KR20100011646A - 아크 플라즈마 토치용 전원공급장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캐소드(2)와 애노드 노즐(4)에 DC 전원공급장치(6)의 전원이 공급되어 플라즈마 화염(8)이 생성되도록 구성된 아크 플라즈마 토치에 있어서, DC 전원공급장치(6)에 고주파 AC 전원공급장치(10)가 병렬로 구성된 아크 플라즈마 토치용 전원공급장치이다.

기존의 DC 전원공급장치(6)는 저압 용도로 사용되며, 이 DC 전원공급장치(6)에 병렬로 연결된 AC 전원공급장치(10)가 반응 초기의 무한대로 높은 저항으로 인해 높은 개시 전압(breakdown voltage)에 필요한 전압을 형성함으로서 아크 플라즈마를 발생하게 되며, 이어서 지속적으로 아크 플라즈마가 안정적으로 형성된다. 고전압 용도의 AC 전원공급장치(10)는 고전압 운용이 가능한 60Hz를 사용하며, DC 전원공급장치(6)의 전원출력부에는 역전압으로부터 장치에 대한 안전장치로서 더미 로드(dummy load)를 설치한다.

본 발명의 전원공급장치는 DC 전원공급장치(6)와 AC 전원공급장치(10)를 병렬로 구성함에 따라 아크 플라즈마를 안정적으로 형성할 수 있으며, 동일한 전력을 인가하였을 경우, 플라즈마 화염의 길이가 종래에 비해 더 길어지므로, 경제적 운전이 가능하며 처리효율이 더 높아질 수 있는 효과를 가지는 것이다.

Description

아크 플라즈마 토치용 전원공급장치{Power Supply Apparatus for an Arc Plasma Torch}

본 발명은 아크 플라즈마 토치용 전원공급장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 안정적으로 아크 플라즈마를 형성할 수 있도록 고전압 용도의 고주파 AC 전원공급원과 저전압 용도의 DC 전원공급원을 병렬로 구성한 아크 플라즈마 토치용 전원공급장치에 관한 것이다.

일반적으로 아크 방전의 온도는 5,000~20,000K로 매우 높다. 이러한 아크방전을 노즐이나 가스 흐름으로 구속하면 열 피치 효과에 의해 더욱 높은 온도와 지향성을 얻을 수 있다. 이와 같은 열 플라즈마를 아크 플라즈마라 하고, 그 발생장치를 플라즈마 토치라 한다. 아크 플라즈마를 이용한 가열원은 아크 플라즈마 가열, 혹은 줄여서 플라즈마 가열이라고 한다.

플라즈마 가열의 원리는 플라즈마 토치의 운전 형태에 따라 크게 나누어 가열 대상물에도 통전하고 고온의 아크 플라즈마로부터의 열전달과 가열대상물 자신의 줄 발열을 이용하는 방법이 있다.

전자의 경우를 이행형 플라즈마 토치, 후자의 경우를 비이행형 플라즈마 토 치라고 한다. 이행형 플라즈마 토치를 이용한 가열원리는 흑연전극을 이용한 아크가열과 같다. 그러나 플라즈마 토치의 전극이 비소모성이기 때문에 피가열물의 오염이 적다는 특징이 있다. 가까운데서 예를 들면, 아크 플라즈마에 의한 금속의 절단에는 이행형이, 플라즈마 용사(溶射)에는 비이행형이 이용되는 경우가 많다.

플라즈마 토치는 전극점의 형성 위치에 따라서도 분류된다. 원주 형태의 텅스텐계 합금이나 가운데가 빈 흑연을 전극으로 하여 그 끝에 전극점을 형성하는 것을 로드형, 가운데가 빈 구리를 전극으로 하여 그 내면에 전극점을 형성하는 것을 홀로형이라고 부르고 있다.

이상의 개념을 도 1에 도시하고 있다. 도 1에 있어서, 로드형의 경우를 이행형으로, 홀로형의 경우를 비이행형으로 나타내고 있지만, 로드형에서 비이행형을 조합하거나 홀로형에서 이행형을 조합한 것도 이용되고 있다.

