KR19980073052A - Plasma ionizing gas generator by streamer corona discharge - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 전리기체 발생장치에 관한 것으로서, 특히 스파크갭 스위치 사이에서 발생되는 과속의 불꽃방전을 임의적으로 단속되게 하는 방전단속수단을 통하여 펄스폭이 좁고, 펄스상승시간이 극히 짧은 고전압펄스가 플라즈마반응기에 출력되어 강력한 스트리머 코로나 방전을 통한 상온상압의 비평형 저온 플라즈마에 의한 화학적 활성종인 플라즈마 전리기체 발생장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for generating a plasma ionizing gas, wherein a high voltage pulse having a narrow pulse width and an extremely short pulse rise time is formed by a discharge interrupting means for arbitrarily intermitting a spark discharge of an overspeed generated between spark gap switches. The present invention relates to a plasma ionizer generating device which is a chemically active species by a non-equilibrium low-temperature plasma at room temperature and pressure through a powerful streamer corona discharge.
본 발명은 전압을 제어하기 위한 전압제어장치(11)와, 교류전압을 승압하는 고전압 변압기(12)와, 승압된 교류고전압을 직류고전압으로 변환하는 고전압 정류기(13)와, 펄스방전을 위한 충전용 콘덴서(C2)와, 불꽃방전을 발생하는 스파크갭스위치(15)와, 플라즈마를 발생하는 플라즈마반응기(16)를 구비한 플라즈마 전리기체 발생장치에 있어서, 상기 스파크갭스위치(15) 사이에서 발생되는 불꽃방전을 임의적으로 단속되게하는 방전단속수단과, 상기 수단에 의해 출력되는 고전압을 전달받고, 플라즈마반응기(16)의 부하임피턴스 및 정전용량에 따른 LC공진에 의해서 첨예한 고전압펄스 코로나 방전이 되게하는 고주파리액터(L2)를 포함하는 것을 특징으로하여 고주파리액터를 통하여 플라즈마반응기로 출력되는 고전압의 펄스상승시간 및 펄스폭을 대폭 줄일 수 있어 강력한 스트리머 코로나 방전에 의한 환경 및 여타산업상에 유용한 화학적 산화성과 환원성이 강한 활성종인 플라즈마 전리기체의 효율적인 생성에 관한 기술이다.The present invention provides a voltage control device 11 for controlling voltage, a high voltage transformer 12 for boosting an AC voltage, a high voltage rectifier 13 for converting a boosted AC high voltage into a DC high voltage, and charging for pulse discharge. In the plasma ionizing gas generating device having a capacitor C2, a spark gap switch 15 for generating spark discharge, and a plasma reactor 16 for generating plasma, the spark gap switch 15 is generated between the spark gap switches 15. Discharge interruption means for arbitrarily interrupting the spark discharge, and high voltage pulse corona discharge received by LC resonance according to the load impedance and capacitance of the plasma reactor 16 is received. It characterized in that it comprises a high-frequency reactor (L2) to reduce the pulse rise time and pulse width of the high voltage output to the plasma reactor through the high-frequency reactor There is a number of technologies for efficient generation of a strong streamer corona useful in the environment and other industries due to discharge and chemically oxidizing the reducing plasma gas is ionized species, strong activity.
Description
본 발명은 플라즈마 전리기체 발생장치에 관한 것으로서, 특히 스파크갭 스위치에서 발생되는 고속의 불꽃방전을 임의적으로 단속되게 하는 방전단속수단을 통하여 펄스폭이 좁고, 펄스상승시간이 극히 짧은 고전압펄스가 플라즈마반응기에 출력되어 강력한 스트리머 코로나 방전(STREAMER CORONA DISCHARGE)에 의한 상온상압의 물리적으로 중성인 비평형 저온플라즈마를 발생시켜 화학적 활성종인 플라즈마 전리기체 발생장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for generating a plasma ionizing gas, and in particular, a high voltage pulse having a narrow pulse width and an extremely short pulse rising time is a plasma reactor through a discharge interrupting means for arbitrarily interrupting a high-speed flame discharge generated from a spark gap switch. The present invention relates to a plasma ionizer generating device which is a chemically active species by generating a physically neutral non-equilibrium low-temperature plasma at room temperature and pressure caused by a powerful streamer corona discharge.
최근 플라즈마(PLASMA)를 이용한 산업상의 응용분야가 증가하고 있으나, 실제 유용한 상온상압의 저온 플라즈마를 발생시키는 기술이 미흡하여 실용상 많은 문제점이 있으므로 보다 강력한 스트리머 코로나 방전을 통한 플라즈마 발생기술에 대한 활발한 연구가 수행되고 있는 실정이다.Recently, industrial applications using plasma have been increasing, but there are many practical problems due to the lack of practical techniques for generating low temperature plasma at room temperature and atmospheric pressure. Therefore, there is a lot of practical problems for plasma generation technology through more powerful streamer corona discharge. The research is being conducted.
