KR101566648B1 - 플라스마를 생성하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라스마를 생성하고, 이를, 임의의 유형의 폐기물의 파괴, 탄소-함유 고체 및 액체 물질의 기체화, 금속 및 비-금속 물질의 융해 및 납땜을 위한 열간 가공에서 이용하기 위한 방법 및 장치와 관련된다. 플라스마를 생성하기 위한 이러한 방법에서, 물이 가압되어 물 탱크(1)로부터 물 펌프(8)에 의해 디스트리뷰터(2)로 공급되며, 이로부터 물이 2개의 수류로 나뉘며, 상기 2개의 수류 모두가 유연한 파이프 연결(3)을 통과하고 각각의 수류가 개방 단부를 갖는 파이프(5)들의 쌍으로 개별적으로 들어가며, 이때 파이프 각각은 하나씩의 전극(4)을 수용하고, 2개의 흘러 나가는 수류 사이의 공간에 인가된 직류 고전압의 영향 하에서 4000℃를 초과하는 플라스마(6)가 생성되며, 반면에, 파이프(5)의 개방 단부를 자유롭게 흘러 빠져 나오는 물의 사용되지 않은 부분이 깔때기형 수집기를 통해 물 탱크(1)로 들어간다. 플라스마 생성 장치가 물이 물 탱크(1)로부터, 여기에 설치된 물 펌프(8)에 의해 공급되는 내열 단열 물질로 구성된 파이프(5)의 적어도 하나의 쌍을 포함하며, 가압된 물을 디스트리뷰터(2)로 공급하고, 유연한 파이프 연결부(3)에 의해 물이 파이프(5)로 공급되며, 상기 파이프(5) 내부에서 전극(4)의 적어도 한 쌍이 설치되며, 각각의 파이프가 전극들 중 하나를 수용하며, 직류 고전압원(7)의 반대 극으로 연결된다.

Description

플라스마를 생성하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND A DEVICE FOR PRODUCTION OF PLASMA}

본 발명은 플라스마와 플라스마 중에서 연소하는 브라운 가스라고 알려진 수소 및 산소 기체의 혼합물을 생성하기 위한 방법 및 상기 방법을 구현하는 장치에 관한 것이다. 이들은 유해한 폐기물의 처리, 수소 함유 경질 재료의 기체화, 금속 및 비-금속 물질의 융해 및 납땜 목적의 가열을 위한 열간 가공에서 사용될 수 있다.

1. 일반적으로 흑연으로 만들어지고 직류 전압원으로 연결되며 서로 반대 극성을 갖는 2개의 경질 전극(hard electrode) 간에 플라스마를 생성하기 위한 방법이 알려져 있다. 우선 전극을 터치하고 그 후 이들을 분명한 임계 거리만큼 이격시키도록 기계적으로 이동시킴으로써, 또는 전극들 중 하나를 가열하여 고온의 영향 하에서 전자 방출을 개시함으로써, 플라스마가 형성되는 공정을 개시한 후 플라스마가 생성된다.

2. 전해질의 수용액에 침지된 반대 극성을 갖는 전극에 직류 전압이 인가되는 전기분해라고 일컬어지는 공정이 알려져 있다. 기체, 각각 산소와 수소가 양극(캐소드)과 음극(애노드)에서 방출되기 시작한다. 이들은 개별적으로 사용될 수 있거나, 지정 방식으로 혼합되어 브라운 가스라고 알려진 기체 혼합물이 될 수 있다.

3. 물이 가역적 반응이 개시되기 위한 고온까지 가열되어 물 분자가 물의 구성 성분 - 산소 및 수소 - 으로 분해되는 공정이 알려져 있다. 이 공정은 1000℃ 초과의 온도에서 시작되고, 3000℃ 초과에서 실질적으로 모든 물 분자는 물의 구성 성분으로 분해된다. 온도가 낮아질 때, 수소와 산소는 서로 다시 결합되어 물 분자를 형성하며, 이 합성 동안 많은 양의 화력이 방출된다.

