KR102217152B1 - 역극성 공동형 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안정적인 비이송식 및 이송/비이송 혼성 운전을 가능하게 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치는,
일측 종단이 막힌 후방전극과 양측 종단이 개방된 전방전극을 구비하고, 상기 전방전극과 상기 후방전극은 이격 형성되고, 상기 전방전극을 둘러싸는 전방전극 절연체와 상기 후방전극을 둘러싸는 후방전극 절연체에 의해 상기 전방전극과 상기 후방전극은 토치 하우징과 전기적으로 절연되어 동축으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

역극성 공동형 플라즈마 토치 {A hollow electrode plasma torch with reverse polarity discharge}

본 발명은 안정적인 비이송식 및 이송/비이송 혼성 운전을 가능하게 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 역극성 공동형 플라즈마 토치는 한 쪽이 막힌 후방전극(rear electrode)과 양 쪽이 다 뚫린 원통형 전방전극(front electrode)으로 구성되며, 전방전극을 음극으로 후방전극을 양극으로 전기 결선한 특수한 형태의 플라즈마 토치를 의미한다.

대한민국 등록특허 10-1616487에 기술한 바와 같이, 한 쪽이 막힌 공동형 후방 전극 구조 때문에, 역극성 공동형 플라즈마 토치를 이용하여 발생시킨 아크의 양극점은 유동의 항력(drag force)과 로렌츠 힘이 균형을 이루는 지점에서 상대적으로 움직임이 고정되는 반면, 음극점은 전방 전극을 따라 흐르는 유동 방향으로 원하는 만큼 쉽게 밀려나는 구조를 가지게 된다. 이러한 방전 구조의 특성 때문에, 다량의 가스를 사용하여 역극성 공동형 플라즈마 토치를 운전할 경우, 음극점이 토치 출구 바깥쪽으로 밀려나가 전방전극 끝부분에서 형성되는 것을 종종 볼 수 있다. 이와 같은 역극성 공동형 플라즈마 토치의 음극점 거동 특성은 비이송/이송 모드 전환 플라즈마 토치를 설계하고 운전하는데 핵심 이점으로 사용될 수 있다. 곧, 비이송식 모드에서 전방전극 끝부분까지 밀려난 음극점은 토치 바깥 외부 전극으로도 손쉽게 이동할 수 있는 상태이므로 외부 전극을 전방전극보다 전위가 더 낮은 새로운 음극으로 연결시켜줄 경우, 비이송식에서 이송식 모드로 운전 상태를 연속적으로 전환시킬 수 있다.

한편, 콘크리트, 토양 등과 같은 비전도성 폐기물들은 플라즈마 토치와 같은 외부 열원에 의해 충분히 가열되어 용탕을 형성할 경우 전기 전도성을 띌 수 있는 반면, 플라즈마 토치들은 비이송식 모드 보다는 이송식 모드에서 토치 효율, 전극 수명 등이 모두 향상된다는 특징이 있다. 따라서, 이러한 폐기물 용용 특성과 역극성 공동형 플라즈마 토치의 운전 특성들을 상호 결합할 경우, 비이송/이송 모드 전환 플라즈마 토치들이 콘크리트, 토양 등과 같은 비전도성 폐기물들의 용융 공정에 최적화된 열원으로서 사용될 수 있다. 곧, 비전도성 폐기물들의 초기 가열은 역극성 공동형 플라즈마 토치의 비이송식 모드에서 수행하고 용융된 뒤에는 이송식 모드로 전환시킴으로써, 용탕 유지 및 추가 주입되는 폐기물의 효율적 용융을 긴 시간 동안 진행시킬 수 있다.

