KR100204354B1 - 역극성 고온 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 10,000℃ 이상의 고온을 필요로 하는 금속가공장치나 소각로에 사용하는 고온 플라즈마 토치(plasma torch)에 관한 것으로, 상세하게는 전극을 나사식으로 체결 함으로서 전극의 마모정도에 따라 그 길이를 적질히 조정할 수 있게 하고, 또한 마모된 전극을 간편히 교체할 수 있도록 하며, 효율적으로 냉각시켜 수명을 연장시키고 능률은 향상되게 한 것이다.

Description

역극성 고온 플라즈마 토치

제1도는 본 발명의 정면도.

제2도는 본 발명의 횡단면도.

제3도는 본 발명 제1도의 A-A'선 단면도.

제4도는 본 발명 제1도의 B-B'선 단면도.

제5도는 본 발명 양전극의 다른 실시예 단면도.

제6도는 본 발명 음전극의 다른 실시예 단면도.

제7도는 본 발명 다른 실시예의 횡단면도.

제8도는 본 발명 양전극의 또 다른 실시예 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

가 : 플라트마 토치 2, 4, 6, 8 : 관체

10, 12 : 수냉실 14 : 가스실

16 : 전극실 18 : 가스 주입관

20 : 급수관 22 : 출수관

24 : 수로 26 : 냉각수

28 : 유통홈 30 : 열 전도관

32 : 중심공 34, 48 : 절연관체

36, 38 : 나사부 40, 42, 68 :음전극

44 : 방전실 46, 66 : 화구 (火口)

50, 60, 70 : 양전극 52 : 끝단부

54, 56 : 단자 58 : 전원

62 : 양전극의 선단부 64 : 양전극의 후단부

72 : 가스 주입구 74 : 용사봉( 溶射棒)

본 발명은 10,000℃ 이상의 고온을 필요로 하는 금속 가공장치나 소각로 등에 사용하는 고온 플라즈마 토치(plasma torch)에 관한 것으로 상세하게는 플라즈마 토치의 화구(火口) 측을 음극으로 하고, 화구 방대측이 양극이 되게 역극성으로 배치하여 표준 발생온도보다 약2.000℃ 이상 더욱 상승되게 한 것이다.

일반적으로 대립된 전극에 저전위 고전류의 전원을 인가하여 아크 방전(arc discharge)을 발생시키면 대립 전극사이에 플라즈마 아크(plasma arc)가 형성되며 방전 거리나 인가 전원에 따라 물론 달라지나 아크 발생단에는 10,000내지 16,000℃ 전후의 고밀도 열이 발생되므로, 이러한 열원을 이용하여 금속강재의 용접과 절단, 표면처리, 용해 및 풀림을 포함한 금속작업을 신속히 수행할 수 있고, 또한 폐타이어, 폐유, 폐 플라스틱 등을 포함하는 고체 슬래그나 여러 가지의 유기용재들이 섞인 혼합 폐기물이나 감염성 병원 적출물, 독성폐기물, 방사성폐기물 등 폐기물을 공해없이 완전 소각시켜 처리할 수 있는 고온 플라즈마 토치(plasma torch 또는 plasma heater)가 산업현장에 사용되고 있다.

상기 고온 플라즈마 토치는 전기 전도성의 플라즈마 아크 기둥이 저항선(발열수단)으로 사용되며, 아크 매체물로는 공기, 질소, 산소, 수소, 아르곤, 헬륨, 메탄, 프로판을 비롯한 탄화수소 등 거의 모든 가스를 적용할 수 있으며, 상기 아크 매체가스에 의해 전기 방전 에너지가 열에너지로 대부분 변환되어 약 10,000℃ 전후의 고열을 획득하 수 있게 된다.

그러나 상기와 같은 장점들은 많이 가짐에도 불구하고 플라즈마 토치가 용접이나 소각로와 같이 고온을 필요로 하는 장치들에 적용되지 못하는 저변에는 이 기술이 최신 기술이고 또한 효율성과 신뢰성이 낮음에 기인되는 바, 일예를 들어 플라즈마 히터를 이용하여 10,000℃ 이 상의 고열을 얻을 수는 있으나 연속 작업시 전극의 수명이 2-3시간 정도로 비교적 짧아서 잦은 교체가 요구됨도 한 요인으로 볼 수 있다.

한편, 플라즈마 아크를 이용하여 고용점 금속을 용해하는데 사용되는 플라즈마 마크 용해용 토치(plasma arc melting torch)가 국내 공개특허공보 제 94-13704호로 공개된바 있으나 플라즈마 토치의 화구(火口)측에 양극을 설치하고, 화구 반대측(토치의 내부)에 봉 형상의 음극을 설치한 것으로 정극성이므로 발생온도가 다소 낮은 편이어서 효율성이 낮은 편이다.

따라서, 본 발명은 고온 플라즈마 토치의 화구(火口)측을 음극으로 하고, 화구 반대측이 양극이 되게 역극성으로 배치하면 표준발생 온도보다 약 2,000℃이상 더욱 상승되므로 본 발명에서는 양전극과 음전극을 역극성으로 배치하여 효율을 향상시키도록 한다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1내지 제4도는 본 발명 플라즈마 토치(가)의 정면도 및 단면도로서, 구리 또는 구리합금으로 되고 열전도와 전기전도가 우수하고 충분한 내구력을 갖는 크고 작은 관체(2)(4)(6)(8)를 중첩되게 차례로 끼워 다중 관체화 하여 내, 외부 수냉실(10)(12)과 가스실(14)과 전극실(16)을 각 형성하고, 관체(2)(4)(6)(8)의 상부에 가스실(14)과 연결되는 가스(아크 매체가스)주입관(18) 및 내부 수냉실(10)과 연결되는 급수관(20) 및 수냉실(12)과 연결되는 출수관(22)각각 설치한다.

가스실(14)을 빙둘러 형성되는 수냉실(10)(12)은 내.외부로 이중 구조화 하되 내. 외부 수냉실(10)(12)의 하부는 수로(24)를 형성하여 급수관(20)으로 강제 주입되는 냉각수(26)가 내부 수냉실(10)로 유입되어 열을 흡수하면서 상기 수로(24)와 외부 수냉실(12)을 경유하여 출수관(22)으로 유도 배출되게 함으로서 단위 냉각면적을 크게 확장시켜 냉각효율이 향상되게 한다.

가스실(14)의 상.하부에는 길이방향 외면에 가스 유통홈(28)이 다수 형성된 열전도관(30)을 억지로 끼워 관체(2)(4)간의 간격을 유지하면서 방전과정에서 발생되는 고열이 수냉실(10)(12)로 전도되어 냉각되게 하고, 전극실(16)에는 전기 절연성을 띄면서 열 전도율이 우수하고 내열성을 갖는 재질 이를테면 세라믹과 같은 재질로 중심공(32)이 형성된 절연관체(34)를 억지로 끼워 설치한다.

외부관체(8)의 외면 상·하부에 나사부(36)(38)를 형성한 다음 구리 또는 구리합금으로 되고 열 전도율과 전기 전도율이 우수한 상.하 음전극(40)(42)을 나사 결합하여 수냉실(10)(12)의 상.하부 외면과 밀착 첩촉시켜 효율적인 수냉이 이루어지도록 한다.

하부 음전극(42)의 중앙에 방전실(44)과 하향 화구(46)를 형성하고, 상부 음전극(40)의 중앙에 나사공을 형성한 다음 전기 절연성을 띄면서 열 전도율이 우수하고 내열성을 갖는 재질 예컨데 세라믹 재질로 형성된 절연관체(48)를 나사결합하고, 상기 절연관체(48)의 중앙에 나사공을 형성한 다음 봉(棒)형태의 양전극(50)을 나사 결합하여 설치 높이나 마모정도에 따른 결합 높이를 적절히 조절할 수 있도록 한다.

상기에서 양전극(50)은 용융점, 열 전도율, 산화 저항성, 전기 전도성, 일함수 등이 높으면서 비용이 낮은 재질 이를테면 텅스텐이나 몰리브덴, 지르코늄 또는 이들의 합금으로 함이 바람직하며, 방전실(44)에 위치하는 양전극(50)의 선단 끝단부(52)는 첨예하게 가공하여 방전전하가 집중 분포되게 함으로서 효율을 향성시키고, 상부 음전극(40)과 양전극(50)의 일단에는 단자(54)(56)를 체결시켜 방전 전원(58)을 공급할 수 있도록 한다.

상기에서 바깥으로 노출되는 부분의 음전극(40)(42)과 양전극(50)의 외면 형상은 3각형 이상의 다각형으로 형성하여 회전기구 또는 체결기구를 이용하여 전극(40)(42)(50)간의 간극(방전거리)조정과 전극(40)(42)(50)교체를 위한 분리와 결합이 쉽도록 한다.

제 5도는 본 발명 양전극(50)의 다른 실시예 단면도로, 양전극(60)을 선.후단부(62)(64)로 분리, 결합할 수 있는 체결구조로 구성함으로서 방전열에 의한 석출과 마모 및 열 스트레스(열화)의 정도가 비교적 심한 양전극(60)의 선단부(62)를 쉽게 교체할 수 있도록 한 것이며, 부분 교체에 따른 비용절감과 수명 신장을 꾀할 수 있으며, 이러한 경우 선단부(62)는 용융점, 열 전도율, 산화 저항성, 전기 전도성, 일함수 등이 높으면서 비용이 낮은 재질 이를테면 텅스텐이나 몰리브덴, 지르코늄 또는 이들의 합금으로 하고, 후단부(64)는 음전극(40)(42)과 같이 열 전도율과 전기 전도율이 우수한 구리 또는 구리합금으로 형성할 수 있을 것이다.

제6도는 본 발명 하부 음전극(42)의 다른 실시예 단면도로, 상기 양전극의 선단부(62)처럼 방전열에 의한 석출과 마모 및 열 스트레스(열화)의 정도가 비교적 심한 화구(66) 부분을 체결식으로 교체할 수 있게 음전극(68)을 구성함으로서 이 역시 부분 교체에 따른 비용 절감과 수명 신장을 꾀할 수 있으며, 화구(66) 는 용융점, 열 전도율, 산화 저항성, 전기 전도성, 일함수 등이 높으면서 비용이 낮은 재질 이를테면 텅스텐이나 몰리브덴, 지르코늄 또는 이들의 합금으로 함이 바람직하다.

제7도는 본 발명 다른 실시예의 단면도로, 내부 수냉실(10)과 절연관체(34)사이에 위치하는 가스실(14)을 양전극(50)내에 대체 설치 할 수도 잇음을 도시 한 것이다.

즉, 내부 수냉실(10)과 절연관체(34)사이에 위치하는 가스실(14)과 열 전도관(30)을 삭제하는 대신 양전극(70)의 길이방향 중앙에 가스 주입구(72)를 형성하면 가스실(14)과 열 전도관(30)을 삭제할 수 있어서 구성이 간단하여 제작이 용이하고, 가스 주입저항과 제작경비를 줄일 수 있으며, 절연관체(34)가 내부 수냉실(10)에 직접 접촉되므로 냉각효율이 향상되는 잇점이 있다.

제8도는 본 발명 또 다른 실시예의 단면도로, 가스 주입구(72)내에 가스를 주입할 수 있게 가스 주입구(72)보다 다소 작은 직경의 금속 용사봉 (溶射棒:74)을 넣어 용융시키면서 금속, 목재, 세라믹, 합성수지 등의 각종 기재 표면상에 용사시켜 용사면을 형성할 수도 있음을 도시 한 것이다.

이와같이 구성하여서 된 본 발명은 금속강재의 용접과 절단, 표면처리, 용해, 풀림, 응의 금속작업이나 소각로와 같이 고온의 열원을 필요로 하는 장치들에 설치하여 사용하는 것으로, 도시하지 않은 급수펌프 및 물 공급원을 통하여 급수관(20)으로 냉각수를 강제 급수하고, 단자(54)(56)를 통하여 도전성을 갖는 음전극(40)(42)과 양전극(50)으로 전위가 낮고 전류가 높은 직류전원을 인가 공급하면 방전실(44)에 위치하는 음전극(42)과 양전극의 끝단부(52)사이에 아크 방전(arc discharge)에 의한 고열과 밝은 빛이 발생되며, 고은 플라즈마 토치의 화구(火口) 측에 음극을 설치하고, 토치의 내부이 화구의 반대측이 양극이 되도록 역극성으로 설치되므로 본 발명에 의한 발생온도가 표준발생 온도보다 약 2,000℃ 이상 더욱 상승되어 효율이 향상된다.

상기의 상태하에서 도시하지 않은 공기 압축펌프를 통하여 가스 주입관(18) 및 가스 주입구(72)로 아크 방전용 아크 매체가스(공기, 질소, 산소, 수소, 아르곤, 헬륨, 메탄, 프로판을 비롯한 탄화수소 등 거의 모든 가스)를 주입하고 또한 LNG, LPG 와 같은 점화용 활성가스를 순간적으로 소량 주입하면 유통홈(28)을 통하여 방전실(44)로 유입되면서 전극 사이에 파일럿 아크가 발생되며, 아크 방전에 의해 전극(42)(52) 사이에 발생되는 플라즈마 아크기둥이 점화되면서 방전실(44)에는 대략 16,000℃ 전후의 고밀도 열이 발생되며, 상기 고온은 계속 주입되는 아크가스의 압력에 의해 화구(46)(66)를 통하여 외부로 분출 방사되며, 상기 고밀도 열을 이용하여 금속가공이나 소각 등 소망의 목적을 달성하면 된다.

또한, 급수관(20)을 통하여 강제 순환되는 냉각수는 내부 수냉실(10)로 유입되어 열 전도관(30)의 열과 주변의 열을 흡수하면서 수로 (24)와 외부 수냉실(12)을 경유하여 출수관(22)으로 순환 배출되면, 수냉실(10)(12)은 열 발생원을 빙둘러 싸면서 내.외부로 이중 구조이므로 단위 냉각면적이 크게 확장시켜 냉각효율이 향상되며, 음전극(40)(42)은 수냉실(10)(12)에 넓은 평면적으로 밀착되어 있으므로 냉각이 효율적으로 이루어져 플라즈마 토치(가) 전체가 골고루 냉각된다.

본 발명에서 열화, 열스트레스에 의해 수명이 다한 전극 (42)(50)을 교체하고자 하는 경우 나사식으로 체결된 전극(42)(50) 및 양전극의 선단부(62)를 이완분리 한다음 새로운 전극을 역순으로 체결하면 전극의 교체가 비교적 쉽게 달성된다.

또한, 본 발명에서 열화, 열 스트레스에 의해 여타의 부분보다 마모도가 비교적 심한 음전극의 화구(66)와 양전극의 선단부(62)는 나사체결식으로 구성한 경우 부분적으로 교체할 수 있으므로 부분 교체에 따른 비용절감과 전체적인 수명연장을 꾀할 수 있다.

또한, 본 발명에서 출수관(22)으로 배출되는 온수는 난방용으로 활용할 수 있으며 재가열하는 경우 증기터빈을 구동시키는 발전용으로 활용할 수도 있을 것이며, 발전용으로 활용하는 경우 직류 플리즈마 토치(가)의 구동용 전원(58)으로 공급하고도 약 50% 이상의 전원이 남을것으로 예상되며, 여러 산업분야에 적용할 경우 그 효율은 약85-92%에 달할 것으로 예상된다.

본 발명에서 음전극(40)(42)과 관체(2)(4)(6)(8)는 도전성을 가지므로 단자(54)로 공급되는 전원이 하부 음전극(42)으로 고스란히 전달되며, 상부 음전극(40)과 전극실(16)에는 전기 절연관체(34)(48)가 결합되어 절연이 유지되므로 방전실(44)이외의 부분을 통한 불필요한 방전이 방지된다.

본 발명에서 전원(58)은 희망 온도에 따라 전류, 전압, 또는 전극간(42)(52)의 이격거리를 적절히 조정하여 달성할 수 있으며, 수냉실(10)(12)에는 도시안 된 수온 감지기(또는 수온감지 스위치) 및 수압 감지기를 각각 설치한 다음 감지 수온에 따라 급수펌프의 회전 속도가 제어되게 전기 회로를 구성함으로써 감지수온이 일정이상으로 상승되면 펌프량이 증가되고 그에 따라 냉각수의 유속은 빨라져 수냉실(10)(12)의 온도가 적정 이하의 온도로 유지될 수 있게 함이 바람직하다.

또한, 수냉실의 수압이나 수온이 위험수치 이상으로 상승되면 플라즈마 토치(가)로 공급되는 전원(58)이 신속히 차단되게 전기회로를 구성하여 플라즈마 토치(가)의 과열에 의한 폭발이나 융해를 방지토록하며, 또한 수냉실(10)(12)의 일단에 도시 안된 안전밸브를 각각 설치하여 폭발의 우려성을 제거하도록 함이 바람직하다.

이상에서와 같이 본 발명은 화구(火口)측을 음극으로 하고, 절연관체(34)에 끼워진 봉형태의 전극을 양극이 되게 역극성으로 배치함으로써 발생온도가 표준온도보다 약 2,000℃ 이상 더욱 상승되는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 열전도와 전기전도가 우수한 관체(2)(4)(6)(8)를 다중으로 끼워 수로(24)로 연결되는 내, 외부 수냉실(10)(12)과 가스실(14)과 전극실(16)을 각각 형성하고, 관체(2)(4)(6)(8)의 상부에 가스실(14)과 연결되는 가스(아크 매체가스) 주입관(18) 및 내부 수냉실(10)과 연결되는 급수관(20) 및 외부 수냉실(12)과 연결되는 출수관(22)을 각각 설치하고, 전극실(16)에 중심공(32)이 형성된 절연관체(34)를 설치하여서 된 고온 플라즈마 토치에 있어서, 가스실(14)에 가스 유통홈(28)이 다수 형성된 열전도관(30)을 억지로 끼워 설치하고, 관체(8)의 외면 상.하부에 열 전도와 전기 전도가 우수한 상.하 음전극(40)(42)을 나사결합 하고, 하부 음전극(42)의 중앙에 방전실(44)과 하향 화구(46)를 형성하고, 상부 음전극(40)의 중앙에 절연관체(48)를 나사결합하고, 절연관체(48)의 중앙에 봉형상의 양전극(50)을 나사 결합하여 플라즈마 토치의 화구(火口)측을 음극으로 하고 화구 반대측을 양극으로 되게 역극성으로 배치하여 표준발생온도 보다 약2,000℃ 이상 더욱 상승되게 함을 특징으로 하는 역극성 고온 플라즈마 토치.