KR20220034339A

KR20220034339A - 플라즈마 토치용 전극 구조

Info

Publication number: KR20220034339A
Application number: KR1020200116580A
Authority: KR
Inventors: 최기갑
Original assignee: 주식회사 한토
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2022-03-18
Also published as: KR102495476B1

Abstract

본 발명에서는 플라즈마 토치의 전극 내부를 냉각시키기 위해 종래와 같이 별도의 냉각코어를 사용하지 않고 전극 내부의 공간부를 하프늄(Hf)이 고정된 지점까지 확장 형성하여 냉각 효과를 구현할 수 있음은 물론 전극의 외주면 둘레를 따라 45°각도로 경사지게 널링부를 형성하여 외부로 배출되는 공기(air: 냉매)의 흐름에 직진성을 유지하고 빠른 유속으로 빠져나갈 수 있도록 하는 플라즈마 토치용 전극 구조를 제시한다.

Description

플라즈마 토치용 전극 구조{The electrode structure for plasma torches}

본 발명은 플라즈마 토치용 전극 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극 내부로 유입된 공기(air; 냉매)가 하프늄(Hf)이 고정된 지점까지 유입되도록 하여 냉각 효과를 높일 수 있음은 물론 전극 유로를 통해 빠져나온 공기가 직진성을 유지하면서 빠른 유속으로 토치 노즐의 중심부를 통해 외부로 빠져나갈 수 있도록 하는 플라즈마 토치용 전극 구조에 관한 것이다.

통상적으로, 플라즈마 토치는 노즐과 전극 사이에 양이온과 음이온, 전자, 여기된(excited) 중성자 및 분자들로 구성되어 고온으로 가열된 플라즈마 아크를 발생시켜 대상물(즉, 각종 금속판 등)을 절단하는 용도 등으로 사용된다.

이러한 플라즈마 절단에 사용되는 전극은 토치의 선단부에 장착되는 것으로 플라즈마를 발생시키는 주요 부품이 된다. 상기 전극은 일반적으로 동(Cu) 재질이 전극본체와, 상기 전극본체의 중단부에 봉 형태의 하프늄(Hafnium)이 삽입 고정되도록 구성된다. 이와 같은 전극의 경우 종래에는 제작이 까다로워 수입에 의존하였으나, 현재는 기술의 진보에 따라 국내에서 많이 제조되고 있는 실정이다.

종래의 플라즈마 토치용 전극의 제조방법은 동(Cu) 재질의 전극본체에 하프늄(Hf)을 삽입하여 은 납으로 브레이징 접합하는 방법과, 하프늄(Hf)봉을 은 튜브에 강제 삽입한 후, 이를 전극본체에 다시 삽입하여 접합하는 방법으로 제조된다.

한편, 플라즈마 토치를 구성하는 노즐과 전극은 전극의 수명을 보장하고 전극 마모를 줄이기 위해 고전압이 인가되어 고열이 발생되는 전극을 냉각매체(이하 '공기(air)'라 함)로 냉각시키는데, 이러한 냉각방식은 가장 효과적인 냉각 형태의 하나로 알려져 있다.

이를 위해 플라즈마 토치는 전극의 내부가 중공으로 형성되고, 그 내부에 냉각 코어(core)가 내장되어 냉각 코어의 내부를 통해 유입된 에어가 전극의 끝부분으로 유입된 다음, 전극의 내면과 냉각 튜브의 외면 사이로 되돌아 나가면서 냉각이 이루어져 전극의 과열을 방지 및 감소시킨다.

상기와 같이 구성된 종래의 냉각 코어가 삽입된 전극의 구성을 도 3a와 도 3b를 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 3a, 도 3b는 종래기술에 따른 냉각 코어가 삽입된 플라즈마 토치용 전극의 구성을 보여주고 있는 도면이다.

상기 도 3a, 도 3b를 참조하면, 종래기술의 플라즈마 토치용 전극(100)은 중심 끝부분에 하프늄(Hf: 102)이 고정되고, 내부 공간(100a)에는 냉각 코어(104)가 삽입 설치된다. 상기 전극(100)의 외주면 일부분에는 공기(air) 흐름을 위한 널링부(106: knurling)가 형성된다. 상기 널링부(106)는 전극(100)의 중심부와 평행하게, 즉 가로방향으로 일정한 간격을 유지하면서 형성된다.

상기 냉각 코어(104)의 외주면에는 구멍(104a)이 일정 간격을 유지하면서 둘레면을 따라 형성된다. 상기 전극(100)의 내주면과 냉각 코어(104)의 외주면 사이에는 소정 간격의 유로(100b)가 형성되며, 상기 유로(100b)는 냉각 코어(104)의 구멍(104a)을 통해 전극(100)의 공간(100a)과 연결된다.

하지만 상기와 같이 구성된 종래의 플라즈마 토치용 전극은 내부로 유입된 공기(air: 냉매)가 하프늄(Hf)까지 전달되지 못하고 냉각 코어의 구멍을 통해 전극 유로로 빠져나가기 때문에 하프늄(Hf)을 제대로 식혀줄 수 없는 문제점이 발생한다. 또한 전극의 외주면에 형성된 널링부가 가로방향으로 형성(즉, 널링부가 전극의 중심부와 평행하게 형성)되어 있기 때문에 전극 유로를 통해 빠져나온 공기(air: 냉매)의 흐름에 간섭이 발생하여 토치의 노즐 중심부를 통해 바깥쪽으로 원활하게 빠져나지 못하는 문제점이 발생한다.

등록특허공보 제10-0497067호(발명의 명칭: 저전력용 장수명 비이송형 공기 플라즈마 토치장치. 공고일자: 2005년 06월 15일) 공개특허공보 제10-2012-0041475호(발명의 명칭: 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치. 공개일자: 2012년 05월 02일)

본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전극 내부로 유입된 공기(air; 냉매)가 하프늄(Hf)이 고정된 지점까지 유입되도록 하여 냉각 효과를 높일 수 있는 플라즈마 토치용 전극 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전극 유로를 빠져나온 공기(air: 냉매)가 빠른 유속으로 토치 노즐의 중심부를 통해 외부로 빠져나갈 수 있도록 하는 플라즈마 토치용 전극 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 토치용 전극 구조는, 상기 전극의 내부에는 외부에서 유입된 냉매역할을 하는 공기가 유입되는 공간이 형성되고, 상기 전극의 중앙 끝부분에는 하프늄(Hf)이 삽입 고정되며, 상기 공간은 상기 하프늄(Hf)이 고정된 지점까지 연장된 확장부를 형성하되, 상기 확장부는 상기 하프늄을 냉각시키는 기능을 수행하며, 상기 전극의 외주면에는 널링부를 형성하되, 상기 널링부는 오른쪽으로 45°각도로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 전극의 내부 공간을 하프늄(Hf)이 고정된 지점까지 형성함으로써 공기(air: 냉매)가 하프늄(Hf)까지 유입되도록 하여 냉각 효과를 높일 수 있는 장점이 있다. 특히, 전극의 외주면에 널링부를 형성할 때 오른쪽으로 45°경사지게 형성함으로써 전극 유로를 통해 빠져나온 공기(air: 냉매)가 빠른 유속으로 직진성을 유지하면서 토치 노즐의 중심부를 빠져나갈 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1a와 도 1b는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 플라즈마 토치용 전극의 구성을 보여주고 있는 각 도면.
도 2는 도 1a, 도 1b에서 도시하고 있는 본 발명의 전극이 설치된 플라즈마 토치의 구성을 보여주고 있는 도면.
도 3a와 도 3b는 종래기술에 따른 냉각 코어가 삽입된 플라즈마 토치용 전극의 구성을 보여주고 있는 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 후술 될 상세한 설명에서는 상술한 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명에 있어 대표적인 실시 예를 제시할 것이다. 그리고 본 발명으로 제시될 수 있는 다른 실시 예들은 본 발명의 구성에서 설명으로 대체한다.

본 발명에서는 플라즈마 토치의 전극 내부를 냉각시키기 위해 종래와 같이 별도의 냉각코어를 사용하지 않고 전극 내부의 공간부를 하프늄(Hf)이 고정된 지점까지 확장 형성하여 냉각 효과를 구현할 수 있음은 물론 전극의 외주면 둘레를 따라 오른쪽으로 45°각도로 경사지게 널링부를 형성하여 외부로 배출되는 공기의 흐름에 직진성을 유지하고 빠른 유속으로 빠져나갈 수 있도록 하는 플라즈마 토치용 전극 구조를 구현하고자 한다.

아래의 실시 예에서는 상기와 같은 플라즈마 토치용 전극 구조의 기술구성을 도 1a, 도 1b를 참조하여 구체적으로 설명한다.

{실시 예 1}

도 1a에는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 플라즈마 토치용 전극 구조의 외부구성을 보여주고 있는 도면이며, 도 1b는 상기 전극 구조의 내부구성을 보여주고 있는 도면이다,

본 발명에 따른 플라즈마 토치용 전극(10)은 통상적으로 토치(50) 바디의 노즐(90) 내부에 조립되며, 내부에는 헤드코어미들(60: head core middle)을 통해 공급되는 공기(air: 냉매)가 유입되는 공간(12)이 형성된다. 상기 전극(10)의 중앙 끝부분에는 종래와 같이 하프늄(16: Hf)이 삽입 고정되며, 전극(10)의 외주면에는 널링부(18: knurling)가 둘레면을 따라 형성된다.

이와 같이 구성된 전극(10)에는 본 발명의 필수구성요소에 해당하는 확장부(14)를 내주면에 형성하고, 특히 전극(10)의 외주면에 형성된 널링부(18)의 형상을 종래와 같이 전극의 중심부와 평행하게 형성하지 않고 45°각도로 경사지게 형성한다.

즉, 상기 확장부(14)는 전극(10) 내부에 형성된 공간(12)과 일체형으로 형성되며, 하트늄(16: Hf))이 고정된 지점까지 연장 형성된다. 상기 확장부(14)는 종래의 전극 코어(electrode core) 기능을 수행하는데, 외부에서 유입된 공기(air: 냉매)가 공간(12)을 거쳐 하프늄(16: Hf)이 고정된 지점까지 유입될 수 있도록 하여 하프늄(16: Hf)을 냉각시키는 기능을 한다.

상기 널링부(18: knurling)는 전극(10)과 노즐(90) 사이에 형성된 유로(20c)를 통해 흐르는 공기(air: 냉매)의 유속을 빠르기 하기 위하여 오른쪽으로 45°각도로 경사지게 형성된다. 즉, 상기 널링부(18)는 오른쪽으로 1mm 간격으로 45°경사지게 형성되며, 이는 유로(20c)를 따라 흐르는 공기(air: 냉매)가 널링부(18)에 의해 회오리치면서 노즐(90)의 끝부분에서 직진성을 유지하면서 바깥쪽으로 빠른 유속으로 빠져나갈 수 있도록 한다.

도 2는 본 발명의 전극(10: electrode)이 설치된 플라즈마 토치의 구성을 보여주고 있는 도면이다,

상기 도 2를 참조하면, 플라즈마 토치(50)의 바디 내부 중앙에서는 헤드코어미들(60: head core middle)과 헤드코어(70: head core)가 조립되고, 상기 헤드코어미들(60)의 끝부분에는 본 발명의 전극(10)이 조립된다. 상기 전극(10)의 외주면에는 노즐(90: nozzle))이 일정간격을 유지하면서 설치되고, 토치(50) 바디의 외주면에는 쉴드캡(80: shield cap)이 설치된다. 이때 상기 전극(10)과 노즐(90) 사이에는 유로(20c)가 형성되고, 상기 노즐(90)의 중앙에는 구멍이 형성된다.

이와 같이 구성된 플라즈마 토치를 작동시키게 되면, 헤드코어미들(60)의 유로(20a)를 통해서는 공기(air: 냉매)가 유입되고, 이 공기는 전극(10)의 공간(12)으로 유입되면서 확장부(14)까지 유입된다. 이때 상기 확장부(14)에 유입된 공기(air: 냉매)는 하프늄(16: Hf)을 냉각시킨다. 상기 전극(10)의 공간(12)에 유입된 공기는 헤드코어미들(60)의 유로(20b)를 통해 전극(10)과 노즐(90) 사이에 형성된 유로(20c)로 유입되는데, 이때 상기 공기(air: 냉매)는 전극(10)의 외주면에 오른쪽으로 45°경사지게 형성된 널링부(18)에 의해 회오리치면서 유속이 빨라지게 되고, 상기 공기는 노즐(90)의 내주면 끝지점에서 직진성을 유지하면서 노즐(90) 구멍을 통해 빠른 유속으로 빠져나가게 된다.

10: 전극 12: 공간
14: 확장부 16: 하프늄
18: 널링부 20a, 20b, 20c: 유로

Claims

플라즈마 토치용 전극(10) 구조에 있어서,
상기 전극(10)의 내부에는 외부에서 유입된 냉매역할을 하는 공기(air: 냉매)가 유입되는 공간(12)이 형성되고, 상기 전극(10)의 중앙 끝부분에는 하프늄(16: Hf)이 삽입 고정되며;
상기 공간(12)은 상기 하프늄(16: Hf)이 고정된 지점까지 연장된 확장부(14)를 형성하되, 상기 확장부(14)는 상기 하프늄(16)을 냉각시키는 기능을 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극 구조.
제1항에 있어서,
상기 전극(10)의 외주면에는 널링부(18)를 형성하되,
상기 널링부(18)는 오른쪽으로 45°각도로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 전극 구조.