KR101337047B1 - Atomspheric pressure plasma apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내부에 밀폐된 저장 공간이 있는 반응기 몸체와, 상기 반응기 내부를 관통하여 삽입되는 유전체관과, 상기 반응기 내부에서 상기 유전체관에 접촉하여 배치되는 전원 전극 및 접지 전극과, 상기 반응기 몸체의 저장 공간에 저장되는 절연 액체를 포함하는 상압 플라즈마 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면, 플라즈마 장치의 전극 사이에서 전기적 스파크나 아크가 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있고, 전극에서의 과도한 발열을 억제할 수 있으며, 전극 손상이나 유전체 파괴 현상을 효과적으로 제어하여, 플라즈마 장치를 반영구적으로 사용 가능하다. The present invention provides a reactor body having a sealed storage space therein, a dielectric tube inserted through the reactor, a power electrode and a ground electrode disposed in contact with the dielectric tube in the reactor, and the reactor body. An atmospheric pressure plasma apparatus including an insulating liquid stored in a storage space is provided. According to the present invention, it is possible to effectively prevent the occurrence of electrical sparks or arcs between the electrodes of the plasma apparatus, to suppress excessive heat generation at the electrodes, and to effectively control the electrode damage or dielectric breakdown phenomenon, thereby providing a plasma apparatus It can be used semi-permanently.
Description
본 발명은 상압 플라즈마 장치에 관한 것으로, 상세하게는 절연 액체를 사용하여 전극 간 스파크나 아크 발생을 방지하고 전극 손실을 억제한 새로운 플라즈마 장치를 제안한다.The present invention relates to an atmospheric pressure plasma apparatus, and in particular, to propose a new plasma apparatus using an insulating liquid to prevent the inter-electrode spark or arc generation and to suppress the electrode loss.
플라즈마란 원자나 분자로 된 기체가 에너지를 받아 전기적으로 중성인 이온화된 기체를 말한다. 특히 저온 플라즈마 기술은 반도체 제조, 금속 및 세라믹 박막 제조, 물질 합성과 표면처리 등 다양한 활용성을 가지고 있는데 상압과 저압 플라즈마로 구분할 수 있다.Plasma is an ionized gas that is electrically neutral when a gas of atoms or molecules receives energy. In particular, low temperature plasma technology has various applications such as semiconductor manufacturing, metal and ceramic thin film manufacturing, material synthesis and surface treatment, which can be classified into atmospheric pressure and low pressure plasma.
상압 플라즈마의 발생은 대기압 하에서 여러가지 방법의 전기방전을 이용하되, 전자 에너지의 세기가 이온 및 중성입자 등의 에너지 보다 높게 유지되는 비평형 상태로 유지됨으로 다양한 플라즈마 화학반응 및 표면처리의 응용에 적합하다. Atmospheric pressure plasma generation uses various methods of electric discharge under atmospheric pressure, but it is suitable for various plasma chemical reactions and surface treatments because it maintains the non-equilibrium state where the intensity of electron energy is higher than the energy of ions and neutral particles. .
상압 플라즈마를 구현하는 방법으로는 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge), 코로나 방전(corona discharge), 마이크로웨이브 방전(microwave discharge), 아크 방전(arc discharge) 등이 있다. 이 중에 유전체 장벽 방전은 대기압에서 아주 큰 비평형 조건에서 동작하고, 고출력 방전을 할 수 있으며 복잡한 펄스 전력 공급기가 없어도 되기 때문에 산업체에서 널리 이용되고 있는데, 오존 발생, 이산화탄소 레이저, 자외선 광원, 오염물질 처리 등에 널리 응용되고 있다.The atmospheric pressure plasma may include a dielectric barrier discharge, a corona discharge, a microwave discharge, an arc discharge, or the like. Among them, dielectric barrier discharges are widely used in industry because they operate at very large non-equilibrium conditions at atmospheric pressure, enable high-power discharges, and do not require complex pulsed power supplies. These include ozone generation, carbon dioxide lasers, ultraviolet light sources, and pollutant treatment. It is widely applied to the back.
기존의 진공 상태에서 발전하여온 플라즈마 기술이 상압 상태에서 플라즈마 발생을 시키는 기술로 코로나 방전, 유전체 장벽 방전, 대기압 RF 방전 등이 연구되어 오고 있다. 진공이 아닌 상압에서 방전을 일으켜야 하기 때문에 저압에서와 비교하여 상당히 높은 전압이 두 전극 사이에 인가되어야 하므로 플라즈마 발생에 중요한 역할을 하는 전극의 손실과 유전체 파괴 현상이 보고된 바 있다. Plasma technology, which has been developed in a conventional vacuum state, generates plasma under atmospheric pressure, and corona discharge, dielectric barrier discharge, and atmospheric pressure RF discharge have been studied. Since the discharge must be performed at normal pressure and not at vacuum, a considerably higher voltage must be applied between the two electrodes as compared with the low pressure. Thus, loss of the electrode and dielectric breakdown, which play an important role in plasma generation, have been reported.
대기압 플라즈마 발생 장치 구성 시 전원 전극과 접지 전극은 서로 절연이 된 상태에서 구성이 되며, 접지 전극과 전원 전극이 가까워짐에 따라 전기적 스파크나 아크가 발생할 수 있다. When the atmospheric pressure plasma generator is configured, the power electrode and the ground electrode are configured to be insulated from each other, and an electrical spark or an arc may occur as the ground electrode and the power electrode are closer to each other.
또한, 기존의 상압 플라즈마 장치의 경우 전극에 고전압이 인가되어야 하기 때문에 전극에 많은 발열이 생겼으며, 이에 따른 전극 손실, 유전체 파괴 등의 문제점이 발생하였다. 또한, 고상 절연체를 사용하는 경우, 전극 간의 스파크나 아크를 방지할 경우 전압이 높아짐에 따라 전극 간 미세한 틈 사이로 스파크나 아크가 생기는 문제점이 있고, 이에 따라 고체 종류의 절연체가 녹는 등 문제가 제기되어 왔다. In addition, in the conventional atmospheric pressure plasma apparatus, since a high voltage must be applied to the electrode, a lot of heat is generated in the electrode, and thus problems such as electrode loss and dielectric breakdown occur. In addition, in the case of using a solid insulator, there is a problem that sparks or arcs are generated between the minute gaps between the electrodes as the voltage increases when preventing sparks or arcs between the electrodes, which causes problems such as melting of the solid type insulator. come.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 전극 간의 스파크나 아크를 방지할 수 있는 상압 플라즈마 장치를 제공하는 것이다.The present invention has been made under the foregoing technical background, and an object of the present invention is to provide an atmospheric pressure plasma apparatus capable of preventing sparks or arcs between electrodes.
본 발명의 다른 목적은 고전압 인가에도 전극 발열을 억제하여 전극 손실을 최소화한 상압 플라즈마 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an atmospheric pressure plasma apparatus which minimizes electrode loss by suppressing electrode heating even when a high voltage is applied.
본 발명의 또 다른 목적은 장치의 수명이 연장되고 플라즈마 발생 안정성을 향상시킨 새로운 상압 플라즈마 장치를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a new atmospheric pressure plasma apparatus which extends the life of the apparatus and improves plasma generation stability.
기타, 본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 제시될 것이다.Other objects and technical features of the present invention will be presented in more detail in the following detailed description.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내부에 밀폐된 저장 공간이 있는 반응기 몸체와, 상기 반응기 내부를 관통하여 삽입되는 유전체관과, 상기 반응기 내부에서 상기 유전체관에 접촉하여 배치되는 전원 전극 및 접지 전극과, 상기 반응기 몸체의 저장 공간에 저장되는 절연 액체를 포함하는 상압 플라즈마 장치를 제공한다.To achieve the above object, the present invention provides a reactor body having a sealed storage space therein, a dielectric tube inserted through the reactor, a power electrode disposed in contact with the dielectric tube inside the reactor, and a ground. An atmospheric pressure plasma apparatus including an electrode and an insulating liquid stored in a storage space of the reactor body is provided.
상기 반응기 몸체는 내부 중앙이 상하로 관통하여 외부에 개방되어 있고, 개방된 내부 중앙 주변으로는 외부에 대해 밀폐된 저장 공간이 있으며, 반응기 몸체는 외표면에 절연 액체 투입구가 형성될 수 있다. The reactor body has an inner center penetrating up and down to be opened to the outside, and an open inner center periphery has a storage space sealed to the outside, and the reactor body may have an insulating liquid inlet formed on an outer surface thereof.
