KR101349351B1 - 태양광색 아크 발생장치 및 고압 방전등 - Google Patents

Abstract

본 발명의 태양광색 아크 발생장치는, 토카막 장치의 원리를 응용하여 토로이달과 폴로이달 결선 방식을 이용한 태양광 색 아크 리액터를 개발하는 것이 목적인바, 교류 전원 혹은 직류 전원 공급부에 접속되며 교류유도 리액턴스를 최대화하고 직류저항을 최소화시킨 권선부(20); 및 상기 권선부의 일측에 접속되는 아크 발생부(30); 를 포함하되, 상기 권선부(20)는, 8자형 코일부(200)와, 상기 8자형 코일부의 좌우 환형 고리(201,202)를 관통하는 결합 도우넛형 코일부(300)로 이루어지며, 상기 8자형 코일부(200)와 상기 결합 도우넛형 코일부(300)의 각각은, 적어도 하나의 꼬임선 뭉치로 이루어지되, 각 꼬임선 뭉치는 적어도 2개의 꼬임선이 꼬여서 이루어지며, 상기 꼬임선은 적어도 하나의 전선으로 이루어짐으로써, 상기 권선부(20)는 가급적 짧은 길이의 전선으로 가급적 많은 토로이달 및 폴로이달 자기장을 형성하여, 교류유도 리액턴스 및 직류저항을 가급적 작게하는 출력을 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양광색 아크 발생장치 및 고압 방전등{Apparatus for generating an Solar-color electric arc and an Solar-color high-pressure electric discharge lamp}

본 발명은 아크 발생장치 및 고압 방전등에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 가시광선의 전 주파수대에서 광이 골고루 발생되며 인체에 유해한 X선 등의 광은 억제되는 태양광색 아크 발생장치 및 고압 방전등에 관한 것이다.

급격한 산업혁명으로 용접은 간편한 아크용접으로 보급되고 아크의 높은 주파수(X선)에 노출되어 산업 재해를 입을 수밖에 없었다. 산업재해의 종류는 인체에 관련된 것으로 건초염, 활액낭염, 상완 및 전안부의 사과염 등이 발생할 가능성이 높은 것으로 알려져 있다. 이러한 아크의 강한 주파수는 단지 용접기사의 방어막(보호면)을 설치하여 산업 재해를 줄여왔을 뿐이다. 즉 종래의 아크는 특정 파정대가 많이 나오고 연속적이지 않는바, 그 이유는 다음과 같다.

원자는 핵, 고정전자와 자유전자로 나누어져있고, 자유전자는 그 원자의 성질을 거의 결정한다. 그 원자에 외부의 전자가 충돌할 때, 자유전자가 그 원자에게서 일정하게 전리되고 일정한 전리에너지를 가진다고 한다. 일정한 전리에너지는 양자역학에서 (수학식 1)과 같이 표현한다.

전리하고 남은 에너지는 외부전자의 전압 에너지로 저항의 열로 거의 바뀐다. 자유전자의 일정한 전리에너지는 환원되면서 빛에너지로 방출되는데 파장 λ=c/v 이다.

즉, 일정한 파장과 주파수를 갖는 것이다.

특히 원자들 중에 텅스텐봉은 X선의 파장을 다량 방출한다.

X선의 파장은 100 ~ 0.001 nm 이고, 주파수 (ν)는 3×10¹⁵ ~ 3×10²⁰ Hz 이다.

용접 시 아크봉은 고온에 견디어 하므로 텅스텐 봉(녹는점 3387℃)을 사용해야 한다. 그리하여 X 선에 신체는 노출되는 데 그 피해는 신체의 각종 질병으로 건초염. 활액낭염. 상완 및 전안부의 사과염 등이 발생하는 것으로 의학계에는 알려져 있다.

더욱이, 수은 방전등과 같은 고압 방전등도 의학계에서는 유해하다고 알려져 있다.

우리가 보는 형광등은 원래가 250~370nm 이다. 그런데 형광물질을 발라 삼파장 450,540,610......nm가 나오도록 한다. 그리고 고압 방전이 세다고 하더라도 고압 수은등은 250~370mm에서 대역폭이 약간 넓어지는 정도이며, 여전히 파장대는 연속적이지 않다.

그리고, 메탈 할라이드등은 여러 물질을 넣어서 발광하도록 하나, 역시 특정파장의 광이 튀어 나온다.

따라서 방전등을 연구하는 연구자들은 태양처럼 연속스펙트럼이 나오는 방전등을 개발하고자 하나, 아직까지 만족할만한 태양광에 가까운 방전등은 개발되지 않은 상태이다.

