JP7324944B2

JP7324944B2 - プラズマトーチ

Info

Publication number: JP7324944B2
Application number: JP2022520274A
Authority: JP
Inventors: チョ，ヒュン－ジェ; キム，チョン－ウ
Original assignee: コリアハイドロアンドニュークリアーパワーカンパニーリミテッド
Priority date: 2019-10-02
Filing date: 2019-10-02
Publication date: 2023-08-10
Anticipated expiration: 2039-10-02
Also published as: EP4044772A1; WO2021066225A1; US20220322514A1; EP4044772A4; JP2022551441A; CN114557138A

Description

本発明は、プラズマトーチに係り、より詳細には、高出力（ＭＷ級）でありながら安定してプラズマを発生させることができるプラズマトーチに関する。

プラズマトーチ溶融炉を用いて金属及びコンクリートなどの不燃性廃棄物を溶融するためには、高出力でありながらも安定してプラズマを発生させることができるプラズマトーチの運用が非常に重要である。

一般に、プラズマトーチは、内部電極を空洞状に構成し、中心部に窒素、アルゴンなどのガスを流入させてプラズマを発生させる。電極の外部には冷却流路を構成することで、内部電極がプラズマ放電及び高温によって電極素材の損失を最小限に抑え、電極の性能を維持して安定的にプラズマトーチを管理する。

しかし、空洞型または棒型またはボタン型のプラズマトーチは、内部の冷却及びガス流入通路が単純であり、一箇所で供給が行われて冷却温度の偏差による電極冷却が一定でなく、かつガス流量が一定でないため、プラズマアークの揺動が激しく発生するという欠点がある。

このような場合、廃棄物の溶融過程で運転変数の不安定が発生して設備安定性に困難が発生するおそれがあり、一般空洞型及びボタン型の場合は、電流が高くなるとアーク長が減少するためガス流量を増加させなければならないので、エンタルピーが相対的に低い。また、前方電極とトーチボディとの電気絶縁が難しく、陰極点の固定が難しいため、逆極性運転時に異常アークが発生しやすく、ＭＷ級の高出力逆極性運転が難しい。

韓国公開特許第１０－２００７－００２５１３９号公報（公開日：２００７年３月８日）韓国登録特許第１０－１６１６４８７号公報（公告日：２０１６年４月２８日）

本発明は、かかる従来技術の問題点を改善しようとするもので、その目的は、個別冷却流路とガス流路が形成された単位セグメントからなる多板構造の電極ボディ部を用いて、高出力（ＭＷ級）でありながら安定してプラズマを発生させることができるプラズマトーチを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明によるプラズマトーチは、後方電極部と、前方電極部と、前記前方電極部に設けられ、プラズマガスが放出されるノズル部と、円筒形状を有し、前記後方電極部と前記前方電極部との間に配置され、軸方向Ｃにガスが流れる円形のチャネルが形成されて積層された複数のセグメントからなるトーチボディ部と、を含み、前記セグメントは、中央に前記チャネルを形成する円形の貫通孔を有する円形のディスク状であり、前記セグメントの一面に前記貫通孔に沿って螺旋状に形成され、反応ガスが導入できるように流路を形成する複数のガス供給ポートと、前記貫通孔を囲むように流路が形成されて冷却水が流れる冷却流路と、垂直に貫通形成され、冷却水の供給のための流路を形成する冷却水供給流路と、垂直に貫通形成され、冷却水の排出のための流路を形成する冷却水排出流路と、垂直に貫通形成され、放電ガスの供給のための流路を形成するガス供給流路と、前記ガス供給流路から分岐して前記ガス供給ポートに連結されるガス分岐流路と、前記冷却水供給流路から分岐して前記冷却流路に連結される冷却水供給分岐流路と、前記冷却流路から分岐して前記冷却水排出流路に連結される冷却水排出分岐流路と、を含む。

好ましくは、前記セグメントは、前記貫通孔を形成するように環状のボディ部を有し、そのボディ部の外周面に引き込まれて前記冷却流路を形成する銅材質の冷却ブロックをさらに含む。

好ましくは、前記セグメントは、前記ガス供給ポートが設けられた一面に、前記ガス供給ポートの外側に段差をもって引き込まれて形成されたシール面を有し、前記ガス分岐流路の開口部として排気孔が前記シール面に形成される。

より好ましくは、前記排気孔の外側に、前記シール面には気密部材が設けられ、隣接するセグメント間の気密が確保される。

好ましくは、前記冷却水供給流路、前記冷却水排出流路及び前記ガス供給流路のうちの少なくとも一つは、各セグメントに複数構成され、前記トーチボディ部の長さに応じて２つ以上の区間に分けられて各区間別に選択的に前記ガス分岐流路、前記冷却水供給分岐流路又は前記冷却水排出分岐流路に連結される。

本発明によるプラズマトーチは、前方電極部と後方電極部との間にトーチボディ部を複数のディスク状のセグメントで構成し、各セグメントに個別に放電ガス用流路と冷却水の循環が行われる冷却流路を備えることにより、各セグメントに安定且つ一定な放電ガスの供給と安定な冷却が可能であって、ＭＷ級以上の高温アーク柱から伝達される熱負荷を分散させ、一箇所に集中する熱負荷を効率よく除去して異常放電を防止し、安定なプラズマを発生させることができ、運転モードの切り替えも容易であってプラズマトーチの運用の安定性を図ることができる。

本発明の実施形態によるプラズマトーチの断面構成図である。本発明の実施形態によるプラズマトーチのセグメントの斜視構成図である。本発明の実施形態によるプラズマトーチのセグメントの背面構成図である。本発明の実施形態によるプラズマトーチのセグメントの断面構成図である。

本発明の実施形態で提示される特定の構造的または機能的説明は、単に本発明の概念による実施形態を説明するための目的で例示されたものに過ぎず、本発明の概念による実施形態は、様々な形態で実施されることができる。また、本明細書に説明された実施形態に限定されるものと解釈されてはならず、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更物、均等物または代替物を含むものと理解されるべきである。

一方、本発明において、「第１」および／または「第２」等の用語は多様な構成要素の説明に使用できるが、これらの構成要素はこのような用語によって限定されてはならない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使われる。例えば、本発明の概念による権利範囲から逸脱することなく、第１構成要素は第２構成要素と命名でき、同様に、第２構成要素も第１構成要素と命名できる。

ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いる、或いは「接続されて」いると言及された場合には、該他の構成要素に直接連結または接続されていることもあるが、それらの間に別の構成要素が介在することもあると理解されるべきである。一方、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いる、或いは「直接接続されて」いると言及された場合には、それらの間に別の構成要素が介在しないと理解されるべきである。構成要素間の関係を説明するための他の表現、すなわち「～間に」と「すぐに～間に」または「～に隣り合う」と「～に直接隣り合う」等の表現も同様に解釈されるべきである。

本明細書で使用した用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたもので、本発明を限定するものではない。単数の表現は、文脈上明白に異なる意味ではない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は、実施された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組み合わせが存在することを指定しようとするもので、一つまたはそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組み合わせの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明することにより、プラズマトーチの公知の構成に対する説明を省略し、要部構成を中心に説明する。

図１は本発明の実施形態によるプラズマトーチの断面構成図である。

図１を参照すると、本実施形態によるプラズマトーチは、後方電極部１１０と、前方電極部１２０と、ノズル部１３０と、後方電極部１１０と前方電極部１２０との間に多板構造で積層された複数のセグメント２１０からなるトーチボディ部分２００と、を含む。

前方電極部１２０及び後方電極部１１０は、それぞれ陽極または陰極との電気結線が行われるとともに、電源の供給が行われる。後方電極部１１０は、一端が閉鎖された空洞型電極を含むことができ、陽極または陰極との電気結線が別途行われる補助電極部をさらに含むことができる。前方電極部１２０の前端には、高温のプラズマガスが放出されるノズル部１３０が設けられる。

各電極は、電気的に絶縁されてハウジング内に収納される。

特に、本発明において、トーチボディ部２００は、軸方向Ｃにガスが流れる円形のチャネル２０１が形成される。このようなトーチボディ部２００は、単位セグメント２１０が互いに気密をもって積層された多板構造であることを特徴とする。

後方電極部１１０の後端には、放電ガス（例えば、窒素）を供給するガス供給管１０１、及び冷却水の循環のための冷却水配管１０２が連結される。ちなみに、図１において、冷却水配管１０２は一つに例示しているが、冷却水の流入する冷却水供給配管と冷却水の排出される冷却水排出配管が別々に区分されて設けられることができる。

