한국항공우주학회지 (Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences)

  • 제40권4호
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  • Pages.316-329
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  • 2012
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  • 1225-1348(pISSN)
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  • 2287-6871(eISSN)
한국항공우주학회 (The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences)
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고엔탈피 열유동 발생용 고주파 유도결합 플라즈마 토치의 최적 설계변수 해석

Optimum design analysis of ICP(Inductively Coupled Plasma) torch for high enthalpy thermal plasma flow

  • 서준호 (전북대학교 고온플라즈마응용연구센터)
  • 투고 : 2011.10.31
  • 심사 : 2012.02.27
  • 발행 : 2012.04.01
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초록

초음속 플라즈마 풍동 등, 항공우주 응용을 위한 고순도, 고엔탈피 열유동 발생 장치로서 널리 쓰이고 있는 유도결합 플라즈마 토치에 대해, 전기회로 이론과 결합된 해석적 및 수치해석적 자기유체역학 모델을 이용하여 토치 설계변수(주파수 $f$, 가둠관 반지름 $R$ 및 코일 감은수 $N$) 변화에 따른 전기적 특성 변수(등가 저항, 등가 인덕턴스 및 결합효율)의 거동을 추적함으로써 최적 설계 변수해석을 수행하였다. 계산 결과, 등가저항은 $f$, $R$ 및 $N$이 증가함에 따라 커지는 반면, 등가 인덕턴스는 $f$가 증가할수록 작아지지만 $R$과 $N$의 증가에 대해서는 커지는 경향이 있음을 파악하였다. 이로부터, 10 kW 급 고주파 유도결합 플라즈마 토치의 경우, 결합효율을 극대화시키는 최적의 주파수, 가둠관 반지름 및 코일 감은수의 범위를 각각 $f$=4~6 MHz, $R$=17~25 mm 및 $N$=3~4 로 추정하였다.

In this paper, optimum design process of ICP (Inductively Coupled Plasma) torch, which has been used widely in aerospace application, such as supersonic plasma wind tunnel, is presented. For this purpose, the behaviors of equivalent circuit parameters (equivalent resistance and inductance, coupling efficiency) were investigated according to the variations of torch design parameters (frequency, $f$, confinement tube radius, $R$ and coil turn numbers, $N$) in the basis of analytical and numerical MHD (Magneto Hydro-Dynamics) models combined with electrical circuit theory. From the results, it is found that equivalent resistance is increased with the increase of $f$ values but vice versa for equivalent inductance. For elevated values of $R$ and $N$, however, both parameters tend to increase. Based on these observations, ICP torch with a power level of 10 kW can be optimized at the design ranges of $f$=4~6 MHz, $R$=17~25 mm and $N$=3~4 to maximize the electrical coupling efficiency, which is the ratio of equivalent resistance to equivalent inductance.

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참고문헌

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