KR100385415B1 - 폭발성 프라즈마를 이용한 가공 장치 및 가공 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기적인 장치에 의해 발생하는 순간적 폭발성 플라즈마의 힘에 의해 노즐내의 물 등의 액체를 분사시켜 대상물을 절단 또는 가공하는 워터제트 장치와 이 장치를 이용하는 절단 또는 가공 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전기 장치로부터의 순간적인 펄스 고전압 펄스 출력에 의해 전극간에 순간적 폭발성 플라즈마를 발생하게 하는 작용을 반복 연속적으로 진행하게 하는 장치 및 방법으로서, 고전압 펄스 발생기, 노즐내에 존재하는 전극과 노즐내의 액체의 역류를 방지하는 역류 방지 장치를 구비하는 것을 구성상의 특징으로 한다.

이러한 구성상의 특징으로 인하여 노즐까지의 액체가 종래 기술에 비하여 현저히 낮은 압력 상태 하에 있게 되어 고압용의 이송장치, 밸브 등이 필요 없게되며, 전기적인 폭발성 플라즈마에 의해 분사력이 생성되기 때문에, 종래의 펌프 식에 의한 분사력의 경우에 비하여 전력 소비가 크게 감소되며, 크기 및 무게를 대폭 축소 제작 가능하게 하고, 성능대비 제작 가격 역시 현저히 절감시킬 수 있는 워터제트 장치가 가능해 진다.

Description

폭발성 프라즈마를 이용한 가공 장치 및 가공 방법{A processing apparatus using explosive plasma and a method thereof}

본 발명은 고압의 펌프에서 나오는 고속 및 고압의 물 또는 액체를 이용하는절단 또는 가공 장치, 특히 고속/고압의 물을 이용하는 워터제트(water jet)장치에 관한 것이다.

워터제트 기술은 초창기에 러시아에서 석탄 채굴을 위해 사용된 후, 장비가 발달되고 이용분야가 확대되어 채굴분야 뿐만 아니라 토목 및 건설 분야의 각종 공법, 각종 산업에서의 무기/유기물의 박리 및 세정, 고체 재료의 절삭 가공, 콘크리트의 제거, 선박세척, 정밀 가공 분야에까지 널리 이용되게 되었으며, 특히 절단 기계 분야에 있어서는 워터제트를 이용한 절단기계는 모든 소재의 절단이 용이한 새로운 개념의 절단 기계로서 각광을 받아 왔다.

종래의 워터제트기계는 제1도에 도시된 바와 같이 물탱크(1), 물탱크(1)에서의 물을 고압수로 만들기 고압 펌프(2), 이 펌프(2)에서의 고압수의 흐름을 제어를 제어하기 위한 각종 밸브(3), 고압수의 이송을 위한 내압펌프(4), 이러한 각종밸브(3)과 내압펌프(4)등을 조정하기 위한 콘트롤러(5), 이 각종 밸브(3)에서의 고압수를 고압용 노즐(6)에 이송하기 위한 이송배관(7)로 구성되어 있다.

그런데, 이러한 종래 기술에 따른 워터제트 기계에서는 고압의 물을 발생시키기 위해서는 물탱크(1), 펌프(2), 밸브(3) 및 이송배관(7) 등의 제어를 위한 콘트롤러(5)를 포함한 제어기가 크고 복잡하며, 고압펌프(2), 내압펌프(4), 이송배관(7)등이 고압수를 처리해야 하기 때문에 이들 부품의 크기가 크며 고가이게 되며, 또한 절단시 280MPa 내지 400MPa 정도의 높은 수압이 필요하기 때문에 약40kw의 전기 에너지가 필요하게 되어 이러한 전기를 수용하기 위한 장치 역시 무척 크기가 크고 고가이게 됨으로써, 결국 전체 워터제트장치의 크기가 커져서 부피나 무게가 커지고 이 위터제트 장치의 이동이 용이하지 않고, 가격도 고가이며, 고압수의 제어가 용이하지 않았다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 단점을 개선하여, 부피나 무게가 적어 이동이 간편하고 가격이 저렴한 저 소비 전력형의 워터제트 장치를 제공하기 위하여, 고전압 펄스 플라즈마를 이용하여 고압수를 생성하는 워터제트 장치를 제공한다.

도 1은 종래기술에 따른 워터제트 장치

도 2는 본 발명에 따른 워터제트 장치의 구성도

도 3은 본 발명에 따른 노즐의 상세도

도 4은 본 발명에 따른 고전압 발생기의 실시예

도 5는 본 발명에 따른 고전압 펄스 발생기의 파형도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

9 : 물탱크 19: 펄스트랜스

12 : 이송배관 20: 직렬 고전압 정류치

13 : 고압용 노즐 21: 캐패시터

16: 고압용 전극 22: 펄스발생기

17: 역류방지 장치 24: 직렬리액터

본 발명의 개략적인 구성을 제2도를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 물탱크(9)와, 이 물탱크(9)에서의 물의 흐름을 제어하는 밸브(조절장치)(11)와, 이 밸브(11)에서 나오는 물을 고압용 노즐(13)에 공급하는 이송배관(12)와, 고전압을 발생하기 위한 고전압 펄스 발생기(8), 이 고전압 펄스 발생기(8), 밸브(11) 및 고압용 노즐(13)에 제어신호를 공급하는 제어장치(미도시)로 구성되어 있다.

또한 고압용 노즐(13)은 제3도에 도시된 바와 같이, 고전압 펄스 발생기(8)의 -전극과 접지가 연결되어 있는 노즐 몸체(14), 이송배관(12)에 연결되어 있는 배관(15), 고전압 펄스 발생기의 +전극에 연결되어 있는 고전압 전극(16), 노즐내부에 설치되어 고압수의 역류를 방지하는 역류방지 장치(17)로 구성되어 있다.

이렇게 제2, 3도와 같이 본 발명을 구성하면, 물탱크(9)의 물이 밸브(11) 및 이송배관(12)를 거쳐 고압용 노즐(13)에 도달되고, 이 노즐(13)의 고전압 전극(16)에는 고전압 펄스 발생기(8)에 의해 고전압 펄스가 인가되면서 순간적인 폭발성 플라즈마가 발생하고, 이 폭발성 플라즈마에 의해 물이 고속 고압력으로 노즐(13)의 끝단에서 분출되게 된다. 이러한 작용은 반복적인 고전압 펄스 출력에 의하여 연속적으로 이루어진다. 이때 고압수의 역류를 방지하는 역류 방지장치(17)은 고압수의 역류를 방지할 뿐만 아니라 고압수로 인하여 배관(15) 등에 가해지는 압력을 현저히 경감시키는 역할을 한다.

이제, 고전압 펄스 플라즈마를 생성할 수 있는 고전압 발생기(8)의 실시예를 제4도를 통해 살펴보도록 한다.

3상 교류전원(18)에서의 전원이 펄스트랜스(19)를 거쳐 직류 고전압 정류기(20), 직렬 리액터(24) 및 고전압 캐패시터(21), 펄스 스위치(22)를 지나서 고압용 노즐(13)에 인가 되게 된다.

제5도는 캐패시터(21)의 충전 및 방전(펄스 출력시) 전압파형(A)과 노즐에 인가되는 고전압 펄스의 전압 파형(B)과 노즐내의 전극에 플라즈마를 발생시키게 하는 노즐의 전류 파형(C)을 도시한 것이다.

먼저, 캐패시터(21)는 정류된 고전압으로 충전되게 된다. 이때, 캐패시터(21)는 직렬 리액터(24)로 인하여 서서히 충전하게 된다. 캐패시터(21)가 충전이 종료된 후, 펄스 스위치(22)를 도통시키면 노즐에는 순간적으로 고전압이 인가되게 되고, 노즐내의 전극간에는 강한 전계가 형성되며, 전기적 Break-down 이 일어나며, 충전된 캐패시터(21)로부터 큰 전류가 노즐로 유입되어 전극 사이로 흐르게 된다. 이 큰 전류는 전극 사이에서 강력한 폭발성 플라즈마를 발생시키고, 이폭발성 플라즈마로 인하여 노즐 내는 매우 급격히 수압이 증대되며, 결과적으로, 노즐의 끝단으로 고압 고속의 물이 분사되게 된다. 이때, 노즐내의 역류 방지 장치(17)는 노즐의 인입구로의 압력 전파를 차단시켜 물 공급 계통에 부담을 주지 않게 한다.이 플라즈마의 발생은 캐패시터가 방전되어 노즐내의 전극 전류가 작아지면서 중지하게 된다.

이러한 작용은 펄스 스위치(22)의 반복적인 단속에 의하여 연속 운전하게 된다. 이때, 고전압 펄스의 반복주기 주기 또는 펄스의 높이를 조절하면, 노즐로부터의 액체분사량 또는 분출력이 조절되게 된다,

이상과 같이 본 발명의 폭발성 플라즈마 작용에 의한 워터제트 장치는 역류방지 장치(17)를 갖춤으로써, 고압용 노즐(13)에서의 고압수가 역류하는 것이 방지되므로 이송배관(12), 밸브(11), 물탱크(9)로 가해지는 물의 압력이 약화되므로 이송배관, 밸브(11), 물탱크(9)가 종래 기술과 같이 고압용이어야 하는 필요성이 적어 부피나 무게가 작고 가격도 저렴하게 워터제트장치를 제공하는 것이 가능하고, 고압수를 생성하기 위하여 종래 기술과 같은 고압용 펌프(2, 4) 대신에 고전압 발생기를 사용하기 때문에, 전력소비도 적고 제어가 용이하게 된다.

위에서는 본 발명의 설명의 편의상 어느 정도 특정한 실시예의 형태로 기재하였으나, 이러한 기재 사항은 오직 실시 예로서 제시된 것이고, 당업자라면 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고 본 발명과 유사한 효과를 가지는 다양한 변형이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 물 대신에 필요에 따라 다른 용액을 사용하는 것을 가능하게 되며, 절단장치 이외의 강력한 물 또는 용액의 분출력을 이용하는 다른 가공장치에도 이용이 가능하다.

본 발명에서는 종래 기술에 비하여 저압용의 밸브, 이송 배관 등을 사용하는 것이 가능하고 소비전력 역시 적기 때문에, 부피나 무게, 소비전력이 적어 이동이 용이하고 저가의 워터제트장치가 가능해진다.

Claims (10)

1. 전기적인 장치에 의해 노즐 내부에서 발생하는 폭발성 플라즈마에 의하여 노즐 내의 액체를 분사시킴으로서 대상물을 가공하는 가공장치에 있어서,

   상기 노즐 내부에 상기 액체의 역류를 방지하는 역류방지 장치가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 가공장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마는 폭발성 및 단속성의 고전압 펄스에 의해 발생하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 액체는 물인 것을 특징으로 하는 가공장치.
4. 삭제
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전기적인 장치는 전력소자에 의해 상기 플라즈마의 발생 시기를 제어하는 것을 특징으로 하는 가공장치.
6. 노즐에서 나오는 고압의 액체에 의해 대상물을 가공하는 방법에 있어서, 전기적인 장치에서 나오는 고전압 펄스에 의해 상기 노즐내에 폭발성 프라즈마가 발생하고, 상기 고전압 펄스의 반복 주기를 조절하여 상기 노즐로부터의 액체 분출량 또는 분출력을 제어하는 것을 특징으로하는 가공방법.
7. 노즐에서 나오는 고압의 액체에 의해 대상물을 가공하는 방법에 있어서, 전기적인 장치에서 나오는 고전압 펄스에 의해 상기 노즐 내의 폭발성 플라즈마가 발생하고, 상기 고전압 펄스의 크기를 조절하여 상기 노즐로부터의 액체 분출량 또는 분출력을 제어하는 것을 특징으로 하는 가공방법.
8. 전기적인 장치에 의해 노즐 내부에서 발생하는 폭발성 플라즈마에 의하여 액체를 분사시키는 가공방법에 있어서,

   상기 노즐 내부에 상기 액체의 역류를 방지하는 역류방지장치가 사용되는 것을 특징으로 하는 가공방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 액체는 물인 것을 특징으로 하는 가공방법.
10. 삭제