KR100603021B1

KR100603021B1 - 은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바 및 그제조방법

Info

Publication number: KR100603021B1
Application number: KR1020040084138A
Authority: KR
Inventors: 윤진국; 도정만; 이종권; 손근형; 이경환
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2006-07-24
Also published as: KR20060035057A

Abstract

본 발명은 은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 제작이 용이하고 경제적이면서도 전기 전도도와 기계적 특성이 우수한 경량화된 동-은-알루미늄 적층 구조를 갖는 통전용 부스바를 제공한다. 본 발명에 따른 부스바는 기존의 동 부스바와 유사한 전기 전도도와 기계적 특성을 유지하면서 경량이고 경제적인 장점이 있다.

Description

은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법{Ｃｕ-Ａｌ CLAD BUS BAR WITH ＡｇCOATING AND MANUFACTURING METHODS THEREOF}

도 1은 본 발명에서 압출법에 의해서 제조된 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 통전용 부스바의 개략도.

도 2는 본 발명에서 압연법에 의해서 제조된 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 통전용 부스바의 개략도.

도 3은 실시예 1에 의하여 제조된 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층구조를 갖는 압출재 부스바의 단면조직을 보여주는 광학현미경 조직사진.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

10: 알루미늄 중심체 20: 은

30: 동 파이프 40: 은

본 발명은 은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전기 에너지를 전달하는 매개체인 부스바 (Bus bar)는 발전소, 대형 건물, 대형 공장, 대형 백화점, 지하철, 신공항 등에서 전류 용량이 큰 대형 송배전선, 전기기기용 도체, 통신 케이블 등의 송전회로를 구성하며, 일반적으로 주로 케이블이 많이 사용되어 왔으나, 최근에는 부스바의 다양한 장점 때문에 케이블의 대체품으로 많이 사용되고 있다.

부스바와 케이블을 구조상으로 비교해 보면, 유사한 점은 도체와 절연체를 가진다는 것이지만, 부스바의 가장 큰 장점은 같은 부피의 도체로 더욱 많은 전기 에너지를 전달할 수 있다는 점이다. 따라서 대용량의 배전 시스템에서 부스바의 장점이 인식되면서 그 사용량이 급속히 증가되고 있으며, 과거와 비교하여 대용량의 전기에너지를 필요로 하는 대형 건물, 대형 공장, 발전소, 지하철 등의 수요가 급증하는 추세에 맞추어 부스바는 안전하고 에너지의 손실이 적어서 현대의 대용량 송전 시스템에 매우 적합한 부품으로 인식되고 있다.

동(Cu)은 융점 (1083 ^oC)이 높으면서 전기 전도도 (100% IACS)가 우수하기 때문에 기존의 부스바는 거의 대부분 순동 재질만으로 제조되고 있다. 즉, 동괴를 용해하여 잉곳트 (Ingot) 를 만든 다음, 이 동 잉곳트를 소정 규격으로 압출 가공하여 부스바를 제조하고 있다. 그러나 동 부스바는 순동 자체의 원자재값이 고가일 뿐만 아니라 비중 (8.92 g/cm³)이 커서 순동만으로 부스바를 만들고 이 부스바를 설치하는 송배전선 공사를 할 때 부스바의 중량이 무거워서 취급이 어렵고 시공시간이 길어져서 공사비가 상승하는 등 경제적이지 못한 문제점이 단점으로 지적되어 왔다.

따라서 미국, 일본, 유럽 등 선진 각국에서는 순동 부스바를 대체할 수 있는 새로운 부스바를 개발하기 위해 많은 노력들을 기울이고 있으며 이중에는 동과 비교하여 전기 전도도 (64.9% IACS)가 다소 떨어지나 비중 (2.7 g/cm³)이 구리의 약 1/3 정도인 알루미늄에 여러 가지 합금 원소를 첨가하여 전기 전도도가 양호한 알루미늄 합금들을 개발하여 개발된 알루미늄 합금들을 이용한 알루미늄 부스바를 제조하려는 연구가 지속되어 왔으나 알루미늄 자체의 특성 때문에 고강도를 유지하면서 동시에 전기전도도를 향상시키는 제품의 생산이 어렵고 제조비용이 고가인 문제점이 있다.

본 발명은 동 부스바보다 경량이고 가격이 저렴하며, 전기 전도도와 기계적 특성이 우수한 새로운 구조의 통전용 부스바와 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 전기 에너지를 전달하는 통전용 부스바에 있어서, 부스바의 몸체는 일정 길이와 두께의 알루미늄으로 형성되고, 알루미늄의 전체 표면에 일정 두께의 은 층이 존재하며, 은 층 표면에 일정 두께의 동 층이 존재하는 동-은-알루미늄 또는 동-은-알루미늄-은-동 적층 구조의 부스바를 제공한다.

또한, 본 발명은 동-은-알루미늄 또는 동-은-알루미늄-은-동 부스바의 전기 전도도와 대기중 내식성을 향상시키기 위해서 동 표면에 일정 두께의 은을 도금하거나 클래딩함으로써 은-동-은-알루미늄-은 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 통전용 부스바와 그 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 통전용 부스바는 압출법 또는 인발법 또는 압연법을 단독 또는 이들 제조방법을 적어도 두 가지 이상 혼용하여 제조할 수도 있다.

이하 첨부된 도면을 통하여 동-은-알루미늄 또는 은-동-은-알루미늄 또는 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층구조를 갖는 통전용 부스바의 제조방법에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라, 압출법(또는 인발법)에 의해서 제조된 은-동-은-알루미늄 적층 구조를 갖는 통전용 부스바의 개략도이다.

동 파이프(30)에 표면에 은(20)이 코팅된 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 중심체(10)를 삽입하여 알루미늄-은-동 결합체를 만든다. 그 다음, 이 결합체를 환원성 또는 불활성 또는 진공 분위기로 유지된 전기로 안에 넣고 적정 온도로 가열한 후 1차로 열간 압출 또는 열간 인발하여 알루미늄, 은, 동 등을 밀착하여 접합시킴으로써 알루미늄-은-동 결합체가 하나의 몸체가 되도록 가공한다. 그 후 추가적으로 2차 냉간 인발 혹은 압출함으로써 알루미늄-은-동이 상호간에 완전히 밀착되어 일체화된 전기 전도도가 우수한 알루미늄-은-동 부스바를 제조하게 된다.

가공된 부스바를 환원성, 불활성 혹은 진공 분위기로 유지된 전기로 안에 넣고 적정 온도에서 일정시간 동안 가열함으로써 알루미늄-은-동 사이의 계면 결합력을 증대시켜 기계적 특성을 향상시킬 수도 있다.

본 발명에서 클래드 부스바를 제조하는 인발 또는 압출 온도 범위는 상온에서 부터 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 융점보다 10℃ 낮은 온도이다.

또한, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 중심체를 끼울 수 있는 동 파이프의 표면에 일정 두께의 은을 코팅한 후 은이 도금되지 않은 알루미늄 중심체 위에 씌워 은-동-알루미늄 또는 은-동-은-알루미늄 결합체를 만든 다음, 상기와 같은 동일한 방법으로 가공하고 열처리함으로서 전기 전도도와 기계적 특성이 우수한 은-동-알루미늄 또는 동-은-알루미늄 또는 동-은-알루미늄-은-동 적층 구조를 갖는 부스바를 제조할 수 있다. 동 또는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 표면에 은을 코팅하기 위하여 도금법 또는 증착법 또는 기존의 클래딩 방법 등을 이용할 수 있다.

또한 상기와 같은 방법으로 제조된 동-은-알루미늄 또는 동-은-알루미늄-은-동 부스바의 표면 내식성과 전기 전도도를 더욱 향상시키기 위해서 동 표면에 은 (40)을 코팅함으로써 은-동-은-알루미늄-은 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 압출재 부스바를 제조할 수 있다.

도 2는 본 발명에서 압연법에 의해서 제조된 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 통전용 부스바의 개략도이다.

본 발명에 따른 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 부스바를 제조할 수 있는 또 다른 방법은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 판재 (100), 은 박판 (200), 동 판재 (300)를 동 판재-은 박판-알루미늄 판재-은 박판-동 판재 또는 은 박판-동 판재-은 박판-알루미늄 판재-은 박판-동 판재-은 박판의 순서로 적층시킨 다음 환원성, 불활성 혹은 진공 분위기로 유지된 전 기로 안에 넣고 적정 온도로 가열한 후 열간 압연함으로써 알루미늄-은-동이 상호간에 완전히 밀착되어 일체화된 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 클래드 부스바를 제조할 수 있다. 이때 압연된 부스바를 환원성, 불활성 혹은 진공 분위기로 유지된 전기로 안에 넣고 적정 온도에서 일정시간 동안 가열함으로써 알루미늄-은-동 사이의 계면 결합력을 증대시켜 기계적 특성을 향상시키는 열처리를 행하기도 한다. 압연법을 이용하여 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 클래드 부스바를 제조시 상온에서도 압연이 가능하나 접합을 보다 용이하게 하기 위하여 150-650 ℃ 온도 범위에서 압연을 행하는 것이 바람직하다.

또한 동 판재-은 박판-알루미늄 판재-은 박판-동 판재 또는 은 박판재-동 판재-은 박판-알루미늄 판재-은 박판-동 판재-은 박판재 순서로 판재를 적층시킨 다음 냉간 압연한 후 일정온도에서 확산열처리를 행함으로서 알루미늄-은-동이 상호간에 완전히 밀착되어 일체화가 된 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 클래드 부스바를 제조할 수 있게 된다.

또한 은 박판을 사용하지 않고 은이 코팅(도금 또는 증착 또는 침적)된 알루미늄 판재를 사용할 경우 동 판재-은 도금된 알루미늄 판재-동 판재 등의 순서로 적층한 후 혹은 은이 도금된 동 판재를 사용할 경우 은이 도금된 동 판재-알루미늄 판재-은이 도금된 동 판재 등의 순서로 적층한 후 상기와 동일한 방법으로 열간 압연 혹은 냉간 압연하고 확산 열처리를 행함으로서 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 클래드 부스바를 제조할 수 있게 된다.

또한 상기 동-은-알루미늄-은-동 클래드 부수바의 전체 표면에 전기 전도도를 향상시키고 대기중 동의 내식성을 향상시키기 위해서 은 (400)을 도금하거나 클래딩 할 수 있다.

본 발명에 따른 압출 또는 인발 부스바와 롤 클래드(roll clad) 부스바의 구조상 가장 큰 차이점으로 압출법 또는 인발법에 의해 제조된 부스바의 경우 은과 구리가 알루미늄 중심체 전체를 둘러쌓고 있는 구조이나 클래드 부스바의 경우 알루미늄 중심체의 양쪽 측면에는 은과 구리가 적층되어 있지 않다는 점이다.

이하 실시예를 통하여 본 발명의 주요 내용 및 특징을 보다 명확하게 설명될 것이며, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되지 않고 청구범위내에서 다양한 변형과 응용이 가능할 것이다.

실시예 1

약 1 ~ 500 ㎛ 두께의 도금된 두께 직경 50 mm인 알루미늄 또는 알루미늄 합금 봉재를 내경이 50 mm보다 약간 큰 동 파이프 내부로 주입하여 알루미늄과 동을 일체화시킨 다음 일체화된 시료를 150 ~ 650 ^oC의 온도로 유지되고 있는 아르곤 분위기 전기로 안에 넣고 약 1시간 동안 가열한 후 1000 톤의 압출기를 사용하여 약 300 ^oC에서 인발 또는 압출함으로서 알루미늄 중심체가 은과 동의 순서로 둘러쌓여 있는 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층구조의 부스바를 제조하였다.

또한 표면에 은도금된 동 파이프에 알루미늄 또는 알루미늄 합금 봉재를 삽 입한 후 인발 또는 압출하여 상기와 동일한 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층구조의 부스바를 제조할 수 있다.

아울러 인발 또는 압출된 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 클래드 부스바의 기계적 특성을 향상시키기 위해서 100 ~ 650 ^oC 수소분위기하에서 약 5 ~ 200분간 확산 열처리를 실시하였다.

은의 경우 고온 내산화성이 매우 우수하기 때문에 은이 도금된 동 판재를 사용할 경우 대기중에서 클래드 판재를 제조하거나 열처리를 실시하여도 무방하나 알루미늄 봉재에 은 도금 할 경우 반드시 환원성, 불활성, 혹은 진공 분위기하에서 열처리함으로써 동의 산화를 방지해야만 전기 전도도와 기계적 특성이 우수한 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조의 부스바를 제조할 수 있다.

또한 상기 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 클래드 부스바의 표면에 전기 전도도를 향상시키고 대기중 동의 내식성을 향상시키기 위해서 은이 코팅된 (도금 또는 증착 또는 침적) 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 다층 클래드 부스바를 제조하였다.

도 3은 상기 실시예 1에 의하여 제조된 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 부스바의 단면조직을 보여주는 사진으로서, 부스바의 계면 접합상태가 우수함을 알 수 있다.

실시예 2

약 1 ~ 500 ㎛ 두께의 은이 도금된 두께 3 mm인 동 판재를 14 mm 두께의 1050계 순수 알루미늄 판재 상하에 각각 적층한 후 수소 분위기하 150 ~ 650 ^oC의 온도로 유지된 전기로 안에 넣고 약 1시간 동안 가열한 후 약 40-75% 정도의 압하율로 열간 압연하여 제조한 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 클래드 부스바를 제조하였다. 또한 은이 도금된 알루미늄 판재 상하에 각각 동 판재를 적층한 후 열간압연함으로써 동일한 적층구조를 갖는 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 클래드 부스바를 제조하였다. 아울러 압연된 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 클래드 부스바의 기계적 특성을 향상시키기 위해서 100 ~ 600 ^oC 수소분위기하에서 약 5 ~ 200 분간 확산 열처리를 실시하였다. 은의 경우 고온 내산화성이 매우 우수하기 때문에 은이 도금된 동 판재를 사용할 경우 대기중에서 열처리를 실시하여도 무방하나 알루미늄 판재에 은 도금 할 경우 반드시 환원성, 불활성, 혹은 진공 분위기하에서 열처리함으로서 동의 산화를 방지해야만 전기 전도도와 기계적 특성이 우수한 동-은-알루미늄-은-동 적층 구조를 갖는 클래드 부스바를 제조할 수 있다.

또한, 약 1 ~ 500 ㎛ 두께의 은이 도금된 두께 3 mm인 동 판재를 14 mm 두께의 1050계 알루미늄 판재 상하에 각각 적층한 후 또는 은이 도금된 알루미늄 판재 상하에 각각 동 판재를 적층한 후 상온에서 약 40-75% 압하율로 냉간 압연하여 접합한 후 환원성, 불활성 혹은 진공 분위기하 100 ~ 600 ^oC의 온도로 유지된 전기로 안에 넣고 약 5 ~ 200 분간 확산 열처리를 실시함으로서 전기 전도도와 기계적 특 성이 우수한 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 클래드 부스바를 제조하였다.

또한 상기 동-은-알루미늄-은-동 클래드 부스바의 표면에 전기 전도도를 향상시키고 대기중 동의 내식성을 향상시키기 위해서 은이 코팅된 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 클래드 부스바를 제조하였다. 상기의 동 또는 알루미늄 또는 다층 클래드 판재의 표면에 은을 코팅하기 위하여 도금법 또는 증착법 또는 침적법 또는 롤접합법 또는 기타의 금속접합법을 사용할 수도 있다.

실시예 3

3 mm 두께의 동 판재위에 약 100 ㎛ 두께의 은 박판을 적층하고 그 위에 14 mm 두께의 1050계 순수 알루미늄 판재를 적층한 후 다시 은 박판과 동 판을 순차적으로 적층한 후 수소 분위기하 150 ~ 650 ^oC의 온도로 유지된 전기로 안에 넣고 약 1시간 동안 가열한 후 약 40-75% 정도의 압하율로 열간 압연하여 접합함으로서 동-은-알루미늄-은-동 적층구조를 갖는 클래드 부스바를 제조하였다. 아울러 동-은-알루미늄-은-동 클래드 부스바의 기계적 특성을 향상시키기 위해서 100 ~ 600 ^oC 수소분위기하에서 약 5 ~ 200 분간 확산 열처리를 실시하였다.

또한 3 mm 두께의 동 판재위에 약 100 ㎛ 두께의 은 박판을 적층하고 그 위에 14 mm 두께의 1050계 순수 알루미늄 판재를 적층한 후 다시 은 박판과 동 판을 순차적으로 적층한 후 상온에서 약 40 - 75% 압하율로 냉간 압연하여 접합한 후 환원성, 불활성 혹은 진공 분위기하 100 ~ 600 ^oC의 온도로 유지된 전기로 안에 넣고 약 5 ~ 200 분간 확산 열처리를 실시함으로서 전기 전도도와 기계적 특성이 우수한 동-은-알루미늄-은-동 또는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 클래드 부스바를 제조하였다.

은 판재를 사용할 경우 동 판재의 산화를 방지하기 위해서 열처리는 수소, 알곤 혹은 진공 분위기하에서 반드시 실시해야 한다.

또한 상기 동-은-알루미늄-은-동 클래드 부스바의 표면에 전기 전도도를 향상시키고 대기중 동의 내식성을 향상시키기 위해서 은이 코팅된 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조를 갖는 클래드 부스바를 제조하였다. 상기의 동 또는 알루미늄 또는 다층 클래드 판재의 표면에 은을 코팅하기 위하여 도금법 또는 증착법 또는 침적법 또는 롤 접합법 또는 기타의 금속 접합법을 사용할 수도 있다.

본 발명을 통해 고안된 동-은-알루미늄 또는 동-은-알루미늄-은-동 혹은 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층구조를 갖는 통전용 다층 클래드 부스바는 알루미늄 또는 동의 표면에 은이 코팅되거나 또는 알루미늄과 동 사이에 은을 삽입함으로서 알루미늄-동 부스바와 비교하여 전기 전도도과 기계적 특성이 향상된 다층 클래드 부스바의 제조가 가능해졌으며, 본 기술을 통해 제조된 부스바는 기존의 동 부스바보다 저렴하고 경량화되며, 부스바의 제조 및 설치비용이 절감될 뿐만 아니라 설치가 간편한 장점이 있다.

Claims

전기 에너지를 전달하는 통전용 부스바에 있어서,

상기 부스바의 몸체는 일정 길이와 두께의 알루미늄으로 형성되고, 상기 알루미늄의 전체 표면에 일정 두께의 은 층이 존재하며, 상기 은 층 표면에 일정 두께의 동 층이 존재하는 동-은-알루미늄 적층 구조를 포함하는

은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바.
제1항에 있어서, 상기 부스바는 동-은-알루미늄-은-동 적층 구조인 은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바.
제1항에 있어서, 상기 부스바의 단면 형상은 판재, 봉재 또는 각재인 은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바.
제1항에 있어서, 상기 동의 표면에 은 층이 추가되어 은-동-은-알루미늄의 적층구조를 포함하는 은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바.
제4항에 있어서, 상기 부스바는 은-동-은-알루미늄-은-동-은 적층 구조인 은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바.
동과 알루미늄 사이에 은이 삽입된 알루미늄-은-동 결합체를 제조하고,

상기 결합체를 압출, 인발, 또는 압연하여 알루미늄-은-동 결합체가 하나의 몸체가 되도록 가공하는 것을 특징으로 하는 은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 결합체를 추가적으로 압출, 인발 또는 압연하는 단계를 포함하는 은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바 제조방법.
제6항에 있어서, 가공된 부스바를 환원성, 불활성 혹은 진공 분위기 하에서 추가로 확산 열처리하여 기계적 특성을 향상시키는 것을 포함하는 은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 열처리는 100 ~ 600 ^oC의 온도범위에서 5 ~ 200 분간 수행하는 은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 은의 삽입은 무전해 도금법, 전기 도금법, 증착법, 침적법, 또는 롤 접합법을 이용하는 은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바 제조방법.
제6항에 있어서, 알루미늄과 동 사이에 은을 삽입하는 방법으로서 은 박판을 사용하는 은 코팅층이 첨가된 동-알루미늄 클래드 부스바 제조방법.