KR20230064972A - 글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치 - Google Patents

글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치 Download PDF

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Abstract

공기 토출관이 연결된 공기 공급부; 내부에 플라즈마 발생부가 형성되어, 상기 공기 토출관을 통해서 유입된 공기를 상기 플라즈마 발생부를 통해서 유동시켜, 라디컬을 생성하는 플라즈마 발생기; 및 상기 플라즈마 발생기에서 발생한 라디컬을 물과 반응하기 위해 수조로 형성된 반응조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치가 개시된다. 따라서, 플라즈마 활성수 제조효율을 획기적으로 개선하였다.

Description

글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치{Plasma Activated Water Fabrication apparatus using gliding arc plasmatron }
본 발명은 플라즈마 활성수 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마로부터 생성된 전자, 이온, 활성종들이 물에 녹아 형성되는 플라즈마 활성수를 제조하는 장치에 관한 것이다.
플라즈마 활성수(Plasma Activated Water:PAW)란 플라즈마로부터 생성된 전자, 이온, 활성종(radicals)들이 물속에 녹아들어 특별한 성질이 발현되도록 처리한 기능성 물을 지칭한다. 이러한 플라즈마 활성수는, 각종세균에 대한 살균 특성을 가지므로 친환경 소독제로서 활용할 수 있다. 또한, 플라즈마 활성수는 액체 속에 질소고정 효과가 있어, 양액, 액체비료 등의 용도로 도시농업 등의 미래의 농업분야에서 활용될 수 있다.
기존의 플라즈마 활성수 제조방법은 유전체 장벽방전(Dielectric Barrier Discharge;DBD), 마이크로 젯 플라즈마, 수중방전 등의 방법으로 제조되고 있다. 이러한 플라즈마 활성수 제조방법은 NO3 - 이온생성률이 수~ g/kWh에 불과하여 제조 효율이 매우 낮다는 단점이 있다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 이온생성률이 매우 높은 글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 공기 토출관이 연결된 공기 공급부; 내부에 플라즈마 발생부가 형성되어, 상기 공기 토출관을 통해서 유입된 공기를 상기 플라즈마 발생부를 통해서 유동시켜, 라디컬을 생성하는 플라즈마 발생기; 및 상기 플라즈마 발생기에서 발생한 라디컬을 물과 반응하기 위해 수조로 형성된 반응조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치를 제공한다.
상기 플라즈마 발생기와 상기 반응조 사이에 설치되며, 상기 플라즈마 발생기에서 발생하는 상기 라디컬을 포함하는 고온의 기체를 냉각하는 냉각부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 플라즈마 발생기는, 원통형상의 방전관; 상기 방전관의 일단에 연결된 음극 전극; 상기 방전관의 타단에 연결된 세라믹 캡; 상기 세라믹 캡에 결합된 양극 전극; 상기 양극 전극과 상기 음극 전극에 전기를 공급하는 전원장치; 및 상기 공기 공급부에서 공급된 공기를 이용해 소용돌이를 발생시키는 스월발생기;를 포함하는 것이 효과적이다.
상기 스월발생기는, 상기 방전관을 관통하여 형성된 스월 발생관;을 더 포함하고, 상기 스월 발생관은 상기 양극 전극에 인접한 위치에 형성되고, 상기 양극 전극을 관통하여 라디컬 토출구가 형성된 것이 바람직하다.
상기 방전관은, 유전체로 형성된 유전체 관; 및 일단은 상기 음극 전극에 연결되고, 스파이럴 형상으로 형성되어, 상기 유전체 관의 내측에 설치된 음극 코일;을 포함한다.
한편, 상기 방전관은, 유전체로 형성된 유전체 관; 및 일단은 상기 음극 전극에 연결되고, 원통형상으로 형성된 메쉬 전극;을 포함하도록 구현될 수 있다.
또한, 상기 방전관은, 일단이 상기 음극 전극에 연결된 원통형 금속관으로 형성될 수 도 있다.
상기 반응조는, 상기 플라즈마 발생기에서 발생한 라디컬을 산기석을 통해서 수조에 공급하는 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
상기와 같이, 본 발명의 실시예는 플라즈마 발생기에서 발생한 라디컬을 별도로 형성된 반응조에 공급함으로써, 플라즈마 활성수 제조효율을 획기적으로 개선하였다. 실제 실험시, NO3 - 이온생성률이 수십~ g/kWh로 향상되었다.
특히, 글라이딩 아크 플라즈마트론 방식을 이용함으로써, 이온생성률을 보다 증대시켰다.
또한, 플라즈마 발생기와 반응조를 분리함으로써, 장치의 설계 자유도를 높이고 운용자의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 플라즈마 활성수 제조장치의 개념도
도 2는 도 1의 플라즈마 발생기의 개념도
도 3은 도 2의 제 2 실시예의 방전관의 구조를 도시한 개념도
도 4는 도 2의 제 3 실시예의 방전관의 구조를 도시한 개념도
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치의 개념도, 도 2는 도 1의 플라즈마 발생기의 개념도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치는, 공기 토출관(110)이 연결된 공기 공급부(100)와, 내부에 플라즈마 발생부가 형성되어, 상기 공기 토출관(110)을 통해서 유입된 공기를 상기 플라즈마 발생부를 통해서 유동시켜, 라디컬을 생성하는 플라즈마 발생기(200)와, 상기 플라즈마 발생기(200)에서 발생한 라디컬을 물과 반응하기 위해 수조(410)로 형성된 반응조(400)와, 상기 플라즈마 발생기(200)와 상기 반응조(400) 사이에 설치되며, 상기 플라즈마 발생기(200)에서 발생하는 상기 라디컬을 포함하는 고온의 기체를 냉각하는 냉각부(300)를 포함한다.
공기 공급부(100)는 펌프 등을 이용하여 공기 토출관(110)에 공기를 공급하며, 유량을 제어하기 위해서 질량 유량 제어기(MFC) 등을 사용할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 플라즈마 발생기(200)는, 글라이딩 아크(GA) 플라즈마트론의 원리를 이용하는 것으로서, 원통형상의 방전관(220)과, 상기 방전관(220)의 일단에 연결된 음극 전극(230)과, 상기 방전관(220)의 타단에 연결된 세라믹 캡(240)과, 상기 세라믹 캡(240)에 결합된 양극 전극(250)과, 상기 양극 전극(240)과 상기 음극 전극(230)에 전기를 공급하는 전원장치(210)와, 상기 공기 공급부(400)에서 공급된 공기를 이용해 소용돌이를 발생시키는 스월발생기(260)를 포함한다.
상기 방전관(220)은, 유전체로 형성된 유전체 관과, 일단은 상기 음극 전극에 연결되고, 스파이럴 형상으로 형성되어, 상기 유전체 관의 내측에 설치된 음극 코일(225)을 더 포함한다. 유전체 관은 유리 또는 석영 등의 재질로 형성된 관이다.
상기 스월발생기(260)는, 상기 방전관을 관통하여 형성된 스월 발생관을 더 포함하고, 상기 스월 발생관은 상기 양극 전극(250)에 인접한 위치에 형성된다. 스월발생기(260)는 회오리 흐름이 형성될 수 있는 형태로 스월 발생관이 세라믹 캡(240)에 하향 경사지며, 방전관의 중심에서 어긋나는 방향으로 형성된다. 음극 코일(225)은 스월발생기(260)에서 발생된 공기 흐름이 좀 더 원활하게 흐를 수 있도록 경사지도록 형성된다.
상기 양극 전극(250)을 관통하여 라디컬 토출구(251)가 형성된다.
냉각부(300)는 열교환기와 냉각기를 이용하여 플라즈마 발생기(200)에서 발생한 고온(2000~3000도씨)의 기체를 상온까지 낮춘다.
상기 반응조(400)는, 상기 플라즈마 발생기(200)에서 발생한 라디컬을 포함하는 기체를 산기석(420)을 통해서 수조(410)에 공급한다.
본 발명의 일실시예의 작동원리는, 공기 공급부(100)에서 공기를 공급하게 되면, 스월발생기(260)를 통해서, 회오리바람이 방전관(220)의 내측벽을 따라서 하향 형성된다. 이때, 음극코일(225)을 따라서, 공기가 흐르게 된다.
이와 같은 상태에서, 전원장치(210)를 통해서 음극 전극(230)과 양극 전극(250)에 전원을 공급하게 되면, 음극 코일(225)과 양극 전극(250) 사이에 아크방전이 발생하고, 아크 방전은 음극 코일(225)을 따라서, 회오리바람에 의해 글라이딩 되며, 글라이딩된 방전은 음극에 도달한 후, 압력이 낮고 양극으로 향하는 공기 흐름을 따라 방전관 중앙부에서 양극과 직접 방전 기둥을 생성한다. 이러한 방전은 아크(열 플라즈마)와 글로우 방전(비열 플라즈마)의 중간 성격을 띠게 된다. 일명 'warm plasma' 또는 'Transient plasma'로 불리기도 한다. 이와 같이, 방전관을 따라서 글라이딩 되는 거리가 길어, 이러한 형태의 방전은 플라즈마 활성수를 만드는데 필요한 라디컬을 다량으로 효율적으로 만들 수 있다.
이후, 라디컬을 포함하는 기체를 냉각부(300)를 통해서 냉각한 후, 산기석(420)을 통해서 반응조(400)에 공급하여 플라즈마 활성수를 제조한다.
상기와 같이, 본 발명의 실시예는 플라즈마 발생기에서 발생한 라디컬을 별도로 형성된 반응조(400)에 공급함으로써, 플라즈마 활성수 제조효율을 획기적으로 개선하였다. 실제 실험시, NO3- 이온생성률이 수십~ g/kWh로 향상되었다.
특히, 글라이딩 아크 플라즈마트론 방식을 이용함으로써, 이온생성률을 보다 증대시켰다.
또한, 플라즈마 발생기와 반응조를 분리함으로써, 장치의 설계 자유도를 높이고 운용자의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 도 2의 제 2 실시예의 방전관의 구조를 도시한 개념도이다.
제 2 실시예의 방전관(1220)은, 유전체로 형성된 유전체 관과, 일단은 상기 음극 전극(230)에 연결되고, 원통형상으로 형성된 메쉬 전극(1225)을 포함한다. 원통형 메쉬 전극(1225)은 일실시예에 비해서 구조가 간단한 장점이 있다. 다만, 아크가 바닥에 있는 음극까지 도달하지 못하고, 메쉬가 쉽게 손상되는 문제점이 있다.
도 4는 도 2의 제 3 실시예의 방전관의 구조를 도시한 개념도이다.
제 3 실시예의 상기 방전관(2220)은, 일단이 상기 음극 전극(230)에 연결된 원통형 금속관으로 형성된다. 즉, 유전체 방전관을 금속관으로 대체함으로써, 금속관 자체가 아크를 글라이딩 하는 통로가 되고, 아크가 음극 바닥에 도달하면 RVF(Reverse Vortex Flow)형성되어 양극과 직접 방전기둥이 생긴다.
제 3 실시예의 경우, 원통관 자체가 음극으로 작용하므로 제조도 용이하며, 장시간 운전이 가능하며, 고장의 확률을 줄일 수 있고, 반응 효율도 높다는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
100: 공기 공급부
110: 공기 토출관
200: 플라즈마 발생기
210: 전원장치
220, 1220, 2220: 방전관
225: 음극 코일
230: 음극 전극
240: 세라믹 캡
250: 양극 전극
260: 스월발생기
300: 냉각부
400: 반응조
410: 수조
420: 산기석
1225: 메쉬 전극

Claims (8)

  1. 공기 토출관(110)이 연결된 공기 공급부(100);
    내부에 플라즈마 발생부가 형성되어, 상기 공기 토출관(110)을 통해서 유입된 공기를 상기 플라즈마 발생부를 통해서 유동시켜, 라디컬을 생성하는 플라즈마 발생기(200); 및
    상기 플라즈마 발생기(200)에서 발생한 라디컬을 물과 반응하기 위해 수조(410)로 형성된 반응조(400);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생기(200)와 상기 반응조(400) 사이에 설치되며, 상기 플라즈마 발생기(200)에서 발생하는 상기 라디컬을 포함하는 고온의 기체를 냉각하는 냉각부(300);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생기(200)는,
    통형상의 방전관(220, 1220, 2220);
    상기 방전관(220, 1220, 2220)의 일단에 연결된 음극 전극(230);
    상기 방전관(220, 1220, 2220)의 타단에 연결된 세라믹 캡(240);
    상기 세라믹 캡(240)에 결합된 양극 전극(250);
    상기 양극 전극(240)과 상기 음극 전극(230)에 전기를 공급하는 전원장치(210); 및
    상기 공기 공급부(400)에서 공급된 공기를 이용해 소용돌이를 발생시키는 스월발생기(260);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스월발생기(260)는, 상기 방전관을 관통하여 형성된 스월 발생관;
    을 더 포함하고,
    상기 스월 발생관은 상기 양극 전극(250)에 인접한 위치에 형성되고,
    상기 양극 전극(250)을 관통하여 라디컬 토출구(251)가 형성된 것을 특징으로 하는 글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 방전관(220)은,
    유전체로 형성된 유전체 관; 및
    일단은 상기 음극 전극에 연결되고, 스파이럴 형상으로 형성되어, 상기 유전체 관의 내측에 설치된 음극 코일(225);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 방전관(1220)은,
    유전체로 형성된 유전체 관; 및
    일단은 상기 음극 전극(230)에 연결되고, 원통형상으로 형성된 메쉬 전극(1225);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 방전관(2220)은,
    일단이 상기 음극 전극(230)에 연결된 원통형 금속관으로 형성된 것을 특징으로 하는 글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치.
  8. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반응조(400)는,
    상기 플라즈마 발생기(200)에서 발생한 라디컬을 산기석(420)을 통해서 수조(410)에 공급하는 것을 특징으로 하는 글라이딩 아크 플라즈마트론을 이용한 플라즈마 활성수 제조장치.
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