KR100304757B1 - 펄스파워시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스위치와 송전선이 개선된 펄스파워시스템에 관한 것으로, 본 발명의 시스템에서 개선된 스위치의 기본적인 특징은 두 전극사이에 발생하는 아크를 로렌쯔힘을 이용하여 이동시킴으로써 전극의 국부적인 손상을 최소화하고, 또한 격발에 고전압펄스전원을 사용하지 않고 전극을 이동시켜 전극사이의 거리를 조절하여 격발하는 방법을 사용함으로써 원하지 않는 격발이 일어날 가능성을 줄일 수 있게된다. 본 발명의 시스템에서는 또한 리츠케이블을 송전선으로 채택하여 AC저항에 의한 손실을 줄임으로 시스템효율을 높일 수 있다.
Description
본 발명은 펄스파워시스템에 관한 것으로 특히 스위치와 송전선이 개선된 펄스파워시스템에 관한 것이다.
펄스파워시스템(pulse power system)은 고전압의 전기에너지를 저장하였다가 일시에 방출시킴으로써 막대한 전력을 얻는 시스템으로, 도 1의 블록도에 도시한 바와 같이, 상용전력, 변압기, 정류기 등과 같이 전력을 공급하는 충전전원부(carging power supply) (110)와, 전하를 저장하는 에너지 저장부(또는 펄스전원부)(120)와, 출력을 제어하는 스위치(130)와, 출력송전선(140)과, 펄스에너지가 적용되는 부하(150) 등으로 구성되어 있고, 군사용 및 산업용으로 적용되고 있다. 산업용으로는 플라즈마 파암(plasma blasting), 전자기적 용접(electromagnetic welding) 등에 적용되고 있다.
본 발명은 이러한 여러가지 펄스파워시스템에 대하여 적용될 수 있고, 이하에서는 펄스파워시스템의 개념을 보다 쉽게 이해하기 위해 그 일예로서 플라즈마 파암(破岩)에 대하여 설명하기로 한다.
파암을 위한 전기적 방법에 대한 시도가 몇몇의 연구자에 의해 시도되었고, 충격파를 발생시키기에 물에서 전기적 방전이 중요하다는 것을 인식한 몇몇의 미국특허도 있다. 미국특허 제 3,158,207호는 이 원리에 의한 스파크 방전 드릴을 제공하고 있고, 미국특허 제 3,364,708호는 이 현상에 대한 전체적인 리뷰(review)를 제공한다. 또한 미국특허 제 3,500,942호, 제3,583,766호, 제3,679,007호 등은 물과 같은 액체에 담겨진 두 전극사이의 전기적 방전이 두 전극사이의 고온,고압의 플라즈마를 형성하는 드릴에 관한 것으로, 플라즈마의 팽창은 드릴효과를 높일 수있는 고압의 충격파를 생성하게되는 것이다.
플라즈마파암에 관한 체계적 정리를 하여 한단계 기술을 끌어올린 미국특허는 제 5,106,164호로서, 폐쇄된 공간의 전해물질에 담긴 두 전극사이에 적어도 3GW가 도달할때까지 마이크로세컨드(micro second) 당 100MW의 비율로 전기적 에너지를 발생시키는 파암방법을 제시하고 있다.
즉, 전기에너지를 이용한 플라즈마 파암은 펄스파워에 의해 발생된 플라즈마를 이용하여 기존의 화약을 사용한 파암을 대신하는 기술이고, 종래의 플라즈마 파암시스템에 적용되는 장비의 예는 도 2에 개략 도시되어 있다. 주요시스템은 콘덴서뱅크(20), 스위치(30), 전극봉(40) 등이며 야외에서 작업하기 위하여 엔진(10), 발전기(11)가 필요하고, 콘덴서를 필요한 전압으로 충전시키기 위하여 변압기(12), 정류기(13), 충전저항(14) 등으로 이루어진 전원부를 포함하고 있다.
상기 시스템에 의한 파암방법은 파암하려는 암석(50)내에 천공을 하고 천공내에 전해물질을 포함한 카트리지를 장착한 전극봉을 삽입한다. 전원부로부터 충전되어 전기에너지를 저장하고 있는 콘덴서는 외부신호에 의해 격발(Trigger)된 대전류 스위치를 통해 에너지를 천공된 암석내의 카트리지안에 놓인 전해물질에 공급한다. 전해물질은 대전류에 의한 저항가열로 인하여 매우 짧은 시간동안에 고온고압의 플라즈마 상태가 되며 이때 발생하는 압력으로 암석이 파쇄된다.
이러한 플라즈마파암은 종래 화약을 사용하는 방법에 비하여 에너지 효율이 높고, 암석의 비산이 적고, 상대적으로 소음이 적으며 유해기체 발생이 없어 작업효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나, 이를 실제 파암현장에 적용시킴에 있어 몇가지 극복되어야할 중요한 과제 중의 하나는 스위치이다. 대전력 펄스파워기술을 응용한 분야에서는 항상 스위치의 안정성과 내구성이 문제가 된다. 플라즈마 파암은 주로 기체방전스위치(gas discharge switch) 혹은 기계적스위치(mechanical switch)가 사용되는 데, 대전류가 흐르는 환경에서 전극의 손상을 최대한 줄여 안전하게 오랫동안 사용할 수 있고, 원하지 않는 격발 등으로 인한 오동작의 가능성을 최소화한 스위치를 개발하는 것이 중요하다.
또한 스위치로부터 부하에 연결되는 송전선은 통상의 동축전선을 주로 사용하고 있으나, 이 경우 표피깊이(skin depth)에 의한 AC저항이 증가하여 전체시스템의 효율을 높이는 데 장애로 작용하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 내구성있는 대전력펄스스위치와 AC저항의 증가를 줄인 송전선이 포함된 펄스파워시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 펄스파워시스템의 개념을 설명하기 위한 블록도
도 2는 펄스파워시스템의 일예인 플라즈마파암시스템을 설명하기 위한 개략구성도.
도 3은 본 발명에 따른 대전력스위치의 일실시예를 도시한 단면도.
도 4는 도 3과 유사한 도면으로 전자석에 의해 절연봉이 이동된 상태를 도시한 단면도
도 5는 본 발명에 따른 대전력스위치의 다른 실시예를 도시한 단면도.
도 6는 도 5의 A방향에서 바라본 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명*
81: 제 1전극 82: 제 2전극
84: 절연봉85: 전자석
86: 자성체87: 베어링
90: 슬라이드가이드
본 발명에 따른 시스템에 적용되는 대전력 펄스스위치는 가스방전스위치로서, 기본적인 특징은 두 전극사이에 발생하는 아크를 로렌쯔힘을 이용하여 이동시킴으로써 전극의 국부적인 손상을 최소화하는 것이다.
또한 본 발명에 따른 스위치는 격발에 고전압펄스전원을 사용하지 않고 전극을 이동시켜 전극사이의 거리를 조절하여 격발하는 방법을 사용함으로써 원하지 않는 격발이 일어날 가능성을 줄일 수 있게된다.
즉, 본 발명의 일 특징에 따른 스위치는 외부힘에 의해 이동하는 부재와; 상기 부재의 일측에 고정된 제 1전극과; 외벽 일측에 고정되어 상기 제 1전극과 소정간격 이격되어 위치하고 있으며, 상기 부재의 이동에 따라 상기 제 1전극과의 거리가 좁아져서 제 1전극과의 사이에 방전이 일어나는 제 2전극을 포함하고 있다.
바람직하게 본 발명의 일실시예에서 상기 부재는 전자석에 의해 움직일 수 있도록 자성체를 포함하고 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 스위치는제 1전극과; 상기 제 1전극과의 사이에서 방전이 일어나 통전되고, 상기 제 1전극과 소정간격 이격되어 위치한 제 2전극을 포함하고 있으며, 상기 제 1전극과 제 2전극 사이에는 통전시 발생되는 아크가 이동될 수 있도록 통전되는 방향에서 보아 시계반대방향으로 유도되는 자장이 형성된다.
바람직하게 본 발명은 상기 자장을 증대시키기 위한 방법을 채택하고 있다.
