WO2012023684A1 - 나노 분말 제조용 플라즈마 토치 전극 구조 - Google Patents

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WO2012023684A1
WO2012023684A1 PCT/KR2011/001588 KR2011001588W WO2012023684A1 WO 2012023684 A1 WO2012023684 A1 WO 2012023684A1 KR 2011001588 W KR2011001588 W KR 2011001588W WO 2012023684 A1 WO2012023684 A1 WO 2012023684A1
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WO
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plasma
pipe
gas
confinement
tube
Prior art date
Application number
PCT/KR2011/001588
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English (en)
French (fr)
Inventor
정효수
유영종
손병구
오정근
신명선
Original Assignee
재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/28—Cooling arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2245/00—Applications of plasma devices
    • H05H2245/50—Production of nanostructures

Definitions

  • the present invention relates to a structure of a plasma torch electrode for producing nanopowders, and more particularly, to a structure of a plasma torch electrode for producing nanopowders that uniformly injects plasma gas into a region to which a raw material of a device for producing nanopowders is supplied.
  • Conventional representative fine powder production techniques include a method of mechanically pulverizing agglomerates or powders of a desired composition.
  • Ultra high temperature thermal plasma is mainly used as a plasma for preparing fine powder, and when the ultra high temperature thermal plasma is used, it is possible to prepare an extremely low nano unit powder, and the raw material for preparing the nano powder is solid, liquid It is easy to selectively use the weather.
  • Plasma torch especially high frequency inductively coupled plasma torch, is generally used to generate the ultra high temperature thermal plasma.
  • torch electrodes for producing uniform nanopowders.
  • the present invention is to solve the plasma uniformity problem of the inductively coupled thermal plasma electrode and the durability of the electrode by improving the plasma gas induction pipe structure, and to achieve a uniform plasma inside the plasma confinement pipe Providing a plasma gas induction tube having a structure for uniformly injecting the plasma gas to form and cooling the surface of the confinement tube to prevent the confinement tube from being damaged by the heat of plasma generated inside the confinement tube. It is an object of the present invention to provide a plasma torch electrode structure for producing nanopowders, which improves the spraying structure of a conduit and increases the cooling efficiency of the confinement tube.
  • a carrier gas inlet for providing a bulk powder to the plasma region, the plasma torch being provided in a vertical direction at the top of the configuration to achieve the object;
  • An injection tube connected to a lower end of the carrier gas inlet for injecting a carrier gas into a plasma torch;
  • a confinement tube inserted into the injection tube to position an injection tube end portion near the upper and lower center portions;
  • a plasma gas induction pipe disposed between the injection pipe and the confinement pipe to distribute plasma gas, the plasma gas induction pipe being shorter in length than the injection pipe length;
  • a pair of plasma gas inlets formed to supply plasma gas to the outside of the lower end of the double inner tube to which the cooling water is supplied and to be injected from inside the confinement tube;
  • a pair of sheath gas inlets formed to supply a sheath gas to the outside
  • the present invention improves the structure of the plasma gas induction pipe to uniformly inject the plasma gas to form a uniform plasma inside the plasma confinement pipe, and improves the injection structure of the sheath gas to generate plasma inside the confinement pipe.
  • the cooling efficiency of the confinement pipe is increased, thereby improving the plasma uniformity problem of the inductively coupled thermal plasma electrode and the durability problem of the electrode.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a nano-powder manufacturing apparatus according to the present invention.
  • Figure 2 is a front sectional view showing a plasma torch electrode structure according to the present invention.
  • FIG 3 is a plan view showing a plasma torch electrode structure according to the present invention.
  • FIG. 4 is a reference diagram showing the structure of the plasma gas guide tube according to the present invention.
  • FIG. 5 is a reference diagram showing a sheath gas inlet structure according to the present invention.
  • Figure 6 is a reference diagram showing the flow direction of the sheath gas according to the present invention.
  • FIG. 7 is a reference diagram of a second transfer region through which the sheath gas is transferred according to the present invention.
  • injection tube 303 confinement tube
  • injection tube cooling water outlet 307 plasma gas inlet
  • guide coil 311 confinement pipe cooling water inlet
  • collector 800 heat exchanger
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a nano-powder manufacturing apparatus according to the present invention
  • Figure 2 is a front sectional view showing a plasma torch electrode structure according to the present invention
  • Figure 3 is a plan view showing a plasma torch electrode structure according to the present invention
  • Figure 4 is a reference diagram showing the structure of the plasma gas induction tube according to the present invention
  • Figure 5 is a reference diagram showing the structure of the sheath gas inlet according to the present invention
  • Figure 6 is a reference showing the flow direction of the sheath gas according to the present invention
  • FIG. 7 is a reference view of a second transfer region in which the sheath gas is transferred according to the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the overall configuration of the nano-powder manufacturing apparatus of the present invention, the oscillator 100, impedance matching unit 200, plasma torch 300, cooling tube 400, nano powder moving tube 500 , A glove box 600, a collecting part 700, a heat exchange part 800, and a vacuum pump 900.
  • the oscillator 100 performs a function of amplifying a power having a predetermined frequency, wherein the frequency of the power supply is preferably about 1 to 4 MHz high frequency, the power is preferably amplified to about 80KW.
  • the impedance matching unit 200 performs a function of matching the impedance of the oscillator 100 and the plasma torch 300 so that the power amplified by the oscillator 100 can be efficiently transmitted to the plasma torch 300 without loss. do.
