KR102228888B1 - 열플라즈마 처리장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열플라즈마를 효율적으로 이용할 수 있고, 처리가스의 열분해를 위한 반응시간을 확보할 수 있는 열플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치는, 음극과 양극 사이에 아크가 발생되고, 상기 음극과 양극 사이에 아크에 의해 열 분해될 처리가스가 주입되는 토치부; 상기 음극과 양극에 연결되고, 상기 음극과 양극 사이에 고전압을 인가하는 전원공급부; 및 상기 토치부와 연통되고, 상기 토치부를 통과한 처리가스에 난류를 형성시키는 반응부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치는, 음극과 양극 사이에 아크가 발생되고, 상기 음극과 양극 사이에 아크에 의해 열 분해될 처리가스가 주입되는 토치부; 상기 음극과 양극에 연결되고, 상기 음극과 양극 사이에 고전압을 인가하는 전원공급부; 및 상기 토치부와 연통되고, 상기 토치부를 통과한 처리가스에 난류를 형성시키는 반응부;를 포함한다.
Description
본 발명은 열플라즈마를 효율적으로 이용할 수 있고, 처리가스의 열분해를 위한 반응시간을 확보할 수 있는 열플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
일반적으로, 열플라즈마(Thermal plasma)는 주로 아크 방전에 의해 발생시킨 전자, 이온, 중성입자(원자 및 분자)로 구성된 부분 이온화된 기체로서, 국소열평형(Local Thermodynamic Equilibrium) 상태를 유지하여 구성 입자가 모두 수천에서 수만도에 이르는 같은 온도를 갖는 고속의 제트 불꽃 형태를 이루고 있다.
이렇게 고온, 고열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는 열플라즈마의 특성을 이용하여, 여러 산업분야에서 첨단기술에 활용되고 있다.
최근 특정 산업폐기물의 환경오염이 사회적 문제로 대두되면서, 반도체/디스플레이 등 전자산업에서 배출되는 유해가스 및 온실가스 제거를 목적으로 열플라즈마를 이용한 처리기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
전기 에너지를 이용한 열플라즈마(thermal plasma) 처리장치(plasma torch, plasmatron)는 처리 대상물의 분해 등에 사용할 수 있는 다량의 열에너지로 전환시키는 장치이다.
고온의 열플라즈마 발생은 가스 이온화를 위한 충분한 에너지가 두 개의 전극에 공급되면, 두 개의 전극에서 전기적으로 아크가 발생되고, 방전가스를 고온의 아크 사이에 통과시키면, 방전가스가 플라즈마 상태로 전이되면서 열플라즈마 제트를 발생시킨다.
한국등록특허 제967016호(출원일 : 2007.09.20)에는 장치 바디부;와, 그 내측에 구비되는 캐소드와 전방의 애노드를 포함하는 전극부;와, 상기 장치 바디부에 각각 일체로 구비되고 전극부 측에 가스를 공급토록 제공된 바디 일체형 가스통로와 장치를 냉각토록 제공된 바디 일체형 냉각수통로; 및, 상기 전극부 주변에 각각 배치되는 가스 트위스팅 수단과, 자석수단 중 적어도 어느 하나;를 포함하고, 상기 장치 바디부는, 장치외연을 형성하는 제1 바디와 상기 제1 바디의 내측에 조립되되 애노드를 지지하면서 전기를 인가하는 하우징 및, 상기 제1 바디의 일측에 조립되면서 애노드를 고정하는 제1 케이싱을 포함하는 제1 금속바디부;와, 상기 제1 바디와 하우징에 걸쳐서 그 내측에 조립되는 제1 절연바디 및, 상기 제1 바디와 제1 절연바디의 일측에 고정 조립되는 제2 케이싱으로 구성되는 제2 절연바디를 포함하여 조립 구성된 절연바디부; 및, 상기 제1,2 절연바디에 걸쳐서 그 내측에 조립되되 캐소드에 전기를 인가토록 조립 고정되는 제2 바디 및, 상기 제2 바디와 조립되되 상기 캐소드의 내측에 체결되는 전기인가편을 포함하는 제2 금속바디부;를 포함하여 조립 구성될 수 있는 플라즈마 토치장치가 개시된다.
상기와 같이, 상기 전극부가 아크를 형성하면, 상기 가스 트위스팅 수단이 방전가스를 회전 주입함으로, 아크점을 이동시켜 전극부 마모를 방지하고, 상기 자석수단이 자기장을 형성함으로, 전자 흐름을 조정하여 열플라즈마 방전 안정성을 향상시킨다.
그러나, 상기의 종래 기술에 따르면, 처리 가스를 고온의 열플라즈마 제트 내부로 공급하기 위한 별도의 구조가 적용되지 않고, 음극과 양극으로 구성된 전극부가 적용됨에 따라 아크의 길이가 한정된다.
따라서, 처리 가스를 공급하는 구조가 적용되더라도 처리 가스가 상대적으로 온도가 낮은 열플라즈마 제트의 표면 지나게 됨으로, 처리 가스의 열분해 효과를 높이는데 한계가 있고, 요구되는 소비 전력이 높아지는 문제점이 있다.
한국등록특허 제1573844호(출원일 : 2013.11.11)에는 일 방향으로 돌출되고 전압이 인가되는 전극, 절연부재를 개재하여 상기 전극을 수용하고 상기 전극과의 사이에 방전기체를 공급하는 제1통로를 형성하며, 1차로 접지되어 생성되는 아크를 제1토출구로 토출하는 제1하우징, 및 상기 제1하우징의 선단을 수용하여 처리기체를 공급하는 제2통로를 형성하고, 2차로 접지되어 상기 아크를 연장하여 상기 처리기체에 포함된 처리 대상물질을 연소시킨 아크 화염을 제2토출구로 토출하는 제2하우징을 포함하는 플라즈마 토치가 개시된다.
상기와 같이, 상기 제1하우징과 제2하우징에서 아크가 형성됨으로, 아크의 길이를 연장시킬 수 있고, 상기 제2하우징 내측에 형성된 나사선을 통하여 아크를 회전시킬 수 있으며, 처리가스를 공급하여 고온의 열플라즈마 제트 중심부를 통과하여 처리가스를 효과적으로 처리한다.
그러나, 상기의 종래 기술에 따르면, 아크의 길이를 길게 하는데 한계가 있다. 또한, 처리기체가 고온의 아크를 통과한 다음, 바로 대기 중으로 방출되기 때문에 처리기체가 단열된 공간에서 충분히 열 분해될 수 있는 반응시간을 확보하기 어렵다.
