KR100965491B1 - 복합 플라스마 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복합 플라스마 발생장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 코로나 방전으로 이온화된 기체에 전자기파를 가함과 동시에 수소-산소 기체를 분사함으로써 간단한 구조로도 큰 화력을 발생시키고, 또한 전자기파가 흐르는 도파로를 피보나치 수열에 따른 나선형 곡선상으로 설계하여 전자기파가 코로나 방전으로 이온화된 기체에 집중 조사되게 하며, 나아가 해수(海水)를 기화시킨 증기를 분사함으로써 폭발력을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 복합 플라스마 발생장치가 제공된다.
코로나, 방전, 플라스마, 전자기파, 파라하이드로겐(parahydrogen)

Description

복합 플라스마 발생장치{COMPLEX PLASMA GENERATING DEVICE}
본 발명은 기체 분사환경 하에서 2개의 전극에 전압을 가하여 발생하는 코로나 방전으로 이온화된 기체에 전자기파를 가함과 동시에 수소-산소 기체를 분사하여 화력을 증대시킴으로써 석유나 석탄과 같은 화석연료를 대체한 열원으로 사용할 수 있게 하는 복합 플라스마 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 코로나방전은 기체 환경 하에서 발생한 방전의 하나로, 2개의 전극에 교류 혹은 직류 전압을 인가하면 기체가 전리(電離)를 일으키며 부분적인 방전이 일어나는 현상을 말한다.
코로나방전의 응용 분야는 매우 다양한데, 그 예로 국내 등록특허 제 10-0239017호는 전기장(rapidly oscillating electric field)에 의해 생성되는 코로나 방전(corona discharge)을 사용하는 실내 공기 처리 장치(indoor air treatment apparatus)에 적용하거나 또는 국내 등록특허 제 10-0194975호는 전압에 의해 방전되는 코로나에 의해 기체를 플라스마 형태로 형성하는 코로나 방전장치를 이용한 배기가스 정화장치를 개시하고 있다.
이와 같이 코로나방전은 공기의 유해물질을 분해, 처리하는데 주로 사용되고 있으며, 때로는 금속 혹은 합성수지 표면의 개질을 변화시키는데에도 적용하고 있다.
한편, 전자기파 혹은 마이크로파는 라디오파와 적외선 사이의 파장을 가진 전자기파에 클라이스트론과 마그네트론에 의해 발생되는 파장이 1㎜와 10cm 사이(라디오파보다는 작고 적외선보다는 큰 파장)의 전자기 방사를 의미하며, 그 용도는 전자렌지와 같이 어떠한 대상물을 가열하거나 건조하는데 주로 사용되며, 일종의 토치와 같은 점화장치로 사용되는 경우도 있다.
그러나 순수 전자기파에 의한 점화장치는 전자기파 발생장치의 규모에 따라 화력이 결정되기 때문에 예컨대 폐기물을 용융 처리하는 등의 대형 시스템에 적용하기 위해서는 대단히 큰 규모의 전자기파 발생장치가 요구되어 채산성이 없다는 결점이 있다.
따라서 소형이면서 저가의 장치로 큰 화력과 높은 온도의 화염을 발생시킬 수 있도록 하는 플라스마 발생장치가 요구되고 있는 실정이다.