본 발명의 목적은 더 효율적이고, 더 저렴하며, 환경 친화적이고 안전한 플라스마를 생성하기 위한 방법과 상기 방법의 용이하고 효율적인 구현을 위한 장치를 제공하는 것이다.

과제는 플라스마를 생성하기 위해 제안되는 방법 및 상기 방법의 구현을 위한 장치를 이용해 해결된다.

제안된 방법에 따르면, 물 탱크로부터 물을 인출하는 순환 펌프로부터 가압된 물이 유입되는 디스트리뷰터(distributor)에 의해 둘 이상의 수류가 만들어진다. 이들 수류는, 연결 조인트를 통해, 내열 물질로 만들어진 하나 이상의 파이프 쌍에 도달한다. 파이프 각각은 직류 고전압원으로 연결되는 금속 전극을 수용하며, 이때, 두 전극은 반대 극성을 가진다. 전압이 인가될 때, 물이 흐르는 파이프 쌍의 개방부들 사이의 간극(gap)에서 플라스마가 생성된다. 전극이 단 2개일 때 상기 전극에 전압이 동시에 인가되고, 전극이 3개 이상일 때, 서로 다른 전극 쌍에 다양한 시점에서 전압이 공급될 수 있다.

전극에 공급되는 전압은 1000V를 초과한다. 본 발명의 하나의 특정 실시예에서, 공급되는 직류 고전압이 3000V 내지 5000V이다.

4000℃ 초과의 온도에서 각각의 파이프 쌍의 개방부들 사이의 간극에서 플라스마가 생성된다.

수류의 압력의 크기 및 전압원의 공급 전압의 크기는 획득될 플라스마 영역의 크기에 따라 결정된다. 플라스마 생성을 위해 제안된 장치는, 물이 흐를 때 통과하는 파이프 내에 수용되며 직류 고전압원으로 연결되어 있는 반대 극성을 갖는 전극들의 적어도 하나의 쌍을 포함한다. 물은 물 탱크로부터 유입되며, 순환 펌프에 의해 지정 압력 하에서 디스트리뷰터로 이동되며, 여기서 적어도 2개 또는 그 이상의 짝수 개의 수류로 분할되고, 상기 수류는 유연한 연결부를 통해 내열 절연 물질의 파이프 내부를 통과한다. 이들 파이프는 전극도 수용한다. 전기 전류가 전극으로부터 수류 내로 흐르고, 상기 수류들을 반대 전하로 대전시킨다. 파이프 단부들로부터 흘러 나오는 수류들 사이의 공간에서 플라스마가 생성됨으로써, 배출구로부터 지정 거리를 둔 파이프 내에 수용된 전극의 표면에서 가스 기포가 발생한다(양극에서 산소가, 음극에서 수소가 발생한다). 가스는 수류에 의해 운반되며 파이프 단부를 떠나, 일반적인 플라스마-가스 화염으로 연소하는 플라스마가 된다.

본 발명의 특정 실시예가 가능하며, 여기서, 파이프는 석영 유리 또는 세라믹으로 만들어지고 수평으로 또는 지정 각도만큼 기울어 서로 대향하도록 배열된다.

수류가 흐르는 파이프 개방부들 사이의 간극은 다양할 수 있으며, 본 발명의 실시예들 중 하나에서, 5mm을 초과한다.

본 발명의 특정 실시예에 따르면, 파이프와 상기 파이프에 수용된 전극의 수는 2이고, 또 다른 실시예에 따라, 짝수인 "N"일 수 있다.

파이프를 통과하여 흐르는 수류의 물의 일부분이 플라스마를 생성하도록 사용되고, 사용되지 않는 나머지 부분은 물 탱크로 복귀한다. 따라서 탱크 밖으로 펌핑되고 순환 펌프를 통과해 흘러 디스트리뷰터에 의해 플라스마의 생성을 위해 사용되는 둘 이상의 수류로 분할된 물이 탱크 내부로 부분적으로 복귀되고, 복귀된 물 중 일부가 필요에 따라 재사용되는 폐쇄 루프가 만들어진다.

