KR20040091448A - 플라즈마건 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양극 노즐의 냉각 면적 증대를 통한 노즐의 수명 연장과 음극 봉의 조절 너트를 이용하여 편리하게 플라즈마 상태를 확인하면서 양극 간격을 조절 할 수 있는 플라즈마건 장치를 제공한다.

본 발명은 양극 본체 부재에 의해 둘러쌓인 양극부 노즐과, 음극본체 부재에 의해 상기 양극부 노즐 입구와 간격을 두고 설치되는 음극부 전극과, 양극 본체 부재와 음극 본체 부재 사이에 삽입되어 이들 두 부재를 전기적으로 절연시키는 절연체 부재와, 양극 본체 부재와 음극 본체 부재를 연결하는 연결캡과, 상기 음극부 전극을 고정시키는 너트와, 양극부 노즐과 음극부 전극을 냉각하기 위해서 냉각수가 흐를 수 있도록 통로가 형성되어 있는 플라즈마건 장치에 있어서, 분말 파우더 공급구가 양극 부재 본체에서부터 플라즈마가 형성되는 노즐 내면까지 노즐 분사방향에 대해 수직방향으로 형성되고, 절연체 부재의 앞부분과 양극 본체 부재의 연결 부위에서는 원주 방향으로 플라즈마 형성을 위한 가스가 통과할 수 있도록 절연체 부재의 표면은 다수의 가스 통과홀이 분사방향에 대하여 경사지게 하여 벤투리 플로우 구역을 두며, 상기 양극부 노즐과 음극부 전극을 냉각하기 위한 냉각수 통로는 각각 별개로 구성되어지며, 상기 음극부 전극으로 사용된 음극봉을 이동시킬 수 있는 조절너트를 구비한다.

Description

플라즈마건 장치{A plasma gun}

본 발명은 플라즈건 장치에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 양극 노즐의 냉각 면적 증대를 통한 노즐의 수명 연장과 음극 봉의 조절 너트를 이용하여 편리하게 플라즈마 상태를 확인하면서 양극 간격을 조절 할 수 있고, 분말 공급장치를 통해 공급되는 고체 분말을 내부에서 발생된 고온, 고속의 플라즈마 제트를 이용하여 분말의 대량생산과 고체분말의 효율적인 표면처리를 위한 플라즈마건 장치에 관한 것이다.

일반적으로 열 플라즈마를 응용한 기술은 1960년대부터 본격화되기 시작하여 주변에서 흔히 볼 수 있는 용접 및 절단, 용사 등과 같이 소재의 가공공정에서 극히 제한된 분야에 응용되어 활용되기 시작한 이래 이종(異種)의 입자를 강제 혼합하여 제조한 복합재료의 생산 등 오늘날 나노기술 등의 첨단 기술분야의 비중이 증대함에 따라 나노 분말의 효율적인 생산과 표면처리를 통한 기능성을 갖는 분말의 제조를 위한 플라즈마건의 개발이 절실이 요구되어지고 있다.

플라즈마 아크 토치는 가스전도체인 플라즈마 발생장치로서 토치의 음극과 양극 사이에서 고주파에 의해 발생된 아크가 가스를 이온화하여 발생되는 고온의 열플라즈마 제트 속에 분말을 주입, 용융시켜 초고속으로 분사하여 급냉 응고에 의해 플라즈마 처리된 나노분말의 생산과 표면처리를 행하도록 된 것이다.

기존에 있는 플라즈마 아크 및 플라즈마 제트를 발생시키는 종래의 플라즈마건 장치에 대하여는 대한민국 특허등록 제10-323494호 등에서도 확인할 수 있다.

종래에 알려진 플라즈마건 장치는 크게 구분하여 노즐, 양극본체 부재, 전극, 절연체, 전극 홀더, 워터 채널링 헤드, 분말 공급장치 등으로 구성되어 있다.