그러나, 역극성 공동형 플라즈마 토치를 이용하여 비이송/이송 모드 전환이 가능한 이상적인 플라즈마 토치로 만들기 위해선 이송식 및 비이송식 모드에서 서로 다르게 요구되는 역극성 공동형 플라즈마 토치의 전방전극 구조에 대한 기술적 문제를 풀어야 한다. Camacho가 보고한 바와 같이 (S.L.Camacho, The reverse-polarity plasma torch, Proceedings of ISPC-8, pp.87-94), 예를 들어, 역극성 공동형 플라즈마 토치를 이송식 모드로 운전할 경우엔, 전방전극 직경 (D) 대비 전방전극 길이 (L)의 비, L/D를, 토치 외부 음극으로의 성공적인 아크 점 전이를 위해 4.5 이하로 설계하는 것이 필요하지만, 비이송식 모드 운전에서는 L/D이 10이어도 음극점이 전방전극을 빠져나와 토치 하우징에 부착되는 소위 비정상 아킹 문제를 일으킬 수 있다. 곧, 전방전극이 전류를 수송하는 전극 역할을 하지 않고 아크 기둥을 가두고 안정화시키기 위한 소위 collimator로만 사용되는 이송식 모드에서는 전방전극이 짧을수록 좋은 반면, 전방전극이 음극 역할을 해야 하는 비이송식 모드에서는, 유동을 따라 쉽게 밀려나는 음극점 특성 때문에 전방전극이 길어야 토치 내부에 음극점을 부착시키고 안정적인 플라즈마 불꽃을 얻을 수 있다.

이와 같이 운전 모드에 따라 상이한 요구를 만족시키기 위해, 미국특허 5,451,740은 끝단에 나사자리가 있는 하우징 내부에 상대적으로 길이가 짧은 전방전극을 동축으로 설치한 다음, 엔드 캡으로 전방전극과 하우징을 연결 및 마감함으로써 이송식 운전을 하고, 비이송식 운전을 위해선, 엔드 캡 대신 원통형 음극 확장부를 연결하여 전방전극 길이를 늘려주는 아이디어를 공개한 바 있다.

그러나, 미국특허 5,451,740이 공개하고 있는 이송/비이송 전환가능 플라즈마 토치는 전방전극과 하우징을 연결 마감하는 부위를 운전 모드에 따라 엔드 캡 또는 원통형 음극 확장부로 매번 바꿔줘야 한다는 점에서, 비이송/이송 모드 전환이 가능한 단일 플라즈마 토치를 구현한 것은 아니다.

단일 역극성 공동형 플라즈마 토치에 대해 운전 모드를 연속적으로 변환시킬 수 있는 장치로서, Retech Service 사에서 소위, Dual mode plasma arc torch system을 미국특허 6313429B1를 통해 공개한 바 있다. 엔드 캡 또는 원통형 음극 확장부를 따로 따로 조립해서 결과적으로 2개의 토치를 각각 이송식 및 비이송식으로 사용하는 미국특허 5,451,740과는 달리, 미국특허 6313429B1은 단일 플라즈마 토치에 대해 2개의 정류기 또는 2개의 직류전원을 사용하여 비이송 및 이송/비이송 혼성형 운전을 연속적으로 가능하게 하는 방법을 제안하고 있다.

예를 들어, 2개의 직류전원을 사용할 경우, 양극을 모두 토치 후방전극에 연결하여 양극 공통으로 연결하되 첫 번째 직류전원의 음극은 전방전극에, 두 번째 직류전원의 음극은 토치 외부 전극에 연결함으로써, 비이송식 모드 운전과 이송 모드 운전을 각각 별개의 직류전원 정류기가 동시에 독립적으로 담당해서 수행하게 하는 방식이다.

나아가, 대한민국 등록특허 10-1017585에는 두 개의 직류전원이나 정류기 대신, 두 개의 절연게이트 양극성 트랜지스터 스택을 이용하여 비이송 및 이송/비이송 혼성형 운전을 가능하게 하는 방법이 공개되어 있다. 이 특허에서는 절연게이트 양극성 트랜지스터의 개폐 시간 조작을 통하여 이송/비이송 혼성형 운전 시, 각 모드별 전류량을 정밀 조절 가능하게 함으로써, 장치 규모, 비용 및 전류 제어 측면에서 좀 더 나은, 비이송 및 이송/비이송 혼성형 운전을 가능하게 하는 방법을 제공해 주고 있다.

한편, 미국특허 6313429B1은 전방전극에 대해, 길이는 짧을수록 좋다고 언급하고 있고, 바람직한 예로서 L/D = 2를 제시하고 있다. 해당 특허에 의하면, L/D이 2일 경우, 아크 기둥은 전방전극 바깥쪽으로 돌출되었다가 J 자 모양으로 다시 되돌아와 전방전극 전면에 부착되는 반면, L/D 이 2 보다 더 커지면, 전방전극 내부 또는 토치 임의의 지점에서 아크 점이 부착될 수 있다는 점을 밝히고 있다.