図２は本発明の実施形態によるプラズマトーチのセグメントの斜視構成図であり、図３は本発明の実施形態によるプラズマトーチのセグメントの背面構成図である。

図２及び図３を参照すると、セグメント２１０は、中央にチャネルを形成する円形の貫通孔２１１を有する円形のディスク形状であって、一面に貫通孔２１１に沿って螺旋状に形成され、反応ガスが導入できるように流路を形成する複数のガス供給ポート２１２と、貫通孔２１１を囲むように流路が形成されて冷却水が流れる冷却流路２１３と、垂直に貫通形成され、冷却水の供給のための流路を形成する冷却水供給流路２１４と、垂直に貫通形成され、冷却水の排出のための流路を形成する冷却水排出流路２１５と、垂直に貫通形成され、放電ガスの供給のための流路を形成するガス供給流路２１６と、ガス供給流路２１６から分岐してガス供給ポート２１２に連結されるガス分岐流路２１７と、冷却水供給流路２１４から分岐して冷却流路２１３に連結される冷却水供給分岐流路２１８と、冷却流路２１３から分岐して冷却水排出流路２１５に連結される冷却水排出分岐流路２１９と、を含む。

ガス供給ポート２１２は、セグメント２１０の一面に貫通孔２１１と隣接して螺旋状に形成されて反応ガスが導入されることにより、内部の一箇所にアーク点が集中して異常放電現象を遮断することができ、また、一定のアーク柱を前方に押し付ける役目をする。

一方、ガス供給ポート２１２は、別途のセラミック材質のボディに形成でき、ガス供給ポート２１２が形成されたセラミック材質のボディは、隣接するセグメント２１０と組み立てられ、セグメント間の気密を保持して放電ガスの漏れを防ぐことができる。

セグメント２１０は、垂直に貫通形成される冷却水供給流路２１４、冷却水排出流路２１５及びガス供給流路２１６が垂直に貫通形成され、トーチボディ部２００を構成する各セグメント２１０の冷却水供給流路２１４、冷却水排出流路２１５及びガス供給流路２１６は、互いに１つの流路として連結される。一方、冷却水供給流路２１４と冷却水排出流路２１５は、前方電極部１２０（図１参照）まで延びて互いに連通し、これにより、冷却水供給配管を介して供給された冷却水は、後方電極部１１０を経由して冷却水供給流路２１４に沿って流れ、前方電極部１２０から冷却水排出流路２１５に沿って冷却水排出配管へ排出されてプラズマトーチのボディに沿って冷却水の循環が行われる。また、ガス供給流路２１６も前方電極部１２０まで延びることができる。

ガス分岐流路２１７は、ガス供給流路２１６から分岐してガス供給ポート２１２と連結されるように互いに隣接して設けられ、本実施形態では、セグメント２１０の一面にガス供給ポート２１２と隣接して排気孔２１７ａが形成され、この排気孔２１７ａはガス分岐流路２１７を介してガス供給流路２１６に連結される。

一方、排気孔２１７ａは、ガス供給ポート２１２の外側に段差をもって引き込まれて形成されたシール面２１７ｂに位置し、シール面２１７ｂの排気孔２１７ａの外側には気密部材（Ｏリング）が備えられ、隣接して組み立てられるセグメントとの気密が保持されることができる。

冷却水供給分岐流路２１８は、冷却水供給流路２１４から垂直に分岐して冷却流路２１３と連通し、冷却水排出分岐流路２１９は、冷却水排出流路２１５から垂直に分岐して冷却流路２１３と連通する。よって、冷却水供給流路２１４に沿って流れる冷却水は、一部が冷却水供給分岐流路２１８に沿って冷却流路２１３に流入して冷却水排出分岐流路２１９及び冷却水排出流路２１５に沿って排出される。これにより、貫通孔２１１の周辺は常に一定の温度に維持されることができる。

一方、冷却水供給分岐流路２１８と冷却水排出分岐流路２１９は、冷却流路２１３から放射方向にそれぞれ冷却水供給流路２１４と冷却水排出流路２１５に連結され、これにより、冷却流路２１３に流入した冷却水が十分に冷却流路２１３を旋回して熱交換が行われるように、冷却水供給流路２１４と冷却水排出流路２１５との夾角θは小さくすることが好ましく、少なくとも９０°を超えないことが好ましい。

セグメント２１０は、前方電極部１２０と連通するように一つまたは複数の流路２１１ａが追加でき、このような冷却水用流路２１１ａは、各セグメントから別途分岐せず、直接前方電極部１２０を循環するようにして、前方電極部１２０の冷却状態を調節することができる。

一方、冷却水供給流路２１４、冷却水排出流路２１５及びガス供給流路２１６は、各セグメント２１０に複数構成されることができる。よって、それぞれ一つの流路２１４、２１５、２１６から各セグメントの分岐流路２１７、２１８、２１９を分けず、トーチボディ部２００の長さに応じて区間を幾つに分け、区間別に流路２１４、２１５、２１６を分けて分岐流路２１７、２１８、２１９を使用することにより、多くのセグメントからなるトーチボディ部２００で、各セグメント２１０で分配される放電ガスと冷却水が一定に分配されることができる。

このようなセグメント２１０は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）が使用でき、好ましくは、冷却流路２１３の一部は、銅材質の冷却ブロックが使用できる。

図４は本発明の実施形態によるプラズマトーチのセグメントの断面構成図である。

図４を参照すると、セグメント２１０は、貫通孔２１１を形成するように環状のボディ部を有し、そのボディ部の外周面に内側に凹状に引き込まれて冷却流路２１３を形成する冷却ブロック２２０をさらに含み、このとき、冷却ブロック２２０は、電気伝導率と熱伝導率に優れた銅（Ｃｕ）が使用できる。
以上で説明した本発明は、上述した実施形態及び添付図面によって限定されるものではなく、本発明の技術的思想から逸脱することなく、様々な置換、変形及び変更を加え得るのは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者には明らかである。

１１０後方電極部
１２０前方電極部
１３０ノズル部
２００トーチボディ部
２０１チャネル
２１０セグメント
２１１貫通孔
２１２ガス供給ポート
２１３冷却流路
２１４冷却水供給流路
２１５冷却水排出流路
２１６ガス供給流路
２１７ガス分岐流路
２１８冷却水供給分岐流路
２１９冷却水排出分岐流路

Claims

後方電極部と、
前方電極部と、
前記前方電極部に設けられ、プラズマガスが放出されるノズル部と、
円筒形状を有し、前記後方電極部と前記前方電極部との間に配置され、軸方向（Ｃ）にガスが流れる円形のチャネルが形成されて積層された複数のセグメントからなるトーチボディ部と、を含み、
前記セグメントは、
中央に前記チャネルを形成する円形の貫通孔を有する円形のディスク状であり、
前記セグメントの一面に前記貫通孔に沿って螺旋状に形成され、反応ガスが導入できるように流路を形成する複数のガス供給ポートと、
前記貫通孔を囲むように流路が形成されて冷却水が流れる冷却流路と、
垂直に貫通形成され、冷却水の供給のための流路を形成する冷却水供給流路と、
垂直に貫通形成され、冷却水の排出のための流路を形成する冷却水排出流路と、
垂直に貫通形成され、放電ガスの供給のための流路を形成するガス供給流路と、
前記ガス供給流路から分岐して前記ガス供給ポートに連結されるガス分岐流路と、
前記冷却水供給流路から分岐して前記冷却流路に連結される冷却水供給分岐流路と、
前記冷却流路から分岐して前記冷却水排出流路に連結される冷却水排出分岐流路と、を含み、
前記セグメントは、前記貫通孔を形成するように環状のボディ部を有し、そのボディ部の内周面にはめ込まれて前記冷却流路を形成する銅材質の冷却ブロックをさらに含む、プラズマトーチ。
前記セグメントは、前記ガス供給ポートが設けられた一面に、前記ガス供給ポートの外側に段差をもって引き込まれて形成されたシール面を有し、前記ガス分岐流路の開口部として排気孔が前記シール面に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマトーチ。
前記排気孔の外側に、前記シール面には気密部材が設けられ、隣接するセグメント間の気密が確保されることを特徴とする、請求項２に記載のプラズマトーチ。
前記冷却水供給流路、前記冷却水排出流路及び前記ガス供給流路のうちの少なくとも一つは、各セグメントに複数構成され、前記トーチボディ部の長さに応じて２つ以上の区間に分けられて各区間別に選択的に前記ガス分岐流路、前記冷却水供給分岐流路又は前記冷却水排出分岐流路に連結されることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマトーチ。