KR20040006402A - 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치 및 정화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용하여 오염가스를 효과적으로 처리할 수 있는 저온 플라스마에 의한 배기가스 정화장치 및 정화방법에 관한 것으로, 배기가스의 온도를 검출하는 온도센서(30)와, 배기가스를 가열하는 히터(40)와, 히터(40)의 구동전류를 단속하는 히터구동부(42)와, 배기가스처리관(10)의 내측에 위치된 바이메탈 전극(20)(22)과, 저압전원을 바이메탈전극에 지속적으로 인가하기 위한 저압전원부(24)와, 히터(40)를 ON/OFF제어하고, 저압전원부(24)는 지속적으로 구동하기 위한 제어부(50)로 구성되어 오염가스가 바이메탈 전극사이에 형성되는 플라즈마를 통과하는 과정에서 무해한 가스로 전환하여 효과적인 처리를 수행할 수 있는 것이다.

Description

저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치 및 정화방법{APPARATUS AND METHOD FOR CLEANING OF EXAHUST GAS WITH LOW TEMPERATURE PLASMA}

본 발명은 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치 및 정화방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기계통에 저온플라즈마를 생성시키고 여기에 배기가스를 통과시킴으로써 주로 내연기관, 소각로, 난방장치, 화력발전소 등에서 배출되는 배기가스를 정화하는 데 이용할 수 있는 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치 및 정화방법에 관한 것이다.

대기환경오염의 주요 원인으로는 소각로, 난방장치, 화력발전소 등의 산업시설에서 배출되는 배기가스와 자동차의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스가 큰 비중을 차지하고 있으며, 이 중에서 특히 자동차의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 의한 공기오염은 도시 집중화와 더불어 대기오염 원인의 70％ 이상을 차지하고 있다.

이러한 대기오염 성분인 배기가스를 정화하기 위한 여러 가지 정화장치가 개발되었는데, 그 장치들은 촉매를 이용한 연소정화장치, 필터를 이용한 정화장치, 음이온방전에 의한 집진 정화장치, 플라즈마를 이용한 해리 및 결합에 의한 정화장치를 예로 들 수 있는데, 이러한 정화장치들은 단독으로 사용되기보다는 상호 보완적으로 조합하여 정화효율을 높이기도 한다.

이 중에서 플라즈마를 이용한 정화장치는 불완전 연소된 유해가스, 유해입자들을 해리 및 재결합을 통해서 완전 연소에 가깝게 무해한 기체로 전환할 수 있고, 정화속도가 빨라 널리 이용되고 있다. 특히 기존의 백금, 파라듐, 로듐과 같은 고가의 촉매와 필터를 이용한 배기가스 정화장치에 비해 비용이 저렴하고 구조가 간단하다는 장점을 갖고 있다.

이와 같이 플라즈마를 이용한 정화장치는 코로나방전(corona discharge)을 이용한 것, 유전체막방전(dielectric barrier discharge)을 이용한 것, 마이크로웨이브를 이용한 것 등이 개발되어 있다.

그러나, 종래의 플라즈마 정화장치는 모두 배기가스가 갖고 있는 고온의 열에너지를 이용하지 않고, 일단 냉각된 상태에서 정화하는 구조로 되어 있었기 때문에 방전을 위한 전력의 낭비가 심하였다.

즉, 예를 들어서 상온 1기압에서 플라즈마 방전을 일으키기 위한 전기장의 세기는 400℃ 1기압에서 플라즈마 방전을 일으키기 위한 전기장의 세기보다 약 5배정도 더 커야되며, 따라서 고온 상태의 배기가스를 이온(ion)이나 라디컬(radical)로 만들기 위해서는 저온에서의 경우보다 낮은 전압으로 플라스마 방전을 일으킬 수 있을 뿐만 아니라 배기가스의 온도가 높은 상태이므로 저전력으로 화학적 활성상태로 만들 수 있는데, 예컨대 자동차 배기가스를 정화하기 위한 기존의 플라즈마 배기가스 정화장치는 배기다기관을 통해 배출되는 고온의 배기가스(약 600℃)를 그대로 이용하지 않고, 일단 적정 온도로 냉각한 다음 플라즈마 방전을 일으켜서 정화하도록 되어 있었기 때문에 방전을 위한 전압이 고전압으로 되어 저온에서의 경우보다 전력낭비가 심하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 코로나방전, 유전체막방전을 이용한 플라즈마 정화장치는 충분한 양의 이온이나 라디컬을 생성하기 위해 방전개시부터 유지까지 전극에 수만 볼트(volt) 이상의 고전압을 지속적으로 인가해 주어야만 하기 때문에 전력낭비가 심하게 되는 문제점이 있었다.

