KR102677924B1 - 공랭식 냉각 방식의 전자파 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

전자파 플라즈마 토치가 개시된다. 상기 전자파 플라즈마 토치는 도파관의 전자파 전송방향을 수직으로 관통하는 외부 반응기; 상기 외부 반응기의 직경보다 작은 직경을 갖고, 상기 외부 반응기 내부로 삽입되어 상기 외부 반응기와 동축 상에 배치되며, 상기 외부 반응기의 내부로 삽입된 제1 단부가 상기 외부 반응기의 내부와 유체 소통 가능하게 배치되는 내부 반응기; 상기 내부 반응기의 외면과 상기 외부 반응기의 내면 사이에서 상기 외부 반응기의 길이방향을 따라 연장되는 가스전송채널; 및 상기 제1 단부의 반대측에서 상기 가스전송채널 내로 방전가스를 주입하는 가스주입부를 포함하고, 상기 가스주입부로부터 주입되는 방전가스는 상기 가스전송채널을 통해 상기 제1 단부 방향을 향하는 제1 방향을 따라 이동 후 상기 내부 반응기로 유입되어 상기 제1 방향의 역방향인 제2 방향으로 이동하는 것을 특징으로 한다.

Description

공랭식 냉각 방식의 전자파 플라즈마 토치{AIR-COOLED MICORWAVE PLASMA TORCH}

본 발명은 전자파 플라즈마 토치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각수의 주입 없이 공랭식의 냉각이 가능한 전자파 플라즈마 토치에 관한 것이다.

전자파 플라즈마 토치는 마이크로웨이브(Microwave)를 전송하는 도파관 내를 방전관이 관통하고, 도파관 내로 전송 및 반사되는 상기 마이크로웨이브에 의해 방전관 내에 강한 전기장이 발생되고, 방전관 내에 플라즈마 발생 가스가 주입되면 방전관 내에 플라즈마가 발생되고, 점화장치로 점화하여 화염을 발생시키는 장치로서 잘 알려져 있다.

이러한 전자파 플라즈마 토치는 방전관의 냉각을 필요로 하는데, 종래 대부분의 전자파 플라즈마 토치는 냉각수를 공급하여 방전관의 냉각을 실시하였고, 이에 따라 냉각수의 순환을 위한 구조가 설치되는데, 냉각수의 순환을 위한 구조를 구비함에 따라 방전관의 구조가 복잡해지고, 제작이 어려워지는 문제가 있었다.

또한, 종래의 전자파 플라즈마 토치는 단일관 구조로 이루어져 있어서 방전가스의 주입 용량에 제한이 따르고, 이에 따라 대용량 플라즈마 토치를 구현하기에 어려움이 있었다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 구조가 간단하고, 제작이 쉽고, 대용량 플라즈마 토치를 구현할 수 있고, 열손실이 적은 효과적인 단열 구조가 구현될 수 있도록 한 전자파 플라즈마 토치를 제공하는데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치는 도파관의 전자파 전송방향을 수직으로 관통하는 외부 반응기; 상기 외부 반응기의 직경보다 작은 직경을 갖고, 상기 외부 반응기 내부로 삽입되어 상기 외부 반응기와 동축 상에 배치되며, 상기 외부 반응기의 내부로 삽입된 제1 단부가 상기 외부 반응기의 내부와 유체 소통 가능하게 배치되는 내부 반응기; 상기 내부 반응기의 외면과 상기 외부 반응기의 내면 사이에서 상기 외부 반응기의 길이방향을 따라 연장되는 가스전송채널; 및 상기 제1 단부의 반대측에서 상기 가스전송채널 내로 방전가스를 주입하는 가스주입부를 포함하고, 상기 가스주입부로부터 주입되는 방전가스는 상기 가스전송채널을 통해 상기 제1 단부 방향을 향하는 제1 방향을 따라 이동 후 상기 내부 반응기로 유입되어 상기 제1 방향의 역방향인 제2 방향으로 이동하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 외부 반응기 및 상기 내부 반응기는 원통 형상이고, 상기 가스주입부는 상기 외부 반응기의 외면에 접선 방향으로 연결되어 상기 방전가스를 상기 가스전송채널로 주입할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 외부 반응기의 양측 단부는 막혀있고, 상기 내부 반응기는 상기 제1 단부가 이에 대향하는 상기 외부 반응기의 막힌 면에 밀착하고 상기 제1 단부 방향의 측면 둘레에 방사상 배열되는 슬릿을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 슬릿은 상기 내부 반응기의 길이방향에 평행한 방향이 더 긴 직사각형 형상일 수 있다.

