KR830002749B1 - 축전기 - Google Patents
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Abstract
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Description
제1도는 본 발명에 따라 구성된 축전기의 투시도.
제2도는 축전기 팩의 투시도.
제3도는 유전액 조성물중 메틸 디페닐 에탄 및 프로필 디페닐의 여러 가지 혼합물의 산일율(散逸率 : dissi pation factor)을 나타내는 그래프.
제4도는 -40℃에서 메틸 디페닐 에탄 및 프로필 디페닐의 여러 가지 혼합물의 방전 초기 전압(DIV)을 나타내는 그래프.
제5도는 -40℃ 내지 +90℃의 온도 범위에서, 본 발명 유전액 조성물의 방전초기전압(DIV)과 모노클로 로디페닐 옥사이드 및 부틸모노클로로디페닐 옥사이드 혼합물의 방전초기전압을 비교하여 나타낸 그래프.
제6도는 -50℃ 내지 +10℃의 온도 범위에서, 본 발명 유전액 조성물의 산일율과 모노클로로디페닐 옥사이드 및 부틸모노클로로디페닐 옥사이드 혼합물의 비교하여 나타낸 그래프.
본 발명의 유전액 조성물이 다음 일반식(I)의 메틸 디페닐 에탄과 다음 일반식(Ⅱ) 또는 (Ⅲ)의 알킬 디페닐의 혼합물로 이루어짐을 특징으로 하는 밀봉 케이스(sealed casing), 케이스 중의 교대로 권취된 전기전도성 스트립과 유전층으로 이루어진 축전기 팩(capacitor pack) 및 상기 유전층을 함침시키는 유전액 조성물로 구성된 축전기에 관한 것이다.
상기식 에서,
Rl은 메틸 그룹이며,
R2, R3및 R4는 메틸그룹 또는 수소이고,
R5는 탄소수 1내지 4의 알킬 그룹이며,
R6은 탄소수 1내지 4의 알킬그룹 또는 수소이다.
과거에는, 전기 장치중의 유전액으로 염소화 비페닐이 광범하게 사용되었다. 특히 다염소화 비페닐은 이들의 발화점이 비교적 높기 때문에 발화의 위험이 있는 곳에 사용하기에 매우 적합하였다. 다염소화비페닐이 전기 장치에 있어서의 효과적인 유전계를 제공하기는 하지만, 이들의 사용에 의해 생태학적인 문제가 발생하게 되는데, 즉 다염소화 비페닐은 실제로 생물학적으로 분해되지 않기 때문에 전기 장치에서 누출 또는 파열이 일어나거나 장치가 낡아서 페기하는 경우, 다염소화 비페닐이 화경오염물질로 잔류하게 되며 수년동안에 걸쳐서도 감지할 수 없을 정도로 거의 분해되지 않는다.
더욱 최근에는, 미합중국 특허 제4,097,912호에 기술된, 모노-할로겐화 디페닐옥사이드와 모노-할로겐화 디페닐 옥사이드와 모노할로겐화 알킬디페닐 옥사이드의 혼합물을 축전기용 유전액으로 사용하게 되었다 전술한 특허에 기술된 유전계는 개선된 코로나 특성(corona characteristics)과 낮은 유전손실율을(dielectricloss). 나타내며 실질적으로는 생물학적으로 분해될 수 있다.
미합중국 툭허 제4,054,937호 및 제3,796,934호에는 알킬 디페닐을 이용한 축전기용 유전액이 기술되어있다. 상기 특허 제3,796,934호에서는 알킬 디페닐을 디아릴 설폰과 조합하여 사용하였으며, 특허 제4,054,937호에는 디페닐, 디페닐옥사이드 또는 디폐닐메탄의 모노 및 디알킬 유도체의 혼할물로 구성된 유전액조성물이 기술되어 있다.
본 발명은 개선된 유전계를 갖는 축전기에 관한 것이다. 축전기는 금속박과 중합체 필름 또는 프래프트지(kraft paper)와 같을 유전체판의 교대충을 포함하고 있다. 유전체판은 메틸 디페닐에탄과 모노 또는 디알킬 디페닐의 혼합물로 이루어진 유전액 조성물로 함침된다. 또한, 유전액 조성물은 소량의 산화방지제 또는 에폭사이드 스카벤져(scavenger)를 함유할 수 있다.
본 발명의 축전기는 낮은 유진 손실율을 나타내며, 통상적인 작용범위인 -40℃ 내지 +90℃에 걸쳐 양호한 방전초기전압(discharge inception voltage : DIV)를 갖는다.
본 발명 축전기에서 사용되는 유전액 조성물은 비할로겐화 되었기 때문에, 생물학적으로 분해될 수 있고, 따라서 누출 또는 케이스의 파열에 의해 조성물이 대기중에 노출되는 경우, 무해한 화합물로 분해되며 환경에 대한 나쁜 영향은 지금까지 알려진 바가 없다.
본 발명의 축전기는 유전체판 또는 유전액 조성물을 분해하지 않고 100℃을까지도 상승된 온도에서 전기적 용력하에 작용할 수 있다. 상승된 온도에서의 증가된 안정성에 의해, 일반적 작용온도 범위가 -40℃ 내지 +50℃ 주위온도인 대규모의 역를보정축전기(power factor correction capacitors)에서 뿐 아니라 100℃까지의 작용온도에서 사용할 수 있는 소규모의 안정(ballast) 또는 특수 축전기에서 사용될 수 있는 유전계가 제공된다.
첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 태양을 설명하는 것이다.
제1도는 측벽(2), 저면(3) 및 덮개 (4)로 구성된 외부 케이스로 이루어진 대표적인 축전기를 설명하는 것이다. 사용시, 케이스는 용접 밀봉되며, 여기에는 작은 밀봉공(5)이 있고, 처리중에 이 밀봉공을 통해 케이스 내로 유전액이 도입된다. 또한, 처리중에 축전기를 진공 건조시키기 위해 진공 라인이 밀봉공 (5)에 연결될 수 있다. 한쌍의 단자(6)는 덮개 (4)를 통해 돌출하며 덮개로부터 절연된다.
제2도에서 보면, 일련의 축전기팩 (7)은 케이스 (1)내에 위치하며, 각 축전기팩은 유전층(9)으로 분리된 금속박(8)의 권취된 충(wound layers)을 포함한다. 전극(10)은 박층(8)에 연걸되며 각 팩의 전극은 함께 직렬로 연결되어 단자 (6)에 마지막으로 연결된다.
박층 (8)은 어떤 목적하는 전기 전도성물질, 일반적으로는 알루미늄, 구리등과 같은 금속성 물질로 형성될 수 있다. 박층(8)은 평판 형태일 수 있거나, 또는 미합중국 특허 제3,746,953호에 기술된 바와같이 박막의 양면에 요철
을 형성시켜 변형시키는 것과같이 표면을 불균일하게 할 수도 있다.
유전층(9)은 중합체필름 또는 크래프트지로 구성될 수 있다. 중합체 필름은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에스테르 폴리카보네이트 등의 형태일 수 있다. 중합체 필름을 사용하는 경우, 유전층(9)은 미합중국 특허 제3,772,578호에 기술된 바와같이 중합체 필름의 표면에 부착된 미세한 중합체 섬유의 층으로 구성될 수 있다.
중합체 필름층(9)의 표면 및/또는 금속박 (8)의 접촉면(contiguous surface)은 불균일하게 하거나 변형시켜 두 개의 접촉면이 연속적으르 완전하게 접촉하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 표면의 불균일성에 의해 처리중에 중합체 필름이 유전액에 완전히 함침될 수 있도록 유전액에 대한 위킹(wicking)효과 또는 모세관 효과가 일어난다.
유전층 (9)은 메틸디페닐 에탄 약 5중량% 내지 95중량% 및 모노 또는 디알킬 디페닐 95중량% 내지 5중량%의 혼합물로 구성된 유전액 조성물로 함침된다. 메틸 디페닐 에탄 약 25% 내지 75% 및 알킬 디페닐
75% 내지 25%의 혼합물이 바람직하다.
메틸 디페닐 에탄은 다음과 같은 화학적 구조를 갖는다
상기식 에서,
Rl은 메틸그룹이며 :
R2, R3및 R4는 메틸그룹이거나 수소이다. 유전액 조성물에 사용되는 알킬 디페닐은 다음과 같은 화학적 구조로 나타낼 수 있다.
또는
상기식에서,
R5는 탄소수 1내지 4의 알킬그룹이며 :
R6은 탄소수 1 내지 4의 알킬그룹 또는 수소이다.
모노-또는 디-프로필 디페닐이 바람직하며, 노말 프로필 및 이소프로필 유도체가 모두 사용될 수 있다.
유전액 조성물의 두 가지 성분을 혼합하는 데는 특별한 공정이 필요하지 않으며, 이들은 실온 또는 상승된 온도에서 혼화할 수 있다.
유전액 조성물은 또한 작용중에 축전기중의 액체 함침물 및 다른 물질로부터 유리되거나 생성되는 분해 생성물을 중화시킬 수 있는 에폭사이드 스카벤져 0.01 중량% 내지 10.0중량%, 바람직하게는 약 0.2 중량% 내지 1.5중량 %를 함유할 수 있다.
중화제 또는 스카벤져는 1,2-에폭시-3-펜옥 시프로판 : 비스(3,4-에폭시-6-메틸사이클로헥실메틸)아디프테이트 : 1-에폭시에틸-3,4-에폭시사이클로헥산 : 3,4-에폭시-사이클로헥실메틸-3,4-에폭시사이클로 헥산카복실레이트; -3,4-에폭시-6-메틸 사이클로헥실메틸-3,4-에폭시-6-메틸사이클로헥산 카복실레이트 및 이들의 흔합물일 수 있다. 에폭시 화합물은 분해 생성물을 효과적으로 신속하게 중화시키기 때문에 축전기의 유전성 및 사용기간을 개선시킨다.
유전액 조성물은 또한 산화방지제 약 5.0% 이하, 바람직하게는 약 0.01% 내지 약 0.2%를 함유할 수 있다. 사용될 수 있는 산화방지제로는 디-3급-부틸페놀, 디-3급-부틸-파라크레졸 등이 있다.
또한, 유전액 조성물은 안트라퀴논, 베티-메틸안트라퀴논 또는 베티-클로르안트라퀴논과 같이, 코로나 저항을 개선시키는 성분 약 2% 이하, 바람직하게는 약 0.01% 내지 0.5%를 함유할 수도 있다.
본 발명 축전기를 처리함에 있어, 축전기 팩을 함유하는 축전기 케이스는 일차적으로, 바람직하게는 60℃미만의 온도에서 축전기 내부의 수중기와 다른 가스가 제거되기에 충분한 시간동안 진공 건조시킨다. 일반적으로 500미크론 미만, 바람직하게는 100미크론 이하의 진공이 사용되며, 건조 시간은 진공의 정도에 따라 결정되지만 통상은 40시간 이상이다.
유전액 조성물은 따로 진공 처리하여 가스를 제거하는데, 이러한 탈가스 처리에는 100미크론 미만의 진공이 이용되며 50미크론 미만의 진공이 바람직하다. 탈가스를 촉진시키기 위해, 액체를 밀폐계를 통해 순환시키거나 교반 또는 혼합하여 액체를 진탕시킬 수 있다. 탈가스 처리 기간은 액체의 점도, 진공도 및 교반의 형태에 따라 결정된다. 일반적으로 액체는 12시간 이상동안 진공 처리하며 탈가스 처리중에 온도는 60℃이하로, 바람직하게는 실온으로 유지시킨다.
그후, 탈가스된 유전액 조성물을 축전기 케이스 내에 도입시키며, 이때 약 0.1 내지 5.0psig 범위의 정압(positive pressure)이 유전액에 적용된다. 정압에 의해 케이스의 벽이 그 탄성한계내에서 팽창하여 케이스의 내부 용적이 약간 증가하게 된다. 정압은 24시간 이상동안 액체에 대해 유지되며, 그후 케이스는 약간의 정압을 유지시키면서 밀봉한다.
밀봉시킨 후, 축전기를 24시간 이상 동안 약 65℃의 상승된 온도에서 처리하여 유전액 조성물에 의한 유전층의 함침을 확실하게 한다.
케이스 중의 액체에 대한 정압의 적용은 처리 과정중의 중요한 요인이다. 유전액 조성물은 축전기의 금속 케이스보다 약 10배 더 큰 열팽창 계수를 갖는다. 사용시에, 축전기가 과도하게 낮은 온도에 노출되는 경우 액체 용적의 감소는 확장된 케이스의 수축에 의해 보상되기 때문에, 저온에서 케이스 내에 진공이 발생되지 않는다.
케이스를 부압(negative pressure) 또는 대기압하에서 밀봉 시키는 경우에, 축전기의 냉각으로 액체용적의 감소가 일어나며 케이스 내에 부분진공이 형성될 수 있다. 부분 진공은 방전초기전압(DIV) 및 방전소멸 전압(discharge extinction voltage : DEV)을 감소시킬 수 있다. 부분 방전에 의해 야기된 손상은 축적될 수 있기 때문에, 축전기의 조기 파손이 일어날 수 있다. 그러므로, 액체에 대한 정압의 적용은 케이스를 팽창시키는 중요한 기능을 제공하여, 축전기가 냉각되는 경우, 액체 용적의 감소가 케이스의 수축에 의해 보상되므로 케이스 내에서 진공의 발생을 방지할 수 있다.
본 발명의 축전기를 처리하는 한예로, 축전기는 대략의 크기가31/2"×5"×25"인 케이스 및 총두께 1.5mil인 폴리로필렌 필름과 두께 0.22mil의 알루미늄박의 두가지 판의 교대층으로 형성된 축전기 팩으로 구성된다. 크래프트지 절연층은 케이스의 내벽에 적용된다.
축전기 케이스는 일차적으로 50℃의 온도로 미리 가열하며 그후 50℃의 온도를 유지시키면서 48시간동안 100미크론 미만의 진공에서 처리한다. 그후, 케이스를 진공 라인으로부터 분리하여, 실온으로 냉각시킨다. 그후, 축전기를 함침기의 진공라인에 연결하여 실온에서 24시간동안 100미크론 미만의 진공하에 유지시켜 축전기를 완전하게 건조시킨다.
1,1-비스(3,4-디메틸페닐)에탄(DXE, Gulf Oil chemicals co.) 약 33중량 % 및 이소-프로필 디페닐(Sun X-487-17, Sun Oil Co.; 이러한 이소-프로필디페닐은 대략 모노-이소프로필 디페닐 95.5%, 디-이소프로필디페닐 4% 및 디페닐 0.5%로 이루어진다) 67중량 %로 이루어진 유전액 조성물은 액체를 밀페계를 통해 12시간동안 순환 시키면서 실온하, 100미크론 미만의 진공에서 처리하여 따로 탈가스시킨다. 탈가스시킨후, 유전액 조성물을 탈가스된 케이스내로 펌프시키고 액체에 0.5psig의 정압을 적용시킨다. 액, 를 이러한 정압하에, 실온에서 72시간동안 유지시킨다. 압력에 의해 케이스의 벽은 케이스 용적이 약 10%증가되도록 확장된다. 정압을 유지시키면서 케이스를 밀봉한다.
밀봉시킨 후, 축전기를 압력 라인으로부터 분리하여 약 44시간동안 65℃의 온도로 가열하여 폴리프로필렌 필름이 유전액에 의해 완전하게 함침되도록 한다.
축전기에 사용된 유전액 조성물은 제3도의 그래프로 설명되는 바와같이 낮은 유전손실율을 갖는다. 이 그래프는 1,1-비스(3,4-디메틸페닐)에탄(DEX, Gulf Oil chemicals Co.)과 이소-프로필 디페닐(SUN X-489-17, Sun Oil Co.)의 여러가지 혼합물에 대한산일율을 도시한 것이다. 산일율은 발스바우셀(Balsbaughcell)과 ASTM-D-924시험방법을 사용하여 측정한다. 시험은 케이스와 셀의 중심전극 사이의 간격을 50mil로 하고 5CC볼트에서 수행한다. 시험결과는, 제3도에 보는 바와 같이, 메틸 디페닐 에탄과 프로필 디페닐의 혼합물의 산일율이 메틸 디페닐 에탄의 증가 퍼센트만큼 감소됨을 나타낸다. 이것은 본 발명의 조성물이 매우 낮은 유전손실율을 가짐을 나타내는 것이다.
본 발명의 축전기는, 1,1-비스(3,4-디메틸페닐)-에탄(DEX, Gulf Oil chemicals Co.) 25중량 % 및 이소-프로필 디페닐(SUN X-489-17, Sun Oil Company) 75중량 %를 사용하여 본 발명에 따라 제조된 소형 축전기의 방전 초기 전압(DIV)과 함침액으로 모노-클로로디페닐 옥사이드 약17중량 % 및 부틸모노클로로디펜닐 옥사이드 83중량%의 혼합물을 사용한 유사한 소형 축전기의 DIV를 비교한 제5도에서 설명되는 바와같이, 탁월한 부분방전 특성을 가지고 있다.
모든 축전기 샘플은 총두께 1.0mil의 폴리프로필렌필름과 공칭두께 0.25mil의 변형된 알루미늄 박을 포함하고 있다. 폴리프로필렌 필름과 알루미늄 박은 팩내에 나선형으로 권취되어 있으며 약 20미크론의 진공하, 20℃에서 120시간동안 진공 건조시킨 강철 제이스내에 삽입시킨다. 각 경우에, 유전액은 따로 100미크론 미만의 진공하, 실온에서 48시간 동안 진공 탈가스시킨다. 유전액을 각각의 축전기 케이스에 도입시키고 약 20미크론의 진공하, 실온에서 96시간동안 유지시킨다. 함침시킨 후에, 진공상태를 풀고 축전기를 밀봉한다.
축전기 샘플은 1000볼트/mil에서 500시간 이상동안, 실온에서 전기적 용력하에 작용시킨다. 이렇게 작용시킨 후에, -40℃ 내지 +90℃ 범위의 여러 온도에서 DIV를 측정한다.
제5도에서의 곡선은, 본 발명의 축전기 샘플(곡선 A)이 모노클로로디페닐 옥사이드의 혼합물을 사용한 유사한 축전기 샘플(곡선 B)에 비해 전 온도범위에 걸쳐 더 큰 DIV를 가지는 것을 나타낸다. 본발명 축전기의 증가된 DIV는 정상적인 작용 응력이 코로나 전압보다 충분히 낮은 값으로 유지되도록 하기 때문에 개선된 안전역을 제공한다. 반대로, 본 발명 축전기의 개선된 코로나 특성은 작용응력에 대한 DIV의 비에 나쁜 영향을 미치지 않고 mil 당 볼트의 값을 증가시킬 수 있도록 한다.
함침액으로 메틸 디페닐 에탄과 알킬 디페닐의 조합을 사용하는 축전기는, 유전액으로 개개성분을 사용한 유사한 축전기에 비해, 매우 낮은 작용 온도에서 기대치 못했던 현저한 DIV의 증가를 나타냄을 알게 되었다. 이와 관련하여, 제4도는 -40℃에서 1,1-비스(3,4-디메틸페닐)에탄(DEX, Gulf Oil Chemioals Co.)과 이소-프로필 디페닐(SUN) X-489-17, Sun Oil Co.)의 여러가지 혼합물을 사용한 축전기의 DIV를 도시한 그래프이다. 축전기는 제도의 그래프에 나타난 데이타와 관련하여 상술한 바와 동일한 방법으로 처리된다.
제4도의 곡선으로부터, 유전액으로 메틸 디페닐 에탄 100%를 사용한 축전기의 DIV는 -40℃에서 약 1.7kv/mil이며, 반면에 이소프로필 디페닐 100%를 사용한 축전기의 DIV는 동일온도에서 약 2.3kv/mil임을 알 수 있다. 그러나 매우 놀라웁게도, 두 가지의 혼합물을 사용하면 매우 큰 DIV를 제공하게 되는데, 50-50혼합물을 사용한 축전기의 DIV는 3.0kv/mil이상이다. 매우 저온에서 개개성분중의 어느 것보다도 큰 DIV에 있어서의 증가는 전혀 기대하지 못했던 놀라운 이점이다.
제6도는 제5도와 관련하여 상술한 소형 축전기들의 산일율을 비교한 것이다. 본 발명 축전기(곡선 A)는 -50℃ 내지 +10℃의 전 온도 범위에 걸쳐 거의 일정한 산일율을 나타낸다. 한편, 함침액으로 모노클로로디페닐 옥사이드의 혼합물을 사용한 축전기는 곡선 B로 보는 바와같이 -50℃에서 매우 높은 산일율을 나타내는데, 이러한 산일율은 온도가 증가하면 급속히 감소한다. 이 데이타는 본 발명의 축전기가 특히 저온에서 매우 낮은 유전 손실율을 나타낸다는 것을 증명하는 것이다.
본 발명의 축전기는 정상적인 전 작용 온도 범위에서 상당히 높은 DIV를 갖기 때문에, 좋은 코로나 특성을 제공하며 낮은 유전 손실율을 나타낸다. 이렇게 높은 DIV, mil당 볼트를 DIV보다 충분히 낮도록 하거나, 또는 안전역을 감소시키지 않으면서 mil당 볼특를 증가시킬 수 있기 때문에 개선된 안전역을 제공한다. 매우 낮은 작용온도, -40℃의 온도에서, 메틸 디페닐에탄과 알킬 디페닐의 혼합물을 사용한 축전기는 유전액으로 개개 성분을 사용한 축전기의 DIV와 비교하여 DIV의 현저한 증가를 나타낸다.
본발명의 축전기는 또한, 특히 저온에서 매우 낮은 유전손실율을 나타낸다.
Claims (1)
- 밀봉 케이스, 밀봉케이스 중의 교대로 권취된 전기전도성 스트립과 유전층으로 구성된 축전기 팩 및 상기 유전층을 함침시키는 유전액 조성물로 이루어진 축전기에 있어서, 상기 유전액 조성물이 다음 일반식(I)의 메틸 디페닐 에탄 또는 그의 혼합물 5중량 % 내지 95중량%와 다음 일반식(Ⅱ) 또는 (Ⅲ)의 알킬디페닐 또는 그의 혼합물 95중량% 내지 5중량 %의 혼합물로 이루어짐을 특징으로 차는 축전기.
상기식에서, R1은 메틸그룹이며 ; R2, R3및 R4는 메틸그룹 또는 수소이고; R5는 탄소수 1내지 4의 알킬 그룹이며; R6은 탄소수 1내지 4의 알킬 그릅 또는 수소이다.
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