KR102644653B1 - 플라즈마를 이용한 소형 버너 및 플라즈마를 이용한 화염 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미량의 연료를 기화시켜서 공급할 수 있는 플라즈마를 이용한 소형 버너 및 이러한 소형 버너를 이용한 화염 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너는 내부 공간을 갖고 접지된 하우징, 상기 하우징 내부로 삽입되며 방전 전압으로 대전된 방전극, 상기 방전극으로 연료를 공급하는 연료 공급통로, 및 상기 하우징의 외측에 연결되며 상기 하우징의 내부 공간으로 산화제를 공급하는 산화제 공급관을 포함하고, 상기 방전극에서 아크를 형성하여 연료를 기화시키며, 상기 방전극은 금속 다공체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너는 내부 공간을 갖고 접지된 하우징, 상기 하우징 내부로 삽입되며 방전 전압으로 대전된 방전극, 상기 방전극으로 연료를 공급하는 연료 공급통로, 및 상기 하우징의 외측에 연결되며 상기 하우징의 내부 공간으로 산화제를 공급하는 산화제 공급관을 포함하고, 상기 방전극에서 아크를 형성하여 연료를 기화시키며, 상기 방전극은 금속 다공체를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 플라즈마를 이용한 소형 버너 및 플라즈마를 이용한 화염 형성 방법에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 플라즈마로 고온의 반응을 유도하거나 고온의 환경을 만들어 주기 위해, 아크 플라즈마(Arc Plasma), 마이크로웨이브 플라즈마(Microwave Plasma), 용량결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma) 및 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma) 등의 기술이 사용된다. 이 기술들은 각 기술에 따른 장점과 단점 및 플라즈마 발생을 위한 반응기에서 구조적인 차이점을 가진다.
한편, 파일럿 버너는 대형 버너의 초기 착화 안정성을 높여 전체 공정이 안정적으로 작동할 수 있도록 돕거나, 비교적 소량의 열원이 필요한 상황에서 화학에너지에 기반한 열에너지를 공급할 수 있다. 산업계에서는 적용처에 따라 아주 극소량의 연료를 점화시켜 안정적인 화염을 형성할 수 있는 파일럿 버너에 대한 수요가 발생한다. 예를 들어, 차량이나 선박의 경우 새로운 장치를 설치할 공간이 제한적이라 상용 파일럿 버너가 장착될 수 없다.
이미 개발된 상용 파일럿 버너는 노즐을 이용하여 연료를 분사하는 형태인데, 노즐에서 연료의 미립화를 충분히 보장하기 위해 최소 한계유량이 존재한다. 파일럿 버너에 요구되는 열량이 감소할 경우 연료 유량이 줄어들어야 하는데, 유량이 극단적으로 줄어드는 상황에서는 연료의 미립화가 불가하여 화염이 소실되거나 연소효율이 급격히 저하된다.
연료를 노즐로 공급할 수 없는 범위에서 작동할 수 있는 초소형 파일럿 버너가 있다면, 기존 파일럿 버너가 설치될 수 없는 환경에 활용할 수 있다. 이러한 초소형 파일럿 버너는 메인 연료 착화 및 기화의 열원으로 사용될 수 있다.
본 발명은 미량의 연료를 기화시켜서 공급할 수 있는 플라즈마를 이용한 소형 버너 및 이러한 소형 버너를 이용한 화염 형성 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너는 내부 공간을 갖고 접지된 하우징, 상기 하우징 내부로 삽입되며 방전 전압으로 대전된 방전극, 상기 방전극으로 연료를 공급하는 연료 공급통로, 및 상기 하우징의 외측에 연결되며 상기 하우징의 내부 공간으로 산화제를 공급하는 산화제 공급관을 포함하고, 상기 방전극에서 아크를 형성하여 연료를 기화시키며, 상기 방전극은 금속 다공체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 연료 공급통로는 이중관 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 연료 공급통로는 상기 금속 다공체로 연료를 공급하는 공급 통로와 상기 연료 공급통로에서 연료를 회수하는 회수 통로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 방전극은 상기 금속 다공체를 감싸며, 기화된 연료가 배출되는 복수의 연료 분사구를 포함하는 전극캡을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 금속 다공체는 금속 메쉬체로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 방전극의 하류측에 배치되어 상기 하우징의 내부 공간으로 연료를 분사하는 연료 분사부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 하우징의 내부에는 복수의 개구를 갖는 열전달판이 설치되고, 상기 연료 분사부재는 상기 열전달판을 향하여 연료를 분사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소형 버너는 상기 방전극을 부분적으로 감싸며 내부로 연료가 이동하는 연료 가열관을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 연료 가열관은 나선형으로 이어져 형성되며, 상기 연료 가열관은 상기 연료 공급통로에 연료를 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 연료 가열관은 접지되고, 상기 방전극과 상기 연료 가열관 사이에 아크가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화염 형성 방법은 금속 다공체를 포함하는 방전극에 아크를 형성하는 아크 형성 단계, 상기 방전극에 연료를 공급하는 연료 공급 단계, 상기 아크를 이용하여 상기 금속 다공체에 흡수된 연료를 가열하는 연료 가열 단계, 및 기화된 연료를 산화시켜서 화염을 형성하는 연료 산화 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 연료 공급 단계는 연료를 상기 금속 다공체를 향하여 이동시키는 공급 이동 단계와 상기 금속 다공체에 흡수된 연료 이외의 연료를 회수하는 회수 이동 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 아크 형성 단계는 상기 금속 다공체를 감싸는 전극캡과 상기 하우징 사이에서 아크를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 연료 공급 단계는 상기 방전극을 감싸는 연료 가열관을 통해서 연료를 이동시키면서 연료를 가열한 후에 상기 방전극으로 연료를 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 아크 형성 단계는 상기 연료 가열관과 상기 방전극 사이에서 아크를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화염 형성 방법은 상기 연료 산화 단계에서 생성된 화염을 향하여 상기 하우징 내부로 연료를 공급하여 연료를 기화시키는 연료 기화 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 연료 기화 단계는 복수의 개구가 형성된 열전달판을 향하여 연료를 분사하여 연료를 기화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 아크 형성 단계는 하우징의 외주면으로 산화제를 공급하되 스월을 형성하도록 공급하여 상기 아크를 회전시킬 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너는 방전극이 금속 다공체를 포함하므로 연료를 용이하게 기화시킬 수 있다. 또한, 연료 공급통로는 이중관 구조로 이루어지므로 공급된 연료 중에서 일부만 금속 다공체에 스며들고, 나머지는 회수되어 과도한 연료가 금속 다공체로 공급되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 장치 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 장치를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 장치 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 장치를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 장치 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 장치를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 장치 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 장치 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 장치를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 장치 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 장치를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 장치 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 장치를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 장치 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 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 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 장치를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너(101)는 기존 노즐로 분사하기 어려운 미량의 연료를 기화시키고 연소시키는 장치이다. 본 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너(101)는 하우징(120), 방전극(130), 연료 공급통로(150), 산화제 공급관(163), 연료 공급관(161), 연료 회수관(162)을 포함할 수 있다.
하우징(120)은 내부 공간(121)을 갖는 관으로 이루어지며, 아크 방전이 일어나는 공간을 제공한다. 아크 방전에 의하여 하우징(120) 내부로 유입된 물질은 플라즈마 상태로 전환될 수 있다.
산화제 공급관(163)은 하우징(120)의 외주면에 결합되며, 산화제로서 공기를 하우징(120)의 내부 공간(121)으로 공급할 수 있다. 하우징(120)에는 하우징(120)의 둘레방향으로 이어진 분배통로(122)가 형성되며, 산화제 공급관(163)은 분배통로(122)와 연결될 수 있다.
분배통로(122)에는 하우징 내부로 산화제를 분사하는 복수의 분사통로(123)가 형성되는데, 분사통로(123)는 하우징(120)의 중심에 대하여 편심된 방향으로 이어진다. 이에 따라 산화제는 하우징(120) 내부에서 스월을 형성하도록 분사될 수 있다.
방전극(130)은 하우징(120) 내부에 삽입되며 구동 전압으로 대전될 수 있다. 방전극(130)은 직류 또는 교류 전압으로 대전되며, 아크(180)를 형성할 수 있을 정도의 고전압으로 대전된다.
방전극(130)은 하우징(120)과의 사이에서 아크(180)를 형성하여 연료를 기화시키는데, 금속 다공체(131)와 금속 다공체(131)를 감싸는 전극캡(132)을 포함할 수 있다. 금속 다공체(131)는 금속 메쉬체로 이루어질 수 있으며, 금속 메쉬체는 복수의 그물판들이 적층되거나 그물판들이 감긴 구조로 이루어질 수 있다. 본 실시예와 같이 금속 다공체(131)가 금속 메쉬체로 이루어지면 모세관 현상으로 연료가 보다 용이하게 금속 다공체(131)에 흡수될 수 있다.
전극캡(132)은 금속 다공체(131)를 감싸는 마개로 이루어지며, 전극캡(132)에는 기화된 연료가 분사되는 복수의 연료 분사구(135)가 형성될 수 있다. 아크(180)는 방전극(130)과 하우징(120)을 연결하도록 형성되는데, 전극캡(132)이 형성되면, 아크(180)가 전극캡(132)에 접촉하여 금속 다공체(131)가 아크(180)에 의하여 손상되는 것을 방지할 수 있다.
연료 공급통로(150)는 하우징(120) 내부에 설치되며, 방전극(130)과 연결되어 방전극(130)으로 연료를 공급한다. 연료 공급통로(150)는 이중관 구조로 이루어지는데, 금속 다공체(131)로 연료를 공급하는 공급 통로(151)와 금속 다공체(131)에서 연료를 회수하는 회수 통로(152)를 포함할 수 있다. 회수 통로(152)는 공급 통로(151)를 감싸도록 설치될 수 있으며, 금속 다공체(131)에 흡수되고 남은 연료를 배출시킨다.
공급 통로(151)는 연료 공급관(161)과 연결되며 연료 공급관(161)은 공급 통로(151)에 연료를 공급할 수 있다. 회수 통로(152)는 연료 회수관(162)과 연결되며, 회수 통로(152)를 통해서 회수된 연료를 연료 회수관(162)으로 이동할 수 있다.
이에 따라 공급 통로(151)를 통해서 이동한 연료 중 일부는 금속 다공체(131)에 흡수되고, 나머지 연료는 회수 통로(152)를 통해서 회수될 수 있다. 금속 다공체(131)에 과도한 양의 연료가 공급되면 연료가 유출될 수 있는데, 본 실시예에 따르면 연료를 회수하므로 금속 다공체(131)에 미량의 연료를 정확하게 공급할 수 있다.
아크(180)는 방전극(130)과 하우징(120)의 내면 사이에 형성되는데, 아크(180)의 길이방향 일측 단부는 전극캡(132)과 맞닿고, 아크(180)의 길이방향 타측 단부는 하우징(120)의 내면과 맞닿는다. 또한, 스월을 형성하는 산화제에 의하여 아크(180)가 회전할 수 있다.
아크(180)에 의하여 전극캡(132) 및 금속 다공체(131)가 가열되면 금속 다공체(131)에 흡수된 연료가 기화되고 기화된 연료는 전극캡(132)에 형성된 연료 분사구(135)를 통해서 외부로 빠져 나온다. 외부로 배출된 연료는 산화제와 만나 아크(180)가 회전하는 영역으로 유입되고 되고, 회전하는 아크(180)에 의하여 착화되어 화염을 형성할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 장치 구동 방법에 대해서 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구동 방법은 아크 형성 단계(S101), 연료 공급 단계(S102), 연료 가열 단계(S103), 연료 산화 단계(S104)를 포함할 수 있다.
아크 형성 단계(S101)는 금속 다공체(131)를 포함하는 방전극(130)에서 아크를 형성하는데, 금속 다공체(131)를 감싸는 전극캡(132)과 하우징(120)의 내면 사이에 아크(180)를 형성한다. 아크 형성 단계(S101)는 스월을 형성하도록 분사된 산화제에 의하여 회전하는 아크(180)를 형성할 수 있다.
연료 공급 단계(S102)는 금속 다공체(131)를 포함하는 방전극(130)에 연료를 공급하는데, 일부의 연료를 금속 다공체(131)에 흡수시키고 나머지 연료를 회수할 수 있다. 연료 공급 단계(S102)는 연료를 금속 다공체(131)를 향하여 이동시키는 공급 이동 단계와 금속 다공체(131)에 흡수된 연료 이외의 연료를 회수하는 회수 이동 단계를 포함할 수 있다.
공급 이동 단계는 연료공급 통로(151)의 내측에 형성된 공급 통로(151)를 통해서 연료를 금속 다공체(131)로 이동시켜서 금속 다공체(131)에 흡수시킨다. 회수 이동 단계는 금속 다공체(131)에 흡수되지 않은 나머지 연료를 회수하여 연료 회수관(162)으로 배출한다.
