KR102285620B1 - 고전압 퓨즈 장치 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고전압 퓨즈 장치에 관한 것으로, 높은 차단용량에 대한 신속한 용단 절연특성과 퓨즈 내부에서 효과적인 아크 에너지의 흡수 및 열전달 제어능력을 제공할 수 있고 구조와 제조공정이 간단해지고 제조경비가 절감될 수 있는 고전압 퓨즈 장치 및 그의 제조방법을 개시한다. 본 발명의 고전압 퓨즈 장치는 케이스(16)와; 상기 케이스(16) 내에서 상기 케이스(16)의 양 단부에 결합되되 상기 양 단부를 통하여 외부와 전기적으로 연결되도록 된 전기전도성 가용체의 퓨즈 엘리먼트(12)와; 적어도 일부가 네킹에 의해 서로 3차원적으로 물리적 연결된 소호제 입자들로 구성된 하나의 벌크체로 되고, 상기 케이스(16) 내에서 상기 퓨즈 엘리먼트(12)를 중심으로 이를 에워싼 형상으로 되어 상기 퓨즈 엘리먼트(12)의 용단시 소호 기능을 하는 소호 벌크체(14)를 포함하고, 상기 퓨즈 엘리먼트(12)와 상기 소호 벌크체(14)는 하나의 일체화된 프리폼(10)으로 구성된다.

Description

고전압 퓨즈 장치 및 그의 제조방법 {HIGH VOLTAGE FUSE DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 고전압 퓨즈 장치에 관한 것으로, 특히 높은 차단용량에 대한 신속한 용단 절연특성과 퓨즈 내부에서 효과적인 아크 에너지의 흡수 및 열전달 제어능력을 제공할 수 있고 구조가 단순한 고전압 퓨즈 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 제조공정이 간단해지고 제조경비가 절감되는 상기 고전압 퓨즈 장치의 제조방법에 관한 것이다.
이차전지를 기반 전력원으로 사용하는 휴대용 기기 및 전기 자동차와 하이브리드 자동차용의 기기는 AC 전력이 아닌 DC전력을 기반으로 하는 부품이 적용되어야 한다. 특히, 필수 안전부품인 퓨즈는 전류에 대한 수동부품으로서 기반 전력의 형태(AC/DC)에 따라 동작형태와 시간이 달라 혼용시 화재 및 폭발의 위험이 따른다.
따라서, 이차전지를 전력원으로 하는 기기(예컨대, 태양광 인버터, 차량용 모터, 전기자동차(EV), ESS(energy storage system) 등)에 적용되는 퓨즈는 일반적인 AC 퓨즈와는 달리 DC 기반에서 동작하는 형태로서 고전압 및 고전류 인가시 안정적으로 전류를 차단할 수 있는 전용의 대용량 DC 퓨즈를 적용하여야한다. 이러한 종래 고전압 DC 퓨즈의 일반적인 한 형태를 도 1a~1c에 도시하며, 도 1a는 일반적인 고전압 DC 퓨즈의 개략 구조도이고, 도 1b는 도 1a에 도시한 퓨즈 내 충진되는 세라믹 소호제 분말의 분포상태를 보인 개요도이며, 도 1c는 도 1a에 도시한 퓨즈 내 충진되는 세라믹 소호제 분말들의 전자현미경(SEM) 사진이다.
도 1a를 참조하면, 통상의 고전압 퓨즈에서 가용체를 이루는 퓨즈 엘리먼트(1)는 일반적으로 구리(Cu)나 구리합금을 주성분으로 하는 전기 전도성이 양호한 금속 호일의 형태로 구성된다. 상기 퓨즈 엘리먼트(1)는 일반적으로 원통형인 세라믹제로 된 케이스(2)로 보호되어 외부와의 절연성이 확보되고 외부단자(3)와 전기적으로 접합되어 주변 소자나 시스템에 전기적으로 연결된다. 또한, 금속제 캡(4)은 이들 세라믹 케이스(2)와 외부단자(3)를 기계적으로 결합한다. 이러한 퓨즈 엘리먼트(1)는 외부 과전류의 입력시 그의 온도가 순간적으로 올라가 궁극에는 아크가 발생하며 용단됨으로써 전기에너지를 차단하여 이에 전기적으로 연결된 주변 소자나 시스템을 보호한다.
특히, 상기 퓨즈 엘리먼트(1)에서의 아크 발생시 높은 온도와 폭발 에너지를 감쇄 및 억제하고 용단 후의 전기 안정성 확보를 위하여, 상기 퓨즈 엘리먼트(1)의 주변에는 절연성 소재로서 예컨대 실리카(SiO2) 등의 세라믹 소호제 분말(5)이 충진된다. 이러한 세라믹 소호제 분말(5)은 퓨즈 캡(4)을 관통하는 수개의 소호제 장입공(6)을 통해 케이스(2)의 내부로 충진된 후, 상기 장입공(6)은 세라믹 본드 등의 실링제(7)로 밀봉된다. 상기 실리카는 융점이 약 1,713℃이고 전기절연성이 좋으며(≥1×1013Ω·㎝) 열전도도가 1.4W/m·K로 낮은 절연성 소재로서 퓨즈용 소호제로서 널리 사용되며, 일반적으로 150㎛~1㎜ 범위 입경이 사용된다.
그런데, 도 1b~1c에 보이듯이, 위와 같은 입경크기의 충진재로서 세라믹 소호제 분말(5)은 내부 기공율이 높아 충진율이 낮으므로, 상기 퓨즈 엘리먼트(1)로부터의 열전달을 위한 접촉면적이 작아 입자간 열전달 효율이 낮고 발생한 아크 열에너지의 빠른 전달이 어렵다. 더구나, 세라믹 소호제 분말(5)은 상기 장입공(6)을 통하여 일일이 케이스(2) 내부로 충진되어야할 뿐만 아니라 충진된 후에는 상기 장입공(6)이 밀봉되어야하므로, 번거로운 장입공정과 후속 밀봉공정이 수반되어 공정이 복잡하고 제조단가 상승의 요인이 된다.
또한, 현재 EV나 ESS 등의 인버터용 보호소자로서 사용되는 DC 퓨즈는 대략 450~600V의 정격전압과 대략 6000A의 높은 차단용량의 수준이 사용되나, 향후에는 더 높은 수준, 즉 대략 800V 이상의 정격전압과 대략 10000A 이상의 차단용량에 대응해야한다. 그러나, 도 1a~1c에 보인 바와 같은 종래의 분말형 세라믹 소호제(5)로서는 향후 요구되는 더 높은 고전압 고전류에 의한 용단 아크 에너지의 빠른 흡수와 확고한 용단절연 기능을 보장하기에는 부족함이 많다.
1. 공개특허공보 공개번호 10-2019-0113230 (2019.10.08 공개) 2. 공개특허공보 공개번호 10-2019-0118787 (2019.10.21 공개)
따라서, 본 발명은 높은 차단용량에 대한 신속한 용단 절연특성과 퓨즈 내부에서 효과적인 아크 에너지의 흡수 및 열전달 제어능력을 제공할 수 있고 구조와 제조공정이 간단해지고 제조경비가 절감될 수 있는 고전압 퓨즈 장치 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
위 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 의한 퓨즈 장치는, 케이스와; 전기전도성 가용체의 퓨즈 엘리먼트와 적어도 일부가 네킹에 의해 서로간에 3차원적으로 물리적 연결된 소호제 입자들로 구성된 소호 벌크체로 구성되되 상기 소호 벌크체가 상기 퓨즈 엘리먼트를 중심으로 상기 퓨즈 엘리먼트를 에워싸면서 상기 퓨즈 엘리먼트와 일체화되도록 고용된 구조로 구성되고 상기 케이스 내부에 장입되며 상기 퓨즈 엘리먼트의 양 단부를 통하여 상기 케이스의 외부와 전기적으로 연결되는 상기 퓨즈 엘리먼트 - 소호 벌크체의 프리폼을 포함한다.
또한, 선택적으로, 상기 소호제 입자의 입경은 300㎚~5㎛ 범위일 수 있다. 또한, 상기 소호 벌크체의 기공율은 15~30% 범위일 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 소호 벌크체의 조성은 실리카일 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 소호 벌크체는 주성분으로서 입경 1~5㎛ 범위의 실리카 미립자와, 첨가물로서 입경 50~150㎚ 범위의 실리카 초미립자를 포함할 수 있고, 이때 상기 실리카 초미립자의 첨가량은 상기 실리카 미립자 함량 대비 5~15 wt%일 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 소호 벌크체는 주성분으로서 입경 1~5㎛ 범위의 실리카 미립자와, 첨가물로서 TEOS, Na2SiO3, Na2SiO3·9H2O, B2O3 및 H3BO3가 이루는 군에서 선택된 하나 이상의 소결조제를 포함할 수 있고, 이때 상기 소결조제의 첨가량은 상기 실리카 미립자 함량 대비 5~35 wt%일 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 소호 벌크체는 상기 퓨즈 엘리먼트를 중심으로 하여 상기 케이스를 향해 각각 연속하여 적층된 복수의 소호 벌크체 층으로 구성되고, 상기 복수의 소호 벌크체 층은 각각의 열전도도가 상기 퓨즈 엘리먼트로부터 멀어지고 상기 케이스에 근접하는 위치일수록 점차 열전도도가 낮아질 수 있다.
이때, 상기 복수의 소호 벌크체 층은 상기 퓨즈 엘리먼트에 인접한 제1 소호 벌크체와 상기 제1 소호 벌크체 상에 적층되어 상기 케이스에 인접한 제2 소호 벌크체로 구성되고, 상기 제1 소호 벌크체의 열전도도는 1.10~1.33 W/m·K 범위이고, 상기 제2 소호 벌크체의 열전도도는 0.84~1.12 W/m·K 범위일 수 있다.
또는, 상기 복수의 소호 벌크체 층은 상기 퓨즈 엘리먼트에 인접한 제1 소호 벌크체와 상기 제1 소호 벌크체 상에 적층되어 상기 케이스에 인접한 제2 소호 벌크체로 구성되고, 상기 제1 소호 벌크체의 기공율은 5~15% 범위이고, 상기 제2 소호 벌크체의 기공율은 20~35% 범위일 수 있다.
또는, 상기 복수의 소호 벌크체 층은 상기 퓨즈 엘리먼트에 인접한 제1 소호 벌크체와 상기 제1 소호 벌크체 상에 적층되어 상기 케이스에 인접한 제2 소호 벌크체로 구성되고, 상기 제1 소호 벌크체의 조성물은 주성분으로서 입경 1~2㎛ 범위의 실리카 미립자와 첨가물로서 Na2SiO3, Na2SiO3·9H2O, B2O3 및 H3BO3로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 소결조제를 포함하고, 상기 제2 소호 벌크체의 조성물은 주성분으로서 입경 3~5㎛ 범위의 실리카 미립자와 첨가물로서 입경 50~150㎚ 범위의 실리카 초미립자 또는 TEOS를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 소호 벌크체의 조성물에서 상기 Na2SiO3, Na2SiO3·9H2O, B2O3 및 H3BO3로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 소결조제의 함량은 상기 입경 1~2㎛ 범위의 실리카 미립자의 함량대비 5~15wt% 범위일 수 있고, 상기 제2 소호 벌크체의 조성물에서 상기 입경 50~150㎚ 범위의 실리카 초미립자 또는 TEOS의 함량은 상기 입경 3~5㎛ 범위의 실리카 미립자의 함량대비 5~15wt% 범위일 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 소호 벌크체의 기공율은 4%를 초과하는 범위로 될 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 퓨즈 엘리먼트는 구리 호일로 될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 의한 퓨즈 장치의 제조방법은 하기 단계들을 포함한다:-
- 전기전도성 가용체의 퓨즈 엘리먼트와 상기 퓨즈 엘리먼트를 에워싸도록 소호제 조성의 분말을 몰드 내에 함께 충진한 후 압축성형하고, 상기 소호제 조성의 입자들 중 적어도 일부가 네킹에 의해 서로 3차원적으로 물리적 연결되도록 열처리함으로써, 상기 퓨즈 엘리먼트와 상기 퓨즈 엘리먼트를 중심으로 상기 퓨즈 엘리먼트를 에워싼 형태의 소호 벌크체를 하나로 일체화한 프리폼으로 형성하는 단계와;
- 상기 프리폼을 케이스 내에 장입하고 상기 프리폼의 퓨즈 엘리먼트의 양단을 외부와 전기적으로 연결될 수 있도록 상기 케이스의 양 단부에 결합하는 단계.
또한, 선택적으로, 상기 열처리의 온도는 상기 퓨즈 엘리먼트의 융점보다 50℃ 이상 낮은 온도로 수행될 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 열처리의 온도는 900~1025℃ 범위로 될 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 퓨즈 엘리먼트의 소재는 구리이고, 상기 열처리의 온도는 1033℃ 이하로 될 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 소호제 조성의 분말은 주성분으로서 입경 1~5㎛ 범위의 실리카 미분말에 상기 실리카 미분말 함량 대비 5~15 wt% 범위의 함량으로 입경 50~150㎚ 범위의 실리카 초미분말을 첨가하여 준비될 수 있다. 또는, 상기 소호제 조성의 분말은 주성분으로서 입경 1~5㎛ 범위의 실리카 미분말에 상기 실리카 미분말 함량 대비 5~35 wt% 범위의 함량으로 TEOS, Na2SiO3, Na2SiO3·9H2O, B2O3 및 H3BO3가 이루는 군에서 선택된 하나 이상의 소결조제를 첨가하여 준비될 수 있다. 또한, 선택적으로, 상기 소호제 조성의 분말은 상기 소호제 조성의 분말의 함량대비 5~10 wt%의 바인더 수용액을 첨가하여 그래뉼화될 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 압축성형에 가해지는 압력은 75~100 MPa 범위로 될 수 있다.
본 발명에 따라 고전압 퓨즈 장치에서 일체화된 퓨즈 엘리먼트-세라믹 소호 벌크체 프리폼 구조로 인하여, 퓨즈 엘리먼트의 아크 용단시 발생한 높은 열 에너지를 신속하게 전파 및 흡수할 수 있어 높은 차단용량에 대한 신속한 용단 절연특성과 퓨즈 내부에서 효과적인 아크 에너지의 흡수 및 열전달 제어능력을 제공할 수 있다. 본 발명에 의한 상기 퓨즈 장치는 특히 고전압 DC용 퓨즈로서 매우 유리하다. 또한, 상기 퓨즈 엘리먼트-세라믹 소호 벌크체 프리폼 구조로 인하여, 종래와 같이 세라믹 소호제 분말을 케이스 내부에 장입하기 위한 장입공이 필요없고 또한 상기 장입공을 통하여 일일이 케이스 내부로 충진하는 공정과 후속공정으로서 상기 장입공의 밀봉공정이 필요없어 구조와 제조공정이 간단해지고 제조경비가 절감된다.
도 1a~1c는 종래 고전압 DC 퓨즈의 일반적인 한 형태를 도시하며, 도 1a는 일반적인 고전압 DC 퓨즈의 개략 구조도이고, 도 1b는 도 1a에 도시한 퓨즈 내 충진되는 세라믹 소호제 분말의 분포상태를 보인 개요도이며, 도 1c는 도 1a에 도시한 퓨즈 내 충진되는 세라믹 소호제 분말들의 전자현미경(SEM) 사진이다.
도 2a~2d는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고전압 퓨즈 장치에 관하여 도시하며, 도 2a는 퓨즈 엘리먼트와 이를 에워싸는 세라믹 소호 벌크체가 일체화된 프리폼의 개략 구조도이고, 도 2b는 도 2a의 일체형 프리폼에서 소호 벌크체의 입자 분포 상태를 보이는 개요도이며, 도 2c는 도 2b의 소호 벌크체의 전자현미경(SEM) 사진이고, 도 2d는 도 2a의 상기 일체형 퓨즈 엘리먼트-소호 벌크체 프리폼을 이용하여 조립된 최종의 고전압 퓨즈 장치의 개략 구조도이다.
도 3a~3b는 본 발명의 다른 일 실시형태에 따른 고전압 퓨즈 장치에 관하여 도시하며, 도 3a는 퓨즈 엘리먼트와 이를 에워싸는 세라믹 소호 벌크체가 일체화된 프리폼의 개략 구조도이고, 도 3b는 도 3a의 상기 일체형 퓨즈 엘리먼트-소호 벌크체 프리폼을 이용하여 조립된 최종의 고전압 퓨즈 장치의 개략 구조도이다.
먼저, 본 발명의 명세서에서 사용되는 용어인 "고전압 퓨즈 장치" 또는 "퓨즈 장치"는 DC 퓨즈뿐만 아니라 AC 퓨즈 또한 가리킨다. 즉, 본 발명의 "고전압 퓨즈 장치" 또는 "퓨즈 장치"는 DC 퓨즈임이 특히 바람직하나, 본 발명의 "고전압 퓨즈 장치" 또는 "퓨즈 장치"는 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서의 설명기재 및 도면들을 기반으로 바람직한 DC 퓨즈 외에 AC 퓨즈로도 응당 적용할 수도 있는 구조를 갖는다. 이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
일반적으로, 고전압 퓨즈 장치에 있어서, 내부의 퓨즈 엘리먼트에서 높은 인입 과전류에 의해 발생하는 아크의 열 에너지는 주위에 충진된 세라믹 소호제에 의하여 빠르게 흡수되어야 한다. 그러나, 전술했듯이, 분말형의 세라믹 소호제로서는 그 자체가 충진율이 낮아 분말 입자들간의 열전달 효율이 낮으므로, 퓨즈 엘리먼트에서 발생한 아크 열에너지의 빠른 전달이 어렵다.
이에, 본 발명은 고전압 퓨즈에 사용되는 상기 세라믹 소호제를 소호제 입자들이 3차원 네킹(necking)에 의해 서로 연결되도록 한 소호 벌크체로서 구성하되, 상기 소호 벌크체가 퓨즈 엘리먼트를 에워싸는 구조로서 상기 퓨즈 엘리먼트와 일체화된 하나의 프리폼(preform)의 형태로서 구성된다.
본 발명은 이러한 일체화를 위해 종래 소호제 분말의 입경(대략 150㎛~1㎜)보다 더 작은 대략 300㎚~5㎛ 범위 입경의 소호제 미분말을 사용하고, 이들 분말은 퓨즈 엘리먼트를 에워싸도록 몰드로 프레스된 후 소정의 열처리를 통하여 일체화되어 상기 퓨즈 엘리먼트와 소호 벌크체는 하나의 프리폼을 형성한다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 소호 벌크체의 조성으로서 실리카(SiO2)가 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 이러한 프리폼 형성에 따른 상기 소호 벌크체 내에서 소호제 입자들간 상기 네킹으로 인해 입자들은 물리적으로 서로 연결되어 퓨즈 엘리먼트에서의 아크 용단시 발생한 높은 열 에너지를 신속하게 전파 및 흡수할 수 있다. 다만, 상기 소호 벌크체의 구조가 너무 치밀할 경우는 퓨즈 엘리먼트의 아크 용단시 높은 열에너지에 의한 소호제 입자들의 용융흡열 현상을 저하시키므로, 본 발명에서는 가능한 입자간 3차원 네킹은 이루되 과도한 치밀화가 되지 않도록 함이 바람직하며, 이를 위해 본 발명에서 완전 치밀화를 나타내는 4% 이하 범위의 소호 벌크체의 기공율은 의도적으로 배제됨이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서 소호 벌크체의 기공율은 4%를 초과하는 범위, 바람직하게는 15~35% 범위이다.
또한, 본 발명에 따라 고전압 퓨즈에서 내부의 퓨즈 엘리먼트와 이를 에워싸는 세라믹 소호 벌크체는 일체화된 프리폼의 형태로 구성되므로, 종래 도 1a와 같이 세라믹 소호제 분말(5)을 퓨즈 엘리먼트를 에워싸도록 내부 장입하기 위한 장입공(6)이 필요없고 또한 상기 장입공(6)을 통하여 일일이 케이스(2) 내부로 충진하는 공정과 상기 장입공(6)의 밀봉공정이 필요없어, 구조와 제조공정이 간단하다.
이하, 본 발명의 여러 실시형태를 참조하며 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 2a~2d는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고전압 퓨즈 장치에 관한 것으로, 도 2a는 퓨즈 엘리먼트와 이를 에워싸는 세라믹 소호 벌크체가 일체화된 프리폼의 개략 구조도를, 도 2b는 도 2a의 일체형 프리폼에서 소호 벌크체의 입자 분포 상태를 보이는 개요도를, 도 2c는 도 2b의 소호 벌크체의 전자현미경(SEM) 사진을, 도 2d는 도 2a의 상기 일체형 퓨즈 엘리먼트-소호 벌크체 프리폼을 이용하여 조립된 최종의 고전압 퓨즈 장치의 개략 구조도를 각각 보인다.
도 2a에 도시하듯이, 본 발명에서는 퓨즈 엘리먼트(12)와 이를 에워싸도록 된 소호 벌크체(14)는 하나의 일체형 프리폼(10)을 구성한다. 그리고, 도 2d에 도시하듯이, 상기 프리폼(10)은, 원통형을 포함하여 임의의 형상으로 될 수 있고 세라믹을 포함한 절연성 소재로 될 수 있는 케이스(16) 내에 배치되고, 상기 프리폼(10)의 퓨즈 엘리먼트(12)의 양단이 외부단자(18)와 전기적으로 접합되며, 금속제 캡(20)으로 케이스(16)와 외부단자(18)가 기계적으로 결합된다.
본 발명에서, 퓨즈 엘리먼트(12)는 소정의 차단용량 규격에 맞게 설계 및 가공될 수 있고 소재로서는 구리 호일(foil)이 바람직하다. 본 발명에서, 퓨즈 엘리먼트(12)의 구조는 용단특성의 제어를 위해 단면이 원형 또는 각형일 수 있으며, 이외에도 노치(notch) 등 다양한 형태의 캐비티를 포함할 수도 있다. 일 예에서, 본 발명의 퓨즈 엘리먼트(12)는 450~800V DC 전압용에 사용되는 경우 두께가 50~150㎛ 범위이고 폭은 3~8㎜ 범위일 수 있다. 다른 일 예에서, 정격 450V, 차단용량 6000A의 DC 퓨즈용의 경우, 사용되는 본 발명의 퓨즈 엘리먼트(12)는 두께가 68㎛, 폭이 5㎜일 수 있다. 본 발명의 퓨즈 엘리먼트(12)는 차단용량 설계치를 적용한 전산모사와 실제 용단 시험에 의해 결정될 수 있다.
또한, 도 2a에 도시하듯이, 본 발명에서, 소호 벌크체(14)는 상기 퓨즈 엘리먼트(12)를 에워싸며 일체화된 하나의 프리폼(10)을 형성한다. 이를 위해 상기 소호 벌크체(14)를 이루는 소호제 미분말이 상기 퓨즈 엘리먼트(12)와 함께 몰드를 이용하여 압축성형되고 소정의 열처리를 통하여 일체화될 수 있다. 일 실시예에서, 소호제 미분말은 상기 몰드 내의 충진율을 향상시키기 위해서 상기 소호제 미분말의 양 대비 대략 5~10 wt%의 바인더 수용액을 첨가하여 그래뉼화함이 바람직하다. 이때, 만일 상기 5wt% 미만의 바인더를 첨가하는 경우, 형성되는 프리폼(10)의 성형체가 부서질 가능성이 크다. 일 실시예에서, 상기 바인더는 폴리비닐알콜(Polyvinyl Alcohol: PVA)이다. 또한, 일 실시예에서, 일축 가압프레스로써 압축성형시 대략 75~100 MPa, 바람직하게는 98MPa의 압력이 인가될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 열처리 온도는 가용체 퓨즈 엘리먼트(12) 금속의 융점보다 더 낮은 온도에서 수행되고 상기 퓨즈 엘리먼트(12) 금속이 산화 및 변형되지 않은 조건으로 수행되어야 하며, 일 실시예로서 상기 열처리 온도는 상기 융점보다 50℃ 이상 낮은 온도로 될 수 있고, 예컨대 상기 열처리 온도는 900~1025℃일 수 있다. 또한, 다른 일 실시예에서, 상기 퓨즈 엘리먼트(12)가 구리 소재인 경우, 융점이 대략 1083℃임을 고려하여 이보다 적어도 50℃이상 낮은 대략 1033℃ 이하에서 열처리함이 바람직하다.
도 2b~2c에 도시하듯이, 도 2a와 같이 본 발명에 의한 일체형 퓨즈 엘리먼트-소호 벌크체 프리폼에 따른 소호 벌크체 내부의 입자들이 서로 네킹에 의해 물리적으로 연결된 구조를 보인다. 이에 따라, 퓨즈 엘리먼트에서의 아크 용단시 발생한 높은 열 에너지를 신속하게 전파 및 흡수할 수 있다.
다만, 입경 1~5㎛ 범위의 순수 실리카(>99.5%)의 경우, 상기 열처리 온도범위에서 소호 벌크체(14) 내 입자간 네킹이 일어나지않아 프리폼의 결속력이 약하여 프리폼 조립시 부서질 가능성이 있다. 이를 방지하기 위한 방법으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 소호 벌크체(14)의 조성은, 입경 1~5㎛ 범위의 실리카 미분말과 상기 실리카 미분말 함량 대비 5~15 wt% 첨가된 입경 50~150㎚ 범위의 실리카 초미분말을 포함하여 열처리될 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 소호 벌크체(14)의 조성은, 입경 1~5㎛ 범위의 실리카 미분말과 상기 실리카 미분말 함량 대비 5~35wt% 첨가된 소결조제를 포함하여 열처리되되 상기 소결조제는 TEOS, Na2SiO3, Na2SiO3·9H2O, B2O3 및 H3BO3가 이루는 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.
한편, 도 3a~3b는 본 발명의 다른 일 실시형태에 따른 고전압 퓨즈 장치에 관한 것으로, 도 3a는 퓨즈 엘리먼트와 이를 에워싸는 세라믹 소호 벌크체가 일체화된 프리폼의 개략 구조도를, 도 3b는 도 3a의 상기 일체형 퓨즈 엘리먼트-소호 벌크체 프리폼을 이용하여 조립된 최종의 고전압 퓨즈 장치의 개략 구조도를 각각 보인다.
고전압 퓨즈의 운전 안전성을 위해서는, 높은 인입 과전류에 의한 아크 발생 에너지는 1차적으로 용단되는 퓨즈 엘리먼트 부위에서는 빠르게 확산하여 흡수되어야 하지만, 2차적으로는 케이스(16)로의 열에너지 전달은 최대한 억제되어야 한다. 현재 상용인증 기준으로는 퓨즈가 장착된 시스템(예컨대, EV, ESS 등)에서 퓨즈 주변의 2차 발화가 억제되는 안정성을 보장하도록 퓨즈 용단시 적어도 퓨즈의 외부구성요소인 케이스(16)의 표면온도가 85℃ 이하가 됨이 바람직하다.
이를 위하여, 도 3a~3b에 의한 본 발명은 퓨즈(100) 내부의 열전달 제어 기구로서 소호 벌크체를 2가지 이종구조(141, 142)의 캐스케이드형 구조로 구성한 일체형 퓨즈 엘리먼트-이종구조 소호 벌크체 프리폼을 제공한다.
즉, 도 3a에 도시하듯이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 이종구조 소호 벌크체는 퓨즈 엘리먼트(120)를 에워싼 코어부 소호 벌크체(141)와 동심원상으로 이를 에워싼 쉘부 소호 벌크체(142)로 구성될 수 있고, 상기 코어부 소호 벌크체(141)는 상기 쉘부 소호 벌크체(142)보다도 열전도도가 높도록 설계된다. 이에 따라, 높은 인입 과전류에 의하여 발생된 아크 발생 에너지가 1차적으로 코어부 소호 벌크체(141)에서 빠르게 확산되어 퓨즈 엘리먼트(120)의 용단이 이루어질 수 있도록 하고, 나아가 열에너지가 2차적으로 쉘부 소호 벌크체(142)를 통하여 외장의 케이스(160)로 전달되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 도 3b에 도시하듯이, 일체로 성형된 일체형 엘리먼트-이종구조 소호 벌크체 프리폼(100)은 세라믹을 포함한 절연성 소재로 될 수 있는 케이스(160) 내에 장입되고 상기 퓨즈 엘리먼트(120)의 양단이 외부단자(180)와 전기적으로 접합되며, 금속제 캡(200)으로 케이스(160)와 외부단자(180)가 기계적으로 결합된다.
본 발명에서, 위와 같은 소호 벌크체의 캐스케이드형 이종구조(141, 142)는 소호 벌크체의 조성물 선정 및/또는 미세구조의 치밀도 제어에 의해 구현될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 코어부 소호 벌크체(141)의 기공율은 5~15%, 상기 쉘부 소호 벌크체(142)의 기공율은 20~35%로 조절될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에서, 상기 코어부 소호 벌크체(141)의 조성물은 입경 1~2㎛ 범위의 실리카 미분말과 상기 실리카 미분말의 함량대비 5~15wt%의 소결조제로서 Na2SiO3, Na2SiO3·9H2O, B2O3 및 H3BO3로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 소결조제를 포함하여 열처리될 수 있다. 한편, 상기 쉘부 소호 벌크체(142)의 조성물은 입경 3~5㎛ 범위의 실리카 미분말과, 상기 실리카 미분말의 함량대비 5~15wt%의 입경 50~150㎚ 범위의 실리카 초미분말 또는 TEOS를 포함하여 열처리될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 바람직한 각 소호 벌크체의 이중구조의 열전도도는, 상기 코어부 소호 벌크체(141)는 1.10~1.33 W/m·K 범위이고, 상기 쉘부 소호 벌크체(142)는 0.84~1.12 W/m·K 범위이다.
또한, 도 3a~3b에 도시하는 본 발명 일 실시형태의 소호 벌크체는 코어부 소호 벌크체(141)와 쉘부 소호 벌크체(142)의 2가지 이종구조로 구성되나, 본 발명은 이에 한정되지않고 나아가 코어부 소호 벌크체(141)와 쉘부 소호 벌크체(142) 각 벌크체 부분이 더 세분화되어 각각의 열전도도가 상기 퓨즈 엘리먼트(120)로부터 멀어지고 상기 케이스(160)에 근접할수록 점차 열전도도가 낮아지는 복수의 소호 벌크체 층들로 구성될 수 있다.
위와 같이, 본 발명은 고전압 퓨즈에 사용되는 종래의 세라믹 소호제를 소호제 입자들이 3차원 네킹에 의해 서로 물리적으로 연결되도록 구성된 소호 벌크체로서 구성하되, 상기 소호 벌크체가 퓨즈 엘리먼트를 에워싸는 구조로서 상기 퓨즈 엘리먼트와 일체화된 하나의 프리폼의 형태로서 구성된다.
본 발명에 따라 이러한 네킹의 형성으로 인해 소호제 입자들은 물리적으로 서로 연결되어 퓨즈 엘리먼트에서의 아크 용단시 발생한 높은 열 에너지를 신속하게 전파 및 흡수할 수 있어 높은 차단용량에 대한 신속한 용단 절연특성과 퓨즈 내부에서 효과적인 아크 에너지의 흡수 및 열전달 제어능력을 제공한다.
또한, 본 발명에 따라 고전압 퓨즈 장치에서 내부의 퓨즈 엘리먼트와 이를 에워싸는 세라믹 소호 벌크체는 하나의 일체화된 프리폼의 형태로 구성되므로, 종래와 같이 세라믹 소호제 분말을 퓨즈 엘리먼트를 에워싸도록 내부 장입하기 위한 장입공이 필요없고 또한 상기 장입공을 통하여 일일이 케이스 내부로 충진하는 공정과 후속공정으로서 상기 장입공의 밀봉공정이 필요없어, 구조와 제조공정이 간단해지고 제조경비가 절감된다.
이상, 상술된 본 발명의 구현예 및 실시예에 있어서, 조성분말의 평균입도, 분포 및 비표면적과 같은 분말특성과, 원료의 순도, 불순물 첨가량 및 소결 조건에 따라 통상적인 오차범위 내에서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연하다.
아울러 본 발명의 바람직한 구현예 및 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
1, 12, 120: 퓨즈 엘리먼트
2, 16, 160: 케이스
3, 18, 180: 외부단자
4, 20, 200: 금속제 캡
5: 소호제 분말
6: 소호제 장입부
7: 밀봉제
10, 100: 일체형 퓨즈 엘리먼트-소호 벌크체 프리폼
14: 소호 벌크체
141: 코어부 소호 벌크체
142: 쉘부 소호 벌크체

Claims (24)

  1. 케이스와;
    전기전도성 가용체의 퓨즈 엘리먼트와 적어도 일부가 네킹에 의해 서로간에 3차원적으로 물리적 연결된 소호제 입자들로 구성된 소호 벌크체를 구성하되, 상기 소호 벌크체가 상기 퓨즈 엘리먼트를 중심으로 상기 퓨즈 엘리먼트를 에워싸면서 상기 퓨즈 엘리먼트와 일체화되도록 고용된 구조로 구성되고 상기 케이스 내부에 장입되며 상기 퓨즈 엘리먼트의 양 단부를 통하여 상기 케이스의 외부와 전기적으로 연결되는 상기 퓨즈 엘리먼트 - 소호 벌크체의 프리폼
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소호 벌크체의 기공율은 15~30% 범위인 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소호제 입자들은
    주성분으로서, 입경 1~5㎛ 범위의 실리카 미립자와;
    첨가물로서, 입경 50~150㎚ 범위의 실리카 초미립자, 또는 TEOS, Na2SiO3, Na2SiO3·9H2O 및 H3BO3가 이루는 군에서 선택된 하나 이상의 소결조제 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실리카 초미립자의 첨가량은 상기 실리카 미립자 함량 대비 5~15 wt%인 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 소결조제 입자의 첨가량은 상기 실리카 미립자 함량 대비 5~35 wt%인 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프리폼에서 상기 소호 벌크체는 상기 퓨즈 엘리먼트로부터 상기 케이스를 향하여 각각 연속하여 적층된 복수의 소호 벌크체 층으로 구성되고, 상기 복수의 소호 벌크체 층은 각각의 열전도도가 상기 퓨즈 엘리먼트로부터 멀어지고 상기 케이스에 근접할수록 점차 낮아지는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 소호 벌크체 층은 상기 퓨즈 엘리먼트에 인접한 제1 소호 벌크체와 상기 제1 소호 벌크체 상에 적층되고 상기 케이스에 인접한 제2 소호 벌크체로 구성되고, 상기 제1 소호 벌크체의 열전도도는 1.10~1.33 W/m·K 범위이고, 상기 제2 소호 벌크체의 열전도도는 0.84~1.12 W/m·K 범위인 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 소호 벌크체 층은 상기 퓨즈 엘리먼트에 인접한 제1 소호 벌크체와 상기 제1 소호 벌크체 상에 적층되고 상기 케이스에 인접한 제2 소호 벌크체로 구성되고, 상기 제1 소호 벌크체의 기공율은 5~15% 범위이고, 상기 제2 소호 벌크체의 기공율은 20~35% 범위인 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 소호 벌크체 층은 상기 퓨즈 엘리먼트에 인접한 제1 소호 벌크체와 상기 제1 소호 벌크체 상에 적층되고 상기 케이스에 인접한 제2 소호 벌크체로 구성되고,
    상기 제1 소호 벌크체의 조성물은 주성분으로서 입경 1~2㎛ 범위의 실리카 미립자와 첨가물로서 Na2SiO3, Na2SiO3·9H2O 및 H3BO3로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 소결조제를 포함하고,
    상기 제2 소호 벌크체의 조성물은 주성분으로서 입경 3~5㎛ 범위의 실리카 미립자와 첨가물로서 입경 50~150㎚ 범위의 실리카 초미립자 또는 TEOS를 포함하는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 소호 벌크체의 조성물에서 상기 Na2SiO3, Na2SiO3·9H2O 및 H3BO3로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 소결조제의 함량은 상기 입경 1~2㎛ 범위의 실리카 미립자의 함량대비 5~15wt% 범위인 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제2 소호 벌크체의 조성물에서 상기 입경 50~150㎚ 범위의 실리카 초미립자 또는 TEOS의 함량은 상기 입경 3~5㎛ 범위의 실리카 미립자의 함량대비 5~15wt% 범위인 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서,
    상기 퓨즈 엘리먼트는 구리 호일인 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
  17. 전기전도성 가용체의 퓨즈 엘리먼트와 상기 퓨즈 엘리먼트를 중심으로 상기 퓨즈 엘리먼트를 에워싸도록 소호제 조성의 분말을 몰드 내에 함께 충진한 후 압축성형하고, 상기 소호제 조성의 입자들 중 적어도 일부가 네킹에 의해 서로 3차원적으로 물리적 연결되도록 상기 퓨즈 엘리먼트와 함께 동시 소성함으로써, 상기 소호제 입자들이 상기 퓨즈 엘리먼트를 중심으로 상기 퓨즈 엘리먼트를 에워싼 벌크 형상으로서 상기 퓨즈 엘리먼트와 일체화된 하나의 상기 퓨즈 엘리먼트 - 소호 벌크체의 프리폼을 형성하는 단계와;
    상기 프리폼을 케이스 내에 장입하고 상기 프리폼의 상기 퓨즈 엘리먼트의 양단을 외부와 전기적으로 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 동시 소성은 상기 퓨즈 엘리먼트의 융점보다 50℃ 이상 낮은 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 동시 소성의 온도는 900~1025℃ 범위인 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 퓨즈 엘리먼트의 소재는 구리이고, 상기 동시 소성의 온도는 1033℃ 이하인 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 소호제 조성의 분말은
    주성분으로서, 입경 1~5㎛ 범위의 실리카 미립자와;
    첨가물로서, 입경 50~150㎚ 범위의 실리카 초미립자, 또는 TEOS, Na2SiO3, Na2SiO3·9H2O 및 H3BO3가 이루는 군에서 선택된 하나 이상의 소결조제 입자를 포함하도록 준비되는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  22. 삭제
  23. 제21항에 있어서,
    상기 소호제 조성의 분말은 상기 소호제 조성의 분말의 함량대비 5~10 wt%의 바인더 수용액을 첨가하여 그래뉼화되는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 압축성형에 가해지는 압력은 75~100 MPa 범위로 되는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
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