KR20120046773A - 다층 절연 전선 및 그것을 이용한 변압기 - Google Patents

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히데오 후쿠다
요헤이 이시이
다이스케 무토
히로유키 에가와
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후루카와 덴키 고교 가부시키가이샤
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Abstract

도체와 상기 도체를 피복하는 적어도 3층의 압출 절연층을 가지고 이루어지는 다층 절연 전선으로서, 상기 절연층의 최외층(A)이, 폴리아미드 수지의 압출 피복층으로 이루어지고, 또한 그 막두께가 25㎛ 이하이며, 내측의 층인 절연층의 내층(B)이, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지 또는 유리 전이 온도가 200℃ 이상의 비정성 수지를 포함하는 압출 피복층으로 이루어지는 다층 절연 전선.

Description

다층 절연 전선 및 그것을 이용한 변압기{MULTILAYER INSULATED WIRE AND TRANSFORMER USING SAME}
본 발명은, 절연층이 3층 또는 그 이상의 압출 피복층으로 이루어지는 다층 절연 전선과 그것을 이용한 변압기에 관한 것이다.
변압기의 구조는, IEC 규격(International Electrotechnical Communication Standard) Pub.60950 등에 의해서 규정되어 있다. 즉, 이들의 규격에서는, 권선에 있어서 1차 권선과 2차 권선의 사이에는 적어도 3층의 절연층(도체를 피복하는 에나멜 피막은 절연층으로 인정하지 않는다)이 형성되어 있는 것 또는 절연층의 두께는 0.4mm 이상인 것이 규정되어 있다. 또, 1차 권선과 2차 권선의 연면거리 (creeping distance)는, 인가 전압에 따라서도 다르지만, 5mm 이상인 것으로 되어 있다. 게다가, 1차측과 2차측에 3000V를 인가했을 때에 1분 이상 견디는 것, 등이 규정되어 있다.
이러한 규격하에서, 종래, 주류의 자리를 차지하고 있는 변압기로서는, 도 2의 단면도에 예시하는 바와 같은 구조가 채용되어 왔다. 이 변압기는, 페라이트 코어(1) 위의 보빈(2)의 둘레면 양측단에 연면거리를 확보하기 위한 절연 배리어(3)가 배치된 상태로 에나멜 피복된 1차 권선(4)이 감겨진 후, 이 1차 권선(4)의 위에, 절연 테이프(5)를 적어도 3층 감고, 게다가 이 절연 테이프의 위에 연면거리를 확보하기 위한 절연 배리어(3)를 배치한 후, 동일하게 에나멜 피복된 2차 권선(6)이 감긴 구조이다.
그러나, 최근, 도 2에 도시한 단면 구조의 변압기(트랜스)를 대신하여, 도 1에서 도시한 바와 같이, 절연 배리어(3)나 절연 테이프층(5)을 포함하지 않는 구조의 변압기를 이용할 수 있도록 되었다. 이 변압기는 도 2의 구조의 변압기에 비해서, 전체를 소형화할 수 있으며, 또, 절연 테이프의 감기 작업을 생략할 수 있다는 등의 이점을 구비하고 있다.
도 1에서 도시한 변압기를 제조하는 경우, 이용하는 1차 권선(4) 및 2차 권선(6)에서는, 어느 한쪽 혹은 양쪽의 도체(4a(6a))의 외주에 적어도 3층의 절연층 (4b(6b), 4c(6c), 4d(6d))가 형성되어 있는 것이 상기한 IEC 규격과의 관계에서 필요하게 된다.
이러한 권선으로서 도체의 외주에 절연 테이프를 감아서 1층째의 절연층을 형성하고, 게다가 그 위에, 절연 테이프를 감아서 2층째의 절연층, 3층째의 절연층을 순차적으로 형성하고 서로 층간 박리하는 3층 구조의 절연층을 형성하는 것이 알려져 있다. 또, 절연 테이프 대신에 불소 수지를, 도체의 외주 위에 순차 압출 피복하고, 전체적으로 3층의 절연층을 형성한 것도 공지이다(예를 들면, 특허문헌 1 참조.).
그러나, 상기 절연 테이프 감기에 의해 권선을 제조하는 경우, 감는 작업이 불가피하기 때문에, 생산성은 현저하게 낮고, 그 때문에 전선 비용은 매우 높은 것으로 되어 있다.
또, 상기 불소 수지로 압출하여 피복된 절연 전선에서는, 절연층은 불소계 수지로 형성되어 있으므로, 내열성은 양호하다고 하는 이점을 구비하고 있다. 그러나, 불소 수지는 고가인데다, 높은 전단속도로 당기면 외관 상태가 악화된다는 성질이 있기 때문에, 제조 속도를 올리는 것도 곤란하다. 이 때문에, 불소 수지로 압출하여 피복된 절연 전선은 절연 테이프 감기와 동일하게 전선 비용이 높은 것이 되어버린다고 하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 도체의 외주상에, 1층째, 2층째의 절연층으로서 결정화를 제어하고 분자량 저하를 억제한 변성 폴리에스테르 수지를 압출하고, 3층째의 절연층으로서 폴리아미드 수지를 압출 피복한 다층 절연 전선이 실용화되고 있다(예를 들면, 특허문헌 2 및 3 참조.). 게다가 최근의 전기?전자기기의 소형화에 따라서, 발열에 의한 기기로의 영향이 염려되며, 보다 높은 내열성을 향상시킨 다층 절연 전선으로서, 내층에 폴리에테르술폰 수지, 최외층에 폴리아미드 수지를 압출 피복한 것이 제안되고 있다(예를 들면, 특허문헌 4 참조.).
