WO2020153685A1 - 열플라즈마 처리장치 - Google Patents

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WO2020153685A1
WO2020153685A1 PCT/KR2020/000924 KR2020000924W WO2020153685A1 WO 2020153685 A1 WO2020153685 A1 WO 2020153685A1 KR 2020000924 W KR2020000924 W KR 2020000924W WO 2020153685 A1 WO2020153685 A1 WO 2020153685A1
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anode
discharge gas
gas
discharge
thermal plasma
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PCT/KR2020/000924
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English (en)
French (fr)
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박현우
김우일
이계광
조임준
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엘지전자 주식회사
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    • H05H2245/00—Applications of plasma devices
    • H05H2245/10—Treatment of gases

Definitions

  • the present invention relates to a thermal plasma processing apparatus capable of efficiently using thermal plasma and securing a reaction time for thermal decomposition of a processing gas.
  • a thermal plasma is a partially ionized gas composed mainly of electrons, ions, and neutral particles (atoms and molecules) generated by arc discharge, and maintains a local thermodynamic equilibrium state. All form a high-speed jet flame with the same temperature ranging from thousands to tens of thousands of degrees.
  • a thermal plasma processing device (plasma torch, plasmatron) using electrical energy is a device that converts a large amount of heat energy that can be used for decomposition of an object to be treated.
  • Korean Registered Patent No. 967016 (application date: 2007.09.20) includes a device body part; and an electrode part including a cathode provided inside and a front anode; and an electrode part integrally provided with the device body part, respectively.
  • a body-integrated gas passage provided to supply gas to the side and a body-integrated cooling water passage provided to cool the device; And at least one of a gas twisting means and a magnet means respectively disposed around the electrode part, wherein the device body part is assembled inside the first body and the first body forming the device outer edge.
  • a first metal body portion including a housing for applying electricity while supporting the anode and a first casing fixing the anode while being assembled on one side of the first body; and assembled inside the first body and the housing.
  • An insulated body comprising an insulated first insulated body and a second insulated body composed of a second casing fixedly assembled to one side of the first body and the first insulated body; And a second body assembled on the inside of the first and second insulating bodies to be assembled and fixed to apply electricity to the cathode, and an electric applying piece assembled to the second body and fastened to the inside of the cathode.
  • a plasma torch device including a second metal body portion.
  • the gas twisting means rotates and injects discharge gas, moves the arc point to prevent electrode part wear, and the magnetic means forms a magnetic field, thereby adjusting electron flow. To improve thermal plasma discharge stability.
  • the processing gas passes through the surface of the thermal plasma jet having a relatively low temperature, thereby limiting the effect of increasing the thermal decomposition of the processing gas, and there is a problem in that the required power consumption is increased.
  • Korean Registered Patent No.1573844 protrudes in one direction and provides a first passage for receiving the electrode through an electrode and an insulating member and supplying a discharge gas between the electrode.
  • a plasma torch comprising a second housing that extends and discharges an arc flame that has burned a target material contained in the processing gas to a second discharge port.
  • the length of the arc can be extended, the arc can be rotated through a thread formed inside the second housing, and a high temperature is supplied by supplying a processing gas.
  • the heat passes through the center of the thermal plasma jet to effectively treat the process gas.
  • the rotation of the arc is induced by using the threads of the inner circumferential surface of the housing, but since the rotation of the arc does not occur smoothly, the inner circumferential surface of the housing is locally damaged by the arc, making it difficult to secure electrode life.
  • the present invention has been made to solve the problems of the prior art described above, and has an object to provide a thermal plasma processing apparatus capable of securing a thermal decomposition reaction time of a processing gas.
  • an object of the present invention is to provide a thermal plasma processing apparatus capable of uniformly rotating an arc and properly adjusting the length of the arc.
  • a thermal plasma processing apparatus an arc is generated between the negative electrode and the positive electrode, a torch portion to which the processing gas to be thermally decomposed by the arc between the negative electrode and the positive electrode is injected;
  • a power supply unit connected to the cathode and the anode and applying a high voltage between the cathode and the anode;
  • a reaction unit in communication with the torch unit and forming turbulence in the process gas passing through the torch unit.
  • the torch portion a cathode positioned at the center, and surrounding the cathode, a first positive electrode of a cylinder type having a first hole at the center, and spaced apart from the lower side of the first positive electrode and in communication with the first hole
  • the second hole may include a second anode of a cylinder type provided at the center.
  • the torch portion, the cathode is mounted at the bottom, the shaft-type cathode housing is provided with a cooling flow path in the center, and is installed to surround the first positive electrode, the supply provided in communication with the cooling flow path provided on the outer surface of the first positive electrode
  • the furnace may further include a cylindrical type first anode housing provided inside, and a cylindrical type second anode housing installed to surround the second anode, and provided with a cooling flow path between the second anode. .
  • the torch portion is provided on the upper side of the first anode, and is provided to surround the first anode housing and a first discharge gas injection unit for supplying discharge gas to an upper portion of the first hole by injecting discharge gas in a rotational direction inside.
  • It is provided between the processing gas injecting portion to inject the processing gas to be processed in the rotational direction to the upper portion of the second hole, and the processing gas injection portion and the second anode, and discharge gas in the rotational direction inside.
  • a second discharge gas injection unit to supply the injection to the upper portion of the second hole, the first and second discharge gas injection unit and the processing gas injection unit, the discharge gas and the processing gas may be configured to inject in the same rotation direction have.
  • the first discharge gas injection unit is a cylindrical shape that communicates with the first hole, penetrates the first body portion having a predetermined thickness in the radial direction, and the inner and outer peripheral surfaces of the first body portion, and the inner peripheral surface of the first body portion It may be composed of a plurality of first discharge gas inlet for injecting a discharge gas in a tangential direction to.
  • the second discharge gas injection unit is a cylindrical shape communicating with the second hole, penetrating through the inner and outer peripheral surfaces of the second body unit and the second body unit having a predetermined thickness in the radial direction, and the inner peripheral surface of the second body unit It may include a plurality of second discharge gas inlet for injecting the discharge gas in a tangential direction to, and the ring-shaped second discharge gas auxiliary inlet communicating with each other outside the second discharge gas inlet.
  • the torch unit may further include a third discharge gas injection unit provided at the lower ends of the second and second anode housings, and injecting discharge gas in a rotational direction inside to supply the lower portion of the second hole.
  • the third discharge gas injection unit a plurality of third discharge gas inlets for penetrating the inner circumferential surface of the second anode and the outer circumferential surface of the second anode housing and injecting discharge gas in a tangential direction to the inner circumferential surface of the second anode,
  • a ring-shaped third discharge gas auxiliary inlet communicating with each other outside the third discharge gas inlets may be included.
  • the torch unit may further include a first magnet unit provided around the first anode and generating a magnetic field in the same direction as the rotation direction of the discharge gas injected by the first discharge gas injection unit.
  • the torch unit may further include a second magnet unit provided around the second anode and generating a magnetic field in the same direction as the rotation direction of the discharge gas injected by the second discharge gas injection unit.
  • the power supply unit includes a negative electrode wire connecting a negative charge to the negative electrode, a first positive electrode wire connecting a positive charge to the first positive electrode, a second positive electrode wire connecting a positive charge to the second positive electrode, and the first positive electrode It is provided on the electric wire, it may include a switch for selectively energizing the negative electrode and the first positive electrode.
  • the reaction unit is provided on the lower side of the second anode, a reaction chamber provided with a long discharge passage in an axial direction in communication with the second hole, and provided on the upper reaction chamber, and injecting a protective gas inside to discharge It may include a first protective gas injection unit for supplying the upper portion of the flow path, and a second protective gas injection unit provided in the lower portion of the reaction chamber to inject protective gas inside to remove foreign substances accumulated in the lower portion of the discharge flow path. .
  • the reaction chamber includes a cylinder type inner housing provided with at least one or more bottlenecks having a smaller diameter of the discharge channel, and a double tube type outer housing provided to surround the inner housing and provided with a cooling channel therein. can do.
  • the inner housing may be made of an insulating ceramic.
  • the first and second protective gas injection units may supply one of nitrogen (N 2 ), argon (Ar), air (Air), and oxygen (O 2 ) as a protective gas.
  • the first protective gas injection part a plurality of first protective gas inlet for penetrating the upper inner / outer peripheral surface of the reaction chamber and injecting a protective gas in a tangential direction to the inner peripheral surface of the reaction chamber, and the first protective gas injection port
  • a ring-shaped first protective gas auxiliary inlet communicating with each other outside the field may be included.
  • the second protective gas injection unit a plurality of second protective gas inlet for penetrating the lower inner / outer peripheral surface of the reaction chamber, and injecting the protective gas in a direction perpendicular to the inner peripheral surface of the reaction chamber, and the second protective gas injection port
  • a ring-shaped second protective gas auxiliary inlet communicating with each other outside the field may be included.
  • the second protective gas inlet may be provided to be inclined downward toward the discharge direction of the discharge flow path from the outer circumferential surface to the inner circumferential surface of the reaction chamber.
  • a reaction unit is provided below the torch unit.
  • the reaction portion can induce turbulent flow of the treatment gas to increase the reaction time, promote thermal decomposition, and improve treatment efficiency and energy efficiency. Can be improved.
  • the torch portion is provided with a first discharge gas injection portion on the upper side of the first anode, a processing gas injection portion is provided to surround the first electrode on the upper side of the second anode, and a second discharge gas injection portion is provided on the upper side of the second anode.
  • the discharge gas injected by the first and second discharge gas injection units smoothly forms the rotation of the arc formed inside the first and second anodes, thereby increasing the service life of peripheral components.
  • the discharge gas injected by the first and second discharge gas injection units moves or extends the first arc to the second arc inside the second anode to increase the length of the arc, so that the process gas contacts the center of the arc at a high temperature. It is possible to increase the thermal decomposition performance and reduce the power consumption required to decompose the processing gas.
  • the torch portion is provided with a third discharge gas injection portion under the second anode.
  • the power supply unit is connected to the negative electrode, the first positive electrode and the second positive electrode, and a switch is provided on the electric wire connected to the first positive electrode.
  • the switch when the initial start-up, the switch is turned on, and then the switch is turned off, whereby the first arc is easily generated between the cathode and the first anode, which are installed in close proximity, and then the first arc is used to relatively wide the gap.
  • the generation of the second arc can be stably induced between the installed cathode and the second anode, and plasma discharge stability can be improved.
  • FIG. 1 is a front sectional view showing a thermal plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a front sectional view showing an example of a torch unit and a power supply unit applied to the thermal plasma processing apparatus of the present invention.
  • 3A and 3B are front cross-sectional views and flat cross-sectional views showing an example of a first discharge gas injection unit applied to FIG. 2.
  • FIG. 4A and 4B are front cross-sectional and cross-sectional views showing an example of the processing gas injection unit applied to FIG. 2.
  • 5A and 5B are front cross-sectional and cross-sectional views showing an example of the second discharge gas injection unit applied to FIG. 2.
  • 6A and 6B are cross-sectional front and cross-sectional views showing an example of a third discharge gas injection unit applied to FIG. 2.
  • FIG. 7A and 7B are cross-sectional views of the first and second embodiments of the magnet unit applied to FIG. 2.
  • FIG. 8 is a front sectional view showing an example of a reaction unit applied to the thermal plasma processing apparatus of the present invention.
  • FIGS. 9A to 9C are front cross-sectional views showing various examples of the inner housing applied to FIG. 8.
  • FIG. 10A and 10B are front cross-sectional and cross-sectional views showing an example of a first protective gas injection unit applied to FIG. 8.
  • 11A and 11B are front sectional views and plan sectional views showing an example of a second protective gas injection unit applied to FIG. 8.
  • FIG. 12 to 14 is a front sectional view showing an operating state of the thermal plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a front sectional view showing a thermal plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the thermal plasma processing apparatus includes a torch unit 100 for thermally decomposing process gas by an arc, a power supply unit 200 for applying high voltage to electrodes on the side of the torch unit 100, It may be composed of a reaction unit 300 to promote thermal decomposition of the processing gas passing through the torch unit 100.
  • the torch unit 100 and the reaction unit 300 are in communication with each other, and the processing gas may be supplied into the torch unit 100 and then discharged through the reaction unit 300.
  • the torch unit 100 and the reaction unit 300 are configured as one system, but the reaction unit 300 may be configured to be detachably attached to the torch unit 100.
  • FIG. 2 is a front sectional view showing an example of a torch portion and a power supply unit applied to the thermal plasma processing apparatus of the present invention.
  • the torch unit 100 includes a cathode 110, a first anode 120, a second anode 130, a first discharge gas injection unit 140, a process gas injection unit 150, and a second It includes a discharge gas injection unit 160, a third discharge gas injection unit 170, and the first and second magnet units M1 and M2.
  • the cathode 110 is formed of a rod type located at the center, and may be made of a tungsten (W) material containing thorium (Th), which may be subjected to high voltage, but is not limited.
  • W tungsten
  • Th thorium
  • the negative electrode 110 having such a configuration is mounted on the lower end of the axial-shaped negative electrode housing 110A, and a negative electrode cooling passage 110B through which cooling water circulates along the axial direction of the negative electrode housing 110A may be provided.
  • the first positive electrode 120 is composed of a cylinder type in which the first hole 120h surrounding the negative electrode 110 is located at the center, and a copper (Cu) or tungsten (W) material capable of generating an arc when a high voltage is applied It may be composed of, but is not limited to.
  • the first positive electrode 120 includes a negative electrode receiving portion 121 surrounding the negative electrode 110 and a first arc generating portion 122 continuously and electrically generating a first arc under the negative electrode receiving portion 121. ).
  • the diameter of the first hole 120h gradually decreases toward the lower side of the cathode accommodating part 121, and may be uniformly configured in the first arc generating part 122. In addition, it may be configured to maintain a minimum gap between the cathode 110 and the cathode accommodating portion 121 to facilitate arc generation between the cathode 110 and the first anode 120.
  • the discharge gas passes through the first hole 120h of the first positive electrode 120, the speed increases as it is pressed while passing between the negative electrode receiving portion 121 and the first arc generating portion 122.
  • the discharge gas having a faster speed may move the first arc generated inside the first anode 120 to the inside of the second anode 130, and the arc or the second anode moved to the second anode 130.
  • the arc generated inside is referred to as a second arc.
  • the first positive electrode 120 having such a configuration is mounted on the inner circumferential surface of the first positive electrode housing 120A having a cylindrical shape, and the first positive electrode cooling channel 120B through which cooling water can circulate is provided in the first positive electrode housing 120A.
  • a cooling groove 123 communicating with the first anode cooling passage 120B may be formed along the outer circumferential surface of the first anode 120.
  • the second anode 130 is spaced below the first anode 120 and may be configured as a cylinder type in which a second hole 130h that can communicate with the first hole 120h is located at the center. It may be configured to be larger than the anode 120, and may be formed of a material that may be subjected to high voltage, similar to the first anode 120.
  • the diameter of the second hole 130h is configured to be larger than the diameter of the first hole 120h.
  • the second arc formed inside the second hole 130h is induced so as not to be transferred to the first hole 120h.
  • the first arc formed inside the first hole (120h) can be stably moved or extended to the inside of the second hole (130h).
  • the length of the second hole 130h is longer than the length of the first hole 120h, and the second arc formed inside the second hole 130h may be configured to thermally decompose the processing gas.
  • the second anode 130 having such a configuration is mounted on the inner circumferential surface of the second anode housing 130A having a cylindrical shape, and a second anode cooling channel 130B through which cooling water can circulate is provided inside the second anode housing 130A. Can be.
  • first discharge gas injection unit 140 and the processing gas injection unit 150 and the second and third discharge gas injection units 160 and 170 included in the torch unit 100 will be described in detail below. .
  • the negative electrode housing 110A and the first and second positive electrode housings 120A and 130A may be made of a metal material, and the high voltage is applied to the negative electrode 110 and the first and second positive electrodes 120 and 130 by the power supply unit 200.
  • the cathode housing 110A and the first and second cathode housings 120A and 130A may also flow current.
  • the negative electrode housing 110A and the first and second positive electrode housings 120A and 130A must be connected with an insulating member I therebetween to insulate from other surrounding components.
  • the power supply unit 200 is a device capable of supplying DC power, and is configured to energize the negative electrode 110 and the first positive electrode 120 or energize the negative electrode 110 and the second positive electrode 120.
  • the power supply unit 200 includes a negative electrode wire 210 connecting negative charges to the negative electrode 110, a first positive electrode wire 220 connecting positive charges to the first positive electrode 120, and a second positive electrode 130 ) May further include a second positive electrode wire 230 connecting positive charges to the switch, and a switch 240 provided on the first positive electrode wire 220.
  • the switch 240 When the switch 240 is temporarily turned on during the initial start-up, the first arc is generated inside the first anode 120 as the cathode 110 and the first anode 120 are energized, and the cathode and the second anode are also It can maintain the energized state.
  • the gap between the negative electrode 110 and the second positive electrode 130 is somewhat large, it is not easy to generate a second arc between the negative electrode and the second positive electrode 130, but the second arc is caused by the first arc. It can be easily derived.
  • 3A and 3B are front cross-sectional views and flat cross-sectional views showing an example of a first discharge gas injection unit applied to FIG. 2.
  • the first discharge gas injection unit 140 is to supply a discharge gas for forming a plasma inside the first positive electrode 120, is provided on the upper side of the first positive electrode 120, the discharge gas is the first of the first positive electrode It may be configured to supply in the rotational direction inside the hole (120h).
  • the first discharge gas injection unit 140 may be made of an insulating material, and the discharge gas injected into the first discharge gas injection unit 140 is nitrogen (N 2 ), argon (Ar), air (Air), oxygen It may be composed of a gas such as (O 2 ), hydrogen (H 2 ).
  • the first discharge gas injection unit 140 is a cylindrical first body portion 141 and a plurality of first injection holes 141h that horizontally penetrate the inner/outer circumferential surfaces of the first body portion 141. Can be configured.
  • the first body portion 141 is a cylindrical shape in communication with the upper side of the first hole 120h of the first anode, and may be configured to have a predetermined width in the height direction as well as a predetermined width in the radial direction.
  • the first injection hole 141h may be configured to inject discharge gas to rotate clockwise or counterclockwise along the inner circumferential surface of the first body portion 141.
  • the first inlet 141h is formed in a tangential direction with respect to the inner circumferential surface of the first body portion 141, and four can be provided at regular intervals in the circumferential direction, but is not limited.
  • the discharge gas when the discharge gas is supplied in the rotational direction along the inner circumferential surface of the first anode 120 by the first discharge gas injection unit 140, the discharge gas may be generated as a thermal plasma by the first arc.
  • the first arc is moved or extended to the second arc along the flow direction of the discharge gas, so that the entire length of the arc can be configured.
  • 4A and 4B are front sectional views and flat sectional views showing an example of the process gas injection unit applied to FIG. 2.
  • the processing gas injection unit 150 is for supplying a processing gas to be thermally decomposed and a reaction gas chemically reacting therewith, and is provided on the upper side of the second anode 130 to surround the first anode 120 and the processing gas And it may be configured to supply the reaction gas in the rotational direction inside the second hole (130h) of the second anode.
  • the gas to be treated is a greenhouse gas and a noxious gas, and may be an N 2 gas in which PFCs gas (CF 4 , SF 6 , C 2 F 6 , NF 3, etc.) is mixed, and the reaction gas is May be air (Air), steam (H 2 O), oxygen (O 2 ), hydrogen (H 2 ), or the like, capable of decomposing the treatment gas by chemically reacting with the treatment gas as described above, and is not limited.
  • PFCs gas CF 4 , SF 6 , C 2 F 6 , NF 3, etc.
  • the reaction gas May be air (Air), steam (H 2 O), oxygen (O 2 ), hydrogen (H 2 ), or the like, capable of decomposing the treatment gas by chemically reacting with the treatment gas as described above, and is not limited.
  • the processing gas injection unit 150 is a cylindrical body portion 151 and a plurality of injection pipes 152 horizontally provided outside the body portion 151 so as to communicate with the inside of the body portion 151. Can be configured.
  • the body portion 151 is a large cylindrical shape surrounding the first anode 120 and the first discharge gas injection unit 140, and may be communicated to an upper side of the second hole 130h of the second anode.
  • the injection pipe 152 may be configured to inject process gas and reaction gas in a clockwise or counterclockwise direction along the inner circumferential surface of the body portion 151.
  • the injection pipe 152 is provided in a tangential direction with respect to the inner circumferential surface of the body portion 151, and four may be provided at regular intervals in the circumferential direction, but is not limited.
  • the rotation direction of the processing gas injected by the injection pipe 151 matches the rotation direction of the discharge gas injected by the first injection hole 141h described above. It is preferably configured.
  • the processing gas when the processing gas is supplied from the upper side of the arc, if the length of the arc is short, the processing gas comes into contact with the surface of the arc having a relatively low temperature.
  • the length of the entire arc combined with the lengths of the first and second arcs may be increased by the discharge gas supplied by the first discharge gas injection unit 140 and the second discharge gas injection unit 160, , The length of the arc may also be increased by the treatment gas supplied from the treatment gas injection unit 150.
  • the processing gas when the processing gas is supplied by the processing gas injection unit 150 in the rotational direction from the upper side of the second anode 130, the processing gas comes into contact with the center of the second arc having a relatively high temperature, and Pyrolysis performance can be improved.
  • 5A and 5B are front cross-sectional views and flat cross-sectional views showing an example of a second discharge gas injection unit applied to FIG. 2.
  • the second discharge gas injection unit 160 is to supply a discharge gas for the rotational drive of the second arc formed inside the second anode 130, is provided on the second anode 130, and the discharge gas to the second It may be configured to supply in the rotational direction inside the second hole 130h of the anode.
  • the discharge gas injected into the second discharge gas injection unit 160 is also a gas such as nitrogen (N 2 ), argon (Ar) or a gas such as air (Air), oxygen (O 2) , hydrogen (H 2 ) It may be composed of, but is not limited to.
  • the second discharge gas injection unit 160 is configured in the same way as the first discharge gas injection unit 140, the cylindrical shape of the second body portion 161 and the second body portion 161 made of an insulating material It may be composed of a plurality of second inlet 161h horizontally penetrating the inner / outer peripheral surface.
  • the second inlet 161h is formed in a tangential direction with respect to the inner circumferential surface of the second body portion 161, and eight can be provided at regular intervals in the circumferential direction, but is not limited.
  • the second injection port 161h is configured to inject discharge gas in the same rotational direction as the first injection port 141h.
  • the ring-shaped auxiliary inlets 162h communicating with each other outside the second inlets 161h are provided in the second anode housing 130B or , A communication hole 163h for injecting discharge gas into the auxiliary injection hole 162h from the outside may also be provided in the second anode housing 130B, but is not limited.
  • the discharge gas when the discharge gas is supplied in the rotational direction along the inner circumferential surface of the second anode 130 by the second discharge gas injection unit 160, the discharge gas induces effective rotational driving by the second arc, and heats at high temperature. Let the plasma thermally decompose the process gas. Of course, it is possible to prevent the inner circumferential surface of the second anode 130 from being damaged by the second arc from by-products generated when the processing gas is decomposed due to the flow direction of the discharge gas.
  • 6A and 6B are front cross-sectional views and flat cross-sectional views showing an example of a third discharge gas injection unit applied to FIG. 2.
  • the third discharge gas injection unit 170 is for forming a flow of discharge gas that can restrain the length of the arc, and is provided below the second anode 130 and discharge gas is provided in the second hole of the second anode ( 130h) is configured to supply in the rotational direction to the lower side.
  • the discharge gas injected into the third discharge gas injection unit 170 is also composed of gas such as nitrogen (N 2 ), argon (Ar), or gas such as air (Air), oxygen (O 2 ), hydrogen (H 2 ). It can be, but is not limited to.
  • the third discharge gas injection unit 170 may be configured as a third injection hole 171h that horizontally penetrates the lower inner/outer peripheral surface of the second anode 130.
  • the third inlet 171h is formed in a tangential direction with respect to the inner circumferential surface of the second anode 130, and eight may be provided at regular intervals in the circumferential direction, but is not limited.
  • the third injection port 171h is also configured to inject discharge gas in the same rotational direction as the first and second injection ports 141h and 161h.
  • a second anode housing (173h) is provided with a ring-shaped auxiliary inlet 172h communicating with each other outside the third inlet 171h and a communication hole 173h for injecting discharge gas into the auxiliary inlet 162h from the outside. 130A), but is not limited thereto.
  • FIG. 7A and 7B are plan cross-sectional views showing first and second embodiments of the magnet unit applied to FIG. 2.
  • the magnet parts M1 and M2 form a magnetic field around the arc to assist the rotation of the arc.
  • the magnet parts M1 and M2 are mounted on the outer circumferential surface of the first positive electrode 120 and the second positive electrode 130. It may be composed of a second magnet portion (M2) mounted on the outer peripheral surface.
  • the magnet parts M1 and M2 are composed of a cylindrical permanent magnet surrounding the electrodes 120 and 130, and the N-pole part N and the S-pole part N are superimposed so that the inner and outer parts have different polarities. Can be.
  • the shapes of the magnet parts M1 and M2 may be differently configured according to the shapes of the electrodes 120 and 130.
  • the S-pole portion S is mounted to surround the electrode, and the N-pole portion N is mounted to surround the S-pole portion S, thereby processing gas
  • a magnetic field may be formed in a counterclockwise direction, which is a flow direction of.
  • the N-pole portion N is mounted to surround the electrode, and the S-pole portion S is mounted to surround the N-pole portion N, thereby A magnetic field can be formed in a clockwise direction, which is a flow direction.
  • the thermal decomposition performance can be improved, and the thermal plasma jet formed by the arc is eccentric.
  • the thermal plasma jet formed by the arc is eccentric.
  • FIG. 8 is a front sectional view showing an example of a reaction unit applied to the thermal plasma processing apparatus of the present invention.
  • the reaction unit 300 includes a reaction chamber 310, a first protective gas injection unit 320, and a second protective gas injection unit 330.
  • the reaction chamber 310 communicates with the second hole 130h (shown in FIG. 2) of the second anode where the process gas is thermally decomposed by the second arc on the side of the torch 200 (shown in FIG. 2) described above.
  • a long discharge direction 310h in the axial direction is provided at the center.
  • the reaction chamber 310 includes an inner housing 311 having at least one or more bottlenecks 311A having a smaller diameter of the discharge passage 310h, and a cold housing to cool the inner housing 311. It may be composed of an outer housing 312 provided to surround the (311).
  • the inner housing 311 is in the form of a cylinder, and the bottle neck portion 311A includes a heat insulating material 311a provided on an inner circumferential surface and a housing 311b provided to surround the outside of the heat insulating material 311a.
  • the heat insulating material 311a may be made of a ceramic that can withstand the high temperature environment.
  • the outer housing 312 is in the form of a double tube 312a, and a cooling passage 312b is provided inside the double tube 312a.
  • the discharge passage 310h can be maintained at a high temperature by the inner housing 311, and the insulating material on the inner housing 311 side can be effectively cooled by the outer housing 312.
  • FIG. 9A to 9C are front sectional views showing various examples of the inner housing applied to FIG. 8.
  • a plurality of bottle neck portions 311A, 311B, and 311C may be provided in the discharge direction of the processing gas inside the inner housing 311.
  • the diameter D2 of the bottlenecks 311A, 311B, 311C is smaller than the diameter D1 of the inner housing 311, and may be configured to gradually decrease in diameter in consideration of the flow of the processing gas.
  • the bottlenecks 311A, 311B, and 311C having such a configuration generate turbulence during the flow of the processing gas passing through the reaction chamber 310 (shown in FIG. 8), induce mixing of the processing gas, and the processing gas generates a reaction chamber ( 310: By delaying the time it takes to exit (shown in FIG. 8), it is possible to promote thermal decomposition of the processing gas.
  • the thermal decomposition of the processing gas may be further promoted, but the number of bottlenecks 311A, 311B, 311C may be appropriately adjusted in consideration of flow resistance. .
  • 10A and 10B are front cross-sectional views and flat cross-sectional views showing an example of a first protective gas injection unit applied to FIG. 8.
  • the first protective gas injection unit 320 is for forming a protective gas region along the inner circumferential surface of the reaction chamber 310 (shown in FIG. 8) by injecting a protective gas therein, and the reaction chamber 310 (shown in FIG. 8) upper side It is provided in, it may be configured to inject the protective gas in the rotational direction inside the reaction chamber 310 (shown in FIG. 8).
  • the protective gas injected into the first protective gas injection unit 320 may be composed of a gas such as nitrogen (N 2 ) or argon (Ar) or a gas such as air (Air) or oxygen (O 2 ). However, it is not limited.
  • the first protective gas injection unit 320 may be configured as a first protective gas injection hole 321h that horizontally penetrates the upper portion of the reaction chamber 310 (shown in FIG. 8 ).
  • an insulating member I is mounted between the torch portion 100 (shown in FIG. 1) and the reaction chamber 310 (shown in FIG. 8), and a first discharge gas injection port (in the insulating member I) 321h) may be provided, the first protective gas inlet 321h is formed in a tangential direction with respect to the inner circumferential surface of the reaction chamber 310 (shown in FIG. 8), and eight may be provided at regular intervals in the circumferential direction. , Is not limited.
  • the protective gas is also injected in the same rotational direction in consideration of the flow of the discharge gas and the processing gas on the side of the torch unit 100 (shown in FIG. 1 ).
  • the ring-shaped auxiliary inlets 322h communicating with each other outside the first protective gas inlets 321h may be provided, and externally.
  • a communication hole 323h for injecting a protective gas may be provided, but is not limited thereto.
  • 11A and 11B are front cross-sectional views and flat cross-sectional views showing an example of a second protective gas injection unit applied to FIG. 8.
  • the second protective gas injection unit 330 is for discharging foreign substances accumulated in the lower side of the reaction chamber 310 (shown in FIG. 8) by injecting a protective gas inside, and is provided under the reaction chamber 310 (shown in FIG. 8 ). It can be configured to inject the protective gas in the orthogonal direction inside the reaction chamber 310 (shown in FIG. 8 ).
  • the protective gas injected into the second protective gas injection unit 330 may be composed of a gas such as nitrogen (N 2 ) or argon (Ar) or a gas such as air (Air) or oxygen (O 2 ). However, it is not limited.
  • the second discharge gas injector 330 may be configured as a second protective gas inlet 331h penetrating the lower part of the reaction chamber 310 (shown in FIG. 8) at an angle, and an outlet of the second protective gas inlet 331h May be located at the bottom of the inner circumferential surface of the reaction chamber 310 (shown in FIG. 8).
  • the outer housing 312 is configured to form a reaction chamber 310 (shown in FIG. 8) in a form surrounding the lower portion of the inner housing 311 (shown in FIG. 8 ), and the second under the outer housing 312.
  • a protective gas inlet 331h may be provided.
  • the second protective gas inlet 331h is formed in an orthogonal direction with respect to the inner circumferential surface of the reaction chamber 310 (shown in FIG. 8), and may be provided with eight at regular intervals in the circumferential direction, but is not limited.
  • the ring-shaped auxiliary inlets 332h communicating with each other outside the second protective gas inlets 331h may be provided, and externally.
  • a communication hole (333h) for injecting a protective gas may be provided, but is not limited.
  • the reaction chamber 310 (shown in FIG. 1) is lowered. It is possible to discharge foreign substances accumulated in the outside, it is possible to prevent the discharge port of the reaction chamber 310 (shown in Figure 1) is blocked.
  • FIG 12 to 14 are front cross-sectional views showing an operating state of the thermal plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the negative electrode 110 and the first positive electrode 120 are also energized while the negative electrode 110 and the second positive electrode 130 are energized.
  • a first arc is generated between the cathode 110 and the first anode 120 that are close to each other, and the first arc can be moved to the second arc even between the cathode 110 and the second anode 130 positioned somewhat farther apart. .
  • the second arc may be continuously generated, and as the power supply to the first anode 120 is cut off, the second arc can be prevented from moving to the first arc.
  • first and second arcs are generated in the torch portion, and at the same time, discharge gas and treatment gas are injected, thermal decomposition of the treatment gas is performed.
  • the discharge gas When the discharge gas is injected to the upper side of the first anode 120 through the first discharge gas injection unit 140, the discharge gas contacts the first arc to form a thermal plasma jet, and rotates and moves downward. Accordingly, the flow of the discharge gas formed inside the first anode 120 may extend or move the first arc to the inside of the second anode 130.
  • the discharge gas When the discharge gas is injected to the upper side of the second anode 130 through the second discharge gas injection unit 160, the discharge gas contacts the second arc to form a thermal plasma jet, and rotates and moves downward.
  • the processing gas is not only in contact with the arc for a long time, but also about It is allowed to pass through the center of the arc at 10000°C, and the thermal decomposition performance of the processing gas can be further increased.
  • the horizontal flow of the discharge gas blocks the vertical flow of the second arc, thereby controlling the length of the second arc. In addition, it is possible to prevent exposure to the reaction chamber 310.
  • the process gas thermally decomposed in the torch portion as described above is introduced into the reaction chamber 310 as shown in FIG. 14 and while passing through the reaction chamber 310, the process gas secures a reaction time under high temperature to perform thermal decomposition. Can promote.
  • the protective gas when the protective gas is injected into the upper side of the reaction chamber 310 through the first protective gas injection unit 320, the protective gas forms a protective gas region on the inner circumferential surface of the reaction chamber 310, and the corrosive gas is a protective gas region.
  • the corrosive gas is a protective gas region.
  • the protective gas when the protective gas is injected to the lower side of the reaction chamber 310 through the second protective gas injection unit 330, the foreign material accumulated in the lower portion of the reaction chamber 310 can be effectively discharged to the outside, and the reaction chamber The blockage of 310 can be prevented.
  • This embodiment can be applied to a thermal plasma treatment apparatus for thermally decomposing and treating a treated gas such as harmful gas and greenhouse gas.

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Abstract

본 발명은 열플라즈마를 효율적으로 이용할 수 있고, 처리가스의 열분해를 위한 반응시간을 확보할 수 있는 열플라즈마 처리장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치는, 음극과 양극 사이에 아크가 발생되고, 상기 음극과 양극 사이에 아크에 의해 열 분해될 처리가스가 주입되는 토치부; 상기 음극과 양극에 연결되고, 상기 음극과 양극 사이에 고전압을 인가하는 전원공급부; 및 상기 토치부와 연통되고, 상기 토치부를 통과한 처리가스에 난류를 형성시키는 반응부;를 포함한다.

Description

열플라즈마 처리장치
본 발명은 열플라즈마를 효율적으로 이용할 수 있고, 처리가스의 열분해를 위한 반응시간을 확보할 수 있는 열플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
일반적으로, 열플라즈마(Thermal plasma)는 주로 아크 방전에 의해 발생시킨 전자, 이온, 중성입자(원자 및 분자)로 구성된 부분 이온화된 기체로서, 국소열평형(Local Thermodynamic Equilibrium) 상태를 유지하여 구성 입자가 모두 수천에서 수만도에 이르는 같은 온도를 갖는 고속의 제트 불꽃 형태를 이루고 있다.
이렇게 고온, 고열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는 열플라즈마의 특성을 이용하여, 여러 산업분야에서 첨단기술에 활용되고 있다.
최근 특정 산업폐기물의 환경오염이 사회적 문제로 대두되면서, 반도체/디스플레이 등 전자산업에서 배출되는 유해가스 및 온실가스 제거를 목적으로 열플라즈마를 이용한 처리기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
전기 에너지를 이용한 열플라즈마(thermal plasma) 처리장치(plasma torch, plasmatron)는 처리 대상물의 분해 등에 사용할 수 있는 다량의 열에너지로 전환시키는 장치이다.
고온의 열플라즈마 발생은 가스 이온화를 위한 충분한 에너지가 두 개의 전극에 공급되면, 두 개의 전극에서 전기적으로 아크가 발생되고, 방전가스를 고온의 아크 사이에 통과시키면, 방전가스가 플라즈마 상태로 전이되면서 열플라즈마 제트를 발생시킨다.
한국등록특허 제967016호(출원일 : 2007.09.20)에는 장치 바디부;와, 그 내측에 구비되는 캐소드와 전방의 애노드를 포함하는 전극부;와, 상기 장치 바디부에 각각 일체로 구비되고 전극부 측에 가스를 공급토록 제공된 바디 일체형 가스통로와 장치를 냉각토록 제공된 바디 일체형 냉각수통로; 및, 상기 전극부 주변에 각각 배치되는 가스 트위스팅 수단과, 자석수단 중 적어도 어느 하나;를 포함하고, 상기 장치 바디부는, 장치외연을 형성하는 제1 바디와 상기 제1 바디의 내측에 조립되되 애노드를 지지하면서 전기를 인가하는 하우징 및, 상기 제1 바디의 일측에 조립되면서 애노드를 고정하는 제1 케이싱을 포함하는 제1 금속바디부;와, 상기 제1 바디와 하우징에 걸쳐서 그 내측에 조립되는 제1 절연바디 및, 상기 제1 바디와 제1 절연바디의 일측에 고정 조립되는 제2 케이싱으로 구성되는 제2 절연바디를 포함하여 조립 구성된 절연바디부; 및, 상기 제1,2 절연바디에 걸쳐서 그 내측에 조립되되 캐소드에 전기를 인가토록 조립 고정되는 제2 바디 및, 상기 제2 바디와 조립되되 상기 캐소드의 내측에 체결되는 전기인가편을 포함하는 제2 금속바디부;를 포함하여 조립 구성될 수 있는 플라즈마 토치장치가 개시된다.
상기와 같이, 상기 전극부가 아크를 형성하면, 상기 가스 트위스팅 수단이 방전가스를 회전 주입함으로, 아크점을 이동시켜 전극부 마모를 방지하고, 상기 자석수단이 자기장을 형성함으로, 전자 흐름을 조정하여 열플라즈마 방전 안정성을 향상시킨다.
그러나, 상기의 종래 기술에 따르면, 처리 가스를 고온의 열플라즈마 제트 내부로 공급하기 위한 별도의 구조가 적용되지 않고, 음극과 양극으로 구성된 전극부가 적용됨에 따라 아크의 길이가 한정된다.
따라서, 처리 가스를 공급하는 구조가 적용되더라도 처리 가스가 상대적으로 온도가 낮은 열플라즈마 제트의 표면 지나게 됨으로, 처리 가스의 열분해 효과를 높이는데 한계가 있고, 요구되는 소비 전력이 높아지는 문제점이 있다.
한국등록특허 제1573844호(출원일 : 2013.11.11)에는 일 방향으로 돌출되고 전압이 인가되는 전극, 절연부재를 개재하여 상기 전극을 수용하고 상기 전극과의 사이에 방전기체를 공급하는 제1통로를 형성하며, 1차로 접지되어 생성되는 아크를 제1토출구로 토출하는 제1하우징, 및 상기 제1하우징의 선단을 수용하여 처리기체를 공급하는 제2통로를 형성하고, 2차로 접지되어 상기 아크를 연장하여 상기 처리기체에 포함된 처리 대상물질을 연소시킨 아크 화염을 제2토출구로 토출하는 제2하우징을 포함하는 플라즈마 토치가 개시된다.
상기와 같이, 상기 제1하우징과 제2하우징에서 아크가 형성됨으로, 아크의 길이를 연장시킬 수 있고, 상기 제2하우징 내측에 형성된 나사선을 통하여 아크를 회전시킬 수 있으며, 처리가스를 공급하여 고온의 열플라즈마 제트 중심부를 통과하여 처리가스를 효과적으로 처리한다.
그러나, 상기의 종래 기술에 따르면, 아크의 길이를 길게 하는데 한계가 있다. 또한, 처리기체가 고온의 아크를 통과한 다음, 바로 대기 중으로 방출되기 때문에 처리기체가 단열된 공간에서 충분히 열 분해될 수 있는 반응시간을 확보하기 어렵다.
또한, 종래 기술에 따르면, 하우징 내주면의 나사산을 이용하여 아크의 회전을 유도하지만, 아크의 회전이 원활하게 일어나지 않기 때문에 아크에 의해 하우징의 내주면이 국부적으로 손상되어 전극 수명을 확보하기 어렵다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 처리가스의 열 분해 반응시간을 확보할 수 있는 열플라즈마 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 아크를 균일하게 회전시키고, 아크의 길이를 적절하게 조절할 수 있는 열플라즈마 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치는, 음극과 양극 사이에 아크가 발생되고, 상기 음극과 양극 사이에 아크에 의해 열 분해될 처리가스가 주입되는 토치부; 상기 음극과 양극에 연결되고, 상기 음극과 양극 사이에 고전압을 인가하는 전원공급부; 및 상기 토치부와 연통되고, 상기 토치부를 통과한 처리가스에 난류를 형성시키는 반응부;를 포함한다.
상기 토치부는, 중심에 위치된 음극과, 상기 음극 둘레를 감싸고, 제1홀이 중심에 구비된 실린더 타입의 제1양극과, 상기 제1양극 하측에 이격되고, 상기 제1홀과 연통된 제2홀이 중심에 구비된 실린더 타입의 제2양극을 포함할 수 있다.
상기 토치부는, 상기 음극이 최하단에 장착되고, 냉각 유로가 중심에 구비되는 축 타입의 음극 하우징과, 상기 제1양극을 감싸도록 설치되고, 상기 제1양극 외주면에 구비된 냉각 유로와 연통되는 공급로가 내부에 구비되는 원통 타입의 제1양극 하우징과, 상기 제2양극을 감싸도록 설치되고, 상기 제2양극과 사이에 냉각 유로가 구비되는 원통 타입의 제2양극 하우징을 더 포함할 수 있다.
