KR200170240Y1 - 고밀도 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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KR200170240Y1 KR2019990018119U KR19990018119U KR200170240Y1 KR 200170240 Y1 KR200170240 Y1 KR 200170240Y1 KR 2019990018119 U KR2019990018119 U KR 2019990018119U KR 19990018119 U KR19990018119 U KR 19990018119U KR 200170240 Y1 KR200170240 Y1 KR 200170240Y1
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Abstract

본 고안은 소각로의 배기가스에 포함되는 NOx, SOx, CO, 미연소 탄화수소 (CH), 매연, 분진, 일반 산업가스와 같은 각종 가스 및 수중에 함유된 각종 오ㆍ폐수 등을 효과적으로 정화ㆍ제거할 수 있는 고밀도 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 상세하게는 양(陽)전극의 끝단부에 끝이 뽀족한 플라즈마 방전칩을 형성하여 방전전하(放電電荷)가 집중 분포되도록 하고, 방전칩의 주변에 설치되는 관체형의 음(陰)전극에는 복수 개의 방전홀(放電 hole)을 적당한 간격으로 형성하여 고밀도의 플라즈마가 발생되게 한 것으로, 이와 같은 고밀도 플라즈마는 본 고안자가 고안한 '플라즈마 방전을 이용한 디젤 자동차 배기가스 정화장치(특허 제10-0188234호)'에 이용하거나 공기 청정기, 소각로 배기가스 정화와 고농도 산업폐수, 축산폐수, 매립장 침출수의 정화처리에도 이용될 수 있다.
앞에서 언급한 '특허 제10-0188234호'에서는 기존의 플라즈마 발생 장치의 음극판을 관체로 바꾸어 플라즈마 발생효과를 상승시킨 것이다. 그러나 본 고안에서는 이 효과를 더욱 증가시키기 위하여 음극관에 여러 줄로 다수 개의 작은 홀을 빙둘러 형성시키고 양극봉의 끝부분에 형성된 방전칩은 음극관의 중심선상에 위치하도록 한다.
또한, 다른 실시 예로 소각로 배기가스 정화용 플라즈마 장치의 음극관 전체에 여러 줄로 다수 개의 작은 홀을 빙둘러 설치하고 마찬가지로 양극봉의 표면에 여러 줄의 피라미드형 방전칩를 빙둘러 형성시켜 음극의 홀과 1:1로 대응하도록 함으로써 소각로 배기가스 내에 포함된 다이옥신, 미 연소 휘발성 유기화합물(VOC)과 분진 및 오ㆍ폐수 중의 각종 오염물질을 고밀도 플라즈마 방전불꽃을 이용하여 효과적으로 산화 분해하도록 한 것이다.

Description

고밀도 플라즈마 발생장치{High Density Plasma Generating Device}
본 고안은 고밀도 플라즈마 방전을 이용하여 소각로의 배기가스에 포함되는 NOx, SOx, CO, 미연소 탄화수소(CH), 매연, 분진, 일반 산업가스와 같은 각종 가스 및 수중에 함유된 각종 오ㆍ폐수 등을 효과적으로 정화ㆍ제거할 수 있는 고밀도 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 상세하게는 양(陽)전극의 끝단부에 끝이 뽀족한 플라즈마 방전칩을 형성하여 방전전하(放電電荷)가 집중 분포되도록 하고, 방전칩의 주변에 설치되는 관체형 음(陰)전극에는 복수 개의 방전(放電)홀(hole)을 적당한 간격으로 형성하여 고밀도의 플라즈마가 발생되게 한 것이다.
일반적으로 플라즈마(plasma)는 평면 도체 판에 구멍을 뚫은 음극(陰極)과 양극(陽極) 사이에 수천 내지 수만 볼트의 전압과 수 ??A에서 수 A의 전류를 흘려서 발생시킬 수 있다. 이렇게 생성되는 플라즈마는 이온 라디컬 전자로 구성되며 기체ㆍ고체ㆍ액체에 이어 물질의 제 4상태라고 부른다. 이때 양극과 음극 사이에 코로나 방전이 일어나면 음이온이 주로 발생하고, 스파크 방전이 일어나면 오존(O3)이 주로 생성된다.