도 1 및 도 2는 종래의 플라즈마 발생장치를 설명하기위한 설명도로서, 도 1에 의한 플라즈마 발생장치는 상용교류전원(10)을 전압제어장치에 의해 제어하고, 그 제어된 교류전압은 고전압변압기(12)에 의해 소정의 교류전압으로 승압되며 승압된 교류 고전압은 고전압정류기(13)에 의해 전파정류되고 고전압콘덴서(C2)에 의해 평활화 된후, 상기 고전압콘덴서(C2)에 충전된 고전압이 스파크갭스위치(15)에 인가된다. 고전압콘덴서(C2)에 충전된 고전압이 방전하면 스파크갭스위치(15)의 방전단자(15a,15b) 사이에서 고전압에 따른 불꽃방전이 발생한다. 상기 콘덴서(C2)에서 충전된 고전압이 모두 방전하고 충전하는 동안에는 상기 스파크갭스위치(15)에서 불꽃방전이 발생하지 않고, 다시 상기 콘덴서(C2)에 충전된 고전압이 방전하면서 스파크갭스위치(15)에서 불꽃방전이 발생한다. 이와같은 과정이 스파크갭스위치(15)에서 반복적으로 이루어지면, 상기 스파크갭스위치(15)에서 고속의 불꽃방전이 일어나 고전압펄스가 발생하고 이 고전압펄스는 플라즈마반응기(16)의 방전전극(17)에 전달되어 플라즈마가 발생된다.1 and 2 are explanatory views for explaining a conventional plasma generator, the plasma generator according to Figure 1 controls the commercial AC power supply 10 by a voltage control device, the controlled AC voltage is a high voltage transformer The AC high voltage stepped up by a predetermined AC voltage and boosted by 12 is full-wave rectified by the high voltage rectifier 13 and smoothed by the high voltage capacitor C2, and then the high voltage charged in the high voltage capacitor C2 is spark-gap. Is applied to the switch 15. When the high voltage charged in the high voltage capacitor C2 discharges, spark discharge according to the high voltage occurs between the discharge terminals 15a and 15b of the spark gap switch 15. Spark discharge does not occur in the spark gap switch 15 while the high voltage charged in the capacitor C2 discharges and charges, and the spark voltage switch 15 discharges while the high voltage charged in the capacitor C2 discharges again. Spark discharges occur at When this process is repeatedly performed in the spark gap switch 15, a high-speed spark discharge occurs in the spark gap switch 15, and a high voltage pulse is generated, and the high voltage pulse is discharge electrode 17 of the plasma reactor 16. Is delivered to generate a plasma.
또는, 더욱 왕성한 플라즈마를 얻기위하여 도 2와 같이 스파크갭스위치(15)의 방전단자(15a,15b) 사이에 회전방전단자(14a,14b)를 설치하여 회전방전단자(14a,14b)를 도시된 화살표 방향으로 회전하여 상기 회전방전단자(14a,14b)가 방전단자(15a,15b)에 가까운 거리로 올 때 마다 불꽃방전이 발생되도록하여 플라즈마반응기(16)에서 150KV 내지 250KV의 고전압 불꽃 방전이 발생하도록 하였다.Alternatively, rotational discharge terminals 14a and 14b are provided between the discharge terminals 15a and 15b of the spark gap switch 15 to obtain a more vigorous plasma, thereby showing the rotational discharge terminals 14a and 14b. When the rotary discharge terminals 14a and 14b come close to the discharge terminals 15a and 15b by rotating in the direction of the arrow, a spark discharge is generated so that a high voltage flame discharge of 150 KV to 250 KV is generated in the plasma reactor 16. It was made.
그러나, 상기 도 1에 따른 종래의 기술은 스파크갭스위치(15)의 방전단자(15a,15b)가 일정거리 이격되어 고정되어 있는데 상기 방전단자(15a,15b)사이의 거리가 통상 10mm 정도 떨어져 있기 때문에 방전단자(15a,15b) 사이에서 발생하는 불꽃방전의 끊김이 나빠 고전압펄스가 급속히 저하되며, 반대로 상기 방전단자(15a,15b) 사이의 거리를 너무 넓게하면 불꽃방전이 발생하지 않게되어 플라즈마를 얻을 수 없는 문제점이 있다.However, according to the related art of FIG. 1, the discharge terminals 15a and 15b of the spark gap switch 15 are fixed at a predetermined distance, and the distance between the discharge terminals 15a and 15b is usually about 10 mm apart. Therefore, the breakdown of the spark discharge generated between the discharge terminals 15a and 15b is poor, and the high voltage pulse is rapidly lowered. On the contrary, if the distance between the discharge terminals 15a and 15b is too wide, the spark discharge does not occur and the plasma is discharged. There is a problem that cannot be obtained.
상기 도 2에 따른 종래의 기술은 스트리머 코로나가 방전전극(17)으로부터 원통형의 대향전극(18)으로 향해 발생되며, 스트리머 부분은 정과 부의 이온이 혼재하는 플라즈마 영역으로 되어 있고, 이 플라즈마 영역을 기체분자가 통과할 때 화학반응이 용이한 플라즈마 전리기체에 의한 활성종(RADICAL)을 생성한다. 따라서, 산업상의 적용을 목적으로 한 다량의 활성종을 생성시키기 위해서는 보다 강력한 스트리머에 의한 광범위한 플라즈마영역 및 플라즈마 전리기체의 농도를 높여야 하기 때문에 고전압 펄스의 파고치 및 발생빈도를 높일 필요가 있다. 이를 위해서는 스파크갭스위치(15)의 회전방전단자(14a,14b)의 회전수를 실용상 최소 1500rpm 이상으로 하지 않으면 안되는 문제점이 있다. 또한, 고전압 펄스의 발생빈도를 높이는데 회전방전단자(14a,14b)의 극수를 증가시키면 좋으나, 각 불꽃 방전에 의해 갭간에 발생한 이온이 어느 레벨까지 결국 갭 사이의 전기절연이 회복할 때까지의 회복시간보다도 짧은 시간 간격으로 불꽃 방전을 발생시킬 수 없는 문제점이 있으며, 회전방전단자(14a,14b)의 회전에 의해 생기는 바람으로 갭간의 이온의 일부분이 날려지므로 실용상 고전압 펄스의 발생빈도는 최대 약 300회/초 밖에 않되는 문제점이 있다.2, the streamer corona is generated from the discharge electrode 17 toward the cylindrical counter electrode 18, and the streamer portion is a plasma region in which positive and negative ions are mixed. When the gas molecules pass through, it generates active species (RADICAL) by plasma ionization gas which is easy to chemically react. Therefore, in order to generate a large amount of active species for industrial application, it is necessary to increase the concentration of a wide range of plasma region and plasma ionizing gas by a more powerful streamer, and therefore, it is necessary to increase the crest value and generation frequency of the high voltage pulse. To this end, there is a problem that the rotation speed of the rotary discharge terminals 14a and 14b of the spark gap switch 15 must be at least 1500 rpm for practical use. In addition, the number of poles of the rotary discharge terminals 14a and 14b may be increased to increase the frequency of high voltage pulses, but until the level of ions generated between the gaps by each spark discharge eventually recovers the electrical insulation between the gaps. There is a problem in that spark discharge cannot be generated at a time interval shorter than the recovery time, and a part of the ions between the gaps is blown by the wind generated by the rotation of the rotary discharge terminals 14a and 14b. There is a problem that is only about 300 times / second.
