KR101092494B1 - 스팀 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작업 매체로 스팀을 사용한 스팀 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 상기 스팀 플라즈마 토치는, 길이를 가지고 일측에 팁이 형성되며 음극 전원과 전기적으로 연결되는 전극봉; 상기 전극봉의 길이 방향으로 상기 전극봉을 둘러싸며, 상기 전극봉과의 사이에 제1 공간을 형성하고, 양극 전원과 전기적으로 연결되는 중공형 제1 덮개; 상기 길이 방향으로 상기 제1 덮개를 둘러싸며 상기 제1 덮개와의 사이에 제2 공간을 형성하는 중공형 제2 덮개; 및 상기 제1 덮개의 일측에 결합되며, 상기 팁을 따라 단면이 축소되고 하단에 노즐 기부를 가지며, 상기 노즐 기부상에 제1 노즐목이 형성되는 제1 노즐과, 상기 제2 덮개의 일측에 결합되며, 상기 제1 노즐을 따라 단면이 축소되고 하단에서 상기 제1 노즐의 상기 노즐 기부까지 하방으로 개방된 공간을 형성하도록 노즐 측부를 가지며, 상기 노즐 측부의 상부에 제2 노즐목이 형성되고 상기 노즐 측부의 하부에 제3 노즐목이 형성되며, 상기 제2 노즐목은 상기 제2 공간을 지나는 관을 통해 외부의 스팀 발생기와 연결되는 제2 노즐로 구성되는 노즐부를 포함한다.

플라즈마, 토치, 스팀

Description

스팀 플라즈마 토치{Steam plasma torch}

본 발명은 스팀 플라즈마 토치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은, 작업 매체로 스팀을 사용한 스팀 플라즈마 토치에 관한 것이다.

플라즈마 토치에 사용되는 플라즈마 작업 매체로 스팀을 사용하는 장치는 기존에 공개되어 있으며, 스팀을 제공하는 방법으로는 스팀 발생기를 이용하여 외부에서 공급하거나, 토치내 고온을 이용하여 토치 내부에서 직접 스팀을 발생시키는 방법들이 있다.

먼저, 플라즈마 토치 내부에서 스팀을 발생시키는 경우, 전극봉 손실량이 크고 플라즈마 출력 조절이 어려운 단점이 있다. 그 다음, 스팀발생기를 이용하여 스팀을 플라즈마 토치 외부에서 공급하는 경우, 스팀을 플라즈마 화염에 유입시키기 위한 제어가 용이하지 못한 단점이 있다.

본 발명의 첫번째 목적은 이송식과 비이송식이 결합된 형태의 플라즈마 토치에, 플라즈마 온도 상승 및 환원 분위기 조성을 위해, 스팀발생기를 이용하여 스팀 을 공급하는 경우, 스팀의 플라즈마 화염내 유입이 용이한 스팀 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.

본 발명의 두번째 목적은 보다 높은 온도 조건을 만들기 위해 이송식 플라즈마를 형성할 경우 전극봉 및 노즐부 등에 가해지는 열적, 부식 환경적 스트레스를 감소시켜 큰 파워를 인가할 수 있도록 냉각라인이 설치된 스팀 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은,

작업 매체로 스팀을 사용한 스팀 플라즈마 토치로서,

길이를 가지고 일측에 팁이 형성되며 음극 전원과 전기적으로 연결되는 전극봉;

상기 전극봉의 길이 방향으로 상기 전극봉을 둘러싸며, 상기 전극봉과의 사이에 제1 공간을 형성하고, 양극 전원과 전기적으로 연결되는 중공형 제1 덮개;

