KR20030060478A - 장수명 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 토치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공동형 토치와 그의 캐소드(이하 음극)와 아노드(이하 양극)의 수명을 장기화시키도록 하는 장수명 플라즈마 토치에 관한 것이다.

본 발명의 고출력 공동형 플라즈마 토치(Plasma Torch)는 토치 본체, 라이너형태의 공동형 음극, 양극, 상기 토치 본체의 소정의 위치에서 플라즈마 개스를 토치 내부로 공급하는 개스 공급부, 상기 토치 본체의 외주에 설치한 장시간 수명을 위한 음극용 냉각라인(water cooling line) 및 양극용 냉각라인(water cooling line)를 포함하는 것으로, 본 발명은 전극 수명을 길게 유지하기 위하여 자기유발 자장(self induced magnetic field)의 원리를 도입하여 대전류 플라즈마아크를 흘릴 때 플라즈마 토치에 전류를 공급하는 인입선을 음극과 양극의 외측에 솔레노이드 형태로 설치하여 플라즈마 아크 전류에 의한 방위각 방향의 자기장과 솔레노이드 형태로 설치된 인입선에 흐르는 전류에 의해 발생되는 축방향 자기장의 합성에 의한 회전자기장에 의해 플라즈마 토치의 아크를 회전시킴으로써 전극 표면에서 아크의 집중으로 인한 침식을 방지하고 열 손상을 저감하여 기존 토치의 가장 큰 문제점인 전극의 침식을 최소화 할 수 있도록 하는 한편 음극과 양극의 교체를 용이하게 할 수 있도록 한 것이다.

Description

장수명 플라즈마 토치{Long life plasma torch}

본 발명은 플라즈마 토치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공동형 토치와 그의 공동형 음극과 양극 수명을 장기화시키도록 하는 장수명 플라즈마 토치에 관한 것이다.

플라즈마 토치는 전극(electrodes)사이에서 플라즈마 아크칼럼(plasma arc column)을 발생, 유지하는 장치로서 이것이 응용되는 공정에 반응열과 반응 개스를 제공함으로써, 결과적으로 반응물이 이온화 및 해리되어 반응을 촉진시키는 역할을 한다.

대부분의 플라즈마 토치는 플라즈마 아크칼럼이 전극들 사이에서 생성되며, 전극들 사이에 주입된 개스의 유속과 유량에 의해 유지되는 구조를 갖게 되고, 사용되는 개스로는 공기, 산소, 질소, 메탄 등 응용되는 분야에 따라 다양하게 사용되며, 이는 유기물이 많이 포함되어 있는 유해 폐기물의 처리에 적합하다.

이러한 공동형 플라즈마 토치는 온도가 매우 높으면서 무오염원이고 운전이 용이하며 플라즈마의 온도와 속도가 운전전류와 기체유량과 유속의 조정에 따라 조절된다는 장점을 가지고 있으며, 흘려주는 개스의 압력은 저진공부터 높은 기압까지 다양하게 사용된다.

그 외의 주요한 요소로는 플라즈마 토치의 전압, 전류조건을 충족시킬 전원(power supply)과 물(냉매)과 플라즈마 개스를 토치에 공급하고 흐름을 제어하는 개스 시스템(water/gas system), 양극과 공동형 음극의 수명을 연장할 수 있는 냉각라인으로 구성된다.

플라즈마 토치는 아크칼럼을 통해 전류가 흐를 때, 플라즈마 아크칼럼의 전기적인 저항에 의해 전기에너지가 열에너지로 바뀌면서 가열되며, 가열된 플라즈마온도는 20,000K 이상까지 얻을 수 있는 것으로, 이러한 플라즈마 토치는 기존의 연소 방식의 열원보다도 초고온, 대열량을 얻을 수 있다.

또한 플라즈마와 접촉하고 있는 전극표면의 아크 루트(arc root)에서의 온도는 전극의 녹는점보다 높기 때문에 주로 냉각수로 냉각하여 전극의 침식을 최소화 하게 되고, 플라즈마 토치는 화학 반응에 참가하는 고체를 가열하여 녹이거나, 고체 또는 액체를 가열하여 증발시키거나, 또는 분자를 이온화 및 해리시키는데 사용될 수 있으며, 이러한 작업은 고온 및 그 화학반응에 견딜 수 있는 내화로에서 이루어진다.

