KR20050006583A - 진공 갭 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 진공 갭 스위치는 하나의 주전극(13), 트리거 전극(15)이 조립된 다른 주전극(14), 한 쌍의 원통형 진공용 전기 절연통(16) 및 그에 조립된 응축 실드(17)로 이루어지는 진공 갭 스위치에 있어서, 상기 주전극(13, 14)이 반구형 주전극(13a, 14a) 또는 평판형 주전극(13b, 14b)으로 이루어지고, 상기 주전극(14a)의 중앙에 트리거 전극(15a)이 설치되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따른 진공 갭 스위치는 하나의 반구형 주전극(13a) 또는 평판형 주전극(13b), 트리거 전극(15a)이 중앙에 조립된 다른 주전극(14a 또는 14b), 하나의 원통형 진공용 전기 절연통(16a), 및 상기 주전극(13a)과 동일한 전위를 갖는 위치에 고정된 응축 실드(17a)로 구성되는 것을 특징으로 한다. 나아가, 상기 주전극(13, 13a, 13b)의 상부에 설치되는 진공 기밀용 주름관(40)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

진공 갭 스위치{Vacuum Gap Switch}

발명의 분야

본 발명은 펄스파워(고전압, 대전류)를 필요로 하는 시스템에서 펄스파워의 공급이 단속되는 스위치에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 펄스 파워의 공급이 진공 상태에서 단속되는 진공 갭 스위치에 관한 것이다.

발명의 배경

펄스파워는 고전압, 대전류의 전기에너지를 말하는 것으로서, 토목공사의 파암설비. 펄스프라즈마를 이용하는 핵융합 펄스 전원설비, 대용량 펄스용접기, 펄스레이저장비, 광원 시스템, 의료기기, 전기집진기나 탈황, 탈진처리장치, 전열추진장치, 나노분말 제조 장치 등의 시스템에서 필요하다. 이러한 시스템에서는 전기에너지를 저장하였다가 한 순간에 방출하는데, 이때 펄스파워의 공급을 단속하는 스위치가 필요하다. 특히 진공상태에서 펄스파워의 공급을 단속하는 진공 갭 스위치가 사용되고 있다.

제1도는 진공 갭 스위치가 사용되는 펄스파워를 필요로 하는 시스템에 대한 개략도이다. 교류전원(9)은 정류기(8)를 통하여 직류로 바뀌고, 충전용 스위치(7)에 의해서 전기에너지 충전장치인 콘덴서(4)에 직류전기에너지로 충전된다. 원하는 전기에너지가 충전되었을 경우, 진공 갭 스위치(1)를 단락시켜서 펄스파워를 펄스파워 이용장치(2)로 한 순간에 방출시킨다. 즉, 펄스 발생장치(3)에 의해서 발생된고전압 펄스가 진공 갭 스위치 내의 트리거 전극(15) 및 주전극(13)에 인가됨으로써, 진공 갭 스위치의 동작이 이루어져, 콘덴서(4)에 저장된 전기에너지가 통전되는 것이다.

제2도는 종래의 진공 갭 스위치의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이고, 제3도는 종래의 진공 갭 스위치에서 트리거 갭(trigger gap)이 설치된 주전극의 도면으로, (A)는 평면도이고, (B)는 종 단면도이다. 제3도에 도시된 바와 같이, 종래기술의 주전극(13, 14)은 상부 주전극(13)과 하부 주전극(14)이 서로 마주보는 형태로 면 대칭성을 갖도록 배치된다. 그리고 주전극(13, 14)의 형상은 복잡한 나선형이기 때문에, 가공이 어렵고 가격이 비싸 성능에 비해 경제성이 낮아지는 문제점이 있다.

또한, 종래의 트리거 전극(15) 및 주전극(13, 14)에서는 트리거시 트리거 전극에 수십 kV 정도의 전압이 인가되어야 비로소 주전극 간에 절연파괴가 일어나 전기에너지가 통전되는 문제점이 있다. 한편, 인가 전압이 수십 kV로 높은 경우에는 종래의 진공 갭 스위치에는 진공용 전기 절연통(16)이 상·하 2 개 설치되고 절연통의 중간에 각각 응축실드(17)가 장착됨으로써, 진공 갭 스위치의 외경이 작게 된다. 그러나, 인가 전압이 수 kV로 낮은 경우에는 진공용 전기 절연통 및 응축 실드가 2 개까지는 필요하지 않으므로, 종래의 진공 갭 스위치처럼 진공용 전기 절연통 및 응축 실드가 각각 2 개 가 설치된다면, 오히려 재료비, 가공비 등의 원가가 상승되는 문제점이 생긴다.

나아가 종래의 진공 갭 스위치처럼 주전극(13, 14)이 고정되어 있을 경우,인가 전압 및 전류는 진공 갭 스위치의 2 개의 주전극의 간격에 의하여 정해지는데 그 간격이 고정되어 있으므로, 진공 갭 스위치를 일정한 범위 내에서만 사용해야 하는 문제점이 생긴다.

따라서 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점들을 극복하기 위하여, 진공 갭 스위치에 반구형 또는 평판형의 주전극, 1개의 진공용 전기 절연통 및 응축 실드, 및 주전극의 위치를 조절하는 부재를 포함시킴으로써, 가공성이 좋고 비용이 저렴하고 인가 전압이 크기가 낮고 인가 전압의 허용범위가 넓은 진공 갭 스위치를 완성하기에 이른 것이다.

본 발명의 목적은 가공성이 좋아 제조 공정이 단순한 진공 갭 스위치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 트리거 전극에 인가되는 전압의 크기가 낮은 진공 갭 스위치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 트리거 전극에 인가되는 전압의 허용범위가 넓은 진공 갭 스위치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 비용이 저렴한 진공 갭 스위치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

제1도는 펄스파워(pulse power)를 필요로 하는 시스템의 개략적인 구성도이다.

제2도는 종래의 진공 갭 스위치의 구성을 나타내는 개략적인 단면도이다.

제3도는 종래의 진공 갭 스위치에서 트리거 갭(trigger gap)이 설치된 주전극의 도면으로, (A)는 평면도이고, (B)는 종 단면도이다.

제4도는 본 발명에 따른 반구형 주전극의 전류투입 및 소호원리를 나타내는 개략적인 도면이다.

제5도는 제4도의 반구형 주전극으로, (A)는 평면도이고 (B)는 종 단면도이다.

제6도는 본 발명에 따른 다른 구체예의 반구형 주전극으로, 다른 형상의 트리거 전극을 도시하는 도면이다.

제7도는 본 발명에 따른 평판형 주전극의 개략적인 도면이다.

제8도는 제7도의 평판형 주전극으로, (A)는 평면도이고 (B)는 종단면도이다.

제9도는 본 발명에 따른 한 구체예의 진공 갭 스위치의 개략적인 단면도이다.

제10도는 본 발명에 따른 다른 구체예의 진공 갭 스위치의 개략적인 단면도이다.

제11도는 본 발명에 따른 또 다른 구체예의 진공 갭 스위치의 개략적인 단면도이다.

* 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 *

1 : 진공 갭 스위치 2 : 펄스파워 이용장치

3 : 펄스 발생장치 4 : 콘덴서

7 : 스위치 8 : 정류기

9 : 교류전원 11, 12 : 주전극 단자

13, 14 : 주전극 15 : 트리거 전극

16 : 진공용 전기 절연통 17 : 응축 실드

18 : 부싱(bushing) 19 : 절연재

20 : 진공영역 21 : 트리거 아크

22, 23 : 주전류 아크 30 : 트리거 단부

40 : 진공기밀용 주름관(Bellows) 41 : 주전극 거리조절 손잡이

42 : 주전극 거리측정 눈금자 43 : 주전극 거리측정 기준 눈금

발명의 요약

본 발명에 따른 진공 갭 스위치는 하나의 주전극(13), 트리거 전극(15)이 조립된 다른 주전극(14), 한 쌍의 원통형 진공용 전기 절연통(16) 및 그에 조립된 응축 실드(17)로 이루어지는 진공 갭 스위치에 있어서, 상기 주전극(13, 14)이 반구형 주전극(13a, 14a)으로 이루어지고, 상기 주전극(14a)의 중앙에 트리거 전극(15a)이 설치되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 주전극은 평판형 주전극(13b, 14b)으로 이루어질 수도 있다.

본 발명에 따른 진공 갭 스위치는 하나의 반구형 주전극(13a), 트리거 전극(15a)이 중앙에 조립된 다른 주전극(14a), 하나의 원통형 진공용 전기 절연통(16a), 및 상기 주전극(13a)과 동일한 전위를 갖는 위치에 고정된 응축 실드(17a)로 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 주전극은 평판형 주전극(13b, 14b) 또는 로터리 아크형 주전극(13, 14)으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 진공 갭 스위치는 하나의 주전극(13), 트리거 전극(15)이 중앙에 조립된 다른 주전극(14), 하나의 원통형 진공용 전기 절연통(16a), 상기 주전극(13)과 동일한 전위를 갖는 위치에 고정된 응축 실드(17a), 및 상기 주전극(13)의 상부에 설치되는 진공 기밀용 주름관(40)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 진공 갭 스위치는 트리거 전극(15, 15a, 15b)이 역사다리꼴형상의 트리거 단부(30)를 갖는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.

발명의 구체예에 대한 상세한 설명

제4도는 본 발명에 따른 반구형 주전극의 전류투입 및 소호원리를 나타내는 개략적인 도면이고, 제5도는 제4도의 반구형 주전극으로, (A)는 평면도이고 (B)는 종 단면도이다. 종래의 진공 갭 스위치의 주전극이 복잡한 나선형인 것과는 달리, 본 발명에 따른 주전극은 반구형이고, 트리거 전극은 주전극의 중심을 관통하는 것이 특징이다. 반구형인 주전극은 구조가 단순하고 가공이 쉬어 경제성이 높다.

진공 갭 스위치의 동작원리를 살피면, 진공 갭 스위치 외부에 있는 트리거용 펄스 발생장치(3)로부터 발생된 고전압·대전류의 펄스파워가 트리거 전극(15)에 인가됨으로써 트리거 전극과 반구형 주전극(14a) 간에 트리거 아크(21)가 발생한다. 한 쌍의 주전극(13a, 14a) 간에는 고에너지의 전계가 걸려있으므로, 발생된 아크(21)에 의해서 절연파괴가 일어나 한 쌍의 주전극 간에 주전류 아크(22)가 발생한다. 수천∼수만 암페어인 주전류에 의하여 전자력이 발생하고, 이 전자력에 의하여 주전류 아크가 F 방향으로 이동하면서 주전류 아크(23) 길이가 길어진다. 주전류 아크의 길이가 길어지면 주전류 아크의 저항이 감소하므로 옴의 법칙(, 주전류 =)에 의하여 전류가 감소한다(이런 현상을 '한류'라 함). 한류현상이 발생하면 주전류아크는 작아지므로, 결국 한 쌍의 주전극 간에 주전류 아크가 소호되고 전류가 흐르지 않게 된다.

한 쌍의 주전극은 상·하 대칭의 마주보는 형태로 배치되어 있고, 하부 주전극(14a)에 연결되어 있는데, 주전극의 중심에 트리거 전극(15a)이 내장되는 것이 바람직하다. 트리거 전극은 한 쌍의 주전극 중 어느 하나에 연결되어 있으면 되고, 주전극의 형상에 관계없이 주전극의 중앙에 설치될 수 있다. 트리거 전극은 그 상부에서 절연재(19)를 사이에 두고 주전극에 조립된다. 또한 트리거 전극의 하부에는 부싱(18)이 조립된다. 진공 갭 스위치의 내부에는 진공영역(20)이 형성된다.

제6도는 본 발명에 따른 다른 구체예의 반구형 주전극으로, 다른 형상의 트리거 전극을 도시하는 도면이다. 트리거 전극의 단부가 역사다리꼴 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 평판형이나 로터리 아크형 등 주전극의 형상에 관계없이 역사다리꼴 형상의 트리거 전극 단부를 포함할 수 있다.

제5도의 봉 형상의 트리거 전극에 인가되는 전압이 10∼20 kV 정도인데, 이보다 낮은 인가 전압에서 트리거(점화)될 수 있도록 고안한 것이다. 트리거 전극이 역사다리꼴 형태로 칼날처럼 날카롭게 되어 있기 때문에, 주전극과 트리거 전극 간에 전계 강도가 강하게 형성된다. 따라서 10 kV 이하의 전압에서도 진공 중 절연 파괴가 원활히 이루어져 주전극과 트리거전극 간의 트리거 아크(21)가 발생하므로, 펄스 발생장치의 용량이 작아도 되고 에너지를 더 적게 이용해도 되는 것이고, 결국 경제성이 더 높아진다.

제7도는 본 발명에 따른 평판형 주전극의 개략적인 도면이고, 제8도는 제7도의 평판형 주전극으로, (A)는 평면도이고 (B)는 종단면도이다. 평판형 주전극은제4도 및 제5도의 반구형 주전극과 진공 갭 스위치에서의 동작원리, 구조, 배열 등이 동일하다. 다만, 가공성은 반구형 주전극보다 더 좋고, 비용도 더 저렴하다. 또한, 반구형 주전극과 마찬가지로, 평판형 주전극에 연결된 트리거 전극의 단부가 역사다리꼴형이어도 된다.

제9도는 본 발명에 따른 한 구체예의 진공 갭 스위치의 개략적인 단면도이다. 응축 실드는 전기 절연통에 연결되어 진공 갭 스위치의 동작시 발생하는 금속 공기로부터 전기 절연통의 내부 벽을 보호하는 기능을 한다.

제9도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 진공 갭 스위치의 진공용 전기 절연통과 응축실드는 1 개로 이루어져 있는 것이 특징이다. 이것은 제2도에서 도시한 종래의 진공 갭 스위치에 진공용 전기 절연통(15)이 2 개가 설치되고, 그 사이에 응축 실드(16) 2 개가 고정되도록 구성되어 있는 것과는 다르다. 진공용 전기 절연통은 1 개가 한 쌍의 주전극 및 트리거 전극을 동시에 감싸고, 응축 실드는 1 개가 한 쌍의 주전극 단자 중 어느 한 쪽 방향의 진공용 전기 절연통에 연결되어 한 쌍의 주전극 및 트리거 전극을 동시에 감싸는 것이 바람직하다. 즉, 1개의 응축 실드가 주전극과 동일한 전위를 갖는 위치에 고정되는 것이 바람직하다. 진공용 전기 절연통 및 응축실드가 1 개인 진공 갭 스위치의 주전극은 제9도에 도시된 반구형 주전극 뿐만 아니라, 로터리 아크(회전)형 등의 종래의 주전극과 평판형 주전극에도 적용될 수 있다.

진공 갭 스위치의 인가 전압이 높은 경우에는 종래와 같이 진공용 전기 절연통 2 개 사이에 응축 실드 2 개를 각각 연결시킴으로써, 전기 절연통의 내경 치수가 작아지고, 응축 실드 내경 치수도 작아지므로 진공 갭 스위치의 부피가 작아질 수 있다. 그러나, 인가 전압이 15 kV 이하일 경우에는 한 쌍의 주전극과 응축 실드의 전계 강도가 낮으므로 종래의 진공 갭 스위치인 제2도와 같이 진공용 전기 절연통 및 응축 실드를 각각 2개를 사용하는 것은 비경제적이고, 비효율적이다. 그러므로, 주전극 단자(11) 측과 동일 전위를 띠는 곳에 응축 실드를 고정시키고, 진공용 전기 절연통을 1 개만 사용하여 인가 전압에 알맞은 길이의 진공용 전기 절연통(24)을 사용하여, 재료비를 절감하고, 공정을 단순화시켜 인건비를 절감하는 효과를 갖는다.

나아가, 진공용 전기 절연통 및 응축실드가 각각 1개가 사용된 본 발명에서도 트리거 전극이 한 쌍의 주전극 중 어느 하나의 중심을 관통할 수도 있고, 트리거 전극의 단부가 역사다리꼴 형상일 수도 있다.

제10도는 본 발명에 따른 다른 구체예의 진공 갭 스위치의 개략적인 단면도이다. 한 쌍의 주전극 사이의 거리를 임의로 조절하는 경우, 인가 전압 및 전류 용량을 임의적으로 변화시킬 수 있는 장점이 있다.

제10도에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 진공 갭 스위치는 주전극 간의 간격이 조절 가능하도록 고안된 것이다. 구체적으로, 주전극의 상부에 설치되는 진공 기밀용 주름관을 따라 주전극을 이동시킬 수 있도록, 주전극의 부재에 손잡이(41)가 설치된다. 주전극에 연결된 부재의 단부에 눈금자(42)를 위치시켜 한 쌍의 주전극 사이의 거리를 측정한다. 또한, 주전극 부재에 평행하게 기준눈금(43)을 설치하여 부재의 이동 거리를 측정한다. 진공기밀용 주름관은 주전극을 이동시킬 뿐만 아니라, 주전극의 부재를 감싸고 있어서 진공 갭 스위치의 내부를 고진공(10^-6Torr 정도)으로 유지한다.

제11도는 본 발명에 따른 또 다른 구체예의 진공 갭 스위치의 개략적인 단면도이다. 진공 갭 스위치의 트리거 전극에 인가되는 전압이 높아야 되는 경우에는 진공용 전기 절연통 및 응축 실드를 각각 2개 사용하면서, 평판형인 한 쌍의 주전극을 이동시킬 수 있다. 나아가, 로터리 아크형 등 종래의 주전극과 반구형 주전극에도 적용될 수 있다.

본 발명은 가공성이 좋아 제조 공정이 단순하고, 인가 전압의 크기가 낮고, 비용이 저렴하고, 인가 전압의 허용범위가 넓은 진공 갭 스위치를 제공하는 효과가 있다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (12)

1. 하나의 주전극(13), 트리거 전극(15)이 조립된 다른 주전극(14), 한 쌍의 원통형 진공용 전기 절연통(16) 및 그에 조립된 응축 실드(17)로 이루어지는 진공 갭 스위치에 있어서,

   상기 주전극(13, 14)이 반구형 주전극(13a, 14a)으로 이루어지고, 상기 주전극(14a)의 중앙에 트리거 전극(15a)이 설치되는 것을 특징으로 하는 진공 갭 스위치.
2. 하나의 주전극(13), 트리거 전극(15)이 조립된 다른 주전극(14), 한 쌍의 원통형 진공용 전기 절연통(16) 및 그에 조립된 응축 실드(17)로 이루어지는 진공 갭 스위치에 있어서,

   상기 주전극(13, 14)이 평판형 주전극(13b, 14b)으로 이루어지고, 상기 주전극(14b)의 중앙에 트리거 전극(15a)이 설치되는 것을 특징으로 하는 진공 갭 스위치.
3. 하나의 반구형 주전극(13a);

   트리거 전극(15a)이 중앙에 조립된 다른 주전극(14a);

   하나의 원통형 진공용 전기 절연통(16a); 및

   상기 주전극(13a)과 동일한 전위를 갖는 위치에 고정된 응축 실드(17a);

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 진공 갭 스위치.
4. 제3항에 있어서, 상기 주전극(13a, 14a)이 평판형 주전극(13b, 14b) 또는 로터리 아크형 주전극(13, 14)인 것을 특징으로 하는 진공 갭 스위치.
5. 하나의 주전극(13);

   트리거 전극(15)이 중앙에 조립된 다른 주전극(14);

   하나의 원통형 진공용 전기 절연통(16a);

   상기 주전극(13)과 동일한 전위를 갖는 위치에 고정된 응축 실드(17a); 및

   상기 주전극(13)의 상부에 설치되는 진공 기밀용 주름관(40);

   으로 구성되는 것을 특징으로 하는 진공 갭 스위치.
6. 제5항에 있어서, 상기 주전극(13)이 상기 주름관(40)을 따라 이동할 수 있도록 주전극 거리조절 손잡이(41), 주전극 거리측정 눈금자(42), 및 주전극 거리측정 기준눈금(43)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 갭 스위치.
7. 제5항에 있어서, 상기 주전극(13, 14)이 반구형 주전극(13a, 14a), 평판형 주전극(13b, 14b), 또는 로터리 아크형 주전극(13, 14)인 것을 특징으로 하는 진공 갭 스위치.
8. 하나의 주전극(13);

   트리거 전극(15)이 중앙에 조립된 다른 주전극(14);

   한 쌍의 원통형 진공용 전기 절연통(16);

   상기 절연통(16) 사이에 고정된 응축 실드(17); 및

   상기 주전극(13)의 상부에 설치되는 진공 기밀용 주름관(40);

   으로 구성되는 것을 특징으로 하는 진공 갭 스위치.
9. 제8항에 있어서, 상기 주전극(13)이 상기 주름관(40)을 따라 이동할 수 있도록 주전극 거리조절 손잡이(41), 주전극 거리측정 눈금자(42), 및 주전극 거리측정 기준눈금(43)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 갭 스위치.
10. 제8항에 있어서, 상기 주전극(13, 14)이 반구형 주전극(13a, 14a), 평판형 주전극(13b, 14b), 또는 로터리 아크형 주전극(13, 14)인 것을 특징으로 하는 진공 갭 스위치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 트리거 전극(15, 15a, 15b)이 역사다리꼴 형상의 트리거 단부(30)를 갖는 것을 특징으로 하는 진공 갭 스위치.
12. 제11항의 진공 갭 스위치를 포함하는 펄스파워 시스템.