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KR101152406B1 - 아크 플라즈마 토치 - Google Patents

아크 플라즈마 토치 Download PDF

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KR101152406B1
KR101152406B1 KR1020100091072A KR20100091072A KR101152406B1 KR 101152406 B1 KR101152406 B1 KR 101152406B1 KR 1020100091072 A KR1020100091072 A KR 1020100091072A KR 20100091072 A KR20100091072 A KR 20100091072A KR 101152406 B1 KR101152406 B1 KR 101152406B1
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KR
South Korea
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electrode
ground electrode
driving electrode
plasma torch
solenoid
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허민
이대훈
이재옥
차민석
김관태
송영훈
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명의 아크 플라즈마 토치는 중심축을 관통하는 제1 방전 공간을 형성하는 접지 전극과, 접지 전극과 거리를 두고 위치하며 접지 전극을 향해 개방된 제2 방전 공간을 중심축과 나란하게 형성하는 구동 전극과, 접지 전극과 구동 전극 사이에 위치하며 접지 전극과 구동 전극의 내부로 소용돌이 흐름의 방전 가스를 제공하는 기체 주입부와, 구동 전극과 전기적으로 연결되어 구동 전극으로 교류 전압-전류 파형을 인가하는 교류 전원부를 포함한다.

Description

아크 플라즈마 토치 {ARC PLASMA TORCH}
본 발명은 아크 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 속이 빈 공동형 전극을 가지는 아크 플라즈마 토치에 관한 것이다.
아크 플라즈마(arc plasma)는 온도가 높고 에너지 밀도가 크며 열전도도가 우수하므로 절단(cutting), 용접(welding), 용사(spraying), 용융(melting), 금속 정제(purification of metals), 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD), 신소재 합성, 개질(reforming), 및 폐기물 처리 등에 널리 이용되고 있다.
도 21은 종래 기술에 의한 아크 플라즈마 토치의 개략도이다.
도 21을 참고하면, 아크 플라즈마 토치는 속이 빈 양극(51)과 음극(52)이 서로간 거리를 두고 위치하고, 양극(51)과 음극(52) 사이에 기체 주입부(도시하지 않음)가 위치하여 소용돌이 흐름의 방전 가스를 주입하는 기본 구조를 가진다. 아크 플라즈마 토치는 직류 전원으로 구동한다. 음극(52)과 아크가 만나는 점을 음극점(cathode spot)(P1)이라 하고, 양극(51)과 아크가 만나는 점을 양극점(anode spot)(P2)이라 하며, 음극점(P1)과 양극점(P2) 사이의 방전 공간을 아크 칼럼(arc column)이라 한다.
아크 플라즈마 토치에서 전극의 침식은 음극점(P1)과 양극점(P2)에서 일어난다. 공동형 음극(52) 구조에서는 막대형 음극 구조 대비 음극점(P1)이 음극(52)의 표면을 따라 계속 움직이므로 음극(52)의 침식을 낮은 수준으로 유지할 수 있다. 또한, 기체 주입부를 통해 소용돌이 흐름을 가지는 방전 가스가 음극점(P1)과 양극점(P2)을 회전시켜 전극 수명을 연장시키는 기능을 한다.
그런데 직류 구동의 경우 음극점(P1)에서는 높은 전류 밀도가 좁은 영역에 집중되는 반면 양극점(P2)에서는 상대적으로 낮은 전류 밀도가 상대적으로 넓은 영역에 걸쳐 분포하고, 양극(51)의 우측 단부는 아크 플라즈마 토치의 출구로서 개방되어 있는 반면 음극(52)의 좌측 단부는 막혀 있으므로 방전 가스의 소용돌이 흐름은 음극(52) 쪽에서 비효율적으로 이루어진다. 그 결과, 직류 구동 아크 플라즈마 토치에서는 음극 침식율이 양극 침식율보다 높아진다.
일반적으로 아크 플라즈마 토치의 전극 교체는 양극(51)과 음극(52)에서 동시에 이루어지는 것이 효율적이다. 그런데 직류 구동의 경우에는 음극 침식율이 양극 침식율보다 높기 때문에 전극의 동시 교체에 어려움이 있다.
본 발명은 공동형 전극을 가지는 아크 플라즈마 토치에 있어서, 음극 침식율을 낮추어 전극의 동시 교체를 가능하게 하고, 음극과 양극의 수명을 늘려 전극의 교체 주기를 연장시킬 수 있는 아크 플라즈마 토치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 아크 플라즈마 토치는 중심축을 관통하는 제1 방전 공간을 형성하는 접지 전극과, 접지 전극과 거리를 두고 위치하며 접지 전극을 향해 개방된 제2 방전 공간을 중심축과 나란하게 형성하는 구동 전극과, 접지 전극과 구동 전극 사이에 위치하며 접지 전극과 구동 전극의 내부로 소용돌이 흐름의 방전 가스를 제공하는 기체 주입부와, 구동 전극과 전기적으로 연결되어 구동 전극으로 교류 전압-전류 파형을 인가하는 교류 전원부를 포함한다.
접지 전극은 원통 모양으로 형성되고, 구동 전극은 측벽 및 측벽의 가장자리와 접하는 원통부를 포함할 수 있다. 접지 전극과 구동 전극은 각자의 중심축이 일치하도록 직선상으로 배치될 수 있다.
아크 플라즈마 토치는 접지 전극을 둘러싸며 접지 전극과의 사이에 제1 냉각 채널을 형성하는 제1 냉각 몸체와, 구동 전극을 둘러싸며 구동 전극과의 사이에 제2 냉각 채널을 형성하는 제2 냉각 몸체와, 제1 냉각 몸체와 제2 냉각 몸체 사이에 결합된 절연부를 더 포함할 수 있다.
기체 주입부는 절연부의 내부에 위치하며, 고리 모양으로 형성되고, 반경 방향으로부터 기 설정된 각도로 경사진 복수의 관통 홀을 형성할 수 있다.
제1 냉각 몸체는 접지 전극과 통전되고 접지 전원에 연결되며, 제2 냉각 몸체는 구동 전극과 통전되고 교류 전원부에 연결될 수 있다.
접지 전극과 구동 전극은 아래 조건을 만족하도록 형성될 수 있다.
Figure 112012000258158-pat00028
-- (1)
여기서, D1은 구동 전극의 내경이고, D2는 접지 전극의 내경이다.
접지 전극과 구동 전극은 아래 조건을 만족하도록 형성될 수 있다.
Figure 112012000258158-pat00029
-- (2)
여기서, L1은 제2 방전 공간의 길이이고, L2는 제1 방전 공간의 길이이다.
구동 전극은 음극 침식 영역과 양극 침식 영역을 포함하며, 아크 플라즈마 토치는 음극 침식 영역의 외측에 설치된 제1 솔레노이드를 더 포함할 수 있다.
제1 솔레노이드의 감긴 방향은 제1 솔레노이드에 의해 유도된 자기장에 의한 아크점의 회전 방향이 기체 주입부에 의한 방전 가스의 소용돌이 방향과 일치하도록 설정될 수 있다.
아크 플라즈마 토치는 양극 침식 영역의 외측에 설치된 제2 솔레노이드를 더 포함하며, 제2 솔레노이드의 감긴 방향은 제1 솔레노이드와 반대일 수 있다. 제1 솔레노이드와 제2 솔레노이드 중 적어도 하나는 교류 전원부에 연결되어 교류 전원부에 의해 구동할 수 있다.
다른 한편으로, 아크 플라즈마 토치는 음극 침식 영역의 외측에 설치된 제1 영구 자석을 더 포함할 수 있다. 제1 영구 자석의 N극/S극 위치는 제1 영구 자석에 의해 유도된 자기장에 의한 아크점의 회전 방향이 기체 주입부에 의한 방전 가스의 소용돌이 방향과 일치하도록 설정될 수 있다.
아크 플라즈마 토치는 양극 침식 영역의 외측에 설치된 제2 영구 자석을 더 포함하며, 제2 영구 자석의 N극/S극 위치는 제1 영구 자석과 반대일 수 있다.
접지 전극은 구동 전극을 향한 소구경부 및 소구경부와 접하는 대구경부를 포함할 수 있다. 아크 플라즈마 토치는 음극 침식 영역의 외측에 설치된 제1 솔레노이드와, 대구경부의 외측에 설치된 제2 솔레노이드를 포함할 수 있다. 제1 솔레노이드의 감긴 방향과 제2 솔레노이드의 감긴 방향은 서로 반대일 수 있다.
다른 한편으로, 아크 플라즈마 토치는 음극 침식 영역의 외측에 설치된 제1 영구 자석과, 대구경부의 외측에 설치된 제2 영구 자석을 포함할 수 있다. 제1 영구 자석의 N극/S극의 위치는 제2 영구 자석의 N극/S극의 위치와 반대일 수 있다.
교류 전원부는 구동 전극에 1kHz 내지 999kHz 범위의 주파수를 인가할 수 있다. 교류 전원부는 구동 전극의 작동 과정에서 구동 전극에 가변 전력을 인가할 수 있다.
구동 전극에 교류 전압-전류 파형이 인가됨에 따라 양극점과 음극점은 특정 전극에 지속적으로 생기지 않고 접지 전극과 구동 전극에 번갈아 생기며, 접지 전극과 구동 전극 내에서도 특정 위치에 지속적으로 생기지 않고 극성에 따라 다른 위치에 생긴다. 따라서 아크점을 빠른 속도로 이동시켜 전극 침식을 억제할 수 있으며, 아크 플라즈마 토치의 사용 수명을 효과적으로 연장시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 아크 플라즈마 토치의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 아크 플라즈마 토치 중 접지 전극과 구동 전극의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 아크 플라즈마 토치 중 절연부와 기체 주입부의 확대도이다.
도 4는 도 3에 도시한 기체 주입부의 단면과 우측면을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 도시한 아크 플라즈마 토치의 구동 과정에서 아크점의 이동을 설명하기 위해 도시한 접지 전극과 구동 전극의 개략도이다.
도 6은 방전 가스가 공기인 경우 아크 플라즈마 토치에 인가되는 전압과 전류 파형을 나타낸 예시도이다.
도 7은 방전 가스가 이산화탄소인 경우 아크 플라즈마 토치에 인가되는 전압과 전류 파형을 나타낸 예시도이다.
도 8과 도 9는 각각 도 6과 도 7에 도시한 전류 파형을 확대된 시간 스케일로 나타낸 그래프이다.
도 10은 방전 가스가 공기인 경우 방전 전력 변화에 따른 전압-전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 방전 가스가 이산화탄소인 경우 방전 전력 변화에 따른 전압-전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 주파수가 20kHz인 조건(주기: 50㎲)에서 시간 변화에 따른 플라즈마 제트의 형상을 2.5㎲ 간격으로 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 13은 주파수가 20kHz인 조건(주기: 50㎲)에서 시간 변화에 따른 플라즈마 제트의 형상을 50㎲ 간격으로 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 도 12 및 도 13과 같은 조건에서 250㎲ 동안 측정된 플라즈마 제트 형상을 나타낸 도면이다.
도 15는 전력 변화에 따른 아크점의 이동을 설명하기 위해 도시한 구동 전극과 접지 전극의 개략도이다.
도 16 내지 도 20은 각각 본 발명의 제2 실시예 내지 제6 실시예에 따른 아크 플라즈마 토치의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 21은 종래 기술에 의한 아크 플라즈마 토치의 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 아크 플라즈마 토치의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시한 아크 플라즈마 토치 중 접지 전극과 구동 전극의 단면도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 아크 플라즈마 토치(100)는 서로간 거리를 두고 위치하는 접지 전극(11) 및 구동 전극(12)과, 접지 전극(11)과 구동 전극(12)을 각각 둘러싸는 제1 냉각 몸체(13) 및 제2 냉각 몸체(14)와, 제1 냉각 몸체(13)와 제2 냉각 몸체(14) 사이에 결합된 절연부(15)와, 절연부(15) 내측에 위치하는 기체 주입부(16)를 포함한다.
접지 전극(11)은 속이 비어 있고 양단이 개방된 원통 모양으로 이루어지며, 내부에 중심축을 관통하는 제1 방전 공간(S10)을 형성한다. 구동 전극(12)은 교류 전원부(17)와 전기적으로 연결되어 이로부터 아크 플라즈마 방전에 필요한 교류 전압-전류 파형을 인가받는다. 운전 전압은 양의 값과 음의 값이 주기적으로 바뀌는 형태를 가진다.
구동 전극(12)은 측벽(121) 및 측벽(121)의 가장자리와 접하는 원통부(122)로 이루어지고, 원통부(122)의 열린 부분이 접지 전극(11)과 마주하도록 배치된다. 구동 전극(12)은 접지 전극(11)을 향해 개방된 제2 방전 공간(S20)을 중심축과 나란하게 형성한다. 접지 전극(11)과 구동 전극(12)은 각자의 중심축이 서로 일치하도록 직선상으로 배치된다. 이로써 제1 방전 공간(S10)과 제2 방전 공간(S20)은 두 전극(11, 12)의 축 방향을 따라 서로 이어진다.
접지 전극(11)의 외경과 구동 전극(12)의 외경은 같을 수 있으며, 접지 전극(11)의 내경은 구동 전극(12)의 내경보다 작을 수 있다. 또한, 접지 전극(11)의 길이는 구동 전극(12)의 길이보다 작을 수 있다. 접지 전극(11)과 구동 전극(12)의 보다 자세한 형상 관계에 대해서는 후술한다.
제1 냉각 몸체(13)는 접지 전극(11)의 외주면을 둘러싸며 접지 전극(11)과의 사이에 제1 냉각 채널(C10)을 형성한다. 제1 냉각 채널(C10)은 제1 냉각 몸체(13)의 내주면에 형성된 오목부로 이루어질 수 있다. 제1 냉각 몸체(13)는 금속으로 형성되며, 접지 전극(11)과 접촉하여 이와 전기적으로 연결된다. 접지 전극(11) 대신 제1 냉각 몸체(13)가 접지될 수 있다.
제1 냉각 몸체(13)의 일측에는 냉각수 주입구(18)가 형성되어 제1 냉각 채널(C10)로 냉각수를 공급한다. 그리고 제1 냉각 몸체(13)의 반대편 일측에는 냉각수 배출구(19)가 형성되어 사용된 냉각수를 외부로 배출한다.
제2 냉각 몸체(14)는 구동 전극(12)의 외주면을 둘러싸며 구동 전극(12)과의 사이에 제2 냉각 채널(C20)을 형성한다. 제2 냉각 채널(C20)은 제2 냉각 몸체(14)의 내주면에 형성된 오목부로 이루어질 수 있다. 제2 냉각 몸체(14)는 금속으로 형성되고, 구동 전극(12)과 접촉하여 이와 전기적으로 연결된다. 구동 전극(12) 대신 제2 냉각 몸체(14)가 교류 전원부(17)와 연결될 수 있다.
구동 전극(12)은 축 방향을 따라 측벽(121) 외측에 연장부(123)를 형성하며, 연장부(123)의 일부는 제2 냉각 몸체(14)로 둘러싸이지 않고 제2 냉각 몸체(14) 바깥으로 노출될 수 있다. 연장부(123)에는 냉각수 주입구(18)와 복수의 노즐(181)이 형성되고, 복수의 노즐(181)은 제2 냉각 채널(C20)과 연결된다. 냉각수 주입구(18)와 복수의 노즐(181)을 통해 제2 냉각 채널(C20)로 냉각수를 공급할 수 있다.
제2 냉각 몸체(14)는 구동 전극(12)보다 짧은 길이로 형성되어 접지 전극(11)을 향한 구동 전극(12)의 가장자리 일부를 노출시킬 수 있다. 절연부(15)는 서로 마주하는 접지 전극(11)과 구동 전극(12)의 단부 및 구동 전극(12)의 일부를 둘러싸면서 제1 냉각 몸체(13) 및 제2 냉각 몸체(14)에 결합된다. 이로써 제1 냉각 몸체(13)와 제2 냉각 몸체(14)는 서로 절연 상태를 유지하면서 일체로 조립된다.
이때 제2 냉각 몸체(14)가 별도의 냉각수 배출구를 형성하지 않고 절연부(15)가 제2 냉각 채널(C20)과 이어진 냉각수 배출구(19)를 형성하여 사용된 냉각수를 외부로 배출한다.
도 3은 도 1에 도시한 아크 플라즈마 토치 중 절연부와 기체 주입부의 확대도이고, 도 4는 도 3에 도시한 기체 주입부의 단면과 우측면을 나타낸 도면이다.
도 1과 도 3을 참고하면, 절연부(15)는 접지 전극(11) 및 구동 전극(12)의 경계와 일치하는 위치에 방전 가스 주입구(20) 형성한다. 방전 가스 주입구(20)는 아크 플라즈마 토치(100)의 반경 방향을 따라 절연부(15)를 관통하도록 형성된다. 방전 가스 주입구(20)는 방전 가스 공급원(도시하지 않음)과 연결되어 방전 가스를 제공받는다. 방전 가스 주입구(20)의 내측으로 절연부(15)와 제1 냉각 몸체(13) 사이에 공간이 마련되며, 이 공간에 기체 주입부(16)가 위치한다.
도 3과 도 4를 참고하면, 기체 주입부(16)는 일정 두께의 고리 모양으로 형성되고, 두께 방향을 따라 기체 주입부(16)를 관통하는 복수의 관통 홀(161)을 형성한다. 복수의 관통 홀(161)은 기체 주입부(16)의 반경 방향과 일치하지 않고 반경 방향으로부터 일정 각도로 비스듬하게 형성된다. 따라서 복수의 관통 홀(161)은 시계 방향 또는 반시계 방향을 따라 일정한 기울기를 가진다. 관통 홀(161)의 개수와 기울어진 방향 및 각도 등은 도시한 예에 한정되지 않는다.
기체 주입부(16)는 절연부(15)와 제1 냉각 몸체(13) 사이에서 절연부(15)와 소정의 간격(G)(도 3 참조)을 두고 위치한다. 따라서 기체 주입부(16)의 외측에 고리 모양의 공간이 마련되고, 방전 가스 주입구(20)로 투입된 방전 가스는 고리 모양의 공간을 통해 기체 주입부(16)의 여러 관통 홀(161)을 거쳐 소용돌이 흐름으로 변환된 후 제1 방전 공간(S10)과 제2 방전 공간(S20) 사이로 주입된다.
기체 주입부(16)의 내측에서 절연부(15)와 제1 냉각 몸체(13)는 서로 마주하는 면을 경사면으로 형성하여 방전 가스의 흐름을 부드럽게 유도한다.
아크 플라즈마 토치(100)로 주입되는 방전 가스는 순수 산소, 공기, 또는 이산화탄소를 포함할 수 있으며, 아크 플라즈마 토치(100)는 산화 반응이 필요한 개질(reforming), 화학 합성, 및 폐기물 처리 등에 사용될 수 있다.
본 실시예의 아크 플라즈마 토치(100)는 직류 전원이 아닌 교류 전원으로 구동한다. 즉, 접지 전극(11)이 접지된 상태에서 구동 전극(12)에 정극성과 역극성이 일정한 주기를 가지고 번갈아 인가된다. 그러면 아크점(양극점과 음극점)의 위치가 극성에 따라 바뀌므로 아크점이 이동하는 속도가 빠르게 증가하여 전극(11, 12)이 기화될 여지를 줄인다. 그 결과, 전극(11, 12) 침식이 억제되어 전극(11, 12)의 사용 수명이 늘어난다.
도 5는 도 1에 도시한 아크 플라즈마 토치의 구동 과정에서 아크점의 이동을 설명하기 위해 도시한 접지 전극과 구동 전극의 개략도이다.
도 5를 참고하면, 구동 전극(12)에 정극성이 인가될 때 음극점(P1)은 구동 전극(12)의 측벽(121) 부근에서 발견되고, 양극점(P2)은 접지 전극(11) 중 구동 전극(12)을 향한 좌측 부근에서 발견된다. 구동 전극(12)에 역극성이 인가될 때 음극점(P1)은 접지 전극(11) 중 토치 출구를 향한 우측 부근에서 발견되고, 양극점(P2)은 구동 전극(12) 중 접지 전극(11)을 향한 우측 부근에서 발견된다.
구동 전극(12)에 정극성과 역극성이 번갈아 인가됨에 따라, 양극점(P2)과 음극점(P1)은 특정 전극에 지속적으로 생기지 않고 접지 전극(11)과 구동 전극(12)에 번갈아 생기며, 접지 전극(11)과 구동 전극(12) 내에서도 특정 위치에 지속적으로 생기지 않고 극성에 따라 다른 위치에 생긴다. 이와 같이 교류 구동에서는 아크점이 전극 전체에서 빠른 속도로 이동하므로 전극(11, 12) 내 특정 부위의 침식을 억제하여 전극(11, 12) 수명을 효과적으로 연장시킬 수 있다.
또한, 통상의 아크 플라즈마 토치는 그 출구가 반응기에 연결되는데, 접지 전극(11)이 토치 출구에 위치함에 따라 안전성을 높일 수 있다.
도 6과 도 7은 각각 방전 가스가 공기인 경우와 이산화탄소인 경우 아크 플라즈마 토치에 인가되는 전압과 그에 따른 전류 파형을 나타낸 예시도이다. 두 경우 모두 방전 가스의 유량은 70ℓ/분이고, 방전 전력은 2.5kW이다. 교류 구동은 전류와 전압의 극성이 시간에 따라 (+)와 (-)로 주기적으로 바뀌는 특성을 나타낸다.
도 8과 도 9는 각각 도 6과 도 7에 도시한 전류 파형을 확대된 시간 스케일로 나타낸 그래프이다. 구동 전극과 접지 전극의 침식을 억제하기 위하여 수 kV의 높은 전압과 수 A의 낮은 전류 운전을 기반으로 한다.
도 10과 도 11은 각각 방전 가스가 공기인 경우와 이산화탄소인 경우 방전 전력의 변화에 따른 전압-전류 특성을 나타낸 그래프이다. 두 경우 모두 방전 가스의 유량은 70ℓ/분으로 고정되었다.
본 실시예의 아크 플라즈마 토치는 방전 전력에 비례하여 전류-전압이 커지는 운전 특성을 가진다. 아크점의 위치는 방전 전력에 의해 영향을 받으며, 방전 전력이 커질수록 아크 길이가 증가한다. 이러한 특성을 이용하여 공정이 진행되는 동안 방전 전력을 변화시킴으로써 전극의 침식 영역을 제어할 수 있다. 방전 가스가 이산화탄소인 경우(도 11) 방전 가스가 공기인 경우(도 10)에 비해 높은 전류와 낮은 전압으로 운전되는 차이는 있지만 방전 전력의 변화가 전류-전압과 아크점의 이동에 미치는 영향은 동일하다.
또한, 본 실시예의 아크 플라즈마 토치(100)는 1kHz 내지 999kHz의 주파수 범위에서 구동한다. 아크 플라즈마 토치(100)의 주파수 선택은 전극 침식 감소뿐 아니라 공정 효율과 방전 안정성의 측면에서 매우 중요하다.
주파수의 크기가 1MHz인 무선 주파수(radio frequency) 영역에서 방전 안정성을 확보하기 위해서는 임피던스 매칭이 필요하다. 임피던스 매칭은 방전의 저항 성분과 전극의 인덕턴스 성분(또는 커패시턴스 성분) 및 파워 서플라이의 커패시턴스 성분(또는 인덕턴스 성분) 사이의 크기 조절을 통해 전력이 플라즈마에 전달되는 효율을 최대화하는 작업을 의미한다.
상압에서 공기 또는 이산화탄소와 같이 두개 이상의 기체종이 결합되어 있는 기체를 사용하는 경우에는 임피던스 매칭이 매우 어렵다. 이로써 상압에서 운전되는 무선 주파수 플라즈마 토치는 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He)과 같은 단원자 기체를 방전 가스로 사용하는 것이 일반적이다. 이와 같은 이유로 공기 또는 이산화탄소를 방전 가스로 사용하는 본 실시예의 아크 플라즈마 토치는 주파수의 상한을 1MHz 미만, 즉 999kHz로 한다.
주파수의 하한은 공정 효율과 관계된다. 공정 효율을 높이기 위해서는 처리 물질이 기화 또는 화학 반응되기 전에 충분한 시간 동안 플라즈마 제트 영역에 머물게 해야 한다.
도 12와 도 13은 주파수가 20kHz인 조건(주기: 50㎲)에서 시간 변화에 따른 플라즈마 제트의 형상을 각각 2.5㎲와 50㎲ 간격으로 측정한 결과를 나타낸 도면이다. 도 12와 도 13에서 방전 가스는 이산화탄소이고 유량은 70ℓ/분이며 방전 전력은 2.5kW이다.
교류 구동에서는 전압-전류값이 시간에 따라 변화하는 정도가 크기 때문에 플라즈마 제트의 형상은 한 주기 내에서 매우 큰 차이를 보인다. 도 12와 도 13을 참고하면, 주기마다 거의 동일한 전압-전류 파형이 유지됨에도 불구하고 플라즈마 제트의 형상은 매주기마다 큰 차이를 보인다. 이 결과로부터 처리 물질의 플라즈마 제트 영역 통과 시간이 한주기 정도인 경우 플라즈마 제트로부터 처리 물질로의 열전달 양이 불균일하게 될 것임을 예측할 수 있다.
도 14는 도 12 및 도 13과 같은 조건에서 250㎲ 동안 측정된 플라즈마 제트 형상을 나타낸 도면이다. 인가된 전류-전압이 몇주기 합쳐진 경우 비로소 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다. 이러한 플라즈마 제트 측정 결과는 처리 물질이 플라즈마 제트 영역에 머무는 시간을 구동 주기보다 길게 확보해 주어야 균일한 공정 결과를 얻을 수 있음을 의미한다.
처리 물질의 플라즈마 제트 영역 잔류 시간이 통상 밀리초(ms)임을 고려하면 구동 주파수의 크기가 1kHz 이상일 때 플라즈마 제트로부터 처리 물질로의 균일한 열전달을 기대할 수 있다. 따라서 본 실시예의 아크 플라즈마 토치에서 구동 주파수의 하한은 1kHz로 한다.
다시 도 2를 참고하면, 본 실시예의 아크 플라즈마 토치(100)에서 구동 전극(12)과 접지 전극(11)은 아래 조건 중 적어도 하나를 만족하도록 형성된다. 여기서, D1과 D2는 각각 구동 전극(12)의 내경과 접지 전극(11)의 내경이고, L1과 L2는 각각 제2 방전 공간(S20)의 길이와 제1 방전 공간(S10)의 길이이다.
Figure 112012000258158-pat00030
-- (1)
Figure 112010060384512-pat00004
-- (2)
만일 구동 전극(12)의 내경(D1)이 접지 전극(11)의 내경(D2)보다 작으면, 기체 주입부(16)를 통해 주입된 방전 가스의 대부분은 접지 전극(11)을 향하게 된다. 즉, 구동 전극(12)의 측벽을 향하는 방전 가스의 속도는 느려지고, 접지 전극(11)의 출구 쪽으로 향하는 방전 가스의 속도는 빨라진다. 따라서 구동 전극(12) 내부에서 아크점은 기체 주입부(16) 근처에 존재하고, 접지 전극(11)에서 아크점은 토치 출구 밖으로까지 확장된다.
토치 출구 쪽에 아크점이 발생하는 조건에서는 아크점이 축 방향을 따라 이동할 여지가 감소하므로 전극(11, 12) 수명이 급격하게 단축된다. 반면, 본 실시예의 아크 플라즈마 토치(100)는 전술한 (1)번 조건을 만족함에 따라 기체 주입부(16)를 통해 주입된 방전 가스는 구동 전극(12)과 접지 전극(11) 내부로 균일하게 퍼지며, 균일한 속도를 유지하여 안정된 방전 특성을 구현할 수 있다.
또한, 교류 전원으로 구동하는 아크 플라즈마 토치에서는 아크점이 구동 전극(12)의 측벽 또는 접지 전극(11)의 출구 근처에 발생하는 조건을 피해야 한다. 아크점이 구동 전극(12)의 측벽 또는 접지 전극(11)의 출구에 발생하면 아크점의 축 방향 이동이 더 이상 불가능하므로 전극(11, 12) 침식이 증가하게 된다. 아크 칼럼의 길이는 전극(11, 12) 직경에 비례하므로 전극(11, 12) 직경이 클수록 전극(11, 12) 길이, 즉 방전 공간(S10, S20)의 길이도 커져야 한다.
제2 방전 공간(S10)의 길이(L1)와 제1 방전 공간(S10)의 길이(L2)가 해당 전극 직경(D1, D2)의 10배 미만이면, 아크점이 구동 전극(12)의 측벽 또는 접지 전극(11)의 출구에 발생할 여지가 생기므로 전극(11, 12) 침식을 억제할 수 없다. 그러나 본 실시예의 아크 플라즈마 토치(100)는 전술한 (2)번 조건을 만족함에 따라, 아크점의 축 방향 이동을 원활하게 하여 전극(11, 12) 침식을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 15는 전력 변화에 따른 아크점의 이동을 설명하기 위해 도시한 구동 전극과 접지 전극의 개략도이다.
도 15를 참고하면, 아크 플라즈마 토치(100)를 구동하는 과정에서 방전 전력을 가변시킨다. 그러면 양극점(P2)과 음극점(P1)의 길이가 변화하여 아크 칼럼의 길이를 변화시킬 수 있다. 이와 같이 교류 구동 특성을 이용하면 구동 전극(12)과 접지 전극(11)의 침식 영역을 균일하게 할 수 있으며, 아크 플라즈마 토치(100)의 수명을 효과적으로 연장시킬 수 있다.
도 16은 본 발명의 제2 실시예에 따른 아크 플라즈마 토치의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 16을 참고하면, 제2 실시예의 아크 플라즈마 토치는 구동 전극(12)의 외측에 솔레노이드(21)가 추가로 설치되는 구성을 제외하고 전술한 제1 실시예의 아크 플라즈마 토치와 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
솔레노이드(21)에 의한 외부 자기장은 구동 전극(12) 내부의 아크점을 회전시킨다. 이때 외부 자기장에 의한 아크점의 회전 방향은 기체 주입부(16)에 의한 방전 가스의 소용돌이 방향과 일치해야 아크점의 회전 속도를 높여 전극 침식을 억제할 수 있다. 솔레노이드(21)의 감긴 방향은 솔레노이드(21)에 의해 유도된 자기장에 의한 아크점의 회전 방향이 방전 가스의 소용돌이 방향과 일치하도록 설정된다.
구동 전극(12)은 음극점에 의해 침식되는 음극 침식 영역(A10)과, 양극점에 의해 침식되는 양극 침식 영역(A20)을 포함한다. 솔레노이드(21)는 2개의 침식 영역 중 침식율이 상대적으로 큰 음극 침식 영역(A10)의 외측에 설치되어 음극점을 회전시키는데 사용된다. 반면 양극점은 방전 가스의 소용돌이 흐름에 의해 회전하도록 한다.
도 16에서 방전 기체의 소용돌이 흐름이 전극 상부에서는 지면으로 들어가는 방향이고, 전극 하부에서는 지면으로부터 나오는 방향이라 가정하면, 솔레노이드(21)에 의한 외부 자기장은 +z 방향으로 발생하여 방전 가스의 소용돌이 방향과 동일한 방향으로 음극점을 회전시킨다. 도 16에서 j는 아크 전류를 나타내고, r은 반경 방향을 나타낸다.
도 17은 본 발명의 제3 실시예에 따른 아크 플라즈마 토치의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 17을 참고하면, 제3 실시예의 아크 플라즈마 토치는 제2 실시예의 솔레노이드 대신 영구 자석(22)이 설치된 것을 제외하고 전술한 제2 실시예의 아크 플라즈마 토치와 동일한 구성으로 이루어진다. 제2 실시예와 같은 구성에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
영구 자석(22)의 N극과 S극의 위치를 설정할 때, 영구 자석(22)으로부터 유도되는 자기장에 의한 아크점의 회전 방향이 방전 가스의 소용돌이 방향과 일치하도록 설정된다.
도 18은 본 발명의 제4 실시예에 따른 아크 플라즈마 토치의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 18을 참고하면, 제4 실시예의 아크 플라즈마 토치는 음극 침식 영역(A10)의 외측에 제1 솔레노이드(23)가 설치되고 양극 침식 영역(A20)의 외측에 제2 솔레노이드(24)가 설치되는 구성을 제외하고 전술한 제1 실시예의 아크 플라즈마 토치와 같은 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
제1 솔레노이드(23)의 감긴 방향과 제2 솔레노이드(24)의 감긴 방향은 서로 반대로 이루어진다. 따라서 제1 솔레노이드(23)에 의한 자기장 방향과 제2 솔레노이드(24)에 의한 자기장 방향은 반대가 되며, 아크 플라즈마 토치를 교류 구동하는 과정에서 음극점과 양극점을 같은 방향으로 회전시킬 수 있다.
도 19는 본 발명의 제5 실시예에 따른 아크 플라즈마 토치의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 19를 참고하면, 제5 실시예의 아크 플라즈마 토치는 제4 실시예의 제1 솔레노이드와 제2 솔레노이드 대신 제1 영구 자석(25)과 제2 영구 자석(26)이 설치된 것을 제외하고 전술한 제4 실시예의 아크 플라즈마 토치와 동일한 구성으로 이루어진다. 제4 실시예와 같은 구성에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
제1 영구 자석(25)의 N극 및 S극 위치와 제2 영구 자석(26)의 N극 및 S극 위치는 서로 반대로 이루어진다. 그러면 제1 영구 자석(25)에 의한 자기장 방향과 제2 영구 자석(26)에 의한 자기장 방향은 반대가 되며, 아크 플라즈마 토치를 교류 구동하는 과정에서 음극점과 양극점을 같은 방향으로 회전시킬 수 있다.
한편, 솔레노이드(21, 23, 24)를 사용하는 제2 실시예와 제4 실시예에서 솔레노이드(21, 23, 24)는 구동 전극(12)과 같은 교류 전원부(17)에 연결되어 교류 전원부(17)에 의해 구동할 수 있다. 이 경우 전류-전압 극성에 따라 솔레노이드(21, 22, 24)에 의해 유도되는 자기장의 인가 방향이 바뀌므로 음극점과 양극점을 같은 방향으로 회전시킬 수 있다.
도 20은 본 발명의 제6 실시예에 따른 아크 플라즈마 토치의 일부를 나타낸 단면도이다.
도 20을 참고하면, 제6 실시예의 아크 플라즈마 토치는 접지 전극(11)이 계단형으로 구성되고 제1 솔레노이드(23)와 제2 솔레노이드(24)가 각각 구동 전극(12)과 접지 전극(11)의 외측에 위치하는 것을 제외하고 전술한 제4 실시예의 아크 플라즈마 토치와 같은 구성으로 이루어진다. 제4 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
접지 전극(11)은 구동 전극(12)을 향한 소구경부(111)와, 소구경부(111)와 접하며 소구경부(111)보다 큰 직경을 가지는 대구경부(112)로 이루어진다. 대구경부(112)가 토치 출구에 위치함에 따라 제6 실시예의 아크 플라즈마 토치는 반경 방향으로 체적이 확대된 플라즈마 제트(30)를 구현할 수 있다.
그런데 이 경우 소구경부(111)를 향한 대구경부(112)의 모서리 부근에서 방전 가스의 흐름이 정체되어 아크점의 축 방향 및 회전 방향 이동을 제한할 수 있으므로 접지 전극(11)이 침식될 수 있다. 접지 전극(11)의 대구경부(112)에 존재하는 아크점은 항상 음극점이므로 방전 가스의 소용돌이 방향과 같은 방향으로 음극점이 회전하도록 외부 자기장을 인가하여 접지 전극(11)의 수명을 연장시킨다.
이를 위해 제1 솔레노이드(23)는 구동 전극(12)의 음극 침식 영역(A10) 외측에 설치되고, 제2 솔레노이드(24)는 접지 전극(11)의 대구경부(112) 외측에 설치된다. 제2 솔레노이드(24)의 감긴 방향은 자기장에 의한 음극점의 회전 방향이 방전 가스의 소용돌이 방향과 일치하도록 설정되며, 제1 솔레노이드(23)와 제2 솔레노이드(24)의 감긴 방향은 서로 반대로 이루어진다.
제1 솔레노이드(23)는 제1 영구 자석으로 대체되고, 제2 솔레노이드(24)는 제2 영구 자석으로 대체될 수 있다. 제2 영구 자석의 N극 및 S극 배치는 자기장에 의한 음극점의 회전 방향이 방전 가스의 소용돌이 방향과 일치하도록 설정되며, 제1 영구 자석의 N극 및 S극 위치와 제2 영구 자석의 N극 및 S극 위치는 서로 반대로 이루어진다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 아크 플라즈마 토치 11: 접지 전극
12: 구동 전극 13: 제1 냉각 몸체
14: 제2 냉각 몸체 15: 절연부
16: 기체 주입부 17: 교류 전원부
18: 냉각수 주입구 19: 냉각수 배출구
20: 방전 가스 주입구 21: 솔레노이드
22: 영구 자석 23: 제1 솔레노이드
24: 제2 솔레노이드 25: 제1 영구 자석
26: 제2 영구 자석 111: 소구경부
112: 대구경부 30: 플라즈마 제트

Claims (22)

  1. 중심축을 관통하는 제1 방전 공간을 형성하는 접지 전극;
    상기 접지 전극과 거리를 두고 위치하며 상기 접지 전극을 향해 개방된 제2 방전 공간을 중심축과 나란하게 형성하는 구동 전극;
    상기 접지 전극과 상기 구동 전극 사이에 위치하며 상기 접지 전극과 상기 구동 전극의 내부로 소용돌이 흐름의 공기 또는 이산화탄소의 방전 가스를 제공하는 기체 주입부; 및
    상기 구동 전극과 전기적으로 연결되어 상기 구동 전극으로 교류 전압-전류 파형을 인가하는 교류 전원부
    를 포함하고,
    상기 교류 전원부는,
    상기 구동 전극에 1kHz 내지 999kHz 범위의 주파수를 인가하며,
    상기 구동 전극은 음극 침식 영역과 양극 침식 영역을 포함하고,
    상기 접지 전극은 상기 구동 전극을 향한 소구경부 및 상기 소구경부와 접하는 대구경부를 포함하고,
    상기 음극 침식 영역의 외측에 설치된 제1 솔레노이드와, 상기 대구경부의 외측에 설치된 제2 솔레노이드를 포함하는
    아크 플라즈마 토치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접지 전극은 원통 모양으로 형성되고, 상기 구동 전극은 측벽 및 상기 측벽의 가장자리와 접하는 원통부를 포함하는 아크 플라즈마 토치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 접지 전극과 상기 구동 전극은 각자의 중심축이 일치하도록 직선상으로 배치되는 아크 플라즈마 토치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 접지 전극을 둘러싸며 상기 접지 전극과의 사이에 제1 냉각 채널을 형성하는 제1 냉각 몸체;
    상기 구동 전극을 둘러싸며 상기 구동 전극과의 사이에 제2 냉각 채널을 형성하는 제2 냉각 몸체; 및
    상기 제1 냉각 몸체와 상기 제2 냉각 몸체 사이에 결합된 절연부
    를 더 포함하는 아크 플라즈마 토치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기체 주입부는 상기 절연부의 내부에 위치하며, 고리 모양으로 형성되고, 반경 방향으로부터 기 설정된 각도로 경사진 복수의 관통 홀을 형성하는 아크 플라즈마 토치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 냉각 몸체는 상기 접지 전극과 통전되고 접지 전원에 연결되며, 상기 제2 냉각 몸체는 상기 구동 전극과 통전되고 상기 교류 전원부에 연결되는 아크 플라즈마 토치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 접지 전극과 상기 구동 전극은 아래 조건을 만족하도록 형성되는 아크 플라즈마 토치.
    Figure 112012000258158-pat00005
    -- (1)
    여기서, D1은 상기 구동 전극의 내경이고, D2는 상기 접지 전극의 내경이다.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 접지 전극과 상기 구동 전극은 아래 조건을 만족하도록 형성되는 아크 플라즈마 토치.
    Figure 112010060384512-pat00006
    -- (2)
    여기서, L1은 상기 제2 방전 공간의 길이이고, L2는 상기 제1 방전 공간의 길이이다.
  9. 삭제
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제1 솔레노이드의 감긴 방향은 상기 제1 솔레노이드에 의해 유도된 자기장에 의한 아크점의 회전 방향이 상기 기체 주입부에 의한 방전 가스의 소용돌이 방향과 일치하도록 설정되는 아크 플라즈마 토치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 양극 침식 영역의 외측에 설치된 제3 솔레노이드를 더 포함하며,
    상기 제3 솔레노이드의 감긴 방향은 상기 제1 솔레노이드와 반대인 아크 플라즈마 토치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 솔레노이드와 상기 제3 솔레노이드 중 적어도 하나는 상기 교류 전원부에 연결되어 상기 교류 전원부에 의해 구동하는 아크 플라즈마 토치.
  13. 중심축을 관통하는 제1 방전 공간을 형성하는 접지 전극;
    상기 접지 전극과 거리를 두고 위치하며 상기 접지 전극을 향해 개방된 제2 방전 공간을 중심축과 나란하게 형성하는 구동 전극;
    상기 접지 전극과 상기 구동 전극 사이에 위치하며 상기 접지 전극과 상기 구동 전극의 내부로 소용돌이 흐름의 공기 또는 이산화탄소의 방전 가스를 제공하는 기체 주입부; 및
    상기 구동 전극과 전기적으로 연결되어 상기 구동 전극으로 교류 전압-전류 파형을 인가하는 교류 전원부
    를 포함하고,
    상기 교류 전원부는,
    상기 구동 전극에 1kHz 내지 999kHz 범위의 주파수를 인가하며,
    상기 구동 전극은 음극 침식 영역과 양극 침식 영역을 포함하고,
    상기 접지 전극은 상기 구동 전극을 향한 소구경부 및 상기 소구경부와 접하는 대구경부를 포함하고,
    상기 음극 침식 영역의 외측에 설치된 제1 영구 자석과, 상기 대구경부의 외측에 설치되는 제2 영구자석을 포함하는 아크 플라즈마 토치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 영구 자석의 N극/S극 위치는 상기 제1 영구 자석에 의해 유도된 자기장에 의한 아크점의 회전 방향이 상기 기체 주입부에 의한 방전 가스의 소용돌이 방향과 일치하도록 설정되는 아크 플라즈마 토치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 양극 침식 영역의 외측에 설치된 제3 영구 자석을 더 포함하며,
    상기 제3 영구 자석의 N극/S극 위치는 상기 제1 영구 자석과 반대인 아크 플라즈마 토치.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 솔레노이드의 감긴 방향과 상기 제2 솔레노이드의 감긴 방향은 서로 반대인 아크 플라즈마 토치.
  19. 삭제
  20. 제13항에 있어서,
    상기 제1 영구 자석의 N극/S극의 위치는 상기 제2 영구 자석의 N극/S극의 위치와 반대인 아크 플라즈마 토치.
  21. 삭제
  22. 제1항 내지 제8항, 제10항 내지 제15항, 제18항 및 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류 전원부는 상기 구동 전극의 작동 과정에서 상기 구동 전극에 가변 전력을 인가하는 아크 플라즈마 토치.
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