KR20030031879A - 구획된 전극 모세관 방전, 비열 플라스마 장치 및화학반응 촉진 방법 - Google Patents

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Abstract

적어도 하나의 모세관(146)이 관통 형성된 제 1 절연체(115)와, 복수의 전극 구획들(140)을 포함하는 구획된 전극(140)을 포함하고, 각 전극 구획(140)은 조합 모세관(146)에 근접하여 배치된다. 반응기(100)는 제 2 전극(120)과 제 1 절연체 (115)내의 모세관들(146)로부터 빠져나가는 플라스마가 방전되는 제 1 및 제 2 절연체사이에 채널(125)을 형성하도록 미리 결정된 거리로 떨어진 제 1 및 제 2 절연체들을 갖춘 절연체(115)를 포함한다. 처리될 유체는 채널(125)을 통하여 지나가고 플라스마 방전에 노출된다. 처리될 유체는 두 절연체들(115)사이의 채널(125)에서 뿐만 아니라 모세관들(146)들에서 둘다 플라스마 방전에 노출될 수 있다. 플라스마 반응기(100)는 유체에서의 오염물질의 분쇄, 오존 발생, 연소를 조절하거나 향상시키기 위한 공기의 전 처리, 다양한 유기화합물의 분쇄 및 대상물의 표면정화와 같은 폭넓은 응용범위를 가진다.

Description

구획된 전극 모세관 방전, 비열 플라스마 장치 및 화학반응 촉진 방법{SEGMENTED ELECTRODE CAPILLARY DISCHARGE, NON-THERMAL PLASMA APPARATUS AND PROCESS FOR PROMOTING CHEMICAL REACTIONS}
"플라스마"는 이온, 전자 및 중성류로 이루어진 부분적으로 이온화된 가스이다. 이 상태의 물질은 전자기장을 변화시키는(예를 들어, RF 또는 마이크로파) 어떤 상수(constant)(DC) 또는 시간에서 비교적 고온 또는 비교적 강한 전기장에 의해 생성된다. 방전된 플라스마는 자유전자가 중성의 원자들/분자들을 기초로 전기장에 의해 활성화될 때 생성된다. 이들 전자는 원자들/분자들에 에너지를 전달하는 전자 원자/분자 충돌을 일으키고 광자, 준안정 원자, 들뜬 상태의 원자, 자유 라디칼(radicals), 분자 조각, 단량체, 전자 및 이온들을 포함하는 다양한 핵종(核種)을 형성한다. 중성 가스는 부분적으로 또는 충분히 이온화되고 전류를 유도할 수있다. 플라스마류는 화학적으로 반응성이 있거나 물리적으로 재료들의 표면을 변화시키며, 그러므로 새로운 화학적 화합물을 형성하거나 현재의 화합물을 변화시키도록 이바지한다. 방전 플라스마는 또한 채광(採光)(lighting)용으로 사용되도록 유용한 양의 광학 방사를 발생시킨다. 플라스마 방전은 많은 다른 용도들에서 이용 가능하다.
미국 특허 제 5,872,426호, 제 6,005,349호 및 제 6,147,452호는 각각 본 명세서에서 참고자료로서 합병되고, 글로우-투-아크(glow-to-arc)로부터의 전이를 억제시킴으로써 글로우 플라스마 방전을 안정화시키는 글로우 플라스마 방전장치를 기술한다. 상부 표면과 하부 표면을 갖는 절연판과 그것을 통해서 연장하는 복수의 구멍들은 캐소드(cathode) 판 위에 위치되고 칼라(collar)에 의해 적소에서 유지된다. 절연판에서의 각 구멍은 전체 전류밀도가 글로우-투-아크 전이를 위한 초기값 이상으로 증가하는 것을 방지하는 독립된 작동전류 제한 마이크로-채널로서 작용한다. 종래 사용되는 캐소드 판은 비교적 고도의 에너지 투입량을 요구한다는 점에서 효율적이지 않다. 게다가, 반응기는 대기압력에서 안정되게 유지하도록 헬륨 또는 아르곤과 같은 운반 가스를 요구한다.
그러므로, 전술의 문제를 해결하는 장치를 개발하는 것이 바람직하다.
본 출원은 1999년 12월 15일자로 출원된 미국 가특허 출원 제 60/171,198호와 1999년 12월 21일자로 출원된 미국 가특허 출원 제 60/171,324호에 기초한 우선권을 주장하는 특허출원이고, 본 명세서에 모두 참고자료로서 병합된다.
본 발명은 플라스마 방전을 발생시키는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 구획된 전극 모세관 방전, 비열 플라스마 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 전술한 특성 및 다른 특성들은 다음의 상세한 설명과 여러 개의 도면을 통하여 같은 요소들에 같은 참조부호들을 도시한 본 발명의 실시예의 도면으로부터 더욱 명확해 진다.
도 1a는 본 발명과 일치하는 예시적인 단일 환상 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 반응기 시스템의 종단면도이다.
도 1b는 선 B-B를 따르는 도 1a의 플라스마 반응기 시스템의 측단면도이다.
도 1c는 도 1a의 플라스마 반응기 시스템에서 단일 전극 구획과 조합 모세관의 확대된 평면도이다.
도 1d는 도 1a의 반응기 시스템에서 단일 전극 구획과 조합 모세관의 배치를 확대시킨 단면도이다.
도 1e는 제 1 절연체에서 실질적으로 균일한 두께와 변화된 모세관 구멍 밀도를 가지는 중공 내부 구획된 전극을 갖춘 본 발명과 일치하는 단일 환상 구획된 전극 모세간 방전 플라스마 반응기 시스템의 다른 실시예의 종단면도이다.
도 1f는 제 1 절연체에서 비균일한 두께와 실질적으로 균일한 모세관 구멍 밀도를 가지는 중공 내부 구획된 전극을 갖춘 본 발명과 일치하는 단일 환상 구획된 전극 모세간 방전 플라스마 반응기 시스템의 또 다른 실시예의 종단면도이다.
도 2a는 본 발명과 일치하는 두개의 환상 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 반응기들을 가지는 시스템의 예시적인 실시예의 종단면도이다.
도 2b는 본 발명과 일치하는 8개의 환상 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 반응기들을 가지는 시스템의 예시적인 실시예의 측단면도이다.
도 3a는 본 발명과 일치하는 단일 직사각형 모양인 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 반응기 시스템의 종단면도이다.
도 3b는 도 3a의 반응기의 평면도이다.
도 4는 본 발명과 일치하는 복합(multiple) 직사각형 모양인 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 반응기를 갖는 예시적인 시스템의 종단면도이다.
도 5a는 제 1 절연체내에 한정되는 조합 모세관 내로 부분적으로 삽입된 예시적인 중공 핀 전극 구획의 단면도이다.
도 5b는 도 5a의 전극 구획의 평면도이다.
도 6a는 제 1 절연체내에 한정되는 조합 모세관 내로 부분적으로 삽입된 무딘 팁(blunt tip)을 갖는 예시적인 고체 핀 전극 구획의 단면도이다.
도 6b는 도 6a의 전극 구획의 평면도이다.
도 7a는 제 1 절연체내에 한정되는 조합 모세관 내로 부분적으로 삽입된 뾰족한 팁(pointed tip)을 갖는 예시적인 고체 핀 전극 구획의 단면도이다. 의 평면도이다.
도 7b는 도 7a의 전극 구획의 평면도이다.
도 8a는 제 1 절연체내에 한정되는 조합 모세관과 함께 실질적으로 같은 높이로(flush) 편평한 예시적인 고체 전극 구획의 단면도이다.
도 8b는 도 8a의 전극 구획의 평면도이다
도 8c는 제 1 절연체내에 형성된 조합 모세관 내로 연장하는 실질적으로 편평한 예시적인 고체 전극 구획의 일부의 단면도이다.
도 8d는 도 8c의 전극 구획의 단면도이다.
도 8e는 제 1 절연체내에 형성된 조합 모세관과 함께 실질적으로 같은 높이로 편평한 예시적인 중공 전극 구획의 단면도이다.
도 8f는 도 8e의 전극 구획의 평면도이다.
도 9a는 제 1 절연체내에 형성된 보조 채널들을 또한 갖는 제 1 절연체의 하나의 모세관과 조합된 전극 구획의 단면도이다.
도 9b는 도 9a의 실시예의 평면도이다.
도 10a는 모세관과 유체 소통하는 보조 채널을 갖는 제 1 절연체의 하나의 모세관과 조합된 전극 구획의 평면도이다.
도 10b는 도 10a의 실시예의 평면도이다.
도 11은 본 발명과 일치하는 예시적인 표면 정화 시스템이다.
도 12a는 본 발명과 일치하는 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 반응기와 함께 예시적인 공기 핸들러의 개략적인 도면이다.
도 12b는 도 12a에서 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 반응기의 확대된 도면이다.
본 발명은 화학적 반응을 촉진하는 비열 플라스마 반응기 시스템을 생성시키는 시스템으로 구성된다. 화학반응은 구획된 전극 모세관 방전 비열 플라스마 반응기에서 발생된 비열 플라스마를 사용하여 촉진되고, 그것은 주위의 압력과 온도를포함하는 다양한 온도 및 압력 방식 하에 작동할 수 있다. 장치는 유체가 플라스마를 통하여 지나가더라도(모세관을 통하여 지나가거나 모세관으로부터 결과적인 플라스마 분출을 통하여 가로질러 지나가든) 화학반응을 촉진하도록 비교적 큰 체적, 고밀도, 비열 플라스마를 사용한다. 이 방법을 사용하여 수행될 수 있는 화학작용의 예는 유체 흐름내의 오염물질 분쇄, 오존 발생, 연소 조절 또는 향상을 위한 공기의 전 처리, 다양한 유기화합물의 분쇄, 또는 광원과 같은 것을 포함한다. 부가적으로, 화학작용은 그들 분자들의 해리(解離) 또는 산화에 의해 절연 또는 유도 물질의 표면에 수행될 수 있다. 순수한 탄화수소의 경우에, 완전한 분자 변환은 이산화물 및 물의 형성을 초래할 수 있고, 그것은 직접 대기에 방출될 수 있다.
본 발명에 따른 반응기는 오염물질과 같은 화학 약제를 함유하는 가스 흐름이 산화, 환원, 이온 유도분해, 또는 전자 유도분해와 같은 다양한 방법에 의해 효과적으로 화학반응이 일어나게 하는 비교적 고밀도 플라스마 영역에 노출되도록 설계된다. 플라스마 특성을 변화시키는 능력은 바람직한 화학반응을 효과적으로 개시하거나 촉진시키고 대부분의 가스를 가열시키지 않는 조건에 맞도록 화학반응이 일어나도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 플라스마 반응기는 적어도 하나의 모세관이 관통 형성된 제 1 절연체와 복수의 전극 구획을 포함하는 구획된 전극을 포함하고, 각 전극 구획은 조합 모세관(associated capillary)에 인접하여 배치된다. 각 전극 구획은 예를 들어 핀(pin), 스터드(stud), 와셔 (washer), 링, 또는 디스크의 다른 형태들로 형성될 수 있다. 전극 구획은 중공 (hollow), 고체, 또는 다공성 물질로만들어질 수 있다. 반응기는 제 1 절연체내 모세관들로부터 빠져나가는 플라스마가 방전되는 그들 사이의 채널을 형성하도록 미리 결정된 거리로 떨어진 제 1 및 제 2 절연체들과 함께 제 2 전극 및 절연체를 포함한다. 처리될 유체는 채널을 통하여 지나가고 플라스마 방전에 노출된다. 만약 전극 구획이 중공이나 다공성 물질로 만들어진다면, 처리될 유체는 제 1 절연체에서 모세관 내로 공급되고 거기서 최대 플라스마 밀도에 노출된다. 처리될 유체는 두 절연체사이의 채널에서뿐만 아니라 모세관들에서도 둘다 플라스마 방전에 노출될 수 있다. 플라스마 반응기는 종래 장치들 보다 더 에너지가 더 효율적이고 대기압에서 안정되게 유지되도록 운반 가스가 요구되지 않는다. 플라스마 반응기는 유체내 오염물질의 분쇄, 오존의 발생, 연소 조절 또는 행상을 위한 공기 전 처리, 및 다양한 유기화합물의 분쇄, 및 대상물의 표면정화와 같은 폭넓은 응용범위를 갖는다.
본 발명은 적어도 하나의 모세관이 관통 형성된 제 1 절연체와, 복수의 전극 구획들을 갖는 구획된 전극을 포함하는 플라스마 반응기에 관한 것이고, 각 전극 구획은 조합 모세관에 인접하여 배치된다.
게다가, 본 발명은 상술된 바와 같이 플라스마 반응기내 유체를 처리하는 방법을 또한 제공한다. 초기에, 처리될 유체는 하나 또는 그 이상의 전극 구획들과 조합 모세관들을 통하여 지나간다. 모세관을 통하여 지나가는 동안 처리될 유체는 모세관으로부터 빠져나가기 전에 플라스마 방전에 노출된다. 또한, 처리될 유체가 전극 구획을 통하여 지나가는 대신에, 처리될 유체가 제 1 절연체와 제 2 절연체 사이에 형성된 채널을 통하여 지나갈 수 있다. 채널에서, 처리될 유체는 모세관으로부터 방전된 플라스마에 노출된다. 이에 따라, 처리될 유체는 두 절연체 사이의 플라스마 영역(채널)에서 뿐만 아니라 제 1 절연체내에 형성된 모세관에서 지나갈 수 있고 최대 플라스마 밀도로 노출될 수 있다.
본 발명과 일치하는 구획된 전극 모세관 방전, 비열 플라스마 반응기는 고체 또는 유체(예를 들어, 액체, 증기, 가스, 또는 어떤 상기 조합)를 함유하는 화학 약제, 예를 들어 원자 요소 또는 화합물은 산화, 환원, 이온 유도합성, 또는 전자 유도합성과 같은 다양한 방법에 의해 효과적으로 화학반응이 일어나게 하는 비교적 고밀도 플라스마에 노출되도록 설계된다. 예를 들면, 화학 약제들은 휘발성 유기 화합물, 연소 공기 또는 연소 소모 가스일 수 있다. 에너지 밀도를 변화시키는 능력은 대부분의 가스를 가열시키지 않고 바람직한 화학반응을 효과적으로 개시하거나 촉진시키기 위해서 충분한 에너지를 사용하여 의도된 화학반응이 일어나도록 한다.
본 발명은 오염물질을 정화하거나 처리하도록 플라스마 반응기를 사용하는 방법에 대하여 예를 들어 기술할 것이다. 그러나, 본 발명의 의도된 범위 내에서 다른 응용 방법들을 위한 장치 및 방법들이 사용된다.
본 발명과 일치하는 예시적인 단일 환상 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 반응기 시스템의 종단면도 및 측단면도가 도 1a와 도 1b에서 보여진다. 도 1a에서 단일 환상 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 반응기 시스템은 처리될 유체를 받는 입구(150)를 포함한다. 유동전이 콘딧(flow transition conduit)(110)은 처리될 유체의 유동을 능률적으로 하도록(streamline) 입구(150)와 반응챔버(155)사이에 배치된다. 즉, 유동전이 콘딧(110)은 반응챔버(155)내로 유체가 도입되기 전에 실질적으로 균일하게 처리되도록 유체를 분포시킨다. 반응챔버(155)는 제 1 절연체 (115)와 제 2 전극(120)을 포함한다. 제 2 전극(120)은 제 2 절연체(115)의 외부표면의 적어도 일부에 대하여 주변으로 배치되고 반응챔버(155)의 길이의 적어도 일부분을 따라 종방향으로 연장한다. 바람직한 실시예에서, 제 2 전극(120)은 절연되고 금속 또는 비금속 도체로 구성된다. 본 발명의 명세서를 통하여 어떤 종래 물질이 유리 또는 세라믹과 같은 절연체로서 사용될 수 있다.
반응챔버(155)내에는 구멍과 일치하여 관통된 중공 튜브(147)가 배치된다. 모세관(146)이 관통 형성된 제 1 절연체(135)는 중공 튜브 (147) 둘레에 배치된다. 제 1 및 제 2 절연체는 같거나 다른 물질일 수 있다. 중공 튜브(147)와 제 1 절연체(135)사이에는 복수의 전극 구획들을 포함하는 구획된 전극(140)이 끼워진다. 전력 공급원(130)은 제 2 전극(120)과 구획된 전극(140)에 연결된다.
도 1a에서 판으로서 도시됨에도 불구하고, 제 2 전극(120)은 선택적으로 복수의 전극 구획들을 포함하는 구획된 전극일 수 있다. 선택적으로, 제 2 전극(120)과 제 2 절연체(115)는 모두 함께 생략될 수 있다.
도 1a에서 도시된 실시예에서, 각 전극 구획(140)은 구멍(146)이 관통 형성된 링 또는 와셔의 모양이다. 중공 링의 모양으로 단일 전극 구획(140)의 평면도 및 단면도는 도 1c와 도 1d에서 각각 보여진다. 중공 링 모양인 전극 구획(140)은 제 1 절연체(135)와 접촉하여 배치된다. 선택적인 실시예에서, 전극 구획(140)은 제 1 절연체 위로 미리 결정된 거리에 의해 떨어져 배치될 수 있거나, 모세관(148)내로 어떤 바람직한 깊이로 연장할 수 있다. 전극 구획 (140)은 중공 튜브(147)내 구멍들, 전극 구획들(140)내 구멍들(146) 및 제 1 절연체(135)에서 형성된 모세관 (148)이 실질적으로 서로 정렬되도록 배치된다. 중공 튜브(147)와 전극 구획(140)내 구멍들은 처리될 유체가 두 절연체(115, 135)사이의 플라스마 영역에서뿐만 아니라 제 1 절연체(135)에서 형성된 모세관(148)내에서 최대 플라스마 밀도에 노출되어 지나간다. 중공 튜브(147)를 생략하고 두 절연체들 사이의 플라스마 영역에서 오염된 유체를 단지 노출시키거나 처리하는 것은 본 발명의 범위 내에 있다.
플라스마는 절연체들(115, 135)사이의 채널(125)에서 그리고 제 1 절연체 (135)에서 형성된 모세관(148)내에서 발생된다. 제 2 절연체(135)에서 형성된 모세관(148)은 직경이 바람직하게 수 미크론(micron) 내지 수 밀리미터(millimeter)으로 변할 수 있고, 밀도 또는 서로에 대한 간격이 또한 변할 수 있다. 모세관(148)의 밀도 또는 간격은 반응챔버(155)의 일부분 또는 전체 길이에 걸쳐 플라스마 방전을 발생시키기 위해서 의도되는 바와 같이 변할 수 있다. 또한, 모세관(148)의 직경은 바람직한 모세관 플라스마 반응을 얻도록 선택될 수 있다.
작동시, 처리될 유체는 입구(150)에서 받고 반응챔버(155)의 채널(125)내로 전이 콘딧(110)을 통하여 지나간다. 만약 전극 구획들(140)이 도 1d에서 도시된 바와 같이 중공이면, 처리될 유체는 전극 구획들(140)을 통하여 모세관들(148)내로 또한 지나간다. 모세관 플라스마 방전은 전력 공급원(130)으로부터 전압의 적용됨과 동시에 모세관들(148)과 채널(125)에서 발생된다. 플라스마 방전은 처리될 유체내 오염물질을 파괴하는 화학반응을 생성한다. 이에 따라, 플라스마 노출에 의한 오염된 유체의 처리는 모세관(148) 및/또는 채널(125)에서 일어난다. 모세관 및 채널에서 발생된 플라스마는 오염물질의 분쇄와 같은 공정을 돕는 화학반응을 촉진시킨다.
도 1e와 도 1f는 본 발명과 일치하는 단일 환상 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 반응기의 선택적인 실시예의 예를 보여준다. 반응챔버(155)는 중공 튜브를 포함하고, 도 1e 및 도 1f에서 중공 튜브(147)는 U자형 내부 전극(165)을 사용한 결과로서 제거될 수 있다는 점에서 도 1a에서 도시된 실시예와 다르다. 두 실시예에서, 처리될 유체는 두 절연체(170, 175)사이의 플라스마 영역에서뿐만 아니라 제 1 절연체(170)에서 형성된 모세관들(195)에서 최대 플라스마 밀도에 노출된다. 도 1e와 도 1f에서 반응챔버는 제 1 절연체(170)와 접촉하여 중공 내부 구획된 전극 (165)을 함께 형성하는 복수의 전극 구획들에 직접 연결된 입구(195)를 갖는다. 모세관들(195)은 종방향으로 그 길이를 따라 제 1 절연체(170)에서 형성된다. 제 1 절연체(170)의 그 개방단부의 반대측에는 플라스마에 노출될 때 화학반응에 종속되지 않고 유체가 반응챔버로부터 빠져나가는 것을 방지하도록 출구(190)에 인접한 폐쇄 단부(185)를 갖는다.
전체적으로 유사한 구성에도 불구하고, 도 1e와 도 1f에서 도시된 실시예는 제 1 절연체와 내부 구획된 전극에 대한 것과는 다르다. 도 1e에서, 내부 구획된 전극(165)은 실질적으로 균일한 단면(두께)과 반응챔버(155)의 종길이를 따라 제 1 절연체(170)내에 형성된 변화 가능한 모세관 구멍 밀도(간격)를 가진다. 한편, 도 1f는 내부 구획된 전극(165)은 비균일 단면(두께)과 반응챔버(155)의 종길이를 따라 제 1 절연체내에 형성된 실질적으로 균일한 모세관 밀도(간격)를 가진다. 내부 구획된 전극(165)의 단면 두께, 제 1 절연체(170)내에 형성된 모세관들(195)의 밀도(간격), 및/또는 제 1 절연체(170)에서의 모세관들(195)의 직경은 그곳에 실질적으로 균일한 유동이 도달하도록 반응챔버의 종길이를 따라 변화될 수 있다.
작동시, 처리될 유체는 입구(160)로 들어가고 중공 내부 U자형 구획된 전극 (165)내로 지나간다. 내부 구획된 전극(165)의 중공 부분내에서, 처리될 유체는 내부 전극을 포함하는 전극 구획들 내에서 형성된 구멍들(146)에서 받고 제 1 절연체 (170)내에서 형성된 모세관들(195)을 통하여 밖으로 나간다.
복합 환상 반응기는 단일 시스템에서 조합될 수 있다. 예를 들어, 도 2a는 두개의 환상 반응기를 갖는 시스템의 종단면도이고, 한편 도 2b는 공통의 하우징 (205)에서 폐쇄된 8개의 반응기들(210)을 갖는 시스템의 측단면도를 보여준다. 반응기들(210)사이의 하우징(210)내에서의 공간은 모든 처리될 유체가 반응기(210)의 플라스마 영역(155)을 통하여 지나가도록 보장하기 위해서 절연물질(215)로 채워진다. 시스템은 하우징 내에서 의도된 바와 같이 배치되는 어떤 수의 반응기들을 포함하도록 설계될 수 있다. 이 실시예는 비교적 큰 반응기 시스템에서 처리될 유체의 비교적 큰 유동율의 처리에 특히 적합하다. 예를 들어, 도 2a와 도 2b에서 도시된 각 반응 챔버는 도 1a-1f에서 도시되고 기술된 바와 유사한 구성일 수 있다.
실시예에서 도시되고 기술된 바와 같이 환상 또는 관상 모양을 가진 반응기 대신에, 반응기는 도 3a와 도 3b에서 도시된 바와 같이 직사각형 모양을 가질 수 있다. 치수, 예를 들어 반응기(300)의 폭 및 간격 길이,는 특정한 방법들에 순응하도록 의도되는 바와 같이 변화될 수 있다. 반응기(300)는 전술한 실시예들에서와 같이 전이 콘딧(310)에 의해 반응챔버에 연결된 입구(350)를 구비한다. 반응챔버 반응챔버의 실질적으로 충분한 폭과 길이로 연장하는 제 2 전도(conductive) 전극(340)을 자체에 포함한다. 전도 전극(340)은 제 2 절연판(315)내에 끼워 넣어진다. 모세관들을 형성하는 구멍들 또는 관통부들을 갖는 제 1 절연판(330)은 복수의 전극 구획들을 포함하는 내부 구획된 전극(325)과 직접 접촉한다. 예를 들어, 각 전극 구획은 도 1c와 도 1d에서 도시된 바와 같이 중공 형상인 링 또는 와셔이다. 중공 튜브(335)는 공급 가스들이 플라스마에서 화학반응의 안정성 또는 최적성을 향상시키기 위해서 공급되도록 콘딧으로서 사용되는 구획된 전극(325)에 연결된다. 화학반응은 두개의 절연체들(315, 320)사이의 영역뿐만 아니라 제 1 절연체(330)내에 형성된 모세관들을 포함하는 플라스마 영역에서 일어난다. 처리된 유체는 전이 콘딧(310')으로부터 출구(305)를 통하여 방출된다. 반응기(300)의 바깥쪽 하우징 (360)은 바람직하게 절연물질로 만들어진다.
도 3a와 도 3b에서 도시된 것과 같은 복합 직사각형 판 반응기는 단일 반응기에서 조합될 수 있다. 도 4는, 예를 들어, 서로에 대하여 실질적으로 평행하게 놓여지고 공통의 하우징(415)에 싸여진 4개의 직사각형 판 반응기들(410)을 갖는 시스템(400)을 보여준다. 반응기들(410)사이의 하우징내의 공간은 모든 처리될 유체가 반응기들중 하나의 플라스마 영역을 통하여 보내지도록(channel) 보장하기 위해서 절연물질로 채워진다. 실시예는 비교적 큰 오염된 가스의 유동율이 처리되고 비교적 큰 조합된 반응기 시스템이 바람직한 장치에 특히 적합하다.
도 1-4에서 도시된 실시예에서, 반응챔버의 치수는 플라스마 영역내의 오염물질의 거주 시간이 의도된 레벨로의 오염물질의 분쇄, 예를 들어 오염물질이 분자 레벨로 떨어지는 분쇄를 보장하기에 충분하도록 의도된 바와 같이 선택될 수 있다.
아래에는 플라스마 향상 화학작용에 중요한 역할을 하는 4개의 예시적인 반응 메커니즘이 있다. 모든 메커니즘에 공통된 것은 반응 라디칼(radical)을 형성하는 전자 충격 해리와 이온화이다. 4개의 반응 메커니즘은 아래 예로서 요약된다.
(1)산화: 예를 들어, CO2와 H2O 로 CH4의 변환
(2)환원: 예를 들어, N2+ O 로의 NO의 환원
(3)전자 유도분해: 예를 들어, CCl4에 해리 전자 부착
(4)이온 유도분해: 예를 들어, 메타놀의 분해
예를 들어, 전술한 실시예에서 구획된 전극을 포함하는 전극 구획들은 중공형상인 링 또는 와셔로 도시되고 설계되었다. 그러나, 전극 구획들은 많은 다른 방식으로 구성될 수 있다. 도 5-8은 단일 전극 구획과 제 1 절연체내의 조합 모세관의 구성을 보여준다. 단지 단일 모세관과 조합 전극 구획이 도시됨에도 불구하고, 같은 전극 구획 구조와 배치가 복합 모세관들을 갖는 플라스마 반응기에 사용될 수 있다. 도 5a는 제 1 절연체(505)내에 형성된 각각의 모세관(510)내로 부분적으로 삽입된 중공 핀 또는 원통형 모양인 전극 구획(520)의 제 1 실시예의 단면도이다. 선택적인 실시예에서, 전극 구획(520)은 절연체 위로, 실질적으로 절연체와 같은 높이로 배치되거나, 모세관(510)내로 어떤 바람직한 깊이로 연장할 수 있다. 전극 구획이 중공이므로 처리될 유체는 전극 구획을 통하여 제 1 절연체의 모세관 내로 및/또는 두개의 절연체들 사이에 형성된 채널을 통하여 지나간다. 이에 따라, 플라스마 노출에 의한 유체의 처리는 모세관들 및/또는 채널에서 일어난다.
도 6a와 도 6b는 제 1 절연체(605)내에 형성된 모세관(600)내로 부분적으로 삽입된 핀의 형상인 고체 구획된 전극(610)의 각 단면도 및 평면도이다. 선택적인 실시예에서, 전극 구획(610)은 모세관 위로, 실질적으로 모세관과 같은 높이로 배치되거나, 모세관(600)내로 어떤 바람직한 깊이로 삽입될 수 있다. 전극 구획(610)은 고체 또는 다공성이다. 만약 다공성 전극(610)이 사용된다면, 처리될 유체는 전극 구획을 직접 통하여 지나가고 그것에 의하여 모세관 내에 일어나는 플라스마 방전에의 노출이 최적화된다. 전극 구획을 통하여 지나갈 때 처리될 유체가 모세관 (600)에서 자체 발생된 플라스마 방전에 의해 처리되므로, 이 경우에, 제 2 전극과 제 2 절연체는 모두 함께 생략될 수 있다. 다공성 전극(610)을 사용하는 다른 이점은 안정성을 향상시키고, 플라스마와 함께 화학반응을 최적화하거나, 플라스마내의 화학반응들을 수행하도록 공급 가스를 위한 콘딧으로서 또한 이바지한다는 점이다.
도 6a와 도 6b에서 전극 구획은, 예를 들어 실질적으로 편평, 둥근, 오목, 또는 볼록한 무딘 단부를 갖는 반면에, 도 7a와 도 7b에서 도시된 선택적인 실시예에서 전극 구획(700)은 뾰족한 팁에서 종결된다. 두 실시예에서 도시된 예시적인 전극 구획은 원통형 형상을 갖고 있으나, 바람직한 형상이 사용될 수 있다. 유사하게, 모세관(600, 710)의 형상 및/또는 치수는 각각 전극 구획(610, 700)의 것에 대응한 필요는 없지만, 대신에 절연체를 통한 어떤 형상, 길이, 또는 각도의 방향일 수 있다. 도 6a와 도 7b는 각각 도 6a와 도 7a의 전극 구획과 절연체의 평면도이다. 도 6b와 도 7b에서 평면도로부터 전극 구획(610, 700)의 직경이 모세관(600, 710)의 직경과 실질적으로 같음을 알 수 있다. 그러나, 전극 구획과 그 각각의 모세관은 직경이 실질적으로 같을 필요는 없다. 모세관들은 모세관 플라스마 방전을 유지하도록 사용되고, 방전을 안정화시키기 위해서 또는 화학작용을 수행할 목적을 위하여 플라스마 원에 반응물을 운반하기 위해서 플라스마 영역 내로 가스를 도입하도록 또한 사용된다.
도 8a-8e는 각 전극이 실질적으로 편평한 예를 들어 와셔, 링 또는 디스크인 구획된 전극의 구성의 또 다른 실시예를 보여준다. 특히, 도 8a와 도 8b는 제 1 절연체(805)와 실질적으로 같은 높이가 되고 제 1 절연체와 접촉하기 위해서 모세관 (810) 위에 배치되는 디스크 형상인 실질적으로 편평한 고체 전극 구획(800)의 각 단면도 및 평면도이다. 선택적으로, 도 8c와 도 8d에서 도시된 바와 같이, 실질적으로 편평한 고체 전극 구획은 모세관(810)내로 부분적으로 연장한다. 도 8e와 도 8f에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 의도된 범위 내에서 구멍(811)이 관통 형성된링 또는 와셔를 갖는 실질적으로 편평한 전극 구획(820)을 사용하게 된다.
전극 구획과 그 조합 모세관을 위한 다른 구성들은 다음의 조건들을 기본으로 사용된다: ⅰ) 전극 구획은 고체, 중공, 또는 다공성 ⅱ) 전극 구획의 외부 및/또는 내부 ⅲ) 전극 구획의 치수들 전극 구획은 절연체 위로, ⅳ) 실질적으로 절연체와 같은 높이로 배치되거나, 모세관 내로 미리 결정된 깊이로 삽입된다.
도 1d에서 도시된 반응챔버의 일부분은 제 2 절연체(115)를 포함하고, 한편 제 2 절연체는 도 5a, 5b,6a, 6b, 7a, 7b, 8a-8f에서 도시된 실시예들에서 생략되었다. 전극 구획이 중공 또는 다공성 물질로 만들어지는 이들 구성들중 어떤 것은 제 2 절연체와 제 2 전극으로 충족되거나 제 2 절연체와 제 2 전극 없이 충족될 수 있다.
또한, 본 발명의 의도된 범위 내에서 조합 전극 구획을 갖지 않는 제 1 절연체에서 어떤 형상, 치수, 또는 각도의 방향의 보조 채널을 한정하게 된다. 도 9a와 도 9b는 모세관(910)내로 부분적으로 삽입되는 뾰족한 팁을 갖는 예시적인 고체 환상(핀)의 각각의 단면도와 평면도를 보여준다. 보조 채널(915)은 전극 구획(900)이 삽입되는 모세관에 실질적으로 평행한 절연체내에 형성된다. 유체는 화학반응들을 향상시키기 위하여 플라스마 방전을 안정화시키거나 플라스마에 반응물질을 운반하기 위해서 보조 채널(915)내로 도입된다. 보조 채널(915)은 어떤 의도된 각도에서 절연체내에 한정될 수 있다. 도 10a와 도 10b는 모세관(1010)과 유체가 소통되기 위해서 절연체(1005)내에 형성된 두개의 보조 채널들(1015)을 보여준다.
각 전술한 구획된 전극 구성들은 예를 들어 도시하고 기술되었다. 각 실시예의 특징들은 의도된 대로 다른 실시예들로 변화되거나 조합될 수 있다. 본 발명은 도면에서 예를 들어 도시된 특정한 형상, 치수, 숫자, 도는 전극 또는 모세관들의 방향에 제한되지 않는다.
전술한 실시예들은 오염된 유체의 처리 또는 정화에 관련하여 기술되었다. 본 발명과 일치하는 플라스마 반응기의 사용을 위한 다른 장치는 고체 또는 다공성 표면을 처리하거나 정화시키기 위한 것이다. 도 11은 본 발명과 일치하는 예시적인 표면 정화 시스템의 개략적인 도면이다. 시스템(1100)은 도면부호 1105로 함께 표현된 관통된 절연판과 구획된 전극을 포함하는 반응기(1125)를 포함한다. 구획된 전극과 절연판은 상술된 어떤 실시예와 일치하여 구성될 수 있다. 플라스마는 모세관에서 발생되고 플라스마 분사(jet)(1110)의 형태로 그곳으로부터 방전된다. 대상물은 정화될 대상물의 표면이 플라스마 분사(1110)에 노출되도록 위치된다. 도 11에서 도시된 실시예에서, 정화될 대상물(1115)은 두 절연체들(1105, 1120)사이에 위치된다. 선택적으로, 제 2 절연체(1120)는 상술된 바와 같이 생략될 수 있다.
또 다른 장치에서, 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 시스템은 가스들을 정화하도록 사용된다. 도 12a는 오염된 가스를 정화하는 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 장치와 함께 예시적인 공기 핸들러의 개략적인 도면이다. 정화될 공기는 입구(1200)에서 받고, 리턴 입구(1210)로부터 공기를 혼합시켜서, 그 다음 시스템을 나가기 전에 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 공기 정화 장치(1220)를 통하여 지나간다. 도 12b는 복수의 구획된 전극들과 서로 실질적으로 평행하게 배치된 대향하는 관통된 절연판들을 포함하는 예시적인 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 공기 정화 장치(1220)의 확대된 도면이다. 플라스마 영역은 구획된 전극과 대향하는 절연판 사이에 형성된다. 도 12a에서 도시된 예시적인 실시예에서, 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 공기 정화장치(1220)는 공급 공기와 혼합공기가 조합된 후에 배치된다. 반응기 시스템은 구획된 전극 모세관 방전 플라스마 공기 정화장치 (1220)가 시스템내 어느 한 위치 또는 다중 위치에서 배치되도록 선택적으로 설계된다.
본 발명과 일치하는 구획된 전극 모세관 방전, 비열 플라스마 반응기는 산화, 환원, 이온 유도분해, 또는 전자 유도분해와 같은 다양한 방법에 의해 효과적으로 화학반응이 일어나게 하는 비교적 고밀도 플라스마 영역에 의도된 반응물질을 함유하는 유체 또는 표면을 노출시킴으로써 다양한 화학반응들을 수행하도록 사용될 수 있다. 처리될 유체는 두개의 절연체사이의 채널을 통하여(절연체의 모세관들로부터 방전된 플라스마의 유동에 가로질러) 및/또는 그들 스스로 모세관들을 통하여(플라스마 원의 지점) 공급될 수 있다. 반응의 예는 단일 화합물 또는 단일 화합물의 혼합의 휘발성 유기 화합물(VOCs), 반휘발성(semi-volatile) 유기 화합물, 질소의 산화물(NOx), 황의 산화물(SOx), 고중독성 유기물들과 같은 다양한 유기 화합물과, 에어로솔(aerosol)의 증기의 형태일 수 있는 어떤 다른 유기 화합물상의 화학작용을 포함한다. 또한, 반응기는 NOx의 형성을 억제하고 연료 효율성을 증가시키기 위하여 연소 공기를 전 처리하기 위해 사용될 수 있다. 플라스마의 부가적인 용도는 오존 및 자외선 광의 발생과, 오염된 표면들의 처리를 포함한다.
이렇게, 도시되고 설명되며 본 발명의 바람직한 실시예에 적용된 바와 같은본 발명의 기본적인 새로운 특징을 지적했지만, 그들 작동에서 설명된 장치의 상세함과 형태에서의 다양한 생략과 대체와 변화가 본 발명의 주제 및 범위로부터 벗어나지 않고 당업자에 의해 만들어질 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 같은 결과를 달성하도록 실질적으로 같은 방법으로 같은 기능을 수행하는 그들 요소들 및 단계들의 모든 조합이 본 발명의 범위 내에 있음을 명백히 밝힌다. 하나의 기술된 실시예로부터 다른 실시예로의 요소들의 대체는 또한 충분히 기술되고 고려된다. 도면들은 필수적으로 스케일 하도록 만들어지지 않지만, 그들은 단지 본래 개념상의 것임을 또한 알 수 있다. 그러므로, 본 발명에 첨부된 청구항의 범위에 의해 지시된 바와 같이 제한되도록 의도된다.

Claims (28)

  1. 적어도 하나의 모세관이 관통 형성된 제 1 절연체와,
    조합 모세관에 각각 인접하여 배치된 복수의 전극 구획들을 포함하는 구획된 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 구획들중 적어도 하나는 핀과 같은 형태인 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 핀은 모세관에 인접하는 방향을 향하여 형성된 무딘 팁을 갖는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 핀은 모세관에 인접하는 방향을 향하여 형성된 뾰족한 팁을 갖는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 구획들중 적어도 하나는 구멍이 관통 형성된 실질적으로 편평한링과 같은 형태인 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 구획들중 적어도 하나는 실질적으로 편평한 디스크와 같은 형태인 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전극 구획은 고체인 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 전극 구획은 다공성인 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 전극 구획은 다공성인 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 전극 구획은 중공인 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 구획들중 적어도 하나는 상기 제 1 절연체에 인접하여 배치되고 상기 제 1 절연체로부터 미리 결정된 거리로 떨어지는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 구획들중 적어도 하나는 상기 제 1 절연체와 실질적으로 같은 높이로 배치되고 상기 제 1 절연체와 접촉하는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 구획들중 적어도 하나는 모세관 내에 부분적으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극 구획들중 적어도 하나는 모세관 내로 완전히 삽입되는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    제 2 전극과,
    상기 제 2전극에 인접한 제 2 절연체를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 절연체는 그들 사이에 채널을 형성하도록 미리 결정된 거리로 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 실질적으로 평면판인 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 전극은 복수의 전극 구획들을 포함하는 구획된 전극인 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  18. 제 1 항에 있어서,
    제 1 절연체에는 복수의 모세관들이 관통 형성되어 있고, 상기 모세관들은 인접한 모세관들 사이의 간격이 실질적으로 동등하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  19. 제 1 항에 있어서,
    제 1 절연체에는 복수의 모세관들이 관통 형성되어 있고, 상기 모세관들은 인접한 모세관들 사이의 간격이 동등하지 않게 배치되는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 구획된 전극은 실질적으로 균일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 구획된 전극은 비균일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 절연체에는 보조 채널이 관통 형성된 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 절연체에는 보조 채널이 형성되어 있고, 이 보조 채널은 모세관과 유체 소통하는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기.
  24. 적어도 하나의 모세관이 관통 형성된 제 1 절연체와, 조합 모세관에 각각 인접하여 배치된 복수의 전극 구획들을 포함하는 구획된 전극으로 이루어진 플라스마 반응기내 유체를 처리하는 방법으로서,
    처리될 유체를 적어도 하나의 전극 구획과 모세관을 통해 통과시키는 단계와,
    모세관으로부터 빠져나가기 전에 처리될 유체를 모세관 내에서 플라스마 방전에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기내 유체 처리방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    전극 구획은 중공인 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기내 유체 처리방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    전극 구획은 다공성 물질로 만드는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기내 유체 처리방법.
  27. 제 24 항에 있어서,
    처리될 유체를 제 1 절연체와 제 2 절연체 사이에 형성된 채널을 통해 통과시키는 단계와,
    채널내에서 처리될 유체를 모세관으로부터 방전된 플라스마에 노출시키는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기내 유체 처리방법.
  28. 적어도 하나의 모세관이 관통 형성된 제 1 절연체와, 조합 모세관에 각각 인접하여 배치된 복수의 전극 구획들을 포함하는 구획된 전극으로 이루어진 플라스마 반응기내 유체를 처리하는 방법으로서,
    처리될 유체를 제 1 절연체와 제 2 절연체 사이에 형성된 채널을 통해 통과시키는 단계와,
    채널내에서 처리될 유체를 모세관으로부터 방전된 플라스마에 노출시키는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 반응기내 유체 처리방법.
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