한편, 토카막장치가 1950년대 초반 구소련 물리학자 탐(Tamm)과 사하로프(Sakharov) 그리고 미국의 스피쳐(Spitzer)에 의해 고안되었다. 토카막이란 러시아어의 합성으로 토로이드 자기장 구멍이란 뜻이다.

도 1a에서 토로이드 내부 자기장, 즉 토로이달 자기장 Bt는 거리에 반비례한다. 즉 토로이드 내부에서 바깥쪽으로 갈수록 약해진다.

이온상태, 즉 전하를 띤 입자들이 모여 있는 하전입자 집합을 플라즈마라 한다. 토카막 내부에서 운동하는 플라즈마는 자기장 내에서 운동하는 전하가 받는 힘인 로렌츠 힘을 받는다. 로렌츠 힘에 의해 양의 전하인 경우 운동방향에서 자기장 방향으로 나사를 돌렸을 때 나사가 진행하는 방향으로 힘을 받고, 음의 전하인 경우 반대방향으로 힘을 받는다. 결국 토로이드 자기장과 토로이드 평면에 수직인 방향으로 힘을 받아 벽에 부딪친다. 플라즈마가 벽에 부딪치지 않기 위해 토로이달 자기장의 방향을 나선모양으로 만들어야 한다. 나선모양의 자기장 Bs을 만들기 위해서 토로이달 자기장에 회전변위를 주면, 회전변위를 주는 자기장을 폴로이달 자기장 Bp라 한다. 이렇게 하면 플라즈마는 일정부위에서 상하운동을 반복하게 된다. 이 회전변위를 주는 방식에 의해 토로이드는 여러 종류로 나뉘게 되며 스텔라레이터, 헬리오트론, 톨사트론, 토카막 등이 있다.

토카막은 도 1a에서와 같이, 변압기원리를 응용하여 1차코일에 펄스전류를 흘려주어 토카막 내부에 원형 토로이드방향으로 강한 유도 전기장을 형성시킨다. 이 유도 전기장에 의해 핵융합 연료가 플라즈마로 분리되고 토로이드 방향으로 회전하여 전류가 된다. 전류가 흐를 때 전류 주위로 원형 자기장이 생기므로 폴로이달 자기장을 생성한다. 이 폴로이달 자기장과 토로이달 자기장의 합으로 그림에서와 같이 나선형 자기장이 생성된다.

Bs(나선형 자기장) = Bp(폴로이달 자기장; 회전변위) + Bt(토로이달 자기장)

플라즈마에 흐르는 전류에 의해서 회전변위뿐 아니라, 자기우물, 자기단층을 형성시켜 플라즈마를 안정화하고, 가열시키게 된다. 토카막 초기단계에선 그리 주목받지 못했으나 1968년에 발표된 T-3와 TM-3판은 획기적인 결과를 보였다. 이후 계속적인 연구가 진행 중이다.

토카막은 플라즈마를 초고온으로 만들어 핵융합을 일으키는데 사용된다. 핵융합을 위해서는 온도는 1억도, 밀도는 1입방센티미터당 100조개의 초고온 플라즈마를 약 1초 동안 용기에 밀폐해야 한다. 그러나 초고온 플라즈마의 불안전성으로 인해 지금은 계속적인 연구개발을 하고 있으며, 일본의 JT-60U 토카막, 유럽연합의 유럽 공동연구 토러스(JET), 독일의 ASDEX-U, 미국의 DIII-D 등이 있다. 국내에서도 카이스트에 소형 토카막인 KAIST-TOKAMAK이 있다.

참고로, 토카막의 원리 및 본원발명의 원리를 더욱 잘 이해하기 위하여, 토로이달 자기장(toroidal magnetic field)의 원리에 대하여 설명하면, 전선에 전류를 흘리면 전선 주위로 자기장이 형성되며, 이 자기장의 형성을 효과적으로 만들기 위해 전선을 원형으로 감게 되는데 직선 원통 형태로 감은 것을 솔레노이드(solenoid), 원형 원통으로 감은 것을 토로이드(toroid)라 한다. 이상적인 경우 토로이드 내부에는 자기장이 형성되지만 외부에는 자기장이 0이다.

즉, 도 1b에서, 원형으로 전선을 N번 감은 토로이드에 전류 I를 흘리게 되면 토로이드 내부에 자기장 B는 자기장과 전류 사이의 관계식인 암페어의 법칙을 사용하여 다음과 같은 식이 된다.

B=μ ₀ N·I/2πr

여기서 μ₀는 자유공간 투자율이라고 불리는 상수이며 다음과 같이 정의된다.

