KR102580922B1 - 극고온 내화 케이블 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 극고온 내화 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 1,000 ℃ 이상의 극고온 환경하에서도 내화 특성을 유지할 수 있는 동시에, 제조비용이 절감되고, 연속 공정에 의한 제조가 가능한 등 작업성과 수율이 향상될 수 있는 극고온 내화 케이블에 관한 것이다.

Description

극고온 내화 케이블{Ultra high temperature fire-resistant cable}
본 발명은 극고온 내화 케이블에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 1,000 ℃ 이상의 극고온 환경하에서도 내화 특성을 유지할 수 있는 동시에, 제조비용이 절감되고, 연속 공정에 의한 제조가 가능한 등 작업성과 수율이 향상될 수 있는 극고온 내화 케이블에 관한 것이다.
최근, 케이블 제조 산업의 주요한 이슈는 극도의 온도상태, 특히 화재시에 직면하게 되는 상황에서 케이블의 거동 및 성능을 유지시키는 것이다. 안정을 위해서 불길이 번지는 것을 지연시키고 또한 화염을 견딜 수 있는 케이블의 내화특성(fire-resistance)을 극대화하는 것이 필수적이다.
케이블의 내화특성을 향상시키기 위해 도체와 시스 사이에 광물절연체를 충진하는 광물 절연 케이블이 사용되고 있다. 도 1은 종래 저압 배전용 광물 절연 케이블의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 광물 절연 케이블은 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등의 전도성 소재로 이루어져 있어 전류의 흐름 경로를 제공하는 도체(11), 상기 도체(11)를 전체적으로 감싸는 광물 절연체(12), 외곽의 구리 또는 구리 합금으로 이루어진 금속 시스(13) 등을 포함할 수 있다.
일반적으로 케이블 내화 평가시 가장 높은 등급은 950 ℃ 이지만 화재 발생시 사고 위험에 대한 인식이 높아짐에 따라 1,000 ℃ 이상의 화염을 견디는 케이블이 요구되는 경우가 잦아지고 있다. 그러나, 구리로 이루어진 금속 시스(13)를 적용한 종래 내화 케이블은 구리의 용융점이 1,080 ℃이므로 1,000 ℃ 이상의 화염속에서는 견디지 못하고 시스가 녹아 내릴 수 있다. 광물 절연체(12)가 우수한 내화성 재료임에도 불구하고 구리 시스의 녹는점에 의해 극고온에서는 버티지 못하는 것으로 판단된다.
또한, 종래 광물 절연 케이블에 사용되는 광물 절연체(12)는 용도에 따라 순도 92~99%의 마그네시아(MgO, 산화마그네슘)가 주로 사용되는데, 광물 절연 케이블 제작시 마그네시아(MgO)가 총 재료비의 70%를 차지하여 케이블의 제조비용이 상승하는 문제가 있다.
나아가, 마그네시아(MgO)는 금속산화물로서 불에 대한 저항성이 매우 높지만 상온에 노출되게 되면 수분 침투가 빠르게 진행되고, 수분 흡수에 따라 절연성능이 급격히 저하되기 때문에, 마그네시아(MgO)를 광물 절연체(12)로 사용하는 광물 절연 케이블은 제조시 신속한 공정이 요구될 뿐만 아니라 도체(11) 사이에 마그네시아(MgO) 절연체(12)를 충진하고 금속 시스(13)를 용접한 후 외경을 조절하는 등의 복잡한 불연속적 공정을 적용해야 하는 등 작업성과 수율이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 1,000 ℃ 이상의 극고온 환경하에서도 내화 특성을 유지할 수 있는 동시에, 제조비용이 절감되고, 연속 공정에 의한 제조가 가능한 등 작업성과 수율이 향상될 수 있는 극고온 내화 케이블이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 1,000 ℃ 이상의 극고온 환경하에서도 내화 특성을 유지할 수 있는 극고온 내화 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제조비용이 절감되고, 연속 공정에 의한 제조가 가능한 등 작업성과 수율이 향상될 수 있는 극고온 내화 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
하나 이상의 도체; 상기 도체를 각각 감싸는 세라믹 절연체 및 상기 세라믹 절연체를 전체적으로 감싸는 베딩, 또는 상기 도체를 전체적으로 감싸는 광물 절연체; 및 상기 베딩 또는 상기 광물 절연체를 감싸는 금속 시스층을 포함하고, 상기 도체가 상기 광물 절연체에 의해 감싸여지는 경우 상기 금속 시스층을 감싸는 세라믹 시스층을 추가로 포함하는, 극고온 내화 케이블을 제공한다.
여기서, 상기 세라믹 절연체는 고분자 수지 및 세라믹을 포함하는 세라믹 컴파운드에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 극고온 내화 케이블을 제공한다.
또한, 상기 고분자 수지는 실리콘 수지인 것을 특징으로 하는, 극고온 내화 케이블을 제공한다.
한편, 상기 고분자 수지는 상기 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 에틸렌-아세트산 비닐 공중합수지 50 내지 90 중량부 및 말레산 무수물이 그라프트된 에틸렌-아세트산 비닐 공중합수지 10 내지 50 중량부의 블랜드를 포함하는 것을 특징으로 하는, 극고온 내화 케이블을 제공한다.
여기서, 상기 에틸렌-아세트산 비닐 공중합수지는 이의 총 중량을 기준으로 아세트산 비닐의 함량이 20 내지 70 중량%인 것을 특징으로 하는, 극고온 내화 케이블을 제공한다.
또한, 상기 세라믹은 상기 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 이산화규소(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 산화나트륨(Na2O), 산화칼륨(K2O), 산화티타늄(Ti2O) 및 지르코니아(ZrO2)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 산화금속 5 내지 40 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 극고온 내화 케이블을 제공한다.
그리고, 상기 세라믹 컴파운드는 상기 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 수산화알루미늄 120 내지 220 중량부 또는 수산화마그네슘 100 내지 180 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 극고온 내화 케이블을 제공한다.
나아가, 상기 세라믹 컴파운드는 상기 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 산화방지제 2 내지 4 중량부 및 가공조제 0.5 내지 1 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 극고온 내화 케이블을 제공한다.
한편, 상기 광물 절연체는 마그네시아(MgO)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 극고온 내화 케이블을 제공한다.
또한, 상기 금속 시스층은 스테인레스강 또는 인코로이(incoloy) 825로 이루어진 것을 특징으로 하는, 극고온 내화 케이블을 제공한다.
그리고, 상기 베딩, 상기 세라믹 시스층 또는 이들 모두는 상기 세라믹 절연체를 형성하는 세라믹 컴파운드와 동일한 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는, 극고온 내화 케이블을 제공한다.
또한, 상기 금속 시스층은 구리, 구리 합금, 스테인레스강 및 인코로이(incoloy) 825 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는, 극고온 내화 케이블을 제공한다.
본 발명에 따른 극고온 내화 케이블은 특정 구조와 소재에 의해 1,000 ℃ 이상의 극고온 환경하에서도 내화 특성을 유지할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 극고온 내화 케이블은 종래 광물 절연체로서 주로 사용되는 마그네시아(MgO)를 세라믹 컴파운드로 대체함으로써 제조비용을 절감할 수 있는 동시에 작업성과 수율이 향상되는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 종래 저압 배전용 광물 절연 케이블의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 하나의 실시예의 극고온 내화 케이블의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 극고온 내화 케이블의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 하나의 실시예의 극고온 내화 케이블의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 극고온 내화 케이블은 도체(110) 및 상기 도체를 각각 감싸는 세라믹 절연체(120)를 포함하는 하나 이상의 코어(100), 상기 코어(100)를 전체적으로 감싸는 베딩(200) 및 상기 베딩(200)을 감싸는 금속 시스층(300)을 포함할 수 있다.
상기 도체(110)는 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등의 전도성 소재로 이루어져 있어 전류의 흐름 경로를 제공하는 IEC 60228 규격을 만족하는 Class 2 또는 5의 도체일 수 있다.
상기 세라믹 절연체(120)는 세라믹 컴파운드의 압출에 의해 형성될 수 있고, 화재시 약 500 ℃ 이상의 고온에서 연소 후 경질의 차르(char)를 형성함으로써 차수특성을 향상시켜 상기 도체(110)간 단락의 확률을 줄여주는 역할을 수행한다.
상기 세라믹 컴파운드는 고분자 수지에 세라믹, 난연제, 산화방지제, 가공조제, 가교제 등이 첨가될 수 있다. 상기 고분자 수지는 특별히 제한되지 않지만 예를 들어 폴리실록산 등의 실리콘 수지, 에틸렌-아세트산 비닐 공중합수지, 말레산 무수물이 그라프트된(grafted) 에틸렌-아세트산 비닐 공중합수지 등일 수 있으며, 바람직하게는 상기 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 에틸렌-아세트산 비닐 공중합수지 50 내지 90 중량부 및 말레산 무수물이 그라프트된 에틸렌-아세트산 비닐 공중합수지 10 내지 50 중량부의 블랜드를 포함할 수 있다.
상기 에틸렌-아세트산 비닐 공중합수지는 이의 총 중량을 기준으로 아세트산 비닐의 함량이 20 내지 70 중량%일 수 있고, 상기 에틸렌-아세트산 비닐 공중합수지의 함량이 50 중량부 미만인 경우 화재 등에 의한 상기 세라믹 절연체(120)의 연소시 차르 형성에 긍정적 영향을 끼치는 아세트산 비닐의 극성기가 불충분할 수 있어 난연특성이 저하되는 반면, 90 중량부 초과인 경우 상온 인장강도가 저하되어 기준미달일 수 있다.
또한, 말레산 무수물이 그라프트된 에틸렌-아세트산 비닐 공중합수지의 함량이 10 중량부 미만인 경우 상온 인장강도가 저하되어 기준미달일 수 있는 반면, 50 중량부 초과인 경우 상온 신장율 및 가열특성이 저하되어 기준미달일 수 있다.
상기 세라믹은 예를 들어 이산화규소(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 산화나트륨(Na2O), 산화칼륨(K2O), 산화티타늄(Ti2O), 지르코니아(ZrO2) 등의 산화금속, 질화규소(Si3N4), 탄화규소(SiC), 질화 알루미늄(AlN) 등을 포함할 수 있고, 함량은 상기 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 5 내지 40 중량부일 수 있다. 상기 세라믹의 함량이 5 중량부 미만인 경우 내화특성이 불충분한 반면, 40 중량부 초과인 경우 상온 인장강도 및 신장율이 저하되고 유연성이 저하될 수 있다.
상기 난연제는 비닐실란, 지방산 등으로 표면 처리된 금속수산화물, 예를 들어, 수산화알루미늄(Al(OH)3), 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 또는 이들 모두를 포함할 수 있다. 상기 금속수산화물은 340 ℃ 이상에서 물을 차단할 수 있는 무기재료인 산화금속(Metal Oxide), 즉 세라믹과 물(H2O)로 분해되는 아래의 흡열반응을 일으키고 이에 의해 주변 온도를 낮출 뿐만 아니라, 강도가 향상되고 내수성이 우수한 상기 세라믹에 의해 1,000 ℃ 이상의 가혹한 조건하에서도 내화특성을 유지할 수 있게 된다.
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O - 298kJ/mol at ≥200℃
Mg(OH)2 → MgO + H2O - 330kJ/mol at ≥340℃
상기 금속수산화물은 비닐실란 등에 의해 소수성으로 표면 처리됨으로써 상기 고분자 수지에 대한 분산성이 향상될 수 있다. 또한, 상기 난연제로서 수산화알루미늄은 상기 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 120 내지 220 중량부일 수 있다. 또한, 상기 난연제로서 수산화마그네슘은 상기 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 100 내지 180 중량부일 수 있다.
상기 수산화알루미늄의 함량이 120 중량부 미만이거나 상기 수산화마그네슘의 함량이 100 중량부 미만인 경우 난연 특성이 기준 미달일 수 있는 반면, 상기 수산화알루미늄의 함량이 220 중량부 초과이거나 상기 수산화마그세늄의 함량이 180 중량부 초과인 경우 상온 기계적 특성, 예를 들어, 인장강도 및 신장율이 기준 미달이고 유연성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 세라믹 컴파운드는 상기 고분자 수지 100 중량부를 기준으로, 페놀계, 아민계 등의 산화방지제 2 내지 4 중량부, 가공조제 0.5 내지 1 중량부를 포함할 수 있다. 한편, 상기 베딩(200)은 상기 세라믹 절연체(120)를 형성하는 세라믹 컴파운드와 동일한 소재로 충실식 압출에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 극고온 내화 케이블은 종래 광물 절연 케이블에서 광물 절연체로 주로 사용되는 고가의 마그네시아(MgO)를 상기 세라믹 컴파운드로 대체함으로써 케이블의 제조비용을 30% 이상 절감할 수 있는 동시에 상기 베딩(200)과 후술하는 금속 시츠층(300)의 조합에 의해 1,000 ℃ 이상의 극고온 환경하에서도 내화 특성을 유지하는 우수한 효과를 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 극고온 내화 케이블은 상기 세라믹 절연체(120) 및 상기 베딩(200)이 압출에 의해 형성될 수 있기 때문에 연속 공정에 의한 제조가 가능하여 작업성 및 수율이 향상되는 우수한 효과를 나타낼 수 있다.
상기 금속 시스층(300)은 용융점이 약 1,500 ℃인 스테인레스강, 용융점이 약 1,400 ℃인 인코로이(incoloy) 825(몰리브덴-구리-니켈-철-크롬 합금) 등으로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 극고온 내화 케이블은 상기 금속 시스층(300)이 용융점이 약 1,080 ℃인 구리, 용융점이 약 1,110 ℃인 구리-니켈 합금 등의 종래 금속 시스층용 금속으로 이루어지는 경우에 비해 상기와 같은 고융점 금속으로 이루어짐으로써 1,000 ℃ 이상의 극고온 내화 특성을 용이하게 만족할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 또 다른 실시예의 극고온 내화 케이블의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 극고온 내화 케이블은 하나 이상의 도체(100') 및 상기 도체(100')를 감싸는 절연체(200'), 상기 절연체(200')를 감싸는 금속 시스층(300') 및 상기 금속 시스층(300')을 감싸는 세라믹 시스층(400')을 포함할 수 있다.
상기 절연체(200')는 마그네시아(MgO) 또는 상기 세라믹 컴파운드로 이루어질 수 있고, 상기 금속 시스층(300')은 구리, 구리 합금, 스테인레스강, 인코로이 825 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 세라믹 시스층(400')은 상기 세라믹 컴파운드로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 극고온 내화 케이블은 기존과 같이 구리 또는 구리 합금으로 이루어진 금속 시스층(300')을 적용하더라도 상기 세라믹 시스층(400')에 의해 화재시 열이 직접적으로 상기 금속 시스층(300')에 전달되는 것을 억제하여 1,000 ℃ 이상의 극고온 환경 하에서도 단시간 동안은 내화 특성을 유지할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
[실시예]
1. 제조예
아래 표 1에 나타난 바와 같은 구성의 케이블 시편을 제조했다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1
도체 2개 2개 2개
절연체 세라믹 컴파운드 -
베딩 세라믹 컴파운드 마그네시아 마그네시아
금속 시스층 스테인레스강 구리 구리
세라믹 시스층 - 세라믹 컴파운드 -
2. 내화특성 평가
실시예 및 비교예 각각의 케이블 시편에 대해 규격 IEC 60331-1/2(830℃,2시간), BS 6387(950℃,3시간), BS 8434-2(930℃,2시간), IEC 60331-1/2(1,000℃,90분) 및 IEC 60331-1/2(1,000℃,2시간)에 따른 내화특성 평가를 수행했고, 그 결과는 아래 표 2에 나타난 바와 같다.
규격 실시예 1 실시예 2 비교예 1
IEC 60331-1/2
(830℃,2시간)		 PASS PASS PASS
BS 6387
(950℃,3시간)		 PASS PASS PASS
BS 8434-2
(930℃,2시간)		 PASS PASS PASS
IEC 60331-1/2
(1,000℃,90분)		 PASS PASS FAIL
IEC 60331-1/2
(1,000℃,2시간)		 PASS FAIL FAIL
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1의 내화 케이블은 1,000 ℃의 고온 환경하에서도 장시간 동안 내화특성을 유지하고, 실시예 2의 내화 케이블은 1,000 ℃의 고온 환경하에서 단시간 동안은 내화특성을 유지했다.
반면, 비교예 1의 종래 내화 케이블은 1,000 ℃의 고온 환경하에서 금속 시스층이 녹아내려 금속 시스층과 도체간의 단락이 발생했다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
100 : 코어 200,200' : 베딩
300,300' : 금속 시스 400' : 세라믹 시스

Claims (12)

  1. 하나 이상의 도체; 및
    상기 하나 이상의 도체를 각각 감싸는 세라믹 절연체를 포함하고,
    상기 세라믹 절연체는 베딩에 의해 직접 감싸여지고,
    상기 베딩을 감싸는 금속 시스층을 추가로 포함하며,
    상기 세라믹 절연체는 세라믹 컴파운드에 의해 형성되며,
    상기 베딩은 상기 세라믹 절연체를 형성하는 상기 세라믹 컴파운드와 동일한 소재로 충실식 압출에 의해 형성되고,
    상기 금속 시스층은 스테인레스강 또는 인코로이(incoloy) 825로 이루어지며,
    상기 세라믹 컴파운드는 에틸렌-아세트산 비닐 공중합수지 50 내지 90 중량부 및 말레산 무수물이 그라프트된 에틸렌-아세트산 비닐 공중합수지 10 내지 50 중량부의 블랜드를 포함하는 고분자 수지 및, 상기 고분자 수지 100 중량부를 기준으로, 이산화규소(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 산화나트륨(Na2O), 산화칼륨(K2O), 산화티타늄(Ti2O) 및 지르코니아(ZrO2)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 산화금속 5 내지 40 중량부를 포함하고,
    상기 세라믹 컴파운드는 상기 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 수산화알루미늄 120 내지 220 중량부 또는 수산화마그네슘 100 내지 180 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 극고온 내화 케이블.
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  5. 제1항에 있어서,
    상기 에틸렌-아세트산 비닐 공중합수지는 이의 총 중량을 기준으로 아세트산 비닐의 함량이 20 내지 70 중량%인 것을 특징으로 하는, 극고온 내화 케이블.
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  8. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 컴파운드는 상기 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 산화방지제 2 내지 4 중량부 및 가공조제 0.5 내지 1 중량부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 극고온 내화 케이블.
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