KR102279175B1 - 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치 - Google Patents

공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치 Download PDF

Info

Publication number
KR102279175B1
KR102279175B1 KR1020200143538A KR20200143538A KR102279175B1 KR 102279175 B1 KR102279175 B1 KR 102279175B1 KR 1020200143538 A KR1020200143538 A KR 1020200143538A KR 20200143538 A KR20200143538 A KR 20200143538A KR 102279175 B1 KR102279175 B1 KR 102279175B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cathode
anode
unit
plasma torch
tungsten rod
Prior art date
Application number
KR1020200143538A
Other languages
English (en)
Inventor
이병호
황리호
현성윤
박상훈
곽민호
박해균
임경완
김경남
정용호
현동기
Original Assignee
주식회사 비츠로넥스텍
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 비츠로넥스텍 filed Critical 주식회사 비츠로넥스텍
Priority to KR1020200143538A priority Critical patent/KR102279175B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102279175B1 publication Critical patent/KR102279175B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/28—Cooling arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3478—Geometrical details

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

본 발명은 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절연 유지가 힘든 조건에서도 전극 외부로 전류가 누설되는 것을 방지하기 위한 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치에 관한 것이다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 음극의 전극으로 구성된 음극부; 상기 음극부의 후방에 마련되며 양극의 전극으로 구성된 양극부; 상기 음극부와 상기 양극부 사이에 형성되며, 비활성 기체를 유입시키도록 마련된 기체유입부; 및 상기 양극부에 전압을 인가하여 상기 비활성 기체의 절연파괴를 유도함으로써 플라즈마를 발생시키는 아크를 형성하도록 마련된 전원인가부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치를 제공한다.

