초록 ▼

직류 아크나 고주파 유도결합 방전으로 플라즈마 토치에서 발생시키는 이온화된 열유체인 열플라즈마(Thermal Plasma)는 재래식 연소에 의한 화학적 반응으로 발생시킨 열유체에서는 얻을 수 없는 초고온, 대열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는다. 열플라즈마는 고온 제어와 폭넓은 출력의 자유스러운 조정이 가능하고 빠른 열 및 물질 전달 능력을 갖고 있으며 다양한 기체들이 열유체로 쉽게 전환될 수 있어서, 한계에 다다른 기존 열유체 발생기술을 대체하여 신속한 가공 및 공정처리로 효율적이며 환경면에서 깨끗한 초고온 열원으로 제공되어,

직류 아크나 고주파 유도결합 방전으로 플라즈마 토치에서 발생시키는 이온화된 열유체인 열플라즈마(Thermal Plasma)는 재래식 연소에 의한 화학적 반응으로 발생시킨 열유체에서는 얻을 수 없는 초고온, 대열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는다. 열플라즈마는 고온 제어와 폭넓은 출력의 자유스러운 조정이 가능하고 빠른 열 및 물질 전달 능력을 갖고 있으며 다양한 기체들이 열유체로 쉽게 전환될 수 있어서, 한계에 다다른 기존 열유체 발생기술을 대체하여 신속한 가공 및 공정처리로 효율적이며 환경면에서 깨끗한 초고온 열원으로 제공되어, 제조 및 나노소재 산업과 환경 산업의 생산기반과 첨단설비에 핵심이 되는 열유체로써 이용되고 있다. 열플라즈마 응용 기술은 이미 국내 소재산업에 다방면으로 보급되어 있고, 더욱 고기능화된 신소재 생산 공정과 보다 환경 친화적인 폐기물 처리 기술에 대한 수요가 증대되고 있는 상황 이어서, 열플라즈마 발생장치인 각종 플라즈마 토치 설계제작 기술의 확보로 이들의 국내 공급 이 절실히 요청되고 있다. 국내에서도 플라즈마 토치 개발을 서둘러 기술의 국제 수준화에 따 른 수출 시장의 개척과 수입 대체 효과를 증대시킴과 동시에, 다양한 산업분야에 열플라즈마 응용기술 개발 기틀을 확고히 할 필요가 있다. 따라서,이 연구에서는 기계제조,소재, 환경 산업에서 사용되는 공작가공 기기, 공정장치, 반응로, 소각용융로 등에서 요구되는 열플라즈마 발생기 핵심기술 확보를 목적으로 한다. 응용 목적, 출력규모, 발생기 구조에 따라 각종 직류 및 고주파 플라즈마 토치들을 전산 모델링 해 석과 진단계측으로 열플라즈마의 열 및 유동 특성을 규명하고, 효율적이며 내구성과 신뢰성을 갖춘 열플라즈마 발생기의 설계제작에 대한 최적화 기반을 제1단계(2년간)에서 우선 구축한 후, 제2단계(3년간)에서 발생기의 고출력화, 소형정밀화, 자동제어화를 기하여 장치의 성능개선을 통한 최적 설계제작을 하여, 그 기술자료를 체계화하고 산업응용 목적의 각종 단위 기기 및 장 치들의 핵심기술로서 열플라즈마 발생기 실용화 기반기술을 확보한다.

Abstract ▼

Thermal plasmas generated by DC arc or RF inductively coupled discharges have extremely high temperature, velocity, large heat capacity, and reactive species compared with conventional combustion flames produced by chemical reactions. For this reason, thermal plasma generators in the form of DC and

Thermal plasmas generated by DC arc or RF inductively coupled discharges have extremely high temperature, velocity, large heat capacity, and reactive species compared with conventional combustion flames produced by chemical reactions. For this reason, thermal plasma generators in the form of DC and RF plasma torches have been used as heat sources and physical/chemical reactors in material, machining and environmental industries. However, there have been difficulties in generation, control and optimization of thermal plasmas for their applications due to their intrinsic complexity existing in plasma phenomena and lack of technical data for design and operations of thermal plasma torches. In this respect, it is important not only to establish a basis for optimization and industrialization of various plasma torches through understanding of plasma characteristics according to their applications and but also to secure a technical database for equipment design, performance evaluation and commercial applications. For these purposes, in the first phase of two years for this project, scientific and technical bases for optimization of design and manufacturing of thermal plasma generators are established through numerical modeling and plasma diagnostics depending on their structures and industrial uses. And then, the development of high-performance plasma torches for industrialization of various thermal plasma sources is followed in the second phase of next three years through upgrading them with high power capability, compact-sized structure, and automated control function as well as securing a technical database for equipment design, performance evaluation, commercial applications to machining, material, and environmental industries.

목차 Contents

• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 27
• 제1절 열플라즈마 발생기 기술 ... 27
• 1. 기술의 특성 ... 27
• 2. 연구개발의 필요성 ... 30
• 제2절 연구개발 목표 및 내용 ... 33
• 1. 연구개발의 최종목표 및 내용 ... 33
• 2. 단계별 연구목표 및 내용 ... 34
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 35
• 제1절 국외현황 ... 35
• 제2절 국내현황 ... 37
• 제3절 현기술상태의 취약성 ... 37
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 39
• 제1절 열플라즈마 발생기의 최적 설계제작 기법 확립 ... 39
• 1. 열플라즈마 발생기의 최적 설계제작 기법 ... 39
• 2. 열플라즈마 발생기의 이론모형 및 전산해석 코드 개발 ... 44
• 3. 초고온 열플라즈마 진단계측기법 확립 및 진단 시스템 구축 ... 54
• 4. 2차원 및 3차원 CAD 설계기법을 활용한 열플라즈마 발생기 설계 ... 103
• 제2절 표준형 열플라즈마 발생기의 최적 개발 ... 106
• 1. 소재공정용 80 kW 급 직류 비이송식 열플라즈마 발생기 개발 ... 106
• 2. 소재공정용 10 kW 급 고주파 열플라즈마 발생기 개발 ... 169
• 3. 폐기물 소각용융용 150 kW 급 공동형 직류 열플라즈마 발생기 개발 ... 203
• 4. 폐기물 소각용융용 150 kW 급 이송식 직류 열플라즈마 발생기 개발 ... 248
• 제3절 고출력 열플라즈마 발생기의 최적 개발 ... 284
• 1. 소재공정용 150 kW 급 고출력 직류 비이송식 열플라즈마 발생기 개발 ... 284
• 2. 소재공정용 30 kW 급 고출력 고주파 열플라즈마 발생기 개발 ... 324
• 3. 폐기물 소각용융용 300 kW 급 고출력 공동형 직류 열플라즈마 발생기 개발 ... 363
• 제4절 소형·정밀 열플라즈마 발생기의 최적 개발 ... 401
• 1. 내경 용사작업용 15 kW 급 소형 직류 비이송식 열플라즈마 발생기 개발 ... 401
• 2. 간편형 용접절단용 3 kW 급 직류 열플라즈마 발생기 개발 ... 420
• 제5절 열플라즈마 발생기 운전제어 자동화 기법 개발 ... 451
• 1. 플라즈마 토치 운전제어 자동화의 개념 ... 451
• 2. PC 기반의 플라즈마 토치 운전제어 자동화 시스템 구축 ... 453
• 3. 플라즈마 토치의 출력 전력 일정 유지를 위한 되먹임 제어기의 설계 ... 383
• 4. 플라즈마 토치의 출력 전력 일정 유지를 위한 PID 제어기의 성능 실험 ... 467
• 5. 열플라즈마 토치 운전제어 자동화 장치 개발 ... 470
• 제6절 열플라즈마 발생기 운전 시스템 구축 ... 473
• 1. 열플라즈마 발생기 냉각시스템 ... 473
• 2. 방음 및 집진 배기 설비 ... 479
• 3. 소재공정용 직류 비이송식 열플라즈마 발생기 운전 시스템 ... 482
• 4. 소재공정용 고주파 열플라즈마 발생기 운전 시스템 ... 488
• 5. 폐기물 소각용융용 직류 이송식 열플라즈마 발생기 운전 시스템 ... 495
• 6. 폐기물 소각용융용 공동형 직류 열플라즈마 발생기 운전 시스템 ... 498
• 7. 용접절단용 직류 열플라즈마 발생기 운전 시스템 ... 501
• 제7절 열플라즈마 발생기의 응용기반 구축 ... 504
• 1. 소재공정용 직류 및 고주파 열플라즈마 발생기의 응용기반 구축 ... 504
• 2. 폐기물 소각용융용 열플라즈마 발생기의 응용기반 구축 ... 517
• 제8절 기술자료 체계화를 위한『열플라즈마 발생기 기술정보 데이터베이스』개발 ... 522
• 1. 수록 자료와 활용 대상 및 범위 ... 522
• 2. 데이터베이스의 내용 ... 522
• 3. 데이터베이스에의 접근 및 사용 ... 532
• 제9절 결론 ... 533
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 546
• 제1절 연구개발 목표 달성도 ... 546
• 제2절 대외 기여도 ... 552
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 554
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 557
• 제7장 참고문헌 ... 559