KR100704488B1 - 충격파 발생 방전회로 및 스파크 갭 스위치의 수명연장방법 - Google Patents

충격파 발생 방전회로 및 스파크 갭 스위치의 수명연장방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충격파 발생 방전회로 및 스파크 갭 스위치의 수명연장 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 장치의 치료효과에 영향이 없는 범위 내에서 통전 전하량을 줄여서 스파크 갭 스위치의 수명을 획기적으로 연장할 수 있도록 한 충격파 발생 방전회로 및 스파크 갭 스위치의 수명연장 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 커패시터에 전기에너지가 축적되고, 스파크 갭 스위치를 이용하여 트리거를 하여, 액체 중의 갭 전극에 순간적으로 전류가 인가되면 액체가 절연파괴 되면서 충격파가 발생하며, 상기 스파크 갭 스위치에 다이오드를 삽입하여 첫번째 피크 이후의 전류의 진동을 차단하는 충격파 발생 방전회로를 제공한다.
충격파, 방전회로, 스파크 갭 스위치, 다이오드, 커패시터, 고전압 충진부

Description

충격파 발생 방전회로 및 스파크 갭 스위치의 수명연장 방법{Electric discharge circuit for shock wave generation and life extention method for the spark gap switch}
도 1은 종래기술에 따른 충격파 발생 방전회로를 나타내는 회로도.
도 2는 종래기술에 따른 충격파 발생 방전회로의 방전 전압 및 전류의 파형을 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 충격파 발생 방전회로를 나타내는 회로도.
도 4는 본 발명에 따른 충격파 발생 방전회로의 방전 전압 및 전류의 파형을 나타내는 그래프.
도 5는 다이오드 삽입전과 삽입후의 통전전하량을 비교한 것을 나타내는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 스파크 갭 스위치 11 : 커패시터
12 : 다이오드 13 : 스파크 갭
14 : 고전압 충전부
본 발명은 충격파 발생 방전회로 및 스파크 갭 스위치의 수명연장 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 장치의 치료효과에 영향이 없는 범위 내에서 통전 전하량을 줄여서 스파크 갭 스위치의 수명을 획기적으로 연장할 수 있도록 한 충격파 발생 방전회로 및 스파크 갭 스위치의 수명연장 방법에 관한 것이다.
현재 인체 내부의 결석파괴 또는 관절 치료 등의 목적에 사용되고 있는 충격파는 도 1에 도시한 바와 같은 방전 회로를 사용하고 있다.
상기 방전 회로는 커패시터에 전기에너지를 축적하고 스파크 갭 스위치를 이용하여 트리거를 하여, 액체(물 또는 식염수) 중의 갭 전극에 순간적으로 전류가 인가되면 액체가 절연파괴 되면서 충격파가 발생한다.
한편, 도 2는 도 1의 방전 회로에서 발생하는 방전 전압 및 전류 파형을 나타내는 것으로서, 절연파괴에 의해서 발생된 전류채널을 통하여 회로의 인덕턴스 성분과 충전 커패시터 사이의 공진에 의한 전류의 진동이 수차례 반복되고 있다.
스파크 갭 스위치는 대기압이상의 기체 압력으로 봉인된 용기 안에 두 개의 메인 전극과 트리거 전극이 설치되어 있고, 두 개의 메인 전극사이에 수 ~ 수십 kV의 고전압을 인가하여도 전류가 통전되지 않지만, 트리거 전극을 통하여 펄스를 인가하면 전극사이의 기체가 전리되어 메인전극 사이에 전류가 흐르게 된다
상기 스파크 갭 스위치 또는 갭 전극의 수명은 누적된 통전 전하량에 의해서 결정되고, 진동하는 전류의 절대치를 시간적분하면 통전 전하량을 얻을 수 있다.
일반적으로 스파크 갭 스위치의 수명은 수만 쿨롱(10,000~50,000쿨롱)정도이다.
그런데, 현재의 장비는 모두 스파크 갭 스위치를 사용하고 있으며, 방전 수명이 일백만 회 정도로 제한되어 있어서 고가의 장비인 충격파 치료기의 경제적 손실 및 신뢰도에 좋지 않은 영향을 주고 있다.
또한, 현재의 반도체 기술로는 스파크 갭 스위치를 대신할 수 있는 저렴한 디바이스가 없는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 충격파를 발생하게 하는 원동력은 방전전류의 첫번째 피크까지이며, 그 이후는 회로의 특성상 어쩔 수 없이 발생하는 불필요한 전류의 흐름이므로, 첫번째 피크 이후의 전류의 진동을 고전압 다이오드를 삽입하여 차단함으로써, 장치의 치료효과에 영향이 없는 범위 내에서 통전 전하량을 줄여서 스파크 갭 스위치의 수명을 획기적으로 연장할 수 있도록 한 충격파 발생 방전회로 및 스파크 갭 스위치의 수명연장 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 스파크 갭 스위치를 이용한 충격파 발생 방전회로에 있어서,
상기 스파크 갭 스위치에 다이오드를 삽입하여 첫번째 피크 이후의 전류의 진동을 차단하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 다이오드를 스파크 갭 스위치에 병렬로 다수개 연결하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 충격파 발생 방전회로를 나타내는 회로도이고, 도 4는 본 발명에 따른 충격파 발생 방전회로의 방전 전압 및 전류의 파형을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 장치의 치료효과에 영향이 없는 범위 내에서 통전 전하량을 줄여서 스파크 갭 스위치의 수명을 획기적으로 연장할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
전술한 바와 같이, 충격파 발생 방전회로는 커패시터(11)에 전기에너지를 축적하고 스파크 갭 스위치(10)를 이용하여 트리거를 하여, 액체(물 또는 식염수) 중의 갭 전극에 순간적으로 전류가 인가되면 액체가 절연파괴 되면서 충격파가 발생한다.
치료에 이용되는 충격파는 절연파괴 하는 순간에 발생한다. 즉, 액체 중의 일부가 순간적으로 기체화 하면서 급격한 부피 팽창에 의해서 충격파가 발생하는 것이다.
상기 절연파괴는 방전 전류가 흐르기 시작하는 시점에서 시작되어 첫번째 피 크 부분에서 이미 완료된다.
따라서, 충격파를 발생하게 하는 원동력은 방전전류의 첫번째 피크 까지이며 그 이후는 회로의 특성상 어쩔 수 없이 발생하는 불필요한 전류의 흐름이다.
본 발명에 따른 충격파 발생 방전회로 및 스파크 갭 스위치의 수명연장 방법은 첫번째 피크 이후의 전류의 진동을 고전압 다이오드(12)를 삽입하여 차단하여 통전전하량을 대폭적으로 감소시켜서 스위치 및 갭 전극의 수명을 획기적으로 늘리는 것이다.
이때, 상기 다이오드(12)는 극성을 가지는 바, 도 3에 도시한 바와 같이 고전압 충전부에 의해 커패시터(11)의 위쪽이 (+), 아래쪽이 (-)로 충전되는 경우에 고전압 다이오드(12)에 의해 전류가 왼쪽(+)에서 오른쪽(-)으로 흐르게 되고, 반대로 흐르는 전류가 차단된다.
반대로, 고전압 충전부에 의해 커패시터(11)의 위쪽이 (-), 아래쪽이 (+)로 충전된 경우에는 다이오드(12)의 방향이 반대로 설치되어야 한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 다이오드(12)를 삽입한 경우에 첫번째 피크 이후의 전류의 진동이 제거되었음을 나타낸다.
종래기술에 따른 방전회로의 경우에는 절연파괴에 의해서 발생된 전류채널을 통하여 회로의 인덕턴스 성분과 충전 커패시터(11) 사이의 공진에 의한 전류의 진동이 수차례 반복되나, 본 발명의 경우에는 스파크 갭 스위치(10)에 고전압 다이오드(12)를 삽입하여 연결한 경우에는 전류가 일방향(시계방향)으로만 순환하게 되므로, 전류의 진동이 첫번째 피크 이후에는 다이오드(12)에 의해 차단된다.
즉, 수 A(암페어)의 정격을 갖는 일반적인 고전압 다이오드(12)를 방전회로에 삽입하여 수 kA의 방전 전류를 차단하게 된다.
따라서, 충격파를 발생하는 방전전류의 첫번째 피크만 제외하고 불필요한 전류는 다이오드(12)에 의해 제거되므로 통전전하량이 크게 감소하게 된다.
이때, 다이오드(12) 삽입에 의해서 전류의 크기는 약 5% 정도 감소하였다. 왜냐하면, 다이오드(12)의 순방향 저항에 의한 영향때문이다. 상기 순방향 저항을 줄이기 위해서 같은 특성을 갖는 다이오드(12)를 병렬로 삽입하는 것도 가능하다.
도 5는 다이오드 삽입전과 삽입후의 통전전하량의 차이를 비교한 것을 나타내는 그래프이다.
이때, 상기 통전전하량은 도 2 및 도 4에서 진동하는 전류의 절대치를 시간적분하여 얻을 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 다이오드(12) 삽입 전에 비해서 다이오드(12) 삽입 후에 통전전하량이 1/6 정도로 감소하였다.
상기 통전전하량의 감소는 충격파 발생 방전회로 및 스파크 갭 스위치의 수명연장 방법에 직결되므로, 전극수명이 6배 정도 증가하는 것을 기대할 수 있다.
한편, 회로의 저항 등의 특성에 따라서 전류의 진동 횟수가 다르므로 위에서 제시한 예와 다른 경우도 있을 것이나, 일반적으로 2배 이상의 수명 연장의 효과가 기대된다.
또한, 충격파 발생 스파크 갭(13)의 수명도 같은 비율로 연장될 것이다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 충격파 발생 방전회로 및 스파크 갭 스위치의 수명연장 방법에 의하면, 수 A(암페어)의 정격을 갖는 일반적인 고전압 다이오드를 방전회로에 삽입하여 수 kA의 방전 전류를 차단함으로써, 통전전하량을 대폭적으로 감소시켜서 스위치 및 갭 전극의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있다.

Claims (4)

  1. 스파크 갭 스위치를 이용한 충격파 발생 방전회로에 있어서,
    상기 스파크 갭 스위치에 다이오드를 삽입하여 첫번째 피크 이후의 전류의 진동을 차단하는 것을 특징으로 하는 충격파 발생 방전회로.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 다이오드를 스파크 갭 스위치에 병렬로 다수개 연결하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 충격파 발생 방전회로.
  3. 충격파 발생 방전회로에 사용되는 스파크 갭 스위치의 수명연장 방법에 있어서,
    상기 방전회로에 다이오드를 삽입하여 절연파괴가 완료되는 시점인 첫번째 피크 이후의 방전전류의 진동을 차단하는 것을 특징으로 하는 스파크 갭 스위치의 수명연장 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 다이오드를 방전회로에 병렬로 다수개 연결하는 것을 특징으로 하는 스파크 갭 스위치의 수명연장 방법.
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