KR20180052861A - 플라즈마 토치용 노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내마모성이 우수한 플라즈마 토치용 노즐에 관한 것으로, 본 발명에 따른 플라즈마 토치용 노즐은 플라즈마 가스의 초고온이 직접 닿는 노즐 선단부의 재질을 노즐 몸통부의 재질과 다르게 구성함으로써 노즐의 내마모성을 현저히 향상시킬 수 있으며, 노즐 구멍 내부에 돌출부를 구성함으로써 노즐의 수명을 획기적으로 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 플라즈마 토치용 노즐을 사용하는 경우 작업 중 노즐을 교체하는 빈도가 크게 줄어들어 작업성이 향상되고 비용 효율적이며, 노즐의 잦은 고장으로 인한 안전사고를 크게 줄일 수 있어 안정성이 향상되는 효과가 있다.

Description

플라즈마 토치용 노즐{Nozzle For Plasma Torch}

본 발명은 플라즈마 토치용 노즐에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내마모성이 우수한 플라즈마 토치용 노즐에 관한 것이다.

플라즈마 토치(plasma torch)는 음전극과 양전극 사이의 아크 방전을 이용하여 질소, 산소, 수소, 아르곤, 헬륨, 메탄, 프로판 등의 작동 가스를 플라즈마 상태로 전환하여 고온의 화염을 발생시켜 대상물을 절단하는 용도 등으로 사용되며, 용접, 절단, 표면처리, 폐기물 연소 등의 다양한 분야에서 이용되고 있다.

이러한 플라즈마 토치를 이용한 절단 방법은 피절단재를 향해 고온의 플라즈마 아크를 분사하고, 상기 플라즈마 아크의 열에 의해 모재를 용융시키는 동시에 플라즈마 아크의 분사에너지에 의해 용융물을 배제하여 절단하는 것이다.

플라즈마 토치는 한국 등록특허공보 제10-0493930호, 등록특허공보 제10-0276674호, 등록특허공보 제10-0459315호, 등록특허공보 제10-0204354호 등에서 확인할 수 있듯이 다양한 구조로 이루어져 다양한 산업분야에 적용되고 있다.

이와 같은 플라즈마 토치는 고온의 플라즈마를 이용하기 때문에 플라즈마 가스가 직접 닿는 노즐 부분의 열침식이 빠르게 진행되어 노즐의 수명이 짧은 단점이 있다. 일반적으로 플라즈마 토치에서 가장 많은 비용을 차지하는 구성품이 노즐이기 때문에, 노즐의 빈번한 교체는 작업 시간이 길어져 생산성이 떨어지는 문제를 야기할 뿐만 아니라 비용 면에서도 효율적이지 못한 문제가 있다. 또한, 고온의 플라즈마를 이용하는 공정에서 노즐의 고장이 잦으면 그로 인한 안전사고가 발생할 가능성 또한 높은 문제가 있었다.

이와 같은 문제를 극복하기 위해서, 한국 등록특허공보 제10-1107879호에서는 컨택트 팁의 전단부 내부에 세라믹 링을 삽입함으로써 노즐의 마모를 감소시키는 기술이 제안되었으나, 세라믹 링을 제조하기 위한 추가적인 생산 공정이 필요하고, 세라믹 링과 컨택트 팁을 정교하게 설계해야 하며, 팁 교환시 세라믹 링도 함께 교체해야 하기 때문에 경제적으로 효율적이지 못한 단점이 있다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 플라즈마의 출력이 가장 강하게 적용되는 노즐 선단부의 내마모성이 현저히 향상되어 노즐의 수명이 크게 연장될 수 있는 플라즈마 토치용 노즐을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시 양태는, 플라즈마 토치에 착탈 가능하게 결합되고, 중심에 플라즈마 가스가 분사되기 위한 노즐 구멍이 형성된 플라즈마 토치용 노즐로서, 중공 원추형 형상을 갖는 몸체부; 상기 몸체부의 상단에 연결되고, 중심부에 노즐 구멍이 형성된 선단부; 및 상기 몸체부의 하단에 형성되어 플라즈마 토치 본체와 결합하는 결합부를 포함하는 플라즈마 토치용 노즐을 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 선단부는 몸체부와 상이한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 몸체부는 구리(Cu)로 이루어지고, 상기 선단부는 베릴륨구리(BeCu)로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서, 상기 노즐 구멍의 직경은 0.5 내지 2.0mm인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일 구현 양태에서, 상기 선단부는 노즐 구멍 내에 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있으며, 상기 돌출부의 내경이 0.2 내지 1.8mm인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 결합부는 플라즈마 토치 본체와 나사결합에 의해 결합될 수 있다.

본 발명의 또한 일 실시 양태에서, 상술한 바와 같은 플라즈마 토치용 노즐이 적용된 플라즈마 토치를 제공한다.

본 발명에 따른 플라즈마 토치용 노즐은 플라즈마 가스의 초고온이 직접 닿는 노즐 선단부의 재질을 노즐 몸통부의 재질과 다르게 구성함으로써 노즐의 내마모성을 현저히 향상시킬 수 있으며, 노즐 구멍 내부에 돌출부를 구성함으로써 노즐의 수명을 획기적으로 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마 토치용 노즐을 사용하는 경우 작업 중 노즐을 교체하는 빈도가 크게 줄어들어 작업성이 향상되고 비용 효율적이며, 노즐의 잦은 고장으로 인한 안전사고를 크게 줄일 수 있어 안정성이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈마 토치용 노즐의 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 플라즈마 토치용 노즐의 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 플라즈마 토치용 노즐이 적용된 플라즈마 토치의 일부를 나타낸다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 상세하게 설명한다. 이하 설명은 본 발명의 구현예들을 용이하게 이해하기 위한 것일 뿐이며, 보호범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

본 발명은 플라즈마 토치에 사용되는 노즐에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 플라즈마 토치에 착탈 가능하게 결합되고, 중심에 플라즈마 가스가 분사되기 위한 노즐 구멍이 형성된 플라즈마 토치용 노즐로서, 중공 원추형 형상을 갖는 몸체부; 상기 몸체부의 상단에 연결되고, 중심부에 노즐 구멍이 형성된 선단부; 및 상기 몸체부의 하단에 형성되어 플라즈마 토치 본체와 결합하는 결합부를 포함하는 플라즈마 토치용 노즐에 관한 것이다.

본 발명에 따른 플라즈마 토치용 노즐(100)은 도 1에 도시한 바와 같은 단면을 갖는다. 구체적으로, 본 발명의 플라즈마 토치용 노즐(100)은 길이방향의 노즐 축선을 중심으로 대칭의 형상을 가지며, 몸체부(110), 선단부(120) 및 결합부(13)를 포함한다.

상기 몸체부(110)는 내부가 빈 원통형에서 상단으로 갈수록 직경이 점점 좁아지는 중공 원추형 형상을 가지며, 몸체부(110)의 상단에는 선단부(120)가 연결된다. 구체적인 몸체부(110)의 형상은 사용되는 플라즈마 토치의 종류 및 용도에 따라서 달리 적용될 수 있다.

한편, 상기 몸체부(110)의 상단에는 선단부(120)가 연결되어 노즐(100)의 최상단 부분을 구성한다. 본 발명에서 "선단부"란 노즐의 상단 중, 플라즈마 토치 본체로부터 발생된 플라즈마 가스에 직접적인 영향을 받아 열침식이 진행될 우려가 있는 부분을 지칭한다.

상기 선단부(120)의 상단은 도 1에 도시한 바와 같은 평면형 말단을 가질 수 있으나, 적용되는 플라즈마 토치의 종류 및 용도에 따라서 다르게 구성되는 것도 가능하다. 예를 들어, 선단부(120)의 상단을 노즐 구멍(121)을 최말단으로 하여 점점 좁아지는 형상을 갖도록 구성하는 것도 가능하다.

상기 선단부(120)의 중심에는 플라즈마 가스가 분사되기 위한 노즐 구멍(121)이 구비된다. 상기 노즐 구멍(121)은 몸체부(110)의 중공으로부터 발생된 플라즈마 아크가 완전히 관통하여 지나갈 수 있도록 직선형의 곧은 통로의 형태로 형성될 수 있다. 이 경우 노즐 구멍(121)의 직경은 플라즈마 토치의 종류와 용도에 적합하도록 구성할 수 있으며, 바람직하게는 0.5 내지 2.0mm의 직경을 갖도록 형성할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 선단부(120)는 몸체부(110)와 상이한 재질, 특히 내마모성이 우수한 재질로 구성될 수 있다. 이와 같이 구성함으로써 플라즈마 토치용 노즐의 수명을 향상시킬 수 있다. 일반적으로 내마모성이 우수한 소재의 경우 전도성이나 가공성이 부족하기 때문에 노즐의 몸체부를 구성하기에 적합하지 않은 경향이 있다. 본 발명에서는, 이와 같이 내마모성이 우수하지만 전도성 및 가공성이 부족하여 노즐의 몸체부(110)로 구성되기 어려운 소재를 노즐(100)의 선단부(120)로 구성하고, 노즐의 몸체부(110)에는 기존의 전도성과 가공성이 우수한 소재를 사용함으로써, 플라즈마 가스에 대한 노즐 선단부의 내마모성을 크게 향상시키면서도 노즐 전체 형상의 가공이 용이하고 전도성도 좋게 유지되면서 비용이 크게 발생하지 않는 플라즈마 토치용 노즐(100)을 제공한다.

이와 같은 관점에서, 상기 선단부(120)를 구성하는 재료로서는 전도성 또는 가공성이 부족하더라도 내마모성이 우수한 소재를 선택하여 사용할 수 있다. 가장 바람직하게는, 베릴륨구리(BeCu)를 선단부(120)를 구성하는 재료로서 사용할 수 있다. 이 경우, 몸체부(110)는 전도성과 가공성이 우수한 구리(Cu)로 구성하는 것이 베릴륨구리와의 견고한 연결을 달성할 수 있다는 점에서 바람직하다. 상기 베릴륨구리로 이루어진 선단부(120)는 노즐 구멍 부분을 성형한 다음, 몸체부(110)와 용접하고 진공 열처리를 수행함으로써 견고하게 연결될 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 노즐 구멍(121)은 내부에 돌출부(122)를 포함할 수 있다. 상기 돌출부(122)는 노즐의 선단부(120)가 연장된 형태로 구성되며, 도 2에 도시한 바와 같이, 노즐 구멍의 내에서 일정 크기로 돌출되어 일정한 내경을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 돌출부의 내경은 0.2 내지 1.8mm일 수 있다. 상기 돌출부(122)는 도 2에 도시한 바와 같은 일정 크기로 돌출된 형태 외에도, 노즐 구멍(121)의 내경이 점차적으로 좁아지는 형태로 형성되거나, 하나 이상의 단차를 두고 여러 단계를 갖도록 형성되는 것도 가능하다. 본 발명의 구현예에서는, 노즐 구멍(121)에 돌출부(122)를 형성함으로써 플라즈마 토치의 장시간 사용에 의한 노즐 구멍(121)의 열침식에도 장시간 사용이 가능한 플라즈마 토치용 노즐(100)을 제공할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 결합부(130)는 노즐(100)을 플라즈마 토치 본체와 탈착 가능한 방식으로 결합될 수 있도록 한다. 플라즈마 토치의 노즐(100)은 소모품으로서 사용에 의해 수명이 다 되면 교환을 해야하기 때문에 플라즈마 토치 본체와는 탈착 가능한 방식으로 결합되어야 한다. 예를 들어, 상기 결합부(130)는 나사결합에 의해 플라즈마 토치 본체와 결합될 수 있으며, 플라즈마 토치 분야에서 일반적으로 사용되는 방식으로 플라즈마 토치 본체와 결합될 수 있다.

이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 플라즈마 토치용 노즐(100)이 적용된 플라즈마 토치(200)에 대해서 설명한다. 그러나, 도 3에 도시한 플라즈마 토치는 예시적인 것으로서, 본 발명의 플라즈마 토치용 노즐이 적용될 수 있는 플라즈마 토치가 이에 제한되는 것으로 해석해서는 안된다.

도 3에서 예시한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 토치용 노즐(100)은 결합부(130)에 의해 외부절연제(250)와 착탈 가능한 방식으로 결합한다. 상술한 바와 같이, 이와 같은 결합은 예시적인 것으로서 상기 결합부(130)가 플라즈마 본체의 다른 구성요소와 결합하는 것도 가능하다.

본 발명의 플라즈마 토치용 노즐(100)이 플라즈마 본체와 결합부(130)에 의해 결합하면 전극부(210)이 노즐(100)의 중공 부분에 위치하게 된다.

상기 전극부(210)은 플라즈마 몸체(220)에 나사 결합 등의 방식으로 착탈 가능하게 결합되어 양(+)의 전류가 인가된 모재와의 사이에서 플라즈마 불꽃을 발생시키는 것으로서, 선단부 중앙에는 고온방출성 재료(예를 들면, 하프늄 또는 지르코늄)인 전극재(211)가 구비된다.

상기 전극부(210)의 중공 부분에는 도입관(230)이 위치한다. 상기 도입관(230)은 내부의 관을 통하여 냉각수를 도입할 수 있으며, 도입된 냉각수는 전극부(210)를 냉각한 뒤 도입관(230)과 전극부(210)의 사이의 간극을 통해 회수될 수 있다. 본 발명의 구현 양태에 따라, 수냉각 방식이 아닌 공냉각 방식을 사용하는 경우 그에 적합한 도입관(230)을 구성하는 것이 가능하다.

상기 전극부(210)의 외부에는 오리피스(240)가 위치하며, 상기 오리피스(240)의 선단부에는 상기 전극부(210)와 노즐(100) 사이의 간극으로 연통하는 연통홀(241)이 형성된다. 상기 연통홀(241)은 오리피스(240)와 외부 절연제(250) 사이로 유입된 작동 가스를 전극부(210)와 노즐(100) 사이의 간극으로 전달하는 역할을 한다.

상기 작동 가스는 질소, 산소, 수소, 아르곤, 헬륨, 메탄, 프로판 등의 가스를 사용하는 것이 가능하다.

본 발명의 플라즈마 토치용 노즐(100)이 적용된 플라즈마 토치(200)는 사용 양태에 따라 노즐의 외부를 감싸는 캡부(도시하지 않음)를 추가로 포함할 수 있다.

이상 본 발명의 일부 구현 형태에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 상술한 바와 같은 구현형태에 대해서만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있으며, 그러한 수정 및 변형이 가해진 형태 또한 본 발명의 기술적 사상에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

100 플라즈마 토치용 노즐
110 몸체부 120 선단부
121 노즐 구멍 122 돌출부
130 결합부
200 플라즈마 토치
210 전극부 211 전극재
220 플라즈마 몸체 230 도입관
240 오리피스 241 연통홀
250 외부 절연제

Claims (8)

1. 플라즈마 토치에 착탈 가능하게 결합되고, 중심에 플라즈마 가스가 분사되기 위한 노즐 구멍이 형성된 플라즈마 토치용 노즐로서,
   중공 원추형 형상을 갖는 몸체부;
   상기 몸체부의 상단에 연결되고, 중심부에 노즐 구멍이 형성된 선단부; 및
   상기 몸체부의 하단에 형성되어 플라즈마 토치 본체와 결합하는 결합부
   를 포함하는 플라즈마 토치용 노즐.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 선단부가 몸체부와 상이한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 노즐.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 몸체부는 구리(Cu)로 이루어지고,
   상기 선단부는 베릴륨구리(BeCu)로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치용 노즐.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 노즐 구멍의 직경이 0.5 내지 2.0mm인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치용 노즐.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 노즐 구멍 내에 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치용 노즐.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 돌출부의 내경이 0.2 내지 1.8mm인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치용 노즐.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 결합부가 플라즈마 토치 본체와 나사결합에 의해 결합하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치용 노즐.
   
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 플라즈마 토치용 노즐이 적용된 플라즈마 토치.

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