KR20170055927A - Hollow electrode plasma torch with multipole magnetic field for controlling arc fluctuation - Google Patents

Hollow electrode plasma torch with multipole magnetic field for controlling arc fluctuation Download PDF

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KR20170055927A
KR20170055927A KR1020160150475A KR20160150475A KR20170055927A KR 20170055927 A KR20170055927 A KR 20170055927A KR 1020160150475 A KR1020160150475 A KR 1020160150475A KR 20160150475 A KR20160150475 A KR 20160150475A KR 20170055927 A KR20170055927 A KR 20170055927A
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plasma torch
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arc column
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KR1020160150475A
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서준호
김동욱
최민식
노승정
양시영
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전북대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a hollow type plasma torch which generates thermal plasma jet by arc discharge, and more specifically, to a hollow type plasma torch which can control a position of an arc column in a torch by using a multi-pole magnetic field. The hollow type plasma torch, according to the present invention, comprises: a first electrode having a first discharge space which is extended in one direction therein; a second electrode which is placed apart from the first electrode in a longitudinal direction, and has a second discharge space, connected to the first discharge space in a longitudinal direction, therein; and a magnetic field forming unit which is placed away from an outer surface of the first electrode or the second electrode, and forms a magnetic field by multi-pole, which is at least four poles, to apply the magnetic field to the first discharge space or the second discharge space. According to embodiments of the present invention, the multi-pole magnetic field is used to apply the magnetic field in a radial direction, as well as the magnetic field in an axial direction, so the shape and movement thereof across the entire area of the arc column can be electromagnetically controlled. Accordingly, the plasma jet can be stabilized.

Description

아크 기둥 요동 제어하기 위한 다중극 자기장이 인가된 공동형 플라즈마 토치{HOLLOW ELECTRODE PLASMA TORCH WITH MULTIPOLE MAGNETIC FIELD FOR CONTROLLING ARC FLUCTUATION}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a hollow plasma torch having a multi-pole magnetic field for controlling oscillation of an arc column,

본 발명은 아크 방전에 의해 열플라즈마 제트를 발생시키는 공동형 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 다중극 자기장을 이용하여 토치 내에 아크 기둥의 위치를 제어함으로써 플라즈마 제트를 안정화하고, 전극 수명을 연장할 수 있는 공동형 플라즈마 토치에 관한 것이다.Field of the Invention [0001] The present invention relates to a cavity type plasma torch for generating a thermal plasma jet by arc discharge, more specifically, by stabilizing a plasma jet by controlling the position of an arc column in a torch by using a multipolar magnetic field, Type plasma torch.

고융점 소재 용사코팅, 신소재 합성 등의 소재공정 분야나 각종 폐기물의 열분해, 용융 및 고화 등의 환경 분야 또는 합성 가스(singas)의 합성, 석탄 가스화와 같은 에너지 분야에서 청정 방식의 초고온 열원으로서, 아크 방전을 이용하여 가스를 10,000 K 이상의 플라즈마 상태로 만드는 공동형 플라즈마 토치가 많이 활용되고 있다. 공동형 플라즈마 토치는 온도가 높고 에너지 밀도가 크며 열전도도가 우수할 뿐 아니라, 운전조건의 조절이 친환경이라는 장점이 있다.As an ultra-high temperature heat source of clean type in the fields of material processing such as spray coating of high melting point material and synthesis of new material, and in the field of energy such as pyrolysis, melting and solidification of various wastes, synthesis of syngas, coal gasification, A common plasma torch, which uses a discharge to make the plasma more than 10,000 K, is widely used. The cavity type plasma torch is advantageous in that it has a high temperature, a high energy density, an excellent thermal conductivity, and an environment-friendly control of operating conditions.

공동형 플라즈마 토치는 도 1에 도시된 바와 같이, 속이 빈 공동형 양극(anode, 20)과 음극(cathode, 10)이 서로 간 거리를 두고 위치하고, 양극과 음극 사이에 소용돌이 흐름의 방전 가스(G)를 주입하는 구조를 가지며, 기체 방전을 통해 형성된 아크 기둥(arc column, AC)이 공동형 전극의 길이 방향을 따라 형성된다. 아크와 전극이 만나는 지점을 아크점이라고 하는데, 음극과 아크가 만나는 점을 음극점(cathode spot, CS), 양극과 아크가 만나는 점을 양극점(anode spot, AS)이라 한다.As shown in FIG. 1, the cavity type plasma torch is a plasma torch having a hollow cavity anode 20 and a cathode 10 interposed therebetween and a spiral flow discharge gas G between the anode and the cathode And an arc column (AC) formed through the gas discharge is formed along the longitudinal direction of the cavity-shaped electrode. The point where the arc meets the electrode is called the arc point. The point where the cathode meets the arc is called the cathode spot (CS). The point where the anode and the arc meet is called the anode spot (AS).

