KR102340047B1 - 수중 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 어플리케이션 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치는 내측에 길이방향을 따라 작동유체가 통과 가능한 유로가 형성되는 리액터; 및 상기 유로에 배치되어 상기 유로를 일 측 및 타 측 공간으로 구획하되, 내측에 상기 유로보다 작은 크기의 관통공을 형성하여, 상기 유로의 일 측 공간으로 유입된 상기 작동유체에 미세기포를 발생시키고, 일 측에 상기 관통공으로 유입되는 상기 작동유체와 마찰되어 상기 미세기포에 동종 전하를 방출하는 금속성 촉매를 구비하여, 상기 미세기포를 붕괴시켜 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 유전성 삽입물;을 포함하되, 상기 플라즈마에 노출되어 이온화된 작동유체가 흐르는 상기 유로의 타 측 공간은 타원 구조로 형성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 플라즈마에 노출되어 이온화된 작동유체가 흐르는 유로의 타 측 공간을 타원 구조로 형성함에 따라, 자속밀도를 향상시키고, 이를 통해 이온분리 효율을 극대화 할 수 있다.

Description

수중 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 어플리케이션{UNDERWATER PLASMA GENERATING DEVICE AND AN APPLICATION COMPRISING THE SAME}
본 발명은 수중 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 어플리케이션에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일 방향으로 이동 중인 유체(액체)를 이용하여 연속적으로 플라즈마를 발생시키고, 이를 통해 유체를 이온화 하여 플라즈마 활성수를 생성하거나, 이온화된 유체로부터 수소이온을 분리하여 수소가스를 생산할 수 있는 수중 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 어플리케이션에 관한 것이다.
플라즈마란 초고온에서 음전하를 가진 전자(e-)와 양전하를 띤 이온(A+, 수소원자핵)으로 분리된 기체 상태를 의미한다. 또한 플라즈마는 전기를 띤 입자들이 모여 있는 기체를 의미하기도 한다. 플라즈마는 전하 분리도가 상당히 높으나, 전체적으로 음과 양의 전하수가 같아서 전기적으로 중성을 띠게 된다. 분자상태의 기체에 높은 에너지가 가해지면 수만℃에서 기체는 전자와 원자핵으로 분리되어 플라즈마 상태가 된다.
다시 말해 고체에 에너지를 가하면 액체, 기체로 되고 다시 이 기체 상태에 높은 에너지를 가하면 수만℃에서 기체는 원자핵 주위를 돌고 있는 최외각 전자(e-)가 궤도를 이탈(이온화 에너지)한 이온화 상태가 되는데, 이때 분자상태의 기체특성을 잃어버린 다른 차원의 물질이 된다. 플라즈마를 제4의 물질 상태라고 한다. 이러한 이온화 상태에서 A원자는 아래와 같은 구조식이 된다.
[구조식] A원자 ⇔ A+ + e-
플라즈마는 원자의 핵주위를 돌고 있는 최외각 전자가 해리되어 양이온과 음이온이 공존한 상태로 전기적으로는 중성을 띤다. 플라즈마는 전기를 잘 통하게 된다.
또한 물질이 이온화 된 상태에서 시간이 지남에 따라 다시 안정된 본래의 상태로 돌아가면서 에너지를 방출하는데 자연현상에서 볼 수 있는 대표적인 플라즈마가 바로 번개이며, 북극 지방의 오로라, 대기 속의 이온층 등이 플라즈마 상태이다.
플라즈마는 원자핵과 전자가 분리된 상태로서, 기체 상태의 원자에 많은 열을 가했을 때 분리되어 나타나는 현상이기 때문에 섭씨 1,500만°C가 넘는 뜨거운 태양 속에서 모든 원자는 플라즈마 상태로 있게 된다.
우주 전체를 보면 플라즈마가 가장 흔한 상태라고 할 수 있다. 하지만 일상생활에서 플라즈마를 이용하려면 인공적으로 플라즈마를 만들어야만 한다.
따라서, 종래에는 플라즈마를 인공적으로 생성하여 실용화할 수 있는 기술들이 꾸준히 개발되어 왔으며, 대표적으로, 수중에서 고전압을 방전하여 플라즈마를 발생시키는 기술이 개발된 바 있다.
상술한 종래의 플라즈마 생성 기술은, 수중에서 전기적 방전에 의해 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 고전압의 공급원을 확보함은 물론, 전극의 소모를 방지하기 위하여 내식성 내지는 내열성이 우수한 전극을 사용한다. 그리고, 플라즈마의 생성률을 보다 높일 수 있도록 수중에 위치한 전극 주위로 기체를 연속적으로 공급하여 전극 주위를 기체로 감싸거나, 액체와 기체를 혼합 상태를 유지하도록 한다.
그러나, 이와 같은 종래의 플라즈마 생성 기술은, 반드시 전기를 필요로 하는 전기적 방전 방식에 의해서만 플라즈마를 생성 가능함에 따라, 전기적 방전이 발생되기 위한 환경 조건을 구현해 내는 것이 용이하지 못하고, 나아가 고가의 비용이 발생되는 문제점이 있었다.
따라서, 상술한 전기적 방전에 의한 플라즈마 생성 기술의 문제점을 해결할 수 있도록, 전기를 사용하지 않고 플라즈마를 생성할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
공개특허공보 제10-2010-0011246호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 공동현상을 통하여 일 방향으로 이동하는 유체 내에 50μm 크기 이하로 형성되고 음전하의 표면 전위를 띄는 미세기포(Micro-Nano Bubble)를 대량으로 발생시키고, 금속성 촉매를 통해 유체와 함께 이동되는 미세기포에 동종 전하를 인가하여 척력에 의해 미세기포를 연속으로 붕괴시킴으로써 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있는 수중 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 어플리케이션을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 이온화된 작동유체가 흐르는 유로를 타원 구조로 형성함으로써 이온분리 효율을 극대화할 수 있는 수중 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 어플리케이션을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 수중 플라즈마를 이용하여 플라즈마 활성수를 생성하거나, 자체적으로 수소가스를 생산 및 공급할 수 있는 수중 플라즈마 발생장치 및 이를 포함하는 어플리케이션을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치는 내측에 길이방향을 따라 작동유체가 통과 가능한 유로가 형성되는 리액터; 및 상기 유로에 배치되어 상기 유로를 일 측 및 타 측 공간으로 구획하되, 내측에 상기 유로보다 작은 크기의 관통공을 형성하여, 상기 유로의 일 측 공간으로 유입된 상기 작동유체에 미세기포를 발생시키고, 일 측에 상기 관통공으로 유입되는 상기 작동유체와 마찰되어 상기 미세기포에 동종 전하를 방출하는 금속성 촉매를 구비하여, 상기 미세기포에 전하가 집중되도록 하고 이를 통해 상기 미세기포를 붕괴시켜 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 유전성 삽입물;을 포함하되, 상기 플라즈마에 노출되어 이온화된 작동유체가 흐르는 상기 유로의 타 측 공간은 타원 구조로 형성된다.
상기 유로의 일 측 공간은, 수평방향 측 직경과 수직방향 측 직경이 동일한 정원 구조로 형성되고, 상기 유로의 타 측 공간은, 수평방향 측 직경이 수직방향 측 직경에 비하여 더 크게 형성될 수 있다.
상기 유로의 타 측 공간은, 수직방향으로 대향 배치된 복수개의 평면구간과, 수평방향으로 대향 배치된 복수개의 곡면구간을 포함하는 트랙형 타원 구조로 형성될 수 있다.
상기 작동유체는 경수 또는 경수와 중수가 혼합된 혼합유체 또는 경수와 메탄올이 혼합된 혼합유체 또는 경수와 에탄올이 혼합된 혼합유체로 적용 가능할 수 있다.
상기 유로의 타 측 공간에 대응되는 상기 리액터의 외면에 설치되고, 상기 유로의 타 측 공간에 자계를 형성하여, 상기 유전성 삽입물을 통과하며 상기 플라즈마에 노출되어 이온화된 작동유체로부터 H+이온 및 OH-이온을 분리시키도록 구성되는 이온 분리부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 리액터에 설치되어, 내측에 상기 이온 분리부를 통하여 분리된 상기 H+ 이온 및 상기 OH-이온을 서로 다른 방향으로 분기시키도록 구성되는 복수개의 분기유로가 형성되는 분기부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 복수개의 분기유로는 상기 H+이온이 포함된 작동유체의 이동을 안내하는 제1 분기유로; 및 수평방향을 따라 상기 제1 분기유로에 대향 배치되고, 상기 OH-이온이 포함된 작동유체의 이동을 안내하는 제2 분기유로;를 포함하고, 상기 제1 분기유로와 상기 제2 분기유로는 0 내지 180도 사이의 각도로 분기될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 수소 스테이션은 상술한 수중 플라즈마 발생장치를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 활성수 제조 시스템은 상술한 수중 플라즈마 발생장치를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 플라즈마에 노출되어 이온화된 작동유체가 흐르는 유로의 타 측 공간을 타원 구조로 형성함에 따라, 자속밀도를 향상시키고, 이를 통해 이온분리 효율을 극대화 할 수 있다.
또한, 내측에 작동유체가 이동 가능한 유로가 형성되는 리액터, 및 유로에 수용되어 유로의 일 측 공간에 공동현상을 유발하고 일 측에 유체의 흐름 시 마찰전기를 발생시키는 유전성 삽입물을 구비함으로써, 리액터로 유입되어 일 방향으로 이동하는 유체 내에 50 μm 크기 이하로 형성되고 음전하의 표면 전위를 띄는 미세기포를 대량으로 발생시키고, 유체와 함께 이동되는 미세기포에 동종 전하를 인가하여 척력에 의해 미세기포를 연속으로 붕괴시켜 고밀도의 플라즈마를 연속적으로 생성할 수 있다.
또한, 종래의 기체 플라즈마 발생장치와 같이 수천 내지 수만 볼트 이상의 고전압을 이용하지 않고, 실온에서 탄화수소계 오일 또는 경수(H2O) 또는 경수와 중수(D2O)가 혼합된 작동유체 또는 경수와 메탄올이 혼합된 작동유체 또는 경수와 에탄올이 혼합된 작동유체의 순환만으로 플라즈마를 생성할 수 있음에 따라, 기체 플라즈마에 비해 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있음은 물론, 장치의 구조를 단순화하여 비용을 절감할 수 있다.
또한, 작동유체를 일 방향으로 순환시키며 연속적으로 플라즈마를 생성할 수 있고, 플라즈마가 액상의 유체 속에 가두어진 상태로 발생됨에 따라, 음파발광(Sonoluminescence) 또는 화학발광(Chemoluminescence)을 통한 플라즈마의 생성방법과는 달리 플라즈마 발생 공정을 간소화 할 수 있고, 플라즈마의 손실률을 최소화 할 수 있다.
또한, 빠른 속도로 순환되는 작동유체 내에서 고밀도의 플라즈마를 발생시켜 작동유체를 이온화하고, 이온화된 작동유체가 이동되는 경로에 자기장을 형성함으로써 작동유체에 포함된 이온들을 전기적 극성에 따라 효율적으로 분리시킬 수 있다.
또한, 경수(H2O) 또는 경수와 중수(D2O)의 혼합물을 작동유체로 적용할 경우, 전기분해 과정에서 관찰되는 진동이완(Oscillation Relaxation) 현상의 발생 없이 이온화된 작동유체로부터 H+이온 및 OH-이온을 분리할 수 있고, 나아가 분리된 H+이온을 수집하여 고순도의 수소를 대량 생산할 수 있다.
또한, 플라즈마가 발생되는 내부 공간으로 일부가 노출되도록 리액터에 탈부착 가능한 복수개의 프로브를 구비함으로써, 프로브에 캐패시터 등을 연결할 경우, 고전압의 전기 에너지를 획득할 수 있다.
또한, 리액터로부터 이온 분리부를 탈거할 경우, 플라즈마 활성수(PAW: Plasma Activated Water)만을 제조하는 것이 가능하여, 별도의 전기분해장치를 이용하거나 기체식 플라즈마를 수중에 조사하는 종래의 플라즈마 활성수 제조 방식에 비해 신속히 플라즈마 활성수의 제조가 가능하고, 대용량화가 가능하여 제조비용을 월등히 절감할 수 있으며, 나아가 저비용으로 대량의 플라즈마 활성수를 다양한 식품 및 농업분야는 물론 다양한 산업분야에 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치의 리액터를 나타낸 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치의 리액터에 유전성 삽입물이 배치된 상태를 나타낸 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치의 제1 유로 및 제2 유로측 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치에 금속성 프로브가 설치된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치의 유전성 삽입물이 유로에 배치된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치의 유전체를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치에서 이온 분리부를 통해 분리된 이온의 이동 방향을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치에 분기부가 설치된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치의 유전체의 배열과 노즐의 형상에 대한 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치의 금속성 삽입물의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치를 포함하는 수소 스테이션을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치를 포함하는 플라즈마 활성수 제조 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에 기재된 실시 예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시 예는 다양한 실시 예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 첨부된 도면에 개시된 특정 실시 예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 "모듈" 또는 "부"는 적어도 하나의 기능 또는 동작을 수행한다. 그리고, "모듈" 또는 "부"는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 기능 또는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 특정 하드웨어에서 수행되어야 하거나 적어도 하나의 프로세서에서 수행되는 "모듈" 또는 "부"를 제외한 복수의 "모듈들" 또는 복수의 "부들"은 적어도 하나의 모듈로 통합될 수도 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
그 밖에도, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치(1)(이하 ‘수중 플라즈마 발생장치(1)’라 함)는 일 방향으로 이동 중인 작동유체에 다량의 미세기포(Micro-Nano Bubble)를 발생시키고, 이를 이용하여 연속적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 발생장치로서, 리액터(reactor, 10)를 포함한다. 참고로, 리액터(10)는 반응기를 의미하며, 본 실시예에서는 반응기를 리액터(10)로 지칭하도록 한다.
리액터(10)는 유전율을 갖는 유전성 소재로 제작되고, 내측으로 작동유체가 통과 될 수 있는 관형의 구조로 형성된다. 예컨대, 유전성 소재는 투광성 다결정질 세라믹, 엔지니어링 플라스틱, 아크릴, 탄탈(Tantalum), 쿼츠, 파이렉스, 화이버 글래스, 크리스탈 등으로 적용될 수 있다. 보다 바람직하게는, 리액터(10)는 유전율 2,000(K3 T) 이상의 TiO2 또는 BSTO 등으로 이루어진 세라믹 물질로 적용될 수 있다.
더 자세하게는, 리액터(10)는 일 측에 작동유체가 유입되는 유입구가 형성되고, 타 측에 작동유체가 유출되는 유출구가 형성되며, 내측에 길이방향을 따라 유입구와 유출구를 연결하여 작동유체가 통과 가능한 유로가 형성되는 관형 구조로 형성된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 유로는 길이 또는 내경의 크기가 다른 복수개의 구간으로 구분되고, 내측에 수용되는 후술할 유전성 삽입물(20)을 통하여 복수개의 공간으로 구획될 수 있다.
더 자세하게는, 유로는 유입구와 연결되어 외부로부터 작동유체가 유입되고 유전성 삽입물(20)에 의해 공동현상, 즉 작동유체의 급격한 압력 강하 가 발생되는 제1 유로(11)와, 유출구와 연결되고 리액터(10)의 축 방향을 따라 제1 유로(11)에 대향되는 위치에 형성되며 유전성 삽입물(20)을 통과하여 플라즈마에 노출되어 이온화된 작동유체가 흐르는 제2 유로(12), 및 제1 유로(11)와 제2 유로(12) 사이에 형성되어 제1 유로(11) 및 제2 유로(12)를 서로 연통시키고, 제1 유로(11) 및 제2 유로(12)에 비해 상대적으로 작은 내경의 크기로 형성되며, 유전성 삽입물(20)이 수용되는 제3 유로(13)를 포함할 수 있다.
여기서, 플라즈마에 노출되어 이온화된 작동유체가 흐르는 제2 유로(12)는 타원 구조로 형성된다.
더 자세하게는, 공동현상이 발생되는 제1 유로(11)와 플라즈마에 노출되어 이온화된 작동유체가 흐르는 제2 유로(12)는 서로 다른 형상으로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 공동현상이 발생되는 제1 유로(11)는 수평방향 측 직경(HD)과 수직방향 측 직경(VD)이 동일한 정원 구조로 형성되고(도 4의 (a)), 이온화된 작동유체가 흐르는 제2 유로(12)는 수평방향 측 직경(HD)이 수직방향 측 직경(VD)에 비하여 더 큰 타원 구조로 형성될 수 있다(도 4의 (b)). 이 때, 제2 유로(12)는 제1 유로(11)의 영역 내에 수용되는 크기로 형성될 수 있다. 상세하게는, 제2 유로(12)의 수평방향 측 직경(HD)은 제1 유로(11)의 수평방향 측 직경(HD)에 대응되고, 제2 유로(12)의 수직방향 측 직경(VD)은 제1 유로(11)의 수직방향 측 직경(VD) 보다 작은 크기로 형성될 수 있다. 그러나, 제1 유로(11)와 제2 유로(12)는 반드시 서로 다른 형상으로 형성되는 것은 아니며, 필요에 따라 동일한 형상으로 적용될 수 있다.
한편, 제2 유로(12)는 트랙형(TRACK TYPE) 타원 구조로 형성될 수 있다.
더 자세하게는, 제2 유로(12)는 수직방향으로 대향 배치된 복수개의 평면구간(P1)과, 수평방향으로 대향 배치된 복수개의 곡면구간(P2)을 포함하는 트랙형 타원 구조로 형성될 수 있다.
트랙형 타원 구조는 제2 유로(12)의 자속밀도를 향상 시키고, 후술할 이온 분리부(30)를 통해 분리된 이온들은 트랙형 타원 구조로 형성된 제2 유로(12)를 이동하며 복수개의 곡면구간(P2) 측으로 밀착되고, 이를 통해 이온분리 효율이 극대화 될 수 있다.
그러나, 제2 유로(12)는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 정원 구조 혹은 다각형 구조 등으로 변경되어 적용될 수 있다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 제2 유로(12)의 길이(L2)는 제1 유로(11)의 길이(L1) 및 제3 유로(13)의 길이(L3) 보다 더 길게 형성되고, 제1 유로(11)의 길이와 제3 유로(13)의 길이가 연결된 길이 보다 더 길게 형성될 수 있다. 이를 통해, 이온 분리부(30)를 통해 제2 유로(12)에 형성되는 자계 구간을 보다 길게 형성하여, 이온 분리 효율을 극대화할 수 있다.
예컨대, 유로는 유전성 삽입물(20)의 외형에 대응되는 형상으로 형성되되, 유전성 삽입물(20)이 수용되는 유로의 일 구간과 이에 대응되는 유전성 삽입물(20)의 일 구간은, 다면체 구조로 형성될 수 있다. 이를 통해, 유전성 삽입물(20)이 유로 내에서 회전되는 것을 예방하여, 후술할 금속성 삽입물(22) 및 홀딩 삽입물(23)에 형성된 관통공(20a)과 유전성 삽입물(20)에 형성된 관통공(20a)의 위치가 어긋나는 것을 예방할 수 있다. 또한, 제1 유로(11)의 내경 및 제2 유로(12)의 내경은 서로 다른 크기로 형성될 수 있다. 이를 통해, 작업자가 유전성 삽입물(20)을 유로로 삽입할 경우, 제1 유로(11)와 제2 유로(12)의 혼동을 예방할 수 있다. 그러나, 유로는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형상으로 변경되어 적용될 수 있다.
또한, 유로를 형성하는 리액터(10)의 내측에는 걸림턱(14) 및 안내면(15)이 형성될 수 있다.
더 자세하게는, 제1 유로(11) 및 제3 유로(13) 사이에는 작동유체의 이동방향을 따라 유전성 삽입물(20)이 걸려 지지되는 걸림턱(14)이 형성될 수 있다. 그리고, 제2 유로(12) 및 제3 유로(13) 사이에는 유전성 삽입물(20)로부터 토출된 후 제3 유로(13) 측으로 역류하는 작동유체와 접촉되어, 작동유체의 이동을 안내하는 안내면(15)이 형성될 수 있다.
여기서, 안내면(15)은 작동유체와의 접촉 시 저항력을 최소화 할 수 있도록, 작동유체가 역류되는 방향을 향하여 호(弧) 형상으로 굽어진 곡면 또는 직선 형상으로 경사진 경사면의 구조로 형성될 수 있다. 이에 따라, 유전성 삽입물(20)로부터 토출되어 역류하는 작동유체를 원활하게 유전성 삽입물(20) 측으로 안내함은 물론, 역류하는 작동유체와 리액터(10)의 내면 간의 마찰을 최소화하여 리액터(10)의 손상을 예방할 수 있다.
또한, 리액터(10)의 외면에는 후술할 이온 분리부(30)가 안착 가능한 안착 지지홈(16)이 형성될 수 있다.
안착 지지홈(16)은 제2 유로(12)에 대응되는 리액터(10)의 외면에 형성되고, 리액터(10)의 외면으로부터 유로를 향하여 미리 설정된 깊이로 함몰되어 형성될 수 있다. 그리고, 안착 지지홈(16)은 후술할 이온 분리부(30)의 제1 자성체(31) 및 제2 자성체(32)가 서로 대향 배치될 수 있도록 리액터(10)의 축 방향에 대하여 수직되는 방향을 따라 리액터(10)의 일 측 및 타 측에 각각 형성될 수 있다. 이에 따라, 안착 지지홈(16)에 안착된 이온 분리부(30)는 제2 유로(12)에 대응되는 위치에 배치되고, 리액터(10)의 축 방향으로의 유동이 제한될 수 있다. 예컨대, 안착 지지홈(16)은 제2 유로(12)가 형성된 구간과 동일한 길이로 형성될 수 있다. 따라서, 리액터(10)의 길이방향을 따라 안착 지지홈(16)이 형성된 구간의 길이는 제1 유로(11) 및 제2 유로(12)가 형성된 구간의 길이보다 더 길게 형성되며, 이를 통해 이온 분리부(30)의 자계구간을 증대시켜 이온 분리 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 유입구 및 유출구가 형성되는 리액터(10)의 일 측 및 타 측 단부에는 각각 타 부품들과의 연결을 위하여 외주면에 나사산이 형성된 복수개의 체결부가 구비될 수 있다. 예컨대, 리액터(10)의 내부로 유입되는 고압의 작동유체를 견디기 위하여, 유입구측 체결부의 길이는 유출구측 체결부의 길이보다 더 길게 형성될 수 있다. 그리고, 유입구의 내경은 유출구의 내경보다 더 크게 형성될 수 있다. 그러나, 체결부의 길이 및 내경의 크기는 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태 및 구조로 변경되어 적용될 수 있다.
또한, 리액터(10)의 각 체결부에는 타 부품들과의 연결 시 작동유체의 누수를 예방할 수 있도록 타 부품과 체결부 사이의 기밀을 유지하는 패킹부재(미도시)가 설치될 수 있다. 예컨대, 패킹부재는 오링(O-ring, O자형 고무링) 또는 가스켓 형태로 형성될 수 있다. 그러나, 패킹부재는 반드시 이의 형상에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태로 변경되어 적용될 수 있다.
또한, 리액터(10)에는 도 5에 도시된 바와 같이 후술할 금속성 프로브(40)를 삽입 가능한 프로브 삽입공(41)이 더 형성될 수 있다. 프로브 삽입공(41)은 프로브(40)의 외면에 대응되는 크기로 형성되고, 리액터(10)의 표면에서 제2 유로(12)까지 연통되도록 리액터(10)를 관통하여 형성될 수 있다.
또한, 리액터(10)에는 프로브 삽입공(41)을 선택적으로 개폐할 수 있는 개폐부재(미도시)가 더 구비될 수 있다.
개폐부재는 프로브 삽입공(41)에 삽입되는 삽입부, 및 삽입부의 외측에 구비되어 삽입부가 프로브 삽입공(41)에 삽입될 경우 리액터(10)의 외면에 지지되는 지지부를 포함할 수 있다. 예컨대, 개폐부재는 리액터(10)와 동일한 유전성 소재로 형성되거나, 소정의 탄성력을 가진 기밀성 소재로 형성될 수 있다.
따라서, 리액터(10)에 금속성 프로브(40)가 설치되지 않을 경우, 작업자는 개폐부재를 프로브 삽입공(41)에 삽입하여 프로브 삽입공(41)을 폐쇄시키고, 이를 통해 프로브 삽입공(41)으로 작동유체가 유출되는 것을 예방할 수 있다.
그러나, 개폐부재는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 동일한 기능을 수행할 수 있는 조건 내에서 다양한 형태로 변경되어 적용될 수 있다.
또한, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 유전성 삽입물(20)을 포함한다.
도 3 및 도 6을 참조하면, 유전성 삽입물(20)은 리액터(10)에 삽입되어 작동유체로부터 생성된 미세기포들이 붕괴하면서 플라즈마가 생성되도록 하는데 필요한 환경을 제공하도록 구성된다.
더 자세하게는, 유전성 삽입물(20)은 유로에 배치되어 유로를 일 측 및 타 측 공간으로 구획한다. 그리고, 유전성 삽입물(20)의 내측에는 구획된 복수개의 공간(제1 유로(11) 및 제2 유로(12))을 서로 연통시키고, 제1 유로(11)에 비해 단면의 폭이 상대적으로 작은 관통공(20a)이 형성된다. 여기서, 제1 유로(11)의 직경과 관통공(20a)의 직경의 비율은 10:1의 비율로 적용되는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 제1 유로(11)의 직경과 관통공(20a)의 직경의 비율은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 10:0.5 내지 10:4 중 적어도 어느 하나의 크기로 적용될 수 있다. 또한, 제1 유로(11)에 수용되는 유전성 삽입물(20)의 일 측에는 작동유체의 유입 시 관통공(20a)으로 유입된 작동유체와 마찰되어 작동유체와 함께 관통공(20a)을 통과하는 미세기포에 동종 전하를 방출하는 금속성 촉매(금속성 삽입물(22))를 구비한다.
따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 리액터(10)의 일 측 공간(제1 유로(11))으로 유입된 작동유체는, 제1 유로(11) 및 관통공(20a) 사이에서 공동현상(cavitation)으로 인해 급격히 압력이 강하되고, 이에 따라 작동유체에는 음전하의 표면 전위를 띄는 50 μm 이하의 미세기포가 다량 발생된다. 여기서, 작동유체의 급격한 압력변화를 통해 생성된 미세기포는 내부의 압력이 거의 0에 가까우므로 쉽게 붕괴 가능한 상태로 형성된다. 또한, 작동유체에 발생되는 50 μm 이하의 크기로 수축된 다량의 미세기포는, 제타전위(zeta potential) 특성에 따라 표면에 음전위가 급증하게 된다. 그리고, 작동유체와 함께 관통공(20a)으로 유입되어 금속성 촉매(금속성 삽입물(22))를 통과하는 다량의 미세기포는, 표면 전위의 전하(-전하)와 금속성 촉매로부터 방출되는 동종 전하(-전하) 사이의 척력으로 인해 연속적으로 붕괴되어 고밀도의 플라즈마를 발생시키고, 이를 통해 유전성 삽입물(20)을 통해 토출되어 유로의 타 측 공간(제2 유로(12))으로 이동된 작동유체는 고밀도의 플라즈마에 노출되어 이온화된다.
즉, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는, 작동유체에 별도의 가스나 공기를 공급하지 않고도, 리액터(10)의 내부로 유입된 작동유체에 급격한 압력 강하가 발생되도록 하여, 다수의 미세기포를 생성할 수 있다.
유전성 삽입물(20)에 대하여 더 상세히 설명하기로 한다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 유전성 삽입물(20)은 미리 설정된 유전율을 갖는 유전성 소재로 형성되고, 제1 유로(11) 및 제3 유로(13)에 대응되는 크기로 형성되어 제1 유로(11), 제2 유로(12) 및 제3 유로(13)에 걸쳐 수용되며, 내측에 관통공(20a)이 형성되는 유전체(21)를 포함할 수 있다. 예컨대, 유전체(21)는 엔지니어링 플라스틱, 아크릴, 쿼츠, 파이렉스, 세라믹, 화이버 글래스 및 크리스탈 등과 같이 소정의 유전율을 갖는 다양한 유전성 소재로 적용될 수 있다. 보다 바람직하게는, 유전성 삽입물(20)은 유전율 2,000(K3 T) 이상의 TiO2 또는 BSTO 등으로 이루어진 세라믹 물질로 적용될 수 있다.
또한, 유전체(21)는 유로 내에서 배치되는 위치에 따라 제1 부분(211), 제2 부분(212) 및 제3 부분(213)으로 구분될 수 있다.
제1 부분(211)은 제1 유로(11)에 대응되는 크기로 형성되어 제1 유로(11)에 수용되고, 작동유체가 유입될 경우 작동유체에 가압되어 일면이 걸림턱(14)에 걸려 지지될 수 있다. 예컨대, 제1 부분(211)은 후술할 제2 부분(212) 및 제3 부분(213)에 비하여 단면의 크기가 더 넓게 형성될 수 있다. 즉, 제1 부분(211)은 제1 유로(11)에 대응되는 크기로 형성되어 제1 유로(11)를 형성하는 리액터(10)의 내주면에 지지됨은 물론, 작동유체의 이동방향을 따라 리액터(10)의 내측에 형성된 걸림턱(14)에 걸려 지지됨으로써, 작동유체의 유입 시에도 작동유체의 압력에 의해 유동되지 않고, 안정적으로 고정된 상태를 유지할 수 있다.
제2 부분(212)은 제1 부분(211)으로부터 축 방향을 따라 미리 설정된 길이로 연장되고, 제3 유로(13)에 대응되는 크기로 형성되어 제3 유로(13)에 수용될 수 있다. 예컨대, 제2 부분(212)은 제1 부분(211)보다 더 길게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 제2 부분(212)에는 역류된 작동유체가 수용 가능한 포집홈(214)이 형성될 수 있다.
포집홈(214)은 후술할 제3 부분(213)에서 토출되어 제3 부분(213)의 표면을 따라 제2 부분(212)을 향해 역류되는 작동유체가 유입될 수 있도록, 제2 부분(212)의 외주면으로부터 내측을 향하여 미리 설정된 깊이로 함몰되어 형성될 수 있다.
그리고, 포집홈(214)은 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 부분(212)의 외면에 단일 형태로 형성되거나, 도 7, 도 8 및 도 10에 도시된 바와 같이, 제2 부분(212)의 길이방향을 따라 복수개로 형성될 수 있다. 여기서, 제2 부분(212)의 길이방향을 따라 복수개로 형성된 포집홈(214)은 제2 부분(212)의 길이방향을 따라 적어도 2개 이상의 위치에 형성될 수 있으며, 등간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
한편, 도 7 내지 도 10을 참조하면, 포집홈(214)은 제3 부분(213)으로부터 미리 설정된 거리만큼 이격된 위치에 형성될 수 있다. 즉, 제3 부분(213)과 인접한 위치에 형성되는 포집홈(214)과 제3 부분(213) 사이에는 포집홈(214)과 제3 부분(213)을 이격시키는 블록부(212a)가 구비되며, 이를 통해 제3 부분(213)의 표면을 따라 포집홈(214) 측으로 유입되는 작동유체의 유입을 최소화할 수 있다.
또한, 포집홈(214)은 도 10에 도시된 바와 같이, V자 또는 U자 등과 같이 다양한 형태로 식각되어 형성될 수 있다.
이를 통해, 포집홈(214)은, 작동유체가 수용 가능한 소정의 공간을 제공하여 작동유체가 제1 부분(211)으로 역류하는 것을 저감시킴은 물론, 작동유체가 수월하게 유출입 가능한 형태로 형성됨에 따라, 포집홈(214)에 수용된 작동유체가 제3 부분(213)을 통해 토출되는 작동유체와 함께 합류되도록 하여 플라즈마 발생을 가속화시킬 수 있다.
그러나, 제2 부분(212)에는 반드시 포집홈(214)이 형성되어야 하는 것은 아니며, 포집홈(214)은 필요에 따라 선택적으로 유전체(21)에 형성될 수 있다.
다시, 도 6 및 도 7을 참조하면, 제3 부분(213)은 제2 부분(212)으로부터 축 방향을 따라 미리 설정된 길이로 연장되고, 제2 부분(212)과 동일한 외형의 크기로 형성되어 제2 유로(12)에 수용될 수 있다. 그리고, 제3 부분(213)은 작동유체의 이동방향을 향하여 직경의 크기가 점차 감소하는 구조로 형성될 수 있다.
즉, 제3 부분(213)은 제2 부분(212)으로부터 연장되어 제2 유로(12)에 노출된 상태로 배치되고, 작동유체의 이동방향을 향하여 직경의 크기가 점차 감소하는 표면구조를 통하여, 단부로부터 토출되어 역류되는 작동유체를 제2 부분(212) 측으로 원활하게 안내할 수 있고, 이를 통해 플라즈마 반응을 가속시킬 수 있다.
또한, 제2 유로(12)에 노출된 제3 부분(213)의 표면은 외측을 향하여 굽어진 곡면형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 제3 부분(213)을 통해 토출되어 역류되는 작동유체는 곡면 형상으로 형성된 제3 부분(213)의 표면을 따라 제2 부분(212) 측으로 이동될 수 있다.
그러나, 제3 부분(213)의 표면 형상은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조 및 형상으로 변경되어 적용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 제3 부분(213)의 표면은 내측을 향하여 오목하게 굽어진 곡면형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 제3 부분(213)을 통해 토출되어 역류되는 작동유체는 내측을 향하여 오목하게 굽어진 곡면형상의 제3 부분(213)의 표면을 따라 제2 부분(212) 측으로 이동될 수 있다. 또한, 제3 부분(213)으로부터 토출되어 역류되는 작동유체는 상기한 제3 부분(213)의 표면 형상 구조 및 제3 부분(213)으로부터 연속적으로 토출되는 작동유체의 흐름을 통하여 가속화 될 수 있다.
또한, 도 9를 참조하면, 제3 부분(213)의 표면은 경사면의 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 제3 부분(213)을 통해 토출되어 역류되는 작동유체는 경사면 형상의 제3 부분(213)의 표면을 따라 제2 부분(212) 측으로 이동될 수 있다.
한편, 관통홀이 형성된 유전체(21)의 내부에는 와류돌기(215)가 더 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 와류돌기(215)는 관통공(20a)을 통과하는 작동유체에 와류가 발생될 수 있도록, 유전체(21)의 길이방향을 따라 유전체(21)의 내면 전체에 나선형상으로 돌출 형성될 수 있다. 이에 따라, 유전체(21)의 내부에서 미세기포의 발생이 더욱 활성화 될 수 있음은 물론, 미세기포의 붕괴를 더욱 가속화 시킬 수 있다.
또한, 도 13을 참조하면, 유전체(21)의 내부에 형성된 와류돌기(215)는 유전체(21)의 일 구간에만 형성될 수 있다.
더 자세하게는, 유전체(21)의 내부에 형성된 와류돌기(215)는 유전체(21)의 제1 부분(211)과 제2 부분(212)의 일부에 걸쳐 형성될 수 있다.
예컨대, 와류돌기(215)가 형성된 유로구간(a1)과 와류돌기(215)가 형성되지 않은 유로구간(a2)은 유전체(21)의 내부에 1.3:1의 비율로 형성될 수 있다.
여기서, 와류돌기(215)가 형성되지 않은 유로구간(a2)을 형성하는 관통공(20a)은 작동유체의 이동방향을 따라 점차 넓어지는 구조로 형성될 수 있다.
더 자세하게는, 와류돌기(215)가 형성되지 않은 유로구간(a2)을 형성하는 관통공(20a)은, 와류돌기(215)가 형성된 유로구간(a1)과 연통되어 제2 부분(212)에 형성되고 미리 설정된 길이만큼 동일한 직경의 크기를 유지하는 제1 관통부(20a1)와, 제1 관통부(20a1)로부터 연장되어 제2 부분(212)과 제3 부분(213)에 걸쳐 형성되고 작동유체의 이동방향을 따라 직경의 크기가 점진적으로 증가하는 제2 관통부(20a2)를 포함할 수 있다.
예컨대, 제1 관통부(20a1)와 제2 관통부(20a2)의 연결부위는 작동유체의 흐름이 원활할 수 있도록 곡면처리될 수 있고, 제2 관통부(20a2)는 작동유체의 이동방향을 따라 직경의 크기가 점진적으로 증가하도록 형성되되 유전체(21)의 반경방향 측으로 만곡진 곡면형태로 형성될 수 있다. 이를 통하여, 보다 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다.
또한, 도 3 및 도 6을 참조하면, 유전성 삽입물(20)은 금속성 삽입물(22)과, 홀딩 삽입물(23)을 더 포함할 수 있다.
금속성 삽입물(22)은 제1 유로(11)에 수용되고, 일면이 유전체(21)에 접촉된 상태로 유전체(21)의 전방에 배치되며, 작동유체의 유입 시 작동유체와 마찰되어 전자를 방출할 수 있다.
예컨대, 금속성 삽입물(22)은 금(Au), 은(Ag), 니켈, 구리, 알루미늄, 백금, 팔라듐, 티타늄 및 로듐 중 적어도 하나의 금속으로 이루어질 수 있다. 여기서, 금속성 삽입물(22)은 팔라듐, 로듐 및 백금 중 적어도 하나의 성분을 포함하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 금속성 삽입물(22)의 표면에는 팔라듐, 로듐 및 백금 중 적어도 하나의 물질이 코팅될 수 있다. 그러나, 금속성 삽입물(22)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 동일한 기능을 수행할 수 있는 조건 내에서 다른 물질로 적용 가능할 수 있다. 또한, 금속성 삽입물(22)은 미리 설정된 두께로 형성되고, 제1 유로(11)에 대응되는 외형의 크기로 형성될 수 있다. 또한, 금속성 삽입물(22)의 내측에는 작동유체가 통과 가능한 관통공(20a)이 형성될 수 있다. 예컨대, 관통공(20a)의 내부에는 나선형의 홈이 형성되어, 작동유체가 통과할 경우 작동유체에 와류 현상(볼텍스(vortex) 현상)을 유도할 수 있다.
홀딩 삽입물(23)은 제1 유로(11)에 수용되어 금속성 삽입물(22)의 전방에 배치되며, 금속성 삽입물(22)에 접촉된 상태를 유지할 수 있다. 그리고, 홀딩 삽입물(23)은 작동유체의 유입 시 금속성 삽입물(22)에서 방출되는 전자를 홀딩(holding)할 수 있도록 소정의 유전율을 갖는 유전성 소재로 형성될 수 있다. 즉, 홀딩 삽입물(23)은 금속성 삽입물(22)로부터 발생하는 전자를 축적하는 역할을 수행할 수 있다. 예컨대, 홀딩 삽입물(23)은 엔지니어링 플라스틱(PC), 아크릴, 쿼츠, 파이렉스, 세라믹, 화이버 글래스 및 크리스탈 등과 같이 소정의 유전율을 가지는 유전성 소재로 형성될 수 있다. 보다 바람직하게는, 홀딩 삽입물(23)은 유전율 2,000(K3 T) 이상의 TiO2 또는 BSTO 등으로 이루어진 세라믹 물질로 적용될 수 있다. 또한, 홀딩 삽입물(23)은 미리 설정된 두께로 형성되고, 제1 유로(11)에 대응되는 외형의 크기로 형성될 수 있다. 또한, 홀딩 삽입물(23)의 내측에는 작동유체가 통과 가능한 관통공(20a)이 형성될 수 있다. 예컨대, 관통공(20a) 내부에는 나선형의 홈이 형성되어, 작동유체가 통과할 경우 작동유체에 와류 현상(볼텍스(vortex) 현상)을 유도할 수 있다.
또한, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 이온 분리부(30)를 포함한다.
도 3 및 도 11을 참조하면, 이온 분리부(30)는 유전성 삽입물(20)을 통과한 작동유체가 수용되는 유로의 타 측 공간(제2 유로(12))에 대응되는 리액터(10)의 외면에 설치된다. 그리고, 이온 분리부(30)는 제2 유로(12)에 자계를 형성하여, 유전성 삽입물(20)을 통과하면서 플라즈마에 노출되어 이온화된 작동유체로부터 H+이온 및 OH-이온을 분리시킨다.
여기서, 리액터(10)에 공급되는 작동유체는 비저항 104Ω·㎝ 이상의 경수(H2O) 또는 경수와 중수(D2O)가 혼합된 혼합유체 또는 경수와 메탄올이 혼합된 혼합유체 또는 경수와 에탄올이 혼합된 혼합유체로 적용될 수 있다. 또한, 리액터(10)에 공급되는 작동유체는 0 에서 100 bar 사이의 압력으로 리액터(10)를 통과할 수 있다. 그러나, 작동유체는 이에 한정되는 것은 아니며, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 통과할 경우 플라즈마를 발생시킬 수 있는 조건 내에서 다양한 타종의 유기성 액체가 혼합된 유체로 변경되어 적용될 수 있고, 리액터(10)에 형성되는 유로의 크기 및 작동유체를 리액터(10) 측으로 공급하도록 구성되는 작동유체 공급수단 등의 설정 조건에 따라 압력이 변경될 수 있다.
이온 분리부(30)에 대하여 더 상세히 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 이온 분리부(30)는 안착 지지홈(16)에 안착되어 제2 유로(12)를 중심으로 수직방향을 따라 대향 배치되는 복수개의 자성체(31, 32)를 포함할 수 있다.
복수개의 자성체는 제1 자성체(31)와 제2 자성체(32)를 포함할 수 있다.
더 자세하게는, 복수개의 자성체는 S극성이 제2 유로(12)를 향하도록 리액터(10)의 상측에 배치되는 제1 자성체(31)와, 제1 자성체(31)에 대향배치되어 N극성이 제2 유로(12)를 향하도록 리액터(10)의 하측에 배치되는 제2 자성체(32)를 포함할 수 있다.
예컨대, 복수개의 자성체(31, 32)는 네오디움 영구자석 혹은 사마륨코발트계 영구자석으로 적용될 수 있고, 제2 유로(12)에는 10,000 가우스(GAUSS) 이상의 자속이 적용될 수 있다. 그러나, 본 수증 플라즈마 발생장치(1)는 반드시 상술한 영구자석 형태의 자성체를 이용하여 자계를 형성하는 것만은 아니며, 필요에 따라 초전도 등과 같이 높은 자속밀도를 얻을 수 있는 자계형성수단을 이용하여 자계를 형성할 수 있다. 또한, 복수개의 자성체는 도면에 도시된 것과는 달리, 제1 자성체(31)와 제2 자성체(32)가 서로 상반된 위치에 배치될 수도 있다. 이를 통해, 이온 분리부(30)에서 분리되어 작동유체와 함께 이동되는 이온의 방향을 변경할 수 있다. 또한, 복수개의 자성체(31, 32)는 자력을 극대화 할 수 있는 구조로 변경되어 적용될 수 있다.
