KR100828718B1 - Apparatus for conversing gas using plasma and Method of gas conversion - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마를 이용한 가스전환장치 및 가스전환방법에 관한 것이다. 상기 가스전환장치는, 반응챔버와; 원료가스를 반응챔버 내부로 하향 분사하는 노즐과; 상기 반응챔버의 내부에 상호 이격된 상태로 회전 가능하게 설치되되 양전극판 및 음전극판을 구비한 플라즈마발생부와; 상기 양전극판 및 음전극판에 양극전기와 음극전기를 각각 공급하는 전원과; 상기 플라즈마발생부를 회전시키는 구동부를 포함한다. 또한 상기 가스전환방법은, 상기 구동부를 통해 양전극판 및 음전극판을 소정 속도로 회전시키는 전극판회전단계와; 상기 양전극판과 음전극판에 양극과 음극의 전기를 가하여 전극판 사이에 플라즈마를 유도하는 전력인가단계와; 상기 노즐을 통해 원료가스를 양전극판과 음전극판의 사이로 하향 분사하여 원료가스가 플라즈마영역을 통과하도록 함으로써 가스의 분자구조를 전환(conversion)시키는 원료가스분사단계를 포함하는 구성을 갖는다.The present invention relates to a gas conversion device and a gas conversion method using plasma. The gas conversion device, the reaction chamber; A nozzle for injecting the source gas downward into the reaction chamber; A plasma generation unit rotatably installed in the reaction chamber and spaced apart from each other and having a positive electrode plate and a negative electrode plate; A power supply for supplying a positive electrode and a negative electrode to the positive electrode plate and the negative electrode plate, respectively; It includes a driving unit for rotating the plasma generating unit. In addition, the gas switching method, the electrode plate rotating step of rotating the positive electrode plate and the negative electrode plate at a predetermined speed through the drive unit; Applying electric power of a positive electrode and a negative electrode to the positive electrode plate and the negative electrode plate to induce plasma between the electrode plates; And a source gas injection step of converting the molecular structure of the gas by injecting the source gas downwardly between the positive electrode plate and the negative electrode plate through the nozzle to allow the source gas to pass through the plasma region.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 플라즈마를 유도하는 전극이 회전할 수 있으므로 반응챔버 내부에서의 플라즈마영역이 그만큼 광범위하여 가스의 전환율이 높고, 특히 상기 전극의 회전속도를 조절할 수 있어 원료가스와 플라즈마의 접촉시간을 필요에 따라 얼마든지 조절하여 전환율은 물론 반응 결과물의 선택도를 제어할 수 있다.According to the present invention as described above, since the electrode for inducing the plasma can rotate, the plasma region inside the reaction chamber is so wide that the gas conversion rate is high, and in particular, the rotational speed of the electrode can be adjusted, so that The contact time can be adjusted as needed to control conversion and selectivity of the reaction product.
Description
도 1은 종래의 가스 전환장치의 구성을 개략적으로 나타내 보인 구성도이다.1 is a configuration diagram schematically showing the configuration of a conventional gas switching device.
도 2는 상기한 종래의 가스 전환장치의 문제점을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.2 is a view illustrating a problem of the above-described conventional gas switching device.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 가스전환장치의 전체적인 구성을 도시한 구성도이다.3 is a block diagram showing the overall configuration of a gas conversion device using a plasma according to an embodiment of the present invention.
도 4는 상기 도 3에 도시한 반응챔버의 측벽을 별도로 도시한 절제 사시도이다.4 is a cutaway perspective view of a side wall of the reaction chamber illustrated in FIG. 3.
도 5는 상기 도 3에 도시한 전극의 일부를 도시한 절제 사시도이다.5 is a cutaway perspective view of a part of the electrode illustrated in FIG. 3.
도 6은 상기 도 3에 도시한 구동부 및 이에 대한 전극의 고정 원리를 설명하기 위하여 도시한 절제 분해 사시도이다.FIG. 6 is a cutaway exploded perspective view illustrating the driving principle of the driving unit and the electrode shown in FIG. 3.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스전환장치에 적용할 수 있는 다른 형태의 전극판을 예를 들어 도시한 사시도이다.7 and 8 are perspective views illustrating another example of the electrode plate applicable to the gas switching device according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
12:가스전환장치 14:반응챔버 14a:상판12
16:노즐 18:배기구 20:음전극판16: Nozzle 18: Exhaust port 20: Negative electrode plate
22:양전극판 24:전원 26:전력선22: positive electrode plate 24: power supply 26: power line
40:가스전환장치 42:반응챔버 42a:상판40: gas conversion device 42:
42b:측벽 42c:하판 44:노즐42b:
46:배기구 48:음전극판 50:양전극판46: exhaust port 48: negative electrode plate 50: positive electrode plate
48a,50a:관통구멍 51:제 1가이드레일 51a:수용홈48a, 50a: Through hole 51:
52:제 2가이드레일 52a:수용홈 54:지지로드52:
54a:삽입부 55:고정나사 56:커넥터54a: Insertion part 55: Fixing screw 56: Connector
58:전극홀더 58a:볼트구멍 58b:끼움공간58:
60:지지로드 62:구동샤프트 62a,64a:풀리60: support rod 62:
64:모터 66:벨트 68:열교환기64: motor 66: belt 68: heat exchanger
70:냉각수파이프 72:절연실드 72a:관통구멍70: coolant pipe 72:
74a:볼트 74b:너트 76,78:전극판74a: Bolt 74b:
A:플라즈마영역 P:플라즈마A: Plasma area P: Plasma
본 발명은 플라즈마를 이용한 가스전환장치 및 가스전환방법에 관한 것이다.The present invention relates to a gas conversion device and a gas conversion method using plasma.