한편, 본 발명의 시스템에 적용되는 송전선은 리츠케이블로서 AC저항을 줄일 수 있게된다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 3는 본 발명의 제 1실시예에 따른 대전력스위치의 개략단면도로서, 스위치의 상측에는 전자석(85)이 위치하고 있고, 전자석(85)의 대략 가운데에는 절연재질이고 아래방향으로 연장된 절연봉(84)이 위치하고 있고, 절연봉(84)의 상측 즉 전자석의 위치에는 자성체(86)가 전자석(85)의 중앙에서 조금 상부쪽으로 고정되어 있음이 도시되어 있다. 자성체(86)의 형상이나 고정방법은 본 실시예의 요지가 아니고 다양할 수 있다.
한편, 상기 절연봉(84)의 상측과 하측에는 상기 절연봉의 이동을 지지하는 베어링(87)이 장착되어 있고, 바람직하기로 이 베어링은 선운동볼베어링(linear motion ball bearing)이다.
또한 절연봉(84)은 하부의 스프링(88)에 의해 탄성적으로 지지되고 있다.
한편, 절연봉(84)의 소정의 위치에는 제 1전극(81)이 고정 설치되어 있는 바, 제 1전극(81)은 절연봉(84)를 따라 평행하게 올라가다가 바깥쪽으로 절곡되고, 다시 올라가던 방향과 반대로 절곡된 형상이다.
그리고 제 1전극(81)의 상측으로는 절연재질의 막이플레이트(91)가 있어 제 1전극에 인가되는 고전압이 자성체 혹은 전자석쪽에 영향을 주지 않도록 하여 원치않는 방전이 일어나는 것을 막아주도록 하고 있다.
또한 제 2전극(82)은 상기 제1전극(81)의 끝단과 소정간격 이격된 위치에서 본체의 절연외벽(83)에 고정되어 있다.
이렇게 구성된 본 실시예의 스위치는 전자석(85)에 전원을 인가하면, 자성체(86)는 전자석(85)의 가운데로 즉, 아랫방향으로 힘을 받게되어, 자성체(86)는 절연봉(84)를 하부방향으로 움직이게 하고, 절연봉은 스프링(88)의 힘을 이기고 아래방향으로 이동하게 되고, 이와 함께 제 1전극(81)이 아래방향으로 이동되어 제2전극(82)과 가까이 위치하게되어 제 1, 2전극사이의 방전이 시작되고 이는 도 4에 도시되어 있다.
일단 두 전극사이에 아크(arc)가 형성되면, 전류에 의한 자장(self magnetic field)이 θ방향으로 형성되고, -z방향인 아크전류와의 사이에 로렌쯔 힘에 의하여 아크는 x방향으로 이동하게 되어 전극이 국부적으로 손상되는 것을 줄여주게 된다.
여기서 제 1전극(81)을 양극이라고 가정하고 있지만, 실제적으로 음극인 경우에는 자장 및 전류의 방향이 반대이므로 아크는 역시 x방향으로 이동하게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 단면도로서, 도 3, 도 4와 다른점은 전류에 의한 자장을 증대시키기 위하여 절연봉(84)에 가로방향으로 연장된 수평봉(89)을 장착하고 전선 또는 부스바(bus bar)를 수회 권선(turn)하여 사용하는 것을 도시하고 있다. 여기서 전선을 많이 감으면 자장은 증가하지만, 예상치못한 인덕턴스의 증가가 전체시스템의 효율을 감소시킬 수 있기에 적절한 횟수로 감는 것이 바람직하다.
한편, 도 6은 도 5를 A방향에서 바라본 단면도로서, 수평봉(89)이 슬라이드가이드(90)에 의해 지지되고 있음을 도시하고 있다. 슬라이드가이드(90)은 슬라이드레일(90a)과 레일을 따라 가이드되고, 수평봉(89)에 나사결합 등의 방법으로 고정된 슬라이더(90b)로 이루어져 있다.
한편, 상기 설명한 스위치에서 전극봉(Probe) 또는 폭압기 까지는 송전선으로 연결되는 바, 이때 송전선은 바람직하게는 동축전선을 사용함으로써 시스템의 인덕턴스를 줄여 효율적으로 대 전력펄스를 전달 할 수 있다. 이때 바람직하게는AC저항을 줄이기 위하여 동축전선형태의 리츠(Litz)케이블을 사용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 시스템은 전극의 국부적인 손상이 방지되고 내구성을 높일 수 있는 스위치와 AC저항을 줄일 수 있는 리츠케이블을 채택하고 있으므로 시스템 전체의 효율을 높일 수 있게된다.