그러나, 앞서 언급한 Camacho의 연구 결과에서 알 수 있듯이, 전방전극 길이를 L/D = 2 이하로 짧게 설계할 경우, 토치를 비이송식 모드로 운전할 때에 여러 가지 제약이 따를 수 있다.

먼저, 상대적으로 짧은 전방전극 길이 때문에, 아크 길이 증가에 의한 아크 전압 증대가 어려울 수 있다. 아크 전압 상승이 어려우면, 출력을 높이기 위해서는 아크 전류를 증가시켜야 하는데, 전류 증가는 비이송식 모드에서 음극으로 사용되는 전방전극의 수명을 단축시키는 효과가 있다. 아크 전압 상승을 위해 플라즈마 가스 유량을 증가 시킬 수도 있으나, 이 경우, 전방전극 바깥쪽으로 돌출되어 J 자 형태로 되돌아오는 아크 기둥의 거동에 직접적인 영향을 줄 수 있다. 특히, 음극 표면에서 온도나 유동의 세기 등 주변 여건에 따라 민감하게 옮겨 다니며 불연속적으로 발생하는 음극점의 거동 특성을 고려할 때, 유량 및 전류 조건의 변화는 L/D 값에 관계없이 음극점이 전방전극 전면뿐만 아니라 토치 하우징 등에도 부착되게 할 수 있어 플라즈마 토치에 의도치 않은 손상을 가져다 줄 수 있다.

또한, 전방전극 전면에 잘 부착된다 하더라도, 전방전극 전면은, 전방전극 내면과는 달리, 축 방향 자기장이나 플라즈마 기체에 의한 음극 점 회전이 상대적으로 어렵고 용융로 내에서는 용탕 분위기에 직접 노출되므로 용탕 조건 등에 따라 전극 침식이 빨라질 수 있다. 덧붙여, 비이송식 모드에서 출력 증가가 어렵게 되면, 비전도성 폐기물의 용융에 상대적으로 많은 시간이 소요되고 이에 따라, 페기물 처리효율은 떨어지면서 전방전극 수명만 단축될 수 있다.

이송/비이송 혼성형 운전에서도 전방전극에서의 아크 점 부착 위치 제어는 매우 중요한 사항이다. 이송/비이송 혼성형 운전에서는 이송된 아크 기둥의 안정성을 유지하기 위해 일정량의 비이송 아크 전류를 흘려주어야 하는데, 이 때, 전방전극으로 되돌아오는 비이송 아크 전류가 전방전극 이외 토치 하우징 등에 부착될 경우 치명적 손상을 입힐 수 있기 때문이다.

대한민국 등록특허 10-1616487호 대한민국 등록특허 10-1017585호 미국 등록특허 5,451,740호 미국 등록특허 6,313,429호

본 발명의 목적은 역극성 공동형 플라즈마 토치의 전방전극과 토치 하우징을 전기적으로 절연시키고, 토치 하우징을 부동 접지하여 전방전극에만 비이송식 아크 전류에 대한 아크점이 부착되도록 함으로써, 비이송 또는 이송/비이송 혼성형 운전시, 안정적인 비이송식 플라즈마 화염과 이송/비이송 혼성 아크 플라즈마를 모두 생산할 수 있는 토치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치는,

일측 종단이 막힌 후방전극과 양측 종단이 개방된 전방전극을 구비하고, 상기 전방전극과 상기 후방전극은 이격 형성되고, 상기 전방전극을 둘러싸는 전방전극 절연체와 상기 후방전극을 둘러싸는 후방전극 절연체에 의해 상기 전방전극과 상기 후방전극은 토치 하우징과 전기적으로 절연되어 동축으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 상기 전방전극과 상기 후방전극은, 상기 전방전극 절연체와 상기 후방전극 절연체 사이에 배치되며 플라즈마 형성기체를 공급하는 가스 챔버에 형성된 가스 공급구와 체결 형성된 가스링에 의해 이격 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 상기 전방전극 절연체와 상기 가스 챔버와 상기 후방전극 절연체는 체결 수단에 의해 일체형으로 체결되어 절연 구조체를 형성하며, 상기 토치 하우징 내로 상기 전방전극과 상기 후방전극과 상기 절연 구조체를 장입할 때, 상기 절연 구조체는 상기 전방전극 및 후방전극이 상기 토치 하우징 내에 동축으로 배치되도록 하고 상기 전방전극 및 후방전극이 상기 토치 하우징과 절연이 유지되도록 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 상기 전방전극의 길이는 상기 전방전극의 직경의 10배 이상 20배 이하일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 상기 토치 하우징의 전단 내벽에는 걸림턱이 형성되고, 상기 전방전극의 외주면에는 상기 걸림턱에 걸쳐질 수 있는 전방전극 커버가 형성되며, 상기 걸림턱과 상기 전방전극 커버 사이에는 하우징 절연체가 배치되어 상기 전방전극과 상기 토치 하우징 간의 전기 절연이 유지되도록 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 상기 전방전극의 외주면에 형성된 세라믹관을 더 포함하며, 상기 세라믹관에 의해 상기 전방전극과 상기 토치 하우징은 전기적으로 절연되어 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 상기 세라믹관은 실리콘 나이트라이드로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 상기 전방전극은 전방전극 내면과 전방전극 커버를 포함하고, 외부로부터 전달되는 열을 제거하는 냉각수가 유동하며 금속 튜브로 제조되는 제1 냉각 유로가 상기 전방전극 커버와 연결 형성되며, 상기 제1 냉각 유로는 냉각수를 유동시키면서 음극 전류를 이송하기 위한 전력선으로 활용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 상기 후방전극은 후방전극 내면과 후방전극 커버를 포함하고, 외부로부터 전달되는 열을 제거하는 냉각수가 유동하며 금속 튜브로 제조되는 제2 냉각 유로가 상기 후방전극 내면과 상기 후방전극 커버 사이의 환형 유로와 연결 형성되며, 상기 제2 냉각 유로는 냉각수를 유동시키면서 양극 전류를 이송하기 위한 전력선으로 활용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 상기 제1 냉각 유로와 상기 제2 냉각 유로는, 상기 전방전극과 상기 후방전극 간의 전기 절연을 위해 절연 호스로 연결될 수 있다.

기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치에 의하면,

전방전극 및 후방전극과 토치 하우징이 전기적으로 상호 절연되어 있고 토치 하우징은 부동 접지(floating ground)되어 있기 때문에,

- 역극성 공동형 플라즈마 토치의 비이송식 모드에서 음극점이 전방전극 바깥으로 빠져나오더라도 토치 하우징에 음극점이 부착되는 비정상 아킹을 방지할 수 있다.

- 이송/비이송 혼성형 운전에서 전방전극을 통해 흐르는 일정량의 비이송 아크 전류에 대해서도 토치 하우징에 음극점이 부착되는 비정상 아킹을 방지할 수 있다.

- 아크 전류가 100% 외부 전극으로 이송되는 이송식 운전에서도, 토치 하우징을 통해 일어날 수 있는 이중 아킹(double arcing)을 방지할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치의 구조 및 전기결선이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치의 전방 일부가 도시된 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치의 전방전극 및 이와 연결 형성된 제1 냉각 유로가 도시된 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치의 후방전극 및 이와 연결 형성된 제2 냉각 유로가 도시된 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치의 후방 일부가 도시된 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치의 전체가 도시된 단면도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치를 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치의 전방 일부가 도시된 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치는, 토치 하우징(10), 전방전극(20), 후방전극(30), 절연 구조체(40), 세라믹관(50)을 포함할 수 있다.

토치 하우징(10)은 플라즈마 토치의 외관을 형성하며, 내부에는 전방전극(20), 후방전극(30), 절연 구조체(40) 등이 형성된다. 이때, 절연 구조체(40)에 의해 토치 하우징(10)과 전방전극(20) 및 후방전극(30)이 상호 전기적으로 절연된 채 동축으로 형성될 수 있다.