또한, 회전방전단자(14a,14b)의 고속회전시 기체의 전기절연회복이 충분히되지 않은 상태에서 재차 불꽃방전이 발생하지 않도록 하기 위하여 회전방전단자(14a,14b)가 대형화되어야 하고, 전기절연이 확보되지않은 상태에서 재차방전을 일으킬 경우에는 균일한 펄스전압을 얻을 수 없는 문제점이 있다.In addition, the rotary discharge terminals 14a and 14b should be enlarged in order to prevent the spark discharge from occurring when the electrical discharge recovery of the gas is not sufficient during the high speed rotation of the rotary discharge terminals 14a and 14b. If the discharge is caused again in the unsecured state, there is a problem that a uniform pulse voltage cannot be obtained.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 스파크갭스위치의 방전단자 사이에 방전단속수단을 설치하고, 스파크갭스위치와 플라즈마반응기(16) 사이에 고주파리액터(L2)를 접속하여 스파크갭스위치에서 발생되는 불꽃방전을 임의적으로 단속되게하여 펄스폭이 극히 좁고, 펄스상승시간이 극히 짧은 펄스 고전압이 방전전극(17)에 전달되도록하여 강한 스트리머 코로나 방전에 의한 화학적 활성이 강한 플라즈마가 발생되도록 한 스트리머 코로나 방전에 의한 플라즈마 전리기체 발생장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.Therefore, in order to solve the above problems, the present invention provides a discharge interruption means between the discharge terminals of the spark gap switch, and connects the high frequency reactor L2 between the spark gap switch and the plasma reactor 16 to spark the spark. The flame discharge generated in the gap switch is arbitrarily interrupted, so that the pulse width is extremely narrow, and the pulse high voltage with the short pulse rise time is transmitted to the discharge electrode 17 so that the plasma having strong chemical activity by the strong streamer corona discharge is generated. It is an object of the present invention to provide an apparatus for generating a plasma ionizing gas by a streamer corona discharge that is generated.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전압을 제어하기 위한 전압제어장치(11)와, 교류전압을 승압하는 고전압 변압기(12)와, 승압된 교류고전압을 직류고전압으로 변환하는 고전압 정류기(13)와, 펄스방전을 위한 충전용 콘덴서(C2)와, 불꽃방전을 발생하는 스파크갭스위치와, 플라즈마를 발생하는 플라즈마반응기(16)를 구비한 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 스파크갭스위치에서 발생되는 불꽃방전을 임의적으로 단속되게하는 방전단속수단과, 상기 수단에 의해 출력되는 고전압을 전달받고, 플라즈마반응기(16)의 부하임피턴스 및 정전용량에 따른 LC공진에 의해서 첨예한 고전압펄스 코로나 방전이 되게하는 고주파리액터(L2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a voltage control device 11 for controlling voltage, a high voltage transformer 12 for boosting an AC voltage, and a high voltage rectifier 13 for converting a boosted AC high voltage into a DC high voltage. And a plasma generating device including a charging capacitor (C2) for pulse discharge, a spark gap switch for generating spark discharge, and a plasma reactor (16) for generating plasma, wherein the spark generated in the spark gap switch A discharge interrupting means for arbitrarily interrupting the discharge, and a high voltage outputted by the means, receiving a high voltage pulse corona discharge by LC resonance according to the load impedance and capacitance of the plasma reactor 16. It characterized in that it comprises a high frequency reactor (L2).
도 1 및 도 2는 종래의 플라즈마 발생장치를 설명하기위한 설명도.1 and 2 are explanatory diagrams for explaining a conventional plasma generating apparatus.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 전리기체 발생장치의 일실시예를 설명하기위한 설명도.Figure 3 is an explanatory diagram for explaining an embodiment of the plasma ionizing gas generating apparatus according to the present invention.
도 4는 상기 도 3의 방전단속수단을 확대하여 설명하기위한 사시도.4 is a perspective view for enlarged explanation of the discharge control means of FIG.
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 전리기체 발생장치의 다른 실시예를 설명하기위한 설명도.5 is an explanatory diagram for explaining another embodiment of the plasma ionizing gas generator according to the present invention.
도 6은 상기 도 5의 방전단속수단을 확대하여 설명하기위한 사시도.Figure 6 is a perspective view for explaining the enlarged discharge control means of FIG.
도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 전리기체 발생장치의 또다른 실시예를 설명하기위한 사시도.7 is a perspective view for explaining another embodiment of the plasma ionizing gas generating apparatus according to the present invention.
도 8A는 종래의 플라즈마 발생장치의 양전극간의 전압파형을 도시한 도면.8A is a diagram showing voltage waveforms between the positive electrodes of a conventional plasma generator.
도 8B는 도 8A의 전압파형을 1개 파형만 확대 도시한 도면.8B is an enlarged view of only one waveform of the voltage waveform of FIG. 8A.
도 9A는 본 발명에 따른 플라즈마 전리기체 발생장치의 양전극간의 전압파형을 도시한 도면.9A is a view showing voltage waveforms between the positive electrodes of the plasma ionizing gas generator according to the present invention;
도 9B는 도 9A의 전압파형을 1개 파형만 확대 도시한 도면.9B is an enlarged view of only one waveform of the voltage waveform of FIG. 9A.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 상용교류전원 11 : 전압제어장치10: commercial AC power supply 11: voltage control device
12 : 고전압 변압기 13 : 고전압 정류기12: high voltage transformer 13: high voltage rectifier
14a,14b : 회전방전단자 15 : 스파크갭스위치14a, 14b: rotary discharge terminal 15: spark gap switch
15a,15b : 방전단자 16 : 플라즈마 반응기15a, 15b: discharge terminal 16: plasma reactor
17 : 방전전극 18 : 대향전극17: discharge electrode 18: counter electrode
20,40,50 : 방전단속수단 21 : 모터20,40,50: discharge control means 21: motor
24 : 콘트롤러 25 : 회전원판24: controller 25: rotating disc
26 : 샤프트 27 : 회전축26 shaft 27 rotation axis
35 : 콤프레셔 42 : 분사노즐35: compressor 42: injection nozzle
43 : 기체관 C1,C2 : 고전압 콘덴서43: gas pipe C1, C2: high voltage capacitor
L1,L2 : 리액터L1, L2: Reactor
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings the present invention will be described in detail.