어떤 가스(원료가스)의 분자구조를 변형시켜 다른 종류의 가스(반응 후 가스)로 전환하는 가스 전환장치에는 여러 종류가 있다. There are many types of gas converters that transform the molecular structure of one gas (raw gas) and convert it into another (gas after reaction).
이러한 가스 전환장치는 대부분 비슷한 구성과 동작 원리를 갖는다. 즉 종래 의 가스 전환장치는, 밀폐된 반응챔버내에 플라즈마를 발생하고 상기 플라즈마의 영역 내에 원료가스를 분사하여 원료가스가 플라즈마 영역을 지나가는 동안 플라즈마의 전자와 충돌하도록 유도함으로써, 해당 가스분자로부터 분자의 일부분을 이탈시키는 원리를 갖는다.Most of these gas converters have a similar configuration and operating principle. In other words, the conventional gas switching device generates a plasma in a closed reaction chamber and injects a source gas into the plasma region to induce the source gas to collide with electrons of the plasma while passing through the plasma region, thereby decomposing molecules from the gas molecules. It has the principle of disengaging part.
이를테면, 메탄가스(CH4)를 플라즈마 영역의 내부로 유도하면, 메탄분자가 플라즈마의 고에너지 전자와 충돌하여 메탄분자로부터 수소가 탈락함으로써 메틸기(CH3), 메틸렌(CH2) 등과 같은 라디칼이 형성된다. 상기 라디칼은 에너지 공급을 중단하면 그 상태로 남아있기도 하며 더러는 재결합 반응을 통해 에탄(C2H6)이 되기도 한다. 하지만 에너지 공급을 계속하면 탈수소 반응이 연속적으로 이루어져 메틸기(CH3) 라디칼은 메틸렌(CH2) 또는 메틸리딘(CH) 라디칼로 변화하게 된다. For example, when methane gas (CH 4 ) is introduced into the plasma region, the methane molecules collide with the high-energy electrons of the plasma, and hydrogen is eliminated from the methane molecules. Thus, radicals such as methyl group (CH 3 ) and methylene (CH 2 ) Is formed. The radicals remain in this state when the energy supply is interrupted, and in some cases, they become ethane (C 2 H 6 ) through a recombination reaction. However, if the energy supply is continued, the dehydrogenation is continuously performed, and the methyl group (CH 3 ) radicals are changed into methylene (CH 2 ) or methylidine (CH) radicals.
아울러 상기와 같이 얻어진 CHx 라디칼은 소정의 결합과정을 통해 에탄이나 에틸렌 또는 아세틸렌과 같은 C2 탄화수소를 구성할 수 도 있다.In addition, the CHx radicals obtained as described above may form C 2 hydrocarbons such as ethane, ethylene or acetylene through a predetermined bonding process.
상기 원리를 이용하여 가스에 플라즈마 에너지를 가하기 위한 종래의 가스 전환장치가 도 1에 도시되어 있다.A conventional gas switching device for applying plasma energy to a gas using the above principle is shown in FIG.
도 1을 참조하면, 종래의 가스전환장치(12)는, 밀폐된 내부공간을 제공하고 그 하측부에 배기구(18)를 갖는 반응챔버(14)와, 상기 반응챔버(14)의 내부에 설치되는 다수의 음전극판(20) 및 상기 음전극판(20)에 각각 대응하는 다수의 양전극판(22)과, 상기 음전극판(20) 및 양전극판(22)에 음극전기와 양극전기를 공급하기 위 한 전원(24)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the conventional
또한 상기 반응챔버(14)의 상판(14a) 중앙부에는 노즐(16)이 구비된다. 상기 노즐(16)은 에너지를 가하여 전환하기 위한 가스(이하, 원료가스)를 반응챔버(14) 내부의 음전극판(20)과 양전극판(22)의 사이로 하향 분사하기 위한 것이다.In addition, a
상기 음전극판(20)과 양전극판(22)은 일정두께를 갖는 플레이트의 형태를 취하며 별도의 지지수단(미도시)을 통해 수직으로 고정된다. 특히 상기 음전극판(20)과 양전극판(22)의 대향면은 아래로 내려갈수록 서로에 대해 멀어지는 방향으로 만곡되어 있다.The
여하튼 상기와 같이 고정된 전극판(20,22)에 전기를 인가하면 전극판의 사이에 아크가 발생하며 플라즈마가 형성된다. 상기 플라즈마는 음전극판(20)과 양전극판(22)의 상호 대향하는 대향면 사이에 위치한다. In any case, when electricity is applied to the
도 2는 상기한 종래 가스 전환장치에서의 전극판을 위에서 바라본 모습을 나타낸 도면이다.Figure 2 is a view showing a state from above the electrode plate in the conventional gas switching device.
도시한 바와같이, 반응챔버(14)의 내부에 세 개의 음전극판(20)과 세 개의 양전극판(22)이 설치되어 있다. 상기 음전극판(20)과 양전극판(22)은 일대일 대응하며 하나씩의 쌍을 이룬다.As shown in the drawing, three
한편 상기한 배치 구조를 갖는 전극판(20,22)에 전기를 인가하면 각각의 음전극판(20)과 양전극판(22)의 사이에 플라즈마가 유도되고 플라즈마영역(A)이 형성된다. 전극판이 세 쌍일 경우 세 개의 플라즈마영역(A)이 형성된다. On the other hand, when electricity is applied to the
그러나 상기한 종래의 가스전환장치(12)는 플라즈마영역(A)이 충분히 넓지 못하므로 가스의 전환율(Conversion Rate)이 좋지 않다는 문제가 있었다. 즉 유도된 플라즈마가 차지하는 영역(A)이 반응챔버의 전체 용적에 비해 매우 좁으므로, 반응챔버(14) 내부로 공급된 원료가스의 많은 양이 플라즈마와 반응하지 못한 채 (예컨대 전극의 사이사이를 빠져) 그대로 배기구(18)를 통해 배출되어 그만큼 비효율적인 것이다.However, the conventional
또한 상기와 같이 플라즈마영역(A)이 좁으므로 노즐로부터 분사된 원료가스가 플라즈마영역을 통과하는 시간도 매우 짧다. 이러한 문제를 해결하고자 즉 원료가스가 플라즈마영역의 내부에 체류하는 시간을 최대한 길게 연장하고자 입력기체의 양을 조절하거나 분출속도를 제어하기도 하지만 이 또한 전환율을 상승시키는데 별다른 영향을 끼치지 못한다. In addition, since the plasma region A is narrow as described above, the time for the source gas injected from the nozzle to pass through the plasma region is also very short. In order to solve such a problem, that is, to control the amount of input gas or to control the ejection speed to prolong the residence time of the source gas in the plasma region as much as possible, this also has little effect on increasing the conversion rate.
상기한 고정전극식 가스전환장치에 관련하여 발표된 논문을 참조하면, 상기 플라즈마영역(A)을 최대로 형성하고 원료가스의 분출량과 분출속도를 최적 제어하였을 때, 최고 40%의 전환율을 얻었다는 보고가 있다. 60%의 원료가스는 플라즈마와 반응하지 못한 상태로 배기구(18)를 통해 외부로 배출되는 것이다.Referring to a paper published in relation to the fixed electrode type gas switching device, when the plasma region A is formed to the maximum and the ejection amount and the ejection rate of the source gas are optimally controlled, a conversion rate of up to 40% is obtained. Have a report. 60% of the source gas is discharged to the outside through the
또한 상기한 고정전극식 가스전환장치는 가스 전환율을 제어하기가 매우 곤란하다는 문제가 있었다. 사실 목적물(전환된 후의 가스)의 종류에 따라 전환율을 높이거나 낮추어야 할 필요가 있는데, 상기한 종래의 가스전환장치는 원료가스의 유량이나 유속의 변화를 통해 전환율의 제어를 도모할 수 밖에 없으므로, 그 응답성이 좋지 못하여 정확한 제어가 거의 불가능한 것이다.In addition, the fixed electrode type gas switching device has a problem that it is very difficult to control the gas conversion rate. In fact, it is necessary to increase or decrease the conversion rate according to the type of the target object (gas after conversion), and the conventional gas conversion device can only control the conversion rate by changing the flow rate or flow rate of the source gas. Its poor responsiveness makes it nearly impossible to control accurately.
본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 플라즈마를 유도하는 전극이 회전할 수 있으므로 반응챔버 내부에서의 플라즈마영역이 그만큼 광범위하여 가스의 전환율이 높고, 특히 상기 전극의 회전속도를 조절할 수 있어 원료가스와 플라즈마의 접촉시간을 필요에 따라 얼마든지 조절하여 전환율은 물론 반응 결과물의 선택도를 제어할 수 있는 플라즈마를 이용한 가스전환장치 및 가스전환방법을 제공함에 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and since the electrode for inducing plasma can rotate, the plasma region inside the reaction chamber is so wide that the gas conversion rate is high, and in particular, the rotational speed of the electrode can be adjusted. It is an object of the present invention to provide a gas converting apparatus and a gas converting method using a plasma capable of controlling the conversion rate as well as the selectivity of the reaction product by adjusting the contact time of the gas and the plasma as necessary.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마를 이용한 가스전환장치는, 밀폐된 내부공간을 제공하며 그 일측에는 배기구가 마련되어 있는 반응챔버와; 상기 반응챔버의 상부에 설치되고 외부로부터 공급된 원료가스를 반응챔버 내부로 하향 분사하는 노즐과; 상기 반응챔버의 내부에 상호 이격된 상태로 회전 가능하게 설치되되, 회전중심축을 중심으로 대칭을 이루고 상기 회전 중심축이 상기 노즐의 연직 하부에 위치하게 배치되는 양전극판 및 음전극판을 구비한 플라즈마발생부와; 상기 양전극판 및 음전극판에 양극전기와 음극전기를 각각 공급하여 그 사이에 플라즈마를 유도함으로써, 노즐을 통해 하향 분사되어 양전극판과 음전극판 사이를 통과하는 원료가스가 플라즈마로부터 에너지를 제공받아 전환(conversion)되게 하는 전원과; 상기 플라즈마발생부의 양전극판과 음전극판을 상기 회전중심축을 기준으로 회전시켜 양전극판과 음전극판이 이격된 상태로 회전중심축을 중심으로 공전(公轉)하게 하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 양전극판과 음전극판은 상기 회전중심축을 중심으로 대칭을 이루며, 양전극판과 음전극판의 간격은, 전극판 하단부간의 간격이 상단부간의 간격보다 큰 것을 특징으로 한다.Gas conversion device using the plasma of the present invention for achieving the above object, the reaction chamber provides a closed inner space and the exhaust port is provided on one side; A nozzle installed at an upper portion of the reaction chamber and injecting a source gas supplied from the outside into the reaction chamber; Plasma is rotatably installed in the reaction chamber, spaced apart from each other, symmetrical about a rotation center axis, and a plasma generation having a positive electrode plate and a negative electrode plate disposed so that the rotation center axis is positioned vertically below the nozzle. Wealth; By supplying positive and negative electrodes to the positive electrode plate and the negative electrode plate, respectively, and inducing a plasma therebetween, the source gas which is injected downward through the nozzle and passes between the positive electrode plate and the negative electrode plate receives energy from the plasma and is converted ( a power supply for conversion; And a driving unit configured to rotate the positive electrode plate and the negative electrode plate of the plasma generation unit based on the rotation center axis to revolve around the rotation center axis in a state where the positive electrode plate and the negative electrode plate are spaced apart from each other.