이에 따라 본 발명의 목적은 기체 분사환경 하에서 2개의 전극에 전압을 가하여 발생하는 코로나 방전으로 이온화된 기체에 전자기파를 가함과 동시에 수소-산소 기체를 분사함으로써 간단한 구조로도 큰 화력을 발생시켜서 석유나 석탄과 같은 화석연료를 대체한 열원으로 사용할 수 있게 하는 복합 플라스마 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전자기파가 흐르는 도파로를 피보나치 수열에 따른 나선형 곡선상으로 설계하여 전자기파가 코로나 방전으로 이온화된 기체에 집중 조사되게 하고, 또한 해수(海水)를 기화시킨 증기를 분사함으로써 폭발력을 더욱 향상시킨 복합 플라스마 발생장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 일정 길이의 하우징(11) 내부에 공기가 주입되고, 상기 하우징 중앙 및 내벽에 각각 전극이 상호 이격 설치된 코로나방전부(10)와, 전자기파가 흐르는 도파로(22) 일측에 축홀(23)이 형성되고, 상기 하우징(11)의 단부가 상기 축홀(23)에 수직 결합된 전자기파발생부(20)와, 연소용 기체를 생성하는 연소용 기체발생기(30)와, 상기 축홀(23)과 연통하는 화염방사구(19) 내측에 점화용 점화플러그(18)가 설치되고, 상기 점화플러그 주변으로 연소용 기체를 분사하는 가스분사기(50)의 결합으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직한 형태로서, 상기 축홀(23)은 일정 길이를 가진 도파로(22)에 대해 편심 위치에 형성되고 상기 도파로(22)는 축홀(23) 방향으로 나선형 곡선상으로 형성되되, 상기 나선형 곡선은 피보나치 수열에 따른 곡면으로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 코로나 방전으로 이온화된 기체에 전자기파를 가함과 동시에 수소-산소 기체를 분사함으로써 간단한 구조로도 큰 화력이 발생하여 가열로 혹은 용융로에 적용할 경우 저가의 비용으로 고효율을 창출할 수 있는 이점이 있다.
또한, 도파로를 피보나치 수열에 따른 나선형 곡선상으로 설계하여 전자기파가 코로나 방전으로 이온화된 기체에 집중 조사되게 하고, 또한 해수(海水)를 기화시킨 증기를 분사함으로써 폭발력을 더욱 향상시킬 수 있으며, 이 경우 대형 가열로나 용융로에 적용이 가능하다는 이점이 있다.
더욱이 본 발명의 플라스마 발생장치에 의하면 화염이 석유나 석탄과 같은 화석연료를 연소시킬 필요가 없으므로 에 점차 고갈되어가는 에너지 자원을 절약할 수 있을 뿐 아니라 연소에 따른 이산화탄소 등의 유해가스를 배출하지 않으므로 환경오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타낸 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하며, 예시된 도면의 구조는 본 발명의 바람직한 형태를 보인 일 실시 형태일 뿐 본 발명을 제한하는 것으로 의도된 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 플라스마 발생장치의 요부 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 복합 플라스마 발생장치의 요부 조립 사시도이다. 또한 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합 플라스마 발생장치의 작동 상태를 보인 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 코로나방전부의 평면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 전자기파발생부의 도파로 형태를 보인 평면도이다.
먼저 도 1 내지 도 3을 참조하는 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 따르면 본 발명의 복합 플라스마 발생장치는 크게 코로나방전부(10)와 전자기파발생부(20), 연소용 기체발생부(30) 및 가스분사기(50)로 분리될 수 있으며, 상기 전자기파발생부(20)의 도파로(22)는 도 5와 같이 직선 혹은 곡선상으로 이루어질 수 있는데 이에 대해서는 후술하여 더욱 상세히 설명한다.
상기 코로나방전부(10)는 일정 길이를 가진 하우징(11)을 포함하고, 상기 하우징(11)의 일측(상부)에는 하우징(11) 내부에 공기를 주입하는 용도로 적어도 하나 이상의 에어분사기(12)가 설치되며 타측(하부) 하단에는 플랜지(11')가 형성되어 전자기파발생부(20)의 축홀(23) 상단에 위치한 플랜지(22')와 볼트 등의 고정수단에 의해서 상호 체결된다.
이때 도 3과 같이 상기 에어분사기(12)는 하우징(11)의 중심측으로 하향 경사지게 되어 있고, 도 4를 참조하는 바와 같이 평면상으로는 중심에서 편심되도록 설치되어 있기 때문에 에어분사기(12)를 통해 주입되는 공기는 하우징(11) 내에서 회오리치듯 회전하면서 아래 방향으로 흐르게 된다.
