KR20010032233A - 방사형으로 설계된 펄스식 코로나 방전 기기 - Google Patents

방사형으로 설계된 펄스식 코로나 방전 기기 Download PDF

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KR20010032233A
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냅존톰
쇼로널드스탠리
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Abstract

본 발명은 펄스식 코로나 방전을 사용하여 가스와 같은 오염된 유동성 물질을 조정하는 기기에 관한 것이다. 이 기기는 반응기 섹션(10)과 동력 공급 섹션(12)을 포함한다. 이 반응기 섹션(10)은 헤더 판(14)에 전기적으로 상호 연결되어 있는 다수의 제 1 전극(16)과, 각각의 제 1 전극(16) 주위에 중심적으로 배치되고 반응기 판(20)에 전기적으로 상호연결되는 다수의 제 2 전극(22)을 갖는다. 외부 전극(120) 내의 내부 전극(102)을 위치시키면 전극의 노출된 중첩 표면적을 증가시킨다. 전극들의 표면적이 증가하면 기기의 작동 수명이 비례적으로 증가한다.

Description

방사형으로 설계된 펄스식 코로나 방전 기기{Pulsed corona discharge apparatus with radial design}
일반적으로 가스이지만 액체를 또한 포함하는 유동성 물질은 종종 휘발성 유기 화합물과 같은 유해하거나 또는 방향성인 재료로 오염된다. 이 유동성 물질을 대기에 방출하기 전에, 이 유해한 화합물을 제거하거나 파괴(destruction)하여 조정하는 것이 바람직하며 법에 의해 강제될 수 있다. 유동성 물질 내에 부유하는 유해한 화합물을 조정하는 방법은 고온 열적 소각법, 촉매 소각법 및 활성 카본과 같은 재료를 사용하는 흡수법을 포함한다. 이러한 방법은 고가이고 작업 처리량이 작은 경향이 있다.
다른 접근 방법은 유동성 물질을 부분적으로 전기적 분해시켜 생성된 고에너지의 전자의 유동과 이 유해한 화합물을 반응시켜 이 유해한 재료를 물과 이산화탄소와 같은 무해한 재료로 분해시키는 것이다. 이러한 방법은 누네즈(Nunez) 등의 미국 특허 제 5,236,672호와 그로서스(Grothaus) 등의 미국 특허 제 5,490,973호에 기재되어 있다.
그로서스 등의 특허는 그 와이어 전극을 둘러싸는 관형 전극의 길이방향 축을 따라 연장하는 와이어 전극을 갖는 반응기를 기술한다. 이 관형 전극의 축을 따라 와이어 전극을중심으로 하는 관형 전극의 입구 및 출구의 절연체는 장력을 제공하여 와이어 전극이 늘어지는 것을 방지하며, 이 와이어 전극을 관형 전극으로부터 전기적으로 절연시킨다. 이 절연체는 유동성 물질의 출입을 허용하도록 격벽으로 되고 가스가 각각의 반응기 튜브에 개별적으로 도입된다. 결과적으로, 복잡한 가스 밀봉이 필요하게 되어, 작업 처리량이 낮고 필요한 기계 부품의 개수가 많다.
또한, 상기 그로서스 등의 특허는 고전압 전력 공급장치의 제어 방법을 기술하며, 이 방법은 감지를 하지 않으므로 상기 유해 가스의 조정에 실패하게 되어 반응기 자체가 파괴될 수 있다.
스파크 갭(spark gap) 스위치의 작동은 스위치 전극의 부식을 초래하므로, 갭의 길이가 커진다. 전극의 부식은 이 전극을 통과하는 전류와 이 전류가 전극을 통해 흐르는 시간의 함수이다. 특정 스위치는 일반적으로 스위치 전극을 통해 전달된 전체 전하(charge)의 쿨롱 당 마이크로그램의 단위로 측정된 부식율을 갖도록 설정된다(전체 부하 전달량은 스위치를 통과하는 전류의 절대값의 시적분량이다). 전형적인 스위치 부식값은 쿨롱 당 100 내지 200 마이크로그램이다. 특정 회로에서, 스위치의 분해(breakdown) 전압은 일반적으로 스위치 가스 유전체(dielectric; 예를 들어, 공기 또는 설퍼 헥사플로라이드(SF6))의 압력(밀도)을 조정하여 설정된다.
일단 전극이 부식하고 그 갭이 어느 정도까지 확장하면, 더 이상 스위치 가스 밀도를 변화시켜서 그 분해 전압을 소정의 값으로 조정할 수 없다. 이 때, 스위치는 더 이상 작동하지 않는다.
종래의 축방향 스파크 스위치의 설계에 있어서, 절연재는 스파크에 의해 잘게 부셔져, 절연재를 오염시키는 경향이 있어 스위치의 작동 수명을 감소시킨다.
미국 특허 5,502,346호(시에; Hsieh)는, 예를 들어 오존을 생성하기 위한, 전자화학적 발생기를 기술한다.
미국 특허 4,126,808호(리치; Rich)는 외피의 양측단에서 고전압 단자를 갖는 고전압 2단 트리거식 진공 갭을 기술한다.
미국 특허 3,996,438호(쿠르츠: Kurtz)는 복수의 제 1 전극이 복수의 제 2 전극 사이에 삽입되는 두 종류의 복수의 로드 전극을 갖는 진공식 회로 단속기를 기술한다.
미국 특허 3,854,068호(리치; Rich)는 진공 아크 방출기용 차폐 구조를 기술한다.
당업계의 현상태에서 알 수 있듯이, 스위치 작동 수명이 1 백만 쿨롱의 전체 전하 전달량을 초과하는 1kV를 초과하는 전압에서 작동할 수 있는, 특히 연속적이고 반복적으로 작동할 수 있는 스위치가 요구된다.
또한, 상기에 논의한 종래 기술의 단점을 갖지 않는 오염된 유동성 물질을 조정하는 펄스식 코로나 방전기가 요구된다.
본 발명은 오염된 유동성 물질을 조정하는 펄스식 코로나 방전 기기에 관한 것이다. 더 세부적으로는, 이 유동성 물질은 제 2 전극에 의해 각각 경계지어지는 다수의 전기적으로 상호연결된 와이어 전극을 갖는 반응기 용기를 통과한다. 이 와이어 전극으로의 고전압 펄스는 빛을 방출하는 코로나 방전을 생성한다. 본 발명의 방사형 설계는 외부 전극 내의 내부 전극을 겹쳐 그 노출된 전극 표면적을 증가시킨다.
도 1은 본 발명의 시스템의 반응기 부분을 나타내는 길이방향 단면도.
도 2는 본 발명의 헤더 부분을 나타내는 횡방향 단면도.
도 3은 본 발명에 따라 제 1 전극을 둘러싸는 다수의 제 2 전극을 나타내는 횡방향 단면도.
도 4는 본 발명의 시스템의 동력 공급 부분을 나타내는 길이방향 단면도.
도 5는 종래기술로 공지된 상용 축방향 스파크 갭 스위치의 측 입단면도.
도 6은 본 발명에 따라 구성된 스파크 갭 스위치의 측 입단면도.
도 7은 전극이 신장된 스위치의 실시예의 예시도.
도 8은 스파크 스위치의 위쪽에서 본 단면도.
도 9는 여러 겹으로 중첩된 전극의 실시예의 예시도.
도 10은 동축 스파크 스위치의 예시도.
도 11은 전원 및 전기적 부하에 연결되는 동축 스파크 스위치의 예시도.
따라서, 본 발명의 목적은 펄스식 코로나 방전으로 오염된 유동성 물질을 조정하는 반응기를 제공하는 것이다. 본 발명의 특징 중의 하나는 다수의 제 1 전극에 전기적으로 상호연결되는 단일 공통 헤더 판(single common header plate)과 각각의 제 1 전극 주위에 동심적으로 배치되는 다수의 제 2 전극에 전기적으로 상호접속되는 공통 반응기 판(common reactor plate)이 있다. 본 발명의 다른 특징은 제 2 전극이 관형이고 오염된 유동물을 받아들이기 위한 다수의 채널을 제공한다는 것이다. 단일 흡입구는 오염된 유동물을 모든 관형 전극에 효과적으로 서로 통하게(communicate) 하고 단일 출입구는 조정된 유동물을 효과적으로 제거한다. 본 발명의 또 다른 특징은 단속성 고전압 펄스가 전원장치에 의해 헤더 판에 적용되고 다수의 제 1 전극에 배분된다는 것이다.
본 발명의 장점 중의 하나는 반응기가 제한된 수의 기계 부품만을 요구하는 단순화된 설계를 갖는다는 것이다. 또다른 장점은 전원장치가 반응기로부터 쉽게 분리되어 부품교환 및 반응기의 소제가 용이하다는 것이다. 본 발명의 다른 장점은 전원이 부적절한 고전압 방전을 검출하여 수정하는 방식으로 제어된다는 것이다. 본 발명의 또다른 장점은 펄스식 코로나 방전이 오염된 유동성 물질을 효과적으로 조정한다는 것이다.
본 발명에 따라, 오염된 유동물을 처리하기 위한 시스템이 제공된다. 이 시스템은 단속적인 고전압 펄스를 전기적으로 전도성인 헤더 판에 제공할 수 있는 전원장치를 포함한다. 다수의 제 1 전극은 헤더 판에 전기적으로 접속된다. 각각 제 1 전극 중의 하나의 주위동심적으로 배치도는 다수의 제 2 전극은 오염된 유동물을 담도록 다수의 채널을 한정한다. 전기적으로 접지된 반응기 판은 다수의 제 2 전극 각각에 전기적으로 접속되고 헤더 판과 다수의 제 1 전극 양쪽으로부터 전기적으로 절연된다. 흡입구는 오염된 유동물을 각각의 채널에 도입하고 배출구는 조정된 유동물을 회수한다.
본 발명은 전극의 노출 면적량을 증가시켜 스파크 스위치의 작동 수명을 증가시킨다.
본 발명의 제 2 실시예는 제 1 단부 판(end plate)과 제 2 단부 판을 갖는 스파크 스위치에 대한 것이다. 이 스위치는 외벽을 갖는 내부 전극과 외부 전극을 갖는다. 내부 전극과 외부 전극 모두는 제 1 및 제 2 단부 판 상에 배치되며 여기에 접합된다. 상기 외부 전극은 내부 전극 일부를 받아들이기 위한 공동을 한정한다. 내부 전극의 외벽과 외부 전극의 공동은 방사형 갭을 형성한다.
상기 외부 전극 주위의 슬리브형 형상 내에 절연재가 배치된다. 이 절연재는 외부 전극이 부산물(byproduct)을 변환시키는 배리어로서 작용하기 때문에 변환시키는 동안에 오염물에 대한 노출로부터 보호된다.
제 3 실시예는 전기 커넥터에 접속되는 전극을 갖는 동축 스위치에 대한 것이다. 이 동축 스위치의 양단에 절연재가 제공되고 이 절연재의 위치를 유지시키기 위한 수단이 제공된다. 이러한 실시예는 전원에 접속되는 전도성 튜브와, 부하로부터 전원으로 전류를 복귀시키기 위한 경로를 제공하는 전기적 부하를 갖는다.
제 4 실시예는 내부 전극 내에 겹쳐져 또다른 방사형 갭을 형성하는 제 3 전극에 대한 것이다.
제 5 실시예는 흡입 및 배출 포트를 가져 축적된 잔해(debris)가 제거될 수 있는 스위치에 대한 것이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 하기의 명세서 및 도면으로부터 보다 명백해진다.
본 발명에 따라 오염된 유동물을 처리하는 시스템은 두 개의 섹션, 오염된 유동물을 처리하는 반응기 섹션(10)과, 이 반응기 섹션에 단속적인 고전압 펄스의 전류를 제공하는 전원공급 섹션(12)을 갖는다. 상기 반응기 섹션(10)은 도 1에 도시되어 있다. 상기 전원공급 섹션(12)의 일부가 도 1에 도시되어 있다. 이 전원공급 섹션(12) 전체는 도 4에 도시되어 있다.
도 1은 상기 반응기 섹션(10)을 단면도로 예시한다. 이 반응기 섹션(10)은 양호하게는 스테인리스 강철과 같은 전기적으로 전도성 금속으로 형성되는 전기적으로 전도성인 헤더 판(14)을 포함한다.
다수의 제 1 전극(16)은 이 헤더 판(14)에 전기적으로 상호접속되어 있다. 이 전기적 상호접속은 볼트 체결, 용접, 납땝 및 경납땜을 포함하는, 장력이 가해진 상태로 제 1 전극(16)을 효과적으로 지지하는 어떠한 수단에 의해서도 이루어질 수 있다. 이 전기적 상호접속을 통해 헤더 판(14)으로부터 제 1 전극(16)으로 고전압이 전달되므로, 전기적으로 낮은 저항을 갖는 수단이 바람직하다. 가장 양호한 부착 수단은 볼트 체결이며, 이는 제 1 전극(16)이 쉽게 대체될 수 있는 부가적인 장점을 갖는다.
이 제 1 전극(16)은 요구되는 어떠한 형상도 될 수 있고 어떠한 적절한 전기적으로 전도성인 재료로도 형성될 수 있다. 제 1 전극으로 양호한 재료로는 스테인리스 강철이 포함된다. 이 제 1 전극의 양호한 형상은 약 0.001인치(0.003cm) 내지 0.1 인치(0.254cm)의 직경을 갖는 일반적으로 원형 단면을 갖는 와이어이다. 더 양호하게는, 이 제 1 전극의 직경은 약 0.01인치 내지 약 0.05인치(0.025 - 0.127cm)이다.
도 2는 단면선 2-2에서 본 도 1에 예시된 반응기 시스템의 단면도이다. 도 2는 제 1 전극(16)이 헤더 판(14) 주위에 배치된 것을 도시한다. 양호하게는, 다수의 제 1 전극(16)은 반응기 섹션의 길이방향 축(18) 주위에 대칭적으로 향해진다. 도 2는 8개의 제 1 전극을 예시하지만, 개개의 반응기 설계에서 어떠한 수로 수정된 것도 사용가능하다. 시스템은 양호하게는 1 내지 20개의 제 1 전극을 포함한다고 여겨진다.
도 1을 다시 참조하여, 전기적으로 전도성인 반응기 판(20)이 헤더 판(14)으로부터 이격되고 전기적으로 절연된다. 이 반응기 판(20)은 전기적으로 전도성 금속, 양호하게는 스테인리스 강철로 형성된다. 이 판응기 판은 다수의 제 2 전극(22)을 지지하기 충분한 강도를 갖는다. 일반적으로, 이 반응기 판은 약 0.125인치 내지 약 1.5 인치(0.318 - 3.81cm)의 두께를 가지고 더 양호하게는 약 0.5 인치 내지 약 1 인치(1.27 - 2.54cm)의 두께를 가진다.
상기 헤더 판(14)과 반응기 판(20) 사이에는 헤더 판(14)의 주변 주위의 유동성 물질에 의해 그리고 이 반응기 판(20)을 통해 연장하는 제 1 개구(24)에서 전기적으로 절연된다. 상기 제 1 개구(24)는 제 1 전극(16)이 관형 제 2 전극(22)의 보어(bore)로의 들어가는 것을 용이하게 한다. 양호하게는, 제 2 전극(22)은 상기 제 1 전극(16) 주위에 동심적으로 배치된다.