μ ₀ =4π10 ^-7 [Wb/A·m]

여기서 Wb(Weber)는 웨버라고 하는 자기장의 단위이고, A는 전류의 단위 암페어, m은 길이 단위 미터이다.

이 식에서 보듯이 토로이드 내부의 자기장의 세기는 중심으로부터 거리 r에 반비례한다. 그러나 대부분의 경우에 토로이드 내부에서 자기장이 일정하다고 가정하며, 그 조건은 토로이드 중심에서 토로이드 내부까지 거리 r이 토로이드 반경 a보다 커야 한다. 또 r이 a보다 클수록 외부에 자기장이 없으며 토로이드 내부에도 균일한 자기장이 형성된다. 이 때 자기장의 방향은 전류가 흐르는 방향으로 나사를 돌렸을 때 나사가 진행하는 방향이며 원형을 그리며 토로이드를 돌게 된다.

토로이드는 회로에서 인덕터로 사용하게 되어 유도리액턴스를 갖는다. 일반적으로 토로이드는 솔레노이드보다 높은 인덕턴스(단위: 헨리[H])를 갖는다. 보통 인덕턴스를 높이기 위해 높은 자기투자율을 가진 물질을 중심에 넣는다. 또한 토로이드를 변형하여 토카막을 만들며 핵융합장치로 이용한다.

한편, 폴로이달자기장 (poloidal magnetic field) 이란, 토러스형 플라즈마 밀폐 자기장의 구성으로서 플라즈마 단면 내에 있는 자기장의 성분을 말한다. 예를 들면 원형 단면 토카막의 경우, 플라즈마 전류를 Ip, 반경을 α라 하면 폴로이달 자기장의 크기 Bp는 Bp＝μ₀Ip/(2πα)로 주어진다. μ₀는 진공의 투자기율이다. 폴로이달 자기계라고도 한다.

다시 정리하자면, 토카막의 원리는 자기장 속에서 움직이는 전기를 띤 입자에 작용하는 로렌츠 힘(Lorentz force)을 바탕으로 한다. 토카막 속의 플라스마는 원자핵과 전자가 분리된 상태이므로 전기를 띤 입자, 즉 하전 입자의 상태이다. 하전 입자는 자기장과 입자의 속도에 수직한 방향으로 로렌츠의 힘을 받으므로 도 1c에서와 같은 나선형의 궤적으로 움직인다.

즉, 도 1c의 평행한 자기장에서 하전입자의 운동을 바로 위에서 본 도 1c의 좌측 도면 및 옆에서 본 도 1c의 우측 도면에서와 같이 움직이는바, 도넛 모양의 자기장을 만들면 내부의 하전 입자는 자기장 내부를 빙글빙글 돌면서 갇혀있게 되며, 이것이 플라스마를 가두는 토카막의 기본적인 원리이다.

다만, 실제의 토카막에서는 단순히 도넛 모양의 자기장을 만드는 자석뿐 아니라 여러 가지 자석을 이용해서 내부의 플라스마가 잘 유지되도록 제어해줄 필요가 있으며, 토카막에서 도넛 모양의 자기장을 만드는 것을 TF(Toroidal Field) 자석, 플라스마를 제어하는 자석을 PF(Poloidal Field), 플라스마 전류(플라즈마 자체가 운동하면서 생성되는 전류)를 구동하는 자석을 CS(Central Solenoid) 자석이라고 한다.

결국, 실제 토카막 장치에서 전하를 띤 플라즈마 입자들은 도 1d에서 보는 바와 같이, 토카막 내에서 나선형으로 움직이면서 상하 방향으로 오르락내리락 하면서 갖혀 있게 된다.

이상에서 보는 바와 같이, 지금까지의 아크리액터는 아크 색을 더 좋아지게 하는 방법에 대한 연구가 없었으며, 아크의 높은 주파수 인공광원은 심리적·신체적 건강 측면에서 좋지 않을 뿐만 아니라 심리적 불안정을 야기하며 산업재해까지 이르게 하는 것으로 알려져 있다.

또한 한편으로, 종래의 수은 방전등을 포함한 고압 방전등의 경우에도 역시 특정 파장대의 유해광선의 영향으로 인하여 의학계에서는 유해하다고 알려져 있으나, 이에 대한 대책이 없는 실정이다.

