KR20160101868A - 연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연장 부재를 교차결합(cross-linking) 또는 가황처리(vulcanizing) 하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이며, 상기 방법은, 도체 소자가 교차결합 가능한 합성 물질의 층에 의해 코팅되는 압출 단계(2)와, 압출 단계 후에, 교차결합 반응이 행해지는 교차결합 단계(3)를 포함한다. 교차결합 반응은, 먼저 제1 가열 영역(3a)에서, 코팅된 도체 소자를 섭씨 550도 또는 그 이상의 온도에서 가열하여 수행된다. 상기 제1 가열 영역(3a)은 압출 단계(2)의 하류에 위치한다. 교차결합 반응은, 제1 가열 영역(3a) 뒤의 제2 가열 영역(3b)에서, 코팅된 도체를 섭씨 200 - 300도의 온도에서 추가로 가열하여 수행된다.

Description

연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND ARRANGEMENT FOR CROSS-LINKING OR VULCANIZING AN ELONGATE ELEMENT}
본 발명은 연장 부재(elongate element)를 교차결합(cross-linking) 또는 가황처리(vulcanizing)하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은, 도체 소자가 교차결합 가능한 합성 물질의 층에 의해 코팅되는 압출 단계와, 압출 단계 후에, 교차결합 반응이 행해지는 교차결합 단계를 포함한다.
본 발명은 전기 케이블, 특히 고압 및 초고압 케이블(MV, HV 및 EHV 케이블)의 제조 공정에 사용되는 방법 및 장치에 관한 것이다. 이들 케이블은 대부분, 연속 가황 라인(CV 라인)에서 절연 및 교차결합된 플라스틱이다. 상술한 연속 가황 라인은 건조 경화 커티너리 CV 라인(dry curing catenary CV lines)(CCV 라인) 또는 수직 연속 가황 라인(vertical continuous vulcanization lines)(VCV 라인) 중 하나 일 수 있다.
케이블의 코어는 도체 소자(AL 또는 CU, 35...3500 mm2)와 세 개의 절연 층(내부 반도체 0.5...2mm, 절연체 3.5...35mm 및 외부 반도체 0.5...2mm)으로 구성된다.
케이블의 경화는, 약 10 바의 압력에서, 내경 200...300mm, 길이 100...200m인, 가압 튜브(CV-튜브)에서 달성된다. 층들의 교차결합은 질소 분위기에서 CV-튜브의 제 1 섹션에서 일어난다. 교차결합 화학 반응을 활성화하기 위해, 절연 층들은 상승된 온도(200...300℃)로 가열된다. 이 상승된 온도는 또한 열 팽창을 만든다.
상술한 사항은 당업자에게 잘 공지되어 있으며, 따라서 연속 가황 라인의 작동 및/또는 구조는 여기에 상세히 설명하지 않는다. 종래 기술 문서의 일 예로서는, 연소 가황 라인에 관한 기술이 기재되어 있는 EP 2　574　439 A1을 들 수 있다.
종래 기술의 문제점은 코어 진원도(roundness) 또는 이들의 실제 결여에 관한 것이다. 다시 말해서, 종래의 기술을 사용할 때, 그 결과, 즉, 케이블의 단면은 항상 완전한 원형은 아니며, 예를 들어 타원형 또는 어떤 다른 형태를 가진다.
코어의 진원도 결여는 일반적으로 다음 유형으로 분류될 수 있다:
- 절연 층 심(seam) 근처의 평탄도
- 일반적인 타원형 형태
- 늘어짐(drooping)(CCV 라인에서)
- 유동 분배기로 인한 불규칙한 형태
처음 세 개의 유형이 가장 중요한 것들이다. 늘어짐(drooping)은 수직 가황 라인에서는 분명히 문제가 되지 않는다. 절연 층의 유동 분배는 임의의 측정 가능한 진원도 에러를 발생하지 않게 충분히 양호하다. 따라서 평탄도와 타원형 형태는 모두 교차결합 단계에서 발생한다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해결하는 것이다. 이러한 해결은 본 발명에 의해 얻어진다. 본 발명의 방법은, 교차결합 반응이, 먼저 제1 가열 영역에서, 코팅된 도체 소자를 섭씨 550도 또는 그 이상의 온도에서 가열하여 수행되며, 제1 가열 영역은 압출 단계의 하류에 위치하며, 그리고, 제1 가열 영역 뒤의 제2 가열 영역에서, 교차결합 반응이, 코팅된 도체를 섭씨 200 - 300도의 온도에서 추가로 가열하여 수행되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 장치는, 교차결합 반응이, 먼저 제1 가열 영역에서, 코팅된 도체 소자를 섭씨 550도 또는 그 이상의 온도에서 가열하여 수행되도록 배치되며, 제1 가열 영역은 압출 헤드의 하류에 위치하며, 그리고, 제1 가열 영역 뒤의 제2 가열 영역에서, 교차결합 반응이, 코팅된 도체를 섭씨 200 - 300도의 온도에서 추가로 가열하여 수행되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 장점은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하는 것이다.
