KR102357964B1 - 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기 - Google Patents

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Abstract

자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기가 개시된다. 상기 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기는, 플라즈마 방전관; 상기 플라즈마 방전관의 플라즈마 발생영역으로 전자파를 전송하는 도파관; 상기 플라즈마 발생영역으로 플라즈마 소스 가스를 공급하는 소스가스 공급부; 플라즈마의 점화를 위해 상기 플라즈마 발생영역으로 열전자를 제공하는 열전자 방출부; 상기 도파관을 냉각하도록 상기 도파관의 주위를 감싸 있고 냉각수 공급부; 상기 전자파를 발생시키는 전자파 발생부; 상기 냉각수 공급부, 상기 소스가스 공급부 및 상기 전자파 발생수단으로 전원을 공급하는 전원공급부; 상기 플라즈마 발생영역의 플라즈마 상태를 센싱하는 플라즈마 감지 센서; 상기 냉각수 채널 내의 냉각수 상태를 센싱하는 냉각수 센서; 상기 플라즈마 소스가스의 소스가스 상태를 센싱하는 소스가스 센서; 상기 전자파 발생부의 전자파 출력 상태 센서; 및 상기 플라즈마 감지 센서의 값, 상기 소스가스 센서의 값, 상기 냉각수 센서의 값, 또는 상기 전자파 출력 상태 센서의 값에 따라 상기 소스가스 공급부, 상기 냉각수 공급부, 상기 전자파 발생부, 또는 상기 전원공급부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기{ELECTROMAGNETIC PLASMA TORCH REACTOR WITH AUTOMATIC OPERATION CONTROL}
본 발명은 전자파 플라즈마 토치 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 장시간 자동 운전 제어가 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기에 관한 것이다.
전자파 플라즈마 토치 반응기는 전자파의 발진, 발진된 전자파에 의한 플라즈마 소스 가스의 플라즈마화, 이 플라즈마의 점화 및 이 점화된 플라즈마로의 피처리 가스의 처리 및 방전관의 냉각을 포함한다.
대량의 가스를 장시간 운전하는 경우, 안정적으로 안전하게 오랜 시간 정상 작동을 보장하기 위해, 이러한 각 구성들의 정상 작용 여부의 판단은 매우 중요하다.
또한 정상 작동 여부의 판단 후 이를 수정하고 자동으로 재가동할 수 있는 장치 및 시스템의 필요성이 대두되고 있다.
그러나 현재는 이렇게 대량의 가스를 처리하기 위해 장시간 운전하는 중 각 구성들의 정상 작동 여부를 확인하고, 구체적으로 제어하는 기술이 없고, 단순히 정상 작동이 되지 않는 경우 경고 알림을 하고 작업자가 현장에서 직접 오류를 수정하고 재가동하는 수준이다.
본 발명은 상기의 종래기술의 문제점 및 필요성에 따라 대량의 가스를 장시간 플라즈마로 처리하면서 정상작동 여부를 수시로 확인하고 안정적으로 장치를 운전할 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다.
일 측면으로서 본 발명은 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기로서, 플라즈마 방전관; 상기 플라즈마 방전관의 플라즈마 발생영역으로 전자파를 전송하는 도파관; 상기 플라즈마 발생영역으로 플라즈마 소스 가스를 공급하는 소스가스 공급부; 플라즈마의 점화를 위해 상기 플라즈마 발생영역으로 열전자를 제공하는 열전자 방출부; 상기 도파관을 냉각하도록 상기 도파관의 주위를 감싸 있고 냉각수 공급부; 상기 전자파를 발생시키는 전자파 발생부; 상기 냉각수 공급부, 상기 소스가스 공급부 및 상기 전자파 발생수단으로 전원을 공급하는 전원공급부; 상기 플라즈마 발생영역의 플라즈마 상태를 센싱하는 플라즈마 감지 센서; 상기 냉각수 채널 내의 냉각수 상태를 센싱하는 냉각수 센서; 상기 플라즈마 소스가스의 소스가스 상태를 센싱하는 소스가스 센서; 상기 전자파 발생부의 전자파 출력 상태 센서; 및 상기 플라즈마 감지 센서의 값, 상기 소스가스 센서의 값, 상기 냉각수 센서의 값, 또는 상기 전자파 출력 상태 센서의 값에 따라 상기 소스가스 공급부, 상기 냉각수 공급부, 상기 전자파 발생부, 또는 상기 전원공급부를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 냉각수 센서의 값이 미리 정한 값 범위 내에 있지 아니하면, 상기 전원공급부를 오프 하도록 구성됨을 특징으로 하며, 상기 냉각수 센서의 값은, 냉각수의 유량, 유속 및 온도 중 어느 하나일 수 있다. 냉각수는 안전 운전을 위해 매우 중요한 제어 인자이다. 따라서 냉각수의 상태 체크는 중요하다. 냉각수 상태 체크 후 비정상 상태로 확인되면, 메인 전원을 차단해서 전자파 플라즈마 토치 반응기 전체의 운전을 차단할 수 있다.
