KR20220169115A - 고전압 퓨즈 장치 및 그의 제조방법 - Google Patents

고전압 퓨즈 장치 및 그의 제조방법 Download PDF

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KR20220169115A KR1020210079126A KR20210079126A KR20220169115A KR 20220169115 A KR20220169115 A KR 20220169115A KR 1020210079126 A KR1020210079126 A KR 1020210079126A KR 20210079126 A KR20210079126 A KR 20210079126A KR 20220169115 A KR20220169115 A KR 20220169115A
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Abstract

본 발명은 퓨즈 내부에서 효과적인 아크 열 에너지의 신속한 흡수 및 외부로의 열 차단 능력을 제공할 수 있는 퓨즈 장치와 그의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 퓨즈 장치는, 케이스와, 상기 케이스 내에 위치되고 상기 케이스의 양 단부를 통해 외부와 전기적으로 연결되어 외부로부터 과전류의 인가시 용단되는 퓨즈 엘리먼트와, 상기 케이스 내에서 상기 퓨즈 엘리먼트를 접촉하며 에워싸도록 장입되고 상기 퓨즈 엘리먼트의 용단시 발생하는 열 에너지를 흡수하는 소호제를 포함하는 퓨즈 장치로 구성되되, 상기 소호제는 본 발명의 고상 확산 입성장 기구에 따라 응집되어 조대화된 소호제 응집 조립자들로 형성된다. 이를 위해 본 발명에서 상기 소호제 응집 조립자들은 소호제 원료 미분말 베드에 씨드 분말을 혼합하여 열처리함으로써 유도된 고상반응에 따라 소호제 원료 미립자들이 확산 입성장됨으로써 제조된다. 이러한 본 발명에 따른 소호제는, Na, K, Li, B, Bi, Ca, Ba, Zn 및 Cu 중의 하나 이상의 금속원소가 분포되어있는 실리카(SiO2) 기지상이고, 각각 0.1~5 ㎛ 범위의 평균입경을 갖는 실리카 미립자들이 서로 3차원적으로 연결되면서 응집되어 구성한 50~500 ㎛ 범위의 평균입경을 갖는 실리카 조립자들을 포함한다.

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 퓨즈 내부에서 효과적인 아크 열 에너지의 신속한 흡수 및 외부로의 열 차단 능력을 효과적으로 제공할 수 있는 퓨즈 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 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. 예컨대, 태양광 인버터, 차량용 모터, 전기자동차(EV), ESS(energy storage system) 등과 같이 이차전지를 전력원으로 하는 기기에 적용되는 퓨즈는, 일반적인 AC 퓨즈와는 달리 DC 기반에서 동작하는 형태로서 고전압 및 고전류의 인가에도 안정적으로 전류를 차단할 수 있는 전용의 대용량 DC 퓨즈가 적용되어야한다.
도 1은 일반적인 고전압 DC 퓨즈의 개략 구조도를 보인다.
도 1을 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 일반적으로 실리카(SiO2) 조성 등의 세라믹 소호제 분말이 충진된다. 도 2a는 도 1에 도시한 퓨즈 내부에 충진된 세라믹 소호제 분말의 분포상태를 보인 개요도를, 도 2b는 도 1에 도시한 퓨즈 내 충진된 세라믹 소호제 분말들의 전자현미경(SEM) 사진을 각각 보인다.
이러한 세라믹 소호제 분말은 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. 이러한 소호제(5)는 상기 퓨즈 엘리먼트(1)를 에워싸도록 분포한다. 상기 실리카는 융점이 약 1,713℃이고 전기절연성이 1×1013Ω·㎝ 이상으로서 우수하며 열전도도가 1.4W/m·K로 낮은 절연성 소재로서 퓨즈용 소호제로서 널리 사용된다.
특히, 위와 같이 내부 장입되는 종래의 실리카 소호제(5)로서는 대략 150㎛~1㎜ 범위 입경의 실리카 원료분말이 그대로 사용되며, 따라서 이러한 분말형태의 실리카 소호제(5)는 구조적으로 내부 기공율이 높고 충진율이 낮을 수밖에 없다. 따라서, 종래의 실리카 소호제 분말은 상기 퓨즈 엘리먼트(1)로부터의 열전달을 위한 접촉면적이 작고 입자간 열전달 효율이 낮아 결국 상기 퓨즈 엘리먼트(1)의 용단시 발생한 아크 열에너지의 빠른 전달이 어렵다는 구조적 문제를 갖는다. 더구나, 부정형의 분말형태이므로, 이를 작은 장입공(6)을 통해 케이스(2) 내부로 주입되는 공정이 까다롭고 분진과 오염이 발생한다.
고전압 DC 퓨즈의 바람직한 동작에서, 상기 퓨즈 엘리먼트(1)의 용단시 발생하는 초기 1차 아크 열 에너지는 빠르게 흡수하면서도, 외부 케이스(2)로의 후속적인 2차 열 전달은 최대한 억제함으로써 퓨즈 주변의 2차 발화를 방지하는 형태의 소호제가 요청된다.
