KR100194272B1 - 플라즈 마토치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축선을 중심으로 대칭적으로 정렬되고 각각 제1전극을 함유하는 다수의 아크 형성 체임버를 포함하는 플라즈마 토치에 관한 것이다. 공통 전극은 각 체임버의 전극과 협동해 각 체임버의 아크를 형성하며 각 체임버에서 시작해 축선을 따라 연장하는 공통 노즐 통로로 수렴되는 수렴 통로가 제공된다. 반응물 공급 통로는 수렴 통로들의 수렴 지역에서 노즐 통로와 공축인 공통 노즐 통로로 개방되 반응물을 노즐 통로에 형성된 플라즈마 젯의 중심으로 노즐 통로를 통과하는 플라즈마 젯의 운동방향으로 분출된다.

Description

[발명의 명칭]

플라즈마 토치

[발명의 분야]

본 발명은 플라즈마 젯(plasma jet)을 형성하는 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반응물이 플라즈마 젯 형성 노즐로 축방향으로 공급되는 플라즈마 젯을 형성하는 장치에 관한 것이다.

[발명의 배경]

전통적인 플라즈마 분사에서는 일반적으로 물로 냉각되며 텅스텐 캐소드와 원추형 구리 애노드를 갖는 토치를 사용해 플라즈마 불꽃이 발생되었다. 액체, 가스, 고체, 또는 그것들의 혼합물일 수 있는 반응물은 플라즈마 젯에 대해 반경방향으로 이루어지는 분사에 의해 뜨거운 플라즈마 불꽃에 실린다. 반응물이 파우더라면, 그것은 일반적으로 캐리어 가스에 의해 운반되 플라즈마 젯으로 유도된다.

반경방향 파우더 분사와 함께, 분사된 반응물의 가열과 분산은 플라즈마 불꽃 젯으로 들어가는 반응물의 상각궤도(常角軌道)에 완전히 달려있다. 파우더에 대한 이들 상각궤도는 입자 크기, 밀도, 분사속도에 달려있으며, 상각궤도의 형태와 범위는 다른 가변요소들 중에서 사용되는 파우더의 크기 분포에 달려 있다.

예를 들어 멧코 다이아몬드 젯(Metco Diamond Jet)의 초음속 불꽃 분사에 보여지듯이 축방향 반응물 분사는 열분사 토치들에 사용되었다.

하지만, 이들 분사토치들은 저용융점(일반적으로 약 1600℃이하)을 갖는 반응물로 제한되며, 그보다 큰 융용점을 갖는 물질은 분사할 수 없었다.

[발명의 상세한 설명]

본 발명의 목적은 특히 입자 반응물에 더욱 균일한 열을 공급할 수 있는 개선된 플라즈마 젯 토치를 제공하는 것이다.

광범위하게 본 발명은 축선을 중심으로 대칭적으로 정렬된 다수의 아크 형성 체임버, 그 아크 형성 체임버 안의 제1아크형성 전극, 상기 각 체임버에 있는 제1전극과 협동해 각 체임버에 아크를 형성하는 공통전극, 그 공통전극을 통과하며 수렴지역에 수렴하여 상기 축선을 따라 연장하는 단일 플라즈마 노즐 통로로 이어지는 플라즈마 통로들, 및 상기 수렴지역에서 상기 플라즈마 노즐 통로와 공축으로 개방되 반응물을 상기 플라즈마 노즐로 거의 축방향으로, 그리고 상기 플라즈마 노즐 통로에 형성된 플라즈마 젯의 이동 방향으로 분사되게 하는 반응물 공급 통로로 형성된다.

바람직하게, 각 상기 아크 형성 체임버는 다른 상기 아크 형성 체임버와 자기적으로 차폐되며, 열을 보유하고 아크가 상기 제1아크 형성 전극에 인접한 그것의 체임버벽으로 발생하지 않게 방지하도록, 즉 각 체임버의 상기 공통전극과 각 상기 제1전극사이에 아크발생이 훨씬 더 잘 이루어지도록 절연된다.

바람직하게 각 체임버들의 종축선은 상기 축선에 거의 평행하게 된다.

바람직하게 냉각 통로들은 상기 체임버와 상기 통로들을 냉각시키도록 상기 토치에 제공되게 된다.

