KR20220003043A - 전해 환경들에서 사용하기 위한 자체 절연 접촉부들 - Google Patents

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Abstract

전해 환경에서 전력을 공급하기 위한 전기 커넥터가 제공된다. 커넥터는 제1 및 제2 결합 접촉부들을 포함하고, 그들의 각각은 전해 환경에서 비 전도성 패시베이션 층을 형성할 수 있는 전이 금속을 포함하는 전기 전도성 재료로 코팅된다. 각각의 접촉부는 전기 전도성 코팅으로 커버된 기판을 포함한다. 기판은 전해 환경에서 비 전도성 패시베이션 층(passivation layer)을 형성할 수 없는 재료로 형성될 수 있다. 각각의 접촉부의 기판 재료는 전도성 또는 비 전도성일 수 있으며, 전기 전도성 코팅과 상이한 재료 속성들을 가질 수 있다.

Description

전해 환경들에서 사용하기 위한 자체 절연 접촉부들
본 발명은 일반적으로, 전기 커넥터들에 관한 것이고, 특히 전해 환경들에서 사용하기 위한 자체 절연 접촉부들을 갖는 전기 커넥터들에 관한 것이다.
물 오염을 회피하기 위해, 결합 접촉부들이 있는 종래의 전기 커넥터들은 o-링들(o-rings) 또는 개스킷들로 밀봉될 수 있다. 이들 설계들은 일반적으로, 건조한 환경들에서 잘 작동할 수 있지만; 일부 응용 분야들에서, 건조하지 않거나 습한 환경들에서 전기 커넥터들을 활용할 필요가 있을 수 있다. 예를 들면, 선박들, 잠수함들, 및 수중 장비의 전기 커넥터들이 물에 잠길 수 있다. 물은 전기 누출 경로들을 생성할 수 있고 부식 또는 커넥터들에 절연 염들 또는 불순물들이 침착되어 전기 전도성 커넥터 접촉부들을 손상시킬 수 있다. 따라서, 수중 결합 동안 및 그 이후에 커넥터들의 전기 충전부들로부터 물을 배제하는 것이 바람직할 수 있다.
수중 결합 또는 습한 환경에서의 결합을 다루는 종래의 커넥터들은 복잡할 수 있다. 이러한 커넥터들은 오일 또는 유전체 젤로 채워질 수 있고 예를 들면, 동적 밀봉들 및 스프링들과 같은 많은 작은 부품들을 가질 수 있다. 적어도 부분적으로, 그들의 복잡성으로 인해, 종래의 커넥터들은 구축 및 수리가 어려울 수 있다. 이러한 커넥터들은 또한, 생산 및 교체하는데 비용이 많이 들 수 있다. 또한, 기름 함유 커넥터들의 반복적인 연결과 분리는 오염, 기름 누출, 또는 다른 문제들을 일으킬 수 있다. 수중 전기 연결을 하는 한 가지 방법은 예컨대, 그의 개시가 전체적으로 본 명세서에서 참조로서 통합되는 미국 특허 제9,893,460호에 개시되어 있는 바와 같이, 전체적으로 니오븀과 같은 전이 금속들로 만들어진 고체 접촉부들을 사용하는 것이다.
전해 환경들에서 사용하기 위한 자체 절연 접촉부들과 관련하여 개선되고 효과적인 구성 및 방법을 제공한다.
예를 들면, 수중 응용 분야들에서 전력을 공급하기 위해 전해 환경에서 전기 연결을 하기 위한 개선된 전기 커넥터들 및 방법들이 본 명세서에 개시된다.
제1 양태에 따르면, 전기 커넥터가 제공된다. 전기 커넥터는 제1 및 제2 결합 접촉부들을 포함한다. 제1 전기 접촉부는 제1 재료로 만들어진 제1 기판 및 제1 기판을 커버하는 제2 재료로 만들어진 제1 전기 전도성 코팅을 포함한다. 제2 재료는 제1 전기 접촉부가 전해 환경에 침지될 때 제1 전기 전도성 코팅에 비 전도성 패시베이션 층(passivation layer)을 형성하기에 충분한 중량의 전이 금속을 포함한다. 제2 전기 접촉부는 제3 재료로 만들어진 제2 기판 및 제2 기판을 커버하는 제4 재료로 만들어진 제2 전기 전도성 코팅을 포함한다. 제4 재료는 제2 전기 접촉부가 전해 환경에 침지될 때 제2 전기 전도성 코팅에 비 전도성 패시베이션 층을 형성하기에 충분한 중량의 전이 금속을 포함한다. 제1 및 제3 재료들은 제2 및 제4 재료들과 각각 상이하고 예컨대, 그들은 전해 환경에 침지될 때 비 전도성 패시베이션 층을 형성할 수 없고, 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들의 초기 두께는 제1 및 제2 전기 접촉부들의 결합 및 분리와 연관된 마모(abrasion)가 제1 및 제2 기판들 중 어느 하나를 노출시키지 않도록 한다.
제2 양태에 따르면, 전해 환경에서 전기 연결을 하는 방법이 제공된다. 방법은 제1 전기 접촉부를 전해 환경에 침지함으로써 제1 전기 접촉부의 제1 전기 전도성 코팅에 비 전도성 패시베이션 층을 형성하는 단계로서, 제1 전기 접촉부는 제1 전기 전도성 코팅과 상이한 제1 재료로 만들어진 제1 기판을 포함하고(예컨대, 그것은 전해 환경에 노출될 때 비 전도성 패시베이션 층을 형성할 수 없음) 제1 전기 전도성 코팅은 제1 전기 접촉부가 전해 환경에 침지될 때 제1 전기 전도성 코팅에 비 전도성 패시베이션 층을 형성하기에 충분한 중량의 전이 금속을 포함하는 제2 재료로 만들어지는, 상기 제1 전기 전도성 코팅에 상기 비 전도성 패시베이션 층을 형성하는 단계, 제2 전기 접촉부를 전해 환경에 침지함으로써 제2 전기 접촉부의 제2 전기 전도성 코팅에 비 전도성 패시베이션 층을 형성하는 단계로서, 제2 전기 접촉부는 제2 전기 전도성 코팅과 상이한 제3 재료로 만들어진 제2 기판을 포함하고(예컨대, 그것은 전해 환경에 노출될 때 비 전도성 패시베이션 층을 형성할 수 없음) 제2 전기 전도성 코팅은 제2 전기 접촉부가 전해 환경에 침지될 때 제2 전기 전도성 코팅에 비 전도성 패시베이션 층을 형성하기에 충분한 중량의 전이 금속을 포함하는 제4 재료로 만들어지는, 상기 제2 전기 전도성 코팅에 상기 비 전도성 패시베이션 층을 형성하는 단계, 전해 환경에서 제1 및 제2 전기 접촉부들을 결합하는 단계로서, 결합 동안, 비 전도성 패시베이션 층들의 충분한 부분들은 전기 전도성 코팅들이 전기를 전도하는 것을 허용하도록 제거되는, 상기 제1 및 제2 전기 접촉부들을 결합하는 단계, 전해 환경에서 제1 및 제2 전기 접촉부들에 걸쳐 전력을 인가하는 단계, 및 전해 환경에서 제1 및 제2 전기 접촉부들을 분리하는 단계를 포함하고, 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들의 초기 두께는 제1 및 제2 전기 접촉부들의 결합 및 분리와 연관된 마모가 제1 및 제2 기판들 중 어느 하나를 노출시키지 않도록 한다.
특정 속성들을 가지는 기판과의 각각의 접촉부를 형성하고 그것을 비 전도성 패시베이션 층을 형성할 수 있는 전기 전도성 코팅으로 커버함으로써, 전해 환경에서 전기 연결을 더 신뢰가능하고 경제적으로 하는 것이 가능하다. 예를 들면, 기판은 자체 패시베이팅 전기 전도성 코팅보다 크거나 더 우수한 기계적 속성들(예컨대, 강성, 항복 강도, 극한 강도)을 가질 수 있고, 그에 의해 연결의 기계적 신뢰성을 개선한다. 또한, 기판은 전기 전도성 코팅보다 큰 전기 전도도를 가질 수 있고, 그에 의해 연결의 전기적 성능을 개선한다. 부가적으로, 전기 전도성 코팅 재료들보다 저렴한 비용의 기판 재료들은 커넥터의 비용을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 기판은 금속(예컨대, 구리, 황동, 알루미늄, 강철, 또는 티타늄) 또는 비 전도성 재료(예컨대, 세라믹, 유리, 또는 중합체)를 포함하는 재료로 만들어질 수 있으며, 자체 패시베이팅 전기 전도성 코팅은 전이 금속(예컨대, 니오븀, 탄탈륨, 및 이들의 합금)으로 만들어질 수 있다. 전이 금속들이 다른 유형들의 전도체들보다 더 비싼 경향이 있기 때문에, 접촉부들의 각각의 비 접촉 부분들에서보다 접촉부들의 각각의 접촉 부분들에 전기 전도성 코팅들을 더 두껍게 만드는 것은 또한, 성능을 손상시키지 않으면서 커넥터의 비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 예시적인 실시예는 다양한 도면들에서 유사한 참조 부호들이 유사한 구성요소들을 지정하기 위해 활용되는 다음의 도면들을 참조하여 하기에 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 자체 패시베이팅 접촉부들을 갖는 전기 커넥터의 일 예시를 도시한 도면.
도 2는 라인(2-2)을 통해 취해진, 도 1의 전기 커넥터의 접촉부의 단면도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 자체 패시베이팅 접촉부들을 갖는 전기 커넥터를 사용하는 수중 차량 및 충전 베이스의 평면도들.
도 5 및 도 6은 각각 라인들(5-5 및 6-6)을 통해 취해진, 도 3의 커넥터 접촉부들의 평면도들.
도 7은 라인(7-7)을 통해 취해진, 도 4의 접촉부들의 단면도.
본 발명은 수중 또는 다른 전해 환경들에서 전기 연결을 하기 위한 전기 커넥터 및 방법에 관한 것이다. 이러한 전기 연결들은 전력, 신호들, 및/또는 데이터를 공급하는 것을 포함하지만 이로 제한되지 않는 다양한 목적들을 위해 이루어질 수 있다. 하기에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 예시적인 실시예들은 전류 누출 또는 다른 역효과들 없이 전해 환경에서 전기 커넥터를 연결 및 분리하는 것을 용이하게 한다. 용어 "전해 환경"은 전류 누출 흐름들을 지원하기에 충분한 미네랄 함량을 포함하는 수역들(예컨대, 염수, 우물물, 호수 물, 강물)과 같은 환경에서 이온들로 해리되어 전기를 전도하는 전해질을 함유하는 임의의 환경을 의미하도록 본 명세서에서 광범위하게 사용된다.
도 1은 전해 환경(101)에서 분리 조건 또는 상태에 있는 본 발명에 따른 전기 커넥터(100)의 일 예시적인 실시예를 도시한다. 전기 커넥터(100)는 제1 접촉부(104(a))를 포함하는 제1 하우징(102(a)) 및 제1 접촉부와 결합(mate)하도록 구성된 제2 접촉부(104(b))를 포함하는 제2 하우징(102(b))을 포함한다. 제1 접촉부(104(a))는 제1 와이어 또는 전도체(108(a))를 통해 전력원(106)의 애노드(양극) 단자에 연결된 것으로 도시되고, 제2 접촉부(104(b))는 제2 와이어 또는 전도체(108(b))를 통해 부하(110)의 애노드(양극) 단자에 연결된 것으로 도시된다. 부하(110)의 캐소드(음극) 단자로부터 전력원(106)의 캐소드(음극) 단자로의 복귀 경로는 동일한 전기 커넥터 또는 별개의 전기 커넥터의 부가적인 접촉부들을 통해 형성될 수 있다. 회로를 완성하기 위해 별개의 전기 커넥터가 사용되는 경우, 별개의 전기 커넥터는(예컨대, 본 명세서에서 설명된 바와 같이) 전해 환경에 배치되도록 구성되거나 전해 환경 외부에서 사용하기 위해 구성될 수 있다. 본 발명에 따른 전기 커넥터들이 사용될 수 있는 회로들의 예들은 2018년 11월 26일에 출원된 미국 특허 제9,893,460 호 및 미국 특허 출원 일련 번호 제16/200,147호에서 도시되고/거나 설명되며, 이들의 개시들은 본 명세서에서 참조로서 통합된다.
도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 제1 접촉부(104(a))는 핀 또는 플러그 형태의 수 접촉부이고 제2 접촉부(104(b))는 핀 또는 플러그를 수용하도록 구성된 소켓 형태의 암 접촉부이다. 핀 및 소켓은 전기 연결부를 형성하기 위해 결합될 때 핀 및 소켓의 전도성 부분들이 서로 접촉하도록 구성된다. 전기 커넥터가 핀 및 소켓 접촉부들을 갖는 것으로 도시되지만, 제한 없이 단자 블록들, 바인딩 포스트들, 블레이드들, 링들, 스페이드들, 클립들, 플레이트들, 동축 접촉부들, 및 앞서 말한 것들의 조합들을 포함하는 다양한 유형들의 접촉부들이 사용될 수 있음이 인식될 것이다. 용어 "결합"은 물리적으로 연결하거나 접촉하는 것을 의미하도록 본 명세서에서 광범위하게 사용된다.
도 1에 도시된 예시적인 실시예의 커넥터 하우징들(102(a) 및 102(b))은 접촉부들(104(a) 및 104(b)) 각각의 비 결합 단부들을 장착하거나 유지하도록 구성된다. 도 1의 커넥터 하우징들(102(a) 및 102(b))은 접촉부들(104(a) 및 104(b)) 또는 그들이 접촉부들과 연결되는 와이어들(108(a) 및 108(b))의 노출된(예컨대, 절연되지 않은) 단부들을 터치하지 않고 전기 커넥터(100)의 취급을 용이하게 하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 커넥터 하우징들은 서로 연결되도록(예컨대, 하나의 하우징에 외부 나사산들을 제공하고 다른 하우징에 내부 나사산들을 제공함으로써, 핀을 수용하기 위해 하나의 하우징에 핀을 제공하고 다른 하우징에 슬롯을 제공함으로써, 하나의 하우징을 마찰 맞춤으로 다른 하우징 내에 맞도록 구성함으로써, 및 다른 알려진 결합들에 의해) 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하우징은 또 다른 구조(예컨대, 수중 디바이스 또는 차량)에 부착되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 하우징은 하우징/접촉 어셈블리가 나사들 또는 볼트들로 구조에 부착되는 것을 허용하는 구멍들이 내부에 형성된 플레이트를 포함할 수 있다. 커넥터 하우징들이 특정 응용 분야들에서 유리할 수 있지만, 하우징들이 선택적이고 전기 커넥터가 하우징들을 가지는 2개의 접촉부들(예컨대, 도시된 바와 같음)로 만들어질 수 있으며, 하나의 접촉부가 하우징을 갖고 다른 접촉부에 하우징이 없거나, 어떠한 접촉부도 하우징을 갖지 않음이 인식될 것이다. 커넥터 하우징들이 전기 커넥터가 접촉부들의 세트 정렬을 유지하고 더 빠른 연결들 및 분리들을 허용하기 위해, 하나보다 많은 쌍의 결합 접촉부들을 포함할 때(즉, 복수의 전기 연결을 하기 위해) 유리할 수 있음이 인식될 것이다.
도 2는 도 1의 라인(2-2)을 통해 취해진, 제1 접촉부(104(a))의 단면을 도시한다. 제2 접촉부(104(b))는 유사한 단면을 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 접촉부들은 각각 기판(112) 및 기판을 커버하는 전기 전도성 코팅(114)을 갖는다. 도시된 예시적인 실시예에서, 전기 전도성 코팅(114)은 전기 연결이 연결되거나 분리될 때 기판이 전해 환경에 노출되는 것을 방지하기 위해 전체 기판을 커버한다. 이것은 기판이 전기 전도성이지만 자체 패시베이팅되지 않을 때 특히 유리하다. 다른 실시예들에서, 예컨대, 기판이 전기 전도성이 아닐 때, 전기 전도성 코팅은 기판의 다른 부분들(예컨대, 비 접촉 부분들)이 전기 커넥터가 연결하거나 분리할 때 전해 환경에 노출될 수 있도록, 기판의 일부(예컨대, 접촉 부분)만을 커버할 수 있다.
전해 환경에서 전기 커넥터를 연결하거나 분리할 때 전류 누출 가능성을 감소시키기 위해, 전기 전도성 코팅(114)은 바람직하게, 전해 환경에 침지될 때 비 전도성 페시베이션 층을 형성하는 속성을 갖는 충분한 중량의 자체 패시베이팅 전이 금속(예컨대, 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 하프늄(Hf), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 또는 이리듐(Ir)과 같음)을 포함하는 전도성 금속으로 만들어진다. 예를 들면, 전기 전도성 코팅(114)은 순수한 니오븀과 같은 순수한 전이 금속, 상용 등급 니오븀과 같은 약간 덜 순수한 전이 금속 합금(작은 퍼센티지의 또 다른 재료만 함유함), 니오븀 합금(중량 기준 99% 니오븀-1% 지르코늄과 같음), 또는 임의의 비율들의 전이 금속들 중 임의의 것의 혼합물들(중량 기준 50% 니오븀-50% 탄탈륨과 같음)로 만들어질 수 있다. 바람직하게, 전기 전도성 코팅은 전해 환경에서 효과적으로 비 전도성인 패시베이션 층의 형성을 보장하기 위해 적어도 50% 중량의 전이 금속(또는 50% 중량의 전이 금속들의 조합)을 함유한다.
상기 표시된 바와 같이, 기판(112)은 전기 전도성 재료 또는 비 전도성 재료로 만들어질 수 있다. 기판(112)을 위해 사용될 수 있는 전기 전도성 재료들의 예들은 다음을 포함하지만 이로 제한되지는 않는다: (1) 전기 전도성 자체 패시베이팅 재료로 완전히 만들어진 접촉부와 비교하여 접촉부의 강성, 전기 전도도 또는 열 전도도를 개선하기 위한 구리 또는 황동; (2) 전기 전도성 자체 패시베이팅 재료로 완전히 만들어진 접촉부와 비교하여 접촉부의 강성을 증가시키기 위한 티타늄 합금들; (3) 전기 전도성 자체 패시베이팅 재료로 완전히 만들어진 접촉부와 비교하여 접촉부의 전기 또는 열 전도도를 개선하기 위한 알루미늄 합금들; (4) 전기 전도성 자체 패시베이팅 재료로 완전히 만들어진 접촉부와 비교하여 접촉부의 강성을 개선하기 위한 스프링 강; 또는 (5) 전기 전도성 자체 패시베이팅 재료로 완전히 만들어진 접촉부와 비교하여 접촉부의 항복 강도를 개선하기 위한 황동 또는 스프링 강. 기판(112)을 위해 사용될 수 있는 전기 비 전도성 재료들의 예들은 다음을 포함하지만 이로 제한되지는 않는다: (1) 전기 전도성 자체 패시베이팅 재료로 완전히 만들어진 접촉부와 비교하여 접촉부의 강성을 개선하기 위한 세라믹들 또는 유리; 또는 (2) 전기 전도성 자체 패시베이팅 재료로 완전히 만들어진 접촉부와 비교하여 접촉부의 유연성을 개선하기 위한 중합체들.
전기 전도성 기판이 접촉부들을 위해 사용되는 경우, 전기 전도성 코팅(114)은 바람직하게, 그렇지 않으면 전해 환경에 노출될 기판(112)의 부분들을 완전히 커버해야 한다. 기판이 전기 전도성인지 전기 비 전도성인지의 여부에 관계 없이, 코팅(114)은 전기 전도도를 유지하고 접촉 수명에 걸쳐 코팅을 통한 전해질 침투를 방지하기에 충분히 두꺼워야 한다. 즉, 전기 전도성 코팅(114)의 초기 두께는 접촉부의 결합 및 분리와 연관된 마모가 코팅 아래의 기판 재료를 노출시키지 않음으 보장하기 위해 충분히 두꺼워야 한다. 다른 한편으로, 전기 전도성 코팅(114)은 바람직하게, 기판(112)의 속성들이 접촉부의 비용, 전기적 성능, 및/또는 기계적 성능을 지배하도록 충분히 얇다. 예를 들면, 공정 변화들 및 잠재적인 코팅 결함 크기에 의존하여, 전기 전도성 코팅(114)의 초기 두께는 기판 두께의 25미크론만큼 적게부터 최대 50%만큼 많은까지의 범위일 수 있다.
일 바람직한 실시예에서, 코팅된 접촉부는 개선된 기계적 속성들, 더 낮은 전기 저항, 및 코팅 재료의 전기화학적 속성들을 여전히 제공하면서 코팅 재료 전체로부터 만들어진 고체 접촉부 미만의 비용을 갖도록 구성된다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이 코팅되는 접촉부는 바람직하게, 전체적으로 코팅 재료로 만들어진 접촉부보다 우수한 속성들을 가져야 한다.
코팅된 접촉부가 순수한 코팅 재료로 만들어진 접촉부에 비해 장점을 제공하기 위해, 코팅된 접촉부의 유효 강성(영률)은 바람직하게, 순수 코팅 재료의 강성의 적어도 125%이어야 하고/거나, 유효 열 전도도는 바람직하게, 순수 코팅 재료의 열 전도도의 적어도 125%이어야 하고/거나, 전기 전도도는 바람직하게, 순수 코팅 재료들의 전기 전도도의 적어도 125%이어야 하고/거나, 유효 항복 강도는 바람직하게, 순수 코팅 재료의 항복 강도의 적어도 125%이어야 하고/거나, 유효 극한 인장 강도는 바람직하게, 순수 코팅 재료의 극한 인장 강도의 적어도 125%이어야 한다. 코팅은 바람직하게, 본질적으로 결함이 없어야 하고 즉, 이온들이 코팅의 결함들 또는 다공성을 통해 코어 재료와 접촉하는 능력이 없어야 한다.
예를 들면, 하나의 실시예에서, 훨씬 더 두꺼운 구리 합금 코어(예컨대, 적어도 250미크론 두께)에 걸쳐 니오븀 금속의 얇은(예컨대, 25미크론) 코팅을 접촉부에 제공함으로써 개선된 기계적 속성들, 더 낮은 전기 저항, 및 감소된 비용이 성취될 수 있다. 이전의 예에서, 기판이 구리-베릴륨 합금으로 만들어지면, 기계적 속성들이 또한 개선될 수 있다. 코팅이 덜 비싼 재료 위에 씌워지면 접촉부의 비용이 코팅 재료로 만들어진 고체 접촉부보다 낮을 수 있다. 이의 일례는 강철 코어 위에 니오븀 금속을 클래딩(cladding)하는 것일 것이다.
전기 비 전도성 코어 위에 코팅이 적용되는 접촉부들에 대해, 코팅은 바람직하게, 적용을 위해 충분한 전기 전도도를 제공하기에 충분히 두꺼워야 하고, 코어 재료가 기계적 속성들 및/또는 비용의 측면에서, 코팅 재료만으로 만들어진 접촉부에 비해 어떠한 장점도 제공하지 않을 정도로 그렇게 두껍지 않아야 한다. 예를 들면, 코팅 두께는 바람직하게, 코팅된 접촉부의 단면의 40% 이하이어야 한다.
기판에 자체 패시베이팅 전기 전도성 코팅을 적용하기 위해 사용될 수 있는 코팅 또는 클래딩 공정들의 일부 예들은 전기도금, 폭발 결합, 동시 인발, 동시 압연, 진공 브레이징, 콜드 스프레이, 플라즈마 스프레이, 고속 산소 연료(HVOF) 스프레이, 플라즈마 증착(PVD), 간섭 또는 수축 피팅, 용접 클래딩, 분말 소결, 스퍼터링, 및 클래딩 재료의 쉘로의 코어 주조를 포함하지만 이들로 제한되지 않는다.
또한, 자체 패시베이팅 전기 전도성 코팅의 두께가 접촉부의 표면적에 걸쳐 일정할 필요는 없다는 것을 이해해야 한다. 코팅은 손상 가능성이 있는 영역들에서 더 두껍고 기판 속성들이 우세한 것이 바람직한 영역들에서 더 얇을 수 있다.
또한, 상기 설명된 애노드(양극) 접촉부들(104(a) 및 104(b))이 부하(110) 및 전원(106)의 캐소드(음극) 단자들에 연결된 다른 접촉부들과 조합되어 사용될 때, 캐소드 접촉부들이 상기 설명된 애노드 접촉부들과 동일한 구성이거나 상이한 구성일 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들면, 캐소드 접촉부들은 자체 패시베이팅되지 않는 전기 전도성 재료들로 완전히 만들어질 수 있고 애노드 접촉부들과 동일하거나 상이한 전해질에 있을 수 있다.
사용 시에, 커넥터(100)의 제1 접촉부(104(a))는 전원의 양극(애노드) 단자에 연결될 수 있고, 제2 접촉부(104(b))는 부하(110)의 양극(애노드) 단자에 연결될 수 있다. 커넥터(100)의 접촉부들(104(a) 및 104(b))은 전해 환경(101)에 배치될 수 있다. 예를 들면, 커넥터(100)는 접촉부들(104(a) 및 104(b))이 전해 환경에 노출되도록 분리된 조건 또는 상태에서 전해 환경에 침지될 수 있다. 전해 환경에 대한 접촉부들(104(a) 및 104(b))의 노출은 접촉부들의 각각의 자체 패시베이팅 전기 전도성 코팅들(114)로 하여금 패시베이션 층(116)을 성장시켜 전해 환경으로부터 절연을 제공하고, 따라서 노출된 접촉부들로부터의 환경으로의 전류 누출을 방지한다. 접촉부들(104(a) 및 104(b))은 전해 환경에 노출되는 코팅(114)의 임의의 영역에서 그들 자체의 절연체를 효과적으로 "성장"시킨다. 따라서, 예를 들면, 종래의 습식 결합 커넥터에서와 같이 물을 배제하기 위해 복잡한 밀봉들 및 오일에 의존하려고 시도하는 것보다, 커넥터(100)는 절연체를 형성하기 위해 접촉부들(104(a) 및 104(b))과 접촉하는 물을 활용한다. 패시베이션 층이 형성된 후에, 접촉부들(104(a) 및 104(b))로부터의 누출 전류는 제로 전류를 향해 실질적으로 감소한다.
커넥터 접촉부들(104(a) 및 104(b))은 접촉부들을 정렬하고 그들이 결합할 때까지 서로를 향해 그들을 안내함으로써 결합될 수 있다. 커넥터(100)가 하우징들(102(a) 및 102(b))을 포함하는 경우, 사용자는 접촉부들을 더 용이하게 정렬하고 접촉부들을 터치하지 않고 그들을 결합하기 위해 하우징들을 잡을 수 있다. 각각의 접촉부의 비 전도성 패시베이션 층(116)의 적어도 일부는 접촉부들이 결합될 때 예컨대, 긁힘 및/또는 연마에 의해 물리적으로 제거된다. 용어 "물리적으로 제거된"은 완전히 제거되거나 대부분 제거됨을 의미하는 것으로 광범위하게 해석되어야 한다(예컨대, 반도체와 유사한 속성들을 나타내기에 충분히 얇은 비 전도성 패시베이션 층의 일부가 남을 수 있음). 또한, 접촉부들이 분리될 때 전기 전도성 코팅의 일부가 패시베이션 층을 재형성하도록 변환된다는 것이 발견되었지만; 상기 언급된 바와 같이, 접촉부들은 바람직하게, 절연 패시베이션 층을 성장시키고 연결들 및 분리들의 수명에 걸쳐 낮은 저항 전기 연결들을 확립하기에 충분한 두께들을 갖는 자체 패시베이팅 전기 전도성 코팅들을 갖도록 구성된다. 패시베이션 층(116)의 제거는 각각의 접촉부의 전기 전도성 코팅(114)을 노출시켜 각각의 패시베이션 층들이 제거된 접촉부들(104(a) 및 104(b)) 사이에 낮은 저항 전기 연결이 이루어질 수 있게 한다. 낮은 저항 연결은 전력 및/또는 데이터가 교환될 수 있는 전기 연결(전기 매체)을 제공한다.
커넥터(100)가 전해 환경에서 분리되는 경우, 자체 패시베이팅 전기 전도성 코팅(114)의 일부는 패시베이션 층을 재형성하도록 변환되지만, 코팅의 두께는 충분한 양의 전이 금속이 접촉부들에서 패시베이션 층(116)을 재성장시키기 위해 남아 있도록 하는 것이다. 패시베이션 층(116)은 전해 환경으로부터 절연을 제공하고, 노출된 접촉부들로부터 환경으로의 전류 누출을 방지하는 것을 돕는다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 예시적인 실시예에 따른 전기 커넥터들(100')을 활용하는 수중 차량(120) 및 충전 베이스(122)의 평면 단면도들이다. 일부 실시예들에서, 수중 차량(120)은 하나 이상의 재충전가능한 배터리들에 의해 전력을 공급받고 재충전가능한 배터리 및 충전 회로(부하(110))를 포함하는 잠수함 또는 수중 드론일 수 있다. 수중 차량(120)은 볼록한 외부 표면을 가질 수 있고, 충전 베이스(122)는 수중 차량을 위한 도크의 역할을 하도록 구성된 오목 표면을 가질 수 있다. 수중 차량(120)은 전기 커넥터들(100')이 분리되는 도 3에서 도킹되지 않은 조건 또는 상태로 도시되고, 전기 커넥터들(100')이 연결되고 부하(110)에 포함된 하나 이상의 배터리들이 충전되고 있는 도 4에서 도킹된 조건 또는 상태로 도시된다.
충전 베이스(122)는 전원(도시되지 않음)의 양극(애노드) 단자에 연결된 제1 접촉부(104(a)') 및 전원의 음극(캐소드) 단자에 연결된 제2 접촉부(104(b)')를 포함한다. 수중 차량은 제1 접촉부(104(a)')와 결합하도록 구성된 제3 접촉부(104(c)') 및 제2 접촉부(104(b)')와 결합하도록 구성된 제4 접촉부(104(d)')를 장착한다. 제1 및 제3 접촉부들(104(a)' 및 104(c)')은 제1 전기 커넥터를 포함하고, 제2(104(b)') 및 제4 접촉부들(104(d)'))은 제2 전기 커넥터를 포함한다. 일 예시적인 실시예에서, 제3 접촉부(104(c)')는 부하(110)의 양극(애노드) 단자에 연결될 수 있고, 제4 접촉부(104(d)')는 부하의 음극(캐소드) 단자에 연결될 수 있다.
도 3 및 도 4는 수중 차량(120)의 전방으로부터 본 접촉부들(104(a)' 내지 104(d)')의 단면 단부도들을 도시한다. 도 5 및 도 6은 각각 접촉부들(104(a)' 및 104(c)')의 측면도들을 도시한다. 도 7은 도 4의 라인(7-7)을 통해 취해진 접촉부들(104(a)' 및 104(c)')의 단면도를 도시한다. 예시적인 실시예에서 접촉부들(104(a)' 내지 104(d)')이 수중 차량(120)의 종방향 축에 평행하게 지향된 가늘고 긴 스트립들 또는 레일들임을 알 수 있다. 접촉부들(104(a)' 내지 104(d)')은 상기 설명된 접촉부들(104(a) 및 104(b))과 같은 단면 구성을 가질 수 있다. 즉, 접촉부들은 상기 설명된 바와 같이 전도성 또는 비 전도성 기판(112) 및 자체 패시베이팅 전기 전도성 코팅(114)을 포함할 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 캐소드(음극) 접촉부들(104(b)' 및 104(d)')은 상기 설명된 애노드 접촉부들(104(a) 및 104(b))과 상이한 구성을 가질 수 있다. 예를 들면, 캐소드 접촉부들은 자체 패시베이팅되지 않는 전기 전도성 재료들을 완전히 사용하여 전체적으로 형성될 수 있다.
도 4, 도 5, 및 도 7을 비교하면, 도킹 기동에 의해 야기된 마모로 인해 접촉부들(104(a)' 및 104(c)')의 접촉 지점들에 패시베이션 층(116)이 거의 또는 전혀 남아 있지 않음을 알 수 있다. 따라서, 전기 전도성 코팅들(114)은 연결을 가로질러 전기의 전도를 허용하도록 서로 충분히 접촉한다. 접촉부들의 비 접촉 측들의 패시베이션 층(116)이 여전히 온전하다는 점에 유의할 것이다. 또한, 이 예에서, 접촉부들의 접촉 측들의 자체 패시베이팅 전기 전도성 코팅의 두께가 비 접촉 측들에서보다 두껍다는 점에 유의할 것이다.
상기 설명되고 도면들에 도시된 예시적인 실시예들이 본 발명을 구현하는 많은 방식들 중 단지 일부만을 표현한다는 것이 인식될 것이다. 많은 수정들 및 변형들은 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않고 당업자들에게 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 전기 커넥터에 있어서:
    제1 재료로 만들어진 제1 기판 및 상기 제1 기판을 커버하는 제2 재료로 만들어진 제1 전기 전도성 코팅을 포함하는 제1 전기 접촉부로서, 상기 제2 재료는 상기 제1 전기 접촉부가 전해 환경에 침지될 때 상기 제1 전기 전도성 코팅에 비 전도성 패시베이션 층(passivation layer)을 형성하기에 충분한 중량의 전이 금속을 포함하는, 상기 제1 전기 접촉부; 및
    상기 제1 전기 접촉부와 결합(mate)하도록 구성된 제2 전기 접촉부로서, 제3 재료로 만들어진 제2 기판 및 상기 제2 기판을 커버하는 제4 재료로 만들어진 제2 전기 전도성 코팅을 포함하고, 상기 제4 재료는 상기 제2 전기 접촉부가 전해 환경에 침지될 때 상기 제2 전기 전도성 코팅에 비 전도성 패시베이션 층을 형성하기에 충분한 중량의 전이 금속을 포함하는, 상기 제2 전기 접촉부를 포함하고,
    상기 제1 및 제3 재료들은 상기 제2 및 제4 재료들과 각각 상이하고, 상기 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들의 초기 두께는 상기 제1 및 제2 전기 접촉부들의 결합 및 분리와 연관된 마모(abrasion)가 상기 제1 및 제2 기판들 중 어느 하나를 노출시키지 않도록 하는, 전기 커넥터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제3 재료들은 상기 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들에서 전이 금속들의 각각의 전기 전도도들보다 큰 각각의 전기 전도도들을 갖는, 전기 커넥터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제3 재료들은 전해 환경에 침지될 때 비 전도성 패시베이션 층을 형성할 수 없는 금속들인, 전기 커넥터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제3 재료들 각각은 구리, 황동, 알루미늄, 강철 및 티타늄으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는, 전기 커넥터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제3 재료들은 비 전도성인, 전기 커넥터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제3 재료들은 세라믹, 유리, 및 중합체로 구성된 그룹으로부터 선택되는, 전기 커넥터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제3 재료들 각각은 대응하는 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들에서 전이 금속의 탄성 계수, 항복 강도, 및 극한 강도보다 큰 탄성 계수, 항복 강도, 및 극한 강도 중 적어도 하나를 갖는, 전기 커넥터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 및 제3 재료들의 각각의 탄성 계수들, 항복 강도, 및 극한 강도는 상기 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들에서 전이 금속들의 각각의 탄성 계수들, 항복 강도, 및 극한 강도보다 적어도 125% 큰, 전기 커넥터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 코팅들은: 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 하프늄(Hf), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 및 이리듐(Ir)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 자체 패시베이팅 전이 금속을 포함하는, 전기 커넥터.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 접촉부들은 접촉 및 비 접촉 부분들을 포함하고, 각각의 접촉 부분들의 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들의 각각의 두께들은 각각의 비 접촉 부분들의 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들의 각각의 두께들과 상이한, 전기 커넥터.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들의 각각의 두께들은 상기 제1 및 제2 접촉부들의 각각의 두께들의 40% 이하인, 전기 커넥터.
  12. 전해 환경에서 전기 연결을 하는 방법에 있어서:
    제1 전기 접촉부를 전해 환경에 침지함으로써 상기 제1 전기 접촉부의 제1 전기 전도성 코팅에 비 전도성 패시베이션 층을 형성하는 단계로서, 상기 제1 전기 접촉부는 제1 재료로 만들어진 제1 기판을 포함하고 상기 제1 전기 전도성 코팅은 상기 제1 전기 접촉부가 상기 전해 환경에 침지될 때 상기 제1 전기 전도성 코팅에 비 전도성 패시베이션 층을 형성하기에 충분한 중량의 전이 금속을 포함하는 제2 재료로 만들어지는, 상기 제1 전기 전도성 코팅에 상기 비 전도성 패시베이션 층을 형성하는 단계;
    제2 전기 접촉부를 전해 환경에 침지함으로써 상기 제2 전기 접촉부의 제2 전기 전도성 코팅에 비 전도성 패시베이션 층을 형성하는 단계로서, 상기 제2 전기 접촉부는 제3 재료로 만들어진 제2 기판을 포함하고 상기 제2 전기 전도성 코팅은 상기 제2 전기 접촉부가 상기 전해 환경에 침지될 때 상기 제2 전기 전도성 코팅에 비 전도성 패시베이션 층을 형성하기에 충분한 중량의 전이 금속을 포함하는 제4 재료로 만들어지고, 상기 제1 및 제3 재료들은 상기 제2 및 제4 재료들과 각각 상이한, 상기 제2 전기 전도성 코팅에 상기 비 전도성 패시베이션 층을 형성하는 단계;
    상기 전해 환경에서 상기 제1 및 제2 전기 접촉부들을 결합하는 단계로서, 상기 결합 동안, 상기 전기 전도성 코팅들이 전기를 전도하는 것을 허용하도록 상기 비 전도성 패시베이션 층들의 충분한 부분들이 제거되는, 상기 제1 및 제2 전기 접촉부들을 결합하는 단계;
    상기 전해 환경에서 상기 제1 및 제2 전기 접촉부들에 걸쳐 전력을 인가하는 단계; 및
    상기 전해 환경에서 상기 제1 및 제2 전기 접촉부들을 분리하는 단계로서, 상기 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들의 초기 두께는 상기 제1 및 제2 전기 접촉부들의 결합 및 분리와 연관된 마모가 상기 제1 및 제2 기판들 중 어느 하나를 노출시키지 않도록 하는, 상기 제1 및 제2 전기 접촉부들을 분리하는 단계를 포함하는, 전해 환경에서 전기 연결을 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제3 재료들은 상기 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들에서 상기 전이 금속들의 각각의 전기 전도도들보다 큰 각각의 전기 전도도들을 갖는, 전해 환경에서 전기 연결을 하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제3 재료들 각각은 구리, 황동, 알루미늄, 강철 및 티타늄으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는, 전해 환경에서 전기 연결을 하는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제3 재료들은 비 전도성인, 전해 환경에서 전기 연결을 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제3 재료들 각각은 세라믹, 유리, 및 중합체로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는, 전해 환경에서 전기 연결을 하는 방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제3 재료들의 각각의 탄성 계수들, 항복 강도, 및 극한 강도 중 적어도 하나는 대응하는 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들에서 전이 금속들의 각각의 탄성 계수들, 항복 강도, 및 극한 강도보다 적어도 125% 큰, 전해 환경에서 전기 연결을 하는 방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제2 코팅들은: 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 하프늄(Hf), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 및 이리듐(Ir)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 자체 패시베이팅 전이 금속을 포함하는, 전해 환경에서 전기 연결을 하는 방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제2 접촉부들은 접촉 및 비 접촉 부분들을 포함하고, 각각의 접촉 부분들의 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들의 각각의 두께들은 각각의 비 접촉 부분들의 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들의 각각의 두께들과 상이한, 전해 환경에서 전기 연결을 하는 방법.
  20. 제12항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전기 전도성 코팅들의 각각의 두께들은 상기 제1 및 제2 접촉부들의 각각의 두께들의 40% 이하인, 전해 환경에서 전기 연결을 하는 방법.
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