KR101870177B1

KR101870177B1 - 플라즈마 토치

Info

Publication number: KR101870177B1
Application number: KR1020160088844A
Authority: KR
Inventors: 황지윤
Original assignee: 황지윤
Priority date: 2016-07-13
Filing date: 2016-07-13
Publication date: 2018-06-25
Also published as: KR20180007600A

Abstract

개시된 내용은 플라즈마 토치에 관한 것이다.
실시예에 따르면, 전극 및, 내부에 상기 전극을 수용하는 제1 공간부가 형성되고, 중앙에 오리피스(ORIFICE)가 형성된 노즐을 포함하는 플라즈마 토치에 있어서, 상기 전극은 단부의 가장자리가 테이퍼진 환봉 형상이고, 상기 노즐의 내저면-상기 제1 공간부의 바닥면-은 상기 전극의 단부와 나란하게 마주하고, 상기 오리피스를 둘러싸는 상기 노즐의 내저면에는 작동가스의 불꽃방전시 생성되는 스파크를 유도하는 제2 공간부가 소정의 폭과 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치를 개시한다.

Description

플라즈마 토치{PLASMA TORCH}

개시된 내용은 플라즈마 토치에 관한 것이다.

플라즈마 토치는 고온의 플라즈마를 발생시키는 공구(TOOL)로, 주로 피절단재(모재, 철판 등)를 절단하는 용도로 사용된다.

도 1은 종래의 플라즈마 토치의 헤드부(1)를 나타낸 단면도이다.

이를 참조하면, 종래의 플라즈마 토치의 헤드부(1)는 냉각튜브(10), 전극(20), 스월링(30), 노즐(40), 실드캡(50) 등을 포함한다.

종래의 플라즈마 토치는 전원 및 각종 유체[냉각유체(WG), 작동각스(CF), 실드가스(SG) 등]를 공급하는 몸체부(미도시)에, 전술한 헤드부(1)가 결합하여 이루어진다.

종래의 플라즈마 토치에서, 플라즈마가 생성되는 과정을 설명한다.

먼저, 몸체부(미도시)는 작동가스(WG)를 고속으로 헤드부(1)에 공급한다.

다음으로, 헤드부(1)에 공급된 작동가스(WG)는 스월링(30)의 둘레에 비스듬하게 뚫린 유입홀(32)을 통해, 스월링(30)의 내주면과 전극(20)의 외주면 사이로 들어가, 전극(20)을 고속으로 선회(SWIRL)하며 하방으로 이동한다.

이어서, 전극(20)과 노즐(40)에 각각 다른 극성의 전류가 공급되고, 전위차에 의해, 전극(20)의 단부와 노즐(40)의 내저면 사이에서 아크(ARC)가 발생한다.

계속해서, 전극(20)의 단부[노즐(40)의 입구]에 도달한 작동가스(WG)는 아크(ARC)에 의해, 전기적으로 가열되어, 불꽃방전(섬화방전)을 일으키며 플라즈마 상태로 변환된다.

한편, 종래의 플라즈마 토치의 노즐(40)의 내부에는 통상 원뿔형 공간부가 형성된다. 이는 불꽃방전시 발생하는 스파크(SPARK)로 인하여, 노즐(40)의 내벽이 가열 혹은 손상되는 것을 방지하기 위함이다.

도 2a는 원뿔형 공간부의 모선각(α)을 좁힌 노즐(40')을 도시한다.

본원의 발명자는 실험을 통해, 원뿔형 공간부의 모선각(α)이 0°에 가까워질수록 분사되는 플라즈마의 위력(절단력)이 현저히 강해지는 것을 발견하였다. 그 이유를 명확히 알 수는 없으나, 공간부의 체적이 감소함으로 인하여, 플라즈마가 분사되기 직전에 강하게 압축되기 때문인 것으로 추정된다.

하지만, 상기한 노즐(40')은 스파크로 인한 내벽(내저면)의 손상이 극심하여, 내구수명이 짧은 문제점이 있다. (도 3 참조)

한편, 도 2b와 같이, 작동가스(WG)의 공급량을 늘려, 작동가스(WG)의 유속을 증폭시킬 경우, 스파크의 발생이 중앙으로 집중되어, 노즐(40') 내벽은 종전보다 덜 손상되었다. 그러나 오리피스(ORIFICE)의 내주면이 극심하게 손상되었으며, 아크 전압이 증대되어. 전극의 수명이 현격하게 감소하였다. 또한, 노즐(40')에서 과도한 열이 발생하였다.

개시된 내용은 목적은, 강한 절단력을 갖되, 유지비용이 저렴한 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.

실시예에 따르면, 전극 및, 내부에 상기 전극을 수용하는 제1 공간부가 형성되고, 중앙에 오리피스(ORIFICE)가 형성된 노즐을 포함하는 플라즈마 토치에 있어서, 상기 전극은 단부의 가장자리가 테이퍼진 환봉 형상이고, 상기 노즐의 내저면-상기 제1 공간부의 바닥면-은 상기 전극의 단부와 나란하게 마주하고, 상기 오리피스를 둘러싸는 상기 노즐의 내저면에는 작동가스의 불꽃방전시 생성되는 스파크를 유도하는 제2 공간부가 소정의 폭과 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치를 제시된다.

상기 전극은, 타원체 형태이되 상단이 평평한 머리부, 원뿔대 형태의 몸체부 및, 상기 머리부와 상기 몸체부를 연결하는 잘록한 형태의 목부로 구성된 티트(TEAT) 형상이며, 상기 제1 공간부는 내저면이 평평한 티트(TEAT) 형상일 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 토치는, 작동가스가 상기 몸체부, 상기 목부, 상기 머리부를 순차적으로 선회한 후, 상기 오리피스로 분출되도록 구성된 것일 수 있다.

앞 절에서 제시된 플라즈마 토치는, 전극의 단부와, 노즐의 내저면 사이에 형성되는 공간이 최소화됨으로, 절단력이 강한(강하게 압축된) 플라즈마를 분사한다.

또한, 작동가스의 불꽃방전으로 생성되는 스파크가 제2 공간부로 유도되기 때문에, 종래기술에 비해 노즐이 덜 손상되며 덜 가열된다.

즉, 위력이 강한 플라즈마를 생성하면서도, 소모성 부품(전극, 노즐)의 소모량은 적다.

도 1은 종래의 플라즈마 토치의 헤드부(1)를 나타낸 단면도이다.
도 2a는 원뿔형 공간부의 모선각(α)을 좁힌 노즐(40')을 도시한 도면이다.
도 2b는 도 2a의 노즐(40')에 공급되는 작동가스의 공급량을 증가시킨 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 적용된 노즐(40')의 사용 후 사진이다.
도 4는 제1 실시예에 의한 플라즈마 토치(100)의 개략적인 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5는 제2 실시예에 의한 플라즈마 토치(100')의 개략적이 구조를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5에 적용된 노즐(120')의 사용 후 사진이다.

이하, 다양한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 4는 제1 실시예에 의한 플라즈마 토치(100)의 개략적인 구조를 나타낸 단면도이다.

이를 참조하면, 제1 실시예에 따른 플라즈마 토치(100)는 전극(110) 및 노즐(120)을 포함한다. [몸체부(미도시) 및 일반적으로 사용되는 구성에 관한 설명은 생략함]

전극(110)은 단부의 가장자리가 테이퍼진 환봉 형상이다.

노즐(120)의 내부에는 전극(110)의 단부를 수용하는 제1 공간부(124)가 형성되고, 중앙에는 오리피스(122)가 형성된다.

노즐(120)의 내저면, 즉 제1 공간부(124)의 바닥면은 전극(110)의 단부와 나란하게 마주한다. 상기한 이유로, 전극(110)의 단부와, 노즐(120)의 내저면 사이에는 최소한의 공간만이 형성되고, 분사되기 직전의 플라즈마는 전술한 공간에서 강하게 압축된다.

노즐(120)의 내저면 소정 위치, 즉 오리피스(122)를 주위에는 소정 폭과 깊이를 가진 제2 공간부(126)가 형성된다.

실험에 의하면, 제2 공간부(126)가 구비될 경우, 불꽃방전시 발생하는 스파크로 인하여, 노즐의 내저면(내벽)이 손상되는 현상이 현저히 감소하였다. 이는 제2 공간부(126)의 주위에 강한 자기장이 형성되어, 스파크(작동가스의 불꽃방전시 발생하는 불꽃)가 유도되기 때문이다.

오리피스(122)와, 제1, 2 공간부(124, 126)는 중심축이 일치되는 것이 바람직하다.

삭제

도 5는 제2 실시예에 의한 플라즈마 토치(100')의 개략적인 구조를 나타낸 단면도이다.