상기 하우징(11)의 상단 중심에는 전극봉(13)이 하우징 내측으로 관통하여 나사 체결되고, 상기 하우징(11)의 내부 중심에는 제1전극(14)이 형성되는데, 상기 전극봉(13)과 제1전극(14)은 전기적으로 서로 연결되어 있다.
또한 하우징(11)의 내벽에는 상기 제1전극(14)과 일정 거리 이격 설치된 제2전극(16)이 형성되며, 상기 제2전극(16)은 하우징(11)의 측면에서 관통한 전극(16')을 통해 통전(通電)된다. 이때 상기 하우징 내벽의 제2전극(16) 내면에는 석영관(15)이 설치되는 한편, 상기 제2전극(16)과 하우징(11) 내벽 사이에는 절연체(17)가 개재되어 제2전극(16)과 하우징(11)을 절연시킨다.
상기 전자기파발생부(20)는 일측에 전자기파(M)를 생성하는 전자기파발생기(21)가 설치되고 타측에는 상기 하우징(11)이 결합되는 축홀(23)이 위치한다. 이때 상기 전자기파발생기(21)는 적어도 하나, 또는 도시된 바와 같이 2개는 물론 복수 개 설치될 수 있으며, 복수 개 설치되는 경우 각 전자기파발생기(21)에서 생성된 전자기파가 도파로(22)를 경유하여 축홀(23) 내부의 하부 석영관(15)에 도달하기까지 상호 분리되도록 하기 위해 도파로(22)를 상/하로 분리하는 격벽(26)을 설치할 수 있으며, 이 경우 작은 용량의 전자기파발생기(21)가 복수 개 설치되어 있어 비용이나 소형화 측면에서 바람직하다.
상기 도파로(22)는 전자기파발생기(21)에서 생성된 전자기파(M)를 축홀(23)로 이동시키는 관로로써 상기 축홀(23)의 주변에는 하우징(11) 내면에 설치된 상부 석영관(15)과 별도로 하부 석영관(15)이 설치된다. 즉 상기 석영관(15)은 하우징(11) 내부에 설치된 상부 석영관(15)과 도파로(22) 상의 축홀(23)에 설치되는 하부 석영관(15)으로 분리되며, 각 석영관 사이에는 쉴드링(4)과 금속링(5)이 설치된 다.
상기 쉴드링(4)은 세라믹 등으로 된 일종의 절연물로 되어 상부 석영관과 ㅎ하부 석영관을 상호 분리, 절연시키고, 상기 금속링(5)은 하우징(11)과 하부 석영관(15)을 상호 통전시키는 마그네트론 전극이다.
여기서 상기 도파로(22)는 도 5의 (b)와 같이 일반적으로 사용되는 평면상 직선 형태일 수 있으나, 바람직하게는 도 5의 (a)와 같이 평면상 나성형 곡선상으로 형성할 수 있고, 도파로(22)를 나선형 곡선상으로 하는 경우, 상기 곡선은 달팽이관이나 해바라기에서 씨가 배열된 것과 같이 일종의 피보나치 수열에 따른 곡선으로 형성된다.
이 경우 도 5의 (a)와 같이 전자기파(M)가 피보나치 수열에 따른 곡선(24) 면에 부딪혀 반사될 때, 어느 위치라도 축홀(23)의 하부 석영관(15)으로 반사됨을 알 수 있으며, 또한 하부 석영관(15)과 그 주변을 감싸는 도파로(22)가 원형으로 되어 있기 때문에 원형 공간 내에서의 캐비티 공진에 의해 전자기파(M)가 거의 손실되지 않고 석영관(15)으로 집중 조사되어 효율이 증가한다.
또한, 도 3과 같이 상기 도파로(22) 주변에는 냉각수가 순환할 수 있도록 일측에 유입구(61)가 구비되고 또 다른 일측에 유출구(62)가 구비된 냉각수 케이스(60)를 설치하여 상기 전자기파(M)로 인해 발생하는 열을 냉각수가 순환하여 열을 식힐 수 있도록 한다.
한편, 상기 하부 석영관(15)의 하단에는 석영관 고정관(15')이 구비되고 상기 고정관(15')의 외면에는 화염분사구(19)가 설치되어 고정관(15')과 하염분사 구(19)가 상호 나사 체결되며, 상기 화염분사구(19) 외면에는 플랜지(19')가 형성되어 용융로나 가열로 등의 적소에 결합될 수 있도록 한다.
전극봉(13) 하단에 설치된 점화플러그(18)는 불꽃 점화를 위해 설치되는데, 점화플러그(18)는 상기 전극봉(13)에서 연장되도록 하여 전극봉(13)으로부터 전류가 인가되도록 할 수 있고, 전극봉(13)이 제1전극(14) 내부를 관통하여 하부 석영관 내부에 위치하며, 상기 전극봉(13)은 실린더 유압장치 혹은 모터 구동과 같은 공지의 기구적 구동수단에 의해서 상하로 왕복 이동하도록 설치된다.
상기 연소용 기체발생기(30)는 점화플러그(18) 주변으로 분사되는 연소용 기체를 생산하는 장치로서, 도시된 바와 같이 물(W)이 저장된 컨테이너 저부에 적어도 한 쌍이 근접하도록 전극(35)을 설치하고, 상기 전극(35) 주변에 코일(36)을 형성하여서 된 물전기분해방식일 수 있으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
상기 연소용 기체는 예컨대 수소-산소 기체일 수 있고, 또는 파라하이드로겐(횡수소)일 수 있다. 연소용 기체 중 하나인 횡수소는 높은 연소특성을 가진 정수소(orthohydrogen)와 달리 수소의 느린 연소 형태를 가지며, 이러한 특성으로 인해 가스렌지와 같이 요리기구의 화염원으로 사용되기에 적합하며, 본 발명의 연소용 기체는 이에 한정되는 것은 아니며, 연소 가능한 가스이면 그 종류에는 제한이 없다.
상기 연소용 기체발생기(30)가 수소-산소기체를 생산하도록 하는 경우, 예시된 바와 같은 구조의 물 전기분해 방식을 적용할 수 있는데, 이 경우 어떠한 화학촉매제를 첨가하지 않고 물로만 생성할 수 있으므로 제조 및 환경 측면에서 유리하 다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 복합 플라스마 발생장치의 작동 상태를 보인 단면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 복합 플라스마 발생장치에 의해 화염이 발생하는 상태를 촬영한 사진이다.
상기 코로나방전부(10)와 전자기파발생부(20) 및 연소용 기체발생기(30)가 각각 동일 조건일 때, 점화플러그(18) 주변에 해수(海水)를 기화시킨 해수기체를 불어넣으면 화력 및 온도가 상승한다. 즉 해수에는 중수소(heavy hydrogen)나 염분이 다량 함유되어 있기 때문에 이들 성분이 화염을 일으킬 때 폭발력을 더 크게 하므로 화염분사구(19)에서 토출되는 화염이 셀 뿐만 아니라 온도가 상승하게 되는 것이다.
이를 위한 구조는 해수를 기체화시키는 별도의 장치를 마련하여 상기 연소용 기체와 별도의 관로를 통해 점화플러그(18) 주변에 분사되도록 할 수도 있으나, 도 6과 같이 연소용 기체와 결합시켜서 가스분사기(50)를 통해 분사되도록 하는 것도 고려할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 연소용 기체발생기(30)와 연결된 제1배관(31) 단부가 해수조(40) 저부에 침지되어 연소용 기체를 해수조(40) 내에 포화시키도록 제1배관(31) 단부에 적어도 하나의 배기홀(32)이 형성되고, 상기 해수조(40) 상부에서 포화 상승한 연소용 기체를 회수하는 제2배관(41)은 상기 가스분사기(50)와 연결된 것을 알 수 있다.
