KR102587639B1 - 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치 - Google Patents

와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온 수증기 또는 이산화탄소를 탄화수소체와 반응시켜 수소 및 일산화탄소로 개질하는 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치를 제공한다.

Description

와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치 {MICROWAVE PLASMA TORCH DEVICE WITH VORTEX GENERATOR}
본 발명은 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온 수증기 또는 이산화탄소를 탄화수소체와 반응시켜 수소 및 일산화탄소로 개질하는 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치에 관한 것이다.
플라즈마 토치는 여러 반응 물질을 고열을 이용하여, 유해 가스처리, 합성가스 생산, 이산화탄소 제거 등 다양한 분야에 널리 이용되고 있는 기술이다.
플라즈마 토치는 일반적으로 두 전극 사이에서 플라즈마 아크 칼럼(Plasma Arc Column)을 생성, 유지하는 장치이다.
이러한 플라즈마 토치는 크게 직류아크토치와 유도결합플라즈마토치, 축전결합고주파토치 등이 있다.
직류아크토치는 두 전극 사이에 직접 전기장을 걸어주는 방식으로 한정된 전극 수명으로 인해 전극 교체로 인한 번거로움과 전극 교체 비용이 추가적으로 발생한다.
또한 수십~수만 암페어의 아크 전류를 공급해야 하여, 전력공급기의 비용 증가와 전력 낭비 등으로 인해 플라즈마 발생을 위해 초기 비용이 높고, 유지 보수비용이 증가한다.
유도결합플라즈마토치와 축전결합고주파토치는 열효율이 40∼50％ 수준으로 효율이 낮으며, 이로 인해 플라즈마 발생 크기가 작고 생성을 위한 비용이 높은 단점이 있다.
이를 개선하기 위해 전자파를 이용하여 플라즈마를 발생하는 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 제시되었다.
마이크로웨이브 플라즈마 토치는 전자파인 마이크로파웨이브를 전송하는 도파관 내를 방전관이 관통하고, 도파관 내로 전송 및 반사되는 마이크로웨이브에 의해 방전관 내에 강한 전기장이 발생된다.
이러한 전기장은 방전관에 주입된 가스에 플라즈마를 발생시켜 플라즈마 화학반응을 이용하여 가스를 개질하는 장치이다.
이러한 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치는 메탄 등의 탄화수소체, 스팀 등을 이용하여 개질반응시켜 수소 및 일산화탄소, 이산화탄소 등의 가스 생성에 있어 다른 개질반응 방식과 비교하여 높은 수소 생성효율을 제공하기 때문에 널리 이용되고 있다
이러한 개질 가스를 만들기 위해서는 메탄, 스팀, 일산화탄소 및 이산화탄소등 개질 가스에 따라 다양한 몰비(H2/CO)가 필요하다.
CH4+H2O -> CO+3H2 ΔH=206kJ/mol
CH4+CO2 -> 2CO+2H2 ΔH=247kJ/mol
상기 개질 가스를 만들기 위해서는 석탄, 석유, 천연가스, 바이오매스, 유기화합물질의 폐기물들로부터도 만들어지고 있으나, 저렴하며, 풍부한 자원으로 천연가스를 일반적으로 사용하고 있다.
천연가스를 이용하는 합성가스를 제조하는 기술에는, 메탄의 스팀 개질(습식 개질), 메탄의 부분 산화(Partial Oxidation), 메탄의 이산화탄소 개질(건식 개질) 및, 상기 메탄의 스팀 개질과 이산화탄소 개질의 조합된 방식을 이용할 수 있으며, 이러한 가스 개질에 있어 마이크로웨이브 플라즈마는 경제성이 높은 개질 방법중 하나로, 개질 효율 및 에너지 사용 효율을 높이는 것이 생산 원가에 큰 영향을 준다.
기존의 마이크로웨이브 플라즈마 토치는 토치 내의 온도 구배가 중심부의 온도가 약 6,500K으로 가장 높고, 화염 주변부로 갈수록 1,500~2,000K의 수준으로 급격히 낮아져, 열에너지 활용 효율이 낮은 문제가 있다.
