KR102522433B1 - 플라즈마 발생장치 - Google Patents

Abstract

내부에 방전이 이루어지는 방전공간이 형성되고, 일측에 외부공기가 유입되는 유입구가 형성되며, 타측에 유입된 외부공기가 배출되는 배출구가 형성된 하우징과, 막대 형상으로 형성되고, 상기 하우징 내부에 상기 하우징의 길이방향으로 설치되는 막대형상의 내부전극 및 상기 하우징의 내부 중 상기 내부전극을 감싸도록 나선형상으로 형성되되, 내면이 상기 내부전극과 일정간격 이격되게 형성되는 외부전극을 포함하되, 상기 외부전극은 플라즈마가 배출되는 배출영역과 대응되는 단부가 외측으로 갈수록 그 직경이 커지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치를 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 플라즈마의 점화 형태를 원형으로 구현하여 다량의 플라즈마가 발생되도록 함으로써 유입된 오염 공기와 발생된 플라즈마의 접촉 시간 및 횟수가 크게 증대될 수 있고, 그로 인해 공기의 살균 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

플라즈마 발생장치{Plasma generator}

본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마의 점화 형태를 원형으로 구현하여 다량의 플라즈마가 발생되도록 함으로써 유입된 오염 공기와 발생된 플라즈마의 접촉 시간 및 횟수가 크게 증대될 수 있고, 그로 인해 공기의 살균 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

대기압 플라즈마는 대기압 상태에서 플라즈마를 발생하는 기술로서, 식품 살균, 식기 및 의료기기 살균 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 대기압 플라즈마 기술은 효율성이 높고 폐기물을 발생시키지 않아 비오염적이며, 환경친화적이므로 다른 살균방법에 비해 설치 및 유지비용이 저렴하여 경제적인 장점이 있다.

이러한 플라즈마 방전 기술로는 코로나 방전, DBD(유전체 장벽 방전; dielectric barrier discharge) 등 다양한 기술들이 사용되고 있으며, 각 방전 특성에 따라 공기의 살균, 오염 물질의 제거 및 인체 질환의 치료 등에 널리 이용되고 있다.

일반적으로 코로나 방전은 침 전극이나 가는 선 도체 또는 날카로운 돌출 부위 등의 모서리에 전압을 인가할 때, 불평등 전계로 인하여 부분방전이 안정적으로 발생되는 현상으로 그 일예가 도1에 도시되어 있다.

도1은 종래의 플라즈마 발생장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도1에서 보는 바와 같이 종래의 플라즈마 발생장치(100)는 일측에 외부공기가 유입되는 유입구(111)가 형성되고 타측에 유입된 외부공기가 외부로 배출되는 배출구(112)가 형성된 하우징(110)과, 하우징(110) 내부에 한 쌍이 소정간격 이격되게 설치되고 서로 대향하는 일측이 만곡지게 형성된 전극부(120)로 이루어진다.

이러한 종래의 플라즈마 발생장치(100)는 외부전원을 통해 한 쌍의 전극부(120)에 전력이 인가되면, 한 쌍의 전극부(120) 사이에서 아크 방전이 발생하고, 유입구(111)를 통해 하우징(110) 내부로 유입된 외부공기에 의해 전이된 글로우 방전이 형성되고, 이에 하우징(110)의 배출구(112)측에서 대기압 벌크 플라즈마가 형성된다.

그리고, 외부공기는 배출구(112)를 통해 외부로 이동하는 과정에서 대기압 벌크 플라즈마의 고온에너지에 의해 살균됨과 아울러 공기 내 포함된 수분이 상기한 고온에너지에 의해 전리 또는 해리되어 OH 라디칼이 형성되고, 이 OH 라디칼에 의해 살균 또는 제균되는 효과를 갖는다.

그런데, 종래의 플라즈마 발생장치(100)는 통상적으로 한 쌍의 전극이 막대형상으로 형성되므로 플라즈마 발생을 위한 점화영역, 즉 양 전극간 반응영역이 작아 플라즈마의 크기를 증대시키고자 하는데 한계가 있었으며, 그로 인해 플라즈마를 통한 공기 살균 효율이 기대보다 낮은 문제점이 있었다.

특히, 대기압 상태에서 플라즈마를 발생하는 대기압 플라즈마의 경우 효율성이 높고 폐기물을 발생시키지 않아 비오염적이며, 환경친화적이므로 다른 살균방법에 비해 설치 및 유지비용이 저렴하여 경제적인 장점이 있어 개발에 박차를 가하고 있으나, 진공 플라즈마에 비해 기체의 평균자유행정(mean free path)이 매우 짧아 전자를 가속하기가 어렵고 이로 인해 안정적인 플라즈마를 형성하는 것이 더욱 어려운 문제점이 있었다.

이에 해당 업계에서는 대기압 플라즈마 기술을 이용하면서도 다량의 플라즈마를 안정적으로 발생시킬 수 있는 플라즈마 장치에 대한 요구가 높아지고 있는 실정이다.

한국등록특허 제2075549호 플라즈마 살균장치

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 플라즈마의 점화 형태를 원형으로 구현하여 다량의 플라즈마가 안정적으로 발생되도록 함으로써 유입된 오염 공기와 발생된 플라즈마의 접촉 시간 및 횟수가 크게 증대될 수 있고, 그로 인해 공기의 살균 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 다량의 플라즈마를 발생하면서도 플라즈마가 하우징 외부로 노출되는 것을 방지하여 그로 인한 안전사고 발생을 미연에 방지할 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마 발생시 플라즈마의 이동속도를 지연시켜 플라즈마를 통한 공기의 살균효율이 보다 향상시킬 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 내부에 방전이 이루어지는 방전공간이 형성되고, 일측에 외부공기가 유입되는 유입구가 형성되며, 타측에 유입된 외부공기가 배출되는 배출구가 형성된 하우징과, 막대 형상으로 형성되고, 상기 하우징 내부에 상기 하우징의 길이방향으로 설치되는 막대형상의 내부전극 및 상기 하우징의 내부 중 상기 내부전극을 감싸도록 나선형상으로 형성되되, 내면이 상기 내부전극과 일정간격 이격되게 형성되는 외부전극을 포함하되, 상기 외부전극은 플라즈마가 배출되는 배출영역과 대응되는 단부가 외측으로 갈수록 그 직경이 커지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치를 제공한다.

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또한, 상기 외부전극의 외측 중 서로 대향되는 위치에 각각 설치되는 서로 다른 극성의 마그넷을 더 포함할 수 있다.

아울러, 상기 하우징의 일측 중 상기 유입구 부근에 설치되어 상기 유입구를 통해 유입되는 공기의 양을 검출하는 검출부를 더 포함하고, 상기 마그넷은 전자석이 사용되며, 상기 검출부로부터 검출된 상기 공기 유입량 정보에 따라 상기 마그넷의 자기장 세기가 제어되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 플라즈마의 점화 형태를 원형으로 구현하여 다량의 플라즈마가 안정적으로 발생되도록 함으로써 유입된 오염 공기와 발생된 플라즈마의 접촉 시간 및 횟수가 크게 증대될 수 있고, 그로 인해 공기의 살균 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 다량의 플라즈마를 발생하면서도 플라즈마가 하우징 외부로 노출되는 것을 방지하여 그로 인한 안전사고 발생을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

아울러, 플라즈마 발생시 플라즈마의 이동속도를 지연시켜 플라즈마를 통한 공기의 살균효율이 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도1은 한국등록특허 제1959676호에 개시된 플라즈마 발생장치를 개략적으로 도시한 도면
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 사시도,
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 평단면도,
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 유입구를 통해 외부공기가 하우징 내부로 유입되는 상태를 도시한 도면,
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 외부전극 및 내부전극에 의해 대기압 벌크 플라즈마가 형성되는 상태를 도시한 도면,
도6a 및 도6b는 본 발명의 일실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마가 형성된 플라즈마 사진.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 사시도이고, 도3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 평단면도이다.

도2 및 도3에서 보는 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생장치(1)는 본체와, 내부전극 및 외부전극을 포함하여 구성된다.

본체(10)는 대략 직육면체 형상으로 형성되어 내부에 방전공간(11)이 형성되며, 선단부 일측에 외부공기가 유입되는 유입구(12)가 형성되고, 후단부 일측에는 유입된 외부공기가 외부로 배출되는 배출구(13)가 형성되는데, 이러한 하우징(10)은 외부공기의 이동로를 제공함과 아울러 후술하는 플라즈마가 발생하는 방전공간(11)을 제공하는 역할을 한다.

