KR20190111049A - 액중 플라즈마장치 - Google Patents
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Abstract
처리효율을 높이면서 장치구성을 간편화한 액중 플라즈마장치를 제공한다. 액중 플라즈마장치(1)는, 액체가 내부를 흐르는 관상유로부(10)와, 관상유로부(10)에 마련된 캐비테이션발생부(A) 및 전압인가부(B)를 갖고, 캐비테이션발생부(A)는, 관상유로부(10)의 내부의 액체에 캐비테이션을 발생시키며, 전압인가부(B)는, 관상유로부(10)에 배치되고, 캐비테이션이 발생한 액체에 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시킨다. 캐비테이션발생부(A)는, 관상유로부(10)에 있어서 다른 부위보다 내경이 작은 스로틀부를 갖고 구성되며, 스로틀부는, 스로틀부의 최협부위의 상류측에 배치된 경사면인 상류측 경사면(E)과, 스로틀부의 최협부위의 하류측에 배치된 경사면인 하류측 경사면(F)을 갖고 구성된다.
Description
본 발명은, 액체 중에 플라즈마를 발생시키는 액중(液中) 플라즈마장치에 관한 것이다.
액체 중에 플라즈마를 발생시켜, 전기화학적 처리를 실시하는 장치가 알려져 있다. 특허문헌 1의 장치에서는, 직사각형의 상자형 용기의 처리조(槽)에 피처리액이 채워지고, 처리조의 내부에 도전성의 판상체, 볼록판 및 전극이 배치된다. 판상체, 볼록판 및 전극의 사이에 고전압을 인가하면, 플라즈마가 발생하고, 피처리액이 전기화학적으로 정화살균처리된다.
특허문헌 2의 장치에서는, 플라즈마를 발생시키기 위한 전압을 저하시키기 위하여, 관형전극으로부터 기체를 처리조 내에 주입하고, 기포를 형성한다. 이로써 전극 간은 피처리액과 함께 기체가 개재된 상태가 된다. 이로써, 전극 간에 인가하는 고전압펄스는, 낮은 전압이어도 플라즈마를 발생하여, 피처리액이 전기화학적으로 처리된다.
특허문헌 3, 4 및 5의 장치에서는, 통수관로(通水管路)의 내경을 축소시킨 노즐이, 피처리수를 가압송급하는 가압부의 후단에 마련되어 있다. 그리고 노즐의 후단(하류측)에 대전극(對電極)이 배치되어 있다. 그리고 피처리수를 일정한 압력으로 송급하고 미소(微小) 캐비테이션기포를 발생시켜, 대전극 간에 고전압을 인가하여 방전플라즈마를 발생시킴으로써, 피처리수 중에 함유하는 유기물 등의 피처리물질의 분해나 합성 등의 처리를 행한다.
특허문헌 1 및 2의 장치는, 처리조에 피처리액을 채워 처리를 행하는, 이른바 배치(batch)식 장치이기 때문에, 처리효율(시간당 처리량)을 크게 하는 것이 어렵다. 또 특허문헌 2의 장치에서는, 기체를 주입하기 위한 장치를 필요로 하여, 장치구성이 복잡해지는 문제가 있다.
그리고 특허문헌 3, 4 및 5의 장치에서는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 노즐(3b)의 하류측의 단부는, 피처리수가 흐르는 방향에 직교하는 평면으로서 형성되고, 이로 인하여 피처리수의 유로의 직경은 노즐의 하류측에서 불연속으로 변화하며, 급격하게 확대되고 있다. 이와 같은 형상의 유로에서는, 노즐의 부근이나 하류측에서 난류나 박리류가 발생한다. 그렇게 하면, 캐비테이션의 기포가 발생하기 어렵고, 또 기포가 균일해지기 어렵기 때문에, 피처리수의 유속을 상당히 크게 할 필요가 있으며, 또 플라즈마도 발생하기 어려워지므로, 피처리수에 대한 플라즈마처리의 효율이 저하되고, 또 플라즈마처리가 충분히 행해지지 않을 가능성이 있다.
본 발명은 상술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 처리효율을 높이면서 장치구성을 간편화한 액중 플라즈마장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 액중 플라즈마장치의 특징구성은,
액체가 내부를 흐르는 관상유로부와, 상기 관상유로부에 마련된 캐비테이션발생부 및 전압인가부를 갖는 액중 플라즈마장치로서,
상기 캐비테이션발생부는, 상기 관상유로부의 내부의 상기 액체에 캐비테이션을 발생시키고,
상기 전압인가부는, 상기 관상유로부에 배치되며, 캐비테이션이 발생한 상기 액체에 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키고,
상기 캐비테이션발생부는, 상기 관상유로부에 있어서 다른 부위보다 내경이 작은 스로틀부를 갖고 구성되며,
상기 스로틀부는,
상기 스로틀부의 최협(最狹)부위의 상류측에 배치된 경사면인 상류측 경사면과,
상기 스로틀부의 최협부위의 하류측에 배치된 경사면인 하류측 경사면을 갖고 구성되는 점에 있다.
상기의 특징구성에 의하면, 관상유로부를 흐르는 액체에 플라즈마를 발생시키기 때문에, 상술한 처리조 방식에 비하여 액체의 처리효율을 비약적으로 높이는 것이 가능해진다. 그리고 관상유로부에 마련된 캐비테이션발생부는, 관상유로부의 내부의 액체에 캐비테이션을 발생시키고, 전압인가부는, 관상유로부에 배치되며, 캐비테이션이 발생한 액체에 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키기 때문에, 장치구성을 간편화하면서, 캐비테이션에 의하여 발생한 기체에 의하여 비교적 낮은 전압으로 플라즈마를 발생시켜, 액체에 대한 처리를 행하는 것이 가능해진다. 또한 상술한 액중 플라즈마장치는, 액체의 정화살균에 한정되지 않고, 액체로의 분체(粉體) 등의 분산촉진 등, 다양한 용도에 이용할 수 있다. 또, 금, 백금, 구리 등의 금속나노입자의 합성에 이용할 수 있다.
그리고 캐비테이션발생부는, 관상유로부에 있어서 다른 부위보다 내경이 작은 스로틀부를 갖고 구성되며, 스로틀부는, 스로틀부의 최협부위의 상류측에 배치된 경사면인 상류측 경사면과, 스로틀부의 최협부위의 하류측에 배치된 경사면인 하류측 경사면을 갖고 구성되기 때문에, 스로틀부의 내경이 최협부위의 상류측으로부터 하류측에 걸쳐 연속적으로 감소·증가하므로, 난류나 박리류의 발생이 억제되고, 캐비테이션의 기포가 발생하기 쉬워져, 발생하는 기포도 균일해지기 쉽다. 즉 상기의 특징구성에 의하면, 보다 낮은 유량(유속)으로 균일한 캐비테이션기포가 발생하여, 액체에 대한 플라즈마처리를 보다 적절히 행할 수 있다.
본 발명에 관한 액중 플라즈마장치의 다른 특징구성은, 상기 하류측 경사면의 형상이 사인(sine)함수로 나타나는 점에 있다.
상기의 특징구성에 의하면, 스로틀부에 있어서의 액체의 흐름이 보다 원활해져, 난류나 박리류의 발생이 억제되어 적합하다.
본 발명에 관한 액중 플라즈마장치의 다른 특징구성은, 상기 상류측 경사면과 상기 하류측 경사면은, 상기 최협부위에 관하여 대칭인 형상인 점에 있다.
상기의 특징구성에 의하면, 스로틀부에 있어서의 액체의 흐름이 보다 원활해져, 난류나 박리류의 발생이 억제되어 적합하다.
본 발명에 관한 액중 플라즈마장치의 다른 특징구성은, 상기 하류측 경사면이, 상기 액체의 흐름의 박리가 발생하지 않는 형상으로 되어 있는 점에 있다.
스로틀부에 있어서 박리류가 발생하면, 액체의 압력의 저하가 억제되어, 캐비테이션이 발생하기 어려워진다. 상기의 특징구성에 의하면, 스로틀부에 있어서 캐비테이션이 용이하게 발생하여, 액체에 대한 플라즈마처리를 보다 적절히 행할 수 있다.
본 발명에 관한 액중 플라즈마장치의 다른 특징구성은, 상기 캐비테이션발생부는, 직렬로 인접하여 배치된 적어도 2개의 스로틀부를 갖고, 상류측에 배치된 상류스로틀부에 있어서 상기 전압인가부가 상기 액체에 인가하는 전압은, 상기 상류스로틀부의 하류측에 배치된 하류스로틀부에 있어서 상기 전압인가부가 상기 액체에 인가하는 전압보다 높은 점에 있다.
상기의 특징구성에 의하면, 상류스로틀부의 인가전압이 하류스로틀부의 인가전압보다 높으면, 상류측에서 보다 많은 플라즈마를 발생시켜, 플라즈마에 의한 처리를 효율적으로 행할 수 있어 적합하다.
본 발명에 관한 액중 플라즈마장치의 다른 특징구성은, 상기 캐비테이션발생부는, 직렬로 인접하여 배치된 적어도 2개의 스로틀부를 갖고, 상류측에 배치된 상류스로틀부의 내경은, 상기 상류스로틀부의 하류측에 배치된 하류스로틀부의 내경보다 큰 점에 있다.
상기의 특징구성에 의하면, 상류스로틀부의 내경이 하류스로틀부의 내경보다 크면, 하류측에서 보다 많은 기포를 발생시켜, 플라즈마에 의한 처리를 효율적으로 행할 수 있어 적합하다.
본 발명에 관한 액중 플라즈마장치의 다른 특징구성은, 복수의 상기 관상유로부가 병렬로 배치되는 점에 있다.
상기의 특징구성에 의하면, 복수의 관상유로부가 병렬로 배치됨으로써, 액중 플라즈마장치의 처리효율(시간당 처리량)을 더 높일 수 있어 적합하다.
본 발명은, 원심식 흡인펌프기구부를 갖고, 상기 관상유로부로부터 유출된 상기 액체가 상기 흡인펌프기구부에 공급되며, 상기 흡인펌프기구부로부터 토출된 상기 액체가 상기 관상유로부에 공급되는 형태의 액중 플라즈마장치에 적합하게 적용할 수 있다.
도 1은, 액중 플라즈마장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는, 관상유로부의 형상을 나타내는 정면도 및 측면도이다.
도 3은, 원뿔디퓨저의 내벽의 형상을 나타내는 개략도이다.
도 4는, 원뿔디퓨저의 디퓨저선도이다.
도 5는, 관상유로부의 내벽의 형상을 나타내는 개략도이다.
도 6은, 종래 장치의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 7은, 종래 장치에서의 액체의 흐름의 시뮬레이션 결과이다.
도 8은, 종래 장치에서의 액체의 흐름의 시뮬레이션 결과이다.
도 9는, 관상유로부에서의 액체의 흐름의 시뮬레이션 결과이다.
도 10은, 관상유로부에서의 액체의 흐름의 시뮬레이션 결과이다.
도 11은, 종래 장치에서의 액체의 압력의 시뮬레이션 결과의 그래프이다.
도 12는, 관상유로부에서의 액체의 압력의 시뮬레이션 결과의 그래프이다.
도 13은, 스로틀부에서의 캐비테이션 발생상태의 사진이다.
도 2는, 관상유로부의 형상을 나타내는 정면도 및 측면도이다.
도 3은, 원뿔디퓨저의 내벽의 형상을 나타내는 개략도이다.
도 4는, 원뿔디퓨저의 디퓨저선도이다.
도 5는, 관상유로부의 내벽의 형상을 나타내는 개략도이다.
도 6은, 종래 장치의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 7은, 종래 장치에서의 액체의 흐름의 시뮬레이션 결과이다.
도 8은, 종래 장치에서의 액체의 흐름의 시뮬레이션 결과이다.
도 9는, 관상유로부에서의 액체의 흐름의 시뮬레이션 결과이다.
도 10은, 관상유로부에서의 액체의 흐름의 시뮬레이션 결과이다.
도 11은, 종래 장치에서의 액체의 압력의 시뮬레이션 결과의 그래프이다.
도 12는, 관상유로부에서의 액체의 압력의 시뮬레이션 결과의 그래프이다.
도 13은, 스로틀부에서의 캐비테이션 발생상태의 사진이다.
이하 도면을 참조하면서, 본 실시형태에 관한 액중 플라즈마장치에 대하여 설명한다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 액중 플라즈마장치(1)는, 관상유로부(10), 캐비테이션발생부(A), 전압인가부(B) 및 흡인펌프기구부(40), 관상부(50), 관상부(60) 및 탱크(T)를 갖고 구성된다.
관상유로부(10)의 출구와 흡인펌프기구부(40)의 흡입구가, 관상부(50)에 접속되어 있다. 흡인펌프기구부(40)의 토출구에 관상부(60)가 접속되어 있다. 관상부(60)의 출구는 탱크(T)의 상방에 배치되어 있다. 그리고 탱크(T)와 관상유로부(10)가 접속되어 있다. 이상의 구성에 의하여, 탱크(T)의 액체가, 흡인펌프기구부(40)에 흡인되어 관상유로부(10)를 통류(通流)하고, 관상부(50), 흡인펌프기구부(40) 및 관상부(60)를 통과하여 탱크(T)로 되돌려진다. 즉, 탱크(T)와 관상유로부(10)를 액체가 순환하는 순환유로가 형성되어 있다.
캐비테이션발생부(A)는, 관상유로부(10)의 내부의 액체에 캐비테이션을 발생시킨다. 전압인가부(B)는, 관상유로부(10)에 배치되고, 캐비테이션이 발생한 액체에 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시킨다.
이상과 같이 구성된 액중 플라즈마장치(1)에 의하면, 관상유로부(10)를 흐르는 액체에 대하여 플라즈마에 의한 처리를 실시할 수 있다. 예를 들면, 액체에 대하여 정화살균처리를 실시할 수 있다. 예를 들면, 액체를 분산질과 액상(液相)분산매의 혼합유체로서, 분산질의 액상분산매로의 분산을 보조할 수 있다. 이것은, 분산이 곤란한 분산질이어도, 플라즈마처리에 의하여 표면에 OH기나 H기를 생성하고, 이 표면개질에 의하여 분산을 보조하는 것이다. 구체적으로는, 리튬이온전지의 재료나, 수지 보강재로의 카본재료의 분산, 특히 카본나노튜브나 카본블랙 등의 분산이 곤란한 재료의 개질, 화장품에 있어서의 산화 타이타늄 등의 무기재료의 고농도분산 등에 적용 가능하다.
관상유로부(10)는, 관상의 부재로서, 제1 스로틀부(21), 제2 스로틀부(22), 제3 스로틀부(23), 및 제4 스로틀부(24)를 갖고 구성된다. 본 실시형태에서는, 관상유로부(10)의 단면은 직사각형으로 형성되어 있다. 구체적으로는 관상유로부(10)는, 상벽면(10a)과, 하벽면(10b)과, 한 쌍의 측벽면(10c 및 10d)(도 2 참조)을 갖고 구성된다. 한 쌍의 측벽면의 사이의 거리는 일정하다. 상벽면(10a) 및 하벽면(10b)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 연속적으로 높이가 변화하는 파형형상으로 형성되어 있다. 즉 관상유로부(10)의 단면의 직사각형은, 폭방향(도 1의 지면(紙面)에 수직인 방향)의 크기는 일정하며, 높이방향(액체가 흐르는 방향에 수직인 방향으로, 하벽면(10b)에서 상벽면(10a)을 향하는 방향)의 크기가 연속적이고 또한 주기적으로 변화한다.
보다 자세하게는 상벽면(10a) 및 하벽면(10b)은, 정현파(正弦波)의 형상으로 형성되어 있다. 그리고 상벽면(10a)의 골의 정점과, 하벽면(10b)의 산의 정점이, 액체가 흐르는 방향에 관하여 일치하는 위치에 배치되어 있다. 이로써, 관상유로부(10)에 있어서, 다른 부위보다 내경이 작은 스로틀부가 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 액체가 흐르는 방향을 따라, 제1 스로틀부(21), 제2 스로틀부(22), 제3 스로틀부(23), 및 제4 스로틀부의 4개의 스로틀부가 형성되어 있다.
이와 같이 구성된 관상유로부(10)에 액체가 흐르면, 관상유로부(10)의 단면적(즉 단면의 직사각형의 면적)이 주기적으로 변화함으로써, 단면적이 작은 부위에서 액체의 유속이 커져, 액체의 압력이 저하된다. 본 실시형태에서는, 관상유로부(10)의 4개의 스로틀부에서 액체의 압력이 저하되게 된다. 그리고 저하된 액체의 압력이, 액체의 포화증기압을 하회한 경우에, 액체가 감압비등(沸騰)하고, 액체에 캐비테이션이 발생하게 된다. 즉 본 실시형태에서는, 캐비테이션발생부(A)가, 4개의 스로틀부(제1 스로틀부(21), 제2 스로틀부(22), 제3 스로틀부(23), 및 제4 스로틀부(24))를 갖고 구성된다.
본 실시형태에서는, 제1 스로틀부(21)의 내경(L1), 제2 스로틀부(22)의 내경(L2), 제3 스로틀부(23)의 내경(L3), 및 제4 스로틀부(24)의 내경(L4)은, 이하의 관계에 있다.
L1>L2>L3>L4
즉 관상유로부(10)의 복수의 스로틀부는, 그 내경이, 액체가 흐르는 방향을 따라 서서히 감소하도록 형성되어 있다. 환언하면, 상류측에 배치된 상류스로틀부(예를 들면 제1 스로틀부(21))의 내경(L1)은, 상류스로틀부의 하류측에 배치된 하류스로틀부(예를 들면 제2 스로틀부(22))의 내경(L2)보다 크다.
본 실시형태에서는 전압인가부(B)는, 제1 전극부(31), 제2 전극부(32), 제3 전극부(33), 제4 전극부(34)를 갖고 구성된다. 이들 4개의 전극부는 각각, 도 1에 나타내는 바와 같이, 관상유로부(10)의 상벽면(10a)과 하벽면(10b)에 배치된 한 쌍의 전극에 의하여 구성된다. 그리고 4개의 전극부는 각각, 제어장치(35)에 접속되고, 제어장치(35)로부터 고전압이 공급되며, 상벽면(10a)의 전극과 하벽면(10b)의 전극의 사이에 고전압을 인가한다. 이로써, 관상유로부(10)를 흐르는 액체에 플라즈마가 발생한다.
제1 전극부(31)의 전극은, 제1 스로틀부(21)에 배치된다. 제2 전극부(32)의 전극은, 제2 스로틀부(22)에 배치된다. 제3 전극부(33)의 전극은, 제3 스로틀부(23)에 배치된다. 제4 전극부(34)의 전극은, 제4 스로틀부(24)에 배치된다. 자세하게는, 각 스로틀부의 각 전극은, 관상유로부(10)의 내경이 가장 작아지는 부위, 즉 상벽면(10a)과 하벽면(10b)이 가장 근접하는 부위(최협부위(D))의, 약간 상류측에 배치된다. 후술하는 바와 같이, 본 실시형태의 관상유로부(10)에 의하면, 캐비테이션발생부(A)에 있어서 최협부위(D)의 하류측뿐만 아니라 상류측에서도 캐비테이션의 기포가 발생한다. 각 전극을 최협부위(D)의 상류측에 배치함으로써, 최협부위(D)의 상류측에서 발생한 기포에 의하여 플라즈마가 발생하여, 액체로의 플라즈마처리가 보다 적합하게 행해진다.
본 실시형태에서는, 제1 스로틀부(21)에서 제1 전극부(31)가 액체에 인가하는 전압 V1, 제2 스로틀부(22)에서 제2 전극부(32)가 액체에 인가하는 전압 V2, 제3 스로틀부(23)에서 제3 전극부(33)가 액체에 인가하는 전압 V3, 제4 스로틀부(24)에서 제4 전극부(34)가 액체에 인가하는 전압 V4는, 이하의 관계에 있다.
V1>V2>V3>V4
즉 관상유로부(10)의 내부의 액체에 인가되는 전압은, 액체가 흐르는 방향을 따라 서서히 감소하도록 제어된다. 환언하면, 상류측에 배치된 상류스로틀부(예를 들면 제1 스로틀부(21))에 있어서 전압인가부가 액체에 인가하는 전압(V1)은, 상류스로틀부의 하류측에 배치된 하류스로틀부(예를 들면 제2 스로틀부(22))에 있어서 전압인가부가 액체에 인가하는 전압(V2)보다 높다.
흡인펌프기구부(40)는, 상류측으로부터 액체를 흡인하여, 하류측에 송출하는 기구이다. 흡인펌프기구부(40)로서는, 액체를 송출 가능한 펌프이면 적합하게 사용 가능하다. 또, 장치 내부에서 회전날개가 회전하여 분체와 유체를 흡인하고, 내부에서 분체의 분산을 행하여 배출하는 분산액작성장치도 적합하게 사용 가능하다. 자세하게는 분산액작성장치가, 회전날개의 익실(翼室)의 내부에 있어서의 이동에 의하여, 복수의 회전날개와 스테이터와 외주벽부에 의하여 구획된 복수의 유체공간이 회전이동하고, 도입실로부터 투과구멍을 통과하여 유체공간에 혼합유체를 흡인하며, 유체공간이 토출구와 연통했을 때에 유체공간으로부터 토출구에 혼합유체를 배출하는 형태여도 된다.
이하, 도 2~5를 참조하면서, 관상유로부(10)의 형상에 대하여 더 자세하게 설명한다.
본 실시형태의 관상유로부(10)에 있어서, 각 스로틀부는, 스로틀부의 최협부위(D)의 상류측에 배치된 경사면인 상류측 경사면(E)과, 스로틀부의 최협부위(D)의 하류측에 배치된 경사면인 하류측 경사면(F)을 갖고 구성된다(도 2에서는, 제3 스로틀부(23)와 제4 스로틀부(24)가 나타나 있다). 그리고 상술한 바와 같이 본 실시형태에서는, 상류측 경사면(E) 및 하류측 경사면(F)의 형상이, 사인함수로 나타나는 형상으로 되어 있다. 또, 상류측 경사면(E)과 하류측 경사면(F)은, 최협부위(D)에 관하여 대칭인 형상이다.
특히, 관상유로부(10)의 하류측 경사면(F)이, 액체의 흐름의 박리가 발생하지 않는 형상으로 되어 있다. 박리가 발생하지 않는 형상은, 예를 들면 다음과 같이 하여 결정할 수 있다.
도 3에 나타내는 일반적인 원뿔디퓨저에 대하여, 흐름의 내벽으로부터의 박리가 발생하지 않는 조건은, 도 4에 나타내는 디퓨저선도를 이용하여 구할 수 있다. 도 4의 디퓨저선도에 있어서, Cp**선보다 우측의 영역에서는, 박리가 발생하지 않고 흐름이 안정된다. 즉, Cp**선보다 우측의 영역에 위치하도록 2l3/l2(이하, n으로 둠) 및 S1/S2의 값(단면적의 면적비)을 결정하면, 박리가 발생하지 않는다. 이때의 디퓨저 내벽의 기울기 θ 탄젠트는, 도 3으로부터 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
상기에 기재된 논의를 적용하여, 하류측 경사면(F)의 기울기가 수학식 1의 tanθ 이하이면, 혼합액 MI의 흐름의 박리는 발생하지 않는다고 생각된다.
도 5에 나타내는 하류측 경사면(F)의 형상에 있어서, 기울기가 수학식 1의 tanθ 이하가 되는 조건은, 다음과 같이 구해진다. 하류측 경사면(F)의 내벽의 형상을 나타내는 함수 y(x)를, a, b를 상수로 하여 다음과 같이 둔다.
[수학식 2]
이 함수의 최대의 기울기는 x=π/2b로 발생하기 때문에, 그 기울기가 수학식 1로 나타나는 각도 이내가 되면 된다. 즉, 이하의 관계가 성립되면 된다.
[수학식 3]
수학식 2, 수학식 3으로부터, b가 이하와 같이 구해진다.
[수학식 4]
따라서, 하류측 경사면(F)의 형상을 나타내는 함수 y(x)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
이상과 같이 하여, 2l3/l2 및 S1/S2의 값을 적절히 결정하고, 그에 근거하여 하류측 경사면(F)의 형상을 결정함으로써, 하류측 경사면(F)을, 내벽으로부터의 흐름의 박리가 발생하지 않는 형상으로 할 수 있다.
<살균성 확인>
상술한 액중 플라즈마장치(1)를 이용하여, 수중의 대장균을 사멸시키는 실험을 행했다. 실험장치인 액중 플라즈마장치(1)의 상세와, 실험조건을 이하에 기재한다.
관상유로부(10)의 형상
스로틀부의 높이(L1~L4)
: 5mm
스로틀부의 폭
: 15mm
내경 최대부의 높이
: 15mm
길이
: 720mm
흡인펌프기구부(40)의 운전조건
액체의 유속
: 800m/분 이상
전압인가부(B)의 운전조건
인가전압
: ±4.0kV
펄스폭
: 1.5μs
펄스주파수
: 60kHz
실험개시 전의 시험액 0.01ml를 한천배지에 적하하여 배양한바, 대장균의 콜로니가 다수 발생했다. 상기의 실험조건으로 5분간, 액중 플라즈마장치(1)를 운전하고, 시험액에 대하여 플라즈마처리를 행했다. 운전 중, 관상유로부(10)에서 플라즈마 생성을 나타내는 발광이 확인되었다. 운전 후의 시험액 0.01ml에 대하여 동 조건으로 배양을 시도했지만, 대장균의 콜로니 발생은 관측되지 않았다. 이상의 실험에 의하여, 액중 플라즈마장치(1)에 의하여 대장균의 살균이 가능한 것이 확인되었다.
<플라즈마 발광 강도 측정>
흡인펌프기구부(40)의 회전수를 변화시키고, 관상유로부(10)에서의 플라즈마 생성에 의한 발광의 강도를 측정했다. 실험조건을 이하에 나타낸다. 결과를 표 1에 나타낸다.
전압인가부(B)의 운전조건
인가전압
: ±4kV
펄스폭
: 0.8μs
전극재질
: 텅스텐
[표 1]
표 1에 나타내는 바와 같이, 흡인펌프기구부(40)의 회전수의 증가에 따라, 관상유로부(10)의 발광의 강도가 증가했다. 이것은, 흡인펌프기구부(40)의 회전수가 증가하면, 관상유로부(10)에 있어서의 액체의 유속이 증가하고, 캐비테이션에 의한 기포의 발생량이 증가했기 때문이라고 생각된다.
<시뮬레이션에 의한 종래 기술과의 비교>
본 실시형태에 관한 관상유로부(10)와, 종래 장치(도 6)의 사이에서, 캐비테이션의 발생에 대하여 비교하기 위하여, 유속 및 압력의 시뮬레이션을 행했다.
도 7은, 종래 장치의 유속 1500L/h에서의 유속의 시뮬레이션 결과이다. 도면의 하방으로부터 상향으로 유입되는 액체는, 내경이 작아지는 부위(노즐)에서 유속이 증가하고, 노즐의 하류측에 있어서도, 관의 중앙부는 유속이 빨라지고 있다. 그러나, 노즐의 하류측의 내경이 큰 부위에 있어서, 관의 외벽의 근방에서는, 유속이 크게 저하되며, 도면의 하향의 흐름(역류)이 발생하고 있다. 도 8(종래 장치, 유속 2000L/h)에서도, 동일한 상황이다. 이 결과는, 종래 장치의 형상에서는, 노즐의 하류측에서 난류나 박리류가 발생하기 쉬운 경우를 나타내고 있다.
도 11은, 종래 장치의 압력시뮬레이션 결과이다. 세로축은, 관의 중심부에서의 액체의 압력을 나타낸다. 가로축은 액체의 흐름방향의 위치이며, 내경이 가장 작아지는 부위(노즐의 하류측의 단부)를 0으로 하고, 상류측을 (-), 하류측을 (+)로서 나타낸다. 압력의 최솟값은, 유속 1500L/h에서 약 -0.03Pa, 유속 2000L/h에서 약 -0.05Pa로 되어 있다.
도 9는, 본 실시형태에 관한 관상유로부(10)에서의 유속 1500L/h에서의 유속의 시뮬레이션 결과이다. 도 7 및 8의 종래 장치와 동일하게, 도면의 하방으로부터 상향으로 유입되는 액체는, 최협부위(D)에 가까워짐에 따라 유속이 증가한다. 그러나 종래 장치와 달리, 최협부위(D)의 하류측에서는, 유로의 전체(단면방향)에서 균일한 유속으로 되어 있다. 그리고, 하류의 최광(最廣)부위(C)에 가까워짐에 따라, 전체적으로 서서히 유속이 감소한다. 종래 장치에서 볼 수 있는, 관의 외벽의 근방에서의 역류나, 유속의 대폭적인 감소는, 본 실시형태에 관한 관상유로부(10)에서는 발생하고 있지 않다. 도 10(관상유로부(10), 유속 2000L/h)에서도, 동일한 상황이다. 이 결과는, 본 실시형태에 관한 관상유로부(10)에서는, 종래 장치와 달리, 난류나 박리류가 발생하기 어려운 경우를 나타내고 있다.
도 12는, 본 실시형태에 관한 관상유로부(10)의 압력시뮬레이션 결과이다. 압력의 최솟값은, 유속 1500L/h에서 약 -0.09Pa, 유속 2000L/h에서 약 -0.16Pa로 되어 있고, 종래 장치에 비하여 압력이 크게 저하되며, 캐비테이션이 발생하기 쉬워져 있다. 또, 종래 장치에서는 위치 0mm의 직전에서 압력이 저하되는 데에 반하여, 관상유로부(10)에서는, 위치 -20mm 부근부터 압력이 서서히 저하되고, 또한 압력의 저하량도 종래 장치에 비하여 크다. 이 결과는, 본 실시형태에 관한 관상유로부(10)에서는, 최협부위(D)의 앞쪽으로부터 캐비테이션이 발생할 수 있는 경우를 나타내고 있다.
<캐비테이션기포 발생 확인>
상술한 액중 플라즈마장치(1)에서, 캐비테이션발생부(A)(스로틀부)에 있어서의 캐비테이션의 기포의 발생 확인을 행했다. 관상유로부(10)에 유속 3.0m/sec 이상으로 물을 흘려보낸 상태에서의, 캐비테이션발생부(A)의 사진을 도 13에 나타낸다.
도 13의 좌측이 상류측이고, 우측이 하류측이다. 중앙의 최협부위(D)로부터 하류측의 최광부위(C)에 걸쳐, 다수의 기포(검은 부위)가 발생하고 있다. 기포는, 최협부위(D)의 하류측뿐만 아니라, 상류측에서도 발생하고 있다. 이 결과에 의하여, 상술한 압력시뮬레이션 결과가 나타내는 최협부위(D)의 상류에서의 압력저하가 실제로 발생하고, 최협부위(D)의 상류측에서 캐비테이션 발생 및 플라즈마 생성이 가능한 경우가 나타났다.
(다른 실시형태)
(1) 상술한 실시형태에서는, 액중 플라즈마장치(1)는 1개의 관상유로부(10)를 갖고 구성되었다. 관상유로부(10)의 수는 1개에 한정되지 않으며, 복수의 관상유로부(10)가 병렬로 배치되어도 된다. 이로써, 액중 플라즈마장치에 의하여 플라즈마처리되는 단위시간당 액체의 양(처리효율)을 높일 수 있다.
(2) 관상유로부(10)에 있어서의 스로틀부의 수는, 4개에 한정되지 않으며, 1~3개 혹은 5개 이상도 가능하다.
(3) 상술한 실시형태에서는, 스로틀부의 내경이, L1>L2>L3>L4가 되도록 관상유로부(10)가 형성되었다. 스로틀부의 내경은, 모두 동일하게 하는 것도 가능하고, L1<L2<L3<L4로 하는 것도 가능하며, 대소관계를 바꿔 넣은 모든 형태가 가능하다.
(4) 상술한 실시형태에서는, 전극부의 인가전압이, V1>V2>V3>V4가 되도록 제어장치(35)에 의하여 제어되었다. 인가전압은, 모두 동일하게 하는 것도 가능하고, V1<V2<V3<V4로 하는 것도 가능하며, 대소관계를 바꿔 넣은 모든 형태가 가능하다.
(5) 상술한 실시형태에서는, 액중 플라즈마장치(1)에 있어서 순환유로가 형성되어, 관상유로부(10)를 통과한 액체가, 흡인펌프기구부(40)를 통과하여, 관상유로부(10)로 되돌려지고, 다시 관상유로부(10)를 통과하도록 구성되었다. 이것을 개변하여, 관상유로부(10)를 통과하여 플라즈마처리된 액체가, 그대로 액중 플라즈마장치(1)로부터 배출되도록 구성해도 된다. 이와 같은, 이른바 원패스 형식의 액중 플라즈마장치(1)는, 예를 들면 탱크 내에 고인 대량의 액체에 대하여 플라즈마처리를 실시하는 경우(예를 들면, 탱커의 밸러스트수(水) 등)에 적합하게 적용할 수 있다. 이 경우, 필요한 플라즈마처리의 정도(살균력, 혹은 분체의 분산정도 등)에 따라, 플라즈마의 강도나 관상유로부(10)의 길이가 적절히 조정된다.
(6) 상술한 액중 플라즈마장치(1)와, 토출부에서 캐비테이션을 발생할 수 있는 원심식 펌프기구(제트패스터)를 조합함으로써, 플라즈마 발광성능을 크게 향상시키는 것도 가능하다. 자세하게는, 원심식 펌프기구(제트패스터)의 토출구에 전압인가부(B)를 구비한 관상유로부(10)를 배치함으로써, 관상유로부(10)에서의 플라즈마 발광성능을 크게 향상시키는 것이 가능하다.
또한 상술한 실시형태(다른 실시형태를 포함하는, 이하 동일)에서 개시되는 구성은, 모순이 발생하지 않는 한, 다른 실시형태에서 개시되는 구성과 조합하여 적용하는 것이 가능하고, 또 본 명세서에 있어서 개시된 실시형태는 예시이며, 본 발명의 실시형태는 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내에서 적절히 개변하는 것이 가능하다.
1: 액중 플라즈마장치
10: 관상유로부
10a: 상벽면
10b: 하벽면
10c: 측벽면
10d: 측벽면
21: 제1 스로틀부
22: 제2 스로틀부
23: 제3 스로틀부
24: 제4 스로틀부
31: 제1 전극부
32: 제2 전극부
33: 제3 전극부
34: 제4 전극부
35: 제어장치
40: 흡인펌프기구부
50: 관상부
60: 관상부
A: 캐비테이션발생부
B: 전압인가부
C: 최광부위
D: 최협부위
E: 상류측 경사면
F: 하류측 경사면
10: 관상유로부
10a: 상벽면
10b: 하벽면
10c: 측벽면
10d: 측벽면
21: 제1 스로틀부
22: 제2 스로틀부
23: 제3 스로틀부
24: 제4 스로틀부
31: 제1 전극부
32: 제2 전극부
33: 제3 전극부
34: 제4 전극부
35: 제어장치
40: 흡인펌프기구부
50: 관상부
60: 관상부
A: 캐비테이션발생부
B: 전압인가부
C: 최광부위
D: 최협부위
E: 상류측 경사면
F: 하류측 경사면
Claims (8)
- 액체가 내부를 흐르는 관상유로부와, 상기 관상유로부에 마련된 캐비테이션발생부 및 전압인가부를 갖는 액중 플라즈마장치로서,
상기 캐비테이션발생부는, 상기 관상유로부의 내부의 상기 액체에 캐비테이션을 발생시키고,
상기 전압인가부는, 상기 관상유로부에 배치되며, 캐비테이션이 발생한 상기 액체에 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키고,
상기 캐비테이션발생부는, 상기 관상유로부에 있어서 다른 부위보다 내경이 작은 스로틀부를 갖고 구성되며,
상기 스로틀부는,
상기 스로틀부의 최협부위의 상류측에 배치된 경사면인 상류측 경사면과,
상기 스로틀부의 최협부위의 하류측에 배치된 경사면인 하류측 경사면을 갖고 구성되는, 액중 플라즈마장치. - 제1항에 있어서,
상기 하류측 경사면의 형상이 사인함수로 나타나는 액중 플라즈마장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 상류측 경사면과 상기 하류측 경사면은, 상기 최협부위에 관하여 대칭인 형상인 액중 플라즈마장치. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하류측 경사면이, 상기 액체의 흐름의 박리가 발생하지 않는 형상으로 되어 있는 액중 플라즈마장치. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐비테이션발생부는, 직렬로 인접하여 배치된 적어도 2개의 스로틀부를 갖고, 상류측에 배치된 상류스로틀부에 있어서 상기 전압인가부가 상기 액체에 인가하는 전압은, 상기 상류스로틀부의 하류측에 배치된 하류스로틀부에 있어서 상기 전압인가부가 상기 액체에 인가하는 전압보다 높은 액중 플라즈마장치. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐비테이션발생부는, 직렬로 인접하여 배치된 적어도 2개의 스로틀부를 갖고, 상류측에 배치된 상류스로틀부의 내경은, 상기 상류스로틀부의 하류측에 배치된 하류스로틀부의 내경보다 큰 액중 플라즈마장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 상기 관상유로부가 병렬로 배치되는 액중 플라즈마장치. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
원심식 흡인펌프기구부를 갖고, 상기 관상유로부로부터 유출된 상기 액체가 상기 흡인펌프기구부에 공급되며, 상기 흡인펌프기구부로부터 토출된 상기 액체가 상기 관상유로부에 공급되는 액중 플라즈마장치.
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