KR100574398B1

KR100574398B1 - 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드

Info

Publication number: KR100574398B1
Application number: KR1020010083655A
Authority: KR
Inventors: 김태수; 김문수; 박흥수
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 주식회사 포스코
Priority date: 2001-12-22
Filing date: 2001-12-22
Publication date: 2006-04-27
Also published as: KR20030053707A

Abstract

본 발명은 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은 회전하는 통전롤의 축수부(1)에 각기 반대방향으로 결합하는 테이퍼 가공된 중간 금속환(2)과 외측 금속환(3)과, 이에 접촉하는 브러시 홀더(4)와, 이의 내부에 스프링에 의해 일정한 압력으로 눌려 접촉하는 일련의 브러시(5)와, 이와 전기적으로 연결된 브러시 홀더 막대(6)로 이루어지는 브러시 유닛(4,5,6)과, 이에 전기도금에 필요한 전류를 공급하도록 외측의 밀봉 케이스(7,8,9)를 통하여 접촉하는 부스바(10)와, 상기 외측 금속환(3)과 브러시 유닛(4,5,6)을 수용하는 외측의 밀봉 케이스(7,8,9,11)의 상하부에 형성되는 냉각수 공급 및 회수관(12)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드를 제공한다. 이와 같이, 본 발명은 축수부와 컬렉터 헤드의 금속환과의 사이에 발생하는 접촉저항을 감소시켜 저항발열이 최대한 억제하여 고효율의 전기도금이 가능하도록 하는 효과가 있다.

저항발열, 대전류 통전, 수냉형, 컬렉터 헤드

Description

저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드{HIGH CURRENT CAPACITY COLLECTOR HEAD WITH WATER JACKET}

도 1 내지 도 2는 종래의 컬렉터 헤드를 도시한 개략도;

도 3은 본 발명에 따른 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드의 작용 및 원리를 설명한 개략도;

도 4는 본 발명에 따른 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드의 정밀 설계도이다.

♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣

1:축수부 2:중간 금속환 3:외측 금속환 4:브러시 홀더

5:브러시 6:브러시 홀더막대 7,8,9:밀봉 케이스 10:부스바

12:냉각수 공급 및 회수관

본 발명은 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 통전롤 축수부와 결합되는 컬렉터 헤드의 금속환과의 사이에 발생하는 접촉 저항발열이 최대한 억제하고, 금속환과 일련의 브러시를 밀봉형의 자켓으로 구성하여 그 내부에 지속적으로 냉각수를 흘려줌으로써 고효율의 전기도금이 가능하도록 하는 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드에 관한 것이다.

일반적으로 금속대의 내식성 개선 등을 목적으로 하여 아연, 아연합금, 니켈, 니켈합금, 주석, 구리 등을 연속적으로 전기 도금하는 장치는 금속대에 전기를 음극으로 대전시키기 위한 통전롤과 도금액이 침지된 도금조 내에서 금속대와 대향되는 양극을 주된 구성 요소로 구성된다. 이러한 구조의 전기도금조에 있어서 금속대를 연속적으로 도금하기 위해서는 금속대의 주행속도와 같은 원주속도로 회전하는 통전롤에 금속대가 감기거나 면접촉을 이루면서 주행하도록 하고 통전롤의 축수부에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 전기전도도가 높은 구리 또는 구리합금으로 된 금속환(Ring; 2,3)을 장착한 다음 금속환(2,3)의 표면과 접촉하는 일련의 브러시(Brush)에 전류를 인가하는 것이 일반적이다. 금속환(2,3)과 일련의 브러시로 구성된 부품을 집진기(Collector Head)라고 하는데, 집진기에 전류가 인가될 경우 인가전류의 제곱과 브러시-축수부 사이의 전체 전기저항의 곱에 비례하는 저항발열(Joule Heating)이 일어나게 된다.

이러한 집진기 부품의 저항발열이 적절한 외부 냉각에 의해 제거되지 않으면 집진기 및 이와 접촉한 축수부의 온도가 지속적으로 높아지게되어 브러시 또는 이와 연결된 신축전선(Shunt Wire) 등의 과열에 의한 부품손상이 일어나게 된다. 이와 같은 집진기 및 축수부의 저항 발열은 인가된 전류의 제곱에 비례하여 증가하므로 금속대의 단위면적당 전류밀도가 높은 고전류밀도 도금시 더욱 문제로 되기 때 문에 여러 가지 냉각방법이 지금까지 개발되어 사용되고 있다.

일반적으로, 통전롤의 축수부는 강도의 측면에서 탄소강 또는 합금강으로 이루어지며, 축수부와 결합되는 금속환은 전기전도도가 우수한 구리 또는 구리합금으로 이루어진다. 또한 금속환과 접촉하는 브러시는 통전성이 우수한 금속립을 다량 함유한 탄소 브러시가 사용된다. 본 발명자들은 이렇게 구성된 통전롤의 축수부 및 컬렉터 헤드에 있어서 주된 저항발열은 축수부와 금속환, 금속환과 브러시의 결합부에서의 접촉 저항에 기인함을 확인하였다. 이들중 금속환과 접촉하는 브러시는 스프링 등에 의해 항상 일정한 범위의 압축력을 받아 양호한 접촉을 유지하기 때문에 접촉저항이 거의 일정하다. 그러나 일반적으로 구리 또는 구리합금의 열팽창계수는 탄소강 또는 합금강의 그 것보다 1.1∼1.5배로 높기 때문에 일단 브러시 또는 금속환의 저항발열에 의해 온도가 상승하게 되면 구리 또는 구리합금으로 이루어진 금속환이 보다 팽창하여 접촉부의 간격이 멀어지는 쪽으로 작용함으로써 접촉저항이 점차적으로 증가하게 된다. 그 결과 일단 컬렉터 헤드의 발열량이 냉각량을 초과하는 조건으로 되면 접촉저항이 지속적으로 증가하여 컬렉터 헤드의 과열이 발생하게 된다.

통전롤의 집진기 및 축수부 발열을 억제하는 가장 기초적인 방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 축수부(1)의 중심축에 평행한 냉각관(21)을 설치하고 이를 통하여 냉각수를 지속적으로 흘려주는 방법이 있다. 그러나, 이 경우 냉각관(21)의 직경은 통전롤의 강도 측면에서 그 크기가 제한을 받기 때문에 일정 이상의 발열을 억제하는 것은 어렵다. 다음의 방법으로써 집진기 및 브러시를 상자형으로 감싸고 외측에서 차가운 공기를 지속적으로 불어줌으로써 공냉하는 방법도 사용되고 있다.

그러나, 이 경우 일정 이상의 냉각능을 얻기 위해서는 차가운 압축공기를 빠른 속도로 분사하여야 하기 때문에 소음이 문제로 되며 냉각능에도 일정한 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하고자 하는 최신의 기술로서 도 2와 같이 집진기 및 브러시 전체를 밀봉형의 재킷(Jacket; 22)으로 감싸고 그 내부로 냉각관(21)을 통하여 냉각수를 흘려주는 방법이 알려져 있다. 이 방법으로는 집진기당 30∼40㎄까지의 대전류 공급이 가능하기 때문에 연속적으로 주행하는 금속대에 고전류밀도 도금을 필요로 하는 최신의 전기도금설비에서는 그 적용이 확대되는 추세에 있다.

상기 수냉형 컬렉터 헤드는 집진기와 브러시를 밀봉형 자켓으로 구성하여 냉각수를 지속적으로 흘려줌으로써 대전류 통전에 따른 발열을 효과적으로 억제할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 이와 같은 구조를 설계함에 있어서 축수부와 집진기의 결합 방법 및 집진기의 재질 선택방법에 따라 집진기 및 접촉부에서의 전기저항이 크게 변화하기 때문에 이를 적절하게 구성하지 않을 경우에는 냉각수의 사용량이 증가하거나 단축적인 설비를 구현하는 것이 어렵다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 고전류밀도 전기도금설비에 있어서 요구되는 대전류통전을 위한 통전롤의 구성에 있어서 통전롤 축수부와 결합되는 컬렉터 헤드 금속환과의 사이에 발생하는 접촉저항을 감소시켜 저항발열을 최대한 억제하고 금속환과 일련의 브러시를 밀봉형의 자켓으로 구성하여 그 내부에 지속적으로 냉각수를 흘려줌으로써 단축적인 공간에서 고효율의 전기도금이 가능하도록 하는 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 회전하는 통전롤의 축수부에 결합되는 서로 반대방향의 테이퍼를 갖도록 가공된 중간 금속환 및 외측 금속환과, 상기 외측 금속환에 접촉하는 브러시 홀더와, 이의 내부에 스프링에 의해 일정한 압력으로 눌려 접촉하는 일련의 브러시와, 이와 전기적으로 연결된 브러시 홀더 막대로 이루어지는 브러시 유닛과, 상기 브러시 유닛에 전기도금에 필요한 전류를 공급하도록 외측의 밀봉 케이스를 통하여 접촉하는 부스바와, 상기 외측 금속환과 브러시 유닛을 수용하는 외측의 밀봉 케이스의 상하부에 형성되는 냉각수 공급 및 회수관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드를 제공하게 된다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드의 작용 및 원리를 설명한 개략도이며, 도 4는 본 발명에 따른 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드의 정밀 설계도이다.

도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드는 회전하는 통전롤의 축수부(1)는 각기 반대방향으로 테이퍼 가공된 중간 금속환(2)과 외측 금속환(3)에 의해 결합되 며, 외측 금속환(3)은 다시 브러시 홀더 (Brush Holder; 4)내에 스프링에 의해 일정한 압력으로 눌려 접촉되는 일련의 브러시(Brush; 5), 이와 전기적으로 연결된 브러시 홀더 막대(Brush Holder Bar; 6), 외측의 밀봉 케이스(7,8,9)를 통하여 부스바 (Bus Bar; 10)로부터 전기도금에 필요한 전류를 공급받는 구조로 구성된다.

또한 외측의 금속환(3)과 브러시 유니트(Unit; 4,5,6)는 외측의 밀봉 케이스(7,8,9,11)로 둘러싸여 있으며, 냉각수 공급 및 회수관(12)을 통하여 그 내부에 지속적으로 냉각수가 순환하도록 되어있다. 이때 외부로의 냉각수 유출을 막기 위하여 오링(O-Ring; 14)과 씰(Seal; 15)이 예시도와 같이 설치되며, 냉각수의 압력이 일정한 한도가 넘지 않도록 하는 압력 완충밸브 (Pressure Relief Valve; 13)가 설치될 수 있다.

한편, 축수부(1)에 결합되는 중간 금속환(2)과 외측 금속환(3)은 열팽창에 따른 치수의 변화를 보상하기 위하여 축수부(1)에 고정되는 고정환(16,17,19)에 결합되는 스프링 볼트(Spring Bolt)에 의해 서로 반대방향으로 압력을 받도록 구성된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드는 브러시와 접촉하는 금속환을 2중으로 구성하고 각각의 금속환은 서로 반대방향으로 경사를 갖도록하며, 이들을 서로 반대방향에서 미는 힘을 부여할 수 있는 구조로 설계함이 유효함을 확인하였다.

이에 더하여 통전롤의 축수부와 접촉하는 중간 금속환은 경도가 낮고 열팽창계수가 탄소강 및 합금강과 비슷한 99% 이상의 구리를 함유한 재질의 쐐기 구조로 설치하고 그 외측의 브러시와 접촉하는 금속환은 브러시와의 내마모성을 고려하여 경도가 높은 구리합금으로 구성하는 것이 각 계면에서의 접촉 저항을 낮추고 수명을 연장하는데 보다 안정적임도 확인할 수 있었다.

즉, 중간 금속환으로써 전기전도도 80∼110%IACS, 열팽창계수 1.5∼2.0×10-6 이하인 구리 또는 구리합금을 이용하였으며, 상기 외측 금속환으로는 전기전도도 50%IACS 이상이고, 경도가 HRB 80 이상인 구리 또는 구리합금을 이용하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 고전류밀도 전기도금설비에 있어서 요구되는 대전류통전을 위한 통전롤의 구성에 있어서 통전롤 축수부와 결합되는 컬렉터 헤드 금속환과의 사이에 발생하는 접촉저항을 감소시켜 저항발열이 최대한 억제하고 금속환과 일련의 브러시를 밀봉형의 자켓으로 구성하여 그 내부에 지속적으로 냉각수를 흘려줌으로써 단축적인 공간에서 고효율의 전기도금이 가능하도록 하는 효과가 있다.

Claims

회전하는 통전롤의 축수부(1)에 각기 반대방향으로 결합하는 테이퍼 가공된 중간 금속환(2)과 외측 금속환(3)과;

상기 외측 금속환(3)에 접촉하는 브러시 홀더(4)와, 이의 내부에 스프링에 의해 일정한 압력으로 눌려 접촉하는 일련의 브러시(5)와, 이와 전기적으로 연결된 브러시 홀더 막대(6)로 이루어지는 브러시 유닛(4,5,6)과;

상기 브러시 유닛(4,5,6)에 전기도금에 필요한 전류를 공급하도록 외측의 밀봉 케이스(7,8,9)를 통하여 접촉하는 부스바(10)와;

상기 외측 금속환(3)과 브러시 유닛(4,5,6)을 수용하는 외측의 밀봉 케이스(7,8,9,11)의 상하부에 형성되는 냉각수 공급 및 회수관(12)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드.
제1항에 있어서,

상기 축수부(1)에 결합되는 중간 금속환(2)과 외측 금속환(3)은 열팽창에 따른 치수의 변화를 보상하기 위하여 축수부(1)에 고정되는 고정환(16,17,19)에 결합되는 스프링 볼트에 의해 서로 반대방향으로 압력을 받도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드.
제1항에 있어서,

상기 밀봉 케이스(7,8,9,11)의 상하부에 형성되는 냉각수 공급 및 회수관(12)은 냉각수 유출을 막기 위하여 오링(14)과 씰(15)이 결합되며, 냉각수의 압력이 설정한 임계치를 넘지 않도록 하는 압력 완충밸브(13)가 설치되는 것을 특징으로 하는 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 외측 금속환(3)은 브러시(5)와의 접촉시 내마모성을 위하여 경도가 HRB 80인 구리 또는 구리합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 저항발열이 작고 안정적인 대전류 통전이 가능한 수냉형 컬렉터 헤드.