그리고, 하우징(10)은 유입구(12) 및 배출구(13)가 형성된 일측으로부터 각각 외측방향으로 연장된 유입관(14) 및 배출관(15)이 형성될 수 있으며, 여기서, 배출관(15)은 외부공기가 외부로 용이하게 배출될 수 있도록 이를 가이드함과 아울러 내부전극 및 외부전극를 통해 발생된 플라즈마가 외부로 노출되지 않도록 이를 차폐하는 역할을 한다.

내부전극(20)은 대략 막대 형상으로 형성되고, 본체(10)의 내부에 본체(10)의 길이방향과 대응되는 방향으로 설치되며, 외부 전원이 인가되는 경우 후술하는 외부전극(30)과 함께 아크 방전을 발생하는 역할을 한다.

외부전극(30)은 대략 나선형상으로 형성되고, 본체(10) 내부 중 내부전극(20)의 외측을 감싸도록 설치되되, 내면이 내부전극(20)과 일정간격 이격되게 설치된다. 본 실시예에서 외부전극(30)이 나선 형상으로 형성되는 이유는 앞서 설명한 바와 같이 외부전극(30)이 내부전극(20)의 외측영역을 감싸는 형태로 배치되도록 함으로써 플라즈마 점화 영역을 증대시키기 위함이다.

다시 말하면, 외부전극(30)과 내부전극(20)의 반응영역이 증대되도록 함과 아울러 외부전극(30)을 나선형상으로 형성하여 반응공간이 원통형을 이루도록 함으로써 원통형의 플라즈마가 발생한다.

도4는 본 발명의 일실시예에 따른 유입구를 통해 외부공기가 하우징 내부로 유입되는 상태를 도시한 도면이며, 도5는 본 발명의 일실시예에 따른 외부전극 및 내부전극에 의해 대기압 벌크 플라즈마가 형성되는 상태를 도시한 도면이고, 도6a 및 도6b는 본 발명의 일실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마가 형성된 플라즈마 사진이다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생장치(1)의 동작을 첨부된 도4 내지 도6b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 교류고전압전원을 통해 외부전극(30) 및 내부전극(20)에 전력이 인가되면, 외부전극(30)과 내부전극(20) 사이에서 아크방전이 발생하고, 유입구(12)를 통해 본체(10) 내부로 유입된 외부공기에 의해 전이된 글로우 방전이 형성되며, 이에 외부전극(30) 내측에서 전체적으로 대기압 벌크 플라즈마가 형성된다.

즉, 본체(10)의 길이방향으로 배치된 내부전극(20)과, 이를 감싸도록 나선형상으로 형성된 외부전극(40) 사이에서 방전이 이루어지므로 외부전극(40) 내측에서 외부전극(30)의 내부공간과 대응되는 형상의 플라즈마가 발생되는데, 본 실시예에서는 원통형의 플라즈마가 다량 형성된다.

이에 본 실시예에서는 하우징(10) 내부로 유입된 외부공기가 배출구(13)를 통해 외부로 이동하는 과정에서 대기압 벌크 플라즈마의 고온에너지에 의해 살균되는데, 다량의 플라즈마 발생으로 인해 플라즈마와 외부 공기간 접촉시간 및 접촉횟수가 증대되면서 외부 공기의 살균효과가 크게 향상될 수 있다.

다음, 외부공기 중에 포함된 수분이 상기한 고온에너지에 의해 전리 또는 해리되어 OH 라디칼이 형성되고, 이 OH 라디칼에 의해 추가로 살균 또는 제균된다.

도7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이고, 도8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생장치에서 플라즈마 발생하는 상태를 도시한 도면이다.

도7 및 도8 실시예의 기본적인 구성은 도2 내지 도6b의 실시예와 동일하나, 실내의 공기 살균 장치에 보다 적합한 구조로 형성된 것이다.

도7에서 보는 바와 같이 본 실시예는 전 실시예와 달리 플라즈마가 배출되는 배출영역과 대응되는 외부전극(30)의 단부에는 외측으로 갈수록 그 직경이 커지는 확장부(31)가 형성된다.

이러한 확장부(31)는 플라즈마 배출영역에서 외부전극(30)의 직경을 확장하여 해당 영역에서 국부적으로 외부전극(30)과 내부전극(20)의 반응효율이 저하되도록 하고, 발생된 플라즈마가 외부전극(30) 직경에 따라 확장되어 플라즈마의 길이가 단축되도록 함으로써 외부전극(30)과 내부전극(20)의 반응으로 발생된 플라즈마가 하우징(10)의 외부로 노출되는 것을 차단하고, 그로 인한 안전사고 발생을 미연에 방지하는 역할을 한다.

한편, 본 실시예에서는 외부전극(30)의 외측 중 서로 대향하는 영역에 각각 서로 다른 극성의 마그넷(40)이 설치된다. 이러한 한 쌍의 마그넷(40)은 양자간 다른 극성에 반응하여 자기장을 형성하는데, 그 자기장이 외부전극(30) 내부, 즉 플라즈마 발생영역에 형성되어 플라즈마의 이동속도를 저하시킨다.

즉, 본 실시예는 확장부(31)를 통해 플라즈마가 하우징(10) 외부로 노출되는 것을 차단하여 실내 공기 살균장치에 적용되는 경우 하우징(10) 외부로 노출된 플라즈마에 의한 안전사고를 미연에 방지할 수 있으면서도 마그넷(40)을 통해 하우징(10) 내부에서 플라즈마의 이동을 지연하여 공기 살균효과를 극대화시킬 수 있는 특징을 갖는다.

그 외의 구조는 전술한 기본 실시예와 동일하므로 나머지 설명은 생략하기로 한다.

도9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.

도9 실시예의 기본적인 구성은 도7 및 도8의 실시예와 동일하나, 하우징(10) 내부로 유입되는 공기의 유입량에 따라 공기의 살균효율을 조절할 수 있는 구조로 형성된 것이다.

도9에서 보는 바와 같이 본 실시예는 전 실시예와 달리 유입구(12)가 형성된 하우징(10)의 내부 일측에 외부로부터 하우징(10) 내부로 유입되는 공기의 유입량을 검출하는 검출부(50)가 형성되며, 상기한 마그넷(40)이 전자석으로 구성된다.

이에, 검출부(50)에서 검출된 공기의 유입량에 기초하여 마그넷(40)의 공급전원을 제어하여 자기장의 세기를 조절하게 된다. 일예로, 검출된 공기의 유입량이 높아지는 경우 마그넷(40)에 공급되는 전원을 증가시켜 자기장의 세기가 증대되도록 하고, 그로 인해 플라즈마의 이동속도가 보다 지연되도록 함으로써 다량의 공기를 보다 효과적으로 살균하게 된다.

이와 같이 본 실시예는 공기의 유입량에 따라 능동적으로 자기장의 세기를 변화시켜 대응함으로써 공기의 살균효과를 크게 향상시킬 수 있는 특징이 있다.

그 외의 구조는 전술한 기본 실시예와 동일하므로 나머지 설명은 생략하기로 한다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

10 : 하우징 11 : 방전공간
12 : 유입구 13 : 배출구
14 : 유입관 15 : 배출관
20 : 내부전극 30 : 외부전극
31 : 확장부 40 : 마그넷
50 : 검출부

Claims (4)

1. 내부에 방전이 이루어지는 방전공간이 형성되고, 일측에 외부공기가 유입되는 유입구가 형성되며, 타측에 유입된 외부공기가 배출되는 배출구가 형성된 하우징과;
   막대 형상으로 형성되고, 상기 하우징 내부에 상기 하우징의 길이방향으로 설치되는 막대형상의 내부전극; 및
   상기 하우징의 내부 중 상기 내부전극을 감싸도록 나선형상으로 형성되되, 내면이 상기 내부전극과 일정간격 이격되게 형성되는 외부전극을 포함하되,
   상기 외부전극은 플라즈마가 배출되는 배출영역과 대응되는 단부가 외측으로 갈수록 그 직경이 커지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서
   상기 외부전극의 외측 중 서로 대향되는 위치에 각각 설치되는 서로 다른 극성의 마그넷을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 하우징의 일측 중 상기 유입구 부근에 설치되어 상기 유입구를 통해 유입되는 공기의 양을 검출하는 검출부를 더 포함하고,
   상기 마그넷은 전자석이 사용되며, 상기 검출부로부터 검출된 상기 공기 유입량 정보에 따라 상기 마그넷의 자기장 세기가 제어되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.

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