이와 같은 플라즈마는 본 고안자가 고안한 플라즈마 방전을 이용한 디젤 자동차 배기가스 정화장치(특허 제10??0188234호)에 이용되고 공기 청정기 소각로 배기가스 정화와 고농도 산업폐수, 축산폐수, 매립장 침출수의 정화처리에도 이용될 수 있다.
한편, 본 출원인(고안자)가 1999. 1. 11 등록한 특허 제10-0188234호 '플라즈마 방전을 이용한 디젤 자동차의 배기가스 정화장치'는 도전성을 띄는 관체형 음전극(陰電極) 내부에 끝이 면으로 절단된 봉체형의 양전극(陽電極)을 결합하여 방전전극(放電電極)이 구성되므로 방전전하가 집중되지 못하고 분산되는 문제점이 있는 문제점이 있어서 방전전극의 수명이 짧을 뿐 아니라 방전효율이 낮아 배기 정화효율도 떨어지는 등의 문제점이 있었다.
따라서, 본 고안에서는 이들 오염가스와 오ㆍ폐수를 정화 처리할 목적으로 고밀도 플라즈마 발생장치를 고안하고 동시에 소각로 배기가스에 포함된 다이옥신 및 미 연소 휘발성 유기화합물(VOC)과 오ㆍ폐수 중의 오염물질을 정화ㆍ처리할 수 있는 고밀도 플라즈마 발생장치를 제공함에 목적이 있다.
상기목적을 달성하기 위하여 본 고안에서는 음극관에 여러 줄로 다수 개의 작은 홀을 빙둘러 형성시키고 양극봉의 끝부분에 끝이 뾰쪽한 방전칩을 음극관의 중심선상에 위치하도록 함으로써 고밀도의 플라즈마가 발생되게 한 것이다.
또한, 소각로 배기가스 정화용 플라즈마 장치의 경우 음극관 전체에 여러 줄로 다수 개의 작은 홀을 빙둘러 설치하고 마찬가지로 양극봉의 표면에 여러 줄의 피라미드형 방전칩을 빙둘러 형성시켜 음극관에 형성하는 방전홀과 1:1로 대응하도록 함으로써 소각로 배기가스 내에 포함된 다이옥신, 미 연소 휘발성 유기화합물 (VOC)과 분진 및 오ㆍ폐수 중의 각종 오염물질을 고밀도 플라즈마 방전불꽃을 이용하여 효과적으로 산화 분해하도록 한다.
본 고안은 배기가스의 정화효율이 높은 플라즈마식 정화장치를 디젤 자동차의 배기가스 배출로에 설치하여 정화하도록 하되 플라즈마 방전칩은 내산성, 내마모성과 전기 도전성이 우수한 금속이나 금속합금으로 끝이 뽀족한 침상으로 형성하여 배기가스의 정화효율을 크게 높이도록 한다.
본 고안의 플라즈마 정화장치는 12V나 24V의 자동차 배터리(또는 제네레이터) 또는 상용전원을 고전압 발생장치(HV)로 3,000V∼25,000V까지 승압한 다음 복수 개로 설치되는 방전칩으로 공급시켜 코로나 방전에 의한 플라즈마를 발생시켜 디젤 자동차의 배기가스나 오ㆍ폐수 정화장치에 사용하도록 한다.
상기에서 승압시킨 전원이 3,000V∼25,000V의 고전압에서는 푸른색의 플라즈마가 발생되고 배기가스의 정화효율은 더욱 높아진다. 발생되는 플라즈마는 긴 길이의 큰 세력으로 방전되므로 배기가스와 매연 또는 오ㆍ폐수의 정화효율이 매우 우수하며 자동차에 설치하는 경우 시동 초기부터 정화효율을 최대한으로 높일 수 있는 장점을 지니고 있다.
또한, 본 고안에서 2개 이상의 고밀도 플라즈마 발생장치를 직렬이나 병렬 또는 직ㆍ병렬 혼합형으로 설치하여 배기가스 또는 오ㆍ폐수의 정화효율을 극대화시킬 수 있으며, 플라즈마 방전칩은 복수 개로 설치하여 배출되는 매연가스의 배출저항을 최대한으로 줄여주도록 하여 배출압력에 의한 엔진의 부하 상승 및 행정불량요인이 없도록 하고 오ㆍ폐수 처리장치의 경우 다량의 음이온이 공급되어 정화효율을 극대화시킬 수 있도록 한다.