Description

공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치{TUNGSTEN ROD INSERTION TYPE PLASMA TORCH}
본 발명은 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절연 유지가 힘든 조건에서도 전극 외부로 전류가 누설되는 것을 방지하기 위한 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치에 관한 것이다.
플라즈마 기술은 지난 한세기 동안 다양한 방향으로 발전되어 왔다. 이중 고온플라즈마를 이용한 기술은 다양한 소재용융 등 수천도 이상을 필요로 하는 분야에서 응용되어 왔다. 그리고 이때 필요한 기술이 플라즈마를 형상화하고 유지할 때 필요한 토치이다.
고온용 플라즈마 토치는 전극의 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)가 토치 내에 존재하는 비이송형 토치와, 전극의 한쪽이 토치외부(반응로 및 피처리물)에 존재하는 이송형 토치로 구분되며, 한쪽이 토치 외부에 존재하는 이송형 토치의 경우 주로 애노드는 외부에 존재한다.
이 중 비이송형 토치는 전극의 +/-가 모두 토치 내에 존재한다. 그리고, 최초에는 전극 사이에 기체에 의해 절연되어 있는 상태에서 높은 전압으로 기체를 절연파괴 하고, 이후 전류를 유지하여 전극사이에 아크를 유지하게 된다. 대부분의 비이송형 토치가 이와 같은 원리로 동작하게 된다. 이때 사용되는 기체의 종류는 대부분의 기체를 사용 가능하나, 주로 불활성기체 Ar을 사용한다.
이처럼, 사용하고자 하는 환경에 맞추어 토치는 다양한 형태로 개발되어 사용되어 왔다. 그리고, 플라즈마 토치의 형태와 기술에 따라 다양한 기체를 플라즈마화 가능하며, 토치의 재료로 사용되는 소재들의 수명의 조절이 가능하다.
그러나, 이러한 비이송형 토치의 특성은 생성된 아크가 토치 내에 뿌리를 두게 되어 토치의 마모가 심하게 되고, 이로 인하여 수명이 짧은 문제가 있다. 특히 고온 플라즈마는 주로 높은 전류를 이용하기 때문에 수명이 짧은 특성을 가지게 되며, 잦은 토치 내 전극 교환이 필요하게 된다. 또한, 토치 전극의 짧은 수명은 토치 외부로 전극 재료의 배출로 이어져 응용하고자 하는 분야의 화염의 순도 및 해당처리물의 순도 등에 악영향을 미치게 된다.
이처럼 종래에는 플라즈마 토치의 수명이 짧기 때문에 고온 플라즈마 기술이 상용화 되기 어려운 문제가 발생했다.
또한, 비이송형 토치내에서 형성된 아크가 외부의 수분 등 전도성 물질과 접촉하게 되면 전기의 흐름이 바뀌게 되어 연속적인 플라즈마 형성에 어려움을 주게 된다. 따라서 외부 전도성 물질과 절연을 유지하기 어려운 문제점도 있었다.
도 1은 종래의 플라즈마 토치의 구성을 나타낸 예시도이고, 도 2는 종래의 플라즈마 토치의 문제를 나타낸 예시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 플라즈마 토치(1)는 양극과 음극으로 구성되어 초기 비활성 기체에 높은 전압으로 절연 파괴를 유도함으로써 아크를 형성하고, 이후 높은 전류를 인가하여 원하는 출력 상태를 만들게 마련된다. 그리고 이때, 아크 주위에 흐르는 비활성 기체는 플라즈마 상태로 변화하게 된다.
이렇게 마련된 플라즈마 토치(1)는 노출된 전극을 반응로에 삽입하여 연속 운전을 하게 되는데 이때, 전극이 수분등의 불순물과 접촉하면 절연이 유지되지 않게 된다.
구체적으로, 종래의 플라즈마 토치(1) 양극이 전방에 위치해 있었다. 이처럼, 전하를 받아들이는 양극에 수분이나 이물질이 묻어 있으면 수분의 양에 따라 음극에서 방출한 전하 이외에도 수분이나 수분과 연결된 기타 물질에서도 전하를 순간적으로 받아들이게 되어 양극에 유지된 전압이 유지되지 않고 낮아지게 된다. 그 결과, 발생한 아크가 유지되지 못하고 끊어지게 되어 토치에 플라즈마 점화를 하지 못하게 된다.
즉, 양극에 점화를 위한 고전압을 인가해도 전극 외부로 전압이 누설되어 점화가 되지 못하게 되며, 고온 처리 중에 작동이 정지되어 재점화가 안되면 처리물이 안정적으로 처리가 안되는 문제가 발생한다.
또한, 고온 처리 중에 냉각 후 다시 점화하고자 할 경우에도 플라즈마 토치(1)를 이루는 고온의 물질들이 원하지 않는 상태로 변형되게 되는 문제도 있다.
따라서, 절연 유지가 힘든 조건에서도 플라즈마 운전이 안정적으로 유지될 수 있는 기술이 필요하다.
일본공개특허 제2020-057608호
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 절연 유지가 힘든 조건에서도 전극 외부로 전류가 누설되는 것을 방지하기 위한 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 음극의 전극으로 구성된 음극부; 상기 음극부의 후방에 마련되며 양극의 전극으로 구성된 양극부; 상기 음극부와 상기 양극부 사이에 형성되며, 비활성 기체를 유입시키도록 마련된 기체유입부; 및 상기 양극부에 전압을 인가하여 상기 비활성 기체의 절연파괴를 유도함으로써 플라즈마를 발생시키는 아크를 형성하도록 마련된 전원인가부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극부는, 구리 소재로 이루어지며, 내측이 중공 형성된 원기둥 형태의 음극전극; 및 상기 음극전극의 길이 방향으로 삽입되며, 텅스텐 소재로 이루어진 복수의 텅스텐봉을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 텅스텐봉은, 상기 음극전극에 삽입되되, 상기 음극전극의 내측 중공부에 일부가 노출되도록 삽입 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 복수의 상기 텅스텐봉은, 상기 음극전극의 내측 표면이 구리 소재와 텅스텐 소재가 혼재할 수 있도록, 상호 이격 형성되도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 음극부는, 상기 음극전극의 후단부 내측에 형성되며, 상기 음극전극의 내경이 더 작아지도록 턱이 형성된 단차부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 양극부의 외주면에 형성되도록 마련된 코일부를 더 포함하며, 상기 코일부는, 상기 아크가 상기 코일부의 단부에서 형성되도록 자기장을 유도하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전원인가부는, 상기 코일부의 단부에 형성된 아크가 자기장의 끝부분에서 발생하는 로렌츠 힘에 의해 회전될 수 있도록 상기 코일부에 인가하는 전류량을 조절하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 기체유입부에 결합되도록 마련된 오리피스부를 더 포함하며, 상기 오리피스부는, 아크가 회전하는 방향으로 상기 비활성 기체를 공급하여 상기 아크의 회전력을 증가시키도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 전원인가부는, 상기 기체유입부에 의해 공급되는 비활성 기체의 종류에 따라 상기 양극부에 인가하는 전류를 조절함으로써, 목표로 하는 효율 및 안정 성능을 갖도록 아크의 길이를 조절하도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 양극부에 결합되어 상기 양극부 측에 냉각수를 공급하도록 마련된 양극냉각부; 및 상기 음극부에 결합되어 상기 음극부 측에 냉각수를 공급하도록 마련된 음극냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 음극이 양극의 전방에 위치하기 때문에 수분이 다량 함유된 폐기물이나 가공물을 처리하더라도 전자를 받아들이는 양극에 수분이 묻지 않아 전압이 일정하게 유지될 수 있다. 즉 안정적으로 플라즈마 점화가 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 구리보다 융점이 높은 텅스텐봉이 음극전극의 내부 중공부에 돌출되게 형성됨으로써 아크가 한점에 집중되지 않고 분기됨으로 전극 마모를 줄여 플라즈마 토치의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 파쇄, 탈수 등의 전처리과정 없이 하나의 공정을 통해 유기성물질을 처리함으로써 추가장치 및 설비가 필요하지 않고, 고온의 플라즈마를 이용함으로써, 당분이 많은 유기성물질도 용이하게 처리할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 플라즈마 토치의 구성을 나타낸 예시도이다.
