KR102701321B1

KR102701321B1 - Non-transferred plasma torch with preheating of plasma gas

Info

Publication number: KR102701321B1
Application number: KR1020220019368A
Authority: KR
Inventors: 강인제; 최용섭; 김지훈; 최대현; 황순모
Original assignee: 한국핵융합에너지연구원
Priority date: 2022-02-15
Filing date: 2022-02-15
Publication date: 2024-08-29
Also published as: KR20230122760A

Abstract

비이송식 공동형 플라즈마 토치가 개시된다. 상기 비이송식 공동형 플라즈마 토치는 중심부에 토출구가 관통되어 있는 전방 전극; 상기 전방 전극의 후방측에 배치되는 환형의 절연몸체; 상기 절연 몸체를 사이에 두고 상기 전방 전극의 후방측 단부와 이격되어 배치되는 후방 전극; 및 상기 토출구의 후단 방향에서 플라즈마 가스의 주입이 시작되고 상기 토출구 둘레를 나선형으로 선회 후 상기 토출구의 후단에서 상기 토출구 내부로 상기 플라즈마 가스를 주입하도록 구성되는 가스주입채널을 포함하는 것을 특징으로 한다.A non-transferred cavity plasma torch is disclosed. The non-transferred cavity plasma torch is characterized by including: a front electrode having an outlet through its center; an annular insulating body arranged on the rear side of the front electrode; a rear electrode arranged spaced apart from the rear end of the front electrode with the insulating body interposed therebetween; and a gas injection channel configured to start injecting plasma gas from the rear end of the outlet, make a spiral turn around the outlet, and then inject the plasma gas into the outlet from the rear end of the outlet.

Description

{NON-TRANSFERRED PLASMA TORCH WITH PREHEATING OF PLASMA GAS}

본 발명은 비이송식 공동형 플라즈마 토치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마 가스를 예열하여 공급할 수 있는 비이송식 공동형 플라즈마 토치에 관한 것이다.The present invention relates to a non-transferred cavity plasma torch, and more particularly, to a non-transferred cavity plasma torch capable of preheating and supplying plasma gas.

플라즈마 토치는 전극들 사이에서 플라즈마 아크칼럼(Plasma Arc Column)을 발생 및 유지하는 장치이다. 플라즈마 토치에서 플라즈마 아크칼럼을 통해 전류가 흐를 때, 플라즈마 아크칼럼의 전기적인 저항에 의해 전기 에너지가 열 에너지로 바뀌면서 가열되어 기존의 연소 방식의 열원보다 더 높은 온도(예를 들어, 20,000K 이상) 및 열량을 얻을 수 있게 된다. 플라즈마 토치에 사용되는 가스로는 압축 공기, 산소, 스팀 등 응용되는 분야에 따라 다양하게 사용되며, 이는 유기물이 많이 포함되어 있는 유해 폐기물의 처리에 적합하다.A plasma torch is a device that generates and maintains a plasma arc column between electrodes. When current flows through the plasma arc column in a plasma torch, the electrical energy is converted into thermal energy by the electrical resistance of the plasma arc column, which heats the column and allows for a higher temperature (for example, over 20,000K) and amount of heat to be obtained than a conventional combustion-type heat source. The gas used in a plasma torch is various, such as compressed air, oxygen, and steam, depending on the application field, and is suitable for the treatment of hazardous waste containing a lot of organic matter.

플라즈마 토치 중 비이송식 플라즈마 토치는 음극과 노즐 형태의 양극 사이에 플라즈마 가스를 주입시켜 아크 방전에 의해 플라즈마 제트를 발생시킨다. Among plasma torches, non-transferred plasma torches generate a plasma jet by injecting plasma gas between a cathode and a nozzle-shaped anode and causing an arc discharge.

이러한 비이송식 플라즈마 토치는 안정된 아크 발생과 고온 열 플라즈마 생성에 따른 전극이 침식되는 문제를 개선하는 것이 주요 해결 과제이다.The main challenges for these non-transferred plasma torches are to improve stable arc generation and electrode erosion caused by high-temperature thermal plasma generation.

종래 대부분의 비이송식 플라즈마 토치는 전극의 침식을 막기 위한 수단으로 전극을 냉각시키기 위한 냉각유체를 주입시켜서 전극의 내면이 고온의 플라즈마와 접촉하는 것을 최소화하여 전극의 수명을 늘리는 방식으로 설계되어 있다.Most conventional non-transported plasma torches are designed to inject cooling fluid to cool the electrode as a means of preventing electrode erosion, thereby minimizing contact of the inner surface of the electrode with high-temperature plasma and extending the life of the electrode.

그러나, 냉각유체를 주입시키는 것만으로는 전극의 침식을 막는 효율성이 떨어지는 문제가 있었다.However, there was a problem that the efficiency of preventing electrode erosion was low simply by injecting cooling fluid.

한편, 플라즈마 토치에서 토출되는 플라즈마 제트의 안정적인 생성을 위해서는 공급되는 플라즈마 가스의 온도를 높여 공급하는 것이 바람직한데, 종래 대부분의 플라즈마 토치는 플라즈마 가스의 온도를 높여 공급하는 구조가 구비되어 있지 않거나, 플라즈마 가스의 온도를 높여서 공급하더라도 플라즈마 가스가 공급되는 과정에서 쉽게 온도가 낮아지는 문제가 있다.Meanwhile, in order to stably generate a plasma jet discharged from a plasma torch, it is desirable to supply the plasma gas at a high temperature. However, most conventional plasma torches are not equipped with a structure for supplying the plasma gas at a high temperature, or even when the plasma gas is supplied at a high temperature, there is a problem in that the temperature easily decreases during the process of supplying the plasma gas.

