KR20030075472A - 플라즈마 반응기 및 그 제조방법과 플라즈마 반응기가채용된 차량의 배기가스 저감장치 - Google Patents

플라즈마 반응기 및 그 제조방법과 플라즈마 반응기가채용된 차량의 배기가스 저감장치 Download PDF

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홍은기
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Abstract

플라즈마 반응기 및 그 제조방법과 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치가 개시된다. 개시된 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치는, 배기가스가 배출되는 차량 엔진의 일측에 설치되어 배기가스가 그 내로 유동되는 하우징과; 상기 하우징 내에 설치되고, 코로나 방전이 형성되는 플라즈마 영역이 구비되어 상기 플라즈마 영역으로 배기가스가 유동되는 청구항 제1항의 플라즈마 반응기와; 상기 플라즈마 반응기를 보호하기 위해 상기 플라즈마 반응기와 상기 하우징 사이에 설치된 매트와; 상기 플라즈마 반응기에 고전압이 인가되도록 하는 것으로, 소정 전압을 발생시키는 전압 발생부와, 상기 전압 발생부에서 100∼1000Hz, 1∼100kV의 AC 전압으로 승압하여 상기 플라즈마 반응기로 공급되도록 상기 전압 발생부와 연결 설치된 파워모듈과, 정현파 고전압을 상기 플라즈마 반응기에 연결하기 위해 일단이 상기 파워모듈과 연결된 텐션 코드를 구비하는 전원 공급장치와; 상기 전원 공급장치에서 발생한 고전압이 상기 플라즈마 반응기에 공급되기 위해 상기 텐션 코드의 타단에 연결되어 상기 플라즈마 반응기와 상기 전원공급장치 사이에 설치된 고전압 플러그;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 유해물질을 저감시킬 수 있고, 전력 소모를 줄일 수 있으며, 스파크 천이를 방지할 수 있고, 장치의 내구성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

플라즈마 반응기 및 그 제조방법과 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치{PLASMA REACTOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME AND APPARATUS FOR DECREASING EXHAUST GAS USING THE SAME}
본 발명은 플라즈마 반응기 및 그 제조방법과 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량으로부터 배출되는 배기가스의 유해물질이 저감되어 배출될 수 있도록 개선된 플라즈마 반응기 및 그 제조방법과 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치에 관한 것이다.
가솔린 엔진의 한계점인 열 효율성과 연비 저감이 이루어질 수 있는 대안으로 디젤엔진이 강력히 추천되고 있으며, 사용자의 기호 또한 이에 발맞추어 그 수요가 급격히 증가하고 있다.
그러나 디젤엔진의 사용이 계속 증가하면서 많은 선진국에서는 디젤엔진의 배기가스 배출 허용기준을 강화하고 있으며, 디젤엔진에서 배출되는 오염물질을 줄이도록 강요하고 있다.
이러한 규제가 유럽과 미국을 중심으로 점차 강화됨에 따라 기존 방식의 후처리장치에서 벗어난 새로운 개념의 배기 정화장치가 절실하게 요구되고 있으며, 강화되는 배출가스 규제를 먼저 만족하는 회사만이 살아남는 형국이다.
이에 따라 현재 활발한 연구가 진행중이며, 그 중 플라즈마를 이용한 배기정화 시스템이 NOx와 입자상물질(Diesel Particulate matter)을 동시에 저감할 수 있기 때문에 플라즈마를 이용한 배기정화 시스템은 중요한 기술로 인정되고 있다.
그리고 상기한 바와 같은 두 오염물질을 동시에 제거할 수 있는 기술로 플라즈마 반응 공법이 있다. 그러나 플라즈마 상태로 만들기 위한 방법으로 고전압을 인가해 스트리머 코로나(streamer corona) 반응을 만들 경우, 스파크(spark)로 천이(transient)될 수 있는 가능성이 농후해 스트리머 자체가 지속적으로 유지될 수 있는 기술이 필요하다.
또한 플라즈마 단독 기술로는 입자상물질과 NOx의 동시저감 효율이 낮은 것으로 보고되고 있다.
상기한 바와 같이 현재 플라즈마를 발생시키기 위한 코로나 발생장치가 여러종류가 있으나, 실용화 수준의 연구는 이루어지지 못하고 있다.
그리고 차량에 적용시 전력 소비량이 과다하고, 전극의 수트(soot)에 의한 오염시 코로나 방전이 미발생하며, 내구성에 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 입자상 물질 및 가스상의 물질을 동시에 저감시킬 수 있도록 하고, 전력 소모를 줄일 수 있으며, 스파크 천이를 방지할 수 있고, 내구성이 향상되도록 한 플라즈마 반응기 및 그 제조방법과 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 개략적으로 나타내 보인 단면도.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 개략적으로 나타내 보인 단면도.
도 2는 도 1a의 일부 구성을 개략적으로 나타내 보인 부분 단면 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 반응기 제조방법을 순차적으로 나타낸 개략적인 플로차트.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치의 구성을 개략적으로 나타내 보인 사시도.
도 5는 도 4의 전원 공급장치의 구성을 개략적으로 나타내 보인 블록도.
도 6은 도 4의 고전압 플러그의 구성을 보다 상세하게 나타내 보인 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10. 전원 공급장치
20. 플라즈마 반응기
21. 제1유전체
22. 제2유전체
23. 갭 스페이서
24. 전극부재
25. 접지부재
26. 리드라인부재
27. 결합홀
28. 금속망
28'. 탄성부재
29. 홈
30. 하우징
40. 고전압 플러그
50. 매트
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 반응기는, 제1유전체와; 상기 제1유전체와 대향되게 설치된 제2유전체와; 상기 제1,2유전체 사이에 플라즈마 영역이 형성되도록 상기 제1,2유전체 사이의 좌우에 설치된 갭 스페이서와; 상기 제1,2유전체와 같이 서로 대향되게 설치되어 코로나 방전을 발생시키기 위한 전극부재 및 접지부재와; 상기 전극부재 및 상기 접지부재에 전기를 공급하기 위해 상기 전극부재 및 상기 접지부재에 접하며 상기 제1,2유전체에 설치된 리드라인부재;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 반응기 제조방법은, (a) 판상의 제1유전체와, 상기 제1유전체와 대향되게 설치되는 판상의 제2유전체와, 상기 제1,2유전체 사이의 좌우에 절연되며 설치되는 갭 스페이서를 각각 복수개 준비하는 단계와; (b) 상기 제1,2유전체와 상기 갭 스페이서에 설치되어 전원이 인가되도록 하는 리드라인부재의 결합홀을 상기 제1,2유전체와 상기 갭 스페이서에 형성하는 단계와; (c) 상기 제1,유전체를 대향되게 설치하고, 그 사이에 상기 갭 스페이서를 설치하여 유해물질이 지나는 공간을 형성하며, 상기 제1,2유전체가 서로 대향되는 면 각 일측에 전극부재 및 접지부재를 설치하는 단계와; (d) 상기 전극부재 및 상기 접지부재와 접하며 설치되도록 리드라인부재를 상기 결합홀에 설치하여 단층의 플라즈마 반응기를 완성하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 반응기를 이용한 차량의 배기가스 저감장치는, 배기가스가 배출되는 차량 엔진의 일측에 설치되어 배기가스가 그 내로 유동되는 하우징과; 상기 하우징 내에 설치되고, 코로나 방전이 형성되는 플라즈마 영역이 구비되어 상기 플라즈마 영역으로 배기가스가 유동되는 청구항 제1항의 플라즈마 반응기와; 상기 플라즈마 반응기를 보호하기 위해 상기 플라즈마 반응기와 상기 하우징 사이에 설치된 매트와; 상기 플라즈마 반응기에 고전압이 인가되도록 하는 것으로, 소정 전압을 발생시키는 전압 발생부와, 상기 전압 발생부에서 100∼1000Hz, 1∼100kV의 AC 전압으로 승압하여 상기 플라즈마 반응기로 공급되도록 상기 전압 발생부와 연결 설치된 파워모듈과, 정현파 고전압을 상기 플라즈마 반응기에 연결하기 위해 일단이 상기 파워모듈과 연결된 텐션 코드를 구비하는 전원 공급장치와; 상기 전원 공급장치에서 발생한 고전압이 상기 플라즈마 반응기에 공급되기 위해 상기 텐션 코드의 타단에 연결되어 상기 플라즈마 반응기와 상기 전원공급장치 사이에 설치된 고전압 플러그;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 2에는 본 발명에 따른 플라즈마 반응기의 구성을 나타내 보인 단면도 및 단면 사시도가 개략적으로 각각 도시되어 있다.
도면을 각각 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 반응기는, 제1유전체(21)와, 이 제1유전체(21)와 대향되게 설치되는 제2유전체(22)와, 이 제1,2유전체(21,22) 사이에 플라즈마 영역(P)이 형성되도록 제1,2유전체(21,22) 외측 좌우에 설치된 갭 스페이서(gap spacer)(23)와, 상기 제1,2유전체(21,22)의 플라즈마 영역(P)에서 코로나 방전을 발생시키기 위해 서로 대향되며 제1,2유전체(21,22)의 길이 방향으로 나란하게 설치된 전극부재(24) 및 접지부재(25)와, 이 전극부재(24) 및 접지부재(25)에 전기를 공급하기 위해 전극부재(24) 및 접지부재(25)에 접하며 제1,2유전체(21,22)에 설치되어 리드라인부재(26)를 포함하여 구성되고, 이와 같이 구성된 단층의 플라즈마 반응기(20)를 다수개 적층시켜 다층의 플라즈마 반응기로 이루어지기도 한다.
상기한 바와 같이 구성된 플라즈마 반응기(20)의 제1,2유전체(21,22) 및 갭 스페이서(23)에는 리드라인부재(26)가 결합되도록 하는 결합홀(27)이 형성된다.
그리고 상기 제1,2유전체(21,22)는 일정 두께 예컨대, 0.1∼3mm이고, 다공성의 50∼99%의 알루미나(alumina)(Al2O3)가 포함된 세라믹으로 이루어진다.
또한 도면에는 도시하지 않았지만, 상기 제1,2유전체(21,22)에서 유해물질(또는 배기가스)과 접촉되는 면에는 산화촉매 또는 질소산화물 환원 촉매를 워시코트와 함께 코팅되고, 이 제1,2유전체(21,22)의 표면에는 유해물질의 체류시간을 길게 하고, 플라즈마 반응 활성을 위해 요철이 형성된다.
그리고 상기 갭 스페이서(23)는 리드라인부재(26)와 전극부재(24) 및 접지부재(25)와의 스파크 방지를 위해 제1,2유전체(21,22)의 2∼5배 두께로 이루어지고, 상기 전극부재(24) 및 접지부재(25)는 제1유전체(21) 또는 제2유전체(22)에 Ag, Cu, 또는 Ag-Cu합금의 코팅으로 형성된다.
또한 상기 전극부재(24) 및 접지부재(25)는, 일정 두께 예컨대, 0.05∼0.1mm 두께의 Cu 전극판으로 이루어지고, 상기 전극부재(24) 및 접지부재(25)는 일정 크기 예컨대 0.1∼5cm의 크기로 이루어지고, 스파크 천이 가능성을 방지하기 위해 리드라인부재(26)와는 전극간 거리의 2∼5배 정도의 거리를 두고 구비되며, 특히 상기 전극부재(24)는 사각형의 메시(mesh)부재 또는 다공성(porous)부재로 이루어진다.
그리고 상기 리드라인부재(26)는 잉킹라인(inking line) 또는 볼트(bolt)중 어느 하나에 의해 이루어지고, 이 잉킹라인 또는 볼트는 Ag, Cu, 또는 Ag-Cu합금중 어느 하나의 소재로 이루어진다.
한편, 도 1a에 도시된 바와 같이 후술하는 도 4에 도시된 바와 같은 고전압 플러그(40)와 리드라인부재(26)와의 접촉 안정성을 위해 플라즈마 반응기(20)에 일정한 깊이로 형성된 홈(29)에 구 모양의 금속망(wire mesh)(28)이 구비된다.
그리고 도 1b에는 도 1a와는 다른 실시예로 상기 플라즈마 반응기(20)에 구비되는 리드라인부재(26)와의 접촉 안정성을 위해 후술하는 고전압 플러그(40)의 전극부(45)에는 탄성부재(28') 예컨대 스프링이 설치된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 플라즈마 반응기(20)는, 상기 리드라인부재(26)를 통하여 외부로부터 고전압이 인가되면, 플라즈마 영역(P)에서 코로나 방전이 형성된다.
이렇게 형성된 코로나는 이 코로나에 존재하는 전자는 에너지가 높아 배기가스 중의 산소, 질소, 수증기 등과 충돌하여 각종의 라디칼(radical)을 형성하고, 이렇게 생성된 라디칼은 유해물질과 반응하여 다른 물질로 변환되므로써 유해물질을 제거하게 된다.
그리고 상술한 바와 같은 플라즈마 반응기의 제조방법을 순차적으로 나타내 보인 플로차트가 도 3에 도시되어 있다.
도 1a 내지 도 3을 각각 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 반응기 제조방법은, 우선, 판상의 제1유전체(21)와, 이 제1유전체(21)와 대향되게 설치되는 판상의 제2유전체(22)와, 상기 제1,2유전체(21,22) 사이의 좌우에 절연되며 설치되는 갭 스페이서(23)를 각각 복수개 준비한다.(단계 110)
이어서, 상기 제1,2유전체(21,22)와 갭 스페이서(23)에 설치되어 전원이 인가되도록 하는 리드라인부재(26)의 결합홀(27)을 상기 제1,2유전체(21,22)와 갭 스페이서(23)에 형성한다.(단계 120)
한편, 상기 결합홀(27)이 유전체인 제1,2유전체(21,22)와 갭 스페이서(23)에형성되므로 절연성이 우수하다.
그리고 상기 제1,2유전체(21,22)를 대향되게 설치하고, 그 사이에 갭 스페이서(23)를 설치하여 유해물질이 지나는 공간 즉, 플라즈마 영역(P)을 형성하며, 상기 제1,2유전체(21,22)가 서로 대향되는 면 각 일측에 전극부재(24) 및 접지부재(25)를 설치한다.(단계 130)
또한 상기 전극부재(24) 및 접지부재(25)와 접하며 설치되도록 리드라인부재(26)를 상기 결합홀(27)에 설치하여 단층의 플라즈마 반응기를 완성한다.(단계 140)
그리고 상기 단층의 플라즈마 반응기(20)를 다수개 적층하여 다층의 플라즈마 반응기를 형성하고, 상기 전극부재(24)와 접지부재(25)에 전원을 인가하기 위해 결합홀(27)에 전도성물질을 주입한다.(단계 150)
이렇게 제조된 다층의 플라즈마 반응기는 후술하는 하우징(30)에 장착된다.
상기 제1,2유전체(21,22)의 일정 두께 예컨대 0.1∼3mm의 두께로 이루어지고, 다공성의 50∼99%의 알루미나(alumina)(Al2O3)가 포함된 세라믹으로 하며, 제1,2유전체(21,22)에서 유해물질과 접촉되는 면에는 산화촉매 또는 질소산화물 환원 촉매를 워시코트와 함께 코팅하며, 이 제1,2유전체(21,22)의 표면에는 유해물질의 체류시간을 길게 하고 플라즈마 반응 활성을 위해 요철을 형성한다.
그리고 상기 갭 스페이서(23)는 리드라인부재(26)와 전극부재(24) 및 접지부재(25)와의 스파크 방지를 위해 제1,2유전체(21,22)의 2∼5배 두께로 하고, 상기 전극부재(24) 및 접지부재(25)는 제1유전체(21) 또는 제2유전체(22)에 Ag, Cu, 또는 Ag-Cu합금의 코팅시켜 형성한다.
또한 상기 전극부재(24) 및 접지부재(25)는 일정 두께, 예컨대 0.05∼0.1mm 두께의 Cu 전극판으로 하고, 상기 전극부재(24) 및 접지부재(25)는 일정 크기, 예컨대 0.1∼5cm의 크기로 하고 스파크 천이 가능성을 방지하기 위해 리드라인부재(26)와는 전극간 거리의 2∼5배 정도의 거리를 두고 설치하며, 특히 상기 전극부재(24)는 사각형의 메시(mesh)부재 또는 다공성(porous)부재로 한다.
그리고 상기 리드라인부재(26)는 잉킹라인(inking line) 또는 볼트(bolt)로 하고, 그 소재는 Ag, Cu, 또는 Ag-Cu합금중 어느 하나로 한다.
한편, 상기 전극부재(24) 및 접지부재(25)가 설치 또는 형성되는 면의 제1,2유전체(21,22)에는 보강제 및 절연재를 추가로 설치한다. 이때의 설치는 통상 접착에 의해 이루어진다.
상기와 같이 제조된 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치의 구성도가 도 4에 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 우선, 본 발명에 따른 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치는 예컨대, 가솔린 및 디젤을 연료로 하는 차량 엔진에 구비된 배기 시스템의 후단 일측에 설치되어 이 배기 시스템으로부터 배기되는 공해물질 예컨대, 입자상 물질, NOx, 및 미연탄화수소(HC)를 고전압에 의한 코로나 방전을 이용하여 저감시키기 위한 것으로, 이하에서 그 구성을 상술한다.
본 발명에 따른 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치는, 소정의 전기 전도성 금속으로 이루어진 하우징(30)과, 상기 하우징 내에 설치되고 코로나 방전이 형성되는 플라즈마 영역(P)으로 차량의 배기가스가 유동되어 배기가스 내의 유해물질을 저감시켜 주는 도 1a 내지 도 2의 구성을 갖고, 도 3의 플로차트에 의한 방법에 이루어진 플라즈마 반응기(20)와, 상기 플라즈마 반응기와 하우징 사이에 설치되어 플라즈마 반응기를 보호하기 위한 매트와, 플라즈마 반응을 발생시키기 위한 코로나 방전을 형성시키도록 플라즈마 반응기(20)에 고전압이 인가되도록 하는 전원 공급장치(10)와, 상기 전원 공급장치(10)에서 발생한 고전압을 안정적으로 플라즈마 반응기(20)에 공급되기 위해 전원 공급장치(10)와 플라즈마 반응기(20) 사이에 하우징(30)과의 스파크를 방지토록 설치된 적어도 하나 이상의 고전압 플러그(40)를 포함하여 구성된다.
도 5에는 도 4의 전원 공급장치(10)의 구성이 블록도로 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 상기 전원 공급장치(10)는 소정 전압을 발생시키는 전압 발생부(11)와, 이 전압 발생부(11)에서 100∼1000Hz, 1∼100kV의 AC 전압으로 승압하여 상기 플라즈마 반응기(20)로 공급되도록 상기 전압 발생부(11)와 연결 설치된 파워모듈(power module)(12)과, 정현파 고전압을 플라즈마 반응기(20)에 연결하기 위해 파워모듈(12)과 고전압 플러그(40)에 연결된 텐션 코드(tension code)(13)를 포함하여 구성된다.
상기 전압 발생부(11)는 예컨대, 12V 또는 24V의 DC전압을 발생하는 차량의 배터리, 또는 소정 볼트의 AC전압을 발생시키는 1차 알터네이터나 2차 알터네이터를 포함하여 구성된다.
그리고 상기 파워모듈(12)은, 전압 발생부(11)에서 전압을 받는 입력부(12a)와, 예컨대, 차량의 각 센서로부터 신호를 받아 제어토록 구비된 컴퓨터 즉, ECU(Electronic Control Unit)(14)로부터 신호를 수신하여 코로나 방전 전압으로 제어하는 제어부(12b)와, 이 제어부(12b)에서 선정한 100∼1000Hz 사이의 정현파 함수로 바꾸어주는 함수발생부(12c)와, 상기 제어부(12b)에서 선정한 1∼100kV로 승압해 주는 트랜스부(12d)와, 상기 플라즈마 반응기(20)로 정현파 고전압을 공급해주도록 구비된 출력부(12e)를 포함하여 구성된다.
한편, 도면에는 도시하지는 않았지만, 상기 입력부(12a)는 적절한 AC전압을 고정적으로 입력받을 수 있도록 필터(filter)를 따로 둘 수 있다.
그리고 도 6에는 도 4의 고전압 플러그(40)의 구성이 보다 상세하게 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치에 적용되는 고전압 플러그(40)는, 상기 전원 공급장치(10)의 텐션 코드(13)와 직접 접합할 수 있도록 구비된 외부 플러그(41)와, 이 외부 플러그(41) 저부에 구비되고, 배기가스가 새지 않도록 기밀성이 유지되며, 상기 하우징(30)의 일측에 장착될 수 있도록 예컨대 볼트 방식 등으로 체결할 수 있도록 구비된 체결부(42)와, 상기 체결부(42)의 저부에 구비되고, 장착되어서 스파크가 방지될 수 있도록 하는 세라믹 절연부(43)와, 상기 세라믹 절연부(43)의 저부에 구비되어 플라즈마 반응기(20)에 안정된 고전압을 전달할 수 있는 내부 플러그(44)와, 상기 외부 플러그(41)에서 내부 플러그(44)까지 저 저항으로 이루어져 전압이 공급되는 전극부(45)를 포함하여 구성된다.
그리고 상기 텐션 코드(13)와 고전압 플러그(40)의 외부 플러그(41)와의 체결은 일반적인 스파크 플러그와 하이텐션 코드와의 체결방식과 동일하고, 하우징(30)과의 체결을 위한 체결부(42)는 하우징(30)의 나사산을 암으로, 고전압 플러그(40)의 나사산을 수로 선정하여 하우징(30)과 고전압 플러그(40)의 체결을 꾀하며, 기밀 및 내구에 적당한 양의 나사산을 선정한다.
그리고 상기 세라믹 절연부(43)는 전원 공급장치(10)에서 인가한 전압의 1.5~3.5배의 범위에서 인가한 주파수의 0.5~5배의 범위에서 절연 내력을 가질 수 있도록 알루미나 등의 절연 세라믹으로 절연된다.
또한 상기 세라믹 절연부(43)는 플라즈마 반응기(20) 내부에 장착되고, 스파크로의 천이를 방지하기 위해 일정 반경을 갖는 원통형으로 이루어진다.
상기 고전압 플러그(40)가 설치되는 주위에는 알루미나 90% 이상의 세라믹 절연부재를 삽입하고, 이 고전압 플러그(40)는 접지부가 따로 없으며, 1종류의 전압만이 공급되도록 구비된다.
그리고 상기 하우징(30)은 다층의 플라즈마 반응기(20)의 전,후부에 설치되어 배기가스가 유입 및 배출되도록 하는 연통부재(31,31')와, 다층의 플라즈마 반응기(20)의 상부 및 저부에 설치되어 이 플라즈마 반응기(20)를 수납하는 캔부재(32,32')로 이루어지며, 특히 상부의 캔부재(32)는 고전압 플러그(40)가 설치되는 체결홀(32a)이 형성된다. 이와 같은 하우징(30)의 구조는 이에 한정되지 않으며, 약 2mm 두께의 스테인레스 스틸(stainless steel)로 이루어진다.
상기 매트(50)는 플라즈마 반응기(20)의 손상이 방지되도록 이 플라즈마 반응기(20)와 하우징(30) 사이에는 알루미나 90% 이상이고, 두께가 3∼5mm이며, 압축시에는 1mm 이하의 비팽창부재로 이루어진다.
이 매트(50)의 총 두께는 플라즈마 반응기(20) 내부에 설치된 전극부재(24) 및 접지부재(25) 사이 거리의 2.5∼4배로 이루어진다.
