KR20110134406A - 측면 분사기를 가진 플라즈마 토치 - Google Patents

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KR20110134406A
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Abstract

본 발명은 플라즈마 토치에 관한 것이다.
본 발명은 축(X)을 따라 연장하는 캐소드(22) 및 애노드(24)를 구비하는 플라즈마 발생기를 구비하고, 캐소드와 상기 애노드는 전압에 의해 챔버(26) 안에서 애노드와 캐소드 사이에 전기 아크(arc)를 발생시킬 수 있도록 배치되고, 플라즈마 발생기는 또한 플라즈마 가스 분사 장치(30)를 구비하고, 분사 장치는 분사 축(Ii)을 따라 챔버에 있는 분사 개구(74)로 유도하는 분사 파이프(72), 플라즈마 발생기에 의해 생성된 플라즈마 플럭스에 방출될 물질을 주입하는 수단을 구비하는 플라즈마 토치에 있어서, 축(X)과 분사 오리피스의 중앙 사이의 최소 간격으로서 정의되는 분사 오리피스의 방사상 간격(yi)과, 애노드와 캐소드 사이의 최소 방사상 간격의 축 위치(pAC)의 하류의 챔버의 영역에 있는 캐소드의 최대 교차 치수(DC) 사이의 비율(R")은 2.5보다 더 작으며, 분사 덕트의 분사 오리피스의 중앙을 관통하는 교차 평면에서 분사 축(Ii)의 투영은 교차 평면에 놓여지고 축(X)을 관통하고 분사 오리피스의 중앙을 관통하는 반경과 45˚보다 더 작은 각도(β)를 만든다.

Description

측면 분사기를 가진 플라즈마 토치{Plasma torch with a lateral injector}
본 발명은 플라즈마 발생기 및 그러한 플라즈마 발생기를 채용한 플라즈마 토치(torch)에 관한 것이다.
플라즈마 도포(spraying)(이하, '스프레이'로 통일한다)은 기재(substrate)에 코팅을 형성하는데 일반적으로 사용된다. 그것은 전기 아크(electric arc)를 생성하는 공정, 고온, 고속의 플라즈마 플럭스를 생성시키기 위해 이러한 전기 아크를 통해 플라즈마 가스를 불어 넣는 공정, 이어서, 그것들을 기재에 스프레이하기 위해 이러한 플라즈마 플럭스 입자들을 분사하는 공정으로 대체적으로 구성된다. 일반적으로, 플라즈마 공정에서 입자들은 적어도 부분적으로 융해되어 서로 잘 접착될 수 있으며, 그들이 냉각될 때 기재에 부착될 수 있다.
이러한 기술은 금속, 세라믹, 서멧(cermet), 유기 재료 또는 복합 재료, 특히 유기 매트릭스를 구비하는 복합 재료로 제조된 기재의 표면을 코팅하는데 사용될 수 있다. 이러한 기술은 예를 들어, 평면 또는 선대칭적 구조, 특히 원통형 구조, 또는 복잡한 구조를 가진 다양 모양과 다양한 사이즈(입자들의 분출에 의한 접근만 제한)를 가질 수 있는 부품들을 코팅하는데 특히 사용된다. 목적은 예를 들어, 내마모성과 같은 표면 기능성을 가진 기재를 제공하거나, 마찰 계수, 열 장벽(thermal barrier) 또는 전기 절연성을 개량하는 것일 수 있다.
이러한 기술은 "플라즈마 성형"으로 불려지는 기법에 의해 부품들을 대량으로 제조하는데 사용될 수 있다. 이러한 기술을 사용하면, 수 밀리미터의 두께, 10mm 이상의 두께의 코팅에 적용할 수 있다.
플라즈마 토치 또는 플라즈마트론은 예를 들어, WO 96/18282, US 5,406,046, US 5,322,885, WO 01/05198 또는 WO 95/35647 또는 US 5,430,391에 개시되어 있다.
산업적 목적을 위한 플라즈마의 성능 요인들은 다음과 같다.
- 시간당 증착되는 물질의 양으로 정의되는 스프레이 생산성의 향상,
- 증착되는 물질의 양과 플라즈마 플럭스에 분사되는 물질의 양 사이의 wt% 비율을 나타내는 증착 효율의 증대,
- 코팅 품질의 최대화, 특히 균일하고 높은 물질 유동율을 가지는 것을 포함하는 재생가능한 코팅을 생성할 수 있는 능력,
- 에너지 소비의 최소화,
- 유지 시간의 단축과 2개의 연속 유지 공정 사이의 시간 간격의 연장, 및
- 음극 물질의 손실에 따른 오염의 최소화.
본 발명의 하나의 목적은 이러한 기준들을 적어도 부분적으로 만족시키는 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, X축을 따라 연장하는 캐소드 및 애노드를 구비하고, 캐소드와 애노드는 챔버 안에서 전압의 영향하에서 애노드와 캐소드 사이의 전기 아크를 생성시킬 수 있도록 배치되고, 분사 오리피스(orifice)를 통해 챔버에 연결된 분사 덕트 개구를 구비하는 플라즈마 가스 분사 장치를 구비하는 플라즈마 생성기를 제공한다.
제1 주요 실시예에 있어서, 애노드와 캐소드 사이의 최소 방사상 간격의 축 위치(PAC)와 분사 오리피스의 축 위치(Pi) 사이의 축 간격(x)과, 위치(PAC)의 "아크 챔버"로 명명되는 챔버 하류의 영역에 있는 캐소드의 최대 교차 치수(DC) 사이의 비율(R)은 3.2보다 더 작고, 바람직하게 2.5보다 더 작고 및/또는 0.5보다 더 크다.
제2 주요 실시예에 있어서, 캐소드의 하류 끝단의 축 위치(PAC)와 분사 오리피스의 축 위치(Pi)를 분리하는 축 간격(x')과, 아크 챔버의 캐소드의 최대 교차 치수(DC) 사이의 비율(R')은 3.5보다 더 작고, 바람직하게 3.0보다 더 작고 및/또는 1.2보다 더 크다.
제3 주요 실시예에 있어서, 상기 축(X)과 분사 오리피스의 중앙 사이의 최소 간격으로 정의되는 분사 오리피스의 방사상 간격(yi)과, 챔버에 있는 캐소드의 최대 교차 치수(DC) 사이의 비율(R")은 2.5보다 더 작고 바람직하게 1.25보다 더 크다.
바람직하게, 그 어떤 주요 실시예를 고려하더라도, 본 발명에 따른 플라즈마 발생기는 다른 주요 실시예들의 하나 또는 그 이상의 특징들도 구비할 수 있다. 따라서, 다음과 같은 하나 또는 그 이상의 선택적인 특징들을 가질 수 있다.
- 분사 장치의 분사 오리피스들의 세트 중에서, 상기 분사 오리피스는 가장 먼 하류의 축 위치를 가진 것 또는 그런 것들 중 어느 하나이다.
- 축 간격(x)은 바람직하게 25mm보다 더 짧고, 바람직하게 18mm보다 더 짧고 및/또는 바람직하게 5mm보다 더 길며, 대략 13mm의 간격(x)은 특히 적합하다.
