KR20210135407A

KR20210135407A - 배기가스 발전시스템을 이용한 플라즈마 배기가스 정화장치

Info

Publication number: KR20210135407A
Application number: KR1020200053528A
Authority: KR
Inventors: 김성실; 노정욱; 김만익
Original assignee: 성실에너지 주식회사; 김성실
Priority date: 2020-05-05
Filing date: 2020-05-05
Publication date: 2021-11-15
Also published as: KR102398747B1

Abstract

본 발명은 배기가스의 배기압을 이용하여 회전되는 팬을 이용하여 발전부에서 전기 에너지를 발전시킴과 아울러, 발전되어 생산된 전기에너지를 이용하여 플라즈마발생기측에 전기에너지를 공급하여 배기가스를 정화시킬 수 있도록 그 구조가 개선된 배기가스 발전시스템을 이용한 플라즈마 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
본 발명은 차량의 내연기관에서 배출된 배기가스의 이동통로가 되는 배기관과, 상기 배기관의 내부에 설치되며 상기 배기가스의 배기 압력에 의해 회전되는 팬과, 상기 팬의 회전력이 축을 통해 전달되어 전력을 생산하는 발전부와, 상기 배기관의 내부에 배치되고 상기 발전부로부터 생산된 전력을 이용하여 플라즈마를 생성시켜 상기 배기가스의 유해성분을 제거하는 플라즈마 발생기로 구성된다.

Description

배기가스 발전시스템을 이용한 플라즈마 배기가스 정화장치{APPARATUS FOR CLEANING OF EXAHUST GAS WITH PLASMA USING EXHAUST GAS POWER GENERATION SYSTEM}

본 발명은 배기가스 발전시스템을 이용한 플라즈마 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 특히 배기가스의 배기압을 이용하여 회전되는 팬을 이용하여 발전부에서 전기 에너지를 발전시킴과 아울러, 발전되어 생산된 전기에너지를 이용하여 플라즈마발생기측에 전기에너지를 공급하여 배기가스를 정화시킬 수 있도록 함과 아울러, 팬에 배기가스의 이물질이 묻게 될 경우 발전부에서 생산된 전기에너지를 이용하여 팬을 청소할 수 있도록 그 구조가 개선된 배기가스 발전시스템을 이용한 플라즈마 배기가스 정화장치에 관한 것이다.

일반적으로, 대기환경오염의 주요 원인으로는 소각로, 난방장치, 화력발전소 등의 산업시설에서 배출되는 배기가스와 자동차의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스가 큰 비중을 차지하고 있으며, 이 중에서 특히 자동차의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 의한 공기오염은 도시 집중화와 더불어 대기오염 원인의 70％ 이상을 차지하고 있다.

이러한 차량용 배기가스를 정화하기 위한 여러 가지 정화장치가 개발되었는데, 그 장치들은 촉매를 이용한 연소정화장치, 필터를 이용한 정화장치, 음이온방전에 의한 집진 정화장치, 플라즈마를 이용한 해리 및 결합에 의한 정화장치를 예로 들 수 있는데, 이러한 정화장치들은 단독으로 사용되기보다는 상호 보완적으로 조합하여 정화효율을 높이기도 한다.

이 중에서 플라즈마를 이용한 정화장치는 불완전 연소된 유해가스, 유해입자들을 해리 및 재결합을 통해서 완전 연소에 가깝게 무해한 기체로 전환할 수 있고, 정화속도가 빨라 널리 이용되고 있다. 특히 기존의 백금, 파라듐, 로듐과 같은 고가의 촉매와 필터를 이용한 배기가스 정화장치에 비해 비용이 저렴하고 구조가 간단하다는 장점을 갖고 있다.

이와 같이 플라즈마를 이용한 정화장치는 코로나방전(corona discharge)을 이용한 것, 유전체막방전(dielectric barrierdischarge)을 이용한 것, 마이크로웨이브를 이용한 것 등이 개발되어 있다.

그러나, 종래의 플라즈마 정화장치는 모두 배기가스가 갖고 있는 고온의 열에너지를 이용하지 않고, 일단 냉각된 상태에서 정화하는 구조로 되어 있었기 때문에 방전을 위한 전력의 낭비가 심하였다.