전방전극(20) 및 후방전극(30)은, 소정의 간격, 예를 들어 1 ~ 3mm의 간격으로 이격되며, 서로 대향하는 형태로 배치될 수 있다. 이 때, 두 전극 간의 이격 간격과 전기적 절연은, 플라즈마 형성기체를 공급하는 가스 챔버(41)에 형성된 가스 공급구와 체결 형성된 가스링(41a)에 의해 유지될 수 있다. 이때, 전방전극(20)의 길이는 전방전극(20)의 직경의 10배 이상 20배 이하인 것이 바람직하다. 전방전극(20)의 길이가 전방전극(20)의 직경의 10배 미만인 경우, 비이송식 모드 운전에서 음극점이 전방전극 끝까지 쉽게 밀려나오는 단점이 있고, 전방전극(20)의 길이가 전방전극(20)의 직경의 20 배를 초과하는 경우, 토치 열효율이 떨어지고 비이송식에서 비이송/이송 혼합형 모드로의 전환이 어려워지는 단점이 있다.

전방전극(20)의 일측 외주면에는 전방전극(20)을 둘러싸는 전방전극 절연체(42)가 형성되고, 후방전극(30)의 일측 외주면에는 후방전극(30)을 둘러싸는 후방전극 절연체(43)가 형성될 수 있다. 전방전극 절연체(42) 및 후방전극 절연체(43)는 전방전극(20) 및 후방전극(30)이 토치 하우징(10) 내에 동축으로 형성되도록 하면서 토치 하우징(10)과 절연되도록 한다.

가스 챔버(41)는 전방전극 절연체(42)와 후방전극 절연체(43) 사이에 형성되며, 가스 챔버(41)와 전방전극 절연체(42)와 후방전극 절연체(43)는 볼트 등의 체결 수단으로 일체형으로 체결되어 절연 구조체(40)를 형성할 수 있다.

토치 하우징(10) 내로 전방전극(20)과 후방전극(30)과 절연 구조체(40)를 장입할 때, 절연 구조체(40)는 전방전극(20) 및 후방전극(30)이 토치 하우징(10) 내에 동축으로 배치되도록 하고 전방전극(20) 및 후방전극(30)이 토치 하우징(10)과 절연이 유지되도록 한다.

토치 하우징(10)의 전단 내벽에는 토치 하우징(10)의 후단에서 장입되는 전방전극(20), 후방전극(30), 절연 구조체(40)로 이루어지는 전극 어셈블리를 받칠 수 있는 걸림턱(11)이 형성되고, 전방전극(20)의 외주면에는 걸림턱(11)에 걸쳐질 수 있는 전방전극 커버(21)가 형성될 수 있다. 이때, 걸림턱(11)과 전방전극 커버(21) 사이에는 하우징 절연체(12)가 배치되어 전방전극(20)과 토치 하우징(10) 간의 전기 절연이 유지되도록 한다. 또한, 하우징 절연체(12)는 전방전극 절연체(42)와 나사 결합시킬 수 있도록 설계함으로써, 토치 하우징(10) 내면과 전극 어셈블리 사이의 전기 절연을 강화시킬 수 있다.

한편, 비이송식 모드에서 비이송/이송 혼성 모드로 전환할 때, 외부 전극으로의 원활한 아크 전류 이송을 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 전방전극(20)은 토치 하우징(10) 외부로 돌출되는 방식으로 형성될 수 있다. 토치 하우징(10) 외부로 돌출되는 전방전극(20) 부분을 돌출부(22)라 한다.

돌출부(22)와 토치 하우징(10)과의 전기 절연은, 돌출부(22)의 외경을 토치 하우징(10) 내경보다 작게 하여 전방전극(20)과 토치 하우징(10) 사이에 환형 공간을 만들고, 돌출부(22) 주위에 세라믹관(50)을 형성함으로써 구현될 수 있다. 즉, 전방전극(20)의 타측 외주면에는 세라믹관(50)이 형성되고, 세라믹관(50)은 돌출부(22)와 토치 하우징(10)을 전기적으로 절연한다.

세라믹관(50)은 용융로 용융시, 용탕으로부터 튀어 오르는 용탕물과 열기로부터 전방전극의 돌출부(22)를 보호하는 역할도 수행한다. 이를 위해, 세라믹관(50)은 전기 절연성과 열전도 및 기계적 강도가 모두 뛰어난 실리콘 나이트라이드로 이루어지는 것이 바람직하다.

토치 하우징(10)의 전단부에는 카본 재질의 하우징 커버(13)가 형성될 수 있다. 하우징 커버(13)는 용탕으로부터 튀어 오르는 용탕물과 전달되는 열기로부터 토치 하우징(10)의 전단부를 보호한다. 일반적으로 카본은 전기 전도성을 띌 수 있는데, 이 경우에도, 전방전극(20)과 토치 하우징(10) 간의 전기 절연은 세라믹관(50)에 의해 유지될 수 있다.

한편, 토치 하우징(10)은 외부로부터 전달되는 열을 제거하는 냉각수가 유동하는 냉각 유로를 구비할 수 있다. 이에 대해 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치의 전방전극 및 이와 연결 형성된 제1 냉각 유로가 도시된 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치의 후방전극 및 이와 연결 형성된 제2 냉각 유로가 도시된 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전방전극 내면(23)은 비이송식 모드에서 음극점이 바깥쪽으로 밀려나는 것을 방지하고, 상대적으로 전방전극(20) 내부에 부착될 수 있도록 계단형으로 형성되고, 출구(전방전극의 돌출부(22))는 나팔 모양으로 벌어지게 함으로써, 이송/비이송 혼성 모드에서 아크 기둥이 이중 방전(double arcing) 없이 외부전극으로 잘 전이될 수 있도록 할 수 있다.

본 발명에서 토치 하우징(10)과 전방전극(20)은 전기적으로 절연되어 있으므로, 통상의 공동형 플라즈마 토치처럼 토치 하우징(10)을 전력 공급라인으로 사용할 수 없다. 따라서, 전방전극(20)으로의 전력 공급라인을 별도로 설치할 필요가 있다.

이를 위해, 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 전방전극(20)과 연결되는 제1 냉각유로(60 : 61, 62)를 스테인레스 스틸과 같은 금속 튜브로 제조하고, 이를 전방전극(20)에 용접 등의 방법으로 연결 형성한 다음, 제1 냉각유로(60 : 61, 62) 중 어느 하나를 비이송식 모드에서 음극 전류를 이송하기 위한 전력선으로 활용한다. 제1 냉각유로(60 : 61, 62)는 전방전극 커버(21)와 연결 형성될 수 있다.

제1 냉각유로(60 : 61, 62) 중 제1 냉각유로(61)는 전방전극(20) 내부로 냉각수를 유입시키고, 제1 냉각유로(62)는 전방전극(20) 외부로 냉각수를 유출시킬 수 있다. 또한, 제1 냉각유로(60 : 61, 62)를 통해 공급된 냉각수가 전방전극 내면(23)을 냉각시키고 전방전극 커버(21)를 거쳐 원활하게 빠져나올 수 있도록 전방전극 커버(21) 내부에는 냉각수 가이드(24)가 형성될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 후방전극(30)의 경우, 구리 재질의 후방전극 내면(33)을 스테인레스 등 금속 재질의 후방전극 커버(31)에 동축으로 삽입하고, 구리 재질의 후방전극 연결체(32)와 나사 체결한 다음, 후방전극 마개(34)의 내부턱이 후방전극 연결체(32)에 닿을 때까지 후방전극 커버(31)의 겉면 나사 자리를 이용해 잠금으로써 완성될 수 있다.

후방전극 연결체(32)의 후방 단부는, 구리 또는 스테인레스 스틸과 같은 금속성 튜브로 제조된 제2 냉각유로(71)가 연결 형성되고, 제2 냉각유로(71)는 제1 냉각유로(60 : 61, 62)와 유사하게 냉각수 및 전력 공급라인으로 사용된다. 제2 냉각유로(71)를 통해 공급된 냉각수는 후방전극 연결체(32)를 거쳐 후방전극 내면(33)과 후방전극 커버(31) 사이의 환형 유로를 따라 유동한 뒤, 후방전극 커버(31)의 전단에 형성된 제2 냉각유로(72)를 통해 유출된다. 제2 냉각유로(72)를 통해 유출된 냉각수는 전방전극 냉각수로도 활용될 수 있으며, 이를 위해, 제2 냉각유로(72)와 제1 냉각유로(61)는 절연 호스(84a, 84b 도 5 참조)로 연결될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치의 후방 일부가 도시된 단면도이다.

도 5는 도 3에 도시된 제1 냉각유로(60 : 61, 62)와 도 4에 도시된 제2 냉각유로(70 : 71, 72)가, 토치 하우징(10) 내에서 토치 하우징과 전기 절연을 유지하면서 토치 후단과 연결되고 냉각수를 수송하는 과정을 예시한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제2 냉각유로(71)는 토치 후단 절연체(81)의 중심부를 지나 전극-냉각수 분리용 금속 구조체(83)와 연결된다. 토치 후단 절연체(81)는 토치 하우징(10) 후단에 맞춰 제조되는데, 예를 들어, 토치 하우징(10) 후단이 플랜지로 마감되어 있으면, 이에 맞게 플랜지형으로 제조한 후 볼트 체결하여 토치 후단부를 형성한다.

한편, 제2 냉각유로(71)는 토치 후단 절연체(81)를 관통하여 형성되며, 별도의 절연캡(82)을 이용하여 고정될 수 있다. 전극-냉각수 분리용 금속 구조체(83)는 제2 냉각유로(71)를 구성하는 금속 튜브에 전기 인입이 가능한 취부를 용접 가공하거나 별도의 머시닝 과정을 통해 제조될 수 있다. 이 때, 금속 튜브는 냉각수 통로가 되고, 토치 외부로부터 냉각수를 유입하거나 유출하는 기능을 수행한다. 이와 같은 연결 방식을 통해, 제2 냉각유로(71)는 후방전극(30)과 토치 하우징(10) 사이의 전기 절연을 유지한 채, 냉각수 및 전력을 공급할 수 있게 된다.

한편, 전극-냉각수 분리용 금속 구조체(83)에 냉각수를 주입하면, 주입된 냉각수는 제2 냉각유로(71)를 거쳐 후방전극 연결체(32)로 인입되고, 후방전극 연결체(32)를 거쳐 후방전극 내면(33)과 후방전극 커버(31) 사이의 환형 유로를 따라 흐른 뒤, 후방전극 커버(31) 전단에 형성된 제2 냉각유로(72)를 통해 유출된다. 제2 냉각유로(72)를 통해 유출된 냉각수는 다시 전방전극(20) 냉각을 위해 제1 냉각유로(61)로 주입된다. 이 때, 전방전극(20)과 후방전극(30) 간 전기 절연을 위해, 제2 냉각유로(72)와 제1 냉각유로(61)는 절연 호스(84: 84a, 84b)와 연결되고, 이 두 개의 절연 호스(84: 84a, 84b)는 냉각수 리턴용 절연체 물통(85)에 최종 연결될 수 있다.

상기의 과정을 거쳐 제1 냉각유로(61)로 인입된 냉각수는 냉각수 가이드(24)를 따라 전방전극 내부를 흐른 뒤, 전방전극 커버(21)를 거쳐 제1 냉각유로(62)를 통해 유출된다. 제1 냉각유로(62)는 토치 후단 절연체(81)를 관통하여 전극-냉각수 분리용 금속 구조체(83)와 연결된다. 제2 냉각유로(71)와 유사하게, 제1 냉각유로(62)는 토치 후단 절연체(81)를 관통하며, 별도의 절연캡(82)으로 고정될 수 있다.

이와 같은 연결 방식을 통해, 제1 냉각유로(62)는 전방전극(20)과 토치 하우징(10) 사이의 전기 절연을 유지하면서 냉각수 및 전력을 공급할 수 있게 된다.