상기 토치부는, 상기 제1양극 상측에 구비되고, 방전가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제1홀의 상부로 공급하는 제1방전가스 주입부와, 상기 제1양극 하우징 둘레를 감싸도록 구비되고, 처리하고자 하는 처리가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제2홀의 상부로 공급하는 처리가스 주입부와, 상기 처리가스 주입부와 제2양극 사이에 구비되고, 방전가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제2홀의 상부로 공급하는 제2방전가스 주입부를 더 포함하고, 상기 제1,2방전가스 주입부와 처리가스 주입부는, 방전가스와 처리가스를 동일한 회전 방향으로 주입하도록 구성될 수 있다.
상기 제1방전가스 주입부는, 상기 제1홀과 연통되는 원통 형상이고, 반경 방향으로 소정 두께를 가지는 제1본체부와, 상기 제1본체부의 내/외주면을 관통하고, 상기 제1본체부의 내주면에 대한 접선 방향으로 방전가스를 주입하는 복수개의 제1방전가스 주입구로 구성될 수 있다.
상기 처리가스 주입부는, 상기 제1양극과 제1방전가스 주입부를 감싸고 상기 제2홀과 연통되는 원통 형상의 본체부와, 상기 본체부의 내측과 연통하고, 상기 본체부의 내주면에 대한 접선 방향으로 처리가스를 주입하는 복수개의 주입관으로 구성될 수 있다.
상기 제2방전가스 주입부는, 상기 제2홀과 연통되는 원통 형상이고, 반경 방향으로 소정 두께를 가지는 제2본체부와, 상기 제2본체부의 내/외주면을 관통하고, 상기 제2본체부의 내주면에 대한 접선 방향으로 방전가스를 주입하는 복수개의 제2방전가스 주입구와, 상기 제2방전가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제2방전가스 보조 주입구를 포함할 수 있다.
상기 토치부는, 상기 제2양극과 제2양극 하우징의 하단에 구비되고, 방전가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제2홀의 하부로 공급하는 제3방전가스 주입부를 더 포함할 수 있다.
상기 제3방전가스 주입부는, 상기 제2양극의 내주면과 제2양극 하우징의 외주면을 관통하고, 상기 제2양극의 내주면에 대한 접선 방향으로 방전가스를 주입하는 복수개의 제3방전가스 주입구와, 상기 제3방전가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제3방전가스 보조 주입구를 포함할 수 있다.
상기 토치부는, 상기 제1양극 둘레에 구비되고, 상기 제1방전가스 주입부에 의해 주입되는 방전가스의 회전 방향과 동일한 방향으로 자기장을 생성하는 제1자석부를 더 포함할 수 있다.
상기 토치부는, 상기 제2양극 둘레에 구비되고, 상기 제2방전가스 주입부에 의해 주입되는 방전가스의 회전 방향과 동일한 방향으로 자기장을 생성하는 제2자석부를 더 포함할 수 있다.
상기 전원공급부는, 상기 음극에 음전하를 연결하는 음극 전선과, 상기 제1양극에 양전하를 연결하는 제1양극 전선과, 상기 제2양극에 양전하를 연결하는 제2양극 전선과, 상기 제1양극 전선에 구비되고, 상기 음극과 제1양극을 선택적으로 통전시키는 스위치를 포함할 수 있다.
상기 반응부는, 상기 제2양극 하측에 구비되고, 상기 제2홀과 연통되는 축 방향으로 긴 토출유로가 구비된 반응 챔버와, 상기 반응 챔버 상부에 구비되고, 보호가스를 내측에 주입하여 상기 토출유로의 상부로 공급하는 제1보호가스 주입부와, 상기 반응 챔버 하부에 구비되고, 보호가스를 내측에 주입하여 상기 토출 유로의 하부에 쌓인 이물질을 제거하는 제2보호가스 주입부를 포함할 수 있다.
상기 반응 챔버는, 상기 토출 유로의 직경이 작아지는 병목부가 적어도 하나 이상 구비된 실린더 타입의 내부 하우징과, 상기 내부 하우징을 감싸도록 설치되고, 냉각 유로가 내부에 구비되는 이중관 타입의 외부 하우징을 포함할 수 있다.
상기 내부 하우징은, 단열재 세라믹으로 구성될 수 있다.
상기 제1,2보호가스 주입부는, 질소(N2), 아르곤(Ar), 공기(Air), 산소(O2) 중 하나를 보호가스로 공급할 수 있다.
상기 제1보호가스 주입부는, 상기 반응 챔버의 상부 내/외주면을 관통하고, 상기 반응 챔버의 내주면에 대한 접선 방향으로 보호가스를 주입하는 복수개의 제1보호가스 주입구와, 상기 제1보호가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제1보호가스 보조 주입구를 포함할 수 있다.
상기 제2보호가스 주입부는, 상기 반응 챔버의 하부 내/외주면을 관통하고, 상기 반응 챔버의 내주면에 대한 직교 방향으로 보호가스를 주입하는 복수개의 제2보호가스 주입구와, 상기 제2보호가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제2보호가스 보조 주입구를 포함할 수 있다.
상기 제2보호가스 주입구는, 상기 반응 챔버의 외주면에서 내주면으로 갈수록 상기 토출 유로의 토출 방향을 향하여 하향 경사지게 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 열플라즈마 처리장치는 토치부 하측에 반응부가 구비된다.
따라서, 토치부에서 처리가스가 고온의 아크에 의해 열 분해된 다음, 반응부에서 처리가스의 난류 흐름을 유도하여 반응 시간을 늘릴 수 있고, 열 분해를 촉진시킬 수 있고, 처리 효율 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 토치부는 제1양극 상측에 제1방전가스 주입부가 구비되고, 제2양극 상측에 제1양극을 감싸도록 처리가스 주입부가 구비되며, 제2양극 상측에 제2방전가스 주입부가 구비된다.
따라서, 제1,2방전가스 주입부에 의해 주입된 방전가스가 제1,2양극 내측에 형성되는 아크의 회전을 원활하게 형성시킴으로서, 주변 구성 요소들의 사용 수명을 늘릴 수 있다.
그리고, 제1,2방전가스 주입부에 의해 주입된 방전가스가 제1아크를 제2양극 내측의 제2아크까지 이동 또는 연장시켜 아크의 길이를 늘림으로서, 처리가스가 고온의 아크 중심에 접촉되도록 하여 열분해 성능을 높이고, 처리가스를 분해하는데 필요한 소비 전력을 저감시킬 수 있다.
또한, 토치부는 제2양극 하측에 제3방전가스 주입부가 구비된다.
따라서, 제3방전가스 주입부에 의해 주입된 방전가스가 제2아크점의 위치를 제어함으로서, 전체 아크의 길이를 적절하게 조절할 수 있고, 아크가 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 전원공급부는 음극과 제1양극과 제2양극과 결선되고, 제1양극과 연결된 전선에 스위치가 구비된다.
따라서, 초기 기동할 때 스위치가 온되고, 이후에 스위치를 오프시킴으로서, 초기에 근접하게 설치된 음극과 제1양극 사이에 제1아크를 손쉽게 발생시킨 다음, 제1아크를 이용하여 상대적으로 간격이 넓게 설치된 음극과 제2양극 사이에 제2아크의 생성을 안정적으로 유도할 수 있고, 플라즈마 방전 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치가 도시된 정단면도.
도 2는 본 발명의 열플라즈마 처리장치에 적용된 토치부와 전원공급부의 일예가 도시된 정단면도.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 적용된 제1방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 4a 및 도 4b는 도 2에 적용된 처리가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 5a 및 도 5b는 도 2에 적용된 제2방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 6a 및 도 6b는 도 2에 적용된 제3방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 7a 및 도 7b는 도 2에 적용된 자석부의 제1,2실시예가 도시된 평단면도.
도 8은 본 발명의 열플라즈마 처리장치에 적용된 반응부의 일예가 도시된 정단면도.
도 9a 내지 도 9c는 도 8에 적용된 내부 하우징의 다양한 일예가 도시된 정단면도.
도 10a 및 도 10b는 도 8에 적용된 제1보호가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 11a 및 도 11b는 도 8에 적용된 제2보호가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도.
도 12 내지 도 14는 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치의 작동 상태가 도시된 정단면도.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치가 도시된 정단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치는 아크에 의해 처리가스를 열 분해시키는 토치부(100)와, 토치부(100) 측의 전극들에 고전압을 인가하는 전원공급부(200)와, 토치부(100)를 통과한 처리가스의 열 분해를 촉진시키는 반응부(300)로 구성될 수 있다.
토치부(100)와 반응부(300)는 서로 연통된 형태로서, 처리가스가 토치부(100) 내부로 공급된 다음, 반응부(300)를 통하여 토출될 수 있다. 물론, 토치부(100)와 반응부(300)는 하나의 시스템으로 구성되지만, 반응부(300)가 토치부(100)에 탈착 가능하게 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 열플라즈마 처리장치에 적용된 토치부와 전원공급부의 일예가 도시된 정단면도이다.
토치부(100)는 음극(110)과, 제1양극(120)과, 제2양극(130)과, 제1방전가스 주입부(140)와, 처리가스 주입부(150)와, 제2방전가스 주입부(160)와, 제3방전가스 주입부(170)와, 제1,2자석부(M1,M2)를 포함한다.
음극(110)은 중심에 위치한 봉 타입으로 구성되고, 고전압이 걸릴 수 있는 토륨(Th)이 함유된 텅스텐(W) 재질로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
이와 같은 구성의 음극(110)은 축 형상의 음극 하우징(110A) 하단에 장착되는데, 음극 하우징(110A)의 축방향을 따라 냉각수가 순환할 수 있는 음극 냉각유로(110B)가 구비될 수 있다.
제1양극(120)은 음극(110)을 감싸는 제1홀(120h)이 중심에 위치된 실린더 타입으로 구성되고, 고전압이 걸린 경우 아크를 생성시킬 수 있는 구리(Cu) 또는 텅스텐(W) 재질로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
상세하게, 제1양극(120)은 음극(110) 둘레를 감싸는 음극 수용부(121)와, 음극 수용부(121) 하측에 연속되고 전기적으로 제1아크가 생성되는 제1아크 생성부(122)로 구성될 수 있다.
또한, 제1홀(120h)의 직경은 음극 수용부(121)의 하측으로 갈수록 점차 작아지고, 제1아크 생성부(122)에서 균일하게 구성될 수 있다. 그리고, 음극(110)과 제1양극(120) 사이에 아크 생성이 용이하도록 음극(110)과 음극 수용부(121) 사이에 최소 간극을 유지하도록 구성될 수 있다.
따라서, 방전가스가 제1양극(120)의 제1홀(120h)을 통과하면, 음극 수용부(121)와 제1아크 생성부(122) 사이를 통과하면서 가압됨에 따라 그 속도가 증대된다. 또한, 속도가 빨라진 방전가스가 제1양극(120) 내측에서 생성된 제1아크를 제2양극(130) 내측으로 이동시켜 줄 수 있고, 제2양극(130)까지 이동된 아크 또는 제2양극(130) 내측에 생성된 아크를 제2아크로 명명한다.