상기 제어부는 상기 소스가스 유량 센서의 값이 미리 정한 값의 범위 내에 있지 아니하면, 상기 소스가스 공급부의 공급을 차단하고, 상기 전원공급부를 오프 하도록 구성됨을 특징한다. 소스 가스의 주입이 이뤄지지 않은 상태에서 전자파가 전송됨을 차단할 수 있다.
상기 제어부는 상기 전자파 출력 상태 센서의 값이 미리 정한 값의 범위 내에 있지 아니하면, 상기 전원공급부에서 상기 전자파로의 전원을 차단하도록 구성된다. 상기 플라즈마 감지 센서는 광센서일 수 있다. 광센서는 예컨데 OES와 같은 장치(또는 photodiode)일 수 있다. 이와 같은 광센서에 의해 플라즈마 상태 또는 플라즈마 점화 상태를 확인할 수 있다. 플라즈마의 발생 여부 및 상태 또는 플라즈마의 점화 여부 및 플라즈마 점화된 토치의 상태를 확인할 수 있고, 미리 정한 정상 범위 내에 센서의 값이 있지 아니하면 비정상으로 전자파 발생부의 전원을 차단한다. 메인 전원을 차단하여 냉각수의 공급을 막는 것은 아니고 전자파 발생부로의 전원을 차단해서 안정적으로 비정상상태를 차단할 수 있다.
본 발명의 반응기는, 상기 전원공급부가 On 상태로 개시된 경우, 냉각수 센서의 값이 정상 범위 밖에 있으면, 상기 전원공급부를 차단하고, 정상 범위 내에 있으면 상기 플라즈마 소스가스 공급부로부터 소스가스를 공급하고, 상기 소스가스 센서의 값이 미리 정한 정상 범위 밖에 있으면 상기 전원공급부를 차단하고 정상 범위 내이면 상기 전자파 발생부로부터 전자파를 상기 방전관에 공급하며, 상기 플라즈마 점화상태를 확인하여 미리 정한 정상 범위 밖이면 상기 전자파 발생부로의 전력 공급을 차단하거나, 마그네트론의 손상을 방지하기 위하여 전자파 출력을 서서히 줄일 수 있다. 예를 들어, 3 kW로 플라즈마 운전을 하다가 비정상 센싱이 될 경우, 점차 줄여 0 W로 하고 다시 임의적 점화출력 포인트, 예를 들어, 1.5kW로 출력을 올려 플라즈마를 점화하는 것이 바람직할 수 있다. 정상 범위 내이면 상기 플라즈마 발생 영역으로 연료 및 처리가스를 공급함을 포함하는 정상 구동 순서에 따라 가동되며, 작동 중 임의의 시간 간격 마다 상기 정상 구동 순서를 수행함을 특징한다.
본 발명자는 이와 같은 순서로 장치를 구동 하고 상태를 확인해야 가장 안정적으로 운전할 수 있음을 착안하였다. 또한 본 발명자는 오류 발생시 문제를 가장 안정적으로 추가 문제를 차단할 수 있음을 착안하였다. 냉각수의 정상 공급을 가장 우선 확인하여 장치의 과열을 애초에 차단하며, 질소, 공기, 및 아르곤과 플라즈마 소스 가스의 안정적 공급이 확인된 후, 플라즈마를 발생을 위한 전력을 공급하도록 하여 불필요한 가스의 플라즈마 등을 차단하며, 그 다음에 플라즈마 점화 상태를 확인 후 비정상 상태에서는 냉각수는 공급된 상태에서 전자파 발생부로의 전력만을 차단하여 냉각은 유지되면서 추가 플라즈마를 차단하도록 한다. 정상 플라즈마 점화 상태에서만 탄소 가스와 같은 연료 및 악취와 같은 피처리가스를 주입하도록 하여, 비정상 상태에서 위한한 연료가스 및 악취가스의 주입을 원천 차단하도록 하였다.
또한 상기 반응기는, 작동 중 임의의 시간 간격 마다, 상기 정상 구동 순서에 따라 정상 여부를 판단을 수행함을 특징으로 한다. 장시간 운전 중 수시로 상태를 확인하고, 상태 확인 시 상기 정상 구동 순서에 따라 상태를 확인하여, 안정적으로 문제 발생을 차단할 수 있다.
상기 반응기는, 경보 알림 수단을 추가로 포함하며, 상기 제어부가 상기 플라즈마 감지 센서의 값, 상기 소스가스 센서의 값, 상기 냉각수 센서의 값, 또는 상기 전자파 출력 상태 센서의 값이 정상 범위 내에 있지 않은 경우, 상기 경보 알림 수단을 통해 문제점을 알리도록 구성된다.
다른 측면으로서, 본 발명의 전자파 플라즈마 토치 반응기는 자동 점화 및 자동 재점화를 위한 특별한 열전자 방출부를 포함한다.
본 발명은, 플라즈마 방전관; 상기 플라즈마 방전관의 플라즈마 발생영역으로 전자파를 전송하는 도파관; 상기 플라즈마 발생영역으로 플라즈마 소스 가스를 공급하는 소스가스 공급부; 및 상기 플라즈마 발생영역으로 플라즈마 점화를 위해 열전자를 제공하는 열전자 방출부를 포함하며, 상기 플라즈마 방전관은 상기 도파관을 관통하고 있으며, 상기 플라즈마 발생영역은 상기 플라즈마 방전관 내의 상기 도파관의 관통 영역이며, 상기 플라즈마 방전관은 상기 관통된 도파관을 중심으로 일측에 구비된 플라즈마 제트를 토치하는 토치구; 및 상기 토치구의 반대측의 방전관 후단부를 포함하며, 상기 열전자 방출부는 상기 방전관 후단부에 내면을 나선으로 감싸는 금속코일을 포함하는, 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기를 제공한다.
본 발명과 같이, 방전관의 후단부의 내면을 감싸는 금속코일로 구성된 열전자 방출부는 본 반응기의 자동 점화 및 자동 재점화를 가능하게 한다.
외부에서 충분한 에너지가 공급되어 방전에너지를 넘어서면 상기 전자파가 유입되는 방전관 내부에서 플라즈마가 발생한다. 그러나 공기, 질소, 산소 등과 같은 방전개시 전압이 높은 가스의 경우, 유입되는 에너지로만 방전하는 것은 효율적이지 못하다. 5kW 상시 운전에 20kW 이상의 높은 유입 에너지가 필요하다. 더욱 신뢰성 있는 플라즈마 발생은 상기 방전관 내에 설치된 코일에 의해 달성할 수 있다. 상기 코일은 상기 석영관 내벽에 밀착되어 설치되며 상기 코일은 전기 용량(Capacitance)과 전기 유도(Inductance)성의 성분을 가질 수 있다.
나선 모양으로 방전관 내벽에 감겨 있는 예컨대 텅스텐 코일은 입사된 전자파의 작동 주파수에 공명 주파수를 제공하는 공명기(Resonator)로서 작동한다. 상기 코일은 상기 방전관 내부에 밀착되어 설치되며 그 끝은 상기 도파관의 단부에 근접해 있다.
상기 금속코일은 이의 턴수/방전관내경(mm)의 값이, 전자파의 주파수가 2.45 GHz일 때, 1/26 내지 1/13이고, 이의 피치 길이는 15~30mm이며, 이의 길이는 80 내지 165 mm임을 특징으로 한다. 상기 끝단과 상기 플라즈마 발생 영역 간의 이격 거리는, 전자파의 주파수가 2.45 GHz일 때, 5 내지 25 mm의 길이임을 특징으로 한다. 여기서 피치는 나선으로 감긴 코팅의 종단면의 피크에서 피크의 거리를 의미한다. 또한 금속 코일의 길이는 감긴 코일의 종단면의 최단 길이를 말하며 감긴 코일의 펼친 최장 길이는 아니다. 이러한 구성을 통해, 상기 코일은 작동 주파수와 공명을 일으킬 뿐만 아니라 입사된 전자파로 인해 스파크를 일으켜 점화장치의 역할을 하게 된다.
코일이 하단과 상단에 설치될 때, 코일의 끝은 방전관의 끝으로부터 30mm(자유공간내 파장의 ¼) 내에 상기의 사양을 갖도록 설치되는 것이 바람직하다. 바람직한 것은 발생된 플라즈마의 열에 의한 코일의 손상을 방지하기 위해, 이의 끝단은 플라즈마 발생 영역까지의 길이는 5 내지 25mm의 위치가 바람직하다.
다른 측면으로서, 본 발명은, 플라즈마가 발생하는 플라즈마 방전관; 상기 플라즈마 방전관의 플라즈마 발생영역으로 전자파를 전송하는 도파관; 상기 플라즈마 발생영역으로 플라즈마 소스 가스를 공급하는 소스가스 공급부; 및 상기 플라즈마 발생영역으로 플라즈마 점화를 위해 열전자를 제공하는 열전자 방출부를 포함하며, 상기 플라즈마 방전관은 상기 도파관을 관통하고 있으며, 상기 플라즈마 발생영역은 상기 플라즈마 방전관 내의 상기 도파관의 관통 영역이며, 상기 플라즈마 방전관은 상기 관통된 도파관을 중심으로 일측에 구비된 플라즈마 제트를 토치하는 토치구; 및 상기 토치구의 반대측의 방전관 후단부를 포함하며, 상기 열전자 방출부는 상기 방전관 후단부에 위치하고, 상기 열전자 방출부는 일단에 기체주입구를 가진 밀봉된 긴 주머니; 상기 주머니 내에 상기 길이 방향에 따라 삽입된 탄성체; 및 상기 주머니의 상기 기체 주입구의 반대 끝단에 열전자 방출용 금속을 포함하고, 상기 기체 주입구의 기체 주입이 없는 상태에서는 주머니와 탄성체가 함께 말려있는 형태이고, 상기 기체주입구로 기체가 주입되면 상기 긴 주머니와 탄성체는 길게 펴지도록 구성된, 자동 운전 제어 가능한 플라즈마 발생 장치를 제공한다.
상기 탄성체가 말려 있는 형태에서는 상기 플라즈마 발생영역과 상기 탄성체는 멀리 떨어져 있어, 플라즈마 발생영역의 열 및 플라즈마로부터 상기 탄성체는 영향을 받지 않는 위치에 있다. 상기 탄성체가 기체의 주입에 따라 길게 펴지면 상기 주머니의 끝단에 위치한 금속은 상기 플라즈마 발생영역 및 이의 인근으로 위치하게 되어, 상기 플라즈마 발생영역으로 열전자를 방출하도록 하여 상기 플라즈마가 점화되도록 한다.
플라즈마의 점화를 위한 단계에서, 상기 기체 주입을 통해 상기 열전자 방출부의 탄성체가 펴져 상기 상기 주머니의 끝단의 금속이 플라즈마 발생영역 또는 근처로 위치되도록 하여 플라즈마 점화가 발생되도록 할 수 있고, 플라즈마 점화가 정상 상태인 경우, 기체 주입을 차단하여 열전자 방출부가 불필요하게 플라즈마 발생영역 또는 그 인근에 위치되지 않도록 하여, 안정적인 플라즈마의 계속적 유지를 가능하게 하고 열전자 방출수단을 고온의 플라즈마로부터 보호하여 이의 수명을 늘릴 수 있도록 한다.
상기 주머니는, 내열성 및 가요성을 가짐을 특징으로 한다.
다른 측면으로서, 본 발명은, 플라즈마 방전관; 상기 플라즈마 방전관의 플라즈마 발생영역으로 전자파를 전송하는 도파관; 상기 플라즈마 발생영역으로 플라즈마 소스 가스를 공급하는 소스가스 공급부; 및 상기 플라즈마 발생영역으로 플라즈마 점화를 위해 열전자를 제공하는 열전자 방출부를 포함하며, 상기 플라즈마 방전관은 상기 도파관을 관통하고 있으며, 상기 플라즈마 발생영역은 상기 플라즈마 방전관 내의 상기 도파관의 관통 영역이며, 상기 플라즈마 방전관은 상기 플라즈마 발생영역을 중심으로 일측에 구비된 플라즈마 제트를 토치하는 토치구; 및 상기 토치구의 반대측의 방전관 후단부를 포함하며, 상기 열전자 방출부는 상기 방전관 후단부에서 상기 플라즈마 발생영역으로의 연장된 금속봉임을 특징으로 하는, 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기를 제공ㅎ나다.
상기 금속봉은, 길이 조절이 가능함을 특징으로 하며, 플라즈마가 점화된 상태에서는 상기 금속봉은 상기 방전관 후단부에 위치하며 이의 길이는 플라즈마 발생영역에서 플라즈마 점화되지 않는 길이이며, 플라즈마의 점화가 필요한 상태에서는 상기 금속봉은 상기 방전관 후단부에 위치하며 이의 길이는 플라즈마 발생영역까지의 길이일 수 있다.
본 발명에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기에 의하면, 반응기의 자동 운전 중 정상 작동 여부를 수시로 확인하여 비정상 작동이 발생되는 경우 운전 과정을 즉시 수정하여 재가동시킬 수 있고, 반응기의 자동 운전 중 비정상 작동이 발생되는 경우 현장의 작업자가 즉시 오류를 인지할 수 있는 등, 대량의 처리가스의 처리를 위해 장시간 운전하여도 안전하게 반응기의 자동 운전이 가능해지는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 제어부, 제어부로 센싱값을 입력하는 센서들 및 제어부를 통해 제어되는 구성들 간의 관계를 개념적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 플라즈마 방전관 및 열전자 방출부를 확대 도시하는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기의 열전자 방출부의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 긴주머니 및 탄성체가 길게 펴진 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기의 열전자 방출부의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기의 자동 운전 제어 순서를 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기의 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 제어부, 제어부로 센싱값을 입력하는 센서들 및 제어부를 통해 제어되는 구성들 간의 관계를 개념적으로 나타내는 블록도이고, 도 3은 도 1에 도시된 플라즈마 방전관 및 열전자 방출부를 확대 도시하는 도면이고, 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기의 열전자 방출부의 다른 실시예를 나타내는 도면이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 긴주머니 및 탄성체가 길게 펴진 상태를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기의 열전자 방출부의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기는 플라즈마 방전관(110), 도파관(120), 소스가스 공급부(130), 열전자 방출부(140), 냉각수 공급부(150), 전자파 발생부(160), 전원공급부(170), 플라즈마 감지 센서(181), 냉각수 센서(182), 소스가스 센서(183), 출력 상태 센서(184) 및 제어부(190)를 포함할 수 있다.
플라즈마 방전관(110)은 도파관(120) 내로 입력되는 전자파에 의해 내부 공간에서 플라즈마가 발생될 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 일 예로, 플라즈마 방전관(110)은 도파관(120)에 관통될 수 있다. 이러한 경우, 플라즈마 방전관(110)은 관통된 도파관을 중심으로 일측에 구비된 플라즈마 제트를 토치하는 토치구(111), 토치구(111)의 반대측의 방전관 후단부(112) 및 플라즈마 방전관(110) 내의 도파관(120)의 관통 영역, 즉 도파관(120)이 둘러싸고 있는 영역인 플라즈마 발생영역(113)을 포함할 수 있다.
도파관(120)은 전자파 발생부(160)를 통해 내부로 입력되는 전자파를 도파관(120)을 관통하여 위치하는 방전관(110)의 플라즈마 발생영역(113)으로 전자파를 전송할 수 있다. 플라즈마 발생영역(113)으로 전송되는 전자파는 도파관(120)의 말단이 막혀있으므로 도파관(120)의 말단에서 반사되고, 반사되는 전자파는 도파관(120)에 관통되어 있는 방전관(110)의 플라즈마 발생영역(113) 내에 강한 전기장을 형성할 수 있다.
소스가스 공급부(130)는 플라즈마 발생영역(113)으로 플라즈마 소스 가스를 공급할 수 있다. 소스가스 공급부(130)는 플라즈마 방전관(110)의 플라즈마 발생영역(113)과 멀게 위치하는 상기 방전관 후단부(112)에서 플라즈마 방전관(110) 내부와 유체 소통 가능하게 연결될 수 있다. 일 예로, 소스가스 공급부(130)는 소스가스 저장소로부터 플라즈마 방전관(110)에 연결되어 가스를 주입하기 위한 가스주입관(131) 및 가스주입관(131) 상에 구비되어 플라즈마 소스 가스를 플라즈마 방전관(110)을 향해 이송시키기 위한 가스공급펌프(132)를 포함하는 형태일 수 있고, 상기 가스주입관(131)은 플라즈마 방전관(110)의 내면의 접선 방향으로 설치될 수 있다.
또한, 상기 가스주입관(131)은 연료 및 처리가스를 공급하는 주입관으로서 사용될 수도 있다.
열전자 방출부(140)는 플라즈마 점화를 위해 플라즈마 발생영역(113)으로 열전자를 제공할 수 있다. 열전자 방출부(140)는 금속 소재일 수 있다. 열전자 방출부(140)는 플라즈마 방전관(110)의 방전관 후단부(112) 내에 위치할 수 있다.
도 3을 참조하면, 열전자 방출부(140)의 일 실시예로, 열전자 방출부(140)는 금속코일(141) 형태로 구성될 수 있다. 이러한 경우, 금속코일(141)은 방전관 후단부(112)에 위치하여 방전관 후단부(112)의 내면을 나선형으로 감싸는 형태로 구비될 수 있고, 토치구(111)에 인접하는 금속코일(141)의 끝단은 플라즈마 발생영역(113)과 일정 거리 이격된다. 여기서, 상기 금속코일(141)은, 턴수/방전관내경(R)(mm)의 값이, 전자파의 주파수가 2.45 GHz일 때, 1/26 내지 1/13이고, 이의 피치 길이(P)는 15~30mm이며, 이의 길이(L)는 80 내지 165 mm인 것이 바람직하며, 이러한 구성을 통해, 상기 코일은 작동 주파수와 공명을 일으킬 뿐만 아니라 입사된 전자파로 인해 스파크를 일으켜 점화장치의 역할을 하게 된다.
