WO2019221313A1 - 수중 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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WO2019221313A1
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working fluid
flow path
reactor
magnetic body
dielectric
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PCT/KR2018/005632
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곽헌길
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케이퓨전테크놀로지 주식회사
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/01—Handling plasma, e.g. of subatomic particles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/4608—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods using electrical discharges
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F1/48—Treatment of water, waste water, or sewage with magnetic or electric fields
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/002—Construction details of the apparatus

Definitions

  • the present invention relates to an underwater plasma generating apparatus, and more particularly, to generate a large amount of micro-nano bubbles in a fluid (liquid) moving in one direction, and to continuously generate plasma using the same.
  • the present invention relates to an underwater plasma generator.
  • Plasma refers to a gaseous state that is separated into electrons (e-) with positive charges and ions (A +, hydrogen nuclei) with positive charges at very high temperatures. Plasma also means a gas in which electrically charged particles are collected. Plasma has a high degree of charge separation, but is electrically neutral due to the same negative and positive charge overall. When high energy is applied to the gas in the molecular state, the gas is separated into electrons and atomic nuclei into a plasma state at tens of thousands of degrees.
  • the gas when energy is applied to a solid, it becomes a liquid or a gas, and when a high energy is applied to this gas state, at tens of thousands of degrees, the gas has an ionization state in which the outermost electron (e-) that moves around the nucleus is out of orbit (ionization energy) In this case, it becomes another dimension of material that has lost its gaseous properties.
  • the plasma is called a fourth material state.
  • the A atom is represented by the following structural formula.
  • Plasma is electrically neutral with the dissociation of the outermost electrons around the nucleus of the atom and the presence of cations and anions.
  • the plasma is well connected.
  • the material is ionized, it returns to its stable state over time and releases energy.
  • the typical plasma seen in natural phenomena is lightning, and the northern lights of the Arctic region and the ion layer in the atmosphere are plasma states. .
  • Plasma is a state in which the nucleus and electrons are separated, which occurs when a lot of heat is applied to the atoms in the gaseous state, so all atoms remain in the plasma state in the hot sun of more than 15 million degrees Celsius.
  • Plasma is the most common state in the whole universe. But to use plasma in everyday life, you have to make it artificial. Efforts to artificially generate and use plasma have been steadily promoted for a long time.
  • Plasma can be produced by applying heat, or by inducing electron collisions by applying a high electric or magnetic field. Often, electrical methods such as direct current, microwave, and electron beams are applied to generate plasma and then maintained using a magnetic field.
  • the technology that has been used for energy use that is, plasma generation technology with high density through gas, does not develop a material that can withstand the high temperature state where the input energy is greater than the output energy or can trap the plasma using ultra high temperature. It is difficult to proceed.
  • plasma is an energy source that can be directly used industrially, and the conventional plasma generation method uses a lot of electricity to create a plasma, and the contradiction of using the electricity obtained as an energy source is repeated, thereby seriously reducing the efficiency of energy use. I have a problem.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to form a micro-bubble having a size of 5 ⁇ m or less in the fluid moving in one direction through the cavitation and the surface potential of the negative charge (Micro-Nano)
  • Micro-Nano Provides an underwater plasma generator that generates a high-density plasma by generating a large amount of bubbles, and by applying a homogeneous charge to the microbubble that is moved with the fluid through the metallic catalyst to continuously collapse the microbubble by repulsive force.
  • An underwater plasma generator for solving the above problems is a reactor in which a flow path through which the working fluid is passed along the longitudinal direction is formed; And at least one through hole disposed in the flow path to divide the flow path into a plurality of spaces, communicating the plurality of spaces with each other, and having at least one through hole having a relatively smaller cross-sectional width than the flow path. And a dielectric insert having a metallic catalyst that is rubbed with the working fluid introduced into the through hole.
  • microbubbles having a predetermined size or less having a surface charge of negative charge are generated by the cavitation, and flow into the through hole together with the working fluid to pass through the metallic catalyst.
  • the micro-bubbles are collapsed due to homogeneous charges emitted from the metallic catalyst to generate a plasma, and the working fluid moved to the other space of the reactor through the dielectric insert may be exposed to the plasma and ionized. .
  • An ion separation unit installed on an outer surface of the reactor corresponding to the other space of the reactor and separating a ions contained in the working fluid according to electrical polarity by applying a magnetic field to the flow of the working fluid ionized through the plasma. It may further include;
  • the working fluid has a specific resistance More hard water ( ) Or the hard and heavy water ( ) Is mixed, and the ion separation unit, from the working fluid Ions and Ions can be separated.
  • the ion separation unit may include: a first magnetic body installed at one side outer surface of the reactor in a direction perpendicular to the axial direction of the reactor and having an S polarity; And a second magnetic body disposed on the outer surface of the other side of the reactor and disposed to face the first magnetic body and having N polarity.
  • the ion separation unit may include: a magnetic body fixing part configured to receive and fix the first magnetic body and the second magnetic body inside, and to be coupled to the outer surface of the reactor in a module form; It may further include.
  • the magnetic body fixing part may include: a housing part in which an accommodating space accommodating the reactor, the first magnetic body and the second magnetic body is formed; It is coupled to the inside of the housing portion partitions the receiving space into a plurality, the first magnetic body and the second magnetic body to support the movement of the first magnetic body and the second magnetic body in a direction perpendicular to the axial direction of the reactor. Restricting diaphragm portion; And a reactor through hole fastened to one end portion of the housing part along an axial direction of the housing part to restrict movement of the first magnetic body and the second magnetic body in the axial direction of the reactor, and through which the reactor can pass. It may include; bracket portion.
  • the flow path may include a first flow path in which the working fluid introduced from the outside is accommodated; A second flow path for receiving the working fluid passing through the dielectric insert; And a third flow path communicating the first flow path and the second flow path with each other, the third flow path being formed with a smaller inner diameter than the first flow path and the second flow path.
  • a latching jaw is formed between the three flow paths in which the dielectric insert is caught in the moving direction of the working fluid, and is discharged from the dielectric insert and flows back toward the third flow path between the second flow path and the third flow path.
  • Guide surfaces may be formed to guide the movement of the working fluid.
  • the guide surface may be formed in a curved or inclined surface structure.
  • An outer side of the reactor is recessed to a predetermined depth from an end portion of the reactor along the longitudinal direction of the reactor, so that the ion separation part is seated, and the ion separation part corresponds to the second flow path by restricting movement of the ion separation part.
  • a seating support groove can be formed for positioning in position.
  • the length of the second flow path may be longer than the length of the length of the first flow path and the length of the third flow path.
  • the ratio of the diameter of the first flow path and the diameter of the through hole may be formed in at least one of 10: 0.5 to 10: 4.
  • the dielectric insert may include a dielectric formed of a dielectric material having a predetermined dielectric constant and received over the first flow passage, the second flow passage, and the third flow passage; And a metallic insert accommodated in the first flow path and disposed in front of the dielectric in a state in which one surface thereof is in contact with the dielectric.
  • the dielectric may include a first portion formed to have a size corresponding to the first flow path and accommodated in the first flow path, and one surface of which is supported by the locking jaw; A second portion extending from the first portion in a predetermined length along the axial direction and received in the third flow passage and formed to have a size corresponding to the third flow passage; And a third portion extending from the second portion in a predetermined length along the axial direction and received in the second flow path and gradually decreasing in diameter toward the moving direction of the working fluid.
  • a metallic probe disposed to face each other in a direction perpendicular to a direction in which the first magnetic body and the second magnetic body are disposed to face each other and penetrate through the reactor to be partially accommodated in the other space of the flow path.
  • the distance between the end of the dielectric insert and the probe may be longer than the distance between the probe and the end of the reactor.
  • a reactor in which a working fluid flow path is formed therein, and a metallic material that is accommodated in the flow path to cause cavitation in one side space of the flow path and generate triboelectricity when the fluid flows on one side.
  • hard water ( ) or hard and heavy water ( ) Is applied as a working fluid, the ionization fluid from the ionized working fluid without oscillation relaxation Ions and Ion can be separated and further separated The ions can be collected to mass produce high purity hydrogen.
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing an underwater plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing a reactor of the underwater plasma generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing a dielectric insert disposed in a reactor of an underwater plasma generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a different embodiment of the dielectric insert.
  • 5 to 8 show different embodiments of the dielectric.
  • FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing an underwater plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 10 to 11 is a view showing a magnetic body fixing part according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing a state where the metallic probe is installed in the underwater plasma generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 13 is an image showing the appearance of plasma generated from the underwater plasma generator according to an embodiment of the present invention.
  • the terms "comprises” or “having” are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
  • a component When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be.
  • a component is said to be “directly connected” or “directly connected” to another component, it should be understood that there is no other component in between.
  • module or “unit” for the components used in the present specification performs at least one function or operation.
  • the module or unit may perform a function or an operation by hardware, software, or a combination of hardware and software.
  • a plurality of “modules” or a plurality of “parts” other than “modules” or “parts” to be executed in specific hardware or executed in at least one processor may be integrated into at least one module.
  • Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing an underwater plasma generator according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing a reactor of the underwater plasma generator according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is an embodiment of the present invention
  • 4 is a cross-sectional view showing different embodiments of the dielectric insert
  • FIGS. 5 to 8 show different embodiments of the dielectric
  • FIG. 9 shows an underwater plasma generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing a state where a metallic probe is installed in an underwater plasma generator according to an embodiment of the present invention.
  • the underwater plasma generator 1 (hereinafter referred to as the “underwater plasma generator 1”) according to an embodiment of the present invention has a large amount of microbubbles in a working fluid moving in one direction. (Micro-Nano Bubble) is generated, and a plasma generating apparatus capable of generating plasma continuously by using the same, and includes a reactor 10.
  • Reactor 10 is made of a dielectric material having a dielectric constant, and is formed in a tubular structure through which the working fluid can pass.
  • the dielectric material may be applied to translucent polycrystalline ceramics, engineering plastics, acrylics, tantalum, quartz, pyrex, fiberglass, crystals, and the like.
  • the reactor 10 is formed with an inlet through which the working fluid flows in one side, an outlet through which the working fluid flows out is formed in the other side, and connects the inlet and the outlet along the longitudinal direction to the working fluid. It is formed in a tubular structure in which a passage that can pass is formed.
  • the flow path may be divided into a plurality of sections having different lengths or inner diameters.
  • the flow path is connected to the inlet port and, when the working fluid is supplied, the first flow path 11 in which the working fluid introduced from the outside is received, and connected to the outlet port, the axial direction of the reactor 10 is determined.
  • the second flow passage 12 is formed at a position opposite to the first flow passage 11 and accommodates the working fluid passing through the dielectric insert 20 to be described later, and the first flow passage 11 and the second flow passage 12.
  • a third flow passage formed between the first flow passage 11 and the second flow passage 12 to communicate with each other, and having a smaller inner diameter than that of the first flow passage 11 and the second flow passage 12 ( 13) may be included.
  • the length L2 of the second flow passage 12 is longer than the length L1 of the first flow passage 11 and the length L3 of the third flow passage 13, and the length L2 of the first flow passage 11 is formed.
  • the length and the length of the third flow path 13 may be formed longer than the connected length.
  • the magnetic field section formed in the second flow path 12 through the ion separation unit 30 to be described later is formed longer, it is possible to maximize the ion separation efficiency.
  • the flow path may be formed in a shape corresponding to the outer shape of the dielectric insert 20 to be described later, and one section of the flow path and one section of the dielectric insert 20 may be formed in a polyhedral shape.
  • Position prevents the dielectric 21 insert from being rotated in the flow path, so that the through hole 20a formed in the metallic insert 22 and the holding insert 23 and the through hole 20a formed in the dielectric insert 20 will be described later.
  • Position can be prevented.
  • the inner diameter of the first flow path 11 and the inner diameter of the second flow path 12 may be formed in different sizes. As a result, when the operator inserts the dielectric insert 20 into the flow path, confusion between the first flow path 11 and the second flow path 12 may be prevented.
  • the locking jaw 14 and the guide surface 15 may be formed inside the reactor 10 forming the flow path.
  • a locking jaw 14 is formed between the first flow passage 11 and the third flow passage 13 to hold the dielectric insert 20 along the moving direction of the working fluid, and the second flow passage 12 And a guide surface 15 which is discharged from the dielectric insert 20 and contacts the working fluid flowing back to the third flow path 13 between the third flow paths 13 to guide the movement of the working fluid.
  • the guide surface 15 may be formed in a structure of a curved surface inclined in an arc shape or inclined in a straight line shape to the direction in which the working fluid is reversed, so as to minimize the resistance force when contacting the working fluid. have. Accordingly, the operating fluid discharged from the dielectric insert 20 flows back to the dielectric insert 20 smoothly, and minimizes friction between the working fluid flowing back and the inner surface of the reactor 10 to minimize the friction of the reactor 10. Damage can be prevented.
  • a mounting support groove 16 may be formed at an outer side of the reactor 10.
  • the seating support groove 16 may be formed at a position corresponding to the second flow path 12, and may be formed by being recessed to a predetermined depth from an end of the reactor 10 along the longitudinal direction of the reactor 10.
  • the seating support groove 16 may be disposed in the axial direction of the reactor 10 so that the first magnetic body 31 and the second magnetic body 32 of the ion separation unit 30, which will be described later, may be installed to face each other. It may be formed on one side and the other side of the reactor 10 in the vertical direction. Accordingly, the ion separator 30 seated in the seating support groove 16 may be restricted in movement along the axial direction of the reactor 10 and may be disposed at a position corresponding to the second flow path 12.
  • the mounting support groove 16 in which the ion separation unit 30 is installed may be formed to have the same length as the second flow path 12. Therefore, the length of the section in which the seating support grooves 16 are formed along the longitudinal direction of the reactor 10 is formed longer than the length of the section in which the first flow passage 11 and the second flow passage 12 are formed, thereby By increasing the magnetic field section of the separation unit 30 it is possible to improve the ion separation effect.
  • the one end and the other end of the reactor 10 in which the inlet and outlet are formed may be provided with a plurality of fastening portions formed with a thread on the outer peripheral surface for connection with other components, respectively.
  • the length of the inlet-side fastening part may be longer than that of the outlet-side fastening part.
  • the inner diameter of the inlet can be formed larger than the inner diameter of the outlet.
  • the length of the fastening portion and the size of the inner diameter is not limited thereto, and may be changed and applied to various shapes and structures.
  • each fastening part of the reactor 10 may be provided with a packing member (not shown) to maintain the airtightness between the other parts and the fastening part to prevent leakage of the working fluid when connecting to the other parts.
  • the packing member may be formed in the form of an O-ring (O-shaped rubber ring) or a gasket.
  • the packing member is not necessarily limited to the shape thereof, and may be applied in various forms.
  • the reactor 10 may be further formed with a probe insertion hole (not shown) into which the metallic probe 40 to be described later is inserted.
  • the probe insertion hole may be formed to have a size corresponding to the outer surface of the probe 40, and may be formed through the reactor 10 so as to communicate with the second flow path 12 from the surface of the reactor 10.
  • the reactor 10 may be further provided with an opening and closing member (not shown) for selectively opening and closing the probe insertion hole.
