KR101942668B1 - 선박 평형수 처리 관형 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 선박 평형수 처리 관형 플라즈마 처리 장치는, 제1유전체인 다이아몬드가 원추형의 전도체 금속 구조물 표면에 피복된 구조를 갖는 제1전극과, 상기 제1전극을 감싸는 파이프 형상으로 이루어지고, 제2유전체인 석영관로 이루어진 제2전극과, 상기 제1전극을 상기 제2전극 내부에 고정시키는 수단과, 상기 제2전극 외부를 감싸는 배관으로 이루어져 상기 제2전극의 파손을 방지하도록 구성되고, 절연물질로 이루어진 외부 절연배관을 포함하고, 상기 석영관의 제2전극 내부로 제3유전체가 되는 평형수를 유입하여 흐르게 하는 구조로 이루어지고, 상기 제2전극 내부에는 플라즈마 생성시 플라즈마 집단속의 공진 주파수에 동조되어 파단되지 않게 하는 동조 주파수 방해수단이 구성된다.

Description

선박 평형수 처리 관형 플라즈마 처리 장치{Ballast water treatment pipe type plasma unit}

본 발명은 플라즈마를 이용하여 선박 평형수 살균처리할 수 있는 선박 평형수 처리 관형 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

선박 평형수(ballast water)란 선박의 균형을 잡기 위해 바닷물을 취수하여 선박의 평형수 탱크 안으로 채웠다가 바다로 배출하는 물을 말한다. 이러한 물에는 살아있는 생물들이 포함되어 있다. 평형수에 의한 문제는 기본적으로 평형수가 외래유해침입생물종을 전파하는 매체로 이용된다는 점이다.

대부분의 선박은 다양한 지역을 항해하기 때문에 평형수에 포함된 생물들도 선박의 운항경로를 따라서 전 세계로 이동할 수 있다. 조선과 항해기술의 발달은 선박운항시간을 단축시켰고, 그 결과 평형수에 있는 생물의 생존가능성을 높였다. 이것은 평형수에 들어 있는 특정 해역의 생물 또는 병원균 등이 평형수를 담고 있는 선박에 의해 전혀 다른 해역으로 이송되어 타 해역의 환경과 생태계를 교란시키는 부작용을 유발하게 된다.

평형수는 전 세계적으로 매년 100억 톤 이상 이동되고 있다고 추정되는데, 평형수 내 생물종의 국가간 이동으로 인한 문제는 생태계 교란뿐만 아니라 연안 산업이나 다른 상업적 활동 및 자원에도 큰 피해를 유발했다.

1992년 유엔환경개발회의에서 비토착생물의 확산방지를 위한 평형수의 배출에 관한 강제적인 조치를 준비하도록 국제해사기구(IMO-International Maritime Organization)에 요청하였다. IMO는 평형수 관리와 규제에 관한 논의를 수행토록 산하 해양환경보호위원회에 요청하였으며, 2004년 2월 IMO 외교회의에서 "선박의 평형수와 침전물의 통제 및 관리를 위한 국제협약"이 채택되었고 외래생물체의 이동을 줄이기 위해 선박평형수의 무단배출을 금지하며 국제항해를 하는 선박은 평형수 배출조건을 맞추기 위해 평형수중의 유해침입생물종을 죽일 수 있는 다양한 처리장치를 2017년부터 의무적으로 장착해야 한다.

이러한 장치를 평형수 관리시스템 또는 처리설비라고 부르며 최근 이러한 처리설비 산업이 새로운 조선기자재사업으로 주목 받고 있고. 국제해사기구와 각국 정부의 형식승인과 시험만족 승인을 받아야 선박에 공급할 수 있다.

그러나 화학제 투입 방식을 제외한 이러한 평형수 처리장치들의 대부분 기술들이 세계범용기술들인 전기분해, 오존, 자외선방식 기술들을 이용하여 수중생물들을 처리하고 있는데, 육상이 아닌 선상에서의 환경이므로 관리성에 문제가 될만큼 설비가 크고 잦은 전극소제와 자외선 램프교체, 오존 생산상의 비용과 주변기기에 미치는 영향들에 문제가 있음이 서서히 발견되어 화학제를 평형수에 투여하던 예전으로 다시 돌아가자는 논의가 있을 만큼 심각한 실정에 있다.

