KR20180021369A - 더 높은 플라즈마 에너지 밀도를 갖는 유도 플라즈마 토치 - Google Patents

더 높은 플라즈마 에너지 밀도를 갖는 유도 플라즈마 토치 Download PDF

Info

Publication number
KR20180021369A
KR20180021369A KR1020177037781A KR20177037781A KR20180021369A KR 20180021369 A KR20180021369 A KR 20180021369A KR 1020177037781 A KR1020177037781 A KR 1020177037781A KR 20177037781 A KR20177037781 A KR 20177037781A KR 20180021369 A KR20180021369 A KR 20180021369A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
plasma
tubular
torch
tube
torch body
Prior art date
Application number
KR1020177037781A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102068539B1 (ko
Inventor
마허 아이 불로스
저지 더블유 주레윅
니콜라스 디그나드
알렉산더 오거
세바스찬 서런드
Original Assignee
테크나 플라즈마 시스템 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 테크나 플라즈마 시스템 인코포레이티드 filed Critical 테크나 플라즈마 시스템 인코포레이티드
Publication of KR20180021369A publication Critical patent/KR20180021369A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102068539B1 publication Critical patent/KR102068539B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/28—Cooling arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

유도 플라즈마 토치는 관형 토치 바디, 관형 인서트, 플라즈마 밀폐 튜브 및 환형 채널을 포함한다. 관형 토치 바디는 각각의 내면을 한정하는 상류 및 하류 섹션을 갖는다. 관형 인서트는 관형 토치 바디의 하류 섹션의 내면에 장착된다. 플라즈마 밀폐 튜브는 관형 토치 바디 내에 동축으로 배치된다. 플라즈마 밀폐 튜브는 플라즈마 흐름의 축 방향으로 테이퍼 오프되는 두께를 갖는 관형 벽을 갖는다. 환형 채널은 한편으로는 관형 토치 바디의 상류 섹션의 내면과 인서트의 내면과 다른 한편으로는 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽의 외면의 사이에 형성된다. 냉각 채널은 플라즈마 밀폐 튜브를 냉각시키기 위한 유체를 운반한다.