헤더 판(14)에 적용되는 고전압 펄스는 제 1 전극(16)과 제 2 전극(22) 사이에 전기 방전시키며, 이 방전은 상기 관형 전극(22)의 체적 내에 전부 포함된다. 이 방전이 제 2 전극(22)에 의해 둘러싸이는 체적 내에서만 일어나는 것을 보장하기 위해, 제 1 전극(16)과 반응기 판(20) 사이의 최소 거리(26)는 최소한 제 1 전극(16)과 제 2 전극(22) 사이의 거리와 같아야 한다. 또한, 제 1 개구(24)는 제 1 개구(24)영역 내의 전기장이 제 1 전극(16)과 제 2 전극(22) 사이에 발생하는 전기장을 초과하지 않는 형상을 가져야 한다.
동심적으로 배치된 유전체 재료(28)에 의해 헤더 판(14)과 반응기 판(20) 사이에 전기적 절연이 더 제공된다. 이 유전체 재료(28)는 상기 반응기 판(20)과 헤더 판(14) 양쪽에 접합되고 이 두 요소를 서로 이격된 고정된 거리를 유지하게 한다. 이 유전체(28)는 전원공급 섹션(12)에 의해 적용되는 전압보다 더 큰 분해(breakdown) 전압을 갖는 어떠한 적절한 전기적 비전도성 재료일 수도 있다. 유전체(28)로 적절한 재료로는 세라믹과 중합체가 포함된다. 중합체는 유전체(28)를 반응기 판(20)과 헤더 판(14) 양쪽으로의 부착이 양호하게는 나사를 사용하는 것과 같은 기계적인 수단에 의해 이루어지므로 양호하며 중합체의 기계가공성도 장점이다. 양호한 중합체로는 폴리테트라플루오로에틸렌(TEFLON; 델라웨어 윌밍턴 소재의 듀퐁의 상표)이 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 유전체(28)는 제 1 전극(16)에 대해 중심에 배치되어 이 제 1 전극(16)이 유전체(28)에 의해 방해받지 않는다. 유전체(28)의 직경은 헤더 판(14)을 반응기 판(20)에 대해 평행하지 않은 방향으로 변화시킴으로 인한 각각의 제 1 전극(16) 사이의 장력의 변화를 방지하도록 충분하게 커야 한다. 양호하게는, 유전체(28)의 직경은 헤더 판(14)의 직경의 최소한 40%이다. 예를 들어, 헤더 판(14)이 6.25인치(15.9cm)의 직경을 갖는 원이면, 유전체는 약 2.50 인치(6.4cm)의 직경을 갖는다.
유전체(28)의 직경은 헤더 판(14)과 반응기 판(20) 사이의 전기 아크 발생을 방지하는데 효과적이며, 도 1을 다시 참조하여, 그 거리(30)는 약 0.25 내지 약 2인치(0.64 - 5.08cm)이고 더 양호하게는 약 1 인치 내지 약 2인치(2.54 - 5.08cm)이다.
또한, 유전체(28)는 반응기 판(20)으로부터 고정된 거리에서 헤더 판(14)을 위치시키도록 작용하여 각각의 제 1 전극이 제 2 전극에 대해 동심적으로 위치되고 이를 통해 제 2 전극이 통과한다.
펄스식 코로나 방전은 제 1 전극(16)과 제 2 전극(22) 사이에서 퍼지도록 형성도니다. 제 1 전극(16)과 제 2 전극(22) 사이에서 방전이 일어나도록 전기적으로 요구되는 전위차는 제 1 전극(16)을 방전을 형성하는 충분히 고전압으로 올리고 반응기 판(20)과, 접지 전위(32; ground potential)에 전기적으로 상호 접속된 제 2 전극(22)을 가져 형성된다. 이 고전압은 접지된 요소에 대해 양극 또는 음극일 수 있다.
가스 다기관(36)은 반응기 판(20)에 연결되고, 반응기 판(20)과 헤더 판(14)을 둘러싸 가스 수용 공동(34)을 형성한다. 가스 다기관(36)은 볼트 체결, 용접, 경납땝 등에 의해 반응기 판(20)에 결합하는 플랜지(38)에 의해 허메틱 밀봉(hermetically seal)된다. 양호하게는, 순응성 O 링(도시되지 않음)이 이 플랜지(38)와 반응기 판(20) 사이에 배치될 수 있다. 오염된 유동물(40)이 흡입구(42)를 통해 가스 수용 공동(34)으로 전달될 때, 이 오염된 유동물(40)이 가스 수납 챔버(34)를 채우고 제 2 전극(20)에 의해 형성되는 다수의 채널(44)로 흘러내린다. 제 1 개구(24)를 포함하는 반응기 판(20)과 가스 다기관(36)의 조합은 오염된 유동물(40)을 흡입구로부터, 제 2 전극(22)과 제 1 전극(16)의 조합에 의해 한정되는 각각의 반응 챔버로 효과적으로 제공하게 된다. 개별적인 가스 흡입구를 각각의 반응 챔버에 제공할 필요는 없으며 각각의 채널(44)로의 개별적인 격벽(baffling)도 요구되지 않는다.
가스 다기관(36)은 어떠한 적절한 재료로도 형성될 수 있다. 전기적 충격의 위험을 최소화하기 위해, 가스 다기관(36)은 양호하게는 스테인리스 강철과 같은 전기적 전도성 재료로 형성된다.
제 2 전극(22)은 반응기 판(20)에 전기적으로 상호접속되고 연장된 거리에 대해 헤더 판(14)으로부터 멀어지는 방향으로 연장한다. 제 2 전극(22)의 길이는 반응기 챔버의 길이와, 오염된 유동물이 코로나 방전과 접촉하고 조정되는 시간을 한정한다. 일반적으로, 제 2 전극(22)의 길이(44)는 약 6 인치 내지 약 60 인치(15.24 - 152.4cm)이다.
제 2 전극은 일반적으로 약 0.5 내지 약 3 인치(1.27 - 7.62cm)의 내경(46)을 갖는 관형이다.
도 3은 절단선 3-3을 따라 취해진 반응기 섹션(10)의 단면을 나타내고 반응기 하우징(48) 내에서 연장하는 제 2 전극(22)과 제 1 전극(16)의 조합체를 포함하는 다수의 반응기 챔버를 예시한다. 오염된 유동물을 조정하는데 효과적인 반응기 챔버의 체적은 반응기 챔버의 개수를, 각각의 챔버의 단면적과 각 챔버의 길이를 곱한 값이다. 각각 36 인치(91.44cm)의 길이와 1 인치(2.54cm)의 내경을 갖는, 8개의 반응기 챔버를 갖는 반응기에 대해, 전체 유효 체적은 226 in3(3074.8cm3)이다.
제 2 전극(22)은 펄스식 코로나 방전으로 인한 가열과, 전기 아크와 접촉함으로 인한 침식 및 변형에 저항하는 적절한 전기적 전도성 재료로 형성된다. 제 2 전극(22)에 대해 적절한 하나의 재료는 스테인리스 강철이다. 제 2 전극에 대해 적절한 벽 두께는 약 0.05 내지 0.2 in(0.127 - 0.508cm)이다.
다시 도 1을 참조하여, 제 2 전극(22)은 양호하게는 전기적 전도성 재료로 형성되는 하류측 반응기 판(50)에서 종료하고 더 양호하게는 반응기 판(20)과 동일한 재료로 형성된다. 제 2 개구(52)는 하류측 반응기 판(50)을 통해 연장하고 반응 챔버로부터 조정된 유동물(54)을 배출한다. 이 제 2 개구(50)는 양호하게는 제 1 개구와 유사한 사이즈 및 형상을 갖는다.
조정된 유동물(54)은 대기에 직접 배출될 수 있으며, 또는 양호하게는 센서(58)가 휘발성 유기 화합물 또는 다른 유해한 물질의 레벨을 판정하는 가스 배출 공동(56) 내에 포함된다. 이 유해한 물질의 함유량이 충분히 낮으면, 조정된 유동물(54)은 배출구(60)을 통해 배출된다. 유해한 물질의 함유량이 너무 높으면, 반응기(160)는 부분적으로 닫혀 반응기를 통과하는 유동물질의 유량(flow rate)이 낮아져 조정 레벨이 증가된다.
