KR101779985B1 - 플라즈마 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 플라즈마와 촉매를 결합하여 대용량 기체를 처리하는 경우에도 압력손실을 최소화하는 플라즈마 반응기를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기는, 관상으로 형성되고 내부를 흐르는 처리 대상 기체의 외곽에서 일 방향으로 신장 배치되어 전기적으로 접지되는 제1전극, 상기 제1전극의 내부에서 상기 제1전극과 방전갭을 유지하여 나란하게 배치되고 전압을 인가하는 제2전극, 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에서 나란하게 배치되는 촉매를 포함한다.

Description

플라즈마 반응기{PLASMA REACTOR}
본 발명은 플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대용량의 대상 기체를 처리하는 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마 반응기는 기상 오염물질을 분해하거나 탄화수소계 기체를 개질(reforming)하는 바와 같이, 환경 및 에너지 분야에 널리 활용되고 있다.
플라즈마는 저온 공정을 가능하게 하고, 촉매는 고온에서 선택적인 반응을 가능하게 한다. 따라서 플라즈마와 촉매를 결합하는 경우, 저온 공정이 가능한 플라즈마 반응의 특징과 선택적인 반응이 가능한 촉매 반응의 특징이 구현된다.
즉 고온에서만 가능한 촉매의 특성을 플라즈마에 결합하여 플라즈마의 열을 사용함으로써 저온의 대상 기체(예, 유해기체)에서도 촉매의 선택 가능성이 높아질 수 있다. 따라서 플라즈마는 향후 유해기체의 처리 및 화학공정 등의 분야에 다양하게 응용될 수 있다.
현재까지의 플라즈마 촉매 반응기는 대용량 기체의 처리에 한계를 가지므로 상용화되기 어려웠다. 가장 각광받는 플라즈마 촉매 반응기 구조는 유전체장벽방전과 이를 기반으로 하는 촉매 비드(bead)형 방전기를 예로 들 수 있다.
유전체장벽방전의 경우 유전체로 코팅된 전극 간격의 수 mm 이내에서 플라즈마를 발생시키고, 유전체 표면의 촉매를 이용한 하이브리드 반응을 기대하는 방식이다.
촉매 비드형 방전기는 구형 또는 비정형의 촉매 지지체에 촉매 물질을 코팅하여, 이를 방전기 내부에 충전시키고 전압을 인가하는 방식이다. 두 반응 방식 모두 대유량의 기체를 처리할 경우, 상당한 압력손실이 발생하므로 유량을 높이는데 한계가 있다.
또한, 촉매 비드형 방전기는 플라즈마가 인접한 촉매의 표면으로만 이동하는 일종의 표면방전(surface discharge)이 발생되므로 공간에서 플라즈마를 효과적으로 발생하기 어렵다.
이를 해결하기 위해 벌집 모양의 벽체를 구비한 허니콤 구조 또는 다공성 금속 폼을 활용하는 사례가 있으나 플랜트 규모의 대면적화에는 한계가 있다.
본 발명의 목적은 플라즈마와 촉매를 결합하여 대용량 기체를 처리하는 경우에도 압력손실을 최소화하는 플라즈마 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기는, 관상으로 형성되고 내부를 흐르는 처리 대상 기체의 외곽에서 일 방향으로 신장 배치되어 전기적으로 접지되는 제1전극, 상기 제1전극의 내부에서 상기 제1전극과 방전갭을 유지하여 나란하게 배치되고 전압을 인가하는 제2전극, 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에서 나란하게 배치되는 촉매를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기는, 상기 제1전극의 양단에 결합되어 상기 제2전극과 상기 촉매의 위치를 설정하는 홀더를 더 포함할 수 있다.
상기 제1전극은 원통으로 형성되고, 상기 제2전극은 상기 제1전극의 중심에 배치될 수 있다.
상기 촉매는 복수로 구비되어 서로 이격되고, 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 각각 이격 배치될 수 있다.
복수의 촉매는 동일 직경으로 형성될 수 있다.
상기 제1전극은 원통으로 형성되고, 그 내주면에 유전체층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1전극은 원통으로 형성되고, 상기 제2전극은 복수로 구비되어 상기 제1전극의 중심으로부터 설정된 거리에서 서로 이격 배치될 수 있다.
상기 촉매는 복수로 구비되어 서로 이격되고, 표면적인 넓은 대직경으로 형성되는 제11촉매와 상기 제11촉매보다 소직경으로 형성되는 제12촉매를 포함할 수 있다.
상기 제11촉매는 복수로 구비되어, 상기 제2전극으로부터 설정된 거리의 둘레에서 서로 이격 배치되고, 상기 제12촉매는 복수로 구비되어, 상기 제11촉매의 외곽에서 서로 이격되고 상기 제1전극의 내주면으로부터 설정된 거리의 내부에서 서로 이격 배치될 수 있다.
상기 제11촉매는 복수로 구비되고, 상기 제1전극의 내주면으로부터 설정된 거리의 내부에서 서로 이격 배치되고, 상기 제12촉매는 복수로 구비되어, 상기 제11촉매의 내측인 상기 제2전극으로부터 설정된 거리의 둘레에서 서로 이격 배치될 수 있다.
