KR20180001821U - 음전극의 방열구조 및 이를 포함하는 플라즈마 스크러버 - Google Patents

음전극의 방열구조 및 이를 포함하는 플라즈마 스크러버 Download PDF

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Abstract

본 고안은 음전극의 방열구조에 관한 것으로서, 토치부(110)를 구성하는 음전극의 일측에 연결되어 상기 음전극에 냉각수를 전달하는 냉각수공급관(1141)으로 구성된 음전극 방열구조에 있어서, 상기 냉각수와 접촉하는 상기 음전극의 표면(114a)은 비평탄하게 구비됨으로써 음전극과 냉각수와의 접촉면적이 증가된다.

Description

음전극의 방열구조 및 이를 포함하는 플라즈마 스크러버{HEAT RADIATING STRUCTURE OF CATHODE}
본 고안은 음전극의 방열구조 및 이를 포함하는 플라즈마 스크러버 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음전극과 냉각수와의 접촉면적을 증가시킬 수 있도록 구성된 음전극의 방열구조 및 이를 포함하는 플라즈마 스크러버에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마는 전기적 극성을 갖는 전자 및 이온으로 구성된 제 4의 물질 상태로 알려져 있으며 전체적으로 음과 양의 전하수가 거의 같은 밀도로 분포되어 전기적으로 거의 중성인 상태이다. 플라즈마는 아크처럼 온도가 높은 고온 플라즈마와 전자의 에너지는 높지만 이온의 에너지가 낮아 실제로 느끼는 온도는 실온에 가까운 저온 플라즈마로 분류되며 대부분 직류, 교류, 초고주파, 전자빔 등의 전기적 방전에 의해 생성된다.
대한민국 공개특허 10-2016-0043820호는 이러한 플라즈마를 이용하여 폐 가스 등을 처리하는 장치 구성이 개시되어 있다. 일반적으로 이러한 플라즈마 발생 방식 중 하나는 아크 방전을 통하여 플라즈마를 발생시키는 것으로, 이 경우, 플라즈마 스크러버는, 아크 방전을 통하여 토치(화염)를 발생시키는 토치부; 상기 토치부로부터 발생한 토치가 연장되어 유입되는 처리가스(폐 가스)를 처리하는 반응부; 및 상기 반응부에서 처리된 가스가 물 등에 의하여 스크러빙되며 온도가 감소하는 스크러빙부로 이루어진다.
상기와 같은 토치부의 음전극과 양전극에 아크가 발생하면 음전극에 고전류가 통전되어 고온의 상태가 되며, 고온산화로 인한 음전극이 침식이 발생하기 때문에 음전극이 교체가 자주 이루어지는 문제점이 있다.
국내등록특허 제10-1645813호, "플라즈마 처리 장치"(2016.07.29.) 국내등록특허 제10-0904663호, "플라즈마 아크 토치를 이용한 스크러버"(1009.06.18.)
본 고안은 상기와 같은 문제점을 해소하고자 안출된 것으로서, 본 고안의 목적은 음전극과 냉각수와의 접촉부위를 비평탄면으로 구성하여 전극과 냉각수와의 접촉면적을 증가시킬 수 있도록 구성된 음전극의 방열구조 및 이를 포함하는 플라즈마 스크러버에 관한 것이다.
한편, 본 고안에 명시되지 않은 또 다른 목적들은 후술하는 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 음전극의 방열구조는, 토치부(110)를 구성하는 음전극의 일측에 연결되어 상기 음전극에 냉각수를 전달하는 냉각수공급관(1141)으로 구성된 음전극 방열구조에 있어서, 상기 냉각수와 접촉하는 상기 음전극의 표면(114a)은 비평탄하게 구비된다.
바람직하게는, 상기 냉각수공급관의 내부에는 상기 냉각수공급관의 내면과 이격되는 스트로우 형태의 배출관(1142)이 구비되며, 상기 전극의 표면은 원추형 또는 역원추형으로 구비된다.
본 고안에 따른 음전극의 방열구조 및 이를 포함하는 플라즈마 스크러버는 전극 내부의 냉각수공급관과 맞닿는 전극의 표면을 원추형 또는 역원추형, 파형 등과 같은 비평탄면으로 구성하여 음전극과 냉각수와의 접촉면적을 증가시킴으로써 전극의 방열을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 냉각수공급관에 스트로우 형태의 배출관을 마련하여 냉각수를 빠르고 원활히 순환시킴에 따라 음전극에 전달되는 냉각수의 방열효율이 증가되는 효과가 있다.
도 1은 본 고안의 일 실시예에 따른 음전극의 방열구조를 포함하는 플라즈마 스크러버의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 A-A의 단면도이다.
도 3의 (a)와 (b)는 본 고안의 일 실시예에 따른 반응부의 작용을 보여주는 절단사시도이다.
도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 차단벽의 다른 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 고안의 일 실시예에 따른 음전극의 절단사시도이다.
도 6의 (a)는 도 5에 도시된 음전극의 단면도이며, (b)와 (c)는 음전극의 다른 실시예를 보여주는 단면도이다.
