KR102107430B1 - 멀티 플라즈마 토치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하나의 고전압 발생부를 구비하면서도 다수개의 플라즈마 토치에 대하여 고전압 전원을 공급하여 동시 구동할 수 있는 멀티 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 멀티 플라즈마 토치는, 아크 방전으로 플라즈마를 발생시키는 다수개의 플라즈마 토치; 상기 다수개의 플라즈마 토치마다 설치되며, 고전압 전원을 일시 저장하여 상기 플라즈마 토치에 고전압 전원을 전원 유지 시간 동안 일시적으로 공급하는 다수개의 고전압 전원 저장부; 외부에서 공급되는 전원을 이용하여 고전압 전원을 발생하는 고전압 전원 발생부; 상기 고전압 전원 발생부와 상기 다수개의 고전압 전원 저장부 사이에 구비되며, 상기 고전압 전원 발생부에서 공급되는 고전압 전원을 상기 각 고전압 전원 저장부에 대하여 상기 전원 유지 시간 내에 순환적으로 공급하는 전원 공급 제어부;를 포함한다.
Description
본 발명은 멀티 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나의 고전압 발생부를 구비하면서도 다수개의 플라즈마 토치에 대하여 고전압 전원을 공급하여 동시 구동할 수 있는 멀티 플라즈마 토치에 관한 것이다.
플라즈마는 고온으로 가열된 전기 전도성 가스로서, 양이온, 음이온, 전자 및 여기된(excited) 중성 원자와 분자로 구성된다. 플라즈마 가스로서, 예를 들어 단원자 가스인 아르곤/ 또는 이원자 가스인 수소, 질소, 산소 또는 공기와 같은 다양한 가스가 사용된다. 이러한 가스들은 아크(arc) 에너지를 통해 이온화 및 해리되며, 그 후, 노즐을 통해 압축된 아크는 플라즈마 빔으로 형성된다. 플라즈마 빔은 노즐 및 전극의 형태에 따라 빔의 직경, 온도, 에너지 밀도 및 가스의 유속 등의 파라미터(parameters)에 영향을 받는다.
플라즈마 토치는 플라즈마를 생성하여 전기에너지를 열에너지로 변환하는 장치로서, 플라즈마 가스를 전극 사이에 통과시킴으로써 전극과 기체가 아크 방전으로 에너지가 발생하고, 기체가 고온의 아크 사이를 지나면서 플라즈마 상태로 전이되는 원리를 이용한다.
이러한 플라즈마 토치는 직접 또는 간접 방식으로 작동된다. 직접 작동모드에서는 전류가 전류원으로부터 흘러나와, 플라즈마 토치의 전극과, 아크에 의해 생성되어 노즐을 통해 압축된 플라즈마 빔과, 가공재료를 직접적으로 통하여 전류원으로 되돌아 간다. 따라서 직접 작동모드에 의하여 전기 전도성 재료를 절단할 수 있다.
한편 간접 작동 모드에서, 전류는 전류원으로부터 흘러나와, 플라즈마 토치의 전극과, 아크에 의해 생성되어 노즐을 통해 압축된 플라즈마 빔과, 상기 노즐을 통해 전류원으로 되돌아 간다. 따라서, 상기 노즐은 플라즈마 빔을 압축시킬 뿐만 아니라, 또한 아크의 시작점으로 이용되기 때문에, 직접 플라즈마 절단시보다 훨씬 큰 부하를 받게 된다. 간접 작동모드에서는 전기 전도성 재료와 비전도성 재료를 모두 절단할 수 있다. 이러한 노즐 상의 높은 열적 부하로 인하여, 상기 노즐은 높은 전기 전도성과 열 전도성을 가지는 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
그래서 일반적인 플라즈마 토치는 전술한 노즐의 형상이 원형으로 형성되어 분사되는 플라즈마 빔의 형상도 노즐의 형상에 의하여 원형으로 형성된다. 그런데 이렇게 원형의 형상으로 형성되는 플라즈마 토치에 의해서는 피처리물의 제한적인 위치에 대해서만 처리가 가능하고 피처리물의 절단 등에는 유리하나 넓은 면적에 대한 처리에는 불리한 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 하나의 고전압 발생부를 구비하면서도 다수개의 플라즈마 토치에 대하여 고전압 전원을 공급하여 동시 구동할 수 있는 멀티 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 멀티 플라즈마 토치는, 아크 방전으로 플라즈마를 발생시키는 다수개의 플라즈마 토치; 상기 다수개의 플라즈마 토치마다 설치되며, 고전압 전원을 일시 저장하여 상기 플라즈마 토치에 고전압 전원을 전원 유지 시간 동안 일시적으로 공급하는 다수개의 고전압 전원 저장부; 외부에서 공급되는 전원을 이용하여 고전압 전원을 발생하는 고전압 전원 발생부; 상기 고전압 전원 발생부와 상기 다수개의 고전압 전원 저장부 사이에 구비되며, 상기 고전압 전원 발생부에서 공급되는 고전압 전원을 상기 각 고전압 전원 저장부에 대하여 상기 전원 유지 시간 내에 순환적으로 공급하는 전원 공급 제어부;를 포함한다.
그리고 본 발명에서 상기 다수개의 고전압 전원 저장부는, 동일한 시정수(time constant)를 가지는 다수개의 고전압 캐패시터인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 전원 유지 시간은 상기 고전압 캐패시터의 4 ~ 5 시정수인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 멀티 플라즈마 토치에는, 상기 고전압 캐패시터와 플라즈마 토치는 4 ~ 5 개가 구비되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 플라즈마 토치는 플라즈마를 측하방으로 일정 각도 기울어지게 방사하는 구조를 가지며, 상기 플라즈마 토치의 외부에 구비되어 상기 플라즈마 토치를 고속으로 회전시키는 토치 회전부; 상기 토치 회전부에 회전력을 제공하는 회전력 제공부;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 멀티 플라즈마 토치에 따르면 하나의 고전압 발생부를 구비하면서도 다수개의 플라즈마 토치에 대하여 고전압 전원을 공급하여 동시 구동할 수 있는 현저한 효과를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 플라즈마 토치의 구조를 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치의 구조를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치의 구조를 도시하는 분리사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 플라즈마 토치의 구조를 도시하는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수퍼 캐패시터의 충방전 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 플라즈마 토치의 구조를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치의 구조를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치의 구조를 도시하는 분리사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 플라즈마 토치의 구조를 도시하는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수퍼 캐패시터의 충방전 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 플라즈마 토치의 구조를 도시하는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 멀티 플라즈마 토치(100)는, 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 플라즈마 토치(110), 고전압 전원 저장부(120), 고전압 전원 발생부(130) 및 전원 공급 제어부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 플라즈마 토치(110)는 고전압 전원과 원료 가스를 공급받아 아크 방전으로 플라즈마를 발생시키는 구성요소로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 다수개의 플라즈마 토치(110)가 나란히 배치되는 것이 바람직하다. 이렇게 나란히 배치되는 다수개의 플라즈마 토치(110)에 의하여 넓은 면적의 피처리물에 대한 처리가 가능한 장점이 있다.
이때 각 플라즈마 토치(110)는 동일한 성능을 가지는 것이 피처리물에 대한 균일한 처리가 가능하여 바람직하다.
다음으로 상기 고전압 전원 저장부(120)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 다수개의 플라즈마 토치(110)마다 설치되며, 고전압 전원을 일시 저장하여 상기 플라즈마 토치(110)에 고전압 전원을 전원 유지 시간 동안 일시적으로 공급하는 구성요소이다.
본 실시예에서는 전술한 바와 같이, 다수개의 플라즈마 토치(110)가 구비되지만, 상기 고전압 발생부(130)는 하나가 구비된다. 따라서 하나의 고전압 발생부(130)에 의하여 발생되는 고전압 전원을 다수개의 플라즈마 토치(110)에 동일한 시간 간격으로 나누어 순환적으로 공급하게 되는데, 이때 상기 각 플라즈마 토치(110)마다 구비되는 다수개의 고전압 전원 저장부(120)가 단속적으로 공급되는 고전압 전원을 저장한 상태에서 상기 전원 유지 시간 동안 상기 플라즈마 토치(110)에 고전압 전원을 공급하는 것이다.
결국 하나의 고전압 전원 발생부(130)에서 연속적으로 발생하는 고전압 전원을 다수개의 플라즈마 토치(110)에 분배하는 과정에서 발생하는 전원 공급 차단 시간 동안 상기 고전압 전원 저장부(120)가 저장된 전원을 상기 플라즈마 토치(110)에 공급하여 플라즈마 발생의 연속성을 확보하는 것이다.
이를 위하여 본 실시예에서는 상기 고전압 전원 저장부(120)를 수퍼 캐패시터(super capacitor)로 구성할 수 있다. 이때 각 플라즈마 토치(110)마다 설치되는 수퍼 캐패시터는 모두 동일한 시정수(time constant, τ= RC)를 가지는 것이 제어가 용이하고 다수개의 플라즈마 토치(110)에 대하여 동일한 성능을 부여할 수 있어서 바람직하다.
그리고 이렇게 상기 고전압 전원 저장부(120)가 수퍼 캐패시터로 구성되는 경우에 상기 전원 유지 시간은 상기 고전압 캐패시터의 4 ~ 5 시정수인 것이 바람직하다. 이는 상기 수퍼 캐패시터의 방전 유지 시간이 도 5에 도시된 바와 같이, 4 ~ 5 시정수이기 때문이며, 이 시간을 경과하면 플라즈마 발생에 단절이 발생하는 문제점이 있다.
따라서 본 실시예에 따른 멀티 플라즈마 토치(100)에서 설치 가능한 플라즈마 토치(110)의 개수도 4 ~ 5 개인 것이 바람직하다. 그 이상의 개수로 플라즈마 토치를 설치하는 것은, 개별 플라즈마 토치에 대하여 연속적으로 플라즈마를 발생시킬 수 없는 문제점이 있다.
다음으로 상기 고전압 전원 발생부(130)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 외부에서 공급되는 전원을 이용하여 고전압 전원을 발생하는 구성요소이며, 상기 플라즈마 토치(110)에서 플라즈마 발생시키기에 적합한 전압으로 외부 전원을 승압하여 공급한다. 상기 고전압 전원 발생부(130)는 일반적으로 알려진 Transformer가 채용될 수 있다.
본 실시예에서는 플라즈마 토치(110)가 다수개가 설치됨에도 불구하고 상기 고전압 전원 발생부(130)는 단 하나만 구비되므로, 장비 전체의 구조가 간단하고 제작 단가가 낮아지는 장점이 있다.
다음으로 상기 전원 공급 제어부(140)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 고전압 전원 발생부(130)와 상기 다수개의 고전압 전원 저장부(120) 사이에 구비되며, 상기 고전압 전원 발생부(130)에서 공급되는 고전압 전원을 상기 각 고전압 전원 저장부(120)에 대하여 상기 전원 유지 시간 내에 순환적으로 공급하는 구성요소이다.
본 실시예에서는 상기 고전압 전원 발생부(130)는 하나가 구비되는데에 반하여 상기 플라즈마 토치(110)는 다수개가 구비되므로, 상기 전원 공급 제어부(140)가 하나의 고전압 전원 발생부(130)에서 발생되는 고전압 전원을 다수개의 플라즈마 토치(110)에 대하여 동일한 시간 간격으로 나누어 순환적으로 공급하여 다수개의 플라즈마 토치(110)에 대하여 연속적인 플라즈마 발생이 가능하도록 하는 것이다.
여기에서 '순환적으로 공급한다'는 것은, 4개의 플라즈마 토치(110)가 구비된 경우 1번 플라즈마 토치에 1 시정수 시간 동안 고전압 전원을 공급하고 난 후, 2번 플라즈마 토치에 1시정수 시간 동안 고전압 전원을 공급하고, 이 후 동일하게 3번, 4번 플라즈마 토치에도 1 시정수 시간 동안 순차적으로 고전압 전원을 공급한 후 다시 1번 플라즈마 토치에 1 시정수 시간 동안 고전압 전원을 공급하는 방식을 말한다.
한편 본 실시예에서 상기 플라즈마 토치(110)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 스핀 플라즈마 토치(110A)로 구현될 수 있다. 스핀 플라즈마 토치(110A)는 플라즈마를 측하방으로 일정 각도 기울어지게 방사하는 구조를 가지며, 상기 측방 분사 플라즈마 토치(112A)의 외부에 구비되어 상기 측방 분사 플라즈마 토치(112A)를 고속으로 회전시키는 토치 회전부(114A)와 상기 토치 회전부(114A)에 회전력을 제공하는 회전력 제공부(116A)를 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 구조를 가지는 스핀 플라즈마 토치(110A)는 상기 회전력 제공부(116A)와 토치 회전부(114A)에 의하여 고속으로 회전하는 구조에 의하여 플라즈마 토치 분사 영역이 도우넛 형상을 이루게 되며, 일반적인 플라즈마 토치에 비하여 넓은 면적을 처리할 수 있는 장점이 있다.
100 : 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티 플라즈마 토치
110 : 플라즈마 토치 120 : 고전압 전원 저장부
130 : 고전압 전원 발생부 140 : 전원 공급 제어부
110 : 플라즈마 토치 120 : 고전압 전원 저장부
130 : 고전압 전원 발생부 140 : 전원 공급 제어부
Claims (5)
- 아크 방전으로 플라즈마를 발생시키는 다수개의 플라즈마 토치;
상기 다수개의 플라즈마 토치마다 동일한 시정수를 가지는 고전압 캐패시터로 설치되며, 고전압 전원을 일시 저장하여 상기 플라즈마 토치에 고전압 전원을 전원 유지 시간 동안 일시적으로 공급하는 다수개의 고전압 전원 저장부;
외부에서 공급되는 전원을 이용하여 고전압 전원을 발생하는 고전압 전원 발생부;
상기 고전압 전원 발생부와 상기 다수개의 고전압 전원 저장부 사이에 구비되며, 상기 고전압 전원 발생부에서 공급되는 고전압 전원을 상기 각 고전압 전원 저장부에 대하여 상기 전원 유지 시간 내에 순환적으로 공급하는 전원 공급 제어부;를 포함하는 멀티 플라즈마 토치. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 전원 유지 시간은,
상기 고전압 캐패시터의 4 ~ 5 시정수인 것을 특징으로 하는 멀티 플라즈마 토치. - 제3항에 있어서,
상기 고전압 캐패시터와 플라즈마 토치는 4 ~ 5 개가 구비되는 것을 특징으로 하는 멀티 플라즈마 토치. - 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 토치는 플라즈마를 측하방으로 일정 각도 기울어지게 방사하는 구조를 가지며,
상기 플라즈마 토치의 외부에 구비되어 상기 플라즈마 토치를 회전시키는 토치 회전부;
상기 토치 회전부에 회전력을 제공하는 회전력 제공부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 플라즈마 토치.
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