도 1 : 본 고안 일 실시 예의 단면 구성도.
도 2 : 본 고안의 요부 단면도.
도 3 : 본 고안 음극관의 일부 외관 사시도.
도 4 : 본 고안 다른 실시 예의 단면 구성도.
도 5 : 본 고안 도 4의 음극관과 양극봉의 분해 사시도.
도 6 : 본 고안 도 4의 요부 단면도.
도 7 : 본 고안의 사용 상태 예시도.
도 8 : 본 고안의 다른 사용 상태 예시도.
＜ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
(1)(1a)--고밀도 플라즈마 발생장치 (2)--걸림부
(4)(22)(34)--통기공 (6)--하우징
(8)--케이스 (8a)--급기구
(8b)--배기구 (10)(12)(14)(16)--절연링
(18)--덮개링 (20)--음극판
(24)--양극판 (26)(28)--급전선
(30)(30a)--양극봉 (32)(32a)--음극관
(36)(42)--방전칩 (38)(38a)(38)--방전홀
(40)--방전홀의 방전부분 (P)--플라즈마
(HV)--고전압부
이하, 본 고안의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 고안 고밀도 플라즈마 발생장치(1)의 단면 구성도로, 걸림부(2)와 큰 직경의 통기공(4)을 갖는 하우징(6)을 케이스(8)에 끼워 고정하고, 하우징(6)의 내부에 복수 개의 세라믹 절연링(10)(12)(14)(16)을 적층시킨 다음 덮개링(18)으로 덮어 고정시키고, 절연링(6)의 단턱부에 복수 개의 음극이 체결되는 음극판(20)을 끼워 설치하고, 또 다른 절연링(14)의 단턱부에 복수 개의 통기공(22)이 형성되고 또한 복수 개의 양전극이 체결되는 양극판(24)을 끼워 설치하여 양극판(24)과 음극판(20)이 하우징(6)내에서 간격과 절연이 유지되도록 하고, 음극판(20)과 양극판 (24)에 고전압부(HV)가 연결된 급전선(26)(28)을 접속한 플라즈마 방전장치에 있어서, 양전극은 도전성을 갖는 봉체형의 양극봉(30)으로 구성하고, 음전극은 도전성을 갖는 관체형의 음극관(32)으로 구성하고, 음극관(32)의 내부에는 음극관(32)의 내경보다 비교적 작은 외경을 갖는 양극봉(30)을 결합하되 양극봉(30)과 음극관 (32)이 서로 접촉하지 않도록 이격 설치하여 그 사이에 통기공(34)을 형성한다.
상기 고전압부(HV)는 12V나 24V의 자동차 배터리(또는 제네레이터) 또는 상용전원을 고전압부(HV)로 3,000V∼25,000V 전압과 수 μA에서 수 A의 전류로 승압한 다음 양극판(24)과 음극판(20)으로 공급시켜 코로나 방전에 의한 플라즈마가 발생되도록 한다.
한편, 양극봉(30)의 끝 단부는 도 1과 같이 끝이 첨예하게 뽀족한 침상의 플라즈마 방전칩(36)을 형성하도록 하고, 방전칩(36)이 위치하는 음극관(30)의 하부에는 도 2, 도 3과 같이 복수 개의 방전홀(38)을 좁은 간격으로 빙둘러 형성하고, 음극관(32)의 하단부는 양극봉(30)보다 다소 하향 돌출시켜 가운데 부분에 위치하는 방전홀(38a)을 중심하여 상ㆍ하로 코로나 방전이 발생되게 함으로써 고밀도의 플라즈마(P)와 플라즈마의 작용에 의한 대량의 음이온을 얻을 수 있도록 한다.
상기에서 방전홀(38)은 음극관(32)에 전체적으로 설치할 수 있으나 전하(電荷)의 집중이 분산되어 방전효율이 떨어질 수 있으므로 방전전하(放電電荷)가 집중 분포되는 방전칩(36)의 주변에 집중적으로 설치하도록 한다.
또한, 도 2와 같이 방전홀(38)의 방전부분(40) 또한 90°전후의 각도를 이루는 모서리 구조이므로 이 또한 방전전하가 집중 분포하게되며, 따라서 코로나 방전효율이 극화되고 이에 따라 고밀도(高密度)의 플라즈마(P)가 발생되며, 플라즈마의 작용에 의해 통기공(36)의 공기가 음 이온화되면서 배출된다.