플라즈마 토치를 전기적인 구분을 할 경우 크게 이송식(transferred type)과 비이송식(non-transferred type)의 두 종류로 구분되고, 음극의 형상 및 방전 매카니즘에 따라서는 막대형(solid) 음극과 공동형(hollow) 음극으로 구분될 수 있다.

이송식 플라즈마 토치는 주로 음극이 음의 전하를 가지고 있으며, 처리하고자 하는 재료가 양극의 역할을 하게 되고, 처리하고자 하는 재료는 전기적 도체이어야 하며, 이송식 토치가 가지는 중요한 점은 비이송식보다 입력되는 파워가 월등히 크다는 것이다.

비이송식 플라즈마 토치는 음극과 양극이 토치 본체에 내장되어 있어 전기적 흐름이 토치 내부에서 종결되며 전기적으로 중성의 아크 칼럼을 가지며, 플라즈마 온도는 노즐 끝에서부터 멀어질수록 급격히 감소하는 등, 이송식에 비해 효율이 떨어지게 되나 비이송식 토치는 전기적 부도체의 반응물을 처리할 수 있는 장점이 있다.

플라즈마 토치의 전력에 영향을 미치는 요소들로는 개스의 유량, 유속, 아크 전압, 전류밀도, 전극의 재료, 개스의 성분, 냉각수의 냉각능력, 이송식의 경우 플라즈마 아크 칼럼의 길이 등이 있으나, 실용적인 관점에서 플라즈마 토치의 전력과 절대적인 관계를 갖는 것이 음극과 양극을 포함한 전극의 수명으로써, 전극의 수명은 운전 비용면에서 뿐만 아니라 어떠한 공정에 응용될 때 연속 운전에 가장 큰 제한적인 요소로써 작용한다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고, 업계의 요구에 부응하기 위하여 안출 된 것으로, 본 발명의 목적은 공동형 음극과 양극의 수명을 장기화할 수 있는 공동형 플라즈마 토치를 제공하는 것이고 아크 밀도를 전극재료의 임계 손상값 이하가 되도록 국부방전을 방지하여 전극 표면에 균일한 방전영역을 가지게 하여 전극의 침식을 최소화하고 이러한 자장을 별도의 전원 없이 생성하도록 한 것이다.

또한 본 발명은 전극 소모시에 교체를 용이하게 할 수 있는 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.

도 1 은 본 발명의 플라즈마 토치 종단면도

도 2 는 본 발명의 플라즈마 토치 분해 단면도

도 3 은 본 발명의 양극의 분리상태 단면도

도 4 는 본 고안의 요부 단면도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10: 양극 12 : 양극링

14 : 솔레노이드 형태의 인입선

15 : 양극 하우징 16 : 냉각라인

20: 공동형 음극 22 : 음극링

24 : 솔레노이드 형태의 인입선

25 : 음극 하우징 26 : 냉각라인

30 : 절연체

본 발명은 플라즈마 토치의 공동형 음극과 양극의 집중적인 전류로 인한 아크가 한 곳에 집중되는 것을 막기 위하여 공동형 음극 및 양극 주위에 인입선을 솔레노이드 형태로 권회시켜 자기유발 자장(self induced magnetic field)의 원리를 도입했다.

또한 본 발명은 플라즈마 아크 전류에 의한 방위각 방향의 자기장과 솔레노이드 형태로 설치된 인입선에 흐르는 전류에 의해 발생되는 축방향 자기장의 합성에 의한 회전자기장에 의해 플라즈마 토치의 아크를 회전시킴으로써 전극 표면에서 아크의 집중으로 인한 침식을 방지하고 열 손상을 저감시킨다.

그리고 자기장을 형성하기 위해서는 토치의 전원 이외에 별도의 자장 형성용 전원이 필요하였지만 본 발명은 자장 형성을 위한 부가적인 전원 없이 플라즈마 토치의 주전원만으로도 자장을 형성할 수 있다.

또한 기존의 장치는 자장을 조절하는 전원조절장치가 별도로 설치되어야 하지만 본 발명은 아크의 세기에 따라 자기장의 세기가 스스로 조절되는 장점을 가지고 있으며, 이러한 자장의 조절에 의한 아크 루트의 움직임은 음극의 국부적인 침식을 방지하여 수명을 연장시키게 된다.