연료 가열 단계(S103)는 아크(180)를 이용하여 금속 다공체(131)에 흡수된 연료를 가열하고 기화시키며, 기화된 연료를 전극캡(132)에 형성된 연료 분사구(135)를 통해서 배출시킨다.
연료 산화 단계(S104)는 연료와 산화제를 아크(180)가 회전하는 영역으로 유입시키고, 연료를 산화시켜서 화염을 형성한다. 연료 산화 단계(S104)는 적은 양의 산화제를 이용하여 연료를 분분 산화시키거나 충분한 양의 산화제를 공급하여 연료를 완전 연소시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 장치에 대해서 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 장치를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너(102)는 하우징(120), 방전극(130), 연료 공급통로(150), 산화제 공급관(163), 연료 공급관(161), 연료 회수관(162), 연료 분사부재(171)를 포함할 수 있다.
본 제2 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너(102)는 연료 분사부재(171)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
연료 분사부재(171)는 방전극(130)의 하류측에 배치되어 하우징(120)의 내부 공간(121)으로 연료를 분사한다. 연료 분사부재(171)는 방전극(130)에서 간격을 두고 이격되어 하우징(120)에 설치되며, 생성된 화염을 향하여 연료를 분사할 수 있다.
연료 분사부재(171)에서 분사된 연료는 화염에 의하여 기화될 수 있다. 또한 연료 분사부재(171)에서 분사된 연료는 개질되어 환원 물질로 전환될 수 있다. 또한 하우징(120)으로 공기가 공급되면 연료 분사부재(171)에서 분사된 연료가 화염을 형성할 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 장치 구동 방법에 대해서 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구동 방법은 아크 형성 단계(S201), 연료 공급 단계(S202), 연료 가열 단계(S203), 연료 산화 단계(S204), 연료 기화 단계(S205)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구동 방법은 연료 기화 단계(S205)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구동 방법과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
연료 기화 단계(S205)는 연료 산화 단계(S204)에서 생성된 화염을 향하여 하우징(120) 내부로 연료를 공급하여 연료를 기화시킨다. 연료 기화 단계(S205)는 방전극(130)의 하류측에 배치된 연료 분사부재(171)를 이용하여 하우징(120)의 내부로 연료를 분사하며, 분사된 연료를 화염으로 기화시키고, 연료를 개질하여 환원 물질로 전환할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 장치에 대해서 설명한다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 장치를 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너(103)는 하우징(120), 방전극(130), 연료 공급통로(150), 산화제 공급관(163), 연료 공급관(161), 연료 회수관(162), 열전달판(125), 연료 분사부재(172)를 포함할 수 있다.
본 제3 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너(103)는 열전달판(125)과 연료 분사부재(172)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 열전달판(125)은 하우징(120)의 내벽에 세워져 설치될 수 있으며, 바람직하게는 하우징(120)의 길이방향에 대하여 수직하게 세워져 설치될 수 있다. 열전달판(125)은 복수의 개구(126)를 갖는 구조로 이루어지며, 화염와 열을 유지시키는 보염 기능을 갖는다.
연료 분사부재(172)는 열전달판(125)과 방전극(130) 사이에 위치하며, 열전달판(125)을 향하여 연료를 분사한다. 연료 분사부재(172)에서 분사된 연료는 화염 및 열전달판(125)에 의하여 가열되어 기화될 수 있다. 또한 연료 분사부재(172)에서 분사된 연료는 개질되어 환원 물질로 전환될 수 있다. 본 제3 실시예와 같이 연료 분사부재(172)가 열전달판(125)을 향하여 연료를 분사하도록 설치되면 연료의 기화 효율이 향상될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 장치 구동 방법에 대해서 설명한다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구동 방법은 아크 형성 단계(S301), 연료 공급 단계(S302), 연료 가열 단계(S303), 연료 산화 단계(S304), 연료 기화 단계(S305)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구동 방법은 연료 기화 단계(S305)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구동 방법과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
연료 기화 단계(S305)는 복수의 개구(126)가 형성된 열전달판(125)을 향하여 연료를 분사하여 연료를 기화시킨다. 연료 기화 단계(S305)는 하우징(120)의 길이방향에 대하여 세워져 설치된 열전달판(125)을 향하여 연료를 분사하며, 연료는 화염 및 열전달판(125)에 의하여 가열되어 기화되고, 개질되어 환원 물질로 전환될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 장치에 대해서 설명한다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 장치를 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너(104)는 하우징(120), 방전극(130), 연료 공급통로(150), 산화제 공급관(163), 연료 가열관(210), 연료 전달관(215), 연료 공급관(161)을 포함할 수 있다.
본 제4 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너(104)는 방전극(130), 연료 가열관(210), 연료 전달관(215), 연료 공급관(161)을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 소형 버너와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
방전극(130)은 하우징(120)과의 사이에서 아크(180)를 형성하여 연료를 기화시키는데, 금속 다공체를 포함하며, 전극캡을 갖지 않는다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 방전극(130)은 금속 다공체와 금속 다공체를 감싸는 전극캡을 포함할 수도 있다.
금속 다공체가 전극캡을 갖지 않는 경우에는 아크(180)가 금속 다공체와 직접 접촉하며, 금속 다공체는 강도 우수하고, 용융점이 높은 텅스텐 등의 금속을 포함하여 열에 강한 구조로 이루어질 수 있다. 금속 다공체는 방전을 위한 구동 전압으로 대전될 수 있다.
연료 가열관(210)은 방전극(130)을 부분적으로 감싸며 내부에 연료가 이동하는 통로가 형성된다. 연료 가열관(210)은 나선형으로 이어져 형성되며, 접지된다. 연료 가열관(210)의 일측에는 연료 가열관(210)으로 연료를 공급하는 연료 공급관(161)이 연결되고, 연료 가열관(210)의 타측에는 가열된 연료를 연료 공급통로(150)로 전달하는 연료 전달관(215)이 연결될 수 있다.
아크(180)는 방전극(130)과 연료 가열관(210) 사이에서 형성되며, 회전할 수 있다. 아크(180)의 길이방향 일측 단부는 금속 다공체와 맞닿으며, 아크(180)의 길이방향 타측 단부는 연료 가열관(210)과 맞닿을 수 있다.
아크(180)와 화염에 의하여 연료 가열관(210)이 가열되고, 연료 가열관(210)을 통해서 이동하는 연료는 가열된 후에 연료 공급통로(150) 및 금속 다공체로 공급될 수 있다. 이에 따라 연료가 더욱 용이하게 기화되고 연소 효율이 더욱 상승할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 장치 구동 방법에 대해서 설명한다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구동 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구동 방법은 아크 형성 단계(S401), 연료 공급 단계(S402), 연료 가열 단계(S403), 연료 산화 단계(S404)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구동 방법은 연료 공급 단계(S402)와 아크 형성 단계(S401)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 플라즈마 장치의 구동 방법과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
아크 형성 단계(S401)는 연료 가열관(210)과 방전극(130) 사이에서 아크(180)를 형성하며, 아크(180)는 연속적으로 회전할 수 있다. 아크 형성 단계(S401)에서 아크(180)의 길이방향 일측 단부는 금속 다공체와 맞닿으며, 아크(180)의 길이방향 타측 단부는 연료 가열관(210)과 맞닿을 수 있다.
연료 공급 단계(S402)는 방전극(130)을 감싸며 나선형으로 이어진 연료 가열관(210)을 통해서 연료를 이동시키면서 연료를 가열한 후에 방전극(130)으로 연료를 공급할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
101, 102, 103, 104: 소형 버너
120: 하우징 122: 분배통로
123: 분사통로 125: 열전달판
130: 방전극 150: 연료 공급통로
163: 산화제 공급관 161: 연료 공급관
162: 연료 회수관 171, 172: 연료 분사부재
210: 연료 가열관 215: 연료 전달관
120: 하우징 122: 분배통로
123: 분사통로 125: 열전달판
130: 방전극 150: 연료 공급통로
163: 산화제 공급관 161: 연료 공급관
162: 연료 회수관 171, 172: 연료 분사부재
210: 연료 가열관 215: 연료 전달관
Claims (18)
- 아크를 형성하여 연료를 기화시키는 플라즈마를 이용한 소형 버너에 있어서,
내부 공간을 갖고 접지된 하우징;
상기 하우징 내부로 삽입되며 방전 전압으로 대전된 방전극;
상기 방전극으로 연료를 공급하는 연료 공급통로; 및
상기 하우징의 외측에 연결되며 상기 하우징의 내부 공간으로 산화제를 공급하는 산화제 공급관;
을 포함하고,
상기 방전극은 금속 다공체와 상기 금속 다공체를 감싸며 기화된 연료가 배출되는 복수의 연료 분사구를 포함하는 전극캡을 포함하고,
상기 전극캡은 상기 금속 다공체의 측면 및 선단을 감싸도록 설치되고, 상기 전극캡의 측면에 상기 연료 분사구들이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 소형 버너. - 제1항에 있어서,
상기 연료 공급통로는 이중관 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 소형 버너. - 제1항에 있어서,
상기 연료 공급통로는 상기 금속 다공체로 연료를 공급하는 공급 통로와 상기 연료 공급통로에서 연료를 회수하는 회수 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 소형 버너. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 금속 다공체는 금속 메쉬체로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 소형 버너. - 제1항에 있어서,
상기 방전극의 하류측에 배치되어 상기 하우징의 내부 공간으로 연료를 분사하는 연료 분사부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 소형 버너. - 제6항에 있어서,
상기 하우징의 내부에는 복수의 개구를 갖는 열전달판이 설치되고, 상기 연료 분사부재는 상기 열전달판을 향하여 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 소형 버너. - 아크를 형성하여 연료를 기화시키는 플라즈마를 이용한 소형 버너에 있어서,
내부 공간을 갖고 접지된 하우징;
상기 하우징 내부로 삽입되며 방전 전압으로 대전된 방전극;
상기 방전극으로 연료를 공급하는 연료 공급통로;
상기 하우징의 외측에 연결되며 상기 하우징의 내부 공간으로 산화제를 공급하는 산화제 공급관; 및
상기 방전극을 부분적으로 감싸며 내부로 연료가 이동하는 연료 가열관;
을 포함하고,
상기 방전극에서 아크를 형성하여 연료를 기화시키며, 상기 방전극은 금속 다공체를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 소형 버너. - 제8항에 있어서,
상기 연료 가열관은 나선형으로 이어져 형성되며, 상기 연료 가열관은 상기 연료 공급통로에 연료를 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 소형 버너. - 제9항에 있어서,
상기 연료 가열관은 접지되고, 상기 방전극과 상기 연료 가열관 사이에 아크가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 소형 버너. - 금속 다공체를 포함하는 방전극에 아크를 형성하는 아크 형성 단계;
상기 방전극에 연료를 공급하는 연료 공급 단계;
상기 아크를 이용하여 상기 금속 다공체에 흡수된 연료를 가열하는 연료 가열 단계; 및
기화된 연료를 산화시켜서 화염을 형성하는 연료 산화 단계;
를 포함하며,
상기 아크 형성 단계는 상기 금속 다공체 선단과 측면을 감싸는 전극캡과 상기 하우징 사이에서 아크를 형성하고,
상기 연료 가열 단계는 상기 전극캡의 측면에 형성된 복수의 연료 분사구를 통해서 기화된 연료를 배출시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 화염 형성 방법. - 제11항에 있어서,
상기 연료 공급 단계는 연료를 상기 금속 다공체를 향하여 이동시키는 공급 이동 단계와 상기 금속 다공체에 흡수된 연료 이외의 연료를 회수하는 회수 이동 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 화염 형성 방법. - 삭제
- 금속 다공체를 포함하는 방전극에 아크를 형성하는 아크 형성 단계;
상기 방전극에 연료를 공급하는 연료 공급 단계;
상기 아크를 이용하여 상기 금속 다공체에 흡수된 연료를 가열하는 연료 가열 단계; 및
기화된 연료를 산화시켜서 화염을 형성하는 연료 산화 단계;
를 포함하며,
상기 연료 공급 단계는 상기 방전극을 감싸는 연료 가열관을 통해서 연료를 이동시키면서 연료를 가열한 후에 상기 방전극으로 연료를 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 화염 형성 방법. - 제14항에 있어서,
상기 아크 형성 단계는 상기 연료 가열관과 상기 방전극 사이에서 아크를 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 화염 형성 방법. - 제11항에 있어서,
상기 연료 산화 단계에서 생성된 화염을 향하여 상기 하우징 내부로 연료를 공급하여 연료를 기화시키는 연료 기화 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 화염 형성 방법. - 제16항에 있어서,
상기 연료 기화 단계는 복수의 개구가 형성된 열전달판을 향하여 연료를 분사하여 연료를 기화시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 화염 형성 방법. - 제11항에 있어서,
상기 아크 형성 단계는 하우징의 외주면으로 산화제를 공급하되 스월을 형성하도록 공급하여 상기 아크를 회전시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 화염 형성 방법.
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