In addition, the positive electrode plate and the negative electrode plate is symmetrical about the center of rotation, the distance between the positive electrode plate and the negative electrode plate, characterized in that the interval between the lower end of the electrode plate is larger than the interval between the upper end.
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아울러, 상기 플라즈마발생부의 하부에는 노즐을 통해 반응챔버 내부로 분사되어 플라즈마발생부를 통과한 가스의 온도를 조절하는 열교환부가 더 구비된 것을 특징으로 한다.In addition, the lower portion of the plasma generating unit is further characterized in that the heat exchanger is injected into the reaction chamber through the nozzle to control the temperature of the gas passing through the plasma generating unit.
또한, 상기 구동부는; 상기 양전극판과 음전극판을 이격된 상태로 고정 지지하는 절연성 지지로드와, 상기 지지로드의 중심부에 고정되며 반응챔버 외부로 연장되는 샤프트와, 상기 샤프트를 축회전시키는 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the driving unit; And an insulating support rod fixedly supporting the positive electrode plate and the negative electrode plate in a spaced apart state, a shaft fixed to the center of the support rod and extending out of the reaction chamber, and a motor for axially rotating the shaft. .
또한, 상기 반응챔버는 원통의 형태를 취하며, 그 내벽면에는 상기 양전극판를 지지하며 회전운동을 가이드하는 전도성 제 1가이드레일과, 음전극판을 지지하며 그 회전운동을 가이드하는 전도성 제 2가이드레일이 구비되고, 상기 제 1,2가이드레일은 각 전극판에 전기를 전달할 수 있도록 전력선을 통해 상기 전원에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 한다.In addition, the reaction chamber takes the form of a cylinder, the inner wall surface of the conductive first guide rail for supporting the positive electrode plate and guides the rotational movement, and the conductive second guide rail for supporting the negative electrode plate and guides the rotational movement Is provided, the first and second guide rails are characterized in that it is electrically connected to the power source through a power line to transfer electricity to each electrode plate.
또한, 상기 양전극판과 제 1가이드레일의 사이에는, 양전극판에 고정된 상태로 제 1가이드레일로 연장되며 그 연장단부가 제 1가이드레일에 접하여 가이드되는 지지로드가 구비되고, 상기 음전극판과 제 2가이드레일의 사이에는, 음전극판에 고정된 상태로 제 2가이드레일로 연장되며 그 연장단부가 제 2가이드레일에 접하여 가이드되는 지지로드가 장착되는 것을 특징으로 한다.In addition, between the positive electrode plate and the first guide rail, a supporting rod extending to the first guide rail while being fixed to the positive electrode plate and having an extended end guided in contact with the first guide rail is provided. Between the second guide rail, it is characterized in that the support rod which is extended to the second guide rail fixed to the negative electrode plate, the extension end of which is guided in contact with the second guide rail.
아울러, 상기 제 1,2가이드레일은, 일정단면을 갖는 링의 형태를 취하며 상호 평행하고 그 내향면에는 반응챔버의 중심부를 향하여 개방된 수용홈을 가지며, 상기 각 지지로드의 연장단부에는 상기 수용홈 내부에 끼워지며 수용홈의 내주면에 전기적으로 접속을 이루는 삽입부가 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, the first and second guide rails have a shape of a ring having a predetermined cross section and have receiving grooves parallel to each other and open toward the center of the reaction chamber on the inward surfaces thereof, It is characterized in that the insertion portion is inserted into the receiving groove and makes an electrical connection to the inner peripheral surface of the receiving groove.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가스전환방법은, 밀폐된 내부공간을 제공하며 그 일측에는 배기구가 마련되어 있는 반응챔버와, 상기 반응챔버의 상부에 설치되고 외부로부터 공급된 원료가스를 반응챔버 내부로 하향 분사하는 노즐과, 상기 반응챔버의 내부에 상호 이격된 상태로 회전 가능하게 설치되되, 회전중심축을 중심으로 대칭을 이루고 상기 회전 중심축이 상기 노즐의 연직 하부에 위치하게 배치되는 양전극판 및 음전극판을 구비한 플라즈마발생부와, 상기 양전극판 및 음전극판에 양극전기와 음극전기를 각각 공급하여 양전극판과 음전극판의 사이에 플라즈마를 유도하는 전원과, 상기 플라즈마발생부의 양전극판과 음전극판을 상기 회전중심축을 중심으로 회전시켜 양전극판과 음전극판이 이격된 상태로 상기 회전중심축을 기준으로 공전(公轉)하게 하는 구동부를 포함하는 가스전환장치를 이용하여, 외부로부터 공급된 원료가스를 전환시키기 위한 것으로,
상기 구동부를 통해 양전극판 및 음전극판을 회전중심축을 중심으로 소정 속도로 공전시키는 전극판회전단계와; 상기 양전극판과 음전극판에 양극과 음극의 전기를 가하여 전극판 사이에 플라즈마를 유도하는 전력인가단계와;상기 노즐을 통해 원료가스를 양전극판과 음전극판의 사이로 하향 분사하여 원료가스가 플라즈마영역을 통과하도록 함으로써 가스의 분자구조를 전환(conversion)시키는 원료가스분사단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the gas conversion method of the present invention for achieving the above object, provides a sealed inner space and one side of the reaction chamber is provided with an exhaust port, the reaction gas is installed on top of the reaction chamber and supplied from the outside A nozzle which is sprayed downward into the chamber and rotatably installed in the reaction chamber, spaced apart from each other, symmetrical about a center of rotation axis, and a positive electrode disposed such that the center of rotation is located vertically below the nozzle A plasma generating unit including a plate and a negative electrode plate, a power source for supplying a positive electrode and a negative electrode to the positive electrode plate and the negative electrode plate, respectively, to induce plasma between the positive electrode plate and the negative electrode plate, and the positive electrode plate of the plasma generating unit; Rotate the negative electrode plate about the center of rotation axis to rotate the center of the axis with the positive electrode plate and the negative electrode plate spaced apart It is for converting the raw material gas supplied from the outside by using a gas conversion device including a drive unit to be idle as a reference,
An electrode plate rotating step of revolving the positive electrode plate and the negative electrode plate at a predetermined speed about the rotation center axis through the driving unit; Applying electric power of an anode and a cathode to the positive electrode plate and the negative electrode plate to induce a plasma between the electrode plates; and spraying the source gas downward between the positive electrode plate and the negative electrode plate through the nozzles, and thus the source gas forms a plasma region. It characterized in that it comprises a source gas injection step of converting the molecular structure of the gas by passing through.
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이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, one embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 가스전환장치의 전체적인 구성을 도시한 구성도이다.3 is a block diagram showing the overall configuration of a gas conversion device using a plasma according to an embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 가스전환장치(40)는, 원통형 내부공간을 제공하는 반응챔버(42)와, 상기 반응챔버(42)의 내부에 회전 가능하게 설치되는 음전극판(48) 및 양전극판(50)과, 상기 전극판(48,50)의 하부에 설치되며 반응후의 가스를 냉각하는 열교환기(68)와, 상기 전극판(48,50)의 회전운동을 가이드하는 제 1,2가이드레일(51,52)과, 전극판(48,50)에 전기를 인가하는 전원(24)과, 상기 반응챔버(42) 내부에 원료가스를 분사하는 노즐(44)을 포함하여 구성된다.Referring to the drawings, the
먼저, 상기 반응챔버(42)는 원통의 형태를 갖는 측벽(42b)과, 상기 측벽(42b)의 상하부에 밀폐 고정되는 상판(42a) 및 하판(42c)으로 이루어진다. First, the
또한 상기 측벽(42b)의 하측부에는 배기구(46)가 마련되어 있다. 상기 배기구(46)는 반응챔버(42) 내부로 분사된 가스가 외부로 배출되는 통로이다. 아울러 상기 상판(42a)의 중앙부에는 노즐(44)이 구비되어 있다. 상기 노즐(44)은 외부로부터 제공된 원료가스를 반응챔버(42) 내부(보다 정확하게는 양전극판(50)과 음전극판(48)의 사이공간)로 분사하는 역할을 한다.In addition, an
특히 상기 반응챔버(42)는 세라믹이나 합성수지 등을 포함하는 비전도성 재질로 제작한다.In particular, the
한편, 상기 제 1,2가이드레일(51,52)은 도 4에 도시한 바와같이 측벽(42b)의 내주면에 상호 평행하게 고정된 상태로 각자의 음전극판(48)과 양전극판(50)을 지지하며 그 회전운동을 가이드 한다. Meanwhile, as shown in FIG. 4, the first and
또한 상기 제 1,2가이드레일(51,52)은 원주방향으로 동일한 단면형상을 가지며 그 내향면에는 수용홈(51a,52a)이 형성되어 있다. 상기 수용홈(51a,52a)은 후술 할 지지로드(54)의 연장 단부인 삽입부(54a)를 수용 지지하는 홈으로서 반응챔버(42)의 내측으로 개방되어 있다.In addition, the first and
특히 상기 제 1,2가이드레일(51,52)은 각각의 커넥터(56)를 통해 외부의 전력선(26)에 전기적으로 접속한다. 상기 각 커넥터(56)는 전도성 부재로서 그 일단이 상기 제 1,2가이드레일(51,52)에 각자 접속한 상태로 반응챔버(42) 외부로 연장되어 전력선(26)에 연결되는 것이다. 따라서 전원(24)의 전기는 전력선(26)과 각 커넥터(56)을 통해 제 1가이드레일(51)과 제 2가이드레일(52)로 공급될 수 있는 것이다.In particular, the first and
아울러 상기 제 1,2가이드레일(51,52)에 지지되는 음전극판(48) 및 양전극판(50)은 소정두께를 갖는 판상 부재로서 수직으로 세워진 상태로 상호 이격된다. 특히 상기 음전극판(48) 및 양전극판(50)의 대향면은 하부로 갈수록 멀어지는 방향으로 만곡되어 있다. In addition, the
이와같이 전극판(48,50) 상단부의 간격(D1)보다 하단부의 간격(D2)을 크게 한 것은, 전극판(48,50) 상단부에서는 강한 아크가 발생하여 전자온도와 이온온도가 같은 열플라즈마(thermal plasma)가 발생하도록 하며, 하단부에서는 전자온도는 유지되지만 이온온도는 빠르게 냉각됨으로써 비열플라즈마(nonthermal plasma)가 발생되도록 의도된 것이다. 아울러 전극 대향면을 만곡시킴으로써 하부로 유동하는 가스의 유동저항을 최소화 할 수 있다.In this way, the gap D2 at the lower end portion is larger than the gap D1 at the upper end portions of the
상기 전극으로 사용되는 재료는 전기전도성과 내마모성이 좋아야 하며 예컨대 탄탈륨이나 몰리브덴 또는 텅스텐을 예로 들 수 있다.The material used as the electrode should have good electrical conductivity and abrasion resistance, such as tantalum, molybdenum or tungsten.
또한 상기 음전극판(48)의 상단부 외측에는 지지로드(54)가 고정된다. 상기 지지로드(54)는 제 1가이드레일(51)과 음전극판(48)을 전기적으로 접속시키기 위한 커넥터로서 고정나사(55)를 통해 음전극판(48)에 고정된 상태로 수평 연장되어 그 선단부가 제 1가이드레일(51)의 수용홈(51a)에 수용 지지된다. (도 5 참조)In addition, the
특히 상기 지지로드(54) 선단의 삽입부(54a)는 수용홈(51a)에 수용된 상태로 제 1가이드레일(51)의 길이방향을 따라 슬라이딩 가능함과 동시에 제 1가이드레일(51)로부터 전기를 전달받을 수 있다. 이를 위해 상기 수용홈(51a) 내주면에 전도성 윤활제를 도포함이 좋다.In particular, the
상기 음전극판(48)과 마찬가지로 양전극판(50)의 외측부에도 지지로드(54)가 수평으로 고정된다. 상기 지지로드(54)는 제 2가이드레일(52)측으로 연장되어 그 수용홈(52a) 내부에 삽입된다. 상기 지지로드(54) 연장단부인 삽입부(54a)가 상기 수용홈(52a)에 끼워진 상태로 가이드레일(52)에 전기적으로 접속됨은 물론이다. 아울러 상기 수용홈(52a)의 내주면에 전도성 윤활제를 도포함이 좋다.Like the
한편, 상기 전극판(48,50)을 수직으로 고정한 상태로 회전 가능하게 지지하는 것으로서, 그 양단부에 홀더(58)를 갖는 지지로드(60)와, 상기 지지로드(60)의 중심부에 고정되며 반응챔버(42)의 외부로 연장되는 구동샤프트(62)와, 상기 구동샤프트(62)를 축회전 시키는 모터(64)가 구비된다.Meanwhile, the
상기 지지로드(60)는 도 6에 도시한 바와같이 마치 비행기의 날개와 같이 납작하며 그 양측 에지부는 유선형으로 형성된 수평 막대이다. 지지로드(60)를 이와같이 납작하고 또한 양측 에지부를 유선형으로 형성한 것은 회전시 와류를 최대한 방지하기 위한 것이다.As shown in FIG. 6, the supporting
상기 지지로드(60)의 양단부에 구비되는 홀더(58)는 도 6에 도시한 바와같이 대략 ㄷ 자의 단면 형태를 갖는 부재로서 그 내부 영역에 각 전극판(48,50)의 하단부를 수용하여 고정한다. 결국 각 전극판(48,50)은 각자의 홀더(58) 및 가이드레일(51,52)에 지지되어 수직으로 대기한 상태로 가이드레일(51,52)에 가이드되며 회전 가능한 것이다.As shown in FIG. 6, the
상기 지지로드(60)를 회전시키는 구동샤프트(62)는 통상적인 전동샤프트로서 하판(42c)을 통과하여 반응챔버(42) 외부로 연장된다. 상기 하판(42c)과 구동샤프트(62)의 사이에는 베어링이 구비되며 별도의 밀폐장치(미도시)가 부가된다.The
상기 구동샤프트(62)와 모터(64)는 벨트(66)로 동력 이음된다. 상기 벨트(66)를 걸 수 있도록 구동샤프트(62)와 모터의 구동축에는 풀리(62a,64a)가 각각 고정됨은 물론이다.The
또한 상기 열교환기(68)는 지지로드(60)의 하부에 설치되어 전극판(48,50)의 사이에 유도된 플라즈마 영역을 하향 통과한 가스의 온도를 조절한다. 이를 위해 상기 열교환기(68)의 내부에 냉각수를 통과시키기 위한 냉각수파이프(70)가 구비된다. 상기 냉각수파이프(70)는 열교환기(68)를 통해 냉각수를 순환시키는 것으로서 반응챔버(42)의 외부로 연장되어 있다. 상기 냉각수파이프(70)에 펌프를 부가하여야 함은 물론이다.In addition, the
도 4는 상기 도 3에 도시한 반응챔버의 측벽 및 레일을 별도로 도시한 절제 사시도이다.4 is a cutaway perspective view of the side wall and the rail of the reaction chamber shown in FIG. 3 separately.