본 발명에 따른 전자파 플라즈마 토치는 내부 반응기 내의 열손실이 적은 효과적인 단열 구조가 구현될 수 있고, 방전가스의 예열을 통해 전자파와의 반응 효율을 높여 플라즈마 화염의 생성 효율이 증대될 수 있으며, 방전가스의 주입 용량을 늘릴 수 있어서 대용량 플라즈마 토치를 구현할 수 있고, 냉각수를 이용하지 않으므로 반응기의 구조가 간단해지고, 제작이 쉬워질 수 있는 등의 이점이 있다. 특히, 스팀 플라즈마 발생을 위해 가스주입부를 통해 스팀을 방전가스로서 주입하는 경우 스팀 주입 시 발생하는 결로 현상을 방지할 수 있어, 스팀 플라즈마 발생에 유리할 수 있다.

도 1은 본 발명의 전자파 플라즈마 토치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 내부 반응기 및 외부 반응기의 횡방향 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 내부 반응기의 슬릿 구조를 나타내는 부분 확대 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 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 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 전자파 플라즈마 토치의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 내부 반응기 및 외부 반응기의 횡방향 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 내부 반응기의 슬릿 구조를 나타내는 부분 확대 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치는 외부 반응기(110), 내부 반응기(120), 가스전송채널(130), 가스주입부(140)를 포함할 수 있다.

외부 반응기(110)는 도파관(10)의 전자파 전송방향을 수직으로 관통한다. 일 예로, 외부 반응기(110)는 원통 형상일 수 있고, 후술하는 바와 같이, 내부 반응기(120)의 내부에 전기장이 집중되도록 그 전체 길이 또는 상기 도파관(10)을 관통하는 일부 영역이 전자파의 투과 가능한 재질일 수 있다.

내부 반응기(120)는 외부 반응기(110)의 직경보다 작은 직경을 갖는 원통 형상으로 구비될 수 있다. 내부 반응기(120)는 상기 외부 반응기(110) 내부로 삽입되어 상기 외부 반응기(110)와 동축 상에 배치될 수 있고, 상기 외부 반응기(110)로 삽입된 제1 단부가 상기 외부 반응기(110)의 내부와 유체 소통 가능하게 배치될 수 있다. 일 예로, 상기 내부 반응기(120)는 원통 형상일 수 있고, 석영관일 수 있다.

가스전송채널(130)은 상기 내부 반응기(120)의 외면과 상기 외부 반응기(110)의 내면 사이에서 상기 외부 반응기(110)의 길이방향을 따라 연장될 수 있다. 가스전송채널(130)은 상기 내부 반응기(120) 및 상기 외부 반응기(110)의 횡단면으로 볼 때 환형일 수 있다.

가스주입부(140)는 상기 제1 단부의 반대측에서 상기 가스전송채널(130) 내로 방전가스를 주입할 수 있다. 가스주입부(140)는 상기 외부 반응기(110)에 연결될 수 있다.

한편, 상기 외부 반응기(110)의 양측 단부는 막혀 있고, 상기 내부 반응기(120)는 상기 제1 단부가 이에 대향하는 상기 외부 반응기(110)의 막힌 면에 밀착하고, 상기 제1 단부 반대편의 내부 반응기(120)의 제2 단부는 이에 대향하는 상기 외부 반응기(110)의 다른 막힌 면을 관통하여 외부 반응기(110) 외부로 노출될 수 있고, 상기 제1 단부 방향의 측면 둘레에는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 다수의 슬릿(121)이 방사상 배열될 수 있다. 상기 다수의 슬릿(121)은 상기 가스전송채널(130)과 대향된다. 일 예로, 상기 각각의 슬릿(121)은 상기 내부 반응기(120)의 길이방향에 평행한 방향이 더 긴 직사각형 형상일 수 있다.

한편, 상기 가스주입부(140)는 상기 외부 반응기(110)의 외면에 접선 방향으로 연결될 수 있다. 가스주입부(140)의 형태에는 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 외부 반응기(110)의 외면으로부터 확장되어 평면이 대략 삼각형 형상인 챔버 형태일 수 있고, 이러한 경우 상기 삼각형 형상에서 상기 외부 반응기(110)의 외면에 수직한 면으로부터 방전가스가 주입될 수 있다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치는 도파관(10) 내에 전자파가 도입되어 도파관(10) 내에 위치하는 내부 반응기(120)의 삽입된 영역 내부에 전기장이 집중되는 상태에서, 가스주입부(140)를 통해 방전가스를 주입한다.

이때, 가스주입부(140)는 외부 반응기(110)에 접선 방향으로 배치되므로 가스주입부(140)를 통해 주입되는 방전가스는 가스전송채널(130)의 내부에서 스월을 형성하면서 가스전송채널(130)을 따라 내부 반응기(120)의 제1 단부 방향을 향하는 제1 방향을 따라 이동한다. 이 과정에서 방전가스는 예열(pre-heating)될 수 있다.

이어서, 상기 제1 방향을 따라 스월을 형성하면서 이동하는 방전가스가 상기 제1 단부에 도달하면 방전가스는 다수의 슬릿(121)들을 통해 내부 반응기(120)의 내부로 주입된다.

