KR102432366B1

KR102432366B1 - 고상시료 열처리 장치

Info

Publication number: KR102432366B1
Application number: KR1020200029712A
Authority: KR
Inventors: 강홍재; 이대훈; 송영훈; 김관태; 조성권; 송호현
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2022-08-12
Also published as: KR20210114249A

Abstract

본 발명의 목적은 고상시료를 급속히 열처리할 수 있는 고상시료 열처리 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고상시료 열처리 장치는, 열처리 공간에 공급되는 고상시료를 플라즈마 제트로 열처리하는 열처리기, 및 상기 열처리기에 설치되어 플라즈마를 생성하여 고상시료에 플라즈마 제트를 공급하는 플라즈마 발생기를 포함한다.

Description

고상시료 열처리 장치 {SOLID SAMPLE HEAT TREATMENT APPARATUS}

본 발명은 고상시료 열처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분말, 입자상 및 덩어리 형태의 고상시료(예, 바이오메스 및 미세 프라스틱)를 탄화 또는 활성화 및 기화로 열처리하는 고상시료 열처리 장치에 관한 것이다.

알려진 바에 따르면, 분말(powder) 형태의 시료를 열처리하는 공정은 폐자원을 재생 자원화하기 위한 과정에서 중요한 공정으로 인식되고 있다. 대표적인 분말 형태의 시료에는 바이오메스 또는 폐프라스틱이 있다. 이러한 분말 형태의 시료에 열을 가함으로써, 시료를 기화시키면서 탄화시키거나 활성화시킬 수 있다.

예를 들어, 폐프라스틱 분말이 열을 받아 기화되는 과정에서 분자구조가 바뀌게 되면서 재활용 가능한 부가가치 높은 화학 물질들을 얻을 수 있다. 또는, 커피 찌꺼기와 같은 바이오메스 분말을 열처리하므로 바이오 오일이나 활성탄을 얻을 수 있다.

분말 형태의 시료를 열처리하기 위하여 종래에는 퍼니스가 활용되어 왔다. 이때, 퍼니스 내부에 분말 형태의 시료를 넣은 후, 퍼니스의 내부 온도가 특정 온도에 도달하도록 조작하여 일정시간 열처리를 진행한다. 필요에 따라서는 퍼니스 내부에 인위적으로 가스를 주입하여 열처리 조건을 제어하기도 한다.

열처리 공정에 퍼니스를 이용하는 경우, 퍼니스 내부의 승온 시간이 길어지므로 처리시간이 상승하여 공정비용이 증가한다. 퍼니스 내부에 시료가 존재하지 않는 불필요한 영역까지 승온하므로 에너지 소모량이 증가하여 공정비용이 증가한다.

퍼니스를 이용하는 열처리 공정에서 퍼니스의 온도 조절 메커니즘에 의하여 분말시료의 급속한 열처리가 불가능하며, 퍼니스의 구조에 의하여 분말시료를 지속적으로 공급하여 처리하는데 한계가 있다. 따라서 대량의 분말시료를 처리하는데 한계가 있다.

본 발명의 목적은 고상시료를 급속히 열처리할 수 있는 고상시료 열처리 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 퍼니스에 비하여, 단시간에 승온 가능하고, 급속한 열처리를 통해서 퍼니스 열처리에서 얻을 수 없었던 새로운 부가 가치 생성물을 획득하는 고상시료 열처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 처리 가스의 온도를 제어할 수 있고, 플라즈마 방전 기체를 선택적으로 전환시키면서 탄화(pyrolysis) 또는 활성화(activation) 및 기화(gasification)의 공정을 선택적으로 구현하는 고상시료 열처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고상시료 열처리 장치는, 열처리 공간에 공급되는 고상시료를 플라즈마 제트로 열처리하는 열처리기, 및 상기 열처리 공간에 설치되어 플라즈마를 생성하여 고상시료에 플라즈마 제트를 공급하는 플라즈마 발생기를 포함한다.

상기 고상시료는 분말, 입자상 또는 연속적으로 공급 가능한 덩어리 상태의 물질을 포함할 수 있다.

상기 열처리기는 상기 열처리 공간에 공급된 고상시료의 이동과 혼합을 위한 혼합부를 더 포함할 수 있다.

상기 혼합부는 상기 열처리기에 설치되는 회전 블레이드를 포함할 수 있다.

상기 혼합부는 원통으로 형성되어 수평으로 배치되고, 상기 혼합부는 원통의 중심에 설치될 수 있다.

상기 열처리기는 열처리 공간을 형성하는 반응챔버, 상기 반응챔버의 일측에 구비되는 시료 주입구, 열처리시 생성되는 가스들과 고상물질을 배출하는 가스 배출구와 고상 배출구, 및 상기 플라즈마 발생기가 설치되는 설치구를 포함할 수 있다.