  • the opening and closing member may include an insertion part inserted into the probe insertion hole, and a support part provided on an outer side of the insertion part and supported on the outer surface of the reactor 10 when the insertion part is inserted into the probe insertion hole.
  • the opening and closing member may be formed of the same dielectric material as that of the reactor 10 or may be formed of an airtight material having a predetermined elastic force.
  • the operator inserts the opening / closing member into the probe insertion hole to close the probe insertion hole, thereby preventing the working fluid from leaking into the probe insertion hole.
  • the present underwater plasma generator 1 includes a dielectric insert 20.
  • the dielectric insert 20 is configured to be inserted into the reactor 10 to provide an environment for plasma generation by cavitation in which electrons are emitted from the working fluid.
  • the dielectric insert 20 is disposed in the flow path to partition the flow path into a plurality of spaces.
  • a plurality of partitioned spaces (the first flow passage 11 and the second flow passage 12) communicate with each other, and the width of the cross section is larger than that of the flow passage (the first flow passage 11).
  • a relatively small through hole 20a is formed inside the dielectric insert 20, a plurality of partitioned spaces (the first flow passage 11 and the second flow passage 12) communicate with each other, and the width of the cross section is larger than that of the flow passage (the first flow passage 11).
  • a relatively small through hole 20a is formed.
  • the ratio of the diameter of the first flow path 11 and the diameter of the through hole 20a may be preferably applied in a ratio of 10: 1.
  • the ratio of the diameter of the first flow path 11 and the diameter of the through hole 20a is not necessarily limited thereto, and may be applied to at least one of 10: 0.5 to 10: 4.
  • one side of the dielectric insert 20 is a metallic catalyst that rubs with
  • a cavity generated between the first flow path 11 and the through hole 20a is provided in the working fluid introduced into one side space of the reactor 10 (first flow path 11).
  • a large amount of microbubbles of 50 ⁇ m or less having a surface charge of negative charge may be generated.
  • the high pressure working fluid flowing into the first flow path 11 generates a large amount of micro bubbles contracted to a size of 5 ⁇ m or less due to cavitation, and a large amount of micro bubbles contracted to a size of 5 ⁇ m or less.
  • the negative potential increases rapidly on the surface according to the zeta potential.
  • a large amount of microbubbles flowing into the through hole 20a together with the working fluid and passing through the metallic catalyst (metallic insert 22) are charged at the surface potential (-charge) and homogeneous charges (-) discharged from the metallic catalyst.
  • the repulsive force between the charges can cause them to decay continuously and generate a high density plasma.
  • the working fluid discharged through the dielectric insert 20 and moved to the other space (the second flow path 12) of the reactor 10 may be ionized by being exposed to a high density plasma.
  • the dielectric insert 20 will be described in more detail.
  • the dielectric insert 20 is formed of a dielectric material having a predetermined dielectric constant, and is formed to have a size corresponding to the first flow path 11 and the third flow path 13 so that the first flow path ( 11) may include a dielectric 21 accommodated over the second flow passage 12 and the third flow passage 13 and having a through hole 20a formed therein.
  • the dielectric 21 may be applied to various dielectric materials having a predetermined dielectric constant such as engineering plastic, acrylic, quartz, pyrex, ceramic, fiber glass, crystal, and the like.
  • the dielectric 21 accommodated in the reactor 10 may be divided into a first portion 211, a second portion 212, and a third portion 213 according to a position disposed in the flow path.
  • the first portion 211 is formed in a size corresponding to the first flow path 11 is accommodated in the first flow path 11, when the working fluid flows into the working fluid is pressed by the working fluid is caught on one side of the locking jaw (14) Can be supported.
  • the first portion 211 may have a larger cross-sectional size than the second portion 212 and the third portion 213, which will be described later. That is, the first portion 211 is formed to have a size corresponding to the first flow path 11 and is supported on the inner circumferential surface of the reactor 10 forming the first flow path 11 as well as the reactor along the moving direction of the working fluid.
  • the second portion 212 may extend from the first portion 211 in a predetermined length along the axial direction, have a size corresponding to the third flow passage 13, and be accommodated in the third flow passage 13.
  • the second portion 212 may be formed longer than the first portion 211.
  • a collecting groove 214 may be formed in the second portion 212 to accommodate the working fluid that has flowed back.
  • the collecting groove 214 is discharged from the third portion 213 which will be described later, so that the working fluid flowing back toward the second portion 212 along the surface of the third portion 213 may be introduced into the second portion 212. It may be formed to be recessed to a predetermined depth toward the inside from the outer peripheral surface of the).
  • the collecting groove 214 is formed in a single shape on the outer surface of the second portion 212, or as shown in FIGS. 5, 6, and 8, and the second portion 212. It may be formed in plurality along the longitudinal direction of the).
  • the plurality of collecting grooves 214 formed along the longitudinal direction of the second portion 212 may be formed at at least two or more positions along the longitudinal direction of the second portion 212, and are spaced at equal intervals. Can be.
  • the collecting groove 214 may be formed at a position spaced apart from the third portion 213 by a predetermined distance. That is, between the collecting groove 214 and the third portion 213 formed at a position adjacent to the third portion 213, a block portion 212a spaced apart from the collecting groove 214 and the third portion 213 is provided. As a result, the inflow of the working fluid introduced into the collecting groove 214 along the surface of the third portion 213 may be minimized.
  • the collecting groove 214 may be formed in an etched shape in various forms such as V or U.
  • the collecting groove 214 is provided in a predetermined space that can accommodate the working fluid to reduce the flow back of the working fluid to the first portion 211, as well as the working fluid is formed in a form that can easily flow in and out Accordingly, the working fluid accommodated in the collecting groove 214 may be joined with the working fluid discharged through the third portion 213 to accelerate the plasma generation.
  • the collecting groove 214 is not necessarily formed in the second portion 212, and the collecting groove 214 may be selectively formed in the dielectric 21 as necessary.
  • the third portion 213 extends from the second portion 212 in a predetermined length along the axial direction, and is formed to have the same size as the second portion 212. It may be accommodated in the second flow path (12). In addition, the third portion 213 may be formed in a structure in which the size of the diameter gradually decreases toward the moving direction of the working fluid.
  • the third portion 213 extends from the second portion 212 and is disposed in a state exposed to the second flow passage 12, and through a surface structure in which the size of the diameter gradually decreases toward the moving direction of the working fluid.
  • the operating fluid discharged from the end and flowed back may be smoothly guided to the second portion 212, thereby accelerating the plasma reaction.
  • the surface of the third portion 213 exposed to the second flow path 12 may be formed in a curved shape that is bent toward the outside. Therefore, the working fluid discharged through the third part 213 and flowed back may move toward the second part 212 along the surface of the third part 213 having a curved shape.
  • the surface shape of the third portion 213 is not limited thereto, and may be changed and applied to various structures and shapes.
  • the surface of the third portion 213 may be formed in a curved shape that is concavely curved inwardly. Therefore, the working fluid discharged through the third portion 213 and flowed back may move toward the second portion 212 along the surface of the curved third portion 213 curved inwardly. In addition, the working fluid discharged from the third part 213 and flowed back may be accelerated through the surface-shaped structure of the third part 213 and the flow of the working fluid continuously discharged from the third part 213. .
  • the surface of the third portion 213 may be formed in the form of an inclined surface. Therefore, the working fluid discharged through the third part 213 and flowed back may be moved toward the second part 212 along the surface of the third part 213 having an inclined surface shape.
  • the vortex protrusion 215 may be further formed inside the dielectric 21 in which the through hole is formed.
  • the vortex protrusion 215 spirals over the entire inner surface of the dielectric 21 along the longitudinal direction of the dielectric 21 so that vortices can be generated in the working fluid passing through the through hole 20a. Protruding may be formed. Accordingly, the generation of microbubbles in the dielectric 21 may be further activated, and the microbubbles may be further accelerated.
  • the dielectric insert 20 may further include a metallic insert 22 and a holding insert 23.
  • the metallic insert 22 is accommodated in the first flow path 11, is disposed in front of the dielectric 21 with one surface in contact with the dielectric 21, and rubs with the working fluid to emit electrons when the working fluid flows in. can do.
  • the metallic insert 22 may be made of various metals such as gold (Au), silver (Ag), nickel, copper, aluminum, platinum, palladium, titanium, and the like.
  • the metallic insert 22 may be formed to a predetermined thickness and may be formed to have a size of an outer shape corresponding to the first flow path 11.
  • a through hole 20a through which the working fluid may pass may be formed inside the metallic insert 22.
  • a spiral groove is formed in the through hole 20a, and when the working fluid passes, a vortex phenomenon (screw phenomenon) may be induced in the working fluid.
  • the holding insert 23 may be received in the first flow path 11 and disposed in front of the metallic insert 22, and may be in contact with the metallic insert 22.
  • the holding insert 23 may be formed of a dielectric material having a predetermined dielectric constant so as to hold electrons emitted from the metallic insert 22 when the working fluid flows in. That is, the holding insert 23 may serve to accumulate electrons generated from the metallic insert 22.
  • the holding insert 23 may be formed of a dielectric material having a predetermined dielectric constant such as engineering plastic (PC), acrylic, quartz, pyrex, ceramic, fiber glass, and crystal.
  • the holding insert 23 may be formed to a predetermined thickness, and may be formed to have a size of an outer shape corresponding to the first flow path 11.
  • a through hole 20a through which the working fluid may pass may be formed inside the holding insert 23.
  • a spiral groove is formed in the through hole 20a, and when the working fluid passes, a vortex phenomenon (screw phenomenon) may be induced in the working fluid.
  • the present underwater plasma generator 1 may further include an ion separation unit (30).
  • the ion separator 30 corresponds to a reactor corresponding to the other space (the second flow path 12) of the reactor 10 in which the working fluid passing through the dielectric insert 20 is accommodated ( It is installed on the outer surface of 10), by applying a magnetic field to the flow of the working fluid ionized through the plasma can separate the ions contained in the working fluid according to the electrical polarity.
  • the ion separation unit 30 applies a magnetic field to the flow of the working fluid ionized through the plasma to remove the working fluid from the working fluid. Ions and Ions can be separated.
  • the working fluid supplied to the reactor 10 has a specific resistance More hard water ( ) Or hard and heavy water ( ) May be a mixed fluid mixed.
  • the ion separator 30 will be described in more detail.
  • the ion separation unit 30 may include a plurality of magnetic bodies disposed opposite to each other on the outer surface of the reactor 10.
  • the plurality of magnetic bodies are installed on one outer surface of the reactor 10 along a direction perpendicular to the axial direction of the reactor 10 and are installed on the first magnetic material 31 having S polarity and the other outer surface of the reactor 10. And a second magnetic body 32 disposed opposite the first magnetic material 31 and having an N polarity.
  • the ion separation unit 30 may apply a magnetic field to the flow of the working fluid, and separate the ions contained in the working fluid perpendicular to the direction of the magnetic field according to the electrical polarity from the flow of the working fluid.
  • the first magnetic material 31 and the second magnetic material 32 is perpendicular to the axial direction of the reactor 100, so that the S and N polarities can be disposed in positions opposite to each other. Can be arranged in positions opposite to each other. Through this, the direction of the ions separated from the ion separation unit 30 and moved with the working fluid can be changed.
  • the ion separator 30 may further include a magnetic fixing part 33.
  • the magnetic body fixing part 33 may accommodate and fix the first magnetic body 31 and the second magnetic body 32 inside.
  • the magnetic body fixing part 33 may restrict the movement of the first magnetic body 31 and the second magnetic body 32 in a direction perpendicular to the axial direction of the reactor 10 and the axial direction of the reactor 10. Can be.
  • the magnetic fixing part 33 may be coupled to the outer surface of the reactor 10 in the form of a module.
  • the magnetic body fixing part 33 may include a housing part 331, a diaphragm part 332, and a bracket part 333.
  • the housing part 331 has an accommodating space for accommodating the reactor 10, the first magnetic body 31, and the second magnetic body 32, and the outer side of the reactor 10 along the axial direction of the reactor 10. It may be coupled to and fixed to the outer surface of the reactor 10.
  • the housing part 331 may be formed to have a length corresponding to the other space (the second flow path 12) of the reactor 10.
  • the length of the housing part 331 is not necessarily limited thereto, and may be formed to have a length shorter than the length of the outer surface of the reactor 10 as necessary.
  • the diaphragm 332 is coupled to the inside of the housing 331 to partition the receiving space into a plurality, and supports the first magnetic body 31 and the second magnetic body 32 to be perpendicular to the axial direction of the reactor 10.
  • the movement of the first magnetic material 31 and the second magnetic material 32 in the direction can be limited.
  • the diaphragm portion 332 may be formed in a plate-like structure having a predetermined thickness, and may be formed of SUS material.
  • the housing space of the housing part 331 communicates with the first housing space in which the reactor 10 is accommodated by the diaphragm 332 and the first housing space, so that the first magnetic body 31 and the second magnetic body 32 are closed.
  • the bracket part 333 is fastened to one side end of the housing part 331 along the axial direction of the housing part 331 through a plurality of fastening means, and thus, the first magnetic body 31 and the axial direction of the reactor 10.
  • a through hole may be formed to restrict movement of the second magnetic body 32 and through which the reactor 10 may pass.
  • the bracket portion may be further formed with a plurality of through holes through which the plurality of fastening means can pass.
  • the bracket portion 333 may be formed of a material that can block the magnetic force of the magnetic material, such as lead.
  • the underwater plasma generator 1 may further include a metallic probe 40.
  • a plurality of metallic probes 40 are provided to face each other in a direction perpendicular to a direction in which the first magnetic body 31 and the second magnetic body 32 are disposed to face each other, and the reactor ( A portion of the flow passage may be accommodated in the other space (the second flow passage 12) of the flow passage. Therefore, when a capacitor or the like is connected to the plurality of metallic probes 40, electrical energy having a high voltage may be obtained.
  • the metallic probe 40 may be formed of various metal materials such as silver, copper, aluminum, gold, nickel, and copper.
  • the distance D1 between the end of the dielectric insert 20 and the metallic probe 40 is determined by the metallic probe ( It may be formed longer than the distance (D2) between the 40 and the end of the reactor (10).
  • the present underwater plasma generator 1 may further include a water purification unit (not shown) and a power unit (not shown).
  • the water purification unit may purify the working fluid.
  • the working fluid may be used for hard water, mixed fluid of hard water and heavy water, hydrocarbon oil, etc. It may be desirable to be purified in the above range.
  • a mixed fluid mixed with hard water and heavy water it may be preferable to mix heavy water with 0.01% to 100% of hard water.
  • a hydrocarbon-based oil or mineral oil Mineral Oil
  • the power unit may provide power for supplying the working fluid purified in the water purification unit to the reactor 10. That is, the power unit may rotate the pump to be described later, which is disposed on one side of the power unit, and transmit the working fluid to the reactor 10 at a preset pressure.
  • the present underwater plasma generator 1 may further include a pump (not shown), a storage tank (not shown), and a flow control unit (not shown).
  • the pump may be disposed on one side of the power unit, and may receive power from the power unit, and transmit the working fluid to the reactor 10 at a predetermined pressure.
  • the working fluid stored in the storage tank to be described later may be transferred from the storage tank to the pump, and the working fluid delivered to the pump may be supplied to the reactor 10.
