KR101708431B1 - 고주파 대전류 박스형 커패시터 - Google Patents

고주파 대전류 박스형 커패시터 Download PDF

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이경진
황대성
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대동콘덴서공업(주)
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Abstract

본 발명은 고주파 대전류 박스형 커패시터에 관한 것으로서, 양측단에 제1,2전극단(10a)(10b)이 형성된 하나 이상의 커패시터소자(10)(10')와; 커패시터소자(10)(10')의 일측이 삽입되는 제1끼움홈(21) 및 그 제1끼움홈(21)의 바닥에 형성된 제1융착면(22)을 가지는 제1전극블럭(20)과; 커패시터소자(10)(10')의 타측이 삽입되는 제2끼움홈(31) 및 그 제2끼움홈(31)의 바닥에 형성된 제2융착면(32)을 가지는 제2전극블럭(30)과; 제1전극블럭(20)과 제2전극블럭(30)을 상호 이격된 상태로 고정함과 동시에 절연시키는 절연몰딩부(40)와; 제1융착면(22)과 제1전극단(10a)의 표면 전체를 융착시키는 제1전극융착층(50)과; 제2융착면(32)과 상기 제2전극단(10b)의 표면 전체를 융착시키는 제2전극융착층(60);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고주파 대전류 박스형 커패시터{Box type capacitor for heat treatment instruments}
본 발명은 고주파 대전류 박스형 커패시터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 커패시터소자와의 접속면적을 극대화하여 내구수명을 연장할 수 있는 고주파 대전류 박스형 콘덴서에 관한 것이다.
일반적으로 고주파 열처리기에 적용되어 피가열체에 고주파를 인가하여 가열하는 커패시터에는 수 Khz 의 주파수 및 수백 암페어의 전류가 흐르는데, 이때 인가되는 고주파 대전류에 의하여 커패시터에는 많은 열이 발생된다. 이러한 열은 커패시터소자의 내구성을 파괴하는 원인이 되므로, 냉각을 위하여 냉각유가 흐르는 냉각관을 내장하는 복잡한 구조가 됨과 동시에 외형이 커지게 되어 결국 제조 코스트가 상승한다라는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 콤팩트하게 구현함과 동시에 고주파 대전류가 인가되더라도 커패시터소자의 손상을 방지할 수 있는 박스형 커패시터를 개발한 바 있으며, 이와 관련된 선행기술이 특허등록번호 10-1340801호에 고주파 열처리기용 박스형 콘덴서란 명칭으로 개시되어 있다.
도 1은 본 출원인이 개발한 박스형 커패시터의 분해사시도이고, 도 2는 도 1의 박스형 커패시터의 조립사시도이며, 도 3은 도 1의 커패시터의 제1,2전극단에 형성되는 솔더(P) 면적의 크기를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 2의 IV-IV' 선을 따른 단면도로서, 제1,2전극블럭의 팽창 및 수축에 따라 제1,2솔더홀로부터 솔더가 분리되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이, 박스형 커패시터는, 양측단에 제1,2전극단(1a)(1b)이 형성된 커패시터소자(1)와; 커패시터소자(1)의 일측이 삽입되는 제1끼움홈(2a) 및 그 제1끼움홈(2a)의 바닥에 형성된 제1바닥면(2b)을 가지는 제1전극블럭(2)과; 커패시터소자(1)의 타측이 삽입되는 제2끼움홈(3a) 및 그 제2끼움홈(3a)의 바닥에 형성된 제2바닥면(3b)을 가지는 제2전극블럭(3)과; 제1전극블럭(2)과 제2전극블럭(3)을 상호 이격된 상태로 고정함과 동시에 절연시키는 절연몰딩부(4)와; 제1,2바닥면(2b)(3b)에 형성된 것으로서 제1,2전극단(1a)(1b)과 연통되는 4 개의 제1,2솔더홀(5)(6)을 포함한다. 이때 상기 제1,2솔더홀(5)(6)을 솔더(P)로 솔더링함으로서, 제1,2전극단(1a)(1b)은 제1,2전극블럭(2)(3)과 전기적으로 연결된다.
그런데 상기한 박스형 커패시터에 있어서, 제1,2전극단(1a)(1b)은 도 3에 도시된 바와 같이 제1,2솔더홀(5)(6)에 솔더링되는 솔더(S ; solder)에 의하여 제1,2전극블럭의 제1,2바닥면(2b)(3b)과 전기적으로 연결되므로, 실제로 커패시터소자(1)와 제1,2전극블럭(2)(3) 사이의 전기적 접속면적은 제1,2솔더홀(5)(6) 내측에에 형성된 솔더(P)의 면적이 되고, 이에 따라 커패시터소자(1)로 고주파 대전류는 상대적으로 작은 면적의 솔더(P)를 통하여 흐르기 때문에 전류의 흐름을 방해하는 병목현상이 발생되어 발열의 원인이 되었고, 이러한 발열현상의 커패시터소자(1)에서 발생되는 열과 합해져 커패시터소자(1)의 내구수명을 단축시켰다.
또한 본원의 커패시터가 채용된 장치를 반복해서 사용함에 따라 커패시터소자(1)에서 열이 선택적으로 발생함에 따라 제1,2전극블럭(2)(3)을 가열되거나 냉각되는데, 이러한 가열 및 냉각과정에서 구리재질인 제1,2전극블럭(2)(3)은 팽창과 수축을 반복한다. 이에 따라 도 4에 도시된 바와 같이, 제1,2끼움홈(2a)(3a)의 제1,2바닥면(2b)(3b)과 제1,2전극단(1a)(1b)의 표면 사이의 이격간격(ΔL)이 반복적으로 발생하고, 이러한 이격간격(ΔL)은 솔더(P)를 제1,2솔더홀(5)(6)의 내주면에서 분리시키는 힘으로 작용된다. 이에 따라 시간이 경과함에 따라 제1,2전극단(1a)(1b)에 형성된 솔더(P)는 제1,2솔더홀(5)(6)의 내주면에서 일부가 분리되며, 이 경우 제1,2솔더홀(5)(6)과 솔더(P) 사이에서 저항이 급증하여 많은 열이 발생하여 결국 커패시터소자(1)의 내구성을 급격히 저하시키게 되는 원인이 되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 커패시터소자에서 열이 반복적으로 발생하여 제1,2전극블럭 사이의 간격이 가변되더라도, 제1,2전극블럭과 커패시터소자의 제1,2전극단이 항상 면접촉된 상태를 유지할 수 있는 고주파 대전류 박스형 커패시터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고주파 대전류 박스형 커패시터의 제1실시예는, 양측단에 제1,2전극단(10a)(10b)이 형성된 하나 이상의 커패시터소자(10)(10'); 상기 커패시터소자(10)(10')의 일측이 삽입되는 제1끼움홈(21) 및 그 제1끼움홈(21)의 바닥에 형성된 제1융착면(22)을 가지는 제1전극블럭(20); 상기 커패시터소자(10)(10')의 타측이 삽입되는 제2끼움홈(31) 및 그 제2끼움홈(31)의 바닥에 형성된 제2융착면(32)을 가지는 제2전극블럭(30); 상기 제1전극블럭(20)과 제2전극블럭(30)을 상호 이격된 상태로 고정함과 동시에 절연시키는 절연몰딩부(40); 상기 제1융착면(22)과 상기 제1전극단(10a)의 표면 전체를 융착시키는 제1전극융착층(50); 및 상기 제2융착면(32)과 상기 제2전극단(10b)의 표면 전체를 융착시키는 제2전극융착층(60);을 포함하고; 상기 제1,2융착면(22)(32)은, 그 제1,2융착면(22)(32)의 표면에서 돌출되는 다수의 제1,2융착돌기(22a)(32a)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고주파 대전류 박스형 커패시터의 제2실시예는, 양측단에 제1,2전극단(10a)(10b)이 형성된 하나 이상의 커패시터소자(10)(10'); 상기 커패시터소자(10)(10')의 일측이 삽입되는 제1끼움홈(21) 및 그 제1끼움홈(21)의 바닥에 형성된 제1융착면(22)을 가지는 제1전극블럭(20); 상기 커패시터소자(10)(10')의 타측이 삽입되는 제2끼움홈(31) 및 그 제2끼움홈(31)의 바닥에 형성된 제2융착면(32)을 가지는 제2전극블럭(30); 상기 제1전극블럭(20)과 제2전극블럭(30)을 상호 이격된 상태로 고정함과 동시에 절연시키는 절연몰딩부(40); 상기 제1융착면(22)과 상기 제1전극단(10a)의 표면 전체를 융착시키는 제1전극융착층(50); 및 상기 제2융착면(32)과 상기 제2전극단(10b)의 표면 전체를 융착시키는 제2전극융착층(60);을 포함하고; 상기 제1,2융착면(22)(32)은, 그 제1,2융착면(22)(32)의 표면에서 돌출되되 그 제1,2융착면(22)(32)의 수직선(V)을 기준으로 일측 또는 타측으로 비스듬하게 형성된 제1,2경사융착돌기(22a')(32a')를 더 포함한다.
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본 발명에 따르면, 제1,2끼움홈 내측 바닥에 폐쇄되게 형성된 제1,2융착면과 커패시터소자의 제1,2전극단 전체 표면이 제1,2전극융착층에 의하여 면접속되므로, 커패시터소자와 제1,2전극블럭 사이의 전기적 접속면적은 제1,2전극단 전체의 면적이 되고, 따라서 제1,2전극단과 제1,2융착면 사이의 전기적 저항이 최소화됨과 동시에 커패시터소자에서 발생된 열은 제1,2전극블럭으로 원활히 전도되어, 고주파 대전류가 인가되었을 때 발열현상을 최소화할 수 있어 커패시터소자의 내구수명을 연장할 수 있다.
도 1은 본 출원인이 개발한 박스형 커패시터의 분해사시도,
도 2는 도 1의 박스형 커패시터의 조립사시도,
도 3은 도 1의 커패시터의 제1,2전극단에 형성되는 솔더(P) 면적의 크기를 설명하기 위한 도면,
도 4는 도 2의 IV-IV' 선을 따른 단면도로서, 제1,2전극블럭의 팽창 및 수축에 따라 제1,2솔더홀로부터 솔더가 분리되는 것을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 고주파 대전류 박스형 커패시터의 분해사시도,
도 6은 도 5의 고주파 대전류 박스형 커패시터의 조립사시도,
도 7은 도 6의 VII-VII' 선을 따른 단면도,
도 8은 도 5의 제1,2융착면에 제1,2융착돌기가 형성된 것을 설명하기 위한 도면,
도 9는 도 5의 제1,2융착면에 제1m,2경사융착돌기가 형성된 것을 설명하기 위한 도면.
도 10은 도 5의 고주파 대전류 박스형 커패시터가 부스바아에 결합되는 것을 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명에 따른 고주파 대전류 박스형 커패시터를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 고주파 대전류 박스형 커패시터의 분해사시도이고, 도 6은 도 5의 고주파 대전류 박스형 커패시터의 조립사시도이며, 도 7은 도 6의 VII-VII' 선을 따른 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고주파 대전류 박스형 커패시터는, 양측단에 제1,2전극단(10a)(10b)이 형성된 하나 이상의 커패시터소자(10)(10')와; 커패시터소자(10)(10')의 일측이 삽입되는 제1끼움홈(21) 및 그 제1끼움홈(21)의 바닥에 형성된 제1융착면(22)을 가지는 제1전극블럭(20)과; 커패시터소자(10)(10')의 타측이 삽입되는 제2끼움홈(31) 및 그 제2끼움홈(31)의 바닥에 형성된 제2융착면(32)을 가지는 제2전극블럭(30)과; 제1전극블럭(20)과 제2전극블럭(30)을 상호 이격된 상태로 고정함과 동시에 절연시키는 절연몰딩부(40)와; 제1융착면(22)과 제1전극단(10a)의 표면 전체를 융착시키는 제1전극융착층(50)과; 제2융착면(32)과 제2전극단(10b)의 표면 전체를 융착시키는 제2전극융착층(60);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에서는 용이한 설명을 위하여, 2개의 커패시터소자(10)(10')를 채용하여 설명하지만, 커패시터소자가 1개 일수도 있고 3 개일 수도 있음은 물론이다.
커패시터소자(10)(10')는, 서로 마주보는 2장의 알루미늄박 사이에 유전체로서 예를 들면 폴리프로필렌 필름(polypropylene film) 및 증착폴리프로필렌 필름(Metallized polypropylene film)이 겹쳐져 여러겹으로 권취되어 원통형 또는 장방형으로 구현된다. 이러한 커패시터소자(10)(10')의 양단에 형성된 제1,2전극단(10a)(10b)은, 커패시터소자소자(10)(10')의 양단에 구리를 용사(Metallicon)하여 구현하거나, 먼저 구리를 용사하고 아연을 용사하여 구현된다.
제1,2전극블럭(20)(30) 각각은, 열전도율이 높은 구리 재질로 된 것으로서 전체적으로 박스 형태를 가지며, 일측으로 개방된 상기한 제1,2끼움홈(21)(31) 및 그 제1,2끼움홈(21)(31)의 바닥에 형성된 제1,2융착면(22)(32)을 가진다.
제1,2끼움홈(21)(31)은 커패시터소자(10)(10')의 외직경 보다 약간 큰 내직경을 가지며, 이에 따라 커패시터소자(10)(10')가 제1,2끼움홈(21)(31)에 삽입될 때 커패시터소자(10)(10')와 제1,2끼움홈(21)(31) 사이에는 약간의 이격공간이 형성된다. 이러한 이격공간에는 절연몰딩부(40)를 구성하는 에폭시가 충진되어 커패시터소자(10)(10')의 위치를 고정한다.
제1,2융착면(22)(32)은 제1,2끼움홈(21)(31) 내측에서 폐쇄된 바닥면을 이루는 것으로서, 제1,2전극융착층(50)(60)에 의하여 제1,2전극단(10a)(10b)의 전체 표면과 면접속된다. 이에 따라 커패시터소자(10)(10')와 제1,2전극블럭(20)(30) 사이의 전기적 접속면적은 제1,2전극단(10a)(10b) 전체의 면적이 되고, 따라서 제1,2전극단(10a)(10b)과 제1,2융착면(22)(32) 사이의 전기적 저항이 최소화됨과 동시에 커패시터소자(10)(10')에서 발생된 열은 제1,2전극블럭(20)(30)으로 원활히 전도된다.
제1,2전극융착층(50)(60)은 제1,2끼움홈(21)(31) 내측의 폐쇄된 제1,2융착면(22)(32)과 커패시터소자 양단의 제1,2전극단(10a)(10b)의 전체 표면을 전기적 및 물리적으로 접속시킨다. 이러한 제1,2전극융착층(50)(60)은, 제1,2전극단(10a)(10b) 및 제1,2융착면(22)(32) 표면 각각에 저온용융솔더를 도포하고, 이후 제1,2전극블럭(20)(30)의 외측에서 제1,2융착면(22)(32)에 대응되는 부분에 국소적으로 열을 인가함으로써 구현된다. 이때 국소적으로 인가되는 열은 제1,2융착면(22)(32)을 통하여 제1,2전극단(10a)(10b) 및 마주보는 제1,2융착면(22)(32) 사이의 솔더를 용융시킴으로써, 제1,2전극단(10a)(10b)과 제1,2융착면(22)(32) 전체 표면을 접속시키게 되는 것이다.
도 8은 도 5의 제1,2융착면에 제1,2융착돌기가 형성된 것을 설명하기 위한 도면이다.
제1,2융착면(22)(32)은, 도시된 바와 같이, 제1,2전극단(10a)(10b)과 접속된 제1,2전극융착층(50)(60)과의 접속면적을 증가시키기 위한 것으로서, 그 제1,2융착면(22)(32)의 표면에는 돌출되는 다수의 제1,2융착돌기(22a)(32a)를 포함한다. 이러한 제1,2융착돌기(22a)(32a)는 제1,2융착면(22)(32)에 전체 표면적을 증가시키기 위한 산과 골을 형성하고, 이러한 산과 골은 제1,2전극융착층(50)(60)과의 전기적 접속면적을 증가시킨다. 따라서 제1,2전극단(10a)(10b)과 제1,2융착면(22)(32) 사이에서 전기저항은 더욱 작아짐과 동시에 커패시터소자(10)(10')에서 발생되는 열은 더욱 효과적으로 분산되어 냉각효율을 높임으로써 시간이 지나더라도 커패시터소자(10)(10')가 열에 의하여 파손되는 것을 최소화할 수 있다.
도 9는 도 5의 제1,2융착면에 제1m,2경사융착돌기가 형성된 것을 설명하기 위한 도면이다.
제1,2융착면(22)(32)은, 도시된 바와 같이, 표면에서 돌출되되 제1,2융착면(22)(32)의 수직선(V)을 기준으로 일측 또는 타측으로 비스듬한 제1,2경사융착돌기(22a')(32a')를 포함할 수 있다. 이러한 제1,2경사융착돌기(22a')(32a')는 제1,2전극융착층(50)(60)과의 전기적 접속면적을 증가시킴과 동시에, 제1,2전극융착층(50)(60)과의 물리적 접속력을 높인다. 이에 따라 커패시터소자(10)(10'이 비주기적으로 발열됨에 따라 제1,2전극블럭(20)(30)이 상호 멀어지는 방향으로 팽창 및 수축하더라도, 제1,2경사융착돌기(22a')(32a')는 제1,2전극융착층(50)(60)으로부터 분리되지 않게 된다.
도 10은 도 5의 고주파 대전류 박스형 커패시터가 부스바아에 결합되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
제1전극블럭(20)(30) 각각은, 고주파 대전류를 흐르는 부스바아(R1)(R2)와 체결하기 위한 제1,2체결공(24)(34)을 포함한다. 이러한 제1,2체결공(24)(34)은 관통공일 수도 있고, 내주면에 나사가 형성된 나사공일 수도 있다.
부스바아(bus bar ; R1,R2)는 대용량 전류를 흐르게 하는 것으로서, 고주파 열처리기의 가열코일과 같은 피대상물에 연결된다. 이러한 부스바아(R1)(R2)는 편편한 면을 가지는 바아 형태로 이루어지며, 제1,2체결공(24)(34)을 관통하거나 체결되는 볼트(미도시)가 부스바아(R1)(R2)의 체결공(R1')(R2')에 체결됨으로써 부스바아(R1)(R2)는 제1,2전극블럭(20)(30)에 체결된다.
이때 제1,2전극블럭(20)(30)의 면은 편편하게 되어 있어 각각의 부스바아(R1)(R2)가 제1,2전극블럭(20)(30)에 체결될 때 면접촉을 이루게 되며, 이에 따라 제1,2전극블럭(20)(30)과 부스바아(R1)(R2) 사이의 접촉면에서 저항이 최소화된다. 따라서 고주파 대전류가 콘덴서로 흐르는 동안에도, 제1,2전극블럭(20)(30)과 각각의 부스바아(R1)(R2)의 접촉면에서 발열현상이 일어나지 않는다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 제1,2끼움홈 내측 바닥에 폐쇄되게 형성된 제1,2융착면(22)(32)과 커패시터소자(10)(10')의 제1,2전극단(10a)(10b) 전체 표면이 제1,2전극융착층(50)(60)에 의하여 면접속되므로, 커패시터소자(10)(10')와 제1,2전극블럭(20)(30) 사이의 전기적 접속면적은 제1,2전극단(10a)(10b) 전체의 면적이 되고, 따라서 제1,2전극단(10a)(10b)과 제1,2융착면(22)(32) 사이의 전기적 저항이 최소화됨과 동시에 커패시터소자(10)(10')에서 발생된 열은 제1,2전극블럭(20)(30)으로 원활히 전도된다. 이에 따라 고주파 대전류가 인가되었을 때 발열현상을 최소화할 수 있다. 이에 따라 수백 Khz 이상의 고주파를 사용하는 열처리기에도 적용할 수 있고, 특히 1,000Khz 대의 고주파에도 견딜 수 있어, 정밀한 도금을 수행하는 IGBT 인버터 방식의 PWM(펄스폭 변조) 정류기에도 적용할 수 있는 것이다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
10 ... 커패시터소자 10a, 10b ... 제1,2전극단
20, 30 ... 제1,2전극블럭 21, 31 ... 제1끼움홈
22, 32 ... 제1,2융착면 22a, 32a ... 제1,2융착돌기
22a', 32a' ... 제1,2경사융착돌기
40 .. 절연몰딩부 50, 60 ... 제1,2전극융착층

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 양측단에 제1,2전극단(10a)(10b)이 형성된 하나 이상의 커패시터소자(10)(10');
    상기 커패시터소자(10)(10')의 일측이 삽입되는 제1끼움홈(21) 및 그 제1끼움홈(21)의 바닥에 형성된 제1융착면(22)을 가지는 제1전극블럭(20);
    상기 커패시터소자(10)(10')의 타측이 삽입되는 제2끼움홈(31) 및 그 제2끼움홈(31)의 바닥에 형성된 제2융착면(32)을 가지는 제2전극블럭(30);
    상기 제1전극블럭(20)과 제2전극블럭(30)을 상호 이격된 상태로 고정함과 동시에 절연시키는 절연몰딩부(40);
    상기 제1융착면(22)과 상기 제1전극단(10a)의 표면 전체를 융착시키는 제1전극융착층(50); 및
    상기 제2융착면(32)과 상기 제2전극단(10b)의 표면 전체를 융착시키는 제2전극융착층(60);을 포함하고;
    상기 제1,2융착면(22)(32)은, 상기 제1,2융착면(22)(32)의 표면에서 돌출되는 다수의 제1,2융착돌기(22a)(32a)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 대전류 박스형 커패시터.
  3. 양측단에 제1,2전극단(10a)(10b)이 형성된 하나 이상의 커패시터소자(10)(10');
    상기 커패시터소자(10)(10')의 일측이 삽입되는 제1끼움홈(21) 및 그 제1끼움홈(21)의 바닥에 형성된 제1융착면(22)을 가지는 제1전극블럭(20);
    상기 커패시터소자(10)(10')의 타측이 삽입되는 제2끼움홈(31) 및 그 제2끼움홈(31)의 바닥에 형성된 제2융착면(32)을 가지는 제2전극블럭(30);
    상기 제1전극블럭(20)과 제2전극블럭(30)을 상호 이격된 상태로 고정함과 동시에 절연시키는 절연몰딩부(40);
    상기 제1융착면(22)과 상기 제1전극단(10a)의 표면 전체를 융착시키는 제1전극융착층(50); 및
    상기 제2융착면(32)과 상기 제2전극단(10b)의 표면 전체를 융착시키는 제2전극융착층(60);을 포함하고;
    상기 제1,2융착면(22)(32)은, 그 제1,2융착면(22)(32)의 표면에서 돌출되되 그 제1,2융착면(22)(32)의 수직선(V)을 기준으로 일측 또는 타측으로 비스듬하게 형성된 제1,2경사융착돌기(22a')(32a')를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 대전류 박스형 커패시터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101340805B1 (ko) * 2013-09-06 2013-12-11 대동콘덴서공업(주) 고주파 열처리기용 콘덴서 유니트
KR101535768B1 (ko) * 2015-02-11 2015-07-09 대동콘덴서공업(주) 전극블럭간 트래킹방지 구조를 가지는 전도냉각커패시터

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