KR100656233B1

KR100656233B1 - 성형 전기 장치 및 성형 전기 장치의 제조 방법

Info

Publication number: KR100656233B1
Application number: KR1020040057490A
Authority: KR
Inventors: 사토준이치; 사카구치오사무; 미야가와마사루; 마키시마사토시; 기노시타스스무
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2006-12-13
Also published as: KR20050012672A; JP4159938B2; DE602004013233T2; JP2005041063A; EP1501101A3; EP1501101B1; CN1577682A; US20050029001A1; EP1501101A2; DE602004013233D1

Abstract

본 발명은 더 높은 절연 내력을 가진 세라믹으로 된 절연 케이싱을 갖는 성형 전기 장치에 관한 것이다. 성형 전기 장치는 절연 케이싱과, 단부판과, 전기 부품 및 전기 절연층을 포함하고 있다. 절연 케이싱은 세라믹으로 형성되며, 단부와 유약 처리되지 않은 외부면을 가지고 있다. 단부판은 절연 케이싱의 단부에 부착되어 있다. 전기 부품은 단부판에 의해서 절연 케이싱 내에 수용되어 있다. 전기 절연층은 절연 케이싱의 유약 처리되지 않은 외부면에 성형되어 있다.

절연, 세라믹, 단부판, 절연층, 유약

Description

성형 전기 장치 및 성형 전기 장치의 제조 방법{MOLDED ELECTRIC DEVICE AND METHOD FOR MAKING MOLDED ELECTRIC DEVICE}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형 전기 장치를 나타내는 단면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 변형된 성형 전기 장치의 절연 케이싱과 절연층 사이의 경계부를 나타내는 확대 단면도.

도 3은 절연 내력을 조사하기 위해 사용되는 실험 모델을 나타내는 개략적인 절반 단면도.

도 4는 부분 방전의 최저 시작 전압 및 종료 전압을 나타내는 상기 조사의 비교 도표.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1, 2 : 접점

3 : 진공 회로 차단기

4 : 절연층

5 : 절연 케이싱

6, 7 : 밀봉 금속부

8 : 고정측 도체

9 : 가동측 도체

10 : 가동 축

11 : 조작 로드

12 : 실란(silane) 결합제층

본 발명은 일반적으로 에폭시 수지로 성형되는 진공 회로 차단기와 같은 성형 전기 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 절연 내력이 개선된 성형 전기 장치에 관한 것이다.

통상적으로 진공 회로 차단기와 같은 전기 장치는 에폭시 수지와 같은 절연 재료로 성형된 외부면을 가지고 있다. 이는 전기 장치의 외부면이 수분 오염의 영향을 받지 않기 때문에 절연 내력의 약화를 방지하는데 유용하다. 즉 전기 장치의 외부면 상에 전기 절연층이 성형·형성되어 전기 장치의 절연 내력의 약화를 방지하고 있다. 일반적으로 에폭시 수지 자체는 충분한 인성(toughness)을 가지고 있지 않다고 알려져 있다. 따라서 실란(silane)으로 마무리한 입자, 예를 들어 분말상 실리콘과, 알루미나(산화 알루미늄), 또는 글래스(glass)를 에폭시 수지에 혼합하여 절연 재료로 사용하여 절연층의 인성을 개선하였다. 보통 실란 마무리에 실란 결합제(silane coupling agent)를 사용하여 분말상 입자의 접착 특성을 개선하였다.

또한 진공 회로 차단기와 같은 전기 장치는 알루미나 세라믹과 같은 세라믹 으로 형성한 절연 케이싱을 가지고 있다. 통상적으로 전기 장치의 절연 케이싱의 외부면은 유리질 유약(glaze)으로 코팅(유약 처리)되어 외부면의 오염을 방지하고 있다. 유리질 유약은 분말상 유리질 재료 용액 상태에서 외부면 상에 분무된다. 분말상 유리질 재료 용액을 외부면 상에 분무한 이후에, 외부면을 고온으로 가열하여 외부면 상에 유약층을 형성하였다.