  • the plasma torch 300 performs a function of generating a plasma and converting a raw material supplied to the plasma torch 300 into a source gas.
  • the plasma generated by the plasma torch 300 is a thermal plasma.
  • the thermal plasma can easily convert the raw material supplied to the plasma torch 300 into the raw material gas because the ions and free electrons as constituents have high energy.
  • the cooling tube 400 serves to cool the source gas that is disposed below the plasma torch 300 and moves, and the cooled source gas that is cooled in the cooling tube 400 is converted into nano powder having an extremely small size.
  • the cooling tube 400 is a method of cooling the source gas is not particularly limited, but may be preferably configured to include a cooling water line through which the cooling water flows in a water-cooled manner using the cooling water.
  • the nano powder moving tube 500 serves as a passage through which the nano powder moves, that is, the nano powder is collected in the cooling tube 400 while connecting the cooling tube 400 and the collecting unit 700. It serves as a passage to be moved to), and in addition to the nano-powder, the plasma forming gas, sheath gas, etc. can also be moved through the nano-powder moving tube (500).
  • the nanopowder has a very large surface area, unintentional surface oxidation may occur during the passage through the nanopowder moving tube 500, and the surface oxidation of the nanopowder deteriorates various properties of the nanopowder, which may not necessarily be prevented. have.
  • the glove box 600 is installed on the nanopowder moving tube 500 to prevent surface oxidation of the nanopowder, and the glove box 600 may be installed in plural and the number thereof is not particularly limited. .
  • the collecting unit 700 collects the nanopowder among plasma forming gas, sheath gas, and nanopowder that is moved into the nanopowder moving tube 500.
  • the heat exchanger 800 performs a function of additionally cooling the plasma forming gas, the sheath gas, etc. that have passed through the collecting part 700, and the cooling tube 400 also cools the plasma forming gas and the sheath gas. Although this is made, by further cooling the plasma forming gas and the sheath gas to about room temperature using the heat exchanger 800, the plasma forming gas and the sheath gas can be safely discharged to the outside, and the heat exchanger 800 It is preferable that the cooling system is air-cooled using a cooling gas, but is not necessarily limited thereto.
  • the vacuum pump 900 performs a function of inducing the flow of nano powder and gas (plasma forming gas and sheath gas) in the nano powder moving tube 500.
  • the vacuum pump 900 may be a nano powder.
  • the nano powder moving tube 500 may perform a function of smoothly moving to the collecting unit 700, and the plasma forming gas and the sheath gas may be transferred to the 'nano powder moving tube 500-the collecting unit 700-heat exchange.
  • the present invention is a table (T) for supporting the impedance matching unit 200, the plasma torch 300, the cooling tube 400, the nano-powder moving tube 500, the glove box 600 and the collecting unit 700. This is further provided.
  • the electrode structure of the plasma torch 300 is configured as shown in FIG. 2, in which the upper fixture 300a and the first torch body 300c are fixed by the connecting member 300b, and the first The lower part of the torch body 300c includes a structure to which the second torch body 300d and the bottom fixture 300e are fixed, and are fixed by a general fastening method (such as bolt and nut or welding).
  • a general fastening method such as bolt and nut or welding
  • the plasma torch (300) using the top of the upper fastener is provided in a direction perpendicular to (300a), mainly argon gas (Ar gas) so as to supply the bulk powder in the plasma region, or a nitrogen gas (N 2 gas), etc., and the bulk A carrier gas inlet 301 supplied with powder, an injection tube 302 connected to a lower end of the carrier gas inlet 301 to inject a carrier gas into the plasma torch 300, and the injection tube 302
  • the upper end is fixed to the first torch body 300c by inserting the inside, and the confinement pipe 303 which positions the distal end of the injection pipe 302 near the upper and lower center parts.
  • a plasma gas induction pipe 304 is provided between the injection pipe 302 and the confinement pipe 303 to distribute the plasma gas, the vertical length is shorter than the injection pipe 302 length, the top Protruding jaw (304a) is fixed to the upper fastener (300a) by a general fastening method (such as bolts and nuts or welding).
  • a coolant feed path formed by a double inner tube is formed inside the upper fixing hole 300a through which the carrier gas inlet 301 extends, and an injection tube cooling water inlet is provided at one upper and lower end of the outer surface of the upper fixing hole 300a. 305 and injection tube coolant outlet 306 are formed.
  • a pair of plasma gas inlets 307 formed to supply the plasma gas to the outside of the lower end of the double inner tube to which the cooling water is supplied and to be injected inside the confinement tube 303, and a sheath toward the outside of the lower end of the double inner tube to which the cooling water is supplied.
  • a pair of sheath gas inlets 308 is formed to supply gas to be injected between the confinement pipe 303 and the plasma gas induction pipe 304, wherein the plasma gas inlet 307 and the sheath gas inlet 308 are formed. As shown in Figure 3 are provided to be staggered one by one at 90 ° intervals.
  • the plasma gas inlet 307 is an inlet for supplying plasma gas.
  • the inlet is located adjacent to the plasma gas induction tube, and the plasma gas is uniformly confined when the gas passes through the inlet and passes through the plasma gas induction tube 304. ), And optionally any one of argon (Ar), nitrogen (N 2 ), air (Air), O 2 (oxygen).
  • Induction coil support tube 309 which is installed spaced apart from the outer circumferential surface of the confinement tube 303 is provided so that the confinement tube 303 is provided inside the top of one side is fixed to the first torch body 300c, the induction coil support tube ( Induction coil 310 is wound around the outer peripheral surface in a spiral at a predetermined interval to generate a plasma by induction heating in the confinement tube 303.