일반적으로 플라즈마반응기(16)에서 발생되는 활성종의 플라즈마 전리기체를 얻기위해서는 스파크갭스위치에서 발생되는 불꽃방전에 의해서 방전전극으로 출력되는 고전압의 펄스폭이 좁아야되며, 펄스상승시간이 짧아야 더욱더 좋은 활성종의 플라즈마 전리기체를 얻을 수 있다. 따라서 본 발명은 스파크갭스위치에서 발생하는 불꽃방전이 방전단속수단에 의해 임의적으로 단속되어 펄스폭이 좁고, 펄스상승시간이 극히 짧은 펄스 고전압이 방전전극으로 출력되도록 한 것으로 도 3은 본 발명에 따른 방전단속수단의 일 실시예를 이용한 플라즈마 전리기체 발생장치를 설명하기위한 설명도이다.In general, in order to obtain the plasma ionizing gas of the active species generated in the plasma reactor 16, the pulse width of the high voltage output to the discharge electrode by the spark discharge generated from the spark gap switch should be narrow, and the pulse rise time should be shorter. A plasma ionizing gas of an active species can be obtained. Accordingly, in the present invention, the spark discharge generated in the spark gap switch is arbitrarily interrupted by the discharge interrupting means so that a pulse high voltage is output to the discharge electrode with a narrow pulse width and a short pulse rise time. It is an explanatory drawing for demonstrating the plasma ionizing gas generating apparatus using the Example of discharge control means.
교류 또는 직류입력 전압을 공급받아 전압제어장치(11)에서 상기 교류 또는 직류전압을 필요한 전압으로 제어하되, 입력되는 직류전압은 인버터(도시안됨)를 통하여 교류전압으로 변환하여 제어한다. 상기 전압제어장치(11)로부터 출력되는 교류전압은 고전압 변압기(12)에서 승압되어 고전압 정류기(13)에서 승압된 교류고전압은 직류고전압으로 변환되며, 상기 정류기(13)에서 출력되는 전압은 고전압콘덴서(C1) 및 리액터(L1)를 통하여 안정된 DC 전압으로 공급되고, 다시 펄스방전을 위해 충전용콘덴서(C2)에 고전압이 충전된다. 상기 충전용콘덴서(C2)에 스파크갭스위치(15')가 직렬로 접속되어 있다.The AC or DC voltage is supplied from the AC or DC input voltage to control the AC or DC voltage to the required voltage, but the input DC voltage is converted into an AC voltage through an inverter (not shown) and controlled. The AC voltage output from the voltage controller 11 is boosted by the high voltage transformer 12 and the AC high voltage boosted by the high voltage rectifier 13 is converted into a DC high voltage, and the voltage output from the rectifier 13 is a high voltage capacitor. A stable DC voltage is supplied through the C1 and the reactor L1, and a high voltage is charged to the charging capacitor C2 for pulse discharge. A spark gap switch 15 'is connected in series with the charging capacitor C2.
상기 방전단속수단(20)은 소요의 구멍(28)(도 5참조)이 형성된 회전원판(25)이 모터(21)에 의해 동작되고, 상기 회전원판(25)의 구멍(28)이 상기 스파크갭스위치(15')의 방전단자(15a', 15b') 사이에 놓이도록 설치되어 스파크갭스위치(15')에서 발생되는 불꽃방전을 단속한다.In the discharge interruption means 20, a rotating disc 25 having a required hole 28 (see FIG. 5) is operated by a motor 21, and the hole 28 of the rotating disc 25 is sparked. It is provided so as to be placed between the discharge terminals 15a 'and 15b' of the gap switch 15 'to control the spark discharge generated at the spark gap switch 15'.
상기 스파크갭스위치(15')의 방전단자(15b')에 고주파리액터(L2)가 직렬로 접속되고 다시 플라즈마반응기(16)가 연결되어 있다. 콘트롤러(24)는 상기 플라즈마반응기(16)에 입력되는 고전압과 DC단(P점)에 걸리는 고전압과, 방전단속수단(20)의 회전원판(25)의 동작신호를 전달받아 설정된 프로그램에 의해 상기 전압제어장치(11)와 방전단속수단(20)의 모터(21)를 제어한다.The high frequency reactor L2 is connected in series to the discharge terminal 15b 'of the spark gap switch 15', and the plasma reactor 16 is connected again. The controller 24 receives the high voltage input to the plasma reactor 16 and the high voltage applied to the DC terminal (P point) and the operation signal of the rotational disc 25 of the discharge control means 20. The motor 21 of the voltage control device 11 and the discharge control means 20 is controlled.
상기의 구성에 따른 동작과정을 좀더 자세히 설명하면, 상기의 스파크갭스위치(15')에서 불꽃방전을 발생되게하는 전기적과정은 앞에서 설명하였기에 생략하기로 한다.In more detail the operation process according to the above configuration, the electrical process for generating the spark discharge in the spark gap switch (15 ') will be omitted because it has been described above.
상기 충전용콘덴서(C2)에 충전된 고전압이 방전하여 방전단속수단(20)이 설치된 스파크갭스위치(15')에 인가되면 상기 방전단속수단(20)의 회전원판(25)에 형성된 구멍(28)이 스파크갭스위치(15')의 방전단자(15a', 15b')와 일치 될때 불꽃방전이 발생하고, 상기 회전원판(25)이 콘트롤러(24)의 동작에 따라 회전하여 상기 구멍(28)과 방전단자(15a', 15b')가 일치하지 않을때는 불꽃방전이 차단되게된다. 상기 방전단자(15a', 15b')와 구멍(28)이 일치될때의 불꽃방전에 의한 펄스 고전압이 고주파리액터(L2)를 통하여 펄스상승시간이 극히 짧고, 펄스폭이 극히 좁은 나노세컨드펄스(NANO SECOND PULSE) 고전압이 플라즈마반응기(16)에 전달된다.When the high voltage charged in the charging capacitor C2 is discharged and applied to the spark gap switch 15 ′ having the discharge interruption means 20 installed therein, a hole 28 is formed in the rotating disc 25 of the discharge interruption means 20. When the flame coincides with the discharge terminals 15a 'and 15b' of the spark gap switch 15 ', spark discharge occurs, and the rotary disk 25 rotates in accordance with the operation of the controller 24 so that the hole 28 When the discharge terminals 15a 'and 15b' do not coincide, the spark discharge is blocked. The pulse high voltage caused by the spark discharge when the discharge terminals 15a 'and 15b' coincide with the hole 28 is extremely short in the pulse rising time and extremely narrow in the pulse width through the high frequency reactor L2. SECOND PULSE) High voltage is delivered to the plasma reactor 16.