기체 방전을 통해 형성된 아크 기둥(AC)은 공동형 전극 중심축과 동일한 방향으로 생성되는 플라즈마 유동을 따라 전후방으로 뻗어 나가다가, 유동에 의한 항력과 아크 전압 및 전류 조건에 의해 결정되는 전자기적 힘이 평형이 되는 각 전극 표면의 특정 지점에 아크점을 형성하며 부착된다. 곧, 전극 중심축과 방향으로 늘어진 아크 기둥이 전극 표면에 형성되는 아크점과 연결되어야 하므로, 아크 기둥은 이 부근에서 전극 중심축에 대해 거의 수직으로 꺾이는 형상을 가져야 한다. The arc column AC formed through the gas discharge extends forward and backward along the plasma flow generated in the same direction as the center axis of the cavity electrode, and the electromagnetic force determined by the drag due to the flow, the arc voltage and the current condition And forms an arc point at a specific point on each electrode surface to be balanced. Namely, since the arc column extending in the direction of the center axis of the electrode must be connected to the arc spot formed on the electrode surface, the arc column should have a shape bent almost perpendicularly to the center axis of the electrode.

한편, 종래의 공동형 플라즈마 토치는 영구자석 또는 솔레노이드를 공동형 또는 원통형 전극을 감싸는 방식으로 배치함으로써, 공동형 또는 원통형 전극 내부에 전극 중심축 방향으로 외부자기장을 인가할 수 있도록 종종 설계된다. 이 경우, 전극 표면의 아크점에 대해 수직 방향으로 입사하는 아크 기둥의 끝부분은 플레밍의 왼손법칙에 의해, 외부자기장 Bz과 아크 전류 I0의 곱에 비례하는 회전방향의 로렌츠의 힘을 받게 된다. 그 결과, 고속의 아크점 회전이 일어날 수 있고 이와 같은 아크점 회전은 공동형 또는 원통형 전극의 침식을 줄이는데 큰 효과를 발휘할 수 있어, 대전류 운전이 필수인 고출력 공동형 플라즈마 토치들의 전극수명 연장을 위한 중요한 수단으로 영구자석 또는 솔레노이드 환전류가 원통형 전극 바깥에 동축으로 많이 설치되거나 제공된다.On the other hand, the conventional hollow type plasma torch is often designed to apply an external magnetic field in the direction of the electrode center axis inside the hollow or cylindrical electrode by disposing the permanent magnet or the solenoid in a manner to surround the hollow or cylindrical electrode. In this case, the end portion of the arc column incident in the direction perpendicular to the arc point of the electrode surface is subjected to the Lorentz force in the rotational direction proportional to the product of the external magnetic field Bz and the arc current I 0 by the Fleming's left-hand rule . As a result, high-speed arc point rotation can occur, and such arc point rotation can exert a great effect in reducing the erosion of the hollow or cylindrical electrode, so that high-power hollow type plasma torches, As an important means, a permanent magnet or a solenoid exchange flow is installed or provided coaxially outside the cylindrical electrode.

그러나, 상기 N-S 이중극만을 가지는 솔레노이드형 영구자석 또는 솔레노이드 코일을 흐르는 환전류들이 만들어내는 외부 자기장 Bz은 아크 기둥의 중심축과 거의 같은 방향으로 형성되므로, 아크 기둥의 끝부분을 제외하고, 공동형 또는 원통형 전극 내, 대부분의 아크 길이 영역에서는 별다른 힘을 인가하지 못한다. However, since the external magnetic field Bz produced by the exchange currents flowing through the solenoid-type permanent magnet or the solenoid coil having only the NS dipole is formed substantially in the same direction as the central axis of the arc column, In the cylindrical electrode, most of the arc length region can not apply a certain force.

반면, 공동형 또는 원통형 전극 대부분의 길이를 차지하는 아크 기둥의 경우, 자체적인 부력 등의 효과로 인해, 중심축에 고정되어 일직선으로 형성되지 못하고 활처럼 휠뿐만 아니라, 주입되는 차가운 플라즈마 기체와의 난류 혼합 때문에 전극 내부에서 축을 중심으로 사방으로 끊임없이 요동치는 특성이 있다. 특히, 외부 자기장 Bz이 인가될 경우, 고속 회전하는 아크 끝부분이 주위 가스를 혼합시켜 상기 난류혼합 효과를 증대시켜 아크 기둥의 요동이 더 심해질 수 있다. On the other hand, in the case of an arc column which occupies most of the length of the cavity or cylindrical electrode, due to the effect of its own buoyancy or the like, it can not be formed in a straight line by being fixed to the central axis, Due to the mixing, there is a characteristic of constantly oscillating from the inside of the electrode to the four sides around the axis. Particularly, when the external magnetic field Bz is applied, the arc end portion rotating at a high speed mixes the ambient gas to increase the turbulent mixing effect, and the fluctuation of the arc column can be further increased.

