KR20120040738A - 가역 냉각제 흐름을 가진 리트랙트 스타트 플라즈마 토치 - Google Patents

가역 냉각제 흐름을 가진 리트랙트 스타트 플라즈마 토치 Download PDF

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KR20120040738A
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웨인 스탠리 세베런스
루벤 에이. 치코
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더 에삽 그룹 인코포레이티드
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Abstract

개선된 플라즈마 토치와 이 플라즈마 토치를 시동하는 방법을 제공한다. 플라즈마 토치는 토치 본체를 포함하며, 토치 본체는 토치 본체 내의 피스톤에 연결된 전극 어셈블리를 포함한다. 피스톤과 전극 어셈블리는 전극 어셈블리가 노즐과 접촉하는 시동 위치와 전극 어셈블리가 노즐과 접촉하지 않는 동작 위치 사이에서 이동가능하게 되어 있다. 피스톤은 냉각제 등의 유체를, 플라즈마 토치를 통해, 피스톤을 시동 위치로 편향시키는 제1 방향 또는 전극 어셈블리가 동작 위치까지 후퇴하도록 피스톤을 편향시키는 제2 방향으로 향하도록 함으로써 이동가능하게 되어 있다. 리버싱 밸브 또는 가역 펌프는 유체의 흐름의 방향을 제어하는 데에 사용될 수 있다. 이에 의해, 냉각제 공급은 플라즈마 토치를 냉각시키고 플라즈마 토치의 시동과 동작을 제어하는 데에 사용될 수 있다.

Description

가역 냉각제 흐름을 가진 리트랙트 스타트 플라즈마 토치{RETRACT START PLASMA TORCH WITH REVERSIBLE COOLANT FLOW}
본 발명은 플라즈마 토치 및 관련 방법에 관한 것이다.
플라즈마 토치(plasma torch)는 일반적으로 절단 및 용접에 사용된다. 플라즈마 토치는 통상적으로 노즐 내에 배치된 전극을 포함한다. 플라즈마 토치에 가압 가스가 공급되고 노즐을 통해 전극의 인근까지 흘러서, 전극과 공작물 사이에 전기 아크가 생긴다. 플라즈마 토치를 시동하기 위한 하나의 전형적인 방법에 의하면, 먼저 전극과 노즐 사이에 비교적 낮은 전류에서 아크를 생성함으로써 파일럿 모드(pilot mode)가 개시된다. 계측 시스템(metering system)은, 파일럿 모드 동안, 노즐을 통해 가스의 흐름을 전달한다. 이어서, 아크를 공작물로 전달함으로써 아크가 전극과 공작물 사이로 확장되는 것에 의해, 플라즈마 토치가 파일럿 모드에서 동작 모드로 전환된다. 아크의 전류는 동작 모드 동안 증가하고, 가스의 유량(flow rate)이나 타입도 조정이 가능하다. 아크는 가스를 이온화하고, 그 결과로서 생긴 높은 온도의 가스를 절단 또는 용접 작업에 사용할 수 있다.
본 설명은 플라즈마 토치의 개선과 이러한 플라즈마 토치를 시동하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예의 하나의 관점에 의하면, 토치 본체(main torch body), 노즐(nozzle), 토치 본체 내에 형성된 피스톤 캐비티(piston cavity) 내에 위치하며, 전극 어셈블리(electrode assembly)에 연결된 피스톤(piston), 피스톤 캐비티와 통하도록 된 제1 유체 통로(fluid passage) 및 제2 유체 통로로서, 제1 유체 통로가 피스톤의 제1 면상에 있는 피스톤 캐비티의 제1 영역과 통하도록 되어 있고, 제2 유체 통로가 피스톤의 제2 면상의 제2 영역과 통하도록 된, 제1 유체 통로 및 제2 유체 통로, 및 피스톤 캐비티의 제1 영역과 제2 영역 사이에서 유체를 전달하도록 구성된 연결 경로(connecting pathway)를 포함하는 플라즈마 토치(plasma torch)를 제공한다. 피스톤은 전극 어셈블리를 시동 위치(starting position)와 동작 위치(operating position) 사이에서 이동시키며, 전극 어셈블리는 시동 위치에서 노즐과 접촉하고, 전극 어셈블리는 동작 위치에서 노즐과 접촉하지 않도록 되어 있으며,
피스톤은, 유체가 제1 유체 통로로부터 제1 영역으로 제1 방향으로 흐르고, 연결 경로를 통해 제2 영역으로 흐르며, 이어서 제2 유체 통로를 통해 밖으로 흐르는 경우에, 전극 어셈블리를 시동 위치로 이동시키도록 되어 있다. 피스톤은, 유체가 제2 유체 통로로부터 제2 영역으로 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 흐르고, 연결 경로를 따라 제1 영역으로 흐르며, 이어서 제1 유체 통로를 통해 밖으로 흐르는 경우에, 전극 어셈블리를 동작 위치로 이동시키도록 되어 있다.
일부 실시예에서, 플라즈마 토치는 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동가능하게 되어 있고, 제1 방향에서는 제1 유체 통로로의 흐름을 제공하고, 제2 방향에서는 제2 유체 통로로의 흐름을 제공하도록 된 리버싱 밸브(reversing valve)를 더 포함할 수 있다. 리버싱 밸브는 플라즈마 토치와 유체 열 교환기(fluid heat exchanger) 사이에 위치할 수 있으며, 4개의 포트를 갖는 밸브(four port valve)를 포함할 수 있다. 플라즈마 토치는, 리버싱 밸브 대신에,제1 모드에서 제1 유체 통로로의 흐름을 제공하며, 제2 모드에서 제2 유체 통로로의 흐름을 제공하도록 된 가역 펌프(reversible pump)를 더 포함할 수 있다.
추가의 실시예에서, 전극 어셈블리는 전극 홀더(electrode holder) 및 전극(electrode)을 포함할 수 있다. 전극 홀더는, 전극 어셈블리가 동작 위치에 있는 경우에 가스 배플 등의 토치 본체 내의 정지부(stop)와 접촉하는 플랜지(flange)를 포함할 수 있다. 플라즈마 토치는 노즐과 접촉해서 노즐과 전기적으로 연결되는 웨이브 스프링(wave spring)을 더 포함할 수 있다. 웨이브 스프링은 파일럿 전류가 노즐에 흐르도록 구성될 수 있다. 웨이브 스프링은 적어도 50 암페어의 전류가 즐에 흐르도록 구성될 수 있다. 전류를 전극에 공급하는 것과 관련해서, 플라즈마 토치는 피스톤과 접촉해서 피스톤을 통해 전극 어셈블리에 전기 통로를 제공하는 접촉기(contactor)를 더 포함할 수 있다. 접촉기는 그루브(groove) 내의 피스톤 주위에 원주 방향으로 위치될 수 있다. 그루브는 플라즈마 토치의 토치 본체 내에 위치하여, 전극 어셈블리가 시동 위치에 있을 때에는 접촉기가 피스톤의 제1 부분과 접촉하고, 전극 어셈블리가 동작 위치에 있을 때에는 접촉기가 피스톤의 제2 부분과 접촉하도록 될 수 있다. 그루브는 피스톤 내에 위치될 수 있으며, 접촉기가 피스톤과 함께 이동하도록 될 수 있다.
본 발명의 실시예는 플라즈마 토치를 시동하는 방법을 제공할 수 있다. 플라즈마 토치를 시동하는 방법은, 플라즈마 토치의 노즐을 통해 가스를 흐르게 하는 단계, 유체(fluid)를 플라즈마 토치를 통해 제1 방향으로 그리고 제1 유체 통로를 통해 흐르도록 하고, 이어서 제2 유체 통로를 통해 밖으로 흐르도록 해서, 피스톤(piston)을 전진시킴으로써, 전극 어셈블리(electrode assembly)가 노즐과 접촉하도록 하는 단계, 파일럿 아크 전류(pilot arc current)를 전극 어셈블리와 노즐을 통해 인가하는 단계, 및 유체의 흐름을 반전시켜, 유체가 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 제2 유체 통로를 통해 흐르도록 하고, 이어서 제1 유체 통로를 통해 밖으로 흐르도록 해서, 피스톤을 후퇴시킴으로써, 전극 어셈블리의 노즐과의 접촉을 해제하고, 노즐과 전극 어셈블리 사이에서 파일럿 아크(pilot arc)를 개시하도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 유체의 흐름을 반전시키는 단계는 리버싱 밸브(reversing valve)를 작동시키는 단계를 포함할 수 있다. 유체를 흐르게 하는 단계는, 유체 펌프(fluid pump)를 한 방향으로 작동시키는 단계를 포함할 수 있으며, 유체의 흐름을 반전시키는 단계는 유체 펌프를 반대 방향으로 작동시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 첨부 도면은 반드시 실측으로 되어 있지는 않다.
도 1은 플라즈마 토치의 실시예의 일부 단면도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 플라즈마 토치를 통한 제1 방향에서의 냉각제의 흐름을 나타낸다.
도 3은 도 1의 플라즈마 토치를 통한, 제1 방향과 반대인 제2 방향에서의 냉각제의 흐름을 나타낸다.
도 4는 가역 밸브의 사시도를 나타낸다.
도 5는 제1 방향에서의 도 2의 리버싱 밸브의 횡단면을 포함하는 유체 회로를 나타낸다.
도 6은 제2 방향에서의 도 2의 리버싱 밸브의 횡단면을 포함하는 유체 회로를 나타낸다.
도 7은 플라즈마 토치의 다른 실시예의 단면을 나타낸다.
도 8은 웨이브 스프링의 사시도를 나타낸다.
도 9는 도 7의 상세 단면 W를 확대해서 나타낸다.
도 10은 접촉기를 나타내는 도 7의 확대 부분을 나타낸다.
도 11은 접촉기에서 플라즈마 토치의 길이방향 축에 따른 단면에서, 도 7의 플라즈마 토치의 단면을 나타낸다.
도 12는 플라즈마 토치를 시동하는 방법을 나타낸다.
플라즈마 토치를 시동하기 위한 장치 및 방법에 대하여, 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 실제로, 본 발명은 많은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 개시된 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 이들 실시예는 적용가능한 법적 요건을 만족하도록 제공된다. 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 나타낸다.
플라즈마 토치는 "접촉 시동"(contact start) 방법에 의해 시동될 수 있는 것으로 알려져 있으며, 이 접촉 시동 방법에는 전극을 노즐과 접촉시키고 노즐과 전극을 분리시켜 파일럿 아크(pilot arc)를 생성하는 과정이 포함된다.
상기 시동 방법을 이용하는 한가지 유형의 플라즈마 토치를 소위 "블로우 백"(blow-back) 플라즈마 토치라 한다. 블록우 백 플라즈마 토치에서, 노즐은 실질적으로 위치가 고정되어 있으며, 전극은 플라즈마 토치의 축에 따른 방향에서 이동 및 조정되도록 구성되어 있다. 전극은 스프링에 의해 전방 위치로 편향되어, 전극이 정상적인 정지 위치에서 노즐과 접촉하도록 된다. 계측 시스템이 플라즈마 토치에 가스의 흐름을 제공하는 경우, 이 가스의 흐름에 의해 전극이 가공물(workpiece)로부터 먼 쪽으로 힘을 받아, 스프링 힘을 극복하고 전극이 노즐로부터 분리됨으로써, 이들 사이에 파일럿 아크가 생성된다. "블로우 포워드"(blow forward) 토치에서, 노즐은 전극 대신에 이동이 가능하도록 되어, 시동시에, 노즐이 노즐을 통한 가스의 흐름에 의해 전방 방향(forward direction)으로 이동하게 된다. 각각의 경우에, 파일럿 아크는 분리된 노즐과 전극 사이에 생성될 수 있으며, 이 아크는 계속해서 절단이나 용접을 위해 노즐로부터 공작물까지 전달될 수 있다.
스파크 방전(spark discharge)을 생성하기 위해 전극과 노즐 사이에 높은 주파수 및 높은 전압을 유도하는 수단에 의해 플라즈마 토치를 시동하는 것이 일반적이다. 이 방법에 의하면, 노즐과 전극의 상대적인 이동을 수행하기 위한 메커니즘은 필요하지 않다.
그러나, 이러한 플라즈마 토치 및 관련 방법이 반드시 이상적인 것은 아니다. 높은 품질 또는 높은 전류의 애플리케이션에서 플라즈마 토치의 성공적인 동작은 플라즈마 토치를 시동하기 위해 플라즈마 가스의 사용과 양립하지 않는 가스 흐름 유량 또는 압력을 필요로 할 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 토치가 수중에서의 절단에 사용되는 경우 또는 텅스텐 전극이 사용되는 경우에, 플라즈마 토치를 시동하기 위해 가스 흐름을 차단(shut off)하여야 하는 것은, 수명이 짧아질 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 이와 동시에, 높은 주파수의 시동은 부근의 전자 장치에 많은 문제를 일으킬 수 있으며, 결과적으로 고비용의 차폐 수단을 필요로 할 수 있다.
따라서, 이러한 문제를 극복할 수 있는 플라즈마 토치 장치와 관련 방법을 개발한 것이다. 도 1은 본 발명의 플라즈마 토치(10)의 실시예를 나타낸다. 플라즈마 토치(10)는 토치 본체(12)를 포함한다. 플라즈마 토치(10)는 또한 노즐(14)과 전극 어셈블리(16)를 더 포함한다. 전극 어셈블리(16)는 전극 어셈블리의 제1 단부에 위치한 전극 홀더(electrode holder)(18)와 전극 어셈블리의 제2 단부에 위치한 전극(20)을 포함하는 몇 개의 부품을 포함할 수 있다. 전극 홀더(18)는 토치 본체(12) 내의 피스톤(22)에 결합되어 있다.
피스톤(22)은 플라즈마 토치(10)의 토치 본체(12) 내의 피스톤 캐비티(piston cavity)(24) 내에 위치한다. 피스톤 캐비티(24)는 제1 유체 통로(fluid passage)(26) 및 제2 유체 통로(28)와 통하도록 되어 있다. 특히, 피스톤(22)은, 제1 유체 통로(26)가 피스톤(22)의 제1 면(32) 상의 피스톤 캐비티(24)의 제1 영역(30)과 통하도록 되고, 제2 유체 통로(28)가 피스톤의 제2 면(36) 상의 피스톤 캐비티(24)의 제2 영역(34)과 통하도록, 피스톤 캐비티(24) 내에 배치될 수 있다. 연결 경로(connecting pathway)(38)는 피스톤 캐비티(24)의 제1 영역(30)과 제2 영역(34) 사이에서 유체를 전달한다. 따라서, 유체는 제1 및 제2 유체 통로(26, 28) 중의 하나를 통해 피스톤 캐비티(24)의 제1 영역(30) 또는 제2 영역(34) 중의 하나의 영역까지, 연결 경로(38)를 통해, 피스톤 캐비티의 제1 및 제2 영역 중의 다른 영역까지, 그리고 제1 및 제2 유체 통로 중의 다른 하나를 통해 밖으로 이동할 수 있다.
제1 유체 통로(26)는 제1 외부 라인(external line)(40)(도 5 및 도 6 참조)에 연결될 수 있으며, 제2 유체 통로(28)는 제2 외부 라인(42)에 연결될 수 있고, 제1 및 제2 외부 라인은 유체를 플라즈마 토치(10)에 공급하고 회수한다. 따라서, 유체는 폐루프 내에서 이동할 수 있다. 이러한 실시예에서, 플라즈마 토치(10)는 유체를 냉각시키는 유체 열 교환기(fluid heat exchanger)(44)(도 5 및 도 6 참조)를 더 포함할 수 있다. 유체를 냉각시키는 유체 열 교환기(44)를 사용하는 것은, 유체가 플라즈마 토치(10)를 냉각시키는 물과 같은 냉각제가 될 수 있기 때문에, 장점이 될 수 있다. 결빙을 방지하는 냉각제를 형성하도록 물을 에틸렌 글리콜 또는 프로필렌 글리콜과 혼합해도 된다. 추가로 또는 이와 달리, 부식이 생기는 것, 조류의 성장 및/또는 박테리아의 성장을 방지하도록 구성된 첨가물을 물과 혼합해도 된다.
냉각으로 인한 혜택을 받는 플라즈마 토치(10)의 2개의 부분은 전극(20)과 노즐(14)이다. 따라서, 일실시예에서, 연결 경로(38)의 적어도 일부분은 전극 홀더(18) 내의 전극 유체 통로(46)에 의해 형성될 수 있다. 유체가 전극(20)과 접촉하도록 유체를 흐르게 함으로써, 유체가 전극을 냉각시킬 수 있다. 예를 들어, 유체는 전극 홀더(18) 내의 하나 이상의 개구(aperture)(48)를 통해 유입되고 전극 유체 통로(46)를 통해 이동할 수 있다. 전극 유체 통로는 관형의 전극 홀더(18) 내에 동축 방향으로 배치된 냉각제 관(coolant tube)(19)에 의해 부분적으로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 추가로 또는 대안으로서, 연결 경로(38)는 노즐(14)에 의해 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 연결 경로(38)는 노즐(14)의 외측 표면(52)에 의해 하나의 면 상에 형성된 원주형의 채널(50)을 포함할 수 있다. 따라서, 전극(20) 및/또는 노즐(14)을 접촉시킴으로써, 동작 중에 유체가 플라즈마 토치(10)를 냉각시킬 수 있다.
상기 설명한 폐루프 실시예에서, 유체는 플라즈마 토치(10)를 통과하여 이동함에 따라 가열되기 때문에, 앞서 설명한 바와 같이, 유체 열 교환기(44)를 사용하여 유체가 플라즈마 토치로 회수되기 전에 유체를 냉각시킬 수 있다. 다른 실시예에서는, 유체가 순환되는 것이 아니라, 제1 및 제2 통로(26, 28) 중의 하나의 통로를 통해 이동하고 제1 및 제2 통로 중의 다른 하나의 통로를 통해 밖으로 유출되는 개방 루프가 형성될 수 있다. 이들 실시예는 플라즈마 토치(10)로부터 유출되는 가열된 유체가 플라즈마 토치로 다시 회수되지 않기 때문에, 열 교환기를 사용하지 않을 수 있다.
폐루프의 유체 경로든 개방 루프의 유체 경로든, 유체는 플라즈마 토치(10)를 냉각시키는 것 외의 다른 목적에 사용될 수 있다. 그 중 하나의 목적은 플라즈마 토치(10)를 시동 및 동작시키기 위해, 전극 어셈블리(16)의 위치결정을 제어하는 것이다. 따라서, 별개의 유체 공급부를 사용하지 않아도 되며, 이에 따라 종래에 비해, 플라즈마 토치(10)의 복잡도와 비용을 크게 낮출 수 있다. 이와 관련해서, 제1 유체 통로(26)와 제2 유체 통로(28)에 대한 유체의 상대적인 이동 방향을 사용하여 전극 어셈블리(16)의 위치결정을 제어할 수 있다.
도 2의 플라즈마 토치(10)에 나타낸 바와 같이, 전극 어셈블리(16)를 전극(20)이 노즐(14)과 접촉하는 시동 위치까지 이동시키고자 하는 경우에, 유체는 제1 방향(53)으로 흐르도록 된다. 제1 방향(53)에서의 유체 흐름은 제1 유체 통로(26)를 통해 피스톤 캐비티(24)의 제1 영역(30)으로, 연결 경로(38)를 통해 피스톤 캐비티의 제 2 영역(34)으로, 그리고 제2 유체 통로(28)를 통해 밖으로 이동한다. 제1 방향(53)에서의 유체 흐름은 전극(20)이 노즐(14)과 접촉하도록 피스톤(22)에 편향된 힘을 가한다. 이러한 이동은 피스톤 캐비티(24)의 제1 영역(30)과 제2 영역(34) 사이에 생기는 압력차에 의해 이루어지며, 제1 영역은 제2 영역에 비해 유체 압력이 더 크다. 압력 차는 유체가 플라즈마 토치(10)를 통해 이동함에 따라 유체가 이동하는 길고 복잡한 경로(tortuous path)에 의해 생기는 압력 강하로부터 생긴다.
도 3의 플라즈마 토치(10)에 나타낸 바와 같이, 전극 어셈블리(16)를 전극(20)이 노즐(14)과 접촉하지 않는 동작 위치까지 후퇴시키고자 하는 경우, 유체는 제1 방향과 반대인 제2 방향(53')으로 향하게 된다. 제2 방향(53')으로의 유체 흐름은 제2 유체 통로(28)를 통해 피스톤 캐비티(24)의 제2 영역(34)으로, 연결 경로(38)를 통해 피스톤 캐비티의 제1 영역(30)으로, 그리고 제1 유체 통로(26)를 통해 외부로 이동한다. 제2 방향(53')에서의 유체 흐름은 피스톤(22)에 편향된 힘을 가하여, 전극(20)이 노즐(14)과 접촉하지 않는 위치까지 전극 어셈블리(16)가 후퇴되도록 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 편향된 힘을 가하는 것(biasing)은 플라즈마 토치(10)를 통한 길고 복잡한 경로를 따라 흐르는 유체 흐름의 결과로서, 피스톤 캐비티(24)의 제1 영역(30)과 제2 영역(34) 사이에 생기는 압력 차에 기인하여 이루어진다고 생각된다. 제2 방향(53')에서의 유체 흐름의 경우에, 제2 영역(34)은 제1 영역(30)보다 큰 유체 압력을 갖기 때문에, 피스톤(22)을 동작 위치 쪽으로 힘을 가할 수 있게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 플라즈마 토치(10)를 통한 유체 흐름의 방향은, 피스톤(22)이 전극 어셈블리(16)를 시동 위치로 이동시키는지 아니면 동작 위치로 이동시키는지 여부를 결정한다. 따라서, 플라즈마 토치(10)는 유체 흐름의 방향을 전환할 수 있는 하나 이상의 메커니즘을 포함한다. 따라서, 플라즈마 토치(10)의 일부 실시예는, 가역 펌프(reversible pump)(도시하지 않음)를 포함한다. 이 실시예에서, 가역 펌프는 제1 모드에서 유체 흐름이 제1 유체 통로(26)로 흐르도록 할 수 있으며, 제2 모드에서 유체 흐름이 제2 유체 통로(28)로 흐르도록 할 수 있다. 이에 의해, 가역 펌프는 피스톤(22) 및 전극 어셈블리(16)를 시동 위치로 편향시키는 제1 모드로부터, 피스톤 및 전극 어셈블리를 동작 위치로 편향시키는 제2 모드로 전환함으로써, 유체의 흐름을 반전시킬 수 있다. 가역 펌프의 모드를 전환하는 한가지 방법은, 가역 펌프에 공급되는 전류의 극성을 전환하는 과정을 포함할 수 있으며, 그외의 다양한 여러 방법이 사용될 수 있다는 것을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 토치(10)의 다른 실시에는, 가역 펌프 대신에, 리버싱 밸브(reversing valve)(54)를 포함할 수 있다. 리버싱 밸브의 여러 실시예에 대해서, 당업자라면 알 수 있을 것이다. 리버싱 밸브(54)는 4개의 포트(56, 58, 60, 62)를 포함할 수 있으며, 리버싱 밸브의 동작은, 에어 실린더 또는 솔레노이드(도시하지 않음)를 사용하는 것과 같이 이동이 자동화될 수 있는 가동 레버(moveable lever)(64)에 의해 제어될 수 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 리버싱 밸브(54)는 펌프(68) 및 유체 열 교환기(44)를 구비하는 것과 같이, 폐루프 유체 회로(66)의 일부가 될 수 있다. 이러한 실시예에서, 제1 포트(56) 및 제2 포트(58)는 각각 제1 외부 라인(40)을 통해 제1 유체 통로(26)에 그리고 제2 외부 라인(42)을 통해 제2 유체 통로(28)에 연결될 수 있다. 제3 포트(60) 및 제4 포트(62)는 각각 제3 외부 라인(70) 및 제4 외부 라인(72)을 통해 유체 열 교환기(44)에 연결될 수 있다. 펌프(68)는, 제3 또는 제4 외부 라인(70, 72)을 따라, 플라즈마 토치(10)와 유체 열 교환기(44) 사이에 위치하도록 배치될 수 있다.
리버싱 밸브(54)가, 도 5에 나타낸 것과 같이, 제1 위치에 있는 경우, 유체는 펌프(68)로부터 제3 외부 라인(70)을 통해 리버싱 밸브의 제3 포트(60)로 흐른다. 이어서, 유체는 리버싱 밸브(54)로부터 제1 포트(56)를 통해 그리고 제1 외부 라인(40)으로 흐르는데, 피스톤(22)과 전극 어셈블리(16)를 시동 위치로 이동시키는 것과 같이(도 2 참조), 유체는 제1 방향(53)에서 플라즈마 토치(10)제1 유체 통로(26)로 흐른다. 상기 설명한 방식으로 플라즈마 토치(10)를 통해 유체를 이동시킨 후에, 가열된 유체를 제2 유체 통로(28)에서 플라즈마 토치로부터 유출되어 제2 외부 라인(42)을 통해 이동하게 되고, 유체는 제2 포트(58)에서 리버싱 밸브(54)로 들어간다. 리버싱 밸브(54) 내에서, 유체는 제4 포트(62)를 향해 흐르고, 제4 포트를 통해 유체가 제4 외부 라인(72)으로 유입된다. 마지막으로, 제4 외부 라인(72)은 유체가 열 교환기(44)를 통해 흐르도록 하여, 유체가 제3 외부 라인(70) 및 펌프(68)로 회수되기 전에 유체를 냉각시킨다.
리버싱 밸브(54)가, 도 6의 폐루프 유체 회로(66) 내에 도시된 바와 같이, 제2 위치로 이동하는 경우, 유체는 다음과 같이 흐른다. 먼저, 유체는 펌프(68)로부터 제3 외부 라인(70)을 통해 리버싱 밸브(54)의 제3 포트(60)로 흐른다. 이어서, 유체는 리버싱 밸브(54)로부터 제2 포트(58)를 통해 제2 외부 라인(42)으로 흐르고, 피스톤(22)과 전극 어셈블리(16)를 동작 위치로 후퇴시키는 것으로 앞서 설명한 것과 같이(도 3 참조), 제1 방향과 반대인 제2 방향(53')에서, 플라즈마 토치(10)의 제2 유체 통로(28)로 흐른다. 가열된 유체가, 앞서 설명한 방식으로 플라즈마 토치(10)를 통해 이동한 후, 제1 유체 통로(26)를 통해 배출되고 제1 외부 라인(40)을 통해 이동하게 되는데, 유체는 제1 포트(56)에서 리버싱 밸브(54)로 진입한다. 유체는 리버싱 밸브(54) 내에서, 제4 포트(62)를 향하고, 제4 포트를 통해 제4 외부 라인(72)으로 진입한다. 마지막으로, 제4 외부 라인(72)이 유체를 열 교환기(44)로 향하게 하고, 이 열 교환기에서 유체가 제3 외부 라인(70) 및 펌프(68)로 복귀하기 전에 유체를 냉각시킨다.
도 1을 다시 참조하면, 플라즈마 토치(10)는 다양한 추가의 특징을 가질 수 있다. 그 중 하나는, 피스톤(22) 및 전극 어셈블리(16)의 이동이 제한된다는 것이다. 시동 위치에 대하여, 피스톤(22)의 이동이 제한되는 이유는, 전극(20)이 노즐(14)과 접촉되기 때문이다. 그러나, 구조에 대한 여러 실시예에서는 피스톤(22) 및 전극 어셈블리(16)가 원하는 작동 위치를 지나쳐 이동하지 않도록 할 수 있다. 일례로, 도 1에 나타낸 바와 같이, 전극 어셈블리(16)가 동작 위치에 있을 때에, 플라즈마 토치(10)의 토치 본체(12) 내의 대응하는 정지부(stop)(76)와 체결되는, 플랜지(flange)(74)를 피스톤 위에 포함할 수 있다. 도 7의 플라즈마 토치(10')에 대한 다른 실시예에서 나타낸 바와 같이, 플라즈마 토치는, 전극 어셈블리가 동작 위치에 있을 때에, 플라즈마 토치의 토치 본체(12') 내의 대응하는 정지부(76')와 접촉하는 플랜지(74')를, 전극 홀더(18') 등과 같은 전극 어셈블리(16')의 일부분 위에, 추가로 또는 대체가능하게 포함할 수 있다. 본 예에서, 정지부(76')는 가스 배플(gas baffle)의 일부분이 될 수 있다. 전극 홀더(18')로부터 연장하는 플랜지(74')를 사용함으로써, 피스톤 캐비티(24')와 피스톤(22')을 가공할 때에 생기게 되는 허용 오차(tolerance)를 더 많이 완화할 수 있다는 장점을 가진다. 그러나, 본 실시예는 피스톤(22')과 토치 본체(12') 사이에, 사용하지 않아도 되는 밀봉제(seal)(75')를 필요로 할 수 있다. 이에 대하여, 도 1에 나타낸 바와 같이, 대응하는 정지부(76)와 체결되는 플랜지(74)를 피스톤(22)의 위에 구비하는 실시예에서는, 플랜지와 정지부가 서로 충분히 밀봉될 수 있기 때문에, 별도의 밀봉제를 필요로 하지 않을 것이다.
플라즈마 토치에 포함될 수 있는 다른 특징으로는 노즐에 전류를 제공하기 위해 노즐에 전기적으로 접속되는 것이다. 이러한 전기적 접속은, 도 8에 나타낸 바와 같이, 웨이브 스프링(wave spring)(80)에 의해 이루어질 수 있다. 도 7 중의 도 9에서 확대해서 나타낸 부분(W)에 나타낸 바와 같이, 웨이브 스프링(80)은, 파일럿 아크 리드(pilot arc lead)(도시 안 됨)가 용접된, 정면 본체 인서트(front body insert)(81')에 대항하여 끝 부분(tip)으로부터 반대 방향으로 노즐(14')의 단부에 의해 눌려지도록 하는 위치에 배치될 수 있다. 웨이브 스프링(80)은 시동 동안 파일럿 아크를 생성하는 데에 사용되는 전류를 노즐(14')에 제공한다. 웨이브 스프링(80)은, 종래의 스프링이 50 암페어 이상의 파일럿 아크 전류를 노즐(14')에 전달할 때에 생길 수 있는 어닐링 등의 문제를 극복한다. 웨이브 스프링(80)은 유사한 코일 스프링보다 최소 단면이 상대적으로 크기 때문에 적어도 부분적으로 어닐링을 피할 수 있는 것으로 가정한다. 추가로, 웨이브 스프링(80)은 "파형"의 형태(도 8 참조)를 갖기 때문에, 웨이브 스프링과 노즐(14') 및 전방 본체 인서트(81') 사이에 많은 접촉 지점이 생긴다. 다수의 접촉 지점에 의해, 전류의 흐름에 대해 단일의 경로만을 제공할 수 있는 코일 스프링과 달리, 전류가 웨이브 스프링을 통해 다수의 경로를 따라 흐를 수 있다. 이러한 웨이브 스프링 내의 다수의 전류 흐름 경로는 코일 스프링에 비해 더 높은 전류 전달 능력을 갖게 되어, 플라즈마 토치의 동작을 가능하게 할 수 있다.
플라즈마 토치의 실시예는 전류를 전극 어셈블리로 전달할 수 있도록 하는 추가의 특징적 요소를 포함할 수 있다. 도 10에 나타낸 도 7의 상세 부분에 나타낸 바와 같이, 이것은 피스톤(22')과 체결되는 접촉기(contactor)(82')에 의해 달성된다. 따라서, 피스톤(22')은 전극 캐리지(electrode carriage)로서 작용하며, 전극 어셈블리(16')에 대한 전류의 통로를 제공한다. 접촉기(82')에 의해, 플라즈마 토치(10')의 토치 본체(12')에 대한 전극 어셈블리의 이동 관계에 관계없이, 작동용 전류가 전극 어셈블리(16')에 공급될 수 있게 된다. 접촉기(82')는 플라즈마 토치(10') 내의 다양한 여러 위치에 위치될 수 있다. 예를 들어, 접촉기(82')는 플라즈마 토치(10')의 토치 본체(12') 내의 그루브(groove)(84') 내의 피스톤(22')의 주위에 원주 방향으로 위치될 수 있으며, 피스톤과 전극 어셈블리(16')가 시동 위치와 동작 위치 사이에서 이동함에 따라, 접촉기가 피스톤(22')과 활주 방식으로 접촉할 수 있게 되며, 전극 어셈블리가 시동 위치에 있을 때에 접촉기가 피스톤의 제1 부분(86')과 접촉하고, 전극 어셈블리가 작동 위치에 있을 때에는 접촉기가 피스톤의 제2 부분(88')과 접촉하게 된다. 도 11은 플라즈마 토치(10')의, 플라즈마 토치의 길이방향 축에 따른, 접촉기(82')의 영역 내의 부분을 나타내는 단면도이다. 도 11에 나타낸 바와 같이, 접촉기(82')는 피스톤(22') 및 토치 본체(12')와 모두 또는 별도의 전기적 접촉에 접촉하도록 그루브(84')를 가로질러 연장되어 있다. 다른 실시예(도시 안 됨)에서, 접촉기는, 접촉기가 피스톤과 함께 이동하지만 유사한 방식으로 작용하도록, 피스톤 내의 그루브 내부의 피스톤 주위에 원주 방향으로 위치될 수 있다.
본 발명의 실시예는 플라즈마 토치를 시동하는 방법을 더 포함한다. 이러한 방법 중의 하나는, 도 12에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 토치의 노즐을 통해 가스를 흐르게 하는 단계(단계 1000)와, 플라즈마 토치를 통하는 유체가 제1 유체 통로를 통해 제1 방향으로 흐르도록 하고 제2 유체 통로를 통해 밖으로 흐르도록(단계 1002) 함으로써, 피스톤을 전진시키는 단계(단계 1004)를 포함하며, 피스톤의 전진에 의해 전극이 노즐과 접촉(단계 1006)하게 된다. 본 방법은 전극과 노즐을 통해 파일럿 아크 전류를 인가하는 단계(단계 1008)와, 유체의 흐름을 반전시켜(단계 1010), 유체가 제2 유체 통로를 통해 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 흐르도록 하고 제1 유체 통로를 통해 밖으로 흐르도록 함으로써, 피스톤을 후퇴시키는 단계(단계 1012)를 포함하며, 피스톤의 후퇴에 의해 전극의 노즐과의 접촉이 해제되고(단계 1014), 노즐과 전극 사이에서 파일럿 아크를 개시(단계 1016)시킨다. 흐름을 반전시키는 단계(단계 1010)는, 리버싱 밸브를 작동시키는 단계(단계 1018)를 포함할 수 있다. 이와 달리, 유체를 흐르게 하는 단계(단계 1002)는 유체 펌프를 하나의 방향으로 동작시키는 단계(단계 1020)를 포함할 수 있으며, 흐름을 반전시키는 단계(단계 1010)는 유체 펌프를 반대로 동작시키는 단계(단계 1022)를 포함할 수 있다.
당업자라면, 상세한 설명과 도면의 내용으로부터 이들 실시예에 대한 많은 변형 및 변경이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 이러한 변경이나 변경 등의 다른 실시예는 청구범위에 포함되는 것으로 이해하여야 한다. 본 명세서의 특정의 용어는 일반적이며 설명을 위한 표현에 불과하며 제한을 위한 것이 아니다.

Claims (22)

  1. 플라즈마 토치(plasma torch)에 있어서,
    토치 본체(main torch body);
    노즐(nozzle);
    상기 토치 본체 내에 형성된 피스톤 캐비티(piston cavity) 내에 위치하며, 전극 어셈블리(electrode assembly)에 연결된 피스톤(piston);
    상기 피스톤 캐비티와 통하도록 된 제1 유체 통로(fluid passage) 및 제2 유체 통로로서, 상기 제1 유체 통로가 상기 피스톤의 제1 면상에 있는 상기 피스톤 캐비티의 제1 영역과 통하도록 되어 있고, 상기 제2 유체 통로가 상기 피스톤의 제2 면상에 있는 상기 피스톤 캐비티의 제2 영역과 통하도록 된, 제1 유체 통로 및 제2 유체 통로; 및
    상기 피스톤 캐비티의 제1 영역과 제2 영역 사이에서 유체를 전달하도록 구성된 연결 경로(connecting pathway)
    를 포함하며,
    상기 피스톤은 상기 전극 어셈블리를 시동 위치(starting position)와 동작 위치(operating position) 사이에서 이동시키며, 상기 전극 어셈블리는 시동 위치에서 상기 노즐과 접촉하고, 동작 위치에서는 상기 노즐과 접촉하지 않도록 되어 있으며,
    상기 피스톤은, 유체가 상기 제1 유체 통로로부터 상기 제1 영역으로 향하는 제1 방향으로 흐르고, 상기 연결 경로를 통해 상기 제2 영역으로 흐르며, 이어서 상기 제2 유체 통로를 통해 밖으로 흐르는 경우에, 상기 전극 어셈블리를 시동 위치로 이동시키도록 되어 있으며,
    상기 피스톤은, 유체가 상기 제2 유체 통로로부터 상기 제2 영역으로 향하는 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 흐르고, 상기 연결 경로를 따라 상기 제1 영역으로 흐르며, 이어서 상기 제1 유체 통로를 통해 밖으로 흐르는 경우에, 상기 전극 어셈블리를 동작 위치로 이동시키도록 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유체 통로와 상기 제2 유체 통로는 냉각제(coolant)의 흐름을 수용하도록 된, 플라즈마 토치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉각제의 흐름은 물(water)의 흐름을 포함하는, 플라즈마 토치.
  4. 제1항에 있어서,
    제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동가능하게 되어 있고, 상기 제1 방향에서는 상기 제1 유체 통로 향하는 흐름을 제공하고, 상기 제2 방향에서는 상기 제2 유체 통로 향하는 흐름을 제공하도록 된 리버싱 밸브(reversing valve)를 더 포함하는 플라즈마 토치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 리버싱 밸브는 4개의 포트를 갖는 밸브(four port valve)를 포함하는, 플라즈마 토치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 리버싱 밸브는 상기 플라즈마 토치와 유체 열 교환기(fluid heat exchanger) 사이에 위치하는, 플라즈마 토치.
  7. 제1항에 있어서,
    제1 모드에서 상기 제1 유체 통로 향하는 흐름을 제공하며, 제2 모드에서 상기 제2 유체 통로 향하는 흐름을 제공하도록 된 가역 펌프(reversible pump)를 더 포함하는 플라즈마 토치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극 어셈블리는 전극 홀더(electrode holder) 및 전극(electrode)을 포함하는, 플라즈마 토치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전극 홀더는, 상기 전극 어셈블리가 동작 위치에 있는 경우에 상기 토치 본체 내의 정지부(stop)와 접촉하는 플랜지(flange)를 포함하는, 플라즈마 토치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 정지부에 포함되는 가스 배플(gas baffle)을 더 포함하는 플라즈마 토치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 노즐과 접촉해서 상기 노즐과 전기적으로 연결되는 웨이브 스프링(wave spring)을 더 포함하는 플라즈마 토치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 웨이브 스프링은 파일럿 전류가 상기 노즐에 흐르도록 구성된, 플라즈마 토치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 웨이브 스프링은 적어도 50 암페어의 전류가 상기 노즐에 흐르도록 구성된, 플라즈마 토치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 피스톤과 접촉해서 상기 피스톤을 통해 상기 전극 어셈블리에 전기 통로를 제공하는 접촉기(contactor)를 더 포함하는 플라즈마 토치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 접촉기는 그루브(groove) 내의 상기 피스톤 주위에 원주 방향으로 위치된, 플라즈마 토치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 그루브는 상기 플라즈마 토치의 토치 본체 내에 위치하여, 상기 전극 어셈블리가 시동 위치에 있을 때에는 상기 접촉기가 상기 피스톤의 제1 부분과 접촉하고, 상기 전극 어셈블리가 동작 위치에 있을 때에는 상기 접촉기가 상기 피스톤의 제2 부분과 접촉하도록 된, 플라즈마 토치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 그루브는 상기 피스톤 내에 위치하여, 상기 접촉기가 상기 피스톤과 함께 이동하도록 된, 플라즈마 토치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 연결 경로 중의 적어도 일부는 상기 전극 어셈블리 내의 전극 유체 통로에 의해 형성되는, 플라즈마 토치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 연결 경로 중의 적어도 일부는 상기 노즐에 의해 형성되는, 플라즈마 토치.
  20. 플라즈마 토치를 시동하는 방법에 있어서,
    상기 플라즈마 토치의 노즐을 통해 가스를 흐르게 하는 단계;
    유체(fluid)를 상기 플라즈마 토치를 통해 제1 방향으로 그리고 제1 유체 통로를 통해 흐르도록 하고, 이어서 제2 유체 통로를 통해 밖으로 흐르도록 해서, 피스톤(piston)을 전진시킴으로써, 전극 어셈블리(electrode assembly)가 상기 노즐과 접촉하도록 하는 단계;
    파일럿 아크 전류(pilot arc current)를 상기 전극 어셈블리와 상기 노즐을 통해 인가하는 단계; 및
    상기 유체의 흐름을 반전시켜, 상기 유체가 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 상기 제2 유체 통로를 통해 흐르도록 하고, 이어서 상기 제1 유체 통로를 통해 밖으로 흐르도록 해서, 상기 피스톤을 후퇴시킴으로써, 상기 전극 어셈블리의 상기 노즐과의 접촉을 해제하고, 상기 노즐과 상기 전극 어셈블리 사이에서 파일럿 아크(pilot arc)를 개시하도록 하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 유체의 흐름을 반전시키는 단계는 리버싱 밸브(reversing valve)를 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 유체를 흐르게 하는 단계는, 유체 펌프(fluid pump)를 한 방향으로 작동시키는 단계를 포함하며, 상기 유체의 흐름을 반전시키는 단계는 상기 유체 펌프를 반대 방향으로 작동시키는 단계를 포함하는, 방법.
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