KR102488505B1 - 고장 예지 기능을 갖는 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

냉각수 누설에 의한 부식의 확장을 방지할 수 있도록 하는 플라즈마 토치가 개시된다. 워킹 가스를 공급하는 주입 홀과 연통하도록 상기 몸체의 벽을 따라 벽 내부에 안내 통로가 형성되고 단부에 상기 몸체의 안쪽으로 노출되는 배출 홀이 형성되어 상기 수용공간과 연통하여 상기 워킹 가스가 채워진 밀폐 상태를 유지하며, 상기 애노드가 부식에 의해 구멍이 형성되면, 상기 수용공간에 채워진 워킹 가스가 상기 구멍을 통하여 누설되도록 한다.

Description

고장 예지 기능을 갖는 플라즈마 토치{Plasma torch having failure detecting function}

본 발명은 플라즈마 토치에 관한 것으로, 특히 냉각수 누설에 의한 부식의 확장을 방지할 수 있도록 하는 기술에 관련한다.

용접, 절단, 표면처리, 폐기물 연소 등을 목적으로 특정 부분에 고열을 가하는 토치는 연소되는 연료의 형태에 따라서 다양한 구조로 제공되고 있다.

최근에는 두 개의 전극 사이에 고압의 전류가 인가되어 만들어진 플라즈마 상태에서 워킹 가스(질소, 산소, 수소, 아르곤, 헬륨, 메탄, 프로판 등)를 공급함으로써 보다 높은 연속열을 얻을 수 있도록 하는 플라즈마 토치가 널리 보급 사용되고 있다.

특히, 반도체의 제조공정에서 PFC(PerFluoro Compound) 가스가 포함된 불소화합물 등 유해한 폐가스를 친환경적으로 처리, 배출하기 위해서는 10,000℃ 이상의 고온이 요구되고 있다.

분해된 폐가스 중의 F, Cl 이온을 함유한 부식성 가스가 와류에 의해 플라즈마 토치의 출구 쪽으로 흘러 구리 재질의 양전극을 손상시켜 수명을 단축시킨다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 출원인은 공개특허 제2020-0031299호에서, 애노드의 내부에 길이방향으로 연장되는 관통구멍이 형성되고, 관통구멍의 단부 위치에 통 형상의 팁(tip)이 끼워진 플라즈마 토치를 제안하였다.

이러한 구조에 의하면, 팁이 고온에 강하고 강한 내식성을 갖는 텅스텐 재질로 구성되어 애노드의 관통구멍에서 플라즈마 화염이 토출되기 직전의 고온 상태에서 팁에 접촉하도록 함으로써 애노드를 보호할 수 있다.

그럼에도 다양한 원인에 의해 애노드에 부식이 생기고, 이로 인해 텅스텐 팁이 빠질 수 있는데, 이 경우 애노드의 부식이 급속하게 진행되어 냉각수(PCW)의 누설이 생기게 된다.

그 결과, 플라즈마 토치에 고장이 발생할 때까지 인지하지 못함으로써, 다시 말해 플라즈마 토치의 고장을 예지 또는 예측하지 못해 고장에 대한 대처가 늦어질 수밖에 없다.

또한, 애노드의 부식으로 인한 냉각수의 누설로 매니폴드를 비롯한 다른 구성부품의 2차 부식이 발생함으로써 부품 고장에 신속하게 대처할 수 없을 뿐만 아니라 구성부품을 빠르게 교체할 수 없으며 심지어 고장 범위가 확대될 가능성이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 구성부품의 부식에 의한 고장을 예지할 수 있는 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고장난 구성부품을 신속하게 교체하여 고장 범위의 확대를 방지할 수 있는 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 통 형상의 몸체, 상기 몸체의 상부에 설치된 커버, 상기 몸체와 상기 커버 사이에 개재되는 캐소드, 및 상기 몸체 내부에 설치되는 애노드를 구비하여 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 고압의 전류가 인가되어 만들어진 플라즈마에 워킹 가스가 공급되어 폐가스를 플라즈마 화염으로 분해하는 플라즈마 토치로서, 상기 몸체의 하단으로부터 높이 방향으로 이격되어 내측으로 구획 플랜지가 돌출되어 형성되고, 상기 애노드의 하단으로부터 제1 및 제2플랜지가 일정 간격 이격하여 돌출 형성됨으로써 이들 사이에 링 형상의 수용공간이 형성되고, 상기 워킹 가스를 공급하는 주입 홀과 연통하도록 상기 몸체의 벽을 따라 벽 내부에 안내 통로가 형성되고 단부에 상기 몸체의 안쪽으로 노출되는 배출 홀이 형성되어 상기 수용공간과 연통하여 상기 워킹 가스가 채워진 밀폐 상태를 유지하며, 상기 수용공간에 대응하는 애노드 부분이 부식에 의해 구멍이 형성되면, 상기 수용공간에 채워진 워킹 가스가 상기 구멍을 통하여 누설되도록 한 것을 특징으로 하는 고장 예지 기능을 갖는 플라즈마 토치가 제공된다.

바람직하게, 상기 애노드의 제2플랜지와 상기 몸체의 구획 플랜지가 서로 접촉하고 이들 사이에 오-링이 개재되어 상기 애노드의 외측면과 상기 몸체의 내측면 사이에 밀폐된 냉각수 통로가 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 몸체의 하부에 차단부재가 결합되어 상기 애노드의 단부면이 상기 차단부재에 의해 덮이고, 상기 수용공간에 대응하는 애노드 부분에서, 상기 애노드와 상기 차단부재 사이의 경계면을 따라 틈이 발생하면, 상기 수용공간에 채워진 워킹 가스가 상기 틈을 통하여 누설되도록 할 수 있다.

삭제

본 발명에 의하면, 애노드에 부식에 의한 구멍이 형성되면, 수용공간에 채워진 워킹 가스 N2가 외부로 누설되어 줄어들게 됨으로써 플라즈마가 오프(off) 됨과 동시에 알람을 발생하여 플라즈마 토치에 고장이 발생한 것을 통지함으로써 작업자가 빠르게 대응할 수 있도록 한다.

따라서, 구성부품의 부식에 의한 고장을 예지할 수 있고, 고장난 구성부품을 신속하게 교체하여 고장 범위의 확대를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 토치를 나타낸다.
도 2는 플라즈마 토치에 적용되는 몸체를 나타낸다.
도 3은 플라즈마 토치에 적용되는 애노드를 나타낸다.
도 4는 고장 예지 동작을 보여준다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하, 본 발명의 플라즈마 토치를 도면을 참조하여 실시 예를 중심으로 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 토치를 나타내고, 도 2는 플라즈마 토치에 적용되는 몸체를 나타내며, 도 3은 플라즈마 토치에 적용되는 애노드를 나타낸다.

플라즈마 토치의 몸체와 커버, 캐소드와 애노드의 배치 구조는 잘 알려져 있기 때문에 이에 대해서는 이하 간략하게 설명한다.

단일체로 구성된 몸체(110)의 측면에는 워킹 가스(N₂) 주입포트(14)와 애노드(150)의 냉각을 위한 냉각수 유입포트(13) 및 유출포트(14)가 설치된다.

몸체(110)의 상부에는 절연 블록(120)를 개재하여 커버(130)가 결합되는데, 커버(130)의 상부와 측부에 각각 캐소드(140)의 냉각을 위한 냉각수의 유입 및 유출을 위한 유입포트(11)와 유출포트(12)가 설치된다.

여기서, 유출포트(12)로부터 배출되는 냉각수는 몸체(110)의 냉각수 유입포트(13)로 피드 백되며, 각 포트는 피팅 부재를 구비한다.

몸체(110)의 하부에는 차단부재(200)가 결합되어 애노드(150)의 단부면이 차단부재(200)에 의해 덮이고 팁(160)만 노출되도록 하며, 차단부재(200)의 하부에는 매니폴드(미도시)가 결합된다.

커버(130)의 하단에는 캐소드(140)가 설치되어 몸체(110)의 내부에 위치하게 되며, 캐소드(140)와 이격되어 몸체(110)의 내부에 애노드(150)가 설치된다.

본 발명에 의하면, 애노드(150)의 하단으로부터 한 쌍의 제1 및 제2플랜지(154, 155)가 일정 간격 이격하여 돌출 형성됨으로써 이들 사이에 링 형상의 수용공간(151)이 형성된다.

애노드(150)의 내부에는 길이방향으로 연장되는 관통구멍(152)이 형성되고, 관통구멍(152)의 단부 위치에 팁(tip, 160)이 끼워진다. 팁(160)은 고온에 강하고 강한 내식성을 갖는 텅스텐 재질로 구성되고, 통 형상을 구비하여 그 내부에 화염의 통로가 되는 관통구멍이 형성된다.

몸체(110)의 워킹 가스 주입포트(14)는 몸체(110)의 벽을 관통하는 주입 홀(111)에 연결되어 워킹 가스가 캐소드(140)와 애노드(150) 사이에 고압의 전류가 인가되어 만들어진 플라즈마에 공급된다.

도 2를 보면, 몸체(110)의 하단으로부터 높이 방향으로 이격되어 내측으로 구획 플랜지(114)가 돌출되어 형성되는데, 후술하는 것처럼, 냉각수와 워킹 가스를 구획하는 역할을 한다.

또한, 주입 홀(111)과 연통하도록 몸체(110)의 벽을 따라 내부에 안내 통로(112)가 형성되고 단부에 몸체(110)의 안쪽으로 노출되는 배출 홀(113)이 형성된다.

도 1을 보면, 몸체(110)의 내측에 애노드(150)가 설치되는데, 애노드(150)의 제2플랜지(154)가 몸체(110)의 구획 플랜지(114)를 밑에서 접촉하고 이들 사이에 오-링이 개재된다. 그 결과, 애노드(150)의 외측면과 몸체(110)의 내측면 사이에 형성된 냉각수 통로(153)는 밀폐 상태를 유지하여 냉각수가 흐르게 된다.