상기 유전체관은 내부가 비어 있는 파이프 형태로서 양단이 상기 반응기 몸체의 외부에 부분적으로 노출된다. 상기 전원 전극 및 접지 전극은 상기 유전체관의 외주면을 감싸는 링 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 전원 전극과 접지 전극은 상기 유전체관 외주면에 각각 복수의 전극들이 병렬적으로 배치될 수 있다. The dielectric tube is in the form of a hollow pipe, both ends of which are partially exposed to the outside of the reactor body. The power supply electrode and the ground electrode may be formed in a ring shape surrounding the outer circumferential surface of the dielectric tube. In addition, the power electrode and the ground electrode may be arranged in parallel in the plurality of electrodes on the outer peripheral surface of the dielectric tube.
본 발명은 상기 반응기 몸체 외부로부터 내부로 절연 액체를 공급하는 액체 펌프를 더 포함할 수 있다. The present invention may further include a liquid pump for supplying the insulating liquid from the outside of the reactor body to the inside.
본 발명에 따르면, 대기압 하에서 동작 가능한 플라즈마 장치로서 고전압에서 플라즈마 운행 시 전극 간에 발생될 수 있는 전기적 스파크나 아크를 방지할 수있으며, 전극에 가해지는 발열을 효과적으로 억제함으로써 전극 손실, 유전체 파괴 등의 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 전극의 손실을 방지함으로써 플라즈마 장치의 수명을 반영구적으로 유지할 수 있다. 그 결과, 다양한 분야에 플라즈마 장치를 적용할 수 있으며, 파생적인 산업 및 서비스 분야의 확대에 일조할 수 있을 것이다.According to the present invention, a plasma device that can operate under atmospheric pressure can prevent electrical sparks or arcs that can be generated between electrodes when plasma is operated at high voltages, and effectively suppresses heat generation applied to the electrodes, such as electrode loss and dielectric breakdown. Can be solved. In addition, the life of the plasma apparatus can be semi-permanently maintained by preventing the loss of the electrodes. As a result, the plasma apparatus can be applied to various fields, and may help to expand the fields of derivative industries and services.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 장치를 보인 단면도.
도 2a 및 2b는 본 발명의 플라즈마 장치에 사용된 전극 구조를 보인 사시도.
도 3은 본 발명의 플라즈마 장치에서 플라즈마가 발생되는 모습을 보인 모식도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 장치를 보인 단면 모식도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 장치를 보인 측면 모식도.
도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 장치의 성능 테스트 과정을 보인 사진.
도 7은 비교예에 따른 플라즈마 장치의 성능 테스트 과정을 보인 사진.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 장치를 보인 단면 모식도.
도 9는 공기 중에서 플라즈마 발생 실험을 수행한 후의 전극 표면을 보인 사진.
도 10은 절연 액체 속에서 플라즈마 발생 실험을 수행한 후의 전극 표면을 보인 사진.
도 11은 방전 가스에 대한 전환율 실험 결과를 보인 그래프.1 is a cross-sectional view showing a plasma apparatus according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are perspective views showing the electrode structure used in the plasma apparatus of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram showing the appearance of plasma in the plasma device of the present invention.
Figure 4 is a schematic cross-sectional view showing a plasma apparatus according to another embodiment of the present invention.
Figure 5 is a side schematic view showing a plasma apparatus according to another embodiment of the present invention.
Figure 6 is a photograph showing a performance test process of the plasma apparatus according to the present invention.
7 is a photograph showing a performance test procedure of the plasma apparatus according to the comparative example.
8 is a schematic cross-sectional view showing a plasma apparatus according to another embodiment of the present invention.
9 is a photograph showing the electrode surface after performing a plasma generation experiment in air.
10 is a photograph showing the electrode surface after performing a plasma generation experiment in an insulating liquid.
11 is a graph showing the results of a conversion experiment on discharge gas.