상기 길이 방향으로 상기 제1 덮개를 둘러싸며 상기 제1 덮개와의 사이에 제2 공간을 형성하는 중공형 제2 덮개; 및

상기 제1 덮개의 일측에 결합되며, 상기 팁을 따라 단면이 축소되고 하단에 노즐 기부를 가지며, 상기 노즐 기부상에 제1 노즐목이 형성되는 제1 노즐과, 상기 제2 덮개의 일측에 결합되며, 상기 제1 노즐을 따라 단면이 축소되고 하단에서 상기 제1 노즐의 상기 노즐 기부까지 하방으로 개방된 공간을 형성하도록 노즐 측부를 가지며, 상기 노즐 측부의 상부에 제2 노즐목이 형성되고 상기 노즐 측부의 하 부에 제3 노즐목이 형성되며, 상기 제2 노즐목은 상기 제2 공간을 지나는 관을 통해 외부의 스팀 발생기와 연결되는 제2 노즐로 구성되는 노즐부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 제2 덮개와 상기 노즐부에는 냉각 라인들이 각각 구비되며 상기 냉각 라인들은 서로 연통된다.

바람직하게는, 상기 관을 통해 상기 제2 노즐목으로 H₂, H₂0 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 포함하는 가스 혼합물 2가 공급된다.

바람직하게는, 상기 제2노즐목과 상기 제3노즐목은 좌우 대칭되게 상기 노즐 기부상에 각각 형성된다.

바람직하게는, 상기 제1 공간을 통해 상기 제1 노즐목으로 비이송식 플라즈마 아크 방전을 형성하기 위한 가스 혼합물 1이 공급된다.

바람직하게는, 상기 가스 혼합물 1은 Ar을 포함한다.

바람직하게는, 상기 제2 공간을 통해 상기 제3 노즐목으로 이송식 플라즈마 아크 방전을 형성하기 위한 가스 혼합물 3이 공급된다.

바람직하게는, 상기 가스 혼합물 3은 Ar을 포함한다.

바람직하게는, 상기 제1덮개는 단열물질로 이루어지고 상기 제2덮개 및 상기 노즐부는 전도성 물질로 이루어진다.

바람직하게는, 상기 전극봉 내부에 냉각라인이 구비된다.

본 발명에 따른 스팀 플라즈마 토치는, 이송식 및 비이송식이 결합된 형태의 플라즈마 토치에서 플라즈마 화염내 스팀의 유입 제어가 용이하여 플라즈마 온도 상승 및 환원 분위기 조성에 있어서 기존의 플라즈마 토치에 비해 매우 우수한 성능을 보인다. 또한, 본 발명에 따른 스팀 플라즈마 토치는 플라즈마 화염내 스팀 유입에 의해 형성되는 고온의 가혹한 조건하에서 전극봉 및 노즐부 등에 가해지는 열적, 부식 환경적 스트레스를 감소시킴으로서 보다 큰 파워를 인가하는 것이 가능하다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 스팀 플라즈마 토치의 종단면 구조를 개략적으로 나타낸다.

먼저, 본 발명에 따른 바람직한 스팀 플라즈마 토치(1)의 내부 중심에는 전극봉(10)이 배열되는데, 상기 전극봉(10)은 길이를 가지고 일측에 팁이 형성되며 외부의 음극 전원과 전기적으로 연결된다. 바람직하게는, 상기 전극봉(10) 내부에 냉각구조(11)가 형성되고, 상기 냉각 구조(11)에 냉각 장치가 연결되어 냉매, 예를 들면, 냉각수의 순환에 의해 전극봉(10)을 냉각시킨다.

그 다음, 중공형 제1 덮개(20)가 상기 전극봉(10)의 길이 방향으로 상기 전극봉(10)을 둘러싸며, 상기 전극봉(10)과의 사이에 제1 공간(15)을 형성하고, 외부의 양극 전원과 전기적으로 연결된다. 바람직하게는 상기 제1 덮개(20)는 기본적으로 절연물질로 이루어지되 일측으로부터 타측으로 전류가 흐르는 도선이 부분적으 로 형성되어, 일측에 연결되는 양극 전원이 타측에 연결되는 후술할 노즐부(40)의 제1노즐(41)에 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.

