KR101002082B1 - 플라즈마 아크 토치용 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 아크 토치용 전극에 관한 것으로서, 액체로 냉각되는 전극과 냉각제 튜브의 진원도 유지 및 냉각유체 흐름을 개선함으로 해서 전극의 효과적인 냉각으로 마모율 감소를 기대할 수 있게 한 플라즈마 아크 토치용 전극을 제공코자 하는 것이다.
즉, 본 발명은 구리로 구성된 전극 본체(2) 선단의 구멍(2a) 내로 눌려 끼워 맞춰진 고온 방출성 재료(예를 들어, 하프늄 또는 지르코늄)로 된 원통형 삽입물(3)을 결합하고, 전극 본체(2) 내부에는 길이방향으로 유로(4)가 형성되게 내부가 비어 있는 관상의 냉각제 튜브(5)의 선단이 원통형 삽입물(3)과 근접되게 결합한 플라즈마 아크 토치용 전극(1)에 있어서, 상기 전극 본체(2)의 내면부(2b)에 나선형의 유도홈(6)을 형성하거나, 상기 냉각제 튜브(5)의 외부면(5a)과 내부면(5b)에 독립적으로 나선형의 유도홈(7)을 형성하거나, 외부면(5a)과 내부면(5b) 모두에 나선형의 유도홈(7)을 형성한 것이다.
또한 상기 전극 본체(2)의 내부에서 원통형 삽입물(3)을 고정하고 있는 브래킷(8)에 끼워지며 냉각제 튜브(5)의 선단 내면에 삽입되는 돌기부(9)를 갖는 스페이스링(10)을 형성한 것이다.

Description

플라즈마 아크 토치용 전극{ELECTRODE FOR PLASMA ARC TORCH}

본 발명은 플라즈마 아크 토치용 전극에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 액체로 냉각되는 전극과 냉각제 튜브의 진원도 유지 및 냉각유체 흐름을 개선함으로 해서 전극의 효과적인 냉각으로 마모율 감소를 기대할 수 있게 한 플라즈마 아크 토치용 전극을 제공코자 하는 것이다.

플라즈마 아크 토치 및 레이저 등의 재료 처리 장치는 금속 재료의 절단에 폭넓게 이용되고 있으며, 플라즈마 아크 토치는 일반적으로 토치 본체, 본체 내에 장착된 전극, 중앙 출구 오리피스를 갖는 노즐, 전기적 연결부, 냉각용 및 아크 제어 유체용 통로, 유로 패턴을 조절하기 위한 스월 링(swirl ring), 및 전원을 포함하는 구성이다.

토치에 이용되는 가스는 비반응성(예를 들어, 아르곤 또는 질소), 또는 반응성(예를 들어, 산소 또는 공기)일 수 있으며, 토치는 고온과 고 운동량을 갖는 제한된 이온화 제트의 플라즈마 가스인 플라즈마 아크를 형성한다.

플라즈마 아크 절단 토치는 통상 20,000 내지 40,000암페어/in² 의 범위에 있는 전류 밀도로 전달된 플라즈마 아크를 형성한다. 고 해상도의 토치는 보통 약 60,000암페어/in²의 높은 전류 밀도를 갖는 보다 좁은 제트에 특징이 있으며, 고 해상도의 토치는 좁은 절단면과 사각형의 절단 각도를 만든다. 이런 토치는 얇은 열 효과 영역을 가지므로 불순물 없는 절단을 만들어내며 용융된 금속을 없애는 데에 더욱 효과적이다.

상기한 플라즈마 아크 토치 전극, 스월 링, 노즐 및 실드가 소모성 부재로서 교환가능하게 구성되어 있다.

특히 냉각제 튜브를 포함하는 전극은 아크의 정확성 등에 매우 중요한 역할을 하게 되는 구성부재로서, 관상이며 구리로 구성된 전극 본체 선단의 구멍 내로 눌려 끼워 맞춰진 고온 방출성 재료(예를 들어, 하프늄 또는 지르코늄)로 된 원통형 삽입물을 결합하고, 전극 본체 내부에는 길이방향으로 유로가 형성되게 내부가 비어 있는 관상의 냉각제 튜브를 원통형 삽입물과 근접되게 결합한 구성으로 이루어져 있다.

이러한 구성은 플라즈마 아크 토치는 액상 냉각 전극중 대표적인 것은 하이퍼덤 사에 양도된 미국 특허번호 5,756,959 및 미국 특허 번호 5,464,962에 기재되어 있다.

한편 플라즈마 아크 토치용 전극의 경우 충분힌 수명을 제공하기 위해서는 전극에서 발생하는 열을 제거해야 하며, 열을 제거하는 방법으로는 냉각제 튜브를 통해서 높은 유속을 제공하게 된다.

그러나 상기한 선행특허들에서는 전극 본체의 내부에 냉각제 튜브를 단순 삽입한 구성으로 냉각유체의 빠른 이동시 냉각제 튜브의 흔들림이 발생하고, 그로 인해서 전극의 내부면과 오정렬(길이방향, 방사상 또는 길이방향과 방사상으로)되어 있어 냉각코자 하는 원통형 삽입물을 충분히 냉각하지 못한다는 것을 실험으로 알아내었다.

이러한 문제점을 해결하는 기술로는 대한민국 특허 0927175호(2009년 11월 18일 공개)가 제안된바 있다.

상기한 등록특허의 의하면 도 1과 같은 고 해상도의 플라즈마 아크 토치(180)는 전기적 연결부, 유체 냉각용 및 아크 제어 유체용 통로를 포함하는 보통 원통 형상체(182)를 가지며, 어노드 블럭(184)은 이 원통 형상체(182)에 고정하고, 노즐(186)은 어노드 블럭(184)에 고정되며 대상물(도시 생략)에 아크를 전달할 수 있는 중앙 통로(188) 및 출구 통로(190)를 갖는다. 전극(110)은 플라즈마 챔버(194)를 정의하도록 노즐(186)에 관련하여 이격된 관계로 캐소드 블럭(192)에 고정된다. 스월 링(196)으로부터 공급된 플라즈마 가스는 플라즈마 챔버(194)에서 이온화되어 아크를 형성한다. 수냉각된 캡(198)은 어노드 블럭(184)의 하측 단부로 스레드되며, 2차 캡(200)은 토치 본체(182)로 스레드된다. 2차 캡(200)은 관통이나 절단 동작 동안 금속이 튀지 않게 기계적인 실드로서 작용하도록 도시되어 있다.

상기한 구성의 플라즈마 아크 토치(180)에 냉각제 튜브(136)의 외면에 전극(110)의 내부면과 이격된 상태로 조립되는 플랜지(160)를 형성한 구성으로 이루어져 있으며, 원통형상의 냉각제 튜브(136)에 돌출된 플랜지(160)를 일체로 형성할 경우 전극 본체와 냉각제 튜브(136)의 진원도를 보장할 수 있는 등의 효과가 있다. 그러나 이러한 구성은 제조상에 많은 어려움이 있고, 부품 단가를 상승시키는 주된 요인으로 작용하기도 하는 등의 문제점이 있었다.

1)미국 특허번호 5,756,959 2)미국 특허 번호 5,464,962 3)대한민국 특허 0927175호(2009년 11월 18일 공개)

이에 본 발명에서는 상기한 종래 플라즈마 아크 토치용 전극의 제반 문제점을 일소코자 본 발명을 연구 개발한 것으로서, 본 발명에서는 액체로 냉각되는 전극과 냉각제 튜브의 진원도 유지 및 냉각유체 흐름을 개선함으로 해서 전극의 효과적인 냉각으로 마모율 감소를 기대할 수 있게 한 플라즈마 아크 토치용 전극을 제공함에 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

과제 해결 수단으로 본 발명에서는 냉각제 유속을 개선하기 위해서 전극 본체의 내부면 또는 냉각제 튜브의 내부면과 외부면에 나선형 유도홈을 형성하여 냉각유체의 유속을 개선할 수 있게 하였다.

또한 본 발명에서는 전극의 내부에 위치하며 원통형 삽입물이 압입 고정되는 원통형 브래킷의 외부면과 접하도록 적어도 3개 이상의 돌기를 형성하여 냉각제 튜브의 선단이 결합되어 전극과 냉각제 튜브간의 진원도가 확실하게 유지될 수 있도록 하였다.

본 발명에서 제공하는 플라즈마 아크 토치용 전극에 의하면 전극 본체의 내부면 또는 냉각제 튜브의 내부면과 외부면에 나선형 유도홈이 형성되는 구성으로 냉각유체의 유속이 증가하게 되므로 전극에 삽입되어 있는 원통형 삽입물을 신속하게 냉각하므로 전극 수명을 연장할 수 있다.

또한 본 발명은 원통형 삽입물이 고정되어 있는 브래킷 외부에는 냉각제 튜브의 선단을 끼워지는 스페이스링에 형성된 돌기부와 접하여 결합한 구성으로 냉각제 튜브의 흔들림을 예방하여 전극과 냉각제 튜브의 진원도를 높이므로 냉각유체의 편심이동으로 인한 마모율을 없앨 수 있는 것이다.

도 1은 종래 고 해상도의 플라즈마 아크 토치의 구성을 보인 단면도
도 2은 본 발명에서 제공하는 플라즈마 아크 토치용 전극의 제1실시예를 보인 분해사시도
도 3은 도 2의 조립 상태 단면도
도 4는 본 발명에서 제공하는 플라즈마 아크 토치용 전극의 제2실시예를 보인 분해사시도
도 5는 도 4의 단면도
도 6은 본 발명에서 제공하는 플라즈마 아크 토치용 전극의 제3실시예를 보인 분해사시도
도 7은 도 6의 단면도

이하에서 본 발명에서 제공하는 플라즈마 아크 토치용 전극의 구성을 첨부도면에 의거하여 설명한다.

본 발명에서 제공하는 플라즈마 아크 토치용 전극(1)은 관상이며 구리로 구성된 전극 본체(2)에 형성된 선단의 구멍(2a) 내로 눌려 끼워 맞춰진 고온 방출성 재료(예를 들어, 하프늄 또는 지르코늄)로 된 원통형 삽입물(3)을 결합하고, 전극 본체(2) 내부에는 길이방향으로 유로(4)가 형성되게 내부가 비어 있는 관상의 냉각제 튜브(5)의 선단을 원통형 삽입물(3)과 근접되게 결합하여 원통형 삽입물(3)을 냉각할 수 있게 한 구성을 적극 개량한 것이다.

본 발명에서는 냉각제 튜브(5)를 통해 공급되어 전극 본체(2)와 냉각제 튜브(5) 사이의 이격된 공간의 유로(4)로 이동하는 냉각유체의 이송 속도를 높일 수 있게 개발한 것이다.

본 발명에서는 냉각유체의 이송 속도를 높이기 위한 구성으로 아래와 같은 여러 가지 예를 제안한다.

첫째는 도 2, 3과 같이 전극 본체(2)와 냉각제 튜브(5) 중 전극 본체(2)의 내면부(2b)에만 나선형의 유도홈(6)을 형성하였다.

둘째는 도 4, 5와 같이 전극 본체(2)와 냉각제 튜브(5) 중 냉각제 튜브(5)의 외부면(5a)과 내부면(5b)에 선택적으로 나선형의 유도홈(7)을 형성하거나, 냉각제 튜브(5)의 외부면(5a)과 내부면(5b) 모두에 나선형의 유도홈(7)을 형성하였다.

셋째는 도 6, 7과 같이 전극 본체(2)의 내면부(2b)에 나선형의 유도홈(6)을 형성하고, 동시에 냉각제 튜브(5)의 외부면(5a)과 내부면(5b)에 선택적으로 나선형의 유도홈(7)을 형성하거나, 냉각제 튜브(5)의 외부면(5a)과 내부면(5b) 모두에 나선형의 유도홈(7)을 형성하였다.

이와 같이 전극 본체(2)의 내부면(2b) 또는 냉각제 튜브(5)의 외부면(5a)과 내부면(5b)에 나선형 유도홈(6)(7)을 형성하는 경우 이동하는 유체가 전극 본체(2)와 냉각제 튜브(5) 사이의 이격된 유로(4)를 통과하면서 와류 이동되어 이송속도가 증가되므로 냉각 효율성을 높일 수 있는 것이다.

그리고 본 발명은 제 1 내지 제 3실시예에 공용으로 적용될 수 있도록 도 8과 같이 전극 본체(2)의 내부에서 원통형 삽입물(3)을 고정하고 있는 브래킷(8)에 끼워지며 냉각제 튜브(5)의 선단 내면에 삽입되는 돌기부(9)를 갖는 스페이스링(10)을 형성한다. 이때 돌기부(9)에는 단턱(9a)을 형성하여 냉각제 튜브(5)가 과도하게 결합되면서 전극 본체(2)의 내부면(2b) 전방과 이격 상태로 결합되어 냉각제 튜브(5)가 본체(2)의 내부면(2b) 전방과 밀착되는 등의 문제 발생이 없도록 구성한다.

상기 돌기부(9)를 갖는 스페이스링(10)은 별도 제작하고 냉각제 튜브(5)의 선단 내면에 돌기부(9)를 끼워서 사용하면 되는 것이며, 바람직하기로는 3개가 적당하다. 1~2개는 지지력이 떨어지고, 냉각제 튜브(5)의 흔들림을 안전하게 잡기가 어려우며, 4개 이상이면 냉각유체의 흐름을 방해할 수 있고, 그로 인해 냉각성을 저하시킬 수 있는 것이다.

냉각제 튜브(5)의 선단과 브래킷(8)에 끼워지는 돌기부(9)를 갖는 스페이스링(10)을 고정하는 방법은 종래 냉각제 튜브의 표면에 플랜지를 형성하는 것에 비해서 구성이 간단하고 제조성에 있어서도 어려움 없이 적용할 수 있는 기술이다.

1:(플라즈마 아크 토치용) 전극 2:본체
2a:구멍 2b:내면부
3:원통형 삽입물 4:유로
5:냉각제 튜브 5a:외부면
5b:내부면 6,7:유도홈
8:브래킷 9:돌기부
9a:단턱 10:스페이스링

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 구리로 구성된 전극 본체(2) 선단의 구멍(2a) 내로 눌려 끼워 맞춰진 고온 방출성 재료인 하프늄 또는 지르코늄으로 된 원통형 삽입물(3)을 결합하고, 전극 본체(2) 내부에는 길이방향으로 유로(4)가 형성되게 내부가 비어 있는 관상의 냉각제 튜브(5)의 선단이 원통형 삽입물(3)과 근접되게 결합되고,
   상기 전극 본체(2)의 내면부(2b)에 나선형의 유도홈(6)을 형성되고,
   상기 냉각제 튜브(5)의 외부면(5a)과 내부면(5b)에 독립적으로 나선형의 유도홈(7)을 형성되거나, 외부면(5a)과 내부면(5b) 모두에 나선형의 유도홈(7)이 형성된 플라즈마 아크 토치용 전극에 있어서,
   상기 전극 본체(2)의 내부에서 원통형 삽입물(3)을 고정하고 있는 브래킷(8)에 끼워지며 냉각제 튜브(5)의 선단 내면이 삽입되는 돌기부(9)를 갖는 스페이스링(10)을 형성한 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치용 전극.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 돌기부(9)에는 단턱(9a)을 형성하여 냉각제 튜브(5)가 과도하게 결합되면서 전극 본체(2)의 내부면(2b) 전방과 이격 상태로 결합되게 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치용 전극.

Images