KR20180061966A - 막대-노즐형 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 막대-노즐형 플라즈마 토치는 지지대와 상기 지지대의 일단에 결합되는 전극팁으로 구성되는 막대전극;과 내부에 홈이 형성된 노즐전극과 상기 노즐전극에 상기 전극팁이 삽입되어 플라즈마를 발생시키는 원통형몸체;로 구성된다.

Description

막대-노즐형 플라즈마 토치{ROD-NOZZLE TYPE PLASMA TORCH}

본 발명은 막대-노즐형 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 더 자세하게는 후방전극으로 막대형이 삽입되고 전방전극의 노즐 내부에 홈이 형성된 장치에 관한 것이다.

플라즈마 소각 및 용융 등에 널리 쓰이는 토치는 1950년대부터 산업현장에 본격적으로 사용되기 시작한 이후로 토치의 성능향상이 꾸준히 진행되어왔다. 특히, 최근 들어, 대출력 소각 및 용융 장치에 있어서, 비이송-이송 혼성 운전을 통한 에너지 효율 향상이 중요하게 인식됨에 따라, 혼성 운전(Dual Mode)이 가능한 역극성 플라즈마 토치의 적용 가능성에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 한편, 양극과 음극으로 구성된 직류 플라즈마 토치들 내부에서 아크의 양극점과 음극점의 거동을 살펴보면, 양극점은 상대적으로 움직임이 고정적인 반면, 음극점은 유량이나 전극 구조에 따라 유동 방향으로 쉽게 밀려나가는 특성을 가지고 있다. 따라서, 종래의 역극성 막대-노즐형 플라즈마 토치의 경우, 양극점은 버튼형 막대 전극 표면에 고정되는 반면, 음극점은 개방된 노즐 음극을 따라 쉽게 밀려나갈 수 있어, 결과적으로 아크 길이가 길어지고, 혼성 운전 시, 토치 바깥 타겟 모재로 쉽게 이동할 수 있다는 장점을 가지게 된다.

이러한 음극점의 자유로운 이동성은 축방향 아크 요동의 주요 원인이 되어, 비이송식 운전 시, 노즐 내부 및 토치 외부 표면을 가리지 않고 일어나는 비정상적 아킹 등을 유발함으로써, 역극성 막대-노즐형 플라즈마 토치들의 고질적인 문제인 공정 신뢰성 저하의 핵심 요인으로 작용할 수 있다. 이러한 축방향 아크 요동을 효율적으로 제어하는 종래의 방법으로, 예를 들어, 노즐 내부 구조를 계단형태로 가공하여 사용하는 것이 소개되어 있다. 노즐 내부 구조를 출구 방향으로 확장해 나가는 방식으로 계단 형태로 가공하면, 노즐 내부 유체들이 계단을 지나면서 급확장에 의한 난류 영역을 발생시킬 수 있는데, 이렇게 발생된 난류 영역에서는 유동의 속도가 떨어지고 맴돌이가 발생하므로, 음극점을 상대적으로 더 많이 머무르게 유도할 수 있어 축방향 아크 요동이 줄어들 수 있다는 사실이 잘 알려져 있다.

그러나, 난류 발생을 위해, 노즐 전극을 계단형으로 설계하면, 노즐 출구로 감에 따라 직경을 크게 만들어야 하는데, 이 경우, 토치 노즐을 빠져나가는 플라즈마 젯트의 속도가 감소하고 상대적으로 젯트가 반경방향으로 분산되는 효과를 가져온다. 이에 따라, 빠르고 집중된 고 엔탈피 플라즈마 젯트를 요구하는, 용사 코팅 및 소각 용융 등의 소재 공정분야에서는 계단형 노즐을 채택한 플라즈마 토치들의 성능이 오히려 떨어지는 역효과를 가져올 수 있다는 단점이 있다.

등록특허공보 제호(공고일자: 2005.05.03)

본 발명의 실시 예는 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 후방전극으로 삽입형 막대 타입의 노즐(전극팁)이 사용되고 전방전극의 노즐전극 내부에 홈을 설계하고 난류 영역을 발생시켜서 축 방향 아크 요동을 줄일 수 있는 장치를 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 막대-노즐형 플라즈마 토치는 지지대와 상기 지지대의 일단에 결합되는 전극팁으로 구성되는 막대전극;과 내부에 홈이 형성된 노즐전극과 상기 노즐전극에 상기 전극팁이 삽입되어 플라즈마가 발생되는 원통형몸체;로 구성된다.

바람직하게, 상기 전극팁은 텅스텐 또는 토륨이 도핑된 텅스텐으로 되어있으며, 탈부착이 가능한 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 노즐전극은 홈을 기준을 전극이 두 개로 나누어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명 막대-노즐형 플라즈마 토치는 후방전극으로 삽입형 막대 노즐을 적용하고 전방전극 노즐 내벽에 홈을 설치함으로써 난류발생 구조를 노즐 전극에 부여하고 아크의 축 방향 요동을 억제해주면서 노즐 출구의 직경을 확장할 필요가 없으며, 노즐을 빠져나가는 플라즈마 젯트의 속도와 온도분포를 유지 할 수 있다.

또한 고속, 고엔탈피 플라즈마 젯트를 타겟 모재에 집중적이고 안전하게 전달 할 수 있다.

도 1은 본 발명 막대-노즐형 플라즈마 토치의 단면도,
도 2는 본 발명 막대-노즐형 플라즈마 토치의 부분 단면도.

본 발명의 실시 예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명 막대-노즐형 플라즈마 토치의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 막대-노즐형 플라즈마 토치는, 지지대(110)와 지지대(110)의 일단에 결합되는 전극팁(120)으로 구성되는 막대전극(100)과, 내부에 홈(211)이 형성된 노즐전극(210)과 노즐전극(210)에 전극팁(120)이 삽입되어 플라즈마가 발생되는 원통형 몸체(200)로 구성된다.

전극팁(120)은 텅스텐 또는 토륨이 도핑된 텅스텐으로 되어있으며, 전극팁(120)이 노즐전극(210)에 삽입되고, 노즐전극(210)과 반응하여 플라즈마가 생성된다. 이때, 텅스텐 또는 토륨이 도핑된 텅스텐은 장시간 사용 시 마모가 되므로 교체가 가능도록 지지대(110)에 결합 된다.

노즐전극(210)은 내부에 두 개의 전극이 맞대어 홈(211)이 형성된다. 또한 두 개의 전극은 홈(211)을 기준으로 전기적으로 절연되어 있다. 홈(211)에 의한 난류 발생 구조를 노즐전극(210)에 부여하여 유동의 속도가 떨어지고 맴돌이가 발생하므로 음극점을 상대적으로 더 많이 머무르게 유도할 수 있어 축방향 아크 요동이 줄어든다.

또한, 노즐전극(210) 내부에 홈(211)을 형성하기 위해서는 위에 제시된 방법뿐 아니라 다양한 방법으로 만들 수 있다. 즉, 두 개의 전극 사이에 절연물을 두고 이어서 구현하거나, 하나의 노즐전극(210) 내부에 선반가공 등을 통해 홈(211)을 형성할 수도 있다. 노즐전극(210) 내부에 홈을 형성하여 난류를 발생 할 수 있으면 다양한 방법을 사용해도 무관하다.

도2에 도시된 바와 같이 노즐전극(210)은 직경 d의 노즐 내부에 폭 W, 깊이 H의 홈(211)을 막대전극 전극팁(120)으로 부터 거리 P만큼 떨어진 곳에 형성된다.

홈(211)이 형성되어 아크 요동에 미치는 효과를 알아보기 위해 임의의 설정 값을 적용하여 그래프를 통해 알아보도록 한다.

직경 7mm 노즐 내부에 홈 폭과 깊이가 각각 2,1mm인 홈을 전극팁으로부터 3mm 떨어진 위치에 설치하고 동일 직경 및 길이의 원통형 노즐을 비교 실험하기 위해 동일 토치에 사용한다.(d=7mm, W=2mm, H=1mm, P=3mm)

토치 운전변수로 수소함량은 20%로 고정하고 플라즈마 기체의 유량을 40~60l/min으로, 아크전류는 500~800A까지 변화시킨다.

