KR102622351B1

KR102622351B1 - 플라즈마 아크 토치

Info

Publication number: KR102622351B1
Application number: KR1020220167506A
Authority: KR
Inventors: 윤희철; 박선규; 이태웅; 조성민
Original assignee: 한전케이피에스 주식회사
Priority date: 2022-12-05
Filing date: 2022-12-05
Publication date: 2024-01-09

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 아크 토치는, 토치 바디; 상기 토치 바디에 수용되는 전극; 상기 토치 바디의 전방단에 장착되고, 출구오리피스를 가진 노즐; 및 상기 전극 및 노즐 사이에 개재된 절연체;를 포함할 수 있다. 상기 전극은 그 전방단에 형성된 복수의 스윌홈을 가질 수 있다.

Description

플라즈마 아크 토치{PLASMA ARC TORCH}

본 발명은 플라즈마 아크 토치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부품수를 줄임으로써 제조비용을 절감하고, 고가의 가스(아르콘, 질소)의 스월손실을 줄여 아크의 열효율을 증대시킬 수 있는 플라즈마 아크 토치에 관한 것이다.

원전해제 시에 방사성폐기물의 처리를 위한 부피감용안정화 실험을 위하여 플라즈마 토치가 이용되고 있다.

이러한 방사성폐기물처리를 위한 플라즈마 아크 토치는 가스 유입구를 가진 토치 바디와, 토치 바디 내에 배치된 전극과, 출구오리피스를 가진 노즐과, 가스의 스윌흐름을 발생하는 스월링(swirl ring) 등으로 구성된다. 스윌링은 전극 및 노즐 사이에 개재되어 가스의 스윌을 발생시키도록 가스가 통과하는 복수의 스윌홀을 가지도록 구성되고, 스윌링은 절연재질로 이루어진다. 스윌링은 전극 및 노즐 사이에서 아크가 발생될 수 있도록 전극 및 노즐을 이격시킨다.

하지만, 복수의 스윌홀이 스윌링 내에 형성됨에 따라 스윌링의 가공이 어려우므로 그 제조비용이 상대적으로 높아질 수 있고, 또한 스윌링에 의해 가스의 스휠효과가 비효율적이며, 전극 및 노즐 사이의 간격을 유지하기 어려운 단점이 있었다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 부품수를 줄임으로써 제조비용을 절감하고, 고가의 가스(아르콘, 질소)의 스월손실을 줄여 아크의 열효율을 증대시킬 수 있는 플라즈마 아크 토치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 아크 토치는, 토치 바디; 상기 토치 바디에 수용되는 전극; 상기 토치 바디의 전방단에 장착되고, 출구오리피스를 가진 노즐; 및 상기 전극 및 노즐 사이에 개재된 절연체;를 포함할 수 있다. 상기 전극은 그 전방단에 형성된 복수의 스윌홈을 가질 수 있다.

각 스윌홈은 상기 전극의 전방단면으로부터 상기 전극의 후방단을 향해 함몰되고, 각 스윌홈은 가스의 스윌흐름을 유도하도록 상기 전극의 외주면으로부터 상기 전극의 내주면을 향해 곡률지게 연장될 수 있다.

상기 전극은 상기 노즐의 출구오리피스를 향해 개방된 캐비티를 가지고, 상기 절연체는 상기 전극의 캐비티 및 상기 노즐의 출구오리피스를 향해 개방된 캐비티를 가질 수 있다.

상기 절연체는 상기 전극의 전방단면과 접촉하는 제1면과, 상기 노즐의 후방단면과 접촉하는 제2면을 포함할 수 있다.

상기 전극은 그 전방단면으로부터 상기 노즐의 후방단면을 향해 돌출한 복수의 점화스폿을 더 포함할 수 있다.

상기 복수의 점화스폿은 상기 절연체의 캐비티 내에 위치할 수 있다.

상기 토치 바디는 가스유입구를 가지며, 가스통로가 상기 전극의 외면 및 상기 토치 바디의 내면 사이에 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 별도의 스윌부품을 제거하고 공기역학적인 에일포일 형상의 스윌홈이 식각 등을 통해 전극의 전방단면에 직접적으로 가공됨으로써 부품수를 줄이고, 고가의 가스(아르곤, 질소 등)의 스윌손실을 줄여 아크의 열효율을 증대시킬 수 있고, 아크의 길이 및 안정적인 유지 제어를 통해 플라즈마 아크 출력이 개성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 점화스폿이 식각 등을 통해 전극의 전방단면에 형성될 수 있고, 점화스폿에 의해 절연간격(아크간격)을 최소화함으로써 초기점화의 전압을 최소화할 수 있다. 특히, 점화스폿은 아크의 발생위치를 한정하여 제어할 수 있다. 이에 따라, 전극의 마모 및 손상이 감소되어 전극의 수명을 연장할 수 있다.

본 발명에 의하면, 플라즈마 아크의 열출력이 증대됨으로써 원전해체 시 방사성폐기물 처리를 위한 부피감용안정화 실험에 효과적으로 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 아크 토치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 A-A선을 따라 도시한 단면도이다
도 3은 도 2의 B 부분을 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 아크 토치의 전극의 전방단면 및 스윌홈을 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 C 부분을 확대한 도면이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 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, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예의 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. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 아크 토치(10)는 가스 유입구(11a)를 가진 토치 바디(11)와, 적어도 일부가 토치 바디(11) 내에 수용되는 전극(12)과, 토치 바디(11)의 전방단에 장착된 노즐(13)과, 전극(12) 및 노즐(13) 사이에 개재된 절연체(14)를 포함할 수 있다.

토치 바디(11)는 그 내부에 한정된 캐비티를 가진 중공관 형상일 수 있고, 토치 바디(11)는 그 일측 외면에 형성된 가스 유입구(11a)를 가질 수 있다. 다양한 종류의 가스(아르콘, 질소 등)가 가스 유입구(11a)를 통해 토치 바디(11)의 내부로 유입될 수 있다.

전극(12)의 적어도 일부가 토치 바디(11)의 내부에 수용될 수 있고, 전극(12)의 전방단이 토치 바디(11)의 전방단과 인접할 수 있다. 전극(12)의 외면과 토치 바디(11)의 내면이 서로 간에 이격됨으로써 전극(12)의 외면과 토치 바디(11)의 내면 사이에는 가스가 통과하는 가스통로(15)가 형성될 수 있다. 전극(12)은 그 내부에 한정된 캐비티(24)를 가질 수 있고, 캐비티(24)는 노즐(13)의 출구오리피스(13a)를 향해 개방될 수 있다.

노즐(13)은 토치 바디(11)의 전방단에 장착됨으로써 전극(12)의 노즐(13)은 출구오리피스(13a)를 가질 수 있고, 출구오리피스(13a)는 노즐(13)을 관통하도록 구성될 수 있다.

절연체(14)는 전극(12)의 전방단 및 노즐(13)의 후방단 사이에 개재될 수 있다. 절연체(14)는 그 내부에 한정된 캐비티(14a)를 가진 링 형상일 수 있고, 절연체(14)의 캐비티(14a)는 전극(12)의 캐비티(24) 및 노즐(13)의 출구오리피스(13a)와 소통할 수 있다. 절연체(14)는 전극(12)의 전방단면(25)과 접촉하는 제1면(14b)과, 노즐(13)의 후방단면(13b)과 접촉하는 제2면(14c)을 포함할 수 있다. 이에, 절연체(14)가 전극(12) 및 노즐(13) 사이에 개재됨으로써 전극(12)의 전방단면(25) 및 노즐(13)의 후방단면(13b) 사이에서 간격(S)이 확보될 수 있고, 이에 아크가 절연체(14)에 의해 확보된 간격(S)을 통해 전극(12) 및 노즐(13) 사이에서 발생(점화)될 수 있다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 전극(12)은 그 전방단에 형성된 복수의 스윌홈(31)을 가질 수 있고, 복수의 스윌홈(31)은 식각 등을 통해 전극(12)의 전방단에 형성될 수 있으며, 각 스윌홈(31)은 전극(12)의 전방단면(25)으로부터 전극(12)의 후방단을 향해 함몰될 수 있다. 복수의 스윌홈(31)은 전극(12)의 캐비티(24)와 소통하도록 구성될 수 있다. 각 스윌홈(31)은 가스의 스윌흐름을 유도하도록 전극(12)의 외주면으로부터 전극(12)의 내주면을 향해 공기역학적으로 곡률지게 연장될 수 있다. 가스가 가스 유입구(11a)로 유입됨에 따라 가스는 가스통로(15)를 따라 복수의 스윌홈(31)로 흘러갈 수 있고, 복수의 스윌홈(31)은 전극(12)의 캐비티(24)를 향하는 가스의 스파이럴 스윌 흐름을 유도할 수 있다.

도 3을 참조하면, 전극(12)의 전방단면(25)의 적어도 일부는 절연체(14)의 제1면(14b)과 직접적으로 접촉할 수 있다. 노즐(13)의 후방단면(13b)의 적어도 일부는 절연체(14)의 제2면(14c)과 직접적으로 접촉할 수 있다.

도 2의 실시예에 따르면, 전극(12)은 토치 바디(11)의 캐비티에 수용되는 제1부분(21)과, 토치 바디(11)로부터 돌출되는 제2부분(22)과, 제1부분(21)과 제2부분(22) 사이에 형성된 스토퍼(23)를 포함할 수 있다. 스토퍼(23)가 토치 바디(11)의 일단에 지지됨으로써 제1부분(21)은 토치 바디(11)의 캐비티에 수용될 수 있고, 제2부분(22)은 토치 바디(11)로부터 돌출할 수 있다. 전극(12)의 제1부분(21)이 토치 바디(11)의 내부에 수용될 수 있고, 전극(12)의 제1부분(21)의 외면과 토치 바디(11)의 내면 사이가 이격됨에 따라 전극(12)의 제1부분(21)의 외면 및 토치 바디(11)의 내면 사이에 가스가 통과하는 가스통로(15)가 형성될 수 있다. 캐비티(24)가 전극(12)의 제1부분(21)의 내부에 한정될 수 있다. 전극(12)의 캐비티(24)는 노즐(13)의 출구오리피스(13a)를 향해 개방될 수 있고, 이에 전극(12)의 캐비티(24)는 절연체(14)의 캐비티(14a)를 통해 노즐(13)의 출구오리피스(13a)와 소통할 수 있다. 복수의 스윌홈(31)이 전극(12)의 제1부분(21)의 전방단면(25)에 형성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 전원의 양극이 전극(12)에 접속됨으로써 전극(12)은 양극일 수 있고, 전원의 음극이 노즐(13)에 접속됨으로써 노즐(13)은 음극일 수 있다. 즉, 전극(12) 및 노즐(13)은 역극성 전압인가구조로 이루어질 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 전원의 음극이 전극(12)에 접속됨으로써 전극(12)은 음극일 수 있고, 전원의 양측이 노즐(13)에 접속됨으로써 노즐(13)은 양극일 수 있다. 즉, 전극(12) 및 노즐(13)은 정극성 전압인가구조로 이루어질 수 있다.

도 3 및 도 5를 참조하면, 전극(12)은 그 전방단면(25)으로부터 노즐(13)의 후방단면(13b)을 향해 돌출한 복수의 점화스폿(26)을 더 포함할 수 있다. 복수의 점화스폿(26)은 식각 등을 통해 전극(12)의 캐비티(24)와 인접한 전극(12)의 전방단면(25)에 형성될 수 있고, 복수의 점화스폿(26)은 절연체(14)의 캐비티(14a)에 위치할 수 있다. 각 점화스폿(26)은 노즐(13)의 후방단면(13b)을 향해 돌출함에 따라 각 점화스폿(26)의 단부 및 노즐(13)의 후방단면(13b) 사이의 간격(S1)은 전극(12)의 전방단면(25) 및 노즐(13)의 후방단면(13b) 사이의 간격(S) 보다 좁을 수 있다. 이에 전극(12) 및 노즐(13) 사이에 인가되는 전압을 낮출 수 있으므로 전극(12)의 마모를 방지하거나 최소화할 수 있다.

전극(12)의 점화스폿(26) 및 노즐(13)의 후방단면(13b) 사이에서 아크가 발생되고, 발생된 아크는 복수의 스윌홈(31)을 통과한 가스를 이온화함으로써 플라즈마 아크를 발생시킬 수 있고, 플라즈마 아크는 노즐(13)의 출구오리피스(13a)를 통해 토출될 수 있다. 이때, 가스는 복수의 스윌홈(31)을 통과함에 따라 스파이럴 스윌흐름을 형성하고, 이러한 스파이럴 스윌흐름의 유체역학적인 압력, 속도, 원심력, 플라즈마 분위기 등에 따라 플라즈마 아크의 열출력을 효율적으로 제어할 수 있다. 특히, 플라즈마 아크는 복수의 스윌홈(31)에 의해 형성된 스파이럴 스윌흐름에 의해 끊김이 발생하지 않으므로 플라즈마 아크의 길이가 보다 길게 연장될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 플라즈마 아크 토치
11: 토치 바디
11a: 가스유입구
12: 전극
13: 노즐
13a: 출구오리피스
13b: 후방단면
14: 절연체
14a: 캐비티
14b: 제1면
14c: 제2면
15: 가스통로
21: 제1부분
22: 제2부분
23: 스토퍼
24: 캐비티
25: 전방단면
26: 점화스폿
31: 스윌홈

Claims

토치 바디;
상기 토치 바디에 수용되는 전극;
상기 토치 바디의 전방단에 장착되고, 출구오리피스를 가진 노즐; 및
상기 전극 및 노즐 사이에 개재된 절연체;를 포함하고,
상기 전극은 그 전방단에 형성된 복수의 스윌홈과, 그 전방단면으로부터 상기 노즐의 후방단면을 향해 돌출한 복수의 점화스폿을 가지는 플라즈마 아크 토치.
청구항 1에 있어서,
각 스윌홈은 상기 전극의 전방단면으로부터 상기 전극의 후방단을 향해 함몰되고,
각 스윌홈은 가스의 스윌흐름을 유도하도록 상기 전극의 외주면으로부터 상기 전극의 내주면을 향해 곡률지게 연장되는 플라즈마 아크 토치.
청구항 1에 있어서,
상기 전극은 상기 노즐의 출구오리피스를 향해 개방된 캐비티를 가지고, 상기 절연체는 상기 전극의 캐비티 및 상기 노즐의 출구오리피스를 향해 개방된 캐비티를 가지는 플라즈마 아크 토치.
청구항 1에 있어서,
상기 절연체는 상기 전극의 전방단면과 접촉하는 제1면과, 상기 노즐의 후방단면과 접촉하는 제2면을 포함하는 플라즈마 아크 토치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 점화스폿은 상기 절연체의 캐비티 내에 위치하는 플라즈마 아크 토치.
청구항 1에 있어서,
상기 토치 바디는 가스유입구를 가지며, 가스통로가 상기 전극의 외면 및 상기 토치 바디의 내면 사이에 형성되는 플라즈마 아크 토치.