상기 플라즈마반응기(16) 내부에는 스트리머 코로나 방전에 의한 화학적 활성이 강한 플라즈마상의 전리기체를 형성하기 위해 두전극이 설치되되, 전극간에 방전전극(17)을 양극(+; 정극), 대향전극(18)을 음극(-; 부극)으로 하는 두전극이 설치된다. 방전단속수단(20)이 설치된 상기 스파크갭스위치(15')에서 발생되는 불꽃방전이 상기 회전원판(25)의 구멍(28)에 의해 단속되고, 단속된 고전압은 고주파리액터(L2)를 통하여 펄스상승시간이 매우 빠르고(100ns 이하), 펄스폭이 좁은(200ns 이하) 펄스 고전압이 방전전극(17)에 인가되어 두전극사이에 형성된 전기역학적 현상과 같이 방전전계를 발생시키고, 방전전계내에서 방전전극(17)으로부터 방출된 다량의 전자를 기체분자와 충돌시켜 기체분자를 여기, 해리, 이온화 등의 화학적으로 강한 활성을 가지는 플라즈마상의 전리기체가 생성된다. 따라서, 고전압의 펄스 상승시간이 극히 짧고, 폭이 극히 좁은 나노세컨드펄스(NANO SECOND PULSE) 고전압이 플라즈마반응기(16)에 인가될 경우 강력한 스트리머방전(STREAMER DISCHAR GE)이 발생된다. 상기 플라즈마반응기(16)의 방전전극(17)에 인가되는 고전압은 펄스폭이 극히 짧기 때문에 질량이 가벼운 전자만 가속되고, 질량이 큰 이온분자는 가속되지 않는 상온상압의 저온의 물리적으로 중성인 비평형 플라즈마(NON-THERMAL PLASMA)가 형성된다. 결국 기체의 온도는 상온인 상태에서 플라즈마 화학반응의 주역이 되는 전자의 온도를 극히 높게하는 것이 가능하며, 활성도가 높은 활성종(RADICAL)의 플라즈마 전리기체를 발생되게한다.In the plasma reactor 16, two electrodes are installed to form an ionizing gas of a plasma phase having strong chemical activity by the streamer corona discharge, and the discharge electrode 17 is disposed between the anode (+; positive electrode) and the opposite electrode ( Two electrodes are provided, each having 18 as a negative electrode (-; negative electrode). The spark discharge generated in the spark gap switch 15 'provided with the discharge interruption means 20 is interrupted by the hole 28 of the rotating disc 25, and the interrupted high voltage is pulsed through the high frequency reactor L2. Very high rise time (100ns or less), narrow pulse width (200ns or less), pulse high voltage is applied to the discharge electrode 17 to generate a discharge electric field like an electrodynamic phenomenon formed between the two electrodes, and discharge within the discharge electric field. A large amount of electrons emitted from the electrode 17 is collided with gas molecules to generate an ionizing gas in plasma having chemically strong activity such as excitation, dissociation and ionization. Therefore, when the pulse rise time of the high voltage is extremely short and the nanosecond pulse (NANO SECOND PULSE) high voltage is applied to the plasma reactor 16, a strong streamer discharge (STREAMER DISCHAR GE) is generated. Since the high voltage applied to the discharge electrode 17 of the plasma reactor 16 has a very short pulse width, only light electrons are accelerated, and high ion molecules are not accelerated at low temperature and physically neutral at room temperature. Type plasma (NON-THERMAL PLASMA) is formed. As a result, the temperature of the gas can be extremely high the temperature of the electron that is the main role of the plasma chemistry at room temperature, generating a plasma ionizing gas of the active species (RADICAL) of high activity.
상기의 원리에 있어서, 고전압의 상승시간 및 폭이 극히 빠른 펄스를 플라즈마반응기(16)로 인가되면, 펄스휴지기간에는 냉각되고, 다음의 고전압펄스 인가시 재차 처음의 상태로 복귀하여 기체온도상승을 억제하는 것이 용이하여 펄스인가 시간중 이온분자의 온도상승이 억제되기 때문에 펄스전압의 파고치, 즉 펄스 고전압을 극히 높게 할수 있어 전자를 더욱 현저히 가속시킬수 있기 때문에 분자와의 충돌에 의한 광전리 현상으로 진전되어 보다 강력한 스트리머에 의한 화학적으로 강한 활성을 갖는 활성종(RADICAL)을 풍부하게 만들 수 있는 플라즈마상의 전리기체를 생성할 수 있다.In the above principle, when the pulse of extremely high rise time and width of the high voltage is applied to the plasma reactor 16, it is cooled in the pulse rest period, and returns to the initial state when the next high voltage pulse is applied, thereby increasing the gas temperature rise. Since it is easy to suppress and the temperature rise of ion molecules is suppressed during the pulse application time, the crest value of the pulse voltage, that is, the pulse high voltage can be extremely high, and the electrons can be accelerated more remarkably. It is possible to generate an ionizing gas in the plasma that can enrich the active species (RADICAL) having a chemically strong activity by a more powerful streamer.
또한, 방전단속수단(20)이 설치된 스파크갭스위치(15')를 직렬 또는 병렬로 여러개 설치하여 순차적인 단속에 의하여 펄스 고전압을 상기 고주파리액터(L2)를 통하여 플라즈마반응기(16)로 출력하여 고전압 펄스 발생 횟수를 수천회로 높이는 것이 가능하다.In addition, by installing a plurality of spark gap switch (15 ') in which the discharge interruption means 20 is installed in series or in parallel to output a high voltage pulse to the plasma reactor 16 through the high-frequency reactor (L2) by sequential interruption It is possible to increase the number of pulses to thousands of times.
도 4는 본 발명에 따른 방전단속수단(20)을 설명하기 위한 사시도로서, 회전원판(25), 모터(21), 샤프트(26), 회전축(27), 지지대(32)로 구성되며, 상기 콘트롤러(24)의 제어신호에 의해 동작되고, 상기 회전원판(25)은 절연이 된 원판 소정부위에 일정갯수의 구멍(28)이 형성되어 있으며, 상기 회전축(27)에 연결된 샤프트(26)에 고정되되, 상기 스파크갭스위치(15')의 방전단자(15a',15b') 사이에 설치되어 상기 방전단자(15a',15b')와 상기 회전원판(25)의 구멍(28)이 일치되도록 설치되어 있다. 또한, 상기 구멍(28)에는 도전체를 삽입하여 사용할 수도 있다. 상기 회전축(27)의 양끝단은 지지대(32)에 상부에 설치된 고정부(31)에 의해 고정되고, 회전축(27)의 한쪽끝단이 모터(21)와 밸트(29)에 의해 연결되어 모터(21)의 동작에 따라 상기 회전축(27)이 회전하고 따라서 회전원판(25)이 스파크갭스위치(15')의 방전단자(15a',15b') 사이에서 회전한다.Figure 4 is a perspective view for explaining the discharge control means 20 according to the present invention, it is composed of a rotating disc 25, a motor 21, a shaft 26, a rotating shaft 27, a support 32 Operated by a control signal of the controller 24, the rotary disk 25 is formed with a predetermined number of holes 28 in a predetermined portion of the insulated disk, the shaft 26 is connected to the rotating shaft 27 It is fixed, but is installed between the discharge terminal (15a ', 15b') of the spark gap switch (15 ') so that the discharge terminal (15a', 15b ') and the hole 28 of the rotating disk 25 is matched It is installed. In addition, a conductor may be inserted into the hole 28 to be used. Both ends of the rotating shaft 27 is fixed by the fixing part 31 installed on the support 32, one end of the rotating shaft 27 is connected by the motor 21 and the belt 29 to the motor ( In accordance with the operation of 21, the rotating shaft 27 rotates, and thus the rotating disk 25 rotates between the discharge terminals 15a 'and 15b' of the spark gap switch 15 '.
상기 스파크갭스위치(15')의 방전단자(15a',15b') 사이에 설치된 회전원판(25)의 구멍(28)이 상기 방전단자(15a',15b')와 일치할때 불꽃방전이 발생되고, 상기 회전원판(25)이 회전하여 구멍(28)이 없는 절연면이 방전단자(15a',15b') 사이에 놓이면 불꽃방전이 단속되어 펄스의 폭이 짧은 고전압이 고주파리액터(L2)로 출력된다.Spark discharge occurs when the hole 28 of the rotating disk 25 provided between the discharge terminals 15a 'and 15b' of the spark gap switch 15 'coincides with the discharge terminals 15a' and 15b '. When the rotating disk 25 is rotated so that the insulating surface without the hole 28 is placed between the discharge terminals 15a 'and 15b', the spark discharge is interrupted and a high voltage having a short pulse width is transferred to the high frequency reactor L2. Is output.
또한, 플라즈마 반응기(16)의 형태 및 특성에 따라 방전단자(15a',15b')의 갭간격(6mm 내지 35mm)을 조정하여 플라즈마 반응기(16)에 출력되는 고전압펄스의 파고치를 조절함으로서 부하특성에 대응한 일정한 플라즈마를 유지할 수 있다. 갭간격을 멀리하면 상대적으로 펄스고전압의 피크치를 높일수 있어 갭간격이 35mm 이내일때 플라즈마 반응기가 수용할 수 있는 최상의 펄스고전압을 공급할 수 있다.In addition, by adjusting the gap interval (6mm to 35mm) of the discharge terminals (15a ', 15b') according to the shape and characteristics of the plasma reactor 16 to adjust the crest value of the high voltage pulse output to the plasma reactor 16, the load characteristics It is possible to maintain a constant plasma corresponding to. If the gap gap is far away, the peak value of the pulse high voltage can be relatively increased to provide the best pulse high voltage that the plasma reactor can accommodate when the gap distance is within 35 mm.
도 5는 본 발명에 따른 방전단속수단(40)을 이용한 플라즈마 발생장치의 일실시예를 설명하기 위한 설명도로서, 교류 및 직류입력 전압을 공급받아 불꽃방전을 발생하기위한 전압을 제어하는 과정은 도 3의 설명과 동일하므로 생략하기로 한다.5 is an explanatory view for explaining an embodiment of the plasma generating apparatus using the discharge control means 40 according to the present invention, the process of controlling the voltage for generating a spark discharge by receiving the AC and DC input voltage Since it is the same as the description of Figure 3 will be omitted.
상기 충전용콘덴서(C2)에 방전단속수단(40)이 결합된 스파크갭스위치(15)가 직렬로 설치되어 있다.The spark gap switch 15 in which the discharge control means 40 is coupled to the charging capacitor C2 is installed in series.
상기 방전단속수단(40)은 일정량의 기체를 분사하는 분사노즐(42)이 콤퓨레셔(35)에 의해 동작되고, 상기 분사노즐(42)이 상기 스파크갭스위치(15'')의 방전단자(15a'',15b'') 사이의 중앙 하단에 설치되되, 분사노즐(42)의 분사기체에 의해 스파크갭스위치(15'')에서 발생되는 불꽃방전이 단속되는 위치에 설치되어 스파크갭스위치(15'')에서 발생되는 불꽃방전을 단속되게한다.The discharge control means 40 is a spray nozzle 42 for injecting a predetermined amount of gas is operated by the compressor 35, the injection nozzle 42 is the discharge terminal of the spark gap switch 15 '' (15a '', 15b '') is installed at the lower center, the spark gap switch is installed in the position where the spark discharge generated in the spark gap switch 15 '' is interrupted by the injection gas of the injection nozzle 42 Interrupt the spark discharge that occurs at (15``).
상기 스파크갭스위치(15'')의 방전단자(15b'')에 고주파리액터(L2)가 직렬로 접속되며, 다시 플라즈마반응기(16)가 연결되어 있다. 콘트롤러(24)는 상기 플라즈마반응기(16)에 입력되는 고전압과 DC단(P점)에 걸리는 고전압과, 방전단속수단(40)의 분사노즐(42)의 동작신호를 전달받아 설정된 프로그램에 의해 상기 전압제어장치(11)와 방전단속수단(40)의 콤퓨레셔(35)를 제어한다.The high frequency reactor L2 is connected in series to the discharge terminal 15b ″ of the spark gap switch 15 ″, and the plasma reactor 16 is connected again. The controller 24 receives the high voltage input to the plasma reactor 16 and the high voltage applied to the DC terminal (P point) and the operation signal of the injection nozzle 42 of the discharge control means 40. The compressor 35 of the voltage control device 11 and the discharge control means 40 is controlled.
상기 충전용콘덴서(C2)에 충전된 고전압이 방전되어 스파크갭스위치(15)에 인가되어 불꽃방전이 발생되면, 상기 방전단속수단(40)의 분사노즐(42)에 의해 분사되는 기체에 의하여 불꽃방전의 일부가 차단되어 고주파리액터(L2)에 전달된다. 이때, 상기 스파크갭스위치(15'')에서 분사노즐(42)에 의해 분사되는 기체에 의하여 단속된 고전압은 고주파리액터(L2)를 통하여 펄스상승시간이 극히 짧고, 펄스폭이 극히 좁은 나노세컨드펄스(NANO SECOND PULSE) 고전압이 플라즈마반응기(16)에 인가된다.When the high voltage charged in the charging capacitor C2 is discharged and applied to the spark gap switch 15 to generate a spark discharge, the spark is discharged by the gas injected by the injection nozzle 42 of the discharge control means 40. Part of the discharge is cut off and transferred to the high frequency reactor L2. At this time, the high voltage interrupted by the gas injected by the injection nozzle 42 in the spark gap switch 15 '' has a very short pulse rise time and extremely narrow pulse width through the high frequency reactor L2. (NANO SECOND PULSE) A high voltage is applied to the plasma reactor 16.
상기 플라즈마반응기(16)의 방전전극(17)에 출력된 고전압은 도 3에서 설명한 것과 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.Since the high voltage output to the discharge electrode 17 of the plasma reactor 16 is the same as that described in FIG. 3, a detailed description thereof will be omitted.
또한, 방전단자(15a'',15b'') 사이에 방전단속수단(40)이 설치된 스파크갭스위치(15'')를 직렬로 여러개 연속 설치하여 펄스 고전압을 상기 고주파리액터(L2)를 통하여 플라즈마반응기(16)로 출력되게할 수 있다.In addition, a plurality of spark gap switches 15 " in which discharge interruption means 40 is provided between the discharge terminals 15a " and 15b " are continuously installed in series to generate a pulsed high voltage through the high frequency reactor L2. Output to reactor 16.
도 6은 상기 도 5의 방전단속수단(40)을 확대하여 설명한 사시도로서, 기본고정판(41)의 상부에 설치된 애자(33) 상단에 스파크갭스위치(15)의 방전단자(15a'',15b'')가 설치되고, 그 방전단자(15a'',15b'') 사이의 중앙하단에 기체관(43)에 연결된 분사노즐(42)이 구비되고, 상기 기체관(43)은 콤퓨레셔(35)에 연결되어 상기 스파크갭스위치(15'')의 방전단자(15a'',15b'') 사이에 발생하는 불꽃방전을 단속한다.FIG. 6 is an enlarged perspective view illustrating the discharge interruption means 40 of FIG. 5, wherein the discharge terminals 15a ″ and 15b of the spark gap switch 15 are disposed on an upper end of the insulator 33 installed on the base fixing plate 41. '') Is provided, and the injection nozzle 42 connected to the gas pipe 43 is provided at the lower center between the discharge terminals 15a '' and 15b '', and the gas pipe 43 is a compressor. And flame discharge generated between the discharge terminals 15a " and 15b " of the spark gap switch 15 "
도 7은 본 발명에 따른 방전단속수단(50)의 다른 실시예를 도시한 사시도로서, 상기 회전원판(25)으로 구성된 방전단속수단(20)에 기체분사를 위한 분사노즐(42)로 구성된 방전단속수단(40)이 결합된 것으로 즉, 상기 회전원판(25)으로 설치된 방전단속수단(20)의 기본고정판(34) 상단에 콤퓨레셔(35)에 연결된 기체관(43)을 설치하고, 그 상부에 분사노즐(42)이 설치되되, 상기 스파크갭스위치(15''')의 방전단자(15a''', 15b''') 사이에 설치된 회전원판(25) 하부에 설치되어 상기 회전원판(25)이 불꽃방전을 단속할 때 동시에 상기 분사노즐(42)을 통하여 분사되는 기체에 의해서도 단속되도록 설치되어 있다.7 is a perspective view showing another embodiment of the discharge control means 50 according to the present invention, the discharge consisting of the injection nozzle 42 for gas injection to the discharge control means 20 composed of the rotating disk 25 That is, the intermittent means 40 is coupled, that is, the gas pipe 43 connected to the compressor 35 on the top of the basic fixing plate 34 of the discharge intervening means 20 installed by the rotating disc 25, The injection nozzle 42 is installed on the upper portion, and is installed below the rotating disc 25 installed between the discharge terminals 15a '' 'and 15b' '' of the spark gap switch 15 '' 'and rotated. At the same time when the disc 25 interrupts the flame discharge, the disc 25 is also provided to be interrupted by the gas injected through the injection nozzle 42.
또한, 방전단자(15a''',15b''') 사이에 상기 회전원판(25)으로 구성된 방전단속수단(20)과 분사노즐(42)로 구성된 방전단속수단(40)이 동시에 설치된 스파크갭스위치(15''')를 직렬로 연속하여 1개이상 설치하여 펄스 고전압을 상기 고주파리액터(L2)를 통하여 플라즈마반응기(16)로 출력되게할 수 있다.In addition, a spark gap between the discharge terminals 15a '' ', 15b' '' is provided with a discharge interruption means 20 composed of the rotary disk 25 and a discharge interruption means 40 composed of the injection nozzles 42 at the same time. One or more switches 15 '' 'may be provided in series to continuously output a pulse high voltage to the plasma reactor 16 through the high frequency reactor L2.
