KR890004161B1 - 플라즈마 아크 토치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

플라즈마 아크 토치

본 고안의 한 실시예에 따른 플라즈마 아클 토치의 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 음극봉 2 : 고정구

5 : (냉각수) 배출관 8 : 케이스

9 : 케이싱 10 : 양극본체

11, 12, 15, 19 : 절연물 13 : 음극봉유지구

14 : 받침대 16 : 노즐

17 : 노즐덮개 18 : 가스켓

20 : 지지판 21 : 슬리이브

22 : (가스) 분출구 23 : (가스 및 피복재 분발) 공급통로

24 : (플라즈마 가스) 공급통로 25 : (냉각수) 공급통로

본 발명은 플라즈마 발생기(plasma generator)의 개량에 관한 것으로서, 특히 금속 또는 금속산화물의 용융 및 용융환원, 세라믹 물질의 용사, 열처리용 플라즈마 아크 토치(plasma are torch)에 관한 것이다.

플라즈마는 본래 바다에 무한히 많이 존재하는 중수소를 이용하여 핵융합을 일으킬 목적으로 미국과 소련을 중심으로 많이 연구되어 오고 있었던 것으로서, 1970년대의 두차례에 걸친 에너지 파동이후 각분야에서 에너지절약 방안의 하나로 전기에너지에서 열에너지로의 전환효율이 80% 이상에 달하는 플라즈마 프로세스가 각광을 받게 되었다.

플라즈마는 근접된 음극과 양극사이에서 고주파에 의해 발생된 전기 아크의 국부적인 고열에 의하여 단원자가스 Ar, He, 등이 전리되어 형성되며, 보다 강한 전력을 사용하면 이원자가스인 N₂, H₂, O₂가스가 해리되고 전리되어 플라즈마 상태로 된다.

플라즈마 발생열은 수십만도에 이르는 것도 있으나, 핵융합 목적 이외의 분야에 이용되는 것은 수천도에서 만도이상에 이르며, 특히, 금속공업에 이용되는 플라즈마 발생기로는 5,000~10,000。K의 온도 범위가 많이 사용되고 있다.

이에 대한 선행기술로는 미합중국, 특허 제2,960,594호, 제2,951,143호, 제2,898,516호, 제3,016,447호, 제4,002,466호에 기재된 것을 들수 있다. 전기 아크 및 플라즈마의 온도는 수천도 이상의 고온이므로 사용되는 전극과 노즐은 아크와 플라즈마에 의해 용손된다. 이에 대하여, 음극과 양극의 노즐부분을 강제 순환식에 의해 수냉시킴으로써 전극의 소모를 줄이게 되어 연속작업시간을 연장시키는 방안이 제시되었다. 그러나 전극과 노즐은 수냉시킴에도 불구하고 국부에 집중된 아크에 의해 용손되어 파손되거나, 작업을 중지하고 소모된 전극을 보충시켜야 하는 단점이 있다. 또한 녹거나 탈리된 전극물질 및 노즐물질이 플라즈마를 이용한 가공부분에 혼입되어 가공된 제품에 큰 영향을 미치게 된다. 음극은 주로 고융점인 W(+ThO₂)를 사용하여, 가스에 의해 냉각되므로 서서히 용손된다. 공업적으로 장시간 혹은 연속조업에 플라즈마 아크 토치를 사용할 경우에는 우수한 냉각작용이 요구됨과 아울러 소모되는 W음극을 계속적으로 보충하는데 어려움이 있다.

본 발명의 목적은 노즐부의 용손으로 인한 이물질 오염을 방지하고 노즐부의 고체가 용이한 플라즈마 아크토치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 음극봉을 효율적으로 냉각시킴과 아울러 냉각중에도 음극봉을 계속 공급해 줄수 있는 플라즈마 아크 토치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 피복재와 같은 분말의 가소상태를 양호하게 하는 구조의 노즐부가 제공된 플라즈마 아크 토치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라, 음극봉 유지구를 내장한 중공(中空) 실린더형의 음극봉 케이싱, 그 외측면에 밀착되어 장착되는 절연물, 냉각수 공급통로와 플라즈마 가스 공급통로가 내부에 각각 형성되고 양극 전원에 연결된 실린더형의 양극본체, 하단부가 양극본체의 하단부의 직경이 넓은 부분과 수평면에 그리고 상단부 외측면이 양극 본체 하단부의 직경이 좁은 부분의 내측면에 강제끼워 맞춤되는 노즐, 양극본체의 상단에 형성된 나사와 결합되어 장착되는 로치 토치 케이스, 양극본체 하단부에 형성된 나사와 결합되어 장착되며 보호가스 및 분말입자 분사구멍이 제공된 노즐덮개, 음극봉 케이싱의 개방된 상단부를 밀폐시키며 음극봉 고정구가 제공된 캡으로 구성된 플라즈마 아크 토치가 제공된다.

본 발명의 구성에 따른 작용 및 효과는 첨부된 도면을 참조한 실시예에 대한 설명으로 부터 자세히 알 수 있을 것이다.

첨부된 도면은 본 발명의 플라즈마 아크 토치의 단면도로서 냉각수 공급통로, 보호 및 플라즈마 가스 공급통로등을 보여주고 있으며, 특히 좌측의 절단면에서는 플라즈마 가스 공급통로와 냉각수 공급통로가 동일평면상에 있지 않음에도 불구하고 통로의 구성상태를 일목요연하게 보여주기 위해 편의상 동일 평면상에 도시되어 있다. 음극 케이싱(9)의 상단에는 캡(7)이, 그리고 하단에는 음극봉 받침대(14)가 각각 나사 결합되어 내부를 밀폐하고 있으며 케이싱 내부 공간에는 냉각수로 채워져 있다. 상기 받침대(14) 위에는 음극봉 유지구(13)가 장착되어 있으며 음극봉 유지구(13) 상부에는 중앙의 음극봉을 따라 냉각수가 침투하지 못하게 가스켓(18)이 나사 결합되어 있고 가스켓(18)의 밑에는 내열성 탄성 플라스틱과 같은 시일재들이 여러 겹으로 내장되어 있다. 케이싱(9)의 상부의 캡(7)에는 중앙에 관통구멍이 형성된 탭볼트 형의 음극봉 고정구(2)가 장착되어 있으며 그 하단에는 음극봉 유지구(13)의 시일재와 같은 시일이 내장되어 있어서, 고정구(2) 나사를 느슨하게 풀면 음극봉(1)을 손으로 눌러 밀어 넣을 수 있는 한편, 고정구(2)를 죄면 그 밑의 시일이 압박되어 그 결과 음극봉(1)을 조이게 되어 음극봉을 고정시킨다. 이로써 음극봉(1)을 냉각시키면서 작업을 중단하지 않고서도 음극봉을 소모되는 만큼씩 수시로 보충할 수 있는 잇점이 있다. 상기 캡(7)에는 케이싱(9) 내부공간의 냉각수를 배출하는 배출관(5)이 연결되어 있으며 배출관(5)은 음극전원에 연결되어 있으며 전도체의 캡(7)과 케이싱(9)은 함께 음극본체를 구성한다.

상기 음극봉 케이싱(9)의 외측면의 상부에는 세라믹 혹은 내열성 플라스틱 재료의 절연물(12), 중간부분에는 내열성수지의 절연물(11) 그리고 하부에는 내열성 수지 혹은 세라믹재료의 절연물(15)이 밀착되어 있다. 절연물들(11, 12, 15)의 외측에는, 도전성 재료의 실린더형의 양극본체(10)가 절연물(12)의 외측면에 형성된 나사와 결합된다. 양극본체(10)에는 냉각수 공급통로(25)와 플라즈마 가스 공급통로(24)가 본체 내부에서 종방향으로 형성되어 있다.

플라즈마가스 공급통로(24)는 양극본체(10)에 형성된 통로부분과 그 개방단부가 연결된 절연물(15)의 외측면에 원주상으로 오목한 홈 및 그 홈으로부터 플라즈마 가스실로 방사상으로 통한 통로부분으로 이루어진다. 상기 가스실은 음극봉 유지구(13)의 받침대(14) 아래와 세라믹재료의 실린더형 절연물(15)의 내부로 한정되는 공간으로 이루어지며 실내의 압력으로 플라즈마를 노즐밖으로 흐르도록 하면서 계속적으로 플라즈마 가스를 공급한다. 노즐(16)은 그 상단의 외측면이 양극 본체(10) 하부의 직경이 작은 내측면에 강제끼워 맞춰지고, 노즐의 상단부보다 직경이 큰 하단부 외측면은 양극본체(10)의 직경이 넓어진 하단에 끼워진다. 노즐(16)의 중앙에 형성된 구멍의 상반부에까지 음극봉이 뻗어 있으며 양극 본체(10)와 함께 노즐(16)도 양극을 띤다. 따라서 노즐의 상반부까지 뻗은 음극봉과 함께 아크를 일으킴으로써 주위의 불활성 가스를 플라즈마상태로 형성시킨다. 노즐 외측의 작은 휜(fin)이 형성된 오목한 중간부는 양극본체(10) 하단부 내측면과 함께 환상의 공간으로 노즐 냉각부를 형성한다. 냉각수 통로는 양극본체(10)의 한쪽 내부에 종방향으로 형성된 냉각수 통로부분과, 상기 환상의 노즐 냉각부, 노즐냉각부로부터 반대쪽의 양극본체 내부를 통하여 위로 연장되어 단부는 환상의 오목한 홈으로 형성된 통로부분, 이로부터 절연물(11)과 음극봉 케이싱(9)을 차례로 관통하여 케이싱 내부로 통하는 수개의 방사상 통로부분으로 형성된다. 냉각수는 양극전원과 연결된 냉각수 공급관으로부터 양극본체 내부의 통로부분을 통하여 노즐 냉각부로 유입되어, 아크 발생시의 고열로 인한 노즐의 용손을 방지하도록 노즐을 냉각시키고 이어서 음극봉 케이싱(9)의 내부공간으로 들어가 음극봉(1)을 냉각시킨후 밖으로 배출된다.

양극본체(10)의 상단부는 그 외경이 다른 부분에 비하여 크며 외측면에는 나사가 형성되어 있다. 토치 케이스(8)는 상단부가 상기 양극본체(10)와 나사 결합되며 하단부는 양극본체 하단부에 방사상으로 외측으로 형성된 돌출부와 결합되어 장착된다.

양극본체 하단의 외측의 돌출부에 나사가 형성되어 있으며 링형태의 노즐 덮개(17)가 나사결합되며 노즐(16)의 외측면과는 시일로 밀폐된다. 노즐(16)과 노즐덮개(17)의 내측면 사이에 공간이 형성되어 있으며 노즐덮개(17)의 중앙부 내측면에는 상기 공간으로부터 통하는 분출구(22)들이 형성되어 있다. 양극본체(10)의 외경이 작은 부분과 케이스(8) 사이에 형성되어 하부까지 계속되는 환상의 공간은 보호 가스 및/또는 피복재의 분말 공급통로(23)를 구성한다. 보호가스 또는 피복재 분말과의 혼합물의 흐름은 공급관(4), 공급통로(23), 노즐(16)과 노즐덮개(17) 사이의 환상의 공간 및 노즐덮개의 분출구(22)을 통하여 분사되어 노즐(16)의 중앙통로에서 발생된 플라즈마 흐름에 피복재 분말을 주입시킨다. 상기 보호가스는 Ar, He, N₂, H₂, CO들로서 피복재 분말을 실어보내서 플라즈마 흐름에 주입시키기 위해 사용되거나, 처리할 금속의 산화를 방지하기 위해 사용된다. 피복재분말은 공급통로(23)을 통하여 노즐과 노즐덮개로 형성된 공간에서 잠시 체류되면서 잘 혼합되고 압력분포가 고르게 이루어진후 분출구(22)를 통하여 공급되며 플라즈마 주류속에서 분말 입자는 용융상태로 되어 가공물체에 용착된다.

가스 공급관(4, 6)과 냉각수 공급관(3)들은 지지판(20)에 의해 지지되어 토치에 장착된다.

본 발명의 작용효과 및 그에따른 잇점은 다음과 같다.

플라즈마 아크 토치의 사용시에, 아크 발생으로 음극봉(1)이 소모되면 음극 고정구(2)의 탭볼트를 풀어서 그 밑의 시일재 링을 헐겁게 한 다음 음극봉(1)을 소모된 길이만큼 손으로 누르고 이어서 탭볼트를 조이면 시일재 링이 압박되어 옆으로 확장됨으로써 음극봉을 고정시킨다. 이때 소모된 음극봉(1)의 길이는 사용시간에 따른 소모량을 미리 측정함으로써 알수 있다. 이로써, 토치를 분해하지 않고도 소모되는 음극봉을 밀어넣으며 토치의 연속작업시에도 음극봉 냉각을 중단하지 않고 간편하게 소모량만큼의 음극봉을 보충할수 있다. 특히, 대형 플라즈마 토치를 시설물에 고정시켜 작업할때 유리하다.

또한, 노즐부가 노즐(16)과 노즐덮개(17)로 조립됨으로서 아크 발생 및 플라즈마에 의해 노즐(16)이 용손되는 경우에는 노즐덮개를 풀고 노즐(16)만 간편하게 분리 및 교체할수 있다.

변형적으로는, 처리할 물체와 같은 재질 또는 그와 반응하지 않거나 내열내마모성 물질의 슬리이브(21)를 노즐(16)의 아크 발생부에 삽입함으로써, 이물질의 혼입을 막고 노즐(16)의 용손을 줄여 노즐을 보호하는 잇점을 지닌다.

불활성가스 및 피복재 분말입자 공급통로를 양극본체(10)와 토치 케이스(8) 사이의 공간으로 형성시키고, 분말입자 체류 공간은 노즐덮개(17)와 노즐(16) 사이에 형성되는 공간으로 간편하게 이용하는 잇점이 있다. 실제로, 3mm

의 W(+ThO₂) 음극봉과 동합금의 노즐(6mm

)을 제작하여 Ar과 H₂의 혼합가스를 15-20l/min의 유량으로 분사한 결과 용융점이 3680。K인 0.5mm

W선이 쉽게 용락될 정도의 고온이 얻어졌다.

Claims (4)

1. 음극봉(1)과 그 유지구(13)를 내장하고 상단부는 음극봉 고정구(2), 냉각수 배출관(5)을 지닌 캡으로 밀폐되고 하단부는 음극봉 유지구(13)와 그 받침대(14)로 밀폐되고 내부공간에는 냉각수가 채워지는 케이싱(9), 냉각수 공급통로(25)와 플라즈마가스 공급통로(24)가 내부에 형성되어 있는 도전성 재료의 양극본체(10), 케이싱(9)과 양극본체(10) 사이에서 음극과 양극을 전기적으로 절연하는 절연물(11, 12, 15, 19), 상단부는 양극본체(10)의 직경이 작은 부분 내측면에, 하단부는 직경이 넓은 부분에 각각 강제끼워 맞춰지고 오목한 중간부분은 양극본체의 하단부 내측면과 함께 환상의 노즐 냉각부를 형성하는 링형상의 노즐(16), 양극본체(10)의 직경이 큰 상단부 외측면과 나사결합되며 양극본체의 직경이 작은 부분의 외측면과의 사이에 환상의 보호가스통로(23) 공간이 형성되게 양극본체에 장착되는 토치 케이스(8), 양극본체(10) 하단의 외측면과 나사결합되며 내측부에는 분출구(22)가 방사상으로 형성된 환상의 노즐덮개(17)로 구성된 플라즈마 아크 토치.
2. 제 1 항에 있어서, 토치를 분해하지 않고도 소모되는 음극봉을 밀어넣을 수 있도록 음극봉 고정구(2)는 중앙에 관통구멍이 형성된 탭볼트와 그 밑에 위치하는 수개의 탄성체 내열성 시일링들로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
3. 제 1 항에 있어서, 절연물(11, 12, 15)들은 내열성 수지나 세라믹 재료로 형성됨을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐(16)의 중앙 구멍에 처리할 금속과 동일 또는 반응하지 않는 내열내마모성 재질의 슬리이브(21)를 삽입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.

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