상기 절연 전선은, IEC 규격(International Electrotechnical Communication Standard) Pub.60950에 준거하여, 전기?전자기기 용도로 전개되어 왔다. 소형화, 고효율화를 가능하게 하는 절연 전선은, IEC 규격 Pub.61558에 준거한 가전 용도로의 전개도 요구되고 있다. 그 때문에, 요구되는 전압의 규정이 보다 엄격한 IEC 규격 Pub.61558에 준거한 다층 절연 전선이 요구되고 있다.
일본 공개실용신안공보 평성 3-56112호 미국 등록특허 제 5,606,152호 명세서 일본 공개특허공보 평성 6-223634호 일본 공개특허공보 평성 10-134642호
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같이 요구되는 전압의 규정이 보다 엄격한 IEC 규격 Pub.61558을 만족하기 위한, 다층 절연 전선을 제공하는 것을 과제로 한다. 게다가 본 발명은, 이러한 내전압 특성이 우수한 절연 전선을 감아서 이루어지는, 신뢰성이 높은 변압기를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 상기 과제는, 이하에 나타낸 다층 절연 전선 및 이것을 이용한 변압기에 의해서 달성되었다.
즉 본 발명은,
(1) 도체와 상기 도체를 피복하는 적어도 3층의 압출 절연층을 가지고 이루어지는 다층 절연 전선으로서, 상기 절연층의 최외층(A)이, 폴리아미드 수지의 압출 피복층으로 이루어지고, 또한 그 막두께가 25㎛ 이하이며, 내측의 층인 절연층의 내층(B)이, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지 또는 유리 전이 온도가 200℃ 이상의 비정성(非晶性) 수지를 포함하는 압출 피복층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층 절연 전선,
(2) 상기 절연층의 내층(B)을 형성하는 수지가, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지의 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 다층 절연 전선,
(3) 상기 절연층의 내층(B)을 형성하는 수지가, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지의 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지 100 질량부에 대해서, 측쇄에 카르복실산 또는 카르복실산의 금속염을 가지는 에틸렌계 공중합체 5?40 질량부를 배합해서 이루어지는 수지 혼화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 다층 절연 전선,
(4) 상기 절연층의 내층(B)을 형성하는 수지가, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지의 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지 100 질량부에 대해서, 에폭시기를 가지는 수지 1?20 질량부를 배합해서 이루어지는 수지 혼화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 다층 절연 전선,
(5) 상기 절연층의 내층(B)을 형성하는 베이스 수지 성분이, 액정 폴리머 이외의 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지의 폴리에스테르계 수지 75?95 질량% 및 융점이 225℃ 이상의 액정 폴리머의 폴리에스테르계 수지 5?25 질량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 다층 절연 전선,
(6) 상기 절연층의 내층(B)을 형성하는 수지가, 상기 베이스 수지 성분 100 질량부에 대해서, 에폭시기를 가지는 수지 1?20 질량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 (5)에 기재된 다층 절연 전선,
(7) 상기 절연층의 내층(B)을 형성하는 수지가, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지의 폴리페닐렌술피드 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 다층 절연 전선,
(8) 상기 절연층의 내층(B)을 형성하는 수지가, 유리 전이 온도가 200℃ 이상의 비정성 수지의 폴리에테르술폰 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 다층 절연 전선,
(9) 상기 절연층의 최외층(A)에 접하는 내층(B1)의 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지의 폴리페닐렌술피드 수지로서, 상기 내층(B1) 이외의 내층(B2) 중 적어도 1층이 융점 225℃ 이상의 결정성 수지의 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지 100 질량부에 대해서, 에폭시기를 가지는 수지 1?20 질량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 다층 절연 전선, 및,
(10) (1)?(9) 중 어느 1항에 기재된 다층 절연 전선을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변압기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다층 절연 전선은, 내열 B종 이상의 내열성 레벨을 유지하면서, 가전 용도로서 요구되는 IEC 규격 Pub.61558을 만족하는 내전압 특성을 가지는 것이다. 내열 B종 이상의 내열 레벨이란, IEC 규격 Pub.61558에 준거하는 시험 방법인 「직경 1.0mm의 맨드릴에 다층 절연 전선을, 하중 9.4kg를 걸어서 10턴 휘감고, 225℃에서 1시간 가열하고, 또한 150℃에서 21시간 및 200℃에서 3시간을 3사이클 가열하고, 게다가 30℃, 습도 95%의 분위기로 48시간 유지하고, 그 후 5500V로 1분간 전압을 인가하여 단락하지 않는다」는 것이다. 또, 본 발명의 다층 절연 전선은, 절연층으로서, 최외층에 폴리아미드 수지를, 그 내층에는 전선으로서 필요한 신장 특성이나 내열성이 우수한 수지를 조합하여 사용하는 것으로 가요성(可撓性), 내약품성 등의 요구 항목을 충족할 수 있었다. 특히, 최외층에 폴리아미드 수지를 이용한 경우, 그 막두께를 어느 정도 얇게 하는 쪽이, 보다 내전압 특성이 상승하므로, 절연 전선지름을 가늘게 할 수 있다.
본 발명의 다층 절연 전선은, 단말 가공시에는 직접 납땜을 행할 수 있으며, 권선 가공의 작업성을 충분히 높이는 것이다. 게다가 상기 다층 절연 전선을 이용하여 이루어지는 본 발명의 변압기는, 고전압시, 고온 가열시 등의 전기 특성이 우수하며, 신뢰성이 높다.
본 발명의 상기 및 다른 특징과 이점은, 적절히 첨부의 도면을 참조하고, 하기의 기재로부터 보다 명백하게 될 것이다.
도 1은, 다층 절연 전선을 권선으로 하는 구조의 변압기의 예를 나타내는 단면도이다.
