KR100668433B1 - 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 파암시스템에서 도체의 연결 구조를 동축형으로 개선한 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체에 관한 것이다.

본 발명은 보다 작은 크기의 지관을 사용하면서도 증대된 파암력을 발휘하는 플라즈마 파암장치를 제공함으로써, 충격쎌의 제조공정을 단순화하고 제조원가를 절감시키며 또한 외부전선의 제거로 시공이 용이한 이점이 있다.

본 발명은 이를 위해, 밀폐된 내부공간을 형성하는 지관과; 상기 지관의 중심부를 축방향으로 관통하는 내부도체와; 상기 내부도체의 외주면을 감싸는 절연체와; 상기 절연체의 외주면을 둘러 싸는 외부도체와; 상기 외부도체와 지관 사이의 밀폐된 내부공간에 채워지는 전해물질을 포함하는 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체를 제공한다.

플라즈마 파암, 테르밋반응

Description

플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체{Co-axial type reaction assembly for plasma blasting}

도 1는 종래의 플라즈마 파암용 전력 충격쎌의 개략 단면도.

도 2는 충격쎌의 디커플링 효과를 설명하기 위한 도면.

도 3는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체의 종단면도.

도 4은 도 3의 Ⅳ-Ⅳ'선에 따른 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체의 횡단면도.

도 5a 및 도5b는 본 발명의 일실시예에 따른 외부도체의 형상을 나타낸 사시도.

< 도면의 주요부호에 대한 설명 >

100 : 지관 200 : 외부도체

300 : 내부도체 400 : 절연체

500 : 전해물질

본 발명은 플라즈마 파암 장비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 암석을 폭파시키는 플라즈마 파암 시스템에 있어 전기 에너지를 공급받아 반응을 촉발하는 전극의 구조를 개선한 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체에 관한 것이다.

전기에너지를 이용한 파암은 흔히 플라즈마 파암이라는 명칭으로 일컬어지고 있으며 펄스 파워에 의해 발생된 플라즈마를 이용하여 기존의 화약을 사용한 파암을 대신하는 기술이다.

플라즈마 파암은 종래 화약을 사용하는 방법에 비하여 에너지 효율이 높고, 암석의 비산이 적고, 상대적으로 소음이 적으며, 유해 기체 발생이 없어 작업 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

플라즈마파암에 사용되는 충격쎌은 반응물인 전해물질, 반응물을 저장하는 지관, 전류를 흐르게 하는 전극 등으로 이루어진다.

종래의 플라즈마 파암에 이용되는 전력 충격쎌이 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 도시된 바와 같이, 플라즈마 파암용 전력 충격쎌은 절연벽(15)에 의해 폐쇄된 내부공간을 형성하는 지관(20)과, 상기 지관(20)의 내부공간에 채워지는 전해물질(40)과, 상기 절연벽(15)의 중심부를 관통하는 내부도체(30)와 상기 내부도체(30)에 연결되는 외부도체(10)로 구성된다.

상기 외부도체(10) 및 상기 내부도체(30)에는 각각 전선이 연결되어 전류가 공급되며 상기 내부도체(30)의 중심부에는 부도체가 포함된다.

상기와 같은 종래의 전력 충격쎌은 다음과 같이 구동된다. 외부 전원에서 인가된 전압은 상기 제 2전선(11)을 통하여 상기 내부도체(30)로 공급되는 대전류의 전기에너지의 공급으로 급열되면서 기화하여 전해물질에 테르밋 반응을 일으키고 파암에 필요한 고온·고압의 에너지를 발생시키게 된다.

그런데 이러한 구조를 갖는 종래 전력 충격쎌에서는, 내부도체를 통과하는 전류가 전해물질 외부에 형성되는 외부도체를 따라 흘러나가야 하기 때문에, 외부도체 직경만큼의 공간이 필요하게 되어 충격쎌과 천공경 사이가 완전히 밀착될 수 없는 구조를 갖고 있었다. 이는 발생된 압력의 손실을 의미하며, 이와 같은 파암력의 손실을 디커플링 효과(decoupling effect)에 의한 손실이라 한다. 파암에 있어 디커플링 효과는 폭약(전해물질)의 위력을 완충시키는 역할을 하므로 제어발파에 응용되기도 하는데, 이때에는 천공벽면과 폭약 사이의 공극이 폭약의 폭발충격력을 약하게 하는 공기완충 역할을 하며 폭약을 위력을 감소시키게 된다.

도 2a에서와 같이 디커플링 지수(decoupling index : DI)는 반응물질(전해물질)과 천공경의 지름비로 나타낼 수 있으며 다음과 같이 정의된다.

DI = Φb / Φe

여기서 는 Φb는 천공경의 지름이고, Φe는 전해물질의 지름이다.

종래 충격쎌의 구조는 전해물질의 외부에 외부도체가 형성되어 있었고, 그에 따른 디커플링 효과에 의한 파암력의 손실은 약 10% 이상으로 추정되고 있으며, 이 에 의한 시공기일과 시공원가의 상승은 무시할 수 없을 정도이다.

본 발명은 도체의 연결 구조를 동축형으로 개선함으로써, 필요한 천공경의 크기를 줄일 수 있고, 디커플링 효과에 의한 파암력의 손실을 최소화로 보다 증대된 파암력을 발휘하여 시공기일 및 시공원가를 줄임과 동시에 충격쎌의 제조공정을 단순화하여 제조 원감절감의 효과까지 갖는 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체를 제공하고자 한다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 밀폐된 내부공간을 형성하는 지관과; 상기 지관의 중심부를 축방향으로 관통하는 내부도체와; 상기 내부도체의 외주면을 감싸는 절연체와; 상기 절연체의 외주면을 둘러 싸는 외부도체와; 상기 외부도체와 지관 사이의 밀폐된 내부공간에 채워지는 전해물질을 포함하는 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체를 제공한다.

여기서 상기 지관은 압축된 종이나 플라스틱 등 부도체 물질로 이루어진다.

또한 상기 외부도체 및 상기 내부도체는 전기적으로 연결되며, 그 중 어느 하나는 얇은 금속판인 금속 포일로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 상기 외부도체가 금속 포일로 이루어진다.

상기 금속 포일에는 다수의 부도체 갭이 형성되거나 다수의 천공이 형성될 수 있다.

그리고 상기 전해물질은 금속과 금속산화물의 혼합물이며, 특히 알루미늄(Al)과 산화구리(CuO)인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 파암용 전력 충격쎌을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시에 따른 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체의 종단면을 도시한 것으로, 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체의 외부 용기가 되는 지관(100)과, 전류의 통로가 되는 내부도체(300)와 외부도체(200) 그리고 파암력을 발휘하는 전해물질(500)로 구성된다.

상기 지관(100)은 내·외부도체(300, 200), 전해물질 등이 삽입되는 내부공간을 형성하도록 밀폐되어 있으며, 바람직하게는 원통형이다. 상기 내부도체(300)는 상기 지관(100)의 중심부를 관통하여 상기 지관(100) 내부에 축방향으로 위치한다. 상기 내부도체(300)의 외주면을 절연체(400)가 감싸고 상기 절연체(400)의 외주면에 접하여 상기 외부도체(200)가 위치한다. 상기한 바와 같이, 본 발명은 상기 내·외부도체(300, 200)가 동축형으로 상기 지관(100) 내부에 형성됨으로써, 종래 플라즈마 파암용 전력 충격쎌에 비해 디커플링 효과가 감소되어 파암력을 증대시킬 수 있게 된다.

또한 상기 지관(100) 및 상기 외부도체(200)에 의하여 형성되는 내부공간에는 전해물질(500)이 삽입된다.

여기서, 상기 외부도체(200)와 상기 내부도체(300)는 전기적으로 연결되고 외부전선에 의하여 전류가 통과하며, 상기 외부도체(200)와 상기 내부도체(300) 중 어느 하나는 얇은 금속판인 금속 포일로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 상기 외부도체(200)가 알루미늄(Al) 금속 포일로 이루어진다.

상기 외부도체(200)는 단일의 알루미늄 금속 포일일 수도 있으나, 본 발명의 다른 실시예에 의하면 상기 외부도체(200)에는 다수의 부도체 갭 또는 다수의 천공이 형성될 수 있다. 단일 금속 포일로 이루어지는 경우에는 상기 외부도체(200)의 축을 따르는 전 지점에서 전해물질의 테르밋 반응이 일어나게 되어 파암력을 극대화시킬 수 있다. 그리고 다수의 부도체 갭이나 다수의 천공이 형성되는 상기 외부도체(200)의 경우에는 다수의 부도체 갭이나 다수의 천공에서 방전이 일어나게 되어, 상기한 단일 금속 포일의 경우에 비해 상대적으로 적은 전기에너지에 의한 파암이 가능해진다.

본 발명에 있어, 상기 전해물질은 테르밋 반응에 의한 파암력을 발휘할 수 있는 금속과 금속산화물의 혼합물이며, 바람직하게는 알루미늄(Al)과 산화구리(CuO)의 혼합물이다.

상기한 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체는 다음과 같이 구동된다. 외부 전원에서 인가되는 대전류의 전기에너지가 외부전선(미도시)에 의하여 상기 외부도체(200)와 상기 내부도체(300)를 통하여 흐르면, 상기 외부도체(200)는 증기화되면서 고열을 수반하는 에너지를 방출하고 상기 전해물질(500)에 전달된다. 이때 상기 외부도체(200)를 형성하는 금속 포일이 전체적으로 균일한 밀도를 가지면, 금속 물질의 증기화는 전체적으로 균일하게 일어나게 되고 상기 외부도체(200) 축을 따르는 전 지점의 상기 전해물질(500)에 균일한 에너지가 전달되게 된다.

상기 전해물질(500)에 전달된 고열의 에너지가 상기 전해무질(500)의 테르밋 반응 에너지에 상응하게 되면, 상기 전해물질(500)은 테르밋 반응을 일으키면서 고온·고압의 에너지를 방출하고 파암력을 발휘하게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체의 횡단면도로, 중심의 내부도체(300)를 절연체(400)와 외부도체(200), 전해물질(500) 및 지관(100)이 순차적으로 감싸는 형태로 구성된다.

상기 내부도체(300)와 외부도체(200)는 상기 절연체(400)에 의해 절연되어 있는 것으로 보이나, 일단이 전기적으로 연결되어 외부에서 인가되는 전류가 흐르게 된다.

도시된 바와 같이 상기 내부도체(300)와 외부도체(200)가 동축형으로 상기 지관(100) 내부에 위치하게 되는 본 발명에 따른 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체가 천공경에 삽입되는 경우, 종래 플라즈마 파암용 전력 충격쎌에서 나타나는 전해물질(500)과 천공경 사이의 공극이 줄어들기 때문에, 디커플링 효과를 최소화하고 파암력을 증대시킬 수 있게 된다. 이러한 동축형 구조에 의해, 시공에 필요한 천공경의 크기를 줄일 수 있고, 디커플링 효과의 감소에 의한 파암력의 증대는 동일한 전기에너지 및 충격쎌에 의하여 더 큰 파암력을 발휘함으로써 파암 시공기일 및 시공원가를 감소시키는 효과를 갖게 된다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 외부도체의 형상을 도시한다.

외부도체(200)는 얇은 금속판인 금속 포일로 이루어질 수 있고, 단일의 금속 포일이 사용될 수 있다. 그러나 단일의 금속 포일로 이루어지는 외부도체(200)의 사용은 단일의 천공경을 뚫고 막대한 파암력을 필요로 하는 경우 적당하나 그 만큼의 전기적에너지가 필요로 하게 된다.

따라서 소비되는 전기적에너지를 줄이면서 파암력을 발휘할 수 있는 방법이 도시된 다수의 부도체 갭이나 천공을 형성하는 외부도체(200)의 사용에 의해 제시된다.

도 5a는 알루미늄 금속 포일로 이루어진 외부도체에 금속 포일을 벗겨내고 내부의 절연체가 노출되도록 하는 다수의 부도체 갭(211, 212, 213)을 형성한다. 상기 다수의 부도체 갭(210)의 간격은 대략 수 mm정도이다.

도 5b는 알루미늄 금속 포일로 이루어진 외부도체(200)에 다수의 천공(221, 222, 223)으로 이루어지는 하나 이상의 천공군(220)을 포함한다.

이러한 외부도체(200)에 전기적에너지가 인가되면 다수의 부도체 갭이나 천공 각각에서 방전이 발생하고 열에너지가 방출됨으로써, 단일의 금속 포일에서와 같이 많은 전기적에너지의 소비를 막을 수 있게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 양태에 대하여 기술하였으나, 이는 본 고안을 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 오히려 본 발명의 당업자라면 다양한 변형과 변경을 용이하게 생각해 낼 수 있을 것임은 자명하다. 그러나 그와 같은 변형과 변경은 본 발명의 정신을 훼손하지 않는 범위 내에서 본 발명의 권리범위에 속한다는 사실은 첨부한 청구범위를 통하여 보다 분명해질 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 내·외부도체를 동축형으로 지관 내부에 형성함으로써 시공에 필요한 천공경의 크기를 줄일 수 있고, 종래 플라즈마 파암용 전력 충격쎌이 가지는 디커플링 효과를 최소화하고 파암력을 극대화할 수 있어, 건축현장에서의 시공기일 및 시공원가를 줄일 수 있다.

또한 별도의 외부도체가 없기 때문에 제조 및 시공이 용이하며, 전극과 전선을 연결함에 있어서도 고가의 플라스틱 캡이 사용되던 것을 저가 제품으로 대용할 수 있게 되어 원가절감의 효과가 있다.

Claims (6)

1. 밀폐된 내부공간을 형성하는 지관과;

   상기 지관의 중심부를 축방향으로 관통하는 내부도체와;

   상기 내부도체의 외주면을 감싸는 절연체와;

   상기 절연체의 외주면을 둘러 싸는 외부도체와;

   상기 외부도체와 지관 사이의 밀폐된 내부공간에 채워지는 전해물질

   을 포함하는 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 외부도체는 얇은 금속판인 금속 포일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 금속 포일에는 다수의 부도체 갭이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 금속 포일은 다수의 천공이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 전해물질은 금속과 금속산화물인 것을 특징으로 하는 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 전해물질은 Al, CuO 혼합물인 것을 더욱 특징으로 하는 플라즈마 파암용 동축형 반응 조립체.

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