  • the induction coil support tube 309 is a body wound around the induction coil 310, mainly using alumina (Al 2 O 3 ), the thickness is about 2mm ⁇ 4mm, the support tube is insulated without damage due to thermal expansion It is preferable to comprise with a material.
  • Plasma is generated by applying induction coil 310 a power of RF (0.5MHz ⁇ 4MHz) frequency to generate induction heating in the confinement pipe 303, the type of coil is a copper pipe to flow the coolant inside the pipe
  • the outer diameter of the coil is about 5mm ⁇ 12mm, coil spacing is 12mm ⁇ 15mm.
  • the confinement pipe coolant inlet 311 is provided at the bottom of the confinement pipe 303 to lower the temperature of the confinement pipe 303 by flowing the cooling water between the outer wall of the confinement pipe 303 and the induction coil support tube 309 and
  • the confinement pipe 303 includes a confinement pipe coolant outlet 312 provided at an upper end thereof.
  • the plasma gas induction pipe 304 is formed of an insulator material for electrical insulation, and as shown in FIG. 4A, the lower portion of the plasma gas induction tube 304 is opened and the upper portion of the plasma gas induction tube 304 is confined in the plasma gas inlet 307.
  • a plurality of holes H are formed on the center of the injection tube insertion opening 304b so as to be uniformly sprayed therein.
  • the holes H are arranged outwardly in a concentric manner with respect to the injection tube insertion hole 304b as shown in FIG. 4B, and the first holes H1 and eight holes are formed in eight holes.
  • the diameter of the circle is formed to increase in the outer direction from the inside, the diameter of the hole (H) is formed in the size of 0.5mm ⁇ 2.0mm.
  • the sheath gas injected into the sheath gas inlet 308 should be designed to increase the ratio of the sheath gas uniformly in contact with the wall surface in order to lower the temperature of the inner wall of the confinement pipe 303.
  • the plasma gas induction pipe 304 The first conveyance region 308a connected to the sheath gas inlet 308 and the inner projection so as to be reduced by 1/3 less than the passage area of the first conveyance region 308a so as to pass along the outer circumferential surface in a short time. Through the second transfer region 308b to be injected through the third transfer region 308c connected to the inner wall of the confinement pipe 303, it is possible to increase the cooling effect.
  • a thread-shaped groove is additionally formed on the surface of the second transfer region 308b such that most of the sheath gas introduced into the confinement pipe 303 may contact the inner wall of the confinement pipe 303 so as to rotate in the direction of the inner wall of the confinement pipe 303.
  • the inner wall of the cylindrical structure can be made to induce gas flow in the form of a thread.
  • FIG. 6 shows the flow direction of the sheath gas, and it can be seen that the circular gas is rotated downward along the outer circumferential surface of the plasma gas induction tube 304 between the plasma gas induction tube 304 and the confinement tube 303. .
  • FIG. 7 is a reference diagram of a second transfer region through which the sheath gas is transferred
  • FIG. 7A illustrates an outer circumferential surface of the plasma gas induction tube 304 and an inner surface of the connecting member 300b forming the second transfer region 308b.
  • the connection member 300b is formed in a flat shape and shows a first embodiment of guiding the sheath gas injected into the confinement pipe 303, and the confinement pipe is connected to the connection member 300b as shown in FIG.
  • the helical groove 308d may be further formed to guide the flow of the sheath gas in the direction of the inner wall, so that the sheath gas may be transferred more smoothly.
  • the present invention is to solve the plasma uniformity problem of the inductively coupled thermal plasma electrode and the durability of the electrode by improving the structure of the plasma gas induction tube, to uniformly plasma gas to form a uniform plasma inside the plasma confinement tube
  • a plasma gas induction tube having a structure for injecting, and improve the injection structure of the sheath gas to cool the surface of the confinement tube to prevent the confinement tube from being damaged by the heat of plasma generated inside the confinement tube To increase the cooling efficiency.

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  • Electromagnetism (AREA)
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Abstract

본 발명은 나노 분말 제조용 플라즈마 토치 전극 구조에 관한 것으로, 벌크분말을 플라즈마 영역에 공급시키기 위한 캐리어 가스 투입구와; 플라즈마 토치 내부로 캐리어 가스를 주입시키는 주입관과; 상기 주입관이 내부로 삽입되는 가둠관과; 상기 주입관과 가둠관 사이에 구비되어 플라즈마 가스를 분포시키는 플라즈마 가스 유도관과; 플라즈마 열을 냉각시키도록 이중 내관으로 형성되는 일측면 상하단에 각각 형성되는 주입관 냉각수 입구 및 주입관 냉각수 출구와; 플라즈마 가스를 공급하여 가둠관 내부에서 분사되도록 형성되는 한 쌍의 플라즈마 가스 투입구와; 쉬스 가스를 공급하여 가둠관과 플라즈마 가스 유도관 사이에 분사되도록 형성되는 한 쌍의 쉬스 가스 투입구와; 상기 가둠관 외주면에 이격설치되는 유도코일 지지관과; 상기 유도코일 지지관 외주면에 감겨져 가둠관 내부에 플라즈마를 생성시키는 유도코일과; 상기 가둠관의 온도를 낮추도록 구비되는 가둠관 냉각수 입구 및 가둠관 냉각수 출구로 구성된다. 따라서, 본 발명은 플라즈마 가스 유도관 구조를 개선하여 플라즈마 가둠관 내부에서 균일한 플라즈마를 형성하도록 플라즈마 가스를 균일하게 분사시키고, 쉬스 가스의 분사구조를 개선시켜 가둠관 내부에서 발생되는 플라즈마 열에 의해 가둠관이 파손되는 것을 방지하여 가둠관의 냉각 효율을 증대시키는 효과가 있다.

Description

나노 분말 제조용 플라즈마 토치 전극 구조
본 발명은 나노 분말 제조용 플라즈마 토치 전극 구조에 관한 것으로, 더욱 세부적으로는 나노 분말을 제조하는 장치의 원료 물질이 공급되는 영역에 플라즈마 가스를 균일하게 분사시키는 나노 분말 제조용 플라즈마 토치 전극 구조에 관한 것이다.
최근 들어, 크기가 작고 구형의 모양을 가진 미세 분말에 대한 수요가 증가하고 있는데, 이러한 미세 분말은 항공학, 전자공학, 정밀 전자공학, 요업 및 의학 등과 같은 여러 분야에서 광범위한 용도를 가지며 이용되고 있으며, 미세 분말이 상기와 같이 여러 분야에서 광범위하게 이용될 수 있는 이유는 미세 분말이 높은 부피당 표면적을 가지고 있기 때문으로, 이러한 미세 분말의 장점을 보다 적극적으로 이용하고자 근래에는 미세 분말의 크기를 더욱 작게 하려는 노력이 계속되고 있다.
종래의 대표적인 미세 분말 제조 기술로는 원하는 조성의 덩어리 또는 분말을 기계적으로 분쇄하는 방식이 있다.
그러나, 상기 기계적인 분쇄방식은 미세 분말의 크기를 500nm 이하로 줄이는 것은 불가능하기 때문에 기계적인 분쇄방식을 대체하여 플라즈마를 이용하여 미세 분말의 크기를 줄이는 기술이 이용되고 있다.
미세 분말을 제조하기 위한 플라즈마로서 초고온의 열 플라즈마가 주로 이용되는데, 상기 초고온의 열 플라즈마를 이용하는 경우 극히 낮은 나노 단위의 분말을 제조하는 것이 가능하며, 나노 분말을 제조하기 위한 원료 물질도 고상, 액상, 기상을 선택적으로 사용하는 것이 용이하다.
이러한 초고온 열 플라즈마를 발생시키기 위해서 플라즈마 토치, 그 중에서도 고주파 유도 결합 플라즈마 토치가 일반적으로 사용되고 있으며, 최근에는 균일한 나노 분말을 제조하기 위한 토치 전극에 많은 연구가 이루어지고 있는데, 구체적인 전극 구성요소로는 플라즈마를 균일하게 발생시키고 유지시키는 기술 및 전극의 내구성을 향상시키기 위한 기술이 있다.
그러나, 벌크(마이크로 사이즈) 분말은 전극에서 발생한 플라즈마에 의해서 용융 및 증발되기 때문에 투입된 벌크 분말이 모두 증발되기 위한 플라즈마 환경을 제공해야 균일한 나노 분말이 제조될 수 있으나, 플라즈마 전극 구성품에 대한 열적인 안정성이 확보되지 않아 균일한 미세 원료 분말로 변화되지 못하는 문제점이 있다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 플라즈마 가스 유도관 구조를 개선하여 유도 결합 열 플라즈마 전극의 플라즈마 균일성 문제와 전극의 내구성 문제를 해결하는 것으로, 플라즈마 가둠관 내부에서 균일한 플라즈마를 형성하기 위해 플라즈마 가스를 균일하게 분사시키기 위한 구조를 가지는 플라즈마 가스 유도관을 제공하고, 가둠관 내부에서 발생되는 플라즈마의 열에 의해 가둠관이 파손되는 것을 방지하기 위해 가둠관 표면을 냉각시키도록 쉬스 가스의 분사구조를 개선시켜 가둠관의 냉각 효율을 증대시키는 나노 분말 제조용 플라즈마 토치 전극 구조를 제공하는데 목적이 있다.
목적을 달성하기 위한 구성으로 플라즈마 토치는 최상단에 수직방향으로 구비되어, 벌크분말을 플라즈마 영역에 공급시키기 위한 캐리어 가스 투입구와; 상기 캐리어 가스 투입구 하단에 연결되어 플라즈마 토치 내부로 캐리어 가스를 주입시키는 주입관과; 상기 주입관이 내부로 삽입되어, 상하 중앙부 근처에 주입관 끝단부를 위치시키는 가둠관과; 상기 주입관과 가둠관 사이에 구비되어 플라즈마 가스를 분포시키되, 상기 주입관 길이보다 수직 길이가 짧게 형성되는 플라즈마 가스 유도관과; 상기 캐리어 가스 투입구 하단에 연장되어 플라즈마 열을 냉각시키도록 이중 내관으로 형성되는 일측면 상하단에 각각 형성되는 주입관 냉각수 입구 및 주입관 냉각수 출구와; 상기 냉각수가 공급되는 이중 내관 하단 외측으로는 플라즈마 가스를 공급하여 가둠관 내부에서 분사되도록 형성되는 한 쌍의 플라즈마 가스 투입구와; 상기 냉각수가 공급되는 이중 내관 하단 외측으로는 쉬스 가스를 공급하여 가둠관과 플라즈마 가스 유도관 사이에 분사되도록 형성되는 한 쌍의 쉬스 가스 투입구와; 상기 가둠관이 내부에 구비되도록 가둠관 외주면에 이격되어 설치되는 유도코일 지지관과; 상기 유도코일 지지관 외주면에 일정 간격으로 나선형태로 감겨져 가둠관 내부에 유도가열에 의한 플라즈마를 생성시키는 유도코일과; 상기 가둠관 외벽과 유도코일 지지관 사이에 냉각수를 흐르게 하여 가둠관의 온도를 낮추도록 가둠관 하단에 구비되는 가둠관 냉각수 입구 및 가둠관 상단에 구비되는 가둠관 냉각수 출구로 구성된다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 플라즈마 가스 유도관 구조를 개선하여 플라즈마 가둠관 내부에서 균일한 플라즈마를 형성하도록 플라즈마 가스를 균일하게 분사시키고, 쉬스 가스의 분사구조를 개선시켜 가둠관 내부에서 발생되는 플라즈마 열에 의해 가둠관이 파손되는 것을 방지하여 가둠관의 냉각 효율을 증대시켜, 유도 결합 열 플라즈마 전극의 플라즈마 균일성 문제와 전극의 내구성 문제를 개선시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나노 분말 제조 장치의 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 토치 전극 구조를 나타낸 정단면도.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 토치 전극 구조를 나타낸 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 가스 유도관 구조를 나타낸 참고도.
도 5는 본 발명에 따른 쉬스 가스 투입구 구조를 나타낸 참고도.
도 6은 본 발명에 따른 쉬스 가스의 흐름방향을 나타낸 참고도.
도 7은 본 발명에 따른 쉬스 가스가 이송되는 제2이송 영역의 참고도.
- 부호의 설명
100 : 발진부 200 : 임피던스 정합부
300 : 플라즈마 토치 301 : 캐리어 가스 투입구
302 : 주입관 303 : 가둠관
304 : 플라즈마 가스 유도관 305 : 주입관 냉각수 입구
306 : 주입관 냉각수 출구 307 : 플라즈마 가스 투입구
308 : 쉬스 가스 투입구 309 : 유도코일 지지관
310 : 유도코일 311 : 가둠관 냉각수 입구
312 : 가둠관 냉각수 출구 400 : 냉각관
500 : 나노 분말 이동관 600 : 글러브 박스
700 : 포집부 800 : 열 교환부
900 : 진공 펌프 T : 테이블
도 1은 본 발명에 따른 나노 분말 제조 장치의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 토치 전극 구조를 나타낸 정단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 토치 전극 구조를 나타낸 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 가스 유도관 구조를 나타낸 참고도이고, 도 5는 본 발명에 따른 쉬스 가스 투입구 구조를 나타낸 참고도이고, 도 6은 본 발명에 따른 쉬스 가스의 흐름방향을 나타낸 참고도이고, 도 7은 본 발명에 따른 쉬스 가스가 이송되는 제2이송 영역의 참고도이다.
이하, 도면을 참고로 구성요소를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 나노 분말 제조 장치의 전체 구성도를 도시한 개략도로서, 발진부(100), 임피던스 정합부(200), 플라즈마 토치(300), 냉각관(400), 나노 분말 이동관(500), 글러브 박스(600), 포집부(700), 열 교환부(800), 진공 펌프(900)로 구성된다.
상기 발진부(100)는 소정의 주파수를 가지는 전원을 증폭시키는 기능을 수행하는 것으로, 여기서 전원의 주파수는 약 1 내지 4 MHz의 고주파수인 것이 바람직하며, 전원은 약 80KW로 증폭되는 것이 바람직하다.
상기 임피던스 정합부(200)는 발진부(100)와 플라즈마 토치(300)의 임피던스를 정합시키는 기능을 수행하는 것으로, 발진부(100)에서 증폭된 전원이 플라즈마 토치(300)에 손실 없이 효율적으로 전달되도록 한다.
상기 플라즈마 토치(300)는 플라즈마를 발생시켜 플라즈마 토치(300)로 공급된 원료 물질을 원료 가스로 변환시키는 기능을 수행하는 것으로, 상기 플라즈마 토치(300)에 의하여 발생되는 플라즈마는 열 플라즈마이며, 상기 열 플라즈마는 그 구성 성분인 이온과 자유 전자들이 높은 에너지를 가지고 있는 까닭에 플라즈마 토치(300)로 공급된 원료 물질을 원료 가스로 용이하게 변환시킬 수 있다.
상기 냉각관(400)은 플라즈마 토치(300) 하부에 배치되어 이동하는 원료 가스를 냉각시키는 기능을 수행하는 것으로, 냉각관(400) 냉각된 원료 가스는 극히 작은 크기를 가지는 나노 분말로 변환되며, 상기 냉각관(400)이 원료 가스를 냉각시키는 방식은 특별하게 제한되지 아니하나 바람직하게는 냉각수를 이용하는 수냉식으로 냉각수가 흐르는 냉각수 라인을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 나노 분말 이동관(500)은 나노 분말이 이동되는 통로로서의 역할을 수행하는 것으로, 즉 상기 냉각관(400)과 포집부(700)를 연결하면서 나노 분말이 냉각관(400)에서 포집부(700)로 이동될 수 있도록 하는 통로로서의 역할을 수행하며, 상기 나노 분말 외에도 플라즈마 형성 가스, 쉬스 가스 등도 함께 나노 분말 이동관(500)을 통하여 이동될 수 있다.
나노 분말은 그 표면적인 매우 넓기 때문에 나노 분말 이동관(500)을 통과하는 중에 의도치 않게 표면 산화가 발생될 수 있으며, 나노 분말의 표면 산화는 나노 분말의 제반 특성을 저하시키기 때문에 반드시 방지될 필요가 있다.
상기 글러브 박스(600)는 나노 분말의 표면 산화를 방지하기 위하여 상기 나노 분말 이동관(500) 상에 설치되는 것으로, 상기 글러브 박스(600)는 복수개로 설치될 수 있으며 그 개수는 특별하게 제한되지 아니한다.
상기 포집부(700)는 상기 나노 분말 이동관(500) 내부로 이동되는 플라즈마 형성 가스, 쉬스 가스, 나노 분말 중에서 상기 나노 분말을 포집하는 기능을 수행한다.
상기 열 교환부(800)는 상기 포집부(700)를 통과한 플라즈마 형성 가스, 쉬스 가스 등을 추가적으로 냉각하는 기능을 수행하는 것으로, 상기 냉각관(400)에서도 플라즈마 형성 가스 및 쉬스 가스 등의 냉각이 이루어지게 되나, 열 교환부(800)를 이용하여 플라즈마 형성 가스 및 쉬스 가스를 추가적으로 상온 근처까지 냉각함으로써, 보다 안전하게 플라즈마 형성 가스 및 쉬스 가스를 외부로 배출할 수 있으며, 열 교환부(800)의 냉각 방식은 냉각 가스를 이용하는 공냉식인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 아니한다.
상기 진공 펌프(900)는 상기 나노 분말 이동관(500) 내의 나노 분말과 가스(플라즈마 형성 가스 및 쉬스 가스)의 흐름을 유도하는 기능을 수행하는 것으로, 이를 테면, 진공 펌프(900)는 나노 분말이 나노 분말 이동관(500)을 거쳐서 포집부(700)로 원활하게 이동되도록 하는 기능을 수행할 수 있으며, 또한 플라즈마 형성 가스 및 쉬스 가스가 ‘나노 분말 이동관(500) - 포집부(700) - 열 교환부(800) - 외부’의 순서대로 원활하게 이동되도록 하는 기능을 수행한다.
또한, 본 발명은 상기 임피던스 정합부(200), 플라즈마 토치(300), 냉각관(400), 나노 분말 이동관(500), 글러브 박스(600) 및 포집부(700)를 지지하는 테이블(T)이 더 구비된다.
상기 플라즈마 토치(300) 전극 구조는 도 2와 같이 구성되는데, 상기 플라즈마 토치(300)는 연결부재(300b)에 의해 상단고정구(300a)와 제1토치몸체(300c)가 고정되며, 상기 제1토치몸체(300c) 하부로는 제2토치몸체(300d)와 바닥고정구(300e)가 고정되는 구조물을 포함하며, 일반적인 체결방법(볼트와 너트 또는 용접 등)으로 고정된다.
상기 플라즈마 토치(300)는 최상단인 상단고정구(300a)에 수직방향으로 구비되어, 벌크분말을 플라즈마 영역에 공급시키기 위하여 주로 아르곤 가스(Ar gas) 또는 질소 가스(N2 gas) 등을 사용하며 벌크분말과 함께 공급되는 캐리어 가스 투입구(301)와, 상기 캐리어 가스 투입구(301) 하단에 연결되어 플라즈마 토치(300) 내부로 캐리어 가스를 주입시키는 주입관(302)과, 상기 주입관(302)이 내부로 삽입되어, 상하 중앙부 근처에 주입관(302) 끝단부를 위치시키는 가둠관(303)이 제1토치몸체(300c)에 상단이 고정된다.
또한, 상기 주입관(302)과 가둠관(303) 사이에 구비되어 플라즈마 가스를 분포시키는 플라즈마 가스 유도관(304)이 구비되되, 상기 주입관(302) 길이보다 수직 길이가 짧게 형성되며, 상단의 돌출턱(304a)이 상단고정구(300a)에 일반적인 체결방법(볼트와 너트 또는 용접 등)으로 고정된다.
상기 캐리어 가스 투입구(301)가 연장되는 상단고정구(300a) 내부에는 플라즈마 열을 냉각시키도록 이중 내관으로 형성되는 냉각수 이송로가 형성되며, 상단고정구(300a) 외측면의 일측 상하단에는 주입관 냉각수 입구(305)와 주입관 냉각수 출구(306)가 형성된다.
상기 냉각수가 공급되는 이중 내관 하단 외측으로는 플라즈마 가스를 공급하여 가둠관(303) 내부에서 분사되도록 형성되는 한 쌍의 플라즈마 가스 투입구(307)와, 상기 냉각수가 공급되는 이중 내관 하단 외측으로는 쉬스 가스를 공급하여 가둠관(303)과 플라즈마 가스 유도관(304) 사이에 분사되도록 형성되는 한 쌍의 쉬스 가스 투입구(308)가 형성되되, 상기 플라즈마 가스 투입구(307)과 쉬스 가스 투입구(308)는 도 3과 같이 90° 간격으로 하나씩 엇갈리도록 구비된다.
상기 플라즈마 가스 투입구(307)는 플라즈마 가스를 공급시키는 투입구로서, 이 투입구는 플라즈마 가스 유도관에 인접하게 위치하고, 플라즈마 가스는 투입구를 지나 플라즈마 가스 유도관(304)을 지나게 되면 균일하게 가둠관(303)으로 분사되며, 가스로는 아르곤(Ar), 질소(N2), 공기(Air), O2(산소) 중 어느 하나를 선택적으로 사용한다.
상기 가둠관(303)이 내부에 구비되도록 가둠관(303) 외주면에 이격되어 설치되는 유도코일 지지관(309)은 상단 일측이 제1토치몸체(300c)에 고정되며, 상기 유도코일 지지관(309) 외주면에는 유도코일(310)이 일정 간격으로 나선형태로 감겨져 가둠관(303) 내부에 유도가열에 의한 플라즈마를 생성시킨다.
상기 유도코일 지지관(309)은 유도코일(310)을 감는 몸체로, 주로 알루미나(Al2O3)를 사용하여, 두께는 약 2mm ~ 4mm 정도로 하고, 지지관은 열팽창에 의한 파손이 없는 절연 재질로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 유도코일(310)에 RF(0.5MHz ~ 4MHz) 주파수의 전원을 인가하여 가둠관(303) 내부에 유도가열을 발생시켜 플라즈마가 생성되고, 코일의 종류는 구리관으로 관 내부에는 냉각수를 흐르게 하여 코일에 발생한 열을 냉각시키며, 코일의 외경은 약 5mm ~ 12mm 정도이며, 코일 간격은 12mm ~ 15mm이다.
또한, 상기 가둠관(303) 외벽과 유도코일 지지관(309) 사이에 냉각수를 흐르게 하여 가둠관(303)의 온도를 낮추도록 가둠관(303) 하단에 구비되는 가둠관 냉각수 입구(311) 및 가둠관(303) 상단에 구비되는 가둠관 냉각수 출구(312)를 포함한다.
상기 플라즈마 가스 유도관(304)은 전기적으로 절연을 위한 절연체 재질로 형성되고, 도 4(a)와 같이 하부는 개방되며 상부는 플라즈마 가스 투입구(307)로 주입되는 플라즈마 가스가 가둠관(303) 내부로 균일하게 분사되도록 중앙의 주입관삽입구(304b)를 기준으로 다수의 홀(H)이 형성된다.
상기 홀(H)은 도 4(b)와 같이 주입관삽입구(304b)를 기준으로 동심원 형태로 외측방향으로 배열되되, 8개의 홀이 형성되는 제1홀(H1)과, 10개의 홀이 형성되는 제2홀(H2)과, 12개의 홀이 형성되는 제3홀(H3)과, 12개의 홀이 형성되는 제4홀(H4)과, 16개의 홀이 형성되는 제5홀(H5)이 내측에서 외측방향으로 원의 지름이 커지도록 형성되며, 상기 홀(H)의 지름은 0.5mm ~ 2.0mm 사이즈로 형성된다.
상기 쉬스 가스 투입구(308)로 주입된 쉬스 가스는 가둠관(303) 내벽의 온도를 낮추기 위해 쉬스 가스가 균일하게 벽면과 접촉하는 비율을 증대시키는 구조로 설계되어야 하는데, 플라즈마 가스 유도관(304) 외주면을 따라 짧은 시간에 통과되도록 도 5와 같이 쉬스 가스 투입구(308)와 연결되는 제1이송 영역(308a)과, 상기 제1이송 영역(308a)의 통과 넓이보다 1/3 줄어들도록 내부로 돌출되는 제2이송 영역(308b)을 거쳐 가둠관(303) 내벽에 연결되는 제3이송 영역(308c)을 통해 주입되어, 냉각효과를 증대시킬 수 있다.
또한, 다른 방법으로는 투입된 대부분의 쉬스 가스가 가둠관(303) 내부 벽면을 접촉하도록 제2이송 영역(308b)의 면에는 가둠관(303)의 내벽 방향으로 회전하도록 나사산 형상의 홈이 추가적으로 형성하여 원통구조의 내벽이 나사산 모양으로 가스 흐름을 유도할 수 있도록 할 수 있다.
도 6은 상기 쉬스 가스의 흐름방향을 나타낸 것으로, 플라즈마 가스 유도관(304)과 가둠관(303) 사이에서 상기 플라즈마 가스 유도관(304)의 외주면을 따라 원형을 그리며 하부로 회전됨을 알 수 있다.
도 7은 상기 쉬스 가스가 이송되는 제2이송 영역의 참고도로서, 도 7(a)는 상기 제2이송 영역(308b)을 이루는 플라즈마 가스 유도관(304) 외주면과 연결부재(300b) 내면 중 상기 연결부재(300b)가 밋밋한 형태로 형성되어 주입되는 쉬스 가스를 가둠관(303)으로 안내하는 제1실시 예를 보여주고 있으며, 상기 연결부재(300b)에는 도 7(b)와 같이 가둠관(303) 내벽 방향으로 쉬스 가스의 흐름을 유도하도록 나선형 홈(308d)을 추가로 더 형성하여 쉬스 가스를 조금 더 원활하게 이송할 수도 있다.
따라서, 본 발명은 플라즈마 가스 유도관 구조를 개선하여 유도 결합 열 플라즈마 전극의 플라즈마 균일성 문제와 전극의 내구성 문제를 해결하는 것으로, 플라즈마 가둠관 내부에서 균일한 플라즈마를 형성하기 위해 플라즈마 가스를 균일하게 분사시키기 위한 구조를 가지는 플라즈마 가스 유도관을 제공하고, 가둠관 내부에서 발생되는 플라즈마의 열에 의해 가둠관이 파손되는 것을 방지하기 위해 가둠관 표면을 냉각시키도록 쉬스 가스의 분사구조를 개선시켜 가둠관의 냉각 효율을 증대시킨다.
본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 소정의 주파수를 가지는 전원을 증폭시키는 발진부(100)와, 상기 발진부(100)와 플라즈마 토치(300)의 임피던스를 정합시키는 임피던스 정합부(200)와, 플라즈마를 발생시켜 공급되는 원료 물질을 원료 가스로 변환시키는 플라즈마 토치(300)와, 상기 플라즈마 토치(300) 하부에 배치되어 이동하는 원료 가스를 냉각시키는 냉각관(400)과, 나노 분말이 이동되는 통로의 나노 분말 이동관(500)과, 상기 나노 분말의 표면 산화를 방지하는 복수개의 글러브 박스(600)와, 나노 분말을 포집하는 포집부(700)와, 상기 포집부(700)를 통과한 플라즈마 형성 가스, 쉬스 가스 등을 냉각하는 열 교환부(800)와, 상기 나노 분말 이동관(500) 내의 나노 분말과 플라즈마 형성 가스 및 쉬스 가스의 흐름을 유도하는 진공 펌프(900)로 구성되는 나노 분말 제조장치의 플라즈마 토치 전극 구조에 있어서,
    상기 플라즈마 토치(300)는
    최상단에 수직방향으로 구비되어, 벌크분말을 플라즈마 영역에 공급시키기 위한 캐리어 가스 투입구(301)와;
    상기 캐리어 가스 투입구(301) 하단에 연결되어 플라즈마 토치(300) 내부로 캐리어 가스를 주입시키는 주입관(302)과;
    상기 주입관(302)이 내부로 삽입되어, 상하 중앙부 근처에 주입관(302) 끝단부를 위치시키는 가둠관(303)과;
    상기 주입관(302)과 가둠관(303) 사이에 구비되어 플라즈마 가스를 분포시키되, 상기 주입관(302) 길이보다 수직 길이가 짧게 형성되는 플라즈마 가스 유도관(304)과;
    상기 캐리어 가스 투입구(301) 하단에 연장되어 플라즈마 열을 냉각시키도록 이중 내관으로 형성되는 일측면 상하단에 각각 형성되는 주입관 냉각수 입구(305) 및 주입관 냉각수 출구(306)와;
    상기 냉각수가 공급되는 이중 내관 하단 외측으로는 플라즈마 가스를 공급하여 가둠관(303) 내부에서 분사되도록 형성되는 한 쌍의 플라즈마 가스 투입구(307)와;
    상기 냉각수가 공급되는 이중 내관 하단 외측으로는 쉬스 가스를 공급하여 가둠관(303)과 플라즈마 가스 유도관(304) 사이에 분사되도록 형성되는 한 쌍의 쉬스 가스 투입구(308)와;
    상기 가둠관(303)이 내부에 구비되도록 가둠관(303) 외주면에 이격되어 설치되는 유도코일 지지관(309)과;
    상기 유도코일 지지관(309) 외주면에 일정 간격으로 나선형태로 감겨져 가둠관(303) 내부에 유도가열에 의한 플라즈마를 생성시키는 유도코일(310)과;
    상기 가둠관(303) 외벽과 유도코일 지지관(309) 사이에 냉각수를 흐르게 하여 가둠관(303)의 온도를 낮추도록 가둠관(303) 하단에 구비되는 가둠관 냉각수 입구(311) 및 가둠관(303) 상단에 구비되는 가둠관 냉각수 출구(312)로 구성되는 것을 특징으로 하는 나노 분말 제조용 플라즈마 토치 전극 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마 가스 유도관(304)은 전기적으로 절연을 위한 절연체 재질로 형성되고, 하부는 개방되며 상부는 플라즈마 가스 투입구(307)로 주입되는 플라즈마 가스가 가둠관(303) 내부로 균일하게 분사되도록 중앙의 주입관삽입구(304b)를 기준으로 다수의 홀(H)이 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 분말 제조용 플라즈마 토치 전극 구조.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 홀(H)은 주입관삽입구(304b)를 기준으로 동심원 형태로 외측방향으로 배열되되, 8개의 홀이 형성되는 제1홀(H1)과, 10개의 홀이 형성되는 제2홀(H2)과, 12개의 홀이 형성되는 제3홀(H3)과, 12개의 홀이 형성되는 제4홀(H4)과, 16개의 홀이 형성되는 제5홀(H5)이 내측에서 외측방향으로 원의 지름이 커지도록 형성되며, 상기 홀(H)의 지름은 0.5mm ~ 2.0mm 사이즈로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 분말 제조용 플라즈마 토치 전극 구조.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 쉬스 가스 투입구(308)로 주입된 쉬스 가스는 가둠관(303) 내벽의 온도를 낮추기 위해 플라즈마 가스 유도관(304) 외주면을 따라 짧은 시간에 통과되도록 쉬스 가스 투입구(308)와 연결되는 제1이송 영역(308a)과, 상기 제1이송 영역(308a)의 통과 넓이보다 1/3 줄어들도록 내부로 돌출되는 제2이송 영역(308b)을 거쳐 가둠관(303) 내벽에 연결되는 제3이송 영역(308c)을 통해 주입되는 것을 특징으로 하는 나노 분말 제조용 플라즈마 토치 전극 구조.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제2이송 영역(308b)인 연결부재(300b) 내면에는 가둠관(303) 내벽 방향으로 쉬스 가스의 흐름을 유도하도록 나선형 홈(308d)이 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 분말 제조용 플라즈마 토치 전극 구조.
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