다르게는 그리고 양호하게는, 센서(58)는 전원공급 제어 유닛(79; 도 4)과 피드백 루프로 제어되어 반응기에 전달되는 전력이 배출 유동 오염물 농도의 편차에 응답하여 자동적으로 조절된다. 농도가 증가하면, 센서(58)는 전원공급 제어 유닛이 반응기로의 전력을 증가하게 한다. 그다음에 배출 농도가 예정된 값으로 안정되고 조작자에 전원공급 제어 유닛으로 프로그램이 입력될 때, 센서(58)는 이 제어 유닛이 반응기로의 전력을 감소시키도록 한다. 이 반응기로 전달된 전력은 헤더 판으로 전달되는 전압을 조정하거나, 또는 양호하게는, 펄스 반복률을 조정하여 제어될 수 있다. 이 반응기로 전달되는 전력은 반복율을 제곱한 전압에 대략적으로 비례한다. 이러한 배출 농도의 자동 피드백 및 제어는 변동하는 흡입 오염물 농도의 주기동안 시스템의 효율적인 작동을 보장하는 장점을 갖는다.
상기 가스 배출 공동(56)은 하류측 반응기 판(50)에 허메틱 밀봉되고 이 가스 배출 공동(56) 및 장력 판(64)에 대해 충분한 공간을 제공하는 단부 캡(62; end cap)과 하류측 반응기 판(50)에 의해 경계지어진다. 양호하게는, 이 단부 캡(62)은 고전압 전위차를 가질 수 있는 전극과 실수로 접촉하는 것을 방지하는 전기적으로 비전도성인 재료로 형성된다. 또한, 이 단부 캡(62)은 고전압 요소의 차폐를 제공하는 전도성 재료로 형성될 수 있다.
상기 장력 판(64)은 제 1 전극(16)을 지지하고 헤더 판(14)과 협동하여 이 제 1 전극을 장력하에 유지시키고 길이방향 축(18)에 거의 평행하게 하고 각각의 제 2 전극(22) 내에 중심에 있게 한다. 양호하게는, 장력 판(64)은 스테인리스 재료와 같은 전기적으로 전도성 재료로 형성된다.
이 장력 판(64)은 상기 유전체(28)와 거의 유사한 유전체를 사용하거나 또는 도 1에 예시된 바와 같이 중합체 접착제(66)에 의해 단부 캡(62)에 접합되거나, 또는 볼트 또는 나사와 같은 기계적인 수단을 사용하여 하류측 반응기 판(50)에 의해 지지될 수 있다.
가스 다기관(36) 내의 개구는 전원공급 부분(12)의 상호 접속 부분(68)을 수납한다. 전원공급 섹션(12)과 반응기 섹션(10) 사이의 인터페이스(70)는 O 링, 개스킷 또는 다른 적절한 수단을 삽입하여 허메틱 밀봉된다. 양호하게는, 상기 전원공급 섹션(12)은 상기 다기관(36)에 영구적으로 부착되어 이 전원공급 섹션이 플랜지(38)와 반응기 판(20)의 인터페이스에서 반응기 섹션(10)으로부터 분리될 수 있어 부품 및 요소의 교환을 용이하게 한다.
다르게는, 상기 인터페이스(70)는 상기 상호접속 부분(68)이 상기 전원공급 섹션(12)을 반응기 섹션(10)으로부터 용이하게 제거하도록 된다. 전원공급 전극(72)은 상호접속 부분(68) 내에 중심적으로 배치된다. 이 전원공급 전극은 구리 합금 또는 스테인리스 강철과 같은 어떠한 전기적으로 전도성인 재료일 수 있다. 상기 상호접속 부분(68)은 전기적으로 절연체이다.
전원공급 전극(72)의 전방부(74)는 판 스프링 또는 압축 스프링(76)과 같이 분리가능한 접촉시에 압축력을 적용한다. 이 압축 스프링(76)은 스테인리스 강철과 같은 전기적으로 전도성인 재료로 형성되고 또한 상기 전원공급 섹션(12)의 전원공급 전극(72)과 헤더 판(14) 사이에 낮은 저항의 전기적 접촉을 이루도록 이 헤더 판(14)과 접촉한다. 이 압축 스프링(76)이 헤더 판(14)에 기계적 또는 화학적으로 접합되지 않으므로, 이 전원공급 섹션의 반응기 섹션으로부터의 분리는 용이하고 이 둘의 정렬은 큰 문제가 아니다. 도 2에 잘 예시된 바와 같이, 압축 스프링(76)은 일반적으로 각각의 제 1 전극(16)에 전기에너지를 제공하기 위해 헤더 판(14)의 중심적으로 배치된 부분과 접촉한다.
상기 전원공급 부분(12)은 도 4에 단면도로 예시되어 있다. 단속적인 120 볼트, 초당 60사이클과 같은 교류(AC) 전원(78)은 저 전압(AC)을 고전압의 직류(DC)로 변환하는 전원공급장치(80)에 교류를 전달한다.
이 DC 전원공급장치(80)는 AC 전원(78)으로부터의 교류를 20 kV를 초과하는 직류 출력 전압(84)으로, 양호하게는 약 30kV 내지 40 kV 사이로 변환시킨다. 이 출력 전압(84)은 DC 전원공급장치(80)에 직렬로 접속된 절연 저항기(86; isolation resistor)에 전도된다. 이 절연 저항기는 최소한 20 Ω의 저항을 갖고 이 저항은 양호하게는 약 100 Ω이다. 이 절연 저항기는 전원공급 장치(78)를 고속 스위치(88)로부터 절연시킨다.
출력 전류(89)는 절연 저항기(86)로부터 커패시터(90; capacitor)로 전도되고 그 다음에 접지된다. 이 커패시터(90)는 최소한 0.05 줄(Joule)의 전기 에너지를 저장하고, 양호하게는 약 1 줄을 저장한다. 그 다음 상기 고속 스위치(88)는 약 10 kV 내지 200 kV 사이의 전압 펄스를 전도하는 전원공급 전극(72)을 경유하여 헤더 판(20; 도 1)으로의 커패시터(90)의 접속을 중단한다.
이 커패시터(90)의 전압은 스파크 갭 스위치(88)의 제 1 전극(92)을 여자시킨다(energize). 제 1 전극(92)에 적용되는 충전된 전압이 스파크 갭 스위치(88) 내에 포함된 갭(94)의 분해 전압을 초과할 때, 아크가 제 1 전극(92)과, 전원공급 전극(72)을 여자시키는 스파크 갭 제 2 전극(96)을 연결한다.
상기 스파크 갭(94)은 공기를 포함하는 어떠한 적절한 가스로도 채워질 수 있다. 수소의 전압 회복 특성이 높은 펄스 반복율을 허용하므로 수소가 양호하다.
상기 고속 스위치는 약 100 마이크로초(100 sec-6) 내지 1 초 사이의 범위의 펄스 사이의 구간으로 약 5 나노초(5 sec-9) 내지 1 마이크로초(1 sec-6)의 크기인 전압 펄스를 전달한다.
DC 전원장치의 출력 회로에서 방전이 일어날 때, 상기 DC 전원공급 장치(80)와 제어 유닛(79) 사이의 피드백 루프(99)가 된다. 이러한 방전은 반응기 섹션(10) 내의 소정의 방전일 수 있으며 또는 고전압 회로 내의 어느 곳에서의 원하지 않은 방전일 수도 있다. 이 피드백 루프(99)로부터의 신호를 받았을 때, 제어 유닛(79)은 커패시터(90)가 DC 전원공급 장치(80)에 의해 더 충전되지 않게 한다. 소정의 펄스 사이의 구간이 경과했을 때, 이 제어 유닛(79)은 DC 전원공급 장치가 커패시터(90)를 다른 사이클에 대해 충전하기 시작하게 한다.
피드백 루프(99)에 의한 동기화는 DC 전원공급 장치(80)가 고속 스위치(88)가 닫힘에 바로 뒤이어 커패시터(90)로부터 완전히 절연되므로 바람직하다. 그렇지 않으면, 이 DC 전원공급 장치는 에너지를 반응기 섹션(10)으로 비효율적인 방식으로 직접 전달할 것이다.
다시 도 1을 참조하여, 상기 전원공급 전극(72)이 헤더 판(14)에 전압 펄스를 적용할 때, 각각의 제 1 전극은 동일한 전위차가 된다. 이 전위차가 유동성 물질의 분해 전압을 초과할 때, 전자(100)의 흐름이 고 에너지 코로나의 형태로 제 1 전극(16)과 제 2 전극(22) 사이에서 흐른다. 오염된 유동물(44)이 여자된 전자(100)를 통과할 때, 이 유동성 물질과 전자 사이의 충돌은 라디컬(radical)이라고 불리는 높은 반응성 종류의 물질(reactive species)을 생성한다. 이 라디컬은 결국 오염 물질 종류와 반응하여 O2, N2, CO2, H2O와 같은 더 무해한 물질로 분해한다.
다시 도 4를 참조하여, 과다하게 긴 시간동안 제 1 전극에 전압이 가해지면, 유동성 가스 내의 이온 종류의 가속으로 인해 처리 효율이 감소한다. 이는 최종적으로 사용되는(attendant) 에너지 비효율성을 갖는 열적 아크, 감소된 처리 체적 및 전극 손상이 일어나게 된다. 그러므로, 고전압 펄스는 전원공급 섹션(12)의 특수한 설계에 의해 짧게 유지된다.
이 전원공급 섹션(12)이 본 발명의 펄스식 코로나 방전기의 반응 섹션(10)과 연계하여 설명되었으나, 이 전원공급 섹션은 짧은 지속시간의 고전압 전류 펄스를 요구하는 어떠한 응용예에도 사용될 수 있다.
스파크 갭 스위치는 높은 최고 전력 시스템에 사용가능한 가장 튼튼한(rugged) 스위치이다. 그러나, 이들은 일반적으로 500,000 쿨롱의 작동 수명보다 작게 제한되며, 여기서 1 쿨롱은 1초당 1 암페어의 전류에 의해 전달되는 전하이다.
스파크 갭 스위치의 작동은 전극 사이에 분해 스파크 전류(spark breakdown current)를 생성한다. 분해 스파크 전류는 부산물로서 기체상태, 용융된 그리고 고체상태의 잔해(debris)를 갖는 고온 플라즈마를 생성하는, 전극 사이의 전류이다. 분해 스파크 전류는 전극의 표면에 해로우며, 이 전극들이 구멍나게 하고 부식되게 한다. 또한, 분해 스파크 전류로 인한 잔해는 전극을 제자리에 유지하기 위해 사용되는 절연재와 같은 다른 주변 재료를 퇴화시킨다.
본 발명은 내부 전극을 외부 전극으로 삽입하여, 스위치의 작동 수명을 증가시키는 신규하고 개선된 스파크 스위치 설계를 또한 개시한다. 이 설계는 외부 전극이 봉쇄 용기로서 작용할 수 있게 하여 분해 전류로 인한 잔해의 궤적을 제한한다.
도 5는 종래 기술의 축방향 스파크 스위치(201)를 도시한다. 노출된 전극 표면적은 하부 전극 판(190)으로의 상부 전극 판(180)의 노출에 대해 제한된다.
이 두 전극 판(180, 190)의 설계는 일반적으로 전극 판(180. 190)을 둘러싸는 아크릴(acrylic), 세라믹 또는 다른 절연재인 절연재(130)를 스파크 분해로 인한 스파크 잔해에 노출시킨다. 전극 판(180, 190) 사이의 갭(210)은 공기 또는 설퍼 헥사플로라이드(SF6) 또는 이산화탄소(CO2)와 같은 다른 적절한 가스이다.
도 6 및 도 7에 예시된 바와 같이, 본 발명의 스파크 스위치에서, 노출된 전극의 표면적은 외부 전극(120)에 의해 둘러싸이거나 또는 그 안에 중첩되는 내부 전극(102)을 가져 현저히 증가된다. 이러한 중첩된 설정은 내부 전극(102)과 외부 전극(120)의 노출된 전극 표면적이 동일한 전체 체적의 종래의 축방향 스파크 스위치의 노출된 전극 표면적의 약 5배까지 되게 한다.
본 발명의 스파크 스위치는 타이 로드(150) 상의 작용력을 증가시키지 않고 일정한 스위치 직경에서 넓은 전극 면적으로의 스케일링(scaling)을 허용한다. 종래의 축방향 스위치의 전극 면적을 증가시키기 위해서는 스위치 직경을 증가시켜야 하며, 이는 타이 로드(150)에 더 높은 응력을 가한다.
도 6 및 도 7은 각각, 스위치의 제 1 단부 판(140) 및 제 2 단부 판(162)에서 각각 전도체(115, 116)에 접속되는 단부 단자(110, 111; end terminal)를 갖는 스파크 스위치를 도시한다. 이 전도체(115, 116)는 스위치가 전기전원(도시되지 않음)과 전기적 부하(도시되지 않음)에 연결될 수 있게 한다. 이 단부 판은 강철, 알루미늄, 또는 다른 강성 전도성 물질로 이루어진다. 이 제 1 단부 판(140)은 스위치(101)의 제 1 단부 판(140)과 제 2 단부 판(162) 사이에서 길이방향으로 연장하는 다수의 타이 로드(150)를 매개로 제 2 단부 판(162)에 부착된다. 이 타이로드(150)는, 이 타이 로드(150)가 제 1 단부 판(140)과 제 2 단부 판(162)을 함께 고정적으로 유지할 수 있게 하는 나일론, 섬유유리 또는 렉산(lexan; 폴리카보네이트)과 같은 강유전체(strong-dielectric) 물질로 이루어질 수 있다.
스위치가 분해 스파크 전류를 생성하게 하는 제 1 단부 판(140)에서 상기 단자를 통해 전류가 흐른다. 이 분해 스파크 전류는 내부 전극(102)으로부터, 외부 전극(120) 내에 중첩되는 내부 전극(102)에 의해 형성되는 갭(310)을 지나 외부 전극(120)으로 흐른다. 이 분해 스파크 전류는 일반적으로 1,000 내지 500,000 암페어이다. 상기 전극은 중첩하는 전극 표면 사이에 갭(310)이 형성되도록 중첩된다. 이러한 갭(310)은 전류가 흐르기 위한 경로를 제공하고 공기 또는 설퍼 헥사플로라이드(SF6), 이산화탄소(CO2) 등과 같은 다른 가스 유전체를 포함할 수 있다.
강성(rigid) 절연재로 이루어지는 절연 배리어(130)는 스파크 스위치용 압력 용기 및 전극 지지대를 제공하고 전극의 전기적 분리를 유지한다. 이 절연 배리어(130)는 중공일 수 있고 전극(102, 120)의 어느 부분의 길이로 연장할 수 있다. 절연 배리어(130)의 조성은 플라스틱, 세라믹 또는 열에 대한 저항성과 화염을 저지하는 특성을 갖는 다른 어떠한 물질일 수 있다. 양호한 재료로는 강하면서 그을음이 잘 생기지 않는 유리보강 지방성 수지(glass reinforced aliphatic resin)가 있다.
외부 전극(120)은 청동, 텅스텐 구리 합금 또는 고강도 카본과 같은 전기적으로 전도성 물질으로 이루어진다. 전극에 대해 적절한 재료는 균일하고 매끄럽게 침식되는 것이다. 이 외부 전극(120)은 제 2 단부 판(162) 반대측에 단자 단부(terminal end portion)를 갖는다. 외부 전극(170)의 내벽은 내부 전극(102)을 짝을 이루는 방식으로 수납하기 충분한 사이즈의 길이방향 공동을 형성한다.
이 내부 전극(102)은 외부 전극(120)과 유사한 전기적으로 전도성인 물질로 이루어지고 도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이 외부 전극(120)의 단자 단부 부분으로 삽입된다. 내부 전극(102)은 한 단부에서 스위치(140)의 제 1 부분에 고정되고 이 고정된 단부 반대측에 단자 단부 부분을 갖는다. 내부 전극(102)은 외벽(172)을 갖는다.
외부 전극(170)의 내벽 및 내부 전극(172)의 외벽은 내부 전극(102)과 외부 전극(120) 사이에서 분해 스파크 전류용 채널을 제공하는 방사형 갭 영역을 제공한다.
이 방사형 갭 영역(310)은 공기 또는, 내부와 외부 전극(102, 120) 사이에 분해 스파크 전류가 흐르기 위한 매체를 제공하는 다른 어떠한 합성물을 포함할 수 있다. 이 방사형 갭(310)은 약 0.001인치 내지 1인치(0.003 - 2.54cm) 사이, 양호하게는 약 0.25인치(0.635cm)일 수 있다. 이 갭은 스위치 내에 존재하는 전압에 의존한다.
스파크 갭 스위치의 일반적인 거동을 가스 종류, 갭 길이 및 가스 밀도의 함수로 설명하는 공식이 아래의 수학식 1 으로 주어진다.
여기서 V는 스위치 분해 전압(switch breakdown voltage)이고, ρ는 가스 밀도이고, d는 갭 길이이고, k 및 β는 가스 종류에 따른 상수이다. 예를 들어, ρ가 대기의 밀도이고 d는 밀리미터 단위일 때, 공기에 대해, k는 2.45이고 β는 2.1이다. 다른 자주 사용되는 가스인 설퍼 헥사플로라이드(SF6)에 대해, k는 6.8이고 β는 7.5이다. 상기 공식 및 이 공식으로부터의 편차를 도시하는 그래프는 렉(D.Legg) 저, 플러샤임(C.H. Flurscheim) 편집의 동력 ″회로 차단기에 적용되는 절연″, 12장 동력 회로 차단기 이론 및 설계에 주어져 있다.
외부 전극(120)의 단자 단부 부분과 내부 전극(102)의 단자 단부 부분 사이에 단자 갭(410)이 형성된다. 단자 갭(410)은 잔해가 축적되는 경우에 스위치 내의 회로가 단락되는 상황을 방지하기 충분하도록 클 필요가 있다. 이 단자 갭은 상기 갭(310)의 크기의 1 내지 15 배의 범위일 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 제 2 단자 갭(420)은 제 1 단자 갭(410) 반대측의 스위치 단부에 형성된다. 또한 상기 제 2 단자 갭(420)은 스위치에서 회로가 단락되는 상황을 방지한다. 이는 제 1 단자 갭(410)과 유사한 범위의 사이즈를 갖는다.
상기 단자 갭(410, 420)은 스위칭하는 동안 축적되는 잔해를 모으는 경향이 있다. 가스 또는 액체 중 하나인 유체, 또는 둘의 조합이 흡입 포트(414)를 통해 배출 포트(415)를 통해 스위치 밖으로 배출하여 축적된 잔해가 스위치(101)의 작동 수명을 감소시키는 것을 방지할 수 있다. 흡입 포트(414)는 어떠한 유체도 스위치(101)로 분사되지 않을 때 닫힐 수 있는 커버(416)를 갖는다. 배출 포트(415)또한 어떠한 유체도 스위치(101)로 분사되지 않을 때 배출 포트(415)를 닫는 커버(416)를 갖는다.
본 발명의 스파크 스위치 설계의 장점은 절연 배리어(130)의 청결도가 개선되는 것이다. 외부 전극(120)을 내부 전극(102) 상에 위치시키는 것은 절연 배리어(130) 물질을 스위칭 작용에 의해 생성되는 잔해로부터 차폐하는 작용을 한다. 스위칭하는 동안, 분해 스파크 전류는 내부 전극(102)으로부터 외부 전극(120)으로 흘러 절연 배리어(130) 물질을 오염시키고 퇴화시키는 경향이 있는 용융된 상태 및 고체 상태의 부산물과 자외선을 생성한다. 본 발명의 설계는 외부 전극(120)이 슬리브 형 배리어를 형성하여 절연 배리어(130)가 스위칭 작용이 일어날 때 생성되는 아크 전류로 인한 잔해와 부산물에 노출되지 않으므로 이 절연 배리어(130)의 사용 수명을 연장시킨다.
도 7은 기다란 원통형 전극(102, 120)을 갖는 스파크 스위치(301)를 도시한다. 스위치(301)의 작동 수명은 전극(102, 120)의 표면적을 더 증가시켜 증가될 수 있다. 이는 그 길이방향 축을 따라 내부 및 외부 전극(102, 120)의 길이를 증가시키는 한 실시예에서 이루어진다. 내부 전극(102) 및 외부 전극(120) 양쪽의 길이가 증가되므로, 이는 전극의 노출된 표면적을 증가시킨다. 이러한 신장된 실시예의 제 2 단부 판(162)은 상기 중첩된 전극(102, 120)이 제 2 단부 판(162)을 너머 연장하도록 하는 공동을 갖는다.
도 7에 도시한 바와 같이, 내부 전극(102)은 실린더의 외부 상에 전극 판을 갖는 중공 실린더일 수 있다.
도 7에 묘사된 신장된 전극 설계는 보다 넓은 표면적이 분해 스파크 전류가 흐르는 동안에 생성된 열을 더 발산시키는 부가적인 장점을 갖는다.
도 8은 스파크 갭 스위치의 단면도를 도시한다. 이 갭(310)은 중첩된 전극(102, 120) 사이에 배치된다.
도 9는 여러 겹으로 중첩된 전극이 있을 수 있음을 도시한다. 전극 표면(105)은 외부 전극(120)에 연결되고 내부 전극(102) 내에 중첩된다. 이 전극(105) 및 내부 전극(102)은 이격되어 제 2 방사형 갭(305)을 형성한다. 이러한 제 2 방사형 갭(305)은 갭(310)과 동일한 방식으로 전류를 전도시킨다. 이러한 설정은 스위칭에 대해 다중 전극 표면을 제공한다. 이들 다중 전극(102, 105, 120)은 노출된 전극 표면적을 더 증가시키도록 작용하여 스위치(101)의 작동 수명을 증가시킨다.
도 10은 스파크 스위치(601)의 동축 실시예를 도시한다. 이러한 실시예는 단부 판을 요구하지 않고, 오히려 전원(도시되지 않음)에 접속되는 커넥터(615)와 부하(도시되지 않음)에 접속되는 커넥터(616)를 갖는다. 또한, 전도성 외부 차폐(635)가 내부 전극(600) 및 외부 전극(620)을 둘러싼다. 도 10의 동축 실시예는 절연재(630)를 유지하기 위한 나사와 같은 수단(655)를 갖는다. 가스로 채워진 가압된 영역(622)이 여기에 존재한다. 갭(609)은 내부 전극(600) 및 외부 전극(620) 사이에 형성된다. 절연 리테이너 단부 플러그(654, 656; insulating retainer end plug)는 상기 전극(600, 620)을 지지한다. 이들 리테이너 단부 플러그(654, 656)는 예를 들어 폴리카보네이트로 만들어질 수 있다.
도 11은 부하(775)를 지나 전압원(780)으로 다시 복귀하는 전류를 위한 복귀 경로를 제공하는 전도성 튜브(770) 내측에 포함되는 전극(700, 720)을 갖는 동축 스파크 스위치(701)를 도시한다. 외부 전극(720)은 동축 커넥터(719)를 경유하여 전압원(780)에 접속된다. 내부 전극(720)은 동축 커넥터(718)를 경유하여 부하(775)에 접속된다. 상기 동축 커넥터(718, 719)는 내부 전도체 물질(717, 714)을 각각 포함한다. 상기 내부 전도성 물질(717)은 스위치 커넥터(716)에 연결되고 내부 전도성 물질(714)은 스위치 커넥터(715)에 연결된다. 이러한 실시예는 스위치에 의해 생성된 전자기장이 전도성 튜브(770) 내에 완전히 포함될 수 있게 한다. 이렇게 포함됨으로써 스위치 인덕턴스(inductance)를 감소시키며, 시스템 인덕턴스를 낮추고 더 고속의 스위칭 성능으로 인해 생성되는 전자기적 노이즈를 감소시킨다.
이 스위치의 작동환경은 양호한 구성 물질을 규정한다. 예를 들어, 구리 텅스텐 매트릭스(Cu-W matrix; 구리 10 내지 30%, 텅스텐은 잉여분)와 같은 고밀도의 전기적으로 전도성인 물질전극 구성은 작동 수명을 증가시키지만, 또한 보다 작은 밀도의 물질로 구성된 스위치의 질량에 비교하여 이러한 스위치의 질량을 증가시킨다. 고밀도의 물질은 보다 천천히 침식된다.
1000 Hz와 같은 매우 높은 펄스 반복율을 요구하는 실시예에서, 이는 절연 배리어에 부가적인 열 응력을 가하며, 세라믹 절연재가 플라스틱 절연재에 비해 양호할 수 있다. 부가적으로 강성(rigid) 재료를 절연 배리어로서 사용하는 것은 몇몇 작동 환경에서 양호할 수 있다.
내부 전극 및 외부 전극이 원통형으로 예시되었으나, 전극은 둥근 형태에 한정되지 않고 분해 스파크 전류가 전극 달 사이에서 통과할 수 있는 갭이 형성되도록 둘러싸기 적절한 어떠한 형상의 전극도 포함할 수 있다.
본 발명에 따라 상기에 기술한 목적, 수단 및 장점을 완전히 만족하는 펄스식 코로나 방전 기기가 제공되었음이 명백하다. 본 발명은 이 실시예와 연계하여 설명되었으나, 상술한 설명을 참조하여 당업자에게는 많은 변형, 수정 및 변화가 가능함이 명백할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위의 정신 및 넓은 범위 내에 포함되는 이러한 모든 변형, 수정 및 변화가 포함된다.

Claims (41)

  1. 전원공급 섹션(12)과 반응기 섹션(10)을 갖는, 오염된 유동물을 처리하기 위한 반응기에 있어서,
    상기 전원공급 섹션(12)은 상기 반응기 섹션(12)의 전기적 전도성 헤더 판(14)에 단속적인 고전압 펄스를 제공할 수 있고,
    상기 반응기 섹션(10)은 상기 전기적 전도성 헤더 판(14)을 포함하고, 또한
    상기 헤더 판(14)에 전기적으로 상호연결되는 복수의 제 1 전극(16)과,
    오염된 유동물(40)을 수용하는 복수의 반응기 챔버를 한정하기 위해 상기 제 1 전극(16) 중의 하나 주위에 각각 동심적으로 배치되는 복수의 제 2 전극(22)과,
    상기 복수의 제 2 전극(22)과 전기적으로 상호연결되고 상기 헤더 판(14)과 상기 복수의 제 1 전극(16) 양쪽으로부터 전기적으로 절연되는 전기적 전도성 반응기 판(20)과,
    상기 헤더 판(14)과 상기 반응기 판(20)을 둘러싸 가스 수용 공동(34)을 형성하는 다기관(36)과,
    오염된 유동물(40)을 상기 가스 수용 공동(34)에 전달하는 흡입구(42)와,
    조정된 유동물(54)을 상기 복수의 제 2 전극(22)의 하류측 단부로부터 회수하는 배출구(58)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 전극(16)은 각각 상기 헤더 판(14)과 전기적 전도성 장력 판(64)의 조합에 의해 적용되는 장력이 가해지고, 상기 복수의 제 2 전극(22)은 상기 헤더 판(14)과 상기 장력 판(64) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 전극(16)은 약 0.001 인치 내지 약 0.1 인치(0.003 - 0.254cm)의 직경을 갖는 와이어인 것을 특징으로 하는 반응기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 제 2 전극(22)은 관형이고 약 0.5 인치 내지 약 3 인치(1.27 - 7.62cm)의 내경을 갖는 것을 특징으로 하는 반응기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 단속적인 펄스는 약 10 kV 내지 약 200 kV 사이의 전압인 것을 특징으로 하는 반응기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 헤더 판(14)과 상기 반응기 판(20) 사이의 전기적 접촉은 분리가능한 접촉에 의한 것을 특징으로 하는 반응기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 헤더 판(14)과 상기 반응기 판(20) 사이의 전기적 접촉은 압축스프링(76)에 의한 것을 특징으로 하는 반응기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    유전체(dielectric)가 상기 헤더 판(14)과 상기 반응기 판(20) 사이에 배치되고 양쪽에 접합되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유전체는 약 0.25 인치 내지 약 2 인치(0.635 - 5.08cm)의 두께를 갖는 중합체인 것을 특징으로 하는 반응기.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 전원공급 시스템(12)은,
    교류전원 공급장치(78)로부터 상기 교류전류를 10 kV를 초과하는 직류전압으로 변환시키는 고전압 전원공급 유닛(80)으로의 접속부와,
    상기 교류 전류를 상기 고전압 전원공급 유닛(80)으로 단속적으로 전도시키기 위한 제어 유닛(79)과,
    상기 고전압 전원공급 유닛(80)을 고속 스위치(88)와 동기화시키기 위한 상기 고전압 전원공급 유닛(80)과 상기 제어 유닛(79) 사이의 피드백 루프(99)와,
    상기 고전압 전원공급 유닛(80)과 상기 고속 스위치(88) 사이에 연결되는 절연 저항기(86)와,
    상기 절연 저항기(86)와 상기 고속 스위치(88) 사이에 연결되는 커패시터(90)를 포함하고,
    상기 고전압 전원공급 유닛(80)은 상기 고속 스위치(88)가 방전할 때 꺼지고,
    상기 고속 스위치(88)는 방전할 때 상기 고전압 전원공급 유닛(80)과 상기 헤더 판(14)을 전기적으로 상호연결하고 다른 때에는 상기 헤더 판(14)으로부터 상기 고전압 전원유닛(80)을 전기적으로 절연시키는 것을 특징으로 하는 반응기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어 유닛(79)과 센서(58) 사이의 피드백 루프(161)가 상기 조정된 유동물(54)에 적용되어 상기 조정된 유동물(54) 내의 유해한 화합물의 레벨을 판정하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 피드백 루프(161)는 상기 조정된 유동물(54)의 유량을 조정하기 위해 제한기(160; restrictor)와 서로 통신하는 관계에 있으므로 상기 오염된 유동물(54)을 처리하는 치간을 조절하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 피드백 루프(161)는 상기 단속적인 고전압 펄스에 의해 제공되는 전력을 조정하기 위해 상기 제어 유닛(79)과 서로 통신하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 피드백 루프(161)는 상기 단속적인 고전압 펄스에 의해 제공되는 전력을 조정하기 위해 상기 제어 유닛(79)과 서로 통신하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  15. 교류(78) 공급장치로부터 상기 교류 전류를 10 kV를 초과하는 직류 전압으로 변환시키는 고전압 전력공급 유닛(80)으로의 접속부와,
    상기 교류를 고전압 전원공급 유닛(80)으로 단속적으로 전도시키기 위한 제어 유닛(79)과,
    상기 고전압 전원공급 유닛(80)을 고속 스위치(88)와 동기화하여 상기 고속 스위치(88)가 방전할 때 상기 고전압 전원공급 유닛(80)은 꺼지며 상기 피드백 루프(99)와 제어 유닛(79)은 방전위치를 지시하는, 상기 고전압 전원공급 유닛(80)과 상기 제어 유닛(79) 사이의 피드백 루프(99)와,
    상기 고전압 전원공급 유닛(80)과 상기 고속 스위치(88) 사이에 연결되는 절연 저항기(86)와,
    상기 절연 저항기(86)와 상기 고속 스위치(88) 사이에 연결되는 커패시터(90)를 포함하고,
    상기 고속 스위치(88)는 방전할 때 상기 고전압 전원공급 유닛(80)과 상기 헤더 판(14)을 전기적으로 상호연결하고 다른 때에는 상기 고전압 전원공급 유닛(80)을 상기 헤더 판(14)으로부터 전기적으로 절연시키는 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템(12).
  16. 제 10 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 고속 스위치(88)는 스파크 갭 스위치인 것을 특징으로 하는 반응기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 저항기(86)는 변압기인 고전압 전원공급 유닛(80)을 상기 스파크 갭 스위치(88)로부터 전기적으로 절연시키기에 충분한 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 저항기(86)는 약 20Ω을 초과하는 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 커패시터(90)는 약 0.05J을 초과하는 에너지의 전하를 방출하는 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 스파크 갭 스위치(88)는 상기 커패시터(90)에 전기적으로 연결되는 제 1 전극(92)과, 상기 전원공급 전극(72)에 전기적으로 연결되는 제 2 전극(96)과, 이 전극들 사이에 갭(94)을 가지고, 상기 갭(94)은 가스로 채워지는 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 가스는 수소인 것을 특징으로 하는 전원공급 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 고속 스위치(88)는 약 100 마이크로초 내지 약 1 초의 펄스 구간을 제공하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  23. 제 1 커넥터(115)와,
    제 2 커넥터(116)와,
    상기 제 1 커넥터(115)와 상기 제 2 커넥터(116) 사이에 배치되는 내부 전극(102) 및 외부 전극(120)을 갖고,
    상기 내부 전극(102)은
    말단 단부(proximal end)와,
    상기 말단 단부 반대측의 단자 단부(terminal end)와
    외벽(172)을 포함하고,
    상기 외부 전극(120)은
    말단 단부와,
    상기 말단 단부 반대측의 단자 단부를 포함하고,
    상기 외부 전극(120)은 적어도 일부의 내부 전극(102)을 수용하기 위한 공동을 한정하고, 내부 전극(102)의 외벽(172)과 외부 전극(120)의 공동은 방사형 갭(310)을 형성하고,
    제 1 단자 갭(410)은 외부 전극(120)의 단자 단부 부분과 내부 전극(102)의 단자 단부(102) 사이에 있는 것을 특징으로 하는 스위치(101).
  24. 제 23 항에 있어서,
    절연재(130)가 외부 전극(120) 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 스위치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 절연재(130)는 세라믹인 것을 특징으로 하는 스위치.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 외부 전극(120)은 상기 내부 전극(102)을 둘러싸 그 외부를 차폐하는 것을 특징으로 하는 스위치.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 내부 전극(102) 내에 중첩된 제 3 전극(105) 표면이 상기 제 3 전극(105) 과 상기 내부 전극(102) 사이의 제 2 방사형 갭(305)을 형성하는 것을 특징으로 하는 스위치.
  28. 제 23 항에 있어서,
    상기 방사형 갭(310)의 거리는 상기 내부 전극(102)과 외부 전극(120) 사이에 적용되는 전압에 근거하는 것을 특징으로 하는 스위치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 방사형 갭(310)은 사이즈가 약 0.001 인치 내지 약 1.0 인치(0.003 - 2.54 cm)일 수 있는 것을 특징으로 하는 스위치.
  30. 제 29 항에 있어서,
    제 2 단자 갭(420)은 제 1 단자 갭(410) 반대측인 것을 특징으로 하는 스위치.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 단자 갭(410)은 크기가 상기 단자 갭(310)의 크기의 약 1 내지 15 배인 범위인 것을 특징으로 하는 스위치.
  32. 제 23 항에 있어서,
    상기 제 1 커넥터(115)와 상기 전극들(102, 120) 사이의 제 1 단부 판(140)과,
    상기 전극들(102, 120)과 제 2 커넥터(116) 사이의 제 2 단부 판(162)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    적어도 하나의 단부 판(140, 162)은 흡입 포트(414)를 갖는 것을 특징으로 하는 스위치.
  34. 제 32 항에 있어서,
    적어도 하나의 단부 판(140, 162)은 배출 포트(415)를 갖는 것을 특징으로 하는 스위치.
  35. 제 32 항에 있어서,
    제 2 단부 판(162)은 외부 전극(120)의 일부를 수용하기 위한 방사형 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 스위치.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 내부 전극(102) 및 외부 전극(120)은 거의 원통형 형상인 것을 특징으로 하는 스위치.
  37. 단자 단부를 갖는 외부 전극(120)을 제공하는 단계와,
    단자 단부를 갖는 내부 전극(102)을 제공하는 단계와,
    분해 스파크 전류(spark breakdown current)를 위해 내부 전극(102)과 외부 전극(120) 사이에 방사형 갭(310)이 형성되고 외부 전극(120)의 단자 단부와 내부 전극(102)의 단자 단부 사이에 단자 갭(410)이 형성되도록 내부 전극(102)을 외부 전극(120)의 공동 내측에 중첩시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 스위치 작동수명의 증가방법.
  38. 제 37 항에 있어서,
    외부 전극(120) 둘레에 슬리브 형 형상으로 절연재(130)를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 스위치 작동수명의 증가방법.
  39. 제 2 항에 있어서,
    내부 전극(102) 내측에 제 3 전극(105)을 중첩시켜 제 2 방사형 갭(305)을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스파크 스위치 작동수명의 증가방법.
  40. 내부 전극(700)과,
    짝을 이루는 방식으로 내부 전극(700)의 적어도 한 부분을 수용하는 공동을 가져 분해 스파크 전류를 위해 상기 외부 전극(720)과 내부 전극(700) 사이에 방사형 갭(609)이 형성되는 외부 전극(720)과,
    내부 전극(700)과 외부 전극(720)을 둘러싸는 전도성 튜브(770)와,
    상기 전극(700) 중의 하나를 전기적 부하(775)에 연결하기 위한 제 1 동축 커넥터(718)와,
    다른 전극(700) 중의 하나를 전원(780)에 연결하기 위한 제 2 동축 커넥터(719)를 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 스위치(701).
  41. 제 40 항에 있어서,
    내부 전극(600)과 전도성 튜브(770) 사이에서 내부 전극(600)의 일부 둘레에 배치되어 이 내부 전극(600)이 전도성 튜브(770)로부터 절연되는 제 1 절연재(654)와,
    외부 전극(620)과 전도성 튜브(770) 사이에서 외부 전극(620)의 일부 둘레에 배치되어 이 외부 전극(620)이 전도성 튜브(770)로부터 절연되는 제 1 절연재(654)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 스위치(601).
KR1020007005434A 1997-11-19 1998-11-12 방사형으로 설계된 펄스식 코로나 방전 기기 KR20010032233A (ko)

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US8/971,882 1997-11-19
US08/971,882 US6037715A (en) 1997-11-19 1997-11-19 Spark switch having coaxial electrodes with increased electrode surface area exposure
US8/974,725 1997-11-19
PCT/US1998/024016 WO1999025471A1 (en) 1997-11-19 1998-11-12 Pulsed corona discharge apparatus with radial design

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