이러한 아크 기둥의 전극 내 요동을 억제하기 위해 대부분의 공동형 토치들은 플라즈마 기체를 소용돌이(swirling) 성분을 크게 가지도록 원통형 전극 내부 표면을 따라 강하게 회전시키면서 대량 주입하는 방식을 사용한다. 그러나, 이러한 소용돌이에 의한 아크 기둥 안정화 방식은, 출력이 커지고, 이에 따라, 아크 전류도 증가하고 공동형 및 원통형 노즐전극의 길이도 길어질 경우, 아크 기둥 안정화에 필요한 소용돌이 성분을 유지해 주기 위해 플라즈마 기체 유량도 함께 늘려 줘야 하는 단점이 있다. In order to suppress the fluctuation of the arc column in the electrode, most of the cavity torches use a method of massively injecting the plasma gas while strongly rotating the plasma electrode along the inner surface of the cylindrical electrode so as to have a large swirling component. However, in such an arc column stabilization method by the vortex, when the output becomes large, the arc current increases, and the length of the cavity type and the cylindrical nozzle electrode becomes long, in order to maintain the vortex component necessary for stabilizing the arc column, There is a disadvantage that it must be increased.

따라서, 이러한 아크 기둥의 요동을 억제할 수 있는 플라즈마 기체 유량이 충분히 주입되지 못하거나 응용목적에 따라 유량이 제한될 경우에는 아크 기둥이 원통형 전극 내부 벽과 직접 부딪히는 내부 아킹 뿐만 아니라, 아크 기둥의 요동 때문에 토치 출구를 빠져나오는 플라즈마 제트의 온도 및 속도 분포가 불안정해지는 문제가 발생한다.Therefore, when the flow rate of the plasma gas capable of suppressing the fluctuation of the arc column is not sufficiently injected or the flow rate is limited according to the application purpose, not only the inner arc where the arc column directly bumps against the inner wall of the cylindrical electrode, Therefore, there arises a problem that the temperature and velocity distribution of the plasma jet exiting the torch outlet becomes unstable.

특히, 고출력 운전이나 반응성 가스 주입을 위해 간극을 갖도록 설계된 공동형 플라즈마 토치의 경우, 전기적으로 절연되어야 하는 간극들이 요동치는 아크 기둥과 직접 접촉하여 간극 침식이 일어나거나 절연 파괴가 일어날 수 있으므로, 간극 보호를 위해 소용돌이 성분 유지 강화용 플라즈마 기체 유량을 별도로 공급해 줘야 하는 난점이 있었다. Particularly, in the case of a cavity type plasma torch designed to have a gap for high output operation or reactive gas injection, gaps to be electrically insulated may directly contact the oscillating arc column to cause gap erosion or dielectric breakdown, There is a problem in that it is necessary to separately supply a plasma gas flow rate for maintaining the vortex component.

또한 이러한 간극 내부에서의 아크 요동은 간극을 갖는 역극성 공동형 플라즈마 토치에 있어서 더욱 심각한 문제를 일으킬 수 있는데, 토치 내부에서 플라즈마 기체 소용돌이에 의한 아크 기둥 안정화가 부족할 경우, 전극을 따라 상대적으로 자유롭게 움직일 수 있는 음극점에 의한 절연 파괴 및 간극 침식이 쉽게 일어날 수 있는 문제점이 있었다.In addition, arc oscillation within such gaps can cause even more serious problems in a reversed polarity cavity plasma torch having gaps. If the arc column stabilization due to the plasma gas swirling inside the torch is insufficient, There is a problem that the insulation breakdown and the gap erosion due to the negative electrode point can easily occur.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해, 다중극 자기장(multi-pole magnetic field)을 이용하여 아크 기둥에 대해 축 방향 자기장뿐만 아니라 원주 방향 자기장을 인가함으로써, 아크 기둥 전 영역에 걸쳐 그 형상 및 거동을 전자기적으로 제어할 수 있는 공동형 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method of controlling a shape and a behavior of an arc column by applying a circumferential magnetic field as well as an axial magnetic field to an arc column by using a multi-pole magnetic field Type plasma torch capable of electronically controlling the plasma torch.

또한 본 발명은 전극 내부에 생성되는 아크 기둥에 상하좌우 방향의 힘을 조합하여 발생시킬 수 있는 자기장을 인가해 줌으로써 아크 기둥의 반경방향 요동을 억제시킬 수 있는 공동형 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a hollow plasma torch capable of suppressing radial oscillation of an arc column by applying a magnetic field capable of generating forces in an up, down, left, and right directions to an arc column generated inside an electrode.

또한, 본 발명은 방전 가스의 소용돌이 성분을 유지 또는 강화하기 위해서 유량 증가 없이 아크 기둥의 반경 방향 요동을 억제시킬 수 있는 공동형 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.The present invention also provides a cavity type plasma torch capable of suppressing the radial oscillation of the arc column without increasing the flow rate in order to maintain or enhance the vortex component of the discharge gas.

본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치는 내부에 일방향으로 연장형성된 제1 방전 공간을 구비하는 제1 전극; 제1 전극과 길이방향으로 이격되어 배치되며, 내부에 제1 방전공간과 길이방향으로 연결된 제2 방전 공간을 구비하는 제2 전극; 및 제1 전극 또는 제2 전극의 외면에 이격 배치되며, 4중극자 이상의 다중극자에 의한 자기장을 형성하여 제1 방전 공간 또는 제2 방전공간에 자기장을 인가하는 자기장 형성부;를 포함한다. A cavity type plasma torch according to the present invention includes: a first electrode having a first discharge space extending in one direction; A second electrode spaced apart from the first electrode in the longitudinal direction and having a second discharge space connected to the first discharge space in the longitudinal direction; And a magnetic field forming unit spaced apart from the outer surface of the first electrode or the second electrode and applying a magnetic field to the first discharge space or the second discharge space by forming a magnetic field by multipoles at least of a quadrupole.

