KR20240045659A - 플라즈마 화염감지센서를 적용한 대기압 플라즈마 점화장치 및 이를 이용한 분말 열처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 실시예는 대기압 상태에서 플라즈마 점화를 발생시키기 위한 공간을 형성하는 반응관; 점화코일 및 점화플러그에 의해 스파크를 발생시켜 플라즈마 점화를 발생시키고, 상기 반응관 내로 인입 및 퇴출되는 점화장치; 상기 반응관 내부에서 상기 점화장치의 상승 움직임을 통한 퇴출 동작과 하강 움직임을 통한 인입 동작을 제어하는 전동식 액추에이터; 상기 반응관 내부의 플라즈마 점화를 감지하는 화염감지센서; 상기 반응관 내부의 상기 플라즈마 점화에 의한 반사파를 감지하는 반사파감지센서; 및 상기 화염감지센서, 상기 반사파감지센서의 측정데이터를 기초로 상기 전동식 액추에이터의 동작을 제어하는 제어장치를 더 포함하는, 대기압 플라즈마 점화장치를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 플라즈마 화염감지센서를 적용한 대기압 플라즈마 점화장치 및 이를 이용한 분말 열처리 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 분말투입장치 및 점화장치를 포함하는 대기압 플라즈마 점화장치에서 점화 후 점화장치를 안정적으로 상승시켜 점화장치의 수명을 극대화시킬 수 있는 화염감지센서가 적용된 대기압 플라즈마 점화장치 및 이를 적용한 분말 열처리 장치에 관한 것이다.
산업 현장의 분체 열처리 제조공정은 반응관에서 플라즈마 점화 등을 통해 열처리를 위한 반응조건을 형성하고, 분말을 공급하여 열처리를 수행하는 방식으로 이루어진다.
일반적으로 플라즈마를 방전시킬 때는 대기압(760 Torr)에서 발생시키는 것 보다 진공환경(1m Torr~100Torr)의 낮은 압력에서 발생시키는 것이 더 용이한 것으로 알려져 있다. 이 때문에 대부분의 플라즈마는 대기압보다 낮은 압력에서 방전되고 있으나, 진공 상태에서 플라즈마를 발생시키려면 진공챔버와 진공펌프 같은 고가의 장치들을 제작해야 하므로 비용이나 운영면에서 여러 가지 제약이 있다.
대기압 플라즈마는 직류전원, 교류 전원에서부터 고주파 영역인 RF, Microwave 등 넓은 주파수의 전계로 구동 가능하다. 종래의 대기압 방식의 플라즈마를 적용한 분말 열처리 장치는 플라즈마 발생 에너지원으로 이온화도가 높은 불활성 가스-예를 들어, 아르곤 또는 질소-를 진공영역에서 셀프 점화 진공 ICP 플라즈마 장치와 같은 원리로 동작되는 것이 일반적이었으나, 대기압 영역에서 공기-예를 들어, 클린 드라이 에어-를 사용 하기에 플라즈마 소스 단독으로는 점화 발생이 어려워 별도의 점화장치가 필요하게 된다.
대기압 플라즈마 장치에서 일반적으로 사용되는 점화방식은 쿼츠관 내부에 텅스텐 코일이나 텅스텐 봉을 미리 삽입하여 고정해두고, 플라즈마 유도장치가 장착된 유도관을 통해 전자파가 쿼츠관 내부로 유도되면 관 내부에 삽입된 텅스텐코일이 유도 반응하여 방전이 이루어지고 공정용 가스와 반응하여 점화 되는 방식을 사용하고 있다.
예를 들어, 플라즈마 발생을 위한 토치는 주로 세라믹, 즉 반도체부품 코팅용 소재, 2차전지 및 자동차용 방열용 소재 등 분말 등을 열처리 및 합성하는 장치로 쓰이는데, 대기압 플라즈마 점화 장치는 대부분 텅스텐코일 전극 또는 이와 유사한 전극이 반응관 내부에 삽입된 점화방식으로 이러한 점화방식은 반응관 상부로 열처리할 대상물 투입시 텅스텐코일 표면에 시간이 지날수록 분말이 융착되고 고착화되는 문제점이 발생한다.
분말이 반응관 내부에서 융착되고 고착화 상태에서 점화 재반응을 수행하는 경우 텅스텐 전극 표면에 고착된 불순물에 의해 점화반응이 불안정해지거나 반응이 일어나지 않는 경우가 빈번하다. 또한, 반응관에 장착된 오염된 텅스텐 전극에 열응력이 집중되어 반응관과 전극이 접촉된 부분에 균열이 발생하고 결과적으로는 반응관이 조기에 파손되어 소모품 비용이 증가하고 열처리된 분말에 이물이 발생하여 품질에 문제가 되는 경우가 많다.
또한, 종래의 파우더 열처리로 분체 이송관은 단형관으로 구성되는데, 이러한 현상을 개선하기 위하여 분체의 공급 방향을 반응관의 상부가 아닌 측면으로 변형하더라도, 수평구간에서 이송하려는 분체의 비중이 무거울 경우, 또는 관 내부의 수분에 의해 분체가 응축되어 관로에 적층되는 현상이 발생하는 문제점이 발생하게 된다.
수평구간의 분말 적층으로 인해 분체 흐름에 맥동이 생기거나 심하면 이송관로가 막히는 경우가 발생되며, 이는 분체의 이송 효율이 저하되는 문제점으로 작용한다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 수직 방향의 분체 이송으로 인한 위와 같은 문제점을 해결하고, 수평 방향의 분체 이송을 원활하게 수행할 수 있는 분체 이송용 분말공급장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 실시예의 목적은, 분체 공급용 피더(Feeder)에서 건식상태의 분체를 투입하고 압축공기(이하 '저습의 CDA(Clean Dry Air)'이라고 합니다)의 흡입 유속을 이용하여 분체를 외부로 이송시키는 분체 이송용 분말공급장치 및 이를 포함하는 플라즈마 점화장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 실시예의 목적은 반응관 내부에서 분말의 융착 및 고착화를 방지하기 위하여 토치 중심부에서 분말 입자를 투입하지 않고, 측면으로 투입하는 구조를 가진 분말공급장치 및 이를 포함하는 플라즈마 점화장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 실시예의 목적은 대기압 토치에서 플라즈마를 발생시켜 토치를 점화하는 점화장치 및 분말 열처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토치의 중심부에 본, 점화장치를 설치하고 점화시 승강 및 하강장치에 의해 반응공간-예를 들어, 업다운 실린더- 내부로 점화플러그 전극을 삽입시켜 플라즈마 점화를 유도하고, 점화가 이루어진 즉시 플라즈마 반사파 및 화염감지센서에서의 신호를 인식하여 점화원 외부로 전극을 퇴출시켜 전극이 고온의 플라즈마 열에 의해 산화되는 것을 방지하는 구조의 점화장치를 제공하는 것이다.
또한, 토치 중심부에서 분말 입자를 투입하지 않고 측면으로 투입하는 구조를 가진 분말투입장치가 적용된 분말 열처리 장치를 제공할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 측면에서, 본 실시예는, 대기압 상태에서 아크 방전을 통해 플라즈마 점화를 발생시키기 위한 공간을 형성하는 반응관; 점화코일 및 점화플러그에 의해 스파크를 발생시켜 플라즈마 점화를 발생시키고, 상기 반응관 내로 인입 및 퇴출되는 점화장치; 및 상기 반응관 내부의 플라즈마 점화를 감지하는 화염감지센서를 포함하는, 대기압 플라즈마 점화장치를 제공할 수 있다.
대기압 플라즈마 점화장치에서 상기 화염감지센서는 상기 반응관의 측면에 형성된 투시창의 외부에 장착되고, 상기 점화장치가 인입된 위치에 정렬될 수 있다.
대기압 플라즈마 점화장치에서 상기 화염감지센서가 측정한 화염감지신호를 기준으로 상기 점화장치의 인입 및 퇴출 동작을 제어하는 제어장치를 더 포함하고, 상기 제어장치는 상기 점화장치에 의한 플라즈마 점화가 발생된 것으로 판단된 경우 상기 점화장치를 상승시키도록 제어할 수 있다.
대기압 플라즈마 점화장치에서 상기 플라즈마 점화에 의한 반사파를 감지하는 반사파감지센서를 더 포함할 수 있다.
대기압 플라즈마 점화장치에서 상기 반응관 내부의 플라즈마 반사파의 수치를 모니터링하고, 상기 반사파의 수치가 기준값을 초과하는 경우에는 상기 점화장치를 상승시키도록 제어하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
대기압 플라즈마 점화장치에서 상기 반사파감지센서가 정상동작하지 않는 경우에 상기 화염감지센서를 동작시켜 상기 플라즈마 점화를 이중으로 모니터링하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
대기압 플라즈마 점화장치에서 상기 반응관에서 상기 플라즈마 점화를 발생시키기 위해 전자기파를 전달하는 플라즈마유도장치; 및 상기 반응관의 측면에 결합되고, 상기 반응관으로 캐리어가스와 분말을 혼합하여 전달하는 분말공급장치를 더 포함할 수 있다.
대기압 플라즈마 점화장치에서 상기 반응관의 내벽에는 텅스텐 코일이 고정되어 있지 않고, 일시적으로 인입된 상기 점화장치의 스파크를 통해 플라즈마 점화를 발생시킬 수 있다.
대기압 플라즈마 점화장치에서 상기 반응관 내부에서 상기 점화장치의 상승 움직임을 통한 퇴출 동작과 하강 움직임을 통한 인입 동작을 제어하는 전동식 액추에이터를 더 포함할 수 있다.
대기압 플라즈마 점화장치에서 상기 화염감지센서의 측정데이터를 기초로 상기 플라즈마 점화가 일정 시간 지속된 경우 상기 전동식 액추에이터가 상승하도록 제어하고, 이와 동시에 분말을 상기 반응관 내부로 유입시키도록 제어하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 다른 측면에서, 본 실시예는, 대기압 상태에서 플라즈마 점화를 발생시키기 위한 공간을 형성하는 반응관; 점화코일 및 점화플러그에 의해 스파크를 발생시켜 플라즈마 점화를 발생시키고, 상기 반응관 내로 인입 및 퇴출되는 점화장치; 상기 반응관 내부에서 상기 점화장치의 상승 움직임을 통한 퇴출 동작과 하강 움직임을 통한 인입 동작을 제어하는 전동식 액추에이터; 상기 반응관 내부의 플라즈마 점화를 감지하는 화염감지센서; 상기 반응관 내부의 상기 플라즈마 점화에 의한 반사파를 감지하는 반사파감지센서; 및 상기 화염감지센서, 상기 반사파감지센서의 측정데이터를 기초로 상기 전동식 액추에이터의 동작을 제어하는 제어장치를 더 포함하는, 대기압 플라즈마 점화장치를 제공할 수 있다.
대기압 플라즈마 점화장치에서 상기 제어장치는 상기 화염감지센서의 측정값을 기초로 상기 반응관 내부의 플라즈마 화염 발생 여부를 모니터링하고, 화염이 발생한 경우에 상기 점화장치를 상승시키도록 제어할 수 있다.
대기압 플라즈마 점화장치에서 상기 제어장치는 상기 반응관 내부의 플라즈마 반사파의 수치를 모니터링하고, 상기 반사파의 수치가 기준값을 초과하는 경우에는 상기 점화장치를 상승시키도록 제어할 수 있다.
대기압 플라즈마 점화장치에서 상기 제어장치는 상기 반사파감지센서의 계측 결과와 독립적으로 상기 화염감지센서를 동작시켜 상기 플라즈마 점화를 이중으로 모니터링하고, 상기 전동식 액추에이터의 상승시키도록 제어할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의하면, 종래의 쿼츠 튜브 삽입 고정형 텅스텐 코일을 사용하지 않고, 별도의 고전압-예를 들어, DC 10kV~30kV- 전원을 인가하는 점화 플러그를 사용함으로써 점화시 안정적이고 기존 대비 수명이 길며, 점화 이물이 발생하지 않는 양산공정에서 사용 적합한 대기압 플라즈마 점화장치 기술을 제공할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면, 점화장치는 플라즈마 발생장치로부터 플라즈마가 인가되는 유도관, 유도관을 관통하며 플라즈마가 유전되는 반응관, 공정 및 냉각 가스가 유입되는 토치 헤드, 점화용 전극이 장착되는 점화부, 점화부를 상승/하강시키는 업다운 장치, 플라즈마 입사파 및 반사파를 감지하는 커플러, 플라즈마 화염을 감지하는 화염감지 센서부 등으로 구성되어 전극이 고온의 플라즈마 열에 의해 산화되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면 점화장치를 플라즈마 유도관측 중앙에 하강시켜 점화 준비상태를 만든 후, 점화플러그에 고압의 전원-예를 들어, 직류전원 10kV이상-을 인가시켜 점화플러그의 중심 전극에 스파크를 형성시키고, 접지전극에 스파크를 전달시킬 수 있다. 이때, 플라즈마 유도관을 통해 플라즈마를 인가하여 열전자 방출을 유도하여 토치 반응관 내부의 중앙에 매우 높은 전자기장 농도를 생성하고, 이 영역에서 플라즈마가 점화되고 유지될 수 있다. 수 kW의 플라즈마 인가 전력이 플라즈마에 흡수되어, 점화시 최대 3,500K의 가스 온도를 발생시킴으로써 분말의 효과적 반응을 발생시킬 수 있다. 또한, 점화장치는 전동식 액추에이터 를 사용하여 점화 전후로 반응관 내부 및 외부로 상하 인출 수단을 구비하고, 플라즈마 점화 유도시 점화전극의 위치를 정밀하게 제어하여 점화발생 조절을 세밀하게 컨트롤할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면 대기압 플라즈마 점화장치는 반응관의 측면부로 반응 재료를 투입시켜 플라즈마 열처리하는 점화장치에 있어서 기존의 셀프 점화 방식의 텅스텐 내부 코일 방식대비 점화장치의 수명을 증대시킬 수 있고, 반응 재료에 의한 점화 이물질을 크게 감소시켜 양산성을 확보할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의하면 커플러(Coupler) 계측과 화염감지센서의 센싱 을 연속 수행하여 커플러(Coupler)의 오계측시 발생되는 문제점을 해결하고, 상호 보완되는 이중 안전장치를 구비하여 점화장치 수명을 극대화하고, 보다 신뢰성 있고 안정적인 점화장치를 구현할 수 있다.
도 1은 반응관 내부에 고정된 텅스텐 코일을 포함하는 대기압 플라즈마 점화장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 텅스텐 코일의 내구성 저하 원리를 설명하는 도면이다.
도 3는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 사시도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 점화장치의 구조를 입체적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 점화장치의 구조를 입체적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치에 포함된 점화장치의 하강 동작을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치에 포함된 점화장치의 상승 동작을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 실시예에 따른 분말공급장치의 사시도이다.
도 10은 본 실시예에 따른 분말공급장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 구성의 입체 단면도이다.
도 12는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치에 포함된 액추에이터의 구조를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 동작제어 방법을 설명하는 제1 예시 도면이다.
도 14는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 동작제어 방법을 설명하는 제2 예시 도면이다.
도 15는 본 실시예에 따른 분말공급장치의 형상을 설명하는 도면이다.
도 16은 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 동작 제어를 위한 순서도이다.
도 17은 분말공급장치의 분말 정체 현상을 설명하기 위한 예시 도면이다.
도 18은 분말공급장치의 분말 정체 현상을 설명하기 위한 예시 단면도이다.
도 19는 본 실시예에 따른 분말공급장치의 구조를 설명하는 도면이다.
도 20은 본 실시예에 따른 분말공급장치의 단면도이다.
도 21은 본 실시예에 따른 플라즈마 화염감지센서를 적용한 대기압 플라즈마 점화장치의 예시 도면이다.
도 22는 본 실시예에 따른 화염감지센서의 예시 단면도이다.
도 23은 본 실시예에 따른 화염감지센서가 반응관에 결합된 모습을 예시하는 도면이다.
도 24는 본 실시예에 따른 제어장치의 제어 동작을 위한 연결구조를 설명하는 도면이다.
도 25는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 반사파 감지 및 불꽃 감지에 따른 동작제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 텅스텐 코일의 내구성 저하 원리를 설명하는 도면이다.
도 3는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 사시도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 점화장치의 구조를 입체적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 점화장치의 구조를 입체적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치에 포함된 점화장치의 하강 동작을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치에 포함된 점화장치의 상승 동작을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 실시예에 따른 분말공급장치의 사시도이다.
도 10은 본 실시예에 따른 분말공급장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 구성의 입체 단면도이다.
도 12는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치에 포함된 액추에이터의 구조를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 동작제어 방법을 설명하는 제1 예시 도면이다.
도 14는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 동작제어 방법을 설명하는 제2 예시 도면이다.
도 15는 본 실시예에 따른 분말공급장치의 형상을 설명하는 도면이다.
도 16은 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 동작 제어를 위한 순서도이다.
도 17은 분말공급장치의 분말 정체 현상을 설명하기 위한 예시 도면이다.
도 18은 분말공급장치의 분말 정체 현상을 설명하기 위한 예시 단면도이다.
도 19는 본 실시예에 따른 분말공급장치의 구조를 설명하는 도면이다.
도 20은 본 실시예에 따른 분말공급장치의 단면도이다.
도 21은 본 실시예에 따른 플라즈마 화염감지센서를 적용한 대기압 플라즈마 점화장치의 예시 도면이다.
도 22는 본 실시예에 따른 화염감지센서의 예시 단면도이다.
도 23은 본 실시예에 따른 화염감지센서가 반응관에 결합된 모습을 예시하는 도면이다.
도 24는 본 실시예에 따른 제어장치의 제어 동작을 위한 연결구조를 설명하는 도면이다.
도 25는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 반사파 감지 및 불꽃 감지에 따른 동작제어 방법을 설명하는 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들은 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서상의 “대기압 플라즈마 장치” 또는 “대기압 플라즈마 토치”는 “대기압 플라즈마 점화장치”와 동일하거나 유사한 의미로 이해될 수 있다.
도 1은 반응관 내부에 고정된 텅스텐 코일을 포함하는 대기압 플라즈마 점화장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 대기압 플라즈마 점화장치(100)는 플라즈마유도장치(110), 분말공급장치(120), 텅스텐코일(130), 토치헤드(140), 반응관(150) 등을 포함할 수 있다.
플라즈마유도장치(110)는 반응관(150)에 플라즈마 점화를 유도하기 위한 장치일 수 있고, 전자기파 등을 공급할 수 있다. 반응관(150) 내에서 텅스텐코일(130)이 배치된 지점을 타겟으로 하여 전자기파를 인가할 수 있고, 텅스텐코일(130) 주변에서 대기압에서 플라즈마 점화를 통해 분말 등을 열처리 또는 합성할 수 있다. 예를 들어, 분말은 주로 세라믹, 즉 반도체부품 코팅용 소재, 2차전지 및 자동차용 방열용 소재 등이 미립화된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는 다양한 물질이 활용될 수 있다.
분말공급장치(120)는 반응관(150)과 동일 또는 평행한 방향에서 분말을 공급하는 장치일 수 있다. 반응관(150)의 상부에서 분말이 공급되고, 분말은 공정가스와 함께 반응관(150) 내부에서 이동하여 플라즈마에 의해 열처리 또는 합성 반응을 수행할 수 있다.
텅스텐코일(130)은 유전체 방전관에 유도 코일을 감은 상태로 플라즈마 점화를 위한 반응을 수행할 수 있다. 텅스텐코일(130)은 반응관(150)의 내벽에 고정되어 플라즈마유도장치(110)에 의해 전자기파 등을 공급받고, 텅스텐코일(130)이 유도 반응하여 방전하고, 공정용 가스와 반응하여 플라즈마 점화를 수행할 수 있다. 예를 들어, 공정용 가스는 클린 드라이 에어(Clean Dry Air), 아르곤(Ar), 질소(N2) 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다만, 반응관(150) 내부에 삽입된 점화방식으로 이러한 점화방식은 반응관 상부로 열처리할 대상물 투입시 텅스텐코일 표면에 시간이 지날수록 분말이 융착되고 고착화되는 문제점이 발생한다.
특히, 플라즈마 점화를 반복하는 경우에 텅스텐 전극 표면에 고착된 불순물에 의해 점화반응이 불안정해지거나 반응이 일어나지 않는 경우가 증가하게 된다.
반응관(150)은 공정가스, 냉각가스, 분말 전자기파 등이 통과하거나 반응하는 공간으로, 뛰어난 전기절연성과 내열성 및 유전율이 우수한 석용 재질을 사용할 수 있으나, 소재는 석영에 제한되지 않고 다양한 소재가 채택될 수 있다
도 2는 텅스텐 코일의 내구성 저하 원리를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 반응관(150)의 내부에 배치된 텅스텐코일(130)에 반응으로 인해 발생한 불순물 등이 고착화된 경우, 텅스텐코일(130)의 일 부분에 열응력이 집중될 수 있다. 특히, 반응관(150)과 텅스텐코일(150)이 접촉하는 부분에 균열이 발생하게 되는 경우 반응관(150)의 내구성에 문제가 발생하게 되고, 조기에 파손되어 소모품 비용이 증가하고 열처리된 분말에 이물이 발생하여 제품의 품질에 문제가 발생하게 된다.
즉, 텅스텐코일(130)과 반응관(150)의 접촉부위 열충격(Thermal Shock)에 의한 크랙의 발생을 줄이는 대기압 플라즈마 방전 시스템을 통해 내구성 향상 및 제품 품질을 개선시킬 필요가 있다.
도 3는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 사시도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 대기압 플라즈마 점화장치(200)는 플라즈마유도장치(210), 반응관(220), 점화장치(230), 점화장치보호커버(240-1), 토치헤드블록(240-2), 분말공급장치(250), 액추에이터(260) 등을 포함할 수 있다.
플라즈마유도장치(210)는 반응관(220)에서 아크 방전을 통해 플라즈마 점화 유도를 위해 전자기파 등을 전달하는 장치일 수 있다. 여기서 플라즈마 발생을 위한 유도 기전을 플라즈마가 인가되는 것으로 정의할 수 있다.
플라즈마유도장치(210)에서 전달되는 전자기파는 반응관(220)의 일부 영역을 타겟으로하여 전달될 수 있고, 점화장치(230)를 타켓으로 하여 전달되어 플라즈마 발생을 유도할 수 있다. 플라즈마유도장치(210)는 반응관(220)을 관통하는 형태의 구조로 설계될 수 있다.
반응관(220)은 내부에 반응 공간을 형성하고, 분말, 가스, 플라즈마 등이 이동할 수 있는 이동경로를 형성할 수 있다. 예를 들어, 반응관(220)은 공정가스 공급을 위한 공정가스공급부(미도시), 냉각가스 공급을 위한 냉각가스공급부(미도시) 등과 연결된 복수의 통로를 형성할 수 있다. 반응관(220)은 석영 등의 재질로 구성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는 다양한 소재가 사용될 수 있다.
반응관(220)은 점화장치(230)의 이동경로를 형성할 수 있고, 내벽에 인접하여 점화장치(230)가 결합되어 상하로 이동될 수 있다. 반응관(220)에는 전자기파가 전달되고, 점화장치(230)에서 발생하는 스파크에 기인하여 대기압 상태에서 플라즈마가 생성되어 분말의 열처리가 수행될 수 있다.
반응관(220)의 측면에는 반응관(220)의 내부로 분말 및 캐리어가스를 공급하는 분말공급장치(250) 등이 형성될 수 있다.
점화장치(230)는 점화코일(231), 점화플러그(232) 등을 포함할 수 있고, 플라즈마 반응을 위해 전기 스파크를 생성할 수 있다. 점화장치(230)가 고정형 텅스텐코일을 사용하지 않고, 별도의 고전압(DC 10kV~30kV) 전원을 인가하는 점화 플러그(232) 등을 사용하여 플라즈마 점화시 안정적이고 기존 대비 수명이 길며, 점화 이물이 발생하지 않는 양산공정에서 사용 적합한 대기압 플라즈마 점화장치를 제공할 수 있게 된다.
점화장치(230)는 반응관(220)의 내벽에 고정되어 있지 않고, 액추에이터(260)에 의해서 반응관(220) 내부로 인입 및 외부로 퇴출될 수 있으며, 일시적으로 인입된 점화장치(230)의 스파크를 통해 반응관(220) 내부에서 방전 및 플라즈마 점화를 발생시킬 수 있다.
반응관(220)이 원통 형상을 가지는 경우에, 점화장치(230)의 일부 구성은 반응관(220)의 지름보다 작은 크기를 가지도록 점화플러그(232)를 형성하여 점화장치(230)는 내부에서 상하 방향으로 원활하게 움직일 수 있다.
점화장치보호커버(240-1)는 점화장치의 외부의 충격을 흡수하고, 외관을 형성하는 구조체일 수 있다. 점화장치보호커버(240-1)의 일부 개방된 면으로 점화장치(230)의 일부 구성-예를 들어, 전원 공급선-이 돌출하거나, 결합될 수 있다.
토치헤드블록(240-2)은 점화장치보호커버(240-1)의 하면에 배치되어 점화장치의 일부 구성을 보호하기 위한 점화장치보호커버(240-1)과 동일한 기능을 수행할 수 있다. 필요에 따라, 점화장치보호커버(240-1)과 일체형으로 또는 분리형으로 형성될 수 있다.
토치헤드블록(240-2)는 분말공급장치(250)과 결합될 수 있도록 다단식 적층 구조 방식으로 구성이 형성될 수 있고, 분말 이외에도 공정가스, 냉각가스 등이 공급되는 통로를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제3 층의 구조물 중에서 제2 층을 통해 분말 및 캐리어가스가 반응관(220)의 측면을 통해 벽면의 구멍으로 전달될 수 있다.
분말공급장치(250)는 분말 및 캐리어가스의 혼합으로 분말을 반응관(220)으로 공급하기 위한 장치일 수 있다. 분말공급장치(250)에서 피드의 방향은 점화장치(230)에서 플라즈마가 발생하는 방향과 수직의 방향으로 공급되고, 점화장치(230)의 하면에서 분말이 공급되므로 전술한 도 1 및 도 2와 같은 융착 및 고착화 문제를 개선할 수 있게 된다. 또한, 반데르발스 인력 현상에 의해 서로 뭉쳐있던 분말입자는 분말공급장치(250)의 외측부에서 공급되는 캐리어가스를 통해 뭉친 입자가 서로 분산되어 플라즈마 반응시 파우더 입자가 뭉치는 것을 방지할 수 있다.
액추에이터(260)는 점화장치(230) 등의 움직임을 전자적으로 제어하기 위한 장치일 수 있고, 다양한 동력원을 활용할 수 있다. 액추에이터(260)는 점화장치(230)의 위치를 정밀하게 제어할 수 있고, 제어장치(미도시)에 의해 점화가 발생하는 위치 정보를 미리 획득하거나 실시간으로 획득하여 점화장치(230)의 움직임을 제어할 수 있다.
액추에이터(260)는 반응관 내부에서 점화장치(230)의 상승 움직임을 통한 퇴출 동작과 하강 움직임을 통한 인입 동작을 제어할 수 있다.
액추에이터(260)는 모터(261)에 의해 내부 구성의 움직임을 발생시킬 수 있고, 모터(261)는 서보(servo) 또는 스테핑(stepping) 모터일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5는 본 실시예에 따른 점화장치의 구조를 입체적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 점화장치의 구조를 입체적으로 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 점화장치(230)는 점화코일(231), 점화플러그(232), 중심전극(233), 접지전극(234), 전극소켓(235), 고정볼트(236), 방열커버(237), 방열홀(238) 등을 포함할 수 있다.
점화코일(231)은 점화플러그(232)에 전기 스파크를 생성하기 위해 고전압을 생성하기 위한 유도 코일일 수 있다.
점화플러그(232)는 중심전극(233), 접지전극(234) 등에 의해 전기적 스파크를 생성하여 플라즈마 점화를 위한 플러그 구조체일 수 있다. 점화장치(230)를 플라즈마 유도관 측에 하강시켜 점화 준비상태를 만든 후, 점화플러그(232)에 고압의 DC전원(10kV이상)을 인가할 수 있다. 점화플러그(232)는 고전압전원장치(HPV)를 이용하여 10~30kV의 직류전압을 제공할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
중심전극(233)은 이리듐 등의 금속을 포함할 수 있고, 스파크가 형성되어 접지전극(234)에 스파크를 전달하는 구성일 수 있다.
접지전극(234)은 중심전극(233)과 인접한 위치에 배치되어 중심전극(233)으로부터 스파크를 전달받고, 플라즈마 유도관을 통해 인가된 플라즈마에 의해 토치 반응관 내부의 중앙에서 매우 높은 전자기장 농도를 생성하고, 이 영역에서 플라즈마가 점화되고 유지하기 위한 구성일 수 있다. 수 kW의 플라즈마 인가 전력이 플라즈마에 흡수되어, 점화시 최대 3,500K의 가스 온도를 발생 시킬 수 있다. 접지전극(234)의 형상은 L과 같이 꺾인 형상을 가져 말단부가 중심전극(233)에 인접하게 배치될 수 있다.
점화장치(230)는 고온의 플라즈마 화염에 노출시 공정 결과물에 이물질이 유입 될 가능성이 있으므로, 열에 강한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 중심전극(233)은 이리듐, 접지전극(234)은 텅스텐으로 구성될 수 있다.
전극소켓(235)은 접지전극(234)이 삽입되어 고정될 수 있고, 고정볼트(236)에 의해 결합 및 탈착이 가능할 수 있다. 소모품인 접지전극(234)의 용이한 교체를 위해 위와 같은 구조를 가질 수 있다. 점화장치(230)에서 점화플러그(232) 및 접지전극(234)은 소모품으로 분류되어 점화 불안정이 발생하기 전 교체되어야 하므로, 반복 교체를 위한 구조체를 설계할 필요가 있다.
방열커버(237)는 고전압에 의한 점화장치(230)의 발열을 위해 점화장치(230)를 둘러싸는 커버일 수 있고, 복수의 방열홀(238)을 형성하여 발열 효율을 증대시킬 수 있다.
도 7은 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치에 포함된 점화장치의 하강 동작을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치에 포함된 점화장치의 상승 동작을 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 대기압 플라즈마 점화장치(200)는 점화 반응을 위해 점화장치(230)를 하강 이동시킬 수 있다. 점화장치(230)는 스파크를 발생시켜 플라즈마 점화를 발생시킬 수 있다. 점화장치(230)에서 점화가 발생되면, 전면에 설치된 화염감지센서(미도시)가 이를 감지하고, 하강되어 있던 점화장치(230)를 상부로 즉시 상승 퇴출시킬 수 있다. 제어장치(미도시)는 화염감지센서에 의해 점화장치의 점화를 확인하고, 자동으로 상부로 퇴출되도록 하는 제어할 수 있다. 또는, 수동으로 작업자가 육안으로 확인하여 상승 퇴출이 가능하다.
또한, 점화장치(230)가 하강되어 반응이 지속되는 도중에 점화가 불안정해지면, 플라즈마 발생장치에 설치된 계측기에서 반사파 수치가 상승하며, 예를 들어, 입사파의 10%를 초과하는 경우에는 제어장치(미도시)에서 동작 이상으로 판단하여 알람 발생 및 공정 진행이 중단될 수 있다.
도 8을 참조하면, 대기압 플라즈마 점화장치(200)는 점화 반응 이후에 점화장치(230)을 상승 이동시킬 수 있다. 점화장치(230)는 점화 후 즉시 토치관 하부에서 상부로 상승 퇴출하여 고온의 플라즈마로부터 점화장치가 열손상 되는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 대기압 플라즈마 점화장치(200)의 제어장치(미도시)에서 점화 반응이 종료된 것으로 판단하는 경우에는, 점화 발생이 발생하지 않도록 점화장치(230)의 상승 퇴출을 유도할 수 있고, 점화가 발생하지 않는 기 설정된 높이까지 점화장치(230)의 움직임을 발생시킬 수 있다.
도 9는 본 실시예에 따른 분말공급장치의 사시도이다.
도 10은 본 실시예에 따른 분말공급장치의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 분말공급장치(250)는 피더연결관(251), 내부바디(252), 외부바디(253), 토치연결관(254) 등을 포함할 수 있다.
분말공급장치(250)는 L 형상을 가지고 수직으로 전달되는 분말 입자의 방향을 수평으로 변경하여 송출할 수 있으나, 위 형상 및 구조에 제한되는 것은 아니다. 종래의 분말공급장치는 수직 방향에 의해 고정된 텅스텐코일에 분말이 고착화되는 구조를 가지고 있었으므로, 본 실시 예에 따른 분말공급장치(250)는 점화장치(230)의 구조 및 위치에 대응하여 분말공급장치(250)의 형상을 결정할 수 있다. 점화장치(230)에서 스파크가 발생하는 부분보다 낮은 높이에 분말공급장치(250)을 배치할 수 있으며, 점화장치(230)가 수평방향으로 배치된 경우에는 분말공급장치(250)가 수직으로 배치될 수 있고, 각 구성은 이에 제한되지 않는 다양한 구조 및 위치를 가질 수 있다.
피더연결관(251)은 분말 입자를 전달받기 위한 입구부일 수 있고, 필요에 따라 분말투입통로 등으로 정의될 수 있다. 피더연결관(251)는 상측에서 분말을 투입하는 분말투입통로로 정의될 수 있다.
내부바디(252)는 분말입자 및 캐리어가스가 통과하기 위한 내부 벽면을 형성할 수 있고, 외부바디(253)는 분말공급장치(250)의 외부 벽면을 형성할 수 있다.
내부바디(252) 및 외부바디(253) 사이에 원둘레 면에 걸쳐 캐리어가스의 이동통로가 형성될 수 있고, 피더연결관(251) 및 토치연결관(254)을 통해 분말 입자가 통과하여 토치 또는 반응관으로 공급되는 구조를 가질 수 있다. 이 경우 캐리어가스가 이동통로를 통과하면서 분말 흡입력이 발생하여 분말을 이송할 수 있다. 분말공급장치(250)는 분말투입구와 별도로 형성되고, 캐리어가스를 공급하는 캐리어가스공급통로(255)를 더 포함할 수 있으며, 통로A 및 통로B와 연결되어 캐리어가스를 공급할 수 있다.
분말공급장치(250)는 통로A 대비 통로B의 상대적 직경을 작게 하여 흡입력을 원주면 전체에 고르게 상승시키는 구조를 가질 수 있다. 분말공급장치(250)의 캐리어가스의 공급 통로는 벤튜리구조 등을 통해 흡입력을 변경할 수 있으며, 이러한 구조를 통해 캐리어가스의 유속, 방향, 터뷸런스 등을 제어할 수 있다. 특히, 캐리어가스의 공급통로에서 와류가 발생하는 경우 분말의 혼합 균일도를 개선할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
넓은 직경의 구역A에서 간격이 좁아지는 직경이 감소하는 구역B로 배출되는 공기의 유속은 점차 고속으로 증가되며, 고속의 공기가 구역A와 구역B의 간격으로 급격하게 배출 및 확산되면서 압력은 강하하게 된다. 이러한 압력 차이가 분체를 흡입하는 흡입력을 발생시키는 원리로 작용할 수 있다.
분말공급장치(250)의 통로A 대비 통로B의 직경의 비율은 2:1~3:1로 형성하여 흡입력을 보다 개선할 수 있다.
토치연결관(254)은 분말 입자를 반응관으로 전달하기 위한 출구부일 수 있고, 필요에 따라 분말유출통로 등으로 정의될 수 있다. 토치연결관(254)의 일 단부는 반응관(220)의 측면에 결합되어 플라즈마 점화의 화염의 열경로에 분말 및 캐리어가스를 공급할 수 있다.
피더연결관(251) 및 토치연결관(254)의
도 11은 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 구성의 입체 단면도이다.
도 11을 참조하면, 대기압 플라즈마 점화장치(200)의 점화장치(230)는 리니어부시(270)에 의해 둘러싸여 상하 방향의 직선 운동이 가능할 수 있다. 리니어부시(270)는 점화장치(230)의 표면-예를 들어, 방열판-과 결합하여 마찰 저항을 감소시켜 직선 운동의 내구성을 향상시킬 수 있다.
점화장치(230)는 액추에이터(260)의 동작 제어에 의해 전극팁을 전자기파의 영향 범위 내에서 퇴출시키거나, 다시 접촉시킬 수 있다.
도 12는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치에 포함된 액추에이터의 구조를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 액추에이터(260)는 모터(261), 제한센서(262), 연결브라켓(263) 등을 포함할 수 있다.
모터(261)는 점화장치(230)의 외부에 설치되고, 액추에이터(260)을 전동식으로 구동하기 위한 모터일 수 있다.
제한센서(262)는 점화장치(230)의 상하방향의 움직임의 위치를 제한하기 위한 센서로서, 점화장치(230)의 높이의 상한 및 사한을 센싱하고, 제어장치(미도시)로 측정값을 전달하기 위한 구성일 수 있다.
연결브라켓(263)은 점화장치(230)의 일부 단면과 접촉하여 상하방향의 동력을 전달하는 구성일 수 있다. 필요에 따라 연결브라켓(263)은 생략될 수 있고, 코일 및 전자석에 의해 비접촉식으로 점화장치(230)의 움직임을 발생시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 13은 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 동작제어 방법을 설명하는 제1 예시 도면이다.
도 14는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 동작제어 방법을 설명하는 제2 예시 도면이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 대기압 플라즈마 점화장치(300)은 플라즈마유도장치(310), 반응관(320), 점화장치(330), 분말공급장치(350) 등을 포함할 수 있다.
플라즈마유도장치(310)는 외부의 동력 또는 자체 동력에 기인하여 반응관(320) 내부에서 상하 또는 좌우 방향 등의 공간상 움직임을 발생시킬 수 있다.
반응관(320)은 플라즈마 반응을 수행하고, 분말 등의 화학반응을 수행하기 위한 반응관 일수 있다.
점화장치(330)은 반응관(320) 내에서 공간상 움직임을 발생시킬 수 있으며, 반응관(320)이 수직 구조-예를 들어, 원통-를 가지는 경우에는 상하방향의 움직임을 발생시킬 수 있다.
분말공급장치(350)는 점화장치(330)의 움직임의 위치 및 타이밍에 대응하여 분말의 공급 여부를 결정하거나, 공급 각도, 공급 위치 등을 조절할 수 있다.
예를 들어, 점화장치(330)가 하강 이동한 경우에는 분말공급장치(350)의 말단부-예를 들어, 노즐(390)-의 전부 또는 일부가 폐쇄되어 분말 공급을 수행하지 않을 수 있고, 이와 동시에 플라즈마유도장치(310)에서 전달되는 전자기파에 기인하여 플라즈마 점화를 수행할 수 있다.
다른 예를 들어, 점화장치(330)가 상승 이동한 경우에는 분말공급장치(350)의 말단부-예를 들어, 노즐(390)의 전부 또는 일부가 개방되어 분말 공급을 수행할 수 있고, 이와 동시에 플라즈마유도장치(310)에서는 전자기파가 전달되지 않고, 잔존 플라즈마에 의해 분말이 열화학 반응을 수행할 수 있다.
도 13 및 도 14에서 액추에이터의 동작 제어 타이밍은 점화장치(330)의 동작 타이밍에 대응될 수 있다. 또한, 액추에이터가 점화장치(330)를 반응관의 상부로 이동시키는 경우에, 이와 동시에 분말공급장치(350)가 분말을 반응관 내부로 유입시킬 수 있다.
여기서 분말공급장치(350)는 반응관(320)에 고정되거나, 탈착 가능한 형태로 반응관(320)에 부착되어 있을 수 있다.
도 15는 본 실시 예에 따른 분말공급장치의 형상을 설명하는 도면이다.
도 15를 참조하면, 분말공급장치(350)의 말단부-예를 들어, 노즐(390)-의 내부 구조는 분말 및 캐리어가스가 일정한 방향으로 전달되도록 비대칭적 구조로서 일정한 방향성을 가질 수 있다.
예를 들어, 파우더 분출구 노즐(390) 형상은 반응관(320) 하부의 화염 중심부로 향하는 150도의 절개 형상을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 16은 본 실시 예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 동작 제어를 위한 순서도이다.
도 16을 참조하면, 대기압 플라즈마 점화장치의 동작(S400)은 제어장치의 전원을 온 상태로 켜는 단계(S401), 점화플러그의 위치를 조정하는 단계(S402), 점화장치의 전원을 온 상태로 켜는 단계(S403), 플라즈마를 인가하는 단계(S404), 반사파를 감지하는 단계(S405), 점화장치의 전원을 오프 상태로 전환하는 단계(S406), 점화장치를 상승시키는 단계(S407), 분말공급장치를 동작시키는 단계(S408), 분말을 투입하는 단계(S409) 등을 포함할 수 있다.
제어장치의 전원을 온 상태로 켜는 단계(S401)는 플라즈마 반응 준비를 위해 플라즈마유도장치(미도시)의 전원을 제어하기 위하여 제어장치(미도시)의 전원을 온 상태로 켜는 단계이다. 이 단계에서 공정가스 및 냉각가스 투입을 시작할 수 있다.
점화플러그의 위치를 조정하는 단계(S402)는 액추에이터에 의해 점화장치(미도시)의 움직임을 조정하는 단계일 수 있다. 점화장치(미도시)의 점화플러그의 위치를 중앙으로 정렬하거나, 플라즈마유도장치(미도시)의 반응이 가능한 위치로 조정하는 단계일 수 있다. 액추에이터는 점화장치(미도시)의 하강 움직임을 발생시킬 수 있다.
점화장치의 전원을 온 상태로 켜는 단계(S403)는 점화플러그에 전압을 인가하여 스파크를 발생시키는 단계일 수 있다.
플라즈마를 인가하는 단계(S404)는 플라즈마유도장치(미도시)에 의해 인가되는 전자기파에 의해 플라즈마 점화를 수행하는 단계일 수 있다. 이 경우, 플라즈마 화염은 육안이나 화염감지센서에 의해 측정될 수 있다. 대기압 플라즈마 점화장치(미도시)는 플라즈마 반응 여부 및 화염 상태를 확인하기 위하여 반응관 내부에서 플라즈마 점화 여부를 확인할 수 있는 감지센서를 더 포함할 수 있다. 감지센서의 측정값에 기반하여 화염발생 확인시 점화장치를 반응관 외부로 상승시킬 수 있다.
반사파를 감지하는 단계(S405)는 플라즈마 반응의 정상(normal) 상태 또는 비정상(abnormal) 상태를 반사파에 의해 감지하는 단계일 수 있다. 반사파는 입사파 대비 일정한 범위-예를 들어, 10% 이내-로 제어 될 수 있으며, 기 설정된 범위 또는 실시간으로 변화하는 변화량에 기반하여 비정상 상태를 판정할 수 있다. 또한, 대기압 플라즈마 점화장치는 반응관 또는 플라즈마유도장치에 설치된 제어장치를 활용하여 수치를 제어할 수 있다. 반사파 감지 및/또는 화염 감지를 함께 수행할 수 있다.
예를 들어, 토치의 점화를 위해 플라즈마 공정가스와 반응관 냉각가스, 플라즈마 입사/반사파 수치 등을 제어해 점화가 가능한 기본 조건을 만드는 공정을 더 포함할 수 있고, 공정가스는 15~50LPM, 냉각가스는 30~50LPM, 배기는 100~140LPM으로 설정하고, 사용가스는 CDA, N2, Ar 등을 사용할 수 있다.
해당 단계에서 반응관 내부의 플라즈마 반사파의 수치를 모니터링하고, 반사파의 수치가 기준값을 초과하는 경우에는 점화장치의 전원을 오프 상태로 변경하는 단계(S406)를 수행할 수 있다.
반사파 측정값은 제어장치와 연동되어 입사파 대비 10% 이상 검출시 화염 이상으로 감지하여 장비의 작동 중지 여부를 판단할 수 있다. 반사파 측정장치는 디지털 타입, 파워 센서를 사용하는 아날로그 타입 등이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
점화장치의 전원을 오프 상태로 전환하는 단계(S406)는 점화장치의 비정상 상태를 확인하고 점화장치의 전원을 오프 상태로 전환하는 단계일 수 있다.
점화장치를 상승시키는 단계(S407)는 반사파를 감지하고 정상 상태 임에도, 기 설정된 시간 또는 기 설정된 반응량을 만족하는 경우 점화장치의 상승 작용을 통해서 반응 전극을 보호하기 위해 점화장치의 상승 움직임을 발생시키는 단계일 수 있다.
분말공급장치를 동작시키는 단계(S408)는 분말 및 캐리어가스의 혼합을 통해 반응관으로 분말 혼합물을 공급하는 단계일 수 있다. 분말 혼합물의 유속 및 혼합량은 전술된 유로의 간격 비율에 의해 조절될 수 있다. 또한, 분말공급장치는 반응관의 측면을 통해 공급되고, 점화장치보다 낮은 높이에서 공급되는 것이 바람직하나, 필요에 따라 다양한 위치 및 방법으로 공급될 수 있다.
분말을 투입하는 단계(S409)는 플라즈마 화염과 분말공급장치에 의해 투입되는 분말을 반응시키는 단계일 수 있다.
도 16의 단계 중 일부의 단계가 생략되거나, 각 단계의 순서의 전부 또는 일부는 변경될 수 있으며, 본 실시예의 기술적 사상은 이에 제한되는 것은 아니다.
도 17은 분말공급장치의 분말 정체 현상을 설명하기 위한 예시 도면이다.
도 18은 분말공급장치의 분말 정체 현상을 설명하기 위한 예시 단면도이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 분말공급장치(550)는 분말피더(551), 피더연결관(552), 장비연결부(553) 등을 포함할 수 있다.
분말공급장치(550)에서 수직 방향으로 분말이 공급되고, 장비연결부(553)에서는 L 형상과 같이 수직 방향의 분말을 수평화시켜 장비-예를 들어, 플라즈마 점화장치-에 공급할 수 있다. 수직방향으로 분말을 공급하지 않고, 수평방향으로 분말을 공급하게 되면서 분말에 의한 고착화 현상을 개선할 수 있다.
이 경우 장비연결부(553)의 수평 방향의 관로의 길이에 따라 분말의 정체현상이 발생할 수 있다.
특히, 장비연결부(553)는 단형관으로 구성될 수 있고, 수평구간에서 이송하려는 분체의 비중이 무거울 경우, 또는 관 내부의 수분에 의해 분체가 응축되어 관로에 적층되는 현상이 발생하는 문제점이 발생하게 된다.
만약, 수평구간의 분말 적층으로 인해 분체 흐름에 맥동이 생기거나 심하면 이송관로가 막히는 경우가 발생되며, 이는 분체의 이송 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.
도 19는 본 실시예에 따른 분말공급장치의 구조를 설명하는 도면이다.
도 20은 본 실시예에 따른 분말공급장치의 단면도이다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 분말공급장치(650)는 분말투입통로(651), 내부바디(652), 외부바디(653), 분말유출통로(654), 캐리어가스공급통로(655), 레귤레이터(656), 분말피더(657) 등을 포함할 수 있다.
분말공급장치(650)는 반응관의 측면에 결합되고, 반응관으로 캐리어가스와 분말을 혼합하여 전달하기 위한 장치일 수 있다.
분말투입통로(651)는 분말피더(657)과 연결되어 분말을 공급받는 통로일 수 있고, 분말피터(657)의 분말 공급량 및 공급속도에 따라 분말을 플라즈마 점화장치의 반응관으로 투입할 수 있다.
내부바디(652)는 분말공급장치(650)의 본체의 일부로서, 캐리어가스공급통로(655)의 내부 측면을 형성할 수 있다.
외부바디(653)는 분말공급장치(650)의 본체의 일부로서, 캐리어가스공급통로(655)의 외부 측면을 형성할 수 있다.
내부바디(652)와 외부바디(653) 사이의 캐리어가스공급통로(655)의 간격은 통로의 구간별로 정의될 수 있다. 캐리어가스공급통로(655)는 제1 통로의 간격과 제2 통로의 간격을 다르게 설정하고, 제1 통로의 간격과 제2 통로의 간격의 비율을 2:1 내지 3:1로 설정할 수 있다. 제1 통로 및 제2 통로에 의해 정의되는 캐리어가스공급통로는 '유속조절통로'로 정의될 수 있다.
캐리어가스공급통로(655)는 원둘레면 전체에 걸쳐 가스의 이동 통로로 정의되고, 캐리어가스공급통로(655)에서 분말 흡입력이 발생하여 분말을 이송하는 원리이다. 또한, 분말은 반데르발스 인력 현상에 의해 서로 뭉쳐있는 상태에 캐리어가스를 통해 뭉친 입자가 서로 분산될 수 있고, 플라즈마 반응시 파우더 입자가 뭉치는 것을 방지하여 분말의 고착화를 방지하고, 균질한 반응물을 획득할 수 있다.
캐리어가스공급통로(655)에서 제1 통로 대비 제2 통로의 직경을 작게 하여 흡입력을 원주면 전체에 고르게 상승시키는 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 통로 대비 제2 통로의 직경은 2:1 내지 3:1일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
캐리어가스공급통로(655)는 분말투입통로(651) 및 분말유출통로(654)와 별도로 형성되고, 캐리어가스-예를 들어, 아르곤 등-를 공급하는 통로일 수 있다. 캐리어가스공급통로(655)는 원통 형상의 측면에서 시작되어 분말유출통로(654)와 이어지는 T 형상의 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
캐리어가스공급통로(655)는 원주면 전체에 흡입력 상승을 위해 통로의 간격을 서로 다르게 형성한 구조를 가질 수 있고, 내주면과 외주면의 간격은 도 20과 같이 분말유출통로(654)에 가까워질수록 점층적으로 감소하는 구조를 가질 수 있다. 캐리어가스공급통로(655)는 상부에서 하부로 이어지면서 단면적이 감조하는 구조를 가질 수 있다.
레귤레이터(656)는 압력 조절을 통해 캐리어가스의 유속을 조절할 수 있고, 이송하려는 분체의 비중에 따라 투입하는 압축공기의 세기(압력)를 달리하여 투입 분체 별로 차등화된 제어를 수행할 수 있다. 레귤레이터(656)의 동작은 분말의 크기, 분말의 질량, 분말의 공급속도, 도관의 직경, 플라즈마 반응의 효율, 플라즈마 반응 타이밍 등을 고려하여 실시간으로 제어될 수 있다.
분말공급장치(650)는 반응관에 고정되거나, 탈착 가능한 형태로 반응관에 부착되어 있을 수 있다.
필요에 따라, 분말공급장치(650)는 반응관의 형상 및 반응 위치에 따라 복수의 분말유출통로(654)를 형성할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
플라즈마 점화장치는 점화코일 및 점화플러그에 의해 스파크를 발생시켜 플라즈마 점화를 발생시키고, 반응관 내에서 움직이는 점화장치를 더 포함할 수 있다. 이 경우 분말공급장치(650)의 동작은 점화장치의 움직임의 타이밍에 대응하여 분말의 공급량을 조절할 수 있다.
예를 들어, 분말공급장치(650)는 점화장치가 반응관의 상부로 이동하는 경우에, 이와 동시에 분말을 상기 반응관 내부로 유입시킬 수 있다. 다른 예시적으로, 분말공급장치(650)는 점화장치가 반응관의 하부로 이동하는 경우에, 이와 동시에 분말을 상기 반응관 내부로 유입시키지 않을 수 있다.
도 20의 분말공급장치(650)는 도 3 내지 도 16의 분말공급장치의 구성을 포함하거나, 분말공급장치의 기능을 수행할 수 있다.
도 21은 본 실시예에 따른 플라즈마 화염감지센서를 적용한 대기압 플라즈마 점화장치의 예시 도면이다.
도 21을 참조하면, 대기압 플라즈마 점화장치(700)는 플라즈마유도장치(710), 반응관(720), 점화장치(730), 액추에이터(760) 등을 포함할 수 있다.
플라즈마유도장치(710)는 반응관(720)에서 플라즈마 점화 유도를 위해 전자기파 등을 전달하는 장치일 수 있다. 여기서 플라즈마 발생을 위한 유도 기전을 플라즈마가 인가되는 것으로 정의할 수 있다. 플라즈마 점화에 의해 반사파, 화염 등이 발생할 수 있고, 커플러(770)는 반사파를 측정하기 위한 반사파감지센서일 수 있다.
플라즈마유도장치(710)에서 전달되는 전자기파는 반응관(720)의 일부 영역을 타겟으로하여 전달될 수 있고, 점화장치(730)를 타겟으로 하여 전달되어 플라즈마 발생을 유도할 수 있다. 플라즈마유도장치(710)는 반응관(720)을 관통하는 형태의 구조로 설계될 수 있다.
반응관(720)은 내부에 반응 공간을 형성하고, 분말, 가스, 플라즈마 등이 이동할 수 있는 이동경로를 형성할 수 있다. 예를 들어, 반응관(720)은 공정가스 공급을 위한 공정가스공급부(미도시), 냉각가스 공급을 위한 냉각가스공급부(미도시) 등과 연결된 복수의 통로를 형성할 수 있다. 반응관(720)은 석영 등의 재질로 구성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는 다양한 소재가 사용될 수 있다.
반응관(720)은 점화장치(730)의 이동경로를 형성할 수 있고, 내벽에 인접하여 점화장치(730)가 결합되어 상하로 이동될 수 있다. 반응관(720)에는 전자기파가 전달되고, 점화장치(730)의 점화플러그(732)에서 발생하는 스파크에 기인하여 대기압 상태에서 플라즈마가 생성되어 분말의 열처리가 수행될 수 있다.
반응관(720)의 측면에는 반응관(720)의 내부로 분말 및 캐리어가스를 공급하는 분말공급장치(미도시) 등이 형성될 수 있다.
점화장치(730)는 점화플러그(732) 등을 포함할 수 있고, 플라즈마 반응을 위해 전기 스파크를 생성할 수 있다. 점화장치(730)가 고정형 텅스텐코일을 사용하지 않고, 별도의 고전압(DC 10kV~30kV) 전원을 인가하는 점화 플러그(732) 등을 사용하여 플라즈마 점화시 안정적이고 기존 대비 수명이 길며, 점화 이물이 발생하지 않는 양산공정에서 사용 적합한 대기압 플라즈마 점화장치를 제공할 수 있게 된다.
점화장치(730)는 반응관(720)의 내벽에 고정되어 있지 않고, 액추에이터(760)에 의해서 반응관(720) 내부로 인입 및 외부로 퇴출될 수 있으며, 일시적으로 인입된 점화장치(730)의 스파크를 통해 반응관(720) 내부에서 방전 및 플라즈마 점화를 발생시킬 수 있다.
점화장치(730)의 스파크를 통해 플라즈마 점화가 발생된 이후에는 점화장치(730)는 상승 운동으로 플라즈마 점화가 발생한 영역에서 벗어날 필요가 있다. 이러한 상승 동작을 위해서 제어장치(미도시)는 화염감지센서, 반사파감지센서의 측정값을 기초로 플라즈마 반응 여부를 판단하고, 액추에이터(760)의 동작을 제어하여 점화장치(730)의 공간상 움직임-예를 들어, 상승 또는 하강 움직임-을 발생시킬 수 있다.
반응관(720)이 원통 형상을 가지는 경우에, 점화장치(730)의 일부 구성은 반응관(720)의 지름보다 작은 크기를 가지도록 점화플러그(732)를 형성하여 점화장치(730)는 내부에서 상하 방향으로 원활하게 움직일 수 있다.
분말공급장치(미도시)는 분말 및 캐리어가스의 혼합으로 분말을 반응관(720)으로 공급하기 위한 장치일 수 있다. 분말공급장치에서 피드의 방향은 점화장치(730)에서 플라즈마가 발생하는 방향과 수직의 방향으로 공급되고, 점화장치(730)의 하면에서 분말이 공급되어 전술한 도 1 및 도 2와 같은 융착 및 고착화 문제를 개선할 수 있다. 또한, 반데르발스 인력 현상에 의해 서로 뭉쳐있던 분말입자는 분말공급장치의 외측부에서 공급되는 캐리어가스를 통해 뭉친 입자가 서로 분산되어 플라즈마 반응시 파우더 입자가 뭉치는 것을 방지할 수 있다.
액추에이터(760)는 점화장치(730) 등의 움직임을 전자적으로 제어하기 위한 장치일 수 있고, 다양한 동력원을 활용할 수 있다. 액추에이터(760)는 점화장치(730)의 위치를 정밀하게 제어할 수 있고, 제어장치(미도시)에 의해 점화가 발생하는 위치 정보를 미리 획득하거나 실시간으로 획득하여 점화장치(730)의 움직임을 제어할 수 있다.
액추에이터(760)는 반응관 내부에서 점화장치(730)의 상승 움직임을 통한 퇴출 동작과 하강 움직임을 통한 인입 동작을 제어할 수 있다.
액추에이터(760)는 모터(761)를 포함할 수 있고, 모터(761)의 구동에 의해 내부 구성의 움직임을 발생시킬 수 있고, 모터(761)는 서보(servo) 또는 스테핑(stepping) 모터일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
대기압 플라즈마 점화장치(700)는 반사파감지센서(770)를 더 포함할 수 있다. 반사파감지센서(770)는 커플러로서 광 반사를 수행할 수 있다.
반사파감지센서(770)는 입사파(P파) 및 반사파(S파)의 유무 및 세기 등을 측정할 수 있다. 제어장치(미도시)는 점화장치(730)에서 점화 후 상승되어 퇴출되는 동작을 위해, 점화 가능한 최소 반사파 값-예를 들어, 입사파의 10%-을 PLC에 입력하여 설정하고, 점화시 설정해 놓은 값 이내 도달시, 점화부를 자동 상승 시킬 수 있다.
또한, 제어장치(미도시)는 여기에 더해 반사파를 측정하는 커플러에서 발생하는 오 계측 값(Hunting)에 의한 점화 판단 오류발생을 방지하기 위해 추가 안전장치로 불꽃감지센서(미도시)를 장착할 수 있다.
도 22는 본 실시예에 따른 화염감지센서의 예시 단면도이다.
도 23은 본 실시예에 따른 화염감지센서가 반응관에 결합된 모습을 예시하는 도면이다.
도 22 및 도 23을 참조하면, 대기압 플라즈마 점화장치(800)는 화염감지센서(880) 등을 포함할 수 있다.
화염감지센서(880)는 반응관(820)의 측면에 형성된 투시창의 외부에 장착되고, 점화장치가 인입된 위치에 정렬될 수 있다. 점화장치가 상승 및 하강 운동을 반복하게 되므로, 점화장치의 최대 하강거리 또는 점화장치가 하강하여 고정되어 플라즈마 점화에 의한 화염을 관측할 수 있는 위치에 화염감지센서(880)가 설치될 수 있다.
화염감지센서(880)는 반응관(820)의 일 측면에 형성된 투시창(880)의 전면부 일측에 장착되고, 반응관 내부에서 불꽃이 감지되면 센서모듈을 통해 제어장치(미도시)로 불꽃감지신호를 전달하고, 제어장치에서 액추에이터 로 점화부 상승 명령을 전달할 수 있다. 액추에이터는 펄스 방식 또는 아날로그 방식을 통해 모터 및 실린더가 작동하여 점화장치를 상승시킬 수 있다.
화염감지센서(880)의 움직임을 고정하기 위하여 센서브라켓(881)에 의해 결합될 수 있다. 대기압 플라즈마 점화장치(800)에서 열처리 반응로의 상단부에서 플라즈마 화염 발생시 투시창 외부에 설치된 화염감지센서(880)에서 불꽃을 감지하면 점화부 퇴출 명령을 즉각적으로 전달됨으로써 점화장치의 내구성 향상 및 반응 물질의 고착화를 효과적으로 방지할 수 있다.
도 24는 본 실시예에 따른 제어장치의 제어 동작을 위한 연결구조를 설명하는 도면이다.
도 24를 참조하면, 대기압 플라즈마 점화장치(900)는 반사파감지센서(901), 화염감지센서(902), 제어장치(903), 액추에이터(904), 점화장치(905) 등을 포함할 수 있다.
반사파감지센서(901)는 반응관 내부의 플라즈마 점화에 의한 반사파를 감지할 수 있고, 입사파의 세기 및 반사파의 세기 등을 측정할 수 있다.
화염감지센서(902)는 전자기 방사선 등을 이용하여 반응관 내부의 플라즈마 점화에 의한 화염을 감지할 수 있고, 화염의 사이즈, 화염의 지속 시간, 화염의 유무 등을 판단할 수 있다. 화염감지센서(902)는 이미지 프로세싱에 의한 영상의 델타값을 이용하여 화염의 유무를 판단할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
화염감지센서(902)는 반응관의 측면에 형성된 투시창의 외부에 장착되고, 점화장치가 인입된 위치에 정렬되어 반응관 내부의 특정 지점의 화염 발생 여부 및 화염 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다.
제어장치(903)는 반사파감지센서(901) 및 화염감지센서(902)의 측정값을 수신하여 액추에이터(904)의 상승 및 하강 구동을 제어할 수 있다.
제어장치(903)는 화염감지센서(901)가 측정한 화염감지신호를 기준으로 점화장치의 인입 및 퇴출 동작을 제어할 수 있다. 제어장치(903)는 점화장치에 의한 플라즈마 점화가 발생된 것으로 판단된 경우 액추에이터(904)로 상승제어신호를 전달하여 점화장치를 상승시키도록 제어할 수 있다.
제어장치(903)는 반사파감지센서(901)에 의해 반응관 내부의 플라즈마 반사파의 수치를 모니터링하고, 반사파의 수치가 기준값을 초과하는 경우에는 점화장치를 상승시키도록 제어할 수 있다. 제어장치(903)가 모니터링하는 반사파의 수치는 입사파 대비 반사파의 세기일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제어장치(903)는 반사파감지센서(901)가 정상동작하지 않는 경우에 화염감지센서(902)를 동작시켜 플라즈마 점화를 이중으로 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 제어장치(903)는 점화장치(905)에서 점화 후 상승 동작시, 점화 가능한 최소 반사파 값-예를 들어, 입사파의 10%-을 제어장치(903)-예를 들어, PLC 제어장치-에 입력하여 설정하고, 제어장치(903)는 반사파의 세기가 점화시 설정해 놓은 값 이내에 도달시, 액추에이터(904)를 제어하여 점화장치(905)를 자동 상승 시킬 수 있다.
제어장치(903)는 이러한 1차적 설정기준 이외에, 반사파를 측정하는 반사파감지센서(901)에서 발생하는 오 계측에 의한 오류발생에 의한 설비 중단 등을 방지하기 위해 추가적인 안전장치로 화염감지센서(902)의 측정값을 기초로 점화장치(905)의 동작을 제어할 수 있다.
제어장치(903)는 화염감지센서(902)를 통해 불꽃이 감지되면 센서모듈을 통해 불꽃감지신호를 수신하고, 액추에이터(904)로 점화장치(905) 상승 명령을 전달할 수 있다. 제어장치(903)는 불꽃감지신호를 수신하지 않는 경우에는 점화장치(905)의 하강운동시키거나, 하강시킨 상태로 유지할 수 있다.
도 25는 본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치의 반사파 감지 및 불꽃 감지에 따른 동작제어 방법을 설명하는 순서도이다.
도 25를 참조하면, 대기압 플라즈마 점화장치의 동작(S1000)은 제어장치의 전원을 온 상태로 켜는 단계(S1001), 점화플러그의 위치를 조정하는 단계(S1002), 점화장치의 전원을 온 상태로 켜는 단계(S1003), 플라즈마를 인가하는 단계(S404), 반사파를 감지하는 단계(S1005), 점화장치의 전원을 오프 상태로 전환하는 단계(S1006), 화염을 감지하는 단계(S1007), 점화장치를 상승시키는 단계(S1008), 분말공급장치를 동작시키는 단계(S1009), 분말을 투입하는 단계(S1009) 등을 포함할 수 있다.
제어장치의 전원을 온 상태로 켜는 단계(S1001)는 플라즈마 반응 준비를 위해 플라즈마유도장치(미도시)의 전원을 제어하기 위하여 제어장치(미도시)의 전원을 온 상태로 켜는 단계이다. 이 단계에서 공정가스 및 냉각가스 투입을 시작할 수 있다.
점화플러그의 위치를 조정하는 단계(S1002)는 액추에이터에 의해 점화장치(미도시)의 움직임을 조정하는 단계일 수 있다. 점화장치(미도시)의 점화플러그의 위치를 중앙으로 정렬하거나, 플라즈마유도장치(미도시)의 반응이 가능한 위치로 조정하는 단계일 수 있다. 제어장치는 액추에이터로 움직임제어신호를 전달하여 점화장치(미도시)의 하강 움직임을 발생시킬 수 있다.
점화장치의 전원을 온 상태로 켜는 단계(S1003)는 점화플러그에 전압을 인가하여 스파크를 발생시키는 단계일 수 있다.
플라즈마를 인가하는 단계(S1004)는 플라즈마유도장치(미도시)에 의해 인가되는 전자기파에 의해 플라즈마 점화를 수행하는 단계일 수 있다. 이 경우, 플라즈마 화염은 육안이나 화염감지센서에 의해 측정될 수 있다. 대기압 플라즈마 점화장치(미도시)는 플라즈마 반응 여부 및 화염 상태를 확인하기 위하여 반응관 내부에서 플라즈마 점화 여부를 확인할 수 있는 반사파감지센서 등을 더 포함할 수 있다. 반사파감지센서의 측정값에 기반하여 화염발생 확인시 점화장치를 반응관 외부로 상승시킬 수 있다.
반사파를 감지하는 단계(S1005)는 플라즈마 반응의 정상(normal) 상태 또는 비정상(abnormal) 상태를 반사파에 의해 감지하는 단계일 수 있다. 반사파는 입사파 대비 일정한 범위-예를 들어, 10% 이내-인지 여부가 모니터링 될 수 있으며, 기 설정된 범위 또는 실시간으로 변화하는 변화량에 기반하여 비정상 상태를 판정할 수 있다. 또한, 대기압 플라즈마 점화장치는 반응관 또는 플라즈마유도장치에 설치된 제어장치를 활용하여 수치를 변경하거나 제어할 수 있다. 반사파 감지 및/또는 화염 감지를 함께 수행할 수 있다.
예를 들어, 토치의 점화를 위해 플라즈마 공정가스와 반응관 냉각가스, 플라즈마 입사/반사파 수치 등을 제어해 점화가 가능한 기본 조건을 만드는 공정을 더 포함할 수 있고, 공정가스는 15~50LPM, 냉각가스는 30~50LPM, 배기는 100~140LPM으로 설정하고, 사용가스는 CDA, N2, Ar 등을 사용할 수 있다.
해당 단계에서 반응관 내부의 플라즈마 반사파의 수치를 모니터링하고, 반사파의 수치가 기준값을 초과하는 경우에는 점화장치의 전원을 오프 상태로 변경하는 단계(S1006)를 수행할 수 있다.
반사파 측정값은 제어장치와 연동되어 입사파 대비 10% 이상 검출시 화염 이상으로 감지하여 장비의 작동 중지 여부를 판단할 수 있다. 반사파 측정장치는 디지털 타입, 파워 센서를 사용하는 아날로그 타입 등이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
점화장치의 전원을 오프 상태로 전환하는 단계(S406)는 점화장치의 비정상 상태를 확인하고 점화장치의 전원을 오프 상태로 전환하는 단계일 수 있다.
화염을 감지하는 단계(S1007)는 플라즈마 반응의 정상(normal) 상태 또는 비정상(abnormal) 상태를 화염에 의해 감지하는 단계일 수 있다. 화염감지센서에 의해 화염을 감지하는 경우에 관리자의 확인 없이 데이터 기반의 자동 제어가 가능하게 된다.
화염을 감지하는 단계(S1007)는 반사파감지센서의 오작동으로 인한 설비 중단 등의 문제를 해결하고, 점화장치 및 반응관의 지속력을 향상시킬 수 있다.
화염을 감지하는 단계(S1007)는 플라즈마 점화 완료로 플라즈마 화염 생성이 완료된 상태를 측정하고, 점화장치의 상승 퇴출을 수행하기 위한 측정값 획득 단계일 수 있다.
플라즈마 점화가 성공하고, 파우더 투입 동작(S1009, S1010)을 위해 점화플러그를 포함하는 점화장치를 상부로 퇴출시키는데(S1008), 상부로 퇴출시키는 조건은 반사파감지센서에서 계측된 반사파 수치를 수신 받아 일정 반사파값(점화 가능한 수준 이하의 반사파로 미리 설정해 놓은 값) 수신시 이를 제어장치에서 감지하여 상부로 퇴출 시키게 된다(S1005, S1008).
점화장치가 늦게 퇴출되는 경우 플라즈마 고열에 전극부가 손상되므로, 일정 시간 이내에 퇴출 작동을 수행해야 하나, 간혹 반사파감지센서의 오작동으로 인해 계측된 측정값이 수시로 변동되는 현상이 발생하기도 한다.
이러한 반사파 계측 오작동 상황에서 점화장치의 플라즈마 점화 후에도 점화 전극부가 반응관 내에 머물고 있어 전극부가 손상되는 문제점이 발생된다.
이러한 기술적 문제점을 해결하기 위해, 반사파 계측과 화염 계측을 연속 수행하여 반사파감지센서의 오계측시 발생되는 문제점을 해결하고 상호 보완되는 다중 안전장치를 구비하여 점화장치 수명을 증대시킬 수 있다.
점화장치를 상승시키는 단계(S1008)는 반사파 또는 화염을 감지하고 정상 상태 임에도, 기 설정된 시간 또는 기 설정된 반응량을 만족하는 경우 점화장치의 상승 작용을 통해서 반응 전극을 보호하기 위해 점화장치의 상승 움직임을 발생시키는 단계일 수 있다.
분말공급장치를 동작시키는 단계(S1009)는 분말 및 캐리어가스의 혼합을 통해 반응관으로 분말 혼합물을 공급하는 단계일 수 있다. 분말 혼합물의 유속 및 혼합량은 전술된 유로의 간격 비율에 의해 조절될 수 있다. 또한, 분말공급장치는 반응관의 측면을 통해 공급되고, 점화장치보다 낮은 높이에서 공급되는 것이 바람직하나, 필요에 따라 다양한 위치 및 방법으로 공급될 수 있다.
분말을 투입하는 단계(S1010)는 플라즈마 화염과 분말공급장치에 의해 투입되는 분말을 반응시키는 단계일 수 있다.
본 실시예에 따른 대기압 플라즈마 점화장치는 반응관의 측면부로 재료를 투입시켜 플라즈마 열처리하는 점화장치에 있어서 기존의 셀프 점화 방식 대비 점화장치의 수명을 증대시키고, 생산하는 재료에 점화 이물질을 크게 감소시켜 양산성이 확보된 플라즈마 재료 열처리를 수행할 수 있다.
도 25의 단계 중 일부의 단계가 생략되거나, 각 단계의 순서의 전부 또는 일부는 변경될 수 있으며, 본 실시예의 기술적 사상은 이에 제한되는 것은 아니다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 문제들을 해결하거나 최소한 그러한 문제를 완화시켜줄 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과 한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (14)
- 대기압 상태에서 아크 방전을 통해 플라즈마 점화를 발생시키기 위한 공간을 형성하는 반응관;
점화코일 및 점화플러그에 의해 스파크를 발생시켜 플라즈마 점화를 발생시키고, 상기 반응관 내로 인입 및 퇴출되는 점화장치; 및
상기 반응관 내부의 플라즈마 점화를 감지하는 화염감지센서를 포함하는, 대기압 플라즈마 점화장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 화염감지센서는 상기 반응관의 측면에 형성된 투시창의 외부에 장착되고, 상기 점화장치가 인입된 위치에 정렬되는, 대기압 플라즈마 점화장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 화염감지센서가 측정한 화염감지신호를 기준으로 상기 점화장치의 인입 및 퇴출 동작을 제어하는 제어장치를 더 포함하고,
상기 제어장치는 상기 점화장치에 의한 플라즈마 점화가 발생된 것으로 판단된 경우 상기 점화장치를 상승시키도록 제어하는, 대기압 플라즈마 점화장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 플라즈마 점화에 의한 반사파를 감지하는 반사파감지센서를 더 포함하는, 대기압 플라즈마 점화장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 반응관 내부의 플라즈마 반사파의 수치를 모니터링하고, 상기 반사파의 수치가 기준값을 초과하는 경우에는 상기 점화장치를 상승시키도록 제어하는 제어장치를 더 포함하는, - 제 4 항에 있어서,
상기 반사파감지센서가 정상동작하지 않는 경우에 상기 화염감지센서를 동작시켜 상기 플라즈마 점화를 이중으로 모니터링하는 제어장치를 더 포함하는, 대기압 플라즈마 점화장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 반응관에서 상기 플라즈마 점화를 발생시키기 위해 전자기파를 전달하는 플라즈마유도장치; 및
상기 반응관의 측면에 결합되고, 상기 반응관으로 캐리어가스와 분말을 혼합하여 전달하는 분말공급장치를 더 포함하는, 대기압 플라즈마 점화장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 반응관의 내벽에는 텅스텐 코일이 고정되어 있지 않고, 일시적으로 인입된 상기 점화장치의 스파크를 통해 플라즈마 점화를 발생시키는, 대기압 플라즈마 점화장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 반응관 내부에서 상기 점화장치의 상승 움직임을 통한 퇴출 동작과 하강 움직임을 통한 인입 동작을 제어하는 전동식 액추에이터를 더 포함하는, 대기압 플라즈마 점화장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 화염감지센서의 측정데이터를 기초로 상기 플라즈마 점화가 일정 시간 지속된 경우 상기 전동식 액추에이터가 상승하도록 제어하고, 이와 동시에 분말을 상기 반응관 내부로 유입시키도록 제어하는 제어장치를 더 포함하는, 대기압 플라즈마 점화장치. - 대기압 상태에서 플라즈마 점화를 발생시키기 위한 공간을 형성하는 반응관;
점화코일 및 점화플러그에 의해 스파크를 발생시켜 플라즈마 점화를 발생시키고, 상기 반응관 내로 인입 및 퇴출되는 점화장치;
상기 반응관 내부에서 상기 점화장치의 상승 움직임을 통한 퇴출 동작과 하강 움직임을 통한 인입 동작을 제어하는 전동식 액추에이터;
상기 반응관 내부의 플라즈마 점화를 감지하는 화염감지센서;
상기 반응관 내부의 상기 플라즈마 점화에 의한 반사파를 감지하는 반사파감지센서; 및
상기 화염감지센서, 상기 반사파감지센서의 측정데이터를 기초로 상기 전동식 액추에이터의 동작을 제어하는 제어장치를 더 포함하는, 대기압 플라즈마 점화장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 제어장치는 상기 화염감지센서의 측정값을 기초로 상기 반응관 내부의 플라즈마 화염 발생 여부를 모니터링하고, 화염이 발생한 경우에 상기 점화장치를 상승시키도록 제어하는, 대기압 플라즈마 점화장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 제어장치는 상기 반응관 내부의 플라즈마 반사파의 수치를 모니터링하고, 상기 반사파의 수치가 기준값을 초과하는 경우에는 상기 점화장치를 상승시키도록 제어하는, 대기압 플라즈마 점화장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 제어장치는 상기 반사파감지센서의 계측 결과와 독립적으로 상기 화염감지센서를 동작시켜 상기 플라즈마 점화를 이중으로 모니터링하고, 상기 전동식 액추에이터의 상승시키도록 제어하는, 대기압 플라즈마 점화장치.
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