KR100950807B1 - 고전압 변압기용 판상형 단판적층제의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압 변압기용 판상형 단판적층제의 제조방법에 관한 것으로, 슬라이스된 나무의 단판들을 적층하여 단판적층제를 제조하는 고전압 변압기용 판상 단판적층제의 제조방법에 있어서,기후분류상 한대기후(寒帶氣候)에 속하는 지역의 활엽수림을 1 내지 3 mm 두께로 단판을 제조하는 단판제조단계와; 제조된 단판에 함유된 수분을 제거하여 각 단판의 함수율이 5%이하가 되도록 하는 단판함수율 조정단계와; 함수율이 조정된 각 단판 표면에 수용성페놀수지를 도포하는 수용성 페놀수지 도포단계와; 도포된 각 단판에 함유된 수분을 제거하기 위한 도포단판 수분제거단계와; 원하는 제품의 크기 및 두께에 따라 수분제거가 이루어진 도포된 단판을 결무늬가 교차배열 되도록 적층하는 결무늬 교차배열 단판적층단계;그리고 상기 적층된 단판을 핫프레스를 이용하여 성형시키는 단판적층제 제조단계로 이루어지는 고전압 변압기용 판상형 단판적층제의 제조방법을 제공하여, 상기 과제의 해결 수단에 따르면, 수성페놀수지를 사용함으로써 작업장의 환경개선이 이루어지고, 폐기시에도 환경오염이 방지되므로 생산성이 향상되는 효과가 있다.

단판제조 단판함수율 핫프레스 단판적층 수용성페놀수지

Description

고전압 변압기용 판상형 단판적층제의 제조방법{MAKING METHOD OF STACKING VENEER SHEETS WITH PLATE TYPE FOR HIGH VOLTAGE TRANSFORMER}

본 발명은 단판적층제에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절연제 용도로 고전압 변압기의 받침목 등에 사용되는 것으로 환경친화적인 수성수지를 사용하고 각 단판들의 접착 방법을 함으로써 보다 견고하고 튼튼한 단판적층제를 제조할 수 있는 고전압 변압기용 판상형 단판적층제의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 발전소에서 생성된 전기를 각 변압기를 통하여 송전시 전력의 손실을 줄이기 위하여 고전압 특히 고전압인 22,000V,154,000V, 345,000V 등의 전압으로 송전하게 된다. 따라서 이러한 고전압을 유지하는 변압기의 주위부품들은 절연제로 이루어지며, 이를 위해 절연등급A종으로 내열온도가 105℃인 페놀수지판을 사용하거나 목재단판을 페놀수지에 함침하여 사용하였으나, 많은 문제점 발생으로 인하여 이러한 사용은 거의 없어지고, 대신에 목재를 얇게 슬라이스시켜 형성된 단판을 여러겹 적층하여 이루어진 단판적층제가 절연제로 사용되고 있다. 그리고, 이하 본원발명에서 설명의 편의상 사용되는 고전압이라는 용어는 22,000V 이상 1,000,000V이하의 전압을 의미하는 것으로 정의하도록 한다.

현재는 변압기의 코일권선을 지지하는 받침목과, 상,하부누름목, 전선지지바아와 이들을 결합하는 절연너트와 절연볼트 등의 부품들은 목재 단판을 적층하여 이루어진 적층제의 사용이 대세를 이루고 있다. 이는 전력수요가 폭발적으로 늘어나면서 원거리 송전, 이변압이 대부분으로 발전소에서 수요처에 전류의 손실을 최소화하기 위해서는 특고압으로 송전을 하여야 하므로 특고압변압기를 사용하여야 하며, 이에 따라 특고압 변압기에 사용되는 각종 절연제로 변압기의 각종 구성 부품과 지지부품으로써의 단판 적층제는 그 기능의 우수성으로 말미암아 전력수요가 폭발적으로 늘어나면서 그 사용량은 점차 증가하고 있는 실정이다.

그러나, 고전압변압기용 부품들 중 코일권선의 받침목과 상하부 누름목 등과 같은 판상형으로 이루어진 단판적층제 부품들은 지지목으로서의 기능을 수행하므로 휨방지 기능과 충분한 하중에도 변형없이 견디어 내는 균일성을 유지하여야 하는 반면에, 전선지지바아와 이들을 결합하는 절연너트와 절연 볼트 등의 봉상형으로 이루어진 단판적층제 가공품은 인장강도가 중요한 요소이다.

따라서, 이러한 판상형 단판적층제와 봉상형 단판적층제는 그 용도에 따라 물성이 달라져야 함에도 불구하고, 종래에는 동일한 단판적층제를 제조하여 판상형 또는 봉상형 제품을 제작하여 사용함으로써 그 기능을 충실히 반영하지 못하는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 단판 적층제 제조시에는 유성 페놀수지에 함침시킨 후, 이를 단판 적층하여 고온 고압으로 처리 후 제작하게 됨으로써 환경오염을 유발시킬 뿐만 아니라 작업자의 건강에도 악영향을 끼치게 되는 문제점이 있다.

이러한 유성페놀수지의 문제점을 해결하고자, 대한민국특허등록 제 10-0866455호에 따르면 폴리우레탄수지를 바인더로 이용하여 단판에 도포후 핫프레 스를 이용하여 제작하는 단판적층제 제조방법이 안출되었으나, 폴리우레탄수지의 경우에는 폐자제 처리시 환경오염을 야기시키는 문제점이 있다. 즉, 사용되는 폴리우레탄수지 자체는 열경화성수지이고, 따라서 이러한 열경화성수지가 함침된 단판적층제가 다 사용된 이후 폐자제로 폐기시 내부에 함유된 폴리우레탄 역시 환경오염물질이므로 그대로 환경에 노출되는 문제점이 있다.

따라서 상기 배경기술의 문제점을 해결하고자 하는 본 발명은, 코일권선의 받침목 또는 상,하부누름목 등과 같이 판상으로 이루어지는 판상형 단판적층제를 폴리우레탄수지를 사용하지 않고 수성페놀수지를 사용함으로써 환경오염을 방지하고 작업장의 환경개선은 물론 보다 고기능성을 나타내는 판상형 단판적층제의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 재료의 선별부터 최종 제품까지의 일련의 과정들을 최적화 하여 특고전압 변압기의 부품들이 가져야 하는 절연목으로써의 기능을 충실히 수행할 수 있는 판상형 단판적층제의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 슬라이스된 나무의 단판들을 적층하여 단판적층제를 제조하는 22,000V 이상 1,000,000V 이하의 고전압 변압기용 판상 단판적층제의 제조방법에 있어서,기후분류상 한대기후(寒帶氣候)에 속하는 지역의 활엽수림을 1 내지 3 mm 두께로 단판을 제조하는 단판제조단계와; 제조된 단판에 함유된 수분을 제거하여 각 단판의 함수율이 5%이하가 되도록 하는 단판함수율 조정단계와; 함수율이 조정된 각 단판 표면에 수용성페놀수지를 도포하는 수용성 페놀수지 도포단계와; 도포된 각 단판에 함유된 수분을 제거하기 위한 도포단판 수분제거단계와; 원하는 제품의 크기 및 두께에 따라 수분제거가 이루어진 도포된 단판을 결무늬가 교차배열 되도록 적층하는 결무늬 교차배열 단판적층단계;그리고 상기 적층된 단판을 핫프레스를 이용하여 성형시키는 단판적층제 제조단계로 이루어지는 고전압 변압기용 판상형 단판적층제의 제조방법을 제공하는 것이다.

그리고, 바람직 하기로는 상기 단판함수율 조정단계는 건조실에서 100내지 110℃ 온도에서 5 내지 12시간 건조시켜 함수율을 조정하고, 상기 도포단판 수분제거단계는 건조실에서 90 내지 105℃ 온도에서 0.5 내지 1시간 건조시되도록 한다.또한, 상기 수용성 페놀수지 도포단계에서 사용되는 수지는,레졸 형태의 페놀수지 70 내지 75중량%와 페놀단량체 1 내지 5중량% 그리고 물 20 내지 25중량% 정도가 혼합된 페놀수지가 되도록 한다.

따라서, 상기 과제의 해결 수단에 따르면, 수성페놀수지를 사용함으로써 작업장의 환경개선이 이루어지고, 폐기시에도 환경오염이 방지되므로 생산성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 결무늬결 교차배열에 의한 단판을 적층하여 최적의 도포조건과 열처리 ,가압 조건 등을 조절함으로써 판상형 단판적층제의 기능이 향상되어 보다 오랜시간동안 사용할 수 있어 경제적인 적층제의 생산이 가능해져 제품의 가격 경쟁력을 극대화 할 수 있는 효과도 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 판상형 단판적층제의 제조방법에 대하여 도시한 도1을 참조하여 구체적으로 상세히 설명하기로 한다.

1. 재료의 선택

판상형 단판적층제를 제작하기 위한 단판으로써는 단풍나무, 자작나무 등의 한대 지방의 활엽수림이 사용되는 것이 적합하며, 이는 기후상으로 한대 지방 활엽수림의 식생특성에 기인한다. 즉, 이러한 나무들은 자라면서 목질 내부의 수관부가 비교적 좁게 형성되어 조직이 치밀한 구조로 이루어져 단판적층제의 재료로 사용시 인장강도가 좋아지는 잇점이 있다. 또한, 동일한 기후 조건의 식생나무일지라도 소나무 잣나무등과 같은 침엽수림은 피하는 것이 바람직하다. 이러한 침엽수림은 목질 내부 자체에 진이 많이 함유되어 단판적층제 제조를 위한 단판 가공시 많은 어려움이 따르기 때문이다.

또한, 종래 등록특허 10-0866455호에 언급된 바와 같은 열대 또는 아열대 지방에서 생산되는 남양재 나무 등은 피해야 한다. 이는 고전압 변압기용 절연제를 위한 단판적층제의 특성에 기인한다. 즉, 고전압 변압기 부품을 위한 판상용 단판적층제는 특고전압에 대한 절연성을 가지면서 목재의 다공성으로 인한 코일권선의 진동, 소음을 저감할 수 있어야 하며, 절연유에 대한 내유성을 가지고 내열성을 가져야 한다. 그러나, 남양재 나무의 경우 열대 아열대에서 식생하므로 나무의 나이테가 조밀하지 못하여 적층제 제조를 위하여 과다 압축시 나무의 고유특성이 사라지고 플라스틱처럼 짤 깨어지고 압축강도가 떨어져 변압기용 단판적층제 제조에는 적합하지 못하다.

2. 재료의 단판제조

상기와 같은 재료들을 먼저 얇은 단판으로 제작하여야 한다. 이때 먼저 나무의 둘레를 따라 단판으로 만들어 결무늬가 나타나도록 하여야 하며, 그 두께는 1.0 내지 3 mm 정도가 되도록 하는 것이 바람직하다.

단판의 두께가 1.0mm 이하일 경우에는 후술하는 도포공정에서 쉽게 도포는 되나 도포 후 건조시 말림현상이 발생하여 적층후 압축시 깨짐 현상이 발생하여 품질저하를 일으킨다. 이와 반대로 3.0mm이상의 두께를 가질 경우 단판 두께가 너무 두꺼워 충분한 적층제로서의 기능이 저하되는 문제점이 있다. 통상 함침공정에서는 두께가 1.0 내지 1.5mm 정도의 두께가 필요하게 되나, 본 발명에서는 함침이 아닌 표면 도포방식에 의하므로 단판 내부로까지의 수지 함침이 필요치 않으므로 두께가 다소 두껍게 유지되어도 충분하다. 이렇게 각 단판제의 두께의 선택폭이 넓어짐에 따라 재료선택 및 가공의 편리성이 가능해진다.

3.함수율 관리

적층 두께로 슬라이스된 단판들은 도포 및 적층을 하기에 앞서 단판 자체에 함유된 함수율을 조정한다. 즉, 단판 자체는 목재로 이루어지므로 외부 환경이나 처리과정중 수분을 함유하게 된다. 이러한 수분은 도포공정에서는 불순물로 작용하게 되고, 핫프레스 공정시 열과 압력에 의해 발생되는 증기가 외부로 빠져나오지 못하여 균열을 발생시켜 제품의 불량을 야기하므로 단판 자체의 함수율이 적정 범위로 조절되어야 한다. 이러한 함수율과 단판적층제 제조와의 사이관계를 면밀히 실험 테스트 해본 결과 본 공정에서는 함수율을 최하 5%이하로 되도록 조정하는 것이 바람직함을 알 수 있었다. 즉, 10%이상의 함수율을 함유한 경우에는 도포공정에서 수분이 스며들어 페놀수지 자체에 불순물로 작용됨을 알 수 있었으며, 5%이상 10%이하에서는 페놀수지에서 불순물로의 작용보다는 단판적층제 제조과정상에서 함 유된 수분에 의해 제품의 불량을 야기시킴을 알 수 있었다. 따라서, 최소한 5%이하의 함수율 관리가 이루어 져야 페놀수지에서의 도포공정 및 단판적층제 제조공정상에 적합함을 알 수 있었다.

이러한 함수율을 조절하기 위한 방법으로는 외부 환경요인에 영향을 최소한 받을 수 있도록 별도의 밀폐된 건조실이 필요로 하며, 이러한 건조실은 바람직하기로는 온도 및 습도 등이 조절될 수 있는 환경이어야 한다. 이러한 건조실에서 슬라이스된 단판들을 차곡차곡 쌓아놓고, 강제적으로 건조실 전체가 약 100℃이상 150℃이하의 온도가 되도록 조절하고, 이러한 온도하에서 약 5시간 내지 12시간 정도 건조실에서 건조시킨다. 이 경우 건조과정중에 발생되는 수분은 외부로 배출되도록하고, 수시로 단판의 함수율을 측정하여 5%이하가 되면 건조실의 건조를 종료시키게 된다.

4.페놀수지 도포

페놀수지의 성상

본 발명에서 사용하는 페놀수지는 종래 일반적으로 사용되는 페놀수지와는 그 성상이 다르다. 즉, 종래에는 유성페놀수지로 페놀수지의 용제로서 알코올을 사용하였으나, 이 경우 취급의 부주의로 인한 화재의 위험성, 악취 등 다루기가 용이하지 않고, 사용하기에도 불편하였다.

따라서 본 발명에서는 이러한 유성페놀수지의 사용대신에 수용성 페놀수지를사용하도록 한다. 이러한 수용성 페놀수지를 사용함에 따라 화재의 위험성으로부터 해방되어 한결 작업자의 작업이 용이해지는 잇점이 있으며, 유성수지에서 발생 되는 악취등으로부터 작업자의 환경을 개선시킬 수 있다.

이러한 수용성페놀수지는 기본적으로 페놀과 포름알데히드를 알카리로 반응시켜 얻게되는 레졸수지를 근간으로 하며, 여기에 더하여 페놀단량체와 적정량의 물이 혼합되는 수용성 수지이다. 좀 더 구제적으로 설명하면, 본발명에서 사용되는 수용성페놀수지는 레졸형태의 페놀수지 70 내지 75중량%와 페놀단량체 1 내지 5중량% 그리고 물 20 내지 25중량% 정도가 혼합된 페놀수지이다. 본 발명에서 소량의 페놀단량체가 사용되는데, 이는 전혀 없는 경우 또는 5중량%이상 함유되는 경우보다 1 내지 5중량%정도의 소량 함유되는 경우 최적의 성능을 나타냄을 알 수 있었다. 또한, 첨가되는 물 역시 20 내지 25중량% 정도가 가장 적합한 성능을 나타내기에 충분한 양임을 알 수 있었다.

페놀수지 도포

다음, 상기와 같이 준비된 수용성페놀수지를 각 단판에 도포한다. 즉, 수용성페놀수지를 함유한 도포롤러를 이용하여 각 슬라이스된 단판의 각 면에 도포되도록 한다. 통상 1장의 단판에 수용성페놀수지를 도포하는데 약 5초 정도 소요되므로 1000장정도 도포하더라도 1 내지 2시간 정도 밖에 소요되지 않으므로 함침방법에 의한 페놀수지의 함침에 의한 페놀수지 주입보다는 훨씬 적은시간이 소요되므로 경제적이다. 또한, 함침방법과 같은 대량의 작업실과 대량의 페놀수지가 필요하지 않으며, 필요에 따라 적정량의 페놀수지를 이용하면 족하므로 이 또한 훨씬 경제적이다.

5.건조

상기와 같이 페놀수지를 도포시켜 각 단판 표면에 충분히 페놀수지가 도포되도록 한 다음 건조를 시킨다. 건조시키는 이유는 접착제로 필요로 하는 성분은 페놀수지이고, 상술한 바와 같이 수분은 불순물에 해당한다. 따라서 도포작업상 필요로 하는 수용성페놀수지에 함유된 수분을 충분히 제거하여야 한다.

이를 위하여 도포된 단판을 건조실에서 90 내지 110℃정도의 온도하에서 약 0.5 내지 1시간정도 건조시켜 수용성페놀수지 내부에 함유된 수분이 건조되도록 한다.

상기와 같이, 페놀수지를 함침시키지 않고 표면도포를 시행함으로써 함침공정에서와 달리 여러 가지 잇점이 발생하게 된다.

첫째, 페놀수지의 사용량이 줄어들게 된다. 단순히 표면에만 도포하면 되므로 페놀수지의 양이 함침시에 비하여 사용량이 줄어들게 되어 비용절감이 이루어진다.

둘째, 작업시간의 단축 된다. 종래 함침공정에서는 5시간 이상 소요되나, 도포방식에서는 각 단판 당 약 5초정도 소요되므로 1000장의 경우에도 약 1시간정도 소요되어 작업공정이 훨씬단축되게 된다.

셋째, 기능성이 강화된다. 즉, 종래 함침시에는 페놀수지가 단판 내부 깊숙히까지 함침되어 접착에 필요한 양 필요이상의 페놀수지가 사용될 뿐아니라 이러한 페놀수지 자체는 미반응되어 목재의 섬유질 사이에 잔존하게 되고, 이러한 페놀수지 성분은 목재 고유의 성능을 약화시키는 결과를 초래하였으나, 본 공정에서는 표면 도포방식으로 처리함으로써 접착력에 필요한 만큼의 페놀수지가 사용됨은 물론 목재 내부 섬유질에 물성변화를 일으키지 않아 단판적층제 제작시 보다더 목재 고유의 성능을 나타 낼 수 있게 된다.

6. 결무늬 교차배열에 의한 적층

본 공정에서는 페놀수지가 도포된 각 단판들이 결무늬에 따라 교차배열되도록 적층한다. 즉, 본 공정에서 제조하고자 하는 단판적층제는 판상형 단판적층제 이므로 인장강도 보다는 휨방지, 부러짐 등의 성능이 좋아야 하며, 또한 압축강도, 충격강도 및 굴곡강도가 좋아야 하므로, 이를 위해서는 결무늬가 교차배열되도록 각 단판들을 적층하게 된다. 즉, 목재는 결무늬를 따라 부러짐이 발생하므로 각 단판들을 가로 세로로 교차배열시켜 적층함으로써 부러짐의 방향이 서로 직각이 되게 하여 보다 더 휨이나 부러짐에 저항성을 가질 수 있게 된다. 또한, 이러한 결무늬 교차배열 적층이 이루어짐에 따라 목재 내부까지 페놀수지가 함침될 필요성이 없으므로 표면도포에 의한 방식으로도 충분한 적층 결합이 이루어질 수 있게 된다.

7. 핫프레스 가압에 의한 판상형 단판적층제의 제조

상기와 같이 각 단판들을 결무늬들이 교차배열되도록 적층한 다음, 핫프레스로 고온, 고압을 이용하야 단판적층제를 제작하게 된다.

통상적으로 각 단판들이 견고하게 적층되기 위해서는 표면에 도포된 페놀수지가 축합반응을 일으켜 가교 경화되면서 단판들을 접착시키게 되는데, 가압함으로써 각 단판들은 보다 치밀하고 견고하게 접착됨은 물론 단순한 목재의 두께보다 보다 단단한 물성을 나타내게 된다. 그리고, 이러한 핫프레스 가압과 열에 의한 각단판적층제의 최종제품 형성은 함침공정과 거의 동일하고 이러한 공정은 적층제 제 조에서 일반적인 공정이므로 이하 자세한 설명은 생략하기로 한다.

8. 후가공

상기와 같이 핫프레스에 의해 적층된 단판적층제를 후가공처리하여 최종 제품을 만들게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 고전압 변압기용 판상형 단판적층제의 제조방법을 도시하는 블록도.

Claims (3)

1. 삭제
2. 슬라이스된 나무의 단판들을 적층하여 단판적층제를 제조하는 22,000V 이상 1,000,000V 이하의 고전압 변압기용 판상 단판적층제의 제조방법에 있어서,

   기후분류상 한대기후(寒帶氣候)에 속하는 지역의 활엽수림을 1 내지 3 mm 두께로 단판을 제조하는 단판제조단계와;

   제조된 단판에 함유된 수분을 제거하여 각 단판의 함수율이 5%이하가 되도록 하는 단판함수율 조정단계와;

   함수율이 조정된 각 단판 표면에 수용성페놀수지를 도포하는 수용성 페놀수지 도포단계와;

   도포된 각 단판에 함유된 수분을 제거하기 위한 도포단판 수분제거단계와;

   원하는 제품의 크기 및 두께에 따라 수분제거가 이루어진 도포된 단판을 결무늬가 교차배열 되도록 적층하는 결무늬 교차배열 단판적층단계;그리고

   상기 적층된 단판을 핫프레스를 이용하여 성형시키는 단판적층제 제조단계로 이루어지되,

   상기 단판함수율 조정단계는, 건조실에서 100내지 110℃ 온도에서 5 내지 12시간 건조시켜 함수율을 조정하고,

   상기 도포단판 수분제거단계는, 건조실에서 90 내지 105℃ 온도에서 0.5 내지 1시간 건조시키는 것을 특징으로 하는 고전압 변압기용 판상형 단판적층제의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 수용성 페놀수지 도포단계에서 사용되는 수지는,

   레졸 형태의 페놀수지 70 내지 75중량%와 페놀단량체 1 내지 5중량% 그리고 물 20 내지 25중량% 혼합된 페놀수지임을 특징으로 하는 고전압 변압기용 판상형 단판적층제의 제조방법.

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