상기 열처리기는 상기 반응챔버에 설치되는 혼합부를 더 포함하며, 상기 반응챔버는 원통으로 형성되어 수평으로 배치되고, 상기 혼합부는 상기 반응챔버의 중심에 설치될 수 있다.

상기 혼합부는 회전 블레이드를 포함할 수 있다.

상기 혼합부는 상기 반응챔버의 중심에 축방향으로 설치되는 회전 블레이드를 포함할 수 있다.

상기 열처리기는 상기 반응챔버의 내표면에 설치되는 온도센서를 더 포함할 수 있다.

상기 반응챔버의 원주 상에서, 상기 설치구는 상하 방향을 기준으로 제1각도(예, 45°)로 설치되어 플라즈마 제트를 상기 반응챔버의 바닥 내표면의 가장 낮은 부분에 이르게 할 수 있다.

상기 반응챔버의 원주 상에서, 상기 시료 주입구는 상하 방향을 기준으로 상기 제1각도보다 작은 제2각도(예, 30°)로 설치되어 시료를 상기 반응챔버의 중심을 향하여 주입할 수 있다.

상기 플라즈마 발생기는 고전압이 인가되는 고전압전극, 및 상기 고전압전극을 수용하여 서로의 사이에 방전갭을 형성하여 접지전극으로 작용하며, 방전기체를 공급하는 방전기체 공급구와 플라즈마 제트를 토출하는 토출구를 구비하는 하우징을 포함할 수 있다.

상기 고전압전극은 내부에 구비되어 냉각수를 순환시키는 냉각수통로, 상기 냉각수통로에 저온의 냉각수를 공급하는 냉각수 공급구, 및 열교환된 고온의 냉각수를 배출하는 냉각수 배출구를 포함할 수 있다.

상기 하우징은 상기 토출구와 상기 방전기체 공급구를 형성하는 제1부재, 상기 제1부재에 용접으로 연결되고 상기 방전기체 공급구에 연결되는 가스챔버를 형성하는 제2부재, 상기 제2부재에 체결부재로 체결되고 상기 고전압전극을 장착하는 제3부재, 및 상기 제3부재에 결합되어 상기 냉각수통로에 연결되는 상기 냉각수 공급구와 냉각수 배출구를 구비하는 제4부재를 포함할 수 있다.

상기 열처리기는, 설정된 길이를 가지고 수평 상태로 배치되어 열처리 공간을 길게 형성하는 수평 반응챔버, 및 상기 수평 반응챔버 내의 열처리 공간에 길이 방향으로 설치되어 공급되는 고상시료를 이송하는 수평 이송부를 포함할 수 있다.

상기 수평 이송부는 스크류를 포함할 수 있다.

상기 플라즈마 발생기는 복수로 구비되어 상기 수평 반응챔버에 수평 방향을 따라 이격 배치되어 상기 열처리 공간에 플라즈마 제트를 공급할 수 있다.

상기 열처리기는, 설정된 길이를 가지고 설정된 각도를 가지고 경사지게 배치되어 열처리 공간을 길고 경사지게 형성하는 경사 반응챔버, 및 상기 경사 반응챔버 내의 열처리 공간에 설치되어 공급되는 고상시료를 경사진 이송방향으로 이송하는 경사 이송부를 포함할 수 있다.

상기 플라즈마 발생기는 복수로 구비되어 상기 경사 반응챔버에 경사 방향을 따라 이격 배치되어 상기 열처리 공간에 플라즈마 제트를 공급할 수 있다.

상기 열처리기는, 설정된 길이를 가지고 수평 상태로 배치되어 열처리 공간을 길게 형성하여 상기 경사 반응챔버의 상기 열처리 공간에 연결하는 수평 반응챔버, 및 상기 수평 반응챔버 내의 열처리 공간에 길이 방향으로 설치되어 고상시료를 이송하는 수평 이송부(예를 들면, 컨베이어 벨트 또는 수평 스크류)를 포함할 수 있다.

상기 플라즈마 발생기는 복수로 더 구비되어 상기 수평 반응챔버에 수평 방향을 따라 이격 배치되어 상기 열처리 공간에 플라즈마 제트를 공급할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 열처리기에 플라즈마 발생기를 설치하고, 플라즈마를 생성하여 고상시료에 플라즈마 제트를 공급함으로써 고상시료를 급속히 열처리할 수 있다.

일 실시예는 고온의 플라즈마 제트를 사용하므로 퍼니스에 비하여 단시간에 열처리기를 승온시킬 수 있고, 고상시료의 급속한 열처리를 통해서 퍼니스 열처리에서 얻을 수 없었던 새로운 부가 가치 생성물을 획득할 수 있다.

일 실시예는 열처리기 내의 처리 가스의 온도를 제어할 수 있고, 플라즈마 방전 기체를 선택적으로 전환시키면서 탄화(pyrolysis) 또는 활성화(activation) 및 기화(gasification)의 공정을 선택적으로 구현할 수 있다.