최근 적용되는 DC 퓨즈는 점차 대용량(예컨대, 정격 300A·450V급 이상)의 차단능력이 요구되고 있으나, 위와 같은 종래의 분말형 세라믹 소호제(5)로 구성한 고전압 DC 퓨즈로는 상기 퓨즈 엘리먼트(1)의 용단시 발생한 아크 열에너지의 빠른 흡수와 확고한 용단절연 기능을 보장할 수가 없다.
1. 공개특허공보 제10-2019-0003083호 (2019,01.09 공개) 2. 공개특허공보 제10-2019-0113230호 (2019.10.08 공개) 3. 공개특허공보 제10-2019-0118787호 (2019.10.21 공개)
따라서, 본 발명은 높은 차단용량에 대한 신속한 용단 절연특성과 퓨즈 내부에서 효과적인 아크 열 에너지의 흡수 및 열전달 제어능력을 제공할 수 있고 제조공정이 손쉽고 분진과 오염이 발생할 염려가 없는 고전압 퓨즈 장치 및 그의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
위 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 의한 퓨즈 장치의 제조방법은, 케이스와, 상기 케이스의 양 단부를 통해 외부와 전기적으로 연결되도록 상기 케이스 내부에 길이연장되어 배치된 퓨즈 엘리먼트를 준비하고, 상기 케이스 내에서 상기 퓨즈 엘리먼트를 접촉하며 에워싸도록 소호제를 상기 케이스 내에 장입한 후, 상기 케이스를 밀봉하는 것을 포함하고, 특히 상기 소호제는 하기 단계들을 포함하는 공정으로 제조된다:
(i) 평균입경이 0.1~5 ㎛ 범위의 소호제 원료 미분말들과 1종 이상의 씨드 금속원소를 함유하는 씨드 분말들을 혼합하는 단계; 및
(ii) 상기 소호제 원료 미분말들과 씨드 분말들의 혼합물을 열처리하여 고상반응을 통해 상기 씨드 금속원소를 상기 소호제 원료 미분말들 내부로 확산시킴으로써 상기 소호제 원료 미분말들의 적어도 일부가 응집되고 입성장하여 평균입경이 50~500 ㎛ 범위로 조대화된 소호제 응집 조립자들을 형성하는 단계.
이때, 또한 선택적으로, 상기 소호제 원료 미분말의 조성은 실리카(SiO2)일 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 씨드 분말은, Na, K, Li, B, Bi, Ca, Ba, Zn 및 Cu 중의 하나 이상을 포함하는 금속산화물(MO) 분말 또는 금속카보네이트(MO-CO2) 분말, TEOS(tetra-orthosilicate), 붕산(H3BO3), 규산나트륨(Na2SiO3, Na4SiO4, Na6Si2O7), 및 규산나트륨 수화물(Na2SiO3·xH2O)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 혼합물에서 상기 씨드 분말의 함량은 상기 소호제 원료 미분말의 함량대비 15~50 vol% 범위로 될 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 씨드 분말의 조성은 융점이 상기 소호제 원료 미분말의 융점보다 낮도록 선택될 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 씨드 분말의 조성은 상기 소호제 원료 미분말과의 반응물질의 전기저항값이 1×109Ω 이상이 되도록 선택될 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 열처리는 500~1000℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 단계 (i)에서의 상기 혼합은 건식 혼합일 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 퓨즈 장치의 제조방법은, 상기 단계 (ii) 이후에, 형성된 상기 소호제 응집 조립자들은 시빙되어 사전 결정된 평균입경을 갖는 하나 이상의 군으로 분급되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 퓨즈 장치의 제조방법은, 상기 응집되지않고 잔존하거나 또는 상기 분급되지않고 잔존하는 상기 소호제 원료 미분말들은 회수되어 재사용되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
또한, 본 발명의 다른 일 측면에 의한 퓨즈 장치는, 케이스와, 상기 케이스 내에 위치되고 상기 케이스의 양 단부를 통해 외부와 전기적으로 연결되어 외부로부터 과전류의 인가시 용단되는 퓨즈 엘리먼트와, 상기 케이스 내에서 상기 퓨즈 엘리먼트를 접촉하며 에워싸도록 장입되고 상기 퓨즈 엘리먼트의 용단시 발생하는 열 에너지를 흡수하는 소호제를 포함하고, 특히 상기 소호제는, Na, K, Li, B, Bi, Ca, Ba, Zn 및 Cu 중의 하나 이상의 금속원소가 분포되어있는 실리카(SiO2) 기지상이고, 각각 0.1~5 ㎛ 범위의 평균입경을 갖는 실리카 미립자들이 서로 3차원적으로 연결되면서 응집되어 구성한 50~500 ㎛ 범위의 평균입경을 갖는 실리카 조립자들을 포함한다.
이때, 또한 선택적으로, 상기 실리카 조립자들은 4~35% 범위의 기공율을 갖는 다공성일 수 있다.
본 발명에 따라 소호제 응집 조립자로 제조되어 퓨즈 내에서 퓨즈 엘리먼트를 접촉하며 에워싸도록 장입되는 소호제는 다음의 우수한 이점을 갖는다:
첫째로, 종래의 부정형 소호제 분말과는 달리, 장입공을 통한 퓨즈 케이스 내로의 장입과정이 손쉽고 분진과 오염이 발생될 염려가 없다.
