KR20010111965A - 전기식 기폭 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기폭 와이어(exploding wire)를 폭약에 내장시키고 여기에 아주 짧은 시간동안 고전압, 고전류를 방전시켜 고온이 발생하게 하고, 그 열에 의해 기폭 와이어가 고체, 액체, 기체상태를 거쳐 플라즈마 상태로 변화되는 과정에서 발생되는 충격파와 고온으로 인하여 주장약을 폭연, 폭굉을 일으키는 전기식 기폭 장치 및 방법에 관한 것으로, 밀폐된 용기(102)에 내장된 주장약(101)과; 상기 주장약(101) 내부에 설치된 (+)(-) 전극선(103)(103')과; 상기 (+)(-) 전극선(103)(103')에 연결된 기폭 와이어(104)와; 상기 기폭 와이어(104)에 고전압을 공급하는 전원공급기(200)와;로 구성되어 고가의 뇌관과 전폭약을 사용하지 않으므로 경제적으로 비용이 크게 절감되며, 안전한 전기 에너지를 이용하여 기폭되므로 폭약의 보관, 운반, 취급시에 외부 에너지 또는 충격 등으로 폭발할 위험성이 없어 매우 안전하다. 또한, 취급이 용이하고 사용이 간편하며, 주장약의 연소 속도가 빠르지 않기 때문에 저소음, 저진동, 그리고 폭발물이 비산되지 않고 입자 상태로 폭발되므로 폭발 잔여물의 수거가 용이하다.

Description

전기식 기폭 장치 및 방법{an electric triggering device and method thereof}

본 발명은 전기식 기폭장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기폭 와이어(exploding wire)를 폭약에 내장시키고 짧은 시간동안 고전압, 고전류를 인가하여 고온이 발생하게 하고, 그 열에 의해 기폭 와이어가 고체, 액체, 기체상태를 거쳐 플라즈마 상태로 변화되는 과정에서 발생되는 충격파와 고온으로 인하여 주장약을 폭연, 폭굉을 일으키는 전기식 기폭 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 토목, 건설, 광산 등에 사용되는 산업용 폭약은 기폭 감도가 낮아 기폭시키기가 쉽지 않다.

따라서, 일반적으로 산업용 폭약은 취급이 어렵고 위험하기는 하나 기폭 감도가 높은 뇌관과 전폭약을 사용하여 기폭시키는데, 이러한 기폭 방식으로는 도화선, 시그널 튜브 등의 비전기식 뇌관을 사용하는 방식과, 전기 에너지를 열 에너지로 변환시켜 기폭시키는 전기식 뇌관을 사용하는 방식이 있다.

상기 비전기식 기폭 방식은 도 1a에 도시된 바와 같이 도화선(11)과 기폭약(12)으로 구성되는 비전기식 뇌관(10)의 연소에 의해 전폭약(20)을 기폭시키고 전폭약(20)의 폭발 에너지에 의해 주장약(30)을 폭발시키는 방식인 반면, 전기식 기폭 방식은 도 1b에 도시된 바와 같이 전극선(41), 백금선 등의 기폭선(42), 발열재(43), 기폭약(44)으로 구성되는 전기식 뇌관(40)의 연소에 의해 전폭약(50)이 폭발되어 주장약(60)을 폭발시키는 방식이다.

그러나, 상기 방법들에 의해 기폭되는 폭약들은 필수적으로 취급이 위험하고 고가인 뇌관과 전폭약을 사용하여야 하므로, 폭약의 보관, 운반, 취급시에 외부 에너지 또는 충격 등에 의해 뇌관이 폭발할 위험성이 높고, 사용시 요란한 폭음을 내며, 뇌관에 의한 전폭약의 연소 속도가 너무 빠르기 때문에 폭발물이 미세한 크기로 비산되어 작업자나 주변환경에 커다란 위험요소가 되고 또한 그 처리가 용이하지 않은 문제점들이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 안전하고 경제적으로 주장약을 기폭시킬 수 있는 전기식 기폭 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 취급이 용이하고 사용이 간편하며, 저소음, 저진동, 그리고 폭발물이 비산되지 않고 입자화되어 안전하며 폭발 부산물의 수거가 용이하도록 주장약을 기폭시키는 전기식 기폭 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 목적들은 고전압·고전류 전원 공급기(High-voltage & High-current Power Supply)를 이용하여 순간 고전압·고전류를 인가시키면 주장약이 내장되어 있는 용기내에 설치된 기폭 와이어가 직접 기폭됨으로써 발생하는 충격파, 고온, 고압에 의해 주장약이 폭발되도록 하는 전기식 기폭 장치 및 방법을 제공함으로써 달성되는데, 고전압·고전류가 인가된 기폭 와이어에 열이 발생하여 액체, 기체 상태를 거쳐 플라즈마화 되는 과정에서 충격파가 발생되고 주위를 순간 고온·고압 상태로 만들어 주장약을 폭연시키는 것이다.