실험에 의하면, 스파크가 제2 공간부(126)에 집중되는 현상은, 공급되는 작동가스(WG)의 속도가 빨라지거나, 작동가스(WG)가 전극(20)을 자연스럽게 선회할수록 뚜렷해졌다. 이는 작동가스(WG)가 강한 선회력으로 스파크를 에워쌈으로써, 스파크의 발생이 중앙으로 집중되었기 때문이다.

한편, 전극(110')은, 타원체 형태이되 상단이 평평한 머리부, 원뿔대 형태의 몸체부 및, 머리부와 몸체부를 연결하는 잘록한 형태의 목부로 구성된 티트(TEAT) 형상으로 형성되고, 제1 공간부(124)는 전극(110')에 대응되는 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 제1 공간부는 내저면이 평평한 티트(TEAT) 형상이다.

이 경우, 작동가스(WG)의 선회력(스월)이 극대화되는 것으로 추정되는데, 실제 실험에서는 플라즈마의 절단력이 한층 강해질 뿐만 아니라, 스파크로 인하여 노즐(122')이 손상되는 현상도 눈에 띄게 감소하였다. (30T 철판을 18M 가공했을 때, 종래에 비해 전극의 소모량이 30% 절감됨)

이때, 전극의 단면적을 A1, 제1 공간부의 단면적을 A2로 하였을 때, 1.2≤A2/A1≤1.4의 관계를 만족하도록 구성되는 것이 바람직하다.

도 6은 도 5에 적용된 노즐(120')의 사용 후 사진이다. 이를 도 3과 비교하면(도 3과 도 6은 같은 길이의 철판을 절단한 후임), 도 6은 스파크로 인한 손상 흔적이 넓게 퍼져있지도 않을뿐더러, 그 정도도 매우 경미하다는 것을 이해할 것이다.

전술한 플라즈마 토치(100, 100')는 전극의 단부와, 노즐의 내저면 사이에 형성되는 공간이 최소화됨으로, 절단력이 강한 플라즈마 분사를 할 수 있다.

또한, 작동가스의 불꽃방전으로 생성되는 스파크가 제2 공간부로 유도되어, 종래기술에 비해 노즐이 덜 손상되고, 덜 가열된다.(소모성 부품의 소모가 적다)

이상, 다양한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명하였다.

그러나 설명된 실시예는 예시에 불과하며, 이는 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여, 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형될 가능성이 있다.

따라서 개시된 내용의 권리범위는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 명세서 전반에 내포된 기술적 사상을 바탕으로 폭넓게 고려되어야 할 것이다.

1 ; 종래의 플라즈마 토치의 헤드부
10 ; 냉각튜브
20 ; 전극
30 ; 스월링
40, 40' ; 노즐
50 ; 실드캡
100, 100' ; 플라즈마 토치
110, 110' ; 전극
120, 120' ; 노즐
122 ; 오리피스
124 ; 제1 공간부
126 ; 제2 공간부
WG ; 냉각유체
CF ; 작동가스
SG ; 실드가스
α ; 모선각

Claims

삭제
전극 및, 내부에 상기 전극을 수용하는 제1 공간부가 형성되고, 중앙에 오리피스(ORIFICE)가 형성된 노즐을 포함하는 플라즈마 토치에 있어서,
상기 전극은, 타원체 형태이되 상단이 평평한 머리부, 원뿔대 형태의 몸체부 및, 상기 머리부와 상기 몸체부를 연결하는 잘록한 형태의 목부로 구성된 티트(TEAT) 형상이며,
상기 제1 공간부는 내저면이 평평한 티트(TEAT) 형상이고,
상기 노즐의 내저면-상기 제1 공간부의 바닥면-은 상기 전극의 단부와 나란하게 마주하고,
상기 오리피스를 둘러싸는 상기 노즐의 내저면에는 작동가스의 불꽃방전시 생성되는 스파크를 유도하는 제2 공간부가 소정의 폭과 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하고,
작동가스가 상기 몸체부, 상기 목부, 상기 머리부를 순차적으로 선회한 후, 상기 오리피스로 분출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치.
청구항 2에 있어서,
상기 오리피스와, 상기 제1, 2 공간부는 중심축이 일치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
삭제
청구항 2에 있어서,
상기 전극의 단면적을 A1, 상기 제1 공간부의 단면적을 A2로 하였을 때,
1.2≤A2/A1≤1.4
의 관계를 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.