도 2는 종래의 플라즈마 토치의 문제를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치의 구성을 나타낸 단면 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 음극부의 단면을 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 코일부의 자기장 발생 및 아크의 회전 방향을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 오리피스부를 나타낸 단면 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치의 아크 길이 변화를 나타낸 단면 예시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 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 명세서에서, "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 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치의 구성을 나타낸 단면 예시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치의 단면도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 것처럼, 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치(100)는 음극부(110), 양극부(120), 기체유입부(130), 전원인가부(140), 코일부(150), 오리피스부(160), 음극냉각부(170) 및 양극냉각부(180)을 포함한다.
상기 음극부(110)는 음극의 전극을 갖도록 구성되며, 반응로(미도시)에 삽입되는 방향인 전방에 배치되도록 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 음극부(110)는 음극전극(111), 텅스텐봉(112) 및 단차부(113)를 포함한다.
상기 음극전극(111)은 상기 음극부(110)의 몸체를 형성하도록 내측이 중공 형성된 원기둥 형태로 마련될 수 있다. 단, 상기 음극전극(111)의 형태를 원기둥 형태로 한정하는 것은 아니며, 내측이 중공 형성된 다각형 기둥 등으로 형성되는 것도 가능하다.
또한, 상기 음극전극(111)은 구리 소재로 이루어질 수 있다.
이처럼 전방에 위치하도록 마련된 음극전극(111)은 화염이 발생하는 전극 주위의 수분이 있거나 이물질이 있어 비절연 상태가 되어도 전압 누설 등의 영향을 받지 않게 된다. 그 이유는 플라즈마 형성을 위한 초기 트리거 전압을 양극부(120)에 인가하기 때문이다. 구체적으로, 전하를 방출하는 음극부(110)에 수분 등의 이물질이 묻어 있어도 방출량은 일정하기 때문에 전자를 받아들이는 양극부(120)에 유지된 전압이 일정하게 유지될 수 있다.
즉, 본 발명과 같이 음극부(110)를 양극부(120)의 전방에 배치하면 수분이나 물기가 다량 함유된 폐기물이나 가공물들을 처리할때 매우 유용하다. 비이송형 플라즈마 토치의 특성상 한쪽 전극이 반응로 내부와 처리물에 의해 비절연 구조가 되는데, 이때 비절연 노출된 전극을 음극으로 사용할 수 있으면 토치의 꺼짐등이나 전압 누설, 수분 발생 등의 악조건시에도 원활한 점화를 유도할 수 있어 매우 유용하게 폐기물이나 가공물의 처리가 가능하다.
상기 텅스텐봉(112)은 텅스텐 소재로 이루어질 수 있으며, 상기 음극전극(111)의 길이 방향으로 복수개가 삽입되도록 마련될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 텅스텐봉(112)은 상기 음극전극(111)에 삽입되되, 상기 음극전극(111)의 내측 중공부에 일부분이 노출되도록 삽입 형성될 수 있다.
이때, 복수의 상기 텅스텐봉(112)은, 상기 음극전극(111)의 내측 표면이 구리 소재와 텅스텐 소재가 혼재할 수 있도록, 상호 이격 형성되도록 마련될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 음극부의 단면을 나타낸 예시도이다.
일 예로, 도 5를 참조하면, 상기 음극부(110)의 음극전극(111)은 길이 방향으로 내측이 중공 형성된 중공부(111a)를 갖는 원기둥 형태로 마련될 수 있다. 그리고, 상기 텅스텐봉(112)은 상기 음극전극(111)의 길이 방향으로 삽입되되, 상기 중공부(111a)에 일부분이 볼록하게 튀어나와 노출되도록 상기 중공부(111a)측에 삽입될 수 있다. 이처럼 마련됨에 따라 상기 중공부(111a)의 둘레인 상기 음극전극(111)의 내측 표면은 구리 소재와 텅스텐 소재가 혼재하게 될 수 있다.