둘째로, 본 발명의 소호제 응집 조립자들은 다공성으로 형성되어 외부적으로는 과립들간에 서로 접촉하는 비표면적이 증대될 뿐만 아니라, 내부적으로는 각 내부 미립자들이 서로간에 물리적으로 직결된 3차원 네킹을 이루어, 전체적으로 열전달 면적이 극대화된다. 따라서, 본 발명의 소호제 응집 조립자들은 이러한 미세구조로 인해 상기 퓨즈 엘리먼트에서의 아크 용단시 발생한 열 에너지를 주변으로 신속하게 흡수할 수 있다.
셋째로, 소호제 응집 조립자들의 다공성 구상 구조로 인하여 자체로 흡수된 열이 퓨즈의 외장 케이스로 2차 용단열 전달되는 것을 효과적으로 억제함으로써 퓨즈 장치 주변 기기의 2차 발화가 차단된다.
도 1은 일반적인 고전압 DC 퓨즈의 개략 구조도이다.
도 2a는 도 1에 도시한 퓨즈 내부에 충진된 세라믹 소호제 분말의 분포상태를 보인 개요도이고, 도 2b는 도 1에 도시한 퓨즈 내 충진된 세라믹 소호제 분말들의 전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 본 발명에 따라 소호제 원료 미분말 베드 내에 씨드 분말이 혼합되어 분포하는 상태를 보이는 모식도이다.
도 4는 도 3의 분말들을 열처리함으로써 씨드 분말 내의 씨드 원소가 소호제 원료 미분말 베드로 확산하여 소호제 원료 미립자가 입성장된 상태를 보이는 모식도이다.
도 5는 본 발명 소호제 응집 조립자들의 제조방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6a~6b는 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 각 소호제 응집 조립자의 전자현미경 사진 및 EDS-원소분석 스펙트럼 결과를 보인다. 도 6a는 도 4의 베드(20)를 구성하는 소호제 원료 미분말로서 실리카 미분말을, 씨드 분말(40)로서 규산나트륨(Na2SiO3)을 각각 사용하였고, 도 6b는 도 4의 베드(20)를 구성하는 소호제 원료 미분말로서 실리카 미분말을, 씨드 분말(40)로서 붕산(H3BO3)을 각각 사용하였다.
도 7~8은 도 1에 도시한 고전압 DC 퓨즈 시제품의 케이스(도 1의 "2") 표면에서의 용단시험 전의 온도와 용단시험 후의 최종 용단온도를 적외선 온도측정기(FLIR사)로 측정한 온도-이미지 결과이다.
도 9는 도 7~8과 마찬가지로 도 1에 도시한 고전압 DC 퓨즈 시제품의 케이스(2) 표면에서의 용단시험 후의 최종 용단온도를 적외선 온도측정기(FLIR사)로 측정한 온도-이미지 결과이나, 다만 도 7~8보다 퓨즈 엘리먼트(1)에 인가되는 전력수준을 보다 더 증가시킨 결과 데이터이다.
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 가장 바람직하나, 본 발명의 "고전압 퓨즈 장치" 또는 "퓨즈 장치"는 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서의 설명기재 및 도면들을 기반으로 AC 퓨즈로도 응당 적용할 수 있을 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
전술했듯이, 고전압 퓨즈 장치에 있어서, 높은 인입 과전류에 의해 내부 퓨즈 엘리먼트의 용단시 발생하는 아크의 열 에너지는 주위에 충진된 소호제에 의하여 빠르게 흡수되어야 한다. 즉, 상기 퓨즈 엘리먼트의 초기 1차 아크 에너지는 빠르게 흡수하면서도, 상기 퓨즈 장치의 외부 케이스로의 후속적 2차 열 전달은 최대한 차단하여 상기 퓨즈 장치 주변의 2차 발화를 방지해야함이 바람직하다.
이를 달성할 수 있는 방안으로서, 본 발명에 따르면, 고전압 퓨즈에 사용되는 상기 소호제는 종래보다 입경이 훨씬 작은 원료 미립자들이 본 발명의 고상 확산 입성장 기구에 따라 응집되어 조대화된 소호제 응집 조립자들(aggregated coarse particles)로 형성된다.
이를 위해 본 발명에서 상기 소호제 응집 조립자들은 소호제 원료 미분말 베드에 씨드 분말을 혼합하여 열처리함으로써 유도된 고상반응에 따라 소호제 원료 미립자들이 확산 입성장됨으로써 제조된다.
도 3은 본 발명에 따라 소호제 원료 미분말 베드 내에 씨드 분말이 혼합되어 분포하는 상태를 보이는 모식도이고, 도 4는 도 3의 분말들을 열처리함으로써 씨드 분말 내의 씨드 원소가 소호제 원료 미분말 베드로 확산하여 소호제 원료 미립자가 입성장된 상태를 보이는 모식도이다.
도 3~4를 참조하면, 본 발명에 따라 씨드 분말(40)은 씨드(seed) 기능을 할 씨드 금속원소를 포함하는 금속산화물이나 카보네이트 미분말로 구성된다. 이러한 씨드 분말(40)은 소호제 원료 미분말과 혼합되어 상기 소호제 원료 미분말 베드(20) 내에 혼재되도록 배치된다.
이러한 소호제 원료 미분말 베드(20) 내의 씨드 분말(40)은 열처리 공정에 따라 유도된 고상반응을 통하여 상기 씨드 분말(40)에 함유된 상기 씨드 금속원소가 상기 소호제 원료 미분말 베드(20)로 확산됨으로써 상기 소호제 원료 미분말 베드(20)의 상기 소호제 원료 미립자들은 응집 및 입성장되어 조대화된 소호제 응집 조립자를 형성한다.
본 발명의 이러한 소호제 응집 조립자는 고상 확산 입성장에 따라 소호제 원료 미립자들이 응집되어 입성장되는 과정에서 상기 응집 조립자를 이루는 내부 미립자들이 서로 3차원적으로 연결되며 다공성 조직을 형성한다.
본 발명에서 소호제 응집 조립자들은 다공성으로 형성되므로, 외부적으로는 상기 조립자들간에 서로 접촉하는 비표면적이 증대될 뿐만 아니라, 내부적으로는 각 조립자 내부의 미립자들이 서로간에 물리적으로 직결된 3차원 네킹을 이루어, 전체적으로 열전달 면적이 극대화된다.
따라서, 본 발명 소호제 응집 조립자들은 이러한 미세구조로 인해, 퓨즈 케이스(도 1의 "2") 내에 장입시 이들이 에워싸고있는 상기 퓨즈 엘리먼트(도 1의 "1")에서의 아크 용단시 발생한 열 에너지를 주변으로 신속하게 흡수할 수 있다. 아울러, 본 발명 소호제 응집 조립자들의 다공성 구조로 인하여 자체로 흡수된 열이 퓨즈의 외장 케이스(도 1의 "2")로 2차 용단열 전달되는 것을 효과적으로 억제함으로써 퓨즈 장치 주변 기기의 2차 발화가 효과적으로 차단된다.
본 발명에 따른 소호제 응집 조립자의 바람직한 평균입경(D50)은 대략 50~500 ㎛, 더 바람직하게는 대략 100~500 ㎛ 크기이다.
또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 베드(20)를 구성하여 상기 씨드 금속원소의 확산에 의해 적어도 일부가 상기 조대화된 소호제 응집 조립자로 성장하는 소호제 원료 미분말의 조성은 실리카(SiO2)이다. 이러한 실리카는 화학적으로 안정하고 전기 절연성이 우수하며 원료의 단가도 기타 금속 산화물 소재에 비해 상대적으로 싸고 공급이 원활한 이점을 갖는다.
위와 같은 본 발명 소호제 응집 조립자들은 도 5와 같은 공정으로 제조될 수 있다. 도 5는 본 발명 소호제 응집 조립자들의 제조방법을 설명하는 흐름도이다. 각 제조공정을 도 3~5를 참조하여 설명하면, 다음과 같다:
(i) 먼저, 본 발명에 따라, 평균입경이 대략 0.1~5 ㎛ 범위의 소호제 원료 미분말과 평균입경이 대략 0.5~50 ㎛ 범위의 씨드 분말을 건식혼합한다(S510).
이로써, 도 3에 도시하듯이 내화갑(refractory sagger) 등의 내화물 용기(100) 내에 수용되어 상기 소호제 원료 미분말은 베드(20)를 구성하며, 상기 씨드 분말(40)은 이러한 소호제 원료 미분말 베드(20) 내에 혼재하게된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 소호제 원료 미분말은 실리카 조성이고, 순수 실리카 미분말과, 알루미늄 실리케이트, 마그네슘 실리케이트 및 칼슘 실리케이트 등의 실리카계 화합물 미분말로 이루어진 군에서 하나 이상 선택된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 씨드 분말(40)은, Na, K, Li, B, Bi, Ca, Ba, Zn 또는 Cu 등을 포함하는 금속산화물(MO) 또는 금속카보네이트(MO-CO2) 미분말과, TEOS(tetra-orthosilicate), 붕산(H3BO3), 및 규산나트륨(Na2SiO3, Na4SiO4, Na6Si2O7 등)과 규산나트륨 수화물(Na2SiO3·xH2O)를 포함하는 실리카계 복합체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 미분말일 수 있다.
또한, 상기 씨드 분말(40)은 융점이 적어도 상기 소호제 원료 미분말(20)의 융점보다 낮아야하며, 상기 융점이 낮을수록 에너지 절약측면에서 유리하다. 또한, 상기 씨드 분말(40)은 고상반응 열처리 이후 소호제 원료 미분말(20)과의 반응물질이 전기절연성이 충분히 확보됨이 바람직하며, 바람직하게는 1×109Ω 이상이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 혼합되는 상기 씨드 분말(40)의 함량은 상기 소호제 원료 미분말(20)의 함량대비 15~50 vol%이고, 바람직하게는 25~30 vol%이다. 만일 상기 씨드 분말(40)의 함량이 상한값을 초과하여 혼합되는 경우, 고상반응 중에 성장한 응집입자들끼리 상호 접촉되어 지나치게 거대한 응집입자를 형성하여버리며, 이 경우 이러한 거대 응집입자들의 파쇄공정이 추가로 필요하게된다. 아울러, 반대로 상기 씨드 분말(40)의 함량이 하한값 미만으로 혼합되면, 응집입자들의 생성 수율이 저하된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 건식혼합은 바람직하게는 V-믹서가 사용될 수 있고, 이는 V자 형태의 챔버가 회전하면서 중력과 원심력의 작용으로 교류 낙하를 반복하며 원주의 교차점에서 결집과 분리를 반복하여 내부 분말을 혼합하는 방식으로, 타 믹서에 비해 분말입자의 상이함에 관계없이 균일한 혼합이 가능하다.
(ii) 그리고, 상기 (i)단계에 이어, 상기 소호제 원료 미분말 및 씨드 분말의 혼합물을 대략 500~1000℃, 더 바람직하게는 600~800℃ 범위로 열처리함으로써 조대화된 소호제 응집 조립자를 제조한 후(S530), 시빙(sieving)되어 사전 결정된 평균입경을 갖는 소호제 응집 조립자들로 분급된다(S550).
이러한 열처리에 의해 유도되는 고상반응을 통하여 상기 씨드 분말(40)에 함유된 상기 씨드 금속원소가 상기 소호제 원료 미분말 베드(20)로 확산되고, 이로써 상기 소호제 원료 미분말 베드(20)의 상기 소호제 원료 미립자들은 응집되어 입성장됨으로써 최종적으로 조대화된 소호제 응집 조립자를 형성한다(도 4). 일 실시예에서, 고상반응 이전에 평균입경이 대략 0.1~5 ㎛ 범위였던 소호제 원료 미분말은 본 발명의 이러한 고상 확산 입성장 기구에 따라 응집됨으로써 평균입경이 대략 50~500 ㎛의 조대화된 소호제 응집 조립자로 성장할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 응집되지않고 남아있거나 또는 상기 시빙후 분급되지않은 상기 소호제 원료 미분말은 회수하여 재사용가능하다(S570). 따라서, 본 발명의 이러한 리사이클링으로 인해 원료단가가 절감될 수 있고 산업폐기물의 발생이 거의 없어 자원절감 및 친환경적이다.
도 6a~6b는 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 각 소호제 응집 조립자의 전자현미경 사진 및 EDS-원소분석 스펙트럼 결과를 보인다. 도 6a는 도 4의 베드(20)를 구성하는 소호제 원료 미분말로서 실리카 미분말을, 씨드 분말(40)로서 규산나트륨(Na2SiO3)을 각각 사용하였고, 도 6b는 도 4의 베드(20)를 구성하는 소호제 원료 미분말로서 실리카 미분말을, 씨드 분말(40)로서 붕산(H3BO3)을 각각 사용하였다.
도 6a~6b의 각 EDS-원소분석 스펙트럼(B)을 보면, 실리카 기지상에 각각 씨드 금속원소인 B와 Na가 균일하게 분포되어있음을 알 수 있다. 이는 전술했듯이 상기 씨드 분말(40) 내 B와 Na 등의 씨드 금속원소가 상기 소호제 원료 미분말 베드(20)로 확산되고 상기 소호제 원료 미분말 베드(20)의 상기 소호제 원료 미립자들이 응집 및 입성장됨으로써 조대화된 소호제 응집 조립자로 형성되었기 때문이다(도 3~4).
특히, 도 6a~6b의 각 전자현미경 사진(A)을 보면, 씨드 금속원소 B가 확산되어 응집/조대화된 B-소호제 응집 조립자는 섬유상 다공성 조직이 응집되어있음이 관찰된다. 그리고, 씨드 금속원소 Na가 확산되어 응집/조대화된 Na-소호제 응집 조립자는 대체로 구상의 미립자들이 서로간에 3차원적으로 연결되어있는 다공성 조직이 관찰된다. 본 발명의 실시예들에서, 제조된 소호제 응집 조립자는 대략 4~35% 범위의 기공율을 갖는 다공성이다.
하기 표 1은 종래의 부정형 실리카 소호제 분말(비교예)과 본 발명의 실리카 소호제 응집 조립자(실시예 1~3)를 도 1에 도시한 밀폐형 DC 퓨즈 구조에서 각각 내부 충진하여 제조한 각 고전압 DC 퓨즈 시제품의 부하단락시험 결과를 보인다.
용단시험
(부하조건)		 용단지연시간(sec)
비교예
(D50: 350㎛)		 실시예 1
B-소호제 응집
조립자
(D50: 100~300㎛)		 실시예 2
Na-소호제 응집
조립자
(D50: 100~300㎛)		 실시예 3
Na-소호제 응집
조립자
(D50: 300~500㎛)
210% 0.852 2.463 1.977 1.417
400% 0.161 0.171 0.171 0.173
1,000% 0.015 0.019 0.020 0.019
표 1에서 본 발명의 실리카 소호제 응집 조립자(실시예 1~3)는, 앞서 도 6a~6b와 마찬가지로, Na-소호제 응집 조립자는 도 4의 베드(20)를 구성하는 소호제 원료 미분말로서 실리카 미분말을, 씨드 분말(40)로서 규산나트륨(Na2SiO3)을 각각 사용한 것이고, B-소호제 응집 조립자는 도 4의 베드(20)를 구성하는 소호제 원료 미분말로서 실리카 미분말을, 씨드 분말(40)로서 붕산(H3BO3)을 각각 사용한 것이다. 또한, 표 1에서 상기 종래의 부정형 실리카 소호제 분말은 평균입경(D50)이 350㎛인 부정형 실리카 분말이다. 또한, 본 발명 실시예 2와 3은 둘 다 Na-소호제 응집 조립자이나 평균입경(D50)만이 서로 다르다.
또한, 표 1의 용단 단락시험에서 적용된 밀폐형 DC 퓨즈의 사양은 300A급이고, 퓨즈 엘리먼트(1)는 0.07㎜ 두께의 황동 플레이트가 사용되었다. 부하단락시험은 800V/8000A DC 전원을 사용하여 IEC-60269 규격에 의거하여 시험하였다.
일반적으로 대용량 이차전지 DC 회로 보호소자에 적용되는 메인퓨즈의 경우 단락 응답 시간이 짧으면 좋으나, 본 발명과 같이 2차 회로보호소자용으로서의 고전압 DC 퓨즈로 사용될 경우, 단락 용단지연시간이 되도록 길수록 바람직하다.
즉, 표 1을 참조하면, 210% 부하조건의 용단 단락시험에서, 용단지연시간은, 종래의 부정형 소호제 분말을 사용한 퓨즈 시제품의 경우에는 0.852초인 반면, 본 발명 실시예 1(B-소호제 응집 조립자)의 경우에는 2.463초로서, 본 발명에 따른 용단지연이 종래의 부정형 소호제 분말 대비 거의 3배로 크게 향상된 결과를 보여준다. 또한, 본 발명 실시예 2~3(Na-소호제 응집 조립자)의 경우에도, 용단지연시간이 각각 1.977초 및 1.417초로서 종래의 부정형 소호제 분말 대비 2배 이상 크게 향상되었다.
이러한 표 1의 결과로부터, 본 발명의 소호제 응집 조립자는 종래의 부정형 소호제 분말과 대비하여 퓨즈 엘리먼트에서의 아크 용단시 발생한 열 에너지를 신속하게 흡수하여 크게 용단지연시간을 증가시킴을 알 수 있다.
한편, 일반적으로 고전압 밀폐형 DC 퓨즈의 경우, 그의 운전 안전성을 위해서는, 높은 인입 과전류에 의한 아크 발생 열 에너지는 1차적으로 용단 엘리먼트(도 1의 "1")에서는 빠르게 확산되어야겠지만, 2차적으로는 퓨즈의 외장 세라믹 절연케이스(도 1의 "2")로의 열에너지 전달은 억제되어야 한다. 현재 상용인증 기준(IEC-60269)에 따르면, 퓨즈가 장착된 여러 기기들(예컨대, 전기자동차(EV), ESS(energy storage system) 등)에서 퓨즈 주변의 2차 발화가 억제되는 안정성을 보장하도록, 퓨즈 용단시 적어도 퓨즈 외부(즉, 세라믹 케이스(2)) 표면온도의 상승분이 85℃ 이하가 되어야 함이 요구된다.
도 7~8은 도 1에 도시한 고전압 DC 퓨즈 시제품의 케이스(도 1의 "2") 표면에서의 용단시험 전의 온도와 용단시험 후의 최종 용단온도를 적외선 온도측정기(FLIR사)로 측정한 온도-이미지 결과이다. 적용된 밀폐형 DC 퓨즈의 사양은 300A급이고, 퓨즈 엘리먼트(1)는 0.07㎜ 두께의 황동 플레이트가 사용되었다.
이때, 도 7은 종래 300㎛ 평균입경의 부정형 실리카 소호제 분말을 충진한 도 1에 도시한 고전압 DC 퓨즈 시제품에 대한 시험결과로서, (A)는 용단시험전의 온도-이미지이고 (B)는 최종 용단온도의 온도-이미지이다.
그리고, 도 8은 본 발명 실시예의 B-소호제 응집 조립자(D50: 300~500㎛)를 충진한 도 1의 고전압 DC 퓨즈 시제품에 대한 시험결과로서, (A)는 용단시험전의 온도-이미지이고 (B)는 최종 용단온도의 온도-이미지이다. 상기 B-소호제 응집 조립자 역시 도 4의 베드(20)를 구성하는 소호제 원료 미분말로서 실리카 미분말을, 씨드 분말(40)로서 붕산(H3BO3)을 각각 사용한 것이다.
도 7~8을 참조하면, 용단 전후 퓨즈 케이스(2)의 표면온도 변화값(A→B)은, 종래의 부정형 소호제 분말의 경우에는(도 7) 102.3℃인 반면, 본 발명 실시예의 경우는(도 8) 84.2℃로서 종래보다 크게 낮아졌다.
이와 같이 본 발명의 B-소호제 응집 조립자들은 최종용단시의 퓨즈 케이스(2)의 표면온도를 크게 저하시키고, 전술한 상용인증 기준(IEC-60269)의 조건(퓨즈 케이스 표면온도의 상승분이 85℃ 이하)을 충족시키므로, EV 등 고전압 DC 전력 시스템에서 퓨즈의 온도 안정성을 보장하는데 효과적으로 적용될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 9는 도 7~8과 마찬가지로 도 1에 도시한 고전압 DC 퓨즈 시제품의 케이스(2) 표면에서의 용단시험 후의 최종 용단온도를 적외선 온도측정기(FLIR사)로 측정한 온도-이미지 결과이나, 다만 도 7~8보다 퓨즈 엘리먼트(1)에 인가되는 전력수준을 보다 더 증가시킨 결과 데이터이다. 이에 적용된 밀폐형 DC 퓨즈의 사양은 400A급이고, 퓨즈 엘리먼트(1)는 0.18㎜ 두께의 황동 플레이트가 사용되었다.
도 9에서, (A)는 평균입경(D50)이 350㎛인 종래 부정형 실리카 소호제 분말을 적용한 퓨즈의 최종 용단온도의 온도-이미지이고, (B)는 평균입경(D50)이 100㎛ 이하인 본 발명 실시예의 Na-소호제 응집 조립자들을 적용한 퓨즈의 최종 용단온도의 온도-이미지이고, (C)는 평균입경(D50)이 100~300㎛인 본 발명 실시예의 B-소호제 응집 조립자들을 적용한 퓨즈의 최종 용단온도의 온도-이미지이다. 이때, 역시 앞서와 마찬가지로, 상기 Na-소호제 응집 조립자는 도 4의 베드(20)를 구성하는 소호제 원료 미분말로서 실리카 미분말을, 씨드 분말(40)로서 규산나트륨(Na2SiO3)을 각각 사용한 것이고, B-소호제 응집 조립자는 도 4의 베드(20)를 구성하는 소호제 원료 미분말로서 실리카 미분말을, 씨드 분말(40)로서 붕산(H3BO3)을 각각 사용하였다.
또한, 도 9와 같은 조건하에서 본 발명 소호제 응집 조립자들의 평균입경을 다양하게 변화시키면서 도 1의 고전압 DC 퓨즈 시제품에 적용하고 케이스(2) 표면에서의 용단시험 전과 후의 최종 용단온도를 측정한 결과를 아래 표 2에 보인다.
시료구분 비교예
(D50:
350㎛)		 Na-소호제 응집 조립자 B-소호제 응집 조립자
D50:
≤100㎛		 D50: 100~300㎛ D50: 300~500㎛ D50:
≤100㎛		 D50: 100~300㎛ D50: 300~500㎛
열전달
최종온도
(℃)		 146 129 131 126 130 145 142
표 2에서 역시, 상기 Na-소호제 응집 조립자는 도 4의 베드(20)를 구성하는 소호제 원료 미분말로서 실리카 미분말을, 씨드 분말(40)로서 규산나트륨(Na2SiO3)을 각각 사용하였고, 상기 B-소호제 응집 조립자는 도 4의 베드(20)를 구성하는 소호제 원료 미분말로서 실리카 미분말을, 씨드 분말(40)로서 붕산(H3BO3)을 각각 사용하였다.
도 9와 표 2를 보면, 역시 마찬가지로 본 발명의 Na-소호제 응집 조립자와 B-소호제 응집 조립자를 적용할 경우, 종래의 부정형 소호제 분말의 적용시보다 최종 용단시의 퓨즈케이스 표면온도가 상대적으로 낮아지는 안정성을 보였다. 또한, 씨드 조성에 대한 효과를 보면, Na-소호제 응집 조립자가 B-소호제 응집 조립자모다 더 양호한 단열효과를 나타냄이 관찰된다.
위와 같이, 본 발명은 고전압 퓨즈 내의 퓨즈 엘리먼트를 에워싸도록 충진되는 소호제로서, 종래의 부정형 소호제 분말보다 입경이 훨씬 더 작은 원료 미립자들이 본 발명의 고상 확산 입성장 기구에 따라 응집되어 조대화된 소호제 응집 조립자들로 형성된다.
본 발명에서, 상기 고상 확산 입성장 기구에 따라, 소호제 원료 미분말로 구성된 소호제 원료 미분말 베드 내에 혼재된 씨드 분말은 열처리됨으로써 유도된 고상반응을 통하여 상기 씨드 분말에 함유된 씨드 금속원소가 상기 소호제 원료 미분말 베드로 확산하고 이에 따라 상기 소호제 원료 미분말 베드의 상기 소호제 원료 미립자들이 응집 및 입성장되어 상기 조대화된 소호제 응집 조립자로 제조된다.
본 발명의 이러한 소호제 응집 조립자는 고상 확산 입성장에 따라 소호제 원료 미립자들이 응집되어 입성장되는 과정에서 상기 응집 조립자를 이루는 미립자들이 서로 3차원적으로 연결되며 다공성 조직을 형성한다.
본 발명의 이러한 소호제 응집 조립자는 다음의 우수한 이점을 갖는다:
첫째로, 종래의 부정형 소호제 분말과는 달리, 장입공(도 1의 "6")을 통한 퓨즈 케이스(도 1의 "2") 내로의 장입과정이 손쉽고 분진과 오염이 발생될 염려가 없다.
둘째로, 본 발명의 소호제 응집 조립자들은 다공성으로 형성되어 외부적으로는 과립들간에 서로 접촉하는 비표면적이 증대될 뿐만 아니라, 내부적으로는 각 내부 미립자들이 서로간에 물리적으로 직결된 3차원 네킹을 이루어, 전체적으로 열전달 면적이 극대화된다. 따라서, 본 발명의 소호제 응집 조립자들은 이러한 미세구조로 인해 상기 퓨즈 엘리먼트에서의 아크 용단시 발생한 열 에너지를 주변으로 신속하게 흡수할 수 있다.
셋째로, 소호제 응집 조립자들의 다공성 구상 구조로 인하여 자체로 흡수된 열이 퓨즈의 외장 케이스(도 1의 "2")로 2차 용단열 전달되는 것을 효과적으로 억제함으로써 퓨즈 장치 주변 기기의 2차 발화가 차단된다.
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: 퓨즈 엘리먼트
2: 케이스
3: 외부단자
4: 금속제 캡
5: 소호제
6: 소호제 장입공
7: 밀봉재

Claims (12)

  1. 케이스와, 상기 케이스의 양 단부를 통해 외부와 전기적으로 연결되도록 상기 케이스 내부에 길이연장되어 배치된 퓨즈 엘리먼트를 준비하고, 상기 케이스 내에서 상기 퓨즈 엘리먼트를 접촉하며 에워싸도록 소호제를 상기 케이스 내에 장입한 후, 상기 케이스를 밀봉하는 것을 포함하는 퓨즈 장치의 제조방법에 있어서,
    상기 소호제는
    (i) 평균입경이 0.1~5 ㎛ 범위의 소호제 원료 미분말들과 1종 이상의 씨드 금속원소를 함유하는 씨드 분말들을 혼합하는 단계; 및
    (ii) 상기 소호제 원료 미분말들과 씨드 분말들의 혼합물을 열처리하여 고상반응을 통해 상기 씨드 금속원소를 상기 소호제 원료 미분말들 내부로 확산시킴으로써 상기 소호제 원료 미분말들의 적어도 일부가 응집되고 입성장하여 평균입경이 50~500 ㎛ 범위로 조대화된 소호제 응집 조립자들을 형성하는 단계를
    포함하는 공정으로 제조되는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소호제 원료 미분말의 조성은 실리카(SiO2)인 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 씨드 분말은, Na, K, Li, B, Bi, Ca, Ba, Zn 및 Cu 중의 하나 이상을 포함하는 금속산화물(MO) 분말 또는 금속카보네이트(MO-CO2) 분말, TEOS(tetra-orthosilicate), 붕산(H3BO3), 규산나트륨(Na2SiO3, Na4SiO4 또는 Na6Si2O7), 및 규산나트륨 수화물(Na2SiO3·xH2O)으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 혼합물에서 상기 씨드 분말의 함량은 상기 소호제 원료 미분말의 함량대비 15~50 vol% 범위로 되는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 씨드 분말의 조성은 융점이 상기 소호제 원료 미분말의 융점보다 낮도록 선택되는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 씨드 분말의 조성은 상기 소호제 원료 미분말과의 반응물질의 전기저항값이 1×109Ω 이상이 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열처리는 500~1000℃ 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 단계 (i)에서의 상기 혼합은 건식 혼합인 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 단계 (ii) 이후에, 형성된 상기 소호제 응집 조립자들은 시빙되어 사전 결정된 평균입경을 갖는 하나 이상의 군으로 분급되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 응집되지않고 잔존하거나 또는 상기 분급되지않고 잔존하는 상기 소호제 원료 미분말들은 회수되어 재사용되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치의 제조방법.
  11. 케이스와, 상기 케이스 내에 위치되고 상기 케이스의 양 단부를 통해 외부와 전기적으로 연결되어 외부로부터 과전류의 인가시 용단되는 퓨즈 엘리먼트와, 상기 케이스 내에서 상기 퓨즈 엘리먼트를 접촉하며 에워싸도록 장입되고 상기 퓨즈 엘리먼트의 용단시 발생하는 열 에너지를 흡수하는 소호제를 포함하는 퓨즈 장치에 있어서,
    상기 소호제는, Na, K, Li, B, Bi, Ca, Ba, Zn 및 Cu 중의 하나 이상의 금속원소가 분포되어있는 실리카(SiO2) 기지상이고, 각각 0.1~5 ㎛ 범위의 평균입경을 갖는 실리카 미립자들이 서로 3차원적으로 연결되면서 응집되어 구성한 50~500 ㎛ 범위의 평균입경을 갖는 실리카 조립자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 실리카 조립자들은 4~35% 범위의 기공율을 갖는 다공성인 것을 특징으로 하는 퓨즈 장치.
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