KR20210127778A - 복열기를 갖는 플라즈마 반응기 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 발생 시스템(10)은 그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로(20) 및 플라즈마 공동을 형성하기 위해 도파로 내에 배치된 내부벽(40)을 포함하고, 플라즈마(46)는 마이크로파 에너지를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 발생된다. 플라즈마 발생 시스템(10)은 플라즈마(46)에 의해 처리된 배기 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 가스 출구(32)를 갖는 어댑터(44); 및 어댑터(44)에 직접 부착되고 어댑터(44) 내의 가스 출구(32)와 유체 연통하는 가스 통로를 갖는 복열기(100)를 더 포함한다. 복열기(100)는 배기 가스로부터 열 에너지를 회수하고, 열 에너지를 사용하여 입력 가스를 가열한다.

Description

복열기를 갖는 플라즈마 반응기
본 발명은 플라즈마 발생기에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 플라즈마 발생기의 배기 가스로부터 열을 회수하기 위한 복열기(recuperator)를 갖는 플라즈마 발생기에 관한 것이다.
최근에, 마이크로파 기술이 다양한 유형의 플라즈마를 발생하기 위해 적용되어 왔다. 예를 들어, 플라즈마 소스로서 사용되는 마이크로파 방전은 마이크로파 에너지를 처리될 가스를 수납하는 방전 챔버 내에 결합함으로써 달성된다. 전형적으로, 플라즈마에 의해 처리/반응되고 배기 가스로서 플라즈마 챔버를 떠나는 가스는 상승된 온도에 있다. 배기 가스를 냉각하기 위한 종래의 배관(plumbing) 시스템은 배기 가스의 미회수 열 에너지로 인한 열 손실을 겪을 수도 있다.
또한, 배기 가스를 냉각하기 위한 종래의 냉각 시스템은 종래의 냉각 시스템에 플라즈마 반응기를 연결하기 위한 튜빙(tubing) 또는 파이핑(piping)을 포함하고, 튜빙은 잠재적으로 산화하는 배기 가스의 열적 및 화학적 특성을 견딜 필요가 있다. 전형적으로, 내화 금속 또는 재료 상의 이색 코팅에 의해 열적 및 화학적 손상으로부터 보호를 달성하는 것은 기껏해야 비실용적이고 비용이 많이 든다. 더욱이, 배기 가스의 열 에너지가 회수되어야 하면, 튜빙 또는 파이핑과 연관된 모든 열 손실 및 절연 요구 사항은 플라즈마 시스템의 효율을 감소시킬 것이고; 전형적으로, 파이핑 열 손실은 플라즈마 반응기의 종래의 유량 및 온도에 대해 매우 상당할 수 있다.
따라서, 복잡한 냉각 시스템 디자인 및/또는 작업이 어려운 재료를 도입하지 않고 배기 가스로부터 열 에너지를 회수하고 이를 입구 가스에 전달하여 이에 의해 플라즈마 시스템의 에너지 효율을 개선하기 위한 소형 복열기에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 플라즈마 발생 시스템은, 그 내에 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 공동; 플라즈마에 의해 처리된 배기 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 가스 출구를 갖는 어댑터; 및 어댑터에 직접 부착되고 어댑터 내의 가스 출구와 유체 연통하는 가스 통로를 갖는 복열기로서, 복열기는 배기 가스로부터 열 에너지를 회수하고 열 에너지를 사용하여 입력 가스를 가열하도록 구성되는, 복열기를 포함한다.
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 발생되고, 도파로는 플라즈마에 의해 처리된 배기 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 가스 출구를 갖는, 내부벽; 도파로에 직접 부착되고 도파로 내의 가스 출구와 유체 연통하는 가스 통로를 갖는 복열기로서, 복열기는 배기 가스로부터 열 에너지를 회수하고 열 에너지를 사용하여 입력 가스를 가열하도록 구성되는, 복열기; 도파로 상에 장착되고 복열기로부터 입력 가스를 수용하고 입력 가스를 플라즈마 공동 내로 도입하도록 구성된 가스 입구; 및 복열기에 결합된 일 단부 및 가스 입구에 결합된 다른 단부를 갖는 파이프로서, 입력 가스는 복열기로부터 파이프를 통해 가스 입구로 유동하는, 파이프를 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 와류 발생기의 사시도를 도시하고 있다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 4-4를 따라 취한 도 3의 와류 발생기의 단면도를 도시하고 있다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 어댑터의 사시도를 도시하고 있다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 6-6을 따라 취한 도 5의 어댑터의 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 복열기의 사시도를 도시하고 있다.