일 실시예는 열처리기의 반응챔버에 시료 주입구, 가스 배출구와 고상 배출구를 구비하여 고상시료를 공급하면서 열처리로 생성된 가스와 고상물질을 배출하므로 지속적인 열처리를 구현할 수 있다. 따라서 일 실시예는 대용량의 고상시료를 열처리할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 고상시료 열처리 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라서 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 열처리기에서 고상시료를 열처리하는 과정을 도시한 공정 도면이다.
도 5는 도 3에 적용되는 플라즈마 발생기의 단면도이다.
도 6 및 도 7은 도 3의 열처리기에서 실제 진행되는 열처리 과정을 도시한 사진들이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 고상시료 열처리 장치의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 고상시료 열처리 장치의 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 고상시료 열처리 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 평면도이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라서 도시한 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1실시예의 고상시료 열처리 장치(100)는 열처리기(1)와 플라즈마 발생기(2)를 포함한다. 열처리기(1)는 열처리 공간(S)에 공급되는 고상시료(PS)를 플라즈마 제트(PJ)로 열처리하여, 기체와 고상물질을 생성하도록 구성된다.

고상시료는 분말, 입자상 또는 연속적으로 공급 가능한 덩어리 상태의 물질을 포함한다. 예를 들면, 고상시료(PS)에는 바이오메스 또는 폐프라스틱이 있다. 이러한 분말 형태의 시료에 열을 가함으로써, 고상시료(PS)는 기화와 함께 탄화 또는 활성화 될 수 있다.

폐프라스틱의 고상시료(PS)는 열을 받아 기화되는 과정에서 분자구조가 바뀌게 되어 재활용 가능한 부가가치가 높은 화학 물질들을 얻을 수 있게 한다. 커피 찌꺼기와 같은 바이오메스 형태의 고상시료(PS)는 열처리되어 바이오 오일 및 활성탄을 얻을 수 있게 한다.

도 4는 도 3의 열처리기에서 고상시료를 열처리하는 과정을 도시한 공정 도면이다. 도 5를 참조하면, 플라즈마 발생기(2)는 열처리기(1)에 설치되어 플라즈마 아크(PA)를 생성하여 고상시료(PS)에 플라즈마 제트(PJ)를 공급하도록 구성된다.

다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 열처리기(1)는 열처리 공간(S)에 공급된 고상시료의 이동과 혼합을 위한 혼합부(3)를 더 포함한다. 혼합부(3)는 열처리 공간(S)에 설치되는 회전 블레이드를 포함한다. 열처리기(1)는 원통으로 형성되어 수평으로 배치되고, 혼합부(3)는 원통의 중심에 축방향으로 설치되어, 외부에 설치되는 모터(M)로 구동될 수 있다.

열처리기(1)는 열처리 공간(S)을 형성하는 반응챔버(11), 반응챔버(11)의 일측에 구비되는 시료 주입구(12), 열처리시 생성되는 가스들과 고상물질을 각각 배출하는 가스 배출구(13)와 고상 배출구(14), 및 플라즈마 발생기(2)가 설치되는 설치구(15)를 포함한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 혼합부(3)는 즉 회전 블레이드는 반응챔버(11) 내에 설치된다. 반응챔버(11)는 원통으로 형성되어 수평으로 배치되고, 혼합부(3) 즉 회전 블레이드는 반응챔버(11)의 중심에 축방향을 따라 길게 설치되며, 회전시 축방향에 직교하는 폭 방향 단부가 반응 챔버(11)의 내표면에 밀착될 수 있도록 형성된다. 혼합부(3), 즉 회전 블레이드는 플라즈마 발생기(2)와 시료 주입구(12)에 대응하는 범위에 설치된다.

따라서 혼합부(3)의 회전 블레이드가 모터(M)로 구동됨에 따라 시료 주입구(12)로 주입되는 고상시료(PS)는 혼합부(3)의 회전 블레이드의 회전으로 안내되어 플라즈마 발생기(2)에서 공급되는 플라즈마 제트(PJ)에 더 지속적으로 노출될 수 있다.

이때, 혼합부(3), 즉 회전 블레이드의 폭방향 단부와 반응챔버(11)의 내표면 사이로 플라드마 제트(PJ)가 누설되지 않는다. 따라서 토출되는 플라즈마 제트(PJ)는 고상시료(PS)의 열처리에 전량 사용될 수 있다.

혼합부(3) 즉 회전 블레이드는 축방향에서 가스 배출구(13)와 고상 배출구(14)에는 형성되지 않을 수도 있다. 따라서 혼합부(3) 즉 회전 블레이드의 회전 작동시 가스 배출구(13) 또는 고상 배출구(14)를 통하여 미처리된 고상시료(PS)의 배출을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 열처리기(1)는 반응챔버(11)의 하측 내표면에 설치되는 온도센서(16)를 더 포함한다. 온도센서(16)는 반응챔버(11)의 내표면 및 열처리 공간(S)의 온도를 검출하여, 플라즈마 발생기(2)의 출력을 제어할 수 있게 한다.

일례로써, 제어기(미도시)는 온도센서(16)의 검출 신호에 따라 플라즈마 발생기(2)의 고전압전극(21)에 인가되는 전력을 제어하여 반응챔버(11) 내의 처리 가스 온도를 제어할 수 있고, 플라즈마 발생기(2)의 플라즈마 제트(PJ)에 상응하도록 혼합부(3), 즉 회전 블레이드의 회전을 제어할 수도 있다.

반응챔버(11)의 원주 상에서, 설치구(15)는 상하 방향을 기준으로 하여 제1각도(θ1)(일례로써, 45°)로 설치되어, 플라즈마 제트(PJ)를 반응챔버(11)의 바닥 내표면의 가장 낮은 부분에 이르게 한다. 이는 고상시료(PS)가 반응챔버(11)의 바닥에 위치할 가능성이 가장 많고, 이러한 고상시료(PS)의 열처리 누락을 최소화하기 위함이다.

반응챔버(11)의 원주 상에서, 시료 주입구(12)는 상하 방향을 기준으로 제1각도(θ1)보다 작은 제2각도(θ2)(일례로써, 30°)로 설치되어 고상시료(PS)를 반응챔버(11)의 중심을 향하여 주입하게 한다.

따라서 고상시료(PS)는 시료 주입구(12)를 통하여 반응챔버(11)의 중심으로 주입되어 반응챔버(11)의 열처리 공간(S)의 하측으로 공급된다. 그리고 플라즈마 발생기(2)에서 분출되는 플라즈마 제트(PJ)는 고상시료(PS)에 집중적으로 이르러서 고상시료(PS)를 열처리할 수 있게 된다.

즉 플라즈마 제트(PJ)가 형성되는 곳에 혼합부(3), 즉 회전 블레이드를 설치하여 토출되는 플라즈마 제트(PJ)를 마주하는 방향으로 회전 구동함으로써 고상시료(PS)가 지속적으로 플라즈마 제트(PJ)에 의하여 열처리될 수 있게 한다. 따라서 고상시료(PS)의 열처리 효율이 높아지고, 열처리 용량이 증대될 수 있다.

다시 도 3 및 도 5를 참조하면, 플라즈마 발생기(2)는 고전압전극(21)과 하우징(22)을 포함한다. 고전압전극(21)은 고전압(HV)이 인가되며 내부에 구비되어 냉각수를 순환시키는 냉각수통로(211), 냉각수통로(211)에 저온의 냉각수를 공급하는 냉각수 공급구(212), 및 고전압전극(21) 내에서 열교환된 고온의 냉각수를 배출하는 냉각수 배출구(213)를 구비한다.

하우징(22)은 고전압전극(21)을 수용하여 서로의 사이에 방전갭(G)을 형성하여 접지전극으로 작용하며, 방전기체를 공급하는 방전기체 공급구(221)와 플라즈마 제트(PJ)를 토출하는 토출구(222)를 구비한다.

일례로써, 하우징(22)은 축방향을 따라 순차적으로 배치되어 서로 결합되는 제1부재(231), 제2부재(232), 제3부재(233) 및 제4부재(234)를 포함한다. 제1부재(231)는 토출구(222)와 방전기체 공급구(221)를 형성하며, 고전압전극(21)을 내장하며 고전압전극(21)과의 사이에 방전갭(G)을 한다.

제2부재(232)는 제1부재(231)에 플라즈마 발생기(2)의 길이 방향으로 결합되어 용접으로 연결되고 방전기체 공급구(221)에 연결되는 가스챔버(235)를 형성한다. 방전기체 공급구(221)는 제2부재(232)를 관통하여 가스챔버(235)에 연결되고, 가스챔버(235) 측에서 제1부재(231)를 관통하여 방전갭(G)으로 연결된다.

가스챔버(235)는 제1, 제2부재(231, 232)가 길이 방향으로 결합되는 사이에서 원주 방향을 따라 형성되고, 방전기체 공급구(221)는 복수로 구비되어 원주 방향을 따라 등 간격으로 배치되어 방전갭(G)의 원주 방향을 따라 균일한 양의 방전기체를 공급할 수 있다.

제3부재(233)는 제2부재(232)에 길이 방향으로 결합되어 체결부재(236)로 체결되고, 고전압전극(21)을 장착한다. 제1, 제2부재(231, 232)를 통하여 전지적으로 접지될 때, 고전압전극(21)을 전기적으로 절연하기 위하여 제3부재(233)는 전기 절연재로 형성될 수 있다.

제4부재(234)는 제3부재(233)에 길이 방향으로 결합되어 냉각수통로(211)에 연결되는 냉각수 공급구(212)와 냉각수 배출구(213)를 구비한다. 일례로써, 냉각수통로(211)는 제4부재(234) 내에 이중관으로 형성되어 내측 통로로 저온의 냉각수를 공급하고, 고전압전극(21)의 내부에서 열교환으로 냉각 작용한 고온의 냉각수를 외측 통로로 배출하도록 구성된다.

플라즈마 발생기(2)에서 하우징(22)이 전기적으로 접지된 상태에서 고전압전극(21)에 고전압 전력(HV)을 인가하면, 방전갭(G)에서 플라즈마 방전이 발생하고, 하우징(22)의 제1부재(231)에 형성된 토출구(222)와 고전압전극(21) 사이에 플라즈마 아크(PA)가 형성된다.

고전압전극(21)에 인가되는 고전압 전력(HV)은 교류 또는 직류 모두 가능하다. 직류 전력의 경우, 플라즈마 발생기(2)의 제1부재(231)의 외부에 자석(미도시)을 설치하여 자력을 공급함으로써 플라즈마 아크(PA)를 회전시킬 수 있다. 교류 전력의 경우, 플라즈마 발생기(2)의 방전기체 공급구(221)를 통하여 방전기체를 회전 공급함으로써 플라즈마 아크(PA)를 회전시킬 수 있다.

플라즈마 아크(PA)가 회전하면서 방전기체와 열전달이 이루어지고, 고온의 플라즈마 기체가 형성된다. 고온의 플라즈마 기체는 토출구(222)를 통하여 플라즈마 제트(PJ) 형태로 토출되며, 국부적으로 고온 영역을 형성한다.

플라즈마 발생기(2)의 고전압전극(21)에 인가되는 고전압 전력(HV)을 제어할 경우, 고온의 플라즈마 기체에 의한 플라즈마 제트(PJ)의 온도를 조절할 수 있다. 또한 플라즈마 발생기(2)는 방전기체의 종류를 변화시키므로 여러 가지 열처리 공정을 구현할 수 있다.

예를 들면, 방전기체로 질소(N2)와 같은 불활성 가스를 사용하는 경우, 고상시료(PS)를 탄화 열처리를 수행할 수 있다. 방전기체로 산소(O2), 이산화탄소(CO2) 및 수증기(H2O)를 사용하는 경우, 고상시료(PS)를 활성화 열처리를 수행할 수 있다. 탄화 및 활성화 열처리는 고상시료(PS)의 기화 열처리를 동반하여 수행한다.

플라즈마 발생기(2)는 별도의 열처리기(1)를 필요로 하지 않으면서 고전압전극(21)에 인가되는 고전압 전력(HV), 방전기체의 종류 및 방전기체의 회전 등을 조절함으로써 다양한 열처리 공정을 수행할 수 있게 한다.

또한, 플라즈마 발생기(2)는 플라즈마 제트(PJ)의 온도를 종래 퍼니스에서 도달할 수 있는 온도(대략 1000 ℃ 수준)보다도 훨씬 높은 온도영역(2000~9000 ℃)을 2~9 초 이내에 형성할 수 있다.

따라서 플라즈마 제트(PJ)가 존재하는 영역에 일례로써, 스크류 형태의 회전 공급 장치(미도시)를 설치하여 고상시료(PS)를 지속적으로 공급하는 급속 열처리 장치를 제작할 수 있게 한다.

도 6 및 도 7은 도 3의 열처리기에서 실제 진행되는 열처리 과정을 도시한 사진들이다. 도 4, 도 6 및 도 7을 참조하면, 제1실시예의 고상시료 열처리 장치(100)는 열처리기(1), 플라즈마 발생기(2) 및 혼합부(3)의 회전 블레이드를 이용하여 고상시료(PS)로 바이오메스를 열처리하는 과정을 보여주고 있다.

도 4의 (a)에서, 열처리기(1)의 반응챔버(11)에 고상시료(PS)가 공급되어 반응챔버(11) 내의 하부에 위치하며, 이때 플라즈마 발생기(2)가 토출하는 플라즈마 제트(PJ)는 고상시료(PS)에 집중적으로 도달하여 고상시료(PS) 주위에 집중적인 고온영역을 형성한다.

도 4의 (a)로부터 (b)과정에서 또한 모터(M)의 구동으로 혼합부(3), 즉 회전 블레이드가 회전하여 고상시료(PS)를 반응챔버(11) 내에서 플라즈마 제트(PJ) 측으로 끌어 올린다. 동시에 혼합부(3), 즉 회전 블레이드에 의하여 끌어 올려지는 고상시료(PS)는 플라즈마 발생기(2)가 토출하는 플라즈마 제트(PJ)에 지속적으로 노출되어 열처리된다.

도 4의 (b)에서, 혼합부(3), 즉 회전 블레이드가 수직 상방에 위치하게 되면 열처리 중인 고상시료(PS)는 반응챔버(11) 내의 하측으로 낙하된다. 도 4의 (c)에서 다시 플라즈마 제트(PJ)에 의하여 집중적으로 열처리되고, 혼합부(3), 즉 회전 블레이드가 반응챔버(11) 내의 하방에서 다시 상승하는 경우 상기한 작용을 반복하게 된다.

도 3의 (a), (b) 및 (c) 과정에서, 혼합부(3), 즉 회전 블레이드가 반응챔버(11)의 중심에 위치하여 회전하므로 고상시료(PS)를 반응챔버(11)의 내부로 지속적인 공급을 가능하게 한다. 혼합부(3), 즉 회전 블레이드는 고상시료(PS)에 대하여 급속한 열처리를 가능하게 한다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 고상시료(PS)의 열처리는 더욱 현실감 있게 확인될 수 있다. 도 6의 (a)는 플라즈마 발생기(2)에서 플라즈마 제트(PJ)가 토출되기 직전 상태이다. 혼합부(3), 즉 회전 블레이드는 우향 수평 상태를 유지한다.

도 6의 (b)는 플라즈마 발생기(2)에서 토출되는 플라즈마 제트(PJ)가 반응챔버(11)의 하부에 이르는 상태이다. 혼합부(3), 즉 회전 블레이드는 도 6의 (a)상태에서 회전하여(반시계 방향) 플라즈마 제트(PJ)가 반응챔버(11) 하부의 고상시료(PS)에 집중될 수 있도록 우하향 상태로 막고 있다.

도 6의 (c)는 플라즈마 발생기(2)에서 토출되는 플라즈마 제트(PJ)가 반응챔버(11)의 좌측에 이르는 상태이다. 혼합부(3), 즉 회전 블레이드는 도 6의 (b)상태에서 더 회전하여 플라즈마 제트(PJ)가 좌측의 고상시료(PS)에 집중될 수 있도록 수직 하향 상태로 막고 있다.

도 7의 (a)는 플라즈마 발생기(2)에서 토출되는 플라즈마 제트(PJ)가 반응챔버(11)의 좌상향측에 이르는 상태이다. 혼합부(3), 즉 회전 블레이드는 도 6의 (c)상태에서 더 회전하여 플라즈마 제트(PJ)가 좌상향측의 고상시료(PS)에 집중될 수 있도록 좌하향 상태로 막고 있다.

도 7의 (b)는 플라즈마 발생기(2)에서 토출되는 플라즈마 제트(PJ)가 반응챔버(11)의 상향측에 이르는 상태이다. 혼합부(3), 즉 회전 블레이드는 도 7의 (a)상태에서 더 회전하여 플라즈마 제트(PJ)가 상향측의 고상시료(PS)에 집중될 수 있도록 좌향 수평 상태로 막고 있다.

도 6 및 도 7의 과정을 통하여, 혼합부(3), 즉 회전 블레이드의 1회전 작동이 진행되고, 이로 인하여 주입된 고상시료(PS)는 1사이클 열처리가 완료된다. 이를 반복하므로 고상시료(PS)는 탄화, 또는 활성화 및 기화 작용으로 열처리된다.

반복적으로 열처리하는 경우, 플라즈마 발생기(2)에서 플라즈마 제트(PJ)를 계속 토출하는 경우, 도 6의 (a) 상태를 열처리 시작과 끝에만 존재하게 되고 반복되는 도중에서 형성되지 않게 된다.

별도로 도시하지 않았으나 혼합부(3), 즉 회전 블레이드는 스크류 형태의 고상시료(PS) 공급 장치로 대체될 수 있다. 고상시료(PS)의 탄화 또는 산화 및 기화시 반응챔버(11) 내에서 발생하는 처리 가스는 가스 배출구(13)로 간헐적 또는 지속적으로 배출될 수 있다.

그리고 고상 물질은 고상 배출구(14)를 통하여 간헐적으로 배출될 수 있다. 이를 위하여 가스 배출구(13) 및 고상 배출구(14)에 개폐를 단속하는 제어밸브(미도시)를 구비할 수 있다.

이하 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 제1실시예 및 기 설명된 실시예와 동일에 구성에 대한 설명을 생략하고, 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.

도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 고상시료 열처리 장치의 구성도이다. 도 8을 참조하면, 제2실시예의 고상시료 열처리 장치(200)에서, 열처리기(801)는 수평 반응챔버(811)와 수평 이송부(821)를 포함한다. 수평 이송부(821)는 스크류를 포함할 수 있다.

수평 반응챔버(811)는 설정된 길이를 가지고 수평 상태로 배치되어 열처리 공간(S2)을 길게 형성한다. 수평 반응챔버(811)의 일측에는 시료를 주입하는 시료 주입구(812)가 구비되고, 다른 일측에는 가스 배출구(813)와 고상 배출구(814)가 구비된다.

