KR20020002503A - 비축방향 유동식 유전 배리어 가스 반응기 - Google Patents

Abstract

축방향, 반경방향 및 원주방향 가스 유동 성분을 가지며, 상기 성분들의 조합에 의해 가스 유동이 적어도 부분적으로 나선형 및/또는 소용돌이형이 되는 동축 전극들 사이로 가스성 매체가 통과되는, 가스성 매체의 플라즈마 처리용 유전 배리어 반응기가 개시된다.

Description

비축방향 유동식 유전 배리어 가스 반응기{Dielectric Barrier Gas Reactors With Non-Axial Flow}

유전 배리어 가스 처리 반응기의 실용적인 디자인에서 발생하는 문제점은, 반응기 내의 가스성 매체의 체류 시간이, 원하는 처리 반응이 발생할 수 있도록 방전 상태에 대한 가스성 매체의 충분한 노출을 보장하는데 충분해야 한다는 것이다. 이러한 문제점은, 질소 산화물, 탄소 미립자를 포함하는 미립자, 다핵방향족 탄화 수소를 포함하는 탄화 수소, 일산화탄소 및 다른 규제된 또는 비규제된 연소 생성물 중 하나 이상과 같은 유해 성분을 제거하기 위해 내연 기관으로부터 가스를 배출하는 처리에 사용될 때 특히 중요한데, 이는 반응기에 사용 가능한 포위 공간이 제한되어 있기 때문이다. 적절한 가스 공간 속도 및 체류 시간을 가지며, 또한 전자기 적합성 규제와 같은 요구를 만족시키는 단순하며 콤팩트한 반응기 디자인이 요구되고 있다(예를 들어, 1995년 5월 영국 통상 산업부에 의해 출판된, 출판 번호가 URN 95/683인 '전자기 적합성: 영국 규제의 지침 노트' 참조).

이러한 유전 배리어 반응기를 차량에 사용하는 실용성은 일반적으로 제안되어 있지 않다. 미국 특허 제 5,711,147호에는, 한 쌍의 절연 격벽 사이의 반응기 하우징의 중심축을 따라 위치된 코로나 와이어에 펄스식 전원이 접속되어 있는 코로나 반응기가 개시되어 있다. 상기 코로나 와이어 또는 반응기의 내부벽은 아크 방지를 위해 유전 재료층으로 코팅될 수 있으며, 이에 의해 펄스식 코로나 반응기는 유전 배리어 반응기로서 작동할 수 있다. 상기 반응기는, 가스 유동이 상기 반응기에 대해 축방향 통과성이며, 반응기가 두 개의 단계, 즉 플라즈마가 가스 내의 산화 반응을 수행할 수 있는 제 1 단계와, 가스성 매체 내에 환원 반응이 발생하는 촉매를 포함하는 제 2 비플라즈마 단계를 포함하도록 구성된다. 국제 출원 공보 WO99/12638호에는, 내연 기관으로부터의 배기물의 처리를 위해 다수의 단계로 구성된 플라즈마 반응기가 또한 개시되어 있다.

미국 특허 제 5,254,231호에는, 환형 전극이 세라믹 또는 글래스 챔버를 둘러싸며, 내부 전극이 반응기의 중심축을 따라 연장되는, 유체를 화학 변화시키기 위한 연속 유동식 유체 반응기가 개시되어 있다. 33 미만의 유전 상수를 갖는 유전 패킹 재료가 상기 챔버의 내부에 배치되며, 변압기를 통과한 후 표준 전압 전원(90 내지 130 볼트) 및 표준 주파수(50 내지 60Hz)를 사용하여 챔버에 비열적 플라즈마가 발생된다. 유체 유동은 챔버 내의 플라즈마를 축방향으로 통과하는 유동이며, 비록 개시되어 있지는 않지만 미국 특허 제 5,254,231호의 반응기는 유전 배리어 반응기의 실시예이다.

미국 특허 제 5,746,984호에는, 두 개의 평행 전극이 두 개의 평행 유전판의 외부에 배치되며, 가스성 매체가 상기 판들 사이로 평행 방향으로 유동하는 발명의 적합한 실시예인 유전 배리어 반응기의 구성을 개시하고 있지만, 유전 배리어 반응기의 상세한 설명은 개시되어 있지 않으며, 차량 기반 시스템에 대한 적용 가능성에 대해서도 개시되어 있지 않다.

예를 들면 미국 특허 제 5,711,147호 및 제 5,254,231호에 개시된 바와 같은, 중앙 와이어 전극 및 동심의 외부 원통형 전극으로 구성되는 코로나 반응기에서, 상기 전극들의 곡률 반경은 플라즈마 반응기 내의 비균일 전기장을 보장한다. 균일한 전기장을 발생시키기 위해, 미국 특허 제 5,746,984호에 개략적으로 개시된 바와 같은 편평한 평행판이 사용될 수 있다.

가스 투과성 유전 재료의 베드의 틈새에 가스성 매체가 형성되는 소위 펠릿 베드 플라즈마 가스 처리 반응기에 사용되도록 채택된 구조에서는, 가스 투과성 활성 물질의 베드가 두 개의 동심의 천공 금속 전극 사이에 수용되며, 가스성 매체는 반응기에 축방향으로 출입하지만, 활성 물질의 베드를 반경 방향으로 통과하도록 구속된다. 이러한 반응기는 국제 출원 공보 WO99/12683호의 도 5에 도시되어 있다. 상기 반응기에서, 전극은 활성 물질과 직접 접촉하며, 상기 활성 물질은 강유전 재료일 수 있는 유전 재료의 펠릿, 비드 또는 압출물(extrudate)의 형태이다.

국제 출원 PCT/GB00/00108호에는, 전극의 접촉면 상에 적층된 유전 재료의 층을 갖는 반응기가 개시되어 있으며, 이러한 반응기는 유전 배리어형 반응기이다. 유전 재료의 층은 전극 상의 천공부의 내부면 뿐만 아니라 서로 접촉하는 전극의표면 상의 코팅으로서 도시되어 있다. 실제로, 상기 층의 균일한 코팅은 특히 천공부의 가장자리 또는 에지에서는 성취하기가 어렵다. 내부 전극 간격이 비교적 작거나, 인가된 전압이 비교적 높으면, 상기 내부 전극과 외부 전극의 천공부의 가장자리 또는 에지에서 노출된 금속 사이를 통하는 절연 파괴(electrical breakdown)의 위험이 있다.

유럽 특허 제 0 366 876호에는, 천공된 두 개의 동축 원통형 전극으로 구성되며, 외부 전극의 내부면과 접촉하는 천공된 글래스 실린더를 갖는 반응기가 개시되어 있다. 반응기 내에서 처리되는 가스성 매체는 전극들 사이의 공간을 통해 반경 방향으로 유동한다.

본 발명은 가스성 매체(gaseous medium)의 처리를 위한 반응기에 관한 것으로서, 적어도 하나가 가스성 매체에 노출된 유전 매체와 친밀 접촉하는 두 개의 전극 사이에 특히 비열적 플라즈마의 형태의 방전 상태가 설정되는 반응기에 관한 것이다. 이러한 반응기는 유전 배리어 반응기로서 공지되어 있다.

도 1은 내연 기관으로부터의 배기 가스의 플라즈마 처리를 위한 본 발명에 따른 반응기의 종단면도.

도 2는 도 1의 반응기를 통한 가스 유동 경로를 도시하는 개략도.

도 3은 내연 기관으로부터의 배기 가스의 플라즈마 처리를 위한 본 발명에 따른 제 2 반응기의 종단면도.

도 4는 도 3의 반응기를 통한 가스 유동 경로를 도시하는 개략도.

도 5는 내연 기간으로부터의 배기 가스의 플라즈마 처리를 위한 본 발명에 따른 제 3 반응기의 종단면도.

도 6은 도 5의 반응기를 통한 가스 유동 경로를 도시하는 개략도.

도 7은 도 3에 도시한 반응기의 변형예의 개략 종단면도.

도 8은 도 7의 반응기의 변형을 위한 부품의 종단면도.

도 9는 도 7에 도시한 반응기의 다른 변형을 위한 부품의 종단면도.

본 발명의 목적은 가스성 매체의 처리를 위한 개선된 유전 배리어 반응기를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 내연 기관으로부터의 배기 내에 존재하는 것과 같은 미립자 배기물을 포함할 수 있는 가스성 매체의 플라즈마 처리를 위한 반응기가 제공되며, 상기 반응기는 입구 및 출구 포트와 두 개의 동심의 원통형 전극을 갖는 챔버를 포함하며, 상기 전극들의 접촉면 중 적어도 하나는 유전 재료의 층과 친밀 접촉하며, 상기 전극들 중 적어도 하나는, 가스성 매체가 통과할 수 있지만 전극을 가로질러 사용되는 인가된 소정의 전위에서는 전기장 강도가 가스성 매체의 파괴 전위를 초과하는 경로의 임의의 부분을 따라서 전극의 임의의 노출된 전기 도전성 표면 사이에는 경로가 제공되지 않도록 하는 천공부 또는 개구부를 갖추며, 상기 전극들은 챔버를 출입하는 가스성 매체의 유동이 적어도 두 개의 축방향, 반경방향 및 원주방향 성분의 조합을 갖도록, 상기 가스성 매체가 전극들 사이의 영역을 통과하게 구속하도록 구성된다. 적합하게는 상기 전극들 사이의 공간 내의 가스성 매체의 상기 유동은 축방향, 반경방향 및 원주방향 성분을 갖는다. 축방향, 반경방향 및 원주방향 가스 유동 성분의 조합은 부분적으로 또는 완전히 나선형 및/또는 소용돌이형 형태를 갖는 가스 유동을 발생시킬 수 있다.

동심 전극의 반경의 차이가 가능한한 작아지도록 배치하는 것은 소정의 가스 유동 요구에 유용하며, 전극들 사이의 전기장의 균일성이 향상될 수 있다. 적합하게는 반경의 차이는 외부 전극의 80% 이하, 더욱 적합하게는 60% 이하, 가장 적합하게는 40% 이하이다. 이러한 방식으로 전극들의 반경의 차이를 감소시킴으로써, 적절한 방전 상태를 발생시키는데 요구되는 인가 전압을 낮출 수 있다. 이는 그 자체로 디자인의 단순성 및 반응기 및 전원의 비용에 영향을 미치며, 이들은 차량 기반식 배기 가스 처리 시스템의 주요한 요건이다.

적합하게는, 반응기 챔버는 내연 기관의 배기 시스템 내로 연결되도록 적용된다.

친밀 접촉(intimate contact)라는 용어는, 유전 재료층이 통상 금속인 전극에 화학적으로 결합되거나, 유전 재료의 튜브, 판 또는 시트의 형태일 수 있는 유전 재료층이 전극과 물리적으로 접촉하는 것을 의미한다. 이러한 친밀 접촉은 전극과 배리어 사이의 임의의 갭 내의 방전 또는 코로나 방전에 기인하는 임의의 손실을 감소시킨다. 이는 반응기에 인가된 전력이 가스성 매체의 처리를 위한 플라즈마와 같은 방전을 발생시키기 위해 효과적으로 결합된다는 것을 의미한다. 상기 손실을 감소시킴으로써 차량 적용에 있어서의 유전 배리어 반응기 및 전원 시스템의 효율이 증가되며, 따라서 임의의 디자인에 있어서의 주요 요인인 요구 전력 및 발생 가능한 연료 낭비가 감소된다. 이러한 손실을 감소시킴으로써 차량 적용에 있어서 전자기 배기물을 최소화하여 전자기 적합성을 향상시키는 것을 또한 돕는다. 전극과 유전 재료 사이의 물리적 접촉은 유전 재료 상의 코팅으로서 금속층을 적층시킴으로써 보강될 수 있다. 상기 층은 전해적으로 적층될 수 있으며, 은, 니켈 또는 구리와 같은 적합한 도전 재료로 제조될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속층은 또한 전극을 구성할 수 있다. 예를 들면, 먼저 몰리브덴/망간의 중간층이 유전 재료 상에 적층되며, 약 1400℃에서 점화되어 몇몇 금속이 유전 재료 표면으로 확산되게 할 수 있다. 다음, 예를 들면 니켈과 같은 도전층이 몰리브덴/망간 상에 적층되어, 니켈이 유전 재료 상의 확산된 금속층과 균일하게 접촉할 수 있다. 이러한 방식으로, 강하고, 친밀하게 결합된, 유전 재료 상의 금속층이 니켈 금속 전극과 유전 재료 사이에 성취될 수 있다.

양 전극이 그들의 접촉면에 유전 재료의 층을 갖는 경우 및, 양 전극 및 유전 재료가 그를 통한 가스 유동 경로를 제공하기 위해 구멍 또는 슬릿과 같은 천공부 또는 개구부를 갖는 경우에는, 본 발명에 따르면, 한 전극 상의 유전 재료의 층의 천공부 또는 개구부에 대한 다른 전극 상의 유전 재료의 천공부 또는 개구부 사이에 간격을 갖고 배치되어, 사용 중인 전극들 사이의 소정의 작동 전위 차이에 대해서 전극들 상의 임의의 노출된 전기 도전성 표면들 사이의 전기장 강도가 어느위치에서도 가스성 매체의 파괴 전압을 초과하지 않아야 할 필요가 있다.

본 발명에 따라 설명된 가스 유동 성분은 규칙적인 원통형 반응기를 포함하는 예에서 가장 양호하게 규정된다.

가스 유동의 축방향 성분이라는 것은 실린더의 종방향 축에 평행하거나 상기 축을 따르는 가스 유동의 성분을 의미한다. 가스 유동의 반경방향 성분은, 실린더의 반경에 평행한 가스 유동의 성분을 의미한다. 가스 유동의 원주방향 성분은, 실린더의 원주와 동심인 경로를 따르는 가스 유동의 성분을 의미한다.

상기 가스 유동 성분들의 두 개 이상의 조합은 적어도 부분적으로 또는 완전히 나선형 및/또는 소용돌이형인 가스 유동을 발생시킬 수 있다.

상기 전극들 사이의 공간은 반응 재료의 가스 투과성 베드로 패킹될 수 있다. 이는 축방향, 반경방향 및 원주방향 유동 성분을 갖는 반응기를 통과하는 가스성 매체의 처리에 대해 촉매로서 작용하도록 선택된다. 패킹 또는 코팅 재료는 내연 기관으로부터의 배기 내에 존재하는 미립자의 산화 및/또는 질소 산화물의 질소로의 환원 효율을 증가시키는 촉매가 선택될 수 있다.

탄소 미립자의 산화 또는 질소 산화물의 환원을 위한 촉매가 아닌 패킹 재료 또는 코팅은 플라즈마에 노출될 때 상기 처리들에 대한 촉매 특성을 형성할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이는 예를 들면, 산소 원자 또는 다른 플라즈마 발생이 없는 라디칼에 의한 활성화에 의해, 또는 활성화된 탄화 수소, 유기 질소 또는 활성화된 유기 질소종 및/또는 질소 산화물과 같은 플라즈마 발생종에 의한 활성화에 의해 발생될 수 있다. 촉매 또는 비촉매 재료 특성은 또한 전기장에 의해, 또는플라즈마 영역 내의 또는 상기 영역에 인접하여 존재하는 다른 변종에 의해 더욱 증가될 수 있다.

패킹 재료는, 영국 특허 제 99 24999.7호, 99 29771.5호 및, 00 08351.9호에 개시된 바와 같이, 필터 재료 상에 흡수 및 포획된 종의 체류 시간의 선택적인 변경을 위한 선택적인 필터로서 작용할 수 있다. 이러한 방식으로, 흡수 및 포획된 종의 체류 시간은 필터 상에 흡수 또는 포획되지 않은 가스 상(相)의 종에 비해 증가되며, 따라서 원하는 처리 반응이 발생되는 시간이 증가된다. 이러한 효과는 본원에 개시된 가스성 매체의 처리를 위한 유전 배리어 반응기에 있어서의 축방향, 반경방향 및 원주방향 가스 유동에 의해 더욱 증가될 수 있다.

반응기는, 반응기의 플라즈마 영역에 진입하기 전에 가스성 매체가 활성 물질로 코팅될 수 있도록, 또는 플라즈마 영역에서 여기되며 플라즈마 영역에 수용된 활성 물질과 접촉할 수 있도록, 또는 플라즈마 영역에서 여기되어 반응기의 플라즈마 영역의 외부에 수용된 활성 물질을 통과할 수 있도록, 섹션들로 분할될 수 있다. 또한 유전 패킹 재료는, 국제 출원 WO99/12638호에 개시된 바와 같이, 환원제가 처리를 위해 요구되는 경우 처리 효율을 증가시키기 위해 다수의 부가의 주입 포트를 갖는 플라즈마 반응기의 외부에 배치될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

활성 패킹 재료의 가스 투과성 베드는, 구, 펠릿, 압출물, 파이버, 시트, 웨이퍼, 프릿(frit), 메시, 코일, 폼, 박막, 세라믹 벌집형 모노리스 또는 과립의 형태일 수 있으며, 또는 상기 형태들 중 임의의 것 상의 코팅으로서, 또는 상기 형태들 중 임의의 것 내의 유전, 폴리머 또는 금속 재료 내에 포함되거나, 패킹 재료의상술한 형태 중 하나 이상의 조합체로서 구성될 수 있다.

상기 패킹 재료는 내연 기관으로부터의 탄소와 같은 미립자의 산화 또는 연소를 증대시키도록 선택될 수 있다. 가스 투과성 베드에 사용되는 탄소 연소 촉매와 같은 산화 촉매의 예는, 영국 특허 제 2 232 613 B호에 개시된 리튬 질산염과 같은 알칼리 금속염, 세슘 산화물, 활성 물질이 첨가된 란타늄-세슘-바나듐 오산화물과 같은 알칼리 금속 도핑 란타늄 산화물-바나듐 산화물, 알칼리 금속 메타바나데이트, 알카리 금속 피로바나데이트, 층상 페로브스카이트를 포함하는 페로브스카이트 및, 상기 물질들의 조합이다. 페로브스카이트와 같은 상기 연소 촉매 중 몇몇은 질소 산화물 및 탄소 미립자 모두를 동시에 제거할 수 있다. 페로브스카이트의 예는, La₂CuO₄, La_1·9K_0·1Cu_0·95V_0·05O₄및, La_0·9K_0·1CoO₃이다. 이러한 촉매의 작동 모드는 본 출원인의 국제 출원 PCT/GB00/00079에 개시되어 있다. 탄소 연소 촉매의 사용은 탄소 미립자 물질의 처리를 위한 플라즈마 반응기의 요구 동력을 감소시킬 수 있으며, 요구되는 활성 물질의 체적을 감소시킬 수 있다.

배기는 또한, 초기에 연료 내에 존재하거나 배기에 개별적으로 첨가되며 연소 온도를 낮추며 및/또는 탄소 물질의 제거 속도를 증가시키는 기능을 하는 탄소 연소 촉매로서 작용하는 화학 첨가제를 포함할 수 있다. 탄소 연소 촉매는 연료의 연소 중 또는 연소 직후에 화학적으로 분해되어 연료 또는 배기 내로 첨가제를 방출시키는 비산 첨가제(fugitive additive) 내부 또는 상기 비산 첨가제 주위에 포획될 수 있다.

상기 패킹 재료는 질소 산화물의 환원을 위한 촉매로서 선택될 수도 있다.유전 재료의 가스 투과성 베드는, 감마 알루미나와 같은 활성 알루미나 또는 알파 알루미나 또는 지르코늄 산화물 또는 티타늄 이산화물, 은 알루미네이트, 은 도핑 알루미나, 스피넬, 바나듐 오산화물, 코발트 산화물 도핑 알루미나와 같은 금속 도핑 및 금속 산화물 도핑 또는 교환성 무기 산화물 및, 금속 도핑 제올라이트일 수 있다. 제올라이트는 특히 질소 산화물의 환원을 위해 유용한 물질이다. 제올라이트의 예는, 세륨 및 란타늄과 같은 부가의 양이온 촉진용 촉매를 갖거나 갖지 않는 철, 코발트 또는 구리를 함유할 수 있는 ZSM-5, Y, 베타, 모데나이트와 같은 공지된 제올라이트이다. 제올라이트의 다른 예는 알칼리 금속 함유 제올라이트, 특히 질소 산화물의 처리에 특히 유용한 소듐-Y 제올라이트이다. 특히 질소 산화물의 제거에 유용한 다른 제올라이트는 알루미나에 대한 실리카의 몰비가 최대 30이며, 최대 10 중량 %의 은을 함유하는 페어라이트이다. 제올라이트는, 그의 화학 조성에 의존하여, 가스성 및 미립자 처리 반응에 대한 산화 특성을 또한 나타낸다는 것을 이해해야 한다.

상기 물질들의 혼합물 및, 탄소 연소 촉매와 같은 산화 촉매와 상기 물질들의 혼합물이 또한 내연 기관으로부터의 가스성 배기 내에 존재하는 탄소 미립자의 산화 및/또는 질소 산화물의 질소로의 환원에 사용될 수 있다.

패킹 물질과 협동하여 가스성 매체 성분의 산화 및/또는 환원 처리를 향상시키기 위해 첨가제가 요구될 수 있다. 예를 들면, 암모니아, 요소 또는 시아누르산과 같은 질소 함유종이 질소 산화물 환원에 사용될 때, 특히 유용한 촉매는 바나듐 오산화물-티타늄 이산화물이다. 질소 함유 첨가제종이 사용될 때, 배기가 촉매와접촉하기 전에 반응기의 플라즈마 영역을 통과한 후에 배기와의 첨가 및 혼합이 이루어질 수도 있다. 질소 산화물의 선택적인 촉매 환원과 같은 처리를 촉진하기 위해 연소 연료로부터 잔류 추출되거나 개별적으로 첨가되는 탄화 수소와 같은 다른 종류의 적합한 첨가제가 첨가될 수 있다.

패킹 재료의 형태는 본 발명에 개시된 특정 실시예에서 본원에 개시된 것에 한정되는 것은 아니다. 당 기술 분야의 숙련자들에게는 변경 및 변형이 이루어질 수 있다는 것은 명백한 일이다.

반응기가 내연 기관으로부터의 배기 가스의 처리에 사용될 때, 유전 배리어 재료는 예를 들면, 본 출원인의 국제 출원 공보 WO99/20373호에 개시된 바와 같이, 알루미나, 글래스, 글래스-세라믹, MICATHERM과 같은 운모 글래스일 수 있다. 유전 배리어의 형상 및 기하학적 형상은 본 발명에 개시된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니다. 당 기술 분야의 숙련자들에게는 변경 및 변형이 이루어질 수 있다는 것은 명백한 일이다. 예를 들면, 상기 배리어는 튜브, 판 또는 시트의 형태일 수 있다. 전극과 친밀 접촉하는 유전 배리어 재료는 내연 기관으로부터의 가스성 배기 내에 존재하는 탄소 미립자의 산화 및/또는 질소 산화물의 환원에 대한 촉매 특성을 또한 가질 수 있다. 유전 배리어는 촉매 재료로 제조될 수 있으며, 이러한 처리를 위해 그 표면 내 또는 표면 상에 촉매 코팅을 포함할 수 있으며, 상기 촉매 재료는 이온 교환, 도핑, 졸겔법(solgel processing)과 같은 습식 화학 기술에 의한 증착, 예를 들면 플라즈마 용사 또는 물리적 및 화학적 기상 증착에 의한 용사 또는 스퍼터링에 의한 증착에 의해 제조될 수 있다. 유전 배리어 재료 또는 코팅의 형태는 촉매 또는 비촉매의 형태일 수 있지만, 패킹 재료에 대해 설명한 바와 같이, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명을 첨부 도면을 참조하여 예시적으로 설명하겠다.

도 1을 참조하면, 유해 성분을 제거하기 위해 내연 기관으로부터의 배기물의 처리를 위한 반응기는, 예를 들면 스테인레스 강으로 제조되며 입구 및 출구(101,102) 스터브를 각각 갖는 반응기 챔버(100)를 가지며, 상기 반응기는 상기 반응기 챔버에 의해 내연 기관의 배기 시스템에 합체될 수 있다. 반응기 챔버(100)의 내부에는 내부 전극(103)과 외부 전극(104)이 있다. 고전압 입력 터미널(105)은 수 kV 내지 수십 kV의 전압 및 50 내지 5000Hz의 반복 주파수가 내부 전극(103)에 인가될 수 있게 하지만, 수십 kHz의 높은 주파수가 사용될 수도 있다. 펄스형 전류가 자동차 용도에 편리하지만, 예를 들면 동일하거나 유사한 특성의 삼각형파 또는 사인파와 같은 교류 전위가 사용될 수 있다. 외부 전극(104)은 접지되어, 상기 전극들(103,104) 사이의 공간의 배기 가스 내의 비열적 플라즈마의 형성을 허용한다. 상기 전극들(103,104)은 스테인레스 강과 같은 천공형 도전 재료로 제조되며, 절연 지지체(106,107)에 의해 반응기 챔버(100) 내에 지지된다. 반응기 챔버(100)의 입구 단부에 있는 전극 지지체(106)는, 외부 전극(104)과 반응기 챔버(100) 벽 사이의 공간(109)으로 배기 가스가 유입되는 것을 허용하도록 그 주변부 둘레에 일련의 구멍(108)을 갖는다. 반응기 챔버(100)의 출구 단부에 있는 전극 지지체(107)는 축방향 출구 구멍(110)을 갖는다. 예를 들면, α-알루미나, 글래스, 글래스-세라믹 또는 MICATHERM과 같은 운모 글래스와 같은 유전체의 층(111,112)이 상기 전극들(103,104)의 대향 표면과 각각 접촉한다. 상기 유전체 층(111,112)은 원주방향 갭(113,114)을 각각 갖는다. 상기 유전체 층(111,112) 내의 갭(113,114)은, 도 2에 명확하게 도시한 바와 같이, 일련의 갭이 유전체의 대향 영역의 중심에서 대향되도록 교호적으로 배치되어 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 유전체 층(111,112) 내의 갭(113,114)은, 상기 전극들(103,104) 사이의 영역에서 나선형 가스 유동을 발생시키도록 원주방향으로도 교호적으로 배치되어 있다.

도 2를 참조하면, 유입되는 배기 가스는 먼저 공간(109) 내로 축방향으로 통과되며, 다음 외부 전극(104) 상의 천공부와 유전체 층(112) 내의 갭(114)을 통해 전극들(103,104) 사이의 공간(115)으로 반경방향으로 하강되며, 상기 공간에서 배기 가스는 유전체 층(111) 내의 갭(113) 및 내부 전극(103)의 천공부를 통과하기 전에 원주방향으로 유동할 수 있으며, 다음 전극 지지체(107)의 중심 구멍(110)을 경유하여 반응기 챔버(100)로부터 유출된다. 따라서, 상기 전극들(103,104) 사이의 갭을 통하는 가스 유동 경로는 축방향, 반경방향 및 원주방향 성분을 갖는다. 유동의 반경방향 성분은 외부 전극(104)의 외부으로부터 유입되어 내부 전극(103)의 내부으로부터 유출되는 가스의 전달에 의해 발생한다. 원주방향으로 교호적인 갭(113,114)에 의해 부과되는 원주방향 성분이 또한 존재하므로, 유동은 적어도 부분적으로는 나선형이다. 상기 유전체 층(111,112) 내의 갭(113,114) 사이의 거리는, 전극들(103,104)의 노출된 표면 사이의 전기장 강도가 어느 위치에서도 배기 가스의 플라즈마 방전 대신에 아크가 발생된 상태로 전극들(103,104) 사이의 공간을 통하는 배기 가스의 절연 파괴를 발생시키지 않도록 형성된다.

도 3을 참조하면, 유해 성분을 제거하기 위해 내연 기관으로부터의 배기물의 플라즈마 처리를 위한 제 2 반응기는 입구 및 출구(301,302) 스터브를 각각 갖는 반응기 챔버(300)로 구성되며, 상기 반응기 챔버에 의해 상기 반응기는 상술한 바와 마찬가지로, 내연 기관의 배기 시스템에 합체될 수 있다.

반응기 챔버(300)의 내부에는, 예를 들면 α-알루미나로 제조되며, 반응기를 통한 배기 가스의 유동을 용이하게 하도록 구형 돔(305)에 의해 폐쇄된 상류측 단부를 갖는 유전체 튜브(304) 내에 지지된 내부 전극(303)이 위치된다. 상기 내부 전극(303)은 두 개의 스파이더 지지체(306,307)에 의해 유전체 튜브(304) 내에 지지된다. 상기 유전체 튜브의 내부면은 전극과 유전체 튜브 사이의 물리적 접촉을 증가시키기 위해 금속 코팅으로 금속화될 수 있다. 지지체(307)는 세라믹 절연 피드(309)를 경유하여 고전압 입력 터미널(308)에 접속되므로, 수 kV 내지 수십 kV의 전위 및 50 내지 5000 Hz의 반복 주파수가 내부 전극(303)에 인가될 수 있다. 내부 전극(303)과 유전체 튜브(304)와 동심인 접지된 외부 전극(310)은 예를 들면 스테인레스 강으로 제조된다. 상기 유전체 튜브(304) 및 외부 전극(310)은 알루미나와 같은 절연 세라믹 재료로 제조된 디스크(311,312)에 의해 반응기 챔버(300) 내에 지지된다. 적응성 내열 재료(313)가 전극 지지체(311)와 유전체 튜브(304) 사이에 삽입된다.

도 4에 도시한 바와 같이, 외부 전극(310)은 일련의 배플(314)과 슬롯(315, 310a)을 갖는다. 상기 배플(314)은 외부 전극(310)으로부터 반응기 챔버(300)의 벽의 내부면으로 연장되며, 접지 접속부로서 작용할 뿐만 아니라, 배기 가스가 양 축방향 및 원주방향 성분을 갖는 포선형 경로(convoluted path)를 따르며 적어도 부분적으로 나선형이 되도록 한다. 또한, 먼저 가스가 외부 전극(310)의 외부으로부터 전극들(310,303) 사이의 공간으로 전달될 때 내향으로 유동하며, 다음 가스가 반향되어 외부 전극(310)의 외부으로부터 유출될 때 외향으로 유동하는 반경방향 유동 성분이 존재한다. 따라서, 유동의 나선형 성분이 또한 존재한다.

상기 배플(314)은 전극(310)과 반응기 챔버(300) 사이의 공간을 6개의 세그먼트로 분할하도록 배치된다. 가스 입구 단부에서, 상기 세그먼트들 중 3개는 부분(314a,314b,314c)에서 폐쇄되어 축방향 가스 유동을 차단하며, 나머지 3개의 세그먼트는 전극(310)과 반응기 챔버(300) 사이의 공간 내로의 축방향 가스 유동을 위해 개방된다. 상기 나머지 3개의 세그먼트는 반응기의 가스 출구에서 배플(314)에 의해 폐쇄되어 있다. 따라서, 가스는 슬롯(315)을 경유하여 전극들(303,310) 사이의 공간 내로 반경방향으로 강제로 통과된 후, 다음 슬롯(315a)을 경유하여 전극(310)과 반응기 챔버(300) 사이의 공간의 다음 세그먼트 내로 반경방향으로 통과되기 전에 적어도 부분적으로 나선형 방식으로 통과된다. 상기 배플(314)은 가스 출구 단부에서 상기 세그먼트를 개방 유지하여, 처리 가스의 배기를 허용한다. 따라서, 배기 가스는 외부 전극(310)의 표면을 따라 반응기(300)의 주요부를 출입하며, 전극 지지체(311,312)는 이러한 출입을 허용하도록 배치된 주변부에서 양각부를 갖는 것을 알 수 있다. 따라서, 소정의 가스 속도에서, 전기장 내의 배기 가스의 체류 시간은 순수 축방향 또는 반경방향 유동의 경우와 비교할 때 증가된다. 도 4에서, 전극(310)의 부분은 부분(316)에서 절단되어 도시되어 있다. 이러한 절단부는 배기 가스가 전극들(303,310) 사이를 통과할 때의 배기 가스의 유동을 도시하기 위해서 도면에만 도시되어 있는 것이며, 반응기의 구조적 특징을 나타내는 것은 아니다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 내연 기관으로부터의 유해 성분을 제거하기 위해 내연 기관으로부터 배기물의 플라즈마 처리를 위한 반응기의 제 3 형태가 도시되어 있다. 상기 반응기는, 스테인레스 강으로 형성될 수 있으며 각각 입구 및출구(501,502) 스터브를 갖는 원통형 챔버(500)로 구성되며, 상기 챔버에 의해 상기 반응기는 내연 기관의 배기 시스템 내로 연결될 수 있다. 반응기 챔버(500) 내에는, 고전압 입력 터미널(504)이 접속되어 있는 원통형 내부 전극(503)이 있으며, 상기 터미널에 의해, 또한 반응기 챔버 내에 있는 접지된 외부 전극의 내부면 상에 증착된 α-알루미나 또는 MICATHERM과 같은 유전 재료의 층(506)과 내부 전극(503) 사이의 공간을 통과할 때 배기 가스 내에 비열적 플라즈마를 형성하는데 충분한 전압이 상기 내부 전극(503)에 인가될 수 있다. 상기 전극들(503,507)은 환형의 세라믹 절연 지지체(508,509)에 의해 반응기 챔버 내의 적소에 유지된다.

도 6에 명백하게 도시된 바와 같이, 내부 전극(503)은 두 개의 교차형 종방향 배플(510,511)을 갖는다. 내부 전극의 입구 단부에 위치한 두 개의 대향된 부채꼴 부분(512,513)은 폐쇄되어 있으며, 마찬가지로 내부 전극(503)의 출구 단부에 위치한 두 개의 대향된 부채꼴 부분도 폐쇄되어 있다. 4개의 균일하게 이격된 슬롯(514)이, 하나의 슬롯이 내부 전극(503)의 내부의 각각의 부채꼴 부분으로 연장되는 방식으로 내부 전극(503)을 따라 축방향으로 연장된다. 이러한 배치에 의해, 반응기 챔버(500)의 주요부로 진입되는 배기 가스는, 내부 전극(503)의 내부의 개방된 두 개의 부채꼴 부분 내로 축방향으로 진입되며, 내부 전극(503) 내의 대응하는 두 개의 슬롯(514)으로부터 반경방향으로 통과되며, 내부 전극 내의 다른 쌍의 슬롯(514)을 통해 공간으로부터 반경방향으로 유출되기 전에 그리고 내부 전극의 두 개의 개방된 부채꼴 부분을 경유하여 내부 전극의 내부로부터 유출되기 전에, 내부 전극(503)과 외부 전극 조립체(506,507) 사이의 공간을 통해 원주방향으로,축방향으로 및 적어도 부분적으로 나선형으로 유동한다. 따라서, 소정의 가스 속도에서, 전극들 사이의 전기장 내의 배기 가스의 체류 시간은 순수 축방향 또는 반경방향 유동의 경우와 비교할 때 재차 증가된다.

도 7은 도 3에 도시된 반응기의 변형예를 도시한다. 도면 부호 700은 반응기 챔버를(도 3의 도면 부호 300에 대응), 710은 외부 전극을 나타내는 것 등을 제외하고는, 대응하는 부품은 도 3 및 도 4와 유사한 도면 부호로 나타낸다.

본 예에서, 내부 전극(703)은 유전체 튜브(704)의 내부면 상의 증착된 은 도전층에 의해 적합하게 제공된다. 고전압 입력 터미널(708)을 통한 고전압 접속은 스프링 장전 신축식 튜브 조립체(720)와 스프링 접촉부(721)를 통해 형성된다. 스프링 장전 신축식 튜브 조립체(720)로부터의 하중은, 내부 전극(703)을 형성하는 은 도전층에 연결되어 있는 하중 확산판(spreader plate)에 의해 수용된다. 스프링을 포함하는 재료들은 고온에서 작동되도록 요구되며, 스프링은 이러한 온도에서 낮은 크리프를 가져야한다. 스프링에 적합한 재료는 X750과 같은 인코넬 합금(Inconel alloy)이다. 알루미나 단부 플랜지(712)는 유전체 튜브(704)의 단부를 수용하며 배치하도록 성형되며, 그 자체는 스프링 장전 금속 클립(723)에 의해 배치된다.

도 8은 도 7의 반응기에 있어서의 변형된 유전체 튜브(804)를 도시한다. 본 예에서, 단부 플랜지(812)는 제조 공정 중에 튜브(804) 상에 결합된다. 증가된 벽 두께는 튜브(804)를 반응기 내로 밀봉할 때, 더욱 큰 하중을 지탱할 수 있게 한다. 내부 전극(803)은 은의 증착에 의해 형성된다.

도 9는 도 7의 반응기에 있어서의 유전체 튜브(904)의 다른 변형예를 도시한다. 본 예에서, 단부 플랜지(912)는 제조 중에 튜브(904)의 일체형 부분으로서 형성된다. 플랜지 부분 및 튜브의 인접 부분은 튜브의 나머지의 벽 두께 보다 약간 큰 벽 두께를 갖는다. 또한, 내부 전극(903)은 은의 증착에 의해 형성된다.

상기 예들에 개시된 반응기의 실시예들은, 산화제 또는 환원제와 같은 첨가제의 첨가를 요구할 수 있으며 또는 내연 기관으로부터의 배기 가스의 플라즈마 처리를 위해 촉매 또는 다른 배기 제어 장치를 사용하는 배기 제어 시스템의 부분으로서 설치될 수 있는 촉매 부품을 포함할 수 있다. 이러한 다른 배기 제어 장치는 배기 가스 재순환(EGR), 점화 시기 변동, 연료 분사 시기 및 연료 분사 펄스 레이트 정형(pulse rate shaping) 기능을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 예들의 반응기는 국제 출원 PCT/GB00/00603호에 개시된 바와 같은 전원 및 엔진 제어 시스템과 결합하여 사용될 수 있다. 1998년 4월, 유럽 자동차 디자인의 기사 'Stop go systems get the green light'의 24 내지 26페이지에는 일체형 시동기 교류 발전기 댐퍼 시스템(ISAD)의 예가 개시되어 있다. 이러한 ISAD는 본원에 개시된 바와 같은 반응기의 플라즈마 배기 제어 시스템에 동력을 공급하기 위한 전원 시스템의 부분으로서 사용될 수 있다. 또한, 예를 들면 14V/42V와 같은 단일/다중 출력 12/14V 교류 발전기 기술, 연료 전지, 가스 터빈, 태양 전지 및 열 교환기가 반응기용 전원 시스템에 동력을 공급하기 위해 또한 사용될 수 있는 전기 발전 전원의 주요 또는 부분 공급기로서 사용될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

Claims (14)

1. 입구(101;301;501;701) 포트와 출구(102;302;502;702) 포트 및 두 개의 동심의 원통형 전극들(103,104; 303,310; 503,507; 703,710)을 갖는 챔버(100;300;500; 700)를 포함하는 가스성 매체의 처리용 반응기에 있어서,

   상기 전극들(103,104; 303,310; 503,507; 703,710)의 대향 표면들 중 적어도 하나는 상기 표면과 친밀 접촉하는 유전 재료의 층(111,112;304;506;704;804;904)을 가지며, 상기 전극들(103,104;310;503;710) 중 적어도 하나는, 가스성 매체는 통과할 수 있지만 상기 전극들(103,104;310;503;710)을 가로질러 사용시에 인가된 소정의 전위에 있어서 전기장 강도가 상기 가스성 매체의 절연 파괴를 초과하는 경로의 임의의 부분을 따라 상기 전극들(103,104;310;503;710)의 임의의 노출된 도전성 표면 사이에 어떠한 경로도 제공되지 않도록 하는 천공부 또는 개구부를 갖추며, 상기 전극들(103,104; 303,310, 503,507; 703,710) 및 관련 구조물(106,107; 314, 312; 508,509,510,512)은, 상기 반응기를 출입하는 가스성 매체의 유동이 모두 축방향, 반경방향 및 원주방향 성분을 갖도록 가스성 매체가 상기 전극들(103, 104; 303,310, 503,507; 703,710) 사이의 영역을 통과하게 구속하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가스성 매체의 처리용 반응기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 동심 전극들(103,104; 303,310, 503,507; 703,710)의 반경의 차이는 상기 전극들 사이에 존재하는 전기장의 균질성을 증가시키기 위해 상기 외부 전극의 반경의 80% 이하인 것을 특징으로 하는 반응기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 동심 전극들(103,104; 303,310, 503,507; 703,710)의 반경의 차이는 상기 외부 전극의 반경의 60% 이하인 것을 특징으로 하는 반응기.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 동심 전극들(103,104; 303,310, 503,507; 703,710)의 반경의 차이는 상기 외부 전극의 반경의 40% 이하인 것을 특징으로 하는 반응기.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극들(103,104; 303,310, 503,507; 703,710) 및 관련 구조물(106,107; 314,312; 508,509,510,512)은 가스성 매체가 적어도 부분적으로 나선형 또는 소용돌이형 방식으로 그들 사이를 유동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 반응기.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 그와 친밀 접촉하는 유전 재료의 층을 갖는 상기 전극들(103,104;303;507;703) 또는 상기 전극들 각각은 금속 코팅의 금속층이 그 상부에 증착된 유전 재료의 튜브(111,112;304;506;704;804; 904)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 전극(103,104)은 개구로 천공되어 있으며, 상기 대향 표면 상에 유전 재료의 층(111,112)을 가지며, 상기 유전 재료의 층(111,112)은 내부에 원주방향 슬롯(113,114)을 가지며, 상기 슬롯(113,114)은 그를 통하는 가스 유동을 허용하도록 상기 전극(103,104)의 천공부 또는 개구부와 협력하며 축방향 및 소정의 방위각으로 교호적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반응기.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 한 전극(103) 상의 유전 재료의 층(111) 내의 슬롯에 대한 상기 다른 전극(104) 상의 유전 재료의 층(112) 내의 슬롯(114)의 간격은, 사용중인 전극들 사이의 소정의 작동 전위 차이에 있어서 상기 전극들의 임의의 노출된 도전성 표면 사이의 전기장 강도가 어느 위치에서도 가스성 매체의 파괴 전압을 초과하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 반응기.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 내부 전극(303;703)은 상기 유전 재료의 연속층(304;704)으로 코팅되거나, 상기 유전 재료의 연속층(304;704)과 친밀 접촉하며, 상기 외부 전극은, 상기 반응기 내에서 처리될 유입 가스성 매체가 먼저 상기 외부 전극(310;710)의 외부면의 영역에 걸쳐 통과되며 슬롯(315)의 제 1 그룹을 통해 상기 전극들 사이의 공간 내로 통과되며, 상기 슬롯(315a)의 제 2 그룹을 통해 통과되기 전에 상기 공간을 통해 적어도 부분적으로 나선형 또는 소용돌이형 경로를 통과하며 상기 반응기 챔버(300;700)로부터 유출되기 전에 상기 외부전극(310;710)의 외부면으로 전환되도록 하는, 횡단형 배플(314) 및 종방향 슬롯(315)의 배치를 갖는 것을 특징으로 하는 반응기.
10. 제 5 항에 있어서, 상기 내부 전극(503)은, 상기 반응기 내에서 처리될 유입 가스가, 먼저 상기 내부 전극(503) 내의 대응 슬롯(514)으로부터 상기 내부 전극(503)의 내부의 세그먼트 내로 통과되며, 상기 내부 전극(503) 내의 슬롯(514)의 제 2 그룹을 통과하기 전에 상기 전극들(503,507) 사이의 공간을 나선형으로 통과하여 상기 내부 전극(503)의 내부의 대응 세그먼트 내로 그 후 반응기 챔버(500)의 외부로 통과하게 구속되도록 하는, 종방향 배플(510,511) 및 횡단형 배플(512,513)의 배치를 갖는 것을 특징으로 하는 반응기.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극들(103,104; 303, 310; 503,507; 703,710)은 유전 매체의 가스 투과성 베드로 충전되는 것을 특징으로 하는 반응기.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 가스 투과성 베드의 재료는 상기 반응기 내에서 처리될 가스성 매체의 처리와 관련된 촉매 특성을 갖도록 적용되는 것을 특징으로 하는 반응기.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 내연 기관 배기 시스템의부분을 형성하도록 적용되는 반응기.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전 재료의 층(111,112;304;506;704;804;904) 또는 상기 층의 각각은 α-알루미나, 글래스, 글래스 세라믹 또는 운모 글래스로 형성되는 것을 특징으로 하는 반응기.