KR20110063663A

KR20110063663A - 액체 냉각식 플라즈마 토치용 노즐, 액체 냉각식 플라즈마 토치용 노즐 캡 및 이를 구비한 플라즈마 토치 헤드

Info

Publication number: KR20110063663A
Application number: KR1020117007954A
Authority: KR
Inventors: 볼커 크링크; 프랑크 라우리쉬; 티모 그룬드케
Original assignee: 크옐베르크 핀스터발데 플라즈마 운트 마쉬넨 게엠베하
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2011-06-13
Also published as: DE102009006132B4; MX2011002912A; EP2175702B9; CN101836509B; BRPI0920511A2; ES2425436T5; DE102009006132C5; KR20120117945A; BRPI0920511B1; ES2425436T3; DK2175702T3; ZA201102989B; PT2175702E; SI2175702T1; DE102009006132A1; US8941026B2; CA2734986C; CN101836509A; US20110284502A1; KR101225435B1

Abstract

본 발명은 액체 냉각식 플라즈마 토치용 노즐, 액체 냉각식 플라즈마 토치용 노즐 캡 및 이를 구비한 플라즈마 토치 헤드에 관한 것으로, 상기 액체 냉각식 플라즈마 토치용 노즐은, 노즐 팁에 형성되며 플라즈마 가스 빔의 출구를 위한 노즐 구멍과, 그 외면이 기본적으로 원통형인 제1섹션과, 상기 노즐 팁을 향해 제1섹션과 연결되어 있으며 그 외면이 노즐 팁을 향해 기본적으로 원뿔형으로 테이퍼 가공된 제2섹션을 포함하고, a) 적어도 하나의 액체 공급홈이 제공되어 노즐 팁을 향하여 상기 제1섹션의 일부와 상기 노즐 외면의 제2섹션 상으로 연장되고, 상기 액체 공급홈과는 분리된 정확히 하나의 액체 복귀홈이 제공되어 상기 제2섹션 상으로 연장되거나, 또는 b) 정확히 하나의 액체 공급홈이 제공되어 노즐 팁을 향하여 상기 제1섹션의 일부와 상기 노즐 외면의 제2섹션 상으로 연장되고, 상기 액체 공급홈과는 분리된 적어도 하나의 액체 복귀홈이 제공되어 상기 제2섹션 상으로 연장되는 것을 특징으로 한다.

Description

액체 냉각식 플라즈마 토치용 노즐, 액체 냉각식 플라즈마 토치용 노즐 캡 및 이를 구비한 플라즈마 토치 헤드 {Norzle for a liquid-cooled plasma torch, nozzle cap for a liquid-cooled plasma torch and plasam torch head with same}

본 발명은 액체 냉각식 플라즈마 토치용 노즐, 액체 냉각식 플라즈마 토치용 노즐 캡 및 이를 구비한 플라즈마 토치 헤드에 관한 것이다.

플라즈마는 고온으로 가열된 전기 전도성 가스로서, 양이온, 음이온, 전자 및 여기된(excited) 중성 원자와 분자로 구성된다.

플라즈마 가스로서, 예를 들어, 단원자 가스인 아르곤/ 또는 이원자 가스인 수소, 질소, 산소 또는 공기와 같은 다양한 가스가 사용된다. 이러한 가스들은 아크(arc) 에너지를 통해 이온화 및 해리되며, 그 후, 노즐을 통해 압축된 아크는 플라즈마 빔으로 형성된다.

플라즈마 빔은 노즐 및 전극의 형태에 따라 그 파라메터(parameters)에 영향을 받는다. 이러한 플라즈마 빔의 파라메터로는, 예를 들어, 빔의 직경, 온도, 에너지 밀도 및 가스의 유속(flow speed) 등이 있다.

플라즈마 절단에 있어서, 예를 들어, 상기 플라즈마는 가스 냉각 또는 수냉될 수 있는 노즐을 통해 압축됨으로써, 2 X 10⁶ W/cm²의 에너지 밀도에 도달할 수 있으며, 플라즈마 빔의 온도를 30,000℃까지 상승시켜, 가스의 높은 유속과 함께 재료에 대한 매우 높은 절단 속도를 실현한다.

플라즈마 토치는 직접 또는 간접방식으로 작동될 수 있다. 직접 작동모드에서는 전류가 전류원(current source)으로부터 흘러나와, 플라즈마 토치의 전극과, 아크에 의해 생성되어 노즐을 통해 압축된 플라즈마 빔과, 가공재료를 직접적으로 통하여 전류원으로 되돌아 간다. 전기 전도성 재료는 이러한 직접 작동모드로 절단될 수 있다.

간접 작동모드에서, 전류는 전류원으로부터 흘러나와, 플라즈마 토치의 전극과, 아크에 의해 생성되어 노즐을 통해 압축된 플라즈마 빔과, 상기 노즐을 통해 전류원으로 되돌아 간다. 따라서, 상기 노즐은 플라즈마 빔을 압축시킬 뿐만 아니라 또한 아크의 시작점으로서도 이용되기 때문에, 직접 플라즈마 절단시 보다 훨씬 큰 부하를 받게 된다. 간접 작동모드에서는 전기 전도성 재료와 비전도성 재료 모두를 절단 할 수 있다.

이러한 노즐 상의 높은 열적 부하(thermal load)로 인하여, 상기 노즐은 높은 전기 전도성과 열 전도성을 갖는 구리로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 구리는 전극 홀더(electrode holder)에도 적용되지만, 상기 전극 홀더는 또한 은(silver)으로 형성될 수도 있다. 상기 노즐은 플라즈마 토치에 이용되며, 이러한 플라즈마 토치의 주요 구성요소로는 플라즈마 토치 헤드, 노즐 캡, 플라즈마 가스 안내부, 노즐, 노즐 홀더, 전극 수용부재, 전극 인서트(electrode insert)를 갖는 전극 홀더 등이 있으며, 최신의 플라즈마 토치에는 노즐 보호캡 홀더와 노즐 보호캡을 더 포함하고 있다. 상기 전극 홀더는 플라즈마 가스로서, 예를 들어, 아르곤-수소 혼합물과 같은 비산화성 가스(non-oxidising gas)의 사용에 적합한 텅스텐으로 제작된 뾰족한 전극 인서트를 고정시킨다. 상기 전극 인서트가, 예를 들어, 하프늄(hafnium)으로 형성된 소위 평판 전극(flat electrode)은 플라즈마 가스로서, 예를 들어, 공기 또는 산소와 같은 산화성 가스의 사용에 적합하다. 상기 노즐의 높은 수명을 위해, 상기 평판 전극은, 예를 들어, 물과 같은 액체로 냉각된다. 이러한 냉매는 물 공급부재를 통해 노즐로 공급되고 물 반환부재에 의해 노즐로부터 운반됨으로써, 노즐 및 노즐 캡으로 구성된 냉각 챔버를 통해 흐르게 된다.

DD 36014 B1에는 노즐에 관하여 기술되어 있다. 여기서, 상기 노즐은, 예를 들어, 구리와 같은 양호한 전도성을 갖는 재료로 구성되며, 또한, 예를 들어, 원통형의 노즐 배출구를 구비한 원뿔형 배출 챔버와 같이, 각각의 플라즈마 토치의 유형별로 부여된 기하학적 형상을 갖는다. 상기 노즐의 외형이 원뿔형으로 형성됨으로써, 사실상 동일한 벽 두께를 이루게 되며, 이에 따라, 상기 노즐은 양호한 노즐 안정성과 냉매에 대한 양호한 열전도성이 보장되는 크기를 갖는다. 상기 노즐은 노즐 홀더 내에 위치하며, 상기 노즐 홀더는, 예를 들어, 황동(brass)과 같은 내부식성 재료로 구성되고, 내부적으로는 상기 노즐을 위한 중심 수납부재(centring receiving element)와 냉매에 대해 상기 배출 챔버를 밀봉시키는 밀봉 러버(sealing rubber)용 홈이 형성되어 있다. 또한, 노즐 홀더에는 냉각수의 공급 및 복귀를 위해 구멍들이 180도의 각도로 형성되어 있다. 상기 노즐 홀더의 외경 상에는 냉각 챔버를 대기에 대해 밀봉시키기 위한 고무 O-링용 홈과, 나삿니 및 노즐 캡을 위한 중심 수납부재가 형성되어 있다. 마찬가지로 황동과 같은 내부식성 재료로 만들어진 노즐 캡은 예각으로 형성되어 있으며, 냉매에 방사열을 용이하게 제거할 수 있는 벽 두께를 갖는다. 가장 작은 내경에는 O-링이 구비된다. 가장 단순한 구조에는서 냉매로서 물을 사용한다. 이러한 배열은 재료의 사용을 절약하면서도 노즐의 제조를 용이하게 하고, 노즐의 교환을 빠르게 할 뿐만 아니라, 예각의 각도를 갖는 구성을 통해, 가공물에 대한 플라즈마 토치의 피봇 운동을 허용함으로써, 경사 절단(inclined cuts)을 가능하게 한다.

독일 특허공보 제DE-OS 1 565 638호에는 가공물의 플라즈마 용융 절단과 용접 모서리 가공을 위한 플라즈마 토치에 관하여 기술하고 있다. 토치 헤드의 좁은 형상은 특히 예각의 절단 노즐의 사용에 의해 이루어지며, 그 내외각은 서로 동일하며, 또한 노즐 캡의 내외각과도 동일하다. 냉각 챔버는 노즐 캡과 절단 노즐 사이에 형성되며, 여기서, 노즐 캡은 절단 노즐과 함께 금속적으로 밀봉되는 칼라(collar)를 구비하여, 냉각 챔버로서 균일한 환형 갭이 형성되도록 한다. 일반적으로, 물이 사용되는 냉매의 공급과 제거는 서로에 대해 180도의 각도로 노즐 홀더에 배열되는 2개의 슬롯(slots)을 통해 이루어진다.

독일 특허공보 제DE 25 25 939호에는 특허 절단 및 용접을 위한 플라즈마 토치에 대해 기술하고 있으며, 여기서, 전극 홀더 및 노즐 몸체는 교체될 수 있는 유닛으로 형성되어 있다. 상기 외부 냉매의 공급은 근본적으로 상기 노즐 몸체를 감싸는 클램핑 캡(clamping cap)을 통해 이루어진다. 상기 냉매는 채널을 통해 환형 공간내로 흘러가며, 상기 환형 공간은 노즐 몸체와 클램핑 캡에 의해 형성된다.

독일 특허공보 제DE692 33 071 T2호는 플라즈마 아크 절단장치에 관한 것이다. 여기서, 플라즈마 아크 절단 도치를 위한 노즐의 실시예가 기술되어 있으며, 상기 노즐은 전도성 재료로 형성되고, 플라즈마 가스 빔을 위한 배출 개구와 중공의 몸체 섹션(section)을 포함한다. 상기 몸체 섹션은 상기 배출 개구를 향해 경사진 원뿔형상의 얇은 벽으로 둘러싸인 구성을 가지며, 상기 몸체 섹션과 일체적으로 형성되는 확장된 헤드 섹션을 갖는다. 따라서, 상기 헤드 섹션은 중심 채널을 제외하곤 견고히 구성되어 있으며, 상기 배출 개구와 정렬되고 일반적으로 원뿔형의 외면을 가지며, 또한 상기 배출 개구를 향해 경사지고, 언더컷 리세스(undercut recess)를 형성하기 위하여, 상기 몸체 섹션의 직경을 초과하는 인접 몸체 섹션의 직경에 근접한 직경을 갖는다. 상기 플라즈마 아크 절단장치는 2차 가스 캡(secondary gas cap)을 갖는다. 더욱이, 상기 노즐의 외면을 고효율로 냉각시키기 위한 수냉식 챔버를 형성하기 위하여, 상기 노즐과 상기 2차 가스 캡 사이에는 수냉식 캡이 배열된다. 상기 노즐은, 플라즈마 빔을 위한 배출 개구를 둘러싸는 큰 헤드와, 원뿔형 몸체에 대한 급격한 언더컷 또는 리세스를 특징으로 하며, 이러한 노즐 구성은 노즐의 냉각을 촉진한다.

상술된 플라즈마 토치에 있어서, 냉매는 물 공급 채널을 통해 노즐로 공급되고 물 제거 채널에 의해 노즐로부터 운반된다. 이러한 채널들은 대부분 서로에 대해 180도의 각도로 형성되어 있으며, 상기 냉매는 공급 채널로부터 제거 채널까지 가능한한 균등하게 노즐 주변을 흐르게 된다. 그렇지만, 상기 노즐 채널 부근에서의 과열은 반복적으로 확인된다.

DD83890 B1에는 노즐과 음극의 높은 열적 부하를 견디는 토치, 바람직하게는 플라즈마 토치용, 특히, 플라즈마 용접, 플라즈마 절단, 플라즈마 용융 및 플라즈마 스페리잉(plasma spraying)을 위한 다른 냉매 가이드가 기술되어 있다. 여기서, 노즐 홀딩부에 쉽게 삽입되고 또한 이로부터 쉽게 제거될 수 있는 냉매 가이드 링이 노즐의 냉각을 위해 제공되며, 상기 냉매 가이드 링은, 냉매 안내를 최대 3mm 두께의 얇은 층으로 제한하기 위해, 외측 노즐벽을 따라 주변홈(surrounding groove)을 갖는다. 이러한 주변홈내에는 하나 이상, 바람직하게는 2 내지 4개의 냉각 라인이 운영되며, 이러한 냉각 라인들은, 이들이 각기 2개의 냉매 배출 흐름과 인접하고, 각각의 냉매 배출 흐름은 2개의 냉매 유입 흐름과 인접하는 방식으로, 노즐 축에 대해 대칭적이며 0도 내지 90도 사이의 각도로 별모양의 방사형으로 배치된다.

그러나, 이러한 배치는 냉각을 위해 부가적인 구성요소 및 냉각 안내 링을 사용함으로써 보다 많은 재료를 필요로 하게 되는 단점이 있으며, 또한, 전체 구성이 커지게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 간단한 방식으로 노즐 채널/노즐 구멍 부근에서의 과열을 방지하는 것이다.

이러한 목적을 이루기 위해, 본 발명은, 제 1 항 내지 제 19 항 중의 어느 한 항에 따른 노즐과; 상기 노즐을 지지하는 노즐 홀더와; 제 20 항 내지 제 22 항 중의 어느 한 항에 따른 노즐 캡을 포함하며, 상기 노즐 캡과 노즐은. 60 내지 80도의 각도로 오프셋되어 있는 2개의 구멍을 통해 냉각액 공급라인/냉각액 복귀라인에 연결될 수 있는 냉각액 챔버를 형성하고, 상기 노즐 홀더는, 냉각액이 노즐과 접촉하는 상기 프라즈마 토치 헤드의 종축에 대해 거의 수직하게 냉각액 챔버 내로 운반되거나, 및/또는 냉각액 챔버로부터 상기 종축에 거의 수직하게 상기 노즐 홀더 내로 운전되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치 헤드를 제공한다.

또한, 본 발명은, 노즐 팁에 형성되며 플라즈마 가스 빔의 출구를 위한 노즐 구멍과, 그 외면이 기본적으로 원통형인 제1섹션과, 상기 노즐 팁을 향해 제1섹션과 연결되어 있으며 그 외면이 노즐 팁을 향해 기본적으로 원뿔형으로 테이퍼 가공된 제2섹션을 포함하고, a) 적어도 하나의 액체 공급홈이 제공되어 노즐 팁을 향하여 상기 제1섹션의 일부와 상기 노즐 외면의 제2섹션 상으로 연장되고, 상기 액체 공급홈과는 분리된 정확히 하나의 액체 복귀홈이 제공되어 상기 제2섹션 상으로 연장되거나, 또는 b) 정확히 하나의 액체 공급홈이 제공되어 노즐 팁을 향하여 상기 제1섹션의 일부와 상기 노즐 외면의 제2섹션 상으로 연장되고, 상기 액체 공급홈과는 분리된 적어도 하나의 액체 복귀홈이 제공되어 상기 제2섹션 상으로 연장되는 것을 특징으로하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐을 제공한다. "기본적으로 원통형"의 의미는, 적어도 액체 공급 및 복귀홈과 같은 홈들을 고려하지 않았을 때, 상기 외면이 대략 원통형이라는 것이다. 마찬가지로, "기본적으로 원뿔형으로 테이퍼 가공된"의 의미는, 적어도 액체 공급 및 복귀홈과 같은 홈들을 고려하지 않았을 때, 상기 외면이 대략 원뿔형으로 테이퍼 가공된다는 것이다.

또한, 본 발명은, 기본적으로 원뿔형상으로 테이퍼 가공된 내면(2.3)을 포함하는, 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐 캡을 제공하며, 상기 노즐 캡(2)의 내면(2.2)은 라디얼 면(radial plane) 내에 적어도 2개, 정확히는 3개의 리세스(2.6)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 플라즈마 토치 헤드의 특정 실시예에 따르면, 상기 노즐은 하나 또는 2개의 냉각액 공급홈을 포함하고, 상기 노즐 캡은, 노즐과 마주하는 개구들이 원호 길이(b2) 상으로 연장되는 적어도 2개, 정확히는 3개의 리세스를 포함하며, 원주방향으로 상기 냉각액 공급홈에 인접하고 상기 냉각액 공급홈에 대해 외측으로 돌출되는 상기 노즐의 구역들의 원호 길이는 적어도 상기 원호 길이(d4, e4) 보다 큰 것을 특징으로 한다. 이러한 방식으로, 냉각액 공급부로부터 냉각액 복귀부까지의 2차 연결이 확실하게 회피된다.

또한, 상기 플라즈마 토치 헤드에서는 상기 2개의 구멍들 각각은 기본적으로 플라즈마 토치 헤드(1)의 종축과 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하며, 이에 따라, 냉각액 라인들이 공간 절약방식으로 상기 플라즈마 토치 헤드에 연결될 수 있다.

특히, 상기 냉각액 공급부를 위한 구멍은 냉각액 복귀부에 대해 180도의 각도로 오프셋되도록 배치될 수 있다.

상기 노즐 캡의 리세스들 사이의 상기 섹션의 호도는 상기 냉각액 복귀홈의 최소 호도, 또는 상기 노즐의 냉각액 공급홈의 최소 호도의 최대 절반의 크기를 갖는 것이 유리하다.

상기 노즐에 있어서, 상기 액체 복귀홈은 또한 상기 노즐 외측면의 제1섹션의 일부 상으로 연장될 수 있다.

상기 노즐의 특정 실시예에 있어서, a)의 경우, 적어도 2개의 액체 공급홈이 제공되고, b)의 경우, 적어도 2개의 액체 복귀홈이 제공된다.

상기 액체 공급홈의 중간점과 상기 액체 복귀홈의 중간점은 상기 노즐의 원주 둘레에서 180도의 각도로 서로에 대해 오프셋(offset)되도록 배열되는 것이 유리하다. 즉, 상기 액체 공급홈과 액체 복귀홈은 서로 마주하게 배열된다.

a)의 경우에서의 액체 복귀홈과 b)의 경우에서의 액체 복귀홈의 원주방향 폭은 90 내지 270도의 각도 범위내에 놓인다. 이러한 액체 공급 및 복귀홈을 통해, 상기 노즐의 양호한 냉각을 이루게 된다.

a)의 경우, 상기 액체 공급홈에 연결된 홈은 상기 노즐의 제1섹션 내에 배치되고, b)의 경우, 상기 액체 복귀홈에 연결된 홈은 상기 노즐의 제1섹션 내에 배치되는 것이 유리하다.

a)의 경우, 상기 홈은 상기 노즐의 제1섹션의 원주 방향으로 원주 전체 둘레로 연장된다.

특히, a)의 경우, 상기 홈은 상기 노즐의 제1섹션의 원주 방향으로 60 내지 300도의 각도 범위에 걸쳐 연장되고, b)의 경우, 상기 홈은 상기 노즐의 제1섹션의 원주 방향으로 60 내지 300도의 각도 범위에 걸쳐 연장된다.

특히, a)의 경우, 상기 홈은 상기 노즐의 제1섹션의 원주 방향으로 90 내지 2700도의 각도 범위에 걸쳐 연장되고, b)의 경우, 상기 홈은 상기 노즐의 제1섹션의 원주 방향으로 90 내지 270도의 각도 범위에 걸쳐 연장되는 것이 바람직하다.

상기 노즐의 다른 실시예에 있어서, a)의 경우, 정확히 2개의 액체 공급홈(4.20; 4.21)이 제공되고, b)의 경우, 정확히 2개의 액체 복귀홈이 제공된다.

특히, a)의 경우, 상기 2개의 액체 공급홈은 상기 액체 복귀홈의 중간점으로부터 상기 노즐의 종축을 통해 직각으로 연장되는 직선에 대해 대칭이 되도록 상기 노즐의 원주 둘레에 배치되고, b)의 경우, 상기 2개의 액체 복귀홈은 상기 액체 공급홈의 중간점으로부터 상기 노즐의 종축을 통해 직각으로 연장되는 직선에 대해 대칭이 되도록 상기 노즐의 원주 둘레에 배치된다.

a)의 경우에서의 상기 2개의 액체 공급홈의 중간점과, b)의 경우에서의 상기 2개의 액체 복귀홈의 중간점은 30 내지 180도의 각도범위 내에서 상기 노즐의 원주둘레에 서로에 대해 오프셋되도록 배치된다.

a)의 경우에서의 상기 액체 복귀홈과 b)의 경우에서의 액체 공급홈의 원주방향 폭은 120 내지 270도의 각도범위 내에 놓인다.

또한, a)의 경우, 상기 2개의 액체 공급홈은 상기 노즐의 제1섹션 내에서 서로 연결되고, b)의 경우, 상기 2개의 액체 복귀홈은 상기 노즐의 제1섹션 내에서 서로 연결된다.

또한, a)의 경우, 상기 2개의 액체 공급홈은 홈에 의해 노즐의 제1섹션에서 서로 연결되고, b)의 경우, 상기 2개의 액체 복귀홈이 홈에 의해 노즐의 제1섹션에서 서로 연결된다.

상기 홈은, a)의 경우, 하나 또는 양쪽 액체 공급홈을 초과하여 형성되고, b)의 경우, 하나 또는 2개의 액체 복귀홈을 초과하여 형성된다.

a)의 경우, 상기 홈은 노즐의 제1섹션의 원주방향으로 전체 원주 둘레로 연장된다.

특히, 상기 홈은 노즐의 제1섹션의 원주방향으로 60 내지 300도의 각도범위에 걸쳐 연장된다.

특히, 상기 홈(4.6)은 노즐(4)의 제1섹션(4.1)의 원주방향으로 90 내지 270도의 각도범위에 걸쳐 연장되는 것이 바람직하다.

본 발명은, 냉각액을 종래에서와 같이 플라즈마 토치 헤드의 종축에 평행하게 공급 및/또는 제거하는 대신에, 상기 플라즈마 토치 헤드의 종축에 직각으로 공급 및/또는 제거함으로써, 액각액과 노즐 간의 보다 긴 접촉을 통해 상기 노즐의 보다 나은 냉각을 이룬다는 놀라운 발견에 근거한 것이다.

만약 하나 이상의 냉각액 공급홈이 제공된다면, 상기 노즐 팁의 구역에서 특히 양호한 냉각액 와류(vorticity)를 얻을 수 있게 되며, 이는 노즐의 보다 나은 냉각과 관련된다.

본 발명은 상기 구성과 방식으로 인해 비교적 간단한 방식으로 노즐 채널/노즐 구멍 부근에서의 과열을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 갖는 플라즈마 토치 헤드와, 노즐을 갖는 2차 가스(secondary gas) 공급부 및 노즐 캡을 통한 종방향 단면도이다.
도 1a는 도 1의 선A-A를 따른 단면도이다.
도 1b는 도 1의 선B-B를 따른 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 노즐을 각기 나타내는 도면으로, 상부 좌측은 전방으로부터의 평면도이고; 상부 우측은 종방향 단면도이며; 하부 우측은 측면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마를 갖는 플라즈마 토치 헤드와, 노즐을 갖는 2차 가스 공급부 및 노즐 캡을 통한 종방향 단면도이다.
도 3a는 도 3의 선A-A를 따른 단면도이다.
도 3b는 도 3의 선B-B를 따른 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 노즐을 각기 나타내는 도면으로, 상부 좌측은 전방으로부터의 평면도이고; 상부 우측은 종방향 단면도이며; 하부 우측은 측면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마를 갖는 플라즈마 토치 헤드와, 노즐을 갖는 2차 가스 공급부 및 노즐 캡을 통한 종방향 단면도이다.
도 5a는 도 5의 선A-A를 따른 단면도이다.
도 5b는 도 5의 선B-B를 따른 단면도이다.
도 6는 도 5에 도시된 노즐을 각기 나타내는 도면으로, 상부 좌측은 전방으로부터의 평면도이고; 상부 우측은 종방향 단면도이며; 하부 우측은 측면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마를 갖는 플라즈마 토치 헤드와, 노즐을 갖는 2차 가스 공급부 및 노즐 캡을 통한 종방향 단면도이다.
도 7a는 도 7의 선A-A를 따른 단면도이다.
도 7b는 도 7의 선B-B를 따른 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 노즐을 각기 나타내는 도면으로, 상부 좌측은 전방으로부터의 평면도이고; 상부 우측은 종방향 단면도이며; 하부 우측은 측면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마를 갖는 플라즈마 토치 헤드와, 노즐을 갖는 2차 가스 공급부 및 노즐 캡을 통한 종방향 단면도이다.
도 9a는 도 9의 선A-A를 따른 단면도이다.
도 9b는 도 9의 선B-B를 따른 단면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 노즐을 각기 나타내는 도면으로, 상부 좌측은 전방으로부터의 평면도이고; 상부 우측은 종방향 단면도이며; 하부 우측은 측면도이다.
도 11 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마를 갖는 플라즈마 토치 헤드와, 노즐을 갖는 2차 가스 공급부 및 노즐 캡을 통한 종방향 단면도이다.
도 11a는 도 11의 선A-A를 따른 단면도이다.
도 11b는 도 11의 선B-B를 따른 단면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 노즐을 각기 나타내는 도면으로, 상부 좌측은 전방으로부터의 평면도이고; 상부 우측은 종방향 단면도이며; 하부 우측은 측면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노즐을 각기 나타내는 도면으로, 상부 좌측은 전방으로부터의 평면도이고; 상부 우측은 종방향 단면도이며; 하부 우측은 측면도이다.
도 14는 도 1, 3, 5 및 11에 도시된 노즐을 각기 나타내는 도면으로, 상부 좌측은 전방으로부터의 평면도이고; 상부 우측은 종방향 단면도이며; 하부 우측은 측면도이다.
도 15는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 노즐을 각기 나타내는 도면으로, 상부 좌측은 전방으로부터의 평면도이고; 상부 우측은 종방향 단면도이며; 하부 우측은 측면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노즐을 각기 나타내는 도면으로, 상부 좌측은 전방으로부터의 평면도이고; 상부 우측은 종방향 단면도이며; 하부 우측은 측면도이다.

이하의 설명에서, 냉각액 공급 홈으로 언급되는 적어도 하나의 액체 공급 홈과 냉각액 복귀 홈으로 언급되는 정확히 하나의 액체 복귀 홈을 포함하는 실시예들이 기술된다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 상기 액체 공급 홈 및 액체 복귀 홈의 수는 변경되거나 뒤바뀔 수 있다.

도 1에 도시된 플라즈마 토치 헤드(1)는, 본 발명의 경우, (도시되지 않은) 나삿니를 통해 전극 수용부재(6)에 전극(7)을 수용한다. 상기 전극은 평면 전극으로 형성된다. 예를 들어, 공기 또는 산소가 상기 플라즈마 토치를 위한 플라즈마 가스로 사용될 수 있다. 노즐(4)은 기본적으로 원통형인 노즐 홀더(5)에 의해 수용된다. (도시되지 않은) 나삿니에 의해 상기 플라즈마 토치 헤드(1)에 고정된 노즐 캡(2)은 노즐(4)을 고정시키며 냉각액 챔버(10)와 함께 형성된다. 상기 냉각액 챔버(10)는, 노즐(4)과 노즐 캡(2) 사이에서, 노즐(4)의 홈(4.15)에 배치되는 O-링(4.16)으로 구현된 시일(seal)에 의해 밀봉된다.

예를 들어, 물 또는 부동액과 같은 냉각 액체는 냉각액 공급부(WV)의 구멍으로부터 냉각액 챔버(10)를 통해 냉각액 복귀부(WR)의 구멍으로 흐르며, 이에 따라, 상기 구멍들은 서로에 대해 180도의 각도로 오프셋(offset)되도록 배열된다.

종래의 플라즈마 토치에서는 노즐 구멍(4.10) 영역에서 노즐(4)의 과열이 반복적으로 발생한다. 그러나, 이러한 과열은 상기 노즐(4)의 원동형 섹션(section)과 노즐 홀더(5) 사이에서도 발생하며, 특히, 이는 높은 감시전류(pilot current)로 작동하는 플라즈마 토치에 직접 또는 간접적으로 적용되며, 이러한 과열은 짧은 작동시간 후의 구리의 변색에 의해서도 증명된다. 이미 40 암페어의 전류에서의 짧은 작동시간(예, 5분) 후, 변색이 발생함을 확인하였다. 마찬가지로, 상기 노즐(4)과 노즐 캡(2) 사이의 밀봉점에서도 과열이 발생하여, O-링(4.6)의 손상으로 이어지며, 이에 따라, 밀봉성을 방해함으로써 냉각액이 누출된다. 연구결과에 의하면, 이러한 현상은 특히 냉각액 복귀부와 마주하는 노즐의 측면상에서 발생한다. 이는, 상기 냉각 액체가 노즐 구멍에 가장 가까이 놓인 냉각액 챔버(10)의 일부(10.20)를 통해 불충분하게 흐르거나, 또는 이러한 부분에 도달조차 하지 못함으로써, 특히 냉각액 복귀부에 마주하는 측면상에 위치한 상기 노즐(4)의 노즐 구멍(4.10)에 대한 냉각이 불충분하게 이루어지는 것으로 추정된다.

본 발명에 따른 도 1에 도시된 플라즈마 토치에서는 냉각액이 상기 노즐(4)과 접하는 노즐 홀더(5)로부터 프라즈마 토치 헤드(1)의 종축에 대해 거의 수직하게 냉각액 챔버(10) 내로 전달된다. 이를 위해, 상기 냉각액은, 냉각액 챔버(10)의 굴절 영역(deflection area: 10.10)에서, 플라즈마 토치의 냉각액 공급부(WV) 구멍의 종축과 평행한 방향으로부터 상기 플라즈마 토치 헤드(1)의 종축에 거의 수직한 제1 노즐 섹션(4.1: 도 2 참조)의 방향으로 굴절된다. 그런 다음, 상기 냉각액은 노즐 캡(2)과 노즐(4)의 냉각액 공급홈(4.20: 도 1a, 1b 및 2 참조)에 의해 형성된 영역(10.11)을 통해 상기 노즐 구멍(4.10)을 둘러싸는 냉각액 챔버(10)의 구역(10.20) 내로 흘러, 상기 노즐(4) 주변을 흐르게 된다. 그 후, 상기 냉각액은 노즐 캡(2)과 노즐(4)의 냉각액 복귀홈(4.22)에 의해 형성된 영역(10.15)을 통해 냉각액 복귀부(WV)로 돌아오며, 이에 따라, 상기 플라즈마 토치 헤드의 종축과 평행하게 전이 현상(transition)이 발생하게 된다.

더욱이, 상기 플라즈마 토치 헤드(1)는 노즐 보호 캡 홀더(8)와 노즐 보호 캡(9)을 구비하며, 상기 플라즈마 빔 주변의 2차 가스(SG)는 이러한 구역을 통해 흐른다. 상기 2차 가스(SG)는 2차 가스 안내부재(9.1)를 통해 흐르며, 이에 의해 그 순환이 설정된다.

도 1a는 도 1에 도시된 플라즈마 토치의 선A-A를 따른 단면도로서, 상기 노즐 캡(2)과 상기 노즐(4)의 냉각액 공급홈(4.20)에 의해 형성된 영역이, 상기 노즐 캡(2)의 내면(2.5)과 결합된 노즐(4)의 돌출구역(4.31 및 4.32)의 섹션들(4.41 및 4.42)을 통해, 냉각액 공급부와 냉각액 복귀부 간의 2차 연결(secondary connection)을 어떻게 방지하는 지를 나타낸다. 상기 냉각액의 2차 연결이 노즐 캡(2)에 대한 노즐(4)의 각 위치에서 방지되는 것을 보장하기 위하여, 상기 노즐의 돌출구역(4.31 및 4.32) 섹션들(4.41 및 4.42)의 호도(circular measures: d4 및 e4)는 적어도 노즐 캡(2)과 마주하는 노즐 캡(2) 리세스(recess: 2.6)의 호도(b2) 만큼의 크기를 가져야 한다 (도 14 및 16 참조).

이에 따라, 상기 노즐 탭(tip) 구역에서 노즐(4)의 효과적인 냉각이 이루어지고, 열적 과부하가 방지되며, 또한, 가능한 많은 양의 냉각액이 냉각액 챔버(10)의 영역(10.20)에 도달하는 것이 보장된다. 여러 번의 시운전에서, 상기 노즐 구멍(4.10) 구역 내의 노즐이 더 이상 변색되지 않았다. 또한, 상기 노즐(4)과 노즐 캡(2) 간의 밀봉에 있어서의 문제가 더 이상 발생하지 않았으며, O-링의 과열도 없었다.

도 1b는 도 1에 도시된 플라즈마 토치 헤드의 선B-B을 따른 단면도로서, 상기 굴절 영역(10.10)의 평면을 나타낸다.

도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 토치 헤드의 노즐(4)을 나타낸다. 상기 플라즈마 토치 헤드의 노즐(4)은, 노즐 팁(4.11)에 형성되어 플라즈마 가스 빔의 출구로서의 역할을 하는 노즐 구멍(4.10)과, 그 외면이 기본적으로 원통형인 제1섹션(4.1)과, 상기 노즐 팁(4.11)을 향해 제1섹션과 연결되어 있으며, 그 외면(4.5)이 노즐 팁(4.11)을 향해 원뿔형으로 테이퍼 가공된 제2섹션(4.2)을 갖는다. 상기 냉각액 공급홈(4.20)은 노즐 팁(4.11)을 향하여 상기 제1섹션(4.1)의 일부와 상기 노즐(4) 외면(4.5)의 제2섹션(4.2) 상으로 연장되어 상기 원통형 외면(4.3) 앞에서 중단된다. 상기 냉각액 복귀홈(4.22)은 노즐(4)의 제2섹션(4.2) 상으로 연장된다. 상기 냉각액 공급홈(4.20)의 중간점과 상기 냉각액 복귀홈(4.22)의 중간점은 상기 노즐(4)의 원주 둘레에서 서로에 대해 오프셋(offset)되도록 배열된다. 상기 냉각액 복귀홈(4.22)의 원주 방향 폭(α4)은 대략 250도 이다. 상기 섹션들(4.41 및 4.42)과 연결된 외향 돌출구역들(4.31 및 4.32)은 상기 냉각액 공급홈(4.20)과 냉각액 복귀홈(4.22) 사이에 배치된다.

도 3은 도 1과 유사한 플라즈마 토치를 도시하고 있지만, 특정 실시예를 따른 것이다. 상기 노즐(4)은 2개의 냉각액 공급홈(4.20 및 4.21)을 갖는다. 또한, 여기서, 상기 냉각액은 상기 노즐(4)과 접하는 노즐 홀더(5)로부터 상기 프라즈마 토치 헤드(1)의 종축에 대해 거의 수직하게 냉각액 챔버(10) 내로 전달된다. 이를 위해, 상기 냉각액은, 냉각액 챔버(10)의 굴절 영역(deflection area: 10.10)에서, 플라즈마 토치의 냉각액 공급부(WV) 구멍의 종축과 평행한 방향으로부터 상기 플라즈마 토치 헤드(10)의 종축에 거의 수직한 제1 노즐 섹션(4.1)의 방향으로 굴절된다. 그런 다음, 상기 냉각액은 노즐 홀더(5)의 홈(5.1)을 통해 노즐 캡(2)과 노즐(4)의 냉각액 공급홈들(4.20 및 4.21)에 의해 형성된 2개의 영역들(10.11 및 10.12) 내로 흘러들어가, 상기 노즐 구멍(4.10)을 둘러싸는 냉각액 챔버(10)의 구역(10.20)까지 흐르며, 상기 노즐(4) 주변을 흐르게 된다. 그 후, 상기 냉각액은 노즐 캡(2)과 노즐(4)의 냉각액 복귀홈(4.22)에 의해 형성된 영역(10.15)을 통해 냉각액 복귀부(WR)로 돌아오며, 이에 따라, 상기 플라즈마 토치 헤드의 종축과 평행하게 전이 현상(transition)이 발생하게 된다.

도 3a는 도 3에 도시된 플라즈마 토치의 선A-A를 따른 단면도로서, 상기 노즐 캡(2)과 상기 노즐(4)의 냉각액 공급홈들(4.20 및 4,21)에 의해 형성된 영역들(10.11 및 10.12)이, 상기 노즐 캡(2)의 내면(2.5)과 결합된 노즐(4)의 외향 돌출구역들(4.41 및 4.32)의 상기 섹션들(4.41 및 4.42)을 통해, 냉각액 공급부와 냉각액 복귀부 간의 2차 연결을 어떻게 방지하는 지를 나타낸다. 이와 동시에, 상기 영역들(10.11 및 10.12) 간의 2차 연결은 상기 외향 돌출구역(4.33)의 상기 섹션(4.43)에 의해 방지된다. 상기 노즐 캡(2)에 대한 상기 노즐(4)의 각 위치에서, 상기 냉각액의 2차 연결이 방지되는 것을 보장하기 위하여, 상기 노즐(4)의 상기 섹션들(4.41 및 4.42)의 호도(d4 및 e4)는 적어도 노즐 캡(2)과 마주하는 노즐 캡(2) 리세스(recess: 2.6)의 호도(b2) 만큼의 크기를 가져야 한다 (도 14 및 16 참조).

도 3b는 도 3에 도시된 플라즈마 토치의 선B-B을 따른 단면도로서, 상기 굴절 영역(10.10)의 평면과, 상기 노즐 홀더(5) 내의 홈(5.1)을 통한 2개의 냉각액 공급부들(4.20 및 4.21)의 연결을 나타낸다.

도 4는 도 3에 도시된 플라즈마 토치 헤드의 노즐(4)을 나타낸다. 상기 플라즈마 토치 헤드의 노즐(4)은, 노즐 팁(4.11)에 형성되어 플라즈마 가스 빔의 출구로서의 역할을 하는 노즐 구멍(4.10)과, 그 외면이 기본적으로 원통형인 제1섹션(4.1)과, 상기 노즐 팁(4.11)을 향해 제1섹션과 연결되어 있으며, 그 외면(4.5)이 노즐 팁(4.11)을 향해 원뿔형으로 테이퍼 가공된 제2섹션(4.2)을 갖는다. 상기 냉각액 공급홈들(4.20 및 4.21)은 노즐 팁(4.11)을 향하여 상기 제1섹션(4.1)의 일부와 상기 노즐(4) 외면(4.5)의 제2섹션(4.2) 상으로 연장되어 상기 원통형 외면(4.3) 앞에서 중단된다. 상기 냉각액 복귀홈(4.22)은 노즐(4)의 제2섹션(4.2) 상으로 연장된다. 상기 냉각액 복귀홈(4.22)의 원주 방향 폭(α4)은 대략 190도이다. 상기 섹션들(4.41, 4.42 및 4.43)과 연결된 외향 돌출구역들(4.31, 4.32 및 4.33)은 상기 냉각액 공급홈들(4.20; 4.21)과 냉각액 복귀홈(4.22) 사이에 배치된다.

도 5는 도 3과 유사한 플라즈마 토치를 도시하고 있지만, 특정 실시예를 따른 것이다. 상기 노즐(4)은 2개의 냉각액 공급홈(4.20 및 4.21)을 갖는다 (도 5a 참조). 또한, 여기서, 상기 냉각액은 상기 노즐(4)과 접하는 노즐 홀더(5)로부터 상기 프라즈마 토치 헤드(1)의 종축에 대해 거의 수직하게 냉각액 챔버(10) 내로 전달된다. 이를 위해, 상기 냉각액은, 냉각액 챔버(10)의 굴절 영역(deflection area: 10.10)에서, 플라즈마 토치의 냉각액 공급부(WV) 구멍의 종축과 평행한 방향으로부터 상기 플라즈마 토치 헤드(10)의 종축에 거의 수직한 제1 노즐 섹션(4.1)의 방향으로 굴절된다. 그런 다음, 상기 냉각액은 노즐(4)의 홈(4.6)을 통해 상기 노즐 캡(2)과 상기 노즐(4)의 냉각액 공급홈들(4.20 및 4.21)에 의해 형성된 2개의 영역들(10.11 및 10.12) 내로 흘러들어가, 상기 노즐 구멍(4.10)을 둘러싸는 냉각액 챔버(10)의 구역(10.20)까지 흘러, 상기 노즐(4) 주변을 흐르게 된다. 그 후, 상기 냉각액은 노즐 캡(2)과 노즐(4)의 냉각액 복귀홈(4.22)에 의해 형성된 영역(10.15)을 통해 냉각액 복귀부(WR)로 돌아오며, 이에 따라, 상기 플라즈마 토치 헤드의 종축과 평행하게 전이 현상(transition)이 발생하게 된다.

도 5a는 도 5에 도시된 플라즈마 토치의 선A-A를 따른 단면도로서, 상기 노즐 캡(2)과 상기 노즐(4)의 냉각액 공급홈들(4.20 및 4,21)에 의해 형성된 영역들(10.11 및 10.12)이, 상기 노즐 캡(2)의 내면(2.5)과 결합된 노즐(4)의 외향 돌출구역들(4.41 및 4.32)의 상기 섹션들(4.41 및 4.42)을 통해, 냉각액 공급부와 냉각액 복귀부 간의 2차 연결을 어떻게 방지하는 지를 나타낸다. 이와 동시에, 상기 영역들(10.11 및 10.12) 간의 2차 연결은 상기 외향 돌출구역(4.33)의 상기 섹션(4.43)에 의해 방지된다. 상기 노즐 캡(2)에 대한 상기 노즐(4)의 각 위치에서, 상기 냉각액의 2차 연결이 방지되는 것을 보장하기 위하여, 상기 노즐(4)의 상기 섹션들(4.41 및 4.42)의 호도(d4 및 e4)는 적어도 노즐 캡(2)과 마주하는 노즐 캡(2) 리세스(recess: 2.6)의 호도(b2) 만큼의 크기를 가져야 한다.

도 5b는 도 5에 도시된 플라즈마 토치의 선B-B을 따른 단면도로서, 상기 굴절 영역(10.10)의 평면과, 상기 노즐(4) 내의 홈(4.6)을 통한 2개의 냉각액 공급부들의 연결을 나타낸다.

도 6는 도 5에 도시된 플라즈마 토치 헤드의 노즐(4)을 나타낸다. 상기 플라즈마 토치 헤드의 노즐(4)은, 노즐 팁(4.11)에 형성되어 플라즈마 가스 빔의 출구로서의 역할을 하는 노즐 구멍(4.10)과, 그 외면이 기본적으로 원통형인 제1섹션(4.1)과, 상기 노즐 팁(4.11)을 향해 제1섹션과 연결되어 있으며, 그 외면(4.5)이 노즐 팁(4.11)을 향해 원뿔형으로 테이퍼 가공된 제2섹션(4.2)을 갖는다. 상기 냉각액 공급홈들(4.20 및 4.21)은 노즐 팁(4.11)을 향하여 상기 제1섹션(4.1)의 일부와 상기 노즐(4) 외면(4.5)의 제2섹션(4.2) 상으로 연장되어 상기 원통형 외면(4.3) 앞에서 중단된다. 상기 냉각액 복귀홈(4.22)은 노즐(4)의 제2섹션(4.2) 상으로 연장된다.

상기 냉각액 복귀홈(4.22)의 원주 방향 폭(α4)은 대략 190도이다. 상기 섹션들(4.41, 4.42 및 4.43)과 연결된 외향 돌출구역들(4.31, 4.32 및 4.33)은 상기 냉각액 공급홈들(4.20; 4.21)과 냉각액 복귀홈(4.22) 사이에 배치된다. 상기 냉각액 공급홈들(4.20 및 4.21)은 상기 노즐의 홈(4.6)에 의해 서로 연결된다.

도 7는 본 발명의 또 다른 특정 실시예에 따른 플라즈마 토치를 도시하고 있다. 또한, 여기서, 상기 냉각액은 상기 노즐(4)과 접하는 노즐 홀더(5)로부터 상기 프라즈마 토치 헤드(1)의 종축에 대해 거의 수직하게 냉각액 챔버(10) 내로 전달된다. 이를 위해, 상기 냉각액은, 냉각액 챔버(10)의 굴절 영역(10.10)에서, 플라즈마 토치의 냉각액 공급부(WV) 구멍의 종축과 평행한 방향으로부터 상기 플라즈마 토치 헤드(10)의 종축에 거의 수직한 제1 노즐 섹션(4.1)의 방향으로 굴절된다. 그런 다음, 상기 냉각액은 상기 노즐 캡(2: 도 7a 참조)과 상기 노즐(4)의 냉각액 공급홈(4.20)에 의해 형성된 영역(10.11: 도 7a 참조)을 통해 상기 노즐 구멍(4.10)을 둘러싸는 냉각액 챔버(10)의 상기 구역(10.20) 내로 흘러, 상기 노즐(4) 주변을 흐르게 된다. 그 후, 상기 냉각액은 상기 노즐 캡(2)과 노즐(4)의 냉각액 복귀홈(4.22)에 의해 형성된 영역(10.15)을 통해 냉각액 복귀부(WV)로 돌아오며, 이에 따라, 상기 굴절 영역(10.10)을 통해 상기 플라즈마 토치 헤드의 종축에 거의 수직하게 전이 현상(transition)이 발생하게 된다.

도 7a는 도 7에 도시된 플라즈마 토치의 선A-A를 따른 단면도로서, 상기 노즐 캡(2)과 상기 노즐(4)의 냉각액 공급홈(4.20)에 의해 형성된 상기 영역(10.11)이, 상기 노즐 캡(2)의 내면과 결합된 노즐(4)의 돌출구역(4.31 및 4.32)의 섹션들(4.41 및 4.42)을 통해, 냉각액 공급부와 냉각액 복귀부 간의 2차 연결을 어떻게 방지하는 지를 나타낸다.

도 7b는 도 7에 도시된 플라즈마 토치 헤드의 선B-B을 따른 단면도로서, 상기 굴절 영역(10.10)의 평면을 나타낸다.

도 8는 도 7에 도시된 플라즈마 토치 헤드의 노즐(4)을 나타낸다. 상기 플라즈마 토치 헤드의 노즐(4)은, 노즐 팁(4.11)에 형성되어 플라즈마 가스 빔의 출구로서의 역할을 하는 노즐 구멍(4.10)과, 그 외면(4.4)이 기본적으로 원통형인 제1섹션(4.1)과, 상기 노즐 팁(4.11)을 향해 제1섹션과 연결되어 있으며, 그 외면(4.5)이 상기 노즐 팁(4.11)을 향해 원뿔형으로 테이퍼 가공된 제2섹션(4.2)을 갖는다. 상기 냉각액 공급홈(4.20)과 냉각액 복귀홈(4.22)은 노즐 팁(4.11)을 향하여 상기 제1섹션(4.1)의 일부와 상기 노즐(4) 외면(4.5)의 제2섹션(4.2) 상으로 연장되어 상기 원통형 외면(4.3) 앞에서 중단된다. 상기 냉각액 공급홈(4.20)의 중간점과 상기 냉각액 복귀홈(4.22)의 중간점은 상기 노즐(4)의 원주 둘레에서 서로에 대해 오프셋(offset)되도록 180도의 각도로 배열되며, 동일한 크기를 갖는다. 상기 섹션들(4.41 및 4.42)과 연결된 돌출구역들(4.31 및 4.32)은 상기 냉각액 공급홈(4.20)과 냉각액 복귀홈(4.22) 사이에 배치된다.

도 9는 본 발명의 또 다른 특정 실시예에 따른 플라즈마 토치 헤드를 도시하고 있다. 상기 노즐(4)은 2개의 냉각액 공급홈(4.20 및 4.21)을 갖는다. 또한, 여기서, 상기 냉각액은 상기 노즐(4)과 접하는 노즐 홀더(5)로부터 상기 프라즈마 토치 헤드(1)의 종축에 대해 거의 수직하게 냉각액 챔버(10) 내로 전달된다. 이를 위해, 상기 냉각액은, 냉각액 챔버(10)의 굴절 영역(10.10)에서, 플라즈마 토치의 냉각액 공급부(WV) 구멍의 종축과 평행한 방향으로부터 상기 플라즈마 토치 헤드(10)의 종축에 거의 수직한 제1 노즐 섹션(4.1)의 방향으로 굴절된다. 그런 다음, 상기 냉각액은 노즐 홀더(5)의 홈(5.1)을 통해 노즐 캡(2)과 노즐(4)의 냉각액 공급홈들(4.20 및 4.21)에 의해 형성된 2개의 영역들(10.11 및 10.12) 내로 흘러들어가, 상기 노즐 구멍(4.10)을 둘러싸는 냉각액 챔버(10)의 구역(10.20)까지 흐르며, 상기 노즐(4) 주변을 흐르게 된다. 그 후, 상기 냉각액은 노즐 캡(2)과 노즐(4)의 냉각액 복귀홈(4.22)에 의해 형성된 영역(10.15)을 통해 냉각액 복귀부(WR)로 돌아오며, 이에 따라, 상기 굴절 영역(10.10)을 통해 상기 플라즈마 토치 헤드의 종축에 거의 수직하게 전이 현상(transition)이 발생하게 된다.

도 9a는 도 9에 도시된 플라즈마 토치의 선A-A를 따른 단면도로서, 상기 노즐 캡(2)과 상기 노즐(4)의 냉각액 공급홈들(4.20 및 4,21)에 의해 형성된 영역들(10.11 및 10.12)이, 상기 노즐 캡(2)의 내면과 결합된 노즐(4)의 돌출구역들(4.41 및 4.32)의 상기 섹션들(4.41 및 4.42)을 통해, 냉각액 공급부와 냉각액 복귀부 간의 2차 연결을 어떻게 방지하는 지를 나타낸다. 이와 동시에, 상기 영역들(10.11 및 10.12) 간의 2차 연결은 상기 돌출구역(4.33)의 상기 섹션(4.43)에 의해 방지된다.

도 9b는 도 9에 도시된 플라즈마 토치 헤드의 선B-B을 따른 단면도로서, 상기 굴절 영역(10.10)의 평면과, 상기 노즐 홀더(5) 내의 홈(5.1)을 통한 양쪽 냉각액 공급부들(4.20 및 4.21)의 연결을 나타낸다.

도 10는 도 9에 도시된 플라즈마 토치 헤드의 노즐(4)을 나타낸다. 상기 플라즈마 토치 헤드의 노즐(4)은, 노즐 팁(4.11)에 형성되어 플라즈마 가스 빔의 출구로서의 역할을 하는 노즐 구멍(4.10)과, 그 외면이 기본적으로 원통형인 제1섹션(4.1)과, 상기 노즐 팁(4.11)을 향해 제1섹션과 연결되어 있으며, 그 외면(4.5)이 노즐 팁(4.11)을 향해 원뿔형으로 테이퍼 가공된 제2섹션(4.2)을 갖는다. 상기 냉각액 공급홈들(4.20 및 4.21)은 노즐 팁(4.11)을 향하여 상기 제1섹션(4.1)의 일부와 상기 노즐(4) 외면(4.5)의 제2섹션(4.2) 상으로 연장되어 상기 원통형 외면(4.3) 앞에서 중단된다. 상기 냉각액 복귀홈(4.22)은 상기 노즐(4) 외측면(4.5)내의 제1섹션(4.1)과 제2섹션(4.2) 상으로 연장된다. 상기 섹션들(4.41, 4.42 및 4.43)과 연결된 외향 돌출구역들(4.31, 4.32 및 4.33)은 상기 냉각액 공급홈들(4.20; 4.21)과 냉각액 복귀홈(4.22) 사이에 배치된다.

도 11은 도 5과 유사한 플라즈마 토치 헤드를 도시하고 있지만, 본 발명의 또 다른 특정 실시예를 따른 것이다. 상기 냉각액 공급부(WV) 및 냉각액 복귀부의 구멍들은 90도의 각도로 오프셋되도록 배열된다. 상기 노즐(4)은, 2개의 냉각액 공급홈(4.20 및 4.21)과, 상기 제1섹션(4.1)의 원주방향으로 전체 원주 둘레로 연장되고 상기 냉각액 공급홈과 연결되는 홈(4.6)을 갖는다. 상기 냉각액은 상기 노즐(4)과 접하는 노즐 홀더(5)로부터 상기 프라즈마 토치 헤드(1)의 종축에 대해 거의 수직하게 냉각액 챔버(10) 내로 전달된다. 이를 위해, 상기 냉각액은, 냉각액 챔버(10)의 굴절 영역(10.10)에서, 플라즈마 토치의 냉각액 공급부(WV) 구멍의 종축과 평행한 방향으로부터 상기 플라즈마 토치 헤드(10)의 종축에 거의 수직한 제1 노즐 섹션(4.1)의 방향으로 굴절된다. 그런 다음, 상기 냉각액은, 상기 홈들(4.20 및 4.21) 사이의 원주 일부 상에, 즉, 약 300도의 각도에 걸쳐, 상기 노즐(4)의 제1섹션(4.1)의 원주 방향으로 연장되는 홈(4.6)을 통해 상기 노즐 캡(2)과 상기 노즐(4)의 냉각액 공급홈들(4.20 및 4.21)에 의해 형성된 2개의 영역들(10.11 및 10.12) 내로 흘러들어가, 상기 노즐 구멍(4.10)을 둘러싸는 냉각액 챔버(10)의 구역(10.20)까지 흘러, 상기 노즐(4) 주변을 흐르게 된다. 그 후, 상기 냉각액은 노즐 캡(2)과 노즐(4)의 냉각액 복귀홈(4.22)에 의해 형성된 영역(10.15)을 통해 냉각액 복귀부(WR)로 돌아오며, 이에 따라, 상기 플라즈마 토치 헤드의 종축과 평행하게 전이 현상(transition)이 발생하게 된다.

도 11a는 도 11에 도시된 플라즈마 토치의 선A-A를 따른 단면도로서, 상기 노즐 캡(2)과 상기 노즐(4)의 냉각액 공급홈들(4.20 및 4,21)에 의해 형성된 영역들(10.11 및 10.12)이, 상기 노즐 캡(2)의 내면(2.5)과 결합된 노즐(4)의 외향 돌출구역들(4.41 및 4.32)의 상기 섹션들(4.41 및 4.42)을 통해, 냉각액 공급부와 냉각액 복귀부 간의 2차 연결을 어떻게 방지하는 지를 나타낸다. 이와 동시에, 상기 영역들(10.11 및 10.12) 간의 2차 연결은 상기 외향 돌출구역(4.33)의 상기 섹션(4.43)에 의해 방지된다. 상기 노즐 캡(2)에 대한 상기 노즐(4)의 각 위치에서, 상기 냉각액의 2차 연결이 방지되는 것을 보장하기 위하여, 상기 노즐(4)의 상기 섹션들(4.41 및 4.42)의 호도(d4 및 e4)는 적어도 노즐 캡(2)과 마주하는 노즐 캡(2) 리세스(recess: 2.6)의 호도(b2) 만큼의 크기를 가져야 한다.

도 11b는 도 11에 도시된 플라즈마 토치의 선B-B을 따른 단면도로서, 상기 굴절 영역(10.10)의 평면과, 상기 노즐(4) 내에서 대략 300도의 각도로 연장된 상기 홈(4.6)을 통한 2개의 냉각액 공급부들의 연결과, 상기 냉각액 공급부(WV)와 ㄴ냉각액 복귀부(WR)를 위해 90도의 각도로 오프셋되도록 배열된 상기 구멍들을 도시한다.

도 12는 도 11에 도시된 플라즈마 토치 헤드의 노즐(4)을 나타낸다. 상기 플라즈마 토치 헤드의 노즐(4)은, 노즐 팁(4.11)에 형성되어 플라즈마 가스 빔의 출구로서의 역할을 하는 노즐 구멍(4.10)과, 그 외면이 기본적으로 원통형인 제1섹션(4.1)과, 상기 노즐 팁(4.11)을 향해 제1섹션과 연결되어 있으며, 그 외면(4.5)이 노즐 팁(4.11)을 향해 원뿔형으로 테이퍼 가공된 제2섹션(4.2)을 갖는다. 상기 냉각액 공급홈들(4.20 및 4.21)은 노즐 팁(4.11)을 향하여 상기 제1섹션(4.1)의 일부와 상기 노즐(4) 외면(4.5)의 제2섹션(4.2) 상으로 연장되어 상기 원통형 외면(4.3) 앞에서 중단된다. 상기 냉각액 복귀홈(4.22)은 노즐(4)의 제2섹션(4.2) 상으로 연장된다. 상기 섹션들(4.41, 4.42 및 4.43)과 연결된 외향 돌출구역들(4.31, 4.32 및 4.33)은 상기 냉각액 공급홈들(4.20; 4.21)과 냉각액 복귀홈(4.22) 사이에 배치된다. 상기 냉각액 공급홈들(4.20 및 4.21)은 상기 홈들(4.20 및 4.21) 사이의 원주 일부 상에, 즉, 약 300도의 각도에 걸쳐, 상기 노즐(4)의 제1섹션(4.1)의 원주 방향으로 연장되는 홈(4.6)에 의해 서로 연결된다. 이는 노즐 홀더(5)와 노즐(4) 간의 냉각 전이(cooling of the transition)에 특히 유리하다.

도 13은 도 8에 도시된 플라즈마 토치 헤드에 삽입될 수 있는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 노즐을 도시하고 있다. 상기 냉각액 공급홈(4.20)은 원주 방향으로 원주 전체로 연장되는 홈(4.6)에 연결된다. 이는, 상기 플라즈마 토치 헤드 내의 냉각액 공급부(WV)와 냉각액 복귀부(WR)를 위한 상기 구멍을 정확히 180도의 각도로 오프셋되도록 배열시킬 필요가 없으며, 대신에, 도 11에 도시된 바와 같이, 90도의 각도로 오프셋될 수 있는 장점을 갖는다. 더욱이, 이러한 구성은 노즐 홀더(5)와 노즐(4) 간의 냉각 전이에 유리하다. 물론, 이와 동일한 배열이 냉각액 복귀홈(4.22)에도 적용될 수 있다.

도 14는 본 발명의 특정 실시예에 따른 노즐 캡(2)을 나타낸다. 상기 노즐 캡(2)은 원뿔형으로 테이퍼 가공된 내면(2.22)을 포함하며, 이 경우, 라디얼면(radial plane: 14)에 리세스들(2.6)을 포함한다. 상기 리세스들(2.6)은 라이얼 섹션 내에서 반원 형상으로 내주면을 따라 일정하게 배열된다.

도 15 및 16에 도시된 본 발명의 특정 실시예에 따른 노즐 캡은 리세스(2.6) 형상으로 도 14에 도시된 실시예와는 달리, 상기 도 15의 리세스들(2.6)은 노즐 팁을 향해 원뿔대(truncated cone) 형상을 가지며, 도 16에는 상기 원뿔대의 형상이 다소 둥글게 형성된다.

이상의 상세한 설명과, 도면 및 청구범위에 기술되는 특성들은 상술된 서로 다른 실시예들의 각 형태 및 그 조합의 형태로 본 발명을 구현하는데 필수적인 것이다.

1: 플라즈마 토치 헤드 2: 노즐 캡
4: 노즐 4.10: 노즐 구멍
4.15: 홈 4.16: O-링
4.20: 냉각액 공급홈 4.22: 냉각액 복귀홈
4.31, 4.32: 돌출구역 5: 노즐 홀더
6: 수용부재 7: 전극
10: 냉각액 챔버
WV: 냉각액 공급부 WR: 냉각액 복귀부

Claims

노즐 팁(4.11)에 형성되며 플라즈마 가스 빔의 출구를 위한 노즐 구멍(4.10);과, 그 외면이 기본적으로 원통형인 제1섹션(4.1);과, 상기 노즐 팁(4.11)을 향해 제1섹션과 연결되어 있으며 그 외면(4.5)이 노즐 팁(4.11)을 향해 기본적으로 원뿔형으로 테이퍼 가공된 제2섹션(4.2);을 포함하고,
a) 적어도 하나의 액체 공급홈(4.20; 4.21)이 제공되어 노즐 팁(4.11)을 향하여 상기 제1섹션(4.1)의 일부와 상기 노즐(4) 외면(4.5)의 제2섹션(4.2) 상으로 연장되고, 상기 액체 공급홈(4.20; 4.21)과는 분리된 정확히 하나의 액체 복귀홈(4.22)이 제공되어 상기 제2섹션(4.2) 상으로 연장되거나, 또는
b) 정확히 하나의 액체 공급홈(4.20 또는 4.21)이 제공되어 노즐 팁(4.11)을 향하여 상기 제1섹션(4.1)의 일부와 상기 노즐(4) 외면(4.5)의 제2섹션(4.2) 상으로 연장되고, 상기 액체 공급홈(4.20 또는 4.21)과는 분리된 적어도 하나의 액체 복귀홈(4.22)이 제공되어 상기 제2섹션(4.2) 상으로 연장되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 1 항에 있어서,
상기 액체 복귀홈(4.22)은 또한 상기 노즐(4) 외측면의 제1섹션(4.1)의 일부 상으로 연장되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
a)의 경우, 적어도 2개의 액체 공급홈(4.20; 4.21)이 제공되고, b)의 경우, 적어도 2개의 액체 복귀홈(4.22)이 제공되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 3 항에 있어서,
상기 액체 공급홈(4.20)의 중간점과 상기 액체 복귀홈(4.22)의 중간점은 상기 노즐(4)의 원주 둘레에서 180도의 각도로 서로에 대해 오프셋(offset)되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
a)의 경우에서의 액체 복귀홈과 b)의 경우에서의 액체 복귀홈의 원주방향 폭은 90 내지 270도의 각도 범위내에 놓이게 되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
a)의 경우, 상기 액체 공급홈(4.20)에 연결된 홈(4.6)은 상기 노즐(4)의 제1섹션(4.1) 내에 배치되고,
b)의 경우, 상기 액체 복귀홈(4.22)에 연결된 홈은 상기 노즐(4)의 제1섹션 내에 배치되는 되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 6 항에 있어서,
a)의 경우, 상기 홈(4.6)은 상기 노즐(4)의 제1섹션(4.1)의 원주 방향으로 원주 전체 둘레로 연장되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 6 항에 있어서,
a)의 경우, 상기 홈(4.6)은 상기 노즐(4)의 제1섹션(4.1)의 원주 방향으로 60 내지 300도의 각도 범위에 걸쳐 연장되고,
b)의 경우, 상기 홈은 상기 노즐(4)의 제1섹션(4.1)의 원주 방향으로 60 내지 300도의 각도 범위에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 6 항에 있어서,
a)의 경우, 상기 홈(4.6)은 상기 노즐(4)의 제1섹션(4.1)의 원주 방향으로 90 내지 2700도의 각도 범위에 걸쳐 연장되고,
b)의 경우, 상기 홈은 상기 노즐(4)의 제1섹션(4.1)의 원주 방향으로 90 내지 270도의 각도 범위에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 1 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 있어서,
a)의 경우, 정확히 2개의 액체 공급홈(4.20; 4.21)이 제공되고,
b)의 경우, 정확히 2개의 액체 복귀홈(4.22)이 제공되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 10 항에 있어서,
a)의 경우, 상기 2개의 액체 공급홈(4.20; 4.21)은 상기 액체 복귀홈(4.22)의 중간점으로부터 상기 노즐(4)의 종축을 통해 직각으로 연장되는 직선에 대해 대칭이 되도록 상기 노즐의 원주 둘레에 배치되고,
b)의 경우, 상기 2개의 액체 복귀홈은 상기 액체 공급홈의 중간점으로부터 상기 노즐(4)의 종축을 통해 직각으로 연장되는 직선에 대해 대칭이 되도록 상기 노즐의 원주 둘레에 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
a)의 경우에서의 상기 2개의 액체 공급홈(4.20; 4.21)의 중간점과,
b)의 경우에서의 상기 2개의 액체 복귀홈의 중간점은 30 내지 180도의 각도범위 내에서 상기 노즐(4)의 원주둘레에 서로에 대해 오프셋되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 10 항 내지 제 12 항 중의 어느 한 항에 있어서,
a)의 경우에서의 상기 액체 복귀홈(4.22)과 b)의 경우에서의 액체 공급홈의 원주방향 폭은 120 내지 270도의 각도범위 내에 놓이게 되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 10 항 내지 제 13 항 중의 어느 한 항에 있어서,
a)의 경우, 상기 2개의 액체 공급홈(4.20; 4.21)은 상기 노즐(4)의 제1섹션(4.1) 내에서 서로 연결되고,
b)의 경우, 상기 2개의 액체 복귀홈은 상기 노즐(4)의 제1섹션(4.1) 내에서 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 14 항에 있어서,
a)의 경우, 상기 2개의 액체 공급홈(4.20; 4.21)은 홈(4.6)에 의해 노즐(4)의 제1섹션(4.1)에서 서로 연결되고,
b)의 경우, 상기 2개의 액체 복귀홈이 홈에 의해 노즐(4)의 제1섹션(4.1)에서 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 15 항에 있어서, 상기 홈(4.6)은,
a)의 경우, 하나 또는 양쪽 액체 공급홈(4.20; 4.21)을 초과하여 형성되고,
b)의 경우, 하나 또는 2개의 액체 복귀홈을 초과하여 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
a)의 경우, 상기 홈(4.6)은 노즐(4)의 제1섹션(4.1)의 원주방향으로 전체 원주 둘레로 연장되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
상기 홈(4.6)은 노즐(4)의 제1섹션(4.1)의 원주방향으로 60 내지 300도의 각도범위에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
제 18 항에 있어서,
상기 홈(4.6)은 노즐(4)의 제1섹션(4.1)의 원주방향으로 90 내지 270도의 각도범위에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐(4).
기본적으로 원뿔형상으로 테이퍼 가공된 내면(2.3)을 포함하는, 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐 캡(2)으로서,
상기 노즐 캡(2)의 내면(2.2)은 라디얼 면(radial plane) 내에 적어도 2개, 정확히는 3개의 리세스(2.6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐 캡(2).
제 20 항에 있어서,
상기 리세스(2.6)는 내주면을 따라 일정하게 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐 캡(2).
제 21 항에 있어서,
상기 리세스(2.6)는 라디얼 섹션 내에 반원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 액체 냉각 플라즈마 토치용 노즐 캡(2).
제 1 항 내지 제 19 항 중의 어느 한 항에 따른 노즐과;
상기 노즐(4)을 지지하는 노즐 홀더(5)와;
제 20 항 내지 제 22 항 중의 어느 한 항에 따른 노즐 캡(2)을 포함하며,
상기 노즐 캡(2)과 노즐(4)은. 60 내지 80도의 각도로 오프셋되어 있는 2개의 구멍을 통해 냉각액 공급라인/냉각액 복귀라인에 연결될 수 있는 냉각액 챔버(10)를 형성하고, 상기 노즐 홀더(5)는, 냉각액이 노즐(4)과 접촉하는 상기 프라즈마 토치 헤드(1)의 종축에 대해 거의 수직하게 냉각액 챔버(10) 내로 운반되거나, 및/또는 냉각액 챔버로부터 상기 종축에 거의 수직하게 상기 노즐 홀더 내로 운전되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치 헤드(1).
제 23 항에 있어서,
상기 노즐(4)은 하나 또는 2개의 냉각액 공급홈(4.20; 4.21)을 포함하고, 상기 노즐 캡(2)은, 노즐(4)과 마주하는 개구들이 각각 호도(circular measure: b2) 상으로 연장되는 적어도 2개, 정확히는 3개의 리세스(2.6)를 포함하며,
원주방향으로 상기 냉각액 공급홈(4.20; 4.21)에 인접하고 상기 냉각액 공급홈에 대해 외측으로 돌출되는 상기 노즐(4)의 돌출구역들(4.31 및 4.32)의 호도(d4 및 e4)는 적어도 상기 호도(b2) 만큼의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치 헤드(1).
제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
상기 2개의 구멍들 각각은 기본적으로 플라즈마 토치 헤드(1)의 종축과 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치 헤드(1).
제 23 항 내지 제 25 항 중의 어느 한 항에 있어서,
냉각액 공급부와 냉각액 복귀부를 위한 상기 구멍들은 180도의 각도로 오프셋되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치 헤드(1).
제 23 항 내지 제 26 항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 노즐 캡(2)의 리세스들(2.6) 사이의 상기 섹션의 호도(c2)는 상기 냉각액 복귀홈(4.22)의 최소 호도(a4), 또는 상기 노즐(4)의 냉각액 공급홈(4.20 및/또는 4.21)의 최소 호도(b4)의 최대 절반의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치 헤드(1).