KR101437440B1 - 전자파 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

전자파 플라즈마 토치가 개시된다. 전자파 플라즈마 토치는 방전관; 전자파를 발진하는 전원공급부; 상기 전원공급부로부터 발생된 전자파를 상기 방전관으로 전송하는 도파관을 포함하고, 상기 방전관으로 플라즈마 형성 가스가 주입되고, 상기 방전관 내에는 상기 도파관 내의 전자파에 의해 플라즈마가 발생되는 전자파 플라즈마 토치로서, 상기 도파관은 테이퍼된(Tapered) 가이드 영역과, 상기 테이퍼된 가이드 영역의 말단에 위치하고 상기 테이퍼된 가이드 영역으로부터 수직으로 꺽인, 꺽인 영역을 포함하고, 상기 방전관은 상기 도파관 종단부의 꺽인 영역에 수직으로 관통하여 위치한다.

Description

전자파 플라즈마 토치{MICROWAVE PLASMA TORCH}

본 발명은 전자파 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구조물에 설치가 용이한 전자파 플라즈마 토치에 관한 것이다.

전자파 플라즈마 토치는 마이크로웨이브(Microwave)를 전송하는 도파관 내를 방전관이 관통하고, 도파관 내로 전송 및 반사되는 상기 마이크로웨이브에 의해 방전관 내에 강한 전기장이 발생되고, 방전관 내에 플라즈마 발생 가스가 주입되면 방전관 내에 플라즈마가 발생되고, 점화장치로 점화하여 화염을 발생시키는 장치로서 잘 알려져 있다.

이러한 전자파 플라즈마 토치 및 전자파 플라즈마 토치를 이용하는 장치에 대한 종래 기술로서, 본 발명자는 대한민국 등록특허공보 제0394994호에서 전자파를 이용한 플라즈마토치를 제시한 바 있으며, 또한 대한민국 등록특허공보 제10-0638109호에서 플라즈마 토치에 연료를 주입하여 플라즈마크기를 개선하는 플라즈마 화염장치를 제시한 바 있다. 이러한 종래 기술들은 방전관 및 도파관의 배치 구조로서, 방전관 및 도파관이 서로 수직하게 배치되어 있다. 이러한 방전관 및 도파관의 수직 배치 구조에서는 도파관의 특성상 플라즈마 토치는 도파관의 상, 하로 형성될 수 밖에 없었다.

한편, 본 발명자는 대한민국 특허출원 10-2012-0110623호 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치를 제시한 바 있다. 이 특허에서는 플라즈마 토치를 도파관의 좌, 우로 형성시키기 위하여 마이크로웨이브 전송라인으로서 트위스트(Twist)된 트위스트 웨이브가이드(Twist Waveguide)를 장착하여 마이크로웨이브의 방향을 전환시키는 구조가 개시되어 있다. 그러나 이 특허에서 개시되는 도파관 및 방전관 역시 수직 배치 구조를 갖는 것은 여전하였다.

이러한 본 발명자에 의한 종래 기술들은 도파관 및 방전관이 수직하게 배치됨에 따라 가스화기, 개질기, 반응기 등의 플라즈마 토치를 이용하는 구조물들에 설치되는 경우, 구조물에 관통하는 방전관에 수직한 도파관이 위치하기 위한 충분한 공간의 확보가 필요하였고, 플라즈마 토치가 구조물에 다수 설치되는 경우에는 설치되는 플라즈마 토치의 수가 제한적이었다. 따라서 구조물에 플라즈마 토치를 설치하는 것이 용이하지 못하고, 공간 활용에 제약이 있었다.

이에, 본 발명자는 종래 기술들의 문제점을 인식하고, 연구 끝에, 아래와 같은 구성을 도입함으로서, 종래의 플라즈마 토치의 문제점을 해결하여, 플라즈마 토치가 이용되는 구조물들에 플라즈마 토치를 설치할 때 공간 활용이 자유롭고, 효율적인 공간 활용이 가능하며, 설치 개수가 증가될 수 있는, 전자파 플라즈마 토치를 개발하기에 이르렀다.

