KR101213997B1 - 수중 방전 장치 - Google Patents

Abstract

수중 방전 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 방전 장치는, 외부 전원을 인가받아 이를 소정 크기의 전압을 가지는 3상 전원으로 변환하여 출력하는 전원 공급부; 상기 전원 공급부로부터 공급된 3상 전원의 전압을 증폭함과 동시에 이를 12상으로 변환하여 출력하는 전압 증폭부; 및 상기 전압 증폭부에서 증폭 및 변환된 12상의 전압을 인가받아 유체 내부에 플라즈마 방전을 일으키는 방전부를 포함한다.

Description

수중 방전 장치{APPARATUS FOR UNDERWATER DISCHARGE}

본 발명은 수중 방전 장치에 관한 것으로, 수중 플라즈마를 이용하여 오염된 물을 정화하기 위한 기술과 관련된다.

최근 들어, 오폐수의 정화 및 박테리아 제거 등을 위한 목적으로 방법들이 연구되고 있다. 이러한 방법들로는, 예를 들어 오존을 이용하는 방법, 오폐수에 염소 등의 화학물질을 첨가하는 방법, 자외선을 이용하는 방법, 열처리를 이용하는 방법 등이 있다.

그러나 이러한 방법 들의 경우 필요로 하는 충분한 정화 성능을 얻을 수 없거나, 오폐수 처리를 위하여 과다한 비용이 필요하거나 또는 예상치 못한 부작용이 나타나는 등의 문제가 있었다. 이에 따라, 최근에는 플라즈마를 이용하여 오폐수를 정화하고 박테리아 등의 미생물을 제거하기 위한 방법에 대한 필요성이 증대되었다.

본 발명의 실시예들은 플라즈마를 이용하여 수중 방전을 일으킴으로서 안정적이고 효과적으로 오폐수를 정화하기 위한 수중 방전 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 방전 장치는, 외부 전원을 인가받아 이를 소정 크기의 전압을 가지는 3상 전원으로 변환하여 출력하는 전원 공급부; 상기 전원 공급부로부터 공급된 3상 전원의 전압을 증폭함과 동시에 이를 12상으로 변환하여 출력하는 전압 증폭부; 및 상기 전압 증폭부에서 증폭 및 변환된 12상의 전압을 인가받아 유체 내부에 플라즈마 방전을 일으키는 방전부를 포함한다.

이때 상기 전압 증폭부는 복수 개의 3상 트랜스포머를 포함할 수 있다.

또한 상기 전압 증폭부는, 상기 전원 공급부에서 공급되는 3상 전원과 동일한 위상의 3상 전압을 출력하는 제1트랜스포머; 상기 제1트랜스포머의 출력 전압보다 30도 늦은 위상의 3상 전압을 출력하는 제2트랜스포머; 상기 제2트랜스포머의 출력 전압보다 30도 늦은 위상의 3상 전압을 출력하는 제3트랜스포머; 및 상기 제3트랜스포머의 출력 전압보다 30도 늦은 위상의 3상 전압을 출력하는 제4트랜스포머를 포함할 수 있다.

이때 상기 제1트랜스포머 및 상기 제3트랜스포머는 와이(Y)-와이(Y) 결선 구조를 가지고, 상기 제2트랜스포머 및 상기 제4트랜스포머는 델타(Δ)-와이(Y) 결선 구조를 가질 수 있다.

한편 상기 방전부는, 속이 빈 원통형으로 구성되며, 상기 유체가 상기 원통의 일단으로 유입되어 타단으로 배출되는 반응기; 및 상기 원통형 몸체의 내부 면에 구비되며, 상기 반응기의 내부로 유입된 유체에 플라즈마 방전을 일으키는 복수 개의 방전 전극을 포함할 수 있다.

이때 상기 방전 전극은, 상기 전압 증폭부의 출력단과 전기적으로 연결되는 금속 팁; 및 상기 금속 팁을 둘러싸는 형태로 구성되며, 상기 금속 팁의 끝 단 보다 일정 길이만큼 돌출되는 유전체 튜브를 포함할 수 있다.

