대전력 나선 아크 스위치

대전력 나선 아크 스위치{HIGH POWER HELICAL ARC SWITCH}

본 발명은 대전력 펄스파워시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안정성과 내구성을 겸비한 대전력 펄스파워시스템용 스위치에 관한 것이다.

펄스파워시스템은 고전압의 전기에너지를 저장하였다가 일시에 방출시킴으로써 막대한 전력을 얻는 시스템으로, 도 1의 블록도에 도시한 바와 같이, 상용전력, 변압기, 정류기 등과 같이 전력을 공급하는 충전전원부(charging power supply)(110)와, 전하를 저장하는 에너지 저장부(또는 펄스전원부)(120)와, 출력을 제어하는 스위치(130)와, 출력송전선(140)과, 펄스에너지가 적용되는 부하(150) 등으로 구성되어 있고, 군사용 및 산업용으로 적용되고 있다. 산업용으로는 플라즈마 파암(plasma blasting), 전자기적 용접(electromagnetic welding) 등에 적용되고 있다.

본 발명은 이러한 산업용 펄스파워시스템에 적용하기 위한 스위치에 관한 것으로, 이러한 스위치로는 기체 방전스위치(gas discharge switch) 혹은 기계적 스위치(mechanical switch)가 사용되는 데, 대전류가 흐르는 환경에서 전극의 손상을 최대한 줄여 안전하게 오랫동안 사용할 수 있고, 원하지 않는 격발 등으로 인한 오동작의 가능성을 최소화한 스위치를 개발하는 것이 중요하게 된다.

특히 기체방전을 이용한 스위치의 경우 대전류가 좁은 영역에 집중되어 전극이 국부적으로 손상되는 단점이 있고, 이를 극복하기 위한 여러가지 방법이 제안되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 업계의 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 아크 전류밀도를 전극재료의 임계 손상값(threshold damage value)이하가 되도록 국부방전(localized discharge)를 방지하여 전극표면에 균일한 방전전류가 흐르게 고안된 대전력 펄스스위치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 안정성이 향상되어 원하지 않는 격발이 방지될 수 있는 대전력 펄스스위치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 구조를 단순히 하여 제조단가를 줄일 수 있는 스위치를 제공하는 것이다.

도 1은 통상의 대전력펄스파워시스템의 블록도이고,

도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 스위치의 단면도이고,

도 2b는 도 2a의 제 2 전극을 저면에서 바라본 도면이고,

도 3은 도 2a의 스위치의 제 1 전극이 이동하여 방전되는 상태를 도시한 단면도이고,

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 스위치의 단면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명*

1: 제 1 실시예의 제 1 전극 5: 제 1 실시예의 제 2 전극

A: 리츠케이블 전선코일

31: 제 2 실시예의 제 1 전극 32: 접지전극

35: 제 2 실시예의 제 2 전극

36: 솔레노이드코일

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 펄스전류에 의한 스위치의 축방향의 자기장과 원주방향의 자기장을 동시에 형성시켜 형성된 자기장으로 아크(arc)를 나선형으로 이동시킴으로써 전극의 국부적인 손상을 최소화하는 것이다.

본 발명에 따른 스위치에서 아크의 이동방향이 나선형이므로 본 명세서에서는 대전력 나선아크스위치라 정의한다.

본 발명의 일 특징에 따른 스위치는 내부공간을 가지고 축방향으로 연장되고 소정영역에 방전영역이 정의된 절연하우징과; 상기 하우징의 내부공간에서 축방향으로 이동하는 제 1 전극과; 상기 하우징의 내측에 위치하고, 상기 제 1 전극과 소정간격 이격되어 위치하면서, 상기 제 1 전극이 이동함에 따라 상기 방전영역에서 상기 제 1 전극과의 거리가 가까와지면서 방전되어 상기 제 1 전극과의 사이에 아크를 발생시키는 제 2 전극과; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 상기 방전영역이 아닌 영역에 위치한 절연체와; 상기 하우징의 방전영역에서 축방향의 자장을 형성하는 전선코일을 포함하고 있어, 상기 제 1, 2전극사이의 아크에 의한 원주방향의 자장과 상기 전선코일에 의한 축방향의 자장에 의해 상기 아크는 나선궤적을 따라 상기 하우징의 축방향으로 이동하면서 통전하게 된다.

여기서 바람직하게 상기 제 1 전극에서 방전이 일어나는 팁부분은 탈착가능하도록 장착되어 교환이 손쉽도록 한다.

본 발명의 다른 특징에 따른 스위치는, 중공형상이고 축방향으로 이동가능한 제 1 전극과; 상기 제 1 전극 하부에 위치한 접지전극과; 상기 제 1 전극 및 상기 접지전극과 소정간격 이격되어 상기 제 1 전극 및 접지전극의 일부를 감싸고, 상기 제 1 전극과의 사이에 아크를 발생시키는 제 2 전극과; 상기 제 2 전극 내부에 축방향의 자장을 유도하는 솔레노이드코일과; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극과 상기 접지전극 사이의 공간을 밀폐하는 절연체와; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극과 상기 접지전극사이의 공간에 진공을 유지하는 진공수단과; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이의 방전을 유도하는 격발핀을 포함하고 있으며, 상기 상기 제 1, 2전극 사이의 아크에 의한 원주방향의 자장과 상기 솔레노이드코일에 의한 축방향의 자장에 의해 상기 아크는 나선궤적을 따라 상기 접지전극 방향으로 이동하면서 통전하게 되고, 아크가 접지전극을 만나 크로바링하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 대전력 나선아크스위치의 단면도로서, 도시한 바와 같이, 절연재질의 상,하부하우징(7)(8) 내부에 소정간격 이격되어 대략 가운데로 제 1 전극(1)이 위치하고, 상기 하부하우징(7)의 내측면으로 제 2 전극(5)이 위치하고 있다. 상기 제 1 전극(1)의 팁(1a)은 도시한 바와 같이, 교환시 탈착가능하도록 볼트와 너트형식인 것이 바람직하다.

제 1 전극(1)에는 제 1 전극 커넥터(2)가 연결되어 있고, 제 2 전극(5)에는 제 2 전극커넥터(6)가 연결되어 있고, 각각 양전압과 음전압을 인가하게 된다.

한편, 하부하우징의 대략 중앙에는 제 1 전극(1)으로 연결하기 위한 커넥터(3)를 거쳐 전선이 소정권수(turn)로 감겨져 있고, 이 전선코일(A)은 상기 제 1 전극커넥터(2)로 연결되어 z축 방향의 자장(self magnetic field)를 형성하게 된다.

이 전선은 대전력용으로 리츠케이블(Litz cable)을 사용하는 것이 전력 손실을 줄이고 전선의 굵기를 줄일 수 이점이 있다.

여기서 상기 하부하우징(7)과 상부하우징(8)은 일체로 될 수 있음은 물론이고, 단지 조립상의 편리를 위해 분리되어 있다.

한편, 상기 제 1 전극(1)과 상기 제 2 전극(5) 사이에는 절연체(10)가 형성되어 있어 원하지 않는 격발을 방지하고 있고, 이 절연체(10)는 상기 전선코일(A)의 상측에 위치하고, 외곽형상은 도시한 바와 같이, 가능한 굴곡지게 하여 표면길이를 늘임으로써 내전압을 높일 수 있게 하는 것이 바람직하다.

여기서 제 1 전극(1)은 축방향으로 이동하여야 하는 바, 이를 위하여 바람직하게는 일단부에 고리(11)를 설치하는 것이 바람직하고, 이 고리(11)에 공지의 직선운동장치(미도시)를 장착하여 제 1 전극을 움직이도록 한다. 공지의 직선운동장치로는 공압실린더, 솔레노이드코일, 지렛대 등이 있고 어느것을 사용하여도 무방하다.

또한 축방향의 이동을 위해 상부하우징(8)과 상기 제 1 전극(1)사이에 리니어베어링(9)를 설치하는 것이 바람직하다.

여기서 제 1 전극(1)의 팁(1a)과 이에 대응하는 제 2 전극(5)부분은 제 1 전극(1)이 직선운동함에 따라 소정위치에서 가까워지고 상기 소정위치 아래로 적절한 간격을 두고 아크가 통전할 수 있도록 한다. 이를 위하여 바람직하게 제 1 전극(1)의 팁(1a)은 원뿔형상이고, 이에 대응하는 제 2 전극부분(5a) 역시 원뿔형의 공간을 형성하도록 하고 있고, 팁(1a)의 원뿔기울기를 제 2 전극(5)의 원뿔형상부(5a)의 기울기보다 크게 설계되어 있고, 보다 상세한 것은 도 3과 관련하여 다시 설명하기로 한다.

한편, 제 2전극(5)의 원뿔형상부(5a)상측으로는 급격한 굴곡을 방지하기 위하여 경사부(5b)를 설치하고 있다.

제 2 전극(5)은 도 2b에 도시한 바와 같이, 바람직하게는 축방향으로 절단된 절단부(5c)를 가지고 있어 제 1 전극(1)과 제 2 전극(5) 사이에 발생하는 자장을 방해하는 유도전류가 제 2 전극(5)에 유기되는 것을 방지하고 있다.

도 3은 도 2의 제 1 전극(1)이 아래로 이동하여 아크방전이 발생하는 상태를 도시한 단면도로서, 도시한 바와 같이, 제 1 전극(1)이 이동함에 따라 제 1 전극팁(1a)의 원뿔형상중 뿌리부분이 제 2 전극(5)의 원뿔형상부(5a)의 뿌리부분과 먼저 가까워지게 된다. 이는 상기 설명한 바와 같이 팁(1a)과 원뿔형상부(5a)의 설계에 의해 이루어지게 된다.

이 부분은 초기방전영역(B)으로 제 1 전극(1)과 제 2 전극(5)이 가까워짐으로써 아크방전이 일어나게 된다. 여기서 발생한 아크는 전극의 원주방향(θ)으로의 자장을 발생시키게 된다.

즉, 상기 반경방향(r)의 아크(arc)는 상기 전선코일(A)에 의한 축방향(-z)의 자기장과 원주방향(θ)의 자기장의 영향을 받아, 환언하면 로렌쯔힘(F=J×B)에 의해 상기 제 1 전극의 원뿔형상의 팁(1a)과 상기 제 2 전극(5)의 원뿔형상부(5a) 사이의 간격을 따라 나선모양을 그리며 -z방향으로 이동하게된다.

이때 아크의 발생으로 인한 압력부하를 고려하여 제 2 전극과 하부하우징(7)을 관통하는 홀(미도시)을 형성하는 것도 필요시 채택할 수 있음은 물론이다.

한편, 제 1 전극(1)과 제 2 전극(5)의 전극의 방향이 바뀌어도 나선형상으로 -z방향으로 이동하는 것은 동일하고 다만 나선회전방향만 달라질 뿐이다.

상기 설명한 바와 같이, 본 실시예에서 아크가 나선방향으로 아크를 그리면 이동하게 되므로 전극이 국부적으로 방전되어 손상되는 일이 발생하지 않기 때문에 스위치의 내구성을 증대시킬 수 있게된다.

아울러 아크전류가 절연체(10)가 위치한 방향과 다른 방향(-z)으로 이동하므로 절연체(10)의 손상을 줄임은 물론 전극(1)으로부터 절연체(10)로의 도체코팅도 현저히 줄일 수 있게된다. 따라서 대전력의 펄스가 펄스시스템에 흐르는 전 격발(pre-trigger) 및 원하지 않는 격발(fault trigger)의 가능성을 줄일 수 있게되어 스위치의 신뢰도와 안정성을 향상시킬 수 있게된다.

본 스위치에서 자장값을 각 펄스시스템에서 요구되는 사항에 맞도록 최적화하기위해서는 전선코일(도 2의 A)의 감김수(turn수)를 조절함으로써 가능하게 된다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 나선아크스위치를 도시한 것으로, 이 실시예의 스위치는 상기 제 1 실시예와 동일한 원리를 채택하고 있고, 고진공타입의 고전압펄스격발방식에 적용하기 위한 것이다.

도시한 바와 같이, 이 실시예의 스위치는 제 1 전극(31)과, 상기 제 1 전극(31)과 소정간격 이격되어 하부에 위치한 접지전극(32)과, 상기 제 1 전극(31)과 접지전극(32)과 소정간격 이격되어 상기 제 1 전극(31)과 상기 접지전극(32)의 일부를 감싸는 제 2 전극(35)과, 상기 제 1 전극(31)과 상기 접지전극(32)의 연결방향(z방향)으로 자장을 유도하는 솔레노이드코일(36)과, 상기 제 1 전극(31)과 상기 접지전극(32)과, 상기 제 2 전극(35) 사이의 공간을 밀폐하기 위한 절연체(41)(42)와, 상기 공간에 진공을 유지하기 위한 진공수단과 연결된 진공포트(38)와, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 고전압을 발생시켜 제 1,2 전극을 통전케하는 격발핀(37)을 포함하고 있다.

제 1 전극(31)은 바람직하게 중공파이프형상이고, 내측으로는 소정간격을 두고 하부의 접지전극(32)이 연장되고 있으며, 상기 접지전극(32)과 제 1 전극(31)사이에는 절연체(34)가 역시 위치하고 있다.

미설명부호 33은 접지전극의 커넥터로서 접지되고, 51은 도 1의 전원충전부와 연결되고, 52는 부하 즉 충격셀과 연결된다. 39와 40은 각각 스위치 절연체와 스위치 받침판을 지칭한다.

이하, 도면을 참조하여 본 실시에에 따른 스위치의 작동관계를 설명한다.

격발핀(37)의 작동에 의해 고전압이 제 1 전극(31)과 제 2 전극(35) 사이에 발생하면 국부적으로 전자가 유도되고 이로써 제 1 전극(31)과 제 2 전극(35)는 아크가 발생되면서 통전된다.

한편, 상기 솔레노이드코일(36)에 의해 유도된 -z방향의 자장과 상기 아크에 의한 원주방향(θ)의 자장으로 상기 제 1 실시예에서 설명한 바와 같이, 아크는 나선을 그리며 아래로 이동하게 된다. 즉, 대면적 방전으로 인하여 전극의 국부적 손상이 방지된다.

한편, 제 1 전극(31)과 제 2 전극(35)사이에서 발생된 아크는 하부로 이동하면서 접지전극(32)과 만나게 되고 접지전극(32)은 크로바링(crowbaring)을 하게 된다. 크로바링은 통상 축전기를 사용함에 있어 역전압에 의한 수명단축을 방지하기 위하여 전류의 파형을 조절하는 것으로 통상 별도의 장치를 사용하여 조절하게 되는 바, 예를 들어 다이오드를 사용할 경우 본 스위치와 같이 대전력 스위치에 적용하기 위해서는 고가의 다이오드를 여러 개 연결하여 사용하여야 하는 불편함이 있었다.

따라서 본 실시예에 따른 스위치는 별도의 부가장치 없이 크로바링을 실현할 수 있게되는 이점이 있게됨은 물론이고, 환경에 따라 제 1 전극(31)과 접지전극(32) 사이의 거리를 조절함으로써 크로바링시간도 조절할 수 있게된다.

한편, 내부의 진공도를 조절하여 원하는 내전압(전기 절연파괴전압: breakdown voltage)를 시스템에 맞추어 설계하는 것이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 스위치는 단순한 구조로서 설계 및 유지보수 비용을 줄일 수 있음은 물론이고, 전극의 국부적 손상을 방지하여 내구성을 증대시키고, 또한 절연체의 손상 등이 방지되므로 안정성 및 신뢰도를 향상시킬 수 있는 등의 이점이 있다.

이상에서 본 발명에 따른 2 개의 실시예를 설명하였으나, 이는 예시이고 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 다양한 변화와 변형이 가능하다는 것은 이 분야의 통상의 전문가는 알 수 있을 것이나, 이들은 모두 본 발명의 권리범위에 속하게 된다는 것은 첨부된 청구범위를 통해 알 수 있을 것이다.