본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 자기장 형성부의 다중극자는 영구자석 또는 솔레노이드 전자석인 것이 바람직하다. In the cavity type plasma torch according to the present invention, it is preferable that the multipole of the magnetic field forming portion is a permanent magnet or a solenoid electromagnet.

본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 자기장 형성부의 다중극자는 제1 전극 또는 제2 전극의 외면의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 배열되는 것이 바람직하다.In the cavity type plasma torch according to the present invention, it is preferable that the multipoles of the magnetic field forming portion are arranged at regular intervals along the circumferential direction of the outer surface of the first electrode or the second electrode.

본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 자기장 형성부의 다중극자는 이웃하는 극자와 극성이 반대가 되도록 배열되는 것이 바람직하다.In the cavity type plasma torch according to the present invention, it is preferable that the multipole of the magnetic field forming portion is arranged so as to be opposite in polarity from the neighboring polarity.

본 발명의 실시예들에 따르면, 다중극 자기장(multi-pole magnetic field)을 이용하여 아크 기둥에 대해 축방향의 자기장뿐만 아니라 반경 방향의 자기장을 인가함으로써, 아크 기둥 전 영역에 걸쳐 그 형상 및 거동을 전자기적으로 제어할 수 있으며, 이를 통해 플라즈마 제트를 안정화할 수 있다. According to embodiments of the present invention, by applying a magnetic field in a radial direction as well as an axial magnetic field to an arc column using a multi-pole magnetic field, the shape and behavior Can be electromagnetically controlled, thereby stabilizing the plasma jet.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 전극 내부에 생성되는 아크 기둥에 상하좌우 방향의 힘을 조합하여 발생시킬 수 있는 자기장을 인가해 줌으로써 아크 기둥의 반경 방향 요동을 억제시킬 수 있으며, 아크 기둥을 반경 방향으로 압축 및 인장시켜 전기 저항을 증가시키는 효과가 있다. In addition, according to the embodiments of the present invention, it is possible to suppress the radial oscillation of the arc column by applying a magnetic field that can generate forces in combination with the upward, In the radial direction, thereby increasing the electrical resistance.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 방전 가스의 소용돌이 성분을 유지 또는 강화하기 위해서 유량 증가 없이 아크 기둥의 반경 방향 요동을 억제시킬 수 있으며, 최소의 방전 기체 유량으로도 안정된 플라즈마 제트를 얻을 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 제트를 이용한 공정 조건의 재현성 및 결과에 대한 신뢰성을 확보하는 효과가 있다. Further, according to the embodiments of the present invention, it is possible to suppress the radial oscillation of the arc column without increasing the flow rate in order to maintain or enhance the vortex component of the discharge gas, and to obtain a stable plasma jet even at a minimum discharge gas flow rate have. This has the effect of ensuring the reproducibility of the process conditions using the plasma jet and the reliability of the result.

도 1은 종래 기술에 따른 공동형 플라즈마 토치를 나타내는 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치를 나타내는 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 2의 절단선 Ⅲ-Ⅲ에 따라 도시한 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치를 나타내는 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치를 나타내는 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 6은 도 3에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치에서 발생하는 자기력선을 나타내는 개념도이다.
도 7은 도 3에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치에 있어서 반경에 따른 자기장의 분포를 나타내는 그래프이다.
도 8은 종래 단순 솔레노이드를 적용한 공동형 플라즈마 토치에 있어서 반경에 따른 자기장의 분포를 나타내는 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a conceptual diagram schematically showing a conventional plasma torch according to the prior art; FIG.
2 is a conceptual diagram schematically showing a cavity type plasma torch according to a first embodiment of the present invention.
3 is a schematic cross-sectional view taken along line III-III in Fig.
4 is a conceptual view schematically showing a cavity type plasma torch according to a second embodiment of the present invention.
5 is a conceptual diagram schematically showing a cavity type plasma torch according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a conceptual view showing a line of magnetic force generated in a cavity type plasma torch according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.
FIG. 7 is a graph showing a distribution of a magnetic field according to a radius in the cavity type plasma torch according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.
FIG. 8 is a graph showing a distribution of a magnetic field according to a radius in a conventional plasma torch to which a simple solenoid is applied.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 공동형 플라즈마 토치에 관하여 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, a hollow plasma torch according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to let you know. Wherein like reference numerals refer to like elements throughout.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. Also, throughout the specification, when an element is referred to as "including" an element, it is understood that the element may include other elements as well, without departing from the other elements unless specifically stated otherwise. Also, throughout the specification, the term "on " means to be located above or below a target portion, and does not necessarily mean that the target portion is located on the image side with respect to the gravitational direction.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치를 나타내는 개략적으로 나타내는 개념도이고, 도 3은 도 2의 절단선 Ⅲ-Ⅲ에 따라 도시한 개략적인 단면도이다.FIG. 2 is a conceptual diagram schematically showing a cavity type plasma torch according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a schematic sectional view taken along a cutting line III-III in FIG.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치는 제1 전극(100); 제2 전극(200); 및 자기장 형성부(300);를 포함하여 구성된다.Referring to FIGS. 2 and 3, a cavity type plasma torch according to a first embodiment of the present invention includes a first electrode 100; A second electrode (200); And a magnetic field forming unit 300.

제1 전극(100)은 내부에 일방향으로 연장형성된 제1 방전 공간(110)을 구비한다. 제2 전극(200)은 제1 전극(100)과 길이방향으로 이격되어 배치되며, 내부에 제1 방전공간(110)과 길이방향으로 연결된 제2 방전 공간(210)을 구비한다.The first electrode 100 includes a first discharge space 110 extending in one direction. The second electrode 200 is spaced apart from the first electrode 100 in the longitudinal direction and has a second discharge space 210 connected to the first discharge space 110 in the longitudinal direction.

자기장 형성부(300)는 제1 전극(100)의 외면에 이격 배치되며, 4중극자 이상의 다중극자(310a ~ 310f)에 의한 자기장을 형성하여 제1 방전 공간(110)에 자기장을 인가한다. 본 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이 다중극자(310a ~ 310f)를 6중극자로 한정하였으나, 이에 한정되는 것이고, 다중극자에 의한 자기장이 형성할 수 있는 다양한 개수 중에서 선택할 수 있다.The magnetic field forming unit 300 is spaced apart from the outer surface of the first electrode 100 and forms a magnetic field by multipoles 310a to 310f of a quadrupole or more to apply a magnetic field to the first discharge space 110. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the multipoles 310a to 310f are limited to the six-pole, but the present invention is limited thereto, and it is possible to select from various numbers that can be formed by the magnetic field by the multipoles.

자기장 형성부(300)의 다중극자(310 : 310a ~ 310f)는 영구자석 또는 솔레노이드 전자석일 수 있다. 자기장 형성부(300)의 다중극자(310)는 제1 전극(100)의 외면의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 배열될 수 있다. 자기장 형성부(300)의 다중극자(310)는 이웃하는 극자와 극성이 반대가 되도록 배열되는 것이 바람직하다. 다중극자(310)는 제1 전극(100)의 냉각수 유로 내에 설치될 수 있다. The multipole 310 (310a to 310f) of the magnetic field forming unit 300 may be a permanent magnet or a solenoid electromagnet. The multipoles 310 of the magnetic field forming unit 300 may be arranged at regular intervals along the circumferential direction of the outer surface of the first electrode 100. It is preferable that the multipole 310 of the magnetic field forming unit 300 is arranged so as to be opposite in polarity to the neighboring pole. The multipoles 310 may be installed in the cooling water channel of the first electrode 100.

다중극자(310)의 배치는 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같이, N-S 극을 가지는 영구자석 6개를 인접한 주위 자석과 서로 반대 극이 되도록 설정하고 원통형 전극 주위에 일정 간격으로 배치한 6중극자와 같은 방식으로 실현할 수 있다. As shown in FIG. 3, for example, the arrangement of the multipole elements 310 is such that six permanent magnets having NS poles are set to be opposite poles to adjacent adjacent magnets, and six poles 310 disposed at regular intervals around the cylindrical poles It can be realized in the same way as the extreme case.

다중극자들의 자기장 누설을 방지하기 위하여 다중극자들의 외측에 요크와 같은 강자성 재질의 구조물이 감쌀 수 있다. A ferromagnetic structure such as a yoke may be wrapped around the outer sides of the poles to prevent magnetic field leakage of the poles.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치를 나타내는 개략적으로 나타내는 개념도이다.4 is a conceptual view schematically showing a cavity type plasma torch according to a second embodiment of the present invention.

제2 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치는 자기장 형성부(300)의 위치가 변형된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 공동형 플라즈마 토치와 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 중복되는 구성에 대해서는 설명을 생략하며, 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.The cavity type plasma torch according to the second embodiment has the same configuration as the cavity type plasma torch of the first embodiment except that the position of the magnetic field forming portion 300 is deformed. Explanations of structures that are the same as those in the first embodiment are omitted, and the same reference numerals are used for the same members as in the first embodiment.

자기장 형성부(300)는 제2 전극(200)의 외면에 이격 배치되며, 4중극자 이상의 다중극자(310a ~ 310f)에 의한 자기장을 형성하여 제2 방전 공간(210)에 자기장을 인가한다. 본 실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이 다중극자(310a ~ 310f)를 6중극자로 한정하였으나, 이에 한정되는 것이고, 다중극자에 의한 자기장이 형성할 수 있는 다양한 개수 중에서 선택할 수 있다.The magnetic field forming unit 300 is spaced apart from the outer surface of the second electrode 200 and forms a magnetic field by the multipoles 310a to 310f having a quadrupole or more to apply a magnetic field to the second discharge space 210. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the multipoles 310a to 310f are limited to the six-pole, but the present invention is limited thereto, and it is possible to select from various numbers that can be formed by the magnetic field by the multipoles.

자기장 형성부(300)의 다중극자(310 : 310a ~ 310f)는 영구자석 또는 솔레노이드 전자석일 수 있다. 자기장 형성부(300)의 다중극자(310)는 제2 전극(200)의 외면의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 배열될 수 있다. 자기장 형성부(300)의 다중극자(310)는 이웃하는 극자와 극성이 반대가 되도록 배열되는 것이 바람직하다. 다중극자(310)는 제2 전극(200)의 냉각수 유로 내에 설치될 수 있다. The multipole 310 (310a to 310f) of the magnetic field forming unit 300 may be a permanent magnet or a solenoid electromagnet. The multipoles 310 of the magnetic field forming unit 300 may be arranged at regular intervals along the circumferential direction of the outer surface of the second electrode 200. It is preferable that the multipole 310 of the magnetic field forming unit 300 is arranged so as to be opposite in polarity to the neighboring pole. The multipoles 310 may be installed in the cooling water channel of the second electrode 200.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치를 나타내는 개략적으로 나타내는 개념도이다.5 is a conceptual diagram schematically showing a cavity type plasma torch according to a third embodiment of the present invention.

제3 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치는 중간 연결부(400)가 추가된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 공동형 플라즈마 토치와 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 중복되는 구성에 대해서는 설명을 생략하며, 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.The cavity type plasma torch according to the third embodiment has the same configuration as the cavity type plasma torch of the first embodiment except that the intermediate connection part 400 is added. Explanations of structures that are the same as those in the first embodiment are omitted, and the same reference numerals are used for the same members as in the first embodiment.

중간 연결부(400)는 제1 전극(100)과 제2 전극(200) 사이에 배치되며, 제1 방전 공간(110)과 제2 방전 공간(210)을 연결하는 중간 방전 공간을 구비한다. The intermediate connection part 400 is disposed between the first electrode 100 and the second electrode 200 and has an intermediate discharge space connecting the first discharge space 110 and the second discharge space 210.

이하에서는 도면을 참조하면서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치의 작동을 설명한다.Hereinafter, the operation of the cavity type plasma torch according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 6은 도 3에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치에서 발생하는 자기력선을 나타내는 개념도이며, 도 7 및 도 8은 각각 도 3에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 공동형 플라즈마 토치와 종래 단순 솔레노이드를 적용한 공동형 플라즈마 토치에 있어서 반경에 따른 자기장의 분포를 나타내는 그래프이다.FIG. 6 is a conceptual view showing a line of magnetic force generated in a cavity type plasma torch according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 3, and FIGS. 7 and 8 are views each showing a first embodiment of the present invention shown in FIG. FIG. 2 is a graph showing a distribution of a magnetic field according to a radius in a cavity type plasma torch to which a conventional simple solenoid is applied.

공동형 플라즈마 토치의 전극(100, 200) 내부에서 다중극자(310a ~ 310f)에 의한 외부 자기장 형성은 도 6에 도시 된 바와 같이, 6중극자에 의해 인가되는 자기장이, 먼저 전극 축을 중심으로 6개의 N-S 이중극이 만들어내는 자기력선이 서로 대칭적인 형태로 나타난다. As shown in FIG. 6, the external magnetic fields formed by the multipole elements 310a to 310f in the electrodes 100 and 200 of the cavity type plasma torch are such that the magnetic field applied by the hexapole, The magnetic force lines produced by the NS dipoles appear symmetrical to each other.

특히, 반대극들이 서로 이웃하고 있으므로, 대칭적으로 형성되는 자기력선은 각 6분면마다 방향은 반대이지만, 포물선 형태로 형성될 수 있다. 이에 따라, 중심축에 몰려있는 아크 기둥(AC)의 단면을 도 6에 도시된 바와 같이 6등분 하여 나눌 경우, 각각의 6분면에서 아크 기둥(AC)의 표면에는 방향은 반대이지만 마치 접선 방향 성분의 자기장 B가 인가되는 것처럼 느껴지고, 로렌츠의 힘이 각 6분면에서 자기장 방향과 전류방향에 따라 반경 방향으로 작용하게 됨을 알 수 있다. 그 결과, 6중극자의 경우, 전체적인 로렌츠의 힘의 벡터가 도면상 좌에서 우방향 및 우에서 좌방향으로 작용하는 두 종류의 힘만 남게 되어, 아크 기둥(AC)을 반경방향으로 압축 및 인장하는 형태로 나타난다. In particular, since the opposite poles are adjacent to each other, the symmetrically formed lines of magnetic force can be formed in a parabolic shape although the directions are opposite each other every six quarters. Accordingly, when the cross section of the arc column (AC) crowded on the central axis is divided into six equal parts as shown in Fig. 6, the direction of the arc column AC is opposite to that of the arc column (AC) And the Lorentz force acts in the radial direction according to the direction of the magnetic field and the direction of the current in each of the six partial planes. As a result, in the case of a hexapole, only the two kinds of forces that the whole Lorentz force vector acts in the left-to-right direction and the right-to-left direction in the drawing remain and the arc column (AC) Respectively.

중심축을 사이에 두고 좌우로 작용하는 이 상반되는 힘들이 아크 기둥(AC)이 중심축을 좌우로 벗어날 경우, 아크 기둥을 노즐의 중심축으로 항상 이동시키는 힘으로 작용한다. 곧, 아크 기둥의 좌-우 방향 요동을 억제시켜 발생되는 플라즈마 제트를 안정화시키고 그 결과 공정 조건의 재현성과 신뢰성을 확보하는데 유리하게 작용할 수 있다. These opposing forces acting in the lateral direction with the central axis in between act as a force to always move the arc column to the center axis of the nozzle when the arc column AC deviates laterally from the center axis. In short, it is advantageous to stabilize the plasma jet generated by suppressing the left-right directional oscillation of the arc column, and as a result, to ensure the reproducibility and reliability of process conditions.

또한, 아크 기둥(AC)에 대해 좌-우로 압축 및 인장하는 힘이 작용한다는 것은 아크 기둥(AC) 내 전자 및 이온의 흐름이 중심축을 사이에 두고 반경방향으로 힘을 받아 이들과 중성입자들 또는 하전입자들끼리의 충돌을 증가시키는 것을 의미한다. 아크 기둥(AC) 내, 이러한 충돌의 증가는 전기 저항의 증가를 의미하므로, 다중극자에 의한 자기장 인가는 고출력 운전 조건을 상대적으로 높은 전압 및 낮은 전류 값으로 달성할 수 있게 해 주고, 그 결과 아크 전류에 의한 전극 침식을 최소화 하는 효과를 가져다 줄 수 있다. In addition, the action of compressive and tensile forces acting on the arc column (AC) means that the flow of electrons and ions in the arc column (AC) receives radial forces between the central axes, This means increasing the collision between subscribers. The increase in this collision in the arc column (AC) implies an increase in electrical resistance, so that the application of a magnetic field by means of a multipole allows a high output operating condition to be achieved with relatively high voltage and low current values, It is possible to minimize the electrode erosion caused by the electric current.

다중극자(310)에 의한 자기장 인가 효과는 원통형 전극을 따라 다중극자(310)들을 일정한 간격을 두고 동축으로 배열했을 때, 더 커질 수 있다. 예를 들어, 일정한 간격을 두고, N-S극 배치가 서로 엇갈리게 구성된 2개의 6중극자(310a ~ 310f)를 통과하는 아크 기둥(AC)의 경우, 첫 번째 6중극자에선 좌-우로 압축 및 인장되고, 두 번째 6중극자에선 좌우 방향 힘이 상하로 바뀌어서 아크 기둥(AC)을 압축 및 인장하므로 앞서 설명한 아크 기둥의 상하좌우 요동 억제 효과와 전기 저항 증가 효과가 동시에 강화 될 수 있다.The effect of applying the magnetic field by the multipoles 310 may be greater when the multipoles 310 are arranged coaxially at regular intervals along the cylindrical electrode. For example, at regular intervals, in the case of an AC column (AC) passing through two triangles 310a - 310f configured such that the NS pole arrangements are staggered from each other, the first triplet is compressed and tensioned left to right , And the second triple pole changes the force in the left and right direction upward and downward to compress and tension the arc column (AC). Thus, the above-described effect of suppressing the vertical and horizontal pivoting of the arc column and the effect of increasing the electric resistance can be simultaneously enhanced.

공동형 플라즈마 토치의 전극(100, 200) 내부에서 다중극자(310a ~ 310f)에 의해 형성된 축 방향의 자기장 성분은 도 7에 도시된 바와 같이, 노즐의 중심에서 최소가 되고 노즐 전극 벽에서 최대가 되는 형태의 분포로 나타나며, 종래 단순 솔레노이드를 적용한 공동형 플라즈마 토치의 전극 내부에서 형성된 축 방향의 자기장 성분은 도 8에 도시된 바와 같이, 노즐 중심에서 반경 방향으로 일정한 형태의 분포로 나타난다.The magnetic field components in the axial direction formed by the poles 310a to 310f inside the electrodes 100 and 200 of the cavity type plasma torch become minimum at the center of the nozzle and become maximum at the nozzle electrode wall And the magnetic field component in the axial direction formed inside the electrode of the hollow plasma torch to which the conventional simple solenoid is applied appears as a uniform distribution in the radial direction from the center of the nozzle as shown in FIG.

공동형 플라즈마 토치의 전극(100, 200) 내부에서 다중극자(310a ~ 310f)에 의해 형성된 축 방향의 자기장 성분이 노즐의 중심에서 최소가 되고 노즐 전극 벽에서 최대가 되는 분포는 하전 입자들을 중심축 방향으로 집중시켜 주는 렌즈효과를 갖는다.The distribution of the magnetic field components in the axial direction formed by the multipoles 310a to 310f within the electrodes 100 and 200 of the cavity type plasma torch becomes minimum at the center of the nozzle and becomes maximum at the nozzle electrode wall, And has a lens effect that focuses in the direction.

