KR100290828B1

KR100290828B1 - Big power pulse switch

Info

Publication number: KR100290828B1
Application number: KR1019990006820A
Authority: KR
Inventors: 정기형; 이강옥
Original assignee: 정기형; 사단법인 한국가속기 및 플라즈마 연구협회; 남영호; 주식회사플라즈마토건
Priority date: 1999-03-02
Filing date: 1999-03-02
Publication date: 2001-05-15
Also published as: KR20000059329A

Abstract

중공튜브상의 양극과; 상기 중공튜브상의 중심축에 위치하고 축방향으로 연장되고, 음전압이 인가되는 음극과;상기 양극과 음극을 절연시키면서 지지하는 절연체와; 상기 양극 외주에 감겨진 솔레노이드코일과; 고전압이 인가되어 상기 양극으로 방전하는 스파크플러그를 포함하고 있으며, 음극에서 방출된 전자는 로렌쯔 힘에 의해 상기 축방향을 따라 회전하면서 이동되는 대전력 펄스스위치를 개시하고 있다. 또한 본 발명의 스위치는 상기 스파크플러그의 온/오프에 따라 상기 음극과 양극사이의 전기적 연결/차단하는 안전카버를 더욱 포함하고 있으며, 상기 절연체의 절연파괴를 방지하기 위하여, 상기 양극과 마주하는 쪽에 연속적인 톱니모양을 형성하고, 상기 톱니모양이 형성된 절연체와 마주하는 양극의 면은 곡면이다.An anode on the hollow tube; A cathode disposed on a central axis of the hollow tube and extending in an axial direction and to which a negative voltage is applied; an insulator supporting the anode and the cathode while being insulated; A solenoid coil wound around the anode; Disclosed is a high power pulse switch in which a high voltage is applied and a spark plug discharges to the anode, and electrons emitted from the cathode are moved while rotating along the axial direction by Lorentz force. In addition, the switch of the present invention further includes a safety cover for electrically connecting / blocking between the cathode and the anode according to the on / off of the spark plug, in order to prevent breakdown of the insulator, on the side facing the anode The surface of the anode which forms a continuous saw tooth and faces the toothed insulator is a curved surface.

또한 상기 음극과 상기 양극은 일함수가 서로 다른 재질로 형성되어 있어 다이오드특성을 나타낸다.In addition, the cathode and the anode are formed of a material having a different work function exhibits diode characteristics.

Description

Big power pulse switch

본 발명은 대전력 펄스스위치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스위치외벽에 솔레노이드코일이 장착된 대전력 펄스스위치에 관한 것이다.The present invention relates to a large power pulse switch, and more particularly, to a large power pulse switch having a solenoid coil mounted on an outer wall of the switch.

대전력 펄스스위치는 고전압의 전기에너지를 저장하였다가 일시에 방출시킴으로써 막대한 추진에너지를 얻는 펄스파워시스템(pulse power system)에 적용하기 위한 스위치이다. 펄스파워시스템는 도 1의 블록도에 도시한 바와 같이, 상용전력, 엔진-발전기, 가스터빈 등과 같이 전력을 공급하는 전원공급부(Power supply) (110)와, 전하를 저장하는 에너지저장부(capacitor bank)(120)와, 출력을 제어하는 스위치(pulse switch)(130)와, 출력송전선(cable)(140)과, 펄스에너지가 적용되는 부하(load)(150) 등으로 구성되어 있고, 군사용 및 산업용으로 적용되고 있다. 산업용의 예로는 플라즈마 파암(破岩), 전자기적 용접 등이 있다.The high power pulse switch is a switch for applying to a pulse power system that obtains enormous propulsion energy by storing and releasing high voltage electrical energy at a time. As shown in the block diagram of FIG. 1, the pulse power system includes a power supply 110 for supplying electric power such as commercial power, an engine-generator, a gas turbine, and an energy storage unit for storing electric charges. 120, a pulse switch 130 for controlling the output, an output transmission line 140, a load 150 to which pulse energy is applied, and the like. It is applied for industrial use. Examples of industrial applications include plasma rock, electromagnetic welding, and the like.

펄스파워를 이용한 파암작업은 암석에 천공을 하여 천공내에서 전해물질을 짧은 시간에 고온,고압의 플라즈마상태로 변환시키게 되고 이때 발생하는 압력으로 암석을 파괴하는 방법이다.The rock work using pulse power is a method of drilling rock and converting the electrolytic material into high temperature and high pressure plasma in a short time and destroying the rock by the pressure generated at this time.

이러한 펄스파워시스템에 사용되는 스위치로는 슈도스파크스위치(pseudospark switch), 스파크갭스위치(spark gap switch), 인피스트론(INPISTRON), 사이레이트론(Thyratron), 이그니트론(ignitron) 스위치 등이 있다.The switches used in the pulsed power system include pseudospark switch, spark gap switch, INPISTRON, Thyratron, and ignitron switch. have.

그러나 이러한 종래의 대전력펄스스위치는 용량과 방전시간-펄스폭(pulse width)에 한계가 있거나, 국부방전으로 인한 음극의 수명이 짧다는 문제점이 있다.However, such a conventional large power pulse switch has a limitation in capacity and discharge time-pulse width, or has a problem in that the lifetime of the cathode due to local discharge is short.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 통전전력이 10³MW에 달하고, 방전시간이 5ms의 대전력 통전용 스위치를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention is to provide a large power switch with a discharge current of 10 ³ MW, the discharge time is 5ms.

본 발명은 또한 음극(cathode)의 수명이 연장된 대전력 펄스스위치를 제공하는 것이다.The present invention also provides a large power pulse switch with an extended lifetime of the cathode.

도 1은 펄스파워시스템의 개념블록도.1 is a conceptual block diagram of a pulse power system.

도 2은 본 발명에 따른 대전력스위치의 일실시예를 도시한 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view showing an embodiment of a large power switch according to the present invention.

도 3는 도 3의 안전카버가 이동된 상태를 도시한 단면도.3 is a cross-sectional view showing a state in which the safety cover of Figure 3 is moved.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명)(Short description of symbols for main parts of drawing)

1: 스파크플러그2: 솔레노이드코일1: spark plug 2: solenoid coil

3: 절연체4: 양극(anode)3: insulator 4: anode

5: 안전카버6: 음극(cathode)5: safety cover 6: cathode

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 중공튜브상의 양극과; 상기 중공튜브상의 중심축에 위치하고 축방향으로 연장된 음극과; 상기 양극과 음극을 절연시키면서 지지하는 절연체와; 상기 양극 외주에 감겨진 솔레노이드코일과; 상기 중공튜브상의 양극의 소정위치에서 상기 양극과 이격되면서, 상기 음극이 연장된 방향과 수직방향으로 연장된 스파크플러그(spark plug)를 포함하는 대전력 펄스스위치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is an anode on a hollow tube; A cathode located in the central axis on the hollow tube and extending in the axial direction; An insulator supporting the anode and the cathode while being insulated; A solenoid coil wound around the anode; A high power pulse switch including a spark plug extending in a direction perpendicular to the direction in which the cathode extends while being spaced apart from the anode at a predetermined position of the anode on the hollow tube.

본 발명에서 바람직하게는 음극과 양극의 재질을 일함수가 서로 다른 재질을 사용함으로써, 다이오드효과를 이룰 수 있게하고, 그 예로서 음극의 재질은 토륨함유텅스텐을 사용하고, 양극의 재질은 구리텅스텐합금을 사용한다.In the present invention, the material of the cathode and the anode is preferably made of a material having a different work function, thereby achieving a diode effect. For example, the material of the cathode uses thorium-containing tungsten, and the material of the anode is copper tungsten. Alloy is used.

본 발명의 스위치는 또한 전원이 차단되었을때 음극과 양극사이에 아크발생을 방지할 수 있는 안전카버(safety cover)를 더욱 포함하고 있다.The switch of the present invention further includes a safety cover that can prevent arcing between the cathode and the anode when the power is cut off.

본 발명은 또한 절연파괴를 방지하기 위하여, 절연체의 표면을 연속적으로 굴곡지도록 형성하고 있다.The present invention is also formed so that the surface of the insulator is continuously bent in order to prevent breakdown.

상기 솔레노이드코일은 음극과 양극사이에 균일 자기장을 형성하는 역할을 하며, 스파크플러그와 음극에 전원이 인가되면, 광전효과에 의해 음극에서 전자가 방출되어 통전하게 된다. 그런데 , 방출되는 전자는 자기장에 의한 로렌츠의 힘에 의해 축상의 음극 주위를 회전하면서 길이방향으로 이동하게 되어 국부방전이 방지된다.The solenoid coil serves to form a uniform magnetic field between the cathode and the anode. When power is applied to the spark plug and the cathode, electrons are emitted from the cathode by the photoelectric effect to conduct electricity. However, the emitted electrons move in the longitudinal direction while rotating around the axial cathode by the Lorentz force caused by the magnetic field, thereby preventing local discharge.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 종단면도로서, 도시한 바와 같이, 본 실시예의 스위치는 중공튜브상의 양극(4)과; 상기 중공튜브상의 중심축(C)에 위치하고 축방향으로 연장된 음극(6)과; 상기 양극(4)과 음극(6)을 절연시키면서 지지하는 절연체(3)와; 상기 양극(4) 외주에 감겨진 솔레노이드코일(2)과; 상기 중공튜브상의 양극(4)의 소정위치에서 상기 양극(4)과 이격되면서, 상기 중심축(C)을 향하여 연장된 스파크플러그(spark plug)(1)를 포함하고 있다.Figure 2 is a longitudinal sectional view according to an embodiment of the present invention, as shown, the switch of this embodiment is an anode (4) on the hollow tube; A cathode 6 located in the central axis C on the hollow tube and extending in the axial direction; An insulator (3) which insulates and supports the positive electrode (4) and the negative electrode (6); A solenoid coil (2) wound around the anode (4); A spark plug 1 extending toward the central axis C while being spaced apart from the anode 4 at a predetermined position of the anode 4 on the hollow tube.

양극(4)과 음극(6)사이의 공간은 고진공(10^-6Torr이하) 혹은 저압(sub-mili Torr)상태하에서 고전압이 걸려있다. 양극(4)의 외주를 감싸고 있는 구리솔레노이드 코일(2)은 축방향으로 자기장을 형성하고 있다.The space between the anode 4 and the cathode 6 is under high voltage under high vacuum (10 ^-6 Torr or less) or sub-mili Torr. The copper solenoid coil 2 surrounding the outer periphery of the anode 4 forms a magnetic field in the axial direction.

스파크플러그(1)는 세라믹으로 둘러싸여있고, 그 내측끝단은 양극(4)의 내측표면과 일치하고 있어, 스파크플러그(1)에 전원이 인가되면, 스파크플러그의 방전으로 압력이 커지게 되고, 따라서 방전이 양옆의 구리텅스템합금인 양극의 내측표면에 버섯모양으로 퍼지게 되어 종래에 가장 문제가 되었던 음극(cathode)의 마모면적이 집중되지 않고 넓게퍼지게 되어 수명이 연장되게 된다.The spark plug 1 is surrounded by ceramic, and its inner end coincides with the inner surface of the anode 4, and when power is applied to the spark plug 1, the pressure increases due to the discharge of the spark plug. The discharge spreads in a mushroom shape on the inner surface of the anode, which is the copper tungsten alloy of both sides, so that the wear area of the cathode, which has been the most problematic problem in the past, is not concentrated and spreads widely, thereby extending the life.

또한 솔레노이드코일(2)로 인하여 균일 자기장이 형성되고, 이 균일 자기장은 음극과 양극에 인가된 전압과 격발(trigger)에 의해 발생된 자외선에 의한 광전효과로 방출되는 전자에 로렌츠 힘(Lorentz Force)을 유도하고, 이 힘에 의해 전자는 축중심을 회전하면서 축방향으로 이동하게 되어 음극의 국부방전(local discharge)가 방지되고, 음극과 양극의 표면의 손상을 최소화시켜 음극의 수명연장과 더불어 음극과 양극의 표면에 균일하게 플라즈마가 형성되어 방전의 안정성을 높일 수 있게된다.In addition, the solenoid coil (2) forms a uniform magnetic field, which is a Lorentz force to the electrons emitted by the photoelectric effect caused by the ultraviolet rays generated by the voltage and trigger applied to the cathode and anode. By this force, the electrons move in the axial direction while rotating the axial center to prevent the local discharge of the negative electrode and minimize the damage of the surface of the negative electrode and the positive electrode to extend the lifetime of the negative electrode and the negative electrode Plasma is uniformly formed on the surface of the anode to increase the stability of the discharge.

본 실시예에서 음극은 양극과 약 20 mm(d₁) 이격되어 있고, 음극의 길이(d₂)는 약 150mm이고, 음극봉의 지름(d₃)은 15mm이다. 본 스위치는 수십 kV, 수십만 암페어로 전력이 10³MW급이고, 펄스폭은 약 5ms로, 양극재료의 표면온도가 6000K이하가 되도록 설계하였고, 음극의 단위길이당 200kJ의 전기에너지를 스위칭할 수 있는 용량이다.In this embodiment, the negative electrode is spaced apart from the positive electrode by about 20 mm (d ₁ ), the length (d ₂ ) of the negative electrode is about 150mm, the diameter (d ₃ ) of the negative electrode rod is 15mm. This switch has a power of 10 ³ MW class with several tens of kV, hundreds of thousands of amps, pulse width is about 5ms, and it is designed so that surface temperature of anode material is below 6000K, and it can switch electric energy of 200kJ per unit length of cathode. Capacity.

한편, 이 펄스스위치는 고전압 대용량이므로 절연체(3)의 절연파괴를 방지할 필요가 있고, 이를 위하여, 양극과 마주보는 쪽 표면에는 표면저항을 크게하기 위하여 톱니모양으로 제작하여 전자의 이동이 어렵도록 하고 있다. 그런데 이는 양극의 마주보는 부분에 아크발생가능성을 크게할 수 있으므로, 절연체(3)와 양극(4)과의 간격을 조정하고, 전자가 도체의 표면에 모이는 것을 방지하기 위하여 양극의 절연체와 마주보는 표면을 곡면으로 처리하고 있다.On the other hand, since the pulse switch is a high voltage large capacity, it is necessary to prevent the dielectric breakdown of the insulator 3, and for this purpose, the surface facing the anode is made in the form of a sawtooth to increase the surface resistance so that the movement of electrons is difficult. Doing. However, this can increase the possibility of arcing on the opposite side of the anode, so that the distance between the insulator 3 and the anode 4 is adjusted, and the electrons face the insulator of the anode to prevent electrons from collecting on the surface of the conductor. The surface is curved.

또한 이 펄스스위치는 전원이 차단되었을때 음극(6)과 양극(4)사이의 아크발생을 방지하기 위하여 안전카버(safety cover)(5)가 삽입설치되어 있는 바, 안전카버는 섬유강화플라스틱(fiber reinforced plastic)의 일종인 G-11을 사용하고, 음극(6)을 감싸는 원통형상으로 일측에 반자성체(diamagnetism)인 구리링(Cu-ring)(9)이 감싸고 있다. 즉, 플러그(1)에 전원이 인가되었을때는 도 2에 도시된 바와 같이, 절연체(3)안쪽으로 이동하여 스위치가 통전하게 된다. 즉, 격발(trigger)역할을 하게 되고, 이때 안전카버(5)의 이동은 구리링(9)에 작용하는 로렌쯔 힘에 의하게 된다. 플러그(1)에 전원이 차단될때는 전류의 방향이 반대로 되므로 안전커버(5)는 반대방향, 즉 절연체(3)로부터 나와서 음극과 양극사이로 이동하여 양극과 음극의 절연을 유도하게 되고, 이는 도 3에 도시되어 있다.In addition, this pulse switch has a safety cover (5) inserted therein to prevent arcing between the cathode (6) and the anode (4) when the power is cut off. G-11, which is a kind of fiber reinforced plastic, is used, and a cylindrical shape surrounding the cathode 6 is surrounded by a copper ring 9, which is diamagnetism. That is, when power is applied to the plug 1, as shown in FIG. 2, the switch moves to the inside of the insulator 3 so that the switch is energized. That is, the trigger (trigger) role, and the movement of the safety cover 5 is due to the Lorentz force acting on the copper ring (9). When the power supply to the plug 1 is cut off, the direction of the current is reversed, and thus the safety cover 5 moves from the opposite direction, that is, from the insulator 3 to the negative electrode and the positive electrode, thereby insulating the positive electrode and the negative electrode. 3 is shown.

한편, 음극은 금속덮개(7)를 볼트(8)로 체결하여 줌으로써 볼트의 해체 및 연결로 교체를 간단하고, 신속하게 할 수 있어 음극(cathode)교체로 인한 작업중단 시간을 줄일 수 있도록 하고 있다. 또한 결합부 사이에는 미도시된 오링(O-Ring)을 삽입하여 진공을 유지할 수 있도록 하고 있다.On the other hand, the cathode is fastened by disassembling and connecting the bolt by fastening the metal cover (7) with the bolt (8), it is possible to reduce the downtime due to the cathode (cathode) replacement . In addition, the O-ring (not shown) is inserted between the coupling parts to maintain the vacuum.

본 발명에 따른 스위치의 다른 특징으로서, 일함수(work function)가 다른 토륨텅스템(2.7eV)과 구리텅스템 합금을 각각 음극과 양극으로 사용함으로써 상대적으로 일함수가 작은 음극에서 양극으로의 전자의 이동은 가능하나 그 반대의 경우는 일어나지 않는 다이오드(DIODE)의 특성을 가미하고 있으며, 음극에 사용된 토륨-텅스텐은 융점이 높아 열에 의한 손상을 줄입과 동시에 적은 에너지(2.7eV이상)로도 작동이 가능하도록 하고 있다.As another feature of the switch according to the present invention, a thorium tungstem (2.7 eV) and a copper tungsten alloy having different work functions are used as cathodes and anodes, respectively, so that electrons from cathodes to anodes having a relatively small work function are used. It has the characteristics of a diode (DIODE) that can move but not vice versa. Thorium-tungsten used in the cathode has high melting point to reduce heat damage and operate with less energy (more than 2.7 eV). This is making it possible.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 대전력 펄스스위치는 첫째, 음극의 국부방전이 방지되어 음극과 양극 표면 손상의 최소화로 음극(cathode)수명연장과 방전의 안정성을 향상시킬 수 있게된다.As described above, first, the large power pulse switch according to the present invention can prevent local discharge of the negative electrode, thereby minimizing damage to the negative electrode and the positive electrode surface, thereby improving the lifetime of the cathode and improving the stability of the discharge.

둘째, 음극과 양극의 재질로 일함수가 다른 재질을 사용함으로써 다이오드특성을 지니게 된다.Second, the diode has a diode characteristic by using a different work function as the material of the cathode and the anode.

셋째, 음극과 양극 사이에 트리거역할을 하는 안전카버를 채택함으로써 자체점화(self-firing)이 억제되어 스위치로서의 안전성이 향상된다.Third, by adopting a safety cover that acts as a trigger between the cathode and the anode, self-firing is suppressed, thereby improving safety as a switch.

넷째, 절연체의 표면저항을 커게하고, 양극의 전자집중을 방지함으로써, 절연체의 절연파괴를 방지할 수 있게되어 안정성이 향상된다.Fourth, by increasing the surface resistance of the insulator and preventing the electron concentration of the anode, it is possible to prevent the dielectric breakdown of the insulator, thereby improving stability.

다섯째, 음극의 해체 및 교환이 편리한 잇점이 있다.Fifth, there is an advantage that the disassembly and exchange of the negative electrode is convenient.

Claims

An anode on the hollow tube;

A cathode disposed on a central axis of the hollow tube and extending in an axial direction and to which a negative voltage is applied;

An insulator supporting the anode and the cathode while being insulated;

A solenoid coil wound around the anode;

Spark plug discharged to the anode by applying high voltage

And a large power pulse switch which is moved while rotating along the axial direction by the Lorentz force.

The method of claim 1,

The high power pulse switch further comprises a safety cover for electrically connecting / blocking the cathode and the anode according to the on / off of the spark plug.

The method according to claim 1 or 2,

To prevent dielectric breakdown of the insulator, a continuous sawtooth is formed on the side facing the anode, and the face of the anode facing the toothed insulator is curved, characterized in that the curved surface.

The method of claim 1,

The cathode and the anode is a high power pulse switch, characterized in that the work function is formed of a different material exhibits a diode characteristic.

The method of claim 1,

And a metal cover fixing the cathode, wherein the cathode is bolted to the metal cover.