KR200260671Y1 - 플라즈마 연속 제어 발파기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 플라즈마 발파기에 관한 것으로서, 이중구조의 전력 충격셀을 구성하여 그 발화를 1, 2차로 순차적으로 시킴으로서 적은 전기에너지를 투입하더라도 전체적인 파암력을 향상시킬 수 있는 플라즈마 연속 제어 발파기를 제공한다.

더욱이, 본 고안은 지연된 펄스를 발생시킬 수 있는 펄스 발생기를 스위치에 연결함으로서 복수개의 전력 충격셀을 순차적으로 발화시켜 충격력을 중첩시킬 수 있는 보다 안전하고 정밀한 플라즈마 연속 제어 발파시스템을 제공할 수 있다.

Description

플라즈마 연속 제어 발파기{Plasma Sequentially Controlled Blaster}

본 고안은 플라즈마 연속 제어 발파기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 발파 시스템에서 보다 낮은 전기 에너지를 공급받아 반응을 일으킬 수 있는 개선된 전력 충격셀과, 이러한 개선된 전력 충격셀을 가변 지연 펄스발생기에 연결하여 전체적인 파암력을 향상시킬 수 있는 플라즈마 연속 제어 발파기에 관한 것이다.

플라즈마 파암(Plasma Blasting)은 펄스 파워에 의해 발생된 플라즈마를 이용하여 암석 등을 파암하는 것으로서 기존의 화약을 사용하던 방식을 대체할 수 있는 기술이다.

플라즈마 파암은 종래 화약을 사용하는 방법에 비하여 에너지 효율이 높고, 암석의 비산이 적고, 또한 소음이 상대적으로 적으며, 유해 기체 발생이 없어 높은 작업 효율과, 환경 친화적이라는 장점이 있다.

일반적으로 플라즈마 파암에 사용되는 전력 충격셀은 전해물질인 반응물, 반응물을 저장하는 절연된 카트리지, 반응물에 전기에너지를 전달하는 길이형상의 전극 등으로 구성되어, 먼저 파암하려는 암석 내에 천공을 하고 천공 내에 반응물을 포함한 카트리지를 장착한 전력 충격셀을 삽입한 후, 스위치를 통해 전류를 전극에 공급하면 카트리지내의 반응물은 대용량 커패시터에 충전된 에너지에 의하여 매우 짧은 시간 동안에 고온 고압의 플라즈마 상태가 되며 이때 발생하는 압력으로 암석을 파쇄시키게 된다.

그러나 이러한 종래의 기술에서는 카트리지내의 방전은 전해물질을 포함한 일부위치(전장의 강도가 가장 강한 곳)에서 일어나는데, 한 번 방전이 시작되면 저항이 급격하게 낮아져 이곳으로 대부분의 전류가 흐르게 되어 전기에너지의 반응은 국부적일 수밖에 없으므로 전체 반응물 가운데 효과적으로 반응에 기여하는 전해물질의 양이 제한되는 결과가 되어 플라즈마 제어 발파기의 효율이 저하되는 문제점을 가지고 있었다.

이러한 단점을 개선하여 제안된 기술이 도 1의 특허 제308081호의 플라즈마 파암용 전력 충격셀이다.

이 특허에서의 전력 충격셀은 종래 일체형으로 연결되어 있던 전극을 다수개의 분리된 조각도체(5)와, 상기 분리된 도체 사이에 부도체로 된 절연간극(4)을 연결시켜 구성하고(Multi-point Arc Gap, 이하에서는 다점 아크 갭이라 칭한다), 상기 전극과 전해물질(3)이 채워진 카트리지(2)를 포함한다.

이러한 구성의 전력 충격셀(1)에 전원(8)으로부터 전기에너지가 충전되어 있는 커패시터(7)를 스위치(6) 조작에 의해 방전시키게 되면 도체 축상 반응물의 여러 지점에서 동시 점화가 가능하게 하여 충격력의 비약적인 증대를 가능하게 하였다.

상기 특허가 비록 종래 전력 충격셀보다 다점 발화를 유도시켜 충격력의 증대를 가져오기는 하였으나, 점화를 위해서는 높은 전기 출력이 필요로 하여 저인덕턴스 및 대용량의 커패시터가 필수적이었으며, 스위치 또한 대 출력과 긴 펄스에 사용할 수 있어야 하므로 전체적인 발화장비의 중량이 커지는 단점, 즉 종래 전력 충격셀이 가지고 있는 한계를 여전히 가지고 있었다.

더욱이 파쇄하려는 양이 상대적으로 많은 경우에는 다량의 전해물질과 높은 전기 출력으로 단발발파를 하거나, 복수 개의 전력 충격셀을 사용하여 다발발파를 하는 수밖에 없어 파암에 막대한 에너지가 필요로 하였다. 특히, 후자의 경우에는 단순히 복수 개의 전력 충격셀을 연결하여 파암량을 산술적으로 더하는 효과밖에 가질 수 없어 동시 다발발파의 이점을 살리지 못하는 단점이 있었다.

본 고안의 목적은 상기와 같이 종래 기술이 가지는 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 전력 충격셀의 점화 및 플라즈마 발생의 문턱 출력값을 낮추어 낮은 전원으로도 가동이 가능한 플라즈마 연속 제어 발파기의 제공에 있다.

본 고안의 다른 목적은 전력 충격셀의 동시 다발발파를 가변 연속적으로 제어할 수 있도록 하여 지반을 통한 충격파 진폭의 전달은 적으면서 전체 파암량은 획기적으로 증대시킬 수 플라즈마 연속 제어 발파기를 제공함에 있다.

본 고안의 또 다른 목적은 전자파 노이즈가 높은 지역에서도 정밀하게 작동될 수 있는 플라즈마 연속 제어 발파기의 제공에 있다.

도 1은 종래 전력 충격셀의 단면구조와 그 설치상태를 나타내는 도면.

도 2는 본 고안에 따른 전력 충격셀의 단면구조와 그 설치상태를 보여주는 일 실시예를 나타낸 도면.

도 3은 본 고안에 따른 전력 충격셀의 단면구조와 그 설치상태를 보여주는 다른 실시예를 나타낸 도면.

도 4는 본 고안에 따른 연속적인 플라즈마 제어 발파기의 구성을 나타내는 도면.

도 5는 도 4의 펄스 발생기의 작동 구성을 나타내는 도면.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명＞

1, 10 : 전력 충격셀 2, 20 : 카트리지

3, 22 : 전해물질 4, 37 : 절연간극

5, 38 : 조각도체 6, 40 : 스위치

7, 50 : 커패시터 8, 60 ; 전원

30 : 파이프 32 : 환원성 산화물

34 : 도체파이프 36 : 금속세선

70 : 펄스 발생부 77, 78 : 입력 신호

상기 목적을 달성하기 위해서 본 고안은, 전원과, 상기 전원으로부터의 전기에너지가 충전되는 커패시터와, 상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 방출시키는 스위치와, 상기 스위치에 의해 상기 커패시터에 저장된 전기에너지가 인가되는 전력발화용 전극과, 상기 전력발화용 전극을 수용하고 환원성 산화물로 채워진 파이프와, 상기 파이프를 수용하고 전해물질로 채워져 밀폐된 카트리지와, 상기 카트리지의 양단에 위치하여 상기 전력발화용 전극의 양단을 내부에 수용하는 한 쌍의 도체파이프를 가지는 전력 충격셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 전력발화용 전극은 금속세선 또는 다점 아크 갭 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스위치에 연결되어 스위치를 작동시키기 위한 펄스를 발생시키는 펄스 발생기를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱이 상기 펄스 발생기의 신호 전달 및 검출은 유리섬유, 광 발생 다이오드 및 광 검출기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

나아가 본 고안은 각각이 커패시터와, 전력 충격셀과, 스위치로 구성되어 서로 연결된 복수 개의 단위 충격셀과, 상기 각 단위 충격셀의 커패시터에 연결되어 전기에너지를 충전시키는 전원과, 상기 각 단위 충격셀의 스위치에 각각 연결되어 각 스위치를 순차적으로 작동시키기 위해 지연된 펄스를 발생시키는 복수개의 펄스 발생기를 포함하여 상기 복수개의 펄스 발생기에서 발생되는 순차적으로 지연된 펄스가 상기 각 스위치를 작동시켜 연결된 각 전력 충격셀을 연속적으로 발화시키는것을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하 본 고안의 바람직한 실시예의 구성 및 작동에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 고안에 따른 전력 충격셀의 단면구조와 그 설치상태에 대한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.

