KR102263231B1 - 열플라즈마 처리장치 - Google Patents

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KR102263231B1
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치는, 중심에 위치된 음극; 상기 음극 둘레를 감싸고, 제1홀이 중심에 구비된 제1양극; 상기 제1양극 하측에 이격되고, 상기 제1홀과 연통된 제2홀이 중심에 구비된 제2양극; 상기 제1양극 둘레를 감싸도록 위치되고 상기 제2홀과 연통되는 원통 형상의 본체와, 상기 본체에 소정 간격을 두고 연통되고 처리가스를 상기 본체 내부에 주입하는 복수개의 처리가스 주입관을 포함하는 처리가스 주입부; 상기 처리가스 주입부에 구비되고, 회전 유도가스를 상기 처리가스가 주입되는 방향으로 주입하는 회전 유도가스 주입관; 및 상기 본체와 상기 제1양극 사이에 위치되고, 처리가스의 회전을 유도하는 가이드 벽;을 포함할 수 있다.

Description

열플라즈마 처리장치 {Thermal plasma processing apparatus}
본 발명은 열플라즈마 방전 시 아크의 회전성을 향상시킬 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 제1498392호(출원일 : 2013.12.11)에는 플라즈마(Plasma)를 발생시키는 플라즈마 발생모듈; 및 상기 플라즈마 발생모듈에 의해 발생된 플라즈마가 외부로 불어내지는 적어도 하나의 플라즈마 노즐(Plasma Nozzle)을 구비하며, 상기 플라즈마 발생모듈과는 별개로 마련되어 상기 플라즈마 발생모듈의 외측에 회전 가능하게 배치되는 회전체를 포함하되, 상기 플라즈마 발생모듈은, 중앙 영역에 배치되는 고전압 전극(High Voltage Electrode); 상기 고전압 전극의 주변에 배치되고 상기 고전압 전극으로 인가되는 전원이 대전되어 고압의 아크를 발생시키는 접지 전극(Counter Electrode); 및 상기 고전압 전극과 상기 접지 전극 사이에 마련되며, 상기 회전체 측으로 압축공기 또는 가스가 주입되는 가스 주입부(Gas Inlet)를 포함하며, 상기 접지 전극은, 원통형 형상을 갖는 제1 접지 전극; 및 깔때기 형상을 가지며, 상기 제1 접지 전극과 착탈 가능하게 결합되는 제2접지 전극을 포함하는 플라즈마 발생장치가 개시된다.
따라서, 상기 플라즈마 발생모듈에서 플라즈마 아크가 발생하면, 상기 플라즈마 노틀을 통하여 플라즈마 아크가 불어내진 다음, 상기 회전체를 회전 구동함에 따라 플라즈마 아크의 길이 및 회전 속도를 제어할 수 있다.
그러나, 상기의 종래 기술에 따르면, 회전체를 회전 구동하기 위한 구동부가 구비되기 때문에 구동부의 고장, 마모, 마멸 등으로 인하여 플라즈마 아크의 회전을 원활하게 유도할 수 없는 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.
따라서, 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 처리할 수 있다.
그러나, 상기의 종래 기술에 따르면, 아크가 제1,2하우징에서 형성되고, 제2하우징 내주면의 나사산을 이용하여 아크의 회전을 유도하지만, 아크의 회전이 원활하게 일어나지 않기 때문에 아크에 의해 제2하우징의 내주면이 국부적으로 손상되어 전극 수명을 확보하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열플라즈마 방전 시 아크의 발생 시점부터 아크의 회전성을 향상시킬 수 있는 열플라즈마 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 처리가스와 열플라즈마의 혼합을 극대화시킬 수 있는 열플라즈마 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 소량의 회전 유도가스 주입 및 격벽에 의해 처리가스의 회전성 향상을 통해 아크의 회전성을 향상시킬 수 있는 열플라즈마 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열플라즈마 처리장치는, 중심에 위치된 음극; 상기 음극 둘레를 감싸고, 제1홀이 중심에 구비된 제1양극; 상기 제1양극 하측에 이격되고, 상기 제1홀과 연통된 제2홀이 중심에 구비된 제2양극; 상기 제1양극 둘레를 감싸도록 위치되고 상기 제2홀과 연통되는 원통 형상의 본체와, 상기 본체에 소정 간격을 두고 연통되고 처리가스를 상기 본체 내부에 주입하는 복수개의 처리가스 주입관을 포함하는 처리가스 주입부; 및 상기 처리가스 주입부에 구비되고, 회전 유도가스를 상기 처리가스가 주입되는 방향으로 주입하는 회전 유도가스 주입관;을 포함할 수 있다.
상기 회전 유도가스 주입관은, 상기 본체의 내주면에 대한 접선 방향으로 연통되도록 복수개가 구비될 수 있다.
상기 회전 유도가스 주입관들은, 상기 본체 외주면에 연통되고, 상기 처리가스 주입관들과 인접하게 위치될 수 있다.
상기 회전 유도가스 주입관들은, 상기 처리가스 주입관들 내측에 위치될 수 있다.
상기 회전 유도가스 주입관들은, 상기 본체의 중심을 기준으로 서로 대칭하도록 위치될 수 있다.
상기 회전 유도가스 주입관들은, 상기 처리가스 주입관의 내경 보다 작게 구성될 수 있다.
상기 회전 유도가스 주입관들은, 상기 처리가스 주입관의 개수보다 적게 구비될 수 있다.
상기 본체와 상기 제1양극 사이에 위치되고, 처리가스의 회전을 유도하는 가이드 벽을 더 포함할 수 있다.
상기 가이드 벽은, 상기 본체와 상기 제1양극 사이에 반경 방향으로 소정 간격을 두고 복수개가 구비될 수 있다.
상기 가이드 벽은, 상기 본체의 직경 보다 작고 상기 제1양극의 직경 보다 큰 원통 형상으로 구성되고, 상기 본체 내부로 유입된 처리가스가 상기 가이드 벽을 따라 회전 유도될 수 있다.
상기 가이드 벽은, 상기 본체와 상기 제1양극과 동심원을 이루도록 배치될 수 있다.
상기 가이드 벽은, 상기 본체의 높이 보다 낮게 구성되고, 상기 본체 내부로 유입된 처리가스가 상기 가이드 벽의 상측 또는 하측 중 한 군데를 통하여 유동될 수 있다.
상기 회전 유도가스 주입관은, 질소(N2), 아르곤(Ar), 공기(Air), 산소(O2), 수소(H2) 중 하나를 회전 유도가스로 공급할 수 있다.
본 발명의 열플라즈마 처리장치에 따르면, 처리가스 주입부 측에 회전 유도가스 주입관이 구비되어 회전 유도가스를 처리가스가 주입되는 회전 방향으로 주입할 수 있고, 처리가스 주입부 내측에 회전을 유도하는 가이드 벽이 구비되어 처리가스 주입부 내측에 처리가스가 충분히 회전하지 못한 채 반응부로 넘어가는 것을 방지함으로서, 처리가스 주입부 내측에서 처리가스의 회전성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 처리가스의 회전 유동이 향상되면, 열플라즈마 방전 시 아크의 발생 시점부터 아크의 회전성을 향상시킬 수 있고, 처리가스와 인접하게 공급되는 방전가스의 중력 영향을 줄일 수 있어 반응부 내에서 아크의 생성을 안정적으로 유도할 수 있으며, 나아가 플라즈마 방전 안정성을 향상시킬 수 있고, 아크의 발생 지점 주변의 구성 요소가 손상되는 것을 방지하는 동시에 사용 수명을 늘릴 수 있다.
또한, 처리가스의 회전 유동이 향상됨에 따라 처리가스와 열플라즈마의 혼합을 극대화시킬 수 있고, 처리가스의 열 분해를 촉진시킬 수 있어 처리 효율 및 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 소량의 회전 유도가스만 주입하더라도 구조적으로 처리가스의 회전성을 향상시킬 수 있고, 아크의 생성을 안정적으로 유도하는 동시에 플라즈마 방전 안정성을 향상시킬 수 있으며, 작동 신뢰성과 처리 효율을 극대화시키는 동시에 처리 비용을 절감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열플라즈마 처리장치가 도시된 정단면도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열플라즈마 처리장치의 처리가스 주입부 내부 유동 흐름이 도시된 평단면도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 열플라즈마 처리장치의 작동 상태가 도시된 정단면도.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 열플라즈마 처리장치의 처리가스 주입부 내부 유동 흐름이 도시된 평단면도.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 열플라즈마 처리장치의 작동 상태가 도시된 정단면도.
도 6은 본 발명에 적용된 회전 유도가스 주입관의 다른 실시예가 도시된 도면.
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 제1실시예에 따른 열플라즈마 처리장치가 도시된 정단면도이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 열플라즈마 처리장치(100)는 아크에 의해 처리가스를 열 분해시키는 일종의 토치부로서, 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)와, 회전 유도가스 주입관(181) 및 가이드 격벽(191)을 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.
한편, 음극 하우징(110A)과 제1,2양극 하우징(120A,130A)은 금속 재질로 구성할 수 있는데, 전원공급부에 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 서로 조립될 수 있다.
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 제1주입구(142)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(142)는 제1본체부(141)의 내주면을 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전하도록 방전가스를 주입하도록 구성될 수 있다. 그리고, 제1주입구(142)는 제1본체부(141)의 내주면에 대해 접선 방향으로 형성되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 소정 간격을 두고 복수개가 구비될 수 있다.
따라서, 제1방전가스 주입부(140)에 의해 방전가스가 제1양극(120)의 내주면을 따라 회전 방향으로 공급되면, 방전가스가 제1아크에 의해 열플라즈마로 생성될 수 있다.
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.
처리가스의 회전 유동을 향상시키기 위하여, 처리가스 주입부(150) 측에는 회전 유도가스 주입관(181)을 비롯하여 가이드 벽(191)이 구비될 수 있는데, 처리가스 주입부(150) 내부 구조는 하기에서 자세히 살펴보기로 한다.
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(162)로 구성될 수 있다.
실시예에 따르면, 제2주입구(162)는 제2본체부(161)의 내주면에 대해 접선 방향으로 형성되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 복수개가 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다. 다만, 제2주입구(162)는 제1주입구(142)와 동일한 회전 방향으로 방전가스를 주입할 수 있도록 구성된다.
또한, 방전가스를 복수개의 제2주입구(162)로 균일하게 공급하기 위하여, 제2주입구(162) 외측에 서로 연통되는 링 형상의 보조 주입구(162h)가 제2양극 하우징(130B)에 구비될 수 있다.
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.
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 형태로 구성될 수 있다.
마찬가지로, 제3주입구(170)는 제2양극(130)의 내주면에 대해 접선 방향으로 형성되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 복수개가 구비될 수 있으며, 제1,2주입구(142,162)와 동일한 회전 방향으로 방전가스를 주입할 수 있도록 구성될 수 있다.
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.
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 N극과 S극이 겹쳐진 형태로 구성될 수 있다.
처리가스를 반시계 방향으로 주입하는 경우, 처리가스의 유동 방향인 반시계 방향으로 자기장을 형성시키도록 자석부(M1,M2)를 구성하고, 처리가스를 시계 방향으로 주입하는 경우, 처리가스의 유동 방향인 시계 방향으로 자기장을 형성시키도록 자석부(M1,M2)를 구성할 수 있다.
따라서, 자석부(M1,M2)에 의해 형성된 자기장의 영향으로 제,2전극(120,130) 내측에 형성되는 열플라즈마 아크의 회전을 향상시킴으로, 열 분해 성능을 높일 수 있고, 아크에 의해 형성된 열플라즈마 제트가 편심되지 않고 제1,2전극(120,130)의 중심부에 위치시킴으로, 열플라즈마 제트의 방전 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열플라즈마 처리장치의 처리가스 주입부 내부 유동 흐름이 도시된 평단면도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 열플라즈마 처리장치의 작동 상태가 도시된 정단면도이다.
본 발명의 제1실시예에 따르면, 처리가스 주입부(150)가 본체(151) 및 복수개의 주입관(152)으로 구성되고, 회전 유도가스 주입관(181)이 주입관들(152) 중 일부와 근접하도록 본체(151) 외주면에 연통되며, 가이드 격벽(191)이 본체(151) 내측에 이격된 형태로 구비될 수 있다.
처리가스 주입부(150)는 원통 형상의 본체(151)와, 본체(151)의 내측과 연통되도록 본체(151) 외주면에 수평하게 구비된 복수개의 처리가스 주입관(152)으로 구성될 수 있다.
본체(151)는 제1양극(120)과 제1방전가스 주입부(140)를 감싸는 큰 원통 형상으로서, 제2양극의 제2홀(130h)의 상측에 연통될 수 있다.
처리가스 주입관(152)은 본체(151)의 내주면을 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 처리가스 및 반응가스를 주입하도록 구성될 수 있다. 그리고, 처리가스 주입관(152)은 본체(151)의 내주면에 대해 접선 방향으로 구비되고, 원주 방향으로 일정 간격을 두고 4개가 구비될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
처리가스를 아크의 중심부까지 원활하게 도달시키기 위하여, 처리가스 주입관(152)에 의해 주입되는 처리가스의 회전 방향은, 상기에서 설명한 제1주입구(142)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.
회전 유도가스 주입관(181)은 회전 유도가스를 처리가스의 주입 방향으로 공급하기 위한 것으로서, 처리가스 주입관들(152) 중 일부와 인접하도록 본체(151)의 외주면에 연통될 수 있다.
회전 유도가스 주입관(181)은 처리가스 주입관(152)과 마찬가지로 본체(151)의 내주면에 대해 접선 방향으로 구비될 수 있고, 본체(151)의 중심을 기준으로 서로 대칭하게 2개가 구비되거나, 무작위로 배치될 수 있다.
회전 유도가스 주입관들(181)의 개수는 처리가스 주입관들(152)의 개와 관계없이 구성할 수 있고, 회전 유도가스 주입관(181)의 직경은 처리가스 주입관(152)의 직경 보다 훨씬 작게 구성함으로서, 소량의 회전 유도가스를 고속으로 주입할 수 있도록 한다.
회전 유도가스 주입관(181)에 주입되는 회전 유도가스는 처리가스 주입관(152)을 통하여 처리가스와 함께 주입되는 방전가스와 같은 종류로 구성될 수 있는데, 질소(N2), 아르곤(Ar), 공기(Air), 산소(O2), 수소(H2) 중 하나로 구성될 수 있으며, 한정되지 아니한다.
가이드 격벽(191)은 본체(151)와 제1양극(120) 사이에 위치되는데, 본체(151)와 제1양극(120) 사이의 공간을 반경 방향으로 분할함으로서, 처리가스가 충분히 회전하지 못하고 반응부로 유입되는 현상을 방지하고, 처리가스가 유동되는 유로를 좁게 구성하여 충분한 회전영역 확보를 통해 처리가스의 회전을 유도하는 동시에 처리가스의 유동 속도를 높일 수 있다.
가이드 격벽(191)은 본체(151)의 직경 보다 작고 제1양극(120)의 직경 보다 큰 원통 형상으로 구성될 수 있고, 본체(151)와 제1양극(120)과 동심원을 이루도록 배치될 수 있으며, 본체(151) 내부로 유입된 처리가스가 가이드 격벽(191)을 따라 회전 유도될 수 있다.
가이드 격벽(191)은 본체(151)의 높이 보다 낮게 구성될 수 있고, 본체(151) 내부로 유입된 처리가스가 가이드 격벽(191)의 상측 또는 하측 중 한 군데를 통하여 유동될 수 있다.
상기와 같이 구성된 제1실시예의 작동 상태를 살펴보면, 다음과 같다.
고전압이 음극(110)과 제1,2양극(130)에 걸리면, 서로 근접한 음극(110)과 제1양극(120) 사이에 제1아크가 발생되고, 제1아크는 다소 멀게 위치한 음극(110)과 제2양극(130) 사이에서도 제2아크로 이동될 수 있다.
제1,2양극 내측에서 제1,2아크가 발생되면, 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 주입될 수 있다.
상세하게, 처리가스가 처리가스 주입관들(152)을 통하여 본체(151) 내부로 주입되는 동안, 소량의 회전 유도가스가 회전 유도가스 주입관들(181)을 통하여 처리가스의 회전 방향으로 고속 주입될 수 있고, 처리가스의 회전 유동을 유도할 수 있다.
또한, 처리가스가 본체(151)와 가이드 격벽(191) 사이의 좁은 회전 유로를 따라 회전된 다음, 가이드 격벽(191)의 상측을 통하여 가이드 격벽(191)과 제1양극(120) 사이의 좁은 회전 유로를 따라 회전되도록 함으로서, 처리가스의 회전 유동을 더욱 가속시킬 수 있다.