또한, 제1 냉각유로(60 : 61, 62) 및 제2 냉각유로(70 : 71, 72)를 구성하는 금속 튜브는 전기 절연을 강화하고 결로를 방지하기 위해, 전기 테이프 또는 상용 테프론 튜브 등으로 절연 피복을 형성할 수 있으며, 같은 방식으로 튜브 연결용 피팅류 및 노출된 후방전극 연결체(32) 부위에 대해 전기 절연 및 결로 방지 기능 등을 강화할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치의 전체가 도시된 단면도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 역극성 공동형 플라즈마 토치를 구성하는 토치 하우징(10), 전방전극(20), 후방전극(30), 절연 구조체(40), 세라믹관(50), 제1 냉각유로(60 : 61, 62), 제2 냉각유로(70 : 71, 72) 등의 세부적인 연결 관계를 명확히 알 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

10 : 토치 하우징 20 : 전방전극
30 : 후방전극 40 : 절연 구조체
50 : 세라믹관

Claims (10)

1. 일측 종단이 막힌 후방전극과 양측 종단이 개방된 전방전극과 상기 후방전극과 전방전극이 내부에 형성된 토치 하우징을 구비하는 역극성 공동형 플라즈마 토치에 있어서,
   상기 전방전극과 상기 후방전극은 이격 형성되고,
   상기 전방전극을 둘러싸는 전방전극 절연체와 상기 후방전극을 둘러싸는 후방전극 절연체에 의해 상기 전방전극과 상기 후방전극은 상기 토치 하우징과 동축으로 형성되며,
   상기 토치 하우징의 전단 내벽에는 걸림턱이 형성되고, 상기 걸림턱과 상기 전방전극 사이에는 하우징 절연체가 배치되며, 상기 하우징 절연체에 의해 상기 걸림턱과 상기 전방전극이 이격됨으로써, 상기 전방전극과 상기 토치 하우징 간의 전기 절연이 유지되도록 하고,
   상기 전방전극과 연결되며, 냉각수를 유동시키면서 음극 전류를 이송하기 위한 전력선으로 활용되는 제1 냉각유로
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 전방전극과 상기 후방전극은,
   상기 전방전극 절연체와 상기 후방전극 절연체 사이에 배치되며 플라즈마 형성기체를 공급하는 가스 챔버에 형성된 가스 공급구와 체결 형성된 가스링에 의해 이격 형성되는 것을 특징으로 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 전방전극 절연체와 상기 가스 챔버와 상기 후방전극 절연체는 체결 수단에 의해 일체형으로 체결되어 절연 구조체를 형성하며,
   상기 토치 하우징 내로 상기 전방전극과 상기 후방전극과 상기 절연 구조체를 장입할 때, 상기 절연 구조체는 상기 전방전극 및 후방전극이 상기 토치 하우징 내에 동축으로 배치되도록 하고 상기 전방전극 및 후방전극이 상기 토치 하우징과 절연이 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 전방전극의 길이는 상기 전방전극의 직경의 10배 이상 20배 이하인 것을 특징으로 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 전방전극의 외주면에는 상기 걸림턱에 걸쳐질 수 있는 전방전극 커버가 형성되며, 상기 하우징 절연체는 상기 걸림턱과 상기 전방전극 커버 사이에 배치되어 상기 전방전극과 상기 토치 하우징 간의 전기 절연이 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 전방전극의 외주면에 형성된 세라믹관을 더 포함하며,
   상기 세라믹관에 의해 상기 전방전극과 상기 토치 하우징은 전기적으로 절연되어 형성되는 것을 특징으로 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 세라믹관은 실리콘 나이트라이드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 전방전극은 전방전극 내면과 전방전극 커버를 포함하고,
   외부로부터 전달되는 열을 제거하는 냉각수가 유동하며 금속 튜브로 제조되는 상기 제1 냉각 유로가 상기 전방전극 커버와 연결 형성되며,
   상기 제1 냉각 유로는 냉각수를 유동시키면서 음극 전류를 이송하기 위한 전력선으로 활용되는 것을 특징으로 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 후방전극은 후방전극 내면과 후방전극 커버를 포함하고,
   외부로부터 전달되는 열을 제거하는 냉각수가 유동하며 금속 튜브로 제조되는 제2 냉각 유로가 상기 후방전극 내면과 상기 후방전극 커버 사이의 환형 유로와 연결 형성되며,
   상기 제2 냉각 유로는 냉각수를 유동시키면서 양극 전류를 이송하기 위한 전력선으로 활용되는 것을 특징으로 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 전방전극과 상기 후방전극 간의 전기 절연을 위해, 상기 제1 냉각 유로는 절연 호스를 이용하여 상기 제2 냉각 유로와 연결되는 것을 특징으로 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치.

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