플라즈마 제트를 형성하는 노즐은 양극 본체 부재와 함께 전기적으로 양극부에 해당하며, 또한 노즐의 입구부에 일정한 간격을 유지하면서 음극부인 전극이 구성되어 있다.

플라즈마 제트를 형성하기 위한 가스를 흘려주게 되면 노즐과 전극 사이에서 아크가 발생하며 이때 높은 온도에 의해서 가스가 해리되면서 플라즈마 제트를 형성하게 되며 이렇게 형성된 고온,고속의 플라즈마 제트는 노즐 입구를 통하여 출구로 분사되어지는데 이때 노즐 내부에서 아크가 발생하는 양극점은 매우 고온이므로 이를 냉각시키기 위해서는 양극 본체 부재에 형성된 통로를 따라 냉각수가 흐르도록 하여 냉각하게 되어 있는 시스템으로 구성되어 있다.

아크가 발생하는 양극점의 위치에 따라 출력전압의 차이가 발생하는데 일반적으로 음극과 양극 간격이 커질수록 전압은 상승하게 되어 플라즈마 제트의 출력이 증가된다.

음극부에 속하는 구성물로는 전극(텅스텐 음극봉), 전극홀더 및 너트로 이루어져 있으며 전극은 전극홀더에 의해서 고정되며 너트에 의해서 전극과 전극홀더가 일체형으로 구성되어 있다.

플라즈마 가스로 사용되는 아르곤이나 질소 등의 공급 가스는 절연체와 워터채널링 헤드 사이로 공급되어 절연체 앞 쪽에 관통된 구멍을 통해 전극과 노즐 내면 사이로 통과하면서 아크와 반응하여 플라즈마 제트가 발생한다.

분말공급장치는 노즐의 앞쪽 외부에 설치된다. 이렇게 설치된 분말공급장치를 통해 분말이 공급되어지면 이 분말은 노즐 입구로부터 나오는 고온, 고속의 플라즈마 제트와 만나게 된다.

상술한 종래 플라즈마건 장치에서는 분말 공급장치가 플라즈마 제트의 속도 및 에너지가 약하고 안정적이지 않은 노즐의 외부에 장착되어 있기 때문에 공급되어지는 분말이 플라즈마 고온영역으로의 주입이 어려울 뿐만 아니라 분말이 플라즈마의 외곽(저온영역) 부분에서 아주 짧은 시간동안만 플라즈마 처리되어 분말이 충분히 용융되어지지 못한다는 문제점을 갖고 있다.

또, 장시간 사용시에 노즐이 고온의 플라즈마에 의해서 손상되어 장시간 사용이 힘들다는 문제점을 가지고 있다.

또한, 플라즈마 형성시에 소모되는 음극봉에 따라 노즐내 아크가 발생하는 양극점의 위치가 이동하여 변화하는데 이를 효과적으로 조절할 수 있는 수단이 없다는 문제점을 갖고 있다.

또한, 음극의 소모가 과도히 진행되어 음극을 교체하여야 할 경우에는 일체형의 음극 전체를 교체해 주어야 함에 따라 과다한 비용이 소요되고, 교체 작업시간동안 분말 생산 작업을 중단해야 하므로 작업의 연속성이 떨어져 생산성에 차질을 빚게 되는 단점이 있다.

상술한 종래의 플라즈마 아크 토치가 지니고 있는 단점과 문제점을 보완하기 위해 안출된 본 발명은 플라즈마 고온영역으로의 분말 주입율을 높여 분말이 충분히 용융될 수 있게 하고 장시간 사용시 토치의 음극봉과 노즐의 냉각효율을 증진시키는 한편 사용시에 소모된 음극봉의 조절 및 손상된 음극봉의 교체가 용이하도록 하는 나노분말 양산용의 플라즈마 건 장치를 제공하는 데 목적을 두고 있다.

도 1 은 본 발명에 의한 플라즈마 건의 전체 구성을 보인 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

210 - 양극 본체 부재 211 - 분말 분사구

212 - 분말투입구 214 - 가스공급구

215 - 홀 216 - 냉국수 유입구

217 - 냉각수통로 218 - 냉각수 배출구

222 - 노즐 고정너트 230 - 노즐

310 - 음극 본체 부재 312 - 냉각수 배출구

313 - 냉각 통로 314 - 냉각수 유입구

330 - 음극봉 331 - 음극봉 홀더

332 - 고정너트 334 - 음극봉 거리 조절 너트

342 - 쐐기 형태 너트 410 - 절연체 부재

420 - 플라즈마 연결캡 430 - 볼트

OR - 오링

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은

양극 본체 부재에 의해 둘러쌓인 양극부 노즐과, 음극본체 부재에 의해 상기 양극부 노즐 입구와 간격을 두고 설치되는 음극부 전극과, 양극 본체 부재와 음극 본체 부재 사이에 삽입되어 이들 두 부재를 전기적으로 절연시키는 절연체 부재와, 양극 본체 부재와 음극 본체 부재를 연결하는 연결캡과, 상기 음극부 전극을 고정시키는 너트와, 양극부 노즐과 음극부 전극을 냉각하기 위해서 냉각수가 흐를 수 있도록 통로가 형성되어 있는 플라즈마건 장치에 있어서, 분말 파우더 공급구가 양극 부재 본체에서부터 플라즈마가 형성되는 노즐 내면까지 노즐 분사방향에 대해 수직방향으로 형성된 것을 특징으로 한다. 이와같이 구성함으로써 플라즈마 내 분말의 잔류시간을 증대시킬 수 있으며 외부가 아닌 노즐 내부에 공급함으로써 분말의 비산성을 크게 줄일 수 있어서 분말의 플라즈마 처리 효율을 증대할 수 있다.

또, 본 발명은 상술한 구성에 있어서, 절연체 부재의 앞부분과 양극 본체 부재의 연결 부위에서는 원주 방향으로 플라즈마 형성을 위한 가스가 통과할 수 있도록 절연체의 표면은 다수의 가스 통과홀이 분사방향에 대하여 경사지게 하여 벤투리 플로우 구역을 둔 것을 특징으로 한다. 이렇게 일정한 각도로 경사가 형성된 곳을 통과하는 가스가 소용돌이 형태로 회전함으로써 보다 효과적으로 플라즈마 출력전력을 상승시킬 수 있으며 분말을 플라즈마 형성 부근에 직접적으로 공급함으로써 효율을 증대시킬 수 있다.

또, 본 발명은 상술한 구성에 있어서, 상기 양극부 노즐과 음극부 전극을 냉각하기 위한 냉각수 통로는 각각 별개로 구성되어지되, 상기 양극부 노즐과 양극본체 부재 사이로 상기 양극부 노즐 전체를 둘러싸도록 원주상 냉각수 통로를 형성한 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성하면 노즐전체를 냉각수가 냉각시킬 수 있으므로 노즐의 냉각 단면적의 증가로 인하여 효율적인 냉각을 통해 노즐의 수명을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 상술한 구성에 있어서, 상기 음극부 전극으로 사용된 음극봉을 이동시킬 수 있는 조절너트를 구비하여 상기 음극봉과 양극부 노즐과의 간격을 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다. 이와같이 음극봉 조절너트를 이용하여 쉽게 양측 전극(음극, 양극)간 거리를 조절하여 플라즈마 형성시에 소모되는 음극에 따라 노즐내 양극점의 이동변화를 효과적으로 조절할 수 있어 플라즈마의상태를 효율적으로 제어할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1 은 본 발명에 의한 플라즈마 건의 전체 구성을 보인 종단면도로서, 전체적으로는 동심원상의 다중 원통형 구조로 이루어져 있다.

양극 본체 부재(210), 음극 본체 부재(310)가 절연체 부재(410)를 사이에 두고 결합되어지되, 상기 양극본체 부재(210)는 절연체 부재(410)와 플라즈마 연결캡(420)에 의해 결합되고, 절연체부재(410)와 음극본체 부재(310)는 볼트(430) 결합되어 있다.

양극 본체 부재(210)는 그 동심원 축 중앙부위에는 노즐(230)이 마련되어 있으며, 상기 노즐(230) 내측으로 분말을 공급할 수 있도록 분말 투입구(212)와, 플라즈마 형성을 위한 가스를 공급하기 위한 가스공급구(214)와, 노즐 냉각을 위한 냉각수 유입구(216) 및 냉각수 배출구(218)를 구비하고 있다.

상기 노즐(230)은 양극 본체 부재(210)와 분리형으로 설치되어 필요에 따라 노즐고정 너트(222)를 빼낸 후 분리할 수 있도록 되어 있다.

상기 냉각수 유입구(216)를 통해 유입되는 냉각수는 양극본체 부재와 노즐 사이에 형성되는 냉각수 통로(217)를 통하여 노즐(230) 전체를 냉각시킨 후 후방에 있는 냉각수 배출구(218) 통하여 외부로 배출되어진다.

상기 노즐(230)부분에는 3개의 홈이 발생하여 이곳에 오링(OR)을 설치하게되는데 이는 냉각수가 분말 공급부분과 개수 공급부분으로의 냉각수 유입을 막고 냉각수가 아크 발생부로 누출되는 것을 방지하도록 한 것이다.

본 발명은 분말 공급 위치를 플라즈마 형성되는 노즐(230) 위치의 아크 영역에 근접하게 수직방향으로 직접 공급하도록 분말 분사구(211)를 형성함으로써 상기 분말의 플라즈마 처리 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 분말 분사구(211)는 분말파우더유입구를 통해 유입된 분말을 배출하는 것으로서, 노즐 내면에 다수개로 구비되게 함이 바람직하다.

상기 음극 본체 부재(310)는 대략 다른 두개의 몸체(310a,310b)와 결합되어 이루어지고 냉각수 유입구(314) 및 냉각 통로(313) 및 냉각수 배출구(312)를 구비하고 있으며, 음극봉(330), 음극봉 홀더(331), 음극봉 지지대(310b), 음극봉 거리 조절 너트(334) 및 고정너트(332) 등을 갖추고 있다.

음극 측의 냉각은 양극 측와 별개로 설치하여 냉각효과를 증대시키고자 하였는데, 음극 본체 부재(310)에 연결되어 있는 냉각수 유입구(314)를 통해 유입되는 냉각수는 음극봉 지지대(310b) 외부의 냉각 통로(313)를 통하여 냉각수 배출구(312)를 흐르는 동안 음극 부재 본체(310) 전체부분과 음극봉 홀더(331)의 냉각이 이루어진다.

음극 본체 부재(310)의 후방부에는 음극봉(330)을 고정시키는 고정너트(332)와 이 고정된 음극봉(330)을 이동시킬 수 있는 거리조절 너트(334)를 설치하였는데 그 과정을 살펴보면 먼저 음극봉 거리조절 너트(334) 사이에 이 음극봉(330)을 잡아줄 수 있는 쐐기 형태 너트(342) 3개를 넣어두고 그 3개의 너트 사이에음극봉(330)을 장입한 후 쐐기 형태 너트(342)가 음극봉(330)을 꽉 잡아서 고정될 수 있도록 하기 위해 음극봉 고정 너트(332)를 결합한 후 상기 너트(332)를 조여줌으로써 쐐기형태 너트(342)가 이 고정너트(332)에 의해서 안쪽으로 밀리면서 음극봉(330)을 잡아주게 된다.

본 발명은 상술한 바와같이 결합된 음극봉 조절너트(334)를 돌려줌에 따라 음극봉(330)이 전후 이동하게 되므로 음극 양극간의 거리를 작업 중에도 손쉽게 조절할 수 있게 된다. 또한, 홀더(331)를 빼내었다 음극봉(330)과 결합하여 끼는 작업에 의해 손상된 음극봉의 교체작업이 용이하게 된다. 도면에서 338은 밀봉부재이고 336은 고정링이다.

한편, 본 발명을 구성하는 부분의 모든 연결부위에는 오링(OR)을 설치하여 작업환경이 진공중이라 할지라도 진공을 파괴하지 않고도 거리를 손쉽게 조절할 수 있으며 작업 중 소모되는 음극봉(330)의 연속 공급이 가능하다.

플라즈마 형성 가스는 양극 본체 부재(210)를 통과하여 절연체 부재(410) 쪽으로 공급되면서 절연체 부재(410)와 양극 본체 부재(210)의 사이의 홀(215)에서 소용돌이 형태로 회전하면서 전극(음극봉;330)과 노즐 내면으로 확산 삽입되어 아크와 반응을 하게 되므로 효과적으로 플라즈마의 출력전력을 상승시킬 수 있고 플라즈마 제트를 효율적으로 발생시키게 된다.

특히, 이와 같이 구성되는 본 발명의 플라즈마 건 장치는 관을 통해 본원인의 선출원인 대한민국 특허출원 제 2003-22600호의 챔버장치와 연결하여 분말을 분급하여 나노분말을 양산할 수 있다.

상기와 같은 본 발명은 플라즈마 내로 공급되는 분말의 플라즈마 처리효율을 향상시킬 수 있으며 노즐의 냉각 단면적 확대로 인하여 노즐의 수명 연장을 기대할 수 있다. 또한 플라즈마 형성가스를 소용돌이 형태로 회전시키면서 노즐 내로 공급되게 함으로써 플라즈마의 출력전압을 향상시킬 수 있으므로 고온의 플라즈마와 온도구배가 넓고 긴 플라즈마를 형성할 수 있으므로 분말의 플라즈마 내 잔류시간의 증대를 이룰 수 있다. 또한 음극봉 조절 너트를 설치함으로써 소모되는 음극봉의 손실에 의한 노즐내 아크 점의 이동현상을 손쉽게 일정한 거리를 갖도록 조절이 가능하게 되는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 양극 본체 부재에 의해 둘러쌓인 양극부 노즐과, 음극본체 부재에 의해 상기 양극부 노즐 입구와 간격을 두고 설치되는 음극부 전극과, 양극 본체 부재와 음극 본체 부재 사이에 삽입되어 이들 두 부재를 전기적으로 절연시키는 절연체 부재와, 양극 본체 부재와 음극 본체 부재를 연결하는 연결캡과, 상기 음극부 전극을 고정시키는 너트와, 양극부 노즐과 음극부 전극을 냉각하기 위해서 냉각수가 흐를 수 있도록 통로가 형성되어 있는 플라즈마건 장치에 있어서, 분말 파우더 공급구가 양극 부재 본체에서부터 플라즈마가 형성되는 노즐 내면까지 노즐 분사방향에 대해 수직방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마건 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 절연체 부재의 앞부분과 양극 본체 부재의 연결 부위에서는 원주 방향으로 플라즈마 형성을 위한 가스가 통과할 수 있도록 절연체 부재의 표면은 다수의 가스 통과홀이 분사방향에 대하여 경사지게 하여 벤투리 플로우 구역을 둔 것을 특징으로 하는 플라즈마건 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 양극부 노즐과 음극부 전극을 냉각하기 위한 냉각수 통로는 각각 별개로 구성되어지되, 상기 양극부 노즐과 양극본체 부재 사이로 상기양극부 노즐 전체를 둘러싸도록 원주상 냉각수 통로를 형성한 것을 특징으로 하는 플라즈마건 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 음극부 전극으로 사용된 음극봉을 이동시킬 수 있는 조절너트를 구비하여 상기 음극봉과 양극부 노즐과의 간격을 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 플라즈마건 장치.