또한, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 분기부(50)를 더 포함할 수 있다.
도 12를 참조하면, 분기부(50)는 리액터(10)의 타 측에 설치되고, 내측에 제2 유로(12)와 연통되어 제2 유로(12)를 통해 유입된 작동유체 및 이온들을 복수의 방향으로 분기시키도록 미리 설정된 각도(β)로 분기된 복수개의 분기유로(51)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 분기부(50)는 복수개의 분기유로(51)를 통하여 이온 분리부(30)를 통하여 분리된 H+이온 및 OH-이온을 작동유체와 함께 서로 다른 방향으로 분기시킬 수 있다.
복수개의 분기유로(51)는 H+이온이 포함된 작동유체의 이동을 안내하는 제1 분기유로(511)와, 수평방향을 따라 제1 분기유로(511)에 대향 배치되고, OH-이온이 포함된 작동유체의 이동을 안내하는 제2 분기유로(512)를 포함할 수 있다.
여기서, 복수개의 분기유로(51)는 자계구간이 종료되는 리액터(10)의 타 측 단부로부터 작동유체의 이동방향을 따라 “<”형상과 같이 미리 설정된 각도로 분기되도록 형성될 수 있다. 그러나, 복수개의 분기유로(51)는 반드시 이의 형상에 한정되는 것은 아니며, 자계구간 내에서부터 작동유체의 이동방향을 따라 미리 설정된 각도로 분기되며 연장될 수 있다.
예컨대, 제1 분기유로(511) 및 제2 분기유로(512)는 0 내지 180도 사이의 각도로 분기될 수 있다. 보다 바람직하게는, 제1 분기유로(511) 및 제2 분기유로(512)는 26.5도 내지 30도의 각도로 분기될 수 있다. 그러나, 제1 분기유로(511) 및 제2 분기유로(512)의 분기 각도는 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 분기유로(511) 및 제2 분기유로(512)를 흐르는 작동유체의 속도와 자장의 세기 및 전하 발생량에 따라 변경될 수 있다.
또한, 분기부(50)는 유전율을 갖는 유전성 소재로 형성될 수 있다.
예컨대, 분기부(50)는 투광성 다결정질 세라믹, 엔지니어링 플라스틱, 아크릴, 탄탈(Tantalum), 쿼츠, 파이렉스, 화이버 글래스, 크리스탈 등으로 적용될 수 있다. 보다 바람직하게는, 분기부(50)는 유전율 2,000(K3 T) 이상의 TiO2 또는 BSTO 등으로 이루어진 세라믹 물질로 적용될 수 있다.
또한, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 금속성 프로브(40)를 더 포함할 수 있다.
도 5의 (a)를 참조하면, 금속성 프로브(40)는 복수개로 구비되어 제1 자성체(31) 및 제2 자성체(32)가 대향 배치된 방향에 대하여 수직되는 방향으로 대향 배치되고, 리액터(10)를 관통하여 일부가 유로의 타 측 공간(제2 유로(12))에 수용될 수 있다. 따라서, 복수개의 금속성 프로브(40)에 캐패시터 등을 연결할 경우, 고전압의 전기 에너지를 획득할 수 있다. 예컨대, 금속성 프로브(40)는 은, 구리, 알루미늄, 금, 니켈 및 동 등의 다양한 금속 소재로 형성될 수 있다.
한편, 도 5의 (b)를 참조하면, 유로의 타 측 공간(제2 유로(12))에서, 유전성 삽입물(20)의 단부와 금속성 프로브(40) 사이의 거리(D1)는 금속성 프로브(40)와 리액터(10)의 단부 사이의 거리(D2) 보다 더 길게 형성될 수 있다.
즉, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는, 분리부(30) 및 금속성 프로브(40)를 배제한 상태에서는 기본적으로 플라즈마 활성수를 제조할 수 있고, 필요에 따라 이온 분리부(30) 또는 금속성 프로브(40)를 선택적으로 적용함으로써, 수소이온을 분리하거나, 전기 에너지를 획득하도록 구성될 수 있다.
따라서, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는, 수소가수 제조 시스템 또는 플라즈마 활성수 제조 시스템 또는 플라즈마 발전 시스템에 모두 적용될 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 정수부(미도시), 동력부(미도시), 펌프(미도시), 저장탱크(미도시), 유량 조절부(미도시), 축압기(미도시), 유체이동부(미도시), 계측부(미도시) 및 컨트롤패널(미도시)을 더 포함할 수 있다.
정수부는 작동유체를 정수할 수 있다. 여기서, 작동유체는 경수 또는 경수와 중수의 혼합 유체 또는 탄화수소계 오일 또는 경수와 메탄올의 혼합 유체 또는 경수와 에탄올의 혼합 유체 등을 사용할 수 있으며, 만약 경수를 사용할 경우 비저항 104Ω·㎝ 이상의 범위에서 정수되는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 경수와 중수가 혼합된 혼합 유체를 작동유체로 사용할 경우, 중수를 경수 대비 0.01%에서 100% 정도로 배합하여 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 탄화수소계 오일, 또는 미네랄 오일(Mineral Oil)을 사용하는 경우, 점도가 40 이하인 것을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 작동유체는 이에 한정되는 것은 아니며, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 통과할 경우 플라즈마를 발생시킬 수 있는 다양한 유체로 변경되어 적용될 수 있다.
동력부는 정수부에서 정수된 작동유체를 리액터(10)의 내부로 공급하기 위한 동력을 제공할 수 있다. 즉, 동력부는 동력부의 일측에 배치되는 후술할 펌프를 회전시켜, 작동유체를 리액터(10)에 미리 설정된 압력으로 전달할 수 있다. 예컨대, 동력부는 모터 등으로 적용될 수 있다.
펌프는 동력부의 일 측에 배치되고, 동력부로부터 동력을 전달받아, 리액터(10)에 작동유체를 기설정된 압력으로 전달할 수 있다. 예컨대, 펌프의 구동에 따라 후술할 저장탱크에 저장된 작동유체는 저장탱크에서 펌프로 전달되고, 펌프로 전달된 작동유체는 리액터(10)로 공급될 수 있다. 보다 바람직하게는, 펌프를 통해 공급되는 작동유체는 0 에서 100 bar 사이의 압력으로 리액터(10)를 통과할 수 있다.
저장탱크는 리액터(10) 및 후술할 온도 조절부를 통과한 작동유체를 저장하고, 펌프에 작동유체를 공급할 수 있다. 예컨대, 저장탱크의 내부에는 순환하고 유입된 작동유체의 상태를 안정화시키기 위한 격벽이 설치될 수 있다. 또한 저장탱크에는 온도 조절을 위하여 열 교환기(미도시)가 더 설치될 수 있다.
유량 조절부는 저장탱크에서 리액터(10)로 유입되는 중간에 배치되어, 리액터(10)에 유입되는 작동유체의 유량을 조절하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 유량 조절부는 펌프와 리액터(10) 사이에 배치될 수 있다.
축압기는 유량 조절부와 리액터(10) 사이에 설치되고, 작동유체가 일정하게 흐르지 않아 플라즈마가 순간적으로 끊어졌다가 다시 발생하는 맥동 현상을 방지할 수 있다. 예컨대, 축압기는 맥동 현상을 저감하기 위하여 2 대 이상 설치되는 것이 바람직 할 수 있다.
유체이동부는 정수부, 리액터(10) 및 저장탱크 등 상술한 각각의 장치를 서로 연결하는 배관 형태로 형성되며, 내부에 작동유체가 순환될 수 있는 유로가 형성될 수 있다. 예컨대, 유체이동부는 유전성 소재로 형성될 수 있다.
계측부는 리액터(10)의 입구, 출구 및 유체이동부 중 적어도 어느 한 곳에 배치되고, 작동유체의 압력 및 온도를 계측할 수 있다. 이를 통해, 계측된 작동유체의 압력 및 온도는 작동유체의 압력 및 온도를 제어하는 용도로 사용될 수 있다. 예컨대, 리액터(10)의 입구에서 측정된 작동유체의 온도 및 압력이 플라즈마 발생에 충분한 압력 및 온도에 이르지 못하는 경우, 펌프(미도시)를 제어하여 압력을 높일 수 있다. 그리고, 후술할 온도 조절부(미도시)에서 작동유체의 온도를 저감시키는 것을 중지 시킬 수 있다. 또한, 온도 조절부에 유입되는 유체이동부에 배치된 계측부는 작동유체의 온도를 측정하여, 리액터(10)의 내부에서 마찰열 및 플라즈마 발생에 따라 상승된 작동유체의 온도를 측정할 수 있다. 그리고, 측정된 온도는 온도 조절부에서 작동유체의 온도를 조절하는 데이터로 사용될 수 있다.
컨트롤패널은 본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 켜거나 끌 수 있는 전원장치, 및 작동유체의 압력 및 온도를 조절할 수 있는 조작장치를 포함할 수 있다. 그리고, 컨트롤패널은 상술하였던 계측부에 의해 계측되는 압력 및 온도를 표시할 수 있는 디스플레이 패널을 더 포함할 수 있다.
이하에서는 도 3 및 도 6을 참조하여 작동유체의 흐름, 작동유체의 흐름과 연계되는 각 삽입물들의 작용, 미세기포의 형성 과정 및 붕괴 과정을 자세히 설명한다.
참고로, 작동유체의 흐름, 작동유체의 흐름과 연계되는 각 삽입물들의 작용, 미세기포의 형성 과정 및 붕괴 과정을 설명하기 위한 각 구성에 대해서는 설명의 편의상 본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 설명하면서 사용한 도면부호를 동일하게 사용하고, 동일하거나 중복된 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 유전성 삽입물(20)을 통한 작동유체의 흐름, 작동유체의 흐름과 연계되는 각 삽입물들의 작용, 미세기포의 형성 과정 및 붕괴 과정을 설명한다.
도 3 및 도 6의 (a)를 참조하면, 리액터(10)의 제1 유로(11)를 통해 유전성 삽입물(20), 금속성 삽입물(22) 및 홀딩 삽입물(23)을 차례대로 삽입한다. 유전성 삽입물(20)을 삽입할 때에는 제3 부분(213)이 먼저 제1 유로(11)로 삽입될 수 있도록 삽입한다.
본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 작동시키면, 고압의 작동유체가 리액터(10)의 유입구 측으로 유입된다. 이 때, 작동유체가 고압으로 유입되므로 유전성 삽입물(20), 금속성 삽입물(22) 및 홀딩 삽입물(23)을 차례대로 밀착시킨다.
작동유체는 리액터(10)의 내부로 유입되며 직선으로 관통홀을 향해 흐르는 제1 흐름(f1)과, 제1 흐름(f1)들 사이에서 와류가 형성되는 제2 흐름(f2)을 형성할 수 있다. 작동유체가 흐르는 리액터(10)의 제1 유로(11)의 직경보다 유전성 삽입물(20), 금속성 삽입물(22) 및 홀딩 삽입물(23)에 형성된 관통공(20a)의 직경이 상대적으로 매우 좁기 때문에, 홀딩 삽입물(23)의 관통공(20a) 가까이에서 관통공(20a)에 유입되지 않은 작동유체는 와류를 형성하는 제3 흐름(f3)을 가질 수 있다. 그리고, 제3 흐름(f3)은 다시 제1 흐름(f1)에 편입되어 관통공(20a) 내부로 유입될 수 있다.
관통공(20a) 내부로 유입된 작동유체는 금속성 삽입물(22), 홀딩 삽입물(23) 및 유전성 삽입물(20)의 관통공(20a) 내부에 형성된 나선형의 홈 등에 의해 와류를 형성하는 제4 흐름(f4)을 형성할 수 있다. 그리고, 관통공(20a) 내부로 유입된 작동유체는 금속성 삽입물(22)과 마찰하며 흐르게 된다. 이러한 마찰에 의해 금속성 삽입물(22)로부터 대량의 전자가 방출된다. 금속성 삽입물(22)로부터 방출된 전자의 일부는 작동유체와 함께 흘러가고, 방출된 전자의 다른 일부는 홀딩 삽입물(23)에 축적되게 된다.
관통공(20a) 내부로 유입된 작동유체는 매우 좁아진 직경을 통과하면서 노즐에서 방출될 때 급격한 압력 강하로 인하여 발생하는 공동현상에 의해 미세기포를 형성할 수 있다. 이러한 미세기포는 관통공(20a) 내부를 지나가며 더 많이 형성된다. 또한, 형성된 미세기포는 작동유체 내에 머물며, 작동유체가 유전성 삽입물(20)의 관통공(20a)을 통과할 경우 붕괴될 수 있다. 미세기포의 붕괴와 작동유체에 대전된 전자들에 의해 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)의 관통공(20a) 및 제2 유로(12)에서 플라즈마가 주로 발생된다.
여기서, 미세기포는, 흔히 직경 50 μm 이하의 크기를 갖는 기포를 의미한다. 미세기포는 기액 계면에 의해 둘러싸여서 형성되고, 그 계면에 물의 표면 장력이 작용한다. 표면장력은 기포 내부를 압축하는 힘으로 작용할 수 있다. 환경 압력에 따른 기포 내부의 압력 상승은 이론적으로 아래의 식 1에 의해 구할 수 있다.
<식 1> ΔP = 4σ / D
여기서, ΔP는 압력 상승의 정도이며, σ는 표면 장력, D는 기포 직경이다.
Figure 112019023666322-pat00001
<표 1>
상기 표 1을 참조하면, 직경이 약 10 μm인 미세기포는 약 0.3 기압의 내부압력을 가지며, 직경이 1 μm인 미세기포는 약 3 기압의 압력을 갖는다. 또한, 계면에는 이온 농도가 증가하게 된다. 이러한 미세기포가 붕괴(Collapse)될 때, 약 40 KHz의 초음파와 약 140 db의 높은 음압, 그리고 4000 ℃에서 6000 ℃에 이르는 순간적인 고열이 발생한다. 이러한 초음파, 높은 음압 및 순간적인 고열과 작동유체내의 부유전자로 인해 미세기포가 붕괴하면서 플라즈마가 발생된다.
오일 또는 물 등의 유체의 경우 작동유체의 주행 속도가 빨라지고 노즐에서의 급속한 팽창에 의해 국부압력이 증기압 보다 낮아지면 작동유체가 수증기화되어 공동(cavity)이 발생한다.
통상의 기포는 수면으로 상승하여 표면에서 파열하지만, 원자나 분자의 크기에 가까운 마이크로(μm) 나노 크기가 되면 같은 물질에서도 다른 행동이나 성질을 가지게 되는데, 기포에서도 같은 현상이 있다. 50 μm(0.05 mm) 이하의 미세기포는 수중에서 축소되며 마침내 소멸하는데, 이 과정에서 핵생성(necleation), 기포 성장, 그리고 적절한 조건에서의 내파 붕괴 등 최소한 세 개의 연속적인 단계를 거친다.
이 과정에서 미세기포는 더 이상 자신을 유지하기 위해 에너지를 흡수할 수 없을 정도로 과대 성장하고 ‘급격한 붕괴’를 통해 맹렬히 내파되며, 이 붕괴 단계 동안 방출되는 온도와 압력은 갇혀 있던 기체들의 분자들이 쪼개질 정도로 엄청나게 상승하는데, 이는 ‘균일 초음파 화학’의 기초가 되는 현상이기도 하다.
또한, 미세기포는 전하를 띠고 있어 주변에 전기장에 따라 상승하면서 지그재그로 운동을 한다. 이때 미세기포 자체가 미세한 진동을 일으키는데 ‘자기 가압효과’ 에 의해 1 μsec(1/1,000,000초) 정도의 짧은 시간에서의 압축과 붕괴의 연쇄 반응을 반복한다.
또한, 자기 가압 효과는 구형의 계면을 가지는 미세기포 내부에서 표면장력이 기체를 압축하는 힘으로 인해 발생하는데, 팽창하거나 붕괴될 때 붕괴되는 기포들 내부의 강력한 압력과 온도는 핵반응을 촉발시킬 정도로 높아진다. 이때 미세기포의 내부 온도는 태양표면 온도에 필적하는 5,500 ℃까지 순간적으로 상승하며, 미세기포의 벽의 붕괴(내파) 속도는 7,000 m/sec까지 가속되며 그 충격파는 11,000 m/sec에 이르고 20,000 K ~ 30,000 K(켈빈온도)까지 도달하는 강렬한 빛을 발하는데 이것이 바로 플라즈마의 발생이다.
이러한 미세기포의 파괴력은 물 또는 다른 유체들과 관련된 일상생활에서도 잘 나타나고 있다. 예를 들어, 수중에서 프로펠러의 회전에 의해 프로펠러 또는 선체 표면에 흐르는 유체의 주행속도가 빨라지고 국부압력이 증기압보다 낮아짐에 따라 공동현상이 생기고, 이 과정에서 수많은 미세기포들이 발생되고 생성과 붕괴가 연속으로 반복이 되는데, 이 미세기포들이 붕괴할 때마다 발생하는 엄청난 에너지는 금속 프로펠러와 선체, 펌프 등의 표면을 훼손시키기 때문에 선박의 운항에 막대한 지장을 초래하고 있다. 이러한 결과를 통해 미세기포의 파괴력은 증명되고 있다.
유전성 삽입물(20)의 관통공(20a)을 통과한 작동유체는 제3 부분(213)의 전방쪽, 즉 리액터(10)의 유출구 쪽을 향해 방출되게 된다. 방출되는 작동유체의 일부는 제3 부분(213)의 표면을 따라 제2 부분(212)을 향해 역류하는 제5 흐름(f5)을 형성하고, 방출되는 작동유체의 다른 일부는 제3 부분(213)의 전방쪽으로 흘러가는 제6 흐름(f6)을 형성한다.
제5 흐름(f5)에 따른 작동유체는 제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)의 미세한 틈 사이로 흘러 들어갈 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)의 직경은 제3 유로(13)와 대응되게 형성되어, 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)과 리액터(10)의 제2 유로(12)가 서로 밀착되도록 유전성 삽입물(20)이 리액터(10)의 내부로 삽입되어야 한다. 그렇지 않을 경우, 많은 양의 작동유체가 제3 유로(13)를 통하여 역류하여 플라즈마 발생의 효율이 저하될 수 있다.
제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20) 사이로 역류한 작동유체는 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)에 형성된 포집홈(214)에 유입되게 된다. 유입된 작동유체는 포집홈(214)에 머물러 있다가, 제6 흐름(f6)이 강해지게 되면, 다시 제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20) 사이를 통해 제2 유로(12) 측으로 빠져나가면서 제6 흐름(f6)을 더욱 강화시킬 수 있다. 이때에는 포집홈(214)에 머물러 있던 작동유체에 포함된 미세기포들이 붕괴되며 플라즈마를 더욱 많이 발생시킬 수 있다.
이처럼, 포집홈(214)은 역류하는 작동유체가 머물 수 있는 공간을 제공하는 동시에 제2 유로(12)에서 발생하는 플라즈마를 강화시키는 두 가지 역할을 모두 할 수 있다.
다음으로, 다른 실시예에 따른 유전성 삽입물(20)을 통한 작동유체의 흐름, 작동유체의 흐름과 연계되는 각 삽입물들의 작용, 미세기포의 형성 과정 및 붕괴 과정을 설명한다.
도 6의 (b)에 도시된 리액터(10) 내부의 유전성 삽입물(20), 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c, 22d) 및 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)은 도 6의 (a)에 도시된 리액터(10) 내부와 비교하여 유전성 삽입물(20)의 길이, 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c, 22d) 및 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)의 개수만이 상이할 뿐, 다른 구성요소들은 실질적으로 동일하므로 중복 설명을 생략한다.
도 6의 (b)를 참조하면, 리액터(10)의 내부로 삽입된 유전성 삽입물(20)은 1개 이고, 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c, 22d)은 총 4개이며, 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)은 총 3개이다. 그러나, 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c, 22d) 및 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)의 개수는 필요에 따라 변경되어 적용될 수 있다.
유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)은 도 6의 (a)에 도시된 유전성 삽입물(20)과 비교하였을 때, 좀 더 길게 형성된다. 이는, 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212) 쪽에 제4 금속성 삽입물(22d)이 하나 더 삽입되기 때문이다. 구체적으로, 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)을 관통하며 제4 금속성 삽입물(22d)이 유전성 삽입물(20)의 전면쪽에서 먼저 삽입된다. 유전성 삽입물(20)은 전면측에 제4 금속성 삽입물(22d)이 끼워진 채로 리액터(10) 내부로 삽입된다. 따라서, 제3 부분(213)의 시작부분이 제2 유로(12)에서부터 시작될 수 있도록, 제2 부분(212)은 제4 금속성 삽입물(22d)의 두께만큼 더 길게 형성될 수 있다. 다만, 도면에 도시된 것과 달리 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)이 좀 더 길게 형성되지 않을 수도 있다.
제4 금속성 삽입물(22d)의 내경은 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)의 외경과 대응되며, 제4 금속성 삽입물(22d)의 외경은 리액터(10)의 내경에 대응된다. 제4 금속성 삽입물(22d)은 제1 유로(11)에 끼워지면서, 전면측으로는 걸림턱(14)과 접촉하고, 후면측으로는 유전체(21) 삽입물의 제1 부분(211)과 접촉한다.
제4 금속성 삽입물(22d)이 끼워진 유전성 삽입물(20)이 리액터(10) 내부로 삽입되고 난 뒤, 제4 금속성 삽입물(22d)을 제외한 제1 내지 제3 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c)과 제1 내지 제 3 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)이 차례대로 번갈아가면서 리액터(10) 내부로 삽입된다. 구체적으로, 유전성 삽입물(20), 제3 금속성 삽입물(22c), 제3 홀딩 삽입물(23c), 제2 금속성 삽입물(22b), 제2 홀딩 삽입물(23b), 제1 금속성 삽입물(22a), 제1 홀딩 삽입물(23a)이 차례대로 리액터(10) 내부로 삽입된다.
이하 작동유체의 흐름 및 작동유체의 흐름과 연계되는 각 삽입물들의 작용을 설명한다.
도 6을 참조하면, 리액터(10)의 제1 유로(11)를 통해 상술한 바와 같이 유전성 삽입물(20), 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c, 22d) 및 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)이 삽입된 리액터(10) 내부로 고압의 작동유체가 유입된다.
작동유체는 상술한 바와 같이 유전성 삽입물(20), 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c, 22d) 및 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)에 형성된 관통공(20a)을 통해 흐르는 제1 흐름(f1)과 제1 홀딩 삽입물(23a)의 외면과 부딪혀서 와류가 형성되는 제3 흐름(f3)을 형성할 수 있다.
관통공(20a) 내부로 유입된 작동유체는 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c), 제1 내지 제3 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c) 및 유전성 삽입물(20)의 관통공(20a)에 형성된 나선형의 홈 등에 의해 와류가 되는 제4 흐름(f4)을 형성할 수 있다.
제4 흐름(f4)은 제1 홀딩 삽입물(23a), 제1 금속성 삽입물(22a), 제2 홀딩 삽입물(23b), 제2 금속성 삽입물(22b), 제3 홀딩 삽입물(23c) 및 제3 금속성 삽입물(22c)에 차례대로 접촉된다. 이에 따라, 각 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c)로부터 대량의 전자가 작동유체로 유입되고, 방출된 전자들의 일부는 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)에 축적되며, 방출된 전자들의 다른 일부는 제4 흐름(f4)과 함께 제3 부분(213)을 통해 방출된다.
제3 부분(213)의 전방쪽을 향해 방출된 작동유체의 일부는 제3 부분(213)의 표면을 따라 제2 부분(212)을 향해 역류하는 제5 흐름(f5)을 형성한다. 그리고, 제3 부분(213)의 전방쪽을 향해 방출된 작동유체의 다른 일부는 제3 부분(213)의 전방쪽으로 흐르는 제6 흐름(f6)을 형성한다.
이 때, 제5 흐름(f5)은 제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)의 미세한 틈사이로 흘러 들어갈 수 있다. 제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20) 사이로 역류한 작동유체는 유전성 삽입물(20)의 포집홈(214)에 유입된다.
그리고, 포집홈(214)에 유입된 작동유체는 상술한 바와 같이 제6 흐름(f6)이 강해지게 되면, 다시 제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20) 사이를 통해 제2 유로(12) 쪽으로 빠져나갈 수 있다.
한편, 포집홈(214)에 유입된 작동유체 및 제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20)의 틈으로 역류한 작동유체는 제1 유로(11)의 내측 단부에 배치된 제4 금속성 삽입물(22d)과 접촉되며, 다시 한 번 플라즈마를 형성할 수 있다. 구체적으로, 포집홈(214)에 유입된 작동유체는 제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20)의 틈으로 역류한 작동유체와 만나 제1 유로(11) 측까지 유입될 수 있다. 이 때, 작동유체는 제1 유로(11) 측의 내측 단부에 배치된 제4 금속성 삽입물(22d)과 접촉하며 전자를 공급받을 수 있다.
이와 같은 제4 금속성 삽입물(22d)은 제5 흐름(f5)을 통해 제1 유로(11) 쪽으로 유입된 작동유체가 유전성 삽입물(20)과 접촉하여 발생할 수 있는 유전성 삽입물(20)의 그을음 및 손상을 감소시킬 수 있다. 또한, 제4 금속성 삽입물(22d)은 역류한 제5 흐름(f5)에 전자를 공급함으로써 플라즈마 발생을 더욱 가속시킬 수 있다.
여기서, 제4 금속성 삽입물(22d)에는 미세기포의 전자를 확산시킬 수 있는 확산홈(22d1)이 더 형성될 수 있다.
더 자세하게는, 도 6의 (b) 및 도 14를 참조하면, 리액터(10)의 단차진 부위에 접촉된 제4 금속성 삽입물(22d)의 일 측에는 단부로부터 내측을 향하여 미리 설정된 각도(α)로 경사진 확산홈(22d1)이 형성될 수 있다.
이에 따라, 제4 금속성 삽입물(22d) 측으로 이동된 미세기포들은 확산홈(22d1)을 통해 제4 금속성 삽입물(22d)의 반경방향 측으로 확산되며 제4 금속성 삽입물(22d)과 반응하여 플라즈마를 형성하게 되고, 이를 통해 안정적인 전압 분포가 형성될 수 있다.
예컨대, 확산홈(22d1)은 제4 금속성 삽입물(22d)의 일 측 단부로부터 내측을 향하여 16 내지 19도 사이의 각도로 경사지게 형성될 수 있다. 그러나, 확산홈(22d1)은 이에 한정되는 것은 아니며, 동일한 기능을 구현해낼 수 있는 조건 내에서 다양한 형상 및 각도로 변경되어 적용될 수 있다.
한편, 도 6을 참조하면, 리액터(10)의 내부에서는 작동유체의 흐름에 따라 플라즈마가 발생과 소멸을 반복하며, 복수의 위치에서 플라즈마가 동시에 발생할 수도 있다.
예컨대, 리액터(10)의 내부에서 발생되는 플라즈마는 발생되는 위치에 따라 제1 플라즈마, 제2 플라즈마 및 제3 플라즈마로 구분할 수 있다.
제1 플라즈마는 유전성 삽입물(20)의 포집홈(214)에 담겨 있는 작동유체에서 발생한 플라즈마이다. 앞서 언급한 바와 같이, 유전성 삽입물(20)의 단부로부터 토출된 작동유체의 일부는 포집홈(214) 측으로 역류되어 포집홈(214)에 담겨있다. 포집홈(214)에 담긴 작동유체는 포집홈(214) 내부에서 유전성 삽입물(20)의 원주 표면을 따라 회전하게 된다. 이러한 회전과정에서 제1 플라즈마가 발생될 수 있다.
제2 플라즈마는 포집홈(214) 내부에 있던 작동유체가 제3 부분(213)의 단부쪽으로 새어나오면서 발생할 수 있다. 포집홈(214) 내부에 있던 작동유체는 제3 부분(213)의 단부쪽에서 토출되는 작동유체의 흐름에 합류하여, 제3 부분(213)의 단부쪽으로 토출되는 작동유체의 흐름을 강화시킬 수 있는데 이러한 과정에서 제2 플라즈마가 발생할 수 있다. 한편, 제2 플라즈마는 포집홈(214) 내부에 있던 작동유체가 유전성 삽입물(20)의 제3 부분(213)의 외측으로 토출되는 작동유체의 흐름을 강화시킨다는 것을 보여주는 일 예라고 할 수 있다.
제3 플라즈마는 유전성 삽입물(20)의 관통공(20a)으로부터 제3 부분(213)의 단부로 토출되는 작동유체에서 발생될 수 있다. 제3 플라즈마는 관통공(20a) 내부에서부터 발생될 수도 있다. 그리고, 제3 플라즈마는 유전성 삽입물(20)을 빠져나온 직후에도 발생될 수 있다. 이러한 제3 플라즈마는 리액터(10) 내부에서 발생되는 플라즈마 중에서 주된 플라즈마라고 할 수 있다. 예컨대, 리액터(10)에 캐패시터 등과 연결된 금속성 프로브(40)를 연결할 경우, 제3 플라즈마를 통해 전기 에너지를 획득할 수 있다.
이하에서는 도 15 및 도 16을 참조하여 본 수중 플라즈마 발생장치를 포함하는 어플리케이션에 대하여 자세히 설명한다.
참고로, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 포함하는 어플리케이션을 설명하기 위한 각 구성에 대해서는 설명의 편의상 본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 설명하면서 사용한 도면부호를 동일하게 사용하고, 동일하거나 중복된 설명은 생략하기로 한다.
도 15를 참조하면, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 수소가스를 생산 및 공급 가능한 수소 스테이션(2)에 적용될 수 있다.
수소 스테이션(2)은 본 수중 플라즈마 발생장치(1) 및 수소가스 생성부(201)를 포함한다.
수소가스 생성부(201)는 본 수중 플라즈마 발생장치(1)와 연결되어 본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 통해 분리된 H+이온이 포함된 작동유체가 저장될 수 있다. 그리고, 수소가스 생성부(201)의 내부에는 내부에 저장된 작동유체와 화학적 반응을 일으켜 작동유체로부터 수소를 기체로 전환하여 분리시키는 촉매(2011)가 구비될 수 있다. 예컨대, 촉매(2011)는 팔라듐(Pd) 또는 로듐(Rh)으로 적용될 수 있다. 그러나, 촉매(2011)는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 동일한 기능을 수행할 수 있는 조건 내에서 다양한 물질로 변경되어 적용될 수 있다. 또한, 수소가스 생성부(201)의 내부에는 생성된 수소가스를 정제하는 정제수단(2012)이 더 구비될 수 있다. 이를 통하여, 수소가스 생성부(201)의 내부에는 정제수단(2012)을 중심으로 미리 설정된 기준순도 이상의 수소가스와 기준순도 미만의 수소가스가 구분된 상태로 저장될 수 있다. 예컨대, 정제수단(2012)은 팔라듐 성분을 포함하는 멤브레인 필터(membrane filter)로 적용 가능하고, 수소가스 생성부(201)의 내부에는 멤브레인 필터를 중심으로 멤브레인 필터를 통해 정제된 99.97% 순도 이상의 수소가스와, 멤브레인 필터를 통해 정제되지 못한 99.97% 순도 미만의 수소가스가 저장될 수 있다. 또한, 수소가스 생성부(201)의 일 측에는 수소가 분리된 작동유체가 배출되는 배출구(2013)가 형성되고, 배출구(2013)에는 배출된 작동유체를 본 수중 플라즈마 발생장치(1)로 재공급하도록 구성된 재공급관(2014)이 구비될 수 있다. 그러나, 수소가스 생성부(201)는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 수소이온이 포함된 작동유체로부터 고순도의 수소가스를 생산해 낼 수 있는 다양한 구성으로 변경되어 적용될 수 있다.
또한, 본 수소 스테이션(2)은 수소가스 생성부(201)에서 생성된 수소가스를 미리 설정된 압력으로 압축하도록 구성되는 압축부(202), 압축된 수소가스가 저장되는 저장부(203), 저장부(203)에 저장된 수소가스를 외부로 공급하도록 구성되는 공급부(204) 및 본 수중 플라즈마 발생장치(1), 수소가스 생성부(201), 압축부(202), 저장부(203) 및 공급부(204)를 내부에 수용 가능한 보관부(205)를 더 포함할 수 있다.
그러나, 본 수소 스테이션(2)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 이용하여 수소가스를 생성할 수 있는 조건 내에서, 다양한 구성으로 변경되어 적용될 수 있다.
이처럼, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 이용하여 수소가스를 자체적으로 생산 및 공급할 수 있는 수소 스테이션(2)을 구현 가능함에 따라, 종래 대형 제조시설에서 화석연료를 개질하여 수소가스를 생산한 후, 생산된 수소가스를 특정 장소에 위치한 스테이션에 공급하는 방식에 비하여, 안전하고 쉽게 수소가스를 생산 가능함은 물론, 비용을 월등히 절감할 수 있고, 소규모로 다양한 장소에 구현 가능하여 수소 충전을 위한 인프라를 구축할 수 있다.
도 16을 참조하면, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 플라즈마 활성수를 생산 및 공급 가능한 플라즈마 활성수 제조 시스템(3)에 적용될 수 있다.
플라즈마 활성수 제조 시스템(3)은 작동유체를 이온화시켜 플라즈마 활성수로 전환시키는 본 수중 플라즈마 발생장치(1), 플라즈마 활성수가 저장되는 활성수 저장부(301) 및 플라즈마 활성수를 목적 위치로 공급하는 공급라인(302)을 포함한다.
플라즈마 활성수 제조 시스템(3)에 적용되는 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 리액터(10) 및 유전성 삽입물(20)로 구성되어, 미세기포를 통해 플라즈마를 발생시킴과 동시에 내부에서 발생된 플라즈마를 통해 작동유체를 이온화시킴으로써, 플라즈마 활성수를 제조하게 된다.
활성수 저장부(301)는 본 수중 플라즈마 발생장치(1)와 연결되어 본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 통해 생성된 플라즈마 활성수가 저장될 수 있다. 그리고, 활성수 저장부(301)에는 후술할 공급라인(302)과 연결되고, 플라즈마 활성수가 배출되는 배출구(미도시)가 형성될 수 있다. 예컨대, 활성수 저장부(301)에는 내부로 유입되는 플라즈마 활성수를 여과 가능한 여과수단(미도시)과, 플라즈마 활성수를 미리 설정된 온도로 유지시킬 수 있는 온도제어수단(미도시)이 더 구비될 수 있다. 그러나, 활성수 저장부(301)는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태로 변경되어 적용될 수 있다.
공급라인(302)은 활성수 저장부(301)와 연결되고, 활성수 저장부(301)에 저장된 플라즈마 활성수를 미리 설정된 목적지점으로 공급하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 공급라인(302)은 단일관 형태로 형성되거나, 연결된 목적지점에 따라 분기된 다중관 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 공급라인(302)에는 플라즈마 활성수의 공급을 제어할 수 있도록 제어밸브(미도시)가 더 구비될 수 있다.
그러나, 플라즈마 활성수 제조 시스템(3)은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 이용하여 플라즈마 활성수를 생산 및 공급할 수 있는 조건 내에서, 다양한 구성으로 변경되어 적용될 수 있다.
이처럼 본 발명의 실시예에 따르면, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 이용하여 플라즈마 활성수를 자체적으로 생산 및 공급할 수 있는 플라즈마 활성수 제조 시스템(3)을 구현 가능함에 따라, 종래 농축수산업에서 이산화탄소나 오존을 용해시켜 사용하던 용해수를 플라즈마 활성수로 대체 가능하여 대규모로 사용가능함은 물론, 비용을 절감할 수 있으며, 나아가 플라즈마 활성수를 통해 재배되거나 양식된 제품의 품질을 향상시키고, 환경오염을 최소화할 수 있다.
또한, 종래의 기체 플라즈마 발생장치와 같이 수천 내지 수만 볼트 이상의 고전압을 이용하지 않고, 실온에서 작동유체를 순환시키는 것만으로 플라즈마를 생성할 수 있음에 따라, 기체 플라즈마에 비해 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있음은 물론, 장치의 구조를 단순화하여 비용을 절감할 수 있다.
또한, 음파발광(Sonoluminescence) 또는 화학발광(Chemoluminescence)을 통한 플라즈마의 생성방법과는 달리 플라즈마 발생 공정을 간소화 할 수 있고, 플라즈마의 손실률을 최소화 할 수 있다.
또한, 분리부(30) 및 금속성 프로브(40)를 배제한 상태에서는 기본적으로 플라즈마 활성수를 제조할 수 있고, 필요에 따라 이온 분리부(30) 또는 금속성 프로브(40)를 선택적으로 적용하여 수소이온을 분리하거나, 전기 에너지를 획득가능 함에 따라, 수소가스 제조 시스템 또는 플라즈마 활성수 제조 시스템 또는 플라즈마 발전 시스템에 모두 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
1. 수중 플라즈마 발생장치
10. 리액터
11. 제1 유로
12. 제2 유로
13. 제3 유로
14. 걸림턱
15. 안내면
16. 안착 지지홈
20. 유전성 삽입물
20a. 관통공
20a1. 제1 관통부
20a2. 제2 관통부
21. 유전체
211. 제1 부분
212. 제2 부분
212a. 블록부
213. 제3 부분
214. 포집홈
215. 와류돌기
22. 금속성 삽입물
23. 홀딩 삽입물
30. 이온 분리부
31. 제1 자성체
32. 제2 자성체
40. 금속성 프로브
41. 프로브 삽입공
50. 분기부
51. 분기유로
511. 제1 분기유로
512. 제2 분기유로
2. 수소 스테이션
201. 수소가스 생성부
2011. 촉매
2012. 정제수단
2013. 배출구
2014. 재공급관
202. 압축부
203. 저장부
204. 공급부
205. 보관부
3. 플라즈마 활성수 제조 시스템
301. 활성수 저장부
302. 공급라인

Claims (9)

  1. 내측에 길이방향을 따라 작동유체가 통과 가능한 유로가 형성되는 리액터; 및
    상기 유로에 배치되어 상기 유로를 일 측 및 타 측 공간으로 구획하되, 내측에 상기 유로보다 작은 크기의 관통공을 형성하여, 상기 유로의 일 측 공간으로 유입된 상기 작동유체에 미세기포를 발생시키고, 일 측에 상기 관통공으로 유입되는 상기 작동유체와 마찰되어 상기 미세기포에 동종 전하를 방출하는 금속성 촉매를 구비하여, 상기 미세기포를 붕괴시켜 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 유전성 삽입물; 및
    상기 플라즈마에 노출되어 이온화된 작동유체가 흐르는 상기 유로의 타 측 공간에 대응되는 상기 리액터의 외면에 착탈가능하고, 상기 리액터의 외면에 부착될 경우 상기 유로의 타 측 공간에 자계를 형성하여, 상기 유전성 삽입물을 통과하면서 상기 플라즈마에 노출되어 이온화된 작동유체로부터 H+이온 및 OH-이온을 분리시키도록 구성되는 이온 분리부;
    를 포함하고,
    상기 리액터의 외면에 부착된 상기 이온 분리부는 상기 리액터의 중심으로부터 상기 리액터의 반경거리 이내에 배치되어 상기 리액터의 외면에 직접적으로 접촉되고,
    상기 유로의 타 측 공간은 타원 구조로 형성되며,
    상기 유로는 제1 유로, 제2 유로 및 상기 제1 유로와 상기 제2 유로 사이에 배치되고, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로에 비해 작은 내경의 크기를 가지는 제3 유로를 포함하고,
    상기 유전성 삽입물은,
    상기 제1 유로, 상기 제2 유로 및 상기 제3 유로에 걸쳐 수용되고, 상기 제1 유로로 유입된 상기 작동유체를 상기 제2 유로로 토출시키면서, 상기 미세기포를 발생시키도록 구성되는 유전체; 및
    상기 제1 유로에 배치되어 복수의 위치에서 상기 유전체에 접촉되는 복수의 금속성 삽입물을 포함하며,
    상기 유전체는,
    상기 제1 유로에 수용되는 제1 부분, 상기 제3 유로에 수용되는 제2 부분 및 상기 제2 유로에 수용되는 제3 부분을 포함하고,
    상기 제2 유로와 상기 제3 유로 사이에는, 상기 유전체로부터 토출되어 역류하는 작동유체를 상기 유전체 측으로 안내하는 호(弧) 형상의 안내면이 형성되며,
    상기 복수의 금속성 삽입물 중 어느 하나는 상기 제1 유로 및 상기 제3 유로 사이의 단차진 부위에 지지되어 상기 제1 부분의 일단부에 접촉되고,
    상기 복수의 금속성 삽입물 중 다른 하나는 상기 제1 부분의 타단부에 접촉되며,
    상기 제1 부분의 일단부에 접촉되는 금속성 삽입물은, 일단부로부터 내측을 향하여 경사진 확산홈을 포함하는, 수중 플라즈마 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유로의 일 측 공간은, 수평방향 측 직경과 수직방향 측 직경이 동일한 정원 구조로 형성되고,
    상기 유로의 타 측 공간은, 수평방향 측 직경이 수직방향 측 직경에 비하여 더 크게 형성되는 수중 플라즈마 발생장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유로의 타 측 공간은, 수직방향으로 대향 배치된 복수개의 평면구간과, 수평방향으로 대향 배치된 복수개의 곡면구간을 포함하는 트랙형 타원 구조로 형성되는 수중 플라즈마 발생장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체는 경수 또는 경수와 중수가 혼합된 혼합유체 또는 경수와 메탄올이 혼합된 혼합유체 또는 경수와 에탄올이 혼합된 혼합유체로 적용 가능한 수중 플라즈마 발생장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 리액터에 설치되어, 내측에 상기 이온 분리부를 통하여 분리된 상기 H+이온 및 상기 OH-이온을 서로 다른 방향으로 분기시키도록 구성되는 복수개의 분기유로가 형성되는 분기부; 를 더 포함하는 수중 플라즈마 발생장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수개의 분기유로는
    상기 H+이온이 포함된 작동유체의 이동을 안내하는 제1 분기유로; 및
    수평방향을 따라 상기 제1 분기유로에 대향 배치되고, 상기 OH-이온이 포함된 작동유체의 이동을 안내하는 제2 분기유로;
    를 포함하고,
    상기 제1 분기유로와 상기 제2 분기유로는 0 내지 180도 사이의 각도로 분기되는 수중 플라즈마 발생장치.
  8. 제1항 내지 제4항 및 제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 수중 플라즈마 장치를 포함하는 수소 스테이션.
  9. 제1항 내지 제4항 및 제6항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 수중 플라즈마 장치를 포함하는 플라즈마 활성수 제조 시스템.

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