본 고안의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 고안에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 고안의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결', "결합" 또는 "접속" 된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "연결"' "결합" 또는 "접속"될 수 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1을 참조하여 살펴보면, 본 고안의 일 실시예에 따른 음전극의 방열구조를 포함하는 플라즈마 스크러버(100)는 토치부(110), 반응부(120) 및 스크러빙부(130)를 포함하여 구성된다. 토치부(110)는 고온의 화염(토치)을 발생하는 챔버이며, 반응부(120)는 토치부(110)로부터 발생된 고온의 화염을 확장시키고, 확장된 화염의 주변에 폐 가스를 분산공급하여 폐 가스를 열분해 시킴으로써 정화처리하는 챔버이다. 스크러빙부(130)는 반응부(120)의 과열을 방지하기 위하여 반응부(120)를 냉각해주는 역할을 하는 챔버이다.
도 2를 참조하여 살펴보면, 토치부(110)는 양전극(112), 음전극(114) 및 반응가스공급관(116)을 포함하여 구성된다.
양전극(112)의 내부에는 반응가스가 유입되는 이송로(1121)가 형성되어 있으며, 이송로(1121)는 상광하협의 형태로 아래쪽으로 갈수록 점차 직경이 작아진다. 이송로(1121)의 하단부에는 음전극(114)이 구비되며, 음전극(114)과 양전극(112)은 서로 소정의 거리만큼 떨어진 상태로 위치한다. 이와 같은 음전극(114)과 양전극(112)에 전원을 인가하고 이송로(1121)를 통해 반응가스를 주입하게 되면, 아크 방전을 발생시켜 고온의 화염(토치)를 생성하게 된다. 이때 사용되는 반응가스는 헬륨, 아르곤 및 질소 등이 주로 사용되며, 본 실시예에서는 질소(N2)가 사용되는 것으로 설명한다.
도 5와 도 6을 참조하여 살펴보면, 양전극(112) 및 음전극(114)의 재질은 주로 무산소동 또는 텅스텐이 사용되며, 본 실시예에서는 텅스텐이 사용되는 것으로 설명하나 이를 한정하는 것은 아니다. 또한, 음전극(114)과 양전극(112) 사이에서 아크가 발생하면 음전극(114)에 고전류가 통전되어 고온의 상태가 되며, 고온산화로 인한 음전극(114)의 침식이 발생하기 때문에 이를 방지하기 위하여 음전극(114)에는 냉각수가 투입되는 냉각수공급관(1141)이 연결된다. 냉각수공급관(1141)의 내부에는 스트로우(straw) 형태로 이루어진 배출관(1142)이 구비된다. 냉각수공급관(1141)과 배출관(1142)은 서로 간극을 형성하고 있으며, 배출관(1141)을 통해 냉각수가 유입되면 냉각수는 배출관(1141)과 냉각수공급관(1141) 사이의 간극으로 배출되므로 냉각수의 순환이 빠르고 원활히 이루어지며, 이와 같은 냉각수의 효율적인 순환은 냉각수공급관(1141)의 내부와 접촉되어 있는 음전극의 표면(114a)을 빠르게 방열시켜주는 효과가 있다.
이때, 냉각수에 의해 음전극(114)을 좀 더 효율적으로 방열하기 위해서는 음전극(114)에 더욱 많은 냉각수가 접촉되도록 하는 것이 중요하다. 이를 위하여 냉각수공급관(1141)의 내부에 노출되어 있는 음전극의 표면(114a)은 비평탄면으로 구비되는 것이 바람직하다. 이는, 같은 면적이라 할지라고 평탄면보다는 비평탄면일 경우 외부에 노출되는 부분이 증가하기 때문이다. 이와 같은 비평탄면은 도 5와 도 6의 (a), (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이 원추형, 역원추형 및 파형 등과 같이 다양한 형태로 구비될 수 있으며 그 형태를 한정하지는 않는다. 즉, 본 실시예에 따른 음전극(112)은 냉각수공급관(1141)에 노출되는 표면(114a)이 평탄하지 않은 비평탄면으로 이루어진 것이라면 모든 포함되는 것으로 이해되어야 할 것이다.
다시, 도 2를 살펴보면, 반응가스공급관(116)은 이송로(1121)와 연결된다. 반응가스공급관(116)을 통해서 반응가스가 공급되며, 반응가스공급관(116)을 통해 유입되는 반응가스는 이송로(1121)를 나선형으로 선회하도록 배출된다. 이에 따라 반응가스를 통해 생성된 화염 또한 스월(swirl)이 형성되는 것은 당연할 것이며, 이와 같은 화염의 스월 생성을 위한 반응가스공급관(116)의 구조 및 형태는 종래에 사용되고 있는 기술이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2와 도 3을 참조하여 살펴보면, 토치부(110)로부터 생성된 화염은 토치부(110)의 하단에 연결되어 있는 반응부(120)로 유입되며, 반응부(120)는 토치부(110)로부터 유입된 화염을 확장시키고, 확장된 화염의 주변에 폐 가스를 분산공급하여 폐 가스를 열분해 시켜준다. 이와 같은 반응부(120)는 반응실(122), 차단벽(124) 및 폐가스공급관(126)을 포함하여 구성된다.
반응실(122)은 토치부(110)로부터 생성된 화염 및 폐 가스가 혼합되어 폐 가스가 열분해되는 챔버로서, 반응실(122)의 상단에는 폐가스공급관(126)이 위치한다. 폐가스공급관(126)은 공정챔버를 통해 발생된 폐 가스가 이동되어 배출되는 관로이다. 폐가스공급관(126)은 반응실(122)의 상단부에 구비된다. 폐가스공급관(126)은 본 실시예와 같이 반응실(122)의 제일 상측에 위치하는 차단벽(124)의 상측에 위치할 수도 있으며, 반응실(122) 상단부의 차단벽(124) 사이에 위치하도록 구비될 수도 있다. 또한, 폐가스공급관(126)은 차단벽(124)들 사이마다 각각 구비될 수도 있다. 폐가스공급관(126)을 통해 공급되는 폐 가스는 반응실(122)에서 나선형으로 회전하며 스월을 형성하며 화염과 혼합된다. 화염 및 폐 가스는 스월을 통해 회전 방향성을 가지게 되므로 반응실I(122) 내의 아래쪽으로 빠르게 빠져나가게 된다. 그러나 효율적인 폐 가스의 열분해를 위해서는 반응실(122) 내에서 폐 가스와 화염이 오래도록 머물면서 반응을 일으키도록 해야 하며, 이를 위하여 본 고안의 일 실시예에 따른 반응실(122)에는 차단벽(124)이 설치된다.
차단벽(124)은 화염을 반응실(122) 내에서 좀 더 오래 머물게 함과 동시에 화염을 분산·확장 및 산란시켜줌으로써 화염과 폐 가스의 반응시간이 증가하게 되며, 이로 인해 폐 가스의 열분해가 보다 효율적으로 수행된다. 이와 같은 차단벽(124)은 반응실(122)의 길이방향을 따라 적어도 하나 이상이 구비되며, 본 실시예에서는 4개의 차단벽(124)이 순차적으로 설치되어 있는 것으로 도시되어 있으나 이는 바람직한 실시예로 차단벽(124)의 개수를 한정하는 것은 아니다.
차단벽(124)의 가장자리에는 하나의 배출구(1241)가 형성되어 있으며, 배출구(1241)는 차단벽(124)의 상측과 하측의 공간이 연결되도록 차단벽(124)에 천공된 형태로 구비된다. 반응실(122)에 순차적으로 설치되어 있는 차단벽(124)들의 배출구(1241)들은 서로 다른 수직선상에 위치하도록 마련된다. 구체적으로 4개의 배출구(1241)는 차단벽(124)의 중심을 기준으로 사방에 각각 하나씩 위치하도록 구비될 수 있다. 이와 같이 배출구(1241)가 서로 다른 위치에 구비되면, 차단벽(124) 사이로 유입되는 화염 및 폐 가스의 입구와 출구가 달라지게 되므로 화염 및 폐 가스의 산란 및 확장이 더욱 효과적으로 일어나게 된다. 또한, 본 실시예에서는 배출구(1241)가 차단벽(124)의 두께를 따라 수직하게 형성되어 있는 것으로 도시되어 있으나. 이는 하나의 실시예로 이를 한정하는 것은 아니며, 도 4에 도시되어 있는 것과 같이 배출구(1241)는 차단벽(124)의 두께를 따라 상하방향으로 경사지도록 구비될 수도 있다. 이와 같이 배출구(1241)가 경사지게 구비되면 배출구(1241)를 통과하는 화염 및 폐 가스의 스월이 더욱 증가되는 효과가 있다.
도 2와 도 3을 참조하여, 상기와 같은 차단벽(124)의 작용을 살펴보면, 토치부(110)를 통해 스월이 형성된 화염은 반응실(122)에 유입되는 폐 가스와 혼합하여 폐 가스를 열처리시킨다. 이때, 반응가스와 폐 가스는 스월을 형성하며 하강하고, 하강시 차단벽(124)에 맞닿게 되면서 화염 및 폐 가스의 스월이 산란 및 분산된다. 스월의 산란은 화염 및 폐 가스의 혼합을 용이하게 할 뿐만 아니라 하강하는 시간을 막아줌으로써 화염을 통한 폐 가스의 반응시간을 좀 더 길게 연장시켜준다. 차단벽(124)에 막혀 산란된 화염 및 폐 가스는 다시 하측 차단벽(124)의 배출구(1241)를 통과하여 아래쪽으로 이동하며 아래쪽으로 이동된 화염 및 폐 가스의 스월은 다시 차단벽(124)에 가로막힘으로써 화염 및 폐 가스의 스월이 더욱 확장되도록 분산 및 산란된다. 이와 같은 스월의 산란 및 분산 작용은 차단벽(124)을 지날때마다 일어나게 되며, 차단벽(124)을 통과할때마다 스월의 분산 및 산란은 점점 크게 증가·확장된다. 이와 같이 차단벽(124) 사이에서 화염 및 폐가스의 스월이 산란 및 분산, 확장됨에 따라 화염 및 폐 가스가 반응실(122)에 머무르는 시간이 증가할 뿐만 아니라 화염 및 폐 가스가 반응실(122) 내에 고르게 퍼져 분포됨으로써 화염을 통한 폐 가스의 열처리효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
스크러빙부(130)는 반응부(120)에서 처리된 가스가 물 등에 의하여 스크러빙되며 온도를 감소시켜주는 챔버로써, 종래에 많이 사용되고 있는 구성이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 고안에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 고안의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 고안의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 고안에 개시된 실시예들은 본 고안의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 고안의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 고안의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 고안의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100:플라즈마 스크러바 110:토치부
112:양전극 114:음전극
1141:냉각수공급관 1142:배출관
116:반응가스공급관 120:반응부
122:반응실 124:차단벽
1241:배출구 126:폐가스공급관
130:스크러빙부

Claims (4)

  1. 토치부(110)를 구성하는 음전극의 일측에 연결되어 상기 음전극에 냉각수를 전달하는 냉각수공급관(1141)으로 구성된 음전극 방열구조에 있어서,
    상기 냉각수와 접촉하는 상기 음전극의 표면(114a)이 비평탄하게 구비됨에 따라 상기 음전극과 상기 냉각수의 접촉면적이 증가하는 것을 특징으로 하는 음전극의 방열구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수공급관의 내부에는 상기 냉각수공급관의 내면과 이격되는 스트로우 형태의 배출관(1142)이 구비되는 것을 특징으로 하는 음전극의 방열구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극의 표면은 원추형 또는 역원추형으로 구비되는 것을 특징으로 하는 음전극의 방열구조.
  4. 아크 방전을 통하여 화염(토치)을 발생시키는 토치부(110), 상기 토치부로부터 발생한 화염을 이용하여 폐 가스를 열처리하는 반응부(120), 및 상기 반응부에서 처리된 가스를 스크러빙 하는 스크러빙부(130)를 포함하는 플라즈마 스크러버 장치에 있어서,
    상기 토치부를 구성하는 음전극(114)의 방열구조는 청구항 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 구조인 것을 특징으로 하는 음전극의 방열구조를 포함하는 플라즈마 스크러버.
KR2020160007173U 2016-12-09 2016-12-09 음전극의 방열구조 및 이를 포함하는 플라즈마 스크러버 KR200488645Y1 (ko)

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