분말상 유리질 재료 용액을 절연 케이싱의 외부면 상에 분무하면 내부에 내부 기포(bubble)를 발생시킬 수도 있다. 이들 기포는 유약층 내에서 또는 유약층 표면의 경계 상에서 캐비티(cavity)로 형성된다. 유약층 내에 형성되거나 절연 케이싱과 유약층의 경계 상에 형성되는 이들 캐비티는 전기 절연층에 공극(void)이 없도록 성형하는 경우에도 부분적인 방전(discharge)을 초래할 수 있다. 이는 절연 결함을 초래하여 절연 내력이 약화될 수도 있다.

실란으로 마무리한 입자와 혼합된 에폭시 수지인 절연층은 절연 케이싱의 외부면 상에 성형된다. 실란 마무리(silane finishing)는 에폭시 수지 혼합물의 접착 특성을 개선시킬 수 있다. 그러나 팽창률의 차이에 기인하여 절연층의 냉각 처리 중에 유약층과 절연층 사이의 경계를 따라서 분리(separation)가 발생하게 된다. 유약층과 절연층 사이의 경계부를 따르는 분리는 절연 파괴를 초래하여, 부분 방전을 일으키고, 그 결과 절연 성능의 열화를 초래할 수도 있다. 따라서 진공 회로 차단기와 같은 종래의 전기 장치는 절연 케이싱의 외부면 상에 두꺼운 절연층을 가지고 있어서 절연 케이싱에 가해지는 전기장의 강도가 약하게 되었다. 이는 전 기 장치를 대형화하였다.

따라서 본 발명의 한 측면에 따른 장점은 더 높은 절연 내력을 가진 세라믹으로 형성된 절연 케이싱을 가진 성형 전기 장치를 제공하는 것이다.

상기 장점 및 다른 장점을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 측면은 단부와 유약 처리되지 않은 외부면을 가진 세라믹으로 된 절연 케이싱과, 상기 절연 케이싱의 상기 단부에 부착되는 단부판(endplate)과, 상기 단부판에 의해서 상기 절연 케이싱 내에 수용되는 전기 부품 및 상기 절연 케이싱의 상기 유약 처리되지 않은 외부면에 성형되는 전기 절연층을 포함하는 성형 전기 장치를 제공한다.

본 발명의 다른 측면은 세라믹으로 된 절연 케이싱을 준비하는 단계와, 상기 절연 케이싱의 내부에 수용되는 전기 부품을 준비하는 단계와, 단부판에 의해서 상기 절연 케이싱 내부에 상기 전기 부품을 수용하는 단계 및 상기 절연 케이싱의 외부면을 유약 처리하지 않고 상기 절연 케이싱의 외측을 성형하는 단계를 포함하는 성형 전기 장치의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 특징, 측면 및 장점은 첨부 도면과 함께 고려할 때 후술하는 다양한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 성형 전기 장치의 일 실시예를 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 실시예에 따른 성형체로서의 절연층과 절연 케이싱을 가진 성형 전기 장치를 나타내는 단면도이다. 도 1에 있어서, 진공 회로 차단기는 성형 전기 장치의 일례로서 제공되어 있으며, 에폭시 수지는 진공 회로 차단기의 절연 케이싱의 외부면 상에 성형되는 절연층으로서 도포되어 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 전기 장치로서의 진공 회로 차단기(3)는 접점(1, 2)과, 절연 케이싱(5)과, 절연층(4) 및 밀봉 금속부(6, 7)를 구비하고 있다. 도 1은 예시적인 목적일 뿐 본 발명을 제한하는 것은 결코 아니다. 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일부로 간주되는 다양한 변형 및/또는 변경을 인식할 수 있을 것이다. 절연 케이싱(5)은 알루미나(산화 알루미늄) 세라믹과 같은 세라믹으로 형성되며, 예를 들어 실린더 형상을 가지고 있다. 전기 부품으로서의 접점(1, 2)은 절연 케이싱(5) 내에 수용되며, 상기 접점(1, 2)은 서로 분리 가능하게 되어 있다. 단부판(endplate)로서의 밀봉 금속부(6, 7)는 절연 케이싱(5)의 각 단부에 부착되어 있으며, 접점(1, 2)을 실질적으로 유지하고 있다. 또한 밀봉 금속부(6, 7)와 주름 상자(bellows)는 절연 케이싱(5)을 밀봉하고, 절연 케이싱(5)의 내부를 진공 상태로 유지한다.

접점(1, 2)은 전기 부품을 구성하며, 이들은 밀봉 금속부(6, 7)에 의해서 절연 케이싱(5)의 내부에 수용되어 있다. 접점(2)은 가동 축(10)(movable shaft)에 물리적으로 접속되어 있다. 가동 축(10)에는, 조작 로드(operation rod)(11)를 통해서 조작 기구(도시하지 않음)가 접속되어 접점(1, 2)을 개폐하고 있다. 전기 회로의 일부인 고정측 도체(8)는 절연 케이싱(5)의 한쪽 단부로부터 접점(1)에 전기적으로 접속되어 있다. 가동측 도체(9)는 접점(2)에 전기적으로 접속되어 있다.

절연층(4)은 에폭시 수지로 이루어진 절연 재료를 성형하여 진공 회로 차단기(3)를 둘러싸도록 형성되어 있다. 절연 케이싱(5)의 외부면은 노출된(유약 처리 하지 않은) 세라믹 표면이며, 이는 외부면에 유약(glaze)이 도포되지 않았다는 것을 의미한다.

도 2는 본 실시예에 따라 변형된 성형 전기 장치의 절연 케이싱(5)과 절연층(4) 사이의 경계부를 나타내는 확대 단면도이다. 도 1에 나타낸 것과 동일한 도면 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였으며, 이들 도면 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 변형예에 있어서, 실란 결합제층(12)은 절연층(4)과 절연 케이싱(5)의 유약 처리되지 않은 외부면 사이에 형성되어 있다. 실란 결합제층(12)은 절연 케이싱(5)을 성형하기 전에 절연 케이싱(5)의 유약 처리되지 않은 외부면 상에 실란 결합제를 붙여(코팅하여) 형성된다. 실란 결합제는 유기 물질 및 실리콘을 구비하고 있다. 보다 상세하게는, 일 실시예에 있어서, 실란 결합제층(12)은 다음과 같이 형성된다.

먼저 세라믹으로 된 절연 케이싱(5)을 가진 진공 회로 차단기(3)를 준비한다. 상술한 바와 같이, 절연 케이싱(5)의 외부면은 노출된(유약 처리되지 않은) 표면으로 남아 있다. 이 노출된 절연 케이싱(5)의 외부면은 예를 들어 샌드블래스팅(sandblasting)에 의해서 유약을 제거하여 얻을 수도 있다.

절연 케이싱(5)의 유약 처리되지 않은 표면을 갖는 진공 회로 차단기(3)를 준비한 이후에, 코팅이 불균일하게 되지 않도록, 예를 들어 브러시(brush)를 사용하여 액체상 실란 결합제를 상기 유약 처리되지 않은 표면 상에 코팅한다. 액체상 실란 결합제의 점성도가 높은 경우에, 처리제(treatment agent)로 액체상 실란 결합제를 희석해도 좋다. 이 처리제는 물과 알콜을 혼합하여 얻을 수 있다. 상기 처리제로 희석된 액체상 실란 결합제인 액체상 실란 결합제 희석액은 점성도를 낮출 수도 있다. 또한 이 액체상 실란 결합제 희석액을 사용하면 습윤성(wettability)도 개선되므로, 용이하게 코팅 작업을 수행할 수 있게 된다. 또한 처리제의 가수 분해에 의해서, 상기 액체상 실란 결합제 희석액을 사용하는 경우에 에폭시 수지의 접착성도 개선될 수 있게 된다.

실란 결합제로 코팅된 진공 회로 차단기(3)는 절연층(4)을 형성하기 위해 금속 주형(mold) 내에 고정된다. 진공 회로 차단기(3)와 금속 주형은 함께 소정의 온도까지 가열되며, 에폭시 수지가 금속 주형 내로 주입된다. 에폭시 수지가 경화되어 절연층(4)으로 된 이후에, 절연 케이싱(5)과 절연층(4) 사이의 경계부에 실란 결합제층(12)이 형성된다. 분말상 실리콘, 알루미나(산화 알루미늄) 또는 유리(glass) 등과 같은 실란으로 마무리한 입자를 충전제로서 에폭시 수지와 혼합하고, 절연층(4)의 재료로 사용하여 절연층(4)의 인성을 개선할 수 있다. 절연층(4)의 인성은 에폭시 수지의 충전제로서 적어도 두 종류의 크기가 다른 입자와 코어-쉘(core-shell) 구조를 가진 고무(rubber) 입자가 혼합된 분말상 실리콘과 같은 무기(inorganic) 입자를 사용하여 더욱 개선될 수 있다.

상기 실시예에 따라서 성형된 전기 장치의 절연 내력에 대해서 실험 모델을 사용하여 부분 방전 특성을 조사하였다. 도 3은 상기 실시예에 따라서 전기 장치의 절연 케이싱과 절연층 사이의 경계부에서의 절연 내력을 조사하는데 사용된 실험 모델을 나타내는 개략적인 절반 단면도이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 조사에 사용된 실험 모델은 직경(φ) 50 mm의 절연 케이싱(13)이다. 한 쌍의 링(ring) 모양의 전극(14, 15)을 첨단부(tip end)가 10 mm 분리되도록 절연 케이싱(13)을 둘러싸도록 배치하였다. 전극(14, 15)은 도 1 및 도 2에서 나타낸 진공 회로 차단기(3)의 밀봉 금속부(6, 7)를 모의 실험하고 있다. 절연 케이싱(13)의 외부면은 절연 케이싱(13)의 외부면을 유약 처리하지 않고, 에폭시 수지로 성형하였다. 전극(14, 15)의 주위측도 에폭시 수지로 성형되어 있으나, 전극(14, 15)의 각 단부는 노출되어 있다. 에폭시 수지는 절연층(16)으로서 형성되어 있으며, 도 1 및 도 2에서 나타낸 절연층(4)을 모의 실험하고 있다. 이 실험 모델을 사용하여, 한쪽 전극(14(15))에 전압을 인가하고 다른쪽 전극(15(14))은 접지(ground)함으로써, 절연 케이싱(13)과 절연층(16) 사이의 경계부에서의 부분 방전 특성을 얻었다.

조사는 실시예 1, 실시예 2, 및 비교예의 세 가지 조건으로 수행되었다. 실시예 1 및 2는 유약 처리되지 않은 외부면을 가진 절연 케이싱을 가진 본 발명에서 개시한 실시예에 기초하고 있다.

실시예 1은 절연 케이싱(13)과 절연층(16) 사이의 경계부에 실란 결합제층이 전혀 없으며, 도 1에 나타낸 구성을 모의 실험하고 있다. 한편, 실시예 2는 절연 케이싱(13)과 절연층(16) 사이의 경계부 내에 실란 결합제층을 가지고 있으며, 도 2에 나타낸 구성을 모의 실험하고 있다.

비교예는 유약 처리된 외부면을 가지고 있으며, 이는 종래 기술을 나타내고 있다. 비교예는 절연 케이싱(13)과 절연층(16) 사이의 경계부 내에 실란 결합제층 을 전혀 가지고 있지 않다.

각각 실시예 1, 실시예 2 및 비교예로 세 가지 표본(sample)의 실험 모델을 제작하였다. 부분 방전의 시작 전압과 종료 전압의 조사는 각각의 예에 대해서 3회 실시하였다.

이 조사 결과는 도 4에 나타내었으며, 도 4는 각각의 예에 대한 세 가지 조사 중의 부분 방전의 최저 시작 전압 및 종료 전압을 나타내는 조사 비교표이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 표(20) 각각의 열은 상술한 각 예에 대한 조건과 결과를 나타내고 있다.

실시예 1은 비교예의 값과 비교하였을 때 부분 방전의 시작 전압과 부분 방전의 종료 전압의 부분 방전 특성이 실질적으로 1.4배 정도 개선되었음을 알 수 있다. 또한 실시예 2는 비교예와 대해서 실질적으로 9배 정도 개선되었음을 알 수 있다.

부분 방전 특성을 조사한 이후에, 실험 모델을 분해하여 조사하였다. 실시예 1에 있어서, 절연 케이싱(13)과 절연층(16)의 세라믹 사이의 경계에서 결함으로 간주될 수 있는 분리(separation)나 캐비티(cavity)를 확인할 수 없었다. 또한 실시예 2에 있어서, 절연 케이싱(13)과 절연층(16)의 세라믹은 실란 결합제층을 통해서 강력하게 부착되어 있었다. 비교예에서는, 세라믹과 유약 사이의 경계에서 캐비티가 일부 발견되었다.

상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 성형 전기 장치에서는, 진공 회로 차단기(3)의 절연 케이싱(5)의 표면이 노출된(유약 처리되지 않은) 세라믹 표 면으로 형성되어 있었기 때문에, 유약 내의 캐비티에 의한 부분 방전이 발생하지 않았으며, 따라서 절연 내력도 더 개선되었다.

또한 실란 결합제가 노출된 세라믹 표면 상에 코팅되어 절연 케이싱과 절연층 사이에 실란 결합제층을 형성하고 있기 때문에, 절연층과의 접착성이 개선되며, 따라서 절연 내력도 더 개선되었다.

마찬가지로, 은 페인트(silver paint)와 같은 도전성 페인트(paint)를 단부판으로서의 각 밀봉 금속부의 표면 상에 코팅하여 절연층과 각각의 밀봉 금속부 사이의 접착성을 개선시키면 부분 방전 특성 및 절연 내력도 더 개선된다.

본 발명은 상술한 실시예로만 제한되지 않는다. 본 발명의 실시예에 있어서, 진공 회로 차단기로 성형 전기 장치를 설명하였지만, 본 발명은 사이리스터(thyristor) 소자 또는 산화 아연 소자와 같은 전기 부품이 실린더형 세라믹 절연 케이싱 내에 수용된 전기 장치에도 적용할 수 있다. 이들 경우에 있어서, 단부판은 판(plate)일 필요가 없고, 절연 케이싱 내에서 전기 부품을 유지할 수 있는 구조이면 된다. 이들 구조는 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 얻을 수 있다.

발명의 상세한 설명 및 본원에서 개시한 본 발명의 실시를 고려하였을 때 본 발명의 다른 실시예는 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 명백할 것이다. 발명의 상세한 설명 및 실시예들은 예시적인 것으로만 간주되며, 본 발명의 진정한 범위 및 정신은 이하의 특허 청구 범위에 의해서 표시된다.

이상 본 발명에 따르면, 부분 방전이 발생하지 않고 절연 내력도 개선되며, 절연층과의 접착성이 개선되어 절연 내력도 더 개선된 절연 케이싱을 갖는 성형 전기 장치가 제공된다.

Claims

단부와 유약 처리되지 않은 외부면을 가진 세라믹으로 된 절연 케이싱과,

상기 절연 케이싱의 상기 단부에 부착되는 단부판(endplate)과,

상기 단부판에 의해서 상기 절연 케이싱 내에 수용되는 전기 부품과,

상기 절연 케이싱의 상기 유약 처리되지 않은 외부면에 성형되는 전기 절연층과,

상기 전기 절연층과 상기 절연 케이싱의 유약 처리되지 않은 외부면 사이에 형성되는 실란(silane) 결합제층을 포함하는 성형 전기 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 전기 절연층은 에폭시 수지를 포함하는 성형 전기 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 전기 절연층과 상기 단부판의 외부면 사이에 형성되는 도전성 코팅층을 더 포함하는 성형 전기 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 성형 전기 장치는 진공 회로 차단기를 포함하는 성형 전기 장치.
세라믹으로 된 절연 케이싱을 준비하는 단계와,

상기 절연 케이싱의 내부에 수용되는 전기 부품을 준비하는 단계와,

단부판에 의해서 상기 절연 케이싱 내부에 상기 전기 부품을 수용하는 단계와,

상기 절연 케이싱의 외부면을 유약 처리하지 않고 상기 절연 케이싱의 외측을 성형하는 단계와,

상기 절연 케이싱을 성형하기 전에 상기 절연 케이싱의 상기 외부면 상에 실란 결합제층을 제공하는 단계를 포함하는 성형 전기 장치의 제조 방법.
삭제
제 6 항에 있어서,

물과 알콜을 혼합한 희석제를 제공하는 단계 및

상기 절연 케이싱의 상기 외부면 상에 실란 결합제층을 제공하기 전에 상기 희석제로 상기 실란 결합제를 희석하는 단계를 더 포함하는 성형 전기 장치의 제조 방법.