KR101379777B1 - 플라즈마 토치 - Google Patents

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황순모
도철진
유병주
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Abstract

플라즈마 토치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치는, 전방 전극을 구비하는 전방 토치부; 상기 전방 전극과 대향하는 후방 전극을 구비하는 후방 토치부; 상기 후방 토치부를 둘러싸는 하우징부; 및 상기 하우징부를 관통하며, 플라즈마 토치의 내부의 결로를 방지하기 위한 결로 방지 가스가 주입되는 결로방지 가스 주입관을 포함한다.

Description

플라즈마 토치{PLASMA TORCH}
본 발명의 실시예들은 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 토치의 내부의 결로를 방지하기 위한 결로 방지 가스가 주입되는 플라즈마 토치에 관한 것이다.
플라즈마 토치는 전극들 사이에서 플라즈마 아크칼럼(Plasma Arc Column)을 발생 및 유지하는 장치이다. 플라즈마 토치에서 플라즈마 아크칼럼을 통해 전류가 흐를 때, 플라즈마 아크칼럼의 전기적인 저항에 의해 전기 에너지가 열 에너지로 바뀌면서 전극이 가열된다. 플라즈마 토치용 전극은 예를 들어, 물과 같은 액체로 냉각되며, 상기 액체는 냉각수 유로를 통해 공급된다.
이와 같이, 플라즈마 토치는 플라즈마 아크칼럼을 발생시키는 과정에서 토치 내부의 온도가 상승하는데, 이 때 플라즈마 토치의 내부에는 결로가 발생될 수 있다. 결로(condensation)란 수증기를 함유하고 있는 공기가 노점(이슬점) 이하로 냉각되었을 때 수증기가 액화하여 이슬로 맺히는 현상을 의미한다. 플라즈마 토치의 내부에서 결로가 발생될 경우, 플라즈마 토치 내부에 일시적인 통전상태로 인하여 토치 내부에 손상의 가능성이 있을 수 있다.
한국등록특허공보 제10-1173088호 (2012.08.06)
본 발명의 실시예들은 플라즈마 토치 내부로 결로 방지 가스를 주입시킴으로써 플라즈마 토치 내부의 결로를 방지하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치는, 전방 전극을 구비하는 전방 토치부; 상기 전방 전극과 대향하는 후방 전극을 구비하는 후방 토치부; 상기 후방 토치부를 둘러싸는 하우징부; 및 상기 하우징부를 관통하며, 플라즈마 토치의 내부의 결로를 방지하기 위한 결로 방지 가스가 주입되는 결로방지 가스 주입관을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 플라즈마 토치 내부로 결로 방지 가스를 주입시켜 플라즈마 토치 내부의 결로를 방지함으로써 플라즈마 토치의 내구성과 안정성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 의하면 플라즈마 아크를 발생시키기 위한 반응 가스의 일부를 결로 방지 가스로 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 토치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 토치를 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적 실시예에 불과하며 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하 실시예는 진보적인 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 토치(100)를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 토치(100)는 후방 토치부(102), 전방 토치부(104), 하우징부(106-1, 106-2) 및 결로방지 가스 주입관(108)을 포함한다.
후방 토치부(102)는 후방 전극(112), 후방 전극 하우징(114), 마그네틱 코일(116) 및 후방 토치 냉각부(118)을 포함한다.
후방 전극(112)은 중앙이 비어 있는 공동(空洞)의 형태로 형성되고, 후방 전극 하우징(114)의 내부에 삽입되어 고정될 수 있으며, 무산소동(Oxygen Free High-conductive Copper : OFHC)으로 이루어질 수 있다.
후방 전극 하우징(114)은 외부 하우징(106-1)의 내부에서 후방 전극(112)을 감싸며 형성되며, 후방 전극(112)을 외부 환경으로부터 보호한다. 후방 전극 하우징(114)의 종단은 절연 몸체(130)의 일측에 안착될 수 있다. 절연 몸체(130)는 외부 하우징(106-1)의 내부에서 후방 토치부(102)와 전방 토치부(104) 사이에 개재된다. 절연 몸체(130)는 후방 토치부(102)와 전방 토치부(104) 사이에서 후방 토치부(102)와 전방 토치부(104)에 의해 양측에서 압박된 상태로 있게 된다. 이 경우, 절연 몸체(130)는 별도의 결합 부재 없이 후방 토치부(102)와 전방 토치부(104) 사이에 위치하게 된다. 절연 몸체(130)는 예를 들어, 테프론 소재로 이루어질 수 있다.
마그네틱 코일(116)은 후방 전극 하우징(114)의 외주면에 솔레노이드 형태의 인입선을 여러 번 권취하여 형성될 수 있다. 마그네틱 코일(116)의 일단은 플라즈마 토치(100)의 전원(미도시)에 연결되고, 타단은 후방 전극 하우징(114)에 연결되어 후방 전극(112)과 전기적으로 연결된다. 마그네틱 코일(116)은 자기유발 자장(Self Induced Magnetic Field)의 원리를 통해 자기장을 형성하여 플라즈마 아크를 유도할 수 있다.
후방 토치 냉각부(118)는 후방 전극(112)의 과열을 방지하기 위한 냉각수가 출입하는 공간으로서, 제 1 냉각수 주입구(118-1) 및 제 1 냉각수 배출구(118-2)를 포함한다. 후방 토치 냉각부(118)는 후방 전극 하우징(114)의 일단에 형성될 수 있으며, 후방 전극 하우징(114)과 일체로 형성될 수 있다.
제 1 냉각수 주입구(118-1)는 후방 전극(112)의 과열을 방지하기 위한 냉각수가 주입된다. 제 1 냉각수 주입구(118-1)를 통해 주입된 냉각수는 제 1 냉각수 유동 공간(120)으로 유입되어 후방 전극(112)을 냉각시키게 된다.
제 1 냉각수 배출구(118-2)는 후방 전극(112)과 열교환된 냉각수가 배출된다. 냉각수는 제 1 냉각수 주입구(118-1)를 통해 제 1 냉각수 유동 공간(120)으로 유입되어 후방 전극(112)을 냉각시킨 후, 제 1 냉각수 배출구(118-2)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
전방 토치부(104)는 전방 전극(122) 및 전방 전극 하우징(124)을 포함하며, 절연 몸체(130)의 타측에 형성될 수 있다.
전방 전극(122)은 후방 전극(112)과 대향하는 전극으로서, 후방 전극(112)과 마찬가지로 중앙이 비어 있는 공동의 형태로 형성되며, 양측이 개방될 수 있다. 전방 전극(122)은 전방 전극 하우징(124)의 내부에 삽입되어 고정될 수 있으며, 무산소동(Oxygen Free High-conductive Copper : OFHC)으로 이루어질 수 있다. 한편, 전방 전극(122)과 후방 전극(112) 사이에는 가스 유동 공간(110)이 형성된다. 가스 공급부(미도시)를 통해 가스 주입구(미도시)로 주입된 반응 가스는 가스 유동 공간(110)으로 유입되어 플라즈마 아크를 발생시키게 된다. 가스 주입구로 주입되는 반응 가스로는 예를 들어, 압축 공기, 산소, 스팀, 알곤, 질소, 이산화탄소, 수소 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 플라즈마 토치(100)가 응용되는 분야에 따라 다양한 가스가 사용될 수 있다.
전방 전극 하우징(124)은 전방 전극(122)을 감싸며 형성되며, 전방 전극(122)을 외부 환경으로부터 보호한다. 전방 전극 하우징(124)의 일단은 절연 몸체(130)의 타측 및 외부 하우징(106-1)의 종단에 안착될 수 있다.
하우징부(106-1, 106-2)는 플라즈마 토치(100)의 내부를 외부 환경으로부터 보호하기 위한 것으로, 외부 하우징(106-1) 및 하우징 덮개(106-2)를 포함한다.
외부 하우징(106-1)은 절연 몸체(130), 후방 토치부(102), 및 전방 토치부(104)의 일부를 감싸며 형성될 수 있으며, 절연 몸체(130) 및 후방 토치부(102)를 외부 환경으로부터 보호한다. 외부 하우징(106-1)에는 전방 토치 냉각부(126)가 형성될 수 있다.
전방 토치 냉각부(126)는 전방 전극(122)의 과열을 방지하기 위한 냉각수가 출입하는 공간으로서, 제 2 냉각수 주입구(126-1) 및 제 2 냉각수 배출구(126-2)를 포함한다. 제 2 냉각수 주입구(126-1) 및 제2 냉각수 배출구(126-2)는 각각 전방 전극 하우징(124)의 내부에 형성되는 제2 냉각수 유동 공간(128)과 연통된다. 이 경우, 제 2 냉각수 주입구(126-1)를 통해 주입된 냉각수는 제 2 냉각수 유동 공간(128)으로 유입되어 전방 전극(122)을 냉각시키게 된다. 그리고, 전방 전극(122)과 열교환된 냉각수는 제 2 냉각수 배출구(126-2)를 통해 외부로 배출된다.
하우징 덮개(106-2)는 외부 하우징(106-1)의 일단에서 외부 하우징(106-1)과 결합된다. 제 1 냉각수 주입구(118-1) 및 제 1 냉각수 배출구(118-2)는 하우징 덮개(106-2)를 관통할 수 있다. 또한, 후술할 바와 같이, 결로방지 가스 주입관(108) 또한 하우징 덮개(106-2)를 관통하여 플라즈마 토치(100)의 내부에서 연장되어 형성될 수 있다. 한편, 여기서는 하우징부(106-1, 106-2)가 외부 하우징(106-1) 및 하우징 덮개(106-2)로 분리되어 형성되는 것으로 기재하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 외부 하우징(106-1)과 하우징 덮개(106-2)가 일체로서 형성될 수도 있다.
결로방지 가스 주입관(108)은 플라즈마 토치(100)의 내부의 결로를 방지하기 위한 결로 방지 가스가 주입되는 관이다. 결로방지 가스 주입관(108)은 하우징부, 예를 들어 하우징부의 일측 단부에 포함되는 하우징 덮개(106-2)를 관통하며, 플라즈마 토치(100) 내부로 연장되어 형성된다.
플라즈마 토치(100)는 플라즈마 아크를 발생시키는 과정에서 고온의 열이 발생하여 가열되거나 냉각수의 주입으로 인해 냉각될 수 있다. 플라즈마 토치(100) 내부에는 고온의 열이 발생하는 전극과 냉각수가 유출입되는 냉각 유로가 병존함으로써, 플라즈마 토치(100)의 운용 중에 플라즈마 토치(100)의 내부 표면에 결로가 발생될 수 있으며, 이에 따라 플라즈마 토치(100)의 내부에 손상이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 결로방지 가스 주입관(108)을 통해 플라즈마 토치(100) 내부로 결로 방지 가스를 주입하도록 구성하였다. 여기서, 결로 방지 가스는 예를 들어, 압축 공기, 산소, 알곤, 질소, 이산화탄소, 수소 등이 될 수 있다. 결로방지 가스 주입관(108)을 통해 플라즈마 토치(100) 내부로 주입된 결로 방지 가스는 플라즈마 토치(100)의 내부를 순환한 후 플라즈마 토치(100) 외부로 배출됨으로써, 플라즈마 토치(100) 내부에 결로가 발생되는 것을 방지함과 더불어 기 발생한 결로를 증발시킬 수 있다.
결로방지 가스 주입관(108)은 하우징부를 관통하여 하우징부의 내측으로 연장될 수 있다. 이때, 하우징부의 내측에 위치하는 결로방지 가스 주입관(108)의 단부는 후방 전극(112)과 인접할 수 있다. 후술할 바와 같이, 결로방지 가스 주입관(108)에 주입된 가스는 가스 배출홀(132)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 결로방지 가스 주입관(108)에 주입된 가스가 플라즈마 토치(100) 내부의 전 영역을 순환한 후 외부로 배출되도록 하기 위해, 결로방지 가스 주입관(108)의 단부는 후방 전극(112)과 인접하도록 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 결로방지 가스 주입관(108)을 통해 플라즈마 토치(100) 내부로 들어온 결로 방지 가스는 플라즈마 토치(100) 내부의 안쪽에서부터 플라즈마 토치(100) 내부의 전 영역을 순환하게 되며, 이에 따라 플라즈마 토치(100) 내부의 전 영역에서 결로가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 결로 방지 가스는 플라즈마 아크를 발생시키기 위한 반응 가스 중 일부가 사용될 수도 있다. 상술한 바와 같이, 후방 전극(112)과 전방 전극(122) 사이에는 가스 유동 공간(110)이 형성될 수 있으며, 가스 공급부(미도시)를 통해 가스 유동 공간(110)으로 주입된 반응 가스는 플라즈마 아크를 발생시킬 수 있다. 이때, 가스 공급부의 일부분이 결로방지 가스 주입관(108)과 연결되어 결로방지 가스 주입관(108)으로 반응 가스의 일부를 공급할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 의하면, 플라즈마 아크를 발생시키기 위한 반응 가스의 일부를 결로 방지 가스로 활용할 수 있다.
또한, 하우징부(106-1, 106-2), 예를 들어 하우징 덮개(106-2)에는 결로방지 가스 주입관(108)으로부터 주입된 결로 방지 가스를 외부로 배출하기 위한 가스 배출홀(132)이 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 결로 방지 가스는 결로방지 가스 주입관(108)을 통해 플라즈마 토치(100) 내부로 주입되며, 가스 배출홀(132)을 통해 외부로 배출된다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 토치(200)를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 토치(200)는 후방 토치부(102), 전방 토치부(104), 하우징부(106-1, 106-2) 및 결로방지 가스 주입관(108)을 포함한다. 후방 토치부(102)는 후방 전극(112), 후방 전극 하우징(114), 마그네틱 코일(116), 후방 토치 냉각부(118) 및 후방 전극 덮개(134)를 포함한다. 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 토치(200)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 토치(100)와 비교하여 후방 토치부(102)의 후방 전극 덮개(134)가 더 부가되었으며, 이에 따라 결로방지 가스 주입관(108)의 연장 상태가 달라진다. 다만, 이를 제외한 나머지 구성은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 토치(100)의 구성과 동일하다. 따라서, 이하에서는 제 1 실시예에 따른 플라즈마 토치(100)와 중복되는 구성에 대해서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
후방 전극 덮개(134)는 카트리지 형태로서, 후방 전극(112)의 일측에서 후방 전극(112)과 분리 가능하게 결합된다. 후방 전극 덮개(134)로 인해 후방 전극(121)의 일측은 폐쇄되게 된다. 후방 전극 덮개(134)는 후방 전극(112)의 일측에서 후방 전극(112)의 내부로 삽입될 수 있으며, 외부 하우징(106-1)에 의해 둘러싸일 수 있다. 이때, 후방 전극 덮개(134)의 종단은 후방 전극(112)의 내측에 안착될 수 있다. 또한, 후방 전극 덮개(134)는 결합 부재를 통해 후방 전극 하우징(114)의 내측과 결합될 수 있다. 이 경우, 후방 전극 하우징(114)의 내부에서 후방 전극 덮개(134)가 후방 전극(112)을 압박하여 고정시키게 된다. 본 발명의 제 2 실시예에 의하면, 마그네틱 코일(116)의 권선수 및 각 전극(즉, 후방 전극 및 전방 전극)에 인가하는 전류, 전압 세기 등을 조절하면 플라즈마 아크가 후방 전극 덮개(134)쪽으로 유도할 수 있게 된다. 이 경우, 주로 후방 전극 덮개(134)에만 침식 및 소모가 발생하므로, 후방 전극(112)을 전부 교체할 필요가 없고 후방 전극 덮개(134)만 교체하여 주면 된다. 즉, 본 발명의 제 2 실시예에 의하면, 침식 및 소모가 발생한 후방 전극 덮개(134)만 교체하면 되므로 부품 교체에 따른 비용 및 노력을 줄일 수 있다.
상술한 바와 같이, 후방 전극 덮개(134)가 후방 전극(112)의 일측에 결합되므로, 결로방지 가스 주입관(108)은 하우징부를 관통하여 후방 전극 덮개(134)와 인접하도록 소정 거리 연장되어 형성된다. 즉, 결로방지 가스 주입관(108)에 주입된 가스가 플라즈마 토치(100) 내부의 전 영역을 통과하기 위해서 후방 전극 덮개(134)와 인접하도록 소정 거리 연장되어 형성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 결로방지 가스 주입관(108)을 통해 플라즈마 토치(100) 내부로 들어온 결로 방지 가스는 플라즈마 토치(100) 내부의 안쪽에서부터 플라즈마 토치(100) 내부의 전 영역을 통과하게 되며, 이에 따라 플라즈마 토치(100) 내부의 전 영역에서 결로가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
102 : 후방 토치부 104 : 전방 토치부
106-1 : 외부 하우징 106-2 : 하우징 덮개
108 : 결로방지 가스 주입관 110 : 가스 유동 공간
112 : 후방 전극 114 : 후방 전극 하우징
116 : 마그네틱 코일 118 : 후방 토치 냉각부
118-1 : 제 1 냉각수 주입구 118-2 : 제 1 냉각수 배출구
120 : 제 1 냉각수 유동 공간 122 : 전방 전극
124 : 전방 전극 하우징 126 : 전방 토치 냉각부
126-1 : 제 2 냉각수 주입구 126-2 : 제 2 냉각수 배출구
128 : 제 2 냉각수 유동 공간 130 : 절연 몸체
132 : 가스 배출홀 134 : 후방 전극 덮개

Claims (9)

  1. 전방 전극을 구비하는 전방 토치부;
    상기 전방 전극과 대향하며 상기 전방 전극의 일측에 위치하는 후방 전극을 구비하는 후방 토치부;
    외부 하우징 및 일측 단부의 하우징 덮개를 포함하여, 상기 후방 토치부를 둘러싸는 하우징부;
    상기 외부 하우징 및 상기 후방 전극의 사이에 위치하여 상기 후방 전극을 냉각시키기 위한 냉각수가 유입되는 냉각수 유동 공간; 및
    상기 하우징 덮개를 관통하며, 플라즈마 토치의 내부의 결로를 방지하기 위한 결로 방지 가스가 주입되는 결로방지 가스 주입관을 포함하는, 플라즈마 토치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결로방지 가스 주입관은,
    상기 하우징 덮개를 관통하여 상기 하우징 덮개와 상기 후방 전극의 일측 단부의 사이 공간으로 연장되며, 상기 하우징부의 내측에 위치하는 상기 결로방지 가스 주입관의 단부는 상기 후방 전극과 인접하는, 플라즈마 토치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 후방 전극의 일측에서 상기 후방 전극과 분리 가능하도록 결합되는 후방 전극 덮개를 더 포함하는, 플라즈마 토치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 결로방지 가스 주입관은,
    상기 하우징 덮개를 관통하여 상기 하우징 덮개와 상기 후방 전극의 일측 단부의 사이 공간으로 연장되며, 상기 하우징부의 내측에 위치하는 상기 결로방지 가스 주입관의 단부는 상기 후방 전극 덮개와 인접하는, 플라즈마 토치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 덮개를 관통하며, 상기 결로방지 가스 주입관으로부터 주입된 결로 방지 가스를 외부로 배출하는 가스 배출홀을 더 포함하는, 플라즈마 토치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 결로 방지 가스는,
    압축 공기, 산소, 알곤, 질소, 이산화탄소 및 수소 중 어느 하나인, 플라즈마 토치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 후방 전극과 상기 전방 전극 사이의 가스 유동 공간으로 플라즈마 아크를 발생시키기 위한 반응 가스를 주입시키는 가스 공급부를 더 포함하는, 플라즈마 토치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 결로방지 가스 주입관은,
    상기 가스 공급부와 연결되며, 상기 반응 가스 중 일부가 상기 결로방지 가스 주입관을 통해 상기 플라즈마 토치의 내부로 주입되는, 플라즈마 토치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반응 가스는,
    압축 공기, 산소, 스팀, 알곤, 질소, 이산화탄소 및 수소 중 어느 하나인, 플라즈마 토치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2001332399A (ja) * 2000-05-25 2001-11-30 Mitsubishi Heavy Ind Ltd プラズマ発生装置及びこれを用いた表面清掃方法
KR101249457B1 (ko) * 2012-05-07 2013-04-03 지에스플라텍 주식회사 비이송식 공동형 플라즈마 토치

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