한국등록특허 [10-1437440]에서는 전자파 플라즈마 토치가 개시되어 있다.
한국등록특허 [10-1437440](등록일자: 2014년08월28일)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 플라즈마 반응장치 내에서 생성되는 플라즈마와 내부로 주입되는 플라즈마 소스 가스 및 반응 가스의 원활한 혼합을 통해, 고온 수증기 또는 이산화탄소를 탄화수소체와 반응시켜 수소 및 일산화탄소로 개질하는 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실 시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치는, 양 측이 개구되고 내부공간이 형성되며, 개구된 일측으로 플라즈마 소스 가스가 유입되고, 내부공간에서 상기 플라즈마 소스 가스와 반응가스의 개질반응에 의해 개질가스가 생성되며, 개구된 타측으로 개질가스가 유출되는 가스반응부(100); 상기 가스반응부(100)의 개구된 일측에 구비되며, 플라즈마 소스 가스를 상기 가스반응부(100) 내부 공간으로 공급하되 와류형태로 공급하는 와류발생부(200); 마이크로웨이브 에너지를 가스반응부(100) 내부 공간으로 공급하는 마이크로웨이브도파로(300); 상기 가스반응부(100) 내부에 구비되며, 플라즈마 소스 가스를 점화시키는 점화부(400); 및 반응가스를 가스반응부(100) 내부 공간으로 공급하는 반응가스공급부(500); 를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 와류발생부(200)는 와류 발생시 와류를 빠른 속도로 보내기 위해 플라즈마 소스 가스 유입구에서 배출구로 갈수로 작아지는 구조로 형성된 와류발생본체(210); 및 와류발생본체(210) 내벽면에 블레이드를 형성하여, 플라즈마 소스 가스의 와류를 형성하는 와류블레이드(220);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또, 상기 와류블레이드(220)는 기체 압력 및 와류 정도에 따라 회전을 주기 위한 블레이드 각도를 상기 와류발생본체(210)의 내벽면 중심축방향에 대해 일정 각도 경사지도록 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 점화부(400)는 마이크로웨이브도파로(300)의 종단으로부터 관내 파장의 1/2~1/8 사이에서 마이크로웨이브도파로(300)을 수직하게 관통하도록 설치하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 반응가스공급부(500)는 반응가스가 유입되는 반응가스유입부(510); 상기 가스반응부(100)의 개질반응이 이루어지는 부분의 측벽에 인접하여 구비되어, 상기 가스반응부(100)에서 발생된 열로 상기 반응가스의 온도를 상승시키는 반응가스열교환부(520); 및 상기 반응가스열교환부(520)를 통과한 상기 반응가스를 상기 가스반응부(100) 내부 공간으로 유출시키는 반응가스유출부(530);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 반응가스유출부(530)는 상기 가스반응부(100) 측으로 갈수록 통로(단면적)가 좁아지는 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
또, 상기 반응가스유출부(530)는 복수 개 형성되며, 상기 가스반응부(100) 중심을 기준으로 동심원 형태로 배치되되, 나선형 구조로 구비된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 반응가스유출부(530)는 가스반응부의 와류에 따라 상기 플라즈마 소스 가스의 진행 방향에 75도 ~ 105도로 분사 방향이 정해진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치에 의하면, 플라즈마 소스 가스의 와류화를 통해 마이크로웨이브 플라즈마 크기 및 반응 가스의 혼합을 균일하게 하여 가스 개질 효율을 증대시킬수 있는 효과가 있다.
또한, 벤투리관형 노즐 구조를 적용하여, 반응 가스 개질에 최적인 분사 속도와 혼합의 균일도를 높여 가스 개질 효율을 증대시킬수 있으며, 안정적인 플라즈마 화학 반응을 만들 수 있는 효과가 있다.
아울러, 반응가스열교환부의 구성으로 가스반응부에서 버려지는 열에너지를 재활용하여 에너지 활용성을 높이고, 과열로 인한 가스 반응부 외벽의 손상을 보호하여 유지 보수비용의 절감하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치의 개념도.
도 2는 도 1의 와류발생부의 다양한 실시예를 보여주는 개념도.
도 3은 도 1의 반응가스유출부 개수의 다양한 실시예를 보여주는 개념도.
도 4는 도 1의 반응가스유출부 분사 방향의 다양한 실시예를 보여주는 개념도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
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.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 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 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치의 개념도이고, 도 2는 도 1의 와류발생부의 다양한 실시예를 보여주는 개념도이며, 도 3은 도 1의 반응가스유출부 개수의 다양한 실시예를 보여주는 개념도이고, 도 4는 도 1의 반응가스유출부 분사 방향의 다양한 실시예를 보여주는 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치는 가스반응부(100), 와류발생부(200), 마이크로웨이브도파로(300), 점화부(400) 및 반응가스공급부(500)를 포함한다.
가스반응부(100)는 양 측이 개구되고 내부공간이 형성되며, 개구된 일측으로 플라즈마 소스 가스가 유입되고, 내부공간에서 상기 플라즈마 소스 가스와 반응가스의 개질반응에 의해 개질가스가 생성되며, 개구된 타측으로 개질가스가 유출된다.
상기 가스반응부(100)는 와류 플라즈마가 생성공급되어 개질가스 반응을 하는 장소이다.
상기 플라즈마 소스 가스는 메탄(CH4) 등의 탄화수소체 가스가 될 수 있고, 상기 반응가스는 스팀(2H2O), 이산화탄소(CO2) 등 탄화수소체와 반응하여 수소 생산이 가능한 가스가 될 수 있다.
예를 들어, CH4+CO2 -> 2CO+2H2 ΔH=247kJ/mol 반응에 의해 개질할 경우, 메탄(CH4)이 플라즈마 소스 가스가 되고, 이산화탄소(CO2)가 반응가스가 되며, 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 개질가스가 된다.
와류발생부(200)는 상기 가스반응부(100)의 개구된 일측에 구비되며, 플라즈마 소스 가스를 상기 가스반응부(100) 내부 공간으로 공급하되 와류형태로 공급한다.
즉, 상기 와류발생부(200)는 플라즈마 소스 가스를 와류형태로 공급한다.
이는, 개질반응이 일어나는 구간에서의 중심부와 외곽부의 온도 교환을 높여 플라즈마 소스 가스와 반응가스의 화학반응을 높이기 위함이다.
이를 위해, 와류 형태가 장기간 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
다시 말해, 개질반응이 일어나는 구간에서 와류를 유지시키면, 중심부와 외부와의 열교환을 빠르게하며, 플라즈마 소스 가스와 반응가스를 균일하게 혼합하여 화학반응 효율을 높이게 된다.
마이크로웨이브도파로(300)는 마이크로웨이브 에너지를 가스반응부(100) 내부 공간으로 공급한다.
마이크로웨이브 발생기에서 발생한 전자파(마이크로웨이브 에너지)는 마이크로웨이브도파로(300)를 통해 상기 가스반응부(100) 내부 공간으로 공급된다.
상기 마이크로웨이브 에너지가 와류형태로 공급된 상기 플라즈마 소스 가스에 도달하면 플라즈마가 발생하며, 이를 와류형 마이크로웨이브 플라즈마라 한다.
이렇게 발생된 와류형 마이크로웨이브 플라즈마는 상기 가스반응부(100)에 공급되고, 상기 가스반응부(100)에 다른 경로로 공급된 반응가스와 상기 가스반응부(100) 내부공간에서 플라즈마 화학반응을 통해 가스 개질된다.
플라즈마를 발생시키기 위해서 10MHz~10GHz 대역의 전자(마이크로웨이브 에너지)를 상기 마이크로웨이브도파로(300)를 통해 상기 가스반응부(100) 내부 공간에 공급할 수 있다.
상기 점화부(400)는 상기 가스반응부(100)의 플라즈마 소스가스 이동통로와 마이크로웨이브도파로(300)가 만나는 지점에 위치되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 가스반응부(100)의 내부는 상기 와류발생부(200)의 위치를 기준으로 일정 구간 동안 플라스마 소스 가스가 유입되는 일측 방향으로 갈수록 통로(단면적)가 넓어지는 형태로 형성된 것을 특징으로 하고, 상기 와류발생부(200)의 위치를 기준으로 일정 구간 동안 플라스마 소스 가스가 유출되는 타측 방향으로 갈수록 통로(단면적)가 넓어지는 형태로 형성된 것을 특징으로 하며, 플라스마 소스 가스가 유입되는 일측 방향 통로(단면적)가 플라스마 소스 가스가 유출되는 타측 방향 통로(단면적)보다 큰 것을 특징으로 한다.
점화부(400)는 상기 가스반응부(100) 내부에 구비되며, 플라즈마 소스 가스를 점화시킨다.
상기 점화부(400)는 방전관을 포함할 수 있다.
상기 점화부(400)는 방전관 부근에 상기 플라즈마 소스 가스와 상기 마이크로웨이브 에너지서 만나 플라즈마가 발생한다.
점화부(400)는 마이크로웨이브도파로(300)의 종단에 관통하여 위치하는 관형상의 방전관 내에서 마이크로웨이브 에너지가 위치하는 영역에 해당된다. 이러한 경우 방전관은 마이크로웨이브도파로(300)을 수직으로 관통할 수 있다.
반응가스공급부(500)는 반응가스를 가스반응부(100) 내부 공간으로 공급한다.
상기 반응가스공급부(500)는 와류형 마이크로웨이브 플라즈마에 반응가스를 혼합시킨다.
이때, 와류형 마이크로웨이브 플라즈마와 반응가스가 균일하게 혼합되도록 하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 반응가스가 분사되는 속도가 빠르게 하여 와류가 지속적으로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치는 상기 가스반응부(100)의 내부는 일측에서 타측방향을 향해, 와류 형태의 플라즈마 소스 가스가 존재하는 구간, 와류형 마이크로웨이브 플라즈마가 존재하는 구간, 개질반응이 일어나는 구간 순으로 형성되도록 할 수 있다.
이를 위해, 상기 가스반응부(100)를 기준으로 다른 구성의 위치를 설명하면, 가스반응부(100)의 개구된 일측에 와류발생부(200)가 위치하고, 이후, 마이크로웨이브도파로(300)와 점화부(400)가 위치하고, 이후 반응가스공급부(500)의 반응가스 공급부위가 위치하도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치의 와류발생부(200)는 가스반응부(100)의 내부공간 중심선을 기준으로 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 와류발생부(200)는 상기 플라즈마 소스 가스를 와류형태로 만들기 위한 구성으로, 가스반응부(100)의 중심선을 기준으로 플라즈마 소스 가스 공급부에 위치하도록 하는 것이, 균일한 와류 형성에 유리하여, 기체들의 균등한 혼합이 가능하도록 하기 때문이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치의 와류발생부(200)는 와류 발생시 와류를 빠른 속도로 보내기 위해 플라즈마 소스 가스 유입구에서 배출구로 갈수로 작아지는 구조로 형성된 와류발생본체(210) 및 와류발생본체(210) 내벽면에 블레이드를 형성하여, 플라즈마 소스 가스의 와류를 형성하는 와류블레이드(220)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 와류발생본체(210)를 테이퍼진 형태로 형성하는 것은 통로가 점점 축소되도록 하여 벤츄리효과(Venturi dffdct)에 의해 유속이 빨라지도록 하기 위함이다.
이는 와류를 빠른 속도로 내보내기 위함이다.
상기 와류블레이드(220)는 상기 와류발생본체(210)의 내벽면에 고정된다.
상기 와류블레이드(220)는 블로워(Blower)의 날개 형상으로 형성될 수 있다.
상기 와류블레이드(220)는 다수개가 설치될 수 있다. 와류블레이드(220)의 수는 2~50개 사이에서 선택하는 것이 바람직하다.
도 2의 (a)는 와류블레이드(220)가 2 개 구비된 예를 보여주는 것이고, (b)는 와류블레이드(220)가 3 개 구비된 예를 보여주는 것이며, (c)는 와류블레이드(220)가 4 개 구비된 예를 보여주는 것이고, (d)는 와류블레이드(220)가 5 개 구비된 예를 보여주는 것이다.
상기 와류발생본체(210)와 와류블레이드(220)는 고정된 형태로, 와류를 발생시키는데 추가적인 동력을 필요로 하지 않는다.
즉, 상기 플라즈마 소스 가스가 상기 와류블레이드(220)와 와류발생본체(210)를 통과하면서 와류가 발생된다.
상기에서 와류발생부(200)가 고정된 형태의 예를 들었으나, 본 발명이 이에 한정된 것은 아니며, 블로워(Blower)를 이용하는 등 와류를 발생시킬 수 있다면 다양한 실시가 가능함은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치의 와류블레이드(220)는 기체 압력 및 와류 정도에 따라 회전을 주기 위한 블레이드 각도를 상기 와류발생본체(210)의 내벽면 중심축방향에 대해 일정 각도 경사지도록 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 와류블레이드(220)는 상기 와류발생본체(210)의 내벽면에서 와류발생본체(210)의 중심축방향에 편심된 형태로 돌출되도록 할 수 있다.(도 2 참조)
상기에서, 와류블레이드(220)의 형태와 관련된 예들 들었으나, 본 발명이 이에 한정된 것은 아니며, 상기 플라즈마 소스 가스가 상기 와류발생부(200)를 통과하면서 와류가 발생가능한 형태라면 다양한 실시가 가능함은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치의 점화부(400)는 마이크로웨이브도파로(300)의 종단으로부터 관내 파장의 1/2~1/8 사이에서 마이크로웨이브도파로(300)을 수직하게 관통하도록 설치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
최고의 효율을 위해 마이크로웨이브도파로(300)의 종단으로부터 공급하는 파장의 1/4 위치에 점화부(400)가 설치되는 것이 바람직하다.
와류 형태의 플라즈마 소스 가스는 마이크로웨이브도파로(300)를 통해 기 설정된 주파수의 마이크로웨이브를 공급받아 점화부(400)에서 와류형 마이크로웨이브 플라즈마를 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치의 반응가스공급부(500)는 반응가스가 유입되는 반응가스유입부(510), 상기 가스반응부(100)의 개질반응이 이루어지는 부분의 측벽에 인접하여 구비되어, 상기 가스반응부(100)에서 발생된 열로 상기 반응가스의 온도를 상승시키는 반응가스열교환부(520), 및 상기 반응가스열교환부(520)를 통과한 상기 반응가스를 상기 가스반응부(100) 내부 공간으로 유출시키는 반응가스유출부(530)를 포함할 수 있다.
상기 반응가스열교환부(520)는 가스반응부(100)에서 발생된 열로 상기 반응가스를 예열(Pre Heating)하는 구성으로, 상기 가스반응부(100)의 개질반응이 일어나는 구간의 내측벽에 인접하도록 구비되는 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치의 반응가스유출부(530)는 상기 가스반응부(100) 측으로 갈수록 통로(단면적)가 좁아지는 형태로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 반응가스유출부(530)는 반응가스를 상기 가스반응부(100)에 분사시키는 노즐 역할을 한다.
가스반응부(100) 측으로 갈수록 통로(단면적)가 좁아지는 형태로 형성된 반응가스유출부(530)는, 유체의 이동 경로를 따라 살펴보면, 유체가 반응가스유출부(530)를 통과하면서 통로가 점점 축소되었다가 가스반응부(100) 내부로 유입되면서 통로가 확대되는 형상으로, 상기 반응가스를 가스반응부(100) 내부로 분사하는 순간 벤츄리효과에 의해 유체의 분사 속도를 더욱 빠르게 할 수 있다.
즉, 가스반응부(100) 측으로 갈수록 통로(단면적)가 좁아지는 형태로 형성된 반응가스유출부(530)는 반응가스를 와류형 마이크로웨이브 플라즈마에 빠른 속도로 혼합되도록 할 수 있다. 이후, 반응가스와 플라즈마 소스 가스는 화학반응을 통해 개질가스로 변경되어 유출구로 유출 된다.
와류형 마이크로웨이브 플라즈마는 와류 형태를 오래 유지되도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 반응가스유출부(530)를 상기 가스반응부(100) 측으로 갈수록 통로(단면적)가 좁아지는 형태로 형성되도록 하여 와류 형태가 더욱 오래 지속되도록 하는 것이 바람직하다.
즉, 와류형 마이크로웨이브 플라즈마는 와류 형태를 유지하며 상기 반응가스유출부(530)에 도달하게 되고, 이후 상기 반응가스유출부(530)로부터 공급되는 반응가스에 의해 와류 형태를 유지하는 힘히 더해지도록 하는 것이 바람직하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치의 반응가스유출부(530)는 복수 개 형성되며, 상기 가스반응부(100) 중심을 기준으로 동심원 형태로 배치되되, 나선형 구조로 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 반응가스유출부(530)는 상기 가스반응부(100)의 내벽에 복수 개 형성될 수 있다. 즉, 반응가스를 분사하는 노즐이 복수 개 형성될 수 있다.
도 3의 (a)는 반응가스유출부(530)가 2 개 형성된 예를 보여주는 것이고, (b)는 반응가스유출부(530)가 3 개 형성된 예를 보여주는 것이며, (c)는 반응가스유출부(530)가 4 개 형성된 예를 보여주는 것이다.
상기 반응가스가 상기 반응가스유출부(530)를 지날 때 와류가 형성되도록 반응가스유출부(530)의 통로 형상이 굴곡지도록 형성(도 3 (a), (b), (c)참조)하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 상기 반응가스유출부(530)의 통로 형상이 나선형 구조로 굴곡지도록 형성될 수 있다.
즉, 상기 반응가스가 회전하며 분사되어 와류형 마이크로웨이브 플라즈마에 와류형으로 균일하게 혼합되도록 함과 동시에 와류가 더욱 강하게 형성될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치의 반응가스유출부(530)는 가스반응부의 와류에 따라 상기 플라즈마 소스 가스의 진행 방향에 75도 ~ 105도 사이에서 분사 방향이 정해진 것을 특징으로 할 수 있다.
와류를 형성하는 힘이 가장 강하게 하고자 한다면, 상기 반응가스유출부(530)의 분사 방향이 상기 플라즈마 소스 가스의 진행 방향에 수직(90도)(도 4의 (a) 참조)하게 형성되도록 할 수 있다.
와류를 형성하는 힘이 약해지더라도 플라즈마 소스 가스의 진행방향으로 향하는 힘을 강하게 하고자 한다면, 상기 반응가스유출부(530)의 분사 방향이 상기 플라즈마 소스 가스의 진행 방향에 75도(도 4의 (b) 참조)로 형성되도록 할 수 있다.
와류를 형성하는 힘과 플라즈마 소스 가스의 진행방향으로 향하는 힘이 약해지더라도 와류형 마이크로웨이브 플라즈마와 반응가스의 혼합이 잘 되도록 하고자 한다면, 상기 반응가스유출부(530)의 분사 방향이 상기 플라즈마 소스 가스의 진행 방향에 105도(도 4의 (c) 참조)로 형성되도록 할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 가스반응부
200: 와류발생부
210: 와류발생본체
220: 와류블레이드
300: 마이크로웨이브도파로
400: 점화부
500: 반응가스공급부
510: 반응가스유입부
520: 반응가스열교환부
530: 반응가스유출부

Claims (8)

  1. 양 측이 개구되고 내부공간이 형성되며, 개구된 일측으로 플라즈마 소스 가스가 유입되고, 내부공간에서 상기 플라즈마 소스 가스와 반응가스의 개질반응에 의해 개질가스가 생성되며, 개구된 타측으로 개질가스가 유출되는 가스반응부(100);
    상기 가스반응부(100)의 개구된 일측에 구비되며, 플라즈마 소스 가스를 상기 가스반응부(100) 내부 공간으로 공급하되 와류형태로 공급하는 와류발생부(200);
    마이크로웨이브 에너지를 가스반응부(100) 내부 공간으로 공급하는 마이크로웨이브도파로(300);
    상기 가스반응부(100) 내부에 구비되며, 플라즈마 소스 가스를 점화시키는 점화부(400); 및
    반응가스를 가스반응부(100) 내부 공간으로 공급하는 반응가스공급부(500);
    를 포함하며,
    상기 점화부(400)는
    마이크로웨이브도파로(300)의 종단으로부터 관내 파장의 1/2~1/8 사이에서 마이크로웨이브도파로(300)을 수직하게 관통하도록 설치하는 것을 특징으로 하고,
    상기 반응가스공급부(500)는
    반응가스가 유입되는 반응가스유입부(510);
    상기 가스반응부(100)의 개질반응이 이루어지는 부분의 측벽에 인접하여 구비되어, 상기 가스반응부(100)에서 발생된 열로 상기 반응가스의 온도를 상승시키는 반응가스열교환부(520); 및
    상기 반응가스열교환부(520)를 통과한 상기 반응가스를 상기 가스반응부(100) 내부 공간으로 유출시키는 반응가스유출부(530);
    를 포함하며,
    상기 반응가스유출부(530)는
    상기 가스반응부(100) 측으로 갈수록 통로(단면적)가 좁아지는 형태로 형성된 것을 특징으로 하고,
    상기 반응가스유출부(530)는
    복수 개 형성되며, 상기 가스반응부(100) 중심을 기준으로 동심원 형태로 배치되되, 나선형 구조로 구비된 것을 특징으로 하며,
    상기 가스반응부(100)의 내부는
    일측에서 타측방향을 향해, 와류 형태의 플라즈마 소스 가스가 존재하는 구간, 와류형 마이크로웨이브 플라즈마가 존재하는 구간, 개질반응이 일어나는 구간 순으로 형성되도록 하기 위해, 상기 가스반응부(100)의 개구된 일측에 와류발생부(200)가 위치하고, 상기 와류발생부(200)의 위치를 기준으로 상기 가스반응부(100)의 개구된 타측 방향으로 마이크로웨이브도파로(300)와 점화부(400)가 위치하고, 상기 마이크로웨이브도파로(300)와 점화부(400)의 위치를 기준으로 상기 가스반응부(100)의 개구된 타측 방향으로 반응가스공급부(500)가 위치되는 것을 특징으로 하고,
    상기 점화부(400)는
    상기 가스반응부(100)의 플라즈마 소스가스 이동통로와 마이크로웨이브도파로(300)가 만나는 지점에 위치되는 것을 특징으로 하며,
    상기 가스반응부(100)의 내부는
    상기 와류발생부(200)의 위치를 기준으로 일정 구간 동안 플라스마 소스 가스가 유입되는 일측 방향으로 갈수록 통로(단면적)가 넓어지는 형태로 형성된 것을 특징으로 하고, 상기 와류발생부(200)의 위치를 기준으로 일정 구간 동안 플라스마 소스 가스가 유출되는 타측 방향으로 갈수록 통로(단면적)가 넓어지는 형태로 형성된 것을 특징으로 하며, 플라스마 소스 가스가 유입되는 일측 방향 통로(단면적)가 플라스마 소스 가스가 유출되는 타측 방향 통로(단면적)보다 큰 것을 특징으로 하는 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 와류발생부(200)는
    와류 발생시 와류를 빠른 속도로 보내기 위해 플라즈마 소스 가스 유입구에서 배출구로 갈수로 작아지는 구조로 형성된 와류발생본체(210); 및
    와류발생본체(210) 내벽면에 블레이드를 형성하여, 플라즈마 소스 가스의 와류를 형성하는 와류블레이드(220);
    를 포함하는 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 와류블레이드(220)는
    기체 압력 및 와류 정도에 따라 회전을 주기 위한 블레이드 각도를 상기 와류발생본체(210)의 내벽면 중심축방향에 대해 일정 각도 경사지도록 형성하는 것을 특징으로 하는 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반응가스유출부(530)는
    가스반응부(100) 내부공간 와류 플라즈마의 와류 방향에 따라 반응가스의 분사 방향이 정해진 것을 특징으로 하는 와류발생기가 구비된 마이크로웨이브 플라즈마 토치 장치.
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