열응동 개폐기 및 그 제조방법

열응동 개폐기 및 그 제조방법{THERMORESPONSIVE SWITCH AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은 밀폐형 전동 압축기의 내부에 보호 장치로서 설치되는 열응동(熱應動) 개폐기 및 그 열응동 개폐기의 제조 방법에 관한 것이다.

이러한 종류의 열응동 개폐기는, 금속제의 하우징과 덮개판으로 이루어지는 밀폐용기의 내부에 소정의 온도에서 그 만곡 방향이 반전하는 열응동 판을 구비하고 있다. 덮개판에는 도전 단자 핀이 삽통(揷通)되고, 유리 등의 전기 절연성 충전재에 의해 기밀하게 고정되어 있다. 이 도전 단자 핀의 밀폐용기 내의 선단부에는 직접적으로 또는 지지체 등을 통해서 간접적으로 고정 접점이 설치되어 있다. 또한, 열응동 판의 일단은 지지체 등을 통해서 밀폐용기의 내면에 접속 고착되어 있다. 또한, 열응동 판의 타단에는 가동 접점이 고착되어 있다. 이 가동 접점은 고정 접점과 함께 개폐 접점을 구성하고 있다.

이 열응동 개폐기는 밀폐형 전동 압축기의 밀폐 하우징 내에 설치되어서 압축기용 전동기의 보호 장치, 이른바 써멀 프로텍터(thermal protector)로서 이용된다. 그리고 열응동 개폐기 주변이 비정상적인 고온이 되었을 때, 혹은 전동기에 비정상적인 전류가 흘러서 열응동 개폐기의 내부가 비정상적인 고온이 되었을 때에, 열응동 판이 반전(反轉)하여 접점 사이가 개방되고, 이로 인해 비(非) 통전(通電) 상태가 된다. 한편, 온도가 소정 값 이하로 저하되면, 열응동 판이 복귀하여 다시 접점 사이가 닫히고 이로 인해 통전 상태가 된다.

그런데, 열응동 개폐기에 있어서는, 외부 온도를 내부에 신속히 반영시키거나, 혹은 내부의 온도를 외부로 신속하게 나가게 함으로써 열응동 판을 적절한 온도로 동작시키는 것이 바람직하다. 그러나, 예를 들면 도 9 및 도 10에서와 같이, 종래의 열응동 개폐기(100)에 있어서는, 밀폐용기(102)를 구성하는 덮개판(104)의 외측의 대부분의 면이 피복재인 전기 절연성의 수지(121)에 의해서 덮인 상태가 되고, 이 수지(121)에 의해서 밀폐용기(102)의 열 전달성이 현저히 저해되어버린다. 그래서 열응동 개폐기의 본체부를 구성하는 밀폐용기의 열 전달성을 향상하는 기술의 개발이 요구되고 있다. 또한, 이러한 종류의 전기 절연성 수지는, 덮개판과 도전 단자 핀과의 절연 거리를 확보하기 위해서 이들 덮개판 및 도전 단자 핀을 덮도록 마련된다. 그리고, 본 발명의 기술 분야에 관련된 이른바 인터널 프로텍터(Internal Protector)에서는, 최소 2mm의 절연 거리(沿面距離)가 요구된다. 그러나, 도전 단자 핀을 고정하는 충전재만으로는 2mm의 절연 거리를 확보하는 것이 곤란하다. 그래서, 이런 종류의 전기 절연성 수지를 마련함으로써 필요한 절연 거리를 확보하도록 하고 있다.

본 발명의 목적은, 절연 거리를 확보하기 위한 전기 절연성의 수지를 마련하면서도 밀폐용기의 열 전달성을 향상시킬 수 있는 열응동 개폐기를 제공하는 것이다.

본 발명의 열응동 개폐기는, 도전 단자 핀이 고정되는 관통홀이 덮개판을 외방으로 돌출시킨 통 형상부로 구성되어 있으며, 그 통 형상부와 충전재와 도전 단자 핀만이 전기 절연성의 수지로 덮여 있는 것을 가장 주요한 특징으로 한다.

이로써 밀폐 용기를 구성하는 덮개판의 외측의 대부분의 면이 아니라 통 형상부의 단부(端部)를 포함한 극히 일부만이 수지에 의해서 덮인다. 따라서, 덮개판의 외측의 대부분의 면이 수지로 덮인 종래 기술에 비해서 열응동 개폐기의 본체부를 구성하는 밀폐용기의 열 전달성을 현격히 향상할 수 있다. 또한, 관통홀은 덮개판을 외방으로 돌출시킨 통 형상부에 의해 구성되어 있기 때문에 충전재(유리)의 두께를 유지할 수 있다. 이로써 도전 단자 핀이 설치되는 부분의 강도를 유지하면서, 덮개판의 대부분의 판 두께를 얇게 할 수 있고, 따라서 밀폐용기의 열 전달성을 현격히 향상할 수 있다. 또한, 덮개판에서 통 형상부가 돌출되어 있는 만큼, 덮개판 전체로서의 표면적, 즉 전열(傳熱) 면적이 늘어나므로 이에 따라서도 밀폐용기의 열 전달성의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 열응동 개폐기에 따르면, 수지를 형성하는 수지 재료의 용융 전의 형상은, 내경이 도전 단자 핀의 외경보다 크고, 외경이 통 형상부의 외경에 2mm를 더한 치수보다 작은 형상으로 하면 좋다. 이로 인해 용융한 수지 재료가 통 형상부의 단부에 있어서 표면 장력에 의해 머무르게 되고, 그 이상 퍼지지 않게 된다. 따라서, 확실하게 통 형상부의 단부를 포함한 도전 단자 핀 부분을 수지에 의해서 덮을 수 있으며 나아가서는 밀폐용기의 열 전달성을 확실히 향상할 수 있다. 또한, 용융 전의 수지 재료의 외경은, 통 형상부의 외경에 최대 2mm를 더한 치수보다 작은 치수이면 좋지만, 더 바람직하게는 통 형상부의 외경에 1mm를 더한 치수보다 작은 형상이면 좋다. 또한, 용융 전의 수지 재료의 외경은, 통 형상부의 외경에서 2mm를 감한 치수보다 큰 형상인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 열응동 개폐기에 따르면, 도전 단자 핀은, 구리를 심재(芯材)로 한 구성이고 열 전달성이 우수한 구성이기 때문에 이 도전 단자 핀을 통해서도 열의 전달이 이루어지게 되어 열 전달성의 향상을 한층 더 도모할 수 있다.

도 1은, 일 실시형태와 관련한 열응동 개폐기의 종단면도이고,
도 2는, 도 1에 나타내는 II-II선을 따른 열응동 개폐기의 횡단면도이고,
도 3은, 열응동 개폐기의 측면도이고,
도 4는, 열응동 개폐기의 평면도이고,
도 5는, 수지 재료를 용융하기 전의 상태를 나타내는 주요부의 확대도이고,.
도 6은, 보호 유닛의 외관도이고,
도 7은, 열응동 개폐기 및 보호 유닛의 설치 예를 나타내는 도면(예 1)이고,
도 8은, 열응동 개폐기 및 보호 유닛의 설치 예를 나타내는 도면(예 2)이고,
도 9는, 종래의 열응동 개폐기를 나타내는 도 1의 상당도이고,
도 10은, 종래의 열응동 개폐기를 나타내는 도 3의 상당도이다.

이하, 본 발명을 전동 압축기의 써멀 프로텍터(보호 장치)에 적용한 일 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1 내지 도 4에 나타내는 바와 같이, 열응동 개폐기(1)의 본체부를 구성하는 내압형(耐壓型)의 밀폐용기(2)는, 금속제의 하우징(3)과 덮개판(4)으로 구성되어 있다. 하우징(3)은 철판 등을 프레스로 드로잉 성형하여 만들어져 있고, 긴 방향의 양단부가 거의 구면(球面) 모양으로 성형되어 그 양단부를 잇는 중앙부가 반원 형상 단면을 갖도록 성형된 긴 돔 형상을 이루고 있다. 덮개판(4)은 철판을 타원형으로 성형하여 만들어져 있고, 하우징(3)의 개구단에 링 프로젝션 용접 등에 의해 기밀하게 봉착되어 있다.

밀폐용기(2)의 내측에는 금속판으로 만들어진 지지체(5)를 통해서 열응동 판(6)의 일단이 접속 고정되어 있다. 이 열응동 판(6)은 바이메탈이나 트리메탈 등의 열에 의해서 변형하는 부재를 얕은 접시 모양으로 드로잉 성형한 것으로, 소정의 온도에 도달하면 그 만곡 방향이 갑작스럽게 반전하도록 되어 있다. 열응동 판(6)의 타단에는 가동 접점(7)이 고착되어 있다. 밀폐용기(2) 중 지지체(5)를 고정한 부분을 외측에서 찌그러뜨려 변형함으로써, 가동 접점(7)과 고정 접점(8)(후술함)과의 접촉 압력을 조정할 수 있고 열응동 판(6)의 반전 동작 온도를 소정 값으로 교정할 수 있다.

덮개판(4)에는 관통홀(4A, 4B)이 마련되어 있다. 이들의 관통홀(4A, 4B)에는 열 팽창 계수를 고려한 유리 등의 전기 절연성의 충전재(9)에 의해 각각 도전 단자 핀(10A, 10B)이 주지의 컴프레션 타입의 하메틱실에 의해 기밀하게 절연 고정되어 있다. 이들 도전 단자 핀(10A, 10B)은 구리를 심재로 한 클래드재(복합 금속재)로 구성되어 있다. 도전 단자 핀(10A) 중 밀폐용기(2) 내측에 위치하는 선단의 근방에는 접점 지지체(11)가 고착되어 있으며, 그 접점 지지체(11)에는 가동 접점(7)과 대향한 위치에 고정 접점(8)이 고착되어 있다.

도전 단자 핀(10B) 중 밀폐용기(2)의 내측에 위치하는 선단의 근방에는 발열체인 히터(12)의 일단이 고정되어 있다. 히터(12)의 타단은 덮개판(4)의 상면(내면)에 고정되어 있다. 이 히터(12)는 도전 단자 핀(10B)의 주위를 따라서 열응동 판(6)과 거의 평행하게 배치되어 있어서 히터(12)에 의한 발열이 열응동 판(6)에 효율적으로 전달되도록 되었다.

히터(12)에는, 단면적이 다른 부분보다 작은 용단부(溶斷部)(12A)(도2 참조)가 마련되어 있다. 제어 대상 기기인 압축기의 통상 운전시에는, 자세하게는 후술하는 전동기(204)(도8 참조)의 운전 전류로 용단부(12A)가 용단되는 일은 없다. 또한, 전동기(204)가 구속 상태가 되었을 때에는 단시간에 열응동 판(6)이 반전하여 접점(7,8) 사이를 개방하기 때문에, 이 경우도 용단부(12A)가 용단되는 일은 없다. 열응동 개폐기(1)가 장기간에 걸쳐 개폐를 반복하여 보증 동작 횟수를 초과하면, 가동 접점(7)과 고정 접점(8)이 용착하여 개리(開離) 불능이 되는 경우가 있다. 이 경우에 전동기(204)의 회전자가 구속되면, 과대한 전류에 의해 용단부(12A)의 온도가 상승하고 결국에는 용단에 이르기 때문에 전로(電路)가 확실하게 차단되어서 전동기(204)에 대한 통전을 확실하게 차단할 수 있다.

도전 단자 핀(10A, 10B)을 고정하고 있는 충전재(9) 상에는, 세라믹, 지르코니아(이산화지르코늄) 등으로 이루어지는 내열성 무기 절연 부재(13)가 빈틈없이 밀착해서 고정되어 있다. 이 내열성 무기 절연 부재(13)는, 미리 설정된 연면 방전에 대한 전기적 강도나 스패터에 대한 내열성 등의 물리적 강도를 고려한 형상으로 되어 있다. 그 결과, 히터(12)의 용단시에 발생하는 스패터가 내열성 무기 절연 부재(13)의 표면에 부착해도 충분한 절연성을 유지할 수 있어서, 용단부 간에 발생한 아크가 도전 단자 핀(10B)과 덮개판(4) 사이 또는 도전 단자 핀(10A, 10B) 사이에 전이되는 것을 방지할 수 있다.

전동기(204)에 흐르는 전류가 단시간의 기동 전류를 포함하여 통상적인 운전 전류인 경우에는, 열응동 개폐기(1)의 접점(7,8)은 닫힌 채이며, 이로써 도전 단자 핀(10A) - 고정 접점 지지체(11) - 고정 접점(8) - 가동 접점(7) - 열응동 판(6) - 열응동 판 지지체(5) - 하우징(3) - 덮개판(4) - 히터(12) - 도전 단자 핀(10B)으로 이루어지는 전로가 유지된다. 따라서, 전동기(204)에 대한 통전이 계속된다. 이에 대해 전동기(204)의 부하 증대로 통상보다 큰 전류가 계속해서 흐른 경우, 전동기(204)가 구속되어 매우 큰 구속 전류가 몇 초 이상 계속해서 흐른 경우, 자세하게는 후술하는 전동 압축기(201)의 내압 기밀용기(202) (밀폐형 하우징) 내의 냉매가 비정상인 고온이 되었을 경우 등에는, 열응동 판(6)의 만곡 방향이 반전해서 접점(7,8)이 열리고 상기 전로가 차단된다. 따라서, 전동기(204)에 대한 통전이 차단된다. 그 후, 열응동 개폐기(1)의 내부 온도가 저하하면, 열응동 판(6)은 만곡 방향을 다시 반전해서 접점(7,8)이 닫혀 전동기(204)에 대한 통전이 시작된다.

열응동 개폐기(1)에 있어서, 관통홀(4A, 4B)은, 예를 들면, 버링 가공에 의해서 덮개판(4)의 일부를 외방을 향해 통 형상(이 경우, 원통형상)으로 돌출시킨 통형상부(4Aa, 4Bb)에 의해 구성되어 있다. 그리고, 그 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 단부(선단부)와 충전재(9)와 도전 단자 핀(10A, 10B) 중 일부(충전재(9)의 근방 부분)만이, 피복재인 전기 절연성의 수지(21)에 의해서 덮여져 있다. 이 수지(21)로서는, 예를 들면 에폭시 수지 등의 열 경화성 수지가 사용되다. 또한, 수지(21)는 적어도 충전재(9)의 표면을 모두 덮을 필요가 있으며, 이 경우, 적어도 직경 3.6mm(φ 3.6mm) 이상의 구면(沿面)을 이루도록 형성하면 된다. 이로써 덮개판(4)과 도전 단자 핀(10A, 10B) 사이에 충분한 절연 거리(적어도 2mm 이상의 절연 거리)를 확보할 수 있다. 또한, 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 돌출량이나 지름 치수는 적절히 변경하여 설정할 수 있다.

다음으로, 이와 같이 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 단부와 충전재(9)와 도전 단자 핀(10A, 10B)의 일부만이 수지(21)에 의해서 덮인 열응동 개폐기(1)를 제조하는 제조 방법에 대해서 설명한다. 즉, 도 5에 나타내는 바와 같이, 덮개판(4)에서 외방을 향해 통 형상으로 돌출한 통 형상부(4Aa, 4Bb)에 의해서 형성된 관통홀(4A, 4B)에는 도전 단자 핀(10A, 10B)이 삽통되고, 그리고 이들 도전 단자 핀(10A, 10B)이 충전재(9)에 의해 절연 고정된다. 그리고 이 상태의 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 단부에 수지 재료의 일례인 둥근 고리(圓環) 형상의 수지 펠릿(21A)이 배치된다. 그리고 이 수지 펠릿(21A)을 용융해서 고화시킴으로써 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 단부와 충전재(9)와 도전 단자 핀(10A, 10B)의 일부만이 수지(21)에 의해서 덮인 열응동 개폐기(1)가 제조된다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 이 수지 펠릿(21A)은, 소정의 두께(예를 들어 1mm)를 가진 둥근 고리 형상으로 형성되어 있다. 그리고, 이 수지 펠릿(21A)의 내경(D1)은 적어도 도전 단자 핀(10A, 10B)의 외경(D2)보다 크게 형성되어 있다. 이 경우, 수지 펠릿(21A)의 내경(D1)은 1.8mm가 된다.

또한, 이 수지 펠릿(21A)의 외경(D3)은, 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경(D4)에 2mm를 더한 치수(D5)보다 작게 형성하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경에 1mm를 더한 치수(D6)보다 작게 형성하면 좋다. 이 경우, 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경은 5mm정도이며, 수지 펠릿(21A)의 외경은 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경(5mm)에 2mm를 더한 치수(D5)(7mm), 그리고 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경(5mm)에 1mm를 더한 치수(D6)(6mm)보다 작은 치수인 5.5mm가 된다.

또한, 수지 펠릿(21A)의 외경(D3)은, 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경에서 2mm를 감한 치수보다 크게 형성하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경(통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경에서 0mm를 감한 치수)보다 크게 형성하면 좋다. 이 경우, 수지 펠릿(21A)의 외경은 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경(5mm)에서 2mm를 감한 치수(3mm), 그리고 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경(5mm)보다 큰 치수인 5.5mm가 된다.

요컨대, 수지 펠릿(21A)의 외경(D3)의 최대 허용 치수는, 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경에 2mm를 더한 치수, 더 바람직하게는 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경에 1mm를 더한 치수이다. 한편, 수지 펠릿(21A)의 외경의 최소 허용 치수는, 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경에서 2mm를 감한 치수, 더 바람직하게는 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경과 일치하는 치수이다. 그리고, 본 실시형태에서는 수지 펠릿(21A)의 외경은, 보다 바람직한 범위(통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경보다 크고, 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 외경에 1mm를 더한 치수보다 작은 범위)에 포함되는 5.5mm로 설정되어 있다.

또한, 수지(21)의 총량(1개소당의 총량), 환언하면 수지 펠릿(21A)의 총량(1개당 총량)은, 관통홀(4A, 4B)의 개구 지름, 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 직경 치수, 도전 단자 핀(10A, 10B)의 지름 치수, 수지 재료의 성질(예를 들면, 수지 재료의 흐르기 쉬움, 흐르기 어려움, 점성, 용융되기 쉬움, 용융되기 어려움)등을 고려하여 설계하면 좋다. 또한, 수지(21)는 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 단부에 있어서 연속 기포나 불연속 기포 등을 발생하는 일이 없으며, 충전재(9)의 전체가 외부에서 안 보이게 덮는 것이 바람직하다. 따라서, 수지(21)의 총량(수지 펠릿(21A)의 총량)은, 이러한 상태를 실현하기에 충분한 양이 필요하다. 또한, 수지 펠릿(21A)의 총량은, 도전 단자 핀(10A, 10B)에 필요 이상으로 간섭(부착)하지 않도록 용융시에 도전 단자 핀(10A, 10B)을 따라서 필요 이상으로 늘어나지 않을 정도의 양으로 억제하면 좋다.

다음으로, 이상과 같이 구성된 열응동 개폐기(1)를 밀폐형 전동 압축기에 설치하는 경우의 설치 예에 대해서 도6 ~ 8을 참조하면서 설명한다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 열응동 개폐기(1)는, 전술한 구조를 가진 것이고 전기 절연성의 합성수지 등으로 구성된 케이스(32)에 유지되어 보호 유닛(31)을 구성한다. 이 케이스(32)에는 한쪽의 접속용 단자 부재(33)가 인서트 성형되어 있다. 이 접속용 단자 부재(33) 중 케이스(32) 측의 단부(33A)에는 열응동 개폐기(1)를 구성하는 도전 단자 핀(10A)이 용접 고정되어 있다. 한편, 접속용 단자 부재(33) 중 케이스(32)의 외측에 위치한 선단은 탭 단자(33B)로 되어 있다.

또한, 케이스(32)에 설치된 다른 쪽의 접속용 단자 부재(34)는, 케이스(32)의 소정 위치에 스냅 액션으로 고정되어 있다. 접속용 단자 부재(34) 중 케이스(32) 측의 단부(34A)에는 열응동 개폐기(1)를 구성하는 도전 단자 핀(10B)이 용접 고정되어 있다. 접속용 단자 부재(34)의 타단은, 전동 압축기(201)의 외부로 이어지는 리셉터클 단자(34B)로 되어 있다. 열응동 개폐기(1)는 그 하우징(3)의 주위 부분이 보호벽(32A)에 의해서 덮이도록 배치된다. 단, 보호벽(32A)과 하우징(3) 사이에는 이들이 서로 밀착하지 않도록 틈새가 마련되어 있다. 그래서, 이 틈새에 냉매가 흘러서 하우징(3)과의 사이에서 열 교환된다.

도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 이 보호 유닛(31)은 밀폐형 전동 압축기(201)의 내압 기밀용기(202)의 내부에 배치된다. 전동 압축기(201)의 내압 기밀용기(202)에는 기밀 단자(203)가 설치되어 있다. 그리고, 보호 유닛(31)의 리셉터클 단자(34B)는 기밀 단자(203)가 구비하는 복수의 단자 핀(203A) 중 어느 하나에 접속 고정된다. 이 단자 핀(203A)에는 탭 단자가 용접 고정되어 있다. 이 탭 단자와 리셉터클 단자(34B)를 결합시킴으로써 보호 유닛(31)의 단자 핀(203A)에 대한 회전이 방지된다. 한편, 보호 유닛(31)의 접속용 단자 부재(33)에는 전동기(204)의 메인 권선(主卷線, 204A)(도8 참조)이 접속되어 있다. 즉, 보호 유닛(31)은, 전원과 전동기(204) 사이에 직렬로 배치되어 있다. 이것으로 전동 압축기(201)의 이상시에는 열응동 개폐기(1)가 동작하여 전동기(204)에 대한 급전이 차단된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명을 적용한 열응동 개폐기(1)에 따르면, 도전 단자 핀(10A, 10B)이 고정되는 관통홀(4A, 4B)은 덮개판(4)의 일부를 외방으로 돌출시킨 통 형상부(4Aa, 4Bb)에 의해 구성되어 있으며, 그 통 형상부(4Aa, 4Bb)와 충전재(9)와 도전 단자 핀(10A, 10B)의 일부만이 전기 절연성의 수지(21)에 의해서 덮여 있다. 따라서, 열응동 개폐기(1)의 본체부를 구성하는 밀폐용기(2)의 열 전달성을 현격히 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은, 전술한 일 실시형태에만 한정되는 것이 아니라 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 종류의 변형 혹은 확장이 가능하다. 예를 들면, 수지(21)는 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 단부 외에, 통 형상부(4Aa, 4Bb)의 측면을 덮고 있어도 좋다.