즉, 예를 들어서 상온 1기압에서 플라즈마 방전을 일으키기 위한 전기장의 세기는 400℃ 1기압에서 플라즈마 방전을 일으키기 위한 전기장의 세기보다 약 5배정도 더 커야 되며, 따라서 고온 상태의 배기가스를 이온(ion)이나 라디컬(radical)로 만들기 위해서는 저온에서의 경우보다 낮은 전압으로 플라스마 방전을 일으킬 수 있을 뿐만 아니라 배기가스의 온도가 높은 상태이므로 저전력으로 화학적 활성상태로 만들 수 있는데, 예컨대 자동차 배기가스를 정화하기 위한 기존의 플라즈마배기가스 정화장치는 배기다기관을 통해 배출되는 고온의 배기가스(약 500℃)를 그대로 이용하지 않고, 일단 적정 온도로 냉각한 다음 플라즈마 방전을 일으켜서 정화하도록 되어 있었기 때문에 방전을 위한 전압이 고전압으로 되어 저온에서의 경우보다 전력낭비가 심하게 되는 문제점이 있었다.

기존 배기가스 정화장치와 관련된 종래 선행기술로는 한국 등록특허공보 제10-0482701호 "저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치 및 정화방법"에 개시된 바와 같이, 배기가스의 온도를 검출하는 온도센서와, 배기가스를 가열하는 히터와, 히터의 구동전류를 단속하는 히터구동부와, 배기가스처리관의 내측에 위치된 바이메탈 전극과, 저압전원을 바이메탈전극에 지속적으로 인가하기 위한 저압전원부와, 히터를 ON/OFF제어하고, 저압전원부는 지속적으로 구동하기 위한 제어부로 구성되어 오염가스가 바이메탈 전극사이에 형성되는 플라즈마를 통과하는 과정에서 무해한 가스로 전환하여 효과적인 처리를 수행할 수 있는 것이지만, 히터와 저압전원부측에 별도의 전원을 공급해야 하므로 전기 에너지가 낭비되는 단점이 있다.

한편, 배기가스를 이용한 발전시스템과 관련된 선행기술로는 한국 공개특허공보 제10-2013-0080290호 "배기가스를 이용한 발전 방법"(공개일자 : 2013.07.12)에 개시된 바와 같이, 내연기관에서 배출되는 배기가스가 배기관을 통해 이동하는 배기가스의 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 이점을 갖고 있지만, 배기가스가 통과되는 배기관 내에 팬이 설치되어 있으므로, 장시간 사용시 배기가스에 함유된 오일 등의 이물질이 팬의 표면에 부착되면서 팬의 발전효율이 저하되는 단점이 있다.

한국 등록특허공보 제10-0482701호 "저온 플라즈마에 의한 배기가스 정화장치 및 정화방법" 한국 공개특허공보 제10-2013-0080290호 "배기가스를 이용한 발전 방법"(공개일자 : 2013.07.12)

본 발명은 상기한 제반문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 그 목적은 배기가스의 배기압을 이용하여 회전되는 팬을 이용하여 발전부에서 전기 에너지를 발전시킴과 아울러, 발전되어 생산된 전기에너지를 이용하여 플라즈마발생기측에 전기에너지를 공급하여 배기가스를 정화시킬 수 있도록 그 구조가 개선된 배기가스 발전시스템을 이용한 플라즈마 배기가스 정화장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 팬에 배기가스의 이물질이 묻게 될 경우 발전부에서 생산된 전기에너지를 이용하여 팬을 청소할 수 있도록 그 구조가 개선된 배기가스 발전시스템을 이용한 플라즈마 배기가스 정화장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 차량의 내연기관에서 배출된 배기가스의 이동통로가 되는 배기관과, 상기 배기관의 내부에 설치되며 상기 배기가스의 배기 압력에 의해 회전되는 팬과, 상기 팬의 회전력이 축을 통해 전달되어 전력을 생산하는 발전부와, 상기 배기관의 내부에 배치되고 상기 발전부로부터 생산된 전력을 이용하여 플라즈마를 생성시켜 상기 배기가스의 유해성분을 제거하는 플라즈마 발생기를 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 팬은 상기 배기관의 내경이 축소되는 소경부 내에 배치되어서, 상기 배기관 내를 통과하는 배기가스의 압력이 증대된 상태로 상기 팬에 전달되도록 된 것이다.

