KR100586466B1 - Rf inductively coupled plasma torch with modular water-cooled injector and multi-stage nozzle structure for injection of reactants - Google Patents

Rf inductively coupled plasma torch with modular water-cooled injector and multi-stage nozzle structure for injection of reactants Download PDF

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남준석
서준호
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Abstract

본 발명은 유도결합 플라즈마의 응용에 있어서, 모듈형 수랭식 주입기와 다단식 노즐 구조를 도입함으로써 가둠관 내부의 플라즈마 고온부와 노즐을 통과하는 플라즈마에 효율적인 반응물 주입이 가능하며, 일부 부품의 교체를 통해 공정에 최적화된 반응물 주입 방법과 열플라즈마의 제공이 가능한 고주파 유도결합 플라즈마 토치를 제공한다. According to the present invention, in the application of inductively coupled plasma, by introducing a modular water-cooled injector and a multi-stage nozzle structure, it is possible to efficiently inject reactants into the plasma high temperature part inside the conduit tube and the plasma passing through the nozzle, and to replace the process by replacing some parts. It provides an optimized reactant injection method and a high frequency inductively coupled plasma torch that can provide thermal plasma.

Description

반응물 주입을 위한 모듈형 수랭식 주입기와 다단식 노즐 구조를 갖는 고주파 유도결합 플라즈마 토치 {RF INDUCTIVELY COUPLED PLASMA TORCH WITH MODULAR WATER-COOLED INJECTOR AND MULTI-STAGE NOZZLE STRUCTURE FOR INJECTION OF REACTANTS} RF INDUCTIVELY COUPLED PLASMA TORCH WITH MODULAR WATER-COOLED INJECTOR AND MULTI-STAGE NOZZLE STRUCTURE FOR INJECTION OF REACTANTS}             

도 1은 본 발명에 따른 고주파 유도결합 플라즈마 토치의 단면도. 1 is a cross-sectional view of a high frequency inductively coupled plasma torch according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 모듈형 수랭식 주입기(1)의 단면도2 is a cross-sectional view of the modular water-cooled injector 1 according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 반응물 주입용 탐침의 개념도3 is a conceptual diagram of a reactant injection probe according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 고주파 유도결합 플라즈마 토치 하단부(18)의 평면도4 is a plan view of a high frequency inductively coupled plasma torch bottom portion 18 according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 다단식 노즐(2)의 구조와 토치 냉각수 및 반응물의 이동 경로를 보여주는 단면도5 is a cross-sectional view showing the structure of the multi-stage nozzle (2) according to the present invention and the movement path of the torch coolant and the reactants.

도 6은 본 발명에 따른 다단식 노즐(2)의 구조와 노즐 냉각수의 이동 경로를 보여주는 단면도6 is a cross-sectional view showing the structure of the multi-stage nozzle 2 and the movement path of the nozzle coolant according to the present invention.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1: 모듈형 수랭식 주입기 2: 다단식 노즐1: modular water-cooled injector 2: multi-stage nozzle

3-5: 반응물 주입기 몸체 15-17: 반응물 주입용 탐침3-5: Reagent injector body 15-17: Probe for reactant injection

18: 토치 하단부 28: 토치 상단부18: Torch lower portion 28: Torch upper portion

29: 플라즈마 가둠관 31: 유도코일 구조체29: plasma confinement tube 31: induction coil structure

35: 토치 지지대35: torch support

고주파 유도결합 플라즈마 토치는 유도코일에 인가된 고주파 전류가 패러데이 법칙 및 암페어 법칙에 따라 가둠관내 플라즈마에 유기시키는 와전류에 의한 유도가열을 이용하여 플라즈마를 생성, 유지시키는 장치로써, 기본적으로 유도결합에 의해 플라즈마에 고주파 전력을 공급하는 유도코일과 형성된 고온 고열량의 열플라즈마를 주위와 분리시키고 가두기 위한 플라즈마 가둠관 및 가둠관 내에 플라즈마 형성 기체 및 쉬스 기체를 공급하기 위한 기체 공급부 등으로 구성되며, 1960년대 초에 T.B Reed에 의해 기본 구조가 제안된 이래로 많은 실험실이나 산업 현장에서 이용되고 있다. 고주파 유도결합 플라즈마 토치는 일반적인 직류 토치에 비해 고온 (8000-10000K) 영역이 넓고 전극 물질에 의한 플라즈마의 오염이 없는 고품질의 열플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 토치 내부 혹은 토치 출구로 분출되는 플라즈마 불꽃을 이용하여 고상 분말 또는 액상의 형태로 주입된 반응물을 용융 또는 증발시키거나, 각종 반응 기체의 열분해 또는 이를 이용한 신소재 합성 등 다양한 분야에 사용될 수 있다. 최근에는 나노 구조체 및 고부가가치의 신물질 합성, 폐기물 처리 등의 여러 분야에서 고품질의 유도결합 플라즈마에 대한 수요가 증가하고 있는 추 세이며, 이와 함께 토치의 수명을 늘이고, 출력의 증대와 결합효율을 올리기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다.A high frequency inductively coupled plasma torch is a device that generates and maintains plasma by using induction heating by eddy currents in which the high frequency current applied to the induction coil is induced into the plasma in the confinement tube according to Faraday's law and ampere law. It consists of an induction coil for supplying high frequency power to the plasma, and a plasma confinement tube for separating and confining the formed high temperature and high heat thermal plasma from the surroundings, and a gas supply section for supplying plasma forming gas and sheath gas into the confinement tube. Since the basic structure was proposed by TB Reed, it has been used in many laboratories and industrial sites. High frequency inductively coupled plasma torches produce high quality thermal plasma that has a wider temperature range (8000-10000K) than general DC torches and is free from plasma contamination by electrode materials. It can be used in various fields such as melting or evaporating the reactants injected in the form of solid powder or liquid phase, pyrolysis of various reaction gases or synthesis of new materials using the same. Recently, the demand for high quality inductively coupled plasma is increasing in many fields such as nano structure, high value-added new material synthesis, waste disposal, etc., along with increasing the lifetime of the torch, increasing output and increasing coupling efficiency. Many studies are underway.

고주파 유도결합 플라즈마는 유도코일의 상부에 형성되는 순환 역류로 인해 축방향의 반응물 주입에 제한이 있고, 토치 내부에 주입된 전도성 반응물 또는 합성물들의 일부가 가둠관 내벽에 증착되어 토치의 수명을 단축시킬 수 있으므로 가둠관 내부의 고온 영역의 활용에 어려움이 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 순환 역류가 형성되는 영역을 관통하여 수랭식의 세라믹이나 금속 튜브를 가둠관 내부의 고온 중심부에 삽입하여 반응물을 주입하는 방식이 이용되고 있다. 그러나 기존의 반응물 주입기들은 일체형 구조로 제작되어 반응물의 종류 및 분말의 크기, 토치의 운전 조건을 비롯한 여러 가지 공정 조건의 변화에 대해 공정의 최적화를 위한 주입기 구조의 변경 및 교체가 어렵다는 단점을 가지고 있다. 또한 기존에 개발된 고주파 유도결합 플라즈마 토치들은 가둠관 출구 또는 노즐을 통해 분출되는 플라즈마의 이용에 있어서 반응물 주입을 위해 고주파 토치의 외부에 별도의 장치를 설치함으로써 복잡한 반응기의 설계를 필요로 하며, 별도의 반응물 주입기의 도입으로 인해 실제 반응이 이루어지는 영역은 고주파 전력에 의한 유도가열이 일어나는 고온 영역으로부터 거리가 멀기 때문에 플라즈마가 냉각되어 반응의 효율성 측면에 많은 문제점을 가지고 있다. The high frequency inductively coupled plasma has a restriction on the injection of reactants in the axial direction due to the circulating backflow formed on the induction coil. Therefore, it is difficult to utilize the high temperature region inside the confinement pipe. In order to solve these problems, a method of injecting a reactant by inserting a water-cooled ceramic or metal tube into a hot center of the confined tube through a region where a circulating backflow is formed is used. However, the existing reactant injectors have an integrated structure, which makes it difficult to change or replace the injector structure to optimize the process for various process conditions such as the type of reactant, the size of the powder and the operating conditions of the torch. . In addition, conventionally developed high frequency inductively coupled plasma torches require complex reactor design by installing a separate device outside the high frequency torch for reactant injection in the use of plasma emitted through the conduit exit or nozzle. Due to the introduction of the reactant injector, the actual reaction region is far from the high temperature region where the induction heating by the high frequency power causes the plasma to be cooled, which has many problems in terms of the efficiency of the reaction.

본 발명의 목적은 유도결합 열플라즈마의 응용에 있어서 상기한 바와 같은 기존 고주파 유도결합 플라즈마 토치의 문제를 해결하기 위해, 반응물의 종류 및 요구되는 최종 생산물의 특성 등 각 공정에 따라, 일부 부품의 교체를 통해 반응물 주입 위치, 반응물 주입 방향 및 반응물 주입 속도 등의 반응물 주입 방법과 토치에서 발생하는 열플라즈마의 열유동 특성을 최적화시킴으로써 다양한 공정에 활용될 수 있는 모듈형 수랭식 주입기와 다단식 노즐 구조를 갖는 고주파 유도결합 플라즈마 토치를 제공함에 있다.An object of the present invention is to replace some components according to each process, such as the type of reactants and the characteristics of the final product required, to solve the problems of the existing high frequency inductively coupled plasma torch as described above in the application of inductively coupled thermal plasma. High frequency with modular water-cooled injector and multi-stage nozzle structure that can be used in various processes by optimizing the reactant injection method such as reactant injection position, reactant injection direction and reactant injection speed, and thermal plasma characteristics of the torch An inductively coupled plasma torch is provided.

상기한 바와 같은 목적을 이루기 위해서 본 발명은 The present invention to achieve the above object

원통형의 용기로서 용기의 벽내에 삽입되어 외부로 인출되는 유도코일을 통해 플라즈마의 생성을 위한 고주파 전력이 공급되는 유도코일 구조체와;상기 유도코일 구조체의 내부에 상기 유도코일 구조체와 동축으로 배치되어, 발생되는 플라즈마를 가두기 위한 가둠관을 포함하는 고주파 유도결합 플라즈마 토치로서, An induction coil structure supplied with a high frequency power for generating plasma through an induction coil inserted into a wall of the container and drawn out to the outside of the container; and disposed coaxially with the induction coil structure inside the induction coil structure, A high frequency inductively coupled plasma torch comprising a confinement tube for confining a generated plasma,

상기 토치상부에 설치되어 상기 가둠관 내부로 반응물을 직접 공급하기 위한 모듈형 수랭식 주입기와; 상기 가둠관의 출구에 분리가능하게 부착되어 상기 가둠관을 고정하는 상부노즐과, 상기 상부노즐의 출구에 분리가능하게 부착되어 상기 상부노즐을 통과한 열플라즈마에 반응물을 공급하기 위한 반응물 주입구(41)가 형성된 하부노즐을 포함한다.A modular water-cooled injector installed on the torch to directly supply reactants into the confinement tube; A reactant inlet 41 for detachably attached to the outlet of the confinement tube to fix the confinement tube and a reactant to supply a reactant to the thermal plasma that detachably attaches to the outlet of the upper nozzle and passes through the upper nozzle. ) Includes a lower nozzle formed thereon.

상기 모듈형 수랭식 주입기는, 직접 가둠관 내부에 삽입되어 플라즈마의 고온부에 반응물을 제공하는 반응물 주입용 탐침과, 탐침에 연결되어 고온 고열량의 열플라즈마로부터 탐침을 보호하기 위해 탐침 내부에 냉각수를 공급하고 반응에 필요한 반응물 및 반응물의 이송 기체를 탐침에 제공하기 위한 주입기 몸체로 구성되 는데,The modular water-cooled injector, the reactant injection probe which is directly inserted into the confinement tube to provide a reactant to the high temperature portion of the plasma, and connected to the probe to supply the coolant to the inside of the probe to protect the probe from the high temperature and high calorific heat plasma It consists of an injector body to provide the probe with the reactants required for the reaction and the carrier gas of the reactants.

상기 탐침은, 한쪽이 막힌 소정길이의 관으로 된 탐침외관과;The probe may include a probe outer tube formed of a tube of a predetermined length in which one side is blocked;

상기 탐침외관과 동축으로 상기 탐침외관을 관통하여 외부로부터 주입되는 반응물을 주입하기 위한 반응물 이송관과; 상기 반응물 이송관과 상기 탐침외관 사이에 형성된, 냉각수 안내관(17)으로서, 상기 반응물 이송관(16)의 외벽을 타고 주입된 냉각수가 상기 탐침외관(15)과 상기 냉각수 안내관 사이의 공간을 따라 나갈 수 있도록 상기 반응물 이송관(16) 및 상기 탐침외관(15)과 동축으로 배치되고 말단은 개방되어 있는, 냉각수 안내관(17)을 포함하여 구성되며,A reactant conveying tube for injecting a reactant injected from the outside through the probe exterior coaxially with the probe exterior; A coolant guide tube (17) formed between the reactant feed tube and the probe outer tube, wherein the coolant injected through the outer wall of the reactant feed tube (16) forms a space between the probe outer tube (15) and the coolant guide tube. And a coolant guide tube (17) disposed coaxially with the reactant delivery tube (16) and the probe outer tube (15) and open at an end thereof so as to exit therefrom.

상기 주입기 몸체는,The injector body,

상기 반응물 이송관(16)이 삽입되어 반응물 공급부를 구성하는 상단부(3)와;탐침 냉각수 입구(10)가 위치하며 상기 냉각수 안내관(17)에 연결되어 탐침 냉각수의 입력부를 구성하는 중단부(4)와; 탐침 냉각수 출구(11)가 위치하고 상기 탐침 외관(15)과 연결되어 탐침 냉각수의 출력부를 이루는 하단부(5)를 포함하여 구성된다.An upper end portion 3 of the reactant feed tube 16 inserted into the reactant supply part; and a stop portion at which the probe coolant inlet 10 is positioned and connected to the coolant guide tube 17 to form an input part of the probe coolant ( 4) and; The probe coolant outlet 11 is located and includes a lower end 5 connected to the probe exterior 15 to form an output of the probe coolant.

