KR100493731B1 - 플라즈마 발생장치 - Google Patents

Abstract

동일한 플라즈마 토치를 일정한 각도로 유지하여 각 토치 상부전극에 서로 다른 전극을 인가하여 발생한 아크가 일정한 각도를 유지하면서 토치 노즐 외부에 안정되게 형성되어 플라즈마 불꽃의 크기를 증대시키고 고온의 아크가 토치 외부에 안정적으로 유지될 수 있는 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 아크가 "V" 형태로 존재함으로 이송형과 비이송형 토치의 특성을 모두 갖게 되고 플라즈마 불꽃의 크기, 즉 불꽃 반경이 동일한 출력에 토치에 비해 커지므로 대상 매체로의 열전달이 일어나는 고온의 플라즈마 불꽃 영역이 넓어지고 토치가 이루는 각도를 조절함으로써 플라즈마 불꽃의 형상을 조절할 수 있는 효과를 가진다.

Description

플라즈마 발생장치{A plasma generating apparatus}

본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동일한 플라즈마 토치를 일정한 각도로 유지하여 각 토치 상부전극에 서로 다른 전극을 인가하여 발생한 아크가 일정한 각도를 유지하면서 토치 노즐 외부에 안정되게 형성되어 플라즈마 불꽃의 크기를 증대시키고 고온의 아크가 토치 외부에 안정적으로 유지될 수 있는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

아크방전(arc)의 온도는 5,000∼20,000°K로 매우 높다. 아크방전을 노즐이나 가스 흐름으로 구속하면 열 피치 효과에 의해 더욱 높은 온도와 지향성을 얻을 수 있다. 이와 같은 열 플라즈마를 아크 플라즈마(arc plasma)라고 하고, 그 발생장치를 플라즈마 토치(plasma torch)라고 한다. 아크 플라즈마를 이용한 가열원은 아크 플라즈마 가열, 혹은 줄여서 플라즈마 가열이라고 한다. 또한 유도결합형 고주파 플라즈마 토치와 같이 아크방전 이외의 열 플라스마를 이용하는 것도 개발되고 있지만, 여기서는 아크방전을 이용한 플라즈마 가열로 한정하여 설명한다.

플라즈마 아크 토치는 고온, 고엔탈피 특성 때문에 통상적으로 유해폐기물처리, 플라즈마 용사, 다이아몬드 필름 형성, 고온 초전도 필름 형성, 금속가공 작업에 열원으로 사용된다. 플라즈마 가열의 최대 특징은 초고온을 쉽게 발생할 수 있다는 것이다. 따라서 고온이 필요한 프로세스에 도입하는 것이 중요하다. 또한, 플라즈마 가열은 깨끗한 가열원으로 가열환경을 제어할 수 있다는 점, 급속한 가열을 달성할 수 있다는 점, 배기가스가 적다는 점 등 여러 특징을 갖고 있으므로, 이들 특징을 살펴 프로세스에 도입하는 것도 중요하다. 플라즈마 발생열은 수 십만도에 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.

플라즈마 가열의 원리는 플라즈마 토치(torch)의 운전 형태에 따라 크게 나누어 가열 대상물에도 통전하고 고온의 아크 플라즈마로부터의 열 전달과 가열대상물 자신의 줄 발열을 이용하는 이송형(이행형) 플라즈마 토치와, 플라즈마 토치에서 분출되는 고온의 가스로부터의 열 전달만을 이용하는 비이송형(비이행형) 플라즈마 토치가 있다.

플라즈마 토치는 음전극과 양전극을 포함하며, 음전극과 양전극 사이에서 발생되는 전기적 아크로써 가스를 가열하여 플라즈마를 형성시킨다.

도 1a는 이송형 플라즈마 토치의 구성을 간략히 나타낸 예시도이다. 이송식 플라즈마 토치는 아크를 형성시키기 위한 전극중 하나가 토치 밖에 존재하는 형태를 말하며, 열효율이 비교적 높고 아크가 토치 외부까지 유지됨으로 열을 전달하고자 하는 대상물 근처에서 온도가 매우 높고, 토치와 토치외부에 있는 전극과의 거리를 조절함으로써 토치 운전전압을 임의로 조절할 수 있으므로 동등한 출력에서 저전류/고전압으로 운전할 수 있고, 가열 대상물을 전극으로 하므로 가열효율이 높다는 장점을 가지고 있다. 일반적으로 토치외부에 있는 전극을 용융된 금속성의 도체로 유지하여야 함으로 응용측면에서 대상 매체가 금속의 고체형 물질이어야 하는 제약이 있으며, 아크 플라즈마 안으로 이물질 등이 혼입되어 아크 플라즈마가 불안정하게 되는 경우가 있다. 이 때 전원전압을 충분히 확보하지 않으면 아크 플라즈마가 소호하는 경우가 있다.

도 1b는 비이송형 플라즈마 토치의 구성을 간략히 나타낸 예시도이다. 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 위한냉각수 통로가 설치되어 있다. 또한, 양전극의 내부에 자기장을 발생시켜 음전극에서 발생하여 양전극의 내주면에 랜딩하는 아크를 원주방향으로 회전, 분산시키는 자기장 발생수단이 양전극의 외측에 설치된다.

이러한 비이송식 플라즈마 토치는 아크를 형성시키는 전극이 모두 토치 내에 존재하는 형태로써, 플라즈마 토치 내에 통전경로가 존재하므로 외란의 영향을 받기 힘들다. 그러나 노즐에서의 냉각이 손실되기 때문에 에너지 손실이 커진다. 또한 이송형에서 가열효율이 높은 이유는 가열 대상물의 줄 가열과 함께 전극 부근에서는 전극강하 전압이 존재하고, 이 영역에서의 발열을 이용할 수 있기 때문이다. 또한, 가열 대상물을 양극으로 했을 경우, 양극으로 유입되는 전자의 에너지 등도 가열에 이용할 수 있다. 또한 양극의 가열효율은 가열장의 기체 물성의 영향을 받아 열전도율이 높은 기체를 선정하면 가열효율이 높아진다. 동시에 용탕 표면에서의 화학반응도 중요하며, 산화에너지를 가열에 이용할 수 있는 경우도 있다면, 반대로 화학반응에 의한 생성물이 전열을 저해하는 경우가 있다. 예를 들면 지르코늄을 용융한 경우, 산화나 질화에 의해 산화물이나 질화물의 피막이 생겨 열전달을 저하시킨다. 이송식 토치에 비해 열효율이 떨어지며 고온인 영역이 짧고, 고전류/저전압 운전 특성을 갖고, 전극의 마모 특히 노즐전극의 마모가 심각하여 연속적인 운전시간의 제한이 따른다. 그러나 비이송식 토치의 특성상 토치 불꽃을 통해 대상 매체로의 열전달이 일어나므로 대상 매체가 도체, 부도체 혹은 고체, 액체, 기체에 상관없이 적용 가능하다.

이와 같은 토치는 전극을 냉각하는 냉각채널을 포함하며 이 전극은 비이송형, 이송형 아크 방식으로 전극과 전극 사이에 아크를 지속시킨다. 냉각이 전극의 녹는 상태를 막아야 하는 것은 최소한의 조건이고 특히 노즐의 온도는 토치 내부 및 외부 플라즈마 제트의 특성에 중요한 변수가 된다. 일반적으로 노즐의 온도를 낮게 유지하여 플라즈마 칼럼의 외부영역의 가스의 이온화율과 전기전도도를 낮추게 하여 플라즈마 칼럼의 센터영역에 방전전류가 집중하게 되어 이 영역의 플라즈마 밀도, 온도, 전기전도도가 증가함은 물론 노즐 내부면에 차가운 가스의 스크린 효과에 의해 양극을 보호한다. 플라즈마 불꽃의 크기를 증가시키기 위해서는 일반적으로 토치 노즐크기를 증가시키는 방법이 있으나 적절한 고온영역의 불꽃크기를 유지하기 위해서는 플라즈마 가스량의 증가 및 출력의 증가가 필요하다.

본 발명은 고온의 플라즈마 아크가 토치 외부에서 안정적으로 유지될 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 출력의 증가 없이 플라즈마 불꽃의 크기와 영역을 증대시킬 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 플라즈마 불꽃의 형상을 조절할 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 음전극과 양전극 사이에서 발생되는 전기적 아크(arc)를 이용하여 유입되는 가스(gas)를 가열하여 플라즈마(Plasma)를 형성시키는 플라즈마 발생장치(Plasma Torch)에 있어서; 두 플라즈마 토치(torch)의 각 노즐(nozzle) 끝의 연장선이 교차되도록 서로 일정각을 이루며 경사지게 설치되고 각 상부전극(electrode)에 서로 다른 극성(polarity)의 전원을 인가할 때 각 상부전극 사이에 발생되어 노즐의 외부로 분출된 전기적 아크가 연결되어 가스를 가열하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 세부적 특징은 상기 두 플라즈마 토치(torch)는 30°내지 180°사이의 각(角을) 이루는 점이다.

본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 다른 세부적 특징은 상기 플라즈마 토치가, 서로 절연된 상부전극, 중간전극 및 노즐전극과, 상기 상부전극과 중간전극 사이에 초기 전기적 아크를 발생시키는 수단과, 상기 상부전극을 보호하기 위한 가스를 상부전극과 중간전극을 절연하기 위한 절연체를 관통하여 제공하기 위한 제1가스주입수단과, 상기 중간전극과 노즐전극 사이에 스팀(Steam)을 포함한 플라즈마 형성가스를 주입하는 제2가스주입수단을 포함하여 이루어지는 점이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 구성과 그에 따른 동작을 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 구성을 나타낸 예시도이다. 그 구성에서 알 수 있듯이, 이송형 또는 비이송형의 각 장점을 모두 나타낼 수 있게 된다. 앞에 언급한 이송형/비이송형 토치 각각의 장점을 모두 갖는 토치를 형상화하기 위해 특별히 고안된 동일한 토치를 두 플라즈마 토치(torch)의 각 노즐(nozzle) 끝의 연장선이 교차되도록 서로 일정각을 이루며 경사지게 설치하고 각 상부전극(electrode)에 서로 다른 극성(polarity)의 전원을 인가할 때 각 상부전극 사이에 발생되어 노즐의 외부로 분출된 전기적 아크가 도 2에서와 같이 연결되어 스팀(Steam)을 포함한 플라즈마 형성가스를 가열하도록 한다. 토치 각각의 상단에 있는 전극을 각각 음극, 양극의 극성을 갖도록 한다. 이로써 토치 각각의 상단에 있는 전극에 아크가 연결되어 토치 외부에 아크가 "V" 형태로 존재함으로 이송형과 비이송형 토치의 특성을 모두 갖게 되고 아크가 "V" 형태를 유지하고 있으므로 플라즈마 불꽃의 크기, 즉 불꽃 반경이 동일한 출력에 토치에 비해 커지므로 대상 매체로의 열전달이 일어나는 고온의 플라즈마 불꽃 영역이 넓어진다. 또한 토치가 이루는 각도를 조절함으로써 플라즈마 불꽃의 형상을 조절할 수 있다.

도 3은 도 2에서의 각 플라즈마 토치의 구성을 구체화한 "V"형 플라즈마 아크 토치의 측면도이다.

본 발명에 따른 "V"형 플라즈마 아크 토치는 동일한 형태의 두 개의 플라즈마 토치(A), (B)로 구성되어 있으며, 두 플라즈마 토치는 약 30°내지 180°정도의 각을 이루고 있다. 노즐전극을 고정하고 노즐전극 냉각을 위한 냉각채널(6)이 형성되어 있는 고정몸체(C)를 포함하여 이루어진다.

도 4는 도 3의 부분단면도로서 "V"형 플라즈마 토치의 노즐전극과 고정몸체를 제외한 토치 상부의 상세한 실시 예를 보인다. 플라즈마 토치(A),(B)는 음극 혹은 양극인 상부전극(1)과 중간전극(2) 및 노즐전극연결부(3)를 고정하면서 아크에 의한 강한 열에 의해 전극의 과열을 방지하기 위한 냉각채널(5),(6)들과 이들을 감싸면서 둘러싸고 있는 절연체(7),(8)로 구성된다. 상부전극(1)과 중간전극(2)은 초기방전을 일으키는데 필요한 교류전원을 인가할 수 있도록 도 4에 도시된 바와 같이 일정한 제1 공간(9)을 형성하면서 서로 떨어져 고정된다. 중간전극(2)과 노즐전극연결부(3)의 사이에는 적정량의 스팀(Steam)을 포함한 플라즈마 형성가스의 주입을 위해 제2 공간(10)이 형성된다.

아크가 발생, 유지되는 아크 쳄버(11)는 상부전극(1)과 중간전극(2), 노즐전극(4)으로 경계지어지며 형성되고, 상기 아크 쳄버(11)는 제1 공간(9)과 제2공간(10)을 포함하여 형성된다.

상부전극(1)과 중간전극(2)을 절연하기 위하여 상기 상부전극(1)과 중간전극(2)을 감싸면서 형성되는 절연체(7)의 안쪽에는 상부전극(1)을 적정온도로 유지시키기 위한 냉각수가 이동되는 냉각채널(5)이 형성되어 있다.

상기 냉각채널(5)으로 이동되는 냉각수의 원활한 유로 형성을 위해 소용돌이링(12)이 상부전극 후단부에 고정하여 냉각수가 상기 소용돌이링(12)에 의해서 원활하게 이동될 수 있도록 위치한다.

그리고, 상부전극(1)의 전단부에는 구리몸체에 고융점, 낮은 일함수 특성을 갖는 텅스텐, 하프늄, 지르코늄, 란탈늄, 토륨등의 합금으로 형성되어 상부전극(1)과 중간전극(2)사이에 초기 전기적 아크를 발생시키는 수단인 방사인서트(13)가 삽입되어 있다.

또한, 상부전극(1)의 전단부에는 소용돌이링(14)이 구비되어 절연체(7)를 관통하여 상부전극 보호가스주입구(15)를 거쳐 전달되는 상부전극 보호가스가 일정한 방향성을 갖도록 회전된다. 상부전극(1)과 제1 공간(9)만큼 떨어진 중간전극(2)의 냉각을 위해 냉각채널(5)을 통해 유입된 냉각수의 원활한 흐름을 위해 냉각채널(5)과 소용돌이링(16)이 형성되어 있으며, 냉각유로를 형성하는 원통(17)은 상기 중간전극(2)의 고정을 위해 위치하고, 상기 원통(17)의 상부에는 제2가스주입수단에 의해서 유입되며 플라즈마 형성가스로 사용되는 스팀(Steam)에 일정한 운동량을 가하는 소용돌이링(18)이 구비된다. 소용돌이링(18)은 노즐전극연결부(3)에 위치하며 플라즈마 가스로 사용되는 스팀(Steam)을 주입하는 주입관에 형성되어 있다. 중간전극(2)과 일정간격(제 2 공간)(10)만큼 이격되어 노즐전극연결부(3) 및 노즐전극(4)이 위치하고, 상기 노즐전극(4)의 외주부분에는 노즐전극(4)의 온도를 적정하게 유지시키기 위해 냉각채널(6)이 형성되어 있다. 상기 냉각채널(6)은 도 3에 도시된 바와 같이 토치가 일정 각도를 유지하도록 고정하는 고정몸체(C)에 위치한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 아크가 "V" 형태로 존재함으로 이송형과 비이송형 토치의 특성을 모두 갖게 되고 아크가 "V" 형태를 유지하고 있으므로 플라즈마 불꽃의 크기, 즉 불꽃 반경이 동일한 출력에 토치에 비해 커지므로 대상 매체로의 열전달이 일어나는 고온의 플라즈마 불꽃 영역이 넓어지고 토치가 이루는 각도를 조절함으로써 플라즈마 불꽃의 형상을 조절할 수 있는 효과를 가진다.

도 1a는 이송형 플라즈마 토치의 구성을 간략히 나타낸 예시도,

도 1b는 비이송형 플라즈마 토치의 구성을 간략히 나타낸 예시도,

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 특징을 나타낸 구성예시도,

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토치의 구성을 구체적으로 나타낸 예시도,

도 4은 도 3의 플라즈마 토치의 구성을 상세히 나타낸 단면도이다.

Claims (6)

1. 음전극과 양전극 사이에서 발생되는 전기적 아크(arc)를 이용하여 유입되는 가스(gas)를 가열하여 플라즈마(Plasma)를 형성시키는 플라즈마 발생장치(Plasma Torch)에 있어서;

   두 플라즈마 토치(torch)의 각 노즐(nozzle) 끝의 연장선이 교차되도록 서로 일정각을 이루며 경사지게 설치되고 각 상부전극(electrode)에 서로 다른 극성(polarity)의 전원을 인가할 때 각 상부전극 사이에 발생되어 노즐의 외부로 분출된 전기적 아크가 연결되어 가스를 가열하며,

   각 플라즈마 토치에 제공되는 가스(gas)는 스팀(steam)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 두 플라즈마 토치(torch)는 30°내지 180°사이의 각(角을) 이루는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
3. 삭제
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서; 상기 플라즈마 토치는,

   서로 절연된 상부전극, 중간전극 및 노즐전극과,

   상기 상부전극과 중간전극 사이에 초기 전기적 아크를 발생시키는 수단과,

   상기 상부전극을 보호하기 위한 가스를 상부전극과 중간전극을 절연하기 위한 절연체를 관통하여 제공하기 위한 제1가스주입수단과,

   상기 중간전극과 노즐전극 사이에 플라즈마 형성가스를 주입하는 제2가스주입수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
5. 제 4 항에 있어서; 제1, 제2가스주입수단은 각각,

   주입되는 가스가 일정한 방향성을 갖도록 회전시키기 위한 소용돌이링을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
6. 제 4 항에 있어서;

   두 플라즈마 토치가 일정한 각도를 유지할 수 있도록 고정하는 고정몸체가 구비되며, 상기 고정몸체에는 노즐전극의 온도를 적정하게 유지시키기 위한 냉각로가 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.