도 1a는 종래의 비전기식 뇌관이 내장된 폭약의 개략도,

도 1b는 종래의 전기식 뇌관이 내장된 폭약의 개략도,

도 2는 본 발명의 개략도,

도 3은 직경 0.3㎜, 길이 50㎜의 알루미늄선에 고전압을 인가시켰을 때의 시간의 변화에 따른 전류, 전압 그래프,

도 4는 직경 1.2㎜, 길이 100㎜의 알루미늄선에 고전압을 인가시켰을 때의 시간의 변화에 따른 전류, 전압 그래프,

도 5는 기폭 와이어가 기폭될 때의 온도와 압력 변화 그래프,

도 6a, 6b는 기폭 와이어의 구성을 보여주는 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

101 : 주장약

102 : 용기

103, 103' : (+)(-) 전극선

104 : 기폭 와이어

110 : 메탈 튜브

본 발명은 용기에 내장된 주장약과, 상기 주장약 내부에서 외부로 연장되어 설치된 (+)(-) 전극선과, 상기 (+)(-) 전극선에 연결된 기폭 와이어로 구성되고, 상기 (+)(-) 전극선을 통해 인가된 고전압·고전류에 의해 기폭 와이어에 열이 발생하고 그 열에 의해 기폭 와이어가 액체, 기체 , 플라즈마 상태로 변화하는 과정에서 충격파가 발생되고, 계속적인 전류의 흐름에 의해 계속적인 열 발생으로 고온, 고압에 의해 주장약(101)이 폭발되는, 전기식 기폭 장치 및 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 기폭장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 주장약(101)이 내장되어 있는 용기(102) 내부로부터 상단 외부로 돌출되어 있는 (+) 전극선(103)과, 상기 (+) 전극선(103)의 대칭 위치에 용기(102) 내부로부터 상단으로 돌출되어 있는 (-) 전극선(103')과, 상기 용기(102) 내부에서 (+) 전극선(103)과 (-) 전극선(103')을 상호 연결하는 기폭 와이어(104)와, 상기 (+)(-) 전극선(103)(103') 말단에 고전압·고전류를 공급하는 전원 공급기(200; High-voltage & High-current Power Supply)로 구성된다.

본 발명에 의한 전기식 기폭 와이어에 의한 기폭장치의 기폭 방식을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 기폭장치는 일정용기(102)에 담겨진 주장약(101)에 기폭 와이어(104)를 내장시켜 밀폐시킨다. 기폭 와이어(104)의 양단에 (+)(-)전극선(103)(103')이 연결되고, (+)(-) 전극선(103)(103')은 용기(102)의 내부로 부터 연장되어 외부로 일정 길이 돌출된다. (+)(-) 전극선(103)(103')의 돌출부가 전원공급기(200)에 연결되어 전원공급기(200)에서 출력되는 고전압·고전류가 상기 기폭와이어(104)에 인가되도록 통로 역할을 한다.

전원 공급기(200)는 상용전원(201)으로부터 교류전원을 공급받아 교류 고압으로 변환하는 변압기(202)와, 상기 변압기(202)에서 출력되는 고압의 교류를 정류하는 정류기(203)와, 상기 정류기(203)에서 정류되어 출력되는 고압의 전류를 저장하는 캐패시터(205)와, 상기 캐패시터(205)의 전하가 상기 기폭와이어(104)에 인가되도록 스위칭하는 고전압 진공스위치(204)와로 구성된다.

상용전원(201)에서 출력되는 교류전압은 110∼220 V 이고, 이 교류전압은 변압기(202)에서 1 ∼5 KV 의 교류 고압으로 변환된다. 변압기(202)에서 출력되는 1 ∼5 KV 의 교류 고압은 정류기(203)에서 정류되어 출력된다. 정류된 1 ∼5 KV 의 고전압은 캐패시터(205)에 저장된다. 캐패시터(205)에 저장되는 전하량 Q = C·V 이며, 고전압 진공스위치(204)를 온상태로 하면 캐패시터(205)에 저장된 전하가 전극선(103)(103')을 통해 기폭와이어(104)에 흐르게 된다.

기폭와이어(104)는 알루미늄, 구리 또는 니크롬선 등으로 제조되며, 직경 0.3mm, 길이 50mm 알루미늄의 저항은 대략 0.00015 Ω이고, 같은 칫수의 구리의 저항은 대략 0.00089 Ω이다.

이러한 알루미늄 기폭와이어에 1 KV의 고압을 가할 때 발생하는 열을 예를 들어 계산하면, 열 계산식 Q=0.24 (V²/R)t , (여기서 V: 전압, R: 저항, t: 시간)에서 Q=0.24×10⁶×1/(1.5×10^-4)×10^-6= 1066 cal 가 발생한다. 즉, 1 μ초 동안 직경 0.3mm, 길이 50mm의 알루미늄 기폭와이어에는 대략 1066 cal 의 열이 발생한다. 알루미늄의 비열은 0.21, 비중은 2.7, 녹는점은 660。C 이므로, 직경 0.3mm, 길이 50mm의 알루미늄 기폭 와이어의 무게는 38.15×10^-6g 이고, 이것을 1。C 높이는데 필요한 열량은 2.96×10^-6cal 이다. 따라서, 상기 알루미늄 기폭와이어에 1μ초 동안 1 KV를 인가했을때, 알루미늄 기폭와이어에 대략 1066 cal의 열이 발생하므로 온도는 대략 3.6×10⁸。C 에 이르게 된다. 이 온도는 고체에서 액체로 변할때 필요한 열과 액체에서 기체로 변할때 필요한 열을 계산하지 않은 것이나, 고온 플라즈마의 온도는 수만도이므로, 상기의 열량으로도 알루미늄의 기폭와이어에서는 열이 발생하여 액체 상태에서 기체 상태를 거쳐 플라즈마 상태로 변화된다.

여기서, 기폭와이어가 액체상태에서 기체 상태로 변하면, 저항이 앞서 계산한 값보다 크게 상승하고 그 값을 측정하기 어렵다. 그렇기 때문에, 캐패시터에 저장되는 에너지 E=1/2 CV²(여기서, C:캐패시터의 정전용량, V: 캐패시터 양단의 전압)으로 계산해보면, E=1/2 *2800㎌*(1KV)²≒ 1400J로서 크게 차이가 나지 않으므로, 기폭와이어에 1KV를 인가했을 때 대략 1000 cal의 열이 발생한다고 가정해도 무리는 없다. 또한, 수μ초 동안 1 ∼5 KV의 고압을 인가하므로, 플라즈마 상태에서 전류는 계속 흘러서 열이 계속 발생한다.

도 3과 도 4에 각각 직경 0.3mm, 길이 50mm 의 알루미늄선과 직경 1.2mm, 길이 100mm의 알루미늄선을 기폭와이어로 하여 4.6 KV의 고압을 인가하였을 때의 전류, 전압의 변화를 나타내는 그래프가 도시된다.

시간 "0"에서 기폭 와이어가 앞서 설명한 대로 열이 발생하여 고체에서 액체상태가 되면, 알루미늄 원자들 사이의 거리가 멀어져 고체 상태보다 전류가 흐르기 어렵게 되어 저항이 증가하기 때문에 전류는 "0" 에서 크게 증가하다가 액체로 되면, 증가 속도가 떨어진다. 이상태가 시간 0 부터 시간 수 μ초 사이에 전류 그래프에 의해, 도 3과 4에 표시된다.

액체 상태에서 전류가 계속 가해져 열이 계속 발생하면, 그 열에 의해 액체는 기체 상태로 된다. 기체 상태에서는 액체상태 보다 원자간 거리가 더 멀어지게 되므로 저항은 크게 증가하여 전류는 크게 감소한다. 그러나, 기폭와이어(104)는 밀폐된 용기(102) 내부에 주장약(101)에 둘러싸여 있기 때문에, 기체 상태의 기폭와이어(104)는 증발하여 날아가버리지 않고, 주장약(101)에 둘러쌓여 밀폐된 상태에 있게 된다.

이러한 밀폐상태에서 기체 상태의 기폭와이어(104)에 계속적으로 1 ∼5 KV의 고전압이 인가되면, 기체상태의 기폭와이어 분자들이 이온화되어 플라즈마 상태로 된다. 즉, 1 ∼5 KV의 고전압이 인가된 기폭와이어(104)는 고온, 고압의 기체 상태에서 플라즈마화 되고 전류가 흐르게 되어 전류 흐름에 의한 열이 발생하게 된다.

플라즈마 상태의 기폭와이어(104)에 전류가 급격하게 흐르게 되고, 여기서 충격파가 발생되며 계속적인 열이 발생하여 고온, 고압이 유지된다. 실험에 의하면, 직경 0.3∼1mm, 길이 50∼100mm 알루미늄 등의 금속 와이어가 기폭될 때는 10000∼100000℃, 200∼1000바(bar)의 온도, 압력 범위가 형성된다. 도 5에 기폭와이어가 기폭될 때 온도와 압력의 변화가 도시된다. 기폭 와이어의 기폭시 형성되는 온도와 압력은 와이어의 표면 근처에서 최대값을 가지며 표면에서 멀어질수록 감소한다.

기폭 와이어의 주위에 이와 같은 고온의 조건과, 고압의 충격파가 전파될때 기폭와이어(104) 주위의 주장약(101)이 폭발조건에 이르러 폭발하게 되고 이 폭발에 의한 온도와 압력의 상승이 빠른 속도로 주위로 전파되어 폭약 전체가 폭발하는 것이다. 상기 기폭 와이어(104)는 직경 0.1∼2.0㎜, 길이 10∼100㎜의 알루미늄선, 동선 또는 니크롬선 등이 사용될 수 있다.

위에서는 본 발명의 실시예를 알루미늄 기폭와이어에 의한 예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지의 변형과 개선이 가능함은 물론이다. 예를 들어, 전류가 흘러서 열이 발생함으로써 액체, 기체 및 플라즈마 상태로 변화될 수 있는 물질이면 본 발명의 응용이 가능하다.

한편, 도 6a와 같이 기폭 와이어(104')는 코일 형태로 할 수 있으며, 이때, 코일 내부에는 열이 집중되기 때문에, 더 낮은 에너지로도 폭발이 가능하다. 즉, 캐패시터의 용량을 줄이거나 인가하는 전압을 더 낮출 수 있다.

또한, 도 6b와 같이 코일형태로 감은 기폭와이어(104')에 튜브(110)를 씌어 열과 압력을 집중시키는 효과를 얻을 수 있다. 이때, 코일 형태의 기폭와이어(104')와 튜브(110)의 내부에 폭약이 들어가게 되므로, 코일 기폭 와이어(104')의 내부에 들어있는 주장약(101)은 코일 기폭와이어(104')에 둘러싸여 사방에서 열과 압력을 받게 된다. 따라서, 단순히 직선형 기폭와이어(104)에서 열과 압력을 받는 것보다 코일 형태로 감긴 기폭와이어(104')에 둘러쌓여 열과 압력이 집중되어 더 낮은 에너지로도 폭발이 가능하게 되는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 전기식 기폭 와이어에 의한 기폭장치는 고가의 뇌관과 전폭약을 사용하지 않으므로 경제적으로 비용이 크게 절감되며, 안전한 전기 에너지를 이용하여 기폭되므로 폭약의 보관, 운반, 취급시에 외부 에너지 또는 충격 등으로 폭발할 위험성이 없어 매우 안전하다.

또한, 취급이 용이하고 사용이 간편하며, 전기식 기폭 와이어에 의해 기폭된 주장약의 연소 속도가 빠르지 않기 때문에 저소음, 저진동이며 폭발물이 비산되지 않고 파괴하고자 하는 목적물을 입자 상태로 파괴시키므로 안전하고 또한 폭발 잔여물의 수거가 용이하다.

Claims (6)

1. 밀폐된 용기(102)에 내장된 주장약(101)과;

   상기 주장약(101) 내부에 설치된 (+)(-) 전극선(103)(103')과;

   상기 (+)(-) 전극선(103)(103')에 연결된 기폭 와이어(104)와;

   상기 기폭 와이어(104)에 고전압을 공급하는 전원공급기(200)와;로 구성된 것을 특징으로 하는 전기식 기폭장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 기폭 와이어(104)는 알루미늄선, 동선 또는 니크롬선이고, 그 직경은 0.1∼1mm, 길이는 10∼100mm 인 것을 특징으로 하는 전기식 기폭 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 기폭와이어(104)를 50μ초 이내에 플라즈마 상태로 변화시키도록 전원을 공급하는 전원 공급기(200)는,

   상용전원(201)으로부터 교류전원을 공급받아 교류 고압으로 변환하는 변압기(202)와;

   상기 변압기(202)에서 출력되는 고압의 교류를 정류하는 정류기(203)와;

   상기 정류기(203)에서 정류되어 출력되는 고압의 전류를 저장하는 캐패시터(205)와;

   상기 캐패시터(205)의 전하가 상기 기폭와이어(104)에 인가되도록 스위칭하는 고전압 진공스위치(204)와;로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기식 기폭장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 기폭 와이어(104)는 코일형태인 것을 특징으로 하는 전기식 기폭 장치.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 기폭 와이어(104)는 메탈 튜브(110) 등의 보조기구에 삽입된 것을 특징으로 하는 전기식 기폭장치.
6. 밀폐된 용기(102)에 내장된 주장약(101)과

   기폭와이어(104)를 내장시키는 단계와;

   상기 기폭 와이어(104)가 플라즈마 상태가 되도록 고전압을 공급하는 단계와;로 구성된 것을 특징으로 하는 전기식 기폭방법.