본 발명은 상압 플라즈마 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 상압 플라즈마 장치는 석영관으로 이루어진 유전체와 전원 전극 및 접지 전극과 절연 액체를 내부에 저장하는 플라즈마 반응기 몸체로 구성된다.The present invention relates to an atmospheric pressure plasma apparatus. The atmospheric pressure plasma apparatus according to the present invention comprises a dielectric body consisting of a quartz tube, a power electrode, a ground electrode, and a plasma reactor body for storing an insulating liquid therein.
전원 공급 시 절연 액체는 전원 전극과 접지 전극 사이에서 전기적 스파크나 아크를 효과적으로 방지하는 역할을 하며, 균일한 플라즈마를 형성시킬 수 있다. The insulating liquid at the time of power supply effectively serves to prevent electrical sparks or arcs between the power electrode and the ground electrode, and may form a uniform plasma.
전극 간의 아크 방지를 이용하여 기존에 사용되던 고체 종류의 절연체는 전압이 높아짐에 따라 유전체와 고체 간의 미세한 틈 사이로 아크 발생이 되거나, 접지 전극과 전원 전극에 많은 발열이 생기며, 전극 손실과 유전체 파괴 현상 등 문제점이 제기되어 왔다. By using arc protection between electrodes, a solid type of insulator that has been used conventionally generates an arc between minute gaps between the dielectric and the solid as the voltage increases, or generates a large amount of heat in the ground electrode and the power electrode, and leads to electrode loss and dielectric breakdown. And other problems have been raised.
반면, 본 발명은 절연체를 액체 형태의 절연 액체로 사용함에 따라, 고전압에서도 전극의 발열을 효과적으로 줄이며, 유전체 파괴 현상을 방지하는 아크 방지형 플라즈마 장치를 제공한다.On the other hand, the present invention provides an arc-proof plasma device that effectively reduces the heat generation of the electrode even at high voltage, and prevents dielectric breakdown, by using the insulator as an insulating liquid in a liquid form.
본 발명에서는 절연 액체를 사용하여 전극을 절연시키고 이를 위한 반응기 구조 및 플라즈마 장치 구성을 개발함으로써, 장기간 플라즈마 장치 동작 중에도 절연 액체의 특성상 전극 사이에 미세한 틈을 형성하지 않으며, 전극 간 전기적 스파크나 아크를 방지할 수 있으며, 절연체가 녹거나 절연 성능이 훼손되는 문제점이 원천적으로 해결될 수 있다.In the present invention, the insulating liquid is used to insulate the electrode and develop a reactor structure and a plasma device configuration therefor, so that even during long periods of operation of the plasma device, a minute gap is not formed between the electrodes due to the nature of the insulating liquid. It can prevent, and the problem that the insulator melts or the insulation performance is impaired can be solved at the source.
또한, 절연체를 액체를 사용함에 따라 전극의 발열을 효과적으로 줄일 수 있으며, 이에 따른 문제가 원천적으로 해결되어 장시간 플라즈마 장치를 사용하는데 무리가 없다. 따라서, 비교적 적은 전압이 인가되는 아르곤이나 헬륨 등의 비활성 기체 뿐만 아니라 질소나 공기와 같이 절연파괴전압이 높은 가스로도 쉽게 플라즈마를 형성시킬 수 있다. In addition, by using a liquid as an insulator, heat generation of the electrode can be effectively reduced, and the problem thereof is solved at the source so that there is no problem in using the plasma apparatus for a long time. Therefore, the plasma can be easily formed not only with an inert gas such as argon or helium to which a relatively small voltage is applied, but also with a gas having high dielectric breakdown voltage such as nitrogen or air.
이와 같은 플라즈마 장치는 반도체 공정 기술, 세정 기술, 나노분말 제조 기술, 카본 나노튜브 제조 기술, 미생물 살균 기술, 치아미백, 지혈, 유해 단백질/박테리아 제거 등 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 예상된다. Such a plasma device is expected to be applicable to various fields such as semiconductor processing technology, cleaning technology, nano powder manufacturing technology, carbon nanotube manufacturing technology, microbial sterilization technology, tooth whitening, hemostasis, and removal of harmful proteins / bacteria.
이하, 도면을 참조하며 구체적인 실시예를 통하여 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 토치(torch)형 상압 플라즈마 장치(100)를 보인 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing a torch type atmospheric
반응기 몸체(110)는 내부에 밀폐된 저장 공간이 있고, 반응기 몸체 내부를 관통하여 유전체관(130)이 삽입되어 있다. 또한, 반응기 내부에서 상기 유전체관에 접촉하여 전원 전극(142)과 접지 전극(144)이 상호 이격된 채로 배치되어 있다. 상기 반응기 몸체의 내부 저장 공간에는 절연 액체(120)가 저장되어 있고, 절연 액체는 전원 전극(142)과 접지 전극(144)에 직접적으로 접촉하여 전극 간 미세한 틈을 빈틈없이 메우고 있다.The
상기 반응기 몸체의 형태는 특별히 제한될 필요는 없으나, 예를 들어 내부 중앙이 상하로 관통하여 외부에 개방되어 있고, 개방된 내부 중앙 주변으로는 외부에 대해 밀폐된 저장 공간이 있는 원통형 구조물일 수 있다. 또한, 손으로 잡은 채로 동작하거나 휴대하기 편한 핸드피스(handpiece)형 구조일 수 있으며, 장치의 응용 분야에 따라 그 사이즈나 형태가 달라질 수 있다. 반응기 몸체는 예를 들어, 금속, 세라믹, 유리, 내열성 경질 플라스틱 등의 재질로 형성할 수 있다. The shape of the reactor body does not need to be particularly limited, but may be, for example, a cylindrical structure having an inner center penetrating up and down to the outside and having a storage space sealed to the outside around the open inner center. . Further, it may be a handpiece-type structure that is easy to operate or carry while holding by hand, and its size or shape may vary depending on the application of the device. The reactor body may be formed of a material such as metal, ceramic, glass, heat resistant hard plastic, or the like.
상기 반응기 몸체는 외표면에 절연 액체 투입구(112)가 형성되어 있고, 이 투입구를 통해 반응기 몸체 내부로 절연 액체를 투입하거나, 이미 저장되어 있는 절연 액체를 반응기 몸체에서 배출시키고 새로운 절연 액체로 교환할 수 있다.The reactor body has an insulating
상기 유전체관(130)은 내부가 비어 있는 파이프 형태의 구조물로서 양단이 상기 반응기 몸체의 외부에 부분적으로 노출되며, 유전체관 일단(예를 들어 상단 132)으로 플라즈마 형성을 위한 기체가 주입되고, 타단(예를 들어 하단 134)으로 플라즈마가 분출되도록 할 수 있다. 상기 유전체관은 석영, 세라믹, 또는 알루미나 재질로 형성된다. 유전체관의 크기가 길이는 플라즈마 장치의 응용 분야에 따라 다르게 설계할 수 있을 것이다. The
유전체관의 외주면에 접촉하도록 배치되어 유전체관 내부로 공급되는 플라즈마 발생 기체에 고전압을 공급하기 위한 전원 전극(142) 및 접지 전극(144)은 도 2a에 도시한 바와 같이 링 형상으로 형성할 수 있다. 이러한 링 형상의 전극은 도 2b에 도시한 바와 같이 유전체관(130)의 외주면을 감싸도록 배치되며, 두 전극(142, 144)은 소정 간격으로 이격되어 배치된다. 전원 전극 및 접지 전극은 유전체관 내부에 공급되는 플라즈마 발생 기체와 직접적으로 접촉하지 않는다. 전원 전극 및 접지 전극은 예를 들어 스테인리스 스틸, 구리, 또는 알루미늄 재질로 형성할 수 있다. The
본 실시예에 따른 토치형 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 형성을 위해 상기 유전체관으로 투입되는 기체로서 아르곤, 헬륨, 질소, 또는 공기 등의 기체를 사용할 수 있다. 유전체관 내부로 아르곤, 헬륨 등의 비활성 기체나 질소, 또는 공기를 주입하고, 유전체관 외주면에 접촉한 전원 전극에 고전압을 인가하면 유전체관 내부에서 플라즈마가 생성되고, 도 3에 모식적으로 도시한 바와 같이 유전체관 출구(134)를 통해 플라즈마(150)가 토출된다. The torch type plasma generator according to the present embodiment may use a gas such as argon, helium, nitrogen, or air as a gas introduced into the dielectric tube for plasma formation. When inert gas such as argon, helium, nitrogen, or air is injected into the dielectric tube, and a high voltage is applied to the power electrode in contact with the outer circumferential surface of the dielectric tube, plasma is generated inside the dielectric tube, which is schematically illustrated in FIG. As described above, the
플라즈마가 발생되는 동안, 반응기 몸체 내부의 절연 액체가 전원 전극과 접지 전극 사이에서 발생할 수 있는 전기적 스파크나 아크를 방지한다. 또한, 전압이 높아지더라도 절연 액체로 인하여 전극 손상이나 유전체 파괴 현상 등을 효과적으로 방지할 수 있다. 플라즈마 장치를 장시간 가동하거나 오랜 시간 사용한 후에는 절연 액체 투입구를 통해 오래 사용한 절연 액체를 교체할 수 있다.During plasma generation, insulating liquid inside the reactor body prevents electrical sparks or arcs that may occur between the power and ground electrodes. In addition, even when the voltage is high, it is possible to effectively prevent the electrode damage, dielectric breakdown phenomenon, etc. due to the insulating liquid. After the plasma device has been in operation for a long time or used for a long time, the insulating liquid inlet can be replaced through the insulating liquid inlet.
본 발명에 있어서, 절연 액체의 종류는 특별히 제한될 필요는 없으며, 전기 절연유(절연 오일) 등과 같이 전기 절연을 위해 사용되는 모든 액체를 이용할 수 있다.In the present invention, the kind of insulating liquid does not need to be particularly limited, and any liquid used for electrical insulation, such as electrical insulating oil (insulating oil), can be used.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 장치를 모식적으로 도시한 것이다. 4 schematically shows a plasma apparatus according to another embodiment of the present invention.
전술한 실시예와 달리, 반응기 몸체(110) 내부에는 유전체관(130) 외주면에 각각 복수의 전극들이 배치되어 접촉하고 있다. 복수의 전원 전극(142a, 142b, 142c) 및 복수의 접지 전극(144a, 144b, 144c)이 상호 교대로 병렬적으로 배치되어 있다. 이러한 병렬적 구조의 전극 배치를 통하여 플라즈마 발생 효율을 더욱 높일 수 있다. Unlike the above-described embodiment, a plurality of electrodes are disposed in contact with the outer circumferential surface of the
또한, 도 4의 실시예에서도 반응기 몸체(110) 내부 공간에는 절연 액체가 저장되어 복수의 전극들 사이를 빈틈없이 메우고 있다. 따라서, 전원 전극들과 접지 전극들 사이에서 전기적 스파크나 아크가 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 반응기의 장시간 사용 시 전극들에서 많은 발열이 생길 수 있으나, 절연액체를 사용함으로써 전극에서의 과도한 발열을 억제할 수 있다. 그 결과, 플라즈마 장치의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다. 절연 액체 투입구를 통해 오래 사용한 절연 액체를 정기적으로 교체하게 되면, 전극 손상이나 유전체 파괴 현상을 효과적으로 제어할 수 있고, 플라즈마 장치를 반영구적으로 사용 가능하다. In addition, in the embodiment of FIG. 4, the insulating liquid is stored in the inner space of the
도 5는 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 장치를 보인 것으로, 반응기 몸체와 절연 액체의 순환이 연동되도록 액체 펌프(160)가 더 설치되어 있다. Figure 5 shows a plasma apparatus according to another embodiment, the
이 액체 펌프는 반응기 몸체 외부로부터 내부로 절연 액체를 공급하는 역할을 함과 동시에 반응기 몸체로부터 외부로 절연 액체를 배출할 수도 있다. 액체 펌프와 반응기 몸체 사이에 두 개의 공급 라인을 연결하고, 배출 라인(162)을 통해 오래된 절연 액체를 반응기 몸체로부터 배출시키고, 공급 라인(164)을 통해 새로운 절연 액체를 반응기 몸체에 공급할 수 있을 것이다. The liquid pump may serve to supply the insulating liquid from the outside of the reactor body to the inside, and at the same time, discharge the insulating liquid from the reactor body to the outside. Connect two supply lines between the liquid pump and the reactor body, discharge the old insulating liquid from the reactor body through the
또한, 플라즈마 장치 가동 중에 액체 펌프와 반응기 몸체 사이에서 절연 액체를 주기적으로 또는 지속적으로 순환시킬 수도 있을 것이다. 이와 같은 액체 펌프는 도 1의 실시예는 물론 도 4의 실시예에 따른 플라즈마 장치에도 유효하게 적용할 수 있다. In addition, the insulating liquid may be periodically or continuously circulated between the liquid pump and the reactor body during operation of the plasma apparatus. Such a liquid pump can be effectively applied to the plasma apparatus according to the embodiment of FIG. 4 as well as the embodiment of FIG.
특히, 액체 펌프를 이용하여 절연 액체를 교환하면서 플라즈마 장치를 가동하게 되면 전극의 발열 현상에 대해 더욱 효과적으로 대처할 수 있는 장점이 있다. In particular, the operation of the plasma apparatus while exchanging the insulating liquid using a liquid pump has an advantage that it can more effectively cope with the heat generation phenomenon of the electrode.
본 발명에 따른 상압 플라즈마 장치의 효율 및 성능을 측정하기 위하여 도 6에 도시한 바와 같이, 복수의 전원 전극과 접지 전극을 석영관 외주면에 접촉하도록 배치한 상태에서 절연 액체에 담그고, 각 전극에 전원을 인가하여 방전 실험을 수행하였다. In order to measure the efficiency and performance of the atmospheric pressure plasma apparatus according to the present invention, as shown in FIG. The discharge experiment was performed by applying.
방전 기체로 헬륨을 석영관 내부에 공급하고 전극에는 2kW AC 파워서플라이로 전압을 공급하였으며, 11kV 까지 전압을 높인 경우에도 전극들 사이에서 아크나 스파크가 생기지 않고 플라즈마 생성이 용이하였다. Helium was supplied as a discharge gas into the quartz tube, and the electrode was supplied with a 2 kW AC power supply. Even when the voltage was increased up to 11 kV, the arc was not generated between the electrodes and plasma was easily generated.
비교를 위하여 동일한 구조의 플라즈마 장치에 도 7에 도시한 바와 같이 절연 액체 대신 실리콘 계열의 고체 절연체를 전극 사이에 배치한 채 방전 실험을 수행하였다. 방전 기체로 헬륨을 석영관 내부에 공급하고 2kW AC 파워서플라이로 전압을 공급한 결과, 9 kV의 전압에서 전극들 사이에 아크나 스파크가 발생함을 확인하였다. For comparison, a discharge experiment was performed in a plasma apparatus having the same structure with a silicon-based solid insulator disposed between electrodes as shown in FIG. 7. As a discharge gas, helium was supplied into the quartz tube and a voltage was supplied to a 2 kW AC power supply. As a result, it was confirmed that an arc or spark occurred between the electrodes at a voltage of 9 kV.
이와 같은 실험 결과로부터, 본 발명에 따른 플라즈마 장치는 절연 액체가 전극들 사이의 미세한 틈을 완벽히 막아서 일반 고체 절연체를 사용하였을 경우와 달리 더욱 높은 고전압 조건에서도 안정성 있게 플라즈마를 생성하는 것을 확인할 수 있다.From the experimental results, it can be seen that the plasma apparatus according to the present invention completely prevents the minute gaps between the electrodes, so that the plasma is stably generated even at a high high voltage condition unlike the case where a general solid insulator is used.
본 발명에 따른 상압 플라즈마 장치의 효율 및 성능을 측정하기 위한 다른 방법으로, 도 8에 도시한 바와 같이 절연 액체를 저장하고 있는 반응기 몸체(110)에서 유전체관(130)의 외주면에 접지 전극(144)을 배치하고 전원 전극(142)은 유전체관의 내부에 배치한 상태에서 반응 가스를 주입하여 플라즈마 발생을 테스트하였다. 반응 가스로 CO2 또는 CH4 를 사용하였다.As another method for measuring the efficiency and performance of the atmospheric pressure plasma apparatus according to the present invention, the
비교를 위하여, 절연 액체 없이 전극을 공기 중에 노출시킨 상태에서 플라즈마를 발생시킨 실험을 실시한 후 도 9에 전극 사진을 도시하였다. 공기에서 플라즈마를 발생시킬 경우 외부전극이 산화되면서 전극의 손상을 가져온 것을 볼 수 있다.For comparison, an electrode photograph is shown in FIG. 9 after an experiment in which a plasma was generated while an electrode was exposed to air without an insulating liquid. When the plasma is generated in the air it can be seen that the external electrode is oxidized to cause damage to the electrode.