플라스마 생성을 위해 제안된 방법 및 장치의 이점은 이들이 환경 친화적이며, 해로운 물질을 방출하지 않고, 적은 양의 전력을 소비한다는 것이다. 획득된 플라스마는 4000℃를 초과하는 온도를 가지며, 플라스마의 생성을 위해 이용 가능하고 저렴한 물질이 사용된다.

플라스마 형성의 집중화 관점에서, 저 농도의 전해질 용액이 사용될 수 있고, 공정 에너지 산출량의 증가 관점에서, 소량의 수용성 연료 또는 물-기름 에멀전이 추가될 수 있다.

도 1은 본 발명의 방법을 구현하는 장치이다.
[부호의 설명]
1. 물 탱크
2. 디스트리뷰터
3. 유연한 파이프 연결부
4. 전극
5. 내열 물질의 파이프
6. 플라스마
7. 직류 고전압원
8. 물 펌프

본 발명의 예시적 실시예

도 1에 도시된 플라스마 생성 장치의 특정 실시예에서, 가압된 물(water under pressure)이 순환 펌프(8)를 이용해 물 탱크(1)로부터 디스트리뷰터로 공급되며, 상기 디스트리뷰터의 배출구는 유연한 연결부(3)에 의해 석영 유리, 세라믹 또는 그 밖의 다른 내열 절연 물질로 만들어진 한 쌍의 파이프(5)로 연결된다. 파이프(5) 각각은 직류 고전압원(7)으로 연결된 하나씩의 전극(4)을 수용한다. 전극들 중 하나는 양전하(애노드)이고, 다른 하나는 음전하(캐소드)이다. 파이프들은 이들의 하나의 단부에서 개방되어 있고 상기 파이프로 유입되는 물이 이 단부를 통해 자유롭게 흘러나가, 깔때기형 수집기(funnel-like collector)를 통해 다시 물 탱크 내부로 낙하된다. 개방된 파이프 단부를 통해 자유롭게 흘러 나가는 두 수류(water stream) 사이에 적어도 5mm의 공간(간극)이 존재함으로써, 전극에 직류 고전압을 인가한 후, 플라스마 형성 공정이 개시된다.

정해진 한계 내에서 수류들 간의 공간이 달라질 수 있으며, 이는 플라스마 형성 공정의 집중도(intensity)에 영향을 미친다. 두 전극 모두 파이프를 통과하는 물에 완전히 침지되고 파이프의 자유 개방부에 닿지 않고, 이 특정 실시예에서, 전극 단부와 파이프 개방 단부 사이의 물 기둥은 20mm인데, 이는 정해진 임계 한계 내에서 달라질 수 있다. 두 파이프 모두의 각각의 개방부는 수평으로, 또는 플라스마 형성 공정의 집중도를 약하게 또는 세게 하기 위해 원하는대로 달라질 수 있는 지정 각도로 기울여서 서로에 대향하도록 배열될 수 있다.

간극에서 획득된 4000℃를 초과하는 온도를 갖는 적은 양의 수소 및 산소 가스가 플라스마 토치(plasma torch)에 추가되기 시작되며, 가스가 전극 표면에서 방출되기 시작한다 - 애노드에서 수소가, 그리고 캐소드에서 산소가 방출됨 - . 이들은 파이프의 자유 개방부를 빠져나가기 위해 통과하는 물에 의해 작은 기포의 형태로 운반되며, 이들은 플라스마 토치 내부로 낙하되며, 여기서, 수소는 연소되고, 산소는 연소 공정을 강화한다. 플라스마 토치가 수류와 직접 접촉하고 이들 사이에 형성된다는 사실 때문에, 수면에서부터의 집중적인 증발 공정이 시작된다. 증발되어 플라스마 영역으로 낙하한 물 분자가 매질의 극히 높은 온도 때문에, 높이가 이동되는 수소와 산소로 분해되고, 주변 온도가 낮아지기 시작할 때, 물 분자 합성의 가역적 반응이 개시된다. 상기 반응은 활성 플라스마 형성 영역까지의 거리가 증가할수록 더 집중적이 되며, 상기 합성 중에 많은 양의 에너지가 방출된다.

본 발명의 또 다른 특정 실시예에서, 한 쌍의 수류 내에 수용된 각각의 전극이 둘 이상이며, 다양한 시점에서 전극에 직류 고전압이 인가될 수 있고, 서로 다른 전극 쌍의 스위칭 순서는 희망하는 공정에 따라 달라진다. 1, 2, 3, 4 내지 N개의 개별적인 플라스마 형성 공정의 생성을 야기하는 1, 2, 3, 4 내지 N 쌍의 전극들이 포함될 수 있다.

본 발명의 적용(용도)

본 발명은 가정용 급탕(DHW: domestic hot water), 사용될 수증기, 전기 에너지의 발생, 스털링 엔진(Stirling engine)의 외부 열원으로서, 폐기물(가령 의료 및 방사능 폐기물)의 연소, 수소-함유 경질 물질의 가스화, 금속 및 비-금속 물질의 융해 및 접합을 위해 사용될 수 있다.

Claims (9)

1. 플라스마를 생성하기 위한 방법으로서, 일측 단부가 개방되어 있는 한 쌍의 파이프(5)에서 한 쌍의 수류(water stream)가 서로 마주하여 가압되어 흐르고, 상기 한 쌍의 수류는 개방된 상기 단부를 통해 자유롭게 흘러 나오며, 개방 단부는 서로 이격되도록 배열되고, 전극(4)이 상기 한 쌍의 파이프(5) 각각 내에 위치하며 수류 내에 있도록 설치되고, 1000V초과의 고전압이, 직류 전원(7)의 두 반대의 극들로 각각 연결된 두 전극(4) 으로 공급되어, 상기 파이프(5)로부터 자유롭게 흘러 나오는 수류들 사이 공간에서 플라스마(6)가 생성되는, 플라스마를 생성하기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 고전압 직류가 모든 전극(4) 쌍에 동시에 공급되는, 플라스마를 생성하기 위한 방법.
3. 제1항에 있어서, 다양한 시점에서 고전압 직류가 전극(4)의 쌍에 공급되는, 플라스마를 생성하기 위한 방법.
4. 플라스마를 생성하기 위한 장치로서, 일측 단부가 개방되어 있는 한 쌍의 파이프(5)에서 한 쌍의 수류(water stream)가 서로 마주하여 가압되어 흐르고, 상기 한 쌍의 수류는 개방된 상기 단부를 통해 자유롭게 흘러 나오며, 개방 단부는 서로 이격되도록 배열되고,
   상기 장치는 직류 고 전압 원의 반대 극으로 연결된 한 쌍의 전극을 포함하며, 전극(4) 각각은 내열 절연 물질로 만들어진 파이프(5) 내에 수용되고, 유연한 파이프 연결부(3)에 의해 디스트리뷰터(2)로부터 물을 공급받으며, 물 탱크(1)로부터 물 펌프(8)에 의한 가압에 의해 물이 공급되는, 플라스마를 생성하기 위한 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 파이프의 내열 절연 물질은 석영 유리 또는 세라믹인, 플라스마를 생성하기 위한 장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 파이프의 개방 단부들이 수평으로 또는 비스듬히 서로 대향하여 배열되는, 플라스마를 생성하기 위한 장치.
7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 파이프(5)의 개방 단부들 사이의 공간이 5mm를 초과하는, 플라스마를 생성하기 위한 장치.
8. 제4항 또는 제5항에 있어서, 파이프(5) 및 파이프에 수용되는 전극(4)의 개수는 2 내지 "N"이며, 여기서 N은 짝수인, 플라스마를 생성하기 위한 장치.
9. 삭제

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