KR20210127781A - 플라즈마 안정성을 위한 플라즈마 반응기의 배기 가스 압력 제어 - Google Patents

플라즈마 안정성을 위한 플라즈마 반응기의 배기 가스 압력 제어 Download PDF

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KR20210127781A
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Abstract

본 발명은 플라즈마 반응기(101a 내지 101n)를 갖는 플라즈마 발생 시스템(100)을 제공한다. 각각의 플라즈마 반응기(101a)는 그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로(120); 도파로(120)에 결합되고 그 내에 플라즈마(146)를 발생하도록 구성된 플라즈마 챔버(122a); 플라즈마 챔버(122a) 내로 가스를 도입하기 위한 유동 입구(144); 플라즈마 챔버(122a)로부터 배기 가스를 운반하기 위한 배기 가스 파이프(125a)로서, 플라즈마(146)는 가스를 배기 가스로 변환하는, 배기 가스 파이프(125a); 및 배기 가스 파이프(125a) 내에 설치되고 배기 가스 파이프(125a) 내의 배기 가스의 압력을 제어하도록 구성된 압력 제어 디바이스(300)를 포함한다. 플라즈마 발생 시스템(100)은 플라즈마 반응기(101a 내지 101n)의 배기 가스 파이프(125a 내지 125n)에 결합되고 배기 가스 파이프(125a 내지 125n)로부터 배기 가스를 수용하도록 구성된 매니폴드(127)를 또한 포함한다.

Description

플라즈마 안정성을 위한 플라즈마 반응기의 배기 가스 압력 제어
본 발명은 플라즈마 발생기에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 플라즈마 반응기 내의 플라즈마를 안정화하기 위한 디바이스에 관한 것이다.
최근에, 마이크로파 기술이 다양한 유형의 플라즈마를 발생하기 위해 적용되어 왔다. 가스를 처리/개질하기 위한 종래의 플라즈마 발생 시스템은 전체 시스템의 처리량을 증가시키기 위해 다수의 플라즈마 반응기를 채용하며, 각각의 독립된 플라즈마 반응기로부터 출력되는 가스는 공통 매니폴드 또는 열 교환기에 파이핑되거나 연결된다. 이러한 종래의 플라즈마 발생 시스템은 매니폴드에 대한 플라즈마 반응기의 조립 및 서비스를 보조하기 위해 종종 조인트, 밸브, 피팅 뿐만 아니라 파이핑 내의 굴곡부와 같은 다수의 피팅을 채용한다.
전형적으로, 피팅, 파이핑 및 매니폴드 내의 이 기하학 형상, 및 최종 체적은 최적화되지 않고, 반응기 생성물 가스 내에 정재파(standing waves)를 발생할 수도 있다. 정재파는 플라즈마 반응기 챔버 내에 압력 변화를 야기하고 플라즈마 불안정성을 유발할 수도 있으며, 여기서 이러한 불안정성은 플라즈마가 자체로 소멸되게 하거나 가스 처리 또는 개질을 위한 최적 미만의 조건을 생성할 수도 있다. 더욱이, 하나의 플라즈마 반응기 내의 교란(즉, 실화(flameout))이 동일한 회로 내의 인접한 플라즈마 반응기로 전파되는 누화 문제가 존재할 수도 있다.
이와 같이, 정재파 및/또는 누화를 제어/방지하여, 이에 의해 플라즈마 반응기 내에서 플라즈마를 안정화시키기 위한 기구를 갖는 마이크로파 플라즈마 시스템에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 플라즈마 발생 시스템은 그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로; 도파로에 결합되고 마이크로파 에너지를 사용하여 그 내에 플라즈마를 발생하도록 구성된 플라즈마 챔버; 플라즈마 챔버 내로 가스를 도입하기 위한 유동 입구; 플라즈마 챔버로부터 배기 가스를 운반하기 위한 배기 가스 파이프로서, 플라즈마는 가스를 배기 가스로 변환하는, 배기 가스 파이프; 및 배기 가스 파이프 내에 설치되고 배기 가스 파이프 내의 배기 가스의 압력을 제어하도록 구성된 압력 제어 디바이스를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 플라즈마 발생 시스템은 복수의 플라즈마 반응기로서, 복수의 플라즈마 반응기의 각각은 그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로; 도파로에 결합되고 마이크로파 에너지를 사용하여 그 내에 플라즈마를 발생하도록 구성된 플라즈마 챔버; 플라즈마 챔버 내로 가스를 도입하기 위한 유동 입구; 플라즈마 챔버로부터 배기 가스를 운반하기 위한 배기 가스 파이프로서, 플라즈마는 가스를 배기 가스로 변환하는, 배기 가스 파이프; 및 배기 가스 파이프 내에 설치되고 배기 가스 파이프 내의 배기 가스의 압력을 제어하도록 구성된 압력 제어 디바이스를 포함하는, 복수의 플라즈마 반응기; 및 복수의 플라즈마 반응기의 배기 가스 파이프에 결합되고 배기 가스 파이프로부터 배기 가스를 수용하도록 구성된 매니폴드를 포함한다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 다수의 플라즈마 반응기를 갖는 플라즈마 발생 시스템의 개략도를 도시하고 있다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른 도 1의 플라즈마 반응기의 개략도를 도시하고 있다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 3-3을 따라 취한 도 2의 플라즈마 챔버의 단면도를 도시하고 있다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른 순방향 유동 입구의 사시도를 도시하고 있다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 5-5를 따라 취한 도 4의 순방향 유동 입구의 단면도를 도시하고 있다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른 역방향 유동 입구의 사시도를 도시하고 있다.
도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 7-7을 따라 취한 도 6의 역방향 유동 입구의 단면도를 도시하고 있다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 내부 와류 유동의 사시도를 도시하고 있다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 외부 와류 유동의 사시도를 도시하고 있다.
도 10a는 본 개시내용의 실시예에 따른 압력 제어 디바이스의 사시도를 도시하고 있다.
도 10b는 본 개시내용의 실시예에 따른 압력 제어 디바이스의 사시도를 도시하고 있다.
도 10c는 본 개시내용의 실시예에 따른 압력 제어 디바이스의 사시도를 도시하고 있다.
도 10d는 본 개시내용의 실시예에 따른 압력 제어 디바이스의 사시도를 도시하고 있다.
도 10e는 본 개시내용의 실시예에 따른 압력 제어 디바이스의 사시도를 도시하고 있다.
도 10f는 본 개시내용의 실시예에 따른 압력 제어 디바이스의 사시도를 도시하고 있다.
도 10g는 본 개시내용의 실시예에 따른 도 10f의 압력 제어 디바이스의 정면도를 도시하고 있다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 개략도를 도시하고 있다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 반응기의 개략도를 도시하고 있다.
도 13은 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 챔버의 단면도를 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(100)의 개략도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 발생 시스템(100)은: 하나 이상의 플라즈마 반응기(101a 내지 101n); 및 플라즈마 반응기로부터 생성물 가스(또는 동등하게 배기 가스)를 수용하기 위한 매니폴드(127)를 포함할 수도 있다. 더 구체적으로, 플라즈마 발생 시스템(100)은 마이크로파 에너지를 발생하고 마이크로파 에너지를 플라즈마 챔버(122a 내지 122n)에 각각 제공하는 마이크로파 공급 유닛(112a 내지 112n); 제1 입력 가스 라인(124a 내지 124n); 제2 입력 가스 라인(128a 내지 128n); 배기 가스 파이프(125a 내지 125n); 및 배기 가스 파이프에 결합되고 유체 연통되는 매니폴드(127)를 포함할 수도 있다. 실시예에서, 각각의 배기 가스 파이프(즉, 125a)는 각각의 플라즈마 챔버(예를 들어, 122a)로부터 매니폴드(127)로 배기 가스를 운반할 수도 있다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 반응기(101a)의 개략도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 반응기(101a)는 중공 튜브의 형상을 갖는 마이크로파 공동/도파로(120); 도파로(120)에 연결된 플라즈마 챔버(122a); 및 도파로(120)에 연결되고 마이크로파 도파로(120)를 통해 플라즈마 챔버(122a)에 마이크로파 에너지를 제공하도록 동작하는 마이크로파 공급 유닛(112a)을 포함할 수도 있다. 실시예에서, 플라즈마 챔버(122a)는 마이크로파 에너지를 수신하고 수신된 마이크로파 에너지의 사용에 의해 입력 가스를 처리한다. 입력 가스는 순방향 유동 입구(142) 및 역방향 유동 입구(144) 중 하나 또는 모두에 의해 플라즈마 챔버(122a)로 도입된다. 실시예에서, 가스 탱크(126)는 가스 라인(124a)을 통해 플라즈마 챔버(122a)에 가스를 제공하고, 가스 탱크(130)는 가스 라인(128a)을 통해 플라즈마 챔버(122a)에 가스를 제공한다.
실시예에서, 마이크로파 공급 유닛(112a)은 마이크로파 에너지를 플라즈마 챔버(122a)에 제공하고, 마이크로파를 발생하기 위한 마이크로파 발생기(114); 마이크로파 발생기(114)에 전력을 공급하기 위한 전원(116); 및 플라즈마 챔버(122a)로부터 반사되어 마이크로파 발생기(114)를 향해 이동하는 마이크로파 에너지를 감소시키기 위한 튜너(118)를 포함한다. 실시예에서, 마이크로파 공급 유닛(112a)은 마이크로파 발생기(114)를 향해 전파하는 반사된 마이크로파 에너지를 소산시키기 위한 더미 부하 및 반사된 마이크로파 에너지를 더미 부하로 지향하기 위한 순환기를 갖는 격리기 및 도파로(120)의 단부에 배치된 활주 단락 회로와 같은 다른 구성요소를 포함할 수도 있다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 3-3을 따라 취한 도 2의 플라즈마 챔버(122a)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(122a)는 내부벽(들)(140); 플라즈마 안정기(138); 가스 라인(124a)에 연결되고 플라즈마 챔버 내로 순방향 유동을 도입하도록 구성된 순방향 유동 입구(142); 및 가스 라인(128a)에 연결되고 플라즈마 챔버 내로 역방향 유동을 도입하도록 구성된 역방향 유동 입구(144)를 포함한다. 여기서, 용어 플라즈마 공동은 내부벽(140), 도파로(120), 순방향 유동 입구(122) 및 역방향 유동 입구(144)에 의해 둘러싸인 밀폐 공간을 칭하고, 역방향 유동 가스 및 순방향 유동은 플라즈마(146)에 의해 플라즈마 공동 내에서 처리/개질되고 플라즈마(146)는 도파로(120)를 통해 전달되는 마이크로파 에너지에 의해 유지된다.
실시예에서, 내부벽(140)은 석영 또는 세라믹과 같은 마이크로파 에너지에 투명한 재료로 형성된다. 실시예에서, 내부벽(140)은 균일한 유동, 열 저항, 내화학성 및 전자기 투명도에 대해 바람직한 임의의 다른 적합한 유전 재료로 형성된다. 실시예에서, 내부벽(140)은 바람직하게는 중공 원형 실린더의 형상을 갖지만 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른 순방향 유동 입구(142)의 사시도를 도시하고 있다. 도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 5-5를 따라 취한 순방향 유동 입구(142)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 순방향 유동 입구(142)는 가스 라인(124)에 결합하기 위한 구멍/어댑터(147) 및 그 벽에 형성된 하나 이상의 가스 통로(148)를 갖는다. 실시예에서, 가스 통로(148)의 출구는 플라즈마 안정기(138) 내부에 위치되어 플라즈마 안정기(138)가 가스 통로(148)를 빠져나가는 유동을 사용하여 내부 와류 유동(143)을 형성하게 된다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(138)의 내경은 내부 와류 유동(143)의 외경을 조정하기 위해 변경될 수도 있다. 실시예에서, 전술된 바와 같이, 플라즈마 안정기(138)는 중공 원형 실린더의 형상을 갖고 순방향 유동 입구(142)에 동심으로 배치될 수도 있다.
실시예에서, 각각의 가스 통로(148)는 순방향 유동이 가스 통로(148)를 통해 플라즈마 공동에 진입함에 따라 순방향 유동에 나선형 운동을 부여하도록 배열된다. 실시예에서, 각각의 가스 통로(148)는 순방향 유동의 와도(vorticity)를 향상시키기 위해 만곡될 수도 있다.
실시예에서, 플라즈마 안정기(138)는 마이크로파 에너지에 투명한 재료로 형성되고, 바람직하게는 내부벽(140)과 동일한 재료로 형성된다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(138)는 도파로(120)에 부착되어, 플라즈마 공동 내로 돌출하고, 여기서 플라즈마 안정기(138)의 축방향은 y-축에 평행하다. 실시예에서, 전술된 바와 같이, 내부벽(140)은 중공 원형 실린더의 형상을 가질 수도 있고, 플라즈마 안정기(138)는 내부벽(140)에 동심으로 설치될 수도 있다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(138) 내부의 순방향 유동은 내부 와류 유동(143)을 형성하고 도파로(120)의 다른 단부를 향해, 더 구체적으로 가스 출구(132)를 향해 진행한다. 도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 내부 와류 유동(143)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 순방향 유동(또는 동등하게, 내부 와류 유동)은, 내부 와류 유동이 가스 출구(132)를 빠져나갈 때까지 나선형 운동으로 내부벽(140)의 길이를 따라 이동한다.
실시예에서, 플라즈마 점화기(도 3에는 도시되어 있지 않음)에 의한 플라즈마 플룸(plasma plume)(또는 간단히 플라즈마)(146)의 점화시, 플라즈마(146)는 마이크로파 발생기(114)에 의해 전달된 마이크로파 에너지에 의해 유지된다. 실시예에서, 플라즈마(146)는 내부 와류 유동(143)의 가스 입자가 플라즈마(146)를 통과하도록 내부 와류 유동(143) 내에 위치된다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(138)는 내부 와류 유동(143)의 외경을 결정하여, 가스 출구(132)를 통해 플라즈마 공동을 빠져나가기 전에 순방향 유동이 플라즈마(146)를 바이패스하는 것을 방지한다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(138)는 내부 와류 유동(143)을 외부 와류 유동(145)으로부터 분리함으로써 플라즈마(146)를 안정하게 유지하는 것을 돕는다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른 역방향 유동 입구(144)의 사시도를 도시하고 있다. 도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른, 라인 7-7을 따라 취한 역방향 유동 입구(144)의 단면도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 역방향 유동 입구(144)는 가스 라인(128a)에 결합하기 위한 구멍/어댑터(152), 가스 출구(132)를 형성하기 위한 구멍, 및 그 벽에 형성된 하나 이상의 가스 통로(151)를 갖는다. 실시예에서, 각각의 가스 통로(151)는 역방향 유동이 가스 통로(151)를 통해 플라즈마 공동에 진입함에 따라 역방향 유동에 나선형 운동을 부여하도록 배열된다. 실시예에서, 각각의 가스 통로(151)는 역방향 유동의 와도를 향상시키기 위해 만곡될 수도 있다.
실시예에서, 역방향 유동 입구(144)를 빠져나가는 역방향 유동은 내부벽(140)을 향해 이동하고, 이어서 나선형 운동으로 내부벽(140)을 따라 도파로(120)의 다른 단부를 향해 상향(y-축 방향)으로 진행한다. 그 후에, 역방향 유동은 유동 방향을 역전하여 하향으로 진행하고 외부 와류 유동(145)을 형성한다. 실시예에서, 외부 와류 유동(145)의 회전축은 y-축에 실질적으로 평행하다. 도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 외부 와류 유동(145)의 사시도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 외부 와류 유동(145)은 중공 실린더 형상을 갖고, 2개의 유동 영역: 즉, 내부 하향 유동 영역(145-1) 및 외부 상향 유동 영역(145-2)을 갖는다. 실시예에서, 내부 와류 유동(143)은 외부 와류 유동(145)의 중간 중공부 내에 배치되고 내부 하향 유동 영역(145-1)에 의해 둘러싸인다.
실시예에서, 외부 와류 유동(145)은 내부 와류 유동(143)을 둘러싸고, 이에 의해 플라즈마(146)로부터 내부벽(140)을 차폐한다. 실시예에서, 역방향 유동 입구(144)를 빠져나가는 역방향 유동은 주위 온도를 가질 수도 있고, 외부 와류 유동(145)이 나선형 운동으로 내부벽(140)을 따라 상향으로 이동함에 따라 내부벽(140)으로부터 열 에너지를 취할 수도 있다.
실시예에서, 전술된 바와 같이, 플라즈마 안정기(138)의 내경은 내부 와류 유동(143)의 반경방향 치수를 결정한다. 이와 같이, 실시예에서, 플라즈마 안정기(138)의 내경은 외부 와류 유동(145)이 내부 와류 유동(143)을 둘러싸고 내부 와류 유동(143)의 유동 체제를 안정한 방식으로 유지하여 이에 의해 플라즈마를 안정화하고 개선된 처리량 및 효율을 산출하도록 조정될 수도 있다.
실시예에서, 플라즈마(146)는 입구 가스를 원하는 생성물 가스로 개질하는 데 사용되고, 입구 가스는 순방향 유동 입구(142) 및 역방향 유동 입구(144) 중 하나 또는 모두에 의해 플라즈마 공동 내로 도입된다. 실시예에서, 순방향 유동 입구(142)를 빠져나가는 내부 와류 유동의 가스 조성은 CO2, CH4 및 O2를 포함하고, 가스 출구(132)를 빠져나가는 가스는 CO 및 H2 뿐만 아니라 순방향 유동 가스의 미반응 부분을 포함한다. 실시예에서, 순방향 유동에 대한 바람직한 분포는 플라즈마 챔버(122a) 내로의 총 유동의 0 질량% 내지 100 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. 실시예에서, 순방향 및 역방향 유동의 가스 조성 및 유량은 플라즈마 챔버(122a) 내의 플라즈마 안정성 및 화학 반응의 효율을 향상시키기 위해 조정될 수도 있다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 압력 제어 디바이스(300)는 배기 가스 파이프(125a) 내에 설치되어 플라즈마 챔버(122a)로부터 빠져나가는 배기 가스의 압력을 조정하여, 플라즈마 챔버 내에 배압을 생성할 수도 있다. 실시예에서, 압력 제어 디바이스(300)는 배기 가스 파이프를 통해 전파하는 압력파를 감쇠시키기 위해 배기 가스 파이프(125a)의 단면적을 제한/변경할 수도 있다(즉, 압력 제어 디바이스(300)는 유동 임피던스를 제공할 수도 있음). 도 10a는 본 개시내용의 실시예에 따른 압력 제어 디바이스(1000)의 사시도를 도시하고 있다. 실시예에서, 압력 제어 디바이스(1000)는 도 3의 압력 제어 디바이스(300)로서 사용될 수도 있다. 본 개시내용에서, 예시의 목적으로, 배기 가스 파이프(예를 들어, 125a)의 단면 형상은 원형이고, 반면 배기 가스 파이프는 타원형 또는 직사각형과 같은 다른 적합한 단면 형상을 가질 수도 있는 것으로 가정된다.
도 10a에 도시되어 있는 바와 같이, 압력 제어 디바이스(1000)는 평탄 디스크의 형상을 가질 수도 있는데, 여기서 오리피스(또는 동등하게 구멍)(1002)가 그 내에 형성되어 있다. 오리피스(1002)의 치수는 방해 기하학 형상을 변경하여, 이에 의해 플라즈마 챔버의 배압의 양을 제어하고 플라즈마(146)의 안정성을 최적화하도록 변경될 수도 있다. 실시예에서, 정재파와 같은 파동이 배기 가스 파이프(125a) 및/또는 매니폴드(127) 내에 형성될 수도 있는데, 여기서 파동은 시변 압력 변동과 연관될 수도 있다. 실시예에서, 압력 제어 디바이스(1000)는 배기 가스 파이프(125a) 내의 시변 압력 변동을 제어/조절하여, 이에 의해 플라즈마(146)의 안정성을 최적화할 수도 있다.
압력 제어 디바이스(1000)가 사용되지 않으면, 하나의 플라즈마 챔버(예를 들어, 122a) 내의 압력 교란이 배기 가스 파이프(125a), 매니폴드(127) 및 배기 가스 파이프(125b)를 통해 다른 플라즈마 챔버(예를 들어, 122b)로 전파될 수도 있는데, 즉 누화가 2개 이상의 플라즈마 챔버 사이에서 발생할 수도 있다. 실시예에서, 압력 제어 디바이스(1000)는 또한 플라즈마 안정성을 향상시키기 위해 누화를 억제할 수도 있다.
압력 제어 디바이스(1000)는 배기 가스 파이프(125a)를 통한 압력 변동/교란의 전파를 억제하면서 배기 가스 파이프(125a) 내의 압력 및 플라즈마 챔버(122a) 내의 배압을 최적화하기 위해 하나 초과의 오리피스를 포함할 수도 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
실시예에서, 압력 제어 디바이스(300)는 도 10b 내지 도 10g에 도시되어 있는 바와 같이, 다른 적합한 형상을 가질 수도 있다. 도 10b는 본 개시내용의 실시예에 따른 압력 제어 디바이스(1010)를 도시하고 있다. 도 10b에 도시되어 있는 바와 같이, 압력 제어 디바이스(1010)는 하나 이상의 구멍(1012)을 갖는 구일 수도 있다. 실시예에서, 압력 제어 디바이스(1010)의 직경은 배기 가스 파이프(125a)의 내경과 동일할 수도 있다. 실시예에서, 구멍(1012)의 크기 및 수는 압력 변동/교란의 전파를 억제하면서 배기 가스 파이프(125a) 내의 압력 및 플라즈마 챔버(122a) 내의 배압을 최적화하기 위해 변경될 수도 있다.
도 10c는 본 개시내용의 실시예에 따른 압력 제어 디바이스(1020)를 도시하고 있다. 도 10c에 도시되어 있는 바와 같이, 압력 제어 디바이스(1020)는 메시 직물(1022)로 형성될 수도 있는데, 여기서 메시 직물은 금속, 비금속, 또는 모두와 같은 적합한 재료로 형성될 수도 있다. 실시예에서, 메시 직물(1022)의 스트랜드는 얽히거나 격자형 구조를 가질 수도 있고, 스트랜드의 크기와 스트랜드 사이의 간격은 배기 가스 파이프(125a)를 통한 압력 변동/교란의 전파를 억제하면서 배기 가스 파이프(125a) 내의 압력 및 플라즈마 챔버(122a) 내의 배압을 최적화하기 위해 변경될 수도 있다.
도 10d는 본 개시내용의 실시예에 따른 압력 제어 디바이스(1030)를 도시하고 있다. 도 10d에 도시되어 있는 바와 같이, 압력 제어 디바이스(1030)는 디스크의 측면 표면을 따라 형성될 수도 있는 하나 이상의 에지 절결부/홈(1032)을 갖는 평탄 디스크일 수도 있다. 압력 제어 디바이스(1000)에서와 같이, 에지 절결부(1032)의 크기 및 수는 배기 가스 파이프(125a)를 통한 압력 변동/교란의 전파를 억제하면서 배기 가스 파이프(125a) 내의 압력 및 플라즈마 챔버(122a) 내의 배압을 최적화하도록 변경될 수도 있다.
도 10e는 본 개시내용의 실시예에 따른 압력 제어 디바이스(1040)를 도시하고 있다. 도 10e에 도시되어 있는 바와 같이, 압력 제어 디바이스(1040)는 튜브일 수도 있고, 여기서 튜브의 단면 치수는 그 축방향을 따라 변경될 수도 있다. 실시예에서, 그 양 단부에서 튜브의 외경(D2)은 배기 가스 파이프(125a)의 내경과 동일할 수도 있다. 실시예에서, 튜브(1040)의 최소 내경(D1)은 배기 가스 파이프(125a)를 통한 압력 변동/교란의 전파를 억제하면서 배기 가스 파이프(125a) 내의 압력 및 플라즈마 챔버(122a) 내의 배압을 최적화하도록 변경될 수도 있다.
도 10f는 본 개시내용의 실시예에 따른 압력 제어 디바이스(1050)를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 압력 제어 디바이스(1050)는 배기 가스 파이프(125a)의 내부면에 고정되는 일련의 배플(1052)을 포함할 수도 있다. 도 10g는 본 개시내용의 실시예에 따른 배플(1052)의 정면도를 도시하고 있다. 실시예에서, 배플(1052)의 수 및 형상은 배기 가스 파이프(125a)를 통한 압력 변동/교란의 전파를 억제하면서 배기 가스 파이프(125a) 내의 압력 및 플라즈마 챔버(122a) 내의 배압을 최적화하도록 변경될 수도 있다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 반응기(1100)의 개략도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 반응기(1100)는 플라즈마 반응기(101a)와 유사할 수도 있고, 피드백 제어 유닛(1103)이 배기 가스 파이프(1125) 내의 압력을 제어하기 위해 사용될 수도 있다는 차이점을 갖는다. 실시예에서, 피드백 제어 유닛(1103)은 배기 가스 파이프(1125) 내의 가스 압력을 측정하기 위한, 압력 변환기와 같은 센서(1106); 배기 가스 파이프(1125) 내의 가스 압력을 제어하기 위한, 가변 오리피스 밸브와 같은 밸브(1108); 및 센서(1106) 및 밸브(1108)에 결합되어 이들을 제어하도록 구성된 제어 유닛(1110)을 포함할 수도 있다. 실시예에서, 컴퓨팅 디바이스일 수도 있는 제어 유닛(1110)은 센서(1106)로부터 신호를 수신하고, 신호에 응답하여, 배기 가스 파이프(1125)를 통한 압력을 조정하여, 이에 의해 배기 가스 파이프(1125)를 통한 압력 변동/교란의 전파를 억제하면서 배기 가스 파이프(1125) 내의 압력 및 플라즈마 챔버(1122) 내의 배압을 최적화하도록 밸브(1108)를 제어할 수도 있다.
실시예에서, 각각의 플라즈마 반응기(101a 내지 101n)는 피드백 제어 유닛(1103)을 가질 수도 있다. 대안 실시예에서, 각각의 플라즈마 반응기(101a 내지 101n)는 센서(1106) 및 밸브(1108)를 가질 수도 있고, 반면 플라즈마 반응기의 센서 및 밸브는 하나의 제어 유닛(1110)에 의해 제어되는데, 즉 배기 가스 압력은 하나의 중앙 제어 유닛에 의해 제어된다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 반응기(1200)의 개략도를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 반응기(1200)는 플라즈마 반응기(101a)와 유사할 수도 있고, 용기(1206)가 배기 가스 파이프(1202)에 부착되어 그와 유체 연통될 수도 있다는 차이점을 가지며, 여기서 용기(1206)는 배기 가스 파이프(1202) 내의 정재파의 주파수를 방해하거나 시프트하여, 이에 의해 플라즈마 안정성을 개선하고 그리고/또는 매니폴드(1227)를 통한 플라즈마 반응기들 사이의 누화를 감쇠시키는 데 사용될 수도 있다.
도 3의 플라즈마 챔버(122a)는 상이한 구성요소 및 구성요소의 배열을 가질 수도 있다는 것이 주목된다. 예를 들어, 플라즈마 챔버는 순방향 유동 입구(142)를 포함하지 않을 수도 있다. 다른 예에서, 플라즈마 안정기(138)는 역방향 유동 입구(144) 상에 장착될 수도 있다. 플라즈마 챔버(122a)의 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 제16/752,689호에서 발견될 수 있다.
실시예에서, 도 3의 플라즈마 챔버(122a)는 역방향 유동 입구(144)를 포함하지 않을 수도 있다. 도 13은 본 개시내용의 실시예에 따른 플라즈마 챔버(400)의 단면도를 도시하고 있다. 실시예에서, 플라즈마 챔버(400)는 도 1의 플라즈마 반응기를 위해 사용될 수도 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 플라즈마 챔버(400)는 도 3의 순방향 유동 입구(142)와 유사한 구조 및 기능을 갖는 순방향 유동 입구(442)를 포함하지만, 플라즈마 챔버(400)는 역방향 유동 입구를 포함하지 않는다. 실시예에서, 플라즈마 안정기(438)는 선택적 구성요소이다. 실시예에서, 플라즈마(446)에 의해 처리된 가스는 가스 출구(432)를 통해 빠져나가고, 배기 가스 파이프(445) 내에 설치된 압력 제어 디바이스(500)는 압력 제어 디바이스(300)와 유사한 구조 및 기능을 갖는다.
전술된 바와 같이, 도 1의 각각의 플라즈마 반응기(101a 내지 101n)는 도 10a 내지 도 10g의 압력 제어 디바이스를 사용할 수도 있다. 또한, 도 11의 피드백 제어 유닛(1103) 및 도 12의 챔버(1206)는 플라즈마 안정성을 개선하고 매니폴드(127)를 통한 플라즈마 반응기 사이의 누화를 감쇠시키는 데 사용될 수도 있다. 따라서, 도 1의 각각의 플라즈마 반응기는 도 10a 내지 도 10g의 압력 제어 디바이스, 도 11의 피드백 제어 유닛(1103) 및 도 12의 챔버(1206) 중 하나 이상을 사용할 수도 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 유사하게, 도 13의 각각의 플라즈마 챔버는 도 10a 내지 도 10g의 압력 제어 디바이스, 도 11의 피드백 제어 유닛(1103) 및 도 12의 챔버(1206) 중 하나 이상을 사용할 수도 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 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 (16)

  1. 플라즈마 발생 시스템이며,
    그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로; 및
    도파로에 결합되고 마이크로파 에너지를 사용하여 그 내에 플라즈마를 발생하도록 구성된 플라즈마 챔버;
    플라즈마 챔버 내로 입력 가스를 도입하기 위한 유동 입구;
    플라즈마 챔버로부터 배기 가스를 운반하기 위한 배기 가스 파이프로서, 플라즈마는 입력 가스를 배기 가스로 변환하는, 배기 가스 파이프; 및
    배기 가스 파이프 내에 설치되고 배기 가스 파이프 내의 배기 가스의 압력을 제어하도록 구성된 압력 제어 디바이스를 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 압력 제어 디바이스는 그 내에 형성된 적어도 하나의 오리피스를 갖는 디스크인, 플라즈마 발생 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 압력 제어 디바이스는 배기 가스가 그를 통해 통과하는 적어도 하나의 구멍을 갖는 구인, 플라즈마 발생 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 압력 제어 디바이스는 메시 직물을 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 압력 제어 디바이스는 하나 이상의 에지 절결부를 갖는 디스크인, 플라즈마 발생 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 압력 제어 디바이스는 튜브이고, 튜브의 직경은 튜브의 하류 방향을 따라 변하는, 플라즈마 발생 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 압력 제어 디바이스는 피드백 제어 유닛을 포함하고,
    배기 가스 파이프 내의 배기 가스의 압력을 측정하기 위한 센서;
    배기 가스 파이프 내의 배기 가스의 압력을 조정하기 위한 밸브; 및
    압력과 연관된 신호를 수신하고 신호에 응답하여 밸브를 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  8. 플라즈마 발생 시스템이며,
    그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로; 및
    도파로에 결합되고 마이크로파 에너지를 사용하여 그 내에 플라즈마를 발생하도록 구성된 플라즈마 챔버;
    플라즈마 챔버 내로 입력 가스를 도입하기 위한 유동 입구;
    플라즈마 챔버로부터 배기 가스를 운반하기 위한 배기 가스 파이프로서, 플라즈마는 입력 가스를 배기 가스로 변환하는, 배기 가스 파이프; 및
    배기 가스 파이프의 측면에 부착되고 배기 가스 파이프와 유체 연통하는 용기를 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  9. 플라즈마 발생 시스템이며,
    복수의 플라즈마 반응기로서, 복수의 플라즈마 반응기의 각각은:
    그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로; 및
    도파로에 결합되고 마이크로파 에너지를 사용하여 그 내에 플라즈마를 발생하도록 구성된 플라즈마 챔버;
    플라즈마 챔버 내로 가스를 도입하기 위한 유동 입구;
    플라즈마 챔버로부터 배기 가스를 운반하기 위한 배기 가스 파이프로서, 플라즈마는 가스를 배기 가스로 변환하는, 배기 가스 파이프; 및
    배기 가스 파이프 내에 설치되고 배기 가스 파이프 내의 배기 가스의 압력을 제어하도록 구성된 압력 제어 디바이스를 포함하는, 복수의 플라즈마 반응기; 및
    복수의 플라즈마 반응기의 배기 가스 파이프에 결합되고 배기 가스 파이프로부터 배기 가스를 수용하도록 구성된 매니폴드를 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 압력 제어 디바이스는 그 내에 형성된 적어도 하나의 오리피스를 갖는 디스크인, 플라즈마 발생 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 압력 제어 디바이스는 배기 가스가 그를 통해 통과하는 적어도 하나의 구멍을 갖는 구인, 플라즈마 발생 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 압력 제어 디바이스는 메시 직물을 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  13. 제9항에 있어서, 압력 제어 디바이스는 하나 이상의 에지 절결부를 갖는 디스크인, 플라즈마 발생 시스템.
  14. 제9항에 있어서, 압력 제어 디바이스는 튜브이고, 튜브의 직경은 튜브의 하류 방향을 따라 변하는, 플라즈마 발생 시스템.
  15. 제9항에 있어서, 압력 제어 디바이스는 피드백 제어 유닛을 포함하고,
    배기 가스 파이프 내의 배기 가스의 압력을 측정하기 위한 센서;
    배기 가스 파이프 내의 배기 가스의 압력을 조정하기 위한 밸브; 및
    압력과 연관된 신호를 수신하고 신호에 응답하여 밸브를 제어하기 위한 제어 유닛을 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
  16. 플라즈마 발생 시스템이며,
    복수의 플라즈마 반응기로서, 복수의 플라즈마 반응기의 각각은:
    그를 통해 마이크로파 에너지를 전달하기 위한 도파로; 및
    도파로에 결합되고 마이크로파 에너지를 사용하여 그 내에 플라즈마를 발생하도록 구성된 플라즈마 챔버;
    플라즈마 챔버 내로 가스를 도입하기 위한 유동 입구;
    플라즈마 챔버로부터 배기 가스를 운반하기 위한 배기 가스 파이프로서, 플라즈마는 가스를 배기 가스로 변환하는, 배기 가스 파이프; 및
    배기 가스 파이프의 측면에 부착되고 배기 가스 파이프와 유체 연통하는 용기를 포함하는, 복수의 플라즈마 반응기; 및
    복수의 플라즈마 반응기의 배기 가스 파이프에 결합되고 배기 가스 파이프로부터 배기 가스를 수용하도록 구성된 매니폴드를 포함하는, 플라즈마 발생 시스템.
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