또한, 애노드(150)의 제1 및 제2플랜지(154, 155)에 의해 형성되는 링 형상의 수용공간(151)은 배출 홀(113)에 연통하여 워킹 가스를 가두는 밀폐 상태를 유지한다.

따라서, 주입 홀(111)로 주입된 워킹 가스는 안내 통로(112)를 따라 흘러 배출 홀(113)로부터 배출되어 수용공간(151)을 채우게 된다.

이하, 본 발명에 의한 플라즈마 토치의 고장 예지 동작에 대해 도 4를 중심으로 설명한다.

도 4에서는 설명의 편의상 애노드(150)의 부식에 의해 팁(160)이 애노드(150)로부터 빠지고 애노드(150)를 관통하는 구멍(156)이 부식에 의해 형성된 것으로 가정한다.

상기한 것처럼, 정상적인 상태에서 플라즈마에 공급되는 워킹 가스 N2는 주입 홀(111)로부터 분기하여 연통하는 안내 통로(112)를 통하여 배출 홀(113)로부터 수용공간(151)에 채워진다.

이때, 수용공간(151)은 밀폐 상태를 유지하기 때문에 캐소드(140)와 애노드(150)에 의해 형성된 플라즈마에 공급되는 워킹 가스 N2의 양에는 전혀 영향이 없다.

반면, 애노드(150)에 부식에 의한 구멍(156)이 형성되면, 수용공간(151)에 채워진 워킹 가스 N2가 팁(160) 내부를 통하여 외부로 배출된다.

그 결과, 플라즈마에 공급되는 워킹 가스 N2의 양이 외부로 누설되어 줄어들게 됨으로써 플라즈마가 오프(off) 된다.

플라즈마가 오프됨과 동시에 알람을 발생하여 플라즈마 토치에 고장이 발생한 것을 통지함으로써 작업자가 빠르게 대응할 수 있도록 한다.

이 실시 예에서는 애노드에 부식에 의한 구멍이 형성된 것을 예로 들고 있지만, 부식에 의해 애노드와 차단부재 사이의 경계면을 따라 틈이 발생하는 경우에도 같은 원리에 의해 워킹 가스가 누설되도록 할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 청구범위에 의해 해석되어야 한다.

110: 몸체
111: 주입 홀
112: 안내 통로
113: 배출 홀
130: 커버
140: 캐소드
150: 애노드
151: 수용공간
153: 냉각수 통로
160: 팁
200: 차단부재

Claims (4)

1. 통 형상의 몸체, 상기 몸체의 상부에 설치된 커버, 상기 몸체와 상기 커버 사이에 개재되는 캐소드, 및 상기 몸체 내부에 설치되는 애노드를 구비하여 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 고압의 전류가 인가되어 만들어진 플라즈마에 워킹 가스가 공급되어 폐가스를 플라즈마 화염으로 분해하는 플라즈마 토치로서,
   상기 몸체의 하단으로부터 높이 방향으로 이격되어 내측으로 구획 플랜지가 돌출되어 형성되고,
   상기 애노드의 하단으로부터 제1 및 제2플랜지가 일정 간격 이격하여 돌출 형성됨으로써 이들 사이에 링 형상의 수용공간이 형성되고,
   상기 워킹 가스를 공급하는 주입 홀과 연통하도록 상기 몸체의 벽을 따라 벽 내부에 안내 통로가 형성되고 단부에 상기 몸체의 안쪽으로 노출되는 배출 홀이 형성되어 상기 수용공간과 연통하여 상기 워킹 가스가 채워진 밀폐 상태를 유지하며,
   상기 수용공간에 대응하는 애노드 부분이 부식에 의해 구멍이 형성되면, 상기 수용공간에 채워진 워킹 가스가 상기 구멍을 통하여 누설되도록 한 것을 특징으로 하는 고장 예지 기능을 갖는 플라즈마 토치.
2. 청구항 1에서,
   상기 애노드의 제2플랜지와 상기 몸체의 구획 플랜지가 서로 접촉하고 이들 사이에 오-링이 개재되어 상기 애노드의 외측면과 상기 몸체의 내측면 사이에 밀폐된 냉각수 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 고장 예지 기능을 갖는 플라즈마 토치.
3. 청구항 1에서,
   상기 몸체의 하부에 차단부재가 결합되어 상기 애노드의 단부면이 상기 차단부재에 의해 덮이고,
   상기 수용공간에 대응하는 애노드 부분에서, 상기 애노드와 상기 차단부재 사이의 경계면을 따라 틈이 발생하면, 상기 수용공간에 채워진 워킹 가스가 상기 틈을 통하여 누설되도록 한 것을 특징으로 하는 고장 예지 기능을 갖는 플라즈마 토치.
   
4. 삭제

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