도 8A는 종래의 플라즈마 발생장치의 양전극간의 전압파형을 도시한 도면이고, 도 8B는 도 8A의 전압파형을 1개파형만 확대 도시한 도면으로서, 스파크갭스위치(15) 사이에 출력되는 고전압의 펄스상승시간(Tr)은 7㎲ 이고, 파미장(Th)은 10.5㎲이며, 펄스폭(TD)은 14㎲이고 주파수(f)는 71KHz임을 알수 있다.FIG. 8A is a diagram showing voltage waveforms between the positive electrodes of a conventional plasma generator, and FIG. 8B is a diagram showing only one waveform of the voltage waveform of FIG. 8A, and shows the high voltage output between the spark gap switches 15. FIG. It can be seen that the pulse rise time Tr is 7 Hz, the wave length Th is 10.5 Hz, the pulse width T D is 14 Hz, and the frequency f is 71 KHz.
도 9A는 본 발명의 플라즈마발생장치의 양전극간의 전압파형을 도시한 도면이고, 도 9B는 도 9A의 전압파형을 1개파형만 확대 도시한 도면으로서, 방전단속수단이 설치된 스파크갭스위치에서 발생되는 불꽃방전을 상기 방전단속수단에 의해 임의로 단속되어 고주파리액터(L2)를 통하여 플라즈마반응기(16)로 출력되는 고전압파형은 고전압의 펄스상승시간(Tr)은 30ns 이고, 파미장(Th)은 42ns이며, 펄스폭(TD)은 60ns이고 주파수(f)는 16MHz임을 알 수 있다.9A is a diagram showing voltage waveforms between the positive electrodes of the plasma generating apparatus of the present invention, and FIG. 9B is an enlarged view of one waveform of the voltage waveform of FIG. 9A, which is generated in a spark gap switch provided with discharge interrupting means. The high voltage waveform outputted to the plasma reactor 16 through the high frequency reactor L2 is arbitrarily interrupted by the discharge interrupting means, and the pulse rise time Tr of the high voltage is 30 ns, and the wave length Th is 42 ns. It can be seen that the pulse width T D is 60 ns and the frequency f is 16 MHz.
본 발명의 플라즈마 전리기체 발생장치는 본 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 취지 및 범위내에서 여러가지 수정, 변경, 삭제 및 응용을 할 수 있음은 명백하다.The plasma ionizing gas generating device of the present invention is not limited to the present embodiment, and it is apparent that various modifications, changes, deletions, and applications can be made within the spirit and scope of the present invention.
예를들어, 본 발명은 고전압정류기(13)의 극성을 양(+)극성으로하여 설명하였으나, 상기 고전압정류기(13)의 극성을 부(-)극성으로 바꿔 사용할 수 있다. 즉, 고전압정류기(13)의 극성을 부(-)극성으로하면 플라즈마반응기(16)내의 방전전극(17)과 대향전극(18)의 극성이 서로바뀌어 동작되는데 이때, 고전압정류기(13)가 양(+)극성일때와 동일한 작동원리에 의해서 활성종의 플라즈마전리기체가 발생된다. 양극성에 비해 음극성의 경우는 전자가 다량 방출되어 분진입자에 대전(하전)이 잘 되게 할 수 있는 점이 있으나, 하여튼 필요에 따라 양(+)극 및 부(-)극 어느것을 사용해도 된다.For example, the present invention has been described with the polarity of the high voltage rectifier 13 as a positive polarity, but the polarity of the high voltage rectifier 13 can be changed to a negative polarity. That is, when the polarity of the high voltage rectifier 13 is negative, the polarities of the discharge electrodes 17 and the counter electrodes 18 in the plasma reactor 16 are reversed, whereby the high voltage rectifier 13 is positive. The same principle of operation as in the case of positive polarity generates plasma ionizing gas of active species. In the case of the negative electrode in comparison with the positive electrode, a large amount of electrons can be released to make the dust particles well charged (charged). However, any positive and negative electrodes may be used as necessary.
또한, 본 발명에 따른 스트리머 코로나 방전에 의한 플라즈마 전리기체 발생장치를 이용하여 산업상의 오존발생장치, 금속표면처리장치, 금속가공장치, 고효율 집진장치, 폐수 및 폐가스처리장치, 탈취에 의한 악취제거장치 및 자동차배기가스 처리장치등에 사용할 수 있다.In addition, industrial ozone generator, metal surface treatment apparatus, metal processing apparatus, high efficiency dust collector, wastewater and waste gas treatment apparatus, and odor removal by deodorization using plasma ionizer gas generator by streamer corona discharge according to the present invention It can be used in equipment and automobile exhaust gas treatment equipment.
이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 스파크갭스위치 사이에서 발생되는 불꽃방전을 방전단속수단에 의해 순간적으로 단속하여 고주파리액터를 통하여 출력되는 고전압의 펄스상승시간 및 펄스폭을 상당히 줄일 수 있기 때문에 플라즈마반응기에서 강한 스트리머 코로나 방전을 발생시켜 상온상압의 물리적으로 중성인 비평형 저온의 활성종 플라즈마 전리기체를 다량 발생시킬수 있으며, 또한 고전압 펄스횟수를 높일 수 있고, 스파크갭스위치 사이에서 불꽃방전을 단속하기 때문에 불꽃방전에 불필요한 소비전력을 대폭 줄일 수 있는 탁월한 효과가 있다.As described above, in the plasma reactor, since the spark discharge generated between the spark gap switches is momentarily interrupted by the discharge interrupting means, the pulse rise time and pulse width of the high voltage output through the high frequency reactor can be significantly reduced. By generating strong streamer corona discharge, it can generate a large amount of physically neutral non-equilibrium low-temperature active plasma ionizing gas at room temperature and atmospheric pressure, increase the number of high voltage pulses, and control the spark discharge between spark gap switches. There is an excellent effect that can significantly reduce unnecessary power consumption.
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