(특허문헌 1) KR10-1680522 B

(특허문헌 2) KR101643413 B

본 발명은 종래의 기술적 완성도가 낮은 단점을 해결하여 국제해사기구의 D-2 기준과 미국해안 경비대(USCG) 요구사항을 만족하는 플라즈마 방식의 선박평형수 처리 장치를 제안하고자 한다.

본 발명의 선박 평형수 처리 관형 플라즈마 처리 장치는, 제1유전체인 다이아몬드가 원추형의 전도체 금속 구조물 표면에 피복된 구조를 갖는 제1전극과, 상기 제1전극을 감싸는 파이프 형상으로 이루어지고, 제2유전체인 석영관로 이루어진 제2전극과, 상기 제1전극을 상기 제2전극 내부에 고정시키는 수단과, 상기 제2전극 외부를 감싸는 배관으로 이루어져 상기 제2전극의 파손을 방지하도록 구성되고, 절연물질로 이루어진 외부 절연배관을 포함하고, 상기 석영관의 제2전극 내부로 제3유전체가 되는 평형수를 유입하여 흐르게 하는 구조로 이루어지고, 상기 제2전극 내부에는 플라즈마 생성시 플라즈마 집단속의 공진 주파수에 동조되어 파단되지 않게 하는 동조 주파수 방해수단이 구성된다.

그리고, 상기 동조 주파수 방해수단은 전로와 전로를 연결하는 슬리브에 제2유전체의 두께 보다 얇으면서 석영으로 이루어진 공진주파수 방해틀로 이루어진다.

그리고, 상기 제1전극에 전원을 연결하는 수단은 안테나 형상의 상하방향 연장되는 형상으로 이루어지고, 일단은 상기 공진주파수 방해틀 내의 전로 슬리브에 고정되고 타단은 제1전극 전원인가 커넥터로부터 인가되는 전원이 연결되도록 구성된다.

그리고, 상기 제2전극에 전원을 연결하는 수단은 인가전원이 전달되는 봉과, 상기 제2전극에 접촉하는 전극접촉면은 판 형상으로 이루어져 상기 제2전극에 고정된다.

본 발명에 의하면 종래 선박 평형수 처리장치중 전기분해, 오존,등과 같이 평형수를 처리한후 전극의 소제 ,자외선원 램프의 교체,등 관리가 필요 없게 되며 종래 평형수 처리장치들의 단점인 설치시간과 높은 설치비를 개선하여 전체 비용을 줄이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 대표도로서 투시도
도 2는 본 발명의 제1전극 입체도
도 3은 본 발명의 제2전극과 제1전극의 조립 구성도
도 4는 본 발명의 부분별 조립 구성도
도 5는 본 발명의 구성도
도 6은 본 발명의 반응 설명도

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면과 함께 자세히 설명하면 다음과 같다.

다이아몬드는 유전율이 석영보다 높은 유전체로서 본 발명 도면상 제1전극(201) 구조물에 화학기상증착하여 수중 내 전극이 되게 하는데 이는 높은 내화학성과 고주파 고압에서의 전극간 방전에서 종래에서처럼 유전체가 용융되지 않기 때문이다.

피복의 두께는 10미크론에서 15미크론 사이로서 너무 얇으면 용융점이 낮고 너무 두꺼우면 전극표면과의 접합력이 떨어진다. 그러나 더 이하의 두께와 더 이상의 두께는 안된다는 것은 아니다.

제1전극(201)이나 제2전극(202)의 전극 소재는 타이타늄으로 해야 접합력이 좋아진다. 상기와 같은 제1전극(201)은 도 6의 (가)에서와 같이 제1전극 상단부(201a) 와 중앙 평형부(201b) 하단부(201c)로 원추형으로 구성되는데, 이는 수중에서 평형수(W)가 흐를 때 벤츄리 효과를 유발하여 도면상 제1전극(201) 하부 수중반응부(W3)로 표시된 부분에 기포성 기체상의 플라즈마를 생산하여 수중에 플라즈마 생성종들과 함께 라디탈을 생성하여 수중미생물의 사멸을 유도하게 된다.

통상적으로는 종래의 벤츄리 효과를 유발하기 위하여서는 벤추리관이라는 인젝터나 이젝터를 사용하여 왔으나 이러한 종래 벤츄리관은 유속에 저항이 크고 전극을 설치하지 못하기 때문이다.

본 발명에서는 도 6의 (나)와 (다)에 도시되는 제1전극 상부 수중반응부(W1)의 압력에서 제1전극 중앙 평형면 수중반응부(W2)로 평형수가 이동함에 따라 그 압력이 낮아진다. 본 발명에서는 이와 같은 벤츄리 효과를 유발하기 때문에, 종래의 상기와 같은 단점의 과제를 해결할 수 있는 선박 평형수 처리 관형 플라즈마 처리 장치가 된다.

제1전극 상단부(201a)는 중앙 평형부(201b)보다는 길이(상하높이)가 짧게 이루어지고, 제1전극 하단부(201c)는 중앙 평형부(201b) 보다는 길이(상하높이)가 길게 형성되는 것이 바람직하며, 이러한 형상의 한정은 벤츄리 효과를 유발하기에 좋기 때문이다.

또한, 제1전극(201)은 길이가 짧은 특징이 있으므로 제2전극(202)에 대응하도록 하기 위하여 복수로 연결하여 사용할 수 있도록, 도 2에 도시된 바와 같이, 상단에는 제1전극 연결 암나사부(2011), 하단에는 제1전극 연결 숫나사부(2012)를 구성하여 제1전극의 복수 조립완성형(201A)과 같이 조립하게 된다. 즉, 상기 전극 연결 암나사부(2011)는 제1전극 내부에 형성되어 다른 전극의 전극 연결 숫나사부가 삽입 및 고정되도록 하고, 상기 전극 연결 숫나사부(2012)는 다른 전극의 전극 연결 암나사부에 끼워짐으로써 전극들 사이의 연결이 이루어지도록 한다.

또한, 제1전극 전원 안테나(2013) 상단을 공진주파수 방해틀(502)내의 전로 슬리브에 끼우고 제1전극 전원인가 커넥터(301)로부터 인가되는 전원이 연결 되도록 구성한다.

본 발명에 따르면, 제2전극(202)에 해당하는 제2유전체(102)는 석영관으로 이루어지고, 상기 제2전극(202)의 제2유전체(102) 내부에는 평형수(W)가 흐르도록 하는데, 이것은 제1유전체(제1전극)인 다이아몬드와는 유전율이 다르고 또한 다른 유전체 소재들보다는 유전율이 높기 때문이다. 또 다른 이유로 제2전극(202)에서 생성되는 플라즈마 활성종들중 입자성 자외선의 투과를 용이하게 하여 수중에 조사되도록 하기 위함인데 상기 입자성의 자외선은 파장성 자외선 보다 활성도가 높아 수중미생물들의 접촉반응이 신속한 장점이 있고 흐르는 평형수(W) 자체가 제3유전체가 되어 유전체 장벽 역할을 하여 플라즈마의 생성을 안정되게 하기 때문이다.

즉, 본 발명에서는, 제1유전체가 다이아몬드로 이루어지고, 제2유전체가 석영관으로 이루어지고, 제2유전체(석영관) 내부에 수용되는 평형수를 제3유전체가 되도록 하는 것으로, 도 3에서와 같이 벤츄리 효과를 유발하는 원추형의 전도체 금속 구조물 표면에 제1유전체를 피복함으로써 제1전극을 형성한다.

그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2유전체 외곽에 둘려지는 구조물이 제2전극(202)이 되도록 하며, 제2유전체 내부에는 플라즈마 생성시 플라즈마 집단속의 공진 주파수에 동조되어 파단되지 않게 하는 동조 주파수 방해수단이 설치되고, 상기 제1전극을 제2유전체 내부에 고정하는 수단과 외곽에는 외부충격을 흡수하여 제2유전체의 파손을 방지하는 충격 흡수틀과 절연체의 배관이 구성된다.

한편, 제2전극(202)은 제2유전체(102) 외곽에 둘러지게 되는데 타이타늄 소재의 메쉬망이 적당하고 생성되는 플라즈마의 온도는 섭씨 80도이상이 되지 않는 저온이지만, 도 6 (다)에서 표시하는 상단 플라즈마 반응부(V1)와, 중앙 플라즈마 반응부(V2)와 하단 플라즈마 반응부(V3)경계면에 전극 평형 편차에 의한 방전으로 스파크가 일어날 수 있으므로 제2유전체(102)벽에 밀착되어 둘러진다.

스파크가 일어나면 플라즈마 방전 중심온도가 섭씨 2,000도를 상회하므로 전극의 급속용융이 일어나고 안정된 플라즈마를 지속할 수 없게 된다.

또한, 말단에는 제2전극 전원인가 커넥터(503)를 편자 형으로 하여 전원인가 접속면은 봉으로 전극접촉면은 판상으로 하여 제2전극(202)에 고정한다.

상기 제2유전체(102) 내부에는 플라즈마 생성시 플라즈마 집단속의 공진 주파수에 동조 되어 제2유전체(102)가 파단 되지 않게 하는 동조 주파수 방해수단이 설치되는데 이는 전로와 전로를 연결하는 슬리브에 제2유전체(102)의 두께 보다 얇은 석영으로 틀을 하여 공진주파수 방해틀(502)을 설치하고 상기 제1전극(201)을 상기 제2유전체(102) 내부에 고정하는 제1전극 고정부(501)는 유속에 저항이 없게 원형틀에 삼각다리를 하여 제1전극(201)을 고정하게 한다.

제2유전체(102) 외곽에는 외부충격을 흡수하여 제 2유전체의 파손을 막는 충격 흡수를 위하여 진동 보호틀(401)틀과 절연체로된 외부 절연배관(601)이 구성되고 배관에는 플라즈마의 진행과 거동상태를 플라즈마의 진행과 소거시 발현하는 빛으로 확인 할 수 있도록 반응 확인 시각창(y)을 구성한다.

상기 외부 절연배관(601)은 통상적인 국제 규격의 평형수 배관에 연결하여 사용 할 수 있도록 잇으며, 플라즈마 인가전원은 이미 상용되는 플라즈마 전원들이 많고 종류별로 모두 사용이 가능하므로 본 특허에는 포함되지 않으나 인가전원을 연결하는 수단들은 다양하게 채용될 수 있다.

102 : 제2유전체(석영관)
201 : 제1전극
2011 : 제1전극 연결 암나사부
2012 : 제1전극 연결 숫나사부
2013 : 제1전극 전원 안테나
201A : 제1전극의 복수 조립완성형
201a : 제1전극 상단부
201b : 제1전극 중앙 평형부
201c : 제1전극 하단부
202 : 제2전극
301 : 제1전극 전원인가 컨넥터
401 : 진동 보호틀
501 : 제1전극 고정부
502 : 공진주파수 방해틀
503 : 제2전극 전원인가 커넥터
601 : 외부 절연배관
W : 평형수
W1 : 제1전극 상부 수중반응부
W2 : 제1전극 중앙 평형면 수중반응부
W3 : 제1전극 하부 수중반응부
V1 : 상단 플라즈마 반응부
V2 : 중앙 플라즈마 반응부
V3 : 하단 플라즈마 반응부
y : 반응 확인 시각창

Claims (4)

1. 제1유전체인 다이아몬드가 원추형의 전도체 금속 구조물 표면에 피복된 구조를 갖는 제1전극과,
   상기 제1전극을 감싸는 파이프 형상으로 이루어지고, 제2유전체인 석영관로 이루어진 제2전극과,
   상기 제1전극을 상기 제2전극 내부에 고정시키는 수단과,
   상기 제2전극 외부를 감싸는 배관으로 이루어져 상기 제2전극의 파손을 방지하도록 구성되고, 절연물질로 이루어진 외부 절연배관을 포함하고,
   상기 석영관의 제2전극 내부로 제3유전체가 되는 평형수를 유입하여 흐르게 하는 구조로 이루어지고,
   상기 제2전극 내부에는 플라즈마 생성시 플라즈마 집단속의 공진 주파수에 동조되어 파단되지 않게 하는 동조 주파수 방해수단이 구성되는 선박 평형수 처리 관형 플라즈마 처리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 동조 주파수 방해수단은 전로와 전로를 연결하는 슬리브에 제2유전체의 두께 보다 얇으면서 석영으로 이루어진 공진주파수 방해틀로 이루어지는 선박 평형수 처리 관형 플라즈마 처리 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1전극에 전원을 연결하는 수단은 안테나 형상의 상하방향 연장되는 형상으로 이루어지고, 일단은 상기 공진주파수 방해틀 내의 전로 슬리브에 고정되고 타단은 제1전극 전원인가 커넥터로부터 인가되는 전원이 연결되도록 구성되는 선박 평형수 처리 관형 플라즈마 처리 장치.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제2전극에 전원을 연결하는 수단은 인가전원이 전달되는 봉과, 상기 제2전극에 접촉하는 전극접촉면은 판 형상으로 이루어져 상기 제2전극에 고정되는 선박 평형수 처리 관형 플라즈마 처리 장치.

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