KR100232280B1 - 플라즈마 아크 토치 - Google Patents

Abstract

양전극의 구조와 형상을 개선하여 전극의 수명을 증대시킨 플라즈마 아크 토치에 관하여 개시된다. 개시된 플라즈마 아크 토치는: 원통형 케이스 내부의 일단에 설치된 음전극과, 케이스 내부의 타단에 설치된 원통형상의 양전극과, 음전극과 양전극 사이에 설치되어 초기방전을 일으키는 중간전극과, 상기 전극들을 냉각시키기 위해 전극들의 주위에 마련된 냉각수통로와, 양전극의 외측에 설치되어 양전극의 내부에 자기장을 발생시키는 자기장 발생수단을 포함하는 것으로, 음전극과 양전극 사이에서 발생되는 전기적 아크로써 가스를 가열하여 플라즈마를 형성시키는 플라즈마 아크 토치에 있어서; 양전극의 내주면을 따라 아크의 진행경로와 마주보도록 양전극의 중심축에 대해 소정각도 경사진 아크랜딩면이 형성된 것을 특징으로 한다. 여기에서, 상기 양전극은 상부양전극과 하부양전극 및 상부양전극의 하단부와 하부양전극의 상단부를 결합하는 인서트를 구비하며, 하부양전극의 내주면에 상기 아크랜딩면이 형성된 것이 바람직하다. 이에 따라, 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토치는 상부양전극과 하부양전극의 내경비를 용이하게 변경할 수 있게 되며, 고출력에서도 전극의 수명을 증대시키는 효과가 있다.

Description

플라즈마 아크 토치

본 발명은 음전극과 양전극 사이에서 발생되는 전기적 아크로써 가스를 가열하여 플라즈마를 형성시키는 플라즈마 아크 토치(PIasma arc torch)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양전극의 구조와 형상을 개선하여 전극의 수명을 증대시킨 플라즈마 아크 토치에 관한 것이다.

일반적으로 플라즈마 아크 토치는 음전극과 양전극을 포함하여, 음전극과 양전극 사이에서 발생되는 전기적 아크로써 가스를 가열하여 플라즈마를 형성시키는 장치이다. 플라즈마는 고온, 고엔탈피 특성을 가지므로 통상적으로 유해폐기물처리, 플라즈마 용사, 다이아몬드 필름 형성, 금속가공 등의 작업에 이용된다.

플라즈마는 본래 바다에 무한히 많이 존재하는 중수소를 이용하여 핵융합을 일으킬 목적으로 미국과 소련을 중심으로 많이 연구되어 오고 있었던 것으로서, 1970년대의 두차례에 걸친 에너지 파동 이후 각분야에서 에너지절약 방안의 하나로 전기에너지에서 열에너지로의 전환효율이 80% 이상에 달하는 플라즈마 프로세스가 각광을 받게 되었다. 플라즈마는 근접된 음전극과 양전극 사이에서 고주파에 의해 발생된 전기 아크의 국부적인 고열에 의하여 단원자 가스 Ar, He 등이 전리되어 형성되며, 보다 강한 전력을 사용하면 이원자 가스인 N₂, H₂, O₂가스가 해리되고 전리되어 플라즈마 상태로 된다.

플라즈마 발생열은 수십만도에 이르는 것도 있으나, 핵융합 목적 이외의 분야에 이용되는 것은 수천도에서 만도 이상에 이르며, 특히 금속 공업에 이용되는 플라즈마로는 5,000~10,000°K의 온도 범위가 많이 사용되고 있다.

이러한 특성을 가지는 종래의 플라즈마 아크 토치는 통상적으로 원통형 케이스의 내부에 음전극(Cathode)과 양전극(Anode)이 설치된다. 음전극은 상기 케이스 내부의 일단에 설치되며, 양전극은 원통형상을 가지고 상기 케이스의 내부에 설치된다. 상기 양전극은 노즐의 역할도 겸하게 되는데, 이때에는 상기 케이스의 타단, 즉 플라즈마 토출단까지 연장되어 설치된다. 또한, 상기 음전극과 양전극 사이에는 초기방전을 일으키는 중간전극이 설치되며, 음전극과 중간전극은 절연체로 절연되어 있다.