또, 배기가스에 맥동이 있거나 흐름이 일정치 못한 경우 정화효율이 떨어지게 되는데, 코로나방전이나 유전체막방전과 같은 경우 이를 방지하기 위해 전극이 복잡한 구조로 만들어질 수밖에 없었는데, 이는 배기가스가 흐르는 통로의 단면적에 대한 전극의 점유율이 증가하여 흐름에 저항을 주게 되며, 그 경로도 직선화되지 못하고 구불구불한 경로로 되어 배기가스의 흐름을 방해하여 정화효율을 떨어지는 문제점이 있었고, 특히 자동차의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 정화에 적용되는 경우 배기가스의 흐름에 큰 저항을 주게 되어 엔진출력을 저하시키는 문제점이 있었다.

그리고, 전극의 구조가 복잡하기 때문에 장치가 무겁고 크게 되어 배기관로에 설치시 공간확보와 취급에 어려움이 있었으며, 생산단가가 증가되어 보급에 저해요인으로 작용되었으며, 복잡한 구조로 인해 유지/보수가 어렵고 제품에 대한 신뢰성이 떨어지는 폐단이 있었다.

한편, 마이크로웨이브를 이용한 플라즈마 정화장치는 장치가 매우 복잡하여 실용적이지 못하다는 단점과 전력낭비가 심하다는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 플라스마를 효과적으로 생성하여 배기가스 처리효율을 향상시켜 환경오염을 줄일 수 있는 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치 및 정화방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 배기가스가 갖고 있는 열에너지를 그대로 이용함으로써 방전에 필요한 에너지소비를 줄일 수 있는 저온 플라스마에 의한 배기가스 정화장치 및 정화방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전극의 구조를 단순화하여 배기가스의 흐름에 대한 저항요소를 배제함으로써 정화효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 경량화 및 콤팩트화가 가능하여 설치 및 유지/보수시에 취급이 용이한 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치 및 정화방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치의 구성을 나타낸 블록구성도

도 2는 본 발명에 따른 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치의 구성을 나타낸 횡단면도로 도2의 A-A'선 단면도

도 3은 도 2의 B-B'선 단면도

도 4는도 2에 상당하는 도면으로서 본 발명에 따른 전극의 다른 실시 예를 보인 도면

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

10: 가스처리부12: 가스도입관

14: 가스배출관16: 격벽

18: 처리셀20, 22: 바이메탈전극

24: 저압전원부30: 온도센서

40 : 히터42: 히터구동부

50 : 제어부

이러한 본 발명의 목적은 배기계통에 설치되어있는 가스처리관과; 가스처리관에 고정되어 플라즈마를 발생시키는 복수의 전극과; 상기 각각의 전극으로 전원을 공급하는 저압전원부와; 상기 가스처리관으로 유입되는 배기가스의 온도를 검출하는 온도센서; 상기 가스처리관으로 유입되는 배기가스를 선택적으로 가열하는 히터와; 상기 히터로 구동전류를 공급하기 위한 히터구동부; 상기 온도센서의 검출값에 의해 히터구동부를 제어함과 동시에 저압전원부를 제어하는 제어부로 구성된 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치에 의해 달성될 수 있다.

상기 가스처리관은 직사각 단면을 갖도록 구성되며, 복수의 격막에 격리되는 복수의 셀로 구성되고, 각각의 셀에는 한쌍의 전극이 배치된다

상기 가스처리관의 단면적은 복수개의 셀 단면적을 합한 것과 같으며 가스도입관의 단면적 보다 크도록 구성되어 배기가스의 흐름에 영향을 최소화하도록 구성되어 있고, 이때 상기 각 셀의 단면적은 최소이상이 되고 배기가스의 온도가 400℃ 이상으로 유지되므로 배기가스와 셀의 격막 사이에 작용하는 점성은 거의 무시할 수 있게 되어 상기 가스처리관은 배기가스의 흐름에는 거의 영향을 주지 않도록 구성된다.

상기 각각의 격막에는 연통공이 형성되어 인접되는 셀이 상호 연통하도록 구성된다.