도시한 바와같이, 상기 측벽(42b)은 원통의 형태를 취하며, 그 내주면에 제 1가이드레일(51)과 제 2가이드레일(52)을 갖는다. 상기한 바와같이 제 1가이드레일(51)과 제 2가이드레일(52)은 서로에 대해 평행하며 각자의 내향면에 수용홈(51a,52a)을 가져 상기한 지지로드(54)의 삽입부(54a)를 수용한다.As shown, the
특히 상기 수용홈(51a,52a)의 입구부는 약간 오므라진 형태를 취한다. 즉 수용홈(51a,52a) 내부의 최대 내경(z1)보다 입구부의 간격(z2)이 약간 작아 상기 삽입부(54a)를 그 내부에 가두어 둘 수 있다. 물론 수용홈(51a,52a)으로부터 지지로드(54)를 힘을 가하여 당기면 빠질 수 있다. 이와같이 입구부의 간격이 좁으므로, 억지끼움방식을 통해 지지로드(54)를 제 1,2가이드레일(51,52)에 끼운다.In particular, the inlet portion of the receiving groove (51a, 52a) takes a slightly concave form. That is, the gap z2 of the inlet portion is slightly smaller than the maximum inner diameter z1 in the
그러나 상기 지지레일에 형성되는 수용홈의 형식이나 지지로드의 끼움방식은 레일이 전극판을 지지할 수 있는 한도 내에서 얼마든지 변경 가능하다.However, the type of receiving groove formed in the support rail or the way of fitting the support rod can be changed as long as the rail can support the electrode plate.
도 5는 상기 도 3에 도시한 전극의 일부를 도시한 절제 사시도이다.5 is a cutaway perspective view of a part of the electrode illustrated in FIG. 3.
도시한 바와같이, 지지로드(54)가 전극판(48,50)의 외측 테두리부에 끼워진 상태로 고정나사(55)를 통해 고정되어 있음을 알 수 있다. 상기 지지로드(54)는 전도성 금속으로 제작되며 마모시 쉽게 교체될 수 있도록 고정나사(55)로 장착되는 것이다. As shown, it can be seen that the
특히 상기 지지로드(54)는 제 1가이드레일(51)이나 제 2가이드레일(52)보다 약한 내마모성을 가져야 한다. 이는 가이드레일(51,52)과 지지로드(54)와의 마찰시 가이드레일(51,52)의 마모를 방지하기 위한 것이다. In particular, the
도 6은 상기 도 3에 도시한 구동부 및 이에 대한 전극의 고정 원리를 설명하 기 위하여 도시한 절제 분해 사시도이다.FIG. 6 is an exploded perspective view illustrating the driving principle and the fixing principle of the electrode shown in FIG. 3.
도면을 참조하면, 상기 구동샤프트(62)의 상단부에 지지로드(60)가 고정되어 있음을 알 수 있다. 상기 구동샤프트(62)는 지지로드(60)의 중심부에 고정되어 마치 교반날개를 돌리는 것처럼 지지로드(60)를 회전시킨다. 상기 구동샤프트(62)나 지지로드(60)는 비전도체로 제작함이 좋다.Referring to the drawings, it can be seen that the
특히 상기한 바와같이 지지로드(60)는 납작하며 양측의 에지라인이 유선형으로 형성되므로 회전시 반응챔버(42) 내부에 와류를 발생시키지 않고 하부로 이동하는 가스의 하향 흐름을 방해하지 않는다.In particular, as described above, since the
상기 지지로드(60)의 양단부에 구비되는 전극홀더(58)는 그 내부에 끼움공간(58b)을 갖는 강성부재로서 상기 전극판(48,50)의 하단부를 수용 고정한다. 또한 상기 전극판(48,50)과 전극홀더(58) 내벽면의 사이에는 절연실드(72)가 끼워진다. The
상기 절연실드(72)는 고무나 합성수지로 성형 제작된 부재로서 각 전극판(48,50)의 하단부를 커버하여 전극판(48,50)과 전극홀더(58)를 절연시키는 것이다. 그러나 상기 전극홀더(58)나 지지로드(60) 또는 구동샤프트(62) 중 어느 하나라도 비전도체로 제작된 경우 상기 절연실드(72)는 불필요하다.The insulating
여하튼 상기 전극홀더(58)에 전극판(48,50)을 고정시키기 위해서, 상기 전극홀더(58)에는 볼트구멍(58a)이 형성되어 있고, 절연실드(72)와 전극판에도 각각 관통구멍(72a,48a,50a)이 형성되어 있다. 따라서 상기 전극홀더(58)에 전극판(48,50)의 하단부를 삽입하되 각 구멍을 맞춘 후 볼트(74a)를 통과시키고 반대편에서 너트(74b)를 죄면 각 전극홀더(58)에 대한 전극판의 장착이 완료된다.In any case, in order to fix the
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스전환장치에 적용할 수 있는 다른 형태의 전극판을 예를 들어 도시한 사시도이다.7 and 8 are perspective views illustrating another example of the electrode plate applicable to the gas switching device according to an embodiment of the present invention.
도 7 및 도 8에 도시한 바와같이 각 전극판(76,78)은 수직으로 세워지고 그 상단부간의 간격보다 하단부 간의 간격이 더 넓음을 알 수 있다.As shown in FIGS. 7 and 8, the
이와같이 전극판(76,78) 상단부의 간격보다 하단부의 간격을 넓게 한 것은, 상기한 바와같이 전극판(76,78) 상단부에서는 열플라즈마(thermal plasma)가 발생하도록 하며, 하단부에서는 비열플라즈마(nonthermal plasma)가 발생되도록 한 것이다. 본 실시예에 있어서 전극판의 형식은 얼마든지 변경 가능함은 물론이다.The wider gap at the lower end than the gap at the upper end of the
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 가스전환장치의 동작은 다음과 같이 이루어진다. Operation of the gas switching device according to the present embodiment configured as described above is made as follows.
먼저 상기 모터(64)를 구동하여 구동샤프트(62)를 통해 전극판(48,50)을 회전시킨다. 이 때 각 전극판(48,50)은 각자의 지지로드(54)와 가이드레일(51,52)과 커넥터(56)와 전력선(26)을 통해 전원에 접속되어 있는 상태이다. 상기 구동샤프트(62)의 회전속도는 필요에 따라 달라지며 예컨대 350RPM 정도의 속도로 회전시킬 수 있다.First, the
또한 상기한 바와같이 음전극판(48)과 양전극판(50)은 상호 이격되어 있고, 그 회전중심축이 노즐(44)의 연직 하부에 위치하므로, 노즐(44)을 통해 원료가스를 하향 분사하면 원료가스는 화살표 s방향을 따라 음전극판(48)과 양전극판(50)의 사이로 유입한다.In addition, as described above, since the
상기 전극판(48,50)을 회전시킴과 동시에 전원(24)을 가동하여 음전극판(48) 에 음극전기를 양전극판(50)에 양극전기를 인가한다. 상기와 같이 전기가 인가되면 음전극판(48)과 양전극판(50)의 사이에 플라즈마(P)가 유도되고 상기 플라즈마(P)는 원료가스가 통과할 플라즈마영역을 이룬다.The
특히 상기 전극판(48,50)이 회전하고 있으므로 플라즈마영역은 (그 경사면이 오목한) 원추 형태를 취한다. 상기 원추형 공간은 전극판을 고속회전 하였을 때 전극판 사이에 구획되는 공간이다.In particular, since the
상기한 종래 가스전환장치(도 1의 12)의 경우 플라즈마영역이 음전극판(20)과 양전극판(22)의 사이공간에만 국한되므로 공급된 원료가스의 대부분이 플라즈마영역 바깥으로 흘러가 외부로 배출되지만, 본 실시예의 경우 플라즈마영역이 (전극판(48,50)의 회전에 의해) 그만큼 넓으므로 화살표 s방향으로 이동하는 원료가스는 거의 대부분 플라즈마영역을 통과한다.In the case of the conventional gas switching device (12 of FIG. 1), since the plasma region is limited to only the space between the
한편 상기 (원추형) 플라즈마영역 내부의 평균 플라즈마 밀도는, 전극판(48,50)의 회전속도와 관계하고 있다. 전극판(48,50)의 회전속도를 증가시키면 상기 플라즈마 영역 내부의 평균 플라즈마 밀도는 상승하고, 회전속도를 느리게 하면 그만큼 플라즈마 밀도가 작아지는 것이다. On the other hand, the average plasma density inside the (conical) plasma region is related to the rotation speeds of the
플라즈마 밀도가 증가한다는 것은 플라즈마 영역을 통과하는 원료가스가 플라즈마와 접촉할 기회가 많아진다는 의미로서, 일정유속으로 배기구(46)로 향하는 가스가 플라즈마와 접촉하는 총접촉시간이 길어진다는 뜻이다.Increasing the plasma density means that the source gas passing through the plasma region has a greater chance of contact with the plasma, which means that the total contact time for the gas destined for the
알려진 바와같이, 원료가스의 반응에 있어서 반응 후 생성물은 원료가스와 플라즈마와의 접촉시간에 따라 달라지게 된다. 이는 반응 시간을 조절하게 되면 반 응생성물의 조성이 바뀌게 됨을 의미한다. 예컨데 메탄이 플라즈마 영역에서 계속 머물러 있게 되면 탄소(carbon particles)와 수소(H2)로 완전 분해된다.As is known, in the reaction of the source gas, the product after the reaction depends on the contact time between the source gas and the plasma. This means that adjusting the reaction time changes the composition of the reaction product. For example, if methane stays in the plasma region, it is completely decomposed into carbon particles and hydrogen (H2).
결국 상기와 같이 전극판(48,50)의 회전속도를 조절함으로써 플라즈마에 대한 원료가스의 반응시간을 제어할 수 있고, 그에 따라 원하는 조성을 갖는 반응 결과물을 얻을 수 있게 된다.As a result, the reaction time of the source gas to the plasma can be controlled by adjusting the rotational speeds of the
상기 과정을 통해 얻어진 반응결과물은 열교환기(68)를 통과하며 냉각되어 안정화 된 후 배기구(46)를 통해 외부로 배출된다.The reaction product obtained through the above process is cooled through the
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail through the specific Example, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible for a person with ordinary knowledge within the scope of the technical idea of this invention.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 플라즈마를 유도하는 전극이 회전할 수 있으므로 반응챔버 내부에서의 플라즈마영역이 그만큼 광범위하여 가스의 전환율이 높고, 특히 상기 전극의 회전속도를 조절할 수 있어 원료가스와 플라즈마의 접촉시간을 필요에 따라 얼마든지 조절하여 전환율은 물론 반응 결과물의 선택도를 제어할 수 있다.According to the present invention as described above, since the electrode for inducing the plasma can rotate, the plasma region inside the reaction chamber is so wide that the gas conversion rate is high, and in particular, the rotational speed of the electrode can be adjusted, so that The contact time can be adjusted as needed to control conversion and selectivity of the reaction product.
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KR20010106788A (en) * | 2000-05-23 | 2001-12-07 | 백홍구 | rotating electrode plasma apparatus and synthesis method of carbon nano material using the same |
JP2005093361A (en) * | 2003-09-19 | 2005-04-07 | Aisin Seiki Co Ltd | Rotary plasma reactor |
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- 2005-09-30 KR KR1020050092158A patent/KR100828718B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
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