JP3338409B2

JP3338409B2 - パルスパワーシステム

Info

Publication number: JP3338409B2
Application number: JP24002399A
Authority: JP
Inventors: ギヒョンチョン; ヒョクジュンクォン; カンオクリ; チョルヨンキム; キョンジェチョン
Original assignee: コリアンアクセレレータアンドプラズマリサーチアソシエーション
Priority date: 1999-03-02
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2002-10-28
Anticipated expiration: 2019-08-26
Also published as: DE60003350D1; DE60003350T2; JP2000248872A; EP1033797A2; ATE243381T1; US6455808B1; EP1033797A3; EP1033797B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はパルスパワーシステ
ムに関するものであり、特にスイッチと送電線が改善さ
れたパルスパワーシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】パルスパワーシステム(pulse power sys
tem)は高電圧の電気エネルギーを貯蔵してから一時に放
出させることによって莫大な電力を得るシステムで、図
1のブロック図に示すように、商用電力、変圧器、整流
器等のように電力を供給する充電電源部(charging powe
r supply)110と、電荷を貯蔵するエネルギー貯蔵部(ま
たはパルス電源部)120と、出力を制御するスイッチ130
と、出力送電線140と、パルスエネルギーが適用される
負荷150等で構成されており、軍事用及び産業用として
適用されている。産業用としてはプラズマ破岩(plasma
blasting)、電磁気的熔接(electromagnetic welding)等
に適用されている。

【０００３】本発明はこのような多様なパルスパワーシ
ステムに対して適用でき、以下ではパルスパワーシステ
ムの概念をより容易に理解するためにその一例としてプ
ラズマ破岩に対して説明する。

【０００４】破岩のための電気的方法に対する試みが何
名かの研究者により試みられ、衝撃波を発生させるのに
水で電気的放電が重要であることを認識したいくつかの
米国特許もある。米国特許第3、158、207号はこの原理
によるスパーク放電ドリルを提供しており、米国特許第
3、364、708号はこの現像に対する全体的なレビュー(re
view)を提供する。また、米国特許第3、500、942号、第
3、583、766号、第3、679、007号等は水のような液体に
浸した二電極間の電気的放電が二電極間の高温、高圧の
プラズマを形成するドリルに関するものであり、プラズ
マの膨脹はドリル効果を高めることができる高圧の衝撃
波を生成することである。

【０００５】プラズマ破岩に関する体系的整理をして一
段階と技術を引き上げた米国特許は第5、106、164号で
あって、閉鎖された空間の電解物質に浸した二電極間に
少なくとも3GWに到達する時までマイクロセカンド(micr
osecond)当たり100MWの割合で電気的エネルギーを発生
させる破岩方法を提示している。（充電）

【０００６】すなわち、電気エネルギーを利用したプラ
ズマ破岩はパルスパワーにより発生されたプラズマを利
用して既存の火薬を用いた破岩を代替する技術であり、
従来のプラズマ破岩システムに適用される装備の例は図
2に概略示されている。主要システムはコンデンサーバ
ンク25、スイッチ26、電極棒27等であり野外で作業する
ためにエンジン20、発電機21が必要であって、コンデン
サーを必要な電圧で充電させるために変圧器22、整流器
23、充電抵抗24等で構成された電源部を含んでいる。

【０００７】前記システムによる破岩方法は、破岩しよ
うとする岩石28内に穿孔して穿孔内に電解物質を充填し
たカートリッジを装着した電極棒を挿入する。電源部か
ら充電されて電気エネルギーを貯蔵しているコンデンサ
ーは外部信号により撃発(Trigger)された大電流スイッ
チを通してエネルギーを穿孔された岩石内のカートリッ
ジ中の電解物質に供給する。電解物質は大電流による抵
抗加熱によって非常に短時間に高温高圧のプラズマ状態
になり、この際生じる圧力で岩石が破砕される。

【０００８】このようなプラズマ破岩は従来火薬を用い
る方法に比べてエネルギー効率が高く、岩石の飛散が少
なく、相対的に騷音が小さく有害気体が発生しないので
作業効率を向上できる長所がある。

【０００９】しかし、これを実際破岩現場に適用させる
にあたって数種の克服しなければならない重要な課題中
の一つは、スイッチである。大電力パルスパワー技術を
応用する分野では、常にスイッチの安全性と耐久性が問
題になる。プラズマ破岩は、主に気体放電スイッチ(gas
discharge switch)あるいは機械的スイッチ(mechanica
l switch)が用いられるが、大電流が流れる環境で電極
の損傷を最大限減らして安全に長期間用いることができ
ることと、所望しない撃発等による誤作動の可能性を最
少化したスイッチを開発することが重要である。

【００１０】また、スイッチから負荷に連結される送電
線は、通常の同軸電線を主に用いているが、この場合表
皮深さ(skin depth)によるAC抵抗が増えて全体システム
の効率を高めることに障害として作用している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前記のような
要求に応じるために案出されたことであって、本発明の
目的は、アーク電流密度を電極材料の臨界損傷値(thres
hold damage value)以下になるように、局部放電(local
ized discharge)を防止して電極表面に均一な放電電流
が流れるように発明された大電力パルススイッチを提供
することである。

【００１２】本発明の他の目的は、安全性が向上されて
所望しない撃発が防止できる大電力パルススイッチを提
供することである。

【００１３】本発明の他の目的は、構造を単純にして製
造単価を減らすことができるスイッチを提供することで
ある。

【００１４】本発明のまた他の目的は、AC抵抗の増加を
減らした送電線が含まれたパルスパワーシステムを提供
することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明は、パルス電流によるスイッチの軸方向の磁場
と円周方向の磁場を同時に形成させて形成された磁場に
アーク(arc)を螺旋形で移動させることによって電極の
局部的な損傷を最小化することである。

【００１６】本発明によるスイッチでアークの移動方向
が螺旋形であるから本明細書では大電力螺旋アークスイ
ッチと定義する。

【００１７】すなわち、本発明の一特徴によるスイッチ
は内部空間を有して軸方向に延設され所定領域に放電領
域が定義された絶縁ハウジングと、前記ハウジングの内
部空間で軸方向に移動する第1電極と、前記ハウジング
の内側に位置し、前記第1電極と所定間隔離隔されて位
置しながら、前記第1電極が移動することによって前記
電領域で前記第1電極との距離が近づきながら放電され
て前記第1電極との間にアークを発生させる第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に前記放電領域でない
領域に位置した絶縁体と、前記ハウジングの放電領域で
軸方向の磁場を形成する電線コイルを含んでおり、前記
第1、2電極間のアークによる円周方向の磁場と前記電線
コイルによる軸方向の磁場により前記アークは螺旋軌跡
に沿って前記ハウジングの軸方向に移動しながら通電す
るようになる。

【００１８】ここで望ましくは、前記第1電極で放電が
おきるチップ(tip)部分は脱着可能に装着されて交換が
容易にする。

【００１９】本発明の他の特徴によるスイッチは、中空
状であり軸方向に移動可能な第1電極と、前記第1電極下
部に位置した接地電極と、前記第1電極及び前記接地電
極と所定間隔離隔されて前記第1電極及び接地電極の一
部を包み、前記第1電極との間にアークを発生させる第2
電極と、前記第2電極内部に軸方向の磁場を誘導するソ
レノイドコイルと、前記第1電極と前記第2電極と前記接
地電極との間の空間を密閉する絶縁体と、前記第1電極
と前記第2電極と前記接地電極との間の空間に真空を維
持する真空手段と、前記第1電極と前記第2電極との間の
放電を誘導する撃発ピンを含んでおり、前記第1、2電極
間のアークによる円周方向の磁場と前記ソレノイドコイ
ルによる軸方向の磁場により前記アークは螺旋軌跡に沿
って前記接地電極方向に移動しながら通電するようにな
り、アークが接地電極と会いクローバ防護するようにな
る。

【００２０】一方、本発明のシステムに適用される送電
線はリッツケーブルであってAC抵抗を減らすことができ
ることになる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明による望ましい実施
例を添付された図面を参照して説明する。

【００２２】図3は、本発明の第1実施例による大電力螺
旋アークスイッチの断面図であって、図示のように、絶
縁材質の上、下部ハウジング7、8内部に所定間隔離隔さ
れて概略中心に第1電極1が位置し、前記下部ハウジング
7の内側面に第2電極5が位置している。前記第1電極1の
チップ(tip)1aは示すように、交換時脱着可能にボルト
とナット形式が望ましい。

【００２３】第1電極1には第1電極コネクタ2が連結され
ており、第2電極5には第2電極コネクタ6が連結されてお
り、各々陽電圧と負電圧を印加するようになる。

【００２４】一方、下部ハウジングの概略中央には第1
電極1に連結するためのコネクタ3を経て電線が所定巻数
(turn)で巻線されており、この電線コイルAは前記第1電
極コネクタ2に連結されてz軸方向の磁場(self magnetic
field)を形成するようになる。

【００２５】この電線は大電力用でリッツケーブル(Lit
z cable)を用いることが電力損失を減らし、電線の太さ
を減らすことができる利点がある。

【００２６】ここで前記下部ハウジング7と上部ハウジ
ング8は一体でなることはもちろんであり、単に組立上
の便利のために分離されている。

【００２７】一方、前記第1電極1と前記第2電極5との間
には絶縁体10が形成されて所望しない撃発を防止してお
り、この絶縁体10は前記電線コイルAの上側に位置し、
外廓形状は示したように、可能な限り屈曲させて表面長
さを伸ばすことによって耐電圧を高めるようにすること
が望ましい。

【００２８】ここで第1電極1は、軸方向に移動しなけれ
ばならないので、このために望ましくは一端部に輪11を
設けることが望ましく、この輪11に公知の直線運動装置
(図示せず)を装着して第1電極を動くようにする。公知
の直線運動装置としては空圧シリンダ、ソレノイドコイ
ル、挺子などがあっていずれを用いても差し支えない。

【００２９】また、軸方向の移動のために上部ハウジン
グ8と前記第1電極1との間にリニアベアリング9を設ける
ことが望ましい。

【００３０】ここで第1電極1のチップ(tip)1aとこれに
対応する第2電極5部分は第1電極1が直線運動することに
よって所定位置で近づいて前記所定位置下に適切な間隔
をおいてアークが通電できるようにする。このために望
ましくは第1電極1のチップ(tip)1aは円錐状であって、
これに対応する第2電極部分5aも円錐状の空間を形成す
るようにしており、チップ(tip)1aの円錐傾斜を第2電極
5の円錐状部5aの傾斜より大きく設計されており、より
詳しくは図3と関連して再び説明する。

【００３１】一方、第2電極5の円錐状部5a上側には急激
な屈曲を防止するために傾斜部5bを設けている。

【００３２】第2電極5は、図4に示すように、望ましく
は軸方向に切断された切断部5cを有しており、第1電極1
と第2電極5との間に生じる磁場を妨害する誘導電流が第
2電極5に誘起されることを防止している。

【００３３】図5は、図3の第1電極1が下に移動してアー
ク放電が生じる状態を示した断面図であって、図示のよ
うに、第1電極1が移動することによって第1電極チップ
(tip)1aの円錐状中の根元部分が第2電極5の円錐状部5a
の根元部分と先に近づくようになる。これは上述のよう
にチップ(tip)1aと円錐状部5aの設計により形成され
る。

【００３４】この部分は、初期放電領域Bであって第1電
極1と第2電極5とが近づくことによってアーク放電がお
きるようになる。ここで生じたアークは電極の円周方向
θへの磁場を発生させるようになる。

【００３５】すなわち、前記半径方向rのアーク(arc)は
前記電線コイルAによる軸方向-zの磁場と円周方向θの
磁場の影響を受け、言い替えればローレンツ力(Lorentz
force)(F=J×B)により、前記第1電極の円錐状のチップ
(tip)1aと前記第2電極5の円錐状部5aとの間の間隔を沿
って螺旋状を描いて-z方向に移動するようになる。

【００３６】この際、アークの発生による圧力負荷を考
慮して第2電極と下部ハウジング7を貫通するホール(図
示せず)を形成することも必要時採択できることはもち
ろんである。

【００３７】一方、第1電極1と第2電極5との電極の方向
が変わっても螺旋状で-z方向に移動することは同一であ
り、ただし螺旋回転方向のみ変わるだけである。

【００３８】上述のように、本実施例でアークが螺旋方
向にアークを描きながら移動するようになるので電極が
局部的に放電されて損傷されることが発生しないために
スイッチの耐久性を増大させることができる。

【００３９】同時にアーク電流が絶縁体10が位置した方
向と異なる方向-zに移動するので絶縁体10の損傷を減ら
すことはもちろん電極1から絶縁体10への導体コーティ
ングも著しく減らすことができることになる。したがっ
て、大電力のパルスがパルスシステムに流れる前撃発(p
re-trigger)及び所望しない撃発(fault trigger)の可能
性を減らすことができるようになってスイッチの信頼度
と安全性を向上できるようになる。

【００４０】本スイッチで磁場値を各パルスシステムで
要求される事項に合うように最適化するためには電線コ
イル(図3のA)の巻線数(turn数)を調節することによって
可能になる。

【００４１】図6は、本発明の第2実施例による螺旋アー
クスイッチを示すことであって、この実施例のスイッチ
は前記第1実施例と同一の原理を採択しており、高真空
タイプの高電圧パルス撃発方式に適用するためのもので
ある。

【００４２】図示のように、この実施例のスイッチは第
1電極31と、前記第1電極31と所定間隔離隔されて下部に
位置した接地電極32と、前記第1電極31と接地電極32と
所定間隔離隔されて前記第1電極31と前記接地電極32の
一部を包む第2電極35と、前記第1電極31と前記接地電極
32の連結方向(z方向)に磁場を誘導するソレノイドコイ
ル36と、前記第1電極31と前記接地電極32と、前記第2電
極35との間の空間を密閉するための絶縁体41、42と、前
記空間に真空を維持するための真空手段と連結された真
空ポート38と、前記第1電極と前記第2電極との間に高電
圧を発生させて第1、2電極を通電するようにする撃発ピ
ン37を含んでいる。

【００４３】第1電極31は望ましくは中空パイプ状で、
内側には所定間隔をおいて下部の接地電極32が延設され
ており、前記接地電極32と第1電極31との間には絶縁体3
4が位置している。

【００４４】未説明符号33は、接地電極のコネクタとし
て接地され、51は図1の電源充電部と連結され、52は負
荷すなわち衝撃セルと連結される。39と40は各々スイッ
チ絶縁体とスイッチ支え板を指称する。

【００４５】以下、図面を参照して本実施例によるスイ
ッチの作動関係を説明する。

【００４６】撃発ピン37の作動により高電圧が第1電極3
1と第2電極35との間に発生すると局部的に電子が誘導さ
れ、こういうわけで第1電極31と第2電極35とはアークが
発生されながら通電される。

【００４７】一方、前記ソレノイドコイル36により誘導
された-z方向の磁場と前記アークによる円周方向θの磁
場で前記第1実施例で説明したように、アークは螺旋を
描いて下に移動するようになる。すなわち、対面的放電
によって電極の局部的損傷が防止される。

【００４８】一方、第1電極31と第2電極35との間で発生
されたアークは下部に移動しながら接地電極32と会うよ
うになって接地電極32はクローバ防護(crowbar protect
ion)をするようになる。クローバ防護は通常蓄電器を使
用することにおいて逆電圧による寿命短縮を防止するた
めに電流の波形を調節することで通常別途の装置を用い
て調節するようになるが、例えばダイオードを用いる場
合、本スイッチのように大電力スイッチに適用するため
には高価のダイオードをいくつか連結して用いなければ
ならない不便さがあった。

【００４９】したがって、本実施例によるスイッチは別
途の付加装置なくクローバ防護を実現できる利点がある
ことはもちろん、環境によって第1電極31と接地電極32
との間の距離を調節することによってクローバ防護時間
も調節できるようになる。

【００５０】一方、内部の真空度を調節して所望の耐電
圧(電気絶縁破壊電圧:break down voltage)をシステム
に合せて設計することが可能である

【００５１】一方、上述のスイッチから電極棒(Probe)
までは送電線で連結されるが、この際送電線は望ましく
は同軸電線を用いることによってシステムのインダクタ
ンスを減らして効率的に大電力パルスを伝達できる。こ
の際、望ましくはAC抵抗を減らすために同軸電線形態の
リッツケーブルを用いることができる。

【００５２】

【発明の効果】以上で説明したように本発明によるスイ
ッチは、単純な構造であって設計及び維持補修コストを
減らすことができることはもちろん、電極の局部的損傷
を防止して耐久性を増大させ、また絶縁体の損傷などが
防止されるので安全性及び信頼度を向上できる等の利点
がある。

【００５３】以上で本発明による2個の実施例を説明し
たが、これは例示であり本発明の精神を外れることなく
多様な変化と変形が可能なことはこの分野の通常の専門
家は分かることであるが、これらはすべて本発明の権利
範囲に属することは添付された請求範囲を通して分かる
ことである。

【００５４】また、前述のようなスイッチとAC抵抗を減
らすことができるリッツケーブルを採択しているのでシ
ステム全体の効率を高めることができる。

【００５５】以上で本発明による実施例は例示であり、
発明の保護範囲を限定することではない。

【００５６】すなわち、プラズマ破岩でない他のパルス
パワーシステムに適用されること等はすべて本発明の権
利範囲に属することになり、これは添付された請求範囲
を通して分かることである。

【図面の簡単な説明】

【図1】パルスパワーシステムの概念を説明するための
ブロック図である。

【図2】パルスパワーシステムの一例であるプラズマ破
岩システムを説明するための概略構成図である。

【図3】本発明の第1実施例によるスイッチの断面図であ
る。

【図4】図3の第2電極を正面で眺めた図面である。

【図5】図3のスイッチの第1電極が移動して放電される
状態を示した断面図である。

【図6】本発明の第2実施例によるスイッチの断面図であ
る。

【符号の説明】

1 第1実施例の第1電極 5 第1実施例の第2電極 A リッツケーブル電線コイル 31 第2実施例の第1電極 32 接地電極 35 第2実施例の第2電極 36 ソレノイドコイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者リカンオクチュゴンアパート 605−406 サンゲ７ドンノウォンクソウル大韓民国 (72)発明者キムチョルヨンチュゴンアパート 109−1202 クムジュンドンクンポキョンギド大韓民国 (72)発明者チョンキョンジェデバンパンベビラ 101 パンベ３ドン 994−４ソッチョクソウル大韓民国 (56)参考文献特開平９−29733（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−18873（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) E21C 37/18 H05H 1/34

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電気エネルギーを貯蔵するエネルギー貯
蔵装置と、i)内部空間を有して軸方向に延設され所定領
域に放電領域が定義された絶縁ハウジングと、ii)前記
ハウジングの内部空間で軸方向に移動する第1電極と、i
ii)前記ハウジングの内側に位置し、前記第1電極と所定
間隔離隔されて位置しながら、前記第1電極が移動する
ことによって前記放電領域で前記第1電極との距離が近
づきながら放電されて前記第1電極との間にアークを発
生させる第2電極と、iv)前記第1電極と前記第2電極との
間に前記放電領域でない領域に位置した絶縁体と、v)前
記ハウジングの放電領域で軸方向の磁場を形成する電線
コイルを含んでおり、前記第1、2電極間のアークによる
円周方向の磁場と前記電線コイルによる軸方向の磁場に
より前記アークは螺旋軌跡に沿って前記ハウジングの軸
方向に移動しながら通電するようになる大電力螺旋アー
クスイッチと、前記スイッチの作動によって前記エネル
ギー貯蔵装置の電気エネルギーを短時間に受けて反応を
起こす負荷と、前記スイッチと負荷を連結する送電線と
を含むことを特徴とするパルスパワーシステム。
【請求項２】前記螺旋アークスイッチの前記電線コイ
ルはリッツケーブルであることを特徴とする請求項1に
記載のパルスパワーシステム。
【請求項３】前記螺旋アークスイッチの前記第1電極
はアーク放電が生じるチップ部分を含んでおり、チップ
部分は脱着可能に装着されていることを特徴とする請求
項1に記載のパルスパワーシステム。
【請求項４】前記螺旋アークスイッチの前記第1電極
のチップ部分は円錐状で前記第1電極と対応する第2電極
部分は前記円錐状の第1電極と対応する円錐状の空間を
有しており、前記第1電極の円錐状の傾斜は前記第2電極
の円錐状の空間の傾斜より大きいことを特徴とする請求
項1に記載のパルスパワーシステム。
【請求項５】内部空間を有して軸方向に延設され所定
領域に放電領域が定義された絶縁ハウジングと、前記ハ
ウジングの内部空間で軸方向に移動する第1電極と、前
記ハウジングの内側に位置し、前記第1電極と所定間隔
離隔されて位置しながら、前記第1電極が移動すること
によって前記放電領域で前記第1電極との距離が近づき
ながら放電されて前記第1電極との間にアークを発生さ
せる第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に前
記放電領域でない領域に位置した絶縁体と、前記ハウジ
ングの放電領域で軸方向の磁場を形成する電線コイルと
を含んでおり、前記第1、2電極間のアークによる円周方
向の磁場と前記電線コイルによる軸方向の磁場により前
記アークは螺旋軌跡に沿って前記ハウジングの軸方向に
移動しながら通電するようになることを特徴とする大電
力螺旋アークスイッチ。
【請求項６】パイプ状の第1電極と、前記第1電極下部
に位置した接地電極と、前記第1電極及び前記接地電極
と所定間隔離隔されて前記第1電極及び接地電極の一部
を包み、前記第1電極との間にアークを発生させる第2電
極と、前記第2電極内部に軸方向の磁場を誘導するソレ
ノイドコイルと、前記第1電極と前記第2電極と前記接地
電極との間の空間を密閉する絶縁体と、前記第1電極と
前記第2電極と前記接地電極との間の空間に真空を維持
する真空手段と、前記第1電極と前記第2電極との間の放
電を誘導する撃発ピンを含んでおり、前記第1、2電極間
のアークによる円周方向の磁場と前記ソレノイドコイル
による軸方向の磁場により前記アークは螺旋軌跡に沿っ
て前記接地電極方向に移動しながら通電するようにな
り、アークが接地電極と会いクローバ防護するようにな
ることを特徴とする大電力螺旋アークスイッチ。