KR20210127780A - 플라즈마 반응기의 열 관리 - Google Patents

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KR20210127780A
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스테판 앤드류 맥클러랜드
3세 조지 스티븐 레오나드
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리카본 인코포레이티드
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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 도파로(20)의 제1 측면 상에 장착되고 제1 간극(92)에 의해 도파로(20)로부터 물리적으로 분리되고 플라즈마에 의해 처리된 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 가스 출구(32)를 갖는 어댑터(74); 및 제1 간극(92) 내에 배치되고 제1 간극(92)을 통한 마이크로파 에너지의 누설을 차단하도록 구성된 EM 밀봉부(94)를 더 포함한다.

Description

플라즈마 반응기의 열 관리
본 발명은 플라즈마 발생기에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 플라즈마 챔버로부터 도파로로의 열 전달을 최소화하기 위한 디바이스에 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, 가스를 처리하거나 개질하기 위한 마이크로파 플라즈마 시스템은 도파로 및 도파로에 결합된 플라즈마 챔버를 포함한다.
마이크로파 플라즈마 시스템이 효율적으로 동작하게 하기 위해, 처리되거나 개질될 가스의 온도가 증가될 수도 있다. 가스, 및 따라서 플라즈마 챔버의 온도가 증가함에 따라, 과도한 양의 열 에너지가 전도에 의해 플라즈마 챔버로부터 도파로로 전달된다. 이 열 전달은 회수 가능한 열 에너지의 손실을 구성하고, 따라서 효율을 감소시키는 동시에 도파로를 가열하고 도파로에 연결된 다른 구성요소의 수명을 잠재적으로 손상시키거나 단축시킨다. 플라즈마 챔버에 연결된 도파로, 마그네트론 및 임의의 다른 구성요소는 이들이 최대 동작 온도 초과에서 동작하면 손상되거나 파괴되거나 감소된 수명을 갖게 될 수도 있다.
이와 같이, 프로세스 가스(및 플라즈마 챔버)의 온도를 손상시키지 않고 프로세스 가스(및 플라즈마 챔버)로부터 도파로로의 열 전달을 최소화할 수 있는 디바이스에 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 측면 상에 장착되고 제1 간극에 의해 도파로로부터 물리적으로 분리되고 플라즈마에 의해 처리된 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 가스 출구를 갖는 어댑터; 및 제1 간극 내에 배치되고 제1 간극을 통한 마이크로파 에너지의 누설을 차단하도록 구성된 EM 밀봉부를 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 7의 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 도 2의 부분의 확대도를 도시하고 있다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 전자기(EM) 밀봉부의 사시도를 도시하고 있다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 도 2의 부분의 확대도를 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, 라인 2-2를 따라 취한 도 1의 플라즈마 챔버의 단면도를 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 도 14의 부분의 확대도를 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(또한 플라즈마 반응기라고도 칭함)(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 하류 단부에 배치된 활주 단락 회로와 같은, 도 1에는 도시되어 있지 않은 다른 구성요소를 포함할 수도 있다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 2-2를 따라 취한 도 1의 플라즈마 챔버(22)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(22)는 내부벽(들)(40); 가스 라인(24)에 연결되고 플라즈마 챔버 내로 순방향 가스 유동을 도입하도록 구성된 순방향 유동 입구(31); 및 가스 라인(28)에 연결되고 플라즈마 챔버 내로 역방향 가스 유동을 도입하도록 구성된 어댑터(또한 "역방향 유동 입구"라고도 칭함)(74)를 포함한다. 여기서, 용어 플라즈마 공동은 내부벽(40), 도파로(20), 순방향 유동 입구(31) 및 어댑터(74)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.
실시예에서, 순방향 유동 입구(31)는 순방향 유동 입구 본체(49); 순방향 유동 입구 본체(49)의 하부면 상에 장착되는 플라즈마 안정기(38); 순방향 유동 입구 본체(49)의 숄더 상에 장착된 와류 발생기(42); 및 나사/볼트(도 2에는 도시되어 있지 않음)와 같은 적합한 체결 기구에 의해 순방향 유동 입구 본체(49)에 탈착 가능하게 고정된 뚜껑(63)을 포함한다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(38)는 선택적 요소이다. 순방향 유동 입구 본체(49), 뚜껑(63) 및 와류 발생기(42)는 밀폐 공간(또한 정체 챔버라고도 칭함)(61)을 형성하고, 가스 라인(24)으로부터의 가스는 챔버(61)로 진입하고 이후에 와류 발생기(42)를 통해 플라즈마(46)를 향해 빠져나간다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 와류 발생기(42)의 사시도를 도시하고 있다. 도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 4-4를 따라 취한 와류 발생기(42)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 와류 발생기(42)는 챔버(61) 내의 가스가 그를 통해 와류 발생기(42) 내로 유동하는 구멍(47)을 갖는다. 와류 발생기(42)는 그 벽에 형성된 하나 이상의 가스 통로(48)를 또한 갖는다. 실시예에서, 가스 통로(48)의 출구는 플라즈마 안정기(38) 내부에 위치되어 플라즈마 안정기(38)가 가스 통로(48)로부터의 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, 와류 발생기(42)는 세라믹과 같은 임의의 적합한 유전 재료로 형성되어, 와류 발생기(42)가 도파로(20)로부터 전기적으로 절연되고 플라즈마(46)로부터의 열 에너지를 견디게 한다. 실시예에서, 와류 발생기(42)는 금속 또는 유전 재료로 형성된다.
실시예에서, 순방향 유동 입구 본체(49)는 Ni 합금(예를 들어, 인코넬(Inconel) 또는 하스텔로이(Hastelloy))과 같은 금속으로 형성된다. 실시예에서, 뚜껑(80)은 순방향 유동 입구(31)의 구성요소로의 액세스를 위해 순방향 유동 입구 본체(49)로부터 탈착될 수 있다.
실시예에서, 플라즈마 안정기(38)는 마이크로파 에너지에 투명한 재료로 형성되고, 바람직하게는 석영 또는 세라믹과 같은 내부벽(40)과 동일한 재료로 형성된다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(38)는 순방향 유동 입구 본체(49)의 숄더 상에 장착되고, 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, 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. 전술된 바와 같이, 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 플라즈마(46)를 안정하게 유지하는 것을 돕는다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 어댑터(74)의 사시도를 도시하고 있다. 도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 6-6을 따라 취한 어댑터(74)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 어댑터(74)는 어댑터 본체(77) 및 밀봉 용기(71)를 포함한다. 실시예에서, 어댑터 본체(77)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 만곡된다. 실시예에서, 어댑터 본체(77) 및 밀봉 용기(71)는 바람직하게는 인코넬 또는 하스텔로이와 같은 Ni 합금으로 형성되지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서, 어댑터(74)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. 와류 발생기(42)로부터의 가스는 어댑터(74)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, 어댑터(74)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(31) 및 어댑터(74)에 의해 플라즈마 공동 내로 도입된다. 실시예에서, 와류 발생기(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.
실시예에서, 플라즈마 발생 시스템(10)이 효율적으로 동작하게 하기 위해, 가스 탱크로부터 어댑터(74) 및/또는 순방향 유동 입구(31)로 유동하는 프로세스 가스는 플라즈마 공동에 진입하기 전에 적합한 기구(도 2에는 도시되어 있지 않음)에 의해 가열될 수도 있다. 프로세스 가스는 상승된 온도에 있기 때문에, 과도한 양의 열 에너지가 플라즈마 챔버(22)에, 이후에 전도에 의해 도파로(20)에 전달될 수도 있다. 또한, 동작 중에, 플라즈마(46)에 의해 가열된 가스는 열 에너지를 어댑터(74) 및 순방향 유동 입구(31)에 전달하고, 이는 이어서 차례로 열 에너지를 도파로(20)에 전달한다. 이 열 전달은 도파로(20)를 가열하고 마이크로파 공급 유닛(12)의 다른 구성요소의 수명을 잠재적으로 손상시키거나 단축시킬 수도 있기 때문에, 실시예에서, 플라즈마 챔버(22)는 간극에 의해 도파로(20)로부터 물리적으로 분리되어, 이에 의해 열 전도를 감소시킨다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 도 2의 부분(80)의 확대도를 도시하고 있다. 도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 순방향 유동 입구 본체(49)는 간극(82)에 의해 도파로(20)로부터 분리되어, 이에 의해 전도에 의한 순방향 유동 입구 본체(49)로부터 도파로(20)로의 열 전달을 감소시킨다. 간극(82)은 또한 순방향 유동 입구 본체(49)의 제조 공차 및 열 팽창을 고려하는 것이 바람직하다. 그러나, 간극(82)이 전자기적으로 밀봉되지 않으면, 마이크로파 에너지는 간극(82)을 통해 누설되어 이에 의해 시스템(10)의 동작 효율을 감소시킬 수도 있다.
실시예에서, 간극(82)은 와셔(86)에 의해 밀봉되고, 여기서 와셔(86)는 금속과 같은 전기 전도성 재료로 형성되지만 낮은 열 전도도를 갖는다. 와셔(86)는 순방향 유동 입구 본체(49)와 도파로(20) 사이의 간극(82)(즉, 단열)을 통해 전자기 방사선 누설을 최소화/차단하면서 순방향 유동 입구 본체(49)로부터 도파로(20)로의 열 전달을 감소시킨다. 실시예에서, 와셔(86)는 전자기(EM) 밀봉부이고 또한 순방향 유동 입구 본체(49)로부터 도파로(20)로의 열 전달을 감소시킨다. 실시예에서, 와셔(86)의 폭은 도파로(20)(및 순방향 유동 입구 본체(49))와의 접촉 면적을 감소시키기 위해 최소화되어, 이에 의해 순방향 유동 입구 본체로부터 도파로로의 열 전도를 감소시킬 수도 있다.
실시예에서, 다른 유형의 낮은 표면적 전자기(EM) 밀봉부가 와셔(86)와 유사한 효과를 달성하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들어, 간극(82)은 코일 스프링(84)과 같은 와이어의 권선 코일(또한 RF 밀봉부 또는 EM 밀봉부라고도 칭함)에 의해 전자기적으로 밀봉된다. 도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 EM 밀봉부(84)의 사시도를 도시하고 있다. 실시예에서, EM 밀봉부(84)는 도파로(20)에 형성된 노치 내에 안착되고 순방향 유동 입구 본체(49)와 접촉하여, 간극(82)을 통한 전자기 에너지의 누설을 방지하거나 감소시키도록 작용한다. 실시예에서, EM 밀봉부(84)는 적당한 압축 하에 있고 간극(82)의 열 팽창 및 수축을 수용하기 위해 충분한 탄성을 갖는다. EM 밀봉부(84)는 플라즈마 챔버의 시동, 동작 및 운전 정지 전, 중 및 후에, 순방향 유동 입구 본체(49)와 도파로(20) 사이의 접촉을 유지하는 것을 가능하게 하기 위해 플라즈마 챔버(22) 내에서 발견되는 상승된 온도에서 충분한 기계적 안정성을 갖는 전기 전도성 재료로 형성된다. 실시예에서, EM 밀봉부(84)는 플라즈마 챔버(22)의 동작 온도에서 과도한 부식 또는 기계적 피로를 나타내지 않는 고온 적합성 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
실시예에서, 가스 밀봉부(85)는 순방향 유동 입구 본체(49)와 내부벽(40) 사이의 간극(82)을 통한 플라즈마 챔버(22) 내의 가스의 누설을 방지하기 위해 사용된다. 실시예에서, 가스 밀봉부(85)는 O-링이고 마이크로파에 투명하고 고온에서 열화되지 않는 고무 또는 실리콘과 같은, 엘라스토머 재료로 형성된다.
몇몇 실시예에서, 가스 밀봉부(85)는 순방향 유동 입구 본체(49) 내에서 발견되는 상승된 온도에 적합하지 않을 수도 있다. 이러한 경우, 흑연 개스킷이 가스 밀봉부(85)로서 사용되는데, 여기서 흑연 개스킷은 직사각형 링 형상을 갖고 흑연 재료로 형성된다(즉, 흑연 개스킷은 도 11의 가스 밀봉부(99)와 동일한 형상을 가질 수도 있음). 실시예에서, 흑연 재료는 마이크로파 에너지에 투명하지 않을 수도 있고; 대신에, 흑연 재료는 마이크로파 에너지의 흡수에 의해 가열될 수도 있다. 실시예에서, 마이크로파 에너지가 가스 밀봉부(85)에 도달하는 것을 방지하기 위해, 내부벽(40)은 은과 같은 금속으로 형성된 코팅(89)을 포함한다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 도 2의 부분(90)의 확대도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 밀봉 용기(71)는 적합한 체결 기구(나사/볼트와 같은, 도 11에는 도시되어 있지 않음)에 의해 어댑터 본체(77) 상에 장착되고 탈착 가능하게 고정되며, 여기서 내부벽(40)은 밀봉 용기(71)와 어댑터 본체(77) 사이에 배치된다. 실시예에서, 도파로(20)는 밀봉 용기(71)로부터 도파로(20)로의 열 전도를 감소시키기 위해 간극(92)에 의해 어댑터(74)(더 구체적으로, 밀봉 용기(71))로부터 물리적으로 분리된다. 또한, 간극(92)은 순방향 유동 입구(74)의 제조 공차 및 열 팽창을 고려하는 것이 바람직하다. 그러나, 마이크로파 에너지는 간극(92)을 통해 누설될 수도 있고, 이와 같이, EM 밀봉부(94) 및/또는 와셔(96)는 간극(92)을 통한 마이크로파 에너지의 누설을 방지/감소시키기 위해 사용된다. 실시예에서, EM 밀봉부(94) 및 와셔(96)는 각각 EM 밀봉부(84) 및 와셔(86)와 유사한 구조 및 기능을 갖는다. 실시예에서, EM 밀봉부(94) 및/또는 와셔(96)는 플라즈마 챔버의 시동, 동작 및 운전 정지 전, 중 및 후에, 밀봉 용기(71)와 도파로(20) 사이의 접촉을 유지하는 것이 가능하다.
밀봉 용기(71)는 EM 밀봉부(94)가 안착되는 노치/홈을 포함할 수도 있다는 것이 주목된다. 이러한 경우에, 도파로(20)는 EM 밀봉부(94)를 위한 노치 또는 홈을 포함하지 않을 수도 있다.
실시예에서, 가스 밀봉부(99)가 내부벽(40)과 어댑터 본체(77) 사이의 간극(97)을 통한 가스 누설을 방지하기 위해 사용된다. 실시예에서, 동작 중에, 가스 출구(32)를 빠져나가는 가스의 온도는 최대 1200 내지 1500℃에 도달할 수도 있어, 어댑터 본체(77)와 밀봉 용기(71)가 어댑터 본체(77)와 내부벽(40) 사이의 계면에 종래의 엘라스토머 밀봉부를 채용하기에는 너무 고온인 온도에 도달하게 한다. 실시예에서, 고온 적합성 재료, 바람직하게는 이에 한정되는 것은 아니지만, 흑연으로 형성된 가스 밀봉부(99)는 간극(97)을 통한 가스 누설을 차단하기 위해 밀봉 용기(71)와 어댑터 본체(77) 사이에 압축 상태로 유지된다. 실시예에서, 밀봉 용기(71)는 가스 밀봉부(99)를 위한 노치/홈을 갖고, 나사/볼트(도 11에는 도시되어 있지 않음)와 같은 적합한 체결 기구를 사용함으로써 가스 밀봉부(99)에 적당한 압축을 인가한다. 실시예에서, 가스 밀봉부(99)는 직사각형 링 형상의 형상을 갖지만, 가스 밀봉부(99)가 다른 적합한 단면 형상을 가질 수도 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
실시예에서, 마이크로파 에너지에 투명하지 않은 재료로 형성될 수도 있는 가스 밀봉부(99)는 마이크로파 에너지의 흡수 뿐만 아니라 어댑터 본체(77)로부터의 전도에 의해 가열된다. 실시예에서, 마이크로파 에너지가 가스 밀봉부(99)에 도달하는 것을 방지하기 위해, 내부벽(40)은 은과 같은 금속으로 형성된 코팅(98)을 포함한다.
실시예에서, RF 밀봉부(94)와 유사한 다른 EM 밀봉부(95)는 어댑터 본체(77)의 노치/홈 내에 안착되고 마이크로파 에너지가 가스 밀봉부(99)에 도달하는 것을 방지한다. 실시예에서, 얇은 금속 시트(93)가 마이크로파 에너지가 가스 밀봉부(99)에 도달하는 것을 추가로 방지하기 위해 간극(97) 내에 선택적으로 삽입된다.
플라즈마 챔버(22)는 상이한 구성요소 및 구성요소의 배열을 가질 수도 있다는 것이 주목된다. 예를 들어, 도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 2-2를 따라 취한 도 1의 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(122)는 플라즈마 챔버(22)와 비교하여, 순방향 유동 입구를 포함하지 않는다. 플라즈마 챔버(122)는 순방향 유동 입구를 갖지 않기 때문에, 도 7의 와류와 유사한 내부 와류가 플라즈마 챔버(122) 내부에 발생되지 않는다.
다른 예에서, 도 13은 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 2-2를 따라 취한 도 1의 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(222)는 플라즈마 챔버(22)와 유사하고, 어댑터 본체(77)가 어댑터 본체(277)로 대체되고, 어댑터(277) 본체는 그 내에 어떠한 가스 통로도 갖지 않는다는 차이점을 갖는다. 또한, 어댑터 본체(277)는 그 내에 어떠한 가스 통로도 갖지 않기 때문에, 어댑터(274)는 가스 라인에 결합되지 않는다. 역방향 유동 입구(274)는 플라즈마 공동 내로 가스를 도입하지 않고, 그 결과, 도 8의 와류와 유사한 외부 와류가 플라즈마 챔버(222) 내부에 발생되지 않는다는 것이 주목된다.
실시예에서, 어댑터 본체(277)를 제외하고, 플라즈마 챔버(222)의 구성요소는 플라즈마 챔버(22)의 그 대응부과 유사한 기능 및 구조를 갖는다. 예를 들어, 밀봉 용기(271)는 도파로(220)로부터 물리적으로 분리되고, 와셔 및/또는 EM 밀봉부가 간극을 통한 마이크로파의 누설을 방지하기 위해 사용된다. 플라즈마 챔버(122, 222)는 플라즈마 챔버(22)의 예시적인 변형예라는 것이 주목된다. 플라즈마 챔버의 다양한 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 제16/752,689호, 및 2020년 2월 13일자로 출원된 발명의 명칭이 "플라즈마 안정성을 위한 플라즈마 반응기의 배기 가스 압력의 제어(Controlling exhaust gas pressure of a plasma reactor for plasma stability)"인 제16/790,644호에서 발견될 수 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 도 14의 부분의 확대도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(322)는 도 2의 플라즈마 챔버(22)와 유사하고, 순방향 유동 본체(377)가 순방향 유동 입구 본체(49)와는 상이한 기하학 형상을 갖는다는 차이점을 갖는다. 실시예에서, 순방향 유동 입구(331)는 순방향 유동 입구 본체(377); 나사/볼트(도 14에는 도시되어 있지 않음)와 같은 적합한 체결 기구에 의해 순방향 유동 입구 본체(377)에 탈착 가능하게 고정된 밀봉 용기(371); 순방향 유동 입구 본체(377)의 하부면 상에 장착되는 플라즈마 안정기(338); 순방향 유동 입구 본체(377)의 숄더 상에 장착된 와류 발생기(342); 및 나사/볼트(도 14에는 도시되어 있지 않음)와 같은 적합한 체결 기구에 의해 순방향 유동 입구 본체(377)에 탈착 가능하게 고정된 뚜껑(363)을 포함한다.
실시예에서, 내부벽(340)은 밀봉 용기(371)와 순방향 유동 입구 본체(377) 사이에 배치된다. 실시예에서, 도파로(320)는 밀봉 용기(371)로부터 도파로(320)로의 열 전도를 감소시키기 위해 간극(392)에 의해 순방향 유동 입구(331)(더 구체적으로, 밀봉 용기(371))로부터 물리적으로 분리된다. 또한, 간극(392)은 순방향 유동 입구(331)의 제조 공차 및 열 팽창을 고려하는 것이 바람직하다. 그러나, 마이크로파 에너지는 간극(392)을 통해 누설될 수도 있고, 이와 같이, EM 밀봉부(394) 및/또는 와셔(396)는 간극(392)을 통한 마이크로파 에너지의 누설을 방지/감소시키기 위해 사용된다. 실시예에서, EM 밀봉부(394) 및 와셔(396)는 각각 EM 밀봉부(84) 및 와셔(86)와 유사한 구조 및 기능을 갖는다. 예를 들어, 와셔(396)는 순방향 유동 입구(331)로부터 도파로(320)로의 열 전달을 감소시키는 EM 밀봉부이다. 실시예에서, EM 밀봉부(394) 및/또는 와셔(396)는 플라즈마 챔버의 시동, 동작 및 운전 정지 전, 중 및 후에, 밀봉 용기(371)와 도파로(320) 사이의 접촉을 유지하는 것이 가능하다.
밀봉 용기(371)는 EM 밀봉부(394)가 안착되는 노치/홈을 포함할 수도 있다는 것이 주목된다. 이러한 경우에, 도파로(320)는 EM 밀봉부(394)를 위한 노치 또는 홈을 포함하지 않을 수도 있다.
실시예에서, 가스 밀봉부(399)는 엘라스토머 재료로 제조된 O-링이고 내부벽(340)과 순방향 유동 입구 본체(377) 사이의 간극(397)을 통한 가스의 누설을 방지하는 데 사용된다. 몇몇 실시예에서, 동작 중에, 플라즈마 공동 내부의 가스는 상승된 온도에 있을 수도 있어, 순방향 유동 입구 본체(377) 및 밀봉 용기(371)가 순방향 유동 입구 본체(377)와 내부벽(340) 사이의 계면에 종래의 엘라스토머 밀봉부를 채용하기에는 너무 고온인 온도에 도달하게 한다. 실시예에서, 고온 적합성 재료, 바람직하게는 이에 한정되는 것은 아니지만, 흑연으로 형성된 가스 밀봉부(399)는 간극(397)을 통한 가스 누설을 차단하기 위해 밀봉 용기(371)와 순방향 유동 입구 본체(377) 사이에 압축 상태로 유지된다. 실시예에서, 밀봉 용기(371)는 가스 밀봉부(399)를 위한 노치/홈을 갖고, 나사/볼트(도 15에는 도시되어 있지 않음)와 같은 적합한 체결 기구를 사용함으로써 가스 밀봉부(399)에 적당한 압축을 인가한다. 실시예에서, 가스 밀봉부(399)는 직사각형 링 형상의 형상을 갖지만, 가스 밀봉부(399)가 다른 적합한 단면 형상을 가질 수도 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
실시예에서, 마이크로파 에너지에 투명하지 않은 재료로 형성될 수도 있는 가스 밀봉부(399)는 마이크로파 에너지의 흡수 뿐만 아니라 순방향 유동 입구 본체(377)로부터의 전도에 의해 가열된다. 실시예에서, 마이크로파 에너지가 가스 밀봉부(399)에 도달하는 것을 방지하기 위해, 내부벽(340)은 은과 같은 금속으로 형성된 코팅(398)을 포함한다.
실시예에서, RF 밀봉부(94)와 유사한 다른 EM 밀봉부(395)는 순방향 유동 입구 본체(377)의 노치/홈 내에 안착되고 마이크로파 에너지가 가스 밀봉부(399)에 도달하는 것을 방지한다. 실시예에서, 얇은 금속 시트(393)가 마이크로파 에너지가 가스 밀봉부(399)에 도달하는 것을 추가로 방지하기 위해 간극(397) 내에 선택적으로 삽입된다.
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 (28)

  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 측면 상에 장착되고 제1 간극에 의해 도파로로부터 물리적으로 분리되고 플라즈마에 의해 처리된 가스가 그를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가는 가스 출구를 갖는 어댑터; 및
    제1 간극 내에 배치되고 제1 간극을 통한 마이크로파 에너지의 누설을 차단하도록 구성된 제1 전자기(EM) 밀봉부를 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제1 전자기(EM) 밀봉부는 와셔인, 플라즈마 발생 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 제1 전자기(EM) 밀봉부는 코일 스프링인, 플라즈마 발생 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 어댑터는
    가스 출구를 갖는 어댑터 본체;
    어댑터 본체에 탈착 가능하게 고정되고 노치를 갖는 밀봉 용기로서, 내부벽이 어댑터 본체와 밀봉 용기 사이에 배치되는, 밀봉 용기; 및
    노치 내에 배치되고 어댑터 본체와 내부벽 사이의 제2 간극을 통한 가스의 누설을 차단하도록 구성된 가스 밀봉부를 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 가스 밀봉부는 흑연으로 형성되는, 플라즈마 발생 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    내부벽의 부분 상에 형성되고 마이크로파 에너지를 차단하는 재료로 제조되고 마이크로파 에너지가 가스 밀봉부에 도달하는 것을 방지하도록 구성된 코팅을 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    제2 간극 내에 배치되고 마이크로파 에너지가 가스 밀봉부에 도달하는 것을 방지하도록 구성된 제2 전자기(EM) 밀봉부를 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 제2 전자기(EM) 밀봉부는 코일 스프링인, 플라즈마 발생 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    제2 간극 내에 배치되고 마이크로파 에너지가 가스 밀봉부에 도달하는 것을 방지하도록 구성된 금속 시트를 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  10. 제4항에 있어서, 어댑터 본체는 어댑터의 외부로부터 입력 가스를 수용하기 위한 구멍을 포함하고 제1 가스를 사용하여 플라즈마 공동 내에 와류 유동을 발생하도록 구성되는, 플라즈마 발생 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 어댑터 본체는 입력 가스가 그를 통해 플라즈마 공동 내로 도입되는 하나 이상의 통로를 갖고, 하나 이상의 통로의 각각은 그를 통과하는 입력 가스에 와류 운동을 부여하도록 배열되는, 플라즈마 발생 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    도파로의 제2 측면 상에 장착되고 플라즈마 공동 내로 입력 가스를 도입하고 입력 가스를 사용하여 플라즈마 공동 내에서 와류 유동을 발생하도록 구성된 유동 입구를 더 포함하고, 유동 입구는 제3 간극에 의해 도파로로부터 물리적으로 분리되는, 플라즈마 발생 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    제3 간극 내에 장착되고 제3 간극을 통한 마이크로파 에너지의 누설을 차단하도록 구성된 제3 전자기(EM) 밀봉부를 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 제3 전자기(EM) 밀봉부는 와셔인, 플라즈마 발생 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 와셔는 전기 전도성 재료로 형성되는, 플라즈마 발생 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 제3 전자기(EM) 밀봉부는 코일 스프링인, 플라즈마 발생 시스템.
  17. 제12항에 있어서, 유동 입구는
    유동 입구의 외부로부터 입력 가스를 수용하기 위한 구멍을 갖는 유동 입구 본체;
    유동 입구 본체에 탈착 가능하게 고정되고 유동 입구 본체 내의 구멍과 유체 연통하는 밀폐 챔버를 형성하는 뚜껑; 및
    유동 입구 본체 상에 장착되고 챔버와 유체 연통하는 구멍을 갖고 입력 가스를 사용하여 플라즈마 공동 내에 와류 유동을 발생하도록 구성된 와류 발생기를 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 와류 발생기는 입력 가스가 그를 통해 유동하는 하나 이상의 통로를 포함하고, 하나 이상의 통로의 각각은 그를 통과하는 입력 가스에 와류 운동을 부여하도록 배열되는, 플라즈마 발생 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    내부벽과 유동 입구 본체 사이의 제4 간극 내에 배치되고 제4 간극을 통한 가스의 누설을 밀봉하도록 구성된 가스 밀봉부를 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 가스 밀봉부는 엘라스토머 재료로 형성되는, 플라즈마 발생 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 가스 밀봉부는 흑연으로 형성되는, 플라즈마 발생 시스템.
  22. 제19항에 있어서,
    내부벽의 부분 상에 형성되고 마이크로파 에너지를 차단하는 재료로 제조되고 마이크로파 에너지가 가스 밀봉부에 도달하는 것을 방지하도록 구성된 코팅을 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  23. 제17항에 있어서,
    유동 입구 본체에 탈착 가능하게 고정되고 노치를 갖는 밀봉 용기로서, 내부벽이 유동 입구 본체와 밀봉 용기 사이에 배치되는, 밀봉 용기; 및
    노치 내에 배치되고 유동 입구 본체와 내부벽 사이의 제4 간극을 통한 가스의 누설을 차단하도록 구성된 가스 밀봉부를 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 가스 밀봉부는 흑연으로 형성되는, 플라즈마 발생 시스템.
  25. 제23항에 있어서,
    내부벽의 부분 상에 형성되고 마이크로파 에너지를 차단하는 재료로 제조되고 마이크로파 에너지가 가스 밀봉부에 도달하는 것을 방지하도록 구성된 코팅을 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  26. 제23항에 있어서,
    제4 간극 내에 배치되고 마이크로파 에너지가 가스 밀봉부에 도달하는 것을 방지하도록 구성된 제2 전자기(EM) 밀봉부를 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  27. 제26항에 있어서, 제2 전자기(EM) 밀봉부는 코일 스프링인, 플라즈마 발생 시스템.
  28. 제23항에 있어서,
    제4 간극 내에 배치되고 마이크로파 에너지가 가스 밀봉부에 도달하는 것을 방지하도록 구성된 금속 시트를 더 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
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