KR20220152682A - 플라즈마 토치용 날개형 전극 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 토치의 전극 내부를 냉각시키기 위해 종래와 같이 별도의 냉각 코어를 사용하지 않고 전극의 내주면을 따라 복수의 블레이드(바람직하게는, 4개, 5개, 6개)를 형성하여 냉각 효율을 증대시킴은 물론 전극의 수명을 연장할 수 있으며, 또한 전극의 외주면 둘레를 따라 오른쪽으로 45°각도로 경사지게 널링부를 형성하여 외부로 배출되는 공기의 흐름에 직진성을 유지하고 빠른 유속으로 빠져나갈 수 있도록 하는 플라즈마 토치용 날개형 전극 구조를 제시한다.

Description

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

본 발명은 플라즈마 토치용 날개형 전극 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전극의 내주면을 따라 복수의 블레이드(blade)를 형성함으로써 냉각 효율을 증대시킴은 물론 전극의 수명을 연장시킬 수 있는 플라즈마 토치용 날개형 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 부품으로서, 일반적으로 동(Cu) 재질의 전극본체와, 상기 전극본체의 중단부에 봉 형태의 하프늄(Hafnium)이 삽입 고정된다. 이와 같은 전극의 경우 종래에는 제작이 까다로워 수입에 의존하였으나, 현재는 기술의 진보에 따라 국내에서 많이 제조되고 있는 실정이다.

종래의 플라즈마 토치용 전극을 제조하는 방법은 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 방법 등이 있다.

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 1a와 도 1b를 참조하여 구체적으로 설명한다. 도 1a, 도 1b는 종래기술에 따른 냉각 코어가 삽입된 플라즈마 토치용 전극의 구성을 보여주고 있는 도면이다.

상기 도 1a와 도 1b를 참조하면, 종래기술의 플라즈마 토치용 전극(100)은 하프늄(Hf: 102)이 중심 끝부분에 삽입 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)을 냉각시킬 때 전극의 내주면을 따라 형성된 복수의 블레이드로 인해 냉각 효율을 증대시키고 전극의 수명을 늘릴 수 있는 플라즈마 토치용 날개형 전극 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전극의 공간 끝부분에 돌출부를 형성하여 공기(air: 냉매)가 블레이드 쪽으로 돌아가면서 냉각효과를 배가시킬 수 있도록 하는 플라즈마 토치용 날개형 적극 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

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

본 발명에 따른 플라즈마 토치용 날개형 전극 구조에 있어서, 상기 날개형 전극의 내부에는 외부에서 유입된 냉매 역할을 하는 공기(air: 냉매)가 유입되는 공간이 형성되고, 상기 날개형 전극의 중앙 끝부분에는 하프늄(Hf)이 삽입 고정되며, 상기 날개형 전극의 내주면에는 복수의 블레이드가 일정한 간격을 유지하면서 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 블레이드는 4개 내지 6개가 날개형 전극의 내주면에 일정한 간격을 유지하면서 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전극의 공간 끝부분에는, 즉 하프늄(Hf)이 삽입된 반대편 지점에는 돌출부가 형성되어 에어가 블레이드 쪽으로 돌아가면서 냉각효과를 배가시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 날개형 전극의 내주면을 따라 복수의 블레이드를 형성, 구체적으로는 4개, 5개, 6개의 블레이드를 전극의 내주면에 각각 형성함으로써 전극 내부로 유입된 공기(air: 냉매)가 하프늄(Hf)을 냉각시킬 때 냉각 효율을 증대시킴은 물론 전극의 수명을 연장할 수 있으며, 또한 상기 전극의 공간 끝부분에, 즉 하프늄(Hf)이 삽입된 반대편 지점에는 돌출부가 형성되어 있기 때문에 전극의 공간 내부에 유입된 공기가 블레이드 쪽으로 돌아가면서 냉각효과를 배가시킬 수 있는 장점이 있다.

즉, 본 발명에서 날개형 전극의 내주면에 4개의 블레이드를 형성하게 되면 종래의 전극 표면적 대비 약 67%가 증가함으로써 냉각 효율을 증대시킬 수 있고, 상기 날개형 전극의 내주면에 5개의 블레이드를 형성하게 되면 약 84%의 표면적이 증가하여 냉각 효율을 증대시킬 수 있으며, 상기 날개형 전극의 내주면에 6개의 블레이드를 형성하게 되면 약 100%의 표면적이 증가하여 냉각 효율을 증대시킬 수 있는 상승적인 효과가 있다.

또한, 본 발명은 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 장점이 있다.

도 1a와 도 1b는 종래기술에 따른 냉각 코어가 삽입된 플라즈마 토치용 전극 구조의 외형과 단면을 보여주고 있는 각 도면.
도 2a는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 플라즈마 토치용 날개형 전극 구조의 외형을 보여주고 있는 도면.
도 2b는 도 2a에서 도시하고 있는 날개형 전극(10) 구조의 우측면을 보여주고 있는 도면.
도 2c는 도 2b에서 도시하고 있는 날개형 전극(10) 구조의 'A-A' 단면을 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 한 개의 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 냉각 코어를 사용하지 않고 전극의 내주면을 따라 복수의 블레이드(바람직하게는, 4개, 5개, 6개)를 형성하여 냉각 효율을 증대시킴은 물론 전극의 수명을 연장할 수 있으며, 또한 전극의 외주면 둘레를 따라 오른쪽으로 45°각도로 경사지게 널링부를 형성하여 외부로 배출되는 공기의 흐름에 직진성을 유지하고 빠른 유속으로 빠져나갈 수 있도록 하는 플라즈마 토치용 날개형 전극 구조를 구현하고자 한다.

아래의 실시 예에서는 상기와 같은 플라즈마 토치용 날개형 전극 구조의 기술구성을 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 구체적으로 설명한다.

{실시 예 1}

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 플라즈마 토치용 날개형 전극 구조를 보여주고 있는 각 도면으로서, 상기 날개형 전극(10)의 내주면을 따라 5개의 블레이드(14)가 일정한 간격을 유지하면서 형성된 구조를 보여주고 있는 각 도면이다.

본 발명에 따른 플라즈마 토치용 날개형 전극(10)은 통상적으로 토치 바디의 노즐 내부(도시하지 않음)에 조립되며, 내부에는 해드코어미들(head core middel)을 통해 공급되는 공기(air: 냉매)가 유입되는 공간(12)이 형성된다. 상기 날개형 전극(10)의 중앙 끝부분에는 종래와 같이 하프늄(16: Hf)이 삽입 고정되며, 날개형 전극(10)의 외주면에는 도 2a와 같이 널링부(18: knurling)가 둘레면을 따라 형성된다.

이와 같이 구성된 날개형 전극(10)에는 본 발명의 필수구성요소에 해당하는 복수의 블레이드(14: blade)가 내주면을 따라 일정한 간격을 유지하면서 형성된다. 또한, 상기 날개형 전극(10)의 외주면에 널링부(18)의 형상을 종래와 같이 전극의 중심부와 평행하게 형성하지 않고 45°각도로 경사지게 형성한다.

구체적으로는, 도 2b에 도시한 바와 같이 날개형 전극(10)의 내주면에 복수의 블레이드(14)를 일정한 간격으로 형성하고 상기 블레이드(14)가 도 2c와 같이 하프늄(16)이 삽입된 지점까지 길게 형성함으로써 내부 표면적을 크게 하여 냉각 효율을 증대시킬 수 있도록 한 것이다.

특히, 본 발명에서는 블레이드(14)의 갯수에 따른 냉각효율을 실험한 결과, 상기 블레이드(14)를 4개, 5개, 6개로 형성하였을 때 냉각효율이 극대화되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 날개형 전극(10)의 내주면에 4개의 블레이드(14)를 형성하였을 때는 종래 전극 대비 약 67% 이상 증가하는 것을 확인하였는데, 즉 종래의 전극 내주면에 날개(blade)가 없는 원형일 때는 표면적이 약 23mm이고 본 발명과 같이 날개형 전극(10)의 내주면에 4개의 블레이드(14)를 형성하였을 때는 표면적이 약 39mm로서 표면적이 약 67% 이상 증가함으로써 냉각효율이 증대되는 것을 알 수 있다. 또한, 날개형 전극(10)의 내주면에 5개의 블레이드(14)를 형성하였을 때는 표면적이 약 43mm로서 종래 전극 대비 약 84%의 표면적이 증가하고, 6개의 블레이드(14)를 형성하였을 때는 표면적이 약 47mm로서 종래 전극 대비 약 100%의 표면적이 각각 증가함으로써 냉각효율을 극대화할 수 있었다. 아울러 날개형 전극(10)의 냉각효율을 증대함으로써 날개형 전극(10)의 수명까지도 연장할 수 있는 효과를 기대할 수 있었다.

한편, 본 발명에서는 날개형 전극(10)의 내주면에 블레이드(14)를 형성할 때 4개, 5개, 6개로 한정하였지만, 본 발명에서 구현하고자 하는 기술적 사상이 날개형 전극(10)의 내주면에 복수(즉, 적어도 2개 이상)의 블레이드(14)를 형성하여 하프늄(16: Hf)과 전극(10)을 냉각시키기 위한 냉각효율을 높이는 데 있으므로, 본 발명에서 설정하고자 하는 권리범위는 상기 블레이드(14)의 갯수에 한정해서 해석되어서는 안된다. 즉, 본 발명에서 보호받고자 하는 권리범위는 날개형 전극(10)의 내주면에 복수의 블레이드(14)를 형성함으로써 냉각효율을 증대시키고 이로 인한 날개형의 전극(10)의 수명을 연장시키는데 있다 할 것이다.

또한, 본 발명에서는 도 2c와 같이 전극(10)의 공간(12) 안쪽 끝부분에는, 구체적으로는 하프늄(16)이 삽입 고정된 반대편 지점에는 돌출부(12a)가 형성되며, 상기 돌출부(12a)는 공간(12)의 내부로 유입된 공기가 블레이드(14) 쪽으로 돌아가면서 냉각 효율을 더 커지게 하는 효과가 있다.

끝으로, 본 발명에서는 도 2a와 같이 날개형 전극(10)의 외주면에 널링부(18: knurling)를 형성하는데, 상기 널링부(18)는 전극(10)과 노즐(도시하지 않음) 사이에 형성된 유로를 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 유로를 따라 흐르는 공기(air: 냉매)가 널링부(18)에 의해 회오리치면서 노즐의 끝부분에서 직진성을 유지하면서 바깥쪽으로 빠른 유속으로 빠져나갈 수 있도록 하기 위함이다.

10: 날개형 전극 12: 공간
12a: 돌출부 14: 블레이드
16: 하프늄 18: 널링부

Claims (4)

1. 플라즈마 토치용 날개형 전극(10) 구조에 있어서,
   상기 날개형 전극(10)의 내부에는 외부에서 유입된 냉매 역할을 하는 공기(air: 냉매)가 유입되는 공간(12)이 형성되고, 상기 날개형 전극(10)의 중앙 끝부분에는 하프늄(16: Hf)이 삽입 고정되며;
   상기 날개형 전극(10)의 내주면에는 복수의 블레이드(14)가 일정한 간격을 유지하면서 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 날개형 전극 구조.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드(14)는 4개 내지 6개가 날개형 전극(10)의 내주면에 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 날개형 전극 구조.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 전극(10)의 공간(12) 안쪽 끝부분에는 돌출부(12a)가 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 날개형 전극 구조.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 날개형 전극(10)의 외주면에는 널링부(18)를 형성하되,
   상기 널링부(18)는 오른쪽으로 45°각도로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 날개형 전극 구조.

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