Description

더 높은 플라즈마 에너지 밀도를 갖는 유도 플라즈마 토치
본 개시는 유도 플라즈마 토치의 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 개시는 스트레이-아킹(stray-arcing)을 감소시키면서 더 높은 플라즈마 에너지 밀도를 형성하는 유도 플라즈마 토치에 관한 것이다.
지난 몇 년 동안, 유도결합 플라즈마 토치들, 이른바 '유도 플라즈마 토치'들의 설계 및 성능에서 상당한 개선들이 이루어졌다. 유도 플라즈마 토치들은 현재 실험실 연구 개발로부터 고순도, 고부가가치 소재들의 산업적인 규모의 생산에 이르기까지 광범위한 애플리케이션들로 전 세계적으로 사용되고 있다.
유도 플라즈마 토치들은 고온 플라즈마 조건들 하에서 물질들의 합성 및 처리를 위한 유용한 도구로서 주목을 끌고 있다. 유도 플라즈마 토치의 작동 원리에 대한 기본 개념은 60년 이상 동안 알려져 왔으며, 실험실 도구로부터 산업용의, 고전력 장치에 이르기까지 꾸준히 발전되어 왔다.
도 1은 유도 플라즈마 토치(100)의 일 예의 구조 및 작동의 개략도이다. 유도 플라즈마 토치(100)는, 예를 들어, 높은 내열성 및 높은 열전도성의 세라믹 물질로 제조될 수 있는 플라즈마 밀폐 튜브(plasma confinement tube)(102)를 포함한다. 플라즈마 밀폐 튜브(102)는 동축의 관형 토치 바디(106)에 내장된 동축의 수냉식 유도 코일(104)에 의해 둘러싸여 있다. 고주파 전류는 전기 단자들(105)을 통해 유도 코일(104)에 공급된다. 가스 분배기 헤드(도시되지 않음)는 플라즈마 가스(108)를 플라즈마 밀폐 튜브(102)의 내부 공간에 축 방향 및 중심 방향으로 공급하여 플라즈마(110)를 생성한다. 변형 예들은 플라즈마 밀폐 튜브(102)의 내면을 따라 유동하여 플라즈마(110)를 둘러싸는 피복 가스(sheath gas)(112)의 주입을 포함할 수 있다. 피복 가스(112)의 기능은 플라즈마(110)와, 플라즈마 밀폐 튜브(102)의 내면의 사이에 일정 레벨의 단열을 제공하는 것이다. 유도 플라즈마 토치(100)는 특히 플라즈마 밀폐 튜브(102) 내의 중심부로 주입된 분말 물질(114)를 처리하는데 사용될 수 있지만, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
작동 중에, 유도 코일(104)을 통해 흐르는 고주파 전류는 대략 축 방향의 고주파 자기장(120)을 플라즈마 밀폐 튜브(102) 내에 생성한다. 상기 자기장(120)의 에너지는 플라즈마 밀폐 튜브(102)에 존재하는 플라즈마 가스(108)의 절연파괴를 일으킨다. 일단 절연파괴 및 플라즈마 점화가 이루어지면, 유도 코일(104)이 위치되는 레벨에서 플라즈마 밀폐 튜브(102) 내의 영역(122)의 플라즈마 가스에 접선 방향의 전류가 유도된다. 상기 유도된 접선 방향의 전류는 플라즈마 밀폐 튜브(102) 내의 플라즈마 가스(108)를 가열하고 플라즈마(110)를 형성하는 플라즈마 가스 방전을 유지하는 역할을 한다.
유도 플라즈마 토치들에 관한 수많은 디자인들이 개발되었다. 그 예들은 다음의 특허 공보들에 기재되어 있다: 미국 특허 제5,200,595호(1993년 4월 6일), 미국 특허 제5,560,844호(1996년 10월 1일), 미국 특허 제6,693,253 B2호(2004년 2월 17일), 미국 특허 제6,919,527 B2호(2005년 7월 19일) 및 미국 특허 공개 제2012/0261390 A1호(2012년 10월 18일). 모든 상기 참고 문헌들의 내용들은 전부 본 명세서에 참조로 포함된다.
플라즈마(110)의 에너지 밀도는 플라즈마 밀폐 튜브(102)의 내면(즉, 경계)과 유도 코일(104)의 높이에 의해 한정된 방전 캐비티의 체적에 대한, 영역(122)의 플라즈마(110)에 커플링된 에너지의 비율로 정의된다. 플라즈마(110)에서의 에너지 밀도의 증가는 유도 플라즈마 토치(100)의 출구(124)에서의 플라즈마(110)의 상응하는 평균 온도의 증가뿐만 아니라 플라즈마의 벌크 비엔탈피의 증가에 의해 나타난다. 불행하게도, 상기 에너지 밀도의 증가는 또한 플라즈마 밀폐 튜브(102)의 내면으로의 열유속의 증가를 수반하고, 이에 따라 그의 내면의 온도를 증가시키고, 결과적으로 튜브가 파손될 가능성이 있다.
플라즈마 밀폐 튜브의 내면의 온도를 감소시키기 위한 해결책은 플라즈마 밀폐 튜브의 제조에 높은 열전도성 세라믹 물질를 사용하는 것과, 플라즈마 밀폐 튜브의 외면을 둘러싸는 환형 채널에서 고속으로 냉각 유체를 유동시키는 것을 포함한다. 그러나, 이러한 특성들의 추가에도 불구하고, 유도 플라즈마 토치에서의 플라즈마의 최대 에너지 밀도는 플라즈마 밀폐 튜브의 고열 전도성 세라믹 제료가 구조적인 완전성을 유지하면서 견딜 수 있는 최대 온도에 의하여 여전히 제한된다.
도 1에서 유도 플라즈마 토치들(100)을 사용할 때 마주치게 되는 또 다른 문제점은 (a) 플라즈마 가스 방전(110)과 (b) 유도 플라즈마 토치(100)의 출구 노즐(도 1에 도시되어 있지 않음) 및/또는 유도 플라즈마 토치(100)가 장착된 반응기(도 1에 도시되어 있지 않음) 사이의 스트레이-아킹의 생성이다.
따라서, 플라즈마 토치들에서의 스트레이-아킹을, 만약 제거하지 않는다면, 실질적으로 감소시키면서 플라즈마 에너지 밀도를 증가시킬 필요성이 있다.
본 개시에 따르면, 상류 섹션과 하류 섹션을 갖는 관형 토치 바디를 포함하는 유도 플라즈마 토치가 제공되며, 상류 및 하류 섹션은 각각의 내면들을 한정한다. 플라즈마 밀폐 튜브는 관형 토치 바디 내에 배치되고, 관형 토치 바디와 동축을 이루며, 일정한 내부 직경의 내면과 외면을 갖는다. 플라즈마 밀폐 튜브는 플라즈마 밀폐 튜브의 적어도 섹션에 걸쳐 플라즈마 유동의 축 방향으로 테이퍼 오프되는 두께를 갖는 관형 벽을 갖는다. 관형 인서트는 관형 토치 바디의 하류 섹션의 내면에 장착되고, 관형 인서트는 내면을 갖는다. 환형 채널은 (a) 관형 토치 바디의 상류 섹션의 내면 및 관형 인서트의 내면과 (b) 플라즈마 밀폐 튜브의 외면 사이에 형성되며, 환형 채널은 플라즈마 밀폐 튜브를 냉각시키기 위한 냉각 유체를 안내하도록 구성된다.
본 개시에 따르면, 상류 섹션, 중앙 섹션 및 하류 섹션을 갖는 관형 토치 바디를 포함하는 유도 플라즈마 토치가 또한 제공되며, 상류, 중앙 및 하류 섹션은 각각의 내면들을 한정한다. 플라즈마 밀폐 튜브는 관형 토치 바디 내에 배치되고, 관형 토치 바디와 동축을 이루며, 일정한 내부 직경의 내면과, 외면을 갖는다. 플라즈마 밀폐 튜브는 플라즈마 밀폐 튜브의 적어도 섹션에 걸쳐 플라즈마 유동의 축 방향으로 테이퍼 오프되는 두께를 갖는 관형 벽을 갖는다. 관형 인서트는 관형 토치 바디의 하류 섹션의 내면에 장착되고, 관형 인서트는 내면을 갖는다. 환형 채널은 (a) 관형 토치 바디의 상류 섹션의 내면과 관형 토치 바디의 중앙 섹션의 내면 및 관형 인서트의 내면과 (b) 플라즈마 밀폐 튜브의 외면 사이에 한정되며, 환형 채널은 플라즈마 밀폐 튜브를 냉각시키기 위한 냉각 유체를 안내하도록 구성된다.
본 개시에 따르면, 플라즈마 밀폐 튜브를 상술한 유도 플라즈마 토치로부터 제거하는 방법이 또한 제공되며, 플라즈마 밀폐 튜브와 관형 인서트를 관형 토치 바디의 바깥쪽에서 플라즈마 유동의 축 방향으로 동시에 당기는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 유도 플라즈마 토치로부터 플라즈마 밀폐 튜브를 제거하는 방법은: 상기 관형 토치 바디의 하류 단부에 장착된 환형 플라즈마 출구 노즐을 제거하고, 플라즈마 밀폐 튜브 및 관형 인서트를 관형 토치 바디의 바깥쪽에서 플라즈마 흐름의 축 방향으로 동시에 당기는 단계; 및 플라즈마 밀폐 튜브를 에워싸기 위한 적어도 2개의 상보적인 섹션들로 이루어진 관형 인서트를 해체하는 단계를 포함하며, 상기 관형 인서트를 해체하는 단계는 적어도 2개의 상보적인 섹션들을 서로 이격시키는 단계를 포함한다.
본 개시는 나아가 플라즈마 흐름 방향과 반대 방향의 축 방향으로 플라즈마 밀폐 튜브와 관형 인서트를 관형 토치 바디 내로 동시에 도입하는 단계를 포함하는, 전술한 유도 플라즈마 토치에 플라즈마 밀폐 튜브를 설치하는 방법에 관한 것이다. 유도 플라즈마 토치로부터 플라즈마 밀폐 튜브를 설치하는 방법은: 플라즈마 밀폐 튜브를 에워싸기 위한 적어도 2개의 상보적인 섹션들로 이루어진 관형 인서트를 조립하는 단계; 플라즈마 밀폐 튜브 주위에 적어도 2개의 상보적인 섹션들을 서로 조립하는 단계를 포함하는 관형 인서트를 조립하는 단계; 및 플라즈마 밀폐 튜브 및 관형 인서트를 관형 토치 바디에 위치시켜 유지되도록, 관형 토치 바디의 하류 단부에 환형 플라즈마 출구 노즐을 장착하는 단계를 포함한다.
본 개시는 나아가 관형 토치 바디의 내벽에 내장된 전기 전도성 물질의 층을 가지는 내부 용량성 차폐부를 포함하는 유도 플라즈마 토치용 관형 토치 바디에 관한 것이다. 전도성 물질의 층은 축 방향 스트립들로 분할되고, 축 방향 스트립들의 상류 단부들을 상호 연결하기 위한 링을 형성한다. 용량성 차폐부는 전기 전도성 물질의 층을 노출시키고 관형 토치 바디의 내벽의 매끄러운 표면을 형성하기 위하여 관형 토치 바디의 내벽을 따라 기계 가공된다.
전술한 특징들 및 다른 특징들은 첨부된 도면들을 참조하여 단지 예시로서 주어진 예시적인 실시예들에 대한 다음의 비제한적인 설명을 읽을 때 더욱 명백해질 것이다.
본 개시의 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 단지 예시로서 설명될 것이다.
도 1은 유도 플라스마 토치의 일 예의 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 관형 인서트를 갖는 유도 플라즈마 토치의 정면 단면도이다.
도 3은 도 2의 유도 플라즈마 토치의 플라즈마 밀폐 튜브 및 관형 인서트의 부분 절개 사시도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 관형 인서트 및 용량성 차폐부를 갖는 유도 플라즈마 토치의 정면 단면도이다.
