WO2015142091A1 - 전자파 플라즈마 토치 - Google Patents

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WO2015142091A1
WO2015142091A1 PCT/KR2015/002702 KR2015002702W WO2015142091A1 WO 2015142091 A1 WO2015142091 A1 WO 2015142091A1 KR 2015002702 W KR2015002702 W KR 2015002702W WO 2015142091 A1 WO2015142091 A1 WO 2015142091A1
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plasma
discharge tube
plasma torch
electric field
field distribution
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PCT/KR2015/002702
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홍용철
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한국기초과학지원연구원
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • 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
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0894—Processes carried out in the presence of a plasma

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic plasma torch, and more particularly to a large-capacity electromagnetic plasma torch.
  • Republic of Korea Patent No. 10-1166444 relates to a plasma source gas torch generated by electromagnetic waves and its application, the purpose is to generate a pure plasma torch by heating the plasma source gas with electromagnetic waves and to generate the gas, liquid Or it is proposed to produce a synthesis gas raw material by supplying a hydrocarbon compound in the solid state.
  • Republic of Korea Patent No. 10-0375423 discloses a smoke removal technology using a microwave plasma.
  • Such devices using plasma torch are widely used in various fields such as fuel reforming, syngas production and removal of soot by reacting reactant and plasma torch, and have high potential in such use.
  • the conventional apparatus is as shown in the left side of FIG. 4.
  • the width of the waveguide is a and the height is b
  • a discharge tube vertically penetrating the waveguide is disposed as shown in the left side of FIG. 4.
  • the width a and the height b of the waveguide are dominant mode waveguides for transmitting electromagnetic waves of a specific frequency oscillated from the microwave generator.
  • the disadvantage of the conventional plasma torch is to have a plasma volume limited to a specific frequency, and thus, there is a problem in that the plasma volume is limited, which is difficult to use when a large amount of plasma processing is required.
  • the temperature gradient in the torch has a gradient in which the center of the discharge tube is very high and becomes lower toward the periphery of the discharge tube, it is difficult to inject the substance itself due to the pressure difference when injecting the target material by the pressure difference in the center and the perimeter. There was this.
  • the present invention solved this problem.
  • the present invention solves the problem that the plasma volume is limited to a specific frequency, which is a disadvantage of the conventional plasma torch, and thus, the plasma volume is limited, thereby providing a large-capacity plasma torch.
  • the temperature gradient in the torch solves the problem of the existing torch having a high center and a low circumference of the discharge tube, and has a high temperature at the circumference and a low gradient at the center to facilitate the injection of the target material into the plasma.
  • the present invention solved this problem.
  • Electromagnetic plasma torch the plasma generating unit; A microwave generator for transmitting microwaves to the plasma generator; And a plasma source gas injector for injecting a plasma source gas into the plasma generator, wherein the microwave generator comprises a waveguide for transmitting microwaves to the plasma generator, and the plasma generator comprises a discharge tube. Is perpendicular to the waveguide and the width of the waveguide in the dominant mode for transmitting electromagnetic waves oscillating from the microwave generator is a, wherein the width of the waveguide is na (n is Real number greater than 1). Preferably, n is an integer of 2 or more.
  • the discharge vessel is installed to include a longitudinal or longitudinal null line of the electric field distribution.
  • the discharge vessel is installed in the center of the discharge vessel so that the longitudinal null line of the electric field distribution passes.
  • the discharge vessel is installed in the center of the discharge vessel such that a longitudinal null line of the electric field distribution passes.
  • the discharge tube When the discharge tube is provided over (2n + 1) ⁇ / 2 of the electric field distribution in the longitudinal direction and the longitudinal direction, it is provided so that the peak of the electric field distribution is located at the center of the discharge tube.
  • the plasma gas injector is disposed such that the gas to be injected is directed to a null line in the longitudinal or longitudinal direction of the electric field distribution in the discharge tube.
  • the plasma gas may be injected in a swirl form.
  • the electromagnetic plasma torch according to an embodiment of the present invention further includes an injection target material injection portion, and the injection target material injection portion is a null line in a longitudinal direction or a longitudinal direction of an electric field distribution in a discharge tube. It is arranged to face.
  • the plasma gas injectors are arranged such that the gas to be injected is directed to a null line in a longitudinal or longitudinal direction of the electric field distribution in the discharge tube, and the gas injected for each null line may be different.
  • the plasma gas may be injected in a swirl form.
  • the waveguide of the electromagnetic plasma torch according to the embodiment of the present invention may include a plunger at the opposite end of the microwave generating unit.
  • the electromagnetic plasma torch according to the embodiment of the present invention may further include an ignition unit, and the ignition unit is disposed to ignite at a peak portion of the electric field distribution in the discharge tube.
  • the waveguide of the electromagnetic wave plasma torch according to an embodiment of the present invention further includes an injection target material injection portion, and the pressure PH of the peak portion of the electric field distribution in the discharge tube is to be injected from the injection target material injection portion.
  • the reaction time increases with the hot flame of the plasma torch over time.
  • the waveguide of the electromagnetic wave plasma torch according to an embodiment of the present invention further includes an injection target material injection portion, and the pressure PH of the peak portion of the electric field distribution in the discharge tube is to be injected from the injection target material injection portion.
  • the hot flame and reaction time of the plasma torch are maximized.
  • the plasma volume limited to a specific frequency which is a disadvantage of the conventional plasma torch, is overcome, and the difficulty of injecting a substance into the torch due to a very large temperature gradient of the conventional torch is overcome.
  • Electromagnetic plasma torch according to the present invention is applicable to a variety of applications, it can be used for plasma gasification, waste gas purification, reforming, nanomaterial synthesis, NOx production, etc., in particular, there is an advantage that the large-capacity treatment is possible.
  • FIG. 1 is a block diagram conceptually showing the configuration of a reaction apparatus using a plasma torch according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 more specifically illustrates a reaction apparatus using a plasma torch of the present invention.
  • FIG 3 shows an exemplary view of a waveguide.
  • FIG. 4 shows the arrangement of the waveguide and the discharge tube in the plasma torch of the prior art and the present invention.
  • FIG. 5 shows the discharge tube mounting position in the plasma torch of the prior art and the present invention.
  • Figure 6 shows the appearance of the discharge tube position in the plasma torch of the prior art and the present invention.
  • Figure 7 shows the appearance and intensity of the actual plasma in the plasma torch of the prior art and the present invention.
  • FIG. 9 is a plan view showing a pressure and a temperature gradient in the discharge tube in the plasma torch of the present invention.
  • FIG. 10 is a side sectional view showing a pressure and a temperature gradient in the discharge tube in the plasma torch of the present invention.
  • FIG. 11 is a side cross-sectional view showing the pressure and temperature gradients in the discharge tube, the injection of a substance and the swirl gas injection in the plasma torch of the present invention.
  • 13A-13B show comparative examples when the workpiece is injected with a force greater than the pressure of the peak portion of the electric field distribution of the plasma torch.
  • the electromagnetic plasma torch of the present invention enables a large-capacity plasma torch by overcoming a plasma volume limited to a specific frequency, which is a problem of the conventional electromagnetic plasma torch, and overcomes the difficulty of injecting a substance into the torch due to a very large temperature gradient in the conventional torch. In order to dispose the discharge tube in a specific position.
  • FIG. 1 is a block diagram conceptually illustrating a configuration of a reaction apparatus using an electromagnetic plasma torch according to an embodiment of the present invention.
  • Korean Patent Publication No. 10-0394994 which is a previously registered patent of the inventor of the present application. This patent is incorporated herein by reference in its entirety.
  • the apparatus of the present invention includes a power supply unit 110, a microwave generator 120, a microwave transmission line (waveguide) 130, a plasma generator 150, a plasma source gas injection unit 160. ) May be included.
  • the material supply unit 140, the reaction unit 170, the ignition unit 180 may also include.
  • the power supply unit 110 is composed of a full-wave voltage multiplier, a pulse and direct current (DC) device is configured to supply power to the microwave generator 120.
  • a pulse and direct current (DC) device is configured to supply power to the microwave generator 120.
  • the microwave generator 120 uses a magnetron that oscillates electromagnetic waves in the 10MHz to 10GHz band.
  • the microwave generator 120 oscillates 915MHz and 2.45GHz electromagnetic waves.
  • the microwave transmission line 130 is a waveguide, and is configured to transmit the oscillated microwaves to the plasma generator 150.
  • the plasma generating unit 150 is called a discharge tube and is provided to penetrate the end of the microwave transmission line 130 to provide a space where plasma is generated by electromagnetic waves input through the microwave transmission line 130 which is a waveguide.
  • the discharge tube preferably penetrates vertically through the waveguide.
  • FIG. 2 more specifically illustrates a reaction apparatus using a plasma torch of the present invention.
  • the power supply unit 110 supplies power to the microwave generator 120.
  • the microwave generator generates electromagnetic waves.
  • the generated electromagnetic waves are sequentially transmitted to the plasma generator 150 through the circulator 210, the directional coupler 220, the matcher 230, and the microwave transmission line (waveguide) 130.
  • the waveguide 130 is shown in tapered form, but this is only one embodiment, and in the present invention, the waveguide does not necessarily need to be tapered.
  • the plasma source gas is injected through the plasma source gas injection unit 160 of the plasma generator 150.
  • the plasma source gas injected through the plasma source gas injection unit 160 may be injected in a swirl form.
  • the plasma torch is generated in the reactor 170 while the plasma source gas is supplied to the plasma generator 150 and the electromagnetic wave is transmitted to the plasma generator 150 through the waveguide 130.
  • the reaction material may be supplied through the material supply unit 140 to any selected position of the plasma torch.
  • the electromagnetic wave plasma torch of the present invention has a width of a waveguide in a dominant mode for transmitting electromagnetic waves oscillating from a microwave generator, the width of which is na (n is an integer of 2 or more). Has the size of. This state corresponds to a case where a width is defined as a and a height is defined as b in the waveguide shown in FIG. 3.
  • a dominant mode refers to a mode that propagates with minimal degradation in a waveguide that can accommodate one or more propagation modes. That is, the mode has the lowest cutoff frequency.
  • the dominant mode is TE 10 .
  • the mode refers to the form in which the energy of a specific frequency is concentrated in a structure
  • the mode in the resonator means the resonance frequency and its resonance form, in the case of waveguides or transmission lines of the specific frequency band It means the form of electromagnetic waves. This is related to the phenomenon that energy is concentrated at a specific frequency depending on the structural characteristics. The important thing is that the mode is ultimately determined by the shape of the structure. To use a particular mode, the structure must be designed so that the desired frequency energy is converged to that mode.
  • the cutoff frequency of the plasma torch of the present invention is as follows. Electromagnetic waves can only be transmitted to the waveguide at frequencies above a given cutoff frequency.
  • c is the speed of light
  • a and b are the width and height in the rectangular waveguide and n and m are the mode numbers.
  • the cutoff frequency is low. Transmission is possible. For example, three times larger a lowers to 0.6 GHz, allowing transmission. It is also available in 915MHz, 5.8GHz and more. That is, in the present invention, the plasma can be generated in a predetermined microwave frequency band even if the mode is changed.
  • a plan view, a side view, and an end view are shown from top to bottom, with a left side of a conventional plasma torch and a right side of a plasma torch of the present invention.
  • the width of the waveguide is a and the height is b, a discharge tube vertically penetrating the waveguide is disposed as shown.
  • the width a and the height b of the waveguide are dominant mode waveguides for transmitting electromagnetic waves of a specific frequency oscillated from the microwave generator.
  • n is a real number greater than one.
  • n is an integer of 2 or more.
  • n 2 is shown, whereby the width becomes 2a, and thus the size of the discharge tube is also increased, as shown in the side view and the end view, thus becoming a large-capacity plasma torch.
  • FIG. 5 it shows the mode of the waveguide of the existing torch (left) and the torch (right) of the present invention, the electric field distribution (electric field distribution) is shown as a contour line.
  • Electric field distribution refers to the distribution of the E-field, and the same electric field size may be represented in the same color or in the form of contour.
  • the largest electric field in the electric field distribution is called peak, and the smallest part is called null.
  • These nulls form a line with nulls connected to each other and are called null lines.
  • the null line has a longitudinal null line along the longitudinal direction of the waveguide and a longitudinal null line along the direction perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide.
  • the red part (peak part) represents a high electric field and the green part (null part) is low.
  • the electric field distribution is shown as shown in FIG. That is, the electric field distribution appears in two lines along the length of the waveguide.
  • the discharge tube position should be arranged to include a null portion of the electric field distribution, that is, a green portion, and it is most preferable that the discharge tube position be positioned at the center of the discharge tube, and the reason thereof will be described later.
  • a discharge tube position is shown as an example.
  • FIG. 6 is a view illustrating the position of the discharge tube in more detail, where the existing torch of the dominant mode TE 10 mode (when the width is a) and the discharge tube position of the TE 20 mode (when the width 2a) is the torch of the present invention. Is a comparison.
  • FIG. 6 shows the electric field distribution and the size of the discharge tube according to the present invention at 2.45 GHz.
  • the plasma can be filled in the discharge tube even if the discharge tube becomes larger than twice. No matter how increased, the diameter could not exceed a.
  • an electric field distribution of two lines is formed along the length direction of the waveguide by increasing the width to 2a, and when viewed from the end of the waveguide, it is the same as the right side.
  • the discharge tube so that the null portion of the electric field distribution is at the center of the discharge tube, the difficulty of injecting the object, which is a problem of the existing torch, is solved. This is because the problem of the object being pushed around the discharge tube is solved because the pressure at the center of the discharge tube is lower than the pressure at the circumference.
  • the exposure time of light to the image of the present invention is about one sixth that of a conventional torch.
  • the diameter of the quartz tube, which is the discharge tube is 30 mm on the left side and 80 mm on the right side. That is, the torch of the present invention becomes a large-capacity plasma torch by filling the inside with plasma while the size of the discharge tube increases.
  • the method of disposing the discharge tube in this case is as follows.
  • the present invention is to solve the problem that the injection of the workpiece is difficult due to the high temperature and pressure of the center in the conventional plasma torch, the position of the discharge tube should be arranged to include a null line in the longitudinal or longitudinal direction of the electric field distribution. As a result, a portion having a low temperature and pressure gradient is included in the discharge tube, and the target substance can be easily injected by injecting the target substance into the null line.
  • the most preferred embodiment is described below with reference to FIGS. 8A-8C.
  • a discharge tube is installed such that a null line (represented by a dotted line in FIG. 8A) in the longitudinal direction of the electric field distribution arranged in two lines along the longitudinal direction of the waveguide is at the center of the discharge tube.
  • the location of the discharge tube is indicated by a dotted dotted line.
  • the discharge tube is positioned at the point with the largest electric field strength, and the outer circle is installed slightly outside the point with the greatest electric field strength.
  • a null line in the longitudinal direction (x direction) of the electric field distribution is disposed at the center of the discharge tube at the center of the discharge tube. In this case, it is more preferable to arrange the discharge tube adjacent to the end of the waveguide.
  • 8A shows a state where the discharge tube is arranged adjacent to the distal end of the waveguide.
  • the positions of the discharge tubes are different, in which case the centers of the discharge tubes are not only positioned so that null lines in the longitudinal direction (x direction) of the electric field distribution pass, but also at the same time in the longitudinal direction (y direction) of the electric field distribution. Null lines (indicated by dashed lines) are placed to pass. Also in this case, the position of the discharge tube was indicated by the dotted line line. In the case of the inner circle, the discharge tube was positioned at the point with the largest electric field strength, and the outer circle was slightly removed from the point with the greatest electric field strength. will be.
  • a null line in the longitudinal direction (x direction) of the electric field distribution and a null line in the longitudinal direction (y direction) of the electric field distribution pass through the center of the discharge tube.
  • FIG. 8C the case where a discharge tube is provided over (2n + 1) (lambda) / 2 of the electric field distribution of a horizontal direction and a vertical direction is demonstrated.
  • the peak of the electric field distribution is located at the center of the discharge tube.
  • the structure of the electromagnetic plasma torch of the present invention generates a large-capacity plasma torch, and in this case, the size of the discharge tube can be increased and how the position of the discharge tube is specified has been described. The specification of the position of the injection section will be described.
  • the electric field energy is stronger at the circumference of the discharge tube and has a weaker distribution at the center. Therefore, when the discharge tube is viewed in a planar state, a high pressure such as P H is observed. It is divided into a low pressure region, such as a region and P L, and between them, the pressure in the high temperature region is greater than the pressure in the low temperature region (P H > P L ). Because of such a relative temperature and pressure gradient, the pressure in the center of the discharge tube is low, so that the injection of swirl gas is easy and the injection of the target material is easy. This is because, as described in comparison with the conventional torch in FIG. 3, the problem of the material being pushed to the circumference of the discharge tube due to the pressure in the center can be solved.
  • FIG. 13A is a view of a conventional torch, in which the center portion has the highest pressure portion P H when the discharge tube is viewed in a plan view, and the circumference portion has a low pressure portion P L.
  • the injection of the material with the force greater than P H is compared in FIGS. 13A and 13B, respectively.
  • the material when the material is injected with the force greater than P H , the material enters the discharge tube center. Immediately turns to the low-flame area.
  • FIG. 13A is a view of a conventional torch, in which the center portion has the highest pressure portion P H when the discharge tube is viewed in a plan view, and the circumference portion has a low pressure portion P L.
  • FIG. 14A and 14B can be compared in the same manner.
  • the torch is injected with a force less than P H as the conventional torch.
  • the material to be treated is pushed to the outside, turning only the low-flame region.
  • the torch of the present invention as shown in FIG. 14B, since the circumference is high in pressure, the flame in the high temperature and high pressure region traps the material to be treated, thereby increasing the reaction time with the hot flame.
  • FIG. 13B The difference between FIG. 13B and FIG. 14B is whether to inject with a larger force than P H or a small force, and when injected with a force greater than P H as shown in FIG. 13B, the reactivity with the hot flame gradually increases over time. This becomes larger, when injected with a small force than P H as shown in Figure 14b the greater the reactivity of the high-temperature flame and in the first place. Therefore, it may be advantageous to increase the reactivity by injecting with a force less than P H as shown in FIG.
  • the treated material to be injected may be any of gas, liquid, and solid, and there is no particular limitation thereto.
  • the plasma gas injection unit and the target material injection unit may be disposed to face a null line in a longitudinal direction or a longitudinal direction of the electric field distribution in the discharge tube.
  • the material to be treated is injected into a position where the electric field is weak, so that the material does not pass through the strong electric field region.
  • two P L portions exist and the plasma gas injection unit and the processing target injection unit are disposed toward the corresponding position.
  • the plasma gas may be different from the one injected into the center region and the center region. This allows the injection of multi-swirl. In this way, by varying the gas, the chemical reaction can be enhanced.
  • the waveguide comprises a plunger at the opposite end of the microwave generator.
  • This plunger is movable in the waveguide and the plunger allows adjustment of the maximum power coupling. This allows the desired electric field distribution to be disposed in the discharge tube when the discharge tube is penetrated.
  • the discharge tube is always disposed only at the ⁇ / 4 position from the end of the waveguide.
  • the discharge tube can be arranged without being limited to this position.
  • the electromagnetic plasma torch of the present invention may further include an ignition unit (not shown).
  • the ignition part has a position where the center of the discharge tube has the highest temperature gradient and the ignition part is disposed and ignited at this position.
  • the ignition portion may be arranged and ignited in this portion. Therefore, there is an advantage that the ignition portion does not need to be disposed to the center of the discharge tube.
  • the electromagnetic wave plasma torch of the present invention can increase the width (a) of the waveguide, thereby increasing the size of the discharge tube, thereby making a large-capacity electromagnetic plasma torch.
  • This overcomes the limitations of the existing plasma volume and is also applicable to vacuum, atmospheric and high pressures.
  • the conventional plasma torch has been treated in a local high temperature region, but in this treatment, the plasma torch of the present invention having a large volume and a large volume as in the present invention is much more advantageous.
  • the gas used may be a mode gas used in a conventional torch.

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Abstract

본 발명은 전자파 플라즈마 토치에 관한 것이고, 특히 대용량의 전자파 플라즈마 토치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치는, 플라즈마 발생부; 상기 플라즈마 발생부로 마이크로웨이브를 전송하는 마이크로웨이브 발생부; 및 상기 플라즈마 발생부로 플라즈마 소스 가스를 주입하는 플라즈마 소스 가스 주입부를 포함하며, 상기 마이크로웨이브 발생부는 상기 플라즈마 발생부로 마이크로웨이브를 전송하기 위한 도파관을 포함하고, 상기 플라즈마 발생부는 방전관을 포함하고, 상기 방전관은 상기 도파관에 수직으로 관통하고 있으며, 상기 마이크로웨이브 발생부로부터 발진되는 특정 주파수의 전자파의 전송을 위한 도미넌트 모드(dominant mode)의 도파관의 폭이 a인 경우, 상기 도파관의 폭은 na(n은 2이상의 정수)이다.

Description

전자파 플라즈마 토치
본 발명은 전자파 플라즈마 토치에 관한 것이고, 특히 대용량의 전자파 플라즈마 토치에 관한 것이다.
전자파를 이용한 플라즈마 토치는 널리 이용된다. 대한민국 등록특허 제 10-1166444호는 전자파로 발생한 플라즈마 소스 가스 토치 및 그 응용에 관한 것으로, 그 목적은 플라즈마 소스 가스를 전자파로 가열하여 순수한 플라즈마 토치를 발생하고 발생된 플라즈마 소스 가스 플라즈마에 기체, 액체 또는 고체 상태의 탄화수소 화합물을 공급하여 합성가스 원료를 생산함을 제시하고 있다. 또한, 대한민국 등록특허 제10-0375423호는 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 매연 제거 기술이 개시되어 있다.
이러한 플라즈마 토치를 이용한 장치들은 반응물질과 플라즈마 토치가 반응하여 연료개질, 합성가스 생산 및 매연 등의 제거와 같은 다양한 분야에 널리 이용되며, 이러한 이용에 있어 잠재력이 높은 장치이다.
이러한 전자파 플라즈마 토치의 경우 기존 장치는 도 4의 좌측에서 보는 것과 같다.
기존의 플라즈마 토치의 경우 도파관의 폭이 a이고 높이가 b라고 할 경우 도파관을 수직 관통하는 방전관이 도 4의 좌측에서 도시된 것처럼 배치된다. 이때 도파관의 폭 a 및 높이 b는 마이크로웨이브 발생부로부터 발진되는 특정 주파수의 전자파의 전송을 위한 도미넌트 모드의 도파관이다.
이러한 기존 플라즈마 토치의 단점은 특정 주파수에 제한된 플라즈마 볼륨을 가질 수 밖에 없고, 따라서 결국 플라즈마 볼륨이 한정된다는 문제점이 있어서 대량으로 플라즈마 처리가 필요한 경우에는 이용되기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 토치 내의 온도 구배가 방전관의 중심부가 매우 높고 방전관의 둘레부로 갈수록 낮아지는 구배를 가지고 있어서, 중심부와 둘레부의 압력차에 의해 피처리 물질을 주입할 때 압력차에 의해 물질 주입 자체가 어려운 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하고 대용량 플라즈마 처리가 가능한 대용량 전자파 플라즈마 토치가 필요하였고, 이를 착안하여 해결한 것이 본 발명의 장치이다.
본 발명은 기존 플라즈마 토치의 단점인 특정 주파수에 제한된 플라즈마 볼륨을 가질 수 밖에 없고 따라서 결국 플라즈마 볼륨이 한정된다는 문제점을 해결하여 대용량 플라즈마 토치를 제공한다.
또한, 토치 내의 온도 구배가 방전관의 중심부가 높고 둘레부가 낮은 기존 토치의 문제점을 해결하여, 둘레부 쪽이 온도가 높고 중심부 쪽이 낮은 구배를 갖춤으로써 플라즈마로 피처리물질의 주입을 용이하게 하는 대용량 플라즈마 토치를 제공한다.
이러한 문제점을 해결하고 대용량 플라즈마 처리가 가능한 대용량 전자파 플라즈마 토치가 필요하였고, 이를 착안하여 해결한 것이 본 발명의 장치이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치는, 플라즈마 발생부; 상기 플라즈마 발생부로 마이크로웨이브를 전송하는 마이크로웨이브 발생부; 및 상기 플라즈마 발생부로 플라즈마 소스 가스를 주입하는 플라즈마 소스 가스 주입부를 포함하며, 상기 마이크로웨이브 발생부는 상기 플라즈마 발생부로 마이크로웨이브를 전송하기 위한 도파관을 포함하고, 상기 플라즈마 발생부는 방전관을 포함하고, 상기 방전관은 상기 도파관에 수직으로 관통하고 있으며, 상기 마이크로웨이브 발생부로부터 발진되는 특정 주파수의 전자파의 전송을 위한 도미넌트 모드(dominant mode)의 도파관의 폭이 a인 경우, 상기 도파관의 폭은 na(n은 1 초과의 실수)이다. 바람직하게, 상기 n은 2이상의 정수이다.
상기 방전관은 전기장 분포(electric field distribution)의 길이방향 또는 세로방향 널(null) 라인을 포함하도록 설치된다.
상기 방전관은 방전관의 중심에 전기장 분포(electric field distribution)의 길이방향 널(null) 라인이 지나가도록 설치된다.
상기 방전관은 방전관의 중심에 전기장 분포의 세로방향 널(null) 라인이 지나가도록 설치된다.
상기 방전관이 길이방향 및 세로방향의 전기장 분포의 (2n+1)λ/2에 걸쳐 설치되는 경우, 방전관의 중심에 전기장 분포의 피크가 위치하도록 설치된다.
상기 플라즈마 가스 주입부는 주입되는 가스가 방전관 내의 전기장 분포의 길이방향 또는 세로방향의 널(null) 라인을 향하도록 배치된다. 상기 플라즈마 가스는 스월 형태로 주입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치는 피처리물질 주입부를 추가로 포함하고, 상기 피처리물질 주입부는 주입되는 피처리물이 방전관 내의 전기장 분포의 길이방향 또는 세로방향의 널(null) 라인을 향하도록 배치된다.
상기 플라즈마 가스 주입부가 복수개인 경우, 상기 플라즈마 가스 주입부는 주입되는 가스가 방전관 내의 전기장 분포의 길이방향 또는 세로방향의 널(null) 라인을 향하도록 배치되며, 널 라인 마다 주입되는 가스가 상이할 수 있다. 이 경우 플라즈마 가스는 스월 형태로 주입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치의 도파관은 상기 마이크로웨이브 발생부의 반대편 말단에 플런저(plunger)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치는 점화부를 추가로 포함할 수 있고, 상기 점화부는 상기 방전관 내의 전기장 분포의 피크 부분에 점화되도록 배치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치의 도파관은 피처리물질 주입 부를 추가로 포함하고, 상기 피처리물질 주입부에서 주입되는 피처리물이 상기 방전관 내의 전기장 분포의 피크 부분의 압력(PH)보다 큰 힘으로 주입되는 경우 시간이 지남에 따라 플라즈마 토치의 고온 불꽃과 반응 시간이 길어진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치의 도파관은 피처리물질 주입 부를 추가로 포함하고, 상기 피처리물질 주입부에서 주입되는 피처리물이 상기 방전관 내의 전기장 분포의 피크 부분의 압력(PH)보다 작은 힘으로 주입되는 경우 플라즈마 토치의 고온 불꽃과 반응 시간이 최대로 길어진다.
본 발명에 따르면 기존 플라즈마 토치의 단점인 특정 주파수에 제한된 플라즈마 볼륨을 극복하였고, 또한 기존의 토치의 매우 큰 온도 구배에 따른 토치 내로 물질 주입의 어려움을 극복하였다.
본 발명에 따른 전자파 플라즈마 토치는 다양한 응용 분야에 적용이 가능한데, 플라즈마 가스화, 폐가스 정화, 개질, 나노 물질 합성, NOx 생산 등에 이용될 수 있으며, 특히 대용량 처리가 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치의 구성을 개념적으로 나타낸 블록도의 모습을 도시한다.
도 2는 본 발명의 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치를 더욱 구체적으로 예시한다.
도 3은 도파관의 예시적인 모습을 도시한다.
도 4는 종래 기술과 본 발명의 플라즈마 토치에서 도파관 및 방전관의 배치 모습을 도시한다.
도 5는 종래 기술과 본 발명의 플라즈마 토치에서 방전관 장착 위치를 도시한다.
도 6은 종래 기술과 본 발명의 플라즈마 토치에서 방전관 위치의 모습을 도시한다.
도 7은 종래 기술과 본 발명의 플라즈마 토치에서 실제 플라즈마의 발생 모습 및 강도를 나타낸다.
도 8a-8c는 본 발명의 플라즈마 토치에서 방전관 위치를 도시한다.
도 9는 본 발명의 플라즈마 토치에서 방전관 내의 압력 및 온도 구배를 나타내는 평면도이다.
도 10은 본 발명의 플라즈마 토치에서 방전관 내의 압력 및 온도 구배를 나타내는 측단면도이다.
도 11은 본 발명의 플라즈마 토치에서 방전관 내의 압력 및 온도 구배와 피처리물질 주입 및 스월 가스 주입의 모습을 도시하는 측단면도이다.
도 12는 본 발명의 플라즈마 토치에 장착된 플런저의 모습을 도시한다.
도 13a-13b는 플라즈마 토치의 전기장 분포의 피크 부분의 압력보다 큰 힘으로 피처리물을 주입하였을 경우의 비교예를 도시한다.
도 14a-14b는 플라즈마 토치의 전기장 분포의 피크 부분의 압력보다 작은 힘으로 피처리물을 주입하였을 경우의 비교예를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
본 발명의 전자파 플라즈마 토치는 기존의 전자파 플라즈마 토치의 문제점인 특정 주파수에 제한된 플라즈마 볼륨을 극복하여 대용량 플라즈마 토치를 가능하게 하였고, 기존의 토치내 매우 큰 온도 구배에 따른 토치 내로 물질 주입의 어려움을 극복하기 위해 특정 위치에 방전관을 배치하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치의 구성을 개념적으로 나타낸 블록도이다.
플라즈마 토치 발생 장치에 대해서는 본원 특허의 발명자의 이전 등록 특허인, 대한민국 특허공보 10-0394994호가 참조된다. 이 특허는 본원에 그대로 참조로서 통합된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 장치는 전원공급부(110), 마이크로웨이브 발생부(120), 마이크로웨이브 전송라인(도파관)(130), 플라즈마 발생부(150), 플라즈마 소스 가스주입부(160)를 포함할 수 있다. 또한 추가적으로 재료공급부(140), 반응부(170), 점화부(180)도 포함할 수 있다.
전원공급부(110)는 전파전압배율기와 펄스 및 직류(DC)장치로 구성되어 상기 마이크로웨이브 발생부(120)로 전력을 공급하도록 구성된다.
마이크로웨이브 발생부(120)는 10MHz 내지 10GHz 대역의 전자파를 발진하는 마그네트론이 사용된다. 바람직하게는 상기 마이크로웨이브 발생부(120)는 915MHz와 2.45GHz 전자파를 발진한다.
마이크로웨이브 전송라인(130)은 도파관으로서, 발진된 마이크로웨이브를 플라즈마 발생부(150)로 전송하도록 구성된다.
플라즈마 발생부(150)는 방전관이라고 불리우며, 마이크로웨이브 전송라인(130)의 종단에 관통 설치되어 도파관인 마이크로웨이브 전송라인(130)을 통해 입력되는 전자파에 의해 플라즈마가 생성되는 공간을 제공하도록 구성된다. 이 경우 바람직하게 방전관은 도파관을 수직으로 관통한다.
도 2는 본 발명의 플라즈마 토치를 이용한 반응 장치를 더욱 구체적으로 예시한다.
전원공급부(110)는 마이크로웨이브 발생부(120)로 전력을 공급한다. 마이크로웨이브 발생부는 전자파를 발생시킨다. 발생된 전자파는 순차적으로 순환기(210), 방향성 결합기(220), 정합기(230), 및 마이크로웨이브 전송라인(도파관)(130)을 통해 플라즈마 발생부(150)로 전송된다. 도 2에서 도파관(130)은 테이퍼진(tapered) 형태로 도시되어 있으나, 이는 일 실시예에 불과하며 본 발명에서는 도파관은 반드시 테이퍼 형태일 필요는 없다.
플라즈마 소스 가스는 플라즈마 발생부(150)의 플라즈마 소스 가스주입부(160)를 통해 주입된다. 플라즈마 소스 가스주입부(160)를 통해 주입되는 플라즈마 소스 가스는 바람직하게는 스월 형태로 주입될 수 있다.
플라즈마 토치는 플라즈마 소스 가스가 플라즈마 발생부(150)로 공급되고, 도파관(130)을 통해 전자파가 플라즈마 발생부(150)로 전송되면서, 반응기(170)에 생성된다. 한편, 플라즈마 토치의 임의의 선택된 위치로 재료공급부(140)를 통해 반응재료가 공급될 수 있다.
본 발명의 전자파 플라즈마 토치는, 마이크로웨이브 발생부로부터 발진되는 특정 주파수의 전자파의 전송을 위한 도미넌트 모드(dominant mode)의 도파관의 너비가 a인 경우, 도파관의 너비가 na (n은 2이상의 정수)의 크기를 갖는다. 이러한 모습은 도 3에서 예시적으로 도시된 도파관의 모습에서 너비를 a라고 하고 높이를 b라고 정의한 경우에 해당한다.
도미넌트 모드(dominant mode)란 하나 이상의 전파 모드를 수용할 수 있는 도파관에서 최소의 디그러데이션(degradation)으로 전파되는 모드를 의미한다. 즉, 가장 낮은 컷오프(cutoff) 주파수를 갖는 모드이다. 직사각형 도파관을 제작하는 경우 도미넌트 모드는 TE10이다.
한편, 모드(mode)라 함은 어떤 구조물에서 특정 주파수의 에너지가 집중되는 형태를 의미하며, 공진기에서의 모드라면 공진주파수와 그 공진 형태를 의미하는 것이고, 도파관이나 전송선로의 경우 특정 주파수 대역의 전자파가 진행하는 형태를 의미한다. 이것은 구조 특성에 따라 에너지가 특정주파수에 집중되는 현상과 관련이 있다. 중요한 것은 모드는 결국 구조물의 형태에 의해 결정되는 점이라는 것이고, 특정 모드를 사용하기 위해서는 그 모드에 원하는 주파수 에너지가 수렴되도록 구조를 설계해야 한다.
한편, 본 발명의 플라즈마 토치의 차단 주파수는 다음과 같다. 전자파는 주어진 차단 주파수 이상의 주파수만 도파관으로 전송될 수 있다.
Figure PCTKR2015002702-appb-I000001
이 경우 c는 빛의 속도이고, a 및 b는 직사각형 도파관에서 폭 및 높이이며 n 및 m은 모드 숫자(mode number)이다.
예를 들어 WR 340 도파관(86 x 43 mm2)에서 2.45GHz인 경우, fc,10=~1.8GHz이므로 WR340 도파관으로 전송되며, 또한 본 발명과 같이 a를 2배 이상으로 하면 차단 주파수는 낮아지므로 전송이 가능하다. 예를 들어 a가 3배 커지면 0.6GHz로 낮아지므로 전송이 가능하다. 이는 915MHz, 5.8GHz 등에서도 모두 사용 가능하다. 즉, 본 발명에서는 모드의 변화를 주더라도 정해진 마이크로웨이브 주파수 밴드에서 플라즈마의 발생이 가능한 것이다.
도 4 내지 7은 기존의 플라즈마 토치와 본 발명의 플라즈마 토치와의 비교를 나타낸다.
도 4를 살펴보면, 위에서부터 아래로 평면도, 측면도 및 단부도를 도시하며, 좌측은 기존의 플라즈마 토치이고 우측은 본 발명의 플라즈마 토치이다.
기존의 플라즈마 토치의 경우 도파관의 폭이 a이고 높이가 b라고 할 경우 도파관을 수직 관통하는 방전관이 도시된 것처럼 배치된다. 이때 도파관의 폭 a 및 높이 b는 마이크로웨이브 발생부로부터 발진되는 특정 주파수의 전자파의 전송을 위한 도미넌트 모드의 도파관이다. 한편, 본 발명의 전자파 플라즈마 토치의 경우 대용량을 가능하게 하기 위해 폭을 a의 n배인 a'=na로 늘였다. 이 경우 n은 1초과의 실수이다. n이 1을 초과할 경우, 예를 들어 1.7, 1.8 등인 경우에는 전기장 분포가 찌그러지거나 축퇴모드(degeneration mode)가 발생될 수 있다. 따라서, 바람직하게 n은 2 이상의 정수이다. 도 4의 경우에는 n=2인 경우를 도시하며, 이에 의해 폭이 2a가 되었고, 따라서 측면도 및 단부도에서 보는 것처럼 방전관의 크기도 커지게 되며, 따라서 대용량 플라즈마 토치가 되는 것이다.
도 5를 살펴보면, 기존 토치(좌측)와 본 발명의 토치(우측)의 도파관의 모드를 나타내며, 전기장 분포(electric field distribution)가 등고선과 같이 나타나 있다.
전기장 분포(electric field distribution)란 E-필드의 분포를 나타내는 것으로서 동일한 전기장 크기를 갖는 곳을 같은 색으로 표현하거나 또는 등고선 형태로 나타내게 된다. 전기장 분포에서 가장 전기장 세기가 큰 부분을 피크(peak)라고 하고, 가장 작은 부분을 널(null)이라고 명명한다. 이러한 널은 널과 널이 서로 연결되면서 라인을 이루고 이를 널 라인이라고 명명한다. 널 라인은 도파관의 길이 방향을 따라서 이루는 길이 방향 널 라인 및 도파관의 길이 방향에 수직한 방향을 따라서 이루는 세로 방향 널 라인이 있다. 도 5에서 빨간색 부분(피크 부분)이 전기장이 높은 곳이고 초록색 부분(널 부분)이 낮은 곳을 나타낸다.
도 5에서 우측의 본 발명의 토치의 경우 도미넌트 모드의 도파관의 폭의 두배로 한 경우(2a인 경우) 전기장 분포가 도 5에서와 같이 나타나게 된다. 즉, 전기장 분포가 도파관의 길이 방향을 따라 두 줄로 나타난다. 이 경우 방전관 위치는 전기장 분포의 널(null) 부분, 즉 초록색 부분을 포함하도록 배치되어야 하고, 특히 방전관의 중심에 위치하도록 설치되는 것이 가장 바람직하며, 그 이유는 후술하도록 하겠다. 도 5에서는 이러한 방전관 위치를 예시적으로 표시한 것이다.
도 6은 방전관의 위치를 더욱 자세히 나타내기 위한 것으로써, 도미넌트 모드인 TE10 모드(폭이 a인 경우)의 기존 토치와 본 발명의 토치인 TE20 모드(폭이 2a인 경우)의 방전관 위치의 비교이다.
도 6은 2.45GHz 에서 전기장 분포와 이에 따른 방전관의 크기를 나타낸 것이며, 본 발명의 토치의 경우 2배 이상 방전관이 커지더라도 플라즈마를 방전관 내에 채울 수 있음에 반해, 기존의 토치의 경우에는 방전관의 크기를 아무리 증가시켜도 직경은 a를 넘을 수 없었다.
좌측의 기존 토치의 경우에는 도파관의 종단부에서 전기장 분포를 관찰할 경우 그림과 같이 도파관의 폭의 중심부에서 가장 높은 전기장 세기가 나타나며, 이 위치(전기장 분포의 피크(peak) 위치)에 방전관의 중심이 오도록 방전관이 배치되었다. 이 경우 방전관의 중심부의 전기장이 가장 세고 방전관 둘레로 갈수록 전기장의 세기가 약해지며, 중심부의 압력이 둘레부의 압력보다 훨씬 세기 때문에 피처리물을 공급할 경우 피처리물이 방전관 둘레로 밀려나는 문제점이 발생된다. 즉, 피처리물의 주입이 어려웠고 따라서 그 처리 역시 어려움이 항상 존재하였다.
그러나 우측의 본 발명의 토치의 경우에는 폭을 2a로 늘여서 도파관의 길이 방향을 따라서 두 줄의 전기장 분포가 형성되며 이를 도파관의 종단부에서 관찰할 경우 우측과 같은 모습이다. 이때 방전관의 중심에 전기장 분포의 널(null) 부분이 오도록 방전관을 배치함으로써 기존 토치의 문제점인 피처리물의 주입의 어려움을 해결하였다. 왜냐하면 방전관의 중심부의 압력이 둘레부의 압력보다 낮아지기 때문에 피처리물이 방전관 둘레로 밀려나는 문제점이 해결되기 때문이다.
도 7은 방전관에서 플라즈마가 생성된 경우 플라즈마 방출 강도의 프로파일의 비교 모습이다. 좌측은 기존의 토치의 모습이고 카메라 노출시간은 1/650초(1.5ms)이며, 우측은 본 발명의 토치의 모습이고 카메라 노출시간은 1/4000초(0.25ms)이다. 본 발명의 이미지에 대한 빛의 노출 시간은 기존 토치의 1/6 수준이다.
좌측과 같이 기존 토치의 경우에는 방전관의 반경을 R이라고 했을때 중심부에서 가장 높은 강도를 보이고 둘레부로 갈수록 떨어지는 모습을 보이며, 실제 사진에서도 중심부가 매우 밝게 빛나고 있음을 확인할 수 있다.
우측과 같이 본 발명의 토치의 경우에는 방전관의 길이를 R이라고 했을때 중심부가 가장 낮고 둘레부에서 가장 높은 강도를 보임을 확인할 수 있으며, 실제 사진에서도 중심부보다 둘레부가 더 밝음을 확인할 수 있다.
이 경우 방전관인 석영관의 지름은 좌측의 경우에는 30mm 이고, 우측의 경우에는 80mm 이며, 즉 본 발명의 토치의 경우 방전관의 크기가 커지면서 그 내부를 모두 플라즈마로 채움으로써 대용량 플라즈마 토치가 되는 것이다.
이하에서는 본 발명의 플라즈마 토치에서 방전관의 위치를 어떻게 배치하는지에 대해 자세히 설명하도록 하겠다.
먼저, 전기장 분포가 도 8a-8b에서와 같이 예를 들어 a'=2a인 경우에 도파관의 길이 방향을 따라 2개의 줄로 배치되어 있을 때, 이 경우 방전관을 배치시키는 방법은 다음과 같다.
본 발명은 기존의 플라즈마 토치에서 중심부의 온도 및 압력이 높아서 피처리물의 주입이 어려운 점을 해결하기 위한 것이므로, 방전관의 위치는 전기장 분포의 길이 방향 또는 세로 방향의 널 라인을 포함하도록 배치되어야 한다. 이에 의해 방전관 내에서 온도 및 압력 구배가 낮은 부분이 포함되고, 이 널 라인에 피처리물질을 주입함으로써 용이하게 피처리물질의 주입이 가능하게 된다. 가장 바람직한 실시예는 도 8a-8c를 참고로 이하에서 설명된다.
도 8a와 같이 도파관의 길이 방향을 따라 두 줄로 배치된 전기장 분포의 길이 방향의 널(null) 라인(도 8a에서는 점선으로 나타남)이 방전관의 중심에 오도록 방전관이 설치된다. 이 경우 원형 점선 라인으로 방전관의 위치를 표시하였는데 안쪽 원의 경우에는 전기장 세기가 가장 큰 지점에 방전관을 위치시킨 것이고, 바깥쪽의 원은 전기장 세기가 가장 큰 지점을 살짝 벗어나서 방전관을 설치한 것이다. 두 경우 모두 방전관의 중심에 전기장 분포의 길이 방향(x 방향)의 널 라인이 방전관의 중심에 오도록 배치된다. 이 경우 더욱 바람직하게는 도파관의 말단부에 인접하게 방전관을 배치하는 것이 바람직하다. 도 8a에서는 도파관의 말단부에 인접하게 방전관을 배치한 모습을 도시한다.
도 8b의 경우에는 방전관의 위치를 다르게 한 것으로써, 이 경우에는 방전관의 중심이 전기장 분포의 길이 방향(x 방향)의 널 라인이 지나가도록 위치할 뿐만 아니라 동시에 전기장 분포의 세로 방향(y 방향)의 널 라인(점선으로 표시됨)이 지나가도록 배치된다. 이 경우에도 역시 원형 점선 라인으로 방전관의 위치를 표시하였는데 안쪽 원의 경우에는 전기장 세기가 가장 큰 지점에 방전관을 위치시킨 것이고, 바깥쪽의 원은 전기장 세기가 가장 큰 지점을 살짝 벗어나서 방전관을 설치한 것이다. 두 경우 모두 방전관의 중심에 전기장 분포의 길이 방향(x 방향)의 널 라인 및 전기장 분포의 세로 방향(y 방향)의 널 라인이 지나가도록 배치된다. 이 경우 더욱 바람직하게는 도파관의 말단부에 인접하게 방전관을 배치하는 것이 바람직하다. 도 8b에서는 도파관의 말단부에 인접하게 방전관을 배치한 모습을 도시한다.
도 8c의 경우에는 방전관이 가로방향 및 세로방향의 전기장 분포의 (2n+1)λ/2에 걸쳐 설치되는 경우에 대해서 설명하고 있다. 이 경우에는 도 8c에서 보는 것처럼 방전관의 중심에 전기장 분포의 피크가 위치하도록 설치된다.
위에서 본 발명의 전자파 플라즈마 토치가 대용량 플라즈마 토치를 발생하는 구조와 이 경우에 방전관의 크기가 커질 수 있고 또한 방전관의 위치를 어떻게 특정하는지에 대해 설명을 하였으며, 이하에서는 플라즈마 가스 주입부 및 피처리물질 주입부의 위치의 특정에 대해 설명하도록 하겠다.
도 9와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치에 방전관이 설치된 경우, 전기장 에너지가 방전관의 둘레부에서 더 세고 중심부에서 약한 분포를 나타내며, 따라서 방전관을 평면 상태로 봤을 때 PH와 같이 고압 영역과 PL과 같이 저압 영역으로 나뉘며 둘 간에는 고온 영역의 압력이 저온 영역의 압력보다 큰 관계를 이룬다(PH>PL). 이러한 상대적 온도 및 압력 구배를 갖기 때문에 방전관의 중심부의 압력이 낮으므로 스월 가스의 주입이 용이하고 또한 피처리물질의 주입이 용이하다. 왜냐하면 도 3에서 기존의 토치와의 비교에서 설명한 것처럼 중심부의 압력이 세기 때문에 방전관의 둘레부로 물질이 밀려 나가는 문제점을 해결할 수 있기 때문이다.
도 13a, 13b, 14a, 14b에서는 이러한 문제점에 대해 더욱 명확히 설명하고 있다. 도 13a는 기존 토치의 모습으로써, 방전관을 평면으로 봤을 때 중심부가 가장 압력이 큰 부분(PH)이고, 둘레부가 압력이 낮은 부분(PL)이다. 이 경우에 피처리 물질을 PH 보다 큰 힘으로 물질을 주입하는 경우가 도 13a 및 13b에서 각각 비교되는데, 도 13a의 기존 토치의 경우에는 PH보다 큰 힘으로 물질을 주입하면 방전관 중심으로 들어갔다가 바로 온도가 낮은 겉불꽃 영역만 선회하게 된다. 이에 반해 본 발명의 경우에는 도 13b에서 보는 것처럼 PH보다 큰 힘으로 물질을 주입하게 되면 점진적으로 시간이 지남에 따라 방전관의 둘레 쪽에 있는 고온 불꽃과 반응시간이 길어지게 된다. 즉, 방전관의 원주 둘레가 압력이 높고 상대적으로 중심이 압력이 낮아서 높은 온도의 고압 영역의 불꽃이 물질을 가두는 역할을 함으로써 반응성이 더 좋다.
도 14a, 14b의 경우에도 마찬가지로 비교될 수 있는데, 도 14a의 경우에는 기존 토치의 경우로써 PH보다 작은 힘으로 피처리 물질을 주입하는 경우이고, 이 경우에는 역시 중심부가 압력이 높기 때문에 원심력에 의해 피처리물질은 외부로 밀려나서 온도가 낮은 겉불꽃 영역만 선회한다. 이에 반해 본 발명의 토치의 경우에는 도 14b에서 보는 것처럼, 둘레부가 압력이 높기 때문에 높은 온도의 고압 영역의 불꽃이 피처리 물질을 가두게 되고 따라서 고온 불꽃과의 반응 시간이 커지게 된다.
도 13b와 도 14b의 차이점은, PH보다 큰 힘으로 주입하는지 아니면 작은 힘으로 주입하는지 여부이고, 도 13b와 같이 PH보다 큰 힘으로 주입하면 시간이 지남에 따라 점진적으로 고온 불꽃과의 반응성이 커지지만, 도 14b와 같이 PH보다 작은 힘으로 주입하면 처음부터 고온 불꽃과의 반응성이 커진다. 따라서, 도 14b와 같이 PH 보다 작은 힘으로 주입하여 반응성을 높이는 것이 유리할 수 있다.
한편, 주입되는 피처리물질은 기체, 액체, 고체 어느것이든 가능하며 이에 대한 특별한 한정은 없다.
도 10에서와 같이 전기장 분포를 이루고 있는 방전관 내부에 플라즈마 가스 주입부 및 피처리물질 주입부는 방전관 내의 전기장 분포의 길이방향 또는 세로 방향의 널 라인을 향하도록 배치되는 것이 바람직하다. 도 10과 같이 피처리물질이 전기장이 약한 위치로 주입이 됨으로써 강한 전계 영역을 물질이 지나가지 않게 된다.
도 11의 경우에는 a'=3a인 경우의 예시이며, 이 경우에 전기장 분포, 온도 분포 및 압력 분포는 도시된 것과 같다. 이 경우에는 PL 부분이 2개 존재하게 되며 해당 위치를 향해 플라즈마 가스 주입부 및 피처리물질 주입부가 배치된다. 한편, 이 경우에는 플라즈마 가스는 가운데 영역으로 주입되는 것과 그 가운데의 외부 영역으로 주입되는 것이 서로 상이할 수 있다. 이에 의해 멀티 스월(multi-swirl)의 주입이 가능하다. 이와 같이 가스를 달리하여 화학 반응을 높일 수 있다.
도 12의 경우는 본 발명의 추가적인 실시예의 모습으로써 도파관은 마이크로웨이브 발생부의 반대편 말단에 플런저(plunger)를 포함한다. 이러한 플런저는 도파관 내에서 이동 가능하며, 플런저에 의해 최대 파워 커플링의 조정이 가능하다. 이를 통해 방전관을 관통시킨 경우 방전관에 원하는 전기장 분포가 배치되도록 할 수 있다.
기존의 전자파 플라즈마 토치의 경우에는 항상 도파관 말단으로부터 λ/4 위치에만 방전관이 배치되었으나, 본 발명의 경우에는 이 위치에 한정되지 아니한 채로 방전관의 배치가 가능하다.
한편, 본 발명의 전자파 플라즈마 토치는 점화부(미도시)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 점화부는 기존의 플라즈마 토치의 경우에는 방전관의 가운데 부분이 가장 온도 구배가 높은 위치이고 이 위치에 점화부가 배치되어 점화하였으나, 본 발명에서는 도 4 내지 7에서 보는 것처럼 방전관의 가운데 부분보다 둘레 부분이 더 온도 구배가 높은 위치이므로 이 부분에 점화부가 배치되어 점화될 수 있다. 따라서 방전관 가운데 까지 점화부가 배치될 필요가 없다는 장점이 있다.
이상에서 설명한 것처럼 본 발명의 전자파 플라즈마 토치는 도파관의 폭(a)을 크게 함으로써 그에 따라 방전관의 크기도 크게 할 수 있고, 이에 의해 대용량 전자파 플라즈마 토치가 된다. 이 경우 기존의 플라즈마 부피의 한계를 극복하게 되며, 또한 이러한 장치는 진공, 대기압 및 고압에서도 적용이 가능하다. 그리고, 가스화, 개질, 폐가스 처리에서는 기존 플라즈마 토치의 경우 국부적인 고온 영역에서 처리됐으나, 이러한 처리에 있어서는 본 발명과 같이 대용량의 큰 부피를 갖는 본 발명의 플라즈마 토치가 훨씬 유리하다. 사용되는 가스는 기존의 토치에서 사용한 모드 가스가 이용 가능하다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 플라즈마 발생부;
    상기 플라즈마 발생부로 마이크로웨이브를 전송하는 마이크로웨이브 발생부; 및
    상기 플라즈마 발생부로 플라즈마 소스 가스를 주입하는 플라즈마 소스 가스 주입부를 포함하며,
    상기 마이크로웨이브 발생부는 상기 플라즈마 발생부로 마이크로웨이브를 전송하기 위한 도파관을 포함하고,
    상기 플라즈마 발생부는 방전관을 포함하고, 상기 방전관은 상기 도파관에 수직으로 관통하고 있으며,
    상기 마이크로웨이브 발생부로부터 발진되는 특정 주파수의 전자파의 전송을 위한 도미넌트 모드(dominant mode)의 도파관의 폭이 a인 경우, 상기 도파관의 폭은 na인(n은 1초과의 실수),
    전자파 플라즈마 토치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전관은 전기장 분포(electric field distribution)의 길이방향 또는 세로방향 널(null) 라인을 포함하도록 설치됨을 특징으로 하는,
    전자파 플라즈마 토치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전관은 방전관의 중심에 전기장 분포(electric field distribution)의 길이방향 널(null) 라인이 지나가도록 설치됨을 특징으로 하는,
    전자파 플라즈마 토치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 방전관은 방전관의 중심에 전기장 분포의 세로방향 널(null) 라인이 지나가도록 설치됨을 특징으로 하는,
    전자파 플라즈마 토치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방전관이 길이방향 및 세로방향의 전기장 분포의 (2n+1)λ/2에 걸쳐 설치되는 경우, 방전관의 중심에 전기장 분포의 피크가 위치하도록 설치됨을 특징으로 하는,
    전자파 플라즈마 토치.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 가스 주입부는 주입되는 가스가 방전관 내의 전기장 분포의 길이방향 또는 세로방향의 널(null) 라인을 향하도록 배치되는,
    전자파 플라즈마 토치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 플라즈마 가스는 스월 형태로 주입되는 것을 특징으로 하는,
    전자파 플라즈마 토치.
  8. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    피처리물질 주입부를 추가로 포함하고,
    상기 피처리물질 주입부는 주입되는 피처리물이 방전관 내의 전기장 분포의 길이방향 또는 세로방향의 널(null) 라인을 향하도록 배치되는,
    전자파 플라즈마 토치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 플라즈마 가스 주입부가 복수개인 경우,
    상기 플라즈마 가스 주입부는 주입되는 가스가 방전관 내의 전기장 분포의 길이방향 또는 세로방향의 널(null) 라인을 향하도록 배치되며,
    널 라인 마다 주입되는 가스가 상이한 것을 특징으로 하는,
    전자파 플라즈마 토치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 플라즈마 가스는 스월 형태로 주입되는 것을 특징으로 하는,
    전자파 플라즈마 토치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관은 상기 마이크로웨이브 발생부의 반대편 말단에 플런저(plunger)를 포함하는,
    전자파 플라즈마 토치.
  12. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    점화부를 추가로 포함하고,
    상기 점화부는 상기 방전관 내의 전기장 분포의 피크 부분에 점화되도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
    전자파 플라즈마 토치.
  13. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    피처리물질 주입 부를 추가로 포함하고,
    상기 피처리물질 주입부에서 주입되는 피처리물이 상기 방전관 내의 전기장 분포의 피크 부분의 압력(PH)보다 큰 힘으로 주입되는 경우 시간이 지남에 따라 플라즈마 토치의 고온 불꽃과 반응 시간이 길어지는 것을 특징으로 하는,
    전자파 플라즈마 토치.
  14. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    피처리물질 주입 부를 추가로 포함하고,
    상기 피처리물질 주입부에서 주입되는 피처리물이 상기 방전관 내의 전기장 분포의 피크 부분의 압력(PH)보다 작은 힘으로 주입되는 경우 플라즈마 토치의 고온 불꽃과 반응 시간이 최대인 것을 특징으로 하는,
    전자파 플라즈마 토치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 n 은 2이상의 정수인,
    전자파 플라즈마 토치.
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