구리의 도전율은 5.8 x 107mhos/m이고, 텅스텐의 도전율은 1.82 x 107mhos/m이다. 즉, 구리의 도전율이 약 3배이상 높기 때문에 전극전체가 텅스텐일 경우보다 안정적인 아크를 생성하고 유지할 수 있다. 하지만 구리만을 사용할 경우 융점이 약 1300도로 텅스텐 3600도 보다 매우 낮아 전극 소모가 많아져 사용 수명이 단축되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명과 같이 구리와 텅스텐 소재가 음극전극(111)의 내측 표면에 혼재하여 배치되도록 마련될 경우 안정적인 아크 생성과 함께 전극 소모를 줄여 수명을 연장시키는 효과가 있다.
보다 구체적으로, 상기 텅스텐봉(112)을 상기 음극전극(111)에 삽입하면서 발생하는 볼록한 면에 의해 아크가 한점에 집중되지 않고 분기되도록 유도함으로써, 전극의 마모를 줄이게 될 수 있다. 이때, 특히, 텅스텐을 사용하는 이유는 텅스텐은 전기가 흐를 수 있는 도체이며 상대적으로 구리 전극 등보다 매우 높은 융점을 가지고 있기 때문이다. 따라서, 상기 텅스텐봉(112)은 도체이면서 구리전극보다 융점이 높은 소재로 대체되는 것도 가능하다.
다만, 내부 아크가 접촉하는 전체면적이 텅스텐 소재만으로 이루어지면 상대적으로 전기전도도가 낮아지게 되어 아르곤 등의 전자방출이 쉬운 작동기체에서만 아크가 발생하고 유지될 수 있게 된다. N2등의 전자방출이 다소 어려운 작동기체에서는 플라즈마 생성을 위한 아크가 발생되지 않게되어 활용도가 낮아지게 될 수 있다.
그리고, 상기 텅스텐봉(112)이 상기 중공부(111a)에 노출된 면적과 상기 중공부(111a)의 외주면의 구리 소재의 면적 비율에 따라 열전달율의 차이로 인해 냉각수로 전달되는 열효율의 차이가 발생하게 되고 토치 전체 효율에도 영향을 주게 된다. 따라서, 목표로 하는 토치의 효율과 수명에 따라 상기 텅스텐봉(112)이 상기 중공부(111a)에 노출되는 면적을 조절하여 상기 음극전극(111)에 삽입되도록 마련될 수 있다. 즉, 음극전극(111)과 텅스텐봉(112)의 노출 면적은 비활성 기체의 종류에 따라 좀 더 안정적인 운영을 필요로 하면, 구리소재가 노출되는 면적을 크게하고, 수명 증가를 더 필요로 하면 텅스텐 소재의 노출 면적을 크게하도록 마련될 수 있다.
또한, 텅스텐은 산소와 매우 민감하게 반응하는 물질이기 때문에, 비활성 기체 N2나 Ar등의 기체를 사용하는 것이 바람직하다. 단, 비활성 기체를 이의 종류로 한정하는 것은 아니다.
텅스텐봉(112)의 크기 및 개수는 플라즈마 토치의 용량과 음극전극(111)의 크기에 따라 변경될 수 있다. 여기서, 텅스텐봉(112)의 크기는 음극전극(111)의 내경에 삽일될 수 있는 크기의 텅스텐봉(112)을 사용하였다.
상기 단차부(113)는 상기 음극전극(111)의 후단부 내측에 형성되며, 상기 음극전극(111)의 내경이 더 작아지도록 턱이 형성될 수 있다.
구체적으로, 음극부(110)에 발생된 아크는 길어졌다 짧아졌다를 반복하면서 헌팅(전압변화)이 크게 발생하게 된다. 이때, 음극전극(111)의 후단부 내측 및 비활성 기체 출구측에 턱 형태로 마련된 단차부(113)는 턱 전방에 vortex를 만들어 아크가 멀리 가지 않도록 유도할 수 있다. 즉, 상기 단차부(113)는 헌팅이 심하지 않도록 아크의 발생 위치를 구속하고 아크가 유지되도록 할 수 있다. 즉, 안정적인 토치 출력이 가능하도록 할 수 있다.
상기 양극부(120)는 상기 음극부(110)의 후방에 마련되며 양극의 전극으로 구성될 수 있다. 상기 양극부(120)의 내측에도 상기 음극부(110)와 마찬가지로 전방이 개방되어 중공된 형태로 마련될 수 있다.
상기 기체유입부(130)는 상기 음극부(110)와 상기 양극부(120) 사이에 형성되며, 상기 음극부(110)와 상기 양극부(120)로 비활성 기체를 유입시키도록 마련될 수 있다.
상기 전원인가부(140)는 상기 양극부(120)에 전압을 인가하여 상기 비활성 기체의 절연파괴를 유도함으로써 플라즈마를 발생시키는 아크를 형성하도록 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 전원인가부(140)는 DC전원으로 마련되어, 초기 비활성 기체에서 높은 전압으로 절연파괴를 유도하여 아크를 형성할 수 있다. 그리고 이후 높은 전류를 인가하여 원하는 출력 상태를 만들고, 이때 아크 주위에 흐르는 비활성 기체가 플라즈마 상태로 변화하게 된다. 여기서, 기체의 종류에 따라 다르나, 전극 사이의 비활성 기체에 절연파괴를 유도하여 아크를 형성하기 위해서는 통상 30,000 V/mm의 전압이 필요하다.
상기 코일부(150)는 상기 양극부(110)의 외주면에 형성되도록 마련되며, 상기 코일부(150)는, 상기 아크가 상기 코일부(150)의 단부와 대응되는 위치에서만 구속되어 형성될 수 있게 자기장을 유도하도록 마련될 수 있다.
이처럼 상기 코일부(150)는 자기장을 유도하여 양극부(120)에서 아크가 발생하는 부위를 한 부위로 유도하여 아크의 길이를 일정하게 함으로 전압 헌팅 현상을 최소화할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 코일부의 자기장 발생 및 아크의 회전 방향을 나타낸 예시도이다.
그리고, 도 6을 더 참조하면, 상기 전원인가부(140)는, 상기 코일부(150)의 단부에 형성된 아크가 자기장의 끝부분에서 발생하는 로렌츠 힘에 의해 회전될 수 있도록 상기 코일부에 인가하는 전류량이 제어되고 코일부(150)를 감는 횟수가 결정되도록 마련될 수 있다.
이처럼, 상기 코일부(150)의 감는 횟수와 전류를 조절하여 자기장의 끝부분(회전부)에 발생하는 로렌츠의 힘을 이용하여 아크가 발생한 지점에만 머물지 않게 회전시킬 수 있다. 이는 양극부(120) 내부에서 빠른 회전을 유도하고 한 지점에 머무르지 않게 되어 전극의 마모를 최소화하기 위함이다.
상기 코일부(150)에 인가되는 전류는 상기 전원인가부(140)에 의해서 인가될 수 있고 또는 별도의 전원장치를 통해 공급되는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 오리피스부를 나타낸 단면 예시도이다.
도 7을 더 참조하면, 상기 오리피스부(160)는 상기 기체유입부(130)에 결합되도록 마련되어 아크가 회전하는 방향으로 상기 비활성 기체를 상기 음극부(110) 및 상기 양극부(120)에 공급하도록 함으로써 상기 아크의 회전력을 더 증가시키도록 마련될 수 있다.
이처럼 마련된 상기 오리피스부(160)는 아크가 회전하는 방향으로 비활성 기체를 공급하게 되어 아크의 회전력을 증가시킴으로써, 아크의 방전 뿌리가 한점에 머무르지 못하게 하여 전극의 마모를 더욱 최소화할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치의 아크 길이 변화를 나타낸 단면 예시도이다.
도 8을 더 참조하면, 상기 전원인가부(140)는, 상기 기체유입부(130)에 의해 공급되는 비활성 기체의 종류에 따라 상기 양극부에 인가하는 전류를 조절함으로써, 목표로 하는 효율 및 안정 성능을 갖도록 아크의 길이를 조절하도록 마련될 수 있다.
또한, 제1 아크(10) 과 제2 아크(20)의 길이 조절은 토치마다 공급되는 비활성 기체의 양과 전류에 따라 조절이 가능하다. 구체적으로, 전류가 크면 제1 아크(10)와 같이 짧아지게 되고 안정성이 좋아지게 되지만 효율이 낮아지게 된다. 반대로, 전류가 줄어들면 제2 아크(20)와 같이 길이가 길어지게 된다. 또한 비활성 기체의 양이 많을수록 제2 아크(20)와 같이 길어지게 되지만 너무 많은 비활성 기체가 공급되면 아크가 불안정하게 되고 끊어지므로 플라즈마를 생성할 수 없게 된다. 따라서 출력, 전극, 비활성 기체 종류, 비활성 기체의 공급량은 적당한 비율로 기 설정된 값에 따라 결정될 수 있다.
상기 음극냉각부(170)는 상기 음극부(110)에 결합되어 냉각수를 공급 및 배출하도록 마련될 수 있다.
상기 양극냉각부(180)는 상기 양극부(120)에 결합되어 냉각수를 공급 및 배출하도록 마련될 수 있다.
이처럼 마련된 상기 음극냉각부(170)와 상기 양극냉각부(180)는 상기 음극부(110)와 상기 양극부(120)를 냉각시켜 과열되어 손상되는 것을 방지할 수 있다.
이처럼 마련된 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치(100)는 주로 음극부(110)에서 마모 소손이 발생하고 양극부(120)에서 발생이 적어 마모 파편 같은 물리적인 용인에 의해 플라즈마 발생이 정지되는 문제가 없다.
또한, 구리소재만으로 음극전극을 구성할 경우 고온의 N2 플라즈마 발생시 음극전극의 수명이 30시간 내외에 불과했으나, 텅스텐봉(112)을 혼재하여 사용할 경우 종래보다 10배 이상의 수명을 유도할 수 있어 경제적이고 안전성이 뛰어나다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 플라즈마 토치
10: 제1 아크
20: 제2 아크
100: 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치
110: 음극부
111: 음극전극
112: 텅스텐봉
113: 단차부
120: 양극부
130: 기체유입부
140: 전원인가부
150: 코일부
160: 오리피스부
170: 음극냉각부
180: 양극냉각부