이러한 플라즈마 가열의 특징과 프로세스상의 이점으로, 첫째 초고온을 쉽게 발생할 수 있어 피가열물로의 전열을 촉진할 수 있고, 융점이 높은 재료도 가열대상으로 할 수 있으며, 흡열량이 큰 화학반응이나 활성화 에너지가 큰 화학반응을 촉진할 수 있다. 둘째 에너지 밀도가 높기 때문에 한정된 영역으로 에너지를 부여할 수 있고 급속한 가열이 가능하다. 셋째 가열에너지가 가열장에서 진행하는 화학반응에 영향을 미치기 힘들기 때문에 가열대상물의 물리적/화학적 성질에 좌우되지 않고 안정된 가열이 가능하다. 넷째 배기가스가 적고, 다섯째 가열에너지의 관리와 제어가 쉬워, 배기가스 처리설비를 콤팩트하게 할 수 있고, 분체의 가열이 쉽고, 가열상황에 따른 운전조건을 설정하기 쉽다. 마지막으로 깨끗한 가열이 가능하여 고순도의 재료창제나 제품의 최종단계에서의 가열에 사용할 수 있다는 점이다.

이에 플라즈마 가열기술은 산업전반에 걸쳐 적용되고 있으며, 대표적인 예로서, 금속산업 분야에서는 턴디시 가열, 플라즈마 큐폴라에 적용하고 있고, 재료합성 분야에서는 플라즈마 가열을 이용한 아세틸렌의 제조에 적용하고 있고, 폐기물처리에서는 플라즈마 가열에 의해 배기가스가 적기 때문에 날리는 재를 용융할 수 있다는 점에서 적용하고 있다.

또한 원자력 발전소에서 발생하는 방사성 폐기물의 감용/안정화처리에 적용이 시작되어 기초적인 연구가 이루어져 조업개시가 계획되고 있다. 그 밖에 아스베스토 폐기물의 무해화, PCB 등으로 오염된 토양의 무해화, 알루미나 도로스의 무해화와 알루미늄의 회수 등이 보고되고 있다.

도 2에는 종래의 아크 플라즈마 토치용 전원공급장치를 나타내고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 아크 플라즈마 토치는 캐소드(2)와 애노드 노즐(4)에 DC 전원공급장치(6)의 전원이 공급되어 플라즈마 화염(8)이 생성되도록 구성된다.

애노드 노즐(4)과 캐소드(2)의 간극에 전기적으로 높은 저항이 형성되어 있어, 반응 초기에는 아크 플라즈마 형성을 위한 아크 방전의 개시전압이 매우 높지만, 도 2에 도시된 DC 전원공급장치(6)는 아크가 발생된 조건에서의 저전압용도로 사용되는 것이므로, 반응 초기의 개시전압의 형성이 어렵고, 설사 아크 플라즈마의 형성시에도 요동전압에 의한 불안정한 상태가 발생하게 된다.

통상 비이송식(Non-Transfer) 토치의 경우, 토치 내부의 미시적 아크방전의 변화, 즉 새로운 아크 지점을 찾아 순간적으로 이동하는 아크 선팅(shunting) 현상 에 의해 전압의 요동(fluctuation)이 발생하게 되며, 이러한 요동에 대해서는 그 최소화가 요구된다. 보통 아크 요동전압은 도 3에 도시된 바와 같이, 200ms 미만의 일정한 주파수를 가지며 대략 30~50V 정도의 진폭을 가지는 특징이 있다.

본 발명은 이에 따라 안출된 것으로, 그 목적은 개시 전압의 형성에 필요한 전압을 형성하여 아크 플라즈마를 용이하게 발생하고, 지속적으로 아크 플라즈마가 안정적으로 형성될 수 있는 아크 플라즈마 토치용 전원공급장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 아크 플라즈마 토치용 전원공급장치는 아크 플라즈마 토치에 있어서, 캐소드와 애노드 노즐에 DC 전원공급장치의 전원을 공급하여 플라즈마 화염을 생성하되, 상기 DC 전원공급장치에 고주파 AC 전원공급장치를 병렬로 구성한다.

본 발명에 있어서, DC 전원공급장치의 전원출력부에는 더미 로드를 더 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 기존의 저압용도로 사용되는 DC 전원공급장치와 병렬구성된 고주파 AC 전원공급장치에 의해 반응초기의 무한대의 높은 저항으로 인한 높은 개시전압(breakdown voltage)에 필요한 전압을 형성하여 아크 플라즈마 발생에 기여하게 되며, 지속적으로 아크 플라즈마가 안정적으로 형성되는 역할을 수행하는 효과를 가진다.

이하 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다. 도면 중 종래와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 병기하였고 그 상세한 설명은 생략하였다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 아크 플라즈마 토치용 전원공급장치의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전원공급장치는 캐소드(2)와 애노드 노즐(4)에 DC(Direct Current) 전원공급장치(6)의 전원이 공급되어 플라즈마 화염(8)이 생성되도록 구성된 아크 플라즈마 토치에 있어서, DC 전원공급장치(6)에 고주파(high frequency) AC(Alternating Current) 전원공급장치(10)가 병렬로 구성된다.

본 발명은 기존의 DC 전원공급장치(6)는 저압 용도로 사용되며, 이 DC 전원공급장치(6)에 병렬로 연결된 AC 전원공급장치(10)가 반응 초기의 무한대로 높은 저항으로 인해 높은 개시 전압(breakdown voltage)에 필요한 전압을 형성함으로서 아크 플라즈마를 발생하게 되며, 이어서 지속적으로 아크 플라즈마가 안정적으로 형성된다. 아크 플라즈마의 형성시 저항은 1Ω 미만으로 유지되며 요동전압도 안정된다.

기존에 일반적인 요동전압의 파형이 도 3에 도시된 바와 같이, 200ms 미만의 일정한 주파수를 가지며 대략 30~50V 정도의 진폭을 가지는 반면, 본 발명의 전원공급장치에 의한 요동전압의 파형으로서 도 5에 도시된 바와 같이, 주파수의 변화를 뚜렷하게 구분할 수 없고, 요동전압의 폭도 10~20V에 불과한 것을 확인할 수 있 다.

본 발명에 있어서, 고전압 용도의 AC 전원공급장치(10)는 주파수 60Hz 및 20,000Hz의 2 종류가 상용화되고 있으며 형광등 또는 네온사인 등에 주로 사용되고 있지만, 본 발명에 있어서는 더 높은 고전압 운용이 가능한 60Hz의 전원공급장치를 사용하는 것이 더 바람직하다.

한편 DC 전원공급장치(6)의 전원출력부에는 역전압으로부터 장치에 대한 안전 장치로서 더미 로드(dummy load)를 설치하는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명의 전원공급장치는 DC 전원공급장치(6)와 AC 전원공급장치(10)를 병렬로 구성함에 따라 플라즈마 토치에 있어서, 아크 플라즈마를 안정적으로 형성할 수 있으며, 동일한 전력을 인가하였을 경우, 도 6 및 도 7로부터 금방 알 수 있는 바와 같이 플라즈마 화염의 길이가 종래에 비해 더 길어지는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 경제적 운전이 가능하며 처리효율이 더 높아질 수 있는 효과를 가지는 것이다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 아크 플라즈마 토치용 전원공급장치의 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

도 1은 전극점의 형성 위치에 따라 분류되는 플라즈마 토치를 나타내는 개념도이고,

도 2는 종래의 아크 플라즈마 토치용 전원공급장치의 개략 구성도이고,

도 3은 일반적인 요동전압의 파형도이고,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 아크 플라즈마 토치용 전원공급장치의 구성도이고,

도 5는 본 발명에 의한 요동전압의 파형도이고,

도 6은 종래의 아크 플라즈마의 형성 이미지를 나타내는 도면이고,

도 7은 본 발명에 의한 아크 플라즈마의 형성 이미지를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2 : 캐소드 4 : 애노드 노즐

6 : DC 전원공급장치 8 : 플라즈마 화염

10 : AC 전원공급장치

Claims (2)

1. 아크 플라즈마 토치에 있어서,

   캐소드와 애노드 노즐에 DC 전원공급장치의 전원을 공급하여 플라즈마 화염을 생성하되, 상기 DC 전원공급장치에 고주파 AC 전원공급장치를 병렬로 구성한 것을 특징으로 하는

   아크 플라즈마 토치용 전원공급장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 DC 전원공급장치의 전원출력부에는 더미 로드를 설치하는 것을 특징으로 하는

   아크 플라즈마 토치용 전원공급장치.

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