KR0146044B1

KR0146044B1 - Plasma torch with non-cooled plasma gas injection

Info

Publication number: KR0146044B1
Application number: KR1019900017994A
Authority: KR
Inventors: 라브로 막심; 핑누아 디디예르; 페일레라 쟝
Original assignee: 디디예르 고데쵸; 아에로스파샬레 소시에떼 나쇼날레 엥디스트리엘레
Priority date: 1989-11-08
Filing date: 1990-11-07
Publication date: 1998-08-17
Also published as: ATE114928T1; JP3006771B2; FR2654293B1; DE69014561D1; FR2654293A1; JPH03173099A; KR910011093A; EP0427591A1; ES2067000T3; EP0427591B1; CA2029505A1; DE69014561T2; CA2029505C; DK0427591T3

Abstract

The present invention relates to a plasma torch of the type comprising: - two tubular and coaxial electrodes (5 and 6), one a continuation of the other, each of them being arranged in a holder (3 and 4) in which there is provision for a cooling circuit (8 and 9) for the corresponding electrode; - means (12) for producing an initiating of an electric arc between the two electrodes, and, - means (16) for injecting a plasma-forming gas between said electrodes, comprising a component of revolution (17) coaxial with the said electrodes and defining with the latter and their holders a chamber (18) in which, by virtue of transverse orifices (17B) made in the component, the plasma-forming gas is injected. According to the invention, the said component of revolution (17) is devoid of internal means of cooling. <IMAGE>

Description

플라즈마겐 가스 비냉각 분사용 플라즈마 토오치Plasma torch for plasma-free gas uncooled injection

제1도는 본 발명에 따른 플라즈마 토오치의 한 실시예의 종단면도.1 is a longitudinal sectional view of one embodiment of a plasma torch according to the present invention;

제2도는 플라즈마겐 가스 분사편의 절단 사시도.2 is a cutaway perspective view of the plasmagen gas injection piece.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1:플라즈마 토오치 2:몸체1: Plasma Tochi 2: Body

3,4:원통형 지지부 5:음극3, 4: cylindrical support part 5: cathode

6:양극 8,9:냉각회로6: anode 8, 9: cooling circuit

8A,9A:냉각회로 입구 14:전자기 코일8A, 9A: Cooling circuit inlet 14: Electromagnetic coil

17:회전편 17B:오리피스17: Rotation piece 17B: Orifice

18:내부챔버 21:외부 케이싱18: inner chamber 21: outer casing

본 발명은 토오치 내에 마련되어 2개의 전극사이에 발생된 전기 아아크가 횡단하게되는 내부챔버안으로 플라즈마겐 가스를 분사시키는 전기 아아크 플라즈마 토오치에 관한 것이다. 토오치 출구에서의 플라즈마의 온도는 10,000℃를 넘을수도 있다.The present invention relates to an electric arc plasma torch provided in a torch to inject plasmagen gas into an inner chamber through which an electric arc generated between two electrodes is traversed. The temperature of the plasma at the torch exit may exceed 10,000 ° C.

대개의 플라즈마 토오치에 있어서, 2개의 전극은 하나가 다른 하나보다 긴 튜브형 및 동축형으로 이루어지며, 이들 각각은 하나의 지지부에 배열된다. 각각의 전극과 온도 도달에 따라 이를 둘러싸는 지지부사이에 냉각 회로를 마련할 필요가 있다. 더욱이, 전극들 사이에 전기 아아크를 발생시키기 위해서는 아아크를 일으키는 수단이 마련되며 이 수단은 2개의 전극들 사이에 생성된 전기 방전을 갖는 형태 또는 보조 시동 전극을 사용하는 단락 회로 형태이다. 대부분의 토오치들은 전기 아아크의 캐칭 피이트의 이동을 허용하여 튜브형 전극 내부표면의 어떠한 조기 마모도 피하도록 한 개의 전극 지지부 주위에 배열된 적어도 하나의 전자기 코일을 포함한다.In most plasma torches, the two electrodes are of tubular and coaxial one one longer than the other, each of which is arranged in one support. It is necessary to provide a cooling circuit between each electrode and the support surrounding it as the temperature is reached. Moreover, a means for generating an arc is provided to generate an electric arc between the electrodes, which means is in the form of an electrical discharge generated between the two electrodes or in the form of a short circuit using an auxiliary starting electrode. Most torches include at least one electromagnetic coil arranged around one electrode support to allow movement of the catching pits of the electric arc to avoid any premature wear of the tubular electrode inner surface.

공기와 같은 플라즈마겐 가스를 토오치 내부 챔버안으로 분사시키는 수단들은 대개 상기 전극들과 동축이며 전극 및 분사 챔버 지지부를 형성하는 회전편을 포함한다. 공급 회로로 부터의 플라즈마겐 가스를 챔버안에 분사하는 것을 허용하기 위해 상기 회전편에 횡단 오리피스가 마련된다. 회전편이 전기 아아크 및 플라즈마겐 가스를 수반하는 화학 반응에 의해 발생된 열 방사에 직접 노출되기 때문에 상기편은 금속 재료로 만들어지며 냉각회로를 포함한다. 이를 수행하기 위해, 냉각 유체의 순환을 위한 종방향 통로가 회전편에 마련된다. 예를들어, 이들 통로의 한 측면은 냉각 유체가 도달하는 원형편에 마련된 환형홈과 연통하며, 다른측면은 하방스트림 전극(플라즈마겐 가스의 순환에 대한)의 냉각 회로와 연통한다. 이렇게 배열되므로써, 동일한 냉각 유체가 분사편 및 전극의 냉각회로를 통해 이동한다.Means for injecting plasmagen gas, such as air, into the torch inner chamber usually include a rotating piece coaxial with the electrodes and forming an electrode and an injection chamber support. A transverse orifice is provided on the rotating piece to allow injection of plasmagen gas from the supply circuit into the chamber. Since the rotating piece is directly exposed to heat radiation generated by a chemical reaction involving electric arc and plasmagen gas, the piece is made of a metallic material and includes a cooling circuit. To do this, longitudinal passages for circulation of the cooling fluid are provided on the rotating piece. For example, one side of these passages communicates with an annular groove provided in a circular piece through which the cooling fluid reaches, while the other side communicates with the cooling circuit of the downstream stream electrode (for circulation of plasma gas). By this arrangement, the same cooling fluid is moved through the cooling circuit of the injection piece and the electrode.

그러나, 분사편이 금속으로 만들어져 전기적 전도성을 갖기 때문에 2개의 전극사이에 최대 절연을 보장하기 위해 전기적 비전도성인 장치를 제공하는 것은 필수적이다. 이 효과를 위해 비전도성 장치가 분사편과 상방스트림 전극 사이에 마련되며, 이는 또한 토오치의 상방 스트림 또는 후미단면을 열 스크린으로서 작용한다.However, it is essential to provide a device that is electrically non-conductive to ensure maximum insulation between the two electrodes since the jet is made of metal and is electrically conductive. For this effect, a non-conductive device is provided between the jet piece and the upstream electrode, which also acts as a thermal screen on the upstream or tail end of the torch.

따라서, 이들 플라즈마 토오치에서 야기된 단점과 온도의 도달에 기인하여 내부 냉각 회로를 갖는 플라즈마겐 가스 분사편의 복잡성 및 상기에 부가하여 플라즈마 토오치의 공간의 증가를 필요로 하는 비전도성 장치가 추가되는 점 및 이로 인한 토오치의 비용이 상승되는 등의 단점들이 있다.Therefore, a nonconductive device is added which requires the complexity of the plasmagen gas jetting piece having an internal cooling circuit due to the reaching of the temperature and the disadvantages caused in these plasma torches and in addition to the increase in the space of the plasma torch. There are disadvantages such as an increase in the cost of the torch.

본 출원인은 직면하는 온도에 따른 분사편의 특성을 연구하기 위해 분사편에 대한 다양을 통해 상술한 형태의 플라즈마 토오치의 단점을 극복하려했다.Applicants have attempted to overcome the shortcomings of the plasma torches of the type described above through a variety of jet pieces to study the properties of the jet pieces according to the temperature they face.

이들 시험의 결과는 분사편이 상상하는 것 만큼 높은 온도를 견디지 못한다는 것이다. 이 결과는 종방향 통로의 출구에서의 냉각 유체의 온도가 상기 통로의 입구에서 기록된 온도보다 단지 약간만 다르다는 것을 보여준다. 따라서, 본 출원인은 이로부터 신선한 플라즈마겐 가스가 챔버의 중간에서의 즉, 전기 아아크의 수준에서의 온도에 대해 분사편의 내부벽을 위한 효과적인 열 보호층을 포함하는 챔버의 방향으로의 오리피스를 통해 연속적으로 분사된다는 것을 알게되었다.The result of these tests is that the jets do not withstand temperatures as high as imagined. This result shows that the temperature of the cooling fluid at the outlet of the longitudinal passage is only slightly different than the temperature recorded at the inlet of the passage. Accordingly, the Applicant hereby continuously reports that fresh plasmagen gas is continuously passed through the orifice in the direction of the chamber, which includes an effective thermal protection layer for the inner wall of the jet in relation to the temperature in the middle of the chamber, i. I found out that it is sprayed.

따라서, 본 발명은 다양한 시험을 통해 노출된 예상하지 못한 결과들을 고려하여 현저하게 간단한 실시예이지만 종래 기술의 플라즈마 토오치와 유사한 기능을 수행할 수 있는 플라즈마 토오치에 관한 것이다.Accordingly, the present invention relates to a plasma torch that is capable of performing a function similar to the plasma torch of the prior art, although it is a remarkably simple embodiment in view of the unexpected results exposed through various tests.

이를 위해 상기 형태의 프라즈마 토오치는, 각각 대응 전극의 냉각회로를 갖춘 지지부에 배열되며 하나가 다른 것보다 긴 2개의 튜브형 및 동축형 전극과, 2개의 전극 사이에 전기 아아크를 일으키는 수단과, 전극에 대해 동축인 회전편을 갖추고 전극과 회전편에 만들어진 횐단 오리피스를 거쳐 플라즈마겐 가스가 분사되는 챔버 지지부를 형성하며 상기 전극들사이에 플라즈마겐 가스를 분사하는 수단을 포함하며, 상기 회전편은 내부 냉각 수단을 갖지 않는다.Plasma torch of this type for this purpose comprises two tubular and coaxial electrodes, each arranged on a support with cooling circuits of the corresponding electrodes, one longer than the other, means for generating an electric arc between the two electrodes, and A means for injecting plasma gas between the electrodes, the chamber supporting portion being provided with a rotating shaft coaxial with respect to the electrode and passing through an orifice made in the rotating piece, wherein the plasma piece is sprayed between the electrodes; No cooling means

따라서, 이들 시험의 예상하지 못한 결과에 의해 대체로 복잡한 회전편은 이를 관통하므로써 효과적인 분사 오리피스의 매우 용이한 실시예로부터 만들어진다.Thus, the unexpected results of these tests have resulted in a very easy embodiment of an effective injection orifice by penetrating a generally complex rotating piece.

양호하게도, 회전편은 전기적으로 비전도성인 비금속 재료로 만들어진다.Preferably, the rotating piece is made of a nonmetallic material that is electrically nonconductive.

사실상, 분사편은 높은 온도상태에 있지 않으므로 금속재료로 만들어질 필요가 없다. 분사편이 또한 비전도성이기 때문에 토오치의 추가공간을 필요로 하는 2개의 전극 사이에 미리 배열된 비전도성 및 열스크린을 마련할 필요가 없다.In fact, the blasting pieces do not need to be made of a metallic material since they are not at a high temperature. Since the jet is also non-conductive, there is no need to provide a pre-arranged non-conductive and thermal screen between the two electrodes requiring additional space in the torch.

따라서, 상술한 내용으로부터 토오치의 실시예가 현저하게 간단해지는 것을 알수 있다.Thus, it can be seen from the above description that the embodiment of the torch is significantly simplified.

회전편은 폴리테트라플루오르에틸렌과 같은 플라스틱 재료로 만들어지기도 한다.The rotating piece may be made of a plastic material such as polytetrafluoroethylene.

회전편은 왕관형 단면을 갖는 구조일 수 있다. 양호하게는 플라즈마겐 가스의 분사 오리피스가 상기 분사된 주위에 균일하게 배열된다.The rotating piece may be a structure having a crown-shaped cross section. Preferably an injection orifice of plasmagen gas is arranged uniformly around the injected circumference.

더욱이, 챔버에 분사된 플라즈마겐 가스가 와동 효과를 갖기 위해서는 토오치의 종방향축에수직한 평면에 횡단 분사 오리피스의 기하학적축들이 토오치를 향해 수렴되는 대신에 상기 종방향축을 향해 수렴되도록 이들의 위치에 대해 약간 오프셋된다.Furthermore, in order for the plasmagen gas injected into the chamber to have a vortex effect, the geometric axes of the transverse injection orifices in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the torch converge toward the longitudinal axis instead of converging toward the torch. Slightly offset relative to position.

첨부 도면은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 것이다. 이들 도면에 부여된 동일 부호는 동일 부분을 나타낸다.The accompanying drawings are for explaining embodiments of the invention. The same reference numerals given to these drawings denote the same parts.

제1도에서, 플라즈마 토오치(1)는 2개의 원통형 지지부(3, 4)를 포함하는 몸체(2)를 구비한다. 상방 스트림 전극 또는 음극(5)은 지지부(3)의 내측에 수납되며, 하방 스트림 전극 또는 양극(6)은 지지부(4)의 내측에 수납된다. 이들 전극(5, 6)은 튜브 형상을 취하며 종방향 축을 따라 서로 이격 배치되므로써 상기 축에 대해 동축으로 배열된다. 이들 전극은 전기 동력원(도시생략)에 연결된다.In FIG. 1, the plasma torch 1 has a body 2 comprising two cylindrical supports 3, 4. The upper stream electrode or cathode 5 is housed inside the support 3, and the lower stream electrode or anode 6 is housed inside the support 4. These electrodes 5, 6 take the form of tubes and are arranged coaxially with respect to the axis by being spaced apart from each other along the longitudinal axis. These electrodes are connected to an electrical power source (not shown).

또한, 각 지지부와 이의 대응 전극 사이에는 냉각 유체가 순환하는 냉각회로(8, 9)가 마련된다. 이들 냉각회로의 입구(8A, 9A)만이 도시되어 있다. 이들 냉각회로의 구조는 공지된 것으로 여기서는 더 이상 설명하지 않으며, 이들 회로는 냉각 유체 공급 지점에 연결된다.In addition, cooling circuits 8 and 9 through which cooling fluid circulates are provided between each support and its corresponding electrode. Only the inlets 8A, 9A of these cooling circuits are shown. The structure of these cooling circuits is known and will not be described further herein, and these circuits are connected to the cooling fluid supply point.

2개의 전극 사이에 전기 아아크(11)을 일으키기 위해서 이 실시예에에는 보조 시동 전극이 마련된다. 또한 측방향 자기장의 작용하에서 전기 아아크(11)의 피이트가 전극(5, 6)의 내부표면(5A, 6A)주위를 각각 이동하여 이들 전극의 어떠한 조기 마모도 피하도록 전자기 코일(14)이 상방스트림 전극(5)의 지지부 주위에 배열된다.An auxiliary starting electrode is provided in this embodiment in order to generate an electric arc 11 between two electrodes. Also, under the action of the lateral magnetic field, the electromagnetic coil 14 moves upward so that the pits of the electric arc 11 move around the inner surfaces 5A, 6A of the electrodes 5, 6, respectively, to avoid any premature wear of these electrodes. It is arranged around the support of the stream electrode 5.

플라즈마 토오치(1)는 또한 전기 아아크(11)가 생성되면 곧 전극(5, 6)사이에 공기와 같은 플라즈마겐 가스를 분사하는 수단(16)을 포함한다. 이들 수단(16)은 왕관형 단면을 가지며 전극(5, 6)의 대향 단부(5B, 6B)를 둘러싸는 회전편(17)을 포함한다. 따라서, 이 실시예에서 회전편(17)의 내부벽(17A), 전극의 단부(5B, 6B) 및 지지부(3)의 전면(3A)은 분사편(17)에 마련된 횡단 오리피스(17B)를 거쳐 플라즈마 가스가 분사되는 내부챔버(18)를 형성한다.The plasma torch 1 also includes means 16 for injecting a plasmagen gas, such as air, between the electrodes 5, 6 as soon as the electric arc 11 is produced. These means 16 comprise a rotating piece 17 having a crown-shaped cross section and surrounding opposite ends 5B, 6B of the electrodes 5, 6. Thus, in this embodiment, the inner wall 17A of the rotating piece 17, the end portions 5B, 6B of the electrode and the front surface 3A of the support part 3 go through a transverse orifice 17B provided in the injection piece 17. An inner chamber 18 through which the plasma gas is injected is formed.

플라즈마 가스는 공급지점(도시생략)으로부터 유도되어 토오치 몸체(13)의 외부 케이싱(21)과 분사편(17)의 외부벽(17C)사이에 형성된 환형 공간(20)의 지점(19)에 도달한다.Plasma gas is derived from a supply point (not shown) at a point 19 of the annular space 20 formed between the outer casing 21 of the torch body 13 and the outer wall 17C of the jet piece 17. To reach.

상술한 이유로 인해, 본 발명의 분사편(17)은 내부 냉각 수단을 갖지 않는다. 사실상, 챔버(18)에 분사된 냉각 플라즈마겐 가스는 분사편의 내부벽(17A)에 대해 밀폐부를 구성하는데 이는 챔버(18)내측의 전기 아아크(11)에 의해 발생된 높은 온도에 대해 보호하기 위한 열장벽과 같은 것이다. 제2도에 더욱 상세히 도시된것처럼 분사편(17)의 실시예는 현저하게 간단하다. 따라서, 분사편(17)주위에 균일하게 분포한 분사 오리피스(17B)의 구멍은 어떠한 문제도 일으키지 않는다.For the reason mentioned above, the injection piece 17 of this invention does not have internal cooling means. In fact, the cold plasma gas injected into the chamber 18 constitutes a seal against the inner wall 17A of the jet, which is heat to protect against the high temperatures generated by the electric arc 11 inside the chamber 18. It's like a barrier. The embodiment of the jetting piece 17 is remarkably simple as shown in more detail in FIG. Therefore, the hole of the injection orifice 17B uniformly distributed around the injection piece 17 does not cause any problem.

제2도에서, 토오치의 종방향 축(7)에 대응하는 분사편(17)의 종방향 축에 수직한 평면에 포함된 분사 오리피스(17B)의 기하학적축(17D)은 토오치를 향해 수렴되기 위한 위치에 대해 약간 오프셋된다. 분사 오리피스(17B)의 오프셋 방향은 와동 효과를 갖고 챔버(18)에 분사된 플라즈마겐 가스를 유리하게 제공하는 것을 가능하게 해준다.In FIG. 2, the geometric axis 17D of the injection orifice 17B contained in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the injection piece 17 corresponding to the longitudinal axis 7 of the torch converges toward the torch. Slightly offset relative to the position to be. The offset direction of the injection orifice 17B has a vortex effect and makes it possible to advantageously provide the plasmagen gas injected into the chamber 18.

분사편은 고온하에 있지 않으므로써 폴리테트라플루오르에틸렌과 같은 양호하게는 전기적으로 비전도성인 플라스틱 재료로 제조되기도 한다. 이러한 플라스틱 편은 2개의 전극(5, 6)사이에 전기 부전도체로써 또한 작용하여 종래 기술의 플라즈마 토오치에서 마련하였던 열장벽 및 부전도성 장치를 더 이상 마련할 필요가 없게해준다.The jet pieces may also be made of a preferably electrically nonconductive plastic material such as polytetrafluoroethylene without being at high temperatures. This plastic piece also acts as an electrical non-conductor between the two electrodes 5, 6, eliminating the need to provide thermal barriers and non-conductive devices no longer provided in plasma torches of the prior art.

제1도는 본 발명에 따라 얻어진 플라즈마 토오치의 필요 공간이 작은 것을 도시한다.FIG. 1 shows that the required space of the plasma torch obtained according to the present invention is small.

Claims

각각 대응 전극의 냉각회로를 갖춘 지지부에 배열되며 하나가 다른것보다 긴 2개의 튜브형 및 동축형 전극과, 2개의 전극 사이에 전기 아아크를 일으키는 수단과, 전극에 대해 동축인 회전편을 갖추고 전극과 회전편에 만들어진 횡단 오리피스를 거쳐 플라즈마겐 가스가 분사되는 챔버 지지부를 형성하며 상기 전극들 사이에 플라즈마겐 가스를 분사하는 수단을 포함하는 플라즈마 토오치에 있어서, 회전편이 내부 냉각 수단을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 플라즈마토오치.Two tubular and coaxial electrodes, one arranged on a support with cooling circuits of the corresponding electrodes, one longer than the other, means for generating an electric arc between the two electrodes, a rotating piece coaxial to the electrode, A plasma torch, comprising means for injecting plasma gas into the plasma support via a transverse orifice made on the rotating piece, wherein the rotating piece does not have internal cooling means. Plasma torch.

제1항에 있어서, 회전편이 전기적으로 비전도성인 비금속 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 토오치.The plasma torch of claim 1, wherein the rotating piece is made of an electrically non-conductive non-metallic material.

제1항에 있어서, 회전편이 플라스틱 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 토오치.The plasma torch of claim 1, wherein the rotating piece is made of a plastic material.

제3항에 있어서, 플라스틱 재료가 폴리테트라플루오르에틸렌인 것을 특징으로 하는 플라즈마 토오치.4. The plasma torch of claim 3 wherein the plastic material is polytetrafluoroethylene.

제1항에 있어서, 회전편이 왕관형을 취하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토오치.The plasma torch of claim 1, wherein the rotating piece has a crown shape.

제1항에 있어서, 플라즈마겐 가스의 분사 오리피스가 분사편 주위에 균일하게 배열된 것을 특징으로 하는 플라즈마 토오치.The plasma torch of claim 1, wherein the injection orifices of the plasmagen gas are uniformly arranged around the injection pieces.

제1항에 있어서, 토오치의 종방향 축에 수직한 평면에 포함된 플라즈마겐 가스의 횡단 분사 오리피스의 기하학적 축이 토오치를 향해 수렴하는 대신에 상기 종방향 축을 향해 수렴하도록 이들의 위치에 대해 약간 오프셋되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토오치.2. The method of claim 1, wherein the geometric axis of the cross injection orifice of plasmagen gas contained in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the torch converges toward the longitudinal axis instead of converging toward the torch. Plasma torch, characterized in that slightly offset.