먼저, 전력 충격셀(10)의 구성은, 중심축상에 위치한 발화용 금속세선(36)과, 상기 금속세선(36)을 수용하며 내부에 환원성 산화물(32)로 채워진 파이프(30)와, 상기 파이프(30)를 수용하며 전해물질(22)로 채워져 절연체로 밀폐된 카트리지(20)와, 상기 카트리지(20)의 양단에 위치하여 상기 전력발화용 금속세선(36)의 양단을 내부에 수용하는 한 쌍의 도체파이프(34)로 이루어져 있다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 고안에 따른 전력 충격셀의 작동을 상세하게 설명한다.

먼저 전원(60)으로부터 커패시터(50)에 전기에너지를 충전시키고, 스위치(40)를 작동시키면 상기 커패시터(50)에서 전선을 통해 금속세선(36)으로 전기에너지가 방전되어 상기 금속세선(36)이 증발되는데, 상기 금속세선(36)의 증발에너지는 W ＝ cm(T₂- T₁)(c는 금속비열, m은 금속질량, T₁은 상온, T₂는 금속비점온도)이고, 상기 커패시터(40)에 충전되는 전기에너지는 W ＝ ½CV²이므로 상기 금속세선(36)의 증발에 필요한 전기에너지는 전극으로서 사용되어지는 금속의 비열이 낮을수록, 질량이 적을수록 적어진다.

즉, 커패시터(50)에 충전시켜야 되는 전기에너지의 양은 사용되는 금속에 따라서 다양하게 선택될 수 있으므로 낮은 비열을 가지는 얇은 두께의 금속세선을 사용하면 그만큼 투입되는 전기에너지의 양도 적어질 수가 있게 되는 것이다.

일단 상기 금속세선(36)이 투입된 전기에너지에 의하여 증발이 되면, 상기 증발된 금속원자들은 금속세선(36) 주위에 채워져 있는 환원성 산화물(32)을 환원시키게 된다.

상기 환원성 산화물(32)의 환원반응에 의하여 방출되는 에너지는 환원성 산화물 자신이 환원될 때 필요한 에너지 보다 훨씬 더 많으며, 이러한 많은 방출 에너지는 상기 환원성 산화물(32)을 수용하는 파이프(30)와, 상기 파이프(30)를 수용하는 카트리지(20)내의 전해물질(22)로 전달되어 상기 전해물질(22)을 발화시켜 암반 등을 파쇄하게 되는 것이다.

상기 전해물질(22)은 펄스 펄스강도를 최대로 하기 위해서 금속가루, 산화물 가루 및 소량의 저온 산화제 가루를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않으며, 상기 환원성 산화물(32)에는 다양한 종류가 있을 수 있으나 물 등과 같이 쉽게 산화되며, 온도가 낮을수록 바람직하다.

또한, 상기 환원성 산화물(32)로 채워지는 파이프(30)는 제조가 편리하며 외부의 전해물질과의 반응을 위하여 얇은 플라스틱 재질이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.

도 3은 본 고안에 따른 전력 충격셀의 단면구조와 그 설치상태를 보여주는 다른 실시예를 나타내고 있다.

이 실시예에서는 전력 충격셀(10)의 발화용 전극을 다수개의 조각도체(38)와 상기 다수개의 조각도체 사이의 갭에는 대략 수 ㎜ 정도의 MC나일론 또는 나무와 같은 부도체의 절연간극(37)을 상호 순차적으로 연결한 다점 아크 갭을 채택하여 구성하고 있으며, 상기 발화용 전극 이외의 전력 충격셀 구성 및 그 설치상태 등은 상기 도 2의 구성과 동일하다.

상기와 같은 구성을 가지는 전력 충격셀(10)은, 스위치(40)를 작동시키면 충전된 커패시터(50)로부터 인가되는 전기에너지가 첫 번째와, 두 번째 도체사이에서 방전되고, 연이어서 두 번째와 세 번째, 그리고 다음의 도체 쌍에서 연이어 방전이 일어나 도 1의 작동과 동일하게 1차로 환원성 산화물(32)이, 2차로 전해물질(22) 발화하여 파암을 하게 된다.

상기 각 도체 쌍 사이의 순차적인 방전에 있어서 시간지연은 전체 반응시간에 비하여 무시할 수 있을 정도로 작으므로 각 갭에서 동시에 방전이 일어난다고 보아도 무방하며, 균일한 방전을 유도하기 위하여 인덕터 등이 부가될 수 있음은 물론이다.

특히 이 실시예는 축 방향의 여러 지점에서 동시에 점화가 가능하여 반응물질의 완전한 발화를 가능하게 하며, 각 충격파의 중첩에 의하여 충격력을 보다 높일 수 있는 이점이 있다.

도 2, 도 3의 실시예에는 가변적으로 지연된 펄스를 발생시켜 스위치를 작동시키는 펄스 발생기를 더욱 포함할 수 있다.

상기 펄스 발생기가 본 고안에 따른 플라즈마 연속 제어 발파기에 연결되는 경우에는 상기 펄스 발생기의 시작 버튼에 의해서 발생되는 펄스가 연결된 스위치를 작동시키고, 이에 따라 전력 충격셀이 발화시키게 되는데, 이러한 펄스 발생기를 사용하면 1번에 수 백 회의 연속적인 펄스, 즉 지연 펄스의 발생이 가능하여 연속적인 다발발파에 더욱 유리하다.

이러한 펄스 발생기에서 발생되는 지연된 펄스를 이용한 연속적인 제어 발파에 대해서는 이하에서 상술한다.

한편, 펄스 발생기는 펄스 발생시 마다 고강도의 전자파가 발생되어 펄스 발생의 제어를 방해할 수 있으므로 보다 정확하고 안전하게 플라즈마 발파기를 제어하기 위해서 상기 펄스 발생기에 출입되는 신호의 전달은 유리섬유, 광 발생다이오드, 광 검출기로 구성함이 바람직하다.

도 4는 본 고안에 따른 전력 충격셀 2개와 펄스 발생기를 이용한 연속적인 플라즈마 제어 발파기 구성에 대한 일 실시예이며, 도 5는 도 4의 펄스 발생부(70)의 내부 구성도 이다.

연속적인 플라즈마 제어 발파기는 본 고안에 따른 전력 충격셀(10A, 10B) 각각이 커패시터(50A, 50B)와, 게이트(40A, 40B), 그리고 전원(60) 및 펄스 발생부(70)에 연결되어 있으며, 상기 펄스 발생부(70)는 시작 버튼과, 발진기(72), 그리고 지연 펄스를 발생시켜 상기 각 게이트(40A, 40B)에 신호를 인가하는 펄스 발생기(76A, 76B)로 이루어진다.

상기와 같은 구성의 연속적인 플라즈마 제어 발파기의 작동은 다음과 같다.

전원(60)으로부터의 전기에너지가 각 커패시터(50A, 50B)에 충전되고 난 이후에 펄스 발생부(70)의 시작 버튼을 누르면 발진기(72)가 작동된다.

상기 발진기(72)의 신호(74)는 각 지연 펄스 발생기(76A, 76B)로 입력되고, 상기 각 지연 펄스 발생기(76A, 76B)는 순차적으로 게이트(40A, 40B)에 신호가 전달된다.

여기에서 첫 번째 게이트(40A)에 전달되는 신호는 t(77)이고, 두 번째 게이트(40B)에 전달되는 신호는 t + △t(78)로서 두 번째 신호는 첫 번째 신호보다 △t시간만큼 지연되어 게이트에 전달되므로 커패시터(50A, 50B)에 충전된 각 전기에너지에 의한 방전, 즉 전력 충격셀(10A, 10B) 들은 △t시간만큼의 편차를 두고 발화되게 된다.

상기와 같이 동시 파암이 아닌 시간 편차를 두고 행하게 되면, 첫 번째 전력 충격셀(10A)의 발화에 의한 충격파와 연이어 발화되는 두 번째 전력 충격셀(10B) 충격파의 중첩효과를 이용할 수 있는데, 이는 보다 적은 에너지(전기에너지 및 전해물질 등)에 의해서도 전체적으로 충분하게 큰 파암력을 제공할 수 있기 때문이다.

비록 도 4에서는 2개의 전력 충격셀과, 2개의 펄스 발생기를 이용한 실시예를 상정하고 있으나, 파쇄대상 및 작업현장의 여건 등을 고려하여 적절하게 가감될 수 있음은 물론이다.

상기에서는 본 고안에 따른 바람직한 실시예를 한정하여 설명하였으나, 본 고안은 이에 한정되지 않으며 본 고안의 기술적인 사상의 범주내에서 다양한 변경이나 수정이 가능하며 이러한 변경이나 수정이 본 고안의 범위에 속한다는 것은 자명하다.

본 고안에 의하면, 전력 충격셀의 반응물질을 이원화하여 보다 낮은 에너지를 공급하여 1차 점화를 시키고, 이러한 1차 점화를 이용하여 보다 높은 파암력을 가지는 2차 점화를 시킴으로서 종래 보다 뛰어난 효율적 에너지 이용을 가능하게 해준다.

또한, 본 고안은 전극을 금속세선으로 하여 낮은 전기에너지로서도 증발이 가능하여 파암력의 감소 없이 전체적인 플라즈마 제어 발파기의 중량을 획기적으로 줄일 수 있다.

더욱이 본 고안은 전력 충격셀을 복수 개 연결하고 이의 작동을 가변 지연 펄스발생기를 이용하여 연속 발파를 제어 할 수 있게 함으로서 순차적인 충격파가 중첩되어 전체적인 파암력을 증진시킬 수 있는 효과를 가져, 보다 적은 에너지의 투입으로도 소망하는 파암력을 얻을 수 있으며, 암석 등의 비산을 현저히 줄일 수 있어 환경 친화적인 플라즈마 발파 시스템을 제공할 수 있다.

나아가 연속 제어 발파에 이용되는 펄스발생기에 광 다이오드, 광 트랜지스터 및 유리섬유 등을 채용함으로서 전자파 노이즈가 심한 지역에서도 안전하고 정밀한 발파가 가능하게 한다.

Claims (8)

1. 각각이 커패시터와, 전력 충격셀과, 스위치로 구성되어 서로 연결된 복수 개의 단위 충격셀과;

   상기 각 단위 충격셀의 커패시터에 연결되어 전기에너지를 충전시키는 전원과;

   상기 각 단위 충격셀의 스위치에 각각 연결되어 각 스위치를 순차적으로 작동시키기 위해 지연된 펄스를 발생시키는 복수개의 펄스 발생기

   를 포함하여 상기 복수개의 펄스 발생기에서 발생되는 순차적으로 지연된 펄스가 상기 각 스위치를 작동시켜 연결된 각 전력 충격셀을 연속적으로 발화시키는 플라즈마 연속 제어 발파기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전력 충격셀은

   상기 스위치에 의해 상기 커패시터에 저장된 전기에너지가 인가되는 전력발화용 전극과;

   상기 전력발화용 전극을 수용하고 환원성 산화물로 채워진 파이프와;

   상기 파이프를 수용하고 전해물질로 채워져 밀폐된 카트리지와;

   상기 카트리지의 양단에 위치하여 상기 전력발화용 전극의 양단을 내부에 수용하는 한 쌍의 도체파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 연속 제어 발파기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 전력발화용 전극은 금속세선 또는 다점 아크 갭 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 연속 제어 발파기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 펄스 발생기의 신호 전달 및 검출은 유리섬유, 광 발생 다이오드 및 광 검출기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 연속 제어 발파기.
5. 전원과;

   상기 전원으로부터의 전기에너지가 충전되는 커패시터와;

   상기 커패시터에 저장된 전기에너지를 방출시키는 스위치와;

   상기 스위치에 의해 상기 커패시터에 저장된 전기에너지가 인가되는 전력발화용 전극과, 상기 전력발화용 전극을 수용하고 환원성 산화물로 채워진 파이프와, 상기 파이프를 수용하고 전해물질로 채워져 밀폐된 카트리지와, 상기 카트리지의 양단에 위치하여 상기 전력발화용 전극의 양단을 내부에 수용하는 한 쌍의 도체파이프를 가지는 전력 충격셀

   을 포함하는 플라즈마 연속 제어 발파기.
6. 제5항에 있어서,

   상기 전력발화용 전극은 금속세선 또는 다점 아크 갭 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 연속 제어 발파기.
7. 제5항에 있어서,

   상기 스위치에 연결되어 스위치를 작동시키기 위한 펄스를 발생시키는 펄스 발생기를 더욱 포함하는 플라즈마 연속 제어 연속 제어 발파기.
8. 제7항에 있어서,

   상기 펄스 발생기의 신호 전달 및 검출은 유리섬유, 광 다이오드 및 광 검출기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 연속 제어 발파기.