또한, 종래 기술에 따르면, 하우징 내주면의 나사산을 이용하여 아크의 회전을 유도하지만, 아크의 회전이 원활하게 일어나지 않기 때문에 아크에 의해 하우징의 내주면이 국부적으로 손상되어 전극 수명을 확보하기 어렵다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 처리가스의 열 분해 반응시간을 확보할 수 있는 열플라즈마 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 아크를 균일하게 회전시키고, 아크의 길이를 적절하게 조절할 수 있는 열플라즈마 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치는, 음극과 양극 사이에 아크가 발생되고, 상기 음극과 양극 사이에 아크에 의해 열 분해될 처리가스가 주입되는 토치부; 상기 음극과 양극에 연결되고, 상기 음극과 양극 사이에 고전압을 인가하는 전원공급부; 및 상기 토치부와 연통되고, 상기 토치부를 통과한 처리가스에 난류를 형성시키는 반응부;를 포함한다.
상기 토치부는, 중심에 위치된 음극과, 상기 음극 둘레를 감싸고, 제1홀이 중심에 구비된 실린더 타입의 제1양극과, 상기 제1양극 하측에 이격되고, 상기 제1홀과 연통된 제2홀이 중심에 구비된 실린더 타입의 제2양극을 포함할 수 있다.
상기 토치부는, 상기 음극이 최하단에 장착되고, 냉각 유로가 중심에 구비되는 축 타입의 음극 하우징과, 상기 제1양극을 감싸도록 설치되고, 상기 제1양극 외주면에 구비된 냉각 유로와 연통되는 공급로가 내부에 구비되는 원통 타입의 제1양극 하우징과, 상기 제2양극을 감싸도록 설치되고, 상기 제2양극과 사이에 냉각 유로가 구비되는 원통 타입의 제2양극 하우징을 더 포함할 수 있다.
상기 토치부는, 상기 제1양극 상측에 구비되고, 방전가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제1홀의 상부로 공급하는 제1방전가스 주입부와, 상기 제1양극 하우징 둘레를 감싸도록 구비되고, 처리하고자 하는 처리가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제2홀의 상부로 공급하는 처리가스 주입부와, 상기 처리가스 주입부와 제2양극 사이에 구비되고, 방전가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제2홀의 상부로 공급하는 제2방전가스 주입부를 더 포함하고, 상기 제1,2방전가스 주입부와 처리가스 주입부는, 방전가스와 처리가스를 동일한 회전 방향으로 주입하도록 구성될 수 있다.
상기 제1방전가스 주입부는, 상기 제1홀과 연통되는 원통 형상이고, 반경 방향으로 소정 두께를 가지는 제1본체부와, 상기 제1본체부의 내/외주면을 관통하고, 상기 제1본체부의 내주면에 대한 접선 방향으로 방전가스를 주입하는 복수개의 제1방전가스 주입구로 구성될 수 있다.
상기 처리가스 주입부는, 상기 제1양극과 제1방전가스 주입부를 감싸고 상기 제2홀과 연통되는 원통 형상의 본체부와, 상기 본체부의 내측과 연통하고, 상기 본체부의 내주면에 대한 접선 방향으로 처리가스를 주입하는 복수개의 주입관으로 구성될 수 있다.
상기 제2방전가스 주입부는, 상기 제2홀과 연통되는 원통 형상이고, 반경 방향으로 소정 두께를 가지는 제2본체부와, 상기 제2본체부의 내/외주면을 관통하고, 상기 제2본체부의 내주면에 대한 접선 방향으로 방전가스를 주입하는 복수개의 제2방전가스 주입구와, 상기 제2방전가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제2방전가스 보조 주입구를 포함할 수 있다.
상기 토치부는, 상기 제2양극과 제2양극 하우징의 하단에 구비되고, 방전가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제2홀의 하부로 공급하는 제3방전가스 주입부를 더 포함할 수 있다.
상기 제3방전가스 주입부는, 상기 제2양극의 내주면과 제2양극 하우징의 외주면을 관통하고, 상기 제2양극의 내주면에 대한 접선 방향으로 방전가스를 주입하는 복수개의 제3방전가스 주입구와, 상기 제3방전가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제3방전가스 보조 주입구를 포함할 수 있다.
상기 토치부는, 상기 제1양극 둘레에 구비되고, 상기 제1방전가스 주입부에 의해 주입되는 방전가스의 회전 방향과 동일한 방향으로 자기장을 생성하는 제1자석부를 더 포함할 수 있다.
상기 토치부는, 상기 제2양극 둘레에 구비되고, 상기 제2방전가스 주입부에 의해 주입되는 방전가스의 회전 방향과 동일한 방향으로 자기장을 생성하는 제2자석부를 더 포함할 수 있다.
상기 전원공급부는, 상기 음극에 음전하를 연결하는 음극 전선과, 상기 제1양극에 양전하를 연결하는 제1양극 전선과, 상기 제2양극에 양전하를 연결하는 제2양극 전선과, 상기 제1양극 전선에 구비되고, 상기 음극과 제1양극을 선택적으로 통전시키는 스위치를 포함할 수 있다.
상기 반응부는, 상기 제2양극 하측에 구비되고, 상기 제2홀과 연통되는 축 방향으로 긴 토출유로가 구비된 반응 챔버와, 상기 반응 챔버 상부에 구비되고, 보호가스를 내측에 주입하여 상기 토출유로의 상부로 공급하는 제1보호가스 주입부와, 상기 반응 챔버 하부에 구비되고, 보호가스를 내측에 주입하여 상기 토출 유로의 하부에 쌓인 이물질을 제거하는 제2보호가스 주입부를 포함할 수 있다.
상기 반응 챔버는, 상기 토출 유로의 직경이 작아지는 병목부가 적어도 하나 이상 구비된 실린더 타입의 내부 하우징과, 상기 내부 하우징을 감싸도록 설치되고, 냉각 유로가 내부에 구비되는 이중관 타입의 외부 하우징을 포함할 수 있다.
상기 내부 하우징은, 단열재 세라믹으로 구성될 수 있다.
상기 제1,2보호가스 주입부는, 질소(N2), 아르곤(Ar), 공기(Air), 산소(O2) 중 하나를 보호가스로 공급할 수 있다.
상기 제1보호가스 주입부는, 상기 반응 챔버의 상부 내/외주면을 관통하고, 상기 반응 챔버의 내주면에 대한 접선 방향으로 보호가스를 주입하는 복수개의 제1보호가스 주입구와, 상기 제1보호가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제1보호가스 보조 주입구를 포함할 수 있다.
상기 제2보호가스 주입부는, 상기 반응 챔버의 하부 내/외주면을 관통하고, 상기 반응 챔버의 내주면에 대한 직교 방향으로 보호가스를 주입하는 복수개의 제2보호가스 주입구와, 상기 제2보호가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제2보호가스 보조 주입구를 포함할 수 있다.