또한 종래의 고전압펄스 격발방법으로 인하여 발생하는 원하지 않는 격발(Fault trigger)의 가능성을 줄임으로써 스위치의 신뢰도를 향상시킬 수 있게된다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예는 예시이며 발명의 보호범위를 한정하는 것이 아니다.
즉, 전자석이 스위치의 하부쪽에 위치하거나 절연봉이 스프링이 아닌 다른 탄성수단에 의해 지지되거나, 또는 플라즈마파암이 아닌 다른 펄스파워시스템에 적용되는 것 등은 모두 본 발명의 권리범위에 속하게 되고, 이는 첨부된 청구범위를 통해 알 수 있을 것이다.
Claims (7)
- 전기에너지를 저장하는 에너지저장장치와;ⅰ) 절연재질의 하우징과, ⅱ)상기 에너지저장장치에 연결된 제 1전극과, ⅲ) 상기 제 1전극이 고정되어 있으며, 상기 하우징내부에 이동가능하도록 장착된 부재와,ⅳ) 상기 하우징벽에 고정되고, 상기 제 1전극과 소정간격 이격되어 위치하고 있는 제 2전극과, ⅴ) 상기 부재를 선택적으로 이동시켜, 상기 제 1전극과 상기 제 2전극과의 간극을 조절하고, 상기 제 1전극과 상기 제 2전극과의 간극이 좁아지면 방전이 일어나도록 하는 격발수단을 포함하는 스위치와;상기 스위치의 작동에 따라 상기 에너지저장장치의 전기에너지를 짧은 시간에 받아 반응을 일으키는 부하와;상기 스위치와 부하를 연결하는 송전선을 포함하는 펄스파워시스템
- 제 1항에 있어서,상기 스위치의 상기 격발수단은 하우징내부에 고정된 전자석이고,상기 스위치의 상기 부재는 상기 전자석주변위치에 고정된 자성체와, 이동하는 방향에 반대방향으로 탄성적으로 지지하는 탄성수단을 포함하고 있으며,상기 전자석이 자화되면 자성체가 고정된 상기부재가 이동하고, 상기 전자석에 전류가 공급되지 않으면 상기 부재의 위치가 복원되는 방법으로 상기 스위치가 격발되는 펄스파워시스템
- 제 1항에 있어서,상기 송전선은 리츠케이블인 펄스파워시스템
- 제 1전극과;상기 제 1전극과의 사이에서 방전이 일어나 통전되고, 상기 제 1전극과 소정간격 이격되어 위치한 제 2전극을 포함하고 있으며,상기 제 1전극과 제 2전극 사이에는 통전시 발생되는 아크가 이동될 수 있도록 아크전류에 수직으로 유도되는 자장이 형성되는 대전력 펄스 스위치.
- 제 4항에 있어서,상기 제 1전극은 길이방향으로 연장한 후 2회 절곡되어 반대방향으로 연장되어 있고,상기 제 2전극은 상기 제 1전극과 수직방향으로 연장되어 있어,상기 통전에 의해 형성된 자장이 통전시 형성되는 아크를 이동시켜 상기 제 1 전극 및 2전극의 손상을 줄여주는 대전력 펄스스위치
- 제 4항 또는 제 5항에 있어서,상기 제 1전극은 자장을 증대시키기 위해서 복수회 감겨져 있는 대전력 펄스스위치
- 전기에너지를 저장하는 에너지저장장치와;상기 에너지저장장치의 전기에너지의 출력을 제어하는 스위치와;상기 스위치의 작동에 따라 상기 에너지저장장치의 전기에너지를 짧은 시간에 받아 반응을 일으키는 부하와;상기 스위치와 부하를 연결하는 리츠케이블을 포함하는 펄스파워시스템
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Free format text: JUDGMENT (PATENT COURT) FOR INVALIDATION REQUESTED 20070131 Effective date: 20071031 |
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