KR20210127777A - 가스 처리용 플라즈마 반응기 - Google Patents

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KR20210127777A
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스테판 앤드류 맥클러랜드
3세 조지 스티븐 레오나드
재 모 구
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리카본 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로(20); 플라즈마 공동을 형성하기 위해 도파로(20) 내에 배치된 내부벽(40)으로서, 플라즈마(46)는 마이크로파 에너지를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 발생되는, 내부벽; 도파로(20)의 제1 측면에 장착되고 플라즈마 공동 내로 제1 가스를 도입하고 제1 가스를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 제1 와류 유동(45)을 발생하도록 구성된 제1 가스 입구(44)로서, 제1 가스 입구(44)는 플라즈마(46)에 의해 처리된 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 구멍(32)을 갖는, 제1 가스 입구; 및 원형 중공 실린더의 형상을 갖고 도파로(20)의 제2 측면에 설치되는 플라즈마 안정기(38)로서, 플라즈마 안정기(38)의 축방향은 제1 와류 유동(45)의 회전축에 평행한, 플라즈마 안정기를 포함하는, 플라즈마 발생 시스템(10)을 제공한다.

Description

가스 처리용 플라즈마 반응기
본 발명은 플라즈마 발생기에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 마이크로파 플라즈마를 사용하여 가스를 처리하기 위한 디바이스에 관한 것이다.
최근에, 마이크로파 기술이 다양한 유형의 플라즈마를 발생하기 위해 적용되어 왔다. 전형적으로, 플라즈마 소스로서 사용되는 마이크로파 방전은 마이크로파 에너지를 처리될 가스를 수납하는 방전 챔버 내에 결합함으로써 달성된다. 종래의 마이크로파 플라즈마 시스템을 동작하는 데 있어서의 어려움 중 하나는 안정한 방식으로 플라즈마를 유지하는 것을 포함한다. 차선의 반응기 기하학 형상, 가스 입구 매니폴드, 챔버 디자인 또는 가스 유량 등으로 결과로서 불안정한 플라즈마는 가스 처리 또는 개질을 위한 최적 미만의 조건을 야기할 수도 있고, 심지어 플라즈마가 자체로 소멸하거나 반응기를 손상시키게 할 수도 있다.
이와 같이, 개선된 플라즈마 안정성을 갖고 이에 의해 더 양호한 경제성을 위한 더 높은 효율의 반응기 및 처리량을 산출하는 마이크로파 플라즈마 시스템에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 플라즈마 발생 시스템은 그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로; 플라즈마 공동을 형성하기 위해 도파로 내에 배치된 내부벽으로서, 플라즈마는 마이크로파 에너지를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 발생되는, 내부벽; 도파로의 제1 측면에 장착되고 플라즈마 공동 내로 제1 가스를 도입하고 제1 가스를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 제1 와류 유동을 발생하도록 구성된 제1 가스 입구로서, 제1 가스 입구는 플라즈마에 의해 처리된 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 구멍을 갖는, 제1 가스 입구; 및 원형 중공 실린더의 형상을 갖고 도파로의 제2 측면에 설치되는 플라즈마 안정기로서, 플라즈마 안정기의 축방향은 제1 와류 유동의 회전축에 평행한, 플라즈마 안정기를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 플라즈마 발생 시스템은 그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로; 플라즈마 공동을 형성하기 위해 도파로 내에 배치된 내부벽으로서, 플라즈마는 마이크로파 에너지를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 발생되는, 내부벽; 도파로의 제1 측면에 장착되고 플라즈마 공동 내로 제1 가스를 도입하고 제1 가스를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 제1 와류 유동을 발생하도록 구성된 제1 가스 입구로서, 제1 가스 입구는 플라즈마에 의해 처리된 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 구멍을 갖는, 제1 가스 입구; 및 원형 중공 실린더의 형상을 갖고 제1 가스 입구에 설치되는 플라즈마 안정기로서, 플라즈마 안정기의 축방향은 제1 와류 유동의 회전축에 평행한, 플라즈마 안정기를 포함한다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 발생 시스템의 개략도를 도시하고 있다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 2-2를 따라 취한 도 1의 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 순방향 유동 입구의 사시도를 도시하고 있다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 4-4를 따라 취한 도 3의 순방향 유동 입구의 단면도를 도시하고 있다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 역방향 유동 입구의 사시도를 도시하고 있다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 6-6을 따라 취한 도 5의 역방향 유동 입구의 단면도를 도시하고 있다.
도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른 내부 와류 유동의 사시도를 도시하고 있다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 외부 와류 유동의 사시도를 도시하고 있다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 내부 와류 유동의 사시도를 도시하고 있다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른 외부 와류 유동의 사시도를 도시하고 있다.
도 13은 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다.
도 14a는 본 개시내용의 실시예에 따른 중공 실린더의 사시도를 도시하고 있다.
도 14b는 본 개시내용의 실시예에 따른 중공 실린더의 사시도를 도시하고 있다.
이하의 설명에서, 설명의 목적으로, 본 개시내용의 이해를 제공하기 위해 특정 상세가 설명된다. 그러나, 본 개시내용은 이들 상세 없이 실시될 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 더욱이, 통상의 기술자는 이하에 설명되는 본 개시내용의 실시예가 다양한 방식으로 구현될 수도 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
도면에 도시되어 있는 구성요소 또는 모듈은 본 개시내용의 예시적인 실시예를 예시하고 본 개시내용을 불명료하게 하는 것을 회피하도록 의도된다. 이 설명 전체에 걸쳐 구성요소는 하위 유닛을 포함할 수도 있는 개별 기능 유닛으로서 설명될 수도 있지만, 통상의 기술자는 다양한 구성요소 또는 그 부분이 개별 구성요소로 분할될 수도 있거나 단일 시스템 또는 구성요소 내에 통합되는 것을 포함하여, 함께 통합될 수도 있다는 것을 인식할 수 있을 것이라는 것이 또한 이해될 수 있을 것이다. 본 명세서에 설명된 기능 또는 동작은 구성요소로서 구현될 수도 있다는 것이 주목되어야 한다.
본 명세서에서 "일 실시예", "바람직한 실시예", "실시예" 또는 "실시예들"에 대한 참조는 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조, 특성 또는 기능이 본 개시내용의 적어도 하나의 실시예에 포함되고 하나 초과의 실시예에 있을 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서의 다양한 장소 전술된 구문의 출현이 반드시 모두 동일한 실시예 또는 실시예들을 지칭하는 것은 아니다.
본 명세서의 다양한 장소에서 특정 용어의 사용은 예시를 위한 것이며 한정으로서 해석되어서는 안 된다. 용어 "구비한다", "구비하는", "포함한다" 및 "포함하는"은 개방 용어이고 이어지는 임의의 목록은 예이며 열거된 항목에 한정되도록 의도되지 않는다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 발생 시스템(10)의 개략도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 발생 시스템(10)은, 중공 튜브의 형상을 갖는 마이크로파 공동/도파로(20); 도파로(20)에 연결된 플라즈마 챔버(22); 및 도파로(20)에 연결되고 마이크로파 도파로(20)를 통해 플라즈마 챔버(22)에 마이크로파 에너지를 제공하도록 동작하는 마이크로파 공급 유닛(12)을 포함한다. 실시예에서, 플라즈마 챔버(22)는 마이크로파 에너지를 수신하고 수신된 마이크로파 에너지의 사용에 의해 가스를 처리한다. 실시예에서, 가스 탱크(26)는 가스 라인(24)을 통해 플라즈마 챔버(22)에 가스를 제공하고, 가스 탱크(30)는 가스 라인(28)을 통해 플라즈마 챔버(22)에 가스를 제공한다.
마이크로파 공급 유닛(12)은 마이크로파 에너지를 플라즈마 챔버(22)에 제공하고, 마이크로파를 발생하기 위한 마이크로파 발생기(14); 마이크로파 발생기(14)에 전력을 공급하기 위한 전원(16); 및 플라즈마 챔버(22)로부터 반사되어 마이크로파 발생기(14)를 향해 이동하는 마이크로파 에너지를 감소시키기 위한 튜너(18)를 포함한다. 실시예에서, 마이크로파 공급 유닛(12)은 마이크로파 발생기(14)를 향해 전파하는 반사된 마이크로파 에너지를 소산시키기 위한 더미 부하 및 반사된 마이크로파 에너지를 더미 부하로 지향하기 위한 순환기를 갖는 격리기 및 도파로(20)의 단부에 배치된 활주 단락 회로와 같은 다른 구성요소를 포함할 수도 있다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 2-2를 따라 취한(즉, 지면에 평행한 평면을 따라 절단함) 도 1의 플라즈마 챔버(22)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(22)는 내부벽(들)(40); 플라즈마 안정기(38); 가스 라인(24)에 연결되고 플라즈마 챔버 내로 순방향 유동을 도입하도록 구성된 순방향 유동 입구(42); 및 가스 라인(28)에 연결되고 플라즈마 챔버 내로 역방향 유동을 도입하도록 구성된 역방향 유동 입구(44)를 포함한다. 여기서, 용어 플라즈마 공동은 내부벽(40), 도파로(20), 순방향 유동 입구(42) 및 역방향 유동 입구(44)에 의해 둘러싸인 밀폐 공간을 칭하고, 역방향 유동 가스 및 순방향 유동은 도파로(20)를 통해 전달되는 마이크로파 에너지에 의해 플라즈마 공동 내에서 처리/개질된다.
실시예에서, 내부벽(40)은 석영 또는 세라믹과 같은 마이크로파 에너지에 투명한 재료로 형성된다. 실시예에서, 내부벽(40)은 균일한 유동, 열 저항, 내화학성 및 전자기 투명도에 대해 바람직한 임의의 다른 적합한 유전 재료로 형성된다. 실시예에서, 내부벽(40)은 바람직하게는 중공 원형 실린더의 형상을 갖지만 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 순방향 유동 입구(42)의 사시도를 도시하고 있다. 도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 4-4를 따라 취한 순방향 유동 입구(42)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 순방향 유동 입구(42)는 가스 라인(24)에 결합하기 위한 구멍/어댑터(47) 및 그 벽에 형성된 하나 이상의 가스 통로(48)를 갖는다. 실시예에서, 가스 통로(48)의 출구는 플라즈마 안정기(38) 내부에 위치되어 플라즈마 안정기(38)가 가스 통로(48)를 빠져나가는 유동을 사용하여 내부 와류 유동(43)을 형성하게 된다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(38)의 내경은 내부 와류 유동(43)의 외경을 조정하기 위해 변경될 수도 있다. 실시예에서, 전술된 바와 같이, 플라즈마 안정기(38)는 중공 원형 실린더의 형상을 갖고 순방향 유동 입구(42)에 동심으로 배치될 수도 있다.
실시예에서, 각각의 가스 통로(48)는 순방향 유동이 가스 통로(48)를 통해 플라즈마 공동에 진입함에 따라 순방향 유동에 나선형 운동을 부여하도록 배열된다. 실시예에서, 각각의 가스 통로(48)는 순방향 유동의 와도(vorticity)를 향상시키기 위해 만곡될 수도 있다. 실시예에서, 순방향 유동 입구(42)는 세라믹과 같은 임의의 적합한 재료로 형성되어, 입구가 도파로(20)로부터 전기적으로 절연되고 플라즈마(46)로부터의 열 에너지를 견디게 한다.
실시예에서, 플라즈마 안정기(38)는 마이크로파 에너지에 투명한 재료로 형성되고, 바람직하게는 내부벽(40)과 동일한 재료로 형성된다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(38)는 도파로(20)에 부착되어, 플라즈마 공동 내로 돌출하고, 여기서 플라즈마 안정기(38)의 축방향은 y-축에 평행하다. 실시예에서, 전술된 바와 같이, 내부벽(40)은 중공 원형 실린더의 형상을 가질 수도 있고, 플라즈마 안정기(38)는 내부벽(40)에 동심으로 설치될 수도 있다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(38) 내부의 순방향 유동은 내부 와류 유동(43)을 형성하고 도파로(20)의 다른 단부를 향해, 더 구체적으로 가스 출구(32)를 향해 진행한다. 도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른 내부 와류 유동(43)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 순방향 유동(또는 동등하게, 내부 와류 유동)은, 내부 와류 유동이 가스 출구(32)를 빠져나갈 때까지 나선형 운동으로 내부벽(40)의 길이를 따라 이동한다.
실시예에서, 플라즈마 점화기(도 2에는 도시되어 있지 않음)에 의한 플라즈마 플룸(plasma plume)(또는 간단히 플라즈마)(46)의 점화시, 플라즈마(46)는 마이크로파 발생기(14)에 의해 전달된 마이크로파 에너지에 의해 유지된다. 실시예에서, 플라즈마(46)는 내부 와류 유동(43)의 가스 입자가 플라즈마(46)를 통과하도록 내부 와류 유동(43) 내에 위치된다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(38)는 내부 와류 유동(43)의 외경을 결정하여, 가스 출구(32)를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가기 전에 순방향 유동이 플라즈마(46)를 바이패스하는 것을 방지한다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(38)는 내부 와류 유동(43)을 외부 와류 유동(45)으로부터 분리함으로써 플라즈마(46)를 안정하게 유지하는 것을 돕는다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 역방향 유동 입구(44)의 사시도를 도시하고 있다. 도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 6-6을 따라 취한 역방향 유동 입구(44)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 역방향 유동 입구(44)는 가스 라인(28)에 결합하기 위한 구멍/어댑터(52), 가스 출구(32)를 형성하기 위한 구멍, 및 그 벽에 형성된 하나 이상의 가스 통로(51)를 갖는다. 실시예에서, 각각의 가스 통로(51)는 역방향 유동이 가스 통로(51)를 통해 플라즈마 공동에 진입함에 따라 역방향 유동에 나선형 운동을 부여하도록 배열된다. 실시예에서, 각각의 가스 통로(51)는 역방향 유동의 와도를 향상시키기 위해 만곡될 수도 있다. 실시예에서, 역방향 유동 입구(44)는 바람직하게는 인코넬(Inconel) 또는 하스텔로이(Hastelloy)와 같은 Ni 합금으로 형성되지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서, 역방향 유동 입구(44)를 빠져나가는 역방향 유동은 내부벽(40)을 향해 이동하고, 이어서 나선형 운동으로 내부벽(40)을 따라 도파로(20)의 다른 단부를 향해 상향(y-축 방향)으로 진행한다. 그 후에, 역방향 유동은 유동 방향을 역전하여 하향으로 진행하고 외부 와류 유동(45)을 형성한다. 실시예에서, 외부 와류 유동(45)의 회전축은 y-축에 실질적으로 평행하다. 도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 외부 와류 유동(45)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 외부 와류 유동(45)은 중공 실린더 형상을 갖고, 2개의 유동 영역: 즉, 내부 하향 유동 영역(45-1) 및 외부 상향 유동 영역(45-2)을 갖는다. 실시예에서, 내부 와류 유동(43)은 외부 와류 유동(45)의 중간 중공부 내에 배치되고 내부 하향 유동 영역(45-1)에 의해 둘러싸인다. 순방향 유동 입구(42)로부터의 가스는 역방향 유동 입구(44)로부터의 유동과 혼합되어 내부 와류 유동(43)을 형성한다는 것이 주목된다.
실시예에서, 외부 와류 유동(45)은 내부 와류 유동(43)을 둘러싸고, 이에 의해 플라즈마(46)로부터 내부벽(40)을 차폐한다. 실시예에서, 역방향 유동 입구(44)를 빠져나가는 역방향 유동은 주위 온도를 가질 수도 있고, 외부 와류 유동(45)이 나선형 운동으로 내부벽(40)을 따라 상향으로 이동함에 따라 내부벽(40)으로부터 열 에너지를 취할 수도 있다.
실시예에서, 전술된 바와 같이, 플라즈마 안정기(38)의 내경은 내부 와류 유동(43)의 반경방향 치수를 결정한다. 이와 같이, 실시예에서, 플라즈마 안정기(38)의 내경은 외부 와류 유동(45)이 내부 와류 유동(43)을 둘러싸고 내부 와류 유동(43)의 유동 체제를 안정한 방식으로 유지하여 이에 의해 플라즈마를 안정화하고 개선된 처리량 및 효율을 산출하도록 조정될 수도 있다.
실시예에서, 플라즈마(46)는 입구 가스를 원하는 생성물 가스로 개질하는 데 사용되고, 입구 가스는 순방향 유동 입구(42) 및 역방향 유동 입구(44)에 의해 플라즈마 공동 내로 도입된다. 실시예에서, 순방향 유동 입구(42)를 빠져나가는 내부 와류 유동의 가스 조성은 CO2, CH4 및 O2를 포함하고, 가스 출구(32)를 빠져나가는 가스는 CO 및 H2 뿐만 아니라 순방향 유동 가스의 미반응 부분을 포함한다. 실시예에서, 순방향 유동에 대한 바람직한 분포는 플라즈마 챔버(22) 내로의 총 유동의 5 질량% 내지 95 질량%이다. 실시예에서, 역방향 유동은 순방향 유동과 동일한 가스 조성을 가질 수도 있다. 대안 실시예에서, 순방향 유동은 역방향 유동과 상이한 가스 조성을 가질 수도 있다. 또한, 순방향 유동(및/또는 역방향 유동)의 가스 조성은 동작 중에 변경될 수도 있다. 예를 들어, 순방향 유동은 플라즈마(46)의 점화를 돕기 위해 아르곤의 슬러그를 포함할 수도 있다. 실시예에서, 순방향 및 역방향 유동의 가스 조성 및 유량은 플라즈마 챔버(22) 내의 플라즈마 안정성 및 화학 반응의 효율을 향상시키기 위해 조정될 수도 있다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 챔버(122)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(122)는 도 2의 플라즈마 챔버(22)와 유사하고, 플라즈마 안정기(138)가 역방향 유동 입구(144) 상에 배치되어 플라즈마 공동 내로 돌출하는 차이점을 갖는다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(138)는 외부 와류 유동(145) 내부에 위치되고, 바람직하게는 외부 와류 유동(143)의 외부 하향 유동 영역(45-2와 유사함)으로부터 외부 와류 유동(143)의 내부 상향 유동 영역(45-1과 유사함)을 분리하는데, 즉 플라즈마 안정기(138)는 외부 와류 유동(143)의 내부 및 외부 유동 영역 사이의 경계에 위치된다.
도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(122)의 구성요소는 내부벽(140); 도파로(120); 순방향 유동 입구(142) 및 역방향 유동 입구(144)를 포함하고, 여기서 이들 구성요소는 그 대응부와 유사한 구조 및 기능을 각각 갖는다. 플라즈마 챔버(22)에서와는 달리, 순방향 유동의 반경방향 치수는 플라즈마 안정기(138)의 내경에 의해 제어되지 않고; 대신에, 내부 와류 유동(143)의 반경방향 치수는 순방향 유동 입구(142)를 빠져나가는 순방향 유동의 유량에 의해 결정된다. 따라서, 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 내부 와류 유동(143)은 종방향(y-축)을 따라 실질적으로 균일한 반경방향 치수를 가질 수도 있다. 실시예에서, 외부 와류 유동(145)은 도 8의 외부 와류 유동(45)과 유사한 기하학 형상을 갖는다.
실시예에서, 플라즈마 안정기(138)는 외부 와류 유동(145) 내부에 위치되고 동작 중에 외부 와류 유동(145)의 내부 상향 유동 영역(45-1과 유사함)의 반경방향 치수의 변동을 억제하여, 이에 의해 내부 와류 유동(143)의 전체 유동 체제를 안정화하고, 이어서 플라즈마(146)를 안정화한다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 챔버(222)의 단면도를 도시하고 있다. 도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른 외부 와류 유동(245)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(222)는 도 2의 플라즈마 챔버(22)와 유사하고, 플라즈마 챔버(222)가 어떠한 순방향 유동 입구도 포함하지 않는다는 차이점을 갖는다. 이와 같이, 플라즈마 챔버(222)는 플라즈마 공동 내부에 단지 외부 와류 유동(245)만을 발생하고, 여기서 외부 와류 유동(245)은 내부 하향 유동 영역(245-1) 및 외부 상향 유동 영역(245-2)을 포함한다.
도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마(246)는 외부 와류 유동(245), 더 구체적으로 외부 와류 유동(245)의 내부 하향 유동 부분(245-1) 내부에 유지된다. 실시예에서, 플라즈마(246)는 외부 와류 유동(245)의 내부 하향 유동 부분(245-1) 내의 가스 입자를 처리/개질하고 개질된 가스는 역방향 유동 입구(244)에 형성된 가스 출구를 빠져나간다.
실시예에서, 플라즈마 안정기(238)의 높이(즉, y-축을 따른 길이)는 외부 와류 유동(245)의 높이에 영향을 미친다. 이론에 의해 구속되는 것은 아니지만, 플라즈마 안정기(238)는 플라즈마 공동 내의 유동 체제의 변동을 억제하여, 이에 의해 외부 와류 유동(245) 및 외부 와류 유동(245) 내부에 형성된 플라즈마(246)를 안정화시키는 것으로 보인다.
도 13은 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 챔버(322)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(322)는 도 9의 플라즈마 챔버(122)와 유사하고, 플라즈마 챔버(322)가 어떠한 순방향 유동 입구도 포함하지 않는다는 차이점을 갖는다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(338)는 외부 와류 유동(245)과 유사한 외부 와류 유동(345) 내부에 위치되고, 바람직하게는 외부 와류 유동(345)의 외부 하향 유동 영역(245-2와 유사함)으로부터 외부 와류 유동(345)의 내부 상향 유동 영역(245-1과 유사함)을 분리하는데, 즉 플라즈마 안정기(338)는 외부 와류 유동(345)의 내부 및 외부 유동 영역 사이의 경계에 위치된다.
실시예에서, 플라즈마 안정기(338)는 외부 와류 유동(345) 내부에 위치되고 동작 중에 외부 와류 유동(345)의 내부 상향 유동 영역의 반경방향 치수의 변동을 억제하여, 이에 의해 외부 와류 유동(345)의 전체 유동 체제를 안정화하고, 이어서 플라즈마(346)를 안정화한다.
실시예에서, 도 1 내지 도 13의 내부 및 외부 와류 유동의 와류 운동은 플라즈마 공동 내의 유동 체제의 안정성을 향상시킨다. 실시예에서, 도 1 내지 도 13의 플라즈마 챔버의 구성요소 중 하나 이상은 와류 유동에 와류 운동을 추가로 부여하기 위해 라이플링되거나(rifled) 또는 핀 형성될(finned) 수도 있다. 예를 들어, 외부 와류 유동(45)은 내부벽(40)의 내부면과 직접 접촉하고, 이와 같이, 내부벽(40)의 내부면은 외부 와류 유동에 나선형 운동을 부여하기 위해 라이플링되거나 핀 형성될 수도 있다. 다른 예에서, 플라즈마 안정기(38)는 내부 와류 유동(43)과 직접 접촉하고, 이와 같이 플라즈마 안정기(38)의 내부면은 내부 와류 유동에 나선형 운동을 부여하기 위해 라이플링되거나 핀 형성될 수도 있다. 도 14a는 본 개시내용의 실시예에 따른 중공 실린더(400)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 중공 실린더(400)의 내부면은 가스가 실린더의 내부면을 따라 유동함에 따라 가스에 나선형 운동을 부여하기 위한 하나 이상의 홈(또는 핀)(402)을 포함한다. 실시예에서, 실린더(400)는 도 1 내지 도 13의 플라즈마 안정기 및/또는 내부벽으로서 사용될 수도 있다.
실시예에서, 플라즈마 안정기(예를 들어, 338)는 외부 와류 유동(예를 들어, 345) 내부에 위치되고, 이와 같이, 플라즈마 안정기(338)의 내부면 및 외부면의 모두는 외부 와류 유동(345)에 나선형 운동을 추가로 부여하기 위해 라이플링되거나 핀 형성될 수도 있다. 도 14b는 본 개시내용의 실시예에 따른 중공 실린더(420)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 중공 실린더(420)의 내부면 및 외부면의 모두는 가스가 실린더의 내부면 및/또는 외부면을 따라 유동함에 따라 가스에 나선형 운동을 부여하기 위한 하나 이상의 홈(또는 핀)(422)을 포함한다. 실시예에서, 실린더(420)는 도 1 내지 도 13의 플라즈마 안정기 및/또는 내부벽으로서 사용될 수도 있다.
통상의 기술자는 컴퓨팅 시스템 또는 프로그래밍 언어가 본 개시내용의 실행에 중요하지 않다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 통상의 기술자는 전술된 다수의 요소가 물리적으로 및/또는 기능적으로 하위 모듈로 분리되거나 함께 조합될 수도 있다는 것을 또한 인식할 수 있을 것이다.
상기 예 및 실시예는 예시적이며 본 개시내용의 범주를 한정하지 않는다는 것이 통상의 기술자에게 이해될 수 있을 것이다. 명세서의 독해 및 도면의 연구시에 통상의 기술자에게 명백한 모든 치환, 향상, 등가물, 조합 및 개선은 본 개시내용의 진정한 사상 및 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다. 임의의 청구항의 요소는 다수의 종속성, 구성 및 조합을 갖는 것을 포함하여 상이하게 배열될 수도 있다는 것이 또한 주목될 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 플라즈마 발생 시스템이며,
    그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로;
    플라즈마 공동을 형성하기 위해 도파로 내에 배치된 내부벽으로서, 플라즈마는 마이크로파 에너지를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 발생되는, 내부벽;
    도파로의 제1 측면에 장착되고 플라즈마 공동 내로 제1 가스를 도입하고 제1 가스를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 제1 와류 유동을 발생하도록 구성된 제1 가스 입구로서, 제1 가스 입구는 플라즈마에 의해 처리된 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 구멍을 갖는, 제1 가스 입구; 및
    원형 중공 실린더의 형상을 갖고 도파로의 제2 측면에 설치되며 플라즈마 공동 내로 돌출하는 플라즈마 안정기로서, 플라즈마 안정기의 종방향은 제1 와류 유동의 회전축에 평행한, 플라즈마 안정기를 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 내부벽은 마이크로파 에너지에 투명한 재료로 형성되는, 플라즈마 발생 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 제1 와류 유동은 나선형 운동으로 도파로의 제2 측면을 향해 진행하는 외부 영역 및 나선형 운동으로 도파로의 제1 측면을 향해 진행하는 내부 영역을 갖고, 플라즈마는 제1 와류 유동의 내부 영역에서 발생되는, 플라즈마 발생 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 제1 가스 입구는 제1 가스가 그를 통해 플라즈마 공동 내로 도입되는 하나 이상의 통로를 갖고, 하나 이상의 통로의 각각은 그를 통과하는 제1 가스에 와류 운동을 부여하도록 배열되는, 플라즈마 발생 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    도파로의 제2 측면에 장착되고 플라즈마 안정기를 향해 제2 가스를 도입하도록 구성되는 제2 가스 입구를 더 포함하고,
    제2 가스 입구는 제2 가스를 사용하여 플라즈마 공동 내에 제2 와류 유동을 발생하도록 구성되는, 플라즈마 발생 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 제2 와류 유동은 제1 와류 유동 내부에 위치되고 플라즈마는 제2 와류 유동 내에 발생되는, 플라즈마 발생 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 제2 가스 입구는 제2 가스가 그를 통해 유동하는 하나 이상의 통로를 포함하고, 하나 이상의 통로의 각각은 그를 통과하는 제2 가스에 와류 운동을 부여하도록 배열되는, 플라즈마 발생 시스템.
  8. 제5항에 있어서, 제2 가스의 유량은 플라즈마 공동 내로 유동하는 가스의 총 유량의 5 내지 95 질량% 범위인, 플라즈마 발생 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 내부벽 및 플라즈마 안정기 중 적어도 하나는 표면과 접촉하고 있는 가스에 나선형 운동을 부여하도록 라이플링된 표면을 갖는, 플라즈마 발생 시스템.
  10. 플라즈마 발생 시스템이며,
    그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로;
    플라즈마 공동을 형성하기 위해 도파로 내에 배치된 내부벽으로서, 플라즈마는 마이크로파 에너지를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 발생되는, 내부벽;
    도파로의 제1 측면에 장착되고 플라즈마 공동 내로 제1 가스를 도입하고 제1 가스를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 제1 와류 유동을 발생하도록 구성된 제1 가스 입구로서, 제1 가스 입구는 플라즈마에 의해 처리된 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 구멍을 갖는, 제1 가스 입구; 및
    원형 중공 실린더의 형상을 갖고 제1 가스 입구에 설치되는 플라즈마 안정기로서, 플라즈마 안정기의 종방향은 제1 와류 유동의 회전축에 평행한, 플라즈마 안정기를 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 내부벽은 마이크로파 에너지에 투명한 재료로 형성되는, 플라즈마 발생 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 제1 와류 유동은 나선형 운동으로 도파로의 제2 측면을 향해 진행하는 외부 영역 및 나선형 운동으로 도파로의 제1 측면을 향해 진행하는 내부 영역을 갖고, 플라즈마는 제1 와류 유동의 내부 영역에서 발생되는, 플라즈마 발생 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 제1 와류는 나선형 운동으로 도파로의 제2 측면을 향해 진행하는 외부 영역 및 나선형 운동으로 도파로의 제1 측면을 향해 진행하는 내부 영역을 갖고, 플라즈마 안정기는 제1 와류의 내부 및 외부 영역 사이의 경계에 위치되는, 플라즈마 발생 시스템.
  14. 제10항에 있어서, 제1 가스 입구는 제1 가스가 그를 통해 플라즈마 공동 내로 도입되는 하나 이상의 통로를 갖고, 하나 이상의 통로의 각각은 그를 통과하는 제1 가스에 와류 운동을 부여하도록 배열되는, 플라즈마 발생 시스템.
  15. 제10항에 있어서,
    도파로의 제2 측면에 장착되고 플라즈마 안정기를 향해 제2 가스를 도입하도록 구성되는 제2 가스 입구를 더 포함하고,
    제2 가스 입구는 제2 가스를 사용하여 플라즈마 공동 내에 제2 와류 유동을 발생하도록 구성되는, 플라즈마 발생 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 제2 와류 유동은 제1 와류 유동 내부에 위치되고 플라즈마는 제2 와류 유동 내에 발생되는, 플라즈마 발생 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 제2 와류 유동은 제1 와류 유동 내에 배치되는, 플라즈마 발생 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 제2 가스 입구는 제2 가스가 그를 통해 유동하는 하나 이상의 통로를 포함하고, 하나 이상의 통로의 각각은 그를 통과하는 제2 가스에 와류 운동을 부여하도록 배열되는, 플라즈마 발생 시스템.
  19. 제15항에 있어서, 제2 가스의 유량은 플라즈마 공동 내로의 가스의 총 유량의 5 내지 95 질량% 범위인, 플라즈마 발생 시스템.
  20. 제10항에 있어서, 내부벽 및 플라즈마 안정기 중 적어도 하나는 표면과 접촉하고 있는 가스에 나선형 운동을 부여하도록 라이플링된 표면을 갖는, 플라즈마 발생 시스템.
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