상기 히터는 가스 유입관의 내측에 위치되어 배기가스를 직접 가열하거나 또는 유입관의 외측에 위치되어 배기가스를 직접 가열토록 하는 것이 가능하다.

상기 저압전원부로부터 발생되는 전원은 고주파 또는 저주파중에 선택되어 진다.

상기 전극은 가스처리관내의 온도상승에 따라 상호 멀어지도록 구성된 한 쌍의 바이메탈전극로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전극은 가스처리관내의 온도상승에 따라 상호 멀어지도록 구성된 한 쌍의 열반응 수축 전극을 사용하는 것이 예상될 수 있다.

배기가스처리관의 주위에 열차단을 위한 단열재를 설치하여 열손실을 줄이도록 하는 것이 바람직하다.

상기 저압전원부와 배기가스처리관의 주변에 전자파 차폐막을 설치하여 전자파로 인한 인접한 전자장비의 작동에러의 우려를 최소화하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 격벽에 의해 구분되며 각각 한싼의 바이메탈전극을 갖춘 복수의 셀을 형성하고, 각각의 셀로 유입되는 배기가스의 온도가 설정값 이하이면 히터를 이용하여 배기가스를 가열하고, 이상이면 그대로 셀로 도입시키고, 상기 바이메탈전극에 저압전원을 인가하여 플라즈마 방전을 개시하며, 배기가스의 열에너지와 플라즈마의 열에너지에 의해 한 쌍의 바이메탈전극이 점차 상호 멀어지도록 변환되어 배기가스처리관 내에서 플라즈마 영역을 확산시켜 배기가스를 정화하는 저온 플라스마에 의한 배기가스 정화방법에 의해서도 달성될 수 있다.

상기 배기가스처리관은 직사각단면을 갖도록 구성하고, 유입관은 원통형으로 구성하되 유입관내의 배기가스에 와류를 형성하여 플라즈마 가스의 흐름을 정형화한다.

이하 본 발명에 따른 배기가스 정화장치의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부도면 도 1에는 본 발명에 따른 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치의 구성을 보인 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 가스처리관의 단면도가 도시되어 있다. 이에 따르면 본 발명은 배기계통에 설치되며 대략 직사각 단면을 갖는 가스처리관(10)이 개시되어 있다. 가스처리관(10)은 격벽(16)에 의해 구분되는 복수의 셀(18)로 이루어진다. 각각의 셀(18)에는 플라즈마를 발생시키는 한 쌍의 바이메탈 전극(20)(22)이 설치되어 독립적으로 배기가스의 처리가 가능하게 된다.

셀(18)의 총 단면적 즉, 가스처리관(10)의 배기가스처리 유효 단면적은 배기가스가 인입되는 인입관(12)의 단면적 보다 크게 구성되어 있어 배기가스의 흐름에 저항력을 최소화하게된다. 일반적으로 점성력은 온도가 높게되면 낮아지게되고, 특히 기체의 경우 점성력이 작으므로 높은 온도의 기체 점성력은 아주 작게되어 기체가 통과하는 관의 단면적이 아주 작지 않은 경우에는 무시할 수 있게 된다. 따라서 배기가스의 온도가 400℃ 이상이고 각 셀(18)의 단면적이 적어도이상 되므로 배기가스가 셀(18)을 통과하면서 정화되는 동안 셀(18)의 내벽에서 받는 점성력은 무시될 수 있으므로 가스처리관(10) 내부에서는 배기가스의 흐름에 영향을 거의 주지 않으면서 배기가스정화작용을 하게된다.

도 3에 도시된 바와 같이 한 쌍의 바이메탈 전극(20)(22)은 일단이 가스처리관(10)의 내벽이 고정되고, 타단이 자유상태로 구성되는 것으로서, 자유단은 상온에서는 상호 인접한 상태를 유지하고 가스처리관내의 온도가 상승함에 따라 점차 형태가 변화되어 자유단이 멀어지게 되고, 결국 배기가스의 흐름방향과 평행한 형태를 유지하도록 구성된다.

다시 도1 및 도2를 보면 상기 각각의 격벽(16)은 인접하는 셀(18)간의 배기가스 및 플라즈마의 상호 교류할 수 있도록 하는 복수의 연통공(16a)이 형성되어 상호 보완적을 배기가스의 처리가 가능하다.