수평 이송부(821), 즉 스크류는 수평 반응챔버(811) 내의 열처리 공간(S2)에 길이 방향으로 설치되어 모터(M)에 의하여 구동된다. 따라서 수평 이송부(821)는 시료 주입구(812)로 공급되는 고상시료를 열처리 공간(S2) 내에서 이송하여 열처리 가능하게 하고, 처리 완료된 고상의 물질을 고상 배출구(814)로 이송 배출하며, 고상시료(PS)의 탄화 또는 산화 및 기화시 수평 반응 챔버(811) 내에서 발생하는 가스를 가스 배출구(813)로 이송 배출시킨다.

플라즈마 발생기(802)는 복수로 구비되며, 수평 반응챔버(811)에 수평 방향을 따라 이격 배치되어 열처리 공간(S2)에 플라즈마 제트(PJ)를 각각 공급하는 고상시료(PS)를 열처리한다. 복수의 플라즈마 발생기(802)는 수평 반응챔버(811)의 용량을 증대시킬 수 있고, 고상시료(PS)를 순차적으로 열처리 가능하게 한다.

일례로써, 시료 주입구(812)에는 고상시료(PS)를 공급하는 시료 공급 호퍼(822)가 연결되고, 가스 배출구(813)에는 발생된 가스를 포집하는 가스 포집부(823)가 연결되며, 고상 배출구(814)에는 발생된 고상 물질을 포집하는 고상 포집부(824)가 연결된다.

도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 고상시료 열처리 장치의 구성도이다. 도 9를 참조하면, 제3실시예의 고상시료 열처리 장치(300)에서, 열처리기(901)는 경사 반응챔버(911)와 경사 이송부(932)를 포함한다. 경사 이송부(932)는 스크류를 포함할 수 있다.

경사 반응챔버(911)는 설정된 길이를 가지며 설정된 각도(θ9)를 가지고 경사지게 배치되어 열처리 공간(S3)을 길고 경사지게 형성한다. 경사 반응챔버(911)의 일측에는 시료를 주입하는 시료 주입구(912)가 구비되고, 다른 일측에는 가스 배출구(913)와 고상 배출구(914)가 구비된다.

경사 이송부(932), 즉 스크류는 경사 반응챔버(911) 내의 열처리 공간(S3)에 경사 방향으로 설치되어 모터(미도시)에 의하여 구동된다. 따라서 경사 이송부(932)는 시료 주입구(912)로 공급되는 고상시료를 열처리 공간(S3) 내에서 이송하여 열처리 가능하게 하고, 처리 완료된 고상의 물질을 고상 배출구(914)로 이송 배출하며, 고상시료(PS)의 탄화 또는 산화 및 기화시 경사 반응 챔버(911) 내에서 발생하는 가스를 가스 배출구(913)로 이송 배출시킨다.

플라즈마 발생기(902)는 복수로 구비되며, 경사 반응챔버(911)에 경사 방향을 따라 이격 배치되어 열처리 공간(S3)에 플라즈마 제트(PJ)를 각각 공급하여 고상시료(PS)를 열처리한다. 복수의 플라즈마 발생기(902)는 경사 반응챔버(911)의 용량을 증대시킬 수 있고, 고상시료(PS)를 순차적으로 열처리 가능하게 한다.

일례로써, 가스 배출구(913)에는 발생된 가스를 포집하는 가스 포집부(923)가 연결되며, 고상 배출구(914)에는 발생된 고상 물질을 포집하는 고상 포집부(924)가 연결된다.

제3실시예에서, 열처리기(901)는 수평 반응챔버(921)와 수평 이송부(922)를 더 포함할 수 있다.

수평 반응챔버(921)는 설정된 길이를 가지고 수평 상태로 배치되어 열처리 공간(S31)을 길게 형성하여 경사 반응챔버(911)의 열처리 공간(S3)에 더 연결된다. 수평 이송부(922)는 컨베이어 벨트(도시) 또는 수평 스크류(미도시)로 형성되어, 수평 반응챔버(921) 내의 열처리 공간(S31)에 길이 방향으로 설치되어 고상시료를 시료 주입구(912)로 이송한다.

플라즈마 발생기(903)는 복수로 더 구비되어 수평 반응챔버(921)에 수평 방향을 따라 이격 배치되어 열처리 공간(S31)에 플라즈마 제트(PJ)를 각각 공급하여 고상시료(PS)를 더욱 열처리한다. 복수의 플라즈마 발생기(903)는 경사 반응챔버(911)의 용량을 더욱 증대시킬 수 있고, 고상시료(PS)를 더욱 순차적으로 열처리 할 수 있게 한다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

1, 801, 901: 열처리기 2, 802, 902, 903: 플라즈마 발생기
3: 혼합부(회전 블레이드) 11: 반응챔버
12, 812, 912: 시료 주입구 13, 813, 913: 가스 배출구
14, 814, 914: 고상 배출구 15: 설치구
16: 온도센서 21: 고전압전극
22: 하우징 100, 200, 300: 고상시료 열처리 장치
211: 냉각수통로 212: 냉각수 공급구
213: 냉각수 배출구 221: 방전기체 공급구
222: 토출구 231: 제1부재
232: 제2부재 233: 제3부재
234: 제4부재 235: 가스챔버
236: 체결부재 811, 921: 수평 반응챔버
821: 수평 이송부 822: 시료 공급 호퍼
823, 923: 가스 포집부 824, 924: 고상 포집부
911: 경사 반응챔버 922: 수평 이송부
932: 경사 이송부 G: 방전갭
HV: 고전압 전력 M: 모터
PA: 플라즈마 아크 PJ: 플라즈마 제트
PS: 고상시료 S, S2, S3, S31: 열처리 공간
θ1: 제1각도 θ2: 제2각도
θ9: 각도

Claims

열처리 공간에 공급되는 고상시료를 플라즈마 제트로 열처리하는 열처리기; 및
상기 열처리기에 설치되어 방전기체를 선택적으로 전환시키면서 플라즈마를 생성하여 고상시료에 플라즈마 제트를 공급하여 상기 열처리기에서 탄화 또는 활성화 공정을 구현하게 하는 플라즈마 발생기
를 포함하며,
상기 열처리기는
상기 열처리 공간을 형성하는 반응챔버,
상기 플라즈마 발생기를 상기 반응챔버에 설치하는 설치구, 및
상기 열처리 공간에 공급된 고상시료의 이동과 혼합을 위한 혼합부의 회전 블레이드를 포함하고,
상기 설치구는
상기 열처리기의 반응챔버의 원주 상에서,
상하 방향을 기준으로 제1각도로 설치되어 플라즈마 제트를 상기 반응챔버의 바닥 내표면의 가장 낮은 부분에 이르게 하며,
상기 회전 블레이드는
상기 반응챔버의 중심에 축방향을 따라 길게 설치되며,
회전시 축방향에 직교하는 폭 방향 단부로 상기 플라즈마 제트가 이르는 상기 반응 챔버의 내표면에 밀착되고,
상기 반응챔버의 다른 일측에 구비되어 열처리시 생성되는 가스들을 배출하는 가스 배출구에 비대응하며,
상기 플라즈마 발생기와 상기 반응챔버의 일측에 구비되는 시료 주입구에 대응하는 범위에 설치되는 고상시료 열처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 고상시료는
분말, 입자상 또는 연속적으로 공급 가능한 덩어리 상태의 물질을 포함하는 고상시료 열처리 장치.
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제1항에 있어서,
상기 열처리기는
원통으로 형성되어 수평으로 배치되고,
상기 혼합부는
원통의 중심에 설치되는 고상시료 열처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 열처리기는
상기 반응챔버의 일측에 구비되어 열처리시 생성되는 고상물질을 배출하는 고상 배출구를 더 포함하는 고상시료 열처리 장치.
제6항에 있어서,
상기 열처리기는
상기 반응챔버에 설치되는 혼합부를 더 포함하며,
상기 반응챔버는
원통으로 형성되어 수평으로 배치되고,
상기 혼합부는
상기 반응챔버의 중심에 설치되는 고상시료 열처리 장치.
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제6항에 있어서,
상기 열처리기는
상기 반응챔버의 내표면에 설치되는 온도센서를 더 포함하는 고상시료 열처리 장치.
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제6항에 있어서,
상기 반응챔버의 원주 상에서, 상기 시료 주입구는
상하 방향을 기준으로 상기 제1각도보다 작은 제2각도로 설치되어 시료를 상기 반응챔버의 중심을 향하여 주입하는 고상시료 열처리 장치.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 발생기는
고전압이 인가되는 고전압전극, 및
상기 고전압전극을 수용하여 서로의 사이에 방전갭을 형성하여 접지전극으로 작용하며, 방전기체를 공급하는 방전기체 공급구와 플라즈마 제트를 토출하는 토출구를 구비하는 하우징
을 포함하는 고상시료 열처리 장치.
제13항에 있어서,
상기 고전압전극은
내부에 구비되어 냉각수를 순환시키는 냉각수통로,
상기 냉각수통로에 저온의 냉각수를 공급하는 냉각수 공급구, 및
열교환된 고온의 냉각수를 배출하는 냉각수 배출구
를 포함하는 고상시료 열처리 장치.
제14항에 있어서,
상기 하우징은
상기 토출구와 상기 방전기체 공급구를 형성하는 제1부재,
상기 제1부재에 연결되고 상기 방전기체 공급구에 연결되는 가스챔버를 형성하는 제2부재,
상기 제2부재에 체결되고 상기 고전압전극을 장착하는 제3부재, 및
상기 제3부재에 결합되어 상기 냉각수통로에 연결되는 상기 냉각수 공급구와 냉각수 배출구를 구비하는 제4부재
를 포함하는 고상시료 열처리 장치.
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