KR20210030040A - 일산화질소 발생장치 - Google Patents

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KR20210030040A
KR20210030040A KR1020190111477A KR20190111477A KR20210030040A KR 20210030040 A KR20210030040 A KR 20210030040A KR 1020190111477 A KR1020190111477 A KR 1020190111477A KR 20190111477 A KR20190111477 A KR 20190111477A KR 20210030040 A KR20210030040 A KR 20210030040A
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엄환섭
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엄환섭
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Abstract

본 발명은 전자파 플라즈마 토치에 의한 고온 환경에서 질소 원자가 산화하는 현상을 이용하여 일산화질소를 대량으로 발생시키는 일산화질소 발생장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 일산화질소 발생장치는, 외부에서 전력을 공급받아 미리 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부; 상기 전자파 공급부에서 공급되는 전자파로 플라즈마 토치를 형성하는 방전부; 질소에 산소를 혼합한 와류 가스를 상기 방전부에 와류 형태로 제공하는 와류가스 공급부; 상기 방전부의 외부에 설치되며, 상기 방전부를 외부 공기로부터 차단하는 차단부; 상기 방전부에 연결되어 설치되며, 상기 방전부에서 제공되는 일산화질소를 냉각하는 냉각부;를 포함한다.

Description

일산화질소 발생장치{Apparatus of nitrogen monoxide generation}
본 발명은 일산화질소 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자파 플라즈마 토치에 의한 고온 환경에서 질소 원자가 산화하는 현상을 이용하여 일산화질소를 대량으로 발생시키는 일산화질소 발생장치에 관한 것이다.
일산화질소(NO)가 살아있는 세포 속에서 신호분자로서의 역할을 한다는 현상이 20여 년 전에 발견된 뒤에 일산화질소의 중요성이 더욱 강조되고 있다. 예를 들어 일산화질소는 상피세포를 이완하여 혈관을 확장하고 혈액순환을 도우며, 상처부위의 피를 빨리 응고하도록 한다. 또한 일산화질소는 비정상세포를 사멸하도록 하고 신경세포를 자극하여 신호 전달를 촉진하고 기억력을 향상시키며, 호르몬이 정상적으로 분비하게 하고 성기능을 강화한다.
그리고 일산화질소는 미생물 침입을 차단하고 종양성장을 억제하여 면역력이 향상되도록 하며, 적응력 강화로 스트레스가 해소되도록 하고, 간 기능을 향상하고 소화기 계통 병을 억제한다. 이러한 이유로 일산화질소는 의료분야에 많이 이용될 수밖에 없다.
그런데 이러한 일산화질소는 자연에 거의 존재하지 않으며, 필요할 경우 만들어 사용해야만 한다. 이러한 맥락에서 종래에도 전자파 플라즈마를 이용한 일산화질소 발생방법에 관한 것으로 고온에서 질소 원자를 산화하여 일산화질소를 발생하는 기술들이 제시되어 있다.
그러나 이 기존의 기술에서는 대기 중의 공기가 질소의 산화 부위에 유입되어 일산화수소(OH)가 동시에 발생하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 전자파 플라즈마 토치에 의한 고온 환경에서 질소 원자가 산화하는 현상을 이용하여 일산화수소 발생없이 일산화질소를 대량으로 발생시키는 일산화질소 발생장치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 일산화질소 발생장치는, 외부에서 전력을 공급받아 미리 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부; 상기 전자파 공급부에서 공급되는 전자파로 플라즈마 토치를 형성하는 방전부; 질소에 산소를 혼합한 와류 가스를 상기 방전부에 와류 형태로 제공하는 와류가스 공급부; 상기 방전부의 외부에 설치되며, 상기 방전부를 외부 공기로부터 차단하는 차단부; 상기 방전부에 연결되어 설치되며, 상기 방전부에서 제공되는 일산화질소를 냉각하는 냉각부;를 포함한다.
그리고 본 발명에서 상기 전자파 공급부는, 전원을 공급하는 전원 공급부; 상기 전원 공급부에 연결되어 설치되며, 상기 전원 공급부에서 공급되는 전원을 이용하여 미리 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 발진부; 상기 전자파 발진부에 연결되어 설치되며, 상기 전자파 발진부에 의하여 제공되는 전자파를 출력하고 임피던스 부정합으로 반사되는 반사파를 흡수하는 전자파 순환기; 상기 전자파 순환기에 연결되어 설치되며, 상기 전자파 순환기에서 입사되는 입사파와 반대편에서 반사되는 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도하는 스터브 튜너; 상기 스터브튜너에 연결되어 설치되며, 상기 스터브 튜너에서 입력되는 전자파를 상기 방전관에 전송하는 도파관;을 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 전자파 발진부는, 마그네트론 또는 반도체 전력증폭기(Solid State Power Amplifier)인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 일산화질소 발생장치에는, 상기 전자파 순환기와 상기 스터브튜터 사이에 설치되며, 상기 전자파 순환기에서 입사되는 전자파와 상기 스터브튜너에서 입사되는 반사파의 세기를 모니터링하는 방향성 결합기가 더 구비되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 스터브튜너는, 상기 방향성 결합기에서 제공되는 입사파와 반사파의 세기에 대한 정보를 이용하여 상기 방전부 내에 최대의 전기장이 형성되도록 입사파와 반사파의 세기를 조절하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 방전부는 원통형으로 형성되며, 내면에 와류 형성을 위한 와류 형성부가 형성되는 방전관인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 와류가스 공급부는 질소에 적정량의 산소를 혼합한 와류가스를 상기 방전부에 와류가 형성되도록 외면의 접선 방향으로 고압 분사하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 방전부에는, 상기 방전부 내에서의 플라즈마 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일산화질소 발생장치에 따르면 전자파 플라즈마 토치에 의한 고온 환경에서 질소 원자가 산화하는 현상을 이용하여 일산화수소 발생없이 일산화질소를 대량으로 발생시킬 수 있는 현저한 효과를 달성할 수 있다.
이하에서 이러한 효과 발생 이유를 설명한다.
일산화질소를 가장 효율적으로 합성하는데 필요한 질소 원자는 전자의 충돌에 의한 질소분자의 분리로 만들어진다. 즉 N 2 + e → N + N + e 이다. 이때 전자파 플라즈마 토치 속의 전자에 의하여 질소 분자를 2개의 질소원자로 분해하게 되며 그 분해상수는 다음과 같다.
Figure pat00001
(1)
여기서 T e 는 전자에너지를 나타내는 전자의 온도를 eV의 단위로 표시한 것이다. 이렇게 생산된 질소 원자가 고온의 산소분자 속에서
Figure pat00002
(2)
로 연소하면서 일산화질소를 발생하는데 이 연소반응 상수는
Figure pat00003
(3)
로서 여기서 T 는 토치 불꽃의 절대온도이고 T r 는 상온의 절대온도 293K를 의미한다. 식(2)에 표시한 연소반응이 잘 일어날수록 일산화질소의 합성이 더욱 효율적이다. 그 현상은 식(3)의 반응상수의 크기로 결정된다.
도 5는 연소반응 상수를 기체의 온도 T 의 함수로 표시한 그래프이다. 온도가 상온 300K에서 올라갈수록 식 (3)의 연소반응 상수가 기하급수적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 그래서 절대온도 2000K가 되어야 일산화질소가 효율적으로 합성이 되는 것을 볼 수 있다. 이러한 맥락에서 전자파 플라즈마 토치는 필요한 전자를 제공함과 동시에 고온의 환경을 만들어 주게 된다.
그렇다면 일산화수소가 발생하는 과정과 발생된 일산화수소가 미치는 피해를 고찰해본다. 전자파 플라즈마 토치 속의 전자는 질소 분자를 다음과 같이 N 2 + e N 2(A 3u +)+e 여기시키며, 질소분자의 여기계수 α N2 * (Excitation coefficient)는 전자의 에너지의 함수로 다음과 같이 표시된다.
Figure pat00004
(4)
전자의 온도는 일반적으로 1에서 수 eV이다. 공간속에서 전자의 평균 자유이동거리 (Mean Free Path)는 기체밀도에 반비례하며 기체의 충돌면적이 크면 작아진다. 그런데 전자의 자유이동거리가 길수록 전자의 온도가 증가한다. 대기압 상온에서 기체밀도가 2.61019/cm3일 때 온도가 약 1eV이며 3000K에서 기체밀도는 십분의 1로 줄어들기 때문에 전자의 자유이동거리가 크게 길어질 것이고 전자의 온도 또한 많이 높아질 것으로 예상된다. 고온에서 전자의 온도 측정은 불가능하나 수 eV가 될 것으로 예상한다.
도 6은 식4의 여기계수를 전자온도의 함수로 표시한 것이다. 식 4의 여기계수가 전자의 온도 T e 에 기하급수적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 예를 들어 전자 온도 3eV일 때 여기계수는 1eV때에 비하여 100배 이상 증가한 것을 볼 수 있다. 이것은 여기 된 질소분자의 수도 기하급수적으로 증가한다는 것을 의미하기도 한다.
이렇게 여기 된 분자는 오랜 시간 동안 준 안전 상태로 머물게 된다. 그러다 물 분자를 만나면 다음과 같이 물 분자를 분해한다.
Figure pat00005
(5)
여기서 여기 된 질소분자는 기저상태 N 2로 돌아가면서 물 분자를 OH 와 수소원자로 분해하게 된다. 식 (5)의 물 분자 분해반응 상수는
Figure pat00006
(6)
다시 말해서 아주 미세한 량의 물이 함유되어 있으면 질소분자의 플라즈마 속에서 일산화수소가 이와 같이 발생하게 되는 것이다. 그럼에도 불구하고 대기 중에는 상당한 량의 물이 함유되어 있다. 따라서 대기 중의 공기가 질소의 산화 부위에 유입되는 것을 방지해야 한다.
이렇게 대기 중의 물 분자로 인하여 발생한 일산화수소는 일산화질소를 만나 OH+NOHNO 2 아질산이라는 약산을 만든다. 한편 일산화질소를 만드는 과정의 식(2)에서 발생한 산소원자는 일산화질소와 반응하여 NO+O 2 NO 2 이산화질소를 만들어낸다.
이 이산화질소는 일산화수소와 만나 OH+NO 2HNO 3 질산이라는 강산을 만들어낸다. 이처럼 대기 중의 미량의 물 분자에 의하여 발생한 일산화수소는 필경 아질산 내지는 질산을 발생하게 된다.
그래서 본 발명과 같이 대기 중의 물 분자를 완벽하게 차단할 필요가 있는 것이다. 이렇게 해야 산이 발생하지 않는 고 순도 일산화질소를 대량으로 생산할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화질소 발생장치의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 공급부의 구성을 도시하는 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방전부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 와류가스 공급부와 방전부의 결합관계를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 질소 원자가 산소분자 속에서 산화하는 연소반응 상수를 기체의 온도 T 의 함수로 표시한 그래프이다.
도 6은 발명의 일 실시 예에 따른 질소분자가 전자파 플라즈마 토치의 전자에 의하여 여기되는 여기계수를 전자온도 T e 의 함수로 표시한 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 일산화질소 발생장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 전자파 공급부(110), 방전부(120), 와류 가스 공급부(130), 차단부(140) 및 냉각부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 전자파 공급부(110)는 외부에서 전력을 공급받아 미리 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 구성요소이다. 즉, 상기 전자파 공급부(110)는 상기 방전부(120)의 플라즈마 토치 발생에 필요한 기 설정된 주파수의 전자파를 제공하는 것이다.
이를 위하여 본 실시예에서는 상기 전자파 공급부(110)를 구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 전원 공급부(111), 전자파 발진부(112), 전자파 순환기(113), 스터브 튜너(114) 및 도파관(115)을 포함하여 구성할 수 있다. 먼저 상기 전원 공급부(111)는 도 2에 도시된 바와 같이, 외부 전원(10)에서 공급되는 전원을 수취하여 상기 전자파 발진부(112)에 공급하는 구성요소이다.
그리고 상기 전자파 발진부(112)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전원 공급부(111)에 연결되어 설치되며, 상기 전원 공급부(111)에서 공급되는 전원을 이용하여 미리 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 구성요소이다. 이를 위하여 본 실시예에서는 상기 전자파 발진부(112)를 구체적으로 마그네트론(magnetron) 또는 반도체 전력증폭기(Solid State Power Amplifier)로 구성될 수 있다.
다음으로 상기 전자파 순환기(113)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전자파 발진부(112)에 연결되어 설치되며, 상기 전자파 발진부(112)에 의하여 제공되는 전자파를 출력하고 임피던스 부정합으로 반사되는 반사파를 흡수하는 구성요소이다. 즉, 상기 전자파 순환기(113)는 상기 전자파 발진부(112)와 상기 스터브 튜너(114) 사이에 설치되어 상기 전자파 발진부(112)에 의하여 발진하는 전자파를 정방향으로 흘려보내고 반대 방향에서 반사되어 오는 반사파를 흡수하여 상기 전자파 발진부(112)를 보호하는 것이다.
다음으로 상기 스터브 튜너(114)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전자파 순환기(113)에 연결되어 설치되며, 상기 전자파 순환기(113)에서 입사되는 입사파와 반대편에서 반사되는 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도하는 구성요소이다. 즉, 상기 스터브 튜너(114)는 상기 방전부(120) 내에 최대의 전기장이 형성되도록 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도하는 것이다.
다음으로 상기 도파관(115)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 스터브 튜너(114)에 연결되어 설치되며, 상기 스터브 튜너(114)에서 입력되는 전자파를 상기 방전부(120)에 전송하는 구성요소이다.
그리고 본 실시예에 따른 일산화질소 발생장치에는 방향성 결합기(116)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 상기 방향성 결합기(116)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전자파 순환기(113)와 상기 스터브 튜너(114) 사이에 설치되며, 상기 전자파 순환기(113)에서 입사되는 전자파와 상기 스터브 튜너(114)에서 입사되는 반사파의 세기를 모니터링하는 구성요소이다.
따라서 상기 스터브 튜너(114)는, 상기 방향성 결합기(116)에서 제공되는 입사파와 반사파의 세기에 대한 정보를 이용하여 상기 방전부(120) 내에 최대의 전기장이 형성되도록 입사파와 반사파의 세기를 조절하는 방식으로 정확한 임피던스 정합을 유도하는 것이다.
다음으로 상기 방전부(120)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 전자파 공급부(110)와 연결되어 설치되며, 상기 전자파 공급부(110)에서 공급되는 전자파로 플라즈마 토치를 형성하는 구성요소이다. 이를 위하여 상기 방전부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이, 전체적으로 원통형 방전관으로 형성되며, 상기 방전관 내면에 와류 형성을 위한 와류 형성부(122)가 형성되는 것이 바람직하다. 이렇게 형성된 와류 형성부(122)에 의하여 상기 와류 가스 공급부(130)에 의하여 공급되는 와류 가스가 결렬한 와류를 형성하면서 상기 방전관을 통과하게 되고, 효과적으로 일산화질소가 생성된다.
다음으로 상기 와류가스 공급부(130)는 도 1에 도시된 바와 같이, 질소에 산소를 혼합한 와류 가스를 상기 방전부(120)에 와류 형태를 이루도록 제공하는 구성요소이다. 즉, 상기 와류가스 공급부(130)에 의하여 상기 방전부(120)로 공급되는 와류 가스가 필연적으로 상기 방전부(120) 내에서 와류를 형성하면서 이동하도록 와류 가스를 상기 방전부(120) 내부로 공급하는 것이다. 이를 위하여 본 실시예에서 상기 와류가스 공급부(130)는, 질소에 적정량의 산소를 혼합한 와류가스를 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 방전부(120)에 와류가 형성되도록 방전관 외면의 접선 방향으로 고압 분사하는 것이 바람직하다.
이렇게 공급된 상기 와류 가스는 상기 방전관 내의 와류 형성부(122)를 따라 흐르면서 와류를 형성한다.
다음으로 상기 차단부(140)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 방전부(120)의 외부에 설치되며, 상기 방전부(120)를 외부 공기로부터 차단하는 구성요소이다. 상기 방전부(120)에서 발생되는 일산화질소는 대기중의 물분자와 만나면 전술한 바와 같이, 일산화수소 및 아질산 등을 생성하는 문제가 발생한다. 또한 대기 중의 산소 분자와 만나면 다시 산화하여 이산화질소가 되므로, 상기 차단부(140)에 의하여 상기 방전부(120)를 대기로부터 완전하게 차단하는 것이다.
다음으로 상기 냉각부(150)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 방전부(120)에 연결되어 설치되며, 상기 방전부(120)에서 제공되는 일산화질소를 냉각하는 구성요소이다. 즉, 상기 냉각부(150)는 상기 방전부(120)에서 고온으로 형성된 일산화질소를 세포 등에 적용하기에 적정한 온도로 냉각하는 것이다.
그리고 상기 냉각부(150)에 의하여 냉각된 일산화질소는 적용부(170)로 보내져서 세포 등 필요한 용도에 적용된다. 따라서 상기 적용부(170)는 그 적용 용도에 따라 다양한 형상으로 변화될 수 있다.
한편 본 실시예에 따른 상기 방전부(120)에는 도 1에 도시된 바와 같이, 점화부(160)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 상기 점화부(160)는 상기 방전부(120) 내에서의 플라즈마 발생을 위한 초기 전자를 공급하여 플라즈마 토치 발생의 초기 시점에서 원활한 점화가 이루어지도록 하는 것이다.
100 : 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화질소 발생장치
110 : 전자파 공급부 120 : 방전부
130 : 와류 가스 공급부 140 : 차단부
150 : 냉각부 160 : 점화부
170 : 적용부

Claims (8)

  1. 외부에서 전력을 공급받아 미리 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부;
    상기 전자파 공급부에서 공급되는 전자파로 플라즈마 토치를 형성하는 방전부;
    질소에 산소를 혼합한 와류 가스를 상기 방전부에 와류 형태를 이루도록 제공하는 와류가스 공급부;
    상기 방전부의 외부에 설치되며, 상기 방전부를 외부 공기로부터 차단하는 차단부;
    상기 방전부에 연결되어 설치되며, 상기 방전부에서 제공되는 일산화질소를 냉각하는 냉각부;를 포함하는 일산화질소 발생장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전자파 공급부는,
    전원을 공급하는 전원 공급부;
    상기 전원 공급부에 연결되어 설치되며, 상기 전원 공급부에서 공급되는 전원을 이용하여 미리 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 발진부;
    상기 전자파 발진부에 연결되어 설치되며, 상기 전자파 발진부에 의하여 제공되는 전자파를 출력하고 임피던스 부정합으로 반사되는 반사파를 흡수하는 전자파 순환기;
    상기 전자파 순환기에 연결되어 설치되며, 상기 전자파 순환기에서 입사되는 입사파와 반대편에서 반사되는 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도하는 스터브 튜너;
    상기 스터브튜너에 연결되어 설치되며, 상기 스터브 튜너에서 입력되는 전자파를 상기 방전관에 전송하는 도파관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 일산화질소 발생장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전자파 발진부는,
    마그네트론 또는 반도체 전력증폭기(Solid State Power Amplifier)인 것을 특징으로 하는 일산화질소 발생장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전자파 순환기와 상기 스터브튜터 사이에 설치되며, 상기 전자파 순환기에서 입사되는 전자파와 상기 스터브튜너에서 입사되는 반사파의 세기를 모니터링하는 방향성 결합기가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 일산화질소 발생장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스터브튜너는,
    상기 방향성 결합기에서 제공되는 입사파와 반사파의 세기에 대한 정보를 이용하여 상기 방전부 내에 최대의 전기장이 형성되도록 입사파와 반사파의 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 일산화질소 발생장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 방전부는,
    원통형으로 형성되며, 내면에 와류 형성을 위한 와류 형성부가 형성되는 방전관인 것을 특징으로 하는 일산화질소 발생장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 와류가스 공급부는,
    질소에 적정량의 산소를 혼합한 와류가스를 상기 방전부에 와류가 형성되도록 외면의 접선 방향으로 고압 분사하는 것을 특징으로 하는 일산화질소 발생장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 방전부에는,
    상기 방전부 내에서의 플라즈마 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 일산화질소 발생장치.
KR1020190111477A 2019-09-09 2019-09-09 일산화질소 발생장치 KR20210030040A (ko)

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