상기 음전극과 중간전극 사이에는 음전극을 보호하기 위해 음극보호가스가 주입되며, 중간전극과 양전극 사이에는 플라즈마를 형성하기 위한 플라즈마 가스가 주입된다. 그리고, 음전극, 중간전극 및 양전극 주위에는 이들을 냉각시키기 위한 냉각수 통로가 설치되어 있다. 또한, 양전극의 내부에 자기장을 발생시켜 음전극에서 발생하여 양전극의 내주면에 랜딩하는 아크를 원주방향으로 회전, 분산시키는 자기장 발생수단이 양전극의 외측에 설치된다.

그런데, 이상과 같은 구성을 가지는 플라즈마 아크 토치의 내부에서 발생되는 전기 아크 및 플라즈마의 온도는 수천도 이상의 고온이므로 특히, 노즐로 사용되는 양전극은 아크와 플라즈마에 의해 용손 내지 마모된다. 이에 따라, 일반적으로 양전극의 노즐 부분을 강제 순환식에 의해 수냉시킴으로써 전극의 소모를 줄이는 방법이 사용된다. 그러나 양전극은 수냉시킴에도 불구하고 국부에 집중된 아크에 의해 용손되거나 마모되어, 작업을 중지하고 소모된 전극을 교체하여야 하는 문제점이 있다. 따라서, 공업적으로 장시간 혹은 연속조업에 플라즈마 아크 토치를 사용할 경우에는 우수한 냉각 작용이 요구됨과 아울러 노즐로 사용되는 양전극의 수명을 증대시키는 방안이 강구될 필요가 있게 된다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술에 의한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 노즐로 사용되는 양전극의 구조와 형상을 개선하여 전극의 수명을 증대시킨 플라즈마 아크 토치를 제공하는 것이다.

제1도는 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토치의 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 케이스 20 : 음전극

21 : 음극보호가스 통로 30 : 중간전극

31 : 냉각수 통로 32 : 플라즈마 가스 통로

41 : 상부양전극 42 : 인서트

43 : 하부양전극 44 : 아크랜딩면

45 : 양극냉각수 통로 46 : 냉각수 회수로

50 : 솔레노이드 코일 60 : 스페이서

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토치는: 원통형 케이스 내부의 일단에 설치된 음전극과, 상기 케이스 내부의 타단에 설치된 원통형상의 양전극과, 상기 음전극과 상기 양전극 사이에 설치되어 초기방전을 일으키는 중간전극과, 상기 전극들을 냉각시키기 위해 상기 전극들의 주위에 마련된 냉각수 통로와, 상기 양전극의 외측에 설치되어 상기 양전극의 내부에 자기장을 발생시키는 자기장 발생수단을 포함하는 것으로, 상기 음전극과 상기 양전극 사이에서 발생되는 전기적 아크로써 가스를 가열하여 플라즈마를 형성시키는 플라즈마 아크 토치에 있어서; 상기 양전극의 내주면을 따라 상기 아크의 진행경로와 마주보도록 상기 양전극의 중심축에 대해 소정각도 경사진 아크랜딩면이 형성된 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 양전극은 상부양전극과 하부양전극 및 상기 상부양전극의 하단부와 상기 하부양전극의 상단부를 결합하는 인서트를 구비하며, 상기 하부양전극의 내주면에 상기 아크랜딩면이 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 자기장 발생수단은 솔레노이드 코일이며, 상기 솔레노이드 코일은 상기 하부양전극의 외측에 설치된 것이 바람직하고, 상기 상부양전극의 내경보다 상기 하부양전극의 내경이 큰 것이 바람직하다.

따라서, 상부양전극과 하부양전극의 내경비를 용이하게 변경할 수 있게 되며, 아크에 의한 전극의 용손이 축방향으로 유도되어 고출력에서도 전극의 수명을 증대시키게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

제1도에 따르면 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토치는 원통형의 케이스(10) 내부에 음전극(20)과 중간전극(30)과 양전극(41, 42, 43) 및 상기 전극들을 냉각시키기 위한 냉각수 계통(31, 45, 46)과 솔레노이드 코일(50)을 포함한다.

상기 음전극(20)은 상기 양전극과의 사이에 아크를 발생시키는 역할을 하는 것으로 상기 케이스(10) 내부의 상단부에 설치된다. 음전극(20)은 냉각수에 의해 적정 온도로 유지되며, 그 주위에 설치된 음극보호가스 통로(21)를 통해 공급되는 음극보호가스에 의해 보호된다.