이와 같이, 처리가스의 회전 유동이 향상되면, 방전가스가 중력 방향으로 급속하게 내려가지 않도록 하고, 열플라즈마 방전 시 아크의 발생 시점부터 아크의 회전성을 향상시키는 동시에 아크를 안정적으로 발생시킬 수 있으므로, 전극의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 처리가스의 회전 유동이 향상되면, 처리가스와 열플라즈마의 혼합을 극대화시킬 수 있으므로, 처리가스의 열 분해 성능을 높일 수 있다.
마지막으로, 제3방전가스 주입부(170)를 통하여 방전가스가 제2양극(130) 하측으로 주입되면, 방전가스의 수평 방향 흐름이 제2아크의 수직 방향 흐름을 차단함으로, 제2아크의 길이를 제어할 뿐 아니라 제2아크가 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 열플라즈마 처리장치의 처리가스 주입부 내부 유동 흐름이 도시된 평단면도이고, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 열플라즈마 처리장치의 작동 상태가 도시된 정단면도이다.
본 발명의 제2실시예는 제1실시예와 동일하게 구성되며, 처리가스의 회전 유동을 향상시키기 위하여 제1,2,3가이드 격벽(191,192,193)이 본체(151) 내측에 반경 방향으로 이격된 형태로 구비될 수 있다.
제1,2,3가이드 격벽(191,192,193)은 본체(151)와 제1양극(120) 사이의 공간을 반경 방향으로 더욱 세밀하게 나눌 수 있으므로, 처리가스의 회전성을 향상시킬 수 있다.
제1,2,3가이드 격벽(191,192,193)은 본체(151)의 직경 보다 작고 제1양극(120)의 직경 보다 큰 원통 형상으로 구성될 수 있는데, 제1,2,3가이드 격벽(191,192,193)의 직경은 서로 다르게 구성될 수 있다.
제1,2,3가이드 격벽(191)은 본체(151)의 높이 보다 낮게 구성될 수 있고, 본체(151) 내부로 유입된 처리가스가 제1,2,3가이드 격벽(191)의 상측 또는 하측 중 한 군데를 통하여 유동될 수 있다.
실시예에 따르면, 본체(151)와 제1,2,3가이드 격벽(191,192,193)과 제1양극(120) 사이의 간격을 동일하게 구성될 수 있고, 제1,2,3가이드 격벽(191,192,193)은 본체(151)와 제1양극(120)과 동심원을 이루도록 배치될 수 있으며, 제1,2,3가이드 격벽(191,192,193)은 번갈아가면서 상단 또는 하단이 고정된 형태로 설치될 수 있다.
따라서, 처리가스가 처리가스 주입관들(152)을 통하여 본체(151) 내부로 주입되면, 처리가스가 본체(151)와 제1가이드 격벽(191) 사이의 좁은 회전 유로를 따라 회전된 다음, 제1가이드 격벽(191)의 상측을 통하여 제1가이드 격벽(191)과 제2가이드 격벽(192) 사이의 좁은 회전 유로를 따라 회전되고, 제2가이드 격벽(192)의 하측을 통하여 제2가이드 격벽(192)과 제3가이드 격벽(193) 사이의 좁은 회전 유로를 따라 회전된 다음, 제3가이드 격벽(192)의 상측을 통하여 제3가이드 격벽(193)과 제1양극(120) 사이의 좁은 회전 유로를 따라 회전되도록 한다.
즉, 제1,2,3가이드 격벽(191,192,193)에 의해 처리가스 주입부(150) 내측에 처리가스의 유로를 더욱 좁고 길게 구성함으로서, 처리가스의 회전 유동을 더욱 가속시킬 수 있다.
도 6은 본 발명에 적용된 회전 유도가스 주입관의 다른 실시예가 도시된 도면이다.
본 발명의 제1,2실시예에 적용된 회전 유도가스 주입관(181 : 도 2 및 도 4에 도시)은 본체(151)의 외주면에 연통되도록 구비되는 반면, 도 6에 적용된 회전 유도가스 주입관(182)은 처리가스 주입관(153) 내측에 구비될 수 있다.
처리가스 주입관(153)은 본체(151)의 외주면에 수평하게 구비되지만, 처리가스 주입관(153)의 입구가 상측을 향하도록 구비될 수 있다.
