KR20080010086A - 저온분사 코팅법을 이용한 부스바 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비중이 가볍고 저가의 알루미늄 1000계열 내지 6000계열의 기판 상에 저온분사 코팅법을 이용하여 높은 전기전도도 및 열전도도를 가지는 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말을 코팅하여 부스바로 사용하도록 한 부스바 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 부스바를 제공함에 그 목적이 있는 것으로, 상기 목적을 달성하기 위하기 위한 구성은, 알루미늄 1000계열 내지 알루미늄 6000계열의 모재로 부스바 형성용 기판을 마련하는 단계; 상기 기판 표면에 예열된 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말과 가스를 혼합챔버에서 혼합하고 그를 분사노즐로 분사하여 코팅 층을 형성하는 단계: 상기 코팅 된 기판을 열처리 하는 단계로 이루어진다.

저온 분사, 부스바, 열전도, 혼합챔버

Description

부스바 및 그 부스바 제조방법 {Manufacturing method of busbar}

도1은 본 발명의 제조방법에 의해서 제조된 부스바를 개략적으로 나타낸 사시도,

도2는 본 발명의 제조방법에 의해서 제조된 부스바를 개략적으로 나타낸 단면도,

도3은 본 발명의 부스바를 제조하기 위한 코팅장치 블록도,

도4는 본 발명의 방법으로 기판 상에 다양한 두께의 코팅 층을 형성한 상태를 나타낸 사진,

도5는 본 발명의 방법으로 코팅된 코팅 층의 조직사진,

도6은 본 발명의 방법으로 코팅된 코팅 층의 확대 조직사진.

본 발명은 비중이 가볍고 저가의 알루미늄 1000계열 내지 6000계열의 기판 상에 저온분사 코팅법을 이용하여 높은 전기전도도 및 열전도도를 가지는 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말을 코팅하여 부스바로 사용하도록 한 부스바 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 부스바에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 부스바(busbar)의 경우 높은 전기전도성이 필요하고, 차단기와 같은 특수 개폐기에 사용되는 부스바의 경우 스프링이나 다른 장치에 의해 접점이 이루어지는 작용을 한다. 그러므로 부스바 및 차단기 개폐용 부스바의 재질은 전기전도도가 좋은 구리를 사용하고 있다.

또한 전기 판넬부에서 각 장치로 전기를 공급해주는 연결부인 부스바는 상기와 같이 대부분이 구리재질을 사용하고 있으나, 구리 소재의 특성상 무게가 무겁고, 다른 전기전도도가 높은 소재인 알루미늄등과 비교하였을 때 상대적으로 재료비의 상승을 야기하여 개폐기 부품의 가격상승을 초래하고 중전기기나 그 이상의 용량 기기에 있어서 고 중량의 무게로 제품의 내구성에 문제를 일으킬 소지가 발생하게 된다.

이와 같은 문제로 전기전도도가 좋으며 가격이 저렴한 소재인 알루미늄을 사용할 수 있다. 그러나 구리소재에 비하여 낮은 전기전도도로 인하여 전기 통전시 열이 발생하게 되어 사용 환경에 따라서 냉각기를 설치해 주어야 하는 문제가 발생한다. 특히 통전시 발생 가능한 아크에 의해서 용융점이 낮은 알루미늄 소재의 용융이 발생할 여지가 높기 때문에 중전기기나 그 이상의 용량 기기에는 적합하지 않은 문제점이 있다.

전기접점이 발생하는 부분에 상대적으로 전기전도도가 높고 용융점이 높은 구리소재를 위치시켜주는 것이 바람직하다. 이와 같은 알루미늄 소재와 구리소재를 접합해 주는 방법은 대표적인 예로 클래드법을 들 수가 있다.

그런데 구리와 알루미늄을 클래드 할때 접합 하고자 하는 소재의 표면에 불 순물이 존재하여 접합면에 불량이 발생할 수 있기 때문에 클래드 전 표면처리공정이 필요하게 된다. 또한 가압에 의한 방법이기 때문에 클래드 전과 후의 치수변화가 발생하는 문제점이 있으며, 특히 국부적인 접합이 불가능하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해서 발명한 것으로, 비중이 가볍고 저가의 알루미늄 1000계열 내지 6000계열의 기판 상에 저온분사 코팅법을 이용하여 높은 전기전도도 및 열전도도를 가지는 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말을 코팅하여 저가의 부스바를 생산하도록 한 부스바 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 부스바를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 부스바 제조방법은, 알루미늄 1000계열 내지 알루미늄 8000계열의 모재로 부스바 형성용 기판을 마련하는 단계; 상기 기판 표면에 예열된 구리분말 또는 구리-텅스텐혼합분말과 가스를 혼합챔버에서 혼합하고 그를 분사노즐로 분사하여 코팅 층을 형성하는 단계: 상기 코팅 된 기판을 열처리 하는 단계로 이루어진다.

상기와 같은 방법으로 이루어지는 본 발명에 따른 부스바 제조방법을 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저 부스바 형성용 기판을 알루미늄 1000계열 내지 알루미늄 6000계열로 하는 이유는 일반적으로 사용되는 구리(Cu)에 비하여 가격이 저렴하고 그 비중이 가벼우며 전기전도도가 높아 경제적인 면에서 유리하기 때문이다.

또한 본 발명의 기판에 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말을 코팅함에 있어 그 코팅되는 기판의 해당 면은 도1과 같이 평면상에 코팅하거나 또는 도2와 같이 요철 면이 형성된 기판의 표면에 코팅하여 사용할 수도 있다.

그리고 상기 알루미늄 1000계열 내지 알루미늄 6000계열의 기판 표면에 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말을 코팅하는 것은 저온분사 코팅법에 의해 하는 것이며 그 코팅장치는 도3에 나타낸 바와 같다.

상기 코팅장치의 구성은, 가스컨트롤부(10), 가스히터(20), 구리분말송급장치(30), 구리분말예열장치(40), 혼합챔버(50), 컨트롤부(60), 분사노즐(70)로 이루어지며, 상기 가스컨트롤부(10)는 가스의 공급량을 제어하는 것으로, 이동되는 가스를 가스히터(20)로 이동시킴과 동시에 일부의 가스를 구리분말송습장치(30)로 이동시킨다. 상기 가스히터(20)는 가스를 일정온도로 예열하는 곳이며, 그 예열된 가스히터(20)는 혼합챔버(50)로 공급한다.

상기 구리분말송급장치(30)는 구리분말을 공급하는 장치로써, 가스컨트롤부(10)로부터 공급된 가스를 이용하여 구리분말을 구리분말예열장치(40)로 전송한다. 그리고 상기 구리분말예열장치(40)는 스크류 형상으로 형성되는 이송관과 이를 가열하는 저항선, 또는 이송관을 직접 가열하는 직접가열 방식의 이송관을 구비한다.

이에 따라 발열시 이송관을 통과하면서 예열된 구리분말은 혼합챔버(50)로 전송된다. 이러한 구리분말예열 장치(40)와 가스히터(20)는 컨트롤부(60)를 통하여 온도 조절이 이루어진다.

상기 혼합챔버(50)에서는 예열된 구리분말과 가스가 혼합되고, 그 혼합챔버(50)를 통하여 혼합된 구리분말과 가스는 분사노즐(70)을 통하여 기판으로 분사되어 코팅 층(110)을 형성하게 된다.

상기의 구성을 갖는 상기 코팅장치는 통상의 장치로서, 기판(120)의 표면이 분사노즐(70)을 향하도록 설치된다. 그 각도는 가장 높은 적층효율을 달성하기 위하여 90도의 각도를 가지는 것이 바람직하다.

부스바는 일정 크기로 절단된 후 지그장치와 같은 것에 의해 고정될 수 있고, 또는 압출장치와 연동하도록 코팅장치를 설치하여 압출과 동시에 코팅 될 수 있게 해도 된다.

상기와 같은 장치에 의해 알루미늄 1000계열 내지 알루미늄 6000계열의 기판 표면에 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말을 코팅함에 있어 그 구체적인 조건은 먼저, 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말 입자 크기는 5~200㎛로 하는데, 그 이유는, 5㎛ 미만이면 보우 쇽(bow shock)작용에 의해 코팅이 정상적으로 이루어지지 않는 문제점이 발생하게 되고, 200㎛를 초과하게 되면 입자가 너무 커서 적층 율이 현저히 떨어지는 문제점이 발생한다. 따라서 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말 입자 크기는 5~200㎛로 함이 바람직하다.

그리고 상기 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말의 입자는 구형으로 함이 바람직한데, 그 이유는, 코팅의 효율이 타 형상의 입자보다 양호하기 때문이다.

상기 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말의 예열온도는 상온-600℃로 하는데, 사용되는 부품에 따라 낮은 온도를 조절할수 있다. 그러나 600℃를 초과하게 되면 분말이 이송되는 관내에 고착될 염려가 있음은 물론, 예열하는 히터가 훼손되고, 코팅장치의 피팅 연결부가 열에 의하여 변형을 일으켜 기밀이 유지되지 않는 문제점이 발생한다. 따라서 분말의 예열온도는 상온-600℃로 함이 바람직하다.

상기 메인 가스의 예열온도는 200-800℃로 하는데 그 이유는, 상기 분말예열온도와 마찬가지로 200℃ 미만에서는 가스 분사 속도가 떨어져 생산효율이 저하되는 문제점이 발생하고, 800℃를 초과하게 되면 코팅장치의 피팅 연결부가 열에 의하여 변형을 일으켜 기밀이 유지되지 않는 문제점이 발생한다. 따라서 가스 예열온도는 200℃-800℃로 함이 바람직하다.

상기 분사노즐의 선단과 기판의 코팅 해당 면간의 거리는 5~50mm를 유지함이 바람직한데, 그 이유는, 분사되는 가스의 기류에 5mm 미만의 분말이 보우쇽 효과(bow-shock effect)에 의해서 코팅이 이루어지지 않는 문제점이 발생하고, 50mm를 초과하면 노즐 출구를 벗어난 분말의 속도가 코팅이 이루어지는 임계속도 이하로 낮아지기 때문에 코팅이 이루어지지 않거나, 코팅 효율 및 코팅 특성이 낮아지는 문제점이 발생하기 때문이다. 따라서 분사노즐의 출구와 코팅 대상물 면간의 거리는 5~50mm를 유지함이 바람직하다.

상기 가스는 질소, 헬륨, 대기 중의 압축공기 중 어느 하나 또는 그들을 2가지 이상 혼합한 것을 사용하는데, 그 이유는, 고온으로 가열시 폭발과 같은 반응이 없고, 가스 기류내 비행하는 분말입자들과 산소와의 반응이 차단시켜줄수 있는 가스를 사용하기 위함이다.

상기 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말이 코팅 된 기판의 열처리온도는 100- 500℃인데, 그 이유는, 100℃ 미만에서 열처리를 하게 되면 조직의 풀림효과(annealing)를 가지지 못하는 문제점이 발생하고, 500℃를 초과하게 되면 모재인 알루미늄의 용융온도에 가깝기 때문에 모재의 변형을 발생시키는 문제점이 발생하기 때문이다. 따라서 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말이 코팅 된 기판의 열처리온도는 100-500℃로 함이 바람직하다.

그리고 본 발명의 구리 및 구리-텅스텐혼합분말의 송급 속도는 1-15kg/hr로 함이 바람직하고, 가스의 공급압력은 10-40kg/cm²로 함이 바람직하다.

이하 본 발명의 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다.

[실시예]

본 발명은 상기의 코팅방법을 이용하여 도4에 나타낸 바와 같이 여러 가지 두께를 가지는 부스바를 제작하였다. 기판 소재는 알루미늄 합금(Al 6061)으로 하고, 제작시 사용된 실제 저온분사 공정 조건을 아래와 표1과 같은 조건에서 실시하였다.

	공정조건	비고
사용가스	질소
메인가스 온도	550 (℃)
분말예열 온도	150 (℃)
분말송급양	3.7kg/hr
메인가스 압력	25 kg/cm2
노즐과 기판의 거리	15mm
이동속도	10mm/sec

코팅 회수에 따른 코팅 층을 형성한 모습이 도4에 보여지고 있다. 사용한 코팅 분말은 5~45㎛의 구리 분말을 사용하였다.

또한 도5은 상기 기판에 형성된 코팅 층의 단면을 보여주고 있다. 도6은 코팅분말의 조직을 보기위하여 에칭한 단면조직사진을 보여준다. 이와 같이 이종재료인 알루미늄과 구리코팅소재간의 경계면이 저온분사 코팅 공정 중에 소성변형에 의해서 경계에 결함 없이 접합이 되어 있음을 볼 수 있다. 그리고 코팅층 조직사진에서 알수 있듯이 모재와 가까울수록 코팅시 피닝(peening)효과에 의해서 조직이 코팅표면에 대비하여 치밀함을 알 수가 있다.

또한 본 실시예의 제조방법에 따르면 도5의 확대 단면사진에서 보이듯이 기공이 거의 존재하지 않는 우수한 코팅 층을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 알루미늄 1000계열 내지 알루미늄 6000계열의 기판에 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말을 간편하고 용이하게 코팅함으로서 생산성 증대에 기여할 수 있는 효과가 있고, 또, 종래 고가이며 비중이 무거운 구리를 사용함으로서, 경제성 측면과 하중 측면에서 발생하는 문제점에 비하여 비중이 낮은 알루미늄 혹은 알루미늄 합금을 사용하기 때문에 비용절감 및 무게절감이 된 부스바를 제작할 수 있는 효과가 있다.

또 본 발명은 용융의 고온이 존재하지 않으므로 작업의 안전성을 기할 수 있으며, 더욱이 본 발명은 로봇등과 같은 분사노즐 조정을 통하여 복잡한 형상의 제작이 가능하고 대형 부품 등 부품 크기에 제약을 받지 않는 이점이 있다.

Claims (11)

1. 알루미늄 1000계열 내지 알루미늄 6000계열의 모재로 부스바 형성용 기판을 마련하는 단계;

   상기 기판 표면에 예열된 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말과 가스를 혼합챔버에서 혼합하고 그를 분사노즐로 분사하여 코팅 층을 형성하는 단계:

   상기 코팅 된 기판을 열처리 하는 단계로 이루어진 구성을 특징으로 하는 부스바 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말의 입자 크기는 5~200㎛ 임을 특징으로 부스바 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말의 입자 형태는 구형에 가까운 형상임을 특징으로 하는 부스바 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말의 예열온도는 상온-600℃임을 특징으로 하는 부스바 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 메인 가스의 예열온도는 200-800℃임을 특징으로 하는 부스바 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 분사노즐의 출구와 기판의 코팅 해당 면간의 거리는 5~50mm 유지함을 특징으로 하는 부스바 제조방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 가스는 질소, 헬륨, 대기 중의 압축공기 중 어느 하나 또는 그들을 2가지 이상 혼합한 것임을 특징으로 부스바 제조방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 코팅 된 기판의 열처리온도는 100-500℃임을 특징을 하는 부스바 제조방법.
9. 제1항에 있어서, 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말이 코팅되는 알루미늄 1000계열 내지 알루미늄 6000계열의 기판 표면은 요철 면임을 특징으로 하는 부스바 제조방법.
10. 알루미늄 1000계열 내지 알루미늄 6000계열의 기판 표면에 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말이 코팅된 부스바.
11. 제10항에 있어서, 구리 또는 구리-텅스텐혼합분말이 코팅되는 알루미늄 1000계열 내지 알루미늄 6000계열의 기판 표면은 요철 면임을 특징으로 하는 부스바.

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