그리고 상기 방전 전극 각각은 상기 전압 증폭부에서 출력되는 12상의 출력 중 하나와 연결될 수 있으며, 또한 상기 방전 전극 각각은 상기 원통형 반응기의 내주면을 따라 등간격으로 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따를 경우 3상 전원을 12상 전원으로 변환하여 공급하며, 공급된 12상 전원은 각각 독립적으로 방전 전극에 인가되어 수중 플라즈마를 발생시키게 되므로, 일부 방전 전극의 특성이 변화하더라도 안정적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 또한 플라즈마를 발생시키고자 하는 유체의 성질 등에 따라 각 방전 전극의 배열을 다양하게 구성할 수 있으며, 1 주기 당 12번의 방전이 일어나므로 비교적 낮은 주파수를 이용하더라도 3상 전원을 이용하는 방식에 비해 방전 회수가 많아지게 되어 효율성이 증대될 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 방전 장치(100)를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 증폭부(104)의 상세 구성을 나타낸 도면이다.
도 3및 도 4는 전술한 전압 증폭부(104)에서 출력되는 전압의 출력 파형을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전부(106)를 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 방전부(106)의 수평 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 방전부(106)의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 전극(502)을 나타낸 도면이다.
도 10은 상기와 같은 구성을 가지는 방전 전극(502)에서의 플라즈마 방전이 일어나는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 방전 장치(100)를 설명하기 위한 블록 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수중 방전 장치(100)는 전원 공급부(102), 전압 증폭부(104) 및 방전부(106)를 포함한다.

전원 공급부(102)는 외부 전원(예를 들어 상용 AC 전원)을 인가받아 이를 소정 크기의 전압을 가지는 3상 전원으로 변환하여 출력한다. 이때 전원 공급부(102)에서 공급되는 상기 3상 전원의 크기는 후술할 방전부(106)에서 필요로 하는 전압 및 방전부(106)로 유입되는 유체의 성질 등을 고려하여 적절히 정할 수 있다.

전압 증폭부(104)는 전원 공급부(102)로부터 공급된 3상 전원의 전압을 증폭함과 동시에 이를 12상으로 변환하여 출력한다. 이와 같은 전압 증폭부(104)의 상세 구성에 대해서는 도 2에서 설명하기로 한다.

방전부(106)는 전압 증폭부(104)에서 증폭 및 변환된 12상의 전압을 인가받고, 이를 이용하여 방전부(106) 내부로 유입되는 유체에 플라즈마 방전을 일으켜 상기 유체를 정화한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 증폭부(104)의 상세 구성을 나타낸 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전압 증폭부(104)는 복수 개의 3상 트랜스포머를 포함하며, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 제1트랜스포머(200), 제2트랜스포머(202), 제3트랜스포머(204) 및 제4트랜스포머(206)를 포함하는 4개의 3상 트랜스포머로 구성될 수 있다.

이때, 제1트랜스포머(200), 제2트랜스포머(202), 제3트랜스포머(204) 및 제4트랜스포머(206)는 각각 120도의 위상차를 가지는 3상 전압을 출력하며, 또한 각 트랜스포머들 또한 일정 각도의 위상차를 가지므로, 상기 4개의 트랜스포머들의 출력을 모두 합하면 0, 30°, 60°, ... 330°의 위상을 가지는 12상의 출력이 된다.

이를 구체적으로 설명하면, 먼저 제1트랜스포머(200)는 와이(Y)-와이(Y) 결선 구조를 가지며, 전원 공급부(102)에서 공급되는 3상 전원과 동일한 위상의 3상 전압(V1, V5, V9)을 출력한다. 이때 V1 및 V5의 위상차는 120도이며, V5 및 V9의 위상차 또한 120도이다. (별도의 설명이 없을 경우, 본 명세서에서 Vn+1은 Vn과 전압은 동일하나 위상은 30도 느린 교류를 의미한다).