다음에서, 본 발명은 첨부 도면을 참조하여, 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 수직 연속 가황 라인의 레이아웃 원칙을 도시한다.
도 2는 종래 기술의 경화와 비교할 때, 평탄도(심 깊이)에 대한 본 발명의 경화의 영향을 도시한다.
도 3은 종래 기술의 경화와 비교할 때, 난형도(ovality)에 대한 본 발명의 경화의 영향을 도시한다.
도 4는 본 발명과 종래 기술에 의해 얻어진 교차결합 침투 깊이를 도시한다.
도 5는 본 발명과 종래 기술의 가열 영역 프로파일을 도시한다.
도 6은 케이블의 단면에서 본 교차결합 공정에서의 팽창 상황을 도시한다.
본 발명은 일 예로서 수직 연속 가황 라인을 사용하여 설명한다. 도 1은 가황 라인, 특히 수직 연속 가황 라인(VCV 라인)의 레이아웃 원칙을 도시한다. 도시된 라인은 페이오프(payoff)(1), 압출 헤드 장치(2), 가황 튜브(3), 냉각 튜브(4), 및 테이크업(take up)(5)을 포함한다. 도체는 페이오프(1)로부터 라인을 통해 테이크업(5)으로 안내된다. 도 1은 라인의 가장 기본적인 부재들만을 도시한다. 도 1을 볼 때, 당업자는, 라인이 또한 추가 부재, 예를 들어, 도체 소자를 위한 프리히터, 포스트히터, 및 계량 캡스턴 또는 계량 캐터필러(caterpillars) 등을 포함할 수 있음을 즉시 인식할 수 있다. 도 1에 도시된 라인의 작동과 구조는 당업자에게 잘 공지되어 있기 때문에, 이들에 대하여는 여기서 자세히 설명하지 않는다. 종래 기술에 광범위하게 설명된 예로서는, 앞서 언급한 EP 2　574　439를 들 수 있다.
VCV 라인에서, 케이블을 둘러싸는 구조는 방사상 방향으로 대칭이며, 반면에 진원도 에러를 일으키는 비대칭 현상은 층 자체에서, 특히 절연 층에서 찾을 수 있다. 비대칭 영향은 다음의 조합이다;
- 비대칭 온도
- 심(seam)의 기계적 취약성
- 분자 배향
- 기계적 응력
- 비균질성
이러한 영향들 모두는, 케이블이 교차결합 없이 단순히 냉각되는 경우에는, 진원도 에러를 일으키기에 충분히 강력하지 않다. 진원도 에러는, 코어가 교차결합 중에 열적으로 팽창할 때, 이때 발생하는 내부의 힘과 변위(방사상 및 접선 방향 모두)로부터 기인한다. 증가된 열 팽창은 증가된 진원도 에러를 일으킨다. 심 영역에서의 기계적 취약성(플라스틱 층의 나머지 부분에 비해 적은 분자 뒤엉킴)은 평탄한 영역(예를 들면, 감소된 두께)을 발생시킨다. 타원형 형태와, 다른 비대칭 영향 사이의 관계는 명확하지 않다.
본 발명의 개념은, 매우 높은 온도를 갖는 짧은 경화의 제1 가열 영역(3a)을 이용하여, 코어의 일정한 침투 깊이까지 표면층을 교차결합하는 것이다. 본 발명은 용어 "임펄스 경화(impulse curing)"를 사용하여 잘 설명될 수 있다. 전체 크기의 CV-라인에서, 이 특별한 제1 가열 영역(3a)은, 0.5 - 4m의 길이와, 550℃ 또는 그 이상의 온도로 설정되어, 크로스-헤드 또는 압출 장치(2)의 우측 하류(예를 들면 크로스-헤드 또는 압출 장치(2)의 바로 뒤)에 위치될 수 있다. 상기 제1 가열 영역(3a) 뒤의, 섭씨 200 - 300도의 낮은 온도에 있는 제2 가열 영역(3b)에서는 코어를 가열함에 의해, 경화 공정이 연속된다.
기술 공정의 설정 상태에 따르면, 케이블 표면 온도는 300℃를 초과해서는 안 된다. 이 제한은, 표면의 열적 열화가 시간 노출과 온도의 함수이기 때문에, 임펄수 경화에 적용할 수 없으며; EEA (에틸렌 에틸 아크릴레이트) 및 EBA (에틸렌-부틸 아크릴레이트) 계 반도체 재료에 있어서는, 더 높은 온도가 허용 가능하다.
임펄스 경화에 의해 초기에 발생된 교차결합은, 열 팽창의 영향이 가장 강한, 심 영역의 표면을 강화한다(도 2). 또한, 원래의 원형 형태를 유지한다(도 3). 열팽창 전에, 교차결합 단계의 맨 처음에 임펄스 경화를 적용하는 것이 중요하다.
침투 깊이는 외부 표면으로부터의 거리를 한정하며, 여기서 교차결합 정도는 80%를 초과한다. 도 4는 표준화된 종래 기술 공정(d(n))과 임펄스 경화(d(s))에 대한 침투 깊이와 연관한 CV 튜브를 따라, 계산된 침투 깊이를 비교한다.
계산은 도 2와 도 3에 기록된 것과 동일한 케이블(알루미늄 도체 DC = 50.0mm, 외부 직경 D0 = 98.0mm)에 대해 수행되었다. 임펄스 경화는 초기에 교차결합된 물질의 중요 층에 이르게 하여, 열 팽창과 관련된 응력을 견딜 수 있도록 단열재의 외측에 강도를 부여하는 것이 명백하다. 일 예로서, 침투 깊이는 7m의 길이에서 거의 두 배이며, 거기서 상당한 팽창이 발생하기 시작한다.
전체 층 두께(모두 3개의 층)의 계산된 열 팽창은 임펄스 경화에서 2.2%, 정상 경화에서 2.6%에 달한다. 해당하는 가열 프로파일이 도 5에 도시되어 있고, 도 5는 임펄스 가열에 대한 가열 영역 프로파일(Tz(s))과, 정상 경화에 대한 가열 영역 프로파일(Tz(n))을 도시하고 있다.
도 5는 또한, 제1 가열 영역 (3a) 뒤의 제2 가열 영역 (3b)에서, 낮은 온도에서 가열이 수행되는 것을 도시한다. 이 예에서, CV 튜브에 압출 헤드를 접속하는 짧은 수동 및 중립 "스플라이스 박스(8)"가 사용된다. 스플라이스 박스의 길이는 예를 들어 2.5m가 될 수 있다.
제1 가열 영역(3a)은 수직 연속 가황 라인에서 스플라이스 박스(8)의 상류 또는 하류에 위치될 수 있다. 도 1은 제1 가열 영역(3a)의 상류 위치를 도시하며, 즉, 제1 가열 영역(3a)은 코어(6)의 이동 방향으로 볼 때, 스플라이스 박스(8)의 앞에 위치된다. 하류 위치에서, 제1 가열 영역(3a)은 코어(6)의 이동 방향으로 볼 때, 스플라이스 박스(8)의 뒤에 위치된다. 여기서 상기 지점은, 열팽창이 현저해 지기 전에, 압출된 표면층이 교차결합하는 지점이다. 커티너리 가황 라인에서는, 늘어짐(drooping)으로 인해 상황이 다르다. 커티너리 가황 라인에서의 이러한 이유로 인해, 제1 가열 영역(3a)은 가능한 압출 헤드(2)에 가깝게, 즉, 스플라이스 박스(8)의 상류에 위치되어야 한다.
본 발명에서, 임펄스 경화가 진원도를 증가시키고, 평탄도를 낮추는 이유는, 케이블의 단면을 도시하고 있는 도 6을 참고하여 간단히 설명할 수 있다. 도 6에서 도체는 참고 부호 6으로 도시되어 있고, 반도체 및 절연 물질은 참고 부호 7로 도시되어 있다.