한편, 상기 제1,2유전체(21,22)의 최 외각면에는 하우징(30)으로의 스파크 천이를 방지토록 접지전극과 세라믹 절연판이 순차적으로 설치된다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
도면을 다시 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치는, 차량에서 플라즈마 반응에 적합한 전원을 공급시켜 줄 수 있는 전원 공급장치(10)와, 이 전원 공급장치(10)에서 발생한 고전압을 안정적으로 반응기에 연결시켜주는 고전압 플러그(40)와, 코로나 방전을 통하여 플라즈마를 형성시켜 배기가스를 정화시켜 주는 플라즈마 반응기(20)와, 이 플라즈마 반응기(20)를 외부 진동 및 악조건에서 보호해주는 하우징(30) 및 매트(50)를 구비하고 특히, 다층형 유전체 장벽형 플라즈마 반응기(20)로 전원이 공급되어 배기가스 내의 유해물질을 고전압에 의한 코로나 방전을 이용하여 저감시키는 작용을 한다.
이를 구체적으로 설명하면, 코로나 방전을 발생시키기 위한 전원 공급장치(10)의 파워모듈(12)은 전압 발생부(11)가 구비되어 차량용 배터리에서 12V 또는 24V의 DC전압, 또는 1차 알터네이터나 2차 알터네이터에서 수V 내지 수십V AC전압을 입력받고, ECU(14)에서 전달되는 TPS(Throttle Position Sensor),RPM(Revolution per minute), EPS신호를 받아 적절한 코로나 방전 전압으로 제어한다.
그리고 상기 함수발생부(12c)는 제어부(12b)에서 선정한 100~1,000Hz사이의 정현파 함수로 바꾸어 주고, 상기 트랜스부(12d)는 제어부(12b)에서 선정한 1~100kV로 승압해주며, 상기 출력부(12e)는 플라즈마 반응기(20)로 고압 정현파 전압을 공급해준다. 또한 차량의 ECU(14)에서 차량 엔진의 TPS 및 RPM 신호를 파워모듈(12)의 제어부(12b)에서 받아 정해진 양의 주파수 및 승압을 할 수 있도록 함수발생부(12c) 및 트랜스부(12d)로 신호를 전달해 준다.
이와 같이 승압된 AC전압은 플라즈마 반응기(20)로 적절히 공급되어 플라즈마 반응을 발생시키기 위한 코로나 방전을 형성시키고, 정현파 고전압을 플라즈마 반응기(20)에 연결하기 위하여 하우징(30)까지 고전압 텐션 코드(13)를 이용해 공급하게 된다.
상기 리드라인부재(26)는 제1,2유전체(21,22) 및 갭 스페이서(23)에 형성된 결합홀(27)을 통과하며 설치되어 각 제1,2유전체(21,22)에 설치된 전극부재(24) 및 접지부재(25)에 안정된 전기를 공급해 준다.
또한 상기 전극부재(24)는 사각형 구조의 코팅, 판, 또는 메시나, 다공성 형태로 이루어져 동일 전원 인가시 코로나 개시전압의 하강을 꾀하며, 코로나 방전의 강도를 높여 플라즈마 반응의 활성화를 꾀하게 된다.
그리고 알루미나(Al2O3) 50%~99% 순도를 가지는 세라믹 재질로 이루어진 상기 제1,2유전체(21,22)는 중량의 감소를 위하여 기공률(Porosity)을 증가시킬 수도있다.
그리고 갭 스페이서(23)는 배기가스가 통과할 수 있도록 공간을 이루고 있으며, 이는 리드라인부재(26)와 전극부재(24) 및 접지부재(25)와의 스파크를 방지하는 기능도 가지고 있다.
또한 배기가스가 흘러가는 면의 제1,2유전체(21,22)에 산화촉매나 질소산화물 환원 촉매를 워시코트와 함께 코팅하면, 플라즈마 반응에 의한 일산화탄소(CO)의 증가를 막거나, 질소산화물(NOx)을 저감시키며, 상기 제1,2유전체(21,22)에 요철을 주어 배기가스의 체류시간을 길게 하고 플라즈마 반응을 활성화시킨다.
상기 하우징(30)은 플라즈마 반응기(20)를 차량에 장착시켰을 때, 외부 조건으로부터 보호하기 위한 것이며, 하우징(30)과 플라즈마 반응기(20) 사이에 설치된 세라믹 매트(50)는 예컨대 진동으로부터 플라즈마 반응기(20)를 보호하고, 하우징(30)과 플라즈마 반응기(20) 사이의 스파크를 방지한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치는 단독으로 사용되어 입자상 물질 및 가스상 물질을 제거할 수 있으며, 이 장치의 전후에 예컨대, 필터나 촉매를 붙여 오염물질의 저감 효과 상승을 꾀할 수 있다.
그리고 다층 구조를 갖는 플라즈마 반응기(20)를 병렬 또는 직렬구조로 구성하여 배기가스 하류에 위치한 플라즈마 반응기(20)에 저전력을 인가하여 동일한 저감률을 보이면서 전력 소모를 감소시킬 수도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마 반응기 및 그 제조방법과 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.
고전압에 의한 코로나 방전을 이용함으로써 입자상 물질 및 가스상의 물질을 동시에 저감시킬 수 있고, 저 전력 인가가 가능함으로써 전력 소모를 줄일 수 있다.
그리고 세라믹 매트와 하우징을 구비함으로써 스파크 천이를 방지할 수 있고, 매트와 장치의 내구성이 향상될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (38)

  1. 제1유전체와;
    상기 제1유전체와 대향되게 설치된 제2유전체와;
    상기 제1,2유전체 사이에 플라즈마 영역이 형성되도록 상기 제1,2유전체 사이의 좌우에 설치된 갭 스페이서와;
    상기 제1,2유전체와 같이 서로 대향되게 설치되어 코로나 방전을 발생시키기 위한 전극부재 및 접지부재와;
    상기 전극부재 및 상기 접지부재에 전기를 공급하기 위해 상기 전극부재 및 상기 접지부재에 접하며 상기 제1,2유전체에 설치된 리드라인부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2유전체 및 상기 갭 스페이서의 일측에는 상기 리드라인부재에 전원이 인가되도록 하는 전원인가부재가 설치되는 결합홀이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2유전체는 일정 두께로 이루어진 알루미나(Al2O3)가 포함된 세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2유전체에서 유해물질과 접촉되는 면에는 산화촉매 또는 질소산화물 환원 촉매를 워시코트와 함께 코팅되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1,2유전체의 표면에는 유해물질의 체류시간을 길게 하고, 플라즈마 반응 활성을 위해 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 갭 스페이서는 상기 제1,2유전체의 2∼5배 두께로 이루어져 상기 리드라인부재와 상기 전극부재 및 상기 접지부재와의 스파크를 방지토록 구비된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극부재 및 상기 접지부재는 상기 제1유전체 또는 상기 제2유전체에 Ag, Cu, 또는 Ag-Cu합금이 코팅되어 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극부재 및 상기 접지부재는 일정 두께의 Cu 전극판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전극부재 및 상기 접지부재는 일정 크기로 이루어지고, 스파크 천이를 방지하기 위해 상기 리드라인부재와는 전극간 거리의 2∼5배 정도의 거리를 두고 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전극부재는 메시부재 또는 다공성부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 리드라인부재는 Ag, Cu, 또는 Ag-Cu합금중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 리드라인부재는 잉킹라인으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 리드라인부재는 볼트로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 리드라인부재와의 접촉 안정성을 위해 상기 제1,2유전체 및 상기 갭 스페이서에 일정한 깊이로 형성된 홈에 구 모양의 금속망이 구비되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
  15. (a) 판상의 제1유전체와, 상기 제1유전체와 대향되게 설치되는 판상의 제2유전체와, 상기 제1,2유전체 사이의 좌우에 절연되며 설치되는 갭 스페이서를 각각 복수개 준비하는 단계와;
    (b) 상기 제1,2유전체와 상기 갭 스페이서에 설치되어 전원이 인가되도록 하는 리드라인부재의 결합홀을 상기 제1,2유전체와 상기 갭 스페이서에 형성하는 단계와;
    (c) 상기 제1,유전체를 대향되게 설치하고, 그 사이에 상기 갭 스페이서를 설치하여 유해물질이 지나는 공간을 형성하며, 상기 제1,2유전체가 서로 대향되는 면 각 일측에 전극부재 및 접지부재를 설치하는 단계와;
    (d) 상기 전극부재 및 상기 접지부재와 접하며 설치되도록 리드라인부재를 상기 결합홀에 설치하여 단층의 플라즈마 반응기를 완성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 단층의 플라즈마 반응기를 다수개 적층하고, 상기 전극부재와 상기 접지부재에 전원을 인가하기 위해 상기 결합홀에 전도성물질을 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 제조방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1,2유전체는 일정 두께로 이루어지고, 알루미나(Al2O3)를 포함하는 세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 제조방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제1,2유전체에서 유해물질과 접촉되는 면에는 산화촉매 또는 질소산화물 환원 촉매를 워시코트와 함께 코팅하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 제조방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 제1,2유전체의 표면에는 유해물질의 체류시간을 길게 하고, 플라즈마 반응 활성을 위해 요철을 형성시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 제조방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 리드라인부재와 상기 전극부재 및 접지부재와의 스파크를 방지하기 위해 상기 갭 스페이서는 상기 제1,2유전체의 2∼5배 두께로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 제조방법.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 전극부재 및 상기 접지부재는 상기 제1유전체 또는 상기 제2유전체에 Ag, Cu, 또는 Ag-Cu합금을 코팅하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 제조방법.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 전극부재 및 상기 접지부재는 일정 두께의 Cu 전극판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 제조방법.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 전극부재 및 상기 접지부재는 일정 크기로 이루어지고, 스파크 천이를 방지하기 위해 상기 리드라인부재와는 전극간 거리의 2∼5배 정도의 거리를 두고 설치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 제조방법.
  24. 제15항에 있어서,
    상기 전극부재는 메시부재 또는 다공성부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 제조방법.
  25. 제15항에 있어서,
    상기 리드라인부재는 Ag, Cu, 또는 Ag-Cu합금중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 제조방법.
  26. 제15항에 있어서,
    상기 리드라인부재는 잉킹라인으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 제조방법.
  27. 제15항에 있어서,
    상기 리드라인부재는 볼트로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기 제조방법.
  28. 배기가스가 배출되는 차량 엔진의 일측에 설치되어 배기가스가 그 내로 유동되는 하우징과;
    상기 하우징 내에 설치되고, 코로나 방전이 형성되는 플라즈마 영역이 구비되어 상기 플라즈마 영역으로 배기가스가 유동되는 청구항 제1항의 플라즈마 반응기와;
    상기 플라즈마 반응기를 보호하기 위해 상기 플라즈마 반응기와 상기 하우징 사이에 설치된 매트와;
    상기 플라즈마 반응기에 고전압이 인가되도록 하는 것으로, 소정 전압을 발생시키는 전압 발생부와, 상기 전압 발생부에서 100∼1000Hz, 1∼100kV의 AC 전압으로 승압하여 상기 플라즈마 반응기로 공급되도록 상기 전압 발생부와 연결 설치된 파워모듈과, 정현파 고전압을 상기 플라즈마 반응기에 연결하기 위해 일단이 상기 파워모듈과 연결된 텐션 코드를 구비하는 전원 공급장치와;
    상기 전원 공급장치에서 발생한 고전압이 상기 플라즈마 반응기에 공급되기 위해 상기 텐션 코드의 타단에 연결되어 상기 플라즈마 반응기와 상기 전원공급장치 사이에 설치된 고전압 플러그;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 파워모듈은,
    상기 전압 발생부에서 전압을 받는 입력부와;
    각 센서로부터 신호를 받아 제어토록 구비된 ECU로부터 상기 신호를 수신하여 코로나 방전 전압으로 제어하는 제어부와;
    상기 제어부에서 선정한 100∼1000Hz 사이의 정현파 함수로 바꾸어주는 함수발생부와;
    상기 제어부에서 선정한 1∼100kV로 승압해 주는 트랜스부와;
    상기 플라즈마 반응기로 정현파 고전압을 공급해주도록 구비된 출력부;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 고전압 플러그는,
    상기 전원 공급장치의 일측과 직접 접합할 수 있도록 구비된 외부 플러그와;
    상기 외부 플러그 저부에 구비되고, 배기가스가 새지 않도록 기밀성이 유지되며, 상기 하우징의 일측에 장착될 수 있도록 구비된 체결부와;
    상기 체결부의 저부에 구비되고, 장착되어서 스파크가 방지될 수 있도록 하는 세라믹 절연부와;
    상기 세라믹 절연부의 저부에 구비되어 플라즈마 반응기에 안정된 고전압을 전달할 수 있는 내부 플러그와;
    상기 외부 플러그에서 상기 내부 플러그까지 저 저항으로 이루어져 전압 공급이 이루어지는 전극부;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 세라믹 절연부는,
    상기 전원 공급장치에서 인가한 전압의 1.5~3.5배의 범위에서 인가한 주파수의 0.5~5배의 범위에서 절연 내력을 가질 수 있도록 알루미나 등의 절연 세라믹으로 절연된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치.
  32. 제30항에 있어서,
    상기 세라믹 절연부는 상기 플라즈마 반응기 내부에 장착되고, 스파크로의 천이를 방지하기 위해 일정 반경을 갖는 원통형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치.
  33. 제30항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기에 구비되는 리드라인부재와의 접촉 안정성을 위해 상기 고전압 플러그의 상기 전극부에는 탄성부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치.
  34. 제28항에 있어서,
    상기 하우징은 일정 두께의 스테인레스 스틸로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치.
  35. 제28항에 있어서,
    상기 고전압 플러그가 설치되는 주위에는 알루미나가 포함된 세라믹 절연부재를 삽입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치.
  36. 제28항에 있어서,
    상기 고전압 플러그는 1종류의 전압만이 공급되도록 구비된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치.
  37. 제28항에 있어서,
    상기 매트는 알루미나 90% 이상이고, 두께가 3∼5mm이며, 압축시에는 1mm 이하의 비팽창부재로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치.
  38. 제28항에 있어서,
    상기 매트의 총 두께는 상기 플라즈마 반응기 내부에 설치된 전극부재 및 접지부재 사이 거리의 2.5∼4배로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기가 채용된 차량의 배기가스 저감장치.
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