반면, 절연 액체 안에서 플라즈마 발생 후 전극 사진(도 10 참조)을 보면, 전극의 손상이 방지하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 반응기에 절연 액체를 저장하고 실험을 수행한 경우 CO2, CH4 전환처리 실험에서 전환율이 높아짐을 확인할 수 있었다.On the other hand, looking at the electrode photograph (see Fig. 10) after the plasma generation in the insulating liquid, it can be seen that the electrode damage is prevented. In particular, when the insulation liquid was stored in the reactor and the experiment was performed, it was confirmed that the conversion rate was increased in the CO 2 , CH 4 conversion treatment experiment.
CH4 전환율 (%) = (도입된 CH4 몰수 - 생성된 CH4 몰수) / 도입된 CH4 몰수CH 4 conversion (%) = - a (introducing a CH 4 mole number generated CH 4 mole number) / CH 4 molar amount introduced
CO2 전환율 (%) = (도입된 CO2 몰수 - 생성된 CO2 몰수) / 도입된 CO2 몰수CO 2 conversion (%) = (mol number introducing the CO 2 - generated CO 2 mole number) / the introduction of CO 2 molar number
도 11의 그래프를 참조하면, 반응기 내에 절연 액체를 저장한 경우에 전환율이 같은 전압에서 더 크게 나타났으며, 이러한 결과는 절연 액체가 전극에서 발생하는 에너지 손실을 최소화하였기 때문으로 예상된다. 반면, 공기 중에서 플라즈마를 발생시킨 경우에는 외부 전극에서 에너지 손실이 크기 때문에 전환율이 낮은 것을 알 수 있다.Referring to the graph of FIG. 11, when the insulating liquid is stored in the reactor, the conversion rate is higher at the same voltage, which is expected because the insulating liquid minimizes the energy loss generated at the electrode. On the other hand, when the plasma is generated in the air it can be seen that the conversion rate is low because of the large energy loss in the external electrode.
또한, 도 8에 도시한 반응기에 절연 액체를 저장하고 플라즈마 발생 실험을 수행할 경우에는 인가전압이 11 kV에서도 아크가 발생하지 않았지만, 공기 중에서 실험을 수행할 경우 9 kV가 넘으면 아크가 발생하였다. 이러한 결과로부터, 앞선 실시예에서 유전체관 외면에 전원 전극과 접지 전극이 가까이 배치된 경우는 물론, 유전체관에 의해 두 전극이 분리된 경우에도 절연 액체 속에서 플라즈마를 발생시킬 경우 스파크나 아크의 발생을 줄일 수 있으며, 외부 전극의 발열도 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.In addition, when the insulating liquid was stored in the reactor shown in FIG. 8 and the plasma generation experiment was performed, no arc was generated even when the applied voltage was 11 kV. From these results, in the previous embodiment, when the plasma is generated in the insulating liquid even when the power electrode and the ground electrode are disposed close to the outer surface of the dielectric tube, as well as when the two electrodes are separated by the dielectric tube, spark or arc is generated. It can be seen that it is possible to reduce the heat generation of the external electrode.
이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, Modified, modified, or improved.
100:플라즈마 장치 110:반응기 몸체
112:투입구 120:절연 액체
130:유전체관 142:전원 전극
144:접지 전극 160:액체 펌프100: plasma device 110: reactor body
112: inlet 120: insulating liquid
130: dielectric tube 142: power electrode
144: ground electrode 160: liquid pump
Claims (11)
상기 전원 전극과 접지 전극은 상기 유전체관 외주면에 각각 복수의 전극들이 병렬적으로 배치되는 상압 플라즈마 장치.A reactor body having a sealed storage space therein, a dielectric tube inserted through the reactor, a power electrode and a ground electrode disposed in contact with the dielectric tube in the reactor, and a storage space of the reactor body. Including insulating liquid to be stored,
And a plurality of electrodes arranged in parallel on the outer circumferential surface of the dielectric tube.
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