KR101383039B1 - 비이송식 공동형 플라즈마 토치 - Google Patents

비이송식 공동형 플라즈마 토치 Download PDF

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KR101383039B1
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황순모
유병주
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Abstract

비이송식 공동형 플라즈마 토치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 비이송식 공동형 플라즈마 토치는, 후방 토치부 및 후방 토치부와 대향하여 형성되는 전방 토치부를 포함하는 비이송식 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 후방 토치부는, 양측이 개방되어 형성되는 후방 전극 하우징, 후방 전극 하우징의 내부에 고정되는 공동 형태의 후방 전극 바디, 후방 전극 하우징의 개방된 일측으로 삽입되고, 후방 전극 바디의 일단부에 탈착 가능하게 형성되는 후방 전극 덮개, 후방 전극 하우징에 감기고, 자기장을 발생시켜 비이송식 공동형 플라즈마 토치 내의 플라즈마 아크를 후방 전극 덮개로 유도하는 마그네틱 코일, 및 후방 전극 덮개의 외측에서 후방 전극 덮개를 냉각시키는 후방 전극 덮개 냉각부를 포함한다.

Description

비이송식 공동형 플라즈마 토치{PLASMA TORCH OF NON-TRANSFERRED AND HOLLOW TYPE}
본 발명의 실시예는 플라즈마 토치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비이송식 공동형 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 가열되어 기존의 연소 방식의 열원보다 더 높은 온도(예를 들어, 20,000K 이상) 및 열량을 얻을 수 있게 된다. 플라즈마 토치에 사용되는 가스로는 압축 공기, 산소, 스팀, 아르곤, 질소, 이산화탄소, 수소 등 응용되는 분야에 따라 다양하게 사용되며, 이는 유기물이 많이 포함되어 있는 유해 폐기물의 처리에 적합하다.
플라즈마 토치는 전기적인 구분에 따라 이송식(Transferred Type)과 비이송식(Non- Transferred Type)으로 분류된다. 이송식 플라즈마 토치는 토치 본체 내에 음극과 양극 중 어느 한 전극이 내장되고, 용융로에 다른 한 전극이 위치하게 된다. 그로 인해, 이송식 플라즈마 토치는 비이송식 플라즈마 토치보다 에너지 전달이 효율적인 장점이 있지만 운전 동작이 불안정하다는 단점이 있다. 비이송식 플라즈마 토치는 음극과 양극이 각각 토치 본체에 내장되기 때문에 전기적 부도체의 대상물도 처리할 수 있으며, 운전 동작이 안정적인 장점이 있다. 또한, 플라즈마 토치는 전극의 형상 및 방전 메커니즘에 따라 막대형(Solid)과 공동형(Hollow)으로 구분할 수 있다.
한국등록실용신안공보 제20-0424378호(2006.08.22)
본 발명의 실시예는 후방 전극 전체가 아닌 후방 전극 덮개만 교체하는 비이송식 공동형 플라즈마 토치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 후방 전극 덮개를 냉각시키는 비이송식 공동형 플라즈마 토치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 전방 전극과 후방 전극의 냉각량을 독립적으로 제어할 수 있는 비이송식 공동형 플라즈마 토치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 전극 교체가 용이한 비이송식 공동형 플라즈마 토치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비이송식 공동형 플라즈마 토치는, 후방 토치부 및 상기 후방 토치부와 대향하여 형성되는 전방 토치부를 포함하는 비이송식 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 상기 후방 토치부는, 양측이 개방되어 형성되는 후방 전극 하우징; 상기 후방 전극 하우징의 내부에 고정되는 공동 형태의 후방 전극 바디; 상기 후방 전극 하우징의 개방된 일측으로 삽입되고, 상기 후방 전극 바디의 일단부에 탈착 가능하게 형성되는 후방 전극 덮개; 상기 후방 전극 하우징에 감기고, 자기장을 발생시켜 상기 비이송식 공동형 플라즈마 토치 내의 플라즈마 아크를 상기 후방 전극 덮개로 유도하는 마그네틱 코일; 및 상기 후방 전극 덮개의 외측에서 상기 후방 전극 덮개를 냉각시키는 후방 전극 덮개 냉각부를 포함한다.
상기 후방 전극 덮개 냉각부는, 냉각수를 상기 후방 전극 덮개의 상측에서 유입하여 상기 후방 전극 덮개의 외주면을 따라 순환하면서 열 교환시킨다.
