KR101946821B1 - 수중 플라즈마 토치 - Google Patents

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농업회사법인 주식회사 부림아그로텍
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Abstract

본 발명은 수중 플라즈마 토치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마를 이용하여 물을 효과적으로 살균하기 위해, 플라즈마 토치의 구조를 개선하여 플라즈마 생성 효과 및 사용수명을 향상시킨 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치는, 절연재질의 원판 형상으로 마련되어, 상부 일측으로부터 하부 중심축을 향해 가스가 주입될 수 있도록 관통 연결되는 가스주입홀이 형성되는 토치헤드, 도전성 재질의 바 형태로 마련되어, 상기 토치헤드의 중심축에 일단부가 관통 연결되는 방전극, 상기 방전극을 중심축으로 하고, 내부에 수용공간이 형성되는 원기둥 형태로 마련되어, 일단부가 상기 토치헤드 하부면의 상기 가스주입홀에 연결되는 석영관, 상기 석영관의 타단부에 연결되어, 상기 석영관 내부로 주입되는 가스 및 공기를 수중에서 기포 형태로 배출할 수 있도록 다공성 재질로 구성되는 버블장치, 도전성 재질의 바 형태로 마련되어, 일단부가 상기 토치헤드의 하부 일측면에 관통 연결되며, 상기 도전성 방전극과 평행하게 마련되는 대향전극을 포함 하여 구성된다.
본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치는, 고밀도 플라즈마를 효과적으로 생성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치는, 고밀도 플라즈마 생성에 따른 토치헤드의 손상을 방지하여 장치의 수명을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

수중 플라즈마 토치{Underwater plasma torch}
본 발명은 수중 플라즈마 토치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마를 이용하여 물을 효과적으로 살균하기 위해, 플라즈마 토치의 구조를 개선하여 플라즈마 생성 효과 및 사용수명을 향상시킨 기술에 관한 것이다.
일반적으로 사용되는 종래의 플라즈마 토치는, 토치헤드에 삽입된 도전성 방전극과 도전성 대향전극 사이에 플라즈마를 발생시켜 이로 인해, 활성화 된 OH 라디칼을 이용하여 수중 미생물을 살균하고 정화시키는 것이다.
하지만, 이로 인해 발생되는 고밀도 플라즈마에 의해, 상기 도전성 방전극과 도전성 대향전극을 지지하고 있는 토치헤드 부분이 녹아 형체가 손상되어 장치의 수명이 저하되는 문제점이 있었다.
이를 방지하기 위해, 상기 도전성 방전극과 도전성 대향전극의 간극을 멀리 하면, 플라즈마의 생성이 용이하지 않게 되어 살균 효과가 떨어지게 된다.
이와 관련하여, 종래의 기술을 살펴보면, '수중 설치 플라즈마토치 구조'가 대한민국 공개특허 제10-2013-0028184호에 개시되고 있고, '고밀도 수중 플라즈마 토치를 이용한 수질정화방법'이 대한민국 등록특허 제10-0932377호에 개시되고 있다. 상기의 플라즈마 토치는 효과적으로 고밀도 플라즈마를 생성하기 위한 기술이 개시되어 있으나 그로 인해 발생되는 토치 헤드 부분의 손상에 대한 대비책이 없어 여전히 장치의 수명이 저하되는 문제점을 가지고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0028184호 (2013.03.19) 대한민국 등록특허 제10-0932377호 (2009.12.08)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 플라즈마 토치를 이용하여 효과적으로 고밀도 플라즈마를 생성시키면서, 고밀도 플라즈마에 의해 손상되는 플라즈마 토치 헤드의 손상을 방지할 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치는, 절연재질의 원판 형상으로 마련되어, 상부 일측으로부터 하부 중심축을 향해 가스가 주입될 수 있도록 관통 연결되는 가스주입홀이 형성되는 토치헤드, 도전성 재질의 바 형태로 마련되어, 상기 토치헤드의 중심축에 일단부가 관통 연결되는 방전극, 상기 방전극을 중심축으로 하고, 내부에 수용공간이 형성되는 원기둥 형태로 마련되어, 일단부가 상기 토치헤드 하부면의 상기 가스주입홀에 연결되는 석영관, 상기 석영관의 타단부에 연결되어, 상기 석영관 내부로 주입되는 가스 및 공기를 수중에서 기포 형태로 배출할 수 있도록 다공성 재질로 구성되는 버블장치, 도전성 재질의 바 형태로 마련되어, 일단부가 상기 토치헤드의 하부 일측면에 관통 연결되며, 상기 도전성 방전극과 평행하게 마련되는 대향전극을 포함 하여 구성된다.