이때, 내부 반응기(120)의 내부로 주입되는 방전가스는 슬릿(121)을 통해 내부 반응기(120)의 측면으로부터 주입되므로 도 3에 도시한 바와 같이 스월 형태의 중단 없이 그대로 유지하면서 내부 반응기(120)로 주입될 수 있고, 내부 반응기(120) 내에서도 스월 형태를 그대로 유지하여, 내부 반응기(120)의 길이방향, 즉 내부 반응기(120)의 제2 단부 방향을 향하며 상기 제1 방향의 역방향인 제2 방향을 따라 스월을 형성하면서 이동할 수 있다.

상기 외부 반응기(110)의 도파관(10)을 관통하는 영역에서 상기 내부 반응기(120)로 방전가스가 주입되면 내부 반응기(120) 내에 배치되는 점화부(미도시)에 전압이 인가되어 내부 반응기(120) 내에 플라즈마 화염이 생성되고, 상기 내부 반응기(120)의 제2 단부를 통해 플라즈마 화염이 토출된다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치는 플라즈마 화염을 생성하는 내부 반응기(120)를 둘러싸는 가스전송채널(130)에 의한 공기층이 형성되므로 내부 반응기(120) 내의 열손실이 적은 효과적인 단열 구조가 구현될 수 있는 이점이 있다.

또한, 방전가스는 플라즈마 화염을 생성하기 전에 가스전송채널(130)을 따라 이동하면서 예열되므로 전자파와의 반응 효율을 높여 플라즈마 화염의 생성 효율이 증대될 수 있는 이점이 있다.

또한, 플라즈마 화염을 생성하는 내부 반응기(120)의 내부 공간 외에 추가로 가스전송채널(130)이 구비되므로 방전가스의 주입 용량을 늘릴 수 있어서 대용량 플라즈마 토치를 구현할 수 있는 이점이 있다.

또한, 냉각수를 이용하지 않고 가스전송채널(130)에 의한 공기층으로서 내부 반응기 및 외부 반응기를 냉각하므로 반응기의 구조가 간단해지고, 제작이 쉬워질 수 있는 이점이 있다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 도파관의 전자파 전송방향을 수직으로 관통하는 외부 반응기;
   상기 외부 반응기의 직경보다 작은 직경을 갖고, 상기 외부 반응기 내부로 삽입되어 상기 외부 반응기와 동축 상에 배치되며, 상기 외부 반응기의 내부로 삽입된 제1 단부가 상기 외부 반응기의 내부와 유체 소통 가능하게 배치되는 내부 반응기;
   상기 내부 반응기의 외면과 상기 외부 반응기의 내면 사이에서 상기 외부 반응기의 길이방향을 따라 연장되는 가스전송채널; 및
   상기 제1 단부의 반대측에서 상기 가스전송채널 내로 방전가스를 주입하는 가스주입부를 포함하고,
   상기 외부 반응기 및 상기 내부 반응기는 원통 형상이고,
   상기 가스주입부는 상기 외부 반응기의 외면에 접선 방향으로 연결되되 외부 반응기의 외면으로부터 확장되어 평면이 삼각형 형상인 챔버 형태로 형성되어 외부 반응기의 외면에 수직한 면으로부터 방전가스를 상기 가스전송채널로 주입하며,
   상기 외부 반응기의 양측 단부는 막혀있고,
   상기 내부 반응기는 상기 제1 단부가 이에 대향하는 상기 외부 반응기의 막힌 면에 밀착하고 상기 제1 단부 방향의 측면 둘레에 방사상 배열되는 슬릿을 포함하고,
   상기 슬릿은 상기 내부 반응기의 길이방향에 평행한 방향이 더 긴 직사각형 형상이고,
   상기 가스전송채널은 상기 도파관의 하측의 상기 외부 반응기의 막힌 면으로부터 상기 도파관의 상측의 상기 외부 반응기의 다른 막힌 면까지 연장되며,
   상기 가스주입부는 상기 도파관의 하측의 상기 외부 반응기의 막힌 면 방향에 위치하고 상기 슬릿은 상기 외부 반응기의 다른 막힌 면 방향에 위치하여, 상기 방전가스는 가스주입부를 통해 상기 도파관의 하측에서 스월을 형성하면서 주입되어 상기 도파관을 지나면서 상기 도파관의 상측까지 도달된 후 상기 슬릿을 통해 상기 내부 반응기 내부로 주입되어 상기 도파관의 상측에서 다시 상기 도파관의 하측까지 스월을 유지하면서 이동하고,
   이러한 방전가스의 이동에 따라 상기 가스전송채널 내부는 상기 내부 반응기의 길이 전체를 둘러싸는 공기층이 형성되는 것을 특징으로 하는,
   공랭식 냉각 방식의 전자파 플라즈마 토치.
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