KR20040005107A - 저온 플라즈마 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마의 열 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 저온 플라즈마 발전장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 저온 플라즈마 발전장치는 음극(2)과 양극(4)을 구비한 본체(1), 원추형 노즐 형태의 비임루트(10), 나사(11)에 의해 상기 비임루트(10)에 고정되는 진공챔버(12), 상기 본체(1) 내부를 진공상태로 유지하는 터빈분자펌프(31), 상기 진공챔버(12)에 위치한 반원뿔 형태의 관을 형성하는 제 1 전극(14, 15), 상기 반원뿔 형태의 관(15) 내부에 설치된 제 2 전극(16) 및 케이스(22) 하단에 설치된 타겟(19)을 포함하고 있다.

상기 진공챔버(12) 내부에서 전자비임(34)을 상기 타겟(19)에 조사하면, 상기 타겟(19)의 표면층에서 금속입자가 기화된다. 기화된 금속입자는 전자와 이온의 플라즈마 상태로 되고, 상기 전자와 이온을 기계 물리학적으로 고속회전시킨다. 고속회전된 전자와 이온은 고유의 질량차에 의해 두 그룹으로 분리되어 포집되고, 분리 포집된 전자와 이온간에는 상호 전위차에 의해 운동에너지가 발생되고 이는 직류전기로 변환된다.

Description

저온 플라즈마 발전장치{DEVICE USING LOW-TEMPERATURE PLASMA FOR GENERATING ELECTRICAL POWER}

본 발명은 전기적 에너지를 생산하기 위한 발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마의 열 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 발전장치에 관한 것이다.

21세기 세계인류는 급속히 증가하는 세계인구와 전 세계적인 공업화로 인하여 그 어느때 보다 인류 생존에 심각한 도전을 받고 있다. 특히, 에너지 문제와 환경문제는 이미 위험수위에 도달해 있어, 환경문제를 일으키지 않는 대체 에너지의 개발이 시급한 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 개발된 것이 저온 플라즈마의 열 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전장치이다.

플라즈마란, 아주 높은 온도에서 기체분자가 전자와 이온으로 분리된 제 4의 물질상태를 일컫는다. 다시 말해, 고온에서 운동에너지가 큰 기체가 상호 충돌에 의해 원자나 분자로부터 음전하를 띈 전자가 분리되어, 전자와 양전기를 띈 이온이 혼돈상태로 섞여 있는 것이 플라즈마이다. 플라즈마 상태의 기체는 음전하와 양전하의 수가 거의 같은 밀도로 분포하는 전기적으로 거의 중성인 상태이다.

상기 전자와 이온은 온도가 같을 경우 이온에 비해 질량이 훨씬 가벼운 전자가 열운동에 있어서 이온보다 훨씬 빠른 운동을 한다. 또한 플라즈마 내에서 강한 진동이 일어날 수 있는데 이를 플라즈마 진동(plasma oscillation)이라 한다.

플라즈마 진동이란 플라즈마의 준중성적인 특성과 관계가 있다. 만일 플라즈마 내부에 약간의 전하 불균형이 발생하면 즉시 전기장이 형성되고 이온에 비해 움직임도(mobility)가 큰 전자가 강한 전기력을 받게 된다. 상기 전자는 이온영역으로 큰 가속도로 이동하게 되고, 가속도가 큰 만큼 바로 정지하지 못하고 이온영역을 지나치게 된다. 다시 전자는 반대방향으로 발생한 전기력에 이끌려 중성을 유지하기 위해 가속하게 되는 현상이 반복된다. 이는 플라즈마가 전기적으로 중성을 유지하려는 경향이 크다는 것을 보여준다.

상술한 바와 같이, 전자와 이온의 질량의 차가 크고 전기적으로 중성을 유지하려는 성질이 강한 플라즈마의 특성을 이용한 것이 본 발명에 따른 발전장치의 작동원리이다.

플라즈마를 이용한 종래의 발전장치로는 전력발생을 위해 플라즈마 방전용 자기장을 이용하는 자기유체역학적 전환장치가 있다. 상기 전환장치는 연소장치를 구비하고 있으며, 연소로 인해 발생되는 기체는 전기이온 플라즈마를 형성하며 이온화된다. 플라즈마의 전도율을 증가시키기 위해 연소장치에 이온화가 용이한 물질이 첨가된다. 가열된 플라즈마는 몇미터까지도 이동하는데 이때 플라즈마의 내부 에너지가 운동에너지로 전환된다. 중성인 플라즈마가 강한 자기장에 유입되면 플라즈마 미립자는 로렌츠 힘의 영향으로 여러방향으로 흩어진다. 내부전극 표면에 이르게 되면, 내공간의 저항도 R로 인해 방전관 외부체인 속에서 전자는 다른 전극으로 이동하는데 이 전극에서 양이온의 중성화가 일어난다.

상기와 같은 종래의 자기유체역학적 전환장치는 단열재나 냉각제의 사용에 따른 제조비용 증가외에, 플라즈마를 형성하기 위해 경유, 등유, 천연가스등 화석연료를 사용함으로써 연료비의 부담과 연소물질에 따른 환경오염이 크다는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 종래의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 발전장치 구조의 단순화하여 제조비용이 절감되고 플라즈마 형성물질로서 금속을 사용함으로써 연료비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 오염물질이 없어 환경친화적인 발전장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 저온 플라즈마 발전장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 저온 플라즈마 발전장치의 내부에서 플라즈마가 이온과 전자로 분리된 상태를 촬영한 사진.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 본체2 : 음극3 : 음극성 전극

4 : 양극5 : 링6 : 마그네틱 렌즈

8 : 너트9 : 부시10 : 비임 루트

11 : 나사12 : 진공챔버13 : 구멍

14, 15 : 제 1 전극16 : 제 2 전극17, 18 : 전기코일

19 : 타겟20 : 타겟용기21 : 회전식 받침대

22 : 케이스23 : 이온화가스 공급기24 : 트랜스

25, 26 : 케이블27, 29 : 스위치 28 : 전기 소비원

30, 32 : 도관31 : 터빈분자펌프33 : 예비진공펌프

34 : 전자비임35 : 플라즈마 덩어리36 : 플라즈마 채널

본 발명의 특징은 전기적으로 중성인 플라즈마를 전자와 이온사이에 서로 다른 전위차를 갖도록 플라즈마를 급회전시킴으로써 플라즈마의 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 데 있다.

본 발명에 따른 저온 플라즈마 발전장치는 저진공상태의 용접 신기술 개발과정에서 진공챔버 내부에 저온 플라즈마 입자가 전자와 이온으로 분리되기 쉬운 서스펜션 상태로 유지됨이 확인되면서, 이러한 플라즈마의 물리적 상태가 고속회전되기에 적합한 여건이 형성되도록 전자그룹과 이온그룹으로 분리되어 서로 다른 전위차를 갖도록 유도한 것이다.

진공조건하에서 에너지는 다음의 식에 의해 산출된다.

E=mc²

여기에서, m은 질량, c는 속도를 의미한다. 즉, 보다 많은 에너지를 얻기위해서는 플라즈마의 질량을 증가시키거나 플라즈마의 회전속도를 증가시키는 두 가지 방법이 있는데, 일반적으로 플라즈마의 질량을 증가시키는 것보다 회전속도를 증가시키는 방법이 훨씬 용이하다. 본 발명의 저온 플라즈마 발전장치 역시 이러한 원리를 이용하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 저온 플라즈마 발전장치의 구성도이다.

본 발명에 따른 저온 플라즈마 발전장치는 음극(2)과 양극(4)을 구비한 본체(1), 원추형 노즐 형태의 비임루트(10), 나사(11)에 의해 상기 비임루트(10)에 고정되는 진공챔버(12), 상기 본체(1) 내부를 진공상태로 유지하는 터빈분자펌프(31), 상기 진공챔버(12)에 위치한 반원뿔 형태의 관을 형성하는 제 1 전극(14, 15), 상기 제 1 전극(15) 내부에 위치한 제 2 전극(16) 및 케이스(22) 하단에 위치한 타겟(19)을 포함하고 있다.

상기 본체(1)는 음극(2), 음극성 전극(3), 링(5)이 달린 양극(4) 및 마그네틱 렌즈(6)를 포함하고 있다. 상기 본체(1)의 하단은 스크류-나사결합 장치가 마련되어 있어서 비임루트(10)에 고정된 부시(9)의 스크류부분과 체결된다. 상기 비임루트(10)에는 스크류가 있어서 너트(8)와 결합되어 수직방향으로 상하 왕복운동이 가능하고, 상기 나사(11)에 의해 진공챔버(12)에 고정된다.

상기 진공챔버(12)는 복수의 구멍(13)과 매우 작은 지지판들로 연결된 반원뿔 형태의 관모양을 한 제 1 전극(14, 15)으로 이루어져 있다. 상기 진공챔버(12)의 복수의 구멍(13)은 같은 면에 형성되어 있는데 그 크기가 각각 다르며, 면적의 총합은 반원뿔 형태의 관모양을 한 제 1 전극(14, 15)의 접촉부분의 원주의 면적보다 작거나 같다.

상기 제 1 전극(15)의 내부 중공에는 제 2 전극(16)이 배치되어 있다. 상기 제 1 전극(14, 15)의 외벽에는 전기코일(18)이 감겨져 있고, 상기 제 2 전극(16)의 외벽에는 전기코일(17)이 감겨져 있다. 상기 제 2 전극(16)의 내부에는 발전장치의 작동시 회전운동을 하는 저온의 플라즈마 덩어리(35)가 형성되고, 상기 플라즈마 덩어리(35)의 중앙에는 플라즈마가 통과하는 가상의 통로로서 플라즈마 채널(36)이 형성되어 있다.

상기 케이스(22)의 내부 하단에는 플라즈마 형성소재인 타겟(19)이 상기 제 1 및 제 2 전극(14, 15; 16) 아래에 회전가능하게 장착되어 있다. 상기 타겟(19)은 AMg6 알루미늄 합금속인 것이 바람직하다. 상기 타겟(19)은 회전식 받침대(21) 상에서 회전가능하게 설치된 타겟용기(20) 내에 설치되어 일정한 속도로 회전한다. 상기 타겟용기(20)는 상기 타겟(19)을 담는 그릇과 같은 역활을 하며 내화소재로 제조될 수 있다. 상기 회전식 받침대(21) 상에는 필요에 따라 타겟용기를 복수개 설치할 수 있다.

또한, 상기 케이스(22)의 외부에는 상기 진공챔버(12) 내부에서 플라즈마의 형성을 용이하게 하게 하기 위해 이온화가스를 주입하는 이온화가스 공급기(23)와, 케이블(25)을 통해 발전장치와 연결된 트랜스(24) 및 발전장치에서 생산된 전기를 소비하는 전기 소비원(consumer, 28)이 설치되어 있다. 상기 전기 소비원(28)은캐이블(26)과 스위치(27)를 통해 발전장치와 연결되어 있고, 스위치(29)를 통해 상기 제 1 및 제 2 전극(14, 15; 16)과 코일(17)로 연결되어 하나의 회로를 형성한다.

도관(30)은 상기 케이스(22)와 연결되어 상기 본체(1)의 내공과 채널을 형성하는 통로의 역활을 한다. 상기 도관(30)은 상기 본체(1)의 내공을 진공상태로 펌핑하는 터빈분자펌프(31)와 연결되어 있다. 다른 도관(32)은 예비진공펌프(33)와 연결되어 있다.

이하에서는, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 저온 플라즈마 발전장치의 작동원리를 상세히 설명한다.

본 발명의 저온 플라즈마 발전장치에 전원을 인가하여 상기 터빈분자펌프(31) 및 예비진공펌프(33)를 작동시켜 발전장치 내부를 진공상태로 유지한다. 전원이 인가되면 음극(2)과 양극(4)을 갖는 상기 본체(1)에서 전자비임(34)이 방사된다. 상기 방사된 전자비임(34)은 상기 부시(9)와 비임루트(10)에 의해 인도되어 상기 진공챔버(12)를 경유하여 상기 타겟(19)에 충돌한다. 상기 비임다발(34)과 상기 타겟(19)이 상호 충돌하면서 발열반응이 일어나고 이때 상기 타겟(19)의 표면층이 기화된다. 이때, 상기 타겟(19)은 상기 전자비임(34)이 특정 부분에만 충돌하여 상기 타겟(19)의 표면층이 불균일하게 기화되어 결과적으로 플라즈마 형성에 악영향을 끼치는 것을 방지하기 위하여 시속 10 - 50m의 속도로 회전한다.

상기 타겟(19)의 표면층의 기화로 인해 대전된 입자로 구성된 2차 전자비임이 형성되어 발전장치 내의 잔류가스를 이온화시켜 저온 플라즈마의 형성을 촉진시킨다. 전자비임 자체가 자율적인 회전운동의 주체역할을 하기 때문에 플라즈마의 회전이 가능하고 이온과 전자로 분리되기 쉬운 여건이 형성되며, 상기 타겟(19)의 표면층에서 일어나는 플라즈마 입자의 운동은 브라운 운동에 가까운 카오스(chaos)운동을 하게 된다. 전자와 이온이 직선운동에서 회전운동으로 전환할 때 전자와 이온 상호간에 수없이 많은 충돌이 발생하여 회전속도가 증가하게 되고, 전자그룹의 질량이 이온그룹의 질량에 비해 10,000배 가량 작기 때문에 결과적으로 플라즈마는 전자그룹과 이온그룹으로 분리되게 된다. 상기와 같은 현상에 의해 전자와 이온으로 분리된 플라즈마가 도 2에 잘 되시되어 있다. 이와 같이 분리된 두 그룹사이에는 전위차가 발생하게 되고, 상기 전자와 이온은 상기 진공챔버(12) 내에 설치된 제 2 전극(16)에 포집된다.

본 발명에 따른 저온 플라즈마 발전장치의 실험결과에 의하면, 전자비임의 방사를 위해 약 1㎾의 전력이 소요되고, 회전식 테이블의 작동에 약 1-1.5㎾의 전력이 소요될 때 약 5㎾의 전력이 출력됨이 확인되었다. 이때, 타겟에서 에너지가 방출되므로 에너지보존법칙은 지켜진다. 또한, 진공펌프의 작동에 소요되는 전력은 상수(C)로서 일정하기 때문에 전자비임의 방사에 필요한 입전류를 증가시킴에따라 출전류의 값이 증가하기 때문에 발전량이 증대된다. 본 발명에 따른 저온 플라즈마 발전장치에서 발생되는 전류는 기술적 파라미터가 안정될 때까지 증가하며, 전압도 안정성을 지닐때까지 증가하게 된다. 본 발명의 저온 플라즈마 발전장치의 작동시간은 타겟과 음극의 교체시기에 따라 정해지게 되며, 본 발명의 발전장치가작동되는 동안 저온 플라즈마 덩어리가 계속 형성되어 유지된다.

상기와 같은, 본 발명의 발전장치는 구조를 단순화하여 제조비용이 절감되고 플라즈마 형성물질로서 금속을 사용함으로써 연료비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 오염물질이 없어 환경친화적이어서 차세대 에너지원으로 활용될 수 있다. 또한, 입력전류의 증가만으로 출전류가 증가하여 발전량을 증가시킬 수 있어 발전장치의 운용이 보다 용이하다.

Claims (13)

1. 플라즈마의 열 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전장치에 있어서,

   음극(2)과 양극(4)을 구비한 본체(1);

   원추형 노즐 형태의 비임루트(10);

   나사(11)에 의해 상기 비임루트(10)에 고정되는 진공챔버(12);

   상기 본체(1) 내부를 진공상태로 유지하는 터빈분자펌프(31);

   상기 진공챔버(12)에 위치한 반원뿔 형태의 관을 형성하는 제 1 전극(14, 15);

   상기 제 1 전극(15) 내부에 설치된 제 2 전극(16); 및

   케이스(22) 하단에 설치된 타겟(19)을 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발전장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 본체(1)의 하단에 스크류-나사결합 장치가 마련되어 있어서 상기 비임루트(10)에 고정된 부시(9)의 스크류부분과 체결되는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발전장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 비임루트(10)는 스크류가 있어서 너트(8)와 결합되어 수직방향으로 상하 왕복운동 가능한 것을 특징으로 하는 저온 플라스마 발전장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 진공챔버(12)에는 복수의 구멍(13)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발전장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 복수의 구멍(13)은 같은 면에 형성되어 있고 그 크기가 각각 다르며, 면적의 총합은 상기 제 1 전극(14, 15)의 접촉부분의 원주의 면적보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발전장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 전극(14, 15)의 외벽에는 전기코일(18)이 감겨져 있고, 상기 제 2 전극(16)의 외벽에는 전기코일(17)이 감겨져 있는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발전장치.
7. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 제 2 전극(16)은 내부에 발생된 저온 플라즈마 덩어리(35)의 전자와 이온을 포집하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발전장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 타겟(19)은 플라즈마 형성소재로서 AMg6 알루미늄 합금속으로 제조될 수 있는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발전장치.
9. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,

   상기 타겟(19)이 설치되고 내화소재로 제조될 수 있으며, 회전식 받침대(21) 상에 회전가능하게 설치되는 타겟용기(20)를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발전장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 회전식 받침대(21) 상에 필요에 따라 복수의 타겟용기가 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발전장치.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 타겟(19)은 전자비임(34)과의 충돌에 의해 표면층이 불균일하게 기화하지 않도록 상기 회전식 받침대(21)의 회전에 의해 소정의 속도로 회전가능한 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발전장치.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 케이스(22)의 외부에 상기 진공챔버(12) 내부에서 플라즈마의 형성이용이하도록 이온화가스를 주입하는 이온화가스 공급기(23)를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발전장치.
13. 제 1 항에 있어서,

    상기 케이스(22)의 외부에 발전장치 내부를 진공상태로 유지하기 위한 예비진공펌프(33)를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발전장치.