WO2020060025A1 - 수처리장치 등에 사용되는 플라즈마 발생장치 - Google Patents

수처리장치 등에 사용되는 플라즈마 발생장치 Download PDF

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WO2020060025A1
WO2020060025A1 PCT/KR2019/009729 KR2019009729W WO2020060025A1 WO 2020060025 A1 WO2020060025 A1 WO 2020060025A1 KR 2019009729 W KR2019009729 W KR 2019009729W WO 2020060025 A1 WO2020060025 A1 WO 2020060025A1
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dielectric tube
discharge electrode
circumferential surface
plasma
volume discharge
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PCT/KR2019/009729
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황종호
하정수
김태훈
정장근
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주식회사 경동냉열산업
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2406—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • H05H2242/00—Auxiliary systems
    • H05H2242/10—Cooling arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a plasma generator used in water treatment devices and the like. More specifically, it is for supplying plasma-treated air for purification treatment of waste water, and the like, and relates to a plasma generator having a structure in which plasma is generated inside the dielectric tube and plasma is processed while air passes through the dielectric tube. .
  • Plasma water treatment devices for purifying waste water by plasma energy have been developed.
  • a dielectric tube, a quartz tube 2 is installed in a water tank 8, and a counter electrode 4 is installed in water.
  • the discharge electrode 3 installed to generate plasma in the quartz tube 2 is made of a coil shape 3a and is in close contact with the inner peripheral surface of the quartz tube 2.
  • the discharge electrode 3 of the coil shape 3a in close contact with the inner circumferential surface of the quartz tube 2 generates plasma discharge along the inner circumferential surface of the quartz tube 2 to plasma the air.
  • the air flowing inside the quartz tube 2 reacts with the plasma along the creeping discharge area, and the creeping discharge area is continuous along the longitudinal direction of the quartz tube 2, so that the air passes through the quartz tube 2 while being wide. Plasma reactions may occur.
  • the coil shape 3a of the discharge electrode 3 is not precisely manufactured, it is difficult to make the whole of the quartz tube 2 closely adhere to the inner circumferential surface, and when manufacturing, the discharge electrode 3 of the coil shape 3a is placed in the quartz tube 2 ), There is also a difficulty in assembling the process to enter the state in close contact with the inner circumferential surface, and it is also difficult to keep the discharge electrode 3 in the coil shape 3a in close contact with the inner circumferential surface of the quartz tube 2.
  • An object of the present invention is to provide a plasma generator having a structure capable of generating a large amount of ozone and active radical materials by sufficiently plasma-treating the air passing through the inside of the dielectric tube in the discharge region.
  • Another object of the present invention includes a structure capable of variously generating creeping discharge and volume discharge inside the dielectric tube, and generating a plasma having a structure that can easily assemble a coiled discharge electrode that generates creeping discharge inside the dielectric tube Is to provide a device.
  • the plasma generating apparatus of the present invention for achieving the above object is a hollow tube-shaped dielectric tube and a rod installed along the longitudinal direction of the dielectric tube in the center of the inside of the dielectric tube, along the longitudinal direction on the outer circumferential surface A protrusion is formed, and the protrusion is a volume discharge electrode forming a plurality of concavo-convex shapes in a cross-section cut in the longitudinal direction, and a conductive wire wound in a spiral shape around the volume discharge electrode along the longitudinal direction of the volume discharge electrode, on the inner circumferential surface of the dielectric tube.
  • the plasma generating apparatus of the present invention is characterized in that the projection in the volume discharge electrode is a mountain-shaped spiral formed on the outer circumferential surface of the volume discharge electrode.
  • an air supply path for supplying air between the volume discharge electrode and the inner peripheral surface of the dielectric tube is installed, and air supplied through the air supply path is guided by the creepage discharge electrode. Another characteristic is that it flows as a trajectory.
  • the cooling jacket the contact with the cooling water and includes a cylindrical conductive cover surrounding the dielectric tube
  • the counter electrode is the conductive cover
  • the center line of the conductive cover is installed to coincide, so that the distance between the inner peripheral surface of the conductive cover and the outer peripheral surface of the dielectric tube is constant along the circumference.
  • the plasma generating apparatus of the present invention includes a head to be gripped by one end of the dielectric tube, and a supporting member to wrap and grip the circumference of the other end of the dielectric tube, wherein the head and the supporting member are the cooling jacket
  • the dielectric tube is disposed in a state penetrating the center of the cooling jacket by being inserted into and fixed to the center hole of one end and the center hole of the other end.
  • the plasma generating apparatus is installed in the center of the inside of the dielectric tube, the volume discharge electrode formed on the outer circumferential surface and wound in a spiral shape on the volume discharge electrode, and in close contact with the inner circumferential surface of the dielectric tube, the space between the volume discharge electrode and the dielectric tube It includes a creeping electrode to maintain. Accordingly, since the air passing through the inside of the dielectric tube passes along the spiral trajectory along the creeper electrode, the discharge region can pass through a very long length. Accordingly, it is sufficiently plasma treated in the discharge region to generate a large amount of ozone and active radical substances, and enables efficient and effective purification treatment in a water treatment device or the like.
