KR20070089607A

KR20070089607A - 플라즈마 아크 토치를 위한 냉각 장치와 시스템 및 이와관련된 방법

Info

Publication number: KR20070089607A
Application number: KR1020070018923A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 씨. 그리핀
Original assignee: 더 에사브 그룹 아이엔씨.
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2007-08-31
Also published as: JP4800987B2; KR100888390B1; US7470872B2; EP1827060A3; CN101111120B; US20070210039A1; JP2007229806A; EP1827060A2; CN101111120A

Abstract

플라즈마 아크 발생 시스템이 개시된다. 플라즈마 아크 발생 시스템은 플라즈마 아크 토치부와 연동되며, 플라즈마를 형성하는 토치 헤드부에 아크를 발생시키기 위한 전기를 공급하기 위한 전력 모듈을 포함한다. 냉각 장치는 전력 모듈을 냉각시키기 위해 전력 모듈에 유체를 공급한다. 냉각 장치는 유체가 전력 모듈에 직접적으로 접촉하여 전력 모듈에 의해 발생된 열을 흡수하도록 형성된다.

Description

플라즈마 아크 토치를 위한 냉각 장치와 시스템 및 이와 관련된 방법{COOLING DEVICE AND SYSTEM FOR A PLASMA ARC TORCH AND ASSOCIATED METHOD}

도 1은 플라즈마 아크 전력 공급기의 전력 모듈을 냉각시키기 위한 종래의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 아크 발생 시스템을 위한 냉각 배열들을 나타내는 구성도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 아크 발생 시스템의 냉각 배열의 일부로서 플라즈마 아크 전력 공급기의 전력 모듈과 연동하는 냉각 장치를 나타내는 도면이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치의 다양한 도면들이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10：냉각 플레이트 15：유체 회로

20：열전도부 50：전력 모듈

50a：상호 작용면 75a, 75b：전선, 전력선

100：냉각 시스템 200：토치 헤드

300：순환식 열 제거 장치 400：펌프

450：라디에이터 500：냉각 장치

550：블록부 600：채널

700：밀봉 부재 700a：그루브

750a：유체 입구 750b：유체 출구

본 발명은 플라즈마 아크 토치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 플라즈마 아크 토치를 위한 냉각 장치와 시스템 및 이와 관련된 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 플라즈마 아크 토치(plasma arc torch)들 및 이와 관련된 장치를 포함하는 용접 및 절단 장비는 효과적인 작업을 위해 주요한 전력 공급기들을 필요로 한다. 상기 전력 공급기들은 토치 작동을 위해 필요로 하는 전력을 발생시키는 하나 이상의 전력 모듈들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 전력 모듈들은 토치를 위해 전체적으로 약 1∼120㎾ 이상의 전력을 필요로 할 수 있다. 이러한 전력 모듈들은, 예를 들면, 절연 게이트 쌍극 트랜지스터들(Insulated Gate Bipolar Transistors; IGBTs), 실리콘 조절 정류기들(Silicon Controlled Rectifiers; SCRs) 또는 다른 형태의 전력 모듈들일 수 있다. 일반적인 전력 모듈(50)의 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 상기 토치의 전력 발생에 있어서, 상기 전력 모듈들은 상당한 양의 열을 발생시킨다. 이에 따라, 바닥면과 같은 상기 전력 모듈의 하나의 면은 평평하고 부드럽게 형성되어 상기 면이 상기 전력 모듈로부터의 초과 열을 제거하기 위한 열 싱크(heat sink) 장치로 작용하도록 한다. 대개의 경우, 상기 열 싱크 장치는 상기 열 싱크 장치의 표면적을 증가시키기 위해 다수의 핀들이 구비된 금속 물질이며, 이로 인해, 상기 열 싱크 장치로부터의 열대류를 향상시킨다. 또한, 상기 열 싱크 장치는 상기 핀들을 따라 불어오는 공기의 흐름에 영향을 받아 상기 열의 대류를 증가시킨다. 이와 같이, 토치 동작 중에 상기 전력 모듈의 온도를 일정한 수준으로 제한하는데 그 목적이 있다.

예를 들면, 상기 열 싱크 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 분리되고 밀폐된 액체 냉각 플레이트를 포함할 수 있다. 냉각 플레이트(10)는, 예를 들면, 냉각 플레이트(10)의 전체 구조를 형성하는 금속 재질의 열전도부(20) 내에 싸여진 액체 냉각제를 위한 유체 회로(15)를 포함한다. 독립적인 냉각 플레이트(10)는 전력 모듈(50)의 하부면과 같은 면과 작용하여 전력 모듈(50)을 냉각시킨다. 냉각 플레이트(10)는 예를 들면, 펌프와 열 교환기를 포함하는 순환식 냉각 시스템(상기 토치 헤드를 냉각시키기 위해 사용되는 냉각 시스템과 분리된)을 포함한다. 상기 순환식 냉각 시스템은 냉각 유체를 유체 회로(15)를 통해 순환시켜 전력 모듈(50)로부터 열을 제거하기 위한 매체를 제공한다. 그러나, 이 경우에 있어서, 전력 모듈(50)의 열은 상기 액체 냉각제에 도달하기 전에, 유체 회로(15)의 물질 뿐만 아니라 열전도부(20)의 물질을 통과하여야 한다. 개스킷(gasket)이나 열 유지(thermal grease)와 같은 방해 물질은 열전도부(20)와 전력 모듈(50) 사이(열 싱크 장치와 상술한 공랭식 열 싱크 내의 전력 모듈 사이뿐만 아니라)에 배치될 수 있으며, 이로 인해 전도된 열이 상기 냉각 유체에 도달하기 위해 통과하여야 하는 구성요소들을 증가시킨다. 이로 인해, 이러한 열전도 문제들은 냉각 플레이트(10)의 냉각 효율을 제 한시킨다.

상기 전력 모듈(들)을 냉각시키기 위한 분리된 형태들(공랭식 열 싱크 또는 분리된 냉각 플레이트)은 상기 전력 모듈로부터 열을 제거하기 위한 비효율적이거나 불충분한 메커니즘들이다. 비효율적이거나 불충분한 상기 전력 모듈로부터의 열 제거는 출력의 감소를 유발시킨다. 이러한 경우에, 더 큰 전력 모듈 또는 추가적인전력 모듈들이 상기 토치를 작동시키기 위해 충분한 전력을 제공하는데 필요할 수 도 있다. 더욱이, 상기 전력 모듈(들)을 냉각시키기 위한 분리된 설비들(공랭식 열 싱크 또는 분리된 냉각 플레이트)은 상기 토치를 위한 더욱 더 큰 부피의 전력 공급기(추가적 구성 요소들에 기인하는), 더 비싼 전력 공급기(그리고 더 비싼 전체 시스템), 비교적 낮은 신뢰성을 갖는 전력 공급기 또는 더욱 복잡한 전력 공급기를 초래한다.

따라서, 전력 공급기의 상기 전력 모듈(들)을 위한 더욱 더 단순하고 효율적이며, 개선된 신뢰성, 적은 비용 및 더 작은 크기의 전력 공급기를 제공할 수 있는 냉각 시스템이 요구된다.

본 발명의 목적은 단순하고 효율적인 냉각 장치를 갖는 플라즈마 아크 발생 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상술한 플라즈마 아크 발생 시스템의 냉각 방법을 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 아크 발생 시스템은 플라즈마 아크 토치부와 연동되며 플라즈마를 형성하는 상기 토치 헤드부에 아크를 발생시키기 위한 전기를 공급하기 위한 전력 모듈을 포함한다.

냉각 장치는 상기 전력 모듈을 냉각시키기 위해 상기 전력 모듈에 유체를 공급한다. 상기 냉각 장치는 상기 유체가 상기 전력 모듈에 직접적으로 접촉하여 상기 전력 모듈에 의해 발생된 열을 흡수하도록 형성된다.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 아크 발생 시스템은 플라즈마를 형성하는 토치 헤드부에 아크를 발생시키는 전류를 공급받는 플라즈마 아크 토치 헤드부를 포함한다. 전력 모듈은 상기 토치 헤드부와 연동하며 상기 토치 헤드부에 상기 전류를 공급한다. 냉각 장치는 상기 전력 모듈과 연동하여 상기 전력 모듈을 냉각시키기 위해 상기 전력 모듈에 유체를 공급한다. 상기 냉각 장치는 상기 유체가 상기 전력 모듈에 직접적으로 접촉하여 상기 전력 모듈에 의해 발생된 열을 흡수하도록 형성된다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 아크 발생 시스템의 냉각 방법에 있어서, 먼저 전력 모듈에 유체가 공급되어, 상기 전력 모듈은 플라즈마 아크 토치 헤드부와 연동하며 플라즈마를 형성하기 위한 토치 헤드부에 아크를 발생시키는 전류를 공급하며, 상기 유체가 상기 전력 모듈에 직접적으로 접촉하여 상기 전력 모듈에 의해 발생된 열을 흡수한다. 또한, 상기 유체가 상기 토치 헤드부에 공급되어, 상기 플라즈마에 의해 발생된 열을 흡수한다. 상기 유체는 상기 플라즈마 아크 발생 시스템을 냉각시키기 위하여 상기 전력 모듈과 상기 토치 헤드부로 직렬 또는 병렬로 공급된다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 토치 전력 공급기의 전력 모듈(들)을 위한 더욱더 단순하고 효율적이며 개선된 신뢰성과 적은 비용을 갖는 냉각 시스템이 제공되고, 이로 인해 더욱 더 부피가 작은 전력 공급기를 제공할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 아크 발생 시스템 및 이의 냉각 방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 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 참조 부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 실질적으로 동일한 부재들에 대해서는 실질적으로 동일한 참조 부호를 부여한다.

도 2 내지 도 4는 일반적으로 토치 헤드(200)로 표현되는 토치에 전력을 공급하기 위해 사용되는 전력 모듈(50)을 냉각시키기 위한 냉각 시스템(100)의 다양한 실시예들을 나타낸다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서로부터 냉각 시스템(100)이 전력 모듈(50)과 토치 헤드(200)를 냉각시키기 위한 유체를 구비하는 다양한 형태의 토치에 적용될 수 있음을 이해할 수 있 을 것이다. 이 경우에 있어서, 상기 토치는, 예를 들면, 수냉식 플라즈마 아크 토치(water-cooled plasma arc torch)일 수 있다. 이와 같이, 도면들에서 나타난 토치 헤드(200)는 본 발명에 따른 다양한 형태의 냉각 시스템(100)을 구비하는 플라즈마 아크 발생 시스템을 갖는 토치의 대표적인 실시예에 불과하며, 이러한 개시 형태에 대하여 본 발명이 한정되지 않는다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 토치는 전기적으로 연결된 전력 모듈(50)을 갖는 토치 헤드(200)를 포함한다. 이 경우에 있어서, 상기 전기적 연결은 전선 또는 전력선들과 같은 전기적 연결들(75a, 75b)에 의해 나타낼 수 있다. 전력 모듈(50)과 전기적 연결들(75a, 75b)은, 예를 들면, 플라즈마 아크 토치에 있어서 필요하며, 이 경우에 있어서, 전력 모듈(50)과 전기적 연결들(75a, 75b)은 절단 작업들을 위해 상기 토치에 의해 형성되는 플라즈마를 발생시키고 유지시키기 위한 토치 헤드(200)에 전력을 공급한다. 플라즈마 토치 및/또는 플라즈마 아크 발생 시스템 또는 이를 위한 전력 공급기는, 예를 들면, 물이나 글리콜 용액과 같은 냉각 유체를 토치 헤드(200)로 공급하여 토치 헤드(200)를 냉각시키기 위해 냉각 유체를 순환시키기 위한 냉각 시스템(100)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 냉각 시스템(100)은 토치 헤드(200)로부터 이격 배치된 순환식 열 제거 장치(circulating heat removal device)(300)를 포함할 수 있다. 순환식 열 제거 장치(300)는 상기 냉각 유체를 순환시키기 위한 펌프(400), 상기 냉각 유체에 의해 운반된 열을 방산하기 위한 라디에이터(radiator)(450) 및 냉각 시스템(100)에 상기 냉각 유체의 소정의 열용량을 제공하기 위한 탱크 또는 저장조(reservoir)(350) 를 포함할 수 있다. 라디에이터(450)는 토치 및/또는 플라즈마 아크 발생 시스템에 적합한 유체-유체 열 교환기 또는 유체-공기 열 교환기일 수 있다. 냉각 시스템(100)은 일부 혹은 전부의 구성 요소들에 의해 정의되는, 예를 들면, 적당한 배관이나 호스들, 또는 냉각 통로들을 통해 토치 헤드(200)와 유체 전달의 형태로 구성될 수도 있음을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 전력 모듈들(50)을 구비하는 종래의 토치에 있어서, 전력 모듈(들)(50)은 일반적으로 냉각 시스템(100)으로부터 분리 또는 개별적인 모듈 냉각 장치/시스템과 함께 구비된다. 구체적으로, 각각의 전력 모듈(50)은 토치 헤드(200)에 냉각 시스템(100)을 추가하여 도 1에 도시된 냉각 플레이트(10)를 사용하는 분리된 공랭식 핀 형태의 열 싱크(air-cooled finned heat sink) 또는 분리된 액체 냉각 장치/시스템과 함께 구비될 수 있다. 그러나, 전력 모듈(들)(50)을 냉각시키기 위한 분리된 장치들은 비효율적이고, 나아가 전력 모듈(들)(50)의 출력을 감소시키거나 상기 토치를 구동하기 위해 충분한 전력을 제공하는 데 필요한 추가적인 전력 모듈들(50)을 필요로 한다. 더욱이, 전력 모듈(들)(50)을 냉각시키기 위한 분리된 장치들은 대부분의 경우에 더 큰 부피와 크기를 갖는 토치 전력 공급기(추가적인 구성요소들에 의해), 고가의 토치 전력 공급기, 신뢰성이 낮은 토치 전력 공급기 및/또는 더욱 복잡한 토치 전력 공급기를 초래할 수 있다.

따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발 명의 일 실시예에 따른 플라즈마 아크 발생 시스템은 전력 모듈(들)(50)과 함께 연동할 수 있는 냉각 장치(500)를 포함한다. 냉각 장치(500)는 토치 헤드(200)를 냉각시키기 위해 사용되는 냉각 시스템(100)의 순환식 열 제거 장치(300)와 함께 작동되어, 냉각 시스템(100)에 의해 순환하는 냉각 유체는 전력 모듈(들)(50)을 냉각하기 위해 사용된다. 냉각 장치(500)는 상기 냉각 유체를 제공받도록 구성되고, 상기 냉각 유체는 전력 모듈(50)과 직접적으로 작용하여 전력 모듈(50)에 의해 생성된 열을 운반한다. 예를 들면, 냉각 장치(500)는 상호 작용면(interaction surface)(50a)과 같은 전력 모듈(50)의 표면과 작용하여 그들 사이에 적어도 하나의 채널(600)을 정의한다. 이 경우에 있어서, 채널(600)의 적어도 일부는 전력 모듈(50)의 상호 작용면(50a)에 의해 정의된다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 채널(600)은 상기 냉각 유체를 각각 제공받고 방출하는 유체 입구(750a)와 유체 출구(750b)를 포함한다. 이에 따라, 냉각 장치(500)를 통과하는 상기 냉각 유체의 순환은, 상기 냉각 유체가 상기 라디에이터(450)를 통과할 때 전력 모듈(50)로부터의 열을 제거하거나 방산한다.

본 발명의 일 측면에 있어서, 냉각 장치(500)/전력 모듈(50)에 의해 정의되는 채널(600)은 토치 헤드(200)를 냉각시키기 위한 냉각 시스템(100)의 일부로서 배열된다. 더욱 구체적으로는, 채널(600)은 토치 헤드(200)와 직렬로 배치되고, 이로 인해 냉각 장치(500)를 위한 분리된 냉각 시스템이 불필요하게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 채널(600)은 직렬로 토치 헤드(200)의 상류에 배치되어, 펌프(400)를 떠난 냉각 유체는, 먼저 냉각 장치(500)/전력 모듈(50)에 의해 정의된 채널(600)을 통해 순환하고, 토치 헤드(200)를 통해 순환한 후 수집된 열을 방산하기 위해 라디에이터(450)로 되돌아오게 된다. 전술한 특징은 다음과 같은 측면에서 이점을 갖는다.

전력 모듈(50)은 일반적으로 토치 헤드(200)보다 상기 냉각 유체에 비교적 더 작은 열을 인가하기 때문에 전력 모듈(50)을 떠난 냉각 유체의 온도 증가는 일반적으로 토치 헤드(200)에 의한 냉각 유체의 온도 증가보다 더 작게 된다. 따라서, 비교적 차가운 냉각 유체는, 토치 헤드(200)로부터 열을 흡수하기 전에 우선 전력 모듈(50)과 접촉하기 때문에 전력 모듈(50)의 충분한 냉각을 제공할 수 있으며, 전력 모듈(50)로부터 흡수된 비교적 적은 양의 열 때문에 토치 헤드(200)를 위한 충분한 냉각을 제공할 수 있다.

이와 달리, 도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예들을 나타내며, 특히 도 3은 도 2에 도시된 일 실시예와 비교하여 보면 냉각 유체의 방향이 반대인 경우를 나타낸다. 구체적으로, 상기 냉각 유체는 펌프(400)에 의해 토치 헤드(200)로 공급된다. 이후, 토치 헤드(200)를 떠난 냉각 유체는 직렬로 전력 모듈(들)(50)과 작용하는 냉각 장치(500)로 공급된다. 이 경우에 있어서, 전력 모듈(들)(50)을 떠난 냉각 유체는 토치 헤드(200)와 전력 모듈(들)(50)로부터 흡수된 열을 방산하기 위한 라디에이터(450)를 향하여 순환된다. 이후, 상기 냉각 유체는 냉각되고, 다시 펌프(400)에 의해 재순환을 위하여 저장조(350)로 다시 되돌아오게 된다. 상술한 특징은 다음과 갖는 장점을 갖는다. 예를 들면, 전력 모듈(50)의 대부분의 효율적인 작동 온도 범위는 상기 냉각 유체가 상기 순환식 열 제거 장치(300)를 떠날 때의 온도 보다 높다. 따라서, 상기 냉각 유체가 토치 헤드(200)로부터 열을 흡수한 후 전력 모듈(50)로 공급되기 전에, 예를 들면, 토치 헤드(200)와 전력 모듈(50) 사이에 추가적인 라디에이터(도시되지 않음)를 배치시키거나 상기 냉각 유체의 유속을 조절(유속이 빠른 유체는 비교적 더 적은 열을 흡수한다)하여 상기 냉각 유체가 원하는 온도를 갖도록 조절될 수 있다.

도 4는 또 다른 실시예를 나타내고, 도 2 및 도 3의 직렬 배치를 나타내는 실시예들과 비교하여 보면, 또 다른 실시예에서는 냉각 유체가 토치 헤드(200) 및 전력 모듈(들)(50)과 연동되는 냉각 장치(500)에 병렬로 공급된다. 구체적으로, 상기 냉각 유체는 펌프(400)에 의해 토치 헤드(200) 및 전력 모듈(들)(50)과 연동되는 냉각 장치(500)의 채널(600)로 동시에 공급된다. 이후, 토치 헤드(200)와 전력 모듈(들)(50)을 떠난 냉각 유체들은 각각 토치 헤드(200)와 전력 모듈(들)(50)로부터 냉각 유체에 의해 흡수된 열을 방산하기 위한 라디에이터(450)로 다시 되돌아온다. 즉, 토치 헤드(200)를 향해 순환된 냉각 유체는 라디에이터(450)로 되돌아오기 전에 냉각 장치(500)로 순환되지 않는다(그 반대의 경우도 같다). 라디에이터(450)를 떠난 냉각 유체는 냉각되고, 이어서, 펌프(400)에 의한 재순환을 위해 저수통(350)으로 되돌아오게 된다. 이와 같이, 전력 모듈(50)과 토치 헤드(200)는 순환식 열 제거 장치(300)로부터 순환되는 동일한 온도의 냉각 유체에 노출되게 된다.

도 2 및 도 3에 도시된 직렬 배치 형태들에 따르면, 단 하나의 순환식 열 제거 장치(300)는 증가된 작동 효율을 제공하고, 더 단순화되고 더 작은 수의 구성 요소들을 필요로 하며, 물리적으로 더 작은 전력 공급 어셈블리를 제공할 수 있다. 예를 들면, 직렬 순환 형태의 상기 냉각 유체 흐름은 오직 하나의 유동 스위치 또는 다른 센서 장치(도시되지 않음)가 상기 냉각 유체의 유동 통로와 함께 연동되도록 하여 상기 플라즈마 아크 발생 시스템의 어느 곳에서도 막히거나 흐름이 좋지 않은 냉각 채널을 검출할 수 있게 한다. 즉, 오로지 하나의 냉각 유체가 제공되기 때문에, 상기 통로의 막힘이 냉각 유체 흐름을 방해하면, 오직 하나의 유동 스위치 또는 다른 센서 장치(하나 이상의 유동 스위치나 센서는 필요하거나 바람직하게 여분으로 사용될 수 있음)가 상술한 고장을 검출하기 위해 필요로 하게 된다. 상기와 같이 상기 통로가 막히는 경우가 감지되면, 상기 유동 스위치나 센서는, 예를 들면, 상기 플라즈마 아크 발생 시스템의 작동을 정지시켜 과열을 방지한다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 다른 센서 장치들이 상기 냉각 유체 유동 통로에 배치된 유동 스위치나 센서에 추가적 또는 선택적으로 제공될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 냉각 장치(500)/순환식 열 제거 장치(300)가 전력 모듈(50)을 소정의 한계 온도보다 낮은 온도에서 작동시키지 못할 경우, 냉각 장치(500)는 열 스위치(안전장치로서)와 함께 제공될 수 있다. 여기서, 상기 센서들의 기준들은 오로지 예시적인 것이며 이에 한정되는 것은 아니다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(500)를 나타내는 도면들이고, 냉각 장치(500)는 전력 모듈(50)과 연동하며, 냉각 장치(500)를 통과하여 순환하는 냉각 유체는 전력 모듈(50)과 직접적으로 접촉하거나 작용함으로써 전력 모듈(50)과 냉각 유체 사이의 열적 방해 요인들을 감소시키며 최소화시키거나 제거하여, 개선된 열 제거를 제공한다. 상기 냉각 유체와 전력 모듈(50) 사이의 직접적인 접촉은 증가된 냉각을 제공하고, 대부분의 경우에 각각의 전력 모듈(50)이 더욱 더 효율적으로 및/또는 충분하게 냉각되면 더욱 더 많은 전력을 제공할 수 있으므로 상기 플라즈마 아크 발생 시스템 또는 토치를 위한 전력 공급기에 필요한 전력 모듈들(50)의 수를 감소시킬 수 있다. 일 측면에 따르면, 전력 모듈(50)은 상호 작용면(50a)을 포함하고, 전력 모듈(50)의 상호 작용면(50a)은 전력 모듈(50) 내의 전력원들에 의해 발생되는 열이 공급되고 전달되는 부드러운 표면일 수 있다. 예를 들면, 전력 모듈(50)의 상호 작용면(50a)은 베이스 또는 바닥 플레이트라 부르는 평평한 면일 수 있다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 "베이스 또는 바닥 플레이트"는 오로지 예시적이며, 상호 작용면(50a) 또는 전력 모듈(50)의 위치, 배치 또는 형상을 암시하거나 이와 달리 한정하려는 의도는 아니다. 즉, 상호 작용면(50a)은 전력 모듈(50)의 측면들, 바닥면 및 상부면의 일부 또는 전부일 수 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상호 작용면(50a)은 평탄하며, 냉각 장치(500)는 상호 작용면(50a)과의 사이에 배치되어 유체 밀봉(fluid-tight seal)을 제공하는 밀봉 부재(sealing member)(700)에 의해 상호 작용면(50a)과 작용한다. 예를 들면, 밀봉 부재(700)는 적당한 형태의 O-링이나 다른 개스킷을 포함할 수 있다. 냉각 장치(500)는 전력 모듈(50)과 결합되는 위치에 밀봉 부재(700)가 구비되도록 밀봉 부재(700)의 적어도 일부를 수납하기 위한 그루브(700a)를 정의할 수 있다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 전력 모 듈(특히, 상호 작용면(50a))은 냉각 장치(500)에 의해 정의되는 그루브(700a)에 추가적으로 또는 선택적으로 밀봉 부재(700)의 적어도 일부를 수납하기 위한 그루브(도시되지 않음)를 정의할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 전력 모듈(50)과 냉각 장치(500) 사이에 다른 많은 기술들이 채용될 수 있으며, 여기에 개시된 형태들은 오로지 예시적인 것임을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 냉각 장치(500)는 에폭시 접착제에 의해 전력 모듈(50)과 결합되거나 전력 모듈(50)과 일체로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉각 장치(500)는 전력 모듈(50)의 상호 작용면(50a)으로 상기 냉각 유체를 공급하기 위한 적어도 하나의 채널(600)을 정의하도록 형성되는 블록부(block element)(550)를 포함할 수 있다. 이 경우에 있어서, 블록부(550)는, 예를 들면, 알루미늄과 같은 금속으로 이루어질 수 있다. 적어도 하나의 채널(600)은, 냉각 장치(500)가 상기 전력 모듈(들)과 연동될 때, 상기 냉각 유체가 상호 작용면(50a)과 직접적으로 작용하도록 하기 위해, 각각의 전력 모듈(50)의 상호 작용 또는 결합 표면(50a)은 적어도 하나의 채널(600)의 적어도 일부를 형성한다. 그러나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 적어도 하나의 채널(600)은, 예를 들면, 전력 모듈(50)의 상호 작용면(50a)(이 경우, 냉각 장치(500)는 평평한 플레이트를 포함한다)에 의해서 또는 냉각 장치(500)와 상호 작용면(50a)의 조합에 의해서 선택적으로 정의될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 여기서 개시된 형태들은 오로지 예시적이며, 이에 대해 본 발명이 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 또한, 도 5 및 도 6을 참조하면, 적어도 하나의 채 널(600)은 블록부(550)의 평면 내에 나선형의 형상으로 형성되며, O-링(700)을 수납하기 위한 그루브(700a)의 내측으로 방사형으로 배치되고, 상기 냉각 유체를 각각 공급받거나 방출하기 위한 유체 입구(750a)로부터 유체 출구(750b)로 연장된다. 어떤 경우에는 상기 냉각 유체는 "유체 출구(750b)"로 공급되고, "유체 입구(750a)"로부터 방출될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 토치 전력 공급기의 전력 모듈(들)을 위한 더욱더 단순하고 효율적이며 개선된 신뢰성과 적은 비용을 갖는 냉각 시스템이 제공되고, 이로 인해 더욱 더 부피가 작은 전력 공급기를 구현할 수 있다.

본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

플라즈마 아크 토치 헤드부와 연동되며, 플라즈마를 형성하는 상기 토치 헤드부에 아크를 발생시키기 위한 전기를 공급하기 위한 전력 모듈; 및

상기 전력 모듈을 냉각시키기 위해 상기 전력 모듈에 유체를 공급하며, 상기 유체가 상기 전력 모듈에 직접적으로 접촉하여 상기 전력 모듈에 의해 발생된 열을 흡수하도록 상기 전력 모듈과 연동되는 냉각 장치를 포함하는 플라즈마 아크 발생 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각 장치는 상기 토치 헤드부와 연동되며 상기 토치 헤드부를 냉각시키기 위해 상기 토치 헤드부로 유체를 공급하고, 상기 유체는 상기 전력 모듈과 상기 토치 헤드부 사이에서 직렬로 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발생 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 유체는 상기 전력 모듈로부터 상기 토치 헤드부로 직렬로 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발생 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 유체는 상기 토치 헤드부로부터 상기 전력 모듈로 직렬로 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발생 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각 장치는 상기 토치 헤드부와 연동되며 상기 토치 헤드부를 냉각시키기 위해 상기 토치 헤드부로 유체를 공급하고, 상기 유체는 상기 전력 모듈과 상기 토치 헤드부에 병렬로 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발생 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 유체는 액체 또는 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발생 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 전력 모듈은 하나의 면을 포함하며, 상기 냉각 장치는 상기 면과 작용하는 냉각 플레이트를 포함하고, 상기 면과 상기 냉각 플레이트사이에는 상기 유체가 상기 냉각 플레이트에 직접 접촉하여 상기 면 상에 흐르도록 하기 위한 적어도 하나의 채널이 형성되어 상기 유체가 상기 전력 모듈에 의해 생성된 열을 흡수하도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발생 시스템.
플라즈마를 형성하는 토치 헤드부에 아크를 발생시키는 전류를 공급받는 플라즈마 아크 토치 헤드부;

상기 토치 헤드부와 연동하며 상기 토치 헤드부에 상기 전류를 공급하는 전력 모듈; 및

상기 전력 모듈을 냉각시키기 위해 상기 전력 모듈에 유체를 공급하며, 상기 유체가 상기 전력 모듈에 직접적으로 접촉하여 상기 전력 모듈에 의해 발생된 열을 흡수하도록 상기 전력 모듈과 연동되는 냉각 장치를 포함하는 플라즈마 아크 발생 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 냉각 장치는 상기 토치 헤드부와 연동되며 상기 토치 헤드부를 냉각시키기 위해 상기 토치 헤드부로 유체를 공급하고, 상기 유체는 상기 전력 모듈과 상기 토치 헤드부 사이에서 직렬로 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발생 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 유체는 상기 전력 모듈로부터 상기 토치 헤드부로 직렬로 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발생 시스템.
제 10 항에 있어서, 상기 유체는 상기 토치 헤드부로부터 상기 전력 모듈로 직렬로 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발생 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각 장치는 상기 토치 헤드부와 연동되며 상기 토치 헤드부를 냉각시키기 위해 상기 토치 헤드부로 유체를 공급하고, 상기 유체는 상기 전력 모듈과 상기 토치 헤드부에 병렬로 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발생 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 유체는 액체 또는 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발생 시스템.
제 8 항에 있어서, 상기 전력 모듈은 하나의 면을 포함하며, 상기 냉각 장치는 상기 면과 작용하는 냉각 플레이트를 포함하고, 상기 면과 상기 냉각 플레이트 사이에는 상기 유체가 상기 냉각 플레이트에 직접 접촉하여 상기 면 상에서 흐르도록 하기 위한 적어도 하나의 채널이 형성되어 상기 유체가 상기 전력 모듈에 의해 생성된 열을 흡수하도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발생 시스템.
플라즈마를 형성하기 위한 토치 헤드부에 아크를 발생시키는 전류를 공급하며 플라즈마 아크 토치 헤드부와 연동하는 전력 모듈에 유체를 공급하여 상기 유체가 상기 전력 모듈에 직접적으로 접촉하여 상기 전력 모듈에 의해 발생된 열을 흡수하는 단계; 및

상기 플라즈마 아크 발생 시스템을 냉각시키기 위하여 상기 유체가 상기 전력 모듈과 상기 토치 헤드부로 직렬 또는 병렬로 공급되도록 상기 유체를 상기 토치 헤드부로 공급하여 상기 플라즈마에 의해 발생된 열을 흡수하는 단계를 포함하는 플라즈마 아크 발생 시스템의 냉각 방법.
제 15 항에 있어서, 상기 유체가 직렬로 공급될 때, 상기 유체를 직렬로 공급하는 단계는 상기 전력 모듈로부터 상기 토치 헤드부로 상기 유체를 직렬로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발생 시스템의 냉각 방 법.
제 15 항에 있어서, 상기 유체가 직렬로 공급될 때, 상기 유체를 직렬로 공급하는 단계는 상기 토치 헤드부로부터 상기 전력 모듈로 상기 유체를 직렬로 공급하는 단계를 포함하는 플라즈마 아크 발생 시스템의 냉각 방법.
제 15 항에 있어서, 상기 유체를 상기 토치 헤드부로부터 상기 전력 모듈로 공급하는 단계는 상기 전력 모듈의 하나의 면 및 상기 면과 작용하는 냉각 장치의 냉각 플레이트 사이에 유체를 공급하는 단계를 포함하고, 상기 면과 상기 냉각 플레이트 사이에는 상기 유체가 상기 냉각 플레이트에 직접 접촉하여 상기 면 상에서 흐르도록 하기 위한 적어도 하나의 채널이 형성되어 상기 유체가 상기 전력 모듈에 의해 생성된 열을 흡수하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 발생 시스템의 냉각 방법.