 기능유로(5)을 가로로 자른 상태를 보여주는 측 단면상에서 볼 때, 상기 기능성 유로 입구부(72)의 단면의 폭(도2에서 ‘C'로 표기됨)은 상기 노즐부(15)의 지름의 3배 이하로 형성되고 상기 기능성 유로 출구부(74)의 단면의 폭(도2에서 'B'로 표기됨)은 상기 노즐부(15) 의 지름의 3배 이상으로 형성될 수 있다.
또한 상기 기능유로(5)는 상기 기능유로(5)을 가로로 자른 상태를 보여주는 측 단면상에서 볼 때, 상기 기능성 유로 단조 발산 확산부(70)의 면이 상기 기능성 유로 출구부(74)에 내접하는 원의 접선면과 일치하도록 형성될 수 있다.(도2에 원에 접하는 상기 기능성 유로 단조 발산 확산부(70)의 면이 표현되어 있음)
또한 상기 기능유로(5)는 노즐형 양극(2)과 접속되는 확산부에서의 기체 흐름의 속도를 높이기 위하여 단조 발산하는 기능성 유로 단조 발산 확산부(70)의 부위 중 폭이 좁은 앞부분이 노즐 형태로 형성될 수 있다.
상기 봉형 음극(1) 주변에 흐르는 상기 플라즈마 기체 공급관(22)을 통해 도입된 기체의 냉각작용, 상기 봉형 음극(1)과 상기 노즐형 양극(2)에 수직으로 배치되고 기능유체가 흐르는 상기 기능유로(5), 상기 기능성 유로 단조 발산 확산부(70)를 통한 유체의 운동에 의한 양극점(anode spot)의 넓은 범위에 걸친 분포가 형성되며 상기 양극점의 넓은 범위에 걸친 분포는 양극점에 흐르는 전류밀도를 낮추고 양극점의 온도 상승을 억제하여 양극을 구성하는 금속의 증발과 플라즈마 로의 혼입을 막아 높은 플라즈마의 순도를 유지하게 한다.
따라서 본 발명의 목적인 플라즈마의 순도를 높일 수 있는 직류 아크 프라즈마트론 장치를 제공하게 되었다.
또한 상기 봉형 음극(1)과 상기 노즐형 양극(2)에 수직으로 배치되고 기능유체가 흐르는 상기 기능유로(5), 상기 기능성 유로 단조 발산 확산부(70)를 통한 유체의 운동에 의한 양극점의 넓은 범위에 걸친 분포가 형성되며 상기 양극점의 넓은 범위에 걸친 분포는 양극점에 흐르는 전류밀도를 낮추고 양극점의 온도 상승을 억제하여 양극을 구성하는 금속의 증발과 이에 따른 양극의 침식(erosion)을 저감시킨다.
그러므로 플라즈마트론 수명에 가장 중요한 요소인 양극 침식율을 낮추어 플라즈마트론의 수명을 연장시킨다.
따라서 본 발명의 목적인 늘어난 수명을 가지는 직류 아크 프라즈마트론 장치를 제공하게 되었다.
또한 상기 봉형 음극(1)과 상기 노즐형 양극(2)에 수직으로 배치되고 기능유체가 흐르는 상기 기능유로(5), 상기 기능성 유로 단조 발산 확산부(70)를 통한 유체의 운동에 의한 동적 냉각에 의해 동적 냉각은 플라즈마의 기체 온도를 낮추어 높은 플라즈마의 비평형도를 얻게한다.
따라서 플라즈마의 비평형도를 높여 화학적인 활성을 증가시키는 직류 아크 프라즈마트론 장치를 제공하게 되었다.
제3도는 본 발명 직류 아크 프라즈마트론 장치의 구성요소인 기능유로(5)가 90도 각도로 구부러지도록 형성되는 경우의 상하 단면도이다.
제3도와 같이, 상기 기능유로(5)는 상기 직류 아크 프라즈마트론 장치를 세로로 자른 상태를 보여주는 상하 단면상에서 볼 때, 상기 플라즈마 기체 분사유로(12)와 만나는 지점을 지나서 상기 플라즈마 기체 분사유로(12) 내부의 상기 봉형 음극(1)의 중심축으로 부터 상기 노즐부(15)의 지름의 2배가 되는 지점(도3에서 ‘D'로 표기됨)으로 부터 완만하게 90도 각도로 구부러지도록 형성될 수 있다.
제4도는 본 발명 직류 아크 프라즈마트론 장치에 구성요소 편평탐침(111)이 부가된 경우를 보여주는 상하 단면도이다.
제4도와 같이, 상기 직류 아크 프라즈마트론 장치는 가변저항(112)을 통해 상기 봉형음극(1)에 연결되는 회로가 형성되며 상기 봉형음극(1)을 마주보는 위치로 상기 기능유로(5)의 내벽에 설치되는 편평탐침(111), 상기 회로 상에 병렬로 연결되는 전압계(114), 상기 가변저항(112)에 직렬로 연결되는 전류계(113)를 더 포함하여 형성될 수 있다.
상기 편평 탐침(111)은 평판형 랑뮤어(Langmuir)형 탐침으로 형성될 수 있다.
상기 내용과 같이 상기 편평탐침(111)은 보조 개시전극으로도 사용될 수 있다. 상기 편평탐침(111)은 아크경로에 대해 수직방향으로 추가된 방전의 개시과정을 개선하기 위한 것이다.
제5도는 제4도에 구성요소 전 기적 스파크 아크 점화기(115)가 부가된 경우를 보여주는 상하 단면도이다.
제5도와 같이, 상기 직류 아크 프라즈마트론 장치는 개시장치로 사용될 수 있으며 부재의 일단은 상기 봉형음극(1)에 연결되고 부재의 다른 일단은 상기 편평탐침(111)에 개시-측정 선택기(116)을 통해 연결되는 전기적 스파크 아크 점화기 (115)를 더 포함하여 형성될 수 있다.
상기 편평탐침(111)에 의한 플라즈마 변수의 측정과 제어, 상기 전기적 스파크 아크 점화기(115)에 의한 보조점화에 의해 상기 직류 아크 프라즈마트론 장치는 플라즈마 변수의 재현성 향상과 개시과정의 효율성을 가지게 된다.
따라서 플라즈마 변수의 재현성 향상과 개시과정의 효율성을 가진 직류 아크 프라즈마트론 장치를 제공하는 목적을 달성하게 된다.
상기 직류 아크 프라즈마트론 장치는 다음과 같은 절차로 운전된다.
가동이 필요할 경우 부가되는 냉각시스템을 구동하고, 상기 기능유로(5)를 통해 상기 봉형 음극(1)로 기체를 흘려보낸다. 전원공급원인 상기 아크전원(3)의 전력을 공급하여 상기 전기적 스파크 아크 점화기(115)를 포함한 개시장치를 구동한다. 아크방전이 시작된 후, 기체유량과 방전의 전기적 변수들을 기능적 목표에 맞추어 조절하고 계획된 공정을 시행한다. 공정 변수의 재현성 있는 실행을 위해서는 상기 편평탐침(111)의 특성이 상기 가변저항(112)을 0에서 최대치까지 변화시키며 이는 운전자에 의해 주의 깊게 파악되어야 한다. 음극 퍼텐셜 U=Ucath에서 측정된 탐침전류의 변동으로부터 양극점 부근의 양이온의 밀도를 Bohm의 식에 의해 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112005006126329-pat00001
여기서 S (단위 ㎡)는 탐침의 표면적, Ｉ0 (A)는 탐침전류, Te (K) 는 전자의 온도로 서 탐침 전자전류의 전압에 대한 반대수(semi-log) 그림에서 직선으로 표시된 log Ie(U)의 경사각 ｔg에서 계산된다. U=Ucath 즉 R=0에서 측정한 특성곡선 시작점에서의 경사각이 ｔg일 때
Te = 5040/ｔg [K]
이다. 엄밀히 이야기하면 이런 표현은 낮은 압력의 플라즈마에만 타당한 식 이다. 대기압에서는 그 타당성이 의심스러우므로 계산된 플라즈마 변수는 근사치로 여겨야 한다. 물론 결과는 탐침으로 향하는 하전 입자의 흐름에 대한 일반적 경향을 나타내는 것이 분명하므로, 상대적 측정에 의해서도 제안된 장치 내의 플라즈마의 거동의 추세를 파악하는 것이 가능하고 이것을 플라즈마트론 작동의 재현성을 높이는데 이용할 수 있다.
상기 편평탐침(111)은 보조 개시전극으로도 사용될 수 있다. 상기 편평탐침(111)은 아크경로 에 대해 수직방향으로 추가된 방전의 개시과정을 개선하기 위한 것이다.
상기 내용을 좀 더 상세하게 설명하면, 본 발명의 주된 장점은 양극점의 분포를 넓혀 양극의 침식율을 5·10-10g/C 선으로 낮추고 플라즈마의 순도를 높이며 비단열적인 상태가 획기적으로 증가하는 것이다. 결과로서 준안정 상태를 포함하여 여기된 입자의 농도가 증가하고 플라즈마의 화학적 활성이 증가한다. 이러한 효과는 제1도와 같이 상기 노즐부(15)에서 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)로의 플라즈마의 흐름이 90도 각도로 휘어지게 되고 그로 인해 급격한 팽창을 이루는 구조에 주로 기인한다. 일반적으로 이러한 구조에서 기체의 흐름은 와류를 형성한다. 와류가 아크에 인접한 전극점으로 인도하는 것 같이 작용하여 아크점 형성을 위한 에너지를 낮추는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 개념은 본 발명에서도 타당하고 이전 발명들의 시작품에서도 양극점은 양극출구 후방의 와류 영역에 나타났다. 그러나 양극유로에 대해 수직인 원형유로의 직경이 양극노즐 직경에 비해 상당히 큰 이전 발 명의 시작품에서는 플라즈마 흐름의 운동은 상대적으로 느리고 영향이 적었다. 양극노즐에서 90도 각도로 꺾인 후의 플라즈마 흐름에 대해 원형 단면의 기능유로와 약한 와류의 강도는 양극점의 거동에 큰 변화를 주지 못한다. 따라서 이전 발명의 시작품에서 양극 침식율에 대한 개선은 크지 않았다.
본 발명에 따른 상기 직류 아크 프라즈마트론 장치의 상기 기능유로(5)는 단면이 좁은 사각형으로 만들어졌다. 상기 구조에서는 플라즈마의 흐름이 반경이 작고 회전주기가 빠른 와류를 형성한다. 90도 각도로 꺾인 후의 플라즈마 흐름에 대해 사각 단면의 유로는 기능기체의 강한 바람이 있는 상기 표면에서의 와류의 손실을 줄일 수 있다. 상기 플라즈마 흐름의 이해에 근거한 유로의 단조 발산하는 확산기 형태로 제작된 기능유로는 플라즈마 흐름의 효율성을 높이게 된 다. 이러한 현상이 제안된 장치에 있어 양극점의 분포가 넓어지도록 하고 양극의 침식율을 열음극의 침식율 ~10-10g/C에 가까운 5·10-10g/C 선으로 낮추게 한다. 동시에 플라즈마의 증가된 전자온도는 대기압 아크 장치에서는 드물게 화학적 활성을 높이게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 기술적 경제적 효용성의 주된 변수인 양극 부식율을 줄일 수 있다. 따라서 원형으로 제작된 프라즈마트론의 수명을 1년까지도 늘릴 수 있었는데 이것은 아크 플라즈마 기술 분야의 최고치이다. 이러한 장점의 중요한 결과는 플라즈마의 열적 비평형성의 증가인데, 이전 장치들에서의 전자온도와 이온온도의 비 가 Te/Ti~1.1인데 비해, 본 발명의 예에서는 Te/Ti~3·101 이다. 플라즈마 물리의 관점에서 보면 압력 P~10-1-100 mmHg 조건의 글로우 방전 플라즈 마에서는 이러한 열역학적 특성이 보편적인 것이지만, 여기서는 압력이 3 단위 이상 높다. 이러한 사실은 본 발명의 의한 장치의 플라즈마 내에서는 통상 글로우 방전 플라즈마 내에서 행해지는 부식, 증착 등의 플라즈마 화학 공정이 100-1000배 빠르게 일어날 있다 는 것을 의미한다. 본 발명에 의한 장치는 휘발유와 디젤 등의 내연기관의 입구에 설치하여 연료와 공기의 혼합물에 대한 개질용으로 혹은 내연기관의 배출구 후단에 장착되는 촉매 앞에 설치하여 대기 중으로의 유 해 물질 방출을 저감하는데 쓰일 수 있게 된다.
본 발명으로 플라즈마의 순도를 높일 수 있는 직류 아크 프라즈마트론 장치를 제공하게 되었다.
본 발명으로 늘어난 수명을 가지는 직류 아크 프라즈마트론 장치를 제공하게 되었다.
본 발명으로 플라즈마의 비평형 도를 높여 화학적인 활성을 증가시키는 직류 아크 프라즈마트론 장치를 제공하게 되었다.
본 발명으로 플라즈마 변수의 재현성 향상과 개시과정의 효율성을 가진 직류 아크 프라즈마트론 장치를 제공하게 되었다 .

Claims (10)

  1. 전체적으로 기체를 통과시키는 두 개의 관이 만나는 형상으로 형성되며 상기 2개의 관 중 하나로 타 부재로부터 공급된 플라즈마 형성기체를 통과시키는 플라즈마 기체 분사 유로(12);
    상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)에 상기 플라즈마 형성기체를 공급하며 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)의 중앙부근에 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)의 단면적보다 작은 단면적으로 형성되는 플라즈마 기체 공급관(22);
    상기 플라즈마 기체 공급관(22)의 외주의 일부를 둘러싸고 있으며 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)와 접촉하고 상기 플라즈마 기체 공급관(22)을 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12) 외주의 노즐형 양극(2)으로 부터 절연시켜주는 절연체(6);
    상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)가 다른 하나의 관과 만나는 지점 부근에 그 첨두가 형성되며 상기 플라즈마 기체 공급관(22)의 중앙부근에 상기 플라즈마 기체 공급관(12)의 단면적 보다 작은 단면적으로 형성되며 직류 전원공급원인 아크전원(3)의 음극에 연결되고 막대형상으로 형성되는 봉형 음극(1);
    상기 봉형 음극(1)의 주위를 통과해 가는 상기 플라즈마 형성 기체가 노즐 방식으로 분사되도록 하기 위해 상기 봉형 음극(1)의 앞쪽에 형성되며 플라즈마 기체 분사 유로(12)의 단면적이 줄어들어 노즐형의 형상인 노즐부(15)가 형성되고 상기 노즐부(15)와 상기 노즐부(15) 부근의 상기 플라즈마 기체 분사 유로(12)에 직류 전원 공급원인 상기 아크전원(3)의 양극이 연결되어 형성되는 노즐형 양극(2);
    상기 플라즈마 형성 기체에 기능성 기체를 혼합하기 위해 형성되며 상기 플라즈마 기체 공급관(12)과 만나도록 형성되는 기능유로(5);
    가변저항(112)을 통해 상기 봉형음극(1)에 연결되는 회로가 형성되며 상기 봉형음극(1)을 마주보는 위치로 상기 기능유로(5)의 내벽에 설치되는 편평탐침(111);
    상기 회로 상에 병렬로 연결되는 전압계(114);
    상기 가변저항(112)에 직렬로 연결되는 전류계(113);
    개시장치로 사용될 수 있으며 부재의 일단은 상기 봉형음극(1)에 연결되고 부재의 다른 일단은 상기 편평탐침(111)에 개시-측정 선택기(116)을 통해 연결되는 전기적 스파크 아크 점화기(115);
    를 포함하여 이루어지는 직류 아크 프라즈마트론 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기능유로(5)는
    금속 재질의 관으로 형성되며 상기 관의 길이방향에 수직한 단면이 사각형으로 형성되고 상기 직류 아크 프라즈마트론 장치를 세로로 자른 상태를 보여주는 상하 단면상에서 볼 때 상기 관의 높이는 상기 노즐부(15)의 지름의 1 내지 3배로 형성되는 기능유로인 것을 특징으로 하는 직류 아크 프라즈마트론 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기능유로(5)는
    상기 기능성 기체를 유입하는 기능성 유로 입구부(72);
    상기 기능유로(5)을 가로로 자른 상태를 보여주는 측 단면상에서 볼 때 상기 기능성 유로 입구부(72)보다 큰 단면적으로 형성되며 상기 기능성 기체를 배출하는 기능성 유로 출구부(74);
    상기 기능성 유로 입구부(72)와 상기 기능성 유로 출구부(74)를 연결하도록 형성되며 단조 발산하는 확산기 형태로 형성되는 기능성 유로 단조 발산 확산부(70);
    를 포함하는 기능유로인 것을 특징으로 하는 직류 아크 프라즈마트론 장치.
  4. 제3항에 있어서, 기능성 유로 단조 발산 확산부(70)는
    그 단면의 폭이 넓어지기 시작하는 부위가 상기 노즐부(15)와 만나도록 형성되는 기능성 유로 단조 발산 확산부인 것을 특징으로 하는 직류 아크 프라즈마트론 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 기능유로(5)는
    상기 기능유로(5)을 가로로 자른 상태를 보여주는 측 단면상에서 볼 때, 상기 기능성 유로 입구부(72)의 단면의 폭은 상기 노즐부(15)의 지름의 3배 이하로 형성되고 상기 기능성 유로 출구부(74)의 단면의 폭은 상기 노즐부(15)의 지름의 3배 이상으로 형성되는 기능유로인 것을 특징으로 하는 직류 아크 프라즈마트론 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 기능유로(5)는
    상기 기능유로(5)을 가로로 자른 상태를 보여주는 측 단면상에서 볼 때 , 상기 기능성 유로 단조 발산 확산부(70)의 면이 상기 기능성 유로 출구부(74)에 내접하는 원의 접선면과 일치하도록 형성되는 기능유로인 것을 특징으로 하는 직류 아크 프라즈마트론 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 기능유로(5)는
    상기 노즐형 양극(2)과 접속되는 확산부에서의 기체 흐름의 속도를 높이기 위하여 단조 발산하는 기능성 유로 단조 발산 확산부(70)의 부위 중 폭이 좁은 앞부분이 노즐 형태로 형성되는 기능유로인 것을 특징으로 하는 직류 아크 프라즈마트론 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기능유로(5)는
    상기 직류 아크 프라즈마트론 장치를 세로로 자른 상태를 보여 주는 상하 단면상에서 볼 때, 상기 플라즈마 기체 분사유로(12)와 만나는 지점을 지나서 상기 플라즈마 기체 분사유로(12) 내부의 상기 봉형 음극(1)의 중심축으로 부터 상기 노즐부(15)의 지름의 2배가 되는 지점으로 부터 완만하게 90도 각도로 구부러지도록 형성되는 기능유로인 것을 특징으로 하는 직류 아크 프라즈마트론 장치.
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