KR20070086578A - 케이블 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 케이블을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 케이블은: 도선; 상기 도선을 둘러싸고 두께 0.4mm 이상이 내부 반도체층; 상기 내부 반도체층을 둘러싸는 절연층을 포함한다. 본 방법은 내부 반도체층 및 절연층을 동시압출하는 단계를 포함한다. 상기 단계는: a) 내부 반도체성 물질의 제 1 환형 흐름 및 절연 물질의 제 2 환형 흐름을 제공하는 단계; b) 상기 제 1 환형 흐름의 외부 표면과 상기 제 2 환형 흐름의 내부 표면을 상기 제 1 환형 흐름의 내부 표면이 도선과 접촉하는 접촉 지점으로부터 어떠한 축방향 거리에서 접촉시키는 단계; c) 압출 다이의 방사방향 내벽에서의 내부 반도체성 물질의 전단 응력과 압출 헤드의 방사방향 외벽에서의 절연층의 전단 응력 사이의 비율이 상기 접촉지점 근방에서 약 0.5 내지 4 사이에 포함되도록 내부 반도체성 물질 및 절연 물질의 운동 점도(η)의 함수로서 상기 소정의 공급 속도와 상기 접촉 지점(D)의 조합을 선택하는 단계; d) 절연층과 내부 반도체층을 도선 상에 압축 압출하는 단계를 포함한다.
전기 케이블, 도선, 반도체층, 절연층

Description

케이블 제조 방법{Cable Manufacturing Process}
본 발명은 케이블을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
구체적으로는, 본 발명은 중전압 또는 고전압에서 전력의 송전 또는 배전을 위한 전기 케이블을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
더욱 구체적으로는, 본 발명은 매우 조밀한 설계의 구조를 가지는 전기 케이블을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 명세서에서, 중전압이라는 용어는 통상적으로 약 1kV 내지 약 60kV의 전압을 가리키며, 고전압이라는 용어는 60kV이상의 전압을 가리킬 때 사용한다. 일반적으로, 저전압이라는 용어는 10kV 이하, 통상적으로는 100V 이상의 전압을 가리킨다. 또한 본 기술분야에서 때때로 '초고전압'이라는 용어가 약 150kV 또는 220kV 보다 크고, 500kV까지 또는 그보다 큰 전압을 정의하는데 사용된다. 중전압 또는 고전압에서 전력의 송전 또는 배전을 위한 케이블은 일반적으로 각기 내부 반도체층, 절연층 그리고 외부 반도체층으로 둘러싸인 금속 도선을 가지고 있다. 이하 본 명세서에서 상기 사전정의된 순서의 요소들을 '케이블 코어'라는 용어로 나타낼 것이다.
케이블은 상기 코어 바깥쪽으로 방사상의 위치에 보통 알루미늄, 납 또는 구 리로 된 금속 실드(혹은 차폐층)가 제공된다. 일반적으로, 금속 실드는 연속적인 튜브로 이루어지거나 또는 관 형상을 따라 성형된 금속 테이프로 이루어지고 밀폐성을 보장하기 위해 접합되거나 밀봉된다.
금속실드는 코어의 외부 반도체층에 직접 접촉됨으로써 케이블 안쪽으로 규칙적인 방사형태의 전기장을 발생시키는 동시에 케이블 외부의 전기장을 상쇄시키는 기능을 한다.
금속 실드는 방사 방향으로 물의 침투에 대한 장벽을 삽입함으로써 케이블의 외부에 대한 밀폐성을 제공할 수 있다. 금속 실드의 또다른 기능은 단락전류를 견디는 것이다.
단극형태의 구성에서 상기 케이블은 상술한 금속실드 외부의 방사상 위치에 중합체성 외피(oversheath)가 제공된다.
또한, 일반적으로 송전 또는 배전용 케이블에는 외부면에서 일어나는 우발성 충격으로부터 상기 케이블을 보호하기 위한 하나 이상의 층이 제공된다.
케이블 상의 우발성 충격은 예를 들면, 케이블의 운반도중 또는 땅에 도랑을 파서 케이블을 매설하는 단계 동안에 발생할 수 있다. 이러한 우발성 충격은 절연층의 변형, 반도체층으로부터 절연층의 분리를 포함하는 일련의 구조적 손상을 일으킬 수 있고, 이 구조적 손상은 절연층의 전기 전압 응력에서의 변화를 유발하여 절연층의 절연용량을 결과적으로 감소시킨다.
현재 시중에 유통되는 케이블, 예를 들면, 저전압 또는 중전압 전력 송전 또는 배전용 케이블에서, 상기 우발성 충격에 의해 야기되는 가능한 손상으로부터 케 이블을 보호하기 위해 상기 충격들을 견딜 수 있는 금속 보호장구들이 일반적으로 제공된다. 일반적으로, 상기 보호장구들은 테이프 또는 와이어 형태(바람직하게는 철제)이거나, 또는 선택적으로는 금속 피복(바람직하게는 납 또는 알루미늄제) 형태이다. 이러한 케이블 구조는 미국특허 제5,153,381에 개시되어 있다.
본 출원인 명의의 유럽특허 제981,821호에는 상기 우발성 충격에 대한 높은 저항을 케이블에 제공하기 위해 발포된 중합체성 물질의 층이 제공된 케이블이 개시되어 있는데, 상기 발포된 중합체성 물질의 층은 바람직하게는 케이블 코어의 방사상 바깥에 적용된다. 상기 제안된 기술적 해결책은 종래의 금속 보호장구의 사용을 피하게 해주며 따라서 케이블의 무게를 줄여줄 뿐만 아니라, 이들의 제조 방법을 더욱 용이하게 만들어준다.
본 출원인은 케이블의 전체적인 전기적 및 기계적 저항 특성을 감소시키지 않으면서 이들의 취급, 유연성 및 운송의 바람직하게 향상시키도록 케이블 크기 및 무게를 줄이기 위해 종래의 케이블에 비해 조밀한 케이블 코어, 즉, 반도체층 및 절연층의 감소된 두께를 가지는 케이블 코어 설계의 제공의 필요성을 인지해왔다.
그러나, 본 출원인은 원하는 결과를 제공하기에 부적합한 공지의 제조방법을 이용해서는 - 원하는 제조 속도로 - 이러한 조밀한 케이블 코어의 생산이 수행될 수 없다는 것을 주목하였다.
매우 얇은 내부 반도체층(즉, 0.4mm 이하의 두께를 가지는)이 제공되는 조밀한 케이블 코어를 제조하기 위해, 본 출원인은 공지의 압출 기술들을 주시하였는데, 이에 따르면, 케이블 코어 구성층들을 형성하는 상이한 물질들의 흐름은 각각 으로부터 고립되고, 형성되는 케이블 코어 상에 독립적으로 압출되어, 원하는 케이블 코어가 이상적인 속도로 제조될 수 없도록 하는 여러가지 단점을 야기시킨다.
예를 들면, 내부 반도체층의 두께의 현저한 감소가 요구되는 경우에, 공지의 케이블 제조방법들은 길이방향 또는 방사방향으로 내부 반도체층의 균일하지 못한 두께의 형성뿐만 아니라 케이블 도선 상에 내부 반도체층의 압출 동안에 이들의 균열을 야기시킨다. 이것은 압출 헤드를 따라 이동하는 동안에 매우 얇은 압출된 내부 반도체층에 대해 도선이 장력을 행사하게 되며 따라서 전술한 결점을 발생시키게 된다는 사실 때문이다. 이러한 양태는 산업적 생산성을 달성하게 해주는 충분히 빠른(예를 들면 종래의 공급 속도인 약 30m/분) 사전 결정된 공급 속도로 케이블 도선이 압출기 헤드를 따라 이동하는 때 더욱 문제가 된다. 따라서, 비교적 빠른 케이블 도선 공급 속도와 압출되는 매우 얇은 내부 반도체층의 조합은 일반적으로 수용할 수 없는 결함이 있어서 폐기될 케이블 코어를 생산한다.
또한, 공지된 케이블 제조 방법에 따르면, 내부 반도체층의 감소된 두께가 요구되는 경우에 있어서, 압출 채널의 길이-내부 반도체층의 압출에 사용됨-는 이들의 평균 높이보다 현저히 크다(채널의 높이는 채널의 길이방향의 벽에 대해 직각인 평면에서 측정된다). 이러한 태양은 압출 채널 단면의 감소 및 그 결과 압출 채널을 따라 이동하는 압출될 물질의 속도의 증가에 기인하는 압출기 헤드 내의 압출 압력의 현저한 증가를 유발한다. 따라서, 압출 헤드에서의 압력을 감소시키기 위해서는 압출 채널 내에서 내부 반도체층의 속도를 감소시키도록 내부 반도체층의 압출 출력을 낮은 수치로 설정하는데, 이로 인해 케이블 제조 방법의 생산성에 부정 적인 영향을 끼친다.
더욱이, 공지된 케이블 제조 방법에서는, 내부 반도체층의 감소된 두께가 요구되는 경우에 있어서, 내부 반도체층의 압출 채널을 형성하는 다이스(dies)의 정밀한 생산 및/또는 조립이 압출되는 물질 흐름의 안정성에 현저한 영향을 미친다. 그 결과로, 압출된 물질의 비-균일한 분배 및 케이블 도선 상에 내부 반도체층의 비-균일한 두께가 발생할 수 있다.
종래의 케이블 제조 방법들은 또한 공지되어 있는데, 이에 따르면 케이블 도선과 케이블 복수층 성분 사이의 접촉점의 상류쪽 위치에 복수층 성분이 형성되도록 도선 상에 압출되기 전에 상기 복수층 성분의 단일층들이 서로 접촉하도록 함으로써 케이블 복수층 성분이 케이블 도선상에 동시압출된다.
예를 들면, 미국특허 제3,737,490호는 흘러내림(float-down) 공정에 의해 연속적으로 진행하는 코어 상에 전기 케이블의 압출된 복합체 커버링(covering)을 제조하는 방법을 개시하고 있는데, 상기 커버링은 둘 이상의 상이한 커버링 물질들을 포함한다. 이 방법은 압출되고 둘레가 연속적인 커버링 물질들의 층들을 공급하는 압출장치의 코어 튜브를 통해 코어가 압출장치의 배출구 말단을 향해 동시에 통과하도록 하는 단계; 압출장치의 배출구 말단 상류에서 압출된 층들이 완벽하고 밀접한 면간 접촉을 이루도록 하는 단계; 압출장치의 배출구 말단에서 밀봉된 챔버를 통해 피복된 코어를 통과시키고 초대기압(super atmosphere)에서 유동 매체를 함유시킴으로써 복합체 커버링의 연속적인 처리를 이루는 단계; 및, 동시에 압력하에서 유체를 코어튜브 내부로 주입하고 유체의 압력을 압출구에서 압출된 복합체 커버링 을 가로지르는 압력 차이가 압출된 복합체 커버링이 압출장치로부터 배출될 때 코어 상에 견고하게 안착되기에 충분한 양이지만 압출된 복합체 커버링이 코어 튜브를 따라 뒤로 물러나기에는 부족한 양으로 유지하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 특허문헌은 배출구 말단에 헤드를 통해 돌출된 코어 튜브의 말단을 향해 고정되고 외부 다이(die) 및 내부 다이로 한정되는 환형 압출구를 가지는 압출장치의 크로스-헤드를 개시하고 있다. 압출구의 상류는 중간 다이이다. 가소성 상의 반도체성 폴리에틸렌이 내부 다이 및 중간 다이 사이의 환형 공간으로 공급 통로를 통해 공급되고, 가소성 상의 폴리에틸렌이 중간 다이 및 외부 다이 사이의 환형 공간으로 공급 통로를 통해 공급된다. 중간 다이는 외부 다이 및 내부 다이에 대하여 반도체성 폴리에틸렌 및 절연 폴리에틸렌의 압출된 층들이 압출구의 상류에서 완벽하고 밀접한 면간 접촉을 이루도록 위치하고 있다. 이 방법을 통해 방사상 두께(radial thickness) 0.5mm인 내부 반도체성 교차결합성 폴리에틸렌층 및 방사상 두께 2.8mm인 외부 절연 교차결합성 폴리에틸렌층이 톱니모양(sector shaped)의 도선에 도포될 수 있다.
미국특허 4,093,414호에는 케이블 도선에 대해 기포/스킨(foam/skin) 절연을 제공하게 위해 열가소성 절연 화합물이 동시 압출될 수 있는, 특히 전화선의 제조 방법에서의 다이를 개시하고 있다. 상기 문헌에 따르면, 도선이 통과하는 팁의 말단에 접근할 때 절연 물질로된 두 층(제1의 성긴 절연층 및 상기 성긴층 상의 제2의 단단한 절연층)을 도포하는데 절연 공급책 사이에서 용융-흐름 분리기와 함께 단지 하나의 팁(tip) 및 하나의 압출 다이만이 사용되었다. 용융 흐름 분리기는 절 연 물질들이 단일 팁의 방출 말단에 가까워지기 전에 융합되는 것을 방지하고 내부 충의 성긴 구조의 방해가 일어나지 않도록 팁의 말단으로부터 약간의 거리 뒤쪽에서 종결된다.
유럽특허 제534,208호에는 공통의 배출구 다이 및 물질의 흐름을 균질화하는 슬릿(slit) 모양의 균질화 존(zone)의 바깥으로 개방된 두개의 공급 채널에 의해 제공되는 적어도 두개의 상이한 가소성 물질들을 동시압출하기 위한 압출헤드가 개시되어 있다. 내부 물질들을 위한 균질화존은 실질적으로 죽방향으로 뻗어있는 반면, 외부 물질을 위한 균질화존은 실질적으로 방사방향으로 뻗어있다. 연장된 제품은 상기 적어도 두개의 상이한 가소성 물질들로 피복될 수 있다.
본 출원인은 압출된 케이블 도선 및 내부 반도체층 사이의 접촉점의 상류 위치에서 내부 반도체층이 압출된 절연층과 접촉하는 경우에, 케이블 도선(압출헤드를 따라 이동하는 동안)에 의해 내부 반도체층에 가해지는 당기는 힘(압출되는 동안)이 내부 반도체층 및 절연층 각각의 두께의 합으로 이루어지는 두께에 걸쳐 바람직하게 분배된다는 것을 관찰하였다.
따라서, 이러한 사실로 인해, 도선에 접촉할 때 내부 반도체층이 -방사상 바깥 부분에서- 이미 압출된 절연층의 존재에 의해 한정되고 내부 반도체층을 압출하는데 적합한 다이의 고정벽에 의해 한정되지 않으며(형성되는 케이블 고어 상에 내부 반도체층과 절연층 각각이 압출되는 경우), 절연층과 이미 결합된 내부 절연층에 대해 케이블 도선에 의해 가해지는 잡아늘이는 힘이 비균질의 두께 형성 및/또는 도선/내부 반도체층의 경계면에서의 균열을 야기시키지는 않는다.
본 출원인은 매우 얇은 내부 반도체층이 제공되는 조밀한 케이블 코어를 제조하기 위해서는 케이블 도선과 내부 반도체층 사이의 접촉점 상류의 위치에서 내부 반도체층이 절연층과 접촉하도록 하는 것 및 나아가 압출 헤드를 따라 접촉 및 결합하는 동안에 압출된 물질 내에서 유체의 불안정이 발생하지 않는 방식으로 -접촉점에서- 내부 반도체층과 절연 물질을 결합하는 단계를 수행하는 것이 필요하다는 것을 인지하였다.
다시 말해서, 본 출원인은 두 물질들의 압출 조건들(공정 조건들, 즉, 물질의 흐름뿐만 아니라 왕복 거리 및 다이의 배열과 같은 구조상 조건들)이 내부 반도체층과 절연층 사이의 경계면에서의 유동학적 특성에 영향을 끼친다는 것을 인지하였다.
따라서, 내부 반도체층의 원하는 두께 및 길이방향의 균일성을 달성하도록 보장하기 위해서, 본 출원인은 내부 반도체층과 절연층 사이의 접촉점 근방에서 내부 반도체층의 전단 응력 및 절연 물질의 전단 응력 사이의 차이가, 압출되는 물질 내에서 유체의 불안정을 피할 수 있거나 현저하게 감소시키고, 두 물질의 결합이 두 접촉층 내의 결함형성을 일으키지 않을 정도로 작아야 한다는 것을 발견하였다.
자세하게는, 본 출원인은 내부 반도체층과 절연층 사이의 접촉점 근방에서 내부 반도체층의 전단 응력 및 절연 물질의 전단 응력의 비율이 0.5 내지 4 사이에 포함되어야 한다는 것을 발견하였다.
일 실시예에 따르면, 본 발명은:
- 도선;
- 0.4mm 이하의 두께를 가지며 상기 도선을 둘러싼 내부 반도체층; 및
- 상기 내부 반도체층을 둘러싼 절연층;
을 포함하는 전기 케이블을 제조하기 위해:
- 내부 반도체층을 압출하기 위한 제 1 압출채널과 절연층을 압출하기 위한 제 2 압출채널을 포함하며 상기 제 1 압출채널 및 제 2 압출채널은 제 1 압출 다이에 의해 서로 분리되어 있는 압출 헤드에 소정의 공급속도로 도선을 공급하는 단계;
- · 내부 반도체성 물질의 제 1 원형 흐름 및 절연 물질의 제 2 원형 흐름을 제공하는단계;
· 상기 제 1 원형 흐름이 도선과 접촉하는 접촉점으로부터 축방향 거리로 상기 제 1 원형 흐름의 외부표면과 상기 제 2 흐름의 내부 표면을 접촉시키는 단계;
· 내부 반도체성 물질 및 절연 물질의 운동 점도(dynamic viscosity)의 함수로서, 상기 제 1 압출 다이의 방사방향 내벽에서의 내부 반도체층의 전단 응력과 상기 제 1 압출 다이의 방사방향 외벽에서의 절연층의 전단 응력 사이의 비율이 약 0.5 내지 4 사이가 되도록 상기 소정의 공급 속도와 상기 접촉점의 조합을 선택하는 단계;
를 포함하며 내부 반도체층과 절연층을 동시압출하는 단계;
를 포함하는 방법에 관한 것이다.
바람직하게는 상기 축방향 거리-케이블 도선이 진행하는 방향을 따라 측정-는 도선 직경의 0.5배 이상이다. 더욱 바람직하게는 상기 거리는 도선 직경의 0.6 내지 10배 사이의 범위이다.
본 명세서 및 다음의 청구항들에서, "접촉점 근방에서"라는 용어는 압출된 두 층(즉, 내부 반도체층 및 절연층)의 전단 응력이 각각의 압출 다이 벽(각각 방사방향 내벽 및 방사방향 외벽)에서 상기 두 층들이 상호접촉에 이르기 바로 전에, 즉, 상기 두 층들이 각각의 압출 다이 벽들을 떠나기 바로 전에 계산됨을 의미한다.
바람직하게는 접촉점 근방에서 제 1 압출 다이의 방사방향 내벽에서의 내부 반도체층의 전단 응력 및 제 1 압출 다이의 방사방향 외벽에서의 전단 응력 사이의 비율은 약 0.7 내지 약 3.0 사이에 포함된다.
더욱 바람직하게는 상기 비율은 약 1, 즉, 제 1 압출 다이의 방사방향 내벽에서의 내부 반도체층의 전단 응력이 실질적으로 1 압출 다이의 방사방향 외벽에서의 전단 응력과 동일하다.
본 명세서 및 다음의 청구항들에서, 중합체 층으로 이루어진 물질을 "압축 압출"한다는 용어는 압출 헤드 내에서 상기 중합체 물질의 압력이 대기압보다 높고, 압출 헤드의 출구에서 압출되는 중합체 층의 직경이 상기 중합체 층의 형성을 담당하는 압출 다이의 내부 직경과 같거나 크다는 것을 의미한다(이는 압출 헤드의 출구에서 압출되는 중합체 층의 직경이 연속적으로 감소하지 않는다는 것을 의미한다).
본 발명에 따르면, 본 케이블 제조 방법은 매우 얇은 내부 반도체층, 즉, 0.4mm 이하의 두께를 가진 내부 반도체층의 제조를 허용한다.
바람직하게는, 내부 반도체층의 두께는 약 0.05mm 내지 약 0.4mm의 범위에 포함된다.
더욱 바람직하게는, 내부 반도체층의 두께는 약 0.2mm 내지 약 0.3mm의 범위에 포함된다.
국제특허 WO 04/003940호에 기재된 바와 같이, 본 출원인은 케이블에 우발성 충격에 대한 소정의 저항을 부여하기에 적합한 발포된 중합체층을 포함하는 보호성분을 케이블에 제공함으로써 케이블의 설계를 종래의 케이블보다 더 조밀하게 만드는 것이 가능하다는 것을 발견하였다.
사실, 본 출원인은 케이블에 발포된 중합체층을 포함하는 보호성분을 제공함으로써 케이블 절연층 두께를 절연 물질의 전기적 강도와 양립할 수 있는 전기적 응력에 이르기까지 유리하게 감소시킬 수 있다는 것을 관찰하였다. 더욱이, 전기적 및 기계적 저항 특성을 감소시키지 않으면서 케이블 코어 구성을 더욱 조밀하게 만들기 위해 절연층을 둘러싸고 있는 내부 및 외부 반도체층들의 두께를 감소시키는 것이 가능하다.
바람직하게는, 본 발명의 제조 방법은 외형 윤곽이 보통의 원형 단면을 가지는 고체 도선 막대가 제공되는 전기 케이블을 제조하는데 적합하다.
선택적으로는, 본 케이블 도선은 그 실체가 내부 반도체층에 의해 전기적 측면에서 평탄화될 수 없는 조밀한 도선 구조 때문에 꼰 구조물의 외형 윤곽이 불균일을 포함하지 않는 것이 제공되는 꼰 금속 와이어들로 만들어질 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 케이블 제조 방법은 연속적인 방법으로서, 즉, 케이블이 중간의 휴지 또는 저장기간 없이 제조된다.
본 명세서 및 다음의 청구항들에서, "연속적인 방법"으로써 주어진 길이의 케이블을 만드는데 요구되는 시간이 라인 내의 케이블의 진행속도에 반비례하여, 도선 공급과 완료된 케이블의 적재 사이에 중간의 휴지기가 없는 방법을 의미한다.
바람직하게는 본 발명에 따르는 방법의 라인 속도는 약 30 내지 약 100m/분이다.
본 발명의 방법은 케이블 코어를 얻기 위해 절연층을 둘러싸는 외부 반도체층을 제공하는 단계를 더욱 포함한다.
이어서, 본 발명의 방법은, 예를 들면 케이블이 냉각 유체가 흐르는 연장된 개방 덕트를 통과하도록 함으로써 케이블 코어를 냉각하는 단계를 더욱 포함한다.
바람직하게는, 본 발명의 방법은 습기 또는 물방울과 같은 냉각 유체 잔여량을 제거하기 위해, 특히 이러한 잔여물들이 전체적인 케이블 성능에 악영향을 미친다고 판명된 경우에 냉각된 케이블 코어를 건조시키는 단계를 더욱 포함한다.
더욱이, 본 발명의 방법은 길이방향으로 접힌 금속 시트 또는 나선형으로 감긴 와이어들 또는 테이프들로 형성될 수 있는 금속 실드를 케이블 코어 주위에 제공하는 단계를 더욱 포함한다.
나아가, 바람직하게는 본 발명의 방법은 금속 실드 주위에 충격 보호 성분을 제공하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 충격 보호 성분은 비-발포성 중합체층 및 발포된 중합체층을 포함한다. 바람직하게는, 발포된 중합체층은 비-발포성 중합체층의 방사상 바깥쪽에 위치한다. 바람직하게는, 비-발포성 중합체층 및 발포된 중합체층은 동시압출로 도포된다.
일반적으로, 본 발명의 방법은 금속 실드 주위로 외피(oversheath)를 제공하는 단계를 더욱 포함한다. 바람직하게는, 이 외피는 압출에 의해 도포된다.
최종적으로, 본 발명의 방법은 냉각 단계 및 이어서 완성된 케이블을 릴(reel) 상에 수집하는 적재단계를 더욱 포함한다.
본 발명은 전력의 송전 또는 배전용 전기 케이블뿐만 아니라 광섬유 코어를 포함하는 전력/원거리 통신이 혼합된 유형의 케이블에도 유리하게 적용될 수 있다. 따라서 이러한 점에서, 본 명세서의 나머지 및 이에 따르는 청구항들에서 "도선(conductor)"이라는 용어는 금속 도선 또는 전기/광 혼합 유형의 도선을 의미한다.
도 1은 통상적으로 중전압 또는 고전압 범위의 사용을 위헤 설계된 본 발명의 제조 방법으로 유리하게 얻어지는 전기 케이블(1)의 투시도, 부분적으로 단면도를 보여준다.
케이블(1)은 도선(2), 내부 반도체층(3), 절연층(4) 및 외부 반도체층(5)을 포함하는 케이블 코어를 가진다.
도 1에 나타낸 바람직한 실시예에 따르면, 도선(2)은 금속 막대로서, 바람직하게는 구리 또는 알루미늄으로 제작된다. 선택적으로는(도 1에 도시되지는 않음), 도선(2)은 적어도 두개의 금속 와이어들을 포함하며, 바람직하게는 구리 또는 알루미늄으로 된 것으로, 가는 끈을 제작하는 어떠한 종래의 기술에 따라 함께 꼬아진다.
도선(2)의 단면 영역은 선택된 전압에서 전송될 전력과 연관하여 결정된다. 본 발명의 방법으로 제조되는 조밀한 케이블을 위한 바람직한 단면 영역은 16 내지 1,000㎟의 범위이다.
일반적으로, 절연층(4)은 예를 들면 폴리올레핀류(단일 중합체 또는 상이한 올레핀들의 공중합체), 올레핀/에틸렌성 불포화 에스테르 공중합체류, 폴리에스테르류, 폴리에테르류, 폴리에테르/폴리에스테르 공중합체류 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 교차결합성 또는 비-교차결합성 중합체 조성물로 제작된다. 상기 중합체들의 예로는: 폴리에틸렌(PE), 특히 선형 저밀도 PE(LLDPE); 폴리프로필렌(PP); 열가소성 프로필렌/에틸렌 공중합체류; 에틸렌-프로필렌 고무류(EPR) 또는 에틸렌-프로필렌-디엔 고무류(EPDM); 천연 고무류; 부틸 고무류; 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체류(EVA); 에틸렌/메틸 아크릴레이트 공중합체류(EMA); 에틸렌/에틸 아크릴레이트 공중합체류(EEA); 에틸렌/부닐 아크릴레이트 공중합체류(EBA); 에틸렌/α-올레핀 공중합체류, 및 유사한 것들이다.
바람직하게는, 상기 절연층(4)은 비-교차결합계 중합성 물질로 제작된다.
본 명세서에서, "절연 물질"이라는 용어는 적어도 5kV/mm, 바람직하게는 10kV/mm 이상의 유전 강도(dielectric rigidity)를 가지는 물질을 가리키는데 사용된다. 중-고압 전력 송전 케이블용으로, 절연 물질은 40kV/mm 이상의 유전 강도를 가진다.
바람직하게는, 절연층(4)의 절연물질은 비-발포성 중합체 물질이다. 본 발명에서, "비-발포성" 중합체 물질이라는 용어는 구조물 내의 공극 부피가 실질적으로 없는, 즉, 다음의 본 명세서에서 잘 설명되는 바와 같이 팽창도가 실질적으로 존재하지 않는 물질을 지정하기 위해 사용된다. 구체적으로는, 상기 절연물질은 0.85g/㎤ 이상의 밀도를 가진다.
전형적으로, 전력 송전 케이블의 절연층은 2 이상의 유전상수(K)를 가진다.
모두 비-발포성인 내부 반도체층(3) 및 외부 반도체층(5)은 본 발명의 방법을 따라 얻어지며(다음의 본 명세서에 자세히 설명된 바와 같이), 기본 중합체 물질 및 카본 블랙(후자는 상기 층들을 전기적으로 반도체성으로 만드는데 이용됨)은 본 명세서의 다음에 언급되는 것들로부터 선택된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 내부 및 외부 반도체층들(3, 5)은 비-교차결합 계열의 중합체 물질, 더욱 바람직하게는 폴리프로필렌 화합물을 포함한다.
더욱이, 케이블(1)은 케이블 코어를 둘러싸는 금속 실드(6)를 더욱 포함한다. 도 1에 보인 실시예에 따르면, 금속 실드(6)는 튜브 모양의 연속적인 금속 시트로 제작된다. 바람직하게는, 금속 실드는 알루미늄, 또는 선택적으로는 구리로 제작된다. 몇몇 경우에는 납도 사용될 수 있다.
금속 시트(6)는 금속 실드가 방수가 되도록 삽입된 밀봉 물질을 가지고 가장자리가 겹쳐지며 외부 반도체층(5) 주위를 둘러싸고 있다. 선택적으로는 금속 시트는 접합된다.
선택적으로는, 금속 실드(6)는 상기 외부 반도체층(5) 둘레로 나선형으로 꼬인 금속 와이어들 또는 띠들로 제작된다.
일반적으로, 금속 실드는 예를 들면 폴리비닐 클로라이드(PVC) 또는 폴리에틸렌(PE)과 같은 교차결합성 또는 비-교차결합성 중합체 물질로 이루어진다.
도 1에 보인 실시예에 따르면, 금속 실드(6)의 방사방향 외부 위치에 케이블(1)은 보호성분(7)이 제공된다. 상기 실시예에 따르면, 보호성분(7)은 각각 외부(제1) 비-발포성 중합체층(10)과 내부(제2) 비-발포성 중합체층(8) 사이에 포함된 발포된 중합체층(9)을 포함한다. 상기 보호성분(7)은 적어도 부분적으로 충격을 흡수하여 케이블에 가해지는 어떠한 외부 충격으로부터 케이블을 보호하는 기능을 가진다.
본 출원인 명의의 유럽특허 제981,821호에 따르면, 발포된 중합체층(9)을 구성하는 중합성 물질은 예를 들면: 폴리올레핀, 서로 다른 올레핀들의 공중합체, 에틸렌계 불포화 에스터와 올레핀과의 공중합체, 폴리에스터, 폴리카보네이트, 폴리설폰, 페놀수지, 요소수지 또는 이들의 혼합물과 같은 발포성 중합체의 어떠한 유형도 될 수 있다. 적절한 중합체들의 예는 폴리에틸렌(PE), 특히 저밀도 PE(LDPE), 중밀도 PE(MDPE), 고밀도 PE(HDPE), 선형 저밀도 PE(LLDPE), 초저밀도 폴리에틸렌(ULDPE); 폴리프로필렌(PP); 탄성중합성 에틸렌/프로필렌 공중합체(EPR) 또는 에틸렌/프로필렌/디엔 에테르 삼원 공중합체(EPDM); 천연고무; 부틸고무; 에틸렌/비닐 에스터 공중합체(예를 들면 에틸렌/비닐 아세테이트 (EVA)); 에틸렌/아크릴레이트 공중합체, 특히 에틸렌/메틸 아크릴레이트(EEA)와 에틸렌/부틸 아크릴레이트(EBA); 에틸렌/α-올레핀 열가소성 공중합체; 폴리스티렌; 아크릴로니트릴/부타디엔/스티렌(ABS) 수지; 할로겐화 공중합체, 특히 폴리비닐클로라이드(PVC); 폴리우레탄(PUR); 폴리아마이드; 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)나 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT)와같은 방향족 폴리에스터; 그리고 이들의 공중합체나 혹은 기계적인 혼합물이다.
본 발명의 설명을 위해서, '발포성' 중합체라는 용어는 '공극'부피(다시말해, 중합체 외에 공기나 기체가 차지하는 공간)의 백분율이 중합체 전체 부피의 10%를 넘는 구조의 중합체를 가리킨다.
일반적으로, 발포성 중합체 내의 자유공간의 백분율은 발포도(G)로 나타낸다. 본 명세서에서 '중합체의 발포도'는 다음 방식으로 결정되는 중합체의 발포를 나타낸다;
G(발포도) = (d0/de-1)
d0는 비 발포성 중합체(즉, 필수적으로 공극 부피가 없는 구조의 중합체)의 밀도를 가리키며, de는 발포성 중합체에서 측정된 겉보기밀도를 가리킨다.
바람직하게는 상기 발포성 중합체 층(9)의 발포도는 25 내지 160%의 범위, 더욱 바람직하게는 40 내지 140%의 범위에서 선택된다.
바람직하게는, 상기 보호성분(7)의 두 비-발포성 중합체 층들(8, 10)은 폴리올레핀 물질들로 제작된다.
두 비-발포성 중합체 층들(8, 10)은: 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)(d=0.910-0.926g/㎤); α-올레핀들과의 에틸렌 공중합체; 폴리프로필렌(PP); 에틸렌/α-올레핀 고무, 특히 에틸렌/프로필렌 고무(EPR), 에틸렌/프로필렌/디엔 고무(EPDM); 천연 고무; 부틸 고무, 및 이들의 혼합물들을 포함하는 그룹으로부터 선택된 중합체 물질로 제작될 수 있다.
바람직하게는, 상기 두 비-발포성 중합체 층들(8, 10)은 열가소성 물질, 바람직하게는 비-교차결합성 폴리에틸렌(PE)과 같은 폴리올레핀; 선택적으로는 폴리비닐 클로라이드(PVC)가 사용될 수 있다.
도 1에 보인 실시예에서, 케이블(1)은 외부 반도체층(5) 및 금속 실드(6) 사이에 위치한 방수층(11)이 추가로 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 방수층(11)은 본 출원인 명의의 WO 01/46965호에 개시된 바와 같이 발포성, 수팽윤성(water swellable), 반도체층이다.
바람직하게는, 상기 방수층(11)은 수팽윤성 물질이 내포되거나 분산된 발포성 중합체 물질로 제작된다.
바람직하게는 상기 방수층(11)의 발포성 중합체는 앞서 언급한 중합체 물질들로부터 선택된다.
상기 방수층은 케이블 내부로 길이방향의(longitudinal) 물 침투에 대한 장벽을 제공하는 것을 목적으로 한다.
수팽윤성 물질은 일반적으로 수팽윤성 물질은 일반적으로 중합체 사슬에 친수성 기를 가지는 단중합체 또는 공중합체로 구성되어지며, 예를 들면: 교차결합되고 적어도 부분적으로 염화된 폴리아크릴산(예를들면 Cabloc®(C.F. Stockhausen GmbH)나 Waterlock®(Grain Processing Co.)); 아크릴 아마이드와 소듐 아크릴레이트의 공중합체와 혼합된 전분이나 그 유도체(예를들면 SGP Absorbent Polymer®(Henkel AG)); 소듐 카복시메틸 셀룰로오스(예를들면 Blanose®(Hercules Inc.)) 등이 있다.
또한, 방수층(11)의 발포성 중합체 물질은 반도체성으로 개질될 수 있다. 중합체 매트릭스에 첨가되는 카본 블랙의 양은 중합체의 유형 및 카본 블랙이 사용될 유형, 얻고자 하는 발포도, 발포 제제 등에 의존하여 다양할 수 있다. 따라서 카본 블랙의 양은 발포성 물질에 충분한 반도체 특성, 구체적으로는 발포성 물질이 실온에서 500Ω·m 미만, 바람직하게는 20Ω·m 미만의 용적 저항률 수치를 얻을 만큼 되어야 한다. 통상적으로 카본 블랙의 양은 중합체의 중량에 대해 1 내지 50 중량%, 바람직하게는 3 내지 30 중량% 사이의 범위일 수 있다.
방수층(11)의 발포도의 바람직한 범위는 10 내지 50%이다.
또한, 케이블(1)에 반도체성 방수층(11)을 제공함으로써 외부 반도체층(5)의 전기적 특성이 상기 방수 반도체층에 의해 부분적으로 수행되기 때문에 외부 반도체층(5)의 두께는 바람직하게 감소될 수 있다. 따라서, 상기 태양은 외부 반도체층의 두께 및 그에 따른 전체 케이블 중량의 감소에 유리하게 공헌한다.
도 2는 단극 전기 케이블의 코어를 제조하기 위한 종래의 압출 헤드의 길이방향 단면의 부분도를 나타낸다.
케이블 도선(2)은 공급 릴(reel)로부터 풀려 3중층 압출 헤드가 제공되는 압출 장치 내로 운반되는데, 상기 장치는 내부 반도체층(3'), 절연층(4') 및 외부 반도체층(5')을 도선(2) 위에 도포하기 위해 공통의 압출 헤드로 흘러들어가는 세개의 분리된 압출기를 포함한다.
도 2는 그 자체로 공지된 압출 장치의 3중층 압출 헤드(20)의 길이방향 단면의 부분도를 나타내며, 따라서 전체를 도시한 것은 아니다.
압출 헤드(20)는: 수 다이(male die)(21), 제 1 중간 다이(22), 제 2 중간 다이(23) 및 암 다이(female die)(24)를 포함한다. 상기 다이들은 전술한 순서로 배열되며, 서로 동심으로 겹쳐있으며 도선(2)의 Z-Z 축으로부터 방사방향으로 뻗어있다.
더욱 구체적으로는, 화살표 A는 케이블 도선(2)의 진행방향을 가리키며, 내부 반도체층(3')이 압출될 방사방향의 바깥 위치에 도랑(25)이 수 다이(31) 및 제 1 중간 다이(32) 사이에 제공된다. 절연층(4')은 제 1 중간 다이(22)와 제 2 중간 다이(23) 사이에 위치한 도랑(26)을 통해 내부 반도체층(3')의 방사상 바깥 위치에 압출된다.
화살표 B는 압출 헤드(20)로부터 케이블 코어의 배출 방향을 가리킨다.
당 분야에 공지되고 부분적으로 및 개요적으로 도 2에 도시된 바와 같이 압출 헤드(20)가 제공되는 종래의 제조 방법을 따르면, 도선(2)이 공급 릴(도시되지 않음)로부터 풀리는 도중에 내부 반도체층(3'), 절연층(4') 및 외부 반도체층(5')의 중합체성 조성물들이 각각 분리되어 예를 들면 도랑들(25, 26 및 27) 각각의 상류에 위치한 분리된 호퍼(hopper)에 의해 각자의 압출기(도시되지 않음)의 유입구로 공급된다.
상기 중합체성 조성물의 제조는 중합체성 기초 물질과 기타 성분들을 사전 배합하는 단계가 요구될 수 있는데, 상기 사전 배합 단계는 예를 들면 접선 로터 타입(밴버리)의 내부 믹서 또는 상호교차 로터, 또는 Ko-Kneader 타입의 연속 믹서(예를 들면 Buss 제조) 내에서 또는 두개의 동시회전 또는 교차회전 스크류를 구비한 타입으로 압출 공정의 상류의 장치에서 수행된다.
각 중합체성 조성물은 일반적으로 과립 및 가소화된(plasticized) 형태로 상응하는 압출기로 운반되는데 이것은 열 주입(압출기의 외부 실린더를 통해) 및 중합체성 물질을 가공하고 소정의 코팅층을 형성하기 위해 각 덕트의 방출구를 향해 상응하는 압출 덕트 내로 압축하는 스크류의 기계적 작용을 통해 용융상태로 전환된다.
도 2에 나타낸 종래의 압출 헤드(20)에 따르면, 케이블 코어 구성층(즉, 내부 반도체층(3'), 절연층(4') 및 외부 반도체층(5'))을 형성하는 상이한 물질들의 흐름들은 서로 격리되며 형성된 케이블 코어 상에 개별적으로 압출된다.
구체적으로는, 도 2에 명확하게 나타낸 바와 같이, 우선 내부 반도체층(3')이 케이블 도선(2) 상에 직접 압출되고; 이어서 절연층(4')이 상기 내부 반도체층(3')(이미 도선(2)과 결합됨) 위에 압출되며 최종적으로 절연층이 이미 내부 반도체층(3')과 결합된 때 외부 반도체층(5')이 절연층(4') 위에 압출된다.
이러한 특이적 압출 순서는 도 2에 개략적 및 부분적으로 나타낸 다이스 어셈블리의 방법으로 얻어지는데, 이에 따르면 제 1 중간 다이(22)는 수 다이(21)의 경우보다 큰 축방향 연장을 가져 내부 반도체 물질이 케이블 도선(2) 상에 직접 압출되게 한다.
구체적으로는, 제 1 중간 다이(22)는 케이블 도선(2)에 대해 동축으로 배열된 연장부(28)가 제공되며, 상기 연장부는 내부 반도체층(3)을 도선(2) 상으로 인도하고 상기 내부 반도체층이 도선에 대해 긴 거리 및 그에 따라 충분히 긴 시간에 걸쳐 압착되도록 유지하는 기능을 수행하여 균일하고 균등한 내부 반도체층의 두께를 얻게 한다.
도 3은 본 발명의 제조 방법에 사용되기 위한 압출 헤드(40)의 길이방향 단면의 부분도로서, 도 2에 대해 유사하거나 동일한 도 3의 구성성분들은 동일한 참조로 설명된다.
본 발명의 제조 방법에 따르면, 내부 반도체층(3)은 케이블 도선(2)과 내부 반도체층(3)이 왕복 접촉하는 접촉지점 D의 상류에 위치한 C 지점에서 절연층(4)과 접촉한다.
구체적으로는, 본 발명의 압출 헤드(40)에 있어서 제 1 중간 다이(22)는 수 다이(21)의 축 말단에 대해 뒤로 이동(도선이 진행하는 방향을 따라)하여 내부 반도체 물질(도랑(25)을 따라 압출되는)의 환형 흐름 및 절연 물질(도랑(26)을 따라 압출되는)의 환형 흐름이 케이블 도선(2) 위에 도포되기 전에 서로 접촉하도록 한다. 이런 방식으로 내부 반도체층은 내부 반도체층이 절연층과 함께 흐를 때 도선(2)과 접촉하도록 허용된다.
바람직하게는, 접촉 지점 C, 즉, 내부 반도체 물질의 환형 흐름의 외부면과 절연 물질의 환형 흐름의 내면이 서로 접촉하는 지점은 접촉 지점 D, 즉, 내부 반도체층이 도선(2)과 접촉하는 지점에 대해 축방향 x 거리에 위치한다.
바람직하게는 상기 거리 x는 도선 직경의 0.5배 이상이다.
본 명세서 내에서, "축방향 거리"는 축방향, 즉 도선 진행 방향을 따라 계산된 거리를 의도한다.
바람직하게는, 상기 거리 x는 도선 직경의 약 0.6 내지 약 10배, 더욱 바람직하게는 약 1 내지 약 4배이다.
바람직하게는 접촉 지점 C는 -케이블 도선의 길이방향 Z-Z 축에 대해- 도선 직경의 1.5배 이상의 직경 Φ에 위치한다.
바람직하게는 상기 직경 Φ는 도선 직경의 약 1.8 내지 약 4배, 더욱 바람직하게는 약 2 내지 약 3배이다.
도 4는 평면 X1로 정의된 특정한 길이방향 위치에서 측정된, 공지 기술에 따른 압출 헤드(20) 내의 다이들(21, 22)에 의해 형성된 환형 도랑 내에서 흐르는 내부 반도체층 물질의 속도 분포(50) 및 전단 응력 분포(60)의 개략 및 부분도 및 이에 상응하여 동일한 공지 기술 압출 헤드 내의 다이들(22, 23)에 의해 형성되는 환형 도랑 내에서 흐르는 절연층 물질의 속도 분포(50') 및 전단 응력 분포(60')이다.
해당 분야에 공지된 바와 같이, 전단 응력 т는 인접한 유동층에 대해 미끄러지기 위해 한 유동층이 극복해야할 마찰력이다. 주어진 온도에서, 유체의 전단 응력 т는 전단속도
Figure 112007045462495-PCT00001
와 관련이 있다
Figure 112007045462495-PCT00002
.
전단 속도는 속도 분포도의 기울기이다.
간단한 형태로, 뉴톤 유체에 대해 이러한 관계는:
Figure 112007045462495-PCT00003
이며, 여기서 η는 고려 대상인 유체의 운동 점도이다.
비 뉴톤 유체에 있어서, 고려 대상인 물질의 경우에 있어서, 수학적 관계는 더 복잡한 형태를 띤다:
Figure 112007045462495-PCT00004
.
보통, 압출 헤드의 상응하는 환형 도랑을 통해 흐르는 유체 물질의 속도 분포도(50, 50')는 최대 속도가 다량의 흐름에 상응하여, 즉, 도랑을 한정하는 고정 표면으로부터 가장 먼 지점에서 얻어지도록 하는 것인 반면, 도 4의 속도 분포도(50)를 참조하여 나타낸 바와 같이 유체물질의 속도는 도랑의 외부 직경과 상응하는 곳 및 도랑의 내부직경과 상응하는 곳, 즉 r = R' 및 r = R"인 곳에서 0이 된다.
상기 속도 분포도에 상응하여, 전단 응력 분포도(60, 60')가 있다.
도 4에 보인 바와 같이, 전단 응력 т는 다량의 흐름에 상응하는 지점, 즉, 도랑을 한정하는 고정 표면으로부터 가장 먼 지점에서 0이 되는 반면, 응력 т는 도랑의 외부직경에 상응하는 지점 및 도랑의 내부직경에 상응하는 지점(즉, 접지 표면)대략 에서 최대 절대치를 취한다.
이러한 전단 응력 분포도에서, 내부 반도체층(3)과 같은 얇은 두께의 층들에 대해 전단 응력이 현저히 높고, 도랑의 단면적이 감소할수록 더욱 증가하는 것이 지적될 수 있는데, 구체적으로는 환형 도랑이 도선을 향에 집중하여 접촉 지점 D를 향해 이동하는 동안 흐르는 물질의 속도 증가를 야기시키기 때문이다.
이러한 상황은 내부 반도체 물질이 도선과 접촉하여 최종 외부 직경에 이를 때까지 동일하다.
도 5에 보인 바와 같이 본 발명에 따른 압출 헤드(40)에 있어서, 다이 22의 말단 지점 C의 바로 앞인 x1 위치에서의 속도(50, 50") 및 전단 응력(60, 60") 분포도는 실질적으로 도 4로써 설명된 것들과 실질적으로 동일하다.
그러나, 내부 반도체층 및 절연층 흐름이 이미 접촉하게 되는 말단 지점 C의 바로 아랫쪽의 x2지점에서는 상황이 변한다.
사실, 내부(21) 및 외부(22) 다이와 거의 접촉하게 되는 두 물질들의 속도가 여전히 거의 0인 반면, 두 흐르는 물질들 사이의 경계면에서의 두 속도 V1 및 V2는 실질적으로 동일하다.
결과적으로, 속도가 0부터 최대 속도까지 덜 뚜렷하게 다양하기 때문에(이러한 속도 편차는 내부 반도체층 및 절연층의 전체 두께에 걸쳐 나타남), 상응하는 전단 속도는 더 작은 최대치에 이르고, 특히, 전단 속도는 두 물질들의 경계면에서 거의 0이다.
도선을 향한 흐름의 전환은 흐름의 단면적의 감소 때문에 전체적인 흐름의 속도를 증가시키나, 내부 반도체층 및 절연층이 함께 흐르기 때문에 내부 반도체층이 도선(2)과 접촉하기 전에는 최대 전단 속도는 낮게 유지된다.
바람직하게는, 내부 반도체층 및 절연층의 흐름이 접촉하게 되는 길이방향 위치(즉, 다이 말단 위치 C)는 제1 중간 다이(22)의 방사방향 내벽에서의 내부 반도체층(3)의 전단 응력과 제 1 중간 다이(22)의 방사방향 외벽에서의 절연층(4)의 전단 응력 사이의 비율이 접촉 지점 C 근방에서 약 0.5 내지 약 4 사이에 포함되도록 한다.
첨부된 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명에서 더욱 자세하게 설명될 것이다:
도 1은 본 발명의 제조방법으로 얻어지는 전기 케이블의 투시도이다.
도 2는 단극형 전기 케이블을 제조하기 위한 종래의 방법에 따르는 압출 헤드의 길이방향 단면의 부분도이다.
도 3은 본 발명의 제조 방법에 따르는 압출 헤드의 길이방향 단면의 부분도이다.
도 4 및 도 5는 환형 도관을 통해 흐르는 뉴톤 유체(Newtonian fluid) 및 비-뉴톤 유제 각각의 속도 분포 및 전단 응력 분포의 부분 개요도이다.
본 발명의 추가의 설명을 위해, 몇가지 묘사적 실시예들이 다음에 주어진다.
실시예 1(본 발명)
도 1에 나타낸 형태의 단극 중전압 케이블이 제작되었다.
본 발명의 목적을 위해, 케이블 코어만(즉, 내부 반도체층(3), 절연층(4) 및 외부 반도체층(5))의 제작이 도 3에 도시된 압출 헤드(40)에 의해 수행되었다.
케이블 도선은 알루미늄으로 제작되고 150㎟의 단면적을 가지는 고체 막대이다. 도선의 진행 속도는 약 60m/분으로 설정되었다.
0.2mm의 두께를 가지는 내부 반도체층(폴리에틸렌 공중합체 HFDA-0801-다우 케미컬의 상업제품), 4.0mm의 두께를 가지는 절연층(Borealis에 의해 생산되는 LE 4201이라는 상표의 교차결합성 폴리프로필렌) 및 0.2mm의 두께를 가지는 외부 반도체층(폴리에틸렌 공중합체 HFDA-0801-다우 케미컬의 상업제품)이 본 발명의 제조 방법을 이용해 얻어졌다.
구성 25D(즉, 길이가 직경의 25배인 스크류 구비)인 90mm 압출기(이탈리아 Busto Alsizio(VA)의 Costruzioni Meccaniche Luigi Bandera S.p.A 제품), 구성 30D인 160mm 단일 스크류 반데라(Bandera) 압출기 및 구성 25D인 90mm 반데라 압출기들이 각각 내부 반도체층, 절연층 및 외부 반도체층을 도포하기 위해 사용되었다.
접촉 지점 C, 즉, 내부 반도체성 물질의 환형 흐름의 외부 표면과 절연 물질의 환형 흐름의 내부 표면이 서로 접촉하는 지점은 도선 직경의 0.69배인 축상 거리 x-접촉 지점 D로부터 케이블의 길이방향인 Z-Z 방향을 따라 측정됨-에 위치하였다.
내부 반도체성 물질의 압출 출력은 33.5kg/h에 고정되었고, 절연 물질의 압 출 출력은 720kg/h에 고정되었다.
접촉 지점 C에 상응하는 지점에서의 내부 반도체성 물질의 환형 흐름의 내부 직경(즉, E 지점에서의 수 다이(21)의 내부 직경으로, 상기 지점은 도선 축 Z-Z에수직인 평면 Y-Y로 수 다이를 가로지르고 C 지점에서 제 1 중간 다이(22)와 접촉함)은 25.2mm였다.
내부 반도체성 물질의 환형 흐름의 외부 직경(즉, C 지점에서의 제 1 중간 다이(22)의 직경)은 26.4mm였다.
접촉 지점 C에 상응하는 지점에서의 절연 물질의 환형 흐름의 내부 직경은 26.4mm였다.
절연 물질의 환형 흐름의 외부 직경(즉, F 지점에서의 제 2 중간 다이(23)의 외부 직경으로, 상기 지점은 제 2 중간다이를 Y-Y 평면으로 가로질러 얻어짐)은 36.8mm였다.
내부 반도체성 물질 및 절연 물질의 압출 온도는 130℃에 고정되었다.
내부 반도체성 물질 및 절연 물질의 압출 출력, 이들의 압출 온도 뿐만 아니라 다이들의 배열을 고정함으로써, 접촉 지점 C(즉, 왕복접촉하게 되기 전) 부근에서의 제 1 중간 다이의 방사방향 내벽에서의 내부 반도체층의 전단 응력과 제 1 중간 다이의 방사방향 외벽에서의 절연층의 전단 응력 사이의 비율이 압출 온도 및 전단 속도의 함수로서 상기 물질들의 운동 점도를 고려하여 계산되었다(괴트페르트 연구소의 레오미터인 1mm의 내부 직경 및 20mm의 길이를 가진 레오그래프 2001 타입을 이용한 모세관 유동측정 분석법에 의해 측정됨).
구체적으로는, 표 1 및 2에 운동 점도를 내부 반도체성 물질 및 절연 물질에 대해 압출 온도 및 전단 속도의 함수로서 각각 나타내었다.
내부 반도체성 물질 다우 케미컬사의 HFDA-0801
전단 속도(s-1) 운동 점도(Pa*s) 온도(℃)
10 26130 110
50 10380 110
100 6545 110
1000 1114 110
2500 519 110
10 26370 120
50 9404 120
100 5886 120
1000 1038 120
2500 482 120
10 24660 130
50 8867 130
100 5568 130
1000 1003 130
2500 469 130
절연 물질 Borealis사의 LE 4201
전단 속도(s-1) 운동 점도(Pa*s) 온도(℃)
10 8222 120
50 2377 120
100 1498 120
1000 340 120
2500 167 120
10 7327 130
50 2051 130
100 1278 130
1000 277 130
2500 2500 130
내부 반도체층의 전단 응력 및 절연층의 전단 응력 사이의 비율은 3.7이었다.
내부 반도체층 및 절연층의 케이블 코어 구성성분들에 대해 균질 또는 균일한 두께(방사방향 및 길이방향) 여부를 확인하는 광검사(optical inspection)(예를 들면, 전자 주사 현미경의 방법으로)뿐만 아니라 이들의 균열 또는 결함의 부재 검사가 수행되었다.
실시예 2(본 발명)
도 1에 도시되고 실시예 1에서 설명된 단극 중전압 케이블이 제작되었다.
본 발명의 목적을 위해, 케이블 코어만(즉, 내부 반도체층(3), 절연층(4) 및 외부 반도체층(5))의 제작이 도 3에 도시된 압출 헤드(40)에 의해 수행되었다.
케이블 도선은 알루미늄으로 제작되고 150㎟의 단면적을 가지는 고체 막대이다. 도선의 진행 속도는 약 58m/분으로 설정되었다.
0.2mm의 두께를 가지는 내부 반도체층(표 3에 보인 반도체성 물질로 제작), 2.6mm의 두께를 가지는 절연층(표 3에 보인 절연 물질로 제작) 및 0.2mm의 두께를 가지는 외부 반도체층(표 3에 보인 반도체성 물질로 제작)이 본 발명의 제조 방법을 이용해 얻어졌다.
내부 및 외부 반도체층(중량%) 절연층(중량%)
Adflex® Q200F 60.4 -
Hifax® CA7320A - 47
Moplen® RP210G - 47
Ensaco® 250G 33 -
Jarylec® Exp3 6 5.4
Irganox® PS802 0.4 0.4
Irganox® 1010 0.2 0.2
Adflex® Q200F: 녹는점 165℃, 용융 엔탈피 30J/g, MFI 0.8dg/분 및 휨계수 150MPa인 폴리프로필렌 비균질상 공중합체(Basell의 상업제품);
Hifax® CA7320A: 고함유량의 고무를 가지는 열가소성 폴리프로필렌(Basell의 상업제품);
Moplen® RP210G: 폴리프로필렌 무작위 공중합체(Basell의 상업제품);
Ensaco® 250G: 퍼네이스 카본 블랙(furnace carbon black)(Erachem Europe의 상업제품);
Jarylec® Exp3(Elf Atochem의 상업제품): 디벤질톨루엔(DBT);
Irganox® PS802(산화방지제): 티오디프로피네이트(Ciba Specialty 케미컬의 상업제품);
Irganox® 1010(산화방지제): 펜타에리스리틸-테트라키스-(3-(3,5-디-t-부틸-4-하이드록시-페닐)-프로피오네이트(Ciba Specialty 케미컬의 상업제품).
구성 25D인 90mm 압출기, 구성 30D인 160mm 단일 스크류 반데라(Bandera) 압출기 및 구성 25D인 90mm 반데라 압출기들이 각각 내부 반도체층, 절연층 및 외부 반도체층을 도포하기 위해 사용되었다.
접촉 지점 C, 즉, 내부 반도체성 물질의 환형 흐름의 외부 표면과 절연 물질의 환형 흐름의 내부 표면이 서로 접촉하는 지점은 도선 직경의 0.69배인 축상 거리 x-접촉 지점 D로부터-에 위치하였다.
내부 반도체성 물질의 압출 출력은 32.6kg/h에 고정되었고, 절연 물질의 압출 출력은 450kg/h에 고정되었다.
접촉 지점 C에 상응하는 지점에서의 내부 반도체성 물질의 환형 흐름의 내부 직경은 25.2mm였다.
내부 반도체성 물질의 환형 흐름의 외부 직경은 26.4mm였다.
접촉 지점 C에 상응하는 지점에서의 절연 물질의 환형 흐름의 내부 직경은 26.4mm였다.
절연 물질의 환형 흐름의 외부 직경은 36.8mm였다.
내부 반도체성 물질 및 절연 물질의 압출 온도는 230℃에 고정되었다.
내부 반도체성 물질 및 절연 물질의 압출 출력, 이들의 압출 온도 뿐만 아니라 다이들의 배열을 고정함으로써, 접촉 지점 C(즉, 왕복접촉하게 되기 전) 부근에서의 제 1 중간 다이의 방사방향 내벽에서의 내부 반도체층의 전단 응력과 제 1 중간 다이의 방사방향 외벽에서의 절연층의 전단 응력 사이의 비율이 압출 온도 및 전단 속도의 함수로서 상기 물질들의 운동 점도를 고려하여 계산되었다(괴트페르트 연구소의 레오미터인 1mm의 내부 직경 및 20mm의 길이를 가진 레오그래프 2001 타입을 이용한 모세관 유동측정 분석법에 의해 측정됨).
구체적으로는, 표 4 및 5에 운동 점도를 내부 반도체성 물질 및 절연 물질에 대해 압출 온도 및 전단 속도의 함수로서 각각 나타내었다.
내부 반도체성 물질 (표 3에 나타낸 바와 같음)
전단 속도(s-1) 운동 점도(Pa*s) 온도(℃)
10 6106 180
50 2735 180
100 1758 180
1000 329 180
2500 167 180
10 5866 200
50 2629 200
100 1604 200
1000 - 200
2500 - 200
절연 물질 (표 3에 나타낸 바와 같음)
전단 속도(s-1) 운동 점도(Pa*s) 온도(℃)
10 6024 170
50 2328 170
100 1555 170
1000 366 170
2500 224 170
10 4640 190
50 1954 190
100 1335 190
1000 267 190
2500 132 190
10 210
50 3582 210
100 1628 210
1000 234 210
2500 177 210
내부 반도체층의 전단 응력 및 절연층의 전단 응력 사이의 비율은 3.0이었다.
내부 반도체층 및 절연층의 케이블 코어 구성성분들에 대해 균질 또는 균일한 두께(방사방향 및 길이방향) 여부를 확인하는 광검사(optical inspection)(예를 들면, 전자 주사 현미경의 방법으로)뿐만 아니라 이들의 균열 또는 결함의 부재 검사가 수행되었다.
실시예 3(본 발명)
실시예 2와 유사한 케이블이 제작되었는바, 유일한 차이점은 내부 반도체물질의 압출 출력이 33.5kg/h에 고정되고 절연 물질의 압출 출력이 720kg/h에 고정되었다는 것이다.
내부 반도체층의 전단 응력 및 절연층의 전단 응력 사이의 비율은 2.6이었다.
결과물의 균질 또는 균일한 두께(방사방향 및 길이방향) 여부를 확인하는 광검사뿐만 아니라 이들의 균열 또는 결함의 부재 검사가 실시예 1 및 2에 언급된 대로 수행되었다.
실시예 4(본 발명)
실시예 2와 유사한 케이블이 제작되었는바, 유일한 차이점은:
1) 내부 반도체물질의 압출 출력이 23.9kg/h에 고정;
2) 절연 물질의 압출 출력이 720kg/h에 고정;
3) 도선의 진행 속도는 약 43m/분으로 설정; 및
4) 절연층의 두께는 약 5.5mm이다.
내부 반도체층의 전단 응력 및 절연층의 전단 응력 사이의 비율은 2.4였다.
결과물의 균질 또는 균일한 두께(방사방향 및 길이방향) 여부를 확인하는 광검사뿐만 아니라 이들의 균열 또는 결함의 부재 검사가 실시예 1 및 2에 언급된 대로 수행되었다.
실시예 5( 비교예 )
도 1에 도시되고 실시예 1에서 설명된 단극 중전압 케이블이 제작되었다.
케이블 도선은 알루미늄으로 제작되고 150㎟의 단면적을 가지는 고체 막대이다. 도선의 진행 속도는 약 58m/분으로 설정되었다.
0.2mm의 두께를 가지는 내부 반도체층(폴리에틸렌 공중합체 HFDA-0801-다우 케미컬의 상업제품), 2.6mm의 두께를 가지는 절연층(Borealis에 의해 생산되는 LE 4201이라는 상표의 교차결합성 폴리프로필렌) 및 0.2mm의 두께를 가지는 외부 반도체층(폴리에틸렌 공중합체 HFDA-0801-다우 케미컬의 상업제품)이 본 발명의 제조 방법을 이용해 얻어졌다.
구성 25D인 90mm 압출기, 구성 30D인 160mm 단일 스크류 반데라(Bandera) 압출기 및 구성 25D인 90mm 반데라 압출기들이 각각 내부 반도체층, 절연층 및 외부 반도체층을 도포하기 위해 사용되었다.
접촉 지점 C, 즉, 내부 반도체성 물질의 환형 흐름의 외부 표면과 절연 물질의 환형 흐름의 내부 표면이 서로 접촉하는 지점은 도선 직경의 0.24배인 축상 거리 x-접촉 지점 D로부터-에 위치하였다.
내부 반도체성 물질의 압출 출력은 32.6kg/h에 고정되었고, 절연 물질의 압출 출력은 450kg/h에 고정되었다.
접촉 지점 C에 상응하는 지점에서의 내부 반도체성 물질의 환형 흐름의 내부 직경은 18.0mm였다.
내부 반도체성 물질의 환형 흐름의 외부 직경은 18.5mm였다.
접촉 지점 C에 상응하는 지점에서의 절연 물질의 환형 흐름의 내부 직경은 18.5mm였다.
절연 물질의 환형 흐름의 외부 직경은 33.0mm였다.
내부 반도체성 물질 및 절연 물질의 압출 온도는 130℃에 고정되었다.
내부 반도체성 물질 및 절연 물질의 압출 출력, 이들의 압출 온도 뿐만 아니라 다이들의 배열을 고정함으로써, 접촉 지점 C(즉, 왕복접촉하게 되기 전) 부근에서의 제 1 중간 다이의 방사방향 내벽에서의 내부 반도체층의 전단 응력과 제 1 중간 다이의 방사방향 외벽에서의 절연층의 전단 응력 사이의 비율이 압출 온도 및 전단 속도의 함수로서 상기 물질들의 운동 점도를 고려하여 계산되었다(괴트페르트 연구소의 레오미터인 1mm의 내부 직경 및 20mm의 길이를 가진 레오그래프 2001 타입을 이용한 모세관 유동측정 분석법에 의해 측정됨).
구체적으로는, 표 1 및 2에 운동 점도를 내부 반도체성 물질 및 절연 물질에 대해 압출 온도 및 전단 속도의 함수로서 각각 나타내었다.
내부 반도체층의 전단 응력 및 절연층의 전단 응력 사이의 비율은 10.1이었다.
케이블 코어 구성 성분들에 대한 광검사가 수행되었고(예를 들면, 전자 주사 현미경의 방법으로), 내부 반도체층 및 절연층의 상호침투(즉, 상기 층들의 비균질 및 비균일 두께)뿐만 아니라 상기 층들의 경계면의 일부 부위에서의 내부 반도체층의 균열이 검사되었다.
본 명세서 내에 포함되어 있음.

Claims (22)

  1. - 도선(2);
    - 상기 도선을 둘러싸고 두께가 0.4mm 이하인 내부 반도체층(3); 및
    - 상기 내부 반도체층을 둘러싸는 절연층(4)
    을 포함하는 케이블(1)의 제조방법으로서,
    상기 방법은:
    - 내부 반도체층을 압출하기 위한 제 1 압출 채널(25) 및 절연층을 압출하기 위한 제 2 압출 채널(26)을 포함하는 압출 헤드(40)에 소정의 속도로 도선(2)을 공급하는 단계로서, 상기 제 1 압출 채널 및 상기 제 2 압출 채널은 제 1 압출 다이(22)에 의해 서로 고립된 단계,
    - i) 내부 반도체층의 제 1 환형 흐름 및 절연층의 제 2 환형 흐름을 공급하는 단계;
    ii) 상기 제 1 환형 흐름이 도선과 접촉하는 접촉 지점(D)로부터 어떠한 축상 거리(x)에서 상기 제 1 환형 흐름의 외부 표면과 상기 제 2 환형 흐름의 내부 표면을 접촉시키는 단계;
    iii) 상기 제 1 압출 다이의 방사방향 내벽에서의 내부 반도체층의 전단 응력과 상기 제 1 압출 다이의 방사방향 외벽에서의 절연층의 전단 응력 사이의 비율이 상기 접촉 지점 부근에서 약 0.5 내지 4 사이가 되도록 내부 반도체성 물질 및 절연 물질의 운동 점도(η)의 함수로서 상기 소정의 공급속도 및 상기 접촉 지 점(D)의 조합을 선택하는 단계;
    iv) 도선 상에 절연층 및 내부 반도체층을 압축압출(compression extruding)하는 단계
    를 포함하는 내부 반도체층 및 절연층을 동시 압출하는 단계
    를 포함하는 케이블(1)의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 축상 거리(x)가 도선 직경의 0.5배 이상인 케이블(1)의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 축상 거리(x)가 도선 직경의 약 0.6 내지 약 10배의 범위에 포함되는 케이블(1)의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 축상 거리(x)가 도선 직경의 약 1 내지 약 4배의 범위에 포함되는 케이블(1)의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 비율이 약 0.7 내지 약 3.0 사이에 포함되는 케이블(1)의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 비율이 약 1인 케이블(1)의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    내부 반도체성 물질의 환형 흐름의 외부 표면과 절연 물질의 환형 흐름의 내부 표면의 접촉 지점(C)이 도선(2)의 직경의 1.5배 이상인 직경(Ф)에 위치한 케이블(1)의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 직경(Ф)이 도선(2)의 직경의 약 1.8 내지 약 4.0배 사이에 포함되는 케이블(1)의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 직경(Ф)이 도선(2)의 직경의 약 2.0 내지 약 3.0배 사이에 포함되는 케이블(1)의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 반도체층의 두께가 약 0.1mm 내지약 0.4mm의 범위 내에 포함되는 케이블(1)의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 두께가 약 0.2mm 내지약 0.3mm의 범위 내에 포함되는 케이블(1)의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    도선(2)이 고체 막대인 케이블(1)의 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    케이블 코어를 얻기 위해 상기 절연층(4)을 둘러싸는 외부 반도체층(5)이 제공되는 단계를 더욱 포함하는 케이블(1)의 제조방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    케이블 코어를 냉각시키는 단계를 더욱 포함하는 케이블(1)의 제조방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    케이블 코어를 건조시키는 단계를 더욱 포함하는 케이블(1)의 제조방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이블 코어 주위로 금속 실드(6)를 제공하는 단계를 더욱 포함하는 케이블(1)의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    금속 실드(6) 주위로 충격 보호 성분(7)을 제공하는 단계를 더욱 포함하는 케이블(1)의 제조방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    금속 실드(6) 주위로 외피(10)를 제공하는 단계를 더욱 포함하는 케이블(1)의 제조방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정의 공급 속도가 약 30 내지 약 100m/분 사이에 포함되는 케이블(1)의 제조방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    절연층(4)의 두께가 2.5mm 이하인 케이블(1)의 제조방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    내부 반도체층(3)이 열 가소성 물질로 만들어지는 케이블(1)의 제조방법.
  22. 제 1 항에 있어서,
    절연층(4)이 열 가소성 물질로 만들어지는 케이블(1)의 제조방법.
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