KR102169411B1 - 애노드 수명이 증가된 폐가스 처리용 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

애노드의 수명을 획기적으로 증가시킬 수 있는 플라즈마 토치가 개시된다. 본체의 하부에는 애노드의 단부면을 덮도록 차단부재가 결합되며, 차단부재는, 본체에 결합하는 플랜지와 플랜지에 결합하는 커버로 구성되고, 상기 플랜지와 상기 커버가 결합된 상태에서 상기 플랜지와 상기 커버 사이의 틈을 통하여 방출되는 N2 가스에 의해 에어 커튼이 형성되는 상기 폐가스의 분해 후 생성되는 부식성 가스를 차단한다.

Description

애노드 수명이 증가된 폐가스 처리용 플라즈마 토치{Plasma torch for proceeding waste gas having a long life of anode}

본 발명은 폐가스 처리를 위한 플라즈마 토치에 관한 것으로, 특히 애노드의 수명을 획기적으로 증가시킬 수 있는 기술에 관련한다.

용접, 절단, 표면처리, 폐기물 연소 등을 목적으로 특정 부분에 고열을 가하는 토치는 연소되는 연료의 형태에 따라서 다양한 구조로 제공되고 있다.

최근에는 두 개의 전극 사이에 고압의 전류가 인가되어 만들어진 플라즈마 상태에서 워킹 가스(질소, 산소, 수소, 아르곤, 헬륨, 메탄, 프로판 등)를 공급함으로써 보다 높은 연속열을 얻을 수 있도록 하는 플라즈마 토치가 널리 보급 사용되고 있다.

특히, 반도체의 제조공정에서 PFC(PerFluoro Compound) 가스가 포함된 불소화합물 등 유해한 폐가스를 친환경적으로 처리, 배출하기 위해서는 10,000℃ 이상의 고온이 요구되고 있다.

분해된 폐가스 중의 F, Cl 이온을 함유한 부식성 가스가 와류에 의해 플라즈마 토치의 출구 쪽으로 흘러 구리 재질의 양전극을 손상시켜 수명을 단축시킨다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 출원인은 국내등록특허 제1177272호에서 마모 방지링을 제안하였다.

구체적으로, 애노드 전극체의 내측에 텅스텐 재질의 마모방지링을 볼트 등으로 체결하여 마모방지링이 애노드 전극체를 유동하는 플라즈마에 의하여 애노드 전극체가 마모되는 것을 효과적으로 방지하도록 하고 있다.

그러나, 이 구조에 의하면, 다량의 부식성 가스가 토치의 출구 쪽으로 유입되는 경우, 애노드 전극체에 설치된 마모방지링만으로는 부식성 가스가 애노드 전극체에 접촉되는 것을 막을 수 없다.

더욱이, 마모방지링은 말그대로 링이기 때문에 플라즈마 화염의 통로가 되는 애노드 전극체에서 토출 직전에 고온 상태로 애노드 전극체에 플라즈마 화염이 접촉하는 것을 막을 수 없으며, 토출되는 플라즈마 화염이 휘어져 애노드 전극체의 단부면에 접촉되는 것도 방지할 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 폐가스 분해 후 생성되는 부식성 가스가 화염 토출구로 유입되는 것을 원천적으로 차단하여 애노드의 마모를 방지할 수 있는 폐가스 처리용 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 플라즈마 화염과 부식성 가스 양자에 의해 토출구에 해당하는 애노드 부분의 마모를 실질적이고 효율적으로 방지할 수 있도록 한 폐가스 처리용 플라즈마 토치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 본체, 상기 본체의 상부에 설치된 커버, 상기 본체와 상기 커버 사이에 개재되는 캐소드, 및 상기 본체 내부에 설치되는 애노드를 구비하여 폐가스를 플라즈마 화염으로 분해하는 플라즈마 토치로서, 상기 본체의 하부에는 상기 애노드의 단부면을 덮도록 차단부재가 결합되며, 상기 차단부재는, 상기 본체에 결합하는 플랜지와 상기 플랜지에 결합하는 플랜지 커버로 구성되고, 상기 플랜지와 상기 커버가 결합된 상태에서 상기 플랜지와 상기 플랜지 커버 사이의 틈을 통하여 방출되는 N2 가스에 의해 에어 커튼이 형성되는 상기 폐가스의 분해 후 생성되는 부식성 가스를 차단하는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리용 플라즈마 토치가 제공된다.

바람직하게, 상기 플랜지는 원판 형상으로 일측에 N2 가스가 유입되는 유입구가 형성되고, 하면에 링 형상의 홈이 형성되고, 상기 유입구와 상기 홈은 스루 홀에 의해 연결되며, 상기 플랜지 커버는 상기 플랜지에 대응하는 원판 형상으로, 상면에 실링 홈이 형성되고, 상기 플랜지의 홈에 삽입되는 링 형상으로 일정한 높이를 갖는 리브가 돌출되며, 상기 리브의 상단면에는 일정 간격으로 통과 홈이 형성되고, 상기 리브의 상단면은 상기 플랜지의 홈의 바닥에 접촉되어 상기 홈 내부에서 상기 리브의 통과 홈을 중심으로 N2 가스가 흐른다.

바람직하게, 상기 애노드의 내부에는 길이방향으로 연장되는 관통구멍이 형성되고, 상기 관통구멍의 단부 위치에 텅스텐 재질의 팁이 끼워진다.

바람직하게, 상기 팁은 단일의 몸체로 구성되고, 상기 애노드의 관통구멍에 끼워지는 삽입부와 외부로 돌출되는 돌출부로 구성되며, 상기 돌출부의 직경은 상기 삽입부의 직경보다 작아 상기 돌출부의 단부면이 상기 차단부재의 플랜지에 의해 덮인다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 본체, 커버, 캐소드, 및 애노드를 구비하여 폐가스를 플라즈마 화염으로 분해하는 플라즈마 토치로서, 상기 애노드의 내부에는 길이방향으로 연장되는 관통구멍이 형성되고, 상기 관통구멍의 단부 위치에 텅스텐 재질의 팁이 끼워지고, 상기 팁은 단일의 몸체로 구성되고, 상기 애노드의 관통구멍에 끼워지는 삽입부와 상기 삽입부의 직경보다 작은 직경을 구비하고 외부로 돌출되는 돌출부로 구성되는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리용 플라즈마 토치가 제공된다.

본 발명에 의하면, 애노드가 차단부재의 플랜지에 의해 덮인 상태에서 텅스텐 재질의 팁만 노출되어 있기 때문에, 방출되는 플라즈마 화염이 애노드에 접촉하는 것을 확실하게 방지하며, 그 결과 플라즈마 화염에 의한 애노드의 손상을 막을 수 있다.

또한, 차단부재의 플랜지와 커버 사이의 틈을 통하여 방출되는 N2 가스가 에어 커튼(air curtain)을 형성함으로써, 플라즈마 화염에 의해 폐가스가 분해되면서 생성되는 부식성 가스가 팁의 단부로 몰려들어 애노드에 접촉하는 것을 원천적으로 막을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 토치를 나타낸다.
도 2는 애노드에 결합되는 팁을 나타낸다.
도 3은 플라즈마 토치에 적용되는 차단부재의 하부 몸체를 나타낸다.
도 4는 차단부재의 동작을 보여준다.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

이하, 본 발명의 플라즈마 토치를 도면을 참조하여 실시 예를 중심으로 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 플라즈마 토치를 나타내고, 도 2는 애노드에 결합되는 팁을 나타내며, 도 3은 플라즈마 토치에 적용되는 차단부재의 하부 몸체를 나타낸다.

플라즈마 토치의 본체와 커버, 캐소드와 애노드의 배치 구조는 잘 알려져 있기 때문에 이에 대해서는 이하 간략하게 설명하고, 플라즈마 토치의 하부에 설치되어 폐가스가 공급되는 장비는 도시를 생략한다.

단일 몸체로 구성된 본체(110)의 측면에는 워킹 가스 주입구와 애노드(150)의 냉각을 위한 냉각수 유입구 및 유출구가 형성되어 각각 피팅부재가 결합된다.

본체(110)의 상부에는 절연 블록(120)를 개재하여 커버 몸체(130)가 결합되는데, 커버 몸체(130)의 상부와 측부에 각각 캐소드(140)의 냉각을 위한 냉각수의 유입 및 유출을 위한 유입구와 유출구가 형성되고 각각 피팅부재가 결합된다.

커버 몸체(130)의 단부에는 캐소드(140)가 설치되어 본체(110)의 내부에 위치하게 되며, 캐소드(140)와 이격되어 본체(110)의 내부에 애노드(150)가 설치된다.

애노드(150)의 내부에는 길이방향으로 연장되는 관통구멍(152)이 형성되고, 관통구멍(152)의 단부 위치에 팁(tip, 160)이 끼워진다.

팁(160)은 고온에 강하고 강한 내식성을 갖는 텅스텐 재질로 구성되는데, 도 2와 같이, 애노드(150)의 관통구멍(152)에 끼워지는 삽입부(164)와 외부로 노출되는 돌출부(162)로 구성되고, 그 내부에 화염의 통로가 되는 관통구멍(163)이 형성된다.

돌출부(162)의 직경은 삽입부(164)의 직경보다 작게 하여 돌출부(162)의 단부면이 차단부재(200)의 플랜지(210)에 의해 덮이도록 하여 애노드(150)가 외부에 노출되지 않도록 할 수 있다.

이러한 구조에 의하면, 삽입부(164)가 애노드(150)의 관통구멍(152)에 끼워져 고정되면서 플라즈마 화염의 통로인 애노드(150)의 관통구멍(152)에서 특히 플라즈마 화염이 토출되기 직전의 고온 상태에서 팁(160)에 접촉하도록 함으로써 애노드(150)를 보호한다.

이와 함께, 돌출부(162)가 애노드(150)로부터 돌출되기 때문에 애노드(150)의 관통구멍(152)을 나온 플라즈마 화염이 휘어지더라도 애노드(150)의 단부면에 접촉하지 않아 플라즈마 화염에 의한 애노드(150)의 마모를 방지할 수 있다.

특히, 본체(110)의 하부에 차단부재(200)가 결합되어 애노드(150)의 단부면이 차단부재(200)에 의해 덮이고 팁(160)만 노출되도록 함으로써, 플라즈마 화염이 애노드(150)에 닿지 않도록 할 뿐만 아니라, 후술하는 것처럼, 애노드(150)나 팁(160)이 부식성 가스에 접촉되지 않도록 하여 애노드(150)의 단부면의 마모를 방지할 수 있다.

팁(160)은 애노드(150)의 관통구멍(152)에 강제로 끼워져 고정되거나, 블레이징 용접에 의해 고정될 수 있다.

차단부재(200)는 서로 분리 가능하게 결합하는 플랜지(210)와 플랜지 커버(220)로 구성된다.

플랜지(210)는 원판 형상으로 일측에 N2 가스가 유입되는 유입구(212)가 형성되고, 하면에 링 형상의 홈(214)이 형성되며, 유입구(212)와 홈(214)은 스루 홀(213)에 의해 연결된다.

도 3을 참조하면, 플랜지 커버(220)는 단일의 몸체(222)로 이루어지는 원판 형상으로, 상면에 실링 홈(223)이 형성되고, 플랜지(210)의 홈(214)에 삽입되는 링 형상으로 일정한 높이를 갖는 리브(224)가 돌출된다.

리브(224)의 상단면에는 일정 간격으로 통과 홈(225)이 형성되고, 리브(224)의 상단면은 플랜지(210)의 홈(214)의 바닥에 접촉됨으로써, 홈(214) 내부에서 리브(224)의 통과 홈(225)을 중심으로 N2 가스가 흐르게 된다.

도 4는 차단부재의 동작을 보여준다.

차단부재(200)의 하부에 연결된 폐가스 공급관(미도시)을 통하여 폐가스가 공급되면 애노드(150)를 통하여 팁(160)으로 초고온, 고속의 열 유체인 플라즈마 화염이 방출된다.

도 4를 보면, 애노드(150)는 차단부재(200)의 플랜지(210)에 의해 덮인 상태에서 텅스텐 재질의 팁(160)만 노출되어 있기 때문에, 방출되는 플라즈마 화염이 애노드(150)에 접촉하는 것을 확실하게 방지하며, 그 결과 플라즈마 화염에 의한 애노드(150)의 손상을 막을 수 있다.

이와 함께, 플라즈마 화염에 의해 폐가스가 분해되면서 부식성 가스가 발생하는데, 팁(160)의 단부에서 방출되는 플라즈마 화염의 속도가 고속이므로 주변 압력이 저하되면서 와류가 발생하여 부식성 가스가 팁(160)의 단부로 몰려든다.

이때, N2 가스 유입구(212)를 통하여 N2 가스가 가령 20~30ℓ/min의 속도로 유입되고, 스루 홀(213)과 리브(224)의 통과 홈(225)을 통하여, 도 4에 화살표로 나타낸 것처럼, 플랜지(210)와 플랜지 커버(220) 사이의 틈(218)을 통하여 방출됨으로써 일종의 에어 커튼(air curtain)을 형성하게 된다. 이때, 리브(224)가 링 형상이기 때문에 틈(218)도 링 형상으로 형성되어 N2 가스는 수평면으로 에어 커튼을 형성한다.

그 결과, 팁(160)의 단부로 몰려드는 부식성 가스는 N2 가스에 의해 밀려나게 되어 부식성 가스가 애노드(150)에 접촉하는 것을 원천적으로 막을 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 청구범위에 의해 해석되어야 한다.

110: 본체
120: 절연블록
130: 커버
140: 캐소드
150: 애노드
160: 팁
200; 차단부재
210: 플랜지
212: N2 유입구
213: 스루 홀
214: 홈
224: 리브
225: 통과 홈

Claims (5)

1. 본체, 상기 본체의 상부에 설치된 커버, 상기 본체와 상기 커버 사이에 개재되는 캐소드, 및 상기 본체 내부에 설치되는 애노드를 구비하여 폐가스를 플라즈마 화염으로 분해하는 플라즈마 토치로서,
   상기 본체의 하부에는 상기 애노드의 단부면을 덮도록 차단부재가 결합되며,
   상기 차단부재는, 상기 본체에 결합하는 플랜지와 상기 플랜지에 결합하는 플랜지 커버로 구성되고,
   상기 플랜지와 상기 플랜지 커버가 결합된 상태에서 상기 플랜지와 상기 플랜지 커버 사이의 틈을 통하여 N2 가스가 방출되어 수평면으로 에어 커튼을 형성하고,
   상기 에어 커튼에 의해, 상기 플라즈마 화염으로 상기 폐가스를 분해하여 생성되는 부식성 가스가 상기 플라즈마 토치로 유입되지 않도록 차단하는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리용 플라즈마 토치.
2. 청구항 1에서,
   상기 플랜지는 원판 형상으로 일측에 N2 가스가 유입되는 유입구가 형성되고, 하면에 링 형상의 홈이 형성되고, 상기 유입구와 상기 홈은 스루 홀에 의해 연결되며,
   상기 플랜지 커버는 상기 플랜지에 대응하는 원판 형상으로, 상면에 실링 홈이 형성되고, 상기 플랜지의 홈에 삽입되는 링 형상으로 일정한 높이를 갖는 리브가 돌출되며,
   상기 리브의 상단면에는 일정 간격으로 통과 홈이 형성되고, 상기 리브의 상단면은 상기 플랜지의 홈의 바닥에 접촉되어 상기 홈 내부에서 상기 리브의 통과 홈을 중심으로 N2 가스가 흐르는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리용 플라즈마 토치.
3. 청구항 1에서,
   상기 애노드의 내부에는 길이방향으로 연장되는 관통구멍이 형성되고, 상기 관통구멍의 단부 위치에 텅스텐 재질의 팁이 끼워지는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리용 플라즈마 토치.
4. 청구항 3에서,
   상기 팁은 단일의 몸체로 구성되고, 상기 애노드의 관통구멍에 끼워지는 삽입부와 외부로 돌출되는 돌출부로 구성되며,
   상기 돌출부의 직경은 상기 삽입부의 직경보다 작아 상기 돌출부의 단부면이 상기 차단부재의 플랜지에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 폐가스 처리용 플라즈마 토치.
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