KR20040107334A - Microwave plasma torch for cutting, welding, and local -heating - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수천도 이상의 고온을 발생시키는 제트 플라즈마를 이용하여 금속의 절단, 용접, 국부 가열장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 통상의 2.45 ㎓ 전자파 발진기를 이용하여 마이크로웨이브를 발생시켜 쉽고도 경제적으로 고온의 플라즈마를 생성하는 것이며 플라즈마 노즐에 따라 직경 수백 ㎛에서 수십 mm의 고온의 열 플라즈마를 이용하여 금속의 절단, 용접 및 국부적으로 가열하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a metal cutting, welding, and local heating apparatus using a jet plasma that generates a high temperature of thousands of degrees or more, and more particularly, to generate microwaves using a conventional 2.45 kW electromagnetic wave oscillator, and easily and economically. The present invention relates to an apparatus for generating a high temperature plasma and cutting, welding and locally heating a metal using a high temperature thermal plasma of several hundred micrometers to several tens of millimeters in diameter depending on the plasma nozzle.
일반적으로 플라즈마 절단기는 전극과 모재 사이에 전기적 아크를 발생시키면서 이 아크에 노즐을 통하여 공기를 분사시키면 공기가 아크 기류를 통과하면서 이온화되어 고속, 고온의 제트 플라즈마가 형성되면서 모재를 절단하는 것이다.In general, a plasma cutting machine generates an electric arc between an electrode and a base metal, and when air is injected through the nozzle through the nozzle, the air is ionized while passing through the arc airflow, thereby cutting the base metal while forming a high-speed, high-temperature jet plasma.
기존의 높은 온도의 열원을 제공하는 직류 아크 토치, 유도 결합 플라즈마 토치와 축전결합고주파토치 등의 다양한 플라즈마 토치가 있다. 직류아크토치는 두 전극 사이에 직접 전장을 인가하므로 전극 산화에 따른 교체의 번거로움과 수백 암페어 이상의 높은 전류를 사용하므로 고가의 전류공급장치가 필요한 동시에 많은 전력 소비와 운전비용이 든다. 또한 유도 결합 플라즈마 토치와 축전결합 고주파 플라즈마 토치의 에너지 효율이 40 % 미만으로 매우 떨어지는 문제가 있다.There are a variety of plasma torches, such as direct current arc torches, inductively coupled plasma torches and capacitively coupled high frequency torches, which provide conventional high temperature heat sources. DC arc torch directly applies electric field between two electrodes, so it is troublesome to replace electrode and uses high current of more than hundreds of amperes. Therefore, expensive current supply device requires high power consumption and operation cost. In addition, there is a problem that the energy efficiency of the inductively coupled plasma torch and the capacitively coupled high frequency plasma torch is very low to less than 40%.
결국, 이러한 기존의 플라즈마 토치는 플라즈마의 생성 비용이 높고 부대설비가 많다.As a result, such a conventional plasma torch has a high generation cost of plasma and many additional facilities.
2003년 2월 26일자에 등록된 한국 특허 제 0375423호는 본 발명자 중에 홍(HONG)에 의해 고안된 것으로 섭씨 5000 ~ 6000도의 전자파 플라즈마 토치를 이용하여 디젤 엔진에서 배출되는 매연을 제거하는 장치에 관한 것이다. 이 발명에 따르면, 디젤 엔진에서 배출되는 매연을 전자파 플라즈마에 접하게 함으로써 매연을 산화 제거하는 것으로 전자파 플라즈마 토치를 이용한 것이다. 이 전자파 플라즈마 토치는 방전관의 내경이 22 ~ 30 mm를 이용한 것으로,본 발명과 같이 고온 영역의 플라즈마를 직경이 수백 ㎛로 제어하여 절단 및 국부 가열되는 모재에 집중화하기는 어려움이 있다.Korean Patent No. 0375423, registered on February 26, 2003, was devised by HONG of the present inventors and relates to an apparatus for removing smoke emitted from a diesel engine using an electromagnetic plasma torch of 5000 to 6000 degrees Celsius. . According to this invention, an electromagnetic plasma torch is used to oxidize and remove soot by contacting the electromagnetic plasma with soot discharged from a diesel engine. The electromagnetic plasma torch uses an inner diameter of 22 to 30 mm in the discharge tube, and as in the present invention, it is difficult to centralize the plasma in a high temperature region to a few hundred μm in diameter and to concentrate it on the base material to be cut and locally heated.
본 발명은 상기 설명한 종래의 단점을 극복하면서 상기 기술한 홍(HONG)의 한국 특허의 장점을 접목한 것으로서 통상의 전자파 발진기를 이용하여 마이크로웨이브를 특정한 위치에 집속시켜 매우 강한 전기장을 유도하고 이를 통하여 온도가 높은 전자파 플라즈마 토치를 발생하여 절단, 용접, 국부가열 장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention is a combination of the advantages of the above-described Korean patent of Hong (HONG) while overcoming the above-described disadvantages by using a conventional electromagnetic wave oscillator to focus the microwave at a specific location to induce a very strong electric field through Its purpose is to provide a high temperature electromagnetic plasma torch to provide cutting, welding and local heating devices.
도 1은 본 발명을 예시한 종단면도,1 is a longitudinal cross-sectional view illustrating the present invention;
도 2는 도 1에서 참조 숫자 80 으로 표시된 부분의 횡단면도,FIG. 2 is a cross sectional view of a portion indicated by reference numeral 80 in FIG. 1, FIG.
도 3은 본 고안의 또 다른 일례를 보여주는 종단면도,Figure 3 is a longitudinal sectional view showing another example of the present invention,
도 4는 도 3의 복수개의 전자파 플라즈마 토치 배열의 일례를 보여주는 바닥면도,4 is a bottom view showing an example of the plurality of electromagnetic plasma torch arrangement of FIG.
도 5는 본 발명의 플라즈마 불꽃 사진이다.5 is a plasma flame photograph of the present invention.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 통상의 2.45 ㎓ 전자파를 발진하는 마그네트론(22)과; 통상의 3상 정류기 또는 통상의 반파전압배율기에 고압콘덴서와 고압다이오드를 부가하여 상기 마그네트론(22)에 전원을 공급하도록 설치되는 파워공급시스템(24)과; 상기 마그네트론(22)으로부터 공급되는 전자파를 전송하여 방전에 필요한 에너지를 공급하는 도파관(18)과; 상기 도파관(18) 내의 파장을 λg라 할 때, 도파관 종단(20)으로부터 λg/4가 되는 위치의 상기 도파관(18) 하단에 홀(10)을 설치하고; 상기 도파관(18)으로부터 전송된 전자파 에너지가 집중되는 상단에서 상기 하단 도파관 홀(10)을 관통하여 설치되어 있는 플라즈마 노즐(12)과; 상기 플라즈마 노즐(12)의 내부로 플라즈마 가스 주입구(16)를 통해 플라즈마 가스가 지나가게 하고; 상기 도파관(18)의 하단에 설치되어 있는 홀(10)과 플라즈마 노즐 팁(8) 사이에 강한 전기장에 의하여 플라즈마 노즐 팁(8)에서 플라즈마 가스를 방전시켜 제트형의 고온 플라즈마(6)가 발생되는 전자파 플라즈마 토치(100)와; 절단, 용접, 국부가열 되어지는 모재(50)는 통상의 컨베이어 시스템(54)에 의해 일정한 속도로 상하좌우로 이동되면서 상기 전자파 플라즈마 토치에 의해 처리되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 절단, 용접, 국부가열 장치를 제공하게 된다.In order to achieve the above object, the present invention provides a magnetron (22) for oscillating a typical 2.45 GHz electromagnetic wave; A power supply system (24) installed to supply power to the magnetron (22) by adding a high voltage capacitor and a high voltage diode to a conventional three-phase rectifier or a conventional half-wave voltage multiplier; A waveguide (18) for transmitting the electromagnetic waves supplied from the magnetron (22) to supply energy for discharge; When the wavelength in the waveguide (18) is lambda g , a hole (10) is provided in the lower end of the waveguide (18) at a position that becomes lambda g / 4 from the waveguide end (20); A plasma nozzle 12 installed through the lower waveguide hole 10 at an upper end where electromagnetic wave energy transmitted from the waveguide 18 is concentrated; Allowing the plasma gas to pass through the plasma gas inlet (16) into the plasma nozzle (12); Jet-type high-temperature plasma 6 is generated by discharging the plasma gas at the plasma nozzle tip 8 by a strong electric field between the hole 10 provided at the lower end of the waveguide 18 and the plasma nozzle tip 8. An electromagnetic plasma torch (100); The base material 50 to be cut, welded, or locally heated is processed by the electromagnetic plasma torch while being moved up, down, left, and right at a constant speed by a conventional conveyor system 54. Will be provided.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 1에 도시한 바와 같이 도파관(18)은 마이크로웨이브 헤드부 도파관(18b)과 반응기부 도파관(18a)으로 나누어져 있으며, 두 부분은 직사각형 플랜지(28)로 연결되어있다. 도파관(18b)에 마이크로웨이브를 공급하는 마그네트론(22)은 통상적으로 전자레인지 등에서 사용되는 2.45 ㎓ 전자파 발진장치로서 3상 정류기 또는 전파전압배율기로 구성된 파워공급시스템(24)에 의해 전원을 공급받으며 냉각장치(26)에 의해 과열이 방지되고 이 냉각장치는 냉각 팬과 같은 통상적인 기술로 구성되어 있다.According to one embodiment of the invention, the waveguide 18 is divided into a microwave head waveguide 18b and a reactor waveguide 18a, as shown in FIG. It is connected. The magnetron 22, which supplies microwaves to the waveguide 18b, is a 2.45 GHz electromagnetic wave oscillator commonly used in a microwave oven and is powered by a power supply system 24 composed of a three-phase rectifier or a full-wave voltage multiplier. Overheating is prevented by the device 26 and the chiller is constructed by conventional techniques such as cooling fans.
도파관(18)의 종단(20)으로부터 관내 파장의 λg/4 떨어진 위치에 설치되어 있는 플라즈마 노즐(12)은 가스 주입구(16)를 가진 홀더(40)와 연결되어 있으며, 홀더(40)와 플라즈마 노즐(12)은 서로 분리 가능하도록 암나사 그리고 수나사와 같이 연결되어 진다. 플라즈마 노즐(12)은 도파관(18a)의 하단부(19)에서 상단부(29)를 관통하여 설치되어 있으며 플라즈마 노즐 팁(8)이 도파관(18a)의 상단부(29)로 도출될 수 있도록 플라즈마 노즐(12)과 같은 중심상의 홀(10)이 도파관(18a)의 상단부(29)에 설치되어 있다. 도파관(18a)의 상단부(29)의 홀(10)에 설치되어 있는 링(14)은 임피던스 정합이 이루어지지 않았을 때, 플라즈마 노즐의 팁(8)과 링(14)과의 아크에 의해 발생되는 도파관(18a)의 손상을 방지하도록 별도로 부착된 것으로, 이 링(14)은 내마모성 및 내열성이 좋은 전도체로 구성된다. 홀더(40)는 도파관(18a)의 상단 부(19)에 부착되어진 냉각 자켓(42)과 연결되어 있으며 이 냉각 자켓(42)은 냉각수 주입구(30) 및 배출구(32)로 구성되어 있고 홀더(40)와 분리 가능하도록 되어있다. 텅스텐, 스테인레스 스틸, 황동 등으로 만들어진 플라즈마 노즐(12)은 홀더(40)에 의해 도판관(18a)의 하단 부(29)로부터의 높이를 조절 가능하도록 되어 있으며 동시에 홀더(40)의 도파관(18a) 상단부(19)와 하단부(29) 사이의 공간 침투 깊이를 조절하여 임피던스 매칭을 유도할 수 있도록 되어 있다. 적용 분야에 따라, 플라즈마 노즐(12)의 내경은 수백 ㎛에서 수십 mm까지 변경가능하다.Plasma nozzle 12, which is provided at a position λ g / 4 away from the end 20 of the waveguide 18, is connected to the holder 40 having the gas inlet 16, and is connected to the holder 40. The plasma nozzles 12 are connected together with female and male threads so as to be separated from each other. The plasma nozzle 12 is installed through the upper end 29 at the lower end 19 of the waveguide 18a, and the plasma nozzle 12 can be guided to the upper end 29 of the waveguide 18a. A central hole 10 as in 12 is provided in the upper end 29 of the waveguide 18a. The ring 14 provided in the hole 10 of the upper end 29 of the waveguide 18a is generated by an arc between the tip 8 of the plasma nozzle and the ring 14 when impedance matching is not made. Attached separately to prevent damage to the waveguide 18a, the ring 14 is composed of a conductor having good wear resistance and heat resistance. The holder 40 is connected to a cooling jacket 42 attached to the upper end 19 of the waveguide 18a. The cooling jacket 42 includes a cooling water inlet 30 and an outlet 32. 40) and detachable. The plasma nozzle 12 made of tungsten, stainless steel, brass, or the like is adapted to be able to adjust the height from the lower end 29 of the waveguide 18a by the holder 40 and at the same time the waveguide 18a of the holder 40. The impedance penetration can be induced by adjusting the space penetration depth between the upper end 19 and the lower end 29. Depending on the application, the inner diameter of the plasma nozzle 12 can vary from several hundred μm to several tens of mm.
마그네트론(22)으로부터 발진된 마이크로웨이브는 도파관(18)을 통해 전송되고 플라즈마 노즐의 팁(8)과 링(14) 사이의 강한 전기장에 의해 플라즈마 가스 주입구(16)으로부터 주입된 플라즈마 가스가 이온화되어 고온, 고속의 제트형 플라즈마(6)가 생성되어 전자파 플라즈마 토치(100)가 생성된다.The microwaves oscillated from the magnetron 22 are transmitted through the waveguide 18 and the plasma gas injected from the plasma gas inlet 16 is ionized by a strong electric field between the tip 8 of the plasma nozzle and the ring 14. A high temperature, high velocity jet plasma 6 is generated to produce an electromagnetic plasma torch 100.
제트형 플라즈마(6) 토치와의 거리를 조절가능한 상하좌우로 움직일 수 있는 통상의 컨베이어 시스템(54)으로 스페이서(52) 위에 올려진 모재(50)는 제트형 플라즈마(6) 토치에 의해 절단, 용접, 국부가열 되어진다.The base material 50 mounted on the spacer 52 with a conventional conveyor system 54 that can move the distance from the jet-type plasma 6 torch to the adjustable up, down, left, and right sides is cut by the jet-type plasma 6 torch, Welding and local heating
도 2는 도 1의 참조 숫자 80으로 표시된 부분의 횡단면도로서 도파관(18)을 통해 전송된 2.45 ㎓ 마이크로웨이브(60)는 플라즈마 노즐(12)과의 전자기적 유도 결합에 의해 도파관(18a)의 하단부(29)의 링(14)과 플라즈마 노즐 팁(8) 사이의 강한 전기장에 의해 플라즈마 노즐 홀(4)을 통해 분출되는 플라즈마 가스를 이온화시켜 제트형 플라즈마 토치를 발생하게 된다.FIG. 2 is a cross-sectional view of the portion indicated by reference numeral 80 of FIG. 1, wherein the 2.45 kHz microwave 60 transmitted through waveguide 18 is connected to the lower end of waveguide 18a by electromagnetic inductive coupling with plasma nozzle 12. A strong electric field between the ring 14 of 29 and the plasma nozzle tip 8 ionizes the plasma gas ejected through the plasma nozzle hole 4 to generate a jet plasma torch.
도 3은 복수개의 전자파 플라즈마 토치(100)를 연결함으로서 동시에 많은 모재를 절단, 용접, 국부가열하기 위한 장치의 종단면도이다. 복수개의 전자파 플라즈마 토치(100)는 패키지 박스(90)에 의해 연결 및 조립되며 패키지 박스 홀(92)로 플라즈마 제트가 분출된다. 플라즈마 가스공급 장치(36)는 복수개의 플라즈마 토치(100) 각각에 플라즈마 가스를 공급해준다. 복수개의 전자파 플라즈마 토치를 이용하여 동시에 많은 모재(50)을 일정한 간격으로 절단 및 국부가열 할 수 있으며, 많은 양의 모재(50)를 용접할 수 있다.3 is a longitudinal cross-sectional view of an apparatus for cutting, welding, and local heating of a plurality of base materials at the same time by connecting a plurality of electromagnetic plasma torch 100. The plurality of electromagnetic plasma torches 100 are connected and assembled by the package box 90, and plasma jets are ejected into the package box holes 92. The plasma gas supply device 36 supplies a plasma gas to each of the plurality of plasma torches 100. By using a plurality of electromagnetic plasma torch, at the same time a large number of the base material 50 can be cut and localized at regular intervals, a large amount of the base material 50 can be welded.
도 4는 도 3의 복수개의 전자파 플라즈마 토치 배열의 일례를 보여주는 바닥면도이다. 패키지 박스(90)의 홀(92)을 통해 도 3과 도 4에서 참조 숫자 110으로 표시된 부분이 보여 지고 있다. 또한 복수개의 전자파 플라즈마 토치(100)를 원형으로 배열하여 하나의 모재(50)를 균일하고 빠른 시간에 가열할 수 있다.4 is a bottom view illustrating an example of a plurality of electromagnetic plasma torch arrays of FIG. 3. Through holes 92 of the package box 90, portions indicated by reference numeral 110 are shown in FIGS. 3 and 4. In addition, by arranging the plurality of electromagnetic plasma torch 100 in a circular shape, one base material 50 may be heated at a uniform and fast time.
도 5는 전자파 플라즈마 토치(100)를 이용하여 발생한 플라즈마 불꽃 사진이다. 이 때의 가스는 아르곤 가스가 주입되었으며 인가된 마이크로웨이브 파워는 300 와트, 노즐의 내경 크기는 1.5 mm 였다.5 is a plasma flame photograph generated using the electromagnetic plasma torch 100. At this time, argon gas was injected, the applied microwave power was 300 watts, and the inner diameter of the nozzle was 1.5 mm.
[실험예]Experimental Example
마그네트론 용량 900 W를 이용하여 질소, 공기, 아르곤 등의 가스를 이용하여 쉽게 플라즈마를 발생시킬 수 있음을 확인하였다. 노즐의 크기는 외경 1 mm, 내경 0.5 mm에서 외경 10 mm, 내경 6 mm 까지의 내경과 외경의 크기를 변화하면서 실험한 결과 모든 노즐의 크기에서 쉽게 플라즈마를 발생시킬 수 있었으며, 플라즈마노즐 외경 4 mm에 내경 1 mm, 마이크로웨이브 파워 900 W, 분당 1 리터의 아르곤 가스에서 20 cm 가량의 긴 플라즈마 불꽃을 관찰할 수 있었다.It was confirmed that plasma can be easily generated by using gases such as nitrogen, air, and argon using a magnetron capacity of 900 W. The size of the nozzle was changed from 1 mm outer diameter, 0.5 mm inner diameter to 10 mm outer diameter, and 6 mm inner diameter and outer diameter, and as a result of experiments, plasma was easily generated at all nozzle sizes. Plasma nozzle outer diameter 4 mm The long plasma flame of about 20 cm was observed in 1 mm of inner diameter, 900 W of microwave power, and 1 liter of argon gas.
300 W 파워의 아르곤 플라즈마에서 외경 8 mm, 내경 5.5 mm의 석영관을 회전하면서 녹여 150 ㎛ 정도의 굵기의 석영 섬유를 뽑을 수 있었으며, 600 W의 아르곤 플라즈마에서 두께 2 mm 카본스틸을 전자파 플라즈마 토치로 절단하고 다양한 사이즈의 홀을 만들 수 있었다.In a 300 W-powered argon plasma, a quartz tube with an outer diameter of 8 mm and an inner diameter of 5.5 mm was melted while rotating, and a 150 μm-thick quartz fiber was extracted, and a 2 mm thick carbon steel was cut from an 600 W argon plasma with an electromagnetic plasma torch. And made holes of various sizes.
본 발명은 통상의 2.45 ㎓ 전자파 발진기를 이용하여 마이크로웨이브를 발진시켜 도판관의 특정위치에 설치된 노즐을 통해서 손쉽고도 경제적으로 플라즈마를 생성시킬 수 있고, 그 구조가 간단할 뿐만 아니라 가격이 저렴하며 고온, 고속의 플라즈마 제트를 발생시킬 수 있어 모재의 절단, 용접, 국부 가열 장치로 이용할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한 복수개의 전자파 플라즈마 토치를 재배열하고 새롭게 변화시킬 수 있어 동시에 많은 모재를 절단, 용접, 국부가열할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.The present invention can generate a plasma easily and economically through a nozzle installed at a specific position of the plate by oscillating the microwave using a conventional 2.45 GHz electromagnetic wave oscillator, the structure is simple, the price is low, and the high temperature It is possible to generate a high-speed plasma jet, thereby obtaining an effect that can be used for cutting, welding, and local heating of the base material. In addition, the plurality of electromagnetic plasma torch can be rearranged and newly changed, and at the same time, the effect of cutting, welding, and local heating of many base materials can be obtained.
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Legal Events
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant | ||
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Payment date: 20090515 Year of fee payment: 4 |
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LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |