KR102309039B1 - 아크 회전 속도의 확인이 가능한 아크 플라즈마 가열기 - Google Patents

아크 회전 속도의 확인이 가능한 아크 플라즈마 가열기 Download PDF

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나재정
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국방과학연구소
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Abstract

일 실시 예에 따른 아크 플라즈마 가열기는, 내부에 아크 챔버가 형성되고, 전방을 향하여 개방된 중공을 구비하는 후방 전극; 상기 후방 전극을 향하여 개방된 중공을 구비하는 전방 전극; 상기 후방 전극의 중공 및 상기 전방 전극의 중공 사이의 공간으로 작동 기체를 주입 가능한 기체 주입구를 구비하고, 상기 후방 전극 및 상기 전방 전극을 전기적으로 절연시키기 위해 상기 후방 전극 및 상기 전방 전극 사이에 위치하는 절연체; 및 상기 전방 전극의 전방에 연결되어, 외부로 플라즈마 아크의 흐름을 유도하는 노즐을 포함하고, 상기 후방 전극에서의 아크 회전 속도를 광학적으로 확인 가능할 수 있다.

Description

아크 회전 속도의 확인이 가능한 아크 플라즈마 가열기{ARC PLASMA HEATER WITH DETECTABLE ARC ROTATIONAL SPPED}
이하의 설명은 아크 회전 속도의 확인이 가능한 아크 플라즈마 가열기에 관한 것이다.
고온 유동을 발생시키는 아크 플라즈마 가열기는 높은 전압을 가하여 아크를 음극과 양극 사이에 발생시킨 후 전극 사이 공기 주입구로 공기를 공급하고, 발생한 아크로 이 공기를 고온으로 가열하여 노즐을 통해 방출하는 장치이다.
도 1을 참조하면, 종래의 아크 플라즈마 가열기(1)는, 내부에 아크 챔버가 형성되고, 전방을 향하여 개방되는 중공을 구비하는 후방 전극(11)과, 후방 전극(11)을 향하여 개방된 중공을 구비하는 전방 전극(12)과, 후방 전극(11)의 중공 및 전방 전극(12)의 중공 사이의 공간으로 작동 기체를 주입 가능한 기체 주입구(131)를 구비하고 후방 전극(11) 및 전방 전극(12)을 전기적으로 절연시키기 위해 후방 전극(11) 및 전방 전극(12) 사이에 위치하는 절연체(13)와, 전방 전극(12)의 전방에 연결되어, 외부로 플라즈마 아크의 흐름을 유도하는 노즐을 포함하는 구성을 갖는다.
아크 플라즈마 가열기(1)는 주로 후방 전극 쪽에 자기장을 발생시키는 자기 회전 코일(115)을 설치하여, 아크의 시작 접점이 축 방향으로는 거의 같은 위치에 고정되지만, 원주 방향으로는 계속 회전하게 된다. 이러한 회전을 통해 아크가 안정화되고 전극 내벽의 용삭이 최소화될 수 있다.
아크의 회전속도는 전극 내벽의 용삭 분석 등에 중요한 변수인데, 자기 회전 코일(115)에서 발생하는 자기력 및 공기 주입구로 들어오는 공기의 힘 등에 의해 회전 속도가 변하므로 예측이 어려운 것과 더불어, 종래의 기술로는 후방 전극의 내부가 밀폐되어 있어 내부의 아크 회전 속도를 관측하는 것이 불가능하다는 문제점이 존재하였다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은 아크 회전 속도의 확인이 가능한 아크 플라즈마 가열기를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 아크 플라즈마 가열기는, 내부에 아크 챔버가 형성되고, 전방을 향하여 개방된 중공을 구비하는 후방 전극; 상기 후방 전극을 향하여 개방된 중공을 구비하는 전방 전극; 상기 후방 전극의 중공 및 상기 전방 전극의 중공 사이의 공간으로 작동 기체를 주입 가능한 기체 주입구를 구비하고, 상기 후방 전극 및 상기 전방 전극을 전기적으로 절연시키기 위해 상기 후방 전극 및 상기 전방 전극 사이에 위치하는 절연체; 및 상기 전방 전극의 전방에 연결되어, 외부로 플라즈마 아크의 흐름을 유도하는 노즐을 포함하고, 상기 후방 전극에서의 아크 회전 속도를 광학적으로 확인 가능할 수 있다.
상기 후방 전극은, 후방 전극 내피; 상기 후방 전극 내피를 감싸는 후방 전극 외피; 상기 후방 전극 내피 및 상기 후방 전극 외피 사이에 형성되는 냉각 유로; 및 상기 후방 전극 내피 및 상기 후방 전극 외피의 후방을 감싸는 마개를 포함하고, 상기 마개의 적어도 일부는, 빛이 투과될 수 있는 재질로 형성될 수 있다.
상기 마개의 적어도 일부는, 쿼츠 또는 사파이어 재질로 형성될 수 있다.
상기 마개는, 상기 후방 전극 내피의 후방 단부에 연결되며, 방사상으로 연장되는 도넛 형상의 플랜지; 및 상기 플랜지의 중심에 위치하고, 상기 후방 전극 내피의 내부 공간을 후방에서 차폐하는 윈도우를 포함하고, 상기 윈도우는, 빛이 투과될 수 있는 재질로 형성될 수 있다.
상기 냉각 유로는, 상기 후방 전극의 중공의 외측에서, 상기 후방 전극의 길이 방향을 따라서 길게 형성되는 내측 냉각 유로; 및 상기 내측 냉각 유로의 외측에서, 상기 후방 전극의 길이 방향을 따라서 길게 형성되는 외측 냉각 유로를 포함하고, 상기 내측 냉각 유로의 전방 단부는, 상기 외측 냉각 유로의 전방 단부와 서로 연통됨으로써, 상기 냉각 유로가 이중 냉각 유로 구조를 가질 수 있다.
상기 후방 전극 내피의 후방 단부는, 상기 마개에 연결되고, 상기 내측 냉각 유로는, 상기 후방 전극 내피의 후방 단부 및 상기 마개가 상호 연결된 부분을 지나도록 형성될 수 있다.
냉각수는, 상기 내측 냉각 유로로 유입되어, 상기 외측 냉각 유로로 토출됨으로써, 최초로 유입된 냉각수가 상기 마개를 냉각시키도록 함으로써, 상기 마개가 과열되는 것을 방지할 수 있다.
상기 후방 전극 내피의 후방 단부는, 상기 마개에 수직하게 연결되어, 종단면이 "ㄴ"자 모양을 형성하도록 함으로써, 상기 내측 냉각 유로로 유입된 냉각수의 유동 흐름이, 상기 후방 전극 내피의 후방 단부 및 상기 마개가 상호 연결된 부분에서, 꺾여서 진행하게 함으로써, 상기 마개의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 플랜지는, 상기 후방 전극의 중심부를 향하여 내측 방향으로 연장되어, 상기 윈도우를 후방에서 지지하는 지지 단차를 포함할 수 있다.
상기 지지 단차의 길이는, 상기 아크 챔버의 반지름의 1/2 이하일 수 있다.
아크의 시작 부분에 위치하는 후방 전극과, 아크의 도착 부분에 위치하는 전방 전극을 구비하는 일 실시 예에 따른 아크 플라즈마 가열기는, 상기 후방 전극에서의 아크 회전 속도를 광학적으로 확인 가능할 수 있다.
상기 마개는, 상기 후방 전극 내피의 후방 단부에 연결되며, 방사상으로 연장되는 도넛 형상의 플랜지; 및 상기 플랜지의 중심에 위치하고, 상기 후방 전극 내피의 내부 공간을 후방에서 차폐하는 윈도우를 포함하고, 상기 윈도우는, 쿼츠 또는 사파이어 재질로 형성될 수 있다.
일 실시 예의 아크 회전 속도의 확인이 가능한 아크 플라즈마 가열기에 의하면, 후방으로부터 아크가 발생하는 모습을 광학적으로 관찰할 수 있기 ‹š문에, 아크 플라즈마 가열기 내부에서 발생한 아크가 자기 회전 코일에 의해 회전되는 모습을 관찰할 수 있고, 이를 통해 아크의 회전 속도를 관측할 수 있다.
도 1은 종래의 아크 플라즈마 가열기의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 아크 플라즈마 가열기의 부분 단면도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 회전 이동부의 부분 단면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 고정부의 부분 단면도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 아크 플라즈마 가열기의 블록도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 아크 플라즈마 가열기의 단면도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 전방 외피의 사시도이다.
도 8는 일 실시 예에 따른 후방 전극의 측 단면도이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 후방 전극의 단면도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.1
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 아크 플라즈마 가열기의 부분 단면도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 회전 이동부의 부분 단면도이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 고정부의 부분 단면도이고, 도 5는 일 실시 예에 따른 아크 플라즈마 가열기의 블록도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 일 실시 예에 따른 아크 플라즈마 가열기(2)는 높은 전압을 음극과 양극 사이에 인가하여 아크를 발생시킨 후 전극 사이 공기 주입구로 공기를 공급하고, 발생한 아크로 이 공기를 고온으로 가열하여 노즐을 통해 방출하는 장치이다.
이하의 실시 예를 설명함에 있어 "전방"은 아크가 발생함에 따라 노즐(24)을 통해 가열된 공기가 배출되는 방향을 의미한다는 점을 밝혀둔다.
