KR100851760B1 - 진공 인터럽터 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 진공 인터럽터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에폭시 수지로 몰딩되는 진공 인터럽터에 있어서 에폭시 수지와 세라믹 진공 인터럽터 사이의 접착력을 향상시킴으로써 제조 과정 중의 크랙 발생을 감소시키고, 기계적 내충격성 및 부분 방전 특성을 개선시킨 진공 인터럽터에 대한 것이다.
진공 인터럽터, 실란 결합제
Description
도 1은 종래의 에폭시 수지 몰딩 진공 인터럽터의 내부 구조를 도시한 종단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예인 진공 인터럽터의 내부 구조를 도시한 종단면도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예인 진공 인터럽터의 세라믹 절연 케이스와 에폭시 수지 절연층 사이의 상세 구조를 도시한 구조도이고,
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예인 진공 인터럽터의 세라믹 절연 케이스와 에폭시 수지 절연층 사이의 상세 구조를 도시한 구조도이다.
본 발명은 진공 인터럽터에 관한 것이다.
진공 차단기에서 부하개폐 및 고장전류 차단은 진공 인터럽터 내의 진공 상태에서 이루어지나 진공 인터럽터의 외부 절연은 다양한 매질 속에서 이루어진다. 브이씨비(VCB: Vacuum Circuit Breaker)처럼 진공 인터럽터가 공기 속에서 절연될 수도 있고, 오씨비(OCB: Oil Circuit Breaker)처럼 오일로 진공 인터럽터가 감싸져 절연이 이루어지기도 하며, 고압개폐기처럼 SF6가스를 이용하여 절연이 이루어지기도 한다. 그러나 이러한 절연 방식들은 여러 가지 문제점을 가지고 있다.
브이씨비(VCB)와 같은 공기절연방식은 공기의 낮은 절연내력 때문에 높은 뇌충격전압이 요구되는 곳에서는 사용하지 못한다. 또한, 오씨비(OCB)와 같은 오일 절연을 이용하는 경우는 오일의 폭발 위험성 때문에 최근에는 거의 사용하지 않고 있다. 마지막으로 고압개폐기처럼 SF6 가스를 이용하는 경우는 높은 뇌충격전압이 요구되는 곳에서 사용이 가능하며 폭발위험성도 없으나 환경적 측면에서 사용 규제를 받고 있는 실정이다.
이러한 경향에 의해 최근에는 고체 절연 방식 중에서도 에폭시 성형시 진공 인터럽터를 삽입하는 일체형 고체 절연 방식이 사용되고 있다.
그러나, 상기 고체 절연 방식을 이용하는 진공 인터럽터는 에폭시 수지로 몰드하는 경우에, 에폭시 수지와 진공 밸브의 상, 하 고정 플레이트 또는 세라믹 사이의 접합면의 접착성에 따라 진공 인터럽터의 전기적 기계적 특성차가 발생하게 된다. 상기 접합면이 같은 재료로 이루어진 경우에는 진공 인터럽터의 초기제작시 접착력을 극대화시킴으로써 상기 전기적 기계적 특성의 차이를 해결할 수 있지만, 에폭시 일체형 진공 인터럽터의 제조 및 사용시에 진공 인터럽터를 구성하는 금속 또는 세라믹과 이를 외부에서 감싸도록 성형되는 에폭시 간의 재료가 다르므로 이들의 물성차에 따른 열팽창계수의 차이로 인해 계면의 박리 또는 크랙이 유발될 수 있어, 이를 보완하기 위해 고무재질의 완충층이 적용되었다.
도 1은 종래의 에폭시 수지 몰딩 진공 인터럽터의 내부 구조를 도시한 종단면도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 진공 인터럽터(101)의 외측에는 에폭시 수지 등의 고체 절연물(103)이 성형되어 있으며, 진공 인터럽터(101)의 외면에 세라믹(104)과 에폭시(103)간의 열팽창계수차에 의한 열응력을 흡수하기 위한 고무재질의 완충층(102)이 형성되었다. 그러나, 상기 고무재질의 완충층(102)은 세라믹(104)과 에폭시(103) 간의 물리적인 밀착을 보조함으로써 세라믹 절연 케이스(104)와 에폭시 층(103)간의 기계적인 접촉력을 증대시킬 수는 있지만 세라믹층(104), 완충층(102) 및 에폭시층(103) 간에는 미세하게나마 계면간의 박리가 존재할 수 있다. 또한, 진공 인터럽터(101)의 외부 형상에 따라 완충층(102)이 진공 인터럽터의 외부와 완전 밀착되어 계면 내의 보이드(Void)와 같은 결함을 완전히 제거하여야 하나, 튜브 형상의 완충층(102)을 적용할 경우에는 진공 인터럽터(101)의 금속부 및 세라믹 간의 접합부와 같은 요철부분은 완충층(102)이 완전히 채우지 못하여 결함이 발생할 가능성이 있다. 그리고, 액상이나 겔상의 고무재료의 도포시에도 도포 중에 완충층 내부에 보이드(Void)가 생성될 가능성이 있다.
상기와 같이, 진공 인터럽터는 초기 제조과정의 완충층을 형성하는 과정에서 보이드(Void) 등의 결함이 발생될 수 있으며, 이러한 결함은 사용중의 기계적인 동작충격 또는 온도변화에 따른 수축 팽창 과정에서도 발생될 수 있다. 즉, 진공 인터럽터의 에폭시 성형 공정 중에는 완충층을 형성하기 위한 추가적인 공정이 필요하게 되며, 상기 완충층을 제조하기 위해서도 추가적인 공정 및 비용이 소요되게 된다.
이러한 계면 간의 박리 또는 층 내의 보이드(Void)는 에폭시 성형 진공 인터럽터의 부분 방전 특성을 대폭적으로 저하시키는 요인이 되어, 계면 및 에폭시 수지 내에서의 부분방전의 발생과 전기적 트리의 발생 가능성이 더욱 높아지게 된다. 이에 따라 진공 인터럽터의 장기적인 사용시 에폭시 수지의 절연 특성에 대한 신뢰도를 저하시키는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 에폭시 수지 몰드형 진공 인터럽터에 고무재질의 완충층이 없는 새로운 계면처리 방식을 적용함으로써 전기적 기계적 특성이 우수할 뿐 아니라, 제조 비용을 절감할 수 있는 진공 인터럽터를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 외측과 연결된 상부 도체 및 하부 도체를 구비한 세라믹 절연 케이스; 상기 절연 케이스의 외부면에 성형되는 유약층; 상기 유약층의 외부면에 실란 결합제를 도포하여 형성되는 실란 결합제층; 및 상기 실란 결합제층의 외부면에 성형되는 에폭시 수지 절연층을 포함하여 이루어지고, 상기 실란 결합제층은 상기 유약층 및 상기 에폭시 수지 절연층과 화학적으로 결합된 진공 인터럽터를 제공한다.
본 발명은 또한, 외측과 연결된 상부 도체 및 하부 도체를 구비한 세라믹 절연 케이스; 상기 절연 케이스의 외부면에 성형되는 유약층; 상기 유약층의 외부면을 샌드 블라스터로 처리하여 형성되는 돌기층; 상기 돌기층의 외부면에 실란 결합제를 도포하여 형성되는 실란 결합제층; 및 상기 실란 결합제층의 외부면에 성형되는 에폭시 수지 절연층을 포함하여 이루어지고, 상기 실란 결합제층은 상기 유약층 및 상기 에폭시 수지 절연층과 화학적으로 결합된 진공 인터럽터를 제공한다.
또한, 상기 실란 결합제가 상기 세라믹 절연 케이스의 상기 상부 도체 및 하부 도체의 외부면에 도포되는 것을 특징으로 하는 진공 인터럽터를 제공한다.
또한, 상기 실란 결합제는 하기 화학식 1로 표현되는 화합물인 것을 특징으로 하는 진공 인터럽터를 제공한다.
[화학식 1]
(상기 화학식 1에서, R은 반응기가 존재하는 탄소수 1~15의 지방족 또는 방향족 탄화수소이고, n은 1~10의 정수이며, X는 탄소수 1~15의 지방족 또는 방향족 알콕시기이다.)
또한, 상기 에폭시 수지 절연층은 치수안정제로서 실리카를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 진공 인터럽터를 제공한다.
본 발명은 또한, 진공 인터럽터의 제조방법에 있어서, 세라믹 절연 케이스를 준비하는 단계; 상기 세라믹 절연 케이스의 외부면에 유약 처리를 하여 유약층을 형성하는 단계; 상기 유약층의 외부면에 실란 결합제를 도포하여 실란 결합제층을 형성하는 단계; 및 상기 실란 결합제층의 외부면에 에폭시 수지 절연층을 성형하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 진공 인터럽터의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 진공 인터럽터의 제조방법에 있어서, 세라믹 절연 케이스를 준비하는 단계; 상기 세라믹 절연 케이스의 외부면에 유약 처리를 하여 유약층을 형성하는 단계; 상기 유약층의 외부면을 샌드 블라스터로 처리하여 돌기층을 형성하는 단계; 상기 돌기층의 외부면에 실란 결합제를 도포하여 실란 결합제층을 형성하는 단계; 및 상기 실란 결합제층의 외부면에 에폭시 수지 절연층을 성형하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 진공 인터럽터의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 일 실시예인 진공 인터럽터를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 진공 인터럽터의 내부 구조를 도시한 종단면도이다. 보다 구체적으로는, 도 2는 진공 인터럽터의 세라믹 절연 케이스(104, 203) 표면에 실란 결합제를 도포한 후 외부에 에폭시 수지를 가압 겔화 성형법에 의해 일체 성형한 구조를 나타낸 것이다. 상기 도 2의 진공 인터럽터는 세라믹(203), 실란 결합제 도포면(202) 그리고 에폭시 수지 절연층(201)으로 구성되어 있는 구조이다. 상기와 같은 도 2의 에폭시 성형 진공 인터럽터를 제조하는 과정은 진공 인터럽터를 세척하고, 그 외부면에 실란 결합제를 도포한 다음, 예열하고 금형장착 및 성형과정을 거쳐 후경화시키는 순으로 진행된다. 이때 실란 결합제의 도포는 예열 전 또는 후에 진행될 수 있다. 상기 실란 결합제의 도포 방법으로는 스프레이를 이용하는 방법 또는 붓을 이용하는 방법 등 어느 것이나 가능하다.
상기 실란 결합제(202)는 기존의 고무 계열의 완충층과 같은 물리적인 접촉이 아니라, 유기물인 에폭시와 무기물인 세라믹 또는 금속 간의 화학적인 결합을 통해 접착되는 형태이다. 따라서, 에폭시와 세라믹 또는 금속 사이의 접착면의 열팽창계수차에 의해 발생되는 수축률의 차이는 이러한 화학 결합을 통해 상당 부분 상쇄될 수 있다. 또한, 상기 에폭시 수지 절연층은 치수안정제로 세라믹 계열의 실리카를 포함하여 이루어짐으로써, 세라믹 절연 케이스와의 열팽창계수 차이에 의해 발생되는 문제점들을 더욱 감소시킬 수 있다.
그리고, 상기 실란 결합제를 진공 인터럽터의 세라믹 부분뿐만 아니라 상, 하부의 도체 부분(204)에도 도포함으로써 도체 부분의 접착력도 증대시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실란 결합제를 사용한 진공 인터럽터의 세라믹 절연 케이스(301)와 에폭시 수지 절연층(302) 사이에 처리되어 있는 유약층(303)을 나타내는 구조도이다. 본 발명에서 사용되는 진공 인터럽터의 세라믹 절연 케이스(203)는 세라믹의 외부 표면에 유약처리가 되어 있는 것이 바람직하다. 상기 세라믹 절연 케이스 표면의 유약층(303)은 세라믹 표면의 습기, 먼지 등의 오염을 방지하는 역할과 진공 인터럽터의 가장 중요한 기능 중 하나인 고진공을 유지하는 실링의 역할을 한다. 이러한 세라믹 표면(301)의 유약 처리는 특별히 제한되지는 않으나, 대략 100㎛ 정도의 두께로 유약을 도포하는 것이 바람직하다. 유약이 도포된 세라믹 절연용기는 1300 내지 1400℃에서 구워내어 상기 유약이 세라믹층으로 스며들게 한 다. 이에 따라, 상기 유약이 도포되어 형성된 유약층(303)은 세라믹 내부로 함침되는 층을 갖게 된다. 이와 같이 세라믹 표면에 도포되고, 함침되는 유약층(303)에 의해 상기 세라믹 절연 케이스(301)는 고진공 유지가 가능하게 된다. 상기 세라믹 케이스(301)의 외부에 도포되는 유약은 세라믹과 같은 규소가 주요 성분이므로 실란 결합제의 반응기와도 용이하게 반응할 수 있다.
즉, 본 발명의 진공 인터럽터는 진공 인터럽터의 세라믹 표면에 처리된 유약층(303) 위에 실란 결합제(202)를 도포한 다음 에폭시 수지(302)를 성형함으로써 이루어진다. 이에 따라, 규소 계열의 무기질과 결합하는 반응기를 갖는 상기 실란 결합제(202)는 유리질인 세라믹 케이스(301) 외부의 유약층(303)과도 쉽게 반응하게 된다.
상기와 같이 유약 처리가 되어있는 세라믹과 에폭시 수지층 사이의 실란 결합제(202)는 완충층 적용시의 물리적인 접촉 방식을 이용한 것과는 달리 실란 결합제의 2중의 반응 구조로 인해 에폭시 수지와 세라믹 및 세라믹 표면의 유약과 화학적으로 반응하여 결합고리를 형성하게 되므로 두 재료 간의 화학적인 결합을 통하여 두 재료를 접착시킨다. 이는 기존의 완충층을 적용했을 경우의 단순 기계적인 밀착 구조가 아닌 화학적인 결합 구조로서 접착 부분의 박리로 인한 부분방전의 발생이나 계면 절연 파괴와 같은 전기적인 문제를 유발하지 않는 효과를 가진다.
상기 실란 결합제는 하기 화학식 1로 표현되는 수소화 규소 계열의 화합물인 것이 바람직하다. 상기 화학식 1로 표현되는 실란 결합제는 한 분자 안에 유기물과 반응할 수 있는 유기 작용기 그룹과 무기물질과 반응할 수 있는 가수분해성(Hydrolyzable) 알콕시 그룹을 모두 가지고 있다.
<화학식 1>
실리콘 실란 결합제는 상기 화학식 1에서 볼 수 있듯이 1 분자 중에 2개 이상의 다른 반응기들을 갖고 있으므로, 동시에 두 가지의 반응을 하게 된다. 상기 반응기들 중 하나는 유기질 재료(각종 합성수지)와 화학결합을 하는 유기 반응기 그룹(비닐기, 에폭시기, 아미노기, 메타크릴기, 메르카프토기 등)이며, 다른 하나는 무기질 재료(유리, 금속, 모래 등)와 화학결합을 하는 가수분해성 알콕시 반응기 그룹(메톡시기, 에톡시기 등)이다. 따라서, 통상적으로는 상당히 결부시키기 어려운 유기질 재료와 무기질 재료를 연결하는 결합제로서 사용이 가능하다.
이러한 실란 결합제를 에폭시 수지 성형 진공 인터럽터의 제조에 사용할 때 전처리법(무기충전재를 우선 처리해둠) 또는 인테그랄브랜드법(수지구성물에 첨가) 등 어느 것이든 적용할 수 있으나, 본 발명에서는 전처리법으로 진공 인터럽터의 표면에 실란 결합제를 처리하고, 에폭시 수지를 직접 성형하는 방식을 적용하였다. 이와 같은 직접 성형 방식은 종래의 완충층의 형성 없이도 진공 인터럽터의 표면과 에폭시 수지의 접착성을 향상시켜 기계적 강도 및 부분 방전 등의 전기적인 특성을 월등히 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예인 진공 인터럽터의 세라믹 절연 케이스(301)와 에폭시 수지 절연층(302) 사이에 형성되어 있는 돌기층(400)을 나타내는 상세 구조도이다. 상기 돌기층(400)은 실란 결합제를 사용한 에폭시 성형 진공 인터럽터에서 상기 실란 결합제의 접착력을 보다 향상시키기 위한 것으로, 표면에 유약층(303)이 형성되어 있는 세라믹 절연 케이스(301)의 외부를 샌드 블라스터 처리를 함으로써 세라믹 절연 케이스(301)의 표면에 돌기(400)를 형성시켜 상기 실란 결합제(202)의 반응 면적을 극대화시킨 것이다.
상기 샌드 블라스터 처리는 규사, 세라믹, 금속 등의 입자를 에어로 쏘아서 표면을 가공하는 방법이다. 본 발명의 샌드 블라스터 처리에서는 30 내지 60 mesh의 규사 또는 세라믹 입자를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 사용되는 입자의 크기에 따라 소요시간이 변동될 수 있으나, 개당 3분 정도의 시간으로 처리하는 것이 바람직하다.
상기 샌드 블라스터 처리에 의해 세라믹 절연 케이스의 표면에 형성되는 돌기층(400)은 두 재료 간의 계면 구조가 미세하게 여러 방향성을 갖게 되므로 실란 결합제를 사용한 에폭시 성형 진공 인터럽터의 접착력을 크게 향상시킬 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 진공 인터럽터는 에폭시 절연층의 직접 성형 방식을 적용하고 우수한 접착특성을 확보함으로써 종래의 완충층이 없이도 진공 인터럽터의 표면과 에폭시 수지의 접착성을 향상시킴으로써 기계적 강도 및 부분 방전 등의 전기적인 특성을 월등히 향상시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 진공 인터럽터는 계면의 접착성 증대를 통해 박리 현상을 제거하고 보이드(Void)의 발생을 최소화함으로써, 기존의 겔상의 실리콘 완충층 방식에 비해 대략 50% 이상의 부분 방전 소멸 전압의 상승 효과를 나타내었다.
Claims (8)
- 외측과 연결된 상부 도체 및 하부 도체를 구비한 세라믹 절연 케이스;상기 절연 케이스의 외부면에 성형되는 유약층;상기 유약층의 외부면에 하기 화학식 1로 표현되는 실란 결합제를 도포하여 형성되는 실란 결합제층; 및상기 실란 결합제층의 외부면에 성형되는 에폭시 수지 절연층을 포함하여 이루어지고, 상기 실란 결합제층은 상기 유약층 및 상기 에폭시 수지 절연층과 화학적으로 결합된 진공 인터럽터.[화학식 1]
(상기 화학식 1에서, R은 반응기가 존재하는 탄소수 1~15의 지방족 또는 방향족 탄화수소이고, n은 1~10의 정수이며, X는 탄소수 1~15의 지방족 또는 방향족 알콕시기이다.) - 외측과 연결된 상부 도체 및 하부 도체를 구비한 세라믹 절연 케이스;상기 절연 케이스의 외부면에 성형되는 유약층;상기 유약층의 외부면을 샌드 블라스터로 처리하여 형성되는 돌기층;상기 돌기층의 외부면에 하기 화학식 1로 표현되는 실란 결합제를 도포하여 형성되는 실란 결합제층; 및상기 실란 결합제층의 외부면에 성형되는 에폭시 수지 절연층을 포함하여 이루어지고, 상기 실란 결합제층은 상기 유약층 및 상기 에폭시 수지 절연층과 화학적으로 결합된 진공 인터럽터.[화학식 1]
(상기 화학식 1에서, R은 반응기가 존재하는 탄소수 1~15의 지방족 또는 방향족 탄화수소이고, n은 1~10의 정수이며, X는 탄소수 1~15의 지방족 또는 방향족 알콕시기이다.) - 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 실란 결합제가 상기 세라믹 절연 케이스의 상기 상부 도체 및 하부 도체의 외부면에 도포되는 것을 특징으로 하는 진공 인터럽터.
- 삭제
- 외측과 연결된 상부 도체 및 하부 도체를 구비한 세라믹 절연 케이스;상기 절연 케이스의 외부면에 성형되는 유약층;상기 유약층의 외부면에 실란 결합제를 도포하여 형성되는 실란 결합제층; 및상기 실란 결합제층의 외부면에 성형되고, 치수안정제로서 실리카를 포함하는 에폭시 수지 절연층을 포함하여 이루어지고, 상기 실란 결합제층은 상기 유약층 및 상기 에폭시 수지 절연층과 화학적으로 결합된 진공 인터럽터.
- 진공 인터럽터의 제조방법에 있어서, 세라믹 절연 케이스를 준비하는 단계;상기 세라믹 절연 케이스의 외부면에 유약 처리를 하여 유약층을 형성하는 단계;상기 유약층의 외부면에 실란 결합제를 도포하여 실란 결합제층을 형성하는 단계; 및상기 실란 결합제층의 외부면에 에폭시 수지 절연층을 성형하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 진공 인터럽터의 제조방법.
- 진공 인터럽터의 제조방법에 있어서, 세라믹 절연 케이스를 준비하는 단계;상기 세라믹 절연 케이스의 외부면에 유약 처리를 하여 유약층을 형성하는 단계;상기 유약층의 외부면을 샌드 블라스터로 처리하여 돌기층을 형성하는 단계;상기 돌기층의 외부면에 실란 결합제를 도포하여 실란 결합제층을 형성하는 단계; 및상기 실란 결합제층의 외부면에 에폭시 수지 절연층을 성형하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 진공 인터럽터의 제조방법.
- 외측과 연결된 상부 도체 및 하부 도체를 구비한 세라믹 절연 케이스;상기 절연 케이스의 외부면에 성형되는 유약층;상기 유약층의 외부면을 샌드 블라스터로 처리하여 형성되는 돌기층;상기 돌기층의 외부면에 실란 결합제를 도포하여 형성되는 실란 결합제층; 및상기 실란 결합제층의 외부면에 성형되고, 치수안정제로서 실리카를 포함하는 에폭시 수지 절연층을 포함하여 이루어지고, 상기 실란 결합제층은 상기 유약층 및 상기 에폭시 수지 절연층과 화학적으로 결합된 진공 인터럽터.
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