도 2는, 종래 구조의 변압기의 1예를 나타내는 단면도이다.
도 3은, 절연층이 3층으로 이루어지는 다층 절연 전선의 단면도이다.
전기?전자기기의 분야에 절연 전선이 이용되어 왔으나, 보다 내전압의 요구 레벨이 높은 가전 분야에서의 다층 절연 전선이 요구되고 있다. 그러나, 지금까지 다층 절연 전선에서는, IEC 규격 Pub.61558을 만족하는 절연 전선은 없었다.
본 발명의 다층 절연 전선은, 피복하는 절연층이 적어도 3층, 바람직하게는 3층으로 이루어지는 다층 절연 전선이다. 그 바람직한 실시형태에 대해서, 각 층을 형성하는 수지에 대해서 설명을 한다.
본 발명의 다층 절연 전선의 최외층(A)은, 폴리아미드 수지로 이루어지는 압출 피복층이다. 최외층의 절연층으로서 적합하게 이용되는 폴리아미드 수지로서는, 나일론 6,6[「A-125」 : 상품명, 유니티카(주) 제품, 「아미란 CM-3001」 : 상품명, 토레이(주) 제품], 나일론 4,6[「F-5000」 : 상품명, 유니티카(주) 제품, 「C2000」 : 상품명, 테이진(주) 제품], 나일론 6,T[「아렌 AE-420」 : 상품명, 미츠이석유화학(주) 제품], 폴리프탈아미드[「아모델 PXM04049」 : 상품명, 솔베이(주) 제품] 등을 들 수 있다.
폴리아미드 수지로 이루어지는 최외층(A)의 압출 피복층의 막두께는, 얇게 해도 내전압 특성이 양호하게 되기 때문에 25㎛ 이하로 할 수 있으며, 바람직하게는 10?20㎛이다. 이 막두께는 너무 얇으면 내열성이 저하되고, 너무 두꺼우면 내전압 특성이 저하된다.
본 발명의 다층 절연 전선의 내층(B)은, 융점이 225℃ 이상, 바람직하게는 250℃ 이상의 결정성 수지를 포함하는 압출 피복층으로 이루어진다. 융점이 너무 낮으면, 내열성이 부족하고, 내열 B종을 충족하지 않는 결과로 되고, 피복층으로서 부적절하다.
융점이 225℃ 이상의 결정성 수지로서, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리부틸렌나프탈레이트 등을 들 수 있으며, 후술하는 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지인 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 등이 특히 바람직하다.
또, 본 발명의 다층 절연 전선의 내층(B)은, 유리 전이 온도가 200℃ 이상, 바람직하게는 220℃ 이상의 비정성 수지를 포함하는 압출 피복층으로 이루어지는 것이어도 좋다. 비정성 수지에서도 유리 전이 온도가 너무 낮으면, 내열성이 부족하고, 내열 B종을 충족하지 않는 결과로 되어, 피복층으로서 부적절하다.
이러한 비정성 수지에는, 폴리술폰 수지, 폴리에테르술폰 수지, 폴리에테르이미드 수지 등이 있으며, 후술하는 비정성 수지의 폴리에테르술폰 수지 등이 바람직하다.
본 발명이 바람직한 실시형태에 있어서는, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지로 형성하는 절연층의 내층(B)은, 전부 또는 일부가 지방족 알코올 성분과 산 성분을 결합해서 형성되는 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지를 포함하는 것의 압출 피복층이다.
열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지로서는, 방향족 디카르복실산 또는 그 일부가 지방족 디카르복실산으로 치환되어 있는 디카르복실산과 지방족 디올과의 에스테르 반응으로 얻어진 것이 바람직하게 이용된다. 예를 들면, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지(PBT), 폴리에틸렌나프탈레이트 수지(PEN) 등을 대표예로서 들 수 있다.
이 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지의 합성시에 이용하는 방향족 디카르복실산으로서는, 예를 들면, 테레프탈산, 이소프탈산, 테레프탈디카르복실산, 디페닐술폰디카르복실산, 디페녹시에탄디카르복실산, 디페닐에테르카르복실산, 메틸테레프탈산, 메틸이소프탈산 등을 들 수 있다. 이들 중, 특히 테레프탈산은 매우 적합한 것이다.
방향족 디카르복실산의 일부를 치환하는 지방족 디카르복실산으로서는, 예를 들면, 호박산, 아디핀산(adipic acid), 세바스산(sebacic acid) 등을 들 수 있다. 이들 지방족 디카르복실산의 치환량은, 방향족 디카르복실산의 30몰% 미만인 것이 바람직하고, 특히 20몰% 미만인 것이 바람직하다.
한편, 에스테르 반응에 이용하는 지방족 디올로서는, 예를 들면, 에틸렌글리콜, 트리메틸렌글리콜, 테트라메틸렌글리콜, 헥산디올, 데칸디올 등을 들 수 있다. 이들 중, 에틸렌글리콜, 테트라메틸렌글리콜은 매우 적합하다. 또, 지방족 디올로서는, 그 일부가 폴리에틸렌글리콜이나 폴리테트라메틸렌글리콜과 같은 옥시글리콜로 되어 있어도 좋다.
본 발명에 있어서 바람직하게 이용할 수 있는 시판의 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지로서는, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 수지로서, 「바이로펫트」(상품명 : 도요보사 제품), 「벨펫」(상품명 : 가네보사 제품), 「테이진 PET」(상품명 : 테이진사 제품)를 들 수 있다. 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN) 수지로서, 「테이진 PEN」(상품명 : 테이진사 제품), 폴리시클로헥산디메틸렌테레프탈레이트(PCT) 수지로서 「에크타」(상품명 : 토레이사 제품) 등을 들 수 있다.
게다가, 내층(B)을 구성하는 수지는, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지인 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지 100 질량부에 대해, 측쇄에 카르복실산 또는 카르복실산의 금속염을 가지는 에틸렌계 공중합체 5?40 질량부를 배합해서 이루어지는 수지 혼화물이 바람직하다.
수지 혼화물에는, 예를 들면, 폴리에틸렌의 측쇄에 카르복실산 혹은 카르복실산의 금속염을 결합시킨 에틸렌계 공중합체를 함유시키는 것이 바람직하다. 이 에틸렌계 공중합체는, 상기한 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지의 결정화를 억제하는 기능을 한다.
에틸렌 공중합체에 결합시키는 카르복실산으로서는, 예를 들면, 아크릴산, 메타크릴산, 크로톤산(crotonic acid)과 같은 불포화 모노카르복실산이나, 말레인산, 푸말산, 프탈산과 같은 불포화 디카르복실산을 들 수 있으며, 또 이들의 금속염으로서는, Zn, Na, K, Mg 등의 염을 들 수 있다.
이러한 에틸렌계 공중합체로서는, 예를 들면, 에틸렌-메타아크릴산 공중합체의 카르복실산의 일부를 금속염으로 하고, 일반적으로 아이오노머(ionomer)로 불리는 수지(예를 들면, 「하이미란」 ; 상품명, 미츠이폴리케미컬(주) 제품), 에틸렌-아크릴산 공중합체(예를 들면, 「EAA」 ; 상품명, 다우케미컬사 제품), 측쇄에 카르복실산을 가지는 에틸렌계 그라프트 중합체(예를 들면, 「아도머」 ; 상품명, 미츠이석유화학공업(주) 제품)를 들 수 있다.
이 실시형태의 내층(B)을 구성하는 수지 혼화물에 있어서, 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지와 측쇄에 카르복실산 또는 카르복실산의 금속염을 가지는 에틸렌계 공중합체와의 배합 비율은, 전자 100 질량부에 대해, 후자는 5?40 질량부의 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 후자의 배합량이 너무 적으면, 형성된 절연층의 내열성에 문제는 없지만, 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지의 결정화 억제 효과는 작아지게 되며, 그 때문에, 휨 가공 등의 코일 가공시에 절연층의 표면에 미소 크랙이 발생하는, 이른바 크레이징 현상이 발생하는 경우가 있다. 또, 절연층의 시간 경과 열화가 진행되고 절연 파괴 전압의 현저한 저하를 일으키는 경우가 있다. 한편, 배합량이 너무 많으면, 절연층의 내열성은 현저하게 열화되어 버린다. 양자의 보다 바람직한 배합 비율은, 전자 100 질량부에 대해, 후자는 7?25 질량부이다.
또, 다른 바람직한 실시형태에 있어서는, 내층(B)은, 전부 또는 일부가 지방족 알코올 성분과 산 성분을 결합해서 형성되는 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지인 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지 100 질량부에 대해서, 에폭시기를 가지는 수지 1?20 질량부를 배합해서 이루어지는 수지 혼화물의 압출 피복층이다. 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지로서는, 상기 실시형태에서의 것과 동일하고 바람직한 범위도 동일하다. 또, 상기 에폭시기는, 상기 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지와 반응성을 가지는 관능기이다. 상기 에폭시기를 가지는 수지는, 그 관능기 함유 단량체 성분을 1?20 질량부 가지는 것이 바람직하고, 2?15 질량부 가지는 것이 보다 바람직하다. 이와 같은 수지로서는, 에폭시기 함유 화합물 성분을 포함하는 공중합체인 것이 바람직하다. 반응성을 가지는 에폭시기 함유 화합물로서는, 예를 들면, 하기 일반식(1)에 나타내는 불포화 카르복실산의 글리시딜에스테르 화합물을 들 수 있다.
[화학식 1]
Figure pct00001
[식중, R은 탄소수 2?18의 알케닐기를, X는 카르보닐옥시기를 나타낸다.]
불포화 카르복실산글리시딜에스테르의 구체적인 예로서는, 글리시딜아크릴레이트, 글리시딜메타크릴레이트, 이타콘산글리시딜에스테르 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 글리시딜메타크릴레이트가 바람직하다.
상기 열가소성 직쇄 폴리에스테르계 수지와 반응성을 가지는 에폭시기 함유 수지의 대표적인 예로서는, 에틸렌/글리시딜메타아크릴레이트 공중합체, 에틸렌/글리시딜메타아크릴레이트/아크릴산메틸 3원 공중합체, 에틸렌/글리시딜메타아크릴레이트/아세트산비닐 3원 공중합체, 에틸렌/글리시딜메타아크릴레이트/아크릴산메틸/아세트산비닐 4원 공중합체 등을 들 수 있다. 그 중에서도 에틸렌/글리시딜메타아크릴레이트 공중합체, 에틸렌/글리시딜메타아크릴레이트/아크릴산메틸 3원 공중합체가 바람직하다. 시판의 수지에서는, 예를 들면, 「본드 퍼스트」(상품명 : 스미토모화학공업사 제품), 「로타다」(상품명 : 아토피나사 제품)를 들 수 있다.
이 실시형태의 내층(B)을 구성하는 수지 혼화물에 있어서, 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지와 상기 에폭시기를 가지는 수지와의 배합 비율은, 전자 100 질량부에 대해, 후자는 1?20 질량부의 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 후자의 배합량이 너무 적으면, 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지의 결정화 억제 효과는 작아지고, 그 때문에, 휨 가공 등의 코일 가공시에 절연층의 표면에 미소 크랙이 발생하는, 이른바 크레이징 현상이 발생하는 일이 있다. 또, 절연층의 시간 경과 열화가 진행되고 절연 파괴 전압의 현저한 저하를 일으키는 경우가 있다. 한편, 배합량이 너무 많으면, 절연층의 내열성이 현저하게 저하하고, 내열 B종을 만족하지 않는다. 양자의 보다 바람직한 배합 비율은, 전자 100 질량부에 대해, 후자는 2?15 질량부이다.
본 발명에 있어서, 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지중의 카르복실기와 에폭시기가 반응하는 것에 의해, 시간 경과 열화를 억제하는 동시에, 수지의 취화를 억제하고, 가요성이 우수한 다층 절연 전선을 얻을 수 있다.
또 다른 실시형태의 내층(B)을 구성하는 베이스 수지 성분으로서, 액정 폴리머 이외의 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지인 폴리에스테르계 수지 75?95 질량% 및 융점이 225℃ 이상의 액정 폴리머의 폴리에스테르계 수지를 5?25 질량%를 함유하는 폴리에스테르계 수지를 포함해서 이루어지는 폴리에스테르계 수지 조성물이다. 액정 폴리머 이외의 폴리에스테르계 수지와 액정 폴리머의 혼합 방법은 임의의 방법을 이용할 수 있다.
본 발명에 있어서 이용하는 액정 폴리머에 대해서 이하에 설명한다.
이용되는 액정 폴리머로서, 그 분자 구조, 밀도, 분자량 등은 특별히 한정되는 것은 아니고, 용융했을 때에 액정을 형성하는 용융 액정성 폴리머(서모트로픽 (thermotropic) 액정 폴리머)가 바람직하다. 용융 액정성 폴리머 중에서도, 용융 액정성 폴리에스테르계 공중합체가 바람직하다.
이와 같은 용융 액정성 폴리에스테르로서는, (Ⅰ) 길이가 다른 강직한 직선성의 폴리에스테르 2종을 블록 공중합해서 얻어지는 강직성 성분끼리의 공중합형의 폴리에스테르, (Ⅱ) 강직한 직선성의 폴리에스테르와 강직한 비직선성의 폴리에스테르를 블록 공중합해서 얻어지는 비직선성 구조 도입형의 폴리에스테르, (Ⅲ) 강직한 직선성의 폴리에스테르와 굴곡성이 있는 폴리에스테르의 공중합에 의한 굴곡사슬 도입형의 폴리에스테르, (Ⅳ) 강직 사슬에서 직선성의 폴리에스테르의 방향족환상에 치환기를 도입한 핵 치환 방향족 도입형 폴리에스테르가 있다.
이와 같은 폴리에스테르의 반복 단위로서는, 다음의 a. 방향족 디카르복실산에 유래하는 것, b. 방향족 디올에 유래하는 것, c. 방향족 히드록시카르복실산에 유래하는 것을 들 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
a. 방향족 디카르복실산에 유래하는 반복 단위 :
[화학식 2]
Figure pct00002
[화학식 3]
Figure pct00003
b. 방향족 디올에 유래하는 반복 단위 :
[화학식 4]
Figure pct00004
[화학식 5]
Figure pct00005
c. 방향족 히드록시카르복실산에 유래하는 반복 단위 :
[화학식 6]
Figure pct00006
피복층의 필름 성형 공정에서의 조업성, 내열성, 절연피막의 역학적 특성 등의 밸런스로부터, 액정 폴리머는 하기의 반복 단위를 포함하는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 이 반복 단위를 전체의 적어도 30몰% 이상 포함하는 것이다.
[화학식 7]
Figure pct00007
바람직한 반복 단위의 조합은 하기 (Ⅰ)?(Ⅵ)에 기재하는 반복 단위의 조합을 들 수 있다.
[화학식 8]
Figure pct00008
[화학식 9]
Figure pct00009
[화학식 10]
Figure pct00010
[화학식 11]
Figure pct00011
[화학식 12]
Figure pct00012
[화학식 13]
Figure pct00013
이와 같은 액정 폴리머의 폴리에스테르계 수지의 제조방법에 대해서는, 예를 들면, 일본 공개특허공보 평성 2-51523호, 일본 특허공고공보 쇼와 63-3888호, 일본 특허공고공보 쇼와 63-3891호 공보 등에 기재되어 있다.
이들 중에서, (Ⅰ), (Ⅱ), (Ⅴ)에 나타내는 조합의 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 (Ⅴ)에 나타내는 조합의 것을 들 수 있다.
액정 폴리머의 폴리에스테르계 수지는, 본 발명에서 이용되는 폴리아미드 수지나 열가소성 폴리에스테르보다도 약간 융점이 높은 정도이며, 유동화 온도는 300℃ 이상이다. 게다가, 액정 폴리머의 폴리에스테르계 수지의 용융시의 점도는 폴리에틸렌테레프탈레이트나 6,6나일론의 점도 이하이기 때문에, 고속에서의 압출 피복 처리가 가능하게 되고, 저비용으로 절연 피복층의 형성이 가능하다.
액정 폴리머 피막은, 반대로 신장이 수%로 매우 낮은 특징이 있으며, 굴곡성에 문제가 있다. 따라서, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 등의 액정 폴리머 이외의 폴리에스테르계 수지를 액정 폴리머에 배합하는 것으로 피막의 신장을 개선하고, 가요성을 양호하게 하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 내층(B)을 형성하는 수지로서, 상기 액정 폴리머와 액정 이외의 폴리머의 폴리에스테르계 수지를 포함하는 베이스 수지 성분에 대해서, 에폭시기를 가지는 수지를 포함하고, 폴리에스테르계 수지를 연속층으로 하여, 에폭시기를 가지는 수지를 분산상(分散相)으로 하는 수지 혼화물을 포함하는 것인 것이 바람직하다. 이 에폭시기를 가지는 수지의 함유량은, 폴리에스테르계 수지의 베이스 수지 성분 100 질량부에 대해, 1?20 질량부인 것이 바람직하고, 2?15 질량부인 것이 더 바람직하다.
에폭시기를 가지는 수지가 20 질량부보다 많으면 내열성이 약간 낮아진다. 액정 폴리머(LCP)나 PET에 비해서 에폭시기를 가지는 수지 성분의 내열성이 낮기 때문이라고 추정된다.
상기 에폭시기를 가지는 수지의 대표적인 예로서는, 에틸렌/글리시딜메타아크릴레이트 공중합체, 에틸렌/글리시딜메타아크릴레이트/아크릴산메틸 3원 공중합체, 에틸렌/글리시딜메타아크릴레이트/아세트산비닐 3원 공중합체, 에틸렌/글리시딜메타아크릴레이트/아크릴산메틸/아세트산비닐 4원 공중합체 등을 들 수 있다. 그 중에서도 에틸렌/글리시딜메타아크릴레이트 공중합체, 에틸렌/글리시딜메타아크릴레이트/아크릴산메틸 3원 공중합체가 바람직하다. 시판의 수지에서는, 예를 들면, 「본드 퍼스트」(상품명 : 스미토모화학공업사 제품), 「로타다」(상품명 : 아토피나사 제품)를 들 수 있다.
게다가 또 다른 실시형태에서는, 내층(B)을 구성하는 수지로서, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지의 폴리페닐렌술피드 수지를 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, 다층 절연 전선의 피복층으로서 양호한 압출성을 얻는다는 관점으로부터, 가교도(架橋度)가 낮은 폴리페닐렌술피드 수지가 바람직하다. 그러나, 수지 특성을 저해하지 않는 범위에서, 가교형 폴리페닐렌술피드 수지를 조합하는 것이나, 폴리머 내부에 가교 성분, 분기 성분 등을 함유하는 것은 가능하다.
가교도가 낮은 폴리페닐렌술피드 수지로서 바람직한 것은, 질소 중, 1rad/s, 300℃에 있어서의 초기의 tanδ(손실 탄성률/저장 탄성률)의 값이 1.5 이상이며, 가장 바람직한 것은 2 이상의 수지이다. 상한으로서의 제한은 특별히 없지만, 상기 tanδ값을 400 이하로 하고, 이것보다 커도 좋다. 본 발명에 이용되는 tanδ는, 질소 중, 상기 일정 주파수와 일정 온도에 있어서의 손실 탄성률 및 저장 탄성률의 시간 의존성 측정으로부터 용이하게 평가할 수 있으며, 특히 측정 개시 직후의 초기의 손실 탄성률 및 저장 탄성률로부터 계산된 것이다. 측정에는 직경 24mm, 두께 1mm의 시료를 이용한다. 이들의 측정이 가능한 장치의 일례로서, 티에이 인스트루먼트 재팬사 제품 ARES(Advanced Rheometric Expansion System, 상품명) 장치를 들 수 있다. 상기 tanδ가 가교 레벨의 기준으로 되며, tanδ가 2 미만을 나타내는 폴리페닐렌술피드 수지에서는, 충분한 가요성을 얻기 어렵고, 또 양호한 외관을 얻는 것이 어려워진다.
또 다른 실시형태의 내층(B)을 구성하는 수지로서, 유리 전이 온도가 200℃ 이상의 비정성 수지의 폴리에테르술폰 수지를 포함하는 것을 들 수 있다. 하기 일반식(2)로 표시되는 것이 바람직하게 이용된다.
[화학식 14]
Figure pct00014
[식중, R1은 단결합 또는 -R2-O-(R2는 페닐렌기, 비페니리렌기(biphenylylene), 또는
[화학식 15]
Figure pct00015
(R3은 -C(CH3)2-, -CH2- 등의 알킬렌기를 나타낸다)이며, R2의 기는 치환기를 더 가지고 있어도 좋다.)를 나타낸다. n은 정(正)의 정수를 나타낸다.]
이 수지의 제조방법 자체는 공지이며, 일례로서 디클로르디페닐술폰, 비스페놀 S 및 탄산칼륨을 고비등점 용매중에서 반응시켜 제조하는 방법을 들 수 있다. 시판의 수지로서는 「스미카엑셀 PES」(상품명 : 스미토모화학공업사 제품), 「레이델 A」?「레이델 R」(상품명 : Amoco사 제품) 등이 있다.
본 발명의 바람직한 다층 절연 전선에 대해서, 도면을 참조해서 설명한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 다층 절연 전선(11)의 최외층(12), 최외층에 접하는 내층(B1)(13), 또한 그 내측의 내층(B2)(14)이라는 3층 구조로 이루어지는 다층 절연 전선으로 할 수 있다. 도 3에서는, 3층으로 이루어지는 다층 절연 전선이 기재되어 있으나, 절연층은 3층 이상이면 좋다.
본 발명의 다층 절연 전선의 최외층(A)의 내측에 있는 2층 이상의 내층(B) 중, 각각의 층을 형성하는 수지를 동일한 것으로 하는 것이 바람직하지만, 다른 것으로 하는 것도 가능하다. 다른 것으로 하는 경우, 각각의 층을 상기한 실시형태에서 설명한 다른 수지 혼화물을 채용하여 조합하거나, 또는 수지 혼화물과 수지 조성물을 채용하여 조합한다.
최외층(A)에 접하는 내층(B1)은, 융점이 250℃ 이상의 결정성 수지의 폴리페닐렌술피드 수지가 바람직하다. 이 수지로서는, 상기 압출 가공성에 우수한 가교도가 낮은 폴리페닐렌술피드 수지가 바람직하다. 상기 내층(B1)보다 내측인 내층(B2)을 형성하는 수지는, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지인 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지 100 질량부에 대해서, 에폭시기를 가지는 수지 1?20 질량부를 배합해서 이루어지는 수지 혼화물이 바람직하다. 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지로서는, 상기 실시형태에 있어서의 것과 동일한 것을 이용할 수 있다.
본 발명에 있어서의 각 절연층을 형성하는 수지에는, 요구되는 특성을 손상하지 않는 범위에서, 다른 내열성 수지, 통상 이용되는 첨가제, 무기 충전제, 가공조제, 착색제 등도 첨가할 수 있다.
본 발명의 다층 절연 전선에 이용되는 도체로서는, 금속 나선(단선), 또는 금속나선에 에나멜 피복층이나 얇은 두께 절연층을 설치한 절연 전선, 혹은 금속나선의 복수개 또는 에나멜 절연 전선 혹은 얇은 두께 절연 전선의 복수개를 서로 꼰 다심 연선(多心撚線)을 이용할 수 있다. 이들 연선의 연선수는, 고주파 용도에 따라 임의 선택할 수 있다. 또, 선심(線心)(소선(小線))의 수가 많은 경우(예를 들면 19-, 37-소선), 연선이 아니어도 좋다. 연선이 아닌 경우, 예를 들면 복수의 소선을 대략 평행으로 단순히 묶는 것만으로도 좋고, 또는 묶은 것을 매우 큰 피치로 꼬고 있어도 좋다. 어느 경우도 단면이 대략 원형되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다층 절연 전선은, 통상의 방법에 의해, 도체의 외주에 소망하는 두께의 1층째의 절연층을 압출 피복하고, 이어서, 이 1층째의 절연층의 외주에 소망하는 두께의 2층째를, 또한 최외층의 절연층을 압출 피복한다는 방법으로, 순차적으로 절연층을 압출 피복하는 것으로 제조된다. 이와 같이 하여 형성되는 압출 절연층의 전체의 두께는 3층에서는 50?180㎛의 범위내에 있도록 하는 것이 바람직하다. 이는, 절연층의 전체의 두께가 너무 얇으면 얻어진 내열 다층 절연 전선의 전기 특성의 저하가 크고, 실용에 적합하지 않은 경우가 있으며, 반대로 너무 두꺼우면 소형화에 적합하지 않고, 코일 가공이 곤란하게 되는 등의 경우가 있는 것에 따른다. 더 바람직한 범위는 60?150㎛이다. 또, 최외층의 두께는, 상기한 바와 같이 최외층에 폴리아미드 수지를 이용한 경우는 25㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10?20㎛이다.
상기 다층 절연 전선을 이용한 변압기의 실시형태로서는, 도 1에 도시하는 바와 같은 페라이트 코어(1) 상의 보빈(2)내에, 절연 배리어나 절연 테이프층을 조합하지 않고, 1차 권선(4) 및 2차 권선(6)이 형성되어 있는 구조의 것이 바람직하다. 또, 상기 본 발명의 다층 절연 전선은 다른 타입의 변압기에도 적용할 수 있는 것이다.
실시예
다음에 본 발명을 실시예에 기초하여 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1?11 및 비교예 1?6]
도체로서 선지름 1.0mm의 연동선(軟銅線)을 준비하였다. 표 1에 표시한 각 층의 압출 피복용 수지의 배합(조성의 수치는 질량부를 나타낸다) 및 두께로, 도체상에 순차 압출하여 피복해서 다층 절연 전선을 제조하였다. 한편, 표 1중의 「-」는 배합하지 않는 것을 나타낸다.
표 1중의 각 수지를 나타내는 약호(略號)는 이하와 같다. 한편, 각 수지의 융점 또는 유리 전이 온도는 시차주사 열량 측정기(Differential Scanning Calorimetry)(상품명 : DSC-60, 시마즈제작소사 제품)를 이용하여 측정하였다.
폴리아미드 수지 : 「FDK-1」(상품명 : 유니티카사 제품), 폴리아미드 66 수지(융점:260℃)
PPS 수지 : 「FZ-2200-A8」(상품명 : DIC사 제품), 폴리페닐렌술피드 수지(융점:280℃)
PET 수지 : 「테이진 PET」(상품명 : 테이진사 제품), 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지(융점:260℃)
LCP 수지 : 「로드런 LC5000」(상품명 : 유니티카사 제품), 액정 폴리에스테르 수지(융점:280℃)
에폭시기 함유 수지 : 「본드 퍼스트 7M」(상품명 : 스미토모화학공업사 제품)(융점:52℃)
에틸렌계 공중합체 : 「하이미란 1855」(상품명 : 미츠이듀퐁사 제품)(융점:86℃)
PES 수지 : 「스미카엑셀 PES4100」(상품명 : 스미토모화학공업사 제품), 폴리에테르술폰 수지(유리 전이 온도 : 225℃)
얻어진 다층 절연 전선에 대해, 하기의 사양으로 각종의 특성을 시험하였다. 또, 육안에 의해 외관을 관찰하였다. 얻어진 결과를 표 1에 표시하였다.
A. 가요성 시험 :
전선 자신의 주위에 선과 선이 접촉하도록 긴밀하게 10회 휘감고, 현미경으로 관찰을 행하여 피막에 크랙이나 크레이징 등의 이상이 보이지 않으면 합격으로 하고, 「○」로 표시하였다.
B. 전기적 내열성 :
IEC 규격 61558에 준거한 하기의 시험 방법으로 평가하였다.
직경 1.0mm의 맨드릴에 다층 절연 전선을, 하중 9.4kg을 걸면서 10턴 휘감고, 225℃에서 1시간 가열하고, 또한 150℃에서 21시간 및 200℃에서 3시간을 3사이클 가열하고, 게다가 30℃, 습도 95%의 분위기로 48시간 유지하고, 그 후 5500V로 1분간 전압을 인가하여 단락하지 않으면, B종 합격으로 판정하고 「○」로 표시하였다. (판정은 n=5로 평가, 1개라도 단락하면 불합격으로 되고 「Ｘ」로 표시).
C. 내용제성 :
권선 가공으로서 20D(도체 지름의 20배 지름) 휘감기를 행한 전선을, 크실렌 및 이소프로필알코올 용매에 30초간 침지하고, 건조후 시료 표면의 육안 관찰을 행하여, 크레이징 발생의 유무 판정을 행하였다. 표 1에서, 크레이징의 발생이 없는 것을 「○」, 크레이징이 발생한 것을 「Ｘ」로 하였다. 모든 시료에서 크레이징 발생을 인지할 수 없었다.
D. 합격 여부 :
그리고, 이들 상기의 A, B, C의 시험 결과를 종합하여, 절연 전선으로서의 합격 여부를 판정하고, 바람직한 것은 「○」, 부적절한 것은 「Ｘ」로 하였다.
[표 1]
Figure pct00016
표 1에 나타낸 결과로부터 이하가 명백하게 되었다.
비교예 1?4에서는 최외층인 폴리아미드 수지의 막두께가 30㎛로 두껍게 되어 있으며 전기적 내열성이 만족되지 않았다. 비교예 5 및 6에서는, 최외층에 폴리에스테르 수지를 이용하면, 막두께에 관계없이 전기적 내열성이 만족되지 않았다. 한편, 실시예 1?11에서는, 가요성, 전기적 내열성, 내약품성, 및 전선 외관의 모든 합격 기준을 만족시켰다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명의 다층 절연 전선은, 내열성, 내전압 특성의 요구를 충족하는 동시에, 코일 용도로서 요구되는 땜납 처리후의 양호한 가공성도 겸비한 다층 절연 전선을 제공한다.
본 발명을 그 실시형태와 함께 설명하였으나, 우리는 특별히 지정하지 않는 한 우리의 발명을 설명의 어느 세부에 있어서도 한정하려고 하는 것이 아니고, 첨부의 청구의 범위에 나타낸 발명의 정신과 범위에 반하는 일 없이 폭넓게 해석되는 것이 당연하다고 생각한다.
본원은, 2009년 9월 2일에 일본에서 특허 출원된 특원 2009-203148에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 이는 여기에 참조해서 그 내용을 본 명세서의 기재된 일부로서 편입한다.
1 : 페라이트 코어
2 : 보빈
3 : 절연 배리어
4 : 1차 권선
4a : 도체
4b, 4c, 4d : 절연층
5 : 절연 테이프
6 : 2차 권선
6a : 도체
6b, 6c, 6d : 절연층

Claims (10)

  1. 도체와 상기 도체를 피복하는 적어도 3층의 압출 절연층을 가지고 이루어지는 다층 절연 전선으로서, 상기 절연층의 최외층(A)이, 폴리아미드 수지의 압출 피복층으로 이루어지고, 또한 그 막두께가 25㎛ 이하이며, 내측의 층인 절연층의 내층(B)이, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지 또는 유리 전이 온도가 200℃ 이상의 비정성 수지를 포함하는 압출 피복층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층 절연 전선.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층의 내층(B)을 형성하는 수지가, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지의 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지를 포함하는 것인 것을 특징으로 하는 다층 절연 전선.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 절연층의 내층(B)을 형성하는 수지가, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지의 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지 100 질량부에 대해, 측쇄에 카르복실산 또는 카르복실산의 금속염을 가지는 에틸렌계 공중합체 5?40 질량부를 배합해서 이루어지는 수지 혼화물을 포함하는 것인 것을 특징으로 하는 다층 절연 전선.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 절연층의 내층(B)을 형성하는 수지가, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지의 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지 100 질량부에 대해서, 에폭시기를 가지는 수지 1?20 질량부를 배합해서 이루어지는 수지 혼화물을 포함하는 것인 것을 특징으로 하는 다층 절연 전선.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층의 내층(B)을 형성하는 베이스 수지 성분이, 액정 폴리머 이외의 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지의 폴리에스테르계 수지 75?95 질량% 및 융점이 225℃ 이상의 액정 폴리머의 폴리에스테르계 수지 5?25 질량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다층 절연 전선.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 절연층의 내층(B)을 형성하는 수지가, 상기 베이스 수지 성분 100 질량부에 대해서, 에폭시기를 가지는 수지 1?20 질량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 절연 전선.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층의 내층(B)을 형성하는 수지가, 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지의 폴리페닐렌술피드 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 절연 전선.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층의 내층(B)을 형성하는 수지가, 유리 전이 온도가 200℃ 이상의 비정성 수지의 폴리에테르술폰 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 절연 전선.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층의 최외층(A)에 접하는 내층(B1)의 융점이 225℃ 이상의 결정성 수지의 폴리페닐렌술피드 수지로서, 상기 내층(B1) 이외의 내층(B2) 중 적어도 1층이 융점 225℃ 이상의 결정성 수지의 열가소성 직쇄 폴리에스테르 수지 100 질량부에 대해서, 에폭시기를 가지는 수지 1?20 질량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 절연 전선.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 다층 절연 전선을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 변압기.
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