  • the plasma generating apparatus is a structure that can be inserted into the interior of the dielectric tube in a state in which the creeping electrode is wound in a spiral shape on the volume discharge electrode on which the projection is formed. Therefore, since the structure is capable of generating creeping discharge and volume discharge in various ways, it is a structure in which the volume discharge electrode and the creep discharge electrode can be installed simultaneously by pushing them into the dielectric tube while rotating the volume discharge electrode as a rod. The discharge electrode can be assembled relatively easily inside the dielectric tube.
  • the plasma generating apparatus is a structure in which a creeper electrode is located between a volume discharge electrode as a rod and an inner circumferential surface of a dielectric tube, the volume discharge electrode is supported so that the creeping electrode is in close contact with the inner circumferential surface of the dielectric tube. . Accordingly, the coil-shaped creeping discharge electrode can be stably kept in close contact with the inner circumferential surface of the dielectric tube, and plasma generation by creeping discharge can be stably performed.
  • the air induced by the creeping electrode of the spiral trajectory and passing through the spiral trajectory passes through an area where both creeping and volumetric discharge are generated, and thus arc-shaped creeping discharge with high energy density is generated.
  • Plasma treatment by streamer volumetric discharge with relatively low energy density can be achieved simultaneously. Accordingly, various types of active radical materials can be generated abundantly, so that when supplied in the form of microbubbles in water, decomposition and oxidation efficiency of pollutants can be further increased.
  • FIG. 1 is a configuration explanatory diagram showing the overall configuration of a conventional plasma water treatment device
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing an exploded configuration of a plasma generator according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional configuration diagram showing a cross-sectional structure in a state where the plasma generating device according to an embodiment of the present invention is assembled
  • FIG. 4 is an operation explanatory diagram illustrating the discharge action of the volume discharge electrode and the creeping discharge electrode in the plasma generating apparatus according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the configuration and operation of a water treatment device in which a plasma generator is installed according to an embodiment of the present invention.
  • the plasma generating apparatus 10 according to an embodiment of the present invention, a hollow tube-shaped dielectric tube 20 and the dielectric tube 20 in the center of the interior of the dielectric tube 20 )
  • protrusions 31 are formed along the longitudinal direction on the outer circumferential surface, but the protrusions 31 form a plurality of irregularities in a cross-section (cross-section shown in FIG. 4) cut in the longitudinal direction.
  • the volume discharge electrode 30 and the conductive wire wound in a spiral shape along the length direction of the volume discharge electrode 30 are in close contact with the inner circumferential surface of the dielectric tube 20, and the distance between the volume discharge electrode 30 and the dielectric tube 20 is increased.
  • a cooling jacket 50 having a creeping discharge electrode 40 for holding, a cooling water inlet 52 and a cooling water outlet 53 and surrounding the dielectric tube 20 to flow cooling water from the outer circumferential surface of the dielectric tube 20,
  • a counter electrode connected to cooling water in contact with the dielectric tube 20, It includes a group volume discharge electrode 30 and is connected to the counter electrode volume discharge electrode 30 and the dielectric tube power supply 60 for generating plasma between the 20 of the inner peripheral surface.
  • the dielectric tube 20 has an inner space 21 in the shape of a hollow tube, but both ends are opened to allow air to pass through the inside.
  • plasma is generated from the volume discharge electrode 30 and the creeping discharge electrode 40 so that the air passing through is plasma-processed to generate ozone and active radical materials in the air.
  • the dielectric tube 20 is most preferably a quartz tube, a ceramic tube or a glass tube is also possible.
  • One end of the dielectric tube 20 is fitted to the head 55, and the other end of the dielectric tube 20 is coupled around the support member 56 around it.
  • the head 55 and the support member 56 are inserted into and fixed to the center hole 54 of one end and the center hole 58 of the other end of the cooling jacket 50 having a cylindrical shape, thereby allowing the dielectric tube 20 to cool the jacket. It is arranged in a state penetrating the center of the (50).
  • One end of the dielectric tube 20 is communicated with the air supply path 61, so that air is introduced into the inner space 21 of the dielectric tube 20.
  • the volume discharge electrode 30 is a rod that is installed along the longitudinal direction of the dielectric tube 20 at the center of the inner space 21 of the dielectric tube 20, and a volume discharge occurs between the inner peripheral surface of the dielectric tube 20 do.
  • the protrusion 31 is continuously formed along the longitudinal direction on the outer circumferential surface of the volume discharge electrode 30, but the protrusion 31 is continuously formed with a plurality of irregularities in the shape of a mountain in the cross-section cut in the longitudinal direction.
  • the mountain type means a triangular shape with a sharp top.
  • the volume discharge electrode 30 is formed in the shape of a circular rod and a volume spiral electrode is continuously formed on the outer circumferential surface of the circular rod so that a number of mountain-shaped irregularities can be formed in a cross section cut along the longitudinal direction. It is most preferable to be the projection 31.
  • the shape and structure of this projection 31 is illustrated in FIG. 2 in enlarged drawing and in FIG. 4 as reference numeral 31.
  • the plasma discharge of the volume discharge electrode 30 occurs at the tip of the acid-shaped spiral and is generated in the form of sparks between the inner circumferential surface of the dielectric tube 20.
  • the creeping discharge electrode 40 is installed to contact the inner circumferential surface of the dielectric tube 20 to generate plasma by creeping discharge along the inner circumferential surface of the dielectric tube 20.
  • the creeping discharge electrode 40 is a conductive wire that is electrically connected to the volume discharge electrode 30 in a spiral shape along its longitudinal direction, and is in close contact with the inner circumferential surface of the dielectric tube 20 to generate plasma by creeping discharge.
  • the creeping discharge refers to a discharge phenomenon occurring along a boundary surface when heterogeneous dielectrics are in contact with each other, and the flowing air and the creeping electrode 40 are in contact with the inner surface of the dielectric tube 20, and the dielectric tube 20 It may occur in the composite dielectric region as in the present embodiment, in which water (the whole body) is in contact with the outer surface of.
  • the creeping electrode 40 is wound in a spiral shape along the longitudinal direction of the volume discharge electrode 30 on the volume discharge electrode 30, which is a rod, and inserted into the dielectric tube 20 and contacting the inner circumferential surface of the dielectric tube 20, It also serves to maintain the gap between the volume discharge electrode 30 and the dielectric tube 20.
  • the volume discharge electrode 30 is disposed at the center of the dielectric tube 20 so that the spacing of the wire-side creeping electrode 40 as a thickness is uniformly distributed around the volume discharge electrode 30 and the dielectric tube 20. It may be formed, and the volume discharge by the volume discharge electrode 30 may occur uniformly along the circumference.
  • the volume discharge electrode 30, which is a rod, serves to push and support the coil-shaped creeping discharge electrode 40 to the inner circumferential surface of the dielectric tube 20, so that the creeping discharge electrode 40 is stable to the inner circumferential surface of the dielectric tube 20. It is possible to generate a stable creep discharge while in close contact.
  • an air supply path 61 communicating with the outside air is installed to allow air to flow between the volume discharge electrode 30 and the inner circumferential surface of the dielectric tube 20.
  • the air supply path 61 is formed in a head 55 that supports the dielectric tube 20 by being fitted with an end of the dielectric tube 20, and serves as a passage through which air is supplied to the dielectric tube 20.
  • the air supplied through the air supply path 61 is guided by the creeping discharge electrode 40 by a configuration in which the volume discharge electrode 30 and the creeping discharge electrode 40 are sandwiched inside the dielectric tube 20, and thus, as a spiral trajectory. To flow.
  • the air passing therethrough flows in a spiral trajectory under the guidance of the creepage discharge electrode 40. It passes through the plasma region.
  • the cooling jacket 50 is a portion that flows cooling water for cooling the dielectric tube 20, and surrounds the dielectric tube 20 and flows cooling water on an outer circumferential surface of the dielectric tube 20.
  • the cooling jacket 50, the cylindrical cover 51 is installed to surround the periphery of the dielectric tube 20, both ends of the cylindrical cover 51 is closed, one side and the other side of the cylindrical cover 51 In the cooling water inlet 52 and the cooling water outlet 53 is installed.
  • the cylindrical cover 51 may be used as a counter electrode by making contact with cooling water flowing therein and made of a conductive metal.
  • Plasma discharge may occur inside the dielectric tube 20 only when the counter electrode is disposed in the coolant contacting the outer circumferential surface of the dielectric tube 20, so that the cylindrical and conductive cover 51 is connected to the power supply 60 Used as a counter electrode.
  • the center line of the conductive cover 51 and the center line of the dielectric tube 20 coincide, so that the distance between the inner circumferential surface of the conductive cover 51 and the outer circumferential surface of the dielectric tube 20 is constant along the circumference.
  • the power supply 60 is connected to the volume discharge electrode 30 and the counter electrode to generate plasma between the volume discharge electrode 30 and the inner circumferential surface of the dielectric tube 20.
  • the power supply 60 may use a commercial electronic neon transformer having a high voltage pulsed AC power.
  • a voltage is applied to the volume discharge electrode 30 and the counter electrode from the power supply 60 to generate plasma inside the dielectric tube 20.
  • volume discharge occurs between the inner peripheral surface of the dielectric tube 20 at the end of the protrusion 31 formed around the periphery, as shown in P1 (volume discharge region) of FIG. 4.
  • the protrusion 31 formed of a mountain-shaped spiral generates a discharge between the inner circumferential surfaces of the dielectric tube 20 around the volume discharge electrode 30 to form a plasma region and plasma-process the air passing therethrough.
  • a plasma region is formed on the inner circumferential surface of the dielectric tube 20 by creeping discharge to plasma the air flowing near the inner circumferential surface of the dielectric tube 20.
  • volume discharge forms a streamer plasma region having a relatively low energy density
  • plasma treatment of air enriches active radical materials generated at a relatively low energy density.
  • creeping discharge forms a plasma region with a relatively high energy density, thereby generating active radical materials generated at high plasma energy.
  • the air passing through the dielectric tube 20 flows in a spiral trajectory along the creeping electrode 40, it is plasma-processed, so the path through the plasma region can have a very long length compared to a straight line, and effective plasma treatment can be achieved. You can.
  • the plasma-treated air is rich in ozone and active radicals, and is supplied in the form of bubbles inside the water to be treated.