본 발명은, 상기 종래기술의 토카막 장치의 원리를 응용하여 토로이달과 폴로이달 결선 방식을 이용한 태양광 색 아크 리액터를 개발하는 것이 목적인바, 즉 철선이 포함된 전선으로 하여금 토로이달 방향과 폴로이달 방향 결선으로 전류를 자화시키는 방식을 사용하며, 이 방식으로 장치를 제작하여 시험 분석한 아크 색의 분석 결과, 유해한 높은 주파수 대의 광선이 거의 없고 대부분 가시광선 대의 주파수의 광을 만들어 내는 것을 확인했다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 태양광색 아크 발생장치는, 교류 전원 혹은 직류 전원 공급부에 접속되며 다수개의 토로이달 및 폴로이달 자기장을 형성하는 권선부(20); 및 상기 권선부의 일측에 접속되는 아크 발생부(30); 를 포함하되, 상기 권선부(20)는, 8자형 코일부(200)와, 상기 8자형 코일부의 좌우 환형 고리(201,202)를 관통하는 결합 도우넛형 코일부(300)로 이루어지며, 상기 8자형 코일부(200)와 상기 결합 도우넛형 코일부(300)의 각각은, 적어도 하나의 꼬임선 뭉치로 이루어지되, 각 꼬임선 뭉치는 적어도 2개의 꼬임선이 꼬여서 이루어지며, 상기 꼬임선은 적어도 하나의 전선으로 이루어짐으로써, 상기 권선부(20)는 다수개의 토로이달 및 폴로이달 자기장을 형성하여, 토로이달이나 폴로이달 자기장을 형성하지 않는 경우에 비해 교류유도 리액턴스를 상대적으로 크게하고 직류저항을 상대적으로 작게하는 출력을 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 교류전원을 직류로 변환하는 정류회로부(10)를 더 포함하며, 상기 권선부(20)의 일측이 상기 정류회로부(10)의 일측에 접속되며, 상기 권선부(20)의 타측과 상기 정류회로부(10)의 타측 사이에 전자석(40)이 삽입되는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 권선부(20)는 단일 도우넛형 코일부(100)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 각 코일부의 각각은, 복수개의 꼬임선 뭉치들로 이루어지되, 각각의 꼬임선 뭉치들이 상호 동일한 방향으로 꼬여있는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 꼬임선은 상기 정류회로부에 병렬로 접속된 복수개의 전선이 상호 동일한 방향으로 꼬여있는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게는, 상기 전선은 철선과 동선이 단일 피복체 내에서 상호 동일한 방향으로 꼬여있는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따른 태양광색 고압 방전등은, 상기 태양광색 아크 발생장치에 의해 구동되며, 상기 아크 발생부(30)의 전극 대신, 상기 전극의 위치에 고압 방전등의 전기 공급 단자가 접속되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 유해한 높은 주파수가 거의 없고 대부분 가시광선의 주파수 대의 아크를 만들어 내는 장치를 제공하는 것이 가능하다는 장점이 있다.

본 태양광 색 아크리액터는 태양광 색으로 발광하여 용접기사의 신체에 산업재해를 주는 유해광선이 거의 없는 광색을 발산하여 피해를 줄일 수 있으며, 또한 수은 방전등과 같은 고압 방전등의 경우에도 유해광선의 피해를 최소한으로 줄일 수 있다.

도 1a는 본 발명과 관련된 토카막의 원리를 보여주는 도면
도 1b는 토로이달 자기장의 형성 원리를 보여주는 도면
도 1c는 평행한 자기장에서 하전입자의 운동을 보여주는 도면
도 1d는 토카막 내에서 플러즈마 하전 입자가 나선형으로 운동하는 모습을 보여주는 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광색 아크 발생장치의 전체 회로도
도 3a는 본 발명의 일 실시예의 태양광색 아크 발생장치의 권선부의 개략모형도
도 3b는 본 발명의 일 실시예의 태양광색 아크 발생장치의 권선부의 꼬임방식을 설명하는 개략도
도 4a는 본 발명의 일 실시예의 태양광색 아크 발생장치의 권선부의 실제 정면 사진
도 4b는 본 발명의 일 실시예의 태양광색 아크 발생장치의 권선부에서 8자형 코일부와 도우넛형 코일부를 벌려놓은 상태의 실제 사진
도 4c는 본 발명의 일 실시예의 태양광색 아크 발생장치의 권선부의 실제 평면 사진
도 4d는 본 발명의 일 실시예의 태양광색 아크 발생장치의 권선부의 각 꼬임선뭉치들의 실제 상세 사진
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광색 아크 발생장치의 연속스펙트럼 분석 결과물
도 6은 본 발명의 다른 측면에 따르는 태양광색 고압 방전등의 실제 구현 사진

본 발명의 목적, 특징 및 효과에 대하여 더욱 정확히 이해하기 위하여, 아래와 같이 실시예를 들고 도면과 함께 상세 설명을 덧붙인다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광색 아크 발생장치의 전체 회로도이고, 도 3a는 상기 권선부의 개략모형도이며, 도 3b는 상기 권선부의 꼬임방식을 설명하는 개략도이다.

도 4a 내지 도 4d는 각각, 본 발명의 일 실시예의 태양광색 아크 발생장치의 권선부의 실제 정면 사진, 권선부에서 8자형 코일부와 도우넛형 코일부를 벌려놓은 상태의 실제 사진, 권선부의 실제 평면 사진 및 권선부의 각 꼬임선뭉치들의 실제 상세 사진이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광색 아크 발생장치의 연속스펙트럼 분석 결과물이다.

먼저, 도 2 내지 도 3b를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양광색 아크 발생장치의 전체 회로도를 설명한다.

먼저, 도 2 및 도 3a에서 보는 바와 같이, 본 발명의 아크 발생장치는, 일례로 220V 교류 상용전원에 접속되어 이를 직류로 전환하는 브릿지 다이오드(10)와 같은 정류회로에 접속된 본 발명 특유의 권선부(20)가 아크발생부(30)에 특이한 형태로 자화된 전류의 공급에 의하여 이루어진다 (제1 실시예).

제2 실시예로서, 브릿지 다이오드의 일측 단자에 전자석(40)이 삽입 연결되어질 수도 있다.

상기 권선부(20)는, 제1 실시예로 기본적으로 8자형 코일부(200)와 상기 8자형 코일부의 좌우 환형 고리(201,202)를 관통하는 결합 도우넛형 코일부(300)로 이루어지며(제1 및 제2 실시예의 본 실시예), 여기에 추가적으로 상기 8자형 코일부의 일측 환형 고리(201 혹은 202)와 동일한 단일 고리 형태를 취하는 단일 도우넛형 코일부(100)가 추가되기도 한다(제1 및 제2 실시예의 제1 변형예).

그리하여 브릿지 다이오드(10)의 +극(11)에 권선부(20)의 제1 단부(21)가 접속되며, 제1 및 제2 실시예의 본 실시예에서는 8자형 코일부(200)를 통과하여 혹은 제1 및 제2 실시예의 제1 변형예에서는 단일 도우넛형 코일부(100) 및 8자형 코일부(200)를 통과하여 권선부(20)의 제2 단부(22)를 통해 아크발생부(30)의 +극(31)에 접속되어 진다.

한편, 아크발생부(30)의 -극(32)은 권선부(20)의 제3 단부(23)에 접속되며, 결합 도우넛형 코일부(300)를 통과하여 권선부(20)의 제4 단부(24)를 통해, 제1 실시예에서는 브릿지 다이오드(10)의 -단자(12)에, 그리고 제2 실시예에서는 전자석(40)의 N극(41) 및 S극(42)을 통해 브릿지 다이오드(10)의 -단자(12)에 접속되어 진다.

도 3a의 원문자 숫자는 최적 실시예인 제2 실시예의 제1 변형예에서 전류 흐름의 순서를 원문자 ①에서 부터 ⑨까지로 나타내고 있다.

이제 도 3b를 참조하여 각 코일부(100, 200, 300)에 대하여 더 상세히 설명한다. 각 코일부는 도 3b에서 보는 바와 같이 하나 이상의 꼬임선 뭉치로 이루어지는바, 일예로 단일 도우넛형 코일부(100)는 적어도 하나의 꼬임선 뭉치(110 혹은 120)로 이루어진다. 도 3b의 경우에는 두 개의 꼬임선 뭉치(110, 120)로 이루어져 있는바, 만약 2개 이상의 꼬임선 뭉치로 이루어지는 경우에는, 도 3b에서 보는 바와 같이 각 꼬임선 뭉치(110, 120)도 상호 동일한 방향으로 꼬여있도록 한다.

아울러, 각 꼬임선 뭉치(110 혹은 120)는 적어도 2개의 꼬임선으로 이루어지는바, 예를 들어 단일 도우넛형 코일부(100)가 두개의 꼬임선 뭉치로 이루어질 경우, 제1 꼬임선 뭉치(110)는 적어도 제1 꼬임선(111)과 제2 꼬임선(112)으로 이루어지며, 혹은 제2 꼬임선 뭉치(120)는 적어도 제1 꼬임선(121)과 제2 꼬임선(122)으로 이루어진다. 각 꼬임선의 꼬임방향 역시 상기 꼬임선 뭉치들의 꼬임방향과 동일하다.

아울러, 각 꼬임선은 하나 이상의 전선으로 이루어지며, 경우에 따라서는 두 개 이상의 전선이 병렬로 연결되도록 하여도 좋다. 이 경우에는 각 전선이 브릿지 다이오드의 단자에 병렬로 접속되어 지도록 한다. 가급적 많은 개수의 전선이 병렬로 접속되어지도록 하는 것이, 동일 조건 하에서 전류량을 많게 하므로 바람직하나, 너무 많은 개수의 전선이 병렬 접속되는 경우에는 꼬임이 원할하지 못하고, 아울러 병렬회로의 접속도 어려움이 따르므로, 4개 혹은 8개의 전선이 하나의 꼬임선을 이루도록 하는 것이 바람직하다 (이 경우 전체 전류는 일례로 10~50A 정도이다). 이때 각 전선 역시 동일한 방향으로 꼬여있는 것이 바람직하다.

추가적으로 각 전선은 하나 이상의 동선과 하나 이상의 철선이 피복전선에 내장되는 일명 삐삐선이 가장 바람직한바, 이는 종래기술에서 상술한 바와 같이 동선의 꼬임 및 환형 구조에 의해 발생한 자력이 철선을 타고 유도되면서 또다른 유도 기전력을 발생시키고, 이들이 상호작용을 함으로써 보다 향상된 기전력을 발생시킬 수 있기 때문이다.

따라서, 전선이나, 꼬임선 혹은 꼬임선 뭉치의 꼬임에 의해 폴로이달 자장이 발생하며, 8자형 혹은 도우넛형 코일부의 구조에 의해 토로이달 자장이 발생하며, 이들이 상호작용을 일으키게 된다.

아울러, 꼬임선들의 꼬임은 토로이달 자장을 형성하는데 충분한 정도로 1피치의 꼬임에 3cm가량이 바람직하며, 8자형 혹은 도우넛형 코일부의 구조에 의해 토로이달 자장이 발생하면서 이들이 상호작용을 일으킴에 있어, 최소한의 전선 길이로 최대한의 효과를 얻기 위해서는 전선의 길이를 짧게 하면서 환형의 구조가 최대한 많이 생기도록 하는 것이 좋다.

도 4a 내지도 4d는 가장 바람직한 실시예의 실제 권선부의 사진이다. 도 3b에서 보듯이, 본 최적 실시예에서는 8가닥의 전선 (각 전선은 3개의 동선과 4개의 철선이 단일 피복부 내에 있는 삐삐선을 사용하였다) 이 하나의 꼬임선을 이루고, 다시 4개의 꼬임선이 꼬이면서 (즉, 32개의 전선이 하나로 꼬이면서) 하나의 꼬임선 뭉치(110)를 이루며, 20개 내지 30개의 꼬임선 뭉치가 꼬이면서 각 코일부를 이루고 있다. 그리하여 권선부의 장방향이 80cm 정도에 불과함에도, 꼬임선 (각 전선) 의 길이는 대략 200m이고, 따라서 각 전선 마다 20000cm/3cm ≒ 6667 회 정도의 꼬임이 발생되며, 이들이 상호 작용하면서 무수히 많은 토로이달 및 폴로이달 권선을 이루고 있다.

이와 같이 최대한 짧은 길이의 전선으로 최대한 많은 토로이달 및 폴로이달 자기장을 형성함으로써, 출력은 특이한 형태의 전기장 및 자기장을 이루게 되며, 교류유도 리액턴스 및 직류저항을 최소화시킨 출력을 가능하게 하므로써, 이를 이용하여 아크를 발생시킬 때에 도 5에서 보는 바와 같이, 모든 가시광선 영역에서 거의 동일한 출력을 얻을 수 있는 태양광에 가장 가까운 인조광선인 태양광색 아크의 발생이 가능하게 된다.

참고로, 토로이달과 폴로이달 권선의 원리를 설명하면, 도 2 내지 도 4d에서, 토로이달과 폴로이달 권선은 전자를 자화시키는 장치이다.

자기장

에서 하전입자

로 자화되는 원리를 수학적으로 설명하여 보면,

는 토로이달 자기장이라고 하고, 토로이달 자기장은 다음 식과 같이 폴로이달 전류(

)에 의해 만들어진다.

토로이달 자기장은 토로이달 방향의 도선에 흐르는 전류에 토로이달 성분의 본래의 전류와 스핀전류를 추가시켜주는데 수학적으로는 다음과 같다.

한편, 스핀전류는,

위 <수학식 4>에 의해 토로이달 전류(

)와 토로이달 자속(

)의 만남은 방향은 같아 일을 하지 않으나 스핀전류(

) 을 형성하게 된다.

그리고,

에 의해서 전류가 자화될 수 있다.

즉, 자기장(

)에서 하전입자 자기장(

)가 되는 것이다. 이것은 토로이달과 폴로이달 권선이 잘 감아지면 충분히 전류가 자화되어 스핀전류(

)가 되고 원자 내에서 스핀전자는 다음과 같은 에너지와 힘을 가지게 된다.

바로 자석의 끌림(인력)이 추가되는 것이다.

이러한 현상을 토카막 이론에서는 "로렌츠 힘을 받는다"라고 설명되어 있다.

즉, Bs(나선형 자기장) = Bp(폴로이달 자기장; 회전변위) + Bt(토로이달 자기장)

한편, 전자 e는 다음 식과 같이 전기장(E)과 자기장(B)을 가지고 있다.

그런데 인위적으로 자기장(

)을 속도방향(

)(즉, 전류의 방향(I _T ))과 수평되게 하기 위해서 토로이달 전선과 폴로이달전선을 이용한 장치로 만든다.

그로 인하여 하전입자의 자기장(

)는 속도방향(

)와 방향이 같아지게 되는데. 이러한 현상을 일반적으로 자화된다고 한다. 자화란, 스핀 자기장(

)을 가진 것이다.

외부의 전자가 자유전자에게 전리에너지를 줄 때 토로이달 전선과 폴로이달전선을 이용한 장치에서는 별도로 스핀 자기장가 전달되는데, 이때 스핀 자기장(

)은 다음 식과 같이

도 같이 존재한다.

한편, 양자역학의 방정식과 다른 스핀 핵과 스핀 전자일 경우 보어 모델에서, 다음과 같은 식이 성립한다.

일반적으로는 전자가 자화되는 일은 없다. 양자역학적인 스핀만 갖는다. 그런데 본 발명의 장치를 통과하면 전자가 강력하게 자화된다. 그 자화된 전자는 다음 <수학식10> 과 같은 힘을 나타내는데, 전자의 에너지로 표현하면 역시 다음 <수학식11>과 같이 된다.

그리하여

의 크기에 의해 좌우되어

는 여러 가지의 값을 가지게 되고 결국 빛의 파장(λ=c/v)은 여러 가지의 값을 갖고 방출하게 된다. 그리하여 적외선, 적 등 황 녹 초 청 자, 자외선인 연속 파장 태양광 색을 방출하는 것이다.

실제로 본 발명의 태양광색 아크 리액터에서 아크를 발생시키고 분광기로 측정하여 분석한 결과 데이터 중 일부분을 <표 1> 및 <표 2>로 나타내었다.

파장(nm)		시감도
305		0.018786
306		0.029715
307		0.044013
308		0.054286
309		0.049106
310		0.049261
311		0.050075
312		0.051709
313		0.05563
314		0.061605
315		0.071103

[표1]은 파장이 짧은 자외선 영역이고, [표2]는 최대 시감도 부분을 측정한 것이다.

도 5는 본 발명의 태양광색 아크 리액터 장치로 아크를 발생시키고 태양광색 아크 스팩트럼 분석을 한 것인바, 도 5에서 좌측 앞의 부분은 세로축을 시감도 가로축을 파장(nm)으로 나타낸 도표이며, 우측 뒤 부분은 C,I,E 색표계이다.

파장(nm)		시감도
392		0.894724
393		0.951885
394		1.001691
395		1.040513
396		1.066239
397		1.077966
398		1.075133
399		1.057332
400		1.029759
401		0.994566

하전입자 자기장(

)의 크기는 토로이달과 폴로이달 전선의 병렬의 가닥수를 높이고 전선의 턴 수는 병렬의 가닥을 서로가 같은 방향으로 엮으면 저항(R)이 줄어들고 턴 수(N)는 증가된다.

이렇게 최대한의 입력 전압의 에너지는 거의

으로 바뀌게 된다. 이때 원자 내에 원자핵과 고정전자 자유전자들의 힘은 양자역학적 보어 원자모델에서 <수학식 12>와 같다.

그런데, 힘 F는, 다음과 같다.

따라서, <수학식 10>에 의해 자화된 전자의 힘

은 자기장 인력의 영향을 받게 되고, 이 힘이 최대가 될 때 (v_p=c(3×10⁸ m/s)), 많은 에너지가 나올 수 있다.

이상, 본 발명에서의 접근 방법은, 종전의 토카막장치의 자기장의 힘으로 유도 플라즈마를 양자역학적 밀폐시킴이 아니라, 토로이달과 폴로이달권선으로 직류인 토로이달의 전류와 폴로이달의 전류의 직류상호유도로 전자가 자화되어, 자기장의 힘, 인력으로 태양광색 아크를 발생시키는 장치로 변경시킨 것이다.

다시 말해서 교류유도 리액턴스(실험 장치는 직류임)와 직류저항(전선의 여러 가닥을 엮어서 사용함)을 거의 없앤 것이 특징이다.

또한 역기전력을 이용하여 작동하는 직류직권 모터의 원리를 회로에 삽입하면 입력은 줄어들고 출력이 강해지는 결과로 큰 에너지도 얻을 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 태양광색 고압 방전등을 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 다른 측면에 따르는 태양광색 고압 방전등의 실제 구현 사진이다.

본 발명에 따른 태양광색 고압 방전등은, 도 6에서 보듯이, 상기 태양광색 아크 발생장치에 의해 구동되도록 하되, 상기 아크 발생부(30)의 +전극(31) 및 -전극(32) 대신, 상기 각 전극의 위치에 고압 방전등(50)의 전기 공급용 (+) 및 (-) 단자가 권선부의 제2 및 제3 단자(22, 23)에 접속되도록 하며, 이 경우 역시, 가시광선의 거의 모든 파장대에서 거의 균일한 광의 세기가 얻어지는 태양광색에 거의 흡사한 광을 발하는 고압 방전등이 가능하게 된다.

이상, 본 발명을 몇몇 최적 실시예들로 설명하였으나, 여러가지 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 본 발명의 추가적인 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

10: 브릿지 다이오드 11: +극 단자
12: -극 단자
20: 권선부 21: 제1 입력단자
22: 제1 출력단자 23: 제2 입력단자
24: 제2 출력단자
30: 아크 발생부 31: +극 단자
32: -극 단자
40: 전자석 41: N극 단자
42: S극 단자
50: 고압 방전등
100: 단일 도우넛형 코일부 110: 제1 꼬임선 뭉치
111: 제1 꼬임선 뭉치의 제1 꼬임선 112: 제1 꼬임선 뭉치의 제2 꼬임선
120: 제2 꼬임선 뭉치 121: 제2 꼬임선 뭉치의 제1 꼬임선
122: 제2 꼬임선 뭉치의 제2 꼬임선
200: 8자형 코일부 201: 제1 환형 고리
202: 제2 환형 고리
300: 결합 도우넛형 코일부

Claims (7)

1. 교류 전원 혹은 직류 전원 공급부에 접속되며 다수개의 토로이달 및 폴로이달 자기장을 형성하는 권선부(20); 및
   상기 권선부의 일측에 접속되는 아크 발생부(30);
   를 포함하되,
   상기 권선부(20)는,
   8자형 코일부(200)와,
   상기 8자형 코일부의 좌우 환형 고리(201,202)를 관통하는 결합 도우넛형 코일부(300)로 이루어지며,
   상기 8자형 코일부(200)와 상기 결합 도우넛형 코일부(300)의 각각은, 적어도 하나의 꼬임선 뭉치로 이루어지되,
   각 꼬임선 뭉치는 적어도 2개의 꼬임선이 꼬여서 이루어지며,
   상기 꼬임선은 적어도 하나의 전선으로 이루어짐으로써,
   상기 권선부(20)는 다수개의 토로이달 및 폴로이달 자기장을 형성하여, 토로이달이나 폴로이달 자기장을 형성하지 않는 경우에 비해 교류유도 리액턴스를 상대적으로 크게하고 직류저항을 상대적으로 작게하는 출력을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 태양광색 아크 발생장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   교류전원을 직류로 변환하는 정류회로부(10)를 더 포함하며,
   상기 권선부(20)의 일측이 상기 정류회로부(10)의 일측에 접속되며,
   상기 권선부(20)의 타측과 상기 정류회로부(10)의 타측 사이에 전자석(40)이 삽입되는 것을 특징으로 하는 태양광색 아크 발생장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 권선부(20)는 단일 도우넛형 코일부(100)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광색 아크 발생장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   각 코일부의 각각은, 복수개의 꼬임선 뭉치들로 이루어지되, 각각의 꼬임선 뭉치들이 상호 동일한 방향으로 꼬여있는 것을 특징으로 하는 태양광색 아크 발생장치.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 꼬임선은 상기 정류회로부에 병렬로 접속된 복수개의 전선이 상호 동일한 방향으로 꼬여있는 것을 특징으로 하는 태양광색 아크 발생장치.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전선은 철선과 동선이 단일 피복체 내에서 상호 동일한 방향으로 꼬여있는 것을 특징으로 하는 태양광색 아크 발생장치.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 태양광색 아크 발생장치에 의해 구동되며, 상기 아크 발생부(30)의 전극 대신, 상기 전극의 위치에 고압 방전등의 전기 공급 단자가 접속되는 것을 특징으로 하는 태양광색 고압 방전등.

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