KR100344988B1 - 고전압 임펄스를 이용한 가스 중 방전형성장치 - Google Patents

Abstract

가스가 통과되는 방전실에서 스트리머 코로나 방전에 의한 플라즈마를 형성시키기 위한 가스 중 방전형성장치가 제공된다. 본 발명의 방전형성장치는 일정한 직류고전압을 공급하는 제1의 고전압원과; 제1의 전극, 제2의 전극 및 제3의 전극을 구비한 3극형 방전기와; 상기 3극형 방전기의 제1 전극에 상기 제1고전압원의 전압레벨보다 더 큰 전압을 인가하기 위한 배전압회로와; 상기 제1고전압원의 고전압단자와 접지단자 사이에 직렬 연결되고, 그 중심점이 상기 3극형 방전기의 제2전극에 연결되어 상기 제1고전압원의 고전압 레벨에 대응하는 고전압을 인가하는 제1 및 제2 축전기와; 상기 배전압회로의 출력단에 1차 코일이 연결되고 상기 방전기 전극들의 도통시 2차 코일에서 임펄스 형태의 고전압을 생성하는 변압기와; 상기 변압기의 2차측에 축전기를 통해 연결된 방전전극과 접지단자에 연결된 접지전극을 구비한 방전실과; 상기 방전실의 방전전극에 코로나 방전 개시 직전의 전압을 공급하는 제2의 고전압원을 포함한다.

Description

고전압 임펄스를 이용한 가스 중 방전형성장치 {Apparatus for forming electric discharge in a gas using high voltage impulse}

본 발명은 가스 중의 전기방전에 의한 스트리머 코로나(Streamer Corona)를발생시키기 위한 방전형성장치에 관한 것으로, 특히 플라즈마 응용기술에 적용되는 펄스 고전압을 이용한 가스 중의 방전형성장치에 관한 것이다.

최근 펄스 고전압을 이용한 가스 중 방전 형성장치의 산업상의 응용분야가 증가하고 있으나, 실제 유용한 가스 중의 스트리머 코로나 방전형성장치 기술이 미흡하여 실용상 많은 문제점이 있으며, 특히 가스 중 방전형성을 위한 고전압펄스의 생성에 대한 종래의 기술이 실용에 많은 문제점을 갖고 있다.

동시에, 플라즈마를 이용한 산업상의 응용분야가 나날이 증가하고 있으나, 실제 가스 중 방전에 의한 유용한 플라즈마를 발생시키는 기술이 상기한 고전압 펄스를 발생시키는 기술과 가스 중 방전기술이 미흡한 것에 의하여 산업상의 이용에는 그 실적이 저조하다. 특히 그 핵심기술이라 할 수 있는 고전압 펄스발생장치의 실용화가 미흡하고, 가스 중 효율적인 고전압 펄스발생장치를 이용한 강력한 스트리머 코로나 방전을 통한 플라즈마를 발생시키는 기술에 대한 연구가 활발히 수행되고 있는 실정이다.

첨부도면 도 8은 종래의 일반적인 방전형성장치를 설명하기 위한 회로도로서, 도 8의 방전장치는 외부 고전압원(도시 안됨)으로부터 전기를 공급받는 축전기(C1)의 양단에 방전기(7')의 2개 전극(8', 10')이 연결되고, 방전기 후단에서 축전기(C2)와 변압기(T1)를 통해 방전실(27)의 방전전극 및 접지전극(28, 29)이 연결된 것이다.

고전압원 축전기(C1)로부터 공급되는 고전압이 방전기(7')의 일정 간격의 두 전극(8', 10') 사이에 절연이 파괴되는 전압에 다다르면, 방전기(7')의 제1의전극(8')과 제2의 전극(10') 사이에 절연파괴로 인한 불꽃방전이 일어난다. 이때 축전기(C2)에 저장된 에너지가 변압기(T1)를 통해서 증폭되어 방전실(27)에 전달되고 이에 의해 방전실(27)내의 방전전극(28)과 접지전극(29) 사이에 가스 중 방전이 일어난다. 상기 축전기(C2)에 충전된 고전압이 모두 방전되면, 방전기(7')의 두 전극 사이는 절연이 회복되어 두 전극사이의 불꽃방전이 중단되고, 고전압원 축전기(C1)의 전압이 축전기(C2)에 충전되어 방전기(7')의 제1의 전극(8')과 제2의 전극(10') 사이의 전압이 절연 파괴전압에 다다르면 재차 불꽃방전이 발생하여 같은 방법으로 방전실(27)에서 방전을 일으키게 된다. 이와 같은 과정이 반복적으로 이루어지면, 결과적으로 방전실(7')에는 방전현상이 지속되게 된다.

그러나, 이와 같은 방전형성장치에 있어서는 방전기(7') 두 전극 사이의 방전시 발생하는 전기이온과 전극재료의 침식물로 인하여 전회의 방전에 의해 제1의 전극(8')과 제2의 전극(10') 사이의 절연회복시간이 초기보다 현저히 길어지고, 불꽃방전 시간이 길어지는 문제점이 있다. 이에 의해 방전실(27)내에 빠른 주기의 고전압 펄스에 의한 스트리머 코로나 방전을 형성시키기가 매우 어렵게 된다. 이것은 통상 불꽃방전이 마이크로 초(㎲) 이상 길어지면 전로파괴(Arc)로 이행되기 때문에 실용상에 있어서는 방전실(27)내의 방전전극(28)과 접지전극(29) 사이의 빈번한 전로파괴로 인하여 효율적인 스트리머 코로나 방전을 발생시킬 수 없게 된다.

또한, 방전기(7')의 두 전극에서 발생하는 방전으로 인하여 전극의 국부과열에 의한 전극의 마모가 가속되고, 펄스 고전압을 증폭시키는 변압기(T1)를 이용하여 펄스를 증폭시키는 과정에서 변압기(T1)의 철심의 특성으로 인하여 방전실(27)에 공급되는 고전압 펄스가 변형되므로 안정된 펄스전압을 형성시키기 어려운 단점이 있다. 변압기(T1)를 펄스특성에 대응한 펄스 용도로 사용하여도 철심의 특성상 손실 없이 크기만 증폭시키기 어려우며, 기계구조물로 구성되는 방전실(27)의 크기 및 형상, 방전실 내의 가스에 따라 부하의 변동에 민감하게되어 안정적인 출력을 얻기 어려우며, 이러한 펄스용도의 고전압 변압기(T1)는 제작비용이 높아 실용적이지 못하다.

또, 도 9의 방전장치와 같은 경우에는 고전압원 축전기(C1)를 보다 큰 용량을 사용하여 축전기(C2)에 보다 높은 전압을 충전시킴으로써 상기 도 8과 유사한 원리에 따라 방전기(7')의 제1의 전극(8')과 제2의 전극(10') 사이에서 불꽃방전을 일으키고 스위치(K1)의 접속 상태에서 방전실(27) 내에 방전을 일으키게 된다. 이 경우의 방전장치에 있어서도 상기 도 8의 방전장치와 같이 임펄스 형태의 첨예한 펄스 고전압을 형성시키기 어려우며, 도 8의 장치와는 달리 방전실(27)에 공급되는 고전압의 크기에 해당하는 고전압을 견딜 수 있게 방전기(7')를 포함한 축전기(C1, C2)들의 전기소자들이 더욱 높은 내압을 가져야 하기 때문에 고전압 절연 장치가 더욱 커져야 하고, 고전압에 대한 안전관리가 더욱 어려운 문제점을 갖고 있다.

또한, 상기 방전장치에 있어서는 방전기(7')의 전극 사이의 절연회복 특성이 나쁘고, 불꽃방전시간의 지연 등으로 인하여 전회의 방전이 후자의 방전에 지속적인 영향을 미치기 때문에 일정한 크기와 폭을 갖는 펄스방전을 이룰 수 없으며, 실용상 유효한 펄스의 반복횟수를 얻을 수 없다.

더욱 효과적인 방법으로 방전을 일으키기 위한 방전형성장치의 구성이 도 10에 나타나 있다. 여기서는, 방전기(7')의 구성을 제1의 전극(8')과 제2의 전극(10')의 간격을 늘여 불꽃방전이 발생하지 않도록 멀리하고, 그 사이에 회전되는 조종전극(9')을 설치하여 조종전극(9')을 모터 등을 이용하여 회전시키고, 조종전극(9')의 방전단자(9'a, 9'b)가 제1의 전극(8')과 제2의 전극(10')에 근접되면 불꽃방전이 발생하고 멀어지면 불꽃방전을 차단하여 효과적으로 방전실(27)에서의 방전을 조절할 수 있게 한 것이다.

그러나, 이 경우에 있어서도 상기 도 8과 도 9의 방전장치와 마찬가지로 방전기 전극 사이의 불꽃방전시 발생하는 전기 잔류이온으로 인하여 안정적인 펄스방전을 이루기가 어렵고, 도 8 및 도 9의 장치에 비하여 비교적 펄스의 발생횟수 및 주기를 조절할 수는 있으나 회전체의 도입으로 그 만큼 크기가 커져야만 하고 전극의 마모에 대응한 유지보수가 더욱 어렵게 되는 결점이 있다.

결과적으로, 상기 도 8 및 도 9에 따른 종래의 기술은 방전기(7')의 두 전극(8', 10')사이가 일정거리(통상 10mm)로 이격되어 있기 때문에 두 전극 사이에서 발생하는 불꽃방전에 의해 전극(8', 10')사이에 전기이온이 남아 단속이 나빠지므로 방전실(27) 내의 가스방전을 효율적으로 발생시킬 수 없으며, 불꽃방전시 발생하는 이온의 영향을 줄이기 위하여 상기 두 전극(8', 10') 사이의 간격을 너무 넓게 하면 불꽃방전이 발생하지 않게 되어 방전실(27)에서의 방전을 일으킬 수 없게 된다. 또한, 방전기(7')의 두 전극(8', 10')사이의 불꽃방전이 고전압원 축전기(C1)로부터 공급되는 전압이 일정하여도 축전기(C2)에 충전되는 전압의 크기를 일정하게 유지시키기 어려울 뿐만 아니라, 방전기(7')의 두 전극(8', 10')사이의 절연파괴전압이 일정하게 유지될 수 없기 때문에 방전실(27)에서 안정적인 방전을 기대할 수 없다.

한편, 도 10에 나타낸 방전장치에서, 방전기(7')를 비교적 안정적인 조건에서 동작시켜 방전실(27)에서 어느 정도 일정한 펄스상 방전을 발생시킬 수 있으나, 실용적인 방전실(27)에서의 가스방전을 위해서는 고속의 고전압 펄스방전에 의한 왕성한 스트리머 코로나를 발생시켜, 스트리머 부분에 정과 부의 이온이 혼재하는 플라즈마를 발생시켜야만 하는데, 이러한 플라즈마를 발생시킬 수 있는 왕성한 스트리머 코로나를 발생시키기 위해서는 방전기(7')에서 불꽃방전이 고속으로 발생하여야 한다. 이를 위해서는 도 10의 종래의 기술에 있어서는 방전기(7')의 회전조종전극(9')의 회전수를 최소한 1500rpm 이상으로 하여야만 하는 문제점이 있다. 또한, 불꽃방전의 발생빈도를 높이는데 회전조종전극(9')의 전극(9'a, 9'b)의 수를 증가시키면 좋으나, 각 불꽃방전에 의해 전극간에 발생한 이온이 어느 레벨까지 결국 전극사이의 전기절연이 회복할 때까지의 회복시간보다도 짧은 시간 간격으로 불꽃 방전을 발생시킬 수 없는 문제점이 있으며, 회전조종전극(9')의 회전에 의해 생기는 바람으로 전극간의 이온의 일부분이 날려지므로 실용상 고전압 펄스의 발생 빈도는 최대 약 300회/초로 한정될 수밖에 없는 문제점이 있다.

또한, 이러한 종래의 기술에 있어서는 불꽃방전시 발생하는 전기이온의 이탈과정에서 발생하는 고열로 인하여 전극들(8', 9', 9'a, 9'b, 10')이 마모되어 시간이 지나면 안정적 방전이 급격히 저하되고, 방전기(7')의 수명 또한 얼마 되지 않아 실용상에 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 임펄스 형태의 안정된 고전압 펄스를 발생시키고, 발생된 고전압 임펄스를 감쇄없이 방전실에 전달하여 방전실내에 일정한 고전압 임펄스 방전을 통한 스트리머 코로나를 발생시킬 수 있는 가스 중 방전형성장치를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따르면, 가스가 통과되는 방전실에서 스트리머 코로나 방전에 의한 플라즈마를 형성시키기 위한 가스 중 방전형성장치에 있어서, 일정한 직류고전압을 공급하는 제1의 고전압원과; 제1의 전극, 제2의 전극 및 제3의 전극을 구비한 3극형 방전기와; 상기 3극형 방전기의 제1 전극에 상기 제1고전압원의 전압레벨보다 더 큰 전압을 인가하기 위한 배전압회로와; 상기 제1고전압원의 고전압단자와 접지단자 사이에 직렬 연결되고, 그 중심점이 상기 3극형 방전기의 제2전극에 연결되어 상기 제1고전압원의 고전압 레벨에 대응하는 고전압을 인가하는 제1 및 제2 축전기와; 상기 배전압회로의 출력단에 1차 코일이 연결되고 상기 방전기 전극들의 도통시 2차 코일에서 임펄스 형태의 고전압을 생성하는 변압기와; 상기 변압기의 2차측에 축전기를 통해 연결된 방전전극과 접지단자에 연결된 접지전극을 구비한 방전실과; 상기 방전실의 방전전극에 코로나 방전 개시 직전의 전압을 공급하는 제2의 고전압원을 포함하는 가스 중 방전 형성장치가 제공된다.

상기 배전압회로는 제1의 고전압원의 고전압단자에 직렬연결된 제1의 인덕턴스 코일과 제3의 축전기로 이루어진 LC공진회로로 이루어지고, 상기 제1의 인덕턴스 코일과 제3 축전기 사이에 다이오드가 설치된다.

상기 3극형 방전기의 각 전극들 사이는 일정간격으로 유지되고, 제1전극과 제2전극 사이의 방전여기전압과 제2전극과 제3전극 사이의 방전전압은 동일하게 형성된다. 또한, 상기 제1 및 제2의 축전기는 동일한 용량을 가지며, 그 재충전 사이클은 상기 배전압회로의 제3 축전기의 공진충전 주파수보다 훨씬 높게 된다.

실시예에서, 상기 변압기는 공진특성을 갖는 테슬라 코일 구조의 공심 변압기를 사용한다. 또한, 상기 제2 고전압원의 고전압단자와 상기 변압기 2차측의 고전압단자 사이에 제2의 인덕턴스 코일이 설치되고, 이에 의해 상기 변압기 2차 코일에서 생성된 고전압 임펄스을 차단한다.

또한, 상기 방전기 내의 제1내지 제3전극에 인접하게 보조전극을 설치하고, 상기 방전기의 도통시간 동안 저항과 축전기 회로에 의한 불꽃방전을 일으키게 하여 상기 방전기 각 전극간에 존재하는 이물질을 제거할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 가스 중 방전형성장치의 기본 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 가스 중 방전형성장치의 일 실시예를 나타내는 전기 회로도.

도 3은 도 2 회로에서 방전기에 의한 고전압 펄스 발생 원리를 설명하기 위한 회로도.

도 4는 도 3 회로 각 부분의 동작을 나타내는 파형도.

도 5는 도 2 회로에서 방전실에 공급되는 고전압 임펄스 발생 동작을 설명하기 위한 파형도.

도 6은 본 발명의 가스 중 방전형성에 있어 공진에 의한 임펄스 발생장치의 동작원리를 설명하기 위한 파형도.

도 7은 본 발명의 가스 중 방전형성장치의 임펄스방전 원리를 설명하기 위한 파형도.

도 8은 종래 전형적인 방전형성장치를 나타낸 회로도.

도 9는 종래 방전형성장치의 일 예를 나타낸 회로도.

도 10은 종래 방전형성장치의 다른 일 예를 나타내는 회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 제1의 고전압원 2, 5 : 고전압원의 고전압단자

3, 6 : 고전압원의 접지단자 4 : 제2의 고전압원

7 : 방전기 8 : 제1의 전극

9 : 조종전극 10 : 제3의 전극

11-15 : 축전기 16 : 저항

17 : 다이오드 18 : 제1의 인덕턴스 코일

19 : 제2의 인덕턴스 코일 20 : 변압기

21 : 변압기 1차 권선 22 : 변압기 2차 권선

27 : 가스 방전실 28 : 방전전극

29 : 접지전극 3O : 중심점

31 : 공통접지단자 32, 33, 34, 35 : 측정점

36 : 작동 스위치 38 : 보조전극 저항

40 : 매칭용 콘덴서 41 : 보조전극 콘덴서

42 : 보조전극 43 : 부하특성곡선

44, 45 : 방전기 동작파형 46 : 불꽃방전점

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

일반적으로 가스방전을 위한 방전실에서 고전압 펄스방전에 의한 가스 중의 방전 현상 중에 스트리머 코로나 방전을 야기 시키기 위해서는 방전실내의 방전 전극과 접지 전극사이에 인가되는 고전압이 임펄스 형태의 폭이 좁고 첨예한 펄스 전압이어야 하며, 방전전극과 접지전극사이의 간격이 동일한 조건인 전제하에 가능한 한 임펄스 전압의 높이가 커야만 한다. 또한 임펄스의 폭과 관련된 임펄스의 입상 상승시간이 짧으면 짧을수록 더욱 더 높은 펄스고전압을 인가할 수 있다.

동시에 가스 중의 왕성한 스트리머 코로나 방전에 의해 산업에 실용적으로유용한 플라즈마를 형성시키기 위해서는 스트리머 코로나 부분에는 정과 부의 이온이 혼재하는 전기적으로 중성기체인 활성종(Radical)인 존재한다는 조건의 물리적으로 플라즈마 상태에 도달하기 위해서는 임펄스 방전의 주기가 빠르면 빠를수록 이상적인 가스 중 방전현상을 야기할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 2가지 조건을 만족시키기 위하여 안정적인 고속의 고전압 임펄스를 발생시키기 위하여 조종전극을 포함한 3극의 방전기를 설치하고, 폭이 좁고 입상시간이 극히 짧은 고전압 임펄스를 가스 방전실에 안정적으로 공급하여 최적의 방전현상을 일으키기 위해 완전 공진 조건을 갖는 테슬라 코일의 원리를 이용한 공심형 변압기를 사용하여, 방전실의 방전전극에 임펄스 형태의 고전압을 고속으로 인가할 수 있는 조정 가능한 고속의 고전압 임펄스 발생회로를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 방전형성장치의 기본 구성을 나타낸 전기 회로도이다.

본 발명의 방전형성장치는 고전압 단자(2)와 접지 단자(3)를 가진 제1의 고전압원(1)과, 제1의 전극(8), 제2의 전극 또는 조종전극(9), 제3의 전극(10)을 구비한 3극형 방전기(7)와, 상기 방전기의 제2전극에 조정전압을 공급하기 위한 제1의 축전기(11), 제4의 축전기(14) 및 저항(16)과, 상기 제1의 전극에 고전압을 공급하기 위한 다이오드(17), 제1의 인덕턴스 코일(18), 제2의 축전기(12)로 구성된 공진회로와, 고전압원과 접지 단자에 결합된 1차 권선(21)과 2차 권선(22)이 있는 변압기(20)와, 변압기의 2차측에 제3의 축전기(13)를 통해 연결된 1개 이상의 방전전극(28)과 접지전극(29)을 구비한 방전실(27)과, 다른 하나의 고전압 단자(5)와 접지 단자(6)가 있는 제2의 고전압원(4)과, 상기 제2고전압원의 출력단에 결합된 제2의 인덕턴스 코일(19)과 제5의 축전기(15)를 포함한다.

방전기(7)의 제1의 전극(8)은 다이오드(17)와 제1의 인덕턴스코일(18)을 통해서 제1의 고전압원(1)의 고전압단자(2)에 연결된다. 제1의 축전기(11)와 제4의 축전기(14)는 직렬로 연결되고 다이오드(17)의 양극과 공통접지단자(31)사이에 배치된다. 이 직렬연결의 중심점(30)은 저항(16)을 통해서 방전기(7)의 조종전극(9)과 연결된다. 방전기(7)의 제3의 전극(10)은 공통접지단자(31)에 연결된다.

제2의 축전기(12)는 방전기(7)의 제1의 전극(8)과 변압기(20) 1차 권선(21)의 일측단자 사이에 배치되고, 변압기(20) 1차 권선(21)의 타측단자는 공통접지단자(31)와 연결된다. 변압기(20)의 2차 권선(22)의 고전압 출력단자는 제3의 축전기(13)를 통해서 방전실(27)의 방전전극(28)과 연결된다.

제2의 고전압원(4)의 고전압단자(5)는 제2의 인덕턴스 코일(19)을 통해서 상기 방전실(27)의 방전전극(28)과 연결되며, 제1과 제2의 고전압원(1, 4)의 접지단자들(3, 6)과, 방전실(27)의 접지전극(29), 그리고 변압기(20)의 2차 권선(22)의 접지단자는 모두 공통접지단자(31)와 연결된다. 제2의 고전압원(4)의 고전압단자(5)와 접지단자(6)사이에 제5의 축전기(15)가 접속되어 있다.

상기와 같은 방전형성장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 1의 전기 회로도에서 모든 요소의 초기상태는 영위상태이다. 모든 요소 안에는 전류와 전압이 없다. 제1의 고전압원(1)의 스위치가 온(ON) 된 이후 인덕턴스 코일(18), 다이오드(17), 변압기(20)의 1차 권선(21)을 통하여 제2의 축전기(12)의 공진 충전과정이 시작된다. 제2의 축전기(12)의 충전과정에서 직렬로 연결된 제4의 축전기(14)와 제1의 축전기(11) 또한 동시에 충전된다. 충전과정 중에는 방전기(7)의 조종전극(9)의 전위는 방전기(7)의 제1의 전극(8)의 전위의 절반을 항상 유지한다. 그 이유는 제4 및 제1의 축전기(14, 11)의 용량이 같기 때문이다.

축전기(12)를 충전하는 과정이 끝난 이후 다이오드(17)는 차단되고 방전기(7)의 제1의 전극(8)의 전위는 제1의 고전압원(1) 고전압단자(2)의 전위의 두 배 값과 같아진다. 즉 제4의 축전기(14)의 고전압 단자의 전위도 제1의 고전압원(1) 고전압단자(2) 전위의 두 배에 해당한다. 다이오드(17)가 잠긴 후 축전기(12)의 전압은 방전기(7)의 동작(순간)직전까지 변하지 않고 유지되는 반면, 제1의 축전기(11)와 제4의 축전기(14)의 전압은 인덕턴스 코일(18)과 제1의 고전압원(1)의 내부저항을 통해서 제4의 축전기(14)와 제1의 축전기(11)의 공진 극성 변화 충방전에 따라 변하기 시작한다.

도 2는 상기 방전형성장치의 일 실시예를 나타내는 전기회로도이다.

도 2의 회로는 상기 도 1의 회로에 비하면 제1의 고전압원(1)의 고전압 단자(2)와 접지단자(3) 사이에 축전기(39) 및 다이오드(37)를 배치하여 상기 방전기(7)의 방전시 역방전을 방지하고 있으며, 고전압 단자(2)로부터의 고전압을 개폐하는 작동스위치(36)를 설치하고, 상기 방전기(7) 내부에 별도의 보조전극(42)을 설치한 것과, 상기 변압기(20) 2차 코일(22) 양단에 축전기(40)을 부가한 것이다.

상기 보조전극(42)은 방전기(7)의 통전에 의한 도통시간 사이에 보조전극(42)에 연결된 저항(38)과 축전기(41)에 의한 보조전극(42)의 불꽃방전시 적외선을 발생시켜 방전기(7) 각 전극의 주위와 표면을 항상 깨끗하게 유지시켜 안정적인 임펄스방전을 유지시키는 동시에 방전기(7)의 수명을 증가시키게 한 것이다.

바람직하게, 도 2의 실시예에서 방전실(27)은 방전전극(28)과 접지전극(29)이 다수개로 서로 마주보게 배치된 것을 나타낸다.

또한, 도 2의 회로도에서 제1의 고전압원(1)의 고전압을 V0 이라 하였을 때, 회로 각부의 측정점 30, 32, 33, 34, 35에 나타나는 전압을 V1, V2, Vimp, Vout, Vb 라고 지칭한다.

상기 회로의 동작을 도 4의 파형도를 참고하여 더 상세히 설명한다.

도 4의 파형도에서, 측정점(30)과 방전기(7)의 조종전극(9)에서의 전압파형 V1은 시간 t1까지 제1의 고전압원(1)의 전압레벨 V0로 상승하고, 방전기(7)의 제1의 전극(8)에 걸리는 전압 V2(측정점 32)은 2배의 V0로 상승한다.

방전기(7)에서 방전이 개시될 때 제1의 전극(8)과 조종전극(9)사이에서 LC공진에 따라 변화하는 전압파형(44)와, 조정전극(9)과 제3의 전극(10)사이의 전압 변화 파형(45)을 참고로 방전기 동작을 설명한다.

제4의 축전기(14)와 제1의 축전기(11)의 재충전 사이클은 제2의 축전기(12)의 공진충전과정의 주파수보다 훨씬 크며, 이는 방전기(7)의 조종전극(9) 전압(V1)의 큰 변화속도를 결정한다. 제4의 축전기(14)와 제1의 축전기(11)의 공진충전과정에 조종전극(9)의 전위는 중심점(30)의 전위(V1)와 동시에 저하되고 이때에 방전기(7)의 제1의 전극(8)과 조종전극(9)간의 전위 차이는 증가된다.

제1의 전극(8)과 조종전극(9)간의 통전전압 값에 도달할 때(α점) 방전기의 상부 간극이 도통된다. 이로 인하여 방전기(7)의 조종전극(9)에 제1의 전극(8)의 전압이 걸리고 이로 인하여 조종전극(9)과 제3의 전극(10)사이에 통전전압 이상의 과전압이 걸리게 되어, 방전기(7)는 완전히 도통된다. 중심점(30) 전위(V1)의 변화 속도가 빠르기 때문에 제1의 전극(8)과 조종전극(9)사이의 통전전압의 통계적인 분포는 방전기(7)의 동작 순간에 시간에 따른 분포도가 현저하지 않다. 이는 본 발명에 의한 방전형성장치의 임펄스 반복주파수의 안정도를 결정한다.

방전기(7)가 동작한 이후 제1의 축전기(12)는 변압기(20) 1차 권선(21)을 통하여 방전하기 시작한다. 이때 이와 반대로 2차 권선(22)과 방전실(27)의 구조적 용량에 고전압이 걸리게 된다. 제3의 축전기(13)는 제2의 고전압원(4)에서 방전실(27)의 방전전극(28)에 공급되는 직류성분의 고전압으로부터 변압기(20) 2차 권선(22)을 보호하기 위해 사용된다.

인덕턴스코일(19)과 축전기(15)는 제2의 고전압원(4)을 변압기(20) 2차 권선(22)으로부터 방전실(27)에 고주파성분의 임펄스로부터 보호하고, 방전실(27)을 고주파에 의하여 분기하지 못하게 하는 필터의 역할을 한다. 변압기(20) 2차 권선(22)의 접지단자(26)는 공통접지단자(31)에 접속된다. 2차 권선(22)의 고전압단자(25)에는 오직 전압의 임펄스 성분만 존재한다. 이것은 2차 권선(22) 고압절연의 동작조건을 현저히 쉽게 한다.

본 발명에 의한 고전압 임펄스발생동작을 도 5내지 도 7의 파형도를 참고로 상세히 설명한다.

도 4 전압파형(45)의 방전점(α점)을 통상 방전개시점(Vsp)이라 했을 때 상기의 설명에서와 같이 중심점(30)의 전압(V1)은 방전기(7)의 제1의 전극(8)에 걸리는 전압, 즉 제2의 축전기(12)의 충전전압(V2)에 비하여 시간함수에 따른 변동 공진주파수의 크기가 현저히 큰 값이기 때문에 제2의 축전기(12)에 충전이 완료되면 도 4에 나타낸 순간적인 시간 간격 dt의 구간 내에 공진현상에 의한 극성의 변화로 인하여 방전점(46)에서 방전기(7)가 도통되어 제2의 축전기(12)의 충전전압 V2가 변압기(20)의 1차 권선(21)을 통해서 순간적으로 모두 방전된다.

이때 변압기(20) 2차 권선(22)에 전압이 유기되어 변압기(20)의 1차 권선(21)과 2차 권선(22)의 권선 비 만큼 펄스가 증폭되어 제3의 축전기를 통하여 임펄스 성분의 고전압(Vimp)이 변압기(20) 2차 권선(22)의 고전압단자(25)에 출력전압 파형(33)으로 나타난다. 방전실(27)의 방전전극(28)에는 제2의 고전압원(4)의 고전압단자(5)로부터 출력되는 직류전압(Vb; 35)과 임펄스전압(33)이 합산된 출력전압(Vout, 34)이 도 7과 같이 나타난다.

도 7의 방전실(27)의 방전전극(28)에 출력되는 출력전압 Vout(34)의 파형에서 임펄스의 폭(Pw)과 임펄스의 주기(T)는 방전실(27)에서의 가스 중 방전전극(28)과 접지전극(29)의 방전형성에 매우 중요한 요소이다. 본 발명에서는 제기된 가스 중 방전형성의 중요한 요소를 고려하여 제1의 인덕턴스 코일(18)과 제2의 축전기(12)의 용량을 적절히 조절함으로써 LC 공진조건의 조절을 통한 임펄스의 주기 T를 용이하게 조절할 수 있게 구성하여 임펄스의 반복주파수를 수십에서 수천 헤르츠(Hz)까지 조절할 수 있다.

또한, 방전실(7)의 크기에 따른 구조용량의 변화에 대응한 부하성분의 변화에 있어서도 완전 공진조건에 필요한 부하용량과의 임피던스 매칭이 가능할 수 있도록 도 2에서 별도의 축전기(40)를 배치하여 공진조건에 의해 항상 안정된 임펄스를 발생시킬 수 있게 하여, 임펄스의 폭(Pw)을 완전 절연파괴로 이행되는 최대 1㎲ 이내에서 제어가 가능하다. 본 실시예에서 임펄스의 폭은 대략 500나노초 이내로 하여 방전실(27)의 방전전극(28)과 접지전극(29) 사이의 불꽃방전(Spark)이나 전로파괴(Arc)로부터 보호한다.

본 발명에 따른 방전기(7)의 구성에 있어서, 각 전극간의 간격을 조절이 가능하게함으로써 각 전극사이의 통전전압을 조절할 수 있다. 이에 의해 제2의 축전기의 충전전압 V2(32)를 조절하여 임펄스의 출력전압 Vimp(33)을 손쉽게 조절할 수 있으며, 전극의 마모에도 대비할 수 있다. 동시에 제2의 고전압원(4)의 출력을 조절하여 방전실(27)에 전달되는 합산 출력전압 Vout(34)를 직류성분과 임펄스성분의 크기를 개별 조절 가능하다.

또한 도 2와 도 3에 나타낸 바와 같이 방전기(7)에 별도의 보조전극(42)를 배치함으로써 방전기(7)의 전극간의 방전현상에 따른 이온과 방전 시 발생하는 고온의 열로 인한 전극의 마모 또는 증발되는 찌꺼기를 방전기(7)의 통전에 의한 도통시간 사이에 보조전극(42)의 불꽃방전에 의한 적외선을 발생시켜 방전기(7)의 각 전극의 주위와 표면을 항상 깨끗하게 유지시킬 수 있으며, 이에 의해 안정적인 임펄스방전을 수행시키는 동시에 방전기(7)의 수명 또한 현저히 증가시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 조종전극(9)을 갖는 3극의 방전기(7)와 LC 공진조건에 의해 방전기(7)의 조종에 전압변화의 속도를 증가시킴으로서 임펄스 형태의 고전압 펄스발생기술의 핵심요소 중의 하나인 방전기(7)의 동작시간의 규칙성 확보와 완전 공진조건의 구현이 가능한 테슬라 코일의 원리를 이용한 공심형 변압기(20)를 갖는 고전압 임펄스 발생장치에 있어서, 제1의 인덕턴스코일과 제2의 축전기(12) 및 제1과 제4의 축전기(11, 14), 저항(16), 다이오드(17) 등의 아주 기본적인 전기회로 소자만을 사용하여 저렴한 비용으로 안정적인 임펄스 형태의 펄스 고전압을 수천 Hz까지의 높은 반복주파수까지 임의로 조절이 가능하고 안정된 가스 중 방전에 유용한 임펄스형 고전압 펄스를 발생시킬 수 있다.

또한, 방전실(27)내의 실용적인 가스방전을 유발시키기 위해서 방전개시직전의 일정전압을 공급하기 위한 목적으로 사용되는 제2의 고전압원(4)으로부터 공급되는 직류성분의 고전압과 임펄스형의 고전압을 병합하는 과정에 있어서 제2의 고전압원(4)으로부터 공급되는 직류고전압이 변압기(20)에 아무런 영향을 주지 않고 방전실(27)의 방전전극(28)에만 쓰일 수 있도록 배치한 제3의 축전기(13)로 인하여 변압기(20) 2차 권선(22)의 고전압단자(25)의 고전압에 대응한 절연의 조건을 용이하게 한다. 동시에 제2의 인덕턴스 코일과 제5의 축전기(15)를 방전실(27)과 제2의 고전압원(4)의 사이에 배치하여 임펄스형태의 고주파로부터 제2의 고전압원(4)을 보호하고, 방전실(27)내의 방전전극(28)과 접지전극(29) 사이의 가스 방전 중에 야기될 수 있는 고주파에 의한 분기를 방지하는 필터의 역할을 간단히 수행한다. 또한, 방전실(27)에서는 가스 중 최적의 방전효과를 발생시키기 위하여 방전실(27) 크기의 변화에 따른 구조용량의 변화에 대응한 부하성분과 고전압 임펄스 발생장치의 최적의 부하 임피던스의 매칭을 위한 축전기(40)를 변압기(20) 2차 권선(22)의 고전압단자(25)와 접지단자(26) 사이에 병렬로 배치하여 최적 방전을 위한 부하 임피던스 매칭조건을 용이하게 제공한다.

또한, 방전기(7)의 각 전극들(8, 9, 10)간의 안정적인 동작조건을 제공하고 전극의 수명을 연장시킬 수 있는 보조전극을 배치하여 전체적으로 나날이 관심이 증폭되고 있는 실용에 적합한 고전압의 임펄스를 고주파수 범위까지의 임의 조정에 의하여 출력될 수 있는 고전압 임펄스 발생장치를 제공하여 여타의 가스 방전형성에도 중요한 요소기술로 제공될 수 있다.

따라서 본 발명에서 제기한 가스 중 방전형성장치는 방전실(27)내의 방전전극(28)과 접지전극(29)사이에 강력하고 왕성한 스트리머 코로나가 방전실(27) 전체에 발생시킬 수 있는 가스 중 방전형성장치를 제공함으로써 스트리머 코로나에 의한 가스분자가 활성이 강한 라디칼을 생성하는 연쇄반응을 유도할 수 있어, 결과적으로 방전실(27) 전 영역에 전기적으로 중성인 물리학적의 플라즈마영역을 형성을 제공할 수 있다.

특히 본 발명은 가스 중의 스트리머 코로나 방전에 의한 가스 영역에 플라즈마를 형성시키기 위한 가스 중의 방전형성을 이용한 산업시설의 배기가스를 정화하는 방법 중의 한가지인 플라즈마를 이용한 배기가스정화장치에 사용될 수 있으며,본 발명에서 제기된 가스 중의 방전형성장치는 전기공학, 전기물리학, 기계물리학분야의 플라즈마 응용기술 및 고전압 펄스전원장치로 활용될 수 있다.

또한 본 발명의 가스 중 방전형성장치에 있어서는 고전압 임펄스의 발생을 효율적으로 관장하고 완전 공진조건에 의한 입력전력의 거의 전부를 방전실(27)의 가스 중 방전에너지로만 사용되기 때문에 높은 에너지 효율을 제공하므로 종래의 기술에 비하여 소비전력을 대폭 줄일 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (10)

1. 가스가 통과되는 방전실에서 스트리머 코로나 방전에 의한 플라즈마를 형성시키기 위한 가스 중 방전형성장치에 있어서,

   일정한 직류고전압을 공급하는 제1의 고전압원과,

   제1의 전극, 제2의 전극 및 제3의 전극을 구비한 3극형 방전기와,

   상기 3극형 방전기의 제1 전극에 상기 제1고전압원의 전압레벨보다 더 큰 전압을 인가하기 위한 배전압회로와,

   상기 제1고전압원의 고전압단자와 접지단자 사이에 직렬 연결되고, 그 중심점이 상기 3극형 방전기의 제2전극에 연결되어 상기 제1고전압원의 고전압 레벨에 대응하는 고전압을 인가하는 제1 및 제2 축전기와,

   상기 배전압회로의 출력단에 1차 코일이 연결되고 상기 방전기 전극들의 도통시 2차 코일에서 임펄스 형태의 고전압을 생성하는 변압기와,

   상기 변압기의 2차측에 축전기를 통해 연결된 방전전극과 접지단자에 연결된 접지전극을 구비한 방전실과,

   상기 방전실의 방전전극에 코로나 방전 개시 직전의 전압을 공급하는 제2의 고전압원을 포함하는 가스 중 방전 형성장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 배전압회로는 상기 제1의 고전압원의 고전압단자에 직렬연결된 제1의인덕턴스 코일과 제3의 축전기로 이루어진 LC공진회로를 포함하고, 상기 제1의 인덕턴스 코일과 제3 축전기 사이에 다이오드가 설치된 것을 특징으로 하는 가스 중 방전 형성장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 3극형 방전기의 각 전극들 사이는 일정간격으로 유지되고, 제1전극과 제2전극 사이의 방전여기전압과 제2전극과 제3전극 사이의 방전전압이 동일하게 되는 것을 특징으로 하는 가스 중 방전 형성장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제1 및 제2의 축전기는 동일한 용량을 가지며, 그 재충전 사이클은 상기 배전압회로의 제3 축전기의 공진충전 주파수보다 훨씬 높은 것을 특징으로 하는 가스중 방전 형성장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 변압기는 공진특성을 갖는 테슬라 코일 구조의 공심 변압기인 것을 특징으로 하는 가스 중 방전 형성장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 방전실의 방전전극에 상기 제2 고전압원의 직류 공급전압과 상기 변압기 2차측의 임펄스 전압이 합산된 출력전압이 공급되는 것을 특징으로 하는 가스 중 방전 형성장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제2 고전압원의 고전압단자와 상기 변압기 2차측의 고전압단자 사이에 제2의 인덕턴스 코일이 설치되고, 이에 의해 상기 변압기 2차 코일에서 생성된 고전압 임펄스을 차단하는 것을 특징으로 하는 가스 중 방전 형성장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 변압기의 2차 코일 양단 사이에 제4 축전기가 배치되고, 이에 의해 상기 방전실 크기에 따른 구조적 용량의 변화에 대응하여 부하용량과의 임피던스 매칭이 가능해지는 것을 특징으로 하는 가스 중 방전 형성장치.
9. 제1항에 있어서,

   상기 방전실 내의 방전전극과 접지전극은 다수개의 서로 대향된 평판으로 구성 되는 것을 특징으로 하는 가스 중 방전 형성장치.
10. 제1항에 있어서,

    상기 방전기 내의 제1내지 제3전극에 인접하게 보조전극을 설치하고, 상기 방전기의 도통시간 동안 저항과 축전기 회로에 의한 불꽃방전을 일으키게 하여 상기 방전기 각 전극간에 존재하는 이물질을 제거하는 것을 특징으로 가스 중 방전 형성장치.