KR100253723B1 - 진공 분위기를 형성하여 전극의 내구성을 높인 고온 직류 플라즈마 토취 - Google Patents

Abstract

본 발명은 약 10,000℃ 전후의 고온을 필요로 하는 고온 소각로 등에 사용하는 직류 고온 플라즈마 토취(plasma torch)의 개량에 관한 것으로, 상세하게는 플라즈마 토취의 구조를 간단히 하여 제작이 쉽도록 하고, 또한 토취의 공기 공급구조를 특별하게 개량함으로써 플라즈마 토취내에 플라즈마 방전실(방전영역)을 진공챔버의 내부와 같은 (준)진공분위기로 형성하여 전극의 수명을 대폭 연장시킨 것이다. 이와 같이 (준)진공분위기로 형성하여 방전전극의 내구성을 높인 고온 직류 플라즈마 토취를 이용하여 직류 고온 플라즈마 소각로를 제작하면 폐타이어,폐유,폐합성수지 등을 포함하는 각종 고체 슬러지와 여러 가지의 유기용제들이 함유된 혼합폐기물, 함수율이 높은 염색폐수의 슬러지와 같은 각종 산업폐기물이나, 감염성 병원 적출물을 포함하는 병원성 폐기물, 방사성 폐기물, 난연성이나 불연성 폐기물 등을 약 10,000℃ 전후의 고온으로 소각이나 용융 처리함으로써 다이옥신이나 다른 유해한 휘발성 유기물(VOC)에 의한 공해 또는 2차 공해 유발없이 안전하면서 신속히 처리할 수 있다.

뿐만 아니라, 본 발명의 직류 플라즈마 토취를 이용하여 다이아몬드나 금속질화물을 절삭공구의 바이트에 코팅하여 바이트의 내 마모성을 크게 높일 수 있다.

Description

진공분위기를 형성하여 전극의 내구성을 높인 고온 직류 플라즈마 토취

본 발명은 약 10,000℃ 전후의 고온을 필요로 하는 고온 소각로등에 사용하는 직류 고온 플라즈마 토취(plasma torch)의 개량에 관한 것으로, 상세하게는 플라즈마 토취의 구조를 간단히 하여 제작이 쉽도록 하고, 또한 플라즈마 토취의 공기 공급구조를 특별히 개량하되 플라즈마 토취내에 플라즈마 방전실(방전영역)을 형성하여 진공챔버의 내부와 같은 준진공 분위기로 형성하여 전극의 수명을 대폭 연장시킨 것이다.

일반적으로 고전압이 인가되는 플라즈마 토취는 공기, 질소, 산소, 수소, 아르곤, 헬륨, 메탄, 프로판 가스를 비롯한 탄화수소등의 각종 아크 매체가스를 방전 전극 사이로 공급하면서 고전압을 인가하여 아크 방전시키면 아크가스에 의해 방전 에너지의 대부분이 열에너지로 변환되어 약 10,000℃ 전후의 고온을 얻을 수 있게된다.

한편, 직류 플라즈마 토취는 전극의 산화를 막기 위하여 헬륨이나 아르곤가스와 같은 비활성기체를 사용해야 하므로 매우 비경제적이다.

산화로 인한 전극의 마모를 방지하기 위하여 본 출원인(발명자)이 본 발명에 앞서 출원한 바 있는 특허 제96-39198호 "고주파 고온 플라즈마 토취"와 같이 무전극 고주파 유도방전을 이용할 수도 있으나, 고주파 전원과 고주파 전원이 인가되는 고주파 유도 플라즈마 토취 사이에 고주파 정합(high frequency matching)이 어렵고 비교적 효율이 낮아 고주파 유도 플라즈마 토취의 제작 및 사용에 어려운 점이 있다.

따라서, 본 발명은 본 출원인(발명자)이 본 발명에 앞서 출원한 바 있는 특허출원 제95-48170호 "직류 고온 플라즈마 소각로"에서 플라즈마 토취의 전극 산화마모를 강력하게 억제함으로 전극의 수명을 대폭적으로 연장시킴을 목적으로 한다.

현재 직류나 교류 고온 플라즈마 토취에서 가장 어려운 문제점은 방전전극이 고전압과 고열에 의해 쉽게 산화되어 마모된다는 점이다. 본 발명에서는 플라즈마 발생매질로 투입되는 공기의 흐름을 유도하여 실제로 양극과 음극의 두 전극에 의하여 고전압 아크방전이 발생되는 영역을 진공챔버의 내부와 같은 준진공 분위기로 만들어 줌으로써 헬륨이나 아르곤가스와 같은 비활성 가스를 아크매체로 사용할 수 있을 뿐 아니라 방전전극의 산화를 방지하여 수명을 대폭적으로 연장할 수 있도록한다.

즉, 가스 분사구로 방출되는 가스의 속도가 증가하면 증가할수록 방전영역의 압력은 감소하게 되며, 그 이유는 방전영역과 플라즈마 토취의 출구는 깔대기형상으로 구성되고, 방전영역은 깔대기의 하부구조를 하고 있기 때문에 가스의 분사구로부터 분출되는 가스가 외부로 확산되기 때문에 방전영역은 분출압력에 비례하여 그 압력이 당연히 감소하게되며, 이 때 방전 영역은 약 100㎜Hg로 대기압의 약 1/7 이하로 저하되기 때문에 (준)진공상태로 유지된다.

따라서, 상기와 같은 진공 분위기를 형성하여 방전전극의 내구성을 높인 고온 직류 플라즈마 토취를 이용하여 직류 고온 플라즈마 소각로를 제작하면 페타이어, 폐유,폐합성수지 등을 포함하는 각종 고체 슬러지와 여러 가지의 유기용제들이 함유된 혼합폐기물, 함수율이 높은 염색폐수의 슬러지와 같은 각종 산업폐기물이나, 감염성 병원 적출물을 포함하는 병원성 폐기물, 방사성 폐기물, 난연성이나 불연성 폐기물 등을 약 10,000℃ 전후의 고온으로 소각하거나 용융 처리함으로써 다이옥신이나 다른 유해한 휘발성 유기물(VOC)에 의한 공해 또는 2차 공해 유발없이 안전하면서 신속히 처리할 수 있다.

또한, 플라즈마 토취의 화구(火口)측을 음극으로 하고 화구의 반대 측이 양극으로 되게 역극성 방전전원을 공급하면 발생온도가 약 2,000℃ 이상 더욱 상승되어 플라즈마 토취의 온도가 약 12,000℃ 전후로 되므로 본 발명에서는 전극의 배치를 정극성보다 역극성으로 배치함이 바람직하며, 방전전극의 단부는 전하가 집중 분포될 수 있게 끝이 뾰족한 침 형상으로 형성하여 방전효율이 더욱 향상되게 함이 바람직하다.

제1도는 본 발명의 횡단면 구성도.

제2도는 본 발명의 평단면도.

제3도는 본 발명의 연결관 부분 단면도.

제4도 본 발명의 다른 실시예의 횡단면 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

CIT : 세라믹 절연튜브 AE : 양전극

OR1, OR2--오링 CE : 음전극

WCR1, WCR2, WCR3 : 수냉실 GSR : 가스공급실

IWT1, IWT2 : 급수관 OWT1, OWT2 : 출수관

GST : 가스공급관 CW : 냉각수

DZ : 방전영역(방전지역) F : 분사촛점

VT : 후육부 WB : 작업대

CT : 연결관 SV : 서보기구

T/C : 열전대 GI : 분사구

CN : 세라믹 절연 너트 CR : 코팅봉

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하고자 한다.

제1도는 본 발명의 종단면 구성도이고, 제2도는 본 발명의 평단면도 이고, 제3도는 본 발명의 연결관 부분 단면도로, 내열성과 절연성이 우수한 세라믹 튜브(CIT)의 중공부에 충분한 내구력을 가지면서 용융점, 열전도율, 산화 저항성, 전기 전도성 일함수 등이 높으면서 비용이 낮은 재질 이를테면 구리합금이나 텅스텐, 몰리브덴, 지르코늄, 또는 이들의 합금으로 구성된 봉형상의 양전극(anode : AE)을 끼워 전극의 마모정도에 따라 세라믹절연 튜브(CIT) 사이로 하강시킬 수 있도록 하고, 양전극(AE)의 상부 또는 적절한 위치에 내열성 오링(OR1)을 끼우고, 그 상부에 세라믹 절연 너트(CN)을 나사 결합하여 세라믹 절연튜브(CIT)와 양전극(AE) 사이에 기밀성을 유지하도록 함으로써 깔대기 형상의 방전영역(DZ)이 (준)진공상태로 유지되게 한다.

세라믹 절연 튜브(CIT)의 외측면에 음전극(CE)을 겸하는 내부 수냉실(WCR1)을 밀착시켜 빙둘러 설치하고, 내부 수냉실(WCR1)의 외측면에 아크가스 공급실(GSR)과 외부수냉실(WCR2)을 빙둘려 설치하고, 내부 수냉실(WCR1)의 상부에 급수관(IWT1)을 설치하고, 외부 수냉실(WCR2)의 상부에 출수관(OWT1)을 설치하고, 가스공급실(GSR)의 상부에도 가스 공급관(GST)을 설치한다.

한편, 수냉실(WCR1)(WCR2)의 상·하부는 밀폐시킴으로써 냉각수(CW)가 급수관(IWT1)과 출수관(OWT1)으로 순환 또는 유수하도록 하고, 가스 공급실(GSR)의 상부는 수냉실(WCR1)(WCR2)처럼 밀페시키고 하부는 좁아지게 개방시켜 가스 분사구( GI)를 빙둘러 형성함으로써 방전영역(DZ) 하부에 위치하는 분사촛점(F)으로 아크가스(G)가 모였다가 다시 확산 분사되게 한다.

상기에서 수냉실(WCR1)(WCR2)의 하부를 양전극(AE)의 가상중심선을 향하도록 적절한 각도를 절곡시켜 화구(火口)의 중심이 되는 가상중심선의 분사촛점(F)으로 아크가스(G)가 모였다가 다시 확산 분사되게 함으로써 양전극(AE)과 음전극(CE)에 의해 아크 방전이 발생되는 방전영역(DZ)은 준진공 상태가 되도록 한다.

즉, 가스의 분사구(GI)로 방출되는 가스 예컨대, 공기, 질소, 아르곤과 같은 가스의 속도가 증가하면 증가할수록 방전영역(DZ)의 압력은 감소하게 되며, 그 이유로는 방전영역과 토취의 출구는 깔대기형으로 되어 있고 방전영역은 깔대기의 하부 구조를 하고 있기 때문에 가스의 분사구로부터 분출되는 가스는 외부로 확산되기 때문에 방전영역은 분출압력에 비례하여 그 압력이 당연히 감소하게되며, 이 때 방전 영역은 약 100㎜Hg로 대기압의 약1/7이하로 저하되기 때문에 (주)진공상태로 유지된다.

이렇게 방전지역(DZ)을 (준)진공분위기로 형성하면 양전극(AE)과 음전극(CE)의 산화환원 작용으로 두 전극(AE)(CE)의 마모가 크게 억제되어 두 전극의 수명이 크게 연장된다.

본 발명에서 음전극(CE)이 되는 수냉실(WCR1)(WCR2)의 하부에는 후육부(VT)를 형성하여 다른 부위보다 다소 두껍게 형성함으로써 방전 고전압과 고온으로부터 충분히 견딜수 있게 한다.

양전극(AE)과 수냉실(WCR1)(WCR2)의 적당한 위치에는 단자를 각각 설치한 다음 직류나 맥류 또는 펄스성의 고전압(E)을 공급하여 두 전극(AE)(CE) 사이에 아크방전에 의한 약 10,000℃ 전후의 고열이 발생되게 하고, 외부 수냉실(WCR2)은 지면 (ER)에 접지시켜 고전압으로부터 작업자를 보호할 수 있게 한다.

상기에서 양전극(AE)으로 전원(E)의 양극(+)을 인가하고, 접지된 음전극(CE)으로 전원(E)의 음극(-)을 인가(역극성)하였으나, 반대로, 양전극(AE)으로 전원(E)의 음극(-)을 인가하고, 접지된 음전극(CE)으로 전원(E)의 양극(+)을 인가(정극성)하면 발생온도가 약 2,000℃ 낮아지므로 역극성으로 전원을 공급함이 바람직하다.

한편, 수냉실(WCR1)(WCR2)과 가스공급실(GSR)을 분리구성하는 금속관체 들은 양전극(AE) 처럼 충분한 내구력을 가지고 용융점, 열전도율, 산화 저항성, 전기 전도성 일함수 등이 높으면서 비용이 낮은 재질 이를테면 구리합금이나 텅스텐, 몰리브덴, 지르코늄, 또는 이들의 합금재질로 형성한다.

그리고, 역극성으로 전원을 공급할 경우 음전극(CE)의 재질은 구리합금 또는 스텐레스 강재를 사용할 수도 있다.

제4도는 본 발명 다른 실시 예의 횡단면 구성도로, 양전극(AE)의 길이방향 중앙으로 중공부를 형성한 다음 금속 코팅봉(CR)을 헐겁게 끼워 승강 시킬수 있게하고, 가스공급관(GST)으로 질소가스를 투입함으로써 불특정 피착제의 표면을 금속의 질화물과 같은 초경물질로 코팅할 수 있게 한 것이다.

그리고 만약 제4도에서 제1도의 양전극(AE)을 그대로 두고 가스공급관(GST)으로 메탄과 같은 탄화수소나 알코올, 아세톤 등을 공급하여 아크 방전시키면 절삭공구의 바이트와 같은 피착제(S)에 다이아몬드 박막을 코팅할 수 있게 된다.

즉, 봉 형상인 양전극(AE)의 길이방향 중앙으로 상하로 관통된 중공을 형성한 다음 금속 코팅봉(CR)을 헐겁게 끼워 하강 시킬수 있게 하고, 양전극(AE)과 코팅봉(CR)의 상부 또는 적당한 위치에 내열성 오링(OR2)을 끼워 기밀을 달성함으로써 방전영역(DZ)이 준진공 상태로 유지되게 한다.

상기에서 도면으로 도시하지는 않았으나 양전극(AE)과 코팅봉(CR) 사이에 내열성과 절연성이 우수한 또 다른 세라믹 절연튜브를 끼워 고전압(E)이 절연되게 함으로써 작업자의 안전을 확보할 수 있으며, 도시안된 전기적인 제어수단을 갖는 통상의 승강수단으로 마모도가 빠른 코팅봉(CR)의 하강(또는 상승)을 전기적으로 제어 할 수도 있을 것이다.

한편, 본 발명 플라즈마 토취의 화구(火口) 또는 분사촛점(F)의 직하부에 급수관(IWT2)과 수냉실(WCR3)과 출수관(OWT2)에 의해 냉각수(CW)로 수냉되는 작업대( WB)를 다소 이격 설치하여 코팅 대상물인 피착제(S)를 얹어 고온 프라즈마 불꽃으로 앞에서 언급한 바와 같이 다이아몬드나 금속 질화물과 같은 재질로 피착제(S)를 코팅할 수 있게 한다.

또한, 작업대(WB)의 하부에 작업대(WB)를 X축, Y축, Z축으로 정밀 운동시킬수 있는 통상의 서보기구(SV)를 설치하여 작업대(WB)를 전·후·좌·우 및 상·하 로 운동시킬수 있게 함으로써 피착제(S)의 위치를 적절히 이동시키면서 일정한 온도로 가열하여 치밀하고 균일하게 코팅처리할 수 있도록 하고, 작업대(WB)의 상부면에 온도를 계측하고 경보 및 제어할 수 있는 열전대(T/C)를 설치하여서 된 것으로, 이는 본 출원인(발명인)이 1997. 6. 21 특허출원한 "다이아몬드와 비산화물 세라믹 분말의 기상(氣相)합성 및 박막 코팅용 고주파 유도 프라즈마 토취"에 자세히 기술되어 있다.

상기의 경우 가스공급관(GST)으로 공급하는 가스는 질소, 산소, 수소, 아르곤 등을 공급할 수 있으며, 도시안된 가스봄베와 밸브, 모레큐러시브, 유량제어기( MFC) 등을 차례로 연결하여 반응가스를 적당한 양으로 전환시켜 공급할 수 있으며, 예컨데 가스공급관(GST)으로 공기 대신 질소가스를 공급하면서 코팅봉(CR)으로 알루미늄봉을 사요하고, 또한 서보기구로 작업대(WB)를 운동시키면 피착제(S)의 표면에 질화 알루미늄(A1N)이 균일하게 코팅된다.

미 설명 부호(FS1)은 불꽃심, (FS2)는 속불꽃, (FS3)은 바깥 불꽃이다.

이와 같이 구성하여서 된 본 발명은 도시안된 급수펌프와 급수관(IWT1)을 통하여 냉각수(CW)를 공급하면 냉각수(CW)가 내부 냉각실(WCR1)의 하부로 채워지고, 연결관(CT)을 통하여 외부 냉각실(WCR2)로 상승한 다음 출수관(OWT1)으로 배출되는 냉각 순환과정을 거치므로서 플라즈마 토취가 강제 수냉되며, 가스공급관(GST)으로 공기와 같은 아크매체 가스(G)를 공급하여 분사촛점(F)으로 분출시키고, 또한 양전극(AE)과 음전극(CE)으로 직류난 맥류 또는 펄스와 같은 고전압(E)을 인가하면 아크방전이 발생되고, 아크방전과 아크가스의 분출에 의해 화구로 약 10,000℃ 전후의 플라즈마 불꽃이 발생되므로, 이러한 고온을 필요로 하는 소각로나 금속강재의 용접, 절단, 표면처리, 융해 및 풀림을 포함한 금속작업 등 각종 산업현장에서 사용할 수 있게 된다.

본 발명에서 아크가스(G)가 양전극(AE)보다 훨씬 하향된 지점인 분사촛점(F)으로 분사되고, 오링(OR2)에 의해 양전극(AE)의 상부가 기밀 유지되므로 방전영역(DZ)은 준진공 상태로 되며, 고온의 불꽃도 양전극(AE)으로부터 다소 떨어진 분사 초점(F)에서 대부분 발생되므로 양전극(AE)과 음전극(CE)의 마모를 줄일 수 있어서, 그 수명을 대폭적으로 연장시킬 수 있으며, 양전극(AE)이 마모되는 경우 전기적인 제어수단을 갖는 통상의 승강수단으로 양전극(AE)을 마모된 길이만큼 하강시키면 될 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 플라즈마 방전영역의 분위기를 준진공 상태로 함으로써 전극의 수명이 크게 향상될 뿐 아니라 구조가 간단하여 제작이 쉽고, 무게와 제작경비가 절감되는 등의 효과가 있는 매우 유용한 발명이다.

Claims (3)

1. 수냉구조를 갖는 양전극과 음전극으로 전원(E)이 공급되는 직류 고온 플라즈마 토취에 있어서, 대향 양전극(AE)과 음전극(CE)의 앞부분으로 아크가스가 분사되게 함으로써 분사되는 아크가스의 후방에 위치하는 깔대기 모양의 방전영역(DZ)이 준진공 상태로 되어 양전극(AE)과 음전극(CE)의 마모를 크게 줄일 수 있도록 한 진공분위기를 형성하여 전극의 내구성을 높인 고온 직류 플라즈마 토취.
2. 수냉구조를 갖는 양전극과 음전극으로 전원(E)이 공급되는 직류 고온 플라즈마 토취에 있어서, 세라믹 절연 튜브(CIT)의 중공부에 양전극(AE)을 끼워 기밀 유지되게 설치하고, 세라믹 절연 튜브(CIT)의 외면에 급수관(IWT1)을 갖는 내부 수냉실(WCR1)과 가스 공급관(GST)을 갖는 가스 공급실(GSR)과 출수관(OWT1)을 갖는 외부 수냉실(WCR2)을 차례로 빙둘러 설치하고, 가스 공급실(GSR)의 분사구(GI)는 깔대기 모양의 방전영역(DZ)으로부터 이격된 전방지점(F)으로 향하도록하여 방전영역(DZ)을 준진공 분위기로 형성하고, 양전극(AE)과 음전극(CE)으로 직류나 맥류 또는 펄스성의 고전압(E)을 인가할 수 있게 한 진공분위기를 형성하여 전극의 내구성을 높인 고온 직류 플라즈마 토취.
3. 제2항에 있어서, 양전극(AE)의 길이방향 중앙부에 상하로 관통된 중공을 형성한 다음 금속 코팅봉(CR)을 하강시킬수 있게 헐겁게 끼우되 오링(OR2)으로 기밀유지시키고, 플라즈마 토취의 화구(火口) 부분에 수냉실(CW)을 갖는 작업대(WB)를 설치하여 피착제(S)를 얹을 수 있게 하고, 작업대(WB)의 하부에 작업대(WB)를 전·후·좌·우 및 상·하로 운동시키느 서보기구(SV)를 설치하고, 작업대(WB)의 상부면에 열전대(T/C)를 매입설치하여 피착제(S)를 고온으로 코팅할 수 있게 한 진공분위기를 형성하여 전극의 내구성을 높인 고온 직류 플라즈마 토취.

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