회전 유도가스 주입관(182)은 처리가스 주입관(153) 내부 하측에 수평하게 구비됨으로서, 처리가스 주입관(153) 내부의 유로 저항으로 작용하는 것을 방지할 수 있다.
100 : 열플라즈마 처리장치 110 : 음극
120 : 제1양극 130 : 제2양극
140 : 제1방전가스 주입부 150 : 처리가스 주입부
160 : 제2방전가스 주입부 170 : 제3방전가스 주입부
M1,M2 : 자석부 181,182 : 회전 유도가스 주입관
191,192,193 : 가이드 격벽

Claims (13)

  1. 중심에 위치된 음극;
    상기 음극 둘레를 감싸고, 제1홀이 중심에 구비된 제1양극;
    상기 제1양극 하측에 이격되고, 상기 제1홀과 연통된 제2홀이 중심에 구비된 제2양극;
    상기 제1양극 둘레를 감싸도록 위치되고 상기 제2홀과 연통되는 원통 형상의 본체와, 상기 본체에 소정 간격을 두고 연통되고 처리가스를 상기 본체 내부에 주입하는 복수개의 처리가스 주입관을 포함하는 처리가스 주입부;
    상기 처리가스 주입부에 구비되고, 회전 유도가스를 상기 처리가스가 주입되는 방향으로 주입하는 회전 유도가스 주입관; 및
    상기 본체와 상기 제1양극 사이에 위치되고 처리가스의 회전을 유도하는 가이드 벽을 포함하고,
    상기 가이드 벽은,
    상기 본체의 높이 보다 낮게 구성되고,
    상기 본체 내부로 유입된 처리가스가 상기 가이드 벽의 상측 또는 하측 중 한 군데를 통하여 유동되는 열플라즈마 처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전 유도가스 주입관은,
    상기 본체의 내주면에 대한 접선 방향으로 연통되도록 복수개가 구비되는 열플라즈마 처리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회전 유도가스 주입관들은,
    상기 본체 외주면에 연통되고, 상기 처리가스 주입관들과 인접하게 위치되는 열플라즈마 처리장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 회전 유도가스 주입관들은,
    상기 처리가스 주입관들 내측에 위치되는 열플라즈마 처리장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 회전 유도가스 주입관들은,
    상기 본체의 중심을 기준으로 서로 대칭하도록 위치되는 열플라즈마 처리 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 회전 유도가스 주입관의 내경은, 상기 처리가스 주입관의 내경 보다 작게 구성되는 열플라즈마 처리 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 회전 유도가스 주입관들은,
    상기 처리가스 주입관의 개수보다 적게 구비되는 열플라즈마 처리 장치.
  8. 삭제
  9. 중심에 위치된 음극;
    상기 음극 둘레를 감싸고, 제1홀이 중심에 구비된 제1양극;
    상기 제1양극 하측에 이격되고, 상기 제1홀과 연통된 제2홀이 중심에 구비된 제2양극;
    상기 제1양극 둘레를 감싸도록 위치되고 상기 제2홀과 연통되는 원통 형상의 본체와, 상기 본체에 소정 간격을 두고 연통되고 처리가스를 상기 본체 내부에 주입하는 복수개의 처리가스 주입관을 포함하는 처리가스 주입부;
    상기 처리가스 주입부에 구비되고, 회전 유도가스를 상기 처리가스가 주입되는 방향으로 주입하는 회전 유도가스 주입관; 및
    상기 본체와 상기 제1양극 사이에 위치되고 처리가스의 회전을 유도하는 가이드 벽을 포함하고,
    상기 가이드 벽은,
    상기 본체와 상기 제1양극 사이에 반경 방향으로 소정 간격을 두고 복수개가 구비되는 열플라즈마 처리장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 벽은,
    상기 본체의 직경 보다 작고 상기 제1양극의 직경 보다 큰 원통 형상으로 구성되고,
    상기 본체 내부로 유입된 처리가스가 상기 가이드 벽을 따라 회전 유도되는 열플라즈마 처리장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가이드 벽은,
    상기 본체와 상기 제1양극과 동심원을 이루도록 배치되는 열플라즈마 처리장치.
  12. 삭제
  13. 제1항 내지 제7항 및 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전 유도가스 주입관은,
    질소(N2), 아르곤(Ar), 공기(Air), 산소(O2), 수소(H2) 중 하나를 회전 유도가스로 공급하는 열플라즈마 처리장치.
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