상기 제11촉매는 복수로 구비되어, 상기 제2전극으로부터 설정된 거리의 둘레에서 서로 이격되고 상기 제1전극의 내주면으로부터 설정된 거리의 내부에서 서로 이격 배치되며, 상기 제12촉매는 복수로 구비되어, 상기 제2전극으로부터 설정된 거리의 둘레에서 상기 제11촉매 사이에 이격 배치되고 상기 제1전극의 내주면으로부터 설정된 거리의 내부에서 상기 제11촉매 사이에 이격 배치될 수 있다.
상기 촉매는 복수로 구비되어 서로 이격되고, 일 촉매 물질로 형성되는 제21촉매와 상기 제21촉매와 다른 촉매 물질로 형성되는 제22촉매를 포함할 수 있다.
상기 제21촉매는 복수로 구비되어, 상기 제2전극으로부터 설정된 거리의 둘레에서 서로 이격 배치되고, 상기 제22촉매는 복수로 구비되어 상기 제1전극의 내주면으로부터 설정된 거리의 내부에서 서로 이격 배치될 수 있다.
상기 제21촉매는 복수로 구비되어, 상기 제2전극으로부터 설정된 거리의 둘레에서 서로 이격되고 상기 제1전극의 내주면으로부터 설정된 거리의 내부에서 서로 이격 배치되며, 상기 제22촉매는 복수로 구비되어, 상기 제2전극으로부터 설정된 거리의 둘레에서 상기 제11촉매 사이에 이격 배치되고 상기 제1전극의 내주면으로부터 설정된 거리의 내부에서 상기 제11촉매 사이에 이격 배치될 수 있다.
상기 촉매는 처리 대상 기체의 흐름 방향에서 일측에 형성되는 제1직경부와 상기 제1직경부에 연결되고 상기 제1직경부보다 크거나 작은 제2직경부를 포함할 수 있다.
상기 촉매는 처리 대상 기체의 흐름 방향에서 일측에 제1직경을 형성하고 다른 측에서 제2직경을 형성하며, 상기 제1직경과 상기 제2직경 사이에서 점진적으로 커지거나 작아질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기는, 상기 제1전극의 외주면에 구비되는 단열재 또는 가열부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1전극은 사각 관체를 형성하고, 상기 제2전극은 복수로 구비되어 상기 제1전극의 중심에서 서로 이격 배치되고, 상기 촉매는 복수로 구비되어 서로 이격되고, 상기 제1전극과 상기 제2전극사이에 각각 배치될 수 있다.
상기 제1전극은 사각 관체를 형성되는 유전체와 상기 유전체의 외측에 배치되는 1쌍의 플레이트 전극을 포함하고, 상기 제2전극은 복수로 구비되어 상기 유전체의 중심에서 서로 이격 배치되며, 상기 촉매는 복수로 구비되어 서로 이격되고, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 각각 배치될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는 제1전극과 제2전극 사이에 촉매를 구비하여, 처리 대상 기체를 흐르게 하면서 제1, 제2전극에서 플라즈마를 발생시키고 플라즈마 영역에 촉매를 구비하여 플라즈마와 촉매 작용으로 대상 기체를 처리할 수 있다.
이때, 플라즈마 반응기는 관상으로 형성되고 제2전극 및 촉매를 대상 기체의 흐름 방향으로 배치하여 대상 기체의 흐름을 방해하지 않으므로(압력손실을 최소화하고) 대용량의 기체를 처리할 수 있다.
즉 본 발명의 일 실시예는 자동차, 플랜트 및 발전소에서 배출되는 대상 기체에 포함된 오염물질 및 악취를 분해하고, 탄화수소계 기체의 C-H 결합을 분해하며, C2계 화합물을 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 반응기의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 반응기의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 자른 단면도이다.
도 5는 전극 사이에 형성되는 전위를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제5실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제7실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제8실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제9실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 14는 본 발명의 제10실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 제11실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 16은 본 발명의 제12실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 17은 본 발명의 제13실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 반응기의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 반응기의 분해 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1실시예의 플라즈마 반응기(101)는 관상으로 형성되는 제1전극(10)과, 제1전극(10)의 내부에 설치되는 제2전극(20) 및 제1, 제2전극(10, 20) 사이에 설치되는 촉매(30)를 포함한다.
제1실시예의 플라즈마 반응기(101)는 제1전극(10)의 내부로 흐르는 처리 대상 기체에 플라즈마 반응과 촉매 작용을 혼합시킴으로써, 압력 손실을 최소화 하면서 대용량 대상 기체를 처리할 수 있도록 구성된다.
즉 대상 기체가 저온인 경우에도 플라즈마 반응기(101)에서 발생되는 플라즈마 반응으로 대상 기체가 처리되고, 동시에 플라즈마로 인하여 발생되는 열에 의하여 대상 기체가 가열되므로 촉매(30)의 선택적 촉매 작용으로 대상 기체가 더 처리될 수 있다.