일 실시 예에 따른 아크 플라즈마 가열기(2)는 내부에 아크 챔버가 형성되고, 전방을 향하여 개방되는 중공을 구비하는 후방 전극(21)과, 후방 전극(21)을 향하여 개방된 중공을 구비하는 전방 전극(22)과, 후방 전극(21)의 중공 및 전방 전극(22)의 중공 사이의 공간으로 작동 기체를 주입 가능한 기체 주입구(231)를 구비하고, 후방 전극(21) 및 전방 전극(22)을 전기적으로 절연시키기 위해 후방 전극(21) 및 전방 전극(22) 사이에 위치하는 절연체(23)와, 전방 전극(22)의 전방에 연결되어, 외부로 플라즈마 아크의 흐름을 유도하는 노즐(24)과, 후방 전극(21)을 회전시키는 동력을 제공하는 구동부(28)와, 구동부(28)를 제어함으로써 후방 전극(21) 및 전방 전극(22) 사이의 거리를 조절하는 제어부(25)와, 사용자로부터 후방 전극(21) 및 전방 전극(22) 사이의 거리를 입력받는 입력부(26)와, 아크 플라즈마 가열기(2)의 상태에 대한 정보를 감지하는 센서(27)를 포함할 수 있다.
후방 전극(21)은 공동형(Cylindrical) 형상을 가질 수 있고 내부 중공은 절연체(23)를 매개하여 전방 전극(22)의 중공에 연통될 수 있다. 예를 들어, 후방 전극(21)는 전방 전극(22)보다 상대적으로 내부 직경이 큰 공동형 전극으로 구성될 수 있다.
예를 들어, 후방 전극(21)의 중공 및 전방 전극(22)의 중공이 전후방 방향으로, 즉 아크 플라즈마 가열기(2)의 길이 방향을 따라서 서로 연통되어 연결되는 내부 공간을 "아크 챔버"라 지칭할 수 있다.
예를 들어, 후방 전극(21)은 절연체(23)에 고정되는 고정부(21b)와, 고정부(21b)에 대하여 회전함으로써 회전 축 방향으로 고정부에 대한 거리가 변화될 수 있는 회전 이동부(21a)를 포함할 수 있다.
회전 이동부(21a)는 외면에 수나사산이 형성된 후방 전극 내피(211)와, 후방 전극 내피(211)의 벽면 내부에 형성되는 후방 냉각 유로(214)와, 후방 전극 내피(211)의 후방을 감싸는 마개(213)를 포함할 수 있다.
후방 전극 내피(211)는 아크가 형성되는 중공을 형성할 수 있다. 예를 들어, 후방 전극 내피(211)의 내주면은 아크가 형성되는 중공의 내주면을 형성할 수 있고, 외주면에는 후방 전극 외피(212)의 암나사산(2121)에 나사 결합되도록 형성되는 수나사산(2111)을 포함할 수 있다.
후방 냉각 유로(214)는 후방 전극 내피(211) 내부에 형성된 냉각수의 유로이다.
후방 냉각 유로(214)는 후방 전극(21)의 중공의 외측에서, 후방 전극(21)의 길이 방향을 따라서 길게 형성되는 내측 냉각 유로(2142)와, 내측 냉각 유로(2142)의 외측에서, 후방 전극(21)의 길이 방향을 따라서 길게 형성되는 외측 냉각 유로(2141)와, 외측 냉각 유로(2141)를 외부에 연통시키는 제 1 후방 포트(214a)와, 내측 냉각 유로(2142)를 외부에 연통시키는 제 2 후방 포트(214b)를 포함할 수 있다.
내측 냉각 유로(2142)의 전방 단부는, 외측 냉각 유로(2141)의 전방 단부와 서로 연통될 수 있어서, 후방 냉각 유로(214)는 이중 냉각 유로 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 후방 냉각 유로(214)는 도 2와 같이 후방 전극(21)의 길이 방향을 따라서 적층되는 이중 냉각 유로의 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 냉각수는 제 1 후방 포트(214a)를 통해 유입되어 외측 냉각 유로(2141)를 따라 유동할 수 있고, 이에 따라 제 2 후방 포트(214b)는 내측 냉각 유로(2142)로부터 유동되는 냉각수를 외부로 토출할 수 있다. 예를 들어, 제 1 후방 포트(214a) 및 제 2 후방 포트(214b)는 자기 회전 코일(215)을 기준으로 후방에 위치할 수 있다.
이 경우, 제 1 후방 포트(214a)는 제 2 후방 포트(214b)보다 전방에 위치할 수 있다. 이상의 구조에 의하면 상대적으로 전방에 위치하는 제 1 후방 포트(214a)에 냉각수를 유입하여 후방 전극(21)의 부분 중 온도가 상대적으로 높은 전방 부분으로 바로 유입시킬 수 있으며, 더불어 냉각수가 유입되는 외측 냉각 유로(2141)는 내측 냉각 유로(2142)보다 외측에 위치함에 따라, 냉각수가 후방 전극(21)의 전방으로 유동하는 과정에서 온도가 상승하여 냉각 휴율이 저하되는 경향을 완화시킬 수 있다.
고정부(21b)는 내주면에 후방 전극 내피(211)의 수나사산(2111)에 형합 가능한 암나사산(2121)이 형성된 후방 전극 외피(212)와, 후방 전극 외피(212) 외주면에 배치되어 아크 챔버의 내부에서 아크를 회전시키는 자기 회전 코일(215)을 포함할 수 있다.
후방 전극 외피(212)는, 절연체(23)에 고정적으로 설치될 수 있고, 내주면으로 후방 전극 내피(211)의 수나사산(2111)에 나사 결합되도록 형성되는 암나사산(2121)을 포함할 수 있다.
자기 회전 코일(215)은 후방 전극(21)에서 만들어진 아크가 전방 전극(22)을 향해 형성되도록 유지할 수 있다. 자기 회전 코일(215)에 의하면, 후방 전극(21)에서 만들어진 아크는 자기 회전 코일(215)의 자기력에 의해 아크 접점이 회전하며 안정화되고 전극 내벽의 용삭이 최소화 될 수 있다.
이상의 구조에 의하면, 구동부(28)를 통해 회전 이동부(21a)는 고정부(21b)에 대하여 회전함으로써, 회전 축 방향으로 고정부(21b)에 대한 거리가 변화되어, 결과적으로 후방 전극(21) 및 전방 전극(22) 사이의 간격이 조절됨에 따라 각각의 전극에 인가되는 전압 또는 작동 기체의 압력이 조절될 수 있다.
절연체(23)는 후방 전극(21)과 전방 전극(22)의 중공 사이를 기밀적으로 연결한다. 절연체(23)는 후방 전극(21)의 전단부와 전방 전극(22)의 후단부 사이를 연통시키는 관형 부재일 수 있다.
예를 들어, 절연체(23)는 후방 전극(21) 및 전방 전극(22) 내부에서 발생하는 고전압의 아크가 외부로 방전되지 않도록 전기 절연성이 우수한 소재로 형성될 수 있다.
예를 들어, 절연체(23)는 아크 플라즈마 가열기(2) 내부로 고압의 작동 기체를 유입할 수 있는 기체 주입구(231)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 기체 주입구(231)는 전방 전극(22) 및 후방 전극(21) 사이의 공간에 설치될 수 있다. 예를 들어, 기체 주입구(231)는 중심 축의 둘레를 따라서 서로 방사상으로 일정하게 이격되어 설치되는 복수개의 구성을 포함할 수 있다.
예를 들어, 기체 주입구(231)는 양 전극(21, 22) 사이의 공간에서 작동 기체를 내부 통로의 내경 접선 방향을 따라서 주입할 수 있다.
이상의 구조에 의하면, 양 전극(21, 22) 사이의 공간에 와류를 발생시킴으로써 전방 전극(22) 내에서 아크와 유동 회전이 발생하게 되어, 반경방향의 압력구배에 의해 만들어진 아크가 중심 축 영역에 구속되어 아크 방전이 안정화될 수 있다.
전방 전극(22)은 내부 중공의 내주면을 형성하는 전방 전극 내피(221)와, 외부로 노출되는 외주면을 형성하는 전방 전극 외피(222)와, 전방 전극 내피(221)의 벽면 내부에 형성되고 길이 방향을 따라서 연장되는 유동 경로를 포함하는 전방 냉각 유로(224)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 전방 냉각 유로(224)는 냉각수가 출입하는 양 단부 중, 길이 방향을 기준으로 상대적으로 전방에서 개구되는 제 1 전방 포트(224a)와, 상대적으로 후방에서 개구되는 제 2 전방 포트(224b)를 포함할 수 있다.내측 냉각 유로(2142)를 외부에 연통시키는 제 2 후방 포트(214b)를 포함할 수 있다.
노즐(24)은 전방 전극(22)의 전단으로부터 연결되고, 전방으로 고속의 플라즈마 아크의 흐름을 방출할 수 있다.
제어부(25)는, 전방 전극(22) 및 후방 전극(21)에 전압을 인가하여 양 전극(21, 22) 사이에 아크를 발생시킬 수 있다.
제어부(25)는 구동부(28)를 제어함으로써, 회전 이동부(21a)를 회전시킬 수 있다. 다시 말하면, 제어부(25)는 회전 이동부(21a), 즉 고정되어 있는 후방 전극 외피(212)에 나사 결합되어 있는 후방 전극 내피(211)를 회전시킴에 따라 양 전극(21, 22) 사이의 간격을 조절할 수 있다.
예를 들어, 사용자는 입력부(26)를 통해 후방 전극(21) 및 전방 전극(22) 사이의 원하는 거리를 입력할 수 있고, 제어부(25)는 입력부(26)로부터 입력받은 정보에 기초하여 구동부(28)를 제어하여 전방 전극(22) 및 후방 전극(21) 사이의 거리를 조절할 수 있다.
센서(27)는, 아크 플라즈마 가열기(2) 내부의 상태를 계측할 수 있다. 예를 들어, 센서(27)는 (i)전방 전극 및 후방 전극에 인가되는 전압, (ii)작동 기체의 유량, (iii) 작동 기체의 온도 및 (iv) 작동 기체의 압력 중 적어도 하나 이상의 상태를 감지할 수 있다.
아크 플라즈마 가열기(2)를 구동하여 아크를 발생하는 경우, 내부 압력이 높아지거나 양 전극(21, 22) 사이의 간격이 멀어질수록 아크 발생이 어려워지는 경향을 갖게 된다. 특히 초기 시동시에는 절연 파괴에 있어서 상대적으로 높은 전압을 요구하며, 아크 플라즈마 가열기(2)로 주입되는 가스에 의해 내부 압력이 증가할 수 있고, 가스의 온도 역시 압력을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있다.
도 2에 도시되는 바와 같이, 제어부(25)는 센서(27)에서 계측되는 정보에 기초하여, 양 전극(21, 22)에 형성되는 전압의 크기, 작동 기체의 압력 또는 작동 기체의 온도에 기초하여 전방 전극(22) 및 후방 전극(21) 전극 사이의 간격을 조절함으로써 아크의 전압과 출력을 일정하게 유지시킬 수 있다.
예를 들어, 제어부(25)는 작동 기체의 압력이 높아질수록, 후방 전극(21) 및 전방 전극(22) 사이의 거리를 짧게 조절할 수 있다.
일 실시 예에 따른 아크 플라즈마 가열기(2)에 의하면, 후방 전극(21)과 전방 전극(22)사이의 간격을 구조적인 변경없이 조절할 수 있기 때문에, 작동 기체의 종류, 압력 또는 전압의 변화 등 구동 환경에 따라서 아크를 안정적으로 그리고 효과적으로 형성/유지시키도록 전극 간격을 조절할 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 아크 플라즈마 가열기의 단면도이고, 도 7은 일 실시 예에 따른 전방 외피의 사시도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 일 실시 예에 따른 아크 플라즈마 가열기(4)는, 내부에 아크 챔버가 형성되고, 전방을 향하여 개방되는 중공을 구비하는 후방 전극(41)과, 후방 전극(41)을 향하여 개방된 중공을 구비하는 전방 전극(42)과, 후방 전극(41)의 중공 및 전방 전극(42)의 중공 사이의 공간으로 작동 기체를 주입 가능한 기체 주입구(431)를 구비하고, 후방 전극(41) 및 전방 전극(42)을 전기적으로 절연시키기 위해 후방 전극(41) 및 전방 전극(42) 사이에 위치하는 절연체(43)와, 전방 전극(42)의 전방에 연결되어, 외부로 플라즈마 아크의 흐름을 유도하는 노즐(44)을 포함할 수 있다.
후방 전극(41)은, 중공의 내주면을 형성하고 전기 전도도가 높은 금속 재질로 형성되는 후방 전극 내피(411)와, 후방 전극 내피(411)를 감싸는 후방 전극 외피(412)와, 후방 전극 내피(411)의 벽면 내부에 설치되는 후방 냉각 유로(414)와, 아크 플라즈마 가열기(4) 내부에서 아크를 유지하고 회전시키는 자기 회전 코일(415)을 포함할 수 있다.
후방 냉각 유로(414)는 후방 전극(41)의 중공의 외측에서, 후방 전극(41)의 길이 방향을 따라서 길게 형성되는 내측 냉각 유로(4142)와, 내측 냉각 유로(4142)의 외측에서, 후방 전극(41)의 길이 방향을 따라서 길게 형성되는 외측 냉각 유로(4141)와, 외측 냉각 유로(4141)를 외부에 연통시키는 제 1 후방 포트(414a)와, 내측 냉각 유로(4142)를 외부에 연통시키는 제 2 후방 포트(414b)를 포함할 수 있다.
내측 냉각 유로(4142)의 전방 단부는, 외측 냉각 유로(4141)의 전방 단부와 서로 연통될 수 있어서, 후방 냉각 유로(414)는 이중 냉각 유로 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 후방 냉각 유로(414)는 도 6과 같이 후방 전극(41)의 길이 방향을 따라서 적층되는 이중 냉각 유로의 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 냉각수는 제 1 후방 포트(414a)를 통해 유입되어 외측 냉각 유로(4141)를 따라 유동할 수 있고, 이에 따라 제 2 후방 포트(414b)는 내측 냉각 유로(4142)로부터 유동되는 냉각수를 외부로 토출할 수 있다. 예를 들어, 제 1 후방 포트(414a) 및 제 2 후방 포트(414b)는 자기 회전 코일(415)을 기준으로 후방에 위치할 수 있다.
전방 전극(42)은 후방 전극(41)으로부터 발생한 아크가 도달하는 도착 접점 위치 및 아크의 길이를 광학적으로 확인할 수 있다. 예를 들어, 전방 전극(42)에는 냉각 유로 구조가 형성되지 않을 수 있다.
예를 들어, 전방 전극(42)은 금속 재질로 형성되어, 아크 접점이 도달 가능한 전방 전극 내피(421)와, 전방 전극 내피(421)를 감싸고 빛이 투과될 수 있는 재질로 형성되는 전방 전극 외피(422)를 포함할 수 있다.
전방 전극 외피(422)는 아크의 도착 접점 위치를 광학적으로 확인할 수 있도록 투과성이 있는 재질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 전방 전극 외피(422)는, 투명하고 내열성이 좋은 쿼츠 또는 사파이어 재질로 형성될 수 있다. 다른 예로, 전방 전극 외피(422)는 아크 접점을 분광을 통해 측정이 가능하도록 설정 파장 대역의 투과성이 있는 재질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 전방 전극 내피(421)는 아크를 광학적으로 확인할 수 있도록 중심 축 둘레를 따라서 복수개의 홈이 형성될 수 있다. 예를 들어, 전방 전극 내피(421)는 구리 재질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 전방 전극 내피(421)는 길이 방향을 따라서 일정한 간격의 패턴으로 내부가 투과되도록 절개되는 메시 구조를 가질 수 있다.
다른 예로, 도 7과 같이 전방 전극 내피(421)는 길이 방향으로 연장된 원통형의 메시 형상을 가질 수 있다. 또 다른 예로, 전방 전극 내피(421)는 전방 전극(42)의 길이 방향을 따라서 권선된 스프링 형상을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따른 전방 전극(42)의 구조에 의하면, 전방 전극 내피(421)의 작은 구멍 및 투명한 외피를 거쳐 나온 아크 접점 위치와 길이를 광학적으로 확인할 수 있어서, 아크 플라즈마 가열기(4)에 주입하는 작동 기체의 양 또는 두 전극(41, 42)에 인가하는 전류의 크기에 따라 아크의 길이가 달라지게 되어도 이를 확인하는 것이 가능하다.
도 8은 일 실시 예에 따른 후방 전극의 정면 단면도이고, 도 9는 일 실시 예에 따른 후방 전극의 측면 단면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 일 실시 예에 따른 아크 플라즈마 가열기(5)는 도 1 내지 도 7에 도시된 후방 전극(11, 21, 41)과는 상이한 구성의 후방 전극(51)을 포함하는 아크 플라즈마 가열기(5)의 구성을 확인할 수 있다.
일 실시 예에 따른 후방 전극(51)은 중공의 내주면을 형성하고 전기 전도도가 높은 금속 재질로 형성되는 후방 전극 내피(511)와, 후방 전극 내피(511)를 감싸는 후방 전극 외피(512)와, 후방 전극 내피(511)의 벽면 내부에 설치되는 후방 냉각 유로(514)와, 아크 플라즈마 가열기(5) 내부에서 아크를 유지하고 회전시키는 자기 회전 코일(515)과, 후방 전극 내피(511) 및 후방 전극 외피(512)의 후방을 감싸는 마개(513)를 포함할 수 있다.
후방 냉각 유로(514)는 후방 전극(51)의 중공의 외측에서, 후방 전극(51)의 길이 방향을 따라서 길게 형성되는 내측 냉각 유로(5142)와, 내측 냉각 유로(5142)의 외측에서, 후방 전극(51)의 길이 방향을 따라서 길게 형성되는 외측 냉각 유로(5141)와, 외측 냉각 유로(5141)를 외부에 연통시키는 제 1 후방 포트(514a)와, 내측 냉각 유로(5142)를 외부에 연통시키는 제 2 후방 포트(514b)를 포함할 수 있다.
내측 냉각 유로(5142)의 전방 단부는, 외측 냉각 유로(5141)의 전방 단부와 서로 연통될 수 있어서, 후방 냉각 유로(514)는 이중 냉각 유로 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 후방 냉각 유로(514)는 도 8과 같이 후방 전극(51)의 길이 방향을 따라서 적층되는 이중 냉각 유로의 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 제 1 후방 포트(514a)는 제 2 후방 포트(514b)보다 전방에 위치할 수 있다. 이 경우, 냉각수는 제 2 후방 포트(514b)를 통해 유입되어 내측 냉각 유로(5142)를 따라 유동할 수 있고, 이에 따라 제 1 후방 포트(514a)는 외측 냉각 유로(5141)로부터 유동되는 냉각수를 외부로 토출할 수 있다. 예를 들어, 제 1 후방 포트(514a) 및 제 2 후방 포트(514b)는 자기 회전 코일(515)을 기준으로 후방에 위치할 수 있다.
마개(513)는 적어도 일부가 빛이 투과될 수 있는 재질로 형성될 수 있어서, 후방 전극(51)의 후방으로부터 아크 플라즈마 가열기(5) 내부에 형성되는 아크를 광학적으로 확인할 수 있다. 예를 들어, 마개(513)는 투명하고 내열성이 좋은 쿼츠 또는 사파이어 재질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 마개(513)는 후방 전극 내피(511)의 후방 단부에 연결되며, 방사상으로 연장되는 도넛 형상의 플랜지(5131)와, 플랜지(5131)의 중심에 위치하고, 후방 전극 내피(511)의 내부 공간을 후방에서 차폐하는 윈도우(5132)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 윈도우(5132)는 투명하고 내열성이 좋은 쿼츠 또는 사파이어 재질로 형성될 수 있다. 다른 예로, 윈도우(5132)는 아크를 분광을 통해 측정이 가능하도록 설정 파장 대역의 투과성이 있는 재질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 도 8과 같이 후방 전극 내피(511)의 후방 단부는, 마개(513), 즉 플랜지(5131)에 연결될 수 있고, 내측 냉각 유로(5142)는 후방 전극 내피(511)의 후방 단부 및 마개(513)가 상호 연결된 부분을 통과하도록 형성될 수 있다.
이상의 구조에 의하면, 냉각수는 내측 냉각 유로(5142)로 유입되어, 외측 냉각 유로(5141)로 토출됨으로써, 최초로 유입된 냉각수가 마개(513)를 냉각시키도록 함으로써, 마개(513)가 과열되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 도 8을 참조하면, 후방 전극 내피(511)의 후방 단부는, 마개(513)에 수직하게 연결되어, 종단면이 "ㄴ"자 모양을 형성하도록 함으로써, 내측 냉각 유로(5142)로 유입된 냉각수의 유동 흐름이, 후방 전극 내피(511)의 후방 단부 및 마개(513)가 상호 연결된 부분에서, 꺾여서 진행하게 함으로써, 마개(513), 즉 윈도우(5132)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 플랜지(5131)는 후방 전극(51)의 중심부를 향하여 내측 방향으로 연장되어 윈도우(5132)를 후방에서 지지하는 지지 단차(5131a)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 지지 단차(5131a)의 길이는 후방 전극 내피(511)의 반지름의 1/2 이하일 수 있다.
지지 단차(5131a)에 의하면, 냉각수가 유입됨에 따라서 높은 압력이 가해지거나, 윈도우(5132)에 가해지는 열전도 및 열대류에 의해 윈도우(5132)가 과도하게 변형되거나, 후방 전극(51) 외부로 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시 예에 따른 후방 전극(51)의 구조에 의하면, 도 8에 도시되는 바와 같이 후방 전극(51)에는 작동 기체의 공급에 의한 유동의 순환이 발생하여 마개(513)에 가해지는 열전도 및 열대류가 작으며, 더불어 후방 전극(51)의 내부 단면적에 비해 아크의 굵기가 크지 않으므로, 아크의 복사 효과 역시 마개(513)에 열/구조적인 문제를 발생하지 않을 수 있다.
일 실시 예에 따른 후방 전극(51)의 구조에 의하면, 아크 플라즈마 가열기(5)의 길이 방향을 따라서 후방 전극(51)의 후방으로부터 아크가 발생하는 모습을 광학적으로 관찰할 수 있기 ‹š문에, 도 9에 도시되는 바와 같이 아크 플라즈마 가열기(5) 내부에서 발생한 아크가 자기 회전 코일(515)에 의해 회전되는 모습을 관찰할 수 있고, 이를 통해 아크의 회전 속도를 관측할 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (12)

  1. 내부에 아크 챔버가 형성되고, 전방을 향하여 개방된 중공을 구비하는 후방 전극;
    상기 후방 전극을 향하여 개방된 중공을 구비하는 전방 전극;
    상기 후방 전극의 중공 및 상기 전방 전극의 중공 사이의 공간으로 작동 기체를 주입 가능한 기체 주입구를 구비하고, 상기 후방 전극 및 상기 전방 전극을 전기적으로 절연시키기 위해 상기 후방 전극 및 상기 전방 전극 사이에 위치하는 절연체; 및
    상기 전방 전극의 전방에 연결되어, 외부로 플라즈마 아크의 흐름을 유도하는 노즐을 포함하고,
    상기 후방 전극은,
    후방 전극 내피;
    상기 후방 전극 내피를 감싸는 후방 전극 외피;
    상기 후방 전극 내피 및 상기 후방 전극 외피 사이에 형성되는 냉각 유로; 및
    상기 후방 전극 내피 및 상기 후방 전극 외피의 후방에 설치되고, 적어도 일부가 빛이 투과될 수 있는 재질로 형성되며, 상기 후방 전극 내피의 후방 단부에 연결되는 마개를 포함하고,
    상기 냉각 유로는,
    상기 후방 전극의 중공의 외측에서 상기 후방 전극의 길이 방향을 따라서 길게 형성되고 상기 후방 전극 내피의 후방 단부 및 상기 마개가 상호 연결된 부분을 통과하는 내측 냉각 유로;
    상기 내측 냉각 유로에 유입되어 전방으로 유동되는 냉각수를 외부로 토출하는 제 1 후방 포트; 및
    상기 제 1 후방 포트보다 후방에 위치하여, 외부로부터 상기 내측 냉각 유로 중 상기 후방 전극 내피의 후방 단부 및 상기 마개가 상호 연결된 부분으로 냉각수를 유입시키는 제 2 후방 포트를 포함하고,
    상기 마개를 통해 상기 후방 전극에서의 아크 회전 속도를 광학적으로 확인 가능하고, 상기 제 1 후방 포트를 통해 상기 내측 냉각 유로로 최초로 유입된 냉각수가 상기 마개를 냉각시키도록 함으로써, 상기 마개가 과열되는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는, 아크 플라즈마 가열기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마개의 적어도 일부는, 쿼츠 또는 사파이어 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 아크 플라즈마 가열기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 마개는,
    상기 후방 전극 내피의 후방 단부에 연결되며, 방사상으로 연장되는 도넛 형상의 플랜지; 및
    상기 플랜지의 중심에 위치하고, 상기 후방 전극 내피의 내부 공간을 후방에서 차폐하는 윈도우를 포함하고,
    상기 윈도우는, 빛이 투과될 수 있는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 아크 플라즈마 가열기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 유로는,
    상기 내측 냉각 유로의 외측에서, 상기 후방 전극의 길이 방향을 따라서 길게 형성되고, 상기 제 1 후방 포트와 연통하는 외측 냉각 유로를 더 포함하고,
    상기 내측 냉각 유로의 전방 단부는, 상기 외측 냉각 유로의 전방 단부와 서로 연통됨으로써, 상기 냉각 유로가 이중 냉각 유로 구조를 갖는 것을 특징으로 하는, 아크 플라즈마 가열기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 후방 전극 내피의 후방 단부는, 상기 마개에 수직하게 연결되어, 종단면이 "ㄴ"자 모양을 형성하도록 함으로써, 상기 내측 냉각 유로로 유입된 냉각수의 유동 흐름이, 상기 후방 전극 내피의 후방 단부 및 상기 마개가 상호 연결된 부분에서, 꺾여서 진행하게 함으로써, 상기 마개의 냉각 효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는, 아크 플라즈마 가열기.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 플랜지는,
    상기 후방 전극의 중심부를 향하여 내측 방향으로 연장되어, 상기 윈도우를 후방에서 지지하는 지지 단차를 포함하는, 아크 플라즈마 가열기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 지지 단차의 길이는, 상기 아크 챔버의 반지름의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는, 아크 플라즈마 가열기.
  11. 아크의 시작 부분에 위치하는 후방 전극과, 아크의 도착 부분에 위치하는 전방 전극을 구비하는 아크 플라즈마 가열기에 있어서,
    상기 후방 전극은,
    후방 전극 내피;
    상기 후방 전극 내피를 감싸는 후방 전극 외피;
    상기 후방 전극 내피 및 상기 후방 전극 외피 사이에 형성되는 냉각 유로; 및
    상기 후방 전극 내피 및 상기 후방 전극 외피의 후방에 설치되고, 적어도 일부가 빛이 투과될 수 있는 재질로 형성되며, 상기 후방 전극 내피의 후방 단부에 연결되는 마개를 포함하고,
    상기 냉각 유로는,
    상기 후방 전극의 중공의 외측에서 상기 후방 전극의 길이 방향을 따라서 길게 형성되고 상기 후방 전극 내피의 후방 단부 및 상기 마개가 상호 연결된 부분을 통과하는 내측 냉각 유로;
    상기 내측 냉각 유로에 유입되어 전방으로 유동되는 냉각수를 외부로 토출하는 제 1 후방 포트; 및
    상기 제 1 후방 포트보다 후방에 위치하여, 외부로부터 상기 내측 냉각 유로 중 상기 후방 전극 내피의 후방 단부 및 상기 마개가 상호 연결된 부분으로 냉각수를 유입시키는 제 2 후방 포트를 포함하고,
    상기 마개를 통해 상기 후방 전극에서의 아크 회전 속도를 광학적으로 확인 가능하고, 상기 제 1 후방 포트를 통해 상기 내측 냉각 유로로 최초로 유입된 냉각수가 상기 마개를 냉각시키도록 함으로써, 상기 마개가 과열되는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는, 아크 플라즈마 가열기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 마개는,
    상기 후방 전극 내피의 후방 단부에 연결되며, 방사상으로 연장되는 도넛 형상의 플랜지; 및
    상기 플랜지의 중심에 위치하고, 상기 후방 전극 내피의 내부 공간을 후방에서 차폐하는 윈도우를 포함하고,
    상기 윈도우는, 쿼츠 또는 사파이어 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 아크 플라즈마 가열기.
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