도 5는 도 4의 플라즈마 밀폐 튜브, 유도 플라즈마 토치의 관형 인서트 및 용량성 차폐부의 부분 절개 사시도이다.
도 6은 도 4의 유도 플라즈마 토치의 관형 토치 바디의 부분 절개 사시도이다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 각각 도 4의 라인 A-A, B-B 및 C-C에 따른 유도 플라즈마 토치의 단면도이다.
도 8은 (a) 종래의 플라즈마 밀폐 튜브 및 (b) 도 2 또는 도 4의 100kW의 출력에서 작동하는 유도 플라즈마 토치에서의 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽으로의 열유속의 축 분포를 도시하는 그래프이다.
도 9는 (a) 종래의 플라즈마 밀폐 튜브 및 (b) 도 2 또는 도 4의 140kW의 출력에서 작동하는 유도 플라즈마 토치의 관형 벽으로의 열유속의 축 분포를 도시하는 그래프이다.
동일한 도면 부호들은 다른 도면들에서의 동일한 특징들을 나타낸다.
본 개시의 다양한 양태들은 일반적으로 플라즈마에서 에너지 밀도를 증가시키는 필요성들 중 하나 이상을 다루는 반면, 유도 플라스마 토치들에서의 스트레이-아킹을, 만약 제거하지 않는다면, 실질적으로 감소시킨다.
구체적으로, 본 개시는 종래의 유도 플라즈마 토치들과 비교할 때 더 높은 플라즈마 에너지 밀도에서 그들의 작동을 허용하는 유도 플라즈마 토치들의 개선들을 설명한다. 동시에, 이러한 개선들은 또한 플라즈마 가스 방전에 대한 용량성 에너지 커플링을 감소시키므로, 스트레이-아킹의 생성은, 만약 제거되지 않는다면, 실질적으로 감소된다.
본 개시는 관형 벽의 두께의 점진적인 감소를 이용하여 유도 플라즈마 토치의 플라즈마 밀폐 튜브 내면에서의 온도 제어를 설명한다. 관형 벽은 플라즈마 배출이 개시되는 상류 단부에서 더 두껍고, 벽 두께는 하류 방향으로 테이퍼 오프된다. 일반적으로 말해서, 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽의 두께는 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽상의 국부적인 열 플럭스 분포에 반비례한다.
대체로 일정한 두께를 갖는 환형 채널은 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽의 외면 둘레로 한정된다. 탈이온수와 같은 물 또는 다른 냉각 유체가 환형 채널 내에 흘러 플라즈마 밀폐 튜브의 온도를 제어한다. 냉각 효율을 위해, 환형 채널은 작으며 대체로 일정한 두께를 갖고 냉각 유체의 빠르고 일정한 흐름을 보장한다.
플라즈마 밀폐 튜브는 관형 토치 바디 내에 장착되고, 관형 토치 바디의 하류 단부로부터 관형 토치 바디 내에 삽입된다. 중심 영역에 비하여 상류 및 하류 단부 모두에서 더 큰 외부 직경을 갖는 플라즈마 밀폐 튜브는, 플라즈마 밀폐 튜브 외면의 효율적인 냉각을 보장하기 위한 환형 채널의 좁은 갭을 유지하면서 토치 바디에 삽입하기가 어려울 것이다. 이러한 어려움을 극복하기 위해, 관형 토치 바디는 적어도 그의 하류 섹션에서, 환형 채널을 형성하는데 필요한 것보다 더 큰 내부 직경으로 설치된다. 그 결과, 관형 토치 바디는, 제1 내면과 플라즈마 밀폐 튜브의 외면의 사이에서 환형 채널의 상류부를 형성하도록 구성된, 상류 섹션의 제1 내면을 갖는다. 관형 토치 바디는 그의 하류 섹션에서보다 더 큰 직경의 제2 내면을 갖는다. 분할된 원통형 인서트는, 제1 및 제2 내면 사이의 숄더부에 인접하며, 관형 토치 바디의 하류 섹션의 제2 내면에 장착될 수 있다. 인서트는 플라즈마 밀폐 튜브와 함께 관형 토치 바디에 삽입되어 장착되도록 구성된다. 환형 냉각 채널의 하류 섹션는 인서트의 내면과 플라즈마 밀폐 튜브의 외면의 사이에 형성된다.
이제, 도면들을 참조하면, 도 2는 일 실시예에 따른 인서트(216)를 갖는 유도 플라즈마 토치(200)의 정면 단면도이다. 도 3은 유도 플라즈마 토치(200)의 인서트(216) 및 플라즈마 밀폐 튜브(218)의 부분 절개 사시도이다.
도 2 및 도 3을 동시에 참조하면, 유도 플라즈마 토치(200)는, 제한 없이, 캐스트 세라믹 또는 폴리머 매트릭스 복합체로 제조될 수 있는 관형 토치 바디(204)를 포함한다. 또한, 관형 토치 바디(204)는 상류 섹션(206) 및 하류 섹션(208)으로 이루어진다. 상류 섹션(206)은 더 작은 직경의 내면(210)을 한정하고, 하류 섹션(208)은 더 큰 직경의 내면(212)을 한정한다. 환형 숄더(214)는 상류 섹션(206)의 내면(210)과 하류 섹션(208)의 내면(212)을 분리시킨다.
또한, 유도 플라즈마 토치(200)는 가스 분배기 헤드(202)를 포함한다. 가스 분배기 헤드(202)는 유도 플라즈마 토치(200)에서의 관형 토치 바디(204)의 상류 단부에 장착된다. 가스 분배기 헤드(202)는 특히 상기 플라즈마 가스 및 피복 가스를 유도 플라즈마 토치(200)에 공급하도록 설계되지만, 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 유도 플라즈마 토치(200)는 관형 토치 바디(204)의 하류 단부에 장착된 환형의, 예를 들어 원형 또는 타원형의, 플라즈마 출구 노즐(240)을 더 포함한다. 가스 분배기 헤드(202) 및 플라즈마 출구 노즐(240)은 유도 플라즈마 토치들의 분야에서 잘 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 더 이상의 설명은 생략한다.
인서트(216)는 관형이며, 예를 들어, 분할 실린더의 2개의 반 원통형 섹션들로 이루어진다. 관형 인서트(216)는 관형 토치 바디(204)에서의 하류 섹션(208)의 내면(212) 상에 위치된다. 또한, 인서트(216)는 환형 숄더(214)에 인접한 상류 단부 및 하류 단부를 갖는다. 도시된 바와 같이, 인서트(216)는 (a) 관형 토치 바디(204)에서의 하류 섹션(208)의 내면(212)의 내부 일정 직경에 대응하는 외부의 일정 직경 및 (b) 동일한 방향으로 관형 인서트(216)의 두께를 증가시키고, 절두원추형 내면(226)을 관형 인서트(216)의 두께를 일정하게 유지시키기 위한 내부 직경이 일정하게 유지되는 점(242)까지 형성하고, 원통형 내면(227)을 형성하기 위하여, 플라즈마 유동의 축 방향(222)으로 상류 단부로부터 점진적으로 감소하는 내부 직경을 갖는다. 인서트는 테프론(Teflon ™) 또는 유사하거나 적합한 물리적 특성들을 갖는 다른 물질로도 이루어질 수 있다.
유도 플라즈마 토치(200)는 높은 내열성 및 높은 열전도성의 세라믹 물질로 이루어질 수 있는 플라즈마 밀폐 튜브(218)를 포함한다. 플라즈마 밀폐 튜브(218)는 가스 분배기 헤드(202)와 플라즈마 출구 노즐(240) 사이에서, 상기 관형 토치 바디(204)와 동축으로, 관형 토치 바디(204) 내에 배치된다. 플라즈마 밀폐 튜브(218)는 일정한 내부 직경 및, 예를 들어 유도 코일(228)의 영역에서, 플라즈마 밀폐 튜브(218)의 외면의 절두원추부(219)를 형성하도록 플라즈마 유동의 축 방향(222)으로 점진적으로 감소하는 외부 직경을 가지며, 이에 의해 플라즈마 밀폐 튜브(218)의 관형 벽(220)의 두께를 동일한 방향으로 테이퍼 오프한다. 도시된 예에서, 플라즈마 밀폐 튜브(218)의 관형 벽(220)의 두께의 테이퍼 오프가 유도 코일(228)의 영역에서 제한되기 때문에, 플라즈마 밀폐 튜브(218)는 더 큰 직경의 외부 원통형 표면부(221)를 갖는 더 크고, 일정한 두께의 상류 섹션 및 보다 작은 직경의 외부 원통형 표면부(223)를 갖는 더 작고, 일정한 두께의 하류 섹션을 포함한다.
환형의 시트들(seats)이 가스 분배기 헤드(202) 및 플라즈마 출구 노즐(240) 상에 형성되어, 플라즈마 밀폐 튜브(218)의 대응 단부들을 수용하고, 상기 플라즈마 밀폐 튜브(218)를 관형 토치 바디(204) 내에 적절하게 위치시킨다. 특히, 도 3에 도시된 바와 같이, 플라즈마 밀폐 튜브(218)의 하류 단부는 플라즈마 출구 노즐(240)의 상보적인 환형의 시트(241)에 수용되는 외측의 환형 숄더/플랜지 연장부(250)를 포함한다.
환형 채널(224)은, 한편으로는 관형 토치 바디(204)의 상류 섹션(206)의 내면(210)과 절두원추형 내면(226) 및 관형 인서트(216)의 원통형 내면(227)과 다른 한편으로는 플라즈마 밀폐 튜브(218)의 외면부들(219, 221, 223)의 사이에 형성된다. 환형 채널(224)은 플라즈마 밀폐 튜브(218)를 냉각시키기 위한 냉각 유체(도시되지 않음)를 수용하도록 구성된다. 제한 없이, 환형 채널(224)은 플라즈마가 생성되는 플라즈마 밀폐 튜브(218)의 적어도 상당한 부분에 걸쳐 일정한 두께를 가질 수 있다. 환형 채널(224)이 충분히 얇으면, 그 안에 플라즈마 밀폐 튜브(218)를 효율적으로 냉각시키기 위한 냉각 유체의 고속 유동이 설정될 수 있다. 냉각 유체의 비제한적인 예는 탈이온수와 같은 물 또는 다른 적합한 냉각 액체를 포함한다. 구체적으로, 냉각 유체는 플라즈마 출구 노즐(240)에 형성된 환형 냉각 유체 입구(232)에 공급되고, 환형 채널(224)를 통해 유동하고, 관형 토치 바디(204) 및 가스 분배 헤드(202)에 형성된 환형 냉각 유체 출구(234)를 통해 배출된다. 제한 없이, 냉각 유체는 플라즈마 흐름의 축 방향(222)과 반대 방향으로 냉각 채널(224)에서 흐른다. 도시된 실시예에서, 환형 냉각 유체 입구(232)로부터 환형 채널(224)로의 냉각 유체의 통과를 용이하게 하기 위해, 복수의 반원형 개구들(236)이 인서트(216)의 환형 하류 단부의 주변부에서 기계 가공된다. 또한, 환형 냉각 유체 입구(232) 및 환형 채널(224)로부터의 냉각 유체의 통로에 대한 다른 구성들도 고려될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 유도 플라즈마 토치(200)는 상기 관형 토치 바디와 동축인 관형 토치 바디(204) 내에 내장된 유도 커플링 부재, 예를 들어 전술한 유도 코일(228)을 포함한다. 고주파 전류는 전기 단자들(230)을 통해 유도 코일(228)에 공급될 수 있다. 유도 코일(228)은 플라즈마 밀폐 튜브(218) 내에 대략 축 방향의 자기장을 발생시켜, 전술한 바와 같이, 플라즈마 밀폐 튜브(218) 내에 존재하는 플라즈마 가스에 에너지를 인가하고, 플라즈마 가스의 절연파괴를 일으킨다. 일단 절연파괴 및 플라즈마 점화가 달성되면, 접선 방향의 전류가 유도 코일(228)이 내장된 토치 바디(204)의 영역(도 1, 도면부호 122 참조)에서 플라즈마 가스로 유도된다. 상기 유도된 접선 방향의 전류는 플라즈마 밀폐 튜브(218) 내의 플라즈마 가스를 가열하고, 플라즈마를 생성하는 플라즈마 가스 방전을 유지하는 역할을 한다. 유도 코일(228)은 전기 단자들(230)을 통해 그 안에 설정된 냉각 유체의 흐름에 의해 냉각되도록 단면이 원형 또는 직사각형(도 2 참조)인 전기 전도성 튜브로 이루어질 수 있다. 또한, 냉각 유체의 비제한적인 예는 탈이온수와 같은 물 또는 다른 적절한 냉각 액체를 포함한다.
도 2 및 도 3은 유도 플라즈마 토치(200)의 인서트(216)의 변형 예들을 나타낸다. 도 2에서, 인서트(216)는 더 길고, 플라즈마 밀폐 튜브(218), 하류 섹션(208)보다 더 짧은 관형 토치 바디(204)의 상류 섹션(206)의 더 긴 부분을 따라 연장된다. 도 3에서 인서트(216)는 더 짧고, 플라즈마 밀폐 튜브(218)의 더 짧은 하류부를 따라 연장되며, 비록 도 3은 관형 토치 바디(204)를 도시하지는 않지만, 상기 변형 예에서 관형 토치 바디(204)의 상류 섹션(206)은 하류 섹션(208)보다 더 길다는 것을 알 수 있다. 본 개시에 의거하는 통상의 설명자들는 작동 및 유지 보수 기능이 필요함에 따라, 플라즈마 밀폐 튜브(218)의 냉각 요구 사항들을 포함한 유도 플라즈마 토치(200)의 다양한 구성 요소들의 기하학적 구조들을 적용시킬 수 있을 것이다.
유도 플라즈마 토치(200)의 또 다른 변형 예에서, 플라즈마 밀폐 튜브(218)는 환형 채널(204)를 통해 흐르는 냉각 유체가 투과할 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 그 다음, 냉각 유체의 일부분은 플라즈마 밀폐 튜브(218)의 물질을 통해 투과하여 플라즈마 밀폐 튜브(218)의 내면(238) 상에 냉각 유체의 막을 형성할 수 있다. 필름으로부터 나오는 냉각 유체는 유도 플라즈마 토치(200)에서 생성된 열에 의해 기화된다. 그 다음, 유리하게는, 냉각 유체는 기화될 때 플라즈마를 생성할 수 있는 가스를 형성하도록 선택된다.
도 4는 일 실시예에 따른 인서트(416) 및 용량성 차폐부(440)를 갖는 유도 플라즈마 토치(400)의 정면 단면도이다. 도 5는 도 4의 유도 플라즈마 토치(400)의 플라즈마 밀폐 튜브(418), 인서트(416) 및 용량성 차폐부(440)의 부분 절개 사시도이다. 도 6은 도 4의 유도 플라즈마 토치(400)의 관형 토치 바디(404)의 부분 절개 사시도이다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 유도 플라즈마 토치(400)는 도 2 및 도 3을 참조하여 전술한 유도 플라즈마 토치(200)의 대부분의 요소를 포함한다. 두 실시예들에서 동일한 도면부호들은 동일한 요소들을 식별하기 위해 사용된다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 유도 플라즈마 토치(400)는, 제한 없이, 캐스트 세라믹 또는 폴리머 매트릭스 복합체로 제조될 수 있는 관형 토치 바디(404)를 포함한다. 또한, 관형 토치 바디(404)는 상류 섹션(406), 중앙 섹션(407) 및 하류 섹션(408)으로 이루어진다. 상류 섹션(406)은 원통형 내면(410)을 한정한다. 중앙 섹션(407)은 내부 직경이 상류 섹션(406)에서 환형 숄더(414)까지 점차 감소하는 절두원추형 표면(411)을 한정한다. 마지막으로, 하류 섹션(408)은 원통형 내면(412)을 한정한다. 환형 숄더(414)는 중앙 섹션(407)의 절두원추형 내면(411)과 하류 섹션(408)의 원통형 내면(412)을 분리시킨다.
또한, 유도 플라즈마 토치(400)는 가스 분배기 헤드(202)를 포함한다. 가스 분배기 헤드(202)는 유도 플라즈마 토치(400)의 관형 토치 바디(404)의 상류 단부에 장착된다. 전술한 바와 같이, 가스 분배기 헤드(202)는 특히 상기 언급된 플라즈마 가스 및 피복 가스를 유도 플라즈마 토치(400)에 공급하도록 설계되지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 유도 플라즈마 토치(400)는 관형 토치 바디(404)의 하류 단부에 장착된 환형의, 예를 들어 원형 또는 타원형의, 플라즈마 출구 노즐(240)을 더 포함한다. 상기 가스 분배기 헤드(202) 및 플라즈마 출구 노즐(240)은 유도 플라즈마 토치들에 관한 분야에 잘 알려져 있으며, 그러한 이유로 본 명세서에서는 더 이상 설명하지 않을 것이다.
인서트(416)는 관형이며, 예를 들어 분할 실린더의 2개의 반 원통형 섹션들로 이루어진다. 관형 인서트(416)는 관형 토치 바디(404)의 하류 섹션(408)의 내면(412) 상에 위치된다. 또한, 인서트(416)는 환형 숄더(414)에 인접하는 상류 단부 및 하류 단부를 갖는다. 도시된 바와 같이, 인서트(416)는 (a) 관형 토치 바디(404)에서의 하류 섹션(408)의 내면(412)의 내부 일정 직경에 대응하는 외부 일정 직경 및 (b) 동일한 방향으로 관형 인서트(416)의 두께를 증가시키기 위해 플라즈마 유동의 축 방향(222)의 상류 단부로부터 점진적으로 감소하는 내부 직경을 가지며, 관형 인서트(416)의 두께를 일정하게 유지하기 위하여 절두원추형 내면(426)을 내부 직경이 일정하게 유지되는 지점(442)까지 형성하며, 원통형 내면(427)을 형성한다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 인서트(416)의 두께는 환형 숄더(414)의 폭과 동일하며, 이로써 관형 토치 바디(404)의 중심부(407)의 절두원추형 내면(411)은 인서트(418)에 연속적인 내측 절두원추면을 갖는 절두원추형 내면(426)과 함께 형성된다. 인서트(416)는 테프론(Teflon™) 또는 유사하거나 적합한 물리적 특성들을 갖는 다른 물질로 이루어질 수 있다.
유도 플라즈마 토치(400)는 플라즈마 밀폐 튜브(418)을 포함한다. 높은 내열성 및 높은 열전도성을 갖는 세라믹 물질로 제조될 수 있는 플라즈마 밀폐 튜브(418)는 가스 분배기 헤드(202)와 플라즈마 출구 노즐(240) 사이에서, 관형 토치 바디(404)와 동축으로, 관형 토치 바디(404) 내에 배치된다. 플라즈마 밀폐 튜브(418)는 일정한 내부 직경을 가지며, 예를 들어 유도 코일(428)의 영역에서, 플라즈마 유동의 축 방향(222)으로 점차 감소하는 외부 직경을 가지며 플라즈마 밀폐 튜브(418)의 외면에서의 절두원추부(419)를 형성한다. 그렇게 함으로써, 동일한 방향으로 관형 벽(420)의 두께를 테이퍼 오프한다. 도시된 예에서, 플라즈마 밀폐 튜브(418)의 관형 벽(420) 두께의 테이퍼 오프가 유도 코일(428)의 영역에서 제한되기 때문에, 플라즈마 밀폐 튜브(418)는 더 큰 직경의 외부 원통형 표면부(421)을 갖는 더 크고, 일정한 두께의 상류 섹션과, 더 작은 직경의 외부 원통형 표면부(423)를 갖는 더 작고, 일정한 두께의 하류 섹션을 포함한다.
전술한 바와 같이, 가스 분배기 헤드(202) 및 플라즈마 출구 노즐(240) 상에 환형 시트들이 형성되어 플라즈마 밀폐 튜브(418)의 대응하는 단부들을 수용하고, 플라즈마 밀폐 튜브(418)를 관형 토치 바디(404) 내에 적절히 위치시킨다. 특히, 도 5에 도시된 바와 같이, 플라즈마 밀폐 튜브(418)의 하류 단부는 플라즈마 출구 노즐(240)의 상보적인 환형 시트(241)에 수용되는 외측의 환형 숄더/플랜지 연장부(450)를 포함한다.
환형 채널(424)은, 한편으로는 관형 토치 바디(404)의 상류 섹션(406)의 내면(410), 중앙 섹션(407)의 절두원추형 내면(411), 인서트(416)의 절두원추형 내면(426)과 원통형 표면(427)과, 다른 한편으로는 플라즈마 밀폐 튜브(418)의 외면부들(419, 412, 423)의 사이에 형성된다. 환형 채널(424)은 플라즈마 밀폐 튜브(418)를 냉각시키기 위한 냉각 유체(도시되지 않음)를 수용하도록 구성된다. 제한 없이, 환형 채널(424)은 플라즈마가 생성되는 플라즈마 밀폐 튜브(418)의 적어도 상당한 섹션에 걸쳐 일정한 두께를 가질 수 있다. 환형 채널(424)이 충분히 얇으면, 플라즈마 밀폐 튜브(418)를 효율적으로 냉각시키기 위한 냉각 유체의 고속 유동이 그 안에 설정될 수 있다. 냉각 유체의 비제한적인 예로서, 탈이온수와 같은 물 또는 다른 적합한 냉매를 포함한다. 구체적으로, 냉각 유체는 출구 노즐(240)에 형성된 환형의 냉각 유체 입구(432)에 공급되고, 환형 채널(424)을 통해 유동하며, 관형 토치 바디(404) 및 가스 분배 헤드(202)에 형성된 환형 냉각 유체 출구(434)를 통해 배출된다. 제한 없이, 상기 냉각 유체는 냉각 채널(424)에서 플라즈마 흐름의 축 방향(222)과 반대 방향으로 흐른다. 도시된 실시예에서, 환형 냉각 유체 입구(432)로부터 환형 채널(424)로의 냉각 유체의 통과를 용이하게 하기 위해, 복수의 반원형 개구들(436)이 인서트(416)의 환형 하류 단부의 주변부에 기계 가공된다. 또한, 환형 냉각 유체 입구(432) 및 환형 채널(424)로부터의 냉각 유체의 통로에 관한 다른 구성들도 고려될 수 있다.
도 2의 실시예에서와 같이, 유도 플라즈마 토치(400)는 관형 토치 바디와 동축으로 관형 토치 바디(404) 내에 내장된 유도 커플링 부재, 예를 들어 전술한 유도 코일(428)을 포함한다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 유도 플라즈마 토치(400)는, 예를 들어 금속과 같은 전기 전도성 물질의 튜브와 같은, 층으로 형성된 관형 용량성 차폐부(440)를 포함하며, 상기 용량성 차폐부(440)는 관형 토치 바디(404)의 상류 섹션(406) 및 중앙 섹션(407)의 내면들(410, 411)의 물질에 내장되어 있다. 일 실시예에서, 상기 내면들(410, 411) 상에 상기 전기 전도성 물질의 층을 노출시키고 관형 토치 바디(404)의 내벽의 매끄러운 표면을 생성하기 위하여, 상기 층, 예를 들어 전기 전도성 물질의 튜브가 관형 토치 바디(404)의 내벽, 즉 관형 토치 바디의 내면들(410, 411)을 따라 기계 가공되기에 충분한 정도로 두꺼운 것이다.
예를 들어, 용량성 차폐부(440)를 형성하는 전도성 물질의 튜브와 같은 층은 관형 토치 바디(404)의 상류 섹션(406)의 상단부에 위치된 상류 링(444)에 의해 상호 연결된 하류 축 스트립들(442)로 분할될 수 있다. 또한, 용량성 차폐부(440)는 관형 토치 바디(404)의 상류 섹션(406) 및 중앙 섹션(407)의 내면들(410, 411)에 간단히 부착될 수 있다.
유도성 커플링 부재(428)는 용량성 차폐부(440)의 레벨에 상당하여, 용량성 차폐부(440)의 외부에 위치된다. 따라서, 용량성 차폐부(440)는 플라즈마 가스의 흐름이 유도성 커플링 부재(428)로부터 에너지를 받는 플라즈마 밀폐 튜브(418)의 영역의 주요 부분을 덮는다. 따라서, 용량성 차폐부(440)는 유도 플라즈마 토치(400)에서의 플라즈마 가스 방전에 커플링하는 용량성 에너지를 감소시킬 것이고, 이에 따라 스트레이-아킹의 발생을, 만약 제거되지 않으면, 실질적으로 감소시킨다.
전술한 유도 플라즈마 토치들(200, 400)에서, 외측 및 환형의 숄더/플랜지 연장부(250, 450)는 인서트 플라즈마 토치(200, 400) 내의 인서트(216, 416)를 제 위치에 유지하도록 구성된다. 상기 목적을 위해, 외측의 환형 숄더/플랜지 연장부(250, 450)는 인서트(216, 416)의 하류 단부에 인접하는 숄더(251, 451)를 형성한다. 또한, 숄더(251, 451)를 포함하는 외측의 환형 숄더/플랜지 연장부(250, 450)의 사용은, 환형 시트(241)에 위치될 때, 관형 토치 바디(204, 404) 내의 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)의 정확한 위치 설정을 제공한다. 명백하게, 외측의 환형 숄더/플랜지 연장부(250, 450)는, 존재하는 경우, 유도 플라즈마 토치(200, 400)의 상류 단부로부터의 제거를 위하여 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)의 미끄러짐을 방지한다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 각각 도 4의 라인 A-A, B-B 및 C-C에 따른 유도 플라즈마 토치(400)의 단면도들이다.
도 7a에 도시된 용량성 차폐부(440)는 도 4의 유도 플라즈마 토치(400)에만 존재한다. 도 7b 및 도 7c의 도면들은 도 2 및 도 4에 도시된 유도 플라즈마 토치들(200, 400) 모두에 적용될 수 있다.
도 7b는 인서트(216, 416)가 축 방향 절단부들(454)에 의해 분리되는 적어도 2개의 상보적인 반원통형 섹션들(216A, 216B, 416A, 416B)을 포함하는 것을 도시한다. 상보적인 섹션들(216A, 216B, 416A, 416B)은 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)를 완전히 둘러싸며, 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418) 및 인서트(216, 416)를 관형 토치 바디(204, 404)의 하류 단부를 통해 관형 토치 바디(204, 404)의 바깥쪽으로 미끄러지게 하고, 그 다음에 축 방향 절단부들(454)을 따라 상보적인 섹션들(216A, 216B, 416A, 416B)을 서로 분리시킴으로써, 상보적인 섹션들(216A, 216B, 416A, 416B)은 유도 플라즈마 토치(200, 400)로부터 분해될 수 있다.
도 7c는 특히, 인서트(216, 416)의 환형 하류 단부의 주변부에 기계 가공되고 분배된 복수의 반원형 개구들(236, 436)를 나타낸다.
도 7a, 도 7b, 도 7c는 실제의 축척은 아니지만, 플라즈마 밀폐 튜브(418)의 관형 벽은 도 4의 라인 A-A, B-B 및 C-C에 따른 단면들 사이에서 두께가 감소함을 나타낸다. 환형 채널(224, 424)은 그것들의 레벨들에서 상당히 일정한 두께를 갖는다.
유도 코일(228, 428)의 영역에서, 관형 벽(220, 420)의 길이를 따라 주어진 단면에 대해, 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)의 관형 벽(220, 420)의 가변 두께는 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure pct00001
여기서;
Figure pct00002
는 미터로 표시되는 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)의 상류 단부로부터 선택된 거리에서의 관형 벽(220, 420)의 두께이며;
Figure pct00003
는 미터 및 캘빈당 와트로 표시되는 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)를 형성하는 물질의 열전도도이며;
Figure pct00004
는 켈빈으로 표시되는 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)의 관형 벽(220, 420)을 가로지르는 허용 가능한 온도차이며;
Figure pct00005
는 평방 미터당 와트로 표시되는 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)의 상류 단부로부터 선택된 거리에서의 플라즈마 밀폐 튜브로의 열유속이다.
유도 플라즈마 토치(200, 400)의 작동에 의해 야기되는 열유속을 알고, 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)의 열전도성, 내열성 및 원하는 내구성을 알면, 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)의 두께 변화 및 이로부터 유도 플라즈마 토치(200, 400)의 다른 구성요소들의 기하학적 치수들을 설정하는 것이 가능하다.
도 8은 도 2 또는 도 3에 도시된 바와 같은 (a) 일정 두께의 플라즈마 밀폐 튜브 및 (b) 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽에 대한 열유속의 축 분포를 나타내는 그래프이고, 유도 플라즈마 토치는 100kW에서 작동한다. TEKNA, Sherbrooke, QC, Canada의 모델 PL-70 유도 플라즈마 토치는 도 8에 도시된 계산 결과들을 얻는 데 사용되었다. 처음에, 계산들 및 측정들은 PL-70 유도 플라즈마 토치를 사용하여 얻어졌다. 그 다음, 프로토타입은 도 2와 도 3에 소개된 특성들을 사용하여 PL-70 유도 플라즈마 토치를 수정하여 만들어졌다. 두 경우 모두, 플라즈마 밀폐 튜브의 내부 직경은 70mm이며, 플라즈마는 대기압에서 아르곤과 수소의 혼합물로 구성되며, 또한, 유도 플라즈마 토치는 플라즈마 방전에 커플링되는 전력의 100kW, 65kW의 플레이트 전력에서 작동한다.
도 8에서, 그래프(800)는 유도 플라즈마 토치(200, 400)의 부분들의 부분 개략도(850)를 수반한다. 그래프(800)는 그래프의 수평축 상에 플라즈마 밀폐 튜브의 상류 단부로부터의 플라즈마 밀폐 튜브의 길이에 따른 축 방향 거리를 밀리미터 단위로 도시한다. 화살표들(852, 854)은 유도 커플링 부재(228, 428)의 위치에 관하여 부분 개략도(850)를 따라 상기 축 방향 거리를 가시화할 수 있게 한다. 그래프(800)의 좌측의 제1 수직축은 플라즈마 밀폐 튜브(204, 404)의 관형 벽(220, 420) 상의 열유속을 평방 미터 당 와트 단위로 제공한다. 그래프(800)의 우측의 제2 수직축은 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽에 대한 켈빈 온도를 제공한다. 곡선(802)는 열유속의 변화들을 나타내며, 유도 커플링 부재(228, 428)의 중심 주변에서 거의 1.4 x 106 W/m2의 최대값에 도달하며, 유도 커플링 부재(228, 428)의 상류 단부에서 약 0.3 x 106 W/m2로 떨어지고, 유도 커플링 부재(228, 428)의 하류 단부에서 약 0.5 x 106 W/m2로 떨어진다.
표준 PL-70 유도 플라즈마 토치를 사용하여, 온도 곡선(804) 상에 도시된 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽의 온도는 최대 열유속의 위치에서 700K에 근접한 최대값에 도달하고, 유도 커플링 부재(228, 428)의 상류 및 하류 단부에서 각각 약 400 및 500K로 테이퍼 다운되는 열유속 곡선(802)의 추세에 근접하여 따라간다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 테이퍼된 두께를 갖는 플라즈마 밀폐 튜브를 사용하여, 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽의 온도 프로파일은 온도 곡선(806)에 도시된 바와 같이 크게 평탄화된다. 이 경우의 최대 관형 벽 온도는 450K 이하이며, 이는 균일한 관 두께로 얻어진 700K 값보다 상당히 낮다는 것을 알 수 있다.
도 9는 도 2 또는 도 3에 도시된 바와 같이 (a) 일정 두께의 플라즈마 밀폐 튜브 및 (b) 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽에 대한 열유속의 축 분포를 도시하는 그래프이며, 유도 플라즈마 토치는 140kW에서 작동한다. 같은 모델의 PL-70 유도 플라즈마 토치가 처음에는 표준 구성으로 사용되었고, 그 다음에 도 2와 도 4에 도입된 특징들을 사용하였다. 도 9의 경우가 더 높은 구동 전력에서 결과들이 얻어진다는 점에서 도 8 및 도 9는 구별된다.
도 9에서, 그래프(900)는 유도 플라즈마 토치(200, 400)의 부분들의 부분 개략도(950)를 수반한다. 그래프(900)는 수평축 상에 플라즈마 밀폐 튜브의 상류 단부로부터의 길이에 따른 플라즈마 밀폐 튜브의 축 방향 거리를 밀리미터 단위로 도시한다. 화살표(952, 954)는 유도성 커플링 부재(228, 428)의 위치에 관하여 부분 개략도(950)를 따라 상기 축 방향 거리를 가시화할 수 있게 한다. 그래프(900)의 좌측의 제1 수직축은 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽상의 열유속을 평방 미터당 와트 단위로 제공한다. 그래프(900)의 우측상의 제2 수직축은 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽에 대한 켈빈 온도를 제공한다. 곡선(902)은 유도 커플링 부재(228, 428)의 중심 주위에서 최대 약 2.2 x 106 W/m2에 도달하는 열유속의 변화들을 나타내며, 유도 커플링 부재(228, 428)의 상류 단부에서 약 0.2 x 106 W/m2, 유도 커플링 부재(228)의 하류 단부에서 약 0.7 x 106 W/m2로 떨어진다.
표준 PL-70 유도 플라즈마 토치를 사용하여, 온도 곡선(904) 상에 도시된 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽의 온도는 열유속 곡선(902)의 추세를 밀접하게 따르며, 최대 열유속의 위치에서 1000K에 근접한 최대값에 도달하고, 유도 커플링 부재(228, 428)의 상류 및 하류 단부에서 각각 약 470K 및 600K로 테이퍼 다운된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 테이퍼된 두께를 갖는 플라즈마 밀폐 튜브를 사용하여, 유도 플라즈마 토치의 더 높은 작동 전력에도 불구하고, 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽의 온도 프로파일은 온도 곡선(906)에 도시된 바와 같이 여전히 현저히 평탄하게 되어 있다. 이 경우의 최대 관형 벽 온도는 약 550K이며, 이는 균일한 관형 벽 두께로 얻어진 1000K 값보다 현저히 낮으며, 균일한 관형 벽 두께를 갖는 플라즈마 밀폐 튜브를 갖는 100kW의 플레이트 출력에서 얻어진 700K의 최대값보다도 여전히 낮다는 것을 알 수 있다.
플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽상의 온도 구배는 도 4의 용량성 차폐부(440)의 존재에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있으며, 그 결과, 그래프(800) 상의 곡선(806) 및 그래프(900) 상의 곡선(906)은 도 2 및 도 4의 실시예들 모두에 적용된다. 온도 곡선들(804, 806, 904, 906)은 냉각 유체에 대해 투과성이 아닌 플라즈마 밀폐 튜브를 사용하여 얻어졌음을 알 수 있다.
본 기술이 관형벽(220, 420)에 인가된 극단적인 열을 감소시키더라도, 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)는 여전히 고온의 영향을 받으므로 그들의 교체를 필요로 한다. 숙련된 기술자는 인서트들(216, 416)이 없는 유도 플라즈마 토치(200, 400)의 구성이 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)의 교체를 매우 어렵게 하고, 일부 구성들에서는 불가능할 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)는 그 상류 단부에서 더 두껍기 때문에, 상당히 일정한 두께를 갖는 얇은 환형 채널(224, 424)을 제공하기 위해 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)의 직경이 일정하게 감소하면서 상기 내면이 연장되면, 관형 토치 바디(204, 404)의 내면의 주변부에 충돌함이 없이 관형 토치 바디(204, 404)로부터 아래로 미끄러질 수 없다.
토치 바디의 내면이 일정한 직경을 갖게 하는 해결책은 플라즈마 밀폐 튜브의 제거 및 교체를 허용할 수 있지만, 이는 환형의 냉각 채널을 하단부에서 더 두껍게 만들 것이므로, 상기 해결책은 냉각면에서 성능이 좋지 않을 것이다. 플라즈마 밀폐 튜브가 토치 바디에서 미끄러져 제거되는 다른 해결책은 유도 플라즈마 토치의 분배기 헤드를 분해하는 데 요구되는 광범위한 인력이 필요할 것이다. 또한, 상기 해결책은 플라즈마 밀폐 튜브의 하류 단부에서의 외측의 환형 숄더/플랜지 연장부(250, 450)의 존재 하에서는 간단하게 작동하지 않을 것이다.
플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)가 외측의 환형 숄더/플랜지 연장부(250, 450)를 갖는 유도 플라즈마 토치(200, 400)의 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)를 제거하는 방법은 관형 토치 바디(204, 404)로부터 플라즈마 출구 노즐(240)을 제거하는 단계를 포함한다. 플라즈마 출구 노즐(240)의 제거는 플라즈마 출구 노즐(240)의 환형 시트(241)로부터 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)의 외측의 환형 숄더/플랜지 연장부(250, 450)를 해제한다. 그 다음, 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)는 가스 분배기 헤드(202)의 환형 시트로부터 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)의 상류 단부를 분리하고, 관형 토치 바디(204, 404)의 하류 섹션(208, 408)의 내면(212, 412)으로부터 인서트(216, 416)를 분리하면서 관형 인서트(216, 416)를 따라 방향(222)으로 바깥쪽으로 당겨질 수 있다. 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418) 및 인서트(216, 416)가 관형 토치 바디(204, 404)의 내부로부터 제거된 후에, 관형 인서트(216, 416)는 2개의 상보적인 반원통형 섹션들(216A, 216B, 416A, 416B)을 축방향 절단부들(454)(도 7b 참조)에서 서로 분리시킴으로써 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)로부터 해체될 수 있다. 환형 숄더(414)에서의 관형 토치 바디(404)의 내부 직경은 더 큰 외부 직경을 갖는 플라즈마 밀폐 튜브(418)의 상류 섹션이 관형 토치 바디(404) 밖으로 미끄러질 수 있도록 하기에 충분히 크다는 점을 유의해야 한다.
다음에, 새로운 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)가 유도 플라즈마 토치(200, 400)에 장착될 수 있다. 그 때문에, 인서트(216, 416)의 상보적인 반원통형 섹션들(216A, 216B, 416A, 416B)은 축방향 절단부들(454)에서 함께 조립되어 새로운 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418) 상에 위치된다. 다음에, 어셈블리 인서트/플라즈마 밀폐 튜브는 상기 관형 토치 바디의 하류 단부를 통해 관형 토치 바디(204, 404) 내에 도입된다. 인서트(216, 416)는 관형 토치 바디(204, 404)의 하류 섹션(208, 408)의 내면(212, 412) 상의 위치에서 활주되며, 플라즈마 밀폐 튜브(218, 418)의 상류 단부는 가스 분배기 헤드(202)의 환형 시트상에 위치된다. 최종적으로, 플라즈마 출구 노즐(240)은 환형 시트(241)의 외측의 환형 숄더/플랜지 연장부(250, 450)에 의해 관형 토치 바디(204, 404) 상에 장착된다.
상기 설명분야의 통상의 설명자들는 유도 플라즈마 토치 및 플라즈마 밀폐 튜브 교체 방법의 설명은 단지 예시적인 것이며, 임의의 방식으로 제한하려는 것은 아님을 알 수 있을 것이다. 다른 실시예들은 본 개시의 이점을 갖는 상기 설명분야의 통상의 설명자들에게 용이하게 제안할 것이다. 나아가, 개시된 유도 플라즈마 토치 및 플라즈마 밀폐 튜브 교체 방법은 유도 플라즈마 토치에서의 스트레이-아킹을 감소시키거나 제거하면서 플라즈마의 에너지 밀도를 증가시키기 위한 기존의 필요성들에 대하여 가치있는 해결책들을 제공하도록 맞춰질 수 있다.
명확성을 위해, 유도 플라즈마 토치 및 플라즈마 밀폐 튜브 교체 방법 구현의 일상적인 특징들 모두가 도시되고 설명되지는 않는다. 유도 플라즈마 토치 및 플라즈마 밀폐 튜브 교체 방법의 어떠한 실제 구현의 개발에서도, 애플리케이션, 시스템 및 비즈니스 관련 제약 조건 준수와 같은 개발자의 특정 목표를 달성하기 위해 다수의 특정하게 구현된 결정들이 이루어질 필요가 있음이 물론 이해될 것이며, 이러한 구체적인 목표들은 각각의 구현마다 다르며 특정 개발자에서 다른 개발자에 이르기까지 다양하다. 나아가, 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시의 이점을 갖는 유도 플라즈마 토치들의 분야의 통상의 설명자들들에게는 통상적인 엔지니어링일이 될 것이다.
본 개시는 예시들로서 제공되는 비제한적이고 예시적인 실시예들에 의해 앞의 명세서에서 설명되었다. 이러한 예시적인 실시예들은 임의로 변경될 수 있다. 청구항들의 범위는 예시들에 제시된 실시예들에 의해 제한되어서는 안되며, 명세서 전체와 일치하는 가장 넓은 해석으로 주어져야 할 것이다.

Claims (31)

  1. 유도 플라즈마 토치에 있어서,
    각각의 내면들을 한정하는 상류 섹션 및 하류 섹션을 가지는 관형 토치 바디;
    관형 토치 바디와 동축이고, 일정한 내부 직경을 갖는 내면과 외면을 갖고, 관형 토치 바디 내에 배치되는 플라즈마 밀폐 튜브;
    관형 토치 바디의 하류 섹션의 내면에 장착되고, 내면을 갖는 관형 인서트; 및
    (a) 관형 토치 바디의 상류 섹션의 내면 및 관형 인서트의 내면과 (b) 플라즈마 밀폐 튜브의 외면의 사이에 형성되며, 플라즈마 밀폐 튜브를 냉각시키기 위한 냉각 유체를 안내하도록 구성되는 환형 채널을 포함하며,
    상기 플라즈마 밀폐 튜브는 상기 플라즈마 밀폐 튜브의 적어도 섹션에 걸쳐 플라즈마 유동의 축 방향으로 테이퍼 오프되는 두께를 갖는 관형 벽을 가진
    유도 플라즈마 토치.
  2. 제1항에 있어서,
    플라즈마를 생성 및 유지하도록 상기 플라즈마 밀폐 튜브 내에 존재하는 플라즈마 가스에 에너지를 인가하기 위하여 상기 관형 토치 바디의 내부에 내장된 유도 커플링 부재를 포함하는
    유도 플라즈마 토치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유도 커플링 부재는 동축 코일을 포함하고, 상기 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽의 두께는 상기 동축 코일의 영역에서 테이퍼 오프되는
    유도 플라즈마 토치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관형 토치 바디의 상류 섹션의 내면, 상기 관형 인서트의 내면 및 상기 플라즈마 밀폐 튜브의 외면은 일정한 두께를 갖는 상기 환형 채널을 형성하도록 구성된
    유도 플라즈마 토치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관형 토치 바디는 상기 상류 섹션의 내면과 상기 하류 섹션의 내면 사이에 환형 숄더를 포함하고, 상기 관형 인서트는 환형 숄더에 인접하는 상류 단부를 포함하는
    유도 플라즈마 토치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 밀폐 튜브는 상류 원통형 외면, 중앙 절두원추형 외면 및 하류 원통형 외면을 한정하며;
    상기 관형 토치 바디의 상류 섹션의 내면은 원통형이고 상기 플라즈마 밀폐 튜브의 상기 상류 원통형 외면에 대향하며;
    상기 관형 인서트의 내면은 상기 플라즈마 밀폐 튜브의 중앙 절두원추형 외면에 대향하는 상류 절두원추형 표면부 및 상기 플라즈마 밀폐 튜브의 하류 원통형 외면에 대향하는 하류 원통형 표면부을 포함하는
    유도 플라즈마 토치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관형 토치 바디의 내벽 상에 전기 전도성 물질의 층을 갖는 내부 용량성 차폐부를 포함하며,
    상기 전도성 물질의 층은 축 방향 스트립들로 분할되고 상기 축 방향 스트립들의 상류 단부들을 상호 연결하기 위한 링을 형성하는
    유도 플라즈마 토치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 용량성 차폐부는 상기 관형 토치 바디의 내벽에 내장되는
    유도 플라즈마 토치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전기 전도성 물질의 층은 상기 전기 전도성 물질의 튜브를 포함하는
    유도 플라즈마 토치.
  10. 유도 플라즈마 토치에 있어서,
    각각의 내면들을 한정하는 상류 섹션, 중앙 섹션 및 하류 섹션을 가지는 관형 토치 바디;
    관형 토치 바디와 동축이고, 일정한 내부 직경을 갖는 내면과 외면을 갖고, 관형 토치 바디 내에 배치되는 플라즈마 밀폐 튜브;
    관형 토치 바디의 하류 섹션의 내면에 장착되고, 내면을 갖는 관형 인서트; 및
    (a) 관형 토치 바디의 상류 섹션의 내면, 관형 토치 바디의 중앙 섹션의 내면 및 상기 관형 인서트의 내면과 (b) 플라즈마 밀폐 튜브의 외면의 사이에 형성되며, 플라즈마 밀폐 튜브를 냉각시키기 위한 냉각 유체를 안내하도록 구성되는 환형 채널을 포함하며,
    상기 플라즈마 밀폐 튜브는 상기 플라즈마 밀폐 튜브의 적어도 섹션에 걸쳐 플라즈마 유동의 축 방향으로 테이퍼 오프되는 두께를 갖는 관형 벽을 가진
    유도 플라즈마 토치.
  11. 제10항에 있어서,
    플라즈마를 생성 및 유지하도록 상기 플라즈마 밀폐 튜브 내에 존재하는 플라즈마 가스에 에너지를 인가하기 위하여 상기 관형 토치 바디 내부에 내장된 유도 커플링 부재를 포함하는
    유도 플라즈마 토치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유도 커플링 부재는 동축 코일을 포함하고, 상기 플라즈마 밀폐 튜브의 관형 벽의 두께는 상기 동축 코일의 영역에서 테이퍼 오프되는
    유도 플라즈마 토치.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관형 토치 바디의 상류 섹션의 내면, 상기 관형 토치 바디의 중앙 섹션의 내면, 상기 관형 인서트의 내면 및 상기 플라즈마 밀폐 튜브의 외면은 일정한 두께를 갖는 환형 채널을 형성하도록 구성된
    유도 플라즈마 토치.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관형 토치 바디는 상기 중앙 섹션의 내면과 상기 하류 섹션의 내면 사이에 환형 숄더를 포함하고, 상기 관형 인서트는 상기 환형 숄더에 인접한 상류 단부를 포함하는
    유도 플라즈마 토치.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 밀폐 튜브는 상류 원통형 외면, 중앙 절두원추형 외면 및 하류 원통형 외면을 한정하며;
    상기 관형 토치 바디의 상류 섹션의 내면은 원통형이고, 상기 관형 토치 바디의 중앙 섹션의 내면은 절두원추형이며;
    상기 관형 인서트의 내면은 상기 관형 토치 바디의 중앙 섹션의 절두원추형 내면에 의해 형성되는 상류 절두원추형 표면부, 균일한 절두원추형 내면, 상류 절두원추형 표면부 및 하류 원통형 표면부를 포함하며;
    (a) 상기 관형 토치 바디의 상류 섹션의 원통형 내면은 상기 플라즈마 밀폐 튜브의 상류 원통형 표면부에 대향하고, (b) 상기 균일한 절두원추형 내면은 상기 플라즈마 밀폐 튜브의 상기 절두원추형 외면부에 대향하고, (c) 상기 관형 인서트의 하류 원통형 내면부는 상기 플라즈마 밀폐 튜브의 상기 하류 원통형 외면부에 대향하는
    유도 플라즈마 토치.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관형 토치 바디의 내벽 상에 전기 전도성 물질의 층을 갖는 내부 용량성 차폐부를 포함하며,
    상기 전도성 물질의 층은 축 방향 스트립들로 분할되고 상기 축 방향 스트립들의 상류 단부들을 상호 연결하기 위한 링을 형성하는
    유도 플라즈마 토치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 용량성 차폐부는 상기 관형 토치 바디의 상류 및 중앙 섹션의 내벽에 내장되고,
    상기 용량성 차폐부는 전기 전도성 물질의 층을 노출시키기 위하여 상기 관형 토치 바디의 상류 및 중앙 섹션의 내면들에 따라 기계 가공되는
    유도 플라즈마 토치.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 전기 전도성 물질의 층은 상기 전기 전도성 물질의 튜브를 포함하는
    유도 플라즈마 토치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환형 채널에 냉각 유체를 공급하기 위한 냉각 유체 입구; 및
    상기 환형 채널로부터 냉각 유체를 배출시키기 위한 냉각 유체 출구를 포함하는
    유도 플라즈마 토치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 냉각 유체 입구 및 출구는 상기 냉각 유체가 상기 플라즈마 유동의 방향과 반대 방향으로 상기 환형 채널에서 유동하도록 위치된
    유도 플라즈마 토치.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 밀폐 튜브는 상기 냉각 유체가 투과할 수 있는 물질로 만들어지며, 상기 플라즈마 밀폐 튜브의 물질를 통해 투과하는 냉각 유체의 일부는 상기 플라즈마 밀폐 튜브의 내면 상에 냉각 유체의 필름을 형성하고, 상기 필름으로부터 나오는 상기 냉각 유체는 플라즈마에 의해 생성된 열에 의해 증발되며, 상기 냉각 유체는 증발될 때 플라즈마를 생성할 수 있는 가스를 형성하도록 선택되는
    유도 플라즈마 토치.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 밀폐 튜브는 외측의 환형 숄더/플랜지 연장부가 구비된 하류 단부를 포함하고,
    상기 유도 플라즈마 토치는 관형 토치 바디의 하류 단부에 장착되는 환형 플라즈마 출구 노즐을 포함하고, 상기 외측의 환형 숄더/플랜지 연장부를 수용하기 위한 환형 시트를 포함하는
    유도 플라즈마 토치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 환형의 숄더/플랜지 연장부는 상기 관형 인서트의 하류 단부가 상기 관형 토치 바디의 하류 섹션의 내면에서 상기 유도 플라즈마 토치에 상기 환형 인서트를 유지하도록 인접하는 환형 숄더를 형성하는
    유도 플라즈마 토치.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관형 인서트는 상기 플라즈마 밀폐 튜브를 둘러싸는 적어도 2개의 상보적인 섹션들을 포함하는
    유도 플라즈마 토치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 관형 인서트의 상보적인 부분들은 2개의 반원통형 섹션들을 포함하는
    유도 플라즈마 토치.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 유도 플라즈마 토치로부터 플라즈마 밀폐 튜브를 제거하는 방법으로서, 상기 플라즈마 밀폐 튜브 및 상기 관형 인서트를 상기 관형 토치 바디의 바깥쪽에서 플라즈마 유동의 축 방향으로 동시에 당기는 단계를 포함하는
    유도 플라즈마 토치로부터 플라즈마 밀폐 튜브를 제거하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 플라즈마 밀폐 튜브 및 상기 관형 인서트를 상기 관형 토치 바디의 바깥쪽에서 플라즈마 유동의 축 방향으로 동시에 당기기 전에, 상기 관형 토치 바디의 하류 단부에 장착된 환형 플라즈마 출구 노즐을 제거하는 단계; 및
    상기 플라즈마 밀폐 튜브를 둘러싸는 적어도 2개의 상보적인 섹션들로 이루어진 상기 관형 인서트를 분해하는 단계를 포함하며,
    상기 관형 인서트를 분해하는 단계는 상기 2개 이상의 상보적인 섹션들을 서로 분리시키는 단계를 포함하는
    유도 플라즈마 토치로부터 플라즈마 밀폐 튜브를 제거하는 방법.
  28. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 유도 플라즈마 토치로부터 플라즈마 밀폐 튜브를 설치하는 방법으로서,
    상기 플라즈마 밀폐 튜브와 상기 관형 인서트를 상기 플라즈마 유동의 방향과 반대의 축 방향으로 상기 관형 토치 바디 내로 동시에 도입하는 단계를 포함하는
    유도 플라즈마 토치로부터 플라즈마 밀폐 튜브를 설치하는 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 플라즈마 밀폐 튜브를 둘러싸기 위한 적어도 2개의 상보적인 섹션들로 이루어진 상기 관형 인서트를 조립하는 단계; 및
    상기 플라즈마 밀폐 튜브 및 상기 관형 인서트를 상기 관형 토치 바디에 위치시키고 유지하기 위해 상기 관형 토치 바디의 하류 단부에 환형 플라즈마 출구 노즐을 장착하는 단계를 포함하며,
    상기 관형 인서트를 조립하는 단계는 상기 플라즈마 밀폐 튜브 주위에 상기 적어도 2개의 상보적인 섹션들을 서로 조립하는 단계를 포함하는
    유도 플라즈마 토치로부터 플라즈마 밀폐 튜브를 설치하는 방법.
  30. 유도 플라즈마 토치용 관형 토치 바디에 있어서,
    내벽; 및
    상기 관형 토치 바디의 내벽에 내장된 전기 전도성 물질의 층을 포함하는 내부 용량성 차폐부를 포함하며,
    상기 전도성 물질 층은 축 방향 스트립들로 분할되고 상기 축 방향 스트립들의 상류 단부들을 상호 연결하기 위한 링을 형성하며,
    상기 용량성 차폐부는 상기 전기 전도성 물질의 층을 노출시키고 상기 관형 토치 바디의 내벽에 매끄러운 표면을 형성하도록 상기 관형 토치 바디의 내벽에 따라 기계 가공되는
    유도 플라즈마 토치용 관형 토치 바디.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 전기 전도성 물질의 층은 상기 전기 전도성 물질의 튜브를 포함하는
    유도 플라즈마 토치용 관형 토치 바디.
KR1020177037781A 2015-06-29 2016-06-27 더 높은 플라즈마 에너지 밀도를 갖는 유도 플라즈마 토치 KR102068539B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562185799P 2015-06-29 2015-06-29
US62/185,799 2015-06-29
PCT/CA2016/050754 WO2017000065A1 (en) 2015-06-29 2016-06-27 Induction plasma torch with higher plasma energy density

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180021369A true KR20180021369A (ko) 2018-03-02
KR102068539B1 KR102068539B1 (ko) 2020-01-21

Family

ID=57605196

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177037781A KR102068539B1 (ko) 2015-06-29 2016-06-27 더 높은 플라즈마 에너지 밀도를 갖는 유도 플라즈마 토치

Country Status (9)

Country Link
US (1) US10028368B2 (ko)
EP (1) EP3314989B1 (ko)
JP (1) JP6817971B2 (ko)
KR (1) KR102068539B1 (ko)
CN (1) CN107852807B (ko)
AU (1) AU2016288266B2 (ko)
CA (1) CA2988198A1 (ko)
RU (1) RU2724929C2 (ko)
WO (1) WO2017000065A1 (ko)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2992303C (en) 2015-07-17 2018-08-21 Ap&C Advanced Powders And Coatings Inc. Plasma atomization metal powder manufacturing processes and systems therefor
CA3020720C (en) 2016-04-11 2020-12-01 Ap&C Advanced Powders & Coatings Inc. Reactive metal powders in-flight heat treatment processes
US10212798B2 (en) * 2017-01-30 2019-02-19 Sina Alavi Torch for inductively coupled plasma
DE112019003012T5 (de) * 2018-06-12 2021-03-04 Agilent Technologies, Inc. ICP Spektroskopie-Brenner mit abnehmbarem, einteiligem Injektor
IT201800020206A1 (it) 2018-12-19 2020-06-19 Directa Plus Spa Apparecchiatura per il trattamento di materiali con plasma.
AU2020250025A1 (en) 2019-03-26 2021-10-28 6K Inc. Segmented liner and methods of use within a microwave plasma apparatus
AT526239B1 (de) * 2022-08-09 2024-01-15 Thermal Proc Solutions Gmbh Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas
AT526238B1 (de) * 2022-08-09 2024-01-15 Thermal Proc Solutions Gmbh Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas
AT526353B1 (de) 2022-08-09 2024-02-15 Thermal Proc Solutions Gmbh Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4958057A (en) * 1988-04-26 1990-09-18 Nippon Steel Corporation Transfer-type plasma torch with ring-shaped cathode and with processing gas passage provide interiorly of the cathode
US5560844A (en) * 1994-05-26 1996-10-01 Universite De Sherbrooke Liquid film stabilized induction plasma torch
US20120261390A1 (en) * 2011-02-03 2012-10-18 Tekna Plasma Systems Inc High Performance Induction Plasma Torch

Family Cites Families (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3041672A (en) 1958-09-22 1962-07-03 Union Carbide Corp Making spheroidal powder
US3891824A (en) 1971-04-01 1975-06-24 Philips Corp Method of plasma-MIG-welding
US4374075A (en) 1981-06-17 1983-02-15 Crucible Inc. Method for the plasma-arc production of metal powder
DE4022112C2 (de) * 1990-07-11 1996-03-14 Mannesmann Ag Plasmabrenner für übertragenen Lichtbogen
US5296667A (en) 1990-08-31 1994-03-22 Flame-Spray Industries, Inc. High velocity electric-arc spray apparatus and method of forming materials
US5147448A (en) 1990-10-01 1992-09-15 Nuclear Metals, Inc. Techniques for producing fine metal powder
DE4102101C2 (de) 1991-01-25 2003-12-18 Ald Vacuum Techn Ag Einrichtung zum Herstellen von Pulvern aus Metallen
US5200595A (en) 1991-04-12 1993-04-06 Universite De Sherbrooke High performance induction plasma torch with a water-cooled ceramic confinement tube
JPH0782918B2 (ja) * 1991-11-11 1995-09-06 株式会社三社電機製作所 インダクションプラズマトーチ
RU2032280C1 (ru) * 1992-02-18 1995-03-27 Инженерный центр "Плазмодинамика" Способ управления плазменным потоком и плазменное устройство
US5277705A (en) 1992-12-30 1994-01-11 Iowa State University Research Foundation, Inc. Powder collection apparatus/method
US5707419A (en) 1995-08-15 1998-01-13 Pegasus Refractory Materials, Inc. Method of production of metal and ceramic powders by plasma atomization
US5874134A (en) * 1996-01-29 1999-02-23 Regents Of The University Of Minnesota Production of nanostructured materials by hypersonic plasma particle deposition
US6056848A (en) * 1996-09-11 2000-05-02 Ctp, Inc. Thin film electrostatic shield for inductive plasma processing
US5939151A (en) 1996-10-25 1999-08-17 Iowa State University Research Foundation, Inc. Method and apparatus for reactive plasma atomization
CA2214194C (en) 1997-01-10 2002-04-09 Basf Corporation Multiple domain fibers having inter-domain boundary compatibilizing layer and methods of making the same
US5808270A (en) 1997-02-14 1998-09-15 Ford Global Technologies, Inc. Plasma transferred wire arc thermal spray apparatus and method
US5877471A (en) * 1997-06-11 1999-03-02 The Regents Of The University Of California Plasma torch having a cooled shield assembly
US6142382A (en) 1997-06-18 2000-11-07 Iowa State University Research Foundation, Inc. Atomizing nozzle and method
ATE258092T1 (de) 2000-02-10 2004-02-15 Tetronics Ltd Plasmareaktor zur herstellung von feinem pulver
US6365867B1 (en) 2000-11-01 2002-04-02 Sandia Corporation Plasma arc torch with coaxial wire feed
US6915964B2 (en) 2001-04-24 2005-07-12 Innovative Technology, Inc. System and process for solid-state deposition and consolidation of high velocity powder particles using thermal plastic deformation
WO2003032693A1 (en) * 2001-10-05 2003-04-17 Universite De Sherbrooke Multi-coil induction plasma torch for solid state power supply
US6693253B2 (en) 2001-10-05 2004-02-17 Universite De Sherbrooke Multi-coil induction plasma torch for solid state power supply
GB0201600D0 (en) 2002-01-24 2002-03-13 Univ Cambridge Tech Large- scale plasma synthesis of hollow nanostructures
KR100631828B1 (ko) * 2003-05-12 2006-10-04 재단법인서울대학교산학협력재단 원통형 유도코일 구조체를 갖는 일체형 유도 결합플라즈마 토치
US7465430B2 (en) * 2004-07-20 2008-12-16 E. I. Du Pont De Nemours And Company Apparatus for making metal oxide nanopowder
WO2011054113A1 (en) 2009-11-05 2011-05-12 Ap&C Advanced Powders & Coatings Inc. Methods and apparatuses for preparing spheroidal powders
US8642974B2 (en) * 2009-12-30 2014-02-04 Fei Company Encapsulation of electrodes in solid media for use in conjunction with fluid high voltage isolation
KR101156793B1 (ko) * 2010-08-18 2012-06-18 재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원 나노 분말 제조용 플라즈마 토치 전극 구조
CN103429354B (zh) 2010-12-22 2016-08-17 火焰喷射工业股份有限公司 利用等离子体转移金属丝电弧的改进的热喷涂方法和设备
US9533909B2 (en) 2014-03-31 2017-01-03 Corning Incorporated Methods and apparatus for material processing using atmospheric thermal plasma reactor
CN104470185A (zh) * 2014-12-11 2015-03-25 中国航天空气动力技术研究院 100kw高频感应发生器
EP3978166A1 (en) 2015-06-05 2022-04-06 Pyrogenesis Canada Inc. Plasma apparatus for the production of high quality spherical powders at high capacity
CA2992303C (en) 2015-07-17 2018-08-21 Ap&C Advanced Powders And Coatings Inc. Plasma atomization metal powder manufacturing processes and systems therefor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4958057A (en) * 1988-04-26 1990-09-18 Nippon Steel Corporation Transfer-type plasma torch with ring-shaped cathode and with processing gas passage provide interiorly of the cathode
US5560844A (en) * 1994-05-26 1996-10-01 Universite De Sherbrooke Liquid film stabilized induction plasma torch
US20120261390A1 (en) * 2011-02-03 2012-10-18 Tekna Plasma Systems Inc High Performance Induction Plasma Torch

Also Published As

Publication number Publication date
AU2016288266A1 (en) 2018-01-04
RU2724929C2 (ru) 2020-06-26
JP2018519637A (ja) 2018-07-19
RU2018102802A3 (ko) 2019-12-11
JP6817971B2 (ja) 2021-01-20
WO2017000065A1 (en) 2017-01-05
EP3314989A4 (en) 2019-03-20
RU2018102802A (ru) 2019-07-29
US20160381777A1 (en) 2016-12-29
EP3314989B1 (en) 2020-05-27
US10028368B2 (en) 2018-07-17
EP3314989A1 (en) 2018-05-02
CN107852807A (zh) 2018-03-27
CA2988198A1 (en) 2017-01-05
CN107852807B (zh) 2020-07-07
AU2016288266B2 (en) 2021-05-13
KR102068539B1 (ko) 2020-01-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20180021369A (ko) 더 높은 플라즈마 에너지 밀도를 갖는 유도 플라즈마 토치
JP6158396B2 (ja) 高性能誘導プラズマトーチ
RU2564534C2 (ru) Плазменная горелка
JP6177864B2 (ja) チャネルに沿って断面積が変化するトーラス状のプラズマチャネル
CN107182164B (zh) 一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器
KR101749470B1 (ko) 환형 부품을 위한 가열 장치 및 그 환형 공동
RU2780005C1 (ru) Индуктор для высокочастотного плазматрона (варианты)
Grishin et al. Numerical simulation of the argon-hydrogen plasma flow in the channel of RF inductively coupled plasma torch
JP2014216054A (ja) マイクロ波イオン源、及びマイクロ波イオン源の運転方法
RU2136125C1 (ru) Высокочастотный индукционный плазмотрон
US20200120764A1 (en) Method of electro-hydrodynamic processing of hydrocarbon substances and the facilities for its implementation
RU2539346C2 (ru) Электродуговой плазмотрон
RU2355135C1 (ru) Способ формирования дугового разряда в плазмотроне
Yuan et al. Numerical simulation of the argon-hydrogen plasma flow in the channel of RF inductively coupled plasma torch
BRPI1104137B1 (pt) Tocha híbrida geradora de plasma para aplicação em processos de fabricação, e, processo de produção de tocha

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant