(57)【要約】本発明の実施形態に係るバーノズル型プラズマトーチは、支持台と、前記支持台の一端に結合される電極チップとからなるバー電極；及び内部に溝を有するノズル電極が設けられ、前記ノズル電極に前記電極チップが挿入されてプラズマが発生する円筒状胴体；を含んでなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バーノズル型プラズマトーチにおいて、
支持台と、該支持台の一端に結合される電極チップとからなるバー電極；及び
内部に溝を有するノズル電極が設けられ、該ノズル電極に前記電極チップが挿入されてプラズマが発生する円筒状胴体；を含んでなる、バーノズル型プラズマトーチ。
【請求項２】
前記電極チップは、タングステン、またはトリウムがドーピングされたタングステンからなっており、着脱が可能であることを特徴とする、請求項１に記載のバーノズル型プラズマトーチ。
【請求項３】
前記ノズル電極は、溝を基準に電極が二つに分けられることを特徴とする、請求項１に記載のバーノズル型プラズマトーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バーノズル型プラズマトーチに係り、より詳細には、後方電極にバータイプが挿入され、前方電極のノズル内に溝が設けられた装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ焼却や溶融などに広く使われるトーチは、１９５０年代から産業現場に本格的に使用され始めて以来、トーチの性能向上が着実に進められてきた。特に、最近、大出力焼却及び溶融装置において、非移送−移送混成運転によるエネルギー効率の向上が重要に認識されることにより、混成運転（Ｄｕａｌ  Ｍｏｄｅ）が可能な逆極性プラズマトーチの適用可能性に関する研究が多く行われている。一方、陽極と陰極からなる直流プラズマトーチの内部でアークの陽極点と陰極点の挙動を考察すると、陽極点は相対的に動きが固定的であるのに対し、陰極点は流量または電極構造に応じて流動方向に容易に押し出される特性を持っている。したがって、従来の逆極性バーノズル型プラズマトーチの場合、陽極点はボタン型バー電極の表面に固定されるのに対し、陰極点は開放されたノズル陰極に沿って容易に押し出されるので、結果的にアーク長が長くなり、混成運転の際に、トーチの外側ターゲット母材へ容易に移動することができるという利点を持つ。
【０００３】
このような陰極点の自由な移動性は、軸方向アーク揺動の主な原因となり、非移送式運転の際に、ノズルの内部およびトーチの外部表面を問わずに起こる非正常的アークなどを誘発することにより、逆極性バーノズル型プラズマトーチの慢性的な問題である工程信頼性低下の核心要因として作用することができる。このような軸方向アーク揺動を効率よく制御する従来の方法として、例えば、ノズルの内部構造を階段状に加工して使用する方式が紹介されている。ノズルの内部構造を出口方向に拡張していく方式で階段状に加工すると、ノズル内の流体が階段を経て急拡張による乱流領域を発生させることができるが、このように発生した乱流領域では、流動の速度が低下し且つ渦が発生するので、陰極点を相対的にさらに多く留まるように誘導することができるため、軸方向アーク揺動が減少することができるという事実がよく知られている。
【０００４】
しかし、乱流発生のために、ノズル電極を階段状に設計すれば、ノズルの出口に行くにつれて直径を大きくしなければならないが、この場合、トーチノズルを抜け出すプラズマジェットの速度が減少し、相対的にジェットが半径方向に分散される効果をもたらす。これにより、高速且つ集中した高エンタルピープラズマジェットを要求する、溶射コーティングおよび焼却溶融などの素材工程分野では、階段状ノズルを採用したプラズマトーチの性能がむしろ低下する悪影響をもたらすおそれがあるという欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】韓国登録特許公報第号（公告日：２００５年５月３日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、このような従来技術の問題点を解決するためのもので、その目的は、後方電極に挿入型バーノズル（電極チップ）を使用し、前方電極のノズル電極内に溝を設計し、乱流領域を発生させて軸方向アーク揺動を減らすことができる装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の実施形態に係るバーノズル型プラズマトーチは、支持台と、前記支持台の一端に結合される電極チップとからなるバー電極と；内部に溝を有するノズル電極が設けられ、該ノズル電極に前記電極チップが挿入されてプラズマが発生する円筒状胴体とを含んでなる。
【０００８】
好ましくは、前記電極チップは、タングステン、またはトリウムがドーピングされたタングステンからなっており、着脱が可能であることを特徴とする。
【０００９】
好ましくは、前記ノズル電極は、溝を基準に電極が二つに分けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のバーノズル型プラズマトーチは、後方電極に挿入型バーノズルを適用し、前方電極のノズル内壁に溝を設けることにより、乱流発生構造をノズル電極に付与し、アークの軸方向揺動を抑制しながらノズル出口の直径を拡張する必要がなく、ノズルを抜け出すプラズマジェットの速度及び温度分布を維持することができる。
【００１１】
また、高速、高エンタルピープラズマジェットをターゲット母材に集中的かつ安全に伝達することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のバーノズル型プラズマトーチの断面図である。
【図２】本発明のバーノズル型プラズマトーチの部分断面図である。
【図３】ノズル構造によるアーク電流とアーク電圧との関係を示すグラフである。
【図４】ノズル構造によるアーク電流とアーク電圧の揺動幅（標準偏差）との関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係るノズル構造のプラズマ速度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】本発明に係るノズル構造のプラズマ温度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態で提示される特定の構造乃至機能説明は、単に本発明の概念による実施形態を説明するための目的で例示されたものであり、本発明の概念による実施形態は、様々な形態で実施できる。また、本明細書に説明された実施形態に限定されるものと解釈されてはならず、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更物、均等物ないし代替物を含むものと理解されるべきである。
【００１４】
以下、添付図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明のバーノズル型プラズマトーチの断面図である。
【００１６】
図１に示すように、バーノズル型プラズマトーチは、支持台１１０と、支持台１１０の一端に結合される電極チップ１２０とからなるバー電極１００；及び内部に溝２１１を有するノズル電極２１０が設けられ、ノズル電極２１０に電極チップ１２０が挿入されてプラズマが発生する円筒状胴体２００；を含んでなる。
【００１７】
電極チップ１２０は、タングステン、またはトリウムがドーピングされたタングステンからなっている。電極チップ１２０がノズル電極２１０に挿入され、ノズル電極２１０と反応してプラズマが生成される。このとき、タングステン、またはトリウムがドーピングされたタングステンは、長時間使用すると摩耗するので、交換可能に支持台１１０に結合される。
【００１８】
ノズル電極２１０は、内部に２つの電極が突き合わせられて溝２１１が設けられる。また、２つの電極は溝２１１を基準に電気的に絶縁されている。溝２１１による乱流発生構造をノズル電極２１０に付与することにより流動の速度が低下し且つ渦が発生するので、陰極点を相対的に多く留まるように誘導することができるため、軸方向アーク揺動が減少する。
【００１９】
また、ノズル電極２１０の内部に溝２１１を設けるためには、上述した方法だけでなく、様々な方法を使用することができる。つまり、二つの電極の間に絶縁物を介在して繋いで実現するか、或いは１つのノズル電極２１０内に棚加工などを介して溝２１１を設けることもできる。ノズル電極２１０内に溝を設けて乱流を発生することができれば、さまざまな方法を使ってもよい。
【００２０】
図２に示すように、ノズル電極２１０は、直径ｄのノズル内に幅Ｗ、深さＨの溝２１１をバー電極の電極チップ１２０からの距離Ｐだけ離れたところに設ける。
【００２１】
溝２１１が設けられてアーク揺動に及ぼす効果を、任意の設定値を適用してグラフから調べるようにする。
【００２２】
直径７ｍｍのノズル内に、幅と深さがそれぞれ２ｍｍ、１ｍｍの溝を電極チップから３ｍｍ離れた位置に設置し、同じ直径及び長さの円筒状ノズルを比較実験するために同一トーチに使用する。（ｄ＝７ｍｍ、Ｗ＝２ｍｍ、Ｈ＝１ｍｍ、Ｐ＝３ｍｍ）
【００２３】
トーチの運転変数として、水素含有量は２０％に固定し、プラズマガスの流量は４０〜６０ｌ／ｍｉｎに変化させ、アーク電流は５００〜８００Ａまで変化させる。
【００２４】
図３は円筒状ノズルと溝付きノズルから測定されたアーク電流による平均アーク電圧を示すものである。図３から、円筒状ノズルの場合には電流に応じて減少する傾向を示す一方、溝付きノズルの場合にはむしろ増加することを確認することができる。５００Ａで５〜１０Ｖ程度の両ノズルのアーク電圧差は、電流に応じて減少し、流量の条件に応じて８００Ａ付近で逆転することを確認することができる。
【００２５】
図４はアーク電圧の動的な変化を測定したもので、円筒状ノズルと溝付きノズルのアーク電圧揺動幅（標準偏差）の変化を比較したものである。アーク電圧揺動幅の変化曲線では、アーク電圧揺動幅は、両ノズルのすべてでガス流量が大きくなるほど増加し、逆にアーク電流が大きくなると減少することを示している。
【００２６】
図３及び図４の実験結果から、溝付きノズルは、同じ流量条件の場合には、８００Ａ以上の高出力で運転されるときにさらに高い出力を安定した形で得ることができる。
【００２７】
図５及び図６から、ノズル電極の内部に設けられた溝がプラズマジェットの速度及び温度分布に及ぼす効果を調べる。
【００２８】
直径７ｍｍのノズル内に、溝の幅と深さがそれぞれ２ｍｍ、１ｍｍの溝を電極チップから３ｍｍ離れた位置に設置することにより、同じ直径及び長さの円筒状ノズルを比較実験するために同一トーチに使用する。（ｄ＝７ｍｍ、Ｗ＝２ｍｍ、Ｈ＝１ｍｍ、Ｐ＝３ｍｍ）
【００２９】
この時、予想されるプラズマジェットの速度及び温度を、アーク電流６００Ａ、プラズマガス流量５０ｌ／ｍｉｎ、水素含有量１０％のＡｒガスである条件で、コンピュータシミュレーションによってそれぞれ比較して示したもので、図５はプラズマの速度を示すグラフであり、図６はプラズマの温度分布を示すグラフである。
【００３０】
図５と図６の比較から、溝付きノズルの場合は、円筒状ノズルに比べてむしろプラズマの速度及び温度が軸方向に拡張される効果があることが分かり、結果として、同じ直径の円筒状ノズルに比べて出口におけるプラズマの速度及び温度の低下が殆どないことが分かる。
【００３１】
したがって、溝付きノズルの場合は、出口におけるプラズマの速度及び温度の低下なしにアーク揺動抑制効果を得ることができる。
【００３２】
以上で説明した本発明は、前述した実施形態及び添付図面によって限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱することなく、様々な置換、変形及び変更が可能であることは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明らかであろう。
【符号の説明】
【００３３】
１０    トーチ
１００    バー電極
１１０    支持台
１２０    電極チップ
２００    円筒状胴体
２１０    ノズル電極
２１１    溝
Ｄ    ノズル直径
Ｗ    ノズル幅
Ｈ    ノズル深さ
Ｐ    ノズル溝とバー電極チップとの距離
Ｚ    前方電極ノズルの長さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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