KR20200117365A - 돌출형 전방전극 보호노즐이 구비된 혼합형 플라즈마 토치 - Google Patents

돌출형 전방전극 보호노즐이 구비된 혼합형 플라즈마 토치 Download PDF

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KR20200117365A
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조현제
김천우
홍성훈
이미현
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Abstract

돌출형 전방전극 보호노즐이 구비된 혼합형 플라즈마 토치가 개시된다.
일측과 타측에 각각 폐쇄단과 개방단을 가지며 속이 빈 중공의 후방전극; 입구와 출구를 가지며, 상기 입구가 상기 후방전극의 개방단과 일정간격을 두고 마주하도록 후방전극과 동축 상에 배치된 중공의 전방전극; 상기 후방전극, 전방전극 및 가스공급포트를 수용할 수 있을 정도의 직경과 길이를 가져, 상기 후방전극, 전방전극 및 가스공급포트를 내부에 수용하는 중공의 외부 몸체;을 포함하며, 상기 전방전극은, 상기 외부 몸체로부터 일정 길이만큼 돌출된 제1영역과 상기 외부 몸체의 내부에 수용되는 제2영역으로 구분되며, 상기 제2영역은, 상기 외부 몸체와 일정한 이격을 두고 배치되되, 상기 이격을 밀폐함으로 외부 몸체와 전방전극 사이를 절연하는 세라믹 절연재를 더 포함한다.

Description

돌출형 전방전극 보호노즐이 구비된 혼합형 플라즈마 토치{Mixed plasma torch with protruding forward electrode protection nozzle}
본 발명은 돌출형 전방전극 보호노즐이 구비된 혼합형 플라즈마 토치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 혼합형 토치 운전시 사이드 아킹을 방지함으로써 돌출형 전방전극을 보호하는 노즐이 구비된 플라즈마 토치에 관한 것이다.
물질을 고온상태에서 용융하기 위해서는 플라즈마를 발생시키는 토치의 기능이 중요한 역할을 차지한다. 일반적으로 열 플라즈마를 이용해 물질을 용융시키는데, 보통 직류 아크 플라즈마 토치 도는 공동형 토치가 활용되고 있다.
공동형 플라즈마 토치는 내부에 직류 아크를 발생시키는 전극으로 구성되며, 이 전극은 초고온의 전도성 유체인 플라즈마를 집속시키면서 용융대상 물체로 이동시키기 위해 전방전극 및 후방전극으로 형성되며, 공동형 특성상 플라즈마 기동이 쉽고 플라즈마 프레임을 집속시켜 출력 상승을 쉽게 하면서 원활한 플라즈마 프레임을 운영할 수 있게 해준다.
일반적으로, 플라즈마 토치는 아크의 점화를 쉽게 하기 위해 무산소동 재질의 전극을 사용한다. 그러나 이 전극은 플라즈마 생성시 아크점이 집중되는 곳으로서 고온 아크열에 의해 침식이 빠르게 진행된다. 특히 역극성 토치의 경우 음극점에서의 침식은 양극점에 비해 침식이 크게 일어난다.
공동형 토치의 끝부분(전방전극)이 함몰형인 경우 비이송형 운전에 어느정도 안정성을 유지하나 이송식일 경우 사이드 아킹 문제로 인해 끝부분에 사이드 아킹 차단용 노즐을 부착하게 된다.
공동형 함몰형 전방전극의 경우 이행형 운전시 플라즈마 프레임이 분산되는 효과로 인해 고온을 집속하는데 불안정하기 때문에, 혼합형으로 토치를 운영하기 위해 전방전극을 돌출형으로 사용하게 된다. 용융하고자 하는 물질의 특성상 비이행형 및 이행형을 운전하게 되는 혼합형의 경우, 돌출 전극 부위에 용융물이 부착되어 사이드 아킹의 발생요소가 높아지게 된다. 이러한 사이드 아킹은 토치의 몸체로 플라즈마 프레임이 접촉하여 토치의 냉각 채널을 손상시키거나 내부 전극의 손실을 증대시켜 운전 불안정과 토치 수명을 잠식하는 요인이 된다.
국내 등록특허공보 제10-1629683호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
돌출형 전방전극을 포함하는 플라즈마 토치의 운용시 발생하는 사이드 아킹을 방지함으로써 내구성이 향상된 플라즈마 토치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한 본 발명의 특징은 다음과 같다.
일측과 타측에 각각 폐쇄단과 개방단을 가지며 속이 빈 중공의 후방전극; 입구와 출구를 가지며, 상기 입구가 상기 후방전극의 개방단과 일정간격을 두고 마주하도록 후방전극과 동축 상에 배치된 중공의 전방전극; 상기 후방전극과 전방전극 사이의 틈새를 통해 후방전극과 전방전극의 내부 반응공간으로 플라즈마 생성을 위한 반응가스가 도입될 수 있도록 유로를 형성하는 가스공급포트; 및 상기 후방전극, 전방전극 및 가스공급포트를 수용할 수 있을 정도의 직경과 길이를 가져, 상기 후방전극, 전방전극 및 가스공급포트를 내부에 수용하는 중공의 외부 몸체;을 포함하며, 상기 전방전극은, 상기 외부 몸체로부터 일정 길이만큼 돌출된 제1영역과 상기 외부 몸체의 내부에 수용되는 제2영역으로 구분되며, 상기 제2영역은, 상기 외부 몸체와 일정한 이격을 두고 배치되되, 상기 이격을 밀폐함으로 외부 몸체와 전방전극 사이를 절연하는 세라믹 절연재를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1영역은, 외주면에 절연층이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 출구는, 외주면을 따라 세라믹 절연재가 구비되되 상기 세라믹 절연재는, 상기 외부몸체의 단부와 상기 전방전극 사이에 축에 대한 방사방향으로 일정한 간격을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전방전극은, 내부에 동축으로 배치되는 링타입의 자석을 복수개 구비하여 일정한 자장을 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 외부몸체는, 단부가 상기 세라믹 절연재에 의해 밀폐되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 절연층은, Si3N4를 포함한다.
바람직하게는, 상기 공동형 플라즈마 토치는, 내부에 냉각채널을 더 포함하되,
상기 냉각채널은, 상기 전방전극을 독립적으로 냉각하도록 상기 전방전극에 구비된 제1냉각채널; 상기 외부몸체를 독립적으로 냉각하도록 상기 외부몸체에 구비된 제2냉각채널; 및 상기 전방전극과 상기 외부몸체 사이에 위치하는 제3냉각채널을 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 외부몸체부와 전방전극을 절연하는 세라믹 절연재에 따르면, 돌출된 전방전극의 단부에서 발생하는 사이드 아킹을 줄이는 효과를 제공한다.
본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출형 전방전극 보호노즐을 포함한 플라즈마 토치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출형 전방전극 보호노즐의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출형 전방전극 보호노즐의 구성도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대한 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하 도면에 따라서 논리적으로 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출형 전방전극 보호노즐을 포함한 플라즈마 토치의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출형 전방전극 보호노즐의 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출형 전방전극 보호노즐의 구성도이다.
도 1 내지 도 3을 참조할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출형 전방전극 보호노즐을 포함한 플라즈마 토치는, 전방전극(100), 후방전극(200), 가스공급포트(미도시) 및 외부 몸체(300)를 포함하며, 전방전극(100)은 제1영역(110)과 제2영역(130)으로 구분될 수 있다.
후방전극(200)은, 일측과 타측에 각각 폐쇄단과 개방단을 가지며 속이 빈 중공의 관형일 수 있다.
전방전극(100)은, 입구와 출구를 가지며, 입구가 후방전극(200)의 개방단과 일정간격을 두고 마주하도록 후방전극(200)과 동축 상에 배치되는 중공의 관형일 수 있다. 양단은 모두 개방되되, 후방전극(200) 측의 일단에서는 아크 불꽃을 발생시키고, 출구측의 타단에서는 발생된 플라즈마가 외부로 배출된다.
가스공급포트는, 후방전극(200)과 전방전극(100) 사이의 틈새를 통해 후방전극(200)과 전방전극(100)의 내부 반응공간으로 플라즈마 생성을 위한 반응가스가 도입될 수 있도록 형성된 유로로 정의된다. 플라즈마 토치의 외부에 형성된 가스공급원으로부터 이송된 반응가스가 전방전극(100)과 후방전극(200) 사이에 공급되어, 아크 기둥을 발생시키도록 한다.
외부몸체(300)는, 후방전극(200), 전방전극(100) 및 가스공급포트를 수용할 수 있을 정도의 직경과 길이로 형성된 중공의 하우징일 수 있다. 외부 몸체(300)의 일단에는 개구가 형성되어 전방전극(100)의 출구와 연통되고, 이 출구를 통해 플라즈마 불꽃이 외부로 방출된다.
전방전극(100)은, 외부 몸체의 단부(350)를 기준으로 제1영역(110)과 제2영역(130)의 두 부분으로 구분할 수 있다.
제1영역(110)은, 외부 몸체(300)로부터 일정 깊이만큼 돌출된 부분으로 정의된다. 보다 구체적으로는, 외부 몸체(300)에 의해 가려지지 않고 외부로 직접 노출되는 부분을 의미하는 용어로 사용될 수 있다. 제2영역(130)은, 외부 몸체(300)의 내부에 수용되는 부분으로 정의된다. 즉, 전방전극(100)은 일부가 외부몸체(300)의 내부에 수용된 상태에서 외부 몸체의 단부(350)에 형성된 개구를 통해 일정 길이만큼 외부로 돌출형성된다.
이 때, 돌출형성된 제1영역(110)에는 냉각수가 도달하지 못하여 고온상태에 쉽게 노출되는데, 이는 인접한 외부몸체(300)에 고온 영향을 미치게 하는 원인이 된다. 따라서, 외부 몸체(300)를 따라 흐르는 냉각채널에 손상이 발생하는 현상이 지속적으로 발생하였다.
또한, 전방전극(100)은 플라즈마 회류에 의해 요철이 발생할 수 있다. 요철이 단부에 발생할 경우, 이 요철부에 전류가 집중되는 현상으로 인하여 전방전극(100)의 길이방향을 기준으로 양 옆으로 플라즈마 불꽃이 퍼지게 되는 사이드 아킹 현상이 발생하는데, 이 또한 외부 몸체(300)에 고온 영향을 가하는 원인이 된다.
뿐만 아니라, 플라즈마 토치를 운용하는 과정에서, 고온상태의 용융물이 전방전극(100)의 돌출형성된 제1영역(110)에 흡착되게 되면 외부몸체(300)와 전방전극(100) 사이에 전도성 채널을 형성할 수 있고, 이는 외부 몸체(300)에 고온 영향을 주는 또 다른 원인이 된다.
따라서 이러한 현상을 방지하고자, 제2영역(130)은 외부 몸체(300)와 일정한 이격을 두고 배치되되, 이 이격을 밀폐함으로 외부 몸체(300)와 전방전극(100) 사이를 절연하는 세라믹 절연재(150)를 더 포함할 수 있다.
세라믹 절연재(150)라 기재하였으나, 공지의 절연재로서, 고온에 강한 소재라면 어느 것이든 변경적용 가능함은 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
보다 바람직하게는, 세라믹 절연재(150)는 제2영역(130) 뿐 아니라, 제2영역(130)의 단부로부터 제1영역(110)의 일부까지 연장형성될 수 있다. 세라믹 절연재(150)는, 전방전극(100)이 일반적으로 원통형임을 고려할 때 전방전극(100)의 외주면을 둘러싸도록 원형고리의 형상을 가질 수 있다. 따라서, 외부 몸체(300)의 개구측은 세라믹 절연재(150)에 의해 전방전극(100)과 완전히 절연되며, 세라믹 절연재(150)는 외부 몸체의 단부(350) 일측을 완전히 밀폐하도록 구비될 수도 있다.
또한 제1영역(110)의 외주면은 절연층(170)에 의해 코팅될 수 있다. 절연층(170)은 Si3N4 소재로 구성되는 것이 보다 바람직하다. 따라서, 용융물이 제1영역(110)에 흡착되더라도 전방전극(100)에 직접 닿지 않아 외부 몸체(300)와 전도성 채널을 형성할 위험이 감소된다. 이러한 구조하에서, 돌출형성된 전방전극(100)의 제1영역(110)은, 축에 대한 방사방향을 기준으로 전방전극(100), 절연층(170), 세라믹 절연재(150) 순서로 배치될 수 있다. 이 때 세라믹 절연재(150)는 절연층(170)과 접하게 된다.
또 다른 실시예로서, 세라믹 절연재(150)가 제2영역(130)에만 구비될 때, 돌출형성된 전방전극(100)의 제1영역(110)은, 축에 대한 방사방향을 기준으로 전방전극(100), 절연층(170)의 순서로 배치될 수 있다.
또한, 플라즈마 토치의 내부에는 냉각채널이 존재하는데, 이를 세 구역으로 구분할 수 있다.
제1냉각채널(371)은, 전방전극(100)이 독립적으로 냉각되도록 전방전극(100)에 마련되고, 제2냉각채널(372)은, 외부몸체(300)가 독립적으로 냉각되도록 외부몸체(300)에 마련되며, 제3냉각채널(373)은, 전방전극(100)과 외부몸체(300)에 의해 형성된 공간상에 배치된다. 각각의 냉각채널을 통해 냉각유체가 순환하며 플라즈마 토치가 과열되는 것을 방지한다.
전방전극(100)은, 내부에 동축으로 배치되는 링타입의 자석을 복수개 구비하여 일정한 자장을 형성함으로써, 플라즈마 와류를 제어할 수 있다.
세라믹 절연재가 단부에 구비되는 구조적 특징으로 인하여, 전방전극의 출구부에서 발생하는 사이드 아킹 현상이 줄어들고, 플라즈마의 집속성이 향상된다. 또한, 외부로 돌출형성된 전극이 절연물질로 포장되어 있어, 용융물이 튀더라도 전방전극 바깥쪽으로의 사이드 아킹 발생을 차단하는 이점이 있다. 따라서, 토치 외부로 돌출된 전방전극 형태는, 이행형 뿐만 아니라 비이행형 운전을 혼합하여 사용할 수 있도록 하는데 수월하다.
이하는 본 발명의 기술적 특징을 포함하는 구성들을 개시한 것이다.
일측과 타측에 각각 폐쇄단과 개방단을 가지며 속이 빈 중공의 후방전극; 입구와 출구를 가지며, 상기 입구가 상기 후방전극의 개방단과 일정간격을 두고 마주하도록 후방전극과 동축 상에 배치된 중공의 전방전극; 상기 후방전극과 전방전극 사이의 틈새를 통해 후방전극과 전방전극의 내부 반응공간으로 플라즈마 생성을 위한 반응가스가 도입될 수 있도록 유로를 형성하는 가스공급포트; 및 상기 후방전극, 전방전극 및 가스공급포트를 수용할 수 있을 정도의 직경과 길이를 가져, 상기 후방전극, 전방전극 및 가스공급포트를 내부에 수용하는 중공의 외부 몸체;을 포함하며, 상기 전방전극은, 상기 외부 몸체로부터 일정 길이만큼 돌출된 제1영역과 상기 외부 몸체의 내부에 수용되는 제2영역으로 구분되며, 상기 제2영역은, 상기 외부 몸체와 일정한 이격을 두고 배치되되, 상기 이격을 밀폐함으로 외부 몸체와 전방전극 사이를 절연하는 세라믹 절연재를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1영역은, 외주면에 절연층이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 출구는, 외주면을 따라 세라믹 절연재가 구비되되 상기 세라믹 절연재는, 상기 외부몸체의 단부와 상기 전방전극 사이에 축에 대한 방사방향으로 일정한 간격을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전방전극은, 내부에 동축으로 배치되는 링타입의 자석을 복수개 구비하여 일정한 자장을 형성하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 외부몸체는, 단부가 상기 세라믹 절연재에 의해 밀폐되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 절연층은, Si3N4를 포함한다.
바람직하게는, 상기 공동형 플라즈마 토치는, 내부에 냉각채널을 더 포함하되,
상기 냉각채널은, 상기 전방전극을 독립적으로 냉각하도록 상기 전방전극에 구비된 제1냉각채널; 상기 외부몸체를 독립적으로 냉각하도록 상기 외부몸체에 구비된 제2냉각채널; 및 상기 전방전극과 상기 외부몸체 사이에 위치하는 제3냉각채널을 포함한다.
한편 본 발명은 상술한 내용에서 본 발명의 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
전방전극 100
후방전극 200
가스공급포트 400
외부몸체 300
제1영역 110
제2영역 130
세라믹절연재 150
절연층 170
외부몸체 단부 350
제1냉각채널 371
제2냉각채널 372
제3냉각채널 373

Claims (5)

  1. 일측과 타측에 각각 폐쇄단과 개방단을 가지며 속이 빈 중공의 후방전극;
    입구와 출구를 가지며, 상기 입구가 상기 후방전극의 개방단과 일정간격을 두고 마주하도록 후방전극과 동축 상에 배치된 중공의 전방전극;
    상기 후방전극과 전방전극 사이의 틈새를 통해 후방전극과 전방전극의 내부 반응공간으로 플라즈마 생성을 위한 반응가스가 도입될 수 있도록 유로를 형성하는 가스공급포트; 및
    상기 후방전극, 전방전극 및 가스공급포트를 수용할 수 있을 정도의 직경과 길이를 가져, 상기 후방전극, 전방전극 및 가스공급포트를 내부에 수용하는 중공의 외부 몸체;을 포함하며,
    상기 전방전극은,
    상기 외부 몸체로부터 일정 길이만큼 돌출된 제1영역과 상기 외부 몸체의 내부에 수용되는 제2영역으로 구분되며,
    상기 제2영역은,
    상기 외부 몸체와 일정한 이격을 두고 배치되되, 상기 이격을 밀폐함으로 외부 몸체와 전방전극 사이를 절연하는 세라믹 절연재를 포함하는 돌출형 전방전극 보호노즐이 구비된 혼합형 플라즈마 토치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출구는,
    외주면을 따라 세라믹 절연재가 구비되되
    상기 세라믹 절연재는,
    상기 외부몸체의 단부와 상기 전방전극 사이에 축에 대한 방사방향으로 일정한 간격을 형성하는 것을 특징으로 하는 돌출형 전방전극 보호노즐이 구비된 혼합형 플라즈마 토치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전방전극은,
    내부에 동축으로 배치되는 링타입의 자석을 복수개 구비하여 일정한 자장을 형성하는 것을 특징으로 하는 돌출형 전방전극 보호노즐이 구비된 혼합형 플라즈마 토치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 외부몸체는,
    단부가 상기 세라믹 절연재에 의해 밀폐되는 것을 특징으로 하는 돌출형 전방전극 보호노즐이 구비된 혼합형 플라즈마 토치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공동형 플라즈마 토치는,
    내부에 냉각채널을 더 포함하되,
    상기 냉각채널은,
    상기 전방전극을 독립적으로 냉각하도록 상기 전방전극에 구비된 제1냉각채널;
    상기 외부몸체를 독립적으로 냉각하도록 상기 외부몸체에 구비된 제2냉각채널; 및
    상기 전방전극과 상기 외부몸체 사이에 위치하는 제3냉각채널을 포함하는 돌출형 전방전극 보호노즐이 구비된 혼합형 플라즈마 토치.
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