상기에서 끝부분이 첨예한 방전칩(38)은 석출(용출) 및 마모에 의해 수명이 짧아질 수 있으므로 플라즈마 방전칩(38) 부분은 도전성 산화방지 물질로 형성하거나 또는 그 표면에 도포하여 산화피막을 형성하므로써 플라즈마 방전칩(38)의 수명을 연장시키도록 한다.
또한, 코로나 방전에 의해 방전열이 발생되더라도 도시안된 공기압 공급원에 의해 통기공(22)(4)(36)으로 다량의 공기가 공급되므로 양극봉(32)과 음극관(34)의 과열이 방지되며, 또한 통기공(36)을 흐르는 공기의 유속에 의해 음극관(34)의 내ㆍ외부 간에 기압차가 발생하므로 양극봉(32)의 외부에 위치하는 공기가 방전홀 (46)을 통하여 통기공(36)의 내부로 유입되므로 양극봉(32)과 음극관(34)의 방열이 이루어진다.
한편, 도 4 내지 도 6은 본 고안 고밀도 플라즈마 발생장치(1a)의 다른 실시 예 단면도 및 분해 사시도로, 양극봉(30a)의 외면 길이방향과 원주방향으로 피라미드형의 플라즈마 방전칩(44)을 조밀한 간격으로 빙둘러 형성하고, 음극관(32a)에는 상기 양극봉(30a)의 방전칩(44)과 1:1로 대응하는 위치에 방전홀(46)을 빙둘러 형성하여 양극봉(30a)과 음극관(32a)으로 전면적인 코로나 방전이 발생되게 한 것으로, 산화방지피막없이도 양극봉(30a)과 음극관(32a)의 수명을 크게 연장시킬 수 있다.
또한, 도 7ㆍ도 8은 본 고안 고밀도 플라즈마 발생장치(1)(1a)를 급기구(8a)와 배기구(8b)가 형성된 케이스(8)의 내부에 한 개 이상의 복수 개로 설치하여 플라즈마의 밀도를 더욱 강화할 수 있으며, 대량의 음이온이 배출되는 배기구(8b)를 공기 청정기, 소각로, 고농도 산업폐수, 축산폐수, 매립장 침출수에 연결하거나 투입 또는 설치하여 정화처리하면 된다.
본 고안에서 양극봉(30)과 음극관(32)과 양극판(20) 및 음극판(24) 및 방전칩(36)(44)의 재료는 몰리브덴, 텅스텐, 니켈, 백금 또는 니켈, 몰리브텐, 구리 등과 같이 내열성과 내산성 및 도전성이 우수한 합금을 이용하여 구성하도록 하고, 양극봉(30)과 음극관(32)이 고정되는 양극판(20) 및 음극판(24) 또한 상기와 같은 재질로 형성하여 내열성, 내산성 및 도전성(導電性)이 우수하면서 열팽창 계수가 같도록 한다.
미 설명부호 (48)(50)는 급전선 절연용 애자, (52)는 피스이다.
이와 같이 구성된 본 고안의 작용효과는 다음과 같다.
화학식1
일산화탄소(CO)의 산화(연소) 반응은 다음 식(1)로 주어진다.
2CO + O 2 → 2CO2-------------------------------------------식(1)
미 반응 탄화수소(HC : CnH2n+2)의 연소는 다음 식(2)와 같이 일어난다.
화학식2
m.CnH2n+2 + 1/2m(n+3)O2→ 2m.CO2+ m(n+1)H2O --------------------식(2)
여기서 m은 미 반응 탄화수소의 몰수(mole number)이다.
소각로 배기가스에 포함되는 NOx는 다음 식(3)과 식(4)와 같이 동식물에 무해한 질소(N2)와 산소로 환원된다.
화학식3
2NO → N2 + O2 ---------------------------------------------식(3)
화학식4
2NO2→ N2 + 2O2---------------------------------------------식(4)
그리고 배기가스 내에 분산된 탄소분진(C(s))은 다음 식(5)와 같이 산화되어 탄산가스(CO2)로 변한다.
화학식5
C(s) + O2(g) → CO2(g) -------------------------------------식(5)
여기서 괄호속의 s와 g는 고체(solid)와 기체(gas)상태를 표시한다.
이상의 반응식 가운데 특히 본 출원인(고안자)이 본 고안에 앞서 출원한바 있는 특허출원 제97-15145호의 금속 하니컴으로 된 '촉매 연소판'을 본 고안 플라즈마 방전판의 선단에 설치할 경우 식(3), (4)에 나타낸 바와 같이 NOx 제거효율을 더욱 크게 높일 수 있다.
본 고안을 실시함에 있어서 반드시 소각로 배기가스 정화장치에만 사용되는 것이 아니라 석유버너, 가스버너, 디젤기관, 화력발전소 등의 매연가스, 분진, 배기가스 정화 및 제거용으로 사용할 수도 있으며, 수중에 함유된 각종 오ㆍ폐수 등을 고밀도 플라즈마로 효과적으로 정화ㆍ제거할 수 있으며, 그 작용효과는 물론 동일시 된다.
이상과 같이 본 고안은 고밀도 플라즈마에 의해 각종 배기가스(오염가스)와, 오ㆍ폐수를 획기적으로 정화처리 할 수 있으므로 배기가스와 오ㆍ폐수로 야기되는 각종 환경오염을 현격히 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 고안에서 양극봉(30)과 음극관(32)은 전극판(20)(24)에 나사식으로 체결되고, 하우징(10) 또한 분해ㆍ결합할 수 있으므로 전극(30)(32)의 교체가 쉬운 이점이 있다.

Claims (6)

  1. 걸림부(2)와 통기공(4)이 형성된 하우징(6)을 케이스(8)에 끼워 고정하고, 하우징(6)의 내부에 세라믹 절연링(10)(12)(14)(16)을 적층시켜 고정하고, 절연링(6)(14)의 단턱부에 통기공(22)이 형성되고 복수 개의 양전극이 체결되는 양극판(24)과 복수 개의 음극이 체결되는 음극판(20)을 끼워 설치하고, 음극판(20)과 양극판(24)에 고전압부(HV)가 연결된 급전선(26)(28)을 접속한 플라즈마 방전장치에 있어서;
    양전극은 도전성을 갖는 봉체형의 양극봉(30)으로 구성하고, 음전극은 도전성을 갖는 관체형의 음극관(32)으로 구성하고, 음극관(32)의 내부에는 음극관 (32)의 내경보다 비교적 작은 외경을 갖는 양극봉(30)을 결합하되 양극봉(30)과 음극관(32)이 서로 접촉하지 않도록 이격 설치하여 그 사이에 통기공(34)을 형성한 고밀도 플라즈마 발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 양극봉(30)의 끝 단부에 끝이 첨예한 플라즈마 방전칩 (36)을 형성하고, 방전칩(36)이 위치하는 음극관(30)의 하부에 복수 개의 방전홀 (38)을 좁은 간격으로 빙둘러 형성하고, 음극관(32)의 하단부는 양극봉(30)보다 다소 하향 돌출시켜 가운데 부분에 위치하는 방전홀(38a)을 중심하여 상ㆍ하로 고밀도의 플라즈마(P)가 발생되게 함을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 발생장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 방전홀(38)(38a)은 90°전후의 각도를 갖는 모서리 구조임을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 발생장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 양극봉(30a)의 외면 길이방향과 원주방향으로 피라미드형의 플라즈마 방전칩(44)을 조밀한 간격으로 빙둘러 형성하고, 양극봉 (30a)의 방전칩(44)과 1:1로 대응하는 위치의 음극관(32a)에 방전홀(46)을 빙둘러 형성하여 양극봉(30a)과 음극관(32a)으로 전면적인 코로나 방전이 발생되게 함을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 발생장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 고밀도 플라즈마 발생장치(1)(1a)를 급기구 (8a)와 배기구(8b)가 형성된 케이스(8)의 내부에 한 개 이상의 복수 개로 설치하여 플라즈마의 밀도를 더욱 강화할 수 있도록 함을 특징으로 하는 고밀도 플라즈마 발생장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 고전압부(HV)는 3,000V∼25,000V 전압과 수 μA에서 수 A의 전류로 승압한 다음 양극판(24)과 음극판(20)으로 공급시켜 코로나 방전에 의한 플라즈마가 발생되도록 한 고밀도 플라즈마 발생장치.
KR2019990018119U 1999-08-28 1999-08-28 고밀도 플라즈마 발생장치 KR200170240Y1 (ko)

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