  • the speed of the target water is increased and the pressure is lowered, thereby connecting the plasma generator.
  • the plasma-treated air is dispersed in the form of bubbles in the water to be treated.
  • the flow pipe 70 is configured to flow into the cooling water inlet 52 of the cooling jacket 50, and is supplied to the water tank 80 from the cooling water outlet 53.
  • the air contains a large amount of ozone and active radicals generated while passing through the plasma region.
  • the purified water to be treated is discharged through the discharge port 81.
  • the present invention can be used as a device for purifying water quality by spraying plasma-treated air in the form of bubbles in water, and can be utilized in a cooling tower purification device for a cooling tower, a water purification device for an aquarium, and a purification device for industrial waste water.

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Abstract

본 발명은 유전체관의 내부를 통과하는 공기가 플라즈마 처리되는 구조의 장치를 제공한다. 본 발명은, 유전체관과, 상기 유전체관의 내부의 중심부에 설치되는 봉체로서 외주면에 길이방향을 따라 돌기가 형성된 체적방전극과, 상기 체적방전극에 그 길이방향을 따라 나선형상으로 감기고 유전체관의 내주면에 밀착되는 연면방전극과, 냉각수유입구와 냉각수배출구를 구비하고 상기 유전체관을 감싸는 냉각자켓과, 상기 유전체관에 접하는 냉각수에 접속된 대향전극과, 상기 체적방전극과 대향전극에 연결된 전원을 포함한다.

Description

수처리장치 등에 사용되는 플라즈마 발생장치
본 발명은 수처리장치 등에 사용되는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 오폐수 등의 정화처리를 위해 플라즈마 처리된 공기를 공급하기 위한 것으로서, 유전체관 내부에서 플라즈마가 발생되고 유전체관 내부를 공기가 통과하면서 플라즈마 처리되는 구조를 가진 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
오폐수를 플라즈마에너지에 의해 정화처리하기 위한 플라즈마 수처리장치가 많이 개발되고 있다.
도 1은 한국등록특허공보 제10-1236202호에 기재된 것으로서, 플라즈마 수처리장치의 구성을 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 유전체관인 석영관(2)이 수조(8) 내에 설치되고 대향전극(4)이 수중에 설치된다.
헤드(6)의 공기주입구(6a)를 통해 공기를 석영관(2) 내로 공급하면, 석영관(2) 내의 방전극(3)에서 발생되는 플라즈마에 의해 공기가 플라즈마처리되어 오존, 활성라디컬 물질 등이 다량 발생한다.
이러한 공기가 버블발생기(7)를 통과하면서 미세기포형태로 수중에 분산되고 수중의 오염물질은 미세기포 중의 오존, 활성라디컬 물질과 반응하여 분해, 산화됨으로써 정화작용이 이루어진다.
상기 석영관(2) 내에 플라즈마를 발생시키기 위해 설치되는 방전극(3)은, 코일형상(3a)으로 이루어져 석영관(2)의 내주면에 밀착되어 있다.
석영관(2)의 내주면에 밀착된 코일형상(3a)의 방전극(3)은 석영관(2)의 내주면을 따라 연면방전을 발생시킴으로써 공기를 플라즈마처리한다.
석영관(2) 내부를 유동하는 공기는 연면방전영역을 따라 플라즈마와 반응하고 그 연면방전영역이 석영관(2)의 길이방향을 따라 연속됨으로써 공기가 석영관(2)을 통과하는 동안 폭넓은 플라즈마 반응이 발생할 수 있다.
그러나, 전술한 종래의 플라즈마 발생장치는 석영관(2)의 내주면에서 연면방전이 발생하므로, 석영관(2)의 내부로 공급되는 공기 중, 석영관(2)의 중심부를 따라 이동하는 공기는 연면방전영역에 접하지 못하여 플라즈마처리되지 못하는 문제가 있다.
더욱이 공기의 공급속도가 빠른 경우, 공기가 연면방전영역에서 충분히 플라즈마처리되지 못하고 통과함으로써 발생되는 오존, 활성라티컬 물질의 양이 충분하지 않은 상황이 발생할 수 있다.
또한, 방전극(3)의 코일형상(3a)이 정밀하게 제작되지 않으면, 석영관(2)의 내주면에 전체적으로 밀착시키기 어렵고, 제작시에 코일형상(3a)의 방전극(3)을 석영관(2)의 내주면에 밀착된 상태로 진입시키는 조립과정에도 어려움이 있으며, 석영관(2)의 내주면에 코일형상(3a)의 방전극(3)을 밀착된 상태로 유지시키는 것도 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 관점에서 도출된 것이다. 본 발명의 목적은 유전체관의 내부를 통과하는 공기가 방전영역에서 충분히 플라즈마처리되어 오존, 활성라디컬 물질을 다량으로 발생시킬 수 있는 구조의 플라즈마 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유전체관의 내부에서 연면방전과 체적방전을 다양하게 발생시킬 수 있는 구조를 포함하고, 연면방전을 발생시키는 코일형상 방전극을 유전체관 내부에 용이하게 조립할 수 있는 구조의 플라즈마 발생장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 발생장치는, 중공관 형상의 유전체관과, 상기 유전체관의 내부의 중심부에서 상기 유전체관의 길이방향을 따라 설치되는 봉체로서, 외주면에 길이방향을 따라 돌기가 형성되되, 상기 돌기는 길이방향으로 절단된 단면에서 다수의 요철형상을 이루는 체적방전극과, 상기 체적방전극의 길이방향을 따라 상기 체적방전극에 나선형상으로 감긴 도전성 와이어로서 상기 유전체관의 내주면에 밀착하여 상기 체적방전극과 상기 유전체관의 간격을 유지하는 연면방전극과, 냉각수유입구와 냉각수배출구를 구비하고 상기 유전체관을 감싸는 것으로서 상기 유전체관의 외주면에서 냉각수를 유동시키는 냉각자켓과, 상기 유전체관에 접하는 냉각수에 접속된 대향전극과, 상기 체적방전극과 상기 대향전극에 연결되어 상기 체적방전극과 상기 유전체관의 내주면 사이에 플라즈마를 발생시키는 전원을 포함하여, 상기 유전체관의 내주면과 상기 체적방전극의 요철 사이에 체적방전이 발생하고, 상기 연면방전극이 접촉한 상기 유전체관의 내주면에 연면방전이 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 플라즈마 발생장치는, 상기 체적방전극에서 상기 돌기가 상기 체적방전극의 외주면에 형성된 산형나선인 것을 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 플라즈마 발생장치는, 상기 체적방전극과 상기 유전체관의 내주면 사이에 공기를 공급하는 공기공급로가 설치되고, 상기 공기공급로를 통해 공급되는 공기는 상기 연면방전극의 안내를 받아 나선궤적으로 유동하는 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 플라즈마 발생장치는, 상기 냉각자켓이, 상기 냉각수와 접촉하고 상기 유전체관을 둘러싸는 원통형의 도전성 커버를 포함하고, 상기 대향전극은 상기 도전성 커버이며, 상기 도전성 커버의 중심선과 상기 유전체관의 중심선이 일치하도록 설치되어, 상기 도전성 커버의 내주면과 상기 유전체관의 외주면의 거리가 둘레를 따라 일정한 것을 또 다른 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 플라즈마 발생장치는, 상기 유전체관의 일단부가 끼워져 파지되는 헤드와, 상기 유전체관의 타단부의 둘레를 감싸 파지하는 지지부재를 포함하고, 상기 헤드와 상기 지지부재는 상기 냉각자켓의 일단의 중심공과 타단의 중심공에 각각 끼워져 고정됨으로써, 상기 유전체관이 상기 냉각자켓의 중심부를 관통한 상태로 배치되는 것을 또 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는, 상기 유전체관의 내부의 중심부에 설치되고 외주면에 돌기가 형성된 체적방전극과, 그 체적방전극에 나선형상으로 감기고 유전체관의 내주면에 밀착하여 체적방전극과 유전체관의 간격을 유지하는 연면방전극을 포함한다. 이에 따라, 유전체관의 내부를 통과하는 공기가 연면방전극을 따라 나선궤적을 따라 통과하므로 방전영역을 매우 긴 길이로 통과할 수 있다. 이에, 방전영역에서 충분히 플라즈마처리되어 다량의 오존, 활성라디컬 물질을 발생시킬 수 있고 수처리장치 등에서 효율적이고 효과적인 정화처리가 가능하게 한다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는, 돌기가 형성된 체적방전극에 연면방전극이 나선형상으로 감긴 상태에서 유전체관의 내부로 삽입할 수 있는 구조이다. 따라서, 연면방전과 체적방전을 다양하게 발생시킬 수 있는 구조이면서, 봉체인 체적방전극을 회전시키면서 유전체관 내부로 밀어 넣어 체적방전극과 연면방전극을 동시에 설치할 수 있는 구조이므로, 연면방전을 발생시키는 코일형상 방전극을 유전체관 내부에 비교적 용이하게 조립할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는, 봉체인 체적방전극과 유전체관의 내주면 사이에 연면방전극이 위치한 구조이므로, 연면방전극이 유전체관의 내주면에 밀착한 상태를 유지하도록 체적방전극이 지지하는 구조이다. 이에 따라, 코일형상의 연면방전극이 유전체관의 내주면에 안정적으로 밀착한 상태를 유지하고, 연면방전에 의한 플라즈마발생도 안정적으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는, 나선궤적의 연면방전극에 의해 유도되어 나선궤적으로 통과하는 공기가, 연면방전과 체적방전이 함께 발생하는 영역을 통과함으로써, 에너지밀도가 높은 아크성 연면방전과 에너지밀도가 상대적으로 낮은 스트리머성 체적방전에 의한 플라즈마처리가 동시에 이루질 수 있다. 이에 따라, 다양한 종류의 활성라디컬 물질이 풍부하게 생성될 수 있어 수중에 미세기포형태로 공급시 오염물질의 분해, 산화효율을 보다 높일 수 있다.
도 1는 종래 플라즈마 수처리장치의 전체적 구성을 도시하는 구성설명도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 분해한 구성을 도시하는 분해사시도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치가 조립된 상태의 단면구조를 도시하는 단면구성도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치에서 체적방전극과 연면방전극의 방전작용을 설명하는 작용설명도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치가 설치된 수처리장치의 구성 및 작용설명도
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(10)는, 중공관 형상의 유전체관(20)과, 상기 유전체관(20)의 내부의 중심부에서 유전체관(20)의 길이방향을 따라 설치되는 봉체로서 외주면에 길이방향을 따라 돌기(31)가 형성되되 상기 돌기(31)는 길이방향으로 절단된 단면(도 4에서 도시하는 단면)에서 다수의 요철형상을 이루는 체적방전극(30)과, 상기 체적방전극(30)에 그 길이방향을 따라 나선형상으로 감긴 도전성 와이어로서 유전체관(20)의 내주면에 밀착하여 체적방전극(30)과 유전체관(20)의 간격을 유지하는 연면방전극(40)과, 냉각수유입구(52)와 냉각수배출구(53)를 구비하고 유전체관(20)을 감싸는 것으로서 유전체관(20)의 외주면에서 냉각수를 유동시키는 냉각자켓(50)과, 상기 유전체관(20)에 접하는 냉각수에 접속된 대향전극과, 상기 체적방전극(30)과 대향전극에 연결되어 체적방전극(30)과 유전체관(20)의 내주면 사이에 플라즈마를 발생시키는 전원(60)을 포함한다.
상기 유전체관(20)은 중공관 형상으로 내부공간(21)을 가지되, 양단이 개방되어 내부를 공기가 통과하고 있다.
유전체관(20)의 내부에서는 체적방전극(30)과 연면방전극(40)으로부터 플라즈마가 발생함으로써 통과하는 공기가 플라즈마처리되어 공기중에 오존, 활성라디컬 물질이 발생한다.
상기 유전체관(20)은 석영관이 가장 바람직하고, 세라믹관 또는 유리관도 가능하다.
상기 유전체관(20)의 일단부는 헤드(55)에 끼워지고, 유전체관(20)의 타단부는 지지부재(56)가 둘레를 감싸 결합된다.
상기 헤드(55)와 상기 지지부재(56)는 원통형상인 냉각자켓(50)의 일단의 중심공(54)과 타단의 중심공(58)에 각각 끼워져 고정됨으로써, 유전체관(20)이 냉각자켓(50)의 중심부를 관통한 상태로 배치된다.
유전체관(20)의 일단부는 공기공급로(61)와 연통됨으로써, 유전체관(20)의 내부공간(21)에 공기가 유입된다.
상기 체적방전극(30)은 유전체관(20)의 내부공간(21)의 중심부에서 유전체관(20)의 길이방향을 따라 설치되는 봉체로서 유전체관(20)의 내주면과의 사이에 체적방전이 발생한다.
체적방전극(30)의 외주면에 길이방향을 따라 돌기(31)가 연속적으로 형성되되 돌기(31)는 길이방향으로 절단된 단면에서 산형의 요철형상이 연속적으로 다수 형성된다. 상기 산형은 상단이 뾰족한 삼각형상을 의미한다.
체적방전극(30)은 길이방향을 따라 절단된 단면에서 산형의 요철이 다수 형성될 수 있도록, 체적방전극(30)이 원형봉의 형상으로 형성되고 원형봉의 외주면에 산형나선이 연속적으로 형성되어 그 산형나선이 돌기(31)가 되는 것이 가장 바람직하다. 이러한 돌기(31)의 형상 및 구조는 도 2의 확대된 그림 및 도 4에 도면부호 31로서 도시되어 있다.
체적방전극(30)의 플라즈마 방전은 산형나선의 첨단부에서 발생하고 유전체관(20)의 내주면과의 사이에 스파크의 형태로 발생된다.
상기 연면방전극(40)은 유전체관(20)의 내주면에 접하도록 설치되어 유전체관(20)의 내주면을 따라 연면방전에 의한 플라즈마를 발생시킨다.
연면방전극(40)은 체적방전극(30)에 그 길이방향을 따라 나선형상으로 감겨 전기적으로 연결된 도전성 와이어로서, 유전체관(20)의 내주면에 밀착한 상태로서 연면방전에 의한 플라즈마를 발생시킨다.
상기 연면방전은 이종의 유전체가 서로 접하고 있는 경우 그 경계면을 따라 생기는 방전현상을 말하는 것으로서, 유동하는 공기와 연면방전극(40)이 유전체관(20)의 내부 표면에 상접하고, 유전체관(20)의 바깥표면에 물(대전체)이 접하고 있는 본 실시예와 같은 복합 유전체 영역에서 발생할 수 있다.
상기 연면방전극(40)은 봉체인 체적방전극(30)에 체적방전극(30)의 길이방향을 따라 나선형상으로 감겨 유전체관(20)의 내부에 삽입되고 유전체관(20)의 내주면에 접함으로써, 체적방전극(30)과 유전체관(20) 사이의 간격을 유지하는 역할도 한다.
이에 따라, 체적방전극(30)이 유전체관(20)의 중심부에 배치되어 와이어인 연면방전극(40)의 두께만큼의 간격이 체적방전극(30)과 유전체관(20) 사이에 둘레를 따라 균일하게 형성될 수 있고, 체적방전극(30)에 의한 체적방전도 둘레를 따라 균일하게 발생할 수 있다.
또한, 봉체인 체적방전극(30)은 코일형상인 연면방전극(40)을 유전체관(20)의 내주면에 밀어붙여 지지하는 역할을 하므로, 연면방전극(40)이 유전체관(20)의 내주면에 안정적으로 밀착하면서 안정적인 연면방전을 발생시킬 수 있다.
한편, 상기 체적방전극(30)과 유전체관(20)의 내주면 사이에 공기가 유입될 수 있도록 외기와 연통되는 공기공급로(61)가 설치된다.
상기 공기공급로(61)는 유전체관(20)의 단부가 끼워져 유전체관(20)을 지지하는 헤드(55)에 형성되고 공기가 유전체관(20)으로 공급되는 통로가 된다.
상기 공기공급로(61)를 통해 공급되는 공기는, 체적방전극(30)과 연면방전극(40)이 유전체관(20)의 내부에 끼워진 구성에 의해 연면방전극(40)의 안내를 받아 나선궤적으로 유동한다.
즉, 체적방전극(30)과 유전체관(20) 사이의 공간을 와이어형상인 연면방전극(40)이 막고 있으므로, 그 사이를 통과하는 공기는 연면방전극(40)의 안내를 받아 나선궤적으로 유동하면서 플라즈마 영역을 통과한다.
상기 냉각자켓(50)은 유전체관(20)의 냉각을 위해 냉각수를 유동시키는 부분으로서, 유전체관(20)을 감싸고 유전체관(20)의 외주면에서 냉각수를 유동시킨다.
즉, 냉각자켓(50)은, 원통형의 커버(51)가 유전체관(20)의 둘레를 감싸도록 설치되고 원통형의 커버(51)의 양단은 폐쇄되며, 원통형의 커버(51)의 일측과 타측에 냉각수유입구(52)와 냉각수배출구(53)가 설치된다.
이에 따라, 냉각수유입구(52)를 통해 유입된 냉각수가 냉각수배출구(53)를 향해 유전체관(20)의 외주면에서 유동하면서, 플라즈마발생에 따라 열이 발생하는 유전체관(20)의 냉각작용이 이루어진다.
상기 유전체관(20)은 냉각작용없이 내부에서 플라즈마가 지속적으로 발생되면, 체적방전 및 연면방전에 의한 열에 의해 피로가 누적되어 파손된다.
상기 원통형의 커버(51)는 내부에서 유동하는 냉각수와 접촉하고 도전성 금속으로 제작됨으로써 대향전극으로 사용될 수 있다.
상기 유전체관(20)의 외주면에 접촉하는 냉각수 중에 대향전극을 배치하여야 유전체관(20)의 내부에서 플라즈마 방전이 발생할 수 있으므로, 원통형이고 도전성인 상기 커버(51)를 전원(60)과 연결하여 대향전극으로 사용한다.
이 경우, 도전성 커버(51)의 중심선과 유전체관(20)의 중심선이 일치하도록 설치되어, 도전성 커버(51)의 내주면과 유전체관(20)의 외주면의 거리가 둘레를 따라 일정한 것이 바람직하다.
이는 유전체관(20)의 내부에서 발생하는 플라즈마가 전체 방사방향에서 비교적 균일하도록 유도할 수 있다.
상기 전원(60)은 체적방전극(30)과 대향전극에 연결되어 체적방전극(30)과 유전체관(20)의 내주면 사이에 플라즈마를 발생시킨다.
전원(60)은 고전압 펄스교류전원을 가지는 상용 전자식 네온트랜스를 사용할 수도 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따라 유전체관(20)의 내부에 플라즈마가 발생하고 공기가 플라즈마 처리되는 과정을 설명한다.
먼저, 전원(60)에서 체적방전극(30)과 대향전극에 전압을 인가하여 유전체관(20)의 내부에 플라즈마를 발생시킨다.
체적방전극(30)에서는 둘레에 형성된 돌기(31)의 끝단에서 유전체관(20)의 내주면과의 사이에 체적방전이 도 4의 P1(체적방전영역)과 같이 발생한다.
이에 따라, 산형나선으로 형성된 돌기(31)는 체적방전극(30)의 둘레에서 유전체관(20)의 내주면 사이에 방전이 발생하여 플라즈마영역을 형성하고 통과하는 공기를 플라즈마처리한다.
연면방전극(40)에서는 유전체관(20)의 내주면에 도 4의 P2(연면방전영역)와 같이, 연면방전극(40)이 접촉한 상태에서 유전체관(20)의 내주면에 표면상에서 퍼지는 연면방전이 발생한다.
따라서, 유전체관(20)의 내주면에서 연면방전에 의한 플라즈마영역을 형성하여 유전체관(20)의 내주면 근방을 유동하는 공기를 플라즈마처리한다.
상기 체적방전은 상대적으로 에너지밀도가 낮은 스트리머성 플라즈마영역을 형성하므로 공기를 플라즈마처리하여 상대적으로 낮은 에너지밀도에서 발생하는 활성라디컬 물질들을 풍부하게 생성시킨다. 또한, 연면방전은 상대적으로 높은 에너지밀도를 가진 플라즈마영역을 형성하므로 높은 플라즈마 에너지에서 발생하는 활성라디컬 물질들을 생성시킨다.
