KR100192098B1 - 납축전지 및 그 제조법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 동극성극판의 러그끼리를 캐스트 온 스트랩방식에 의해 용접하는 납축전지용 전극군의 제조법에 있어서, 박형이고 안정된 용접상태의 스트랩의 제조방법을 제공하는 것으로서, 전자유도가열코일을 주위에 배치한 스트랩형성용 지그내에 용융납을 공급하고, 상기 가열코일에 의해 용융납의 온도제어 및 극판군의 러그선단부분을 예비적으로 가열하고, 러그선단부분을 용융납속에 침지해서 일정온도를 유지한 후, 주형을 강제로 냉각해서 용융납을 응고시킴으로써 스트랩을 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

납축전지 및 그 제조법

제1도(a)는 본 발명에 의한 납축전지의 스트랩을 형성하는 지그의 횡단면도.

제1도(b)는 본 발명에 의한 납축전지의 스트랩을 형성하는 지그의 종단면도.

제2도는 본 발명에서 사용하는 스트랩을 형성하는 지그의 사시도.

제3도는 본 발명의 실시예에 의한 공정의 순서도.

제4도는 본 발명의 실시예에 의한 시스템내온도의 경시변화를 표시한 도면.

제5도는 본 발명에 의한 스트랩의 외관도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 전조 2 : 전자유도 가열코일

3 : 스트랩형성용 주형 4 : 수냉용 샤워분출 지그

5 : 정극판 6 : 부극판

7 : 격리판 8 : 극판러그(plate lug)

9 : 스트랩

본 발명은, 납축전지의 스트랩(strap)에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 캐스트 온 스트랩방식(cast-on-strap process)에 의한 스트랩형성방법의 개량에 관한것이다.

납축전지에 있어서 복수의 셀실(cell compartment)을 일체적으로 형성한 모노블록 전조(monoblek container)의 각 셀실에 극판군을 삽입하고, 동일 셀실내에 있어서의 동극성의 극판상호를 병렬접속하는 방법 및 전조칸막이벽을 개재해서 인접하는 셀실내의 이극성 극판군을 서로 직렬접속하는 방법은, 이제까지 많이 제안되어 왔다.

예를들면, 납축전지의 동극성 극판을 병렬접속하기 위한 스트랩형성방법의 하나로, 캐스트 온 스트랩방식이 있다. 이 방식에 의한 스트랩형성의 대표예를 이하에 설명한다.

정극판, 부극판 및 격리판으로 이루어진 극판군을, 전조의 각 셀실내에 극판러그(plate lug)가 전조밖으로 돌출한 상태에서 수용하고, 각 극판의 러그가 하향이 되도록 전조를 상하반전시켜 유지한다. 반전유지된 전조의 하부에 스트랩형성용 주형을 위치시키고, 이 주형내에 소정량의 용융납을 공급한다. 이 용융납중에 극판러그의 선단부를 침지하고, 러그의 선단부를 용융납과 서로 용해시킨 후에, 전체를 응고시킴으로써 스트랩을 형성하는 동시에 극판의 러그를 서로 결합하는 것이다. 또한, 스트랩을 형성하는 주형은, 주형내부에 설치된 히터 및 냉각수에 의해, 용융상태에 있는 납을 주형에 공급했을 때, 그 용융상태를 양호하게 유지할 수 있는 온도로 가열보온하고, 그 용융납과 상기 극판러그와의 용합후 주형을 냉각하는 것이 가능하다.

이 방식에 의해, 스트랩을 형성하는 경우, 상기 주형을 미리 가열해두고, 이 주형내에 주형온도보다도 고온으로 가열된 용융상태에 있는 납을 공급한다. 공급된 용융납의 온도는, 주형주입직후부터 대기중 및 주형에 열이 확산하여 저하하기 시작한다. 또, 극판군의 러그선단부분이 이 용융납속에 침지되면, 용융납으로부터 러그에 열이 전도되어, 러그의 온도는 상승하는 반면, 주형내의 용융납의 온도는 한층 급격하게 저하한다. 이 상태에서 일정시간 방치한 후, 용융납의 온도가 그 응고온도까지 저하하면 응고가 시작되고, 스트랩이 형성된다.

또, 상기 캐스트 온 스트랩방식과는 다르지만, 일본국 특개소60-138848호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 극판러그와 땜납을 접속용 지그내에서 접촉시키고, 고주파가열 또는 전자유도가열에 의해 땜납을 용해하고, 극판의 러그선단부를 납땜함으로써, 동일 셀실내의 동극성극판의 병렬접속 및 인접하는 2개의 셀실의 이극성 극판군과의 직렬접속을 동시에 행하는 방법이 있다. 이 방법은 상기 캐스트 온 스트랩방식에 사용되는 납합금에 비해서 융점이 낮은 땜납을 사용하고, 극판러그를 용접하는 것이고, 땜납을 사용하는 관계상 스트랩의 코스트는 상승해버린다.

그러나, 상기의 캐스트 온 스트랩방식에서는 이하에 표시한 바와 같은 여러 가지 문제점이 명백해졌다. 즉, ① 스트랩형성시의 각 극판러그와 스트랩과의 용접조건의 제어는, 주형내에 공급되는 용융납의 온도에 의해서만 행해진다. 또, 주형내에 공급된 용융납의 열에너지만을 이용해서 스트랩을 형성하기 때문에 극판매수가 증가하면, 극판러그와 스트랩과의 사이에서 충분한 접합강도를 얻기 위해서는 많은 열에너지가 필요하게 되고, 열에너지공급원으로서 사용되는 용융납의 양의 증가를 초래한다. 그 결과, 소형박형의 스트랩의 형성이 곤란해진다.

② 주형내에 공급된 용융납에 극판러그를 침지할 때, 용융납의 액면에 변동이 생기고, 그 액면이 평활한 상태로 복귀하기 위한 충분한 시간이 없는 상태에서 냉각응고하기 때문에, 스트랩의 표면이 파형상으로 되고, 스트랩의 두께가 불균일하게 된다.

③ 극판의 러그가 등간격으로 배치되어 있지 않은 경우, 각 극판간에서의 열균형이 깨지고, 극판과 스트랩과의 용접상태에 불균일이 생긴다.

④ 스트랩내부에 「공동」 이나 「수축」 등의 결함이 발생하기 쉽다.

⑤ 극판러그의 표면에 도포된 플럭스가 열에 의해 분해하고 가스화한다.

이 가스가 시스템 밖으로 해제되기 전의 단시간에 응고가 종료하기 때문에, 스트랩중에 가스는 보이드로서 잔류한다.

이와 같이 종래의 캐스트 온 스트랩방식에 의한 스트랩형성에는 많은 과제를 들 수 있다. 그 주요 요인은 극판과 스트랩과의 용접을 위한 열원은 외부로부터 공급된 용융납뿐이다.

상기 과제를 해결하기 위해서는, 용접시에 필요한 에너지를 외부로부터 순시에 또한 정확히 공급할 필요가 있다. 예를 들면, 내부에 히터를 사용한 주형에서는, 주형자체가 큰 히터로 블록화 하기 때문에 급격한 승온이나 용융물의 정확한 온도제어를 행하는 것은 매우 곤란하다.

한편, 스트랩의 형성용 용융납의 냉각응고는, 극판러그 및 주형에 접촉한 부분부터 개시한다. 그 때문에, 중심부가 최후에 응고하게 되고, 응고속도의 차이로부터 중심부에는 「공동」 이나 「수축」 등의 결함이 발생한다.

또, 스트랩형성시에 용접성을 향상시키고 또한 플럭스를 건조하여 제거하기 위하여, 극판러그의 예비가열도 행해지고 있으나, 그러기 위해서는 열풍가열장치와 같은 부대설비를 필요로 하고 있었다.

본 발명은 캐스트 온 스트랩방식에 의한 극판군의 스트랩제조공정에 있어서, 스트랩형성을 위하여 외부로부터 주형에 공급된 용융상태에 있는 순납 또는 납합금의 용융상태의 유지 및 극판군 러그의 예비가열을, 전자유도 가열장치를 사용해서, 행하고, 극판러그와 스트랩형성용 납 또는 납합금용융물을 용융하여 접합한 후, 주형하부로부터 냉매 예를들면 물을 분사하고, 강제적으로 냉각을 함으로써 상기 문제점을 해결한 스트랩 및 그 형성방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은, 가열열원에 전자유도가열을 사용하고, 용융납 또는 납합금의 정확한 온도제어를 행하면서 스트랩의 형성을 행하는 것이다. 따라서, 동극성극판의 매수가 10매이상으로 다수의 매인 경우에도 온도제어를 정확하게 행할 수 있고, 상기한 캐스트 온 스트랩방식에 의해서 형성된 스트랩의 2/3정도로 얇은 두께로 스트랩의 형성이 가능하게 되고, 동시에 강도 및 내식성도 만족하는 것이 된다. 따라서, 사용하는 납 또는 납합금량을 한층 더 삭감할 수 있다.

또, 주형하부로부터 냉매인 물을 주형에 내뿜어서 냉각을 행함으로써, 스트랩형성용 용융납합금의 응고가 주형하부로부터 급속하게 진행하여, 용접불량의 발생을 억제할 수 있다.

이하에 본 발명의 실시예를 설명한다.

출력전력 5kw의 전자유도가열장치를 사용하고 납·칼슘·주석합금으로 이루어진 격자를 사용하고, 폭 10mm, 두께 1.5mm, 길이 10mm의 러그를 가진 정극판 9매 및 부극판 10매를 조합한 극판군의 스트랩형성 및 이극성극판군의 집전부와의 직렬접속을 동시에 행하는 실시예에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

제1도 (a),(b)에 표시한 바와 같이, 합성수지로 이루어진 모노블록 전조(monoblock container)(1)의 각 셀실(cell compartment)에, 정극판(5), 부극판(6) 및 격리판으로 구성된 극판군을 그 상부가 전조밖으로 노출한 상태에서 삽입하고, 이것을 도면과 같이 상하방향으로 180°반전시키고, 극판러그가 하향으로 되도록 유지한다. 극판러그의 하부에는 제2도에 표시한 전자유도 가열코일(2)을 구비한 스테인레스강제의 스트랩형성용 주형(3)이 상기 극판러그에 대향하도록 배치되어 있다. 전자유도가열코일(2)은, 이 주형(3)의 발열이 균일해지도록 주형(3)을 둘러싼 상태에서, 지그와의 사이에 약 2mm 정도의 간격을 두고 설치되어 있다. 이 스트랩형성용 주형(3)은 투자율이 높고, 열전도성이 뛰어난 내열재료로 형성하는 것이 바람직하다. 또, 이 주형(3)의 하부에는 수냉용 샤워분출지그(4)가 설치되어 있다.

초기인가전력5kw(200V, 25A), 주파수120kHz에서 전자유도 가열코일(2)에 통전을 행함으로써, 이것을 둘러싼 주형(3)을 약 5초동안에 약 300℃까지 자기발열시킬 수 있다(제4도 참조). 가열상태의 제어는 온도검출기로부터의 신호에 의해서 가열상태를 검출하고, 전원장치로부터 코일에 인가하는 출력을 변화시킴으로써 행해진다. 한편, 상기 극판군의 러그에 플럭스를 도포하고, 그 선단부를 주형(3)의 상부 약 3mm에 위치시켜 대기시킨다. 이에 의해 극판군 러그도 전자유도코일(2)의 자력선에 의해 또한 발열하고, 이때, 러그선단부분의 온도는 200℃근방까지 상승한다. 순납을 400℃까지 가열한 용융납을 스트랩형성용 주형인 주형(3)에 공급하면, 용융납의 온도는 310℃근처까지 저하해버린다. 그러나, 용융납을 공급한 후에도 전자유도가열코일(2)에 통전을 행하고, 주형(3)을 자기발열시킴으로써, 용융납은 약 3초에서 미리 설정된 온도 350℃까지 다시 가열된다. 이 용융납의 온도가 설정온도에 도달한 시점에서 주형(3)내의 용융납속에 그 위쪽에서 대기시킨 극판러그를 침지한다.

러그선단부가 삽입되는 동시에 용융납의 온도는 약 10℃저하하나, 코일(2)로부터의 자력선에 의한 주형(3)의 발열에 의해 1.5초 정도에서, 다시 설정온도의 350℃까지 상승한다. 용융납이 설정온도에 도달하고 또 3초 경과한 후, 전자유도 코일(2)에의 통전을 정지한다. 이와 동시에, 주형(3)의 하부에 냉각용 샤워분출지그(4)로부터 3초동안 물을 분출하고, 주형(3) 및 스트랩을 아래쪽으로부터 강제적으로 냉각한다. 이들 일연의 공정에 의해 동일 셀실내에서 동극성 극판군의 스트랩형성 및 전조의 칸막이벽을 개재해서 인접한 이극성극판의 집전부가 서로 직렬접속되는 것이 완료한다.

제3도에 동일셀실내에서 동극성극판군의 러그상호의 직렬접속공정을 표시하고, 제4도에 공정의 시스템내온도의 경시변화를 각각 표시한다. 본 발명에 의하면, 용융납의 가열을 설정온도까지 3∼5초로 순시에 행할 수 있을 뿐만 아니라, 용융납중에 러그를 침지한 후의 가열시간도 임의로 제어할 수 있다. 그 때문에 극판군의 러그선단부분이 스트랩형성지그내의 용융납속에 침지될때의 급격한 용융납의 온도저하를 억제할 수 있고, 변동이 적은 온도조건에서 스트랩과 러그 선단부와의 용접접합이 가능하게 된다. 또, 극판의 러그가 등간격으로 배치되어 있지 않은 경우에도, 가열에 의해 용융상태를 제어함으로써, 각 극판에 관한 열균형은 균일화 되고, 불균일이 없는 용접강도를 얻을 수 있다. 또, 지그내에 러그를 침지한 후에도 전자유도가열에 의해서 납 또는 납합금을 양호한 용융상태로 유지할 수 있기 때문에, 러그를 침지했을때에 용융납의 액면에 생긴 파형이 평활한 액면으로 복귀되기 위하여 필요한 시간을 확보하는 것이 가능하게 되고, 이로부터 스트랩의 두께를 균일화할 수 있다.

또, 러그의 표면에 도포된 플럭스가 열에 의해 분해해서 가스가 발생해도 용융납이 즉시 응고하는 일은 없기 때문에 가스가 스트랩의 내부에 가두워지는 일은 없고, 양호하게 시스템밖으로 산일하기 때문에, 스트랩형성후에 가스가 보이드로서 스트랩내에 잔류하는 일이 없다. 또, 스트랩형성용 지그위쪽에 러그를 하향한 상태에서 대기시키고, 러그의 예비가열을 행함으로써, 용융납의 급격한 온도저하를 억제할 수 있다. 또 스트랩형성용 지그의 바로 아래에 물을 분사하고, 강제적으로 냉각함으로써 스트랩내부의 조직은 미세하게 되고, 냉각응고의 불균일로부터 스트랩의 중심부에 「공동」 이나 「수축」 등의 결함의 발생을 억제할 수 있다. 본 실시예는 스트랩형성을 통상의 대기분위기하에서 행하였으나, 불활성 가스분위기하에서 이것을 행하면 용융상태에 있는 스트랩형성합금의 표면부분의 산화를 억제할 수 있고, 스트랩을 보다 바람직한 상태로 유지할 수 있다.

제5도에 표시한 본 발명에 의해 제조된 스트랩(9)은, 스트랩의 길이가 60mm이고, 폭이 13mm이고, 두께 5mm로 박형이고 또한 두께가 균일한 것이다. 또 스트랩과 극판러그와의 용접부의 단면을 관찰하면, 용융납속에 3mm 침지한 극판러그는, 그 선단부로부터 1mm정도가 용융접합상태에 있고, 계속되는 2mm의 부분은 문드러지기는 했지만 러그형상이 잔존하고 있었다. 또 극판러그와 스트랩과의 교차부분에 필릿(fillet)(두꺼운부분)이 충분히 형성되고, 보이드도 전혀 확인할 수 없는 상태였다.

또한, 본 실시예에서는, 스트랩형성재료에 순납을 사용한 경우에 대해서 설명했으나, 납합금을 사용해도 마찬가지로 스트랩의 형성이 가능하다. 또, 격자합금에 납·칼슘·주석합금이외의 납합금을 사용한 경우에도, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또 본 실시예에서는, 스트랩형성용 주형에 스테인레스강제의 것을 사용했으나, 황동이나 세라믹에 금속박막을 코팅한 것을 사용해도 된다. 스트랩형성용 주형의 설정온도, 코일에의 통전시간 및 지그의 냉각조건은, 사용하는 스트랩합금의 조성, 극판군의 구성, 스트랩 및 러그선단부분의 형상에 따라서 다르나, 용이하게 그 최적치를 알아낼 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 의하면, 순납 또는 납합금을 사용해서, 스트랩형성 및 전조의 셀실내에 위치한 복수매의 동극성극판의 러그와 스트랩과의 접속을 용이하게 행하는 것이 가능하게 된다.

또, 전자유도가열코일의 사용에 의해 스트랩형성재료의 용융상태를 정확히 제어하는 동시에, 스트랩을 박형화함으로써, 사용하는 납량은 소량이 되고, 전지의 대폭적인 경량화를 가능하게 한다. 또, 생산성도 향상하고, 납축전지의 제조코스트가 저하하는 이점이 있다.

Claims (7)

1. 전조셀실내에 위치하는 복수매의 동극성극판의 러그(lug)와 스트랩을 캐스트 온 스트랩방식(cast-on-strap process)에 의해 일체적으로 접속하는 방법에 있어서, 전자유도에 의해 발열하고 있는 스트랩형성용 주형내에 용융상태의 순납 또는 납합금을 위치시키고, 이 순납 또는 납합금중에 상기 극판의 러그의 일부를 삽입하고, 상기 러그의 적어도 선단부를 용융시킨 후, 이 용융물전체를 강제적으로 냉각함으로써 스트랩을 형성하는 것을 특징으로 하는 납축전지의 제조법.
2. 제1항에 있어서, 전자유도가열은, 스트랩형성용 주형의 주위를 둘러싸도록 배치된 코일에 20∼150kHz의 주파수에서 전류를 인가하고, 그 가열상태의 제어는 온도검출기로부터의 신호에 의해서 조정되는 전원장치에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 납축전지의 제조법.
3. 제1항에 있어서, 스트랩형성용 주형 및 스트랩부분의 강제냉각은, 스트랩형성용 주형의 아래쪽에 배치된 냉각제 분사장치에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 납축전지의 제조법.
4. 제1항에 있어서, 스트랩의 형성은 불활성가스분위기하에서 행하는 것을 특징으로 하는 납축전지의 제조법.
5. 제1항에 있어서, 스트랩형성용 주형이 스테인레스강으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 납축전지의 제조법.
6. 제1항에 있어서, 극판러그의 선단부를 전자유도가열에 의해 미리 가열한 후, 스트랩형성주형내의 용융납 또는 납합금중에 삽입하는 것을 특징으로 하는 납축전지의 제조법.
7. 전조셀실내에 위치하는 복수매의 동극성극판의 러그와 스트랩을 캐스트 온 스트랩방식에 의해 일체로 접속하는 방법에 있어서, 스테인레스강제의 스트랩형성용 주형내의 주위를 둘러싸도록 배치된 코일에, 20∼150kHz의 주파수에서 전류를 인가하고, 전자유도가열에 의해 발열하고 있는 상기 스트랩형성용 주형내에, 용융상태의 순납 또는 납합금을 위치시키고, 이 순납 또는 납합금중에 상기 전자유도가열에 의해 미리 가열된 극판의 러그의 일부를 삽입하고, 재차 전자유도가열에 의해 주형전체를 일정시간 가열해서, 상기 러그의 적어도 선단부를 용융시키고 상기 주형내의 용융순납 또는 납합금과 용합시킨 후, 상기 주형의 아래쪽에 배치된 냉각제 분사장치로부터의 냉매의 분사에 의해 주형전체를 강제적으로 냉각함으로써, 스트랩을 형성하는 것을 특징으로 하는 납축전지의 제조법.