Claims (10)

  1. 음극의 전극으로 구성된 음극부;
    상기 음극부의 후방에 마련되며 양극의 전극으로 구성된 양극부;
    상기 음극부와 상기 양극부 사이에 형성되며, 비활성 기체를 유입시키도록 마련된 기체유입부; 및
    상기 양극부에 전압을 인가하여 상기 비활성 기체의 절연파괴를 유도함으로써 플라즈마를 발생시키는 아크를 형성하도록 마련된 전원인가부를 포함하며,
    상기 음극부는,
    구리 소재로 이루어지며, 내측이 중공 형성된 원기둥 형태의 음극전극; 및
    상기 음극전극의 길이 방향으로 삽입되며, 텅스텐 소재로 이루어진 복수의 텅스텐봉을 포함하는 것을 특징으로 하는 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 텅스텐봉은,
    상기 음극전극에 삽입되되, 상기 음극전극의 내측 중공부에 일부가 노출되도록 삽입 형성된 것을 특징으로 하는 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    복수의 상기 텅스텐봉은,
    상기 음극전극의 내측 표면이 구리 소재와 텅스텐 소재가 혼재할 수 있도록, 상호 이격 형성되도록 마련된 것을 특징으로 하는 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 음극부는,
    상기 음극전극의 후단부 내측에 형성되며, 상기 음극전극의 내경이 더 작아지도록 턱이 형성된 단차부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극부의 외주면에 형성되도록 마련된 코일부를 더 포함하며,
    상기 코일부는,
    상기 아크가 상기 코일부의 단부에서 형성되도록 자기장을 유도하도록 마련된 것을 특징으로 하는 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전원인가부는,
    상기 코일부의 단부에 형성된 아크가 자기장의 끝부분에서 발생하는 로렌츠 힘에 의해 회전될 수 있도록 상기 코일부에 인가하는 전류량을 조절하도록 마련된 것을 특징으로 하는 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체유입부에 결합되도록 마련된 오리피스부를 더 포함하며,
    상기 오리피스부는,
    아크가 회전하는 방향으로 상기 비활성 기체를 공급하여 상기 아크의 회전력을 증가시키도록 마련된 것을 특징으로 하는 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원인가부는,
    상기 기체유입부에 의해 공급되는 비활성 기체의 종류에 따라 상기 양극부에 인가하는 전류를 조절함으로써, 목표로 하는 효율 및 안정 성능을 갖도록 아크의 길이를 조절하도록 마련된 것을 특징으로 하는 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극부에 결합되어 상기 양극부 측에 냉각수를 공급하도록 마련된 양극냉각부; 및
    상기 음극부에 결합되어 상기 음극부 측에 냉각수를 공급하도록 마련된 음극냉각부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치.
KR1020200143538A 2020-10-30 2020-10-30 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치 KR102279175B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200143538A KR102279175B1 (ko) 2020-10-30 2020-10-30 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200143538A KR102279175B1 (ko) 2020-10-30 2020-10-30 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102279175B1 true KR102279175B1 (ko) 2021-07-19

Family

ID=77125929

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200143538A KR102279175B1 (ko) 2020-10-30 2020-10-30 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102279175B1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090039062A1 (en) * 2007-08-06 2009-02-12 General Electric Company Torch brazing process and apparatus therefor
KR101041887B1 (ko) * 2010-05-14 2011-06-15 국방과학연구소 수축형 전극부를 갖는 비이송식 플라즈마토치
KR101249457B1 (ko) * 2012-05-07 2013-04-03 지에스플라텍 주식회사 비이송식 공동형 플라즈마 토치
KR101616487B1 (ko) * 2015-05-22 2016-04-28 전북대학교산학협력단 역극성 공동형 플라즈마 토치용 전극 및 이를 이용한 역극성 공동형 플라즈마 토치
JP2020057608A (ja) 2019-12-02 2020-04-09 アルファ株式会社 プラズマ処理装置及びプラズマトーチ

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090039062A1 (en) * 2007-08-06 2009-02-12 General Electric Company Torch brazing process and apparatus therefor
KR101041887B1 (ko) * 2010-05-14 2011-06-15 국방과학연구소 수축형 전극부를 갖는 비이송식 플라즈마토치
KR101249457B1 (ko) * 2012-05-07 2013-04-03 지에스플라텍 주식회사 비이송식 공동형 플라즈마 토치
KR101616487B1 (ko) * 2015-05-22 2016-04-28 전북대학교산학협력단 역극성 공동형 플라즈마 토치용 전극 및 이를 이용한 역극성 공동형 플라즈마 토치
JP2020057608A (ja) 2019-12-02 2020-04-09 アルファ株式会社 プラズマ処理装置及びプラズマトーチ

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2577311B2 (ja) 化学的プロセスのためのトーチ装置
US6215091B1 (en) Plasma torch
US11032900B2 (en) Plasma torch with structure capable of performing reversed polarity/straight polarity operation
JP7271489B2 (ja) 高エネルギー効率、高出力のプラズマトーチ
JP2010511284A (ja) プラズマ装置およびシステム
JPH0658840B2 (ja) 移行形プラズマトーチ
CS218814B1 (en) Method of generating the plasma in the plasma electric arc generator and device for executing the same
MX2014009643A (es) Cañon de plasma de cascada extendida.
US5357747A (en) Pulsed mode cathode
US11109475B2 (en) Consumable assembly with internal heat removal elements
KR102279175B1 (ko) 공동형 비이송식 음극전방 텅스텐봉 삽입형 플라즈마 토치
US10045432B1 (en) System and method of low-power plasma generation based on high-voltage plasmatron
JP5154647B2 (ja) パルスプラズマ生成のためのカソード組立体
RU2208871C1 (ru) Плазменный источник электронов
JP3198727U (ja) プラズマ切断トーチ用電極
JPS63154272A (ja) プラズマト−チ
KR100631820B1 (ko) 소재공정 용도에 따른 구조 변경이 가능하도록 모듈화된막대-노즐형 비이송식 열플라즈마 토치
JP3268235B2 (ja) 溶鋼加熱タンディッシュ
CN214101883U (zh) 一种等离子体火炬
CN211429618U (zh) 一种电弧层流等离子体束发生器阴极结构
JPS63154273A (ja) プラズマト−チ
KR950012485B1 (ko) 플라즈마 아크 용해용 토치
CN112996210A (zh) 一种多电弧通道等离子体炬
CN115604898A (zh) 多点式分布启弧阴极、加工方法及等离子发生器
CN220359412U (zh) 多点式分布启弧阴极及等离子发生器

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant