KR101680522B1 - 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 국내 규격 또는 국제 규격의 수로 배관에 간편하게 연결할 수 있는 범용성을 갖고 있으며, 물의 살균, 수세소독, 이온화 등의 처리 효율성을 크게 증대시킬 수 있도록 한 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 일정 길이로 된 관체 둘레에 2차코일이 권취되고 관체 내부에 정적믹서가 구비되어 있는 제1반응수관과; 상기 제1반응수관에 권취되는 2차코일의 외측에 구비되는 공진발생부를 제외한 제1반응수관의 외측에 일정길이로 설치되는 절연관체와; 상기 제1반응수관의 물 유입부에 위치한 2차코일의 외측에 일정간극을 두고 설치되는 1차코일 보빈에 1차코일이 권취되되 권선수 조절보빈에 의해 1차코일 보빈에 권취되는 1차코일의 권선수가 공진점으로 조절되도록 하는 공진발생부와; 상기 권선수 조절보빈은 정역회전시키는 모터드라이브가 설치되어 공진센서로부터 2차코일에 인가되는 공진 정보에 의해 권선수 조절보빈의 제어가 되도록 하는 것을 포함하는 제1반응기와, 상기 제1반응수관과 연결되어 제1반응수관에서 처리된 처리수를 공급받고, 일정길이의 절연관으로 구비된 제2반응수관과; 상기 제2반응수관의 내부에 설치되고 케닉스 믹서 형태의 구조물로 이루어진 내부전극과; 상기 내부전극과 전도되지 않게 설치되고 원통 메쉬형 관체로 구성되어 있는 외부전극;을 포함하는 제2반응기로 이루어진 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛을 특징으로 한다.

Description

수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛 {Water treatment bubble plasma unit}

본 발명은 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 국내 규격 또는 국제 규격의 수로 배관에 간편하게 연결할 수 있는 범용성을 갖고 있으며, 물의 살균, 수세소독, 이온화 등의 처리 효율성을 크게 증대시킬 수 있도록 한 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛에 관한 것이다.

플라즈마는 이미 1800년대에 과학자들이 발견한 제4의 물질로서 방전관 시험과정에서 빛과는 틀린 전이상이 발견되어 후에 과학자 랭뮤어가 이 빛과 비슷한 상이 하나의 물질상을 이루는 것을 밝혀내고 제4의 물질로 지칭하자고 주창하고 그리이스 어원인 플라즈마(plasma)라고 명명하기 시작하였다.

현대에 들어서면서 과학자들은 플라즈마가 고체, 액체, 기체, 플라즈마로 물질 3상에서 물질 4상으로 기체에서 플라즈마로 전이되는 상과정을 연구하기 시작하면서 많은 분야에 플라즈마가 쓰일 수 있다는 것을 예측하기 시작하였고 2차 세계대전에서 독일의 나치스 과학자들은 수천명의 전투 병력이 한 번에 탑승할 수 있는 초대형 고공수송기의 기내산소 공급을 위하여 사람의 신진대사 과정에서 생성되는 호흡물을 해리하여 산소로 환원하는 매개 장치로 플라즈마를 개발한 바 있으며 미국은 독일의 잠수함 공격으로부터 아군선박을 보호하기 위하여 식별혼란 장치의 매개로 플라즈마를 개발한 역사가 있다.

이러한 군사적 목적으로 개발된 초기 플라즈마 기술의 성공여부의 진위는 현재까지 베일에 감추어져 왔으나 플라즈마 기술이 산업에 이용되면서부터 기술역사의 이론과 실제 결과가 하나하나 증명되어가고 있다. 기체를 플라즈마로 생산하기 위한 상전이 에너지는 고체를 액체로 전이하거나 액체를 기체로 전이하는 열에너지와는 다른 에너지를 사용한다. 현재까지의 생산 에너지는 고압의 전기 에너지가 최적 기본 에너지로 밝혀졌고 그 기본 전기에너지에 펄스라는 동력을 더하여 기체를 해리하고 상전이 시킨다. 또한, 기초전기 에너지의 전류량은 작고 압력은 강한(전압은 높고 전류는 낮은) 전기에너지를 사용하여 플라즈마를 발생시킨다.

사용용도에 따라 전압과 전류의 사용량이 천차만별이지만 전압과 전류의 편차가 낮으면 고온의 플라즈마가 생성되고 전압과 전류 편차가 크면 클수록 저온으로 플라즈마가 생성된다. 또한, 플라즈마 생성 개시전압 이하에서도 플라즈마를 생성하기 위하여 펄스를 가하게 되는데 주로 고주파가 사용되며 주파수의 고저에 따라 온도가 결정된다. 플라즈마 고주파 전원으로 주로 사용되는 메가헬르쯔(MHz)급 라디오 주파수(RF전원)에서는 고온 플라즈마를 생산하고 킬로헬르쯔(kHz) 급에서는 저온의 플라즈마가 생성된다.

이러한 플라즈마의 온도로 고온 플라즈마와 저온 플라즈마로 크게 구분하고 이 기본 분류 외에도 플라즈마의 전원과 반응기의 개폐 여부, 형태에 따라 플라즈마 종류를 구분해 오고 있다. 고온 플라즈마는 주로 금속의 용융이나 용사에 주로 사용하여 왔으며 저온 플라즈마는 열 변형이나 열 영향이 미쳐서는 안되는 분야에 사용하기 위하여 개발되어 오고 있다.

현재까지의 저온 플라즈마의 종류로는 코로나방전(corona discharge)플라즈마, 암방전 플라즈마와 같은 방전형태에 따른 플라즈마 종류와 빛과 색깔의 구현 모습과 형태로 구분되는 글로우 플라즈마(glow plasma) 글라이딩 플라즈마, 더스티 플라즈마,등으로 명명하여 구분하고 있다. 이들 중 글로우 플라즈마와 글라이딩 플라즈마, 코로나 플라즈마는 2차대전 당시 시현되었던 가스의 환원이나 물체의 위치 왜곡을 유발 하기도한다.

현재 플라즈마가 제일 많이 쓰이는 용도로는 용사, 평판디스플레이가 많이 알려져 있으며 화학산업 공정중 에칭공정에 많이 쓰이고 종래 화학적 표면처리공정에서 플라즈마 공정처리로 바뀌어 가고 있어 친환경적인 산업공정에 기여하고 있다.

특히, 환경산업에서 자동차배기 과정에 플라즈마를 사용하여 매연을 줄이고 산업 배연설치에 플라즈마를 사용하여 환경을 보호하는 기술이 플라즈마 응용기술로 주목 받고 있다. 탄소연료 사용으로 대기상으로 배출되는 유해가스는 그동안 열을 사용하여 소각하여 배출되어 왔으나 비용과 제2차 오염을 유발하여 문제가 되어 왔으나 플라즈마로 처리함으로써 제2차 오염이 없고 운용비용도 줄이는 효과를 도출하고 있기 때문이다.

앞으로도 대기환경 분야에 플라즈마가 어떤 형태로든 도입되어 더 많은 역할을 수행할 것이라는 예측에는 변함이 없으나 일부 선도적 과학자나 플라즈마 엔지니어들이 수질환경쪽에서도 플라즈마가 미래에 역할을 할 것이라는 이론에는 많은 학자들이 부정적인 입장을 취하여 오고 있었다. 그것은 플라즈마는 기체로부터 상전이 되기 때문이고 재료도 기체가 재료가 되기 때문이다. 그러나 이러한 부정적 견해는 캘리포니아공대의 수중플라즈마 발생 식품살균처리 시연이 성공하면서 여지없이 무너지고 수중에서도 플라즈마의 발생과 이용 이론이 정립되어가고 있다.

다만, 이러한 수중의 플라즈마 생산과 이용에는 해결되어야 할 과제와 문제점이 아래와 같이 대두 되고 있다.

첫 번째는 열 변형이다. 수중에서의 플라즈마 생성과정에서 생기는 열은 물속에 잔류하여 수온을 상승시키기 때문이다.

두 번째는 수중에 플라즈마의 재료가 되는 기체를 존재시키는 과제이다. 과학자들과 전문가들은 수중에 기포를 생성하고 기포속의 가스를 플라즈마 재료로 사용하는 이론을 기초 수중 플라즈마 생성 이론으로 정립시키고 있다. 단순하게 수중에 기포를 생성시키는 일은 기술이라고 할 것도 없는 쉬운 공정이다. 외부공기를 호스를 통하여 수중에 투입하면 되는 것이다. 그러나 이 기포가 수중 플라즈마의 적합한 가스재료가 되는 것은 아니다. 수중의 기포크기와 물과 기포의 장벽간 안정된 전압의 유지, 기포가 생성되고 꺼지는 주기에 따라 플라즈마의 생성과 진행 소거가 함께 이루어지면서 물과 수중유기물들과의 반응이 이루어져야 하는 해결과제가 남아 있기 때문이다.

세 번째는 전원과 플라즈마 전극이다. 수중에서 플라즈마 이용하기 위해서는 대기 상에서의 플라즈마 전원과 전극으로는 불가능하게 된다 가스용기와 같은 챔버를 두고 전극을 수용하여도 플라즈마가 수중의 물과 접촉하는 즉시 플라즈마는 소거되므로 챔버 출구 쪽만 반응하게 되어 미세한 반응영역만을 가지므로 수처리는 불가능하게 된다. 전극의 배치와 성격도 대기상과 같은 플라즈마 전극으로는 전원과 제일 가까운 곳만 플라즈마 반응영역이 되므로 수처리와 같이 빠르고 많은 양의 반응 처리에는 쓸 수 가 없는 단점이 있다.

KR 제10-1191146호 KR 제10-1413719호 KR 제10-1534456호 (특허공개문헌 0004) KR 제10-2011-0109111호

본 발명은 수중에서 수온상승을 유발하지 않는 저온플라즈마의 생산 및 반응이 이루어지고, 반응율이 낮은 외부 기포투입의 문제점을 해결하는 전체반응 자율기포생성과, 수중 플라즈마 반응에 기여하며 수중환경에 맞는 내구성 전극과 구조물로 이루어진 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛을 제공함에 있다.

본 발명은 일정 길이로 된 관체 둘레에 2차코일이 권취되고 관체 내부에 정적믹서가 구비되어 있는 제1반응수관과; 상기 제1반응수관에 권취되는 2차코일의 외측에 구비되는 공진발생부를 제외한 제1반응수관의 외측에 일정길이로 설치되는 절연관체와; 상기 제1반응수관의 물 유입부에 위치한 2차코일의 외측에 일정간극을 두고 설치되는 1차코일 보빈에 1차코일이 권취되되 권선수 조절보빈에 의해 1차코일 보빈에 권취되는 1차코일의 권선수가 공진점으로 조절되도록 하는 공진발생부와; 상기 권선수 조절보빈은 정역회전시키는 모터드라이브가 설치되어 공진센서로부터 2차코일에 인가되는 공진 정보에 의해 권선수 조절보빈의 제어가 되도록 하는 것을 포함하는 제1반응기와,

상기 제1반응수관과 연결되어 제1반응수관에서 처리된 처리수를 공급받고, 일정길이의 절연관으로 구비된 제2반응수관과; 상기 제2반응수관의 내부에 설치되고 케닉스 믹서 형태의 구조물로 이루어진 내부전극과; 상기 내부전극과 전도되지 않게 설치되고 원통 메쉬형 관체로 구성되어 있는 외부전극;을 포함하는 제2반응기로 이루어진 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛을 특징으로 한다.

상기 제1반응수관은 수정관으로 구비되고, 제1반응수관의 내부에 설치되는 정적믹서는 부도체로 된 케닉스 믹서로 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 권선수 조절보빈은 1차코일 보빈과 평행하게 측부 설치되고 일측에 구동기어가 형성되어 1차코일 보빈에 형성된 연동기어와 치합되며, 상기 권선수 조절보빈은 정역회전시키는 스텝모터로 된 모터드라이브가 설치되고, 상기 모터드라이브는 2차코일의 일측에 설치되는 공진센서의 공진 정보가 인가되어 1차코일 보빈의 1차코일 권선수를 조절하는 제어기능을 수행하게 됨을 특징으로 한다.

상기 2차코일은 백금선, 백금족 합금선, 은선에 백금을 도금한 백금도금선 중에서 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 1차코일 시작점은 제1전원공급부의 음전극과 연결되고, 1차코일의 말단부는 제1전원공급부의 양전극에서 도출되어 연결되는 방전부와 연결되며, 상기 2차코일의 시작점은 제1반응수관의 입구쪽에 접지될 수 있도록 연결되고, 2차코일의 말단부는 제1반응수관의 출구쪽에 고정되어 제1반응수관을 통과하는 물과 접촉되게 연결된 것을 특징으로 한다.

상기 방전부는 봉형 쌍전극으로 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 봉형 쌍전극은 타이타늄 기지상에 백금족합금을 박막하거나, 전도성 다이아몬드나, 탄소보론 도핑된 것 중에서 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 내부전극은 제2전원공급부의 음전극과 연결되고, 상기 외부전극은 제2전원공급부의 양전극과 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 제2반응수관의 내부에 설치되는 내부전극은 전도체로 된 케닉스 믹서형태의 구조물 외곽 테두리면에 절연층이 구비되어 있는 구성으로 됨을 특징으로 한다.

상기 제2반응수관의 내부에 설치되는 내부전극은 부도체로 된 케닉스 믹서 형태의 구조물 중앙으로 전도선이 연결되어 있는 구성으로 됨을 특징으로 한다.

본 발명은 제1반응기의 제1반응수관은 수정관으로 구비되어 있고, 제1반응수관의 물 유입부에 위치한 2차코일의 외측에 권취되는 1차코일은 2차코일에 인가되는 공진 정보에 의해 권선수가 공진점으로 조절될 수 있게 권취가 되는 수단으로 제1반응기에서 최적의 플라즈마 생성을 유도하게 되므로 수처리 효율성을 크게 높일 수 있게 된다.

또, 본 발명은 제1반응기와 제2반응기는 외부가 절연되고 일체가 연결된 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛을 제공하게 되므로 국내 규격 또는 국제 규격의 수로 배관에 간편하게 연결할 수 있는 범용성을 갖게 된다.

도 1은 본 발명에 의한 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛을 나타낸 전체적인 구성 예시도.
도 2는 본 발명에 의한 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛에서 제1반응기의 구성을 나타낸 확대도.
도 3은 본 발명에 의한 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛에서 제2반응기의 구성을 나타낸 확대도.
도 4는 본 발명에 의한 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛에서 제2반응기의 내부전극과 외부전극의 구성을 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명에 의한 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛에서 제2반응기의 내부전극과 외부전극의 구성을 나타낸 분해 사시도.
도 6은 본 발명에 의한 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛에서 제2반응기의 또 다른 내부전극을 나타낸 사시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 각 수처리의 용도에 따라 물의 살균, 이온화, 물속의 유기물제거, 소독수의 제조 등에 사용할 수 있도록 하나의 유닛으로 완성된 구성으로 있으며, 이를 완성하기 위하여 크게 제1반응기(A), 제2반응기(B), 상기 각 반응기에 각각 전원을 인가할 수 있도록 하는 제1,2전원공급부(C)(D)로 이루어져 있다.

제1반응기(A)는 수처리를 위한 물의 유입부 쪽에 구성되는 것으로, 절연관체(105), 제1반응수관, 1차코일(120), 2차코일(130), 공진발생부(140), 권선수 조절보빈(160), 공진센서(180), 정적믹서(110)를 포함하는 구성으로 이루어져 있다.

상기 제1반응수관(100)은 일정 길이로 된 관체 둘레에 2차코일(130)이 권취되고 관체 내부에 정적믹서(110)가 구비되며, 상기 제1반응수관(100)에 권취되는 2차코일(130)의 외측에 구비되는 공진발생부(140)를 제외한 제1반응수관(100)의 외측에 일정길이로 절연관체(105)가 설치된다.

상기 절연관체(105)는 일정길이의 파이프 형태로 구비되어 있고, 양측단은 플랜지 또는 체결나사 등의 체결수단이 구비된다.

상기 제1반응수관(100)은 수정관으로 구비함이 바람직하며, 수정관을 사용하는 이유는 유전율이 높고 압전효과가 커서 유도전압을 형성하고, 제1전원공급부(C)의 전원을 인가하게 되면 진동하여 내부에 흐르는 물에 기포생성효과를 극대화할 수 있기 때문이며, 기포가 생성되지 않으면 전압이 유도된 2차코일(130)의 시작점과 말단점이 물에 의하여 전도되고 기포속의 기체가 물과의 장벽을 이루어 물과 기포, 기포와 기포 사이에 대전되는 현상이 일어나지 않으므로 플라즈마도 생성되지 않는다.

또한, 기포생성기로 기포를 생성하여 외부에서 수중으로 도입하는 기포도 적정하지 않은 것으로, 이는 기포의 크기가 미세하지 못하며, 플라즈마와 함께 생성되지 않아 큰 에너지를 발생하지 못하기 때문이다. 능률적이고 제일 큰 효과를 가져오는 기포는 미세하게 작고 생성과 소거의 주기가 짧은 기포가 제일 좋다. 이러한 효과적인 기포생성은 플라즈마의 생성과 함께 비평형으로 생성되고 소거되어야 효과적이다.

이때 효율적인 반응이 이루어지는 과정을 관능적으로도 볼 수 있는데 맑은 물의 색깔이 우윳빛으로 변하여 잔류하다가 전원을 차단하면 6~10분 정도 지난 후에 다시 원래의 맑은 물 색깔로 돌아가는 것을 볼 수 있다. 또한, 투명한 배관으로 반응과정을 보게 되면 배관 속의 물 색깔이 물체의 위치 착시 효과처럼 색의 착시를 일으켜 연한 보랏빛을 띠는 것을 볼 수가 있게 된다. 외부에서 도입되는 기포는 아무리 미세해도 기포라는 것을 관능적으로 볼 수 있지만 플라즈마와 함께 비평형으로 생성되고 소거되는 기포는 육안으로 관찰할 수가 없고 물색깔이 변하는 것만 볼 수 있다. 극히 미세한 크기이고 생성과 소거의 속도가 빠르기 때문이다. 플라즈마도 생성과 진행 소거가 우리가 관찰할 수 없는 빠른 속도로 반복되는 것이므로 육안으로는 한번 생성되어 전원이 차단 될 때까지 계속 지속되는 것처럼 보이게 된다.

본 발명은 수처리를 하는 용도에 따라 각기 다른 전압과 각기 다른 주파수 전원을 사용하더라도 적당한 플라즈마를 생성하기 위한 전압을 유도하고 수중에서 사태전압이 일어나지 않도록 제어하기 위한 1차코일(120)과 2차코일(130)을 구성하는 설명으로서 통상적인 배전압 유도 방식과 테슬라코일의 구성방식과는 다른 방법으로 구성하게 된다.

통상적인 배전압 방식 코일권선이나 테슬라 방식으로 코일을 권선하게 되면 전원의 전압과 주파수가 변경될 경우에는 대응할 수 없다. 전원에 아무리 정밀한 주파수 가 발진 되도록 구성한다고 하더라도 환경적인 조건이 다르게 되면 주파수의 수치가 변동되는 경우가 많기 때문이다. 또한, 전압도 접촉하는 대상에 따라 변동되기 때문이다. 예를 들어 같은 전압과 전류를 가진 전원으로 바닷물에 부하를 접촉하는 것과 민물에 부하를 접촉하는 경우 전압의 수치가 다르게 작용되는 것을 볼 수 있는 것과 같다.

본 발명의 플라즈마 유닛은 수처리공정의 범용유닛으로 사용될 수 있도록 함에 있다. 수처리의 용도와 환경에 따라 기본적으로 설정되어 있는 전원의 전압과 주파수가 변동될 수 있기 때문이다. 예를 들어 20mm구경의 배관을 채용하고 4kV의 전압과 120kHz의 주파수를 사용하는 것이 적당하다고 명시하였다고 4kV의 전압과 120kHz의 주파수가 절대적 수치는 아닌 것이다. 이것은 본 발명을 설명하기 위하여 일실시예를 설정한 것일 뿐이다. 또 다른 예로 용도와 환경이 구제역이 발생한 지역을 통과하는 차량의 살균소독을 위하여 반응된 물을 분무한다고 가정하였을 때 더 빠른 반응을 위하여 전압과 주파수를 8kV와 200kHz로 올린 전원을 사용할 수도 있을 것이다. 또 다른 용도로 어느 사용자는 횟집 수족관과 어패류 살균을 위하여 본 발명의 플라즈마 유닛을 사용하여 살균력과 살균 속도를 좀 약하게 조정하고 유속도 좀 더 약하게 하여 수족관의 물을 계속 순환시키며 소독하고자 할 수도 있다. 이때는 주파수가 좀 더 낮은 전원을 사용할 수도 있을 것이다. 이외에도 여러 환경과 용도에 따라 전원의 수치가 얼마든지 변경되어 사용될 수 있는 여지가 많다.

만약 1차코일(120)과 2차코일(130)이 이미 고정되어 있다면 전원의 변경 사용은 불가능하게 된다. 1차코일(120)과 2차코일(130)이 동조 되지 않으면 플라즈마 생성을 유도하는 적당한 전하가 생성되지 못하게 되기 때문이다. 1차코일과 2차코일의 밸런스는 매우 중요하지만 2차코일(130)의 선로 길이도 매우 중요하다. 테슬라코일과 같이 2차코일의 선로길이가 길면 전압의 출력지체가 일어나 사태전압이 생성되고 사태 전압으로 인하여 수중에 불특정 고압 방전이 일어나 플라즈마 주기를 빠르고 정밀하게 제어할 수 없게 될 수도 있을 것이다, 속도가 안정된 플라즈마 주기는 매우 중요한 것으로 반응 영역을 넓게 하여 주는 주요 요소이다.

또, 플라즈마가 안정되게 진행과 소거의 주기를 반복하지 못하고 일정한 곳에서만 큰 전압이 출력되어지면 수중에서도 아크가 일어나고 수중에 플라즈마의 생성 조건을 저해하게 되며 수온을 상승시키는 요인이 된다. 대기상에서는 사태전압이 일어나면 아크가 되어 절연되어 있는 공기에 부딪혀서 제어되거나 전극을 통하여 다시 되돌아가 제어되지만 수중에서 사태전압에 의하여 아크가 일어나면 물이 절연된 순수한 물이 아닌 이상 물에 전도가 일어나게 된다. 물에 전도차가 증가하면 전원의 전류 소모가 급격하게 일어나 전압 강하가 생기며 전압강하는 결국 전원을 멈추게 하는 결과도 가져 오게 되므로 이 경우 또한 안정되고 지속적인 플라즈마 생성은 어렵게 된다.

이러한 수정관으로 된 제1반응수관(100)의 둘레에 2차코일(130)이 권취되고, 상기 공진발생부(140)에 위치하는 2차코일(130)의 외측부에 일정간극을 두고 설치되는 1차코일 보빈(150)에 1차코일(120)이 권취되되 권선수 조절보빈(160)에 의해 1차코일 보빈(150)에 권취되는 1차코일(120)의 권선수가 조절되도록 하는 수단으로 공진발생이 이루어지도록 한다.

상기 권선수 조절보빈(160)은 1차코일 보빈(150)과 평행하게 측부 설치되고 일측에 구동기어(162)가 형성되어 1차코일 보빈(150)에 형성된 연동기어(152)와 치합되며, 상기 권선수 조절보빈(160)은 정역 회전시키는 스텝모터로 된 모터드라이브(170)가 설치되고, 상기 모터드라이브(170)는 2차코일(130)의 일측에 설치된 공진센서(180)의 공진 정보가 인가되어 1차코일 보빈(150)의 1차코일(120) 권선수를 조절하는 제어기능을 수행하게 된다.

예를 들어 플라즈마 유닛의 작동 초기에는 권선수 조절보빈(160)에는 0.8mm에서 2mm 사이의 굵기로 연질의 단선코일로 된 1차코일(120)이 10회이상 정도로 권취되어 있고, 1차코일 보빈(150)에는 1차코일(120)이 권취되지 않은 상태에서 1차코일 보빈(150)에 권취가 이루어지는 과정에서 2차코일(130)을 감싸고 있는 위치에 설치된 공진센서(180)가 보내오는 공진 정보에 따라 권선수 조절보빈(160)에 있는 1차코일(120)이 1차코일 보빈(150)에 권취가 되는 동작을 중단하게 된다. 즉, 공진센서(180)는 1차코일(120)과 2차코일(130)이 동조되어 공진점이 일어나면 이를 인식하여 공진 정보를 모터드라이브(170)에 인가하고 모터드라이브(170)는 공진센서(180)가 보내오는 정보로 권선수 조절보빈(160)을 제어하여 1차코일 보빈(150)에 제일 적합한 1차코일(120)의 권선수가 공진점에 도달할때까지 권취가 되는 것이다.

상기 제1반응수관(100)의 둘레에 권취되는 2차코일(130)은 예를 들어 수정관경 20mm 기준으로 0.2mm의 백금선을 사용하여 수정관 외벽에 약 100mm의 길이 내에 300회 정도 권취된다. 이때 2차코일(130)의 권선수는 본 발명을 설명하기 위한 일실시예를 설정한 것으로 제1반응기(A)에 인가될 전원4kV과 120kHz에 준한 것이다. 하지만 제1반응수관(100)의 관경이 커지면 권선수가 늘어날 수 있다. 주파수 편차가 100kHz까지는 2차코일(130)의 권선수를 가감할 필요는 없다. 1차코일(120)이 권취되는 권선수 조절보빈(160)이 동작하여 1차코일(120)의 권선수를 조정하여 2차코일(130)과 동조하게 하기 때문이다. 백금선을 쓰는 이유는 구리선보다 전도율이 높아 2차코일(130)의 권선수를 줄일 수 있는 이유와 2차코일(130)의 말단이 수중으로 유입되기에 불용될 수 있기 때문이다. 순수백금선은 고가이기 때문에 이를 대체하는 금속으로 백금족 합금선이나 은선에 백금을 도금한 백금도금선은 불용성과 전도율이 뛰어나므로 이를 2차코일로 적용함이 바람직하다.

또, 수정관으로 된 제1반응수관(100)의 관경 크기가 커지면 길이도 비례하여 늘어나게 되므로 전압을 높여 나가는 것이 바람직하다. 그러나 전압과 주파수가 과도하게 너무 높으면 2차 전압 유도로에 전압사태가 일어나기 쉽고 평등한 전압이 유도되지 못하게 된다. 반대로 전압과 주파수가 너무 낮아도 전압유도가 평등하지 못하고 수정관의 진동운동을 유발하지 못하게 된다. 100mm구경의 수정관을 채용할 경우는 6kV의 전압과 180kHz의 출력 주파수가 적당하며 200mm구경의 수정관을 채용할 경우는 8kV의 전압과 240kHz의 출력 주파수가 적당하다. 통상적으로 대기 상에서의 저온 플라즈마 생성에는 직류출력 전원을 사용하지만 본 발명에서는 교류 출력도 문제가 없음이 확인 되었다.

그리고, 2차코일(130)의 절연은 합성수지로 되어 있고, 절연관체(105) 내부에 위치하므로 2차코일(130)의 선로중간 외부 방전을 막는다. 전압이 강할 경우 절연이 되어도 주위에 칼같이 뾰족한 전도체가 있으면 방전되는 경우가 있기 때문이다.

상기 1차코일(120)의 시작점은 제1전원공급부(C)의 음전극(C1)과 연결되도록 하는 접속점을 구성하고, 1차코일(120)의 말단부는 제1전원공급부(C)의 양전극(C2)에서 도출되어 연결된 방전부(E)에 연결되도록 하는 접속점을 구성한다.

상기 방전부(E)는 통상적인 저온플라즈마의 방전 전극인 침상 전극 등을 채택하지 않고, 봉형 쌍전극(190)으로 구비되어 있으며, 재질은 전도도가 높은 내열성 금속으로 쓰는 것이 바람직하며, 최적의 소재로는 타이타늄 기지상에 백금족합금을 박막하거나 전도성 다이아몬드나, 탄소보론 도핑된 것이 최고의 효율과 내구성을 가질 수 있다.

통상적으로 사용되는 플라즈마 방전극은 끝이 뾰쪽한 단일 침상 전극 또는 복수의 침상전극 등으로 구비되므로. 이것들은 뾰족한 침상 끝부분을 통해 전압의 방출이 쉽게 이루어지므로 선호되어온 전극들이다. 본 발명에서 채택한 봉형 쌍전극(190)과 현재 실시되고 있는 통상적인 여러 플라즈마 방전극의 반응영역을 같은 전원인가 조건에서 적용하는 경우에 봉형 쌍전극(190)이 반응역이 더 큰 것을 알 수 있게 되는 것으로, 그 이유는 둥글게 원을 그리고 있는 각진 모서리 어디에서든지 침상과 같이 쉽게 전압을 출력할 수 있어 전압의 출력 속도를 감당해내기 때문이다. 킬로헤르쯔(kHz) 정도의 주파수만으로도 우리가 느낄 수 없는 빠른 속도의 파형수를 발진하고 진행시킨다 이 주파수가 전압의 출력속도에 관여하게 되므로 빠른 속도의 전압을 지체 없이 출력하고 지속할 수 있을 정도의 전극이 구성 되어야 안정된 방전을 지속시킬 수 있다.

만약 전압의 출력 속도를 수용하지 못하게 되면 지체되는 전압으로 전극은 열 화되어 용융되거나 높은 온도의 체적으로 결국은 수명이 ?苡팁側? 되는 결과를 만들게 된다. 구태여 설명하는 이유는 모든 플라즈마는 방전으로 시작되기 때문이다.

봉형 쌍전극(190)이 본 발명에서 직접 수중 플라즈마 전극이 되는 것은 아니지만 수중에 효율적인 플라즈마를 발생시키기 위한 중요한 요소가 된다, 제1전원공급부(C)에서 인가하는 전압을 2차코일(130)을 통하여 승압시키고 제1반응기(A)를 통하여 미세기포와 함께 미세한 더스티 플라즈마를 생산하게 되는 필수 조건이기 때문이다. 봉형 쌍전극(190)이 쉽게 용융되거나 전원에서 인가하는 전압의 속도를 수용하지 못하여 불안정한 방전을 하게 되면 결속되는 유도전압이나 결속되는 기포생성과 더스티 플라즈마도 불안정하여 장치 전체가 완성도 높은 기술결과를 완성시키지 못하게 되는 것이다. 저온 플라즈마의 저온은 인체나 반응영역이 접촉하는 온도가 저온일 뿐 실제로는 저온 플라즈마도 플라즈마의 중심 온도는 금속을 녹일 수 있는 온도이다. 눈에 보이지 않을 정도로 약한 암방전 형의 저온 플라즈마의 전극도 사실은 용융이 되는 것이다.

통상적인 저온 플라즈마 생성장치들은 전원의 교체 주기보다 전극의 교체 주기가 더 빠르다. 이것은 저온 플라즈마도 중심온도는 높아 전극의 용융 소모가 빠르기 때문이고, 전자에 기술한 것과 같이 전압의 출력 속도 수용을 충족하지 못하고 전압출력의 지체가 있기 때문이다. 그런 이유로 저온 플라즈마 전극은 주파수가 높으면 복수전극을 배치하거나 아예 원통형 전극을 사용하게 되는 이유는 전압을 지체시키지 않고 배분하여 밀어내기 위한 것이다. 전압을 밀어내는 속도는 빠른데 전압이 출력될 수 있는 전극이 부족하면 부하로 인하여 전원이나 선로에 열이 발생되고, 전극은 물론 장치 전체의 수명을 단축시키게 되기 때문이다. 플라즈마의 전원은 고압, 고속으로서 전류처럼 여유를 가지고 여러 곳이라도 배분하며 흐를 수 없다. 가까운 곳에 출력이 쉬운 지점이 있으면 모두 한꺼번에 그곳으로 방출되는 성질이 있다. 전극의 교체주기도 그렇겠지만 전극의 조기 손상으로 선로가 열화 되면 대기상에서는 손쉽게 반응기에서 교체하는 작업이 이루어질 수 있으나 수중 환경에서는 많은 어려움과 시간이 소요될 것은 쉽게 예측할 수 있다.

본 발명의 완성 유닛은 출고된 후 수중에 설치될 수도 있고 해체에 시간이 걸릴 수 있는 수로에 설치될 수도 있기 때문에 전극의 부분도 교체가 필요 없고 수명도 길어 반응기와 유닛의 수명과 함께할 수 있도록 설계되어야 완성도 높은 수처리용 장치 유닛이 되기 때문에 봉형 쌍전극(190)과 같은 전극의 구성은 중요하다.

즉, 동일전원과 전압으로 96시간 연속 방전실험을 통상적으로 현재 실시되고 있는 플라즈마 침상 방전극과 본 발명의 방전부(E)에 채택한 봉형 쌍전극(190)으로 실시하여 열화 시기와 전극의 용융 정도를 측정한 결과로는 비교할 수 없을 정도의 차이가 있었다. 침상전극은 10시간후에 8개 모두 열화되어 전압강하가 있었으며 30시간 연속 사용 후에 용융되어 전극의 효율성이 제거될 정도가 되었으나 본 발명에서 채택한 봉형 쌍전극(190)은 96시간 연속 사용에서도 전압강하가 없이 가동되었으며 용융되지 않을 정도로 저항이 없었으므로 수처리 플라즈마의 용도성에 적절하게 채택될 수 있다.

상기 제1반응수관(100)의 입구쪽에 위치하는 2차코일(130)의 시작점은 피복부를 벗겨낸 나선부분으로 접지될 수 있도록 연결하고, 제1반응수관(100)의 출구쪽에 위치하는 2차코일(130)의 말단부는 피복부를 벗겨낸 나선부분이 제1반응수관(100)을 통과하는 물과 접촉될 수 있게 연결되며, 이는 제1반응수관(100) 내부에서 생성되는 기포와 기포, 기포와 물 사이의 장벽에 전하를 전달하여 미세한 더스티플라즈마를 물의 유속방향으로 진행, 소거를 반복하며 비행할 수 있게 한다. 제1반응수관(100)의 내부는 이러한 운동이 활발하게 이루어지고 기포와 기포, 기포와 물입자의 충돌을 증가시키기 위하여 부도체 케닉스믹서로 된 정적믹서(110)가 채택된다. 비행하는 더스티플라즈마는 제1반응수관(100)을 벗어나서도 수중에 잔류하며 제2반응기(B)의 제2반응수관(200)을 거치며 수중의 유기물들을 분해하여 이온화하게 된다.

제2반응기(B)는 제2반응수관(200), 내부전극(210)과 외부전극(220)으로 구비되어 제1반응기(A)의 이동 경로상에 구성된다.

상기 제2반응수관(200)은 제1반응수관(100)과 연결되어 상기 제1반응수관(100)에서 처리된 처리수를 공급받는 일정길이의 절연관으로 구비되며, 제2반응수관(200)의 양측단은 플랜지 또는 체결나사 등의 체결수단이 구비된다.

상기 내부전극(210)은 도 4 및 도 5와 같이 전도체로 된 케닉스 믹서 형태의 구조물 외곽 테두리면에 절연물로 된 절연층(212)이 구비되어 외부전극(220)과 전도되지 않게 구성하거나 또는 도 6과 같이 부도체로 된 케닉스 믹서 형태의 구조물 중앙으로 전도선(214)이 연결되어 있는 구성으로 되어 있으며, 제2반응수관(200)의 내부에서 내부전극(210)의 전원선은 외부로 인출시켜 직류 펄스 정전류기로 된 제2전원공급부(D)의 음전극(D1)과 연결되어 있다.

외부전극(220)은 상기 내부전극(210)을 수용하는 불용성 전극소재로 원통 메쉬형 관체로 구성하여 제2반응수관(200) 내부에서 외부로 전원선이 인출되어 제2전원공급부(D)의 양전극(D2)과 연결되는 구성으로 되어 있다.

제2반응기(B)에 채택되는 전원은 제1반응기(A)의 전원과는 상이하여 교류 출력은 사용할 수가 없으며, 제1반응기(A)의 전원과는 반대로 전압은 낮고 전류는 높은 것으로 예를 들어 직류 5V에서 24V 사이의 출력전압이 적당하고, 전류를 조정하게 구성되는 것이 바람직하며, 주파수는 1kHz에서 50kHz가 적당하며 20mm 배관으로 시간당 6톤의 물을 처리하는 기준으로 300W의 소비전력을 사용하는 것이 후처리인 수중유기물의 분해와 물의 이온화 목적에 적당하다,

이때 전류를 유동시키면 전압은 유동되나 전압을 유동하여 전류를 유동하는 것은 아니다. 또한 제2반응수관(200)의 구경과 처리량의 증감에 따라 전류를 조정하여 사용되도록 구성된다. 이것은 이온화물의 분리는 전류가 기여하기 때문이다. 상기와 같이 구성된 제1반응기(A)와 제2반응기(B)는 외부가 절연되고 일체가 연결된 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛을 제공하게 되므로 국내 규격 또는 국제 규격의 수로 배관에 간편하게 연결할 수 있는 범용성을 갖게 된다.

이러한 본 발명은 물의 살균, 수세소독, 이온화 등의 처리 효율성을 크게 증대시키게 되므로 양식장 용수처리, 냉각탱크의 냉각수 살균처리, 식품과 식기의 비가열 수세 살균처리 용도 등으로 적용되어 높은 살균 기능과 빠른 처리량을 수행할 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

A : 제1반응기 B : 제2반응기
C : 제1전원공급부 D : 제2전원공급부
E : 방전부 100 : 제1반응수관
105 : 절연관체 110 : 정적믹서
120 : 1차코일 130 : 2차코일
140 : 공진발생부 150 : 1차코일 보빈
152 : 연동기어 160 : 권선수 조절보빈
162 : 구동기어 170 : 모터드라이브
180 : 공진센서 190 : 봉형 쌍전극
200 : 제2반응수관 210 : 내부전극
212 : 절연층 214 : 전도선
220 : 외부전극

Claims (11)

1. 일정 길이로 된 관체 둘레에 2차코일(130)이 권취되고 관체 내부에 정적믹서(110)가 구비되어 있는 제1반응수관(100)과; 상기 제1반응수관(100)에 권취되는 2차코일(130)의 외측에 구비되는 공진발생부(140)를 제외한 제1반응수관(100)의 외측에 일정길이로 설치되는 절연관체(105)와; 상기 제1반응수관(100)의 물 유입부에 위치한 2차코일(130)의 외측에 일정간극을 두고 설치되는 1차코일 보빈(150)에 1차코일(120)이 권취되되 권선수 조절보빈(160)에 의해 1차코일 보빈(150)에 권취되는 1차코일(120)의 권선수가 공진점으로 조절되도록 하는 공진발생부(140)와; 상기 권선수 조절보빈(160)은 정역회전시키는 모터드라이브(170)가 설치되어 공진센서(180)로부터 2차코일(130)에 인가되는 공진 정보에 의해 권선수 조절보빈(160)의 제어가 되도록 하는 것을 포함하는 제1반응기(A)와,
   상기 제1반응수관(100)과 연결되어 제1반응수관(100)에서 처리된 처리수를 공급받고, 일정길이의 절연관으로 구비된 제2반응수관(200)과; 상기 제2반응수관(200)의 내부에 설치되고 케닉스 믹서 형태의 구조물로 이루어지되 전도체로 된 케닉스 믹서 형태의 구조물 외곽 테두리면에 절연층(212)이 구비되어 있는 내부전극(210)과; 상기 내부전극(210)과 전도되지 않게 설치되고 원통 메쉬형 관체로 구성되어 있는 외부전극(220);을 포함하는 제2반응기(B)로 이루어진 것을 특징으로 하는 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1반응수관(100)은 수정관으로 구비되는 것을 특징으로 하는 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제1반응수관(100)의 내부에 설치되는 정적믹서(110)는 부도체로 된 케닉스 믹서로 구비되는 것을 특징으로 하는 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 권선수 조절보빈(160)은 1차코일 보빈(150)과 평행하게 측부 설치되고 일측에 구동기어(162)가 형성되어 1차코일 보빈(150)에 형성된 연동기어(152)와 치합되며, 상기 권선수 조절보빈(160)은 정역 회전시키는 스텝모터로 된 모터드라이브(170)가 설치되고, 상기 모터드라이브(170)는 2차코일(130)의 일측에 설치되는 공진센서(180)의 공진 정보가 인가되어 1차코일 보빈(150)의 1차코일(120) 권선수를 조절하는 제어기능을 수행하게 됨을 특징으로 하는 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 2차코일(130)은 백금선, 백금족 합금선, 은선에 백금을 도금한 백금도금선 중에서 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 1차코일(120) 시작점은 제1전원공급부(C)의 음전극(C1)과 연결되고, 1차코일(120)의 말단부는 제1전원공급부(C)의 양전극(C2)에서 도출되어 연결되는 방전부(E)와 연결되며,
   상기 2차코일(130)의 시작점은 제1반응수관(100)의 입구쪽에 접지될 수 있도록 연결되고, 2차코일(130)의 말단부는 제1반응수관(100)의 출구쪽에 고정되어 제1반응수관(100)을 통과하는 물과 접촉되게 연결된 것을 특징으로 하는 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 방전부(E)는 봉형 쌍전극(190)으로 구비되는 것을 특징으로 하는 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 봉형 쌍전극(190)은 타이타늄 기지상에 백금족합금을 박막하거나, 전도성 다이아몬드나, 탄소보론 도핑된 것 중에서 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 내부전극(210)은 제2전원공급부(D)의 음전극(D1)과 연결되고, 상기 외부전극(220)은 제2전원공급부(D)의 양전극(D2)과 연결되는 것을 특징으로 하는 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛.
   
10. 삭제
11. 제 1항에 있어서,
    상기 제2반응수관(200)의 내부에 설치되는 내부전극(210)은 부도체로 된 케닉스 믹서 형태의 구조물 중앙으로 전도선(214)이 연결되어 있는 구성으로 됨을 특징으로 하는 수처리용 자율기포생성 플라즈마 유닛.
    

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