바람직하게 상기 제1전극은 아크거리(아크 길이)가 조정되도록 상기 공통 전극과 관련해 이동될 수 있으며, 더욱 바람직하게 각 제1전극은 상기 공통전극과 관련해 개별적으로 조정가능하게 된다.

전극들에 가해지는 전력을 조절할 수단이 제공되는게 바람직하며, 그것은 각 상기 제1전극의 전력을 개별적으로 조절할 수단을 포함하는게 바람직하다.

[도면의 간단한 설명]

또 다른 특징, 목적, 장점들이 아래 도면을 참조한 바람직한 실시예의 설명을 통해 분명해질 것이다.

제1도는 아크 형성 체임버들 중 하나를 도시하는, 토치를 절단한 부분 단면도.

제2도는 제1도의 선(2-2)을 따라 취한 단면도.

제3도는 제1도의 선(3-3)을 따라 취한 단면도.

제4도는 제1전극(캐소드)을 토치 몸체로 조절하는 개략도.

제5도는 본 발명과 함께 사용될 수 있는 제어 시스템의 개략도이다.

[바람직한 실시예의 설명]

제1도에 도시적으로 보여지듯이, 플라즈마 토치(10)는 적어도 부분적으로 열 및 전기 절연 물질로 형성되고 나사식 결합에 의해 같이 연결되는 다수의 상이한 이산 요소들을 포함하며 냉각재의 순환을 위한 다수의 냉각통로가 합체되어 있는 주 몸체 부분(12)을 갖는다.(냉각 통로의 정확한 배치등은 본 발명의 일부가 아니며 크게 변할 수 있으므로, 지칭은 하겠지만 냉각 통로의 정확한 상세상황을 자세히 설명하진 않을 것이다).

본 발명의 주 요소는 토치(10)의 종축선(16) 주위에 대칭적으로 위치되는 아크 형성 체임버(14)이다. 임의의 토치에는 다수의 체임버(14)가 제공될 수 있으며, 바람직하게는 3개이다. 하지만 원한다면 더 제공할 수도 있다.

각각의 체임버들(14)이 서로 같으므로, 하나의 체임버만을 설명할 것이다. 각각의 체임버들(14)에는 체임버의 종축선을 따라 나가는 중심 전극(18)이 제공되고, 바람직하게는 체임버의 벽들과 결합해 플라즈마 공급 인 렛(21)에 연결되는 환형 플라즈마 가스 통로(20) 부분을 형성한다. 전극(18)을 둘러싸는 통로(20)의 환형 부분은 나선형 통로로서 형성되어 전극(18) 하류의 플라즈마 가스를 접선 성분의 속도를 갖게 하고 체임버(14)의 벽을 따라 나선형으로 소용돌이 흐름을 형성되는 경향을 갖게할 수 있다.

체임버(14)의 내측 주변은 절연성 세라믹 라이너 슬리브(22)에 의해 형성되 체임버(14)에 열을 보류하고 체임버(14)의 벽과 전극(18) 사이에 아크가 발생하는 것을 방지한다. 바람직하게 절연성 슬리브(22)는 체임버(14)의 외면을 형성하는 원통형 슬리브(24)에 수축되어 끼워진다. 바람직하게 외측 슬리브(24)는 자기 차폐물을, 그런 차폐물이 각 체임버(14)안에서의 아크 수축을 안정화시키는 것을 돕도록, 제공하는 물질로 만들어질 수 있다.

각각의 아크 형성 체임버들(14)은 몸체(12)안의 실질적으로 원통적인 각 중공(26)내에 포함되고 그 중공(26)에 대해 이격되 각각의 체임버들(14)을 냉각시킬 냉각제(내각수)순환을 위한 원주방향으로 연장하는 환형 채널(28)을 제공한다.

체임버들(14)을 둘러싸는 토치(10)의 외측 표면은 토치 몸체(12)의 여러 요소들이 같이 연결되는 것을 돕는 슬리브(30)에 의해 형성된다.

각각의 체임버들(14)의 아우트렛 단부는 구리 애노드가 바람직한 공통 전극(32)에 의해 형성된다. 이 전극(32)에는 각각의 체임버들(14)의 축방향 단부를 형성하는 독립적인 중공(34)이 제공된다. 각각의 중공들(34)은 그것의 각 체임버(14)가 갖는 축선에 축방향으로 정렬되며 체임버(14) 면적, 즉 슬리브(22)의 내면에 의해 형성된 통로(20)의 단면적에 대응하는 단면적을 갖는다. 플라즈마 통로(36)는 각각의 중공들(34)로부터 바람직하게는 중공(34)의 종축선에서 시작하여 토치의 축선(16)을 향해 수렴되고 상기 다수 체임버 중 다른 체임버들(14)에서 시작된 통로와 수렴 지역(38)에서 교차하여 축선(16)을 따라 연장하는 단일 플라즈마 노즐 통로(40)로 이어진다.

각각의 체임버들(14)을 둘러싸는 냉각수 통로들(28)은 노즐(40)과 애노드(32)를 둘러싸는 환형 영역(42)으로 개방되어 있다.

축방향 반응물 통로(44)(예, 와이어)는 액체, 가스, 입자, 또는 고체 형태일 수 있는 공급되는 반응물을 노즐(40)과 그 안에 형성된 플라즈마 젯에 분사시키도록 토치(10)를 통해 제공된다. 이 통로(44)는 플라즈마 노즐 통로(40)로 연결되는 플라즈마 통로들 사이의 수렴지역(교차위치)(38)에서 통로(40)로 실질적으로 축방향으로 개방되어 있다.

각각의 체임버들(14)을 둘러싸는 통로들(28)을 통과하는 냉각수나 다른 냉각유는 영역들(42,46)에 공급되 전극(32)과 노즐(40) 외측을 냉각시키고 알려진 방식으로 토치를 통해 계속 순환된다.

제4도에 도시되듯이, 개별 체임버들(14)안의 모든 전극들(18)을 동시적으로 축방향 조절할 수 있는데 바람직하다. 이는 제4도에 도시되듯이 각각의 전극들(18)이 고정되어 있는 요크(52)에 연결된 포스트(50) 상에서 작동하는 적당한 구동 메카니즘(48)에 의해 이루어질 수 있다. 구동 메카니즘(48)은 도선(54)을 통해 수신된 신호들에 의해 자동 제어되 세 개의 전극(18)을 화살표(56)로 지시되는 대로 이동시킬 수 있다.

각각의 전극들(18)은 요크(52)와 관련해 이동되게 설치되며, 그것의 각 슬리브(58)에 각각 고정되는데, 그 위치는 요크(52)와 관련해 적당한 드라이브(60)에 의해 축방향으로 조정될 수 있다. 그들 드라이브(각 전극들(18)에 하나씩)는 도선(62)을 통해 전송된 신호들에 의해 제어되 그것의 각 전극(18)을 화살표(64)로 표시된 대로 이동시킨다.

제5도에 도시되듯이, 제어기(66)는 시스템의 동작을 제어하는데 사용될 수 있다.

제어기(66)는 전원 입력단(68), 전극들(18,32)의 총전력을 제어하는 주 제어부(70), 및 전극들(18) 하나하나의 전력을 각각 제어하는 개별 제어부(72A, 72B, 72C)를 갖는다. 소망된다면, 각각의 전극들의 전력 소비량을 약간 차이나게 할 수 있고, 그 전력은 가텍 될 수 있으며 개별 체임버들(14)의 동작이 약간 차이나는 것을 조정하는데 사용할 수 있다.

동작이 시작되면, 전극들(18)이 비교적 전극(32)에 가깝게 이동되고 전력이 공급되면서 플라즈마 가스가 통로(21)에 의해 도입되 플라즈마 가스 통로들(20)을 통과하며 각각의 체임버들(14)안에 있는 텅스텐 캐소드인 것이 바람직한 각 캐소드(18)와 구리 애노드인 것이 바람직한 공통 애노드(32) 사이에 아크가 점화된다. 그런 후 소망하는 전기 아크 길이(74)가 성립되도록 캐소드들(18)이 애노드(32)에서 멀리 축방향으로 이동되고 통로들(36)을 통해 주 통로 또는 젯 노즐(40)로 나가 플라즈마 젯을 형성하는 소망된 플라즈마를 형성한다. 반응물은 상기 젯이 공급되 반응물에 작용할 수 있도록 통로(44)를 통해 공급된다. 일반적으로 본 발명의 플라즈마 토치는 예를 들어 플라즈마 분사 파우더 합성, 파우더 스페리오데이션(powdwe spheriodation), 급속한 응고등을 위해 사용될 수 있다.

우량의 피복재나 파우더를 얻기 위한 최적의 동작 파라미터들은 특정 반응물 성분이 사용되는 경우 통상적인 방식으로 경험적으로 결정됨을 알 수 있다.

단재 3개의 채널(14)만이 예시되어 있지만, 소망된다면 그 이상도 사용될 수 있다. 그러나, 그것들은 축선(16)에 동심적이어야 하고 반응물 공급 통로(44)로부터의 인렛과 공축인 단일 노즐 통로(40)로 균일하게 수렴되어야 한다. 토치를 형성하기 위해 두 개의 체임버(14)만이 사용된다면, 수렴이 용이하도록 플라즈마 통로들(36)의 단면 형태를 특별하게 만드는게 바람직하게 된다. 예를 들어 통로들(36)의 단면은 실질적으로 D자 형태로 D자 형태의 직선 부분들과 실질적으로 평행하게 면하는 관계로 정렬되거나, C자 형태로 그 C자 형태의 단부들과 대향하는 관계로 정렬될 수 있다.

상기 설명에서 토치의 모든 체임버들(14)은 축선(16)을 중심으로 대칭적으로 정렬되며 축선(16)에 실질적으로 평행한 그들의 종축선을 갖는다. 소망된다면, 체임버들(14)의 종축선들이 축선(16)에 대해 예각으로 배향되고 전극(34)에 더욱 가깝게 서로 근접한다는 것을 알 수 있다. 즉, 그들의 축선이 축선(16)을 중심으로 형성된 가상 원추제 둘레에 이격되고 영역(38) 하류에서 축선(16)과 교차한다는 것을 알 수 있다.

Claims (9)

1. 축선(16)을 중심으로 대칭적으로 정렬된 다수의 아크 형성 체임버(14), 각 상기 아크 형성 체임버(14)안에 있는 제1아크 형성 전극(18), 상기 체임버들(14)안에 있는 각각의 상기 제1전극들(18)과 협동하여 각각의 상기 체임버들(14)에 아크를 형성하는 공동 전극(32), 상기 공통 전극(32)을 통해 각각의 상기 체임버들(14)로 개방되고 각각의 상기 체임버(14)에서 시작되 수렴지역(38)에서 서로를 향해 수렴된 후 상기 축선(16)을 따라 연장하는 단일 플라즈마 노즐 통로(40)로 각각 이어지는 플라즈마 통로(36), 및 상기 수렴지역(38)에서 상기 노즐 통로(40)의 단부로 축방향으로 개방되므로써 반응물을, 상기 플라즈마 노즐통로(40)로 거의 축방향으로, 그리고 체임버들(14)로부터 상기 플라즈마 통로들(36)을 통해 상기 플라즈마 노즐 통로(40)로 지나가는 플라즈마에 의해 상기 플라즈마 노즐 통로(40)에 형성된 플라즈마 젯의 이동방향으로 분사되게 하는 반응물 공급 통로(44)로 이루어지는 플라즈마 토치(10).
2. 제1항에 있어서, 각 상기 아크 형성 체임버(14)를 둘러싸는 자기차폐수단(24)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토치.
3. 제1항에 있어서, 아크가 상기 제1아크 형성 전극(18)으로부터 인접한 그것의 개별 상기 체임버벽으로 발생되는 것을 방지하는 경향이 있는 각 상기 체임버(14)를 위한 전기 절연 수단(22)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토치.
4. 제1항에 있어서, 각각의 상기 체임버들(14)은 그것의 종축선을 상기 축선(16)에 거의 평행하게 갖는 것을 특징으로 하는 토치.
5. 제3항에 있어서, 상기 체임버들(14)과 상기 통로들(36)을 냉각시키기 위하여 냉각 통로들(28)을 상기 토치에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토치.
6. 제5항에 있어서, 모든 상기 제1아크 형성 전극들(18)을 상기 공통 전극(32)과 관련해 동시적으로 이동시킬 수단(56)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토치.
7. 제6항에 있어서, 각 상기 제1아크 형성 전극(18)을 상기 공통 전극(32)과 관련해 개별적으로 조절하는 수단(64)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토치.
8. 제7항에 있어서, 각 상기 제1아크 형성 전극(18)의 전력을 개별적으로 조절하는 수단(72A, 72B, 72C)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토치.
9. 제1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수가 3인 것을 특징으로 하는 토치.