그리고, 중공형 제2 덮개(30)가 상기 길이 방향으로 상기 제1 덮개(20)를 둘러싸며 상기 제1 덮개(20)와의 사이에 제2 공간(26)을 형성한다. 바람직하게는 상기 중공형 제2 덮개(30)의 일측에서 타측으로 이어지는 제1 냉각라인(31)이 형성되는데, 상기 냉각라인(31)의 일측은 외부 냉각 장치와 연결되고, 타측은 후술할 노즐부(40) 즉, 제1노즐(41) 및 제2노즐(45)에 형성되는 제2 냉각라인(11)과 연결된다. 바람직하게는, 제2 덮개에 형성되는 제1냉각라인(31)은 제2노즐(45)에서 제1노즐(41)로, 노즐 측부(46)와 노즐 기부(42)를 거쳐 제2냉각라인(11)과 연결된다. 이렇게 연통된 제1 냉각라인(31) 및 제2 냉각라인(11)으로 냉매, 예를 들면, 냉각수의 순환에 의해 제2 덮개(30) 및 노즐부(40)가 함께 냉각된다. 이에 의해, 보다 높은 온도 조건을 만들기 위해 이송식 플라즈마를 형성하고 플라즈마 화염내로 스팀을 유입시켤 때, 전극봉(10) 및 노즐부(40) 등에 가해지는 열적, 부식 환경적 스트레스를 감소시켜 큰 파워를 인가할 수 있다.

그 다음, 노즐부(40)를 구성하는 제1노즐(41) 및 제2노즐(45)이 각각 상기 제1덮개(20) 및 상기 제2덮개(30)에 각각 결합된다. 제1노즐(41)은 상기 팁을 따라 단면이 축소되고 하단에 노즐 기부(42)를 가지며, 상기 노즐 기부(42)상에 제1 노즐목(43)이 형성된다. 제2노즐(45)은 상기 제1 노즐(41)을 따라 단면이 축소되고 하단에서 상기 제1 노즐(41)의 상기 노즐 기부(42)까지 하방으로 개방된 공간을 형성하도록 노즐 측부(46)를 가지며, 상기 노즐 측부(46)의 상부에 제2 노즐목(47)이 형성되고 상기 노즐 측부(46)의 하부에 제3 노즐목(48)이 형성되며, 상기 제2 노즐목(47)은 상기 제2 공간(26)을 지나는 관(25)을 통해 외부의 스팀 발생기(미도시)와 연결된다.

노즐부(40)에 의해, 음극 전원이 연결되는 전극봉(10)의 팁과 양극 전원이 연결되는 제1노즐(41)의 상기 노즐 기부(42) 사이 공간(이하 "비이송식 플라즈마 아크 방전 공간"이라 한다)으로 제1공간(15)을 통해 비이송식 플라즈마 아크 방전을 위한 가스 혼합물 1, 바람직하게는 Ar이 공급되면, 비이송식 플라즈마 아크 방전이 일어나 상기 노즐 기부(42) 상에 형성된 제1노즐목(43)에서 상기 노즐 기부(42)와 상기 노즐 측부(46)으로 둘러싸인 하방으로 개방된 공간(이하, "이송식 플라즈마 방전 공간"이라 한다)으로 비이송식 플라즈마 화염이 분사된다.

그리고, 외부의 스팀발생기(미도시)로부터 스팀 형성을 위한 가스 혼합물 2, 바람직하게는 H₂, H₂0 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상, 보다 바람직하게는 H₂ 와 H₂0의 혼합물이 제2공간(26)에 설치되어 제2공간(26)과는 분리된 채널을 형성하는 관(25)과 노즐 측부(46)의 상부에 형성되는 제2노즐목(47)을 통해 이송식 플라즈마 방전 공간으로 공급되어 분사된 플라즈마 화염속으로 스팀이 유입된다.

그 다음, 모재에 양극 전원을 연결하고, 이송식 플라즈마 아크 방전을 위한 가스 혼합물 3, 바람직하게는 Ar이 제2공간(26)과 노즐 측부(46)의 하부에 형성되는 제3노즐목(48)을 통해 이송식 플라즈마 아크 방전 공간으로 공급하면, 이송식 플라즈마 아크 방전 공간에서부터 모재까지 이송식 플라즈마 화염이 형성되된다.

도 2(a)는 도 1의 노즐부(40)의 이송식 플라즈마 아크 방전 공간을 확대해서 나타낸 도면이고, 도 2(b)는 도(a)에서 형성된 플라즈마 화염의 A-A' 부분을 잘라 나타낸 횡단면도이다.

도 2에 나타낸 것 처럼, 상기 본 발명에 따른 플라즈마 토치에 의하면 플라즈마 화염 내로 스팀의 유입이 용이하고 안정적으로 이루어지게 되어 플라즈마 온도 상승 및 환원 분위기 조성에 대단히 우수한 성능을 발휘하게 된다.

도 2(a)에 나타낸 것 처럼, 상기 제2노즐목(47)과 제3노즐목(48)은 좌우 대칭되게 상기 노즐 측부(46)상에 각각 형성되는 것이 바람직한데, 이에 의할 때 도 2(b)에 나타낸 것처럼 플라즈마 아크 자체를 보다 안정화시키고, 보다 작은 영역에 열 에너지 흐름을 농축할 수 있으며, 뿐만아니라 플라즈마 화염내로 공기가 침투하는 것을 방지할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1덮개(20)는 열에 의한 영향을 비교적 적게 받으므로 기본적으로 단열물질로 구성하고, 상기 제2덮개(30) 및 상기 노즐부(40)는 열에 의한 영향을 비교적 많이 받으므로, 전도성 물질로 구성하여, 앞서 설명한 바처럼 냉각라인에 의해 충분한 냉각이 이루어지도록 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스팀 플라즈마 토치의 성능을 평가하기 위해다음과 같은 방식으로 테스트를 실시하였다.

1. 스팀 공급시

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스팀 플라즈마 토치(토치 길이 150㎜)의 하단과 모재(SUS 360)의 상단 사이 거리가 10㎜가 되도록 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스팀 플라즈마 토치의 전극봉과 제1노즐을 각각 음극 및 양극으로 하여 외부의 전력공급원으로부터 전압(220V)을 인가하여 전류(15, 30A)를 각각 흐르게 하고, 제1공간을 통해 제1노즐목으로 비이송식 플라즈마 아크 방전을 발생시키기 위해 아르곤 가스가 10ℓ/min의 유량으로 유입되고, 전극봉의 팁과 제1노즐의 제1노즐목 사이에 비이송식 플라즈마 아크 방전이 발생되어 토출된다. 이 때 스팀 혼합물(H₂O과 H₂)가 제2공간에 설치된 관을 통해 제2노즐의 노즐 측부 상의 제2노즐목으로 2㎖/min의 유량으로 유입되고, 이송식 플라즈마 아크 방전을 유도하기 위한 아르곤 가스가 제2공간을 통해 제2노즐의 노즐 측부상의 제3노즐목으로 10ℓ/min의 유량으로 유입되고, 모재를 양극으로 하여 외부의 전력공급원으로부터 전압(220V)을 인가하여 전류(15, 30A)를 각각 흐르게 함으로써 고온의 이송식 플라즈마 아크 방전이 유도되어 모재에 직접 가해져 모재의 용해가 빠르게 진행되었다.

2. 스팀 미공급시

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스팀 플라즈마 토치와의 비교를 위해, 스팀 플라즈마 토치에 스팀을 공급하지 않는 것을 제외하고는 상기 1. 스팀 공급시와 동일한 조건하에서 테스트를 수행하였다.

위의 스팀 공급시와 스팀 미공급시의 플라즈마 화염에 의한 모재의 용융여부를 육안으로 관찰하였고, 모재가 적어도 부분적으로 용융되었으면 "○"로 표시하였고, 그렇지 않으면 "×"로 표시하였다. 이의 테스트 결과들은 표 1에 나타내었다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스팀 플라즈마 토치의 스팀 공급시와 스팀 미공급시의 성능 비교 평가 결과

전류	15A	30A
스팀 미공급시	×	×
스팀 공급시	○	○

상기 표 1로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스팀 플라즈마 토치에 스팀을 공급할 경우, 스팀을 공급하지 않았을 경우와 비교하여 스팀의 플라즈마 화염내 유입 제어로 플라즈마 아크가 안정화되고, 보다 작은 영역에 열 에너지 흐름이 농축되어 보다 고온의 플라즈마를 형성함으로써 플라즈마 토치의 금속용융능력이 현저히 향상되었음을 알 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 토치의 종단면 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 2(a)는 도 1의 노즐부를 확대해서 나타낸 도면이고, 도 2(b)는 도(a)에서 형성되는 플라즈마 화염의 A-A' 부분을 잘라 나타낸 횡단면도이다.

Claims (10)

1. 작업 매체로 스팀을 사용한 스팀 플라즈마 토치로서,

   길이 방향의 일측에 팁이 형성되고 음극 전원과 전기적으로 연결되는 전극봉;

   상기 전극봉의 길이 방향으로 상기 전극봉을 둘러싸며, 상기 전극봉과의 사이에 제1 공간을 형성하고, 양극 전원과 전기적으로 연결되는 중공형 제1 덮개;

   상기 길이 방향으로 상기 제1 덮개를 둘러싸며 상기 제1 덮개와의 사이에 제2 공간을 형성하는 중공형 제2 덮개; 및

   상기 제1 덮개의 일측에 결합되며, 상기 팁을 따라 단면이 축소되고 하단에 노즐 기부를 가지며, 상기 노즐 기부 상에 제1 노즐목이 형성되는 제1 노즐과, 상기 제2 덮개의 일측에 결합되며, 상기 제1 노즐을 따라 단면이 축소되고 하단에서 상기 제1 노즐의 상기 노즐 기부까지 하방으로 개방된 공간을 형성하도록 노즐 측부를 가지며, 상기 노즐 측부의 상부에 제2 노즐목이 형성되고 상기 노즐 측부의 하부에 제3 노즐목이 형성되며, 상기 제2 노즐목은 상기 제2 공간을 지나는 관을 통해 외부의 스팀 발생기와 연결되는 제2 노즐로 구성되는 노즐부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2 덮개와 상기 노즐부에는 냉각 라인들이 각각 형성되며 상기 냉각 라인들은 서로 연통되는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치.
3. 제1항에 있어서, 상기 관을 통해 상기 제2 노즐목으로 H₂, H₂0 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상을 공급하는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치.
4. 제1항에 있어서, 상기 제2 노즐목과 상기 제3 노즐목은 좌우 대칭되게 상기 노즐 기부 상에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 공간을 통해 상기 제1 노즐목으로 비이송식 플라즈마 아크 방전을 형성하기 위한 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치.
6. 제5항에 있어서, 상기 가스는 Ar을 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치.
7. 제1항에 있어서, 상기 제2 공간을 통해 상기 제3 노즐목으로 이송식 플라즈마 아크 방전을 형성하기 위한 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치.
8. 제7항에 있어서, 상기 가스는 Ar을 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치.
9. 제1항에 있어서, 상기 제1 덮개는 단열 물질로 이루어지고 상기 제2 덮개 및 상기 노즐부는 열전도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치.
10. 제1항에 있어서, 상기 전극봉 내부에 냉각 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치.

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