상기 팬을 주기적으로 청소하는 청소수단을 더 구비하되, 상기 청소수단은 상기 발전부에서 생산된 전력을 전달받아 구동되며 제어부로부터 제어신호가 전달됨에 따라 외부로부터 공급되는 청소용 오일을 분사노즐측으로 압송하는 펌프와, 상기 펌프로부터 압송된 청소용 오일을 상기 팬측으로 분사하기 위한 분사노즐을 구비하고,

상기 제어부는 일정 주기에 따라 상기 펌프와 분사노즐에 제어신호를 출력하도록 조절하는 타이머를 구비하여서,

상기 제어부가 상기 타이머로부터 전달되는 신호를 근거로 상기 펌프의 구동 주기를 조절하면서 상기 팬에 부착되는 이물질을 주기적으로 청소할 수 있도록 하고,

상기 제어부는 상기 발전부의 발전효율을 감지하는 감지센서를 더 구비하여서, 상기 제어부가 상기 감지센서로부터 출력된 신호를 근거로 상기 펌프의 구동 주기를 조절하도록 된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 내연기관으로부터 발생된 배기가스의 압력으로 팬을 회전시키고, 상기 팬의 회전력으로 발전부를 회전 구동시켜 전력에너지를 생산시킴과 아울러, 생산된 전기에너지를 플라즈마 발생기에 전달하여 플라즈마를 발생시켜 배기가스의 유해성분을 제거할 수 있는 유용한 이점을 갖는다.

또한, 본 발명은 배기가스가 통과되는 배기관 내에 설치된 팬의 표면에 이물질이 부착되더라도, 발전부에서 생산된 전기에너지에 의해 구동되는 펌프와 분사노즐을 이용하여 청소용 오일을 팬측으로 분사시켜 팬을 청소할 수 있게 되어 발전부의 발전효율을 일정하게 유지시킬 수 있는 이점을 갖는다.

그리고 본 발명은 타이머 또는 감지센서를 이용하여 팬을 향해 오일이 필요할 경우에만 분사되도록 함으로써, 펌프의 구동에 따른 전기에너지의 낭비를 줄일 수 있는 이점을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 배기가스 발전시스템을 이용한 플라즈마 배기가스 정화장치의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도.
도 2는 도 1의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 배기가스 발전시스템을 이용한 플라즈마 배기가스 정화장치의 다른 실시 예를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명 청소수단의 다른 변형 예를 나타낸 구성도.

본 발명은 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 이송통로인 배기관 내에 배기가스의 이동압력으로 회전되는 팬을 배치하여 팬의 회전력으로 전력에너지를 생산하고, 생산된 전력에너지로 배기관 내에 플라즈마를 생성시켜 배기가스의 유해성분을 제거할 수 있도록 한다.

이하, 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통하여 본 발명에 따른 배기가스 발전시스템을 이용한 플라즈마 배기가스 정화장치에 대해 보다 상세하게 기술하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 배기가스 발전시스템을 이용한 플라즈마 배기가스 정화장치는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 차량의 내연기관에서 배출된 배기가스의 이동통로가 되는 배기관(100)과, 상기 배기관(100)의 내부에 설치되며 상기 배기가스의 배기 압력에 의해 회전되는 팬(200)과, 상기 팬(200)의 회전력으로 전력을 생산하는 발전부(300)와, 상기 배기관(100)의 내부에 배치되고 상기 발전부(300)로부터 생산된 전력을 이용하여 플라즈마를 생성시켜 상기 배기가스의 유해성분을 제거하는 플라즈마 발생기(400)를 구비한다.

더 상세히 설명하면, 본 발명의 배기관(100)은 소음기(150)가 장착된 구조로서, 내부에 배기가스가 통과되도록 중공을 갖는 파이프 형태로 구성된다.

상기 팬(200)은 복수의 블레이드가 배기관(100)을 통과하는 배기가스의 압력에 의해 회전 구동되고, 회전력이 축을 통해 발전부(300)측에 전달되는 구조를 갖는다.

또한, 상기 팬(200)은 배기가스의 이동압력이 최대화되도록 배기관(100)의 소경부(110) 내에 배치되는 것이 바람직하다.