(그래프1)

그래프1은 원통형 노즐과 홈이 형성된 노즐에서 측정된 아크전류에 따른 평균 아크전압을 나타낸 것으로서, 원통형 노즐의 경우에 전류에 따라 감소하는 경향을 보이는 반면 홈이 형성된 노즐의 경우 오히려 증가하는 것을 볼 수 있다. 500A에서 5~10V 정도인 두 노즐의 아크전압 차는 전류에 따라 감소하여 유량조건에 따라 800A 부근에서 역전되는 것을 볼 수 있다.

(그래프2)

그래프2는 아크전압의 동적인 변화를 측정한 것으로 원통형 노즐과 홈이 형성된 노즐의 아크전압 요동폭(표준편차)의 변화를 비교한 것으로서, 아크 전압 요동 폭 변화곡선에서 아크전압 요동 폭은 두 노즐 모두에서 기체유량이 커질수록 증가하고 반대로 아크전류가 커지면 감소함을 보이고 있다.

그래프1과 그래프2의 실험 결과로부터 홈이 형성된 노즐은 같은 유량 조건일 경우 800A이상의 고출력에서 운전될 때 더 높은 출력을 안정된 형태로 얻을 수 있다.

그래프3과 그래프4를 통해 노즐전극 내부에 형성된 홈이 플라즈마 젯트의 속도 및 온도 분포에 미치는 효과를 알아보기로 한다.

직경 7mm 노즐 내부에 홈 폭과 깊이가 각각 2,1mm인 홈을 전극팁으로부터 3mm 떨어진 위치에 설치하고 동일 직경 및 길이의 원통형 노즐을 비교 실험하기 위해 동일 토치에 사용한다.(d=7mm, W=2mm, H=1mm, P=3mm)

이때 예상되는 플라즈마 젯트의 속도 및 온도를, 아크전류 600A, 플라즈마 기체유량 50l/min, 수소함량 10%의 Ar 가스인 조건에서 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 각각 비교하여 나타낸 것으로서 그래프3은 플라즈마의 속도를 나타낸 그래프이며 그래프4는 플라즈마 온도분포를 나타낸 그래프이다.

(그래프3)

(그래프4)

그래프3과 그래프4의 비교로부터 홈이 형성된 노즐의 경우 원통형 노즐에 비해 오히려 플라즈마 속도 및 온도가 축방향으로 확장되는 효과가 있음을 알 수 있으며 결과적으로 동일한 직경의 원통형 노즐에 비하여 출구에서 플라즈마 속도 및 온도 감소가 거의 없음을 알 수 있다.

따라서 홈이 형성된 노즐의 경우 출구에서 플라즈마 속도 및 온도 감소 없이 아크 요동 억제 효과를 얻을 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

10 : 토치 100 : 막대전극
110 : 지지대 120 : 전극팁
200 : 원통형몸체 210 : 노즐전극
211 : 홈 D: 노즐 직경
W : 노즐 폭 H : 노즐 깊이
P : 노즐홈과 막대전극 팁까지의 거리
Z : 전방전극 노즐의 길이

Claims (3)

1. 막대-노즐형 플라즈마 토치에 있어서,
   지지대와 상기 지지대의 일단에 결합되는 전극팁으로 구성되는 막대전극;
   내부에 홈이 형성된 노즐전극과 상기 노즐전극에 상기 전극팁이 삽입되어 플라즈마가 발생되는 원통형몸체;
   를 포함하는 막대-노즐형 플라즈마 토치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전극팁은 텅스텐 또는 토륨이 도핑된 텅스텐으로 되어있으며, 탈부착이 가능한 것을 특징으로 하는 막대-노즐형 플라즈마 토치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 노즐전극은 홈을 기준으로 전극이 두 개로 나누어지는 것을 특징으로 하는 막대-노즐형 플라즈마 토치.

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