KR20030077369A - 계단형 노즐 구조를 갖는 자장인가형 비이송식 플라즈마토치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 용사, 신소재 합성, 화학증착 등의 소재공정용으로 광범위하게 사용되는 열플라즈마를 발생시키기 위한 비이송식 플라즈마 토치에 관한 것으로, 토치 구성의 핵심인 음극, 양극노즐, 기체주입링, 냉각수 공급 라인의 설계 개선과 자기장의 이용을 통한 전극 및 토치 수명의 연장, 토치 열효율 개선으로 응용 공정의 다양화와 안정된 열플라즈마 유체를 발생시킬 수 있는 계단형 노즐을 채택한 자석 삽입형 플라즈마 토치에 관한 것이다. 전극으로는 이트륨 텅스텐(Y-W)을 사용한 원뿔형태의 막대 음극(10)과 무산소동(OFHC)을 사용한 계단형 노즐모양의 양극(20)을 기본적인 형태로 하였다. 계단형 구조의 노즐은 아크 요동 주파수를 높이면서 요동 폭을 감소시켜 안정된 열플라즈마 제트를 발생시키며, 노즐 둘레에 영구자석을 설치하여 자기장을 인가함으로써 발생되는 로렌쯔힘으로 아크점(25)을 회전시켜 전극의 침식을 줄이는 한편 아크기둥(26)의 연장에 의한 방전전압의 상승효과를 얻어 동일한 전력에서 아크전류를 낮춤으로써 전극 침식 감소에 따른 노즐의 수명 연장을 기하였다. 이때, 아크기둥(26)과 아크점(25)의 전체 영역에서 균일한 자기장을 갖도록 하기 위하여 노즐 전체를 감싸도록 영구자석(8)을 배치하였으며 동시에 냉각수 유로 확보와 원활한 흐름을 위하여 냉각수분할편1(5), 냉각수분할편2(50), 냉각수분할편3(51)을 따로이 설치하여 냉각수 유로를 개선함으로써 전극과 토치 몸체의 손상을 최소화하였다. 기체압축링(30)을 도입하여 기체주입링(3)을 통하여 주입된 기체의 와류성분의 감소를 최소화함으로써아크점(25)의 회전을 증진시켜 전극 침식을 막고 고출력 운전 시 많은 기체유량 주입이 원활히 이루어지도록 하였다. 이와 같이 전극 수명 연장, 열효율 개선, 안정 열플라즈마 발생의 효과를 증진시키도록 고안된 본 발명의 플라즈마 토치는 다양한 산업분야에서 고품질 고부가가치의 소재 공정용으로 사용될 수 있다.

Description

계단형 노즐 구조를 갖는 자장인가형 비이송식 플라즈마 토치{Non-Transferred Type Plasma Torch With Step-Shaped Nozzle}

본 발명의 목적은 플라즈마 용사, 신소재 합성, 화학증착 공정 등에 광범위하게 사용되는 열플라즈마를 발생시키기 위한 비이송식 플라즈마 토치에 관한 것으로, 특히 플라즈마 토치 구성의 핵심인 음극, 양극노즐, 기체주입링, 냉각수 공급 라인 등의 설계 개선과 자기장의 이용을 통하여 조립 및 부품 교체가 용이하며, 전극 및 토치 수명을 연장하고, 토치 열효율 개선하며, 다양한 노즐 구조의 채택이 가능하므로 응용 공정의 다양화와 와류안정화(vortex stabilization) 및 자기장안정화(magnetic stabilization) 방법의 채택으로 안정한 열플라즈마 유체를 발생시킬 수 있는 계단형 노즐 구조를 갖는 자석 삽입형 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.