상기 발전부(300)는 상기 팬(200)의 회전력이 축을 통해 전달되어 회전되는 회전자와, 상기 회전자의 외측에 마련되는 고정자로 구성되어, 상기 회전자의 회전시 발생되는 자기장을 이용하여 발전하는 것을 채용할 수 있다.

상기 소경부(110)는 벤튜리관의 원리가 작용하도록 상기 배기관(100) 중 일부위가 다른 부위보다 작은 내경을 갖도록 형성된다.

상기 플라즈마 발생기(400)는 상기 발전부(300)로부터 발생된 전력에너지를 인가받아 플라즈마를 발생시키는 것으로서, 예를 들어 전극 형태로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다.

또한, 플라즈마 발생기(400)는 저온 플라즈마 발생기를 채용할 수 있다.

상기 플라즈마 발생기(400)로부터 발생된 플라즈마가 상기 배기관(100)의 중공 내에 충진됨에 따라 상기 배기가스가 플라즈마를 통과하면서 배기가스 내에 함유된 유해성분을 개질하거나 제거하게 된다.

한편, 본 발명의 다른 실시 예는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 팬(200)을 주기적으로 청소하는 청소수단(500)을 더 구비한 것이다.

상기 청소수단(500)은 상기 발전부(300)에서 생산된 전력을 전달받아 구동되며 제어부(530)로부터 제어신호가 전달됨에 따라 외부로부터 공급되는 청소용 오일을 분사노즐(520)측으로 압송하는 펌프(510)와, 상기 펌프(510)로부터 압송된 청소용 오일을 상기 팬(200)측으로 분사하기 위한 분사노즐(520)을 구비하여서, 상기 팬(200)에 부착되는 이물질을 주기적으로 청소할 수 있도록 한 것이다.

상기 펌프(510)는 차량의 장착된 오일탱크로부터 청소용 오일을 공급받아 분사노즐(520)측으로 압송하는 기능을 수행하게 되며, 상기 제어부(530)의 제어신호가 인가됨에 따라 구동된다.

또한, 상기 분사노즐(520)은 소경부(110)에 배치되고 단부가 배기가스의 흐름 방향을 따라 상기 오일이 상기 팬(200)측으로 분사되도록 상기 팬(200)을 향해 경사진 각도로 배치되는 것이 바람직하다.

또, 상기 청소수단(500)은 상기 제어부(530)의 제어신호 출력 주기 또는 상기 펌프(510)의 구동 주기 및 구동시간을 제어할 수 있도록 타이머(540)가 더 구비된 것이다.

상기 타이머(540)는 상기 펌프(510)의 구동주기에 따라 상기 제어부(530)측에 신호를 출력하게 되고, 상기 제어부(530)는 타이머(540)로부터 전달된 신호를 근거로 상기 펌프(510)의 구동을 제어할 수 있다.

도 4는 본 발명 청소수단(500)의 변형 예를 보인 도면으로서, 본 발명 청소수단(500)은 상기 제어부(530)는 상기 발전부(300)의 발전효율을 감지하는 감지센서(550)를 더 구비하여서, 상기 제어부(530)의 제어신호 주기를 조절하도록 된 것이다.

상기 감지센서(550)는 정상적인 팬(200)의 회전으로 인한 분당 발전수치가 설정된 기준치에 비해 일정 수치이하로 저하될 경우를 감지하고, 감지된 신호를 제어부(530)측에 전달함으로써, 상기 제어부(530)로 하여금 제어신호의 주기 또는 펌프(510)의 구동주기를 제어할 수 있도록 한다.

상기 팬(200)에 이물질이 묻게 됨에 따라 상기 발전부(300)의 발전효율이 저하되는 데, 상기 감지센서(550)는 발전부(300)의 발전수치가 기준치보다 저하될 경우 이를 감지하여 제어부(530)측으로 신호를 출력하게 된다.

또한, 상기 제어부(530)에서는 상기 감지센서(550)로부터 출력된 신호를 근거로 상기 청소수단(500)의 펌프(510)의 구동을 제어하는 제어신호를 출력하게 된다.

본 발명의 감지센서(550)는 청소수단(500)의 펌프(510) 구동 주기를 팬(200)의 청소가 필요한 시기에만 동작되도록 함으로써, 불필요한 청소용 오일의 낭비를 절감할 수 있으며 펌프(510) 구동에 소요되는 전기에너지의 낭비를 줄일 수 있다

따라서, 본 발명은 내연기관으로부터 발생된 배기가스의 압력으로 팬(200)을 회전시키고, 상기 팬(200)의 회전력으로 발전부(300)를 회전 구동시켜 전력에너지를 생산시킴과 아울러, 생산된 전기에너지를 플라즈마 발생기(400)에 전달하여 플라즈마를 발생시켜 배기가스의 유해성분을 제거할 수 있는 유용한 이점을 갖는다.

또한, 본 발명은 배기가스가 통과되는 배기관(100) 내에 설치된 팬(200)의 표면에 이물질이 부착되더라도, 발전부(300)에서 생산된 전기에너지에 의해 구동되는 펌프(510)와 분사노즐(520)을 이용하여 청소용 오일을 팬(200)측으로 분사시켜 팬(200)을 청소할 수 있게 되어 발전부(300)의 발전효율을 일정하게 유지시킬 수 있는 이점을 갖는다.

그리고 본 발명은 타이머(540) 또는 감지센서(550)를 이용하여 팬(200)을 향해 오일이 필요할 경우에만 분사되도록 함으로써, 펌프(510)의 구동에 따른 전기에너지의 낭비를 줄일 수 있는 이점을 갖는다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 앞서 설명된 실시 예에 국한되어 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

즉, 이상에서와 같이 설명한 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

100 : 배기관 110 : 소경부
150 : 소음기 200 : 팬
300 : 발전부 400 : 플라즈마 발생기
500 : 청소수단 510 : 펌프
520 : 분사노즐 530 : 제어부
540 : 타이머 550 : 감지센서

Claims

차량의 내연기관에서 배출된 배기가스의 이동통로가 되는 배기관(100)과,
상기 배기관(100)의 내부에 설치되며 상기 배기가스의 배기 압력에 의해 회전되는 팬(200)과,
상기 팬(200)의 회전력이 축을 통해 전달되어 전력을 생산하는 발전부(300)와,
상기 배기관(100)의 내부에 배치되고 상기 발전부(300)로부터 생산된 전력을 이용하여 플라즈마를 생성시켜 상기 배기가스의 유해성분을 제거하는 플라즈마 발생기(400)를 구비한 것을 특징으로 하는 배기가스 발전시스템을 이용한 플라즈마 배기가스 정화장치.
청구항 1에 있어서,
상기 팬(200)은 상기 배기관(100)의 내경이 축소되는 소경부(110) 내에 배치되어서,
상기 배기관(100) 내를 통과하는 배기가스의 압력이 증대된 상태로 상기 팬(200)에 전달되도록 된 것을 특징으로 하는 배기가스 발전시스템을 이용한 플라즈마 배기가스 정화장치.
청구항 1에 있어서,
상기 팬(200)을 주기적으로 청소하는 청소수단(500)을 더 구비하되,
상기 청소수단(500)은 상기 발전부(300)에서 생산된 전력을 전달받아 구동되며 제어부(530)로부터 제어신호가 전달됨에 따라 외부로부터 공급되는 청소용 오일을 분사노즐(520)측으로 압송하는 펌프(510)와, 상기 펌프(510)로부터 압송된 오일을 상기 팬(200)측으로 분사하기 위한 분사노즐(520)을 구비하고,
상기 제어부(530)는 일정 주기에 따라 상기 펌프(510)와 분사노즐(520)에 제어신호를 출력하도록 조절하는 타이머(540)를 구비하여서,
상기 제어부(530)가 상기 타이머(540)로부터 전달되는 신호를 근거로 상기 펌프(510)의 구동 주기를 조절하면서 상기 팬(200)에 부착되는 이물질을 주기적으로 청소할 수 있도록 하며,
상기 제어부(530)는 상기 발전부(300)의 발전효율을 감지하는 감지센서(550)를 구비하여서, 상기 제어부(530)가 상기 감지센서(550)로부터 출력된 신호를 근거로 상기 펌프(510)의 구동 주기를 조절하도록 된 것을 특징으로 하는 배기가스 발전시스템을 이용한 플라즈마 배기가스 정화장치.