평탄도의 기원은 외부 반도체와 절연 물질의 접선 방향으로의 변위다. 심(seam)(용접선)은 절연체/반도체의 나머지 부분에 비하여 약한 용융 강도를 갖는다. 일반적으로, 내부 부품이 팽창될 때(도 6의 팽창 a 참조), 원주는 증가한다. 심 영역은 약하기 때문에, 접선 방향으로 연신하고,(도 6의 연신 b), 얇아진다(도 5의 얇은 부분 c). 설명된 메커니즘은 먼저 표면 근처에서 발생하고, 그리고 나서 도체를 향해 침투하고 이를 약화시킨다.
임펄스 경화에 의해, 원주의 빠른 교차결합은, 상당한 열 팽창 전에, 심 영역을 강화하고, 평탄도를 상당히 감소시킨다.
본 발명은 도면의 실시예를 이용하여 설명하였다. 도시된 실시예는 본 발명을 제한하도록 의도하는 것이 아니며, 본 발명은 청구항의 범주 내에서 완전히 자유롭게 변경될 수 있다. 도시된 실시예는 수직 연속 가황 라인(VCV 라인)에 관한 것이다. 본 발명은 그러나 VCV 라인에만 한정되지 않으며, 본 발명은 또한 연속 커티너리 CV 라인(CCV 라인) 등과 관련하여 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 연장 부재(elongate element)를 교차결합(cross-linking) 또는 가황처리(vulcanizing)하기 위한 방법으로서, 상기 방법은, 도체 소자가 교차결합 가능한 합성 물질의 층에 의해 코팅되는 압출 단계(2)와, 압출 단계 후에, 교차결합 반응이 행해지는 교차결합 단계(3)를 포함하며,
    상기 교차결합 반응은, 먼저 제1 가열 영역(3a)에서, 코팅된 도체 소자를 섭씨 550도 또는 그 이상의 온도에서 가열하여 수행되며, 상기 제1 가열 영역(3a)은 압출 단계(2)의 하류에 위치하며, 그리고, 제1 가열 영역(3a) 뒤의 제2 가열 영역(3b)에서, 교차결합 반응이, 코팅된 도체를 섭씨 200 - 300도의 온도에서 추가로 가열하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 가열 영역(3a)에서의 가열은, 상기 압출 단계(2)를 상기 제2 가열 영역(3b)에 접속하는 수동 스플라이스 박스(8)의 상류에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 가열 영역(3a)에서의 가열은, 상기 압출 단계(2)를 상기 제2 가열 영역(3b)에 접속하는 수동 스플라이스 박스(8)의 하류에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제1 가열 영역(3a)은 0.5 - 4m의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 수직 연속 가황 라인(vertical continuous vulcanization lines)(VCV 라인)에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 방법.
  6. 제 1 항, 제 2항, 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 커티너리 연속 가황 라인(catenary continuous vulcanization lines)(CCV 라인)에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 방법.
  7. 연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 장치로서, 상기 장치에서, 도체 소자는 압출 헤드(2)를 이용하여 교차결합 가능한 합성 물질의 층에 의해 코팅되며, 교차결합 반응이 압출 헤드 뒤의, 가황 튜브(3)에서 수행되며,
    상기 교차결합 반응은, 먼저 제1 가열 영역(3a)에서, 코팅된 도체 소자를 섭씨 550도 또는 그 이상의 온도에서 가열하여 수행되며, 상기 제1 가열 영역(3a)은 상기 압출 헤드(2)의 하류에 위치하며, 그리고, 제1 가열 영역(3a) 뒤의 제2 가열 영역(3b)에서, 교차결합 반응이, 코팅된 도체를 섭씨 200 - 300도의 온도에서 추가로 가열하여 수행되도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제1 가열 영역(3a)은, 상기 압출 헤드(2)와 상기 압출 헤드(2)를 상기 가황 튜브(3)에 접속하는 수동 스플라이스 박스(8) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는, 연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 제1 가열 영역(3a)은, 상기 압출 헤드(2)를 상기 가황 튜브(3)에 접속하는 수동 스플라이스 박스(8)와 상기 가황 튜브(3)의 제2 가황 영역(3b) 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는, 연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 장치.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 가열 영역(3a)은 0.5 - 4m의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는, 연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 장치.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 수직 연속 가황 라인(VCV 라인)의 일부인 것을 특징으로 하는, 연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 장치.
  12. 제 7 항, 제 8항, 또는 제 10 항에 있어서, 상기 장치는 커티너리 연속 가황 라인(CCV 라인)의 일부인 것을 특징으로 하는, 연장 부재를 교차결합 또는 가황처리하기 위한 장치.
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