KR102473148B1 - 플라즈마 초음속 유동 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 고온 플라즈마, 즉 열플라즈마 가스를 이용하여 반응물을 분해하거나 화학반응을 유도하고, 중간생성물이 포함된 혼합 열플라즈마 가스를 초음속(supersonic) 유동으로 냉각하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 플라즈마 초음속 유동 발생장치는, 반응물을 방전가스로 사용하여 고온의 플라즈마 가스를 생성하고 상기 반응물을 분해하거나 반응물에 화학반응을 유도하여 중간생성물이 포함된 혼합 열플라즈마 가스를 형성하는 열플라즈마 발생부, 및 상기 열플라즈마 발생부에 연결되어 상기 열플라즈마 발생부로부터 유동하는 상기 혼합 열플라즈마 가스를 초음속으로 가속하여 압력과 온도 및 밀도를 저하시켜서 배출하는 초음속부를 포함한다.

Description

플라즈마 초음속 유동 발생장치 {PLASMA SUPERSONIC FLOW GENERATOR}
본 발명은 플라즈마 초음속 유동 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온 플라즈마, 즉 열플라즈마 가스를 이용하여 반응물을 분해하거나 화학반응을 유도하고, 중간생성물이 포함된 혼합 열플라즈마 가스를 초음속 유동으로 냉각하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 고온 플라즈마, 즉 열플라즈마는 주로 안정된 물질 또는 난분해성 가스를 열에너지로 분해하거나, 일반적인 연소기술로 녹일 수 없는 물질을 녹이는데 주로 사용되어 왔다.
열플라즈마는 수천 ℃의 고온을 형성할 수 있으므로 거의 모든 물질을 분해할 수 있으나 화학반응 관점에서 보면, 고온 환경으로 인하여 오히려 목표하는 물질을 선택적으로 생성하는 것을 어렵게 한다.
열플라즈마를 이용하여 목표로 하는 물질을 선택적으로 생성하기 위해서는, 열플라즈마를 통과하는 동안 반응물의 반응시간을 제어할 필요가 있다. 반응시간이 충분할 경우, 열플라즈마는 고온으로 인하여 반응물을 원자 단위까지 모두 분해될 수 있게 된다.
알려진 바에 따르면, 반응시간을 제어하기 위하여, 반응기의 형상을 단순히 연장하는 방식, 반응기의 형상을 축소하는 방식 또는 외부의 차가운 기체를 인위적으로 반응기의 내부로 공급하여 전체 반응온도를 낮추는 방식이 이용되고 있다.
이러한 반응시간 제어방식은 고온에서 수 ms 이내에 생성되었다가 소멸되는 중간생성물을 효율적으로 획득하기 어렵게 한다. 기존의 플라즈마 아음속(subsonic) 반응기에서 획득할 수 없었던 고부가 가치의 중간생성물을 획득하기 위해서는 수천 ℃의 열플라즈마를 수 ms 이내에 냉각할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 고온 플라즈마, 즉 열플라즈마 가스를 이용하여 반응물을 분해하거나 화학반응을 유도하고, 중간생성물이 포함된 혼합 열플라즈마 가스를 초음속(supersonic)으로 가속하여 초음속 전이 과정에서 발생하는 급속한 자연 냉각이 가능하도록 하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고온의 플라즈마 발생부에서 생성한 고온의 플라즈마, 즉 열플라즈마 가스를 이용하여 수천 ℃에 이르게 하여, 반응물을 분해하거나 화학반응을 유도하고, 플라즈마 발생부의 후류에 초음속부를 구비하여 중간생성물이 포함된 혼합 열플라즈마 가스를 초음속으로 가속시킴으로써 혼합 열플라즈마 가스를 냉각하고 반응시간을 수 ms 이내로 줄여서 반응물로부터 고부가 가치의 중간생성물을 효율적으로 생산 가능하게 하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치는, 반응물을 방전가스로 사용하여 고온의 플라즈마 가스를 생성하고 상기 반응물을 분해하거나 반응물에 화학반응을 유도하여 중간생성물이 포함된 혼합 열플라즈마 가스를 형성하는 열플라즈마 발생부, 및 상기 열플라즈마 발생부에 연결되어 상기 열플라즈마 발생부로부터 유동하는 상기 혼합 열플라즈마 가스를 초음속으로 가속하여 압력과 온도 및 밀도를 저하시켜서 배출하는 초음속부를 포함한다.
상기 초음속부는 초음속 노즐로 형성될 수 있다.
상기 초음속부는 서로 연결되는 노즐 입구, 노즐 목, 및 노즐 출구를 포함하며, 상기 노즐 입구의 면적(A1)은 상기 열플라즈마 발생부의 출구의 면적(Ap)과 동일하게 형성될 수 있다(A1=Ap).
상기 초음속부의 상기 노즐 입구는 수축부의 수축각도(θ1)로 상기 노즐 목에 연결되고, 상기 노즐 출구는 확장부의 확장각도(θ2)로 상기 노즐 목에 연결되며, 상기 수축각도(θ1)는 상기 확장각도(θ2)보다 크게 설정될 수 있다(θ1>θ2).
상기 수축각도(θ1)는 20°~45°로 설정되고, 상기 확장각도(θ2)는 10°~20°로 설정될 수 있다.
상기 초음속부의 상기 노즐 출구의 면적(A2)은 상기 노즐 출구에서 유동의 압력(P2)과 노즐 외부의 압력(P3)이 같아지는 지점(P2=P3)에서 설정될 수 있다.
상기 초음속부의 상기 노즐 목의 면적(Ath)은 상기 열플라즈마 발생부의 온도, 압력 및 상기 혼합 열플라즈마 가스의 유량을 고려하여 설정될 수 있다.
상기 열플라즈마 발생부는 아크 플라즈마를 발생시키도록 접지전극으로 작용하고 반응공간을 형성하여 상기 초음속부의 노즐 입구에 연결되는 하우징, 및 절연부재를 개재하여 상기 하우징의 길이 방향 단부에 장착되고 상기 하우징 내에서 상기 초음속부를 향하여 돌출되며 고전압이 인가되는 고전압전극을 포함할 수 있다.
상기 절연부재는 상기 길이 방향에서 상기 초음속부의 반대측에서 상기 하우징과 상기 고전압전극 사이에 개재될 수 있다.
상기 하우징은 방전가스를 상기 반응공간에서 회전 유동으로 유입되도록 원통의 측면에 원주의 접선방향으로 입구를 구비할 수 있다.
상기 고전압전극은 냉각수를 순환시키는 냉각수 통로를 상기 길이 방향으로 구비할 수 있다.
상기 열플라즈마 발생부는 아크 플라즈마를 발생시키도록 접지전극으로 작용하고 반응공간을 형성하여 상기 초음속부의 노즐 입구에 연결되는 하우징, 및 절연부재를 개재하여 상기 하우징의 원통 측면에 직경 방향으로 장착되고 상기 하우징 내에서 절곡되어 상기 초음속부를 향하여 돌출되며 고전압이 인가되는 고전압전극을 포함할 수 있다.
상기 절연부재는 상기 하우징의 원통 측면에서 상기 하우징과 상기 고전압전극 사이에 개재될 수 있다.
상기 하우징은 방전가스를 상기 반응공간으로 유입하도록 길이 방향 단부에 입구를 구비하고, 상기 고전압전극은 방전가스를 상기 반응공간에서 회전 유동시키도록 외면에 선회부재를 구비할 수 있다.
상기 열플라즈마 발생부는 아크 플라즈마를 발생시키도록 접지전극으로 작용하고 반응공간의 제1부를 형성하여 상기 초음속부의 노즐 입구에 연결되는 하우징, 및 절연부재를 개재하여 상기 하우징의 길이 방향 단부에 연결되어 상기 방전공간의 제2부를 형성하여 고전압이 인가되는 고전압전극을 포함할 수 있다.
상기 절연부재는 상기 반응공간의 상기 제1부와 상기 제2부의 경계를 형성하는 상기 하우징과 상기 고전압전극 사이에 개재될 수 있다.
상기 고전압전극은 방전가스를 상기 반응공간의 상기 제2부에서 회전 유동으로 유입되도록 원통의 측면에 원주의 접선방향으로 입구를 구비할 수 있다.
상기 하우징은 방전가스를 상기 반응공간의 상기 제1부에서 회전 유동으로 유입되도록 원통의 측면에 원주의 접선방향으로 입구를 구비할 수 있다.
상기 하우징은 상기 길이 방향에서 상기 고전압전극과 상기 초음속부의 사이에 구비되어 상기 반응공간의 통로를 좁게 하여 아크를 고정시키는 아크 고정부를 더 포함할 수 있다.
상기 아크 고정부는 상기 통로를 상기 초음속부의 초음속 노즐에서 노즐 목이 형성하는 통로보다 크게 형성할 수 있다.
상기 열플라즈마 발생부는 반응공간을 형성하여 상기 초음속부의 노즐 입구에 연결되는 하우징, 및 유도결합 플라즈마를 발생시키도록 상기 하우징의 외부에 구비되고 고전압이 인가되는 유도코일을 포함할 수 있다.
상기 하우징은 방전가스를 상기 반응공간으로 유입하도록 길이 방향 단부에 입구를 구비할 수 있다.
상기 열플라즈마 발생부는 반응공간을 형성하여 상기 초음속부의 노즐 입구에 연결되는 하우징, 및 용량결합 플라즈마를 발생시키도록 상기 하우징의 내부에 서로 대향하여 구비되어 고전압이 인가되는 고전압전극과 접지되는 접지전극을 포함할 수 있다.
상기 고전압전극과 상기 접지전극은 상기 하우징의 길이 방향으로 설치되어 상기 길이 방향에 교차하는 방향으로 대향하며, 상기 하우징은 방전가스를 상기 반응공간의 상기 고전압전극과 상기 접지전극 사이로 유입하도록 길이 방향 단부에 입구를 구비할 수 있다.
상기 열플라즈마 발생부는 반응공간을 형성하여 상기 초음속부의 노즐 입구에 연결되는 하우징, 및 마이크로 웨이브 플라즈마를 발생시키도록 상기 하우징의 외부에 구비되는 마이크로 웨이브 가이드를 포함할 수 있다.
상기 하우징은 방전가스를 상기 반응공간의 상기 마이크로 웨이브로 유입하도록 길이 방향 단부에 입구를 구비할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 열플라즈마 발생부 및 초음속부를 적용하여, 고온의 플라즈마, 즉 열플라즈마 가스를 생성하고 열플라즈마 가스로 반응물을 분해하거나 및 반응물에 화학반응을 유도하여 중간생성물이 포함된 혼합 열플라즈마 가스를 초음속 유동으로 가속하여 초음속 전이 과정에서 발생하는 급속한 자연 냉각하므로 반응물로부터 고부가 가치의 중간생성물을 효과적으로 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제7실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제8실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다.
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 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 플라즈마 초음속 유동 발생장치(11)는 고온의 열플라즈마 가스로 초음속 유동을 발생시키도록 형성되며, 열플라즈마 발생부(2) 및 초음속부(3)를 포함한다.
일례로써, 열플라즈마 발생부(1)는 반응물을 방전가스로 사용하여, 고온의 열플라즈마 가스를 생성하고 반응물을 분해하거나 반응물에 화학반응을 유도하여 중간생성물이 포함된 혼합 열플라즈마 가스를 형성하도록 구성된다. 이하에서는 반응물을 방전가스로 사용하는 경우를 예로 들어 설명한다. 따라서 열플라즈마 가스는 반응물을 포함하는 혼합 열플라즈마 가스이다.
초음속부(3)는 열플라즈마 발생부(1)에 연결되어 열플라즈마 발생부(1)로부터 유동하는 혼합 열플라즈마 가스를 초음속으로 가속 후, 혼합 열플라즈마 가스의 압력과 온도 및 밀도를 저하시켜서 배출하면서 중간생성물을 획득할 수 있도록 구성된다.
일례로써, 초음속부(3)는 초음속 노즐로 형성된다. 초음속 노즐은 유로가 수축되었다가 가장 좁은 목 부분을 지나서 다시 확장되는 형태를 가진다. 즉 초음속부(3)는 혼합 열플라즈마 가스의 유동 방향을 따라 노즐 입구(321), 노즐 목(322) 및 노즐 출구(323)를 포함한다. 초음속 노즐은 수축-확장 노즐(converging-diverging nozzle) 또는 드라발 노즐(de Laval nozzle)이라 한다.
열플라즈마 발생부(1)로부터 유동하는 고온의 유체, 즉 혼합 열플라즈마 가스는 수축-확장 노즐을 지나면서, 혼합 열플라즈마 가스가 가지고 있던 열에너지가 운동에너지로 전환되기 시작한다. 이러한 원리로 인하여 혼합 열플라즈마 가스는 초음속 노즐 내에서 초음속까지 가속될 수 있다.
초음속부(3)에서 열에너지가 운동에너지로 변환되는 과정에서 혼합 열플라즈마 가스의 온도는 급격히 감소하게 된다. 초음속부(3)의 초음속 노즐은 혼합 열플라즈마 가스의 냉각 또는 퀀칭(quenching) 현상을 유도할 수 있다. 초음속 노즐은 열플라즈마 발생부(1)와 함께 이용되므로 방전가스로 공급되는 반응물에서 생성되는 중간생성물을 선택 및 제어할 수 있게 한다.
초음속 노즐은 아음속(subsonic) 플라즈마 반응기에서 구현할 수 없었던 급속한 냉각 또는 퀀칭 조건을 구현하여, 고온의 혼합 열플라즈마 가스를 짧은 시간 내에 냉각할 수 있게 한다. 혼합 열플라즈마 가스의 냉각은 열플라즈마 발생부(1)에서의 반응시간을 제어할 수 있게 한다. 따라서 반응물을 혼합 열플라즈마 가스로 열분해하는 과정에서 생성되는 고부가 가치의 중간생성물의 수율이 높아질 수 있다.
열플라즈마 발생부(1)는 고온의 열플라즈마 가스를 생성하는 플라즈마 소스를 구비한다. 예를 들면, 플라즈마 소스에는 아크 플라즈마(Arc Plasma), 유도결합 플라즈마(Induction Coupled Plasma), 용량결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma), 및 마이크로 웨이브 플라즈마(Microwave Plasma)가 있다.
열플라즈마 소스를 이용해서 생성된 고온의 열플라즈마 가스는 초음속부(3)의 초음속 노즐의 수축-확장 형태를 통과하며 초음속으로 가속된다. 그리고 유동하는 혼합 열플라즈마 가스의 압력, 온도 및 밀도가 낮아진다.
초음속부(3)를 형성하는 초음속 노즐의 노즐 입구(321), 노즐 목(322) 및 노즐 출구(323)에서, 노즐 입구(321)에 형성되는 수축부(CP, converging part)와 노즐 출구(323) 측에 형성되는 팽장부(DP, diverging part) 사이에 존재하는 가장 좁은 면적을 형성하는 노즐 목(322)이 있다.
열플라즈마 가스의 초음속 가속을 위하여, 노즐 목(322)의 직경이 중요하다. 노즐 목(322)의 직경을 설정하기 위하여, 열플라즈마 발생부(2)의 압력(P1)과 질량유량(
Figure 112020032351662-pat00001
)을 먼저 설정할 필요가 있다.
초음속 노즐은 고온의 연소가스를 아음속에서 초음속으로 가속시킬 때 사용될 수 있다. 그 경우에 초음속 노즐에서 노즐 목의 직경을 결정하는 식은 수학식 1과 같다. C*(cee-star)는 연소 효율을 나타내는 지표이다.
Figure 112020032351662-pat00002
열플라즈마 발생부(2)의 압력(P1)과 방전가스(반응물일 수 있음)의 유량을 결정한 후 C*(cee-star)에 대한 값을 유추한다. 연소반응에서 C*(cee-star) 값은 완전연소를 가정하여, 반응물의 화학평형 계산에 의해서 정해진다. 화학반응이 없는 방전가스의 경우에도 열플라즈마 발생부(2)의 압력(P1)과 방전가스의 온도를 설정하면, 이론 C*(cee-star) 값을 평형(chemical equilibrium) 계산을 통해서 유추할 수 있다. 예를 들면, 열플라즈마 발생부(2)의 압력(P1)과 방전가스의 온도를 정할 경우, 일정한 C*(cee-star) 값에 대하여 방전가스의 유량이 증가할수록 노즐 목(322)의 직경도 증가하게 된다.
아음속 플라즈마 유동장을 초음속 플라즈마 유동장으로 변화시키기 위하여, 초음속부(3)의 노즐 입구(321)와 노즐 출구(323)의 압력차이가 설정된 범위로 유지되어야 한다. 초음속부(3)에서 노즐 입구(321)의 압력은 열플라즈마 발생부(2)의 혼합 열플라즈마 가스 유속이 상대적으로 느릴 경우, 열플라즈마 발생부(2)의 압력(P1)과 동일하다고 가정할 수 있다. 열역학적인 관점에서 고온의 혼합 열플라즈마 가스를 이상기체(ideal gas)라 가정하고, 초음속부(3)의 노즐 입구(321)와 노즐 출구(323)의 형상에 대해 등엔트로피 팽창(isentropic expansion) 과정을 이론적으로 계산할 수 있다. 방전가스의 질량과 모멘텀, 총 에너지가 초음속부(3)의 노즐 입구(321)와 노즐 출구(323)에서 보존된다고 가정할 때, 등엔트로피 관계식에 의해 수학식 2와 같은 관계식을 유도할 수 있다.
Figure 112020032351662-pat00003
Figure 112022065923160-pat00004
는 등엔트로피 팽창 과정에서의 전후 전온도비(Absolute temperature drops during an isentropic expansion)를 의미한다. T1은 등엔트로피 팽창 과정 전의 온도이며, T2는 등엔트로피 팽창 과정 후의 온도이고, 전온도비는 등엔트로피 팽창 과정 동안 절대 온도 강하비를 의미한다.
Figure 112022065923160-pat00005
는 등엔트로피 팽창 과정에서의 전후 압력비(Pressure drops during an isentropic expansion)를 의미한다. P1은 등엔트로피 팽창 과정 전의 압력이며, P2는 등엔트로피 팽창과정 후의 압력을 의미한다.
Figure 112022065923160-pat00006
는 등엔트로피 팽창 과정에서의 전후 부피상승비(Specific volume increases during an isentropic expansion)를 의미한다. V1은 등엔트로피 팽창 과정 전의 부피이며, V2는 등엔트로피 팽창 과정 후의 부피를 의미한다.
Figure 112022065923160-pat00007
는 방전가스의 열비(Specific heat ratio of discharge gas)를 의미한다.
열플라즈마 발생부(2) 내의 고온 열플라즈마 가스의 유동에 대하여 정체 엔탈피(stagnation enthalpy)(
Figure 112020032351662-pat00008
)는 정엔탈피(static enthalpy) 또는 지역 엔탈피(static or local enthalpy)(
Figure 112020032351662-pat00009
)와 유체운동에너지(fluid kinetic energy) (
Figure 112020032351662-pat00010
)의 합으로 나타낼 수 있다(수학식 3 참조). 고온의 열플라즈마 방전가스를 이상기체라고 가정할 경우, 엔탈피는 정압에서 방전가스의 열비(specific heat)(
Figure 112020032351662-pat00011
) 값과 전온도(
Figure 112020032351662-pat00012
)의 곱으로 표현할 수 있다.
Figure 112020032351662-pat00013
이 등엔트로피 팽창 관계식의 온도비에 대한 관계를 수학식 2에 대입할 경우, 수학식 4와 같은 관계식이 유도될 수 있다. 열플라즈마 발생부(2) 내의 방전가스의 속도가 초음속 유동에 비해 상대적으로 느리다고 가정할 경우, 열플라즈마 발생부(2) 내 방전가스의 온도를 전온도와 같다고 가정할 수 있다(
Figure 112020032351662-pat00014
).
Figure 112020032351662-pat00015
일반적으로, 이상기체에 대한 음속(
Figure 112020032351662-pat00016
, acoustic velocity)은 수학식 5와 같이 압력과 무관한 값으로 표현된다. 여기서
Figure 112020032351662-pat00017
은 기체 상수이고,
Figure 112020032351662-pat00018
는 기체의 온도이다. 특정 기체의 속도를 음속의 비로 나타낸 것이 음속(
Figure 112020032351662-pat00019
, Mach number)이다(수학식 6 참조).
Figure 112020032351662-pat00020
Figure 112020032351662-pat00021
수학식 6을 수학식 4에 대입하여 나타내면 수학식 7이 된다.
Figure 112020032351662-pat00022
계속해서, 수학식 7을 등엔트로피 팽창 관계식을 통해 압력에 관한 식으로 변환할 수 있는데, 수학식 8과 같다. 수학식 8에서도 열플라즈마 발생부(2)의 방전가스의 속도가 상대적으로 느릴 경우 전압력을 열플라즈마 발생부(2) 내 방전가스의 압력과 같다고 가정할 수 있다 (
Figure 112020032351662-pat00023
).
Figure 112020032351662-pat00024
수학식 8에 따르면 초음속부(3)의 초음속 노즐의 노즐 출구(323)의 압력(P2)과 음속(Mach number), 방전가스의 열비(
Figure 112020032351662-pat00025
, specific heat ratio)를 결정하면 초음속 유동을 형성하기 위한 열플라즈마 발생부(2)의 압력(P1)을 이론적으로 계산할 수 있다.
예를 들어, 공기에 대하여 초음속부(3)의 노즐 출구(323)가 대기압 상태이고, 이때 형성하고 싶은 초음속부(3)의 노즐 출구(323)의 혼합 열플라즈마 가스의 속도가 음속과 동일할 경우 수학식 8을 통하여 열플라즈마 발생부(2)의 압력(P1)을 아래와 같이 예측할 수 있다.
Figure 112020032351662-pat00026
수학식 8의 계산 결과는
Figure 112020032351662-pat00027
이다.
이상적인 조건에서 열플라즈마 발생부(2)의 압력(P1)이 약 1.9 bar 정도이면 노즐 출구(323)에서 혼합 열플라즈마 가스의 유동속도를 음속에 도달하게 할 수 있다. 즉, 열플라즈마 발생부(2)의 압력(P1)이 이보다 높을 경우, 대기압에서 초음속 유동을 형성할 수 있게 된다.
제1실시예의 플라즈마 초음속 유동 발생장치(11)의 운영 조건을 수학식 8에 대입할 경우, 열플라즈마 발생부(2) 내의 최소 설계 압력(P1)을 이론적으로 예측할 수 있게 된다.
초음속부(3) 즉 초음속 노즐에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 노즐 입구(321)의 면적(A1)은 열플라즈마 발생부(2)의 출구의 면적(Ap)과 동일하게 형성된다(A1=Ap). 열플라즈마 발생부(2)의 출구와 초음속부(3) 노즐 입구(321)의 연결 부분에서 혼합 열플라즈마 가스의 유동속도가 불필요하게 변화되는 것을 방지한다.
초음속부(3) 즉 초음속 노즐을 통과하면서 혼합 열플라즈마 가스의 유동장에 발생하는 압력 손실을 최소화하기 위하여, 노즐 입구(321)는 수축부(CP)의 수축각도(θ1)로 노즐 목(322)에 연결되고, 노즐 출구(23)는 확장부(DP)의 확장각도(θ2)로 노즐 목(22)에 연결된다. 수축각도(θ1)는 확장각도(θ2)보다 크게 설정된다(θ1>θ2). 수축각도(θ1)가 확장각도(θ2)보다 크게 설정되므로 혼합 열플라즈마 가스가 수축부(CP)에서 수축되고 노즐 목(322)을 통과한 후에도 확장부(DP)에서 확장될 때, 혼합 열플라즈마 가스의 속도가 지나치게 상승하는 것을 방지한다.
일례로써, 수축각도(θ1)는 20°~45°로 설정되고, 확장각도(θ2)는 10°~20°로 설정될 수 있다. 수축각도(θ1)가 20°미만인 경우, 수축부(CP)에서 혼합 열플라즈마 가스의 수축이 미약하게 이루어질 수 있고, 수축각도(θ1)가 45°초과인 경우, 수축부(CP)에서 혼합 열플라즈마 가스의 수축이 과하게 이루어질 수 있다.
확장각도(θ2)가 10°미만인 경우, 확장부(DP)에서 확장이 미약하기 이루어질 수 있고, 확장각도(θ2)가 20°를 초과하는 경우, 확장부(DP)에서 혼합 열플라즈마 가스의 확장이 과하게 이루어질 수 있다. 수축각도(θ1)가 20°~45°일때, 확장각도(θ2)는 20°일 경우 혼합 열플라즈마 가스의 압력과 온도 및 밀도를 적절히 낮출 수 있다.
초음속부(3)의 노즐 입구(321)로 유입되던 혼합 열플라즈마 가스의 아음속 유동장은 초음속부(3)의 노즐 목(322)을 통과하면서 초음속 유동장으로 천이된다. 아음속의 혼합 열플라즈마 가스는 노즐 목(322)부터 노즐 출구(323)까지 확장부(DP)를 통과하면서, 속도가 점점 가속되고, 온도와 압력이 점점 낮아진다.
초음속부(3)의 노즐 출구(323)의 면적(A2)은 노즐 출구(323)에서 유동의 압력(P2)과 노즐 외부의 압력(P3)이 같아지는 지점(P2=P3)에서 결정하여 설정될 수 있다. 초음속부(3)의 내부와 외부에서 압력 차이가 없어지게 한다.
따라서 확장각도(θ2)가 커질수록 노즐 출구(323)의 면적(A2)에 이르는 초음속부(3)의 길이가 짧아지고, 확장각도(θ2)가 작아질수록 노즐 출구(323)의 면적(A2)에 이르는 초음속부(3)의 길이가 길어질 수 있다.
초음속부(3)의 노즐 목(322)의 면적(Ath)은 열플라즈마 발생부(2)의 온도, 압력 및 혼합 열플라즈마 가스의 유량을 고려하여 설정된다. 이때, 수학식 1 내지 수학식 8을 통하여, 노즐 목(322)의 면적(Ath)이 설정될 수 있다.
제1실시예의 플라즈마 초음속 유동 발생장치(11)에서, 열플라즈마 발생부(2)는 하우징(201) 및 고전압전극(202)을 포함한다. 하우징(201)은 아크 플라즈마(AC)를 발생시키도록 접지전극으로 작용하고 반응공간(DS)을 형성하여 초음속부(3)의 노즐 입구(321)에 연결된다.
고전압전극(202)은 절연부재(203)를 개재하여 하우징(201)의 길이 방향 단부에 장착되고 하우징(201) 내에서 초음속부(2)를 향하여 돌출되며 고전압(HV)이 인가된다.
절연부재(203)는 하우징(201)의 길이 방향에서 초음속부(3)의 반대측에서 하우징(201)과 고전압전극(202) 사이에 개재되어, 고전압전극(202)을 하우징(201)으로부터 전기적으로 절연시킨다.
하우징(201)은 원통의 측면에 원주의 접선방향으로 입구(204)를 구비할 수 있다. 따라서 공급되는 방전가스(반응물일 수 있음)는 입구(204)를 통하여 반응공간(DS)에서 회전 유동하도록 유입된다. 방전가스의 회전 유입으로 인하여 혼합 열플라즈마 가스(TPG)는 열플라즈마 발생부(2)에서 회전 유동하면서 초음속부(3)로 공급될 수 있다.
고전압전극(202)은 냉각수 통로(205)를 길이 방향으로 구비한다. 냉각수 통로(205)는 냉각수를 고전압전극(202)의 내부에 순환시켜서 고전압전극(202)의 과열을 방지하여, 고전압전극(202)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 제1실시예 및 기 설명된 실시예들과 비교하여 동일한 구성을 생략하고, 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 제2실시예의 플라즈마 초음속 유동 발생장치(12)에서, 열플라즈마 발생부(22)는 하우징(221) 및 고전압전극(222)을 포함한다. 하우징(221)은 아크 플라즈마(AC)를 발생시키도록 접지전극으로 작용하고 반응공간(DS)을 형성하여 초음속부(3)의 노즐 입구(321)에 연결된다.
고전압전극(222)은 절연부재(223)를 개재하여 하우징(221)의 원통 측면에 직경 방향으로 장착되고 하우징(221) 내에서 절곡되어 초음속부(3)를 향하여 돌출되며 고전압(HV)이 인가된다.
절연부재(223)는 하우징(221)의 원통 측면에서 하우징(221)과 고전압전극(222) 사이에 개재되어, 고전압전극(222)을 하우징(221)으로부터 전기적으로 절연시킨다.
하우징(221)은 길이 방향 단부에 입구(224)를 구비할 수 있다. 따라서 공급되는 방전가스(반응물일 수 있음)는 입구(224)를 반응공간(DS)으로 직선 유입된다. 고전압전극(222)은 외면에 선회부재(226)를 구비한다. 선회부재(226)는 입구(224)로 유입되는 방전가스를 반응공간(DS)에서 회전 유동시킨다. 방전가스의 회전 유동으로 인하여 혼합 열플라즈마 가스(TPG)는 열플라즈마 발생부(2)에서 회전 유동하면서 초음속부(3)로 공급될 수 있다.
고전압전극(222)은 냉각수 통로(225)를 길이 방향으로 구비한다. 냉각수 통로(225)는 냉각수를 절곡된 고전압전극(222)의 내부에 순환시켜서 고전압전극(222)의 과열을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 제3실시예의 플라즈마 초음속 유동 발생장치(13)에서, 열플라즈마 발생부(33)는 하우징(331) 및 고전압전극(332)을 포함한다. 하우징(331)은 아크 플라즈마(AC)를 발생시키도록 접지전극으로 작용하고 반응공간(DS)의 제1부(DS1)를 형성하여 초음속부(3)의 노즐 입구(321)에 연결된다.
고전압전극(332)은 절연부재(333)를 개재하여 하우징(331)의 길이 방향 단부에 연결되어 방전공간(DS)의 제2부(DS2)를 형성하여 고전압(HV)이 인가된다. 따라서 하우징(331)과 고전압전극(332)은 방전공간(DS)에서 길이 방향을 따라 면방전을 일으킨다.
절연부재(333)는 반응공간(DS)의 제1부(DS1)와 제2부(DS2)의 경계를 형성하는 하우징(331)과 고전압전극(332) 사이에 개재되어, 고전압전극(332)을 하우징(331)으로부터 전기적으로 절연시킨다.
고전압전극(332)은 원통의 측면에 원주의 접선방향으로 입구(334)를 구비할 수 있다. 따라서 공급되는 방전가스(반응물일 수 있음)는 입구(334)를 통하여 반응공간(DS)의 제2부(DS2)로 회전 유동하면서 유입된다. 이로 인하여, 반응공간(DS)의 제2부(DS2)에서 혼합 열플라즈마 가스(TPG)가 회전 유동한다. 방전가스의 회전유동 유입으로 인하여 혼합 열플라즈마 가스(TPG)는 회전 유동하면서 초음속부(3)로 공급될 수 있다.
열플라즈마 발생부(33)는 반응공간(DS)에 고전압전극을 구비하지 않으므로 고전압전극을 내부에 구비하는 경우와 비교할 때, 혼합 열플라즈마 가스(TPG)의 용량을 증대시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 제4실시예의 플라즈마 초음속 유동 발생장치(43)에서, 열플라즈마 발생부(43)는 하우징(431) 및 고전압전극(432)을 포함한다. 하우징(431)은 아크 플라즈마(AC)를 발생시키도록 접지전극으로 작용하고 반응공간(DS)의 제1부(DS1)를 형성하여 초음속부(3)의 노즐 입구(321)에 연결된다.
고전압전극(432)은 절연부재(333)를 개재하여 하우징(431)의 길이 방향 단부에 연결되어 방전공간(DS)의 제2부(DS2)를 형성하여 고전압(HV)이 인가된다. 따라서 하우징(431)과 고전압전극(432)은 방전공간(DS)에서 길이 방향을 따라 면방전을 일으킨다.
절연부재(333)는 반응공간(DS)의 제1부(DS1)와 제2부(DS2)의 경계를 형성하는 하우징(431)과 고전압전극(432) 사이에 개재되어, 고전압전극(432)을 하우징(431)으로부터 전기적으로 절연시킨다.
하우징(431)은 원통의 측면에 원주의 접선방향으로 입구(434)를 구비할 수 있다. 따라서 공급되는 방전가스(반응물일 수 있음)는 입구(434)를 통하여 반응공간(DS)의 제1부(DS1)로 회전유동하면서 유입된다. 이로 인하여, 반응공간(DS)의 제1부(DS1)에서 방전가스가 회전유동하여 방전가스 및 혼합 열플라즈마 가스(TPG)는 회전유동하면서 제2부(DS2)로 갔다가 회전 유동하면서 제1부(DS1)를 통하여 초음속부(3)로 공급될 수 있다. 이로 인하여, 혼합 열플라즈마 가스(TPG)가 일방향으로만 진행하는 것과 비교할 대, 제한된 반응공간(DS)에서 보다 크게 반응공간(DS)을 활용할 수 있다. 반응물을 방전가스로 적용할 때, 반응물의 분해 및 반응물의 화학반응의 유도 성능이 더욱 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 제5실시예의 플라즈마 초음속 유동 발생장치(53)에서, 열플라즈마 발생부(52)는 하우징(501) 및 고전압전극(202)을 포함한다. 하우징(501)은 아크 고정부(503)를 더 포함한다. 아크 고정부(503)는 길이 방향에서 고전압전극(202)과 초음속부(3)의 사이에 구비되어 반응공간(DS)의 통로를 좁게 하여 아크를 고정시킨다.
플라즈마를 배출하는 노즐 출구(323)와 초음속 발생을 위한 초음속 노즐(3)이 통합되면 고전압(HV)의 전력공급 조건에 따라 아크의 발생과정에서 접지전극으로 작용하는 하우징(501)에 연결되는 아크스팟(arc spot), 즉 아크 플라즈마(AP)가 초음속 노즐(3)의 후단 팽창부를 통하여 노즐 출구(323)로 나올 수 있다. 이 경우 아크 플라즈마(AC)의 인근 및 아크 플라즈마(AC) 이후에 형성되는 고온조건에 의한 화학반응은 초음속 발생에 따른 ??칭 효과를 얻을 수가 없게 된다. 이를 방지하기 위하여, 아크 플라즈마(AC)를 초음속 노즐(3) 이전에 위치시켜 고정할 필요가 있다. 이를 위하여 초음속 노즐(3)보다 단면 직경이 큰 아크 고정부(503)를 노즐 입구(321)의 전방에 설치한다.
아크 고정부(503)는 반응공간(DS)의 통로를 초음속부(3)의 초음속 노즐에서 노즐 목(322)이 형성하는 통로보다 크게 형성한다. 따라서 아크 고정부(503)는 초음속부(3)의 전방에서 아크 플라즈마(AC)를 고정시켜 아크 고정부(503)와 초음속부(3) 사이에서 고온 플라즈마에 의한 혼합 열플라즈마 가스(TPG)를 형성할 수 있다. 즉 반응공간(DS)을 회전 아크 플라즈마(AC)가 형성되는 제1부(DS51)와 혼합 열플라즈마 가스(TPG)가 형성되는 제2부(DS52)를 구분한다. 제2부(DS52)가 짧게 형성되므로 혼합 열플라즈마 가스(TPG)의 압력과 온도 및 밀도를 더욱 신속하게 낮출 수 있다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 제6실시예의 플라즈마 초음속 유동 발생장치(14)에서, 열플라즈마 발생부(44)는 하우징(441) 및 유도코일(442)을 포함한다. 하우징(441)은 반응공간(DS)을 형성하여 초음속부(3)의 노즐 입구(321)에 연결되고, 유도코일(442)은 유도결합 플라즈마를 발생시키도록 하우징(441)의 외부에 구비되고 고전압이 인가된다.
하우징(441)은 방전가스를 반응공간(DS)으로 유입하도록 길이 방향 단부에 입구(444)를 구비한다. 따라서 공급되는 방전가스(반응물일 수 있음)는 입구(444)를 통하여 반응공간(DS)으로 직선 유입된다. 이로 인하여, 유도결합 플라즈마에 의하여 반응공간(DS)에서 혼합 열플라즈마 가스(TPG)가 발생되어 초음속부(3)로 공급될 수 있다.
열플라즈마 발생부(44)는 반응공간(DS)에 고전압전극을 구비하지 않으므로 고전압전극을 내부에 구비하는 경우와 비교할 때, 혼합 열플라즈마 가스(TPG)의 용량을 증대시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 제7실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다. 도 7을 참조하면, 제7실시예의 플라즈마 초음속 유동 발생장치(15)에서, 열플라즈마 발생부(54)는 하우징(543)과 접지전극(541) 및 고전압전극(542)을 포함한다. 하우징(543)은 반응공간(DS)을 형성하여 초음속부(3)의 노즐 입구(321)에 연결되고, 접지전극(541) 및 고전압전극(542)은 용량결합 플라즈마를 발생시키도록 하우징(543)의 내부에 서로 대향하여 구비되어 각각 접지되고 고전압(HV)이 인가된다.
접지전극(541) 및 고전압전극(542)은 하우징(543)의 길이 방향으로 설치되어 길이 방향에 교차하는 방향으로 서로 대향한다. 하우징(543)은 길이 방향 단부에 입구(544)를 구비한다. 따라서 공급되는 방전가스(반응물일 수 있음)는 입구(544)를 통하여 반응공간(DS)으로 직선 유입된다. 이로 인하여, 용량결합 플라즈마에 의한 반응공간(DS)의 접지전극(541)과 고전압전극(542) 사이에서 혼합 열플라즈마 가스(TPG)가 발생되어 초음속부(3)로 공급될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제8실시예에 따른 플라즈마 초음속 유동 발생장치의 단면도이다. 도 8을 참조하면, 제8실시예의 플라즈마 초음속 유동 발생장치(16)에서, 열플라즈마 발생부(64)는 하우징(643)과 마이크로 웨이브 가이드(641)를 포함한다. 하우징(643)은 반응공간(DS)을 형성하여 초음속부(3)의 노즐 입구(321)에 연결되고, 마이크로 웨이브 가이드(641)는 마이크로 웨이브 플라즈마를 발생시키도록 하우징(643)의 외부에 구비된다.
하우징(643)은 길이 방향 단부에 입구(644)를 구비한다. 따라서 공급되는 방전가스(반응물일 수 있음)는 입구(644)를 통하여 반응공간(DS)으로 직선 유입된다. 따라서 공급되는 방전가스는 반응공간(DS)으로 직선 유입된다. 마이크로 웨이브 가이드(641)는 마이크로 웨이브를 방전공간(DS)으로 유도한다. 즉, 마이크로 웨이브가 방전공간(DS)으로 유도되는 마이크로 웨이브의 내부로 유입되므로 방전공간(DS)에서 혼합 열플라즈마 가스(TPG)가 발생되어 초음속부(3)로 공급될 수 있다.
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.
11, 12, 13, 14, 15, 16, 43, 53: 플라즈마 초음속 유동 발생장치
2, 22, 33, 43, 44, 54, 64: 열플라즈마 발생부
3: 초음속부
201, 221, 331, 431, 441, 501, 543, 643: 하우징
202, 222, 332, 432, 542: 고전압전극
204, 224, 334, 434, 544, 604, 644: 입구
205, 225: 냉각수 통로 223, 333: 절연부재
226: 선회부재 321: 노즐 입구
322: 노즐 목 323: 노즐 출구
442: 유도코일 503: 아크 고정부
541: 접지전극 641: 마이크로 웨이브 가이드
A1, A2, Ap, Ath: 면적 AC: 아크 플라즈마
CP: 수축부 DP: 팽장부
DS: 반응공간 DS1, DS51: 제1부
DS2, DS52: 제2부 HV: 고전압
P1, P2, P3: 압력 TPG: 혼합 열플라즈마 가스
θ1: 수축각도 θ2: 확장각도

Claims (26)

  1. 반응물을 방전가스로 사용하여 고온의 플라즈마 가스를 생성하고 상기 반응물을 분해하거나 반응물에 화학반응을 유도하여 중간생성물이 포함된 혼합 열플라즈마 가스를 형성하는 열플라즈마 발생부; 및
    상기 열플라즈마 발생부에 연결되어 상기 열플라즈마 발생부로부터 유동하는 상기 혼합 열플라즈마 가스를 초음속으로 가속하여 압력과 온도 및 밀도를 저하시켜서 배출하는 초음속부
    를 포함하며,
    상기 초음속부는
    서로 연결되는 노즐 입구, 노즐 목, 및 노즐 출구를 포함하며,
    상기 노즐 목의 직경을 결정하는 식은 수학식 1과 같고,
    상기 수학식 1은
    Figure 112022065923160-pat00036

    이며,
    C*(cee-star)는 연소 효율을 나타내는 지표이고,
    P1은 상기 열플라즈마 발생부의 압력이며,
    Ath는 노즐 목의 면적이고,
    Figure 112022065923160-pat00037
    은 방전가스의 질량유량인 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음속부는
    초음속 노즐로 형성되는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 입구의 면적(A1)은
    상기 열플라즈마 발생부의 출구의 면적(Ap)과 동일하게 형성되는(A1=Ap) 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초음속부의 상기 노즐 입구는 수축부의 수축각도(θ1)로 상기 노즐 목에 연결되고,
    상기 노즐 출구는 확장부의 확장각도(θ2)로 상기 노즐 목에 연결되며,
    상기 수축각도(θ1)는 상기 확장각도(θ2)보다 크게 설정되는(θ1>θ2) 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수축각도(θ1)는 20°~45°로 설정되고,
    상기 확장각도(θ2)는 10°~20°로 설정되는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 초음속부의 상기 노즐 출구의 면적(A2)은,
    상기 노즐 출구에서 유동의 압력(P2)이 노즐 외부의 압력(P3)보다 큰 지점에서 설정되며,
    상기 압력(P3)은 대기압인 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 초음속부의 상기 노즐 목의 면적(Ath)은
    상기 열플라즈마 발생부의 온도, 압력 및 상기 혼합 열플라즈마 가스의 유량을 고려하여 설정되는 수학식 2와 같고,
    상기 수학식 2는
    Figure 112022065923160-pat00038

    이며,
    Figure 112022065923160-pat00039
    는 등엔트로피 팽창 과정에서의 전후 전온도비이고, T1은 등엔트로피 팽창 과정 전의 온도이며, T2는 등엔트로피 팽창 과정 후의 온도이고, 전온도비는 절대 온도 강하비를 의미하고,
    Figure 112022065923160-pat00040
    는 등엔트로피 팽창 과정에서의 전후 압력비이고, P1은 등엔트로피 팽창 과정 전의 압력이며, P2는 등엔트로피 팽창과정 후의 압력을 의미하며,
    Figure 112022065923160-pat00041
    는 등엔트로피 팽창 과정에서의 전후 부피상승비이고, V1은 등엔트로피 팽창 과정 전의 부피이며, V2는 등엔트로피 팽창 과정 후의 부피를 의미하고,
    Figure 112022065923160-pat00042
    는 방전가스의 열비를 의미하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 열플라즈마 발생부는
    아크 플라즈마를 발생시키도록 접지전극으로 작용하고 반응공간을 형성하여 상기 초음속부의 노즐 입구에 연결되는 하우징, 및
    절연부재를 개재하여 상기 하우징의 길이 방향 단부에 장착되고 상기 하우징 내에서 상기 초음속부를 향하여 돌출되며 고전압이 인가되는 고전압전극
    을 포함하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 절연부재는
    상기 길이 방향에서 상기 초음속부의 반대측에서 상기 하우징과 상기 고전압전극 사이에 개재되는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 하우징은
    방전가스를 상기 반응공간에서 회전 유동으로 유입되도록 원통의 측면에 원주의 접선방향으로 입구를 구비하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 고전압전극은
    냉각수를 순환시키는 냉각수 통로를 상기 길이 방향으로 구비하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 열플라즈마 발생부는
    아크 플라즈마를 발생시키도록 접지전극으로 작용하고 반응공간을 형성하여 상기 초음속부의 노즐 입구에 연결되는 하우징, 및
    절연부재를 개재하여 상기 하우징의 원통 측면에 직경 방향으로 장착되고 상기 하우징 내에서 절곡되어 상기 초음속부를 향하여 돌출되며 고전압이 인가되는 고전압전극
    을 포함하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 절연부재는
    상기 하우징의 원통 측면에서 상기 하우징과 상기 고전압전극 사이에 개재되는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 하우징은
    방전가스를 상기 반응공간으로 유입하도록 길이 방향 단부에 입구를 구비하고,
    상기 고전압전극은
    방전가스를 상기 반응공간에서 회전 유동시키도록 외면에 선회부재를 구비하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 열플라즈마 발생부는
    아크 플라즈마를 발생시키도록 접지전극으로 작용하고 반응공간의 제1부를 형성하여 상기 초음속부의 노즐 입구에 연결되는 하우징, 및
    절연부재를 개재하여 상기 하우징의 길이 방향 단부에 연결되어 상기 반응공간의 제2부를 형성하여 고전압이 인가되는 고전압전극
    을 포함하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 절연부재는
    상기 반응공간의 상기 제1부와 상기 제2부의 경계를 형성하는 상기 하우징과 상기 고전압전극 사이에 개재되는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 고전압전극은
    방전가스를 상기 반응공간의 상기 제2부에서 회전 유동으로 유입되도록 원통의 측면에 원주의 접선방향으로 입구를 구비하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 하우징은
    방전가스를 상기 반응공간의 상기 제1부에서 회전 유동으로 유입되도록 원통의 측면에 원주의 접선방향으로 입구를 구비하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  19. 제8항에 있어서,
    상기 하우징은
    상기 길이 방향에서 상기 고전압전극과 상기 초음속부의 사이에 구비되어 상기 반응공간의 통로를 좁게 하여 아크를 고정시키는 아크 고정부
    를 더 포함하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 아크 고정부는
    상기 통로를 상기 초음속부의 초음속 노즐에서 노즐 목이 형성하는 통로보다 크게 형성하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 열플라즈마 발생부는
    반응공간을 형성하여 상기 초음속부의 노즐 입구에 연결되는 하우징, 및
    유도결합 플라즈마를 발생시키도록 상기 하우징의 외부에 구비되고 고전압이 인가되는 유도코일
    을 포함하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 하우징은
    방전가스를 상기 반응공간으로 유입하도록 길이 방향 단부에 입구를 구비하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 열플라즈마 발생부는
    반응공간을 형성하여 상기 초음속부의 노즐 입구에 연결되는 하우징, 및
    용량결합 플라즈마를 발생시키도록 상기 하우징의 내부에 서로 대향하여 구비되어 고전압이 인가되는 고전압전극과 접지되는 접지전극
    을 포함하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 고전압전극과 상기 접지전극은
    상기 하우징의 길이 방향으로 설치되어 상기 길이 방향에 교차하는 방향으로 대향하며,
    상기 하우징은
    방전가스를 상기 반응공간의 상기 고전압전극과 상기 접지전극 사이로 유입하도록 길이 방향 단부에 입구를 구비하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 열플라즈마 발생부는
    반응공간을 형성하여 상기 초음속부의 노즐 입구에 연결되는 하우징, 및
    마이크로 웨이브 플라즈마를 발생시키도록 상기 하우징의 외부에 구비되는 마이크로 웨이브 가이드
    를 포함하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 하우징은
    방전가스를 상기 반응공간의 상기 마이크로 웨이브 내부로 유입하도록 길이 방향 단부에 입구를 구비하는 플라즈마 초음속 유동 발생장치.
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