KR102542212B1

KR102542212B1 - 플라즈마 토치

Info

Publication number: KR102542212B1
Application number: KR1020160006387A
Authority: KR
Inventors: 프랭크 로리쉬; 티모 그룬케; 레네 노고브스키; 볼케 크링크
Original assignee: 크엘베르크-스티프텅
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2023-06-12
Also published as: EP3051928A1; US20160227640A1; US9743505B2; RU2705048C2; BR102016001981A2; RU2016101050A3; ES2717509T3; EP3051928B1; CN105848398B; CA2917397A1; PL3051928T3; BR102016001981B1; KR20160093546A; CA2917397C; RU2016101050A; CN105848398A

Abstract

본 발명은 플라즈마 토치, 바람직하게는 플라즈마 절단 토치에 관한 것으로, 플라즈마 가스(PG1 및/또는 PG2)가 적어도 하나의 공급부와 플라즈마 토치의 하우징을 통해 노츨 개구부에 이르기까지 유동한다. 공급부(들)에 연결되는 중공의 공간이 또한 하우징 내에 존재하며, 개구부를 개폐하는 밸브가 이 중공의 공간에서 상기 개구부에 배치되며, 이 밸브의 개방 상태에서 공급부(들)에서 노즐 개구부에이르기까지 플라즈마 가스(PG1 및/또는 PG2)의 유동이 실현될 수 있다.

Description

플라즈마 토치{Plasma torch}

본 발명은 플라즈마 토치에 관한 것으로, 특히 플라즈마 절단 토치(plasma cutting torch)에 관한 것이다.

플라즈마는 양이온과 음이온, 전자 및 여기된 중성 원자 및 분자로 구성된, 열적으로 매우 가열된 전기 전도성 가스이다. 다양한 가스, 예컨대 단원자 아르곤 및/또는 이원자 가스 수소, 니트로겐, 산소 또는 공기가 플라즈마 가스로서 사용된다. 이 가스들은 전기 아크의 에너지에 의해 이온화되고 해리된다. 노즐에 의해 수축된 전기 아크는 플라즈마 제트로 불리운다. 플라즈마 제트의 매개변수들은 노즐 및 전극의 디자인에 의해 매우 영향을 받을 수 있다. 플라즈마 제트의 매개변수들은 예컨대 제트 직경, 온도, 에너지 밀도 및 가스의 유동 속도이다.

플라즈마 절단 동안 플라즈마는 대체로 노즐에 의해 수축되어 냉각된 가스 또는 냉각된 물이 될 수 있다. 2 x 106 W/cm²에 이르는 에너지 밀도가 이에 의해 실현될 수 있다. 플라즈마 제트에서 온도가 30,000℃에 이르기 까지 상승하여 가스의 높은 유동 속도와 조합하여 재료에 매우 높은 절단 속도를 허용한다.

플라즈마 토치는 전형적으로 플라즈마 토치 헤드(plasma torch head) 및 플라즈마 토치 샤프트(plasma torch shaft)를 포함한다. 전극과 노즐은 플라즈마 토치 헤드에 체결된다. 플라즈마 가스는 전극과 노즐 사이에서 유동하여 노즐 보어(nozzle bore)를 통해 빠져나간다. 플라즈마 가스는 전형적으로 전극과 노즐 사이에 부착되어 회전으로 설정될 수 있는 가스 가이드를 통해 안내된다.

밸브들, 바람직하게는 전자적으로 작동되는 밸브들이 플라즈마 가스를 전환시키거나 조절하는 장치들이 또한 알려져 있다. 이 밸브들은 어셈블리 내에서 토치 샤프트/토치 하우징 외측에 위치된다. 이 밸브들은 예컨대 호스 패킷(hose packet)에서 어셈블리 내에 체결될 수 있다. 이 밸브들은 플라즈마 토치의 가스 호스들과 가스 공급용 공급 호스들 사이에서 결합 유닛에 부착되는 것이 마찬가지로 알려져 있다.

플라즈마 가스를 위한 복수의 밸브들이 사용된다는 것이 마찬가지로 알려져 있다. 그들은 예를 들면 점화용 가스 및 절단용 가스이다. 플라즈마 절단을 위한 플라즈마 가스로서 산소가 사용된다. 이 플라즈마는 공기 또는 질소를 사용하여 점화될 수 있으며, 절단은 산소를 사용하여 수행될 수 있다. 합금강(alloyed steels)의 절단에 예컨대 아르곤과 수소를 가진 혼합 가스가 사용될 가능성도 또한 있다. 가능한 빠른 플라즈마 가스들 사이에서의 변경을 위해 호스 라인이 통풍되어야 한다는 것이 또한 알려져 있다.

이러한 공지된 해결책들에서 가스들 사이의 빠른 전환(switching over) 및 그 체적이 라인들(lines) 또는 보어들(bores)에 의해 또는 노즐 보어와 밸브들 사이의 또다른 방식으로 형성된, 플라즈마 헤드/하우징 내부의 플라즈마 가스공간의 빠른 환기(venting)가 충분히 빠른 시간에 가능하지 않은 단점이 있다. 특히 이 공간 내의 압력이 0.5 bar 아래로 감소될 때까지 노즐 보어의 아주 작은 직경들로 수 100 ms, 심지어 부분적으로 1 sec에 이르는 시간이 걸릴 수 있다. 정지 과정(shut-down processes) 동안, 전극의 마모를 최소화하기 위해 절단의 말미에서 가능한 낮은 플라즈마 가스 PG1의 또는 플라즈마 가스 PG1 및 PG1의 압력에서 플라즈마 아크를 끄는 것이 자주 요구된다.

또한 원하는 저감된 압력에 도달할 때까지 라인들의 길이가 시간에 영향을 준다는 추가적인 단점이 있다. 긴 라인 길이는 시간을 연장하지만, 로봇 또는 베벨 절단(bevel cutting)용 피벗 유닛을 가진, 그리고 갖지 않은 CNC 제어 xy 머신(CNC controlled xy guide machines)과 같은 다른 종류의 가이드 시스템(guidance systems)에 기인하여 빈번히 긴 라인 길이가 필요하다.

플라즈마 토치 샤프트로의 밸브들의 부착은 가이드 시스템에서 체결을 위해 바람직하지 않으며; 그것은 특히 피벗 유닛들에 대해 방해를 준다.

그러므로, 본 발명의 목적은 플라즈마 가스의 공급에 있어서 플라즈마의 제어된 또는 조절된 작동에서 정지(shutting down)에 대한, 전환(switching over) 또는 변화(variations)에 대한 향상된 조건을 위한 가능성을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기의 목적은 청구항 제1항의 특징들을 가진 플라즈마 토치에 의해 실현된다. 상기 발명의 유리한 실시예 및 추가적인 전개는 종속항들에서 한정된 특징들을 사용하여 실현될 수 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 토치에 있어서, 플라즈마 가스(PG1)는 적어도 하나의 공급부(feed)를 통해 그리고/또는 상기 플라즈마 토치의 하우징을 통해, 그리고 상기 하우징 내에 형성되고 노즐 개구부와 연통 또는 연결되는 중공의 공간을 통해 안내된다. 상기 각 공급부를 개폐하기 위한 적어도 하나의 밸브가 상기 적어도 하나의 공급부에 존재할 수 있다. 상기 공급부(들)을 개폐하기 위한 이 밸브들은 상기 플라즈마 토치 외부에, 그리고/또는 상기 하우징 내에 배치될 수 있다.

개구부를 가진 중공의 공간이 상기 공급부(들)에 연결되는 방식으로 상기 하우징 내에 형성된다. 상기 개구부는 바람직하게 상기 하우징으로부터 외측으로 이끌어져야 한다. 상기 개구부를 개폐하는 밸브가 상기 중공의 공간에서 상기 하우징 내에 배치된다. 밸브 개방과 함께 플라즈마 가스는 특정 작동 상태(certain operating states)에서, 특히 작동 상태의 변경 시에 상기 공급부(들)로부터 이 개구부를 통해 상기 노즐 개구부에 이르기 까지 빠져 나가게 될 수 있으며, 환기는 거기에서 실현될 수 있다.

상기 개구부는 선택적으로 추가적인 라인을 통해 하우징 외부에서 외측으로 안내될 수 있으며, 이것에 연결된 상기 밸브가 개방되면 가장 단순한 경우에서 단순히 환경(the environment)과 연통할 수 있다. 그러나, 상기 개구부는 또한 진공을 발생시키는 유닛 및/또는 압력이 상기 공급부(들) 내의, 바람직하게 상기 노즐 개구부의 전부의 영역 내의 압력 아래로, 그리고 주위 압력 아래로 유지되는 용기에 연결될 수 있다.

적어도 하나의 압력 센서가 상기 적어도 하나의 공급부 및/또는 상기 중공의 공간 내에 배치되거나 연결될 수 있으며, 상기 플라즈마 토치가 작동되는 전류 및/또는 전압 및/또는 가스 자체는 바람직하게 상기 압력 센서를 사용하여 제어 및/또는 조절될 수 있다. 상기 공급된 플라즈마 가스(들)의, 또는 2차 가스의 압력 및/또는 체적 유량은 단독으로, 또는 부가적으로 상기 압력에 따라 제어 또는 조절될 수 있으며, 따라서 결정될 수 있다.

2차 가스(secondary gas)(SG)를 위한 추가적인 공급부가 상기 하우징을 통해 안내될 가능성도 또한 있다. 2차 가스(SG)는 노즐 보호캡 및 상기 노즐 개구부를 통해 빠져나가는 플라즈마 제트 옆에서 상기 노즐 보호캡 내에 형성된 2차 가스 공급부에 의해 외측으로 이끌어질 수 있다. 개폐를 위한 밸브가 마찬가지로 상기 2차 가스 공급부에 연결되어야 한다.

플라즈마 가스의 공급 및 선택적으로 2차 가스를 위한 밸브들은 바람직하게 조절되거나 제어될 수 있어야 한다.

상기 중공의 공간 또는 상기 개구부에 존재하는 상기 밸브에 부가해서, 플라즈마 가스(PG1 및/또는 PG2)용 공급부를 개폐하기 위한 적어도 하나의 밸브가 또한 상기 중공의 공간에 연결되기 전에 상기 각 공급부에서 상기 각 플라즈마 가스(PG1, PG2)의 유동 방향으로 상기 하우징 내에 배치될 수 있다. 상기 하우징 내에 배치된 이 밸브들은 바람직하게 전기로, 공압으로 또는 유압으로 작동될 수 있어야 하며, 특히 바람직하게는 축방향 밸브로 구성되어야 한다. 전기로 작동될 수 있는 밸브들은 전자기적으로, 또는 압전 효과(piezoelectric effect)를 이용한 상태에서 제어될 수 있다.

상기 하우징에 배치된 상기 적어도 하나의 밸브, 즉 공급부 내에 또는 상기 중공의 공간에, 또는 상기 개구부에 배치된 밸브는 15 mm의, 바람직하게 최대 11 mm의 최대 외경 또는 평균 최대 표면 대각선(mean maximum surface diagonal), 및/또는 50 mm의, 바람직하게 최대 40 mm의, 특히 바람직하게는 최대 30 mm의 최대 길이를 가져야 하며, 그리고/또는 상기 하우징의 최대 외경 또는 최대 평균 표면 대각선(maximum mean surface diagonal)은 52 mm 정도로 되어야 한다. 상기 최대 외경은 상기 하우징의 외경의 최대 1/4, 바람직하게 최대 1/5 정도로 되어야 한다. 상기 밸브들은 10 W의, 바람직하게 3 W의, 우선적으로는 2 W의 최대 전력 소비를 가져야 한다.

평균 최대 표면 대각선은 각 단면의 모든 표면 대각선의 평균값으로서 비회전 대칭적인 단면(non-rotationally symmetrical cross-sections)으로 이해될 수 있다. 주어진 수치들은 외경들에 대해 1:1로 적용되어야 하며, 상기 표면 대각선에 대해 특정 값들(specific values)은 상기 주어진 외경값들보다 최대 15% 더 크게 되어야 한다.

전기로 작동 가능한 밸브에 의해, 플라즈마 가스(PG1, PG2) 또는 2차 가스는 코일의 권선(winding)을 통해 흘러야 하며, 이에 의해 냉각이 실현될 수 있다.

상기 중공의 공간은 상기 밸브가 그곳에 존재하기 이전에 유동방향으로 감소된 자유 단면(reduced free cross-section)을 가질 수 있다. 그러나, 감소된 자유 단면은 또한 상기 개구부에서 상기 밸브 이후에 유동방향으로 존재할 수 있다. 환기 시간(venting time)은 따라서 감소된 자유 단면에 의해 영향을 받을 수 있다. 상기 자유 단면을 감소시키는 다이아프램(diaphragm)이 또한 거기에 배치될 수 있다. 상기 중공의 공간에서 플라즈마 가스가 밸브 개방과 함께 탈출할 수 있는 시간은 전압이 아직 상기 전극에 작용하는 한, 그리고/또는 전류가 상기 전극을 통해 흐르는 한 플라즈마 가스가 아직 하나의 공간에 존재하도록 하기 위해 특히 감소된 자유 단면 또는 다이아프램에 의해 증가될 수 있다. 상기 전극의 서비스 수명은 이에 의해 증가될 수 있으며, 너무 빠른 플라즈마 가스의 탈출과 함께 임계적인 작동 상태(critival operating states)가 회피될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 플라즈마 토치는 또한 플라즈마 토치 헤드로부터 분리 가능한 플라즈마 토치 샤프트를 가진 급속 변경 토치(quick-change torch)로서 구성될 수 있다. 따라서 변경된 소정의 처리 조건 또는 처리 요구에 대한 단순하고 신속한 적용이 단순한 구성요소들의 변경에 의해 실현될 수 있다.

만일 환기 절차가 수행되어야 한다면, 상기 중공의 공간에 일체화되거나 배치된 밸브들이 개방되기 전에 먼저 상기 밸브들이 플라즈마 가스를 위한, 그리고 선택적으로 2차 가스를 위한 공급부들에서 폐쇄되어야 한다. 이 밸브들은 선택적으로 동시에 폐쇄될 수 있고, 이러한 관점에서 상기 하나의 밸브가 개방될 수 있다.

본 발명은 실예를 참조하여 아래에서 더욱 설명될 것이다. 각 실시예 및 여러 실예의 기술적인 특징들은 각각의 개별적으로 기술된 실예와 독립적으로 서로 결합될 수 있다.

도 1은 하나의 플라즈마 공급부를 가진 본 발명에 따른 플라즈마 토치의 실예의 개략적인 단면도이다.
도 2는 하나의 플라즈마 공급부를 가진 본 발명에 따른 플라즈마 토치의 추가적인 실예의 개략적인 단면도이다.
도 3은 두 개의 플라즈마 공급부를 가진 본 발명에 따른 플라즈마 토치의 실예의 개략적인 단면도이다.
도 4는 두 개의 플라즈마 공급부를 가진 본 발명에 따른 플라즈마 토치의 추가적인 실예의 개략적인 단면도이다.
도 5는 플라즈마 공급부 및 2차 가스 공급부를 가진 본 발명에 따른 플라즈마 토치의 실예의 개략적인 단면도이다.
도 6은 플라즈마 공급부 및 압력 센서를 가진 본 발명에 따른 플라즈마 토치의 추가적인 실예의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명에서 사용될 수 있는 축방향 밸브의 단면도이다.
도 8은 플라즈마 토치의 하우징 내에서 밸브들의 배치에 대한 가능성을 나타낸 것이다.
도 9는 플라즈마 토치의 하우징 내에서 밸브들의 배치에 대한 추가적인 가능성을 나타낸 것이다.
상기 도면에서 플라즈마 토치(1)에 대한 실예들은 단순화된 형태로 나타낸 것이다. 전류와 냉각수와 같이 가스에 추가해서 플라즈마 토치(1)의 작동을 위해 추가로 요구되는 매개체 및 플라즈마 토치(1)로의 매개체의 공급에 대해서는 나타나 있지 않다.

도 1은 하우징(30)을 가진 플라즈마 토치 샤프트(3) 뿐만 아니라 노즐(21)을 가진 토치 헤드(2)와, 플라즈마 가스(PG)를 위한 전극(22) 및 공급부(34)를 가진 플라즈마 토치(1)를 나타낸 것이다. 본 발명에 있어서, 즉 또한 본 발명에 의해 커버되는 모든 다른 실예에 있어서, 플라즈마 토치 샤프트(3)는 일체형으로(in one piece) 형성될 수 있고, 오직 모든 요구되는 구성요소들이 존재하고 형성될 수 있는 하나의 대응되게 구성된 하우징(30)과 함께 형성될 수 있다.

공급부(34)는 하우징(30)의 외측에서 플라즈마 가스(PG1)의 인피드(infeed)를 위한 결합 유닛(5)의 자기 밸브(magnetic valve)(51)에 연결되는 가스 호스로 될 수 있다. 공급부(34)의 추가적인 부분은 상기 가스 호스에 인접하여 하우징(30) 내에 형성된다. 공급부(34)는 하우징(30) 내에서 중공의 공간(11)에 연결된다. 플라즈마 가스는 밸브(33)가 개방되면 중공의 공간(11)에 존재하는 개구부를 통해 노즐(21)과 전극(22) 사이에 형성되어 밸브(33) 뒤에 배치되는 공간(24)으로부터 중공의 공간(11)을 통해 환경(environment) 또는 연결된 용기 내로 탈출할 수 있다. 이것은 밸브(33) 이후에 라인(37)을 경유하여 발생할 수 있다. 전극(22)과 노즐(21)은 공간(24)이 노즐(21) 내에 형성되도록 가스 가이드(23)에 의해 서로 간격을 두고 배치된다. 노즐(21)은 20 A에 대해 0.5 mm로부터 800 A에 대해 7 mm에 이르는 전기 절단 전류에 좌우되어 그 직경이 변할 수 있는 노즐 보어(210)를 가진다. 가스 가이드(23)는 마찬가지로 플라즈마 가스(PG)가 흐르는 개구부 또는 보어(미도시)들을 가진다. 이들은 마찬가지로 다른 크기 또는 직경으로, 그리고 심지어 다른 개수로 구성될 수 있다.

전자기로 작동 가능한 밸브(33)는 플라즈마 토치 샤프트(3)에 위치되며, 그것의 유입구는 중공의 공간(11)에 연결되어서, 밸브 개방과 함께 플라즈마 가스가 중공의 공간(11)으로부터 상기 개구부를 통해 하우징(30)의 외측으로 바깥을 향해 이동할 수 있으며, 거기에서 선택적으로 진공이 존재하는 용기(미도시) 내로 이동할 수 있다. 중공의 공간(11)의 내부 체적은 최소로 된다. 여기서, 그 체적은 예컨대 5 cm³ 내지 10 cm³ 정도이다. 밸브(33)는 작은 구조 형상에서 축방향 밸브로서 설계된다. 예를 들어, 그것은 11 mm의 외경(D)과 40 mm의 길이(L)를 가진다. 여기서, 예컨대 대략 2 W의 작은 전력이 하우징(30)의 워밍(warming)을 저감시키기 위해 요구된다.

전기 아크의 점화 시, 그리고 절단 동안 플라즈마 가스(PG1)는 개방된 밸브(51)와 공급부(34)를 통해 하우징(30) 내로 흐르고, 거기에서 중공의 공간(11)으로 흐른다.

만일 절단이 종료되어야 한다면, 결합 유닛(5) 내의 밸브(51)가 먼저 폐쇄된다. 플라즈마 가스(PG1)는 공간(24) 내의 압력이 저감되도록 가능한 짧은 시간에 노즐(21)과 전극(22) 사이에서 공간(24) 바깥으로 흘러야 하며, 밸브(53)는 개방되어 공급부(34)를 환기시키고, 밸브(33)는 중공의 공간(11) 및 공간(24)의 빠른 환기를 위해 개방된다. 여기서 중공의 공간(11) 및 공간(24)은 공급부(34)의 개구부 또는 보어들에 의해 서로 연결된다.

이와 관련하여, 코일(S)의 권선에 의해 둘러싸인 밸브(33)의 공간은 플라즈마 가스(PG)에 의해 통과되어 흐르며, 이에 의해 그 가스는 잘 냉각된다. 밸브(33)는 작은 구조 형상과 낮게 요구되는 전력 및 흐르는 플라즈마 가스에 의한 냉각에 기인하여 어떠한 추가적인 예방 조치 없이 하우징(30)에 배치될 수 있다.

환기 후, 밸브(33 및 53)는 다시 폐쇄되고, 전기 아크는 다시 점화될 수 있다. 노즐 보어(210)의 내경 및 하우징(30) 내에서 공급부(34)에 형성된 보어들의 내경과 거의 무관하게 되는 짧은 환기 시간이 이러한 배치에 의해 실현될 수 있다. 환기 시간은 특히 전술된 배치가 없다면 1 mm 이하의 노즐 보어에서 수 100 ms 정도로 될 것이다. 나타낸 본 실시예에서는 환기 시간이 200 ms 이하로 거잠될 수 있다.

두 절단 공정 사이에서 중단을 줄이고 생산성을 증가시키기 위해 가능한 빨리 다음의 절단 공정을 시작하기 위해 짧은 환기 시간은 중요하다. 부가해서, 신속한 압력 저감은 그렇지 않은 경우 공간(24) 내의 보다 높은 플라즈마 압력에서 전기 아크를 끈 이후에 부식과 플라즈마 가스(PG1, PG2)의 관련된 유동에 의해 더욱 마모되는 전극(22)의 서비스 수명을 줄인다.

라인(37)과 같은 추가적인 가스 호스가 유동 방향으로 밸브(33) 이후에 중공의 공간(11) 및 상기 개구부에 연결될 수 있으며, 환기 동안에 제거될 플라즈마 가스는 플라즈마 가스가 특정 위치, 예컨대 한 용기(미도시)로 이끌어질 수 있도록 상기 가스 호스를 사용하여 정의된 방식으로 이끌어질 수 있다. 여기서, 실예로서 환기 동안에, 따라서 환기 시간에 배출될 플라즈마 가스 유동이 영향받을 수 있는 다이아프램이 밸브(33)의 유입측(E) 이전에 유동방향으로 부착된다.

본 실시예에 있어서, 환기 시간의 지속은 여전히 하우징(30) 외측에 있는 총 공급부(34)의 길이에, 그리고 따라서 그것의 내부 체적에 좌우된다. 하나의 실예가 도 2에 도시된 바, 이것은 더이상 상기의 경우가 아니다.

도 2는 마찬가지로 플라즈마 토치(1)를 나타낸다. 추가적인 밸브(31)가 중공의 공간(34)의 공급부(34)와의 연결 이전에 공급부(34) 내에서 하우징(30)에 부가적으로 위치된다. 이 밸브의 유출구는 중공의 공간(11)에 연결된다.

그 유입구가 중공의 공간(11)에 연결되는 밸브(33)는 하우징(30) 내에서 그 중공의 공간에 연결되거나 중공의 공간(11)에 연결되는 개구부에 배치되어서, 환기가 개방된 밸브(33)와 함께 실현될 수 있다. 중공의 공간(11)의 내부 체적은 최소로 된다. 이 내부 체적은 밸브(31 및 34)에 의해, 그리고 공급부(34)의 한 구성요소로 될 수 있는 가스 가이드(23)에 의해 제한되며, 여기서는 실예로 5 cm³ 내지 10 cm³ 정도로 된다.

밸브(31 및 34)는 작은 구조 형상으로 출방향 밸브로서 설계된다. 예컨대, 그 밸브들은 11 mm의 외경(D)와 40 mm의 길이(L)를 가진다. 하우징(30) 내에서 열 전개(heat development)를 저감시키도록 여기서는 예컨대 대략 2 W의 작은 전력이 요구된다.

전기 아크의 점화시와 절단 동안, 플라즈마 가스(PG1)는 개방된 밸브(51)와 공급부(34)를 통해 플라즈마 토치(1)로 유동하고, 거기로부터 밸브(31)를 통해 중공의 공간(11) 내로 유동한다.

만일 절단이 종료되어야 한다면, 먼저 결합 유닛(5) 내의 밸브(51)가 폐쇄된다. 공간(24) 내의 압력을 짧은 시간에 저감하도록 플라즈마 가스(PG1)는 노즐(21)과 전극(22) 사이에서 공간(24)으로부터 가능한 빨리 유동해야 하며, 중공의 공간(11) 및 공간(24)의 신속한 환기를 위해 밸브(31)는 폐쇄되고 밸브(33)는 개방된다. 여기서, 중공의 공간(11)과 공간(24)은 가스 공급부(23)의 개구부 또는 보어들에 의해 서로 연결된다.

이와 관련하여, 전기 코일(S)의 각 권선을 둘러싸는 각 밸브(31, 33) 내의 체적을 통해 유동하여 이에 의해 더 잘 냉각된다. 이 밸브들은 작은 구조 형상과 적게 요구되는 전력 및 유동하는 플라즈마 가스에 의한 냉각에 기인하여 하우징(30) 내에 배치될 수 있다.

환기 후, 밸브(33)는 다시 폐쇄되어 전기 아크는 재점화될 수 있다. 심지어 노즐 보어(210) 및 가스 가이드(23) 내의 보어들의 직경과 공급부(34)의 길이와 거의 무관하게 되는 보다 짧은 환기 시간이 이러한 배치에 의해 실현될 수 있다. 나타낸 이 실시예에 있어서, 환기 시간은 100 ms 이하로 감소될 수 있다.

환기 밸브(53)가 결합 유닛(5)에 마련된다. 만일 전체 공급부(34)가 밸브(31)에 이르기까지 환기되어야 한다면 이것이 필요하다. 이것은 예컨대 여러 압력들이 절단 공정들 사이에서 플라즈마 가스(PG1)를 위해 요구될 때 유용하다. 그러나, 이 배치는 일반적으로 밸브(41 및 53) 없이도 또한 사용될 수 있다. 따라서 중공의 공간(11) 및 공간(24)의 신속한 환기가 또한 실현될 수 있다.

다음의 절단 공정의 훨씬 더 신속한 시작이 훨씬 더 짧은 환기 시간에 기인하여 가능하다. 훨씬 더 짧은 시간 내에 실현될 수 있는 내부 압력 감소가 부가적으로 전극(22)의 서비스 수명을 증가시킨다.

그러나, 오직 환기를 위해 밸브(31)를 폐쇄하고 밸브(33)를 개방하지 않고 나서 종래의 방식으로 플라즈마 토치를 작동시키는 것으로도 충분할 수 있다.

절단을 위한 대응하는 매개변수들은 데이터 베이스에 저장될 수 있고, 밸브(33)가 개방되어야 하는지와 개방될 때의 루틴이 한정될 수 있다. 플라즈마 가스가 유동하는, 밸브(33)의 가장 작은 내경보다 더 작은 내경을 가진 다이아프램(38)이 상기 유입구 이전에, 예컨대 중공의 공간(11)과 밸브(33) 사이에, 또는 밸브(33)의 유출구에, 또는 유출구 이후에 배치되는 설비가 마찬가지로 만들어질 수 있다. 이에 의해 환기 시간은 마찬가지로 영향을 받을 수 있다. 플라즈마 가스가 유동할 수 있는 이 다이아프램(38)의 자유로운 단면이 가변될 수 있는 것도 마찬가지로 가능하다. 부가해서, 플라즈마 가스가 특정 위치에서, 예컨대 하우징(30) 외측에서, 여기서는 예컨대 결합 유닛(5)에서 탈출할 수 있도록 추가적인 라인(37)이 밸브(33) 및/또는 다이아프램(38)에 연결될 수 있다. 플라즈마 가스가 탈출할 수 있는 개구부가 마찬가지로 하우징(30) 내에 존재할 수 있다. 이것은 또한 도 1 및 도 3에 나타낸 예시들에 적용된다.

예컨대 점화가 하나의 플라즈마 가스로 실행되어야 하고 절단이 다른 하나의 가스로 실행되어야 할 때, 두 플라즈마 가스(PG1 및 PG2)가 플라즈마 토치(1)에 적용되는 것이 특정 적용을 위해 유용하다. 예컨대, 전극 마모를 저감하도록 점화는 공기로 실행되고 절단은 산소로 실행된다. 마찬가지로 이 플라즈마 토치(1) 내에 두 개의 다른 플라즈마 가스를 혼합하거나 절단 중에 제2 플라즈마 가스로 바꾸는 가능성도 있다. 이것은 예컨대 아르곤-수소 혼합물로 절단할 때 유용할 수 있다. 여기서 점화는 아르곤으로 실행되고 나서 수소가 혼합된다. 그러나, 여기서 두 플라즈마 가스 사이에서의 변경도 마찬가지로 가능하다; 예컨대, 점화는 플라즈마 가스(PG1)로서 아르곤 하에서 실행되고 나서 이미 혼합된 플라즈마 가스(PG2), 아르곤-수소 혼합물 또는 아르곤-질소 혼합물 또는 아르곤-수소-질소 혼합물로 변경이 이루어진다. 이를 위한 배치는 도 3에서 실예로 나타나 있다.

도 3은 마찬가지로 플라즈마 토치(1)를 나타낸다. 각 밸브(31) 및 추가 밸브(32)는 하우징(30) 내에서 연결되거나 중공의 공간(11)에 연결되기 전에 유동방향에서 다른 플라즈마 가스들을 위해 거기서 공급부들(34 및 35)에 배치된다. 밸브(31)의 유입구는 공급부(34)에 연결되고 밸브(32)의 유입구는 공급부(35)에 연결된다. 두 밸브(31 및 32)의 유출구는 중공의 공간(11)에 연결된다.

그 유입구가 중공의 공간(11)에 연결되는 밸브(33)가 중공의 공간(11)을 환기할 수 있도록 하우징(30) 내에 위치된다. 중공의 공간(11)의 내부 체적은 최소로 된다. 환기될 체적도 또한 가스 가이드(23) 뿐만 아니라 밸브들(31 및 34)의 체적들에 의해 일정한 방식으로 제한되며, 여기서 예컨대 5 cm³ 내지 10 cm³ 정도로 된다.

밸브들(31, 32, 33)들은 작은 구조 형상으로 축방향 밸브로서 설계된다. 예컨대, 밸브들은 따라서 11 mm의 외경(D)과 40 mm의 길이(L)를 가진다. 이 밸브들은 여기서 예컨대 대략 2 W의 작은 전력을 요구하여서, 하우징(30) 내에서 가열이 저감된다.

전기 아크의 점화시와 파일롯 아크(pilot arc)-전기 아크가 전극(22)과 노즐(21) 사이에서 태우는- 동안 플라즈마 가스(PG1)는 개방된 밸브(51) 및 공급부(34)를 통해 플라즈마 토치(1)로 유동하고, 밸브(31)을 통해, 그리고 거기서부터 중공의 공간(11)으로 유동한다.

절단 동안, 즉 특히 전기 아크가 태울 때, 플라즈마 가스(PG2)는 개방된 밸브(52) 및 공급부를 통해 작업물(workpiece)의 방향으로 전극(22)과 노즐(21) 사이에서 유동하고, 밸브(32)를 통해 플라즈마 토치(1)로 공급된다.

여기서, 예컨대 이미 전술한 바와 같이, 다른 두 플라즈마 가스(PG1 및 PG2) 사이에서 전환이 실행되거나 제2 플라즈마 가스(PG2)가 유입되는(switched in) 경우가 있다. 제1의 경우, 밸브(31)는 그 때 폐쇄되고 밸브(32)는 개방된다. 밸브(51)는 폐쇄될 수 있고, 밸브(52)는 개방되어야 하며, 플라즈마 가스(PG2)만이 유동한다. 이것은 또한 중첩 방식(overlapping manner)으로 발생할 수 있는데, 즉 일정한 가스 유동을 보장하도록 두 밸브가 특정 시간 동안, 예컨대 300 ms 동안 개방된다.

절단이 두 플라즈마 가스와 함께, 예컨대 가스 혼합과 함께 실행되는 제2의 경우, 플라즈마 가스들(PG1 및 PG2)은 노즐(21) 내로 유동한다.

만일 절단이 제1의 경우에서 종료된다면, 결합 유닛(5) 내의 밸브(52)가 먼저 폐쇄된다. 공간(24) 내의 압력을 빠른 시간에 저감시키기 위해 플라즈마 가스(PG2)는 노즐(21)과 전극(22) 사이에서 공간(24)에서 가능한 빨리 유동해야 하기 때문에, 중공의 공간(11) 및 공간(24)의 신속한 환기를 위해 밸브(32)는 폐쇄되고 밸브(33)는 개방된다. 여기서 중공의 공간(11)과 공간(24)은 가스 공급부(23)의 개구부 또는 보어들에 의해 서로 연결된다.

만일 절단이 제2의 겨우에서 종료된다면, 결합 유닛(5) 내의 밸브(51 및 52)가 먼저 폐쇄된다. 공간(24) 내의 압력을 짧은 시간에 저감시키기 위해 플라즈마 가스들(PG1 및 PG2)은 노즐(21)과 전극(22) 사이에서 가능한 빨리 공간(24)에서 유동해야 하기 때문에, 중공의 공간(11) 및 공간(24)을 짧은 시간에 환기하기 위해 밸브(31)와 밸브(32)는 폐쇄되고 밸브(33)는 개방된다. 여기서 중공의 공간(11)과 공간(24)은 가스 공급부(23)의 개구부 또는 보어들에 의해 서로 연결된다.

이와 관련하여, 코일(S)의 각 권선을 둘러싸는 각 밸브(31, 33)의 체적을 통과하여 흐르며, 이에 의해 보다 잘 냉각된다. 밸브들은 작은 구조 형상과 적게 요구되는 작동 전력 및 유동하는 플라즈마 가스에 의한 냉각에 기인하여 어떠한 추가적인 조치 없이 하우징(30) 내에 배치될 수 있다.

환기 후, 밸브(33)는 다시 폐쇄되고, 전기 아크는 재점화될 수 있다. 이러한 배치에 의해 노즐 보어(210)와 가스 가이드(23) 내의 보어들의 직경 및 공급부(34)의 길이와 거의 무관한 훨씬 더 짧은 환기 시간이 실현될 수 있다. 이 실예에서, 환기 시간은 100 ms 이하로 저감될 수 있다.

환기 밸브들(53 및 54)은 결합 유닛(5) 내에 마련된다. 이것은 공급부(34)가 또한 밸브(31)에 이르기까지 환기되어야 하고 또한 제2 플라즈마 가스(PG2)를 위한 공급부(35)가 밸브(32)에 이르기까지 환기되어야 하더라도 필요하다. 이것은 예컨대 플라즈마 가스들(PG1 및 PG2)에 대한 다른 압력이 절단 공정들 사이에서 요구될 때 유용하다. 그러나, 이러한 배치는 일반적으로 밸브들(51 및 53) 없이도 또한 사용될 수 있다. 따라서 중공의 공간(11) 및 공간(24)의 환기도 또한 짧은 시간 내에 실현된다.

플라즈마 토치 샤프트에 배치되는 밸브들(31, 32 및/또는 33)이 존재하고 다른 밸브들은 존재하지 않거나 오직 부분적으로 존재하는 가능성도 또한 있다. 이것는 도 4에 실예로 나타나 있다.

도 5는 예컨대 문헌 DE 10 2004 049 445 B4에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 가스 또는 가스들(PG1 및 PG2)에 부가해서 제2의 가스(SG)를 위한 공급부(36)를 가진 플라즈마 토치(1)를 나타낸다. 플라즈마 토치(1)는 이 때 부가적으로 노즐 보호캡(25)을 가지며, 제2의 가스(SG)는 노즐(21)과 전기 아크의 방향에서 노즐(21)을 고정시키는 노즐 보호캡(25) 사이의 공간(26)을 통해 유동하고, 그 주위로 유동하거나 또는 제한할 수 있다.

제2의 가스(SG)는 공급부(36)를 통해 플라즈마 토치(1)에 공급된다. 밸브(55)는 제2의 가스(SG)를 스위치하고 영향을 준다. 플라즈마 가스들(PG1 및 PG2)에 대한 것과 같이 제2의 가스(SG)를 위해 하우징(30) 내에 밸브(미도시)가 또한 존재할 수 있다.

예컨대 문헌 DE 10 2006 038 134 B4에 기술된 바와 같이, 플라즈마 토치(1)는 또한 토치 헤드가 간단한 수동 조작에 의해, 또는 자동 방식으로 토치 샤프트로부터 분리될 수 있는 신속 변경 토치로서 구성될 수도 있다.

도 6은 도 2에 나타낸 바와 같은 배치를 나타낸 것이다. 부가해서, 이와 관련하여, 압력 센서(39)가 하우징(30) 내에 위치되어 중공의 공간(11) 내의 압력을 결정한다. 이 측정 결과는 제어부로 보내질 수 있고, 따라서 전기 절단 전류 또는 밸브들의 전환의 제어가 각 결정된 압력에 따라 실행될 수 있다. 전류는 각 결정된 압력에 따라 변경될 수 있다. 예컨대, 전류는 각 특정 압력이 증가됨에 따라 증가될 수 있고, 마찬가지로 각 특정 압력이 감소됨에 따라 마찬가지로 감소될 수 있다. 이러한 의존성은 다른 수학들에 따라 비례적으로 또는 비례적이지 않게 발생할 수 있다. 마찬가지로 중공의 공간(11) 내의 각각의 결정된 압력이 소정값 이하로 떨어지면 전류는 스위치 오프(switched off)될 수 있다.

도 7은 본 발명에 사용될 수 있는 것과 같은 축방향 솔레노이드 밸브의 매우 단순화된 디자인을 나타낸다. 플라즈마 가스가 유입구(B)에서 유출구(A)로 통과하여 흐를 수 있는 권선들을 가진 코일(S)이 그 몸체의 내부에 위치된다. 개방을 위한 기구도 또한 내부에 배치된다. 솔레노이드 밸브의 몸체는 길이(L)와 외경(D)을 가진다. 나타낸 솔레노이드 밸브는 여기서는 25 mm의 길이(L)와 10 mm의 직경(D)을 가진다.

도 8은 밸브들(31, 32, 33)의 가능한 공간 절약 배치를 나타낸다. 이 밸브들은 중심선(M)에 수직한 평면에서 각각 120°의 각도(α1)로 배치되도록 하우징(30)에 배치된다. 이 각도로부터의 벗어남은 ±30°를 초과하지 않아야 한다. 이에 의해 이러한 배치는 공간이 절약되고, 하우징(30) 또는 플라즈마 토치 샤프트(3) 내에 배치될 수 있다. 밸브들(31, 32, 33) 사이의 거리(L1, L2, L3)는 각각 ≤20 mm이다. 밸브들(31, 32, 33) 중의 적어도 하나는 그 유입구(E)가 다른 밸브들과 반대로, 즉 다른 밸브들의 유출구(A)에 배치된다. 나타낸 실예에서 반대로 배치되는 밸브는 중공의 공간(11) 내의 밸브(33)이다.

도 9는 4개의 밸브(31, 32, 33, 34)를 가진 배치를 나타낸다. 그 밸브들은 중심선(M)에 수직한 평면에서 각각 90°의 각도(α1, α2, α3, α4)로 배치되도록 하우징(30)의 내부에 배치된다. 이 각도로부터의 벗어남은 ±30°를 초과하지 않아야 한다. 이에 의해 이러한 배치는 공간이 절약되고, 하우징(30) 또는 플라즈마 토치 샤프트(3) 내에 배치될 수 있다. 밸브들 사이의 거리(L1, L2, L3, L4)는 ≤20 mm이다. 밸브들(31, 32, 33, 34) 중의 적어도 하나는 그 유입구(E)가 다른 밸브들과 반대로, 즉 다른 밸브들의 유출구(A)에 배치된다.

1: 플라즈마 토치
2: 플라즈마 토치 헤드
3: 플라즈마 토치 샤프트
5: 결합 유닛
11: 중공의 공간
21: 노즐
22: 전극
23: 가스 가이드
24: 공간(전극/노즐 사이)
25: 노즐 보호캡
26: 공간(노즐 - 노즐 보호캡)
30: 플라즈마 토치 샤프트의 슬리브
31: 밸브 PG1
32: 밸브 PG2
33: 환기하는 밸브
34: 공급부 PG1
35: 공급부 PG2
36: 공급부 SG
37: 라인
38: 다이아프램
39: 압력 센서
40: SG를 위한 밸브
51: 밸브
52; 밸브
53: 밸브
54: 밸브
55: 밸브
210: 노즐 보어
A: 유출구
D: 직경
E: 유입구
L: 길이
PG1: 플라즈마 가스 1
PG2: 플라즈마 가스 2
SG: 2차 가스
S: 코일
L1-L4: 밸브들의 거리
α1-α4: 각도

Claims

하우징(30), 및 상기 하우징(30)과 연결되며 노즐(21)과 노즐 개구부(210)를 포함하는 플라즈마 토치 헤드(2);
플라즈마 가스(PG)를 상기 하우징(30)을 통과하여 상기 노즐 개구부(210)로 안내하도록 상기 하우징(30)으로 연장되는 적어도 하나의 공급부;
상기 하우징(30) 내에 마련되고 상기 적어도 하나의 공급부에 연결되어 상기 플라즈마 가스를 수용하는 중공의 공간(11);으로, 상기 중공의 공간(11)은 플라즈마 가스를 상기 중공의 공간(11) 외부로 유도하는 개구부를 포함하고,
상기 개구부를 개폐하도록 상기 개구부에 마련되는 밸브(33);
상기 밸브(33)에 연결되어, 밸브(33)의 개방 시, 플라즈마 가스를 상기 중공의 공간(11) 및 상기 하우징(30)의 외부로 안내하는 라인(37);을 포함하는 플라즈마 토치(1).
제1항에 있어서,
상기 라인(37)은 상기 하우징(30)의 외부로 연장되며, 상기 노즐 개구부(210)의 전방 영역에서 상기 적어도 하나의 공급부 내의 압력 아래로 유지되는 플라즈마 토치.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 압력 센서(39)가 상기 적어도 하나의 공급부, 플라즈마 토치의 노즐(21)과 전극(22) 사이에 형성된 공간(24), 및 상기 중공의 공간(11) 중 하나 이상에 대해 내부에 배치되거나 또는 연결되는 플라즈마 토치.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공급부를 개폐하기 위한 적어도 하나의 공급 밸브를 더 포함하는 플라즈마 토치.
제1항에 있어서,
제2의 가스(SG)를 위한 제2의 가스 공급부(36)가 상기 하우징(30)을 통해 외부로 안내되며, 상기 제2의 가스 공급부(36)는 노즐 보호캡(25) 및 상기 노즐 개구부(210)를 통해 빠져나가는 플라즈마 제트 옆에서 상기 노즐 보호캡(25)에 형성된 제2의 가스 가이드로부터 연장되고 제2의 가스 밸브(55)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공급부는 플라즈마 가스를 위해 상기 적어도 하나의 공급부를 개폐하기 위한 공급 밸브를 포함하고, 상기 공급 밸브는 상기 중공의 공간(11)과의 연결 전방에서 상기 플라즈마 가스의 유동방향으로 상기 하우징(30) 내에 배치되는 플라즈마 토치.
제1항에 있어서,
상기 하우징(30) 내에 배치된 상기 밸브(33)는 최대 15 mm의 외경, 최대 50 mm의 길이를 가지며, 상기 하우징(30)의 최대 외경은 52 mm 인 플라즈마 토치.
제1항에 있어서,
상기 개구부는 상기 밸브(33) 이후에 유동방향으로 감소된 자유 단면을 갖는 플라즈마 토치.
제1항에 있어서,
상기 하우징(30)은 상기 플라즈마 토치 헤드(2)로부터 분리 가능한 플라즈마 토치 샤프트(3)로 형성되는 플라즈마 토치.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 공급부는 플라즈마 가스가 상기 중공의 공간(11)과 상기 노즐(21) 내 공간(24) 사이를 흐르도록 상기 중공의 공간(11) 외부로 연장되는 플라즈마 토치.
제1항에 있어서,
상기 밸브(33)는 전자기적으로 작동되는 축방향 밸브인 플라즈마 토치.
제11항에 있어서,
상기 축방향 밸브는 플라즈마 가스가 흐르도록 하는 코일을 포함하는 플라즈마 토치.