KR101535551B1 - 벨로즈 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

도전성 피복층(2a, 2b)이 확산접합에 의해 벨로즈(1)의 기체(2)의 내주측과 외주측 중의 적어도 한쪽에 형성된다. 확산접합에 있어서, 편평한 도전성 피복층(2a, 2b)은 판형상 기체(2)의 적어도 일단부면측에 적층되고, 이들 기체(2)와 도전성 피복층(2a, 2b)은 확산접합된다. 확산 적층체를 인발 공정에 의해 관형체로 성형한 후에, 관형체의 측벽이 벨로즈 형상으로 성형된다. 이들 공정에 의해, 벨로즈의 기체상에 보다 균일한 두께를 갖는 도전성 피복층을 가지며 극히 양호한 특성(기계적 특성 및 전기적 특성)을 갖는 벨로즈를 얻을 수 있다.

Description

벨로즈 및 그 제조 방법{bellows and method for manufacturing same}

본 발명은 예를 들면 진공용기를 갖는 진공 콘덴서, 진공 스위치, 진공 릴레이, 진공 인터럽터 등에 연결되는 벨로즈 및 그 제조방법에 관한 것이다.

예를 들어, 진공 콘덴서에 사용되는 벨로즈(측벽이 벨로즈 형상을 갖는 기체(base body)로 형성)는 진공 콘덴서의 진공용기내의 가동 도체와 진공용기의 일단측(금속부재)의 사이에 통전로의 역할을 하고 또한 진공용기의 내부를 진공실과 대기실로 분할하여 진공실을 기밀하게 유지하는 역할을 하도록 제공된다. 다수의 벨로즈(예를 들어, 스테인레스 벨로즈 및 구리 벨로즈)를 사용하고 이들 벨로즈가 진공용기 내에 서로 일정 거리로 평행하게 배치된 구조도 알려져 있지만(예를 들어, 특허문헌 1), 근래 공간 절약, 소형화 등의 시장 요구를 고려하여 양호한 특성(기계적 특성 및 전기적 특성 등)을 갖는 벨로즈를 단독으로 사용하는 것이 바람직하다.

벨로즈의 특성을 향상시기키 위한 방법으로서, 벨로즈 형상의 기체(스테인레스 스틸 등)의 표면에 도금(예를 들어 구리 도금)으로 도전성 피복층을 형성하여 전기적 특성을 향상시키는 방법이 알려져 있다. 스테인레스 스틸로 형성된 기체가 구리 등으로 도금되는 경우는, 전처리 공정으로서 니켈 도금에 의한 표면처리(중간도금처리)가 실시된다. 또한, 베릴륨동으로 형성된 벨로즈 형상의 기체를 구리로 도금하던지 니켈로 도금하는 방법도 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 2).

그러나, 벨로즈 형상의 기체의 도금 공정에는 숙련된 특수 공정을 필요로 하며, 위탁할 곳도 감소하고 이런 숙련된 특수 공정을 입수하기 어렵다. 게다가, 현재 상황에서는 제조 수율이 낮으며, 따라서 벨로즈 형상의 기체의 도금 공정이 생산성 높은 방식이 아니다. 또한 니켈 자체는 자성재료이며 니켈은 진공 콘덴서의 사용시 또는 고주파 전원 인가(고주파수 전압 인가)시에 발열원의 일부로서 작용하기 때문에, 이는 제품의 특징이나 성능에 영향을 줄 수 있다. 또한, 베릴륨동은 스테인레스계 재료(SUS304L 등)에 비하여 수명 특성(열부하에서의 연속적인 팽창 및 수축에 의한 금속 피로 파단 특성)이 떨어진다.

고주파수 특성과 높은 도전성을 향상시키려는 목적으로 구리나 은으로 전기도금을 실시하는 경우, 그 도금 두께(전도성 피복층 두께)는 불균일하게 되기 쉽다. 또한, 도금 두께가 증가함에 따라서 도금 두께의 균일성이 떨어지는 경향이 있다(도금 두께와 도금 두께의 균일성이 반비례 관계). 그 결과, 벨로즈 전체의 총두께 및 기계적 강도 분포의 변화가 발생한다. 예를 들어, 진공 콘덴서처럼 벨로즈가 반복적으로 팽창 및 수축하는 용도의 경우에는 금속 피로 파단이 쉽게 발생할 위험이 있다. 또한 전원 인가(또는 전압 인가)시의 단면적이 불균일하게 되기 때문에(전원인가시의 단면적이 증감), 전원 인가시에 발열량이 증가할 가능성이 있다.

이 때문에, 벨로즈에 도전성 피복층을 쉽게 형성하고 도전성 피복층 두께를 가능한 균일하게 만들기 위한 연구가 행해졌다. 예를 들어, 원통형 기체(벨로즈로 성형되기 전의 기체)가 전기도금으로 도금되거나, 또는 기체의 외주측을 덮도록 기체상에 극히 얇은 피복관(두께는 약 100 μm - 200 μm)이 끼워져서 도전성 피복층이 형성된 다음에 기체를 원하는 형상으로 성형함으로써 벨로즈가 얻어진다 벨로즈를 얻기 위한 이런 방법이 연구되었다(예를 들어, 특허문헌 3).

그러나 이 방법으로 전기도금 후에 기체가 성형되더라도 도전성 피복층 두께는 불균일하다(평균 편차 ± 10%). 또한, 단지 피복관이 끼워지는 방법에서는 예를 들어 기체를 원하는 형상으로 성형할 때 기체와 도전성 피복층 사이에 변형 차이가 생긴다. 따라서 파단 등의 기계적 강도를 고려하면 이 방법은 대단히 어려운 제조공정이기 때문에 실현성이 낮다.

여기서, 기술분야는 진공 콘덴서의 벨로즈와는 다르지만, 급전 로울에 관하여 시트 부재가 원통형 기체 주위에 감겨지고 시트 부재의 양측 엣지가 용접으로 연결된 다음에 기체와 시트 부재가 확산접합된다. 이런 기술은 공지되어 있다(예를 들어, 특허문헌 4).

이상으로부터, 본 발명의 목적은 도전성 피복층을 원통형 기체에 형성한 후에 기체를 원하는 형상으로 성형하는, 전술한 방법과는 다른 방법을 찾는 것이며, 또한 보다 균일한 두께를 갖는 도전성 피복층을 갖고 극히 양호한 특성(기계적 특성 및 전기적 특성)을 갖는 벨로즈를 얻는 것이다.

특허문헌 1: 일본국 특허공개 제 평성7-78729호 공보 특허문헌 2: 일본국 특허 제 3264006호 공보 특허문헌 3: 일본국 특허공개 제 2010-245552호 공보 특허문헌 4: 일본국 특허공개 제 2010-53415호 공보

본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 기술적 사상이다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 벨로즈의 제조 방법은, 판형상 기체의 적어도 일단부면측에 편평한 도전성 피복층을 적층하는 단계; 상기 기체와 상기 도전성 피복층을 확산접합하는 단계; 확산접합된 적층체를 인발 공정에 의해 관형체로 성형하는 단계; 및 상기 관형체의 측벽을 벨로즈 형상으로 성형하는 단계를 포함한다. 상기 기체는 비자성 스테인레스 재료로 형성될 수 있다. 상기 도전성 피복층은 구리, 은 및 금 중에서 적어도 1종을 포함하는 도전성 재료로 형성될 수 있다

본 발명의 다른 태양에 따르면, 진공 용기의 내부를 진공실과 대기실로 분할하고 진공실을 기밀하게 유지하는 벨로즈의 제조 방법은, 내주측과 외주측이 확산접합에 의해 도전성 피복층으로 피복된 관형 기체를 벨로즈 형상으로 성형하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 진공 용기의 내부를 진공실과 대기실로 분할하며 진공실을 기밀하게 유지하는 진공 용기용 벨로즈로서, 도전성 피복층이 확산접합된 기체를 포함한다.

상기 벨로즈는 상기 방법 중의 어느 한 방법으로 제조될 수 있다.

진공 용기내에 사용되는 벨로즈의 기술분야에 있어서, 종래기술처럼 원통형 기체에 중간 도금 처리를 하고 피복관을 원통형 기체상에 끼워서 도전성 피복층을 형성하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 도전성 피복층을 확산접합에 의해 기체상에 형성한 후에 이들 기체와 도전성 피복층의 적층체를 인발 공정에 의해 원하는 형상으로 성형하는 기술적 사항은 없었다.

본 발명의 벨로즈 및 그 제조 방법에 따르면, 벨로즈의 기체상에 보다 균일한 두께를 갖는 도전성 피복층을 가지며 극히 양호한 특성(기계적 특성 및 전기적 특성)을 갖는 벨로즈를 얻을 수 있다.

도 1은 본 실시형태의 벨로즈의 일 예를 설명하는 개략도.
도 2는 본 발명의 벨로즈에 적용되는 적층체의 일 예를 설명하는 개략도.
도 3은 본 발명의 벨로즈를 이용하는 진공 콘덴서의 일 예를 설명하는 개략도.

본 발명의 실시형태에 따른 벨로즈 및 그 제조방법에서는, 기체와 도전선 피복층이 확산접합에 의해 적층된 다음에 벨로즈가 얻어진다. 이런 벨로즈를 얻는 방법은 종래기술처럼 중간 도금 공정을 수행하거나 또는 원통형 기체상에 도전성 피복층을 형성한 후에 기체를 원하는 형상으로 성형하는 방법이 아니라 비교적 단순한 방법이다. 예를 들어, 도전성 피복층은 판형상의 기체(또는 평면 기체)의 적어도 일 단부면측에 적층되며, 기체와 도전성층은 확산접합된다. 그 후 이 확산접합된 적층체는 인발 공정에 의해 관형체로 형성된 후, 관형체의 측벽이 벨로즈 형상으로 성형된다.

본 발명처럼 도전성 피복층이 확산접합에 의해 벨로즈의 기체상에 적층되는 경우, 원통형 기체를 도금하여 도전성 피복층을 형성하는 경우와 비교하여 도전성 피복층의 두께가 보다 균일해진다(편차가 거의 없거나, 적어도 평균 ± 1% 이하).

여기서, 특허문헌 4를 벨로즈에 적용할 수 있다고 가정하는 경우, 특허문헌 4의 기술은 시트 부재를 관형체 주위에 감고 시트 부재의 양측 엣지를 용접한 후에 관형체와 시트부재를 확산접합하는 방법이기 때문에, 벨로즈의 외주측의 도전성 피복층에 이음매(또는 이음매 선이나 시임)가 남는다. 이 이음매 때문에, 도전성 피복층의 두께가 불균일해지며(이음매의 두께가 이음매를 제외한 부분과 다르다), 이음매의 저항율의 차이 때문에 전기적 특성이 열화한다. 또한 관형 내주측에서의 엣지의 용접에 있어서는, 관형체의 직경이 작은 경우(예를 들어, φ50 이하), 엣지의 용접이 어렵다. 여기서, 특허문헌 4는 급전 로울과 관련된 것으로서, 이는 이음매에 의한 영향(특허문헌 4의 도전성층이 진공용기 내에서 사용되는 경우의 영향)은 전혀 평가하지 않고 있다고 생각된다.

한편, 본 실시형태처럼 확산접합에 의해 형성된 다층부재가 인발 공정을 받는 경우, 이음매가 전혀 남지 않고 균일한 두께를 갖는 도전성 피복층을 갖는 벨로즈를 얻을 수 있다.

본 실시형태에 따른 벨로즈 및 그 제조방법에 있어서는, 전술한 바와 같이, 기체와 도전성 피복층의 확산접합에 의해 형성된 적층체를 인발 공정에 의해 원하는 형상으로 형성할 수 있다면 목적으로 하는 벨로즈에 기초한 기술 지식을 적용함으로써 다양한 형상을 만들 수 있다.

<기체>

예를 들어, 기체로서는 진공 콘덴서의 벨로즈에 일반적으로 사용되는 재료 중에서 인발 공정을 받을 수 있는 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 비자성 스테인레스 재료(SUS304, SUS316, 각종 SS재료 등)이 있는데, 기체는 이들 재료에 한정되지 않는다.

<도전성 피복층>

도전성 피복층으로서는 기체에 확산접합될 수 있는 재료라면 다양한 도전성 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, 높은 도전성을 갖는 구리, 은, 금 등을 포함한 도전성 재료가 있다. 그러나 기체를 내부식성이 낮은 재료로 형성하는 경우, 내부식성을 갖는 도전성 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 도전성 피복층의 두께는 필요에 따라서, 예를 들어 도전성 피복층에 적용되는 전력의 주파수에 따라서 설정할 수 있다. 최근의 시장에 존재하는 주파수 100MHz, 60MHz 및 13MHz의 진공 콘덴서의 경우, 도전성 피복층의 두께는 각각 7 μm 이상, 9 μm 이상, 및 18 μm 이상으로 설정될 수 있다. 여기서, 도전성 피복층을 비교적 낮은 주파수의 설비에 적용하는 경우, 도전성 피복층의 두께는 보다 두껍게 설정될 수 있다(이 두께는 수 MHz 내지 수백 kHz 레벨의 주파수에 대하여 수십 μm 내지 수백 μm로 설정된다). 예를 들어, 이 두께는 주파수 1 MHz, 100 kHz에 대하여 각각 70 μm, 210 μm으로 설정된다.

<확산접합>

확산접합에 있어서, 그 방법은 기체와 도전성 피복층이 서로 긴밀하게 접촉된 후에 원자 확산에 의해 접합되는 경우라면 한정되지 않는다. 예를 들어, 판형상 기체의 일단부면측을 도전성 재료로 피복하고, 판형상 기체와 도전성 피복층 사이의 계면 방향으로 적층체를 가압하면서 기체의 융점 이하의 온도에서 가열 처리에 의해 기체와 도전성 피복층을 접합하는 방법이 있다. 여기서 도전성 피복층을 기체의 일단부면측에만 형성하는 경우, 양자의 열팽창 계수의 차이가 발생하며(서로 다른 재질에 의해 생기는 차이), 즉 벨로즈의 내주측과 외주측 사이의 열팽창 계수의 차이가 생긴다. 그리고, 열팽창 계수의 차이가 크다면, 뒤틀림이나 휨이 생길 가능성이 있다. 이 때문에 예를 들어 도 1에 도시한 바와 같이, 열팽창 계수의 차이에 의해 생기는 뒤틀림 현상을 억제하기 위해 기체(2)의 내주측과 외주측에 동종의 도전성 피복층(2a, 2b)을 갖는 벨로즈(1)를 형성하는 것이 바람직하다. 여기서, 도전성 피복층(2a, 2b)은 단일층 구조에 한정되지 않는다. 도전성 피복층(2a, 2b)의 각각은 다층 구조가 될 수 있다.

<성형>

기체와 도전성 피복층으로 형성된 적층체의 인발 공정을 수행함으로써 관형체를 얻은 후, 관형체의 측벽을 벨로즈 형상으로 성형한다. 이 방법에서 다양한 종류의 방법을 적용할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시한 바와 같이, 판형상 기체(2)의 양단부면에 도전성 피복층(2a, 2b)를 형성하여 적층체(1a)를 얻고, 적층체(1a)의 인발 공정을 실시함으로써 원통체를 얻는다. 또한 이 원통체의 측벽을 벨로즈 형상으로 성형함으로써(팽창 및 수축 가능하도록) 도 1에 도시한 벨로즈를 얻을 수 있다.

<벨로즈의 적용예>

전술한 바와 같이, 예를 들어 도 3에 도면 부호 1로 지시한 바와 같이, 벨로즈는 고정 전극(4) 및 가동 전극(5)이 내부에 배치된 진공용기(10)을 갖는 진공 콘덴서(30)에 적용된다. 벨로즈는 진공용기(10)의 내부를 진공실(10a)과 대기실(10b)로 분할하고 또한 진공실(10a)을 기밀하게 유지하기 위해 신축 가능하게(또는 팽창 및 수축하도록) 마련된다.

도 3에서, 진공용기(10)는 절연관체(3a) 및 절연재로 만들어진 시일 부재(3aa, 3ab)를 제공하고 절연관체(3a)의 양쪽 개방단부측을 시일 부재(3aa, 3ab)로 폐쇄함으로써 형성된다. 고정 전극(4)은 각각 서로 다른 직경을 갖는 대략 원통형인 다수의 전극 부재(4a)를 동심원 상태로 배치함에 의해(예를 들어, 전극 부재(4a)를 일정 간격으로 배치함에 의해) 형성된다. 고정 전극(4)은 진공용기(10)의 내주측의 시일 부재의 일측(도 3의 시일 부재(3aa))에 제공된다. 고정 전극(4)과 마찬가지로, 가동 전극(5)은 각각 서로 다른 직경을 갖는 실질적으로 원통형인 다수의 전극 부재(5a)를 동심 형태로 배치함에 의해(예를 들어, 전극 부재(5a)를 일정 간격으로 배치함에 의해) 형성된다. 가동 전극(5)은 각 전극 부재(5a)가 고정 전극(4)의 전극 부재(4a)와 접촉하지 않은 상태에서 각 전극 부재(5a)가 고정 전극(4)의 전극 부재(4a) 사이의 틈새에 출입할 수 있도록(각 전극 부재(5a)를 고정 전극(4)의 전극 부재(4a) 사이의 틈새 속에 삽입하여 전극 부재(5a)가 고정 전극(4)의 전극 부재(4a)와 교대로 겹치도록 진공실(10a) 내에 배치된다. 이 가동 전극(5)은 (가동 전극(5)의 고정 전극(4)에 대한 출입 정도를 조정할 수 있도록) 진공용기(10)의 축방향으로 움직일 수 있는 가동 전극 샤프트(6)에 의해 지지된다.

가동 전극 샤프트(6)는 가동 전극(5)을 지지하기 위한 지지 부재(6a)와, 지지 부재(6a)의 배면으로부터 연장되어 시일 부재(3ab)로부터 돌출하도록 마련된 가동 로드(6b)로 구성된다. 도면 부호 7은 스러스트 베어링 등에 의해 형성된 지지 부재(도시하지 않음)를 통해 회전가능하게 지지되어 모터 등의 구동원에 의해 진공용기(10)에 대하여 회전하는 정전용량 제어부를 지시한다. 정전용량 제어부(7)는 가동 로드(6b)의 시일 부재(3ab)로부터 돌출하는 단부에 나사 결합됨으로써 가동 로드(6b)가p 연결된다(예를 들어, 정전용량 제어부(7)의 암나사부가 가동 로드(6b)의 일단부측에 형성된 숫나사부에 나사결합된다). 도면 부호 8은 가동 전극(5) 및 고정 전극이 서로 접촉하지 않도록 가동 전극(5)을 가이드하는 절연 가이드를 지시한다.

벨로즈(1)에 있어서, 진공용기(10)의 내부를 진공실(10a)과 대기실(10b)로 분할하고 진공실(10a)을 기밀하게 유치하기 위해 벨로즈(1)의 일단부측의 엣지는 시일 부재(3ab)의 내벽측에 연결되고 벨로즈의 타단부측의 엣지는 지지 부재(6a)에 연결된다. 벨로즈(1)의 연결부재로서, 예를 들면 진공 상태에서의 브레이징이 있다.

본 발명에서 전술한 실시형태만 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 상기 실시형태의 수정 및 변형이 가능함은 당업자에게 자명한 것이다. 이들 수정 및 변형은 특허청구범위에 속하는 것은 당연하다. 예를 들어, 진공 콘덴서를 벨로즈의 적용예로서 설명하였지만, 이 벨로즈는 각각 진공용기를 구비한 진공 스위치, 진공 릴레이, 진공 인터럽터 등에 적용할 수 있다.

1 … 벨로즈
1a … 적층체
2 … 기체
2a, 2b … 도전성 피복층
10 … 진공용기
30 … 진공 콘덴서

Claims (6)

1. 벨로즈의 제조 방법으로서,
   판형상 기체의 적어도 일단부면측에 편평한 도전성 피복층을 적층하는 단계;
   상기 기체와 상기 도전성 피복층을 확산접합하는 단계;
   확산접합된 적층체를 인발 공정에 의해 관형체로 성형하는 단계; 및
   상기 관형체의 측벽을 벨로즈 형상으로 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 벨로즈의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기체는 비자성 스테인레스 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 벨로즈의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 도전성 피복층은 구리, 은 및 금 중에서 적어도 1종을 포함하는 도전성 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 벨로즈의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 기체의 양면이 도전성 피복층으로 피복되는 것을 특징으로 하는 벨로즈의 제조 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 벨로즈.
6. 진공 용기(10)의 내부를 진공실(10a)과 대기실(10b)로 분할하며 진공실(10a)을 기밀하게 유지하는 진공 용기(10)용 벨로즈로서,
   도전성 피복층(2a, 2b)이 확산접합된 기체(2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 벨로즈.

Images