상기 비이송식 공동형 플라즈마 토치는, 상기 후방 전극 바디의 외측에서 상기 후방 전극 바디를 냉각하는 후방 토치 냉각부를 더 포함하고, 상기 후방 전극 덮개 냉각부는, 상기 후방 토치 냉각부와 연통하여 형성된다.
상기 후방 전극 덮개 냉각부는, 상기 후방 토치 냉각부의 내주면과 상기 후방 전극 덮개의 외주면 사이 공간을 포함한다.
상기 비이송식 공동형 플라즈마 토치는, 상기 후방 토치부와 상기 전방 토치부 사이에서 상기 후방 토치부와 상기 전방 토치부에 의해 압박되어 고정되는 절연 몸체; 상기 후방 토치부 및 상기 절연 몸체를 내부에 수납하고, 일측은 개방되어 형성되며, 타측은 상기 전방 토치부와 결합되는 외부 하우징; 및 상기 외부 하우징의 일측에서 상기 외부 하우징과 결합되는 하우징 덮개를 더 포함한다.
상기 후방 토치 냉각부는, 상기 후방 전극 하우징의 일단에서 연장되어 상기 하우징 덮개를 관통하여 형성되며 냉각수가 주입되는 제1 냉각수 주입구; 상기 후방 전극 하우징의 일단에서 연장되어 상기 하우징 덮개를 관통하여 형성되며 상기 후방 전극 바디에서 열 교환된 냉각수가 배출되는 제1 냉각수 배출구; 및 상기 후방 전극 하우징의 내부에 형성되고, 상기 제1 냉각수 주입구 및 상기 제1 냉각수 배출구와 각각 연통되는 제1 냉각수 유동 공간을 포함한다.
상기 전방 토치부는, 일측이 상기 외부 하우징의 타측과 결합되어 상기 절연 몸체를 압박하는 전방 전극 하우징; 일측이 상기 전방 전극 하우징의 내부에서 상기 절연 몸체에 안착되는 공동 형태의 전방 전극; 및 상기 전방 전극 하우징 및 상기 전방 전극의 타측이 안착되고, 상기 전방 전극 하우징의 타측과 분리 가능하게 결합되는 고정부를 포함한다.
상기 비이송식 공동형 플라즈마 토치는, 상기 외부 하우징에 형성되고, 상기 전방 전극 하우징의 내부로 냉각수를 출입시켜 상기 전방 전극을 냉각하는 전방 토치 냉각부; 및 상기 전방 전극 하우징의 내부에 형성되고, 상기 전방 토치 냉각부와 연통되는 제2 냉각수 유동 공간을 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 의하면, 플라즈마 아크를 후방 전극 덮개 쪽으로 유도 함으로써, 후방 전극 바디의 침식 및 소모를 최소화 할 수 있고, 그로 인해 비이송식 공동형 플라즈마 토치의 수명을 연장할 수 있게 된다. 이때, 침식 및 소모가 발생한 후방 전극 덮개만 교체하면 되므로 부품 교체에 따른 비용 및 노력을 줄일 수 있게 된다. 그리고, 후방 전극 덮개는 카트리지 형태이므로 용이하게 교체 또는 수리 할 수 있게 된다. 또한, 후방 전극 덮개를 후방 전극 덮개 냉각부로 냉각시켜 줌으로써, 후방 전극 덮개의 마모를 최소화하면서 수명을 연장할 수 있게 된다. 또한, 전방 전극도 카트리지 형태이므로 용이하게 교체 또는 수리 할 수 있게 된다. 또한, 후방 토치부와 전방 토치부를 서로 다른 독립된 구조의 냉각부로 냉각시킴으로써, 후방 토치부와 전방 토치부의 냉각량을 별도로 제어할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비이송식 공동형 플라즈마 토치를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비이송식 공동형 플라즈마 토치에서, 후방 전극 덮개를 분리하는 상태를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비이송식 공동형 플라즈마 토치에서, 전방 전극을 분리하는 상태를 나타낸 도면.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 비이송식 공동형 플라즈마 토치의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적 실시예에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 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 특허청구범위에 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 일 실시예에 따른 비이송식 공동형 플라즈마 토치를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 비이송식 공동형 플라즈마 토치(100)는 절연 몸체(102), 후방 토치부(104), 전방 토치부(106), 외부 하우징(108), 및 하우징 덮개(110)를 포함한다.
절연 몸체(102)는 외부 하우징(108)의 내측에 형성된 제1 안착부(131)에 안착될 수 있다. 절연 몸체(102)는 외부 하우징(108)의 내부에서 후방 토치부(104)와 전방 토치부(106) 사이에 개재된다. 구체적으로, 절연 몸체(102)는 후방 토치부(104)와 전방 토치부(106) 사이에서 후방 토치부(104)와 전방 토치부(106)에 의해 양측에서 압박된 상태로 있게 된다. 이 경우, 절연 몸체(102)는 별도의 결합 부재 없이 후방 토치부(104)와 전방 토치부(106) 사이에 위치할 수 있게 된다. 절연 몸체(102)는 예를 들어, 테프론 소재로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 그 이외의 다양한 절연 물질로 이루어질 수 있다. 절연 몸체(102)는 후방 토치부(104)와 전방 토치부(106)를 절연시키는 역할을 한다.
후방 토치부(104)는 절연 몸체(102)의 일측에 형성된다. 후방 토치부(104)는 후방 전극 바디(121), 후방 전극 덮개(123), 후방 전극 하우징(125), 마그네틱 코일(127), 및 후방 토치 냉각부(129)를 포함한다.
후방 전극 바디(121)는 후방 전극 하우징(125)의 내부에 삽입되어 고정된다. 이때, 후방 전극 바디(121)의 종단은 후방 전극 하우징(125)의 종단 내측에 형성된 제2 안착부(133)에 안착될 수 있다. 후방 전극 바디(121)는 중앙이 비어 있는 공동(空洞)의 형태로 형성될 수 있다. 후방 전극 바디(121)는 예를 들어, 무산소동(Oxygen Free High-conductive Copper : OFHC)으로 이루어질 수 있다. 무산소동은 구리 중에 포함되어 있는 산소를 제거하여 구리의 전기 전도도와 열 전도도를 증가시킨 물질이다. 그러나, 후방 전극 바디(121)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.
후방 전극 덮개(123)는 후방 전극 바디(121)의 일측에 분리 가능하게 결합된다. 후방 전극 덮개(123)로 인해 후방 전극 바디(121)의 일측은 폐쇄되게 된다. 후방 전극 덮개(123)는 후방 전극 바디(121)의 일측에서 후방 전극 바디(121)의 내부로 삽입될 수 있다. 이때, 후방 전극 덮개(123)의 종단은 후방 전극 바디(121)의 내측에 형성된 제3 안착부(135)에 안착될 수 있다. 그리고, 후방 전극 덮개(123)는 제1 결합 부재(137)를 통해 후방 전극 하우징(125)의 내측과 결합될 수 있다. 이 경우, 후방 전극 하우징(125)의 내부에서 후방 전극 덮개(123)가 후방 전극 바디(121)를 압박하여 고정시키게 된다. 후방 전극 바디(121)는 별도의 결합 부재 없이 후방 전극 덮개(123)와 절연 몸체(102) 사이에서 고정될 수 있게 된다. 본 발명의 명세서에서 전방 전극(141)에 대응하는 후방 전극은 후방 전극 바디(121) 및 후방 전극 덮개(123)를 포함한다.
후방 전극 하우징(125)은 외부 하우징(108)의 내부에서 후방 전극 바디(121) 및 후방 전극 덮개(123)를 감싸며 형성된다. 후방 전극 하우징(125)은 후방 전극 바디(121) 및 후방 전극 덮개(123)를 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 한다. 후방 전극 하우징(125)의 종단은 절연 몸체(102)의 일측에 안착된다.
마그네틱 코일(127)은 후방 전극 하우징(125)의 외주면에 형성된다. 마그네틱 코일(127)은 후방 전극 하우징(125)의 외주면에 솔레노이드 형태의 인입선을 여러 번 권취하여 형성할 수 있다. 마그네틱 코일(127)의 일단은 비이송식 공동형 플라즈마 토치(100)의 전원(미도시)에 연결되고, 마그네틱 코일(127)의 타단은 후방 전극 하우징(125)에 연결되어 후방 전극 바디(121)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 자기장을 형성하기 위한 별도의 자장 형성용 전원 없이 비이송식 공동형 플라즈마 토치(100)의 전원(미도시)만으로도 자기장을 형성할 수 있게 된다.
마그네틱 코일(127)은 자기유발 자장(Self Induced Magnetic Field)의 원리를 통해 자기장을 형성하여 플라즈마 아크를 후방 전극 덮개(123) 쪽으로 유도할 수 있다. 구체적으로, 마그네틱 코일(127)의 권선수 및 각 전극(즉, 후방 전극 및 전방 전극)에 인가하는 전류, 전압 세기 등을 조절하면 플라즈마 아크를 후방 전극 덮개(123)쪽으로 유도할 수 있게 된다. 이 경우, 주로 후방 전극 덮개(123)에만 침식 및 소모가 발생하므로, 후방 전극 바디(121)를 전부 교체할 필요가 없고 후방 전극 덮개(123)만 교체하여 주면 된다. 후방 전극 덮개(123)는 카트리지 형태로서 교체가 용이하고 교체에 따른 비용도 적게 들게 된다. 이에 대한 상세한 설명은 도 2를 참조하여 후술하기로 한다. 플라즈마 아크를 후방 전극 덮개(123)쪽으로 유도하는 경우, 후방 전극 덮개(123)의 전 면적에서 고르게 침식이 일어나도록 하여 후방 전극 덮개(123)의 수명을 연장시켜 주는 것이 바람직하다. 즉, 플라즈마 아크를 후방 전극 바디(121)와 대향하는 후방 전극 덮개(123)의 말단 부분의 전 면적에 걸쳐 고르게 유도할 수 있다. 또한, 마그네틱 코일(127)은 자기 유발 자장에 의해 별도의 자장 조절 장치 없이도 플라즈마 아크의 세기에 따라 자기장의 세기가 스스로 조절되게 된다.
후방 토치 냉각부(129)는 후방 토치부(104)의 과열을 방지하는 역할을 한다. 즉, 후방 토치 냉각부(129)를 통해 후방 전극 바디(121)를 냉각시켜 줌으로써, 고열로 인한 후방 전극 바디(121)의 마모를 최소화 할 수 있고 후방 전극 바디(121)의 수명을 연장시킬 수 있게 된다. 후방 토치 냉각부(129)는 후방 전극 하우징(125) 내에서 후방 전극 덮개(123) 및 후방 전극 바디(121)의 외측에 형성될 수 있다. 후방 토치 냉각부(129)는 후방 전극 하우징(125)과 일체로 형성될 수 있다.
후방 토치 냉각부(129)는 냉각수가 주입되는 제1 냉각수 주입구(129-1) 및 냉각수가 배출되는 제1 냉각수 배출구(129-2)를 포함한다. 제1 냉각수 주입구(129-1) 및 제1 냉각수 배출구(129-2)의 일측은 하우징 덮개(110)를 관통하여 형성될 수 있다. 즉, 제1 냉각수 주입구(129-1) 및 제1 냉각수 배출구(129-2)는 후방 전극 하우징(125)의 일단에서 연장되어 하우징 덮개(110)를 관통하도록 형성될 수 있다. 이 경우, 비이송식 공동형 플라즈마 토치(100)의 외부에서 냉각수를 제1 냉각수 주입구(129-1)로 유입시킬 수 있게 된다. 그리고, 후방 토치부(104)에서 열 교환된 냉각수는 제1 냉각수 배출구(129-2)를 통해 외부로 배출될 수 있게 된다.
후방 전극 하우징(125)의 내부에는 제1 냉각수 주입구(129-1) 및 제1 냉각수 배출구(129-2)와 연통되는 제1 냉각수 유동 공간(139)이 형성된다. 제1 냉각수 주입구(129-1)를 통해 주입된 냉각수는 제1 냉각수 유동 공간(139)으로 유입되어 후방 전극 바디(121)를 냉각시키게 된다. 그리고, 후방 전극 바디(121)와 열교환된 냉각수는 제1 냉각수 배출구(129-2)를 통해 외부로 배출되게 된다.
한편, 후방 토치부(104)는 후방 전극 덮개(123)를 냉각시키는 후방 전극 덮개 냉각부(130)를 더 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 플라즈마 아크를 후방 전극 덮개(123) 방향으로 유도하므로, 후방 전극 덮개(123)가 가열되게 된다. 이때, 가열된 후방 전극 덮개(123)를 후방 전극 덮개 냉각부(130)를 통해 냉각시켜 줌으로써, 고열로 인한 후방 전극 덮개(123)의 마모를 최소화하고, 후방 전극 덮개(123)의 수명을 연장시킬 수 있게 된다. 후방 전극 덮개 냉각부(130)는 후방 전극 덮개(123)와 후방 토치 냉각부(129) 사이에 형성될 수 있다. 즉, 후방 전극 덮개 냉각부(130)는 후방 토치 냉각부(129)의 내주면과 후방 전극 덮개(123)의 외주면 사이의 공간을 포함한다. 후방 전극 덮개 냉각부(130)는 제1 냉각수 유동 공간(139)과 연통하여 형성된다. 예를 들어, 후방 전극 덮개 냉각부(130)는 후방 전극 덮개(123)의 상측에서 제1 냉각수 유동 공간과 연통하여 형성될 수 있다. 즉, 후방 전극 덮개 냉각부(130)는 후방 전극 덮개(123)의 상측에서 제1 냉각수 주입구(129-1)와 연통된 제1 냉각수 유동 공간(139)과 연통되어 형성되고, 후방 전극 덮개(123)의 상측에서 제1 냉각수 배출구(129-2)와 연통된 제1 냉각수 유동 공간(139)과 연통되어 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 냉각수 주입구(129-1)를 통해 제1 냉각수 유동 공간(139)으로 유입된 냉각수는 후방 전극 덮개(123)의 상측에서 후방 전극 덮개 냉각부(130)로 유입되어 후방 전극 덮개(123)의 외주면을 따라 순환하면서 열 교환되어 후방 전극 덮개(123)를 냉각하게 된다. 그리고, 열 교환된 냉각수는 후방 전극 덮개(123)의 상측에서 제1 냉각수 배출구(129-2)와 연통된 제1 냉각수 유동 공간(139)으로 빠져 나와 외부로 배출되게 된다.
전방 토치부(106)는 절연 몸체(102)의 타측에 형성된다. 전방 토치부(106)는 전방 전극(141) 및 전방 전극 하우징(143)을 포함한다.
전방 전극(141)은 전방 전극 하우징(143)의 내부에 삽입되어 고정된다. 이때, 전방 전극(141)의 일단은 절연 몸체(102)의 타측에 안착된다. 전방 전극(141)의 타단은 고정부(145)에 안착된다. 전방 전극(141)은 중앙이 비어 있는 공동(空洞)의 형태로 형성될 수 있다. 전방 전극(141)은 예를 들어, 무산소동으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전방 전극(141)은 후방 전극 바디(121)와 일정 간격 이격하여 형성되고, 후방 전극 바디(121)와 대향하여 형성될 수 있다. 이때, 후방 전극 바디(121)와 전방 전극(141)은 비이송식 공동형 플라즈마 토치(100)의 성능 및 수리나 교체의 용이성 측면에서 동심축 상에 상호 대향하여 형성될 수 있다.
후방 전극 바디(121)와 전방 전극(141) 사이에는 가스 유동 공간(147)이 형성되게 된다. 여기서, 가스 주입구(미도시)를 통해 주입된 가스는 가스 유동 공간(147)으로 유입되어 플라즈마 아크를 발생시키게 된다. 가스 주입구(미도시)로 주입되는 가스로는 예를 들어, 압축 공기, 산소, 스팀, 아르곤, 질소, 이산화탄소, 수소 등이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 비이송식 공동형 플라즈마 토치(100)가 응용되는 분야에 따라 다양한 가스가 사용될 수 있다.
전방 전극 하우징(143)은 전방 전극(141)을 감싸며 형성된다. 전방 전극 하우징(143)은 전방 전극(141)을 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 한다. 전방 전극 하우징(143)의 일단은 절연 몸체(102)의 타측 및 외부 하우징(108)의 종단에 안착된다. 전방 전극 하우징(143)의 타단은 고정부(145)에 안착된다. 이때, 전방 전극 하우징(143)의 일단은 제2 결합 부재(149)를 통해 외부 하우징(108)과 결합되고, 전방 전극 하우징(143)의 타단은 제3 결합 부재(151)를 통해 고정부(145)와 결합될 수 있다. 이 경우, 전방 전극(141) 및 전방 전극 하우징(143)이 절연 몸체(102)의 타측에서 절연 몸체(102)를 압박하여 고정시키게 된다. 그리고, 고정부(145)가 전방 전극(141)의 타단에서 전방 전극(141)을 압박하여 고정시키게 된다. 전방 전극(141)은 별도의 결합 부재 없이 절연 몸체(102)와 고정부(145) 사이에서 고정될 수 있게 된다. 전방 전극 하우징(143)의 내부에는 제2 냉각수 유동 공간(153)이 형성될 수 있다.
여기서, 전방 전극(141)은 카트리지의 형태를 갖기 때문에 용이하게 분리하여 교체할 수 있게 된다. 즉, 전방 토치부(106)에는 마그네틱 코일이 형성되어 있지 않고, 전방 전극(141)의 일단은 별도의 결합 부재 없이 절연 몸체(102)의 타측에 안착되어 있기 때문에, 전방 전극(141)을 교체하기 위해서는 제3 결합 부재(151)를 풀고 전방 전극(141)을 분리하기만 하면 된다. 이에 대한 자세한 설명은 도 3을 참조하여 후술하기로 한다.
외부 하우징(108)은 절연 몸체(102), 후방 토치부(104), 및 전방 토치부(106)의 일부를 감싸며 형성될 수 있다. 외부 하우징(108)은 절연 몸체(102) 및 후방 토치부(104)를 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 한다. 특히, 절연 몸체(102) 및 마그네틱 코일(127)은 외부로 노출되지 않고 외부 하우징(108)에 의해 보호받게 된다. 외부 하우징(108)의 일단은 제4 결합 부재(155)를 통해 하우징 덮개(110)와 결합되고, 외부 하우징(108)의 타단은 제2 결합 부재(149)를 통해 전방 토치부(106)와 결합된다.
외부 하우징(108)에는 전방 토치 냉각부(157)가 형성될 수 있다. 이때, 전방 토치 냉각부(157)는 외부 하우징(108)의 외주면에 형성될 수 있다. 전방 토치 냉각부(157)는 전방 토치부(106)가 과열되는 것을 방지하는 역할을 한다. 즉, 전방 토치 냉각부(157)를 통해 전방 전극(141)을 냉각시켜 줌으로써, 고열로 인한 전방 전극(141)의 마모를 최소화 할 수 있고 전방 전극(141)의 수명을 연장할 수 있게 된다.
전방 토치 냉각부(157)는 냉각수가 주입되는 제2 냉각수 주입구(157-1) 및 냉각수가 배출되는 제2 냉각수 배출구(157-2)를 포함한다. 제2 냉각수 주입구(157-1)는 외부 하우징(108)의 내부 일측에서 외부 하우징(108)의 내측면을 따라 형성될 수 있다. 제2 냉각수 주입구(157-2)는 전방 전극 하우징(143)의 내부에 형성되는 제2 냉각수 유동 공간(153)과 연통된다. 제2 냉각수 배출구(157-2)는 외부 하우징(108)의 내부 타측에서 외부 하우징(108)의 내측면을 따라 형성될 수 있다. 제2 냉각수 배출구(157-2)는 전방 전극 하우징(143)의 내부에 형성되는 제2 냉각수 유동 공간(153)과 연통된다. 이 경우, 제2 냉각수 주입구(157-1)를 통해 주입된 냉각수는 제2 냉각수 유동 공간(153)으로 유입되어 전방 전극(141)을 냉각시키게 된다. 그리고, 전방 전극(141)과 열교환된 냉각수는 제2 냉각수 배출구(157-2)를 통해 외부로 배출되게 된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 후방 토치부(104)와 전방 토치부(106)는 각각 독립적인 냉각부를 가지게 된다. 즉, 후방 토치부(104)는 후방 토치 냉각부(129)를 통해 냉각되고, 전방 토치부(106)는 전방 토치 냉각부(157)를 통해 냉각된다. 여기서, 후방 토치 냉각부(129)와 전방 토치 냉각부(157)는 서로 독립된 구조로 이루어져 있기 때문에, 후방 토치 냉각부(129) 및 전방 토치 냉각부(157)를 통해 후방 토치부(104)와 전방 토치부(106)의 냉각을 각각 제어할 수 있게 된다. 예를 들어, 전방 전극(141)은 용융로(미도시) 내측에 위치하여 후방 전극 바디(121) 보다 고온 상태에 있기 때문에, 전방 토치부(106)의 냉각량을 후방 토치부(104)의 냉각량 보다 크게 할 필요가 있다. 이때, 제2 냉각수 주입구(157-1)를 통해 주입되는 냉각수의 양을 제1 냉각수 주입구(129-1)를 통해 주입되는 냉각수의 양보다 많게 함으로써, 전방 토치부(106)의 냉각량을 후방 토치부(104)의 냉각량 보다 크게 할 수 있다.
하우징 덮개(110)는 외부 하우징(108)의 일단에서 제4 결합 부재(155)를 통해 외부 하우징(108)과 결합된다. 하우징 덮개(110)에는 제1 관통홀(159) 및 제2 관통홀(161)이 형성될 수 있다. 여기서, 제1 냉각수 주입구(129-1)는 제1 관통홀(159)로 삽입되고 제1 냉각수 배출구(129-2)는 제2 관통홀(161)로 삽입되어 하우징 덮개(110)를 관통하게 된다. 하우징 덮개(110)는 외부 하우징(108)과 제1 냉각수 주입구(129-1) 및 제1 냉각수 배출구(129-2) 간의 절연을 위해 절연체를 사용할 수 있다.
한편, 비이송식 공동형 플라즈마 토치(100)는 절연 몸체(102), 후방 전극 바디(121), 전방 전극(141), 및 하우징 덮개(110)를 제외하고는 기본적으로 스테인레스 스틸(Stainless Steel)로 이루어질 수 있다. 이 경우, 기계적 강도가 우수하고, 내부식성을 가지며, 열 전도도가 구리에 비해 낮아 외부로의 열 손실을 줄일 수 있고, 자기장의 투과성이 우수한 특징이 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 그 이외의 재질로 이루어질 수도 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 플라즈마 아크를 후방 전극 덮개(123) 쪽으로 유도함으로써, 후방 전극 바디(121)의 침식 및 소모를 최소화 할 수 있고, 그로 인해 비이송식 공동형 플라즈마 토치(100)의 수명을 연장할 수 있게 된다. 이때, 침식 및 소모가 발생한 후방 전극 덮개(123)만 교체하면 되므로 부품 교체에 따른 비용 및 노력을 줄일 수 있게 된다. 그리고, 후방 전극 덮개(123)는 카트리지 형태이므로 용이하게 교체 또는 수리 할 수 있게 된다. 또한, 후방 전극 덮개(123)를 후방 전극 덮개 냉각부(130)로 냉각시켜 줌으로써, 후방 전극 덮개(123)의 마모를 최소화하면서 수명을 연장할 수 있게 된다. 또한, 전방 전극(141)도 카트리지 형태이므로 용이하게 교체 또는 수리 할 수 있게 된다. 또한, 후방 토치부(104)와 전방 토치부(106)를 서로 다른 독립된 구조의 냉각부로 냉각시킴으로써, 후방 토치부(104)와 전방 토치부(106)의 냉각량을 별도로 제어할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비이송식 공동형 플라즈마 토치에서, 후방 전극 덮개를 분리하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 비이송식 공동형 플라즈마 토치(100)의 경우, 마그네틱 코일(127)의 권선수, 후방 전극 및 전방 전극(141)에 인가하는 전류, 전압 세기 등을 조절함으로써, 플라즈마 아크를 후방 전극 덮개(123) 쪽으로 유도한다. 이 경우, 주로 후방 전극 덮개(123)에만 침식 및 소모가 발생하므로, 주기적으로 후방 전극 덮개(123)를 교체(또는 수리)해 줄 필요가 있다. 이때, 후방 전극 덮개(123)의 교체 주기를 늘리려면, 플라즈마 아크를 후방 전극 덮개(123)쪽으로 유도할 때, 플라즈마 아크에 의한 침식이 후방 전극 덮개(123)의 전 면적에서 고르게 일어나도록 한다.
여기서, 후방 전극 덮개(123)는 1) 제4 결합 부재(155)를 풀어 하우징 덮개(110)를 외부 하우징(108)으로부터 분리시키고, 2) 제1 결합 부재(137)를 풀어 후방 전극 덮개(123)를 후방 전극 하우징(125)으로부터 분리시키기만 하면 되므로, 용이하게 후방 전극 덮개(123)를 교체(또는 수리) 할 수 있다. 즉, 후방 전극 덮개(123)는 카트리지 형태로서 용이하게 교체(또는 수리) 할 수 있다. 또한, 이 상태에서 후방 전극 바디(121)를 후방 전극 하우징(125)에서 꺼내기만 하면 되므로, 후방 전극 바디(121)도 쉽게 분리할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비이송식 공동형 플라즈마 토치에서, 전방 전극을 분리하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 전방 전극(141)를 교체할 필요가 있는 경우, 제3 결합 부재(151)를 풀어 고정부(145)를 전방 전극 하우징(143)으로 분리시킨 후, 전방 전극(141)을 전방 전극 하우징(143) 밖으로 꺼내기만 하면 되므로, 용이하게 전방 전극(141)를 교체 또는 수리 할 수 있게 된다. 즉, 전방 전극(141)은 카트리지 형태로서 용이하게 교체 또는 수리 할 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.
100 : 비이송식 공동형 플라즈마 토치 102 : 절연 몸체
104 : 후방 토치부 106 : 전방 토치부
108 : 외부 하우징 110 : 하우징 덮개
121 : 후방 전극 바디 123 : 후방 전극 덮개
125 : 후방 전극 하우징 127 : 마그네틱 코일
129 : 후방 토치 냉각부 129-1 : 제1 냉각수 주입구
129-2 : 제1 냉각수 배출구 130 : 후방 전극 덮개 냉각부
131 : 제1 안착부
133 : 제2 안착부 135 : 제3 안착부
137 : 제1 결합 부재 139 : 제1 냉각수 유동 공간
141 : 전방 전극 143 : 전방 전극 하우징
145 : 고정부 147 : 가스 유동 공간
149 : 제2 결합 부재 151 : 제3 결합 부재
153 : 제2 냉각수 유동 공간 155 : 제4 결합 부재
157 : 전방 토치 냉각부 157-1 : 제2 냉각수 주입구
157-2 : 제2 냉각수 배출구 159 : 제1 관통홀
161 : 제2 관통홀

Claims (8)

  1. 후방 토치부 및 상기 후방 토치부와 대향하여 형성되는 전방 토치부를 포함하는 비이송식 공동형 플라즈마 토치에 있어서,
    상기 후방 토치부는,
    양측이 개방되어 형성되는 후방 전극 하우징;
    상기 후방 전극 하우징의 내부에 고정되는 공동 형태의 후방 전극 바디;
    상기 후방 전극 바디의 외측에서 일측으로 연장되어 형성되고, 상기 후방 전극 바디의 측면에서 상기 후방 전극 바디를 냉각하기 위한 제1 냉각수 유동 공간을 포함하는 후방 토치 냉각부;
    상기 후방 전극 하우징의 개방된 일측을 통해 교체 가능하도록 구비되고, 상기 일측으로 연장된 후방 토치 냉각부를 따라 상기 후방 전극 하우징의 개방된 일측으로 삽입되어 상기 후방 전극 바디에 탈착 가능하게 장착되는 후방 전극 덮개;
    상기 후방 전극 하우징에 감기고, 자기장을 발생시켜 상기 비이송식 공동형 플라즈마 토치 내의 플라즈마 아크를 상기 후방 전극 덮개로 유도하는 마그네틱 코일; 및
    상기 제1 냉각수 유동 공간과 구별되고, 상기 후방 전극 덮개의 외주면에 상기 제1 냉각수 유동 공간과 연통되도록 형성되어 상기 후방 전극 덮개를 냉각시키는 후방 전극 덮개 냉각부를 포함하는, 비이송식 공동형 플라즈마 토치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 후방 전극 덮개 냉각부는,
    냉각수를 상기 후방 전극 덮개의 상측에서 유입하여 상기 후방 전극 덮개의 외주면을 따라 순환하면서 열 교환시키는, 비이송식 공동형 플라즈마 토치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 후방 전극 덮개 냉각부는,
    상기 후방 토치 냉각부의 내주면과 상기 후방 전극 덮개의 외주면 사이 공간을 포함하는, 비이송식 공동형 플라즈마 토치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비이송식 공동형 플라즈마 토치는,
    상기 후방 토치부와 상기 전방 토치부 사이에서 상기 후방 토치부와 상기 전방 토치부에 의해 압박되어 고정되는 절연 몸체;
    상기 후방 토치부 및 상기 절연 몸체를 내부에 수납하고, 일측은 개방되어 형성되며, 타측은 상기 전방 토치부와 결합되는 외부 하우징; 및
    상기 외부 하우징의 일측에서 상기 외부 하우징과 결합되는 하우징 덮개를 더 포함하는, 비이송식 공동형 플라즈마 토치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 후방 토치 냉각부는,
    상기 후방 전극 하우징의 일단에서 연장되어 상기 하우징 덮개를 관통하여 형성되며 냉각수가 주입되는 제1 냉각수 주입구;
    상기 후방 전극 하우징의 일단에서 연장되어 상기 하우징 덮개를 관통하여 형성되며 상기 후방 전극 바디에서 열 교환된 냉각수가 배출되는 제1 냉각수 배출구; 및
    상기 후방 전극 하우징의 내부에 형성되고, 상기 제1 냉각수 주입구 및 상기 제1 냉각수 배출구와 각각 연통되는 제1 냉각수 유동 공간을 포함하는, 비이송식 공동형 플라즈마 토치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전방 토치부는,
    일측이 상기 외부 하우징의 타측과 결합되어 상기 절연 몸체를 압박하는 전방 전극 하우징;
    일측이 상기 전방 전극 하우징의 내부에서 상기 절연 몸체에 안착되는 공동 형태의 전방 전극; 및
    상기 전방 전극 하우징 및 상기 전방 전극의 타측이 안착되고, 상기 전방 전극 하우징의 타측과 분리 가능하게 결합되는 고정부를 포함하는, 비이송식 공동형 플라즈마 토치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비이송식 공동형 플라즈마 토치는,
    상기 외부 하우징에 형성되고, 상기 전방 전극 하우징의 내부로 냉각수를 출입시켜 상기 전방 전극을 냉각하는 전방 토치 냉각부; 및
    상기 전방 전극 하우징의 내부에 형성되고, 상기 전방 토치 냉각부와 연통되는 제2 냉각수 유동 공간을 더 포함하는, 비이송식 공동형 플라즈마 토치.
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