KR100646915B1 - 플라즈마 토치용 노즐 - Google Patents

Abstract

피가공재를 향해 플라즈마 아크를 분사하는 노즐에 대해 냉각수에 의한 냉각을 효과적으로 행하게 한다.

노즐은 플라즈마 토치에 대해 착탈가능하게 구성되고, 또한 중심에 플라즈마 아크를 분사하는 분사공을 형성하고, 내부노즐과 외부노즐의 조합체로 구성되며, 내부노즐과 외부노즐의 사이에 환상의 냉각수 통로와 상기 냉각수 통로와 연통된 적어도 3개의 독립된 냉각수 수로를 형성한다.

냉각수 수로, 내부노즐, 외부노즐

Description

플라즈마 토치용 노즐{Nozzle for Plasma Torch}

도 1은 플라즈마 아크에 첨부시켜 2차 기류를 분사하여 얻을 수 있도록 한 노즐의 구성을 설명하는 단면도이다.

도 2는 외부노즐의 형상을 설명하는 단면도이다.

도 3은 내부노즐의 형상을 설명하는 단면도이다.

도 4는 플라즈마 토치의 구성을 설명하는 단면도이다.

도 5는 플라즈마 토치의 요부를 확대한 단면도이다.

도 6은 제2실시예에 따른 내부노즐의 형상을 설명하는 도면이다.

도 7은 연결수로의 갯수와 급수로, 배수로의 관계를 설명하는 설명도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

A...노즐 B...플라즈마 토치,

1...분사공 2...내부노즐,

2a...벽부 2b...테이퍼부, 테이퍼면,

2c...기부 2d...분할편,

2e...평면 2f...면,

2g...홈 3...외부노즐,

3a...감합혈 3b...테이퍼부, 테이퍼면,

3d...내면 3e...홈,

4...2차 기류 통로 5...2차 기류 캡,

5a...2차 기류 분출구 6...절연체,

7...O링 8...환상수로,

9...연결수로 10...단면,

11...전극 12...본체,

13...전극대 14...절연체,

14a...구멍 15...캡,

16...급배수부재 17...냉각관,

18...공급관 19, 22...수로,

20...급수로 21...배수로,

23...플라즈마 실.

본 발명은 플라즈마 토치용 노즐에 관한 것으로 특히 피절단재를 향해 플라즈마 아크를 분사하여 절단하는 절단용 노즐로서 절단폭을 좁게 하는 동시에 절단성능을 향상시킨 이른바 고품질 절단을 실현할 수 있는 노즐에 관한 것이다.

예를 들면 강판이나 스텐레스강판 등의 피절단재를 절단하는 경우, 가스절단법과 비교하여 절단속도의 향상을 꾀할 수 있는 플라즈마 절단법을 채용하는 경우가 많아지고 있다. 이 플라즈마 절단법은 피절단재를 향해 플라즈마 아크를 분사하고, 상기 플라즈마 아크의 열에 의해 모재를 용융시키는 동시에 플라즈마 아크의 분사에너지에 의해 용융물을 배제하여 절단하는 것이다.

대표적인 플라즈마 절단법을 실시하는 예로써 특허문헌 1에 기재된 플라즈마 토치의 구성에 관하여 간단히 설명한다.

플라즈마 토치의 중심에는 전극이 장착되어 있고, 상기 전극에 대향시켜 중심에 플라즈마 아크를 분사하는 분출구를 설치하여 플라즈마 토치에 착탈가능하게 구성된 노즐(칩이라고도 함)이 배치되어 있다. 이 노즐은 캡을 플라즈마 토치에 체결함으로써 고정되고, 또한 노즐의 외주면과 캡의 내주면의 사이에 냉각수를 유통시키는 통로가 형성된다. 또한 플라즈마 토치측에는 전극 및 노즐을 냉각하는 냉각수의 수로(공급로 및 배수로)가 형성되어 있고, 이들 공급로 및 배수로는 노즐과 캡의 사이에 형성된 상기 통로에 개구되어 있다.

상기 구성에 있어서, 플라즈마 토치에 공급된 냉각수는 전극의 배면측과 접촉하여 상기 전극을 냉각한 후 캡과 노즐의 사이에 형성된 통로에 공급되고 이 통로를 통과하는 과정에서 노즐을 냉각하며, 그 후 플라즈마 토치의 외부로 배수된다. 따라서 전극 및 노즐은 냉각수에 의해 냉각되고 플라즈마 아크의 열에 의한 과도한 가열이 방지된다.

상기와 같이 구성된 플라즈마 토치에서는 전극과 피절단재 사이의 통전에 따 라 형성된 플라즈마 아크는 노즐의 분출구를 통과할 때에 냉각되면서 압축되어 피절단재로 향해 분사되고 피절단재를 용융하고 또한 용융물을 배제하여 절단할 수 있다.

[특허문헌 1] 특공평 3-27309호 공보

플라즈마 절단에서는 절단속도가 빠를지언정 가스절단과 비교하여 절단폭이 크다는 문제점이 있다. 이로 인해 플라즈마 절단에서는 플라즈마 아크를 가늘게 압축함으로써 절단폭을 좁게 하는 것이 행해지고 있다. 특히, 고품질의 절단을 실시하는 경우, 전류밀도를 높게 하는 것이 필요하게 되는데 이를 위해서도 플라즈마 아크를 충분히 압축할 필요가 있다.

플라즈마 아크를 압축하기 위해서는 노즐, 특히 플라즈마 아크를 분사하는 분출구의 주위를 효과적으로 냉각시킬 필요가 있지만 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이 노즐의 외주면과 캡의 내주면의 사이에 냉각수 통로를 구성한 경우, 이 통로는 분출구의 근처까지 형성되지만 플라즈마 토치에서 공급된 냉각수는 본체 부분의 근방(공급로에서 배수로의 최단거리)에서 순환하고 말아 노즐의 선단부분(분출구근방)에서는 냉각수의 흐름이 정체되어 냉각이 불충분해지는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 냉각수에 의해 냉각을 효과적으로 행할 수 있는 플라즈마 토치용 노즐을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 토치용 노즐은 플라즈마 토치에 대하여 착탈가능하게 구성되고 또한 중심에 플라즈마 아크를 분사하는 분사공을 형성한 플라즈마 토치용 노즐에 있어서, 냉각수의 급수로와, 냉각수의 배수로와, 상기 분출공의 주위에 배치되는 환상수로와, 상기 급수로와 상기 환상수로, 상기 배수로와 상기 환상수로를 각각 독립하여 연결하는 복수의 연결수로를 갖는 것이다. 이 경우, 상기 복수의 연결수로는 노즐의 전체 둘레에 배치되어 있고, 상기 급수로와 상기 배수로는 확장된 단부를 갖고 상기 급수로와 상기 배수로는 각각 복수의 상기 연결수로에 연결하는 구조로 하여도 좋다. 더욱이, 상기 플라즈마 토치용 노즐은 상기 노즐의 전체 둘레를 등각도로 분할하도록 배치된 3개 이상의 상기 연결수로를 갖고, 적어도 1개의 상기 연결수로가 상기 급수로 또는 상기 배수로의 어느 일측에만 연결되는 구조로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 플라즈마 토치용 노즐에 있어서, 상기 연결수로 및 상기 환상수로는 상기 플라즈마 토치용 노즐을 구성하는 제1노즐부재와 제2노즐부재의 조합에 의해 양부재의 접합면에 형성되는 구조로 하여도 좋다.

이하, 본 발명에 따른 플라즈마 토치용 노즐의 가장 바람직한 실시형태에 관하여 설명한다.

본 발명에 따른 노즐은, 노즐을 제1노즐부재와 제2노즐부재의 조합체로서 구성하는 것이고, 이들 노즐부재의 사이에 냉각수를 통과시키는 냉각수 통로를 형성 하고, 이 냉각수 통로에 냉각수를 유통시킴으로써 상기 노즐에 대한 효과적인 냉각을 실현한 것이다. 그리고, 노즐을 효과적으로 냉각시킴으로써 플라즈마 아크를 가늘게 압축하는 것을 실현하는 동시에 전류밀도를 높게 하여 고품질 절단을 실현한 것이다.

노즐의 내부에 냉각수를 유통시킴으로써 상기 노즐의 중심에 설치한 플라즈마 아크를 분사하는 분사공의 둘레벽의 배면에 직접 냉각수를 접촉시키는 것이 가능해지고, 노즐에 있어서 적어도 고온에 노출된 부위를 효과적으로 냉각할 수 있다. 이로 인해, 분사공을 통과하는 플라즈마 아크에 대한 열핀치효과(thermal pinch effect)를 양호한 상태로 발휘시킬 수 있게 되고, 상기 분사공의 지름을 작게 하여도 노즐이 플라즈마 아크에 의해 손상을 받지 않는다.

노즐의 내부에 냉각수를 유통시키기 위한 구조로서, 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 플라즈마 토치의 본체측에 배치되는 제1노즐부재의 중심부분, 혹은 플라즈마 토치의 본체측에서 이격하여 배치되는 제2노즐부재의 중심부분을 소정의 두께를 가진 벽모양으로 형성하고, 이 벽부분에 두께방향으로 관통하는 분사공을 형성하는 동시에 타측 노즐부재의 중심에 분사공을 형성한 벽부분을 감합시키는 감합부를 설치하며, 더욱이 양 노즐부재를 감합할 때 대향하는 면의 사이에 냉각수를 유통시키는데 충분한 간극을 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 제1노즐부재 및 제2노즐부재의 중심에 형성한 벽부분을 감합부에 감합한 후, 상기 감합부에 형성된 간극을 기밀(seal)함으로써 이들 노즐부재의 사이에 형성된 간극을 누수하지 않는 냉각수 통로로 구성하는 것이 가능하다. 이 냉각 수 통로는 분사공을 형성한 벽부분의 주위를 둘러싼 환상의 통로로 형성되고 공급된 냉각수가 환상의 통로를 통과하는 과정에서 벽부분과 접촉하여 상기 벽부분을 냉각한 후 배수된다.

분사공을 형성하기 위한 벽부분의 두께나 길이 등의 치수 조건은 특별히 한정되지 않고 대상이 되는 노즐에 설정된 분사공을 양호하게 형성하여 얻어지는 치수를 갖는 것이 필요하다. 특히, 플라즈마 토치가 절단을 목적으로 하는 것이 아니라 피가공재를 용융시키는 것을 목적으로 하는 경우, 용융된 슬러그 등의 영향으로 노즐에 형성된 분사공이 손상을 입는 경우가 있다. 이 경우, 분사공을 파이프에 의해 구성해 두고 이 파이프를 교환할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 노즐에서는 파이프의 크기를 고려하여 벽부분의 치수를 설정하는 것이 바람직하다.

냉각수 통로의 단면적은 특별히 한정되는 것은 아니나 플라즈마 토치측에 형성된 냉각수의 공급공의 단면적과 대응한 단면적을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같은 단면적을 가짐으로써 플라즈마 토치에 공급된 냉각수에 커다란 저항을 주지 않고 유통시켜 노즐의 냉각을 효과적으로 행할 수 있다.

노즐을 구성하는 재료로서 특별히 한정되는 것은 아니나, 특히 중심에 플라즈마 아크를 분사하는 분사공을 형성한 노즐부재는 높은 내열성과 높은 열전도율을 갖고, 또한 경제적으로 부합되는 재료를 이용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 재료로서는 동 또는 동합금이 있고, 이들 금속을 선택적으로 이용할 수 있다.

제1노즐부재 및 제2노즐부재중 어느 하나에 형성된 분사공을 갖는 벽부분과, 다른 하나의 노즐부재에 형성된 감합부를 감합하여 냉각수를 정지시키는 때의 냉각수 정지수단은 특별히 한정되는 것은 아니고 제1노즐부재와 제2노즐부재의 사이에 형성된 냉각수 통로로 유통하는 냉각수가 봉상부(棒狀部)와 감합혈의 감합부에서 누수하는 것을 방지할 수 있으면 좋다. 이와 같은 냉각수 정지수단으로서는 납땜, 접착, 압입 등의 수단이 있고, 이들 수단을 선택적으로 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 제1노즐부재와 제2노즐부재의 사이에 형성된 환상수로와 연통하는 적어도 3개의 독립된 연결수로를 형성함으로써 적어도 1개의 연결수로는 공급관 또는 배출관중 어느 하나에 연결되어 연결수로 내에서 냉각수의 흐름이 순환하는 일이 없기 때문에 확실하게 환상수로에 안내된다. 이로 인해, 공급된 냉각수는 확실하게 분사공을 형성한 벽부분에 도달하여 노즐의 냉각을 보다 효과적으로 행할 수 있게 된다.

독립된 수로는 적어도 3개이면 좋고 이 이상이면 몇이라도 좋다. 그러나, 수로의 갯수는 어느 정도 한계가 있고 상기 수로를 형성할 때의 가공수단과 노즐의 치수 등의 조건을 고려하여 적절하게 설정하는 것이 바람직하다.

독립된 수로는 어느 것인가가 플라즈마 토치측에 설치한 냉각수의 공급로와 실질적으로 직접 연통하고 다른 어느 것인가가 배수로와 실질적으로 직접 연통하는 것이 필요하다. 이처럼, 독립된 수로를 플라즈마 토치측의 공급로, 배수로와 직접 연통시키기 위해서는 수로의 개방단측의 면(노즐의 후단면)을 플라즈마 토치측의 급수로, 배수로을 형성한 면에 직접 접촉시키는 것이 바람직하다. 그리고, 이 때 급수로와 배수로이 각각 복수의 연결수로에 접속되는 구조로 하는 것이 바람직하다.

특히, 노즐을 플라즈마 토치에 취부할 때 어느 것인가의 수로가 확실하게 급수로 및 배수로와 대향하여 접촉할 수 있도록 구성하기 위해서는 급수로 및 배수로을 연결수로와 일대일로 연통하는 단순한 구멍에 의해 형성하지 않고 상기 구멍의 개구단부의 면적을 크게 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 개구단부의 면적을 크게 하기 위해서는, 예를 들면 원호상의 홈으로 형성하는 것이 가능하다. 그러나, 노즐과 플라즈마 토치의 사이에 위치결정용 수단을 구성하여도 좋다.

또한, 독립된 수로의 개방단측의 면을 플라즈마 토치측의 공급로, 배수로를 형성한 면에 직접 접촉시키는 경우, 서로의 면을 반드시 플라즈마 토치측의 축중심에 대하여 수직인 면으로 형성할 필요는 없고, 축중심에 대하여 교차하는 경사면이어도 좋다는 것은 당연하다.

독립된 수로는 제1노즐부재와 2노즐부재의 사이에 형성된 환상수로에 연통하면 좋고, 상기 수로의 길이를 한정하는 것은 아니다. 그러나, 냉각수를 확실하게 분사공을 형성한 벽부분에 도달시키기 위해서는 환상수로에서의 벽부분에 접근한 위치까지 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이, 독립된 수로를 벽부분에 접근할 수 있는 위치까지 연장함으로써 공급된 냉각수의 흐름을 규제하여 노즐 둘레면의 냉각을 효과적으로 행할 수 있다.

독립된 연결수로를 형성하는 경우의 구조는 특별히 한정되는 것은 아니고 냉각수 급수로 또는 냉각수 배수로와 연통하는 동시에 개별적으로 유통방향을 규제할 수 있는 것이면 좋다. 이러한 독립된 수로를 형성하기 위해서는, 예를 들면 제1노즐부재의 외주면에 적어도 3개의 돌기편(분할편)을 형성하고 이 분할편의 돌출부분을 제2부재의 내주면에 접촉시킴으로써 3개이상의 연결수로를 구성하는 칸막이로 이용하는 것이 가능하다. 이러한 분할편은 제1노즐부재를 다각형의 봉상 재료로부터 절삭가공하여 형성하거나 혹은 전조(轉造)를 포함하는 열간단조, 냉간단조에 의해 형성할 수 있다. 또한 제2노즐부재의 기부의 내주면에 절삭가공, 단조에 의해 분할편을 형성할 수도 있다.

더욱이, 복수의 분할편을 링 형상의 단편에 의해 접속한 분할부재를 구성해 두고, 이 분할부재를 제1노즐부재의 외주에 장착하거나 혹은 제2노즐부재의 내주에 장착해도 좋다. 이와 같이, 분할편을 어떠한 형상 또는 구조로 한정되는 것이 아니며, 노즐의 치수를 포함하는 조건에 따라 적절하게 선택할 수 있다.

[실시예 1]

다음으로, 본 발명의 노즐의 바람직한 실시예에 대하여 도면을 이용하여 설명한다.

도 1은 플라즈마 아크에 첨부시켜 2차 기류를 분사할 수 있도록 한 노즐의 구성을 설명하는 단면도이고, 도 2는 외부노즐의 형상을 설명하는 단면도이며, 도 3은 내부노즐의 형상을 설명하는 단면도이고, 도 4는 플라즈마 토치의 구성을 설명하는 단면도이며, 도5는 플라즈마 토치의 요부를 확대한 단면도이다.

본 실시예에 따른 노즐(A)의 설명에 앞서 도 4, 도 5에 의해 플라즈마 토치(B)의 구성을 간단히 설명한다. 도면에 도시한 플라즈마 토치(B)는 전극(11) 및 노 즐(A)에 공급되는 냉각수의 유로를 중심으로 하여 기재되어 있다.

플라즈마 토치(B)는 본체(12)의 중심에 설치한 전극대(13)에 전극(11)을 착탈가능하도록 구성되어 있고, 전극(11)의 외주(外周)에 플라즈마 가스를 통과시키는 구멍(14a)를 갖는 절연성의 원통상 절연체(14)가 배치되고, 절연체(14)의 외주 위에 노즐(A)이 배치되어 있다. 그리고, 노즐(A)에 계합시킨 캡(15)을 본체(12)에 체결함으로써 노즐(A)의 후단면이 본체(12)에 설치한 냉각수의 급배수부재(16)에 면접촉하고, 또한 노즐(A) 및 절연체(14)가 본체(12)에 고정되어 있다.

본 실시예에서 급배수부재(16)의 전방면은 본체(12)의 축중심에 대하여 직각면으로 형성되어 있다. 그러나 경사진 테이퍼면이어도 좋다.

본체(12)에는 중심축과 일치하여 냉각관(17)이 설치되어 있고, 냉각관(17)에 냉각수의 공급관(18)이 접속되어 있다. 전극대(13)에 전극(11)을 취부함으로써 전극(11)이 냉각관(17)의 개방단 측에 대향하여 냉각관(17)의 내주측과 외주측에 연속한 수로(19)가 형성되어 있다. 이 수로(19)는 구멍으로 이루어지고, 본체(12)의 내부를 통하여 급배수부재(16)에 형성된 급수로(20)에 접속되며, 급수로(20)가 노즐(A)에 접속된다. 또한, 급배수부재(16)에는 중심축을 기준으로 하여 급수로(20)와 대칭위치에 배수로(21)가 형성되어 있고, 배수로(21)에 구멍으로 이루어진 수로(22)가 접속되며, 또한 수로(22)에 도시하지 않은 배수로이 접속되어 있다.

본 실시예에서 급수로(20), 배수로(21)는 각각 수로(19, 22)를 구성하는 구멍을 기준으로 하여 원호 형상으로 형성된 홈으로 이루어지고, 이들 홈의 단부의 간격은 후술하는 노즐(A)에 형성된 독립된 연결수로(9)의 폭보다도 큰 치수로 설정되어 있다. 따라서, 플라즈마 토치(B)에 노즐(A)을 취부할 때에 취부위치가 어떠한 상태라도 하나의 연결수로(9)에 급수로(20), 배수로(21)가 동시에 연통하지 않는다.

상기와 같이 구성된 플라즈마 토치(B)에 있어서, 공급관(18)에 냉각수를 공급하면, 공급된 냉각수는 냉각관(17)의 내부에 형성된 수로(19)를 통해 전극(11)의 뒷면에 접촉하여 냉각한다. 그 후, 냉각관(17) 외주면과 전극대(13)의 사이에 형성된 수로(19)를 통해 급배수부재(16)에 형성된 급수로(20)에 이르고 노즐(A)에 공급된다. 노즐(A)에 공급된 냉각수는 노즐(A)을 냉각한 후 급배수부재(16)에 형성된 배수로(21)으로 배수되고, 그 후 수로(22) 및 도시하지 않은 배수로을 통해 플라즈마 토치(B)의 외부로 배수된다.

상기와 같이 하여 플라즈마 토치(B) 및 이에 조립된 노즐(A)을 냉각시킨 상태에서 절연체(14)를 통해 전극(11)의 주위에 형성된 플라즈마실(23)에 플라즈마 가스를 공급하고, 전극(11)과 노즐(A)의 사이에서 방전시켜 파이롯 아크를 형성하며, 이 파이롯 아크를 노즐(A)의 분사공에서 도시하지 않은 피절단재를 향해 분사하고, 파이롯 아크가 피절단재에 도달한 후, 전극(11)과 피절단재의 사이에서 통전하여 플라즈마 아크(메인아크)를 형성한다. 이 플라즈마 아크에 의해 피절단재를 용융시키는 동시에 용융물을 배제함으로써 피절단재에는 배제된 모재의 부분이 두께방향으로 관통한 홈으로 형성된다.

따라서, 전극(11)과 피절단재의 사이의 통전을 유지한 상태에서 즉, 플라즈마 아크를 형성한 상태에서 플라즈마 토치(B)와 피절단재를 상대적으로 소망하는 방향으로 이동시킴으로써 피절단재에 연속한 홈을 형성하고, 이에 따라 피절단재를 소망하는 형상으로 절단할 수 있다.

다음으로, 도 1 내지 도 3에 의해 본 실시예에 따른 노즐(A)에 대하여 설명한다. 본 실시예에 따른 노즐(A)은 플라즈마 아크에 덧붙여 2차 기류를 분사할 수 있도록 구성되어 있다. 그러나 본 발명의 플라즈마 토치용 노즐은 2차 기류의 유무에 대해 한정하는 것이 아니다. 즉 본 발명의 플라즈마 토치용 노즐은 노즐의 내부에 냉각수 통로를 형성함으로써 플라즈마 아크를 분사하는 분사공을 효과적으로 냉각할 수 있도록 구성한 것으로 분사공에서 분사된 플라즈마 아크의 주위에 2차 기류가 존재하는지의 여부 혹은 3차 기류 이상의 고차 기류가 존재하는지의 여부를 고려하는 것은 아니다.

노즐(A)은 중심에 플라즈마 아크를 분사하는 분사공(1)을 설치한 벽부(2a)를 갖고 제1노즐부재가 되는 내부노즐(2)과, 중심에 내부노즐(2)의 벽부(2a)를 감합하는 감합부가 되는 감합혈(3a)을 갖고 제2노즐부재가 되는 외부노즐(3)과, 외부노즐(3)의 외주측에 배치되고 외부노즐(3)의 외주면과의 사이에 2차 기류통로(4)를 형성하는 동시에 플라즈마 아크 및 2차 기류를 분출하는 분출구(5a)를 갖는 2차 기류 캡(5)과, 외부노즐(3)과 2차 기류 캡(5)의 사이에 배치되는 절연체(6)를 가지고 구성되어 있다.

또한, 본 실시예에 있어서 분사공(1)은 내부노즐(2)에 형성되어 있다. 그러나 분사공(1)이 외부노즐(3)에 형성되어 있어도 좋다는 것은 당연하며, 이 경우 내부노즐(2)에 감합부가 형성된다.

내부노즐(2)은 중심에 분사공(1)을 형성한 벽부(2a)가 형성되고, 벽부(2a)에서 연속하여 확장하는 형상의 테이퍼부(2b)(테이퍼면2b)가 형성되며, 더욱이 테이퍼부(2b)의 가장 직경이 큰 부분에 연속하여 축중심에 대하여 평행한 기부(2c)가 형성되어 있다. 벽부(2a)는 분사공(1)에 설정된 길이와 직경을 형성하는데에 충분한 길이와 두께를 갖고 있으며 테이퍼부(2b)의 소경측의 단부(선단)로부터 돌기 형상으로 형성되어 있다.

테이퍼부(2b)의 테이퍼각도나 길이 등은 특별히 한정되는 것은 아니며, 플라즈마 토치(B)의 본체(12)와 캡(15)의 사이에 형성되는 공간의 크기에 따라 설정된다.

기부(2c)는 테이퍼부(2b)에 연속하고 노즐(A)의 축중심에 대하여 평행으로 형성되어 있다. 특히, 내부노즐(2)은 육각봉을 재료로 하여 형성되어 있고, 이 육각봉에서 절삭가공에 의해 테이퍼부(2b), 벽부(2a)를 형성하며, 기부(2c)에 육각봉의 각을 남겨 상기 각을 독립된 수로를 형성하는 분할편(2d)으로써 기능시키고, 또한 평면(2e)을 독립된 수로를 구성하는 면으로 기능시키고 있다.

또한, 내부노즐(2)의 내주측은 노즐(A)을 플라즈마 토치(B)의 본체(12)에 취부할 때, 전극(11)의 전방면의 사이에 플라즈마실(23)을 구성하는 면(2f)으로 하여 형성되어 있다. 또한 벽부(2a)의 외주면, 기부(2c)의 외주면에는 각각 O링(7)을 장착하기 위한 홈(2g)이 형성되어 있다.

외부노즐(3)은 중심에 내부노즐(2)에 형성된 벽부(2a)를 감합하는 감합혈(3a)이 형성되고, 감합혈(3a)에 연속하여 점차 넓어지는 형상의 테이퍼부(3b)(테이 퍼면3b)가 형성되고, 더욱이 테이퍼부(3b)의 가장 지름이 큰 부분에 연속하여 노즐(A)의 축중심과 평행으로 원통상인 내면(3d)을 가진 기부(3c)가 형성되어 있다.

감합혈(3a)은 내부노즐(2)에 형성한 벽부(2a)를 감합하여 벽부(2a)에 설치한 O링(7)과 접촉함으로써 기밀(seal)성을 발휘할 수 있다. 그러나 감합혈(3a)과 벽부(2a)를 감합시킨 후, 접착제를 주입하거나 또는 납땜함으로써 보다 높은 기밀성(수밀성)을 확보하고 있다.

외부노즐(3)과 내부노즐(2)을 감합할 때, 테이퍼면(2b)과 테이퍼면(3b)의 사이에 냉각수를 유통시키는 환상의 냉각수로통로인 환상수로(8)가 형성된다. 또한, 기부(3c)의 내면(3d)은 내부노즐(2)의 기부(2c)에 형성되어 있는 분할편(2d)과 접촉하여 해당 기부(2c)의 평면(2e)과 내면(3d)에 의해 독립된 연결수로(9)를 형성하고 있다. 따라서, 연결수로(9)는 각 노즐(2, 3)의 테이퍼면(2b, 3b)의 사이에 형성된 환상수로(8)와 연통하고, 또한 6개의 독립된 연결수로(9)로서 구성된다.

외부노즐(3)과 내부노즐(2)을 일체화시켜 조합체로 할 때 각 노즐(2, 3)의 기부(2c, 3c)의 후단측의 단면(10)은 거의 동일 평면이 된다. 본 실시예에서 단면(10)은 노즐(A)의 축중심에 대하여 직각면으로 하여 구성되어 있으나, 이 각도에 한정되는 것은 아니며 테이퍼 형상의 면이어도 좋다. 그리고, 노즐(A)을 플라즈마 토치(B)의 본체(12)에 장착할 때 단면(10)이 급배수부재(16)의 전면과 면접촉하고, 급배수부재(16)에 형성된 급수로(20), 배수로(21)과 접속된다.

즉, 노즐(A)을 플라즈마 토치(B)의 본체(12)에 설치한 전극대(13)에 장착함으로써 상기 노즐(A)에 형성된 적어도 3개의 독립된 연결수로(9)의 어느 하나가 급수로(20)와 접속되고, 또한 다른 연결수로(9)의 어느 하나가 배수로(21)와 접속된다. 따라서, 노즐(A)에 형성된 환상수로(8)는 어느 하나의 연결수로(9A)를 통해 급수로(20)와 접속되는 동시에 다른 하나의 연결수로(9B)를 통해 배수로(21)과 접속되어 일련의 냉각수의 유로를 구성하게 된다.

또한, 외부노즐(3)의 기부(3c)의 외주에는 O링(7)을 장착하기 위한 홈(3e)이 형성되어 있다.

상기와 같이 구성된 노즐(A)에서는, 내부노즐(2), 외부노즐(3)의 기부(2c, 3c)의 사이에 형성된 6개의 수로(9)의 어느 것인가 하나 혹은 2개의 수로(9)에 냉각수를 공급하면, 공급된 냉각수는 연결수로(9A)에서 환상수로(8)에 안내되고, 환상수로(8)에서 벽부(2a)와 접촉하여 냉각한 후, 공급된 측의 연결수로(9A)와는 반대측에 있는 연결수로(9B)에서 배수된다.

따라서, 공급된 냉각수는 모두가 확실하게 환상수로(8)를 통과하게 되고, 이 과정에서 벽부(2a)를 냉각하여 실질적으로 분사공(1)을 냉각하는 것이 가능해진다. 이로 인해 분사공(1)을 통과하는 플라즈마 아크에 대한 냉각효과가 증대하고, 상기 플라즈마 아크를 보다 가늘게 압축할 수 있다.

본 발명자 등은 특허문헌 1에 기재된 종래의 플라즈마 토치 및 노즐과 본 발명에 따른 노즐을 이용하여 플라즈마 전류치를 260A로 한 경우의 비교실험을 하였다. 종래의 노즐은 분사공의 지름을 2.3mm로 하고, 이때의 전류밀도는 약 63A/㎟이다. 이 조건에서 노즐에서 피절단재를 향해 플라즈마 아크를 분사할 때 플라즈마 토치의 본체에 대해 공급하는 냉각수의 온도와 배수측의 온도와의 차는 약 5℃~6℃ 의 범위였다. 이에 대해, 본 발명에 따른 노즐은 분사공의 지름을 1.9mm로 하고 이 때의 전류밀도는 92A/㎟까지 높게 할 수 있었다. 이 조건에서 노즐로부터 플라즈마 아크를 분사할 때 공급측과 배수측의 온도차는 약 7℃~8℃의 범위였다.

상기와 같이 본 발명에 따른 노즐은 냉각수의 온도차가 커지고 효과적인 냉각을 실현할 수 있는 것이 명백하다. 그리고, 효과적인 냉각을 실현함으로써 노즐의 분사공을 통과하는 플라즈마 아크를 가늘게 압축하는 것이 가능해지고, 이 결과 플라즈마 아크의 전류밀도를 상승시켜 고품질 절단을 실현할 수 있었다.

[실시예 2]

다음으로, 내부노즐의 제2실시예에 대하여 도 6으로 설명한다. 또한, 전술한 제1실시예와 동일한 부분 및 동일한 기능을 갖는 부분에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.

도 6(a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 내부노즐(2)은 테이퍼부(2b)(테이퍼면(2b))에서 기부(2c)에 걸쳐 다수의 분할편(2d)이 형성되어 있고, 내부노즐(2)을 외부노즐(3)에 감합함으로써 이들 분할편(2d)의 갯수에 대응한 갯수의 독립된 수로(9)가 형성된다. 본 실시예에 따른 내부노즐(2)에서, 분할편(2d)이 테이퍼면(2b)까지 연장하여 형성되기 때문에 독립된 연결수로(9)의 경로가 길어지고 보다 확실하게 벽부(2a)를 냉각하는 것이 가능하다.

또한, 도 6(c)는 환상수로(8) 및 연결수로(9), 더욱이 급수로(20) 및 배수로(21)를 빼내어 경사도로 나타낸 것이나 급수로(20) 및 배수로(21)는 각각 하단부가 부채형으로 확장되어 있고, 복수의 연결수로(9)와 연통하는 구조로 되어 있다.

또한, 본 실시예의 내부노즐(2)은 단조를 포함하는 성형법에 의하거나 혹은 단조와 절삭가공의 복합에 의해 형성하는 것이 가능하다.

더욱이, 도 7을 이용하여 연결수로(9)의 갯수와 급수로(20), 배수로(21)과의 관계를 설명한다. 도 7(a) 내지 도7(d)는 어느 것이나 급수로(20), 배수로(21)의 폭을 반원호 형상으로 최대로 형성한 예를 도시하고, 각각 도 7(a)는 연결수로(9)의 갯수를 2개(연결수로9a, 9b), 도 7(b)는 연결수로(9)의 갯수를 3개(연결수로9a~9c), 도 7(c)는 연결수로(9)의 갯수를 4개, 또한 도 7(d)는 연결수로(9)의 갯수를 16개(연결수로9a~9p) 설계한 예를 나타낸다.

도 7(a)와 같이 연결수로(9)가 2개밖에 없는 경우, 각각의 연결수로(9a, 9b)가 급수로(20), 배수로(21)의 각각에 일치하지 않는 한 2개의 연결수로(9a, 9b)가 급수로(20) 및 배수로(21)의 양측에 걸리게 된다. 이 경우, 급수로(20)에서 공급된 냉각수의 일부는 배수로(21)에 연결수로(9) 내에서 단락하여 충분한 양의 냉각수가 환상수로(미도시)에 도달하지 않을 가능성이 있기 때문에 바람직하지 않다.

한편, 도 7(b)와 같이 연결수로(9)가 3개가 되면, 적어도 하나의 연결수로(9)가 급수로(20) 또는 배수로(21)의 일측에만 연결[동일한 도면의 경우,연결수로(9b)가 배수로(21)에만 연결되어 있음]있어, 급수량과 배수량이 같을 경우에는, 환상수로에 냉각수로가 유동하게 된다.

또한, 도 7(c)와 같이 연결수로(9)가 4개가 되면, 적어도 1개의 연결수로(9)가 급수로(20)에 연결되고 적어도 1개의 다른 연결수로(9)가 배수로(21)에 연결(동일 도면의 경우 연결수로(9a)가 급수로(20)에만 연결되어 있고, 연결수로(9c)가 급수로(21)에만 연결되어 있음)되어, 확실하게 환상수로에 냉각수가 유통하게 된다.

그리고, 도 7(d)와 같이 연결수로(9)를 더욱 세분화하면 급수로(20)과 배수로(21)의 양측에 걸리는 연결수로(9)는 존재하지 않게 되고, 연결수로(9) 내에서 단락하여 흐르는 냉각수를 없앨 수 있다. (동일 도면의 경우, 7개의 연결수로9a~9g가 급수로(20)에 연통하고 7개의 연결수로(9i~9o)가 배수로(21)에 연통함으로써 모든 냉각수가 환상수로를 유통한다).

이상 설명한 바와 같이, 환상수로(8)에 냉각수를 보내기 위해서는 적어도 3개의 연결수로(9)를 갖는 것이 유효하다는 것을 알 수 있다.

상기와 같이 노즐(A)은 플라즈마 절단에 이용할 때에 고품질의 절단 가공을 실현할 수 있다. 그러나 피가공물을 용융하는 가공에 이용하는 플라즈마 토치나 용접용 플라즈마 토치에 응용하는 것도 가능하다.

상기 플라즈마 토치용 노즐은, 냉각수 급수로에서 공급되는 냉각수는 연결수로를 통하여 환상수로에 인도되어 노즐의 플라즈마 아크의 분출공 주변을 충분히 냉각한 후, 다른 연결수로를 통하여 냉각수 배수로으로 배수된다. 즉, 냉각수는 연결수로와 환상수로를 이용하여 공급로에서 배출로에 이르는 흐름을 형성할 수 있고 노즐을 충분히 냉각할 수 있다.

또한, 복수의 연결수로는 노즐의 전체 둘레에 배치되어 있고 상기 급수로와 상기 배수로이 각각 복수의 연결수로에 연결됨으로써 연결수로에 흐르는 냉각수에 의해 노즐의 둘레면을 냉각할 수 있다. 더욱이 3개 이상의 상기 연결수로를 갖고, 적어도 1개의 상기 연결수로가 상기 급수로 또는 상기 배수로의 어느 일측에만 연결됨으로써 모든 연결수로가 냉각수 급수로 및 냉각수 배수로의 각각에 걸쳐 배치되고, 냉각수가 연결수로 내에서 순환하는 것을 방지할 수 있으며, 환상수로에서의 냉각수 순환을 확실하게 할 수 있다.

더욱이, 연결수로와 환상수로는 상기 플라즈마 토치용 노즐을 구성하는 제1노즐부재와 제2노즐부재와의 조합에 의해 양부재의 접합면에 형성되는 구조로 하면, 연결수로와 환상수로를 용이하게 형성할 수 있다.

Claims (4)

1. 플라즈마 토치에 대하여 착탈가능하게 구성되고 또한 중심에 플라즈마 아크를 분사하는 분사공을 형성한 플라즈마 토치용 노즐에 있어서,

   냉각수의 급수로와;

   냉각수의 배수로와;

   상기 분출공의 주위에 배치되는 환상수로와;

   상기 급수로와 상기 환상수로, 상기 배수로와 상기 환상수로를 각각 독립하여 연결하는 복수의 연결수로가 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 노즐.
2. 제1항에 있어서,

   상기 복수의 연결수로는 노즐의 전체 둘레에 배치되어 있고, 상기 급수로와 상기 배수로는 확장된 단부를 갖고, 상기 급수로와 상기 배수로는 각각 복수의 상기 연결수로에 연결하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 노즐.
3. 제2항에 있어서,

   상기 플라즈마 토치용 노즐은 상기 노즐의 전체 둘레를 등각도로 분할하도록 배치된 3개 이상의 연결수로를 갖고, 하나 이상의 상기 연결수로가 상기 급수로 또는 상기 배수로 중 어느 하나에만 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 노즐.
4. 제1항에 있어서,

   상기 연결수로 및 상기 환상수로는 상기 플라즈마 토치용 노즐을 구성하는 제1노즐부재와 제2노즐부재의 조합에 의한 양부재의 접합면에 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치용 노즐.

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