한국등록특허 제10-0456788호Korean Patent Registration No. 10-0456788

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 플라즈마 생성을 위한 플라즈마 가스가 충분히 가열된 후 고온으로 주입되므로 고온의 플라즈마를 효율적으로 생성할 수 있고, 전극의 과열을 방지하여 전극의 빠른 마모를 방지할 수 있도록 한 비이송식 공동형 플라즈마 토치를 제공하는데 있다.Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a non-transferred cavity plasma torch capable of efficiently generating high-temperature plasma by sufficiently heating plasma gas for plasma generation and then injecting it at a high temperature, and preventing overheating of the electrode, thereby preventing rapid wear of the electrode.

다른 목적으로, 플라즈마 가스가 플라즈마 영역에 체류하는 시간이 길어져서 안정적인 플라즈마 생성이 가능하며, 플라즈마 가스가 공급되는 경로에 의해 전극의 냉각 효과가 부여될 수 있도록 한 비이송식 공동형 플라즈마 토치를 제공하는데 있다.Another object is to provide a non-transported cavity plasma torch in which the plasma gas remains in the plasma region for a long time, thereby enabling stable plasma generation and allowing a cooling effect on the electrode to be imparted by the path through which the plasma gas is supplied.

본 발명의 일 실시예에 따른 비이송식 공동형 플라즈마 토치는 중심부에 토출구가 관통되어 있는 전방 전극; 상기 전방 전극의 후방측에 배치되는 환형의 절연몸체; 상기 절연 몸체를 사이에 두고 상기 전방 전극의 후방측 단부와 이격되어 배치되는 후방 전극; 및 상기 토출구의 후단 방향에서 플라즈마 가스의 주입이 시작되고 상기 토출구 둘레를 나선형으로 선회 후 상기 토출구의 후단에서 상기 토출구 내부로 상기 플라즈마 가스를 주입하도록 구성되는 가스주입채널을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to one embodiment of the present invention, a non-transported cavity plasma torch is characterized by including: a front electrode having an outlet through its center; an annular insulating body arranged on the rear side of the front electrode; a rear electrode arranged spaced apart from a rear end of the front electrode with the insulating body interposed therebetween; and a gas injection channel configured to start injecting plasma gas from the rear end of the outlet, make a spiral turn around the outlet, and then inject the plasma gas into the outlet from the rear end of the outlet.

일 실시예에 있어서, 상기 가스주입채널은, 상기 전방 전극의 후방측 측면을 향해 상기 플라즈마 가스를 공급하는 가스주입부; 상기 가스주입부의 말단에 대응되는 상기 전방 전극의 측면의 일지점으로부터 상기 전방 전극의 내부를 관통하여 상기 전방 전극의 전방측을 향해 연장되는 제1 가스 가이드부; 상기 제1 가스 가이드부의 말단으로부터 상기 전방 전극의 후방측을 향해 나선형으로 연장되어 상기 토출구 둘레를 나선형으로 둘러싸는 나선형 가스 가이드부; 상기 나선형 가스 가이드부의 말단으로부터 상기 제1 가스 가이드부가 시작되는 상기 전방 전극의 측면의 일지점과 다른 측면의 일지점을 향해 연장되는 제2 가스 가이드부; 및 상기 제2 가스 가이드부의 말단으로부터 상기 후방 전극에 마주하는 상기 절연 몸체의 일면을 향해 연장되는 가스배출부를 포함하고, 상기 가스배출부를 통해 배출되는 플라즈마 가스는 상기 토출구 내부로 주입될 수 있다.In one embodiment, the gas injection channel includes: a gas injection portion supplying the plasma gas toward the rear side surface of the front electrode; a first gas guide portion extending from a point on the side surface of the front electrode corresponding to an end of the gas injection portion and penetrating through the interior of the front electrode toward the front side of the front electrode; a spiral gas guide portion extending spirally from an end of the first gas guide portion toward the rear side of the front electrode and spirally surrounding the discharge port; a second gas guide portion extending from an end of the spiral gas guide portion toward a point on the side surface of the front electrode where the first gas guide portion begins and a point on the other side surface; and a gas discharge portion extending from an end of the second gas guide portion toward one surface of the insulating body facing the rear electrode, wherein the plasma gas discharged through the gas discharge portion can be injected into the interior of the discharge port.

이러한 가스주입채널의 구조에 따르면, 플라즈마 가스는 상기 가스주입채널을 경유할 때 주입 경로는 상기 토출구의 전방이고, 배출 경로는 상기 주입 경로의 역방향이고, 상기 나선형 가스 가이드부를 통해 선회하여 이동하므로 상기 플라즈마 가스의 이동 시간이 길어질 수 있다.According to the structure of the gas injection channel, when the plasma gas passes through the gas injection channel, the injection path is in front of the discharge port, the discharge path is in the reverse direction of the injection path, and the plasma gas moves by turning through the spiral gas guide section, so the movement time of the plasma gas can be lengthened.

일 실시예에 있어서, 상기 가스주입채널은 상기 토출구의 후방측에 배치되어 상기 가스배출부로부터 배출되는 상기 플라즈마 가스를 상기 토출구 방향으로 가이드하는 스월 형성 가이드부를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the gas injection channel may further include a swirl forming guide portion arranged at the rear side of the discharge port to guide the plasma gas discharged from the gas discharge portion toward the discharge port.