이와 같이 하면, 연소용 기체는 제1배관(31)을 통해 해수조(40) 바닥 부분까 지 이송되어 배기홀(32)을 통해 해수 내부로 배출되고, 이후 해수 내에서 미세한 기포 형태로 상승, 부유하면서 해수 내에 함유된 중수소 및/또는 염분과 결합된다. 이렇게 해수 기체를 내포한 연소용 기체는 제2배관(41)으로 회수되어 가스분사기(50)로 분사되므로 화염의 화력과 온도가 상승할 수 있다.
이하, 도 3 또는 도 6을 참조하여 본 발명의 작용을 설명하며, 이를 통해 본 발명이 더 구체화될 것이다.
먼저 에어분사기(12)를 통해 공기가 하우징(11) 내로 유입되어 와류되면서 하강할 때, 제1전극(14)과 제2전극(16)이 통전되면서 코로나방전이 발생하며, 따라서 와류 공기는 이온화된다.
이온화 된 공기가 축홀(23)을 경유할 때, 도파로(22)에서 유도된 전자기파(M)에 노출되어 이온화가 가속됨과 동시에 하부 석영관(15) 내부에서 점화플러그(18)가 상하로 왕복 이동함에 따라 고전하 인가로 인해 점화플러그(18)에서 스파크가 발생하여 화염이 발생한다.
이때, 화염분사구(19) 내에 연소용 기체, 예컨대 수소-산소 기체 혹은 횡수소 기체가 분사되므로 가스와 공기가 함께 연소되면서 화염분사구(19) 아래로 강한 불꽃이 발생하게 된다.
본 발명에 따르면 도 7의 사진과 같이 화염분사구(19)를 통해 일어나는 화염은 일반적인 플라스마의 불꽃과 달리 이온화가 가속된 공기에 의해 폭발하므로 불꽃이 크고 고열을 낼 수 있기 때문에 폐기물을 용융하여 재처리하기 위한 용융로 혹은 가열로에 설치 가능하고 이와 같이 하면 석탄이나 석유 등 화석연료를 대체할 수 있게 되어 유리하다.
이상의 설명과 도면에서는 각 구성요소의 성능과 용량 혹은 재질 등을 표기하였으나, 이는 본 발명의 바람직한 일 실시 형태를 보인 도면의 구조로 설명된 것일 뿐, 본 발명은 예시된 구조나 표기에 제한되지 않고, 필요에 따라 설계변경될 수 있는 것이다. 따라서 당업자는 상기 설명된 내용을 참조하여 그것과 동일 내지 균등한 수단으로의 변경이 가능하며, 그러한 변경 내지 치환은 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 복합 플라스마 발생장치의 요부 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 복합 플라스마 발생장치의 요부 조립 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 복합 플라스마 발생장치의 작동 상태를 보인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 코로나방전부의 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전자기파발생부의 도파로 형태를 보인 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 복합 플라스마 발생장치의 작동 상태를 보인 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 복합 플라스마 발생장치에서 화염이 발생한 상태를 보인 사진이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 :
4: 쉴드링 5: 금속판
10: 코로나방전부 11: 하우징
11', 19', 22': 플랜지
12: 에어분사기 13: 전극봉
14: 제1전극 15: 석영관
16: 제2전극 17: 절연체
18: 점화플러그 19: 화염분사구
20: 전자기파 발생부 21: 전자기파 발생기
22: 도파로 23: 축홀
24: 곡선
30: 연소용기체 발생기
31: 제1배관 32: 배기홀
35: 전극 36: 코일
40: 해수(海水)조 41: 제2배관
50: 가스분사기
W: 물 M: 전자기파 S: 해수(海水)

Claims (12)

  1. 일정 길이의 하우징(11) 내부에 공기가 주입되고, 상기 하우징 중앙 및 내벽에 각각 제1전극(14) 및 제2전극(16)이 상호 이격 설치되며 각 전극 사이에 형성된 석영관(15)을 포함하는 코로나방전부(10);
    전자기파가 흐르는 도파로(22) 일측에 축홀(23)이 형성되고, 상기 하우징(11)의 단부가 상기 축홀(23)에 수직 결합되어 축홀(23)에 전자기파가 도달하는 석영관(15)이 관통하여서 된 전자기파발생부(20);
    연소용 기체를 생성하는 연소용 기체발생기(30);
    상기 축홀(23)과 연통하는 화염방사구(19) 내측에 점화용 점화플러그(18)이 설치되고, 상기 점화플러그 주변으로 연소용 기체를 분사하는 가스분사기(50)의 결합으로 이루어지되,
    상기 축홀(23)은 일정 길이를 가진 도파로(22)에 대해 편심 위치에 형성하고 상기 도파로(22)는 축홀(23) 방향으로 나선형 곡선상으로 형성된 것을 특징으로 하는 복합 플라스마 발생장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 나선형 곡선은 피보나치 수열에 따른 곡선인 것을 특징으로 하는 복합 플라스마 발생장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 축홀(23) 주변의 도파로(22)는 전자기파(M)가 공진되도록 원통형으로 형성된 것을 특징으로 하는 복합 플라스마 발생장치.
  5. 제 1항, 제 3항, 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파로(22) 일측의 상/하부에 각각 전자기파발생기(21)가 설치되고, 상기 도파로 내부에 각 전자기파발생기에서 생성된 전자기파(M)를 분리 유도하는 격벽(26)이 형성된 것을 특징으로 하는 복합 플라스마 발생장치.
  6. 제 1항, 제 3항, 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파로(22) 외부에 냉각수가 순환되도록 유입구(61) 및 유출구(62)가 구비된 냉각수 케이스(60)가 설치된 것을 특징으로 하는 복합 플라스마 발생장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 점화플러그(18)은 하우징(10) 중앙의 제1전극(14)을 관통하여 화염방사구(19) 내측까지 연장된 것을 특징으로 하는 복합 플라스마 발생장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 연소용 기체발생기(30)는 물이 저장된 컨테이너 저부에 적어도 한 쌍이 근접하도록 전극(35)을 설치하고, 상기 전극 주변에 코일(36)을 형성하여서 된 물전기분해방식인 것을 특징으로 하는 복합 플라스마 발생장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징(11) 내벽과 제2전극(16) 사이에 절연체(17)가 개재된 것을 특징으로 하는 복합 플라스마 발생장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 점화플러그 주변으로 연소용 기체 외에 해수(海水)를 기화시킨 해수기체를 더 분사하게 된 것을 특징으로 하는 복합 플라스마 발생장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 해수기체는 연소용 기체와 결합되어 가스분사기(50)를 통해 분사되되,
    상기 연소용 기체발생기(30)와 연결된 제1배관(31) 단부가 해수조(40) 저부에 침지되어 연소용 기체를 해수조 내에 포화시키도록 제1배관(31) 단부에 적어도 하나의 배기홀(32)이 형성되고,
    상기 해수조(40) 상부에서 포화 상승한 연소용 기체를 회수하는 제2배관(41)은 상기 가스분사기(50)와 연결된 것을 특징으로 하는 복합 플라스마 발생장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징(11) 내부로 공기를 주입하는 에어분사기(12)는 하우징 중심으로 하향 경사짐과 동시에 중심에 편심 위치로 연결되어 주입되는 공기가 와류되면서 하향 이동하게 된 것을 특징으로 하는 복합 플라스마 발생장치.
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