이 경우 렌즈효과, 즉 초점거리는 자기장 성분의 크기에 비례(또는 노즐 전극 중심으로부터 하전 입자의 반경 방향 위치에 반비례)하여 노즐 전극의 중심에서 더 많이 벗어난 하전 입자일수록 초점거리가 짧아 아크 기둥을 노즐 전극 중심 축 근처로 안정화하면서 압축시키는 결과를 준다. 하지만, 종래 단순 솔레노이드를 적용한 공동형 플라즈마 토치의 경우 축 방향 자기장 성분은 노즐 중심에서 반경 방향으로 분포가 거의 일정하여 렌즈효과에 의한 압축 효과가 거의 나타나지 않는다.In this case, the lens effect, that is, the focal distance is proportional to the magnitude of the magnetic field component (or inversely proportional to the radial position of the charged particle from the center of the nozzle electrode) Which results in compression and stabilization near the central axis. However, in the case of the conventional plasma torch adopting the simple solenoid, the axial magnetic field component is almost constant in the radial direction from the center of the nozzle, so that the compression effect by the lens effect hardly appears.

아크 기둥(AC)의 저항은 R = ρ P l P /A P 로 표현될 수 있으며, 여기서 ρ P 는 아크 기둥의 비저항, l P 는 아크 기둥의 길이, A P 는 아크 기둥의 단면적이다. 플라즈마의 온도 변화가 크지 않으면 아크 기둥의 비저항이 일정하다고 할 수 있으므로 아크 기둥의 압축(아크 기둥의 단면적의 감소)은 아크 기둥의 길이가 변하지 않아도 아크 기둥의 저항의 증가를 가져온다. 결국, 다중극에 의한 아크 기둥의 압축은 아크 기둥 저항의 증가, 곧 아크 기둥에 걸리는 전압의 증가를 가져오고 이에 따라 플라즈마 토치의 출력이 증가하는 효과를 가져다 줄 수 있다.The resistance of the arc column (AC) can be expressed as R = ρ P 1 P / A P , where ρ P is the resistivity of the arc column, I P is the length of the arc column and A P is the cross-sectional area of the arc column. If the temperature change of the plasma is not large, the resistivity of the arc column is constant. Therefore, the compression of the arc column (reduction of the cross sectional area of the arc column) causes the resistance of the arc column to increase even if the length of the arc column does not change. As a result, the compression of the arc column due to the multiple poles leads to an increase in the resistance of the arc column, that is, an increase in the voltage applied to the arc column, thereby increasing the output of the plasma torch.

본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 다양한 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the scope of the present invention.

100 : 제1 전극 110 : 제1 방전 공간
200 : 제2 전극 210 : 제2 방전 공간
300 : 자기장 형성부 400 : 중간 연결부100: first electrode 110: first discharge space
200: second electrode 210: second discharge space
300: magnetic field forming part 400: intermediate connection part

Claims (4)

내부에 일방향으로 연장형성된 제1 방전 공간을 구비하는 제1 전극(100);
상기 제1 전극과 길이방향으로 이격되어 배치되며, 내부에 상기 제1 방전공간과 길이방향으로 연결된 제2 방전 공간을 구비하는 제2 전극(200); 및
상기 제1 전극 또는 제2 전극의 외면에 이격 배치되며, 4중극자 이상의 다중극자에 의한 자기장을 형성하여 상기 제1 방전 공간 또는 제2 방전공간에 자기장을 인가하는 자기장 형성부(300);를 포함하는 공동형 플라즈마 토치.
A first electrode (100) having a first discharge space extending in one direction inside;
A second electrode (200) spaced apart from the first electrode in the longitudinal direction and having a second discharge space connected to the first discharge space in the longitudinal direction; And
A magnetic field forming unit 300 spaced apart from the outer surface of the first electrode or the second electrode and applying a magnetic field to the first discharge space or the second discharge space by forming a magnetic field by a multipoles of a quadrupole or more, Including a cavity-type plasma torch.
제1항에 있어서,
상기 자기장 형성부의 다중극자는 영구자석 또는 솔레노이드 전자석인 공동형 플라즈마 토치.The method according to claim 1,
Wherein the multipole of the magnetic field forming portion is a permanent magnet or a solenoid electromagnet. 제1항에 있어서,
상기 자기장 형성부의 다중극자는 상기 제1 전극 또는 제2 전극의 외면의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 배열되는 공동형 플라즈마 토치.The method according to claim 1,
Wherein the multipole elements of the magnetic field forming portion are arranged at regular intervals along the circumferential direction of the outer surface of the first electrode or the second electrode. 제3항에 있어서,
상기 자기장 형성부의 다중극자는 이웃하는 극자와 극성이 반대가 되도록 배열되는 공동형 플라즈마 토치.The method of claim 3,
Wherein the multipole of the magnetic field forming portion is arranged to be opposite in polarity to the neighboring polar pole.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112410717A (en) * 2019-08-23 2021-02-26 东京毅力科创株式会社 Plasma spraying device and plasma spraying method
KR102529505B1 (en) * 2022-06-08 2023-05-10 주식회사 한국나노오트 Apparatus for preparing ceria particle and manufacturing method of ceria particle using the same

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