이와 같은 구성의 제1양극(120)은 원통 형상의 제1양극 하우징(120A) 내주면에 장착되는데, 제1양극 하우징(120A) 내부에 냉각수가 순환할 수 있는 제1양극 냉각유로(120B)가 구비될 수 있고, 냉각 효율을 높이기 위하여 제1양극 냉각유로(120B)와 연통되는 냉각홈(123)이 제1양극(120) 외주면을 따라 형성될 수 있다.
제2양극(130)은 제1양극(120) 하측에 이격되고, 제1홀(120h)과 연통될 수 있는 제2홀(130h)이 중심에 위치된 실린더 타입으로 구성될 수 있는데, 제1양극(120)보다 더 크게 구성될 수 있고, 제1양극(120)과 마찬가지로 고전압이 걸릴 수 있는 소재로 구성될 수 있다.
상세하게, 제2홀(130h)의 직경은 제1홀(120h)의 직경보다 크게 구성되는데, 제2홀(130h) 내측에 형성된 제2아크가 제1홀(120h)로 이송되지 않도록 유도하고, 제1홀(120h) 내측에 형성된 제1아크가 제2홀(130h) 내측까지 안정적으로 이동 또는 연장될 수 있도록 한다.
그리고, 제2홀(130h)의 길이는 제1홀(120h)의 길이보다 길게 구성되는데, 제2홀(130h) 내측에 형성된 제2아크가 처리가스를 열 분해시키도록 구성할 수 있다.
이와 같은 구성의 제2양극(130) 원통 형상의 제2양극 하우징(130A) 내주면에 장착되는데, 제2양극 하우징(130A) 내부에 냉각수가 순환할 수 있는 제2양극 냉각유로(130B)가 구비될 수 있다.
상기의 구성 요소 이외에 토치부(100)에 포함된 제1방전가스 주입부(140)와 처리가스 주입부(150)와 제2,3방전가스 주입부(160,170)는 하기에서 상세히 설명하기로 한다.
한편, 음극 하우징(110A)과 제1,2양극 하우징(120A,130A)은 금속 재질로 구성할 수 있는데, 전원공급부(200)에 의해 고전압이 음극(110)과 제1,2양극(120,130)에 인가되면, 음극 하우징(110A)과 제1,2양극 하우징(120A,130A)에도 전류가 흐를 수 있다.
따라서, 음극 하우징(110A)과 제1,2양극 하우징(120A,130A)은 주변의 다른 구성 요소와 절연시키기 위하여 각각 절연 부재(I)를 사이에 두고 연결되어야 한다.
전원공급부(200)는 직류 전원을 공급할 수 있는 장치로서, 음극(110)과 제1양극(120)을 통전시키거나, 음극(110)과 제2양극(120)을 통전시킬 수 있도록 구성된다.
상세하게, 전원공급부(200)는 음극(110)에 음전하를 연결하는 음극 전선(210)과, 제1양극(120)에 양전하를 연결하는 제1양극 전선(220)과, 제2양극(130)에 양전하를 연결하는 제2양극 전선(230)과, 제1양극 전선(220)에 구비된 스위치(240)를 더 포함할 수 있다.
초기 기동 시에 스위치(240)가 일시적으로 온되면, 음극(110)과 제1양극(120)이 통전됨에 따라 제1양극(120) 내측에 제1아크가 발생되고, 음극과 제2양극도 통전된 상태를 유지할 수 있다.
그런데, 음극(110)과 제2양극(130) 사이의 간격이 다소 크게 형성됨으로, 음극과 제2양극(130) 사이에 제2아크가 발생되기 쉽지 않으나, 제1아크에 의해 제2아크가 손쉽게 유도될 수 있다.
이후, 스위치(240)가 오프되면, 제1양극(110)으로 공급되는 전기가 차단되ㄷ더라도 음극(110)과 제2양극(130)이 통전된 상태를 유지하고, 제2양극(130) 내측에 제2아크가 안정적으로 발생될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 적용된 제1방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도이다.
제1방전가스 주입부(140)는 제1양극(120) 내측에 플라즈마를 형성시키기 위한 방전가스를 공급하는 것으로서, 제1양극(120) 상측에 구비되고, 방전가스를 제1양극의 제1홀(120h) 내측에 회전 방향으로 공급하도록 구성될 수 있다.
제1방전가스 주입부(140)는 절연 재질로 구성될 수 있고, 제1방전가스 주입부(140)에 주입되는 방전가스는 질소(N2), 아르곤(Ar), 공기(Air), 산소(O2), 수소(H2) 등의 가스로 구성될 수 있다.
상세하게, 제1방전가스 주입부(140)는 원통 형상의 제1본체부(141)와, 제1본체부(141)의 내/외주면을 수평하게 관통하는 복수개의 제1주입구(141h)로 구성될 수 있다.
제1본체부(141)는 제1양극의 제1홀(120h) 상측과 연통되는 원통 형상으로서, 반경 방향으로 소정 폭을 가질 뿐 아니라 높이 방향으로 소정 두께를 가지도록 구성될 수 있다.
제1주입구(141h)는 제1본체부(141)의 내주면을 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 방전가스를 주입하도록 구성될 수 있다.
실시예에 따르면, 제1주입구(141h)는 제1본체부(141)의 내주면에 대해 접선 방향으로 형성되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 4개가 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
따라서, 제1방전가스 주입부(140)에 의해 방전가스가 제1양극(120)의 내주면을 따라 회전 방향으로 공급되면, 방전가스가 제1아크에 의해 열플라즈마로 생성될 수 있다.
또한, 방전가스의 유동 방향을 따라 제1아크가 제2아크까지 이동 또는 연장됨으로, 아크의 전체 길이를 길게 구성할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 2에 적용된 처리가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도이다.
처리가스 주입부(150)는 열 분해하고자 하는 처리가스 및 이와 화학 반응하는 반응가스를 공급하기 위한 것으로서, 제1양극(120) 둘레를 감싸도록 제2양극(130) 상측에 구비되고, 처리가스 및 반응가스를 제2양극의 제2홀(130h) 내측에 회전 방향으로 공급하도록 구성될 수 있다.
상기의 처리가스는 처리하고자 하는 가스는 온실 가스 및 유해 가스로서, PFCs 가스(CF4, SF6, C2F6, NF3 등) 등이 혼합된 N2 가스일 수 있고, 상기의 반응가스는 상기와 같은 처리가스와 화학 반응하여 처리가스를 분해시킬 수 있는 공기(Air), 스팀(H2O), 산소(O2), 수소(H2) 등이 될 수 있으며, 한정되지 아니한다.
상세하게, 처리가스 주입부(150)는 원통 형상의 본체부(151)와, 본체부(151)의 내측과 연통되도록 본체부(151) 외측에 수평하게 구비된 복수개의 주입관(152)으로 구성될 수 있다.
본체부(151)는 제1양극(120)과 제1방전가스 주입부(140)를 감싸는 큰 원통 형상으로서, 제2양극의 제2홀(130h)의 상측에 연통될 수 있다.
주입관(152)은 본체부(151)의 내주면을 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 처리가스 및 반응가스를 주입하도록 구성될 수 있다.
실시예에 따르면, 주입관(152)은 본체부(151)의 내주면에 대해 접선 방향으로 구비되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 4개가 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
처리가스를 아크의 중심부까지 원활하게 도달시키기 위하여, 주입관(151)에 의해 주입되는 처리가스의 회전 방향은, 상기에서 설명한 제1주입구(141h)에 의해 주입되는 방전가스의 회전방향과 일치하도록 구성되는 것이 바람직하다.
보통, 처리가스가 아크의 상측에서 공급될 경우, 아크의 길이가 짧으면, 처리가스가 상대적으로 온도가 낮은 아크의 표면과 접촉하게 된다.
하지만, 본 발명에 따르면, 제1방전가스 주입부(140) 및 제2방전가스 주입부(160)가 공급한 방전가스에 의해 제1,2아크의 길이를 합한 전체 아크의 길이가 길어질 수 있고, 처리가스 주입부(150)가 공급한 처리가스에 의해서도 아크의 길이가 길어질 수 있다.
따라서, 처리가스 주입부(150)에 의해 처리가스가 제2양극(130)의 상측에서 회전 방향으로 공급되면, 처리가스가 상대적으로 온도가 높은 제2아크의 중심부와 접촉하게 되고, 처리가스의 열분해 성능을 높일 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 2에 적용된 제2방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도이다.
제2방전가스 주입부(160)는 제2양극(130) 내측에 형성된 제2아크의 회전구동을 위한 방전가스를 공급하는 것으로서, 제2양극(130) 상측에 구비되고, 방전가스를 제2양극의 제2홀(130h) 내측에 회전 방향으로 공급하도록 구성될 수 있다.
물론, 제2방전가스 주입부(160)에 주입되는 방전가스 역시 질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 가스 또는 공기(Air), 산소(O2), 수소(H2) 등의 가스로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
제2방전가스 주입부(160)는 제1방전가스 주입부(140)와 동일하게 구성되는데, 절연 재질로 구성되는 원통 형상의 제2본체부(161)와, 제2본체부(161)의 내/외주면을 수평하게 관통하는 복수개의 제2주입구(161h)로 구성될 수 있다.
실시예에 따르면, 제2주입구(161h)는 제2본체부(161)의 내주면에 대해 접선 방향으로 형성되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 8개가 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다. 다만, 제2주입구(161h)는 제1주입구(141h)와 동일한 회전 방향으로 방전가스를 주입할 수 있도록 구성된다.
또한, 방전가스를 복수개의 제2주입구(161h)로 균일하게 공급하기 위하여, 제2주입구(161h) 외측에 서로 연통되는 링 형상의 보조 주입구(162h)가 제2양극 하우징(130B)에 구비되거나, 외부에서 보조 주입구(162h)에 방전가스를 주입하기 위한 연통홀(163h)도 제2양극 하우징(130B)에 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
따라서, 제2방전가스 주입부(160)에 의해 방전가스가 제2양극(130)의 내주면을 따라 회전 방향으로 공급되면, 방전가스가 제2아크에 의해 효과적인 회전 구동을 유도하고, 고온의 열플라즈마가 처리가스를 열 분해하도록 한다. 물론, 방전가스의 유동 방향의 영향으로 처리가스 분해시 생성되는 부산물들로부터 제2아크에 의해 제2양극(130)의 내주면이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 도 2에 적용된 제3방전가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도이다.
제3방전가스 주입부(170)는 아크의 길이를 제지할 수 있는 방전가스의 유동을 형성시키기 위한 것으로서, 제2양극(130) 하측에 구비되고, 방전가스를 제2양극의 제2홀(130h) 하측에 회전 방향으로 공급하도록 구성된다.
제3방전가스 주입부(170)에 주입되는 방전가스 역시 질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 가스 또는 공기(Air), 산소(O2), 수소(H2) 등의 가스로 구성될 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다.
상세하게, 제3방전가스 주입부(170)는 제2양극(130)의 하부 내/외주면을 수평하게 관통하는 제3주입구(171h)로 구성될 수 있다.
실시예에 따르면, 제3주입구(171h)는 제2양극(130)의 내주면에 대해 접선 방향으로 형성되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 8개가 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다. 다만, 제3주입구(171h) 역시 제1,2주입구(141h,161h)와 동일한 회전 방향으로 방전가스를 주입할 수 있도록 구성된다.
또한, 제3주입구(171h) 외측에 서로 연통되는 링 형상의 보조 주입구(172h)와, 외부에서 보조 주입구(162h)에 방전가스를 주입하기 위한 연통홀(173h)이 추가로 제2양극 하우징(130A)에 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
따라서, 제3방전가스 주입부(170)에 의해 방전가스가 제2양극(130)의 하측에 회전 방향으로 공급되면, 수직 방향으로 형성된 제2아크의 길이가 더 이상 연장되는 것을 방지할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 도 2에 적용된 자석부의 제1,2실시예가 도시된 평단면도이다.
자석부(M1,M2)는 아크의 회전을 돕기 위해 아크 주변에 자기장을 형성하는 것으로서, 제1양극(120)의 외주면에 장착된 제1자석부(M1)와, 제2양극(130)의 외주면에 장착된 제2자석부(M2)로 구성될 수 있다.
자석부(M1,M2)는 전극(120,130)을 감싸는 원통 형상의 영구자석으로 구성되는데, 내주부와 외주부가 서로 다른 극성을 띄도록 N극부(N)와 S극부(N)가 겹쳐진 형태로 구성될 수 있다.
물론, 전극(120,130)의 형상에 따라 자석부(M1,M2)의 형상도 다르게 구성될 수 있다.
처리가스를 반시계 방향으로 주입하는 경우, 도 7a 에 도시된 바와 같이 S극부(S)가 전극을 감싸도록 장착되고, N극부(N)가 S극부(S)를 감싸도록 장착됨으로서, 처리가스의 유동 방향인 반시계 방향으로 자기장을 형성시킬 수 있다.
처리가스를 시계 방향으로 주입하는 경우, 도 7b에 도시된 바와 같이 N극부(N)가 전극을 감싸도록 장착되고, S극부(S)가 N극부(N)를 감싸도록 장착됨으로서, 처리가스의 유동 방향인 시계 방향으로 자기장을 형성시킬 수 있다.
따라서, 자석부(M1,M2)에 의해 형성된 자기장의 영향으로 전극(120,130) 내측에 형성되는 열플라즈마 아크의 회전을 향상시킴으로, 열 분해 성능을 높일 수 있고, 아크에 의해 형성된 열플라즈마 제트가 편심되지 않고 전극(120,130)의 중심부에 위치시킴으로, 열플라즈마 제트의 방전 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 열플라즈마 처리장치에 적용된 반응부의 일예가 도시된 정단면도이다.
반응부(300)는 반응 챔버(310)와, 제1보호가스 주입부(320)와, 제2보호가스 주입부(330)를 포함한다.
반응 챔버(310)는 상기에서 설명한 토치부(200 : 도 2에 도시) 측에서 제2아크에 의해 처리가스가 열 분해되는 제2양극의 제2홀(130h : 도 2에 도시)과 연통되는데, 축 방향으로 긴 토출유로(310h)가 중심부에 구비된다.
따라서, 토치부(200 : 도 2에 도시)를 통과한 처리가스가 외부로 토출되기 전에 반응 챔버를 통과하면서 열 분해가 촉진될 수 있는 반응 시간을 제공한다.
실시예에 따르면, 반응 챔버(310)는 토출 유로(310h)의 직경이 작아지는 병목부(311A)가 적어도 하나 이상 구비된 내부 하우징(311)과, 내부 하우징(311)을 냉각시키도록 냉부 하우징(311)을 감싸도록 구비된 외부 하우징(312)으로 구성될 수 있다.
내부 하우징(311)은 실린더 형태로서, 병목부(311A)가 내주면에 구비된 단열재(311a)와, 단열재(311a) 외측을 감싸도록 구비된 하우징(311b)을 포함한다. 이때, 단열재(311a)는 고온 환경 하에서도 견딜 수 있는 세라믹으로 구성될 수 있다.
외부 하우징(312)은 이중관(312a) 형태로서, 이중관(312a) 내부에 냉각 유로(312b)가 구비된다.
따라서, 내부 하우징(311)에 의해 토출 유로(310h)를 고온 상태로 유지할 수 있고, 외부 하우징(312)에 의해 내부 하우징(311) 측의 단열재를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 도 8에 적용된 내부 하우징의 다양한 일예가 도시된 정단면도이다.
병목부(311A,311B,311C)는 내부 하우징(311) 내측의 처리가스의 토출 방향으로 복수개가 구비될 수 있다.
병목부(311A,311B,311C)의 직경(D2)은 내부 하우징(311)의 직경(D1) 보다 작게 구성되고, 처리가스의 흐름을 고려하여 점차 직경이 작아지도록 구성될 수 있다.
이러한 구성의 병목부(311A,311B,311C)는 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)를 통과하는 처리가스의 흐름 중에 난류를 발생시키고, 처리가스의 혼합을 유도하고, 처리가스가 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)를 빠져나가는데 걸리는 시간을 지연시킴으로서, 처리가스의 열 분해를 촉진시킬 수 있다.
물론, 병목부(311A,311B,311C)의 개수가 많을수록 처리가스의 열 분해가 더욱 촉진시킬 수 있으나, 유동 저항을 고려하여 병목부(311A,311B,311C)의 개수가 적절하게 조절될 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 도 8에 적용된 제1보호가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도이다.
제1보호가스 주입부(320)는 내측에 보호가스를 주입하여 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 내주면을 따라 보호가스 영역을 형성시키기 위한 것으로서, 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 상측에 구비되고, 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 내측에 보호가스를 회전 방향으로 주입하도록 구성될 수 있다.
제1보호가스 주입부(320)에 주입되는 보호가스 역시 방전가스와 마찬가지로질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 가스 또는 공기(Air), 산소(O2) 등의 가스로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
제1보호가스 주입부(320)는 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 상부를 수평하게 관통하는 제1보호가스 주입구(321h)로 구성될 수 있다.
실시예에 따르면, 토치부(100 : 도 1에 도시)와 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 사이에 절연 부재(I)가 장착되고, 상기 절연 부재(I)에 제1방전가스 주입구(321h)가 구비될 수 있는데, 제1보호가스 주입구(321h)는 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)의 내주면에 대해 접선 방향으로 형성되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 8개가 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
물론, 토치부(100 : 도 1에 도시) 측의 방전가스와 처리가스의 흐름을 고려하여 보호가스 역시 동일한 회전 방향으로 주입되는 것이 바람직하다.
또한, 보호가스를 복수개의 제1보호가스 주입구(321h)로 균일하게 공급하기 위하여, 제1보호가스 주입구(321h) 외측에 서로 연통되는 링 형상의 보조 주입구(322h)가 구비될 수 있고, 외부에서 보조 주입구(322h)에 보호가스를 주입하기 위한 연통홀(323h)이 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
따라서, 제1보호가스 주입부(320)에 의해 보호가스가 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)의 내주면을 따라 회전 방향으로 공급되면, 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)의 내주면을 따라 보호가스 영역이 형성된다.
그리고, 처리가스가 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)를 통과하면서 열 분해가 촉진됨에 따라 부식성 가스를 발생시키는데, 보호가스 영역에 의해 부식성 가스가 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)의 내주면과 직접 접촉하는 것을 방지하고, 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)의 부식을 방지할 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 도 8에 적용된 제2보호가스 주입부의 일예가 도시된 정단면도 및 평단면도이다.
제2보호가스 주입부(330)는 내측에 보호가스를 주입하여 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 하측에 쌓인 이물질을 배출시키기 위한 것으로서, 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 하측에 구비되고, 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 내측에 보호가스를 직교 방향으로 주입하도록 구성될 수 있다.
제2보호가스 주입부(330)에 주입되는 보호가스 역시 방전가스와 마찬가지로질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 가스 또는 공기(Air), 산소(O2) 등의 가스로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
제2방전가스 주입부(330)는 반응 챔버(310 : 도 8에 도시) 하부를 비스듬하게 관통하는 제2보호가스 주입구(331h)로 구성될 수 있고, 제2보호가스 주입구(331h)의 출구는 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)의 내주면 최하단에 위치될 수 있다.
실시예에 따르면, 외부 하우징(312)이 내부 하우징(311 : 도 8에 도시)의 하부를 감싸는 형태로 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)가 구성되고, 외부 하우징(312) 하부에 제2보호가스 주입구(331h)가 구비될 수 있다.
이때, 제2보호가스 주입구(331h)는 반응 챔버(310 : 도 8에 도시)의 내주면에 대해 직교 방향으로 형성되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 8개가 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
또한, 보호가스를 복수개의 제2보호가스 주입구(331h)로 균일하게 공급하기 위하여, 제2보호가스 주입구(331h) 외측에 서로 연통되는 링 형상의 보조 주입구(332h)가 구비될 수 있고, 외부에서 보조 주입구(332h)에 보호가스를 주입하기 위한 연통홀(333h)이 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
고온의 처리가스가 반응 챔버(310 : 도 1에 도시)에서 실온의 외부로 토출되면, 미세입자 등이 다량 발생하여 반응 챔버(310 : 도 1에 도시)의 하부 측 토출구에 이물질 형태로 쌓이게 될 수 있다.
따라서, 제2보호가스 주입부(330)에 의해 보호가스가 반응 챔버(310 : 도 1에 도시)의 내주면에 대해 직교하는 방향으로 하향 경사지게 공급되면, 반응 챔버(310 : 도 1에 도시) 하부에 쌓인 이물질을 외부로 배출시킬 수 있고, 반응 챔버(310 : 도 1에 도시)의 토출구가 막히는 것을 방지할 수 있다.
도 12 내지 도 14는 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치의 작동 상태가 도시된 정단면도이다.
초기 기동할 때, 도 12에 도시된 바와 같이 스위치(240)가 온 되면, 음극(110)과 제2양극(130)이 통전된 상태에서 음극(110)과 제1양극(120)도 통전되며, 서로 근접한 음극(110)과 제1양극(120) 사이에 제1아크가 발생되고, 제1아크는 다소 멀게 위치한 음극(110)과 제2양극(130) 사이에서도 제2아크로 이동될 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이 스위치가 오프되더라도 제2아크가 지속적으로 발생될 수 있으며, 제1양극(120)으로 전원 공급이 차단됨에 따라 제2아크가 제1아크로 이동하는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 토치부에서 제1,2아크가 발생되는 동시에 방전가스와 처리가스가 주입되면서 처리가스의 열 분해가 이루어진다.
제1방전가스 주입부(140)를 통하여 방전가스가 제1양극(120) 상측으로 주입되면, 방전가스가 제1아크와 접촉하면서 열플라즈마 제트를 형성하고, 회전 및 하향 이동한다. 따라서, 제1양극(120) 내측에 형성된 방전가스의 흐름은 제1아크를 제2양극(130) 내측까지 연장 또는 이동시킬 수 있다.
제2방전가스 주입부(160)를 통하여 방전가스가 제2양극(130) 상측으로 주입되면, 방전가스가 제2아크와 접촉하면서 열플라즈마 제트를 형성하고, 회전 및 하향 이동한다.
이와 같이, 아크 및 열플라즈마 제트가 축 방향으로 길게 형성되고, 처리가스 주입부(150)를 통하여 처리가스가 제2양극(130) 상측으로 주입되면, 처리가스가 아크와 오래도록 접촉될 뿐 아니라 약 10000℃인 아크의 중심부를 통과하도록 하고, 처리가스의 열 분해 성능을 더욱 높일 수 있다.
제3방전가스 주입부(170)를 통하여 방전가스가 제2양극(130) 하측으로 주입되면, 방전가스의 수평 방향 흐름이 제2아크의 수직 방향 흐름을 차단함으로, 제2아크의 길이를 제어할 뿐 아니라 반응 챔버(310)로 노출되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같이 토치부에서 열 분해된 처리가스는 도 14에 도시된 바와 같이 반응 챔버(310)로 유입되고, 반응 챔버(310)를 지나는 동안, 처리가스는 고온 하에서 반응 시간을 확보하여 열 분해를 촉진시킬 수 있다.
그리고, 처리가스가 반응 챔버(310) 내부의 병목부(311A)에 부딪혀 난류 흐름을 형성함으로서, 처리가스의 혼합을 유도하고, 처리 가스의 반응 시간을 길게 확보함으로, 처리가스의 열분해를 촉진시킬 수 있다.
한편, 토치부와 반응 챔버(310) 내부에서 처리가스가 열 분해될 때, 부식성 가스가 발생하게 된다.
따라서, 제1보호가스 주입부(320)를 통하여 보호가스가 반응 챔버(310) 상측으로 주입되면, 보호가스가 반응 챔버(310)의 내주면에 보호가스 영역을 형성하고, 부식성 가스가 보호가스 영역에 의해 반응 챔버(310)의 내주면과 직접 접촉되지 않으므로, 반응 챔버(310)의 부식을 방지할 수 있다.
또한, 처리가스가 고온의 반응 챔버(310) 내부에서 상대적으로 저온인 외부로 토출될 때, 미세 입자 등이 다량 발생되어 반응 챔버(310) 내부의 하측에 이물질로 쌓일 수 있다.
따라서, 제2보호가스 주입부(330)를 통하여 보호가스가 반응 챔버(310) 하측으로 주입되면, 보호가스가 반응 챔버(310)의 하부에 쌓인 이물질을 효과적으로 외부로 토출시킬 수 있고, 반응 챔버(310)의 막힘을 방지할 수 있다.
본 실시예는 유해가스, 온실가스 등과 같은 처리가스의 열분해하여 처리하는 열플라즈마 처리장치에 적용될 수 있다.

Claims (19)

  1. 음극과 양극 사이에 아크가 발생되고, 상기 음극과 양극 사이에 아크에 의해 열 분해될 처리가스가 주입되는 토치부;
    상기 음극과 양극에 연결되고, 상기 음극과 양극 사이에 고전압을 인가하는 전원공급부; 및
    상기 토치부와 연통되고, 상기 토치부를 통과한 처리가스에 난류를 형성시키는 반응부;를 포함하는 열플라즈마 처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 토치부는,
    중심에 위치된 음극과,
    상기 음극 둘레를 감싸고, 제1홀이 중심에 구비된 실린더 타입의 제1양극과,
    상기 제1양극 하측에 이격되고, 상기 제1홀과 연통된 제2홀이 중심에 구비된 실린더 타입의 제2양극을 포함하는 열플라즈마 처리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 토치부는,
    상기 음극이 최하단에 장착되고, 냉각 유로가 중심에 구비되는 축 타입의 음극 하우징과,
    상기 제1양극을 감싸도록 설치되고, 상기 제1양극 외주면에 구비된 냉각 유로와 연통되는 공급로가 내부에 구비되는 원통 타입의 제1양극 하우징과,
    상기 제2양극을 감싸도록 설치되고, 상기 제2양극과 사이에 냉각 유로가 구비되는 원통 타입의 제2양극 하우징을 포함하는 열플라즈마 처리장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 토치부는,
    상기 제1양극 상측에 구비되고, 방전가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제1홀의 상부로 공급하는 제1방전가스 주입부와,
    상기 제1양극 하우징 둘레를 감싸도록 구비되고, 처리하고자 하는 처리가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제2홀의 상부로 공급하는 처리가스 주입부와,
    상기 처리가스 주입부와 제2양극 사이에 구비되고, 방전가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제2홀의 상부로 공급하는 제2방전가스 주입부를 더 포함하고,
    상기 제1,2방전가스 주입부와 처리가스 주입부는,
    방전가스와 처리가스를 동일한 회전 방향으로 주입하도록 구성되는 열플라즈마 처리장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1방전가스 주입부는
    상기 제1홀과 연통되는 원통 형상이고, 반경 방향으로 소정 두께를 가지는 제1본체부와,
    상기 제1본체부의 내/외주면을 관통하고, 상기 제1본체부의 내주면에 대한 접선 방향으로 방전가스를 주입하는 복수개의 제1방전가스 주입구로 구성되는 열플라즈마 처리장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 처리가스 주입부는,
    상기 제1양극과 제1방전가스 주입부를 감싸고 상기 제2홀과 연통되는 원통 형상의 본체부와,
    상기 본체부의 내측과 연통하고, 상기 본체부의 내주면에 대한 접선 방향으로 처리가스를 주입하는 복수개의 주입관으로 구성되는 열플라즈마 처리장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2방전가스 주입부는
    상기 제2홀과 연통되는 원통 형상이고, 반경 방향으로 소정 두께를 가지는 제2본체부와,
    상기 제2본체부의 내/외주면을 관통하고, 상기 제2본체부의 내주면에 대한 접선 방향으로 방전가스를 주입하는 복수개의 제2방전가스 주입구와,
    상기 제2방전가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제2방전가스 보조 주입구를 포함하는 열플라즈마 처리장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 토치부는,
    상기 제2양극과 제2양극 하우징의 하단에 구비되고, 방전가스를 내측에 회전 방향으로 주입하여 상기 제2홀의 하부로 공급하는 제3방전가스 주입부를 더 포함하는 열플라즈마 처리장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3방전가스 주입부는,
    상기 제2양극의 내주면과 제2양극 하우징의 외주면을 관통하고, 상기 제2양극의 내주면에 대한 접선 방향으로 방전가스를 주입하는 복수개의 제3방전가스 주입구와,
    상기 제3방전가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제3방전가스 보조 주입구를 포함하는 열플라즈마 처리장치.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 토치부는,
    상기 제1양극 둘레에 구비되고, 상기 제1방전가스 주입부에 의해 주입되는 방전가스의 회전 방향과 동일한 방향으로 자기장을 생성하는 제1자석부를 더 포함하는 열플라즈마 처리장치.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 토치부는,
    상기 제2양극 둘레에 구비되고, 상기 제2방전가스 주입부에 의해 주입되는 방전가스의 회전 방향과 동일한 방향으로 자기장을 생성하는 제2자석부를 더 포함하는 열플라즈마 처리장치.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 전원공급부는,
    상기 음극에 음전하를 연결하는 음극 전선과,
    상기 제1양극에 양전하를 연결하는 제1양극 전선과,
    상기 제2양극에 양전하를 연결하는 제2양극 전선과,
    상기 제1양극 전선에 구비되고, 상기 음극과 제1양극을 선택적으로 통전시키는 스위치를 포함하는 열플라즈마 처리장치.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 반응부는,
    상기 제2양극 하측에 구비되고, 상기 제2홀과 연통되는 축 방향으로 긴 토출유로가 구비된 반응 챔버와,
    상기 반응 챔버 상부에 구비되고, 보호가스를 내측에 주입하여 상기 토출유로의 상부로 공급하는 제1보호가스 주입부와,
    상기 반응 챔버 하부에 구비되고, 보호가스를 내측에 주입하여 상기 토출 유로의 하부에 쌓인 이물질을 제거하는 제2보호가스 주입부를 포함하는 열플라즈마 처리장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 반응 챔버는,
    상기 토출 유로의 직경이 작아지는 병목부가 적어도 하나 이상 구비된 실린더 타입의 내부 하우징과,
    상기 내부 하우징을 감싸도록 설치되고, 냉각 유로가 내부에 구비되는 이중관 타입의 외부 하우징을 포함하는 열플라즈마 처리장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 내부 하우징은,
    단열재 세라믹으로 구성되는 열플라즈마 처리장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1,2보호가스 주입부는,
    질소(N2), 아르곤(Ar), 공기(Air), 산소(O2) 중 하나를 보호가스로 공급하는 열플라즈마 처리장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제1보호가스 주입부는,
    상기 반응 챔버의 상부 내/외주면을 관통하고, 상기 반응 챔버의 내주면에 대한 접선 방향으로 보호가스를 주입하는 복수개의 제1보호가스 주입구와,
    상기 제1보호가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제1보호가스 보조 주입구를 포함하는 열플라즈마 처리장치.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제2보호가스 주입부는,
    상기 반응 챔버의 하부 내/외주면을 관통하고, 상기 반응 챔버의 내주면에 대한 직교 방향으로 보호가스를 주입하는 복수개의 제2보호가스 주입구와,
    상기 제2보호가스 주입구들 외측에 서로 연통되는 링 형상의 제2보호가스 보조 주입구를 포함하는 열플라즈마 처리장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2보호가스 주입구는,
    상기 반응 챔버의 외주면에서 내주면으로 갈수록 상기 토출 유로의 토출 방향을 향하여 하향 경사지게 구비되는 열플라즈마 처리장치.
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