KR20080093377A - 융삭 플라즈마 건 - Google Patents

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Abstract

융삭 폴리머와 같은 융삭 재료(26)의 챔버(28)의 대향 단부에 두 개의 갭 전극을 갖는 플라즈마 건(20)에 관한 것이다. 상기 건은 융삭 플라즈마(34)를 초음속으로 방출한다. 발산형 노즐(30)은 아크 크로우바(70) 또는 고전압 전력 스위치와 같은 메인 아크 디바이스(50)의 전극 사이의 갭(58)을 충전하도록 플라즈마 제트를 확산시킨다. 플라즈마는 메인 전극 사이에 전도성 경로를 제공하도록 융삭 플라즈마(34)를 경유하여 메인 아크 갭(58)의 임피던스를 낮춤으로써 메인 아크 디바이스(50)를 촉발한다. 이는 이전의 아크 촉발보다 더 고속의 촉발을 제공하고 더 낮은 촉발 에너지를 필요로 한다. 이는 또한 이전에 가능했던 것보다 더 높은 전도성의 초기 메인 아크를 제공한다. 메인 아크의 초기 특성은 플라즈마 특성에 의해 제어 가능하고, 이 초기 특성은 또한 융삭 플라즈마 건의 설계 파라미터에 의해 제어 가능하다.
융삭 폴리머, 융삭 재료, 플라즈마 건, 융삭 플라즈마, 메인 전극, 메인 아크

Description

융삭 플라즈마 건{ABLATIVE PLASMA GUN}
본 발명은 일반적으로 플라즈마 건(plasma gun), 특히 융삭(ablative) 플라즈마 건에 관한 것이고, 또한 전기 아크 디바이스용 촉발에 관한 것이다.
전기 아크 디바이스는 본 출원인의 미국 특허 제4,259,704호에 설명되어 있는 바와 같은 직렬 커패시터, 고전력 스위치, 음향 발생기, 충격파 발생기 및 펄스형 플라즈마 추력기(thruster)를 포함하는 다양한 적용에서 사용되고 있다. 이러한 디바이스는 공기 또는 다른 가스의 갭(gap)에 의해 분리되는 둘 이상의 전극을 갖는다. 갭을 가로질러 바이어스 전압이 전극에 인가된다. 갭 내의 촉발(triggering) 디바이스는 갭 내의 가스의 일부를 이온화하여, 전극 사이에 아크 발생을 개시하는 전도성 경로를 제공한다.
통상의 스파크 갭 촉발은 촉발 핀으로의 고전압 펄스의 인가를 수반한다. 촉발 펄스 크기는 스파크 갭을 가로지르는 바이어스 전압에 크게 의존한다. 이러한 펄스 촉발은 광범위하게 사용되지만, 촉발 소스 및 그 전자 부품(electronics)의 비용은 메인 스파크 갭 자체의 비용보다 몇 배 더 크다. 예를 들면, 600V 시스템에서, 필요 촉발 전압은 20mm의 갭에 대해 적어도 250kV이다.
본 발명의 일 양태는 융삭 폴리머와 같은 융삭 재료의 개방 단부형 챔버의 대각선으로 대향하는 단부에 두 개의 전극을 갖는 플라즈마 건에 관한 것이다. 발산형(divergent) 노즐은 융삭 플라즈마를 초음속으로 방출하여 확산시킨다.
본 발명의 다른 양태는 기존의 촉발보다 고속이고 더 적은 촉발 에너지를 갖는 아크 크로우바(crowbar :쇠지레) 또는 고전력 스위치와 같은 메인 아크 디바이스를 촉발하기 위한 융삭 플라즈마의 사용에 관한 것이다.
본 발명의 다른 양태는 융삭 플라즈마의 특성을 통해서 메인 아크 디바이스에서 촉발되는 아크의 초기 특성을 제어하는 것에 관한 것이고, 이 초기 특성은 또한 융삭 플라즈마 건의 설계 파라미터에 의해 제어 가능하다.
본 발명의 다른 양태는 저렴한 융삭 플라즈마 건에 의해서 및 감소된 촉발 에너지와 관련 촉발 회로 요건에 의해서 아크 디바이스 촉발 비용을 절감하는 것에 관한 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 특징, 양태 및 장점은 유사한 특징이 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 나타내고 있는 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 검토할 때 더 양호하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따르면, 기존의 촉발보다 고속이고 더 적은 촉발 에너지로 메인 아크 디바이스를 촉발하는 것이 가능하고, 또한 저렴한 융삭 플라즈마 건에 의해서 및 감소된 촉발 에너지와 관련 촉발 회로 요건에 의해 아크 디바이스 촉발 비용이 절감된다.
도 1은 제 1 및 제 2 전극(22, 24), 융삭 재료의 컵(26) 및 발산형 노즐(30)을 갖는 플라즈마 건(20)의 단면도이다. 전극(22, 24) 사이에 인가되는 전위의 펄스는, 컵(26) 재료의 일부를 가열하고 융삭하여 고압의 고전도성 플라즈마(34)를 생성하는 아크(32)를 생성한다. 플라즈마는 초음속으로 확산 패턴으로 노즐(30)을 빠져나온다.
속도, 이온 농도 및 확산과 같은 플라즈마 제트(34)의 특징은 전극 치수 및 간격, 컵(26)의 내부 챔버(28)의 치수, 융삭 재료의 형태, 촉발 펄스 형상 및 에너지 및 노즐 형상에 의해 제어될 수 있다. 컵 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리옥시메틸렌 폴리아미드, 폴리-메틸 메타크랄레이트(PMMA), 기타 융삭 폴리머, 또는 이들 재료의 다양한 혼합물일 수 있다. 챔버(28)는 촉발 펄스 에너지, 융삭 응답 시간, 및 방출 시간을 최소화하고 플라즈마 발생을 최대화하기 위해 폐쇄 단부를 갖는 대체로 세장형(elongated) 및 원통형일 수 있고, 또는 다른 형상일 수도 있다.
플라즈마 건은 도시되어 있는 바와 같이 전극(22, 24) 및 컵(26)을 지지하기 위한 베이스(36)를 구비할 수 있다. 커버(38)는 다른 요소를 둘러싸고 노즐(30)을 제공할 수 있다. 컵(26)은 도시되어 있는 바와 같이 베이스(36)와 커버(38) 사이에 보유될 수 있다. 베이스(36) 및 커버(38)는 컵과 동일한 재료 또는 내화성 또는 세라믹 재료와 같은 상이한 재료로 제조될 수 있다. 각각의 전극(22, 24)은 컵(26) 벽을 통해 챔버(28)에 진입하는 각각의 말단부(23, 25)를 갖는다. 전극(22, 24)은 비용을 최소화하기 위해 도시되어 있는 바와 같이 와이어로서 형성될 수 있고, 또는 이들은 다른 공지의 형태를 가질 수도 있다. 전극(22, 24)의 말단부(23, 25)는 챔버(28)를 가로질러 대각선으로 대향될 수 있으며, 건 아크(32)를 위한 갭을 제공하기 위해 도시하듯이 챔버(28)의 길이를 따라 분리될 수 있다. 전극 또는 적어도 전극의 말단부의 재료는 텅스텐강, 텅스텐, 다른 고온 내화 금속/합금, 탄소/흑연 또는 다른 적합한 아크 전극 재료일 수 있다.
본 발명자들은 본 발명의 양태를 구체화하는 융삭 플라즈마 건이 전술된 통상의 촉발 방법보다 더 효과적인 아크 갭 촉발을 제공한다는 것을 혁신적으로 인식하였다. 도 2는 메인 아크 디바이스(50)의 메인 갭(58)에서의 촉발로서 사용될 수 있는 융삭 플라즈마 건(20)의 일반적인 개략도이다. 상기 문장의 문맥에서, "메인(main)"이란 용어는, 플라즈마 건이 아크-기반 디바이스를 구성하기도 하기 때문에, 대형 아크-기반 디바이스의 요소를 본 발명의 플라즈마 건의 대응 요소(예를 들면, 트리거로서 사용됨)로부터 구별하는데 사용된다. 메인 아크 디바이스는 예를 들면, 아크 크로우바, 직렬 커패시터 보호 바이패스, 고전력 스위치, 음향 발생기, 충격파 발생기, 펄스형 플라즈마 추력기 또는 임의의 공지된 아크 디바이스일 수 있다.
예시적인 메인 아크 디바이스와 연계하는 일반적인 배경기술 정보를 원하는 독자들은, 본 발명의 출원인에 의해 2007년 3월 30일 출원되었고 발명의 명칭이 "아크 플래시 제거 장치 및 방법(Arc Flash Elimination Apparatus And Method)"이며 본 명세서에 원용되는 미국 특허 출원 제11/693,849호를 참조하기 바란다. 이 출원은 본 발명의 양태를 구체화하는 융삭 플라즈마 건에 의해 촉발될 수 있는 혁신적인 아크 크로우바를 기재하고 있다. 아크 크로우바는 내압성 케이스(pressure-tolerant case) 내에 공기 또는 다른 가스의 갭에 의해 분리되는 둘 이상의 메인 전극을 갖는다. 각각의 전극은 전력 회로(power circuit)의 전기적으로 상이한 부분에 접속된다. 융삭 플라즈마 건은 갭 내에 장착된다. 전력 회로에서 아크 플래시가 검출될 때, 아크 크로우바는 전압 또는 전류 펄스에 의해 플라즈마 건에 대해 촉발된다. 이 건은 크로우바 갭 내로 융삭 플라즈마를 주입하여 갭 임피던스를 충분히 감소시킴으로써, 아크 플래시로부터 에너지를 신속하게 흡수하여 회로 차단기를 개방하는 보호 아크가 메인 전극 사이에서 개시되게 한다. 이는 아크 플래시를 신속하게 정지시키고 전력 회로를 보호한다.
일반적으로, 메인 아크 디바이스(50)는 공기 또는 다른 가스의 갭(58)에 의해 분리되는 둘 이상의 전극(52, 54)을 갖는다. 각각의 전극(52, 54)은 예를 들면, 상이한 위상, 중성(neutral) 또는 접지와 같은, 회로의 전기적으로 상이한 부분(60, 62)에 접속된다. 이는 아크 갭(58)을 가로질러 바이어스 전압(61)을 제공한다. 촉발 회로(64)는 융삭 플라즈마 건(20)에 촉발 펄스를 제공하여, 이 융삭 플라즈마 건이 융삭 플라즈마(34)를 갭(58) 내로 방출하여, 전극(52, 54) 사이에 아크(59)를 개시하도록 갭 임피던스를 낮추게 한다.
도 3은 아크 크로우바(70)를 테스트하는데 사용되는 회로의 예를 도시하고 있다. 회로(60, 62) 상의 아크 플래시(63)는 갭(58)을 가로질러 이용가능한 바이어스 전압(61)을 감소시키는 것으로 도시되어 있다. 메인 전극 갭(58)의 임피던스는 촉발될 때까지 아크 발생을 허용하지 않도록, 메인 전극(52, 54)의 크기 및 간격에 의해 소정의 전압에 대해 설계될 수 있다. 플라즈마(34)의 특징은 건 전극(22, 24)의 간격, 융삭 챔버(28) 치수, 촉발 펄스 형상 및 에너지, 챔버(28)의 재료 및 노즐(30)의 치수 및 배치에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 촉발시의 메인 갭(58)의 임피던스는 비교적 고속의 견고한 메인 아크를 발생시키도록 설계될 수 있다.
도 4 및 도 5는 전술한 특허원에 설명되어 있듯이, 하나의 예시적인 실시예에서 내압성 케이스(72) 내의 아크 크로우바(70)를 촉발하도록 구성될 수 있는 바와 같은 융삭 플라즈마 건(20)을 도시하고 있다. 촉발 신호(74)가 수신되면, 촉발 회로(64)는 융삭 플라즈마 건(20)에 촉발 펄스를 송신하여, 이 융삭 플라즈마 건이 크로우바의 메인 전극(52, 54, 56) 사이의 갭(58) 내로 융삭 플라즈마(34)를 방출하여 보호 아크(59)를 개시하게 한다. 케이스(72)는 보호 아크에 의해 발생되는 폭발 압력을 견디도록 구성될 수 있고, 제어된 압력 해제를 위한 통기구(73)를 포함할 수 있다.
아크 크로우바 전극 갭(58)은 보호 회로 상에서 아크 플래시가 검출되자마자 촉발되어야 한다. 관련 특허 출원에 상세히 설명되어 있는 바와 같이 아크 플래시를 검출하고 촉발 신호(74)를 제공하기 위해 하나 이상의 적합한 센서가 배열될 수 있다. 600V 시스템의 경우에, 아크 플래시 중에 갭(58)을 가로지르는 전압은 일반적으로 250 볼트 미만이고, 이는 아크(59)를 개시하기에 충분하지 않을 수 있다. 융삭 플라즈마(34)는 약 1 밀리초보다 짧은 시간에 갭(58)을 브릿지연결하여, 손상이 이루어지기 전에 보호 단락(short circuit)이 아크(59)를 경유하여 아크 플래시를 소멸시킬 수 있게 한다.
아크 크로우바(70)의 일련의 성공적인 테스트에 있어서, 크로우바 전극(52, 54, 56)은 대략 40mm 직경의 구체(sphere)이며, 그 각각은 인접한 구체로부터 약 25mm 이격되어 있고, 구체의 중심은 공통 중심점으로부터 약 37.52mm의 반경에 위치한다. 촉발체(trigger)는 약 3mm의 챔버(28) 직경 및 약 8mm의 챔버 길이를 갖는 폴리옥시메틸렌으로 제조된 컵(26)을 구비한 융삭 플라즈마 건(20)이다. 노즐(30)은 전극(52, 54, 46) 구체 중심의 평면의 약 25mm 하부에 위치된다.
테스트 시에는, 약 20kA 내지 약 5kA의 전류 및 약 40kV 내지 약 5kV의 전압 범위를 갖는 촉발 펄스 8/20(예를 들면, 약 8 마이크로초의 상승 시간 및 약 20 마이크로초의 하강 시간을 갖는 펄스)을 사용하는 융삭 플라즈마 건에 의해 약 120V 내지 약 600V의 범위의 갭 바이어스 전압이 촉발된다. 예를 들면, 약 20kV/5kA의 촉발 펄스에 의해 약 150V의 갭 바이어스 전압이 촉발된다. 대조적으로, 통상의 촉발 핀은 이 동일한 바이어스 전압에 대해 약 250kV의 촉발 펄스를 필요로 하여, 통상의 촉발 핀 및 그 회로를 메인 전극보다 몇 배 더 고비용으로 만들 것이다.
도 6은 단일 몰드 내에서 단일 융삭 재료로 성형된 플라즈마 건의 실시예(20B)를 도시하고 있다. 이는 폴리-옥시메틸렌과 같은 폴리머의 비교적 저렴하고 양호한 성형 특성의 관점에서 제조 비용을 점차 절감할 것이다. 이러한 구조 및 저비용은 플라즈마 건의 교체 및 폐기를 용이하게 할 수 있다. 전극 리드 핀(lead pin)(40, 42)은, 커넥터 분야에 공지되어 있는 바와 같은 적절한 체결(locking) 및 극성 키 결합(polarity keying)으로, 메인 아크 디바이스 상의 암형 커넥터(도시 생략)에 대한 플라즈마 건의 신속한 연결을 위해 제공될 수 있다. 대안적으로(도시 생략), 도 1의 컵(26)은 베이스(36) 내에 암형 커넥터를 위한 리드 핀을 제공하고 커버(38)를 베이스(36)에 나사 결합함으로써 교환 가능하게 제조될 수 있다.
본 발명의 양태를 구체화하는 융삭 플라즈마 건은 메인 아크 디바이스로서 또한 촉발로서 사용될 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 예를 들면, 융삭 플라즈마 건은 음향 발생기, 충격파 발생기 또는 펄스형 플라즈마 추력기의 메인 아크 디바이스로서 제공될 수 있고, 본 명세서에 설명되어 있는 바와 같은 더 소형 의 융삭 플라즈마 건에 의해 촉발될 수 있다.
본 발명의 특정한 특징만을 명세서에서 예시하고 설명하였지만, 여러가지 수정 및 변형이 당업자에게 가능할 것이다. 따라서, 후술하는 청구범위는 본 발명의 진정한 사상에 포함되는 모든 이러한 수정 및 변형을 망라하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 양태에 따른 융삭 플라즈마 건의 단면도.
도 2는 전기 아크 디바이스를 촉발하는데 사용되는 융삭 플라즈마 건의 일반 회로도.
도 3은 전기 아크 디바이스의 융삭 플라즈마 건 촉발의 예시적인 회로도.
도 4는 아크 크로우바를 촉발하는 융삭 플라즈마 건의 단면도.
도 5는 아크 크로우바를 촉발하는 융삭 플라즈마 건의 사시도.
도 6은 단일 몰드 내에서 단일 재료로 성형된 융삭 플라즈마 건의 실시예를 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20, 20B : 융삭 플라즈마 건 22, 23, 24, 25 : 전극
26 : 컵 28 : 챔버
30 : 노즐 34 : 융삭 플라즈마
36 : 베이스 38 : 커버
40, 42 : 전극 리드 핀 46 : 전극
50 : 메인 아크 디바이스 52, 54, 56 : 전극
58 : 메인 갭 59 : 아크
61 : 바이어스 전압 64 : 촉발 회로
70 : 아크 크로우바 73 : 통기구

Claims (12)

  1. 융삭 플라즈마 건(20)에 있어서,
    융삭 재료(26)의 벽, 개방 단부 및 길이를 갖는 챔버(28),
    말단부를 포함하는 제 1 건 전극,
    말단부를 포함하는 제 2 건 전극, 및
    상기 챔버(28)의 개방 단부 상의 발산형 노즐(30)을 포함하고,
    상기 건 전극들의 말단부들은 상기 챔버(28)의 대향 단부 내로 연장되는 것을 특징으로 하는
    융삭 플라즈마 건.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 건 전극의 각각은 와이어를 포함하고, 상기 건 전극들의 말단부들은 상기 챔버(28)의 대각선 대향 단부 측에서 상기 챔버(28)에 진입하는 것을 특징으로 하는
    융삭 플라즈마 건.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 챔버(28)는 대체로 원통형인 것을 특징으로 하는
    융삭 플라즈마 건.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 챔버(28)는 개방 단부를 갖는 컵에 형성되고, 상기 노즐(30)은 상기 건 전극들 및 컵을 둘러싸고 상기 컵의 개방 단부를 밀봉하는 커버(38)에 형성되는 것을 특징으로 하는
    융삭 플라즈마 건.
  5. 제 4 항에 있어서,
    베이스(36)를 추가로 포함하고, 각각의 건 전극의 중간부는 상기 베이스(36)를 통과하고, 상기 커버(38)는 베이스(36) 상에 장착되며, 상기 컵은 베이스(36)와 커버(38) 사이에 장착되는 것을 특징으로 하는
    융삭 플라즈마 건.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 융삭 플라즈마 건(20)은 둘 이상의 메인 전극 사이의 메인 갭(58) 내로 융삭 플라즈마(34)를 방출하여 메인 전극 사이에 아크를 촉발하도록 메인 아크 디바이스(50) 내에 장착되고, 각각의 메인 전극(52)은 전기 회로의 전기적으로 상이한 부분에 접속되는 것을 특징으로 하는
    융삭 플라즈마 건.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 메인 아크 디바이스(50)는 아크 크로우바(70), 직렬 커패시터 보호 바이패스, 고전력 스위치, 음향 발생기, 충격파 발생기, 및 펄스형 플라즈마 추력기로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    융삭 플라즈마 건.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 메인 아크 디바이스(50)는 음향 발생기 또는 충격파 발생기 또는 펄스형 플라즈마 추력기로서 사용되는 제 2 융삭 플라즈마 건인 것을 특징으로 하는
    융삭 플라즈마 건.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 융삭 플라즈마는 상기 전기 회로의 전기적으로 상이한 부분을 분리하는 임의의 다른 갭 또는 다른 절연부의 전기 임피던스 이하로 상기 메인 갭(58)의 전기 임피던스를 낮추도록 설계되는 것을 특징으로 하는
    융삭 플라즈마 건.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 융삭 플라즈마 건(20)은 촉발 신호가 수신되면 아크 크로우바(70)의 메인 전극 사이의 갭(58) 내로 융삭 플라즈마(34)를 방출하여 확산시키도록 장착되는 것을 특징으로 하는
    융삭 플라즈마 건.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 건은 상기 건 전극들 및 그에 대한 리드를 제외하고 거의 모두 융삭 폴리머로 제조되는 것을 특징으로 하는
    융삭 플라즈마 건.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 융삭 폴리머는 폴리옥시메틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아미드, 및 폴리-메틸-메타크랄레이트(PMMA)로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는
    융삭 플라즈마 건.
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