KR20030025282A - 다층절연전선 및 그것을 사용한 변압기 - Google Patents

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Abstract

도체상에 제공되어 상기 도체를 피복하는 압출절연층을 갖고 이루어지는 2층 이상의 다층절연전선으로서, 상기 절연층의 적어도 1층이, 폴리에테르설폰 수지 (i), 또는 폴리에테르이미드 수지 및 폴리에테르술폰 수지로부터 선택된 적어도 1종의 수지(A) 100질량부와 폴리카보네이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리에스테르 수지 및 폴리아미드 수지로부터 선택된 적어도 1종의 수지(B) 10질량부 이상을 배합한 수지혼합물(ii)로 형성되고; 상기 수지(i) 또는 상기 수지혼합물(ii)에 의해 형성된 절연층 이외의 적어도 1층이, 상기 절연층보다도 바깥층에 있고, 폴리페닐렌술피드 수지로 형성되어 있는 다층절연전선. 이 절연전선을 사용한 변압기.

Description

다층절연전선 및 그것을 사용한 변압기{MULTILAYER INSULATED WIRE AND TRANSFORMER USING THE SAME}
변압기의 구조는, IEC 규격(International Electrotechnical Communication Standards) Pub. 60950 등에 의해 규정되어 있다. 즉, 이 규격은 권선(winding)에 있어서 1차권선과 2차권선의 사이에는 적어도 3층의 절연층이 형성되어 있고, 여기서 권선의 도체를 피복하는 에너멜피막은 절연층(절연박판재료)으로 인정되지 않는 것, 또는 절연층의 두께가 0.4mm 이상인 것을 규정한다. 상기 규격은 또한 1차권선과 2차권선의 연면거리(creepage distance)가, 인가전압에 따라서도 다르지만, 5mm 이상인 것, 또한 1차측과 2차측 사이에 3000V의 전압을 가했을 때에 1분 이상 견디는 것, 등을 규정한다.
이러한 규격에 따라, 현재 주류의 변압기는 도 2의 단면도에 예시하는 것과 같은 구조를 갖는다. 상기 구조에서, 에너멜피복된 1차권선(4)은, 연면거리를 확보하기 위한 절연배리어(3)가 보빈의 둘레면 양측에 각각 배치된 상태로, 페라이트코어(ferrite core)(1)상의 보빈(bobbin)(2)의 주변에 감겨있다. 절연테이프(5)는 적어도 3층으로 1차권선(4)에 감겨있고, 연면거리를 확보하기 위한 추가 절연배리어(3)가 이 절연 테이프의 위에 배치되고, 에너멜피복된 2차권선(6)이 상기 절연테이프 주위에 두루 감겨있다.
최근에는, 도 2에 나타낸 단면구조의 변압기 대신에, 도 1에서 나타낸 바와 같이, 절연배리어(3)나 절연테이프층(5)을 포함하지 않은 구조의 변압기가 사용되기 시작했다. 도 1에 나타낸 변압기는 도 2의 구조의 변압기와 비교해서, 전체크기를 감소시킬 수 있고, 절연테이프의 두루감기 작업을 생략할 수 있는 등의 이점을 구비하고 있다.
도 1에 나타낸 변압기를 제조하는 경우, 사용되는 1차권선(4) 및 2차권선(6)의 어느 한쪽 또는 양쪽의 도체(4a(6a))의 바깥둘레면에 적어도 3층의 절연층 (4b(6b)), (4c(6c)), (4d(6d))이 형성되어 있는 것이 상기한 IEC규격을 고려하여 필요하다.
이러한 권선으로, 도체의 둘레에 절연테이프를 일차적으로 두루 감아 1층째의 절연층을 형성하고, 또한 계속하여 두루 감아 2층째의 절연층, 3층째의 절연층을 순차 형성하여, 서로 층간박리하는 3층구조의 절연층을 형성한 권선이 알려져 있다. 또한, 절연테이프 대신에 불소수지로 도체를 순차 압출피복하여, 전체 3층 구조로 이루어진 압출피복층을 절연층으로 사용하기 위해 형성한 것도 공지이다.
그러나, 상기의 절연테이프 감기의 경우는, 테이프 두루감기 작업이 불가피하기 때문에, 생산성이 현저히 낮고, 그 때문에 전선비용이 대단히 증가한다.
상기의 불소수지 압출의 경우에서는, 절연층이 불소계수지로 형성되어 있기 때문에, 내열성이 양호하다는 이점이 있다. 반면, 수지의 비용이 높고, 높은 전단속도(shearing speed)로 잡아당기면 외관상태가 악화된다는 성질이 있기 때문에, 제조속도를 높이는 것도 곤란하고, 절연테이프와 같이 전선 비용이 높아져 버린다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 도체의 바깥둘레 위에, 1층째, 2층째의 절연층으로서 결정화를 제어하여 분자량저하를 억제한 변성 폴리에스테르 수지를 압출하고, 3층째의 절연층으로서 폴리아미드 수지를 압출피복한 다층절연전선이 실용화되어 있다. 또한, 보다 내열성을 향상시킨 다층절연전선으로서, 내층에 폴리에테르설폰 수지, 가장 바깥층에 폴리아미드 수지를 압출피복한 것이 제안되고 있다.
그러나, 최근 전기·전자기기의 소형화나 고밀도화에 따라, 구성부품으로부터 발생된 열에 의한 영향, 및 방열성(radiating ability)의 손상에 의한 영향에 대해 고려하게 되었다. 따라서, 보다 높은 내열성, 취급의 관점에서 내용제성과 같은 우수한 내약품성, 또한, 전기적 특성에 있어서도, 과전수명(life time)이나 내코로나성의 향상이 요구되고 있다. 그러나, 현상에서는 이들 모든 요구를 만족하는 절연전선은 얻을 수 없었다.
[발명의 개시]
본 발명은, 도체상에 제공되어 상기 도체를 피복하는 2층 이상의 압출절연층을 갖는 다층절연전선으로서, 상기 절연층의 적어도 1층이, 폴리에테르술폰 수지로형성되고, 적어도 하나의 상기 절연층 이외의 적어도 1층이, 적어도 하나의 상기 절연층보다 바깥층에 있고, 폴리페닐렌술피드 수지로 형성된다.
또한, 본 발명은, 도체상에 제공되어 상기 도체를 피복하는 2층 이상의 납땜 가능한 압출절연층을 갖는 다층절연전선으로서, 상기 절연층의 적어도 1층이, 폴리에테르이미드 수지 및 폴리에테르술폰 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 수지(A) 100질량부, 및 폴리카보네이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리에스테르 수지 및 폴리아미드 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 수지(B) 10질량부 이상을 배합한 수지혼합물로 형성되고, 상기 수지혼합물로 형성된 적어도 하나의 절연층 이외에 적어도 1층이, 적어도 하나의 상기 절연층보다도 바깥층에 있고, 폴리페닐렌술피드 수지로 형성된다.
또한, 본 발명은, 상기 어느 한 항의 다층절연전선이 사용된 변압기이다.
본 발명의 상기 및 다른 특징 및 이점은, 첨부의 도면과 동시에 고려함에 의해, 하기의 기재로부터 보다 분명하게 될 것이다.
본 발명은, 절연층이 2층 이상의 압출피복층(extrusion-coating layer)으로 이루어지는 다층절연전선에 관한 것이다. 본 발명은, 또한 그 다층절연전선이 사용된 변압기에 관한 것이다.
도 1은, 3층 절연전선이 권선으로 사용된 구조의 변압기의 예를 나타내는 단면도이다.
도 2는, 종래 구조의 변압기의 예를 나타내는 단면도이다.
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
본 발명에 의하면, 이하의 수단이 제공된다:
(1) 도체상에 제공되어 상기 도체를 피복하는 2층 이상의 압출절연층을 갖는다층절연전선으로서,
상기 절연층의 적어도 1층이, 폴리에테르술폰 수지로 형성되고,
적어도 하나의 상기 절연층 이외에 적어도 1층이, 적어도 하나의 상기 절연층보다 바깥층에 있고, 폴리페닐렌술피드 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
(2) 도체상에 제공되어 상기 도체를 피복하는 2층 이상의 납땜 가능한 압출절연층을 갖는 다층절연전선으로서,
상기 절연층의 적어도 1층이, 폴리에테르이미드 수지 및 폴리에테르 술폰 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 수지(A) 100질량부, 및 폴리카보네이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리에스테르 수지 및 폴리아미드 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 수지(B) 10질량부 이상을 배합한 수지혼합물로 형성되고,
상기 수지혼합물에 의해 형성된 적어도 하나의 절연층 이외의 적어도 1층이, 적어도 하나의 상기 절연층보다 바깥층에 있고, 폴리페닐렌술피드 수지로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
(3) 상기 (2)항에 있어서, 상기 수지(A)가 폴리에테르술폰 수지인 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
(4) 상기 (2)항에 있어서, 상기 수지(B)가 폴리카보네이트 수지인 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
(5) 상기 (2)항에 있어서, 상기 수지(A)가 폴리에테르술폰 수지이고, 상기수지(B)가 폴리카보네이트 수지인 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
(6) 상기 (2)∼(5) 중 어느 한항에 있어서, 상기 수지혼합물이 수지(A) 100질량부, 및 수지(B) 10∼70질량부를 배합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
(7) 상기 (1)∼(6) 중 어느 한항에 있어서, 적어도 하나의 상기 절연층을 형성하는 폴리페닐렌술피드 수지가, 질소 중에서 1rad/s, 300℃에서 초기의 손실탄성률이 저장탄성률의 2배 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
(8) 상기 (1)∼(7) 중 어느 한항에 있어서, 상기 절연층의 최상층이 폴리페닐렌술피드 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
(9) 상기 (1)∼(8) 중 어느 한항에 있어서, 적어도 하나의 상기 절연층이, 무기 필러 10∼85질량부, 및 폴리에테르술폰 수지 또는 상기 수지(A)와 (B)의 수지혼합물 100질량부를 배합하여 이루어진 혼합물에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
(10) 상기 (1)∼(9)중 어느 한항에 따른 다층절연전선으로 이루어진 변압기.
이하, 본 발명에 관해서 상세히 설명한다.
본 발명의 다층절연전선에 있어서, 절연층은 2층 이상으로 이루어지고, 바람직하게는 3층으로 이루어진다.
절연층으로는, 내열성이 높은 수지로서 임의의 폴리에테르술폰 수지를 공지의 수지로부터 선택하여 사용할 수 있고, 하기 일반식(1)으로 나타내어지는 것이 바람직하게 사용된다:
일반식(1)
(식 중, R1은 단결합 또는 -R2-O-이고, 여기서 R2는 치환기를 갖고 있어도 되고, 페닐렌기, 바이페닐렌기, 또는
이고, 여기서 R3은 -C(CH3)2- 및 -CH2-와 같은 알킬렌기를 나타내고, n은 해당 폴리머를 부여하는 데 충분히 큰 양의 정수를 나타낸다.)
상기 수지의 제조방법 자체는 공지이고, 일례로서 디클로로디페닐술폰, 비스페닐술폰, 비스페놀 S, 및 탄산칼륨을 고비점용매속에서 반응시키는 제조방법을 들 수 있다. 시판되는 수지로는 스미카엑셀 PES(SUMICAEXCEL PES, 상품명, 스미토모 카가쿠고교사제)과 라델 A(Radel A, 상품명, BP·Amoco사제) 등이 있다.
내열성을 손상하지 않은 범위에서, 다른 내열성 열가소성 수지 및 통상 사용되는 첨가제, 무기필러, 가공조제, 착색제 등도 상기 절연층에 첨가할 수가 있다.
다층절연전선의 절연층의 구조로는, 폴리에테르술폰 수지로 압출피복하여 얻은 2층 이상의 절연층이 내열성이 확보되어 바람직하다. 또한, 도체 위에 해당 폴리에테르술폰 수지를 압출피복할 때, 필요에 따라서 도체의 예비가열을 할 수 있다. 도체를 예비가열하는 경우, 온도는 140℃ 이하의 온도로 설정하는 것이 바람직하다. 예비가열을 하는 것에 의해, 도체와 해당 폴리에테르술폰 수지의 밀착성이 보다 강해진다.
반면, 절연층에 납땜성(solderability)이 특히 요구되는 경우에는, 상기 절연층 중에서, 상기 수지(A)와 (B)의 수지혼합물로 이루어지는 절연층이 적어도 1층 형성되는 것이 바람직하다. 내열성을 중시하는 경우는, 가장 바깥층을 제외한 전체층이 이 수지혼합물로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 수지(A)로서, 내열성이 높은 상기 폴리에테르술폰 수지중 어느 하나를 공지의 수지로부터 임의로 선택하여 사용할 수 있다. 또한, 상기 수지(A)로, 폴리에테르이미드 수지를 사용할 수도 있다. 상기 폴리에테르이미드 수지와 폴리에테르이미드 수지의 제조방법은 공지이다. 일례로서, 상기 폴리에테르이미드 수지는 2,2'-비스[3-(3,4-디카르복시페녹시)-페닐]프로판디에시드 안하이드라이드와 4,4'-디아미노디페닐메탄을 오르토-디클로로벤젠 용매 내에서 용액 중축합(solution polycondensation)하여 합성될 수 있다.
상기 폴리에테르이미드 수지는, 바람직하게는 일반식(2)으로 나타내어지는 것이다:
일반식(2)
(식중, R4및 R5는 치환기를 갖고 있어도 되고, 페닐렌기, 바이페닐렌기,
를 나타내고, 상기식에서 R6은 바람직하게는 탄소수 1∼7의 알킬렌기(바람직하게는 메틸렌, 에틸렌, 프로필렌(특히 바람직하게는 이소프로필리덴)), 또는 나프틸렌기를 나타내고, R4및 R5각각은 알킬기(메틸, 에틸 등)와 같은 치환체를 가질수 있고; m은 해당 폴리머를 부여하는 데 충분히 큰 양의 정수이다.)
시판의 수지로서는 ULTEM(GE 플라스틱사제, 상품명) 등이 있다.
본 발명에 있어서 내열성 수지(A)와 수지(B)를 혼합함에 의해, 생성된 수지 조성물은 납땜성을 갖게 된다.
수지(B)로서 사용되는 상기의 폴리카보네이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리에스테르 수지 및 폴리아미드 수지는 특히 한정되지 않는다. 폴리카보네이트 수지는, 예를 들면 2가 알코올과 포스젠(phosgene) 등을 원료로 하여 공지의 방법에 의해 제조되는 것을 사용할 수 있다. 시판의 수지로서는 Lexan(GE 플라스틱사제, 상품명), Panlite(데이진 카세이사제, 상품명), Upiron(미쓰비시 가스가가쿠사제, 상품명) 등이 있다. 본 발명에 사용되는 폴리카보네이트 수지로, 예를 들면, 일반식(3)으로 나타내어지는 것과 같은 공지의 폴리카보네이트 수지를 사용할 수 있다:
일반식(3)
(식중, R7은 페닐렌기, 바이페닐렌기,
를 나타내고, 여기서 R8은 바람직하게는 탄소수 1∼7의 알킬렌기(바람직하게는, 메틸렌, 에틸렌, 프로필렌(특히 바람직하게는 이소프로필리덴)), 또는 나프틸렌기를 나타내고, 이들은 알킬기(메틸, 에틸 등)와 같은 치환기를 갖고 있더라도 좋고; s는 해당 폴리머를 부여하는 데 충분히 큰 양의 정수이다.)
또한, 폴리아릴레이트 수지는, 일반적으로 계면중합법으로 제조되고, 예를 들면, 알칼리수용액에 용해된 비스페놀 A와 할로겐화탄화수소 등의 유기용매에 용해된 테레프탈산염화물/이소프탈산염화물 혼합물을 상온에서 반응시켜 수지를 합성한다. 시판의 수지로서 U-폴리머(유니티카사제, 상품명) 등이 있다.
또한, 폴리에스테르 수지로는, 2가 알코올과 2가 방향족 카르복실산 등을 원료로 하여 공지의 방법에 의해 제조되는 것을 사용할 수 있다. 시판의 수지로서, Byropet(도요보사제, 상품명)과 같은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)계 수지; Teijin PEN(데이진가세이사제, 상품명)와 같은 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN)계 수지가 사용될 수 있다.
또한, 폴리아미드 수지로는, 디아민과 디카르복실산 등을 원료로 하여 공지의 방법에 의해 제조되는 것을 사용할 수 있다. 시판의 수지로서는 Amilan(도레이사제, 상품명), Zytel(듀퐁사제, 상품명), Maranyl(유니티카사제, 상품명)과 같은 나일론 6,6; ARLEN(미쓰이 가가쿠사제, 상품명)과 같은 나일론 6,T가 있다.
본 발명에 있어서, 수지(A) 100질량부에 대한 수지(B)의 배합량은 10질량부 이상이다. 수지(A) 100질량부에 대하여, 수지(B)의 양이 10질량부 미만이면, 내열성은 증가하나, 납땜성을 얻을 수 없다. 수지(B)의 배합량 상한은, 요구되는 내열성의 레벨을 고려하여 정할 수 있지만, 바람직하게는 100질량부 이하이다. 높은 납땜성을 유지하면서 특히 높은 내열성 레벨을 실현하는 경우에는, 수지(B)의 사용량은 70질량부 이하로 하는 것이 바람직하고, 이 양 특성이 특히 균형을 잘 이루는 바람직한 범위는, 수지(A) 100질량부에 대해 수지(B)의 배합량은 20∼50질량부로 하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 수지 조성물은, 2축압출기나 코니더(co-kneader) 등의 통상의 믹서로 용융 및 혼합함으로써 제조될 수 있다. 수지의 혼합온도는 직접 납땜성에 영향을 주고, 믹서의 혼합온도가 높게 설정될수록, 납땜성이 좋아진다고 알려져 있다. 혼합온도는 320℃ 이상, 특히 360℃ 이상으로 설정되는 것이 바람직하다.
납땜성이나 내열성을 손상하지 않은 범위에서, 다른 내열성 열가소성 수지, 통상 사용되는 첨가제, 무기필러, 가공조제, 착색제 등도 첨가할 수가 있다.
다층절연전선의 절연층의 구성으로서는, 상기 수지혼합물로 압출피복된 2 이상의 층으로 조합된 절연층이 바람직하고, 이는 내열성의 확보와 납땜성의 균형이 좋기 때문이다. 또한, 도체 위에 상기 수지혼합물을 압출피복할 때, 도체의 예비가열을 하지 않은 쪽이 납땜성에 바람직하다. 도체가 예비가열되는 경우에는, 온도는 140℃ 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 이것은, 도체를 가열하지 않음으로써 수지혼합물 피복층과 도체간의 접착성이 약해지는 것, 그리고, 상기 수지혼합물 피복층이 납땜시에 전선의 길이방향으로, 10∼30%의 큰 열수축을 발생하는 것이 더불어 납땜성을 개선하기 때문이다.
폴리페닐렌술피드 수지로 형성된 적어도 하나의 절연층은, 상기 폴리에테르술폰 수지 또는 상기 수지혼합물로 형성된 절연층보다 바깥쪽에 형성된다.
폴리페닐렌술피드 수지에 대해서는, P-디클로로벤젠과 NaSH/NaOH 혹은 황화나트륨을 N-메틸피롤리돈 내에서, 고온가압하에서 중축합반응시켜 이를 제조하는 일반적인 방법이 있다. 폴리페닐렌술피드 수지의 종류로는 가교형 분자구조의 폴리머형(이하 가교형이라 한다)과 직쇄형 분자구조의 폴리머형(이하 직쇄형이라 한다)이 있다. 가교형에서는, 반응시에 생성되는 고리형올리고머를 열가교공정에서 폴리머 내로 넣는다. 직쇄형은 중합조제를 사용하여 반응공정에서 고분자량화된 폴리페닐렌술피드 수지이다. 본 발명에서 바람직하게 사용할 수 있는 수지는, 직쇄형을 주체로 한 폴리페닐렌술피드 수지이다. 본 발명에 있어서는, 질소 중에서, 1rad/s, 300℃에서의 초기의 손실탄성률이 저장탄성율의 2배 이상인 폴리페닐렌술피드 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 평가방법으로, 손실탄성률 및 저장탄성률의 시간의존성을 측정하는 장치를 이용함으로써 용이하게 평가할 수 있다. 예를 들면, 레오메트릭 사이언티픽사제 Ares 측정장치를 들 수 있다. 이들 두 탄성률의 비율이 가교레벨의 표준이다. 손실탄성률이 저장탄성률의 2배미만을 나타내는 폴리페닐렌술피드 수지에서는, 성형가공이 어려운 경우가 있다.
직쇄형을 주체로 한 폴리페닐렌술피드 수지는, 연속압출성형으로 가공될 수 있고, 다층절연전선의 피복층으로서 충분한 유연성(flexibility)을 갖는다. 한편, 가교형 폴리페닐렌술피드 수지에서는, 성형시에 겔화물(gelled product) 형성의 가능성이 있다. 그러나, 이 성형가공성을 저해하지 않는 범위에서, 직쇄형을 주체로 한 폴리페닐렌술피드 수지에 가교형 폴리페닐렌술피드 수지를 조합하는 것이나, 폴리머 내부에 가교성분(cross-linked component), 분지성분(branched component) 등을 더 함유하는 것은 가능하다. 여기서, '직쇄형을 주체를 하는 것'은 폴리페닐렌술피드 수지의 총 구성성분 중, 통상 70몰% 이상이 직쇄형 폴리페닐렌술피드 수지성분으로 이루어지는 것을 의미한다.
또한, 상기 폴리페닐렌술피드 수지는, 두꺼운 필름의 경우, 일반적으로 신장(tensile)에 의한 파손절단시 신장율이 대단히 작고, 구체적으로, 가교형에서는 1∼3%, 직쇄형에서도 20∼40%이다. 따라서, 두꺼운 폴리페닐렌술피드 수지 필름은 절연전선의 피복재료 용도에는 전혀 적합하지 않다. 그런데, 놀랍게도, 본 발명자들은 본 발명에서 사용되는 것과 같은 얇은 필름(180㎛ 이하)구조의 경우, 직쇄형 주체의 폴리페닐렌술피드 수지를 사용하면, 신장 파손절단시 신장률이 50∼ 70%까지 증가되는 것을 발견하였다. 신장 파손절단시 신장률이 50% 이상이면, 피복재료로서는 충분한 유연성을 갖는 것을 나타낸다.
또한, 이 폴리페닐렌술피드 수지로 이루어지는 적어도 한층이, 상기 폴리에테르술폰 수지 또는 상기 수지혼합물로 이루어지는 상기의 절연층보다 바깥층에 설치되면, 이런 층을 설치하지 않은 경우와 비교해서 내용제성(solvent resistance) 등의 내약품성이 현저하게 향상될 수 있다. 결정성수지이면, 내용제성 등의 내약품성에 강한 것은 잘 알려져 있다. 그러나, 본 발명에 사용된 것과 같은 박막구조에서도 내약품성을 갖고, 고속압출성형하는 것이 가능하고, 또한, 다층절연전선으로서의 특성도 겸비할 수 있는 수지는, 처음으로 발견되었다. 내열성 면에서, 상기 폴리페닐렌술피드 수지는 폴리아미드 수지와 같이 표면에서의 열산화에 의한 열화로 인해, 내부에서 산화가 진행되는 산화메커니즘을 갖는 다른 수지와 기본적으로 다르기 때문에, 박막 구조에서도 충분한 내열성을 갖는 것으로 추정된다.
또한, 본 발명의 다층절연전선이 전기적 특성 중에서 과전수명특성의 향상에 효과가 있는 것도 확인하였다. 폴리페닐렌술피드 수지의 경우, 내트래킹성이 좋지 않다고 알려져 있지만, 본 발명에 있어서 다층절연전선의 절연층구성의 일부에 상기 폴리페닐렌술피드 수지를 이용함으로써, 과전시험(charging test)시 수명시간이 길어지고, 상기 폴리페닐렌술피드 수지가 내코로나성에 효과가 있는 것을 발견하였다. 이것은, 방전에 의한 오존발생이 감소한 것에 의한 것으로, 종래부터의 사출성형 등으로부터 개발된 성형재료의 기술적 견지로부터는 상상할 수 없는 것이다. 이러한 효과는 본 발명의 구성으로서 처음으로 발현하는 것이다.
시판의 폴리페닐렌술피드 수지로서는, Fortron(폴리프라스틱스사제, 상품명 ), Dic. PPS(다이니혼 잉크&가가쿠고교사제, 상품명), PPS(DIC EP사제, 상품명) 등이 있다. 그 중에서도, 예를 들면, Fortron(0220 A9(등급명)), DIC-PPS(FZ-2200-A5(등급명)), DIC EP·PPS(LT-4P(등급명))은 하기 의 탄성률의 비율[손실탄성률/저장탄성률](질소중, 1rad/s, 300℃)을 갖는다: 각각 3.5, 3.5 및 5.9이고, 따라서 이들이 바람직하다.
내열성이나 내약품성을 손상하지 않은 범위에서, 다른 내열성 열가소성 수지, 열가소성 엘라스토머, 및 통상 사용되는 첨가제, 무기필러, 가공조제, 착색제 등도 첨가할 수가 있다. 성형가공시에는, 성형기 내부에서의 산화에 의한 분지반응 및 가교반응의 진행을 억제하기 위해서, 질소치환하는 방법을 채용하더라도 상관없다.
성형가공 후에는, 필요에 따라서 아닐처리(annealing treatment)를 하는 것도 가능하다. 아닐하는 것에 의해, 보다 높은 결정화도를 얻을 수 있고, 내약품성은 더욱 향상하게 된다.
무기필러(inorganic filler)에 대해서는, 폴리에테르술폰 수지 100질량부, 또는 상기 수지(A)와 (B)의 수지혼합물 100질량부에 대하여, 10∼85질량부 배합되면, 생성된 절연전선은 전기특성의 면에서 보다 향상될 수 있고, 따라서 상기의 범위가 바람직하다.
무기필러로서는, 예를 들면, 산화티타늄, 실리카(실리콘 디옥사이드), 알루미나 등을 사용할 수 있다. 시판의 산화티타늄으로 FR-88(후루가와사제, 등급명, 평균입자지름: 0.19㎛); 실리카로 5X(다츠모리사제, 등급명, 평균입자지름: 1.5㎛) ; 알루미나로 RA-30(이와타니산교사제, 등급명, 평균입자지름: O.1㎛)을 사용할 수 있다. 무기필러의 양이 지나치게 적은 경우는, 그 전기특성으로의 효과가 나타나지 않고, 지나치게 많으면, 다층절연전선으로서의 유연성을 잃게 되고, 또한 내열성이 손상되게 된다. 무기필러의 첨가에 의해, 특히 과전수명을 현저히 향상시킬 수 있다.
본 발명에 사용되는 도체로서는, 금속나선(metal bare wire, 단선(solid wire)), 금속나선에 에너멜필름이나 얇은 절연층을 설치한 절연전선, 금속나선의 여러 가닥을 꼬아 합친 다심 꼬임선(bunch of wires), 또는 피복된 에너멜필름 또는 얇은 절연층을 갖는 절연전선의 여러 가닥을 꼬아 합친 다심 꼬임선이 사용될 수 있다. 상기 다심 꼬임선의 꼬임선 수는, 고주파용도에 의해 임의로 선택할 수 있다. 또한, 선심(소선(element wire)의 수가 많은 경우, 예를 들면 19-, 37-소선, 상기 선심은 꼬임선이거나 꼬임선이 아니더라도 좋다. 꼬임선이 아닌 경우, 예를 들면, 소선을 형성하는 나선이나 절연선인 복수의 도체는, 소선을 대략 평행하게 단순히 묶는 것만으로도 좋고, 또는 묶은 것을 대단히 큰 피치로 꼬고 있더라도 좋다. 어느 쪽의 경우도 단면이 원형 또는 대략 원형이 되도록 하는 것이 바람직하다. 단지, 얇은 절연층의 재료로 에스테르이미드-변성폴리우레탄 수지, 요소-변성폴리우레탄 수지, 폴리에스테르이미드 수지 등과 같이 그 자체가 납땜성이 양호한 수지일 필요가 있고, 예를 들면, WD-4305(히타치 가세이사제 상품명), TSF- 200 및 TPU-7000(도토쿠 도료사제 상품명), 및 FS-304(다이니치세이카사제 상품명) 등을 사용할 수 있다. 또한, 도체에 땜납 또는 주석도금함으로써, 납땜성을 향상시키는 수단이 된다.
본 발명의 바람직한 실시구성을 들면, 이 다층절연전선은, 1층째에는 도체의 바깥둘레에 폴리에테르술폰 수지를 압출피복하여 원하는 두께의 절연층을 형성하고, 2층째의 절연층으로서 상기 1층째의 절연층의 바깥둘레에 폴리에테르술폰 수지를 압출피복하여 원하는 두께의 절연층을 형성하고, 또한, 3층째의 절연층으로서 상기 2층째의 절연층의 바깥둘레에 폴리페닐렌술피드 수지를 압출피복하여 원하는 두께의 절연층을 형성하는 것에 의해 제조된다. 3층의 경우, 이와 같이 하여 형성되는 압출피복 절연층의 전체 두께는 60∼180㎛의 범위 내에 있도록 하는 것이 바람직하다. 이것은, 절연층의 전체 두께가 지나치게 얇으면, 얻어진 내열성 다층절연전선의 전기적 특성의 저하가 커져 실용에 적합하지 않기 때문이다. 반대로, 상기 절연층의 전체 두께가 지나치게 두꺼우면, 납땜성이 현저히 악화된다. 상기 압출피복 절연층의 전체 두께는 70∼150㎛의 범위인 것이 보다 바람직하다. 상기 3층의 각 층의 두께는 20∼60㎛로 관리하는 것이 바람직하다.
한편, 납땜성을 중시하는 경우에 있어서는, 1층째와 2층째에 본 발명에 사용하는 상기 수지혼합물을 압출피복에 의해서 절연층을 형성시키는 것에 의해 실현할 수 있는 것이다.
본 발명의 다층절연전선에 있어서는, 절연층으로서 상기 폴리에테르술폰 수지층을 적어도 1층 갖고, 또한, 상기 절연층보다도 바깥쪽에 폴리페닐렌술피드 수지로 이루어지는 층을 적어도 1층 갖고, 상기 다층절연전선은 요구되는 내열성, 내약품성, 및 보다 높은 전기적 특성을 만족시킬 수 있다. 또한, 다층절연전선이 절연층으로서 상기 수지혼합물로 이루어지는 층을 적어도 1층 갖고, 상기 절연층보다도 바깥쪽에 폴리페닐렌술피드 수지로 이루어지는 층을 적어도 1층 갖은 것이면, 이는 상기 특성 외에, 납땜성까지도 만족시킬 수 있다.
본 발명의 다층절연전선을 사용한 본 발명의 변압기는, IEC 60950규격을 만족하는 것은 물론, 절연테이프를 감지 않기 때문에 소형화가 가능하고 더구나 내열성이 높기 때문에 요구수준이 엄격한 설계에도 적용할 수 있다.
본 발명의 다층절연전선은, 상기 도 1 및 2에서 나타낸 것을 포함하는 어떠한 타입의 변압기에도 권선으로서 사용할 수 있다. 이러한 변압기는 1차권선과 2차권선을 코어상에 층형상으로 감는 것이 보통이지만, 1차권선과 2차권선을 교대로 감은 변압기(일본국 특개평 5-152139호)라도 좋다. 본 발명의 변압기에서, 상기 다층절연전선을 1차권선 및 2차권선의 양쪽에 사용하더라도 좋지만, 1차권선 및 2차권선의 어느 한 쪽의 사용이라도 좋다. 또한, 본 발명의 다층절연전선이 2층으로 이루어지는 경우(예를 들면, 1차권선과 2차권선이 어느 것이나 2층 절연전선인 경우, 혹은 1차권선과 2차권선의 한 쪽에 에나멜선을 사용하고 다른 한 쪽이 2층 절연전선을 사용하는 경우), 양 권선사이에 절연베리어층을 적어도 1층 끼워 사용할 수가 있다.
본 발명에 의하면, 내열성과 내약품성이 우수하고; 전기·전자기기 등에 조립되는 변압기의 권선이나 리드선(lead wire)으로서 유용한 다층절연전선을 제공할 수가 있다. 또한, 상기 절연층에 사용되는 절연재료의 구성에서, 상기 전선을 땜납욕(solder bath)에 침치하면 단시간 내에 상기 절연층이 제거되어 도체에 땜납을 쉽게 부착시킬 수 있고, 우수한 납땜성을 갖는 다층절연전선을 제공할 수가 있다.
본 발명에 의하면, 내열성과 내약품성이 우수하고, 전기적 특성에서는 과전수명특성이 향상되고, 또한 내코로나성이 우수하고, 공업적 생산에도 바람직한 다층절연전선을 제공할 수가 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 이러한 다층절연전선을 두루 감아 이루어지는 것에 의해, 신뢰성이 높은 변압기를 제공할 수가 있다.
본 발명의 다층절연전선은, 내열성 레벨을 충분히 만족시키는 것 외에, 내용제성이나 내약품성이 우수하기 때문에, 권선가공후의 뒤처리에 있어서도 폭이 넓은 선택이 가능해지는 것이다.
또한, 본 발명의 다층절연전선에 의하면, 절연층의 적어도 1층에 특정한 수지혼합물을 적용함으로써, 단말(terminal)가공시에 직접 납땜을 할 수 있다.
상기 다층절연전선을 사용하여 이루어지는 본 발명의 변압기는, 전기 적 특성이 우수하고, 신뢰성이 높다.
다음에 본 발명을 하기 실시예에 근거하여 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다.
실시예 1∼26 및 비교예 1∼7
도체로서 선지름 0.4mm의 연동선(annealed copper wire)의 단선(bare wire) 및 선지름 0.15mm의 연동선에 히타치 가세이사제 절연바니시(varnish) WD-4305(상품명)를 8㎛ 두께로 피복한 절연선심 7가닥을 꼬아 합친 연선(twisted core)을 준비하였다. 표 1∼4에 나타낸 각 층의 압출피복용 수지의 배합(조성은 질량부로 나타낸다) 및 두께로, 도체 위에 순차 압출피복하여 다층절연전선을 제조하였다(표면처리: 냉동기유(refrigerating machine oil) 사용).
상기 수지 조성물은, 30mmφ의 2축압출기(L/D= 30)를 이용하여 배합하였다.
얻어진 다층절연전선에 대하여, 하기의 수단으로 각종의 특성을 시험, 측정하였다.
A. 내열성(1)
IEC규격 60950의 2.9.4.4항의 부속서 U(전선)와 1.5.3항의 부속서 C(변압기)에 준거한 하기의 시험방법으로 내열성을 평가하였다.
지름 6mm의 맨드렐(mandrel) 주위를 상기 다층절연전선으로 하중 118MPa (12kgf/㎟)를 걸면서 10회 감았다. B등급, 225℃에서(E등급, 215℃; F등급, 240℃) 1시간 가열한 후, B등급, 200℃에서(E등급, 190℃; F등급, 215℃) 71시간 더 가열하고, 25℃, 95% RH의 분위기로 48시간 유지하였다. 그 후 곧 3,00OV에서 1분간 전압을 인가하였다. 단락하지 않으면, B등급(E등급, F등급)합격이라고 판정하였다(판정은 n = 5로 평가하였다. 한 가지라도 NG가 되면 불합격으로 하였다).
B. 절연파괴전압
JIS C 3000-198411. (2)의 트위스티드페어법(twisted pair method)으로 측정하였다. 결과는 kV 단위로 나타내었다. 절연파괴전압이 14kV보다 낮으면 불합격이다.
C. 내열성(2)
상기 다층절연전선을 JIS C 3003-1984트위스티드페어법에 준거하여 꼬아서, 220℃에서 B등급, 168시간(7일간)의 가열처리를 실시한 후, 절연파괴전압을 측정하였다. 이 값이 클 수록, 내열성이 우수한 것을 나타낸다. 열처리 전의 상태에서의 절연파괴전압에 대한 상기 열화 후의 절연파괴전압의 비, 즉 열화 후 절연파괴전압의 잔률(%)이 50% 이상이면, IEC규격 60172의 내열성 B등급을 개략 만족하는 것으로 판정하였다. 표 중, 결과는 시료가 열화된 후, 상기 절연파괴전압의 잔률(%)로 나타내었다.
D. 내용제성
JIS C 3000-198414.1(2)에 따라, 시료를 용제 크실렌에 30분간 침지 후, 피막의 연필경도 및 팽윤 여부를 확인하여 평가하였다. 연필경도가 H보다 딱딱하고 또한 팽윤이 없는 것을 '합격'으로 한다. 표 중, 불합격인 것은, 얻어진 연필경도(예를 들면 B), 또는 팽윤된 경우는 '팽윤'으로 그 취지를 나타내었다.
E. 내약품성
트위스티드페어법에 따라 시료를 제작한 후, 크실렌계 바니시 TVB2024(도시바 케미컬사제, 상품명) 및 스티렌 모노머계 바니시 TVB2180T (도시바 케미컬사제, 상품명)로 함침, 건조하였다. 그 후, 시료에 균열 등이 없는지를 눈으로 확인하였다. 균열 등의 손상이 관찰되지 않은 것을 '합격'으로 하였다.
F. 납땜성
상기 절연전선의 말단 약 40mm의 부분을 450℃의 온도에서 용융땜납에 침지하고, 침지한 것 중의 30mm의 부분에 땜납이 부착하기까지의 시간(초)을 측정하였다. 걸리는 시간이 짧을수록, 납땜성에 우수한 것을 나타낸다. 나타낸 수치는 n = 3의 평균값이다. 시간이 10초를 넘는 경우는 '불합격'이고, 바람직하게는 100㎛정도의 막 두께에서 5초 이내, 180㎛ 정도의 막 두께에서 7초 이내이다.
G. 과전수명
트위스티드페어법에 따라, 상기 다층절연전선을 나선(0.6mm)으로 꼬아 합쳐 시료를 제작하였다. 그 후, 상온, 상용주파수(50㎐), 2kVrms로 과전하면서, 시료가 단락하기까지의 시간(hour)을 측정하였다. 과전시에 있어서, 내코로나성의 평가로서 부분방전이 발생하고 있는지 여부를 확인하기 위해, 오존냄새의 유무를 관능시험으로 확인하였다.
(주) 표 중에서, "-"는 첨가하지 않은 것을 의미하고, "ND"는 시험하지 않은 것을 의미한다.
각 수지를 나타내는 약호는 이하와 같다:
PES: SUMIKAEXCEL PES 3600(스미토모 가가쿠고교사제, 상품명), 폴리에테르술폰 수지;
PEI: ULTEM 1000(GE 플라스틱사제, 상품명), 폴리에테르이미드 수지;
PC: Lexan SP-1010(GE 플라스틱사제, 상품명), 폴리카보네이트 수지;
PAR: U-polymer(유니티카사제, 상품명), 폴리아릴레이트 수지;
PA: ARLEN AE-4200(미쓰이 가가쿠고교사제, 상품명), 폴리아미드 수지;
PPS-1: Dic. PPS FZ2200-A5(다이니혼 잉크&가가쿠사제, 상품명), tanδ= 3.5, 폴리페닐렌술피드 수지;
PPS-2: Fortron 0220 A9(폴리프라스틱스사제, 상품명), tanδ= 3.5, 폴리페닐렌술피드 수지;
PPS-3: LT-4P(DIC EP사제, 상품명), tanδ= 5.9, 폴리페닐렌술피드 수지.
여기서, tanδ는 (손실탄성률/저장탄성률)의 비를 나타낸다.
표 1에 나타낸 결과로부터, 이하의 것이 분명해졌다.
실시예 1∼7은, 3층 중의 아래 2층이 폴리에테르술폰 수지로 형성되어 있고, 가장 바깥층이 폴리페닐렌술피드 수지로 형성되어 있기 때문에, 양호한 내열성을 나타내고, 또한 내용제성이나 내약품성에도 지극히 양호한 특성을 갖고 있다.
그러나, 비교예 1에서는 3층 전부가 폴리에테르술폰 수지만으로 형성되어 있기 때문에, 보다 높은 내열성 레벨에는 달하지 않고, 내용제성에 있어서는 피막이 부드럽게 되고, 내약품성에 있어서는 균열이 발생하여 버린다. 비교예 2에서는, 가장 바깥층이 폴리아미드 수지로 형성되어 있고, 내용제성이나 내약품성이 발휘되었다. 그러나, 내열성이 기대수준에 미치지 않고, 표면으로부터의 열적 열화(thermal deterioration)가 진행되기 때문에, 내열성(2)의 내열성 B등급에 합격하는 것도 어렵다.
표 2, 표 3에서 나타낸 결과로부터는, 이하의 것이 분명해졌다.
실시예 8∼19는, 3층 중의 2층이 본 발명에서 규정된 범위내의 수지(A)와 수지(B)의 수지혼합물로 형성되어 있고, 가장 바깥층이 폴리페닐렌술피드 수지로 형성되어 있기 때문에, 양호한 납땜성과 내열성을 나타내고, 또한 내용제성이나 내약품성도 지극히 양호한 특성을 갖고 있다.
이에 비하여, 비교예 3은 폴리에테르술폰 수지만 사용하여 얻어진 구조이고, 비교예 4는 폴리에테르이미드 수지와 폴리에테르술폰 수지를 조합하여 사용하여 얻어진 구조를 취하고 있다. 어느 것이나 내열성은 높지만, 납땜성에 있어서 땜납이 부착하지 않는 문제가 있고, 내용제성에 있어서 피막이 너무 부드럽고, 내약품성에 있어서 균열이 발생하였다.
비교예 5는 폴리카보네이트 수지만으로 형성되었다. 따라서, 비교예 5는 내열성이 거의 없고, 납땜성, 내용제성, 내약품성 모두 나빴다. 따라서, 비교예 5는 실용레벨이 아니다.
또한, 표 4에 나타낸 결과로부터, 이하의 것이 분명하다.
실시예 21∼26은, 3층 중 아래 2층이 폴리에테르술폰 수지 또는 본 발명에서 규정된 범위내의 수지(A)와 수지(B)의 수지혼합물에 무기필러가 배합된 조성물로 형성되어 있고, 가장 바깥층은 폴리페닐렌술피드 수지로 형성되어 있다. 무기필러의 양이 본 발명에 있어서의 바람직한 범위내이면, 양호한 내열성을 나타내고, 또한 내용제성이나 내약품성에 대해서도 지극히 양호한 특성을 갖고 있다. 실시예 23∼26에서는 납땜성도 양호하다.
이에 비하여, 비교예 6 및 7에서는, 최상층이 폴리에테르술폰 수지로 이루어지고, 무기필러의 양이 많기 때문에, 유연성이 영향을 받게 된다. 따라서, 내열성이 기대 수준에 미치지 않게 되고, 내용제성에 있어서 피막이 너무 부드럽고, 내약품성에 있어서 균열이 발생하는 등의 문제가 발생한다.
실시예 20에서는 과전수명이 길고, 무기필러를 배합한 실시예 23에서는 과전수명이 더욱 향상하고, 시험하는 동안 오존냄새도 거의 발생하지 않았다.
본 발명의 다층절연전선은, 내열성과 내약품성이 우수하고, 전기·전자기기 등에 조립되는 변압기의 권선이나 리드선으로서 유용한 것이다.
또한, 본 발명의 변압기는, 신뢰성이 높은 변압기로서 바람직한 것이다.
본 발명을 그 실시형태와 관련하여 설명하였지만, 우리들은 특별히 지정하지 않는 한, 본 발명을 설명의 어떤 세부사항으로 한정하고자 하는 것이 아니고, 첨부의 청구의 범위에 나타낸 발명의 정신과 범위에 반하지 않고 폭넓게 해석되야 한다고 생각한다.

Claims (14)

  1. 도체상에 제공되어 상기 도체를 피복하는 2층 이상의 압출절연층을 갖는 다층절연전선으로서,
    상기 절연층의 적어도 1층이, 폴리에테르술폰 수지로 형성되고,
    적어도 하나의 상기 절연층 이외에 적어도 1층이, 적어도 하나의 상기 절연층보다 바깥층에 있고, 폴리페닐렌술피드 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
  2. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 절연층을 형성되는 폴리페닐렌술피드 수지가, 질소 중, 1 rad/s, 300℃에서의 초기의 손실탄성률이 저장탄성률의 2배 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 절연층의 최상층이 폴리페닐렌술피드 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
  4. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 절연층이, 무기필러 10∼85질량부 및 폴리에테르술폰 수지 100질량부를 배합된 혼합물에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 다층절연전선을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변압기.
  6. 도체상에 제공되어 상기 도체를 피복하는 2층 이상의 납땜 가능한 압출절연층을 갖는 다층절연전선으로서,
    상기 절연층의 적어도 1층이, 폴리에테르이미드 수지 및 폴리에테르 술폰 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 수지(A) 100질량부, 및 폴리카보네이트 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리에스테르 수지 및 폴리아미드 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 수지(B) 10질량부 이상을 배합한 수지혼합물로 형성되고,
    상기 수지혼합물에 의해 형성된 적어도 하나의 절연층 이외의 적어도 1층이, 적어도 하나의 상기 절연층보다 바깥층에 있고, 폴리페닐렌술피드 수지로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 수지(A)가 폴리에테르술폰 수지인 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 수지(B)가 폴리카보네이트 수지인 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 수지(A)가 폴리에테르술폰 수지이고, 상기 수지(B)가 폴리카보네이트 수지인 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 수지혼합물이 수지(A) 100질량부, 및 수지(B) 10∼70질량부를 배합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
  11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 절연층을 형성하는 폴리페닐렌술피드 수지가, 질소 중, 1 rad/s, 300℃에서의 초기의 손실탄성률이 저장탄성률의 2배 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
  12. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 절연층의 최상층이 폴리페닐렌술피드 수지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
  13. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 상기 절연층이, 무기필러 10∼85질량부 및 상기 수지(A)와 수지(B)의 수지혼합물 100질량부를 배합한 혼합물에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다층절연전선.
  14. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 다층절연전선을 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변압기.
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