본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치는, 고밀도 플라즈마를 효과적으로 생성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치는, 고밀도 플라즈마 생성에 따른 토치헤드의 손상을 방지하여 장치의 수명을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치는, 수살균 처리장치에 효과적으로 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치의 상부 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치의 하부 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치의 과열방지튜브를 나타낸 모식도이다.
도 5는 기존의 발명에 따른 수중 플라즈마 토치를 500시간 수처리 실시 후, 관찰한 사시도이다.
도 6 (a)는 본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치를 이용하여 100시간 동안 수처리를 실시 후, 상기 토치헤드의 표면을 관찰한 것이다.
도 6 (b)는 본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치를 이용하여 500시간 동안 수처리를 실시 후, 상기 토치헤드의 표면을 관찰한 것이다.
도 6 (c)는 본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치를 이용하여 1000시간 동안 수처리를 실시 후, 상기 토치헤드의 표면을 관찰한 것이다.
도 6 (d)는 본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치를 이용하여 2500시간 동안 수처리를 실시 후, 상기 토치헤드의 표면을 관찰한 것이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
본 발명에 따른 수중 플라즈마 토치는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 절연재질의 원판 형상으로 마련되어, 상부 일측으로부터 하부 중심축을 향해 가스가 주입될 수 있도록 관통 연결되는 가스주입홀(11)이 형성되는 토치헤드(10), 도전성 재질의 바 형태로 마련되어, 상기 토치헤드(10)의 중심축에 일단부가 관통 연결되는 방전극(20), 상기 방전극(20)을 중심축으로 하고, 내부에 수용공간이 형성되는 원기둥 형태로 마련되어, 일단부가 상기 토치헤드(10) 하부면의 상기 가스주입홀(11)에 연결되는 석영관(30), 상기 석영관(30)의 타단부에 연결되어, 상기 석영관(30) 내부로 주입되는 가스 및 공기를 수중에서 기포 형태로 배출할 수 있도록 다공성 재질로 구성되는 버블장치(40), 도전성 재질의 바 형태로 마련되어, 일단부가 상기 토치헤드(10)의 하부 일측면에 관통 연결되며, 상기 방전극(20)과 평행하게 마련되는 대향전극(50)을 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 토치헤드(10)는, 절연재질의 원판 형상으로 마련되어, 상부 일측으로부터 하부 중심축을 향해 가스가 주입될 수 있도록 관통 연결되는 가스주입홀(11)이 형성된다.
구체적으로, 상기 토치헤드(10)는, 절연재질로 구성되되, 기계적 강도가 크고, 내마모성이 우수하며, 내열성이 우수한 재질로 구성되는 것이 바람직하다. 아세탈(acetal)이 상기 조건에 충족된다.
상기 가스주입홀(11)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 외부에서 공급되는 공기 및 가스를 하기의 석영관(30) 내부로 주입하기 위한 관통홀로 상기 토치헤드(10)의 상부 일측으로부터 하부 중심축으로 통로가 형성된다.
상기 통로를 통해 공기 및 가스가 상기 석영관(30) 내부로 주입될 수 있다.
다음으로, 상기 방전극(20)은, 도전성 재질의 바 형태로 마련되어, 상기 토치헤드(10)의 중심축에 일단부가 관통 연결된다.
상기 방전극(20)은, 플라즈마를 발생시키기 위한 방전전극을 형성하는 부분으로, 도전성 소재라면 어느 것이라도 사용 가능하고, 얇은 막대 형상을 이용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 석영관(30)은, 상기 방전극(20)을 중심축으로 하고, 내부에 수용공간이 형성되는 원기둥 형태로 마련되어, 일단부가 상기 토치헤드(10) 하부면의 상기 가스주입홀(11)에 연결된다.
상기 석영관(30)은, 상기 방전극(20)의 외경과 상기 석영관(30)의 내경사이에 방전전극 갭을 형성하기 위한 구성이다.
이는, 플라즈마를 수중에서 생성하므로 상기 방전극(20)과 물과의 전로를 차단하여 안정적으로 고밀도 플라즈마를 발생시키기 위함으로, 스트리머 방전에 의해서 생성된 전하의 양 만큼만 수중에 플라즈마 에너지를 전달시키기 때문에 단락이 발생되지 않고 스트리머 방전에서 생성된 전하의 양 만큼만 포화되어 전류가 흐르기 때문에 전원장치의 용량을 초과하지 않는 안정적인 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 석영관(30)은 고밀도 플라즈마 영역에서 발생되는 자외선을 배출하는 용도로도 사용되므로 절연성 소재이면서 투명한 소재를 이용하는 것이 유리하고, 바람직하게는 석영관(30)이 사용된다.
또한, 상기 석영관(30)의 직경은, 상기 방전극(20) 직경의 5~7배로 구성되는 것이 바람직하다.
이는, 상기 석영관(30)의 직경이 상기 방전극(20) 직경의 5배 미만으로 형성되면, 상기 석영관(30)과 상기 방전극(20) 사이에 충분한 방전전극 갭이 형성되지 못하여 고밀도 플라즈마 형성이 용이하지 않을 수 있고, 상기 석영관(30)의 직경이 상기 방전극(20) 직경의 7배를 초과하여 형성되면, 상기 석영관(30)과 상기 방전극(20) 사이에 과도하게 넓은 방전전극 갭이 형성되어 역시 고밀도 플라즈마 형성이 용이하지 않을 수 있고, 상기 석영관(30) 내부로 투입되는 가스 및 공기량이 많아져 에너지 효율을 떨어뜨릴 수 있기 때문이다.
다음으로, 상기 다공성 버블장치(40)는, 상기 석영관(30)의 타단부에 연결되어, 상기 석영관(30) 내부로 주입되는 가스 및 공기를 수중에서 기포 형태로 배출할 수 있도록 다공성 재질로 구성된다.
상기 다공성 버블장치(40)는, 상기 석영관(30)에 투입된 가스 및 공기를 수중으로 배출하는 곳으로, 상기 석영관(30)의 타단부에 마련되어 수중에서 플라즈마에 의해 활성화 된 공기 및 가스를 미세한 마이크론 사이즈의 기포 형태로 수중에 발생시켜, 물과의 접촉표면적을 넓혀 수처리 효과를 증대시키는 역할을 한다.
이를 위해, 상기 다공성 버블장치(40)의 표면재질은 마이크로 단위의 초미세 다공성 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 대향전극(50)은, 도전성 재질의 바 형태로 마련되어, 일단부가 상기 토치헤드(10)의 하부 일측면에 관통 연결되며, 상기 도전성 방전극(20)과 평행하게 마련된다.
상기 대향전극(50)은, 상기 방전극(20)에 대한 대향전극(50)을 형성하는 부분으로 상기 방전극(20)과 마찬가지로 도전성 소재라면 어느 것이라도 사용 가능하고, 얇은 막대 형상을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 방전극(20) 및 상기 대향전극(50) 사이의 간격은 플라즈마 생성 정도에 따라 유동적으로 조절할 수 있으나, 10~30mm의 간격으로 구성되는 것이 바람직하다.
이는, 안정적이고 높은 밀도의 스트리머 플라즈마를 효과적으로 생성시키기 위한 것으로, 상기 간격이 10mm 미만이면, 플라즈마 생성 전극간의 거리가 가까워지고, 상기 석영관(30)과 상기 대향전극(50) 사이의 거리도 가까워져 안정적인 형태의 고밀도 플라즈마를 생성하기가 어려울 수 있고, 상기 간격이 30mm를 초과하면, 상기 플라즈마 생성 전극간의 거리가 다소 멀어 마찬가지로 생성되는 플라즈마의 밀도가 낮아져 고밀도의 플라즈마 생성이 용이하지 않을 수 있기 때문이다.
다음으로, 상기 방전극(20)과 상기 대향전극(50)의 사이에 위치하는 상기 토치헤드(10) 하단면에는 상방으로 홈이 형성되는 전로차단방지홈(60)이 마련된다.
상기 전로차단방지홈(60)은 상기 토치헤드(10)의 하단면에 접하고 있는 상기 방전극(20)의 일단부와 상기 대향전극(50)의 일단부에서 발생하는 플라즈마로 인한 상기 토치헤드(10)의 표면결함을 방지하기 위해 전로를 차단하는 것이다.