플라즈마 토치는 전극 사이에서 방전에 의해 아크 기둥(arc column)을 생성, 유지하는 장치로서, 플라즈마 토치 운전을 위해서는 토치에 전압, 전류를 공급하는 전원(power supply)과 전극을 냉각시키기 위한 냉각수와 플라즈마 형성 기체를 토치에 공급하고 이들의 흐름을 제어하는 냉각수/ 기체 공급 시스템(coolant/ gassupply system)이 필요하다. 플라즈마 토치는 고체를 가열하여 녹이거나, 고체 또는 액체를 가열하여 증발시키거나, 또는 기체를 가열하여 엔탈피를 증가시키는 데 사용될 수 있다. 이러한 작업은 일반적으로 2000 K 이상을 견딜 수 있는 내화로에서 이루어지거나, 고융점 물질의 용사 코팅, 초미세 분말의 합성, 화학증착 등 산업응용 확대와 더불어 신기술 개발을 위한 다양한 분야에서 플라즈마 토치의 필요성이 증가하고 있다. 플라즈마 토치는 용접, 절단과 같은 기계 가공의 단순공정에도 사용됨은 물론 공정상의 부가가치가 높은 신소재 생산 가공에 적용하여 플라즈마 공정 자체의 안정성, 신뢰성, 경제성 향상 측면에서 산업현장의 요구에 최대한 부응할 수 있다.

본 발명과 가장 관련 있는 종래의 플라즈마 토치 기술로는 노즐의 냉각을 극대화하려는 시도에서 냉각수와 노즐간의 접촉면적을 최대로 넓혀 노즐의 열전도를 향상시키는 냉각핀의 설치, 개별적인 노즐 냉각 채널의 가공을 통한 열전도 향상 등의 기술이 있으며, 또한 솔레노이드 코일을 사용하여 아크전류와의 작용으로 발생하는 로렌쯔 힘을 이용하여 음극 면에 생성되는 아크루트(arc root)를 회전시킴으로써 음극의 특정 부분의 집중적인 마모를 방지하는 효과를 얻는 등의 기술이 있다.

그런데 이러한 토치는 냉각핀 구조를 지닌 복잡한 노즐 제작공정 또는 솔레노이드를 작동하기 위한 부가 전원 설비 추가와 구조의 복잡화로 토치 제작 단가나 운전 단가를 상승시키는 단점이 있다. 한편, 노즐의 교체가 어려운 토치는 시간과 인력 투입에 따른 노즐 교체비용이 과다하게 들어가고 교체시 작업라인을 중단해야하므로 작업의 연속성이 저해되는 단점이 있다.

즉, 바람직한 플라즈마 토치는 양극노즐의 수명을 길게 하여야 하고, 노즐이나 기타 구성부품의 교체가 간편 용이하여야 하며 열효율이 높은 안정한 플라즈마 불꽃을 얻을 수 있어야 한다.

비이송식 플라즈마 토치 내부의 아크 방전은 시간에 따라 지속적으로 아크의 길이와 아크점(arc spot)이 변화하여 요동이 발생되는 것으로 알려져 있다. 즉, 노즐 부근의 아크 기둥은 플라즈마 유체의 드랙 힘(drag force)과 로렌쯔 힘의 균형점을 찾아서 시간적으로 성장하는 과정을 거치게 되고, 일정 시간이 지나 아크의 길이가 길어져 아크 내부의 전압강하가 아크 기둥과 노즐 내벽간의 절연 전압 이상이 되어 노즐 내부의 방전조건이 변하게 되면 새로운 아크점을 찾아 순간적으로 이동하게 되는 아크 션팅(shunting) 현상이 일어난다. 이 고유한 주파수와 진폭을 갖는 아크 전압의 요동은 플라즈마 제트를 시간 및 공간적으로 매우 균일하지 못하게 만드는 요인으로 작용하게 된다. 이러한 아크의 미시적인 요동을 제어하기 위해서 아크 길이와 양극의 아크점을 고정시키려는 다수의 시도들은 아크 길이의 고정과는 달리 아크 방전에 의해 집속된 열속이 노즐의 국부적인 표면에 집중되기 때문에 상대적으로 아크 션팅이 일어나는 경우에 비해 전극의 침식이 증가하게 된다. 이에 따른 전극의 수명 단축뿐만 아니라 침식되어 플라즈마에 혼입된 전극 물질에 의한 공정제품의 오염도 증가되기 때문에 기술적으로 해결해야할 문제가 발생하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 안정한 플라즈마 제트를 발생시켜 공정의 신뢰성과 품질의 균일성을 향상시킬 수 있는 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 노즐이나 전극의 침식을 최소화하여 노즐 및 전극의 수명을 장기화 할 수 있는 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 플라즈마 제트의 안정화 방법으로 계단형 노즐구조와 영구자석 삽입에 따른 자기장인가 방법을 채택하였다. 계단형 노즐 장착으로 계단영역에 유발된 강한 난류에 의한 빈번한 션팅을 유도함으로써 계단이 없는 원통형 노즐에 비해 노즐 내부에서 아크 길이가 성장되는 시간을 단축시켜 아크 전압의 요동 주파수를 높이면서 요동폭을 감소시킴으로써 플라즈마 제트의 안정화를 기하며, 계단형 노즐 외곽에 삽입된 영구자석에 의해서는 아크점을 회전시킴으로써 노즐의 국부적 손상을 방지하여 장시간 운전이 가능한 플라즈마 토치의 설계 제작에 관련된 기술적 문제를 해결하고자 한다.

도 1은 본 발명의 계단형 노즐 구조를 갖는 자장인가형 비이송식 플라즈마 토치.

도 2는 본 발명에 따른 도 1의 토치 내부에서 냉각수의 흐름과 전원의 공급을 보여주는 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 도 1의 토치 내부에서 플라즈마 기체의 흐름을 보여주는 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 도 1의 기체주입링의 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 도 1의 기체압축링의 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 도 1의 앞뚜껑의 측면도.

도 7은 본 발명에 따른 도 1의 계단형 노즐에서 영구자석의 기능을 설명하는 원리도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 음극지지대2 : 양극몸체1, 3 : 기체주입링

4 : 절연체5 : 냉각수분할편1, 6 : 양극몸체

2, 7 : 앞뚜껑8 : 영구자석10 : 음극

11 : 음극팁12 : 나사산1, 13 : 냉각수통로

1, 17 : 음극몸체20 : 양극노즐21 : 노즐계단

30 : 압축링37 : 테이퍼50 : 냉각수분할편

2, 51 : 냉각수분할편3, 71 : 뒷뚜껑

이하 본 발명을 첨부된 예시 도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 토치를 나타내는 단면도로서, 토치는 원뿔 막대형 음극(10), 양극 역할을 하는 계단형 구조의 양극노즐(20), 플라즈마 기체를 와류 운동을 하도록 주입하여 아크의 안정화를 기하는 기체주입링(3), 유로의 급격한 변화를 방지하여 기체의 와류 성분의 감소를 줄이면서 좁아지는 노즐 입구로 유도하는 기체압축링(30), 및 노즐 전 영역에 균일한 자기장을 인가하는 영구자석(8)이 기본적인 구성이다. 이 외에 음전원(-)과 냉각수를 토치에 동시에 공급하여 주는 음극지지대(1)와 음극(10)과 양극노즐(20)을 절연시켜 주면서 플라즈마 기체와 냉각수 통로의 일부분을 구성하는 절연체(4), 음극지지대(1)를 포함하여 절연체를 내부에 고정시키고 양전원(+)의 통로구실을 하면서 역시 절연체와 함께 플라즈마 기체와 냉각수 통로의 일부분을 구성하는 양극몸체1(2), 음극지지대(1)를 통하여 유입된 냉각수를 음극(10) 내부를 냉각시키고, 절연체(4)와 양극몸체1(2)이 구성하는 통로로 유도하기 위한 냉각수분할편1(5), 양극몸체1(2)를 빠져나온 냉각수를 양극노즐(20) 쪽으로 유도하는 냉각수분할편2(50), 양극노즐(20) 전 영역을 통과한 냉각수를 양극몸체2(6)의 냉각수출구(66)로 유도하는 냉각수분할편3(51), 상기 토치 구성부품을 감싸고 토치의 외관을 마무리지으며 양전원(+)을 공급하고 냉각수의 출구 역할을 하는 양극몸체2(6), 나사산4(61)에 의해 양극몸체2(6)와 연결되면서 노즐을 밀착하여 수밀성을 확보하여 주는 앞뚜껑(7), 볼트(72)에 의하여 양극몸체2(6)와 체결되어 토치 구성부품을 고정시키는 뒷뚜껑(71) 등으로 구성되어 있다. 황동 재질의 양극몸체1(2)은 원통형의 내부 공간에 음극지지대(1)와 양극노즐(20), 기체주입링(3)과 기체압축링(30), 양극노즐(20) 및 영구자석(8) 등 토치 주요 구성부품을 삽입할 수 있도록 하였다.

토치의 구성 재료는 음극과 노즐을 제외하고는 기본적으로 황동으로 되어 있으며 이는 가공성과 열전도도가 좋으며 기계적 강도 및 내부식성이 비교적 우수하며 자기장의 투과성이 우수한 특징이 있어 많은 열이 발생하는 장치로서 냉각이 뛰어나고 자기장을 왜곡하지 않음으로써 본 발명의 목적에 부합한다. 상기 뒷뚜껑(71)은 베이크라이트 재질로 하여 음극지지대(1)와 양극몸체1(2) 및 양극몸체2(6) 사이를 각각 절연시키면서 양극몸체2(6)와 볼트(72)로 체결되어 각 구성 부품이 고정되도록 하였다.

도 2는 본 발명에 따른 도 1의 토치 내부에서 냉각수의 흐름과 전원의 공급을 보여주는 단면도로서, 상기 음극(10)은 원뿔 막대 형태의 음극팁(11)과 무산소동 재질의 음극몸체(17)에 나사산1(12)을 이용하여 결합되어 있다. 황동 재질의 음극지지대(1)는 냉각수 입구(18)로 유입된 냉각수가 음극(10)을 냉각하고 양극노즐(20) 쪽으로 유도되도록 냉각수분할편1(5)으로 나뉘어지는 냉각수통로1(13)을 내부에 설치하였으며 좌측 끝부분에 나사산2(15)를 설치하여 음전원(-)과 냉각수의 공급 라인을 체결할 수 있도록 하였다. 또한, 공급된 냉각수를 노즐 쪽으로 보내기 위한 냉각수분할편1(5)이 삽입되어 있어 음극(10)을 돌아 나온 냉각수는 구멍1(14)을 통하여 노즐 쪽으로 방출된다. 음극지지대(1)의 우측 끝부분은 나사산3(16)를 가공하여 음극몸체(17)를 체결할 수 있도록 하였다. 한편, 음극팁(11)의 재질은 열전자의 방출이 용이하도록 일함수가 작고 스퍼터링 반응단면적이 작은 토륨 텅스텐(Th-W)의 사용이 일반적이나 토륨에 의한 방사능 피폭 가능성을 고려하여 이와 유사한 열전자 방출 특성을 갖는 이트륨 텅스텐(Y-W)을 사용하였다.

상기 양극노즐(20)은 음극(10)과 동축 상에 위치하며, 발생한 플라즈마 제트의 난류를 유발시키는 노즐계단(21)을 설치하였으며, 재료로는 무산소동(OFHC)을 사용하였다. 무산소동은 구리 중에 포함되어 있는 산소를 제거하여 구리의 전기전도도를 증가시킨 것으로 전기전도도가 중요한 요소로 작용하는 곳에 주로 사용되는 재질이다.

상기 영구자석(8)은 링 형태로 내부 공간으로는 양극노즐(20)이 삽입되며 자기장의 형상을 제어할 수 있도록 얇은 두께의 자석을 다수개 연결하는 방식을 취하였는데, 영구자석(8)이 양극노즐(20)을 외부에서 전체적으로 감싸도록 길게 설치하여 내부에 균일한 자기장을 형성시키도록 한 것이다. 영구자석(8)에 의한 자기장은 아크 전류와 작용에 의한 로렌쯔 힘을 발생시켜 이 힘에 영향을 받는 아크루트를 노즐 내부에서 회전시킴과 동시에 앞뒤로 움직이기까지 하는 효과가 있어 양극노즐(20) 전체를 골고루 소모시켜 양극노즐(20)의 수명을 연장하게 되며 부수적으로는 자기 핀치(magnetic pinch) 효과에 의한 아크기둥(26)의 수축과 아크기둥(26)의 길이의 변화에 따른 아크 전압의 상승을 가져와 동일한 운전조건에서 토치의 출력을 높일 수 있게 된다.

상기 냉각수분할편2(50)는 양극몸체1(2)의 구멍5(22)를 통과한 냉각수를 노즐 쪽으로 유도하며 양극노즐(20) 주변을 고르게 감싸며 냉각시킬 수 있도록 구멍9(53)를 가공하였다. 또한 영구자석(8)을 음극(10) 및 양극노즐(20)과 동축 상에 놓이도록 지지하는 가이드 역할을 한다.

상기 냉각수분할편3(51)은 기체압축링의 냉각수홈(32)을 통과한 냉각수를 구멍8(52)을 통하여 양극몸체2(6)의 냉각수 출구로 유도한다.

상기 양극몸체2(6)는 상기 토치 구성부품을 감싸며 양전원(+)의 공급과 냉각수의 출구 역할을 함과 동시에 토치 외관을 구성한다. 나사산5(62)에 구멍7(63)을 가공하여 기체 공급부와 연결되도록 하였으며 구멍6(65)과 연결된 나사산6(64)을 통하여는 양전원(+) 및 냉각수 공급 라인이 체결되도록 하였다.

상기 절연체(4)는 내수성과 가공성이 우수하고 비교적 경제적인 재질인 아세탈로 제작되었으며, 음극지지대(1)와 양극몸체1(2) 및 양극몸체2(6)를 각각 절연시킴으로써 궁극적으로 음극(10)과 양극노즐(20) 사이의 절연을 달성하고, 동시에 구멍2(41)를 통하여 냉각수를 양극노즐(20) 쪽으로 유도하고 구멍3(42)을 통해서 플라즈마 기체를 기체주입링(3) 쪽으로 유도한다. 한편 원통형 내부에 고정턱(43)을 두어 기체주입링(3)을 고정시키도록 하였고, 우측 끝에 지지계단(44)으로는 냉각수분할편3(51)이 밀착되게 하였다.

도 3은 본 발명에 따른 도 1의 토치 내부에서 플라즈마 기체의 흐름을 보여주는 단면도로서, 상기 황동 재질의 기체주입링(3)은 음극지지대(1) 및 절연체(4) 사이에 삽입되며 접선 방향으로 가공된 다수개의 구멍4(31)를 통하여 플라즈마 기체를 회전시켜 공급함으로써 불꽃의 와류 안정화(vortex stabilization)에 기여하도록 하였다. 한편, 여러 종류의 플라즈마 기체를 사용할 경우 기체들의 균일한 혼합을 위해 기체 혼합공간(33)을 두었으며, 음극지지대(1) 쪽에도 작은 주입공간(34)을 설치하여 회전하면서 주입되는 기체가 음극지지대(1) 벽면을 따라 접하여 진행하도록 하였다.

기체압축링(30)은 양극노즐(20)과 마찬가지로 무산소동 재질로 하여 내부를 테이퍼(37) 형태로 가공하여 부드럽게 줄어드는 단면을 갖도록 하여 급격한 유로의 변화에 의해 난류가 발생하여 와류 성분이 줄어드는 것을 방지하도록 하였으며 영구자석(8)을 밀착 고정시킬 수 있도록 제작하였다. 또한, 우측의 안쪽벽면(35)으로 양극노즐(20)이 삽입되어 고정턱(36)에 밀착되어 기체압축링(30)과 동축 상에고정되도록 하였다. 좌측의 테이퍼(37)진 안쪽면은 노즐입구(24)의 기본적인 형태로 결과적으로 이는 길게 확장된 노즐과 같이 다양한 형상의 노즐을 채택할 수 있는 여유 공간을 제공하는 역할도 함께 하도록 하였다. 한편, 우측 바깥벽면(38)에는 냉각수분할편3(51)이 삽입되며, 끝 부분에는 원주 방향을 따라 등간격으로 다수개의 냉각수홈(32)을 두어 양극노즐(20)을 통과한 냉각수를 냉각수분할편3(51)으로 유도하며, 이러한 구조를 채택함으로써 냉각수 유로가 양극노즐(20) 전 영역에 걸치도록 극대화 할 수 있다.

또한, 토치의 앞부분의 앞뚜껑(7)에 기체홈(73)을 설치하여 기체주입관(74)를 통하여 주입된 별도의 덮개 기체(shroud gas)가 체류공간(75)를 지나 노즐출구(23) 전방에서 회전하는 상태로 주입될 수 있도록 함으로써, 앞뚜껑(7)의 냉각을 이룸과 동시에 양극노즐(20)로부터 분사되는 플라즈마 불꽃이 차가운 주변 기체와 난류 혼합(turbulent mixing)되는 것을 방지하고 공정 분위기를 제어할 수 있도록 하였다.

도 4와 도 5는 각각 본 발명에 따른 도 1의 기체주입링(3)과 기체압축링(30)의 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 도 1의 앞뚜껑의 측면도로서, 토치의 앞부분은 양극몸체2(6)와 나사산4(61)로 체결되는 앞뚜껑(7)으로서 토치 구성 부품들의 결합을 마감하면서 양극노즐(20)을 밀착하여 수밀성을 확보하도록 하였다. 양극몸체2(6)와 연결되는 나사산4(61)의 체결부위를 해체함으로써 양극노즐(20) 교체 작업이 간단하며 신속히 이루어 질 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 앞뚜껑(7)에기체홈(73)을 설치하여 기체주입관(74)를 통하여 주입된 별도의 덮개 기체(shroud gas)가 체류공간(75)를 지나 노즐출구(23) 전방에서 회전하는 상태로 주입될 수 있도록 함으로써, 앞뚜껑(7)의 냉각을 이룸과 동시에 양극노즐(20)로부터 분사되는 플라즈마 불꽃이 차가운 주변 기체와 난류 혼합(turbulent mixing)되는 것을 방지하고 공정 분위기를 제어할 수 있도록 하였다.

도 7은 본 발명에 따른 도 1의 계단형 노즐에서 영구자석의 기능을 설명하는 원리도로서 이하, 상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 따른 토치의 작용관계를 설명한다.

기체주입링(3)을 통하여 플라즈마 기체가 -θ 방향으로 회전하면서 유입되고 음극(10)과 양극노즐(20) 사이에 전원으로부터 초기 점화용 고주파가 인가되면 아크 방전이 발생하게 된다. 또한 영구자석(8)에 의해 인가되는 자기장은 노즐출구(23) 쪽이 N극이 되도록 배치하여 인가되는 자기장의 축방향 성분, Bz은 -z 방향을 갖도록 하였다. 결과적으로 -r 방향을 갖는 아크 전류의 반경방향 성분, jr과의 벡터곱으로 표현되는 로렌쯔힘, jr × Bz는 -θ 방향으로 발생되어 기체주입링(3)을 통한 와류 성분과 함께 아크점(25)의 회전력을 배가시킴으로써 양극노즐(20)의 국부적 과열을 방지하고 고르게 침식되게 하여 양극노즐(20)의 수명을 연장시킨다. 양극노즐(20) 내부에 가공된 노즐계단(21)은 이 영역에서 강한 난류를 발생시켜 보다 빈번한 아크의 션팅을 유도함으로써 계단이 없는 원통형 노즐에 비해 아크 전압의 요동 주파수를 높이면서 요동폭을 감소시킴으로써 플라즈마 제트의 안정화 효과를 가져온다. 또한, 계단 구조의 노즐의 경우 좁은 입구에서차가운 기체의 유속이 증가하면서 유발되는 강한 열 핀치(thermal pinch) 효과와 자기장이 인가된 경우 이와 유사한 자기 핀치(magnetic pinch) 효과에 의해 아크 기둥이 수축되어 아크의 저항이 증가한 결과로 아크 전압이 상승하게 된다. 결과적으로 계단 구조의 노즐과 외부 자기장인가에 의한 평균 아크 전압의 상승은 동급의 아크 전류로 재래식 플라즈마 발생기를 운전할 경우보다 높은 출력을 달성할 수 있다.

전극의 교체는 앞뚜껑(7)과 양극몸체2(6)의 나사산4(61) 연결부위를 해체하여 수명이 다한 노즐을 꺼낸 뒤 새 노즐을 삽입하며, 음극(10)은 뒷뚜껑(71)의 볼트(72)를 해체하여 음극지지대(1)를 꺼낸 후 나사산3(16)으로 연결된 음극몸체(17)를 교체함으로써 이루어진다.

이상에서는 본 발명을 특정한 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명의 기술내용과 첨부된 청구범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가해질 수 있음은 당업자에게 명백하다. 따라서, 명세서 및 도면은 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 기술적 사항을 한정하는 것이 아니라, 단지 예시하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명은 동일한 입력 운전 조건에서 높은 아크 전압을 얻을 수 있도록 전극의 설계와 기체주입 방법과 기체유로를 개선함과 동시에 영구자석을 이용하여 자기장을 인가함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

1) 노즐 주변에 영구자석이 설치되어 아크 전류와의 작용으로 발생하는 로렌쯔 힘으로 아크를 회전시켜줌으로써 노즐의 국부적인 과열을 방지하여 노즐의 수명을 연장할 수 있다.

2) 테이퍼진 기체 압축링으로 기체의 와류 성분의 감소를 줄이고, 계단 구조의 노즐을 채택하여 아크 요동 주파수를 높이면서 요동폭을 감소시켜 안정한 플라즈마 제트를 발생시킬 수 있어 공정의 신뢰도 및 품질의 균일성 향상을 기할 수 있다.

3) 영구자석 삽입에 의한 자기장인가와 계단 구조의 노즐에 의한 아크의 수축효과로 아크 전압을 상승시킴으로써 낮은 전류에서도 고출력의 운전이 가능하며 이에 따라 전극의 침식율을 줄임으로써 토치의 전극 교체 주기를 연장할 수 있다.

Claims (6)

1. 양극 몸체, 원뿔 막대형 음극(10), 상기 음극을 지지하는 지지대(1), 상기 음극 전방 동축상에 위치한 양극 노즐(20), 플라즈마 기체를 주입하기 위한 기체 주입링(3) 및 상기 음극과 노즐을 냉각시키는 냉각수의 통로를 구비하고 있는 플라즈마 토치에 있어서,

   상기 양극 노즐 외주면에 구비되어 있는 영구자석(8) 및 상기 기체 주입링을 통하여 주입된 기체의 회전 성분 감소를 줄이고 기체를 노즐 입구까지 유도하는 안쪽 단면이 테이퍼진 형상을 가지는 기체 압축링(30)을 포함하고 있으며, 상기 양극 노즐은 안쪽면에 노즐 계단이 형성되어 있는 계단형 구조인 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 영구자석은 상기 계단형 양극 노즐의 외주면 전 영역에 걸쳐 축방향으로 연속적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기체 주입링은 원주 방향을 따라 등간격으로 일정각도로 경사지게 형성된 다수의 구멍을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 양극 몸체의 노즐 쪽에 나사산으로 결합되어 있는 앞뚜껑과 상기 양극 몸체의 음극 쪽에 볼트로 결합되어 있는 뒷뚜껑을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 앞뚜껑의 내벽과 상기 양극 노즐 출구 사이에 별도의 기체를 주입할 수 있는 기체홈(73)을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 영구자석의 양 끝단에는 상기 영구자석을 상기 음극 및 상기 양극노즐과 동축상에 위치하도록 고정하면서 냉각수가 노즐 주위로 고르게 유입되도록 하는 냉각수 분할편(50)이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.