가스처리관(10)으로 배기가스를 안내하는 유입관(12)상에는 배기가스의 온도를 검출하는 온도센서(30) 및 배기가스를 가열하기 위한 히터(40)가 설치된다. 또한, 본 발명은 히터(40)로 구동전류를 공급하기 위한 히터구동부(42)와, 6kV 미만의 저압전원을 바이메탈 전극(20)(22)에 지속적으로 인가하기 위한 저압전원부(24)및 히터구동부(42)와 저압전원부를 제어하는 제어부(50)를 포함한다.

제어부(50)는 온도센서(30)로부터 검출되는 온도가 설정온도 이하인 경우 히터(40)를 "ON"상태로 제어하여 배기가스를 가열하고, 그 온도가 설정온도를 초과하는 경우 히터(40)를 "OFF"상태로 제어하는 동시에 저압전원부(24)를 지속적으로 구동하여 플라즈마가 배기가스처리관(10)의 중심으로부터 외측으로 확산전이되도록 제어한다.

상기 온도센서(30)는 배기가스처리관(10)의 내측 또는 외측에 위치될 수 있으며, 도시예에서와 같이 내측에 위치된 경우 배기가스와의 직접접촉에 의해 온도를 검출하게 되고, 외측에 위치된 경우에는 배기가스처리관(10)을 통한 열전도에 의해 간접적으로 배기가스의 온도를 검출하게 된다.

상기 히터(40)는 배기가스처리관(10)의 내측 또는 외측에 설치될 수 있으며, 도시예에서와 같이 배기가스처리관(10)의 내측에 설치된 경우에는 배기가스를 직접가열하게 되고, 외측에 위치된 경우에는 배기가스처리관(10)을 통한 열전도에 의해 간접적으로 배기가스를 가열하게 된다.

또한, 자동차의 배기가스 정화에 적용하는 경우 히터(40)는 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 가열하게 되고, 온도센서는 히터(40)를 통과한 배기가스의 온도를 검출하기 위해 히터(40)로부터 어느 정도 떨어진 위치의 후단에 위치되어 특히 자동차의 시동초기에 다량 발생되는 저온의 배기가스를 가열하는데 이용된다.

상기 저압전원부(24)는 플라즈마를 생성을 유지하기 위한 전기에너지를 공급하기 위한 것으로, 그 전원출력은 교류 또는 직류를 출력할 수 있도록 구성되며,직류를 출력하는 경우 바이메탈 전극(20)(22)의 극성은 서로 마주 보는 측에서 각각 양극(+)과 음극(-)이 인가되도록 접속할 수 있고 양극(+)과 음극(-)이 순차적으로 번갈아 인가되도록 접속할 수도 있다.

또, 저압전원부(24)가 직류를 출력하는 경우에는 내부에 전압안정화를 위한 정류장치를 부가하는 것이 바람직하다.

그리고, 저압전원부(24)로부터 발생되는 전원은 고주파 또는 저주파전원으로 구성될 수 있으며, 고주파전원을 출력하도록 구성된 경우에는 고주파가 공간을 비교적 잘 통과하는 성질이 있고, 보다 작은 부피의 변성기로도 큰 전력의 저압전원을 만들어 낼 수 있으므로, 소형화에 유리하게 된다.

반면 저압전원부(24)가 저주파전원을 출력하도록 구성된 경우이고, 예를 들어서, 교류 60Hz의 저주파를 출력하도록 구성되면, 고주파전원에 비해 전자파의 강도가 상대적으로 약하기 때문에 전자파로부터의 위험성을 줄일 수 있게 된다.

상기 바이메탈 전극(20)(22)은 배기가스의 온도가 낮거나 혹은 엔진 시동초기에는 마주보는 한 쌍의 전극(20)(22)이 근접되어 있어서 저압 전원에 의한 플라즈마 방전 개시가 쉽게 이루어지도록 하며 배기가스의 온도가 상승하거나 배기가스처리관(10)내의 온도가 플라즈마 생성에 이상적인 온도에 도달하면 마주보는 전극(20)(22) 사이의 간극이 최대로 이격되어 배기가스처리관(10) 전체 공간에 플라즈마가 생성될 수 있게된다.

한편, 저압전원부(24)의 전원을 발생시키기 위해서 외부로부터 공급되는 전원을 이용하여 발진기를 작동시키게 되고, 이 발진기의 출력이 전력용 소자를 경유변성기(voltage transformer)의 1차측에 인가되면, 변성기의 2차측에서 필요한 전압이 출력되는데, 이때 발진기와 변성기의 1차측 및 2차측에 흐르는 전류는 고주파 혹은 저주파(예: 수kHz)이므로, 이로부터 발생된 전자기파가 다른 전자기기에 영향을 주어 오동작을 일으키거나 노이즈(noise)를 발생시킬 수 있다.

이러한 오동작을 방지하기 위하여 저압전원부(24)의 전원입력단과 전압출력단을 모두 전자파 차폐막(도시 않됨)으로 감싸서 외부로 전자파가 전파되는 것을 어느 정도 차단할 수 있도록 구성하는 것이 예상될 수 있다. 이때 전자파 차폐막은 동판, 동선과 함께 직조된 전자파 차폐섬유 등으로 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 배기가스처리관(10)은 단열재(도시 않됨)를 개재하여 배기가스의 열에너지와 플라즈마의 열에너지를 최대한 이용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 제어부(50)는 예컨대, 온도센서(30)로부터 검출된 배기가스에 대한 아날로그 검출값을 디지털값으로 변환하기 위한 아날로그/디지털 컨버터와, 비휘발성 메모리형태의 프로그램메모리, 휘발성 메모리형태이면서 고속의 액세스가 가능한 데이터메모리, 클럭발생부, 입출력 인터페이스회로 등이 내장되어 있는 일반화 된 임베디드형(내장형)의 마이크로 콘트롤러를 이용하여 구성될 수 있다.

그리고, 저압전원부(24)의 전원입력단과 전압출력단에는 전자파 차폐막을 설치하는 것이 바람직하다. 이는 저압전원부(24)로부터 발생되는 전자파가 외부로 전파되는 것을 차단하여 외부 기기의 오동작을 방지하는 작용을 하게 되며, 배기가스처리관(10) 외측과 바이메탈 전극(20)(22)으로부터 방사되는 전자파가 외부로 전파되는 것을 차단하기 위함이다. 예를 들어, 자동차의 배기가스를 정화하는데 적용되는 경우 저압전원부(24) 그리고 바이메탈 전극(20)(22)으로부터 방사되는 전자파를 차단할 수 있기 때문에 엔진제어유닛(ECU), 센서 등 외부노이즈에 민감한 소자나 전자장치의 전파자에 의한 오동작을 더욱 효과적으로 막을 수 있게 된다.

이하에는 본 발명에 따른 배기가스 정화장치의 작동상태에 대해 설명한다.

온도센서(30)에 의해 배기가스의 온도가 검출되어 제어부(50)에 인가되면, 제어부(50)에서는 배기가스의 온도가 설정온도와 같거나 낮은 경우 히터구동부(42)를 통해 히터(40)를 작동시켜 유입되는 배기가스를 가열하게 되고, 온도센서(30)로부터 검출되는 배기가스의 온도가 설정온도보다 높은 경우에는 히터(40)를 정지시켜 배기가스를 그대로 유입시킨다.

즉, 온도센서(30)는 히터(40)보다 후단에 위치되며, 히터(40)를 통화한 배기가스의 온도를 검출하게 되도록 구성되어 있기 때문에 배기가스가 설정온도를 초과하면, 가열을 중지하고, 그 이하인 경우에는 다시 가열하는 피드백제어를 하여 배기가스의 온도를 소정범위내에서 일정하게 유지하게 된다.

이때 배기가스의 온도가 설정온도를 초과하여 히터(40)에 의해 가열되지 않고 그대로 통과되는 경우에는 온도가 낮을 때보다 적은 전력으로 플라즈마를 형성시킬 수 있게 된다.

따라서 고온 상태의 배기가스를 이온이나 라디컬로 만들기 위해서는 저온에서의 경우보다 낮은 전력으로 플라즈마 방전을 일으킬 수 있을 뿐만 아니라 배기가스의 온도가 높은 상태에 있으므로, 약간의 에너지만으로도 배기가스를 화학적 활성상태로 만들 수 있고, 해리 및 재결합에 의한 정화작용에 의해 유해 배기가스들이 무해한 가스로 전환된다.

따라서, 배기가스는 항시 설정온도 이상으로 유지된 상태에서 처리부로 유입되어 진다.

이와 같은 온도센서(30)와 히터(40)가 예를 들어, 자동차의 배기계통에 적용되는 경우 자동차의 시동초기에 다량 발생되는 배기가스를 가열하여 저전력으로 플라즈마를 대량으로 형성할 수 있게 되고, 내연기관에서 버려지는 열을 이용하기 때문에 정화에 필요한 에너지소비를 줄일 수 있게 된다.

한편, 배기가스처리관(10)을 통과하는 배기가스가 바이메탈 전극(20)(22)이 위치되어 있는 곳으로 통과하면, 바이메탈 전극에 인가되는 저압전원에 의한 방전이 일어나게 된다. 이 때 배기가스 처리관 내부의 배기가스 온도에 따라 바이메탈 전극(20)(22)의 간격이 벌어지면서 플라즈마 방전공간이 넓어지고 발생되는 열에너지는 플라즈마를 더욱 쉽게 생성되도록 가속시키며, 배기가스의 흐름에 따라 배기가스 처리관 전체공간에 플라즈마가 확산전이되어 활성이 강한 이온이나 라디컬이 생성된다.

즉, 대기압에서 방전이 일어나서 일단 플라즈마가 생성되고 나면, 플라즈마를 유지하기 위한 전압은 낮아도 되며, 전압이 낮아지더라도 높은전압에서와 비교해서 동일한 양의 이온이나 라디칼을 생성시킬 수 있게 된다. 이는 플라즈마 유지에 소모되는 소비전력을 크게 감소시킬 수 있게 된다.

한편, 배기가스처리관의 기하학적 구조로 인하여 배기가스흐름에 와류를 형성하여 가스처리관내에서의 배기가스의 운동량을 증가시켜 플라즈마는 보다 정형화된 움직임을 갖게 되는 동시에 플라즈마 중심부의 밀도가 높아져서 하전입자들 간의 충돌이 잦아지게 되어 플라즈마의 생성속도 및 량을 촉진시키게 되고 고르게 분포되도록 하는 작용을 하게 된다.

위와 같이 배기가스처리관(10) 내에서 형성된 플라즈마는 배기가스를 활성상태로 하여 해리 및 재결합을 촉진하여 질소산화물이나 일산화탄소, 탄화수소 등의 배기가스를 정화하는 작용을 하게 된다.

즉, 배기가스의 매연은 불완전 연소된 연료가 탄소형태로 유리된 것인데 이것은 이산화탄소(CO₂)로 전환되고, 질소산화물은 화학반응 엔탈피상 약간의 여기 상태 에너지가 주어지면 탄화수소 일산화탄소와 반응하여 질소분자와 이산화탄소 및 물로 되어 배기가스 중의 유해성분이 무해한 성분으로 전환된다.

이때 위와 같은 장치가 자동차의 배기가스 정화에 적용되면, 바이메탈 전극(20)(22)의 구조가 매우 단순하고 배기가스의 흐름에 대해 대향하는 면적이 매우 작고, 그 경로 또한 직선화되어 있기 때문에 배기가스의 흐름에 저항을 덜 주게 되어 엔진의 출력이 크게 떨어지는 것을 막을 수 있게 된다.

한편, 배기가스처리관(10) 외측에 개재된 단열재(도시 않됨)는 배기가스처리관(50)으로부터 플라즈마 생성시 발생하는 열에너지와 배기가스의 열에너지를 최대한 이용할 수 있도록 작용을 하게 된다.

한편 도 4에는 본 발명에 따른 배기가스 정화장치에 적용되는 전극의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이에 따르면, 각각의 셀(18)내에는 서로 마주보도록 한 쌍의 열반응 수축전극(60)(62)이 고정되어 있다. 이 열반응 수축전극(60)(62)은 냉각상태에서는 두 전극의 간극이 근접되어 있는 상태를 유지하고, 온도상승에 따라 각각의 전극이 수축하여 전극간의 간격이 멀어지는 특성을 갖는 것으로서 배기가스에 대한 흐름저항을 줄일 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 배기가스가 갖고 있는 열에너지와 플라즈마로 배기가스를 처리할 때 발생되는 열에너지를 을 그대로 이용하여 저전력으로 방전을 일으키기 때문에 전력소모를 크게 줄일 수 있는 효과가 있고, 바이메탈 전극을 이용하여 방전개시 및 방전 유지를 모두 단일 저전압을 지속적으로 인가하도록 구성되어 있기 때문에 전력을 크게 절감할 수 있게 되어 에너지이용 효율이 크게 향상되는 효과가 있을 뿐만 아니라 생산단가가 저렴하게되며, 배기관 내에서 차지하는 전극의 단면적이 기존에 비해 적고, 그 경로 또한 직선화되어 있기 때문에 배기가스의 흐름에 저항을 덜 주게 되며, 특히 이러한 구조의 전극이 자동차의 배기관에 적용되는 경우 배기가스의 흐름을 원활하게 하여 동일조건하에서 기존의 플라즈마 정화장치에 비해 엔진출력을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있고, 전체적인 장치를 작은 크기로 경량화할 수 있기 때문에 배기관으로의 설치가 용이하게 되는 것은 물론이고, 생산단가를 크게 낮출 수 있게 되는 효과가 있으며, 유지 보수가 쉽게 되어 제품에 대한 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 배기가스처리관의 외측에 단열재가 설치되어 있으므로, 배기가스의 열에너지와 플라즈마 발생시의 열에너지를 손실없이 최대한 이용할 수 있게 되며, 저압전원부의 전원입력단과 전압출력단 그리고 배기가스처리관의 외측을 감싸는 전자파 차폐막에 의해 전자파를 차단할 수 있도록 구성되어 있기 때문에 노이즈에 의한 오동작을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (13)

1. 배기계통에 설치되어있는 가스처리관(10)과;

   가스처리관(10)에 고정되어 플라즈마를 발생시키는 복수의 전극과;

   상기 각각의 전극으로 전원을 공급하는 저압전원부(24)와;

   상기 가스처리관(10)으로 유입되는 배기가스의 온도를 검출하는 온도센서(30)와;

   상기 가스처리관(10)으로 유입되는 배기가스를 선택적으로 가열하는 히터(40)와;

   상기 히터(40)로 구동전류를 공급하기 위한 히터구동부(42);

   상기 온도센서(30)의 검출값에 의해 히터구동부(42)를 제어함과 동시에 저압전원부를 제어하는 제어부(50)로 구성된 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스처리관(10)은 직사각 단면을 갖도록 구성되며,복수의 격벽(16)에 격리되는 복수의 셀(18)로 구성되고, 각각의 셀(18)에는 한 쌍의 전극이 배치된 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 각각의 격벽(16)에는 연통공(16a)이 형성되어 인접되는 셀(18)이 상호 연통하도록 구성됨을 특징으로 하는 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 히터(40)는 가스 유입관(12)의 내측에 위치되어 배기가스를 직접 가열하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 히터(40)는 가스 유입관(12)의 외측에 위치되어 배기가스를 직접 가열하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 저압전원부(24)로부터 발생되는 전원은 고주파인 것을 특징으로 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 저압전원부(94)로부터 발생되는 전원은 저주파인 것을 특징으로 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항에 있어서, 상기 전극은 가스처리관내의 온도상승에 따라 상호 멀어지도록 구성된 한 쌍의 바이메탈 전극(20)(22)인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치
9. 제 1 항에 내지 제 7 항에 있어서, 상기 전극은 가스처리관내의 온도상승에 따라 상호 멀어지도록 구성된 한 쌍의 열반응 수축전극(60)(62)을 사용하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치.
10. 제 1 항에 있어서 배기가스처리관(10)의 주위에 열차단을 위한 단열재가 설치된 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 저압전원부(24)와 배기가스처리관(10)의 주변에 전자파 차폐막이 설치된 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치.
12. 격벽에 의해 구분되며 각각 한 쌍의 바이메탈전극을 갖춘 복수의 셀을 형성하고, 각각의 셀로 유입되는 배기가스의 온도가 설정값 이하이면 히터를 이용하여 배기가스를 가열하고, 이상이면 그대로 셀로 도입시키고, 상기 바이메탈전극에 저압전원을 인가하여 플라즈마 방전을 개시하며, 배기가스의 열에너지와 플라즈마의열에너지에 의해 한 쌍의 바이메탈전극이 점차 상호 멀어지도록 변환되어 배기가스처리관 내에서 플라즈마 영역을 확산시켜 배기가스를 정화하는 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화방법.
13. 제 12항에 있어서, 상기 배기가스처리관은 직사각단면을 갖도록 구성하고, 유입관은 원통형으로 구성하되 유입관내의 배기가스에 와류를 형성하여 플라즈마 가스의 흐름을 정형화하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화방법.