KR20010053669A - 플라즈마 토치용 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 토치의 전극으로서, 센터링 스톤의 코스트를 저감시킴과 동시에 냉각수에 의한 냉각 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 전극(A)는 플라즈마 토치의 본체(11)에 형성한 설치 파이프(12)에 설치하기 위한 설치부(1)와, 몸통부(2)를 가지고 있으며, 몸통부(2)의 외주 소정 위치에 가이드부재가 되는 센터링 스톤(14)에 삽입되는 가이드부(3)를 형성함과 동시에 상기 가이드부(3)에 플라즈마 가스를 흐르게 하는 복수의 슬릿(4)을 형성한다. 가이드부(3) 및 슬릿(4)을 전극(A)에 형성함으로써 센터링 스톤(14)의 제조를 간략화하는 것이 가능해지며, 코스트를 저감시킬 수 있다. 전극(A)에 형성한 가이드 부재(3)에 상당하는 용량이 커져서 열용량이 증대된다. 전극(A)가 보유할 수 있는 열량이 많아지며, 냉각수에 의한 냉각 효율이 향상된다.

Description

플라즈마 토치용 전극{electrode for plasma torch}

본 발명은 냉각수에 의한 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마 토치용 전극에 관한 것이다.

플라즈마 가공법을 채용한 경우, 용접이나 절단 혹은 용사(溶射) 등 여러 가지 작업을 수행하는 것이 가능하다. 예를 들어, 플라즈마를 이용하여 강판을 절단하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 플라즈마 토치에 설치한 전극의 선단면 주위에 플라즈마화시키는 가스를 공급함과 동시에 상기 전극와 노즐 사이를 통전시켜 파일럿 아크를 형성, 노즐로부터 분사하고, 이 파일럿 아크가 강판과 접촉했을 때, 전극과 강판 사이를 통전시켜 메인 아크를 형성하고, 이 메인 아크에 의해 강판을 용융함과 동시에 용융물을 모재로부터 배제하면서 플라즈마 토치를 이동시킴으로써, 강판을 절단하고 있다.

여기서, 전극을 설치한 플라즈마 토치의 구성에 대해 도 5, 도 6에 따라 간단히 설명한다. 도면에 있어서, 전극(51)은 도전성을 가지며 동시에 외팔보(cantilever) 형상으로 형성된 설치 파이프(52)가 설치되어 있다. 이전극(51)은 내부에 나사를 형성한 설치부(51a)와, 외주가 원통형상으로 형성된 몸통부(51b)로 이루어지며, 상기 몸통부(51b)에 절연성을 갖는 센터링 스톤(53)이 장착되어 있다. 또한, 센터링 스톤(53)에는 도전성을 가진 노즐 부재(54)가 장착되며, 또한, 캡(55)이 장착되어 있다. 이 캡(55)은 플라즈마 토치의 본체(56)에 나사결합되어 있으며, 이로 인해 전극(51)은 외팔보 형상의 설치 파이프(52)에 설치되어 있음에도 불구하고, 본체(56)의 축심과 거의 일치되게 고정되어 있다.

센터링 스톤(53)은 전극(51)에 장착되었을 때, 상기 전극(51)의 외주부와의 사이에 플라즈마화시킬 가스의 통로를 형성함과 동시에, 전극(51)이 본체(56)의 축심으로부터 벗어나 있는 경우, 캡(55)의 본체(56)에 대한 장착에 수반되어 상기 전극(51)을 본체(56)의 축심에 일치시키는 기능과, 전극(51)과 본체(56)를 전기적으로 절연하는 기능을 갖는다. 이 때문에, 센터링 스톤(53)은 세라믹스에 의해 구성되며, 또한 전극(51)의 몸통부(51b)와 대향하는 부위에는 몸통부(51b)의 직경보다도 약간 큰 내부 직경을 가진 삽입결합부(53a)가 형성됨과 동시에 상기 삽입결합부(53a)에 복수의 유통홀(53b)이 형성되어 있다.

또한, 전극(51)의 표면으로부터 형성되는 파일럿 아크, 메인 아크는 극히 고온이기 때문에, 전극(51)은 냉각되어 있다. 즉, 설치 파이프(52)의 내부에는 냉각 파이프(57)가 배치되어 있으며, 전극(51)을 설치 파이프(52)에 설치했을 때, 냉각 파이프(57)의 선단이 전극(51)의 내부에 삽입되고, 화살표에 따라 공급된 냉각수에 의해 냉각된다.

센터링 스톤을 세라믹스에 의해 구성할 경우, 복수의 유통홀을 형성하는 것이 필수가 되며 가공이 복잡하여 코스트가 높다는 문제가 있다.

또한, 상기 종래의 전극에서는 외주에 세라믹스제인 센터링 스톤이 삽입되어 있으며, 상기 센터링 스톤에 플라즈마 가스의 유통로가 형성되어 있다. 이 센터링 스톤은 극히 열전도율이 낮기 때문에, 전극을 상기 센터링 스톤을 통해 냉각시키는 것은 기대할 수 없다는 문제가 있다. 이 때문에, 전극의 내부를 흐르는 냉각수의 냉각 효율을 어떻게 향상시킬지가 문제가 되고 있다.

본 발명의 목적은 센터링 스톤의 코스트를 저감함과 동시에 전극의 용적을 크게 함으로써 냉각수에 의한 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 플라즈마 토치용 전극을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 토치용 전극은 가이드 부재를 통해 플라즈마 토치의 설치부에 설치되며 선단면으로부터 방전되어 상기 선단면의 주위에 공급된 가스를 플라즈마화시키는 플라즈마 토치용 전극으로서, 외주면의 소정 부위에 가이드 부재로 삽입되는 가이드부를 형성함과 동시에 상기 가이드부에 플라즈마화시키는 가스를 흐르게 하는 유통로를 형성한 것이다.

상기 전극에서는 전극 외주면의 소정 부위에 플라즈마화시킬 가스(플라즈마 가스)를 유통시키는 유통로를 형성하였으므로, 전극을 삽입하는 가이드 부재가 되는 센터링 스톤에 플라즈마 가스의 유통로를 형성할 필요가 없다. 이 때문에, 센터링 스톤의 코스트를 저감할 수 있다.

또한, 전극 외주면의 소정부위에 유통로를 형성함으로써, 상기 전극의 용접을 크게 하여 열용량을 증가시킬 수 있다. 이 때문에, 전극 자체가 보유할 수 있는 열이 많아지며, 냉각수에 의한 냉각 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 유통로를 플라즈마 가스가 흐를 때에 상기 플라즈마 가스에 의해 전극을 냉각할 수 있으며, 전극에 대한 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

도 1은 제1 실시예에 따른 전극의 구성을 설명하는 도면.

도 2는 플라즈마 토치의 구성예를 나타내는 단면도.

도 3은 가이드 부재와 전극의 관계를 설명하는 도면.

도 4는 제2 실시예에 따른 전극의 구성을 설명하는 도면.

도 5는 종래의 전극을 설치한 플라즈마 토치의 구성을 설명하는 도면.

도 6은 종래의 전극과 센터링 스톤의 관계를 설명하는 도면.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호 설명〉

A, B : 전극 1 : 설치부

2 : 몸통부 3 : 가이드부

4 : 슬릿 5 : 전극재

6 : 홀 7 : 나사부

8 : 홀 11 : 본체

12 : 설치 파이프 13 : 냉각 파이프

14 : 센터링 스톤 14a, 14b : 홀

15 : 노즐 부재 15a : 노즐

16 : 캡 17 : 축심

18, 20 : 통로 19 : 플라즈마실

21 : 용기 머리 22 : 2차 기류실

이하, 상기 전극의 바람직한 실시 형태에 대해 도면을 이용하여 설명한다. 도 1은 제1 실시예에 따른 전극의 구성을 설명하는 도면이다. 도 2은 플라즈마 토치의 구성예를 나타내는 단면도이다. 도 3은 가이드 부재와 전극의 관계를 설명하는 도면이다. 도 4는 제2 실시예에 따른 전극의 구성을 설명하는 도면이다.

도 1에 있어서, 전극 A는 도 2에 나타낸 플라즈마 토치의 본체(11)에 형성한 설치 파이프(12)에 설치하기 위한 설치부(1)와 몸통부(2)를 가지고 있다. 몸통부(2)의 외주부위에는 미리 설정된 외경을 가진 가이드부(3)가 형성되어 있으며, 이 가이드부(3)에 플라즈마 가스의 유통로가 될 복수의 슬릿(4)이 형성되어 있다. 또한 전극 A에는 하프늄 등으로 이루어진 전극재(5)가 배치되어 있다.

상기 전극 A에 있어서, 종래부터 제조되고 있는 전극과 다른 점은 가이드부(3) 및 상기 가이드부(3)에 형성된 슬릿(4)에 있다. 즉, 전극(A)는 가이드부(3), 슬릿(4) 이외의 구성인 설치부(1), 몸통부(2), 전극재(5)는 종래의 전극과 완전히 동일하다. 이 때문에, 종래의 전극에 비해 슬릿(4)을 제한 가이드부(3)에대응하는 분만큼 용량이 커지며, 이에 따라 열용량이 커진다. 즉, 종래의 전극에 비해 많은 열을 보유할 수 있게 된다.

전극 A의 내부에는 상기 전극(A)을 설치 파이프(12)에 설치했을 때에 삽입되는 냉각 파이프(13)에 의해 냉각수의 유통로를 형성하는 홀(6)이 형성되어 있으며, 상기 홀(6)의 출구측으로 설치부(1)와 대응하는 부위에는 나사부(7)가 형성되어 있다. 그러나, 플라즈마 토치의 형식에 따라서는 단순히 설치 파이프(12)에 삽입함으로써 설치하는 것이 가능한 것도 있으며, 이 경우, 나사부(7)는 반드시 필요한 것이 아니다.

가이드부(3)는 전극 A의 몸통부(2)와 일체적으로 형성되어 있으며, 가이드 부재가 되는 센터링 스톤(14)의 내경보다도 약간 작은 외경을 갖고 형성되어 있다. 이 때문에, 전극(A)을 설치 파이프(12)에 설치한 후, 상기 전극(A)에 선터링 스톤(14), 노즐 부재(15) 및 캡(16)을 순차적으로 장착하여, 캡(16)을 본체(11)에 나사결합함으로서, 자유상태에 있는 설치 파이프(12)가 플라즈마 토치의 축심(17)에 대하여 경사져 있는 경우, 이 경사를 교정하여 전극(A)의 전극재(5)를 축심(17)에 거의 일치시키는 것이 가능하다.

가이드부(3)에 형성되는 슬릿(4)의 수나 칫수는 미리 전극(A)의 설계 단계에서 설정되어 있다. 또한, 플라즈마 아크를 형성할 때, 플라즈마 가스를 선회시켜 전극(A)의 선단면으로 공급함으로써, 상기 전극(A)에서의 플라즈마 아크의 발생 위치를 가급적 축심에 일치시키거나, 혹은 축심 부근에 위치시킬 수 있는 것이 알려져 있다. 이 때문에, 통로(18)를 통해 공급된 플라즈마 가스를 전극(A)와 노즐 부재(15)와의 사이에 형성된 플라즈마실(19)로 선회시킨 상태에서 공급할 수 있도록, 슬릿(4)은 소정의 각도로 경사져 형성되어 있다.

상기와 같이 구성된 전극(A)는 절연성을 가지며 도 3에 나타낸 바와 같이 구성된 센터링 스톤(4)이 장착된다. 즉, 센터링 스톤(14)은 내부에 다른 직경을 가진 2개의 홀(14a)(14b)을 가지고 있으며, 홀(14a)에 전극(A)의 가이드부(3)가 결합되고, 홀(14b)에 전극(A)의 설치부(1)가 결합된다.

이 때문에, 센터링 스톤(14)은 종래의 센터링 스톤과 다르며, 내부에 플라즈마 가스를 유통시키는 유통로를 형성할 필요가 없으며, 상기 유통로의 형성에 필요한 공정을 생략하여 코스트의 저감을 도모하는 것이 가능하다.

이어, 상기 전극(A)을 설치한 플라즈마 토치에 대해 도 2에 의해 설명한다. 전극(A)는 본체(11)에 외팔보(cantilever)형상으로 형성되며, 또한 도시하지 않은 전원에 접속된 설치 파이프(12)에 나사결합에 의해 결합되어 있다. 그리고 파일럿 아크 또는 메인 아크를 형성하는 경우, 각 각 미리 설정된 전류가 인가되며, 노즐 부재(15)와의 사이 혹은 피가공재와의 사이에서 방전된다.

전극(A)를 설치 파이프(12)에 설치했을 때, 전극(A)의 내부에는 냉각 파이프(13)의 선단 부분이 삽입되며, 상기 냉각 파이프(13)를 통해 공급된 냉각수는, 전극(A)에 배치된 전극재(5)의 뒷면측에 충돌한 후, 전극(A)의 내면과 접촉하여 상기 전극(A)를 냉각시킨다. 그 후, 냉각수는 통로(20)를 통해 노즐 부재(15)를 냉각시킨 후, 외부로 배출된다.

설치 파이프(12)에 설치된 전극(A)에 센터링 스톤(14)이 장착되어 있다. 이때, 전극(A)에 형성된 가이드부(3)의 외주가 센터링 스톤(14)의 홀(14a) 내면과 접촉하여 안내된다. 상기 상태에서는 센터링 스톤(14)은 단지 전극(A)의 가이드부(3)에 장착되어 있음에 지나지 않으며, 전극(A)에 대해 어떠한 규제도 하고 있지않다.

상기 센터링 스톤(14)에 노즐 부재(15)가 장착되며, 이로 인해, 전극(A)와의 사이에 플라즈마실(19)을 형성하고 있다. 이 노즐 부재(115)는 센터링 스톤(14)에 장착했을 때 일부가 도전성을 갖는 용기 머리(21)에 접촉하고 있으며, 파일롯 아크를 형성할 때에 통전된다.

또한, 노즐 부재(15)에는 캡(16)이 장착되며, 상기 캡(16)을 본체(11)에 나사결합함으로써 전극(A)를 축심(17)에 거의 일치시키도록 규제하는 것이 가능하다. 또한, 캡(16)을 본체(11)에 나사결합했을 때, 상기 캡(16)과 노즐 부재(15) 사이에 2차 기류실(22)이 형성되며, 상기 2차 기류실(22)에 공급된 2차 가스를 노즐 부재(15)의 노즐(15a)로부터 분사하는 플라즈마 아크의 주위에 칼집모양으로 분사하는 것이 가능하다.

상기와 같이 구성된 플라즈마 토치에 있어서, 파일럿 아크 혹은 메인 아크를 형성할 때에 전극(A)에 대한 냉각은 다음과 같이 이루어진다.

즉, 냉각 파이프(13)로부터 유통된 냉각수는 전극(A)에 배치된 전극재(5)의 이면측에 충돌한 후, 상기 전극(A)의 내면과 접촉하면서 흐름으로써 열교환하여 냉각된다. 전극(A)는 종래의 전극에 비해, 슬릿(4)을 제외한 가이드 부재(3)에 대응하는 용량분 만큼 용량이 증가하고 있으며, 이 증가분에 상당하는 열용량이 증가하게 된다. 따라서, 전극(A)는 상기한 열용량의 증가분에 상당하는 분의 열을 여분으로 저장하는 것이 가능해진다. 또한, 전극(A)는 통전성을 확보하기 위해 일반적으로 동 또는 동합금에 의해 구성되어 있으며, 열전도율은 냉각수보다 크다. 이 때문에, 냉각수를 유통시킴으로써 원활하게 열교환하여 냉각하는 것이 가능해진다.

또한, 파일럿 아크 혹은 메인 아크를 형성할 때, 통로(18)를 통해 공급된 플라즈마 가스는 전극(A)의 가이드부(3)에 형성된 슬릿(4)을 통해 플라즈마실(19)로 흐른다. 이 과정에서, 플라즈마 가스는 전극(A)를 구성하고 있는 소재와 직접 접촉하게 되며, 가이드부(3) 및 슬릿(4)을 통과할 때에 접촉하는 표면적만큼, 종래의 전극에 비해 열교환 면적이 넓어지며, 냉각 효율을 보다 향상시키는 것이 가능해진다.

도 4는 제2 실시예에 따른 전극(B)의 구성을 설명하는 도면이다. 본 실시예에서는 전극(A)의 가이드부(3)에 형성된 슬릿(4)을 대신하여 홀(8)을 형성하고 있다. 이 홀(8)은 메인 아크를 형성할 때에 필요한 플라즈마 가스의 양에 따라 미리 설정된 직경과 수를 가지고 있으며, 슬릿(4)과 마찬가지로 소정의 각도로 경사져 있다.

상기와 같이 구성된 전극(B)에 있어서도, 상술한 전극(A)와 마찬가지로, 센터링 스톤(14)의 코스트를 저감시키는 것이 가능하며, 동시에 전극(B) 자체의 냉각 효율을 향상시키는 것이 가능하다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마 토치용 전극에서는전극의 외주부 소정부위에 가이드 부재에 삽입되는 가이드부를 형성함과 동시에 상기 가이드부로 플라즈마 가스를 유통시키는 유통로를 형성함으로써, 가이드 부재가 되는 센터링 스톤의 코스트를 저감할 수 있다.

또한, 전극의 외주부에 형성하는 가이드 부재에 상당하는 전극의 용량을 크게 할 수 있다. 이 때문에, 전극의 열용량이 커지게 되며, 상기 전극이 보유할 수 있는 열을 많게 하여 냉각수에 의한 냉각 효율을 향상할 수 있다. 또한, 전극의 외주에 형성된 유통로를 플라즈마 가스가 흐름으로써, 상기 플라즈마 가스가 전극의 소재와 직접 접촉하여 냉각할 수 있으며, 접촉 면적을 증가시켜 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 가이드 부재를 통해 플라즈마 토치의 설치부에 설치되어, 선단면으로부터 방전되어 상기 선단면의 주위에 공급된 가스를 플라즈마시키는 플라즈마 토치용 전극으로서, 외주면의 소정부위에 가이드 부재에 삽입되는 가이드부를 형성함과 함께 상기 가이드부에 플라즈마화시키는 가스를 유통시키는 유통로를 형성한 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극.