또한 본 발명의 플라즈마 토치는 무산소동을 공동형 음극으로 사용하고, 상기 공동형 음극은 착탈이 가능하도록 고안되어 있는 것으로, 이는 공동형 음극의 교체를 쉽게 하여주기 위함이며, 본 발명의 토치는 또한 아크를 발생시키는 공동형 음극과 양극에 냉각라인을 형성시켜서 높은 온도로 인한 전극의 마모를 최소화하여 토치의 수명을 장기화 할 수 있는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 토치를 잘 나타내는 단면도로써, 토치(1)는 공동형 음극(20), 양극(10), 테프론 절연체(30), 개스주입구(33), 음극(20)주변의 솔레노이드 형태의 인입선(24), 그리고 양극(10)주변의 솔레노이드 형태의 인입선(14), 양극(10)을 고정하고 냉각라인(16)이 설치된 양극 하우징(15), 공동형 음극(20)을 고정하고 냉각라인(26)이 설치된 음극 하우징(25)으로 구성된다.

본 발명의 양극(10)은 양극 하우징(15)에 걸림편(11)으로 끼워져 양극 고정링(12)으로 고정되고, 상기 양극 고정링(12)은 볼트(13)에 의해 양극 하우징(15)에 고정되며, 상기 양극 하우징(15)의 내부에는 양극(10)의 외측을 감싸는 냉각라인(16)을 형성하고, 상기 냉각라인(16)은 냉각수 주입구(17)와 냉각수 배출구(18)가 구비되어진다.

본 발명의 공동형 음극(20)은 음극 하우징(25)에 걸림핀(21)으로 끼워져 음극 고정링(22)으로 고정되고, 상기 음극 고정링(22)은 볼트(23)에 의해 음극 하우징(25)에 고정되며, 상기 음극 하우징(25)의 내부에는 음극(20)의 외측을 감싸는 냉각라인(26)을 형성하고, 상기 냉각라인(26)은 냉각수 주입구(27)와 냉각수 배출구(28)가 구비되어진다.

그리고 공동형 음극(20)의 재질은 무산소동이고, 양극(10)과 전기적 및 기계적으로 결합되어 있으며, 공동형 음극(20)의 과열을 방지하기 위해 공동형 음극(20)주위 둘레를 감싸고 있는 냉각라인(26)이 형성되어있고, 개스주입구(33)로부터 투입되는 반응개스가 난류(turbulence)를 형성하여 공동형 음극(20)은 냉각되면서 전체적인 열효율이 개선된다.

상기된 양극 하우징(15)과 음극 하우징(25)은 테프론 절연체(30)를 매개로 하여 결합되어지며, 상기 양극 하우징(15)과 음극 하우징(25)은 볼트(31)(32)에 의해 절연체(30)에 결합되어지고, 상기 절연체(30)에는 개스 주입구(33)가 형성된다.

상기 양극 하우징(15)의 외부에는 양극용 솔레노이드 형태의 인입선(14)을권회시킨 후 양극(10)에 연결되도록 하고, 음극 하우징(25)의 외부에는 음극용 솔레노이드 형태의 인입선(24)을 권회시킨 후 음극(20)에 연결되도록 한다.

그리고 양극(10)은 공동형 음극(20)의 전방에 위치하고 있으며, 무산소동(Oxygen Free High-conductive Copper: OFHC)을 사용한 것으로, 상기된 무산소동은 구리중에 포함되어있는 산소를 제거해서 구리의 전기 전도도와 열 전도도를 증가시켜 전기 전도도가 중요한 요소가 되는 대전류 전기 전도체 및 라디오 주파수(Radio Frequency : RF)또는 마이크로웨이브(microwave)의 도파관으로 사용되는 재질이다.

한편, 토치(1)의 구성금속은 양극(10), 공동형 음극(20) 등을 제외하고는 기본적으로 스테인레스 스틸(stainless steel)로 구성되어 있으며 이는 기계적 강도가 우수하고 부식에 잘 견디며, 열전도도가 구리에 비해 낮아서 토치 외부로의 열손실을 줄이고, 자기장의 투과성이 우수한 특징이 있다.

본 발명의 절연체(30)와 양극 하우징(15) 및 음극 하우징(25) 그리고 양극링(12)과 양극(10) 및 음극링(22)과 공동형 음극(20) 등의 결합부 사이는 패킹씰을 이용해서 씰링 시킴으로써 개스의 유출입을 막는다.

이하, 상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 토치(1)의 작용관계를 설명한다.

개스주입구(33)를 통하여 개스가 유입되고, 개스의 흐름에 따라 공동형 음극(20)이 위치한 내부공간의 개스압력은 낮아지게 되며, 이같이 방전부위 즉, 공동형 음극(20)이 위치한 내부공간의 개스압력이 낮아지게 되므로 낮은 전압에서 아크가 개시되고 유지된다.

토치(1)의 음극(20)주변 및 양극(10) 주변에는 자기유발 자장용 솔레노이드 형태의 인입선(14)(24)이 설치되어 있어 자장이 자동으로 형성되고, 공동형 음극(20)과 양극(10)의 소모가 전 표면에 결쳐 균일하게 이루어지게 된다.

본 발명에서 공동형 음극(20)은 볼트(32)를 풀어 절연체(30)에서 음극 하우징(25)을 분리하고 다시 볼트(23)를 풀어 음극링(22)을 풀면 교체가 가능하게 된다.

한편, 본 발명의 토치의 사용 용도로는 플라즈마 용융 및 환원(금속 및 비금속 광물), 난분해성 물질의 소각, 원자로 폐기물의 열분해 및 고화처리, 원자로 해체작업 등이 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

1) 캐소드주변 및 양극 주변에 자기유발 자장용 솔레노이드 형태의 인입선 (self induced magnetic field)이 위치하고 있어 공동형 음극과 양극의 소모가 전표면에 결쳐 균일하게 이루어질 수 있으므로 플라즈마 토치의 수명을 연장할 수 있다.

2) 별도의 전원장치 없이 자기유발 자장의 원리로 자장을 형성한다.

3) 자장의 변화는 아크의 세기에 따라 스스로 조절된다.

4) 공동형 음극의 교체가 단순히 볼트의 해체 및 체결로 이루어지므로 간단하고 신속히 이루어질 수 있으므로 음극의 교체로 인한 작업중단의 시간이 짧다.

5) 공동형 음극과 양극 주위의 둘레에 냉각라인을 형성하여 다른 토치보다 전극의 수명을 장기화 할 수 있다.

6) 대부분의 개스(Air, pure-Oxygen, Nitrogen, Hydrogen etc)에서 작용할 수 있다.

7) 전극의 수명이 플라즈마 개스에 따라 200-1000시간동안 장수명을 유지 할 수 있다.

한편 본 발명에 따른 다양한 개량이 있을 수 있고, 이런 개량은 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이며 이는 첨부된 청구범위를 통해서 알 수 있다.

Claims (4)

1. 양극 하우징(15)과 음극 하우징(25)의 외측에는 각각 양극(10)과 공동형 음극(20)에 전기적으로 결합된 솔레노이드 형태의 인입선(14)(24)를 권회시켜 플라즈마 아크 전류에 의한 방위각 방향의 자기장과 솔레노이드 형태로 설치된 인입선에 흐르는 전류에 의해 발생되는 축방향 자기장의 합성에 의한 회전자기장에 의해 플라즈마 토치의 아크를 회전시킴으로써 전극 표면에서 아크의 집중을 방지는 것을 특징으로 하는 장수명 플라즈마 토치.
2. 제 1 항에 있어서, 솔레노이드 형태의 인입선(14)(24)은 전극에 인가되는 전원이 공급되고 자기유발 자장(self induced magnetic field)이 가능한 것을 특징으로 하는 장수명 플라즈마 토치.
3. 양극(10)을 고정시키는 양극 하우징(15)과, 공동형 음극(20)을 고정시키는 음극 하우징(25)과, 상기 양극 하우징(15)과 음극 하우징(25)사이에 위치되고 양극 하우징(15)과 음극 하우징(25)을 볼트(31)(32)로 결합시켜 플라즈마 토치의 전극 교체가 용이하게 구성된 것을 특징으로 하는 장수명 플라즈마 토치.
4. 제 3 항에 있어서, 양극 하우징(15)의 내부에는 양극(10)주위 둘레를 감싸는 냉각라인(16)을 형성하고, 음극 하우징(25)의 내부에도 음극(20)주위 둘레를 감싸는 냉각라인(26)을 형성한 것을 특징으로 하는 장수명 플라즈마 토치.