코일이 하단과 상단에 설치될 때, 코일의 끝은 방전관의 끝으로부터 30mm(자유공간내 파장의 ㅌ) 내에 상기의 사양을 갖도록 설치되는 것이 바람직하다. 바람직한 것은 발생된 플라즈마의 열에 의한 코일의 손상을 방지하기 위해, 이의 끝단은 플라즈마 발생 영역까지의 길이(D)는 5 내지 25mm의 위치가 바람직하다.
도 4a를 참조하면, 상기 열전자 방출부(140)의 다른 실시예로서, 상기 열전자 방출부(140)는, 일단에 기체주입구(1421a)를 갖는 밀봉된 긴 주머니(1421), 상기 주머니(1421) 내에 상기 길이방향에 따라 삽입된 탄성체(1422), 상기 주머니(1421)의 상기 기체주입구(1421a)의 반대 끝단에 구비되는 열전자 방출용 금속(1423)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 주머니(1421)는 내열성 및 가요성을 갖는 소재일 수 있고, 상기 탄성체(1422)는 달팽이 모양으로 말릴 수 있는 상기 주머니(1421)보다 경질인 소재일 수 있고, 상기 열전자 방출용 금속(1423)은 상기 탄성체(1422)가 길게 펴졌을 때 상기 탄성체(1422)의 처짐이 발생되지 않는 무게를 가질 수 있다.
일 예로, 상기 기체주입구(1421a)로의 기체 주입은 기체 저장소로부터 상기 기체주입구(1421a)로 연결되는 기체주입관(11) 및 기체주입관(11) 상의 기체주입펌프(12)를 통해 이루어질 수 있고, 이러한 경우, 제어부(190)는 상기 기체주입펌프(12)의 구동을 제어할 수 있다. 제어부(190)는 전자파 출력 상태의 확인 후 전자파 출력 상태가 정상이면 플라즈마를 점화할 때 상기 기체주입펌프(12)를 구동시키도록 구성될 수 있다.
이러한 열전자 방출부(140)는 기체주입구(1421a)의 공기 주입이 없는 상태에서는 도 4a와 같이 주머니(1421)와 탄성체(1422)가 함께 말려있는 형태이고, 기체주입구(1421a)로 기체가 주입되면 도 4b와 같이 긴 주머니(1421)와 탄성체(1422)는 길게 펴지도록 구성될 수 있다. 이때, 주머니(1421)와 탄성체(1422)가 펴지는 길이는 열전자 방출용 금속(1423)이 플라즈마 발생영역(113)에 근접하거나 플라즈마 발생영역(113) 내에 위치할 수 있는 길이일 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 열전자 방출부(140)의 또 다른 실시예로서, 열전자 방출부(140)는 상기 방전관 후단부에서 상기 플라즈마 발생영역으로의 연장된 금속봉(143)일 수 있다.
상기 금속봉(143)은, 길이 조절이 가능함을 특징으로 하며, 플라즈마가 점화된 상태에서는 상기 금속봉(143)은 상기 방전관 후단부(112)에 위치하며 이의 길이는 플라즈마 발생영역(113)에서 플라즈마 점화되지 않는 길이이며, 플라즈마의 점화가 필요한 상태에서는 상기 금속봉(143)은 상기 방전관 후단부(112)에 위치하며 이의 길이는 플라즈마 발생영역(113)까지의 길이일 수 있다.
냉각수 공급부(150)는 플라즈마 방전관(110)을 냉각하도록 플라즈마 방전관(110)의 주위를 감싸도록 구성될 수 있다. 일 예로, 냉각수 공급부(150)는 플라즈마 방전관(110)을 감싸고 내부에 유체가 이동할 수 있는 통로(151a)를 갖는 형태의 냉각수 순환관(151), 냉각수 순환관(151)의 일측에 위치하여 냉각수 저장소로부터 냉각수 순환관(151)의 내부로 냉각수를 주입하는 냉각수 주입관(152), 및 냉각수 순환관(151)으로부터 상기 냉각수 저장소로 연결되어 상기 냉각수 순환관(151) 내부를 지난 냉각수가 배출되도록 하는 냉각수 배출관(153), 냉각수 주입관(152) 상에 구비되어 냉각수를 상기 냉각수 순환관(151) 방향으로 이송하기 위한 냉각수 공급펌프(154)를 포함하는 형태일 수 있다.
전자파 발생부(160)는 전자파를 발생시키고, 전자파를 도파관(120) 내로 입력하도록 구성될 수 있다. 일 예로, 전자파 발생부(160)는 전자파를 발진하는 마이크로웨이브 발진기, 마이크로웨이브 발진기로부터의 전자파를 도파관(120) 내로 입력하기 위해 순차적으로 배열되는 순환기, 방향성 결합기, 정합기를 포함할 수 있다.
전원공급부(170)는 냉각수 공급부(150), 소스가스 공급부(130), 전자파 발생부(160)로 전원을 공급할 수 있다. 일 예로, 전원공급부로는 상용 전원이 이용될 수 있다.
플라즈마 감지 센서(181)는 플라즈마 발생영역(113)의 플라즈마 상태를 센싱할 수 있다. 플라즈마 감지 센서(181)는 광센서일 수 있고, 센싱 결과는 제어부(190)로 입력될 수 있다. 일 예로, 플라즈마 감지 센서(181)는 방출 분석 방법(optical emission spectroscopy, OES)을 이용하는 OES 센서일 수 있다.
냉각수 센서(182)는 냉각수 공급부(150)의 냉각수 상태를 센싱할 수 있다. 센싱 결과는 제어부(190)로 입력될 수 있다. 예를 들어, 냉각수의 순환 여부를 센싱할 수 있다. 일 예로, 냉각수 센서(182)는 상기 냉각수 주입관(152) 상에 설치될 수 있고, 냉각수의 유량을 측정하는 전자식 유량계, 냉각수의 유속을 측정하는 유속 센서, 냉각수의 온도를 측정하는 전자식 온도계 중 어느 하나일 수 있다.
소스가스 센서(183)는 플라즈마 소스 가스의 소스 가스 상태를 센싱할 수 있다. 센싱 결과는 제어부(190)로 입력될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 소스 가스의 주입 여부를 센싱할 수 있다. 일 예로, 소스가스 센서(183)는 상기 가스주입관(131) 상에 설치되는 전자식 유량계일 수 있다.
전자파 출력 상태 센서(184)는 전자파 발생부(160)의 전자파 출력 상태를 센싱할 수 있다. 일 예로, 전자파 출력 상태 센서(184)는 전압계일 수 있다.
제어부(190)는 플라즈마 감지 센서의 값, 상기 소스가스 센서의 값, 상기 냉각수 센서의 값, 또는 상기 전자파 출력 상태 센서의 값에 따라 상기 소스가스 공급부, 상기 냉각수 공급부, 상기 전자파 발생부, 또는 상기 전원공급부를 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 제어부(190)의 제어는, 상기 제어부(190)는 냉각수 센서의 값이 미리 정한 정상 범위 내에 있지 아니하면, 상기 전원공급부 를 오프하고; 상기 제어부는 상기 소스가스 유량 센서의 값이 미리 정한 정상 범위 내에 있11지 아니하면, 상기 전원공급부에서 상기 소스가스 공급부로의 전원을 차단하고; 상기 제어부는 상기 전자파 출력 상태 센서의 값이 미리 정한 정상 범위 내에 있지 아니하면, 상기 전원공급부에서 상기 전자파 공급부로의 전원을 차단하도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기는 경보 알림 수단(210)을 더 포함할 수 있다.
경보 알림 수단(210)은, 예를 들어, 알림음을 송출하고, 알림등을 점멸시키는 형태로 구성될 수 있다.
경보 알림 수단(210)은 제어부(190)에 의해 구동될 수 있다. 즉, 상기 제어부(190)가 상기 플라즈마 감지 센서의 값, 소스가스 센서의 값, 상기 냉각수 센서의 값, 또는 상기 전자파 출력 상태 센서의 값이 정상 범위 내에 있지 않은 경우, 상기 경보 알림 수단(210)을 통해 문제점을 알리도록 구성될 수 있다.
이하에서는 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기의 자동 운전 제어 순서를 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기의 자동 운전 제어 순서를 나타내는 흐름도이다.
먼저, 전원공급부(170)를 온(ON)시킨다(S101).
이어서, 냉각수 공급부(150)를 온(ON)시킨다(S102).
이어서, 냉각수 센서(182)를 통해 냉각수 공급 상태를 확인한다(S103). 이때, 냉각수 센서(182)의 값이 미리 정한 정상 범위 밖에 있으면 전원공급부(170)를 차단하고(S104), 상기 정상 범위 내에 있으면 소스가스 공급부(130)를 통해 플라즈마 소스가스를 공급한다(S105). 상기 전원공급부(170)를 차단하는 과정에서 경보 알림 수단(210)도 함께 구동되어서 문제가 발생되었음이 쉽게 인지되도록 한다.
이어서, 소스가스 센서(183)를 통해 플라즈마 소스가스 상태를 확인한다(S106). 이때, 소스가스 센서(183)의 값이 미리 정한 정상 범위 밖에 있으면 소스가스 공급부(130)로의 전원 공급을 차단하고(S107), 상기 정상 범위 내에 있으면 전자파 발생부(160)로부터 전자파를 플라즈마 방전관(110)에 공급한다(S108).
이어서, 전자파 출력 상태 센서(184)를 통해 전자파 출력 상태를 확인한다(S109). 이때, 전자파 출력 상태가 정상이면, 즉 전자파 출력 상태 센서(184)의 값이 미리 정한 정상 범위 내에 있으면 열전자 방출부(140)를 통해 플라즈마 점화가 정상 수행되며, 전자파 출력 상태 센서(184)의 값이 미리 정한 정상 범위 밖에 있으면 전원공급부(170)에서 전자파 발생부(160)로의 전원 공급을 차단한다(S110). 상기 전원공급부(170)에서 전자파 발생부(160)로의 전원 공급을 차단하는 과정에서 경보 알림 수단(210)도 함께 구동되어서 문제가 발생되었음이 쉽게 인지되도록 한다.
이어서, 플라즈마 감지 센서(181)를 통해 플라즈마 점화 상태를 확인한다(S111). 이때, 플라즈마 감지 센서(181)의 값이 미리 정한 정상 범위 밖에 있으면 전자파 발생부(160)로의 전원 공급을 차단하고(S110), 상기 정상 범위 내에 있으면 전자파 매칭 단계(S112) 및 플라즈마 발생영역(113)으로 연료 및 처리가스를 공급하는 단계(S113, S114)를 순차적으로 수행한다. 전자파 발생부(160)로의 전원 공급을 차단하는 과정에서 경보 알림 수단(210)도 함께 구동되어서 문제가 발생되었음이 쉽게 인지되도록 한다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기는 앞서 설명한 바와 같이, 상기 전원공급부가 On 상태로 개시된 경우, 냉각수 센서의 값이 정상 범위 밖에 있으면, 상기 전원공급부를 차단하고, 정상 범위 내에 있으면 상기 플라즈마 소스가스 공급부로부터 소스가스를 공급하고; 상기 소스가스 센서의 값이 미리 정한 정상 범위 밖에 있으면 상기 소스가스 공급부로의 전력 공급을 차단하고 정상 범위 내이면 상기 전자파 발생부로부터 전자파를 상기 방전관에 공급하며; 상기 플라즈마 점화상태를 확인하여 미리 정한 정상 범위 밖이면 상기 전자파 발생부로의 전력 공급을 차단하고 정상 범위 내이면 상기 플라즈마 발생 영역으로 연료 및 처리가스를 공급함을 포함하는 정상 구동 순서에 따라 가동되며, 작동 중 임의의 시간 간격 마다, 상기 정상 구동 순서에 따라 정상 여부를 판단을 수행하게 된다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기를 이용하면, 반응기의 자동 운전 중 정상 작동 여부를 수시로 확인하여 비정상 작동이 발생되는 경우 운전 과정을 즉시 수정하여 재가동시킬 수 있고, 반응기의 자동 운전 중 비정상 작동이 발생되는 경우 현장의 작업자가 즉시 오류를 인지할 수 있는 등, 대량의 처리가스의 처리를 위해 장시간 운전하여도 안전하게 반응기의 자동 운전이 가능해지는 이점이 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

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  16. 플라즈마가 발생하는 플라즈마 방전관;
    상기 플라즈마 방전관의 플라즈마 발생영역으로 전자파를 전송하는 도파관;
    상기 플라즈마 발생영역으로 플라즈마 소스 가스를 공급하는 소스가스 공급부; 및
    상기 플라즈마 발생영역으로 플라즈마 점화를 위해 열전자를 제공하는 열전자 방출부를 포함하며,
    상기 플라즈마 방전관은 상기 도파관을 관통하고 있으며, 상기 플라즈마 발생영역은 상기 플라즈마 방전관 내의 상기 도파관의 관통 영역이며,
    상기 플라즈마 방전관은 상기 관통된 도파관을 중심으로 일측에 구비된 플라즈마 제트를 토치하는 토치구; 및 상기 토치구의 반대측의 방전관 후단부를 포함하며,
    상기 열전자 방출부는 상기 방전관 후단부에 위치하고,
    상기 열전자 방출부는
    일단에 기체주입구를 가진 밀봉된 긴 주머니;
    상기 주머니 내에 상기 주머니의 길이 방향을 따라 삽입된 탄성체; 및
    상기 주머니의 상기 기체 주입구의 반대 끝단에 열전자 방출용 금속을 포함하고,
    상기 기체주입구의 공기 주입이 없는 상태에서는 주머니와 탄성체가 함께 말려있는 형태이고, 상기 기체주입구로 기체가 주입되면 상기 긴 주머니와 탄성체는 길게 펴지도록 구성된,
    자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 주머니는, 내열성 및 가요성을 가짐을 특징으로 하는,
    자동 운전 제어 가능한 전자파 플라즈마 토치 반응기.
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