이는 플라즈마처리된 공기 중에 다양한 활성종이 풍부하게 생성될 수 있도록 함으로써, 오폐수 등에 기포형태로 공급하여 수처리 효율을 보다 높일 수 있다.
유전체관(20)을 통과하는 공기는 연면방전극(40)을 따라 나선궤적으로 유동하면서 플라즈마 처리되므로, 플라즈마영역을 통과하는 경로가 직선인 것에 비해 매우 긴 길이를 가질 수 있고, 효과적인 플라즈마처리가 이루어질 수 있다.
플라즈마처리된 공기는 오존, 활성라디컬 물질이 풍부하게 포함되어 처리대상수의 내부에 기포의 형태로 공급된다.
즉, 도 5와 같이, 유동관(70)을 유동하는 처리대상수의 유동단면적이 좁아지는 넥부(72)를 통과하는 과정에서, 처리대상수의 속도가 빨라지고 압력이 낮아지면서 연결되어 있는 플라즈마 발생장치(10)의 공기를 자연흡입함으로써, 플라즈마처리된 공기가 처리대상수 내에 기포형태로 분산된다.
상기 유동관(70)은 냉각자켓(50)의 냉각수유입구(52)로 유입되도록 하고, 냉각수배출구(53)에서 수조(80)로 공급되도록 구성된다.
상기 공기에는 플라즈마영역을 통과하는 동안 생성된 다량의 오존, 활성라디컬 물질이 포함되어 있다.
이에 따라, 처리대상수에 기포의 형태로 공기가 흡입되고, 기포를 포함하는 처리대상수는 유동관(70)을 유동하는 과정과, 냉각자켓(50) 내를 유동하는 과정, 및 수조(80)에 진입한 상태에서 기포와 함께 계속적으로 접촉유동하며, 오존, 활성라디컬물질이 오염물질을 분해, 산화시키는 정화작용이 연속적으로 이루어진다.
정화된 처리대상수는 배출구(81)를 통해 배출된다.
본 발명은 플라즈마처리된 공기를 수중에서 기포형태로 분사하여 수질을 정화하는 장치에 사용될 수 있는 것으로서, 냉각탑의 냉각수 정화장치, 수족관의 수질정화장치, 공업폐수의 정화처리장치 등에 활용가능하다.

Claims (5)

  1. 중공관 형상의 유전체관(20)과,
    상기 유전체관(20)의 내부의 중심부에서 상기 유전체관(20)의 길이방향을 따라 설치되는 봉체로서, 외주면에 길이방향을 따라 돌기(31)가 형성되되, 상기 돌기(31)는 길이방향으로 절단된 단면에서 다수의 요철형상을 이루는 체적방전극(30)과,
    상기 체적방전극(30)에 그 길이방향을 따라 나선형상으로 감긴 도전성 와이어로서 상기 유전체관(20)의 내주면에 밀착하여 상기 체적방전극(30)과 상기 유전체관(20)의 간격을 유지하는 연면방전극(40)과,
    냉각수유입구(52)와 냉각수배출구(53)를 구비하고, 상기 유전체관(20)을 감싸는 것으로서 상기 유전체관(20)의 외주면에서 냉각수를 유동시키는 냉각자켓(50)과,
    상기 유전체관(20)에 접하는 냉각수에 접속된 대향전극과,
    상기 체적방전극(30)과 상기 대향전극에 연결되어 상기 체적방전극(30)과 상기 유전체관(20)의 내주면 사이에 플라즈마를 발생시키는 전원(60)을 포함하여,
    상기 유전체관(20)의 내주면과 상기 체적방전극(30)의 요철 사이에 체적방전이 발생하고, 상기 연면방전극(40)이 접촉한 상기 유전체관(20)의 내주면에 연면방전이 발생하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 체적방전극(30)에서 상기 돌기(31)는 상기 체적방전극(30)의 외주면에 형성된 산형나선인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치
  3. 제1항에 있어서,
    상기 체적방전극(30)과 상기 유전체관(20)의 내주면 사이의 공간에 연결되어 공기를 공급하는 공기공급로(61)가 설치되고, 상기 공기공급로(61)를 통해 공급되는 공기는 상기 연면방전극(40)의 안내를 받아 나선궤적으로 유동하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각자켓(50)은, 상기 냉각수와 접촉하고 상기 유전체관(20)을 둘러싸는 원통형의 도전성 커버(51)를 포함하고,
    상기 대향전극은 상기 도전성 커버(51)이며,
    상기 도전성 커버(51)의 중심선과 상기 유전체관(20)의 중심선이 일치하도록 설치되어, 상기 도전성 커버(51)의 내주면과 상기 유전체관(20)의 외주면의 거리가 둘레를 따라 일정한 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유전체관(20)의 일단부가 끼워져 파지되는 헤드(55)와,
    상기 유전체관(20)의 타단부의 둘레를 감싸 파지하는 지지부재(56)를 포함하고,
    상기 헤드(55)와 상기 지지부재(56)는 상기 냉각자켓(50)의 일단의 중심공(54)과 타단의 중심공(58)에 각각 끼워져 고정됨으로써,
    상기 유전체관(20)이 상기 냉각자켓(50)의 중심부를 관통한 상태로 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치
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