상기 가둠관은 상기 유도코일 구조체와 소정간격을 두고 형성되어 상기 유도코일 구조체와의 사이에 유로를 형성하는데 상기 유로의 일단은 상기 상부노즐에 형성된 냉각수 입구에 연결되고 상기 유로의 타단은 상기 토치의 상단에 형성된 냉각수 출구에 연결된다.The confinement tube is formed with a predetermined distance from the induction coil structure to form a flow path between the induction coil structure, one end of the flow path is connected to the cooling water inlet formed in the upper nozzle and the other end of the flow path of the torch It is connected to the coolant outlet formed at the top.

상기 토치의 하단에는 반응물을 주입하기 위한 반응물주입부(19)가 형성되어 그 일단이 상기 상부노즐 내부에 형성된 반응물통로에 연결되며 상기 반응물 통 로(40)는 반응물의 공급을 위한 하부노즐내에 형성된 반응물주입구(41)에 연결되며, 상기 상부노즐은 그 내벽을 따라 냉각수통로(38,39)가 형성되는데 그 양단은 각각 상기 토치의 하단에 형성된 노즐 냉각수 입구 및 노즐 냉각수 출구에 각각 연결된다.At the bottom of the torch, a reactant injection unit 19 for injecting a reactant is formed, one end of which is connected to a reactant passage formed inside the upper nozzle, and the reactant passage 40 is formed in a lower nozzle for supplying a reactant. It is connected to the reactant inlet 41, the upper nozzle is formed along the inner wall of the cooling water passages (38, 39), both ends of which are respectively connected to the nozzle coolant inlet and the nozzle coolant outlet formed at the bottom of the torch.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 반응물 주입을 위한 모듈형 수랭식 주입기(1)와 다단식 노즐(2) 구조를 갖는 고주파 유도결합 플라즈마 토치의 단면도를 도시한 것으로, 토치는 냉각수 및 기체주입부를 구성하는 토치 상단부(28)와 토치 하단부(18), 플라즈마 가둠관(29), 쉬스 기체 안내관(30), 유도코일 구조체(31) 및 상기 모듈형 수랭식 주입기와 다단식 노즐로 구성된다. 1 is a cross-sectional view of a high frequency inductively coupled plasma torch having a modular water-cooled injector 1 and a multi-stage nozzle 2 structure for reactant injection according to the present invention. And a torch lower portion 18, a plasma confinement tube 29, a sheath gas guide tube 30, an induction coil structure 31, and the modular water-cooled injector and a multi-stage nozzle.

토치 상단부(28)에는 토치 냉각수 출구(32)와 쉬스 기체 주입구(33 ,34 )가 위치하여, 가둠관 외벽을 냉각하기 위한 토치 냉각수 유로를 구성하고, 가둠관 내벽의 냉각과 플라즈마 안정화를 위한 쉬스 기체를 공급하며, 상부에 설치되는 상기 모듈형 수랭식 주입기를 통해 토치 내부에 플라즈마 형성 기체를 공급한다. The torch coolant outlet 32 and the sheath gas inlet 33 and 34 are located at the upper end of the torch, forming a torch coolant flow path for cooling the confinement pipe outer wall, and a sheath for cooling the confinement pipe inner wall and stabilizing plasma. The gas is supplied, and the plasma forming gas is supplied into the torch through the modular water-cooled injector installed above.

유도코일 구조체(31)는 토치의 운전 시에 코일의 진동을 방지하고, 코일 사이의 절연성을 높이기 위해 세라믹 내관과 아크릴 외관으로 제작된 원통형의 용기에 유도코일을 삽입하고, 에폭시 성형하여 일체형 구조체로 제작되어, 외부로 인출된 유도코일을 통해 플라즈마의 생성을 위한 고주파 전력을 공급하며, 가둠관 외벽과 유도코일 구조체의 사이에 좁은 유로를 형성하여 냉각수에 의한 토치의 냉각이 이루어지도록 한다.The induction coil structure 31 inserts an induction coil into a cylindrical container made of a ceramic inner tube and an acrylic exterior to prevent vibration of the coil during operation of the torch and to increase insulation between the coils, and epoxy molded into an integral structure. It is manufactured to supply high frequency power for the generation of plasma through the induction coil drawn to the outside, and to form a narrow passage between the confinement pipe outer wall and the induction coil structure to cool the torch by the coolant.

토치 하단부(18)에는 토치 냉각수 입구, 노즐 냉각수 입·출구 및 반응물 주입부가 위치하며, 토치 지지대(35)를 통해 상기 플라즈마 가둠관(29), 쉬스 기체 안내관(30), 유도코일 구조체(31) 및 토치 상단부(28)와 결합되어 유도결합 플라즈마 토치의 몸체를 구성한다. The torch lower part 18 has a torch coolant inlet, a nozzle coolant inlet and an outlet, and a reactant inlet. The torch support 35 provides the plasma confinement pipe 29, the sheath gas guide pipe 30, and the induction coil structure 31. And the torch top 28 to form the body of the inductively coupled plasma torch.

이하 각 부품의 구성 재료 및 작용 등에 대한 자세한 설명은 여러 문헌을 통해 일반적으로 널리 알려져 있으므로 생략한다. Hereinafter, detailed descriptions of the constituent materials and the action of each component will be omitted since they are generally known through various documents.

도 2는 상기 모듈형 수랭식 주입기(1)의 단면도를 제시한 것이다.2 shows a cross-sectional view of the modular water-cooled injector 1.

상기 주입기 몸체는 3단의 구조로 이루어지는데, 반응물 이송관(16)과 연결되어 토치 내부에 반응물을 주입하기 위한 상단 반응물 주입구(9)가 위치하는 상단부(3), 탐침 냉각수 입구(10)가 위치하여 연결된 냉각수 안내관(17)을 통하여 반응물 주입용 탐침에 냉각수를 공급하는 중단부(4), 냉각수 출구(11)가 위치하며 금속 튜브 피팅(8)을 통해 탐침 외관(15)을 연결, 고정시키는 동시에, 고주파 토치의 상단부를 통해서 플라즈마 형성 기체 등을 공급하기 위한 기체 주입구(12)를 가지는 하단부(5)로 구성된다. 상기 주입기 몸체의 상단부(3), 중단부(4), 하단부(5)는 상단에서 삽입되는 볼트에 의해 결합되며, 각 단의 접합부에는 오링(6, 7)을 두어 반응물 및 탐침 냉각수를 밀봉하였다. The injector body is composed of a three-stage structure, the upper end portion 3, the probe coolant inlet 10 is connected to the reactant transfer tube 16, the upper reactant inlet (9) for injecting the reactant inside the torch A stop 4 for supplying coolant to the reactant injection probe through the connected coolant guide tube 17 and a coolant outlet 11, and connecting the probe exterior 15 through a metal tube fitting 8; At the same time, the lower end portion 5 has a gas injection port 12 for supplying plasma forming gas or the like through the upper end portion of the high frequency torch. The upper part 3, the stop part 4, and the lower part 5 of the injector body are joined by bolts inserted from the upper part, and O-rings 6 and 7 are placed at the joints of each end to seal the reactants and the probe cooling water. .

도 3은 상기 반응물 주입용 탐침의 개념도를 제시한 것이다. 상기 반응물 주입용 탐침은 동축으로 배치된 3 개의 서로 다른 길이와 직경을 가진 금속 튜브들(탐침 외관(15), 반응물 이송관(16), 냉각수 안내관(17))로 이루어진다. 상 기 탐침 외관(15)은 고온 고열용량의 플라즈마와 직접 접촉하는 부분으로, 한 쪽 끝은 주입기 몸체의 금속 튜브 피팅(8)을 통해 주입기 몸체의 하단부(5)에 고정되어 냉각수 출구(11)에 연결되며, 플라즈마에 삽입되는 다른 쪽 끝은 내부의 반응물 이송관(16)에 접합된 구조를 가진다. 상기 반응물 이송관(16)은 한 쪽 끝은 주입기 몸체 상단부(3)의 상단 반응물 주입구(9)에 연결되고, 반대 쪽 끝은 플라즈마에 반응물을 제공하기 위해 개방되어 있는 구조이며, 상기 탐침 외관(15) 및 탐침 냉각수에 의해 고온 고열량의 플라즈마로부터 보호된다. 상기 냉각수 안내관(17)은 탐침 외관(15)과 반응물 이송관(16) 사이에 삽입 고정되어, 주입기 몸체 중단부(4)의 냉각수 입구(10)로부터 공급된 차가운 냉각수가 반응물 이송관(16)의 외부와 냉각수 안내관(17)의 사이를 빠르게 통과하고, 플라즈마로부터 가장 많은 열속을 받는 반응물 주입용 탐침의 첨두 부분과 탐침 외관(15)을 통과하도록 하여 탐침의 냉각이 효율적으로 이루어지도록 한다. Figure 3 shows a conceptual diagram of the reactant injection probe. The reactant injection probe consists of three different lengths and diameters of metal tubes (probe exterior 15, reactant delivery tube 16, coolant guide tube 17) arranged coaxially. The probe exterior 15 is a part which is in direct contact with the plasma of high temperature and high heat capacity, one end of which is fixed to the lower end 5 of the injector body through a metal tube fitting 8 of the injector body, thereby cooling water outlet 11. The other end inserted into the plasma has a structure bonded to the reactant transport tube 16 therein. The reactant delivery tube 16 has one end connected to the upper reactant inlet 9 of the upper end portion 3 of the injector body, and the other end is open to provide the reactant to the plasma. 15) and probe cooling water to protect against high temperature, high heat plasma. The coolant guide tube 17 is inserted and fixed between the probe exterior 15 and the reactant delivery tube 16 such that the cold coolant supplied from the coolant inlet 10 of the injector body stop 4 is reactant delivery tube 16. It passes quickly between the outside of the) and the coolant guide tube 17, and passes through the peak portion of the reactant injection probe receiving the most heat flux from the plasma and the probe exterior (15) for efficient cooling of the probe. .

도 4는 본 발명에 따른 고주파 유도결합 플라즈마 토치 하단부(18)의 평면도를 나타낸다. 4 shows a top view of the high frequency inductively coupled plasma torch bottom 18 according to the invention.

토치 하단부에는 상기 다단식 노즐(2)에 반응물과 냉각수를 공급하기 위한 반응물 주입부(19)와 노즐 냉각수 입구(20)와 출구(21), 토치의 냉각을 위한 토치 냉각수 입구(22)가 위치한다. At the bottom of the torch, a reactant inlet 19 for supplying reactants and cooling water to the multistage nozzle 2, a nozzle coolant inlet 20 and an outlet 21, and a torch coolant inlet 22 for cooling the torch are positioned. .

도 5는 본 발명에 따른 다단식 노즐의 구조와 노즐 내부의 토치 냉각수 및 반응물의 이동 경로를 보여주는 단면도이다. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the multi-stage nozzle according to the present invention and the movement path of the torch coolant and the reactant inside the nozzle.

도 6은 본 발명에 따른 다단식 노즐의 구조와 노즐 냉각수의 이동 경로를 보여주는 단면도이다. 6 is a cross-sectional view showing the structure of the multi-stage nozzle according to the present invention and the movement path of the nozzle coolant.

상기 다단식 노즐은 크게 상부 노즐(23)과 하부 노즐(25)로 구성되며, 노즐의 냉각수 유로를 형성하는 상·하부 노즐 냉각수 가이드(24, 26) 및 하부 노즐 덮개(27)로 구성된다. The multistage nozzle is composed of an upper nozzle 23 and a lower nozzle 25, and is composed of upper and lower nozzle coolant guides 24 and 26 and a lower nozzle cover 27 forming a cooling water flow path of the nozzle.

상기 상부 노즐(23)은 플라즈마 가둠관(29)의 출구에 부착되어 가둠관을 고정하고, 토치 하단부(18)에 내장된 반응물 주입부(19), 노즐 냉각수 입·출구(20, 21)에 연결되어 하부 노즐에 반응물 및 노즐 냉각수를 공급하며, 다양한 형태의 노즐 설계를 통해서 가둠관을 통과하는 열플라즈마의 온도 및 속도 분포를 조절할 수 있다. 상부 노즐의 입구는 석영관과 같은 투명한 재료의 가둠관을 사용할 경우 플라즈마로부터 발생되는 강한 열복사로부터 오링(36, 37)이나 토치 하단부의 구조재를 보호하기 위해 가둠관의 안쪽으로 돌출된 구조를 가질 수 있다. 또한 노즐 전체가 효율적으로 냉각되도록 유로를 형성하기 위한 냉각수 가이드(24)를 가질 수 있다. The upper nozzle 23 is attached to the outlet of the plasma confinement pipe 29 to fix the confinement pipe, and to the reactant inlet 19 and the nozzle coolant inlets and outlets 20 and 21 embedded in the lower end of the torch 18. It is connected to supply the reactant and nozzle coolant to the lower nozzle, and various types of nozzle designs allow the temperature and velocity distribution of the thermal plasma to pass through the conduit. The inlet of the upper nozzle may have a structure protruding inwardly of the confinement tube to protect the O-rings 36 and 37 or the structure of the lower part of the torch from the strong heat radiation generated from the plasma when using a confinement tube of a transparent material such as a quartz tube. have. It may also have a coolant guide 24 for forming a flow path so that the entire nozzle is cooled efficiently.

상기 하부 노즐(25)은 상부 노즐의 노즐 냉각수 통로(38, 39), 반응물 통로(40) 및 상부 노즐의 출구에 결합되어 토치 몸체에 내장된 반응물 주입부(19) 및 노즐 냉각수 입·출구(20, 21)에 연결되며, 노즐을 통과하는 열플라즈마에 반응물 또는 플라즈마의 급랭을 위한 냉각 기체의 공급이 가능한 반응물 주입구(41)를 제공한다. 하부 노즐은 상기 하부 노즐 냉각수 가이드(26)와 하부 노즐 덮개(27)에 의해 상부 노즐에 결합, 고정되며 냉각수 가이드와 노즐 덮개 사이를 흐르는 냉각수에 의해 냉각된다. 노즐 덮개는 하부 노즐을 통과한 열플라즈마에 반응물이나 냉각 기체의 추가 공급 또는 합성물의 분리 등을 위한 부품의 추가 조립이 가능하도록 설계될 수 있다. 또한 하부 노즐은 공정에 따라 반응물 주입 방법 또는 열플라즈마 유동 특성의 최적화를 위해 노즐 구조의 재설계 및 교체가 가능하다. The lower nozzle 25 is coupled to the nozzle coolant passages 38 and 39, the reactant passage 40, and the outlet of the upper nozzle of the upper nozzle, and includes a reactant inlet 19 and a nozzle coolant inlet / outlet embedded in the torch body. It is connected to the 20, 21, and provides a reactant inlet 41 capable of supplying a cooling gas for quenching the reactant or plasma to the thermal plasma passing through the nozzle. The lower nozzle is coupled to and fixed to the upper nozzle by the lower nozzle coolant guide 26 and the lower nozzle cover 27 and is cooled by the coolant flowing between the coolant guide and the nozzle cover. The nozzle cover may be designed to enable further assembly of components for additional supply of reactants or cooling gas to the thermal plasma passing through the lower nozzle, or for separation of the composite. The lower nozzle can also be redesigned and replaced with a nozzle structure to optimize reactant injection methods or thermal plasma flow characteristics, depending on the process.

이상에서는 본 발명을 특정한 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명의 기술내용과 첨가된 청구범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가해질 수 있음은 당업자에게 명백하다. 따라서 명세서 및 도면은 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 기술적 사항을 한정하는 것이 아니라, 단지 예시하는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the invention has been described above with reference to specific embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the teachings and appended claims. The specification and drawings are, accordingly, to be regarded in an illustrative rather than a restrictive sense.

본 발명은 모듈형 수랭식 주입기와 다단식 노즐 구조를 갖는 고주파 유도결합 플라즈마를 제공함으로써, 유도결합 열플라즈마의 응용에 있어서 가둠관 내부의 플라즈마 고온부와 노즐을 통과하는 플라즈마에 효율적인 반응물 주입 방법을 제공하고, 일부 부품의 교체를 통해 각 공정에 최적화된 반응물 주입 방법과 열플라즈마의 제공이 가능하므로, 최근의 증가하는 열플라즈마 수요에 대해 다양한 공정에 효과적으로 이용될 수 있다.The present invention provides an efficient method of injecting reactants into a plasma passing through a high temperature plasma section inside a confined tube and a nozzle in an application of inductively coupled thermal plasma by providing a high frequency inductively coupled plasma having a modular water-cooled injector and a multi-stage nozzle structure. The replacement of some components allows the provision of reactant injection methods and thermal plasma optimized for each process, which can be effectively used in a variety of processes to meet the growing demand for thermal plasma.

Claims (4)

원통형의 용기로서 용기의 벽내에 삽입되어, 외부로 인출되는 유도코일을 통해 플라즈마의 생성을 위한 고주파 전력이 공급되는 유도코일 구조체와;An induction coil structure which is inserted into the wall of the container as a cylindrical container and is supplied with high frequency power for generation of plasma through an induction coil drawn out; 상기 유도코일 구조체의 내부에 상기 유도코일 구조체와 동축으로 배치되어, 발생되는 플라즈마를 가두기 위한 가둠관을 포함하는 고주파 유도결합 플라즈마 토치로서, A high frequency inductively coupled plasma torch having a conduit tube for confining a generated plasma disposed coaxially with the induction coil structure inside the induction coil structure, 상기 토치상부에 설치되어 상기 가둠관 내부로 반응물을 직접 공급하기 위한 모듈형 수랭식 주입기와;A modular water-cooled injector installed on the torch to directly supply reactants into the confinement tube; 상기 가둠관의 출구에 분리가능하게 부착되어 상기 가둠관을 고정하는 상부노즐과, 상기 상부노즐의 출구에 분리가능하게 부착되어 상기 상부노즐을 통과한 열플라즈마에 반응물을 공급하기 위한 반응물 주입구(41)가 형성된 하부노즐을 포함하는, 고주파 유도결합 플라즈마 토치.A reactant inlet 41 for detachably attached to the outlet of the confinement tube to fix the confinement tube and a reactant to supply a reactant to the thermal plasma that detachably attaches to the outlet of the upper nozzle and passes through the upper nozzle. A high frequency inductively coupled plasma torch comprising a lower nozzle formed thereon). 제1항에 있어서, 상기 모듈형 수랭식 주입기는 The method of claim 1, wherein the modular water-cooled injector 직접 가둠관 내부에 삽입되어 플라즈마의 고온부에 반응물을 제공하는 반응물 주입용 탐침과, 상기 탐침에 연결되어 고온 고열량의 열플라즈마로부터 탐침을 보호하기 위해 탐침 내부에 냉각수를 공급하고 반응에 필요한 반응물 및 반응물의 이송 기체를 탐침에 제공하기 위한 주입기 몸체로 구성되는데,A reactant injection probe that is directly inserted into the confinement tube to provide a reactant at a high temperature portion of the plasma; and a reactant and a reactant which are connected to the probe to supply coolant to the inside of the probe to protect the probe from high temperature and high calorific thermal plasma; Consists of an injector body for supplying the carrier gas to the probe, 상기 탐침은, The probe, 한쪽이 막힌 소정길이의 관으로 된 탐침외관과; A probe exterior made of a tube of a predetermined length in which one side is blocked; 상기 탐침외관과 동축으로 상기 탐침외관을 관통하여 외부로부터 주입되는 반응물을 주입하기 위한 반응물 이송관과;A reactant conveying tube for injecting a reactant injected from the outside through the probe exterior coaxially with the probe exterior; 상기 반응물 이송관과 상기 탐침외관 사이에 형성된, 냉각수 안내관(17)으로서, 상기 반응물 이송관(16)의 외벽을 타고 주입된 냉각수가 상기 탐침외관(15)과 상기 냉각수 안내관 사이의 공간을 따라 나갈 수 있도록 상기 반응물 이송관(16) 및 상기 탐침외관(15)과 동축으로 배치되고 말단은 개방되어 있는, 냉각수 안내관(17)을 포함하여 구성되며,A coolant guide tube (17) formed between the reactant feed tube and the probe outer tube, wherein the coolant injected through the outer wall of the reactant feed tube (16) forms a space between the probe outer tube (15) and the coolant guide tube. And a coolant guide tube (17) disposed coaxially with the reactant delivery tube (16) and the probe outer tube (15) and open at an end thereof so as to exit therefrom. 상기 주입기 몸체는,The injector body, 상기 반응물 이송관(16)이 삽입되어 반응물 공급부를 구성하는 상단부(3)와;An upper end portion 3 into which the reactant feed tube 16 is inserted to constitute a reactant supply part; 탐침 냉각수 입구(10)가 위치하며 상기 냉각수 안내관(17)에 연결되어 탐침 냉각수의 입력부를 구성하는 중단부(4)와;A stop portion (4) at which a probe coolant inlet (10) is located and connected to the coolant guide tube (17) to form an input of the probe coolant; 탐침 냉각수 출구(11)가 위치하고 상기 탐침 외관(15)과 연결되어 탐침 냉각수의 출력부를 이루는 하단부(5)를 포함하여 구성되는, 고주파 유도결합 플라즈마 토치.A high frequency inductively coupled plasma torch having a probe coolant outlet (11) and comprising a lower end (5) connected to the probe exterior (15) to form an output of the probe coolant. 제 1항에 있어서, 상기 가둠관은 상기 유도코일 구조체와 소정간격을 두고 형성되어 상기 유도코일 구조체와의 사이에 유로를 형성하는데 상기 유로의 일단은 상기 상부노즐에 형성된 냉각수 입구에 연결되고 상기 유로의 타단은 상기 토치의 상단에 형성된 냉각수 출구에 연결되는, 고주파 유도결합 플라즈마 토치.According to claim 1, wherein the confinement pipe is formed at a predetermined interval with the induction coil structure to form a flow path between the induction coil structure, one end of the flow path is connected to the cooling water inlet formed in the upper nozzle and the flow path The other end of the high frequency inductively coupled plasma torch is connected to the coolant outlet formed on the top of the torch. 제1항에 있어서, 상기 토치의 하단에는 반응물을 주입하기 위한 반응물주입부(19)가 형성되어 그 일단이 상기 상부노즐 내부에 형성된 반응물통로에 연결되며 상기 반응물 통로(40)는 반응물의 공급을 위한 하부노즐내에 형성된 반응물주입구(41)에 연결되며, 상기 상부노즐은 그 내벽을 따라 냉각수통로(38,39)가 형성되는데 그 양단은 각각 상기 토치의 하단에 형성된 노즐 냉각수 입구 및 노즐 냉각수 출구에 각각 연결되는, 고주파 유도결합 플라즈마 토치.The reactant injector 19 is formed at a lower end of the torch to inject a reactant, one end of which is connected to a reactant passage formed inside the upper nozzle, and the reactant passage 40 is configured to supply a reactant. It is connected to the reactant inlet 41 formed in the lower nozzle for the upper nozzle is formed along the inner wall of the cooling water passage (38,39), both ends of the nozzle coolant inlet and nozzle coolant outlet formed at the bottom of the torch, respectively Each connected to a high frequency inductively coupled plasma torch.
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