제1전극(10)은 관상으로 형성되어 내부로 대상 기체를 흐르게 하며, 일 방향으로 신장 배치되어 전기적으로 접지된다. 즉 제1전극(10)은 대상 기체의 외곽에 배치된다. 예를 들면, 제1전극(10)은 원통으로 형성될 수 있다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 자른 단면도이고, 도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 자른 단면도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 제2전극(20)은 제1전극(10)의 내부에서 대상 기체의 흐름 방향으로 배치되어 제1전극(10)과 방전갭(G)을 유지한다.
제2전극(20)은 제1전극(10)과 방전갭(G)을 유지하여 서로 나란하게 배치되며 전원장치에 연결되어 플라즈마 방전을 일으키는 전압(V)을 인가한다. 예를 들면, 제2전극(20)은 제1전극(10)의 중심에 배치될 수 있다. 따라서 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 대상 기체의 흐름이 방해되지 않으므로 압력손실이 최소화 될 수 있다.
제1전극(10)을 접지한 상태에서 제2전극(20)에 전압(V)이 인가되면, 방전갭(G)에서 플라즈마가 발생되어 대상 기체를 처리하고, 열이 발생된다. 즉 플라즈마는 대상 기체가 저온인 경우에도 처리할 수 있다.
촉매(30)는 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 제1, 제2전극(10, 20)과 나란하게 배치된다. 촉매(30)는 복수로 구비되어 서로 이격되며, 제1전극(10) 및 제2전극(20)과 각각 이격 배치된다. 따라서 제1, 제2전극(10, 20) 및 촉매(30) 사이에서 대상 기체의 흐름이 방해되지 않으므로 압력손실이 최소화 될 수 있다.
일례로써 복수의 촉매들(30)은 동일 직경으로 형성될 수 있다. 또한 촉매(30)는 중심에 배치되는 봉(31)으로 기계적 강도를 유지하고, 봉(31)의 표면에 도포된 촉매 물질(32)을 포함하여 형성된다. 이때, 촉매 물질(32)은 표면적을 증대시켜 대상 기체와의 접촉 면적을 증대시킬 수 있다.
즉 플라즈마로 인하여 발생되는 열이 대상 기체를 가열하므로 촉매(30)는 가열된 고온의 대상 기체를 선택적 촉매 작용으로 처리할 수 있다. 일례로써, 촉매(30)는 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 균일한 분포로 배치되어 제1전극(10) 내에서 대상 기체를 균일하게 처리할 수 있다.
한편, 제1실시예의 플라즈마 반응기(101)는 제1전극(10)의 양단에 결합되는 1쌍의 홀더(40)를 더 포함할 수 있다. 홀더(40)는 제2전극(20)과 촉매(30)의 양단을 각각 고정시키므로 제1전극(10) 내에서 제2전극(20)과 촉매(3)의 위치를 설정할 수 있다.
홀더(40)는 대상 기체가 흐르는 관상의 통로 면적 차단을 최소화 할 수 있도록 구성되며, 유전체로 형성될 수 있다. 도시하지 않았으나 플라즈마 반응기의 구조에 따라 홀더는 사용되지 않을 수 있다.
제1실시예의 플라즈마 반응기(101)는 제1전극(10) 내에서 제2전극(20)과 복수의 촉매(30)를 제1전극(10)과 나란하게 배치하여, 대상 기체의 흐름 방향과 일치하므로 압력 손실을 최소화 할 수 있다.
즉 제1실시예의 플라즈마 반응기(101) 일측으로 대상 기체가 유입될 때, 제1전극(10)을 접지하고 제2전극(20)에 전압(V)을 인가하면, 방전갭(G)에서 플라즈마 방전이 발생되어 대상 기체를 처리한다.
중심의 고전압 제2전극(20)에서 발생되는 플라즈마는 접지된 외곽의 제1전극(10)으로 전파되면서 대상 기체를 처리한다. 플라즈마는 전압이 인가되는 제2전극(20) 주위의 고전위 영역에서 집중 발생되어, 접지된 제1전극(10)으로 전파된다.
이때, 플라즈마는 전파되면서 대상 기체 및 촉매(30)를 가열한다. 가열된 촉매(30)는 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 가열된 대상 기체를 촉매 작용으로 처리한다. 즉 대상 기체는 제1전극(10)의 내부를 흐르면서 플라즈마 반응과 촉매 작용으로 처리될 수 있다.
도 5는 전극 사이에 형성되는 전위를 도시한 그래프이다. 도 5를 참조하면, 제1실시예의 플라즈마 반응기(101)를 보면, 반경 방향에서 전위는 제2전극(20)이 위치하는 중심에서 가장 높고 제1전극(10)이 위치하는 외곽으로 가면서 점차 낮아진다.
촉매(30)를 구비한 제1실시예의 전위 라인(L1, 실선)은 촉매(30)가 위치하는 부근에서 전위가 증가 후 떨어지는 것을 나타낸다. 이에 비하여, 촉매를 구비하지 않은 비교예의 전위 라인(L2, 점선)은 중심에서 외곽으로 가면서 계속 떨어진다.
도시하지 않았지만 촉매가 밀집된 경우 플라즈마는 촉매의 표면을 타고 촉매간을 이동하는 표면방전 특성을 보일 수 있다. 그러나 제1실시예에서는 촉매(30)가 충분한 간격을 유지하므로 플라즈마는 공간적으로 충분히 전파된 후 촉매(30)를 만나게 된다.
이어서 플라즈마는 전위 분포에 따라 접지된 제1전극(10)으로 전파될 수 있다. 이와 같은 플라즈마의 전파는 촉매(30)의 유전율과 플로팅(floating) 상태인 전위 특성으로 인하여, 방전공간 내의 전위가 고르게 분포되기 때문이다.
즉 제1실시예는 촉매(30)를 구비하므로 촉매를 구비하지 않은 경우에 비교할때, 플라즈마 공간 내에서 전위 분포를 더 균일하게 할 수 있다. 즉 플라마가 촉매(30)를 접하고, 이때 촉매(30)의 유전율과 플로팅 상태인 전위 특성으로 인하여 전위 분포를 더 균일하게 할 수 있다.
또한 촉매(30)가 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 밀집되지 않고, 간격이 충분하며, 대상 기체의 흐름 방향으로 봉형 구조체로 형성된다. 따라서 유량이 증가하는 경우에도 압력손실이 발생되지 않고, 플라즈마 발생과 촉매 반응이 가능하게 된다.
이하 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 제1실시예 및 기 설명된 실시예와 동일한 구성에 대하여 설명을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 제2실시예의 플라즈마 반응기(102)는 제1전극(10)을 원통으로 형성하고, 제1전극(10)의 내주면에 유전체층(50)을 더 구비한다.
제1전극(10)이 도체로 형성될 수 있고, 유전체층(50)이 도전성 전극 물질로 형성되어 제1전극(10)에 코팅될 수 있다. 예를 들면, 유전체층(50)은 석영, 유리 또는 세라믹 계열로 형성될 수 있다.
유전체층(50)은 유전율과 전위 특성으로 인하여, 제2전극(20)과 제1전극(10)사이에서 전위 분포를 더 고르게 형성할 수 있다. 즉 제1실시예의 플라즈마 반응기(101)에서의 전위 분포보다 제2실시예의 플라즈마 반응기(102)에서의 전위 분포가 더 균일하게 형성될 수 있다.
따라서 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 발생되는 플라즈마는 중심에서 외곽으로 전파되면서 대상 기체 및 촉매(30)를 더 균일하게 가열할 수 있다. 촉매(30)는 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 가열되고, 가열된 대상 기체를 촉매 작용으로 처리한다. 즉 대상 기체는 제1전극(10)의 내부를 흐르면서 더 균일화된 플라즈마 반응과 촉매 작용으로 처리될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 7을 참조하면, 제3실시예의 플라즈마 반응기(103)는 제1전극(10)을 원통으로 형성하고, 제2전극(20)을 복수로 구비한다.
복수의 제2전극(20)은 제1전극(10)의 중심으로부터 설정된 거리(D3)에서 서로 이격 배치된다. 촉매(30)는 복수로 구비되어 서로 이격되며, 제2전극들(20) 사이 및 제1, 제2전극(10, 20) 사이에 배치된다.
제2전극(20)이 거리(D3)만큼 이격되어 제1전극(10)의 내부에 배치됨에 따라 제1, 제2전극(10, 20) 사이에 설정되는 방전갭(G3)이 제1실시예의 방전갭(G)보다 작게 설정된다.
따라서 제3실시예의 플라즈마 반응기(103)에서 제2전극(20)에 인가되는 전압이 제1실시예의 전압보다 낮아질 수 있고, 제1, 제2전극(10, 20) 사이의 전위 분포가 제1실시예의 전위 분포보다 더 균일하게 설정될 수 있다.
즉 제1, 제2전극(10, 20) 사이의 복수 위치에서 발생되는 플라즈마는 복수의 방향으로 전파되면서 대상 기체 및 촉매(30)를 더 균일하게 가열할 수 있다. 촉매(30)는 제1전극들(10) 사이 및 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 더 가열되고, 가열된 대상 기체를 촉매 작용으로 더 처리할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이고, 도 9는 본 발명의 제5실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이며, 도 10은 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 제4 내지 제6실시예의 플라즈마 반응기(104, 105, 106)는 촉매(430, 530, 630)를 복수로 구비하여 서로 이격 배치한다. 촉매(430, 530, 630)는 표면적인 넓은 대직경으로 형성되는 제11촉매(431, 531, 631)와 제11촉매(431, 531, 631)보다 소직경으로 형성되는 제12촉매(432, 532, 632)를 포함한다.
도 8을 참조하면, 제4실시예의 플라즈마 반응기(104)의 촉매(430에서, 제11촉매(431)는 복수로 구비되어, 중심의 제2전극(20)으로부터 설정된 거리(D41)의 둘레에서 서로 이격 배치된다.
제12촉매(432)는 복수로 구비되어, 제11촉매(431)의 외곽에서 서로 이격되고 제1전극(10)의 내주면으로부터 설정된 거리(D42)의 내부에서 서로 이격 배치된다. 제11촉매(431)의 표면적이 제12촉매(432)의 표면적 보다 넓다.
따라서 전위가 높은 중심부의 제11촉매(431)에서 제11촉매(431)의 유전율과 전위특성으로 인하여 전위 분포를 1차로 균일하게 하고, 전위가 낮아진 외곽에서 제12촉매(432)에서 제12촉매(432)의 유전율과 전위특성으로 인하여 전위 분포를 2차로 균일하게 한다.
즉 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 발생되는 플라즈마는 외곽으로 전파되면서 대상 기체 및 촉매(430)를 균일하게 가열한다. 제11촉매(431)는 넓은 표면적으로 전위 분포를 균일하게 하는 데 크게 기여하고, 제12촉매(432)는 좁은 표면적으로 전위 분포를 균일하게 한다. 제11, 제12촉매(431, 432)는 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 더 가열되고, 가열된 대상 기체를 넓은 표면적과 좁은 표면적의 촉매 작용으로 더 처리한다.
도 9는 본 발명의 제5실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 9를 참조하면, 제5실시예의 플라즈마 반응기(105)의 촉매(530)에서, 제11촉매(531)는 복수로 구비되어, 제1전극(10)의 내주면으로부터 설정된 거리(D51)의 내부에서 서로 이격 배치된다.
제12촉매(532)는 복수로 구비되어, 제11촉매(531)의 내측인 제2전극(20)으로부터 설정된 거리(D52)의 둘레에서 서로 이격 배치된다. 제11촉매(531)의 표면적이 제12촉매(532)의 표면적 보다 넓다.
따라서 전위가 높은 중심부의 제11촉매(531)에서 제12촉매(532)의 유전율과 전위특성으로 인하여 전위 분포를 1차로 균일하게 하고, 전위가 낮아진 외곽에서 제12촉매(532)에서 제12촉매(532)의 유전율과 전위특성으로 인하여 전위 분포를 2차로 균일하게 한다.
즉 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 발생되는 플라즈마는 외곽으로 전파되면서 대상 기체 및 촉매(530)를 균일하게 가열한다. 제11촉매(531)는 좁은 표면적으로 전위 분포를 균일하게 하고, 제12촉매(532)는 넓은 표면적으로 전위 분포를 균일하게 하는데 크게 기여한다. 제11, 제12촉매(531, 532)는 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 더 가열되고, 가열된 대상 기체를 넓은 표면적과 좁은 표면적의 촉매 작용으로 더 처리한다.
도 10은 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 10을 참조하면, 제6실시예의 플라즈마 반응기(106)의 촉매(630)에서, 제11촉매(631)는 복수로 구비되어, 제2전극(20)으로부터 설정된 거리(D611)의 둘레에서 서로 이격되고 제1전극(10)의 내주면으로부터 설정된 거리(D612)의 내부에서 서로 이격 배치된다.
제12촉매(632)는 복수로 구비되어, 제2전극(20)으로부터 설정된 거리(D621)의 둘레에서 제11촉매(631) 사이에 이격 배치되고 제1전극(10)의 내주면으로부터 설정된 거리(D622)의 내부에서 제11촉매(631) 사이에 이격 배치된다.
따라서 전위가 높은 중심부의 제11, 제12촉매(631, 632)에서 제11, 제12촉매(631, 632)의 유전율과 전위특성으로 인하여 전위 분포를 1차로 균일하게 하고, 전위가 낮아진 외곽에서 제11, 제12촉매(631, 632)에서 제11, 제12촉매(631, 632)의 유전율과 전위특성으로 인하여 전위 분포를 2차로 균일하게 한다.
즉 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 발생되는 플라즈마는 외곽으로 전파되면서 대상 기체 및 촉매(630)를 균일하게 가열한다. 제11, 제12촉매(631, 632)는 넓은 표면적과 좁은 표면적으로 전위 분포를 균일하게 하고, 제11, 제12촉매(631, 632)는 넓은 표면적과 좁은 표면적으로 전위 분포를 균일하게 하는데 기여한다. 제11, 제12촉매(631, 632)는 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 더 가열되고, 가열된 대상 기체를 넓은 표면적과 좁은 표면적의 촉매 작용으로 더 처리한다.
도 11은 본 발명의 제7실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이고, 도 12는 본 발명의 제8실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 제7, 제8실시예에 따른 플라즈마 반응기(107, 108)는 촉매(730)를 복수로 구비하여 서로 이격 배치한다. 촉매(730)는 일 촉매 물질로 형성되는 제21촉매(731)와, 제21촉매(731)와 다른 촉매 물질로 형성되는 제22촉매(732)를 포함한다.
도 11을 참조하면, 제7실시예의 플라즈마 반응기(107)에서, 제21촉매(731)는 복수로 구비되어, 제2전극(20)으로부터 설정된 거리(D71)의 둘레에서 서로 이격 배치된다.
제22촉매(732)는 복수로 구비되어, 제1전극(10)의 내주면으로부터 설정된 거리(D72)의 내부에서 서로 이격 배치된다.
따라서 전위가 높은 중심부의 제21촉매(731)에서 제21촉매(731)의 유전율과 전위특성으로 인하여 전위 분포를 1차로 균일하게 하고, 전위가 낮아진 외곽에서 제22촉매(732)에서 제22촉매(732)의 유전율과 전위특성으로 인하여 전위 분포를 2차로 균일하게 한다.
즉 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 발생되는 플라즈마는 외곽으로 전파되면서 대상 기체 및 촉매(730)를 균일하게 가열한다. 제21, 제22촉매(731, 732)는 서로 다른 유전율로 전위 분포를 균일하게 하는데 기여한다. 제21, 제22촉매(731, 732)는 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 더 가열되고, 가열된 대상 기체를 서로 다른 유전율의 촉매 작용으로 더 처리한다.
도 12를 참조하면, 제8실시예의 플라즈마 반응기(108)에서, 제21촉매(731)는 복수로 구비되어, 제2전극(20)으로부터 설정된 거리(D811)의 둘레에서 서로 이격되고 제1전극(10)의 내주면으로부터 설정된 거리(D812)의 내부에서 서로 이격 배치된다.
제22촉매(732)는 복수로 구비되어, 제2전극(20)으로부터 설정된 거리(D821)의 둘레에서 제21촉매(731) 사이에 이격 배치되고 제1전극(10)의 내주면으로부터 설정된 거리(D822)의 내부에서 제21촉매(731) 사이에 이격 배치된다.
따라서 전위가 높은 중심부의 제21, 제22촉매(731, 732)에서 제21, 제22촉매(731, 732)의 유전율과 전위특성으로 인하여 전위 분포를 1차로 균일하게 하고, 전위가 낮아진 외곽에서 제21, 제22촉매(731, 732)에서 제21, 제22촉매(731, 732)의 유전율과 전위특성으로 인하여 전위 분포를 2차로 균일하게 한다.
즉 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 발생되는 플라즈마는 외곽으로 전파되면서 대상 기체 및 촉매(730)를 균일하게 가열한다. 제21, 제22촉매(731, 732)는 서로 다른 유전율로 전위 분포를 균일하게 하게 하는데 기여한다. 제21, 제22촉매(731, 732)는 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 더 가열되고, 가열된 대상 기체를 넓은 표면적과 좁은 표면적의 촉매 작용으로 더 처리한다.
도 13은 본 발명의 제9실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 13을 참조하면, 제9실시예의 플라즈마 반응기(109)에서, 촉매(930)는 처리 대상 기체의 흐름 방향에서 일측에 형성되는 제1직경부(931)와, 제1직경부(931)에 연결되고 제1직경부(931)보다 크거나 작은 제2직경부(932)를 포함한다.
편의상, 제9실시예에서는 제1직경부(931)의 직경이 작고 제2직경부(932)의 직경이 크게 도시되어 있다. 또한, 제9실시예에서는 촉매(930)는 2단으로 도시되어 있으나, 3단 및 더 많은 단수로 형성될 수도 있다.
따라서 플라즈마 반응기(109)의 유입측에서 제1직경부(931)에서 제1직경부(931)의 유전율과 직경의 전위특성으로 인하여 전위 분포를 균일하게 하고, 유출측에서 제2직경부(932)에서 제2직경부(932)의 유전율과 직경의 전위특성으로 인하여 전위 분포를 균일하게 한다.
즉 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 발생되는 플라즈마는 외곽으로 전파되면서 대상 기체 및 촉매(930)를 균일하게 가열한다. 제1직경부(931)는 유입측에서 제1직경의 표면적으로 전위 분포를 균일하게 하고, 제2직경부(932)는 유출측에서 제2직경의 표면적으로 전위 분포를 균일하게 하는데 기여한다. 제1, 제2직경부(931, 932)는 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 가열된 대상 기체를 흐름에 따라 다른 직경의 표면적의 촉매 작용으로 더 처리한다.
도시하지 않았으나 촉매는 처리 대상 기체의 흐름 방향에서 유입측과 유출측에 서로 다른 촉매 물질 부분으로 형성될 수도 있다. 또한 촉매는 처리 대상 기체의 흐름 방향에서 유입측과 유출측에 서로 다른 촉매 물질 부분을 반복적으로 구비할 수도 있다
도 14는 본 발명의 제10실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 14를 참조하면, 제10실시예의 플라즈마 반응기(110)에서, 촉매(130)는 처리 대상 기체의 흐름 방향에서 일측에 제1직경(Di1)을 형성하고 다른 측에서 제2직경(Di2)을 형성한다.
제1직경(Di1)과 제2직경(Di2) 사이에서 점진적으로 커지거나 작아진다. 편의상, 제10실시예에서는 제1직경(Di1)보다 제2직경(Di2)이 더 크게 도시되어 있다.
따라서 촉매(130)는 플라즈마 반응기(110)의 유입측에서 제1직경(Di1)의 유전율과 직경의 전위특성으로 인하여 전위 분포를 균일하게 하고, 유출측에서 제2직경(Di2)의 유전율과 직경의 전위특성으로 인하여 전위 분포를 균일하게 한다.
즉 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 발생되는 플라즈마는 외곽으로 전파되면서 대상 기체 및 촉매(130)를 균일하게 가열한다. 촉매(130)는 유입측에서 제1직경(Di1)의 표면적으로 전위 분포를 균일하게 하고, 유출측에서 제2직경(Di2)의 표면적으로 전위 분포를 균일하게 하는데 기여한다. 촉매(130)는 제1, 제2전극(10, 20) 사이에서 가열된 대상 기체를 흐름에 따라 증가하는 제1, 제2직경(Di1, Di2)의 표면적의 촉매 작용으로 더 처리한다.
도시하지 않았으나 촉매는 봉의 표면에 구비되는 촉매 물질의 비표면적을 넓히는 구조로 형성될 수도 있다.
도 15는 본 발명의 제11실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 15를 참조하면, 제11실시예의 플라즈마 반응기(111)는 제1전극(10)의 외주면에 구비되는 단열재(60)(또는 가열부)를 더 포함한다.
단열재(60)는 제1전극(10)의 냉각을 방지하(가열부는 제1전극을 가열하)므로 내부에서 플라즈마 반응과 촉매 작용의 효율을 높일 수 있다.
도 16은 본 발명의 제12실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 16을 참조하면, 제12실시예의 플라즈마 반응기(112)에서, 제1전극(11)은 사각 관체를 형성하고, 제2전극(12)은 복수로 구비되어 제1전극(11)의 중심에서 서로 이격 배치된다.
촉매(13)는 복수로 구비되어 서로 이격되고, 제1전극(11)과 제2전극(12)사이에 각각 배치될 수 있다.
따라서 제1, 제2전극(11, 12) 사이에서 발생되는 플라즈마가 전파되면서 대상 기체 및 촉매(13)를 더 균일하게 가열한다. 가열된 촉매(13)는 제1, 제2전극(11, 12) 사이에서 가열된 대상 기체를 촉매 작용으로 처리한다. 즉 대상 기체는 제1전극(11) 내부를 흐르면서 더 균일화된 플라즈마 반응과 촉매 작용으로 처리될 수 있다.
도 17은 본 발명의 제13실시예에 따른 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 17을 참조하면, 제13실시예의 플라즈마 반응기(113)에서, 제1전극(21)은 사각 관체로 형성되는 유전체(211)와, 유전체(211)의 외측에 배치되는 1쌍의 플레이트 전극(212)을 포함한다.
제2전극(22)은 복수로 구비되어 유전체(211)의 중심에서 서로 이격 배치된다. 촉매(23)는 복수로 구비되어 서로 이격되고, 제1전극(21)과 제2전극(22)사이에 각각 배치된다.
따라서 제1, 제2전극(21, 22) 사이에서 발생되는 플라즈마는 전파되면서 대상 기체 및 촉매(23)를 더 균일하게 가열한다. 가열된 촉매(23)는 제1, 제2전극(21, 22) 사이에서 가열된 대상 기체를 촉매 작용으로 처리한다. 즉 대상 기체는 제1전극(21) 내부를 흐르면서 더 균일화된 플라즈마 반응과 촉매 작용으로 처리될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10, 11, 21: 제1전극 13, 30, 130, 430, 530, 630, 730, 930: 촉매
20, 12, 22: 제2전극 31: 봉
32: 촉매 물질 40: 홀더
50: 유전체층 60: 단열재
101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109: 플라즈마 반응기
110, 111, 112, 113: 플라즈마 반응기
211: 유전체 212: 플레이트 전극
431, 531, 631: 제11촉매 432, 532, 632: 제12촉매
731: 제21촉매 732: 제22촉매
931: 제1직경부 932: 제2직경부
D3, D41, D42, D51, D52, D611, D612, D621, D621: 거리
D71, D72, D811, D812, D821, D822: 거리
Di1: 제1직경 Di2: 제2직경
G, G3: 방전갭 L1: 제1실시예의 전위 라인
L2: 비교예의 전위 라인 V: 전압

Claims (19)

  1. 관상으로 형성되고 내부를 흐르는 처리 대상 기체의 외곽에서 일 방향으로 신장 배치되어 전기적으로 접지되는 제1전극;
    상기 제1전극의 내부에서 상기 제1전극과 방전갭을 유지하여 나란하게 배치되고 전압을 인가하는 제2전극; 및
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에서 나란하게 배치되는 촉매
    를 포함하며,
    상기 제1전극에 결합되어 상기 제2전극과 상기 촉매의 위치를 설정하는 홀더를 더 포함하고,
    상기 제2전극은
    복수로 구비되어 서로 이격 배치되는 플라즈마 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 홀더는 상기 제1전극의 양단에 결합되는 플라즈마 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은 원통으로 형성되고,
    복수의 상기 제2전극은 상기 제1전극의 중심에서 이격 배치되는 플라즈마 반응기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 촉매는 복수로 구비되어 서로 이격되고, 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 각각 이격 배치되는 플라즈마 반응기.
  5. 제4항에 있어서,
    복수의 촉매는 동일 직경으로 형성되는 플라즈마 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은 원통으로 형성되고,
    그 내주면에 유전체층을 더 포함하는 플라즈마 반응기.
  7. 관상으로 형성되고 내부를 흐르는 처리 대상 기체의 외곽에서 일 방향으로 신장 배치되어 전기적으로 접지되는 제1전극;
    상기 제1전극의 내부에서 상기 제1전극과 방전갭을 유지하여 나란하게 배치되고 전압을 인가하는 제2전극; 및
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에서 나란하게 배치되는 촉매
    를 포함하며,
    상기 제1전극은 원통으로 형성되고,
    상기 제2전극은 복수로 구비되어 상기 제1전극의 중심으로부터 설정된 거리에서 서로 이격 배치되는 플라즈마 반응기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 촉매는 복수로 구비되어 서로 이격되고,
    표면적이 넓은 대직경으로 형성되는 제11촉매와 상기 제11촉매보다 소직경으로 형성되는 제12촉매를 포함하는 플라즈마 반응기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제11촉매는 복수로 구비되어, 상기 제2전극으로부터 설정된 거리의 둘레에서 서로 이격 배치되고,
    상기 제12촉매는 복수로 구비되어, 상기 제11촉매의 외곽에서 서로 이격되고 상기 제1전극의 내주면으로부터 설정된 거리의 내부에서 서로 이격 배치되는 플라즈마 반응기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제11촉매는 복수로 구비되어, 상기 제1전극의 내주면으로부터 설정된 거리의 내부에서 서로 이격 배치되고,
    상기 제12촉매는 복수로 구비되어, 상기 제11촉매의 내측인 상기 제2전극으로부터 설정된 거리의 둘레에서 서로 이격 배치되는 플라즈마 반응기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제11촉매는 복수로 구비되어, 상기 제2전극으로부터 설정된 거리의 둘레에서 서로 이격되고 상기 제1전극의 내주면으로부터 설정된 거리의 내부에서 서로 이격 배치되며,
    상기 제12촉매는 복수로 구비되어, 상기 제2전극으로부터 설정된 거리의 둘레에서 상기 제11촉매 사이에 이격 배치되고 상기 제1전극의 내주면으로부터 설정된 거리의 내부에서 상기 제11촉매 사이에 이격 배치되는 플라즈마 반응기.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 촉매는 복수로 구비되어 서로 이격되고,
    일 촉매 물질로 형성되는 제21촉매와 상기 제21촉매와 다른 촉매 물질로 형성되는 제22촉매를 포함하는 플라즈마 반응기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제21촉매는 복수로 구비되어, 상기 제2전극으로부터 설정된 거리의 둘레에서 서로 이격 배치되고
    상기 제22촉매는 복수로 구비되어, 상기 제1전극의 내주면으로부터 설정된 거리의 내부에서 서로 이격 배치되는 플라즈마 반응기.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제21촉매는 복수로 구비되어, 상기 제2전극으로부터 설정된 거리의 둘레에서 서로 이격되고 상기 제1전극의 내주면으로부터 설정된 거리의 내부에서 서로 이격 배치되며,
    상기 제22촉매는 복수로 구비되어, 상기 제2전극으로부터 설정된 거리의 둘레에서 상기 제21촉매 사이에 이격 배치되고 상기 제1전극의 내주면으로부터 설정된 거리의 내부에서 상기 제21촉매 사이에 이격 배치되는 플라즈마 반응기.
  15. 제4항에 있어서,
    상기 촉매는
    처리 대상 기체의 흐름 방향에서 일측에 형성되는 제1직경부와
    상기 제1직경부에 연결되고 상기 제1직경부보다 크거나 작은 제2직경부를 포함하는 플라즈마 반응기.
  16. 제4항에 있어서,
    상기 촉매는
    처리 대상 기체의 흐름 방향에서 일측에 제1직경을 형성하고 다른 측에서 제2직경을 형성하며,
    상기 제1직경과 상기 제2직경 사이에서 점진적으로 커지거나 작아지는 플라즈마 반응기.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극의 외주면에 구비되는 단열재 또는 가열부를 더 포함하는 플라즈마 반응기.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극은 사각 관체를 형성하고,
    복수의 상기 제2전극은 상기 제1전극의 중심에서 서로 이격 배치되고,
    상기 촉매는 복수로 구비되어 서로 이격되고, 상기 제1전극과 상기 제2전극사이에 각각 배치되는 플라즈마 반응기.
  19. 관상으로 형성되고 내부를 흐르는 처리 대상 기체의 외곽에서 일 방향으로 신장 배치되어 전기적으로 접지되는 제1전극;
    상기 제1전극의 내부에서 상기 제1전극과 방전갭을 유지하여 나란하게 배치되고 전압을 인가하는 제2전극; 및
    상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에서 나란하게 배치되는 촉매
    를 포함하며,
    상기 제1전극에 결합되어 상기 제2전극과 상기 촉매의 위치를 설정하는 홀더를 더 포함하고,
    상기 제1전극은
    사각 관체를 형성되는 유전체와 상기 유전체의 외측에 배치되는 1쌍의 플레이트 전극를 포함하고,
    상기 제2전극은 복수로 구비되어 상기 유전체의 중심에서 서로 이격 배치되며,
    상기 촉매는 복수로 구비되어 서로 이격되고, 상기 제1전극과 상기 제2전극사이에 각각 배치되는 플라즈마 반응기.
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