- 축 간격(x')은 바람직하게 30mm보다 더 짧고, 바람직하게 25mm보다 더 짧고 및/또는 바람직하게 9mm보다 더 길며, 15mm보다도 더 길며, 대략 20mm의 간격(x')이 특히 적합하다.
- 방사상 간격(yi)은 바람직하게 27mm보다 더 짧고, 바람직하게 20mm보다 더 짧고, 15mm보다도 더 짧고 및/또는 바람직하게 6mm보다 더 길고, 10mm보다도 더 길며, 대략 12mm의 간격(y)이 특히 적합하다.
- 애노드의 가장 먼 하류 지점의 축 위치(PA)로부터 축 위치(PAC)를 분리하는 축 간격(x")은 바람직하게 60mm보다 더 짧고, 바람직하게 50mm보다 더 짧고 및/또는 바람직하게 30mm보다 더 길며, 대략 45mm의 간격(x")이 특히 적합하다.
- 축 위치(PAC)에 있는 애노드와 캐소드 사이의 최소 방사상 간격(yAC)과 아크 챔버에 있는 캐소드의 최대 교차 치수(DC) 사이의 비율(R"')은 바람직하게 1.25보다 더 작고, 바람직하게 0.5보다 더 작고, 바람직하게 0.1보다 더 크고, 바람직하게 0.2보다 더 크며, 대략 0.3의 비율(R"')이 특히 적합하다.
- 분사 장치는 다수의 분사 오리피스들을 구비하고, 그 어떤 분사 오리피스가 고려되더라도, 비율(R)(R')(R'), 및 간격(x)(x')(x'')(y)에 관련된 적어도 어느 하나의 조건들 및 바람직하게 모든 조건들은 진실하다.
- 분사 장치는 아래에서 설명되는 본 발명에 따른 분사 장치이다.
- 캐소드는 그 자유단에서 바람직하게 점 모양 또는 라운드형 원뿔 영역을 구비한다. 이러한 원뿔 영역의 정점의 각도(δ)는 바람직하게 30˚보다 더 크고, 바람직하게 40˚보다 더 크고 및/또는 75˚보다 더 작고 바람직하게 60˚보다 더 작다. 캐소드의 축을 따른 원뿔 영역의 길이는 바람직하게 3mm보다 더 길고 및/또는 15mm보다 더 짧고, 바람직하게 8mm보다 더 짧다. 이러한 원뿔 영역의 (베이스에서의) 최대 직경은 바람직하게 6mm보다 더 크고, 바람직하게 8mm보다 더 크며, 및/또는 4mm보다 더 작고 바람직하게 10mm보다 더 작다. 바람직하게, 원뿔 영역의 자유단은 라운드지고, 이러한 끝단의 곡률 반경은 바람직하게 1mm보다 더 크며 및/또는 4mm보다 더 작다.
- 캐소드는 바람직하게 바로 옆의 상류에 원뿔 영역, 원통 영역을 구비한다. 원통 영역은 바람직하게 5mm보다 더 길고, 바람직하게 8mm보다 더 길며, 및/또는 50mm보다 더 짧고, 바람직하게 25mm보다 더 짧고, 보다 바람직하게 20mm보다 더 짧고, 바람직하게 15mm보다 더 짧은 길이를 가진다. 원통 영역은 바람직하게 단면을 가지며, 바람직하게 4mm보다 더 크고, 바람직하게 6mm보다 더 크고, 바람직하게 8mm보다 더 크며 및/또는 20mm보다 더 작고, 바람직하게 14mm보다 더 작고, 보다 바람직하게 10mm보다 더 작은 직경을 가진다. 바람직하게, 원통 영역은 원뿔 영역으로부터 연속적으로 연장하기 위해 원뿔 영역의 최대 직경과 실질적으로 동일한 직경을 가진다.
- 바람직하게, 캐소드는 바로 옆의 상류에서 원통 영역, 절두원뿔(frustoconical) 영역을 가진다. 바람직하게, 절두원뿔 영역은 전기 아크가 생성되는 챔버의 후방(도 2의 참조부호 59 참조)으로 가능한 멀리 연장한다. 바람직하게, 이러한 절두원뿔 영역의 정점 각도(γ)는 10˚보다 더 크고, 바람직하게 30˚보다 더 크며 및/또는 90˚보다 더 작고 바람직하게 45˚보다 더 작다. 절두원뿔 영역의 길이는 5mm보다 더 크며 및/또는 15mm보다 더 짧다. 바람직하게, 절두원뿔 영역의 최대 직경은 6mm보다 더 크고, 바람직하게 10mm보다 더 크며 및/또는 30mm보다 더 작고, 바람직하게 20mm보다 더 작고, 보다 바람직하게 18mm보다 더 작으며 및/또는 절두원뿔 영역의 최소 직경은 4mm보다 더 크고 바람직하게 6mm보다 더 크고 바람직하게 8mm보다 더 크며, 및.또는 20mm보다 더 작고, 바람직하게 14mm보다 더 작고, 보다 바람직하게 10mm보다 더 작다. 바람직하게, 이러한 최소 직경은 원통 영역의 직경과 동일하기 때문에 절두원뿔 영역은 원통 영역을 연장한다.
- 일 실시예에 있어서, 원뿔 영역의 길이는 원통 영역의 길이보다 더 짧다. 원뿔 영역의 길이와 원통 영역의 길이 사이의 비율은 특히 0.5mm보다 더 크고 및/또는 1mm보다 더 작을 수 있다.
- 일 실시예에 있어서, 원통 영역의 길이는 실질적으로 절두원뿔 영역의 길이와 실질적으로 동일하다.
- 바람직하게, 캐소드는 바람직하게 원형 단면을 가지고, 원뿔 영역에 의해 바람직하게 동축적으로 아크 챔버로 연장하는 원통 영역을 구비한다. 보다 바람직하게, 캐소드는, 바람직하게 원형 단면의 원통 영역에 의해 연장하고, 바람직하게 원뿔 영역에 의해 아크 챔버로 연장하는 동축적인 절두원뿔 영역을 구비한다.
- 바람직하게, 캐소는 절두원뿔 영역 및 절두원뿔 영역을 절단하는 적어도 하나 또는 그 이상의 교차 평면에 배치된 적어도 하나의, 바람직하게 모든 분사 오리피스들을 구비한다. 일 실시예에 있어서, 모든 분사 오리피스들은 동일한 교차 평면에 위치된다. 이러한 교차 평면은 예를 들어, 절두원뿔 영역의 길이의 30%와 90% 사이, 바람직하게 40%와 70% 사이에 놓여진 절두원뿔 영역의 베이스(절두원뿔 영역의 최대 직경과 상응하는)로부터 이격되어 배치될 수 있다.
- 캐소드는 블론-아크(blown-arc) 플라즈마 캐소드, 바람직하게 봉-형상 고온(hot) 캐소드이다.
- 일 실시예에 있어서, 캐소드는 단일 물질로 제조된 단일 부분이다. 다른 실시예에 있어서, 캐소드는 텅스텐 봉과 속으로 텅스텐 봉이 삽입된 구리 부분을 구비한다.
- 챔버는 상부 원통 부분 및/또는 중간 수렴 부분(하방으로 수렴) 및/또는 하부 원통 부분을 구비한다. 중간 수렴 부분은 특히, 절두원뿔일 수 있고 또는 다수의 절두원뿔 부분들 특히, 서로 동축적으로 연장하는(이러한 절두원뿔 부분들 사이의 전이 영역에서 단차를 형성하지 않고) 특히, 두 개의 절두원뿔 부분들을 구비한다. 바람직하게, 제2 절두원뿔 부분의 상류의 제1 절두원뿔 부분의 정점 각도(ψ1)는 제2 절두원뿔 부분의 정점 각도(ψ2)보다 더 크다. 정점 각도(ψ1)는 특히, 50˚와 70˚사이에 놓여 질 수 있다. 정점 각도(ψ2)는 10˚와 20˚ 사이에 특히 놓여 질 수 있다.
- 바람직하게, 챔버는 연속적으로 그리고 상류로부터 하류까지 동축적으로, 상류 원통 부분, 중간 수렴 부분 및 하류 원통 부분을 구비한다. 바람직하게, 상류 원통 부분의 길이는 5mm보다 더 길며 및/또는 40mm보다 더 짧고, 바람직하게 20mm보다 더 짧다. 바람직하게, 중간 수렴 부분의 길이는 10mm보다 더 길며 및/또는 80mm보다 더 짧고, 바람직하게 40mm보다 더 짧고 바람직하게 20mm보다 더 길며 및/또는 30mm보다 더 짧다. 바람직하게 하류 원통 부분의 길이는 10mm보다 더 길며, 및/또는 80mm보다 더 짧고, 바람직하게 40mm보다 더 짧고 바람직하게 20mm보다 더 길며, 및/또는 30mm보다 더 짧다.
- 상류 원통 부분의 직경은 10mm보다 더 크고, 바람직하게 15mm보다 더 크며, 및/또는 70mm보다 더 작고, 바람직하게 40mm보다 더 작고, 바람직하게 30mm보다 더 작다.
- 중간 수렴 부분(베이스)의 최대 직경은 15mm보다 더 크며, 및/또는 40mm보다 더 작고, 바람직하게 25mm보다 더 작다. 바람직하게, 상류 원통 부분의 직경은 중간 수렴 부분의 최대 직경보다 더 크기 때문에 이러한 두 개의 부분들 사이에는 단차가 있다.
- 중간 수렴 부분의 최소 직경은 4mm보다 더 크고, 바람직하게 5mm보다 더 크며, 및/또는 20mm보다 더 작고, 바람직하게 12mm보다 더 작고, 바람직하게 9mm보다 더 작다.
- 하류 원통 부분의 직경은 4mm보다 더 크고, 바람직하게 5mm보다 더 크며, 및/또는 20mm보다 더 작고, 바람직하게 12mm보다 더 작고, 보다 바람직하게 9mm보다 더 작다.
- 보다 바람직하게, 중간 수렴 부분의 최소 직경은 하류 원통 부분의 직경과 실질적으로 동일하므로, 하류 원통 부분은 중간 수렴 부분과 연속적으로 연장한다.
- 상류 원통 부분의 길이는 캐소드의 절두원뿔 부분의 길이보다 더 길다.
- 보다 바람직하게, 상류 원통 부분과 중간 수렴 부분의 길이의 합은 챔버에 있는 캐소드의 길이보다 더 길다. 일 실시예에 있어서, 캐소드의 자유단은 챔버의 중간 수렴 부분의 실질적으로 중간으로 연장한다. 특히, 중간 수렴 부분의 베이스로부터, 중간 수렴 부분의 길이의 20%와 70% 사이, 바람직하게 40%와 60% 사이의 간격으로 연장할 수 있다.
본 발명은 캐소드 주위 특히, 아크 챔버 속으로 연장하는 캐소드의 하류 부분 주위에 와류를 생성하기 위해 배치된 플라즈마 가스 분사 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 분사 장치는 또한 하나 또는 그 이상의 다음과 같은 선택적 특징들을 구비할 수 있다.
- 분사 장치는 아크 챔버 속으로 연장하는 캐소드의 상류 부분에 배치된다. 분사 장치는 특히, 챔버의 상류 끝단에 배치될 수 있다.
- 분사 장치는 적어도 하나의 분사 덕트를 구비한다. 바람직하게, 분사 장치는 적어도 4개의 분사 덕트들, 심지어 적어도 8개의 분사 덕트들을 구비할 수 있다.
- 분사 덕트의 분사 오리피스의 직경은 바람직하게 0.5mm보다 더 크며, 및/또는 5mm보다 더 작고, 바람직하게 대략 2mm이다.
- 분사 덕트의 분사 오리피스의 중앙을 관통하는 방사상 평면에 있는 분사 축의 투영(projection)은 축(X)에 대해 20˚보다 더 크고 70˚보다 더 작거나 또는 60˚보다 더 작은 각도(α)를 만들도록 분사 덕트가 배치된다.
- 분사 장치가 축(X)을 가진 플라즈마 발생기에 합체되는 조립 위치에서, 분사 덕트의 분사 오리피스의 중앙을 관통하는 교차 평면에서 분사 축의 투영가 교차 평면에 놓여지고 축(X)와 분사 오리피스의 중앙을 관통하는 반경과 각도(β)를 만들고, 각도(β)는 45˚보다 더 작고, 바람직하게 30˚보다 더 작으며, 및/또는 5˚보다 더 크고, 바람직하게 10˚보다 더 크고, 20˚보다도 더 크게 되도록 분사 덕트가 배치된다.
- 다수의 분사 덕트들, 바람직하게 모든 분사 덕트들은 x 및/또는 x' 및/또는 α 및/또는 β를 위한 동일한 값을 가진다.
- 분사 장치는 링(ring)의 축이 축(X)으로 되어 있는 교차 평면을 따라 바람직하게 연장하는 링 모양을 가진다.
- 분사 장치는 X축에 대해 동일한 각도로 배치된 다수의 분사 오리피스들을 구비한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 플라즈마 발생기, 및 상기 플라즈마 발생기에 의해 생성된 플라즈마 플럭스에 스프레이 될 물질을 분사하는 수단을 구비하는 플라즈마 토치에 관한 것이다.
그 어떤 주요 실시예를 고려하더라도, 발명자들은 본 발명에 따른 플라즈마 발생기가 매우 높은 생산성과 효율, 제한된 전기 소모량, 그리고 캐소드에 의한 제한된 오염으로 증착이 가능한 것을 발견하였다.
특히, 제3 주요 실시예는 플라즈마 가스가 캐소드 주위에서 회전하면서 와류를 형성할 때 뛰어난 성능을 제공한다.
본 발명의 다른 특징과 장점은 이어지는 상세한 설명과 함께 첨부된 도면을 참조하여 읽을 때 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예의 플라즈마 토치의 종단면도이다.
도 2는 도 1의 상세도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 플라즈마 토치에 채용된 플라즈마 가스 분사 장치의 종단면도 및 교차 평면(도 3a에 도시된 A-A 평면을 따른) 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 토치의 변형예의 종단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 토치의 변형예의 종단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 토치의 변형예의 종단면도이다.
도 7a는 도 6에 따른 플라즈마 토치의 변형예에 채용된 플라즈마 가스 분사 장치의 종단면도이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 A-A 평면을 따른 교차 단면에서의 장치를 도시한다.
도 7c는 도 7a에 도시된 B-B 평면을 따른 교차 단면에서의 장치를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 토치의 변형예의 종단면도이다.
도 9는 바람직한 실시예의 캐소드를 도시한다.
도 10은 바람직한 실시예의 애노드를 도시한다.
도면들에 있어서, 동일한 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 의미하도록 사용되었다.
상세한 설명과 도면은 비제한적 설명의 목적으로 제공된다.
정의
상세한 설명에서, 용어들 "상류" 및 "하류"는 플라즈마 가스의 플럭스의 유동 방향과 관련하여 사용되었다.
"교차 평면(transverse plane)"은 축(X)에 수직인 평면이다.
"방사상 평면(radial plane)"은 축을 포함하는 평면이다.
표현, "축 위치(axial position)"는 축(X)을 따른 위치를 의미하는 것으로 이해된다. 다시 말해, 어느 지점의 축 위치는 축(X)에서 그 정상 투영(normal projection)에 의해 주어진다.
애노드와 캐소드 사이의 최소 방사상 간격의 축 위치(pAC)는 애노드와 캐소드 사이의 간격이 가장 작은 교차 평면의 축(X)에서의 위치로 정의된다. 이러한 방사상 간격(즉, 교차 평면에서 측정된)은 "최소 방사상 간격"으로 명명되고, 도 2에 도시된 바와 같이, yAC로 표시된다. 애노드와 캐소드 사이의 간격은 다수의 교차 평면들에서 최소이며, 위치 pAC는 가장 먼 상류 평면의 위치를 표시한다.
"챔버"는 플라즈마 발생기로부터 플라즈마 발생기의 내부 쪽으로 플라즈마가 나오는 출구의 개구로부터 연장하는 공간이다.
챔버는 플라즈마 가스가 안으로 분사되는 상류의 "팽창 챔버", 및 전기 아크(arc)가 발생되는 "아크 챔버"로 구성된다. 위치(pAC)에서 교차 평면은 팽창 챔버와 아크 챔버 사이의 경계를 짓는 것으로 간주된다.
아크 챔버에 있는 캐소드의 최대 교차 치수(Dimension)(DC)는 아크 챔버 속으로 연장하는 캐소드의 부분만을 참고하여 측정된다. 본 발명의 전술한 실시예에서와 같이, 아크 챔버 속으로 연장하는 캐소드가 점을 형성하는 원뿔 영역에서 끝나는 원형 단면의 원통 영역을 구비할 때, 이러한 교차 치수는 캐소드의 원통 영역의 직경에 상응한다.
"구비한다"는 표현은 달리 나타내지 않는 한 "적어도 하나를 구비하는"으로 이해되어야 한다.
도 1을 참조하면, 플라즈마 토치(10)은 플라즈마 발생기(20) 및 플라즈마 발생기(20)에 의해 생성된 플라즈마 플럭스에 스프레이 될 물질을 주입하는 수단(21)을 구비한다.
플라즈마 발생기(20)는 축(X)을 따라 연장하는 캐소드(22) 및 전력원(28) 수단에 의해 생성되는 전압의 영향하에서 전기 아크(E)를 생성시키기 위해 챔버(26) 내부에 배치된 애노드(24)를 구비한다. 또한, 플라즈마 발생기(20)는 플라즈마 가스(G)를 챔버(26) 속으로 분사하기 위한 분사 장치(30)를 구비한다.
또한, 플라즈마 발생기는 분사 장치(30)의 상류에, 압력과 플라즈마 가스의 압력 균일도를 규제하기 위한 챔버(미도시)를 구비할 수 있다.
본체(34)는 캐소드(22)가 부착되는 캐소드 홀더(36), 애노드(24)가 부착되는 애노드 홀더(38), 및 캐소드 홀더(36)와 캐소드로 구성된 일 조립체와 애노드 홀더(38)와 애노드(24)로 구성된 타 조립체 사이에서 그들을 서로 분리하기 위해 배치된 전기 절연 본체(40)를 수납한다.
일반적으로, 본체(34)는 도 1에 도시된 바와 같이, 애노드 홀더와 캐소드 홀더 및 분사 장치 주위를 가깝게 고정하는 두 개의 재킷들(34')(34")로부터 형성된다. 바람직하게, 본체(34)는 단일 부품이다. 특히, 일 실시예에 있어서, 예를 들어 도 8에 도시된 바와 같이, 분사 장치와 애노드 홀더는 단일 부품이다. 바람직하게, 단일 부품은 토치의 축에 대해 부품들의 중앙 정렬을 향상시킬 수 있으며 토치의 분해 조립을 용이하게 할 수 있다.
바람직하게, 전기 절연 본체(40)는 플라즈마로부터 나오는 방사열을 견딜 수 있는 물질로 구성된다. 전기 절연을 위해 사용되는 수단의 속성은 국부적 온도에 근거하여 선택될 수도 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 감소된 열 저항의 절연 부재(41)는 플라즈마에 직접 노출되지 않은 영역에 배치될 수 있다.
캐소드 홀더(36)와 애노드 홀더(38)는 각각 캐소드(22)와 애노드(24)와 동일한 전위이다. 그러나, 캐소드(22)와 애노드(24)는 일반적으로 구리와 텅스턴으로 제조된 소비재인 한편 캐소드 홀더(36)와 애노드 홀더(38)는 일반적으로 구리 합금으로 제조된다.
전력원(28)의 양극 및 음극 단자들은 애노드(24)와 캐소드(22)에 각각 직접 또는 간접적으로 연결된다. 일반적으로, 전력원(28)은 40V보다 더 높고 및/또는 120V보다 더 낮은 전압을 애노드와 캐소드 사이에 생성할 수 있다.
도 2는 상류부터 하류까지 동축적으로 연속으로, 직경이 감소하는 절두원뿔 영역(45), 원형 단면의 원통 영역(46), 및 라운드진 정점을 가진 원뿔 영역(48)을 구비하고, 축(X)을 따라 봉 형상으로 구성된 캐소드(22)를 도시한다.
일 실시예에 있어서, 원통 영역은 5mm보다 더 크고 6mm보다 더 크며, 및/또는 11mm보다 더 작고 10mm보다 더 작은 직경을 가지며, 대략 8mm의 직경이 아주 적합하다.
DC로 표시된 원통 영역(46)의 직경은 "캐소드의 직경"으로 명명되고 바람직하게 8mm이다. 캐소드(22)의 하류 끝단(50)의 축 위치는 참조부호 pC를 부여하였다.
캐소드(22)는 텅스텐으로 제조될 수 있고, 선택적으로 텅스텐의 일 함수에 대한 캐소드 메탈의 일 함수를 감소시키는 불순물(dopant)이 첨가될 수 있다. 텅스텐은 특히, 산화토륨 및/또는 산화란타늄 및/또는 산화세륨 및/또는 산화이트륨이 첨가될 수도 있다. 유용하게, 이것은 금속의 녹는점에서 전류 밀도를 증가시킬 수 있거나 순수 텅스텐 캐소드에 비해 수 백도(℃)만큼 작동 온도를 감소시킬 수 있다.
캐소드는 단일 물질로 제조될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 예를 들어, 도 8에서, 캐소드(22)는 불순물이 첨가되든 되지 않든 텅스텐으로 제조된 봉(22"), 캐소드 홀더에 부착하기 위해 구리(22')로 제조된 부분을 구비한다.
애노드(24)는 연속적으로 절두원뿔 영역(56)과 원형 단면의 원통 영역(58)을 구비하고, 그 내부 표면(54)은 축(X)의 슬리브 형태를 취한다.
캐소드의 경우와 동일한 방식으로, 애노드는 단일 물질로 제조될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 플라즈마 기둥의 아크 뿌리에 의한 애노드의 침식을 방지하기 위해, 애노드의 내부 표면(54)의 적어도 일 부분, 및 특히 아크 시작 존(절두원뿔 영역(56)에 위치된)의 하류는 내화성 절연 금속, 바람직하게 텅스텐으로 제조된다.
애노드의 원통 영역(58)의 내부 표면 역시, 도 8에 도시된 바와 같이, 예를 들어 텅스텐으로 제조된 코팅 또는 슬리브(57)에 의해 보호될 수 있다.
애노드(24)의 축 위치는 캐소드(22)의 원통 영역(46)과 원뿔 영역(48)의 부분이 절두원뿔 영역(56)과 면하도록 즉, 절두원뿔 영역(56)에 의해 방사상으로 경계가 되는 챔버(26)의 공간에 배치된다.
챔버(26)는, 상류로부터 하류까지 연속적으로, 챔버(26)의 후방(59)으로부터 위치(pAC)만큼 멀리 축방향으로 연장하는 팽창 챔버(26')와, 위치(pAC)로부터 애노드의 하류 끝단에 의해 경계되는 출구 개구(60)의 위치(pA)만큼 멀리 축방향으로 확장하고 플라즈마 발생기로부터 플라즈마가 유출하는 아크 챔버(26")를 구비한다.
바람직하게, 출구 개구(60)의 직경은 4mm보다 더 크고 바람직하게 5mm보다 더 크며, 및/또는 15mm보다 더 작으고 바람직하게 9mm보다 더 작다.
바람직하게, 챔버(26)는 축(X)을 따라 연장하고 그 직경이 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 교차 단면의 위치에 따라 변화될 수 있거나 도 1에 도시된 바와 같이, 일정할 수 있는 노즐을 통해 출구 개구(60)에 개방된다.
도 3a 및 도 3b에 더 상세히 도시된 분사 장치(30)는 캐소드(22)의 원통 영역(46) 주위, 심지어 원뿔 영역(48) 주위를 회전하는 가스 플럭스를 생성하기 위해 배열되고 위치된다. 바람직하게, 분사 장치(30)는 축(X)의 링의 형태를 취한다.
이러한 링의 측벽(70)은 실질적으로 직선인 8개의 분사 덕트(72)로 뚫린다. 각각의 분사 덕트(72)는 분사 오리피스(74)를 통해 링의 안쪽으로 개구 된다. 분사 오리피스(74)의 중앙은 이러한 분사 오리피스의 축 위치(pi)와 방사상 간격(yi)을 구획한다.
분사 덕트(72)의 교차 단면은 실질적으로 원통형이고 0.5mm와 5mm 사이에 놓이는 직경(D)을 가진다.
축(X)과 모든 분사 오리피스의 중앙 사이의 방사상 간격(yi)은 일정하다. 그것은 10mm보다 더 길고 및/또는 20mm보다 더 짧고, 대략 12mm의 방사상 간격(yi)이 최적이다.
분사 오리피스들(74)은 동일한 교차 평면(P)(단면 A-A에서)에 위치된다. 그들 모두는 동일한 직경(D), 동일한 축 위치(p=pi) 및 동일한 방사상 간격(yi)을 가진다.
분사 덕트(72)는 분사 축(Ii)을 따라 링의 축을 향해 개방된다. 분사 오리피스(74)의 중앙을 관통하는 방사상 평면에 있어서, 분사 축(Ii)의 투영은, 축(X)과 함께, 도 3a에 도시된 바와 같이, 45˚의 각도(α)를 만든다.
분사 오리피스(74)의 중앙을 관통하는 교차 투영 평면에서, 분사 축(Ii)은, 축(X)을 관통하는 반지름과 분사 오리피스(74)의 중앙과 함께, 도 3b에 도시된 바와 같이, 25˚의 각도(β)를 만든다.
분사 장치(30)는 팽창 챔버(26') 안에 배치된다.
캐소드(22)와 애노드(24) 사이의 최소 방사상 간격의 축 위치(pAC)와 가장 먼 하류 평면(P)의 위치(p) 사이의 축 간격은 x로 표시된다. x와 캐소드(22)의 원통 영역(46)의 직경(DC) 사이의 비율은 R(R=pAC/DC)로 표시된다. 도 1 또는 도 2의 실시예에 있어서, x는 대략 15mm이고 비율(R)은 대략 1.88이다.
캐소드(22)의 하류 끝단(50)의 축 위치(pC)와 위치(p)를 분리하는 축 간격은 x'로 표시된다. x'와 캐소드(22)의 직경(DC)사이의 비율은 R'(R' = x'/DC)로 표시된다. 도 1 또는 도 2의 실시예에 있어서, x'는 대략 20mm이고 비율(R')은 2.5이다.
끝으로, 축(X)과 분사 덕트들(72) 사이의 방사상 간격(y)과 캐소드(22)의 직경(DC) 사이의 비율은 R"(R" = y/DC)로 표시된다. 도 1 또는 도 2의 실시예에 있어서, y는 대략 13mm이고, 비율(R")은 대략 1.63이다. 하나의 이론에 구속됨이 없이, 발명자들은 적어도 어느 하나의 비율들(R)(R')(R")이 본 발명에서 그렇게 정의될 때, 특히, 플라즈마 가스가 캐소드의 상류에 분사될 때, 그리고 특히 캐소드에 대해 회전될 수 있도록 하기 위해 분사될 때, 플라즈마 토치의 성능이 상당히 양호하다는 사실을 관측하였다. 본 발명에 따른 분사 장치의 사용은 이러한 목적을 위해 특히 유용하다는 것을 보여 준다. 본 발명에 따르면, 플라즈마 가스는 캐소드의 하류 끝단에 매우 가깝게 분사된다. 플라즈마 가스의 분출(jet)은 이러한 짧은 간격에서 거의 늦어지지 않았고, 아크에 도달할 때 플라즈마 가스 역시 더 냉각되었다. 따라서, 그것은 고점도의 유지 및 아크의 길이 증가를 용이하게 함으로써 플라즈마 발생기의 파워를 증가시킬 수 있다. 또한, 캐소드에 대한 가스의 회전 역시 유리하게 전극들의 마모가 한정되게 할 수 있다.
도 2에서 화살표 F에 의해 그 유동이 표시된 플라즈마 가스(G)는 아르곤 및/또는 수소 및/또는 헬륨 및/또는 질소로부터 선택된 기체인 것이 바람직하다.
또한, 플라즈마 발생기(20)는 애노드(24) 및/또는 캐소드(22) 및/또는 캐소드 홀더(36) 및/또는 애노드 홀더(38)를 냉각시킬 수 있는 냉각 수단을 구비한다. 특히, 이러한 냉각 수단은 예를 들어 물, 바람직하게 와류 상태에서, 이러한 유체의 와류 상태를 정의할 수 있는 레이놀드 수를 가지며, 바람직하게 그 레이놀드 수가 3000보다 더 높고, 보다 바람직하게 10000보다 더 높은, 냉각재(coolant)를 순환시키는 수단을 구비할 수 있다.
축(X)의 냉각 챔버(76)는 특히, 냉각재가 애노드(24) 부근에서 순환하는 것을 허용하도록 애노드 홀더(38) 안에 수납될 수 있다.
플라즈마 토치(10)는, 플라즈마 발생기(20)에 부가하여, 도시된 실시예에서, 챔버(26)의 출구 개구(60) 부근에 스프레이 될 입자를 주입하기 위해 배치된 주입 수단(21)을 구비한다. 아크 챔버(26")에 대해 내부적으로 또는 외부적으로 전통적으로 사용되는 모든 분사 수단이 강구될 수 있다. 따라서 스프레이 될 입자를 주입하는 수단은 플라즈마 발생기에 대해 외부적일 필요는 없지만, 도 5에 도시된 바와 같이, 그 안에 일체화될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에 있어서, 주입 수단(21)은 주입될 물질의 적어도 어느 정도가 교차 평면(P')에 대해 대략 0˚의 각도(θ)를 만드는 축을 따라 축(X) 방향으로 주입되도록 배치된다. 도 8에서, 각도(θ)는 대략 15˚이다.
도 9는 캐소드(22)의 변형예를 도시한다.
캐소드(22)는 텅스텐과 텅스텐으로 제조된 봉(22")이 삽입되는 구리 부분(22')을 구비한다. 캐소드의 상류 부분(22a)과 하류 부분(22b)은 각각 챔버(26)로부터 돌출되어 챔버(26) 속으로 확장하는 것을 의도한다(예를 들어, 도 2 참조). 상세한 설명의 나머지 부분에서, 하류 부분(22b)만 설명된다.
하류 부분(22b)의 자유단은 라운드진 점(point)을 가진 원뿔 영역(82)으로부터 형성된다. 이러한 끝단의 곡률 반경은 1mm보다 더 크고 4mm보다 더 작다. 이러한 원뿔 영역의 정점 각도(δ)는 45˚이다. 캐소드의 축을 따른 원뿔 영역(82)의 길이(L82)는 3mm보다 더 크고 8mm보다 더 작다. 이러한 원뿔 영역(베이스에서)의 최대 직경(D82)은 6mm보다 더 크고 10mm보다 더 작다.
캐소드(22)는, 원뿔 영역(82)의 상류 바로 옆에, D82와 동일한 직경을 가진 원형 단면의 원통 영역(84)을 구비한다. 원통 영역(84)은 5mm보다 더 크고 15mm보다 더 짧은 길이(L84)를 가진다.
또한, 캐소드는 원통 영역(84)의 상류 바로 옆에 있는 절두원뿔 영역(86)을 구비한다. 절두원뿔 영역(86)의 정점 각도(γ)는 30˚보다 크고 45˚보다 더 작다. 절두원뿔 영역(86)의 길이(L86)는 5mm보다 더 길고 15mm보다 더 짧다. 절두원뿔 영역(86)의 최대 직경(D86)은 6mm보다 더 크고 및/또는 18mm보다 더 작다. 절두원뿔 영역(86)의 최소 직경은 실질적으로 D82와 동일하므로, 절두원뿔 영역(86)은 원통 영역(84)을 연장시킨다.
바람직하게, 작동시, 캐소드는 분사 오리피스들의 적어도 어느 하나, 바람직하게 전부가 절두원뿔 영역(86)을 자르는 교차 평면(Pi)에 위치되도록 배치된다. 일 실시예에 있어서, 이 평면은 절두원뿔 영역(86)의 길이(L86)의 30%와 90% 사이에 놓이는 절두원뿔 영역(86)의 베이스로부터 "z" 간격에 배치된다.
도 10은 애노드(24)의 변형예를 도시한다. 이러한 애노드는 구리 또는 구리 합금으로 제조된 제1 부분(24a)과 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 제조된 제2 부분(24b)을 구비한다. 제2 부분(24b)은, 점선으로 도시되고 분사 장치(30)에 의해 구획된 상류 원통 부분(26a)의 하류로 연장하는, 챔버(26)의 하류 부분을 그것과 함께 구획하기 위해 제1 부분(24a)에 삽입된다.
제2 부분(24b)은 특히, 아크 챔버를 구획하는 것을 의도한다.
챔버(26)의 하류 부분은 상류로부터 하류까지 연속적으로, 중간 수렴 부분(26b)(하류 방향으로 덮고 있음) 및 하류 원통 부분(26c)을 구비한다.
중간 수렴 부분(26b)은 동축적으로 연장하고 서로 연장시키는 제1 및 제2 절두원뿔 부분들(26b)(26b")을 구비한다. 50˚와 70˚사이의 제2 절두원뿔 부분의 상류의 제1 절두원뿔 부분(26b')의 정점 각도(Ψ1)는 10˚와 20˚ 사이의 제2 절두원뿔 부분(26b")의 정점 각도(Ψ2)보다 더 크다.
상류 원통 부분(26a)의 길이(L26a)는 5mm와 20mm 사이에 놓인다.
중간 수렴 부분(26b)의 길이(L26b)는 대략 24mm이다.
제1 절두원뿔 부분(26b')의 길이(L26b')는 2mm와 10mm 사이, 예를 들면 대략 5mm에 놓인다.
하류 원통 부분(26c)의 길이(L26c)는 20mm와 30mm 사이에 놓인다.
상류 원통 부분(26a)의 직경(D26a)는 10mm보다 더 크고 30mm보다 더 작다.
중간 수렴 부분(26b)(베이스)의 최대 직경(D26b)은 대략 18mm이다.
상류 원통 부분의 직경(D26a)은 중간 수렴 부분의 최대 직경(D26b)보다 더 크기 때문에, 두 개의 부분들 사이에 단차(80)가 생긴다.
중간 수렴 부분(26b)의 최소 직경(d26b)은 4mm보다 더 크고 9mm보다 더 작다.
하류 원통 부분(26c)의 직경은 d26b와 같다.
바람직하게, 상류 원통 부분(26a)의 길이(L26a)는 캐소드(24)의 절두원뿔 영역(86)의 길이(L86)보다 더 길다. 보다 바람직하게, 상류 원통 부분(26a)과 중간 수렴 부분(26b)의 길이의 합(L26a + L26b)은 챔버(26)에 있는 캐소드(22)의 길이(L22b)보다 더 크다. 캐소드(22)가 애노드(22)에 의해 구획되는 챔버(26)의 작동 위치에 장착될 때, 바람직하게, 캐소드의 자유단은 챔버의 중간 수렴 부분을 따라 실질적으로 절반(half-way)으로 연장한다.
본 발명에 따른 플라즈마 토치의 작동은 종래기술의 플라즈마 토치의 그것과 유사하다. 캐소드(22)와 애노즈(24)를 가로질러 전기 아크(E)를 생성하기 위해 전압은 전력원(28)에 의해 생성된다. 그러면, 플라즈마 가스(G)는 캐소드(22)의 하류 끝단(50)의 상류의 분사 장치(30)에 의해, 30 l/min보다 높고 100 l/min보다 낮은 유동율, 0℃보다 높고 50℃보다 낮은 온도, 10 bar보다 낮은 절대 압력으로 분사된다. 플라즈마 가스(G)의 플럭스는 출구 개구(60) 쪽으로 챔버(26) 속으로 진행할 때 캐소드(22)에 대해 회전한다. 전기 아크(E)를 관통함으로써, 플라즈마 가스(G)는 전형적으로 8000 K보다 더 높고, 10000 K보다도 더 높은 초고온의 플라즈마로 전환된다. 플라즈마 플럭스는 실질적으로 축(X)을 따라 400 m/s보다 더 높고 800 m/s보다 더 낮은 속도로 챔버(26)로부터 유출한다.
동시에, 스프레이 될 물질은 입자 형태로 주입 수단(21)에 의해 플라즈마 플럭스 속으로 주입된다.
스프레이 될 물질은 특히 무기물, 금속 및/또는 세라믹 및/또는 서멧 파우더, 심지어 유기 파우더, 또는 선택적으로 스프레이 될 물질의 현탁액 또는 용액과 같은 액체일 수 있다.
이어서, 이러한 물질은 플라즈마 플럭스에 의해 운반 및 가열되고, 플라즈마의 열에 의해 심지어 융해된다. 플라즈마 토치(10)가 기재쪽으로 향하게 되면, 물질은 이러한 기재에 대향하여 스프레이 된다. 냉각되는 동안 물질은 굳어져서 기재에 부착된다.
실험예
다음의 예들은 설명의 목적으로 제공되며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
도 8에 도시된 것과 유사한 2개의 플라즈마 토치들(T1)(T2)은 시중에서 상업적으로 입수할 수 있는 2개의 토치(종래의 "F4" 토치 및 최신의 트리-캐소드(tri-cathode) 토치)와 비교되었다. 2개의 종래의 토치들의 작동 조건들(전기적 파라미터, 플라즈마 가스의 조성, 파우더 주입 유동율, 스프레이 간격)은 제조사에 의해 권장되는 정상 조건들 또는 보다 더 좋은 것으로 간주되는 조건들에 부합하도록 하였다. 최대한 양호한 성능을 얻기 위해 플라즈마 토치들(T1)(T2)의 작동 조건들이 선택되었다.
아래의 표 1은 실험된 플라즈마 토치들의 기술적 특징과 시험 조건들을 비교연구한다. 2개의 상업적으로 입수 가능한 플라즈마 토치들은 챔버의 후방으로 개방된 플라즈마 가스를 분사하기 위한 오리피스들을 구비되어 있다. 따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 가스를 위한 분사 장치를 정의하는 치수 파라미터들은 이러한 2개의 토치들에 적용되지 않았다.
Figure pct00001
위의 표에 명백히 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 토치는 특히 높은 효율과 수율을 얻을 수 있었고 에너지 소비를 낮출 수 있었다.
성능 비교에서, 플라즈마 토치(T1)는 플라즈마 토치(T2)와 비교할 때, 유사한 증착율(52%)을 갖거나 이 보다 더 높고(T2의 증착율:45%), 각도(β)가 0(영)인 플라즈마 토치(T2)의 그것(대략 20%)보다 3배 더 큰 수율(62% 이상)을 얻은 것을 보여준다.
마모도 측정은, 동등한 전압에서, 특히 전술한 바와 같은 각도(α)(β)를 가진 본 발명에 따른 하나의 플라즈마 토치의 전극들의 마모는 종래의 토치들의 그것 특히, F4 플라즈마 토치의 전극들의 그것보다 더 낮다는 사실을 보여준다. 유용하게, 결과적으로, 증착층의 구리 및/또는 텅스텐 오염이 감소되었다.
물론, 본 발명은 설명되고 도시된 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 특히, 본 발명에 따른 플라즈마 토치는 모든 알려진 형태일 수 있고, 특히 "블론-아크(blown-arc) 플라즈마" 또는 "고온(hot) 캐소드" 형태, 특히 "봉-형상 고온 캐소드"일 수 있다.
애노드들과 캐소드들의 수와 형상은 개시되고 도시된 것들에 한정되는 것은 아니다.
다른 실시예에 있어서, 플라즈마 발생기는 다수의 애노드들 및/또는 다수의 캐소드들, 및 특히 적어도 3개의 캐소드들을 구비한다. 그러나, 바람직하게, 플라즈마 발생기는 단일의 캐소드 및/또는 단일의 애노드를 구비한다.
유용하게, 플라즈마 발생기는 제어하기 용이하다.
챔버의 모양 또한 비제한적이다.
또한, 분사 장치는 도 1에 도시된 그것과 다를 수 있다.
예를 들어, 그것은 단일의 링 또는 복수의 링들을 구비할 수 있다.
다수의 분사 덕트들은 비제한적이다. 그들의 단면은 원형일 필요는 없고, 예를 들어, 타원형 또는 다각형, 특히 직사각형일 수 있다.
분사 덕트들의 배열 역시 도 1에 도시된 그것과 다를 수 있다.
분사 덕트들은 예를 들어, 나선형으로 배치될 수 있고 아니면, 보다 일반적으로, 분사 오리피스들 모두가 동일한 교차 평면이 아니도록 배치될 수도 있다. 그들은 특히 2개(도 6 참조), 3개, 4개, 또는 그 이상의 교차 평면들에 놓여 질 수 있다.
도 6에 도시되고, 도 7a 내지 도 7c에 설명된 분사 장치에 있어서, 20개의 분사 오리피스들(74)은 제1 교차 평면(P1)과 제2 교차 평면(P2)에 분포된다.
교차 평면에서 8개의 분사 오리피스들(741)은 상기 교차 평면에서 연장하고 축(X)과 분사 오리피스의 중앙을 통과하는 반경과 각도(β1)를 만든다.
12개의 등각도로 분포된 다른 분사 오리피스들(742)은 P1의 하류의 제2 교차 평면(P2)에 놓여 지고, D1보다 더 크고, 동일한 직경(D2), 및 y1과 같은, 동일한 방사상 간격(y2)을 가진다. 교차 평면에서 분사 오리피스(742)의 분사 축(I2)의 투사는 상기 교차 평면에서 연장하고 축(X)과 분사 오리피스의 중앙을 관통하는 반경과 각도(β2)를 만든다. 각도(β2)는 각도(β1)보다 더 작다.
바람직하게, 오리피스(741)의 집적된 단면(S1)과 오리피스(742)의 집적된 단면(S2)의 비율(S1/S2)은 0.25와 4.0 사이에 놓인다. "집적된 단면"이라는 표현은 오리피스 세트의 모든 단면의 면적들의 합을 의미하는 것으로 이해해야 한다.
다른 실시예에 있어서, y1는 y2와 다를 수 있다. 또한, 주어진 교차 평면에 속하는 오리피스들은 어느 하나가 다른 하나와 다른 방사상 간격(yi)을 가질 수도 있다.
또한, 분사 오리피스는 2개, 3개 또는 그 이상의 그룹들로 묶여 질 수 있다. 따라서, 일 실시예에 있어서, 분사 장치는 4쌍의 구멍들을 구비할 수 있고, 상기 쌍들은 바람직하게 등각도도 분포되어 있다.
분사 오리피스들이 복수의 교차 평면들에 놓여 질 때, 제1 평면의 분사 오리피스는 축(X)의 방향을 따라 정렬될 수 있고, 아니면 예를 들어 일정한 각도에 각도 방향으로 옵셋된 제2 평면의 그것들과 옵셋될 수 있다.
10...플라즈마 토치 20...플라즈마 발생기
21...주입 수단 22...캐소드
24...애노드 26...챔버
28...전력원 30...분사 장치
34...본체 34', 34"...재킷
36...캐소드 홀더 38...애노드 홀더
40...전기 절연 본체 41...절연 부재
45, 56...절두원뿔 영역 46, 58...원통 영역
48...원뿔 영역 57...슬리브
60...출구 개구 72...분사 덕트
74...분사 오리피스

Claims (20)

  1. 플라즈마 발생기 및 상기 플라즈마 발생기에 의해 발생되는 플라즈마 플럭스 속으로 스프레이 될 물질을 주입하는 수단을 구비하고; 상기 플라즈마 발생기는 축(X)을 따라 연장하는 캐소드(22) 및 애노드(24)를 구비하고, 상기 캐소드와 상기 애노드는 전압의 영향 하에서 챔버(26) 안에서 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 전기 아크(arc)를 발생시킬 수 있도록 배치되어 있으며; 상기 플라즈마 발생기는 플라즈마 가스 분사 장치(30)를 구비하고; 상기 분사 장치는 분사 축(Ii)을 따라 분사 오리피스(orifice)(74)를 경유하여 상기 챔버 속으로 개구되는 분사 덕트(72)를 구비하는 플라즈마 토치(torch)에 있어서,
    - 상기 축(X)과 상기 분사 오리피스의 중앙 사이의 최소 간격으로서 정의되는 상기 분사 오리피스의 방사상 간격(yi)과,
    - 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 최소 방사상 간격의 축 위치(pAC)의 하류의 상기 챔버의 영역에 있는 상기 캐소드의 최대 교차 치수(DC),
    사이의 비율(R")은 2.5보다 더 작으며;
    상기 분사 덕트의 상기 분사 오리피스의 중앙을 관통하는 교차 평면에서 분사 축(Ii)의 투영은 상기 교차 평면에 놓여지고, 상기 축(X)을 관통하고 상기 분사 오리피스의 중앙을 관통하는 반경과 45˚보다 더 작은 각도(β)를 만드는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분사 덕트(72)의 상기 분사 오리피스의 중앙을 관통하는 방사상 평면에서 상기 분사 축(Ii)의 투영은 축(X)과 함께 10˚보다 더 크고 70˚보다 더 작은 각도(α)를 만드는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 각도(β)는 5˚보다 더 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각도(α)는 20˚보다 더 크고 60˚보다 더 작으며; 및/또는
    상기 각도(β)는 30˚보다 더 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 장치의 상기 분사 오리피스들의 세트(set) 중에서, 상기 분사 오리피스는 가장 하류의 축 위치(pi)를 가지거나 그러한 것들의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 오리피스의 상기 방사상 간격(yi)은 27mm보다 짧고 6mm보다 긴 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 장치(30)는 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 최소 방사상 간격의 위치(pAC)의 상류에 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드는 절두원뿔 영역(86)을 구비하고 상기 분사 오리피스는 상기 절두원뿔 영역을 절단하는 교차 평면(P)에 배치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드는 절두원뿔 영역(86)을 구비하고 모든 분사 오리피스들은 상기 절두원뿔 영역을 자르는 하나 또는 그 이상의 교차 평면들(P)에 배치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  10. 청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 교차 평면 또는 평면들은 상기 절두원뿔 영역의 길이의 30%와 90% 사이에 놓여진 상기 절두원뿔 영역(86)의 베이스로부터 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드의 최하류점의 축 위치(PA)로부터 상기 축 위치(pAC)를 분리시키는 축 간격(x")은 30mm보다 더 긴 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드의 최하류점의 축 위치(PA)로부터 상기 축 위치(pAC)를 분리시키는 축 간격(x")은 60mm보다 더 긴 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 최소 방사상 간격의 축 위치(pAC)와 상기 분사 오리피스의 축 위치(pi) 사이의 축 간격(x)과,
    - 상기 위치(pAC)의 하류의 상기 챔버의 영역에 있는 상기 캐소드의 최대 교차 치수(DC),
    사이의 비율(R)은 3.2보다 더 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축 간격(x)은 5mm보다 더 길고 25mm보다 더 짧은 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 캐소드의 하류 끝단의 축 위치(pC)와 상기 분사 오리피스의 상기 축 위치(pi)를 분리시키는 축 간격(x')과,
    - 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 최소 방사상 간격의 위치(pAC)의 하류의 상기 챔버의 영역에 있는 상기 캐소의 최대 교차 치수(DC),
    사이의 비율(R')은 3.5보다 더 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축 간격(x')은 9mm보다 더 길고 30mm보다 더 짧은 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  17. 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치(pAC)에서 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 상기 최소 방사상 간격(yAC)과, 상기 애노드와 상기 캐소드 사이의 최소 방사상 간격의 위치(pAC)의 하류의 상기 챔버의 영역에 있는 상기 캐소드의 최대 교차 차원(DC) 사이의 비율(R"')은 1.25보다 더 작은 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  18. 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분사 장치는 복수의 분사 오리피스들을 구비하고, 그 어떤 분사 오리피스가 고려되더라도, 상기 비율들(R)(R')(R"'), 상기 간격들(x)(x')(x"), 및 yi의 조건의 적어도 어느 하나는 진실인 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  19. 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,
    단일의 캐소드 및/또는 단일의 애노드를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  20. 청구항 1 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서,
    축(X)의 봉의 형태인, 상기 캐소드(22)는 상류로부터 하류까지 동축적으로 연속적으로, 직경이 감소하는 절두원뿔 영역(45), 원형 단면의 원통 영역(46), 및 라운드진 정점을 가진 원뿔 영역(48)을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
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