본 발명은 방전관; 전자파를 발진하는 전원공급부; 상기 전원공급부로부터 발생된 전자파를 상기 방전관으로 전송하는 도파관을 포함하고, 상기 방전관으로 플라즈마 형성 가스가 주입되고, 상기 방전관 내에는 상기 도파관 내의 전자파에 의해 플라즈마가 발생되는 전자파 플라즈마 토치로서, 상기 도파관은 테이퍼된(Tapered) 가이드 영역과, 상기 테이퍼된 가이드 영역의 말단에 위치하고 상기 테이퍼된 가이드 영역으로부터 수직으로 꺽인, 꺽인 영역을 포함하고, 상기 방전관은 상기 도파관 종단부의 꺽인 영역에 수직으로 관통하여 위치하는, 전자파 플라즈마 토치를 제공한다.

상기 토치는 반응기에 연결될 때, 상기 도파관 및 상기 방전관은 서로 평행하게 위치된다.

상기 꺽인 영역은 상기 도파관의 말단부로부터 관내파장의 ½의 정수배의 거리에서 상기 테이퍼된 가이드 영역에 직각되게 꺽인다.

상기 방전관은 상기 도파관의 말단부로부터 관내파장의 ¼의 거리에 위치한다.

본 발명에서 "테이퍼된(Tapered) 가이드 영역"은 도파관의 입구단으로부터 말단을 향해 갈수록 단면적이 감소하는 영역을 말한다.

본 발명에서 "꺽인 영역"은 상기 테이퍼된 가이드 영역으로부터 수직하게 꺽인 상태로 고정되어 있는 영역을 말한다.

도 1은 본 발명의 전자파 플라즈마 토치의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 도파관 및 방전관을 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 전자파 플라즈마 토치가 반응기에 설치된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4의 개략적 평면도이다.
도 6은 도 1에 도시된 전자파 플라즈마 토치가 반응기에 다수 설치된 상태를 나타낸 평면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 전자파 플라즈마 토치의 구성을 나타낸 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 전자파 플라즈마 토치(100)는, 방전관(110), 전원공급부(120), 도파관(130)을 포함한다.

방전관(110)은 도파관(130) 내로 입력되는 전자파에 의해 내부 공간에서 플라즈마 가 발생된다. 상기 전자파는 방전관(110) 내에 자기장을 형성할 수 있고, 이를 위해 상기 방전관(110)은 도파관(130)에 관통된다. 또한 방전관(110)은 내부 공간에 플라즈마가 발생되기 위하여, 도파관(130) 내에는 플라즈마 형성 가스가 주입된다. 플라즈마 형성 가스는 방전관(110)의 일측을 통해 주입되고, 플라즈마 형성 가스는 방전관(110) 내에서, 상기 전기장에 의해 플라즈마가 형성된다. 상기 플라즈마가 형성되는 영역에 점화장치(미도시)를 통한 점화가 이루어지면 화염이 발생된다.

전원공급부(120)는 전파전압배율기와 펄스 및 직류(DC)장치, 그리고 마이크로웨이브 발진기(121)를 포함한다. 전파전압배율기와 펄스 및 직류장치를 통해 마이크로웨이브 발진기(121)에는 전원이 공급되고, 마이크로웨이브 발진기(121)는 소정의 대역의 전자파를 발진한다. 예를 들면, 마이크로웨이브 발진기(121)는 10MHz 내지 10GHz 대역의 전자파를 발진하는 마그네트론이 사용될 수 있다. 바람직하게는 상기 마이크로웨이브 발진기(121)는 2.45GHz 전자파를 발진한다.

마이크로웨이브 발진기(121)로부터의 전자파는 도파관(130) 내로 입력된다. 예를 들면, 상기 전자파는 순차적으로 순환기(141), 방향성 결합기(142), 정합기(143)를 통해 도파관(130) 내로 입력될 수 있다. 상기 순환기(141), 방향성 결합기(142), 정합기(143)는 도파관(130)의 입구단측에 설치되는 장치들이고, 도파관(130) 내로 전자파가 입력되기 위한 마이크로웨이브 전송라인을 형성한다. 이러한 마이크로웨이브 전송라인은 생략될 수 있으며, 마이크로웨이브 전송라인이 생략되는 경우 도파관(130)에는 마이크로웨이브 발진기(121)가 직접 연결될 수 있다.

도파관(130)은 상기 마이크로웨이브 발진기(121) 및 순환기(141), 방향성 결합기(142), 정합기(143)를 통해 내부로 입력된 전자파를 도파관(130)의 말단을 향해 전송한다. 도파관(130)의 말단을 향해 전송되는 전자파는 도파관(130)의 말단이 막혀있으므로 반사된다. 반사되는 전자파는 도파관(130)에 관통되어 있는 방전관(110) 내에 강한 전기장을 형성시킨다.

도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 도파관 및 방전관을 설명하기 위한 사시도 및 단면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 이러한 전자파 플라즈마 토치(100)는 전자파 플라즈마 토치가 이용되는 구조물들(예를 들면, 가스화기, 개질기, 반응기 등)에 용이하게 설치될 수 있는 구조를 갖는다. 이를 위해, 도파관(130)은 테이퍼된(Tapered) 가이드 영역(131) 및 꺽인 영역(132)을 포함한다.

상기 테이퍼된 가이드 영역(131)은 도파관(130)의 입구단측으로부터 말단측을 향해 테이퍼되어 있다. 바람직하게는 테이퍼된 가이드 영역은, 말단측 높이가 입구단측 높이의 ½ 높이가 되도록 테이퍼된다. 이러한 테이퍼된 가이드 영역(131)은 도파관(130)의 입구단측으로부터 말단측을 향해 갈수록 그의 단면적이 감소하는 형태이므로 마이크로웨이브 발진기(121)로부터 입력된 전자파가 도파관(130)의 말단측으로 갈수록 에너지 밀도가 증가하도록 구성된다. 이에 의해 테이퍼된 가이드 영역(131)의 말단측에서는 플라즈마를 발생시키기에 가장 적합하며, 에너지를 높일 수 있다.

꺽인 영역(132)은 테이퍼된 가이드 영역(131)으로부터 소정의 각도로 꺽여 있는, 예를 들면 가이드 영역(131)에 수직(직각)하도록 꺽여 있는 영역이다. 꺽인 영역(132)은 테이퍼된 가이드 영역(131)의 말단에 위치한다. 꺽인 영역(132)은 도파관(130)의 말단부로부터 관내파장의 ½의 정수배의 거리에서 테이퍼된 가이드 영역(131)에 직각되게 꺽여 있다. 이러한 꺽인 영역(132)은 앞서 언급된 바와 같이 플라즈마를 발생시키기에 가장 적합하고 에너지를 높일 수 있는, 테이퍼된 가이드 영역(131)의 말단측에 위치하므로 꺽인 영역(132)에 방전관(110)이 관통되면 에너지의 손실 없이 방전관(110) 내에 고온의 플라즈마를 형성할 수 있다. 따라서 이러한 꺽인 영역(132)에는 상기 방전관(110)이 관통된다.

이러한 꺽인 영역(132)에 관통되는 방전관(110)은 도파관(130)의 말단부로부터 관내파장의 ¼의 거리에 위치하여, 도파관(130) 내에 전송되는 전자파에 의해 가장 강한 전기장이 방전관(110) 내에 나타난다. 일 예로, 방전관(110)은 원통형일 수 있고, 원통형의 종축방향이 도파관(130)의 테이퍼된 가이드 영역(131)에 평행한, 즉 전자파의 진행 방향과 평행하도록 방전관(110)은 배치된다.

도 4는 도 1에 도시된 전자파 플라즈마 토치가 반응기에 설치된 상태를 나타낸 사시도이고, 도 5는 도 4의 개략적 평면도이고, 도 6은 도 1에 도시된 전자파 플라즈마 토치가 반응기에 다수 설치된 상태를 나타낸 평면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치(100)가 반응기(10)에 설치된다. 이때, 도파관(130)의 꺽인 영역(132) 및 방전관(110)은 반응기(10)에 인접하여 있고, 도파관(130)의 테이퍼된 가이드 영역(131)과 방전관(110)은 서로 평행하게 위치되어 있다. 또한 도파관(130) 내로 전자파를 입력하기 위한 장치들(마이크로웨이브 발진기, 순환기, 방향성 결합기, 정합기) 역시 방전관(110)과 평행한 방향에 위치된다.

이와 같이 반응기(10)에 본 발명의 전자파 플라즈마 토치(100)가 설치되는 경우, 토치 전체가 갖는 폭, 예를 들면, 도 5의 A의 폭만을 차지하므로 반응기(10) 주변에 넓은 반경, 예를 들면, 도 5의 B의 반경 내의 넓은 공간이 확보될 수 있고, 이에 따라 도 6과 같이 전자파 플라즈마 토치(100)를 다수로 설치하는데 어려움이 없다.

따라서 본 발명의 전자파 플라즈마 토치(10)를 설치하기 위한 넓은 공간의 확보가 필요 없으므로 쉽게 설치가 가능하고, 구조물에 설치되는 전자파 플라즈마 토치의 개수가 증가될 수 있다.

한편, 본 발명의 전자파 플라즈마 토치(100)는 비교적 전자파 플라즈마 토치의 설치 공간이 협소해지는 원통형 구조의 구조물에도 효율적인 설치가 가능하다.

즉, 종래의 경우에는 도파관이 방전관과 수직하게 배치되는 구조를 가질 수 밖에 없었기 때문에 원통형 구조의 구조물에 설치될 때, 도파관이 원통형 구조물의 둘레면의 접선 방향에 평행하게 배치되므로 원통형 구조의 구조물에 설치될 때는 더욱 설치가 용이하지 못하였다.

그러나 본 발명의 전자파 플라즈마 토치(100)는 방전관(110) 및 도파관(130)이 서로 평행하는 배치 구조를 가지므로 원통형 구조의 구조물에 설치될 때, 도파관(130)이 원통형 구조물의 둘레면의 접선 방향에 수직하게 배치된다. 따라서 설치 공간이 협소한 원통형 구조물에도 효과적인 설치가 가능하고, 설치 개수 역시 종래에 비해 증가될 수 있는 등의 장점이 있다.

이와 같이 본 발명의 전자파 플라즈마 토치(100)는, 플라즈마 토치가 이용되는 각종 구조물에 장착시 공간 활용이 자유롭고, 효율적인 공간 활용이 가능하다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 방전관; 전자파를 발진하는 전원공급부; 상기 전원공급부로부터 발생된 전자파를 상기 방전관으로 전송하는 도파관을 포함하고, 상기 방전관으로 플라즈마 형성 가스가 주입되고, 상기 방전관 내에는 상기 도파관 내의 전자파에 의해 플라즈마가 발생되는 전자파 플라즈마 토치로서,
   상기 도파관은 테이퍼된(Tapered) 가이드 영역과, 상기 테이퍼된 가이드 영역의 말단에 위치하고 상기 테이퍼된 가이드 영역으로부터 수직으로 꺽인, 꺽인 영역을 포함하고,
   상기 방전관은 상기 도파관 종단부의 꺽인 영역에 수직으로 관통하여 위치하며,
   상기 꺽인 영역은 상기 도파관의 말단부로부터 관내파장의 1/2의 정수배의 거리에서 상기 테이퍼된 가이드 영역에 직각되게 꺽이는,
   전자파 플라즈마 토치.
4. 방전관; 전자파를 발진하는 전원공급부; 상기 전원공급부로부터 발생된 전자파를 상기 방전관으로 전송하는 도파관을 포함하고, 상기 방전관으로 플라즈마 형성 가스가 주입되고, 상기 방전관 내에는 상기 도파관 내의 전자파에 의해 플라즈마가 발생되는 전자파 플라즈마 토치로서,
   상기 도파관은 테이퍼된(Tapered) 가이드 영역과, 상기 테이퍼된 가이드 영역의 말단에 위치하고 상기 테이퍼된 가이드 영역으로부터 수직으로 꺽인, 꺽인 영역을 포함하고,
   상기 방전관은 상기 도파관 종단부의 꺽인 영역에 수직으로 관통하여 위치하며,
   상기 방전관은 상기 도파관의 말단부로부터 관내파장의 1/4의 거리에 위치하는,
   전자파 플라즈마 토치.

Images