  • the storage tank may store the working fluid that has passed through the reactor 10 and the temperature controller to be described later, and supply the working fluid to the pump.
  • a partition wall may be installed in the storage tank to circulate and stabilize the state of the introduced working fluid.
  • the storage tank may be further provided with a heat exchanger (not shown) for temperature control.
  • the flow rate control unit may be disposed in the middle of the inflow into the reactor 10 from the storage tank, and configured to adjust the flow rate of the working fluid introduced into the reactor 10.
  • the flow rate controller may be disposed between the pump and the reactor 10.
  • the underwater plasma generator 1 may further include an accumulator (not shown), a fluid moving unit (not shown), a measuring unit (not shown) and a control panel (not shown).
  • the accumulator is installed between the flow rate control unit and the reactor 10, and the working fluid does not flow uniformly to prevent the pulsation phenomenon that occurs immediately after the plasma is cut off. For example, it may be desirable to install two or more accumulators to reduce pulsation.
  • the fluid moving part is formed in the form of a pipe that connects each of the above-described devices such as a water purification part, a reactor 10 and a storage tank to each other, and a flow path through which a working fluid can be circulated may be formed therein.
  • the fluid moving part may be formed of a dielectric material.
  • the measurement unit may be disposed at at least one of the inlet, the outlet, and the fluid moving unit of the reactor 10 to measure the pressure and temperature of the working fluid.
  • the measured pressure and temperature of the working fluid can be used for controlling the pressure and temperature of the working fluid.
  • the pressure may be increased by controlling a pump (not shown).
  • the temperature control unit (not shown), which will be described later, may stop reducing the temperature of the working fluid.
  • the measurement unit disposed in the fluid moving portion flowing into the temperature control unit may measure the temperature of the working fluid, it is possible to measure the temperature of the working fluid raised in response to the frictional heat and plasma generation in the reactor (10). The measured temperature may be used as data for controlling the temperature of the working fluid in the temperature controller.
  • the control panel may include a power supply device for turning on or off the present underwater plasma generator 1 and an operation device for adjusting the pressure and temperature of the working fluid.
  • the control panel may further include a display panel capable of displaying the pressure and temperature measured by the measuring unit described above.
  • the present underwater plasma generator 1 may further include a branch pipe (not shown).
  • the branch pipe may be connected to the other side of the reactor 10 to guide the ions separated through the ion separation unit 30 together with the working fluid in different directions.
  • the branch can be formed of a dielectric material.
  • the flow of the working fluid through the dielectric insert 20 according to an embodiment, the operation of each of the inserts associated with the flow of the working fluid, the process of forming microbubbles and collapse.
  • the dielectric insert 20, the metallic insert 22, and the holding insert 23 are sequentially inserted through the first flow path 11 of the reactor 10.
  • the third portion 213 is first inserted into the first flow path 11.
  • the working fluid may form a first flow f1 flowing into the reactor 10 and flowing in a straight line toward the through hole, and a second flow f2 in which vortices are formed between the first flows f1. have. Since the diameter of the through hole 20a formed in the dielectric insert 20, the metallic insert 22, and the holding insert 23 is relatively smaller than the diameter of the first flow path 11 of the reactor 10 through which the working fluid flows. In addition, the working fluid which does not flow into the through hole 20a near the through hole 20a of the holding insert 23 may have a third flow f3 forming a vortex. In addition, the third flow f3 may be incorporated into the first flow f1 and may flow into the through hole 20a.
  • the working fluid introduced into the through hole 20a forms a vortex by a spiral groove formed in the through hole 20a of the metallic insert 22, the holding insert 23, and the dielectric insert 20. (f4) can be formed. Then, the working fluid introduced into the through hole 20a flows in friction with the metallic insert 22. This friction releases a large amount of electrons from the metallic insert 22. Some of the electrons emitted from the metallic insert 22 flow with the working fluid, and another part of the emitted electrons accumulates in the holding insert 23.
  • the working fluid introduced into the through hole 20a may form microbubbles due to cavitation because of a very narrow diameter. These micro bubbles are formed more by passing through the through hole (20a). In addition, the formed microbubble stays in the working fluid, and may collapse when the working fluid passes through the through hole 20a of the dielectric insert 20.
  • the plasma is mainly generated in the through hole 20a and the second flow path 12 of the second portion 212 of the dielectric insert 20 by the collapse of the microbubbles and the electrons charged to the working fluid.
  • the microbubble generally refers to a bubble having a size of 50 ⁇ m or less in diameter.
  • the microbubbles are formed surrounded by the gas-liquid interface, and the surface tension of water acts on the interface. Surface tension may act as a compressing force inside the bubble.
  • the pressure rise inside the bubble according to the environmental pressure can theoretically be obtained by Equation 1 below.
  • (DELTA) P is a degree of a pressure rise, (sigma) is surface tension and D is bubble diameter.
  • the microbubble having a diameter of about 10 ⁇ m has an internal pressure of about 0.3 atm, and the microbubble having a diameter of 1 ⁇ m has a pressure of about 3 atm.
  • the concentration of ions increases at the interface.
  • an ultrasonic wave of about 40 KHz, a high sound pressure of about 140 db, and an instantaneous high heat from 4000 ° C to 6000 ° C occur.
  • Ultrasonic waves, high sound pressure, instantaneous high heat, and floating electrons in the working fluid cause plasma to collapse as micro bubbles collapse.
  • the microbubbles grow so large that they can no longer absorb energy to retain themselves, and are violently imploded through 'rapid decay', and the temperature and pressure released during this decay phase split the molecules of the trapped gases.
  • microbubbles are charged and move in a zigzag manner as they rise with the electric field around them. At this time, the microbubbles themselves generate fine vibrations, and the chain reaction of compression and collapse in a short time of 1 ⁇ sec (1 / 1,000,000 seconds) is repeated by the 'self-pressurizing effect'.
  • the self-pressurization effect is caused by the forces compressing the gas inside the microbubble with a spherical interface, and the strong pressure and temperature inside the bubbles that collapse when they expand or collapse are high enough to trigger a nuclear reaction.
  • the internal temperature of the microbubble rises to 5,500 ° C, which is comparable to the solar surface temperature, and the decay velocity of the wall of the microbubbles accelerates to 7,000 m / sec and the shock wave reaches 11,000 m / sec and 20,000 K. It emits intense light reaching up to 30,000 K (Kelvin), which is the generation of plasma.
  • the working fluid passing through the through hole 20a of the dielectric insert 20 is discharged toward the front side of the third portion 213, that is, toward the outlet side of the reactor 10.
  • a portion of the working fluid discharged forms a fifth flow f5 that flows back toward the second portion 212 along the surface of the third portion 213, and the other portion of the working fluid discharged is the third portion 213.
  • the working fluid according to the fifth flow f5 may flow between the fine passages of the third flow path 13 and the second portion 212 of the dielectric insert 20.
  • the diameter of the second portion 212 of the dielectric insert 20 is formed to correspond to the third flow path 13, such that the second portion 212 and the reactor 10 of the dielectric insert 20 are formed.
  • the dielectric insert 20 has to be inserted into the reactor 10 so that the second flow passage 12 of the second flow path 12 is in close contact with each other. Otherwise, a large amount of working fluid flows back through the third flow path 13, thereby lowering the efficiency of plasma generation.
  • the working fluid flowing back between the third flow path 13 and the dielectric insert 20 is introduced into the collecting groove 214 formed in the second portion 212 of the dielectric insert 20.
  • the introduced working fluid stays in the collecting groove 214, and when the sixth flow f6 becomes strong, it flows back to the second flow passage 12 through the third flow passage 13 and the dielectric insert 20. As it exits, the sixth flow f6 can be further strengthened. At this time, the microbubbles included in the working fluid that stayed in the collecting groove 214 may collapse and generate more plasma.
  • the collecting groove 214 may serve both to enhance the plasma generated in the second flow path 12 while providing a space in which the counter-current working fluid can stay.
  • the dielectric insert 20, the metallic inserts 22a, 22b, 22c, 22d and the holding inserts 23a, 23b, 23c in the reactor 10 shown in FIG. 4b are shown in FIG. 4a. Only the length of the dielectric insert 20, the number of metallic inserts 22a, 22b, 22c, 22d and the holding inserts 23a, 23b, 23c are different compared to the inside of the reactor 10 shown, and other components. Are substantially the same, so redundant description is omitted.
  • dielectric insert 20 there are one dielectric insert 20 inserted into the reactor 10 and four metallic inserts 22a, 22b, 22c, and 22d, and the holding inserts 23a. , 23b and 23c) are three in total. However, the number of metallic inserts 22a, 22b, 22c, 22d and holding inserts 23a, 23b, 23c may be changed and applied as necessary.
  • the second portion 212 of the dielectric insert 20 is formed longer when compared to the dielectric insert 20 shown in FIG. 4A. This is because one more fourth metallic insert 22d is inserted toward the second portion 212 of the dielectric insert 20. In particular, a fourth metallic insert 22d is first inserted at the front side of the dielectric insert 20 through the second portion 212 of the dielectric insert 20. The dielectric insert 20 is inserted into the reactor 10 with the fourth metallic insert 22d fitted on the front side. Thus, the second portion 212 can be formed longer by the thickness of the fourth metallic insert 22d so that the beginning of the third portion 213 can start from the second flow path 12. However, unlike the drawing, the second portion 212 of the dielectric insert 20 may not be formed longer.
  • the inner diameter of the fourth metallic insert 22d corresponds to the outer diameter of the second portion 212 of the dielectric insert 20, and the outer diameter of the fourth metallic insert 22d corresponds to the inner diameter of the reactor 10.
  • the fourth metallic insert 22d is fitted into the first flow path 11, and contacts the locking jaw 14 at the front side and the first portion 211 of the dielectric 21 insert at the rear side.
  • the first to third metallic inserts 22a, 22b, and 22c except for the fourth metallic insert 22d and The first to third holding inserts 23a, 23b, 23c are inserted into the reactor 10 alternately.
  • the dielectric insert 20, the third metallic insert 22c, the third holding insert 23c, the second metallic insert 22b, the second holding insert 23b, the first metallic insert 22a, and the first insert 1 holding insert 23a is inserted into reactor 10 in sequence.
  • Reactor 10 into which dielectric insert 20, metallic inserts 22a, 22b, 22c, 22d and holding inserts 23a, 23b, 23c are inserted, as described above, through first flow path 11 of reactor 10. ) High pressure working fluid flows inside.
  • the working fluid flows through the through hole 20a formed in the dielectric insert 20, the metallic inserts 22a, 22b, 22c, 22d and the holding inserts 23a, 23b, 23c as described above. And the third flow f3 in which the vortex is formed by colliding with the outer surface of the first holding insert 23a.
  • the working fluid introduced into the through hole 20a is formed in the holding inserts 23a, 23b and 23c, the first to third metallic inserts 22a, 22b and 22c and the through hole 20a of the dielectric insert 20.
  • the fourth flow f4 which becomes a vortex by a spiral groove etc. can be formed.
  • the fourth flow f4 is the first holding insert 23a, the first metallic insert 22a, the second holding insert 23b, the second metallic insert 22b, the third holding insert 23c and the third metallic It is in contact with the insert 22c in turn. Accordingly, a large amount of electrons flow into the working fluid from each of the metallic inserts 22a, 22b, and 22c, some of the emitted electrons accumulate in the holding inserts 23a, 23b, and 23c, and other parts of the emitted electrons It is discharged through the third portion 213 along with the fourth flow f4.
  • a portion of the working fluid discharged toward the front of the third portion 213 forms a fifth flow f5 that flows back toward the second portion 212 along the surface of the third portion 213.
  • the other part of the working fluid discharged toward the front of the third part 213 forms a sixth flow f6 flowing toward the front of the third part 213.
  • the fifth flow f5 may flow between the fine passages of the third flow path 13 and the second portion 212 of the dielectric insert 20.
  • the working fluid flowing back between the third flow path 13 and the dielectric insert 20 flows into the collecting groove 214 of the dielectric insert 20.
  • the working fluid introduced into the collecting groove 214 and the working fluid flowed back into the gap between the third flow path 13 and the dielectric insert 20 are the fourth metallic inserts disposed at the inner end of the first flow path 11 ( 22d) and once again form a plasma.
  • the working fluid introduced into the collecting groove 214 may meet the working fluid flowed back into the gap between the third flow path 13 and the dielectric insert 20 and flow into the first flow path 11.
  • the working fluid may be in contact with the fourth metallic insert 22d disposed at the inner end of the first flow path 11 and receive electrons.
  • This fourth metallic insert 22d is the soot and damage of the dielectric insert 20 that can occur when the working fluid introduced into the first flow path 11 through the fifth flow f5 comes into contact with the dielectric insert 20. Can be reduced.
  • the fourth metallic insert 22d may further accelerate plasma generation by supplying electrons to the reversed fifth flow f5.
  • FIG. 13 is an image showing the appearance of plasma generated from the underwater plasma generator 1 according to an embodiment of the present invention. For reference, FIG. 13 was photographed in a dark room in order to more clearly express the plasma generated inside the reactor 10.
  • plasma is repeatedly generated and extinguished.
  • plasma may occur simultaneously in a plurality of positions.
  • the first plasma P1 is a plasma generated from the working fluid contained in the collecting groove 214 of the dielectric insert 20. As mentioned above, a part of the working fluid discharged from the end of the dielectric insert 20 is flowed back to the collecting groove 214 is contained in the collecting groove 214. The working fluid contained in the collecting groove 214 rotates along the circumferential surface of the dielectric insert 20 inside the collecting groove 214. In this rotation process, the first plasma P1 may be generated.
  • the second plasma P2 may occur when the working fluid inside the collecting groove 214 leaks toward the end of the third portion 213.
  • the working fluid inside the collecting groove 214 may join the flow of the working fluid discharged from the end of the third portion 213 to enhance the flow of the working fluid discharged to the end of the third portion 213.
  • the second plasma P2 may be generated.
  • the second plasma (P2) is an example showing that the working fluid inside the collecting groove 214 enhances the flow of the working fluid discharged to the outside of the third portion 213 of the dielectric insert 20. have.
  • the third plasma P3 may be generated in the working fluid discharged from the through hole of the dielectric insert 20 to the end of the third portion 213.
  • the third plasma P3 may be generated from inside the through hole.
  • the third plasma P3 may be generated immediately after exiting the dielectric insert 20.
  • the third plasma P3 may be referred to as a main plasma among plasmas generated inside the reactor 10. For example, when the metallic probe 40 connected to the capacitor or the like is connected to the third plasma P3, electrical energy may be obtained.
  • the reactor 10 is formed with a flow path in which a working fluid is movable, and is accommodated in the flow path to cause cavitation in one side space of the flow path and triboelectricity when the fluid flows on one side.
  • a metallic catalyst for generating a it is formed in the fluid flowing into the reactor 10 and moving in one direction or less in the size of 5 ⁇ m and generates a large amount of micro-bubbles having a surface potential of negative charge, and moved with the fluid A homogeneous charge is applied to the bubbles to continuously disintegrate the microbubbles by repulsive force, thereby generating a high-density plasma continuously.
  • hard water ( ) or hard and heavy water ( ) Is applied as a working fluid, the ionization fluid from the ionized working fluid without oscillation relaxation Ions and Ion can be separated and further separated The ions can be collected to mass produce high purity hydrogen.
  • the underwater plasma generator according to the present embodiment can be used in a power generation system for generating electrical energy.

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치는 내측에 길이방향을 따라 작동유체가 통과 가능한 유로가 형성되는 리액터; 및 상기 유로에 배치되어 상기 유로를 복수개의 공간으로 구획하고, 내측에 상기 복수개의 공간을 서로 연통시키고 상기 유로에 비해 단면의 폭이 상대적으로 작은 적어도 한 개 이상의 관통공이 형성되며, 일 측에 상기 관통공으로 유입된 상기 작동유체와 마찰되는 금속성 촉매를 구비하는 유전성 삽입물;을 포함한다.

Description

수중 플라즈마 발생장치
본 발명은 수중 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일 방향으로 이동 중인 유체(액체) 속에 다량의 미세기포(Micro-Nano Bubble)를 발생시키고, 이를 이용하여 연속적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있는 수중 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
플라즈마란 초고온에서 음전하를 가진 전자(e-)와 양전하를 띤 이온(A+, 수소원자핵)으로 분리된 기체 상태를 의미한다. 또한 플라즈마는 전기를 띤 입자들이 모여 있는 기체를 의미하기도 한다. 플라즈마는 전하 분리도가 상당히 높으나, 전체적으로 음과 양의 전하수가 같아서 전기적으로 중성을 띠게 된다. 분자상태의 기체에 높은 에너지가 가해지면 수만℃에서 기체는 전자와 원자핵으로 분리되어 플라즈마 상태가 된다.
다시 말해 고체에 에너지를 가하면 액체, 기체로 되고 다시 이 기체 상태에 높은 에너지를 가하면 수만℃에서 기체는 원자핵 주위를 돌고 있는 최외각 전자(e-)가 궤도를 이탈(이온화 에너지)한 이온화 상태가 되는데, 이때 분자상태의 기체특성을 잃어버린 다른 차원의 물질이 된다. 플라즈마를 제4의 물질 상태라고 한다. 이러한 이온화 상태에서 A원자는 아래와 같은 구조식이 된다.
[구조식] A원자 ⇔ A+ + e-
플라즈마는 원자의 핵주위를 돌고 있는 최외각 전자가 해리되어 양이온과 음이온이 공존한 상태로 전기적으로는 중성을 띤다. 플라즈마는 전기를 잘 통하게 된다.
또한 물질이 이온화 된 상태에서 시간이 지남에 따라 다시 안정된 본래의 상태로 돌아가면서 에너지를 방출하는데 자연현상에서 볼 수 있는 대표적인 플라즈마가 바로 번개이며, 북극 지방의 오로라, 대기 속의 이온층 등이 플라즈마 상태이다.
플라즈마는 원자핵과 전자가 분리된 상태로서, 기체 상태의 원자에 많은 열을 가했을 때 분리되어 나타나는 현상이기 때문에 섭씨 1,500만°C가 넘는 뜨거운 태양 속에서 모든 원자는 플라즈마 상태로 있게 된다.
우주 전체를 보면 플라즈마가 가장 흔한 상태라고 할 수 있다. 하지만 일상생활에서 플라즈마를 이용하려면 이처럼 인공적으로 만들어야 한다. 플라즈마를 인공적으로 생성 실용화하려는 노력은 오래 전부터 꾸준히 추진되어 왔다.
플라즈마를 만들려면 열을 가하는 방법으로 만들어 낼 수 있고, 높은 전기장이나 자기장을 가해 전자의 충돌을 유도하여 만들어 낼 수 있다. 흔히 직류, 초고주파, 전자빔 등 전기적 방법을 가해 플라스마를 생성한 다음 자기장 등을 사용해 이런 상태를 유지하도록 해야 한다.
그러나 에너지로 사용하기 위해 기존에 사용되어오던 기술 즉, 기체를 통한 높은 밀도를 가진 플라즈마 생성기술은 입력 에너지가 출력 에너지 보다 크거나, 초고온을 이용한 플라즈마를 가둘 수 있는 초고온 상태를 견디는 물질을 개발하지 못하여 진행이 어려운 상태다.
또한 플라즈마는 직접 산업적으로 사용될 수 있는 에너지원인데, 기존의 플라즈마 생성방식으로는 많은 전기를 사용하여 플라즈마를 만들고 여기서 얻어진 전기를 에너지원으로 사용하는 모순이 반복되어 결국 에너지 사용의 효율을 저하시키는 심각한 문제를 안고 있다.
<선행기술문헌>
1) 한국공개특허공보 제10-2010-0011246호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 공동현상을 통하여 일 방향으로 이동하는 유체 내에 5 μm 크기 이하로 형성되고 음전하의 표면 전위를 띄는 미세기포(Micro-Nano Bubble)를 대량으로 발생시키고, 금속성 촉매를 통해 유체와 함께 이동되는 미세기포에 동종 전하를 인가하여 척력에 의해 미세기포를 연속으로 붕괴시킴으로써 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있는 수중 플라즈마 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치는 내측에 길이방향을 따라 작동유체가 통과 가능한 유로가 형성되는 리액터; 및 상기 유로에 배치되어 상기 유로를 복수개의 공간으로 구획하고, 내측에 상기 복수개의 공간을 서로 연통시키고 상기 유로에 비해 단면의 폭이 상대적으로 작은 적어도 한 개 이상의 관통공이 형성되며, 일 측에 상기 관통공으로 유입된 상기 작동유체와 마찰되는 금속성 촉매를 구비하는 유전성 삽입물;을 포함한다.
상기 리액터의 일 측 공간으로 유입된 상기 작동유체에는, 공동현상에 의해 음전하의 표면 전위를 띄는 미리 설정된 크기 이하의 미세기포가 발생되고, 상기 작동유체와 함께 상기 관통공으로 유입되어 상기 금속성 촉매를 통과하는 상기 미세기포는, 상기 금속성 촉매로부터 방출되는 동종 전하로 인해 붕괴되어 플라즈마를 발생시키며, 상기 유전성 삽입물을 통해 상기 리액터의 타 측 공간으로 이동된 상기 작동유체는 상기 플라즈마에 노출되어 이온화될 수 있다.
상기 리액터의 타 측 공간에 대응되는 상기 리액터의 외면에 설치되고, 상기 플라즈마를 통해 이온화된 상기 작동유체의 흐름에 자기장을 인가하여 상기 작동유체에 포함된 이온들을 전기적 극성에 따라 분리시키는 이온 분리부;를 더 포함할 수 있다.
상기 작동유체는, 비저항
Figure PCTKR2018005632-appb-I000001
이상의 경수(
Figure PCTKR2018005632-appb-I000002
) 또는 상기 경수와 중수(
Figure PCTKR2018005632-appb-I000003
)가 혼합된 것이고, 상기 이온 분리부는, 상기 작동유체로부터
Figure PCTKR2018005632-appb-I000004
이온 및
Figure PCTKR2018005632-appb-I000005
이온을 분리할 수 있다.
상기 이온 분리부는, 상기 리액터의 축 방향에 대한 수직방향을 따라 상기 리액터의 일 측 외면에 설치되고, S 극성을 가지는 제1 자성체; 및 상기 리액터의 타 측 외면에 설치되어 상기 제1 자성체에 대향 배치되고, N 극성을 가지는 제2 자성체;를 포함할 수 있다.
상기 이온 분리부는, 내측에 상기 제1 자성체 및 상기 제2 자성체를 수용하여 고정시키고, 상기 리액터의 외면에 모듈 형태로 결합 가능한 자성체 고정부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 자성체 고정부는, 내측에 상기 리액터, 상기 제1 자성체 및 상기 제2 자성체를 수용 가능한 수용공간이 형성되는 하우징부; 상기 하우징부의 내측에 결합되어 상기 수용공간을 복수개로 구획하고, 상기 제1 자성체 및 상기 제2 자성체를 지지하여 상기 리액터의 축 방향에 대한 수직방향으로 상기 제1 자성체 및 상기 제2 자성체의 이동을 제한하는 격막부; 및 상기 하우징부의 축 방향을 따라 상기 하우징부의 일 측 단부에 체결되어, 상기 리액터의 축 방향으로 상기 제1 자성체 및 상기 제2 자성체의 이동을 제한하고, 내측에 상기 리액터가 관통 가능한 리액터 관통공이 형성되는 브래킷부;를 포함할 수 있다.
상기 유로는, 외부로부터 유입된 상기 작동유체가 수용되는 제1 유로; 상기 유전성 삽입물을 통과한 상기 작동유체가 수용되는 제2 유로; 및 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로를 서로 연통시키고, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로에 비해 상대적으로 작은 내경의 크기로 형성되는 제3 유로;를 포함하고, 상기 제1 유로 및 상기 제3 유로 사이에는 상기 작동유체의 이동방향을 따라 상기 유전성 삽입물이 걸려 지지되는 걸림턱이 형성되며, 상기 제2 유로 및 상기 제3 유로 사이에는 상기 유전성 삽입물로부터 토출되어 상기 제3 유로 측으로 역류하는 상기 작동유체의 이동을 안내하는 안내면이 형성될 수 있다.
상기 안내면은 곡면 또는 경사면의 구조로 형성될 수 있다.
상기 리액터의 외측에는, 상기 리액터의 길이방향을 따라 상기 리액터의 단부로부터 미리 설정된 깊이로 함몰되어 상기 이온 분리부가 안착되고, 상기 이온 분리부의 이동을 제한하여 상기 이온 분리부를 상기 제2 유로에 대응되는 위치에 배치시키는 안착 지지홈이 형성될 수 있다.
상기 제2 유로의 길이는 상기 제1 유로의 길이와 상기 제3 유로의 길이가 연결된 길이 보다 더 길게 형성될 수 있다.
상기 제1 유로의 직경과 상기 관통공의 직경의 비율은 10:0.5 내지 10:4 중 적어도 어느 하나의 크기로 형성될 수 있다.
상기 유전성 삽입물은, 미리 설정된 유전율을 갖는 유전성 소재로 형성되고, 상기 제1 유로, 상기 제2 유로 및 상기 제3 유로에 걸쳐 수용되는 유전체; 및 상기 제1 유로에 수용되고, 일면이 상기 유전체에 접촉된 상태로 상기 유전체의 전방에 배치되는 금속성 삽입물;을 포함할 수 있다.
상기 유전체는, 상기 제1 유로에 대응되는 크기로 형성되어 상기 제1 유로에 수용되고 일면이 상기 걸림턱에 걸려 지지되는 제1 부분; 상기 제1 부분으로부터 축 방향을 따라 미리 설정된 길이로 연장되어 상기 제3 유로에 수용되고 상기 제3 유로에 대응되는 크기로 형성되는 제2 부분; 및 상기 제2 부분으로부터 축 방향을 따라 미리 설정된 길이로 연장되어 상기 제2 유로에 수용되고 상기 작동유체의 이동방향을 향하여 직경의 크기가 점차 감소하는 제3 부분;을 포함할 수 있다.
상기 제1 자성체 및 상기 제2 자성체가 대향 배치된 방향에 대하여 수직되는 방향으로 대향 배치되고, 상기 리액터를 관통하여 일부가 상기 유로의 타 측 공간에 수용되는 금속성 프로브;를 더 포함할 수 있다.
상기 유로의 타 측 공간에서, 상기 유전성 삽입물의 단부와 상기 프로브 사이의 거리는 상기 프로브와 상기 리액터의 단부 사이의 거리 보다 더 길게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 내측에 작동유체가 이동 가능한 유로가 형성되는 리액터, 및 유로에 수용되어 유로의 일 측 공간에 공동현상을 유발하고 일 측에 유체의 흐름 시 마찰전기를 발생시키는 금속성 촉매를 구비함으로써, 리액터로 유입되어 일 방향으로 이동하는 유체 내에 5 μm 크기 이하로 형성되고 음전하의 표면 전위를 띄는 미세기포를 대량으로 발생시키고, 유체와 함께 이동되는 미세기포에 동종 전하를 인가하여 척력에 의해 미세기포를 연속으로 붕괴시켜 고밀도의 플라즈마를 연속적으로 생성할 수 있다.
또한, 종래의 기체 플라즈마 발생장치와 같이 수천 내지 수만 볼트 이상의 고전압을 이용하지 않고, 실온에서 탄화수소계 오일이나, 경수(
Figure PCTKR2018005632-appb-I000006
) 또는 경수와 중수(
Figure PCTKR2018005632-appb-I000007
)가 혼합된 작동유체의 순환만으로 플라즈마를 생성할 수 있음에 따라, 기체 플라즈마에 비해 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있음은 물론, 장치의 구조를 단순화하여 비용을 절감할 수 있다.
또한, 작동유체를 일 방향으로 순환시키며 연속적으로 플라즈마를 생성할 수 있고, 플라즈마가 액상의 유체 속에 가두어진 상태로 발생됨에 따라, 음파발광(Sonoluminescence) 또는 화학발광(Chemoluminescence)을 통한 플라즈마의 생성을 배제하여 공정을 간소화 할 수 있고, 플라즈마의 손실률을 최소화 할 수 있다.
또한, 빠른 속도로 순환되는 작동유체 내에서 고밀도의 플라즈마를 발생시켜 작동유체를 이온화하고, 이온화된 작동유체가 이동되는 경로에 자기장을 형성하여 작동유체에 포함된 이온들을 전기적 극성에 따라 효율적으로 분리시킬 수 있다.
또한, 경수(
Figure PCTKR2018005632-appb-I000008
) 또는 경수와 중수(
Figure PCTKR2018005632-appb-I000009
)의 혼합물을 작동유체로 적용할 경우, 진동이완(Oscillation Relaxation) 현상의 발생 없이 이온화된 작동유체로부터
Figure PCTKR2018005632-appb-I000010
이온 및
Figure PCTKR2018005632-appb-I000011
이온을 분리할 수 있고, 나아가 분리된
Figure PCTKR2018005632-appb-I000012
이온을 수집하여 고순도의 수소를 대량 생산할 수 있다.
또한, 플라즈마가 발생되는 내부 공간으로 일부가 노출되도록 리액터에 탈부착 가능한 복수개의 프로브를 구비함으로써, 프로브에 캐패시터 등을 연결할 경우, 고전압의 전기 에너지를 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치의 리액터를 나타낸 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치의 리액터에 유전성 삽입물이 배치된 상태를 나타낸 횡단면도이다.
도 4는 유전성 삽입물의 각각 다른 실시예를 나타낸 횡단면도이다.
도 5 내지 도 8은 유전체의 각각 다른 실시예를 타나낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치를 나타낸 종단면도이다.
도 10 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 자성체 고정부를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치에 금속성 프로브가 설치된 상태를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치로부터 플라즈마가 발생되는 모습을 나타낸 이미지이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에 기재된 실시 예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시 예는 다양한 실시 예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 첨부된 도면에 개시된 특정 실시 예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 "모듈" 또는 "부"는 적어도 하나의 기능 또는 동작을 수행한다. 그리고, "모듈" 또는 "부"는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 기능 또는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 특정 하드웨어에서 수행되어야 하거나 적어도 하나의 프로세서에서 수행되는 "모듈" 또는 "부"를 제외한 복수의 "모듈들" 또는 복수의 "부들"은 적어도 하나의 모듈로 통합될 수도 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
그 밖에도, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치의 리액터를 나타낸 횡단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치의 리액터에 유전성 삽입물이 배치된 상태를 나타낸 횡단면도이다. 또한, 도 4는 유전성 삽입물의 각각 다른 실시예를 나타낸 횡단면도이고, 도 5 내지 도 8은 유전체의 각각 다른 실시예를 타나낸 도면이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치를 나타낸 종단면도이다. 또한, 도 10 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 자성체 고정부를 나타낸 도면이고, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치에 금속성 프로브가 설치된 상태를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치(1)(이하 ‘수중 플라즈마 발생장치(1)’라 함)는 일 방향으로 이동 중인 작동유체에 다량의 미세기포(Micro-Nano Bubble)를 발생시키고, 이를 이용하여 연속적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 발생장치로서, 리액터(10)를 포함한다.
리액터(10)는 유전율을 갖는 유전성 소재로 제작되고, 내측으로 작동유체가 통과 될 수 있는 관형의 구조로 형성된다. 예컨대, 유전성 소재는 투광성 다결정질 세라믹, 엔지니어링 플라스틱, 아크릴, 탄탈(Tantalum), 쿼츠, 파이렉스, 화이버 글래스, 크리스탈 등으로 적용될 수 있다.
더 자세하게는, 리액터(10)는 일 측에 작동유체가 유입되는 유입구가 형성되고, 타 측에 작동유체가 유출되는 유출구가 형성되며, 내측에 길이방향을 따라 유입구와 유출구를 연결하여 작동유체가 통과 가능한 유로가 형성되는 관형 구조로 형성된다.
여기서, 유로는 길이 또는 내경의 크기가 다른 복수개의 구간으로 구분될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 유로는 유입구와 연결되고 작동유체가 공급될 경우 외부로부터 유입된 작동유체가 수용되는 제1 유로(11)와, 유출구와 연결되고 리액터(10)의 축 방향을 따라 제1 유로(11)에 대향되는 위치에 형성되며 후술할 유전성 삽입물(20)을 통과한 작동유체가 수용되는 제2 유로(12), 및 제1 유로(11) 및 제2 유로(12) 사이에 형성되어 제1 유로(11) 및 제2 유로(12)를 서로 연통시키고, 제1 유로(11) 및 제2 유로(12)에 비해 상대적으로 작은 내경의 크기로 형성되는 제3 유로(13)를 포함할 수 있다. 여기서, 제2 유로(12)의 길이(L2)는 제1 유로(11)의 길이(L1) 및 제3 유로(13)의 길이(L3) 보다 더 길게 형성되고, 제1 유로(11)의 길이와 제3 유로(13)의 길이가 연결된 길이 보다 더 길게 형성될 수 있다. 이를 통해, 후술할 이온 분리부(30)를 통해 제2 유로(12)에 형성되는 자계 구간을 보다 길게 형성하여, 이온 분리 효율을 극대화할 수 있다. 예컨대, 유로는 후술할 유전성 삽입물(20)의 외형에 대응되는 형상으로 형성되되, 유로의 일 구간과 유전성 삽입물(20)의 일 구간은 다면체 형상으로 형성될 수 있다. 이를 통해, 유전체(21) 삽입물이 유로 내에서 회전되는 것을 예방하여, 후술할 금속성 삽입물(22) 및 홀딩 삽입물(23)에 형성된 관통공(20a)과 유전성 삽입물(20)에 형성된 관통공(20a)의 위치가 어긋나는 것을 예방할 수 있다. 또한, 제1 유로(11)의 내경 및 제2 유로(12)의 내경은 서로 다른 크기로 형성될 수 있다. 이를 통해, 작업자가 유전성 삽입물(20)을 유로로 삽입할 경우, 제1 유로(11)와 제2 유로(12)의 혼동을 예방할 수 있다.
또한, 유로를 형성하는 리액터(10)의 내측에는 걸림턱(14) 및 안내면(15)이 형성될 수 있다.
더 자세하게는, 제1 유로(11) 및 제3 유로(13) 사이에는 작동유체의 이동방향을 따라 유전성 삽입물(20)이 걸려 지지되는 걸림턱(14)이 형성되고, 제2 유로(12) 및 제3 유로(13) 사이에는 유전성 삽입물(20)로부터 토출되어 제3 유로(13) 측으로 역류하는 작동유체와 접촉되어, 작동유체의 이동을 안내하는 안내면(15)이 형성될 수 있다.
여기서, 안내면(15)은 작동유체와의 접촉 시 저항력을 최소화 할 수 있도록, 작동유체가 역류되는 방향을 향하여 호(弧) 형상으로 굽어진 곡면 또는 직선 형상으로 경사진 경사면의 구조로 형성될 수 있다. 이에 따라, 유전성 삽입물(20)로부터 토출되어 역류하는 작동유체를 원활하게 유전성 삽입물(20) 측으로 안내함은 물론, 역류하는 작동유체와 리액터(10)의 내면 간의 마찰을 최소화하여 리액터(10)의 손상을 예방할 수 있다.
또한, 리액터(10)의 외측에는 안착 지지홈(16)이 형성될 수 있다.
안착 지지홈(16)은 제2 유로(12)에 대응되는 위치에 형성되고, 리액터(10)의 길이방향을 따라 리액터(10)의 단부로부터 미리 설정된 깊이로 함몰되어 형성될 수 있다. 그리고, 안착 지지홈(16)은 후술할 이온 분리부(30)의 제1 자성체(31) 및 제2 자성체(32)가 서로 대향된 상태로 설치될 수 있도록 리액터(10)의 축 방향에 대하여 수직되는 방향을 따라 리액터(10)의 일 측 및 타 측에 각각 형성될 수 있다. 이에 따라, 안착 지지홈(16)에 안착된 이온 분리부(30)는 리액터(10)의 축 방향을 따라 이동이 제한되고, 제2 유로(12)에 대응되는 위치에 배치될 수 있다. 또한, 이온 분리부(30)가 설치되는 안착 지지홈(16)은 제2 유로(12)와 동일한 길이로 형성될 수 있다. 따라서, 리액터(10)의 길이방향을 따라 안착 지지홈(16)이 형성된 구간의 길이는 제1 유로(11) 및 제2 유로(12)가 형성된 구간의 길이보다 더 길게 형성되며, 이를 통해 이온 분리부(30)의 자계구간을 증대하여 이온 분리 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 유입구 및 유출구가 형성되는 리액터(10)의 일 측 및 타 측 단부에는 각각 타 부품들과의 연결을 위하여 외주면에 나사산이 형성된 복수개의 체결부가 구비될 수 있다. 예컨대, 리액터(10) 내부로 유입되는 고압의 작동유체를 견디기 위하여, 유입구측 체결부의 길이는 유출구측 체결부의 길이보다 더 길게 형성될 수 있다. 그리고, 유입구의 내경은 유출구의 내경보다 더 크게 형성될 수 있다. 그러나, 체결부의 길이 및 내경의 크기는 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태 및 구조로 변경되어 적용될 수 있다.
또한, 리액터(10)의 각 체결부에는 타 부품들과의 연결 시 작동유체의 누수를 예방할 수 있도록 타 부품과 체결부 사이의 기밀을 유지하는 패킹부재(미도시)가 설치될 수 있다. 예컨대, 패킹부재는 오링(O-ring, O자형 고무링) 또는 가스켓 형태로 형성될 수 있다. 그러나, 패킹부재는 반드시 이의 형상에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형태로 변경되어 적용될 수 있다.
또한, 리액터(10)에는 후술할 금속성 프로브(40)를 삽입 가능한 프로브 삽입공(미도시)이 더 형성될 수 있다. 프로브 삽입공은 프로브(40)의 외면에 대응되는 크기로 형성되고, 리액터(10)의 표면에서 제2 유로(12)까지 연통되도록 리액터(10)를 관통하여 형성될 수 있다.
또한, 리액터(10)에는 프로브 삽입공을 선택적으로 개폐시킬 수 있는 개폐부재(미도시)가 더 구비될 수 있다.
개폐부재는 프로브 삽입공에 삽입되는 삽입부, 및 삽입부의 외측에 구비되어 삽입부가 프로브 삽입공에 삽입될 경우 리액터(10)의 외면에 지지되는 지지부를 포함할 수 있다. 예컨대, 개폐부재는 리액터(10)와 동일한 유전성 소재로 형성되거나, 소정의 탄성력을 가진 기밀성 소재로 형성될 수 있다.
따라서, 리액터(10)에 금속성 프로브(40)가 설치되지 않을 경우, 작업자는 개폐부재를 프로브 삽입공에 삽입하여 프로브 삽입공을 폐쇄시키고, 이를 통해 프로브 삽입공으로 작동유체가 유출되는 것을 예방할 수 있다.
또한, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 유전성 삽입물(20)을 포함한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 유전성 삽입물(20)은 리액터(10)에 삽입되어 작동유체로부터 전자가 방출되는 공동현상에 의한 플라즈마 생성에 필요한 환경을 제공하도록 구성된다.
더 자세하게는, 유전성 삽입물(20)은 유로에 배치되어 유로를 복수개의 공간으로 구획한다. 그리고, 유전성 삽입물(20)의 내측에는 구획된 복수개의 공간(제1 유로(11) 및 제2 유로(12))을 서로 연통시키고, 유로(제1 유로(11))에 비해 단면의 폭이 상대적으로 작은 관통공(20a)이 형성된다. 여기서, 제1 유로(11)의 직경과 관통공(20a)의 직경의 비율은 10:1의 비율로 적용되는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 제1 유로(11)의 직경과 관통공(20a)의 직경의 비율은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 10:0.5 내지 10:4 중 적어도 어느 하나의 크기로 적용될 수 있다. 또한, 유전성 삽입물(20)의 일 측에는 작동유체의 유입 시 관통공(20a)으로 유입된 작동유체와 마찰되어 작동유체와 함께 관통공(20a)을 통과하는 미세기포에 전자를 방출하는 금속성 촉매(금속성 삽입물(22))를 구비한다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 리액터(10)의 일 측 공간(제1 유로(11))으로 유입된 작동유체에는, 제1 유로(11) 및 관통공(20a) 사이에서 발생되는 공동현상(cavitation)에 의해 음전하의 표면 전위를 띄는 50 μm 이하의 다량의 미세기포가 발생될 수 있다. 더 자세하게는, 제1 유로(11)로 유입되는 고압의 작동유체에는 공동현상으로 인하여 5 μm 이하의 크기로 수축되는 다량의 미세기포가 발생되고, 5 μm 이하의 크기로 수축된 다량의 미세기포는 제타전위(zeta potential) 특성에 따라 표면에 음전위가 급증하게 된다. 그리고, 작동유체와 함께 관통공(20a)으로 유입되어 금속성 촉매(금속성 삽입물(22))를 통과하는 다량의 미세기포는, 표면 전위의 전하(-전하)와 금속성 촉매로부터 방출되는 동종 전하(-전하) 사이의 척력으로 인해 연속적으로 붕괴되어 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 아울러, 유전성 삽입물(20)을 통해 토출되어 리액터(10)의 타 측 공간(제2 유로(12))으로 이동된 작동유체는 고밀도의 플라즈마에 노출되어 이온화될 수 있다.
유전성 삽입물(20)에 대하여 더 상세히 설명하기로 한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 유전성 삽입물(20)은 미리 설정된 유전율을 갖는 유전성 소재로 형성되고, 제1 유로(11) 및 제3 유로(13)에 대응되는 크기로 형성되어 제1 유로(11), 제2 유로(12) 및 제3 유로(13)에 걸쳐 수용되며, 내측에 관통공(20a)이 형성되는 유전체(21)를 포함할 수 있다. 예컨대, 유전체(21)는 엔지니어링 플라스틱, 아크릴, 쿼츠, 파이렉스, 세라믹, 화이버 글래스 및 크리스탈 등과 같이 소정의 유전율을 갖는 다양한 유전성 소재로 적용될 수 있다.
리액터(10)에 수용되는 유전체(21)는 유로에 배치되는 위치에 따라 제1 부분(211), 제2 부분(212) 및 제3 부분(213)으로 구분될 수 있다.
제1 부분(211)은 제1 유로(11)에 대응되는 크기로 형성되어 제1 유로(11)에 수용되고, 작동유체가 유입될 경우 작동유체에 가압되어 일면이 걸림턱(14)에 걸려 지지될 수 있다. 예컨대, 제1 부분(211)은 후술할 제2 부분(212) 및 제3 부분(213)에 비하여 단면의 크기가 더 넓게 형성될 수 있다. 즉, 제1 부분(211)은 제1 유로(11)에 대응되는 크기로 형성되어 제1 유로(11)를 형성하는 리액터(10)의 내주면에 지지됨은 물론, 작동유체의 이동방향을 따라 리액터(10)의 내측에 형성된 걸림턱(14)에 걸려 지지됨으로써, 작동유체의 유입 시에도 작동유체의 압력에 의해 유동되지 않고, 안정적으로 고정된 상태를 유지할 수 있다.
제2 부분(212)은 제1 부분(211)으로부터 축 방향을 따라 미리 설정된 길이로 연장되고, 제3 유로(13)에 대응되는 크기로 형성되어 제3 유로(13)에 수용될 수 있다. 예컨대, 제2 부분(212)은 제1 부분(211)보다 더 길게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 제2 부분(212)에는 역류된 작동유체가 수용 가능한 포집홈(214)이 형성될 수 있다.
포집홈(214)은 후술할 제3 부분(213)에서 토출되어 제3 부분(213)의 표면을 따라 제2 부분(212)을 향해 역류되는 작동유체가 유입될 수 있도록, 제2 부분(212)의 외주면으로부터 내측을 향하여 미리 설정된 깊이로 함몰되어 형성될 수 있다.
그리고, 포집홈(214)은 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 부분(212)의 외면에 단일 형태로 형성되거나, 도 5, 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 부분(212)의 길이방향을 따라 복수개로 형성될 수 있다. 여기서, 제2 부분(212)의 길이방향을 따라 복수개로 형성된 포집홈(214)은 제2 부분(212)의 길이방향을 따라 적어도 2개 이상의 위치에 형성될 수 있으며, 등간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
한편, 도 5 내지 도 8을 참조하면, 포집홈(214)은 제3 부분(213)으로부터 미리 설정된 거리만큼 이격된 위치에 형성될 수 있다. 즉, 제3 부분(213)과 인접한 위치에 형성되는 포집홈(214)과 제3 부분(213) 사이에는 포집홈(214)과 제3 부분(213)을 이격시키는 블록부(212a)가 구비되며, 이를 통해 제3 부분(213)의 표면을 따라 포집홈(214) 측으로 유입되는 작동유체의 유입을 최소화할 수 있다.
또한, 포집홈(214)은 도 8에 도시된 바와 같이, V자 또는 U자 등 다양한 형태로 식각된 형상으로 형성될 수 있다.
이를 통해, 포집홈(214)은, 작동유체가 수용 가능한 소정의 공간을 제공하여 작동유체가 제1 부분(211)으로 역류하는 것을 저감시킴은 물론, 작동유체가 수월하게 유출입 가능한 형태로 형성됨에 따라, 포집홈(214)에 수용된 작동유체가 제3 부분(213)을 통해 토출되는 작동유체와 함께 합류되도록 하여 플라즈마 발생을 가속화시킬 수 있다.
그러나, 제2 부분(212)에는 반드시 포집홈(214)이 형성되어야 하는 것은 아니며, 포집홈(214)은 필요에 따라 선택적으로 유전체(21)에 형성될 수 있다.
다시, 도 4 및 도 5를 참조하면, 제3 부분(213)은 제2 부분(212)으로부터 축 방향을 따라 미리 설정된 길이로 연장되고, 제2 부분(212)과 동일한 외형의 크기로 형성되어 제2 유로(12)에 수용될 수 있다. 그리고, 제3 부분(213)은 작동유체의 이동방향을 향하여 직경의 크기가 점차 감소하는 구조로 형성될 수 있다.
즉, 제3 부분(213)은 제2 부분(212)으로부터 연장되어 제2 유로(12)에 노출된 상태로 배치되고, 작동유체의 이동방향을 향하여 직경의 크기가 점차 감소하는 표면구조를 통하여, 단부로부터 토출되어 역류되는 작동유체를 제2 부분(212) 측으로 원활하게 안내할 수 있고, 이를 통해 플라즈마 반응을 가속시킬 수 있다.
또한, 제2 유로(12)에 노출된 제3 부분(213)의 표면은 외측을 향하여 굽어진 곡면형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 제3 부분(213)을 통해 토출되어 역류되는 작동유체는 곡면 형상으로 형성된 제3 부분(213)의 표면을 따라 제2 부분(212) 측으로 이동될 수 있다.
그러나, 제3 부분(213)의 표면 형상은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조 및 형상으로 변경되어 적용될 수 있다.
도 6을 참조하면, 제3 부분(213)의 표면은 내측을 향하여 오목하게 굽어진 곡면형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 제3 부분(213)을 통해 토출되어 역류되는 작동유체는 내측을 향하여 오목하게 굽어진 곡면형상의 제3 부분(213)의 표면을 따라 제2 부분(212) 측으로 이동될 수 있다. 또한, 제3 부분(213)으로부터 토출되어 역류되는 작동유체는 상기한 제3 부분(213)의 표면 형상 구조 및 제3 부분(213)으로부터 연속적으로 토출되는 작동유체의 흐름을 통하여 가속화 될 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 제3 부분(213)의 표면은 경사면의 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 제3 부분(213)을 통해 토출되어 역류되는 작동유체는 경사면 형상의 제3 부분(213)의 표면을 따라 제2 부분(212) 측으로 이동될 수 있다.
한편, 관통홀이 형성된 유전체(21)의 내부에는 와류돌기(215)가 더 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 와류돌기(215)는 관통공(20a)을 통과하는 작동유체에 와류가 발생될 수 있도록, 유전체(21)의 길이방향을 따라 유전체(21)의 내면 전체에 나선형상으로 돌출 형성될 수 있다. 이에 따라, 유전체(21)의 내부에서 미세기포의 발생이 더욱 활성화 될 수 있음은 물론, 미세기포의 붕괴를 더욱 가속화 시킬 수 있다.
또한, 도 3 및 도 4를 참조하면, 유전성 삽입물(20)은 금속성 삽입물(22)과, 홀딩 삽입물(23)을 더 포함할 수 있다.
금속성 삽입물(22)은 제1 유로(11)에 수용되고, 일면이 유전체(21)에 접촉된 상태로 유전체(21)의 전방에 배치되며, 작동유체의 유입 시 작동유체와 마찰되어 전자를 방출할 수 있다. 예컨대, 금속성 삽입물(22)은 금(Au), 은(Ag), 니켈, 구리, 알루미늄, 백금, 팔라듐, 티타늄 등의 다양한 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 금속성 삽입물(22)은 미리 설정된 두께로 형성되고, 제1 유로(11)에 대응되는 외형의 크기로 형성될 수 있다. 또한, 금속성 삽입물(22)의 내측에는 작동유체가 통과 가능한 관통공(20a)이 형성될 수 있다. 예컨대, 관통공(20a)의 내부에는 나선형의 홈이 형성되어, 작동유체가 통과할 경우 작동유체에 와류 현상(스크류 현상)을 유도할 수 있다.
홀딩 삽입물(23)은 제1 유로(11)에 수용되어 금속성 삽입물(22)의 전방에 배치되며, 금속성 삽입물(22)에 접촉된 상태를 유지할 수 있다. 그리고, 홀딩 삽입물(23)은 작동유체의 유입 시 금속성 삽입물(22)에서 방출되는 전자를 홀딩(holding)할 수 있도록 소정의 유전율을 갖는 유전성 소재로 형성될 수 있다. 즉, 홀딩 삽입물(23)은 금속성 삽입물(22)로부터 발생하는 전자를 축적하는 역할을 수행할 수 있다. 예컨대, 홀딩 삽입물(23)은 엔지니어링 플라스틱(PC), 아크릴, 쿼츠, 파이렉스, 세라믹, 화이버 글래스 및 크리스탈 등과 같이 소정의 유전율을 가지는 유전성 소재로 형성될 수 있다. 또한, 홀딩 삽입물(23)은 미리 설정된 두께로 형성되고, 제1 유로(11)에 대응되는 외형의 크기로 형성될 수 있다. 또한, 홀딩 삽입물(23)의 내측에는 작동유체가 통과 가능한 관통공(20a)이 형성될 수 있다. 예컨대, 관통공(20a) 내부에는 나선형의 홈이 형성되어, 작동유체가 통과할 경우 작동유체에 와류 현상(스크류 현상)을 유도할 수 있다.
또한, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 이온 분리부(30)를 더 포함할 수 있다.
도 3 및 도 9를 참조하면, 이온 분리부(30)는 유전성 삽입물(20)을 통과한 작동유체가 수용되는 리액터(10)의 타 측 공간(제2 유로(12))에 대응되는 리액터(10)의 외면에 설치되고, 플라즈마를 통해 이온화된 작동유체의 흐름에 자기장을 인가하여 작동유체에 포함된 이온들을 전기적 극성에 따라 분리시킬 수 있다.
즉, 이온 분리부(30)는 플라즈마를 통해 이온화된 작동유체의 흐름에 자기장을 인가하여 작동유체로부터
Figure PCTKR2018005632-appb-I000013
이온 및
Figure PCTKR2018005632-appb-I000014
이온을 분리할 수 있다. 이때, 리액터(10)에 공급되는 작동유체는 비저항
Figure PCTKR2018005632-appb-I000015
이상의 경수(
Figure PCTKR2018005632-appb-I000016
) 또는 경수와 중수(
Figure PCTKR2018005632-appb-I000017
)가 혼합된 혼합유체일 수 있다.
이온 분리부(30)에 대하여 더 상세히 설명하기로 한다.
이온 분리부(30)는 리액터(10)의 외면에 서로 대향 배치되는 복수개의 자성체를 포함할 수 있다.
복수개의 자성체는 리액터(10)의 축 방향에 대한 수직방향을 따라 리액터(10)의 일 측 외면에 설치되고 S 극성을 가지는 제1 자성체(31)와, 리액터(10)의 타 측 외면에 설치되어 제1 자성체(31)에 대향 배치되고 N 극성을 가지는 제2 자성체(32)를 포함할 수 있다. 이를 통해, 이온 분리부(30)는 작동유체의 흐름에 자기장을 인가하고, 작동유체에 포함된 이온들을 작동유체의 흐름으로부터 전기적 극성에 따라 자기장의 방향에 수직하게 분리시킬 수 있다. 한편, 도면에 도시된 것과는 달리, S 극성과 N 극성이 서로 상반된 위치에 배치될 수 있도록, 제1 자성체(31)와 제2 자성체(32)는 리액터(100)의 축 방향에 대한 수직방향을 따라 서로 상반된 위치에 배치될 수 있다. 이를 통해, 이온 분리부(30)에서 분리되어 작동유체와 함께 이동되는 이온의 방향을 변경할 수 있다.
또한, 이온 분리부(30)는 자성체 고정부(33)를 더 포함할 수 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 자성체 고정부(33)는 내측에 제1 자성체(31) 및 제2 자성체(32)를 수용하여 고정시킬 수 있다. 더 자세하게는, 자성체 고정부(33)는 리액터(10)의 축 방향 및 리액터(10)의 축 방향에 대한 수직방향으로의 제1 자성체(31) 및 제2 자성체(32)의 이동을 제한할 수 있다. 그리고, 자성체 고정부(33)는 리액터(10)의 외면에 모듈 형태로 결합될 수 있다.
또한, 자성체 고정부(33)는 하우징부(331), 격막부(332), 및 브래킷부(333)를 포함할 수 있다.
하우징부(331)는 내측에 리액터(10), 제1 자성체(31) 및 제2 자성체(32)를 수용 가능한 수용공간이 형성되고, 리액터(10)의 축 방향을 따라 리액터(10)의 외측에 결합되어 리액터(10)의 외면에 고정될 수 있다. 예컨대, 하우징부(331)는 리액터(10)의 타 측 공간(제2 유로(12))에 대응되는 길이로 형성될 수 있다. 그러나, 하우징부(331)의 길이는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 리액터(10)의 외면의 길이 보다 짧은 길이로 형성될 수 있다.
격막부(332)는 하우징부(331)의 내측에 결합되어 수용공간을 복수개로 구획하고, 제1 자성체(31) 및 제2 자성체(32)를 지지하여 리액터(10)의 축 방향에 대한 수직방향으로 제1 자성체(31) 및 제2 자성체(32)의 이동을 제한할 수 있다. 예컨대, 격막부(332)는 미리 설정된 두께를 가지는 판형 구조로 형성되고, SUS 소재로 형성될 수 있다. 그리고, 하우징부(331)의 수용공간은, 격막부(332)에 의해 리액터(10)가 수용되는 제1 수용공간, 제1 수용공간과 연통되어 제1 자성체(31) 및 제2 자성체(32)가 각각 수용되는 제2 수용공간, 및 후술할 브래킷부(333)가 삽입되어 고정되는 제3 수용공간으로 구획될 수 있다.
브래킷부(333)는 하우징부(331)의 축 방향을 따라 하우징부(331)의 일 측 단부에 복수개의 체결수단을 통해 체결되어, 리액터(10)의 축 방향으로 제1 자성체(31) 및 제2 자성체(32)의 이동을 제한하고, 내측에 리액터(10)가 관통 가능한 통공이 형성될 수 있다. 또한, 브레킷부에는 복수개의 체결수단이 관통 가능한 복수개의 통공이 더 형성될 수 있다. 또한, 브래킷부(333)는 납 등과 같이 자성체의 자력을 차단할 수 있는 소재로 형성될 수 있다.
또한, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 금속성 프로브(40)를 더 포함할 수 있다.
도 12의 (a)를 참조하면, 금속성 프로브(40)는 복수개로 구비되어 제1 자성체(31) 및 제2 자성체(32)가 대향 배치된 방향에 대하여 수직되는 방향으로 대향 배치되고, 리액터(10)를 관통하여 일부가 유로의 타 측 공간(제2 유로(12))에 수용될 수 있다. 따라서, 복수개의 금속성 프로브(40)에 캐패시터 등을 연결할 경우, 고전압의 전기 에너지를 획득할 수 있다. 예컨대, 금속성 프로브(40)는 은, 구리, 알루미늄, 금, 니켈 및 동 등의 다양한 금속 소재로 형성될 수 있다.
한편, 도 12의 (b)를 참조하면, 유로의 타 측 공간(제2 유로(12))에서, 유전성 삽입물(20)의 단부와 금속성 프로브(40) 사이의 거리(D1)는 금속성 프로브(40)와 리액터(10)의 단부 사이의 거리(D2) 보다 더 길게 형성될 수 있다.
또한, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 정수부(미도시) 및 동력부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
정수부는 작동유체를 정수할 수 있다. 여기서, 작동유체는 경수, 경수와 중수의 혼합 유체, 탄화수소계 오일 등을 사용할 수 있으며, 만약 경수를 사용할 경우 비저항
Figure PCTKR2018005632-appb-I000018
이상의 범위에서 정수되는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 경수와 중수가 혼합된 혼합 유체를 작동유체로 사용할 경우, 중수를 경수 대비 0.01%에서 100% 정도로 배합하여 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 탄화수소계 오일, 또는 미네랄 오일(Mineral Oil)을 사용하는 경우, 점도가 40 이하인 것을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
동력부는 정수부에서 정수된 작동유체를 리액터(10)의 내부로 공급하기 위한 동력을 제공할 수 있다. 즉, 동력부는 동력부의 일측에 배치되는 후술할 펌프를 회전시켜, 작동유체를 리액터(10)에 미리 설정된 압력으로 전달할 수 있다.
또한, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 펌프(미도시), 저장탱크(미도시) 및 유량 조절부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
펌프는 동력부의 일 측에 배치되고, 동력부로부터 동력을 전달받아, 리액터(10)에 작동유체를 기설정된 압력으로 전달할 수 있다. 예컨대, 펌프의 구동에 따라 후술할 저장탱크에 저장된 작동유체는 저장탱크에서 펌프로 전달되고, 펌프로 전달된 작동유체는 리액터(10)로 공급될 수 있다.
저장탱크는 리액터(10) 및 후술할 온도 조절부를 통과한 작동유체를 저장하고, 펌프에 작동유체를 공급할 수 있다. 예컨대, 저장탱크의 내부에는 순환하고 유입된 작동유체의 상태를 안정화시키기 위한 격벽이 설치될 수 있다. 또한 저장탱크에는 온도 조절을 위하여 열 교환기(미도시)가 더 설치될 수 있다.
유량 조절부는 저장탱크에서 리액터(10)로 유입되는 중간에 배치되어, 리액터(10)에 유입되는 작동유체의 유량을 조절하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 유량 조절부는 펌프와 리액터(10) 사이에 배치될 수 있다.
또한, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 축압기(미도시), 유체이동부(미도시), 계측부(미도시) 및 컨트롤패널(미도시)을 더 포함할 수 있다.
축압기는 유량 조절부와 리액터(10) 사이에 설치되고, 작동유체가 일정하게 흐르지 않아 플라즈마가 순간적으로 끊어졌다가 다시 발생하는 맥동 현상을 방지할 수 있다. 예컨대, 축압기는 맥동 현상을 저감하기 위하여 2 대 이상 설치되는 것이 바람직 할 수 있다.
유체이동부는 정수부, 리액터(10) 및 저장탱크 등 상술한 각각의 장치를 서로 연결하는 배관 형태로 형성되며, 내부에 작동유체가 순환될 수 있는 유로가 형성될 수 있다. 예컨대, 유체이동부는 유전성 소재로 형성될 수 있다.
계측부는 리액터(10)의 입구, 출구 및 유체이동부 중 적어도 어느 한 곳에 배치되고, 작동유체의 압력 및 온도를 계측할 수 있다. 이를 통해, 계측된 작동유체의 압력 및 온도는 작동유체의 압력 및 온도를 제어하는 용도로 사용될 수 있다. 예컨대, 리액터(10)의 입구에서 측정된 작동유체의 온도 및 압력이 플라즈마 발생에 충분한 압력 및 온도에 이르지 못하는 경우, 펌프(미도시)를 제어하여 압력을 높일 수 있다. 그리고, 후술할 온도 조절부(미도시)에서 작동유체의 온도를 저감시키는 것을 중지 시킬 수 있다. 또한, 온도 조절부에 유입되는 유체이동부에 배치된 계측부는 작동유체의 온도를 측정하여, 리액터(10)의 내부에서 마찰열 및 플라즈마 발생에 따라 상승된 작동유체의 온도를 측정할 수 있다. 그리고, 측정된 온도는 온도 조절부에서 작동유체의 온도를 조절하는 데이터로 사용될 수 있다.
컨트롤패널은 본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 켜거나 끌 수 있는 전원장치, 및 작동유체의 압력 및 온도를 조절할 수 있는 조작장치를 포함할 수 있다. 그리고, 컨트롤패널은 상술하였던 계측부에 의해 계측되는 압력 및 온도를 표시할 수 있는 디스플레이 패널을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 수중 플라즈마 발생장치(1)는 분기관(미도시)을 더 포함할 수 있다.
분기관은 리액터(10)의 타 측에 연결되어 작동유체와 함께 이온 분리부(30)를 통해 분리된 이온들을 서로 다른 방향으로 안내할 수 있다. 예컨대, 분기관은 유전성 소재로 형성될 수 있다.
이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여 작동유체의 흐름, 작동유체의 흐름과 연계되는 각 삽입물들의 작용, 미세기포의 형성 과정 및 붕괴 과정을 설명한다.
참고로, 작동유체의 흐름, 작동유체의 흐름과 연계되는 각 삽입물들의 작용, 미세기포의 형성 과정 및 붕괴 과정을 설명하기 위한 각 구성에 대해서는 설명의 편의상 본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 설명하면서 사용한 도면부호를 동일하게 사용하고, 동일하거나 중복된 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 일 실시예에 따른 유전성 삽입물(20)을 통한 작동유체의 흐름, 작동유체의 흐름과 연계되는 각 삽입물들의 작용, 미세기포의 형성 과정 및 붕괴 과정을 설명한다.
도 3 및 도 4의 (a)를 참조하면, 리액터(10)의 제1 유로(11)를 통해 유전성 삽입물(20), 금속성 삽입물(22) 및 홀딩 삽입물(23)을 차례대로 삽입한다. 유전성 삽입물(20)을 삽입할 때에는 제3 부분(213)이 먼저 제1 유로(11)로 삽입될 수 있도록 삽입한다.
본 수중 플라즈마 발생장치(1)를 작동시키면, 고압의 작동유체가 리액터(10)의 유입구 측으로 유입된다. 이 때, 작동유체가 고압으로 유입되므로 유전성 삽입물(20), 금속성 삽입물(22) 및 홀딩 삽입물(23)을 차례대로 밀착시킨다.
작동유체는 리액터(10)의 내부로 유입되며 직선으로 관통홀을 향해 흐르는 제1 흐름(f1)과, 제1 흐름(f1)들 사이에서 와류가 형성되는 제2 흐름(f2)을 형성할 수 있다. 작동유체가 흐르는 리액터(10)의 제1 유로(11)의 직경보다 유전성 삽입물(20), 금속성 삽입물(22) 및 홀딩 삽입물(23)에 형성된 관통공(20a)의 직경이 상대적으로 매우 좁기 때문에, 홀딩 삽입물(23)의 관통공(20a) 가까이에서 관통공(20a)에 유입되지 않은 작동유체는 와류를 형성하는 제3 흐름(f3)을 가질 수 있다. 그리고, 제3 흐름(f3)은 다시 제1 흐름(f1)에 편입되어 관통공(20a) 내부로 유입될 수 있다.
관통공(20a) 내부로 유입된 작동유체는 금속성 삽입물(22), 홀딩 삽입물(23) 및 유전성 삽입물(20)의 관통공(20a) 내부에 형성된 나선형의 홈 등에 의해 와류를 형성하는 제4 흐름(f4)을 형성할 수 있다. 그리고, 관통공(20a) 내부로 유입된 작동유체는 금속성 삽입물(22)과 마찰하며 흐르게 된다. 이러한 마찰에 의해 금속성 삽입물(22)로부터 대량의 전자가 방출된다. 금속성 삽입물(22)로부터 방출된 전자의 일부는 작동유체와 함께 흘러가고, 방출된 전자의 다른 일부는 홀딩 삽입물(23)에 축적되게 된다.
관통공(20a) 내부로 유입된 작동유체는 매우 좁아진 직경 때문에 공동현상에 의해 미세기포를 형성할 수 있다. 이러한 미세기포는 관통공(20a) 내부를 지나가며 더 많이 형성된다. 또한, 형성된 미세기포는 작동유체 내에 머물며, 작동유체가 유전성 삽입물(20)의 관통공(20a)을 통과할 경우 붕괴될 수 있다. 미세기포의 붕괴와 작동유체에 대전된 전자들에 의해 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)의 관통공(20a) 및 제2 유로(12)에서 플라즈마가 주로 발생된다.
여기서, 미세기포는, 흔히 직경 50 μm 이하의 크기를 갖는 기포를 의미한다. 미세기포는 기액 계면에 의해 둘러싸여서 형성되고, 그 계면에 물의 표면 장력이 작용한다. 표면장력은 기포 내부를 압축하는 힘으로 작용할 수 있다. 환경 압력에 따른 기포 내부의 압력 상승은 이론적으로 아래의 식 1에 의해 구할 수 있다.
<식 1> ΔP = 4σ / D
여기서, ΔP는 압력 상승의 정도이며, σ는 표면 장력, D는 기포 직경이다.
Figure PCTKR2018005632-appb-I000019
<표 1>
상기 표 1을 참조하면, 직경이 약 10 μm인 미세기포는 약 0.3 기압의 내부압력을 가지며, 직경이 1 μm인 미세기포는 약 3 기압의 압력을 갖는다. 또한, 계면에는 이온 농도가 증가하게 된다. 이러한 미세기포가 붕괴(Collapse)될 때, 약 40 KHz의 초음파와 약 140 db의 높은 음압, 그리고 4000 ℃에서 6000 ℃에 이르는 순간적인 고열이 발생한다. 이러한 초음파, 높은 음압 및 순간적인 고열과 작동유체내의 부유전자로 인해 미세기포가 붕괴하면서 플라즈마가 발생된다.
오일 또는 물 등의 유체의 경우 작동유체의 주행 속도가 빨라지고 국부압력이 증기압 보다 낮아지면 작동유체가 수증기화되어 공동(cavity)이 발생한다.
통상의 기포는 수면으로 상승하여 표면에서 파열하지만, 원자나 분자의 크기에 가까운 마이크로(μm) 나노 크기가 되면 같은 물질에서도 다른 행동이나 성질을 가지게 되는데, 기포에서도 같은 현상이 있다. 50 μm(0.05 mm) 이하의 미세기포는 수중에서 축소되며 마침내 소멸하는데, 이 과정에서 핵생성(necleation), 기포 성장, 그리고 적절한 조건에서의 내파 붕괴 등 최소한 세 개의 연속적인 단계를 거친다.
이 과정에서 미세기포는 더 이상 자신을 유지하기 위해 에너지를 흡수할 수 없을 정도로 과대 성장하고 ‘급격한 붕괴’를 통해 맹렬히 내파되며, 이 붕괴 단계 동안 방출되는 온도와 압력은 갇혀 있던 기체들의 분자들이 쪼개질 정도로 엄청나게 상승하는데, 이는 ‘균일 초음파 화학’의 기초가 되는 현상이기도 하다.
또한, 미세기포는 전하를 띠고 있어 주변에 전기장에 따라 상승하면서 지그재그로 운동을 한다. 이때 미세기포 자체가 미세한 진동을 일으키는데 ‘자기 가압효과’ 에 의해 1 μsec(1/1,000,000초) 정도의 짧은 시간에서의 압축과 붕괴의 연쇄 반응을 반복한다.
또한, 자기 가압 효과는 구형의 계면을 가지는 미세기포 내부에서 표면장력이 기체를 압축하는 힘으로 인해 발생하는데, 팽창하거나 붕괴될 때 붕괴되는 기포들 내부의 강력한 압력과 온도는 핵반응을 촉발시킬 정도로 높아진다. 이때 미세기포의 내부 온도는 태양표면 온도에 필적하는 5,500 ℃까지 순간적으로 상승하며, 미세기포의 벽의 붕괴(내파) 속도는 7,000 m/sec까지 가속되며 그 충격파는 11,000 m/sec에 이르고 20,000 K ~ 30,000 K(켈빈온도)까지 도달하는 강렬한 빛을 발하는데 이것이 바로 플라즈마의 발생이다.
이러한 미세기포의 파괴력은 물 또는 다른 유체들과 관련된 일상생활에서도 잘 나타나고 있다. 예를 들어, 수중에서 프로펠러의 회전에 의해 프로펠러 또는 선체 표면에 흐르는 유체의 주행속도가 빨라지고 국부압력이 증기압보다 낮아짐에 따라 공동현상이 생기고, 이 과정에서 수많은 미세기포들이 발생되고 생성과 붕괴가 연속으로 반복이 되는데, 이 미세기포들이 붕괴할 때마다 발생하는 엄청난 에너지는 금속 프로펠러와 선체, 펌프 등의 표면을 훼손시키기 때문에 선박의 운항에 막대한 지장을 초래하고 있다. 이러한 결과를 통해 미세기포의 파괴력은 증명되고 있다.
유전성 삽입물(20)의 관통공(20a)을 통과한 작동유체는 제3 부분(213)의 전방쪽, 즉 리액터(10)의 유출구 쪽을 향해 방출되게 된다. 방출되는 작동유체의 일부는 제3 부분(213)의 표면을 따라 제2 부분(212)을 향해 역류하는 제5 흐름(f5)을 형성하고, 방출되는 작동유체의 다른 일부는 제3 부분(213)의 전방쪽으로 흘러가는 제6 흐름(f6)을 형성한다.
제5 흐름(f5)에 따른 작동유체는 제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)의 미세한 틈 사이로 흘러 들어갈 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)의 직경은 제3 유로(13)와 대응되게 형성되어, 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)과 리액터(10)의 제2 유로(12)가 서로 밀착되도록 유전성 삽입물(20)이 리액터(10)의 내부로 삽입되어야 한다. 그렇지 않을 경우, 많은 양의 작동유체가 제3 유로(13)를 통하여 역류하여 플라즈마 발생의 효율이 저하될 수 있다.
제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20) 사이로 역류한 작동유체는 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)에 형성된 포집홈(214)에 유입되게 된다. 유입된 작동유체는 포집홈(214)에 머물러 있다가, 제6 흐름(f6)이 강해지게 되면, 다시 제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20) 사이를 통해 제2 유로(12) 측으로 빠져나가면서 제6 흐름(f6)을 더욱 강화시킬 수 있다. 이때에는 포집홈(214)에 머물러 있던 작동유체에 포함된 미세기포들이 붕괴되며 플라즈마를 더욱 많이 발생시킬 수 있다.
이처럼, 포집홈(214)은 역류하는 작동유체가 머물 수 있는 공간을 제공하는 동시에 제2 유로(12)에서 발생하는 플라즈마를 강화시키는 두 가지 역할을 모두 할 수 있다.
다음으로, 다른 실시예에 따른 유전성 삽입물(20)을 통한 작동유체의 흐름, 작동유체의 흐름과 연계되는 각 삽입물들의 작용, 미세기포의 형성 과정 및 붕괴 과정을 설명한다.
도 4의 (b)에 도시된 리액터(10) 내부의 유전성 삽입물(20), 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c, 22d) 및 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)은 도 4의 (a)에 도시된 리액터(10) 내부와 비교하여 유전성 삽입물(20)의 길이, 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c, 22d) 및 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)의 개수만이 상이할 뿐, 다른 구성요소들은 실질적으로 동일하므로 중복 설명을 생략한다.
도 4의 (b)를 참조하면, 리액터(10)의 내부로 삽입된 유전성 삽입물(20)은 1개 이고, 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c, 22d)은 총 4개이며, 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)은 총 3개이다. 그러나, 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c, 22d) 및 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)의 개수는 필요에 따라 변경되어 적용될 수 있다.
유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)은 도 4의 (a)에 도시된 유전성 삽입물(20)과 비교하였을 때, 좀 더 길게 형성된다. 이는, 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212) 쪽에 제4 금속성 삽입물(22d)이 하나 더 삽입되기 때문이다. 구체적으로, 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)을 관통하며 제4 금속성 삽입물(22d)이 유전성 삽입물(20)의 전면쪽에서 먼저 삽입된다. 유전성 삽입물(20)은 전면측에 제4 금속성 삽입물(22d)이 끼워진 채로 리액터(10) 내부로 삽입된다. 따라서, 제3 부분(213)의 시작부분이 제2 유로(12)에서부터 시작될 수 있도록, 제2 부분(212)은 제4 금속성 삽입물(22d)의 두께만큼 더 길게 형성될 수 있다. 다만, 도면에 도시된 것과 달리 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)이 좀 더 길게 형성되지 않을 수도 있다.
제4 금속성 삽입물(22d)의 내경은 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)의 외경과 대응되며, 제4 금속성 삽입물(22d)의 외경은 리액터(10)의 내경에 대응된다. 제4 금속성 삽입물(22d)은 제1 유로(11)에 끼워지면서, 전면측으로는 걸림턱(14)과 접촉하고, 후면측으로는 유전체(21) 삽입물의 제1 부분(211)과 접촉한다.
제4 금속성 삽입물(22d)이 끼워진 유전성 삽입물(20)이 리액터(10) 내부로 삽입되고 난 뒤, 제4 금속성 삽입물(22d)을 제외한 제1 내지 제3 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c)과 제1 내지 제 3 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)이 차례대로 번갈아가면서 리액터(10) 내부로 삽입된다. 구체적으로, 유전성 삽입물(20), 제3 금속성 삽입물(22c), 제3 홀딩 삽입물(23c), 제2 금속성 삽입물(22b), 제2 홀딩 삽입물(23b), 제1 금속성 삽입물(22a), 제1 홀딩 삽입물(23a)이 차례대로 리액터(10) 내부로 삽입된다.
이하 작동유체의 흐름 및 작동유체의 흐름과 연계되는 각 삽입물들의 작용을 설명한다.
리액터(10)의 제1 유로(11)를 통해 상술한 바와 같이 유전성 삽입물(20), 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c, 22d) 및 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)이 삽입된 리액터(10) 내부로 고압의 작동유체가 유입된다.
작동유체는 상술한 바와 같이 유전성 삽입물(20), 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c, 22d) 및 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)에 형성된 관통공(20a)을 통해 흐르는 제1 흐름(f1)과 제1 홀딩 삽입물(23a)의 외면과 부딪혀서 와류가 형성되는 제3 흐름(f3)을 형성할 수 있다.
관통공(20a) 내부로 유입된 작동유체는 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c), 제1 내지 제3 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c) 및 유전성 삽입물(20)의 관통공(20a)에 형성된 나선형의 홈 등에 의해 와류가 되는 제4 흐름(f4)을 형성할 수 있다.
제4 흐름(f4)은 제1 홀딩 삽입물(23a), 제1 금속성 삽입물(22a), 제2 홀딩 삽입물(23b), 제2 금속성 삽입물(22b), 제3 홀딩 삽입물(23c) 및 제3 금속성 삽입물(22c)에 차례대로 접촉된다. 이에 따라, 각 금속성 삽입물(22a, 22b, 22c)로부터 대량의 전자가 작동유체로 유입되고, 방출된 전자들의 일부는 홀딩 삽입물(23a, 23b, 23c)에 축적되며, 방출된 전자들의 다른 일부는 제4 흐름(f4)과 함께 제3 부분(213)을 통해 방출된다.
제3 부분(213)의 전방쪽을 향해 방출된 작동유체의 일부는 제3 부분(213)의 표면을 따라 제2 부분(212)을 향해 역류하는 제5 흐름(f5)을 형성한다. 그리고, 제3 부분(213)의 전방쪽을 향해 방출된 작동유체의 다른 일부는 제3 부분(213)의 전방쪽으로 흐르는 제6 흐름(f6)을 형성한다.
이 때, 제5 흐름(f5)은 제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20)의 제2 부분(212)의 미세한 틈사이로 흘러 들어갈 수 있다. 제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20) 사이로 역류한 작동유체는 유전성 삽입물(20)의 포집홈(214)에 유입된다.
그리고, 포집홈(214)에 유입된 작동유체는 상술한 바와 같이 제6 흐름(f6)이 강해지게 되면, 다시 제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20) 사이를 통해 제2 유로(12) 쪽으로 빠져나갈 수 있다.
한편, 포집홈(214)에 유입된 작동유체 및 제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20)의 틈으로 역류한 작동유체는 제1 유로(11)의 내측 단부에 배치된 제4 금속성 삽입물(22d)과 접촉되며, 다시 한 번 플라즈마를 형성할 수 있다. 구체적으로, 포집홈(214)에 유입된 작동유체는 제3 유로(13)와 유전성 삽입물(20)의 틈으로 역류한 작동유체와 만나 제1 유로(11) 측까지 유입될 수 있다. 이 때, 작동유체는 제1 유로(11) 측의 내측 단부에 배치된 제4 금속성 삽입물(22d)과 접촉하며 전자를 공급받을 수 있다.
이와 같은 제4 금속성 삽입물(22d)은 제5 흐름(f5)을 통해 제1 유로(11) 쪽으로 유입된 작동유체가 유전성 삽입물(20)과 접촉하여 발생할 수 있는 유전성 삽입물(20)의 그을음 및 손상을 감소시킬 수 있다. 또한, 제4 금속성 삽입물(22d)은 역류한 제5 흐름(f5)에 전자를 공급함으로써 플라즈마 발생을 더욱 가속시킬 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치(1)로부터 플라즈마가 발생되는 모습을 나타낸 이미지이다. 참고로, 도 13은 리액터(10) 내부에서 발생되는 플라즈마가 보다 선명하게 표현되도록 하기 위해 암실 상태에서 촬영되었다.
도 4 및 도 13을 참조하면, 리액터(10) 내부에서 작동유체의 흐름에 따라 플라즈마는 발생과 소멸을 반복한다. 또한 복수의 위치에서 플라즈마가 동시에 발생할 수도 있다.
제1 플라즈마(P1)는 유전성 삽입물(20)의 포집홈(214)에 담겨 있는 작동유체에서 발생한 플라즈마이다. 앞서 언급한 바와 같이, 유전성 삽입물(20)의 단부로부터 토출된 작동유체의 일부는 포집홈(214) 측으로 역류되어 포집홈(214)에 담겨있다. 포집홈(214)에 담긴 작동유체는 포집홈(214) 내부에서 유전성 삽입물(20)의 원주 표면을 따라 회전하게 된다. 이러한 회전과정에서 제1 플라즈마(P1)가 발생될 수 있다.
제2 플라즈마(P2)는 포집홈(214) 내부에 있던 작동유체가 제3 부분(213)의 단부쪽으로 새어나오면서 발생할 수 있다. 포집홈(214) 내부에 있던 작동유체는 제3 부분(213)의 단부쪽에서 토출되는 작동유체의 흐름에 합류하여, 제3 부분(213)의 단부쪽으로 토출되는 작동유체의 흐름을 강화시킬 수 있는데 이러한 과정에서 제2 플라즈마(P2)가 발생할 수 있다. 한편, 제2 플라즈마(P2)는 포집홈(214) 내부에 있던 작동유체가 유전성 삽입물(20)의 제3 부분(213)의 외측으로 토출되는 작동유체의 흐름을 강화시킨다는 것을 보여주는 일예라고 할 수 있다.
제3 플라즈마(P3)는 유전성 삽입물(20)의 관통홀로부터 제3 부분(213)의 단부로 토출되는 작동유체에서 발생될 수 있다. 제3 플라즈마(P3)는 관통홀 내부에서부터 발생될 수도 있다. 그리고, 제3 플라즈마(P3)는 유전성 삽입물(20)을 빠져나온 직후에도 발생될 수 있다. 이러한 제3 플라즈마(P3)는 리액터(10) 내부에서 발생되는 플라즈마 중에서 주된 플라즈마라고 할 수 있다. 예컨대, 제3 플라즈마(P3)로에 캐패시터 등과 연결된 금속성 프로브(40)를 연결할 경우, 전기 에너지를 획득할 수 있다.
이처럼 본 발명의 실시예에 따르면, 내측에 작동유체가 이동 가능한 유로가 형성되는 리액터(10), 및 유로에 수용되어 유로의 일 측 공간에 공동현상을 유발하고 일 측에 유체의 흐름 시 마찰전기를 발생시키는 금속성 촉매를 구비함으로써, 리액터(10)로 유입되어 일 방향으로 이동하는 유체 내에 5 μm 크기 이하로 형성되고 음전하의 표면 전위를 띄는 미세기포를 대량으로 발생시키고, 유체와 함께 이동되는 미세기포에 동종 전하를 인가하여 척력에 의해 미세기포를 연속으로 붕괴시켜 고밀도의 플라즈마를 연속적으로 생성할 수 있다.
또한, 종래의 기체 플라즈마 발생장치와 같이 수천 내지 수만 볼트 이상의 고전압을 이용하지 않고, 실온에서 탄화수소계 오일이나, 경수(
Figure PCTKR2018005632-appb-I000020
) 또는 경수와 중수(
Figure PCTKR2018005632-appb-I000021
)가 혼합된 작동유체의 순환만으로 플라즈마를 생성할 수 있음에 따라, 기체 플라즈마에 비해 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있음은 물론, 장치의 구조를 단순화하여 비용을 절감할 수 있다.
또한, 작동유체를 일 방향으로 순환시키며 연속적으로 플라즈마를 생성할 수 있고, 플라즈마가 액상의 유체 속에 가두어진 상태로 발생됨에 따라, 음파발광(Sonoluminescence) 또는 화학발광(Chemoluminescence)을 통한 플라즈마의 생성을 배제하여 공정을 간소화 할 수 있고, 플라즈마의 손실률을 최소화 할 수 있다.
또한, 빠른 속도로 순환되는 작동유체 내에서 고밀도의 플라즈마를 발생시켜 작동유체를 이온화하고, 이온화된 작동유체가 이동되는 경로에 자기장을 형성하여 작동유체에 포함된 이온들을 전기적 극성에 따라 효율적으로 분리시킬 수 있다.
또한, 경수(
Figure PCTKR2018005632-appb-I000022
) 또는 경수와 중수(
Figure PCTKR2018005632-appb-I000023
)의 혼합물을 작동유체로 적용할 경우, 진동이완(Oscillation Relaxation) 현상의 발생 없이 이온화된 작동유체로부터
Figure PCTKR2018005632-appb-I000024
이온 및
Figure PCTKR2018005632-appb-I000025
이온을 분리할 수 있고, 나아가 분리된
Figure PCTKR2018005632-appb-I000026
이온을 수집하여 고순도의 수소를 대량 생산할 수 있다.
또한, 플라즈마가 발생되는 내부 공간으로 일부가 노출되도록 리액터(10)에 탈부착 가능한 복수개의 프로브를 구비함으로써, 프로브에 캐패시터 등을 연결할 경우, 고전압의 전기 에너지를 획득할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
본 실시예에 따른 수중 플라즈마 발생장치는 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템에 사용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 내측에 길이방향을 따라 작동유체가 통과 가능한 유로가 형성되는 리액터; 및
    상기 유로에 배치되어 상기 유로를 복수개의 공간으로 구획하고, 내측에 상기 복수개의 공간을 서로 연통시키고 상기 유로에 비해 단면의 폭이 상대적으로 작은 적어도 한 개 이상의 관통공이 형성되며, 일 측에 상기 관통공으로 유입된 상기 작동유체와 마찰되는 금속성 촉매를 구비하는 유전성 삽입물;
    을 포함하는 수중 플라즈마 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 리액터의 일 측 공간으로 유입된 상기 작동유체에는, 공동현상에 의해 음전하의 표면 전위를 띄는 미리 설정된 크기 이하의 미세기포가 발생되고,
    상기 작동유체와 함께 상기 관통공으로 유입되어 상기 금속성 촉매를 통과하는 상기 미세기포는, 상기 금속성 촉매로부터 방출되는 동종 전하로 인해 붕괴되어 플라즈마를 발생시키며,
    상기 유전성 삽입물을 통해 상기 리액터의 타 측 공간으로 이동된 상기 작동유체는 상기 플라즈마에 노출되어 이온화되는 수중 플라즈마 발생장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 리액터의 타 측 공간에 대응되는 상기 리액터의 외면에 설치되고, 상기 플라즈마를 통해 이온화된 상기 작동유체의 흐름에 자기장을 인가하여 상기 작동유체에 포함된 이온들을 전기적 극성에 따라 분리시키는 이온 분리부;
    를 더 포함하는 수중 플라즈마 발생장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 작동유체는, 비저항
    Figure PCTKR2018005632-appb-I000027
    이상의 경수(
    Figure PCTKR2018005632-appb-I000028
    ) 또는 상기 경수와 중수(
    Figure PCTKR2018005632-appb-I000029
    )가 혼합된 것이고,
    상기 이온 분리부는, 상기 작동유체로부터
    Figure PCTKR2018005632-appb-I000030
    이온 및
    Figure PCTKR2018005632-appb-I000031
    이온을 분리하는 수중 플라즈마 발생장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 이온 분리부는,
    상기 리액터의 축 방향에 대한 수직방향을 따라 상기 리액터의 일 측 외면에 설치되고, S 극성을 가지는 제1 자성체; 및
    상기 리액터의 타 측 외면에 설치되어 상기 제1 자성체에 대향 배치되고, N 극성을 가지는 제2 자성체;
    를 포함하는 수중 플라즈마 발생장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이온 분리부는,
    내측에 상기 제1 자성체 및 상기 제2 자성체를 수용하여 고정시키고, 상기 리액터의 외면에 모듈 형태로 결합 가능한 자성체 고정부; 를 더 포함하는 수중 플라즈마 발생장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 자성체 고정부는,
    내측에 상기 리액터, 상기 제1 자성체 및 상기 제2 자성체를 수용 가능한 수용공간이 형성되는 하우징부;
    상기 하우징부의 내측에 결합되어 상기 수용공간을 복수개로 구획하고, 상기 제1 자성체 및 상기 제2 자성체를 지지하여 상기 리액터의 축 방향에 대한 수직방향으로 상기 제1 자성체 및 상기 제2 자성체의 이동을 제한하는 격막부; 및
    상기 하우징부의 축 방향을 따라 상기 하우징부의 일 측 단부에 체결되어, 상기 리액터의 축 방향으로 상기 제1 자성체 및 상기 제2 자성체의 이동을 제한하고, 내측에 상기 리액터가 관통 가능한 리액터 관통공이 형성되는 브래킷부;
    를 포함하는 수중 플라즈마 발생장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 유로는,
    외부로부터 유입된 상기 작동유체가 수용되는 제1 유로;
    상기 유전성 삽입물을 통과한 상기 작동유체가 수용되는 제2 유로; 및
    상기 제1 유로 및 상기 제2 유로를 서로 연통시키고, 상기 제1 유로 및 상기 제2 유로에 비해 상대적으로 작은 내경의 크기로 형성되는 제3 유로;
    를 포함하고,
    상기 제1 유로 및 상기 제3 유로 사이에는 상기 작동유체의 이동방향을 따라 상기 유전성 삽입물이 걸려 지지되는 걸림턱이 형성되며,
    상기 제2 유로 및 상기 제3 유로 사이에는 상기 유전성 삽입물로부터 토출되어 상기 제3 유로 측으로 역류하는 상기 작동유체의 이동을 안내하는 안내면이 형성되는 수중 플라즈마 발생장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 안내면은 곡면 또는 경사면의 구조로 형성되는 수중 플라즈마 발생장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 리액터의 외측에는, 상기 리액터의 길이방향을 따라 상기 리액터의 단부로부터 미리 설정된 깊이로 함몰되어 상기 이온 분리부가 안착되고, 상기 이온 분리부의 이동을 제한하여 상기 이온 분리부를 상기 제2 유로에 대응되는 위치에 배치시키는 안착 지지홈이 형성되는 수중 플라즈마 발생장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 유로의 길이는 상기 제1 유로의 길이와 상기 제3 유로의 길이가 연결된 길이 보다 더 길게 형성되는 수중 플라즈마 발생장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제1 유로의 직경과 상기 관통공의 직경의 비율은 10:0.5 내지 10:4 중 적어도 어느 하나의 크기로 형성되는 수중 플라즈마 발생장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유전성 삽입물은,
    미리 설정된 유전율을 갖는 유전성 소재로 형성되고, 상기 제1 유로, 상기 제2 유로 및 상기 제3 유로에 걸쳐 수용되는 유전체; 및
    상기 제1 유로에 수용되고, 일면이 상기 유전체에 접촉된 상태로 상기 유전체의 전방에 배치되는 금속성 삽입물;
    을 포함하는 수중 플라즈마 발생장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 유전체는,
    상기 제1 유로에 대응되는 크기로 형성되어 상기 제1 유로에 수용되고 일면이 상기 걸림턱에 걸려 지지되는 제1 부분;
    상기 제1 부분으로부터 축 방향을 따라 미리 설정된 길이로 연장되어 상기 제3 유로에 수용되고 상기 제3 유로에 대응되는 크기로 형성되는 제2 부분; 및
    상기 제2 부분으로부터 축 방향을 따라 미리 설정된 길이로 연장되어 상기 제2 유로에 수용되고 상기 작동유체의 이동방향을 향하여 직경의 크기가 점차 감소하는 제3 부분;
    을 포함하는 수중 플라즈마 발생장치.
  15. 제5항에 있어서,
    상기 제1 자성체 및 상기 제2 자성체가 대향 배치된 방향에 대하여 수직되는 방향으로 대향 배치되고, 상기 리액터를 관통하여 일부가 상기 유로의 타 측 공간에 수용되는 금속성 프로브;를 더 포함하는 수중 플라즈마 발생장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 유로의 타 측 공간에서, 상기 유전성 삽입물의 단부와 상기 프로브 사이의 거리는 상기 프로브와 상기 리액터의 단부 사이의 거리 보다 더 길게 형성되는 수중 플라즈마 발생장치.
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