일 실시예에 있어서, 상기 절연 몸체는, 상기 전방 전극을 향하는 제1 환형면; 상기 후방 전극을 향하고 상기 제1 환형면의 폭보다 좁은 폭으로 형성되는 제2 환형면; 상기 후방 전극 방향으로 상기 제2 환형면보다 높게 위치하는 제3 환형면; 및 상기 제2 환형면 및 상기 제3 환형면의 원주 방향을 따라 형성되어 상기 제2 환형면 및 상기 제3 환형면 사이에 연결되고, 상기 제2 환형면 및 상기 제3 환형면에 수직한 원형 측면을 포함하고, 상기 스월 형성 가이드부는 상기 원형 측면으로부터 상기 원형 측면과 평행한 상기 절연 몸체의 환형 형상의 내면에 관통되고 상기 절연 몸체의 원주 방향을 따라 다수 배열되는 다수의 스월 형성 가이드구멍을 포함하고, 상기 스월 형성 가이드구멍은 상기 전방 전극 및 상기 후방 전극 사이의 이격된 공간에 유체 소통 가능하게 배치될 수 있다.In one embodiment, the insulating body includes a first annular surface facing the front electrode; a second annular surface facing the rear electrode and formed with a width narrower than that of the first annular surface; a third annular surface positioned higher than the second annular surface in the direction of the rear electrode; and a circular side surface formed along the circumferential direction of the second annular surface and the third annular surface and connected between the second annular surface and the third annular surface, and perpendicular to the second annular surface and the third annular surface, and the swirl forming guide portion includes a plurality of swirl forming guide holes penetrating an inner surface of the annular shape of the insulating body parallel to the circular side surface from the circular side surface and arranged in a plurality along the circumferential direction of the insulating body, and the swirl forming guide holes can be arranged to be fluidly communicable in a spaced space between the front electrode and the rear electrode.

여기서, 환형면은 환형 형상의 면을 의미한다.Here, the annular surface means a surface of an annular shape.

일 실시예에 있어서, 상기 다수의 스월 형성 가이드구멍은 상기 절연 몸체의 중심을 향하지 않는 사선형으로 연장될 수 있다.In one embodiment, the plurality of swirl forming guide holes may extend diagonally away from the center of the insulating body.

상기 다수의 스월 형성 가이드구멍에 의해, 상기 다수의 스월 형성 가이드구멍으로부터 배출되는 플라즈마 가스는 상기 토출구의 내부로 스월로 주입될 수 있다.By the above-mentioned plurality of swirl forming guide holes, the plasma gas discharged from the above-mentioned plurality of swirl forming guide holes can be injected into the interior of the discharge port as a swirl.

일 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 가스는 물을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 물을 포함하여 스팀으로 공급될 수 있다.In one embodiment, the plasma gas may comprise water. In such a case, the water may be supplied as steam.

본 발명에 따른 플라즈마 토치에 따르면, 플라즈마 생성을 위한 플라즈마 가스가 충분히 가열된 후 고온으로 주입되므로 고온의 플라즈마를 효율적으로 생성할 수 있고, 전극의 과열을 방지하여 전극의 빠른 마모를 방지할 수 있고, 플라즈마 가스가 플라즈마 영역에 체류하는 시간이 길어져서 안정적인 플라즈마 생성이 가능하며, 플라즈마 가스가 공급되는 경로에 의해 전극의 냉각 효과가 부여될 수 있는 이점이 있다.According to the plasma torch according to the present invention, since the plasma gas for plasma generation is sufficiently heated and then injected at a high temperature, high-temperature plasma can be efficiently generated, overheating of the electrode can be prevented, thereby preventing rapid wear of the electrode, the time that the plasma gas remains in the plasma region can be increased, so that stable plasma generation is possible, and a cooling effect of the electrode can be imparted by the path through which the plasma gas is supplied.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 절연 몸체를 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 가스주입채널의 스월 형성 가이드부를 설명하기 위한 절연 몸체의 제3 환형면을 절단한 모습의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치의 플라즈마 가스의 공급 경로를 나타내는 도 1의 부분 확대 단면도이다.FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a plasma torch according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a perspective view showing the insulating body illustrated in Figure 1.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the third annular surface of the insulating body for explaining the swirl formation guide portion of the gas injection channel illustrated in FIG. 1.
FIG. 4 is a partially enlarged cross-sectional view of FIG. 1 showing a supply path of plasma gas of a plasma torch according to one embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 비이송식 공동형 플라즈마 토치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, a non-transported cavity plasma torch according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. The present invention can be modified in various ways and can have various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, but should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. In the attached drawings, the dimensions of structures are illustrated larger than actual dimensions in order to ensure clarity of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this application, it should be understood that the terms "comprises" or "has" and the like are intended to specify the presence of a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but do not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms defined in commonly used dictionaries, such as those defined in common dictionaries, should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning they have in the context of the relevant art, and shall not be interpreted in an idealized or overly formal sense, unless expressly defined in this application.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the configuration of a plasma torch according to one embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치는 전방 전극(111), 절연 몸체(120), 후방 전극(112) 및 가스주입채널(130)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a plasma torch according to one embodiment of the present invention may include a front electrode (111), an insulating body (120), a rear electrode (112), and a gas injection channel (130).

상기 전방 전극(111)은 중심부에 토출구(111a)가 관통되어 있다. 상기 토출구(111a)의 전방측 및 후방측은 개방되며, 상기 전방측의 개구를 통해 플라즈마가 토출된다. 상기 전방 전극(111)은 예를 들어, 무산소동으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The front electrode (111) has a discharge port (111a) penetrating through the center. The front and rear sides of the discharge port (111a) are open, and plasma is discharged through the opening on the front side. The front electrode (111) may be made of, for example, oxygen-free copper, but is not limited thereto.

상기 절연 몸체(120)는 환형으로 구비되고, 상기 전방 전극(111)의 후방측에 배치된다. 예를 들어, 상기 전방 전극(111)의 후방측 단부가 상기 절연 몸체(120)의 중심 개구에 삽입되어 상기 전방 전극(111)의 후방측에 배치될 수 있다. 이때, 상기 전방 전극(111)의 후방측 단부가 삽입되는 길이는 상기 절연 몸체(120)의 상기 중심 개구의 전체 길이의 절반 이하의 길이일 수 있다. 상기 절연 몸체(120)는 예를 들어, 테프론 소재로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The above insulating body (120) is provided in an annular shape and is arranged on the rear side of the front electrode (111). For example, the rear end of the front electrode (111) may be inserted into the central opening of the insulating body (120) and arranged on the rear side of the front electrode (111). At this time, the length of the rear end of the front electrode (111) inserted may be less than half of the total length of the central opening of the insulating body (120). The insulating body (120) may be made of, for example, a Teflon material, but is not limited thereto.

상기 후방 전극(112)은 상기 절연 몸체(120)를 사이에 두고 상기 전방 전극(111)의 후방측 단부와 이격되어 배치된다. 예를 들어, 상기 후방 전극(112)의 전방측 단부와 상기 절연 몸체(120)의 상기 후방 전극(112)과 마주하는 일면이 밀착하여 배치될 수 있다. The rear electrode (112) is positioned spaced apart from the rear end of the front electrode (111) with the insulating body (120) therebetween. For example, the front end of the rear electrode (112) and one surface of the insulating body (120) facing the rear electrode (112) may be positioned in close contact with each other.

상기 가스주입채널(130)은 상기 토출구(111a)의 후단 방향에서 플라즈마 가스의 주입이 시작되고 상기 토출구(111a) 둘레를 나선형으로 선회 후 상기 토출구(111a)의 후단에서 상기 토출구(111a) 내부로 상기 플라즈마 가스를 주입하도록 구성될 수 있다.The gas injection channel (130) may be configured to start injecting plasma gas from the rear end of the discharge port (111a), spirally rotate around the discharge port (111a), and then inject the plasma gas into the discharge port (111a) from the rear end of the discharge port (111a).

여기서, 상기 플라즈마 가스는 압축 공기, 산소 중 하나일 수 있다. 또는, 물을 포함하여, 스팀일 수 있다.Here, the plasma gas may be one of compressed air, oxygen, or steam, including water.

일 실시예로, 상기 가스주입채널(130)은 가스주입부(131), 제1 가스 가이드부(132), 나선형 가스 가이드부(133), 제2 가스 가이드부(134), 및 가스배출부(135)를 포함할 수 있다.In one embodiment, the gas injection channel (130) may include a gas injection portion (131), a first gas guide portion (132), a spiral gas guide portion (133), a second gas guide portion (134), and a gas discharge portion (135).

상기 가스주입부(131)는 상기 전방 전극의 후방측 측면을 향해 상기 플라즈마 가스를 공급할 수 있다.The above gas injection unit (131) can supply the plasma gas toward the rear side of the front electrode.

상기 제1 가스 가이드부(132)는 상기 가스주입부(131)의 말단에 대응되는 상기 전방 전극(111)의 측면의 일지점으로부터 상기 전방 전극(111)의 내부를 관통하여 상기 전방 전극(111)의 전방측을 향해 연장될 수 있다. 이때, 상기 제1 가스 가이드부(132)는 상기 전방 전극(111)의 전방측 단부까지 관통하지 않는 길이로 연장될 수 있다. 즉, 상기 전방 전극(111)의 전방측에서 노출되지 않는다.The first gas guide portion (132) may extend from a point on the side surface of the front electrode (111) corresponding to the end of the gas injection portion (131) through the interior of the front electrode (111) toward the front side of the front electrode (111). At this time, the first gas guide portion (132) may extend to a length that does not penetrate to the front end of the front electrode (111). That is, it is not exposed on the front side of the front electrode (111).

상기 나선형 가스 가이드부(133)는 상기 제1 가스 가이드부(132)의 말단으로부터 상기 전방 전극(111)의 길이방향을 따라 상기 전방 전극(111)의 후방측을 향해 나선형으로 연장되어 상기 토출구(111a) 둘레를 나선형으로 둘러쌀 수 있다. 이러한 나선형 가스 가이드부(133)는 상기 플라즈마 가스가 상기 토출구(111a) 둘레를 나선형으로 선회하도록 하여 상기 플라즈마 가스의 이동을 지연시킬 수 있다.The above spiral gas guide portion (133) may extend spirally from the end of the first gas guide portion (132) toward the rear side of the front electrode (111) along the length direction of the front electrode (111) and may spirally surround the discharge port (111a). This spiral gas guide portion (133) may delay the movement of the plasma gas by allowing the plasma gas to spirally circle the discharge port (111a).

상기 제2 가스 가이드부(134)는 상기 나선형 가스 가이드부(133)의 말단으로부터 상기 제1 가스 가이드부(132)가 시작되는 상기 전방 전극(111)의 후방측의 측면의 일지점과 다른 후방측의 측면의 일지점을 향해 연장될 수 있다.The second gas guide part (134) can extend from the end of the spiral gas guide part (133) toward a point on the side of the rear side of the front electrode (111) where the first gas guide part (132) begins and toward a point on the side of the other rear side.

