KR100633376B1 - 플라즈마 아크 토오치의 양전극 - Google Patents

플라즈마 아크 토오치의 양전극 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 아크 토오치(Plasma Arc Torch)의 양전극에 관한 것으로서, 화염 통로를 형성하는 양전극의 내경을 화염의 출구방향쪽으로 확장시킴으로써, 플라즈마 아크 토오치의 작동전류를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 작동전류와 전압의 변동을 줄이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 플라즈마 아크 토오치의 양전극은, 음전극(160)과 함께 전기 아크를 발생시켜 가스 또는 공기를 가열함으로써 플라즈마 상태로 만들어 토출시키게 되며, 노즐형 구조로 형성되고, 상기 양전극(170)의 화염 통로를 형성하는 내경(172)이 화염의 출구방향 쪽으로 갈수록 커지도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 상기 양전극(170)의 내경(172)은, 2∼10도의 기울기(a)로 화염의 출구방향쪽으로 확장되는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 상기 양전극이, 아크의 국부적인 고열에 의해 용손 또는 마모되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
플라즈마, 토오치, 아크, 음전극, 양전극, 전극, 노즐

Description

플라즈마 아크 토오치의 양전극 {ANODE OF PLASMA ARC TORCH}
도 1은, 본 발명에 따른 양전극이 적용된 플라즈마 아크 토오치(Plasma Arc Torch)를 나타내는 종단면도이다.
도 2는, 음전극을 나타내는 종단면도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토오치의 양전극을 나타내는 종단면도이다.
도 4는, 본 발명에 따른 양전극이 적용된 플라즈마 아크 토오치의 동작시, 전류-전압 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 5는, 본 발명에 따른 양전극이 적용된 플라즈마 아크 토오치의 동작시, 시간에 따른 전류 및 전압 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 6은, 종래 양전극을 나타내는 종단면도이다.
도 7은, 종래 양전극이 적용된 플라즈마 아크 토오치의 동작시, 시간에 따른 전류 및 전압 곡선을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
160 : 음전극, 170 : 양전극,
172 : 양전극의 내경.
본 발명은 플라즈마 아크 토오치(Plasma Arc Torch)의 양전극에 관한 것으로서, 특히 화염 통로를 형성하는 양전극의 내경을 화염의 출구방향쪽으로 확장시킴으로써, 플라즈마 아크 토오치의 작동전류를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 작동전류와 전압의 변동을 작게 할 수 있는 플라즈마 아크 토오치의 양전극에 관한 것이다.
플라즈마 관련기술은 본래 바다에 무한히 많이 존재하는 중수소를 이용하여 핵융합을 일으킬 목적으로 계속 연구되어 오고 있고, 과거, 그리고 현재 몇차례의 에너지 파동을 겪으면서, 각 분야에서 에너지 절약 방안의 하나로 전기에너지로부터 열에너지로의 전환효율이 80% 이상에 달하는 플라즈마 프로세스가 각광을 받게 되었다.
플라즈마는, 서로 근접하는 음전극과 양전극 사이에서 고주파에 의해 발생된 전기 아크의 국부적인 고열에 의하여 아르곤, 헬륨 등의 단원자 가스가 전리되어 형성된다. 보다 강한 전력을 사용하면, 질소, 수소, 산소 등의 이원자 가스가 해리 및 전리되어 플라즈마 상태로 될 수 있다. 근래에는, 산화, 환원(탈산) 등의 화학반응을 동반하지 않고, 단지 고열만을 발생시켜 폐광석 용융 등에만 사용하기 위해 공기를 플라즈마 가스로 사용하는 기술이 제안되고 있다.
플라즈마 발생열은 수십만도에 이르는 경우도 있으나, 핵융합 목적 이외의 분야에 이용되는 것은 수천도에서 수만도 정도에 이르며, 특히 금속공업에 이용되 는 플라즈마로는 5,000∼10,000℃의 온도범위가 많이 사용되고 있다. 이와 같이, 플라즈마는, 고온, 고엔탈피 특성을 가지므로, 통상적으로 유해 폐기물 용융처리, 플라즈마 용사, 다이아몬드 필름 형성, 금속 가공 등의 각종 분야에 효과적으로 이용될 수 있다.
이러한 각종 분야에 플라즈마 기술이 사용될 수 있도록 이루어진 장치의 대표적인 예가 플라즈마 아크 토오치이다. 이 플라즈마 아크 토오치는, 일반적으로 음전극과 양전극을 가지고 있으며, 음전극과 양전극 사이에서 발생하는 전기적 아크에 의하여 가스를 가열하여 플라즈마를 형성하는 장치이다. 여기에 사용되는 플라즈마 가스로는 질소, 아르곤 등을 들 수 있다.
구체적으로, 플라즈마 아크 토오치에 있어서, 음전극과 양전극은 원통형 케이스의 내부에 설치되는데, 음전극은 상기 케이스 내부의 일단에 설치되며, 양전극은 상기 케이스 내부의 타단쪽에 설치된다. 상기 양전극은 노즐을 기능을 수행할 수 있도록 원통형상을 가질 수 있으며, 이 경우 화염 통로의 출구쪽에 설치된다. 또한, 상기 음전극과 양전극 사이에, 초기 방전을 일으키는 중간전극이 설치되어 있는 경우도 있으며, 음전극과 중간전극은 절연체로 절연된다.
중간전극이 설치된 경우, 상기 음전극과 중간전극 사이에는 음전극을 보호하기 위한 음극 보호가스가 주입되며, 중간전극과 양전극 사이에는 플라즈마를 형성하기 위한 플라즈마 가스가 주입된다. 그리고, 상기 전극들 주위에는, 이들을 냉각시키기 위한 냉각수 통로가 설치된다.
또한, 본 발명자에 의해 한국 특허출원 제10-2003-19508호에 제안된 공기 플 라즈마 토오치와 같이, 플라즈마 가스로서 질소나 아르곤 등을 사용하는 대신 공기를 사용함으로써, 가스 사용시 추가되는 가스 공급시설의 설치비용 및 운전비용을 절약할 수 있는 기술도 제안되고 있다.
상기한 바와 같은 각종 플라즈마 아크 토오치에 있어서, 아크는 음전극으로부터 발생하여 양전극의 내부면에 랜딩(Landing)하게 되는데, 양전극의 외측에는 자기장 발생수단이 설치되어, 아크를 양전극 내부에 발생되는 자기장에 의해 원주방향으로 회전, 분산시키게 된다.
그런데, 상기한 바와 같은 플라즈마 아크 토오치의 내부에서 발생되는 전기 아크 및 플라즈마의 온도는 수천도 이상의 고온이므로, 특히 노즐로 사용되는 양전극은 아크와 고온의 플라즈마에 의해 녹거나 마모되기 쉽다. 따라서, 일반적으로 양전극의 노즐 부분을 강제순환식으로 수냉시킴으로써, 양전극을 보호하게 된다.
그러나, 양전극을 수냉시키는 데도 불구하고, 양전극은 국부적으로 집중된 아크에 의해 녹거나 마모되어, 중도에 작업을 중지하고 손상된 전극을 교체해야만 하는 문제점이 있고, 장시간 혹은 연속적으로 플라즈마 아크 토오치를 사용할 경우, 상기한 문제점은 더욱 가중된다.
이러한 문제점은, 도 6에 도시된 바와 같이, 양전극(10)의 내경(12)이 전체적으로 균일하게 형성됨으로써, 국부적으로 집중된 아크에 의해 녹거나 마모되는 것으로 분석될 수 있다. 또한, 이러한 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 토오치의 작동전류가 높아져 양전극의 마모가 심화되고, 전류와 전압의 변동이 심해 토오치의 화염이 안정화될 수 없는 문제점도 발생한다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 고려하여 이루어진 것으로서, 화염 통로를 형성하는 양전극의 내경을 화염의 출구방향쪽으로 확장시킴으로써, 플라즈마 아크 토오치의 작동전류를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 작동전류와 전압의 변동을 줄이는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 아크 토오치의 양전극에 따르면, 음전극과 함께 전기 아크를 발생시켜 가스 또는 공기를 가열함으로써 플라즈마 상태로 만들어 토출시키는 노즐형 구조의 플라즈마 아크 토오치의 양전극에 있어서: 상기 양전극의 화염 통로를 형성하는 내경이 화염의 출구방향 쪽으로 갈수록 커지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 양전극의 내경은, 2∼10도의 기울기(a)로 화염의 출구방향쪽으로 확장되는 것이 바람직하다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 양전극이 적용된 플라즈마 아크 토오치가 도시되어 있다. 여기서는, 본 발명자에 의해 한국 특허출원 제10-2003-19508호에 제안된 공기 플라즈마 토오치를 예로 들어 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 아크 토오치는, 외부재킷(Jacket, 100)과, 내부재킷(110)과, 제1공기공급통로(130)와, 제2공기공급통로(140)와, 냉각수 공급관(120)과, 음전극(160)과, 그리고 본 발명에 따른 양전극(170)을 포함하여 이루어진다.
상기 외부재킷(100)은 플라즈마 아크 토오치의 외각(外殼)을 형성하는 것으로서, 원통형 구조를 가지고 있으며, 스테인레스강으로 형성될 수 있다. 또한, 내부재킷(110)은, 상기 외부재킷(100)의 내부에 내장되며, 상기 외부재킷(100)과의 사이에 냉각수 배출통로(124)를 형성하고 있다. 상기 냉각수 배출통로(124)의 출구에는 냉각수 배출관(126)이 연결된다.
상기 내부재킷(110)의 하반부 중앙에는 냉각수 공급관(120)이 설치되고, 이 냉각수 공급관(120)은, 후술하는 음전극(160) 및 양전극(170)과, 제2공기공급통로(140)와의 사이에 형성되는 냉각수 연결통로(122)를 통해 상기 냉각수 배출통로(124)와 연결된다. 따라서, 상기 냉각수 공급관(120)을 통해 냉각수를 공급하면, 냉각수가 냉각수 연결통로(122)를 거치는 과정에서 음전극(160) 및 양전극(170)이 냉각되고, 상기 냉각수는 냉각수 배출통로(124) 및 냉각수 배출관(126)을 통해 배출될 수 있다.
상기 냉각수 공급관(120)의 외부에 제1공기공급통로(130)가 설치되며, 상기 제1공기공급통로(130)의 상부에 도 2에 도시된 바와 같은 중공의 실린더형 음전극 (160)이 설치된다. 상기 음전극(160)은 구리로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1공기공급통로(130)의 하단 입구에는 제1공기공급관(132)이 연결되고, 상기 제1공기공급통로(130)의 출구는 화염통로를 형성하는 음전극(160)의 중공(162)에 연결된다. 예컨대, 제1공기공급통로(130)의 출구에는, 선회류를 형성하면서 공기를 음전극(160)의 중공(162)에 공급하는 선회류발생장치(134)가 설치될 수 있다. 즉, 상기 선회류발생장치(134)에는, 제1공기공급통로(130)와 음전극(160)의 중공(162)을 연통시키는 적어도 2개의 제1공기연결통로(136)가 형성되며, 이 제1공기연결통로(136)들은 중심축선에 대하여 한 쪽 방향으로 어긋나게 형성됨으로써, 선회류를 용이하게 형성시킬 수 있다. 따라서, 상기 제1공기공급관(132)을 통해 공기를 공급하면, 제1공기공급통로(130) 및 제1공기연결통로(136)를 통해 음전극(160)의 중공(162)에 공기가 선회류를 일으키며 공급될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 양전극(170)은, 제2공기연결통로(144)들을 형성하도록 상기 음전극(160)의 상부에 소정의 간격을 두고 배치된 채 내/외부재킷(110, 100)의 끝단에 지지된다. 상기 양전극(170)은 구리로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 제2공기연결통로(144)들 또한 제1공기연결통로(136)처럼 선회류를 일으킬 수 있는 구조로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1공기공급통로(130) 및 음전극(160)과, 내부재킷(110)과의 사이에는, 공기를 상기 제2공기연결통로(144)를 통해 양전극(170)의 입구쪽으로 공급하기 위한 제2공기공급통로(140)가 설치된다. 상기 제1공기공급통로(130)의 하단 입구에는 제2공기공급관(142)이 연결된다. 따라서, 상기 제1공기공급관(132)을 통 해 공기를 공급하면, 제1공기공급통로(130) 및 제2공기연결통로(144)를 통해 양전극(170)의 입구쪽으로 공기가 공급될 수 있다.
한편, 상기 제1공기공급관(132) 및 제2공기공급관(142)은 플라즈마 아크 토오치의 외부에 설치되는 레귤레이터(Regulator, 152)와 연결됨으로써, 상기 레귤레이터(152)에 의해 제1공기공급관(132) 및 제2공기공급관(142)으로 공급되는 공기의 풍량 및 풍속이 조절될 수 있다.
이러한 공기의 풍량 및 풍속 조절은, 음전극(160) 및 양전극(170)에 의해 발생하는 아크 스폿(Arc Spot)이 전극의 내부 표면에서 축방향 및 원주방향으로 이동가능하게 한다. 그리고, 상기 레귤레이터(152)는 공기펌프와 같은 공기공급원(150)과 연결되어 공기를 공급받는다.
본 발명에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 양전극(170)은 화염통로를 형성하는 중공 노즐형 구조를 가지고 있으며, 아크 및 고온의 플라즈마에 의해 용손 및 마모되지 않도록, 그 내경(172)이 화염의 출구방향쪽으로 확장되어 있다.
상기 양전극(170)의 내경(172)은, 2∼10도의 기울기(D)로 화염의 출구방향쪽으로 확장되는 것이 바람직하다.
다음에, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 양전극이 적용된 플라즈마 아크 토오치의 작용에 대하여 설명한다.
공기공급원(150) 및 레귤레이터(152)에 의하여 제1공기공급통로(130) 및 제2공기공급통로(140)로 공기를 공급하면서, 양전극(170) 및 음전극(160)에 작동전류를 인가하여 아크를 발생시키면, 음전극(160) 및 양전극(170)에 의해 형성되는 화 염 통로로 선회류를 일으키며 유입되는 공기가 플라즈마를 형성하게 된다. 이 플라즈마는 양전극(170)의 출구를 통해 방사된다.
그리고, 플라즈마에 의한 고온의 열에 의해 가열된 음전극(160) 및 양전극(170)을 냉각하기 위하여, 냉각수 공급관(120)을 통해 냉각수가 공급된다. 즉, 상기 냉각수가 냉각수 연결통로(122)를 흘러 냉각수 배출통로(124)로 흐르는 과정에서, 음전극(160) 및 양전극(170)이 냉각될 수 있다.
또한, 본 발명의 양전극(170)이 적용된 플라즈마 아크 토오치는 상기한 바와 같이 비이송식 토오치로 사용할 수 있으며, 화염을 길게 하여 이송식 토오치로도 사용할 수 있다.
예컨대, 토오치 내부의 음전극(160)과 토오치 외부에 별도로 설치되는 전극(금속 등) 사이에 통전이 이루어지면, 이송식 토오치로 사용이 가능하다. 이 경우, 통전과 동시에 양전극(170)이 자동으로 끊어진다. 또한, 이 경우, 전원과 역전극으로 연결할 경우, 양전극은 토오치 내부에 장착된 중공의 실린더형 전극이 되고, 외부 전극이 음전극이 된다.
본 발명에서는, 상기한 수냉효과와 더불어, 양전극(170)의 내경(172)이 화염의 출구방향으로 확장되어 있어, 양전극(170)에 아크가 국부적으로 집중하는 것을 방지할 수 있으므로, 양전극(170)의 용손 및 마모를 효과적으로 방지할 수 있다.
이와 같은 효과는, 도 4에 도시된 바와 같이, 종래 양전극(170)에 비하여 플라즈마 아크 토오치의 작동전류의 낮출 수 있어, 아크에 의한 양전극(170)의 마모도를 효과적으로 낮출 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 양전극(170)이 적용된 경우, 도 7의 종래 양전극(170)이 적용된 경우에 비하여, 플라즈마 아크 토오치의 동작시 공급되는 전류와 전압의 변동이 작아지므로, 플라즈마 아크 토오치의 화염이 안정화됨을 알 수 있었다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토오치의 양전극(170)에 의하면, 화염 통로를 형성하는 양전극(170)의 내경(172)을 화염의 출구방향쪽으로 확장시킴으로써, 플라즈마 아크 토오치의 작동전류를 낮출 수 있다. 따라서, 양전극(170)의 용손 및 마모가 줄어들어 양전극(170)의 수명을 연장할 수 있으므로, 양전극(170)의 교체비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 양전극(170) 교체에 따른 가동중지를 방지할 수 있다.
또한, 플라즈마 아크 토오치의 작동전류와 전압의 변동을 줄일 수 있어, 플라즈마 아크 토오치의 화염을 안정화시킬 수 있으므로, 플라즈마 아크 토오치를 장시간 원활하게 작동하는 것이 가능하다.
본 발명에서는, 공기 플라즈마 토오치에 적용되는 양전극(170)에 대하여 도시하고 설명하였지만, 노즐형 양전극(170)이 적용되는 플라즈마 아크 토오치라면 어느 것이나, 화염통로를 형성하는 내경(172)이 출구방향으로 확장되는 구조가 적용될 수 있으며, 이러한 것들 또한 모두 본 발명의 범위에 포함되어야 할 것이다.

Claims (2)

  1. 음전극(160)과 함께 전기 아크를 발생시켜 가스 또는 공기를 가열함으로써 플라즈마 상태로 만들어 토출시키는 노즐형 구조의 플라즈마 아크 토오치(Plasma Arc Torch)의 양전극에 있어서:
    상기 양전극(170)의 화염 통로를 형성하는 내경(172)이 화염의 출구방향 쪽으로 갈수록 커지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토오치의 양전극(Anode).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양전극(170)의 내경(172)은, 2∼10도의 기울기(a)로 화염의 출구방향쪽으로 확장되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토오치의 양전극.
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