KR102427546B1 - 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치는 아크를 발생시키는 점화유닛; 상기 점화유닛의 하부와 미리 설정된 거리만큼 이격되도록 배치되고, 내부에 플라즈마 프레임 방출홀이 형성되는 에노드 전극; 및 상기 에노드 전극의 내주면 일부영역의 노출을 방지하기 위하여 상기 에노드 전극의 내주면 일부분에 배치되는 제1 절연체;를 포함한다.
Description
본 발명은 전자산업(반도체, 디스플레이, 태양광 등), 석유화학산업, 일반제조산업 등의 공정에서 발생되는 온실가스, 유해가스, 가스개질을 고온 플라즈마를 이용하여 처리 및 반응시킬 수 있는 고온 플라즈마 토치의 아크 점화 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치에 관한 것이다.
현대의 제조공정에서는 고부가가치 제품을 생산하는데 있어서 정밀성, 효율성 등 제품의 성능을 향상시키기 위해 화학 반응성이 좋은 반응 물질을 다량으로 사용하고 있으며, 이로 인해 다양한 유해가스 및 온실가스를 배출한다. 이러한 유해가스들을 처리하는 방법중에 가장 효과적인 방법이 연소 및 열분해 방식이며, 이를 위해 다양한 열에너지 공급방식(전기히터, 버너, 고온플라즈마 등)이 이용되고 있다.
그 중 고온 플라즈마 방식은 3,000도 이상의 고온 영역을 가장 효과적으로 만들 수 있는 방식이며, 높은 열에너지 밀도를 형성할 수 있어, 분해가 어려운 유해가스 및 온실가스를 처리하는데 효과적으로 이용 될 수 있다.
또한, 이러한 높은 열에너지 밀도 특성 때문에 가스처리 외에도 방서선 및 유해 폐기물 처리, 가스 개질 반응, 나노입자 생산 등에도 사용되고 있다.
고온 플라즈마는 2개 이상의 전극으로 구성된 토치를 이용하여 발생시킬 수 있다. 2개 이상의 전극에 고전압을 공급할 수 있는 전원 공급장치와 연결하고, 10kv 이상의 고전압을 공급하면 아크를 점화할 수 있다. 또한, 2개 이상의 전극 사이에 일정량의 방전가스를 주입하여 아크의 움직임을 제어하면, 고온의 플라즈마 제트를 형성하고, 이를 통해 원하는 열분해 및 화학 반응을 유도할 수 있다.
고온 플라즈마를 이용한 열분해 및 화학 반응에서는 안정적인 반응과 성능을 발휘하기 위해서 일정한 부피의 고온 플라즈마 제트가 형성되어야 한다.
고온 플라즈마 제트의 부피는 2개 이상의 전극에서 형성된 아크의 길이 및 거동에 의해 결정된다. 아크의 거동을 제어하기 위해서 방전가스 주입방식, 자기장을 이용하기 위한 자석 구비, 전극의 형상 등에 대한 여러가지 방법이 제안되고 있다.
그러나, 앞서 제안된 방법들은 아크의 회전 등에 대한 거동은 효과적으로 제어할 수 있으나, 아크의 길이를 안정적으로 제어하는 데에는 한계가 있다.
또한 방전가스의 유량과 주입방식, 기류에 의해 아크점이 전극의 상하부로 급격히 이동함에 따라 아크의 길이가 지속적으로 변동되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에서는 고온 플라즈마 토치에서 안정적인 열분해 및 화학반응을 유도하기 위해 아크길이를 효과적으로 제어하여 일정한 고온 플라즈마 제트의 부피를 형성할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치는 전술한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
종래의 플라즈마 토치에 적용되는 아크 점화 장치의 문제점인 아크길이의 급격한 상하 변동을 방지하기 위한 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치는 아크를 발생시키는 점화유닛; 상기 점화유닛의 하부와 미리 설정된 거리만큼 이격되도록 배치되고, 상기 점화유닛에서 발생된 아크가 도달하는 에노드 전극; 및 상기 에노드 전극의 내주면 일부분에 배치되는 제1 절연체;를 포함한다.
상기 제1 절연체는 상기 에노드 전극 내주면의 일부영역이 노출될 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 에노드 전극은 상기 에노드 전극의 내주면 최하단 영역으로부터 상측 방향으로 미리 설정된 길이만큼 연장 형성되는 돌출영역을 포함하고, 상기 제1 절연체는 상기 돌출영역의 상부에 안착되는 것이 바람직하다.
상기 에노드 전극의 돌출영역의 상부에는 체결홈이 형성되고, 상기 제1 절연체의 하부에는 상기 체결홈에 체결되는 체결돌기가 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제1 절연체는 상기 에노드 전극과 탈부착 가능하도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 에노드 전극의 하측면에 배치되는 제2 절연체;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제2 절연체는 상기 에노드 전극의 하측면과 미리 설정된 간격으로 이격되어 배치되는 것이 바람직하다.
상기 제1 절연체는 상기 에노드 전극의 상측면을 덮도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제1 절연체는 폴리염화비닐, 테프론, 석영 및 세라믹 중 적어도 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제2 절연체는 폴리염화비닐, 테프론, 석영 및 세라믹 중 적어도 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치는 애노드 전극의 내주면 일부 영역에 고내열 절연체를 배치함으로써 유입되는 반응가스 또는 방전가스 유량에 따라 에노드 전극의 아크점이 상하로 급격하게 움직이는 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 아크점을 에노드 전극의 특정부분에 고정시킴으로써 일정한 아크길이를 안정적으로 제어할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 아크 점화 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치의 단면도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
본 발명의 여러 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치에 대한 설명에 앞서, 먼저 종래의 아크 점화 장치에 대하여 도 1을 참조하여 설명하도록 한다.
플라즈마 토치 등에 적용되는 아크 점화 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 상하로 길게 형성된 아크 형성을 위하여 점화전극을 포함하는 점화유닛(10)과 점화유닛(10)의 하부와 미리 설정된 거리만큼 이격되도록 배치되는 원통 형상의 에노드 전극(20)으로 구성되며, 에노드 전극(20)은 2개 이상으로 구성될 수도 있다..
반응가스 또는 방전가스는 상술한 점화유닛(10) 및 에노드 전극(20) 사이의 이격 공간을 통하여 아크 점화 장치 내부로 유입된다.
반응가스 또는 방전가스는 점화유닛(10) 및 에노드 전극(20) 사이의 이격 공간을 통하여 아크 점화 장치 내부로 유입된다.
점화유닛(10)과 에노드 전극(20)에 전압이 인가될 경우 점화유닛(10)과 에노드 전극(20)사이에 아크가 형성되고 점화유닛(10)과 에노드 전극(20)사이로 공급되는 반응가스 또는 방전가스가 아크를 밀어내어 고온 플라즈마 제트를 발생시킨다.
즉 상술한 바와 같이 발생된 아크에 의하여 고온 플라즈마 제트가 형성되며 이를 이용하여 열분해 및 화학반응을 유도할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이 유입되는 반응가스 또는 방전가스의 유량에 따라 에노드 전극(20)의 내주면 상에 형성된 아크점이 상하로 급격하게 움직이는 현상이 발생될 수 있다.
구체적으로 반응가스 또는 방전가스의 유량이 급격히 감소할 경우 아크점이 상부 방향으로 이동하게 되며, 이때 아크길이가 짧아지기 때문에 고온 틀라즈마 제트의 부피가 감소한다.
반대로 반응가스 또는 방전가스의 유량이 급격이 증가할 경우 아크점이 하부 방향으로 이동하게 되며, 이때 아크길이가 길어지기 때문에 고온 플라즈마 제트의 부피가 증가된다.
즉, 상기와 같이 아크점의 상하 방향으로의 이동이 빈번할 경우 일정한 아크길이를 유지할 수 없으며, 이로 인해 고온 플라즈마 제트의 부피가 변동됨으로 안정적인 열분해 및 화학반응을 유도할 수 없다.
따라서 아크길이를 안정적으로 제어하기 위한 기술적 수단이 요구된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치는 상술한 종래의 아크 점화 장치의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 이하 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치의 다양한 실시예에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 점화유닛(100), 에노드 전극(200) 및 제1 절연체(300)를 포함하도록 구성된다.
점화유닛(100)은 아크를 발생시키기 위한 구성으로, 아크 발생을 위하여 내부에 점화전극을 포함하도록 구성되며, 에노드 전극(200)은 점화유닛(100)의 하부와 미리 설정된 간격만큼 이격되도록 배치되고 점화유닛(100)에서 발생된 아크가 도달하게 되는 구성이다.
이때 반응가스 또는 방전가스는 상술한 점화유닛(100) 및 에노드 전극(200) 사이의 이격 공간을 통하여 아크 점화 장치 내부로 유입되도록 형성된다.
제1 절연체(300)는 에노드 전극(200)의 내주면 일부영역의 노출을 방지하기 위하여 에노드 전극(200)의 내주면 일부분에 배치되는 구성으로 도 2에 도시된 바와 같이 제1 절연체(300)는 에노드 전극(200) 내주면의 하부영역이 노출될 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 제1 절연체(300)는 고온 플라즈마 제트의 고온을 견딜수 있도록 고내열 절연물질로 형성되어야 하며, 폴리염화비닐, 테프론, 석영 및 세라믹 등으로 형성되는 것이 바람직하다.
즉 도 2와 같이 제1 절연체(300)를 에노드 전극(200)의 내주면의 상부영역 및 중간영역을 덮도록 배치할 경우, 점화유닛(100)에 의해 아크가 발생할 경우 에노드 전극(200)의 내주면 중 제1 절연체(300)가 설치되지 않은 영역, 즉 하부영역에 아크점이 고정되게 된다.
이를 통하여 아크 점화 장치로의 반응가스 또는 방전가스 유입량이 급감하더라도 아크점이 상측 방향으로 급격하게 이동하지 않기 때문에 일정한 길이의 아크를 형성하여 안정적인 고온 플라즈마 부피를 형성하고, 결국 효율적인 열분해 및 화학반응이 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치의 경우 자중에 의하여 제1 절연체(300)가 아래 방향으로 탈락될 수 있는 문제점이 있다.
이를 방지하기 위하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치의 에노드 전극(200)은 도 3에 도시된 바와 같이 그 내주면 최하단 영역으로부터 상측 방향으로 미리 설정된 길이만큼 연장 형성되는 돌출영역(210)을 포함하도록 형성될 수 있다.
이러한 구조에서 제1 절연체(300)는 돌출영역(210)의 상부에 안착되도록 배치됨으로써 제1 절연체(300)가 자중에 의하여 하부 방향으로 탈락됨을 방지할 수 있는 효과를 구현할 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치의 경우, 에노드 전극(200) 외주면에 형성된 아크점의 상측 방향으로의 이동을 방지할 수는 있으나, 반응가스 또는 방전가스의 급격한 유입량 증가에 의하여 아크점이 하측 방향으로 급격히 이동함으로써 결국 아크길이가 증가되고, 이로 인하여 고온 플라즈마 제트 부피가 증가될 수 있다.
특히, 아크길이가 일정길이 이상으로 증가하게 될 경우, 길이가 긴 아크를 유지하기 위한 저항이 증가되어 아크가 소멸되는 분제점이 발생할 수 있다.
상술한 문제점을 방지하기 위하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치는 도 4에 도시된 바와 같이 에노드 전극의 하측면에 배치되는 제2 절연체(400)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
즉, 본 발명의 제3 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치는 에노드 전극(200)의 돌출영역(210)에만 아크점이 형성될 수 있으며, 아크 점화 장치로의 반응가스 또는 방전가스의 유입량이 급감할 경우 제1 절연체(300)에 의하여 아크점의 상측방향으로의 이동이 제한된다.
반대로 아크 점화 장치로의 반응가스 또는 방전가스의 유입량이 급증할 경우 제2 절연체(400)에 의하여 아크점의 하측방향으로의 이동이 제한되기 때문에 아크점을 에노드 전극(200) 내주면 중 원하는 위치에 고정할 수 있으며, 이로 인하여 원하는 아크길이 및 고온 플라즈마 제트 부피를 형성할 수 있다.
또한 아크점이 에노드 전극(200)의 외부로 밀리는 것을 방지하기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 제4 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치를 고려해 볼 수도 있다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치는 상술한 본 발명의 제3 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치와 같이 제2 절연체(400)를 구비하되, 제2 절연체(400)는 도 5에 도시된 바와 같이 에노드 전극(200)의 하측면과 미리 설정된 간격으로 이격되어 배치되는 특징을 갖고 있다.
이때 에노드 전극(200의 하측면과 제2 절연체(400) 사이의 간격은 점화유닛(100)과 에노드 전극(200) 사이에 주입되는 반응가스 또는 방전가스가 해당 간격에서 와류를 발생할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하며, 이를 통하여 아크 점화 장치 내로 유입되는 반응가스 또는 방전가스의 유량이 급증할 경우 아크점은 상기 와류에 의하여 하측 방향으로의 이동이 제한됨으로써 아크길이가 증가되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치에 적용되는 제2 절연체(400)는 상술한 제1 절연체(300)와 마찬가지로 고온 플라즈마 제트의 고온을 견딜수 있도록 고내열 절연물질로 형성되어야 하며, 폴리염화비닐, 테프론, 석영 및 세라믹 등으로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 제1 절연체(300)는 에노드 전극(200)과 탈부착 가능하도록 구성될 수 있으며, 이를 통하여 장기간 사용에 의하여 제1 절연체(300)가 파손될 경우 용이하게 제1 절연체(300)를 교체할 수 있으므로 유지 및 보수의 편의성을 담보할 수 있다.
이러한 제1 절연체(300)의 탈부착 구조를 위하여 본 발명의 제5 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치는 도 6에 도시된 바와 같이 제1 절연체(300)가 에노드 전극(200)의 상측면을 덮도록 구성될 수 있다.
즉, 제1 절연체(300)의 상단에는 에노드 전극(200)의 외주 방향으로 연장 형성된 덮개부(310)를 포함하도록 형성되며, 이를 통하여 제1 절연체(300)의 하측면은 에노드 전극(200) 돌출영역(210)의 상부면에 지지되며, 제1 절연체(300)의 덮개부(310)는 에노드 전극(200)의 상측면에 지지되게 된다.
이를 통하여 제1 절연체(300)가 탈부착 가능하도록 구성되더라도 제1 절연체(300)의 자중에 의한 하측 방향으로의 탈락을 방지할 수 있으며, 나아가 아크점이 에노드 전극(200)의 상측면에 형성되는 것을 방지할 수 있게 된다.
즉, 앞서 설명한 본 발명의 다양한 실시예에 따른 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치는 에노드 전극(200)의 내주면 중 원하는 영역에 아크점을 고정시킴으로써 아크길이를 제어할 수 있으며, 이를 통하여 일정한 고온 플라즈마 제트를 형성하여 열분해 및 화학반응을 안정적으로 유도할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 점화유닛
200: 에노드 전극
300: 제1 절연체
400: 제2 절연체
200: 에노드 전극
300: 제1 절연체
400: 제2 절연체
Claims (5)
- 아크를 발생시키는 점화유닛;
상기 점화유닛의 하부와 미리 설정된 거리만큼 이격되도록 배치되고, 상기 점화유닛에서 발생된 아크가 도달하도록 형성된 에노드 전극; 및
상기 에노드 전극의 내주면의 일부영역의 노출을 방지하기 위하여 상기 에노드 전극의 내주면 일부분에 배치되는 되는 제1 절연체; 및
상기 에노드 전극의 하측면에 배치되는 제2 절연체;
를 포함하고,
상기 제1 절연체는 상기 에노드 전극의 내주면의 상부영역 및 중간영역을 덮도록 형성되며,
상기 에노드 전극은 상기 에노드 전극의 내주면 하부영역에 형성되는 돌출영역을 포함하고,
상기 제1 절연체는 상기 돌출영역의 상부에 안착되며,
상기 제1 절연체의 상단에는 상기 에노드 전극의 외주 방향으로 덮개부가 연장 형성되는 아크 길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 제1 절연체는 상기 에노드 전극과 탈부착 가능하도록 형성되는 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치.
- 삭제
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|---|---|---|---|
| KR1020200069864A KR102427546B1 (ko) | 2020-06-09 | 2020-06-09 | 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020200069864A KR102427546B1 (ko) | 2020-06-09 | 2020-06-09 | 아크길이 안정화 구조가 적용된 아크 점화 장치 |
Publications (2)
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| KR20210152861A KR20210152861A (ko) | 2021-12-16 |
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ID=79032987
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| KR20180033784A (ko) * | 2016-09-26 | 2018-04-04 | 한국기계연구원 | 아크 플라즈마 반응기를 구비한 저압 공정 설비 |
-
2020
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Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP2008177142A (ja) * | 2006-12-19 | 2008-07-31 | Denso Corp | プラズマ式点火装置 |
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| KR20210152861A (ko) | 2021-12-16 |
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