구체적으로, 상기 토치헤드(10)가 플라즈마를 발생시키기 위해, 고전압의 전기를 투입 시, 가스 및 공기가 주입되고, 상기 토치헤드(10)의 하방에서는 가스 및 공기로 인하여 상기 토치헤드(10)와 접하고 있는 상기 방전극(20)의 일단부와 상기 대향전극(50)의 일단부에 플라즈마가 발생된다.
이때, 상기 토치헤드(10)가 수중에 완전히 잠기지 않아 상기 방전극(20)의 일단부와 상기 대향전극(50)의 일단부가 수면에 노출되었을 때에는 공기중에 일부 노출되어 상기 방전극(20)의 일단부와 상기 대향전극(50)의 일단부 사이에 발생하는 고밀도 플라즈마로 인해, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 방전극(20)의 일단부와 상기 대향전극(50)의 일단부 사이에 위치하는 상기 토치헤드(10)의 하단면이 타거나 녹는 현상이 발생된다.
이는, 상기 방전극(20) 일단부와 상기 대향전극(50) 일단부의 사이에 위치하는 상기 토치헤드(10)의 하단면에 수분(물)이 묻어서 전로가 형성되어, 전압이 집중되어 고열이 발생하기 때문으로 이로 인해, 상기 토치헤드(10)의 하부 표면이 타거나 재질이 녹는 등의 현상이 빈번히 발생된다.
이를 해결하기 위해, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 토치헤드(10)의 하단면에서 상기 방전극(20) 및 대향전극(50) 사이에 위치하는 부분에 기 설정된 깊이 및 너비로 형성되는 홈 형태의 전로차단방지홈(60)이 마련된다.
상기 전로차단방지홈(60)이 형성되면 인가된 고전압이 상기 방전극(20)에서 출발하여 대향전극(50) 사이에서 방전이 시작될 때, 전기적인 성질로 인해, 수분이 묻은 표면을 따라 직진으로 뻗어나가게 된다.
하지만, 상기 전로차단방지홈(60)을 만나 방전 전로가 형성되지 않아 상기 토치헤드(10)의 하부면에 발생되는 수표면 부하가 발생하지 않게 되어 상기 토치헤드(10)하부면이 손상되는 현상을 방지할 수 있다.
상기 전로차단방지홈(60)은, 상기 전로를 늘여줄 수 있는 형태라면 어떠한 형태의 홈으로도 구성될 수 있다.
보다 바람직하게는 '┌┐'형태로 구성되어, 깊이 3 ~ 10mm, 폭너비 3~10mm으로 구성된다.
또한, 상기 석영관(30)의 일단부에는, 과열방지튜브(70)가 마련된다.
이는, 상기 플라즈마에 의해, 상기 석영관(30)과 상기 토치헤드(10)의 접촉면에 고온의 열이 집중되어 손상될 수 있으므로 이를 방지하기 위함이다.
구체적으로, 상기 과열방지튜브(70)는, 고내열성 재질로 구성되어, 상기 석영관(30)의 외주면을 감싸는 형태로 마련된다.
보다 바람직하게는, 알루미나, 실리카 등과 같은 세라믹소재로 구성되는 것이 유리하다.
또한, 상기 과열방지튜브(70)는, 상기 석영관(30)에 접착 시, 도 4에 도시된 바와 같이, 내열 효율을 높이고, 접착면의 손상을 방지하기 위해, 상기 석영관(30)과의 접착면에 내열성의 에폭시수지(71)를 도포하여 접착한다.
상기 석영관(30)에 접착 후, 상기 과열방지튜브(70)의 외부면에는 수질이 오염되지 않도록 친환경 에폭시수지(72)를 이용하여 코팅을 실시한다.
이하에서는 본 발명에 따라 전로차단방지홈(60) 및 과열방지튜브(70)가 형성된 수중 플라즈마 토치의 결함방지효과를 실시예 및 비교예를 이용하여 나타낸다.
<실시예 1>
본 발명에 따라 전로차단방지홈(60) 및 과열방지튜브(70)가 형성된 수중 플라즈마 토치를 이용하여 100시간 동안 수처리 실시.(도 6의 (a))
<실시예 2>
본 발명에 따라 전로차단방지홈(60) 및 과열방지튜브(70)가 형성된 수중 플라즈마 토치를 이용하여 500시간 동안 수처리 실시.(도 6의 (b))
<실시예 3>
본 발명에 따라 전로차단방지홈(60) 및 과열방지튜브(70)가 형성된 수중 플라즈마 토치를 이용하여 1000시간 동안 수처리 실시.(도 6의 (c))
<실시예 4>
본 발명에 따라 전로차단방지홈(60) 및 과열방지튜브(70)가 형성된 수중 플라즈마 토치를 이용하여 2500시간 동안 수처리 실시.(도 6의 (d))
<비교예 1>
전로차단방지홈(60) 및 과열방지튜브(70)가 형성되지 않은 기존의 수중 플라즈마 토치를 이용하여 500시간 동안 수처리 실시.(도 5)
비교 수처리 시간(hour) 토치헤드(10) 표면 상태
실시예 1 100 양호
실시예 2 500 양호
실시예 3 1000 양호
실시예 4 2500 양호
비교예 1 500 손상
표 1은 실시예 및 비교예에 따라 수처리 실시 후, 상기 토치헤드(10)의 표면상태를 관찰한 것이다.
상기 표 1의 결과를 비교해 보면, 비교예 1에 의해 전로차단방지홈(60) 및 과열방지튜브(70)가 형성되지 않은 수중 플라즈마 토치를 이용하여 수처리를 실시했을 때는, 약 500시간 수처리 실시했을 때, 도 5에 도시된 바와 같이, 하부 표면에 일부가 녹아 형체가 일그러진 결함이 발생되었다.
실시예 1 내지 4에 의해 수처리를 실시했을 때는, 도 6에 도시된 바와 같이, 2500시간 수처리를 실시했을 때도 상기 토치헤드(10)의 하부 표면상태가 양호한 것을 확인하였다.
이를 통해, 본 발명에 따라 플라즈마 토치에 전로차단방지홈(60) 및 과열방지튜브(70)가 형성 시, 상기 토치헤드(10)에 가해지는 플라즈마에 의한 과부하가 방지되어 표면의 손상이 방지되는 것을 확인 할 수 있었다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위에 의하여 나타나며, 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 토치헤드
11 : 가스주입홀
20 : 방전극
30 : 석영관
40 : 버블장치
50 : 대향전극
60 : 전로차단방지홈
70 : 과열방지튜브
71 : 내열성 에폭시수지
72 : 친환경 에폭시수지

Claims (5)

  1. 절연재질의 원판 형상으로 마련되어, 상부 일측으로부터 하부 중심축을 향해 가스가 주입될 수 있도록 관통 연결되는 가스주입홀;이 형성되는 토치헤드;
    도전성 재질의 바 형태로 마련되어, 상기 토치헤드의 중심축에 일단부가 관통 연결되는 방전극;
    상기 방전극을 중심축으로 하고, 내부에 수용공간이 형성되는 원기둥 형태로 마련되어, 일단부가 상기 토치헤드 하부면의 상기 가스주입홀에 연결되는 석영관;
    상기 석영관의 타단부에 연결되어, 상기 석영관 내부로 주입되는 가스 및 공기를 수중에서 기포 형태로 배출할 수 있도록 다공성 재질로 구성되는 버블장치;
    도전성 재질의 바 형태로 마련되어, 일단부가 상기 토치헤드의 하부 일측면에 관통 연결되며, 상기 도전성 방전극과 평행하게 마련되는 대향전극;을 포함하고,
    상기 방전극과 상기 대향전극의 사이에 위치하는 상기 토치헤드 하단면에는 상방으로 홈이 형성되는 전로차단방지홈;이 마련되며,
    상기 석영관의 일단부에는, 외주면을 감싸는 형태로 마련되는 과열방지튜브;가 형성되고,
    상기 과열방지튜브는 알루미나, 실리카 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 수중 플라즈마 토치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 과열방지튜브는,
    상기 석영관과의 접착면에 내열성의 에폭시수지를 도포하여 접착하고, 외부에는 친환경 에폭시수지를 이용하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 수중 플라즈마 토치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전로차단방지홈은,
    깊이 3~10mm, 너비 3~10mm의 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 수중 플라즈마 토치.


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