KR100719900B1 - 농축 플라즈마 방식 배출입자 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유해 입자상 물질을 효율적으로 제거할 수 있도록, 연소작용을 통해서 생성된 유해 입자상 물질(Particulate Matter; PM)을 감소시키는 배출입자 처리장치에 있어서, 상기 유해 입자상 물질을 농축시키는 농축부와, 농축된 입자상 물질을 연소시키는 플라즈마 발생부를 포함하는 배출입자 처리장치를 제공한다.

유해 입자상 물질, 플라즈마, 농축장치, 방전극, 접지극

Description

농축 플라즈마 방식 배출입자 처리장치{Concentration Plasma Type Apparatus for Removing Engine Exhaust Particulate Matter}

도 1은 종래기술에 따른 배출입자 처리장치를 나타낸 개략도이다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 배출입자 처리장치를 도시한 개략적인 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배출입자 처리장치를 도시한 개략적인 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배출입자 처리장치에 사용되는 플라즈마 발생장치를 도시한 개략도이다.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 배출입자 처리장치에서 플라즈마 발생되는 상태를 나타내는 사진이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 입자상 물질 21: 방전극

23: 접지극 24: 농축부

25: 플라즈마 발생부 40: 글라이딩 플라즈마 발생부

43: 전원 45: 플라즈마

본 발명은 배출입자 처리장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 유해 입자상 물질을 플라즈마로 연소시키는 장치에 관한 것이다.

종래의 매연 저감 장치는 매연 입자를 배기관에서 세라믹 또는 촉매 등의 필터를 이용하여 유해 입자상 물질을 포집하여 연소시키거나 배출시키도록 구성되어 있으며 사용에 따른 과도한 압력손실과 유해 입자상 물질의 재비산되는 등 고효율의 유해 입자상 물질 제거율을 달성키가 어려웠다.

도 1은 종래기술에 따른 매연 저감 장치에 관한 것으로서, 이러한 매연 저감 장치는 자동차의 배기관(112)에 설치된 다공성 필터(114)를 포함하며, 다공성 필터(114)에 엔진에서 배출되는 매연을 통과시켜 매연에 함유된 유해 물질이 필터(114)에 흡착되도록 하여 매연을 정화시킨다. 이러한 필터(114)를 사용할 경우 필터(114)의 눈막힘 현상에 의하여 압력손실이 증가하는 문제가 발생한다.

그리고 필터(114)에 포집된 유해 입자상 물질을 제거하기 위하여 유해 입자상 물질을 연소시키거나 탈진시켜야 하며, 유해 입자상 물질을 연소할 때에는 순차적으로 연소하는 방식을 사용하여야 하는 불편이 있고, 필터(114)를 가열하는 과정에서 필터(114)의 부피가 증가하는 문제가 발생한다.

또한, 연소과정에서 열 충격 등에 의하여 필터(114)의 수명이 단축될 수 있으며, 불완전 연소에 의한 필터(114)의 기능이 저하되는 등의 문제가 발생한다.

이러한 종래의 매연 저감 장치는 연소 등의 방법으로 필터(114)를 재생하는 과정에서 미세입자가 재비산되는 문제가 있으며, 2차 반응에 의하여 또 다른 매연 또는 입자상 물질이 발생되는 문제점도 있다.

또한, 전기 집진기 방식에 의한 매연 감소장치는 유해 입자상 물질의 전기비저항이 낮아 유해 입자상 물질이 집진판에 부착된 후 재 비산되는 문제가 있으며, 포집된 유해 입자상 물질을 연속적으로 제거하기 위한 장치가 추가적으로 필요하다.

또한, 유해 입자상 물질이 전기집진기에서 포집될 경우 포집된 유해 입자상 물질의 첨단에 유해 입자상 물질이 포집되는 현상이 반복되어 체인 같은 형상으로 길게 이어지는 펄체인(pearl chain)이 형성되어 접지극과 방전극 사이의 전장이 교란되어 집진효율이 감소한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 플라즈마 장치로 유해 입자상 물질을 연소시킴으로써 필터를 교환하거나 재생과정이 필요 없는 배출입자 처리장치를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 배출입자 처리장치는 상기 유해 입자상 물질(Particulate Matter; PM)이 지나가는 도관(導管)과 상기 도관 내에 설치되는 코어(core)를 포함하며, 상기 유해 입자상 물질을 농축시키는 농축부, 및 상기 코어의 후단에 인접하여 설치되며, 플라즈마를 발생시켜 상기 농축된 입자상 물질을 연소시키는 플라즈마 발생부를 포함한다.

상기 농축부 코어는 상기 농축부 도관의 중심축상에 설치될 수 있으며, 이러한 농축부 코어는 상기 농축부 도관의 하류측으로 갈수록 점점 가늘어지도록 형성될 수 있다.

한편, 상기 농축부는 하전된 유해 입자상 물질을 끌어당기는 접지극을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 상기 농축부가 유해 입자상 물질을 하전시키는 방전극과 하전된 유해 입자상 물질을 끌어당기는 접지극을 포함할 수 있다. 즉, 상기 농축부의 코어는 접지극이 되고, 상기 농축부의 도관 내표면에는 방전극이 형성될 수 있다.

또한, 상기 방전극은 자동차에 설치된 배기관의 내측 표면에 설치될 수 있다.

이 때, 상기 접지극은 방전극의 내부에 설치되며, 이러한 접지극은 상기 자동차 배기관의 중심축상에 설치될 수 있다. 그리고 상기 접지극은 배기관의 하류측으로 갈수록 가늘어지는 구조로 이루어질 수 있다.

상기 플라즈마 발생부는 글라이딩 방전에 의하여 플라즈마를 발생시키는 글라이딩 방전 플라즈마(Gliding discharge plasma) 발생장치로 이루어질 수 있다.

자동차 배출입자 처리 장치는 배기관에 설치된 경유 매연 감소장치(Diesel Particulate Filter; DPF)의 전단 또는 후단에 설치될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배출입자 처리장치를 도시한 개략적인 단면도이다.

상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 배출입자 처리장치는 유해 입자상 물질(10)을 한 곳으로 모으는 농축부(24)와 농축된 입자상 물질을 연소시키는 플라즈마 발생부(25)를 포함한다.

상기 농축부(24)는 자동차의 배기관(30) 내부에 설치되어 유해 입자상 물질(10)을 하전시키는 방전극(21)과 하전된 유해 입자상 물질을 끌어당기는 접지극(23)을 포함한다.

상기 방전극(21)은 원통형 관으로 이루어지고, 배기관(30)의 내벽에 밀착된 구조로 설치된다. 그리고 상기 접지극(23)은 상기 방전극(21)의 내부에 설치되고, 방전극(21)과 최대한 이격되어 설치될 수 있도록 관상의 방전극(21)의 중심축상에 설치된다. 그리고 상기 접지극(23)은 원형 막대 형상으로 이루어지며, 배기가스의 유동방향에 대하여 하류측으로 갈수록 점점 가늘어지는 구조로 형성된다.

한편 상기 방전극(21)과 접지극(23)에는 전압이 인가되는데, 방전극(21)에는 유해 입자성 물질(10)을 (-)로 하전시킬 수 있도록 (-)전압이 인가되고, 접지극(23)에는 (-)로 하전된 유해 입자성 물질(10)을 끌어당길 수 있도록 접지되거나 (+)전압이 인가된다. 상기 방전극(21)에 (+)전압이 인가되고 접지극(23)에 접지 또는 (-)전압이 인가될 수도 있다.

그리고 방전극(21)과 접지극(23)에 인가되는 전압의 크기는 유해 입자성 물질(10)이 접지극(23)에 부착되지 않고, 화살표로 나타난 바와 같이 접지극(23) 가까이로 이동하면서 동시에 하류로 유동하여 접지극(23)의 뒤에서 농축될 수 있을 정도로 약한 전압이 인가된다. 또한, 상기 접지극(23)은 하류측으로 갈수록 가늘어지는 구조로 이루어지므로, 유해 입자성 물질(10)이 접지극(23)과 하류를 향하여 유동하더라도 상기 유해 입자성 물질이 접지극(23)에 쉽게 부착되지 않는다.

그리고 본 실시예에 따른 플라즈마 발생부(25)는 고온의 플라즈마를 발생시키는 장치로서 특별히 그 종류는 한정하지 않는다. 이러한 플라즈마 발생장치(25)는 전극에 높은 전압을 인가하여 전극 사이를 지나는 기체가 전기장에 의해 가속되고, 가속된 기체들의 충돌에 의해 기체들이 이온화되어 플라즈마가 발생하게 된다.

상기 플라즈마 발생부(25)는 접지극(23)의 하류측에 인접하여 설치되며, 농축된 유해 입자성 물질(10)이 용이하게 유입될 수 있도록 배기관(30)의 중심축상에 설치된다.

이러한 구조로 유해 입자성 물질(10)은 방전극(21)으로부터 전자를 전달받아 (-) 또는 (+)로 하전되어 방전극(21)에서 작용하는 척력과 접지극(23)에서 작용하는 인력으로 접지극(23)의 뒤쪽에 농축되며, 농축된 유해 입자성 물질(10)은 플라즈마 발생부(25)로 유입된다. 그리고 플라즈마 발생부(25)로 유입된 유해 입자성 물질(10)은 플라즈마 방전으로 인해 발생한 약 2,000K 온도의 가스에 의하여 소각된다.

그리고 본 실시예에 따른 배출입자 처리장치는 일반적으로 사용되는 경유 매연 감소장치(Diesel Particulate Filter; DPF)의 전방에 설치될 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 배출입자 처리장치가 일차적으로 유해 입자성 물질을 감소시키고, 이차적으로 DPF가 배기가스를 정화하여 배기관을 통해 배출되는 배기가스에 함유된 매연의 농도는 현저히 감소될 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 유해 배출입자 처리장치를 도시한 개략적인 단면도이다.

상기한 도면을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 배출입자 처리장치는 유해 입자성 물질을 농축시키는 농축부(24)와 농축된 유해 입자성 물질을 연소키는 플라즈마 발생부(40)를 포함한다.

상기 농축부(24)의 구조는 상기 제 1 실시예와 동일하고 플라즈마 발생부(40)는 글라이딩 방전 플라즈마(Gliding discharge plasma)로 이루어진다.

상기 플라즈마 발생부(40)는 마주하는 두개의 전극(41, 42)을 갖고 상기 전극(41, 42)에는 직류 전원(43)이 연결된다. 그리고 상기 전극(41) 중 일측 전극에는 (+)전압이 인가되고, 타측 전극(42)에는 (-)전압이 인가되며, 상기 전원(43)은 전극(41, 42) 사이에 아크가 발생할 수 있도록 50kV이상의 고전압을 갖는 전원(43)으로 이루어진다.

한편, 상기 전극들(41, 43)은 마주하는 면이 호형태로 휘어진 구조로 이루어지며, 상기 전극들(41, 43)은 유입구에서 배출구로 갈수록 전극 사이의 간격이 넓어진다.

도 4에 도시된 바와 같이 기체가 좁은 유입구로 유입되어 고장 영역을 지나면 좁은 전극(41, 42) 사이에서 아크가 발생하고 상기 아크는 전극을 따라 활주하듯이 평형 영역을 지나 비평형 영역으로 퍼져나간다.

이러한 아크로 인하여 기체가 여기되어 플라즈마(45) 상태로 되고, 이때의 전자의 온도는 약 10,000K, 가스의 온도는 2,000K에 이르게 된다. 따라서 기체에 포함된 유해 입자상 물질(10)은 2,000K에 이르는 고온 플라즈마에 의하여 완전히 연소된다.

글라이딩 방전 플라즈마(45)의 특징은 유체의 빠른 속도와 높은 전압, 낮은 전류의 방전을 통해서 발생하는 것이며, 아크의 특성을 지니면서도 열적으로 안정되고 대량의 유체를 처리할 수 있기 때문에 다양한 분야에 적용된다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 배출입자 처리장치는 기존 집진방식과 필터방식의 단점을 극복한 실용적인 매연 저감 장치로써 고효율의 경량화가 가능하다.

본 발명에 따른 배출입자 처리장치는 배기가스에 포함된 유해 입자상 물질을 정전기력으로 농축한 후 즉시 연소시켜 무해한 기체상으로 변환하므로 별도의 저장탱크나 연소 또는 필터의 교환이나 재생이 필요 없어 구조가 간편하고 필터를 재생시켜야 하는 불편을 제거할 수 있다.

본 발명에 따른 배출입자 처리장치는 응축성 또는 미세 매연 유해 입자상 물질을 농축하여 고온 플라즈마를 통해 가스상으로 연소, 변환해 버리는 것으로 기존 필터 또는 촉매 표면의 2차 반응에 의한 입자 발생이 원천적으로 차단된다.

본 발명에 따른 배출입자 처리장치가 DPF의 전단에 장착될 경우, 본 발명에 따른 배출입자 처리장치가 대부분의 유해 입자상 물질을 제거함으로써, DPF의 수명을 대폭 늘릴 수도 있으며, 본 발명에 따른 배출입자 처리장치가 DPF의 후단에 설 치될 경우, 후단의 나노(nano)급의 초미세 입자을 농축, 응집하여 이들을 소각시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 연소작용을 통해서 생성된 유해 입자상 물질(Particulate Matter; PM)을 처리하는 장치에 있어서,

   상기 유해 입자상 물질이 지나가는 도관(導管)과 상기 도관 내에 설치되는 코어(core)를 포함하며, 상기 유해 입자상 물질을 농축시키는 농축부; 및

   상기 코어의 후단에 인접하여 설치되며, 플라즈마를 발생시켜 상기 농축된 입자상 물질을 연소시키는 플라즈마 발생부;를 포함하여 구성하되,

   상기 농축부 코어는 상기 농축부 도관의 하류측으로 갈수록 점점 가늘어지도록 형성하여 상기 도관의 중심축상에 설치하는 것을 특징으로 하는 배출입자 처리장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 농축부는 하전된 상기 유해 입자상 물질을 끌어당기는 접지극을 포함하는 배출입자 처리장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 농축부는 상기 유해 입자상 물질을 하전시키며 도관의 내표면 또는 자동차 배기관의 내측 표면에 구비되는 방전극과, 하전된 유해 입자상 물질을 끌어당기는 접지극을 포함하여 구성하되,

   상기 농축부의 코어는 자동차 배기관의 하류측으로 갈수록 가늘어지는 구조이며, 자동차 배기관의 중심축상에 설치되는 접지극인 것을 특징으로 하는 배출입자 처리장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 플라즈마 발생부는 글라이딩 방전 플라즈마(Gliding discharge plasma) 발생장치로 이루어지는 배출입자 처리장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 농축부 도관의 전단 또는 후단에 경유 매연 감소장치(Diesel Particulate Filter; DPF)가 더욱 설치되는 배출입자 처리장치.
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