상기 제2보호가스 주입구는, 상기 반응 챔버의 외주면에서 내주면으로 갈수록 상기 토출 유로의 토출 방향을 향하여 하향 경사지게 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 열플라즈마 처리장치는 토치부 하측에 반응부가 구비된다.
따라서, 토치부에서 처리가스가 고온의 아크에 의해 열 분해된 다음, 반응부에서 처리가스의 난류 흐름을 유도하여 반응 시간을 늘릴 수 있고, 열 분해를 촉진시킬 수 있고, 처리 효율 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 토치부는 제1양극 상측에 제1방전가스 주입부가 구비되고, 제2양극 상측에 제1양극을 감싸도록 처리가스 주입부가 구비되며, 제2양극 상측에 제2방전가스 주입부가 구비된다.
따라서, 제1,2방전가스 주입부에 의해 주입된 방전가스가 제1,2양극 내측에 형성되는 아크의 회전을 원활하게 형성시킴으로서, 주변 구성 요소들의 사용 수명을 늘릴 수 있다.
그리고, 제1,2방전가스 주입부에 의해 주입된 방전가스가 제1아크를 제2양극 내측의 제2아크까지 이동 또는 연장시켜 아크의 길이를 늘림으로서, 처리가스가 고온의 아크 중심에 접촉되도록 하여 열분해 성능을 높이고, 처리가스를 분해하는데 필요한 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
또한, 토치부는 제2양극 하측에 제3방전가스 주입부가 구비된다.
따라서, 제3방전가스 주입부에 의해 주입된 방전가스가 제2아크점의 위치를 제어함으로서, 전체 아크의 길이를 적절하게 조절할 수 있고, 아크가 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 전원공급부는 음극과 제1양극과 제2양극과 결선되고, 제1양극과 연결된 전선에 스위치가 구비된다.
따라서, 초기 기동할 때 스위치가 온되고, 이후에 스위치를 오프시킴으로서, 초기에 근접하게 설치된 음극과 제1양극 사이에 제1아크를 손쉽게 발생시킨 다음, 제1아크를 이용하여 상대적으로 간격이 넓게 설치된 음극과 제2양극 사이에 제2아크의 생성을 안정적으로 유도할 수 있고, 플라즈마 방전 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치가 도시된 정단면도.
도 2는 본 발명의 열플라즈마 처리장치에 적용된 토치부와 전원공급부의 일예가 도시된 정단면도.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 적용된 제1방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 4a 및 도 4b는 도 2에 적용된 처리가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 5a 및 도 5b는 도 2에 적용된 제2방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 6a 및 도 6b는 도 2에 적용된 제3방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 7a 및 도 7b는 도 2에 적용된 자석부의 제1,2실시예가 도시된 평단면도.
도 8은 본 발명의 열플라즈마 처리장치에 적용된 반응부의 일예가 도시된 정단면도.
도 9a 내지 도 9c는 도 8에 적용된 내부 하우징의 다양한 일예가 도시된 정단면도.
도 10a 및 도 10b는 도 8에 적용된 제1보호가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 11a 및 도 11b는 도 8에 적용된 제2보호가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 12 내지 도 14는 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치의 작동 상태가 도시된 정단면도.
도 2는 본 발명의 열플라즈마 처리장치에 적용된 토치부와 전원공급부의 일예가 도시된 정단면도.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 적용된 제1방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 4a 및 도 4b는 도 2에 적용된 처리가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 5a 및 도 5b는 도 2에 적용된 제2방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 6a 및 도 6b는 도 2에 적용된 제3방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 7a 및 도 7b는 도 2에 적용된 자석부의 제1,2실시예가 도시된 평단면도.
도 8은 본 발명의 열플라즈마 처리장치에 적용된 반응부의 일예가 도시된 정단면도.
도 9a 내지 도 9c는 도 8에 적용된 내부 하우징의 다양한 일예가 도시된 정단면도.
도 10a 및 도 10b는 도 8에 적용된 제1보호가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 11a 및 도 11b는 도 8에 적용된 제2보호가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 12 내지 도 14는 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치의 작동 상태가 도시된 정단면도.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치가 도시된 정단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치는 아크에 의해 처리가스를 열 분해시키는 토치부(100)와, 토치부(100) 측의 전극들에 고전압을 인가하는 전원공급부(200)와, 토치부(100)를 통과한 처리가스의 열 분해를 촉진시키는 반응부(300)로 구성될 수 있다.
토치부(100)와 반응부(300)는 서로 연통된 형태로서, 처리가스가 토치부(100) 내부로 공급된 다음, 반응부(300)를 통하여 토출될 수 있다. 물론, 토치부(100)와 반응부(300)는 하나의 시스템으로 구성되지만, 반응부(300)가 토치부(100)에 탈착 가능하게 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 열플라즈마 처리장치에 적용된 토치부와 전원공급부의 일예가 도시된 정단면도이다.
토치부(100)는 음극(110)과, 제1양극(120)과, 제2양극(130)과, 제1방전가스 주입부(140)와, 처리가스 주입부(150)와, 제2방전가스 주입부(160)와, 제3방전가스 주입부(170)와, 제1,2자석부(M1,M2)를 포함한다.
음극(110)은 중심에 위치한 봉 타입으로 구성되고, 고전압이 걸릴 수 있는 토륨(Th)이 함유된 텅스텐(W) 재질로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
이와 같은 구성의 음극(110)은 축 형상의 음극 하우징(110A) 하단에 장착되는데, 음극 하우징(110A)의 축방향을 따라 냉각수가 순환할 수 있는 음극 냉각유로(110B)가 구비될 수 있다.
제1양극(120)은 음극(110)을 감싸는 제1홀(120h)이 중심에 위치된 실린더 타입으로 구성되고, 고전압이 걸린 경우 아크를 생성시킬 수 있는 구리(Cu) 또는 텅스텐(W) 재질로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
상세하게, 제1양극(120)은 음극(110) 둘레를 감싸는 음극 수용부(121)와, 음극 수용부(121) 하측에 연속되고 전기적으로 제1아크가 생성되는 제1아크 생성부(122)로 구성될 수 있다.
또한, 제1홀(120h)의 직경은 음극 수용부(121)의 하측으로 갈수록 점차 작아지고, 제1아크 생성부(122)에서 균일하게 구성될 수 있다. 그리고, 음극(110)과 제1양극(120) 사이에 아크 생성이 용이하도록 음극(110)과 음극 수용부(121) 사이에 최소 간극을 유지하도록 구성될 수 있다.
따라서, 방전가스가 제1양극(120)의 제1홀(120h)을 통과하면, 음극 수용부(121)와 제1아크 생성부(122) 사이를 통과하면서 가압됨에 따라 그 속도가 증대된다. 또한, 속도가 빨라진 방전가스가 제1양극(120) 내측에서 생성된 제1아크를 제2양극(130) 내측으로 이동시켜 줄 수 있고, 제2양극(130)까지 이동된 아크 또는 제2양극(130) 내측에 생성된 아크를 제2아크로 명명한다.
이와 같은 구성의 제1양극(120)은 원통 형상의 제1양극 하우징(120A) 내주면에 장착되는데, 제1양극 하우징(120A) 내부에 냉각수가 순환할 수 있는 제1양극 냉각유로(120B)가 구비될 수 있고, 냉각 효율을 높이기 위하여 제1양극 냉각유로(120B)와 연통되는 냉각홈(123)이 제1양극(120) 외주면을 따라 형성될 수 있다.
제2양극(130)은 제1양극(120) 하측에 이격되고, 제1홀(120h)과 연통될 수 있는 제2홀(130h)이 중심에 위치된 실린더 타입으로 구성될 수 있는데, 제1양극(120)보다 더 크게 구성될 수 있고, 제1양극(120)과 마찬가지로 고전압이 걸릴 수 있는 소재로 구성될 수 있다.
상세하게, 제2홀(130h)의 직경은 제1홀(120h)의 직경보다 크게 구성되는데, 제2홀(130h) 내측에 형성된 제2아크가 제1홀(120h)로 이송되지 않도록 유도하고, 제1홀(120h) 내측에 형성된 제1아크가 제2홀(130h) 내측까지 안정적으로 이동 또는 연장될 수 있도록 한다.
그리고, 제2홀(130h)의 길이는 제1홀(120h)의 길이보다 길게 구성되는데, 제2홀(130h) 내측에 형성된 제2아크가 처리가스를 열 분해시키도록 구성할 수 있다.
이와 같은 구성의 제2양극(130) 원통 형상의 제2양극 하우징(130A) 내주면에 장착되는데, 제2양극 하우징(130A) 내부에 냉각수가 순환할 수 있는 제2양극 냉각유로(130B)가 구비될 수 있다.
상기의 구성 요소 이외에 토치부(100)에 포함된 제1방전가스 주입부(140)와 처리가스 주입부(150)와 제2,3방전가스 주입부(160,170)는 하기에서 상세히 설명하기로 한다.
한편, 음극 하우징(110A)과 제1,2양극 하우징(120A,130A)은 금속 재질로 구성할 수 있는데, 전원공급부(200)에 의해 고전압이 음극(110)과 제1,2양극(120,130)에 인가되면, 음극 하우징(110A)과 제1,2양극 하우징(120A,130A)에도 전류가 흐를 수 있다.
따라서, 음극 하우징(110A)과 제1,2양극 하우징(120A,130A)은 주변의 다른 구성 요소와 절연시키기 위하여 각각 절연 부재(I)를 사이에 두고 연결되어야 한다.
전원공급부(200)는 직류 전원을 공급할 수 있는 장치로서, 음극(110)과 제1양극(120)을 통전시키거나, 음극(110)과 제2양극(120)을 통전시킬 수 있도록 구성된다.
상세하게, 전원공급부(200)는 음극(110)에 음전하를 연결하는 음극 전선(210)과, 제1양극(120)에 양전하를 연결하는 제1양극 전선(220)과, 제2양극(130)에 양전하를 연결하는 제2양극 전선(230)과, 제1양극 전선(220)에 구비된 스위치(240)를 더 포함할 수 있다.
초기 기동 시에 스위치(240)가 일시적으로 온되면, 음극(110)과 제1양극(120)이 통전됨에 따라 제1양극(120) 내측에 제1아크가 발생되고, 음극과 제2양극도 통전된 상태를 유지할 수 있다.
그런데, 음극(110)과 제2양극(130) 사이의 간격이 다소 크게 형성됨으로, 음극과 제2양극(130) 사이에 제2아크가 발생되기 쉽지 않으나, 제1아크에 의해 제2아크가 손쉽게 유도될 수 있다.
이후, 스위치(240)가 오프되면, 제1양극(110)으로 공급되는 전기가 차단되ㄷ더라도 음극(110)과 제2양극(130)이 통전된 상태를 유지하고, 제2양극(130) 내측에 제2아크가 안정적으로 발생될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 적용된 제1방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도이다.
제1방전가스 주입부(140)는 제1양극(120) 내측에 플라즈마를 형성시키기 위한 방전가스를 공급하는 것으로서, 제1양극(120) 상측에 구비되고, 방전가스를 제1양극의 제1홀(120h) 내측에 회전 방향으로 공급하도록 구성될 수 있다.
제1방전가스 주입부(140)는 절연 재질로 구성될 수 있고, 제1방전가스 주입부(140)에 주입되는 방전가스는 질소(N2), 아르곤(Ar), 공기(Air), 산소(O2), 수소(H2) 등의 가스로 구성될 수 있다.
상세하게, 제1방전가스 주입부(140)는 원통 형상의 제1본체부(141)와, 제1본체부(141)의 내/외주면을 수평하게 관통하는 복수개의 제1주입구(141h)로 구성될 수 있다.
제1본체부(141)는 제1양극의 제1홀(120h) 상측과 연통되는 원통 형상으로서, 반경 방향으로 소정 폭을 가질 뿐 아니라 높이 방향으로 소정 두께를 가지도록 구성될 수 있다.
제1주입구(141h)는 제1본체부(141)의 내주면을 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 방전가스를 주입하도록 구성될 수 있다.
실시예에 따르면, 제1주입구(141h)는 제1본체부(141)의 내주면에 대해 접선 방향으로 형성되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 4개가 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
따라서, 제1방전가스 주입부(140)에 의해 방전가스가 제1양극(120)의 내주면을 따라 회전 방향으로 공급되면, 방전가스가 제1아크에 의해 열플라즈마로 생성될 수 있다.
또한, 방전가스의 유동 방향을 따라 제1아크가 제2아크까지 이동 또는 연장됨으로, 아크의 전체 길이를 길게 구성할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 2에 적용된 처리가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도이다.
처리가스 주입부(150)는 열 분해하고자 하는 처리가스 및 이와 화학 반응하는 반응가스를 공급하기 위한 것으로서, 제1양극(120) 둘레를 감싸도록 제2양극(130) 상측에 구비되고, 처리가스 및 반응가스를 제2양극의 제2홀(130h) 내측에 회전 방향으로 공급하도록 구성될 수 있다.
상기의 처리가스는 처리하고자 하는 가스는 온실 가스 및 유해 가스로서, PFCs 가스(CF4, SF6, C2F6, NF3 등) 등이 혼합된 N2 가스일 수 있고, 상기의 반응가스는 상기와 같은 처리가스와 화학 반응하여 처리가스를 분해시킬 수 있는 공기(Air), 스팀(H2O), 산소(O2), 수소(H2) 등이 될 수 있으며, 한정되지 아니한다.
상세하게, 처리가스 주입부(150)는 원통 형상의 본체부(151)와, 본체부(151)의 내측과 연통되도록 본체부(151) 외측에 수평하게 구비된 복수개의 주입관(152)으로 구성될 수 있다.
본체부(151)는 제1양극(120)과 제1방전가스 주입부(140)를 감싸는 큰 원통 형상으로서, 제2양극의 제2홀(130h)의 상측에 연통될 수 있다.
주입관(152)은 본체부(151)의 내주면을 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 처리가스 및 반응가스를 주입하도록 구성될 수 있다.
실시예에 따르면, 주입관(152)은 본체부(151)의 내주면에 대해 접선 방향으로 구비되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 4개가 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
처리가스를 아크의 중심부까지 원활하게 도달시키기 위하여, 주입관(151)에 의해 주입되는 처리가스의 회전 방향은, 상기에서 설명한 제1주입구(141h)에 의해 주입되는 방전가스의 회전방향과 일치하도록 구성되는 것이 바람직하다.
보통, 처리가스가 아크의 상측에서 공급될 경우, 아크의 길이가 짧으면, 처리가스가 상대적으로 온도가 낮은 아크의 표면과 접촉하게 된다.
하지만, 본 발명에 따르면, 제1방전가스 주입부(140) 및 제2방전가스 주입부(160)가 공급한 방전가스에 의해 제1,2아크의 길이를 합한 전체 아크의 길이가 길어질 수 있고, 처리가스 주입부(150)가 공급한 처리가스에 의해서도 아크의 길이가 길어질 수 있다.
따라서, 처리가스 주입부(150)에 의해 처리가스가 제2양극(130)의 상측에서 회전 방향으로 공급되면, 처리가스가 상대적으로 온도가 높은 제2아크의 중심부와 접촉하게 되고, 처리가스의 열분해 성능을 높일 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 2에 적용된 제2방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도이다.
제2방전가스 주입부(160)는 제2양극(130) 내측에 형성된 제2아크의 회전구동을 위한 방전가스를 공급하는 것으로서, 제2양극(130) 상측에 구비되고, 방전가스를 제2양극의 제2홀(130h) 내측에 회전 방향으로 공급하도록 구성될 수 있다.
물론, 제2방전가스 주입부(160)에 주입되는 방전가스 역시 질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 가스 또는 공기(Air), 산소(O2), 수소(H2) 등의 가스로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
제2방전가스 주입부(160)는 제1방전가스 주입부(140)와 동일하게 구성되는데, 절연 재질로 구성되는 원통 형상의 제2본체부(161)와, 제2본체부(161)의 내/외주면을 수평하게 관통하는 복수개의 제2주입구(161h)로 구성될 수 있다.
실시예에 따르면, 제2주입구(161h)는 제2본체부(161)의 내주면에 대해 접선 방향으로 형성되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 8개가 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다. 다만, 제2주입구(161h)는 제1주입구(141h)와 동일한 회전 방향으로 방전가스를 주입할 수 있도록 구성된다.
또한, 방전가스를 복수개의 제2주입구(161h)로 균일하게 공급하기 위하여, 제2주입구(161h) 외측에 서로 연통되는 링 형상의 보조 주입구(162h)가 제2양극 하우징(130B)에 구비되거나, 외부에서 보조 주입구(162h)에 방전가스를 주입하기 위한 연통홀(163h)도 제2양극 하우징(130B)에 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
따라서, 제2방전가스 주입부(160)에 의해 방전가스가 제2양극(130)의 내주면을 따라 회전 방향으로 공급되면, 방전가스가 제2아크에 의해 효과적인 회전 구동을 유도하고, 고온의 열플라즈마가 처리가스를 열 분해하도록 한다. 물론, 방전가스의 유동 방향의 영향으로 처리가스 분해시 생성되는 부산물들로부터 제2아크에 의해 제2양극(130)의 내주면이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 도 2에 적용된 제3방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도이다.
제3방전가스 주입부(170)는 아크의 길이를 제지할 수 있는 방전가스의 유동을 형성시키기 위한 것으로서, 제2양극(130) 하측에 구비되고, 방전가스를 제2양극의 제2홀(130h) 하측에 회전 방향으로 공급하도록 구성된다.
제3방전가스 주입부(170)에 주입되는 방전가스 역시 질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 가스 또는 공기(Air), 산소(O2), 수소(H2) 등의 가스로 구성될 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다.
상세하게, 제3방전가스 주입부(170)는 제2양극(130)의 하부 내/외주면을 수평하게 관통하는 제3주입구(171h)로 구성될 수 있다.
실시예에 따르면, 제3주입구(171h)는 제2양극(130)의 내주면에 대해 접선 방향으로 형성되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 8개가 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다. 다만, 제3주입구(171h) 역시 제1,2주입구(141h,161h)와 동일한 회전 방향으로 방전가스를 주입할 수 있도록 구성된다.
또한, 제3주입구(171h) 외측에 서로 연통되는 링 형상의 보조 주입구(172h)와, 외부에서 보조 주입구(162h)에 방전가스를 주입하기 위한 연통홀(173h)이 추가로 제2양극 하우징(130A)에 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
따라서, 제3방전가스 주입부(170)에 의해 방전가스가 제2양극(130)의 하측에 회전 방향으로 공급되면, 수직 방향으로 형성된 제2아크의 길이가 더 이상 연장되는 것을 방지할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 도 2에 적용된 자석부의 제1,2실시예가 도시된 평단면도이다.
자석부(M1,M2)는 아크의 회전을 돕기 위해 아크 주변에 자기장을 형성하는 것으로서, 제1양극(120)의 외주면에 장착된 제1자석부(M1)와, 제2양극(130)의 외주면에 장착된 제2자석부(M2)로 구성될 수 있다.
자석부(M1,M2)는 전극(120,130)을 감싸는 원통 형상의 영구자석으로 구성되는데, 내주부와 외주부가 서로 다른 극성을 띄도록 N극부(N)와 S극부(N)가 겹쳐진 형태로 구성될 수 있다.
물론, 전극(120,130)의 형상에 따라 자석부(M1,M2)의 형상도 다르게 구성될 수 있다.
처리가스를 반시계 방향으로 주입하는 경우, 도 7a 에 도시된 바와 같이 S극부(S)가 전극을 감싸도록 장착되고, N극부(N)가 S극부(S)를 감싸도록 장착됨으로서, 처리가스의 유동 방향인 반시계 방향으로 자기장을 형성시킬 수 있다.
처리가스를 시계 방향으로 주입하는 경우, 도 7b에 도시된 바와 같이 N극부(N)가 전극을 감싸도록 장착되고, S극부(S)가 N극부(N)를 감싸도록 장착됨으로서, 처리가스의 유동 방향인 시계 방향으로 자기장을 형성시킬 수 있다.
따라서, 자석부(M1,M2)에 의해 형성된 자기장의 영향으로 전극(120,130) 내측에 형성되는 열플라즈마 아크의 회전을 향상시킴으로, 열 분해 성능을 높일 수 있고, 아크에 의해 형성된 열플라즈마 제트가 편심되지 않고 전극(120,130)의 중심부에 위치시킴으로, 열플라즈마 제트의 방전 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 열플라즈마 처리장치에 적용된 반응부의 일예가 도시된 정단면도이다.
반응부(300)는 반응 챔버(310)와, 제1보호가스 주입부(320)와, 제2보호가스 주입부(330)를 포함한다.
반응 챔버(310)는 상기에서 설명한 토치부(200 : 도 2에 도시) 측에서 제2아크에 의해 처리가스가 열 분해되는 제2양극의 제2홀(130h : 도 2에 도시)과 연통되는데, 축 방향으로 긴 토출유로(310h)가 중심부에 구비된다.
따라서, 토치부(200 : 도 2에 도시)를 통과한 처리가스가 외부로 토출되기 전에 반응 챔버를 통과하면서 열 분해가 촉진될 수 있는 반응 시간을 제공한다.
실시예에 따르면, 반응 챔버(310)는 토출 유로(310h)의 직경이 작아지는 병목부(311A)가 적어도 하나 이상 구비된 내부 하우징(311)과, 내부 하우징(311)을 냉각시키도록 냉부 하우징(311)을 감싸도록 구비된 외부 하우징(312)으로 구성될 수 있다.
내부 하우징(311)은 실린더 형태로서, 병목부(311A)가 내주면에 구비된 단열재(311a)와, 단열재(311a) 외측을 감싸도록 구비된 하우징(311b)을 포함한다. 이때, 단열재(311a)는 고온 환경 하에서도 견딜 수 있는 세라믹으로 구성될 수 있다.
외부 하우징(312)은 이중관(312a) 형태로서, 이중관(312a) 내부에 냉각 유로(312b)가 구비된다.
따라서, 내부 하우징(311)에 의해 토출 유로(310h)를 고온 상태로 유지할 수 있고, 외부 하우징(312)에 의해 내부 하우징(311) 측의 단열재를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 도 8에 적용된 내부 하우징의 다양한 일예가 도시된 정단면도이다.
병목부(311A,311B,311C)는 내부 하우징(311) 내측의 처리가스의 토출 방향으로 복수개가 구비될 수 있다.
병목부(311A,311B,311C)의 직경(D2)은 내부 하우징(311)의 직경(D1) 보다 작게 구성되고, 처리가스의 흐름을 고려하여 점차 직경이 작아지도록 구성될 수 있다.
이러한 구성의 병목부(311A,311B,311C)는 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)를 통과하는 처리가스의 흐름 중에 난류를 발생시키고, 처리가스의 혼합을 유도하고, 처리가스가 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)를 빠져나가는데 걸리는 시간을 지연시킴으로서, 처리가스의 열 분해를 촉진시킬 수 있다.
물론, 병목부(311A,311B,311C)의 개수가 많을수록 처리가스의 열 분해가 더욱 촉진시킬 수 있으나, 유동 저항을 고려하여 병목부(311A,311B,311C)의 개수가 적절하게 조절될 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 도 8에 적용된 제1보호가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도이다.
제1보호가스 주입부(320)는 내측에 보호가스를 주입하여 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 내주면을 따라 보호가스 영역을 형성시키기 위한 것으로서, 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 상측에 구비되고, 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 내측에 보호가스를 회전 방향으로 주입하도록 구성될 수 있다.
제1보호가스 주입부(320)에 주입되는 보호가스 역시 방전가스와 마찬가지로질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 가스 또는 공기(Air), 산소(O2) 등의 가스로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
제1보호가스 주입부(320)는 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 상부를 수평하게 관통하는 제1보호가스 주입구(321h)로 구성될 수 있다.
실시예에 따르면, 토치부(100 : 도 1에 도시)와 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 사이에 절연 부재(I)가 장착되고, 상기 절연 부재(I)에 제1방전가스 주입구(321h)가 구비될 수 있는데, 제1보호가스 주입구(321h)는 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)의 내주면에 대해 접선 방향으로 형성되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 8개가 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
물론, 토치부(100 : 도 1에 도시) 측의 방전가스와 처리가스의 흐름을 고려하여 보호가스 역시 동일한 회전 방향으로 주입되는 것이 바람직하다.
또한, 보호가스를 복수개의 제1보호가스 주입구(321h)로 균일하게 공급하기 위하여, 제1보호가스 주입구(321h) 외측에 서로 연통되는 링 형상의 보조 주입구(322h)가 구비될 수 있고, 외부에서 보조 주입구(322h)에 보호가스를 주입하기 위한 연통홀(323h)이 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
따라서, 제1보호가스 주입부(320)에 의해 보호가스가 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)의 내주면을 따라 회전 방향으로 공급되면, 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)의 내주면을 따라 보호가스 영역이 형성된다.
그리고, 처리가스가 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)를 통과하면서 열 분해가 촉진됨에 따라 부식성 가스를 발생시키는데, 보호가스 영역에 의해 부식성 가스가 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)의 내주면과 직접 접촉하는 것을 방지하고, 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)의 부식을 방지할 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 도 8에 적용된 제2보호가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도이다.
제2보호가스 주입부(330)는 내측에 보호가스를 주입하여 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 하측에 쌓인 이물질을 배출시키기 위한 것으로서, 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 하측에 구비되고, 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 내측에 보호가스를 직교 방향으로 주입하도록 구성될 수 있다.
제2보호가스 주입부(330)에 주입되는 보호가스 역시 방전가스와 마찬가지로질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 가스 또는 공기(Air), 산소(O2) 등의 가스로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
제2방전가스 주입부(330)는 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 하부를 비스듬하게 관통하는 제2보호가스 주입구(331h)로 구성될 수 있고, 제2보호가스 주입구(331h)의 출구는 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)의 내주면 최하단에 위치될 수 있다.
실시예에 따르면, 외부 하우징(312)이 내부 하우징(311 : 도 8에 도시)의 하부를 감싸는 형태로 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)가 구성되고, 외부 하우징(312) 하부에 제2보호가스 주입구(331h)가 구비될 수 있다.
이때, 제2보호가스 주입구(331h)는 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)의 내주면에 대해 직교 방향으로 형성되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 8개가 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
또한, 보호가스를 복수개의 제2보호가스 주입구(331h)로 균일하게 공급하기 위하여, 제2보호가스 주입구(331h) 외측에 서로 연통되는 링 형상의 보조 주입구(332h)가 구비될 수 있고, 외부에서 보조 주입구(332h)에 보호가스를 주입하기 위한 연통홀(333h)이 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
고온의 처리가스가 반응 챔버(310 : 도 1에 도시)에서 실온의 외부로 토출되면, 미세입자 등이 다량 발생하여 반응 챔버(310 : 도 1에 도시)의 하부 측 토출구에 이물질 형태로 쌓이게 될 수 있다.
따라서, 제2보호가스 주입부(330)에 의해 보호가스가 반응 챔버(310 : 도 1에 도시)의 내주면에 대해 직교하는 방향으로 하향 경사지게 공급되면, 반응 챔버(310 : 도 1에 도시) 하부에 쌓인 이물질을 외부로 배출시킬 수 있고, 반응 챔버(310 : 도 1에 도시)의 토출구가 막히는 것을 방지할 수 있다.
도 12 내지 도 14는 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치의 작동 상태가 도시된 정단면도이다.
초기 기동할 때, 도 12에 도시된 바와 같이 스위치(240)가 온 되면, 음극(110)과 제2양극(130)이 통전된 상태에서 음극(110)과 제1양극(120)도 통전되며, 서로 근접한 음극(110)과 제1양극(120) 사이에 제1아크가 발생되고, 제1아크는 다소 멀게 위치한 음극(110)과 제2양극(130) 사이에서도 제2아크로 이동될 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이 스위치가 오프되더라도 제2아크가 지속적으로 발생될 수 있으며, 제1양극(120)으로 전원 공급이 차단됨에 따라 제2아크가 제1아크로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 토치부에서 제1,2아크가 발생되는 동시에 방전가스와 처리가스가 주입되면서 처리가스의 열 분해가 이루어진다.
제1방전가스 주입부(140)를 통하여 방전가스가 제1양극(120) 상측으로 주입되면, 방전가스가 제1아크와 접촉하면서 열플라즈마 제트를 형성하고, 회전 및 하향 이동한다. 따라서, 제1양극(120) 내측에 형성된 방전가스의 흐름은 제1아크를 제2양극(130) 내측까지 연장 또는 이동시킬 수 있다.
제2방전가스 주입부(160)를 통하여 방전가스가 제2양극(130) 상측으로 주입되면, 방전가스가 제2아크와 접촉하면서 열플라즈마 제트를 형성하고, 회전 및 하향 이동한다.
이와 같이, 아크 및 열플라즈마 제트가 축 방향으로 길게 형성되고, 처리가스 주입부(150)를 통하여 처리가스가 제2양극(130) 상측으로 주입되면, 처리가스가 아크와 오래도록 접촉될 뿐 아니라 약 10000℃인 아크의 중심부를 통과하도록 하고, 처리가스의 열 분해 성능을 더욱 높일 수 있다.
제3방전가스 주입부(170)를 통하여 방전가스가 제2양극(130) 하측으로 주입되면, 방전가스의 수평 방향 흐름이 제2아크의 수직 방향 흐름을 차단함으로, 제2아크의 길이를 제어할 뿐 아니라 반응 챔버(310)로 노출되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이 토치부에서 열 분해된 처리가스는 도 14에 도시된 바와 같이 반응 챔버(310)로 유입되고, 반응 챔버(310)를 지나는 동안, 처리가스는 고온 하에서 반응 시간을 확보하여 열 분해를 촉진시킬 수 있다.
그리고, 처리가스가 반응 챔버(310) 내부의 병목부(311A)에 부딪혀 난류 흐름을 형성함으로서, 처리가스의 혼합을 유도하고, 처리 가스의 반응 시간을 길게 확보함으로, 처리가스의 열분해를 촉진시킬 수 있다.
한편, 토치부와 반응 챔버(310) 내부에서 처리가스가 열 분해될 때, 부식성 가스가 발생하게 된다.
따라서, 제1보호가스 주입부(320)를 통하여 보호가스가 반응 챔버(310) 상측으로 주입되면, 보호가스가 반응 챔버(310)의 내주면에 보호가스 영역을 형성하고, 부식성 가스가 보호가스 영역에 의해 반응 챔버(310)의 내주면과 직접 접촉되지 않으므로, 반응 챔버(310)의 부식을 방지할 수 있다.
또한, 처리가스가 고온의 반응 챔버(310) 내부에서 상대적으로 저온인 외부로 토출될 때, 미세 입자 등이 다량 발생되어 반응 챔버(310) 내부의 하측에 이물질로 쌓일 수 있다.
따라서, 제2보호가스 주입부(330)를 통하여 보호가스가 반응 챔버(310) 하측으로 주입되면, 보호가스가 반응 챔버(310)의 하부에 쌓인 이물질을 효과적으로 외부로 토출시킬 수 있고, 반응 챔버(310)의 막힘을 방지할 수 있다.
100 : 토치부 110 : 음극
120 : 제1양극 130 : 제2양극
140 : 제1방전가스 주입부 150 : 처리가스 주입부
160 : 제2방전가스 주입부 170 : 제3방전가스 주입부
M1,M2 : 자석부 200 : 전원공급부
210 : 음극 전선 220 : 제1양극 전선
230 : 제2양극 전선 240 : 스위치
300 : 반응부 310 : 반응 챔버
311 : 내부 하우징 312 : 외부 하우징
320 : 제1보호가스 주입부 330 : 제2보호가스 주입부
120 : 제1양극 130 : 제2양극
140 : 제1방전가스 주입부 150 : 처리가스 주입부
160 : 제2방전가스 주입부 170 : 제3방전가스 주입부
M1,M2 : 자석부 200 : 전원공급부
210 : 음극 전선 220 : 제1양극 전선
230 : 제2양극 전선 240 : 스위치
300 : 반응부 310 : 반응 챔버
311 : 내부 하우징 312 : 외부 하우징
320 : 제1보호가스 주입부 330 : 제2보호가스 주입부
Claims (19)
- 음극과 양극 사이에 아크가 발생되고, 상기 음극과 양극 사이에 아크에 의해 열 분해될 처리가스가 주입되는 토치부;
상기 음극과 양극에 연결되고, 상기 음극과 양극 사이에 고전압을 인가하는 전원공급부; 및
상기 토치부와 연통되고, 상기 토치부를 통과한 처리가스에 난류를 형성시키는 반응부;를 포함하고,
상기 토치부는,
중심에 위치된 음극과,
상기 음극이 최하단에 장착되고, 냉각 유로가 중심에 구비되는 축 타입의 음극 하우징과,
상기 음극 둘레를 감싸고, 제1아크가 내측에 형성되는 제1홀이 중심에 구비된 실린더 타입의 제1양극과,
상기 제1양극을 감싸도록 설치되고, 상기 제1양극 외주면에 구비된 냉각 유로와 연통되는 공급로가 내부에 구비되는 원통 타입의 제1양극 하우징과,
상기 제1양극 하측에 이격되고, 상기 제1홀보다 큰 직경과 긴 길이를 가지며 상기 제1홀과 연통되어 상기 제1아크에 의해 유도된 제2아크가 내측에 형성되는 제2홀이 중심에 구비된 실린더 타입의 제2양극과,
상기 제2양극을 감싸도록 설치되고, 상기 제2양극과 사이에 냉각 유로가 구비되는 원통 타입의 제2양극 하우징을 포함하고,
상기 처리가스는, 상기 제2홀의 내측에 형성된 제2아크에 의해 열 분해되며,
상기 반응부는,
상기 제2양극 하측에 구비되고, 상기 제2홀과 연통되는 축 방향으로 긴 토출유로가 구비되는 반응 챔버와,
상기 반응 챔버 상부에 구비되고, 보호가스를 내측에 주입하여 상기 토출유로의 상부로 공급하는 제1보호가스 주입부와,
상기 반응 챔버 하부에 구비되고, 보호가스를 내측에 주입하여 상기 토출유로의 하부에 쌓인 이물질을 제거하는 제2보호가스 주입부를 포함하고,
상기 반응 챔버에는,
상기 토출유로의 직경이 작아지는 병목부가 적어도 하나 이상 구비되며, 단열재 세라믹으로 구성되는 실린더 타입의 내부 하우징과,
상기 내부 하우징을 감싸도록 설치되고, 냉각 유로가 내부에 구비되는 이중관 타입의 외부 하우징이 포함되는 것을 특징으로 하는 열플라즈마 처리장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 토치부는,
상기 제1양극 상측에 구비되고, 방전가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제1홀의 상부로 공급하는 제1방전가스 주입부와,
상기 제1양극 하우징 둘레를 감싸도록 구비되고, 처리하고자 하는 처리가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제2홀의 상부로 공급하는 처리가스 주입부와,
상기 처리가스 주입부와 제2양극 사이에 구비되고, 방전가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제2홀의 상부로 공급하는 제2방전가스 주입부를 더 포함하고,
상기 제1,2방전가스 주입부와 처리가스 주입부는,
방전가스와 처리가스를 동일한 회전 방향으로 주입하도록 구성되는 열플라즈마 처리장치. - 제4항에 있어서,
상기 제1방전가스 주입부는
상기 제1홀과 연통되는 원통 형상이고, 반경 방향으로 소정 두께를 가지는 제1본체부와,
상기 제1본체부의 내/외주면을 관통하고, 상기 제1본체부의 내주면에 대한 접선 방향으로 방전가스를 주입하는 복수개의 제1방전가스 주입구로 구성되는 열플라즈마 처리장치. - 제4항에 있어서,
상기 처리가스 주입부는,
상기 제1양극과 제1방전가스 주입부를 감싸고 상기 제2홀과 연통되는 원통 형상의 본체부와,
상기 본체부의 내측과 연통하고, 상기 본체부의 내주면에 대한 접선 방향으로 처리가스를 주입하는 복수개의 주입관으로 구성되는 열플라즈마 처리장치. - 제4항에 있어서,
상기 제2방전가스 주입부는
상기 제2홀과 연통되는 원통 형상이고, 반경 방향으로 소정 두께를 가지는 제2본체부와,
상기 제2본체부의 내/외주면을 관통하고, 상기 제2본체부의 내주면에 대한 접선 방향으로 방전가스를 주입하는 복수개의 제2방전가스 주입구와,
상기 제2방전가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제2방전가스 보조 주입구를 포함하는 열플라즈마 처리장치. - 제4항에 있어서,
상기 토치부는,
상기 제2양극과 제2양극 하우징의 하단에 구비되고, 방전가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제2홀의 하부로 공급하는 제3방전가스 주입부를 더 포함하는 열플라즈마 처리장치. - 제8항에 있어서,
상기 제3방전가스 주입부는,
상기 제2양극의 내주면과 제2양극 하우징의 외주면을 관통하고, 상기 제2양극의 내주면에 대한 접선 방향으로 방전가스를 주입하는 복수개의 제3방전가스 주입구와,
상기 제3방전가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제3방전가스 보조 주입구를 포함하는 열플라즈마 처리장치. - 제4항에 있어서,
상기 토치부는,
상기 제1양극 둘레에 구비되고, 상기 제1방전가스 주입부에 의해 주입되는 방전가스의 회전 방향과 동일한 방향으로 자기장을 생성하는 제1자석부를 더 포함하는 열플라즈마 처리장치. - 제4항에 있어서,
상기 토치부는,
상기 제2양극 둘레에 구비되고, 상기 제2방전가스 주입부에 의해 주입되는 방전가스의 회전 방향과 동일한 방향으로 자기장을 생성하는 제2자석부를 더 포함하는 열플라즈마 처리장치. - 제1항에 있어서,
상기 전원공급부는,
상기 음극에 음전하를 연결하는 음극 전선과,
상기 제1양극에 양전하를 연결하는 제1양극 전선과,
상기 제2양극에 양전하를 연결하는 제2양극 전선과,
상기 제1양극 전선에 구비되고, 상기 음극과 제1양극을 선택적으로 통전시키는 스위치를 포함하는 열플라즈마 처리장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1,2보호가스 주입부는,
질소(N2), 아르곤(Ar), 공기(Air), 산소(O2) 중 하나를 보호가스로 공급하는 열플라즈마 처리장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1보호가스 주입부는,
상기 반응 챔버의 상부 내/외주면을 관통하고, 상기 반응 챔버의 내주면에 대한 접선 방향으로 보호가스를 주입하는 복수개의 제1보호가스 주입구와,
상기 제1보호가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제1보호가스 보조 주입구를 포함하는 열플라즈마 처리장치. - 제1항에 있어서,
상기 제2보호가스 주입부는,
상기 반응 챔버의 하부 내/외주면을 관통하고, 상기 반응 챔버의 내주면에 대한 직교 방향으로 보호가스를 주입하는 복수개의 제2보호가스 주입구와,
상기 제2보호가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제2보호가스 보조 주입구를 포함하는 열플라즈마 처리장치. - 제18항에 있어서,
상기 제2보호가스 주입구는,
상기 반응 챔버의 외주면에서 내주면으로 갈수록 상기 토출 유로의 토출 방향을 향하여 하향 경사지게 구비되는 열플라즈마 처리장치.
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