다음으로 제2트랜스포머(202)는 델타(Δ)-와이(Y) 결선 구조를 가지며, 제1트랜스포머(200)의 출력보다 30도 늦은 위상의 3상 전압(V2, V6, V10)을 출력한다. 이와 같이 제1트랜스포머(200)와 제2트랜스포머(202)간에 30도의 위상차가 발생하는 이유는 트랜스포머의 결선 방식의 차이 때문인데, 델타(Δ)-와이(Y) 결선 구조를 가질 경우 와이(Y)-와이(Y) 결선 구조에 비해 30도의 위상차가 발생하기 때문이다.

다음으로, 제3트랜스포머(204)는 제2트랜스포머(202)의 출력보다 30도 늦은 위상의 3상 전압(V3, V7, V11)을 출력한다. 제3트랜스포머(204)는 제1트랜스포머(200)와 동일하게 와이(Y)-와이(Y) 결선 구조를 가지나, 2차 코일의 방향이 반대이므로 제1트랜스포머(200)와는 반대의 전압을 가진 3상 전압이 출력되며(즉, -V3=V9, -V7=V1, -V11=V5), 이에 따라 결과적으로 제2트랜스포머(202)보다 30도 늦은 위상을 가지게 된다.

마지막으로, 제4트랜스포머(206)는 델타(Δ)-와이(Y) 결선 구조를 가지며, 제3트랜스포머(204)의 출력보다 30도 늦은 위상의 3상 전압(V4, V8, V12)을 출력한다. 이와 같은 제4트랜스포머(206)의 위상 지연 또한 제3트랜스포머(204)와 제4트랜스포머(206) 간의 결선 구조의 차이에서 발생되는 것이다.

이와 같은 구성을 통하여, 전원 공급부(102)에서 입력된 전압은 전압 증폭부(104)를 거치면서 12상의 고전압으로 변환된다. 예를 들어 본 발명을 이용하여 오염된 물을 정화하고자 할 경우 전압 증폭부(104)는 약 1.5kV, 2A, 12상을 가지는 출력을 발생시키게 된다.

도 3및 도 4는 전술한 전압 증폭부(104)에서 출력되는 전압의 출력 파형을 나타낸 그래프이다. 도 3은 전압 증폭부(104)의 출력이 방전부(106)와 연결되기 전의 파형을, 도 4는 전압 증폭부(104)의 출력이 방전부(106)로 연결되어 방전부(106)에서 방전이 일어나는 도중의 파형을 각각 나타낸 것이다. 도 4의 그래프의 경우, 출력 전압이 각 상의 피크(peak)치에 다다를 때 방전이 발생하게 되며, 본 발명에서는 전압 증폭부(104)에서 12상이 출력되므로 결과적으로 한 사이클 당 12번의 방전이 일어나게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전부(106)를 설명하기 위한 사시도이며, 도 6은 도 5에 도시된 방전부(106)의 수평 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 방전부(106)는 반응기(500) 및 복수 개의 방전 전극(502)을 포함한다.

반응기(500)는 본 발명에 따른 수중 방전이 일어나는 공간이다. 반응기(500)는 내부에 유체가 흐를 수 있도록, 예를 들어 속이 빈 원통형으로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 유체는 상기 원통의 일단(504)으로 유입되어 타단(506)으로 유출되며, 반응기(500)의 내부를 흐르는 도중 방전 전극(502)을 통하여 발생하는 플라즈마 방전에 의하여 정화된다.

방전 전극(502)은 상기 원통형 몸체를 관통하여 반응기(500)의 내부 면으로 돌출되도록 구비되며, 반응기(500)의 내부로 유입된 물 등의 유체에 플라즈마 방전을 일으킨다. 본 발명의 실시예에서, 방전 전극(502)은 전압 증폭부(104)에서 출력되는 12상의 출력 중 하나와 연결된다. 따라서 본 발명의 실시예에서 방전 전극(502)의 개수는 12개 또는 이의 배수가 된다. 즉, 12개의 방전 전극(502)이 전압 증폭부(104)의 제1 내지 제4 트랜스포머(200, 202, 204, 206)의 각 출력 단자(V1 내지 V12)와 각각 연결되도록 구성된다. 각 방전 전극(502)은 연결된 출력 단자의 출력 전압이 최대치가 되는 시점에서 플라즈마를 방전하며, 이에 따라 전압 증폭부(104)의 출력 전압의 한 사이클 당 12번의 플라즈마 방전이 일어나게 된다.

복수 개의 방전 전극(502) 각각은 원통형 반응기(500)의 내주면을 따라 등간격으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 방전 전극(502)은 원통형 반응기(500)에 2열로 배치될 수 있으며, 1열에는 와이-와이 결선으로 구성되는 제1트랜스포머(200) 및 제3트랜스포머(204)의 출력 단자가 연결되고, 2열에는 델타-와이 결선으로 구성되는 제2트랜스포머(202) 및 제4트랜스포머(206)의 출력 단자가 연결되도록 구성될 수 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 방전부(106)의 다른 실시예를 나타낸 것이다. 본 실시예의 경우 방전 전극(502)은 원통형 반응기(500)에 4열로 배치되며, 각 열에는 전압 출력부(104)를 구성하는 각 트랜스포머의 출력 단자들이 연결되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 1열에 배치된 3개의 방전 전극(502)에는 제1트랜스포머(200)의 3개의 출력 단자가 각각 연결되고, 2열에 배치된 3개의 방전 전극(502)에는 제2트랜스포머(202)의 3개의 출력 단자가 각각 연결되며, 3열에 배치된 3개의 방전 전극(502)에는 제3트랜스포머(204)의 3개의 출력 단자가 각각 연결되고, 4열에 배치된 3개의 방전 전극(502)에는 제4트랜스포머(206)의 3개의 출력 단자가 각각 연결되도록 구성될 수 있다. 또한 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이 각 열을 구성하는 방전 전극(502)들은 반응기(500)의 길이 방향을 따라 계단식으로 배열될 수 있다.

또는, 도시된 실시예와는 달리 12개의 방전 전극(502)들이 하나의 열을 구성하여 원통형 반응기(500)의 내주면을 따라 등간격으로 배치되는 것 또한 가능하다. 이와 같이 원통형 반응기(500)의 내부에 방전 전극(502)이 등간격으로 배치될 경우, 12상 각각과 연결된 방전 전극(502) 중 일부의 전극에 저항 등의 특성이 변화하더라도 유체의 내부로 가해지는 플라즈마의 출력의 편중을 최소화할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 방전 전극(502)을 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예에서, 방전 전극(502)은 금속 팁(900) 및 유전체 튜브(902)를 포함한다.

금속 팁(900)은 전압 증폭부(104)의 각 출력 단자(V1 내지 V12) 중 하나와 전기적으로 연결되며, 금속 재질, 예를 들어 텅스텐 재질로 구성될 수 있다.

유전체 튜브(902)는 금속 팁(900)을 둘러싸는 형태로 구성되며, 금속 팁(900)의 끝 단 보다 일정 길이(d)만큼 돌출된다. 이때 상기 d는 유전체 튜브(902) 내부에 형성되는 미세 거품 및 상기 미세 거품에서 발생하는 방전 효과를 고려하여 적절하게 정해질 수 있다. 이와 같은 유전체 튜브(902)는 예를 들어 석영 등으로 구성될 수 있다.

도 10은 상기와 같은 구성을 가지는 방전 전극(502)에서의 플라즈마 방전이 일어나는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 전압 증폭부(104)에서 금속 팁(900)으로 공급되는 전압을 Vp라 할 때, |Vp|가 약 150V에 이르면, 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이 유전체 튜브(902)의 내부에 미세 거품(1000, microsized vapor phase bubble)이 발생한다. 상기 미세 거품의 주성분은 전기분해에 의하여 발생하는 수소이다. 이후 |Vp|가 증가할수록 주울 발열(Joule heating)에 의하여 미세 거품(1000)의 크기가 증가하며 결국 유전체 튜브(902)의 내부 지름과 같아지게 된다(도 10의 (b) 참조).

|Vp|가 약 1180V에 도달하면, 유전체 튜브(902) 내부에 속박된 전류(restricted current)에 의하여 유전체 튜브(902) 내부의 표면 방전(surface discharge)에 의한 주울 발열의 세기가 점차 강해지면서 미세 거품(1000)을 유전체 튜브(902)의 입구 쪽으로 밀어내게 되며, 미세 거품(1000)은 원형에서 타원형으로 그 형태가 변화하게 된다(도 10의 (c) 참조). 또한 미세 거품(1000)의 형태가 타원형이 되면 도시된 바와 같이 미세 거품(1000)과 유전체 튜브(902) 간의 접촉 면적이 넓어지게 되며, 이에 따라 미세 거품(1000)이 받는 주울 발열의 세기 또한 점점 강해진다.

이후 |Vp|가 계속 증가하면(약 2680V) 마침내 미세 거품(1000)은 터져서 여러 개의 거품(1002)으로 부서지게 되며, 이때의 미세 거품(1000)의 길이는 약 4mm이다(도 10의 (d) 참조). 유전체 튜브(902)의 내부에서 미세 거품(1000)이 완전히 형성되면, 미세 거품(1000)의 양 쪽으로 형성된 두 개의 물기둥(1004, 1006)이 전극 역할을 하여 미세 거품(1000)의 내부에 방전(electrical discharge)가 발생하며, 만약 |Vp|가 충분히 증가하게 되면(약 6090V) 도 10의 (e)에 도시된 바와 같이 유전체 튜브(902)의 외부로 플라즈마 방전(1008)이 일어나게 된다(도 10의 (e) 참조).

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : 수중 방전 장치 102 : 전원 공급부
104 : 전압 증폭부 106 : 방전부
200 : 제1트랜스포머 202 : 제2트랜스포머
204 : 제3트랜스포머 206 : 제4트랜스포머
500 : 반응기 502 : 방전 전극
900 : 금속 팁 902 : 유전체 튜브

Claims (8)

1. 외부 전원을 인가받아 이를 소정 크기의 전압을 가지는 3상 전원으로 변환하여 출력하는 전원 공급부;
   상기 전원 공급부로부터 공급된 3상 전원의 전압을 증폭함과 동시에 이를 12상으로 변환하여 출력하는 전압 증폭부; 및
   상기 전압 증폭부에서 증폭 및 변환된 12상의 전압을 인가받아 유체 내부에 플라즈마 방전을 일으키는 방전부;
   를 포함하며,
   상기 방전부는,
   속이 빈 원통형으로 구성되며, 상기 유체가 상기 원통의 일단으로 유입되어 타단으로 배출되는 반응기; 및
   상기 원통형 몸체의 내부 면에 구비되며, 상기 반응기의 내부로 유입된 유체에 플라즈마 방전을 일으키는 복수 개의 방전 전극;
   을 포함하며,
   상기 방전 전극은, 상기 전압 증폭부의 출력단과 전기적으로 연결되는 금속 팁; 및
   상기 금속 팁을 둘러싸는 형태로 구성되며, 상기 금속 팁의 끝 단 보다 일정 길이만큼 돌출되는 유전체 튜브;
   를 포함하는 수중 방전 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 전압 증폭부는 복수 개의 3상 트랜스포머를 포함하는, 수중 방전 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 전압 증폭부는,
   상기 전원 공급부에서 공급되는 3상 전원과 동일한 위상의 3상 전압을 출력하는 제1트랜스포머;
   상기 제1트랜스포머의 출력 전압보다 30도 늦은 위상의 3상 전압을 출력하는 제2트랜스포머;
   상기 제2트랜스포머의 출력 전압보다 30도 늦은 위상의 3상 전압을 출력하는 제3트랜스포머; 및
   상기 제3트랜스포머의 출력 전압보다 30도 늦은 위상의 3상 전압을 출력하는 제4트랜스포머;
   를 포함하는 수중 방전 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1트랜스포머 및 상기 제3트랜스포머는 와이(Y)-와이(Y) 결선 구조를 가지고, 상기 제2트랜스포머 및 상기 제4트랜스포머는 델타(Δ)-와이(Y) 결선 구조를 가지는 수중 방전 장치.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 방전 전극 각각은 상기 전압 증폭부에서 출력되는 12상의 출력 중 하나와 연결되는, 수중 방전 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 방전 전극 각각은 상기 원통형 반응기의 내주면을 따라 등간격으로 배치되는, 수중 방전 장치.

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