KR20060047084A - 플라즈마 방전을 이용한 폭발장치 - Google Patents

플라즈마 방전을 이용한 폭발장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 방전을 이용한 폭발장치에 관한 것으로서, 내부에 소정의 액체를 기밀되도록 수용하는 캡슐(10)과; 상기 캡슐(10)의 액체에 잠긴 기폭와이어(21)에 일단이 연결되고, 타단이 상기 캡슐(10)의 외부로 연장되는 케이블(20)과; 그리고 터미널(31)을 통하여 입력되는 외부의 교류전원을 직류전원으로 변환하여 그 상태를 램프(32) 및 전압계(33)에 표시하고, 푸시버튼(34)의 작동으로 상기 케이블(20)에 고전압 에너지가 인가되도록 하는 컨트롤러(30)를 포함하여 액체내부에서 플라즈마 방전이 이루어지는 것을 특징으로 함에 따라, 충전된 전기 에너지를 순간적으로 방출하여 충격파에 의한 고압을 발생함으로써 다양한 산업분야에서 폭발수단으로 용이하게 적용되도록 하는데 있다.
폭발장치, 플라즈마 방전, 액체 캡슐

Description

플라즈마 방전을 이용한 폭발장치{Exploding apparatus using plasma discharge}
도 1은 종래의 폭발장치에 대한 일예를 개략적으로 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 폭발장치의 주요부를 개략적으로 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 폭발장치의 작동을 위한 전체적인 회로 구성도.
도 4a 내지 도 4e는 폭발이 진행되는 과정을 압력분포 선도와 함께 순차적으로 나타내는 모식도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 캡슐 11 : 액체
20 : 케이블 21 : 기폭와이어
30 : 컨트롤러 31 : 터미널
32 : 램프 33 : 전압계
34 : 푸시버튼 35 : 트랜스포머
36 : 스파크갭
본 발명은 플라즈마 방전을 이용한 폭발장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 충전된 전기에너지를 순간적으로 방출하여 충격파에 의한 고압을 액체내부에서 발생하게 함으로써 다양한 산업분야에서 간편한 폭발수단으로 용이하게 적용되도록 하는 플라즈마 방전을 이용한 폭발장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 폭발장치에 대한 일예를 개략적으로 나타내는 구성도가 도시된다.
상기 구성을 살펴보면, 부호 (1)은 기폭용 스파크를 발생하기 위한 전원이고, 부호 (2)는 전기 에너지를 축척하기 위한 캐패시터이고, 부호 (3)은 저항이고, 부호 (4)는 기폭을 수행하기 위한 스위치이고, 부호 (5)는 폭발용 컴파운드를 수용하는 캡슐이다.
이에 따라 적절한 DC 전원(1)을 연결한 후 스위치(4)를 온하면 캐패시터(2)에 전하가 충전 및 방전되면서 캡슐(5)내의 컴파운드를 점화하여 폭발력을 발생하게 된다. 통상 컴파운드에 의한 폭발 에너지는 캐패시터(2)에 저장되는 에너지의 10배 이상이 된다.
그러나 이와같은 구성에 의하면 소자가 많이 소요되기때문에 폭발하는데까지 시간이 많이 걸리게 된다. 따라서 에너지의 저장 및 플라즈마의 생성을 위한 에너지의 입력을 충분히 신속하게 수용할 수 없어 플라즈마가 형성될 폭발요소가 성공적이지 못하며 플라즈마 폭발일의 전체적인 효율이 대략 15％를 넘지 않게 되는 단점을 지닌다.
그러므로 본 발명은 상기의 단점을 해소하기 위한 것으로서, 충전된 전기 에너지를 순간적으로 방출하여 충격파에 의한 고압을 액체내부에서 발생하게 함으로써 다양한 산업분야에서 간편한 폭발수단으로 용이하게 적용되도록 하는 플라즈마 방전을 이용한 폭발장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 내부에 소정의 액체, 예를 들어 비압축성 액체 특히 물이 기밀되도록 수용하는 캡슐(10)과, 상기 캡슐(10)의 액체에 잠긴 기폭와이어(21)에 일단이 연결되고, 타단이 상기 캡슐(10)의 외부로 연장되는 케이블(20)과, 그리고 터미널(31)을 통하여 입력되는 외부의 교류전원을 직류전원으로 변환하여 그 상태를 램프(32) 및 전압계(33)에 표시하고, 푸시버튼(34)의 작동으로 상기 케이블(20)에 고전압 에너지가 인가되도록 하는 컨트롤러(30)를 포함하여 액체내부에서 순간적인 폭발이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이때 상기 케이블(20)의 기폭와이어(21)는 전도성이 있는 금속선을 사용한다.
또한 상기 컨트롤러(30)는 일측의 직류전원(31a)이 제 1캐패시터(C1), 푸시버튼(34), 트랜스포머(35), 제 2캐패시터(C2)를 개재(介在)하여 스파크갭(36) 측으로 연결되고, 타측의 직류전원(31a)이 제 3캐패시터(C3), 기폭와이어(21)를 개재하여 스파크갭(36) 측으로 연결된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본발명에 따른 폭발장치의 주요부를 개략적으로 나타내는 구성도가 도시된다.
본 발명에 따른 캡슐(10)은 내부에 소정의 액체, 예를 들어 비압축성 액체 특히 물이 기밀되도록 수용하는 구성을 지닌다. 상기 캡슐(10)의 내부에 충전되는 물질로서 액체(11)를 사용하기 때문에 캡슐(10)의 재질도 금속이든 비금속이든 무방하다. 상기 캡슐(10)의 크기와 형상은 폭발력을 필요로 하는 현장의 조건에 따라 다양화 할 수 있다. 본 발명은 종래의 컴파운드 대신 물과 같은 비압축성 액체(11)를 사용함으로써 경제적이고 안전하다.
또, 본 발명에 따르면 상기 캡슐(10)의 액체(11)에 잠긴 기폭와이어(21)에 케이블(20)의 일단이 연결된다. 상기 케이블(20)은 폭발현장의 조건이나 거리에 따라 다양한 것으로 교체 가능하도록 착탈 가능한 방식으로 연결된다.
이때 상기 케이블(20)의 기폭와이어(21)는 전도성이 있는 금속선으로 예를들면 직경 50×10－6m 정도이고 길이 0.01m 정도의 구리선을 사용한다. 이때 상기 기폭와이어(21)의 종류 및 직경과 길이는 작업현장에서 요구되는 폭발력에 따라 적절히 조절하면 된다. 그리고 기폭와이어(21)의 전도성이 있는 금속선을 구리로 사용할 경우에는 구리의 녹는점(Tm) 1385K, 끓는점(Tb) 2595K, 열용량 400J/KgK을 고려하여 이와 비슷한 다른 종류의 전도성이 있는 금속선을 사용하는 것도 가능하 다. 또한 상기 기폭와이어(21)를 지지하는 부분에는 구리보다 녹는점이 훨씬 높은 금속선을 사용하여 방전을 위한 간극이 유지되도록 한다.
또, 본 발명에 따른 컨트롤러(30)는 터미널(31)을 통하여 입력되는 외부의 교류전원을 직류전원으로 변환하고 푸시버튼(34)의 작동으로 상기 케이블(20)에 직류전원에 의한 고전압 에너지가 인가되도록 한다. 상기 컨트롤러(30)내에서 변환되는 직류전원은 램프(32) 및 전압계(33)로 표시하여 작동을 위한 상태가 되었는지 확인할 수 있도록 한다.
그리고 도 3은 본 발명에 따른 폭발장치의 작동을 위한 전체적인 회로 구성도가 도시된다.
본 발명의 컨트롤러(30)는 일측의 직류전원(31a)이 제 1캐패시터(C1), 푸시버튼(34), 트랜스포머(35), 제 2캐패시터(C2)를 개재하여 스파크갭(36) 측으로 연결되고, 타측의 직류전원(31a)이 제 3캐패시터(C3), 기폭와이어(21)를 개재하여 스파크갭(36) 측으로 연결된다.
좀더 구체적으로 설명하면 트랜스포머(35)의 입력측, 제 1캐패시터(C1), 램프(32)는 상호 병렬로 좌측의 직류전원(31a)에 연결하고 푸시버튼(34)은 트랜스포머(35)와 직렬로 연결한다. 상기 트랜스포머(35)의 출력측은 제 2캐패시터(C2)를 통해 스파크갭(36)에 연결되도록 한다. 그리고 스파크갭(36), 제 3캐패시터(C3), 전압계(33)는 상호 병렬로 우측의 직류전원(31b)에 연결하고, 기폭와이어(21)는 스파크갭(36)과 직렬로 연결한다.
본 발명의 실험을 위해 직류전원(31a)(31b)은 약 3000V 정도로 하되 우측의 직류전원(31b)은 500V까지 가변할 수 있도록 한다. 폭발을 위한 방전 에너지의 주저장소인 제 3캐패시터(C3)는 1μF, 3000V의 용량으로 하고, 보조 저장소인 제 1캐패시터(C1) 및 제 2캐패시터(C2)는 0.51μF, 3000V의 용량으로 한다.
이와 같이 하여 제 1캐패시터(C1) 및 제 3캐패시터(C3)가 각각의 직류전원(31a)(31b)에 의해 충전되고 램프(32) 및 전압계(33)를 통하여 준비가 완료된 상태를 확인 할 수 있다. 이후 푸시버튼(34)이 눌러지면 제 1캐패시터(C1)의 에너지가 트랜스포머(35), 제 2캐패시터(C2)를 통과하여 스파크갭(36)의 점화전극에 12000V의 펄스를 형성한다. 스파크갭(36)이 전도되는 순간 제 3캐패시터(C3)의 전하가 기폭와이어(21)로 유압되고 방전을 유발한다.
또한 도 4a 내지 도 4e는 폭발이 진행되는 과정을 압력분포 선도와 함께 순차적으로 나타내는 도식도가 도시된다.
도 4a에서 기폭와이어(21)의 온도가 상승하여 녹는점까지 도달하고, 도 4b에서 기폭와이어(21)가 녹음과 동시에 방전이 형성되고 충격파가 발생되기 시작하고, 도 4c에서 플라즈마 채널과 함께 방전거리가 나타나고 주된 전기 에너지가 방전 플라즈마 채널 내로 전달되면서 충격파(W′)는 진폭의 감소 없이 전달된다. 이때의 압력분포는 도시한 것처럼 충격파(W′) 내에서 균일하다.
도 4d에서 방전이 종료되는데 충격파 전면에 도달하지 못하는 희박한 파동이 중심에서 나타나 전파되기 시작할 때 충격파(W″)는 더욱 확산된다. 이때의 압력분포는 충격파(W′)의 중심부에서 가장 높고 주변으로 갈수록 낮아진다. 도 4e에서 희박한 파동이 약화되고 전체적인 압력분포도 감소한다.
하기의 표 1은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 본 발명에 따른 장치를 실험한 결과로서 u는 충격파 전면에서의 액체(물)의 속도, E는 충격파와 플라즈마 채널에 축척되는 에너지, pmax는 충격파내의 압력, d는 충격파 전면과 폭발 중심, 즉 기폭와이어(21)의 중심과의 거리를 나타낸다. 표 1에서 알 수 있는 것처럼 충격파는 짧은 거리에서 높은 폭발 에너지와 압력을 형성한다.
이와 같은 본 발명의 장치를 사용하면 소형으로 이동성이 양호하면서 50％이상의 고효율을 달성할 수 있고 어떠한 환경 생태학적인 문제를 유발하지 않으며 폭발에 따른 소음도 작아 공해를 유발하지 않는다.
u(m/s) E(J) pmax(atm) d(mm)
1.0 0.58 16.87 8.2
5.0 3,03 82.83 8.3
7.0 4.32 116.21 8.3
10.0 6.31 166.23 8.3
15.0 9.82 251.42 8.33
20.0 13.62 337.14 8.43
40.0 31.53 689.81 8.56
70.0 68.03 1247.81 8.90

이상의 구성 및 작용을 지니는 본 발명의 플라즈마 방전을 이용한 폭발장치는 충전된 전기 에너지를 순간적으로 방출하여 충격파에 의한 고압을 발생함으로써 다양한 산업분야에서 간편한 폭발수단으로 용이하게 적용되도록 하는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 내부에 소정의 액체(11)를 기밀되도록 수용하는 캡슐(10);
    상기 캡슐(10)의 액체에 잠긴 기폭와이어(21)에 일단이 연결되고, 타단이 상기 캡슐(10)의 외부로 연결되는 케이블(20); 그리고 터미널(31)을 통하여 입력되는 외부의 교류전원을 직류전원으로 변환하여 그 상태를 램프(32) 및 전압계(33)에 표시하고, 푸시버튼(34)의 작동으로 상기 케이블(20)에 고전압 에너지가 인가되도록 하는 컨트롤러(30)를 포함하여 액체내부에서 순간적인 폭발이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 이용한 폭발장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이블(20)의 기폭와이어(21)는 전도성이 있는 금속선을 사용하여 액체내부에서 순간적인 폭발이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 이용한 폭발장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 일측의 직류전원(31a)이 제 1캐패시터(C1), 푸시버튼(34), 트랜스포머(35), 제 2캐패시터(C2)를 개재하여 스파크갭(36) 측으로 연결되고, 타측의 직류전원(31a)이 제 3캐패시터(C3), 기폭와이어(21)를 개재하여 스파크갭(36) 측으로 연결되어 액체내부에서 순간적인 폭발이 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방 전을 이용한 폭발장치.
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