KR100367785B1 - 조절가능한 조정전극을 구비한 3극 전극특성의 고전압임펄스 방전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압 임펄스를 발생하기 위한 주파수 동작방식의 조절가능한 스파크-갭 스위치(방전기)에 관한 것으로, 본 발명의 장치는 절연물로 만든 밀폐함 본체(1)와, 내부에 공기의 배출 및 전극간의 간극을 조절하기 위한 관 형태의 조정지지대(2)와, 적정간극을 유지하고 두 개의 쌍으로 배치되는 조정지지대(2)에 연결된 실린더 형상의 축 방향으로 이동 가능한 4개의 전극(3∼6)과, 전극간 불꽃방전에 의한 물리-화학적 변화를 방지하기 위해 자외선을 방사하고 전극간 방전여기상태를 형성시키는 2개의 보조전극 P_yФ(9,10)와, 조정지지대(2)의 미세한 조정을 가능하게 하는 플랜지(7)와, 본체(1) 내부로 공기공급을 위하여 연결되는 공기공급관(8)과, 본체(1)의 내벽을 자외선 방사로부터 보호하기 위한 금속보호막(11)과, 본체(1) 내부에 공급되는 공기의 흐름을 전극 간극으로 유도하는 공기유도로(12)를 구비하고 있다. 이 방전기의 적정 동작조건을 제어하기 위하여, 본체(1) 외부에 전기적으로 연결된 간단한 구성의 방전회로가 제공된다. 본 발명의 장치는 외부에 별도의 동기회로와 별도의 트리거 회로를 필요로 하지 않고 독립적인 동작조건에 의하여 조종전극Э₂(4, 5)의 조절만 가지고 주파수 변환 동작 및 방전기의 스위칭 동작전압 등의 제반 특성을 조절할 수 있기 때문에 신뢰성과 안정성을 바탕으로 효율을 높일 수 있다.

Description

조절가능한 조정전극을 구비한 3극 전극특성의 고전압 임펄스 방전기 {Spark-gap switch having three-pole electrode characteristics with adjustable control electrode}

본 발명은 주파수 동작방식의 조절 가능한 스파크-갭 스위치에 관한 것으로, 특히 임펄스 주파수특성을 갖는 고전압 펄스 발생기 또는 고전압 펄스 전원장치에서 고전압 임펄스를 형성하기 위한 조절가능한 조정전극을 구비한 3극 전극특성의 고전압 임펄스 방전기에 관한 것이다.

본 발명은 펄스 방전기술에 있어서 고전압을 조정가능한 안정된 주파수 동작특성을 갖는 임펄스 형태로 변환시키는 기술 및 그 장치에 관련되고, 수 킬로헤르츠(∼kHz)의 주파수 특성을 갖는 고전압 임펄스를 간편하고 효율적인 방법으로 임의 조정가능하게 하는 스파크-갭 스위치(방전기)에 관한 것이다.

최근 임펄스 형태의 펄스 고전압을 이용한 레이저방사, 전자방사, (초)고주파방사 및 전기방전에 의한 플라즈마 응용기술이 산업상의 응용분야가 확대되고, 이에 따른 관련연구와 관심이 증폭되고 있으나, 실제 이러한 유용한 고전압임펄스를 발생시킬 수 있는 스위칭 소자 또는 스파크-갭 스위치의 기술이 미흡하여 실용상 많은 문제점이 있을 뿐만 아니라 경제성 및 효율적 안정된 특성을 갖는 스위칭 소자가 없어 산업에서 실제 적용에는 극히 제한적인 상태이며, 특히 유효한 고전압펄스의 요건인 마이크로 초 이하의 극히 좁은 펄스 폭을 갖는 임펄스 형태의 펄스를 발생시키는 스위칭 기술과 일정한 주기의 주파수 특성과 고속의 펄스발생 주기를 갖는 고주파 스위칭기술 및 소자가 없어 실제 산업에 유효한 고전압펄스 이용기술 및 전기방전을 이용한 플라즈마 응용기술을 적용하는 데 많은 문제점을 갖고 있다. 동시에 플라즈마를 이용한 산업상의 응용분야가 나날이 증가하고 있으나, 실제 유용한 플라즈마를 발생시키는 기술이 상기의 펄스를 발생시키는 기술과 밀접한 핵심기술로 기술개발이 미흡하여 실제 적용 가능한 스위칭소자가 없어 산업상의 실용에는 실적이 저조하다.

이와 같이 고전압 펄스발생장치의 실용화가 미흡한 것은 효율적이고 안정적 운전 특성과 유지 보수적 측면을 포함한 경제성을 갖는 고에너지 또는 고전력의 순간적인 절환기술의 구현에 핵심이 되는 순간 대전력, 주파수 특성을 갖는 스위칭 소자의 개발이 미흡한 까닭에 있다.

제어 및 자동화가 용이하고 크기가 적으며 안정된 주파수 동작특성의 구현이 가능한 사이리스터(Thyristor, SCR), 트랜지스터 스위치 등의 반도체 소자와 그리드(Grid)를 갖춘 열음극 방전관(Thyratron) 등의 진공관 형태의 스위칭 소자에 있어서는 대 전력의 에너지를 전달할 수 있는 스위칭 전력 특성을 갖는 스위칭 소자가 없을 뿐만 아니라, 비교적 긴 수명과 안정된 동작특성의 구현이 가능한 것으로 알려진 반도체 스위칭소자에 있어서는 스위칭 동작의 허용범위에 있는 최근에 개발되어진 비교적 큰 대전력용 스위칭 소자에 있어서도 실제 적용 가능한 스위칭 능력에는 현저히 부족하며, 동시에 스위칭 능력의 허용범위에 있다고 하더라도 실제 산업에서의 고전압펄스의 활용 상에 있어서 순간 방전시 발생하는 전기방전 특성들로 인하여 역회복 전력 또는 순간적인 높은 역전압에 대한 저지가 어려워 실제 적용에 많은 문제점을 갖고 있어 이제까지는 실험설비 수준 또는 펄스 폭이 넓은 일반적인 펄스발생기술에만 적용되고 있다.

진공관 형태의 열음극 방전관에 있어서는 선진국의 군사용 목적 또는 레이더장비에 이용한 소자를 이용하여 성능향상을 통한 대전력 스위칭 용도의 소자가 개발되어 있으나, 이 또한 스위칭 동작을 통한 에너지 전달능력에 수 킬로와트(kW) 수준에 이르지 못하고, 열음극 방전관의 일반적인 특성인 연속 사용시 내부 충진가스의 오염 및 변화로 인하여 그 수명이 평균 3∼6개월 정도 밖에 되지 못하여, 높은 주파수로의 스위칭 동작이 어렵고 수명이 짧아 산업상의 용도에는 적합하지 못하고, 사용한다고 하더라도 가격이 비싸 유지보수 비용 또한 적지 않아 경제적이지 못하다.

이러한 실용상에 문제로 인하여 기계적 구조특성을 갖는 기계방식의 스위치들이 적용되고 있으나, 이 장치들에 있어서는 크기가 크고 안정된 주파수 동작특성을 이루기 어려우며, 고속의 스위칭동작을 구현할 수 없어 실용상에 문제점을 갖고 있으며, 제어 또는 자동화가 어려우며 긴 수명과 안정된 동작특성을 유지하기 위해서는 빈번한 유지보수가 수행되어야 할뿐만 아니라, 스위칭 동작전압이 높아지면 높아질수록 스위치 또한 현저히 크게 할 수밖에 없어 적용이 어려우며, 스위칭 동작전압의 변화 등의 전기적 특성 및 기계적 특성에 따라 스위칭 동작특성이 크게 변화되는 문제점을 갖고 있다.

도 9 및 도 10은 종래 방전기의 동작원리를 설명하기 위한 전기회로도로서, 도 9에 의한 방전기는 직류 고전압(HVDC)을 인가 받아 펄스 형성 콘덴서인 고전압콘덴서(C_p)에 고전압을 저장하고 반도체소자 또는 열음극 방전관인사이리스터(Thyristor) 또는 싸이라트론(Thyratron) 스위치를 스위칭소자로 사용한 것으로 고전압콘덴서(C_p)에 일정전압이 충전되면 스위치를 ON시켜 펄스변압기(T_p)를 통해 펄스전압을 증폭시켜 고전압 펄스를 생성시키는 방법이다.

이 회로는 반도체 소자를 방전기로 사용함으로서 비교적 안정적인 주파수제어가 가능하지만, 이러한 전기소자들은 동작전압이 10킬로볼트(kV) 이내로 낮아 높은 증폭이 요구되는 펄스변압기(T_p)를 이용하여 펄스의 크기를 키워야만 유용한 펄스전압을 얻을 수 있는데, 이러한 펄스변압기(T_p)를 이용한 증폭과정에서 펄스의 높이뿐만 아니라 펄스 폭도 넓어져 1마이크로 초(㎲) 이내의 유용한 펄스를 형성시키기 어려우며, 펄스변압기(T_p) 또한 제작이 까다롭고 복잡하여 제작비용이 매우 높다. 또한 이러한 전기소자들은 대 전류를 흘리는데 있어 허용용량에 따른 한계가 있어 부하(Z_L)의 변화에 따른 급격한 전류의 변화에 대응하지 못하고 파괴되는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점으로 인한 파손시 가격이 비싸 유지보수에 따른 비용이 높아 경제적이지 못하고, 비교적 짧은 펄스 절환 특성을 갖는 열음극 방전관인 싸이라트론의 경우에 있어서는 그 연속사용 시 그 수명이 3∼6개월 정도로 짧아 군사용 목적 등의 용도의 목적 이외의 산업설비에는 적용이 적합하지 못하다. 도 10은 상기 도 9의 전기소자를 이용하지 않고 기계적으로 방전기를 구성한 것이다. 도 11에 보이는 것과 같이 절연지지대(80)에 일정거리가 이격된 2개의 고정전극(40,60)을 배치하고 두 전극 사이에 걸리는 고전압을 계속 증가시키면 어느 순간 두 전극간의 절연파괴전압에 이르는 전압에 다다르게 되어 두 전극사이에 불꽃방전이 발생한다. 이러한 강제적인 불꽃방전을 이용한 스위치 동작을 통한 방전기를 구성한 것이다. 도 10(a)와 도 11에서 직류고전압(HVDC)이 공급되면 펄스형성콘덴서(C_p)에 충전되고, 방전기의 일정 간격의 두 전극(40, 60) 사이에 절연이 파괴되는 전압에 다다르면 방전기의 제1의 전극(40)과 제2의 전극(60) 사이에 절연파괴로 인한 불꽃방전이 일어난다. 이때 펄스형성콘덴서(C_p)에 저장된 에너지가 커플링콘덴서(C_c)를 통해서 부하(Z_L)에 펄스고전압이 전달된다. 상기 펄스형성콘덴서(C_p)에 충전된 고전압이 모두 방전되면, 방전기의 두 전극 사이는 절연이 회복되어 두 전극사이의 불꽃방전이 단속되고, 공급되는 고전압이 펄스형성콘덴서(C_p)에 또 다시 충전되어 방전기의 제1의 전극(40)과 제2의 전극(60) 사이의 전압이 절연파괴전압에 다다르면 재차 불꽃방전이 발생하여 같은 방법으로 부하(Z_L)에 펄스 고전압이 전달된다. 이와 같은 과정이 반복적으로 이루어지면, 결과적으로 부하(Z_L)에 주기적인 펄스 고전압이 걸리게 된다.

하지만 이 경우에 있어서는 1회의 불꽃방전으로 인하여 방전기 주변에 남아있는 불꽃방전 시 발생한 플라즈마 이온 등의 전기이온들로 인하여 횟수가 증가할수록 불꽃방전의 끊김이 나빠 임펄스 형태의 펄스전압을 얻을 수 없을 뿐만 아니라 재차 방전을 위한 전극간의 절연 회복 시간이 길어져 고전압 펄스가 급격히 저하되며, 펄스의 반복 횟수 또한 극히 제한적이며 안정적인 주기를 갖는 펄스를 발생시킬 수 없다. 이러한 펄스의 급격한 저하 방지 및 단속 효과를 높이기 위하여 부하(Z_L)와 병렬 연결한 댐핑저항(R_D)을 추가하여도 일정부분의 펄스의 급격한 저하는 막을 수 있어도 오히려 댐핑저항(R_D)이 에너지를 소비하게 되어 경제적이지 못하다. 이러한 일정거리가 이격된 고정 갭 방식의 방전기에 있어서는 100 킬로볼트(kV) 정도의 펄스를 얻고자 할 경우, 통상 전극간의 이격된 간극거리가 10밀리미터(mm) 정도 떨어뜨리게 되는데 방전단속 효과를 개선하기 위하여 거리를 넓히게 되면 불꽃방전이 발생하지 않아 방전기로서 역할을 수행할 수 없는 문제점이 있다.

보다 효과적이고 높은 펄스발생횟수, 비교적 안정된 주파수를 얻기 위한 방법으로 도 10b와 도 12에 나타낸 바와 같이 두 개의 고정전극(40, 60)을 멀리하고 그 사이에 모터(M) 등의 회전체에 연결된 회전전극(50)을 배치하여 고정전극(40)과 (60) 사이의 중심점을 기준으로 절연재질의 회전축(70)에 연결된 회전전극(50)을 회전시킴으로서 회전전극(50)의 방전단자(a, b)가 고정전극(40)과 (60) 사이의 직선에 위치하게 되면 불꽃방전이 발생하고 멀어지면 단속됨으로서 방전기의 동작을 수행하게 된다.

그러나, 산업 상에 유용한 펄스를 발생시키기 위해서는 부하(Z_L)측에 고전압펄스의 파고치와 반복횟수를 높여야 되는데, 이 종래의 기술 또한 전회의 방전에 의하여 남아있는 전기이온의 영향으로 방전시간이 일정시간 끌리게 되어 첨예한 임펄스를 얻기 어려우며, 실용상 회전수를 분당 1500회 이상의 고속 회전체를 사용해야 하기 때문에 실용적이지 못하고 크기가 상당히 커질 수밖에 없으며, 고속의 회전체를 적용하여도 잔류이온의 영향으로 펄스발생 횟수를 300 헤르츠(Hz) 이상 얻을 수 없다.

또한, 더욱 효과적인 방법을 얻기 위하여 도 13 및 도 14와 같은 방법으로 회전전극(50)의 방전단자의 수를 늘리는 방법이 있으나, 일정시간의 절연회복시간을 확보하기 위해서 고정전극(40, 60)의 사이를 더 벌려야 되고 회전전극(50)에 있어서도 각 방전단자의 간격을 벌리기 위하여 상대적으로 방전기의 크기를 더욱 크게 할 수밖에 없다. 이렇게 방전기를 크게 하여도 결과적으로는 모터(M)의 회전속도를 낮출 수 있는 효과 이외에는 전극사이의 절연회복시간 때문에 높은 주파수를 얻을 수 없다.

또한 이러한 기계식 방법의 방전기에 있어서도 불꽃방전시 발생하는 전극의 마모로 인하여 연속사용시 그 수명이 통상 3개월 정도 밖에 될 수 없다. 전극의 크기를 크게 하여 사용시간을 연장하려고 하여도, 연속사용시 전극의 마모로 인한 전극사이의 간격이 시간이 지날수록 멀어지고, 전극의 침식물로 인한 전극표면의 변화로 일정한 펄스 고전압을 얻을 수 없다. 따라서 안정적인 펄스발생을 위해서는 수시로 방전기의 작동을 멈추고 전극간격을 재조정하거나 전극을 보수하여야만 한다.

결과적으로, 이러한 종래의 기술에 있어서는 불꽃방전시 발생하는 전기이온의 이탈과정에서 발생하는 고열로 인하여 전극들이 마모되어 시간이 지나면 안정적 방전이 급격히 저하되고, 방전기의 수명 또한 얼마 되지 않을 뿐만 아니라, 실용적인 펄스에너지를 전달하는 스위칭 효과의 관점에서 주파수 제어특성, 펄스의 형태 및 경제적인 측면에서 실용상에 많은 문제점을 갖고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 조정 가능한 수 kHz의 안정된 주파수특성을 갖는 고전압 임펄스를 간편하고 효율적인 방법으로 발생시킬 수 있는 방전기를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 방전기는 절연물로 된 밀폐함 본체와, 내부에 관(Pipe)형태의 구리 조정지지대와, 이 조정지지대에 연결된 축 방향으로 이동 가능하고 동일한 구조의 실린더 형상의 4개의 전극을 포함한다.

상기 4개 전극들은 각각 두 개의 쌍으로 구성하여 각 쌍의 전극들은 일정한 거리를 이격하여 반대방향으로 마주보는 형태로 배치하고, 하나의 쌍 전극 중 하나의 전극은 다른 쌍 전극의 다른 전극에 공기공급관과 금속보호막을 통하여 전기적으로 연결한 조종전극을 배치하고, 각 쌍의 전극 중 나머지 전극은 기본전극인 접지전극과 고전압전극을 형성한다.

본 발명에 따른 방전기는 각 전극의 간극을 임으로 조정가능하게 하기 위해 각 전극들에 연결된 조정지지대들과, 각 전극의 간극사이의 방전이후 신속한 전기절연회복을 시키기위한 공기공급관과, 공급되는 공기의 흐름을 전극 사이에서 일률적으로 확산시키기 위한 공기유도로를 구비한다.

본 발명은 자동 또는 임의로 조정 가능한 조정전극이 구비되어 전극들의 마모를 보정하는 전 과정을 단순화 및 원격조정이 가능하고, 일정한 주파수동작특성및 임펄스주파수 조정을 임의로 수행할 수 있는 높은 안정성, 고효율 및 신뢰성을 갖는 방전기를 제공한다.

도 1은 본 발명에 의한 고전압 임펄스 방전기의 기본 구조를 보인 종단면도.

도 2는 본 발명에 의한 방전기 본체의 외관을 나타낸 사진.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전압 임펄스 방전기의 종단면도.

도 4는 본 발명 고전압 임펄스 방전기의 동작을 설명하기 위한 압축공기 흐름도.

도 5는 본 발명 고전압 임펄스 방전기의 전기적 결선을 나타낸 도면.

도 6a 및 6b는 본 발명에 따른 고전압 임펄스 방전기의 방전회로의 일 실시예를 나타낸 전기 회로도.

도 7a 및 7b는 방전회로의 다른 실시예를 나타낸 전기 회로도.

도 8a 및 8b는 본 발명의 고전압 임펄스 스위치에 대한 동작원리를 설명하기 위한 전기 회로도.

도 9a, 9b 및 도 10a, 10b는 종래 방전기의 동작원리를 설명하기 위한 전기 회로도.

도 11 내지 도 14는 종래 방전기의 여러 가지 실시예를 나타낸 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 방전기 본체 2 : 조정지지대

3 : 고전압전극(Э₃) 4, 5 : 조종전극(Э₂)

6 : 접지전극(Э₁) 7 : 플랜지

8 : 공기공급관 9, 10 : 보조전극(P_yФ)

11 : 금속보호막 12 : 공기유도로

13 : 보조전극지지대 14 : 본체플랜지

15 : 본체결합 볼트 16 : 가스켓

17 : 플랜지 고정볼트 18 : 전극간극 고정볼트

20 : 소켓 40, 60: 고정전극

50 : 회전전극 70 : 절연 회전축

80 : 절연지지대 M : 모터

a∼h : 방전단자 C, C_c, C_pC_y, C_y1∼C_y4, C_yФ: 콘덴서

D, D₁, D₂: 다이오드 L, L₁: 유도코일

R_y, R_y1, R_y2, R_D: 저항 Z_L: 부하

T_p: 펄스변압기 α, β, γ : 방전점 및 동작구간

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

일반적으로 고전압 또는 대전력의 전기에너지를 절환하기 위한 스위칭 동작, 특히 임펄스 형태의 고전압을 스위칭하는 동작에 있어서, 산업 상에 유용한 목적의 임펄스를 전달 또는 발생시키는 스위칭동작의 기본은 마이크로 초 이하의 초 미소시간을 갖는 펄스 폭과, 가능한 한 큰 임펄스 형태의 높은 펄스전압, 안정된 동작특성, 비교적 높은 주파수를 얻을 수 있으면서, 산업현장에서의 안정성, 긴 수명, 정비의 단순, 경제성 등을 만족시켜야 한다.

따라서 본 발명에서는 안정적 동작 특성 및 높은 주파수 동작 특성 및 동작상태의 주파수 조절특성을 고려하여 조종전극을 구비한 3극의 스파크전극 회로를 이용한 방전기를 제공한다.

본 발명에서는 종래의 전기소자만으로 구성이 어려워 주파수동작특성 및 안정적 동작을 위한 제어 가능한 조절특성을 갖는 방전기를 아래의 방법과 구성을 통하여 실현하였다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 고전압 임펄스 방전기의 구조를 보인 것이다. 본 발명의 방전기는 절연재질로 된 밀폐함 본체(1)와, 내부에 공기의 배출 및 전극간의 간극을 조절하기위한 관형태의 조정지지대(2)와, 일정전압에 대하여 불꽃방전을 발생시키기 위하여 적정간극을 유지시켜 두 개의 쌍으로 배치되는 조정지지대(2)에 연결된 벽이 두꺼운 실린더 형상의 축 방향으로 이동 가능한 4개의 전극(3∼6)과, 전극(3, 4)의 불꽃방전에 의한 물리-화학적 변화의 방지 및 전극간의 방전여기상태를 형성시키기 위한 두 개의 보조전극(9,10)과, 전극간극을 조절하기 위해 조정지지대(2)의 미세한 조정을 가능하게 하는 플랜지(7)와, 본체(1) 외부로부터 공기공급을 위하여 연결되는 공기공급관(8)과, 본체(1)의 내벽을 자외선 방사로부터 보호하기 위해 사용되는 금속보호막(11)과, 본체(1) 내부에 공급되는 공기의 흐름을 유도하는 공기유도로(12)를 포함하여 구성된다.

상기 실린더형 전극(3∼6)들은 각각 2개의 쌍으로 구성하여 일정한 거리를 이격하여 서로 반대로 마주보는 형태로 배치하고, 한 쌍의 전극 중 하나의 전극(4)과 다른 한 쌍 중 다른 하나의 전극(5)을 공기공급관(8)과 금속보호막(11)을 이용하여 서로 전기적으로 연결되게 함으로써 조종전극(4, 5)의 기능을 수행하게 하고, 각 쌍의 반대편에 위치한 기본전극들을 각각 고전압전극(3)과 접지전극(6)이 되게 구성한다.

상기 조종전극(4, 5)은 방전기의 사용상 배치를 고려하여 전극의 간극조절이 용이한 형태로 방전기의 대칭면에서 한 쪽에 배치하거나 대각선으로 배치하는 방법으로 구성할 수 있으며, 기본전극들인 접지전극(6) 및 고전압전극(3)과 방전기의 안정적인 동작을 목적으로 부가한 방전회로에 순차적으로 연결시킨 각각의 기본전극(3, 6)에 대하여 2개의 간극을 형성하여 주파수 및 펄스의 크기, 작동전압을 임의로 조정 가능하게 할 수 있다.

만약 방전기의 작동전압이 20kV일 때 전극 사이의 간극 표준 거리는 3.5mm이고, 간극이 2.5mm에서 4.5mm 사이의 간격에서는 방전기는 안정적인 작동을 할 수 있다. 이러한 방전기의 작동전압 및 효율을 보존하기 위해서 각 전극들에 연결된 조정지지대와 플랜지에 의하여 각 전극의 간극이 임의로 조정 가능하게 된다.

또한, 전극들 사이에 압축공기를 실린더형 구조의 전극(3∼6)들의 외면에서 중심을 향하여 흐르게 하여 전극 간극간의 방전시 발생하는 전기이온인 플라즈마 이온과 전극의 침식물을 함유한 폐공기는 전극(3∼6)들과 조정지지대(2a,2b,2c,2d)들의 중심구멍을 통하여 방전기 외부로 배출된다. 여기서 동일전극의 동심원형 내에서는 전기장이 영이 되기 때문에 폐공기에 함유된 전기이온을 없애 전기이온으로 인한 공기 절연특성의 저하를 방지할 수 있으며, 이에 의해 방전기의 스위치동작에 있어서 각 전극의 간극사이에 방전이후 전기절연강도를 신속히 회복시킨다.

압축공기는 2개의 공기공급관(8)을 통하여 방전기 본체(1) 안으로 직접공급하고, 각 전극간극에 일정한 공기흐름을 유도하기 위한 공기유도로(12)를 통과하여 전극사이로 공급된다.

공기의 공급에 있어서는 공기공급관(8)을 통하여 외부로부터 공기를 공급하거나, 반대로 조정지지대(2)를 통하여 강제로 공기를 배출시키는 방법이 모두 적용가능하며, 여과기와 가스흐름 냉각기를 이용하여 폐쇄 사이클에 따라 실현될 수도 있다. 또한 공기를 다른 여러 성분과 혼합하여 사용하거나 전기절연가스를 사용할 경우에는 방전기의 특성향상 및 크기를 줄일 수 있는 방법으로 사용될 수 있다.

또한 방전기의 안정적인 작동을 위하여 본체(1) 내부의 2개의 전극사이를 자외선 방사에 의한 전극들 표면의 침식물 부착방지와 방전 여기상태의 조성을 위한 보조전극(9, 10)이 배치되어 방전기의 시동 직전과 방전기의 시동 사이에 작동하고, 방전기가 동작할 때 발생하는 자외선 방사와 전극들의 침식물로부터 본체(1) 내부표면을 보호하기 위하여 방전기 내부에 금속보호막(11)이 설치된다.

상기 조절 가능한 3극의 전극구조를 갖는 방전기에 사용되는 방전회로가 도 6a에 나타나 있다. 이 방전회로에서, 고전압(V₀)이 충전된 초기콘덴서(C₀)로부터 스위치가 닫히면 충전콘덴서(C)에 충전되는 전압은 초기콘덴서(C₀)의 용량이 충전콘덴서(C)보다 충분히 큰 조건(C₀C)에서, 유도코일(L)과 다이오드(D)를 통하여 공진충진에 따라 충전콘덴서(C)에 충전되는 전압 V는 계산식에 의하여 완전충전 되는 충전사이클 끝에 이르러서는 거의 2배에 가까운가 된다. 여기서이 된다. 따라서 이러한 전기적 특성으로 인하여 결과적으로 기본전극들인 접지전극Э₁(6)과 고전압전극Э₃(3) 사이에는 2V₀의 전압이 걸리게 되고, 조종전극인 Э₂(4, 5)에는 그의 반에 해당하는 V₀의 전압이 걸리게 된다.

또한, 도 6a의 전기회로에서 충전콘덴서(C)의 충전과 동시에 조종용 저항(R_y)을 통하여 조종용 콘덴서(C_y)도 충전된다. 충전콘덴서(C)에 충전이 완료되면, 다이오드(D)가 닫히게 되어 충전콘덴서(C)에 충전된 전압은 보존되어 결과적으로 기본전극 Э₁, Э₃(6, 3) 사이에는 2V₀의 전압을 유지하게 된다. 다이오드(D)가 닫히면 조종콘덴서(C_y)에는 과충전 현상이 발생하여 도 6b에 나타낸 전극들 사이의 전위차 변화와 같이 조종전극Э₂(4, 5)와, 접지전극Э₁(6) 사이에 걸리는 전위는 일정하게 유지되는 충전콘덴서(C)의 충전전압의 크기까지 높아지고, 따라서 상대적으로 조종전극Э₂(4, 5)와, 고전압전극Э₃(3) 사이의 전위 차는 감소하게 된다.

이러한 일련의 각 전극사이의 전위차 변화에 따라 접지전극과 조종전극(Э₁, Э₂)사이의 전극 간극에서 절연파괴 전압인 관통전압에 다다르면 곧바로 불꽃방전에 의한 통전현상이 일어나고 곧이어 조종전극과 고전압전극(Э₂, Э₃)간의 간극에서도 통전현상이 일어남에 따라 방전기는 짧은 시간 도통상태를 유지하는 스위치 동작을 하게 되어 충전콘덴서(C)에 충전된 에너지가 일시에 순간적으로 부하(Z_L)에 모두 전달된다.

만약 계속적으로 고전압이 공급되고 있다면 충전콘덴서(C)에 충전된 에너지가 부하(Z_L)에 모두 전달되는 순간 방전이후, 충전콘덴서(C)는 동일한 방법으로 충전주기를 가지고 재충전되고, 방전기의 동작에 따라 부하(Z_L)에 에너지를 전달하는 방전을 반복한다.

이 회로에서 조종저항(R_y)와 조종콘덴서(C_y)의 값을 변화함으로서 방전기의 충전 사이클 시작점과 방전기의 작동 순간을 일정한 정도로 변화시킬 수 있다. 하지만 도 6b의 파형도에서 보이는 것과 같이 조종전극 Э₂에 걸리는 전압의 증가변화에 대한 약간 경사진 전면 때문에 방전기 동작의 시간특성의 안정성이 높지 않은 단점이 있다. 방전기 동작의 이완 상태에서 동작하는 보조전극 P_yФ(9,10)의 간극이 자외선 방사에 의하여 충방전 사이클의 지속성의 시간분산을 줄이고 일정한 정도로 방전기 전극간의 방전사이에 동작하여 일정한 정도의 방전기의 작동을 안정시킨다.

도 6a의 회로에서 보다 효과적인 방전기 동작의 시간특성을 개선하기 위한 방법으로 변형된 회로는 도 7a와 같다.

도 7a의 회로에서 충전콘덴서(C)의 충전은 도 6a회로의 동작과 같다. 진폭 값까지 충전콘덴서(C)가 충전되면, 다이오드(D)가 닫히게 되어 충전회로에 있는 유도코일(L)을 통하여 역 방전을 저지함으로서 충전콘덴서(C)의 충전전압(2V₀)은 계속 유지된다. 충전콘덴서(C)의 충전시 함께 충전된 조종용 용량분할콘덴서 C_y1과 C_y2에 충전된 용량들은 이들의 용량 값과 유도코일(L)의 값에 의해 결정되는 LC공진에 의한 비교적 높은 주파수를 가지고 유도코일(L)을 통하여 방전을 시작한다. 이러한 과정은 방전기의 시동 임펄스를 형성하기 위해서 이용된다.

도 7b의 파형도에서 보이는 것과 같이 충전콘덴서(C)의 충전시 고전압전극Э₃(3)의 전위는 상기와 같은 법칙에 의하여 V(t) 값으로 정해지며, 조종전극Э₂(4, 5)의 전위는가 된다. 만약, C_y1= C_y2일 때 조종전극Э₂(4, 5)의 전위는 V_(t)/2가 되어 방전기의 전극들 사이의 2개의 간극사이의 전위는 평등하게 분할되어 나누어진다. 이것은 전극간에 동일한 간격들을 유지할 경우 충전콘덴서(C)의 충전과정에서 전극들의 전위강도를 정확히 평등하게 유지시켜 평등한 전위강도 또는 절연강도를 보장하여 결과적으로는 방전기의 최대 에너지 강도를 보장한다.

또한 충전콘덴서(C)의 충전이 완료되면 L, C_y1, C_y2회로에 재 충전과정이 계속되었을 때 도 7b에서 보여지는 바와 같이 처음 반주기 동안에 유도코일(L)과 다이오드(D) 사이의 중간 점의 전위는 영(0) 정도까지 감소한다. 동시에 똑같은 과정에 의해 조종전극Э₂(4, 5)의 전위와도 관련하여 행해진다. 이때 조종전극Э₂(4, 5)와 고전압전극Э₃(3) 사이의 간격에 걸리는 전위차는 충전콘덴서(C)의 충전전압인 2V₀까지 증가하기 시작하며, 방전기의 파라미터인 전극간극의 통전전압(V₀< V_통전(sp)< 2V₀)을 적당히 선택할 때 전극 Э₂,Э₃의 간극은 이 과정의 전면에서 절연파괴 되어 불꽃방전에 의해 통전되며, 이로 인하여 충전콘덴서(C)의 충전전압인 고전압전극Э₃(3)에 걸린 전압 2V₀이 조종전극Э₂(4, 5)에 걸리게 되어 접지전극Э₁(6)과 조종전극Э₂(4, 5) 사이의 간극인 제2의 간극 또한 과전압에 의하여 통전됨으로써 방전기는 순간적으로 도통상태가 된다.

또한 도 7b에 나타낸 충전콘덴서(C)의 충전에 따른 방전기의 전압과 전극간의 전압변동을 설명하는 파형에서, 방전기가 시동되는 Э₂Э₃간극의 통전이 일어나는 간격전압은 "γ"점으로 표시하였고, 방전기의 안정적인 동작을 수행하기 위해서는 전극간극의 조절을 통하여 "γ"점이 "α"점과 "β"점 조절될 수 있다.

본 발명에서는 이러한 주파수 동작방식의 조절 가능한 조종전극Э₂(4, 5)를 갖는 3극 스파크 전극회로에 있어서 방전기로 대진폭 임펄스 형태의 과도전압을 형성할 수 있도록 도 8과 같이 보다 복잡한 정형화된 제어회로가 부가된 방전회로를 제공한다.

도 8a의 회로는 상기 도 7a 보다 발전된 방전회로에 관한 것으로서, 충전콘덴서(C)의 충전시 전극사이의 간격에 유발되는 전위차를 동등화하기 위하여 콘덴서를 이용한 조종용 용량분할기(C_y1+ C_y3= C_y2+ C_y2)가 보충되었다. 상술한 방법에 의하여 충전콘덴서(C)에 충전이 완료되면 다이오드(D)가 닫히게 되고, 그 이후의 재 충전과정은 조종용 용량분할콘덴서 C_y1과 C_y2만 동작하게 된다. 그 이유는 용량분할콘덴서 C_y3과 C_y4는 제2의 다이오드 D₁에 의해 차단되기 때문이다. 만일 C_y1C_y2로 할 경우 C_y2에서 발생하는 전압변화에 비하여 C_y1의 전압변화는 무시될 수 있으므로 이 회로의 동작과 관련한 변수 값은 C_y2의 용량에 의해 결정되고, 그 최대 값은 3V₀에 도달할 수 있다. 이는 Э₂Э₃간극의 통전전압이 V₀근방이라고 할 때 이의 3배에 해당한다.

결국 Э₂Э₃간극의 전위가 순간적으로 통전전압의 3배 수준에 다다르는 3V₀까지 상승되어 보다 확실한 방전기 시동을 이룰 수 있게된다. 또 제3의 다이오드 D₂와 저항기 R_y2는 방전기 동작 직후 다음 사이클 시작 전에 제어회로의 모든 요소들이 초기화될 수 있도록 용량분할콘덴서 C_y4에 충전된 전압의 방전을 위해서 사용된다.

방전기의 안정작동구역인 "α"점과 "β"점 사이에 통전 점 "γ"을 배치하는 것은 방전기 작동의 최대 안정성 관점에서 보면 도 7b와 도 8b와 같이 하는 것이 가장 적당할 것이다. 하지만 연속사용으로 인한 장기간 사용시 전극간극의 변화 때문에 또 방전기의 운영 및 정비에 대한 정기 작업의 관점에서 작업기간을 확대할 목적으로 충전전압과 전극간극의 거리에 대한 적당한 결합을 선택하여 동작점인 통전 점 "γ"를 초기에 "α"점 가까이 배치하는 것이 실용적이다. 이것은 방전기의 동작에 따른 전극의 마모에 따라서 통전 점 "γ"는 "β"점 쪽을 향하여 이동하게 되며, 이 점(β)에 도달하면 전극간격을 재조정해야 한다. 본 발병에서는 전극의 간극을 플랜지(7)와 전극(3∼6)들이 연결된 조정지지대(2) 및 회전축(6,7)을 임의 또는 자동으로 조절할 수 있는 파라미터 변경요소를 선정하여 조절한다.

또한 본 발명에서는 전극 표면의 기하학적이고 물리화학적인 특성의 변화에 대비하여 실용상 장기 운영시 피할수 없이 수반되는 스파크 갭의 특성 중에 한가지인 전극표면의 변화를 방지하여 보다 안정적인 방전특성을 유지시킬 목적으로, 동시에 방전기의 시동과 관련한 방전여기상태를 형성시킬 목적으로 자외선을 방사하는 보조전극 P_yФ(9, 10)을 부가한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 도 1 및 도 3과 같이 보조전극 P_yФ(9, 10)을 Э₂Э₃간극 근처에 배치한다. 도 8a의 회로도와 같이, 다이오드(D)와 병렬로 완충용 저항 R_yФ를 통하여 연결된 완충용 콘덴서 C_yФ와 보조 스파크 갭, 즉 보조전극 P_yФ(9, 10)를 배치하였다.

충전콘덴서(C)의 충전이 완료되어 다이오드(D)가 닫히게 되면, 유도코일(L)을 통하여 용량분할콘덴서 C_y1과 C_y2에 충전된 전압이 LC공진에 의해 방전이 시작된다. 이 방전회로 동작에 의하여 다이오드(D)와 병렬 연결된 대략 10^-6쿨롱(c; Coulomb)의 충전전하 용량을 갖는 R_yФC_yФ회로의 전압은 증가하기 시작한다. 콘덴서 C_yФ용량에 있는 전압이 일정한 값에 도달하면 병렬로 연결된 보조스파크 갭 P_yФ인 보조전극(9, 10)의 간극사이에 절연파괴로 인한 불꽃방전이 발생하여 임펄스에 의한 방전기의 전극 Э₂Э₃간극 사이에 약하게 비추는 자외선을 방사하게 된다. 따라서 이 Э₂Э₃간극의 각 전극들의 표면을 자외선 방사로 인하여 항상 초기상태와 같은 깨끗한 상태를 유지시킴과 동시에 통전을 유발하는 대전입자를 형성시켜 Э₂Э₃간극간의 방전기 시동을 위한 방전 여기상태를 형성시킨다. 이것은 종래의 외부로부터 강제로 방사선을 조사시키는 방법들에 비해 본 발명에서 제기된 보조전극P_yФ(9, 10) 방식은 간단한 구조와 동작원리에 의해 안정성이 보장되고 경제적인 측면에서도 보다 효율적인 동작특성을 제공한다.

이러한 일련의 작용은 방전기의 제 2의 간극인 Э₁Э₂사이의 간극에서도 일어난다. 이는 각 쌍의 전극 간극을 평행하게 배치함으로서 제 2의 간극인 Э₁Э₂사이의 간극전압의 거의 두 배에 해당하는 Э₂Э₃간극의 과도전압에 의한 불꽃방전에 의한 제 1의 간극인 Э₂Э₃간극의 통전시 발생하는 임펄스 자외선 방사에 의하여 이루어진다. 이러한 자외선 방사에 의한 보조조명의 효과는 인화강도, 최대 조명도 조건에 대응하는 두 쌍의 간극간의 밀접한 관계로 인하여 절연거리를 확보한 조건의 최대근접과 평행한 배치 및 보조전극 P_yФ(9, 10)의 배치에 밀접한 관련이 있다.

또한 본 발명에 의한 방전기의 시동회로는 특별한 동기회로와 별도의 외부 트리거 회로(Trigger Circuit)를 필요로 하지 않기 때문에 회로를 보다 단순화하여 독립적으로 자체적인 동작조건에 의하여 조종전극의 조절만 가지고 주파수 변환 동작 및 방전기의 스위칭 동작전압 등의 제반 특성을 조절할 수 있기 때문에 신뢰성과 안정성을 높일 수 있어 실제 산업의 적용에 특히 유용하다.

도 1 내지 도 3에 나타낸 방전기의 기계적 구성에서, 상기 설명한 방전회로의 전기회로부품에 대한 단면도는 생략된 것이다.

본 발명에 따른 방전기에 사용되는 각 전극(3∼6)들의 재질은 강도 및 물리-화학적 특성을 고려하여 텅스텐과 구리의 분말합금(W+Cu)의 재질을 사용한다. 이는 방전기의 동작시 스파크 갭 특성상 불꽃방전에 의하여 전극의 마모에 대비한 통상적인 내마모성을 고려한 것이다. 방전기의 본체(1)는 도 1 및 도 3 방전기 모두 전극사이의 절연회복과 안정적 특성을 목적으로 부가적으로 압축공기를 사용한다는 관점에서 밀폐형 구조를 가지게 되는데 고전압을 절환하는 방전기의 용도에 맞춰 크기를 최소화하여 효율적으로 제작하기 위해서 또한 특수구조로 인한 가공성을 고려하여 테프론 등의 절연재질을 사용한다.

동시에 전기적인 회로의 특성을 고려하여 도 1의 조정지지대(2)는 구리(Cu)재질을 사용하고, 조정지지대(2)와 결합되어 전극간극의 조절을 목적으로 사용되는 플랜지(7)는 본체와 같은 재질을 사용한다. 금속보호막(11)은 본체(1) 내벽을 자외선 방사로부터의 보호목적과 도 1의 구조의 방전기에서 전극(4)와 전극(5)의 전기적 연결을 통하여 조종전극(Э₂)으로 사용하는데 있어 전기적인 연결을 간편하게 하는데도 사용될 수 있다.

본 발명의 압축공기에 의한 전극의 절연회복 특성을 위한 방전기의 작동을 도 4를 참고로 설명한다. 또한, 도 5의 방전기의 전기적 결선에 보이는 것과 같이 금속보호막(11) 또는 방전기 외부에 전기도선을 이용하여 평행으로 배치된 두 쌍의 전극 중 한 쌍의 한쪽 전극과 다른 쌍의 다른 한쪽 전극을 전기적으로 연결한다. 도 4 및 도 5와 같이 대각선에 위치한 전극들을 전기적으로 연결한 예를 보이고 있는데, 이러한 배치의 구성은 방전기의 실용상 배치에 따라 한쪽에 배치하거나 대각선으로 배치하는 방법 모두 가능하다. 이는 배치에 따라 전극간극의 조절이 용이한 형태로 배치하면 될 것이다.

도 4에서, 도 1 및 도 3에 표시된 공기공급관(8)을 통하여 방전기로 유입되는 공기는 각 전극들과 직선방향으로 배치된 공기유도로(12)에 의해 일정한 분포로 확산되어 실린더형 전극(3∼6)들의 외면에서 중심을 향하여 전 영역에 걸쳐 흐르게 되고, 전극간극의 작은 틈새를 통과한 공기는 실린더형 전극(3∼6)들의 내부를 통하여 구리로 된 관 형태의 구조의 조정지지대(2)의 내부를 통하여 방전기 본체(1) 외부로 배출된다. 이때 공기공급과 배기를 위하여 관 형태의 조정지지대(2)의 끝 부분과 공기공급관(8)의 끝단에 소켓(20)을 부착하여 외부 관과 연결하여 공기공급을 수행한다. 공기공급은 강제적으로 공기공급관(8)을 통하여 공기를 공급하는 것과 반대로 조정지지대(2)에 연결된 관을 이용하여 강제배출에 의한 방법 및 여과기 와 가스흐름 냉각기를 이용하여 폐쇄 경로를 구성하는 방법 모두 가능하다. 또한 공기 대신에 절연가스 또는 절연가스와 공기를 혼합하여 사용하여 방전기의 동작특성을 더욱 개선할 수 있는 방법도 가능하다.

본 발명에서의 압축공기의 용도는 방전기의 전극간극사이의 불꽃방전에 의한 전극 침식물 및 방전시 형성되는 플라즈마 이온 등의 대전입자를 제거함으로서 전극사이의 급속한 절연회복의 목적으로 사용된다. 동시에 방전기의 동작에 의한 전극간의 고에너지 전달에 의한 전극의 열화 등으로 인한 전력의 손실 및 전극 재질을 특성변화를 방지하기 위한 전극의 냉각목적에도 사용된다.

따라서 본 발명에 의한 주파수 동작특성의 유지를 위해서 방전기의 첫 번째 동작과 다음 동작의 주기와 관련하여 방전기의 통전영역에 해당하는 전극들의 간극 틈으로 방전기의 주파수동작시간 이내의 공기의 유속을 갖는 것이 무엇보다 중요하다. 방전기의 안정적 동작에 필요한 공기의 소비량은 이러한 상관관계를 통하여 쉽게 구할 수 있다. 즉, 방전기의 용량 및 동작주파수에 따라 방전기를 동작시키는 전압을 결정하는 전극의 간극 및 전극의 크기에 따라 모든 파라미터를 정할 수 있을 것이다.

또한 본 발명의 특징인 방전기의 안정적인 특성의 유지를 위하여 사용하는 압축공기의 흐름과 관련하여 전극(3∼6)들의 기하학적 형태를 실린더 형태로 한 것과 조정지지대(2)를 동심의 원형 관으로 사용한 것에 의하여 동일한 극성을 갖는 동심원 내부의 전계는 영(0)이 된다는 전기적인 이론이 적용될 수 있으며, 이는 전극사이의 불꽃방전에 의하여 생성된 대전입자들로 인한 전위경도를 갖는 것을 방지하고 방전기 동작 중에 전위경도의 차로 인한 동작특성의 변화 및 전력 소비를 방지하기 위한 구성임을 주목하여야 한다.

본 발명에 의한 방전기의 동작 한계 주파수는 상기 여러 가지 파라미터들의 복합함수에 따라 좌우된다. 이러한 파라미터들은 전극의 재료와 전극의 기하학적 형태, 공기의 유속 및 압력, 방전기의 동작 임펄스 당 절환되는 스위칭에너지, 방전전압 및 방전전류가 유동하는 조건 등에 좌우된다. 이러한 조건들 속에 동일한 조건에서의 공기를 사용하지 않을 경우 실험적으로 얻은 방전기의 동작주파수는 200∼400Hz의 값으로 한정되었으나, 이는 도 9 및 도 10과 같은 종래의 기술에 비하여 전혀 손색이 없음을 방전기의 방전회로의 구성과 구조만으로도 종래의 기술에 비하여 탁월한 특성을 보인다고 할 수 있다. 여기에 압축공기를 부가하여 사용함으로서 그 특성을 10배 이상 상승시킬 수 있을 뿐만 아니라 실용상 장기적 사용에 있어서도 상기 설명한 원리에 의한 전극의 수명연장과 안정적인 동작특성을 얻을 수 있다. 사용되는 공기의 소비량은 방전기의 실제 동작과 관련하여 일련의 파라미터에 의하여 결정할 수 있다.

본 발명에 의한 방전기를 이용하여 10kW 내외의 스위칭 전력에 대한 2∼3kHz 정도의 주파수 동작특성을 갖도록 방전기를 동작시키기 위해서는 초당 10에서 50리터(10∼50 ℓ/sec)의 공기가 필요로 하며, 방전기의 요구되는 동작조건에 따라 공기의 소비의 파라미터를 결정하면 임의로 방전기의 동작특성을 조절할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 조종전극Э₂(4, 5)에 의한 방전기의 동작 특성을 조절하는 것에 있어서, 우선적으로 방전기의 동작특성에 따른 방전기 각 전극간의 간격조절이 중요하다. 도 1의 방전기 구성에 있어서, 전극간의 간극조절은 각 전극(3∼6)들에 연결된 특별한 구조의 조정지지대(2)와 플랜지(7)에 의해서 수행된다. 일정한 간격의 피치를 갖는 조정지지대(2)와 플랜지(7)의 결합에 의하여 방전기의 정기 정비시에 임의로 전극간극을 조절하거나 회전체(도시 안됨)를 부착하여 자동으로 전극 조절이 가능하게 할 수 있다.

외부의 회전체를 이용한 전극간극의 자동조절에 있어서는 방전기의 각 전극에 걸리는 전압 파형을 일반적인 고주파 측정회로를 이용하여 검출하여 마이크로프로세서를 이용하거나 별도의 회로를 구성하여 전극의 자동조절을 이룩할 수 있으나 이는 일반적인 여러 가지의 제어방법이 사용될 수 있기 때문에 본 명세서에는 구체적인 설명을 생략한다.

본 발명의 방전기에 대한 산업상 실제사용에 있어서, 전극간극의 자동조절은 상기 설명한 구성에 의하여 방전기의 동작중이나 또는 연속사용에 따른 정기 정비시 임의조정이 가능한 구성을 제공한다.

도 1의 방전기에 있어서, 기본전극(3, 6)들과 조종전극(4, 5)의 배치는 각 전극들의 구성 및 구조가 동일한 형태를 가짐으로 인하여 실제 방전기의 배치에 따라 전극간극들의 조정이 유리한 배치에 따라 조종전극(4, 5)들을 각 쌍의 전극간극에 대하여 평행 또는 대각의 위치에 임의로 배치할 수 있어 실제 방전기의 적용에 따른 배치에 대하여 크게 제약을 받지 않게 된다.

본 발명의 부가적인 보조전극 P_yФ(9, 10)의 역할은 상기 동작원리와 구성의 설명에서와 같이 방전기의 수명과 안정적 동작특성에 밀접한 관계가 있다. 보조전극 P_yФ(9, 10)의 배치는 하나의 보조전극 P_yФ(9, 10)중 한쪽 전극(9)은 제 1의 간극인 Э₂Э₃간극의 바로 옆에, 도 8a의 방전회로의 구성에 따라 고전압전극(3)인 Э₃전극에 직접 연결하여 배치하고, 또 다른 하나의 상대 보조전극(10)은 본체(1)에 보조전극지지대(13)를 통하여 고정하고 방전기 외부에 보조전극 회로를 구성하여 수행한다.

본 발명에 의한 방전기는 일반적인 방전기의 동작에 있어서 빈번히 발생하는 부하의 변동 등에 의한 과전압 및 과부하에 대한 안정적 동작특성을 갖는다. 본 발명에 의한 방전기의 허용 부하의 변동 값은 방전기 동작 평균값의 ±20%의 변동 영역 내에서 안정적인 동작을 수행하며, 그 이상의 급격한 부하의 변동요건에 대해서도 종래 기술의 반도체 소자를 이용한 방전기 및 기계방식의 방전기에 있어서의 절연 지지대의 파손으로 인한 위험성과 비교할 때 본 발명의 조종전극Э₂(4, 5)의 구성에 의한 3극 방전기 구성은 균등한 전기강도를 분할시켜 과부하로부터의 충격을 완화시키고 실린더형 전극 구조 및 동심 관을 사용하여 전계를 흡수시킴으로서 에너지의 손실방지와 급격한 부하변동 요인에 의한 과부하에 대한 충격에 내하여 높은 내구성을 갖게 된다.

본 발명은 상술한 원리 및 구성에 의하여 날로 산업상의 용도가 증폭되고 있는 고전압 펄스 전원장치와 임펄스 발생기의 에너지 절환에 반드시 필요한 핵심기술인 절환방법과 스위칭 소자를 제공할 수 있으며, 종래 기술에 비하여 실제 산업에 요구되는 안정성과 효율적인 동작특성을 가지고 동시에 연속 상용목적의 긴 수명이 요구되는 고전압펄스용도의 장비들에 사용될 수 있으며, 최근 산업의 여러 용도에 적용되는 플라즈마 기술과 관련하여 플라즈마 발생을 위한 기계물리학 및 전기물리학, 물리화학 분야의 연구에도 활용될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 조종전극Э₂(4, 5)을 갖는 3극의 전극구조를 갖는 방전기에 있어서 안정적 동작제어를 위한 방전회로, 급속한 전극간의 절연회복을 위한 공기공급, 전극간 신뢰성을 유지한 안정된 방전형성을 도와주는 보조전극 P_yФ(9, 10) 및 각 전극의 구조 및 배치에 따른 특성에 의하여 연속사용시에도 긴 수명을 가지고, 별도의 시동회로를 요구하지 않으며, 고전압펄스의 고주파 스위칭이 가능한 대 전력 절환특성을 가진 고전압 펄스 스위치를 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 방전기는 수 킬로헤르츠(∼kHz)의 주파수 특성을 갖는 고전압 임펄스를 간편하고 효율적인 방법으로 임의조정 가능하게 하는 것으로, 산업상 또는 기타 목적의 고 주파수특성 및 고전압 임펄스 발생이 요구되는 장치에 있어서 이에 대한 핵심기술인 스파크-갭 스위치(방전기) 또는 스위칭 소자로 사용할 수 있다.

또한, 방전기의 구성상 안전성과 신뢰성을 토대로 실제 산업에 필요한 고전압 펄스전원장치 또는 펄스발생기의 제작에 있어 장치의 크기를 대폭 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 고전압 임펄스를 형성하기 위한 3극 전극특성의 고전압 임펄스 방전기에 있어서,

   절연재질로 된 밀폐함 본체(1)와;

   상기 본체(1)의 양측면에서 내부로 연장되는 관 형태의 2개 쌍의 조정지지대(2a~2d)와;

   상기 본체 내부로 연장된 조정지지대 끝단에 축 방향으로 이동가능하게 설치되고 2개의 쌍으로 일정 거리를 이격하여 서로 대향하게 배치된 벽이 두꺼운 실린더 형상의 4개의 전극(3∼6)과;

   상기 전극의 축방향 미세이동을 위해 상기 본체 외면의 조정지지대 주위로 결합되는 플랜지(7)와; 플랜지(7)의 회전에 의해 상기 대향하는 전극 쌍의 간극을 조절하고,

   상기 본체(1) 내부로 공기의 공급을 위해 연결되는 금속제의 공기공급관(8)과;

   상기 본체 내부에서 상기 2개 쌍의 전극 간극으로 일정한 공기흐름을 유도하기 위한 공기유도로(12)와; 그리고

   방전기의 적정 동작조건을 제어하기 위하여 상기 본체(1) 외부에서 상기 전극(3~6)과 전기적으로 연결되는 방전회로를 포함하고,

   상기 4개의 전극(3∼6)에서 한 쌍의 전극 중 하나의 전극(4)과 다른 한 쌍 중 다른 하나의 전극(5)을 서로 전기적으로 연결하여 조종전극의 기능을 수행하게 하고, 각 쌍의 전극중 나머지 전극을 고전압 전극(3)과 접지전극(6)이 되도록 한 것을 특징으로 하는 고전압 임펄스 방전기.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 공기공급관(8)을 통해 공급되는 공기는 압축 공기, 절연가스 또는 절연가스와 공기의 혼합물을 사용하고, 공기의 배출은 상기 조정지지대(2a~2d) 외측단에 연결된 관을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 고전압 임펄스 방전기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 조종전극(4, 5)과 고전압 전극(3) 또는 조종전극과 접지전극(6) 사이에서 방전기의 시동 직전과 방전기의 시동 사이에 작동하는 보조전극(9, 10)을 더 포함하고, 방전기가 동작할 때 발생하는 자외선 방사와 전극들의 침식물로부터 본체(1)의 내부 표면을 보호하기 위하여 금속막(11)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 고전압 임펄스 방전기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 방전회로는 인가되는 고전압 V₀가 다이오드(D)를 통하여 충전콘덴서(C)에 LC공진에 의해 인가전압의 2배가 되는 2V₀로 충전되게 하는 유도코일(L)과, 충전콘덴서(C)에 충전된 전압인 고전압전극(3)에 걸리는 전압 2V₀가 동시에 용량분할콘덴서(C_y1, C_y2)에 Cy1과 Cy2의 값을 갖게 하여 조종전극(4, 5)에 인가되는 전압이 고전압전극(3)에 걸리는 전압의 절반이 되게하는 조종용 용량분할콘덴서(C_y1, C_y2,C_y3, C_y4)와, 충전콘덴서(C)에 충전이 완료되면 다이오드(D)가 닫혀 용량분할콘덴서 C_y1, C_y2만 동작하여 과충전현상이 발생하여 조종전극(4, 5)에 연결된 조종용저항(R_y1, R_y2)과 다이오드(D₁, D₂)를 통하여 과충전된 전압이 방전되게 하는 유도코일(L₁)을 구비하고, 상기 조종전극(4, 5)에 걸리는 전압을 급격히 감소시킴에 따라 조종전극(4, 5)과 고전압전극(3) 사이의 전위차를 급격히 상승시켜 상기 방전기를 시동하는 것을 특징으로 하는 고전압 임펄스 방전기.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 조종전극(4) 및 (5)의 연결은 상기 공기공급관(8)과 상기 금속막(11)을 통하여 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 고전압 임펄스 방전기.