KR100732067B1 - 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체 및 그 제조방법 - Google Patents

복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체는 소정 두께를 가지면서 내부가 일방향으로 관통되고, 양쪽이 뚫린 형태인 절연 파이프; 내부가 관통되며, 상기 절연 파이프의 양측에 결합되는 스테인리스 강관 및 상기 절연 파이프 및 스테인리스 강관의 외부에 형성되어 구조적 보강과 횡 방향의 절연을 위한 절연 부재를 더 포함함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체 제조 방법은 가공시킬 부품들을 액체 질소(LN2) 침전하여 소정 기간 보관 후, 건조시키는 단계; 상기 절연 파이프의 양측에서 스테인리스 강관이 결합할 수 있도록 절연 파이프 및 스테인리스 강관을 가공하는 단계; 상기 가공된 절연 파이프 및 스테인리스 강관을 세척한 후 건조시키는 단계; 상기 절연 파이프와 스테인리스 강관을 결합시키는 단계; 접착제와 경화제를 혼합시켜 상기 절연 파이프와 스테인리스 강관의 결합 전 상기 절연 파이프와 스테인리스 강관의 결합부분에 도포시키는 단계; 상기 절연 파이프와 스테인리스 강관의 결합 후, 상기 접착제와 경화제의 혼합 물질을 경화시키는 단계; 및 상기 결합된 절연 파이프와 스테인리스 강관의 외부를 절연 부재를 이용하여 랩핑(Wrapping)하는 단계를 더 포함함을 특징으로 한다.
상기와 같은 축 방향 전기 절연체 및 그 제조 방법을 제공함으로써 본 발명에 따른 축 방향 전기 절연체는 저온용, 진공용 및 수용으로 동시에 사용 가능하 며, 규격품이 아닌 제품에 대한 생산 비용을 절감시킬 수 있다.
전기 절연체, 스테인리스 강관, 저온, 진공

Description

복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체 및 그 제조 방법{Axial Electrical Breaks using conjugate fiber and Manufaturing Method Therefor}
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 축 방향 전기 절연체의 사시도 및 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 축 방향 전기 절연체의 사시도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명의 축 방향 전기 절연체 중 절연 파이프의 외형도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 축 방향 전기 절연체 중 절연 파이프와 스테인리스 강관의 확대도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 각 부품의 액체 질소 침전(써멀 사이클)을 순서대로 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 축 방향 전기 절연체의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 축 방향 전기 절연체의 적정/불량 여부 테스트 방법을 나타내는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 축 방향 전기 절연체의 누출 측정장치를 나타내는 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예1_3, 실시예2_3에 따른 상온(300K)과 저온(77K)에서 헬륨을 가압하기 전과 후의 헬륨 누출 정도(helium leak rate)를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 절연 파이프 20 : 스테인리스 강관
30 : 절연 부재 100 : 헬륨 가스 공급기
200 : 헬륨 가스 누출 탐지기 300 : 진공 챔버
400 : 완제품(축 방향 전기 절연체) 500 : 저온 용기
610, 620 : 파이프(관)
본 발명은 저온용, 진공용 및 수용으로 동시에 사용 가능하며, 규격품이 아닌 제품에 대한 생산비용을 절감시킬 수 있는 축 방향 전기 절연체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재 인슐레이터(Insulator, 또는 Isolator, Breaks)라는 품명으로 판매되는 절연체는 대부분이 세라믹을 절연체로 사용하고 있다. 절연체와 튜브는 슬리브(Sleeve 또는 Connector)를 이용하여 브레이징(Brazing) 방법으로 연결된다.
각 제품들은 사용 환경에 따라 저온용, 진공용, 수용(Water)으로 구분되고, 각 해당 품목에 대해서 생산되는 규격품은 3~5개 정도로 적다.
상기 세라믹 및 브레이징 특성상 제작을 위한 지그(Zig)를 별도로 제작해야하므로 규격품으로 생산되는 크기의 제품이 아닌 경우에 제작하는데 비용이 비싸다.
핵융합분야에서 세계적으로 혼합 타입(Composite type) 축 방향 절연체가 개발되고 있다. 대부분 핵융합로를 건설하는 연구소에서 개발중이며, 그 형상은 이종 간 물질의 열수축율의 차이를 최소화하는 구조를 갖도록 되어 있으며, 절연체로 사용하는 물질 및 접착제는 여러 가지로 시도되고 있다. 한편, 국내에서는 상기와 같은 혼합 타입의 축 방향 절연체에 대한 연구가 거의 진행되고 있지 않은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 저온용, 진공용 및 수용으로 동시에 사용 가능하며, 규격품이 아닌 제품에 대한 생산 비용을 절감시킬 수 있으며, 절연체로 세라믹이 아닌 합성 물질을 이용한 축 방향 전기 절연체 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 이루기 위해 본 발명의 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체는 소정 두께를 가지면서 내부가 일방향으로 관통되고, 양쪽이 뚫린 형 태인 절연 파이프; 및 내부가 관통되며, 상기 절연 파이프의 양측에 결합되는 스테인리스 강관을 포함하고, 상기 절연 파이프 및 스테인리스 강관은 액체 질소(LN2) 침전 및 건조를 여러 회수 반복이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 절연 파이프 및 스테인리스 강관의 외부에 형성되어 구조적 보강과 횡 방향의 절연을 위한 절연 부재를 더 포함함을 특징으로 한다.
상기 절연 부재는 유리섬유에 열경화성 수지를 침투시켜 반경화상태로 제작된 것임을 특징으로 한다.
상기에서 절연 부재는 상기 절연 파이프, 상기 절연 파이프와 스테인리스 강관의 연결부분에 설치되는 것이 바람직하다.
상기 절연 부재로는, S-2 유리를 사용하는 것이 바람직하다.
유리 섬유는 크게 E-유리(Glass)와 S-유리(Glass)가 있는데, 상기 E-유리(Glass)는 전기 절연특성이 좋고, 상기 S-유리(Glass)는 구조적 강도면에서 우수하다. 본 발명에 사용되는 S-2 유리는 상기 E-유리(Glass)에 에폭시를 함유한 것을 말한다.
상기 절연 파이프와 스테인리스 강관의 결합은 나사결합 및/또는 접착제와 경화제의 혼합물의 도포에 의한 결합으로도 가능하다.
상기 접착제로는, 바람직하게는 저온, 고압용 접착제를 사용하며, 보다 바람직하게는 Stycast 2850 FT을 사용한다.
상기 경화제로는, Catalyst LV23을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 절연 파이프로는 유리섬유강화플라스틱(GFRP)계열의 물질, 특히 G10 또는 S-2 유리를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체 제조 방법은 가공시킬 부품들을 액체 질소(LN2) 침전하여 소정 기간 보관 후, 건조시키는 단계; 상기 절연 파이프의 양측에서 스테인리스 강관이 결합할 수 있도록 절연 파이프 및 스테인리스 강관을 가공하는 단계; 상기 가공된 절연 파이프 및 스테인리스 강관을 세척한 후 건조시키는 단계; 및 상기 절연 파이프와 스테인리스 강관을 결합시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명에서는 상기 축 방향 전기 절연체 제조 방법에, 접착제와 경화제를 혼합시키는 단계; 상기 절연 파이프와 스테인리스 강관의 결합 전 상기 접착제와 경화제의 혼합 물질을 상기 절연 파이프와 스테인리스 강관의 결합부분에 도포시키는 단계; 및 상기 절연 파이프와 스테인리스 강관의 결합 후, 상기 접착제와 경화제의 혼합 물질을 경화시키는 단계;를 더 포함함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 축 방향 전기 절연체 제조 방법에, 상기 결합된 절연 파이프와 스테인리스 강관의 외부를 절연 부재를 이용하여 랩핑(Wrapping)하는 단계를 더 포함함을 특징으로 한다.
여기서, LN2 침전은 액체 질소를 저온 용기에 담고, 상기 용기 속에 부품들을 침전시키는 것을 말한다.
또한, 상기 가공시킬 부품은 절연 파이프, 스테인리스 강관인 것을 말한다.
뿐만 아니라 상기 절연 파이프 및 스테인리스 강관의 세척은 초음파 세척기를 이용하는 것이 바람직하다.
상기에서 접착제와 경화제의 혼합비가 무게비가 100:7가 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기에서 접착제와 경화제의 혼합 물질의 경화는 60~70℃에서 이루어지는 것이 보다 효율적이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 축 방향 전기 절연체의 사시도 및 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체는 절연 파이프(10), 상기 절연 파이프(10)의 양측에 결합(체결)되는 스테인리스 강관(20)을 포함하여 이루어진다.
상기 절연 파이프(10)는 소정 두께를 가지면서 그 내부가 일방향으로 관통되고, 양쪽이 뚫린 형태를 가진다.
상기 절연 파이프(10)는 유리섬유강화플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastic : GFRP) 계열의 물질을 사용하며, 그 일례로 S-2 유리 파이프 또는 G-10 파이프 등을 사용할 수 있다.
상기 스테인리스 강관(20)은 상기 절연 파이프처럼 그 내부가 일방향으로 관 통되고, 양쪽이 뚫린 형태를 가진다.
상기 스테인리스 강관(20)은 바람직하게는 STS 316L(SUS 316L) 파이프를 사용한다.
상기 STS 316L(SUS 316L)은 STS 316(SUS 316) 재질에서 내부식성을 강화한 재질로 바닷물에도 잘 견디므로 주로 선박용 기계, 화학용밸브 등에 사용된다.
상기 STS 316(SUS 316)은 STS 304(SUS 304)에 비하여 내약품성이 우수하고 내식성이 탁월하며, 주로 석유화학공업용도로 사용하고 일상적인 생활용품에는 거의 사용하지 않는다.
상기 SUS 304는 크롬과 니켈의 함량이 13% 이상이고 내식성이 우수하며 자성이 없으나, 질긴 성질이 강하여 기계부품 등에는 거의 사용되지 않고 배관용 파이프, 밸브, 식품기계, 주방기구, 일반적인 기구의 표면처리 등에 사용된다.
상기 절연 파이프(10)와 상기 스테인리스 강관(20)의 내경이 같은 것이 바람직하다.
또한, 상기 스테인리스 강관(20)은 상기 절연 파이프(10)의 양측에 결합(체결)될 수 있는 구조를 가진다.
상기 스테인리스 강관(20)과 상기 절연 파이프(10)의 결합(체결) 수단으로는 나사 결합 및/또는 접착제와 경화제의 혼용물질에 의한 결합 등이 있다.