도 10a는 본 개시내용의 실시예에 따른 복열기의 사시도를 도시하고 있다.
도 10b는 본 개시내용의 실시예에 따른 도 10a의 복열기의 평면도를 도시하고 있다.
도 10c는 본 개시내용의 실시예에 따른 도 10a의 핀(fin)/배플(baffle)의 사시도를 도시하고 있다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 핀/배플의 사시도를 도시하고 있다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 2-2를 따라 취한 도 1의 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다.
도 13은 본 개시내용의 실시예에 따른 복열기의 사시도를 도시하고 있다.
도 14는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 2-2를 따라 취한 도 1의 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다.
도 15는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 2-2를 따라 취한 도 1의 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다.
도 16은 본 개시내용의 실시예에 따른 복열기의 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 일체화되는 것을 포함하여, 함께 일체화될 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(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(29)에 연결되고 플라즈마 챔버 내로 순방향 유동을 도입하도록 구성된 순방향 유동 입구(42); 가스 라인(28)에 연결되고 플라즈마 챔버 내로 역방향 유동을 도입하도록 구성된 역방향 유동 입구(또한 "어댑터"라고도 칭함)(44); 및 어댑터(44)와 접촉하고 배기 가스로부터 열 에너지를 회수하도록 구성된 복열기(100)를 포함한다. 여기서, 용어 플라즈마 공동은 내부벽(40), 도파로(20), 순방향 유동 입구(42) 및 어댑터(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(29)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, 순방향 유동 입구(42)는 금속 또는 유전 재료로 형성된다.
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. 플라즈마 점화기의 예시적인 실시예의 설명은 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는, 2020년 2월 28일자로 출원된 발명의 명칭이 "플라즈마 반응기용 내구성 자동 점화 디바이스(Durable auto-ignition device for plasma reactor)"인 계류 중인 미국 특허 출원 제16/805,661호에서 발견될 수 있다.
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 어댑터(44)의 사시도를 도시하고 있다. 도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 6-6을 따라 취한 어댑터(44)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 어댑터(44)는 복열기(100)로부터의 가스가 그를 통해 어댑터 내로 유동하는 개구(82); 가스 출구(32)를 형성하기 위한 구멍; 정체 챔버(stagnation chamber)(80); 및 그 벽에 형성된 하나 이상의 가스 통로(51)를 갖는다. 실시예에서, 개구(82)는 어댑터의 하부벽에 형성되고 링형 슬릿이지만, 개구는 다른 적합한 형상을 가질 수도 있다.
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, 어댑터(44)는 바람직하게는 인코넬(Inconel) 또는 하스텔로이(Hastelloy)와 같은 Ni 합금으로 형성되지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서, 개구(82)를 통해 유동하는 가스는 정체 챔버/공간(80)으로 진입한다. 실시예에서, 역방향 유동이라 칭하는 유동은 정체 챔버(80)를 빠져나가고 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 어댑터(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, 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 어댑터(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, 순방향 및 역방향 유동의 가스 조성 및 유량은 플라즈마 챔버(22) 내의 플라즈마 안정성 및 화학 반응의 효율을 향상시키기 위해 조정될 수도 있다.
실시예에서, 복열기(100)는 가스 출구(32)를 빠져나가는 배기 가스로부터 열 에너지를 회수하고 열 에너지를 입구 가스에 전달한다. 도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 복열기(100)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 복열기(100)는 그 내에 밀폐 공간/챔버(109)를 갖는 가스 용기이고, 복열기(100)의 벽은: 내부 쉘(102); 외부 쉘(103); 상부 캡(106); 하부 캡(107); 상부 캡(106)에 형성된 개구(또한 "출구"라고도 칭함)(111); 및 내부 및 외부 쉘에 고정되고 밀폐 공간/챔버(109) 내에 배치된 하나 이상의 핀/배플(104)을 포함한다. 실시예에서, 개구(111)는 링형 슬릿이지만, 개구(111)는 다른 적합한 형상을 가질 수도 있다. 실시예에서, 어댑터(44)의 개구(82)는 가열된 가스가 챔버(109)로부터 어댑터(44) 내로 유동하도록 복열기(100)의 상부 캡에 형성된 개구(111)와 정렬된다.
실시예에서, 내부 및 외부 쉘의 각각은 중공 원형 실린더의 형상을 갖고, 상부 및 하부 캡의 각각은 링형 디스크의 형상을 가지며, 여기서 내부 쉘(102), 외부 쉘(103), 상부 캡(106), 및 하부 캡(107)은 챔버(109)를 형성한다. 실시예에서, 복열기(100)는 바람직하게는 인코넬계의 구성원과 같은 니켈 합금으로 제조된다(그러나 이에 한정되는 것은 아님).
실시예에서, 내부 쉘(102)은 어댑터(44)의 가스 출구(32)와 유체 연통하는 가스 통로/구멍(108)을 형성하고, 여기서 배기 가스는 가스 통로(108)를 통해 유동한다. 실시예에서, 외부 쉘(103)은 가스 라인(28)에 결합하기 위한 입구 구멍/어댑터(114) 및 가스 라인(29)에 결합하기 위한 출구 구멍/어댑터(112)를 포함한다.
실시예에서, 가스 통로(108)를 통해 유동하는 반응/배기 가스는 상승된 온도에 있어, 열 에너지를 복열기(100)에 전달한다. 실시예에서, 복열기(100)는 가스 탱크(30)로부터의 입구 가스를 가열하기 위해 전달된 열 에너지를 사용하고 가열된 입구 가스는 어댑터(44) 및/또는 순방향 유동 입구(42)로 진입하고, 이에 의해 플라즈마(46)에 의해 영향을 받는 반응의 효율을 개선시킨다. 또한, 복열기(100)는 반응/배기 가스가 가스 통로(108)를 통해 유동함에 따라 반응/배기 가스로부터 열 에너지를 추출하여, 이에 의해 복열기 재료의 융점 또는 사용 온도 미만으로 배기 가스의 온도를 감소시킨다.
실시예에서, 핀/배플(104)은 과도한 압력 강하를 유도하지 않고 표면적 및 열 수송을 최대화하도록 배열된다. 실시예에서, 부가의 배플이 가스 통로(108) 내에 배치될 수도 있다. 도 10a는 본 개시내용의 실시예에 따른 복열기(150)의 사시도를 도시하고 있다. 도 10b는 본 개시내용의 실시예에 따른 도 10a의 복열기(150)의 평면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 하나 이상의 핀/배플(152)은 과도한 압력 강하를 유도하지 않고 열 교환을 개선하기 위해 가스 유동에 평행하게 배치된다.
도 10c는 본 개시내용의 실시예에 따른 도 10a의 핀/배플(152)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 핀(152)은 직사각형 플레이트의 형상을 갖고 어댑터(44)를 빠져나가는 배기 가스 유동에 실질적으로 평행하게 배열된다. 실시예에서, 배플(152)은 가스 통로(108)를 통한 가스의 유동에 대해 어느 한쪽으로 라이플링될 수도 있다. 도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 핀/배플(162)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 핀/배플(162)은 배기 가스 유동이 핀에 의해 편향되도록 배기 가스 유동에 대해 라이플링/만곡된다. 실시예에서, 핀(162)은 핀(152) 대신에 사용될 수도 있다.
실시예에서, 챔버(109) 내부의 가열된 입구 가스의 일부는 상부 캡(106) 내에 형성된 개구(111)와 어댑터(44)의 하부측 상에 형성된 개구(82)의 모두를 통해 정체 챔버(80)로 진입한다. 실시예에서, 챔버(109) 내부의 가열된 입구 가스의 잔여 부분은 출구 구멍/어댑터(112) 및 가스 라인(29)을 통해 유동하고 순방향 유동 입구(42)로 진입한다.
대안 실시예에서, 순방향 가스 입구(42)는 가스 탱크(30)와 유사한 개별 가스 탱크로부터 입구 가스를 수용할 수도 있는데, 즉, 가스 라인(29)은 개별 가스 탱크에 직접 결합될 수도 있고 순방향 가스 입구(42) 내로 유동하는 가스는 실온에 있을 수도 있다. 이러한 구성에서, 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 12는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 2-2를 따라 취한 도 1의 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다. 도 13은 본 개시내용의 실시예에 따른 복열기(230)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(222)는 도 2의 플라즈마 챔버(22)와 유사하고, 플라즈마 챔버(222)가 역방향 유동 입구(어댑터)를 포함하지 않는다는 차이점을 갖는다. 실시예에서, 도파로(220)는 플라즈마(246)에 의해 처리/반응된 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 가스 출구(232)를 갖는다. 플라즈마 챔버(222)는 외부 와류 유동(45)과 유사한 외부 와류 유동을 발생하지 않는다는 것이 주목된다.
실시예에서, 복열기(230)는 도파로(220)에 직접 부착되고 복열기(230)의 내부 쉘(242)은 도파로(220)의 벽에 형성된 가스 출구(232)와 유체 연통하는 구멍(248)을 형성한다. 실시예에서, 복열기(230)는 구멍(248)을 통해 유동하는 배기 가스로부터 열 에너지를 회수하고, 챔버(239) 내의 가스가 가스 라인(229)을 통해 순방향 가스 입구(242)로 전달되기 전에 챔버(239) 내의 가스를 가열하기 위해 열 에너지를 사용한다.
실시예에서, 복열기(230)는 도 9의 복열기(100)와 유사하고, 복열기(230)의 상부 캡(236)이 플라즈마 공동에 가스를 제공하기 위한 어떠한 링형 슬릿도 갖지 않는다는 차이점을 갖는다. 플라즈마 챔버(222)의 구성요소는 플라즈마 챔버(222)의 그 대응부와 유사한 재료로 형성된다는 것이 주목된다. 플라즈마 안정기(238)는 선택적인 구성요소라는 것이 또한 주목된다.
도 14는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 2-2를 따라 취한 도 1의 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(322)는 플라즈마 챔버(22)와 유사하고, 플라즈마 안정기(338)가 역방향 유동 입구(또한 "어댑터"라고도 칭함)(344) 상에 배치된다는 차이점을 갖는다. 플라즈마 챔버(322)는 도 1의 플라즈마 챔버(22)의 다양한 실시예 중 하나라는 것이 주목된다. 플라즈마 챔버의 다른 예시적인 실시예의 설명은 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있는, 2020년 1월 26일자로 출원된 발명의 명칭이 "가스를 처리하기 위한 플라즈마 반응기(Plasma reactor for processing gas)"인 계류 중인 미국 특허 출원 제16/752,689호에서 발견될 수 있다.
도 15는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 2-2를 따라 취한 도 1의 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(422)는 플라즈마 챔버(22)와 유사하고, 플라즈마 챔버(422)가 순방향 유동 입구 뿐만 아니라 순방향 유동 입구를 위한 가열된 입구 가스를 제공하기 위한 가스 라인(29)을 갖지 않는다는 차이점을 갖는다. 이와 같이, 플라즈마 챔버(422)는 내부 와류 유동(43)과 유사한 내부 와류 유동을 발생하지 않는다. 도 16은 본 개시내용의 실시예에 따른 도 15의 복열기(430)의 사시도를 도시하고 있다. 실시예에서, 도 9의 복열기(100)와 비교하여, 복열기(430)는 가스 라인(29)에 연결하기 위한 가스 출구 구멍/어댑터(112)를 갖지 않는다.
복열기(230, 430)는 복열기(100)의 핀/배플(152)(또는 162)과 유사한 부가의 핀/배플을 가질 수도 있는데, 즉, 각각의 복열기(230, 430)는 반응/배기 가스가 그를 통해 유동하는 구멍 내에 배치된 핀/배플을 포함할 수도 있다는 것이 주목된다.
도 2와 관련하여 전술된 바와 같이, 복열기(100)는 나사(도 2에는 도시되어 있지 않음)와 같은 적합한 체결 기구에 의해 어댑터(44)에 탈착 가능하게 고정된다. 대안 실시예에서, 복열기는 어댑터에 고정되지 않고; 대신에, 복열기(100) 및 어댑터(44)는 하나의 모놀리식 본체로서 형성된다. 유사하게, 대안 실시예에서, 도 14(또는 도 15)의 복열기 및 어댑터는 하나의 모놀리식 본체로서 형성될 수도 있다.
도 1 내지 도 16의 복열기는 어댑터 또는 도파로에 직접 부착되는데, 즉, 복열기는 플라즈마 챔버와 동일한 본체에 직접 고정되거나 일체화되어, 고가의 재료 및/또는 작업이 어려운 재료의 사용을 최소화한다는 것이 주목된다. 또한, 실시예에서, 배기 가스 및 입구 가스는, 복열기 내의 입구 가스가 복열기 본체를 냉각하는 작용을 하여, 복열기 본체의 재료가 용융하거나 그 권장 사용 온도를 초과하는 것을 방지하고 배기 가스가 복열기 본체 상에 과도하게 충돌하지 않아 이에 의해 복열기 본체의 온도가 복열기의 사용 온도를 초과하는 것을 방지하도록 배열된다.
실시예에서, 도 1 내지 도 16의 플라즈마 챔버는 일반적으로 물리적으로 분리된 반응기와 복열기를 구현하는 데 요구되는 종래의 굴곡 및 직선형 튜빙의 필요성을 제거한다. 이 종래의 튜빙은 잠재적으로 산화하는 배기 가스의 열적 및 화학적 특성을 견뎌야 할 필요가 있을 것인데, 이는 기껏해야 내화 금속 또는 재료 상의 이색 코팅에 의해 달성을 위해 비실용적이고 비용이 많이 든다. 더욱이, 반응기를 복열기에 연결하기 위한 종래의 튜빙 또는 파이핑과 연관된 모든 열 손실 및 절연 요구 사항이 완전히 제거되어, 회수 가능한 열의 증가를 야기한다.
실시예에서, 도 1 내지 도 16의 플라즈마 챔버는 종래의 필요한 튜빙, 파이핑 및/또는 피팅이 결여되어 있어, 종래의 시스템의 다른 등가의 복열기 및 반응기에 대해 더 작은 기하학적 푸트프린트에서 동작을 허용한다. 도 1 내지 도 16의 플라즈마 챔버의 소형화는, 일체화된 복열기를 갖는 플라즈마 반응기의 어레이가 증가된 양의 입구 가스를 처리하기 위해 기밀하게 패키징되는 경우 상당히 중요하다.
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 (21)

  1. 플라즈마 발생 시스템이며,
    그 내에 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 공동;
    플라즈마에 의해 처리된 배기 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 가스 출구를 갖는 어댑터; 및
    어댑터에 직접 부착되고 어댑터 내의 가스 출구와 유체 연통하는 가스 통로를 갖는 복열기로서, 복열기는 배기 가스로부터 열 에너지를 회수하고 열 에너지를 사용하여 입력 가스를 가열하도록 구성되는, 복열기를 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 복열기는 그 내부에 밀폐 공간과, 밀폐 공간 내부에 배치되어 열 에너지를 입력 가스에 전달하는 하나 이상의 배플을 갖는, 플라즈마 발생 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 복열기는 가스 통로 내에 배치된 하나 이상의 배플을 갖고, 하나 이상의 배플은 배기 가스로부터 열 에너지를 회수하는, 플라즈마 발생 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 하나 이상의 배플의 각각은 가스 출구를 빠져나가는 배기 가스의 유동 방향에 평행하게 배열되는, 플라즈마 발생 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 하나 이상의 배플의 각각은 가스 출구를 빠져나가는 배기 가스의 유동 방향에 대해 라이플링되는, 플라즈마 발생 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 복열기는 그 내부의 밀폐 공간, 입력 가스가 그를 통해 밀폐 공간 내로 유동하는 가스 입구 및 열 에너지를 사용하여 가열된 입력 가스가 그를 통해 밀폐 공간으로 빠져나가는 가스 출구를 갖는, 플라즈마 발생 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 복열기는 어댑터의 하부벽과 직접 접촉하는 캡을 갖고, 복열기의 가스 출구는 캡 내에 형성되고, 어댑터의 하부벽은 가스 입구를 갖고, 복열기의 가스 출구는 어댑터의 가스 입구와 정렬되어 밀폐 공간 내의 가열된 입력 가스가 복열기의 가스 출구 및 어댑터의 가스 입구를 통해 어댑터 내로 유동하게 하는, 플라즈마 발생 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    복열기에 의해 가열된 입력 가스를 플라즈마 공동 내로 도입하도록 구성된 유동 입구; 및
    복열기의 가스 출구에 결합된 일 단부 및 유동 입구에 결합된 다른 단부를 갖는 파이프로서, 복열기에 의해 가열된 입력 가스는 파이프를 통과하는, 파이프를 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로; 및
    플라즈마 공동을 형성하기 위해 도파로 내에 배치된 내부벽으로서, 플라즈마는 마이크로파 에너지를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 발생되는, 내부벽을 더 포함하고,
    어댑터는 도파로의 하부측 상에 장착되고 유동 입구는 도파로의 상부측 상에 장착되는, 플라즈마 발생 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 유동 입구는 플라즈마 공동 내로 와류 유동으로서 입력 가스를 도입하는, 플라즈마 발생 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    원형 중공 실린더의 형상을 갖고 플라즈마 공동 내로 돌출하는 플라즈마 안정기를 더 포함하고, 유동 입구의 일부가 플라즈마 안정기 내부에 배치되는, 플라즈마 발생 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 어댑터는 복열기에 의해 가열된 입력 가스를 사용하여 플라즈마 공동 내에 와류 유동을 발생하도록 구성되는, 플라즈마 발생 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    원형 중공 실린더의 형상을 갖고 어댑터 상에 배치되는 플라즈마 안정기를 더 포함하고,
    플라즈마 안정기의 종방향은 와류 유동의 회전축에 평행한, 플라즈마 발생 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 어댑터 및 복열기는 하나의 모놀리식 본체로서 형성되는, 플라즈마 발생 시스템.
  15. 플라즈마 발생 시스템이며,
    그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로; 및
    플라즈마 공동을 형성하기 위해 도파로 내에 배치된 내부벽으로서, 플라즈마는 마이크로파 에너지를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 발생되고, 도파로는 플라즈마에 의해 처리된 배기 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 가스 출구를 갖는, 내부벽;
    도파로에 직접 부착되고 도파로 내의 가스 출구와 유체 연통하는 가스 통로를 갖는 복열기로서, 복열기는 배기 가스로부터 열 에너지를 회수하고 열 에너지를 사용하여 입력 가스를 가열하도록 구성되는, 복열기;
    도파로 상에 장착되고 복열기로부터 입력 가스를 수용하고 입력 가스를 플라즈마 공동 내로 도입하도록 구성된 가스 입구; 및
    복열기에 결합된 일 단부 및 가스 입구에 결합된 다른 단부를 갖는 파이프로서, 입력 가스는 복열기로부터 파이프를 통해 가스 입구로 유동하는, 파이프를 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 복열기는 그 내부에 밀폐 공간과, 밀폐 공간 내부에 배치된 하나 이상의 배플을 갖고, 열 에너지는 하나 이상의 배플로부터 입구 가스로 전달되는, 플라즈마 발생 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 복열기는 가스 통로 내에 배치된 하나 이상의 배플을 갖고, 하나 이상의 배플은 배기 가스로부터 열 에너지를 회수하는, 플라즈마 발생 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 하나 이상의 배플의 각각은 가스 출구를 빠져나가는 배기 가스의 유동 방향에 평행하게 배열되는, 플라즈마 발생 시스템.
  19. 제15항에 있어서, 하나 이상의 배플의 각각은 가스 출구를 빠져나가는 배기 가스의 유동 방향에 대해 라이플링되는, 플라즈마 발생 시스템.
  20. 제15항에 있어서, 가스 입구는 입력 가스를 와류 유동으로서 플라즈마 공동 내로 도입하도록 구성되는, 플라즈마 발생 시스템.
  21. 제15항에 있어서,
    원형 중공 실린더의 형상을 갖고 플라즈마 공동 내로 돌출하는 플라즈마 안정기를 더 포함하고, 가스 입구의 일부가 플라즈마 안정기 내부에 배치되는, 플라즈마 발생 시스템.
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