KR20110107044A - 플라즈마 복합 배기가스 후처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 복합 배기가스 후처리 장치에 관한 것으로서 자동차 배기가스의 일반적인 후처리 장치에 별도의 구조변경 없이 장착하여 배기가스의 잔여 오염원을 소거 하는데 목적이 있으며 더 자세하게 설명하면 자동차의 배출가스 후처리장치 배기구 종단에 장착되는 별도의 배기관에 벤추리관을 도입하여 배기가스의 유속변화에 의하여 흡입되는 대기중의 산소를 배기가스와 혼합 교반하여 주도록 구성하는 단계, 상기 관 내부에 수용되며 상기 도입된 산소와 혼합되어 산화 되지 못한 결합 고리가 강한 유해가스의 분자결합을 해체할 수 있는 에너지를 갖는 저온플라즈마를 장치하는 단계, 상기 장치 다음위치에 저온플라즈마에 의하여서 해체하지 못한 가스의 연소와 광반응 촉매의 반응원 을 제공하기 위한 고온의 아크플라즈마를 설치하는 단계, 상기 다음 위치에 플라즈마 아크에서 발생되는 광원에 반응하여 말단 배기가스의 잔여분을 소거하도록 하는 촉매를 설치하여 배기가스의 유해성분을 소거하고 환원시키도록 하는 특징을 지닌 플라즈마 복합 배기가스 후처리 장치를 제공하는 것이다.

상기 본 발명에 의하면 종래 배기가스 후처리를 위한 배기관 내부에 강제적으로 산소를 도입하여 혼합공정에서 배기가스를 산화 하거나 역류를 방지하는 시스템과, 열에너지에 반응하는 촉매로서 예비 가열시간이 필요하던 촉매형 후처리 장치의 단점을 해소하는 것은 물론 플라즈마에 의한 가속전자와 이온과 아크에 의한 빛 파동과 열에너지, 빛에 반응하는 촉매의 라디칼 생성작용에 의하여 안전하고도 효율적인 자동차 배기가스의 개질처리가 이루어지는 효과가 있다.

저온 플라즈마. 아크 플라즈마. 광반응 촉매. 반응영역. 배기가스 개질.

Description

플라즈마 복합 배기가스 후처리 장치{Plasma unit of vehicle emission control}

벤추리 효과에 의한 강제 가스혼합, 저온 및 고온플라즈마, 촉매의 반응을 유도하는 복합기술.

플라즈마는 물리학에서 고체, 액체, 기체와 구분되는 물질의 제4의 상태라고 특정하고 집단행동으로 특징지어지는, 중성입자와 전하를 띤 입자들의 준중성 기체로 정의하게 된다. 현재까지의 플라즈마를 구분하는 분류는 크게는 플라즈마의 온도로서 구분하는 것이 일반적이다. 완전하게 열역학적으로 평등을 이루는 플라즈마는 인공적으로 만들 수 없으나 우주 행성의 진화가 진행되면서 생성되는 초고온의 플라즈마 상태는 열역학적으로 평등한 플라즈마이다. 완전한 열역학적인 평형이 인공으로 생산하는 플라즈마 전체에서 이루어지기는 쉽지 않은데 이는 플라즈마 가장자리에서와 플라즈마 본체에서의 온도가 다르기 때문이다. 하지만 특정조건, 예를 들어 평균 자유행로의 몇 배 정도 내에서는 국부적인 열역학적인 평형이 가능하다. 국부적으로 평형에 도달한 이러한 플라즈마를 국부열역학 평형플라즈마 또는 LTE(local thermodynamic equilibrium)플라즈마 라고 한다. 소위 우리가 산업에 이 용하는 고온의 플라즈마가 여기에 속한다. 그 다음으로 대기압상에서 플라즈마는 직류나 교류 전류에 의해서 플라즈마가 만들어 지는데 대부분 LTE 플라즈마 조건을 만족하지 않아 이경우를 비LTE 플라즈마라고 하고 우리가 말하는 저온 플라즈마가 여기에 속한다.

이러한 저온 플라즈마는 열변형이 쉬운 물질의 플라즈마 공정에 이용되면서 산업상으로 중요한 기술로 자리 잡기 시작하고 다양한 분야에 저온 플라즈마를 대기압 상에서 이용하기 위한 기술적, 장치적 개발이 시작 되었다.

그러나 저온 플라즈마 공정을 위한 플라즈마의 생성과 반응 장치들을 제작하기 위하여서는 고온 플라즈마와 마찬가지로 전원의 비대화와 소스 지속적인 안정성이 있는 플라즈마를 유지하기 위한 장치적 소모가 고비용을 요구하므로 장치의 부피와 중량, 비용의 부담, 반응 영역의 한계와 같은 해결해야할 중요한 과제들이 아직 남아있다.

세계적으로 플라즈마를 배기가스에 반응시켜 가스의 유독성분을 해체하고자 하는 많은 연구들이 활발하게 진행되고 있으나 아직은 연구실 수준이고 몇개의 시제품들도 비용면이나 성능면에서 실제적으로는 실용화 되기 어려운 실정에 있다.

한편 통계상으로 제일 많은 자연오염 원인가스가 이동 오염원이라는 것이 밝혀지고 자동차의 배기가스 처리에 많은 연구와 개발이 아직도 진행되고 있으며 주목받는 대표적이고 실용적인 방법들이 다음과 같은 것들이다.

촉매를 이용하는 방법이 있는데 이 촉매는 하니컴 형태의 세라믹에 백금이나 팔라듐과 같은 귀금속을 코팅하여 배기가스의 산화을 돕는 촉매 역할을 하게 된다. 그러나 효율은 뛰어나나 반응을 하기위한 온도가 높아야 하기 때문에 예열과 시간이 필요한 것과 비용이 고가라는 단점으로 지적되어 왔었다. 다른 방법으로는 벤추리관을 배기구에 만들고 배기가스의 유속과 압력에 의하여 외부의 공기를 강제로 배기구에 유도하여 배기가스와 희석하여 혼합되는 과정에서 산화를 시키는 방법이 있으나 배기가스를 구성하는 가스의 분자결합이 산소분자의 전자 가속에너지보다 큰 것이 더 많으므로 입자가 되는 백연과 입자성 가스의 외곽만 산화하는 단점이 있어왔다.

제일 진보된 기술로서 플라즈마를 이용하는 기술이 상용화 되어있으나 고온의 플라즈마 열에너지를 이용하는 소각 방식이기 때문에 비용이 많이 들어가고 연소의 효율보다 교통수단인 자동차라는 특성적 가치와 비교할 때 비용적인 면에서 부담이 있다는 단점이 지적되어 왔었다.

상기와 같은 단점들을 해결하기 위하여 본 발명은 저비용으로 저온플라즈마와 고온플라즈마를 복합적으로 사용하고 촉매의 단점인 반응열이 없어도 플라즈마가 발생시키는 광원에 의하여 반응하는 촉매를 플라즈마와 함께 장치 사용하여 종래의 단점들을 개선 하고자 하는 것이다.

자동차 배기구 종단에 장착 되는 배기관에 벤추리관을 도입하여 배기가스의 유속 변화에 의하여 흡입되는 대기중의 산소를 배기가스와 혼합 교반하여 주도록 구성하는 단계, 상기관 내부에 수용되며 상기 도입된 산소와 혼합되어 산화 되지 못한 결합고리가 강한 유해가스의 분자결합을 해체할 수 있는 에너지를 갖는 저온플라즈마를 장치하는 단계, 상기 다음 위치에 플라즈마 아크에서 발생되는 광원에 반응하여 배기가스의 잔여 유해성분을 소거하고 환원 시키도록 하는 특징을 지닌 플라즈마 복합 배기가스 후처리 장치를 제공하는 것이다.

상기 본 발명에 의하면 종래 배기가스 후처리를 위한 배기관 내부에 강제적으로 산소를 도입하여 혼합공정에서 배기가스를 산화 하거나 역류를 방지하는 시스템과, 열에너지에 반응하는 촉매로서 예비가열시간이 필요하던 촉매형 후처리장치의 단점을 해소하는 것은 물론 플라즈마에 의한 가속전자와 이온과, 아크에 의한 빛 파동과 열에너지, 빛에 반응하는 촉매의 라디칼 생성작용에 의하여 안전하고도 효율적인 자동차 배기가스의 개질처리가 이루어지는 효과가 있다.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하면 다음과 같다.

자동차 배기계통 종단의 배기구에 장착되는 별도의 배기관에 벤추리관을 도입하여 배기가스의 유속 변화에 의하여 흡입되는 대기중의 산소를 배기가스와 혼합 교반하여 주도록 구성하는 단계에 있어서 벤추리 효과를 이용하는 것은 종래의 여타 장치들과 다름이 없으나 도2.에서와 같이 외부에서 유입되는 공기중의 산소(A)가 배기구를 통해 배출되는 가스(G)가 벤추리 효과에 의하여 배기관 너비(C)에서 벤추리관 너비(B)로 좁아지면서 벤추리 효과에 의하여 강제 도입되는 부분은 일반 적이나 배기가스(G)와 산소(A)가 만나 혼합되는 부분(Ab)에서 저온플라즈마(101) 반응영역이 겹쳐짐으로 인하여 교반과 혼합 속도가 상승되고 산화의 속도도 빨라지는 것이 다르게 된다. 여기에서의 저온플라즈마(101)는 자동차 전원을 사용하는 직류 플라즈마 전원을 사용하고 8kv 정압으로 조정되며 별도의 소형변압기(202)는 장치관(201)의 외부에 장착하여 내열성 세라믹으로 고정되어 자동차 전원을 인가 하도록 연결되게 된다. 저온플라즈마는 혼합되는 산소를 재료로 배기되는 혼합가스의 외곽분자 결합을 해체하여 유독가스를 소거하게 된다. 상기장치 다음위치에 저온플라즈마에 의하여서 해체하지 못한 가스의 연소와 광반응 촉매(102)의 반응원을 위한 고온의 아크플라즈마를 설치하게 되는데 이 고온플라즈마는 지속적인 슬라이딩 아크를 발생시켜 저온플라즈마 반응영역에서 소거되지 못한 잔여가스를 연소하고 광반응 촉매(102)에게 반응원인 파장(D)를 제공하여 잔여가스의 소거와 산화촉매 반응을 촉진하게 된다. 상기 다음 위치에 플라즈마 아크에서 발생되는 광원에 반응하여 말단 배기가스의 잔여분을 소거하도록 하는 광반응 촉매(102)를 설치하여 배기가스의 유해성분을 소거하고 환원 시키도록 하게 되는데 이 촉매는 금속에 도핑된 이산화티탄20nm의 입자를 하니컴형의 세라믹에 코팅하여 장착하게 된다. 이 촉매(102)는 예열이 필요 없으며 아크 플라즈마가 발생시키는 광영역(D)의 파장에 반응하여 폐가스를 산화시키는 것이다. 아크 플라즈마의 전극은 장치관(201)내부에 설치되지만 전극내부(103)은 내부에 전극의 전원결합부(203)은 외부에 두어 자동차의 전원과 연결되게 하여 장치를 구성 하게 된다.

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Claims (1)

1. 자동차 배기구 종단에 장착되는 별도의 배기관에 벤추리관을 도입하여 배기가스의 유속변화에 의하여 흡입되는 대기중의 산소를 배기가스와 혼합 교반하여 주도록 구성하는 단계, 상기관 내부에 수용되며, 상기 도입된 산소와 혼합되어 산화 되지 못한 결합고리가 강한 유해가스의 분자결합을 해체할 수 있는 에너지를 갖는 저온플라즈마를 장치하는 단계, 상기장치 다음위치에 저온플라마에 의하여서 해체하지 못한 가스의 연소와 광반응 촉매의 반응원을 제공하기 위한 고온의 아크플라즈마를 설치하는 단계, 상기 위치에서 발생되는 광원에 반응하여 배기가스의 잔여 유효성분응 소거하고 환원 시키도록 하는 특징을 지닌 플라즈마 복합 배기가스 후처리장치.

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