상기 중간전극(30)은 상기 음전극(20)의 하부에 설치되며, 그 사이에는 절연체가 설치된다. 상기 중간전극(30)은 상기 음전극(20)과 초기방전을 일으키는데 필요한 교류전원을 인가할 수 있도록 소정 간격 떨어져 있다. 상기 소정 간격 떨어져 형성된 틈을 통해 상기 음극보호가스가 공급된다. 또한, 상기 중간전극(30)을 적정온도로 냉각시키기 위한 냉각수 통로(31)가 설치된다.

본 발명에서는 상기 양전극(41, 42, 43)이 상부양전극(41)과 하부양전극(43) 및 그 두 부분을 결합하는 인서트(42)로 구분되어 있다.

상기 상부양전극(41)은 원통형상을 가지고 있으며, 상기 중간전극(30)의 하부에 설치되고, 그 사이에 플라즈마 가스를 주입하기 위한 틈을 형성하도록 소정의 간격을 두고 떨어져 있다. 상기 틈은 플라즈마 가스 통로(32)와 연결된다.

상기 인서트(42)는 링 형상을 가지는 것으로 상기 상부양전극(41)과 하부양전극(43)을 결합하는 역할을 한다. 즉, 상기 상부양전극(41)의 외측 하단부 모서리에는 외주면을 따라 소정의 폭과 깊이를 갖는 단차부가 형성되고, 후술하는 하부양전극(43)의 내측 상단부 모서리에도 내주면을 따라 소정의 폭과 깊이를 갖는 단차부가 형성된다. 이와 같이 상부양전극(41)과 하부양전극(43)에 각각 형성된 상기 단차부는 서로 대향하고 있으며 그 사이에 상기 인서트(42)가 삽입되어 상부양전극(41)과 하부양전극(43)을 결합하게 된다. 여기에서 상기 인서트(42)가 상부양전극(41)과 하부양전극(43)을 결합하는 형태는 후술하는 효과를 나타낼 수 있으면 다른 적절한 형태로 변경될 수 있다.

따라서, 양전극의 마모에 의해 교체가 필요할 시에는 양전극의 전체를 교체할 필요 없이 주로 아크에 의한 마모가 일어나는 하부양전극(43)만을 교체하면 되므로, 그 비용 및 시간이 절약되는 효과가 있다. 또한, 인서트(42)의 크기 변경에 따라 하부양전극(43)의 크기도 쉽게 변경시킬 수 있으므로, 상부양전극(41)과 하부양전극(43)의 내경비를 적정한 비율로 용이하게 조정할 수 있게 된다.

상기 하부양전극(43)은 원통형상을 가지며, 상술한 바와 같이 상기 인서트(42)에 그 상부가 결합되고, 그 하부는 플라즈마 아크 토치의 선단부, 즉 플라즈마 토출단에 위치하여 노즐 역할을 하게 된다. 이러한 하부양전극(43)의 내주면에는 상기 음전극(20)에서 발생한 아크가 랜딩하는 스폿(Spot)이 형성된다. 상기 아크는 하부양전극(43)의 내주면의 일정 부위에 집중하여 스폿을 형성하게 되므로, 그 부분의 하부양전극은 반경방향으로 계속하여 마모가 진행되어 그 수명을 단축시키는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 감소시키기 위해 하부양전극(43)의 외측에는 자기장 발생수단으로서 주로 솔레노이드 코일(50)이 설치된다. 상기 솔레노이드 코일(50)은 하부양전극(43)의 내부에 자기장을 발생시켜 하부양전극(43)의 내면에 랜딩하는 아크를 원주방향으로 회전, 분산시키는 역할을 함으로써 상기 아크의 스폿이 집중되는 현상을 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 상술한 문제점을 감소시키기 위해 하부양전극(43)의 내주면을 따라 상기 아크의 진행경로와 마주보도록 하부양전극(43)의 중심축에 대해 소정각도 경사진 아크랜딩면(44)이 형성된다. 상기 아크랜딩면(44)은 경사면으로 되어 있으며, 하부양전극(43)의 높이 방향으로 대략 중간 부위에 위치한다. 상기 하부양전극(43)은 아크랜딩면(44)을 기준으로 윗부분은 보다 큰 내경을 가지고, 아랫부분은 보다 작은 내경을 가지게 되어 2단의 내경을 가진 원통형상으로 된다. 따라서, 하부양전극(43)의 아랫부분이 윗부분보다 두꺼운 형상이 된다. 이때, 하부양전극(43)의 아랫부분 내경은 상기 상부양전극(41)의 내경보다 큰 것이 하부양전극(43)이 노즐 역할을 함에 있어서 바람직하다.

상기 아크랜딩면(44)이 형성되는 위치는 상술한 바와 같이 하부양전극(43)의 대략 중간높이 부위로 아크의 스폿이 집중되는 곳이다. 음전극(20)과 하부양전극(43)에 의해 발생한 아크는 상기 솔레노이드 코일(50)에 의해 하부양전극(43)의 내주면을 따라 원주방향으로 회전, 분산하게 되나, 그 부위도 상기 내주면을 따라 형성된 띠 모양을 갖게 되므로 다른 부위에 비해 반경방향의 마모가 심하게 된다. 따라서 이부분에 상술한 바와 같이 상기 내주면을 따라 아크랜딩면(44)이 형성되면 반경방향의 마모 진행을 감소할 수 있게 된다. 즉, 상기 아크랜딩면(44)에 의해 아크의 스폿을 축방향(즉, 아랫방향)으로 유도하게 되면, 상기 아크랜딩면(44)에서 발생되는 마모는 반경방향 뿐만 아니라 축방향으로 유도된다. 따라서, 양전극의 수명에 직접 영향을 주는 반경방향의 마모가 감소되어 전체적으로 양전극의 수명을 향상시킬 수 있게 된다.

이러한 구조를 갖는 상기 양전극(41, 42, 43)은 그 수명을 증대시키고, 플라즈마의 특성을 향상시키기 위해 온도를 낮게 유지할 필요가 있게 되어, 그 외주면에는 양극냉각수 통로(45)가 설치된다. 냉각수는 상기 양극냉각수 통로(45)를 통해 공급되어 양전극(41, 42, 43)을 냉각시키고, 상기 케이스(10)의 내측면에 마련된 냉각수 회수로(46)를 통해 회수된다.

또한, 상기 양극냉각수 통로(45)와 상기 케이스(10)의 사이 공간에는 비중이 적고 열전도율이 높은 스페이서(Spacer, 60)가 설치되어 냉각수 통로와 회수로의 보호 및 케이스(10)의 형태를 유지시킨다.

첨부된 참조 도면에 의해 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 단지 일 실시예에 불과하다. 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 바람직한 실시예를 충분히 이해하여 유사한 형태의 플라즈마 아크 토치를 구현할 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서는 상,하부로 분리된 양전극중 하부양전극의 내주면에 형성된 아크랜딩면을 특징으로 하나, 상기 아크랜딩면은 종래의 일체형의 양전극에도 적용될 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 본 발명의 기술적 사상에 의한 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토치는 노즐로 사용되는 양전극의 구조와 형상을 개선함으로써 상부양전극과 하부양전극의 내경비를 용이하게 변경할 수 있게 되며, 양전극의 마모시 쉽게 교체가 가능하고, 아크에 의한 전극의 마모가 축방향으로 유도되어 고출력에서도 전극의 수명을 증대시키는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 원통형 케이스(10) 내부의 일단에 설치된 음전극(20)과, 상기 케이스(10) 내부의 타단에 설치된 원통형상의 양전극(41, 42, 43)과, 상기 음전극(20)과 상기 양전극(41, 42, 43) 사이에 설치되어 초기방전을 일으키는 중간전극(30)과, 상기 전극들을 냉각시키기 위해 상기 전극들의 주위에 마련된 냉각수 통로(31, 45, 46)와, 상기 양전극(41, 42, 43)의 외측에 설치되어 상기 양전극(41, 42, 43)의 내부에 자기장을 발생시키는 자기장 발생수단을 포함하는 것으로, 상기 음전극(20)과 상기 양전극(41, 42, 43) 사이에서 발생되는 전기적 아크로써 가스를 가열하여 플라즈마를 형성시키는 플라즈마 아크 토치에 있어서; 상기 양전극(41, 42, 43)은 상부양전극(41)과 하부양전극(43) 및 상기 상부양전극(41)의 하단부와 상기 하부양전극(43)의 상단부를 결합하는 인서트(42)를 구비하며, 상기 하부양전극(43)의 내주면을 따라 상기 아크의 진행경로와 마주보도록 상기 하부양전극(43)의 중심축에 대해 소정각도 경사진 아크랜딩면(44)이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
2. 제1항에 있어서, 상기 자기장 발생수단은 솔레노이드 코일(50)이며, 상기 솔레노이드 코일(50)은 상기 하부양전극(43)의 외측에 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
3. 제1항에 있어서, 상기 상부양전극(41)의 내경보다 상기 하부양전극(43)의 내경이 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.

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