상기 가스배출부(135)는 상기 제2 가스 가이드부(134)의 말단으로부터 상기 후방 전극(112)에 마주하는 상기 절연 몸체(120)의 일면을 향해 연장되어 상기 절연 몸체(120)를 관통할 수 있다. 상기 가스배출부(135)를 통해 상기 제1 가스 가이드부(132), 상기 나선형 가스 가이드부(133) 및 상기 제2 가스 가이드부(134)를 경유한 플라즈마 가스가 배출될 수 있다.The gas discharge portion (135) may extend from the end of the second gas guide portion (134) toward one surface of the insulating body (120) facing the rear electrode (112) and may penetrate the insulating body (120). The plasma gas passing through the first gas guide portion (132), the spiral gas guide portion (133), and the second gas guide portion (134) may be discharged through the gas discharge portion (135).

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치는 후방 전극 덮개(140), 후방 전극 하우징(151), 마그네틱 코일(160), 전방 전극 하우징(152), 외부 하우징(153), 하우징 덮개(170)를 포함할 수 있다.Meanwhile, a plasma torch according to one embodiment of the present invention may include a rear electrode cover (140), a rear electrode housing (151), a magnetic coil (160), a front electrode housing (152), an outer housing (153), and a housing cover (170).

상기 후방 전극 덮개(140)는 후방 전극(121)의 일측에 분리 가능하게 결합된다. 후방 전극 덮개(140)로 인해 후방 전극(112)의 후방측은 폐쇄되게 된다. 상기 후방 전극 덮개(140)는 상기 후방 전극(112)의 후방측에서 상기 후방 전극(112)의 내부로 삽입될 수 있다. 이때, 상기 후방 전극 덮개(140)는 상기 후방 전극(112)을 압박하여 고정시킬 수 있다.The rear electrode cover (140) is detachably connected to one side of the rear electrode (121). The rear side of the rear electrode (112) is closed due to the rear electrode cover (140). The rear electrode cover (140) can be inserted into the interior of the rear electrode (112) from the rear side of the rear electrode (112). At this time, the rear electrode cover (140) can press and fix the rear electrode (112).

상기 후방 전극 하우징(151)은 외부 하우징(153)의 내부에서 상기 후방 전극(112) 및 상기 후방 전극 덮개(140)를 감싸며 형성된다. 상기 후방 전극 하우징(151)은 상기 후방 전극(112) 및 상기 후방 전극 덮개(140)를 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 한다. The rear electrode housing (151) is formed to surround the rear electrode (112) and the rear electrode cover (140) inside the outer housing (153). The rear electrode housing (151) serves to protect the rear electrode (112) and the rear electrode cover (140) from the external environment.

상기 마그네틱 코일(160)은 상기 후방 전극 하우징(151)의 외주면에 형성된다. 상기 마그네틱 코일(160)은 상기 후방 전극 하우징(151)의 외주면에 솔레노이드 형태의 인입선을 여러 번 권취하여 형성할 수 있다. 상기 마그네틱 코일(160)의 일단은 플라즈마 토치의 전원(미도시)에 연결되고, 마그네틱 코일(160)의 타단은 상기 후방 전극 하우징(151)에 연결되어 상기 후방 전극(112)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 자기장을 형성하기 위한 별도의 자장 형성용 전원 없이 플라즈마 토치의 전원(미도시)만으로도 자기장을 형성할 수 있게 된다.The magnetic coil (160) is formed on the outer surface of the rear electrode housing (151). The magnetic coil (160) can be formed by winding a solenoid-shaped lead wire several times around the outer surface of the rear electrode housing (151). One end of the magnetic coil (160) is connected to a power source (not shown) of the plasma torch, and the other end of the magnetic coil (160) is connected to the rear electrode housing (151) so as to be electrically connected to the rear electrode (112). In this case, a magnetic field can be formed only with the power source (not shown) of the plasma torch without a separate power source for forming a magnetic field.

상기 전방 전극 하우징(152)은 상기 전방 전극(111)을 감싸며 형성된다. 상기 전방 전극 하우징(152)은 상기 전방 전극(111)을 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 한다. 상기 전방 전극 하우징(152)은 상기 외부 하우징(153)의 전방측 단부에 결합될 수 있다.The front electrode housing (152) is formed to surround the front electrode (111). The front electrode housing (152) serves to protect the front electrode (111) from the external environment. The front electrode housing (152) can be coupled to the front end of the external housing (153).

상기 외부 하우징(153)은 상기 절연 몸체(120), 상기 후방 전극(112), 및 상기 전방 전극(111)의 일부를 감싸며 형성될 수 있다. 상기 외부 하우징(153)은 상기 절연 몸체(120), 상기 후방 전극(112), 상기 마그네틱 코일(160)을 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 한다. 특히, 상기 절연 몸체(120) 및 상기 마그네틱 코일(160)은 외부로 노출되지 않고 상기 외부 하우징(153)에 의해 보호받게 된다.The above outer housing (153) may be formed to surround the insulating body (120), the rear electrode (112), and a portion of the front electrode (111). The outer housing (153) serves to protect the insulating body (120), the rear electrode (112), and the magnetic coil (160) from the external environment. In particular, the insulating body (120) and the magnetic coil (160) are not exposed to the outside and are protected by the outer housing (153).

상기 하우징 덮개(170)는 상기 외부 하우징(153)의 후방측 단부에 결합되어 상기 외부 하우징(153)을 밀폐한다.The above housing cover (170) is coupled to the rear end of the outer housing (153) to seal the outer housing (153).

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치는 절연 몸체 지지부재(180)를 포함할 수 있다.Meanwhile, a plasma torch according to one embodiment of the present invention may include an insulating body support member (180).

상기 절연 몸체 지지부재(180)는 환형으로 구비될 수 있고, 환형 형상의 일면으로부터 내측으로 오목한 절연 몸체 안착면(181)을 포함할 수 있다. 상기 절연 몸체 지지부재(180)는 상기 절연 몸체 안착면(181)이 상기 전방 전극(111)의 후방측을 향하도록 상기 전방 전극(111)의 후방측에 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 전방 전극(111)의 후방측 단부가 상기 절연 몸체 지지부재(180)의 내경에 삽입되어 상기 전방 전극(111)과 결합될 수 있다.The above-described insulating body support member (180) may be provided in an annular shape and may include an insulating body mounting surface (181) that is concave inward from one side of the annular shape. The insulating body support member (180) may be coupled to the rear side of the front electrode (111) such that the insulating body mounting surface (181) faces the rear side of the front electrode (111). For example, a rear end of the front electrode (111) may be inserted into the inner diameter of the insulating body support member (180) and coupled with the front electrode (111).

이러한 상기 절연 몸체 지지부재(180)가 구비되는 경우, 상기 가스주입부(131)는 상기 절연 몸체 지지부재(180)의 상기 후방 전극(112)을 향하는 일면으로부터 상기 전방 전극(111)의 측면과 면접하는 내면 중 상기 제1 가스 가이드부(132)에 대응되는 일지점을 향해 연장되는 홀 형태로 구비될 수 있고, 상기 가스배출부(135)는 상기 절연 몸체 지지부재(180)의 상기 전방 전극(111)의 측면과 면접하는 내면 중 상기 제2 가스 가이드부(134)의 말단에 대응되는 일지점으로부터 상기 절연 몸체(120)를 향해 연장되어 상기 절연 몸체(120)를 관통하는 홀 형태로 구비될 수 있다.When the insulating body support member (180) is provided, the gas injection part (131) may be provided in the form of a hole extending from one side of the insulating body support member (180) facing the rear electrode (112) toward a point corresponding to the first gas guide part (132) on the inner surface that interfaces with the side surface of the front electrode (111), and the gas discharge part (135) may be provided in the form of a hole extending from a point corresponding to the end of the second gas guide part (134) on the inner surface that interfaces with the side surface of the front electrode (111) of the insulating body support member (180) toward the insulating body (120) and penetrating the insulating body (120).

한편, 가스주입채널(130)은 상기 토출구(111a)의 후방측에 배치되어 상기 가스배출부(135)로부터 배출되는 상기 플라즈마 가스를 상기 토출구(111a) 방향으로 가이드하는 스월 형성 가이드부(136)를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the gas injection channel (130) may further include a swirl forming guide part (136) arranged at the rear side of the discharge port (111a) to guide the plasma gas discharged from the gas discharge part (135) toward the discharge port (111a).

일 실시예로, 상기 스월 형성 가이드부(136)는 상기 절연 몸체(120) 상에 배치될 수 있다. 이러한 경우, 상기 절연 몸체(120)는 제1 환형면(121), 제2 환형면(122), 제3 환형면(123), 및 원형 측면(124)을 포함할 수 있다.In one embodiment, the swirl forming guide portion (136) may be placed on the insulating body (120). In this case, the insulating body (120) may include a first annular surface (121), a second annular surface (122), a third annular surface (123), and a circular side surface (124).

상기 제1 환형면(121)은 상기 전방 전극(111)을 향하고, 상기 제2 환형면(122)은 상기 후방 전극(112)을 향하고 상기 제1 환형면(121)의 폭보다 좁은 폭으로 형성되며, 상기 제3 환형면(123)은 상기 후방 전극(112) 방향으로 상기 제2 환형면(122)보다 높게 위치하고, 상기 원형 측면(124)은 상기 제2 환형면(122) 및 상기 제3 환형면(123)의 원주 방향을 따라 형성되어 상기 제2 환형면(122) 및 상기 제3 환형면(123) 사이에 연결되고 상기 제2 환형면(122) 및 상기 제3 환형면(123)에 수직하게 형성된다.The first annular surface (121) faces the front electrode (111), the second annular surface (122) faces the rear electrode (112) and is formed with a width narrower than the width of the first annular surface (121), the third annular surface (123) is positioned higher than the second annular surface (122) in the direction of the rear electrode (112), and the circular side surface (124) is formed along the circumferential direction of the second annular surface (122) and the third annular surface (123) so as to be connected between the second annular surface (122) and the third annular surface (123) and formed perpendicular to the second annular surface (122) and the third annular surface (123).

이러한 절연 몸체(120) 구조에서, 상기 스월 형성 가이드부(136)는 상기 원형 측면(124)으로부터 상기 원형 측면(124)과 평행한 상기 절연 몸체(120)의 환형 형상의 내면에 관통되는 다수의 스월 형성 가이드구멍(136a)을 포함하고, 상기 다수의 스월 형성 가이드구멍(136a)은 상기 절연 몸체(120)의 원주 방향을 따라 배열된다. 이때, 상기 다수의 스월 형성 가이드구멍(136a)은 상기 절연 몸체(120)의 중심을 향하지 않는 사선형으로 연장될 수 있고, 상기 다수의 스월 형성 가이드구멍(136a)은 상기 전방 전극(111)의 후방측 단부 이상의 높이에 위치한다.In this insulating body (120) structure, the swirl forming guide portion (136) includes a plurality of swirl forming guide holes (136a) penetrating the inner surface of the circular shape of the insulating body (120) parallel to the circular side surface (124) from the circular side surface (124), and the plurality of swirl forming guide holes (136a) are arranged along the circumferential direction of the insulating body (120). At this time, the plurality of swirl forming guide holes (136a) may extend diagonally not toward the center of the insulating body (120), and the plurality of swirl forming guide holes (136a) are positioned at a height higher than the rear end of the front electrode (111).

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치에서 플라즈마 가스의 공급 경로 및 아크 플라즈마 발생 과정을 설명한다.Below, the supply path of plasma gas and the arc plasma generation process in a plasma torch according to one embodiment of the present invention are described.

아크 플라즈마에 의한 플라즈마 제트를 토출하기 위해, 플라즈마 가스는 가스주입채널(130)을 통해 주입된다.To eject a plasma jet by arc plasma, plasma gas is injected through a gas injection channel (130).

이때, 상기 플라즈마 가스는 먼저 상기 가스주입부(131)를 통해 가스주입채널(130)로 주입되고, 주입된 플라즈마 가스는 상기 제1 가스 가이드부(132)를 따라 상기 전방 전극(111)의 전방측 단부 방향으로 이동한다. At this time, the plasma gas is first injected into the gas injection channel (130) through the gas injection part (131), and the injected plasma gas moves toward the front end of the front electrode (111) along the first gas guide part (132).

이어서, 상기 플라즈마 가스는 상기 전방 전극(111)의 상기 토출구(111a) 둘레에서 상기 나선형 가스 가이드부(133)를 따라 나선형으로 선회하여 이동하면서 상기 전방 전극(111)의 후방측 단부 방향으로 이동한다. Next, the plasma gas moves in a spiral manner around the discharge port (111a) of the front electrode (111) along the spiral gas guide part (133) and moves toward the rear end of the front electrode (111).

이어서, 상기 플라즈마 가스는 상기 나선형 가스 가이드부(133)의 말단으로부터 상기 제2 가스 가이드부(134)를 따라 상기 전방 전극(111)의 후방측 단부로 이동한 후, 상기 제2 가스 가이드부(134)의 말단으로부터 상기 가스배출부(135)를 따라 이동하여 상기 절연 몸체(120) 방향으로 배출된다. 이때, 상기 가스배출부(135)를 통해 배출되는 플라즈마 가스는 상기 절연 몸체(120)의 제2 환형면(122)으로 배출된다.Next, the plasma gas moves from the end of the spiral gas guide part (133) along the second gas guide part (134) to the rear end of the front electrode (111), and then moves from the end of the second gas guide part (134) along the gas discharge part (135) and is discharged toward the insulating body (120). At this time, the plasma gas discharged through the gas discharge part (135) is discharged to the second annular surface (122) of the insulating body (120).

이어서, 상기 제2 환형면(122)으로 배출된 플라즈마 가스는 상기 제2 환형면(122)의 원주 방향을 따라 확산되면서 상기 절연 몸체(120)의 원형 측면(124)에 그 원주 방향으로 배열된 다수의 스월 형성 가이드구멍(136a)으로 유입된 후 상기 전방 전극(111)의 토출구(111a)를 향해 배출된다. 이때, 상기 다수의 스월 형성 가이드구멍(136a)은 상기 절연 몸체(120)의 중심을 향하지 않는 사선형으로 연장되므로 플라즈마 가스는 스월을 이루면서 상기 토출구(111a)의 내부로 주입되며, 이에 따라 상기 토출구(111a)의 내부로 주입되는 플라즈마 가스는 스월로 주입된다.Next, the plasma gas discharged to the second annular surface (122) is diffused along the circumferential direction of the second annular surface (122) and flows into a plurality of swirl-forming guide holes (136a) arranged in the circumferential direction on the circular side surface (124) of the insulating body (120) and then discharged toward the discharge port (111a) of the front electrode (111). At this time, since the plurality of swirl-forming guide holes (136a) extend diagonally and not toward the center of the insulating body (120), the plasma gas forms a swirl and is injected into the interior of the discharge port (111a), and accordingly, the plasma gas injected into the interior of the discharge port (111a) is injected as a swirl.

상기 토출구(111a)로 주입된 플라즈마 가스는 상기 마그네틱 코일(160), 전방 전극(111) 및 후방 전극(112)에 의해 발생되는 아크 방전에 의해 플라즈마화되어, 상기 토출구(111a)의 외부로 플라즈마 제트를 토출한다.The plasma gas injected into the above discharge port (111a) is converted into plasma by an arc discharge generated by the magnetic coil (160), front electrode (111), and rear electrode (112), and a plasma jet is discharged to the outside of the discharge port (111a).

상기 플라즈마 제트가 토출되는 동안 상기 플라즈마 가스는 상기 가스주입채널(130)을 통해 주입이 지속된다. 이때, 상기 플라즈마 가스는 상기 가스주입채널(130)을 경유하면서 예열되며, 특히 상기 플라즈마 가스는 상기 가스주입채널(130)을 경유할 때 주입 경로는 상기 토출구(111a)의 전방이고, 배출 경로는 상기 주입 경로의 역방향이고, 상기 나선형 가스 가이드부(133)를 통해 선회하여 이동하므로 상기 플라즈마 가스의 이동 시간이 길어지며, 이에 따라 상기 플라즈마 가스는 상기 가스주입채널(130)을 경유하면서 효율적으로 예열된다. While the plasma jet is ejected, the plasma gas is continuously injected through the gas injection channel (130). At this time, the plasma gas is preheated while passing through the gas injection channel (130). In particular, when the plasma gas passes through the gas injection channel (130), the injection path is in front of the discharge port (111a), the discharge path is in the reverse direction of the injection path, and the plasma gas moves in a circular motion through the spiral gas guide part (133), so the movement time of the plasma gas becomes longer, and accordingly, the plasma gas is efficiently preheated while passing through the gas injection channel (130).

따라서, 상기 플라즈마 가스는 상기 토출구(111a) 내부로 주입되기 전에 충분히 예열된 후 고온으로 공급되므로 플라즈마 생성 효율이 향상될 수 있다.Accordingly, since the plasma gas is sufficiently preheated and then supplied at a high temperature before being injected into the discharge port (111a), the plasma generation efficiency can be improved.

이러한 본 발명에 따른 플라즈마 토치에 따르면, 플라즈마 생성을 위한 플라즈마 가스가 충분히 가열된 후 고온으로 주입되므로 고온의 플라즈마를 효율적으로 생성할 수 있는 이점이 있다.According to the plasma torch according to the present invention, there is an advantage in that high-temperature plasma can be efficiently generated because plasma gas for plasma generation is sufficiently heated and then injected at a high temperature.

또한, 상기 플라즈마 가스는 상기 전방 전극(111)의 토출구(111a)로 주입될 때 스월로 주입되므로 상기 토출구(111a) 내에 생성되는 아크 플라즈마가 상기 토출구(111a)의 중심 방향으로 집중되어서 아크 플라즈마와 상기 전방 전극(111)의 내면과의 접촉을 감소시키며, 이에 따라, 상기 전방 전극(111)의 과열을 방지하여 상기 전방 전극(111)의 빠른 마모를 방지할 수 있고, 플라즈마 가스가 플라즈마 영역에 체류하는 시간이 길어져서 안정적인 플라즈마 생성이 가능해지는 이점이 있다.In addition, since the plasma gas is injected in a swirl manner into the discharge port (111a) of the front electrode (111), the arc plasma generated within the discharge port (111a) is concentrated toward the center of the discharge port (111a), thereby reducing contact between the arc plasma and the inner surface of the front electrode (111), thereby preventing overheating of the front electrode (111), thereby preventing rapid wear of the front electrode (111), and there is an advantage in that the time that the plasma gas remains in the plasma region is increased, thereby enabling stable plasma generation.

또한, 상기 플라즈마 가스가 상기 가스주입채널(130)을 경유하면서 상기 토출구(111a)를 감싸는 공기층이 형성될 수 있으므로 상기 전방 전극(111)의 냉각 효과가 부여될 수 있는 이점이 있다.In addition, since an air layer surrounding the discharge port (111a) can be formed while the plasma gas passes through the gas injection channel (130), there is an advantage in that a cooling effect can be imparted to the front electrode (111).

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.The description of the disclosed embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the invention. Various modifications to these embodiments will be apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the scope of the invention. Thus, the invention is not intended to be limited to the disclosed embodiments, but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.

Claims

A front electrode with a discharge port through its center;
An annular insulating body arranged on the rear side of the front electrode;
A rear electrode positioned spaced apart from the rear end of the front electrode with the insulating body interposed therebetween; and
It includes a gas injection channel configured to start injecting plasma gas from the rear end of the discharge port and spirally rotate around the discharge port and then inject the plasma gas into the discharge port from the rear end of the discharge port.
The above gas injection channel is,
A gas injection unit for supplying the plasma gas toward the rear side of the front electrode;
A first gas guide portion extending from a point on the side of the front electrode corresponding to the end of the gas injection portion through the interior of the front electrode and toward the front side of the front electrode;
A spiral gas guide portion extending spirally from the end of the first gas guide portion toward the rear side of the front electrode and spirally surrounding the discharge port;
A second gas guide portion extending from the end of the spiral gas guide portion toward a point on the side of the front electrode where the first gas guide portion begins and a point on the other side; and
Including a gas discharge portion extending from the end of the second gas guide portion toward one surface of the insulating body facing the rear electrode,
The plasma gas discharged through the above gas discharge portion is injected into the inside of the discharge port,
The above insulating body,
A first annular surface facing the front electrode;
A second annular surface facing the rear electrode and formed with a width narrower than the width of the first annular surface;
a third annular surface positioned higher than the second annular surface in the direction of the rear electrode; and
formed along the circumferential direction of the second annular surface and the third annular surface, connected between the second annular surface and the third annular surface, and including a circular side surface perpendicular to the second annular surface and the third annular surface,
Further comprising a plurality of swirl forming guide holes penetrating the inner surface of the annular shape of the insulating body parallel to the circular side from the circular side and arranged in a plurality along the circumferential direction of the insulating body,
The above swirl forming guide hole is arranged in a fluid communication manner in the space between the front electrode and the rear electrode,
The above-mentioned plurality of swirl forming guide holes are characterized in that they extend obliquely not toward the center of the insulating body.
Plasma torch.

delete

In the first paragraph,
The plasma gas discharged from the above plurality of swirl forming guide holes is characterized in that it is injected into the interior of the discharge port in a swirl form.
Plasma torch.

In the first paragraph,
The plasma gas is characterized in that it contains water.
Plasma torch.