KR20120058611A - 진공 축전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기공학 분야, 특히 전자기술 부품들에 관련된 것이며, 이 구체적인 경우에서 일정한 정전용량을 가지는 분극형 축전기들에 관련된 것이다. 본 발명의 이용으로 얻어지는 기술적 결과는 소형이면서 고정전용량과 고전압을 가지는 전기적 에너지 저장소의 생산가능성을 제공하는 것이다. 본 발명의 진공 축전기는 진공챔버 외부에 설치된 양극을 구비하고, 그 진공챔버 내부에는 음극이 설치되고 그 음극과 양극 사이에는 유전체가 설치되어 있다. 상기 음극은 상기 진공챔버 내에 배치된 전기절연된 필라멘트에 의해 가열될 수 있는 방식으로 설계될 수 있고, 상기 진공챔버는 밀봉밀폐된 유전성 실린더 형태이고 상기 양극은 밀봉밀폐된 유전성 실린더의 외부표면에 설치되어 있다. 상기 음극은 어떠한 가열 없이도 그의 표면에서 자유전자를 잃을 수 있는 마이크로피크-타입 표면을 가지는 냉음극일 수 있고, 상기 양극은 고진공을 가지며 음극이 그 안에 배치된 유전성 실린더의 외부 표면상에 위치되어 있다.

Description

진공 축전기{Vacuum capacitor}

본 발명은 전기공학에 관련된 것으로, 특히 전기공학 기초 부품에 관련된 것이며, 이 경우는, 분극조건들에 적합한 일정한 정전용량의 축전기(capacitor)들에 관련된 것이다.

적용 레벨(Application Level)

현재 사용되고 있는 반도체 및 전해질 축전기들은 분극원리에 기초를 두고 있다. 구조적으로, 그것들은 두 개의 판/전극과 이들을 분리하면서 분극되는 유전물질(dielectric material)에 기반한 것이다: 양으로 대전한 플레이트는 양극(anode)이고, 전기에너지는 유전물질을 분극시키는 것에 의해 저장된다. 이들은 모든 축전기들 중 가장 크다: 그들의 전기 정전용량은 2 패럿(Farads)이고, 그들의 동작전압은 16볼트이다.

그들의 단점은 크기가 크고 중량이 많이 나간다는 것이다.

본 발명의 모델의 핵심(The Essence of the Inventive Model)

이 발명의 기술적 이점은 큰 정전용량 및 전압의 전기 에너지 축적 시스템들을 작은 크기로 만드는 것을 허용한다는 것이다.

이 기술적 이점은 다음의 중요한 특징들을 사용하는 것에 의해 얻어진다:

본 발명은 하나의 음극을 내장하고 있는 진공 챔버의 바깥에 양극이 위치하고 유전물체(dielectric body)가 그 두 전극 사이에 위치하는 진공 축전기(vacuum capacitor)를 제공한다. 상기 음극은 전기적으로 절연된 필라멘트로 상기 음극을 직접 가열하는 것이 가능하도록 설계되어 있다. 상기 음극은 밀봉하여 밀폐된 형태로 설계된 상기 진공 챔버인 유전성 실린더 안쪽에 위치되고, 상기 양극은 상기 실린더의 외부 표면상에 설치되어 있다. 상기 음극은 열없이 자유전자들을 방출하는 마이크로피크(micropeak) 표면을 가지는 냉음극으로 설계되고, 상기 양극은 내부가 고진공인 상기 유전성 실린더의 외부 표면상에 위치되고, 그리고 상기 음극은 그 고진공 속에 위치된다.

진공 축전기를 위한 이론적 아이디어들을 확인하기 위해 그리고 그 내부의 진공에서의 전기적 정전용량을 결정하기 위해, 실험이 수행되었는데, 여기에는 약 2.3㎤의 진공의 내부 체적을 가지는 6D6A 전기-진공 다이오드(electro-vacuum diode)가 진공 축전기로 사용되었다. 이 목적을 위해, 6A6D 다이오드는 절연된 양극을 가지도록 변압기 오일(transformer oil)로 채워진 금속 비커 속에 놓여졌다. 상기 비커는 상기 진공 축전기(VC)의 상기 양극을 형성하였다. 상기 음극은 6.3V의 유효 전압을 가지는 필라멘트 변압기를 사용하여 가열될 수 있었다. 상기 축전기는 전류-제한 대체 저항기(a current-limiting alternative resistor) 및 전류계를 통해 정류된 주 전압(즉, 약 310 V)을 사용하여 충전되었다. 이 장치들을 사용하여, 직류 10mA 전류가 8시간동안 유지되었다. 그 8시간 동안, 상기 금속 비커(상기 양극)와 상기 6D6A 다이오드의 상기 음극 간의 전압은 28 V에 도달했다.

위의 측정치들은 상기 진공 축전기(VC)의 진공 정전용량을 계산하는 데 사용되었다. qvc = I3 × t3 = Cvc × U3는 알려져 있다. 여기서, I3 = 0.01 A, t3 = 8시간 = 28,800초, 그리고 U3 = 28 V이다. 따라서 qvc = 0.01 × 28,800 = 288 쿨롱; 따라서 상기 정전용량은 Cvc = qvc/U3 = 288/28 = 10.2857 패럿이다. 여기서, I3는 VC 충전전류, t3는 VC 충전시간, U3는 VC의 양극과 음극 간의 전압, qvc는 충전이 완전히 이루어졌을 때 VC의 전하량의 크기이고, Cvc는 계산된 VC 정전용량(capacity)이다.

이 계산들은 상기 새로운 VC가 큰 정전용량을 가진다는 것을 보여준다. 따라서 그것은 에너지 저장 시스템을 비롯하여 여러 가지 다른 전력 설비들에 사용될 수 있다. 이 방법에 의해 측정된, 1㎤의 진공의 전기 정전용량은 1㎤당 5 패럿을 초과하고, 동작전압(operating voltage)은 측정값이 수십 킬로볼트이다. 이 정도 범위의 성능을 성취할 수 있는 현존하는 축전기는 없다.

본 발명의 축전기는, 전기적으로 절연된 필라멘트에 의해 가열될 수 있고 고진공 하의 유전성 실린더 내에 설치된 하나의 음극과, 밀봉하여 밀폐된 상기 유전성 실린더의 외부 표면상에 위치된 양극을 포함한다.

상기 진공 축전기 내의 상기 음극은 열없이도 그의 표면으로부터 자유 전자들을 방출하는 냉음극으로 설계된다.

상기 제안된 진공 축전기는 다음의 문제들에 대한 바른 기술적 해결책들을 찾는 데 도움이 된다: 그것은 대량의 전기 전하를 고전압으로 저장할 수 있는데, 이는 대량의 에너지를 저장할 수 있음을 의미한다. 반면에, 그 진공 축전기의 크기는 작다. 결과적으로 그것은 에너지 축적기(energy accumulator)로 사용될 수 있고, 충전하는 데 시간이 거의 들지 않고 그리고 상기 축적된 에너지가 어떤 동작 조건들 하에서도 방전될 수 있고, 다양한 목적들을 위한 에너지 저장 시스템들을 위해 적당할 것이다.

본 발명은 다음의 기술적 효과들을 제공한다; 본 발명은 소형의 정지(stationary) 및 자장식(self-contained) 고정전용량의 에너지 저장시스템 즉, 새로운 세대의 축적형 에너지 공급원들을 구축하는 것을 가능하게 해준다. 본 발명을 이용하면 다양한 형태의 이동식 전자장비(mobile electronic equipment)의 크기와 무게를 줄일 수 있을 것이다. 또한 본 발명은 새로운 장비, 예를 들면, 전기 및 전파 공학에 사용될 수 있는 자장식 전기용접 장비의 설계에 도움을 줄 것이다.

본 발명은 첨부된 도면들에 도시되어 있고, 여기에서 도 1은 열음극(hot cathode)을 가지는 진공 축전기의 조립체 전체(general assembly)의 단면도; 도 2는 냉음극(cold cathode)을 가지는 동일한 조립체의 단면도이다.

도 1은 전기적으로 절연된 필라멘트(5)로 가열되며 고진공(3) 하에 놓여 있으며 밀봉하여서 밀폐된 유전성 실린더(2) 내부에 설치된 음극, 및 밀봉하여 밀폐된 유전성 실린더(2)의 외부 표면상에 위치된 양극(4)을 가지는 VC를 보여준다.

도 2는 밀봉하여 밀폐된 강한 진공(deep vacuum, 3)의 유전성 실린더(2) 내에 위치된 냉음극(1)과 마이크로피크(micropeak) 표면, 및 밀봉하여 밀폐된 유전성 실린더(2)의 외부 표면상에 위치된 양극(4)을 가지는 VC를 보여준다.

상기 제안된 진공 축전기(VC)의 독특한 특징은 전기적으로 절연된 필라멘트를 가지는 열음극 또는 마이크로피크 표면을 가지는 냉음극을 내장하고, 상기 열음극 또는 상기 냉음극은 밀봉하여 밀폐된 유전성 실린더 내의 그 진공에서 에너지 축적을 위해 전자들을 방출하며, 상기 열음극 또는 상기 냉음극은 상기 실린더 내부에 설치되어 그 강한 진공을 가지는 밀봉 밀폐된 유전성 실린더의 외부 표면상에 설치된 양극과는 분리된다는 점이다.

상기 에너지 축적 과정의 독특한 특징은 상기 양극은 상기 진공 챔버 바깥쪽에 설치되는 반면, 상기 음극은 그것의 안쪽에 설치되고, 그리고 그들은 유전체에 의해 분리되는 점과, 상기 음극 주위의 강한 진공 내에서 자유 전자들의 축적을 통해 에너지가 축적된다는 점이다.

상기 VC 충전과정: 자유전자들을 방출하는 특별한 충전장치(진공관내의 전압 증배기(voltage multiplier)와 유사한 것이며 본 발명의 첨부도면에는 미도시함)를 사용하여 상기 양극에 대해 상대적으로 상기 음극에 음의 전압(negative voltage)이 생성되게 만들어 상기 음극으로부터 상기 진공 속으로 자유전자들이 방출되게 하고; 상기 양극을 향하는 경향을 가진 상기 전자들은 그들의 경로에 있는 밀봉 밀폐된 유전성 실린더 때문에 양극에 도달할 수 없고; 그러므로 그 자유전자들은 상기 진공 내에 축적되고 이와 함께 한편으로는 상기 음극으로부터 나온 새로운 자유전자들이 계속해서 도달하여 상기 음극 주위에 대량의 전하를 형성한다. 이 과정은 상기 대량의 전하가 만드는 전기장의 전압값이 상기 충전장치의 전압값 레벨이 될 때까지 계속된다. 이렇게 될 때, 상기 VC의 충전은 완성된다.

이 도면들에서:
1: 음극 2: 밀봉밀폐된 유전성 실린더
3; 고진공 4: 양극
5; 음극의 전기 필라멘트 히터

Claims (3)

1. 음극이 설치된 되어 있는 진공챔버의 외부에 위치된 양극 및 상기 양극과 상기 음극을 분리하는 유전물체(dielectric body)를 가지는 진공챔버를 구비하는 진공 축전기.
2. 제1항에 있어서, 상기 음극은 밀봉하여 밀폐된 유전성 실린더(dielectric cylinder) 형태로 설계된 상기 진공챔버 내부에 설치된 전기적으로 절연된 필라멘트로 가열되도록 설계된 것이고, 상기 양극은 상기 실린더의 외부 표면상에 설치된 것을 특징으로 하는 진공 축전기.
3. 제1항에 있어서, 상기 음극은 상기 음극의 어떠한 가열 없이도 자유전자들을 방출하는 마이크로피크 표면을 가지는 냉음극으로 설계되고, 상기 양극은 상기 음극이 위치하는 고진공의 내부를 가지는 유전성 실린더의 외부표면에 설치된 것을 특징으로 하는 진공 축전기.

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