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KR102750479B1 - 플라즈마 아크 제어의 방법으로서 뉴트로드 스택을 사용하는 단일 아크 캐스케이드형 저압 코팅 건 - Google Patents

플라즈마 아크 제어의 방법으로서 뉴트로드 스택을 사용하는 단일 아크 캐스케이드형 저압 코팅 건 Download PDF

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KR102750479B1
KR102750479B1 KR1020207025097A KR20207025097A KR102750479B1 KR 102750479 B1 KR102750479 B1 KR 102750479B1 KR 1020207025097 A KR1020207025097 A KR 1020207025097A KR 20207025097 A KR20207025097 A KR 20207025097A KR 102750479 B1 KR102750479 B1 KR 102750479B1
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KR
South Korea
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plasma gun
stack
neutral
vacuum plasma
gun
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KR1020207025097A
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데이비드 하울리
호세 콜메나레스
조나단 구틀버
Original Assignee
오를리콘 메트코 (유에스) 아이엔씨.
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Publication date
Application filed by 오를리콘 메트코 (유에스) 아이엔씨. filed Critical 오를리콘 메트코 (유에스) 아이엔씨.
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Abstract

진공 플라즈마 건 및 이 진공 플라즈마 건에서 플라즈마 아크를 제어하는 방법. 진공 플라즈마 건은 전극을 가진 후방부 건 본체 섹션 및 이 후방부 건 본체 섹션에 연결되도록 구성된 캐스케이드 섹션을 포함한다. 캐스케이드 섹션은 뉴트로드 스택을 형성하도록 배치된 복수의 뉴트로드를 포함한다. 방법은 캐스케이드 뉴트로드 스택을 진공 플라즈마 건의 후방부 본체 섹션에 연결하는 것을 포함한다.

Description

플라즈마 아크 제어의 방법으로서 뉴트로드 스택을 사용하는 단일 아크 캐스케이드형 저압 코팅 건
관련 출원의 상호 참조
이 국제출원은 2018년 2월 20일에 출원된 미국 가출원 제 62/632,899 호의 이익을 주장하며, 이것의 개시내용은 원용에 의해 그 전체가 본원에 명확하게 포함된다.
발명의 분야
실시형태는 진공 플라즈마 건에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 캐스케이드형 플라즈마 건의 뉴트로드 스택(neutrode stack) 또는 캐스케이드형 플라즈마 건의 최적화된 뉴트로드 스택을 갖는 진공 플라즈마 건의 작동에 관한 것이다.
배경 정보의 설명
캐스케이드형 플라즈마 건은 더 높은 전압 및 보다 안정적인 플라즈마 아크를 허용하여 보다 안정적인 건 출력를 제공하는 이점을 제공한다. 이러한 건의 결점은 플라즈마 아크가 비교적 긴 뉴트로드 스택을 따라 내려감으로써 초래되는 열 배출(heat rejection)로 인해 열 손실이 증가하고, 뉴트로드 스택의 실제 길이가 제한되는 것이다. 스택이 길수록 열 손실이 커져서 고전압 및 보다 안정적인 아크의 장점을 상쇄시킨다. 필요한 것은 뉴트로드 스택에 열 손상을 주지 않으면서 열 손실을 제한하도록 냉각을 최적화하는 구조이다.
현재의 뉴트로드 스택은 뉴트로드, 절연체, 또는 실링 O 링에 손상을 초래하는 열을 제거하기 위해 플라즈마 보어에 최대한 가깝게 동심으로 배치된 드릴 구멍을 사용한다. 플라즈마 보어 내부의 플라즈마 온도는 종종 20,000K를 초과하므로 구성요소의 손상의 방지하기 위해 스택의 냉각이 필수 요건이다.
전형적으로 종래의 플라즈마 건 노즐, 수냉 채널 및/또는 구멍을 위한 기존의 냉각 설계는 보어 재료의 온도를 가능한 낮게 유지하여 손상을 방지하기 위해 플라즈마 건 보어에 가능한 가깝게 배치된다. 이 설계는 효과적인 냉각 방법으로서 뉴트로드의 설계에 도입되었다.
열적으로 최적화된 플라즈마 건 노즐을 다루는 최근의 발명적 발견, 예를 들면, 국제출원 제 PCT/US2013/076603 호에서, 플라즈마 건 보어로부터 물의 통로를 이격시키고, 구리 재료가 열을 이동시킴으로써 평균 온도를 상승시키면서 피크 온도를 감소시킬 수 있도록 하는 것으로 노즐 냉각을 변경할 수 있는 것이 발견되었다. 플라즈마 노즐의 보어를 따라 평균 온도의 상승을 허용하면서 플라즈마 건 노즐의 합리적인 온도를 유지하기에 충분한 효과적인 냉각을 제공하도록 물의 속도를 증가시키기 위해 수냉 단면은 축소될 수 있다.
실시형태에서, 종래의 진공 플라즈마 건에 뉴트로드 스택 어셈블리 또는 최적화된 뉴트로드 스택 어셈블리를 통합하면, 진공 플라즈마 프로세스에서 특유의 이점을 제공한다. 구체적으로는 헬륨 또는 임의의 기타 2 차 가스를 제거하고, 고출력 동작 및/또는 전원의 소형화를 촉진하는 필요 전류를 감소시킨다. 기존의 진공 플라즈마 건은 헬륨과 같은 단원자에 주로 한정되는 2 차 가스를 항상 필요로 하며, 이것은 재생이 불가능하여 희소해지거나 심지어 이용이 불가능하게 되는 자원이다. 최적화된 뉴트로드 스택 어셈블리는 2017년 3월 16일에 출원된 미국 가출원 제 62/472,202 호의 이익을 주장하는 2018년 9월 20일에 공개된 국제 공개 제 WO 2018/170090 호에 기재되어 있으며, 이들 출원의 개시내용은 그 전체가 원용에 의해 본원에 명시적으로 포함된다.
본 발명의 실시형태는 캐스케이드형 플라즈마 건의 뉴트로드 스택 또는 최적화된 뉴트로드 스택을 포함하도록 개조된 진공 플라즈마 건을 작동시키는 것에 관한 것이다. 이와 같이 하여, Oerlikon Metco 03CP와 같은 공지된 진공 플라즈마 건은 일부의 코팅 요건을 지원하기 위해 최대 2400 암페어를 필요로 하지만, 이 동일한 코팅은 실시형태에 따라 개조된 진공 플라즈마 건을 사용하면 1200 암페어 이하로 생성될 수 있다. 이러한 방식으로, 최첨단 건에서 얻어지는 총 출력에 실제적인 제한을 가할 수 있다.
캐스케이드형 플라즈마 건을 위한 공지된 뉴트로드 스택의 사용에 더하여, 본 발명의 실시형태는 스택의 피크 온도를 최소화하면서 물에의 열 손실을 감소시키기 위해 진공 플라즈마 건에서 사용하기 위한 열적으로 최적화된 뉴트로드 스택의 설계 및 구현에 관한 것이다. 냉각의 최적화하면 높은 열 손실의 불이익 없이 더 긴 뉴트로드 스택을 사용할 수 있게 된다.
이와 관련하여, 본 발명자들은 뉴트로드의 구리 재료가 평균 온도를 상승시키면서 열을 이동시켜 피크 온도를 저감시킬 수 있게 하는 플라즈마 건 보어로부터 물의 통로를 이격시키는 기술을 진공 플라즈마 건의 뉴트로드 스택에 사용하여 건 거동에 악영향을 미치지 않으면서 냉각 특성을 개선할 수 있다는 것을 발견하였다.
실시형태에서, 기존의 Oerlikon Metco 03CP 진공 건은 Oerlikon Metco Triplex 및/또는 Sinplex 건 유형에서 이용되는 뉴트로드 스택 구성을 포함하도록, 또는 본 명세서에서 설명되는 최적화된 뉴트로드 스택을 포함하도록 개조될 수 있다. 진공 플라즈마 스프레이(VPS), 저압 플라즈마 스프레이(LPPS, LVPS) 및 감압 진공 스프레이(RPPS)라고 지칭되는 프로세스는 기존의 캐스케이드형 플라즈마 건에 포함되지 않은 감압 환경에서 작동하도록 특정의 설계 상의 고려사항을 갖는 건을 필요로 한다. 이들 고려사항은, 예를 들면, 음(-)의 접속 영역에서의 기밀 전기 절연, 및 감압 플룸(plume)의 생성을 위한 노즐 내부 설계 형상의 구성을 포함한다.
실시형태는 전극을 포함하는 후방부 건 본체 섹션; 및 이 후방부 건 본체 섹션에 연결되도록 구성된 캐스케이드 섹션을 포함하는 진공 플라즈마 건에 관한 것이다. 캐스케이드 섹션은 뉴트로드 스택을 형성하도록 배치된 복수의 뉴트로드를 포함한다.
실시형태에 따르면, 단일 가스가 유일한 플라즈마 가스 공급원으로서 공급된다.
다른 실시형태에 따르면, 건의 작동 전압은 65 볼트를 초과한다.
다른 실시형태에서, 진공 플라즈마 건은 또한 뉴트로드 스택의 일단부에 결합된 노즐을 포함할 수 있고, 여기서 이 뉴트로드 스택은 노즐로부터 전극을 분리한다.
실시형태에 따르면, 복수의 뉴트로드의 각각은 중심 보어를 갖춘 디스크 형상을 가질 수 있으며, 복수의 뉴트로드는 중심 보어가 뉴트로드 스택의 중심 플라즈마 보어를 형성하도록 배치될 수 있다. 복수의 뉴트로드는 절연체에 의해 서로 전기적으로 절연될 수 있다. 절연체는 인접한 뉴트로드들 사이에 공기 간극 또는 가스 간극을 유지하도록 구성될 수 있다. 또한, 복수의 뉴트로드의 각각은 중심 보어를 둘러싸는 복수의 냉각 채널을 포함할 수 있다. 복수의 냉각 채널은 디스크를 통해 연장하는 축방향 보어를 포함할 수 있다. 또한, 축방향 보어는 뉴트로드 내에 한정될 수 있다. 이와 관련하여, 축방향 보어는 뉴트로드를 통해 대체로 원형의 형상을 가질 수 있다. 대안적으로, 축방향 보어는 뉴트로드의 외주에 개방된 리세스일 수있다. 축방향 보어는 평행한 측벽 및 이 측벽에 대체로 수직인 저벽을 가질 수 있다.
또 다른 실시형태에 따르면, 복수의 뉴트로드는 축방향 중심 보어, 외주면, 및 중심 축방향 보어를 둘러싸는 복수의 리세스를 갖는 디스크 형상의 본체를 포함할 수 있다.
다른 실시형태에서, 복수의 뉴트로드는 복수의 리세스가 정렬되어 뉴트로드 스택에 복수의 축방향 냉각 채널을 형성하도록 배치될 수 있다.
또 다른 실시형태에 따르면, 진공 플라즈마 건은 진공 플라즈마 스프레이(VPS) 프로세스, 저압 플라즈마 스프레이(LPPS, LVPS) 프로세스 또는 감압 진공 스프레이(RPPS) 프로세스 중 적어도 하나를 위해 구성될 수 있다.
실시형태는 캐스케이드 뉴트로드 스택을 진공 플라즈마 건의 후방부 본체 섹션에 연결하는 것을 포함하는 진공 플라즈마 건에서 플라즈마 아크를 제어하는 방법에 관한 것이다.
실시형태에 따르면, 이 방법은 유일한 플라즈마 가스 공급원으로서 사용되는 단일 가스에 복합 플라즈마 건을 접속하는 것을 더 포함할 수 있다.
다른 실시형태에서, 이 방법은 복합 플라즈마 건에 65 볼트를 초과하는 작동 전압을 공급하는 것을 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시형태에 따르면, 캐스케이드 뉴트로드 스택은 복수의 뉴트로드를 포함할 수 있고, 여기서 각각의 뉴트로드는 중심 축방향 보어 및 이 중심 축방향 보어를 둘러싸는 복수의 리세스를 갖는 디스크 형상의 본체를 포함한다. 또한, 이 방법은 복수의 리세스가 축방향으로 정렬되어 캐스케이드 뉴트로드 스택을 통해 복수의 축방향 냉각 채널을 형성하도록 캐스케이드 뉴트로드 스택 내에 복수의 뉴트로드를 배향시키는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기타 예시적인 실시형태 및 장점은 본 개시 및 첨부 도면을 검토함으로써 확인될 수 있다.
이하의 상세한 설명에서 언급된 복수의 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시형태의 비제한적인 실시례로서 본 발명을 더 설명하며, 동일한 참조 번호는 여러 도면의 전체를 통해 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 진공 플라즈마 건 후방부 및 캐스케이드형 플라즈마 건의 캐스케이드 섹션으로 형성된 복합 건을 도시하고;
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시형태에 따른 예시적인 최적화된 뉴트로드의 다양한 도면을 도시하고;
도 3은 도 2에 도시된 다수의 최적화된 뉴트로드를 포함하는 뉴트로드 스택의 일 실시형태의 단면도를 도시하고;
도 4는 적층된 최적화된 뉴트로드의 외주가 도시되어 있는 도 3에 도시된 실시형태를 도시하고;
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 최적화된 뉴트로드의 다른 실시형태를 도시하고;
도 6은 공지의 캐스케이드형 플라즈마 건의 종래의 뉴트로드를 도시한다.
본 명세서에 제시된 특정사항은 예로서 그리고 본 발명의 실시형태의 예시적인 설명의 목적만을 위한 것이며, 본 발명의 원리 및 개념적 측면의 가장 유용하고 쉽게 이해되는 설명으로 믿어지는 것을 제공한다는 이유로 제공된다. 이와 관련하여, 본 발명의 근본적인 이해를 위해 필요한 것보다 상세하게 본 발명의 구조적 세부사항을 설명하려는 시도는 이루어지지 않았으며, 도면을 이용한 설명은 당업자에게 본 발명의 여러 가지 형태가 실제로 구현되는 방법을 명확히 보여준다.
실시형태에서, 복합 (진공) 플라즈마 건은 뉴트로드 스택을 사용하는 캐스케이드형 플라즈마 건의 일부를 포함하도록 개조된 공지의 진공 플라즈마 건의 일부로부터 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 단일 아크 캐스케이드형 저압 코팅 건은 플라즈마 아크 제어 및 확장의 방법으로서 뉴트로드 스택을 이용한다. 특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 복합 플라즈마 건은 진공 플라즈마 건, 예를 들면, Oerlikon Metco 03CP 건에 대응하는 구조를 갖는 음의 (후방부) 섹션(1) 및 특별히 설계된 뉴트로드 스택 어셈블리를 포함하는 캐스케이드형 플라즈마 건에 대응하는 구조를 갖는 양의 (전방부) 섹션(2)을 포함할 수있다. 또한, 복합 플라즈마 건은, 종래의 진공 플라즈마 건의 양의 (전방부) 섹션이 음의 (후방부) 섹션(1)으로부터 제거되고, 특별히 설계된 뉴트로드 스택 어셈블리를 포함하는 캐스케이드형 플라즈마 건의 재설계된 양의 (전방부) 건 섹션(2)으로 치환된, 개조된 진공 플라즈마 건일 수 있다고 생각된다. 이 뉴트로드 스택 어셈블리는 건의 작동 전압이 유일한 플라즈마 가스 공급원으로서 단일 가스를 사용하는 경우에 65 볼트를 초과하도록 설계되었으며, 이는 1 차 가스로 아르곤을 그리고 2 차 가스로서 헬륨을 사용하는 35 내지 60 볼트로 작동하는 종래의 Oerlikon Metco 03CP 건과 비교된다. 복합 플라즈마 건의 전방부에는 최대 2000 암페어에서의 건 작동에 적합한 수냉 회로가 포함되어 있다.
복합 플라즈마 건의 음의 (후방부) 섹션(1)은 전극(캐소드)(6)을 유지하도록 구성된 전극 홀더(4)를 포함하는 후방부 절연체 어세이(3)를 포함한다. 전극(6)은 또한 전극 홀더(4)와 맞닿은 중간 절연체(5) 내에 유지된다. 전극(6)은 음의 (후방부) 섹션(2)으로부터 외측으로 확장된다. 복합 플라즈마 건의 양의 (전방부) 섹션(2)은 뉴트로드 스택(8)을 포함한다. 뉴트로드 스택(8)은 내부 단부에 전극(6)을 수용하는 원뿔형 개구부를 그리고 외부 단부에 노즐(애노드)(9)을 포함한다. 노즐(9)은, 예를 들면, 노즐(9)을 나가기 전에 생성된 플라즈마 제트에 분말을 공급하기 위한 분말 주입기를 포함할 수 있다. 음의 (후방부) 섹션(1)과 양의 (전방부) 섹션(2) 사이에는 가스 누출을 방지하기 위한 가스 링(7)이 배치된다.
따라서, 이 복합 플라즈마 건은 전극과 노즐 사이에 뉴트로드 스택을 포함하므로 공지의 Oerlikon Metco 03CP와 다르며, 이는 아크를 더 길게 함으로써 동일 출력 수준에 대해 작동 전압을 더 높일 수 있고 전류를 더 낮출 수 있다. 이는 또한 지나치게 많은 전류에 의해 건을 손상시키지 않으면서 더 높은 전압에서 복합 플라즈마 건을 작동할 수 있도록 함으로써 Oerlikon Metco 03CP의 종래의 단일 가스 작동이 처리할 수 없었던 수준까지 출력을 증가시킬 수 있다. 또한, 공지된 Oerlikon Metco 03CP는 일부의 코팅 요건을 지원하기 위해 최대 2400 암페어를 필요로 하는데 비해, 동일 코팅은 본 발명의 실시형태에 따른 복합 플라즈마 건을 사용하면 1200 암페어 이하로 생성될 수 있다. 이러한 방식으로, 최첨단 건에서 얻어지는 총 출력에 실제적인 제한을 가할 수 있다.
단일 아크 캐스케이드형 저압 코팅 건(복합 플라즈마 건)은 저압 플라즈마 스프레이 코팅 생성 분야의 개선이다. 이 건은 감압 플라즈마 스프레잉(spraying)의 기존의 지식 체계를 포함하며, 효율을 높이고 적용 비용을 낮추면서 기존의 프로세스 내에서 알려진 문제점을 해결한다. 이것의 핵심은 뉴트로드 스택 어셈블리를 추가하여 저압 환경에 맞춰진 "캐스케이드형" 플라즈마 건 구성을 생성하는 것이다. 이 설계의 핵심적인 특징은 헬륨이나 임의의 다른 2 차 또는 3 원 가스를 사용하지 않으면서 적격의 산업용 코팅을 복제하는 능력이다.
도 6은 기존의 캐스케이드형 플라즈마 건의 종래의 뉴트로드(10)의 단면도를 보여준다. 종래의 뉴트로드에서 냉각은 중심 플라즈마 보어(14) 주위에 배치된 24 개의 구멍(12)에 의해 보어에 근접하여 제공되는 것이 분명하다. 이러한 종래의 뉴트로드(10)는, 예를 들면, Oerlikon Metco Triplex and Sinplex 건 유형과 같은 공지된 캐스케이드형 플라즈마 건에서의 사용과 관련하여 설명한 방식으로 함께 적층될 수 있다. 특히, 뉴트로드(10)는 인접한 뉴트로드(10)들 사이에 공기 간극 또는 가스 간극을 유지하도록 인접한 뉴트로드(10)들 사이에 절연체를 배치함으로써 서로로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 또한, 시일이 구멍(12)과 중심 플라즈마 보어(14) 사이에 제공되어 냉각수가 중심 플라즈마 보어(14) 내로 누출하는 것을 방지할 수 있다.
종래의 뉴트로드(10)와 대조적으로, 도 2a 내지 도 2e는 2017년 3월 16일에 출원된 미국 가출원 제 62/472,202 호의 이익을 주장하는 2018년 9월 20일에 공개된 국제 공개 제 WO 2018/170090 호에 기재된 바와 같이 최적화된 뉴트로드 스택의 뉴트로드(20)의 예시적인 실시형태의 다양한 도를 보여주며, 이들의 개시내용은 그 전체가 원용에 의해 본원에 명시적으로 포함된다. 예시적인 도에 도시된 바와 같은 뉴트로드(20)는 뉴트로드(20)의 본체에 리세싱(recessing)된 12 개의 축방향 냉각 채널(22)을 포함할 수 있고, 중심 플라즈마 보어(24)를 둘러싸는 뉴트로드(20)의 외주면(26)에 개방되어 있다. 이와 관련하여, 이 축방향으로 연장하는 관통 리세스는 외측으로 연장하여 외주면(26)의 일부를 포함하는 돌출부(21)를 형성하므로 이 외주면(26)은 원주방향으로 불연속이 된다. 뉴트로드(20)의 제 1 측, 예를 들면, 도 2a에서 사시도로 도시되고 도 2c에서 평면도로 도시된 우측 상에서, 융기부(23)는 돌출부(21)의 우측 아래에 위치하는 오목면(25)으로부터 축방향으로 연장된다. 뉴트로드(20)의 제 2 측, 예를 들면, 도 2b에서 사시도록 도시되고 도 2d에서 평면도로 도시된 좌측 상에서, 융기부(27)는 돌출부(21)의 좌측과 동일 평면에 있을 수 있는 표면(29)으로부터 축방향으로 연장된다. 도 2e는 융기부(23, 27)의 축방향 연장부가 돌출부(21)의 좌측 및 우측의 평면을 넘어 연장하는 뉴트로드(20)의 측면도를 도시한다. 또한, 비제한적으로 예시된 도 2a 내지 도 2e의 실시형태에서, 냉각 채널(22)의 측벽이 바람직하게는 서로 평행하고, 저벽이 이 측벽에 대체로 수직한 것을 제외하면, 뉴트로드는 대체로 기어의 형상을 가질 수 있다. 또한, 도 2c 및 도 2d의 평면도에서, 냉각 채널(22)은 대체로 정사각형 형상을 나타내며, 여기서 리세스의 폭은 그 깊이에 걸쳐 일정한 것이 바람직하며, 실질적으로 리세스의 깊이와 동일하다. 뉴트로드(20)의 예시적인 도면에서는 12 개의 축방향 채널이 형성되어 있으나, 뉴트로드(20)는 12 개의 축방향 채널에만 한정되지 않고, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 한 더 많거나 더 적은 축방향 채널이 뉴트로드(20)에 형성될 수 있다는 것이 이해된다.
비제한적인 실시례로서, 도 2c 및 도 2d에 도시된 평면도에서 볼 때, 돌출부(21)들 사이에 형성된 및/또는 뉴트로드 본체에 리세싱된 그리고 외주면(26)으로 개방된 채널(22)은 채널(22)의 면적을 정의하는 길이 및 폭 치수를 갖는다. 비제한적 실시례에서, 채널(22)은 0.125"(3.175 mm) 너비 x 0.097"(2.464 mm) 깊이의 기본 치수를 가질 수 있으며, 이는 0.1476 제곱 인치(95.22 mm2)의 총 면적을 제공한다. 예를 들면, 22 리터/분의 수량으로 작동하는 경우, 채널을 통한 평균 물의 속도는, 예를 들면, 3.8 m/sec이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 채널에 대한 이들 값은 단지 예시적인 것일 뿐이며, 돌출부(21)들 사이에 형성된 및/또는 하측으로 리세싱된 그리고 뉴트로드(20)의 외주면(26)에 개방된 냉각 채널(22)의 개수와 크기는 온도가 건을 손상시킬 수 있는 수준에 도달하는 것을 방지하는데 필요한 수량에 따라 다르다. 추가의 실시례로서, 채널(22)은 깊이의 치수가 바람직하게는 일정한 폭인 채널(22)의 폭에 대한 치수와 실질적으로 동일하다는 점에서 실질적으로 정사각형 형상인 것으로 이해되도록 형성될 수 있다. 또한, 실질적으로 정사각형 형상의 채널은 채널의 베이스를 형성하는 폭 치수 대 외주면 아래의 깊이 치수의 비율이 대체로 1:1이지만, 이 냉각 채널에 대한 폭 대 깊이의 비율은 1:1 내지 8:1의 범위 내에서 변화할 수 있다.
도 3은 함께 동축으로 적층된 도 2a 내지 도 2e에 도시된 복수의 최적화된 뉴트로드(20)를 포함하는 뉴트로드 하우징(38) 내의 예시적인 뉴트로드 스택(30)의 단면도를 도시하며, 도 4는 도 3의 대체도로서, 적층된 최적화된 뉴트로드(20)의 외주를 포함하는 뉴트로드 스택 하우징(38)의 단면도 내의 구성요소들의 외주(26)가 도시되어 있다. 도시된 실시형태에서, 뉴트로드 스택(30)의 좌측으로부터 보았을 때, 도 2에 도시된 뉴트로드(20)는, 예를 들면, 제 2, 제 3 및 제 4 위치에 위치될 수 있다. 그러나, 개별 뉴트로드(20)는 인접한 뉴트로드(20)들이 뉴트로드 스택(30) 내에서 서로 접촉하지 않도록 서로 절연되어 있으며, 예를 들면, 전기적으로 절연되고 물리적으로 이격되어 있다. 또한, 뉴트로드 하우징(38)은, 마찬가지로 뉴트로드 스택(30) 내의 인접한 뉴트로드(20)들 사이를 격리 상태로 유지하도록, 예를 들면, 플라스틱으로 제조될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 뉴트로드(20)는 중심 플라즈마 보어(24)를 따라 동심으로 정렬되어 뉴트로드 스택(30)을 형성한다. 유리하고 비제한적인 실시형태에서, 뉴트로드 스택(30)의 각각의 뉴트로드(20)는 동일한 수의 냉각 채널을 가질 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 냉각 채널(22)이 축방향으로 정렬되도록 배향될 수 있다. 뉴트로드(20)가 뉴트로드 스택(30) 내에서 서로 분리되므로, 절연체(36)가 분리기로서 인접한 뉴트로드(20)들 사이에 배치될 수 있다. 절연체(36)는, 예를 들면, 아질산 붕소일 수 있고, 융기부(23)의 반경방향 내측에 위치될 수 있고, 뉴트로드 스택(30)의 중심 플라즈마 보어(34)까지 반경방향 내측으로 연장될 수 있다. 실시형태에서, 개별 뉴트로드(20)의 중심 플라즈마 보어(24)와 뉴트로드(30)의 중심 플라즈마 보어(34) 사이의 이행은 원활할 수 있다. 삽입도(300)에 더 구체적으로 도시된 바와 같이, 절연체(36)는 제 1 뉴트로드(20)의 융기부(23)와 인접한 뉴트로드(20)의 융기부(27)의 마주보는 면들 사이에, 예를 들면, 약 0.030"(0.76 mm)의 공기 간극 또는 가스 간극(322)을 유지하는 적절한 두께를 갖는다. 또한, 융기부(23)의 반경방향 외측에, 예를 들면, 실리콘, 합성 고무(예를 들면, VITON®), 니트릴 고무(예를 들면, BUNA-N), 또는 뉴트로드 스택(30)의 영역 내에서 발생하는 온도에 견디기에 적합한 기타 적절한 수밀 재료로 제조될 수 있는 O 링과 같은 시일(320)이 인접한 뉴트로드(20)의 마주보는 면들 사이에 배치되어 공기 간극 또는 가스 간극(322)를 형성 및 커버함으로써 냉각수가 냉각 채널로부터 반경방향 내측으로 공기 간극 또는 가스 간극(322) 내로 진입하는 것을 방지할 수 있다.
예시된 실시형태에서, 뉴트로드 스택(30)은 냉각수 구멍(35)을 갖는 보다 큰 직경의 디스크(31)와 종단된 냉각 채널(terminated cooling channel) 또는 블라인드 냉각 채널일 수 있는 냉각 채널(37)을 갖는 단부 피스(33) 사이에 샌드위치될 수 있다. 단부 피스(33)는 축방향으로 배치된 원뿔형 함몰부를 포함할 수 있으며, 이 함몰부 내에 도 1에 도시된 바와 같은 전극(캐소드)가 위치될 수 있다. 유리하고 비제한적인 실시형태에서, 디스크(31)는 다수의 냉각수 구멍(35)을 포함하고, 이것은 각각의 뉴트로드(20) 내의 냉각 채널(22)의 수 및 단부 피스(33) 내의 냉각 채널(37)의 수에 대응한다. 단부 피스(33)의 반대측 디스크(1)의 표면 상에, 노즐(애노드)을 도 1에 도시한 바와 같이 배치할 수 있다. 뉴트로드 스택(30) 내의 인접한 뉴트로드(20)와 마찬가지로, 절연체(36) 및 시일(320)이 디스크(31)와 노즐 사이에 배치되어 공기 간극 또는 가스 간극(322)를 형성 및 커버할 수 있고, 이것은 냉각수가 냉각 채널로부터 반경방향 외측으로 이 공기 간극 또는 가스 간극(322) 내로 진입하는 것을 방지한다.
또한, 냉각수 구멍(35), 냉각 채널(22) 및 냉각 채널(37)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 축방향으로 정렬되도록 배향될 수 있다. 또한, 외주면(26)을 포함하는 뉴트로드(20)의 반경방향으로 연장하는 부분이 축방향으로 서로 분리되므로, 뉴트로드 스택(30) 내에 원주방향 냉각 채널(32)이 형성된다. 더 큰 직경의 디스크(31)가, 예를 들면, 스크류, 볼트, 클램프 등에 의해 하우징(38)에 결합될 수 있고, 그렇게 함으로써 적층된 최적화된 뉴트로드(20), 절연체(36), 시일(320) 및 단부 피스(33)를 함께 바이어싱(biasing)할 수 있다. 유리하게는, 이 바이어싱은 시일(320)이 인접한 뉴트로드의 대향 표면과 적절히 맞물림으로써 원하는 수밀 구성을 실현하는데 충분하다. 실시형태에서, 뉴트로드 스택(30)은 도 2a 내지 도 2e에 도시된 최적화된 뉴트로드를 더 많거나 더 적게 포함할 수 있다. 또한, 뉴트로드 스택 하우징(38)은 하우징의 외주에 또는 외주 상에 형성된 유사한 냉각 채널을 포함할 수 있다는 것이 이해된다.
도 5는 뉴트로드(50)의 다른 예시적인 실시형태를 보여준다. 이 실시형태에서, 뉴트로드(50)는 뉴트로드(50)의 외주(56)의 내부 및 주위에 형성된 8 개의 평평한 냉각 채널(52)을 포함할 수 있다. 비제한적인 실시례로서, 뉴트로드(50)의 주변(56)에 형성된 평평한 채널(52)은 0.200"(5.08 mm) 너비 x 0.0225"(0.572 mm) 깊이일 수 있으며, 이는 0.032 제곱 인치(20.65 mm2)의 총 면적으로 제공한다. 9 리터/분의 수량으로 작동하는 경우, 채널을 통한 평균 물의 속도는 6.4 m/sec이다. 그러나, 전술한 바와 같이, 채널에 대한 이들 값은 단지 예시적인 것일 뿐이며, 냉각 채널의 개수 및 크기는 온도가 건을 손상시킬 수 있는 수준에 도달하는 것을 방지하는데 필요한 수량에 따라 다르다.
실시형태에 따르면, 뉴트로드 스택에는, 예를 들면, 도 2a 및 도 5에 도시된 바와 같은 각각의 최적화된 뉴트로드의 외주에 배치된 수냉 채널이 구비될 수 있다. 채널의 단면적은, 예를 들면, 1.0 m/sec 초과, 바람직하게는 2.0 m/sec 초과, 가장 바람직하게는 3.0 m/sec 초과의 빠른 물의 속도를 생성하도록 설계될 수 있다. 각각의 채널은 뉴트로드(50)의 최외주에서의 수냉 흐름을 최대화하도록 대략 정사각형 형상(예를 들면, 도 2a 내지 도 2e 참조)으로부터 길쭉하고 평평한 형상(예를 들면, 도 5 참조)에 이르는 다양한 형상으로 구성될 수 있다. 또한, 채널은 삼각형 단면으로 구성 또는 형성될 수도 있으며, 각각의 뉴트로드의 외주에서의 수냉 흐름을 최대화하도록 배치될 수 있다. 냉각 채널의 개수, 크기 및 형상은 건을 손상시킬 수 있는 온도에 도달하는 것을 방지하기 위해 요구되는 수량에 따라 다르다. 뉴트로드 스택 내의 뉴트로드의 총 수 또는 뉴트로드 스택의 각각의 뉴트로드의 두께는 이 설계에 제한되지 않는다. 실제로, 실시형태에 따른 최적화된 뉴트로드를 사용하면, 제한된 열 냉각 손실을 제한하면서 더 긴 뉴트로드 스택이 가능하다.
이 실시형태는 냉각 채널에 대한 베이스 대 깊이 비율의 전술한 특정 실시례에 제한되지 않음에 유의한다. 냉각 채널에 대한 베이스 대 깊이의 비율은 더 키가 큰 반 반경방향 프로파일로부터 대체로 정사각형인 단면에 이르는 냉각 채널을 실현하기 위해서는 최대 1:1일 수 있고, 더 평평한 프로파일의 단면을 실현하기 위해서는 8:1일 수 있고, 그리고 1:1 내지 8:1 사이의 범위 내의 임의의 비율일 수 있다는 것이 이해된다. 따라서, 이 비율은 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 6:1, 7:1의 베이스 대 깊이의 특정 비율일 수 있을 뿐만 아니라 이들 사이의 임의의 비율일 수 있으나, 이것에 한정되지 않는다.
도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 뉴트로드(50)에 의해 형성된 뉴트로드 스택을 이용하는 설명된 실시형태에 따른 복합 플라즈마 건에서, 공지된 계산 유체 역학(CFD; computational fluid dynamics) 소프트웨어를 통해 계산된 바와 같이 플라즈마 건 내의 물의 흐름이 8.1 리터/분인 경우에, 뉴트로드 스택 내의 평균 물의 속도는 3.2 m/sec을 초과하였다.
도 3에 도시된 뉴트로드 스택(30)을 포함하는 복합 플라즈마 건이 시험되고, 플라즈마 노즐을 냉각시키기 위해 수냉 핀(fin) 또는 채널을 사용하는 긴 노즐을 포함한 동일한 전체 설계의 종래의 플라즈마 건과 비교되었다. 시험 결과, 종래의 냉각 노즐에 비해 본 발명의 실시형태에 따른 뉴트로드 스택(30)을 사용하는 건의 열 효율이 10% 증가한 것으로 나타났다. 다른 시험은 플라즈마 건에 종래의 뉴트로드 스택을 추가하면 열 효율이 6% 내지 10% 감소함을 보여주었다. 또 다른 시험은 플라즈마 건에 대한 종래의 뉴트로드 스택의 길이를 두 배로 하면 열 효율이 20% 감소하고, 최적화된 뉴트로드(20)를 추가하여 뉴트로드 스택(30)의 길이를 증가시키면 열 효율의 감소가 훨씬 낮아지는 것을 보여주었으며, 이는 종래의 뉴트로드 스택의 약 1/2 미만으로 계산되었다. 또한, 뉴트로드 스택(30)의 지속시간 시험은 동일한 스택으로 200 시간을 초과한 시험 후에도 열적 악영향을 보이지 않았다.
전술한 실시례는 단지 설명의 목적으로 제공된 것이며, 본 발명의 제한으로서 해석되어서는 안 된다는 점에 유의한다. 본 발명이 예시적인 실시형태를 참조하여 설명되었으나, 본 명세서에서 사용된 용어는 제한적인 용어가 아니라 설명 및 예시의 용어임이 이해된다. 현재 언급된 것으로서 그리고 보정된 것으로서 첨부된 청구항의 범위 내에서 본 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어나지 않는 한 그 양태의 변경이 이루어질 수 있다. 본 발명은 특정 수단, 재료 및 실시형태를 참조하여 본 명세서에서 설명되었으나, 본 발명은 본 명세서에 개시된 특정사항에 제한되도록 의도되지 않으며, 오히려 본 발명은 첨부된 청구항의 범위 내에 있는 것과 같은 모든 기능적으로 등가인 구조, 방법 및 용도까지 확장된다.

Claims (20)

  1. 진공 플라즈마 건(vacuum plasma gun)으로서,
    전극을 포함하는 후방부 건 본체 섹션; 및
    후방부 건 본체 섹션에 연결되도록 구성된 캐스케이드 섹션(cascade section)을 포함하고,
    상기 캐스케이드 섹션은 뉴트로드 스택(neutrode stack)을 형성하도록 배치된 복수의 뉴트로드를 포함하고,
    상기 복수의 뉴트로드는 전기 절연체, 공기 간극 또는 가스 간극, 및 시일 중 적어도 하나에 의해 서로 분리되고, 상기 전기 절연체 및 시일은 환형 공기 간극 또는 가스 간극을 인접한 뉴트로드에 의해 그리고 상기 전기 절연체 및 시일에 의해 한정되게 유지하도록 구성되는, 진공 플라즈마 건.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단일 가스가 유일한 플라즈마 가스 공급원으로서 공급되는, 진공 플라즈마 건.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 건의 작동 전압은 65 볼트를 초과하는, 진공 플라즈마 건.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공 플라즈마 건은 상기 뉴트로드 스택의 일단부에 결합된 노즐을 더 포함하고, 상기 뉴트로드 스택은 상기 노즐로부터 상기 전극을 분리하는, 진공 플라즈마 건.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 뉴트로드의 각각은 중심 보어를 갖춘 디스크 형상을 가지며,
    상기 복수의 뉴트로드는 상기 중심 보어가 상기 뉴트로드 스택의 중심 플라즈마 보어를 형성하도록 배치된, 진공 플라즈마 건.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 뉴트로드의 각각은 상기 중심 보어를 둘러싸는 복수의 냉각 채널을 포함하고, 상기 복수의 냉각 채널은 상기 뉴트로드의 원주방향 외주에 개방된 축방향 리세스인, 진공 플라즈마 건.
  7. 제 6 항에 있어서,
    축방향인 상기 냉각 채널은 평행한 측벽들 및 이 측벽들에 수직인 저벽을 갖는, 진공 플라즈마 건.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 뉴트로드는 축방향 중심 보어, 외주면, 및 상기 축방향 중심 보어를 둘러싼 복수의 축방향 리세스를 갖는 디스크 형상의 본체를 포함하는, 진공 플라즈마 건.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 뉴트로드는 상기 복수의 축방향 리세스가 정렬되어 상기 뉴트로드 스택에 복수의 축방향 냉각 채널을 형성하도록 배치된, 진공 플라즈마 건.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공 플라즈마 건은 진공 플라즈마 스프레이(VPS) 프로세스, 저압 플라즈마 스프레이(LPPS, LVPS) 프로세스 또는 감압 진공 스프레이(RPPS) 프로세스 중 적어도 하나를 위해 구성된, 진공 플라즈마 건.
  11. 진공 플라즈마 건에서 플라즈마 아크를 제어하는 방법으로서,
    캐스케이드 뉴트로드 스택을 진공 플라즈마 건의 후방부 본체 섹션에 연결하는 것을 포함하고,
    복수의 뉴트로드는 전기 절연체, 공기 간극 또는 가스 간극, 및 시일 중 적어도 하나에 의해 서로 분리되고, 상기 전기 절연체 및 시일은 환형 공기 간극 또는 가스 간극을 인접한 뉴트로드에 의해, 그리고 상기 전기 절연체 및 시일에 의해 한정되게 유지하도록 구성되는, 플라즈마 아크의 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 플라즈마 아크의 제어 방법은 유일한 플라즈마 가스 공급원으로 사용되는 단일 가스에 복합 플라즈마 건을 접속하는 것을 더 포함하는, 플라즈마 아크의 제어 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 플라즈마 아크의 제어 방법은 65 볼트를 초과하는 작동 전압을 복합 플라즈마 건에 공급하는 것을 더 포함하는, 플라즈마 아크의 제어 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 캐스케이드 뉴트로드 스택은 복수의 뉴트로드를 포함하고, 각각의 뉴트로드는 축방향 중심 보어 및 상기 축방향 중심 보어를 둘러싸는 복수의 축방향 리세스를 가진 디스크 형상의 본체를 포함하고, 상기 플라즈마 아크의 제어 방법은:
    상기 복수의 리세스가 축방향으로 정렬되어 상기 캐스케이드 뉴트로드 스택을 통해 복수의 축방향 냉각 채널을 형성하도록 상기 캐스케이드 뉴트로드 스택 내에 상기 복수의 뉴트로드를 배향시키는 것을 더 포함하는, 플라즈마 아크의 제어 방법.
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