KR20110094292A - 플라즈마 토치용 전극 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전극 팁 상의 전면(front surface)과 전극 홀더를 통해 중심측을 따라 전극 팁 내에 배열된 홀을 구비한 길게 연장된 전극 홀더와, 에미션 인서트의 에미션 면이 노출되도록 상기 홀 내에 배열된 에미션 인서트를 포함하며, 상기 에미션 면은 상기 전극 홀더의 전면에 대해 뒤쪽에 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극과; 또한, 전극 소켓과, 전극 홀더를 포함하며, 상기 전극 소켓은 내부 나사산을 구비하고, 상기 전극 홀더는 원통형 외면에 형성되는 외부 나사산과 홈을 가지며, 상기 전극 홀더는 외부 나사산과 내부 나사산을 통해 전극 소켓과 함께 나사결합되어 O-링에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극 및: 이를 구비하는 플라즈마 토치에 관한 것이다.

Description

플라즈마 토치용 전극{ELECTRODE FOR A PLASMA BURNER}
본 발명은 플라즈마 토치용 전극 및 상기 플라즈마 토치를 구비한 플라즈마 토치 헤드에 관한 것이다.
플라즈마란, 양이온과 음이온, 전자, 여기 원자 및 분자와, 중성 원자 및 분자로 구성되며, 고온으로 열적 가열된 전기 전도성 기체를 일컫는 용어이다.
단원자 아르곤 및/또는 수소, 질소, 산소 또는 공기와 같은 이원자 가스와 같은 다양한 가스가 플라즈마 가스로 사용된다. 이러한 가스는 전기 아크 에너지에 의해 이온화 및 해리된다. 상기 전기 아크는 노즐에 의해 수축되며, 플라즈마 제트(plasma jet)의 형태로 나타난다.
상기 플라즈마 제트의 파라메터는 상기 노즐 및 전극의 디자인에 크게 영향을 받는다. 예를 들어, 이러한 플라즈마 제트의 파라메터로는 상기 플라즈마 제트의 직경, 상기 가스의 온도, 에너지 밀도 및 유량 등이 있다.
플라즈마 절단(plasma cutting)에 있어서, 예를 들어, 상기 플라즈마는 가스 또는 물에 의해 냉각될 수 있는 노즐에 의해 수축되며, 이러한 방법으로 2x106 W/cm2에 이르는 에너지 밀도를 이룰 수 있으며, 플라즈마 제트 내의 온도는 30,000℃까지 상승하여, 높은 가스 유량과 함께, 물체에 대한 매우 높은 절단 속도를 이룰 수 있게 된다.
노즐은 높은 열적 스트레스(thermal stress)를 받기 때문에, 일반적으로 금속 재료로 만들어지며, 바람직하게는 높은 열전도성과 열전도성을 갖는 구리로 만들어 진다. 전극 홀더의 경우도 마찬가지이며, 다만, 상기 전극 홀더는 또한 은(silver)으로 형성될 수도 있다. 또한, 상기 노즐은 플라즈마 토치 내에 삽입되며, 상기 플라즈마 토치의 주요 구성요소로는 플라즈마 토치 헤드, 노즐 캡, 플라즈마 가스 안내 부재(plasma gas conducting member), 노즐, 노즐 홀더, 전극 퀼(electrode quill), 전극 인서트(electrode insert)를 갖는 전극 홀더를 포함하고 있으며, 최신 플라즈마 버너에서는 노즐 보호 캡용 홀더와 노즐 보호 캡을 포함한다. 상기 전극 홀더는 뾰족한 전극 인서트를 고정시킨다. 상기 전극 인서트는 텅스텐으로 형성되고, 에미션 인서트(emission insert)라고도 알려져 있으며, 플라즈마 가스로서 아르곤과 수소의 혼합물과 같은 비산화성 가스(non-oxidising gases)가 사용될 경우에 적합하다. 또한, 상기 전극 인서트가 하프늄(hafnium)으로 형성되는 평면 팁 전극(flat-tip electrode)은 공기 또는 산소와 같은 산화성 가스가 플라즈마 가스로 사용될 경우에 적합하다.
상기 노즐 및 전극은, 장기간의 서비스 수명을 제공하기 위해, 물과 같은 액체로 자주 냉각시켜야 하며, 기체로 냉각될 수도 있다.
이런 이유로, 액체 냉각식 및 기체 냉각식 플라즈마 토치들 간에는 명백한 차이가 있다.
종래에 있어서, 상기 전극은, 예를 들어, 구리 및 은 또는 이들의 합금과 같이 양호한 전기 및 열전도성을 갖는 재료로 형성되는 전극 홀더와, 예를 들어, 텅스텐, 지르코늄 또는 하프늄과 같은 내온성(temperature-resistant) 재료로 이루어진 에미션 인서트로 구성된다. 산소를 함유하는 플라즈마 가스를 위해서는, 열적 특성이 더 우수한 하프늄이 보다 적합하지만, 산화시에 보다 더 양호한 내온성을 나타내는 지르코늄이 사용될 수도 있다.
전극의 서비스 수명을 연장시키기 위하여, 내온성 재료가 에미션 인서트로서 홀더 내에 도입된 후 냉각된다. 가장 효과적인 냉각 형태는 액체 냉각이다.
DD 87361 B1에는 산화성 가스를 위한 이러한 종류의 전극(캐소드(cathode))이 기술되어 있다. 상기 캐소드는, 예를 들어, 그 산환물이 내온성이며 구리로 형성된 캐소드 홀더 내에 삽입되는 지르코늄과 같은 재료로 이루어진다. 상기 캐소드 홀더는 냉각수 채널(cooling water channel)에 의해 그 내부로부터 냉각된다. 또한, 상기 공보에는 양호한 절단 품질을 이루기 위해 필요한 플라즈마 가스의 회전으로 인한 캐소드의 제한된 내구성(짧은 서비스 수명)의 문제가 기술되어 있다. 상기 캐소드 홀더는, 주변에 배열되는 가스 안내링(gas conducting ring)을 구비하고, 플라즈마 가스를 부분 스트림(partial stream)과 메인 스트림(main stream)으로 분할하기 위해 그 내부에 병합된 가스 채널을 가지며, 노즐과 마주하는 측에 메인 스트림을 형성하여 회전하도록 하고, 상기 캐소드 홀더와 마주하는 측에 부분 스트림을 형성하여 반대 방향으로 회전하도록 하는 칼라를 갖는다. 이와는 달리, 상기 캐소드 홀더의 칼라는 부분적인 가스 스트림을 형성하고 그 방향을 전환시키도록 하는 리세스(recess)를 가질 수도 있다. 이러한 방식의 목적은 에미션 인서트의 상류에 평온한 가스 존(zone)을 형성함으로써, 그 마모를 감소시키기 위함이다. 그러나, 이러한 방법으로 얻게 되는 절단품질은 강력한 회전 플라즈마 가스에 의한 절단품질 만큼 양호하지 못하다는 문제가 있다.
또한, 독일 공보 제690 14 289 T2 및 699 37 323 T2호에는 전극 홀더로부터 에미션 인서트를 분리하는 슬리브(세퍼레이터(separator))가 상기 에미션 인서트 둘레에 부착되는 전극 장치(electrode arrangements)가 기술되어 있다. 여기서, 상기 세퍼레이터는 주로 은(silver)으로 형성되고, 전극 홀더는 주로 구리로 형성된다. 구리보다 은이 산소에 대해 더욱 비활성적으로 반응하기 때문에, 특히 순수한 산소와의 절단작업에 있어, 은이 오랫동안의 서비스 수명을 보장해 준다. 그러나, 이러한 전극 장치는 제조하기가 복잡하다.
독일 공보 제695 12 247 T2호에 따르면, 에미션 인서트의 직경과 절단 스트림에 비례하는 중심축의 초기 깊이를 갖는 리세스가 에미션 인서트 내에 결정되도록 초기에 에미션 인서트의 에미션 표면이 형성된다. 이러한 리세스는 감소되는 플라즈마 아크의 점화 및 작동에 따라 노즐의 내면 상에서의 에미션 재료의 침전(deposits)을 일으키게 된다. 그러나, 연구에 따르면, 이러한 방식으로는 서비스 수명을 연장시킬 수 없는 것으로 나타난다.
본 발명은 플라즈마 토치용 전극, 특히, 에미션 인서트의 서비스 수명을 증가시키고, 동시에 공정에서의 생산 노력(production effort)을 감소시키고자 하는 문제에 근거한 것이다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 전극 팁 상의 전면(front surface)과 전극 홀더를 통해 중심측을 따라 전극 팁 내에 배열된 홀을 구비한 길게 연장된 전극 홀더와, 에미션 인서트의 에미션 면이 노출되도록 상기 홀 내에 배열된 에미션 인서트를 포함하며, 상기 에미션 면은 상기 전극 홀더의 전면에 대해 뒤쪽에 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극을 제공한다.
또한, 본 발명은, 전극 소켓과, 전극 홀더를 포함하며, 상기 전극 소켓은 내부 나사산을 구비하고, 상기 전극 홀더는 원통형 외면에 형성되는 외부 나사산과 홈을 가지며, 상기 전극 홀더는 외부 나사산과 내부 나사산을 통해 전극 소켓과 함께 나사결합되어 O-링에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극을 제공한다. 상기 O-링은 밀봉을 목적으로 홈 내에 배열될 수도 있다.
다양한 종속항들이 본 발명의 여러 다른 실시예들에 의해 유리하게 규정된다.
본 발명은 상기 에미션 면을 상기 전극 홀더의 전면에 대해 뒤쪽에 설정시킴으로써, 구현된 놀라운 효과에 근거한 것으로, 상기 전극의 서비스 수명을 증대시킨다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 토치 헤드의 종방향 단면도로서, 서비스 수명을 연장시키고, 플라즈마 토치의 작업 안정성을 향상시키기 위해, 보다 양호한 전극의 센터링(centring) 및/또는 밀봉(sealing)과 또한 특별한 에미션 인서트를 제공한다.
도 2는 도 1에 도시된 전극의 개선된 센터링 및 밀봉을 상세히 나타내는 도면.
도 3은 에미션 인서트을 도입하기 이전의 전극 홀더를 나타내는 도면.
도 4 내지 10은 본 발명의 특정 실시예들에 따른 전극의 종방향 단면도와, 에미션 인설트의 종방향 단면도 및 전방에서 바라본 도면.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 토치 헤드를 나타내며, 상기 플라즈마 토치 헤드(1)의 주요 구성부재는, 적어도, 노즐(4), 전극(7), 또는 보다 정밀히 말하면, 외부 나사산(7.4)을 갖는 전극(7.5)과 에미션 인서트(7.1)를 구비하는 평면 팁 전극과 가스 콘덕터(gas conductor:3)를 포함한다.
본 명세서에 기술된 경우에 있어서, 상기 노즐(4)은 노즐 홀더(5)와 노즐 캡(2)에 의해 적정 위치에 고정된다. 전극 소켓(electrode socket:6)은 내부 나사산(6.4)을 통해 상기 전극 홀더(7.5)를 수용한다. 상기 가스 콘덕터(3)는 전극(7)과 노즐(4) 사이에 위치되어, 플라즈마 가스(PG)가 회전하도록 한다. 상기 플라즈마 토치 헤드(1)는 수냉 시스템을 가지며, 상기 수냉 시스템에서는 냉각 튜브(10)에 의해 형성되는 냉매 공급부(WV1)로부터 냉매 귀환부(WR1)까지의 통로와, 노즐(4)에 의해 상기 노즐(4) 및 노즐 캡(2) 사이의 공간에 형성되는 냉매 공급부(WV2)로부터 냉매 귀환부(WR2)까지의 통로에 의해 냉매가 전극 내부에서 흐르게 된다. 더욱이, 상기 플라즈마 토치 헤드(1)는, 본 실시예에서, 노즐 보호캡 홀더(8)에 나사 결합되는 노즐 보호 캡(9)을 갖는다. 상기 노즐, 특히, 노즐 캡을 보호하는 2차 가스는 상기 노즐 보호 캡(9)과 상기 노즐 캡(2) 사이를 흐르게 된다.
도 2는 전극 홀더(7.5)에 대한 전극(7)의 개선된 센터링 및 밀봉 상태를 나타낸다. 상기 전기 소켓(6)에 면하는 측에서, 상기 전극(7)은 외부 나사산(7.4)과, O-링(7.2)을 수용하는 홈(7.3) 및 원통형 외면(센터링 면:7.6)을 갖는다. 상기 원통형 외면(7.6)과 전극 소켓(6)의 원통형 내면(센터링 면:6.6) 간에는 매우 작은 공차를 갖는다. 예를 들어, 이러한 작은 공차는 센터링에 통상적으로 이용되는 형태의 DIN ISO 286에 따른 헐거운 맞춤(loose fit) H7/h6에 의해 달성된다. 이러한 특성들의 조합으로 인해, 상기 전극(7)과 전극 소켓(6) 간의 양호한 중심성(centricity)와, 이에 따른 플라즈마 토치 및 신뢰성 있는 밀봉을 이루게 된다.
도 3은 전극 홀더(7.5) 내에 에미션 인서트(7.1)를 도입시키기 이전의 전극(7)을 나타낸다.
도 4 내지 10은 전극 홀더(7.5) 및 에미션 인서트(7.1)를 갖는 본 발명에 따른 전극(7)의 특별한 실시예들을 나타낸다.
상기 전극 홀더(7.5)의 면(7.7)과 에미션 인서트(7.1)의 면(7.11) 간의 거리(a)와, 상기 전극 홀더(7.5)의 면(7.7)과 에미션 인서트(7.1)의 면(7.12) 간의 거리(b)에 대해 다음의 관계가 적용된다:
a ＞ b
a = 0.15mm 내지 0.5mm
b = 0.1mm 내지 0.45mm
a ≥ 1.3 x b 내지
상기 에미션 인서트(7.1)의 면의 각도(γ)는 0°내지 120°의 범위가 유리하다.
상기 전극 홀더(7.5)의 에미션 인서트(7.1)에 대한 홀의 직경(c1)은 0.5mm 내지 2.9mm의 범위가 유리하며, 더욱이, 다음이 사항이 상기 에미션 인서트(7.1)에 적용되는 것이 유리하다:
직경c2: c2 = 0.5mm 내지 2.9mm
표면(7.11)의 직경d: c2 = 0.3mm 내지 2.7mm.
나머지에 대해서는 다음의 사항이 환형면A2의 너비g에 적용된다: g ≥ 0.1mm = (c2 - d)/2.
상기 에미션 인서트(7.1)의 각도(β)는 10°내지 90°의 범위가 유리하고, 상기 전극 홀더(7.5) 내의 홀의 각도(α)는 80°내지 160°의 범위가 유리하며, 여기서, α ＞ β이다.
도 11은 상기 에미션 인서트(7.1)의 다른 표면 형상을 나타낸다. 상기 전극 홀더(7.5)에 인접한 에미션 인서트(7.1)의 표면 영역(A2)은, 상기 직경(c2)에 따라, 적어도 원형 디자인의 경우인 원형 링의 가능한 최소 영역(A2) 만큼의 크기를 가져야 한다. 또한, 주변면(7.12)과 중심면(7.11)의 사이에 일정 영역(A3)을 갖는 (예를 들어, 경사진) 전이면(transitional surface: 7.13)을 제공할 수 있다. 상기 표면들(7.11 및 7.13)의 외형은, 예를 들어, 삼각형, 다각형, 또는 별모양등과 같이 다양하게 형성할 수도 있다.
상술된 설명과, 도면 및 청구범위에 기술된 본 발명의 특징들은 본 발명을 다양한 실시예의 형태로 각각 및 조합하여 실행하는데 필수적인 요소이다.
1: 플라즈마 토치 헤드 2: 노즐 캡
3: 가스 콘덕터 4: 노즐
5: 노즐 홀더 6: 전극 소켓
6.4: 내부 나사산 6.6: 원통형 내면
7: 전극 7.1: 에미션 인서트
7.2: O-링 7.3: 홈
7.4: 외부 나사산 7.5: 전극 홀더
7.6: 원통형 외면 7.7: 전극 팁에서의 전극 홀더의 표면
7.11: 에미션 인서트의 중심면 7.12: 에미션 인서의 주변면
7.13: 전이면 7.14: 전극 홀더의 홀
7.15: 에미션 인서트의 단부 7.16: 홀의 바닥
8: 노즐 보호캡 홀더 9: 노즐 보호캡
A1: 표면(7.11)의 영역 A2: 표면(7.12)의 영역
a: 전극 홀더의 표면과 에미션 인서트의 중심면 사이의 공간
b: 전극 홀더의 표면과 에미션 인서트의 주변면 사이의 공간
c1: 전극 홀더내의 에미션 인서트의 홀 직경
c2: 에미션 인서트의 직경
d: 에미션 인서트 표면의 직경
e: 에미션 인서트의 길이
f: 전극 홀더 내의 에미션 인서트를 위한 홀의 원통형 부분의 길이
g: 환형면의 너비
α: 전극 홀더 내의 홀의 각도
β: 에미션 인서트의 각도
γ: 에미션 인서트 표면의 각도
r: 반경

Claims (20)

  1. 전극 팁 상의 전면(front surface: 7.7)과, 전극 홀더(7.5)를 통해 중심측을 따라 전극 팁 내에 배열된 홀(7.14)을 구비한 길게 연장된 전극 홀더(7.5)와,
    에미션 인서트(7.1)의 에미션 면(7.11 및 7.12)이 노출되도록 상기 홀(7.14) 내에 배열된 에미션 인서트(7.1)를 포함하며,
    상기 에미션 면(7.11 및 7.12)은 상기 전극 홀더의 전면(7.7)에 대해 뒤쪽에 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에미션 면은 중심면(7.11)과 주변면(7.12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 에미션 인서트(7.1)의 중심면(7.11)과 상기 전극 홀더(7.5)의 전면 (7.7) 사이의 거리(a)는 에미션 인서트(7.1)의 주변면(7.12)과 전극 홀더(7.5)의 전면(7.7) 사이의 거리(b) 보다 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 주변면(7.12)은 경사진 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 팁으로부터 마주하여 이격된 에미션 인서트(7.1)의 단부(7.15)는 원추대(frustoconical)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전극 팁으로부터 마주하여 이격된 상기 단부(7.15)는 10°내지 90°범위의 각도(β)를 갖는 원추대 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 홀(7.14)은 원뿔형 바닥(7.16)을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 원뿔형 바닥(7.16)은 80°내지 160°범위의 각도(α)를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극은 내부 나사산(6.4)을 갖는 전극 소켓(6)을 구비하고, 상기 전극 홀더(7.5)는 원통형 외면 (7.6)에 형성된 외부 나사산(7.4)과 홈(7.3)을 가지며, 상기 전극 홀더(7.5)는 외부 나사산(7.4)과 내부 나사산(6.4)을 통해 전극 소켓(6)과 함께 나사결합되어 밀봉되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 홈(7.3)에는 밀봉을 위한 O-링(7.2)이 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  11. 전극 소켓(6)과,
    전극 홀더(7.5)를 포함하며,
    상기 전극 소켓(6)은 내부 나사산(6.4)을 구비하고, 상기 전극 홀더(7.5)는 원통형 외면(7.6)에 형성되는 외부 나사산(7.4)과 홈(7.3)을 가지며, 상기 전극 홀더(7.5)는 외부 나사산(7.4)과 내부 나사산(6.4)을 통해 전극 소켓(6)과 함께 나사결합되어 O-링(7.2)에 의해 밀봉되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전극 홀더(7.5)는 길게 연장되며, 또한 전극 팁 상의 전면(front surface:7.7)과, 상기 전극 홀더(7.5)를 통해 중심측을 따라 전극 팁 내에 배열된 드릴홀(7.14)을 구비하고, 에미션 인서트(7.1)의 에미션 면(7.11 및 7.12)이 노출되도록 상기 홀(7.14) 내에 배열된 에미션 인서트(7.1)가 제공되며, 상기 에미션 면(7.11 및 7.12)은 상기 전극 홀더의 전면(7.7)에 대해 뒤쪽에 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 에미션 면은 중심면(7.11)과 주변면(7.12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 에미션 인서트(7.1)의 중심면(7.11)과 상기 전극 홀더(7.5)의 전면 (7.7) 사이의 거리(a)는 에미션 인서트(7.1)의 주변면(7.12)과 전극 홀더(7.5)의 전면(7.7) 사이의 거리(b) 보다 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  15. 제 19 항에 있어서,
    상기 주변면(7.12)은 경사진 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  16. 제 11 항 내지 제 14 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 팁으로부터 마주하여 이격된 에미션 인서트(7.1)의 단부(7.15)는 원추대(frustoconical)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전극 팁으로부터 마주하여 이격된 상기 단부(7.15)는 10°내지 90°범위의 각도(β)를 갖는 원추대 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  18. 제 11 항 내지 제 17 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 홀(7.14)은 원뿔형 바닥(7.16)을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 원뿔형 바닥(7.16)은 80°내지 160°범위의 각도(α)를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극(7).
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중의 어느 한 항에 따른 전극(7)을 구비한 플라즈마 토치 헤드.
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