상기와 같이 나사결합을 하기 위해서는 절연 파이프(10) 양 가장자리의 외주면에 나사산을 형성시키고, 또한 상기 절연 파이프(10)의 나사산에 결합이 이루어질 수 있도록 상기 스테인리스 강관(20)의 일측 내주면에 나사산을 형성시킨다.
또한, 상기에서 '접착제와 경화제의 혼용물질에 의한 상기 스테인리스 강관(20)과 상기 절연 파이프(10)의 결합(체결)'은 접착제 및 경화제를 소정 비율로 혼합시켜 상기 스테인리스 강관(20)과 상기 절연 파이프(10)의 결합(체결) 부분에 도포시킴으로써 상기 스테인리스 강관(20)과 상기 절연 파이프(10)를 결합시키는 것을 말한다.
이에 따라, 상기 나사결합에 의해 1차적으로 상기 스테인리스 강관(20)과 상기 절연 파이프(10) 간 결합(체결)이 이루어지고, 상기 접착제와 경화제의 혼용물질에 의해 2차적으로 상기 스테인리스 강관(20)과 상기 절연 파이프(10)가 완전 결합(체결)시킨다. 이에 따라, 상기 두 가지 방식의 결합에 의해 상기 스테인리스 강관(20)과 상기 절연 파이프(10)와의 이음부에서 내부 공기가 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 스테인리스 강관(20)과 상기 절연 파이프(10)의 이음부뿐만 아니라 절연파이프의 외주면을 절연 부재로 감싸는 작업(Wrapping)을 수행함으로써 본 발명의 축 방향 전기 절연체의 내/외부 간 공기 누출을 완전 봉쇄시킬 수 있다.(도 2a 및 도 2b 설명부분에 보다 상세히 설명이 이루어짐)
상기에서 사용되는 접착제는 저온, 고압용 접착제를 말하며, 바람직하게는 Stycast 2850 FT를 사용한다.
상기 Stycast 2850 FT는 높은 점성과 낮은 열 팽창력을 가지고 있다.
또한, 상기 경화제는 Catalyst LV23을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 접착제와 경화제의 혼합비는 특별히 한정하지는 않지만, 상기 접착제와 경화제의 무게비가 100 : 7로 하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 상기 절연 파이프(10)와 스테인리스 강관(20)을 결합시킨 후, 상기 절연 파이프(10)의 겉표면을 블레이스팅(Blasting) 처리하는 것이 바람직하다. 그 이유는 추후 랩핑될 S-2 유리와의 밀착력을 좋게 하기 위한 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 축 방향 전기 절연체의 사시도 및 단면도이다..
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명에 따른 축 방향 전기 절연체는 도 1a 및 도 1b에 나타난 축 방향 전기 절연체의 외주면에 절연 부재(30)를 더 포함한다.
상기 절연 부재(30)는 상기 절연 파이프(10), 상기 절연파이프(10)와 스테인리스 강관(20)의 연결부분에 설치된다.
상기 절연 부재(30)는 유리섬유에 열경화성 수지를 침투시켜 반경화상태로 제작한 것으로, S-2 유리를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 절연 부재(30)는 테이프 또는 실 형식으로 제작되어 상기 절연 파이프(10), 상기 절연파이프(10)와 스테인리스 강관(20)의 연결부분을 감싼다(Wrapping:랩핑)
도 3은 본 발명의 축 방향 전기 절연체 중 절연 파이프의 외형도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 절연 파이프(10)는 전체적인 외형이 원통형이며, 양 가장자리가 중앙보다 그 외경이 작게 가공된다. 그 이유는 스테인리스 강관(20)을 용이하게 결합시키기 위한 것이다.
또한, 상기 절연 파이프(10)의 양 가장자리의 외주면에는 나사산이 형성된다. 이는 앞에서도 언급한 바와 같이, 스테인리스 강관(20) 일측의 내주면에 형성되는 나사산과 결합하기 위한 것이다. 즉, 상기 나사산은 상기 절연 파이프(10)와 상기 스테인리스 강관(20)을 결합시키기 위한 하나의 수단이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 축 방향 전기 절연체 중 절연 파이프와 스테인리스 강관의 확대도이다.
도 4a는 절연 파이프에 관한 내용으로, 이에 대한 설명은 도 3에서 상세히 이루어졌으므로 생략하기로 한다.
도 4b를 참조하면, 본 발명에 따른 스테인리스 강관(20)은 상기 절연 파이프(10)와 연결시키기 위해 그 일측의 내경이 절연 파이프(10)의 내경보다 큰 사이즈를 가지도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스테인리스 강관(20)은 상기 절연 파이프(10)와 결합되는 부분의 내주면에는 나사산이 형성되며, 끝단이 소정 길이 공차 관리 구조를 가지도록 하는 것이 바람직하다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 각 부품의 액체 질소 침전(써멀 사이클)을 순서대로 보여주는 도면이다.
본 발명에서는 상기 절연 파이프(10)와 스테인리스 강관(20)을 결합시키기 전, 상기 두 부품(10)(20)에 대해 액체 질소(LN2) 침전 및 건조가 여러 차례에 걸쳐 이루어진다. 또한, 완제품상에서도 상기 액체 질소 침전 및 건조가 여러 차례에 걸쳐 이루어진다.(도 5a ~도 5e 및 도 6 설명부분에서 보다 상세히 설명됨)
상기와 같이 각 부품(절연 파이프, 스테인리스 강관) 또는 완제품(축 방향 전기 절연체)을 액체 질소(LN2) 침전 및 건조시키는 이유는 상기 부품 또는 완제품이 저온에서 사용 가능 여부를 판단하기 위한 것이다.
상기 부품에 대한 액체 질소(LN2) 침전 및 건조 과정을 도 5a 내지 도 5e을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에서는 저온 용기에 액체 질소(LN2)를 담고, 샘플('완제품-축 방향 전기 절연체'를 가리킴)을 침전시킬 수 있게 준비한다.(도 5a 참조)
그런 후, 상기 샘플을 상기 저온 용기에 침전시킨다.(도 5b 참조)
그러면 상기 샘플의 전체가 액체 질소 온도까지 내려가는데 대략 10분 정도 소요된다.(도 5c 참조) 상기 시간(10분)은 상기 액체 질소가 끓지 않을 때까지 걸리는 시간을 가리키기도 한다.
그런 후, 상기 샘플을 저온 용기에서 꺼내며(도 5d 참조), 상온에서 30분 정도 건조시킨다.(도 5e 참조) 여기서, 히터를 이용하여 건조시키면 승온하는 시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 단계(도 5a 내지 도 5e)를 5회 이상 반복 실시한 다.
상기와 같이 샘플을 저온 및 상온으로 여러 번 반복함으로써 상기 샘플이 저온(대략 4.5K에 해당함))에서 사용 가능 하는지 그 여부를 판단할 수 있다. 즉, 상기와 같이 샘플을 저온 및 상온으로의 반복 수행하는 것은 추후 제작 완료 후 열팽창률의 차이로 인한 문제점 발생요인을 미리 방지하기 위한 것이다.
상기와 같은 액체 질소 침전 및 건조가 각 부품(절연 파이프, 스테인리스 강관)에도 적용이 되는데, 단지 침전시키는 시간이 달리 적용된다.
예를 들면, 샘플이 완제품인 경우에는 침전시간이 대략 10분 정도이며, 샘플이 각 부품인 경우에는 침전시간이 대략 3일 이상이다.
본 발명에서는 액체 질소를 사용하였지만, 헬륨을 사용해도 무방하다.
도 6은 본 발명의 축 방향 전기 절연체의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하여 본 발명에 따른 축 방향 전기 절연체의 제조 방법을 설명하면, 먼저 가공시킬 부품들(절연 파이프, 스테인리스 강관 등)(10)(20)을 액체 질소(LN2) 침전하여 소정 기간 보관 후, 건조시킨다.(S101) 여기서, 액체 질소(LN2) 침전을 하는 이유는 상기에도 언급한 바와 같이, 상기 샘플(각 부품)을 이용한 완제품(축 방향 전기 절연체)이 제작된 이후에 열팽창률의 차이로 인한 문제점이 발생되는 것을 미리 방지하기 위한 것이다.
상기와 같이 가공시킬 부품(10)(20)들의 액체 질소(LN2) 침전 및 건조를 한 후, 상기 부품들을 가공시킨다. 즉, 상기 절연 파이프(10)의 양측에서 스테인리스 강관(20)이 결합될 수 있도록 절연 파이프(10) 및 스테인리스 강관(20)을 가공한다.(S102) 일례로, 두 부품(10)(20) 간 나사결합을 하기 위해 상기 절연 파이프(10)의 가장자리 외주면과 상기 스테인리스 강관(20)의 일측 내주면에 나사산을 형성시킨다.
상기와 같이 절연 파이프 및 스테인리스 강관을 가공시킨 후, 상기 절연 파이프(10) 및 스테인리스 강관(20)을 세척 및 건조시킨다.(S103)
상기에서 절연 파이프(10) 및 스테인리스 강관(20)의 세척은 초음파 세척기를 이용하는 것이 바람직하다.
그런 후, 상기 절연 파이프(10)와 스테인리스 강관(20)을 결합시킨다.(S106)
또한, 본 발명에서는 상기 절연 파이프 및 스테인리스 강관의 결합(체결)수단으로 접착제와 경화제의 혼합 물질을 사용하는데, 상기 혼합물질은 상기 단계 106 이전에 수행한다.(S104)(S105) 물론, 여기서 상기 접착제와 경화제의 혼합 물질의 도포는 상기 절연 파이프(10)와 스테인리스 강관(20)의 결합부분에 이루어진다.
상기에서 접착제와 경화제를 혼합시킬 때 상기 접착제와 경화제의 무게비가 100:7이 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기에서 접착제와 경화제의 혼합 물질의 경화는 바람직하게는 60~70℃에서 이루어지며, 보다 바람직하게는 65℃에서 이루어진다.
상기와 같이, 절연 파이프와 스테인리스 강관의 결합부분에 접착제와 경화제 의 혼합 물질을 도포시킨 후 결합시키면 상기 접착제와 경화제의 혼합 물질의 일부분이 밖으로 흘러나오게 되는데, 이때 상기 나사 끝부분(계면)에서 접착제가 여유롭게 남아있도록 닦아낸 후 경화시킨다.(S107)
상기 경화는 상온(25℃)에서 16시간 이상 보관하는 데, 이때 경화 온도를 65로 상승시키면 경화시간이 2시간으로 단축시킬 수 있다.
그런 후, 본 발명에서는 상기 결합된 절연 파이프와 스테인리스 강관의 외부를 절연 부재(30)를 이용하여 랩핑(Wrapping)시킨다.(S108)
상기에서 제작된 본 발명에 따른 축 방향 전기 절연체의 적정/불량 여부 테스트 방법을 도 7을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.,
도 7은 본 발명의 축 방향 전기 절연체의 적정/불량 여부 테스트 방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, 본 발명에서는 상기 축 방향 전기 절연체를 액체 질소(LN2) 침전 및 건조시킨다.(도 5a 내지 도 5e 참조)
그런 후, 본 발명에서는 상기 축 방향 전기 절연체의 가스 누출을 테스트한다.(도 8의 헬륨 가스 누출 테스트 장치 이용)
그런 후, 본 발명에서는 상기 축 방향 전기 절연체의 절연 테스트를 한다.
상기 축 방향 전기 절연체의 절연 테스트 방법은 상기 축 방향 전기 절연체 양단에 직류전압을 인가하여 절연저항을 측정하는 방법과, 상기 축 방향 전기 절연 체 양단에 교류전압을 소정시간 인가하여 누설전류를 측정하는 방법이 있다.
상기 절연 테스트의 첫 번째 방법에서 측정된 절연저항이 기준 범위를 벗어나면 상기 축 방향 전기 절연체는 불량 제품일 것이며, 상기 절연저항이 기준 범위 내에 있으면 상기 축 방향 전기 절연체는 적정 제품일 것이다. 예를 들면, 상기 축 방향 전기 절연체 양단에 직류전압 1kV를 인가하여 절연저항을 측정하였을 때, 상기 절연저항이 100MΩ이상일 경우 적정 제품이다고 가정하자. 그런데 실제로 상기 제품의 절연저항을 측정하였더니 90MΩ이 나왔으면 그 제품은 불량제품에 해당할 것이다.
또한, 상기 축 방향 전기 절연체의 절연 테스트의 두 번째 방법에서 누설전류가 있으면 그 제품은 불량제품에 해당하고, 누설전류가 없으면 그 제품은 적정 제품에 해당한다.
도 8은 본 발명의 축 방향 전기 절연체의 누출 측정장치를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면 본 발명에 따른 축 방향 전기 절연체의 가스 누출 테스트 장치는 축 방향 전기 절연체(400), 진공 챔버(300), 헬륨 가스 공급기(100), 헬륨 가스 누출 탐지기(200) 및 저온용 용기(500)를 포함하여 이루어진다.
상기 진공 챔버(300)는 그 내부가 진공상태이며, 그 일측은 헬륨 가스 누출 탐지기(200)와 연결되고, 그 타측은 헬륨 가스 공급기(100)와 연결된다.
상기 축 방향 전기 절연체(400)는 상기 진공 챔버(300)의 내부에 형성되고, 그 일단부는 폐쇄되고, 그 타단부는 헬륨 공급기와 연결된 관(620)과 연결된다.
상기 축 방향 전기 절연체는 이미 액체 질소(LN2) 침전 및 건조 과정을 소정회수 거쳐진 것이어야 한다.
상기 저온용 용기(500)는 그 안에 액체 질소로 채워지고, 상기 액체 질소 내에 상기 진공 챔버(300)가 담궈진다. 아울러 상기 헬륨 가스 공급기(100)와 상기 축 방향 전기 절연체를 연결시킨 관(620)의 일부도 담궈진다.
상기 헬륨 가스 공급기(100)는 상기 관(620)을 통해 상기 축 방향 전기 절연체(400)의 내부로 헬륨 가스를 공급하는 기기이다.
상기 헬륨 가스 누출 탐지기(200)는 상기 진공 챔버(300)와 연결되어 상기 진공 챔버(300) 내의 헬륨 가스 누출량을 측정한다.
만약, 상기 헬륨 가스 누출 탐지기(200)에서 측정된 헬륨 가스 누출량의 변화량이 기준(사용자가 지정한 기준)치 이상이면 축 방향 전기 절연체(400)에 문제(이상)가 있다는 것을 나타낸다.
일례로, 상기 진공 챔버(300) 내에 상기 헬륨 가스의 공급 전과 후의 헬륨 가스 누출량(누출율)이 거의 변함이 없다면 상기 축 방향 전기 절연체(400)는 정상적인 제품임을 나타낸다.
이하 본 발명을 다음의 비교예, 실시예, 시험예에 의하여 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명의 일실시예로서 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되 는 것은 아니다.
<비교예 1_1>
도 6에 도시된 축 방향 전기 절연체 제조 방법을 이용하여 완제품(축 방향 전기 절연체)을 제작하였고, 여기서 절연 파이프(10)는 G10 파이프, 스테인리스 강관은 STS(SUS) 316L 파이프, 접착제는 CTD, 절연 부재는 S-2 유리를 사용하였으며, 접착제의 경화는 80℃의 온도로 4시간 동안 실시하였다.(표 1 참조)
<비교예 1_2>
비교예 1_1과 같은 조건으로 다른 축 방향 전기 절연체를 제작하였다.(단, 절연 부재는 S-2 유리를 사용함)(표 1 참조)
<비교예 2_1>
도 6에 도시된 축 방향 전기 절연체 제조 방법을 이용하여 완제품(축 방향 전기 절연체)을 제작하였고, 여기서 절연 파이프(10)는 S-2 유리 파이프, 스테인리스 강관은 STS(SUS) 316L 파이프, 접착제는 CTD, 절연 부재는 유리 실을 사용하였으며, 접착제의 경화는 80℃의 온도로 4시간 동안 실시하였다.(표 1 참조)
<비교예 2_2>
비교예 2_1과 같은 조건으로 다른 축 방향 전기 절연체를 제작하였다.(단, 절연 부재는 S-2 유리를 사용함)(표 1 참조)
<실시예 1_1>
도 6에 도시된 축 방향 전기 절연체 제조 방법을 이용하여 완제품(축 방향 전기 절연체)을 제작하였고, 여기서 절연 파이프(10)는 G10 파이프, 스테인리스 강관은 STS(SUS) 316L 파이프, 접착제는 Stycast 2850 FT, 경화제는 Catalyst LV23, 절연 부재는 S-2 유리를 사용하였으며, 접착제의 경화는 25℃의 온도로 16시간 동안 실시하였다.(표 1 참조)
<실시예 1_2>
실시예 1_1과 같은 조건으로 다른 축 방향 전기 절연체를 제작하였다.(표 1 참조)
<실시예 1_3>
실시예 1_1과 같은 조건으로 또 다른 축 방향 전기 절연체를 제작하였다.(표 1 참조)
<실시예 2_1>
도 6에 도시된 축 방향 전기 절연체 제조 방법을 이용하여 완제품(축 방향 전기 절연체)을 제작하였고, 여기서 절연 파이프(10)는 S-2 유리 파이프, 스테인리스 강관은 STS(SUS) 316L 파이프, 접착제는 Stycast 2850 FT, 경화제는 Catalyst LV23, 절연 부재는 S-2 유리를 사용하였으며, 접착제의 경화는 25℃의 온도로 16시간 동안 실시하였다.(표 1 참조)
<실시예 2_2>
실시예 2_1과 같은 조건으로 다른 축 방향 전기 절연체를 제작하였다.(표 1 참조)
<실시예 2_3>
실시예 1_1과 같은 조건으로 또 다른 축 방향 전기 절연체를 제작하였다.(표 1 참조)
<표 1> 비교예 및 실시예
항목 절연 파이프 스테인리스 강관 접착제 경화제 절연 부재 경화 조건
비교예1_1 G10 STS(SUS) 316L CTD · 유리 실 80℃,4hr
비교예1_2 G10 STS(SUS) 316L CTD · S-2 유리 80℃,4hr
비교예2_1 S-2 유리 STS(SUS) 316L CTD · 유리 실 80℃,4hr
비교예2_2 S-2 유리 STS(SUS) 316L CTD · S-2 유리 80℃,4hr
실시예1_1 G10 STS(SUS) 316L Stycast 2850 FT Catalyst LV23 S-2 유리 25℃,16hr
실시예1_2 G10 STS(SUS) 316L Stycast 2850 FT Catalyst LV23 S-2 유리 25℃,16hr
실시예1_3 G10 STS(SUS) 316L Stycast 2850 FT Catalyst LV23 S-2 유리 25℃,16hr
실시예2_1 S-2 유리 STS(SUS) 316L Stycast 2850 FT Catalyst LV23 S-2 유리 25℃,16hr
실시예2_2 S-2 유리 STS(SUS) 316L Stycast 2850 FT Catalyst LV23 S-2 유리 25℃,16hr
실시예2_3 S-2 유리 STS(SUS) 316L Stycast 2850 FT Catalyst LV23 S-2 유리 25℃,16hr
<시험예>
상기 비교예 및 실시예에서 제작한 완제품(축 방향 전기절연체)을 써멀 사이클(Thermal Cycle)(액체 질소 침전, LN2라고도 함), 헬륨 가압, 헬륨 누출율 측정, 절연 테스트 등을 수행하고, 그 결과를 아래의 표 2 및 표 3에 나타내었다.
*표 2는 비교예로서, 접착제로 CTD를 사용한 완제품(축 방향 전기절연체)에 관한 것이며, 표 3은 실시예로서, 접착제로 Stycast를 사용한 완제품(축 방향 전기 절연체)에 관한 것이다.
*시험예에서는 날짜 순으로 완제품 제작 및 각종 테스트를 수행함.(표2 및 표3)
*헬륨 가압은 30bar 압력으로 실시했으며, 'O'는 테스트에 성공했다는 것을 나타냄.
*써멀 사이클(Thermal Cycle)(액체 질소 침전, LN2라고도 함)은 도 5 설명부분에 나타난 바와 같은 과정을 통해 5회 이상 실시함.
*헬륨 누출 테스트(He Leak Test)는 도 8에 도시된 장치를 이용하였으며, 헬륨 누출 탐지기를 통해 읽어들인 수치이다. 또한, 상기 수치가 1.0 E-9(1.0×10-9)mbar·l/s이하인 경우 그 완제품은 적정이다고 볼 수 있다.
*AC Hipot Test는 절연 테스트로, AC 10kV(60Hz)를 1분 동안 인가하여 누설전류를 측정하고, 절연파괴 현상을 관찰한 것으로, 'OK'는 상기 절연테스트에 성공했다는 것을 나타낸다.
표 2. 접착제로 CTD를 사용한 완제품(비교예1_1 내지 비교예2_2)
항목 비교예1_1 비교예1_2 비교예2_1 비교예2_2
절연 파이프 G10 G10 S-2 유리 S-2 유리
접착제 06.08 CTD CTD CTD CTD
경화 조건 80도, 4hr 80도, 4hr 80도, 4hr 80도, 4hr
He 가압 (30bar) 06.10 O O O O
Thermal Cycle 06.10~06.13 5회 5회 5회 5회
He 가압 (30bar) 06.13 O X O X
Thermal Cycle 06.15 5회 5회 5회 5회
He 누출 테스트 (mbar.l/s) 30bar, 300K 06.29~07.04 1.0E-3 초과 6.0E-4 초과 3.0E-2 초과 X
Insulation & Thermal Cycle 07.05~07.10 Glass 실 Wrapping S-2 유리 Wrapping Glass 실 Wrapping S-2 유리 Wrapping
He 누출 테스트 (mbar.l/s) 30bar, 300K 07.11 X 4.0E-4 초과 X 2.0E-3 초과
AC Hipot Test 07.12 OK OK OK OK
표 3. 접착제로 Stycast를 사용한 완제품(실시예1_1 내지 실시예2_3)
항목 실시예1_1 실시예1_2 실시예1_3 실시예2_1 실시예2_2 실시예2_3
절연파이프 G10 G10 G10 S-2 유리 S-2 유리 S-2 유리
접착제 06.08 Stycast Stycast Stycast Stycast Stycast Stycast
경화 조건 상온 경화 상온 경화 상온 경화 상온 경화 상온 경화 상온 경화
He 가압 (30bar) 06.10 O O O O O O
Thermal Cycle 06.10~06.13 5회 5회 5회 5회 5회 5회
He 가압 (30bar) 06.13 O O O O O O
Thermal Cycle 06.15 5회 5회 5회 5회 5회 5회
He 누출테스트 (mbar.l/s) 30bar, 300K 06.29~07.04 9.00E-09 1.40E-10 2.40E-10 9.50E-10 2.00E-10 2.20E-10
He 누출 테스트 (mbar.l/s) 30bar,77K 06.29~07.04 3.40E-10 1.40E-10 1.00E-09 7.00E-10 1.00E-10 1.00E-10
He 누출 테스트 (mbar.l/s) 300K 06.29~07.04 6.00E-10 1.40E-10 1.20E-10 9.00E-10 8.00E-10 2.00E-10
Insulation & Thermal Cycle 07.05~07.10 S-2 유리 Wrapping(랩핑) S-2 유리 Wrapping(랩핑)
He 누출 테스트 (mbar.l/s) 30bar, 300K 07.11 1.0E-9 미만 1.0E-9 미만
AC Hipot Test 07.12 OK OK OK OK OK OK
표 2 및 표 3에 나타난 실험값을 바탕으로 분석하면 다음과 같다.
1)절연체로 G10과 S-2 유리 파이프를 사용하는 것에는 큰 차이가 없다.
2)최초 헬륨(helium) 30bar 가압에서 모든 샘플에서는 누출(leak) 현상이 발생하지 않았다.
3)써멀 사이클(Thermal cycle) 실시 후 30bar 가압 테스트(test)에서 접착제로 CTD를 사용한 두 개의 완제품(비교예)에서 누출(leak)이 발생하였다.
4)진공챔버를 이용한 헬륨 누출 테스트(helium leak test)에서 접착제로 Stycate를 사용한 완제품(실시예)에서는 헬륨 누출(helium leak)이 발생하지 않았으나, 접착제로 CTD를 사용한 완제품(비교예)은 모두 헬륨 누출(helium leak)이 발생하였다.
5)가압 테스트에서 누출(leak)이 발견되지 않았던 완제품(비교예)도 진공챔버를 이용한 헬륨 누출 테스트(helium leak test)에서는 누출(leak)이 발견되었다.
6)접착제로 Stycast 2850 FT를 사용한 완제품(실시예)에서는 헬륨 누출(helium leak)이 나타나지 않았으며, 누출율(leak rate)은 30bar 가압, 상온, 저온 모든 상태에서 1.0×10-9 mbar·l/s 이하로 나타났다.
7)누출이 발생한 제품(비교예)의 외부에 절연 부재(insulation)의 랩핑(Wrapping) 작업을 실시하여 헬륨 누출 테스트(helium leak test)를 하였음에도 불구하고 헬륨 누출(helium leak)을 완전히 막을 수 없었다.
8)상기 외부 절연 부재(insulation) 랩핑(Wrapping) 작업으로는 S-2 유리 테이프 랩핑 방법과, E-glass 실을 랩핑하는 방법을 적용하였다.
따라서, 초기 제작에서 전기 절연체(electrical break)는 누출(leak) 없이 제작되어야 한다.
상기 초기 제작이라 함은, 절연 부재를 랩핑하기 전까지를 말한다.
다음 표 4는 헬륨 누출 테스트 및 절연 테스트 결과만을 정리한 표이다.
<표 4> 비교예 및 실시예의 헬륨누출 테스트, 절연테스트
항목 헬륨 누출 테스트( mbarㅇl/s) (30 bar) AC Hipot Test (10 kV, 1 min)
300 K 77 K 300 K
실시예1_1 1.00E-09 3.40E-10 6.00E-10 OK
실시예1_2 1.40E-10 1.40E-10 1.40E-10 OK
실시예1_3 2.40E-10 1.00E-09 1.20E-10 OK
비교예1_1 1.0E-3미만 헬륨 누출됨 헬륨 누출됨 OK
비교예1_2 6.0E-4미만 헬륨 누출됨 헬륨 누출됨 OK
실시예2_1 9.50E-10 7.00E-10 9.00E-10 OK
실시예2_2 2.00E-10 1.00E-10 8.00E-10 OK
실시예2_3 2.20E-10 1.00E-10 2.00E-10 OK
비교예2_1 3.0E-2미만 헬륨 누출됨 헬륨 누출됨 OK
비교예2_2 2.0E-3미만 헬륨 누출됨 헬륨 누출됨 OK
표 4에 나타난 실험값을 바탕으로 분석하면 다음과 같다.
1)모든 완제품의 절연저항은 200MΩ이며, 누설 전류 및 절연 파괴현상은 나타나지 않았다.(절연 테스트가 'OK'임)
2)본 발명의 실시예에 따른 완제품들은 헬륨 누출 테스트를 통과하였지만, 비교예에 따른 완제품들은 헬륨 누출 테스트를 통과하지 못하였다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예1_3, 실시예2_3에 따른 상온(300K)과 저온(77K)에서 헬륨을 가압하기 전과 후의 헬륨 누출 정도(helium leak rate)를 나타내는 그래프이다. (적색->압력, 청색->헬륨 누출 정도)
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 1)최초 헬륨을 가압할 때, 헬륨 누출 정도는 증가하지만 점점 원래의 상태로 회복된다. 2)두 번째 헬륨 가압시에는 헬륨 누출 정도의 증가폭이 작아지면, 헬륨 가압을 수차례 반복하여도 헬륨 누출 정도(helium leak rate)의 변화는 거의 없다. 3)상기와 같은 현상은 G10 파이프의 표면에 내포되어 있던 헬륨이 가압으로 인해 빠져나오는 것이다. 위와 같은 현상은 77K에서도 동일하다.
이상과 같이, 극저온 냉매를 공급하는 헬륨라인에 전기적 절연이 필요한 경우, 본 발명의 축 방향 전기 절연체(axial electrical breaks)가 매우 유용하다.
또한, 상기 실험 결과, 본 발명의 축 방향 전기 절연체는 4.5K의 극저온과 30bar 이하의 압력에서도 사용가능하다.
본 발명에서는 접착제로 Stycast 2850 FT를, 경화제로는 Catalyst LV23를 사용하는 것이 좋다.
상기 표 2 내지 4에 나타난 절연 테스트 결과를 살펴보면 모든 요건을 만족하고 있으므로, 절연체의 길이를 60mm정도 해도 충분하다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상기와 같은 축 방향 전기 절연체 및 그 제조 방법을 제공함으로써 본 발명에 따른 축 방향 전기 절연체는 저온용, 진공용 및 수용으로 동시에 사용 가능하며, 규격품이 아닌 제품에 대한 생산 비용을 절감시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 소정 두께를 가지면서 내부가 일방향으로 관통되고, 양쪽이 뚫린 형태인 절연 파이프; 및 내부가 관통되며, 상기 절연 파이프의 양측에 결합되는 스테인리스 강관을 포함하고, 상기 절연 파이프 및 스테인리스 강관은 액체 질소(LN2) 침전 및 건조가 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체.
  2. 제 1항에 있어서, 절연 파이프 및 스테인리스 강관의 외부에 형성되어 구조적 보강과 횡방향의 절연을 위한 절연 부재를 더 포함함을 특징으로 하는 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체.
  3. 제 2항에 있어서, 절연 부재는 유리섬유에 열경화성 수지를 침투시켜 반경화상태로 제작된 것임을 특징으로 하는 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체.
  4. 제 1항 또는 2항에 있어서, 절연 파이프는 유리섬유강화플라스틱(GFRP)계열의 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체.
  5. 제 1항에 있어서, 절연 파이프와 스테인리스 강관의 결합은 나사결합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체.
  6. 제 1항에 있어서, 절연 파이프와 스테인리스 강관의 결합은 접착제와 경화제의 혼합물의 도포에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체.
  7. 가공시킬 부품들을 액체 질소(LN2) 침전 후, 건조시키는 단계; 상기 절연 파이프의 양측에서 스테인리스 강관이 결합될 수 있도록 절연 파이프 및 스테인리스 강관을 가공하는 단계; 상기 가공된 절연 파이프 및 스테인리스 강관을 세척한 후 건조시키는 단계; 및 상기 절연 파이프와 스테인리스 강관을 결합시키는 단계를 포함하는 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 접착제와 경화제를 혼합시키는 단계; 상기 절연 파이프와 스테인리스 강관의 결합 전 상기 접착제와 경화제의 혼합 물질을 상기 절연 파이프와 스테인리스 강관의 결합부분에 도포시키는 단계; 및 상기 절연 파이프와 스테인리스 강관의 결합 후, 상기 접착제와 경화제의 혼합 물질을 경화시키는 단계;를 더 포함함을 특징으로 하는 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체 제조 방법.
  9. 제 7항 또는 8항에 있어서, 결합된 절연 파이프와 스테인리스 강관의 외부를 절연 부재를 이용하여 랩핑(Wrapping)하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체 제조 방법.
  10. 제 7항 또는 8항에 있어서, 절연 파이프와 스테인리스 강관의 결합은 나사결합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체 제조 방법.
  11. 제 7항에 있어서, 절연 파이프는 유리섬유강화플라스틱(GFRP)계열의 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 복합섬유소재를 사용한 축 방향 전기 절연체 제조 방법.
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KR100805686B1 (ko) 2006-12-05 2008-02-21 한국기초과학지원연구원 횡 방향 전기 절연체 및 그 제조 방법

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